JP2009532699A - 多領域容量性力検出装置および方法 - Google Patents

多領域容量性力検出装置および方法 Download PDF

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Abstract

多領域容量性力検出装置／方法が開示される。一実施形態において、装置は、上側導電面および上側導電面に実質的に平行な下側導電面をそれぞれが有する１つまたは複数のコンデンサと、コンデンサを囲む、上部プレートおよび底部プレートを有するハウジングと、複数のコンデンサのそれぞれに対応する上部プレートの接触領域が当該接触領域に加えられた力によって撓んだ場合に、コンデンサのそれぞれの上側導電面と下側導電面との間の距離の変化に基づいて測定値を生成する、ハウジング内のセンサとを含む。上記装置は、コンデンサの測定値間に著しい差が生じた場合に、上部プレートに加えられた力の不均一を示す信号を生成する、センサに対応する比較モジュールも含むことができる。

Description

本特許出願は、２００６年４月３日に出願された米国実用特許出願第１１／３９７，５０７号「多領域容量性力検出装置および方法（ＭＵＬＴＩ-ＺＯＮＥ ＣＡＰＡＣＩＴＩＶＥ ＦＯＲＣＥ ＳＥＮＳＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ）」の優先権を主張するものである。
［技術分野］
本開示は、一般に、測定装置の技術分野に関し、一実施形態において、多領域容量性力検出装置および方法に関する。
力測定装置は、力測定装置に加えられる力（例えば、荷重）を計測するために用いることができ、その力に対応する単一の測定値を生成することができる。例えば、力測定装置を、計測（例えば、計量）されている物体の下に配置して、力測定装置に加えられている物体の力を測定することができる。
しかし、力測定装置によって生成される単一の測定値では、物体の均衡度（levelness）を求めるのに十分でない場合がある。物体の均衡度を測定するためには、ある一定の数の力測定装置（例えば、少なくとも２つ）が必要となり得る。例えば、（例えば、対称にかつ／または効果的に配置され得る）４つの力測定装置にわたってかけられている荷重は、これら４つの力測定装置が生成する測定値間に顕しい差が示されない場合に均一である（例えば、平衡している）と決定することができる。この例においては、荷重の平衡を測定するために４つの力測定装置を用いることにより、これら４つの力測定装置を調達する（例えば、購入する、借りる等）ための追加費用が発生する場合がある。また、４つの力測定装置の測定値の読み取り、処理、分析および／または生成のためにより多くの付属装置（例えば、ケーブル、データ処理システム、通信装置等）が必要となり得る。
さらに、多数の力測定装置を使用するユーザは、多数の力測定装置の測定値の採取（例えば、捕集、通信、読み取り、比較、分析等）を行う工程を調整する必要があり得るため、測定値に関連する処理が、技術的により困難なものとなり得る。したがって、採取を行うために複雑なアルゴリズム（例えば、ソフトウェアおよび／またはハードウェア）がさらに必要となり得る。さらに、多数の力測定装置の測定値は、それぞれがそれ自体の誤差を有する多数の力測定装置および／またはその他の周辺装置によって採取されることになるため、より誤差が生じやすくなり得る。その上、測定に先立って多数の力測定装置を配置するために、より多くのスペースが（例えば、多数の力測定装置のために）必要となり得る。
多領域容量性力検出装置／方法が開示される。一局面において、装置は、上側導電面および上側導電面に実質的に平行な下側導電面をそれぞれが有する１つまたは複数のコンデンサと、コンデンサを囲む、上部プレートおよび底部プレートを有するハウジングと、コンデンサのそれぞれに対応する上部プレートの接触領域が接触領域に加えられた力によって撓んだ場合に、コンデンサのそれぞれの上側導電面と下側導電面との間の距離の変化に基づいて測定値を生成する、ハウジング内のセンサとを含む。例えば、ハウジング内の３つのコンデンサが、これら３つのコンデンサのうち少なくとも１つに対応する測定値を生成する三領域センサを形成していてもよい。上記装置は、環境条件（例えば、湿度、温度等）による測定値における誤差を補償するための、上側基準面および下側基準面を有する基準コンデンサもハウジング内に含むことができる。
上記装置は、接触領域キャビティのそれぞれに上側導電面を形成するために上部プレートの底面に形成された１つまたは複数の接触領域キャビティ（例えば、深さ約１／２０００インチ）、および／または底部キャビティのそれぞれに下側基準面を形成するために底部プレートの上面に形成された１つまたは複数の底部キャビティ（例えば、深さ約１／２０００インチ）をさらに含むことができる。さらに、上記装置は、センサおよび／または当該センサに対応する１つまたは複数の回路を収容し、かつコンデンサのそれぞれの下側導電面および基準コンデンサの上側基準面を形成する単一のプリント回路基板（ＰＣＢ）を含むことができる。
