(57)【要約】【課題】  検出感度を高くすると共に、ある特定の傾斜角度においてセンサ出力を大きく変化させたり、特定の傾斜角度範囲における検出分解能を変更するなど、センサ出力の自由度を大きくした傾斜センサを提供する。【解決手段】  内部の底面が円弧形状に形成された本体２の中に移動自在な可動電極５が配され、可動電極５は円弧形状内面３の円弧形状に沿って形成された案内手段６の上を移動する。円弧形状内面３の最下点から案内手段６を中心として一対の帯状電極７ａ，７ｂが案内方向に沿って備えられ、最下点を中心に他方にももう一対の帯状電極７ｃ，７ｄが備えられている。この対を成す帯状電極７ａ〜７ｄと可動電極５間に生じる静電容量によって傾斜角度を検出するようにした。【選択図】図１
2006220607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも内部の底面が円弧形状に形成された本体ケースと、
上記円弧形状内面に移動自在に配された可動電極と、
上記可動電極を円弧形状内面の円弧形状に沿って移動させる案内手段と、
上記円弧形状内面の最下部から上記案内手段によって案内方向に沿って設けられた２対の帯状電極とを備え、
対をなす帯状電極と可動電極間に生じる静電容量を検出することを特徴とする傾斜センサ。
【請求項２】
上記案内手段は上記各一対の電極間に位置し、上記円弧形状内面に沿って延長された溝部であることを特徴とする請求項１に記載の傾斜センサ。
【請求項３】
請求項１又は２において、
上記案内手段は上記可動電極を移動可能とし且つ可動電極を円弧形状内面の円弧形状に沿うように規制する一対の側壁であることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかにおいて、
上記各一対の帯状電極は上記円弧形状内面の最下部から離れる従って間隔が変化することを特徴とする傾斜センサ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れかにおいて、
上記可動電極が上記案内手段に沿って移動する移動通路上においてこの可動電極と接触する共通電極を備えたことを特徴とする傾斜センサ。
【請求項６】
請求項５において、
上記各一対の帯状電極が上記移動通路を中心として非対称に形成されていることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れかにおいて、
上記円弧形状内面の最下部から円弧形状に沿って形成される上記各一対の帯状電極の各少なくとも一方は途中から少なくとも一部が削除されていることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項８】
請求項７において、
上記案内手段は溝部であって
上記帯状電極が少なくとも削除された位置において上記溝部が屈曲されていることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項９】
請求項７又は請求項８において、
上記帯状電極が少なくとも削除された部分において円弧形状内面の高さが一段と深くされていることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項１０】
請求項８において、
上記屈曲された屈曲点における円弧形状内面の高さが高くされていることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項６の何れかにおいて、
上記円弧形状内面の最下部から円弧形状に沿って形成される上記各一対の帯状電極の各少なくとも一方の少なくとも一部の帯幅が広がった幅広部とされていることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項１２】
請求項２と請求項４乃至請求項１１の何れかにおいて、
溝部が誘電体層で形成され、
上記各一対の帯状電極はその少なくとも一部が溝部を形成する誘電体層を挟んで対向してい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】
この発明は、例えば円弧底面のケース内に球状電極を配し、ケースが傾斜することで球状電極の円弧に対する位置が変化することを利用して傾斜角度を検出する傾斜センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から傾斜を測定するセンサは数多く提案されている。その傾斜センサの検出方法としては可変抵抗を用いるものやホール素子を用いるものなどがある。
特許文献１に示す可変抵抗を用いる方法を図１５に示し、その構成及び動作を説明する。図１５（ａ）に示すように円環部１３３の両側面を円形の側面部１３１，１３２で塞いだ円筒形状の傾斜センサケース１３０の内部に球状の移動導体１３４が入れられている。図１５（ｂ）に傾斜センサケース１３０の側面から見た断面図を示す。側面部１３１の円周部分の内側に導体膜１３８が形成されていて、その導体膜１３８と対向する位置にある側面部１３２の内側円周部には抵抗膜１３９が形成されている。導体膜１３８と抵抗膜１３９とは、重力によって円筒部１３３の最下点に位置する移動導体１３４によって導通させられる。今、図１５（ａ）に示すように傾斜センサケース１３０を立てて、すなわち正面から見て側面部１３１若しくは側面部１３２が円形に見える姿勢で配置すると、移動導体１３４は円環部１３３の最下部の位置で安定する。この移動導体１３４と鉛直方向に反対の位置に導体膜１３８と導通する端子Ａ１３５が設けられている。端子Ａ１３５と円環部１３３を挟んで対向する位置の抵抗膜１３９が切り欠かれていてその双方の端部に端子Ｂ１３６と端子Ｃ１３７が設けられている。
