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JP4360232B2 - Capacitive load cell - Google Patents

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JP4360232B2 JP2004060322A JP2004060322A JP4360232B2 JP 4360232 B2 JP4360232 B2 JP 4360232B2 JP 2004060322 A JP2004060322 A JP 2004060322A JP 2004060322 A JP2004060322 A JP 2004060322A JP 4360232 B2 JP4360232 B2 JP 4360232B2
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  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Description

本発明は、静電容量型荷重計に関するものである。   The present invention relates to a capacitive load cell.

一般に、静電容量型荷重計は、図5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。   In general, as shown in FIG. 5, the capacitance type load cell has a configuration as a so-called capacitor in which electrodes 2 and 3 are opposed to each other with a dielectric 1 interposed therebetween, and changes when a load is applied. The load is obtained by measuring the capacitance.

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・εr・S/d
但し、ε0:真空の誘電率
εr: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。
That is, the capacitance C in the capacitance type load cell is
[Equation 1]
C = ε 0 · ε r · S / d
Where ε 0 : dielectric constant of vacuum ε r : relative dielectric constant S: area of dielectric d: distance between electrodes, but when a load is applied to a capacitance load meter, the distance between electrodes The capacitance C changes with the change of d.

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・εr・S2・E/{d0・(S・E+F)}
但し、E:ヤング率
F:荷重
0: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。
Here, from the Hooke's law that the strain of the elastic body is proportional to the stress, if the inter-electrode distance d in the equation [1] is eliminated, the capacitance C is given by
[Equation 2]
C = ε 0 · ε r · S 2 · E / {d 0 · (S · E + F)}
However, since E: Young's modulus F: Load d 0 : Distance between electrodes when no load is applied, the capacitance C actually measured when the load is applied to the capacitance load meter [number 2] The load F can be derived by substituting it into the equation.

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、ポリフェニルサルファイド(PPS)やポリエチレンテレフタレート(PET)の場合、図6に示されるような差がある。   By the way, the dielectric constant of the dielectric 1 changes depending on the temperature, and the change of the dielectric constant of the dielectric 1 varies depending on the material. For example, polyphenyl sulfide (PPS) used as the material of the dielectric 1 is used. ) And polyethylene terephthalate (PET), there is a difference as shown in FIG.

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。   The capacitance C is a function of dielectric constant and has temperature dependence, as is apparent from the equation [2]. Therefore, when the ambient temperature changes, the accurate capacitance C, that is, the load F is measured. become unable.

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。)   For this reason, conventionally, a temperature sensor is installed to measure the ambient temperature, a dielectric constant is obtained based on the measured ambient temperature, and the formula [2] is calculated from the dielectric constant and the measured capacitance. An electrostatic capacity type load cell has been developed in which the load is calculated using the. (For example, refer to Patent Document 1.)

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。)   Also, a temperature-dependent capacitor is installed at a position where no load is applied, and the temperature is obtained from the dielectric constant by measuring the capacitance of the capacitor. In some cases, the dielectric constant of the dielectric 1 in the meter is obtained, and the load is obtained from the dielectric constant and the measured capacitance using the formula [2]. (For example, see Patent Document 2.)

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
Furthermore, a structure in which dielectrics 1 having opposite temperature characteristics are laminated, that is, a dielectric 1 whose dielectric constant increases with a rise in temperature and a dielectric 1 whose dielectric constant decreases with a rise in temperature. There is also a structure in which temperature dependence is offset by adopting a laminated structure. (For example, refer to Patent Document 3.)
JP 2001-13025 A JP 60-201230 A Japanese Patent Laid-Open No. 7-55615

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。   However, as described above, when the temperature is measured using a temperature sensor or a reference capacitor, the temperature of the dielectric 1 is set at a position where no load is applied to the temperature sensor, that is, outside or around the capacitive load meter. Could not be measured accurately.

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。   In addition, since the temperature sensor and the reference capacitor protrude outside the capacitive load cell, it is difficult to achieve a compact size.

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いう欠点を有していた。   Furthermore, if the structure in which the dielectrics 1 having opposite temperature characteristics are laminated is employed, the material of the dielectrics 1 is limited, and the selection thereof is difficult.

本発明は、斯かる実情に鑑み、周囲温度の変化による影響を受けることなく、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を容易に行い得る静電容量型荷重計を提供しようとするものである。   In view of such circumstances, the present invention can increase the load measurement accuracy without being affected by changes in the ambient temperature, can be made compact, and can easily select a dielectric material. It is an object of the present invention to provide a capacitive load cell to obtain.

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、
温度特性の異なる誘電体を電極で挟んで積層し、各誘電体における静電容量を計測し、荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式と、温度の関数として与えられる誘電率の複数の式とを連立して解くことにより、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。
The present invention relates to a capacitive load cell in which electrodes are arranged opposite to each other with a dielectric interposed therebetween.
Dielectric materials with different temperature characteristics are stacked between electrodes, the capacitance of each dielectric is measured, multiple expressions of capacitance given as a function of load, and multiple dielectric constants given as a function of temperature The present invention relates to a capacitance type load cell that is configured to obtain a load by simultaneously solving the above equation.