さらに、上記装置は、コンデンサの測定値間に著しい差（例えば、ユーザによって設けられ得る閾値）が生じた場合に、上部プレートに加えられた力の不均一を示す信号データを生成する、センサに対応する比較モジュールを含むことができる。上記装置は、信号データのパラメータが閾値を超えた場合に感覚データ（sensory data）を示す、センサに対応する警報モジュール、コンデンサのそれぞれの測定値を総計する、センサに対応する集約モジュール、測定値を周波数値に変換する、センサに対応する容量−周波数変換モジュール、および／または、通信モジュールと、センサに対応する、通信装置にインターフェイスするデータ処理モジュールも含むことができる。
別の局面において、方法は、２つの平行な導電面をそれぞれが有する１つまたは複数のコンデンサを囲むハウジングの上部プレートに連結された接触領域のそれぞれにおいて、ハウジングの上部プレートに荷重が加えられた場合に撓みを生じさせる工程と、コンデンサのそれぞれの２つの平行な導電面間の距離が接触領域のそれぞれにおける撓みによって変化した場合に、コンデンサのそれぞれから容量データを自動的に生成する工程とを含む。上記方法は、容量データを周波数データに比例的に変換する工程（例えば、周波数データは可能なかぎり高い値に変調される）、容量データを比較して、ハウジングの上部プレートに加えられた荷重の均衡度（levelness）を求める工程、および／または容量データがコンデンサ間で実質的に等しくない場合に警告音を生成する工程も含むことができる。
上記方法は、１つまたは複数の力が接触領域に加えられた場合に、１つまたは複数のコンデンサを有するセンサを用いてこの力を測定する工程、ハウジングの１つまたは複数の属性（attribute）を修正して、接触領域の撓み特性を変更する工程、および／または接触領域のそれぞれと反対側の上部プレートの底面にキャビティを形成して、２つの平行な導電面の上側導電面を形成する工程をさらに含むことができる。
上記方法は、機械によって実行された場合に、当該機械に本明細書に記載される任意の方法を実行させる１組の命令を具現化させる（embody）、機械で読み取り可能な媒体の形式で実行することができる。その他の特徴は、添付の図面および後述の詳細な説明から明らかとなる。
［図面の簡単な説明］
添付図面において実施形態例が例として図示されているがこれらに限定されるものではなく、図面において、同様の参照符号は同様の要素を示す。
図１は、一実施形態に係る、少なくとも１つの検出コンデンサおよび１つの基準コンデンサを有する多領域容量性力測定装置の立体図である。
図２は、一実施形態に係る、図１に示す上部プレートの底面の立体図である。
図３Ａおよび図３Ｂは、一実施形態に係る、締結具および図４に示す底部キャビティ上にあるＰＣＢの分解図である。
図４は、一実施形態に係る、下側基準面を有する底部プレートの立体図である。
図５Ａ〜図５Ｃは、一実施形態に係る、多数の検出コンデンサおよび１つの基準コンデンサを有する図１に示す多領域容量性力測定装置の断面図である。
図６は、一実施形態に係る、多領域容量性力測定装置をネットワーク化した図である。
図７は、一実施形態に係る、力の測定の工程図である。
図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれ、一実施形態に係る、アセンブリを有する台車の立体図および同アセンブリの分解図である。
図９は、一実施形態に係る、図１に示す多領域容量性力測定装置に加えられる荷重の均衡度を求める処理フローである。
図１０は、一実施形態に係る、図１に示す多領域容量性力測定装置の測定特性を操作する処理フローである。
本実施形態のその他の特徴は、添付の図面および後述の詳細な説明によって明らかとなる。
［詳細な説明］
多領域容量性力検出装置／方法が開示される。以下の記載においては、説明の目的で、種々の実施形態の完全な理解のために数多くの詳細事項が記載されている。しかし、種々の実施形態は、これらの詳細事項なしに実施され得ることが当業者には明らかである。一実施形態例において、装置は、上側導電面および上側導電面に実質的に平行な下側導電面をそれぞれが有する複数のコンデンサと、コンデンサを囲む、上部プレートおよび底部プレートを有するハウジング（例えば、円筒を含む様々な形状）と、上部プレートの接触領域が当該接触領域に加えられた力によって撓んだ場合に、コンデンサのそれぞれの上側導電面と下側導電面との間の距離の変化に基づいて測定値（例えば、容量、電圧、および／または周波数）を生成する、ハウジング内のセンサとを含む。１つまたは複数の環境条件に応じて測定値を調整するために基準コンデンサを用いることができる。
さらに、別の実施形態において、方法は、２つの平行な導電面をそれぞれが有する複数のコンデンサを囲むハウジングの上部プレートに連結された複数の接触領域のそれぞれにおいて、ハウジングの上部プレートに荷重が加えられた場合に撓みを生じさせる工程と、複数のコンデンサのそれぞれの２つの平行な導電面間の距離が複数の接触領域のそれぞれにおける撓みによって変化した場合に、複数のコンデンサのそれぞれから容量データを自動的に生成する工程とを含む。また、上記方法は、機械によって実行された場合に、当該機械に本明細書に開示される任意の方法を実行させる１組の命令を具現化させる、機械で読み取り可能な媒体の形式であってよい。後述されるような方法および装置の実施形態例を用いて、高精度、低コストかつ長寿命の力測定装置（例えば荷重センサー、圧力センサーなど）を提供することができる。本明細書において考察する種々の実施形態は同一の実施形態である場合と同一の実施形態でない場合があり、また本明細書に明示されていないその他種々の実施形態に分類される場合があることが理解される。
