JPH0810156B2 - 重量検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、被測定物の重量を静電容量の変化を利用し
て検出する重量検出装置に関する。

従来の技術 重量を圧力の形で取り出すこととし、２枚の平行平板
に電極を形成し、これを所定の間隙を保って対向させ、
これに加えられた圧力を静電容量の変化として取り出す
静電容量型圧力センサは、すでに多数実用に供されてい
る。

このようなセンサの容量値は、通常20〜50pF程度とご
くわずかなため、検出回路やセンサ自身の温度特性によ
り、大きな誤差が生じる。そこで温度による特性の変化
を如何に解決するかがこの種のセンサにおける重要な課
題であった。

このため加えられた圧力に応じて容量値が鋭敏に変化
する検出電極を基板の中央部に設け、その外周部に加え
られた圧力によってはあまり容量値の変化しない基準電
極を配する静電容量型圧力センサが、一般に知られてい
る。

特開昭58−198739号公報に記載の静電容量型圧力セン
サは、このようなセンサの一例であり、上記の二つの容
量を充放電し、これらを比較することで、センサおよび
回路の温度特性の低減を図ろうとしている。

第６図はかかる静電容量型圧力センサの構成を表して
おり、（ａ）図は断面を、（ｂ）図は２枚の基板を展開
した状態を示している。

アルミナの基板１および２には二つの電極が印刷さ
れ、一定の間隙を保って対向するよう周縁をガラス３に
よって封止されている。このため中央の検出電極４は外
圧に対して鋭敏に変化し、一方外周の基準電極５はガラ
スに近接しているためにたわみにくく、外圧による圧力
変化が前者と比してごく少ない。

そして両容量とも同一の基板内に近接して配されてい
るので、温度による影響はほぼ同様に受ける。従って両
者を比較すれば、温度の影響のみを取り除き、圧力情報
だけを得ることができる。

第７図はかかる従来の回路構成である。検出電極４の
容量C_pと基準電極５の容量C_rとは、それぞれ抵抗R₁,R₂
に接続され、充放電回路が構成される。両容量はトラン
ジスタQ₁,Q₂によりオンオフされ、充放電を繰り返す。
その動作および各部の波形については、引用例に詳しい
ので省略するが、センサの容量をC_p＞C_rに設定すれば、
電源電圧がV_ccのとき、ローパスフィルタ６の出力電圧V
_outは V_out＝V_cc（１−C_r/C_p） ……（１） となる。センサの温度特性はすでに述べたようにほぼ同
一であるから、温度に起因する容量の変化分ΔC_r（ppm/
℃）およびΔC_p（ppm/℃）は、（１−C_r/C_p）項により
相殺され、出力電圧V_outからセンサの温度特性を取り除
ける。

ただしこのときR₁＝R₂であり、比較器７と８およびト
ランジスタQ₁とQ₂とは、温度特性の揃ったものを選別し
てペアにしなければならない。このような条件を守れ
ば、センサ以外の回路に起因する温度特性を取り除け
る。

発明が解決しようとする課題 ところが、このような従来の構成の静電容量型圧力セ
ンサを重量検出装置として利用したところ検出した重量
値が温度によって実用上無視できない程度にドリフトし
てしまうことがわかった。

この原因を追求してみると、センサの温度特性はごく
小さなものであったが、回路に起因する温度特性が比較
的大きく存在することが判明した。

これは一般に発振回路の動作周波数ｆは、次式で表さ
れるが、この回路定数Ｋが温度特性を有するためである
と推測される。

ｆ＝K/RC ……（２） ただし K:回路定数 第８図はかかる動作周波数ｆの温度特性をある発振回
路で実測したものである。横軸の動作周波数ｆはＣもし
くはＲを変化させ、縦軸の温度特性Δｆは次式によっ
た。

Δｆ＝（f₂₀−ｆα）／〔f₂₀×（α−20）〕……（３） ただし f₂₀:20℃での周波数 ｆα：α℃での周波数 つまり第８図は、センサの温度特性が小さく抑えられ
ても、発振回路に温度特性が残留し、しかもそれはその
動作周波数に応じて現れ、周波数が高くなるほど温度特
性も大きくなる、ということを示している。

さまざまな発振回路で実験を行ったが、温度特性直線
の勾配や正負の極性には変化が現れるものの、基本的に
はいずれの発振回路によっても動作周波数に依存する同
様の温度特性が確認された。

この現象はセンサの容量を検出する手段として発振回
路を用いると、検出周波数と基準周波数が一致している
時、つまり検出容量と基準容量が一致している時には、
その温度特性は完全に消去されるが、その周波数がずれ
てくると、回路に起因する温度特性が現れてくる、とい
うことを示唆している。

