JP6492257B2 - 力変換器及びこれに使用される歪みゲージ - Google Patents

Description

本発明は、力を受けて弾性変形する起歪部に貼られる歪みゲージと、この歪みゲージからの出力信号によって力を検出する力変換器に関するものである。

従来の二対の歪み検出用抵抗体を用いた力変換器の底面を開口した底面図を図１１に示す。また図１１の力変換器のＣＣ断面を図１２に、図１２の拡大詳細図を図１３に示す。この歪みゲージ５は図１に示す力変換器１に突出形成された力導入部２の周囲に位置する薄肉の起歪部９の反対面に貼り付けされている。歪みゲージ５には、複数の電極部６が設けられ、各電極部の中間には歪み検出用の抵抗体である折り返し往復の抵抗パターン部が計４箇所設けられている。この各抵抗パターン部と複数の電極部６によってホイートストンブリッジ回路（図６）を形成し、電源７により直流電圧が印加されると、力導入部２に加わる力によって生じる起歪部９の歪みに比例した電圧が出力される。

各抵抗パターン部１１と複数の電極部６を有する歪みゲージ５内の回路形成は、絶縁体のベース材１０上に金属箔を積層し、フォトリソグラフィによって行われる。そのためにレジストでマスクし、エッチングにて形成するのが一般的である。その後、金型による打ち抜きやレーザカッティングによって外形を加工して歪みゲージ５を完成させ、これを力変換器１の起歪部９に接着剤にて貼り付けることになる。

図１３に示すように、力変換器１の起歪部９の外周の力支持部３との境界部は力支持部３に対して徐々に厚みが増加する傾斜面Ｒを有して形成されることが多い。もしこの境界部を垂直な角部にすると、力導入部２に力が繰り返し加わることでこの角部にクラックが生じやすいため、これを防止する目的で角を丸めた傾斜面Ｒにて形成している。この境界部が垂直な角部であれば、歪みゲージの外形の直径寸法ｄ０を力支持部３の内径Ｄ１より極僅か小さくすることで比較的位置決めを容易にできる。しかしながら境界部に傾斜面Ｒがあることから位置が定まり難くなる。特に図１１に示すように抵抗パターン部１１を保護して覆うカバー材１２がある際には、総厚みが厚くなって傾斜面Ｒに沿わず、図１３に示すようにベース材１０が浮いてしまって接着されることが生じ、抵抗パターン部１１が起歪部９の弾性変形を正確に検出できず、力変換器の歪みの感度が低下してしまう恐れがあった。力変換器１の起歪部９と力支持部３の境界部は応力が最大となる領域であるため、可能な限り抵抗パターン部１１をこの境界部に近づけて配置するのが好ましい。

これに加えて抵抗パターン部１１の起歪部９に対する半径方向の位置ずれは歪みの感度の差を生じさせてしまうので、力導入部２の中心と抵抗パターン部１１の中心を高精度で合致させることは同時に必要である。故に、ベース材１０の浮きを防止するため余裕を持って抵抗パターン部１１を内側に設けて歪みの検出感度を犠牲にしたり、歪みゲージ５の貼直しをしたり、ということを従来行っていた。

本発明は、力変換器の起歪部への歪みゲージの貼り付けの位置誤差を低減しつつ、貼り付けを容易にして、かつ力変換器の歪みの感度の改善を図ることを課題としている。

本発明の力変換器は、
力が入力される略円柱状の力導入部と、
力導入部の外側に位置し、力導入部と同心円の円筒形状で力を支持する力支持部と、
力導入部と力支持部を繋いで環状にて形成され、力導入部の反対面側にて力支持部に向かって厚さが増すように形成された傾斜面を有する起歪部と、
略円形のベース材上にホイートストンブリッジ回路を構成する複数の抵抗パターン部が形成されて起歪部に貼り付けられる歪みゲージと、
を有する力変換器であって、
ベース材の外周部は、
力支持部の内壁面の直径と略同一寸法の円に接する突起部を備えた第１の区間と、
少なくともベース材の中心点を中心として抵抗パターン部が外周部の近傍に配置されている扇形の角度範囲を含み、起歪部側の傾斜面が始まる稜線の直径以下の領域を備えた第２の区間と、
を有することを特徴とする。

