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JP2010096725A - Inclination sensor - Google Patents

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JP2010096725A
JP2010096725A JP2008270096A JP2008270096A JP2010096725A JP 2010096725 A JP2010096725 A JP 2010096725A JP 2008270096 A JP2008270096 A JP 2008270096A JP 2008270096 A JP2008270096 A JP 2008270096A JP 2010096725 A JP2010096725 A JP 2010096725A
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JP
Japan
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drive electrode
substrate
electrode
tilt sensor
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008270096A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshinobu Matsumoto
佳宣 松本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Keio University
Original Assignee
Keio University
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Publication date
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Abstract

【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
An inclination sensor is provided which has a simple manufacturing process and can be reduced in size and cost.
A tilt sensor 10 according to the present invention includes a substrate 11, a first drive electrode 21 and a second drive electrode provided on the substrate 11, and a lead portion for the first drive electrode 21 and the second drive electrode. Except for the vicinity, the common electrode 20 provided on the substrate 11 so as to surround the first drive electrode and the second drive electrode, and the surface of the substrate 11 on which the respective electrodes are formed. It has a cap 13 provided, and a detection liquid 14 sealed in a space provided between the substrate 11 and the cap 13.
[Selection] Figure 1

Description

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。   In the present invention, an electrode pattern is formed on a substrate, a space is formed between the cap provided on the surface on which the electrode pattern is formed and the substrate, and this space is filled with a non-aqueous electrolyte solution and a gas. The present invention relates to an inclination sensor having a structure.

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。
特開平9−61162号公報 特開平5−264274号公報
The tilt sensor is an important device in surveying, posture control, and the like, and there is a great demand in the field of moving object control devices and mobile devices. Such a tilt sensor uses a resistance change in its tilt detection principle--for example, the principle of detecting tilt by enclosing an electrolyte and bubbles in a glass tube and detecting the resistance change of the upper and lower electrodes. Things are known. As an example using such a principle, for example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 9-61162), the sealed container A includes a top plate 3, a cylindrical member 2, and a bottom plate 1 having a spherical concave surface 3a on the bottom surface. The electrolyte solution L that forms the bubble B is sealed in the sealed container A, and the spherical concave surface 3a in the sealed space A and the upper surface 1a of the bottom plate 1 are sealed in the sealed container A, respectively. An inclination sensor formed by forming electrodes 4, 5, and 6 that detect the position as a change in electrical resistance between the two is disclosed. Alternatively, Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-264274) discloses a resistance type inclination detecting device that detects an inclination angle based on a change in electric resistance.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-61162 Japanese Patent Laid-Open No. 5-264274

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。   However, in the tilt sensor as described in Patent Document 1, the upper and lower electrodes need to be formed by machining, which complicates the manufacturing process and has become a barrier to downsizing the tilt sensor. . Patent Document 2 uses an AC voltage, and it is difficult to reduce the size and power consumption because it is necessary to provide an AC / DC conversion circuit and a switching circuit.

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。   In order to solve the above-described problem, an invention according to claim 1 of the present application includes a substrate, a first drive electrode and a second drive electrode which are provided on the substrate and both have a substantially semicircular shape, A common electrode having a substantially circular shape provided on the substrate so as to surround the first drive electrode and the second drive electrode, except in the vicinity of a lead portion of the first drive electrode and the second drive electrode; A cap provided on the surface of the substrate on which the electrodes are formed, and a non-aqueous electrolyte solution sealed in a space provided between the substrate and the cap, An inclination sensor characterized in that an inclination angle is obtained by measuring a resistance value generated through a non-aqueous electrolyte between the first drive electrode, the second drive electrode, and the common electrode.

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。   According to the tilt sensor of the present invention, since the electrode is present only on one side, electrode formation (patterning of the printed circuit board, lithography technology) using an exposure technique or the like is possible, and the manufacturing process of the tilt sensor is simplified. It is possible to reduce the size and cost of the tilt sensor.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing a cross section of a tilt sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the tilt sensor according to the embodiment of the present invention and an electrode pattern on a substrate. 1 and 2, 10 is a tilt sensor, 11 is a substrate, 13 is a cap, 14 is a detection liquid, 20 is a common electrode, 21 is a first drive electrode, 22 is a second drive electrode, 25 is a wiring section, C 0 , C + , and C− are terminals, and g is a gap.

