(57)【要約】【課題】電極表面に工夫を施すことによって、投影面積に対して見かけ上よりも電極の実効表面積の大きさをコントロールし得る金属電極を提供し、また、小さい検出角度で設定されても、差動回路を用いることを可能にする傾斜センサを提供する。【解決手段】金属電極２０において、電極表面２２ａ，２２ｂに、エッチング又はショット処理によって凹凸２３ａ，２３ｂ等を形成することにより、見かけ上の面積（投影面積）を立体的に増やして、実効表面積を大きくされる。電極表面２２ａ，２２ｂへの処理面の割合、処理の程度（凹凸の深さ）等を調整することにより、実効面積の増減を調整可能である。電極間に移動体を移動可能に配置して、移動体の移動に応じて生じる静電容量の変化を検知することにより、電極が取り付けられるケースの傾斜を検出する傾斜センサに適用することができ、傾斜検出を行うための検出角度を設定する自由度が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影面積が異なる対向する二つの金属電極において、前記投影面積の小さい方の前記金属電極の表面に凹凸を形成したことを特徴とする金属電極。
【請求項２】
前記凹凸はエッチングによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属電極。
【請求項３】
前記凹凸はショット処理によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属電極。
【請求項４】
前記二つの金属電極の実効表面積は同じ大きさであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属電極。
【請求項５】
誘電性液が封入されたケース、前記ケース内で前記誘電性液中に浸漬された請求項１〜４のいずれか１項に記載の前記金属電極、及び前記金属電極間に前記ケースの傾斜に応じて移動可能に配置された導電性の移動体を備え、前記移動体の移動に応じた前記金属電極間の静電容量の変化によって前記ケースの傾斜を検出することを特徴とする傾斜センサ。
【請求項６】
二組の前記金属電極の実効面積を等しくし、差動回路により、前記二組の金属電間の前記両静電容量の差の符号反転に基づいて前記ケースの傾斜を判定することを特徴とする請求項５に記載の傾斜センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、対向する二つの電極を備えた金属電極、及びそれを誘電性液中に配置して電極間の静電容量の検出に適用された傾斜センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、二輪以上の輸送機器、産業機械、農機具等の車両においては、急坂路や傾斜地等を走行する場合、車両が転倒して安全走行に支障を来す虞れや、燃料供給系統に不都合を生じる虞れがある。これらの車両においては、限度を越えた車体の傾斜を検出して警報を発する、燃料供給系統の停止制御を行う等、安全確保に様々な対策が採られている。
【０００３】
従来、対向電極間に傾斜検知用の移動体入れ、その電極についての静電容量又はその変化を検出し、検出した静電容量の値に基づいて移動体の動きを判定し、当該センサが取り付けられた被検出体の傾斜を検知する傾斜センサが提案されている。移動体としては導電性の有るボールが用いられる。対向電極間に傾斜検知用のボールを入れ、ボールの移動によって生じる静電容量の変化に基づいてボールの動きを判定する傾斜センサの一例として、ゼロ点調整や温度補償等の調整が不要な静電容量式傾斜センサが提案されている（特許文献１参照）。この静電容量式傾斜センサによれば、半円状の一対の差動電極が垂直方向に隣接配置され、これと対向するように、共通電極が一定の間隙を設けて配置されている。一対の差動電極及び共通電極は、密閉容器内に収容され、密閉容器内には誘電性液体が封入される。上側の差動電極及び共通電極は上側可変コンデンサを構成し、下側の差動電極及び共通電極は下側可変コンデンサを構成している。
【０００４】
