(57)【要約】【課題】製造工程が簡易であり、かつ、小型化・低コスト化が可能な傾斜センサを提供する。【解決手段】本発明の傾斜センサ１０は、基板１１と、前記基板１１上に設けられる第１駆動電極２１と第２駆動電極と、前記第１駆動電極２１と前記第２駆動電極の引き出し部近傍を除いて、前記第１駆動電極と前記第２駆動電極とを包囲するように前記基板１１上に設けられる共通電極２０と、前記基板１１の前記各電極が形成されている方の面に設けられるキャップ１３と、前記基板１１と前記キャップ１３と間に設けられた空間に封入される検出用液体１４と、を有することを特徴とする。【選択図】      図１
2010096725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられ、共に略半円形状をなす第1駆動電極と第2駆動電極と、
前記第1駆動電極と前記第2駆動電極の引き出し部近傍を除いて、前記第1駆動電極と前記第2駆動電極とを包囲するように前記基板上に設けられ、略円形状をなす共通電極と、
前記基板の前記各電極が形成されている方の面に設けられるキャップと、
前記基板と前記キャップとの間に設けられた空間に封入される非水溶液系電解液と、を有し、
前記第1駆動電極および前記第2駆動電極と前記共通電極との間で非水溶液系電解液を介して発生する抵抗値を測定することで傾斜角を得ることを特徴とする傾斜センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に電極パターンを形成し、電極パターンが形成されている方の面に設けられたキャップと基板との間に空間を作り、この空間を非水溶液系電解液と気体で満たした構造を有する傾斜センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
傾斜センサは、測量、姿勢制御などにおいて重要なデバイスであり、さらに運動物体の制御機器やモバイル機器の分野にも大きな需要がある。このような傾斜センサにおいては、その傾斜検出原理に抵抗変化を利用したもの―例えば、電解液と気泡をガラス管に封入して上下電極の抵抗変化を検出することで傾斜の検出を行う原理のもの―が知られている。このような原理を用いたものとして、例えば特許文献１（特開平９−６１１６２号公報）には、密閉容器Ａは、下面を球状凹面３ａとする天板３、円筒部材２、及び底板１を同軸に接着して構成しておき、この密閉容器Ａ内に、気泡Ｂを形成する電解液Ｌを密封し、密閉空間Ａ内における球状凹面３ａと底板１の上面１ａには、夫々気泡Ｂの位置を両者間の電気抵抗の変化として検出する電極４、５、６を形成してなる傾斜センサが開示されている。あるいは、特許文献２(特開平５−２６４２７４号公報)には、電気抵抗の変化を基に傾斜角を検出する抵抗式傾斜検出装置が開示されている。
【特許文献１】特開平９−６１１６２号公報
【特許文献２】特開平５−２６４２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に記載されているような傾斜センサでは、上下の電極を機械加工により形成する必要があるため製造工程が複雑になり、傾斜センサを小型化するにあたっての障壁となっていた。また、上記特許文献2は、交流電圧を用いるものであり、その実現には交流/直流変換回路やスイッチング回路を設ける必要があるなど、小型化や低消費電力化が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記のような課題を解決するために、本願の請求項１に係る発明は、基板と、前記基板上に設けられ、共に略半円形状をなす第1駆動電極と第2駆動電極と、前記第1駆動電極と前記第2駆動電極の引き出し部近傍を除いて、前記第1駆動電極と前記第2駆動電極とを包囲するように前記基板上に設けられ、略円形状をなす共通電極と、前記基板の前記各電極が形成されている方の面に設けられるキャップと、前記基板と前記キャップとの間に設けられた空間に封入される非水溶液系電解液と、を有し、前記第1駆動電極および前記第2駆動電極と前記共通電極との間で非水溶液系電解液を介して発生する抵抗値を測定することで傾斜角を得ることを特徴とする傾斜センサである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の傾斜センサによれば、電極が片側のみに存在する構造になるため、露光技術などを用いた電極形成（プリント基板のパタニング、リソグラフィ技術）が可能となり傾斜センサの製造工程の簡易化と傾斜センサの小型化・低コスト化を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る傾斜センサの断面を示す図であり、図２は本発明の実施形態に係る傾斜センサの外観斜視図及び基板上の電極パターンを示す図である。図１及び図２において、１０は傾斜センサ、１１は基板、１３はキャップ、１４は検出用液体、２０は共通電極、２１は第１駆動電極、２２は第２駆動電極、２５は配線部、Ｃ0、Ｃ+、Ｃ―は端子、ｇはギャップをそれぞれ示している。
