JP3622505B2

JP3622505B2 - 傾斜センサ

Info

Publication number: JP3622505B2
Application number: JP15826598A
Authority: JP
Inventors: 聡蔵本; 孝吉飛田
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2018-06-08
Also published as: JPH11281354A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、傾斜角度を検出する静電容量式の傾斜センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の静電容量式の傾斜センサは、一般に一対の差動電極と、この差動電極に対して空隙を隔てて対向する共通電極と、一対の差動電極及び共通電極が収納されると共に、差動電極及び共通電極間で液面が傾斜に応じて変化するように誘電性液体が封入された液体封止部材（ケース）とを備える（例えば実開平５−３８５１６号：「傾斜センサ」、実公平５−１４１６８号：「静電容量式傾斜センサ」参照）。
【０００３】
傾斜センサの具体的な構造は、例えば図２６及び図２７に示すようなものである。図２６に示す傾斜センサでは、基板７０に設けられた一対の差動電極７１に空隙を隔てて対向して共通電極７２が配置され、更に差動電極７１及び共通電極７２が収納され且つ誘電性液体が封入される液槽７４が両面テープ７３で基板７０に固着される。液槽７４の表側にはシールド板７５が取付けられると共に、基板７０の裏側にもシールド板７６が取付けられる。又、基板７０には、外部回路接続用のコネクタ７７がリード線７８を介して接続される。この一体化物がケース８０に収納され、ケース８０の上部にカバー８１が取付けられる。
【０００４】
図２７に示す傾斜センサでは、基板９０に一対の差動電極９１が起立状に対向して取付けられ、この差動電極９１が支柱９２に差し込まれて支持され、支柱９２が誘電性液体を封入する液槽を兼ねる共通電極９３に収納される。更に、共通電極９３がカバーシールド９４に収容される。基板９０には、コネクタ９５がリード線９６を介して接続される。この一体化物がケース１００に収納される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような構造を持つ従来の傾斜センサでは、次のような問題点がある。
（Ａ）検出精度を確保するためには差動電極と共通電極との間の空隙を高精度に管理する必要があり、そのため部品単体の寸法管理、組立寸法の管理を厳重に行わなければならない。しかしながら、従来の傾斜センサは、その構造から手組立となるため、大量生産への対応や検出精度の安定性には限界がある。
（Ｂ）誘電性液体を低コストで確実に密封するために、ケース（上記傾斜センサでは、液槽７４や液槽兼用の共通電極９３）と差動電極を設けた基板との接合面を接着剤や接着テープ等で密着させ、更にケースと基板をカシメピンやネジ止め等で固定する手法が用いられている。しかしながら、この手法では、次の問題点ａ〜ｆがある。
ａ）部品点数が多い。
ｂ）傾斜センサが大きくなる。
ｃ）誘電性液体の注入量が多くなり、コスト増となる。
ｄ）接着剤を使用する場合は、接着剤の硬化に時間が掛かる。
ｅ）ケースと基板との安定した接着が得られず、誘電性液体の密封に厳重な管理が必要である。
ｆ）ケースと基板との安定した接着を得るため、ケース接着面の高い寸法公差（特に平面度）、押圧治具（カシメ治具）等の高精度な製造設備が必要であり、部品及び設備が高価となり、工数も多い。
