JP4321271B2

JP4321271B2 - 静電容量型荷重計

Info

Publication number: JP4321271B2
Application number: JP2004007890A
Authority: JP
Inventors: 強寺内; 則夫鎌上
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2024-01-15
Also published as: JP2005201755A

Description

本発明は、静電容量型荷重計に関するものである。

一般に、静電容量型荷重計は、図４に示される如く、誘電体１を挟んで電極２，３を対向配置してなる、いわゆるコンデンサとしての構成を有しており、荷重付与時に変化する静電容量を計測することにより、荷重を求めるようになっている。

即ち、前記静電容量型荷重計における静電容量Ｃは、
［数１］
Ｃ＝ε₀・ε_r・Ｓ／ｄ
但し、ε₀：真空の誘電率
ε_r：比誘電率
Ｓ：誘電体の面積
ｄ：電極間距離
という式で与えられるが、静電容量型荷重計に荷重が付与されると、電極間距離ｄの変化に伴って静電容量Ｃが変化する。

ここで、弾性体の歪は応力に比例するというフックの法則より、［数１］式における電極間距離ｄを消去すると、静電容量Ｃは、
［数２］
Ｃ＝ε₀・ε_r・Ｓ²・Ｅ／｛ｄ₀・（Ｓ・Ｅ＋Ｆ）｝
但し、Ｅ：ヤング率
Ｆ：荷重
ｄ₀：無負荷時の電極間距離
という式で与えられるため、静電容量型荷重計への荷重付与時に、実際に計測される静電容量Ｃを［数２］式に代入することにより、荷重Ｆを導き出すことができるわけである。

ところで、前記誘電体１の誘電率は、温度によって変化し、該誘電体１の誘電率の変化は、その材料によって異なっており、誘電体１の材料として用いられる、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の場合、図５に示されるような差がある。

前記静電容量Ｃは、［数２］式から明らかなように、誘電率の関数であって温度依存性があるため、周囲の温度が変化すると、正確な静電容量Ｃ即ち荷重Ｆが計測できなくなる。

このため、従来においては、温度センサを設置して周囲温度を計測し、該計測された周囲温度に基づいて誘電率を求め、該誘電率と計測される静電容量とから［数２］式を用いて荷重を求めるようにした静電容量型荷重計が開発されていた。（例えば、特許文献１参照。）

又、荷重が付与されない位置に参照用として温度依存性のあるコンデンサを設置し、該コンデンサの静電容量を計測することでその誘電率から温度を求め、該温度に基づいて静電容量型荷重計における誘電体１の誘電率を求め、該誘電率と計測される静電容量とから［数２］式を用いて荷重を求めるようにしたものもある。（例えば、特許文献２参照。）

更に又、温度特性が逆特性となる誘電体１を積層した構造、即ち、温度上昇に対して誘電率が増加する誘電体１と、温度上昇に対して誘電率が減少する誘電体１とを積層した構造を採用することにより、温度依存性を相殺するようにしたものも存在する。（例えば、特許文献３参照。）
特開２００１−１３０２５号公報特開昭６０−２０１２３０号公報特開平７−５５６１５号公報

しかしながら、前述の如く、温度センサや参照用のコンデンサを用いて温度を計測する場合、それらに荷重がかからない位置、即ち静電容量型荷重計の外部や周辺に設置するため、誘電体１の温度を正確に計測することができなかった。

又、温度センサや参照用のコンデンサが静電容量型荷重計の外部にはみ出すため、コンパクト化を図ることが難しかった。

更に又、温度特性が逆特性となる誘電体１を積層した構造を採用するのでは、誘電体１の材料が限定され、その選定が困難になると共に、誘電体１の厚さも厚くなるという欠点を有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、誘電体の温度を正確に計測することができ、荷重の計測精度を高め得ると共に、コンパクト化を図ることができ、更に、誘電体の材料の選定が容易で且つその厚さも薄くできる静電容量型荷重計を提供しようとするものである。

本発明は、誘電体を挟んで電極を対向配置してなる静電容量型荷重計において、
誘電体の内部に空洞を形成し、該空洞内に、誘電体の温度を検出する温度センサを配置し、該温度センサで検出された温度に基づいて誘電体の誘電率を求め、該誘電率と計測される静電容量とから荷重を求めるよう構成したことを特徴とする静電容量型荷重計にかかるものである。

該静電容量型荷重計においては、空洞を電極と平行に延びるよう形成し、温度センサのリード線を誘電体の側面から引き出すと共に、温度センサ及びリード線に荷重がかからないようにすることができる。

又、前記静電容量型荷重計においては、空洞を電極と垂直に延びるよう形成し、温度センサのリード線を一方の電極を貫通させ、電極の外面を覆うように配置されるアタッチメントの側面から引き出すと共に、温度センサ及びリード線に荷重がかからないようにすることもできる。