図５は従来の傾斜センサの一例を示す断面図であり、（ａ）は移動体の移動路に沿う方向に切断した断面図、（ｂ）は移動体の移動路と直交する方向（（ａ）のＡ−Ａ線）で切断した断面図である。図６は図５に示す傾斜センサの出力例を示す図であり、（ａ）はある温度状態での二つの電極が検出する容量の変化を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）から温度が変化したときの両電極が検出する容量の変化を示すグラフ図である。
【０００５】
図５に示す傾斜センサ１は、ガラスなどの非導電性の側板３，４と、側板３，４間に挟まれたシリコン等の中間板５とを三層構造に構成した容器状の本体２の形態を有している。板３，４と、中間板５とは、略同等の厚さを有し、正面で見て正方形の板材である。容器２の内部には、移動体としてステンレス等の導電性のある材料から成るボール（ボール径Ｚ）６が収容されている。ボール６を収容するため、中間板５には貫通孔７が形成されている。側板３，４には、貫通孔７に対応して且つ貫通孔７の開口の内側に納まる態様で窪み８，８が形成されている。窪み８，８は、周辺部が斜面となった板３，４の厚さの約半分の深さにまで浅い皿状に形成されている。キャビティを形成する貫通孔７及び窪み８，８以外の部分は、平坦に形成されており、板３，４と中間板５との接合面は液密に接合される。図５（ａ）に示すように、表側には本体２のキャビティ内に連通し液体を注入する注入部１０が設けられている。図５は、ボール６に大きな加速度が作用しないときの、ボール６の安定位置を定めている。
【０００６】
窪み８，８の周りの側板３，４間には弧状の移動路９が形成されている。移動路９は、ボール６の径Ｚよりも僅かに広い幅Ｘを有する円環状の通路に形成されており、円環状の移動路９は、図５（ａ）の左右の感度軸方向を含む面内に延びて形成されている。中間板５に形成される貫通孔７の内周面には、両側から等距離の中間位置に稜線７ａが形成されている。傾斜センサ１によれば、本体２が傾斜するときに、ボール６は相対的な加速度を受けてボール６は稜線７ａ上を転がるように移動路９を移動し、それに起因して側板３，４間で変化する静電容量が測定される。
【０００７】
側板３，５には、移動路９に沿って金属電極（以下、単に「電極」という）が付着されている。電極は、互いに対向する第１電極１１，１１と互いに対向する第２電極１２，１２とから成っている。第１電極１１，１１と第２電極１２，１２とは、周方向に区分した弧状に形成されており、第１電極１１，１１が図５（ａ）の安定状態を中心とする比較的狭い検出角度範囲（定常状態の判定角度範囲）θ１を占めており、第２電極１２，１２が残りの比較的広い角度範囲（傾斜状態判定角度範囲）θ２を占めている。第１電極１１，１１の検出角度範囲θ１と第２金属電極１２，１２の検出角度範囲θ２は、互いに相補的に広がっており、トータルで３６０度の範囲をカバーしている。検出角度範囲θ１でボール６が検知されるときには、傾斜センサ１は定常状態にあると判定される。また、検出角度範囲θ２でボール６が検知されるときには、傾斜センサ１は傾斜状態にあると判定される。第１電極１１，１１及び第２電極１２，１２について、外部との電気的接続を確保する接続端子１３，１４が設けられている。
【０００８】
図６は、図５に示す傾斜センサ１の出力例である。この例では、電極間の容量（静電容量）の時間変化がグラフとして示されている。太実線が第１電極１１，１１間での容量の変遷を示し、破線が第２電極１２，１２間での容量の変遷を示している。移動路９でボール６が存在する電極については、移動路９の電極間距離Ｘからボール径Ｚを除いた間隔（Ｘ−Ｚ）が小さいため、静電容量が大きい。また、静電容量は、対向する電極の面積に比例する。したがって、ボール６が第１電極１１，１１間の定常位置（図５（ａ））に有るときの第１電極１１，１１間の静電容量は、ボール６が第２電極１２，１２間に存在しているときの静電容量よりも大きい。また、第２電極１２，１２間の静電容量は、ボール６が第２電極１２，１２間に位置する状態の方が、第１電極１１，１１間に存在しているときよりも大きい。更に、第２電極１２，１２の面積が第１電極１１，１１の面積よりも広いため、定常状態では、第２電極間の容量が第１電極間の容量よりも大きい。
【０００９】
