センサ

本発明は、振動等を検知するセンサに関する。

傾斜や振動等を検知するセンサには、その表面が導電体で構成された球体を電極間に移動可能に配置するものがある。特許文献1には、金メッキが施された円筒電極と、この円筒電極と絶縁されて円筒電極の両端に位置する2つの蓋電極と、円筒電極と2つの蓋電極とに区画された中空部に移動自在に収納された導電球体と、を具備するセンサが記載されている。

特開2000−39318号公報

しかし、電極に金メッキや蒸着等のメタライズを施すと、当該電極の基材に設けられた金属膜の粗さは、当該金属膜が薄ければ薄いほど当該電極の基材の粗さに影響され易い。例えばセラミックのように一般的に表面に凹凸が多く残るものを基材として選択すると、当該基材を覆う金属膜の粗さが粗くなるところ、特に導電球は何度も電極と接触及び離間を繰り返すため、導電球の表面が傷み易く、耐久性低下の原因となることが多い。

本発明は、導電球の耐久性を向上させることを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の請求項1に係るセンサは、2つの開口を有する円筒状に成形された金属製の第1電極と、前記第1電極の少なくとも一方の前記開口の側に配置された第2電極と、前記第1電極の内部空間において移動可能に収納される導電球と、前記第1電極、前記第2電極、及び前記導電球を収容するセラミック製の筐体と、を有する。

本発明の請求項2に係るセンサは、請求項1に記載の態様において、前記第2電極は、前記第1電極の一方及び他方の前記開口の側にそれぞれ配置された2つの電極であり、前記導電球は、前記第1電極と、2つの前記第2電極のいずれか一方と、に同時に接触する位置と、前記第1電極に接触して2つの前記第2電極のいずれにも接触しない位置と、2つの前記第2電極のいずれか一方に接触して前記第1電極に接触しない位置と、のいずれにも移動し得ることを特徴とする。

本発明の請求項3に係るセンサは、請求項2に記載の態様において、前記導電球は、前記第1電極との間で取り得る最大の距離が、前記第2電極との間で取り得る最大の距離とほぼ等しいことを特徴とする。

本発明の請求項4に係るセンサは、請求項1から3のいずれか1項に記載の態様において、前記導電球は、非磁性の基材と、該基材の表面を被覆する導電性材料とを含むことを特徴とする。

本発明の請求項5に係るセンサは、請求項4に記載の態様において、前記基材はステンレス鋼であることを特徴とする。

本発明の請求項6に係るセンサは、請求項1から5のいずれか1項に記載の態様において、前記筐体の内側には不活性気体が封止されていることを特徴とする。

請求項1に係る発明によれば、導電球に接触する全ての電極として基材のセラミック等がメタライズされたものを用いる場合に比べて導電球の耐久性を向上させることができる。 請求項2に係る発明によれば、無指向性の振動を検知することができる。 請求項3に係る発明によれば、振動の方向による感度のバラツキを抑制することができる。 請求項4に係る発明によれば、磁界の影響を受け難い。 請求項5に係る発明によれば、加工がし易い。 請求項6に係る発明によれば、電極及び導電球の腐食が抑制される。

本実施形態に係るセンサ9の全体構成を示す図。

センサ9をyz平面に平行な平面で切断した断面図。

センサ9をxy平面に平行な平面で切断した断面図。

センサ9の動作を説明するための図。

変形例におけるセンサ9をyz平面に平行な平面で切断した断面図。

変形例におけるセンサ9の配線の一例を示す図。

変形例における配線の端部の形状の一例を示す図。

1.実施形態 1−1.構成 図1は、本実施形態に係るセンサ9の全体構成を示す図である。以下、図において、各構成が配置される空間をxyz右手系座標空間として表す。また、図に示す座標記号のうち、円の中に点を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表し、円の中に交差する2本の線分を描いた記号は、紙面手前側から奥側に向かう矢印を表す。空間においてx軸に沿う方向をx軸方向という。また、x軸方向のうち、x成分が増加する方向を+x方向といい、x成分が減少する方向を−x方向という。y、z成分についても、上記の定義に沿ってy軸方向、+y方向、−y方向、z軸方向、+z方向、−z方向を定義する。なお、以下の説明では便宜上+z方向を上方向とし、−z方向を下方向とする。