図１は、一実施形態に係る、少なくとも１つの検出コンデンサ（例えば、図２の上側導電面２０４および図３の下側導電面３０４を含む検出コンデンサ）および１つの基準コンデンサ（例えば、図３の上側基準面３０８および図４の下側基準面４０４を含む基準コンデンサ）を有する多領域容量性力測定装置１００の立体図である。多領域容量性力測定装置１００は、上部プレート１０２、底部プレート１０４、接触領域１０６、ケーブル１１０、および応力解除装置１１２（例えば、プラスチック、エラストマー材料等からなる）を含む。図１に示すように、接触領域１０６は、多領域容量性力測定装置１００に加えられている力（例えば、力１０８）に対する実質的な接触面を形成することができる。ケーブル１１０を用いて、検出コンデンサの測定値の採取（例えば、読み取り、分析、処理、通信等）を行うことができ、応力解除装置１１２を用いて、ケーブル１１０に加えられる応力（例えば、衝撃、ひずみ等）を吸収することによりケーブル１１０の寿命を増進することができる。
一実施形態例において、多領域容量性力測定装置１００の接触領域１０６のそれぞれに力１０８（例えば、荷重、重量、圧力等）を加えることができる。例えば、接触領域１０６Ａ〜Ｎ（例えば、多数の力１０８Ａ〜Ｎの数に対応する）に多数の力１０８Ａ〜Ｎを加えることができる。多数の力１０８Ａ〜Ｎによって撓んだ接触領域１０６Ａ〜Ｎは、検出コンデンサの図２に示す上側導電面２０４をプリント回路基板（ＰＣＢ）３０２の図３に示す下側導電面３０４の方に押し下げて、容量変化を生じさせることができる。別の実施形態において、（例えば、上部プレート１０２、底部プレート１０４、接触領域１０６、および／または別の構造を含み得る）ハウジングを、導電性材料および／または非導電性材料で構成することができる。非導電性材料が用いられている場合、当該非導電性材料に導電性材料を塗布（例えば、スパッタリング、コーティング等）することができる。多領域容量性力測定装置１００の各種構成要素は、図２〜図５を参照することによって最もよく理解することができる。
図２は、一実施形態に係る、図１に示す上部プレート１０２の底面の立体図である。上部プレート１０２は、接触領域キャビティ２０２、上側導電面２０４、上部キャビティ２０６、センサ締結室２０８、および応力除去キャビティ２１０を含む。接触領域キャビティ２０２は、上部プレート１０２を越えて図１の接触領域１０６のちょうど反対側にある、上部プレート１０２の底面上の窪んだ空間（例えば、深さ約１／２０００インチ）であってよい。接触領域キャビティ２０２は、種々の方法（例えば、穿孔、フライス加工、エッチング、旋削、けがき、溶接、手作業による製作、研削等）によって形成することができる。したがって、Ｎ個の接触領域（例えば、図１の接触領域１０６Ａ〜Ｎ）が存在する場合、Ｎ個の接触領域キャビティ（例えば、接触領域キャビティ２０２Ａ〜Ｎ）を上部プレート１０２の底面に形成することができる。
検出コンデンサの上側導電面２０４は、接触領域キャビティ２０２上に形成（例えば、上部プレート１０２が非導電性材料からなる場合、接触領域キャビティ２０２上に導電性材料を塗布することにより形成）することができる。上部キャビティ２０６（例えば、図１に示す上部プレート１０２の底面の中央に配置され得る）は、図３のＰＣＢ３０２に結合された回路構成（circuitry）３０６（例えば、センサモジュール、比較モジュール、容量−周波数変換モジュール、容量−電圧モジュール、集約モジュール、警報モジュール、および／またはデータ処理モジュールを含み得る）を収容するのに十分なスペースを有し得る。センサ締結室２０８は、図１の上部プレート１０２および底部プレート１０４を取り付けるための締結具（例えば、図３の締結具３００）のための空間を形成することができる。応力除去キャビティ２１０は、図１の底部プレート１０４に嵌合する応力解除装置１１２のための空間を形成することができる。
図３Ａおよび図３Ｂは、一実施形態に係る、締結具３００および図４の底部キャビティ４０２上に配されるＰＣＢ３０２の分解図である。図３Ａは、締結具３００の分解図である。実施形態例において、締結具３００（例えば、ネジ式、または非ネジ式）は、図４のＰＣＢ締結室４０６までＰＣＢ締結孔３１０を貫通して、ＰＣＢ３０２を図１の底部プレート１０４に取り付けることができる。
図３Ｂは、下側導電面３０４、回路構成３０６、上側基準面３０８、およびＰＣＢ締結孔３１０を含むＰＣＢ３０２（例えば、単一のＰＣＢで構成され得る）の分解図である。下側導電面３０４は、ＰＣＢ３０２の上面に塗布（例えば、スパッタリング、コーティング等）することができる。同図は、ＰＣＢ３０２に塗布（例えば、スパッタリング、コーティング等）された多数個（例えば、３つ）の下側導電面３０４Ａ〜Ｎを示している。下側導電面３０４Ａ〜Ｎのそれぞれを、図２の上側導電面２０４Ａ〜Ｎのそれぞれと組み合わせて、検出コンデンサを形成することができる。上側導電面２０４と下側導電面３０４との間の間隙（例えば、約１／２０００インチ）には、誘電性材料（例えば、固体、液体、および／または気体であり得るが、固体誘電体、空気および六フッ化硫黄が最も一般に用いられる）を充填してもよい。
