JP2004294254A - Capacitive load sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷重差を検出するための静電容量型荷重センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
荷重センサは物体の荷重を検出するものであるが、荷重は油圧に変換可能なため、以下で従来例として静電容量型圧力センサについて説明する。
【0003】
図7は従来の静電容量型圧力センサ100の断面図である。同図において、第1の固定電極板101と第2の固定電極板102の間に可動電極板であるダイアフラム103が配置されている。このダイアフラム103の両端は、絶縁板104に埋め込まれて固定され、この絶縁板104によって、第1の固定電極板101及び第2の固定電極板102とダイアフラム103とが電気的に絶縁されている。
【0004】
また、第1の固定電極板101とダイアフラム103との間の空洞部105に油圧P1を導入するための第1の貫通孔106が設けられ、同様に第2の固定電極板102とダイアフラム103との間の空洞部107に油圧P2を導入するための第2の貫通孔108が設けられている。
【0005】
ここで、第1の固定電極板101とダイアフラム103との間の静電容量C1は、C1=ε(S/d)で表される。εは油の誘電率、Sは電極面積、dは電極間ギャップ幅である。また、第2の固定電極板102とダイアフラム103との間の静電容量C2は、C2=ε(S/d)で表される。
【0006】
従って、静電容量C1,C2は、それぞれ電極ギャップ幅dに反比例して変化することになる。一方、油圧力P1,油圧力P2との圧力差と電極ギャップ幅dとの間には一定の関係があるので、静電容量C1,C2を検出することで、圧力を知ることができる。また、圧力と荷重の関係から、荷重を知ることができるので、この静電容量型圧力センサ100を用いて荷重センサを構成することもできる。
【0007】
更に、基本的には静電容量C1,C2の比(C1/C2)を求めることにより、油の誘電率ε及び電極面積Sの温度・湿度変化や経時変化に起因した静電容量C1,C2の変動の影響を除去することができる。
【0008】
なお、上述したような平行平板型のコンデンサを用いた圧力センサについては特許文献1に記載されている。
【0009】
【特許文献1】
特開平11−295175号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の静電容量型圧力センサ100では、圧力感度を高くすることが困難であった。この問題について図7を用いて説明する。いま、油圧力P2が油圧力P1より高いとする(P2>P1)。すると、図中の破線で示すように、ダイアフラム103の両端は固定されているために、ダイアフラム103の中央部Qでは大きな変位Δd1を生じるが、ダイアフラム103の中央部からは両端部に向かうにつれてダイアフラム103の変位は小さくなる(Δd1>Δd2)。
【0011】
すなわち、静電容量C1をダイアフラム103に沿った多数の静電容量Ci(C1=ΣCi)に細分して考えると、ダイアフラム103の中央部Qの静電容量Ci(Q)では、圧力差(P2−P1)に応じた変位Δd1によって大きな容量変化を生じるが、中央部Qから離れた場所Rの静電容量Ci(R)では、ダイアフラム103の変位Δd2が小さいために、小さな容量変化しか生じない。静電容量C1は、中央部Qでも圧力感度は高いが、中央部Qから離れた場所Rでの圧力感度は低くなる。
【0012】
従って、従来の静電容量型圧力センサ100では、オフセット容量(圧力差がない状態での静電容量)に対する圧力感度を大きくすることができなかった。また、圧力差(P2−P1とダイアフラムの変位の関係における線形性が低いという問題もあった。
【0013】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の第1の特徴構成は、印加される荷重を伝達する変位伝達棒と、第1及び第2の固定電極と、これらの第1及び第2の固定電極の間に配置された可動電極とを備え、前記変位伝達棒によって前記可動電極を押圧するようにした静電容量型荷重センサであって、
