(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定センサとして機能し、熱可塑性樹脂と軟磁性材料との混合物で構成された絶縁性の磁性体から成り、コイルを有するリング状の第１部材と、
移動センサとして機能し、熱可塑性樹脂と軟磁性材料との混合物で構成された絶縁性の磁性体から成り、リング状の前記第１部材を上下に貫通して移動可能に構成され、前記第１部材と協働して磁気回路を形成する第２部材と、
前記コイルを含む共振回路に当該共振回路の共振周波数近傍の周波数を有する信号を印加する発振回路と、
前記第１部材に対し前記第２部材が貫通移動したときの相対距離に応じて変化する前記共振回路の共振状況の変動を検出し、その変動の大きさによりＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する信号処理回路と
を備えたことを特徴とする共振式スイッチ。
【請求項２】
前記第２部材の移動方向の長さを、前記第１部材よりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の共振式スイッチ。
【請求項３】
前記磁性体における前記軟磁性材料の含有率が１０体積％以上、７０体積％以下である、請求項１または請求項２に記載の共振式スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は共振回路を利用した共振式スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車のボンネット等の開閉部分を検出するために、接点を機械式にオンオフさせるリミットスイッチ（メカスイッチ）が広く使用されている。このメカスイッチは、これを例えばボンネットスイッチに用いる場合は、通常、車体側に取りつけられ、ＯＮ／ＯＦＦ動作を行う接触片（レバー）がバネによって上方に付勢された構造になっている。そして、ボンネットを閉じると、ボンネットに取付けられた突起が上記レバーを下向きに押圧して接点をＯＮにし、ボンネットを開くと上記突起がレバーから離れ、レバーがバネによって上方に跳ね上げられて接点をＯＦＦにするようになっている。
【０００３】
このスイッチは、さらに警報装置に電気的に接続されていて、例えば、自動車の鍵穴にキーが差込まれていない状態において（差込まれている状態では運転者が操作していると判断する）、スイッチがＯＮの場合（ボンネットを閉じた場合）には警報装置が作動しないが、スイッチがＯＦＦの場合（ボンネットを開けた場合）には警報ブザが鳴るように設定され、第三者が盗難目的でボンネットを開けることを防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したメカスイッチの場合、第三者が容易にスイッチを操作してボンネットを開けることができるという問題があった。例えば、第三者がボンネットと車体の隙間に鉄片を差込んでメカスイッチのレバーを下方に押えれば、警報装置を作動させずにボンネットを開けることができる。そして、バッテリーの接続端子を外せば、警報装置の作動電源がなくなるので、鉄片をスイッチから離しても警報装置が作動することはない。
【０００５】
このようなことから、第三者が簡単に入手できる鉄片等の金属部材や木片等を用いてスイッチを操作しても、その影響を受けることなく所期の目的通りに作動するスイッチが要望されている。
本発明は、自動車のボンネットの開閉部分等に用いるスイッチにおける上記した問題を解決した共振式スイッチの提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１記載の本発明においては、固定センサとして機能し、熱可塑性樹脂と軟磁性材料との混合物で構成された絶縁性の磁性体から成り、コイルを有するリング状の第１部材と、移動センサとして機能し、熱可塑性樹脂と軟磁性材料との混合物で構成された絶縁性の磁性体から成り、リング状の前記第１部材を上下に貫通して移動可能に構成され、前記第１部材と協働して磁気回路を形成する第２部材と、前記コイルを含む共振回路に当該共振回路の共振周波数近傍の周波数を有する信号を印加する発振回路と、前記第１部材に対し前記第２部材が貫通移動したときの相対距離に応じて変化する前記共振回路の共振状況の変動を検出し、その変動の大きさによりＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する信号処理回路とを備えたことを特徴とする共振式スイッチが提供される。
【０００７】