本発明の歪みゲージは、
力が入力される略円柱状の力導入部と、
力導入部の外側に位置し、力導入部と同心円の円筒形状で力を支持する力支持部と、
力導入部と力支持部を繋いで環状にて形成され、力導入部の反対面側にて力支持部に向かって厚さが増すように形成された傾斜面を有する起歪部と、
を有する力変換器の起歪部に貼り付けられる歪みゲージであって、
略円形のベース材上に形成されたホイートストンブリッジ回路を構成する複数の抵抗パターン部を有し、
ベース材の外周部は、
力支持部の内壁面の直径と略同一寸法の円に接する突起部を備えた第１の区間と、
少なくともベース材の中心点を中心として抵抗パターン部が外周部の近傍に配置されている扇形の角度範囲を含み、起歪部側の傾斜面が始まる稜線の直径以下の領域を備えた第２の区間と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、起歪部と力支持部の境界部に傾斜面を設けた力変換器において、歪みゲージの抵抗パターン部が起歪部への密着を保つようにして起歪部に貼ることが容易となり、故に起歪部に生じる歪みを安定して検出できる。また力導入部と複数の抵抗パターン部の位置合わせを容易にできるので高精度な力変換器を実現できる。

本発明の実施形態に係る力変換器の外観斜視図である。 本発明の実施形態に係る力変換器の底面開口図である。 本発明の実施形態に係る力変換器の歪みゲージ貼り付前の底面開口図である。 本発明の力変換器に好適な歪みゲージの第１の実施形態に係る平面図である。 本発明の力変換器に好適な歪みゲージの第２の実施形態に係る平面図である。 本発明の実施形態に係る力変換器に用いられる歪みゲージの配線図である。 本発明の実施形態に係る力変換器のＡＡ断面である。 本発明の実施形態に係る力変換器のＡＡ断面部分拡大詳細図である。 本発明の実施形態に係る力変換器のＢＢ断面である。 本発明の実施形態に係る力変換器のＢＢ断面部分拡大詳細図である。 従来の力変換器の底面開口図である。 従来の力変換器のＣＣ断面図である。 従来の力変換器のＣＣ断面拡大詳細図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の歪みゲージとこれを用いた力変換器について説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。

図１は、本発明の実施形態に係る力変換器１の外観斜視図であり、図２は本発明の実施形態に係る力変換器１を底面方向から見て底部を開口し、配線処理などを施す前の状態を表したものである。

力導入部２は突起した略円柱状であってこの天面に力が入力されるようになっている。力支持部３は力導入部２の外側で周囲を取り囲み、力導入部２と同心円の円筒形状をしていて、剛性が高く、入力された力を支持するものである。起歪部９は力導入部２と力支持部３を繋いで環状で薄肉に形成され、力が印加された際には起歪部９が弾性変形して歪みが生じる。また図８、図１０に示すように起歪部９は、力導入部２の反対面側にて力支持部３に向かって厚みが増すように形成された傾斜面Ｒを有していて、力支持部３に結合する傾斜面Ｒの終わりの箇所が起歪部９の端部と定義する。

歪みゲージ５は、力導入部２の反対側の起歪部９の薄肉部に接着剤にて貼り付けされるものである。したがって、力導入部２に力が入力された際には起歪部９は弾性変形して歪みが生じ、起歪部９に貼り付けられた歪みゲージ５の抵抗値変化から歪みを電気信号に変換することができる。ケーブル４は変換された電気信号を外部に取り出すと共に、歪みゲージ５を含むホイートストンブリッジ回路へ電源供給を行うためのものである。

図３は歪みゲージ５を起歪部９に貼り付ける前の力変換器１を、底面方向から見て底部を開口して表したものである。力支持部３は剛性の高い厚肉でできておりその内壁の直径がＤ１である。起歪部９は力支持部３との接続する部分近傍において、傾斜面Ｒが直径Ｄ２から始まり、力支持部３の内壁面の直径Ｄ１で終わる。したがって傾斜面Ｒが始まる箇所の稜線は直径Ｄ２の円である。

図４は、本発明の力変換器１に好適な歪みゲージ５の第１の実施形態の平面図である。歪みゲージ５は、積層構造になっていて、例えば電気的絶縁性能を有する厚み２５μｍのポリイミドフィルムの略円形の単一のベース材１０上に、銅５５％、ニッケル４５％合金で厚み２．５μｍの金属箔が貼られたものである。歪みゲージ５のベース材１０の外周には、外形が直径ｄ１の円弧の突起部１３を有する第１の区間Ｓ１と、直径ｄ２の円弧の第２の区間Ｓ２が存在する。