両端が固定された第1の可動板と、この第1の可動電極に対して対称に分岐して、H型構造を成す第2及び第3の可動板とで可動電極を構成し、第1の固定電極と第2の可動板との間に、2つの平行平板型コンデンサを構成し、更に、第2の固定電極と第3の可動板との間に、他の2つの平行平板型コンデンサを構成したものである。
【0014】
また本発明の第2の特徴構成は、印加される荷重差に応じた変位を発生するバネと、該バネの変位を伝達する変位伝達棒と、第1及び第2の固定電極と、これらの第1及び第2の固定電極の間に配置された可動電極とを備える静電容量型荷重センサであって、
前記可動電極は、前記変位伝達棒に連結され、その長手方向に対して交差する方向に延びた可動板を有し、前記第1の固定電極と前記可動板の表面との間に、互いに隣接する第1及び第2のコンデンサを構成すると共に、前記第2の固定電極と可動板の裏面との間に、互いに隣接する第3及び第4のコンデンサを構成したことを特徴とするものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下で、本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、この静電容量型荷重センサの基本構造を示す図である。図において、天秤構造の支点Pで支持された天秤台10の両端に、荷重測定の対象であるそれぞれ第1の被測定物11及び第2の被測定物12が載置されている。また、天秤台10の左端下方には、荷重伝達棒13が取り付けられ、後述する静電容量型変位センサ30内に挿入され、ダイアフラムを押圧するように構成されている。
【0016】
この静電容量型荷重センサの動作を説明する。第1の被測定物11の荷重をW1、第2の被測定物12の荷重をW2、天秤台10の左端上に載置された第1の被測定物11と支点Pとの距離をL1、天秤台10の右端上に載置された第2の被測定物12と支点Pとの距離をL2とすると、支点Pの回りには(W1×L1−W2×L2)のトルクTが発生する。L1=L2=Lの場合は、T=(W1−W2)Lとなる。
【0017】
いまトルクT>0とすると、天秤台10の左端が下動する。荷重伝達棒13は天秤台10に一端が固定され、他端はバネとして働くダイアフラムに連結されているで、荷重伝達棒13は荷重差に応じた変位Δxを伝達する。従って、静電容量型変位センサ30でこの変位Δxを検出すれば、変位ΔxとトルクTの関係から荷重差(W1−W2)を知ることができる。
【0018】
次に、静電容量型変位センサ30の構造について、図2を参照しながら説明する。この静電容量型変位センサ30は、相補的に動作する4つの平行平板型コンデンサを含むものである。
【0019】
H型構造を有する可動電極板は、円筒状の筐体31に収納されており、両端が筐体31の壁に埋め込まれて固定された第1のダイアフラム32と、この第1のダイアフラム32の中央部Qから、筐体31の壁に近接して対向するように分岐した第2のダイアフラム33と、第1のダイアフラム32の中央部Qから筐体31の反対側の壁に近接して対向するように分岐した第3のダイアフラム34とから構成されている。そして、第2のダイアフラム33と第3のダイアフラム34とは、第1のダイアフラム32に対して対称となるように連結され、H型構造を成している。
【0020】
また、第2のダイアフラム33の表面には電極パターン39,40が形成されており、これらの電極パターン39,40にそれぞれ対向して筐体31の内壁面に電極パターン41,42が形成されている。従って、1対の電極パターン39,41によって第1のコンデンサ61が構成され、これに隣接して1対の電極パターン40,42によって第2のコンデンサ62が構成されている。
【0021】
また、同様に第3のダイアフラム34の表面には電極パターン43,44が形成されており、これらの電極パターン43,44にそれぞれ対向して筐体31の内壁面に電極パターン45,46が形成されている。従って、1対の電極パターン43,45によって第3のコンデンサ63が構成され、これに隣接して1対の電極パターン44,46によって第4のコンデンサ64が構成されている。これら4つのコンデンサはいずれも平行平板型である。上記電極パターンは電極材料として導電性接着剤を用いることで、簡単な印刷で形成することができる。また、各電極パターンには配線が接続され外部に取り出されているものとする。