好ましくは、前記第２部材の移動方向の長さを、前記第１部材よりも大きくする。
また好ましくは、前記磁性体における前記軟磁性材料の含有率を１０体積％以上、７０体積％以下とする。
【０００８】
【作用】
本発明は、コイルのインダクタンスが周囲の媒質の比透磁率の変化によって変動すること、コイルに非磁性の導体や木片等の非磁性体を近づけてもコイルのインダクタンスはほとんど変動しないという知見に基づくものである。また、コイルに鉄片等の磁性を有する導電体を近づけた場合には、自己インダクタンスと相互インダクタンスの影響を同時に受けるため、共振状況の変動が非常に小さいとの知見に基づくものである。
【０００９】
本発明では、第１部材と第２部材の相対距離が近接状態或いは離間状態等、所定の状態にある場合にのみ、コイルを含む共振回路が共振してその共振状況が変動するので、この変動を信号処理回路で検出することにより第１部材と第２部材の接触状態に応じてスイッチングが行われる。
また、第１部材の有するコアと第２部材のいずれもが絶縁性の磁性体から成っているので、簡単には入手しにくい、絶縁性で同等の磁気特性を有する磁性体を用いてスイッチを操作しない限り、スイッチの誤作動は生じない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の共振式スイッチの実施形態を図１乃至図７に基づいて詳細に説明する。
図１において、共振式スイッチ１は、絶縁性の磁性体から成り、コイル２１を有する第１部材(コア)２２と、絶縁性の磁性体から成る第２部材(コア片)４、及び発振回路１０、信号処理回路１２等から成っている。尚、この実施形態では、コア２２とコイル２１とでスイッチ１の固定センサ部２を構成し、コア片４が移動センサ部を構成している。
【００１１】
固定センサ部２は、コア２２にコイル２１を巻回することによって製造される。コア２２は、底面２２ｃに中心孔２２ｄが穿設されたカップ状コア２２ｂと、中心孔２２ｅを有する円盤状コア２２ａを同心に積層して構成されている（例えば、中心孔の直径１４ｍｍ、外径３４ｍｍ、高さ１０ｍｍ）。コア２２ｂの厚みはコア２２ａより厚く、コア２２ｂとコア２２ａで区画される中部空間に電線を巻回してなるコイル２１が嵌装されている。
【００１２】
コア２２ａ、２２ｂは、いずれも絶縁性の磁性体から成っていて、例えば、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトやＭｎ−Ｚｎ系フェライト等の軟磁性フェライト粉末をナイロンやポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等の合成樹脂中に所定量混入して成形したもの（軟磁性材料を含む合成樹脂、比透磁率：約５〜１５）や、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトあるいはＭｎ−Ｚｎ系フェライト等にバインダー剤を混ぜて焼結したもの（軟磁性フェライトの焼結体、比透磁率：数１００〜数１０００）を用いることができる。このとき、前記磁性体は、軟磁性材料の含有率を１０体積％以上、７０体積％以下とし、例えば、コア２２ａ、２２ｂをＭｎ−Ｚｎ系フェライトの軟磁性フェライト粉末とナイロン６とを混合して成形する場合、軟磁性フェライト粉末の含有率を約５６体積％とする。これらの材料を用いた場合、コアの比透磁率は１０程度となる。
【００１３】
コイル２１は、例えば、ポリウレタン系絶縁被膜の上にポリアミド系融着被膜をオーバーコートした巻線等の電線をそれぞれ使用目的に応じて所定回数巻回してリング状に成形したもので、一方の巻回端面がコア２２ｂの上面に面一に表出している。コイルは、リング状に成形できれば、前記電線の導体の断面形状は円形でも矩形でも何でもよい。
【００１４】
コア片４は、中心孔２２ｄ、２２ｅより外径の小さい円柱状（例えば外径１０〜１２ｍｍ、長さ１０ｍｍ）に形成され、上述したコア２２に用いたのと同様な材料を用いて製造される。
そして、固定センサ部２が車体側に、移動センサ部（コア片）４がボンネット側に取付けられ、ボンネットを閉じたときに、移動センサ部４が長手方向から中心孔２２ｄ、２２ｅに挿入されるようになっている。つまり、ボンネットを閉じたときには固定センサ部２と移動センサ部４が近接し（図１（ａ））。ボンネットを開けたときには両者が離間するようになっている（図１（ｂ））。ここで、固定センサ部２と移動センサ部４が近接するとは、実際には、コア２１と移動センサ部４が近接することをいい、図１（ａ）に示すように、移動センサ部４が固定センサ部２のコア２２とコイル２１の磁気回路を形成し、移動センサ部４の比透磁率が空気より大きいので、その結果、図１（ｂ）の状態と比較すると、図１（ａ）のコイル２１の磁気回路の実効比透磁率をが大きくなる。よく知られているのは、コイルのインダクタンスはコイルの磁気回路の実効比透磁率に比例することである。即ち、図１（ｂ）の状態と比較すると、図１（ａ）のコイル２１のインダクタンスは大きくなった。
