JP3978097B2 - Tilt detector - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、傾斜検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
傾斜を検出する装置としては、静電容量を電気信号に変換する静電容量検出型の装置がある。この種の傾斜検出装置としては、機械機構又は特開平5−172571号公報に開示されるような流体機構を検出部に用いた装置が一般的である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの装置の体積は、数cm3〜百数十cm3程度である。機械的機構を用いた傾斜検出装置では、これを小型化しようとすると、摩擦や摩耗の影響が大きくなり、検出精度が低下する。そのため、機械機構を用いた傾斜検出装置の小型化は困難である。流体機構を用いた傾斜検出装置では、これを小型化しようとすると、流体の表面張力の影響が大きくなり、検出精度が低下する。そのため、流体機構を用いた傾斜検出装置の小型化も困難である。
【0004】
本発明は、検出精度の低下をもたらすことなく傾斜検出装置の小型化を図ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明では、互いに離間して対向する第1の静電容量検出用電極と第2の静電容量検出用電極とをケース内に収容し、前記一対の静電容量検出用電極の間に介在されるように前記ケース内に液体を充填し、前記液体に静電容量検出用粒子を混入した傾斜検出装置を構成し、前記静電容量検出用粒子の密度と前記液体の密度とを異ならせ、前記静電容量検出用粒子の比誘電率と前記液体の比誘電率とを異ならせ、傾斜角度に応じた前記第1の静電容量検出用電極と前記第2の静電容量検出用電極との間の前記静電容量検出用粒子の数によって左右される、前記第1の静電容量検出用電極と前記第2の静電容量検出用電極との間の静電容量に基づいて傾斜角度を検出することとした。
【0006】
静電容量検出用粒子の密度が液体の密度よりも大きい場合には、静電容量検出用粒子は、沈んで集合する。静電容量検出用粒子の密度が液体の密度よりも小さい場合には、静電容量検出用粒子は、浮き上がって集合する。第1の静電容量検出用電極と第2の静電容量検出用電極との間の静電容量は、傾斜角度に応じた第1の静電容量検出用電極と第2の静電容量検出用電極との間の静電容量検出用粒子の数によって左右される。静電容量を検出するために液体と静電容量検出用粒子とを用いた構成は、小型化に伴う液体の表面張力の影響を軽減して検出精度の低下を防止する。
【0007】
液体のみを用いた従来装置をそのまま小型にすると、静電容量が小さくなってしまい、傾斜検出装置によって得られる検出信号が弱くなってしまう。そのため、傾斜検出装置によって得られる検出信号を処理するための信号処理回路等を新たに設計し直す必要が生じる。前記液体の比誘電率よりも大きい比誘電率を有する静電容量検出用粒子を採用すれば、液体のみを用いた従来装置よりも大きい静電容量を得ることができる。従って、静電容量を従来程度に確保できるように傾斜検出装置を小型にした場合にも、傾斜検出装置によって得られる検出信号を従来程度の強さに確保することができ、傾斜検出装置によって得られる検出信号を処理するための従来の信号処理回路等をそのまま利用することができる。
【0008】
請求項2の発明では、請求項1において、前記第1の静電容量検出用電極は、円形状の共通電極とし、前記第2の静電容量検出用電極は、前記共通電極の半円領域に対向する半円形状の第1の対向電極と、前記共通電極の残りの半円領域に対向する半円形状の第2の対向電極とから構成した。
【0009】
共通電極を円形状とし、共通電極に対向する対向電極を半円形状とした構成は、検出される静電容量と傾斜角度との対応を付け易くする。
請求項3の発明では、請求項2において、前記共通電極と第1の対向電極との間における前記静電容量検出用粒子の集合体積と、前記共通電極と第2の対向電極との間における前記静電容量検出用粒子の集合体積との和は、前記共通電極と第1の対向電極の間の容積と、前記共通電極と第2の対向電極の間の容積との和の半分とした。
【0010】
静電容量検出用粒子の集合体積とは、静電容量検出用粒子が沈んで集合しているときの静電容量検出用粒子と液体とが混在している部分の体積のことである。前記した集合の和を前記した容積の和の半分とする設定は、検出される静電容量と傾斜角度との対応を一層付け易くする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図1〜図7に基づいて説明する。
図1(a),(b)及び図2は、傾斜角度を検出するための傾斜検出装置11を示す。傾斜検出装置11を構成する絶縁性の平板形状のベース12の前面には絶縁性のケース13が取り付けられており、ケース13の上部の開口には蓋14が取り付けられている。ベース12、ケース13及び蓋14は、ベース12とケース13との間に密閉室15を形成する。
【0012】
ベース12に対向するケース13の内面には円板形状の共通電極16が止着されている。第1の静電容量検出用電極としての共通電極16には所定の電位が付与されている。
【0013】
密閉室15内において、ベース12の前面には半円形状の第1の対向電極17と半円形状の第2の対向電極18とが止着されている。第1の対向電極17と第2の対向電極18とは、第1の対向電極17の直径線となる径線縁171と、第2の対向電極18の直径線となる径線縁181とが接触することなく近接して平行となるように配設されている。第1の対向電極17と第2の対向電極18とは、ケース13内で電気的に短絡しないようになっている。第1の対向電極17及び第2の対向電極18は、共通電極16に対向する第2の静電容量検出用電極である。
【0014】
