JPH0312529A - 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、被測定物の重量を静電容量の変化として検出
する重量検出装置に関するものである。

従来の技術 被測定物の重量を静電容量の変化として検出する重量検
出装置は既に数多く考案されている。

例えば特開昭６３−２２０９６０号公報では、所定の間
隔を設けて対向し、中央部に検出電極を、その外周部に
基準容量を有する一対のアルミナ焼結体の薄板より形成
した静電容量型圧力センサを用い温度特性の影響を受け
ない高精度の重量検出装置を実現している。

以下、第６図をもとに従来例について説明する。

基ｗｉｉとダイアフラム７とは、アルミナなどの絶縁材
料の薄板で形成され、ある間隔ｄを保ちながら周囲をシ
ール材１０で封じられる。

基板１１とダイアフラム７のそれぞれの対向する表面に
は、中央に重量検出手段たる検出電極８が、周囲には温
度補正手段たる基準電極９が印刷により形成されている
。

ダイアフラム７に被加熱物による荷重Ｐが加われば、ダ
イアフラム７は破線に示すようにたわみ、検出電極８に
より形成される静電容量Ｃｗは変化する。しかし、検出
電極の周囲に配された基準電極９は支点であるシール材
１０に近接しているためたわみにくく、荷重Ｐによる静
電容量Ｃｒの変化は僅かである。このように、基準容量
Ｃｒと検出容量ＣＷは同一材料でしかもごく近接して形
成されているため、温度特性はほぼ等しくなる。ここで
、ＣｗとＣｒを測定し、両者の比をとることによって温
度特性をうまく消去して荷重Ｐを測定できる。

しかし、実際にこれらの容量を検出するためには電子回
路によって、検出可能な別の物理量へと変換しなければ
ならない。−船釣には発振回路を用いて容量を周波数情
報へと変換し、カウンターなどにより所定時間内のパル
ス数をカウントすることによって周波数を検出している
。

第７図は容量検出回路の一例である。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からなる単
一の発振回路１２と、スイッチング手段１３とから構成
される。スイッチング手段１３は検出容量Ｃｗ、！：基
準容量Ｃｒとを選択し、それぞれの容量で発振した矩形
波信号は、緩衝回路１５を介して電圧レベルをシフトさ
れマイコン６の内蔵カウンターの入力端子ＴＣに入力さ
れる。このスイッチング手段の切り換えを制御する信号
は、切り換えゲート信号Ｅ０である。

さて、検出容量Ｃｗを選択したときの周波数をＦｗ、基
準容量Ｃｒを選択したときの周波数をＦｒとすると、 Ｆｗ＝Ｋｗ／Ｃｗ　　Ｒ Ｆｒ＝Ｋｒ／ＣｒＲ で表される。Ｒは発振回路内の合成抵抗、Ｋｗ、Ｋｒは
オペアンプの緒特性（ゲイン、スルーレート、オフセッ
ト電圧等）および発振回路構成によって決まる回路定数
である。

二の周波数Ｆｒ、Ｆｗをマイコン６で測定し、演算をお
こなって画周波数の比ｒを計算するとｒ　＝　Ｆ　ｒ　
／　Ｆ　ｗ　　　−（１１となり、さらに（１）式を展
開すると、Ｆｒ　　　　Ｋｒ／Ｃｒ　　ＲＫｒ　　Ｃｗ
Ｆｗ　　　　Ｋｗ／Ｃｗ　　ＲＫｗ　　Ｃｒ・・・・・
・・・・　（２） となる。このように、検出容量Ｃ−と基準容量Ｃｒの容
量比Ｃｗ／Ｃｒに比例する値が周波数比として検出でき
る。

ここで、周波数比ｒを温度Ｔで微分し温度係数を求める
と ｌ　　　ｄｒ　　　　１　　　ｄＫｒ　　　　１　　　
ｄＫｗｒ　　　ｄＴ　　　　Ｋｒ　　　ｄＴ　　　　ｒ
　　　　ｄＴＣｍ　　　　ｄＴ　　　　　　Ｃｒ　　　
　ｄＴ・・・・・・・・・　（３） のよう〜になる。

（３）式からセンサ容量ＣｗとＣｒの温度特性は両者の
差という形式でうまく演算によって消去できるが、回路
定数Ｋｗ、Ｋｒは発振周波数に依存して温度特性が異な
ってくるため、Ｆｗ、Ｆｒが同一周波数付近でしかこれ
らを消去することはできない。

特開昭６３−２２０９６０号公報ではこのような特性を
考慮して、載置台のみの状態で基準容量と検出容量が一
致するよ゛うに電極の形状を設計して軽量の測定物での
測定精度を改善している。

発明が解決しようとする課題 しかし、以上に示した構成のものでは載置台の重量が変
われば、それに対応する電極形状をもったセンサを供給
しなければならない。

例えば、重量検出装置を応用した機器として電子レンジ
などの加熱装置がある。そこでは食品の重量を検出して
重量に応じた最適自動加熱を実現するもので昨今は極−
船釣な機能となっている。

