静電容量式歪センサ

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【発明の名称】	静電容量式歪センサ
【発明者】	【氏名】森和也【氏名】上野亨
【要約】	【課題】構成が簡単で容易に温度補正を行うことができる静電容量式歪センサを提供すること。【解決手段】歪みにより誘電率が変化する材料からなる膜層が形成されたセラミックス基板の表面に、少なくとも一対の交差指電極からなる静電容量式歪センサ部と一対の交差指電極と同形状の交差指電極からなる基準コンデンサ部を形成する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】歪みにより誘電率が変化する材料からなる膜層が形成されたセラミックス基板の表面に、少なくとも一対の交差指電極からなる静電容量式歪センサ部と前記一対の交差指電極と同形状の交差指電極からなる基準コンデンサ部を形成してなることを特徴とする静電容量式歪みセンサ。
【請求項２】前記セラミックス基板の板厚は、薄い部分と厚い部分とで構成されていることを特徴とする請求項１記載の静電容量式歪センサ。
【請求項３】前記薄い部分に前記静電容量式歪センサ部を、前記厚い部分に前記基準コンデンサを形成してなることを特徴とする請求項２記載の静電容量式歪センサ。
【請求項４】前記静電容量式歪センサ部の静電容量の変化分を前記基準コンデンサ部の静電容量により補正することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の静電容量式歪みセンサ。
【請求項５】前記静電容量式歪センサ部のインピーダンス及び前記基準コンデンサ部のインピーダンスを用いて補正を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の静電容量式歪センサ。
【請求項６】前記静電容量式歪センサ部の静電容量を含むＬＣ又はＲＣで構成される発信回路及び前記基準コンデンサ部の静電容量を含むＬＣ又はＲＣで構成される発振回路の発振周波数を用いて補正を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の静電容量式歪センサ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、歪みにより静電容量が変化する効果を利用した静電容量式歪センサに関し、特に、静電容量式歪センサの静電容量を補正用コンデンサの静電容量を用いて補正する静電容量式歪センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、歪センサには、歪みにより抵抗値が変化する歪ゲージが用いられている。この歪ゲージは、金属を用いるものと半導体を用いるものに大別できる。後者の半導体を用いた歪ゲージは、ピエゾ抵抗効果により、前者の金属を用いた歪ゲージに比べて感度が数十倍もあるため、歪センサとして好都合である。
【０００３】しかしながら、半導体を用いた歪ゲージは、温度による抵抗変化が大きいことや歪み量によって歪み感度が変化するという欠点があり、微少な歪みを計測する場合は、構成が複雑になってしまうという問題があった。
【０００４】そこで、歪みにより誘電率が変化することで、静電容量が変わることを利用した静電容量式歪センサが開発された。この静電容量式歪センサは、構造が簡単で、ＬＣ発振回路やＲＣ発振回路を構成することが可能であり、微少な歪みを計測する場合においても非常に有効である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、静電容量式歪センサの静電容量は、歪み量の変化だけでなく、周辺温度の変化によっても静電容量が変動するため、温度による静電容量の特性変化を補正するための補正回路が必要であり、この構成が複雑で高価になってしまうという問題があった。
【０００６】従って、本発明は、前記静電容量式歪センサの欠点を除去し、構成が簡単で容易に補正を行うことができる静電容量式歪センサを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、歪みにより誘電率が変化する効果を利用した静電容量式歪センサにおいて、静電容量式歪センサ部と同じ材質を用い、かつ静電容量がほぼ等しいコンデンサを基準コンデンサ部とし、静電容量式歪センサ部の静電容量の温度等による変化分を基準コンデンサ部の静電容量により補正することを特徴とした静電容量式歪センサが得られる。