図1(a)にはセンサ9の斜視による外観が示されている。図1(b)にはセンサ9をyz平面に平行な平面で切断した場合の外観が示されている。図1に示すようにセンサ9は筐体4によって少なくとも側面と底面とが覆われている。

図2は、センサ9をyz平面に平行な平面で切断した断面図である。図2には、図1(b)に示す矢視IIから−x方向に断面を見た状態が示されている。図2に示す通りセンサ9は、第1電極1、第2電極2、導電球3、及び筐体4を有する。

図3は、センサ9をxy平面に平行な平面で切断した断面図である。図3には、図2に示す矢視III−IIIから−z方向にセンサ9の断面を見た状態が示されている。第1電極1は、円筒状に成形された金属製の電極であり、z軸方向に沿って配置され、直径D1の内周面を有する。

第2電極2は、第1電極1の少なくとも一方の開口の側に配置された電極であり、例えば、xy平面に平行な平板状に成形されている。第2電極2は、第1電極1と電気的に絶縁するように離して配置される。

第2電極2は第1電極1の下方側(−z方向)の開口側に配置された第2電極2aと、第1電極1の上方側(+z方向)の開口側に配置された第2電極2bとで構成される。

第2電極2aは、本実施形態では、円形の板状部材であり、少なくとも表面に導電性材料を有するものであることを前提に説明をするが、後述するように、導電球3が第1電極1及び当該第2電極2aの双方と同時に接触し(後述する接続状態。)得及び導電球3が第1電極1又は当該第2電極2aのどちらか一方だけに接触し(後述する絶縁状態)得さえすれば、どのような形状及び/又はサイズであってもよい。第2電極2aの形状として、円形以外には、四角形又は三角形等が考えられる。第2電極2bは、少なくとも表面に導電性材料を有する、ほぼ四角形の板状部材であり、xy平面に沿った面積は、筐体4の上方側の開口の面積よりも大きい。第2電極2aと第2電極2bとは、z軸方向に沿って距離D4だけ離れて配置される。

導電球3は、第1電極1及び第2電極2の両方に同時に接触する位置と、これら両方の少なくともいずれか一方に接触しない位置のいずれにも移動し得るように、サイズや配置が決められている。

導電球3は、直径D3の球体である。導電球3の直径D3は、第1電極1の内周面の直径D1よりも短い。したがって、導電球3は、第1電極1の内部空間において移動可能に収納された球体である。また、導電球3の直径D3は、第2電極2aと第2電極2bとのz軸方向の距離D4よりも短い。したがって、導電球3は、同時に第2電極2aと第2電極2bの両方と接触することがなく、また、第2電極2aと第2電極2bの間の空間内を移動可能である。

導電球3は、第1電極1と第2電極2とに同時に接触するとき、第1電極1と第2電極2とを通電させるように、少なくとも表面に導電性材料を有する。

導電球3は、上述した大きさであるため、第1電極1と、第2電極2a又は第2電極2bのいずれか一方とに同時に接触する位置に移動し得る。また、この導電球3は、例えば、横向き、すなわちy軸方向に沿って重力を含む外力がかかると第1電極1だけに接触して第2電極2a及び第2電極2bのいずれにも接触しない位置にも移動する。また、この導電球3は、例えばz軸方向に沿って外力がかかり、第1電極1の内部空間の中央又はほぼ中央まで導かれると、第2電極2a又は第2電極2bのいずれか一方だけに接触して、第1電極1には接触しない位置にも移動する。