ＰＣＢ３０２は、ＰＣＢが図１の多領域容量性力測定装置１００に加えられる力から隔離（例えば、保護）され得るように、図４の底部キャビティ４０２に嵌合するように設計することができる。回路構成３０６と通信装置（例えば、ＵＳＢ、ケーブル、通信モジュール等）との間のインターフェイスの種類に応じて、ＰＣＢ３０２の後方延長部分の大きさを変更（例えば、縮小、拡張等）することができる。回路構成３０６は、各種機能（例えば、信号データの測定、変換、比較、加算、通信、処理および／または生成）を実行する電子回路構成であってよい。
上側基準面３０８は、ＰＣＢ３０２の底面に塗布（例えば、スパッタリング、コーティング等）することができる。上側基準面３０８を図４の下側基準面４０４と組み合わせて、基準コンデンサを形成することができる。上側基準面３０８と下側基準面４０４との間の間隙（例えば、約１／２０００インチ）には、誘電性材料（例えば、固体、液体、および／または気体であり得るが、固体誘電体、空気および六フッ化硫黄が最も一般に用いられる）を充填してもよい。
図４は、一実施形態に係る、下側基準面４０４を有する図１に示す底部プレート１０４の立体図である。底部プレート１０４は、底部キャビティ４０２、下側基準面４０４、ＰＣＢ締結室４０６、クランプ４０８、およびセンサ締結具４１０を含む。底部キャビティ４０２（例えば、図３のＰＣＢ３０２を収容するはっきりとした形状を有し得る）は、ＰＣＢ３０２のための空間を形成することができる。下側基準面４０４を図３の上側基準面３０８と組み合わせて、基準コンデンサ（例えば、湿度、温度等の環境条件による測定値における誤差を補償する）を形成することができる。上側基準面３０８と下側基準面４０４との間の間隙には、誘電性材料（例えば、固体、液体、および／または気体であり得るが、固体誘電体、空気および六フッ化硫黄が最も一般に用いられる）を充填してもよい。
ＰＣＢ締結室４０６（例えば、ネジ式、または非ネジ式）は、ＰＣＢ３０２および図１の底部プレート１０４を取り付けるための締結具（例えば、図３の締結具３００）のための空間を形成することができる。ＰＣＢ３０２の後方領域を介して回路構成３０６と結合され得る図１のケーブル１１０を、クランプ４０８を用いて保持しかつ／または固定することができる。図１の応力解除装置１１２を用いて、ケーブル１１０に加えられる応力（例えば、衝撃、ひずみ等）を吸収することによりケーブル１１０の寿命を増進することができる。
図５Ａ〜図５Ｃは、一実施形態に係る、多数の検出コンデンサ５０２および１つの基準コンデンサ５０４を有する図１に示す多領域容量性力測定装置１００の断面図である。図５Ａは、一実施形態に係る、図１の上部プレート１０２、底部プレート１０４および接触領域１０６、図３のＰＣＢ３０２、検出コンデンサ５０２、ならびに基準コンデンサ５０４を含む多領域容量性力測定装置１００の断面図である。一例において、多数個の検出コンデンサ５０２は、上部プレート１０２の底面に形成された複数のキャビティによって形成することができ、これらのキャビティのそれぞれは、上部プレート１０２の上面に位置する接触領域１０６の真下にある。別の例において、基準コンデンサ５０４は、底部プレート１０４の上面に形成されたキャビティによって形成することができ、このキャビティは、図３の上側基準面３０８の真下にある。
図５Ｂは、図２の上側導電面２０４、図３のＰＣＢ３０２および下側導電面３０４、ならびに誘電性材料５０６を含む検出コンデンサ５０２の分解図である。上側導電面２０４は、上部プレート１０２の底面の窪んだ面（例えば、深さ約１／２０００インチ）であってよい。図１に示す多領域容量性力測定装置１００の上部プレート１０２が非導電性材料からなる場合、上側導電面２０４に導電性材料（例えば、金属、金属合金等からなる）を塗布（例えば、スパッタリング、コーティング等）することができる。窪んだ面の断面図は、上部プレート１０２の底面が図３の下側導電面３０４と接触するのを防ぐ（例えば、これによって、上側導電面２０４と下側導電面３０４との間の短絡を防止する）ような形状（例えば、図５Ｂに示すような、図３の下側導電面３０４の長さよりも長い長方形）を有し得る。
下側導電面３０４は、ＰＣＢ３０２の上面に塗布（例えば、スパッタリング、コーティング等）することができ、図２の上側導電面２０４と図３の下側導電面３０４との間には、誘電性材料５０６（例えば、固体、液体、および／または気体であり得るが、固体誘電体、空気および六フッ化硫黄が最も一般に用いられる）を挿入することができる。一実施形態例において、図１に示す上部プレート１０２の接触領域１０６に力が加えられたとき、上側導電面２０４を下側導電面３０４の方に押し下げ（例えば、上側導電面２０４と下側導電面３０４との間の距離を短くし）、それによって容量の変化を生じさせることができる。
図５Ｃは、図３のＰＣＢ３０２および上側基準面３０８、図４の下側基準面４０４、ならびに誘電性材料５０８を含む基準コンデンサ５０４の分解図である。下側基準面４０４は、底部プレート１０４の上面の窪んだ面（例えば、深さ約１／２０００インチ）であってよい。図１に示す多領域容量性力測定装置１００の底部プレート１０４が非導電性材料からなる場合、下側基準面４０４に導電性材料（例えば、金属、金属合金等からなる）を塗布（例えば、スパッタリング、コーティング等）することができる。窪んだ面の断面図は、底部プレート１０４の上面が図３の上側基準面３０８と接触するのを防ぐ（例えば、これによって上側基準面３０８と下側基準面４０４との間の短絡を防止する）ような形状（例えば、図３の上側基準面３０８の長さよりも長い長方形等）を有し得る。