前記静電容量型荷重計においては、荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式が
[数3]
1=ε0・ε1・S2・E1/{d0・(S・E1+F)}
[数4]
2=ε0・ε2・S2・E2/{d0・(S・E2+F)}
但し、C1:第一の誘電体における静電容量
2:第二の誘電体における静電容量
ε0:真空の誘電率
ε1:第一の誘電体の比誘電率
ε2:第二の誘電体の比誘電率
S:誘電体面積
1:第一の誘電体のヤング率
2:第二の誘電体のヤング率
F:荷重
0:無負荷時の電極間距離
であり、温度の関数として与えられる誘電率の複数の式が
[数5]
ε1=f1(T)
[数6]
ε2=f2(T)
であり、未知数がF、ε1、ε2、Tであるようにすることができる。
In the capacitance type load cell, a plurality of expressions of capacitance given as a function of load are
[Equation 3]
C 1 = ε 0 · ε 1 · S 2 · E 1 / {d 0 · (S · E 1 + F)}
[Equation 4]
C 2 = ε 0 · ε 2 · S 2 · E 2 / {d 0 · (S · E 2 + F)}
C 1 : capacitance of the first dielectric C 2 : capacitance of the second dielectric ε 0 : dielectric constant of vacuum ε 1 : relative dielectric constant of the first dielectric ε 2 : second S: Dielectric area E 1 : Young's modulus of the first dielectric E 2 : Young's modulus of the second dielectric F: Load d 0 : Distance between electrodes at no load, Several equations for permittivity given as a function of temperature are
[Equation 5]
ε 1 = f 1 (T)
[Equation 6]
ε 2 = f 2 (T)
And the unknowns can be F, ε 1 , ε 2 , T.

又、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、
面積の異なる誘電体を電極で挟んで積層し、各誘電体における静電容量を計測し、荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式を連立して解くことにより、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。
The present invention also relates to a capacitance type load cell in which electrodes are arranged opposite to each other with a dielectric interposed therebetween.
A structure in which dielectrics with different areas are sandwiched between electrodes, the capacitance of each dielectric is measured, and the load is obtained by simultaneously solving multiple equations of capacitance given as a function of the load. The present invention relates to a capacitance type load cell.

前記静電容量型荷重計においては、荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式が
[数7]
1=ε0・ε・S1 2・E/{d0・(S1・E+F)}
[数8]
2=ε0・ε・S2 2・E/{d0・(S2・E+F)}
但し、C1:第一の誘電体における静電容量
2:第二の誘電体における静電容量
ε0:真空の誘電率
ε:第一の誘電体並びに第二の誘電体の比誘電率
1:第一の誘電体の面積
2:第二の誘電体の面積
E:第一の誘電体並びに第二の誘電体のヤング率
F:荷重
0:無負荷時の電極間距離
であり、未知数がF、εであるようにすることができる。
In the capacitance type load cell, a plurality of expressions of capacitance given as a function of load are
[Equation 7]
C 1 = ε 0 · ε · S 1 2 · E / {d 0 · (S 1 · E + F)}
[Equation 8]
C 2 = ε 0 · ε · S 2 2 · E / {d 0 · (S 2 · E + F)}
Where C 1 is the capacitance of the first dielectric C 2 is the capacitance of the second dielectric ε 0 is the dielectric constant of the vacuum ε is the relative dielectric constant of the first dielectric and the second dielectric S 1 : Area of the first dielectric S 2 : Area of the second dielectric E: Young's modulus of the first dielectric and the second dielectric F: Load d 0 : Distance between electrodes at no load Yes, the unknowns can be F and ε.

更に又、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、
誘電体を電極で挟んで積層し、各誘電体における静電容量を異なる周波数で計測し、計測周波数が異なることによって誘電率が変化するために得られ且つ荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式を連立して解くことにより、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。
Furthermore, the present invention relates to a capacitive load meter in which electrodes are arranged opposite to each other with a dielectric interposed therebetween.
The dielectric is sandwiched between electrodes, the capacitance of each dielectric is measured at different frequencies, and the capacitance obtained as a function of the load is obtained because the dielectric constant changes due to different measurement frequencies. The present invention relates to a capacitive load meter that is configured to obtain a load by simultaneously solving a plurality of equations.