しかるに引用した先行技術では、C_p＞C_rが満足されな
ければ動作しないので、使用する全領域に渡って、この
周波数のずれによる温度特性を覚悟しなければならな
い。

本発明はかかる回路に起因する温度特性の影響を軽微
に抑えようとするものである。

課題を解決するための手段 本発明は、上記課題を解決するために、被測定物を載
置する載置台と、所定の間隙を設けて対向し、中央部に
検出電極を、その外周部に基準電極を有する一対の平板
より形成した静電容量型圧力センサと、前記検出電極お
よび基準電極の容量を読み出す検出手段と、演算手段を
有し、前記検出手段を用いて両電極を切り換えて測定す
る制御部とを備えている。

作用 本発明の重量検出装置は、載置台と機械的に係合さ
れ、載置台上に載置される被測定物の重量により検出電
極の容量値が変化するよう構成され、載置台のみを載置
した際に検出電極と基準電極の容量がほぼ一致するよう
に電極の形状が設定される。そして制御部は検出手段を
介して検出電極および基準電極の容量を切り換えながら
測定し、演算手段を用いてその測定結果を演算し、その
解をもとに載置台に載置された被測定物の重量を算出す
る。

かかる構成、作用により載置台のみの状態での温度特
性をゼロにし、軽量の被測定物に対する温度特性を小さ
く抑えることができる。

実 施 例 以下、本発明に係わる重量検出装置を図面を参照して
説明する。

第２図は電子レンジの如き加熱装置の載置台に本発明
に係わる重量検出装置を装備した例を示しており、被加
熱物の初期重量や加熱中の重量変化を検出する。

加熱室９には熱源10が結合され、載置台11上には被測
定物12が載置される。13はこの載置台11を回転駆動する
モータであり、被測定物12が熱源10により加熱される
際、加熱ムラを起こすことを改善する。

このモータ13の回転軸は、スラスト方向に自在に動
き、その先端を静電容量型圧力センサ14が支持するの
で、載置台11と被測定物12の重量は、静電容量型圧力セ
ンサ14に伝達される。

センサの構成は、第６図に示した従来のものと同一で
あり、すでに記述したのでここでは重複を避けて説明は
割愛する。

第３図は本発明に係わる重量検出装置のシステム構成
を示すブロック図の一実施例である。

単一の検出手段は基準電極の容量値である基準容量C_r
と、検出電極の容量値である検出容量C_pおよび抵抗Ｒを
含むCR発振回路15により構成される。スイチッング手段
16は制御部17に内蔵された切換ゲート信号制御手段18に
よって制御され、基準容量C_rと検出容量C_pとを切り換え
て発振回路15に接続し、発振周波数f_rおよびf_pとして制
御部17内のカウンタ手段19に入力する。そしてカウンタ
手段19の出力は、それぞれRAM20の所定のアドレスに格
納され、演算手段21に転送されて演算処理として除算を
施され、比ｒが求められる。

次に第１図を用いて本発明の要点を説明する。第１図
は検出電極と基準電極との容量の関係を示す線図であ
る。横軸は載置台上に載置される被測定物の重量ｗを、
縦軸は検出手段たる発振回路の出力周波数およびその比
ｒを示す。ｗ＝w_plなる点は、載置台のみを載置した状
態を表している。

重量ｗが重くなるほど、基板のたわみは大きくなり、
電極間の距離が小さくなるので、容量値は次式から逆に
大きくなる。

Ｃ＝εS/d ……（４） ただし C:電極間容量 S:電極面積 d:電極間距離 周波数ｆは（２）式から求められるので、重量ｗが増
すと周波数ｆは逆に低くなっていく。

ここで両者の比ｒを求めると、 となる。検出回路として単一の発振回路を用いているた
め、回路定数Ｋはf_r,f_pともに同一であり、また抵抗Ｒ
も共通なので、周波数の比ｒを算出すれば、それは検出
容量C_pと基準容量C_rの比と一致することになる。よって
かかる比ｒを求めれば、センサの温度特性を相殺でき
る。

ここでさらに基準容量C_rと検出容量C_pとをｗ＝w_pl時
に、すなわち載置台のみが置かれたときに一致させる
と、当然のことながらふたつの周波数f_rとf_pとは、ｗ＝
w_pl点で交差することになる。

従ってｗ＝w_pl点で比ｒは１となる。すでに説明した
ように、動作周波数が一致する場合には、回路に起因す
る温度特性は完全に消去できる。つまり比ｒ＝１となる
w_pl点での温度特性は原理上、ゼロとなる。

この比ｒと重量ｗの関係から、重量ｗは高次の近似
式、例えば下記のような二次式を演算すれば得られるこ
とがわかる。

ｗ＝ar²＋br＋ｃ ……（５） ただし ａ、ｂ、c:定数 以上のようにふたつの周波数f_rとf_pの比ｒを求め、か
つC_rとC_Pをｗ＝w_pl点で一致させることで、センサの温
度特性が取り除け、さらに回路の温度特性も消去でき
る。