上側基準面３０８は、ＰＣＢ３０２の底面に塗布（例えば、スパッタリング、コーティング等）することができ、図３の上側基準面３０８と図４の下側基準面４０４との間には、誘電性材料５０８（例えば、固体、液体、および／または気体であり得るが、固体誘電体、空気および六フッ化硫黄が最も一般に用いられる）を挿入することができる。
図６は、一実施形態に係る、多領域容量性力測定装置６０２をネットワーク化した図である。多領域容量性力測定装置６０２Ａは、図６に示すように、ケーブル６０４を介してデータ処理システム６０６Ａに接続されている。多領域容量性力測定装置６０２Ａは、さらに、ネットワーク６００（例えば、インターネット、ローカルエリアネットワーク等）に接続されている。多領域容量性力測定装置６０２Ｂは、アクセス装置６１６（例えば、無線ネットワークを形成する装置間で無線通信を可能にする装置）を介してネットワーク６００に無線接続されている。
多領域容量性力測定装置６０２Ｂは、送信／受信回路６０８および無線インターフェイスコントローラ６１０（例えば、無線通信用）、電池６１２（例えば、独立型装置として持続させるため）、ならびに警報回路６１４（例えば、多領域容量性力測定装置６０２Ｂに対する力が閾値よりも大きい場合および／または電池が消耗寸前の場合にユーザに警告を行うため）を含む。送信／受信回路６０８および／または無線インターフェイスコントローラ６１０は、図７の処理モジュール７２０内に統合することができる。
データ処理システム６０６は、ネットワーク６００を介して多領域容量性力測定装置６０２Ａおよび／または多領域容量性力測定装置６０２Ｂからデータ（例えば、力および／または荷重を測定する出力データ等）を受信することができる。一実施形態において、データ処理システム６０６は、多領域容量性力測定装置６０２の種々の動作によって生成されるデータ（例えば、測定値）の分析を行う。別の実施形態例において、多領域容量性力測定装置６０２Ａおよび／または多領域容量性力測定装置６０２Ｂの図３に示す回路構成３０６に、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）を含めることができる。ＵＳＢ（例えば、小型ソケットを有するＵＳＢポートまたはＵＳＢハブ）により、データ処理システム（例えば、データ処理システム６０６Ａおよび／もしくはデータ処理システム６０６Ｂ）のための（例えば、ユーザーフレンドリーな）ハードウェアインターフェイス、および／または周辺装置（例えば、フラッシュドライブ）を取り付けるためのハードウェアインターフェイスを実現することができる。
図７は、一実施形態に係る、力７００の測定の工程図である。図７において、電子回路構成（例えば、ソフトウェアコードおよび／またはハードウェアコード）は、アルゴリズムを適用して、センサ７０２に（例えば、多領域容量性力測定装置１００を介して）力７００が伝播されたときのセンサ７０２（例えば、図５の検出コンデンサ５０２）の２つの導電性プレート（例えば、図２の上側導電面２０４および図３の下側導電面３０４）間の距離の変化７０４を測定することができる。別の実施形態においては、上記距離の変化ではなく、プレート間の面積の変化を考慮することができる。
次に、検出コンデンサを形成する２つのプレート間の距離の変化７０４に基づいて容量の変化７０６を算出することができる。容量の変化７０６、電圧の変化７１２、および／または周波数の変化７１４を算出して、測定値（例えば、センサ７０２に加えられる力７００の概算値）を生成することもできる。容量の変化７０６は、容量−電圧モジュール７０８を用いて電圧の変化７１２に変換することができる。容量の変化７０６は、容量−周波数モジュール７１０を用いて周波数の変化７１４に変換することもできる。
さらに、容量−周波数モジュール７１０は、容量の変化７０６に比例する周波数を有する波形データを生成する回路によって形成することができる。したがって、周波数が高い値（例えば、１００万サイクル／秒）をとり、および／または周波数が高い値に変調される場合は、測定値のより高い分解能を可能にすることができる。例えば、１００万サイクル／秒（Ｈｚ）の周波数の分解能は、５０００ステップの電圧（例えば、最大５ボルトを有する電圧をミリボルトのステップで測定する）よりも２０倍高くなる。ここで、１００万Ｈｚの周波数に対する誤差が１／１，０００，０００となり得るのに対し、上記電圧に対する誤差は１／５０００となり得る。したがって、力が存在しない場合の１秒あたりの波形数を、センサ７０２に力７００が加えられた場合の１秒あたりの波形数から差し引くことによって、センサ７０２の周波数の変化７１４を求めることができる。
センサ７０２（例えば、図５の検出コンデンサ５０２）の電圧の変化７１２および／または周波数の変化７１４を比較モジュール７１６に供給して、（例えば、複数のセンサ７０２を有する）図１の多領域容量性力測定装置１００内の別のセンサの電圧の変化７１２および／または周波数の変化７１４と比較することができる。２つのセンサの測定値の間に著しい差が検出された場合、比較モジュール７１６は、図１の多領域容量性力測定装置１００に加えられる力が不均一であることを示すデータを生成することができる。さらに、警報モジュール（例えば、図６の警報回路６１４）は、上記データ（例えば、比較モジュール７１６のデータ）のパラメータが閾値を超えた場合に、感覚データ（例えば、音、感触、視覚、臭い、および／またはその他に基づく）を示すことができる。