【０００３】
今、円形の側面部１３１，１３２の中心を回転軸として傾斜センサケース１３０を傾斜させると移動導体１３４が重力により円環部１３３の最下部に位置し続けるので、移動導体１３４によって導通する抵抗膜１３９の位置が変化する。この結果、端子Ａ１３５と端子Ｂ１３６及び端子Ｃ１３７との間の抵抗値が変化する。これを電気回路シンボルで図１５（ｃ）に示す。抵抗膜１３９に沿って移動導体１３４が移動することによって、端子Ａ１３５と端子Ｂ１３６間の抵抗膜１３９の長さが変化する。同様に端子Ａ１３５と端子Ｃ１３７間の抵抗値が変化する。この結果、傾斜角度を抵抗値の変化として検出することが出来る。
【特許文献１】特開平７−１５９１６５（段落００１３〜００１６、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この従来の移動導体が移動するタイプの傾斜センサにおいては、傾斜角度に対する移動導体の移動の容易性が検出感度を決定する大きな要因として存在する。この移動導体の移動の容易性は抵抗検出型の場合、移動導体の転がり抵抗と電気的な接触抵抗で決まる。十分小さく安定した接触抵抗とするためには、ある程度の接触圧を持って移動導体を保持する必要があり、これが移動導体の移動性を損なう大きな要因になっていた。この小さく安定した接触抵抗を得るために移動導体に加えられる接触圧が傾斜センサの検出感度を悪化させていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明では、本体ケースの少なくとも内部の底面が円弧形状に形成され、その円弧形状内面に移動自在に可動電極が配され、この可動電極は案内手段により円弧形状内面の円弧形状に沿って移動可能とされ、円弧形状内面の最下部から上記案内手段によって案内方向に沿って２対の帯状電極が備えられる。この対を成す帯状電極と可動電極間に生じる静電容量によって傾斜角度を検出するようにした。
【発明の効果】
【０００６】
以上のように、円弧形状内面に移動自在な可動電極と円弧形状内面に形成された帯状電極との間に形成される静電容量の変化によって傾斜角度を検出するようにしているため、可動電極の運動を阻害する要因としての電気的な接触抵抗を除外することができ、その分従来の抵抗検出型傾斜センサと比較して検出感度を高くすることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。各図面において対応する部分については、同一の参照符号をつけて重複説明を省略する。
［第１実施形態］
【実施例１】
【０００８】
図１にこの発明による傾斜センサの一実施例を示す。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のI−I線の断面図である。この実施例の傾斜センサを構成する本体ケース１は、細長い直方形の本体２の外部裏面２ａと、その両端に直角な側端面２ｂ，２ｃと、外部裏面２ａと平行し側端面２ｂ，２ｃの他端とその一端が連続した短い上面２ｄ，２ｅと、これら上面２ｄ，２ｅの他端間に形成された円弧形状内面３とによる本体２と、本体２の長手方向の両側面を塞ぐ側面壁４ａ，４ｂと、短い上面２ｄ，２ｅの両上面に渡って取り付けられる蓋４とで構成される。なお、少なくとも本体２は電気的絶縁材で構成されている。図１（ａ）は、蓋４の長手方向の両端部のみ図示し中央部分を省略して示している。
【０００９】
この本体ケース１内の円弧形状内面３上に移動自在に可動電極５が配されている。本体２の外部裏面２ａを水平に配した状態で可動電極５は、円弧形状内面３の最下部に位置している。円弧形状内面３の最下部を中心として可動電極５を円弧形状内面３の円弧に沿って移動させる案内手段６が設けられている。この実施例の場合、円弧形状と直交する向きの幅の中央部分に円弧形状に沿って溝部６ａが円弧形状内面３の全面に形成されている。案内手段６により案内される方向に沿って一対の帯状電極７ａ，７ｂが設けられる。この実施例では溝部６ａを挟んで最下部で最も狭い間隔とし、最下部から離れるに従って徐々に間隔が拡がる帯状電極７ａ，７ｂが最下部より一方の側に延長形成されている。他方の側にももう一対の帯状電極７ｃ，７ｄが、円弧形状内面の最下部の円弧方向と直交する中心線を軸として帯状電極７ａ，７ｂと対称の位置に形成されている。
【００１０】
帯状電極７ａ，７ｃおよび７ｂ，７ｄは円弧形状内面３の最下部で互いに接続された一体の電極であり、帯状電極７ａ，７ｃは帯状電極７ａの円弧の略中央部分から内部配線１０によって本体２の長手方向一端の底部に端子ａ８として導出されている。この帯状電極７ａ，７ｃと内部配線１０とが接続する場所は、電気的に接続すればどこでも良い。同様に帯状電極７ｂ，７ｄは、内部配線１１によって本体２の長手方向の一端の底部に端子ｂ９として導出されている。