細実線で示す線は傾斜判定を行う閾値を示す線であり、この閾値を境に傾斜の判定がなされる。図６（ａ）に示すように、傾斜センサが定常（非傾斜）状態から傾斜状態に移行するときに、第１電極１１，１１間では静電容量が低下し、第２電極１２，１２間では静電容量が上昇する。この静電容量が変化するときの値に閾値を設定することにより、静電容量が閾値を超えて低下又は上昇するという変化を検出することで、センサが定常状態にあるかそれとも傾斜状態にあるかを判定することができる。
【００１０】
上記のような静電容量の変化により傾斜を検出する傾斜センサにおいては、通常、小さい角度でも傾斜したことを検出することが望まれる。そうした場合には、図５に示したように２つの電極面積が異なるので、温度変化など外的要因にて容量そのものが変化し、転倒判断が困難になる又は誤判定する可能性がある。電極の容量変化の一例が図６（ｂ）に示されている。閾値は当初設定のとおりであるので、容量特性が変化すると第２電極１２，１２間での容量は傾斜していなくても既に閾値を超えており、傾斜していると誤判定される。図示の状態では、第１電極１１，１１間の静電容量が閾値を下回ることが検出されれば傾斜状態を判定可能であるが、この閾値を下回らないと、傾斜したにもかかわらず、傾斜していないと誤判定されるおそれがある。
【００１１】
静電容量の変化の検出のために差動回路を使用する場合の傾斜センサの構造が図７に示されている。差動回路を使用する場合、２つの電極を同じ面積にすることが必要である。即ち、第１電極１５，１５及び第２電極１６，１６の面積（設けられる角度を１８０度にする）を同一にし、第１電極１５，１５間及び第２電極１６，１６間の静電容量差を測定し、その差が反転することにより傾斜判定を行う。この構造によれば、第１電極１５，１５及び第２電極１６，１６は共に１８０度の検出角度範囲θ３，θ４を持つ。ボール６が移動する移動量、即ち、第２電極１６，１６間まで移動すれば、第１電極１５，１５及び第２電極１６，１６間で検出される静電容量の大きさが反転するので、本体２が第１電極１５，１５でカバーする角度範囲を超えて傾斜したことを判定することができる。両電極の出力である静電容量は、図８（ａ）に示すように、ボール６が定常状態と傾斜状態との境界を通過するときに互いにクロスして静電容量差の値が正（ΔＱ）から負（−ΔＱ）、或いはその逆に反転する。図８（ｂ）に示すように、温度変化に起因して容量特性に変化が生じた場合、容量の差の大きさが変化する（ΔＱ’，−ΔＱ’）ことはあっても、定常状態又は傾斜状態でその容量の差（｜ΔＱ’｜）は常に同じであり、定常状態と傾斜状態との間でボール６が動くときには容量の差の符号の逆転が必ず生じる。したがって、上記の傾斜していなくても傾斜（或いはその逆）しているという誤判定がなされる問題点を回避できる。
【００１２】
しかしながら、この場合、両電極の面積を同じにしているため、定常状態判定角度範囲と傾斜状態判定角度範囲はどちらも１８０°となり、検出角度が１点に固定され、自由な検出角度の設定が困難であるという問題点がある。
【００１３】
自動車などの角速度や加速度を検出する半導体容量式加速度センサや角速度センサにおいて、シリコン基板に形成された錘の形状について、検出電極に対する上部分の表面積を下部分の表面積に比べて大きくすることにより、センサ感度の低下を極力抑えつつセンサ全体を小型化することが提案されている（特許文献１）。また、ＦＡ機器や自動車又は各種作業車などの姿勢検知に用いられる傾斜センサであって、複数の固定電極が形成された一方の基台の上側に、複数の柔軟性支持膜で可動電極を吊り下げ支持した基台を下向きに配置し、可動電極が基台の傾き以上に変化して傾くことに起因して電極間の隙間に生じる容量変化を検出することにより、温度変化の影響を受けることなく、全方向の傾斜の検出精度を向上させ、ノイズの影響を抑えることを図った傾斜センサが提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００５−７００１８号公報