【０００７】
図２（Ａ）は傾斜センサ１０の外観斜視図を示しており、傾斜センサ１０の一般的な使用姿勢を示している。すなわち、傾斜センサ１０は鉛直方向に対して配線部２５が直上となるように設定され、傾斜センサ１０は当該設定状態に対するＤ−Ｄ’方向への傾き度合いを検出するものである。また、図２（Ｂ）はキャップ１３を透明体としてみたときの傾斜センサ１０の内部構成を見た図である。図２（Ｂ）において、端子Ｃ0、Ｃ+、Ｃ―などは模式的に示したものである。また、図１において示される傾斜センサ１０の断面図は、図２（Ｂ）の基板１１上の電極パターンを線Ａ−Ａ’で切り、鉛直方向に対して図１に示すように配置したときの状態を示している。
【０００８】
傾斜センサ１０の基板１１上には、共通電極２０、第１駆動電極２１、第２駆動電極２２が図示するような電極パターンにて形成されている。第１駆動電極２１及び第２駆動電極２２は、面積がほぼ等しい略半円形状のパターンであり、それぞれに引き出し用端子Ｃ+及びＣ―が接続される構成となっている。このように、本発明の傾斜センサ１０は、電極が基板１１上のみに設けられる構造となっており、電極が設けられた２つの基板を対向させるような構造のものではないので、電極の加工精度や、基板間の間隙距離などの位置合わせ精度に労力を要することなく製造することができ、製造コストの低減を実現可能とするものである。また、上記のように本発明の傾斜センサ１０は電極が基板１１上のみに設けられる構造であるために、露光技術を用いた電極形成（プリント基板のパタニング、リソグラフィ技術）が可能となり傾斜センサ１０の製造工程の簡易化とセンサの小型化・低コスト化を可能とした。基板には、絶縁体が用いられる。具体的には、ガラス、プラスチック、セラミックなどが用いられる。また電極の材料としては、銅、金、アルミニウムなどのほかに、モリブデンなども用いることが出来る。
【０００９】
また、共通電極２０は、第１駆動電極２１及び第２駆動電極２２のパターンを囲むように形成され、引き出し用端子Ｃ0が接続される構成となっている。共通電極２０の終端Ｃ０と第２駆動電極２２の引き出し用端子Ｃ―との間には、十分な絶縁性が確保できるような距離の間隙ｇが形成される。すなわち共通電極２０は、第１駆動電極２１および第２駆動電極２２の引き出し部近傍を除いて、第１駆動電極２１および第２駆動電極２２とを包囲するように配されてなるものである。また、場合により図２において、第１駆動電極２１と第２駆動電極２２が入れ替わったとしても、なんら問題はない。すなわち、間隔ｇが共通電極２０と第１駆動電極２１との引き出し用端子Ｃ+との間にあってもよい。
【００１０】
基板１１における共通電極２０、第１駆動電極２１、第２駆動電極２２が形成された主面側には、非導電性のキャップ１３が基板１１周縁を密封するように設けられている。基板１１とキャップ１３との間に形成される内部空間には、当該内部空間の略１／２を占める検出用液体１４が封入されている。非導電性のキャップ１３の材料としては、例えばガラスやプラスチック樹脂を用いることができる。
【００１１】
この検出用液体１４としては、抵抗値が大きい液体が用いられる。より具体的には、検出用液体１４としては、特に非水溶液系電解液である炭酸プロピレン、γ―ブチルラクトン、アセトルニトルなどの液体が用いられる。検出用液体１４は、傾斜センサ１０を図２に示すような立てた状態にしたとき、共通電極２０、第１駆動電極２１、第２駆動電極２２の略半分の位置上に検出用液体１４が存在する状態となる程度の量が封入される。なお、検出用液体１４には、上記のような電気的な性質に加え、前記内部空間において、傾斜センサ１０の傾斜角θに追随して動くような物理的な性質も要求される。また、検出用液体１４は、電極を腐食しない性質が求められる。
【００１２】
以上のように構成される傾斜センサ１０は、例えば、図２に示すような基準状態からの傾斜センサ１０の傾きを検出する一軸傾斜センサとして利用する。
【００１３】