前記静電容量型荷重計においては、計測周波数が異なることによって誘電率が変化するために得られ且つ荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式が
[数9]
1=ε0ε 1 ・S2・E/{d0・(S・E+F)}
[数10]
2=ε0ε 2 ・S2・E/{d0・(S・E+F)}
但し、C1:第一の誘電体における静電容量
2:第二の誘電体における静電容量
ε0:真空の誘電率
ε1:第一の誘電体の比誘電率
ε2:第二の誘電体の比誘電率
S:第一の誘電体並びに第二の誘電体の面積
E:第一の誘電体並びに第二の誘電体のヤング率
F:荷重
0:無負荷時の電極間距離
であり、[数9]式と[数10]式から比誘電率の比を
[数11]
ε1/ε2=C1/C2
より導き、該比誘電率の比に基づいて温度を求め、該温度から第一の誘電体の比誘電率と第二の誘電体の比誘電率とのうち少なくとも一方を求め、該第一の誘電体の比誘電率と第二の誘電体の比誘電率とのうち少なくとも一方を用い、[数9]式と[数10]式とのうち少なくとも一方より未知数としての荷重を算出することができる。
In the capacitance type load cell, there are a plurality of expressions of capacitance obtained as a function of the load obtained because the dielectric constant changes due to different measurement frequencies.
[Equation 9]
C 1 = ε 0 · ε 1 · S 2 · E / {d 0 · (S · E + F)}
[Equation 10]
C 2 = ε 0 · ε 2 · S 2 · E / {d 0 · (S · E + F)}
C 1 : capacitance of the first dielectric C 2 : capacitance of the second dielectric ε 0 : dielectric constant of vacuum ε 1 : relative dielectric constant of the first dielectric ε 2 : second S: Area of first dielectric and second dielectric E: Young's modulus of first dielectric and second dielectric F: Load d 0 : Between no-load electrodes It is the distance, and the ratio of the relative dielectric constant is calculated from the equations [9] and [10].
[Equation 11]
ε 1 / ε 2 = C 1 / C 2
The temperature is obtained based on the ratio of the relative permittivity, and at least one of the relative permittivity of the first dielectric and the relative permittivity of the second dielectric is determined from the temperature. Using at least one of the relative permittivity of the dielectric and the relative permittivity of the second dielectric, the load as an unknown can be calculated from at least one of the formula [9] and the formula [10]. it can.

前記静電容量型荷重計においては、[数9]式より算出される荷重と[数10]式より算出される荷重とが異なる場合に、両者の平均を荷重として算出することができる。   In the capacitance type load cell, when the load calculated from the [Equation 9] and the load calculated from the [Equation 10] are different, the average of both can be calculated as the load.

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。   According to the above means, the following operation can be obtained.

静電容量型荷重計への荷重付与時には、積層された各誘電体における静電容量が計測され、該静電容量に関連する各種の式が連立して解かれ、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、温度を直接計測せずに、荷重が精度良く求められる。   When a load is applied to the capacitance type load cell, the capacitance of each laminated dielectric is measured, and various formulas related to the capacitance are solved simultaneously. Unlike temperature measurement using a temperature sensor or a reference capacitor installed outside or around a capacitive load cell, the load is accurately obtained without directly measuring the temperature.

しかも、構造的には誘電体を電極で挟んで積層するだけで良く、従来必要となっていた温度センサや参照用のコンデンサは、静電容量型荷重計の外部や周辺に設置しなくて済み、静電容量型荷重計の外部にはみ出すようなことはないため、コンパクト化を図ることが可能となる。   In addition, structurally, it is only necessary to sandwich the dielectric between the electrodes, and the conventional temperature sensor and reference capacitor need not be installed outside or around the capacitive load cell. Since it does not protrude outside the capacitive load cell, it can be made compact.

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。   Furthermore, compared to adopting a structure in which dielectrics having opposite temperature characteristics are laminated, the dielectric material is not limited and the selection thereof is facilitated.

本発明の請求項1〜7記載の静電容量型荷重計によれば、周囲温度の変化による影響を受けることなく、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を容易に行い得るという優れた効果を奏し得る。   According to the capacitive load cell of the first to seventh aspects of the present invention, the load measurement accuracy can be enhanced without being affected by the change in the ambient temperature, and the size can be reduced. It is possible to achieve an excellent effect that the selection of the dielectric material can be easily performed.

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。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

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5と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、温度特性の異なる誘電体1,4を電極2,3並びに電極3,5で挟んで積層し、各誘電体1,4における静電容量を計測し、荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式と、温度の関数として与えられる誘電率の複数の式とを連立して解くことにより、荷重を求めるよう構成したものである。   1 (a) and 1 (b) show a first example of an embodiment of the present invention. In the figure, parts denoted by the same reference numerals as those in FIG. The bodies 1 and 4 are sandwiched between the electrodes 2 and 3 and the electrodes 3 and 5, the capacitances of the dielectrics 1 and 4 are measured, and a plurality of expressions of capacitance given as a function of the load and the temperature The load is obtained by simultaneously solving a plurality of equations of permittivity given as a function of.

前記荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式は、
[数12]
1=ε0・ε1・S2・E1/{d0・(S・E1+F)}
[数13]
2=ε0・ε2・S2・E2/{d0・(S・E2+F)}
但し、C1:第一の誘電体1における静電容量
2:第二の誘電体4における静電容量
ε0:真空の誘電率
ε1:第一の誘電体1の比誘電率
ε2:第二の誘電体4の比誘電率
S:誘電体1,4の面積
1:第一の誘電体1のヤング率
2:第二の誘電体4のヤング率
F:荷重
0:無負荷時の電極2,3間距離並びに無負荷時の電極3,5間距離
であり、温度の関数として与えられる誘電率の複数の式は、
[数14]
ε1=f1(T)
[数15]
ε2=f2(T)
であり、未知数はF、ε1、ε2、Tである。
The equations for capacitance given as a function of the load are:
[Equation 12]
C 1 = ε 0 · ε 1 · S 2 · E 1 / {d 0 · (S · E 1 + F)}
[Equation 13]
C 2 = ε 0 · ε 2 · S 2 · E 2 / {d 0 · (S · E 2 + F)}
However, C 1 : Capacitance in the first dielectric 1 C 2 : Capacitance in the second dielectric 4 ε 0 : Dielectric constant of vacuum ε 1 : Relative permittivity of the first dielectric 1 ε 2 : Relative dielectric constant of second dielectric 4 S: area of dielectrics 1 and 4 E 1 : Young's modulus of first dielectric 1 E 2 : Young's modulus of second dielectric 4 F: load d 0 : The distance between the electrodes 2 and 3 at no load and the distance between the electrodes 3 and 5 at no load, and a plurality of expressions of dielectric constant given as a function of temperature are
[Equation 14]
ε 1 = f 1 (T)
[Equation 15]
ε 2 = f 2 (T)
And the unknowns are F, ε 1 , ε 2 , T.

