JP6384619B2 - センサ - Google Patents

Description

センサ、特に環境センサが提供される。

センサ、特に環境センサは、携帯電話、腕時計、アームバンドなどの携帯可能な電子式消費財の分野で多く用いられるようになっている。特にスポーツ分野で採用される場合、センサが防水（水密）であることが期待される。

特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４は、圧力センサを有する腕時計をそれぞれ記載している。侵入してくる水に対してセンサ素子を防護するために、センサ素子は撥水性のゲルで取り囲まれていてもよく、又は、隔膜によって周囲空気から分断されていてもよい。特許文献５は、センサのハウジングへの水の侵入が不透水フィルタによって防止される、車両用の圧力センサを開示している。このようなセンサは、全体のサイズが大きいこと及び/又は製造コストが高いことが多い。

米国特許第６，７５４，１３７Ｂ１号明細書 米国特許第５，５００，８３５Ａ号明細書 ドイツ特許第１０２００６０５６１２８Ｂ４号明細書 欧州特許第０６４０８９６Ｂ１号明細書 ドイツ特許出願公開第１０２００６０４０６６５Ａ１号明細書

本発明の課題は、改良されたセンサを提供することにある。

センサ素子が中に配置されたチャンバを備えるセンサが提供され、このチャンバは第１の容積の空気を有する。センサはチャンバへの管状の空気供給部を更に備え、この空気供給部は第２の容積の空気を有する。チャンバは、管状の空気供給部を除いて気密に閉鎖される。その結果、空気の交換は、チャンバと空気供給部との間でのみ行うことができる。しかしそれ以外では、空気がチャンバから逃げたり入ったりすることはできない。空気供給部を通してのセンサ素子への水の侵入は、第２の容積を画成する空気供給部の寸法によって防止される。このとき、水の侵入は、少なくとも、所定の最大外部圧力よりも低いか、又はこれに等しい外部圧力までは防止される。最大外部圧力に代えて、最大水深が設定されていてもよい。

すなわち、このようなセンサでは、センサ素子への水の侵入は空気供給部の寸法（dimensions）によって防止することができ、水の侵入に対する防護のために追加の遮蔽部材を必要とすることがない。特に、外部空間とセンサ素子との間の接続経路に配置される遮蔽部材が必要とされない。この接続経路は、特に、第２の容積の空気供給部と第１の容積のチャンバとを通過する。このような遮蔽部材が存在しないセンサは、特に低コストで製造可能である。さらに、センサの小型化が可能である。

例えば、センサは、センサ素子をセンサの外部空間から分離する防水の隔膜を有さない。例えば、センサ素子を取り囲むゲル状の遮蔽部材も必要ない。このように、周囲空気がセンサ素子に対して直接的に作用することができるので、特に正確な測定が可能である。

例えば、対象となるのは、周囲空気のような外部環境の特性を測定するためのセンサである。この種の環境センサは、例えば、圧力センサ、特に気圧センサ、湿度センサ、特に相対湿度を測定するためのセンサ、あるいはガスセンサとして構成される。ガスセンサは、例えば二酸化炭素、一酸化炭素、オゾンなどのガスの濃度を測定するために構成される。このようなセンサでは、センサ素子と周囲空気との直接的な相互作用が測定にとって好ましく、もしくは必要でさえある。

センサは、センサの水に敏感なコンポーネントまで水が侵入し得ないという意味において、防水に構成されるのが好ましい。このときセンサはセンサ素子に加えて、水に敏感なさらに別のコンポーネント、特に電気コンポーネントを有することができる。別のコンポーネントは、例えば防水のハウジングによって取り囲まれる。

１つの好ましい実施形態では、空気供給部の寸法により、センサ素子への水の侵入を防止するだけでなく、チャンバへの水の侵入も防止される。

特に空気供給部の寸法（容積）は、海水面の高さにおける大気圧においてチャンバ及び空気供給部の中に存在する空気が、外部圧力が上昇したときに第１の容積よりも決して小さくはない容積になるように選択される。大気圧のときの空気の容積は、第１及び第２の容積の合計である。センサを水中に沈めると、チャンバ及び空気供給部の内部にある空気が、当該空気の圧力が水によって作用する外部圧力に一致する程度にまで圧縮される。空気の容積は少なくともチャンバ内部の第１の容積と同じ大きさなので、この第１の容積は完全に空気が充満する。その結果、空気供給部へ侵入した水はチャンバの中にまで入ることはできない。