しかし、電子レンジに使われる食品の載置台は、オーブ
ンサイズ、仕向は地５製品仕様等の種々の理由から様々
な重量のものが存在し、それに対応する静電容量型圧力
センサを新規に設計しなげればならないということにな
る。しかもその種類の違いは、密封されたセンサの内部
の電極形状ということで外見ではまったく判別がつかず
、製造管理上きわめて煩雑なものとなっていた。

また、１タイプのセンサで全ての機種に対応しようとす
れば、温度特性の悪い機種が存在することはいうまでも
ない。

そこで本発明は上記課題を解決し、単一ダイアの静電容
量型圧力センサを用い、種々の載置台重量に対応して温
度特性を最適化できる重量検出装置を堤供するものであ
る。

５題を解決するための手段 上記課題を解決するため、本発明の重量検知装置は平板
の共通電極基板と、共通電極基板と所定間隔をあけて対
向する荷重検出用のダイアフラムと、ダイアプラムと共
通電極基板を両者の外周部にて互いに結合するシール部
と、ダイアフラムの中央部に形成されたたわみを検出す
る検出電極と、その周囲の実質的にダイアフラムがたわ
まない部分に形成された基準電極および間部に弧立して
配された複数の補助基準電極を備えた静電容量型圧力セ
ンサとを備えたものである。

作用 上記構成により、静電容量型圧力センサの外部で複数あ
る補助基準電極を基準電極と電気的に接続することによ
って基準容量値を選択でき、単一センサで容量比を可変
することができる。

実施例 以下、本発明の一実施例である重量検出装置を図面に基
づいて説明する。

第５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４には熱源５が結合され、載置台１上には被加熱
物２が載置される。３はこの載置台ｌを回転駆動するモ
ーターであり、被加熱物２が熱源５により加熱される際
、加熱ムラをおこすことを改善する。

このモーター３の回転軸は、スラスト方向に移動自在と
なっており、その下端は静電容量型重量センサ６によっ
て支持され、載置台１と被加熱物２の重量は、静電容量
型重量センサ３に伝達される。。

第１図は本発明に係わる静電容量型重量セッサ３の構造
図の一実施例である。（ａ）は断面図、（ｂ）はセンサ
の展開図である。

共通電極基板１６は金属材料からなる平板、ダイアフラ
ム７はアルミナ磁器などのセラミック材料からなる平板
の絶縁物である。両者はある間隙ｄを保ちながら周囲を
シール材１０で封じられる。シール材１０の材料として
エポキシ樹脂系の接着剤、あるいはガラスフリットなど
が用いられる。ダイアフラム７の共通電極基板１６との
対向面のほぼ中央部に検出電極８が形成され検出電極端
子１７により外部に引き出されている。そして検出電極
８の外周のシール材ｌＯに近接する部分に温度検出手段
たる基本基準電極１８および第１の補助基準電極１９−
ａ、第２の補助基準電極１９−ｂが申開などにより形成
され、同様に基準電極端子２０−　ａ　、　２０−　ｂ
。

２０−Ｃにより外部に引き出される。

このような構成において共通電極基板１６と検出電極８
の間の容量Ｃｗを検出容量２１、共通電極基板１６と基
本基準電極１８の間の静電容量Ｃｒｏを基本基準容量２
２、共通電極基板１６と第１の補助基準電ｐｉ１９−ａ
の間の容量Ｃｒｔを第１の補助基準容量２３、共通電極
基板１６と第２の補助基準電極１９−ｂの間の容量Ｃｒ
！を第２の補助基準電極２４として、外部に引き出され
た基準電極端子２０−ａ、　２０−ｂ、　２０−〇の電
気的接続の組み合わせによりＣｒｏ、　　Ｃｒ＋Ｃｒｚ
の３つの容量を合成し３種類の基準容量を得ることがで
きる。第２図はその３種類の基準容量を得るための基準
電極端子２０の接続例である。（ａ）は金属リード＆１
Ｉ２５を基準電極端子２０−　ａ　、　２０−　ｂ２０
−Ｃにハンダづけによりて接続した場合で、基準容量Ｃ
「はＣｒｅ＋Ｃｒｔ＋Ｃｒｔとなる。（ｂ）は同様に２
０−　ａ　、　２０−　ｂを接続した場合で基準電１１
ｃｒはＣｒｏ　＋　Ｃｒ＋となる。（Ｃ）は２０−ａの
みで基準容量ＣｒはＣｒｏとなる。このように、基準電
極端子２０の接続の組み合わせにより３種類の基準容量
Ｃｒを選択できる。

さて次に第３図を用いて具体的な回路構成の一例を示す
。共通電極基板１６は加熱装置本体の金属シャーシーと
接続し、かつ容量検出回路２６のアース電位も同様に金
属シャーシーの電位となっているため、容量検出回路２
６への容量の引貴出しは２本の金属リード線２５によっ
て実現できる。容量検出回路２６はオペアンプによる無
安定マルチバイブレーク−からなる単一の発振回路１２
．スイッチング手段１３とから構成される。スイッチン
グ手段１３は検出容量Ｃｗと基準容量Ｃｒとを交互に切
り換え、マイコン１４の内蔵カウンターの入力端子Ｔｃ
に入力する。この切り換えを制御するのは、切り換えゲ
ート信号Ｅ０である。