第1の対向電極17は、図1(b)において共通電極16の左側の半円領域に対して平行な状態で対向しており、第2の対向電極18は、図1(b)において共通電極16の右側の半円領域に対して平行な状態で対向している。第1の対向電極17と第2の対向電極18とは、共通電極16と同じ大きさの円形状をなし、共通電極16と垂直な方向に見た場合には、対向電極17,18の半円弧の周縁が共通電極16の円周縁と重なる。
【0015】
密閉室15内には絶縁性の液体19が充填されている。本実施の形態では、液体19は、シリコーンオイルである。液体19には絶縁性の静電容量検出用粒子20が混入されている。本実施の形態では、静電容量検出用粒子20は、球形状である。又、静電容量検出用粒子20は、ジルコニア製である。静電容量検出用粒子20の密度は、液体19の密度よりも大きく、静電容量検出用粒子20の比誘電率は、液体19の比誘電率よりも大きい。傾斜検出装置11が静止状態にあるときには、静電容量検出用粒子20は、図1(b)及び図4に示すように沈んで集合している。この集合状態のときには、静電容量検出用粒子20の集合上面201〔(図1(b)に図示〕は、円形状の共通電極16の円中心を通る直径線と一致する。
【0016】
本発明では、静電容量検出用粒子20が沈んで集合しているときの静電容量検出用粒子20と液体19とが混在している部分の体積を静電容量検出用粒子20の集合体積ということにする。本実施の形態では、集合体積は、共通電極16と第1の対向電極17との間の容積V1と、共通電極16と第2の対向電極18との間の容積V2との和の半分である。容積V1及びV2は、いずれもπR2d/2で表される。Rは、円形状の共通電極16の半径を表す。dは、共通電極16と対向電極17,18との間の間隔を表す。
【0017】
図3は、傾斜検出装置11の電気ブロック図を示す。第1の静電容量検出手段21は、共通電極16と第1の対向電極17とを含んでおり、第2の静電容量検出手段22は、共通電極16と第2の対向電極18とを含んでいる。第1の静電容量検出手段21は、共通電極16と第1の対向電極17との間の静電容量を検出する。第2の静電容量検出手段22は、共通電極16と第2の対向電極18との間の静電容量を検出する。
【0018】
差演算手段23は、第1の静電容量検出手段21によって得られた静電容量C1と、第2の静電容量検出手段22によって得られた静電容量C2との差ΔCを演算する。差演算手段23は、演算した静電容量差ΔCを傾斜角度演算手段24に出力する。傾斜角度演算手段24は、静電容量差ΔCに基づいてベース12の傾斜角度θ(図4に図示)を演算する。
【0019】
傾斜角度演算手段24は、次式(1)を用いて傾斜角度θを演算する。
式(1)におけるdは、共通電極16と対向電極17,18との間隔を表す。ε1は、液体19の誘電率を表し、δ1は、液体19の比誘電率を表し、δ2は、静電容量検出用粒子20の比誘電率を表す。本実施の形態では、δ1<δ2
である。
【0020】
式(1)は以下のようにして導かれる。
図5(a)は、液体19と静電容量検出用粒子20とが混在している部分における簡略平断面図を示し、静電容量検出用粒子20は、液体19の中で最も密な面心立方構造の集合状態で存在しているものとする。図5(b)は、図5(a)をコンデンサ構造と見なして考えた場合の断面図である。即ち、液体19と静電容量検出用粒子20とが混在している部分は、静電容量検出用粒子20と同じ材質の誘電体20Aと、液体19と同じ液体の誘電体19Aとが交互に並んだ直列コンデンサと見なすことができる。 図5(c)は、図5(b)における誘電体19Aを集めて隣り合わせに並べると共に、図5(b)における誘電体20Aを集めて隣り合わせに並べた状態を示す。図5(b)において交互に並んだ誘電体19Aの数と誘電体20Aの数とを無限大にしたとする。そうした場合、図5(c)における対向電極17,18間の誘電体19Aの距離d1と、図5(c)における対向電極17,18間の誘電体20Aの距離d2との比は、図5(c)における誘電体19Aの体積と、図5(c)における誘電体20Aの体積との比に相当すると考えられる。従って、距離d1と距離d2との比は、0.26:0.74となる。つまり、距離d1,d2と距離dとの間には次式(2),(3)が成り立つ。
【0021】
d1=0.26d・・・(2)
d2=0.74d・・・(3)
共通電極16の円形状の面積をSとし、第1の対向電極17及び第2の対向電極18の半円形状の面積をそれぞれS/2とする。傾斜角度θが0°であるときの図6(a)の状態における共通電極16と第1の対向電極17との間の静電容量Co1は、液体19と静電容量検出用粒子20とが混在している部分における静電容量C11と、液体19のみの部分におけるC12との和である。静電容量C11は、次式(4)で表され、静電容量C12は、次式(5)で表される。
【0022】
C11=(εo×S/4)/(d1/δ1+d2/δ2)・・・(4)
C12=(ε1×S/4)/d ・・・(5)
式(2)におけるεoは、真空誘電率を表す。図6(a)の状態における共通電極16と第1の対向電極17との間の静電容量Co1は、次式(6)のように静電容量C11,C12の和で表される。
【0023】
式(6)は、次式(7)に変形できる。
【0024】
δ1×εo=ε1であるから、式(7)は、次式(8)に変形できる。
【0025】
式(2),(3)を式(8)に代入すると、次式(9)が得られる。
【0026】
傾斜角度θが0°であるときの共通電極16と第2の対向電極18との間の静電容量Co2は、傾斜角度θが0°であるときの共通電極16と第1の対向電極17との間の静電容量Co1と同じ大きさである。
【0027】
傾斜角度θが0°でないときの図6(b)の状態における共通電極16と第1の対向電極17との間の静電容量Ce1は、液体19と静電容量検出用粒子20とが混在している部分における静電容量Ce11と、液体19のみの部分におけるCe12との和である。図6(b)において液体19と静電容量検出用粒子20とが混在している部分に対応する第1の対向電極17の面積S11は、次式(10)で表される。