【特許文献２】特開平６−２４１７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、電極表面に工夫を施すことによって、投影面積に対して見かけ上よりも電極の実効表面積の大きさをコントロールする点で解決すべき課題がある。また、傾斜センサにおいて、１８０°と異なり小さい検出角度で設定されても、差動回路を用いることを可能にする点で解決すべき課題がある。
【００１５】
この発明の目的は、上記課題を解決することであり、投影面積に対して電極の実効表面積の大きさを自由にコントロールすることである。
また、１８０°と異なり小さい検出角度での自由な検出角度の設定を可能にし、差動回路を用いることを可能にして、温度変化に起因して静電容量に変化を生じても誤検出を伴うことなく小さい検出角度で傾斜を検出可能にする傾斜センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を達成するため、この発明による金属電極は、投影面積が異なる対向する二つの金属電極において、前記投影面積の小さい方の前記金属電極の表面に凹凸を形成したことを特徴としている。
【００１７】
この金属電極によれば、電極表面に凹凸を形成又は傾斜を付けることにより、平面状であった面積を立体的に増やすことができ、見かけ上の面積、即ち、投影面積よりも大きな実効表面積を備えるものとすることができる。
【００１８】
この金属電極において、前記凹凸をエッチングによって形成することができる。また、前記凹凸をショット処理によって形成することができる。電極表面にエッチング或いはショット処理を施すことによって電極表面には凹凸が形成され、しかも、こうした処理によって形成される凹凸は通常、傾斜した部分を有するので、実効面積は投影面積よりも大きくなる。電極表面に形成される処理面の割合、処理の程度（凹凸の深さ）等を調整することにより、実効面積の増減を調整することができる。
【００１９】
この金属電極において、前記二つの金属電極の実効表面積は同じ大きさとすることができる。即ち、各電極の投影面積が異なっていても、実効面積を等しくすることができる。
【００２０】
この発明による傾斜センサは、誘電性液が封入されたケース、前記ケース内で前記誘電性液中に浸漬された上記の金属電極、及び前記金属電極間に前記ケースの傾斜に応じて移動可能に配置された導電性の移動体を備え、前記移動体の移動に応じた前記金属電極間の静電容量の変化によって前記ケースの傾斜を検出することを特徴とする。
【００２１】
上記の金属電極は、傾斜センサに適用することができ、その場合、電極間に移動体を移動可能に配置して、移動体の移動に応じて生じる静電容量の変化を検知することにより、電極が取り付けられるケースの傾斜を検出することができる。電極の実効面積が電極表面の凹凸の程度に応じて可変であるので、電極の投影面積に依る設定と異なり、傾斜検出を行うための検出角度を設定する自由度が得られる。
【００２２】
上記傾斜センサにおいて、二組の前記金属電極の実効面積を等しくし、差動回路により、前記二組の金属電間の前記両静電容量の差の符号反転に基づいて前記ケースの傾斜を判定することができる。即ち、差動回路によって二組の金属電間の前記両静電容量の差の符号反転を検出することに応じて、ケースの傾斜を判定することができる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明は、上記のように構成されているので、投影面積に対して金属電極の実効面積の大きさを自由にコントロールすることができる。
【００２４】
角度を検出するセンサに適用した場合には、投影面積で一義的に定まる検出角度に対して、自由な検出角度の設定が可能になる。また、見かけの投影面積よりも大きな実効面積を確保できるので、同等程度の感度を確保するセンサの小型化が可能である。更に、二組の金属電極間の静電容量を検出することで傾斜を検出する傾斜センサにおいては、１８０°と異なり小さい検出角度での自由な検出角度の設定でありながら、両組の金属電極の実効面積を等しくなるように構成して、両組の金属電極間の静電容量の差の符号反転を差動回路によって検出して、温度変化に起因して静電容量に変化を生じても誤検出を伴うことなく、小さい検出角度での傾斜を検出可能にする傾斜センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付した図面に基づいて、この発明による金属電極及びそれを用いた傾斜センサの実施例を説明する。図１は、本発明による表面加工電極の例を示す断面図である。図１（ａ）は表面加工電極の一例を示す断面図、（ｂ）は表面加工電極のイメージを示す斜視図である。