尚、前記誘電体1の材料としては、例えば、ポリフェニルサルファイド(PPS)等の樹脂フィルムを用い、前記誘電体4の材料としては、例えば、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並びに電極3,5は、誘電体1,4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。   For example, a resin film such as polyphenyl sulfide (PPS) is used as the material of the dielectric 1, and a resin film such as polyethylene terephthalate (PET) is used as the material of the dielectric 4. The electrodes 2 and 3 and the electrodes 3 and 5 are formed on the surfaces of the dielectrics 1 and 4 by vapor deposition. Examples of the material include gold (Au), chromium (Cr), and chromium-nickel (Cr -Ni) or the like can be used.

次に、上記図示例の作用を説明する。   Next, the operation of the illustrated example will be described.

静電容量型荷重計への荷重付与時には、積層された各誘電体1,4における静電容量C1,C2が計測され、該静電容量C1,C2に関連する[数12]式、[数13]式、[数14]式、[数15]式という四つの式が連立して解かれ、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、温度を直接計測せずに、荷重Fが精度良く求められる。 At the time of applying a load to the capacitance type load cell, the capacitances C 1 and C 2 of the laminated dielectrics 1 and 4 are measured, and [Equation 12] related to the capacitances C 1 and C 2 The following four equations, [Equation 13], [Equation 14], and [Equation 15] are solved simultaneously, and are thus installed outside or around the capacitance load meter as in the past. Unlike measuring a temperature using a temperature sensor or a reference capacitor, the load F can be accurately obtained without directly measuring the temperature.

しかも、構造的には誘電体1,4を電極2,3並びに電極3,5で挟んで積層するだけで良く、従来必要となっていた温度センサや参照用のコンデンサは、静電容量型荷重計の外部や周辺に設置しなくて済み、静電容量型荷重計の外部にはみ出すようなことはないため、コンパクト化を図ることが可能となる。   In addition, structurally, the dielectrics 1 and 4 need only be sandwiched between the electrodes 2 and 3 and the electrodes 3 and 5, and the temperature sensor and the reference capacitor that have been required in the past have a capacitive load. Since it does not need to be installed outside or around the meter and does not protrude outside the capacitance type load cell, it is possible to reduce the size.

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1,4の材料が限定されず、その選定が容易になる。   Furthermore, the material of the dielectrics 1 and 4 is not limited as compared with the case where a structure in which dielectrics having opposite temperature characteristics are stacked is employed, and the selection thereof becomes easy.

こうして、周囲温度の変化による影響を受けることなく、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1,4の材料の選定を容易に行い得る。   Thus, the load measurement accuracy can be improved without being affected by changes in the ambient temperature, the size can be reduced, and the materials for the dielectrics 1 and 4 can be easily selected.

尚、図1(a)、(b)に示す第一例においては、誘電体1,4を挟む電極として電極3を共用する形としているが、電極3を二枚に分け、その間に絶縁体を介在させるようにしても良いことは言うまでもない。   In the first example shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the electrode 3 is commonly used as an electrode sandwiching the dielectrics 1 and 4, but the electrode 3 is divided into two pieces and an insulator is provided between them. Needless to say, it may be possible to intervene.

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、面積の異なる誘電体1,6を電極2,3並びに電極3’,5で挟んで積層し、各誘電体1,6における静電容量を計測し、荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式を連立して解くことにより、荷重を求めるよう構成したものである。   2 (a) and 2 (b) show a second embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIGS. 1 (a) and 1 (b) denote the same items. The dielectrics 1 and 6 having different areas are sandwiched between the electrodes 2 and 3 and the electrodes 3 'and 5 and the capacitances of the dielectrics 1 and 6 are measured and given as a function of the load. The load is obtained by simultaneously solving a plurality of equations.

前記荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式は、
[数16]
1=ε0・ε・S1 2・E/{d0・(S1・E+F)}
[数17]
2=ε0・ε・S2 2・E/{d0・(S2・E+F)}
但し、C1:第一の誘電体1における静電容量
2:第二の誘電体6における静電容量
ε0:真空の誘電率
ε:第一の誘電体1並びに第二の誘電体6の比誘電率
1:第一の誘電体1の面積
2:第二の誘電体6の面積
E:第一の誘電体1並びに第二の誘電体6のヤング率
F:荷重
0:無負荷時の電極2,3間距離並びに無負荷時の電極3’,5間距離
であり、未知数はF、εである。
The equations for capacitance given as a function of the load are:
[Equation 16]
C 1 = ε 0 · ε · S 1 2 · E / {d 0 · (S 1 · E + F)}
[Equation 17]
C 2 = ε 0 · ε · S 2 2 · E / {d 0 · (S 2 · E + F)}
However, C 1 : Capacitance in the first dielectric 1 C 2 : Capacitance in the second dielectric 6 ε 0 : Dielectric constant of vacuum ε: First dielectric 1 and second dielectric 6 Relative dielectric constant S 1 : area of the first dielectric 1 S 2 : area of the second dielectric 6 E: Young's modulus of the first dielectric 1 and the second dielectric 6 F: load d 0 : The distance between the electrodes 2 and 3 when there is no load and the distance between the electrodes 3 'and 5 when there is no load, and the unknowns are F and ε.