【0028】
S11=S/4+(S/4)(θ/90)・・・(10)
図6(b)において液体19のみの部分に対応する第1の対向電極17の面積S12は、次式(11)で表される。
【0029】
S12=S/4−(S/4)(θ/90)・・・(11)
静電容量Ce11は、次式(12)で表され、静電容量Ce12は、次式(13)で表される。
【0030】
Ce11=(ε1×S11)/(d1+d2×δ1/δ2)・・・(12)
Ce12=(ε1×S12)/d ・・・(13)
図6(b)の状態における共通電極16と第1の対向電極17との間の静電容量Ce1は、次式(14)のように静電容量Ce11,Ce12の和で表される。
【0031】
式(14)に式(10),(11)を代入すると、次式(15)が得られる。
【0032】
式(15)は次式(16)に変形できる。
【0033】
式(8)及び式(16)から次式(17)が得られる。
【0034】
式(2),(3)を式(17)に代入すると、次式(18)が得られる。
【0035】
傾斜角度θが0°でないときの図6(c)の状態における共通電極16と第2の対向電極18との間の静電容量Ce2は、液体19と静電容量検出用粒子20とが混在している部分における静電容量Ce21と、液体19のみの部分におけるCe22との和である。図6(b),(c)の状態における傾斜角度θは、同じ角度である。図6(c)において液体19と静電容量検出用粒子20とが混在している部分に対応する第2の対向電極18の面積S21は、次式(19)で表される。
【0036】
S21=S/4−(S/4)(θ/90)・・・(19)
図6(c)において液体19のみの部分に対応する第2の対向電極18の面積S22は、次式(20)で表される。
【0037】
S22=S/4+(S/4)(θ/90)・・・(20)
静電容量Ce21は、次式(21)で表され、静電容量Ce22は、次式(22)で表される。
【0038】
Ce21=(ε1×S21)/(d1+d2×δ1/δ2)・・・(21)
Ce12=(ε1×S22)/d ・・・(22)
図6(c)の状態における共通電極16と第2の対向電極18との間の静電容量Ce2は、次式(23)のように静電容量Ce21,Ce22の和で表される。
【0039】
式(23)に式(19),(20)を代入すると、次式(24)が得られる。
【0040】
式(24)は次式(25)に変形できる。
【0041】
式(8)及び式(25)から次式(26)が得られる。
【0042】
式(2),(3)を式(26)に代入すると、次式(27)が得られる。
【0043】
静電容量Ce1と静電容量Ce2との差ΔC=(Ce1−Ce2)は、次式(28)で表される。
【0044】
面積S=πR2を式(28)に代入すると、式(1)が得られる。傾斜角度θが0°のとき、ΔCは零となる。つまり、検出された静電容量Ce1と検出された静電容量Ce2とが等しいとき(ΔCが零のとき)には、算出される傾斜角度θは0°となる。傾斜角度θが0°ではないとき、ΔCは零以外の値をとる。傾斜検出装置11が図1(b)の状態から図4の状態へと左側に傾いたとき(検出された静電容量Ce1が検出された静電容量Ce2よりも大きいとき)には、算出される傾斜角度θは正の値となる。傾斜検出装置11が図1(b)の状態から右側に傾いたとき(検出された静電容量Ce1が検出された静電容量Ce2よりも小さいとき)には、算出される傾斜角度θは負の値となる。
【0045】
第1の実施の形態では、以下の効果が得られる。
(1)ケース13内に液体のみを半分ほど入れた従来構成では、液体が表面張力によって液体の液面よりも上位位置における対向電極17,18及び共通電極16の表面に付着する。そのため、ケース13を小型にするほど、液体の液面よりも上位位置において対向電極17,18の表面及び共通電極16の表面に表面張力によって付着している付着液体の割合(対向電極17,18と共通電極16との間の液体の量に対する前記付着液体の割合)が多くなる。即ち、ケース13を小型にするほど、ケース内における気体部分が液体の表面張力の影響によって気泡形状に近づいてゆく。前記した付着液体の割合が多くなるほど、対向電極17,18と共通電極16との間の静電容量の検出値と、付着液体がない場合に予想される検出値との差の割合(予想される検出値に対する前記差の割合)が大きくなる。つまり、ケース13内に液体のみを半分ほど入れた従来構成では、ケース13を小型にするほど、検出精度が落ちる。これに対し、ケース13内に液体19を充填した構成では、ケース13内に気体部分が存在しない。
【0046】
液体19内に静電容量検出用粒子20を混入した構成では、共通電極16と第1の対向電極17との間の静電容量は、傾斜角度θに応じた共通電極16と第1の対向電極17との間の静電容量検出用粒子20の数によって左右される。同様に、共通電極16と第2の対向電極18との間の静電容量は、傾斜角度θに応じた共通電極16と第2の対向電極18との間の静電容量検出用粒子20の数によって左右される。ケース13内に充填された液体19内に混入している静電容量検出用粒子20は、共通電極16の表面や対向電極17,18の表面に付着してしまうことはない。つまり、傾斜角度θの変化に応じて静電容量検出用粒子20の集合上面201が水平になるように静電容量検出用粒子20が動く。
【0047】
本実施の形態では、ケース13内に気体部分が存在せず、静電容量検出用粒子20が傾斜角度θの変化に応じて動く。そのため、ケース13を従来よりも小型にした場合にも、傾斜角度θのときに検出された対向電極17,18と共通電極16との間の静電容量は、傾斜角度θのときに予想される対向電極17,18と共通電極16との間の静電容量に高い精度で一致する。従って、既存の傾斜検出装置に比べて傾斜検出装置11の体積を例えば数十分の1から数百分の1の大きさに小さくした場合にも、式(1)を用いて算出される傾斜角度θは、実際の傾斜角度を高い精度で反映する。