ここで用いた発振回路１２の動作を説明する。オペアン
プの■端子の出力の矩形波信号が反転した時点から考え
、金属リード線２５によって引き出された容ｉ１ｃ（Ｃ
ｗかＣｒかはスイッチング手段１３によって選択される
。）と抵抗Ｒ３との時定数によって■端子の電圧が変化
し、抵抗Ｒ５とＲ１の分圧によって決まる■端子の電圧
と同じになった時点で■端子の出力が反転し、以降同様
の現象を繰り返し発振が生じる。

本実施例では、第２図に示すように、基準電極端子２０
−ａ、　２０−ｂ、　２０−ｃの接続の組み合わせによ
り３種類の基準容量を選択できることを既に述べた。そ
して、この３種類の基準容量における本重量検出装置の
印加重量と周波数の関係は第４図に示すような特性とな
る。

横軸は印加重量、縦軸は周波数を表す。Ｆｗは検出容量
Ｃｗで発振した周波数で荷重に依存して値が大きく変化
する。Ｆｒは選択した基準容量Ｃｒで発振した周波数で
重量にほとんど依存せず実質的にほぼ一定とみなせる。

ここで、選択した基準容量ＣｒによりＦｒは、Ｃａｌ、
　（ｂ）、　（Ｃ）の異なった特性をもち、それぞれの
基準容量値は （ａ）　　−−−Ｃｒ＋＋Ｃｒ、＋Ｃｒ２（ｂ）　　−
−−Ｃｒ　ｏ　＋　Ｃｒ　１（Ｃ）　　・・・・・・・
・・　Ｃｒ。

となる。

このようにＦｒとＦ−が−敗する重量、即ちＣｗとＣｒ
が一致する重量Ｗ、、Ｗ、、Ｗ、となる。

これらの重量では、発振回路の温度特性はＯとなり、わ
ずかな変動が非常に大きな誤差となる軽負荷での測定精
度が向上する。

したがって、適宜基準容量を選択することによって、載
置台の重量がＷ＋　、Ｗｔ　、Ｗｓ　と異なる複数の機
種の温度特性を最適化することが可能となる。しかもそ
れが、単一のセンサで実現できるため製造管理上も非常
にシンプルなものとなる。

発明の効果 以上の実施例の説明より明らかなように本発明の重量検
出装置は、基本基準容量と複数の孤立してなる補助基準
電極を適宜接続して基準容量を可変とする構成で、単一
のセンサを用い複数の荷重条件で基準容量と検出容量の
比を１とし温度特性を最適化することができる。

しかも、それがダイアフラムと共通電極基板をシール材
で接続密閉した後でも適宜基準電極および補助基準電極
を電気的に接続するという非常に簡単な方法で容量比を
可変できるため全く単一のセンサで複数の重さの異なる
載置台をもつ重量検出装置に対応でき、製造管理上極め
てシンプルなものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の重量検出装置に係わる静電容量
型圧力センサの構造を示す断面図、同図（ｂ）は同構成
図、第２図（ａ）〜（Ｃ）は同静電容量型圧カセンサの
基準電極端子の接続構成図、第３図は同重量検出装置の
回路図、第４図は重量と発振周波数の関係を示す特性図
、第５図は同重量検出装置の構成図、第６図（ａ）は従
来の重量検出装置の静電容量型圧力センサの構造を示す
断面図、同図（ｂ）は同構成図、第７図は重量検出装置
の回路図である。 ６・・・・・・静電容量型圧力センサ、７・・・・・・
ダイアフラム、８・・・・・・検出電極、１０・・・・
・・シール材、１４・・・・・・マイコン、１６・・・
・・・共通電極基板、１８・・・・・・基本基準電極、
１９−ａ・・・・・・第１の補助基準電極、１９−ｂ・
・・・・・第２の補助基準電極、２１・・・・・・検出
容量、２２・・・・・・基本基準容量、２３・・・・・
・第１の補助基準容量、２４・・・・・・第２の補助基
準容量、２６・・・・・・容量検出回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 非導電性の平板のダイアフラムと、前記ダイアフラムと
   対向する平板の共通電極基板と、前記ダイアフラムと共
   通電極基板とを両者の外周部にて互いに結合するシール
   材と、前記ダイアフラムの中央部に形成された検出電極
   と、前記検出電極の周囲の実質的にダイアフラムがたわ
   まない部分に形成された基準電極および同部にそれぞれ
   孤立して配された補助基準電極とからなる静電容量型圧
   力センサと、前記ダイアフラムに機械的に係合され被測
   定物を載置する載置台と、前記検出電極と共通電極基板
   との間の検出容量および基準電極と共通電極基板との間
   の基準容量を検出する容量検出手段と、前記容量検出手
   段が検出した基準容量と検出容量の容量比を演算して載
   置台上の重量を検出する制御部とを備え、前記基準電極
   に補助基準電極を静電容量型圧力センサの外部で適宜電
   気的に結合することによって基準容量を可変できる構成
   とした重量検出装置。