尚、前記誘電体1,6は同一材料を用い、その材料としては、例えば、ポリフェニルサルファイド(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並びに電極3’,5は、誘電体1,4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。   The dielectrics 1 and 6 are made of the same material, and as the material, for example, a resin film such as polyphenyl sulfide (PPS) or polyethylene terephthalate (PET) can be used, and the electrodes 2, 3 and The electrodes 3 ′ and 5 are formed on the surfaces of the dielectrics 1 and 4 by vapor deposition, and as the material thereof, for example, gold (Au), chromium (Cr), chromium-nickel (Cr—Ni), or the like is used. it can.

又、図2(a)、(b)に示す第二例では、アクリル板等の絶縁体からなるアタッチメント7,9を電極2,5の外面を覆うように配置すると共に、電極3,3’間にアクリル板等の絶縁体からなるアタッチメント8を介在させるようにしてある。   In addition, in the second example shown in FIGS. 2A and 2B, the attachments 7 and 9 made of an insulator such as an acrylic plate are arranged so as to cover the outer surfaces of the electrodes 2 and 5, and the electrodes 3 and 3 ′. An attachment 8 made of an insulator such as an acrylic plate is interposed therebetween.

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、積層された各誘電体1,6における静電容量C1,C2が計測され、該静電容量C1,C2に関連する[数16]式、[数17]式という二つの式が連立して解かれ、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、温度を直接計測せずに、荷重Fが精度良く求められる。 In the second example shown in FIGS. 2A and 2B, the capacitances C 1 and C 2 of the stacked dielectrics 1 and 6 are measured when a load is applied to the capacitance type load cell. The two equations, [Equation 16] and [Equation 17], related to the capacitances C 1 and C 2 are solved simultaneously. Unlike measuring the temperature using a temperature sensor or a reference capacitor installed in the vicinity, the load F can be obtained with high accuracy without directly measuring the temperature.

しかも、構造的には誘電体1,6を電極2,3並びに電極3’,5で挟んで積層するだけで良く、従来必要となっていた温度センサや参照用のコンデンサは、静電容量型荷重計の外部や周辺に設置しなくて済み、静電容量型荷重計の外部にはみ出すようなことはないため、コンパクト化を図ることが可能となる。   In addition, structurally, the dielectrics 1 and 6 need only be stacked with the electrodes 2 and 3 and the electrodes 3 'and 5 sandwiched therebetween, and the conventionally required temperature sensor and reference capacitor are capacitive type. Since it does not need to be installed outside or around the load cell and does not protrude outside the capacitance load cell, it is possible to achieve compactness.

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1,6の材料が限定されず、その選定が容易になる。   Furthermore, the material of the dielectrics 1 and 6 is not limited as compared with the case where a structure in which dielectrics having opposite temperature characteristics are stacked is employed, and the selection thereof is facilitated.

こうして、図2(a)、(b)に示す第二例の場合、周囲温度の変化による影響を受けることなく、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1,6の材料の選定を容易に行い得る。   Thus, in the case of the second example shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the load measurement accuracy can be improved without being affected by changes in the ambient temperature, and the size can be reduced. The material for the bodies 1 and 6 can be easily selected.

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、誘電体1,10を電極2,3並びに電極3’,5で挟んで積層し、各誘電体1,10における静電容量を異なる周波数fr1,fr2で計測し、計測周波数fr1,fr2が異なることによって誘電率が変化するために得られ且つ荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式を連立して解くことにより、荷重を求めるよう構成したものである。 3 (a) and 3 (b) show a third example of the embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIGS. 2 (a) and 2 (b) denote the same items. The dielectrics 1 and 10 are stacked between the electrodes 2 and 3 and the electrodes 3 'and 5 and the capacitances of the dielectrics 1 and 10 are measured at different frequencies fr 1 and fr 2 , and the measurement frequency fr 1 is measured. , Fr 2 , and the dielectric constant changes due to the difference, and the load is obtained by simultaneously solving a plurality of expressions of the capacitance given as a function of the load.