【0048】
(1−2)傾斜角度θが変化した場合、静電容量検出用粒子20が安定状態(即ち、沈んで集合している静電容量検出用粒子20の集合上面201が水平になっている状態)へ迅速に復帰することは、変化している傾斜角度θを正確に検出する上で重要である。静電容量検出用粒子20の応答時間Tを次式(29)で定義する。
【0049】
T=R/v・・・(29)
式(29)におけるvは、液体19内における静電容量検出用粒子20の沈降速度を表す。そうすると、応答時間Tは、次式(30)によって算出できる。
【0050】
T=9μR/〔2r2(m2−m1)g〕・・・(30)
式(30)におけるrは、静電容量検出用粒子20の半径を表し、μは、液体19の粘性係数を表す。Mは、静電容量検出用粒子20の体積を表し、m1は、液体19の密度を表し、m2は、静電容量検出用粒子20の密度を表す。gは、重力加速度である。
【0051】
式(30)は、次式(31)の運動方程式から導かれる。
M×m2×α=−M×m2×g+M×m1×g+6πμvr・・・(31)
αは、静電容量検出用粒子20の加速度を表す。式(31)における(−M×m2×g)は、静電容量検出用粒子20に作用する重力を表す。(M×m1×g)は、静電容量検出用粒子20に作用する浮力を表す。6πμvrは、液体19によって静電容量検出用粒子20に作用する粘性抗力を表す。沈降速度vを一定値と仮定すると、式(31)における加速度αは0となり、式(31)は、次式(32)となる。
【0052】
0=−M×m2×g+M×m1×g+6πμvr・・・(32)
式(32)から次式(33)が導かれる。
v=M(m2−m1)g/(6πμr)・・・(33)
球形の静電容量検出用粒子20の体積Mは、4πr3/3であるから、式(33)は次式(34)に変形できる。
【0053】
v=(4πr3/3)(m2−m1)g/(6πμr)・・・(33)
=2r2(m2−m1)g/(9μ)・・・(34)
式(34)を式(29)に代入すると、式(30)が得られる。応答時間Tは、静電容量検出用粒子20が円形状の共通電極16の半径Rだけ移動するのに要する時間である。つまり、静電容量検出用粒子20が図7(a)の状態から図7(b)の状態へ沈降する際に、速度vで移動する静電容量検出用粒子20が全て沈んで集合するのに要する時間が応答時間Tとなる。応答時間Tが短いほど、傾斜角度θが変化した場合に静電容量検出用粒子20が安定状態へ復帰する時間が短くなる。
【0054】
式(30)から明らかなように、粘性係数μが小さいほど応答時間Tが短くなり、静電容量検出用粒子20の半径rが大きいほど応答時間Tが短くなる。又、液体19の密度m1と静電容量検出用粒子20の密度m2との差が大きいほど応答時間Tが短くなる。そこで、粘性係数μ及び密度m1の小さい絶縁性の液体を適宜に選択すると共に、密度m2の大きい静電容量検出用粒子を用い、静電容量検出用粒子20の半径rを可及的に大きくすることによって応答時間Tを短くすることができる。
【0055】
液体19の材質がシリコーンオイル、静電容量検出用粒子20の材質がジルコニアの場合、μ=9.35×10−3[Pa・sec ]、m1=935[kg/m3]、m2=6500[kg/m3]である。r=100[μm]、R=2[mm]とすると、応答時間Tは、0.15[sec ]となる。この応答時間は、実用的に問題のない値であり、ジルコニアは、傾斜角度θの変化に伴う傾斜検出装置11の応答性を高める上で、静電容量検出用粒子20の材質として特に好適である。
【0056】
(1−3)静電容量検出用粒子20の形状を球形状とすれば、静電容量検出用粒子20が液体19に混入している部分での、静電容量検出用粒子20の占有空間の大きさと、液体19の占有空間の大きさとの比が常に一定となる。そのため、静電容量検出用粒子20が沈んだ安定状態においては、式(1)は、静電容量と傾斜角度θとを常に高い精度で対応付ける。即ち、静電容量検出用粒子20を球形状にする構成は、傾斜検出装置11の検出精度を高める上で好適である。
【0057】
(1−4)式(1)によれば、液体19の比誘電率δ1と静電容量検出用粒子20の比誘電率δ2との比が大きいほど、傾斜時に静電容量差ΔCの変化量が大きくなる。傾斜時に静電容量差ΔCの変化量が大きいほど、傾斜角度θの検出精度が高くなる。シリコーンオイルの比誘電率は2.2であり、ジルコニアの比誘電率は46である。シリコーンオイルの比誘電率とジルコニアの比誘電率との比(46/2.2)は大きいので、ジルコニアは、傾斜角度θの検出精度を高める上で、静電容量検出用粒子20の材質として特に好適である。
【0058】
本発明では以下のような実施の形態も可能である。
(1)前記した実施形態において、液体19よりも密度の小さい静電容量検出用粒子20を用いること。
【0059】
この場合、傾斜検出装置11が静止状態にあるときには、静電容量検出用粒子20は、浮き上がって集合している。そして、この集合状態のときには、静電容量検出用粒子20の集合下面が円形状の共通電極16の円中心を通る直径線と一致するようにすれば、式(1)を用いて傾斜角度θを算出することができ、前記した実施形態と同じ効果が得られる。
【0060】
(2)前記した実施形態において、第1の対向電極17と第2の対向電極18とのうちのいずれか一方のみを前記した実施形態の配置状態で第2の静電容量検出用電極として用いること。
【0061】
この場合、検出された静電容量が静電容量Co1のときには、式(9)を用いて傾斜角度θを算出するようにすればよい。検出された静電容量が静電容量Co1よりも大きいときには、式(18)を用いて傾斜角度θを算出するようにすればよい。検出された静電容量が静電容量Co1よりも大きいときには、式(27)を用いて傾斜角度θを算出するようにすればよい。
【0062】
(3)前記の実施形態では、式(1)を理論的に導いて、傾斜角度θと静電容量とを対応させたが、傾斜角度θと静電容量との対応付けを実験的に求めてもよい。