【０００８】また、本発明によれば、外部応力により変形する面と変形しない面が一体に構成されている構造体の変形する面に歪みにより誘電率が変化する材料からなる厚膜あるいは薄膜層を形成し、その表面に少なくとも一対の交差指電極を形成して静電容量式歪センサ部を構成するとともに、同一の厚膜あるいは薄膜上の変形しない面に静電容量式歪センサ部と形状および静電容量がほぼ等しい基準コンデンサ部を形成した静電容量式歪センサが得られる。
【０００９】また、本発明によれば、静電容量式歪センサ部の静電容量のインピーダンスを利用し、基準コンデンサ部のインピーダンスを用いて温度補正を行うことを特徴とした静電容量式歪センサが得られる。
【００１０】また、本発明によれば、静電容量式歪センサ部の静電容量を含むＬＣあるいはＲＣ発振回路を構成し、その発振周波数に対して同様に構成した基準コンデンサ部を含む発振回路の発振周波数を用いて温度補正を行うことを特徴とした静電容量式歪センサが得られる。
【００１１】即ち、本発明は、歪みにより誘電率が変化する材料からなる膜層が形成されたセラミックス基板の表面に、少なくとも一対の交差指電極からなる静電容量式歪センサ部と前記一対の交差指電極と同形状の交差指電極からなる基準コンデンサ部を形成してなる静電容量式歪みセンサである。
【００１２】また、本発明は、前記セラミックス基板の板厚が薄い部分と厚い部分とで構成されている上記の静電容量式歪センサである。
【００１３】また、本発明は、前記薄い部分に前記静電容量式歪センサ部を、前記厚い部分に前記基準コンデンサを形成してなる上記の静電容量式歪センサである。
【００１４】また、本発明は、前記静電容量式歪センサ部の静電容量の温度による変化分を前記基準コンデンサ部の静電容量により補正する上記の静電容量式歪みセンサである。
【００１５】また、本発明は、前記静電容量式歪センサ部のインピーダンス及び前記基準コンデンサ部のインピーダンスを用いて温度補正を行う上記の静電容量式歪センサである。
【００１６】また、本発明は、前記静電容量式歪センサ部の静電容量を含むＬＣ又はＲＣで構成される発信回路及び前記基準コンデンサ部の静電容量を含むＬＣ又はＲＣで構成される発振回路の発振周波数を用いて温度補正を行う上記の静電容量式歪センサである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態による静電容量式歪センサについて図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】図１は、本発明の静電容量式歪センサの説明図である。図１において、厚さの異なる領域を持つセラミックス基板３の平面上に、歪みにより誘電率が変化する材料からなる誘電体層４を形成した。ここで、セラミックス基板３が、外部圧力により、大きな歪みを受ける板厚の薄い領域の面を歪みによる変形面１１、また、外部圧力を受けたときに歪まない板厚の厚い面を歪みによる変形面１２と定義する。
【００１９】静電容量式歪センサ２０は、変形面１１上に一対の交差指電極を形成して静電容量式歪センサ部１を形成し、変形面１２に静電容量式歪センサ部１と同形状の電極を形成して温度補正用の基準コンデンサ部２を構成する。
【００２０】ここで、静電容量式歪センサ部１の静電容量の変化について図２により説明する。
【００２１】図２は、静電容量式歪センサ部１の交差指電極１３の基本的な構造を示す。図２において、交差指電極１３は、セラミックス基板３の上に形成された誘電体層４上に、互いに１つおきの線状電極１４がそれぞれ共通電極１５に接続され、互いに隣り合う線状電極１４との間に静電容量を持つように一対の端子１６を有する２端子で構成されている。
【００２２】次に、図１に示した静電容量式歪センサ部１の加圧力と静電容量の関係について、図３を参照して説明する。
【００２３】図３は、セラミックス基板として、可とう性に優れる長方形状のジルコニア磁器板を用い、その表面にセラミックスコンデンサ等に使用される鉛系の高誘電率誘電体厚膜を形成し、さらにその上に、図２に示した交差指電極１３の線状電極１４の方向がジルコニア磁器板の短辺に平行な交差指電極を形成した。