前記計測周波数fr1,fr2が異なることによって誘電率が変化するために得られ且つ荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式は、
[数18]
1=ε0ε 1 ・S2・E/{d0・(S・E+F)}
[数19]
2=ε0ε 2 ・S2・E/{d0・(S・E+F)}
但し、C1:第一の誘電体1における静電容量
2:第二の誘電体10における静電容量
ε0:真空の誘電率
ε1:第一の誘電体1の比誘電率
ε2:第二の誘電体10の比誘電率
S:第一の誘電体1並びに第二の誘電体10の面積
E:第一の誘電体1並びに第二の誘電体10のヤング率
F:荷重
0:無負荷時の電極2,3間距離並びに無負荷時の電極3’,5間距離
であり、[数18]式と[数19]式から比誘電率の比を
[数20]
ε1/ε2=C1/C2
より導き、該比誘電率の比ε1/ε2に基づいて温度を求め、該温度から第一の誘電体1の比誘電率ε1と第二の誘電体10の比誘電率ε2とのうち少なくとも一方を求め、該第一の誘電体1の比誘電率ε1と第二の誘電体10の比誘電率ε2とのうち少なくとも一方を用い、[数18]式と[数19]式とのうち少なくとも一方より未知数としての荷重Fを算出するようにしてある。
A plurality of expressions of capacitance obtained as a function of load obtained because the dielectric constant changes due to the difference between the measurement frequencies fr 1 and fr 2 are as follows:
[Equation 18]
C 1 = ε 0 · ε 1 · S 2 · E / {d 0 · (S · E + F)}
[Equation 19]
C 2 = ε 0 · ε 2 · S 2 · E / {d 0 · (S · E + F)}
C 1 : capacitance of the first dielectric 1 C 2 : capacitance of the second dielectric 10 ε 0 : dielectric constant of vacuum ε 1 : relative dielectric constant of the first dielectric 1 ε 2 : Relative dielectric constant of second dielectric 10 S: area of first dielectric 1 and second dielectric 10 E: Young's modulus of first dielectric 1 and second dielectric 10 F: load d 0 : distance between electrodes 2 and 3 when no load and distance between electrodes 3 ′ and 5 when no load is applied, and the ratio of the relative permittivity is calculated from the equations [18] and [19].
[Equation 20]
ε 1 / ε 2 = C 1 / C 2
The temperature is obtained based on the relative dielectric constant ratio ε 1 / ε 2, and the relative dielectric constant ε 1 of the first dielectric 1 and the relative dielectric constant ε 2 of the second dielectric 10 are calculated from the temperature. And at least one of the relative dielectric constant ε 1 of the first dielectric 1 and the relative dielectric constant ε 2 of the second dielectric 10 is used to obtain the equation [Equation 18] and [Equation 19]. ] The load F as an unknown is calculated from at least one of the equations.

ここで、前記誘電体1,10を同一材料として、例えば、ポリフェニルサルファイド(PPS)等の樹脂フィルムを用いると、誘電体1,10を同一材料としていても、図4に示す如く、計測周波数fr1(=1[kHz]),fr2(=100[kHz])が異なることによって誘電率(比誘電率ε1,ε2)が変化するため、該誘電率の比が判れば、温度と誘電率(比誘電率ε1,ε2)を図4のデータから求めることが可能となる。 Here, when the dielectrics 1 and 10 are made of the same material, for example, a resin film such as polyphenyl sulfide (PPS) is used, even if the dielectrics 1 and 10 are made of the same material, as shown in FIG. Since the dielectric constants (relative dielectric constants ε 1 , ε 2 ) are changed by different fr 1 (= 1 [kHz]) and fr 2 (= 100 [kHz]), if the ratio of the dielectric constants is known, And the dielectric constant (relative dielectric constants ε 1 and ε 2 ) can be obtained from the data shown in FIG.

尚、前記[数18]式より算出される荷重Fと、[数19]式より算出される荷重Fとが必ずしも一致せず、若干の誤差を生じることもあるが、このように[数18]式より算出される荷重Fと[数19]式より算出される荷重Fとが異なる場合には、両者の平均を荷重Fとして算出すれば良い。   It should be noted that the load F calculated from the above [Equation 18] and the load F calculated from the [Equation 19] do not necessarily coincide with each other, and a slight error may occur. When the load F calculated from the equation [19] and the load F calculated from the equation [19] are different, the average of both may be calculated as the load F.

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、積層された各誘電体1,10における静電容量C1,C2が異なる周波数fr1,fr2で計測され、該静電容量C1,C2に関連する[数18]式、[数19]式という二つの式から比誘電率の比ε1/ε2が[数20]式より導かれ、該比誘電率の比ε1/ε2に基づいて、図4のデータから温度が求められ、該温度から第一の誘電体1の比誘電率ε1と第二の誘電体10の比誘電率ε2とのうち少なくとも一方が求められ、該第一の誘電体1の比誘電率ε1と第二の誘電体10の比誘電率ε2とのうち少なくとも一方が用いられて、[数18]式と[数19]式とのうち少なくとも一方より未知数としての荷重Fが算出され、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、温度を直接計測せずに、荷重Fが精度良く求められる。 In the third example shown in FIGS. 3A and 3B, when the load is applied to the capacitive load cell, the frequencies of the capacitances C 1 and C 2 in the laminated dielectrics 1 and 10 are different. The relative dielectric constant ratio ε 1 / ε 2 is calculated from the two equations, [Equation 18] and [Equation 19], which are measured by fr 1 and fr 2 and related to the capacitances C 1 and C 2. 20], the temperature is obtained from the data of FIG. 4 based on the ratio ε 1 / ε 2 of the relative permittivity, and the relative permittivity ε 1 of the first dielectric 1 and the second are determined from the temperature. of at least one of the dielectric constant epsilon 2 of the dielectric 10 is determined, at least one of the dielectric constant of the first dielectric 1 epsilon 1 and the dielectric constant epsilon 2 of the second dielectric 10 Is used to calculate the load F as an unknown number from at least one of the [Expression 18] and the [Expression 19]. Unlike measuring the temperature using a temperature sensor or a reference capacitor installed outside or around the load cell, the load F can be accurately obtained without directly measuring the temperature.

