JP4370929B2 - 静電容量型荷重計 - Google Patents

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３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４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、誘電体の温度によって変化する誘電率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り、該電極の厚さ方向へ誘電体を押しつぶすように作用する荷重を、電極間距離の変化に伴って変化する静電容量に基づいて計測する静電容量型荷重計において、
一方の電極に切欠部を形成し、該切欠部に、前記一方の電極より薄くして前記荷重がかかりにくくした補助電極を配置し、該補助電極と他方の電極とによって誘電体を挟んでなる温度参照用コンデンサを形成し、該温度参照用コンデンサで計測される静電容量から誘電体の温度によって変化する誘電率を求め、該誘電率と荷重計自体で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。

又、本発明は、誘電体を挟んで電極を対向配置してなり、該電極の厚さ方向へ誘電体を押しつぶすように作用する荷重を、電極間距離の変化に伴って変化する静電容量に基づいて計測する静電容量型荷重計において、
両方の電極に切欠部を形成し、該切欠部に、前記電極より薄くして前記荷重がかかりにくくした補助電極を配置し、該補助電極によって誘電体を挟んでなる温度参照用コンデンサを形成し、該温度参照用コンデンサで計測される静電容量から誘電体の温度によって変化する誘電率を求め、該誘電率と荷重計自体で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。

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、切欠部に配置される補助電極を利用した温度参照用コンデンサには荷重がかかりにくくなっており、該温度参照用コンデンサを形成する誘電体の部分は変形しにくく、荷重の影響をあまり受けずに温度の影響のみを受けて変化した誘電率が正確に求められる形となり、これにより、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、前記誘電率と荷重計自体で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、前記温度参照用コンデンサは、一方の電極に形成した切欠部に配置され且つ一方の電極より薄い補助電極と、荷重計自体を構成する誘電体並びに他方の電極とによって形成するか、或いは両方の電極に形成した切欠部に配置され且つ電極より薄い補助電極と、荷重計自体を構成する誘電体とによって形成してあるため、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が可能となる。

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、２記載の静電容量型荷重計によれば、誘電体の温度によって変化する誘電率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３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、一方の電極２に切欠部４を形成し、該切欠部４に、前記一方の電極２より薄い補助電極５を配置し、該補助電極５と他方の電極３とによって誘電体１を挟んでなる温度参照用コンデンサ６を形成し、該温度参照用コンデンサ６で計測される静電容量から誘電体１の温度によって変化する誘電率を求め、該誘電率と荷重計自体で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、前記切欠部４に配置した補助電極５からはリード線７を引き出すと共に、補助電極５及びリード線７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。

又、前記電極２と補助電極５の厚さは、相対的に補助電極５の方が薄くなって荷重がかからなければ良いため、前記電極２の厚さを従来より厚くし、補助電極５の厚さを従来の電極２の厚さと略等しくすることも可能である。

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、切欠部４に配置される補助電極５を利用した温度参照用コンデンサ６には荷重がかかりにくくなっており、該温度参照用コンデンサ６を形成する誘電体１の部分（図１の例では正方形の中心部）は変形しにくく、荷重の影響をあまり受けずに温度の影響のみを受けて変化した誘電率が正確に求められる形となり、これにより、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、前記誘電率と荷重計自体で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、前記温度参照用コンデンサ６は、一方の電極２に形成した切欠部４に配置され且つ一方の電極２より薄い補助電極５と、荷重計自体を構成する誘電体１並びに他方の電極３とによって形成してあるため、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が可能となる。

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の温度によって変化する誘電率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、両方の電極２，３に切欠部４，４’を形成し、該切欠部４，４’に、前記電極２，３より薄い補助電極５，５’を配置し、該補助電極５，５’によって誘電体１を挟んでなる温度参照用コンデンサ６’を形成し、該温度参照用コンデンサ６’で計測される静電容量から誘電体１の温度によって変化する誘電率を求め、該誘電率と荷重計自体で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点にある。

本図示例の場合、前記切欠部４’に配置した補助電極５’からもリード線７’を引き出すと共に、補助電極５’及びリード線７’に荷重がかからないようにしてある。

又、前記電極３と補助電極５’の厚さについても、相対的に補助電極５’の方が薄くなって荷重がかからなければ良いため、前記電極３の厚さを従来より厚くし、補助電極５’の厚さを従来の電極３の厚さと略等しくすることも可能である。

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、切欠部４，４’に配置される補助電極５，５’を利用した温度参照用コンデンサ６’には荷重が図１（ａ）、（ｂ）に示す第一例の場合に比べて更にかかりにくくなっており、該温度参照用コンデンサ６’を形成する誘電体１の部分（図２の例では正方形の中心部）はより変形しにくく、荷重の影響をほとんど受けずに温度の影響のみを受けて変化した誘電率がより正確に求められる形となり、これにより、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、前記誘電率と荷重計自体で計測される静電容量とから［数２］式を用いて荷重がより精度良く求められる。

しかも、前記温度参照用コンデンサ６’は、両方の電極２，３に形成した切欠部４，４’に配置され且つ電極２，３より薄い補助電極５，５’と、荷重計自体を構成する誘電体１とによって形成してあるため、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が可能となる。

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、図２（ａ）、（ｂ）に示す第二例の場合、誘電体１の温度によって変化する誘電率をより正確に計測することができ、荷重の計測精度をより高め得ると共に、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。

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。 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 切欠部
４’ 切欠部
５ 補助電極
５’ 補助電極
６ 温度参照用コンデンサ
６’ 温度参照用コンデンサ
７ リード線
７’ リード線

Claims (2)

1. 誘電体を挟んで電極を対向配置してなり、該電極の厚さ方向へ誘電体を押しつぶすように作用する荷重を、電極間距離の変化に伴って変化する静電容量に基づいて計測する静電容量型荷重計において、
   一方の電極に切欠部を形成し、該切欠部に、前記一方の電極より薄くして前記荷重がかかりにくくした補助電極を配置し、該補助電極と他方の電極とによって誘電体を挟んでなる温度参照用コンデンサを形成し、該温度参照用コンデンサで計測される静電容量から誘電体の温度によって変化する誘電率を求め、該誘電率と荷重計自体で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。
2. 誘電体を挟んで電極を対向配置してなり、該電極の厚さ方向へ誘電体を押しつぶすように作用する荷重を、電極間距離の変化に伴って変化する静電容量に基づいて計測する静電容量型荷重計において、
   両方の電極に切欠部を形成し、該切欠部に、前記電極より薄くして前記荷重がかかりにくくした補助電極を配置し、該補助電極によって誘電体を挟んでなる温度参照用コンデンサを形成し、該温度参照用コンデンサで計測される静電容量から誘電体の温度によって変化する誘電率を求め、該誘電率と荷重計自体で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。

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