JP4868306B2

JP4868306B2 - 振動センサ

Info

Publication number: JP4868306B2
Application number: JP2006024643A
Authority: JP
Inventors: 隆仲村; 文雄木村
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-02-01
Also published as: JP2007205851A

Description

本発明は、物体が動いたときに生じる振動や傾斜を検知する振動センサに関するものである。

従来からの振動センサとしては、例えば、図９に示すような振動センサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この振動センサ１０１は、凹部を有し、中空ケースを構成する一対の電極部材１２１、１２２を、間隙を保って対向させ、その状態で成形絶縁物１２７によってそれらを固着することにより、互いに対向する電極部材１２１、１２２の凹部により空間１２３を形成する。その空間１２３の内部には、２個の導電性球体１２５、１２６を転動可能に収納されている。そして、静止状態では、その姿勢の如何に拘らず、常に２個の導電性球体１２５、１２６が互いに接触した状態で、一対の電極部材１２１、１２２に接触して、電極部材１２１、１２２相互を導通させる。さらに、振動が発生すると、その振動方向の如何に拘らず、導電性球体１２５、１２６が移動することで、電極部材１２１、１２２とを導通した状態と、導通しない状態とが繰り返され、これにより振動を検知することが可能であるとされている。
特開２００３−１６１６５３号公報

しかしながら、図９に示した従来の振動センサ１０１は、導電性球体１２５、１２６が互いに衝突したり、導電性球体１２５、１２６と電極部材１２１、１２２が衝突したりすることで、金属同士の衝突音が著しく発生してしまう。このような衝突音は、例えば、身体に装着する運動計測装置などにこの振動センサに搭載した場合においては、使用者に不快感を与えてしまうという問題があった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、振動時に発生する衝突音を軽減し、身体に装着する運動計測装置などへ搭載した場合にも、使用者に不快感を与えることが無い振動センサを提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の振動センサは、絶縁性の樹脂で形成された中空ケースと、該中空ケースの内部に転動可能に収容された導電性球体と、前記中空ケースの内面に交互に平行して配設されると共に、互いに角部を対向させた波形の第１電極及び前記第２電極と、前記中空ケースの外部に突出して設けられ、前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれと電気的に接続された第１端子及び第２端子と、を備え、前記第１電極と前記第２電極との間隔は、静止状態において、前記導電性球体が隣り合う前記第１電極と前記第２電極との間に跨って両電極に接触した状態となるように設定され、前記導電性球体は、静止状態において、前記第１電極及び前記第２電極の前記角部が対向し合う位置を安定点として、両電極に対して３点接触することで静止状態が維持されることを特徴としている。

この発明に係る振動センサによれば、絶縁性の中空ケースの内面に第１電極と第２電極とが交互に櫛歯状に配列し、静止状態においては、中空ケースに転動可能に収容された導電性球体が第１電極と第２電極とを導通させている。一方、振動が与えられると、導電性球体が中空ケースの内部で転動することによって、第１電極と第２電極との間に跨って両方に接続された状態と、片方のみに接続された状態を繰り返す。すなわち、第１端子と第２端子とを回路に接続すれば、静止状態においては回路を閉じて電気的に接続した状態を保つことができるとともに、振動が発生すると回路の開閉が繰り返されることになり、電圧の変動をもって振動を検出することができる。この際、中空ケース２の内部で導電性球体３が転動することで、繰り返し第１電極または第２電極と衝突する。しかしながら、第１電極及び第２電極が配設された中空ケースが樹脂で形成されているので、その衝撃を効果的に吸収することができる。このため、導電性球体が繰り返し衝突することによって連続的に発生する衝突音を抑えることができる
また、導電性球体は、第１電極の角部と第２電極の角部とが対向する位置を安定点として、静止した状態を保つことができる。このため、センサとしての安定性が向上するとともに、無用な衝突音の発生を防ぐことができる。また、外部から振動が与えられた時は、方向性を持たず転がるので、設置方向による感度差を無くすくことができる。