この実施例では、帯状電極７ａ，７ｂおよび７ｃ，７ｄが円弧形状内面の最下部で繋がった一体の電極の例を示しているが、円弧形状内面の最下部においてそれぞれを分離した形態としても良い。したがって、参照番号を敢えて変えて表記している。帯状電極７ａと７ｂ、帯状電極７ｃと７ｄ、とをそれぞれ分離した場合は、図示しないがこれらの各帯状電極と対応して上記した端子を４つ設ければよい。
【００１１】
図２に図１（ａ）に示したII−II線の拡大断面図を示し、可動電極５がII−II線上に移動した状態の図になっている。溝部６ａはその延長方向と直交する断面が逆台形形状とされ、つまり溝底面２０とその両側の斜面２１ａ，２１ｂとにより案内手段６が構成されている。
可動電極５は溝部６ａのその斜面２１ａ，２１ｂと点接触し、円弧形状の中心を中心軸とした傾斜角度にしたがって円弧形状内面３に沿って移動する。
可動電極５と帯状電極７ａとの間に静電容量Ｃａが、可動電極５と帯状電極７ｂとの間に静電容量Ｃｂが形成される。これら静電容量Ｃａ，Ｃｂは電極間隔が大きくなると小さくなる関係にある。
【００１２】
この静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂとを電気回路シンボルで模式的に図２（ｂ）に示す。静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂとは、端子ａ２０と端子ｂ２１との間の静電容量Ｃとして式（１）に示す形で求められる。
【００１３】
【数１】
2006220607.tif 000003
Ｃａ＝ＣｂとするとＣ＝Ｃａ/２で求められる。
〔傾斜角度の測定原理〕
傾斜角度を定量的に測定可能とするためには、可動電極５と帯状電極７ａ〜７ｄ間の静電容量Ｃが傾斜角度によって変化する必要がある。その為にこの実施例では、一対の帯状電極の位置を円弧形状内面３の最下点から離れるに従って間隔が広がるように構成している。図１（ａ）に示すように、円弧形状内面３の最下点で帯状電極７ａ〜７ｄが案内手段６を構成する溝部６ａに最も近く、最下点から円弧延長方向に向けて離れるに従い案内手段６からの距離が大きくなるように配置されている。すなわち、円弧形状内面３の最下点から案内手段６に対してある角度を持って帯状電極７ａ〜７ｄが形成されている。その結果、可動電極５が円弧形状内面３の最下点にある時に可動電極５と各帯状電極７ａ〜７ｄ間の間隔が最も近く、最下点から離れるしたがってその間隔は徐々に大きくなる。したがって、傾斜角度が変化することで可動電極５と各帯状電極７ａ〜７ｄとの間の静電容量が変化する。
【００１４】
この様子を数式を用いて説明する。図３（ａ）に可動電極５が案内手段６に沿って移動した際の円弧形状内面３の最下点から、可動電極５の水平方向の移動距離Ｘを求める図を示す。円弧形状内面３の半径をρとし、円弧形状の中心を軸とする扇形を形成する中心部の角度をθとすると移動距離Ｘは式（２）で求められる。ここでθは円弧形状内面３を形成する中心を軸とした本体ケース１の傾斜角度θになる。
Ｘ＝２ρsinθcosθ＝ρsin２θ        （２）  
この実施例では、可動電極５が円弧形状内面３の最下点から両側に離れるにしたがって、可動電極５の移動方向と直交する方向の可動電極５と案内手段６との距離Ｌが徐々に大きくなる。
図３（ｂ）に円弧形状内面３の最下点から延長される帯状電極７ａの一部分を示す。円弧形状内面３の最下点から溝部６ａに対する帯状電極７ａの延長方向の角度をφとすると、最下点からの可動電極５の水平方向の移動距離Ｘに対する距離Ｌは式（３）で求められる。
【００１５】
Ｌ＝ρsin２θtanφ
tanφをＡ＝tanφとすると
Ｌ＝Ａρsin２θ        （３）
次に距離Ｌによる可動電極５と帯状電極との間隔ｄについて図３（ｃ）に示す。ここでは、間隔ｄは可動電極５の円周上の一点から帯状電極が形成される円弧形状内面３の表面との間の鉛直線の長さとしている。可動電極５の移動方向と直交する向きの可動電極５の中心部の座標を原点（０，０）とし、可動電極５の半径をｒとした場合、可動電極５の底部は円弧形状内面３とｙ軸上の座標（０，−ｒ）で接する。ここで案内手段７は省略している。可動電極５の底部から距離Ｌ離れた点からの可動電極５との鉛直方向の間隔ｄは式（４）で表せる。
【００１６】
【数２】
2006220607.tif 000004
この結果、可動電極５と凹面６上に形成される帯状電極との鉛直方向の間隔ｄによって形成される静電容量Ｃは式（５）で表せる。
【００１７】
【数３】
2006220607.tif 000005
ここでεは誘電率、Ｓは間隔ｄで対抗する帯状電極と可動電極で形成される電極面積。
以上、示したように静電容量Ｃは傾斜角度θの関数となる。間隔ｄと電極面積Ｓについては、正確には可動電極５が球体の例を示したので円弧形状を考慮した式にする必要があるが、煩雑になるためここでは省略した。
以上述べたようにこの実施例によれば、傾斜角度θの変化を静電容量として検出することが可能となる。このように静電容量で傾斜角度θを検出可能とすることで、可動電極５の移動性を損なう要因は、可動電極５と案内手段６との間に発生する転がり抵抗だけになり、可動電極に対する接触圧を必要とした従来の抵抗検出型の傾斜センサと比較して検出感度を向上させることが出来る。
【００１８】
また、図１（ａ）では一対の帯状電極の位置を円弧形状内面３の最下点から離れるに従って間隔が広がるように構成した例を示したが、この発明はこの実施例に限定されない。