【００１５】
ボンネットＳＷの場合では、次の性能が要求されている。即ち、ボンネットＳＷの場合、ボンネットが閉じているときには、振動、取り付けの精度などの影響で、ボンネットと車体間の距離が変動していることが考えられる。このため、センサは、ある不感帯を設けることが必要である。移動センサ部４と固定センサ部２との距離変動が、ある設定値より小さい場合では、警報回路が作動しないようにしなければならない。ある設定値より大きい場合では、センサが最も大きい感度を持って、それを検知して、警報回路に動作命令を出す。
【００１６】
本発明は、上記不感帯を簡単に設定することができる。図１に示すように、共振式スイッチ１は、移動センサ部４の移動方向の高さを固定センサ部２より約３ｍｍ大きく設計することで不感帯を設定している。移動センサ部４が、振動などの要因によって上下に３ｍｍ程度振動しても、固定センサ部２との間に形成されるギャップは殆ど変化しないため、磁気回路の実効比透磁率に与える影響は非常に小さい。しかし、共振式スイッチ１は、ボンネットの移動距離が３ｍｍ以上になると、センサの感度が急激に高くなり、盗難防止の機能が非常に高くなる。
【００１７】
また、図１に示す共振式スイッチ１は、移動センサ部４が固定センサ部２を貫通する構成上の特徴を有している。例えば、泥棒が何らかの方法で移動センサ部４のボンネットへの取付状態を壊すことをしたら、移動センサ部４が直ちに落下し、警報装置が作動する。
次に、この共振式スイッチ１の共振回路について、図２に基づいて説明する。
【００１８】
図２において、コイル２１と直列に固定抵抗Ｒ、及びパルス発振回路１０が電気的に接続され、コイル２１と並列に信号処理回路１２が電気的に接続されている。ここで、コイル２１は、自己インダクタンスＬを有するだけでなく、固有静電容量Ｃ及び所定の抵抗を有している。しかしながら巻線抵抗は極めて小さいので、以後、コイルの抵抗については無視することとする。このようにして、ＬＣ並列共振回路３０が構成され、その共振周波数ｆは
ｆ＝１／（２π√（Ｌ×Ｃ））            …（１）
で表される。そして、パルス発振回路１０は、共振周波数ｆ近傍の周波数を有するパルス信号を発振し、信号処理回路１２は、コイル２１の両端の電圧ＶLを検出する。なお、図３に示すように、信号処理回路１２は、信号増幅回路１２ａとコンパレータ回路１２ｂから成っていて、電圧ＶLは信号増幅回路１２ａで増幅された後、コンパレータ回路１２ｂに入力される。さらに、コンパレータ回路１２ｂの出力信号は警報回路１４に入力されて所定の警報ランプあるいは警報ブザーが作動するようになっている。
【００１９】
次に、本発明の共振式スイッチによってスイッチングを行う原理について、図４に基づいて説明する。図４において、固定センサ部の中心孔の直径は１４ｍｍ、コアの比透磁率μは約１０であり、さらに、コイルの巻き数は２００ターンとなっている。
まず、上記コアと同じ材料を用いて製造された移動センサ部が、固定センサ部の中心孔に挿入された場合について考える。この場合、共振回路の共振周波数は約５５０〜６００ｋＨｚとなり、この共振周波数では回路のインピーダンスが極大となるために、コイル両端の電圧ＶLも極大値を示している（特性曲線Ａ1及びＡ2）。なお、特性曲線Ａ1は、移動センサ部の外径が１２ｍｍの場合を示し、曲線Ａ2は、移動センサ部の外径が１０ｍｍの場合を示している。一方、移動センサ部が固定センサ部と離間した場合、共振周波数はより高周波側（約７００ｋＨｚ）にシフトし、コイル両端の電圧ＶLも約７００ｋＨｚで極大値を示すようになる（特性曲線Ｂ）。
【００２０】
つまり、固定センサ部と移動センサ部間の相対距離に応じて共振周波数が変化することになるが、これは、以下のようにして（１）式におけるＬが変化することに起因する。まず、固定センサ部と移動センサ部が近接した場合は、図１（ａ）に示すように、コイル２１の周囲の磁気回路Ｓ1は、コア２２と移動センサ部４（いずれも比透磁率＞１）から形成されるため、磁気回路Ｓ1の実効比透磁率は１より大きくなる。一方、両者が離間した場合には、図１（ｂ）に示すように、磁気回路Ｓ2はコア２２と中心孔２２ｄ、２２ｅに存在する空気層から形成され、回路のおよそ１／３が空気であるために、磁気回路Ｓ2の実効比透磁率はほぼ１となる。そして、Ｌは、実効比透磁率に比例するので、固定センサ部と移動センサ部が近接した場合の自己インダクタンスＬ1は、両者が離間した場合の値であるＬ2より大きくなり、その結果（１）式により共振周波数が変化する。