さらに、集約モジュール７１８を用いて、センサ７００のそれぞれの測定値（例えば、容量、電圧、および／または周波数）を総計することができる。最後に、処理モジュール７２０（例えば、図３に示すＰＣＢ３０２の回路構成３０６内に統合されて、容量の変化７０６、電圧の変化７１２、および／または周波数の変化７１４を分析および／または処理することができるマイクロプロセッサ）は、集約された測定値（例えば、集約モジュール７１８において行なわれる計算に基づく）および／または状態標識（例えば、比較モジュール７１６において行なわれる分析に基づく）の形式で信号データ７２２を生成して、図１の多領域容量性力測定装置１００に加えられた荷重の均衡度を求めることができる。
また、処理モジュール７２０は、通信モジュール（例えば、図６の送信／受信回路６０８および／または図６の無線インターフェイスコントローラ６１０を含む）および／またはデータ処理モジュール（例えば、データ処理システム６０６）を内蔵することができる。
図８Ａおよび図８Ｂは、一実施形態に係る、アセンブリ８５０を有する台車８００の立体図およびアセンブリ８５０の分解図である。台車８００は、板バネ８０２、台８０４、連結具８０６、車輪８０８、およびアセンブリ８５０を含み得る。台車８００は、車両（例えば、機関車、ミニバン、客車等）のための懸架装置を形成することができる。台車の重量は、アセンブリ８５０（例えば、図８Ｂに示す軸受で構成される旋回軸８０８および／または多領域センサ８１０を含む）にかかり得る。アセンブリ８５０により、台車８００は進路を変更するように旋回することができる。アセンブリ８５０は、アセンブリ８５０に不良が生じた場合に信号データを生成することもできる。アセンブリ８５０の下には、台８０４に載置された板バネ８０２がある。台８０４は、台車８００に連結する４つの連結具８０６（例えば、金属製）によってつり下げることができる。連結具８０６により、台車８００は左右に揺れることができる。
図８Ｂは、多領域センサ８１０（例えば、図１の多領域容量性力測定装置１００）の上部に軸受が配置された旋回軸８０８を含むアセンブリ８５０の分解図である。台車８００の重量がアセンブリ８５０の旋回軸８０８に加えられた場合、力８１２Ａ〜Ｎが多領域センサ８１０に加えられ得る。多領域センサ８１０に加えられている他の力（例えば、力８１２Ａおよび力８１２Ｂ）よりも実質的に小さい力（例えば、力８１２Ｎ）が多領域センサ８１０の接触領域に加えられた場合、この力に対応する接触領域の撓みの程度は、多領域センサ８１０の他の接触領域（例えば、力８１２Ａおよび／または力８１２Ｂと接触する領域）よりも小さくなり得る。
比較モジュール（例えば、図７の比較モジュール７１６）は、この差を検出し、および／またはこの差を示すデータを生成することができる。このデータが警報モジュール（例えば、図６の警報回路６１４）に中継されると、警報モジュールは、感覚データ（例えば、ビープ音、フラッシュ光等）を生成して警告を行うことができる。信号データをデータ処理システム（例えば、遠隔ステーション）に無線通信して、台車８００が直面するかもしれない潜在的な危険を知らせることもできる。多領域センサ８１０は、独立型の電池および／または台車８００のエネルギー源によって充電される電池（例えば、図６の電池６１２）を備えることができる。
図９は、一実施形態に係る、図１の多領域容量性力測定装置１００に加えられた荷重の均衡度を求める処理フローである。動作９０２において、２つの平行な導電面（例えば、図２の上側導電面２０４および図３の下側導電面３０４）をそれぞれが有する多数のコンデンサを囲むハウジングの上部プレートに連結された接触領域に荷重（例えば、荷重によって加えられた圧力、力等）が加えられた場合に、当該接触領域のそれぞれにおいて撓みを生じさせることができる。動作９０４において、多数のコンデンサのそれぞれの２つの平行な導電面間の距離が接触領域のそれぞれにおける撓みによって変化（例えば、より短い距離に変化）した場合に、多数のコンデンサのそれぞれから容量データを自動的に生成することができる。
動作９０６において、容量データを比較（例えば、多数のコンデンサ間で）して、接触領域に加えられた荷重の均衡度を求めることができる。例えば、多領域容量性力測定装置（例えば、図１の多領域容量性力測定装置１００）内のコンデンサＡによって生成された容量データが、当該多領域容量性力測定装置内のいずれかのコンデンサによって生成された他の容量データよりも著しく小さいかあるいは大きい場合、容量データをもたらした荷重は不均一であると決定することができる。動作９０８において、多数のコンデンサ（例えば、図１に示す多領域容量性力測定装置１００のコンデンサ）間で容量データが実質的に等しくない場合に、警告音（例えば、および／またはその他の感覚データ）を生成することができる。