図４に帯状電極７ａ〜７ｃの他の実施例を示す。図４は帯状電極７ａ〜７ｃの他の実施例を示す平面図であり、図１（ａ）に示した側面壁と蓋は省略した図である（以降に示す傾斜センサの平面図においても側面壁と蓋は省略する）。図４（ａ）に示す実施例では、案内手段６を挟んで対称の位置に形成される帯状電極７ａ，７ｃと７ｂ，７ｄとの間隔を円弧形状内面３の最下点において最も広く、円弧形状に沿ってその間隔が徐々に狭くなり、円弧最上点で帯状電極７ａ〜７ｃが案内手段６に最も近接するように配置している。
【００１９】
このように帯状電極７ａ〜７ｃを形成し、本体２を本体２の長手方向の中央部を中心に時計方向又は反時計方向に傾斜させると、可動電極５と帯状電極７ａ〜７ｃとの間隔ｄが近付く方向に変化する。したがって、どちらに傾斜させても静電容量Ｃが大きくなる方向に変化する。
図４（ｂ）に示す実施例では、案内手段６を挟んで対称の位置に形成される帯状電極７ａ，７ｃと７ｂ，７ｄとの間隔が、一方の円弧最上点で最も狭く、そこから他方の円弧最上点に向けて一定の割合で徐々に広がり、他方の円弧形状最上点で帯状電極７ａと７ｂとの間隔が可動電極５の直径に略等しい大きさになるように配置されている。
【００２０】
この場合は、本体２を上記のように反時計方向に傾斜させると、可動電極５と帯状電極７ａ〜７ｃとの間隔ｄが近付くので静電容量Ｃが大きくなる。時計方向に傾斜させると静電容量Ｃが小さくなるように変化する。このように帯状電極７ａ〜７ｃを形成すると傾斜角度θに対する静電容量Ｃの変化を一方向に一様に変化させることが出来る。
この容量変化を定量値に変換する一例を図５に示す。図５に示す例は、容量変化を２進数に変換するものである。増幅回路４０の出力信号の位相を１８０°遅らせて増幅回路４０の入力側に帰還する帰還回路４１の中にこの実施例の傾斜センサによる静電容量を形成する端子ａ８と端子ｂ９との間の静電容量Ｃが静電容量４２として組み込まれている。増幅回路４０と帰還回路４１とを発振条件を満たすように設計すると、増幅回路４０の出力端には静電容量４２に依存した単一の周波数の発振信号が発生する。この発振信号と図示しない安定な信号基準源をもとに生成された一定時間幅のゲート信号ＴＧとの論理積をアンドゲート４４で取りその出力をカウンタ４５で計数することで、静電容量Ｃを、すなわち傾斜角度θを数値に変換することが可能となる。このようにすることで傾斜角度θを定量的に求めることが出来る。発信周波数を例えばＭＨｚ帯に設計すれば、ゲート信号ＴＧの時間幅はｍｓオーダーの時間幅で良く、高速で傾斜角度θを数値化することが出来る。
【００２１】
なお、案内手段６の一例として図２（ａ）に示した案内手段６を形成する２つの斜面は、この実施例の場合、球状の可動電極５と帯状電極７ａ，７ｂとの間に静電容量を形成する必要性から、帯状電極７ａ，７ｂを形成する円弧形状内面３の表面と可動電極５の中心とを結ぶ直線と、可動電極５の中心からの垂線とが成す角度α（図３（ｃ）を参照）が４５°以下の範囲で設けられると良い。
また、案内手段６の一例として示した溝部の形状は、図２（ａ）に示した形状に限らない。単純な溝形状でも良い。図２（ｃ）に示すように、断面形状が長方形の浅い溝でその溝部６ｂの２つの角部で可動電極５を支持する。あるいはこの例の場合は可動電極５が球体であるので図２（ｄ）に示すように、断面が浅い円弧形状とした溝部６ｃとしても良い。
【実施例２】
【００２２】
案内手段６として溝部６ａが使用される場合は、可動電極５が溝部６ａから外れても直ちに溝部６ａに戻ると良い。そのようにした構成例を図２（ａ）と対応した断面図で図６（ａ）に示す。
円弧形状内面３の各部の断面形状は、帯状電極７ａ，７ｂの両外側で帯状電極７ａ，７ｂに接近した所から垂直部５０ａ，５０ｂにより一段高くなっており、その垂直部５０ａ，５０ｂの上部から直ちに溝部６ａの両外側に遠くなるにしたがい高さが次第に高くなる斜面５１，５２となっている。
【００２３】
この実施例の傾斜センサは、鉛直方向に働く加速度に対する応答は想定していない。しかしながら、傾斜センサを取り扱う上では、鉛直方向の加速度が働くことは避けられず、その加速度によっては可動電極５が溝部６ａから外れてしまうことが容易に想定できる。この垂直部５０ａ，５０ｂと斜面５１，５２は、可動電極５が溝部６ａから外れた場合に溝部６ａに容易に復帰するように機能する。
案内手段６としては必ずしも溝部６ａによる必要はない。図６（ｂ）に球体である可動電極５の移動方向を側面壁によってガイドする側面壁を、案内手段６とする実施例を示す。図６（ｂ）も案内手段による案内方向と直交する方向の本体２の断面図を示す。実施例１よりも本体２の厚さが薄くされ、側面壁４ａ，４ｂの間隔が可動電極５の直径に対してやや大きい状態とされている。つまり可動電極５の円滑な移動に影響を与えない範囲で可及的に側面壁４ａ，４ｂが可動電極５に接近している。本体２の底面が水平面に対して傾斜すると、可動電極５は側面壁４ａ，４ｂにより案内されて移動し、その状態における円弧形状内面３の最下点に位置することになる。
【００２４】
側面壁４ａ，４ｂの間隔の中心。つまり円弧形状内面３の幅方向の中心線上に対し、この例では対称に帯状電極７ａと７ｂ及び７ｃと７ｄ（図６（ｂ）に７ｃ，７ｄは図示していない）がそれぞれ形成されている。