空気供給部の適切な寸法は、理想気体の法則から導き出すことができる。大気圧ｐ_ａｔと、まだ水がチャンバに侵入しないはずの所定の最大の外部圧力ｐ_ｍａｘのとき、第２の容積Ｖ_２と第１の容積Ｖ_１の比率について次の条件が得られる。
Ｖ_２／Ｖ_１≧ｐ_ｍａｘ／ｐ_ａｔ−１

海水面の高さにおける空気圧について１バール、水中での圧力の上昇について水深１０ｍにつき１バールと見積もると、標準条件（１バールの圧力と２０℃の温度）のとき、単位メートルでの所定の最大の水深ｄ_ｍａｘでの容積比率について次の条件が得られる。
Ｖ_２／Ｖ_１≧０．１ｍ^−１・ｄ_ｍａｘ

このように、例えば所定の最大の水深が１０ｍのとき、第２の容積は少なくとも第１の容積と同じ大きさのはずである。１つの実施形態では、第２の容積は第１の容積の少なくとも２倍の大きさである。この場合、センサ素子への水の侵入は少なくとも水深２０ｍまでは防止される。それに応じて、センサ素子への水の侵入が防止される作業圧力範囲は、例えば少なくとも１バールから２バールの外部圧力の範囲、好ましくは少なくとも１バールから３バールの外部圧力の範囲に及ぶ。

１つの実施形態では、チャンバは直方体状に構成される。チャンバは、例えば空気供給部のための開口部を有する。これは、チャンバのただ１つの開口部であることが好ましい。センサ素子から外部空間への接続経路は、チャンバと空気供給部だけを通ることが好ましい。

空気供給部は、水に沈んだときに封入されている空気が空気供給部を通って外へ逃げることができない程度に小さい最大の内径を有するのが好ましい。空気供給部の最大の内径は、空気の流入方向に対して垂直方向のチャンバの長さよりもはるかに小さいことが好ましい。例えば、内径は１ｍｍ以下である。空気供給部の長さは、空気供給部の内径よりもはるかに大きいことが好ましい。空気供給部は、例えば少なくとも５ｍｍの長さを有する。

１つの実施形態では、空気供給部は別個の部材として構成される。特に空気供給部は、チャンバのハウジングとは別個に構成され、及び／又はセンサの外側のハウジングとは別個に構成される。例えば空気供給部は、別個のチューブとして構成される。

１つの実施形態では、空気供給部は柔軟な材料で形成される。このことは、例えばハウジングへ組み付けるときに空気供給部を曲げることが可能になり、それにより、センサの、特に外側のハウジングの、幾何学的な寸法に合わせた適合化が可能となる。例えば空気供給部の材料は、シリコンを有する。

１つの実施形態では、空気供給部はセンサのハウジングに組み込まれる。特に空気供給部は、ハウジングと一体的に構成されていてもよい。例えばハウジングが射出成形法で製作され、射出成形時に空気供給部が構成される。特に空気供給部は射出成形のとき、ハウジングを通るブッシングとして形成することができる。このことは、特に低コストな空気供給部の製作を可能にする。

１つの実施形態では、空気供給部は少なくとも１つの屈曲部又は撓曲部を有する。このようにして、センサの必要な寸法を小さく抑えることができる。

センサは、例えば大気圧センサとして構成される。センサ素子は、例えば圧電抵抗式又は容量式のセンサ素子として構成される。

センサ素子は小型形状に構成されるのが好ましい。特にセンサ素子は、数ミリメートル又はこれ以下の寸法を有する。このことは、第１の容積を特に小さく抑えることを可能にする。この場合、第２の容積及び特に空気供給部の長さも、特に小さく抑えることができる。

