DE4441548A1 - Neigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Neigungssensor zum Erfassen der Neigung gegen die Horizontale.

Bei einem bekannten Neigungssensor enthält ein geschlossenes Gefäß eine elektrolytische Lösung und eine Blase. Eine erste und eine zweite obere Elektrode sind an einer oberen Innen­ wand des geschlossenen Gefäßes vorgesehen, während eine unte­ re Elektrode im Mittelteil einer unteren Innenwand des Gefä­ ßes angeordnet ist. Die Neigung einer Ebene, auf der der Nei­ gungssensor angeordnet ist, wird auf der Basis des Unter­ schiedes zwischen einem ersten elektrischen Strom, der zwi­ schen der ersten oberen Elektrode und der unteren Elektrode fließt, und einem zweiten elektrischen Strom erfaßt, der zwi­ schen der zweiten oberen Elektrode und der unteren Elektrode fließt.

Bei dem bekannten Neigungssensor ist, wenn er auf einer hori­ zontalen Fläche angeordnet ist und die untere Elektrode kei­ nen gleichen Abstand zur ersten und zur zweiten oberen Elek­ trode hat, der Widerstand zwischen der ersten oberen Elek­ trode und der unteren Elektrode vom Widerstand zwischen der zweiten oberen Elektrode und der unteren Elektrode wegen der Distanzabweichung verschieden. Demzufolge muß das Ausgangssi­ gnal des Neigungssensors korrigiert werden. Da weiterhin die Fläche der unteren Elektrode relativ klein ist, ergibt sich eine hohe Stromdichte in der elektrolytischen Lösung, so daß in ihr leicht eine Elektrolyse auftreten kann. Der bekannte Neigungssensor hat daher nicht ausreichende Genauigkeit.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Neigungssensor anzugeben, dessen Ergebnis beim Erfassen einer Neigung nicht korrigiert werden muß.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 14 und 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Neigungssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen Querschnitt des geschlossenen Behälters längs der Linie II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt des geschlossenen Behälters längs der Linie III-III nach Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt des Aufbaus der oberen Elek­ troden eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 5 einen Querschnitt der oberen Elektroden eines dritten Ausführungsbeispiels, und

Fig. 6 einen Querschnitt der oberen Elektroden eines vierten Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Neigungssensors gemäß ei­ nem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zu sehen. Der Neigungssensor hat einen geschlossenen Behälter oder Gefäß 14 mit einem vertikalen Zylinder 13, einer oberen Platte 11, die auf der oberen Öffnung des Zylinders 13 befestigt ist, und einer unteren Platte 12, die auf der unteren Öffnung des Zy­ linders 13 befestigt ist. Die Achse des Zylinders 13 verläuft in vertikaler Richtung, und die obere Platte 11 sowie die un­ tere Platte 12 sind im wesentlichen parallel zueinander ange­ ordnete.

Die obere Innenwand 17 der oberen Platte 11 hat eine gleich­ förmige konkave Form derart, daß der Mittelpunkt der Innen­ wand 17 der höchste Punkt auf ihr ist. Der Zylinder 13, die obere Platte 11 und die untere Platte 12 bestehen aus einem Isoliermaterial, beispielsweise Bleiglas. Der Durchmesser des Zylinders 13 ist kleiner als der jeweilige Durchmesser der oberen Platte 11 und der unteren Platte 12. Die obere Platte 11 und die untere Platte 12 sind am Zylinder 13 flüssigkeits­ dicht mit einem Befestigungsmittel, beispielsweise einem Löt­ mittel, befestigt.

Der Zylinder 13 ist mit einem Injektionsrohr 15 versehen, das aus einem dünnen Glasrohr o. ä. hergestellt ist. Ein erstes Ende des Injektionsrohrs 15 ist mit dem geschlossenen Gefäß verbunden derart, daß das Injektionsrohr 15 mit dem Zylinder 13 kommuniziert. Beim Herstellprozeß wird eine elektrolyti­ sche Lösung A in das geschlossene Gefäß 14 über das zweite Ende des Injektionsrohrs 15 injiziert und danach das Mund­ stück des zweiten Endes verschlossen, so daß die elektrolyti­ sche Lösung A und eine Blase B im geschlossenen Gefäß 14 auf­ genommen sind, wobei im geschlossenen Gefäß 14 soviel Lösung A eingefüllt ist, daß sich die Blase im Gefäß 14 ausbildet. Die elektrolytische Lösung A ist Flüssigkeit, die durch Lö­ sung von Kaliumjodid in Methylalkohol entsteht. Die Blase B schwimmt auf der Flüssigkeit und steht in Kontakt mit der oberen Innenwand der oberen Platte 11.