次に、以上のような構成の傾斜センサ１０を用いて傾斜角θを検出する原理の概略について説明する。図３は本発明の実施形態に係る傾斜センサの使用状況を示す図であり、図４は本発明の実施形態に係る傾斜センサで用いられる回路構成の概要を示す図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、それぞれ図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示されている傾斜センサ１０の傾斜角がθとされたときの状態を示している。また、図４において、点線内の回路が傾斜センサ１０の等価回路であり、Ｖｄｄは直流電圧源、Ｖは電圧計を示している。
【００１４】
図４に示すように端子Ｃ+は直流電圧源（Ｖｄｄ）に、また、端子Ｃ―はグランド（ＧＮＤ）に、また、端子Ｃ0は電圧計（Ｖ）に接続される。このような回路構成によって、本実施形態においては、一軸傾斜センサである傾斜センサ１０の傾きθに応じた電圧計Ｖの出力変化によってθを検出するものである。
【００１５】
なお、本実施形態においては、直流電圧源（Ｖｄｄ）を傾斜センサ１０の端子に印加することによって得られる直流電圧の計測によって傾斜角θを求めるようにしているが、直流電圧源に変えて交流電圧源を用いて傾斜角θを求めるようにしてもよい。しかしながら、前述のとおり、交流電圧を印加する場合、付加的な回路が必要になり、小型化が困難になりまた消費電力も大きくなってしまう。また、傾斜角θの導出するための計算式も、直流電圧を使用することではじめて簡単にすることができる。実施例に示すように、傾斜センサ１０に直流電圧を印加することによって、精度のよい傾斜角θの測定と低消費電力が実現できている。しかしながら、条件が許す範囲において、交流電圧を使用することを妨げるものではない。
【００１６】
ここで図３に示すように傾斜センサ１０の傾斜角がθとされたときの状態について検討する。傾斜センサ１０がθ傾斜されると、図３（Ｂ）に示すように検出用液体１４の液位は鉛直方向に対して水平を保ったままとなり、第１駆動電極２１と検出用液体１４とが接触する面積Ｓ1と、第２駆動電極２２と検出用液体１４とが接触する面積Ｓ2とに差分が生じることとなる。共通電極２０と検出用液体１４とが接触する面積については傾斜角θが所定範囲内であれば一定である。
【００１７】
各電極と接触する非水溶液系電解液である検出用液体１４はわずかな導電性を有することから見かけ上抵抗体としてふるまうこととなる。このように、本発明に係る傾斜センサ１０は、内部空間に封入される検出用液体１４の抵抗体として性質を利用しているために、抵抗値検出型の傾斜センサであるということができる。
【００１８】
このような本実施形態の傾斜センサ１０においては、その構造上、端子Ｃ0、Ｃ+、Ｃ―の引き出し部近傍Ｐに検出用液体１４が達するまでの傾斜角θに対する出力電圧を検出することができ、その結果、傾斜角θを広い範囲で検出できる。
【００１９】
傾斜センサ１０の傾斜角がθとされたときにおける、検出用液体１４の抵抗体としての挙動に基づく、第１駆動電極２１と共通電極２０と間の抵抗Ｒ+、及び、第２駆動電極２２と共通電極２０と間の抵抗Ｒ―は、下式（１）及び（２）によってそれぞれ表すことできる。
【００２０】
【数１】
2010096725.tif 000003
【００２１】
【数２】
2010096725.tif 000004
なお、ρは導電率であり、ｄは各駆動電極と共通電極２０との仮想的な距離で定数であり、Ｋは定数である。仮想的な距離ｄは、面積と導電率を用いて抵抗を算出するために導入した距離である。図２（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る傾斜センサ１０では、仮想的な距離ｄを一定とするため、第１駆動電極２１および第２駆動電極２２を図示するように略半円状とし、共通電極２０は第１駆動電極２１および第２駆動電極２２を包囲するように略円形状に配置される。
【００２２】
傾斜センサ１０を図２（Ｂ）に示すような立てた状態にして駆動用電極の約半分の上に検出用液体１４がある状態とし、この構造を傾斜させることに伴い、駆動電極上の検出用液体１４と気体の面積比が変化する。式（１）及び（２）はそのような傾斜に伴う抵抗変化を示したものである。なお、気体部分の抵抗はほぼ無限大と仮定している。また、式（１）及び（２）それぞれの最右辺への近似（θを分子にもっていくための近似）については、ｘ≪１であるときには、１／（１＋ｘ）≒１−ｘ及び１／（１―ｘ）≒１＋ｘであることに基づいている。詳細な分析を行うときにおいてはこのような近似を行わないことが好ましいことは言うまでもないが、本実施形態においては簡便のために上記のような近似を用いて式を簡略化することとした。