導電球3は、真球であることが望ましいが、重力を含む外力に変化が生じた際に、第1電極1の内部を移動し得る形状でありさえすれば、どのような形状であってもよい。例えば、導電球3は、高さ方向と幅方向のサイズが異なる楕円体であってもよい。なお、第1電極1のz軸方向の長さは導電球3の直径D3と同じ長さである。

筐体4の内部から導電球3を除いた状態において、第1電極1は、第2電極2a及び第2電極2bのいずれとも絶縁するように配置される。センサ9は、第1電極1と第2電極との電位差を検知する検知部と、この検知部の検知結果に応じて駆動する電気回路とを有する(いずれも図示せず)。例えば、上述した検知部が検知した電位差の変動が予め決められた閾値を超えたこと(チャタリングともいう)が上述した電気回路によって観測されたときに、この電気回路から「振動を検知した旨」の検知信号が発される。

筐体4は、セラミックの箱であって、内部空間に第1電極1、第2電極2、及び導電球3を収容する。筐体4にセラミックを用いることにより、センサ9の気密性及び耐衝撃性を高めることが可能である。また、セラミックは他の材料に比べて比較的、加工がし易いため、センサ9を小型化することが可能である。

筐体4は、複数の部材を組合せて構成されていてもよい。例えば、筐体4は、上部筒4a、下部筒4b、環状板4c、及び底板4dが組合されて構成されている。

上部筒4a及び下部筒4bは、+z方向及び−z方向に略四角形の開口を有する角筒の部材であり、上部筒4aの下方側の端部と下部筒4bの上方側の端部とが互いに接着されている。筐体4の構成部材同士の接着は、例えば、熱溶着やろう付け等で行なわれる。

上部筒4aの上方側の端部は第2電極2bと、例えば銀ろう、銅ろう、リン銅ろう等、各種の合金を用いたろう付けによって接合されている。これにより上部筒4aと第2電極2bとの接合面は密着するため、筐体4の内部空間の気密が保たれる。なお、第2電極2bは、例えばセラミック等の基材の表面にメッキ等のメタライズにより導電性を持たせた部材であってもよい。メタライズを用いることで第2電極2bの全体が金属である場合に比べて費用が抑制される。

下部筒4bの下方側の端部は環状板4cの上方側の面に接着されている。環状板4cは、その第1電極1の内部空間の中央又はほぼ中央に対応する位置においてz軸方向に貫通する穴が設けられた板材であり、この穴には第2電極2aが配置される。本実施形態において、この穴は円形であることを前提に説明をするが、第2電極2aが配置され得さえすればどのような形状及び/又はサイズであってもよく、この穴の形状として、例えば四角形又は三角形等が考えられる。

第2電極2aは、直径D2の円柱状の電極でありその高さは環状板4cの厚みと同じかやや高く成形されている。第2電極2aの直径D2と第1電極1の内周面の直径D1との差は、導電球3の半径(すなわち、直径D3の半分の長さ)よりも短い。これにより、導電球3の中心点は必ず第2電極2aの上方に配置されるため、−z方向に外力を受けている限り、導電球3は第2電極2aに接触する。

環状板4cの下方側の面には底板4dが接着されている。これにより環状板4cにおいて、第1電極1の内部空間の中央又はほぼ中央に対応する位置に設けられた穴は下方側を底板4dで閉鎖される。第1電極1の下方側の端部は、環状板4cに接着されている。底板4dの上方には、環状板4cに設けられた円形の穴に収まるように、上述した第2電極2aが蒸着等によって形成され、底板4dに対して固定されている。

1−2.動作 図4は、センサ9の動作を説明するための図である。図4(a)には、+z方向及び+y方向に重力等の外力を受けているときのセンサ9の様子が、図4(b)には、−z方向及び−y方向に外力を受けているときのセンサ9の様子が、それぞれ示されている。センサ9がy軸方向に外力を受けておらず、かつ、−z方向に外力を受けているとき、図2に示したように導電球3は第2電極2aに接触し、第1電極1の内周面及び第2電極2bのいずれとも接触しない状態となる場合がある。このとき、第1電極1と第2電極2とは絶縁している。