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。 FIG. 2A shows an external perspective view of the tilt sensor 10 and shows a general use posture of the tilt sensor 10. That is, the inclination sensor 10 is set so that the wiring portion 25 is directly above the vertical direction, and the inclination sensor 10 detects the degree of inclination in the DD ′ direction with respect to the set state. FIG. 2B is a view of the internal configuration of the tilt sensor 10 when the cap 13 is viewed as a transparent body. In FIG. 2B, terminals C 0 , C + , C− and the like are schematically shown. 1 is a cross-sectional view of the tilt sensor 10 shown in FIG. 1 when the electrode pattern on the substrate 11 in FIG. 2B is cut along a line AA ′ and arranged as shown in FIG. 1 with respect to the vertical direction. Shows the state.

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。 On the substrate 11 of the tilt sensor 10, a common electrode 20, a first drive electrode 21, and a second drive electrode 22 are formed in an electrode pattern as shown. The first drive electrode 21 and the second drive electrode 22 are substantially semicircular patterns having substantially the same area, and are configured to be connected to lead terminals C + and C−, respectively. As described above, the tilt sensor 10 of the present invention has a structure in which the electrodes are provided only on the substrate 11 and is not a structure in which two substrates provided with the electrodes are opposed to each other. It is possible to manufacture without requiring labor for accuracy and alignment accuracy such as a gap distance between substrates, and it is possible to realize a reduction in manufacturing cost. Further, as described above, since the tilt sensor 10 of the present invention has a structure in which electrodes are provided only on the substrate 11, it is possible to form electrodes using an exposure technique (patterning of a printed circuit board, lithography technique), and the tilt sensor 10. Simplification of the manufacturing process and downsizing and cost reduction of the sensor. An insulator is used for the substrate. Specifically, glass, plastic, ceramic or the like is used. In addition to copper, gold, aluminum, etc., molybdenum or the like can be used as the electrode material.

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。 The common electrode 20 is formed so as to surround the pattern of the first drive electrode 21 and the second drive electrode 22 and is connected to the lead terminal C 0 . A gap g is formed between the terminal end C0 of the common electrode 20 and the lead terminal C- of the second drive electrode 22 so as to ensure sufficient insulation. That is, the common electrode 20 is disposed so as to surround the first drive electrode 21 and the second drive electrode 22 except in the vicinity of the lead portions of the first drive electrode 21 and the second drive electrode 22. Moreover, even if the first drive electrode 21 and the second drive electrode 22 are interchanged in FIG. 2 according to circumstances, there is no problem. That is, the gap g may be between the common terminal 20 and the lead terminal C + of the first drive electrode 21.

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。   On the main surface side of the substrate 11 where the common electrode 20, the first drive electrode 21, and the second drive electrode 22 are formed, a non-conductive cap 13 is provided so as to seal the periphery of the substrate 11. In the internal space formed between the substrate 11 and the cap 13, a detection liquid 14 occupying approximately half of the internal space is sealed. As a material of the non-conductive cap 13, for example, glass or plastic resin can be used.

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。   As the detection liquid 14, a liquid having a large resistance value is used. More specifically, as the detection liquid 14, a liquid such as propylene carbonate, γ-butyl lactone, or acetonitrile is particularly used as a non-aqueous electrolyte. When the tilt sensor 10 is in a standing state as shown in FIG. 2, the detection liquid 14 is placed on substantially half of the common electrode 20, the first drive electrode 21, and the second drive electrode 22. Enclosed in such an amount as to exist. In addition to the electrical properties as described above, the detection liquid 14 is also required to have a physical property that moves following the tilt angle θ of the tilt sensor 10 in the internal space. The detection liquid 14 is required to have a property that does not corrode the electrode.

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。   The tilt sensor 10 configured as described above is used, for example, as a uniaxial tilt sensor that detects the tilt of the tilt sensor 10 from a reference state as shown in FIG.

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。   Next, an outline of the principle of detecting the tilt angle θ using the tilt sensor 10 having the above configuration will be described. FIG. 3 is a diagram showing a usage state of the tilt sensor according to the embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing an outline of a circuit configuration used in the tilt sensor according to the embodiment of the present invention. 3A and 3B show states when the inclination angle of the inclination sensor 10 shown in FIGS. 2A and 2B is θ, respectively. In FIG. 4, the circuit within the dotted line is an equivalent circuit of the tilt sensor 10, Vdd indicates a DC voltage source, and V indicates a voltmeter.