【００２６】
図４には平面電極の一例が示されている。（ａ）は平面電極４０の断面図、（ｂ）は平面電極４０の表面イメージの斜視図である。平面電極４０は、幅をｘ、ｙとし、並列配置された電極４１，４１の対向する表面４２，４２間の間隔（距離）をｄとする。
【００２７】
図１（ａ）に示す表面加工された金属電極２０においては、並列配置された電極２１ａ，２１ｂの対向する電極表面２２ａ，２２ｂに異方性エッチングが施されている。エッチングの施し形態は全面的であり且つ逆相である。即ち、エッチングは斜めに浸食する形態で進行するが、電極２１ａの表面２２ａと電極２１ｂの表面２２ｂとに施されるエッチングによって形成される三角形状の溝をなす凹凸２３ａ，２３ｂは、ピッチＸ０（μオーダーの長さを有する）で且つ逆相（山２４ａと谷２５ｂ、谷２５ａと山２４ｂがそれぞれ対向している）である。
【００２８】
異方性エッチングは、図１（ｂ）に示すように、幅ｙ方向に延び且つ幅ｘ方向に整列して並んだ溝状の凹凸であるが、これに代えて、縦横の溝を格子状に形成してもよく、あるいは多数の円錐台状の隆起部を縦横に整列させて形成させてもよい。
【００２９】
傾斜センサに適用する場合には、凹凸が形成された加工表面にボールを転動させることは、凹凸面を摩耗させる可能性がある。そこで、加工表面に誘電率に影響がないＳｉＯ２膜又はガラスのような薄板２６ａ，２６ｂを貼着させることが好ましい。
【００３０】
次に、シリコンをエッチングして表面積を大きくする場合、異方性エッチングにより表面積が増加されることを説明する。
平面状のコンデンサの容量は式１によって求めることができる。
【数１】
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ここで、ε０は真空中の誘電率、εｒは誘電体の非誘電率、ｄ１は電極間の距離、ｘは平面Ｘ方向の距離である。
【００３１】
図２は本発明によって異方性エッチングが施された電極の表面の一部を示す拡大図である。図２に凹凸を拡大して示すように、凹凸は、ピッチｘ０に対して深さｘ２、斜面の長さをｘ１として、角度を５５°に定めることができる。
異方性エッチングにより表面積を増やすと、対向する電極との間の距離は増加するが、それ以上に表面積が大きくなるため、実質上、容量が増加することが式２により判る。式２からは面積は、ｘ０に対して２ｘ１の比率で広がり、約１．７倍になっていることが判る。なお、Ｓは面積ｘ・ｙである。
また、式３により、電極間の距離はｄ１に対してｘ２（上下２枚の電極であるので合計で、ｘ０×ｔａｎ５５）だけ広がっている。この電極間隔が大きくなることによる影響はｄとの比較により決定される。
【００３２】
図３は本発明による表面加工電極の別例を示す断面図である。図３に示す表面加工された金属電極３０は、対向する表面に異方性エッチングが施されており、エッチングの施し形態は同相である。即ち、エッチングは斜めに浸食する形態で進行するが、一方の電極３１ａの電極表面３２ａと、他方の電極３１ｂの電極表面３２ｂとに施されるエッチングによって形成される三角形状の溝をなす凹凸３３ａ，３３ｂは、ピッチｘ０で且つ同相（山３４ａと山３４ｂ、谷３５ａと谷３５ｂが対向している）である。
【００３３】
シリコンを異方性エッチングによりエッチングして投影面積当たりの実効表面積を大きくした場合、エッチングを施さない平面電極と比べて実効面積を同じに保つときには、見かけ上の電極の大きさは平面電極の約５９％と小型化することが可能となる。一方の組の金属電極については平面電極とし、他方の組の金属電極としては、エッチング処理をした金属電極とするという組合せで、見かけの表面積違いの電極により検出角度を設定することができる。
【００３４】