【0063】
一例として、傾斜角度θを例えば1°,2°,3°,4°,5°・・・のように1°間隔で変えて、そのときの傾斜角度θに対応する静電容量(Ce1,Ce2に相当)を実験で検出し、この実験で検出した静電容量に1°,2°,3°,4°,5°・・・の傾斜角度θを割り振ること。そして、n°(nは、1,2,3,4,5・・・の整数)と(n+1)°との間の傾斜角度に対しては、例えば線形補間によって算出した静電容量を割り振ること。つまり、n°と(n+1)°との間の傾斜角度(n+ρ)°(0<ρ<1)には、C(n)+〔C(n+1)−C(n)〕×ρの静電容量が割り振られる。C(n)は、n°に対して割り振られた静電容量であり、C(n+1)は、(n+1)°に対して割り振られた静電容量である。
【0064】
(4)静電容量検出用粒子の形状は、球形状に限らず、正六面体等の他の形状でもよい。あるいは粉砕して形成した粒子を静電容量検出用粒子として用いてもよい。粉砕粒子の場合には、式(1)に相当するような静電容量と傾斜角度θとを対応付ける理論式を導くことが難しい。前記(3)項のように、傾斜角度θと静電容量との対応付けを実験的に求めるのは、粉砕粒子を静電容量検出用粒子として用いる場合に好適である。
【0065】
(5)中空の球形状粒子を静電容量検出用粒子として用いること。中空の球形状粒子の密度は、液体の密度よりも大きくても小さくてもよい。中空の球形状粒子の比誘電率は、液体の比誘電率よりも大きくても小さくてもよい。
【0066】
(6)液体の比誘電率よりも小さい比誘電率を有する静電容量検出用粒子を用いること。
(7)前記した実施形態において、対向電極17,18と共通電極16との間における静電容量検出用粒子の集合体積を対向電極17,18と共通電極16との間の容積の半分よりも多く、あるいは少なくすること。
【0067】
(8)静電容量検出用粒子20の材質として、アルミナ(密度4.0[g/cm3]、比誘電率8.5)、SiC(密度3.16[g/cm3]、比誘電率9.7),SiN(密度3.2[g/cm3]、比誘電率11.7)、GaAs((密度5.32[g/cm3]、比誘電率10.9)等を用いること。
【0068】
前記した実施の形態から把握できる発明について以下に記載する。
〔1〕請求項2において、前記共通電極と第1の対向電極との間における前記静電容量検出用粒子の集合体積と、前記共通電極と第2の対向電極との間における前記静電容量検出用粒子の集合体積との和は、前記共通電極と第1の対向電極の間の容積と、前記共通電極と第2の対向電極の間の容積との和の半分よりも少ない傾斜検出装置。
【0069】
〔2〕請求項2において、前記共通電極と第1の対向電極との間における前記静電容量検出用粒子の集合体積と、前記共通電極と第2の対向電極との間における前記静電容量検出用粒子の集合体積との和は、前記共通電極と第1の対向電極の間の容積と、前記共通電極と第2の対向電極の間の容積との和の半分よりも多い傾斜検出装置。
【0070】
〔3〕請求項2及び請求項3のいずれか1項において、前記共通電極と第1の対向電極との間の静電容量を検出する第1の静電容量検出手段と、前記共通電極と第2の対向電極との間の静電容量を検出する第2の静電容量検出手段とを備え、前記第1の静電容量検出手段によって検出された静電容量と、前記第2の静電容量検出手段によって検出された静電容量との差に基づいて傾斜角度を演算する傾斜角度演算手段を備えている傾斜検出装置。
【0071】
〔4〕前記〔3〕項において、前記傾斜角度演算手段は、式(1)に基づいて傾斜角度を演算する傾斜検出装置。
〔5〕請求項1乃至請求項3、前記〔1〕項乃至〔4〕項のいずれか1項において、静電容量検出用粒子は、球形状である傾斜検出装置。
【0072】
〔6〕請求項1乃至請求項3、前記〔1〕項乃至〔5〕項のいずれか1項において、前記静電容量検出用粒子の密度は、前記液体の密度よりも大きい傾斜検出装置。
【0073】
〔7〕請求項1乃至請求項3、前記〔1〕項乃至〔5〕項のいずれか1項において、前記静電容量検出用粒子の密度は、前記液体の密度よりも小さい傾斜検出装置。
【0074】
〔8〕請求項1乃至請求項3、前記〔1〕項乃至〔7〕項のいずれか1項において、前記静電容量検出用粒子の比誘電率は、前記液体の比誘電率よりも大きい傾斜検出装置。
【0075】
〔9〕請求項1乃至請求項3、前記〔1〕項乃至〔7〕項のいずれか1項において、前記静電容量検出用粒子の比誘電率は、前記液体の比誘電率よりも小さい傾斜検出装置。
【0076】
〔10〕請求項1乃至請求項3、前記〔1〕項乃至〔9〕項のいずれか1項において、第1の静電容量検出用電極と第2の静電容量検出用電極とをケース内に収容し、前記ケース内に前記液体を充填した傾斜検出装置。
【0077】
【発明の効果】
本発明では、互いに離間して対向する第1の静電容量検出用電極と第2の静電容量検出用電極との間に介在される液体に静電容量検出用粒子を混入したので、検出精度の低下をもたらすことなく傾斜検出装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態を示し、(a)は一部破断斜視図。(b)は正断面図。
【図2】図1(b)のA−A線断面図。
【図3】ブロック図。
【図4】正断面図。
【図5】(a)は要部拡大平断面図。(b)は模式図。(c)は模式図。
【図6】(a),(b),(c)は、式(1)の導出を説明するための簡略図。
【図7】(a),(b)は、応答時間を説明するための簡略図。
【符号の説明】
11…傾斜検出装置。13…ケース。16…第1の静電容量検出用電極としての共通電極。17…第2の静電容量検出用電極としての第1の対向電極。18…第2の静電容量検出用電極としての第2の対向電極。19…液体。20…静電容量検出用粒子。θ…傾斜角度。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a tilt detection apparatus.
