JP5387013B2

JP5387013B2 - 基板形センサの製造方法

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Publication number: JP5387013B2
Application number: JP2009018210A
Authority: JP
Inventors: 裕豊宮川; 伸幸利藤
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-01-29
Also published as: JP2010175385A

Description

本発明は、変位センサ装置に用いられる基板形センサの製造方法に関する。

金属製対象物の変位を検出する変位センサ装置においては、積層鋼板の鉄心にコイルを巻いたセンサが使用されてきた。このような変位センサ装置では、対象物の変位を、インダクタンスの変化として捉えることができる。しかし、このようなセンサの構成は、体積・重量が大きく、構成部品数も多いので、材料コストが高く、組立工数も多くなる。
一方、プリント基板のような平面上に、渦巻状のコイルを構成し、インダクタとしたものも提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。このような平面コイルの構造は、積層鋼板にコイルを巻く構造に比べて、軽量・コンパクト化に大きく寄与するものと期待される。

また、本出願人は先に、対象物のまわりを囲む円筒状のフレキシブルプリント基板に渦巻状のコイルを搭載した基板形センサを提案している（特願２００８−２９２１４３）。図１２の（ａ）は、このような基板形センサを構成するフレキシブルプリント基板の展開図の一例を示す図である。図において、このフレキシブルプリント基板１２は、変位検出用の複数のコイル（図示せず。）がプリントされる基板本体１２ａと、各コイルへの接続線をまとめて導出するための引出し部１２ｂとを備えており、基板本体部１２ａを円筒状に丸めたとき引出し部１２ｂを引っぱり出すため、図示のようなＴ字状の展開形状となっている。

特表２００６−５０９１８９号公報（図１他）特開２００５−３０３１０６号公報（段落［０００５］）

図１２の（ａ）に示したＴ字状のフレキシブルプリント基板は、ロール材からの切り抜きによって作製される。図１２の（ｂ）は、ロール材１３からフレキシブルプリント基板を切り抜く要領を示す平面図である。ハッチングを付した所が残材部であり、ハッチングの無い所は、フレキシブルプリント基板として抜かれた部分である。このように、一対のフレキシブルプリント基板の切り抜きエリアＡが向かい合わせになるように、順次抜いていく。
しかしながら、Ｔ字状の形態のため、切り抜きの配置を如何に工夫しても、抜く面積が全面積に占める割合が低く、特に、図示のＢに示す部位で無駄な残材が多くなる。すなわち、歩留まりが良くない。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、フレキシブルプリント基板によって構成される基板形センサの製造方法において、フレキシブルプリント基板をロール材料等の素材から切り抜く際の材料の無駄を低減すべく、材料面積に対する切り抜き面積の割合を向上させることを目的とする。

本発明は、フレキシブルプリント基板からなる基板本体及びこれと一体に細片状に延設された引出し部に、渦巻状のコイルを含むセンサ回路要素を搭載して所定の立体形状を構成する基板形センサの製造方法であって、前記引出し部を、前記立体形状を平面に展開した状態において前記基板本体の長手方向に長くなるように延設し、隣り合う前記基板形センサが点対称となるように、且つ、前記隣り合う基板形センサの前記引出し部が互いに向かい合わせとなるように素材上に複数の前記基板形センサを並べて配置して切り抜くことを特徴とするものである。

上記基板形センサの製造方法では、前記引出し部を、前記立体形状を平面に展開した状態において前記基板本体の長手方向に長くなるように延設し、隣り合う前記基板形センサが点対称となるように、且つ、前記隣り合う基板形センサの前記引出し部が互いに向かい合わせとなるように素材上に複数の前記基板形センサを並べて配置する。このため、切り抜きエリアを詰めて並べやすくなり、その結果、材料面積に対する切り抜き面積の割合を向上させることができる。

また、上記基板形センサの製造方法において、引出し部を、展開した状態から少なくとも１回折り曲げることにより、立体形状の一部を構成してもよい。
この場合、フレキシブルプリント基板の薄さや柔軟性を利用した折り曲げにより、容易に所望の方向へ引出し部を引き出すことができる。