このように、センサが全体として小型化して構成することができる。例えば、センサは携帯電話、腕時計、アームバンドなどでの利用に好適である。

次に、縮尺通りではない模式的な実施例を参照しながら、ここで説明している対象物について詳しく説明する。

１つの実施形態に基づくセンサを示す模式的な断面図である。

図１は、例えば圧力センサとして構成されるセンサ１を示している。

センサ１は、チャンバ３の中に配置されたセンサ素子２を有する。チャンバ３の内部には、第１の容積Ｖ_１の空気があり、これがセンサ素子２を部分的に包囲する。特にセンサ素子２は側方で上方に向かって第１の容積Ｖ_１で包囲される。第１の容積Ｖ_１は、管状の空気供給部４によって外部空間５と接続されている。センサ１は解放された構造部を有しており、その結果、外部から空気と水が空気供給部４に侵入することができる。

チャンバ３は部分的にハウジング６で区切られている。ハウジング６は開口部７を有しており、そこから空気供給部４が離れる方向に接続されている。図示した実施形態では、空気供給部４は部分的に開口部７へ挿入されている。空気供給部４は、例えば全部開口部７へ挿入されていてよく、あるいは外部で開口部７に接続させてもよい。チャンバ３は、例えばシールリングとして構成されるシール部材８により横方向に区切られている。このシール部材８はチャンバ３を気密状態に封止する。センサ素子２は支持体９の上に、特に配線板の上に配置される。支持体９はチャンバ３を下方に向かって区切る。

ハウジング６は、センサ１のさらに別のコンポーネントも取り囲むことができる。例えば、チャンバ３からシール部材８によって気密に封止された更に内側の空間１０に、別のコンポーネント、特に電子部品が配置される。特に、空気が充満した容積Ｖ_１は、更に内側の空間１０から気密に分離される。このときシール部材８は少なくとも作業圧力範囲内では気密であり、特に、大気圧から所定の最大圧力の間の範囲内の外部圧力のときに気密である。このように容積Ｖ_１からの空気流は空気供給部４へのみ可能であり、センサ１のそれ以外の領域へは空気流は可能でない。更に内側の空間１０は、外部空間５から気密かつ防水に閉止されるのが好ましい。このように、更に内側の空間１０の空気圧は一定であるのが好ましく、例えば常に標準圧力である。

第１の容積Ｖ_１は、第２の容積Ｖ_２を介して、外部空間５と空気透過式に接続されている。空気供給部４は、水中にセンサ１が沈んだときに、外側の開口部１１を介して水が空気供給部４に侵入できるように構成される。空気供給部４は外側の開口部１１を除いてチャンバ３とのみ空気透過式に接続されており、チャンバ３は空気供給部４を除いて気密に閉鎖されているので、空気供給部４及びチャンバ３に封入されている空気が逃げることはできない。したがって、空気供給部４とチャンバ３の内部にある空気は、空気の圧力が外部圧力に呼応する程度にまで圧縮される。空気供給部４は、外部の圧力が所定の最大圧力以下のとき、侵入する水がチャンバ３の中まで入り得ないような寸法を有している。

図示しているセンサ１は、一例として、少なくとも深さｄ_ｍａｘ＝２０ｍまで防水である。条件Ｖ_２／Ｖ_１≧０．１ｍ^−１・ｄ_ｍａｘに基づき、第２の容積は第１の容積の少なくとも２倍の大きさとなる。しばしば５０ｍの深さまでの防水性が望まれる。そのようなケースでは、第２の容積は第１の容積の少なくとも５倍の大きさとなる。

センサ素子２は、例えば２ｍｍ×２ｍｍ×０．８ｍｍ（幅×長さ×高さ）を有する。チャンバ３は、例えばシールリングの形態のシール部材８により外方に向かって区切られ、例えば２．５ｍｍの横方向の直径と、１ｍｍの高さとを有する。チャンバ３の内部の第１の容積Ｖ_１は、チャンバ容積と、センサ素子で占められている容積との差異から１．７ｍｍ^３と算出される。２０ｍの所定の最大水深の場合、少なくとも３．４ｍｍ^３の第２の容積Ｖ_２がもたらされる。このように、空気供給部４の内径が０．８ｍｍの場合、空気供給部４は少なくとも６．８ｍｍの長さを有する。