一方、例えばセンサ9が+z方向及び+y方向に重力を受けているとき、図4(a)に示したように導電球3は第2電極2bと第1電極1の内周面に同時に接触する。また、例えばセンサ9が−z方向及び−y方向に重力を受けているとき、図4(b)に示したように導電球3は第2電極2aと第1電極1の内周面に同時に接触する。これら図4に示した2つの状態のとき、いずれも第1電極1と第2電極2とは導電球3を介して通電する。

例えば物体にセンサ9が取り付けられた場合、その物体が静止していると、センサ9の内部で導電球3が移動しないため、導電球3は図2に示したような絶縁状態、又は、図4で示したような接続状態のいずれかの状態を取ったままになる。このとき、第1電極1と第2電極2との電位差は変化しないため、センサ9に含まれる図示しない電気回路は閾値を超える電位差の変動を観測しない。したがって、センサ9は振動を検知しない。

一方、上述した物体が例えば利用者に持ち出されるとセンサ9の内部で導電球3が移動するため、導電球3は比較的短い時間内で第1電極1及び第2電極2と接触したり離間したりする。すなわち、導電球3は、比較的短い時間内で図2に示したような絶縁状態及び図4で示したような接続状態を繰り返す。このとき、上述した検知部は閾値を超える電位差の変動を観測するように閾値が予め設定されているため、センサ9は振動を検知した旨の信号を発する。このように、センサ9は、これが取り付けられた物体が動かされていない間は信号を発さず、動かされたときに信号を発するため、例えば、鍵等の物体の盗難を防止する警報装置等に適用することができる。

ここで、円筒状に成形されたセラミック製の基材の表面を金メッキ等によってメタライズしたものを第1電極1として用いると、セラミックの表面は一般的に凹凸があるため、表面を覆う導電性材料の表面にも基材の表面に応じた凹凸が現れることがある。導電球3は、第1電極1の内周面と衝突を繰り返すため、この内周面に凹凸があると損傷を受ける可能性がある。

上述したセンサ9は、円筒状に成形された金属製の電極を第1電極1として用いるため、セラミック製基材の表面をメタライズした電極に比べて表面に凹凸が現れ難い。したがって、センサ9を上述したように構成することにより、導電球3が損傷する可能性は抑制される。

2.変形例 以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組合せてもよい。

2−1.変形例1 上述した実施形態において、第2電極2は、第1電極1の一方及び他方の開口側にそれぞれ配置された2つの電極であったが、第1電極1の一方の開口側にのみ配置された単一の電極であってもよい。この場合であっても、導電球3が、第1電極1及び第2電極2の両方に同時に接触する位置と、この両方の少なくともいずれか一方に接触しない位置のいずれにも移動し得るように構成されていればよい。

2−2.変形例2 上述した実施形態において、導電球3が第1電極1との間で取り得る最大の距離と、導電球3が第2電極2との間で取り得る最大の距離とについて言及していないが、これらがほぼ等しいように構成されていてもよい。

図4(a)に示す導電球3は、+z方向及び+y方向に外力を受けて、第2電極2bと第1電極1の内周面のうち+y方向の端に同時に接触している。また図4(b)に示す導電球3は、−z方向及び−y方向に外力を受けて、第2電極2aと第1電極1の内周面のうち−y方向の端に同時に接触している。これらのとき、導電球3が第1電極1との間で取り得る最大の距離とは、第1電極1の内周面のうち−y方向の端又は+y方向の端と導電球3との距離であるため、図4に示す距離Drである。この場合、距離Drと直径D3及び直径D1とには、Dr=D1−D3の関係がある。