【００２４】この長方形状のジルコニア磁器板の短辺に平行な中央部をナイフエッジ状の加圧板で加圧した場合の加圧力と静電容量の関係ほ測定した結果を示す。なお、図３において、□印の線は交差指電極面の裏面を加圧した場合であり、△印の線は交差指電極面を加圧した場合の測定値である。
【００２５】図３から分かるように、口印の場合は、線状電極間隔が広くなる変形であるにもかかわらず、加圧力を大きくするにつれて静電容量の変化率が大きくなっている。逆に、△印の場合は、線状電極間隔が狭くなり、誘電体層に歪みが印加された場合、加圧力が大きくなるにつれて静電容量の変化率が小さくなり、その方向の誘電率が大きくなる、いわゆる「正歪－誘電率特性」を有していることを示している。
【００２６】このように誘電体層の材質として「歪－誘電率特性」の大きな材料を使用した場合、端子間の静電容量の変化が、単に電極間隔の変化による静電容量の変化よりも大きくなる。
【００２７】また、「歪－誘電率特性」の大きな材料を使用した静電容量式歪センサ部は、構造が簡単で容易にＬＣ発振回路やＲＣ発振回路を構成することが可能で、実用上、非常に有効であるが、周辺温度の変化によっても静電容量が変化するため、温度による静電容量の変化を補正する必要がある。
【００２８】また、図１に示した基準コンデンサ部２の温度特性は、静電容量式歪センサ部１の温度特性と同じであり、周辺温度の変化に対する静電容量式歪センサ部１の静電容量の変化量を基準コンデンサ部２の静電容量の変化量で補正を行うことにより、外部圧力による歪みの変化に対する静電容量の変化量を得ることができる。
【００２９】以下、補正の方法の具体例を２つ説明する。
【００３０】まず、第１の補正例について、図４を参照して説明する。
【００３１】図４は、静電容量式歪センサの静電容量のインピーダンスを利用し、基準コンデンサのインピーダンスを用いて温度補正を行うための回路構成図である。図４において、コンデンサ１７および抵抗５は、静電容量式歪センサ部の静電容量および内部抵抗を表し、コンデンサ１８および抵抗６は、基準コンデンサ部の静電容量および内部抵抗を表す。静電容量式歪センサ部と基準コンデンサ部の静電容量の温度特性および内部抵抗は、ほぼ等しいために、それぞれのインピーダンスを出力端子から電圧値として取り出し、その差をコンパレータ７を用いて求めることにより温度補正を行う。
【００３２】次に、第２の補正例について、図５を参照して説明する。
【００３３】図５は、静電容量式歪センサ部の静電容量を含むＬＣもしくはＲＣ発振回路を構成し、その発振周波数に対して同様に構成した基準コンデンサ部を含む発振回路の発振周波数を用いて温度補正を行うための構成図である。図５において、発振回路８および発振回路９は、それぞれ静電容量式歪センサ部および基準コンデンサ部を用いて構成したＬＣもしくはＲＣ発振回路であり、それぞれの出力は、静電容量が変化すると出力の周波数が変化をするために、ｆ－ｖコンバータ１９により電圧変換して、その差をコンパレータ１０を用いて求めることにより温度補正を行う。
【００３４】なお、以上の説明では、誘電体層をセラミックコンデンサ等に使用されている高誘電率誘電体厚膜について説明したが、基準コンデンサ部用のコンデンサとして誘電体材料、膜厚および交差指電極寸法を、静電容量式歪センサ部用のコンデンサとほぼ等しく形成した場合、必ずしもこれらを同一面上に形成する必要は無く、静電容量式歪センサ部用のコンデンサ１７と基準コンデンサ部用のコンデンサ１８の温度環境が同じと考えられる条件であれば、これらを別に配置しても良い。また、誘電体の場合、温度の影響が大きいので、温度補正としてのみ説明したが、例えば、湿度等の他の環境因子に対しても補正を行っている。
【００３５】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれば、構成が簡単で容易に温度補正を行うことができる静電容量式歪センサを得ることができる。

【出願人】	【識別番号】０００１３４２５７【氏名又は名称】株式会社トーキン
【出願日】	平成１１年９月１６日（１９９９．９．１６）
【代理人】
【公開番号】	特開２００１－８２９０９（Ｐ２００１－８２９０９Ａ）
【公開日】	平成１３年３月３０日（２００１．３．３０）
【出願番号】	特願平１１－２６１８２３