(57)【要約】【課題】誘電体の状態に関わらず安定的なセンサ信号を出力可能にする荷重センサを提供することを目的とする。【解決手段】荷重センサであって、弾性変形可能な誘電体と、前記誘電体の一部を挟持するように配置され、荷重を受けて前記誘電体の一部を押圧可能な一対の可動電極と、前記荷重が加わらない前記誘電体の他部を挟持するように配置される比較電極と、を備える。【選択図】図１
2014016236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性変形可能な誘電体と、
前記誘電体の一部を挟持するように配置され、荷重を受けて前記誘電体の一部を押圧可能な一対の可動電極と、
前記荷重が加わらない前記誘電体の他部を挟持するように配置される比較電極と、を備える、
荷重センサ。
【請求項２】
前記比較電極の出力に対する前記可動電極の出力の差分に応じた信号を前記荷重の大きさとして電気出力する処理回路を更に備える、
請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記各可動電極に隣接して配置される絶縁体であって、前記荷重を、前記絶縁体を介して前記各可動電極へ伝達する絶縁体を更に備える、
請求項１または２に記載の荷重センサ。
【請求項４】
前記各可動電極を前記誘電体の表面に密着させる予備荷重を、前記各可動電極に加える予備荷重付与手段を更に備える、
請求項１から３の何れか一項に記載の荷重センサ。
【請求項５】
前記各可動電極は、前記誘電体の表面に成膜される、
請求項１から４の何れか一項に記載の荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型の荷重センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の荷重を計測する荷重センサは、例えば、医療機器や輸送機器、ロボット、アミューズメント機器、工場の生産設備等の幅広い分野で利用されている（例えば、特許文献１を参照）。荷重センサには、例えば、弾性変形可能な誘電体を挟持する一対の電極に荷重を加えた場合の静電容量の変化に基づいて荷重を検知する静電容量型の荷重センサがある（例えば、特許文献２−４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２０４０１４号公報
【特許文献２】特開２００４−１９１２０７号公報
【特許文献３】特開２００２−３１８１６３号公報
【特許文献４】特開平７−５５６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
静電容量型の荷重センサは、荷重を受けて変形する誘電体を用いているため、センサの出力が誘電体の状態に左右されやすい。例えば、弾性変形容易な多孔質体を誘電体として用いた荷重センサは、多孔質体が吸湿しやすいため、誘電体の吸湿量に応じて変動する比誘電率の変化により、センサの指示値が不安定になる可能性がある。誘電体の状態を安定化させるには、例えば、誘電体に撥水加工を施し、或いは、誘電体を防湿材料で覆う等の処置を施すことも考えられる。しかし、センサの製造に際して各種の処置を施すことはコストの上昇に繋がる虞があり、また、複雑なセンサ構造はセンサの信頼性や耐久性を低下させる虞がある。
【０００５】
本願は、このような課題に鑑みてなされたものであり、誘電体の状態に関わらず安定的なセンサ信号を出力可能にする荷重センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明では、誘電体の一部を挟持するように配置され、荷重を受けて誘電体の一部を押圧可能な一対の可動電極の他に、当該誘電体の他部を挟持するように配置される比較電極を設けることにした。
【０００７】
詳細には、荷重センサであって、弾性変形可能な誘電体と、前記誘電体の一部を挟持するように配置され、荷重を受けて前記誘電体の一部を押圧可能な一対の可動電極と、前記荷重が加わらない前記誘電体の他部を挟持するように配置される比較電極と、を備える。
【０００８】
上記荷重センサは、同一の誘電体を少なくとも二対の電極が挟持しており、二対の電極のうち何れか一対の電極（可動電極）については荷重を受けて誘電体の一部を押圧可能な構成にしている。このため、一対の可動電極が出力するセンサ信号については、荷重センサに加わった荷重に関する成分、及び誘電体の状態に関する成分が含まれることになる。