【0022】
そして、前記荷重伝達棒13の先端が、筐体31に設けられた貫通孔47を通して第2のダイアフラム33の中央部Rに当接するか、あるいは連結されている。そこで、荷重伝達棒13が荷重差に基づいて変位Δxだけ下動すると、荷重伝達棒13が第2のダイアフラム33の中央部を押圧することで、この変位Δxが第2のダイアフラム33及び第3ダイアフラム34に伝達される。これにより、第2のダイアフラム33及び第3ダイアフラム34はいずれも下方に変位Δxだけ平行移動し、上記4つのコンデンサの容量値が変化する。
【0023】
ここで、第1のコンデンサ61の容量をCs1、第2のコンデンサ62の容量をCd1、第3のコンデンサ63の容量をCs2、第4のコンデンサ64の容量をCd2とすると、これらは以下の式で表される。
【0024】
Cs1=εS/(d0−Δx)
Cd1=εS/(d0−Δx)
Cs2=εS/(d0+Δx)
Cd2=εS/(d0+Δx)
ここで、d0は圧力差がないとき(P1=P2)の電極ギャップ幅、εは電極ギャップ間の空気の誘電率である。Sは電極面積であり、4つのコンデンサは同じ電極面積を有しているものとする。従って、第1のコンデンサ61と第3のコンデンサ63とは相補的に動作し、第2のコンデンサ62と第4のコンデンサ64とは相補的に動作する。
【0025】
そこで、(Cs1−Cs2)/(Cd1+Cd2) という信号処理を行うことにより、次の式が得られる。
(Cs1−Cs2)/(Cd1+Cd2)=Δx/d0
従って、Δxと荷重差の関係から、荷重差(W1−W2)を知ることができる。また、この信号処理により、空気の誘電率ε及び電極面積Sの温度・湿度変化や経時変化に起因した変動の影響を除去することができる。また、この静電容量型変位センサ30は、4つのコンデンサを用いているので、(Cs1−Cs2)と(Cd1+Cd2)とを後述するように、並列信号処理することができるので、時系列的に信号処理が必要なセンサに比べて高速なセンシングが可能となる。
【0026】
本発明の第2の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図3は、この静電容量型荷重センサの基本構造を示す図である。この静電容量型荷重センサは、第1の実施形態の静電容量型変位センサ30を他のタイプの静電容量型変位センサ50に置き換えたものである。この静電容量型変位センサ50について、図4を用いて詳しく説明する。
【0027】
第1の実施形態の静電容量型変位センサ30はH型構造のダイアフラムを荷重伝達棒13で押圧することでダイアフラムに変形を生じさせているが、この静電容量型変位センサ50では、天秤台10の左端下方に取り付けられた変位伝達棒14に可動電極板を上下動自在に連結している。そして、天秤台10の左端と静電容量型変位センサ50との間には、荷重差を変位に変換するためのコイルバネ15が取り付けられている。このコイルバネ15は板バネであってもよい。
【0028】
可動電極板は、円筒状の筐体51に収納されており、筐体51に設けられた貫通孔52を通された変位伝達棒14に連結され、その長手方向に対して交差する方向に延びた可動板53を有している。そして、可動板53の表面には電極パターン54,55が形成されており、これらの電極パターン54,55にそれぞれ対向して筐体51の内壁面に電極パターン56,57が形成されている。従って、1対の電極パターン54,56によって第1のコンデンサ81が構成され、これに隣接して1対の電極パターン55,57によって第2のコンデンサ82が構成されている。
【0029】
また、同様に可動板53の裏面には電極パターン65,66が隣接して形成されており、これらの電極パターン65,66にそれぞれ対向して筐体51の内壁面に電極パターン67,68が形成されている。従って、1対の電極パターン65,67によって第3のコンデンサ83が構成され、これに隣接して1対の電極パターン66,68によって第4のコンデンサ84が構成されている。これら4つのコンデンサはいずれも平行平板型である。上記電極パターンは電極材料として導電性接着剤を用いることで、簡単な印刷で形成することができる。また、各電極パターンには配線が接続され外部に取り出されているものとする。
【0030】