しかも、構造的には誘電体1,10を電極2,3並びに電極3’,5で挟んで積層するだけで良く、従来必要となっていた温度センサや参照用のコンデンサは、静電容量型荷重計の外部や周辺に設置しなくて済み、静電容量型荷重計の外部にはみ出すようなことはないため、コンパクト化を図ることが可能となる。   Moreover, structurally, it is only necessary to laminate the dielectrics 1 and 10 between the electrodes 2 and 3 and the electrodes 3 'and 5, and a temperature sensor and a reference capacitor which have been conventionally required are electrostatic capacitance type. Since it does not need to be installed outside or around the load cell and does not protrude outside the capacitance load cell, it is possible to achieve compactness.

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1,10の材料が限定されず、その選定が容易になる。   Furthermore, the material of the dielectrics 1 and 10 is not limited as compared with the case where a structure in which dielectrics having opposite temperature characteristics are stacked is employed, and the selection thereof becomes easy.

こうして、図3(a)、(b)に示す第三例の場合、周囲温度の変化による影響を受けることなく、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1,10の材料の選定を容易に行い得る。   Thus, in the case of the third example shown in FIGS. 3A and 3B, the load measurement accuracy can be improved without being affected by the change in the ambient temperature, the size can be reduced, and the dielectric can be further reduced. The material for the bodies 1 and 10 can be easily selected.

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。   The capacitance load meter of the present invention is not limited to the illustrated example described above, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the gist of the present invention.

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)は側面図、(b)は平面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic block diagram of the 1st example of embodiment which implements this invention, Comprising: (a) is a side view, (b) is a top view. 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)は側面図、(b)は平面図である。It is a schematic block diagram of the 2nd example of embodiment which implements this invention, Comprising: (a) is a side view, (b) is a top view. 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)は側面図、(b)は平面図である。It is a general | schematic block diagram of the 3rd example of embodiment which implements this invention, Comprising: (a) is a side view, (b) is a top view. 誘電体の計測周波数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。It is a diagram which shows an example of the difference in the temperature characteristic of the dielectric constant by the measurement frequency of a dielectric material. 静電容量型荷重計の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of an electrostatic capacitance type load meter. 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。It is a diagram which shows an example of the difference in the temperature characteristic of the dielectric constant by the material of a dielectric material.

符号の説明Explanation of symbols

1 誘電体
2 電極
3 電極
3’ 電極
4 誘電体
5 電極
6 誘電体
7 アタッチメント
8 アタッチメント
9 アタッチメント
10 誘電体
fr1 周波数
fr2 周波数
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dielectric 2 electrode 3 Electrode 3 'electrode 4 Dielectric 5 Electrode 6 Dielectric 7 Attachment 8 Attachment 9 Attachment 10 Dielectric fr 1 frequency fr 2 frequency

Claims (7)