また、上記基板形センサの製造方法において、展開した状態において、基板本体は長方形であり、引出し部は、基板本体の長手方向と直交する方向に引き出されてから長手方向に平行に延びるように形成してもよい。
この場合、引出し部を基板本体の長辺に沿わせる形となり、基板本体の長手方向と直交する方向に占める寸法がコンパクトになる。そのため、ロール材等の素材上で、残材面積が小さくなるように切り抜きエリアを詰めて並べることが容易である。

また、上記基板形センサの製造方法において、展開した状態において、基板本体は長方形であり、引出し部は、基板本体の長手方向の端部から同方向に延びるように形成してもよい。
この場合、全体としては長手方向の寸法が大きくなるが、単純に長い形状となる。そのため、ロール材等の素材上で、残材面積が小さくなるように切り抜きエリアを詰めて並べることが容易である。

本発明の基板形センサの製造方法によれば、フレキシブルプリント基板をロール材等の素材から切り抜く際に切り抜きエリアを詰めて並べやすくなり、その結果、材料面積に対する切り抜き面積の割合を向上させることができる。すなわち、歩留まりが良くなり、材料の無駄を低減することができる。

本発明の基板形センサの基本的要素となる平面コイルの原理を説明する図である。ＬＣ回路の周波数特性の一例を示すグラフである。（ａ）は、基板形センサの展開図であり、（ｂ）は、基板形センサの基板本体を円筒状に丸め、引出し部を所定の部位で折り曲げた状態を示す斜視図である。丸めた状態の基板形センサ（フレキシブルプリント基板）を支持し、かつ、その円筒形状を維持するための一形態を示す斜視図である。ハブユニットの断面図である。（ａ）は基板形センサの基材としての、フレキシブルプリント基板を示す展開図であり、（ｂ）及び（ｃ）は組立図である。ロール材から図６の（ａ）に示すフレキシブルプリント基板を切り抜く要領を示す平面図である。（ａ）は、他の形態のフレキシブルプリント基板を示す展開図であり、（ｂ）及び（ｃ）は組立図である。ロール材から図８の（ａ）に示すフレキシブルプリント基板を切り抜く要領を示す平面図である。（ａ）は、第２実施形態の基板形センサにおけるフレキシブルプリント基板を示す展開図、（ｂ）は組立途中の図、（ｃ）は組立完了図である。ロール材から図１０の（ａ）に示すセンサ基板を切り抜く要領を示す平面図である。（ａ）は、比較例としての基板形センサを構成するフレキシブルプリント基板の展開図の一例を示す図であり、（ｂ）は、ロール材から（ａ）に示すフレキシブルプリント基板を切り抜く要領を示す平面図である。

図１は、本発明の基板形センサの基本的要素となる平面コイルの原理を説明する図である。この平面コイル１は、（ａ）に示すように、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）からなるセンサ基板２上に、導電部を渦巻状に形成して成るコイル３を設けたものである。このような平面コイル１は、例えば、銅やアルミニウム等の金属箔が貼着されたフレキシブルプリント基板からエッチングを行って、渦巻のパターンを残すことにより製作することができる。

なお、コイル３の渦巻中心の端部は、例えばスルーホールで裏面へ導出することができる。そして、裏面にも電流の巻き方向が同じになるように（磁界が相殺しないように）コイル３を設けることにより、十分なターン数を確保することができる。コイル３は、渦巻のターン数（渦を巻いている回数）、コイルの断面積、コイルの長さ等に依存するインダクタンスＬを有するが、ターン数は２乗で関与するため、最も支配的な要素である。従って、ターン数を確保することによって、所望のインダクタンスを得ることが可能である。

（ｂ）は、平面コイル１を、変位の検出対象物４と近接対向させた状態を示す斜視図である。検出対象物４は金属製（例えば鉄系金属）であり、導電性を有する。コイル３のインダクタンスは、この検出対象物４によって影響を受ける。また、交流信号に対して、コイル３のパターンと検出対象物４との間に、パターン面積や相互間の距離に依存したキャパシタンスが現れる。従って、このような平面コイル１は、等価的に、（ｃ）に示すような並列のＬＣ回路となる。ここで、インダクタンスＬやキャパシタンスＣの値は、検出対象物４と平面コイル１とのギャップによって変化する。