一方、本発明は、誘電体を挟んで電極を対向配置してなり且つ該電極の外面を覆うように配置されるアタッチメントを有した静電容量型荷重計において、
アタッチメントの内部に空洞を形成し、該空洞内に、誘電体の温度を検出する温度センサを配置し、該温度センサで検出された温度に基づいて誘電体の誘電率を求め、該誘電率と計測される静電容量とから荷重を求めるよう構成したことを特徴とする静電容量型荷重計にかかるものである。

該静電容量型荷重計においては、空洞を電極と平行に延びるよう形成し、温度センサのリード線をアタッチメントの側面から引き出すと共に、温度センサ及びリード線に荷重がかからないようにすることができる。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

静電容量型荷重計への荷重付与時には、従来の如く静電容量型荷重計の外部や周辺に設置される温度センサや参照用のコンデンサを用いて温度を計測するのとは異なり、空洞内に配置された温度センサによって誘電体の温度が正確に検出され、該温度センサで検出された温度に基づいて誘電体の誘電率が求められ、該誘電率と計測される静電容量とから荷重が精度良く求められる。

しかも、前記温度センサは、誘電体の内部或いはアタッチメントの内部に形成された空洞内に配置してあるため、静電容量型荷重計の外部にはみ出すことはなく、コンパクト化を図ること可能となる。

更に、温度特性が逆特性となる誘電体を積層した構造を採用するのに比べ、誘電体の材料が限定されず、その選定が容易になると共に、誘電体の厚さも薄くて済む。

本発明の請求項１〜５記載の静電容量型荷重計によれば、誘電体の温度を正確に計測することができ、荷重の計測精度を高め得ると共に、コンパクト化を図ることができ、更に、誘電体の材料の選定が容易で且つその厚さも薄くできるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は本発明を実施する形態の第一例であって、図中、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、誘電体１の内部にエッチング等により空洞４を形成し、該空洞４内に、誘電体１の温度を検出する白金薄膜抵抗体等の温度センサ５を配置し、該温度センサ５で検出された温度に基づいて誘電体１の誘電率を求め、該誘電率と計測される静電容量とから［数２］式を用いて荷重を求めるよう構成したものである。

本図示例の場合、前記空洞４を電極２，３と平行に延びるよう形成し、温度センサ５のリード線６を誘電体１の側面から引き出すと共に、温度センサ５及びリード線６に荷重がかからないようにしてある。

尚、前記誘電体１の材料としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルムを用いることができ、又、電極２，３は、誘電体１の表面に蒸着により形成され、その材料としては、例えば、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、クロム−ニッケル（Ｃｒ−Ｎｉ）等を用いることができる。

次に、上記図示例の作用を説明する。

静電容量型荷重計への荷重付与時には、従来の如く静電容量型荷重計の外部や周辺に設置される温度センサや参照用のコンデンサを用いて温度を計測するのとは異なり、電極２，３と平行に延びる空洞４内に配置された温度センサ５によって誘電体１の温度が正確に検出され、該温度センサ５で検出された温度に基づいて誘電体１の誘電率が求められ、該誘電率と計測される静電容量とから［数２］式を用いて荷重が精度良く求められる。

しかも、前記温度センサ５は、電極２，３と平行に延びるよう誘電体１の内部に形成された空洞４内に配置してあるため、静電容量型荷重計の外部にはみ出すことはなく、コンパクト化を図ること可能となる。

更に、温度特性が逆特性となる誘電体１を積層した構造を採用するのに比べ、誘電体１の材料が限定されず、その選定が容易になると共に、誘電体１の厚さも薄くて済む。

こうして、誘電体１の温度を正確に計測することができ、荷重の計測精度を高め得ると共に、コンパクト化を図ることができ、更に、誘電体１の材料の選定が容易で且つその厚さも薄くできる。

図２（ａ）、（ｂ）は本発明を実施する形態の第二例であって、図中、図１（ａ）、（ｂ）と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図１（ａ）、（ｂ）に示す第一例と同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図２（ａ）、（ｂ）に示す如く、アクリル板等の絶縁体からなるアタッチメント７，８が電極２，３の外面を覆うように配置されている場合に、誘電体１の内部にエッチング等により形成される空洞４を電極２，３と垂直に延びるようにし、該空洞４内に配置される白金薄膜抵抗体等の温度センサ５のリード線６を一方の電極２を貫通させ、前記アタッチメント７に穿設される孔９を通してその側面から引き出すと共に、温度センサ５及びリード線６に荷重がかからないようにした点にある。

図２（ａ）、（ｂ）に示す第二例においては、静電容量型荷重計への荷重付与時には、従来の如く静電容量型荷重計の外部や周辺に設置される温度センサや参照用のコンデンサを用いて温度を計測するのとは異なり、電極２，３と垂直に延びる空洞４内に配置された温度センサ５によって誘電体１の温度が正確に検出され、該温度センサ５で検出された温度に基づいて誘電体１の誘電率が求められ、該誘電率と計測される静電容量とから［数２］式を用いて荷重が精度良く求められる。

しかも、前記温度センサ５は、電極２，３と垂直に延びるよう誘電体１の内部に形成された空洞４内に配置してあるため、静電容量型荷重計の外部にはみ出すことはなく、コンパクト化を図ること可能となる。

