JP2005265422A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量が大きくて計測精度を向上させることができると共に配線を容易なものとすることができるようにする。
【解決手段】弾性誘電体フィルム１２の両面に蒸着又は印刷により電極層１３，１４を設けてなるコンデンサフィルム１１を、蛇腹状に折り畳む。コンデンサフィルム１１の上側端部における各電極層１３，１４の一端縁部に電線１５を接続する。コンデンサフィルム１１の折り畳み構造体の上下両側に、押込み板１６を配設する。折り畳まれて積層されたコンデンサフィルム１１の各層によって、連続し且つ折り畳み部分の内側（谷側）にて上下方向に接触させられる各電極層１３，１４を介し並列接続された平板コンデンサと同様の等価回路を形成させて、コンデンサフィルム１１の折り畳み回数に応じて全体の静電容量を飛躍的に増大させ、各押込み板１６の間に荷重が作用する際の相対的な静電容量の変化を大きくさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量型の圧力センサに関するものである。

たとえば、鉄道等の軌道上を走行する車両では、一台の車両本体を支持している複数の車輪のうち、特定の車輪に対して軌道の状態に応じて著しく偏った荷重が掛かることは、安定走行を図る上で好ましくない。そのため、車輪に掛かる荷重（輪重）を計測し、その計測結果に基づいて、特定の車輪に著しく偏った荷重が作用することを防止できるように、軌道の状態を保全（メンテナンス）することが行なわれている。

上記輪重を計測するために用いる手法としては、軌道にセンサを置いたり、車輪に歪みゲージを付けたり、特殊バネ受け式台座を用いるもの等が従来提案されていたが、いずれの手法も営業車両による営業運転中に輪重の計測を行なうことが困難であるという問題があった。そのために、本出願人等は、先の出願（特願２００３−１６３６７９号）において、特殊車両を構成することなく、営業車両を用いていつでも輪重計測を行うことができるようにするための輪重計測装置を提案している。

かかる輪重計測装置は、車両の車輪と一体に回転する車軸は車軸受けに軸承されており、且つ該車軸受け上に載置されたバネ受け式台座の上側に台車が支持され、該台車の上に車両本体を支持させることにより車両が形成してあるため、各々の車輪に掛かる輪重は、バネ受け式台座と車軸受けとの間に掛かる荷重に等しい点、及び、上記バネ受け式台座と車軸受けとの間には、通常、車輪の擦り減りに対処してバネ受け式台座のバネ長を調整できるようにするために、厚みの異なる複数種類の調整板を一枚乃至複数枚挟み込むようになっている点に着目して、上記調整板にシート状に形成した薄型の圧力センサを重ねるように取り付けると共に、該圧力センサを、上記調整板と共に上記バネ受け式台座と車軸受けとの間に差し込むようにした構成としてある。かかる構成としてあることにより、上記圧力センサにて、該圧力センサに掛かっている圧力を検出することにより、上記バネ受け式台座と車軸受けとの間に挿入してある調整板に作用している荷重、すなわち、輪重を計測できるようにしてある。

又、上記薄型の圧力センサとしては、圧電素子、コンデンサ、導電ゴムのいずれか１つ又は２つ以上を複合するものとして提案している。

上記各種の圧力センサのうち、コンデンサからなる圧力センサは、ポリエステルやポリプロピレン等の誘電体フィルムの両面に電極として金属を蒸着するか、或いは、金属平板で誘電体フィルムを挟んで所要の静電容量を備えた平板コンデンサを形成してなるもので、該平板コンデンサが圧力（荷重）を受けて誘電体フィルムの厚みが変化すると、該誘電体フィルムの両側の電極間距離が変化し、この電極間距離の変化に応じて静電容量が変化させられることを利用して、該コンデンサからなる圧力センサの静電容量を検出することにより、検出される静電容量の値を基に該圧力センサに掛かっている圧力を算出できるようにしてある。

なお、静電容量型の圧力センサとしては、上記のような平板コンデンサを積層して、静電容量を増加させるようにした圧力センサも従来開発されてきている。この種の積層型の圧力センサとしては、たとえば、図３（イ）（ロ）に示す如く、電極１とこれに対向する電極２を、それぞれ弾性誘電体３を介在させた状態にて交互に複数段積層し、且つ上記電極１の一端側と電極２の他端側を、それぞれ上記弾性誘電体３の相対する側より外方へ突出させ、該各電極１の突出部は、下層のものから上層のものへ平面形状が順次小さな台形となるよう加工した状態にて、下層のものから順次電線４に巻き付けると共に外周側より半田付け（図示せず）するようにしている。又、対向する各電極２の突出部は、上記各電極１の突出部と同様に台形に加工した状態にて、下層のものから順次別の電線４に巻き付けて外側から半田付け（図示せず）することにより、各層をなす平板コンデンサを並列に接続した構成となるようにしてある（たとえば、特許文献1参照）。