（Ｃ）応答特性を向上させるためには、即ち応答時間を短縮し、電圧逆出力を低減するためには、回路的フィルタとメカ的フィルタの併用が望ましいのであるが、メカ的フィルタを構成するために、従来は共通電極の端子で誘電性液体の急速な流動を抑制している。しかしながら、この場合は部品点数が多くなる。
（Ｄ）検出方向に対する直交方向の液面長さが長くなるため、直交軸感度が大きくなる。例えばＸ軸方向を検出する傾斜センサでは、Ｙ軸方向の傾きによる誤動作が大きくなる。
（Ｅ）機能回路基板上にケースを取付けるため、小型化が困難である。
（Ｆ）ケース８０やケース１００にそれぞれ必要な部品を収容した後は、ケース内に樹脂を充填し、ケースを封止するが、ケースの容積が大きいため、樹脂充填量が多く、コストが高くなる。
【０００６】
従って、本発明は、そのような従来の種々の問題点に着目してなされたもので、下記の目的（１）〜（６）を達成する傾斜センサを提供することを目的とする。
（１）高精度に傾斜角度を検出する。
（２）誘電性流体を低コストで確実に密封する。
（３）応答特性を向上させる。
（４）直交軸感度を低減する。
（５）２軸方向の傾斜の検出を小型サイズで可能とする。
（６）樹脂の充填量を低減する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の傾斜センサは、センサ基板と、このセンサ基板に設けられた一対の差動電極と、この差動電極が収納されるとともにセンサ基板に取り付けられ、差動電極に空隙を隔てて対向する共通電極として機能する導電性のケースと、流体面が一対の差動電極と共通電極（ケース）間で傾斜に応じて変化するようにケース内に封入された誘電性流体とを備え、前記ケースは、差動電極に対向する内側に共通電極を有することを特徴とする。
【０００８】
この傾斜センサでは、ケースが共通電極として機能するため、一対の差動電極、共通電極、誘電性流体を封入するケースで構成される従来の傾斜センサに比べて、部品点数が少なく、工数の削減、低コストを実現することができる。又、ケースが共通電極として機能するため、誘電性流体を封入する液槽のような部品が不要であり、誘電性流体をケース内に確実に密封することができる。
【０００９】
また、一対の差動電極がセンサ基板に設けられ、このセンサ基板にケースが取り付けられていることにより、ケースとセンサ基板を安定して接合することが可能となる。その上、一対の差動電極と共通電極（ケース）との間の空隙を精確に管理でき、それにより傾斜角度を高精度に検出できる。更には、傾斜センサの小型化が可能となり、誘電性流体の必要な注入量も低減でき、これもコスト削減につながる。
【００１０】
なお、本発明の傾斜センサにおいて、ケースは共通電極として機能する導電性のものであり、差動電極に対向する内側に共通電極を有するものである。ケースの材料としては、導電性を有するものであれば特に問題はないが、切削加工した銅や真鍮、ダイカストで成形した亜鉛合金、射出成形した導電性プラスチック、プラスチックに金等の導電性材料をメッキしたものが例示される。
【００１１】
又、誘電性流体は、従来の傾斜センサに使用されているものでよく、誘電性液体としてはオイル（例えばシリコンオイル）、その他には、フッ素不活性流体、クーラント等がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
その一実施形態に係る傾斜センサの分解斜視図を図１（一方から見た斜視図）及び図２（他方から見た斜視図）に、そのセンサ基板の内面図を図３の（ａ）〔図３の（ｂ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図〕に、傾斜センサの断面図を図３の（ｂ）〔図３の（ａ）の線Ａ−Ａにおける断面図〕に、センサ基板の内面図を図４の（ａ）に、外面図を図４の（ｂ）に示す。
【００１３】