上記ギャップが増大すると、交流信号に対するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣが共に低下し、逆に、ギャップが減少すると、インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣが共に上昇する。従って、ギャップの変化により、ＬＣ回路の自己共振周波数ｆ（＝１／（２π（Ｌ・Ｃ）^1/2））が変化する。
図２は、ＬＣ回路の周波数特性の一例を示すグラフである。周波数特性は、例えば自己共振周波数ｆ１でピークとなる実線の曲線であるが、自己共振周波数が低下してｆ２になると、周波数特性は破線の曲線となる。この結果、ＬＣ回路に一定の発振周波数ｆ０を供給している場合において、ＬＣ回路の出力（振幅）は、Ｖ１からＶ２に変化する。このようにして、ギャップの変化を出力の変化として検出することができる。

《第１実施形態》
次に、上記のような平面コイル１の原理を応用した、本発明の第１実施形態に係る基板形センサについて説明する。この基板形センサは、例えば変位センサ装置のセンサヘッド部分を構成するものである。
図３の（ａ）は、この基板形センサ１０の展開図である。この基板形センサ１０においては、フレキシブルプリント基板からなるセンサ基板２上に、４個のコイル３が２段に、合計８個設けられている。なお、図ではコイル３を簡略化して同心円のように描いているが、実際は、図１に示したような渦巻である（以下、同様。）。

このセンサ基板２は、コイル３を搭載する基板本体２ａと、コイル３への接続線をまとめて導出するための引出し部２ｂとを備えている。引出し部２ｂは、基板本体２ａと一体に細片状に延設されている。基板本体２ａ及び引出し部２ｂには、コイル３及び導電路のパターン（図示せず。）等のセンサ回路要素が搭載される。また、その他の電子デバイスを含めたセンサ回路要素を搭載することも可能である。

図３の（ｂ）は、上記のような基板形センサ１０の基板本体２ａを円筒状に丸め、引出し部２ｂを所定の部位で折り曲げた状態を示す斜視図である。図において、Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに直交する３方向とする。Ｙを軸方向としたとき、周方向に４個のコイル３は、位相９０度ごとに配置され、径方向に対向する一対二組のコイル３からの出力を各組で差動増幅することにより、対象物（図示せず。）のＸ方向及びＺ方向の変位をそれぞれ検出することができる。また、周方向４個のコイル３がＹ方向に２個あることにより、Ｘ方向及びＺ方向の変位は、それぞれ２系統出力（Ｘ１，Ｘ２，Ｚ１，Ｚ２）として検出することができる。

図４は、丸めた状態の基板形センサ１０（センサ基板２）を支持し、かつ、その円筒形状を維持するための一形態を示す斜視図である。図において、基板形センサ１０は、円筒状の支持部１１の内周面上に取り付けられる。内周面への固定には、例えば、耐熱樹脂接着剤を使用することができる。

支持部１１の内周面に固定された基板本体２ａの内側には、径方向の微小な隙間を確保して、検出対象物としての回転体１２が挿入される。この回転体１２とは例えば自動車の車軸である。その場合、支持部１１は転がり軸受装置の固定輪に取り付けられ、可動輪に回転体（車軸）１２が取り付けられている。そして、上記の隙間は、転がり軸受装置によって維持される。この隙間の変化によって、前述のインダクタンスＬ，キャパシタンスＣが変化する。従って、車輪に荷重が作用した際に発生する車軸の径方向の変位を、前述の出力の変化として検出することができる。

図５は、転がり軸受装置の一種であるハブユニットの断面図である。このハブユニット１００は車両に取り付けられるものであり、取り付けた状態では、図５における右側が車両のアウター側（車両の外側）であり、左側が車両のインナー側（車両の内側）である。図５において、ハブユニット１００の中心軸Ｃに沿った方向をＹ方向とし、これに直交する紙面に垂直な方向をＸ方向とし、Ｙ方向及びＸ方向の双方に直交する鉛直方向をＺ方向とする。従って、このハブユニット１００が自動車に取り付けられた状態においてＸ方向は車輪の前後水平方向となり、Ｙ方向は車輪の左右水平方向（軸方向）となり、Ｚ方向は上下方向となる。

このハブユニット１００は、主たる構造部分として、外輪１０１、内軸１０２、内輪部材１０３、ナット１０４、及び、転動体１０５を備えている。外輪１０１は、筒状部１０１ａと、この筒状部１０１ａの一部の外周面から径方向外方へ伸びたフランジ部１０１ｂとを有している。このフランジ部１０１ｂは、車体側の固定部材（図示せず。）に固定され、これによってハブユニット１００が車体に固定される。内軸１０２は、外輪１０１内に挿通される主軸部１０２ａと、車両アウター側にあって径方向外方へ延びるフランジ部１０２ｂとを有している。このフランジ部１０２ｂが、車輪のホイールやブレーキディスクの取付部となる。なお、主軸部１０２ａは、前述の回転体１２（図４）に相当する部分である。