【００２１】
なお、コイル２１と移動センサ部４の間隔（ギャップ）が大きくなるとＬ1が低下してＬ2との差が小さくなり、後述するコイル両端の電圧ＶLの検出が困難となるので、このようなことを回避するべく、ギャップと磁気回路の長さの比が１０以下となっているのがよい。
このように、固定センサ部と移動センサ部の相対距離の変化によって共振周波数が変動することを利用し、以下の原理によってスイッチングが行われる。今、図４において、発振回路のパルス周波数を、固定センサ部と移動センサ部（外径１２ｍｍ）が近接したときの共振周波数である約５５０ｋＨｚ近傍に設定すると、共振回路３０は固定センサ部と移動センサ部が近接したときのみ共振し、このときにコイル両端の電圧ＶLは極大値ＶAを示す。一方、固定センサ部と移動センサ部が離間した場合、コイルの自己インダクタンスはＬ1からＬ2に変化して共振周波数は約７００ｋＨｚにシフトする。この場合、コイル両端の電圧は特性曲線Ｂに従い、５５０ｋＨｚ近傍におけるコイル電圧の値はＶBとなる。このとき、信号処理回路１２の基準電圧ＶRをＶAとＶBの中間の値に設定すれば、固定センサ部と移動センサ部が近接したときには入力電圧がＶRより大きくなり、両者が離間したときには入力電圧がＶRより小さくなるので、信号処理回路１２は固定センサ部と移動センサ部の相対距離を識別し、ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力することができる。
【００２２】
なお、発振回路のパルス周波数を、固定センサ部と移動センサ部が離間したときの共振周波数近傍に設定しても、上述したのと同様の原理でスイッチングを行うことができる。この場合には、固定センサ部と移動センサ部が離間したときにＶLは極大となり、両者が近接したときにはＶLは小さくなる。
次に、移動センサ部に代えて導電性の鉄製の棒（直径１２ｍｍ）を固定センサ部の中心孔に挿入した場合を考える。この場合の共振回路の共振周波数は、中心孔に何も挿入しない場合とほとんど変わらない（特性曲線Ｃ）。この理由は以下のように説明される。
【００２３】
図５において、鉄芯５０を中心孔２２ｄ、２２ｅに挿入した場合、鉄の比透磁率が高いために（μ＝６０００〜１００００程度）、コイル２１の自己インダクタンスＬ3は、移動センサ部を中心孔に挿入した場合の値（Ｌ1）より大きくなる。ところが、鉄は導電性を有するために１ターンのコイルとして機能し、コイル２１のつくる磁界Ｈ1と反対向きの磁界Ｈ2を発生する。このときのコイル２１と鉄片５０との相互インダクタンスをＭとすると、コイル２１の実効インダクタンスＬaは、
Ｌa＝Ｌ3−Ｍ              …（２）
で表される。この場合、Ｌ3が大きくなるに伴ってＭも大きくなるので、結局、Ｌaは中心孔に何も挿入されていない場合の値（Ｌ1）とほぼ同様となり、共振周波数の変化は非常に小さくなる。
【００２４】
一方、木片やプラスチックス等の絶縁体を中心孔に挿入した場合については、絶縁体の比透磁率がほぼ１であるため、コイルの周囲に形成される磁気回路の実効比透磁率は約１となり、中心孔に何も挿入されていない場合と同様である。
以上のことから、固定センサ部の中心孔に鉄製の棒や絶縁体を挿入してスイッチを操作しようとしても、実際にはスイッチには何らの変化も生じず、スイッチの誤作動が回避されることになる。
【００２５】
また、共振式スイッチ１は、コア２２ａ、２２ｂ及びコア片４を合成樹脂中に軟磁性材料所定量混入して成形しているので、割れ難く、成形加工が容易であるため、耐振動性に優れ、製造コストが安いというメリットがある。
一方、共振式スイッチ１は、コア片４がコア２２ａ、２２ｂの中心孔２２ｄ、２２ｅに挿通できれば、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、コア２２ａ、２２ｂの外形及び中心孔２２ｄ、２２ｅを多角形に形成し、コア片４も軸中心に直交する面での断面形状を多角柱状に形成しても良い。このとき、共振式スイッチ１は、コア片４と中心孔２２ｄ、２２ｅとの形状が一致する場合だけ、コア片４を中心孔２２ｄ、２２ｅに挿入することができ、セキュリティ性が高くなる。但し、共振式スイッチ１は、コア２２ａ、２２ｂにおける中心孔２２ｄ、２２ｅを円形に、コア片４を円柱状に形成すると、多角形とする場合に比べて半径方向における取付け許容誤差の範囲が最も大きいというメリットがある。
