JP3801007B2

JP3801007B2 - 重量センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3801007B2
Application number: JP2001296695A
Authority: JP
Inventors: 利紀山末; 照久石濱
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP2003097996A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重量センサ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、重量センサとして、例えば次のような構成のものがある。
【０００３】
第１従来例（特開平８−２３８１７０号公報及び特開昭５９−１０４０３２号公報）には、板バネに設けた歪ゲージにより重量を測定する構成が開示されている。
【０００４】
第２従来例（特開昭６１−１６２９１５号公報）には、外力により弾性変形するコイルスプリングの変形量をスライドボリュームで検出する構成が開示されている。
【０００５】
第３従来例（特開昭６１−１１９２１２号公報）には、固定電極と可動電極とを所定間隔で対向配置し、外力により可動電極を固定電極に接近したことを静電容量の変化として検出する構成が開示されている。
【０００６】
第４従来例（特開昭６１−３６６１９号公報）には、外力により振動数が変化する複数の板バネにより、振動周波数として検出する構成が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記重量センサのあらゆる用途での使用を考えた場合、水滴や湿度、あるいは外部磁界の影響を避ける必要があるため、密閉構造やシールド構造を設ける必要がある。
しかしながら、前記いずれの構成によっても、密閉構造、シールド構造を採用することは困難である上、採用すれば大型化は避けられない。
【０００８】
そこで、本発明は、簡単かつ安価に密閉構造、シールド構造を得ることができるコンパクトな重量センサ及びその製造方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、固定電極と可動電極を所定間隔で対向配置し、重量が作用することにより、弾性部材を介して前記可動電極を変位させ、変化する静電容量に基づいて前記重量を検出するようにした重量センサにおいて、
前記可動電極と前記弾性部材とを、絶縁部材を介して連結し、
前記固定電極、前記可動電極、及び前記弾性部材をシールド本体に装着し、該シールド本体に形成した開口部に前記弾性部材を封止状態で一体化したものである。
【００１０】
この構成により、内部を密閉するシールド本体の一部を弾性部材で構成することができ、非常にコンパクトに形成することが可能となる。しかも、弾性部材は、絶縁部材を介して可動電極に一体化されると共に、シールド本体の開口部に封止状態で一体化されるため、内部の可動電極及び固定電極を外部から完全に遮断することができ、水蒸気等の悪影響を確実に排除することが可能となる。
【００１１】
前記絶縁部材は、前記弾性部材を前記可動電極に連結する組立作業時に変形し、その後変形状態を維持したままで硬化する材料で構成すると、弾性部材の加工誤差等を絶縁部材で吸収することができ、高精度な電極間距離を得ることが可能となる点で好ましい。
【００１２】
また、本発明は、前記課題を解決するための手段として、固定電極と可動電極を所定間隔で対向配置し、重量が作用することにより、弾性部材を介して前記可動電極を変位させ、変化する静電容量に基づいて前記重量を検出するようにした重量センサの製造方法において、
前記可動電極と、重量が作用することにより弾性変形する弾性部材とを組立治具上に位置決めし、該位置決め時、前記可動電極と前記弾性部材との間に、硬化前の絶縁部材を介在させ、その後硬化させることにより前記可動電極と前記弾性部材とを連結するようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る重量センサを示す。この重量センサは、シールド本体１に、弾性部材２、可動電極３、スペーサ４、固定電極５、第１支持部材６、プリント基板７、及び第２支持部材８を装着した構成である。