内軸１０２の車両インナー側には、筒状の内輪部材１０３が外嵌され、さらに、内軸１０２の端部に形成された雄ねじ部１０２ｄにナット１０４が螺着されることにより、内輪部材１０３が内軸１０２に固定されている。転動体１０５は、周方向に複数個配置された玉からなる複列の構成となっている。各列の玉は保持器（図示せず。）によって周方向に所定間隔で保持されている。
このハブユニット１００において、外輪１０１は、車体側の固定部材に固定される固定軌道輪である。また、内軸１０２と内輪部材１０３とは、外輪１０１に転動体１０５を介して回転自在に支持された回転軌道輪である。外輪１０１、内軸１０２及び内輪部材１０３は、互いに同軸（中心軸Ｃ）に配置されている。

このように構成されたハブユニット１００において、図４の基板形センサ１０を支持部１１と共に、外輪１０１の内周面上に取り付けることにより、内軸１０２の変位を検出することができる。

次に、基板形センサ１０のセンサ基板２を、ロール材等の素材から作製する過程について詳細に説明する。
図６は、図３の（ａ）に示した基板形センサ１０の基材としての、センサ基板２を示す展開図である。このセンサ基板２の基板本体２ａは長方形であり、引出し部２ｂは、基板本体２ａの長手方向と直交する方向に引き出されてから長手方向に平行に延びる図示のような形状である。この場合、引出し部２ｂを基板本体２ａの長辺に沿わせる形となる。

図７は、ロール材１３から図６の（ａ）に示すセンサ基板２を切り抜く要領を示す平面図である。上記のように、引出し部２ｂを基板本体２ａの長辺に沿わせる形であることにより、基板本体２ａの長手方向と直交する方向に占める寸法がコンパクトになる。そのため、ロール材等の素材上で、残材面積が小さくなるように切り抜きエリアを詰めて並べることが容易である。切り抜きエリアＡ間の残材の部分Ｂは、図１２の（ｂ）との比較により明らかなように、非常に小さくなる。従って、材料面積に対する切り抜き面積の割合を向上させることができる。すなわち、歩留まりが良くなり、材料の無駄を低減することができる。

図６に戻り、（ａ）に示すセンサ基板２の基板本体２ａを、（ｂ）に示すように円筒状に丸める。なお、このような円筒形状は、実際には支持部１２（図４）によって維持される。さらに、引出し部２ｂを根元の二箇所で折って、（ｃ）に示す完成形態となる。引出し部２ｂの根元の折り曲げは、図４より明らかなように支持部１１の端面や外周面に沿わせて接着等により固定するに好適である。

なお、上記実施形態では、引出し部２ｂが基板本体２ａの長手方向と平行に延びるようにしたが、必ずしも平行でなくてもよい。図８の（ａ）は、引出し部２ｂが、基板本体２ａの長手方向と若干の角度（例えば１０度以下）を成しているセンサ基板２の一例である。この場合も、（ｂ）に示すように基板本体２ａを円筒状に丸めて、（ｃ）に示すように引出し部２ｂの根元を折り曲げることにより、図６と同様の構成を得ることができる。

図９は、ロール材１３から図８の（ａ）に示すセンサ基板２を切り抜く要領を示す平面図である。この場合、引出し部２ｂは、その先端側になるほど基板本体２ａから離れるが、この程度の離れ方であれば、例えば切り抜きエリアＡを向かい合わせにすることにより、材料の無駄を低減する効果を得ることができる。

《第２実施形態》
次に、本発明の第２実施形態に係る基板形センサについて、その特徴部分であるセンサ基板２についてのみ説明する。コイル３の配置その他は、第１実施形態における基板形センサ１０と同様である。
図１０の（ａ）は、センサ基板２を示す展開図である。このセンサ基板２の基板本体２ａは長方形であり、引出し部２ｂは、基板本体２ａの長手方向の端部から同方向に延びる。この場合、全体としては長手方向の寸法が大きくなるが、単純に長い形状となる。そのため、ロール材等の素材上で、残材面積が小さくなるように切り抜きエリアを詰めて並べることが容易である。