[0002]
[Prior art]
As a device for detecting inclination, there is a capacitance detection type device that converts capacitance into an electric signal. As this type of tilt detection device, a device using a mechanical mechanism or a fluid mechanism as disclosed in JP-A-5-172571 is generally used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the volume of these devices is several cm 3 ~ Hundreds of centimeters 3 Degree. In an inclination detection device using a mechanical mechanism, if it is attempted to reduce the size, the influence of friction and wear increases, and the detection accuracy decreases. Therefore, it is difficult to reduce the size of the tilt detection device using a mechanical mechanism. In an inclination detection device using a fluid mechanism, if it is attempted to reduce the size, the influence of the surface tension of the fluid increases, and the detection accuracy decreases. Therefore, it is difficult to reduce the size of the tilt detection device using the fluid mechanism.
[0004]
It is an object of the present invention to reduce the size of an inclination detection device without causing a decrease in detection accuracy.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
Contract In the invention of claim 1, A first capacitance detection electrode and a second capacitance detection electrode facing each other at a distance from each other are accommodated in a case, and are interposed between the pair of capacitance detection electrodes. The case was filled with a liquid, and capacitance detection particles were mixed in the liquid. An inclination detecting device is configured, and the density of the capacitance detection particles and the density of the liquid are made different, and the relative dielectric constant of the capacitance detection particles and the relative dielectric constant of the liquid are made different. The first static electricity depends on the number of the capacitance detection particles between the first capacitance detection electrode and the second capacitance detection electrode according to an inclination angle. The inclination angle is detected based on the capacitance between the capacitance detection electrode and the second capacitance detection electrode. It was.
[0006]
When the density of the capacitance detection particles is larger than the density of the liquid, the capacitance detection particles sink and gather. When the density of the capacitance detection particles is smaller than the density of the liquid, the capacitance detection particles are lifted and gathered. The capacitance between the first capacitance detection electrode and the second capacitance detection electrode is the first capacitance detection electrode and the second capacitance detection according to the inclination angle. Depends on the number of capacitance detection particles between the electrodes. The configuration using the liquid and the capacitance detection particles to detect the capacitance reduces the influence of the surface tension of the liquid accompanying the downsizing and prevents the detection accuracy from being lowered.
[0007]
If the conventional device using only liquid is reduced in size as it is, the capacitance will be reduced, and the detection signal obtained by the tilt detection device will be weakened. Therefore, it becomes necessary to redesign a signal processing circuit or the like for processing a detection signal obtained by the tilt detection device. If electrostatic capacity detection particles having a relative dielectric constant larger than that of the liquid are employed, an electrostatic capacity larger than that of a conventional apparatus using only the liquid can be obtained. Therefore, even when the tilt detection device is downsized so that the capacitance can be secured to the conventional level, the detection signal obtained by the tilt detection device can be secured at the same level as the conventional, and obtained by the tilt detection device. A conventional signal processing circuit or the like for processing the detected signal can be used as it is.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the first capacitance detection electrode is a circular common electrode, and the second capacitance detection electrode is a semicircular region of the common electrode. And a semicircular first counter electrode facing the remaining semicircular region of the common electrode, and a semicircular second counter electrode facing the remaining semicircular region of the common electrode.
[0009]
The configuration in which the common electrode has a circular shape and the counter electrode that faces the common electrode has a semicircular shape facilitates the correspondence between the detected capacitance and the inclination angle.
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, an aggregate volume of the capacitance detection particles between the common electrode and the first counter electrode, and between the common electrode and the second counter electrode. The sum of the capacitance detection particles and the aggregate volume is the common electrode and the first volume. Opposite The volume between the electrodes, the common electrode and the second Opposite It was set to half the sum of the volume between the electrodes.
[0010]
Capacitance detection grain Of child Aggregate volume is a particle for capacitance detection Child Capacitance detection grains when they are settling down With child liquid Body and Mixed Have It is the volume of the part. Setting that the sum of the sets described above is half of the sum of the volumes described above makes it easier to associate the detected capacitance with the inclination angle.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIGS.
FIGS. 1A, 1B and 2 show an
[0012]
A disc-shaped
[0013]
In the sealed
[0014]
The
[0015]
The sealed
[0016]
In the present invention, the
[0017]
FIG. 3 shows an electrical block diagram of the
[0018]
The difference calculation means 23 calculates the difference ΔC between the capacitance C1 obtained by the first capacitance detection means 21 and the capacitance C2 obtained by the second capacitance detection means 22. The difference calculation means 23 outputs the calculated capacitance difference ΔC to the tilt angle calculation means 24. The tilt angle calculation means 24 calculates the tilt angle θ (shown in FIG. 4) of the base 12 based on the capacitance difference ΔC.
[0019]
The tilt angle calculation means 24 calculates the tilt angle θ using the following equation (1).
In Expression (1), d represents the distance between the
It is.
[0020]
Equation (1) is derived as follows.
FIG. 5A shows a simplified cross-sectional view of a portion where the liquid 19 and the
[0021]
d1 = 0.26d (2)
d2 = 0.74d (3)
The circular area of the
[0022]
C11 = (εo × S / 4) / (d1 / δ1 + d2 / δ2) (4)
C12 = (ε1 × S / 4) / d (5)
In the equation (2), εo represents a vacuum dielectric constant. Capacitance Co1 between the
[0023]
Equation (6) can be transformed into the following equation (7).