この金属電極によれば、見かけ上の面積は異なっていても実効面積を同じ面積とすることができる。傾斜センサに適用した場合、実際には、狭い角度を持つ定常状態判定角度の範囲（即ち、図５（ａ）に示す（定常状態の判定角度範囲）θ１）について用いられる金属電極（第１電極）１１が、表面に凹凸や傾斜を付けることで実効面積を大きくした電極とされる。比較的広い角度範囲（傾斜状態判定角度範囲）θ２について用いられる金属電極（第２電極）１２は、平面電極とされる。そして、定常状態判定角度の範囲θ１の金属電極の実効面積の拡大比率に応じて見かけ上の面積比率を調整（反比例）することにより、当該電極の実効面積を傾斜状態判定角度の範囲θ２に用いられる平面電極の実効表面と同じに設定される。実効面積が同じであれば、実質的に図７に示した傾斜センサと同等となり、静電容量差の反転を検出することで傾斜を検出する差動回路による検出方法を適用することができるので、温度変化に起因した電極の静電容量に変化が生じても傾斜の有無について誤検出をするのを回避することができる。
【００３５】
表面の凹凸２３ａ，２３ｂ；３２ａ，３２ｂの程度又は微細な傾斜の角度等を変更することにより、図５のような定常状態の判定角度範囲θ１が十分狭くなるように、検出角度を自由に設定した傾斜センサに構成することができる。
【００３６】
金属電極がアルミ製の電極とした場合、塩化物水溶液中で直流や交流で電気化学的なエッチングを行い、実行面積を拡大させることができる。実行面積は３０〜１００倍程度で調整することができる。交流電解を主体とすると細かな海綿状エッチングが得られ、直流電解を主体とするとトンネルエッチングの形状が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による表面加工電極の例を示す断面図である。
【図２】本発明によって異方性エッチングが施された電極の表面の一部を示す拡大図である。
【図３】本発明による表面加工電極の別例を示す断面図である。
【図４】平面電極の一例を示す図である。
【図５】従来の傾斜センサの一例を示す図である。
【図６】図５に示す傾斜センサの出力特性の一例を示すグラフである。
【図７】従来の傾斜センサの別例を示す図である。
【図８】図７に示す傾斜センサの出力特性の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１  傾斜センサ                      ２  本体（容器）
３，４  側板                        ５  中間板
６  ボール（移動体）
７  貫通孔                          ７ａ  稜線
８，８  窪み                        ９  移動路
１０  注入部
１１  第１電極                      １２  第２電極
１３，１４  接続端子
１５  第１電極                      １６  第２電極
２０  金属電極                      ２１ａ，２１ｂ  電極
２２ａ，２２ｂ  電極表面            ２３ａ，２３ｂ  凹凸
２４ａ，２４ｂ  凹凸の山            ２５ｂ，２５ａ  凹凸の谷
２６ａ，２６ｂ  薄板
３０  金属電極                      ３１ａ，３１ｂ  電極
３２ａ，３２ｂ  電極表面            ３３ａ，３３ｂ  凹凸
３４ａ，３４ｂ  山                  ３５ａ，３５ｂ  谷
ｘ，ｙ  電極の幅                    ｄ  間隔（距離）
ｘ０  ピッチ                        ｘ２  深さ
ｘ１  斜面の長さ
θ１  定常状態の判定角度範囲        θ２  傾斜状態判定角度範囲
θ３，θ４  検出角度範囲            Ｘ    電極間距離
ΔＱ，ΔＱ’正の静電容量差        −ΔＱ，−ΔＱ’  負の静電容量差
Ｚ  ボール径
【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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