可動電極５の直径と側面壁４ａ，４ｂの間隔との関係は、その差を小さくし過ぎると、可動電極５の傾斜に対する移動性を損なうことになる。したがって、傾斜角度θに対する感度を良くするためには、上記差を大きくした方が良い。しかし差を大きくすると今度は、可動電極５の移動方向と直交する方向のガタが大きくなり可動電極５と帯状電極７ａ，７ｂとの間の静電容量のバラツキが大きくなってしまう。
【００２５】
このように側面壁４ａ，４ｂの間隔と可動電極５の直径との関係は、傾斜角度θに対する静電容量の変化の精度に基づいて決定されるものである。可動電極５と両側面壁４ａ，４ｂとの間は接触抵抗を小さくさせる関係にないため、従来の抵抗検出型の傾斜センサと比較した場合、可動電極５と側面壁４ａ，４ｂとの間隔の関係は緩くてよい。
また、静電容量の精度が求められる場合には、案内手段６として図６（ｂ）に示した側面壁４ａ，４ｂのみで対応しようとすると、側面壁４ａ，４ｂと可動電極５との間隔精度を著しく高くする必要があり製造が難しくなる。そこで傾斜センサの精度を高めたい場合は、溝部６ａと併用すると良い。その場合は側面壁４ａ，４ｂと可動電極５の間隔を厳密に管理しなくても良い。この時、側面壁４ａ，４ｂは案内手段として作用するのみならず鉛直方向の加速度によって可動電極５が溝部６ａから外れてしまった時に可動電極５を溝部６ａ上に復帰させる働きをする。
【実施例３】
【００２６】
この発明の傾斜センサは静電容量検出型であるために、帯状の電極構造を変えることで色々な作用、効果が得られるようにすることができる。図７に電極構造を変えた他の実施例を示す。図７は図２（ａ）と同様に案内手段６の案内方向と直交する方向の断面図である。案内手段６を形成する溝部６ａは図２（ａ）に示した形状の溝部と同じであり、その溝部の溝底面２０と斜面２１ａ，２１ｂの表面に可動電極５の移動通路全域に渡って共通電極６０が形成され、可動電極５は共通電極６０と接触して移動するように構成されている。共通電極６０を設けたことで、帯状電極７ａと可動電極５との間に形成される静電容量Ｃａと帯状電極７ｂと可動電極５との間に形成される静電容量Ｃｂとをそれぞれ独立に検出することが可能となる。
【００２７】
これを図７（ｂ）に電気回路シンボルで表す。帯状電極７ａに接続された端子ａ８と図７（ａ）には図示していない共通電極６０と接続された端子ｃ６１との間で静電容量Ｃａを検出することが出来る。また帯状電極５ｂに接続された端子ｂ９と端子ｃ６１との間で静電容量Ｃｂを検出することが出来る。このように可動電極５を共通電極６０によって電気的に取り出すことにより、静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂをそれぞれ単独に測定することが可能となる。
図７（ａ）の例では、溝部６ａがある場合を示したが、溝部６ａは無くても良い。図７（ｂ）に示した案内手段を一対の側面壁で構成する例の場合は、円弧形状内面３の幅方向の中心線上に共通電極を配置することで電気的に同じ構成とすることが出来る。
〔接触抵抗が無視できる理由〕
可動電極５と直接接触する共通電極６０を設けたことで、可動電極５と共通電極６０との間に接触抵抗が生ずる。端子ａ８と可動電極５との間で得られる静電容量をＣ１４とし、端子ｃ６１と可動電極５との間に発生する接触抵抗をＲ１５とすると、その等価回路は図８のように表せる。静電容量Ｃと接触抵抗ＲによるインピーダンスＺは、式（６）で表せる。
【００２８】
【数４】
2006220607.tif 000006
この式（６）から分かるようにこの等価回路に交流を印加することで変化するインピーダンス成分は１/ｊωＣの項だけであるので、図５で説明したような交流的な方法で容量変化を検出することで、接触抵抗は無視することが可能である。
これは従来の抵抗検出型の傾斜センサの等価回路を示す図８（ｂ）と比較すると容易に理解できる。すなわち検出部を形成する検出抵抗ＳＲ１６と接触抵抗Ｒ１５が直列に接続された関係なので、交流的な方法で検出しても検出抵抗ＳＲ１６と接触抵抗Ｒ１５のどちらが変化したのかを分離することは出来ない。
【００２９】
このように静電容量型の検出とすることで、可動電極と共通電極との間の接触抵抗は無視することが出来る。したがって、原理的に従来の抵抗検出型の傾斜センサよりも高感度にすることが可能である。
【実施例４】
【００３０】
共通電極を設けることで傾斜方向が容易に判別出来る他の実施例を図９に示す。図９はこの発明の一例を示す傾斜センサの平面図である。図９に示す実施例では、可動電極５の移動通路を形成する溝部６ａを挟んで形成される一対の帯状電極７ａと７ｂ、帯状電極７ｃと７ｄを、それぞれ移動通路（溝部６ａ）を中心として非対称に形成した点が先に説明した図１（ａ）と異なる。この例では帯状電極７ｂと７ｃは溝部６ａと平行とされ、帯状電極７ａと７ｄは円弧形状内面３の最下点から互いに反対方向に向かって離れるに従って、徐々に溝部６ａとの距離が大きくなっている。
【００３１】
円弧形状内面３の最下部に可動電極５が位置している。本体２を本体２の長手方向の中央部を中心に時計方向に傾斜させると、すなわち帯状電極７ａ，７ｂ側が低くなると可動電極５は帯状電極７ａ，７ｂ側に移動する。
その逆に本体２の長手方向の中央部を中心に反時計方向に傾斜させると、可動電極５は帯状電極７ｃ，７ｄ側に移動する。