[0024]
Since δ1 × εo = ε1, Equation (7) can be transformed into the following Equation (8).
[0025]
Substituting equations (2) and (3) into equation (8) yields the following equation (9).
[0026]
The capacitance Co2 between the
[0027]
The electrostatic capacitance Ce1 between the
[0028]
S11 = S / 4 + (S / 4) (θ / 90) (10)
In FIG. 6B, the area S12 of the
[0029]
S12 = S / 4- (S / 4) (θ / 90) (11)
The capacitance Ce11 is represented by the following equation (12), and the capacitance Ce12 is represented by the following equation (13).
[0030]
Ce11 = (ε1 × S11) / (d1 + d2 × δ1 / δ2) (12)
Ce12 = (ε1 × S12) / d (13)
The electrostatic capacitance Ce1 between the
[0031]
Substituting the formulas (10) and (11) into the formula (14), the following formula (15) is obtained.
[0032]
Equation (15) can be transformed into the following equation (16).
[0033]
The following equation (17) is obtained from the equations (8) and (16).
[0034]
Substituting equations (2) and (3) into equation (17) yields the following equation (18).
[0035]
The capacitance Ce2 between the
[0036]
S21 = S / 4- (S / 4) (θ / 90) (19)
In FIG. 6C, the area S22 of the
[0037]
S22 = S / 4 + (S / 4) (θ / 90) (20)
The electrostatic capacity Ce21 is represented by the following expression (21), and the electrostatic capacity Ce22 is represented by the following expression (22).
[0038]
Ce21 = (ε1 × S21) / (d1 + d2 × δ1 / δ2) (21)
Ce12 = (ε1 × S22) / d (22)
The electrostatic capacitance Ce2 between the
[0039]
Substituting the equations (19) and (20) into the equation (23), the following equation (24) is obtained.
[0040]
Expression (24) can be transformed into the following expression (25).
[0041]
The following equation (26) is obtained from the equations (8) and (25).
[0042]
Substituting equations (2) and (3) into equation (26) yields the following equation (27).
[0043]
A difference ΔC = (Ce1−Ce2) between the electrostatic capacitance Ce1 and the electrostatic capacitance Ce2 is expressed by the following equation (28).
[0044]
Area S = πR 2 Is substituted into equation (28), equation (1) is obtained. When the inclination angle θ is 0 °, ΔC is zero. That is, when the detected capacitance Ce1 is equal to the detected capacitance Ce2 (when ΔC is zero), the calculated inclination angle θ is 0 °. When the inclination angle θ is not 0 °, ΔC takes a value other than zero. When the
[0045]
In the first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the conventional configuration in which only about half of the liquid is placed in the
[0046]
In the configuration in which the
[0047]
In the present embodiment, there is no gas portion in the
[0048]
(1-2) When the inclination angle θ is changed, the
[0049]
T = R / v (29)
V in the equation (29) represents the sedimentation speed of the
[0050]
T = 9 μR / [2r 2 (M2-m1) g] ... (30)
In Expression (30), r represents the radius of the
[0051]
Equation (30) is derived from the equation of motion of the following equation (31).
M × m2 × α = −M × m2 × g + M × m1 × g + 6πμvr (31)
α represents the acceleration of the
[0052]
0 = −M × m 2 × g + M × m 1 × g + 6π μvr (32)
The following equation (33) is derived from the equation (32).
v = M (m2−m1) g / (6πμr) (33)
The volume M of the spherical
[0053]
v = (4πr 3 / 3) (m2-m1) g / (6πμr) (33)
= 2r 2 (M2-m1) g / (9μ) (34)
Substituting equation (34) into equation (29) yields equation (30). The response time T is the time required for the
[0054]
As is clear from the equation (30), the smaller the viscosity coefficient μ, the shorter the response time T, and the radius r of the
[0055]
When the material of the liquid 19 is silicone oil and the material of the
[0056]
(1-3) If the
[0057]
(1-4) According to the equation (1), the larger the ratio between the relative permittivity δ1 of the liquid 19 and the relative permittivity δ2 of the
[0058]
In the present invention, the following embodiments are also possible.
(1) In the above-described embodiment, the
[0059]
In this case, when the
[0060]
(2) In the above-described embodiment, only one of the
[0061]
In this case, when the detected capacitance is the capacitance Co1, the inclination angle θ may be calculated using the equation (9). When the detected capacitance is larger than the capacitance Co1, the inclination angle θ may be calculated using the equation (18). When the detected capacitance is larger than the capacitance Co1, the inclination angle θ may be calculated using the equation (27).
[0062]
(3) In the above embodiment, Equation (1) is theoretically derived to associate the inclination angle θ with the capacitance. However, the correspondence between the inclination angle θ and the capacitance is obtained experimentally. May be.
[0063]
As an example, the inclination angle θ is changed at intervals of 1 ° such as 1 °, 2 °, 3 °, 4 °, 5 °,..., And the capacitance (Ce1, (Corresponding to Ce2) is detected by experiment, and an inclination angle θ of 1 °, 2 °, 3 °, 4 °, 5 °... Is assigned to the capacitance detected in this experiment. Then, for an inclination angle between n ° (n is an integer of 1, 2, 3, 4, 5,...) And (n + 1) °, for example, a capacitance calculated by linear interpolation is allocated. thing. That is, at an inclination angle (n + ρ) ° (0 <ρ <1) between n ° and (n + 1) °, the electrostatic capacity of C (n) + [C (n + 1) −C (n)] × ρ Capacity is allocated. C (n) is the capacitance allocated for n °, and C (n + 1) is the capacitance allocated for (n + 1) °.