第４図はかかるシステムの具体的な回路構成の一実施
例を示す。制御部17はマイコン１により形成され、切換
ゲート信号制御手段として出力E₀が、内蔵カウンタ手段
の入力端子としてTCが設けられている。

検出手段15はオペアンプののこぎり波発生回路と波形
整形回路の組み合わせで形成されている。スイッチング
手段16はアナログスイッチによって構成されているが、
これは他の半導体スイッチング手段でも、またリレーで
も実現できる。

22は電圧変換および波形整形をするレベルシフト回路
であり、必要に応じて適宜付加すればよい。

例えば、アナログスイッチはμPC4066、オペアンプは
TL082、マイコンはMB88515で実現できるが、これに相当
する機能を有するものであれば利用できるのは言うまで
もない。

第５図はかかるマイコンの制御プログラムを示すフロ
ーチャートである。

重量の測定がスタートされると、まずゲート信号E₀が
Ｈレベルに転じられる（ａ）。そして若干のディレイ時
間が適宜挿入された（ｂ）後、TC端子に接続される内蔵
カウンタが起動され（ｃ）、基準周波数f_rの測定が開始
される。

そしてカウンタのゲート時間、例えば１秒、がタイマ
割り込みなどを用いて管理され（ｄ）、この所定時間が
経過すると、カウンタが停止される（ｅ）。かかる計数
結果f_rはRAMの所定アドレスに転送され、記憶される
（ｆ）。

次いでゲート信号E₀がＬレベルに転じられ（ｇ）、以
下f_rとまったく同様の手順でf_pの測定が行われる（ｈ）
〜（ｌ）。

かかる処理を経て、RAMに記憶されたf_rとf_pは次に除
算処理をされてｒがまず算出され（ｍ）、ついで比ｒを
もとに重量ｗが二次近似式で算出される（ｎ）。

以上の手順により求められた重量ｗは、既述したよう
にセンサの温度特性を相殺できる。

発明の効果 以上のように本発明の重量検出装置は、従来のように
C_p＜C_rの状態で使用する、という制約がなく、回路の温
度特性がゼロになるC_p＝C_rなる点を有効に利用でき、載
置台のみを載置した時にこれを一致させることで、少量
の被測定物の重量を検出する時ほど、温度特性を小さく
抑えられ、重量検出装置として、少量ほど誤差の少な
い、実用的な優れた性能を得ることができた。

また比ｒには、従来のように電源電圧V_cc項がないの
で、電源の温度特性の影響も受けない。さらに検出容量
C_pと基準容量C_rの検出に用いられる抵抗Ｒおよび発振回
路15は、まったく同じものであるから、従来のように温
度特性の揃ったものをペアにする手間もなく、原理上、
温度特性は現れない。

さらに発振回路の出力周波数は、そのままカウンタに
入力でき、従来のようにローパスフィルタで直流電圧に
変換する必要がなく、ために回路構成が簡素かつ低廉で
すむ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる重量と各周波数およびその比を
示す線図、第２図は本発明に係わる重量検出装置の構成
の一実施例を示す断面図、第３図は同ブロック図、第４
図は本発明の一具体例を示す回路図、第５図は制御プロ
グラムの構造を示すフローチャート、第６図（ａ）は静
電容量型センサの断面図、第６図（ｂ）は同展開図、第
７図は従来例の回路図、第８図は検出回路として発振回
路を利用したときの回路の動作周波数による温度特性図
である。 ４……検出電極、５……基準電極、11……載置台、15…
…検出手段、16……スイッチング手段、17……制御部、
19……カウンタ手段、21……演算手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黄地 謙三 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−198739（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−40517（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物を載置する載置台と、所定の間隙
   を設けて対向し、中央部に検出電極を、その外周部に基
   準電極を有する一対の平板より形成した静電容量型圧力
   センサと、前記検出電極および基準電極の容量を読み出
   す検出手段と、前記検出手段を介して前記検出電極およ
   び基準電極の容量を切り換えて測定する制御部とより成
   り、前記静電容量型圧力センサは前記載置台と機械的に
   係合され、前記載置台上に載置される被測定物の重量に
   より前記検出電極の容量値が変化するよう構成し、前記
   載置台のみを載置した際に前記検出電極と前記基準電極
   の容量がほぼ一致するように電極形状を設定するととも
   に、前記制御部は演算手段を有し、検出された前記検出
   電極および前記基準電極の容量値を前記演算手段を用い
   て比を求め、その比に基づいて前記載置台上に載置され
   た被測定物の重量を算出するよう構成した重量検出装
   置。