この傾斜センサは、一対の差動電極１０が設けられたセンサ基板１と、このセンサ基板１に密閉状態で取付けられる共通電極兼用の導電性のケース２とで構成される。センサ基板１は、端縁から突出する外部回路接続用の端子部１ａを有する。センサ基板１の内面には、一対の差動電極１０が図示のような扇形のパターンで形成され、この差動電極１０を包囲するように周囲にリフローパターン１１が形成されている。リフローパターン１１は、はんだ付けによりケース２が接合される部分であり、センサ基板１の端子部１ａまで延びて、一対の端子１１ａとなる。一方、センサ基板１の外面には、内面の差動電極１０がスルーホール１２を通じて延伸され、センサ基板１の端子部１ａで一対の端子１０ａとなる。又、センサ基板１の外面において、差動電極１０の延伸部分を除く殆どの表面には、外部ノイズの侵入を防ぐためのシールドパターン１３が形成され、シールドパターン１３も端子部１ａまで延び、差動電極１０の一対の端子１０ａの間で端子１３ａとなる。
【００１４】
更に、センサ基板１の内面には、誘電性流体に浸漬する位置（この場合は上下どちらの向きに傾斜センサを配置してもいいように２箇所）にメカニカルフィルタ１５が取付けられている。このメカニカルフィルタ１５は、傾斜センサが急激に傾斜した際に誘電性流体の急速な流動を抑制するもので、これを設けることで、電圧の逆出力を抑制できる。従って、メカニカルフィルタ１５は、差動電極１０やリフローパターン１１と電気的に接続されるものではなく、単にセンサ基板１の内面に取付けられているだけである。メカニカルフィルタ１５としては、例えば市販の抵抗素子を用いれば、低コストである上に、センサ基板１への自動実装が可能となり、好都合である。勿論、抵抗素子の他に、例えば単なる通常の円柱状（又は円筒状）の部材を用いてもよく、或いはそれに準ずる部材でもよい。
【００１５】
導電性のケース２は、それ自体が共通電極であり、内側に差動電極１０、メカニカルフィルタ１５及び誘電性流体等を収納する凹部２０を有する。このケース２は、例えば切削加工により形成されたものであり、センサ基板１の内面周囲に設けられたリフローパターン１１にはんだ付けされる。これにより、ケース２、即ち共通電極２が一定の空隙を隔てて差動電極１０に精確に対向すると共に、凹部２０に収納された誘電性流体が確実に密封される。
【００１６】
又、ケース２は誘電性流体を注入するための２つの注入孔２１を有し、この注入孔２１を通じてセンサ基板１とケース２で形成される空隙（凹部２０）に所定量（凹部２０の容量の半分程度）の誘電性流体が注入される。なお、誘電性流体の注入後は、注入孔２１がはんだにより封止される。勿論、注入孔２１の形状や個数は図示のものに限定されない。
【００１７】
ケース２をセンサ基板１に取付けるには、例えば図５又は図６に示すように行う。図５では、まずセンサ基板１の内面のリフローパターン１１上にクリームはんだ３０を塗布し〔図５の（ａ）参照〕、次いでチップマウンタによりケース２をクリームはんだ３０上に実装してから〔図５の（ｂ）参照〕、リフロー炉に通して、センサ基板１とケース２を接合する。図６では、センサ基板１の内面のリフローパターン１１上にはんだメッキ３１を施し、更にはんだメッキ３１上にフラックスを塗布した後、チップマウンタによりケース２をはんだメッキ３１上に実装し、続いて加熱した押圧治具３５によりケース２をセンサ基板１に押付けることで、センサ基板１とケース２を接合する。
【００１８】
別実施形態に係る傾斜センサの分解斜視図を図７に、ケース２′の斜視図を図８に示す。但し、上記と同じ要素には同一符号を付してある。この傾斜センサは、センサ基板１が前記実施形態の傾斜センサと全く同じ構造であるが、ケース２′が異なるものである。ケース２′は、プレス加工による深絞り加工によるもので、前記ケース２と同様に、内側に凹部２０を有すると共に、誘電性流体注入用の注入孔２１を有する。
【００１９】