空気供給部４は湾曲した形状を有している。空気供給部４は、センサ１の外側のハウジング（図示せず）の内部に配置されるのが好ましい。特に空気供給部４は、外側のハウジングから外に突出しない。外側のハウジングがハウジング６と一体的に構成されていてもよい。例えばハウジングは、外部空間５への空気供給部４の開口部まで達する。あるいは外側のハウジングは、ハウジング６とは別個のコンポーネントとして構成されていてもよい。

１つの実施形態では、空気供給部４は別個の部材として構成される。例えば空気供給部４は柔軟な材料によって形成される。例えばこの材料はシリコンを含む。代案の実施形態では、空気供給部４は外側のハウジングに組み込まれる。例えば外側のハウジングは射出成形される。空気供給部４は射出成形法で、ハウジングを通るブッシングとして構成してもよい。

１ センサ
２ センサ素子
３ チャンバ
４ 空気供給部
５ 外部空間
６ ハウジング
７ 開口部
８ シール部材
９ 支持体
１０ 更に内側の空間
１１ 外側の開口部
Ｖ_１ 第１の容積
Ｖ_２ 第２の容積

Claims (17)

1. センサであって、
   センサ素子（２）が中に配置されたチャンバ（３）を備え、前記チャンバ（３）は第１の容積（Ｖ_１）の空気を有し、
   前記チャンバ（３）への管状の空気供給部（４）を更に備え、前記空気供給部（４）は第２の容積（Ｖ_２）の空気を有し、前記空気供給部（４）を通しての前記センサ素子（２）への水の侵入が前記第２の容積（Ｖ_２）を画定する前記空気供給部（４）の寸法によって防止され、
   前記空気供給部（４）の最大の内径は、水に沈んだときに封入されている空気が前記空気供給部（４）を通って外へ逃げることができない程度に小さいことを特徴とするセンサ。
2. 前記空気供給部（４）の寸法によって前記チャンバ（３）への水の侵入が防止されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
3. 前記空気供給部（４）の最大の内径が、空気の流入方向に対して垂直方向の前記チャンバ（３）の長さよりも著しく小さいことを特徴とする請求項１又は２記載のセンサ。
4. 前記空気供給部（４）の長さは、前記空気供給部（４）の内径よりも著しく大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のセンサ。
5. 前記第２の容積（Ｖ_２）は前記第１の容積（Ｖ_１）と少なくとも同じ大きさであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のセンサ。
6. 前記センサ素子（２）への水の侵入は、少なくとも所定の最大水深ｄ_ｍａｘメートル（ｍ）までは防止され、前記第２の容積（Ｖ_２）と前記第１の容積（Ｖ_１）の比率について次の条件
   Ｖ_２／Ｖ_１≧０．１ｍ^−１・ｄ_ｍａｘ
   が適用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のセンサ。
7. 前記センサ素子（２）への水の侵入が少なくとも２０メートル（ｍ）の水深までは防止されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のセンサ。
8. 前記センサ素子（２）への水の侵入に対して防護するための遮蔽部材を有していないことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のセンサ。
9. 隔膜として構成された遮蔽部材を有していないことを特徴とする請求項８記載のセンサ。
10. ゲルとして構成された遮蔽部材を有していないことを特徴とする請求項８又は９記載のセンサ。
11. 前記空気供給部（４）は柔軟な材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載のセンサ。
12. 前記空気供給部（４）はハウジング（６）に組み込まれていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載のセンサ。
13. 前記ハウジング（６）は射出成形されており、前記空気供給部は射出成形時に形成されることを特徴とする請求項１２記載のセンサ。
14. 前記空気供給部（４）は少なくとも１つの屈曲部又は湾曲部を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項記載のセンサ。
15. 前記センサ素子（２）は側方で上方に向かって前記第１の容積（Ｖ_１）により取り囲まれていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項記載のセンサ。
16. 携帯電話、腕時計又はアームバンドでの利用に適していることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項記載のセンサ。
17. 圧力センサ、湿度センサ又はガスセンサとして構成されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項記載のセンサ。

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