図１０は、一実施形態に係る、図１に示す多領域容量性力測定装置１００の測定特性を操作する処理フローである。動作１００２において、センサのハウジングの上部プレートに連結された接触領域（例えば、多数のコンデンサに対応する接触領域）に多数の力が加えられた場合に、当該センサ（例えば、多数のコンデンサを有する多領域容量性力測定装置１００内のセンサ）を用いて多数の力を測定することができる。
多数の力の測定値をモジュール（例えば、図７の集約モジュール７１８）を用いて総計（例えば、加算、集約等）して、センサに加えられた荷重の合計重量を測定することができる。動作１００４において、センサの容量データを周波数データに比例的に変換することができ、ここで、周波数データは可能なかぎり高い値に変調され得る（例えば、その結果、周波数データの分解能が高くなり、これによって周波数データの処理における誤差が最小化される）。
動作１００６において、キャビティ（例えば、約１／２０００インチ）を接触領域のそれぞれに対向するように上部プレート（例えば、図１に示す上部プレート１０２）の底面に形成して、センサの２つの平行な導電面のうちの上側導電面（例えば、図２の上側導電面２０４）を形成することができる。このキャビティは、下側導電面（例えば、図２の下側導電面３０４）と組み合わされた場合に検出コンデンサ（例えば、図５の検出コンデンサ５０２）を形成することになる。
動作１００８において、センサのハウジングの１つまたは複数の属性を修正して、接触領域の撓み特性を変更することができる（例えば、これによって、多数のコンデンサのそれぞれの２つの平行な導電面間の距離に、より大きな変化をもたらすことができる）。接触領域の撓み特性は、多くの要因によって（例えば、接触領域に使用される材料の種類、接触領域の大きさ、接触領域の形状、および／または接触領域に加えられる力によって）決定することができる。これら多くの要因の一部または全てを用いて、接触領域の撓みに対する抵抗を低くし、これによって、接触領域をより容易に曲げることを可能にすることができる。これに対し、これら多くの要因の一部または全てを用いて、接触領域の撓みに対する抵抗を高くし、これによって、加えられている荷重に対して接触領域をより厳格に応答させることができる。
別の実施形態において、キャビティ（例えば、図２の接触領域キャビティ２０２）の深さを異ならせて、接触領域の撓み特性を変更することができる。例えば、図１の上部プレート１０２の底面に形成されるキャビティ（例えば、接触領域に対応する）が大きくなると、接触領域（例えば、図１の接触領域１０６）の厚みが減少し得る（例えば、これによって、接触領域に加えられる荷重による曲げに対する抵抗が小さくなる）。
実施形態例を参照して本実施形態を説明したが、上記種々の実施形態のより広い趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の修正および変更をこれらの実施形態に行うことができることが明らかである。例えば、本明細書に記載される、図３の回路構成３０６、の送信／受信回路６０８、無線インターフェイスコントローラ６１０および警報回路６１４、ならびに／または図７の容量−電圧モジュール７０８、容量−周波数モジュール７１０、比較モジュール７１６、集約モジュール７１８および処理モジュール７２０は、ハードウェア回路構成（例えばＣＭＯＳ型論理回路構成）、ファームウェア、ソフトウェア、ならびに／またはハードウェア、ファームウェア、および／もしくはソフトウェア（例えば機械で読み取り可能な媒体内で具現化された（embodied）ソフトウェア）の任意の組み合わせを用いて実現し、かつ、動作させることができる。
例えば、容量−電圧モジュール７０８、容量−周波数モジュール７１０、比較モジュール７１６、集約モジュール７１８および／または処理モジュール７２０は、ソフトウェアを用いて、かつ／またはトランジスタ、論理ゲート、および変換回路、集約回路、および／もしくは処理回路などの電気回路（例えば特定用途向け集積回路構成ＡＳＩＣ）を用いて実現することができる。さらに、本明細書に開示される上記種々の動作、処理、および方法は、データ処理システム（例えばコンピュータシステム）と互換性のある機械で読み取り可能な媒体および／または機械でアクセス可能な媒体において具現化することができ、任意の順番（例えば上記種々の動作を達成する手段を用いることを含む）で実行できることが理解されるであろう。したがって、本明細書および図面は限定的な意味ではなく、むしろ例示的であると見なされる。
図１は、一実施形態に係る、少なくとも１つの検出コンデンサおよび１つの基準コンデンサを有する多領域容量性力測定装置の立体図である。 図２は、一実施形態に係る、図１に示す上部プレートの底面の立体図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、一実施形態に係る、締結具および図４に示す底部キャビティ上にあるＰＣＢの分解図である。 図４は、一実施形態に係る、下側基準面を有する底部プレートの立体図である。 図５Ａ〜図５Ｃは、一実施形態に係る、多数の検出コンデンサおよび１つの基準コンデンサを有する図１に示す多領域容量性力測定装置の断面図である。 図６は、一実施形態に係る、多領域容量性力測定装置をネットワーク化した図である。 図７は、一実施形態に係る、力の測定の工程図である。 図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれ、一実施形態に係る、アセンブリを有する台車の立体図および同アセンブリの分解図である。 図９は、一実施形態に係る、図１に示す多領域容量性力測定装置に加えられる荷重の均衡度を求める処理フローである。 図１０は、一実施形態に係る、図１に示す多領域容量性力測定装置の測定特性を操作する処理フローである。