また、上記の振動センサにおいて、前記中空ケースと、前記第１電極及び前記第２電極と、前記第１端子及び前記第２端子とは、予め前記第１電極及び前記第２電極の凸パターンが表面に形成された１枚のプリント基板によって形成されており、該プリント基板を折り曲げて組み立てた多面体であることがより好ましいとされている。
この発明に係る振動センサによれば、プリント基板を折り曲げて組み立てた多面体により構成することができるので、第１電極及び第２電極を容易に形成することができ、安価に製造することができる。

さらに、上記の振動センサにおいて、前記プリント基板は、フレキシブルプリント基板であることがより好ましいとされている。
この発明に係る振動センサによれば、フレキシブルプリント基板であることで、さらに組み立てが容易となり、安価で製造することができるとともに、導電性球体が接触した際の衝突音をさらに軽減させることもできる。

また、上記の振動センサにおいて、前記導電性球体は、少なくとも表面に導電性を有した軟質材で形成されていることがより好ましいとされている。
この発明に係る振動センサによれば、表面に導電性を有していることで第１電極及び第２電極と導通することが可能であるとともに、軟質の材質で形成されていることで、第１電極及び第２電極と衝突して、中空ケースを介して発生する衝突音をさらに軽減させることができる。

本発明の振動センサによれば、内面に第１電極と第２電極が交互に配設された中空ケースと、導電性球体とを備えることで、振動を検知することができるとともに、振動時に発生する衝突音を軽減することができる。このため、身体に装着する運動計測装置などへ搭載した場合にも、使用者に不快感を与えることが無い。

（第１の実施形態）
図１及び図４は、この発明に係る第１の実施形態を示している。図１は振動センサの外観斜視図、図２は中空ケースとその内部に収容された導電性球体の関係を示す断面図、図３は導電性球体と第１電極及び第２電極との関係を示す拡大図、図４は振動センサを構成するフレキシブルプリント基板の展開図である。

図１及び図２に示すように、振動センサ１は、多面体である立方体に形成された中空ケース２と、その内部に転動可能に収容された１個の導電性球体３と、中空ケース２の内面２ａ全体に亘って配設された第１電極１１及び第２電極１２とを備えている。中空ケース２は、絶縁性の樹脂で形成されている。導電性球体３は、少なくとも表面に導電性を有しており、本実施形態においては金属で形成されている。また、図２に示すように、第１電極１１と第２電極１２とは、所定の間隔Ｌを有して交互に櫛歯状に配設されているとともに、導電性球体３が中空ケース２の内面２ａに接触する領域Ｒにおいて、少なくとも配設されている。図３に示すように、第１電極１１と第２電極１２との間に導電性球体３が配置されて静止している状態において、導電性球体３は、中空ケース２と僅かに隙間を有し、第１電極１１と第２電極１２との間に跨って常に接触するように設定されている。すなわち、第１電極１１及び第２電極１２の高さｈと、間隔Ｌと、導電性球体３の半径ｒとの間には、（ｒ−ｒ´）≦ｈ、（但し、ｒ´＝√｛ｒ^２−（Ｌ／２）^２｝）の関係が満たされている。なお、第１電極１１または第２電極１２を乗り越える傾斜角度θの臨界は、次の式で表わすことができる。θ＝ａｒｃｓｉｎ｛（Ｌ／２）／ｒ｝また、中空ケース２に外部には、第１端子１１ａ及び第２端子１２ａが突出して設けられており、第１端子１１ａと第１電極１１とが、第２端子１２ａと第２電極１２とが、それぞれ電気的に接続されている。

また、図４に示すように、振動センサ１は、中空ケース２を展開した基板２ｂと、基板２ｂ上にプリントされた第１電極１１及び第２電極１２と、これら電極と接続された第１端子１１ａ及び第２端子１２ａとで構成されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）２Ｐを折り曲げて組立てられている。本実施形態においては、中空ケース２は立方体であるから、同じ正方形の６面２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、及び２Ｆの片面に第１電極１１と第２電極１２とが交互にプリントされている。また、第１端子１１ａ及び第２端子１２ａのそれぞれは、２面２Ｄ、２Ｅの側縁に設けた突片５上に形成されている。

