JPH10504387A - 力又は伸びセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 力又は伸びセンサは、その櫛の歯状に形成され互いに噛み合っている電極構造（Ｅｓ１、Ｅｓ２）が２つの固定点（Ｂｐ１、Ｂｐ２）を介して被測定力（Ｆ）又は被測定伸び（ε）に関係して互いに平行に変位可能な測定コンデンサ（Ｍｋ）を備える。測定コンデンサ（Ｍｋ）の総キャパシタンスは個々の電極対の並列接続により定められている。電極間隔（ｄ１）の変化により生ずる測定コンデンサ（Ｍｋ）の総キャパシタンスの変化は被測定力（Ｆ）又は被測定伸び（ε）を表す。温度に起因して生ずる伸びの変化は、測定コンデンサ（Ｍｋ）に電気的に直列にこれと同一に形成され測定コンデンサ（Ｍｋ）に直角方向に配置された補償コンデンサ（Ｋｋ）を設け、この補償コンデンサ（Ｋｋ）の固定点（Ｂｐ３、Ｂｐ４）が、測定コンデンサ（Ｍｋ）及び補償コンデンサ（Ｋｋ）の電極間隔（ｄ１、ｄ３）の温度による変化が逆の符号を持つように選ばれることによって補償される。

Description

【発明の詳細な説明】 力又は伸びセンサ ヨーロッパ特許第０３５４３８６号明細書によれば、長さ又は距離の変化を機 械的・電気的な量変換により検出する測定検出器が公知である。この検出器にお いては可調整キャパシタンスとして互いに平行に変位可能な２つの電極構造を備 えた測定コンデンサが設けられている。この測定コンデンサの櫛の歯状に形成さ れかつ互いに噛み合っている電極構造は、それぞれ互いに間隔を置いて平行に配 置され互いに対をなす多数の平坦状の電極からなる。電極構造を著しく非対称に 配置することによりキャパシタンスの脱離が達成されるので、測定コンデンサの 総キャパシタンスはそれぞれ互いに対向する電極により形成される電極対の並列 接続から生ずる。測定量としては電極対の可変の電極間隔によって生ずるキャパ シタンスの変化が利用される。この測定検出器は特に回転軸における回転モーメ ントを無接触で測定する際に使用される。微細構造として形成された電極構造に より例えば数マイクロメーターのねじりを検出することができる。直線的な力又 は伸びの一般的測定に対しては前記ヨーロッパ特許第０３５４３８６号明細書に 記載された測定検出器は、温度による伸びが電極間隔を直接変化させ、従って測 定結果に誤差を生じさせるので条件付きでのみ有効である。 静的又は動的な力もしくは伸びの測定に対しては、通常、薄い抵抗線の複数の 輪を紙又はプラスチックからなる基板に埋め込んだものからなるストレーンゲー ジが使用される。この基板は測定位置に接着され、従ってこの位置において測定 対象物と共にその長さを変化する。その際生ずる抵抗線の輪の伸びもしくは縮み は測定対象物の伸びに比例する抵抗変化を生ずる。伸びの測定を第一の測定目的 とする適用の他に、ストレーンゲージの伸びにより力を測定することもできる。 しかしながら、交番負荷及び過負荷に対する強度は制限されており、かつ適用方 法が煩雑であるので、このストレーンゲージの使用、特に設備や機械製造の現場 での使用には制約がある。 請求項１に提示された発明の基礎となる問題は、工業的な力又は伸び測定を大 幅に改善し、その適用範囲を従来公知のストレーンゲージに較べて明らかに拡大 することにある。 公知のストレーンゲージとの比較において、この発明による力又は伸びセンサ によれば特に次の利点が得られる。即ち、 ・過負荷に対する安全性が明らかに大きい。 ・交番負荷強度が著しく改善される。 ・周波数をベースとする測定信号が利用される。 ・直線性及び零点安定性が明らかに改善される。 ・温度による影響及びヒステリシスが明らかに小さい。 ・基板物質の膨張係数に殆ど無関係に簡単に取り付けられる。 ・マイクロシステム技術によるコスト的に有利な構造が得られる。 上記の利点に基づきこの発明による力又は伸びセンサは多くの分野で公知のス トレーンゲージにとって代わり、さらに例えば設備技術又は自動車技術のような 分野において新しい用途を開拓するものである。 この発明は、測定コンデンサと、これと同一に形成された第二の補償コンデン サとの電気的な直列接続は、補償コンデンサが測定コンデンサに対して直角方向 に配置され、かつ補償コンデンサの固定点が、測定コンデンサ及び補償コンデン サの電極間隔の温度に起因する変化が逆の符号を持つように選ばれているときに 、温度の影響を正確に補償することを可能にするという認識に基づいている。 この発明の有利な構成は従属請求項に記載されている。 請求項２による構成は、測定コンデンサと補償コンデンサとを互いにすぐ近く に並べて配置することにより両コンデンサの電極間隔への同一の温度影響を保証 するので、直列接続と電極間隔の変化の逆符号とにより実質上温度影響の正確な 補償が行われる。 請求項３によれば、測定コンデンサと補償コンデンサの固定点がそれぞれの電 極構造の互いに直角に対向する隅に形成されるときに、電極構造の固定及び温度 の影響の補償のために特に有利となる。 この発明の実施例を図面に示し、以下に詳述する。 図面は、測定コンデンサＭｋと、これと同一に形成された第二の補償コンデン サＫｋとを備え、補償コンデンサＫｋが測定コンデンサＭｋに直角に配置されて いる力又は伸びセンサを著しく簡略化した概略図である。測定コンデンサＭｋも 補償コンデンサＫｋも２つの櫛の歯状の電極構造Ｅｓ１及びＥｓ２により形成さ れ、その電極Ｅ１及びＥ２は、それぞれ小さい電極間隔ｄ１もしくはｄ３と、こ れよりずっと大きい電極間隔ｄ２もしくはｄ４とが交互に並ぶように配置されて いる。従って電極間隔ｄ２もしくはｄ４を持つ電極対を介して形成されるキャパ シタンスは電極対の間隔ｄ１もしくはｄ３を介して形成されるキャパシタンスに 較べて無視できる程小さい。測定コンデンサＭｋ及び補償コンデンサＫｋの総キ ャパシタンスはそれ故それぞれ電極間隔ｄ１もしくはｄ３を持つ電極対の並列接 続により生ずる。 測定コンデンサＭｋにおいては櫛の歯状に形成された２つの電極構造Ｅｓ１及 びＥｓ２は固定点Ｂｐ１及びＢｐ２を介して互いに直角に対向する隅を介して被 測定力Ｆ又は被測定伸びεに関係して互いに平行に変位可能である。図示の実施 例では被測定力Ｆ又は被測定伸びε又は温度に起因する伸びも電極間隔ｄ１を増 大させる。 補償コンデンサＫｋにおいては櫛の歯状に形成された２つの電極構造Ｅｓ１及 びＥｓ２は固定点Ｂｐ３及びＢｐ４を介して互いに直角に対向する隅において温 度による伸びに関係して互いに平行に変位可能である。固定点Ｂｐ３及びＢｐ４ はその場合固定点Ｂｐ１及びＢｐ２との比較において電極構造Ｅｓ１及びＥｓ２ の他の隅に配置されているので、測定コンデンサＭｋの電極間隔ｄ１及び補償コ ンデンサＫｋの電極間隔ｄ３の温度による変化は逆向きの符号を持っている。図 示の実施例では被測定力Ｆ又は被測定伸びεに対して垂直な方向の温度による伸 びは電極間隔ｄ３を相応して短縮させる。 測定コンデンサＭｋの固定点Ｂｐ１及びＢｐ２並びに補償コンデンサＫｋの固 定点Ｂｐ３及びＢｐ４は例えば図には示されていない基板に電気的に絶縁されて 結合され、基板自体は例えばねじにより同様に図示されていない測定対象物に取 付けられている。