ここで、第1のコンデンサ81の容量をCs1、第2のコンデンサ82の容量をCd1、第3のコンデンサ83の容量をCs2、第4のコンデンサ84の容量をCd2とすると、これらは第1の実施形態と同様に以下の式で表される。
【0031】
Cs1=εS/(d0−Δx)
Cd1=εS/(d0−Δx)
Cs2=εS/(d0+Δx)
Cd2=εS/(d0+Δx)
したがって、Cs1−Cs2)/(Cd1+Cd2) という信号処理を行うことにより、Δxと荷重差の関係から、荷重差(W1−W2)を知ることができる。
【0032】
次に、上述した静電容量型変位センサ30のセンサ信号処理回路について説明する。なお、第2の実施形態の静電容量型変位センサ50についても全く同じ回路を用いることができる。
【0033】
図5はこのセンサ信号処理回路を示す回路図である。また、図6はこのセンサ信号処理回路のブロック線図である。
【0034】
図5において、70は交流信号源であり、交流入力信号Vinを発生する。71は演算増幅器A1と2つの固定抵抗Rで構成される反転増幅器、91は前記第1及び第3のコンデンサ61,63で構成される第1のセンサ、72はコンデンサCa、第1のセンサ91及び演算増幅器A2で構成される第1のチャージアンプ、92は前記第2及び第4のコンデンサ62,64で構成される第2のセンサ、73はコンデンサCb、第2のセンサ92及び演算増幅器A3で構成される第2のチャージアンプである。74は乗算器である。
【0035】
更に詳しくは、第1のチャージアンプ72において、演算増幅器A2の非反転入力端子(+)は接地されており、反転入力端子(−)には第1及び第3のコンデンサ61,63の電極(可動電極板側の電極パターン)が接続され、これらは仮想接地されている。また、第2のチャージアンプ73において、演算増幅器A3の非反転入力端子(+)は接地されており、反転入力端子(−)には第2及び第4のコンデンサ62,64の電極(可動電極板側の電極パターン)が接続され、これらは仮想接地されている。
【0036】
そして、これらの第1のチャージアンプ72及び第2のチャージアンプ73の出力信号は、乗算器74によって乗算処理され、その結果出力信号Voutが得られる。
【0037】
上述したように、第1のセンサ91は一方のコンデンサ、例えば第1のコンデンサ61の容量Cs1が増加すると、第3のコンデンサ63の容量Cs2は減少するように、相補的に動作する。
【0038】
そこで、このセンサ信号処理回路の伝達関数を求める。まず乗算器74に入力される前のブロックを、反転増幅器71と第1のチャージアンプ72で構成される部分と、第2のチャージアップ73で構成される部分に分割して考えることができる。これらの2つの構成部分は並列に演算処理を行っている。
【0039】
それぞれの部分の伝達関数を求めた後に掛け合わせれば全体の伝達関数を得ることができる。まず、反転増幅器71と第1のチャージアンプ72で構成される部分の伝達関数をラプラス演算子sを用いて求める。第1のチャージアンプ72の出力信号をVaとすると次式が成り立つ。
【0040】
【数1】
【0041】
この式をVaについて解くと、
【0042】
【数2】
【0043】
次に、第2のチャージアンプ73の伝達関数をラプラス演算子sを用いて求める。第2のセンサ92の容量Cd1,Cd2の和をCdとすると、Cdは次式で表される。
【0044】
【数3】
【0045】
第2のチャージアンプ73の出力信号をVbとすると、次式が成り立つ。
【0046】
【数4】
【0047】
これをVbについて解くと、
【0048】
【数5】
【0049】
この式にCdを代入すると、
【0050】
【数6】
【0051】
ここで、Vout=Va×Vbなので、数2,数5の式を掛け合わせると、
【0052】
【数7】
【0053】
が得られる。
【0054】
このように、このセンサ信号処理回路によれば、容量の和と差の成分を並列処理により高速に抽出することができる。従って、上述の静電容量型変位センサ30と、このセンサ信号処理回路を組み合わせることで、高速な荷重変化を高感度で検出することができるものである。
【0055】
【発明の効果】
本発明の静電容量型荷重センサにより得られる、主な効果をまとめれば以下の通りである。