【００２６】
次に、本発明の別の実施態様について、図６に基づいて説明する。
図６において、固定センサ部８は短寸の円柱状に形成されたコア８２とコイル８１から成り、コア８２の一方の端面にはコア８２と同心にリング状の溝８２ｃが形成され、溝８２ｃに電線を巻回して成るコイル８１が嵌装されている。そして、コイル８１の一方の巻回端面はコア８２の上記端面に表出している。また、移動センサ部４０は固定センサ部８より外径の大きい円盤状に形成されている。
【００２７】
そして、固定センサ部８が車体側に、移動センサ部４０がボンネット側に取付けられ、ボンネットを閉じたときに、移動センサ部４０の一方の端面と固定センサ部８の有するコイル８１の表出面が当接するようになっている。つまり、ボンネットを閉じたときには固定センサ部８と移動センサ部４０が近接し（図６（ａ））、ボンネットを開けたときは、両者が離間する（図６（ｂ））。この実施態様においては、移動センサ部４０は固定センサ部８に挿入されないが、固定センサ部８と移動センサ部４０が近接した場合の磁気回路Ｓ3はコア８２と移動センサ部４０から形成され、固定センサ部８と移動センサ部４０が離間した場合の磁気回路Ｓ4はコア８２と空気から形成される点では、既に述べた実施態様と同様であり、スイッチングの原理も同様となるので、その説明を省略する。この実施態様では、コイル８１と移動センサ部４０のギャップをほぼ０にすることができるので、共振時のピーク電圧が大きくなるという利点がある。
【００２８】
なお、上記した各実施形態において、共振回路を構成する静電容量としてはコイルの固有静電容量のみを用いたが、これに限らず、コイルとは別のコンデンサを、コイルに並列に接続して合成静電容量とし、共振回路を構成してもよい。特に、コイルの固有静電容量は巻き数や電線の径によって変動することから、コイルの固有静電容量より静電容量の大きいコンデンサを接続すれば、安定して共振を生じさせることができる。また、コイルとは別のコンデンサを、コイルに直列に接続してもよい。
【００２９】
また、上記した各実施形態においては、共振回路の共振状態の変動として、コイル両端の電圧変動を検出する場合について説明したが、これに限定されることなく、位相の変動を検出してスイッチングすることもできる。
さらに、各実施形態においては、自動車のボンネットの開閉状態を検出するスイッチの場合について説明したが、本発明の共振式スイッチはこれに限定されることはなく、他の開閉部分等に用いることも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の共振式スイッチによれば、従来のメカスイッチに比べて、簡単に入手できる鉄等の金属部材や木片等を用いてスイッチを操作してもその影響を受けることはなく、スイッチは所期の目的通りに作動する。つまりスイッチが誤作動することが少なく、自動車のボンネットの開閉状態等を正しく検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る共振式スイッチの一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の共振式スイッチの回路図である。
【図３】信号処理回路の構成を示すブロック図である。
【図４】コイル両端の電圧とパルス周波数の関係を示すグラフである。
【図５】鉄芯がコイルに近接したときに生じる磁界を示す図である。
【図６】本発明に係る共振式スイッチの別の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明に係る共振式スイッチにおける第１部材及び第２部材の他の形態を示す平面図である。
【符号の説明】
１                共振式スイッチ
２、８            第１部材
４、４０          第２部材
２２ｄ、２２ｅ    中心孔
１０              発振回路
１２              信号処理回路
１４              警報回路
２１、８１        コイル
２２、８２        コア
３０              共振回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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