固定点Ｂｐ１及びＢｐ２もしくはＢｐ３及びＢｐ４を測定対象 物に直接取り付けることも同様に可能である。電気的に絶縁された固定は例えば 両側に金属膜を付けたセラミック板を固定点Ｂｐ１及びＢｐ２もしくはＢｐ３及 びＢｐ４並びに基板にろう付けにより結合することにより行われる。 測定コンデンサＭｋ及び補償コンデンサＫｋの上述の配置及び構成においては 電極間隔ｄ１もしくはｄ３に対しては次の式が成立する。 ｄ１＝ｄ０１＋ΔｄＦ＋ΔｄＴ ｄ３＝ｄ０３−ΔｄＴ なおここで、ｄ０１は測定コンデンサＭｋの元の電極間隔、ｄ０３は補償コンデ ンサＫｋの元の電極間隔、ΔｄＦは力Ｆにより生ずる電極間隔の変化、ΔｄＴは 温度による電極間隔の変化である。測定コンデンサＭｋ及び補償コンデンサＫｋ の温度による変化ΔｄＴはその場合同じ大きさであるが、その方向において互い に逆向きである。 測定コンデンサＭｋのキャパシタンスＣ１はその場合 Ｃ１＝ε０・Ａ／（ｄ０１＋ΔｄＦ＋ΔｄＴ） なおここで、ε０は誘電率であり、Ａは電極対の重なり範囲の面積である。 補償コンデンサＫｋのキャパシタンスＣ２は Ｃ２＝ε０・Ａ／（ｄ０３−ΔｄＴ） である。 測定コンデンサＭｋと補償コンデンサＫｋとを電気的に直列接続したときには その結果生ずる総合キャパシタンスＣは １／Ｃ＝１／Ｃ１＋１／Ｃ２ １／Ｃ＝（ｄ０１＋ΔｄＦ＋ΔｄＴ）／ε０・Ａ ＋（ｄ０３−ΔｄＴ）／ε０・Ａ 又は Ｃ＝ε０・Ａ／（ｄ０１＋ｄ０３＋ΔｄＦ） 総合キャパシタンスＣはそれ故力Ｆに起因する変化ΔｄＦにのみ関係し、他方 被測定力Ｆ又は被測定伸びεに対する温度の影響は少なくとも理論的には完全に 補償される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気的に互いに絶縁され櫛の歯状に形成されかつ互いに噛み合っている測定 コンデンサ（Ｍｋ）の電極構造（Ｅｓ１、Ｅｓ２）が、２つの固定点（Ｂｐ１、 Ｂｐ２）を介して被測定力（Ｆ）又は被測定伸び（ε）に関係して互いに平行に 変位可能であり、 測定コンデンサ（Ｍｋ）の総キャパシタンスが、それぞれ第一の電極構造（Ｅ ｓ１）の電極（Ｅ１）及び第二の電極構造（Ｅｓ２）の対応の隣接の電極（Ｅ２ ）により形成されている個々の電極対の並列接続により定められ、 被測定力（Ｆ）又は被測定伸び（ε）に応じて可変の電極対間の電極間隔（ｄ １）が、全測定範囲内において両電極構造（Ｅｓ１、Ｅｓ２）の互いにそれぞれ に属しない隣接の電極（Ｅ１、Ｅ２）間の間隔（ｄ２）に較べて小さく、被測定 力（Ｆ）又は被測定伸び（ε）が測定コンデンサ（Ｍｋ）及びこれと同一に形成 され測定コンデンサ（Ｍｋ）に対して直角方向に配置された補償コンデンサ（Ｋ ｋ）の電気的直列接続の総合キャパシタンスの変化から求められ、 補償コンデンサ（Ｋｋ）の固定点（Ｂｐ３、Ｂｐ４）が、測定コンデンサ（Ｍ ｋ）及び補償コンデンサ（Ｋｋ）の電極間隔（ｄ１、ｄ３）の温度による変化が 逆の符号を持つように選ばれている ことを特徴とする静電容量形の変換器を備えた力又は伸びセンサ。 ２．補償コンデンサ（Ｋｋ）が測定コンデンサ（Ｍｋ）のすぐ近くに並んで配置 されていることを特徴とする請求項１記載の力又は伸びセンサ。 ３．測定コンデンサ（Ｍｋ）及び補償コンデンサ（Ｋｋ）の固定点（Ｂｐ１、Ｂ ｐ２、Ｂｐ３、Ｂｐ４）がそれぞれの電極構造（Ｅｓ１、Ｅｓ２）の互いに対角 線上に対向する隅に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の力又 は伸びセンサ。