【００１５】
シールド本体１は、ステンレス等を円筒状に形成したもので、天井面には開口部９が形成されている。
【００１６】
弾性部材２は、ステンレス等からなる円板の同心円上に断面円弧状（波形）の凹凸を形成してなるダイヤフラムで構成されている。弾性部材２の中心部には平坦部１０が設けられ、棒状の作動部材１１（図２中、２点鎖線で示す。）等が当接して外力が作用するようになっている。弾性部材２は、前記シールド本体１の開口部９を上方から覆うように装着され、外周縁部を開口部９の縁部に接着、溶着等により封止状態に一体化される。なお、弾性部材２の厚み、凹凸の形状、材質、変形可能な領域等は、外力に対する変形量をどのように設定するのかに応じて自由に選択すればよい。
【００１７】
可動電極３は、りん青銅等の導電性材料を打ち抜いて円板状としたもので、円板部３ａの縁部から外周に沿って所定間隔で円弧状に弾性支持部３ｂが形成され、その先端から下方に向かって端子部３ｃが延びている。弾性支持部３ｂにより、限られたスペースであるにも拘わらず、可動電極３を後述する固定電極５に対して平行移動させることが可能となっている。
【００１８】
前記弾性部材２と前記可動電極３とは絶縁部材２５によって連結されている。絶縁部材２５は、合成樹脂材料、ゴム、ガラス等の絶縁材料からなる。合成樹脂材料で連結する場合には、熱硬化性樹脂を使用することにより、後述するように、弾性部材２の加工精度を吸収して可動電極３を所望の位置とすることが可能である。
【００１９】
スペーサ４は、ポリフェニリンサルファイド（ＰＰＳ）等の合成樹脂材料を薄板ドーナツ状としたもので、図２に示すように、可動電極３の板厚ｔ１に、可動電極３と後述する固定電極５との間に形成する所定の間隙寸法ｄを加算した板厚ｔ２を有する。
【００２０】
固定電極５は、前記可動電極同様、りん青銅、ステンレス等の導電性材料を打ち抜いて円板状としたもので、外周縁の３箇所から半径方向に延設部５ａ，５ｂ，５ｃが形成され、その１箇所の延設部５ａからさらに下方に向かって端子部５ｄが延設されている。固定電極５は、第１支持部材６に支持された状態で、スペーサ４を介してシールド本体１に装着される。そして、可動電極３と所定の間隙寸法ｄを有して対向し、いわゆるコンデンサを構成することにより、前記弾性部材２の変形に基づく可動電極３の変位量を静電容量の変化として検出することが可能となっている。
【００２１】
第１支持部材６は、ＰＰＳ等の合成樹脂材料を円筒状としたもので、上面開口縁部には上方に向かって突出する環状部１２が形成されている。環状部１２には、前記固定電極５の各延設部５ａ，５ｂ，５ｃに対応する位置に切欠部１３ａ，１３ｂ，１３ｃがそれぞれ形成されている。また、第１支持部材６の外周部には、切欠部１３ａに対応する位置と、その位置と対称な位置とには、上下に延びる溝部１４ａ，１４ｂがそれぞれ形成されている。溝部１４ａは前記固定電極５の端子部５ｄ用の逃がしであり、溝部１４ｂは前記可動電極３の端子部３ｃ用の逃がしである。
【００２２】
プリント基板７は、ガラスエポキシからなる板材に図示しない種々の電子部品を実装し、演算回路等を形成したものである。これら回路により、弾性部材２の弾性変形に伴う両電極３，５間の静電容量の変化に基づいて弾性部材２に作用する重量が算出される。またプリント基板７にはスルホール１５が形成され、前記両電極３，５の各端子３ｃ，５ｄが挿通してハンダ付けされることにより、前記電子部品との電気接続が図られている。
【００２３】
第２支持部材８は、前記第１支持部材６と同様に、ＰＰＳ等の合成樹脂材料を円筒状としたもので、前記シールド本体１の下端開口部に嵌合一体化される。また第２支持部材８の外周面には３箇所等分で突起１６が形成されている。これら突起１６は、第２支持部材８を前記シールド本体１に装着した際に潰れて圧入状態とする。さらに第２支持部材８の上面には切除部１７が形成され、プリント基板７から突出する前記固定電極５の端子部５ｄとの干渉が回避されている。