Die untere Platte 12 hat eine untere Innenwand 16, die eine rauhe Oberfläche mit einer vorbestimmten Rauhheit hat, die beispielsweise durch Verwendung von Schleifpapier mit 1000er- Rauhheit erzeugt wird. Eine einzelne untere Elektrode 23 ist auf der unteren Innenwand 16 durch Anwenden eines Maskie­ rungsverfahrens nach Art eines Films ausgebildet. Ein Bereich der aufgerauhten unteren Innenwand 16, die nicht mit einer Maske bedeckt ist, wird einem hochfrequenten Sputterverfahren ausgesetzt, so daß der Bereich mit einem Platinfilm überzogen wird, wodurch eine untere Elektrode 23 mit einer rauhen Ober­ fläche erzeugt wird. Danach wird der Platinfilm der unteren Elektrode 23 einen Platin-Schwärzungsprozeß ausgesetzt.

Die untere Elektrode 23 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte untere Innenwand. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, liegt der äußere Umfang 23a der unteren Elektrode 23 außer­ halb des Zylinders 13. Der äußere Umfang 23a ist somit an der Außenfläche des geschlossenen Gefäßes 14 frei zugänglich.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des geschlossenen Gefäßes 14 längs der Linie III-III nach Fig. 1. Die obere Platte 11 hat eine obere Innenwand 17, die mit einer konkaven rauhen Ober­ fläche mit einer R300-Rauhheit versehen ist, welche man bei­ spielsweise durch Schleifen mit einem Schleifpapier mit 1000er-Rauhheit erhält. Auf der oberen Innenwand 17 ist ein Bereich außerhalb der in x-Richtung vorbestimmten rechtecki­ gen Abschnitte, die den Zylinder 13 kreuzen, mit einer Maske abgedeckt. Die obere Innenwand 17 wird demselben Prozeß wie die untere Innenwand 16 ausgesetzt, so daß zwei filmähnliche obere Platinelektroden 21, 22 auf der oberen Innenwand 17 ausgebildet werden. Danach werden die Platinfilme der oberen Elektroden 21, 22 einem Platin-Schwärzungsprozeß unterzogen. Jede obere Elektrode 21, 22 ist rechteckig und erstreckt sich längs einer der x-Achse entsprechenden Linie, die in einer vertikalen Ebene enthalten ist, innerhalb der der Neigungs­ sensor geneigt werden kann.

Äußere Enden 21a, 22a der oberen Elektroden 21, 22 ragen vom Zylinder 13 nach außen. Diese äußeren Enden 21a, 22a liegen auf einer Außenfläche des geschlossenen Gefäßes 14 frei.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, sind Endabschnitte elektrischer Leitungen 24, 25, 26 mit dem äußeren Umfang 23a der unteren Elektrode 23 und den äußeren Enden 21a, 22a der oberen Elek­ troden 21, 22 verbunden, beispielsweise durch Lötmittel. Diese Leitungen 24, 25, 26 sind mit einem Detektorschaltkreis 41 verbunden, der den Widerstand zwischen den oberen Elektro­ den 21, 22 und der unteren Elektrode 23 erfaßt.

Die oberen Elektroden 21, 22 sind so angeordnet, daß, wenn der Neigungssensor auf einer horizontalen Fläche angeordnet ist, beide Elektroden 21, 22 mit der Blase B in gleicher Weise in Kontakt stehen. Mit anderen Worten ausgedrückt, sind gleiche Flächen der oberen Elektroden 21, 22 mit der Blase B in Kontakt, wenn der Neigungssensor auf der horizontalen Flä­ che angeordnet ist. Wenn die Lage der Blase B in x-Achsen­ richtung abhängig von der Neigung der Fläche (auf der der Neigungssensor plaziert ist) geändert wird, ändert sich auch der Kontakt der elektrolytischen Lösung A mit den oberen Elektroden 21, 22 proportional zur Neigung. Dadurch ändert sich auch der jeweilige elektrische Widerstand zwischen den oberen Elektroden 21, 22 und der unteren Elektrode 23. Diese Änderungen im elektrischen Widerstand werden durch den Detek­ torschaltkreis 41 erfaßt.