【０００９】
一方、上記荷重センサは、二対の電極のうち何れか他方の一対の電極（比較電極）については荷重が加わらない構成にしている。このため、一対の比較電極が出力するセンサ信
号については、荷重センサに加わった荷重に関する成分が含まれない。つまり、一対の比較電極が出力するセンサ信号は、誘電体の状態を電気的に示す信号ということになる。
【００１０】
ここで、上記荷重センサは、一対の可動電極および一対の比較電極の何れも同じ誘電体を挟持している。このため、一対の可動電極が出力するセンサ信号に含まれる誘電体の状態に関する成分は、一対の比較電極が出力するセンサ信号に含まれる誘電体の状態に関する成分と同等である。
【００１１】
従って、上記荷重センサであれば、一対の可動電極および一対の比較電極のそれぞれの出力に基づき、誘電体の状態に関する成分を除去した安定的なセンサ信号の生成を実現することが可能となる。
【００１２】
なお、上記荷重センサは、例えば、前記比較電極の出力に対する前記可動電極の出力の差分に応じた信号を前記荷重の大きさとして電気出力する処理回路を更に備えるものであってもよい。このような処理回路を設けた荷重センサであれば、誘電体の状態に関わらず安定的なセンサ信号を出力可能である。
【００１３】
また、上記荷重センサは、例えば、前記各可動電極に隣接して配置される絶縁体であって、前記荷重を、前記絶縁体を介して前記各可動電極へ伝達する絶縁体を更に備えるものであってもよい。荷重が絶縁体を介して各可動電極に伝達されれば、荷重センサ周辺の電気的な影響が抑制されるので、荷重センサが生成するセンサ信号の精度が向上する。
【００１４】
また、上記荷重センサは、例えば、前記各可動電極を前記誘電体の表面に密着させる予備荷重を、前記各可動電極に加える予備荷重付与手段を更に備えるものであってもよい。このような予備荷重付与手段を設けた荷重センサであれば、比較的小さい荷重が加わった場合でも、可動電極間の間隔の急変に起因する過大なセンサ信号の出力を防止することが可能である。
【００１５】
また、上記荷重センサは、例えば、前記各可動電極は、前記誘電体の表面に成膜されていてもよい。各可動電極が誘電体の表面に成膜されていれば、比較的小さい荷重が加わった場合でも、可動電極間の間隔の急変に起因する過大なセンサ信号の出力を防止することが可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る荷重センサであれば、誘電体の状態に関わらず安定的なセンサ信号を出力させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る荷重センサの構成図の一例である。
【図２】金属プレートを取り外した状態の荷重センサの上面図の一例である。
【図３】荷重センサに接続する処理回路図の一例である。
【図４】荷重センサが出力するセンサ信号を荷重ごとに示したグラフである。
【図５】荷重センサに発生し得る浮遊容量の発生個所を示した図の第一例である。
【図６】荷重センサに発生し得る浮遊容量の発生個所を示した図の第二例である。
【図７】荷重センサの第一変形例を示した図の一例である。
【図８】荷重センサに接続する処理回路図の一例である。
【図９】可動電極と誘電体と金属プレートの接触状態を示した図の一例である。
【図１０】可動電極と誘電体とが図９に示す状態で接触している荷重センサの荷重と静電容量との関係を示したグラフである。
【図１１】荷重センサの第二変形例を示した図の一例である。
【図１２】プリロード用ボルトの挿通状態を示した図の一例である。
【図１３】誘電体の両面にメッキ層を成膜した第三変形例に係る荷重センサの、可動電極と誘電体と金属プレートの接触状態を示した図の一例である。
【図１４】第三変形例に係る荷重センサの荷重と静電容量との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本発明の一態様を例示するものであり、本発明の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。
【００１９】