上記のように構成された傾斜センサは、実際には図９〔外側の斜視図（ａ）、内側の斜視図（ｂ）〕に示すような傾斜検出装置に組み込まれる。この傾斜検出装置は、２軸（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）方向の傾斜を検出するもので、凸形のハウジング４０を有する。ハウジング４０は、この装置を各種機器に取付けるための一対の取付孔４１と、外部に延伸する機器接続用のケーブル４２とを有する。
【００２０】
ハウジング４０内には、図１０に示すような機能回路基板５０が配置され、機能回路基板５０に２個の傾斜センサＳ１，Ｓ２が互いに直交する方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）に取付けられている。機能回路基板５０の両面には各種電子部品が実装され、この機能回路基板５０の所定位置に形成された差し込み孔に、傾斜センサＳ１，Ｓ２の各端子部１ａがケース２を外側に又は内側にして差し込まれ、端子部１ａの各端子が機能回路基板５０の所定パターンにはんだ付けされる。なお、ケース２を内側にして差し込むと、傾斜センサＳ１，Ｓ２同士の干渉の影響は大きくなるが、外部ノイズに対しては強くなる。
【００２１】
更に、上記傾斜検出装置の内部構造について、図１１（図１２の線Ｅ−Ｅにおける断面図）、図１２（図１１の線Ｄ−Ｄにおける断面図）、及び図１３（図１１の線Ｃ−Ｃにおける断面図）を参照して説明する。ハウジング４０の上壁の内側には、機能回路基板５０に取付けられた傾斜センサＳ１，Ｓ２をそれぞれ支持する支持片５１が下方に突設され、この支持片５１を挿通する孔を有するシールド板５２がハウジング４０の上壁及び４つの側壁を覆うようにハウジング４０内に配置されている。このシールド板５２は、外部ノイズの侵入を防ぐためのものである。
【００２２】
機能回路基板５０がハウジング４０の底から収容された状態では、傾斜センサＳ１，Ｓ２は、それぞれ支持片５１で支持されると共に、シールド板５２に対向する。ハウジング４０に機能回路基板５０が収容された後は、ハウジング４０の底に樹脂が充填され、ハウジング４０が封止される。
この傾斜検出装置の検出作用は、従来のものと同様であるが、ここでその検出原理について簡潔に説明する。図１４の（ａ）において、傾斜センサの水平状態で傾斜センサ内に封入された誘電性流体の流体面が一点鎖線の位置にある場合（流体面が一対の差動電極１０の中心に位置する場合）で、傾斜センサが傾いて、流体面が図中の実線の位置に変化したとすると、誘電性流体と差動電極１０との接触面積の増減（斜線部分）をΔＳとし、また液面の水平位置と傾斜位置とのなす角度をθ、各差動電極１０と誘電性流体が形成する静電容量をＣ_１，Ｃ_２、扇形の差動電極１０の中心から外縁までの距離をｒとする。更に、図１４の（ｂ）において、センサ基板１とケース２との対向間距離、即ちケース２の凹部２０の深さをｄとする。すると、次の式が成立する。
【００２３】
ΔＳ＝πｒ^２（θ／３６０）
ΔＣ_１＝（ε_Ｓ−ε_ａｉｒ）（ΔＳ／ｄ）
ΔＣ_２＝（ε_ａｉｒ−ε_Ｓ）（ΔＳ／ｄ）
従って、全体の静電容量Ｃの変化は、

となる。
【００２４】
なお、上記実施形態では、ケース２，２′自体が共通電極である場合を説明したが、差動電極１０に対向する絶縁性のケースの内側（凹部２０）に共通電極を設けてもよい。
別実施形態に係る傾斜検出装置を図１５〔外側の斜視図（ａ）、内側の斜視図（ｂ）〕に示す。但し、前記装置と同じ要素には同一符号を付してある。この傾斜検出装置も、２軸（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）方向の傾斜を検出するもので、ハウジング４０を有するが、このハウジング４０の形状が前記のものと異なる。
【００２５】