【００２３】
傾斜センサ１０においては、電極と検出用液体１４との接触による接触抵抗が存在する。このような接触抵抗に基づく、第１駆動電極２１および共通電極２０と検出用液体１４との間の抵抗はＲｓ、及び、第２駆動電極２２および共通電極２０と検出用液体１４との間の抵抗もＲｓである。以上によれば、傾斜センサ１０の等価回路は図４の点線で囲まれたものであることがわかる。
【００２４】
このとき、図４に示すように、端子Ｃ+を直流電圧源（Ｖｄｄ）に、また、端子Ｃ―をグランド（ＧＮＤ）に接続すると、端子Ｃ0に出力される出力電圧Ｖoutは、下式（３）によって表すことができる。
【００２５】
【数３】
2010096725.tif 000005
ここで、接触抵抗Ｒｓを無視することによって式（３）を簡略化すると、電圧はＲ+の面積Ｓ1に反比例して角度に比例するため、出力電圧Ｖoutは下式（４）となり傾斜角θにほぼ比例することがわかる。（ただしθは±９０［ｄｅｇ］以内とする）これにより、出力電圧Ｖoutを測定することによって、傾斜センサ１０の傾斜角θを検出することが可能となる。
【００２６】
【数４】
2010096725.tif 000006
なお、本実施形態に係る傾斜センサ１０の出力電圧Ｖoutは抵抗比で与えられるため、抵抗の温度特性をキャンセルする性質があり精度の高い傾斜角情報を得ることができる。以上のような構成の傾斜センサ１０によれば、電極が片側のみに存在する構造になるため、露光技術などを用いた電極形成（プリント基板のパタニング、リソグラフィ技術）が可能となり傾斜センサの製造工程の簡易化と傾斜センサの小型化・低コスト化を可能とする。
（実施例）
図５は実施例に係る傾斜センサ１０の電極パターン寸法を示す図である。図５に示すように、共通電極２０の外周の直径は４ｍｍとした。また、それぞれの電極の間に形成されたスリット状の絶縁領域については、およそ１００μｍに設定した。基板１１にはプラスチック、また共通電極２０、第１駆動電極２１及び第２駆動電極２２の材料としては、銅を用いた。
【００２７】
図６は傾斜センサにおけるメニスカス力を説明する図である。図６はキャップ１３を透明体としてみたときの傾斜センサの内部構成を見た図である。基板１１とキャップ１３との間の内部空間に満たされた検出用液体１４は、メニスカス力によって、図６のＳに示すようにキャップ１３内壁面に引きつけられた状態となっている。仮に、共通電極２０の外周の直径を４ｍｍ未満とすると、このようなメニスカス力によって引きつけられた検出用液体１４の影響を無視することができなくなり好ましくない。また、傾斜センサ１０の小型化を考慮すると、共通電極２０の外周の最大径は数ｃｍ程度までとすることが合理的である。しかしながら、必ずしも、共通電極２０の外周の最大径については上限を設ける必要はない。
【００２８】
上記のような傾斜センサ１０を実際に試作して、端子Ｃ―を接地し、端子Ｃ+に直流電源電圧Ｖｄｄ（３Ｖ、５Ｖ）を印加した。その際の消費電流はＶｄｄ＝３Ｖで０．２μＡ、Ｖｄｄ＝５Ｖで０．５μＡとなり、本発明に係る傾斜センサ１０の消費電力が小さくなることが確認できた。
【００２９】
また電圧計Ｖのプラス端子と端子Ｃ0を接続し、マイナス端子を接地した。第1駆動電極２１と第2駆動電極２２の検出用液体１４に浸されている面積が同じ状態を傾斜角θ＝０ｄｅｇと定め、左方向の傾斜を正とした。傾斜センサを回転ステージに固定し、ステッピングモータを用いて−９０ｄｅｇから９０ｄｅｇまで左周りに回転させながら端子Ｃ0の出力電圧Ｖoutの測定を行った。ステッピングモータの回転速度は２０ｄｅｇ／ｓである。
【００３０】
上記のように、傾斜センサ１０を±９０［ｄｅｇ］回転させた時の出力電圧は図７に示すものとなる。図７は本発明の実施形態に係る傾斜センサの傾斜角と出力電圧の関係を示すグラフである。検出用液体１４として炭酸プロピレンを使用し、またＶｄｄ＝３．０Ｖである。図７に示すように、試作した本発明に係る傾斜センサ１０によれば、±９０［ｄｅｇ］の広い範囲でほぼ傾斜角θに比例した出力電圧Ｖoutを得ることができた。図７からもわかるように、本発明に係る傾斜センサ１０の出力電圧は、非常に線形性のよい領域が存在し、傾斜センサ１０から出力される信号の取り扱いが容易であるというメリットがある。
【００３１】