図１は、実施形態に係る荷重センサの構成図の一例である。荷重センサ１は、静電容量式の荷重センサであり、板状の誘電体２と、誘電体２の一部を挟持するように配置される一対の可動電極３Ｕ，３Ｂと、誘電体２の他部を挟持するように配置される一対の比較電極４Ｕ，４Ｂとを備える。可動電極３Ｕ，３Ｂは、金属プレート５Ｕ，５Ｂに挟まれている。よって、金属プレート５Ｕ，５Ｂに荷重が加わると、可動電極３Ｕ，３Ｂを介して誘電体２の一部が押圧される。誘電体２は、金属プレート５Ｕ，５Ｂに加わる荷重を受けて弾性変形可能なあらゆる部材を適用可能であり、例えば、コンデンサといった特定の電子部品の分野で用いられている誘電体の種類に限定されるものではない。誘電体２としては、例えば、ポリイミドやその他各種の部材を適用可能である。
【００２０】
図２は、金属プレート５Ｕを取り外した状態の荷重センサ１の上面図の一例である。荷重センサ１は、上から見ると円状に形成されている。また、可動電極３Ｕは、円盤状に形成されており、環状に形成された比較電極４Ｕの内側に配置されている。また、可動電極３Ｕと比較電極４Ｕとの間には、電気的な接触を避けるための空隙が設けられている。可動電極３Ｂおよび比較電極４Ｂについても、可動電極３Ｕや比較電極４Ｕと同様である。なお、可動電極３Ｕと比較電極４Ｕの電極面積は、温度変化や吸湿等の外乱による誘電体２の状態変化による影響を抑制する点に鑑みると、互いに等しいことが望ましい。
【００２１】
荷重センサ１は、上述のように、一つの誘電体２を二対の電極で挟持している。そして、誘電体２を挟持する二対の電極のうち一対の電極については、金属プレート５Ｕ，５Ｂを介して荷重が加わる。よって、誘電体２を挟む一対の可動電極３Ｕ，３Ｂによって実現される容量Ｃ１の静電容量は、荷重センサ１に加わる荷重に応じて変化することになる。一方、誘電体２を挟む一対の比較電極４Ｕ，４Ｂによって実現される容量Ｃ２の静電容量は、荷重センサ１に荷重が加わっても変化しない。
【００２２】
図３は、荷重センサ１に接続する処理回路図の一例である。荷重センサ１に接続する処理回路６は、交流波形の電力を荷重センサ１に供給するセンサ駆動電源Ｖｉｎを荷重センサ１の容量Ｃ１，Ｃ２に図３のように接続している。これにより、荷重センサ１は、荷重センサ１に加わる荷重に応じたセンサ信号を出力する。荷重センサ１から出力されるセンサ信号は、以下の数式（数１）によって表される。
【数１】
2014016236.tif 000003
【００２３】
図４は、荷重センサ１が出力するセンサ信号を荷重ごとに示したグラフである。可動電極３Ｕ，３Ｂの電極面積が比較電極４Ｕ，４Ｂの電極面積と同じ場合、荷重センサ１に加わる荷重がゼロの状態において、容量Ｃ１の静電容量は容量Ｃ２の静電容量と同じである。よって、荷重センサ１に加わる荷重がゼロの状態において、荷重センサ１は、以下の数式（数２）によって表されるセンサ信号を出力する。また、荷重センサ１に加わる荷重に
より誘電体２が圧縮され、容量Ｃ１の静電容量が例えば容量Ｃ２の静電容量の２倍になると、荷重センサ１は、以下の数式（数３）によって表されるセンサ信号を出力する。
【数２】
2014016236.tif 000004
【数３】
2014016236.tif 000005
【００２４】
上記荷重センサ１であれば、荷重センサ１に加わる荷重の大きさを、荷重がゼロの状態における荷重センサ１の出力からの変化量に基づいて特定することが可能である。また、温度変化や吸湿等の外乱による誘電体２の状態変化は、容量Ｃ１，Ｃ２の静電容量を変化させる。しかし、容量Ｃ１，Ｃ２は何れも１つの誘電体２を用いており、誘電率も同様に変化するため、外乱により誘電体２の状態が変化しても、誘電体２の状態変化に起因する荷重センサ１の出力の差分を補正し、センサ信号の誤差を抑制することが可能である。また、容量Ｃ１，Ｃ２は何れも１つの誘電体２を用いているため、容量Ｃ１，Ｃ２を各々独立して製造する場合に比べて、製造工程における製品ごとの特性のばらつきを抑制可能である。
【００２５】
＜第一変形例＞
図５および図６は、荷重センサに発生し得る浮遊容量（不要容量と表現することもできる）の発生個所を示した図の一例である。荷重センサを設置する機器やシステムの都合により、図５や図６に示すように、金属製の部材同士の間に浮遊容量が発生し得る。この浮遊容量は、荷重センサを設置する機器やシステムの影響により変動する可能性があるため、金属製の部材が荷重センサの可動電極と電気的に繋がっていると、センサ出力の誤差の一因になり得る。そこで、上記実施形態に係る荷重センサ１は、例えば、次のように変形してもよい。