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、
温度特性の異なる誘電体を電極で挟んで積層し、各誘電体における静電容量を計測し、荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式と、温度の関数として与えられる誘電率の複数の式とを連立して解くことにより、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。
In a capacitance type load cell in which electrodes are arranged facing each other across a dielectric,
Dielectric materials with different temperature characteristics are stacked between electrodes, the capacitance of each dielectric is measured, multiple expressions of capacitance given as a function of load, and multiple dielectric constants given as a function of temperature A capacitance type load cell that is configured to obtain a load by simultaneously solving the above equation.
荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式が
[数1]
1=ε0・ε1・S2・E1/{d0・(S・E1+F)}
[数2]
2=ε0・ε2・S2・E2/{d0・(S・E2+F)}
但し、C1:第一の誘電体における静電容量
2:第二の誘電体における静電容量
ε0:真空の誘電率
ε1:第一の誘電体の比誘電率
ε2:第二の誘電体の比誘電率
S:誘電体面積
1:第一の誘電体のヤング率
2:第二の誘電体のヤング率
F:荷重
0:無負荷時の電極間距離
であり、温度の関数として与えられる誘電率の複数の式が
[数3]
ε1=f1(T)
[数4]
ε2=f2(T)
であり、未知数がF、ε1、ε2、Tである請求項1記載の静電容量型荷重計。
Several equations of capacitance given as a function of load are
[Equation 1]
C 1 = ε 0 · ε 1 · S 2 · E 1 / {d 0 · (S · E 1 + F)}
[Equation 2]
C 2 = ε 0 · ε 2 · S 2 · E 2 / {d 0 · (S · E 2 + F)}
C 1 : capacitance of the first dielectric C 2 : capacitance of the second dielectric ε 0 : dielectric constant of vacuum ε 1 : relative dielectric constant of the first dielectric ε 2 : second S: Dielectric area E 1 : Young's modulus of the first dielectric E 2 : Young's modulus of the second dielectric F: Load d 0 : Distance between electrodes at no load, Several equations for permittivity given as a function of temperature are
[Equation 3]
ε 1 = f 1 (T)
[Equation 4]
ε 2 = f 2 (T)
The capacitance load meter according to claim 1 , wherein the unknowns are F, ε 1 , ε 2 , and T.
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、
面積の異なる誘電体を電極で挟んで積層し、各誘電体における静電容量を計測し、荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式を連立して解くことにより、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。
In a capacitance type load cell in which electrodes are arranged facing each other across a dielectric,
A structure in which dielectrics with different areas are sandwiched between electrodes, the capacitance of each dielectric is measured, and the load is obtained by simultaneously solving multiple equations of capacitance given as a function of the load. Capacitance type load cell characterized by that.
荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式が
[数5]
1=ε0・ε・S1 2・E/{d0・(S1・E+F)}
[数6]
2=ε0・ε・S2 2・E/{d0・(S2・E+F)}
但し、C1:第一の誘電体における静電容量
2:第二の誘電体における静電容量
ε0:真空の誘電率
ε:第一の誘電体並びに第二の誘電体の比誘電率
1:第一の誘電体の面積
2:第二の誘電体の面積
E:第一の誘電体並びに第二の誘電体のヤング率
F:荷重
0:無負荷時の電極間距離
であり、未知数がF、εである請求項3記載の静電容量型荷重計。
Several equations of capacitance given as a function of load are
[Equation 5]
C 1 = ε 0 · ε · S 1 2 · E / {d 0 · (S 1 · E + F)}
[Equation 6]
C 2 = ε 0 · ε · S 2 2 · E / {d 0 · (S 2 · E + F)}
Where C 1 is the capacitance of the first dielectric C 2 is the capacitance of the second dielectric ε 0 is the dielectric constant of the vacuum ε is the relative dielectric constant of the first dielectric and the second dielectric S 1 : Area of the first dielectric S 2 : Area of the second dielectric E: Young's modulus of the first dielectric and the second dielectric F: Load d 0 : Distance between electrodes at no load The capacitance load meter according to claim 3, wherein the unknown number is F or ε.
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、
誘電体を電極で挟んで積層し、各誘電体における静電容量を異なる周波数で計測し、計測周波数が異なることによって誘電率が変化するために得られ且つ荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式を連立して解くことにより、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。
In a capacitance type load cell in which electrodes are arranged facing each other across a dielectric,
The dielectric is sandwiched between electrodes, the capacitance of each dielectric is measured at different frequencies, and the capacitance obtained as a function of the load is obtained because the dielectric constant changes due to different measurement frequencies. A capacitance-type load cell configured to obtain a load by simultaneously solving a plurality of equations.
計測周波数が異なることによって誘電率が変化するために得られ且つ荷重の関数として与えられる静電容量の複数の式が
[数7]
1=ε0ε 1 ・S2・E/{d0・(S・E+F)}
[数8]
2=ε0ε 2 ・S2・E/{d0・(S・E+F)}
但し、C1:第一の誘電体における静電容量
2:第二の誘電体における静電容量
ε0:真空の誘電率
ε1:第一の誘電体の比誘電率
ε2:第二の誘電体の比誘電率
S:第一の誘電体並びに第二の誘電体の面積
E:第一の誘電体並びに第二の誘電体のヤング率
F:荷重
0:無負荷時の電極間距離
であり、[数7]式と[数8]式から比誘電率の比を
[数9]
ε1/ε2=C1/C2
より導き、該比誘電率の比に基づいて温度を求め、該温度から第一の誘電体の比誘電率と第二の誘電体の比誘電率とのうち少なくとも一方を求め、該第一の誘電体の比誘電率と第二の誘電体の比誘電率とのうち少なくとも一方を用い、[数7]式と[数8]式とのうち少なくとも一方より未知数としての荷重を算出する請求項5記載の静電容量型荷重計。
There are several equations for the capacitance obtained as a function of the load, which is obtained because the dielectric constant changes due to different measurement frequencies.
[Equation 7]
C 1 = ε 0 · ε 1 · S 2 · E / {d 0 · (S · E + F)}
[Equation 8]
C 2 = ε 0 · ε 2 · S 2 · E / {d 0 · (S · E + F)}
C 1 : capacitance of the first dielectric C 2 : capacitance of the second dielectric ε 0 : dielectric constant of vacuum ε 1 : relative dielectric constant of the first dielectric ε 2 : second S: Area of first dielectric and second dielectric E: Young's modulus of first dielectric and second dielectric F: Load d 0 : Between no-load electrodes It is the distance, and the ratio of the relative permittivity is calculated from the equations [7] and [8].
[Equation 9]
ε 1 / ε 2 = C 1 / C 2
The temperature is obtained based on the ratio of the relative permittivity, and at least one of the relative permittivity of the first dielectric and the relative permittivity of the second dielectric is determined from the temperature. The load as an unknown number is calculated from at least one of [Expression 7] and [Expression 8] using at least one of the relative permittivity of the dielectric and the relative permittivity of the second dielectric. 5. The capacitive load cell according to 5.
[数7]式より算出される荷重と[数8]式より算出される荷重とが異なる場合に、両者の平均を荷重として算出する請求項6記載の静電容量型荷重計。   The capacitance type load cell according to claim 6, wherein when the load calculated from the formula [7] and the load calculated from the formula [8] are different, an average of both is calculated as a load.
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