(1)H型構造等による可動電極板を平行に変位させるセンサ構造は、オフセット容量(=荷重が印加されていない状態のセンサの静電容量)に対する荷重感度の割合を大きくできる。
(2)H型構造等による可動電極板を平行に変位させるセンサ構造は、板バネやコイルバネの小さな変位、即ち各部に生じた小さな歪みにおいても大きな荷重感度が得られる。
(3)H型構造等による可動電極板を平行に変位させるセンサ構造は、板バネやコイルバネの小さな変位、即ち各部に生じた小さな歪みにおいても大きな圧力感度が得られ、これはコイルバネの荷重と変位の関係における線形性を高める効果がある。
(4)H型構造等による可動電極板を平行に変位させるセンサ構造は、ダイアフラム等の板バネやコイルバネに生じさせる歪みを小さくでき、コイルバネには極めて小さな永久歪み、即ち極めて小さな塑性変形を生じるのみとなり、コイルバネに理想弾性材料を用いることなしに、再現性の高い(=ヒステリシスの小さい)計測器を作ることができる。
(5)センサの温度特性(=距離・面積成分変動)、湿度特性(=ε成分変動)、雰囲気ガス成分の変化(=ε成分変動)、センサキャパシタとなる平行平板コンデンサの電極板の位置ズレ(=面積成分変動)等の影響を排除するためのレシオメトリック信号処理を行うため、同一平板上に平行平板コンデンサを2個配置し、さらに相補動作、即ち差(差圧力、差荷重)の計測のために、これを対称構造とする。これにより合計4つのキャパシタを持つこととなる。
(6)中央電極(=可動電極)を仮想接地させる信号処理回路を用いると、測定誤差となる寄生容量の影響を小さくできる。
(7)電極材料に導電性接着剤を用いることで、簡単な印刷を用いて電極パターンが作成できる。用いる導電性接着剤には室温硬化型のものも多く存在し、Mo−Mn法、ガラスペースト法、メッキ法等で必要な焼成等の熱処理を必要としない。従って工程を簡素化でき、センサに熱応力も与えない利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る静電容量型荷重センサの基本構造を示す図である。
【図2】図1の静電容量型変位センサ30の構造を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る静電容量型荷重センサの基本構造を示す図である。
【図4】図3の静電容量型変位センサ50の構造を示す断面図である。
【図5】センサ信号処理回路を示す回路図である。
【図6】センサ信号処理回路のブロック線図である。
【図7】従来の静電容量型圧力センサ100の断面図である。
【符号の説明】
10 天秤台 11 第1の被測定物 12 第2の被測定物
13 コイルバネ 14 変位伝達棒 30 静電容量型変位センサ
31 筐体 32 第1のダイアフラム
33 第2のダイアフラム 34 第3のダイアフラム
39〜46 電極パターン 47 貫通孔
50 静電容量型変位センサ 51 筐体 52 貫通孔
53 可動板 54〜57 電極パターン
61 第1のコンデンサ 62 第2のコンデンサ
63 第3のコンデンサ 64 第4のコンデンサ
65〜68 電極パターン 70 交流入力信号
71 反転増幅器 72 第1のチャージアンプ
73 第2のチャージアンプ 74 乗算器
81 第1のコンデンサ 82 第2のコンデンサ
83 第3のコンデンサ 84 第4のコンデンサ
91 第1のセンサ 92 第2のセンサ
100 静電容量型圧力センサ 101 第1の固定電極板
102 第2の固定電極板 103 ダイアフラム
104 絶縁板 105 空洞部
106 第1の貫通孔 107 空洞部 108 第2の貫通孔[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a capacitive load sensor for detecting a load difference.
[0002]
[Prior art]
The load sensor detects the load of the object, but since the load can be converted into a hydraulic pressure, a capacitance type pressure sensor will be described below as a conventional example.