Bei einem herkömmlichen Herstellprozeß für einen Neigungssen­ sor ist das Anordnen der Elektroden im geschlossenen Gefäß sehr mühsam. Weiterhin ist es schwierig zu gewährleisten, daß die oberen Elektroden an symmetrischen Positionen ordnungsge­ mäß vorgesehen sind, und die Genauigkeit der Positionierung der Elektroden ist nicht befriedigend. Im Gegensatz dazu ist der Herstellprozeß für den Neigungssensor nach dem ersten Ausführungssensor einfach da das geschlossene Gefäß 14 durch die obere Platte 11, die untere Platte 12 und den Zylinder 13 gebildet ist. Da weiterhin die Elektroden 21, 22, 23 durch einen Maskierungsprozeß erzeugt werden, ist es einfach si­ cherzustellen, daß jede Elektrode 21, 22, 23 an einer genauen Position vorgesehen ist und eine ordnungsgemäße Gestalt hat.

Selbst wenn bei einem herkömmlichen Neigungssensor die oberen Elektroden eine richtige Lage einnehmen, ist es erforderlich, daß, wenn die untere Elektrode nicht die richtige Lage ein­ nimmt, eine Korrektur ausgeführt wird, so daß die Widerstände keine unterschiedlichen Werte haben, wenn der Neigungssensor auf einer horizontalen Fläche angeordnet wird. Im Gegensatz dazu ist die untere Elektrode 23 beim Neigungssensor nach dem ersten Ausführungsbeispiel im wesentlichen auf der gesamten Oberfläche der unteren Innenwand 16 des geschlossenen Gefäßes 14 ausgebildet. Demnach ist keine Korrektur erforderlich, wenn die oberen Elektroden 21, 22 an ihren ordnungsgemäßen Positionen vorgesehen sind, denn die Widerstände haben nähe­ rungsweise dieselben Werte, wenn der Neigungssensor auf einer horizontalen Fläche angeordnet wird. Demzufolge ist die Ein­ stellung der unteren Elektrode 23 auf eine genaue Position nicht erforderlich.

Da die untere Elektrode 23 des Neigungssensors nach dem er­ sten Ausführungsbeispiel eine größere Fläche als bei einem herkömmlichen Neigungssensor hat, ist die Kontaktfläche zwi­ schen der Elektrode 23 und der elektrolytischen Lösung A grö­ ßer als bei einem herkömmlichen Neigungssensor. Außerdem ist jede der Elektroden 21, 22, 23 auf der rauhen Innenwand 16, 17 aufgebaut, so daß die Oberflächen der Elektroden 21, 22, 23 rauh sind und eine vergrößerte Oberfläche haben. Demgemäß ist beim Neigungssensor nach dem ersten Ausführungsbeispiel die Stromdichte an jeder Elektrode 21, 22, 23 verringert und somit die Elektrolyse der Lösung A reduziert. Dadurch hat der Neigungssensor eine ausgezeichnete Lebensdauer.

Da weiterhin beim ersten Ausführungsbeispiel die Elektroden 21, 22, 23 auf der Außenfläche des geschlossenen Gefäßes 14 freiliegen, ist ein Anschluß der elektrischen Leitungen 24, 25, 26 einfach.

Zu beachten ist, daß die Innenwände 16, 17, auf denen die Elektroden 21, 22, 23 vorgesehen sind, poröse Oberflächen ha­ ben können.

Fig. 4 zeigt den Aufbau der unteren Elektroden 21, 22 eines zweiten Ausführungsbeispiels. Die Elektroden 21, 22 werden durch einen Maskierungsprozeß erzeugt, wie die Elektroden nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Die oberen Elektroden 21, 22 sind halbkreisförmig und haben gerade Seiten 21b, 22b, die voneinander beabstandet sind. Die oberen Elektroden 21, 22 sind somit durch einen engen Abschnitt voneinander ge­ trennt, der sich zwischen den oberen Elektroden 21, 22 befin­ det. Die geraden Seiten 21b, 22b verlaufen parallel zueinan­ der und in einer Richtung (in Richtung der y-Achse) senkrecht zu einer Linie, die in einer vertikalen Ebene enthalten ist, in der sich der Neigungssensor neigen kann. Die oberen Elek­ troden 21, 22 haben gekrümmte Abschnitte 21a, 22a, die vom Zylinder 13 nach außen ragen. Die anderen Merkmale des zwei­ ten Ausführungsbeispiels stimmen mit denen des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels überein.