第２の区間Ｓ２はベース材１０の外周部付近に抵抗パターン部１１が配置されている位相角を含んだ区間であり、第１の区間Ｓ１は第２の区間Ｓ２以外の位相角に設けられている。なおベース材１０の外周で第１の区間Ｓ１と第２の区間Ｓ２以外の位相角の区間は、直径ｄ２以下の領域であれば良い。この配置の理由の詳細は図７〜図１０を用いて後述する。

抵抗パターン部１１は、歪みを検出するための折り返し往復形状のパターンであって、本実施形態では４箇所設けられている。電極部６は抵抗パターン部１１をケーブル４と繋いで電気的接続を行うものである。また調整用パッド８はレーザトリミング等によってその一部を切断することでこの歪みゲージ５の抵抗値を調整するために設けられている。カバー材１２は抵抗パターン部１１を保護するために、電極部６や調整用パッド８がある箇所を避けて、幅寸法がＷの帯形状で積層されていて、ベース材１０同様に厚み２５μｍのポリイミドフィルムを使用している。もちろんベース材１０、カバー材１２はポリイミドフィルムに限らずポリエチレンテレフタレートフィルムや、また金属箔も銅・ニッケル系に限らずニッケル・クロム系合金などであってもよい。また金属箔に限らず、スパッタ等による金属膜形成でも良い。

電極部６及び抵抗パターン部１１の配置は回転対称形である。なお、折り返し往復の形状をした各抵抗パターン部１１の最大感度方向は、それぞれこの歪みゲージ５の半径方向である。そしてこれら複数の抵抗パターン部は単一の基材であるベース材１０上に一体で形成されたものである。

またベース材１０及びカバー材１２を含めた歪みゲージ５の外形の切断加工は、金型による打ち抜きや、レーザによるカッティングにて行うことができる。

図５は、本発明の力変換器１に好適な歪みゲージ５の第２の実施形態の平面図である。第１の実施形態の歪みゲージ５とは外周の突起部１３ｂの形状が異なる。第１の実施形態では突起部１３の外周は直径ｄ１の円弧であったが、第２の実施形態の歪みゲージ５ｂでは直径ｄ１の円に接する円弧で構成されている。すなわち第１の実施形態同様に力支持部３の内壁面の円に接する寸法ｄ１で突起部１３ｂが設けられているため、位置決めを容易に行うことができる。またこの突起部の形状は、ベース材１０の材質、厚み、寸法ｄ１、外形加工方法などを考慮して種々変形が可能であり、最適なものが使用される。

図６はこの結線回路含んだホイートストンブリッジ回路を示したものである。したがって図４、図５における各抵抗パターン部１１がそれぞれＲ１〜Ｒ４に該当して構成されている。電源７により直流電圧が印加され、電極部６から各抵抗パターン部に加わった歪みによって変化した抵抗値によって変化する電圧が電気信号として出力される。前述のように、ケーブル４は電極部６各々と接続されて、この電圧出力信号及び電源７の配線を行っている。

図７は図２のＡＡ断面図であって、図８は図７の部分拡大詳細図である。いずれもベース材１０を含む歪みゲージ５の部分は厚みを誇張して描いてある。起歪部９において、力導入部２が形成されているのと反対側に位置した面には、歪みゲージ５が貼り付けられていて、そのベース材１０が起歪部９に面して貼り付けられてある。厳密には抵抗パターン部１１と繋がっている歪みゲージ５内部の配線部やカバー材１２の一部もこの断面図には存在するが、ここでは省略している。

図８に示すように、このＡＡ断面は、ベース材１０の直径がｄ１の突起部１３が存在する第１の区間Ｓ１であり、ベース材１０の中心点を中心としたこの扇形の角度範囲の外周近傍には抵抗パターン部１１は位置していない。この突起部１３は、起歪部９の傾斜面Ｒに位置して貼り付けされている。貼り付け工程は、力支持部３の内壁寸法Ｄ１と突起部１３の直径ｄ１を略同一寸法とすること、及び突起部１３にはカバー材１２を積層しないことで、歪みゲージ５における突起部１３の可撓性の低下がなく、突起部１３が傾斜面Ｒに沿うように貼り付け可能であり、位置精度を確保しつつ容易に行うことができる。