[0003]
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional capacitance
[0004]
Further, a first through
[0005]
Here, the capacitance C1 between the first
[0006]
Accordingly, the capacitances C1 and C2 change in inverse proportion to the electrode gap width d. On the other hand, since there is a certain relationship between the pressure difference between the oil pressures P1 and P2 and the electrode gap width d, the pressure can be known by detecting the capacitances C1 and C2. In addition, since the load can be known from the relationship between the pressure and the load, a load sensor can be configured using the capacitance
[0007]
Further, basically, by calculating the ratio (C1 / C2) of the capacitances C1 and C2, the capacitances C1 and C2 due to changes in the dielectric constant ε of the oil and the electrode area S due to temperature / humidity changes and aging changes. Can be eliminated.
[0008]
A pressure sensor using a parallel plate type capacitor as described above is described in
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-11-295175
[Problems to be solved by the invention]
However, it has been difficult for the conventional capacitance
[0011]
That is, when the capacitance C1 is subdivided into a number of capacitances Ci (C1 = ΣCi) along the
[0012]
Therefore, in the conventional capacitance
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, a first characteristic configuration of the present invention is that a displacement transmission rod that transmits an applied load, first and second fixed electrodes, and a first transmission electrode and a second fixed electrode are disposed between the first and second fixed electrodes. A capacitive load sensor comprising a movable electrode, wherein the displacement transmission rod presses the movable electrode.
A movable electrode is formed by a first movable plate having both ends fixed, and second and third movable plates symmetrically branched with respect to the first movable electrode to form an H-shaped structure. Between the fixed electrode and the second movable plate, two parallel plate capacitors are formed. Further, between the second fixed electrode and the third movable plate, another two parallel plate capacitors are formed. It is what constituted.
[0014]
A second characteristic configuration of the present invention includes a spring that generates a displacement according to a difference in applied load, a displacement transmission rod that transmits a displacement of the spring, first and second fixed electrodes, A capacitive electrode comprising a movable electrode disposed between the first and second fixed electrodes,
The movable electrode has a movable plate connected to the displacement transmission rod and extending in a direction crossing a longitudinal direction thereof, and is adjacent to each other between the first fixed electrode and a surface of the movable plate. And third and fourth capacitors adjacent to each other between the second fixed electrode and the back surface of the movable plate. .
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a basic structure of the capacitance type load sensor. In the figure, a first object to be measured 11 and a second object to be measured 12 to be subjected to load measurement are mounted on both ends of a
[0016]
The operation of the capacitance type load sensor will be described. The load on the
[0017]
If the torque T> 0 now, the left end of the
[0018]
Next, the structure of the capacitance
[0019]
A movable electrode plate having an H-shaped structure is housed in a
[0020]
[0021]
Similarly,
[0022]
The distal end of the
[0023]
Here, assuming that the capacity of the
[0024]
Cs1 = εS / (d0−Δx)
Cd1 = εS / (d0−Δx)
Cs2 = εS / (d0 + Δx)
Cd2 = εS / (d0 + Δx)
Here, d0 is the electrode gap width when there is no pressure difference (P1 = P2), and ε is the dielectric constant of air between the electrode gaps. S is the electrode area, and the four capacitors have the same electrode area. Therefore, the
[0025]
Therefore, the following equation is obtained by performing signal processing of (Cs1−Cs2) / (Cd1 + Cd2).
(Cs1−Cs2) / (Cd1 + Cd2) = Δx / d0
Therefore, the load difference (W1-W2) can be known from the relationship between Δx and the load difference. In addition, by this signal processing, it is possible to remove the influence of fluctuations due to changes in the dielectric constant ε of the air and the electrode area S due to changes in temperature and humidity and changes over time. Further, since the capacitance
[0026]
A second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 3 is a diagram showing a basic structure of the capacitive load sensor. This capacitance type load sensor is obtained by replacing the capacitance
[0027]
In the capacitance
[0028]
The movable electrode plate is housed in a
[0029]
Similarly,
[0030]
Here, assuming that the capacity of the
[0031]
Cs1 = εS / (d0−Δx)
Cd1 = εS / (d0−Δx)
Cs2 = εS / (d0 + Δx)
Cd2 = εS / (d0 + Δx)
Therefore, by performing the signal processing of Cs1−Cs2) / (Cd1 + Cd2), the load difference (W1−W2) can be known from the relationship between Δx and the load difference.