特開平７−５５６１５号公報

ところが、上述したように、先の出願で提案している輪重計測装置で用いるコンデンサ形式の圧力センサは薄型のセンサとしては有効なものであるが、単層の平板コンデンサを用いているため、コンデンサとしての絶対的な静電容量をあまり大きくできず、且つ、荷重が作用することによる相対的な静電容量の変化量もあまり大きなものとすることができない。そのため測定精度の向上、ノイズの低減化を図ろうとする場合には自ずから限界が生じることが懸念される。

一方、上記特許文献１に示されたように、電極１と２の間に弾性誘電体３を介在させてなる平板コンデンサを積層してなる形式の圧力センサでは、各平板コンデンサを並列に接続するようにしてあるため静電容量を増加させることができると共に、荷重による相対的な静電容量の変化量を大きく設定できるようになることから、この積層形式の圧力センサによれば、測定誤差及びノイズに強いものとすることができると考えられる。しかし、上記特許文献１に示された圧力センサは、各層をなす平板コンデンサの電極１及び２をそれぞれ並列に電線４に接続する必要があることから、平板コンデンサの積層数が数十乃至数百層にも及ぶ場合には、配線が困難になるという問題が生じると共に、各電極１，２の電線４との接続部分の厚さが問題になる。そのため、薄型の圧力センサを構成することが困難になるというのが実状である。

そこで、本発明は、静電容量が大きく且つ荷重による相対的な静電容量の変化量を大きく設定できるよう平板コンデンサを多数積層して並列接続した構造と等価の回路を構成でき、且つ配線を容易に行なうことができると共に、配線部分の厚さが厚くなる虞を防止できる圧力センサを提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、折り畳み可能な弾性誘電体の両面に該弾性誘電体の折り畳み変形に追従できるよう電極層を設け、且つ該両面に電極層を備えてなる弾性誘電体を蛇腹状に折り畳むと共に、形成される折り畳み構造体における上記各電極層の所要の１個所ずつに配線を接続するようにした構成、より具体的には、弾性誘電体フィルムの両面に電極層を設けてなるコンデンサフィルムを、蛇腹状に折り畳み、且つ該コンデンサフィルムの折り畳み構造体における上記各電極層の所要の１個所ずつに配線を接続するようにした構成とする。

又、上記において、両面に電極層を備えてなる弾性誘電体の折り畳み構造体、又は、コンデンサフィルムの折り畳み構造体を、所要面積を有する上下一対の押込み板にて挟むようにした構成とする。