そこで図９に示すように帯状電極７ａを円弧形状内面３の最下点から溝部６ａの延長方向に対してある角度を持たせて延長させ、帯状電極７ｂを最下点から溝部６ａに対して平行に延長させる。このように構成して本体２を上記したように時計方向に傾斜させると、可動電極５が最下点から帯状電極７ａ，７ｂ側に移動しても可動電極５と帯状電極７ａとで形成される静電容量Ｃａは変化するが、可動電極５と帯状電極８ｂとで形成される静電容量Ｃｂは変化しなくなる。
【００３２】
この逆に本体２を上記したように反時計方向に傾斜させると、静電容量Ｃａは変化せず、静電容量Ｃｂが変化するようになる。
このように共通電極６０を設けて静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂとを単独で計測可能にすることで、複雑な検出手段を設けることなく、すなわち、個々の静電容量の変化の方向を判断するだけで傾斜方向と傾斜角度θを間単に検出することが可能となる。
【実施例５】
【００３３】
帯状電極の一部を削除することである特定の傾斜角度の検出を容易にした実施例を図１０に示す。図１０に示す実施例では、溝部６ａに対して帯状電極７ａ〜７ｄが共に平行に形成され、帯状電極７ａと７ｃはその延長方向における途中の電極の一部分が削除されている点が、先に説明した図１（ａ）と異なる。
このように帯状電極の一部を削除することで傾斜スイッチとして利用できる。本体２の長手方向の中央部を中心に時計方向に傾斜させると、可動電極５は帯状電極７ａ，７ｂ側に移動する。今、帯状電極７ａ，７ｂは溝部６ａに対して平行に形成されているため傾斜角度θを増加させても、可動電極５と帯状電極７ａとの間に形成される静電容量Ｃａは一定の値を示す。同様に静電容量Ｃｂも一定値を示す。更に傾斜角度θを増やして可動電極５が帯状電極７ａの削除部分に到達すると、電極が削除されているためにそれまで一定の値を示していた静電容量Ｃａが急激に小さくなる。この静電容量の急激な変化をスイッチング信号として利用することで、簡単な検出手段で傾斜スイッチを実現することが可能となる。
【００３４】
図１０（ａ）に示す実施例では、帯状電極の削除部分８０を介して円弧外側延長線上に再び帯状電極が形成されているため、２値の傾斜角度θを検出することが可能である。すなわち、一度静電容量Ｃａが急激に小さくなった後に更に傾斜角度θを増やして行き、可動電極５が帯状電極７ａが形成されている部分に到達すると再び静電容量Ｃａが検出される。この時の傾斜角度θを２値目とすることが出来る。この検出角度は、円弧形状内面３の半径ρと可動電極５の半径ｒ、及び削除部分を設ける位置によって任意に設定することが可能である。
【００３５】
また、この方法によれば、帯状電極上に削除部分を複数設けることで原理的には複数個の傾斜角度θを検出することが可能である。但し、傾斜角度θが一方の方向に連続的に増えた場合であり、途中、傾斜角度θが減少方向に変化すると誤検出してしまう。
これを防止するためには、図１０（ａ）に破線で示すように案内手段に対して角度を持たせて帯状電極を配置し、傾斜角度θに対して静電容量Ｃが変化する構成にした上で、帯状電極の削除部分を設けるようにすると良い。そうすると容量値からも傾斜角度θが判別可能になるので、傾斜する方向が途中で変わった場合の誤検出を防ぐことができる。
【００３６】
このように構成すると容量値から傾斜角度θが判別可能なので、あえて帯状電極上に削除部分を設ける必要は無いのでは、という疑問が出ると思うが、削除部分を設けることで全て容量値から傾斜角度θを判断する方法に比べて、特定の傾斜角度θ、つまり削除部分８０と対応する傾斜角度θの検出手段をより簡単な構成とすることが出来る。
【実施例６】
【００３７】
図１０（ｂ）にこの発明の傾斜センサを傾斜スイッチとして応用する場合のチャタリング現象を減少させた実施例を示す。図１０（ｂ）はこの発明の一例を示す傾斜センサの平面図である。図１０（ｂ）に示す実施例が先に説明した図１０（ａ）と異なる点は、帯状電極の削除部分８０と平行する部分の溝部６ａが屈曲されている点である。
本体２の長手方向の中央部を中心に時計方向に傾斜させると、可動電極５は帯状電極７ａ，７ｂ側に移動する。傾斜開始後の最初は、可動電極５と帯状電極７ａ，７ｂとで静電容量Ｃが形成される。その後、傾斜角度θを増加させて行くと可動電極５が屈曲部８２に達すると、帯状電極８ａが削除されているために静電容量Ｃが急激に小さくなる。ここまでの動きは前述した図１０（ａ）と同じである。可動電極５が屈曲部８２に達すると、屈曲部分８２が転がり抵抗になり、可動電極５の傾斜に基づく揺り戻しを少なくすることが出来、揺り戻しに基づいて発生する静電容量Ｃの増減として検出されるチャタリングを減少させることが可能となる。
【００３８】
このように帯状電極に屈曲部８２を設けることで、傾斜角度θの検出時のチャタリングの発生を少なくすることが出来る。図１０（ｂ）に示す実施例では、円弧形状内面３の最下点の溝部６ａの延長方向と直交する軸を中心線として帯状電極７ａの削除部分８０と屈曲部８２と対称の位置に削除部分８１と屈曲部８３が形成されている。したがって、本体２の長手方向の中央部を中心に反時計方向に傾斜させてもチャタリングを減少させて傾斜角度θを検出することが出来る。