[0032]
Next, a sensor signal processing circuit of the above-described capacitance
[0033]
FIG. 5 is a circuit diagram showing the sensor signal processing circuit. FIG. 6 is a block diagram of the sensor signal processing circuit.
[0034]
In FIG. 5, an
[0035]
More specifically, in the
[0036]
The output signals of the
[0037]
As described above, the first sensor 91 operates complementarily so that when the capacitance Cs1 of one capacitor, for example, the
[0038]
Therefore, a transfer function of the sensor signal processing circuit is obtained. First, the block before being input to the
[0039]
If the transfer functions of the respective parts are obtained and then multiplied, the entire transfer function can be obtained. First, a transfer function of a portion constituted by the inverting
[0040]
(Equation 1)
[0041]
Solving this equation for Va gives
[0042]
(Equation 2)
[0043]
Next, the transfer function of the
[0044]
[Equation 3]
[0045]
Assuming that the output signal of the
[0046]
(Equation 4)
[0047]
Solving this for Vb gives
[0048]
(Equation 5)
[0049]
Substituting Cd into this equation gives
[0050]
(Equation 6)
[0051]
Here, since Vout = Va × Vb, multiplying the expressions of
[0052]
(Equation 7)
[0053]
Is obtained.
[0054]
Thus, according to this sensor signal processing circuit, the sum and difference components of the capacitance can be extracted at high speed by parallel processing. Therefore, by combining the above-mentioned capacitance
[0055]
【The invention's effect】
The main effects obtained by the capacitance type load sensor of the present invention are summarized as follows.
(1) A sensor structure that displaces the movable electrode plate in parallel with an H-shaped structure or the like can increase the ratio of the load sensitivity to the offset capacitance (= the capacitance of the sensor in a state where no load is applied).
(2) The sensor structure for displacing the movable electrode plate in parallel with an H-shaped structure or the like can provide a large load sensitivity even with a small displacement of a leaf spring or a coil spring, that is, a small strain generated in each part.
(3) The sensor structure that displaces the movable electrode plate in parallel by an H-shaped structure or the like can provide a large pressure sensitivity even with a small displacement of a leaf spring or a coil spring, that is, a small strain generated in each part. This has the effect of increasing linearity in the relationship of displacement.
(4) The sensor structure for displacing the movable electrode plate in parallel with an H-shaped structure or the like can reduce the distortion generated in a leaf spring such as a diaphragm or a coil spring, and causes a very small permanent distortion, that is, a very small plastic deformation in the coil spring. Thus, a measuring instrument with high reproducibility (= small hysteresis) can be produced without using an ideal elastic material for the coil spring.
(5) Temperature characteristics of the sensor (= distance / area component fluctuation), humidity characteristics (= ε component fluctuation), change of atmospheric gas component (= ε component fluctuation), misalignment of the electrode plate of the parallel plate capacitor serving as the sensor capacitor In order to perform ratiometric signal processing to eliminate the effects of (= area component fluctuation), two parallel plate capacitors are placed on the same plate, and the complementary operation, that is, the difference (differential pressure, differential load) is measured. For this reason, this is made a symmetric structure. This results in having a total of four capacitors.
(6) The use of a signal processing circuit for virtually grounding the center electrode (= movable electrode) can reduce the influence of the parasitic capacitance that causes a measurement error.
(7) By using a conductive adhesive as the electrode material, an electrode pattern can be created using simple printing. There are many conductive adhesives that can be cured at room temperature, and do not require heat treatment such as firing required for the Mo-Mn method, the glass paste method, the plating method, and the like. Therefore, there is an advantage that the process can be simplified and no thermal stress is applied to the sensor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a basic structure of a capacitive load sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a structure of the capacitance
FIG. 3 is a diagram showing a basic structure of a capacitive load sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing the structure of the capacitance
FIG. 5 is a circuit diagram showing a sensor signal processing circuit.