本発明の圧力センサによれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（ａ）折り畳み可能な弾性誘電体の両面に該弾性誘電体の折り畳み変形に追従できるよう電極層を設け、且つ該両面に電極層を備えてなる弾性誘電体を蛇腹状に折り畳むと共に、形成される折り畳み構造体における上記各電極層の所要の１個所ずつに配線を接続するようにした構成、より具体的には、弾性誘電体フィルムの両面に電極層を設けてなるコンデンサフィルムを、蛇腹状に折り畳み、且つ該コンデンサフィルムの折り畳み構造体における上記各電極層の所要の１個所ずつに配線を接続するようにした構成としてあるので、上記両面に電極層を備えてなる弾性誘電体の折り畳み構造体、又は、コンデンサフィルムの蛇腹状の折り畳み構造体における各層を、それぞれ対向する２つの電極層の間に弾性誘電体を介在させてなる平板コンデンサ構造とすることができる。更に、上記弾性誘電体又は弾性誘電体フィルムの両面に設けられている電極層は、それぞれ連続しており、且つ上記両面に電極層を備えてなる弾性誘電体、又は、コンデンサフィルムが折り畳まれた部分の谷側（内側）では、上記弾性誘電体又は弾性誘電体フィルムの片面側に設けられている電極層が、上下方向に隣接するもの同士で接触させられて互いに通電させることが可能となる。したがって、上記両面に電極層を備えてなる弾性誘電体の折り畳み構造体、又は、コンデンサフィルムの折り畳み構造体にて各電極層の所要の一個所に配線を接続することで、平板コンデンサを積層して並列接続したと同様の等価回路を構成できる。
（ｂ）上記（ａ）により、折り畳み構造体の各層をなす両面に電極層を備えてなる弾性誘電体、又は、コンデンサフィルムの電極層同士の間の配線が不要になるため、特許文献１に示された如き従来の平板コンデンサを積層してなる形式の圧力センサに比して、配線の接続を非常に容易なものとすることができると共に、該配線部分の厚み寸法を薄くすることができる。このため折り畳み構造体における折り畳み積層数を数十乃至数百としても配線を容易に行なうことができて、超薄型の圧力センサの製作が可能となる。
（ｃ）更に、上記（ａ）により、上記両面に電極層を備えてなる弾性誘電体の折り畳み構造体、又は、コンデンサフィルムの折り畳み構造体では、折り畳み回数に応じて全体の静電容量を増加させることができることから、上記両面に電極層を備えてなる弾性誘電体の折り畳み構造体、又は、コンデンサフィルムの折り畳み構造体に荷重を掛けたときに生じる相対的な静電容量の変化量を大とすることができて、静電容量の検出値に基づく圧力計測時の計測誤差を低減できると共に、ノイズに対して強いものとすることができる。
（ｄ）又、上記において、両面に電極層を備えてなる弾性誘電体の折り畳み構造体、又は、コンデンサフィルムの折り畳み構造体を、所要面積を有する上下一対の押込み板にて挟むようにした構成とすることにより、上記両面に電極層を備えてなる弾性誘電体の折り畳み構造体、又は、コンデンサフィルムの折り畳み構造体における各層にて形成される平板コンデンサ構造に、押込み板に対応した面積で均等に荷重を作用させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図２（イ）（ロ）（ハ）は本発明の圧力センサの実施の一形態を示すもので、折り畳み可能な弾性誘電体としての所要の厚みを有する弾性誘電体フィルム１２の両面に、それぞれ電極となる導体を蒸着するか或いはシルクスクリーン印刷等による印刷を行なうことにより、上記弾性誘電体フィルム１２の両面に該弾性導電体フィルム１２を挟んで対向する電極層１３，１４を設けてなるコンデンサフィルム１１を、所望する受圧面積Ｓよりもやや広い平面形状となるよう蛇腹状に折り畳み、且つ上記コンデンサフィルム１１の折り畳み構造体の表面に露出する上記各電極層１３，１４の所要個所、たとえば、上記コンデンサフィルム１１の上端部における上記各電極層１３，１４の一端縁部に、各々電線１５を接続する。

又、上記コンデンサフィルム１１の折り畳み構造体の上下両側に、上記所望する受圧面積Ｓと等しい面積を有する押込み板１６をそれぞれ配設してなる構成とする。

なお、図１では便宜上、各電極層１３，１４の厚さを弾性誘電体フィルム１２の厚さと同様に示してあるが、これは、上記各電極層１３，１４と弾性誘電体フィルム１２の実際の厚さの比を反映するものではない。

次に、本発明の圧力センサを用いた圧力（荷重）の計測原理について説明する。

上記コンデンサフィルム１１を蛇腹状に折り畳むと、コンデンサフィルム１１の積層構造が形成され、該積層構造の各層では、２つの電極層１３と１４が弾性誘電体フィルム１２を挟んで対向配置される平板コンデンサ構造が形成されることとなる。

又、上記コンデンサフィルム１１における各電極層１３及び１４は、それぞれ弾性誘電体フィルム１２の全長に亘り連続していて、折り畳まれて積層されたコンデンサフィルム１１の上下方向に隣接する層同士では、折り畳み部分（折り曲げ部分）の谷側（内側）となる弾性誘電体フィルム１２の片面側の電極層１３同士又は１４同士が面接触させられるため、互いに容易に通電することが可能となる。

したがって、上記コンデンサフィルム１１の蛇腹状の折り畳み構造体では、上記電線１５を、たとえば、コンデンサフィルム１１の上側端部における各電極層１３及び１４の一端縁部の１個所にそれぞれ接続することにより、平板コンデンサを並列接続した場合と同様の等価回路を構成できる。

ここで、図２（イ）に示す如く、コンデンサフィルム１１を折り畳む際の折り曲げ回数を５回と仮定すると（なお、図では折り曲げ状態を明示する便宜上、折り畳まれるコンデンサフィルム１１の各層は離れた状態で示してある。）、該コンデンサフィルム１１の５回の折り曲げによって形成される折り畳み構造体の等価回路としては、図２（ロ）に示す如く、折り曲げ部分で分割された６個の平板コンデンサが形成されることとなり、これは、図２（ハ）に示す如く、６個の平板コンデンサＣ_１〜Ｃ_６を並列接続した回路と等価となる。

