JPH0267925A - 重量検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

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

従来の技術 電極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（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ｌ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
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
ＮＣ２と基準電極５の容量Ｃ，，とは、それぞれ抵抗Ｒ
＋、Ｒｚ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Ｑ、、Ｑ、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，＞Ｃ
，に設定すれば、電源電圧が■。のとき、ローパスフィ
ルタ６の出力電圧■。工、は Ｖｏ−ｚ　＝Ｖｃｃ（Ｉ　　Ｃ，／　Ｃｐ　）　　−−
−−（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
ΔＣｒ（ｐｐ翰／”Ｃ）およびΔＣｐ　（ｐｐｍ／　’
Ｃ）は、（１−Ｃ，／　Ｃｐ）項により相殺され、出力
電圧ｖ０□からセンサの温度特性を取り除ける。

ただしこのときＲｌ＝　Ｒｚであり、比較器７と８およ
びトランジスタＱ、とＱ２とは、温度特性の揃ったもの
を選別してベ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
除けるという。

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１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＝に／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Δ【は次式によった。

Δｒ　＝　（ｆ　ｔｏ　　ｒ　α）／　（ｒ　ｚｏ×（
α−２０））　−−−（３）ただし　ｒ８゜：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
（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，＞Ｃ，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、前記画電極の容量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、
＠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、載置台上に最大秤量の
略二分の一の重量の被測定物を載置した際に、検出電極
と基準電極の容量がほぼ一致するように電極形状が設定
される。そして制御部は検出電極および基準電極の容量
を切り換えながら検出手段を介して測定し、演算手段を
用いてその測定結果を演算処理し、その解をもとに被測
定物の重量を算出する。

かかる構成、作用により、載置台上で無負荷から最大秤
量に至るまで、温度特性を極端に増大させることなく重
量を検出できる。

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Ｉ２が＠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容量Ｃ１と検出容量Ｃ９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，，と検
出容量Ｃ，とを切り換えて発振回路１５に接続し、発振
周波数ｆ、、およびｆｐ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２工に転送されて除算処理を施され、比ｒが求め
られる。

次に第１図を用いて本発明の詳細な説明する。

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「を示す。Ｗ＝Ｗ、ｔなる点は、載置台のみを載置
した状態を、ｗ＝ｗ□やなる点は最大秤量を、それぞれ
表している。

重ｉｗ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　ε
：空気中の誘電率 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、回路定数にはｒ、、ｒ、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Ｃ２と基準容量Ｃｒ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Ｃ１と検出容量Ｃ３とをＷ　ｐ（
’＝　Ｗ　、、Ｘの間に、すなわち載置台上に最大秤量
より軽い、ある重量Ｗ、の被測定物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ｆ１とｆ
、とは、ｗ＝ｗｌ１点で交差することになる。

従ってｗ＝ｗ、点で比ｒは１となる。第８図を用いてす
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Ｗ８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　＝　ａ　ｒ　”　＋　ｂ　ｒ　十ｃ　　−−−−（
５）ただし　ａ、ｂＳｃ　：定数 以上のようにふたつの周波数ｆ、とｆｐの比ｒを求め、
かつＣ１と　ＣＰをｗ＝ｗ、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。

Ｗ２は例えば次のように選べば、検出重量範囲の全域で
、温度特性を極端に大きくすることなく重量を検出する
ことができる。

Ｗ、　＝　（Ｗｐｔ＋Ｗｍａｘ　）　／２　　−・−−
−−−（６）第千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学Ｃ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ＴＬＯ８２、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″！ｔの測定がスタートされると、まずゲート信号Ｅ
。がトＩレベルに転じられる（ａ）。そして若干のデイ
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ｆ１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、はＲＡＭの所定アドレスに転送され
、記憶されるげ）。

次いでゲート信号Ｅ、がＬレベルに転じられ（ロ）、以
下ｒ、、とまったく同様の手順でｆ、の測定が行われる
（５）〜（１）。

かかる処理を経て、ＲＡＭに記憶されたｆ、とｒ、は次
に除算処理をされて「がまず算出され（ホ）、ついで比
ｒをもとに重１ｗ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
，〉Ｃ，、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ＣＰ＝Ｃ。

なる点を有効に利用でき、ゼロ負荷と最大秤量の間の被
測定物を載置した時にこれらを一致させることで、検出
重量範囲全最に渡って温度特性を最小に抑えることがで
きた。

また比ｒには、従来のように電源電圧■。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と基準電橋Ｃ２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ベアにする手間もない。

さらに発振回路の出力周波数は、そのままカウンタに人
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ｆｆ１．１検出装置
の構成の〜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Ｍ　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。 代理人の氏名弁理士　粟　野　重　孝ｎか１名第１図 ｆ、　　−・・・・・・基準周波数 ｆ、−−・・・−・検出周波数 ｒ　・・・・・・−周波数比 ｗｌ　・・−・・−・・載置台重堅 ｗｏＸ　・・・・・−！ジ大秤量 ｗ２　　　・・・・・　容量一致重量 第２図 １゜ ９　・・−・・・・− １０・・−・・・・ ｌ　１　・・・・・・・ １３　・・・・・・− １５・・・− 単一の検出手段 スイッチング手段 制御部 カウンタ手段 演算手段 第４図 第６図 （ｄ） 第５図 １７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、前記載置台上に最
   大秤量の略二分の一の被測定物を載置した際に、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演算し、その演算結果から前記
   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。