Claims (20)

  1. 上側導電面および前記上側導電面に実質的に平行な下側導電面をそれぞれが有する複数のコンデンサと、
    前記複数のコンデンサを囲む、上部プレートおよび底部プレートを有するハウジングと、
    前記複数のコンデンサのそれぞれに対応する前記上部プレートの接触領域が前記接触領域に加えられた力によって撓んだ場合に、前記複数のコンデンサのそれぞれの前記上側導電面と前記下側導電面との間の距離の変化に基づいて測定値を生成する、前記ハウジング内のセンサと
    を含む装置。
  2. 環境条件による前記測定値における誤差を補償するための、上側基準面および下側基準面を有する基準コンデンサを前記ハウジング内にさらに含む、請求項１に記載の装置。
  3. 前記上部プレートの底面に形成された少なくとも１つの接触領域キャビティをさらに含み、前記上側導電面は、前記少なくとも１つの接触領域キャビティのそれぞれに形成されている、請求項２に記載の装置。
  4. 前記底部プレートの上面に形成された少なくとも１つの底部キャビティをさらに含み、前記下側基準面は、前記少なくとも１つの底部キャビティのそれぞれに形成されている、請求項３に記載の装置。
  5. 前記少なくとも１つの接触領域キャビティおよび前記少なくとも１つの底部キャビティは、深さが約１／２０００インチである、請求項４に記載の装置。
  6. 前記センサおよび前記センサに対応する複数の回路を収容し、かつ前記複数のコンデンサのそれぞれの前記下側導電面および前記基準コンデンサの前記上側基準面を形成する単一のプリント回路基板をさらに含む、請求項５に記載の装置。
  7. 前記複数のコンデンサの測定値間に著しい差が生じた場合に、前記上部プレートに加えられた力の不均一を示す信号データを生成する、前記センサに対応する比較モジュールをさらに含む、請求項１に記載の装置。
  8. 前記信号データのパラメータが閾値を超えた場合に感覚データ（sensory data）を示す、前記センサに対応する警報モジュールをさらに含む、請求項７に記載の装置。
  9. 前記複数のコンデンサのそれぞれの前記測定値を総計する、前記センサに対応する集約モジュールをさらに含む、請求項１に記載の装置。
  10. 前記測定値を周波数値に変換する、前記センサに対応する容量−周波数変換モジュールをさらに含む、請求項１に記載の装置。
  11. 通信モジュールと、前記センサに対応する、通信装置にインターフェイスするデータ処理モジュールとをさらに含む、請求項１に記載の装置。
  12. 前記ハウジングは、３つのコンデンサのうち少なくとも１つに対応する前記測定値を生成する三領域センサを形成している３つのコンデンサを含む、請求項１に記載の装置。
  13. ２つの平行な導電面をそれぞれが有する複数のコンデンサを囲むハウジングの上部プレートに連結された複数の接触領域のそれぞれにおいて、前記複数の接触領域に荷重が加えられた場合に撓みを生じさせる工程と、
    前記複数のコンデンサのそれぞれの前記２つの平行な導電面間の距離が前記複数の接触領域のそれぞれにおける前記撓みによって変化した場合に、前記複数のコンデンサのそれぞれから容量データを自動的に生成する工程と
    を含む方法。
  14. 前記容量データを周波数データに比例的に変換する工程をさらに含み、前記周波数データは可能なかぎり高い値に変調される、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記容量データを比較して、前記複数の接触領域に加えられた前記荷重の均衡度（levelness）を求める工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記容量データが前記複数のコンデンサ間で実質的に等しくない場合に警告音を生成する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 複数の力が前記複数の接触領域に加えられた場合に、前記複数のコンデンサを有するセンサを用いて前記複数の力を測定する工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
  18. 前記ハウジングの少なくとも１つの属性（attribute）を修正して、前記接触領域の撓み特性を変更する工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
  19. 前記複数の接触領域のそれぞれと反対側の前記上部プレートの底面にキャビティを形成して、前記２つの平行な導電面の上側導電面を形成する工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
  20. 機械によって実行された場合に、前記機械に請求項１３に記載の方法を実行させる１組の命令を具現化させる（embody）、機械で読み取り可能な媒体の形式である、請求項１３に記載の方法。
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