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。 The terminal C + DC voltage source (Vdd) as shown in FIG. 4, also to the terminal C- ground (GND), The terminal C 0 is connected to a voltmeter (V). With this circuit configuration, in the present embodiment, θ is detected by the output change of the voltmeter V corresponding to the inclination θ of the inclination sensor 10 that is a uniaxial inclination sensor.

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。   In the present embodiment, the inclination angle θ is obtained by measuring a DC voltage obtained by applying a DC voltage source (Vdd) to the terminal of the inclination sensor 10, but the AC voltage is changed to a DC voltage source. The inclination angle θ may be obtained using a voltage source. However, as described above, when an AC voltage is applied, an additional circuit is required, which makes it difficult to reduce the size and increases power consumption. Also, the calculation formula for deriving the inclination angle θ can be simplified only by using a DC voltage. As shown in the embodiment, by applying a DC voltage to the tilt sensor 10, the tilt angle θ can be accurately measured and low power consumption can be realized. However, it does not preclude the use of an alternating voltage as far as conditions permit.

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。 Here, the state when the inclination angle of the inclination sensor 10 is set to θ as shown in FIG. 3 will be examined. When the tilt sensor 10 is tilted by θ, as shown in FIG. 3B, the liquid level of the detection liquid 14 remains horizontal with respect to the vertical direction, and the first drive electrode 21 and the detection liquid 14 There is a difference between the area S 1 in contact with and the area S 2 in contact with the second drive electrode 22 and the detection liquid 14. The area of contact between the common electrode 20 and the detection liquid 14 is constant as long as the inclination angle θ is within a predetermined range.

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。   Since the detection liquid 14 which is a non-aqueous electrolyte in contact with each electrode has slight conductivity, it apparently behaves as a resistor. Thus, the tilt sensor 10 according to the present invention uses a property as a resistor of the detection liquid 14 sealed in the internal space, and thus can be said to be a resistance value detection type tilt sensor.

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。 In such a tilt sensor 10 of this embodiment, the output voltage with respect to the tilt angle θ until the detection liquid 14 reaches the vicinity P of the lead portions of the terminals C 0 , C + , C− is detected due to its structure. As a result, the inclination angle θ can be detected in a wide range.

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。 The resistance R + between the first drive electrode 21 and the common electrode 20 and the second drive electrode 22 based on the behavior of the detection liquid 14 as a resistor when the tilt angle of the tilt sensor 10 is θ. And the common electrode 20 can be expressed by the following equations (1) and (2), respectively.

Figure 2010096725
Figure 2010096725

Figure 2010096725
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。
Figure 2010096725
Here, ρ is the conductivity, d is a virtual distance between each drive electrode and the common electrode 20, and K is a constant. The virtual distance d is a distance introduced to calculate the resistance using the area and the conductivity. As shown in FIG. 2B, in the tilt sensor 10 according to the present embodiment, the first drive electrode 21 and the second drive electrode 22 are substantially semicircular as shown in order to make the virtual distance d constant. The common electrode 20 is arranged in a substantially circular shape so as to surround the first drive electrode 21 and the second drive electrode 22.

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。   With the tilt sensor 10 in a standing state as shown in FIG. 2B, the detection liquid 14 is on approximately half of the drive electrode, and as the structure is tilted, detection on the drive electrode is performed. The area ratio between the working liquid 14 and the gas changes. Equations (1) and (2) show the resistance change associated with such inclination. The resistance of the gas part is assumed to be almost infinite. As for the approximation to the rightmost side of each of the expressions (1) and (2) (approximation for bringing θ to the numerator), when x << 1, 1 / (1 + x) ≈1-x and 1 / This is based on (1−x) ≈1 + x. It goes without saying that it is preferable not to perform such an approximation when performing a detailed analysis, but in the present embodiment, for the sake of simplicity, the equation is simplified using the above approximation.

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。   In the tilt sensor 10, contact resistance due to contact between the electrode and the detection liquid 14 exists. Based on such contact resistance, the resistance between the first drive electrode 21 and the common electrode 20 and the detection liquid 14 is Rs and between the second drive electrode 22 and the common electrode 20 and the detection liquid 14. The resistance is also Rs. From the above, it can be seen that the equivalent circuit of the tilt sensor 10 is surrounded by a dotted line in FIG.