ハウジング４０は、図１９（外側の外観斜視図）、図２０（内側の外観斜視図）及び図２１（内部平面図）に示すように、機能回路基板５０に取付けられた２個の傾斜センサＳ１，Ｓ２（図２２参照）のみを収容するセンサ収容溝４５を有する。センサ収容溝４５は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に配置された２個の傾斜センサＳ１，Ｓ２に応じてＬ字形状であり、このセンサ収容溝４５がハウジング４０の外観にＬ字状凸部４４となって現れる。又、ハウジング４０内部には、ケーブル４２を収容する溝４６が形成され、更に溝４６には、ケーブル４２に取付けられたクランプ４２ａ（図１７参照）を嵌合させる係止溝４６ａが形成されている。更に、ケーブル４０内部には、機能回路基板５０を固定するためのネジ穴４８も形成されている。
【００２６】
このようなハウジング４０には、図２２〔表側の斜視図（ａ）、裏側の斜視図（ｂ）〕に示すような機能回路基板５０が組み込まれる。この機能回路基板５０に取付けられる傾斜センサＳ１，Ｓ２は、図１０の場合と異なり、それぞれケース２を内側にして回路基板５０にはんだ付けされている。そして、傾斜センサＳ１，Ｓ２には、それぞれセンサシールド板５５が被せられる。
【００２７】
センサシールド板５５は、図２３〔裏側斜視図（ａ）、表側斜視図（ｂ）〕に示すように、傾斜センサＳ１，Ｓ２を包囲する形状であり、機能回路基板５０の配線パターンにはんだ付けされる端子５５ａと、ハウジング４０の内部空間に充填される樹脂が当該シールド板５５と傾斜センサ（センサ基板）との間の空隙に万遍なく入り込むようにするための穴５５ｂと、ハウジング４０のセンサ収容溝４５に設けられた支持片５１を嵌合させることにより位置決めするための切欠き５５ｃとを有する。傾斜センサＳ１，Ｓ２をそれぞれセンサシールド板５５で包囲することで、傾斜センサＳ１，Ｓ２の相互の電気的干渉を防ぐことができ、２軸検出の場合に有効となる。
【００２８】
図２２に示す機能回路基板５０は、ハウジング４０内部において基板シールド板６０で包囲されている。この基板シールド板６０の形態を図２４〔内側斜視図（ａ）、表側斜視図（ｂ）〕及び図２５〔内側平面図（ａ）、表側平面図（ｂ）、（ａ）の左側面図（ｃ）、（ａ）の右側面図（ｄ）〕に示す。基板シールド板６０は、傾斜センサＳ１，Ｓ２をそれぞれ挿通する四角形状の穴６１ａ，６１ｂと、機能回路基板５０の配線パターンにはんだ付けされる端子６２とを有する。機能回路基板５０を基板シールド板６０で包囲することで、外部ノイズの侵入を防ぐことができる。
【００２９】
この傾斜検出装置では、前記傾斜検出装置におけるシールド板５２の代わりに、傾斜センサＳ１，Ｓ２はセンサシールド板５５で包囲し、機能回路基板５０は基板シールド板６０で包囲するので、シールド板の形状を簡素化できる上に、外部ノイズの侵入だけでなく、センサ同士の電気的干渉も防ぐことができる。
又、ハウジング４０内に機能回路基板５０が収容された後は、ハウジング４０の内部空間に樹脂が充填され、ハウジング４０が封止される。ここに、ハウジング４０は、傾斜センサＳ１，Ｓ２のみを収容するセンサ収容溝４５を有し、センサ収容溝４５だけが他の空間に比べて深いので、必要な樹脂の充填量が減り、コストを削減できる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の傾斜センサによれば、ケースが共通電極として機能する導電性であるので、ケースと共通電極が別々の従来のものに比べて、次の効果が得られる。
（１）共通電極兼用のケースを差動電極に対して安定且つ確実に接合することができる。
（２）部品点数を低減できる。
（３）工数を削減できる。特にケースと差動電極を接合するシール工程は全て自動化が可能である。
（４）差動電極と共通電極（即ちケース）との間の空隙を精確に管理することが可能となり、傾斜角度を高精度に検出することができる。