【００２６】
図７は、上記荷重センサ１の第一変形例を示した図の一例である。第一変形例に係る荷重センサ１Ａは、可動電極３Ｕと金属プレート５Ｕとの間に絶縁体７Ｕが配置され、可動電極３Ｂと金属プレート５Ｂとの間に絶縁体７Ｂが配置されている。また、金属プレート５Ｕ，５Ｂは接地されている。よって、第一変形例に係る荷重センサ１Ａであれば、荷重センサ１Ａを設置する機器やシステムから容量Ｃ１が受ける影響を抑制可能である。
【００２７】
ところで、第一変形例に係る荷重センサ１Ａは、絶縁体７Ｕ，７Ｂを配置しているため、絶縁体７Ｕを挟持する可動電極３Ｕと金属プレート５Ｕとの間に容量ＣＵ（上記浮遊容量の一つである）が形成され、絶縁体７Ｂを挟持する可動電極３Ｂと金属プレート５Ｂとの間に容量ＣＢ（上記浮遊容量の一つである）が形成される。よって、第一変形例に係る荷重センサ１Ａに接続する処理回路を設計する際は、容量ＣＵや容量ＣＢの影響を考慮することが望ましい。
【００２８】
図８は、荷重センサ１Ａに接続する処理回路図の一例である。荷重センサ１Ａに接続する処理回路６Ａは、交流波形の電力を荷重センサ１Ａに基準容量ＣｂＵ，ＣｂＢを介して供給するセンサ駆動電源Ｖｉｎを備える。また、可動電極３Ｕと金属プレート５Ｕとの間に形成される容量ＣＵについては、増幅アンプＯＰＵの入力を仮想接地することにより処理してキャンセルしている。また、可動電極３Ｂと金属プレート５Ｂとの間に形成される容量ＣＢについては、容量ＣＢに並列に繋がる増幅アンプＯＰＵの出力インピーダンスを十分に低くすることで影響を小さくしている。図８に示す処理回路６Ａは、このような回路構成を採ることにより、浮遊容量である容量ＣＵや容量ＣＢのそれぞれの静電容量が変
化しても出力に影響が無いようにしている。なお、センサ駆動電源Ｖｉｎが生成する交流波形の周波数は、容量ＣＵ，ＣＢのインピーダンスが増幅アンプＯＰＵの出力インピーダンスに比べて十分大きくなり、無視できる程度に十分低い設定（例えば、数十ｋＨｚ）とする。これにより、容量ＣＵ，ＣＢの各容量については、増幅アンプＯＰＵ，ＯＰＢの入出力インピーダンスに対して無視できる回路構成となる。各増幅アンプＯＰＵ，ＯＰＢの出力信号を減算回路６１に入力した後、同期検波回路６２で検波してからレベル検出回路６３で処理を行うことにより、荷重センサ１Ａに加わる荷重に応じたセンサ信号が処理回路６Ａから出力される。
【００２９】
＜第二変形例＞
図９は、可動電極と誘電体との接触状態を示した図の一例である。特に、図９の「パターン１」は、可動電極の表面に若干のうねり或いは凹凸がある場合の接触状態を示している。また、図９の「パターン２」は、誘電体に若干のうねりがある場合の接触状態を示している。また、図９の「パターン３」は、誘電体の表面に若干の凹凸がある場合の接触状態を示している。
【００３０】
誘電体として用いるフィルム状のポリイミドやその他各種の機能樹脂は、可能な限り表面が平滑で凹凸が無いことが望ましい。しかし、工業製品として流通するこれらの部材には公差が存在し、若干のうねりや凹凸があるのが実情である。よって、荷重センサに加わる荷重がゼロの場合、図９の「状態１」に示すように、可動電極は誘電体と部分的に接触した状態となる。
【００３１】
図１０は、可動電極と誘電体とが図９に示す状態で接触している荷重センサの荷重と静電容量との関係を示したグラフである。可動電極が誘電体と部分的に接触した状態においては、誘電体の物理的な反発力が弱い。よって、荷重センサに荷重が加わると可動電極同士の間隔が急速に狭くなり、可動電極が誘電体に全面的に密着するまでの間（状態１〜状態２）、静電容量は急激に増大する。また、可動電極が誘電体に全面的に密着した状態においては、誘電体の物理的な反発力が可動電極へ十分に伝わるため、誘電体が圧縮されている間（状態２〜状態３）、静電容量は緩やかに増大する。荷重センサに加わる荷重の大きさが低下する場合も同様である。
【００３２】
すなわち、可動電極の表面や誘電体に若干のうねり或いは凹凸がある荷重センサの場合、小さい荷重を加えた場合に、過大なセンサ信号が荷重センサから出力される可能性がある。そこで、上記実施形態に係る荷重センサ１は、例えば、次のように変形してもよい。
【００３３】
図１１は、上記荷重センサ１の第二変形例を示した図の一例である。第二変形例に係る荷重センサ１Ｂは、プリロード用ボルト８が設けられている点を除き、第一変形例に係る荷重センサ１Ａと基本的に同様である。