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。 At this time, as shown in FIG. 4, the terminal C + DC voltage source (Vdd), also, connecting terminals C- to ground (GND), the output voltage V out to be outputted to the terminal C 0, under It can be represented by equation (3).

Figure 2010096725
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。
Figure 2010096725
Here, to simplify the equation (3) by ignoring the contact resistance Rs, the voltage is proportional to the angle in inverse proportion to the area S 1 of R +, the output voltage V out is the following formula (4) and inclined It can be seen that it is substantially proportional to the angle θ. (However, θ is within ± 90 [deg].) Thus, the inclination angle θ of the inclination sensor 10 can be detected by measuring the output voltage Vout .

Figure 2010096725
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。
Figure 2010096725
In addition, since the output voltage Vout of the inclination sensor 10 according to the present embodiment is given as a resistance ratio, it has a property of canceling the temperature characteristic of the resistance, and highly accurate inclination angle information can be obtained. According to the tilt sensor 10 having the above-described configuration, since the electrode is present only on one side, it is possible to form an electrode using an exposure technique or the like (patterning of the printed circuit board, lithography technique), and the manufacturing process of the tilt sensor. Can be simplified and the tilt sensor can be reduced in size and cost.
(Example)
FIG. 5 is a diagram illustrating electrode pattern dimensions of the inclination sensor 10 according to the embodiment. As shown in FIG. 5, the diameter of the outer periphery of the common electrode 20 was 4 mm. Further, the slit-like insulating region formed between the respective electrodes was set to about 100 μm. The substrate 11 was made of plastic, and copper was used as a material for the common electrode 20, the first drive electrode 21 and the second drive electrode 22.

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。   FIG. 6 is a diagram for explaining the meniscus force in the tilt sensor. FIG. 6 is a view of the internal configuration of the tilt sensor when the cap 13 is viewed as a transparent body. The detection liquid 14 filled in the internal space between the substrate 11 and the cap 13 is in a state of being attracted to the inner wall surface of the cap 13 by a meniscus force as shown in S of FIG. If the diameter of the outer periphery of the common electrode 20 is less than 4 mm, the influence of the detection liquid 14 attracted by the meniscus force cannot be ignored, which is not preferable. Also, considering the downsizing of the tilt sensor 10, it is reasonable that the maximum diameter of the outer periphery of the common electrode 20 is about several centimeters. However, it is not always necessary to provide an upper limit for the maximum diameter of the outer periphery of the common electrode 20.

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。 The inclination sensor 10 as described above was actually made on a trial basis, the terminal C− was grounded, and the DC power supply voltage Vdd (3V, 5V) was applied to the terminal C + . The current consumption at that time was 0.2 μA when Vdd = 3 V and 0.5 μA when Vdd = 5 V, and it was confirmed that the power consumption of the tilt sensor 10 according to the present invention was reduced.

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。 Further, the positive terminal of the voltmeter V and the terminal C0 were connected, and the negative terminal was grounded. A state in which the areas of the first drive electrode 21 and the second drive electrode 22 immersed in the detection liquid 14 are the same is defined as an inclination angle θ = 0 deg, and the leftward inclination is positive. The tilt sensor was fixed to the rotary stage, and the output voltage V out of the terminal C 0 was measured while rotating counterclockwise from −90 deg to 90 deg using a stepping motor. The rotation speed of the stepping motor is 20 deg / s.

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。 As described above, the output voltage when the tilt sensor 10 is rotated by ± 90 [deg] is as shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the tilt angle and the output voltage of the tilt sensor according to the embodiment of the present invention. Propylene carbonate is used as the detection liquid 14 and Vdd = 3.0V. As shown in FIG. 7, according to the prototyped tilt sensor 10 according to the present invention, an output voltage Vout substantially proportional to the tilt angle θ could be obtained in a wide range of ± 90 [deg]. As can be seen from FIG. 7, the output voltage of the tilt sensor 10 according to the present invention has a merit that there is a region with very good linearity, and the signal output from the tilt sensor 10 is easy to handle.