上記各コンデンサＣ_１乃至Ｃ_６の静電容量は、それぞれ、

上記において、ｉ ＝ １，２，…６、ε：誘電体（弾性誘電体フィルム）の誘電率、ｄ_ｉ：ｉ番目の平板コンデンサの電極間距離、Ｓ_ｉ：ｉ番目の平板コンデンサの受圧面積
で表現される。

よって、上記並列接続された各平板コンデンサＣ_１〜Ｃ_６の全体としての静電容量（各コンデンサの合成容量）Ｃは、

となる。

したがって、一般化すると、コンデンサフィルム１１をｎ回折り畳んだ場合には、その等価回路は、ｎ＋１個の平板コンデンサを並列接続した回路となり、該回路における全体の静電容量Ｃは、次のように表すことができる。

ここで、各平板コンデンサＣ_１〜Ｃ_ｎ＋１に対応する折り畳みによる積層構造の各層をなす部分におけるコンデンサフィルム１１の受圧面積Ｓ_ｉは、全て押込み板１６の面積Ｓと同一とし、且つ誘電率εを一定とすると、上記（３）式は、

となり、静電容量Ｃは、電極間距離ｄ_ｉに反比例する形となる。

上記コンデンサフィルム１１にて各層を形成している部分の弾性誘電体フィルム１２が均一な厚み、剛性及び誘電率εを備えているとすれば、

となることから、上記折り畳まれて積層されたコンデンサフィルム１１の折り畳み構造体の厚さの自然長をｄとし、且つ弾性誘電体フィルム１２の両面に蒸着や印刷により設けられている電極層１３及び１４の厚さは、上記弾性誘電体フィルム１２の厚みに比して十分薄いものとして考慮しなくてよいものとすると、

となることから、これを上記（４）式に代入すると、上記平板コンデンサＣ_１〜Ｃ_ｎ＋１の全体の静電容量Ｃは、

となる。

上下の押込み板１６の間に荷重（圧力）Ｆが作用する場合における、電極間距離の変位量（縮み量）をΔｄとし、上記弾性誘電体フィルム１２の剛性定数をｋとすると、

となる。

ここで、上記荷重Ｆが作用しているときの電極間距離（上記荷重Ｆが作用しているときのコンデンサフィルム１１折り畳み構造体の厚さ）をｄ´とすると、

となるため、荷重Ｆが作用しているときの静電容量Ｃを求めると、

となる。よって上記（６）式から、
Ｆ → 大（ｋｄ＞Ｆ）
とすると、
Ｃ → 大
になる相関性が得られることが判る。

したがって、上記構成としてある本発明の圧力センサの静電容量Ｃを、たとえば、電線１５を介し接続した静電容量計（図示せず）により直接検出するか、或いは、電線１５を発振回路（図示せず）に接続して、上記本発明の圧力センサを発振回路の容量要素として機能させるようにして、該発振回路の周波数から静電容量Ｃを求めることにより、該静電容量Ｃの値と、上記（６）式、及び、押込み板１６の面積Ｓ、コンデンサフィルム１１の折り畳み構造体の厚さの自然長ｄ、弾性誘電体フィルム１２の誘電率ε、弾性誘電体フィルム１２の剛性定数ｋ、コンデンサフィルム１１の折り曲げ回数ｎより、上記押込み板１６間に作用している荷重Ｆを算出でき、これにより、圧力を計測することが可能となる。

又、弾性誘電体フィルム１２の材料のヤング率Ｅを用いた表現で表すと、上下の押込み板１６の間に荷重Ｆが作用する場合の電極間距離の変位量（縮み量）Δｄは、

となるため、本発明の圧力センサにおける静電容量Ｃは、

となる。

したがって、上記と同様にして本発明の圧力センサの静電容量Ｃを検出することにより、上記（７）式、及び、押込み板の面積Ｓ、コンデンサフィルム１の折り畳み構造体の厚さの自然長ｄ、弾性誘電体フィルム１２の誘電率ε、弾性誘電体フィルム１２のヤング率Ｅ、コンデンサフィルム１１の折り曲げ回数ｎから、上記押込み板１６間に作用している荷重Ｆを算出して、圧力を計測することが可能となる。

このように、本発明の圧力センサによれば、静電容量Ｃを検出することにより、上下の押込み板１６の間に作用する荷重Ｆを算出して圧力を計測することが可能になる。

又、蛇腹式に折り畳んでコンデンサフィルム１１を積層することにより、各層にて平板コンデンサ構造をなすコンデンサフィルム１１の有する静電容量Ｃ_ｉが微小であっても、全体の静電容量Ｃを折り曲げ数ｎに応じて飛躍的に増大させることができると共に、荷重Ｆによる電極間距離の変位量に対する静電容量変化を増大させることができるため、算出される荷重Ｆの精度を向上させて、圧力の計測精度を向上させることが可能となる。