Abhängig vom Ort, an dem der Neigungssensor angeordnet ist, kann er in eine Richtung (in Richtung der y-Achse) senkrecht zur Erfassungsrichtung (in Richtung x-Achse) geneigt werden. Ein konventioneller Neigungssensor ist im allgemeinen lang und schlank und kann nur die Neigung in der Richtung detek­ tieren, in der die Blase sich bewegen kann. Daher wurden frü­ her zwei Neigungssensoren auf der Fläche so angeordnet, daß sie einen rechten Winkel bilden und die Blase des einen Nei­ gungssensors sich nicht bewegen kann; jeweils nur der andere Sensor kann die Neigung detektieren.

Beim Neigungssensor nach dem zweiten Ausführungsbeispiel kann, da der enge Abschnitt 18 in senkrechter Richtung (in Richtung y-Achse) verläuft, die Kontaktfläche zwischen den oberen Elektroden 21, 22 und der elektrolytischen Lösung A sich nicht ändern, selbst wenn die Blase B sich in senkrech­ ter Richtung bewegt. Die Kontaktflächen zwischen den oberen Elektroden 21, 22 und der elektrolytischen Lösung A werden nämlich nur dann geändert, wenn sich die Blase B in der Er­ fassungsrichtung (in Richtung x-Achse) bewegt. Demnach wird beim zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich zu den vorteil­ haften Wirkungen des ersten Ausführungsbeispiels ein Nei­ gungswinkel in der Erfassungsrichtung genau erfaßt, selbst wenn der Neigungssensor in einer anderen Richtung geneigt wird.

Fig. 5 zeigt den Aufbau der oberen Elektroden 21, 22 eines dritten Ausführungsbeispiels. Jede obere Elektrode 21, 22 zeichnet sich dadurch aus, daß in Richtung der y-Achse beide Endabschnitte der Elektroden 21, 22 des zweiten Ausführungs­ beispiels entfernt worden sind. Die oberen Elektroden 21, 22 sind damit annähernd quadratisch mit gekrümmten Seitenkanten 21a, 22a, die längs des Umfangs der oberen Platte 11 verlau­ fen. Üblicherweise ist bei einem hochgenauen Neigungssensor der Detektionsbereich sehr eng, beispielsweise einige Minu­ ten, auf jeder Seite zur Null-Lage. Die Erfassung um eine Null-Lage herum ist wichtig. Der Betrag der Bewegung der Blase B ist jedoch sehr klein, wenn der Neigungssensor um we­ nige Minuten geneigt wird. In einem solchen Fall müssen die oberen Elektroden 21, 22 keine halbkreisförmige Form haben wie beim zweiten Ausführungsbeispiel und es reicht aus, wenn die oberen Elektroden 21, 22 Breitenausdehnungen haben ent­ sprechend dem Bereich, in dem sich die Blase B bewegt.

Mit dem Neigungssensor nach dem dritten Ausführungsbeispiel können dieselben Wirkungen wie beim zweiten Ausführungsbei­ spiel erzielt werden.

Fig. 6 zeigt den Aufbau der oberen Elektroden 21, 22, 31, 32 eines vierten Ausführungsbeispiels. Bei diesem Ausführungs­ beispiel umfassen die oberen Elektroden zwei erste rechtec­ kige Elektroden 21, 22, die längs der x-Achse verlaufen, so­ wie zwei zweite rechteckige Elektroden 31, 32, die längs der y-Achse (senkrecht zur x-Achse) verlaufen.

Mit dem Neigungssensor nach dem vierten Ausführungsbeispiel kann zusätzlich zu den vorteilhaften Wirkungen des ersten Ausführungsbeispiels die Fähigkeit genutzt werden, Neigungen in zueinander senkrechten Richtungen unabhängig voneinander zu erfassen.

Zu beachten ist, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die verschiedenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern kann auch für einen Neigungssensor eingesetzt werden können, bei dem der Zylinder 13 und die untere Platte 12 einstückig oder integral ausgebildet sind.

Weiterhin kann das zum Verbinden der oberen Platte 11 und der unteren Platte 12 mit dem Zylinder 13 verwendete Verbindungs­ mittel aus einem anorganischen Material oder einem organi­ schen Material sein, welches eine fluiddichte Sperre für den Durchtritt der elektrolytischen Lösung A und der Blase B bil­ det.

Weiterhin können die Elektroden 21, 22, 23 aus einem Material sein, beispielsweise einer Edelmetallegierung, welches durch die elektrolytische Lösung A nicht leicht erodierbar ist.

Jede Elektrode 21, 22, 23 kann auf der Innenwand des ge­ schlossenen Gefäßes 14 durch Vakuumbedampfen, chemische Ab­ scheidung o. ä. erzeugt sein.

Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf einen Gegen­ stand, der in der japanischen Patentanmeldung Nr. 5-315863 (eingereicht am 22. November 1993) beschrieben ist, deren Of­ fenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich einbezogen ist.

Claims (15)

1. Neigungssensor, gekennzeichnet durch ein geschlossenes Gefäß (14), in dem eine elektrolytische Lösung (A) und eine Blase eingeschlossen sind, wobei das Gefäß (14) eine obere Innenwand (17) und eine untere Innenwand (16) hat, mindestens zwei obere Elektroden (21, 22) auf der oberen Innenwand (17), wobei die Blase in Kontakt mit den oberen Elektroden (21, 22) steht, und durch eine untere Elek­ trode (23), die auf der unteren Innenwand (16) ausgebil­ det ist, wobei die untere Elektrode (23) sich im wesent­ lichen über die gesamte untere Innenwand (16) erstreckt.

2. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Gefäß (14) ein Gehäuse mit einer oberen Öffnung und einer unteren Öffnung hat, daß eine obere Platte (11) auf der oberen Öffnung fluiddicht und eine untere Platte (16) auf der unteren Öffnung fluid­ dicht befestigt ist, wobei die untere Platte (16) die un­ tere Innenwand bildet.

3. Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die oberen Elektroden (21, 22) Endab­ schnitte (21a, 22a) haben, die auf der Außenfläche des Gefäßes (14) freiliegen.

4. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Elektrode (23) ei­ ne Umfangsfläche hat, die auf der Außenfläche des Gefäßes (14) freiliegt.

5. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Elektroden (21, 22) und die untere Elektrode (23) filmartig sind.

6. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Elektroden (21, 22) und die untere Elektrode (23) durch einen Maskenpro­ zeß erzeugt werden.

7. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände der oberen Platte (11) und/oder der unteren Platte (12) rauhe Ober­ flächen haben.

8. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Innenwand (17) und die untere Innenwand (16) poröse Oberflächen haben.

9. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Elektroden (21, 22) rechteckförmig sind und längs einer Linie verlaufen, die in einer vertikalen Ebene enthalten ist, in der der Neigungssensor geneigt werden kann.

10. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Elektroden (21, 22) halbkreisförmig sind und gerade Seitenkanten (21b, 22b) haben, die zueinander parallel und in einer Richtung senkrecht zu einer Linie verlaufen, die in der vertikalen Ebene enthalten ist, in der der Neigungssensor geneigt werden kann.

11. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Elektroden (21, 22) annähernd quadratisch sind und Seitenkanten (21a, 22a) haben, die längs der Peripherie (17) der oberen Platte verlaufen.

12. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Elektroden zwei erste rechteckige Elektroden (21, 22) enthalten, die längs einer ersten Linie verlaufen, und zwei zweite rechteckige Elektroden (31, 32) enthalten, die längs ei­ ner zweiten Linie senkrecht zur ersten Linie verlaufen.

13. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Erfassen des Wi­ derstands zwischen den oberen Elektroden (21, 22) und der unteren Elektrode (23) vorgesehen sind.

14. Neigungssensor, gekennzeichnet durch ein geschlossenes Gefäß (14), in dem eine elektrolytische Lösung (A) so enthalten ist, daß sich eine Blase (B) ausbildet, zwei erste Elektroden (21, 22), die auf einer oberen Innenwand (17) des Gefäßes (14) so ausgebildet sind, daß die Blase (B) in Kontakt mit beiden ersten Elektroden (21, 22) steht, und durch eine einzige zweite Elektrode (23), die im wesentlichen auf der gesamten Oberfläche einer unteren Innenwand (16) des Gefäßes (14) ausgebildet ist.

15. Neigungssensor, gekennzeichnet durch ein geschlossenes Gefäß (14) mit einem aufrecht stehenden Zylinder (13), einer oberen Platte (11), die auf der oberen Öffnung des Zylinders (13) fluiddicht befestigt ist, eine untere Platte (12), die auf der unteren Öffnung des Zylinders (13) fluiddicht befestigt ist, zwei erste Elektroden (21, 22), die auf der Innenwand der oberen Platte (11) ausge­ bildet sind, eine einzige zweite Elektrode (23), die im wesentlichen auf der gesamten Oberfläche der Innenwand der unteren Platte (12) ausgebildet ist, und durch eine elektrolytische Lösung (A), die in dem Gefäß (14) so ent­ halten ist, daß sich eine Blase (B) ausbildet.