円弧形状延長方向に対する屈曲部８２，８３の角度について説明する。図１０（ｃ）に屈曲部８２前後の溝部６ａを拡大した図を示す。円弧形状延長方向に対する屈曲部８２の角度をδとすると、円弧形状延長方向の距離ｘに対する溝部６ａ上の移動距離ｘ‘は、ｘ‘＝ｘ/cosδで与えられる。可動電極５がｘの距離転がろうとする力に対して１/cosδを乗じて増えた分の力が可動電極５に対する転がり抵抗として働く。例えば角度δを９０°とすると制動力は無限大、すなわち可動電極５は直角に曲げられた溝部６ａに突き当たり、チャタリングも発生しない代わりに傾斜角度θを増やしても移動しなくなる。この状態も、傾斜センサとして使用可能である。すなわち、傾斜角度θを増やしてもセンサ出力が変化しなくなるポイントとして利用可能である。
【００３９】
このように角度δは０〜９０°の範囲で設定可能であり、９０°未満では傾斜角度θに対する感度を鈍くする働きをする。この感度を鈍くする分だけチャタリングの発生を抑制することが出来る。
【実施例７】
【００４０】
更に効果的に傾斜角度θの検出時のチャタリングを抑える他の実施例を図１１に示す。図１１（ａ）は図１０（ａ）に示すX−X線の断面図である。図１１（ａ）に示す実施例は、帯状電極の削除部分８０の円弧形状内面３の鉛直方向の高さを一段低くした例である。
帯状電極が７ａ，７ｃが削除されている削除部分８０，８１の円弧形状内面３の高さが一段低い円弧形状内面１１１，１１２となっている。円弧形状内面３の高さが一段低く形成されたあと、円弧外側延長線上で再び帯状電極７ａ，７ｃが形成されたところで再び円弧形状内面３の最下点からの円弧延長線上の高さをもつ円弧形状内面３になっている。
【００４１】
傾斜角度θが増加し可動電極５が帯状電極７ａ，７ｃの削除部分に差し掛かると可動電極５は直ちに一段低い円弧形状内面１１１，１１２に落ち込み可動電極５の揺り戻しによるチャタリングの発生を抑制することが可能になる。図１１（ａ）に示す実施例では、説明の為に円弧形状内面３と円弧形状内面１１１，１１２との段差を大きくしているが、実施に当たってこの段差は小さくて良い。
他の実施例を図１１（ｂ）に示す。図１１（ｂ）は図１０（ｂ）で説明した屈曲部８２，８３が始まる屈曲点８４，８５の円弧形状内面３の高さを屈曲点８４，８５の前後より一段高くした例である。円弧形状内面３の最下点より、可動電極５の案内方向、すなわち円弧両上側に行くにしたがって、円弧形状内面３の鉛直方向の高さは次第に高くなり、屈曲点８４，８５まで一定の円弧を形成している。屈曲点８４，８５の両外側の円弧形状内面３の鉛直方向の高さは、屈曲点８４，８５を頂点として一旦低くなる。その後、円弧両外側に行くに従い高くなる円弧面が両外側に延長形成されている。
【００４２】
このように屈曲点８４，８５付近での鉛直方向の高さを屈曲点８４，８５を頂点に形成することで、傾斜角度θが変化して可動電極５が屈曲点８４，８５を乗り越えた際、可動電極５は速やかに屈曲部８２，８３の低い部分に移動し安定する。
この結果、検出時の可動電極５の揺り戻しに伴うチャタリング発生をより効果的に抑制することが可能となる。
なお、図１１に示す実施例では、円弧形状内面３の最下点側の屈曲点８４，８５を頂点にその前後の円弧形状内面３の鉛直方向の高さを低くしたが、屈曲部８２，８３が円弧上側で終了する部分の屈曲点についても同じような構成としてもよい。
【実施例８】
【００４３】
帯状電極の形状を変えた他の実施例を図１２に示す。図１２に示す実施例が図１と異なる部分は、帯状電極７ａ，７ｂの延長方法における途中で幅が広くなった幅広部１００ａが
設けられた点である。この例では溝部６ａを中心に対称の位置に配置される帯状電極７ｂにも幅広部１００ａと対称の位置に幅広部１００ｂが形成された場合である。この幅広部は溝部を挟んで対称に形成されなくても良い。すなわち、一方だけに形成してもよい。
溝部６ａを中心に対称の位置に配置される帯状電極７ｂの途中にも幅広部１００ａと対称の位置に幅広部１００ｂが形成されている。
【００４４】
本体２の長手方向の中央部を中心に時計方向に傾斜させたときの、静電容量Ｃの変化する傾向を図１２（ｂ）に示す。図１２（ｂ）の横軸は、時計方向の傾斜角度θを示す。縦軸は静電容量Ｃの変化傾向を示す。ここで、静電容量Ｃの変化する絶対量の表現は、実際の変化量を表していない。傾斜角度θが０の時、可動電極５と帯状電極７ａ，７ｂとの鉛直方向の間隔ｄが最も小さいため、比較的大きな静電容量Ｃを示す。その後、傾斜角度θを増やして行くと間隔ｄが徐々に大きくなるために静電容量Ｃは減少して行く。傾斜角度θが更に増え、可動電極５が幅広部１００ａ，１００ｂに達すると、静電容量Ｃを形成する電極面積Ｓが大きくなるため、これまで漸次的に減少して来た静電容量Ｃが増加する。増加した後、帯状電極７ａ，７ｂの幅が広く形成されているために、単位傾斜角度θ当たりの静電容量Ｃの変化量が大きくなる。すなわち、可動電極５が幅広部１００ａ，１００ｂに達する前の傾斜角度θに対する静電容量Ｃの変化の傾きに対して、可動電極５が幅広部１００ａ，１００ｂの範囲にある間の傾斜角度θに対する静電容量Ｃの変化の傾きを大きくすることが出来る。更に傾斜角度θが増えると帯状電極７ａ，７ｂの電極幅が再び円弧形状内面３の中心部と同じ幅になるために、傾斜角度θに対する静電容量Ｃの変化の傾きが再び小さくなる。このように傾斜角度θに対するセンサ出力を一様なものではなく、特定の角度においてセンサ出力を増加させたり、傾斜角度θに対する分解能を上げたりすることが可能である。また逆に特定の角度におけるセンサ出力を減少させ、角度に対する分解能を小さくすることも容易である。