次に、この振動センサ１の作用について説明する。図５は、この振動センサ１が組み込まれた電子機器２０の回路図であり、回路２１に第１端子１１ａ及び第２端子１２ａが接続されている。また、第２端子１２ａ側には、電子機器本体２２の電源制御手段２３がコンデンサ２４を介して接続されている。電子機器２０としては、例えば、身体に装着して使用者の運動量を測定する運動計測装置などであり、使用者の運動の有無を振動センサ１で検知して、その検知結果に基いて、人間が運動を行っているときのみ電源制御手段２３が電子機器本体２２への電力の供給を行い、運動量を測定するものである。

人間が静止状態を保っている場合には、振動センサ１の導電性球体３も中空ケース２の内部において静止している。すなわち、図３に示すように、第１電極１１と第２電極１２とは、導電性球体３を介して導通している。このため、図５に示すように、回路２１は、振動センサ１を介して接続された状態となっており、回路２１の電圧は一定に保たれている。

そして、使用者が何らかの運動を開始すると、その振動が振動センサ１にも伝達され、導電性球体３も中空ケース２の内部で転動する。導電性球体３は、中空ケース２の内部で転動することで、第１電極１１と第２電極１２との間に跨って両方に接続された状態と、片方のみに接続された状態を繰り返す。すなわち、この状態では、回路２１を閉じた状態と、開いた状態とを繰り返すことになるので、回路２１の電圧が変動する。そして、この電圧の変動をコンデンサ２４を介して電源制御手段２３で検出することで、人間が運動を行っているときのみ、測定を行うことを可能とさせている。

上記のように、振動が発生して、振動センサ１の中空ケース２の内部で導電性球体３が転動する場合には、導電性球体３が第１電極１１及び第２電極１２に繰り返し衝突する。しかしながら、導電性球体３が金属で形成されている一方、第１電極１１及び第２電極１２が配設された中空ケースが絶縁性の樹脂で形成されているので、その衝撃を吸収することができる。このため、導電性球体３が繰り返し衝突することによって連続的に発生する衝突音を抑えることができる。特に、本実施形態においては、中空ケース２を、フレキシブルプリント基板２Ｐを折り曲げて組み立てて構成しているので、第１電極１１及び第２電極１２を簡単に形成することができて安価に製造することができると共に、中空ケース２の衝撃吸収性能を高めることができ、衝突音をさらに軽減することができる。このため、上記のようにこの振動センサ１を身体に装着する電子機器２０に組み込んだとしても、連続した衝突音による不快感を使用者に与えること無く、振動センサとしての機能を果たすことができる。

（第２の実施形態）
図６及び図７は、この発明に係る第２の実施形態を示している。図６は振動センサの外観斜視図、図７は振動センサを構成するフレキシブルプリント基板の展開図である。図６に示すように、前記第１実施形態の振動センサ１では中空ケース２を立方体で構成した場合を示したが、第２の実施形態の振動センサ３０では、中空ケース３１を正四面体（多面体）で構成している。それ以外の点は第１実施形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、振動センサ３０は、中空ケース３１を展開した基板３１ａと、基板３１ａ上にプリントされた第１電極１１及び第２電極１２と、これら電極と接続された第１端子１１ａ及び第２端子１２ａとで構成されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）３１Ｐを折り曲げて組立てられている。また、第１端子１１ａ及び第２端子１２ａは一面２２Ｄの側縁に設けた突片５上に形成されている。

この振動センサ３０は、中空ケース３１の形状が異なるだけで、第１の実施形態の振動センサ１と同様の作用効果を奏する。
（第３実施形態）
図８は第３の実施形態の振動センサの第１電極と第２電極の配置を示す図である。この振動センサ４０では、第１電極４１と第２電極４２とが、略平行に、交互に配設されているとともに、角部４１ａ、４２ａを有した波形に形成されている。