図１１の（ａ）及び（ｂ）は、ロール材１３から図１０の（ａ）に示すセンサ基板２を切り抜く要領を示す平面図である。上記のように、センサ基板２は単純に長い形状であるため、基板本体２ａの長手方向と直交する方向に占める寸法がコンパクトになる。そのため、ロール材等の素材上で、残材面積が小さくなるように切り抜きエリアを詰めて並べることが容易である。切り抜きエリアＡ間の残材の部分Ｂは、図１２の（ｂ）との比較により明らかなように、非常に小さくなる。図１１の（ｂ）の場合は、ロール材１３の幅は広くなるが、残材は極めて少なくすることができる。
こうして、材料面積に対する切り抜き面積の割合を向上させることができる。すなわち、歩留まりが良くなり、材料の無駄を低減することができる。

図１０に戻り、（ａ）に示すセンサ基板２の基板本体２ａを、折り曲げ線Ｌ（架空の線）で谷折りすれば、（ｂ）に示す形態となる。さらに、基板本体２ａを円筒状に丸めると、（ｃ）に示す完成形態となる。なお、この例では（ｂ）において引出し部２ｂが基板本体２ａの長手方向と直交する方向へ拡がり、（ｃ）において円筒状の基板本体２ａの軸方向に平行に延びている。但し、これは、折り曲げ線Ｌの角度によって種々変更可能であり、所望の方向へ引出し部２ｂを引き出すことができる。

以上のように、上記各実施形態に係る基板形センサ１０のフレキシブルプリント基板は、展開状態において、基板本体２ａの長手方向に長くなるように引出し部が延設されていることにより、基板本体２ａ及び引出し部２ｂは共に同じ方向性をもって拡がる。従って、ロール材等の素材から切り抜く際に切り抜きエリアを詰めて並べやすくなり、その結果、材料面積に対する切り抜き面積の割合を向上させることができる。
また、いずれの実施形態でも、フレキシブルプリント基板の薄さや柔軟性を利用した折り曲げにより、容易に所望の方向へ引出し部２ｂを引き出すことができる。

なお、上記各実施形態に係る基板形センサ１０は、円筒状の支持部１１に取り付けられるものとしたが、円筒に限らず、内面が多角形状の筒である支持部に取り付けることも可能である。
また、上記各実施形態に係る基板形センサ１０は、円筒状の支持部１１の内周面に取り付けられるものとしたが、内周面に限らず、回転体が外周側にある場合には、支持部の外周面に取り付けることも可能である。

なお、本発明の基板形センサは、転がり軸受装置に限らず種々の装置の変位検出に用いることができる。また、ターゲットを周期的に検出すれば、変位検出に基づいて速度検出や回転数検出も行うことができる。
また、本発明の基板形センサにおける検出対象物は回転体に限られるものではなく、軸動型の機器や、往復動の機器等、種々の機器における変位検出を行うことができる。

２センサ基板
２ａ基板本体
２ｂ引出し部
３コイル
１０基板形センサ
１３ロール材（素材）

Claims

フレキシブルプリント基板からなる基板本体及びこれと一体に細片状に延設された引出し部に、渦巻状のコイルを含むセンサ回路要素を搭載して所定の立体形状を構成する基板形センサの製造方法であって、
前記引出し部を、前記立体形状を平面に展開した状態において前記基板本体の長手方向に長くなるように延設し、隣り合う前記基板形センサが点対称となるように、且つ、前記隣り合う基板形センサの前記引出し部が互いに向かい合わせとなるように素材上に複数の前記基板形センサを並べて配置して切り抜くことを特徴とする基板形センサの製造方法。
前記引出し部を、展開した状態から少なくとも１回折り曲げることにより、前記立体形状の一部を構成する請求項１記載の基板形センサの製造方法。
展開した状態において、前記基板本体は長方形であり、前記引出し部は、前記基板本体の長手方向と直交する方向に引き出されてから長手方向に平行に延びるように形成する請求項１又は２に記載の基板形センサの製造方法。
展開した状態において、前記基板本体は長方形であり、前記引出し部は、前記基板本体の長手方向の端部から同方向に延びるように形成する請求項１又は２に記載の基板形センサの製造方法。