【００４５】
このように帯状電極の形状を変化させることで、傾斜角度θに対する傾斜センサの出力に特徴を持たせることが出来る。このようなことは、図１５で示した従来の傾斜センサでは実現出来なかったことである。
【実施例９】
【００４６】
図１３に静電容量Ｃを大きく構成出来る実施例を示す。図１３（ａ）はこの実施例の平面図を示し、図１３（ｂ）に図１３（ａ）のXII−XII線の断面図を、図１３（ｃ）にXIII−XIII線の断面図をそれぞれ示す。この実施例では例えば比誘電率の大きなチタン酸バリウムや酸化チタン等の誘電体層を可動電極５と帯状電極７ａ〜７ｄとの間に配置することにより静電容量Ｃを大きく形成出来るようにしたものである。
円弧形状内面３の円弧形状に沿って誘電体層１１０が埋め込まれ、この誘電体層１１０上に図１３（ｃ）に示すように断面が円弧状の溝部６ｄが形成され、誘電体１１０の溝部６ｄと反対側に帯状電極７ａ〜７ｄが形成されている。この例では帯状電極７ａ〜７ｄが誘電体層１１０と対向しているのは、最下部から一定の範囲とされ、それより上側は誘電体層１１０と対向していない構成とされている。この例では誘電体層１１０の幅を可動電極５の直径と等しくした場合である。
【００４７】
なお、帯状電極７ａ，７ｂまた７ｃ，７ｄは溝部６ｄの中心線に対して対称とされている。帯状電極がこの中心線に対し、対称という点では図１に示した実施例などと同様である。
このように構成することで、可動電極５の直径の範囲内においては、帯状電極７ａ〜７ｄと可動電極５とが比誘電率の大きな誘電体１１０を挟んで対向するために、その範囲内の静電容量Ｃを大きく形成することが出来る。可動電極５の直径よりも大きな範囲に形成される帯状電極７ａ〜７ｄと可動電極５との間には誘電体層１１０が介在されない部分が大きくなるがお互いの間の静電的な結合は存在する。そこで、本体２を比誘電率の小さな例えばプラスチック等で構成しておき、前述したように誘電体１１０を例えば比誘電率の大きなチタン酸バリウムで構成する。そうすると両者の間には比誘電率で１００倍以上の違いがあるので、電極間隔が広がった効果も相俟って、静電容量Ｃを大きく変化させることが出来る。従って、帯状電極が誘電体層１１０と対向しない部分に可動電極５が移動すると急激に静電容量が小さくなる。この急激な変化を傾斜スイッチとして利用することも出来る。また、帯状電極の可動電極５側を全て誘電体層１１０としてもよい。
【００４８】
このように比誘電率の大きな誘電体を用いることで、静電容量Ｃを大きくすることが可能になるので帯状電極の形状を変更しなくとも容量変化を大きくすることが出来る。この構成によれば、傾斜角度θに対するセンサ出力を高分解能にした傾斜センサが実現出来ると共に傾斜スイッチとして利用して好適な傾斜センサが実現出来る。
以上述べてきたように、帯状電極と可動電極間に生じる静電容量によって傾斜角度θを検出することで、検出感度を高くすることができる。また、静電容量を形成する帯状電極の形状を工夫することで、従来の抵抗検出型の傾斜センサでは実現出来なかったセンサ出力の自由度の大きな傾斜センサを実現することが出来た。
【００４９】
なお、今までの説明に用いた実施例における可動電極は球体の例を示してきたが、この発明はこの実施例に限定されない。例えば、可動電極を図１４に示すそろばん玉形状とすることも可能である。図１４（ａ）はそろばん玉形状の可動電極の平面図、図１４（ｂ）はその正面図、図１４（ｃ）は側面図である。そろばん玉形状の可動電極１２０の鉛直方向の両端部１２０ａと１２０ｂを摩擦が少ない形で保持することで、これまでに説明した実施例を構成することが出来る。
要するに移動方向と直交する方向の可動電極の断面が、中心部分から移動方向と直交する外側方向に行くほど高くなる形状であれば可動電極の形状が何であってもこの発明の傾斜センサを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】この発明による傾斜センサの一実施例を示す図である。
【図２】図１（ａ）に示したII−II線の断面図である。
【図３】静電容量Ｃを形成する移動距離Ｘ、距離Ｌ、間隔ｄを示す図である。
【図４】帯状電極の他の実施例を示す図である。
【図５】容量変化を定量値に変換する一例を示す図である。
【図６】案内手段の具体的な実施例を示す図である。
【図７】電極構造を変えた実施例を示す図である。
【図８】傾斜センサの等価回路を示す図である。
【図９】共通電極を設けた時の帯状電極の形状の一例を示す図である。
【図１０】帯状電極の形状を変えた実施例を示す図である。
【図１１】図１０に示すX−X線の断面図である。
【図１２】帯状電極の形状を変えた他の実施例を示す図である。
【図１３】静電容量Ｃを大きく構成出来る他の実施例を示す図である。
【図１４】可動電極の他の実施例を示す図である。
【図１５】従来の可変抵抗を用いた傾斜センサを示す図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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