また、導電球3が第2電極2との間で取り得る最大の距離とは、導電球3が第2電極2bと接している場合にはz軸方向に沿った、導電球3と第2電極2aとの距離であり、導電球3が第2電極2aと接している場合にはz軸方向に沿った、導電球3と第2電極2bとの距離であるため、図4(a)及び図4(b)に示す距離Dzである。この場合、距離Dzと距離D4及び直径D3とには、Dz=D4−D3の関係がある。

距離Drと距離Dzがほぼ等しくなるように第1電極1の内周面の直径D1、第2電極2aと第2電極2bとの距離D4、及び導電球3の直径D3を定めてもよい。

距離Drと距離Dzがほぼ等しいと、導電球3が第1電極1にも第2電極2にも同程度に接触し易くなるから、接触が起こる確率のバラツキが抑えられる。なお、距離Drと距離Dzがほぼ等しいとは、これら2つの距離の比が決められた範囲内にあることをいう。この範囲は、例えば0.9以上1.1以下等であるが、1が望ましいことはいうまでもない。

2−3.変形例3 上述した実施形態において、導電球3は、第1電極1と第2電極2とに同時に接触するとき、第1電極1と第2電極2とを通電させるように、少なくとも表面に導電性材料を有していたが、非磁性の基材と、この基材の表面を被覆する導電性材料とを含むものであれば何でもよい。基材が非磁性であることにより、導電球3は周囲の磁界の影響を受け難い。

2−4.変形例4 上述した変形例において、導電球3に含まれる非磁性の基材について具体的に限定していないが、この基材は非磁性のステンレス鋼であってもよい。基材をステンレス鋼とすることで、導電球3の作成、加工が容易になり、例えばチタンやその合金などを用いる場合に比べてその費用も抑えられる。

2−5.変形例5 上述した実施形態において、筐体4の内部空間に満たされる気体について言及していないが、筐体4の内側には例えば窒素等の不活性気体が封止されていてもよい。筐体4の内側に不活性気体が封止されていることにより、第1電極1、第2電極2、及び導電球3の腐食が抑制される。

2−6.変形例6 上述した実施形態において、第1電極1のz軸方向の長さは導電球3の直径D3と同じ長さであったが、導電球3が第1電極1の内部空間において移動可能に収納されていれば、第1電極1のz軸方向の長さは直径D3より長くても短くてもよい。

図5は、変形例におけるセンサ9をyz平面に平行な平面で切断した断面図である。図5に示すセンサ9の筐体4には、下部筒4bと環状板4cとの間に、環状板4eが配置されている。環状板4eは、筐体4の他の構成、特に環状板4cと類似のセラミックの板材であり、環状板4cよりも大きな穴がその第1電極1の内部空間の中央又はほぼ中央に対応する位置に設けられている。本変形例において、この穴は円形であることを前提に説明をするが、これに限られず、環状板4cと同様に、形状及び/又はサイズを適宜選択することができることはいうまでもなく、この穴の形状として、例えば四角形又は三角形等が考えられる。環状板4eは、下部筒4b及び環状板4cのそれぞれと熱溶着やろう付け等で接着されている。

第1電極1aは、上述した実施形態における第1電極1よりもz軸方向の長さが短い電極であり、環状板4eの上方の面であって、例えば上述した穴の周囲に接着される。一方、導電球3は、下方に向かう外力を受けているときに環状板4eよりも低い位置にある第2電極2aと接触する。

すなわち、図5に示すセンサ9において、第1電極1が筐体4と接続する面は、導電球3が下方において接触する面と異なる位置に存在する。また、第1電極1aのz軸方向の長さD10は、導電球3の直径D3よりも短い。この構成であっても、導電球3は、第1電極1aの内部空間において移動可能に収納されていればよい。