FIG. 6 is a block diagram of a sensor signal processing circuit.
FIG. 7 is a sectional view of a conventional capacitance
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記可動電極は、両端が固定された第1の可動板と、
前記第1の可動板の中央部から前記第1の固定電極に対向するように分岐した第2の可動板と、
前記第1の可動板の中央部から前記第2の固定電極に対向するように、前記第2の可動板と対称に分岐した第3の可動板と、
前記第1の固定電極と第2の可動板との間に、互いに隣接する第1及び第2のコンデンサを形成すると共に、前記第2の固定電極と第3の可動板との間に、互いに隣接する第3及び第4のコンデンサを形成したことを特徴とする静電容量型荷重センサ。A load transmitting body for transmitting an applied load; first and second fixed electrodes; and a movable electrode disposed between the first and second fixed electrodes. A capacitance-type load sensor configured to press a movable electrode,
The movable electrode includes a first movable plate having both ends fixed,
A second movable plate branched from a central portion of the first movable plate so as to face the first fixed electrode;
A third movable plate symmetrically branched from the second movable plate so as to face the second fixed electrode from a central portion of the first movable plate;
First and second capacitors adjacent to each other are formed between the first fixed electrode and the second movable plate, and mutually connected between the second fixed electrode and the third movable plate. An electrostatic capacitance type load sensor, wherein adjacent third and fourth capacitors are formed.
前記可動電極は、前記変位伝達棒に連結され、該変位伝達棒の長手方向に対して交差する方向に延びた可動板を有し、前記第1の固定電極と前記可動板の表面との間に、互いに隣接する第1及び第2のコンデンサを構成すると共に、前記第2の固定電極と可動板の裏面との間に、互いに隣接する第3及び第4のコンデンサを構成したことを特徴とする静電容量型荷重センサ。A spring that generates a displacement in accordance with the applied load difference, a displacement transmission rod that transmits the displacement of the spring, first and second fixed electrodes, and a first and a second fixed electrode between the first and the second fixed electrodes. A capacitive load sensor comprising a movable electrode disposed thereon,
The movable electrode has a movable plate connected to the displacement transmission rod and extending in a direction intersecting with a longitudinal direction of the displacement transmission rod, between the first fixed electrode and a surface of the movable plate. And first and second capacitors adjacent to each other are configured, and third and fourth capacitors adjacent to each other are configured between the second fixed electrode and the back surface of the movable plate. Capacitive load sensor.
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JP2008267923A (en) * | 2007-04-18 | 2008-11-06 | Nitta Ind Corp | Tension measuring apparatus |
CN103389174A (en) * | 2013-08-06 | 2013-11-13 | 吉林大学 | Micro force measuring device |
JP2016166754A (en) * | 2015-03-09 | 2016-09-15 | 旭有機材株式会社 | Method and device for measuring curing behavior of curable liquid resin |
JP2018538543A (en) * | 2015-12-24 | 2018-12-27 | ホアウェイ・テクノロジーズ・カンパニー・リミテッド | Sensor device |
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2003
- 2003-03-27 JP JP2003086782A patent/JP2004294254A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008267923A (en) * | 2007-04-18 | 2008-11-06 | Nitta Ind Corp | Tension measuring apparatus |
CN103389174A (en) * | 2013-08-06 | 2013-11-13 | 吉林大学 | Micro force measuring device |
JP2016166754A (en) * | 2015-03-09 | 2016-09-15 | 旭有機材株式会社 | Method and device for measuring curing behavior of curable liquid resin |
JP2018538543A (en) * | 2015-12-24 | 2018-12-27 | ホアウェイ・テクノロジーズ・カンパニー・リミテッド | Sensor device |
US10996118B2 (en) | 2015-12-24 | 2021-05-04 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Sensor apparatus |
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