[0064]
(4) The shape of the capacitance detection particles is not limited to a spherical shape, but may be other shapes such as a regular hexahedron. Alternatively, particles formed by pulverization may be used as capacitance detection particles. In the case of pulverized particles, it is difficult to derive a theoretical formula that correlates the capacitance and the inclination angle θ corresponding to the formula (1). As described in the above item (3), it is preferable to experimentally obtain the correspondence between the inclination angle θ and the capacitance when the pulverized particles are used as the capacitance detection particles.
[0065]
(5) Use hollow spherical particles as capacitance detection particles. The density of the hollow spherical particles may be larger or smaller than the density of the liquid. The relative permittivity of the hollow spherical particles may be larger or smaller than the relative permittivity of the liquid.
[0066]
(6) Capacitance detection particles having a relative dielectric constant smaller than that of the liquid are used.
(7) In the above-described embodiment, the aggregate volume of the capacitance detection particles between the
[0067]
(8) Alumina (density 4.0 [g / cm 3 ], Relative dielectric constant 8.5), SiC (density 3.16 [g / cm 3 ], Relative dielectric constant 9.7), SiN (density 3.2 [g / cm 3 ], Relative permittivity 11.7), GaAs ((density 5.32 [g / cm 3 ], Dielectric constant 10.9) and the like.
[0068]
The invention that can be understood from the above-described embodiment will be described below.
[1] In Claim 2, an aggregate volume of the capacitance detection particles between the common electrode and the first counter electrode, and the capacitance between the common electrode and the second counter electrode Inclination detection device in which the sum of the volume of particles for detection is less than half of the sum of the volume between the common electrode and the first counter electrode and the volume between the common electrode and the second counter electrode .
[0069]
[2] In Claim 2, the aggregate volume of the capacitance detection particles between the common electrode and the first counter electrode, and the capacitance between the common electrode and the second counter electrode The sum of the detection particle aggregate volume is more than half of the sum of the volume between the common electrode and the first counter electrode and the volume between the common electrode and the second counter electrode. .
[0070]
[3] In any one of claims 2 and 3, the first capacitance detecting means for detecting the capacitance between the common electrode and the first counter electrode, the common electrode, A second capacitance detection means for detecting a capacitance between the second counter electrode and the second counter electrode, the capacitance detected by the first capacitance detection means, and the second electrostatic detection. An inclination detecting device comprising an inclination angle calculating means for calculating an inclination angle based on a difference from the capacitance detected by the capacitance detecting means.
[0071]
[4] In the above [3], the tilt angle calculating means calculates the tilt angle based on the formula (1).
[5] The tilt detection device according to any one of [1] to [3] and [1] to [4], wherein the capacitance detection particles have a spherical shape.
[0072]
[6] The inclination detection device according to any one of [1] to [3] and [1] to [5], wherein the density of the capacitance detection particles is larger than the density of the liquid.
[0073]
[7] The inclination detection device according to any one of [1] to [3] and [1] to [5], wherein the density of the capacitance detection particles is smaller than the density of the liquid.
[0074]
[8] In any one of [1] to [3] and [1] to [7], a specific dielectric constant of the capacitance detection particles is larger than a specific dielectric constant of the liquid. Tilt detection device.
[0075]
[9] In any one of [1] to [3] and [1] to [7], a relative dielectric constant of the capacitance detection particle is smaller than a relative dielectric constant of the liquid. Tilt detection device.
[0076]
[10] In any one of [1] to [3] and [1] to [9], the first capacitance detection electrode and the second capacitance detection electrode may be provided as a case. An inclination detecting device housed in the case and filled with the liquid in the case.
[0077]
【The invention's effect】
In the present invention, since the capacitance detection particles are mixed in the liquid interposed between the first capacitance detection electrode and the second capacitance detection electrode facing each other apart from each other, It is possible to reduce the size of the tilt detection device without causing a decrease in accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an embodiment, and (a) is a partially broken perspective view. (B) is a front sectional view.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a block diagram.
FIG. 4 is a front sectional view.
FIG. 5A is an enlarged plan sectional view of a main part. (B) is a schematic diagram. (C) is a schematic diagram.
6A, 6B, and 6C are simplified diagrams for explaining the derivation of Equation (1).
FIGS. 7A and 7B are simplified diagrams for explaining the response time. FIGS.
[Explanation of symbols]
11: Tilt detection device. 13 ... Case. 16: Common electrode as a first capacitance detection electrode. 17: A first counter electrode as a second capacitance detection electrode. 18 ... A second counter electrode as a second capacitance detection electrode. 19 ... Liquid. 20: Particles for capacitance detection. θ: Inclination angle.
Claims (3)
前記静電容量検出用粒子の密度と前記液体の密度とを異ならせ、前記静電容量検出用粒子の比誘電率と前記液体の比誘電率とを異ならせ、
傾斜角度に応じた前記第1の静電容量検出用電極と前記第2の静電容量検出用電極との間の前記静電容量検出用粒子の数によって左右される、前記第1の静電容量検出用電極と前記第2の静電容量検出用電極との間の静電容量に基づいて傾斜角度を検出する傾斜検出装置。A first capacitance detection electrode and a second capacitance detection electrode facing each other at a distance from each other are accommodated in the case, and are interposed between the pair of capacitance detection electrodes. A tilt detection device in which a liquid is filled in the case, and capacitance detection particles are mixed in the liquid ,
Differentiating the density of the capacitance detection particles and the density of the liquid, differentiating the relative permittivity of the capacitance detection particles and the relative permittivity of the liquid ,
The first electrostatic capacitance that depends on the number of the electrostatic capacitance detection particles between the first electrostatic capacitance detection electrode and the second electrostatic capacitance detection electrode according to an inclination angle. A tilt detection device that detects a tilt angle based on a capacitance between a capacitance detection electrode and the second capacitance detection electrode .
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