（５）傾斜センサの小型化が可能である。
（６）誘電性流体の必要な注入量を減らすことができ、それだけコストを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態に係る傾斜センサの分解斜視図である。
【図２】図１の傾斜センサを別方向から見た分解斜視図である。
【図３】図１の傾斜センサにおけるセンサ基板の内面図（ａ）〔図３の（ｂ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図〕、及び傾斜センサの断面図（ｂ）〔図３の（ａ）の線Ａ−Ａにおける断面図〕である。
【図４】図１の傾斜センサにおけるセンサ基板の内面図（ａ）、及び外面図（ｂ）である。
【図５】図１の傾斜センサにおいて、センサ基板にケースを接合する仕方の一例を説明する概略断面図である。
【図６】図１の傾斜センサにおいて、センサ基板にケースを接合する仕方の別例を説明する概略断面図である。
【図７】別実施形態に係る傾斜センサの分解斜視図である。
【図８】図７の傾斜センサにおけるケースを別方向から見た斜視図である。
【図９】実施形態に係る傾斜センサを組み込んだ傾斜検出装置の一例を外側から見た外観斜視図（ａ）、及び内側から見た外観斜視図（ｂ）である。
【図１０】図９の傾斜検出装置に収容される、２つの傾斜センサを取付けた機能回路基板の斜視図である。
【図１１】図９の傾斜検出装置の断面図（図１２の線Ｅ−Ｅにおける断面図）である。
【図１２】図１１の線Ｄ−Ｄにおける断面図である。
【図１３】図１１の線Ｃ−Ｃにおける断面図である。
【図１４】傾斜検出の原理を説明するための図で、センサ基板の内面図（ａ）〔図１４の（ｂ）の線Ｇ−Ｇにおける断面図〕、及び傾斜センサの断面図（ｂ）〔図１４の（ａ）の線Ｆ−Ｆにおける断面図〕である。
【図１５】別実施形態に係る傾斜検出装置を外側から見た外観斜視図（ａ）、及び内側から見た外観斜視図（ｂ）である。
【図１６】図１５の傾斜検出装置の要部縦断面図である。
【図１７】図１５の傾斜検出装置の底面図である。
【図１８】図１７の線Ｈ−Ｈにおける断面図である。
【図１９】図１５の傾斜検出装置におけるハウジングの外側の外観斜視図である。
【図２０】図１５の傾斜検出装置におけるハウジングの内側の外観斜視図である。
【図２１】図１５の傾斜検出装置におけるハウジングの内部平面図である。
【図２２】図１５の傾斜検出装置における機能回路基板の表側斜視図（ａ）、及び裏側斜視図（ｂ）である。
【図２３】図２２の機能回路基板におけるセンサシールド板の裏側斜視図（ａ）、及び表側斜視図（ｂ）である。
【図２４】図１５の傾斜検出装置における基板シールド板の内側斜視図（ａ）、及び表側斜視図（ｂ）である。
【図２５】図２４の基板シールド板の内側平面図（ａ）、表側平面図（ｂ）、（ａ）の左側面図（ｃ）、及び（ａ）の右側面図（ｄ）である。
【図２６】従来例に係る傾斜センサの分解斜視図である。
【図２７】別の従来例に係る傾斜センサの分解斜視図である。
【符号の説明】
１センサ基板
１ａ端子部
２，２′ 共通電極兼用の導電性のケース
１０差動電極
１１リフローパターン
１３シールドパターン
１５メカニカルフィルタ
２０凹部
２１注入孔
４０傾斜検出装置のハウジング
４５センサ収容溝
５０機能回路基板
５２シールド板
５５センサシールド板
６０基板シールド板
Ｓ１，Ｓ２傾斜センサ

Claims

センサ基板と、このセンサ基板に設けられた一対の差動電極と、この差動電極が収納されるとともにセンサ基板に取り付けられ、差動電極に空隙を隔てて対向する共通電極として機能する導電性のケースと、流体面が一対の差動電極と共通電極（ケース）間で傾斜に応じて変化するようにケース内に封入された誘電性流体とを備え、前記ケースは、差動電極に対向する内側に共通電極を有することを特徴とする傾斜センサ。