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。   In addition, an experiment was conducted on the temperature characteristics of the tilt sensor 10 according to the present invention. As a result, when the temperature was changed, the sensitivity tended to decrease as the temperature decreased. In addition, the temperature characteristic of the resistance greatly depends on the temperature. However, since the resistance change accompanying this temperature characteristic is canceled by the resistance ratio as described above, a relatively good temperature characteristic of the output voltage is obtained. Yes. As described above, the tilt sensor 10 of the present invention has a good temperature characteristic, but does not prevent the provision of a compensation circuit that compensates for an output change accompanying a temperature change.

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。   As described above, according to the configuration of the present invention, since the electrode is present only on one side, it is possible to form an electrode using an exposure technique or the like (patterning of the printed circuit board, lithography technique), and simplify the manufacturing process of the tilt sensor. And downsizing and cost reduction of the tilt sensor.

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。   Further, according to the configuration of the present invention, it is possible to provide a resistance value detection type inclination sensor with low power consumption. In addition, according to the configuration of the present invention, it is possible to provide a tilt sensor having a stable output even when there is a temperature change.

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。 Next, in the previous embodiment, the expression of the output voltage V out accompanying the change in the inclination angle θ of the inclination sensor 10 is approximately derived. Here, the derivation of the logical expression will be described. Here also, description will be made with reference to FIG.

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。 When the tilt angle of the tilt sensor 10 is θ, the total resistance R + tot between the first drive electrode 21 and the common electrode 20 is a resistance value based on the behavior of the detection liquid 14 as a resistor, contact The total resistance R- tot between the second drive electrode 22 and the common electrode 20 is based on the resistance value based on the behavior of the detection liquid 14 as a resistor and the contact resistance. It is the sum of the resistance Rs. Therefore, R + tot and R− tot can be expressed by the following equations (5) and (6), respectively.

Figure 2010096725
Figure 2010096725

Figure 2010096725
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。
Figure 2010096725
Here, ρ is the conductivity, d is a virtual distance between the drive electrode and the common electrode 20, and is a constant, and K is a constant. As shown in FIG. 4, the terminal C + DC voltage source (Vdd), also, connecting terminals C- to ground (GND), the output voltage V out to be outputted to the terminal C 0, the following equation (7 ).

Figure 2010096725
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。
Figure 2010096725
The output voltage V out is proportional to the angle in inverse proportion to the area S 1 of the R + tot, the output voltage V out is as follows (8).

Figure 2010096725
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。
Figure 2010096725
According to this equation (8), the relationship between the inclination angle θ of the inclination sensor 10 and the output voltage V out can be expressed. Here, if the contact resistance Rs is smaller than components such as ρd / S 1 and ρd / S 2 , the output voltage V out can be arranged as shown in the following equation (9) and is substantially proportional to the inclination angle θ. I understand that.

Figure 2010096725
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。
Figure 2010096725
Actually, the sensitivity is lower than this due to the influence of the contact resistance Rs. Further, when the inclination angle θ of the inclination sensor 10 approaches 90 [deg], the output is saturated because the detection liquid 14 is applied to the gap g in the electrode.

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。It is a figure which shows the cross section of the inclination sensor which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the external appearance perspective view of the inclination sensor which concerns on embodiment of this invention, and the electrode pattern on a board | substrate. 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。It is a figure which shows the use condition of the inclination sensor which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the outline | summary of the circuit structure used with the inclination sensor which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the electrode pattern dimension of the inclination sensor which concerns on an Example. 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。It is a figure explaining the meniscus force in the inclination sensor. 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。It is a graph which shows the relationship between the inclination angle of the inclination sensor which concerns on embodiment of this invention, and output voltage.

符号の説明Explanation of symbols

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Tilt sensor, 11 ... Board | substrate, 13 ... Cap, 14 ... Liquid for detection, 20 ... Common electrode, 21 ... 1st drive electrode, 22 ... 2nd drive Electrode, 25... Wiring part, C 0 , C + , C−... Terminal, g.

Claims (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。
A substrate,
A first drive electrode and a second drive electrode provided on the substrate and having a substantially semicircular shape,
A common electrode that is provided on the substrate so as to surround the first drive electrode and the second drive electrode except for the vicinity of the lead portion of the first drive electrode and the second drive electrode, and has a substantially circular shape. When,
A cap provided on the surface of the substrate on which the electrodes are formed;
A non-aqueous electrolyte solution sealed in a space provided between the substrate and the cap,
An inclination sensor that obtains an inclination angle by measuring a resistance value generated through a non-aqueous electrolyte between the first drive electrode, the second drive electrode, and the common electrode.
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