更に、コンデンサフィルム１１の折り畳み構造体の上下両側に、押込み板１６をそれぞれ設けてあることから、該各押込み板１６を介して荷重Ｆを作用させることにより、上記コンデンサフィルム１１の折り畳み構造体の各層をなすコンデンサフィルム１１に対して上記各押込み板１６の面積Ｓと等しい面積で荷重を均等に作用させることができる。

更に又、上記コンデンサフィルム１１の折り畳み構造体における電線１５との接続は、弾性誘電体フィルム１２の両面に設けられている電極層１３及び１４の所要の１個所に対して行なえばよいため、たとえ、上記コンデンサフィルム１１の折り畳み積層数を数十乃至数百とする場合であっても配線を容易に行なうことができる。したがって、従来の平板コンデンサを積層する場合に要していた如き各層の平板コンデンサに対する配線を不要にできて、配線部分の厚みが増大する虞を防止できることから、たとえば、厚さ寸法が数百μｍというような超薄型の圧力センサを製作することが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、コンデンサフィルム１１の弾性誘電体フィルム１２は、両面に蒸着や印刷により電極層１３，１４を設けることができ、且つ上記電極層１３，１４に破断等の損傷を生じさせることなく蛇腹状に折り畳むことができれば、厚さ寸法や材質は任意のものとすることができる。又、蛇腹状に折り畳むことができれば、フィルム以外の任意の形状としてある弾性誘電体を使用するようにしてもよい。上記弾性誘電体フィルム１２や上記弾性誘電体の材質は、作用する荷重Ｆの大きさや、所望する誘電率、目的とする使用環境等に応じて任意の材質のものを適宜選定できる。上記電極層１３，１４は、上記弾性誘電体フィルム１２や上記弾性誘電体の材質、及び、使用環境等に応じてそれぞれ任意の材質のものとすることができる。上記においては、コンデンサフィルム１１において、弾性誘電体フィルム１２の厚さ寸法に比して、各電極層１３，１４の厚さが十分薄いものとして、コンデンサフィルム１１の折り畳み構造体における厚さ寸法の自然長ｄを、該コンデンサフィルム１１の各層で形成される平板コンデンサの電極間距離ｄ_ｉの総和として、上記各電極層１３，１４の厚さを考慮しないものとして説明したが、弾性誘電体フィルム１２の厚さ寸法に対する各電極層１３，１４の厚みの比が比較的大きい場合には、コンデンサフィルム１１の各層にて形成される平板コンデンサの電極間距離ｄ_ｉの総和を、コンデンサフィルム１１の折り畳み構造体の厚さ寸法の自然長ｄから、各電極層１３，１４の厚さ寸法とコンデンサフィルム１１の積層数の積を引いたものとして算出するようにすればよい。本発明の圧力センサは、輪重計測装置以外の任意の圧力（荷重）を検出するための機器における圧力（荷重）検出部に適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の圧力センサの実施の一形態を示す概略斜視図である。 （イ）は図１の圧力センサのモデルとして、コンデンサフィルムを５回折り曲げて折り畳み構造体を形成する場合を示す概略側面図、（ロ）（ハ）はいずれも（イ）のコンデンサフィルムの折り畳み構造体の等価回路を示す図である。 従来提案されている平板コンデンサを積層した形式の静電容量型の圧力センサの一例を示すもので、（イ）は概略正面図、（ロ）は概略平面図である。

符号の説明

１１ コンデンサフィルム
１２ 弾性誘電体フィルム
１３ 電極層
１４ 電極層
１５ 電線（配線）
１６ 押込み板

Claims (4)

1. 折り畳み可能な弾性誘電体の両面に該弾性誘電体の折り畳み変形に追従できるよう電極層を設け、且つ該両面に電極層を備えてなる弾性誘電体を蛇腹状に折り畳むと共に、形成される折り畳み構造体における上記各電極層の所要の１個所ずつに配線を接続するようにした構成を有することを特徴とする圧力センサ。
2. 折り畳み構造体を、所要面積を有する上下一対の押込み板にて挟むようにした請求項１記載の圧力センサ。
3. 弾性誘電体フィルムの両面に電極層を設けてなるコンデンサフィルムを、蛇腹状に折り畳み、且つ該コンデンサフィルムの折り畳み構造体における上記各電極層の所要の１個所ずつに配線を接続するようにした構成を有することを特徴とする圧力センサ。
4. コンデンサフィルムの折り畳み構造体を、所要面積を有する上下一対の押込み板にて挟むようにした請求項３記載の圧力センサ。

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