また、本発明に係る傾斜センサ１０の温度特性について実験を行った。この結果、温度を変化させた場合には、温度が下がると感度が下がる傾向が見られた。また、抵抗の温度特性は温度に大きく依存するが、この温度特性に伴う抵抗変化は、先に説明したように抵抗比によりキャンセルされるため、比較的良好な出力電圧の温度特性が得られている。このように、本発明の傾斜センサ１０は良好な温度特性を有するものであるが、温度変化に伴う出力変化を補償する補償回路などを設けることを妨げるものではない。
【００３２】
以上、本発明の構成によれば、電極が片側のみに存在する構造になるため、露光技術などを用いた電極形成（プリント基板のパタニング、リソグラフィ技術）が可能となり傾斜センサの製造工程の簡易化と傾斜センサの小型化・低コスト化を可能とする。
【００３３】
また、本発明の構成によれば、消費電力が低い抵抗値検出型の傾斜センサを提供することができる。また、本発明の構成によれば、温度変化があっても出力が安定した傾斜センサを提供することができる。
【００３４】
次に、先の実施形態においては、傾斜センサ１０の傾斜角θの変化に伴う出力電圧Ｖoutの式を近似的に導いたが、ここでは論理式を導出することについて説明する。ここでも図３（Ｂ）を参照して説明する。
【００３５】
傾斜センサ１０の傾斜角がθとされたときにおいて、第１駆動電極２１と共通電極２０と間の総抵抗Ｒ+totは、検出用液体１４の抵抗体としての挙動に基づく抵抗値と、接触抵抗に基づく抵抗Ｒｓとの和であり、第２駆動電極２２と共通電極２０と間の総抵抗Ｒ―totは、検出用液体１４の抵抗体としての挙動に基づく抵抗値と、接触抵抗に基づく抵抗Ｒｓとの和である。したがって、Ｒ+tot及びＲ―totは下式（５）及び（６）によってそれぞれ表すことできる。
【００３６】
【数５】
2010096725.tif 000007
【００３７】
【数６】
2010096725.tif 000008
ここで、ρは導電率であり、ｄは駆動電極と共通電極２０と間の仮想的な距離で定数であり、Ｋは定数である。図４に示すように、端子Ｃ+を直流電圧源（Ｖｄｄ）に、また、端子Ｃ―をグランド（ＧＮＤ）に接続すると、端子Ｃ0に出力される出力電圧Ｖoutは、下式（７）によって表すことができる。
【００３８】
【数７】
2010096725.tif 000009
出力電圧ＶoutはＲ+totの面積Ｓ1に反比例して角度に比例するため、出力電圧Ｖoutは下記（８）式のようになる。
【００３９】
【数８】
2010096725.tif 000010
この式（８）によれば、傾斜センサ１０の傾斜角θと出力電圧Ｖoutとの関係を現すことができる。ここで、接触抵抗Ｒｓがρｄ／Ｓ1やρｄ／Ｓ2などの成分に比べ小さければ、出力電圧Ｖoutは下式（９）のように整理することができ、傾斜角θにほぼ比例することがわかる。
【００４０】
【数９】
2010096725.tif 000011
実際には、接触抵抗Ｒｓの影響で感度はこれより低くなる。また、傾斜センサ１０の傾斜角θが９０［ｄｅｇ］に近づくと検出用液体１４が電極におけるギャップｇなどにかかってくるので出力は飽和する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係る傾斜センサの断面を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る傾斜センサの外観斜視図及び基板上の電極パターンを示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る傾斜センサの使用状況を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る傾斜センサで用いられる回路構成の概要を示す図である。
【図５】実施例に係る傾斜センサの電極パターン寸法を示す図である。
【図６】傾斜センサ１０におけるメニスカス力を説明する図である。
【図７】本発明の実施形態に係る傾斜センサの傾斜角と出力電圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０・・・傾斜センサ、１１・・・基板、１３・・・キャップ、１４・・・検出用液体、２０・・・共通電極、２１・・・第１駆動電極、２２・・・第２駆動電極、２５・・・配線部、Ｃ0、Ｃ+、Ｃ―・・・端子、ｇ・・・ギャップ
【図１】
2010096725.tif 000012
【図２】
2010096725.tif 000013
【図３】
2010096725.tif 000014
【図４】
2010096725.tif 000015
【図５】
2010096725.tif 000016
【図６】
2010096725.tif 000017
【図７】
2010096725.tif 000018