【００３４】
図１２は、プリロード用ボルト８の挿通状態を示した図の一例である。荷重センサ１Ｂの中心を貫通するように配置されるプリロード用ボルト８は、金属プレート５Ｕ側から挿通され、金属プレート５Ｂに設けられているネジ穴に螺合される。そして、プリロード用ボルト８は、表面に若干のうねり或いは凹凸がある可動電極３Ｕ，３Ｂや誘電体２が互いに全面的に密着する程度に締め付けられる。このため、荷重センサ１Ｂに小さい荷重が加わった場合であっても、過大なセンサ信号が荷重センサ１Ｂから出力されることが無い。
【００３５】
なお、可動電極３Ｕ，３Ｂや誘電体２を互いに全面的に密着させる予備荷重付与手段は、全面的に密着する程度に予備荷重を付与し得るものであれば、このような態様に限定されるものではない。予備荷重付与手段は、例えば、バネやその他の各種付勢手段、あるいは締結手段を適用可能である。
【００３６】
＜第三変形例＞
また、上記実施形態に係る荷重センサ１は、例えば、上記可動電極３Ｕ，３Ｂを、誘電体２の両面に電界蒸着あるいはスパッタリングしたメッキ層によって形成してもよい。図１３は、誘電体の両面にメッキ層を成膜し、上記可動電極３Ｕ，３Ｂに相当する可動電極とした第三変形例に係る荷重センサの、可動電極と誘電体と金属プレートの接触状態を示した図の一例である。図１３の「パターン１」は、可動電極の表面に若干のうねり或いは凹凸がある場合の接触状態を示している。また、図１３の「パターン２」は、可動電極および誘電体に若干のうねりがある場合の接触状態を示している。また、図１３の「パターン３」は、可動電極および誘電体の表面に若干の凹凸がある場合の接触状態を示している。
【００３７】
第三変形例に係る荷重センサの場合、誘電体の両面に成膜したメッキ層を可動電極としているため、荷重センサに荷重が加わって金属プレート同士が接近しても、誘電体が圧縮され始めない限り、可動電極間の静電容量は変化しない。換言すると、第三変形例に係る荷重センサの場合、可動電極間の静電容量は、金属プレートが可動電極間に密着し、誘電体が圧縮され始めると、ようやく増大し始める。
【００３８】
図１４は、第三変形例に係る荷重センサの荷重と静電容量との関係を示したグラフである。金属プレートが可動電極と部分的に接触した状態においては、誘電体が圧縮されないか、或いは部分的に圧縮される程度であるため、荷重を加えても静電容量が有意に変動しない。よって、荷重センサに荷重が加わって金属プレート同士の間隔が急速に狭くなっても、金属プレートが可動電極に全面的に密着するまでの間（状態１〜状態２）、容量Ｃ１はほぼ一定を保つ。また、可動電極が誘電体に全面的に密着した状態においては、荷重に応じて誘電体が圧縮されるため、誘電体が圧縮されている間（状態２〜状態３）、容量Ｃ１は緩やかに増大する。荷重センサに加わる荷重の大きさが低下する場合も同様である。
【００３９】
第三変形例に係る荷重センサであれば、第二変形例に係る荷重センサ１Ｂのプリロード用ボルト８に相当する構成を設けなくても、荷重センサに小さい荷重が加わった場合に過大なセンサ信号が出力されるのを防止することが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１，１Ａ・・荷重センサ：２・・誘電体：３Ｕ，３Ｂ・・可動電極：４Ｕ，４Ｂ・・比較電極：５Ｕ，５Ｂ・・金属プレート：６，６Ａ・・処理回路：７Ｕ，７Ｂ・・絶縁体：８・・プリロード用ボルト
【図１】
2014016236.tif 000006
【図２】
2014016236.tif 000007
【図３】
2014016236.tif 000008
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014016236.tif 000012
【図８】
2014016236.tif 000013
【図９】
2014016236.tif 000014
【図１０】
2014016236.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
2014016236.tif 000017
【図１３】
2014016236.tif 000018
【図１４】
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