又、図１（ａ）、（ｂ）に示す第一例に比べ、誘電体１の受圧面積に対して空洞４の占める割合を小さくすることが可能となるため、誘電体１の強度が低下することを最小限に抑えられ、且つ誘電体１の加工も楽になる。

こうして、図２（ａ）、（ｂ）に示す第二例の場合、誘電体１の温度を正確に計測することができ、荷重の計測精度を高め得ると共に、コンパクト化を図ることができ、更に、誘電体１の材料の選定が容易で且つその厚さも薄くでき、又、誘電体１の強度低下の抑制並びに加工性の向上をも図り得る。

図３（ａ）、（ｂ）は本発明を実施する形態の第三例であって、図中、図２（ａ）、（ｂ）と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図２（ａ）、（ｂ）に示す第二例と同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図３（ａ）、（ｂ）に示す如く、アクリル板等の絶縁体からなるアタッチメント７の内部に、空洞４’を電極２，３と平行に延びるよう形成し、該空洞４’内に、誘電体１の温度を検出する白金薄膜抵抗体等の温度センサ５を配置し、該温度センサ５のリード線６をアタッチメント７の側面から引き出すと共に、温度センサ５及びリード線６に荷重がかからないようにした点にある。

図３（ａ）、（ｂ）に示す第三例においては、静電容量型荷重計への荷重付与時には、従来の如く静電容量型荷重計の外部や周辺に設置される温度センサや参照用のコンデンサを用いて温度を計測するのとは異なり、アタッチメント７の空洞４’内に配置された温度センサ５によって誘電体１の温度が正確に検出され、該温度センサ５で検出された温度に基づいて誘電体１の誘電率が求められ、該誘電率と計測される静電容量とから［数２］式を用いて荷重が精度良く求められる。

しかも、前記温度センサ５は、電極２，３と平行に延びるようアタッチメント７の内部に形成された空洞４’内に配置してあるため、静電容量型荷重計の外部にはみ出すことはなく、コンパクト化を図ること可能となる。

又、図１（ａ）、（ｂ）に示す第一例や図２（ａ）、（ｂ）に示す第二例に比べ、誘電体１に空洞４を形成する必要がないため、誘電体１の強度が全く低下せず、且つアタッチメント７に空洞４’を形成すれば良いため、荷重計自体の加工も楽になる。

こうして、図３（ａ）、（ｂ）に示す第三例の場合、誘電体１の温度を正確に計測することができ、荷重の計測精度を高め得ると共に、コンパクト化を図ることができ、更に、誘電体１の材料の選定が容易で且つその厚さも薄くでき、又、誘電体１の強度低下を防止でき、荷重計自体の加工性の向上をも図り得る。

尚、本発明の静電容量型荷重計は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、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。

本発明を実施する形態の第一例の概要構成図であって、（ａ）は一部破断側面図、（ｂ）は一部破断平面図である。本発明を実施する形態の第二例の概要構成図であって、（ａ）は一部破断側面図、（ｂ）は平面図である。本発明を実施する形態の第三例の概要構成図であって、（ａ）は一部破断側面図、（ｂ）は一部破断平面図である。静電容量型荷重計の一例を示す斜視図である。誘電体の材料による誘電率の温度特性の違いの一例を示す線図である。

符号の説明

１誘電体
２電極
３電極
４空洞
４’ 空洞
５温度センサ
６リード線
７アタッチメント
８アタッチメント
９孔

Claims

誘電体を挟んで電極を対向配置してなる静電容量型荷重計において、
誘電体の内部に空洞を形成し、該空洞内に、誘電体の温度を検出する温度センサを配置し、該温度センサで検出された温度に基づいて誘電体の誘電率を求め、該誘電率と計測される静電容量とから荷重を求めるよう構成したことを特徴とする静電容量型荷重計。
空洞を電極と平行に延びるよう形成し、温度センサのリード線を誘電体の側面から引き出すと共に、温度センサ及びリード線に荷重がかからないようにした請求項１記載の静電容量型荷重計。
空洞を電極と垂直に延びるよう形成し、温度センサのリード線を一方の電極を貫通させ、電極の外面を覆うように配置されるアタッチメントの側面から引き出すと共に、温度センサ及びリード線に荷重がかからないようにした請求項１記載の静電容量型荷重計。
誘電体を挟んで電極を対向配置してなり且つ該電極の外面を覆うように配置されるアタッチメントを有した静電容量型荷重計において、
アタッチメントの内部に空洞を形成し、該空洞内に、誘電体の温度を検出する温度センサを配置し、該温度センサで検出された温度に基づいて誘電体の誘電率を求め、該誘電率と計測される静電容量とから荷重を求めるよう構成したことを特徴とする静電容量型荷重計。
空洞を電極と平行に延びるよう形成し、温度センサのリード線をアタッチメントの側面から引き出すと共に、温度センサ及びリード線に荷重がかからないようにした請求項４記載の静電容量型荷重計。