このように構成することにより、静止状態においては導電性球体は、第一の電極４１の角部４１ａと第２電極４２の角部４２ａとが対向する位置を安定点Ｓとして、導電性球体の３箇所が接触することで静止した状態を保つことができるので、振動センサとしての安定性が向上するとともに、無用な衝突音の発生を防ぐことができる。また、外部から振動が与えられた時は、方向性を持たず転がるため、設置方向による感度差を無くすことができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

なお、各実施形態において、導電性球体３は、導電性を有する金属で形成されているものとしたがこれに限るものではない。例えば、表面に導電性を有するゴムで形成されているものとしても良い。少なくとも、表面に導電性を有し、第１電極１１及び第２電極１２と導通可能であれば良く、上記のゴムのように軟質材で形成することで、振動時における衝突音をさらに軽減することができる。また、各振動センサ１、３０、４０は、フレキシブルプリント基板で構成されているものとしたが、例えば、中空ケースの各辺を形成する位置で折曲可能であるならば、通常のプリント基板を使用するものとしても良い。さらには、少なくとも中空ケースが絶縁性の樹脂で形成されていて、内面に第１電極１１及び第２電極１２が配設されていれば、必ずしもプリント基板である必要は無く、振動時に発生する衝突音を抑えることができる。

この発明の第１の実施形態の振動センサの外観斜視図である。この発明の第１の実施形態の中空ケースとその内部に収容された導電性球体の関係を示す断面図である。この発明の第１の実施形態の導電性球体と第１電極及び第２電極との関係を示す拡大図である。この発明の第１の実施形態の振動センサを構成するフレキシブルプリント基板の展開図である。この発明の第１の実施形態の振動センサを組み込んだ回路図である。この発明の第２の実施形態の振動センサの外観斜視図である。この発明の第２の実施形態の振動センサを構成するフレキシブルプリント基板の展開図である。この発明の第２の実施形態の振動センサの第１電極と第２電極の配置図である。従来の振動センサの断面図である。

符号の説明

１、３０、４０振動センサ
２、３１中空ケース
２ａ内面
２ｂ、３１ａ基板
２Ｐ、３１Ｐフレキシブルプリント基板
３導電性球体
１１、４１第１電極
１１ａ第１端子
１２、４２第２電極
１２ａ第２端子
４１ａ、４２ａ角部
Ｌ第１電極と第２電極の間隔

Claims

絶縁性の樹脂で形成された中空ケースと、
該中空ケースの内部に転動可能に収容された導電性球体と、
前記中空ケースの内面に交互に平行して配設されると共に、互いに角部を対向させた波形の第１電極及び前記第２電極と、
前記中空ケースの外部に突出して設けられ、前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれと電気的に接続された第１端子及び第２端子と、を備え、
前記第１電極と前記第２電極との間隔は、静止状態において、前記導電性球体が隣り合う前記第１電極と前記第２電極との間に跨って両電極に接触した状態となるように設定され、
前記導電性球体は、静止状態において、前記第１電極及び前記第２電極の前記角部が対向し合う位置を安定点として、両電極に対して３点接触することで静止状態が維持されることを特徴とする振動センサ。
請求項１に記載の振動センサにおいて、
前記中空ケースと、前記第１電極及び前記第２電極と、前記第１端子及び前記第２端子とは、予め前記第１電極及び前記第２電極の凸パターンが表面に形成された１枚のプリント基板によって形成されており、該プリント基板を折り曲げて組み立てた多面体であることを特徴とする振動センサ。
請求項２に記載の振動センサにおいて、
前記プリント基板は、フレキシブルプリント基板であることを特徴とする振動センサ。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の振動センサにおいて、
前記導電性球体は、少なくとも表面に導電性を有した軟質材で形成されていることを特徴とする振動センサ。