図９は図２のＢＢ断面図であって、図１０は図９の部分拡大詳細図である。ここでもベース材１０を含む歪みゲージ５の部分は厚みを誇張して描いてある。このＢＢ断面は、ベース材１０の直径がｄ２である第２の区間Ｓ２であり、この第２の区間Ｓ２は、抵抗パターン部１１がベース材１０の外周近傍に配置された領域の扇形の角度範囲を含んでいる。そしてこのベース材１０の直径ｄ２は傾斜面Ｒが始まる稜線の直径Ｄ２以下としている。そしてベース材１０に積層された抵抗パターン部１１は直径Ｄ２より小さな範囲に位置している。さらに抵抗パターン部１１を覆うカバー材１２はベース材１０と同じ直径ｄ２となっているが、抵抗パターン部１１を覆うのが目的であり、直径ｄ２以下でかつ抵抗パターン部１１を覆うことができれば良い。

実際の組立工程においては、歪みゲージ５の貼り付けは突起部１３で位置が決まるため、傾斜面Ｒが始まる稜線の直径Ｄ２とベース材１０の外周部直径ｄ２の位置のずれは少ない。したがって図１３に示すようなベース材１０が傾斜面Ｒに沿わずに浮いてしまい、ベース材１０と起歪部９との密着が低下する不良を防止できる。

なお、なおベース材１０の外周で第１の区間Ｓ１と第２の区間Ｓ２以外の扇形角度区間は、傾斜面Ｒを覆わなければ良く、直径ｄ２以下の領域内にあれば良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、ベース材１０の突起部１３の外周を力支持部３の内壁に接するようにして直径方向の位置決めのガイドとして使い、抵抗パターン部１１が設けられている近傍のベース材１０は起歪部９の傾斜面Ｒの開始稜線より小さくすることで浮きを防止し、位置決め精度を確保しつつ組立て性を向上させる力変換器を実現できる。

なお、本発明は、上述及び図面に示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形にて実施することが可能である。

本発明は、歪みゲージを使用したロードセルや圧力測定器に適用することができる。

１ 力変換器
２ 力導入部
３ 力支持部
４ ケーブル
５、５ｂ 歪みゲージ
６ 電極部
７ 電源
８ 調整用パッド
９ 起歪部
１０ ベース材
１１ 抵抗パターン部
１２ カバー材
１３、１３ｂ 突起部
Ｒ 傾斜面
Ｓ１ 第１の区間
Ｓ２ 第２の区間

Claims (2)

1. 力が入力される略円柱状の力導入部と、
   前記力導入部の外側に位置し、前記力導入部と同心円の円筒形状で力を支持する力支持部と、
   前記力導入部と前記力支持部を繋いで環状にて形成され、前記力導入部の反対面側にて前記力支持部に向かって厚さが増すように形成された傾斜面を有する起歪部と、
   略円形のベース材上にホイートストンブリッジ回路を構成する複数の抵抗パターン部が形成されて前記起歪部に貼り付けられる歪みゲージと、
   を有する力変換器であって、
   前記ベース材の外周部は、
   前記力支持部の内壁面の直径と略同一寸法の円に接する突起部を備えた第１の区間と、
   少なくとも前記ベース材の中心点を中心として前記抵抗パターン部が前記外周部の近傍に配置されている扇形の角度範囲を含み、前記起歪部側の前記傾斜面が始まる稜線の直径以下の領域を備えた第２の区間と、
   を有することを特徴とする力変換器。
2. 力が入力される略円柱状の力導入部と、
   前記力導入部の外側に位置し、前記力導入部と同心円の円筒形状で力を支持する力支持部と、
   前記力導入部と前記力支持部を繋いで環状にて形成され、前記力導入部の反対面側にて前記力支持部に向かって厚さが増すように形成された傾斜面を有する起歪部と、
   を有する力変換器の前記起歪部に貼り付けられる歪みゲージであって、
   略円形のベース材上に形成されたホイートストンブリッジ回路を構成する複数の抵抗パターン部を有し、
   前記ベース材の外周部は、
   前記力支持部の内壁面の直径と略同一寸法の円に接する突起部を備えた第１の区間と、
   少なくとも前記ベース材の中心点を中心として前記抵抗パターン部が前記外周部の近傍に配置されている扇形の角度範囲を含み、前記起歪部側の前記傾斜面が始まる稜線の直径以下の領域を備えた第２の区間と、
   を有することを特徴とする歪みゲージ。