【００２４】
前記重量センサは次のようにして組み立てる。
【００２５】
予めプレス加工によりシールド本体１と弾性部材２を形成し、シールド本体１に上方から弾性部材２を装着して開口部９を閉鎖する。そして、シールド本体１の開口部９の縁部上面と弾性部材２の外周縁部とを溶接、接着等により封止状態となるように一体化する。
【００２６】
続いて、図３（ａ）に示すように、組立治具１８上に可動電極３をセットする。組立治具１８は、内周側に配設される電極支持部１９と、外周側に配設される本体支持部２０とで構成されている。電極支持部１９には、複数箇所に真空引きするための貫通孔２１が形成され、上面に載置した可動電極３を吸引保持できるようになっている。電極支持部１９の上面外周部には環状の逃がし溝１９ａを介して環状突部２２が形成されている。環状突部２２は、載置される可動電極３の円形部３ａと弾性支持部３ｂとの間に位置し、可動電極３を径方向に位置決めする。電極支持部１９の上面と本体支持部２０の上面の位置関係、すなわち両者の上下方向の寸法差ｈは、スペーサ４の板厚ｔ２から電極間距離ｄを引いた寸法と一致するように設計されている。また、電極支持部１９と本体支持部２０の間には、可動電極３の端子部との干渉を回避するための環状溝２３が形成されている。
【００２７】
ここで、可動電極３の中心部に、図３（ｂ）に示すように、絶縁部材２５、ここでは熱硬化性樹脂を配置する。この段階では、絶縁部材２５は変形可能である。そこで、図３（ｃ）に示すように、可動電極３の上方に弾性部材２を一体化したシールド本体１を配置する。
【００２８】
ところで、弾性部材２は、弾性変形可能にプレス加工される関係上、寸法精度をそれ程高めることは不可能であり、多少のばらつきが生じることは避けられない。このため、弾性部材２と可動電極３の連結部分を常に一定の位置関係にすることは不可能である。そこで、前述のような変形可能な絶縁部材２５を介在させることにより、前記連結部分の位置ずれを吸収するようにしている。したがって、組立治具１８に可動電極３と、弾性部材２を一体化したシールド本体１とをセットした状態で、熱処理炉に搬入すると、可動電極３と弾性部材２とを絶縁部材２５を介して上下方向に正確な位置関係が得られるように連結することが可能となる。
【００２９】
シールド本体１に、弾性部材２及び可動電極３を一体化すれば、シールド本体１の下方からスペーサ４、次いで固定電極５及び第１支持部材６を挿入する。このとき、固定電極５の外周縁を環状突部２２にガイドして径方向に位置決めすると共に、延設部５ａ，５ｂ，５ｃを第１支持部材６の切欠部１３ａ，１３ｂ，１３ｃにガイドして周方向に位置決めしておく。また、第１支持部材６の溝部１４ｂに可動電極３の端子部３ｃを位置させる。この状態では、可動電極３の端子部３ｃは溝部１４ｂを介して、固定電極５の端子部５ｄは溝部１４ａを介して第１支持部材６の下面から僅かに突出する。そこで、シールド本体１内にプリント基板７を装着し、前記各端子３ｃ，５ｄをスルホール１５に挿通してハンダ付けする。
【００３０】
その後、シールド本体１の下方開口部から第２支持部材８を装着する。第２支持部材８は、シールド本体１に収容される際、その内周面によって外周部の突起１６を潰されて圧入状態となる。これにより、スペーサ４、固定電極５、第１支持部材６、及びプリント基板７が正確に位置決めされ、組立作業が完了する。
【００３１】