また、図5に示すセンサ9は、導電球3が、第1電極1aと、第2電極2a及び第2電極2bのいずれか一方と、に同時に接触する位置と、第1電極1aに接触して第2電極2a及び第2電極2bのいずれにも接触しない位置と、第2電極2a及び第2電極2bのいずれか一方に接触して第1電極1aに接触しない位置と、のいずれにも移動し得るように構成されている。

2−7.変形例7 上述した実施形態において、センサ9に含まれる電気回路と、その電気回路と各電極とを繋ぐ配線については限定していないが、電極と電気回路とを繋ぐ配線は筐体4の表面にメッキ、蒸着等のメタライズで設けられていてもよい。

図6は、変形例におけるセンサ9の配線の一例を示す図である。図6(a)には、図1に示す環状板4cを上方から下方に、すなわち、+z方向から−z方向に見た図が示されている。この環状板4cの上方の面には、メッキ等のメタライズにより配線5aが設けられている。図6(a)に二点鎖線で示す第1電極1の接着位置は配線5aと重なるため、第1電極1と配線5aとは電気的に接続している。配線5aは、角部C0及び角部C2に伸び、さらに筐体4の側面に伸びている。電気回路は、銅線等の端子をこれら角部C0又は角部C2に接触させることで第1電極1と電気的に接続する。

一方、図6(b)には、図1に示す底板4dを上方から下方に、すなわち、+z方向から−z方向に見た図が示されている。この底板4dの上方の面には、メッキ等のメタライズにより配線5bが設けられている。この配線5bであって、第1電極1の内部空間の中央又はほぼ中央に対応する位置に第2電極2aが蒸着等によって設けられているため、第2電極2aと配線5bとは電気的に接続している。配線5bは、角部C1及び角部C3に伸び、さらに筐体4の側面に伸びている。電気回路は、銅線等の端子をこれら角部C1及び角部C3に接触させることで第2電極2aと電気的に接続する。

なお、図示しないが、第2電極2bとろう付けされた上部筒4aの上方の面にも、メタライズによって配線が設けられていて、この配線は角部C1及び角部C3から筐体4の側面に伸びている。これにより、第2電極2aと第2電極2bとは電気的に接続する。

2−8.変形例8 上述した変形例7に示す通り、センサ9における各電極は側面の角部C0〜C3に伸びた配線によって電気回路と電気的に接続してもよいが、これらの配線はセンサ9の筐体4の底に伸びていてもよい。この場合、第1電極1に接続する配線5aの端部と、第2電極2a及び第2電極2bに接続する配線5bの端部とは、形状が異なっていてもよい。

図7は、変形例における配線の端部の形状の一例を示す図である。図7には、筐体4の底板4dを下方から上方に、すなわち、−z方向から+z方向に見た図が示されている。図6(a)に示した配線5aは、センサ9の側面のうち、角部C0及び角部C2を通って底板4dの下方の面に伸びている。また、図6(b)に示した配線5bは、センサ9の側面のうち、角部C1及び角部C3を通って底板4dの下方の面に伸びている。

図7に示す通り、配線5aの端部は正方形である。一方、配線5bの端部は正方形の一つの角が切り取られた五角形である。配線5aの端部の形状と、配線5bの端部の形状とが互いに異なっていることにより、利用者がこれらを間違い難い。

また、配線5a及び配線5bのそれぞれの端部が対角に配置されていることから、これら端部はxy平面上において2回対称である。端部の形状が異なるため、例えば図7に示す通り、中心点Oから、決められた半径rで定められる円形の範囲Rに電気回路の端子を設けると、この端子は、配線5aに接触するが、配線5bに接触しない。すなわち、電気回路を4回対称の形状としても、電気回路に設ける端子に接続させる配線を選択することが可能である。

1…第1電極、2…第2電極、2a…第2電極、2b…第2電極、3…導電球、4…筐体、4a…上部筒、4b…下部筒、4c…環状板、4d…底板、4e…環状板、9…センサ。