このようにして組み立てられた重量センサでは、組立治具１８を使用することにより、シールド本体１の天井面と可動電極３の下面とが、常にスペーサ４の板厚ｔ２と一定の関係を有するように上下方向に位置決めされる。そして、第１支持部材６に支持した固定電極５の延設部５ａ，５ｂ，５ｃがスペーサ４の下面に当接する。したがって、可動電極３と固定電極５との電極間距離ｄを常に所望の値とすることが可能となり、製品間で加工精度のばらつきが発生しない。また、可動電極３は組立治具１８を介して、固定電極５は第１支持部材６を介して、それぞれシールド本体１に対して径方向に位置決めされる。このため、両電極３，５の中心を高精度に一致させて対向させることができ、所望の対向面積を確保することが可能となる。さらに、弾性部材２と可動電極３とは絶縁部材２５を介して一体化されるので、弾性部材２を水蒸気等が含まれる雰囲気中に露出させることにより、弾性部材２５に水滴が付着しても、電極３，５間の静電容量に悪影響を及ぼすことがない。したがって、弾性部材２を覆うための他の構成部品が不要となりコンパクトに構成することが可能となる。
【００３２】
前記重量センサは、炊飯器の内鍋の重量検出、電子レンジのターンテーブルに載置する被加熱材料の重量検出、あるいは、石油ファンヒータの燃料タンクの重量検出等に使用することができ、次のように動作する。
【００３３】
すなわち、作動部材１１を介して弾性部材２の中心部に外力（重量）が作用すると、その外力の大きさに応じた変形量で弾性部材２が弾性変形する。これにより、絶縁部材２５を介して可動電極３が固定電極５に向かって変位し、電極間距離すなわち静電容量が変化する。そして、静電容量の変化にもとづいてプリント基板７の各回路が演算を行い、作用する重力を算出して出力する。
【００３４】
なお、前記実施形態では、プリント基板７をシールド本体１に内蔵するようにしたが、シールド本体１内には可動電極３と固定電極５のみを収容するようにしてもよい。また、弾性部材２にはダイヤフラムを採用したが、弾性変形すると共に、シール部材の開口部９を封止状態で閉鎖できるものであれば、円板等であっても採用可能である。
【００３５】
また、前記実施形態では、絶縁部材２５に熱硬化性樹脂を採用する例について組立方法を説明したが、接着剤等を使用しても前述の組立方法を採用することができる。また、ゴムやガラス等の別部材を採用する場合、別途接着剤等が必要となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、重量が作用する弾性部材をシールド本体の開口部に封止状態で一体化し、絶縁部材を介して可動電極を動作可能としたので、コンパクトな構成であるにも拘わらず、封止性に優れ、水蒸気等の悪影響を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る重量センサの分解斜視図である。
【図２】本実施形態に係る重量センサの断面図である。
【図３】本実施形態に係る重量センサの組立工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１…シールド本体
２…弾性部材
３…可動電極
４…スペーサ
５…固定電極
６…第１支持部材
７…プリント基板
８…第２支持部材
９…開口部
１０…平坦部
１１…作動部材
１８…組立治具
２５…絶縁部材

Claims

固定電極と可動電極を所定間隔で対向配置し、重量が作用することにより、弾性部材を介して前記可動電極を変位させ、変化する静電容量に基づいて前記重量を検出するようにした重量センサにおいて、
前記可動電極と前記弾性部材とを、絶縁部材を介して連結し、
前記固定電極、前記可動電極、及び前記弾性部材をシールド本体に装着し、該シールド本体に形成した開口部に前記弾性部材を封止状態で一体化したことを特徴とする重量センサ。
前記絶縁部材は、前記弾性部材を前記可動電極に連結する組立作業時に変形し、その後変形状態を維持したままで硬化する材料で構成したことを特徴とする請求項１に記載の重量センサ。
固定電極と可動電極を所定間隔で対向配置し、重量が作用することにより、弾性部材を介して前記可動電極を変位させ、変化する静電容量に基づいて前記重量を検出するようにした重量センサの製造方法において、
前記可動電極と、重量が作用することにより弾性変形する弾性部材とを組立治具上に位置決めし、該位置決め時、前記可動電極と前記弾性部材との間に、硬化前の絶縁部材を介在させ、その後硬化させることにより前記可動電極と前記弾性部材とを連結することを特徴とするの重量センサの製造方法。