特許 6569947 歪みゲージ及びこれを用いた力変換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6569947

(24)【登録日】2019年8月16日

(45)【発行日】2019年9月4日

(54)【発明の名称】歪みゲージ及びこれを用いた力変換器

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20190826BHJP

   G01L 3/10 20060101ALI20190826BHJP

【ＦＩ】

   G01B7/16 R

   G01L3/10 311

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-44310(P2016-44310)

(22)【出願日】2016年3月8日

(65)【公開番号】特開2017-161286(P2017-161286A)

(43)【公開日】2017年9月14日

【審査請求日】2018年9月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】591156799

【氏名又は名称】ユニパルス株式会社

(72)【発明者】

【氏名】長尾 武奈

(72)【発明者】

【氏名】野崎 照彦

【審査官】 眞岩 久恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−３１７７２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ７／００−７／３４

Ｇ０１Ｌ ３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

抵抗体によって形成された歪み検出用の折り返しパターン部と、
抵抗調整用の短絡調整パターン部と、を備えて剪断力を受けて変形する起歪体に配置される歪みゲージであって、
前記短絡調整パターン部は並列に配置されて選択的に切断される複数の抵抗配線を有し、
前記各抵抗配線は、前記各抵抗配線の始点と終点を結ぶ線分の垂線を対称軸線とした線対称の形状を少なくとも１つ以上有すると共に前記始点と前記終点を結ぶ線分及び前記対称軸線と各々交差する方向の成分を少なくとも一部に有し、
前記起歪体に加わる前記剪断力の方向と前記対称軸線とが略平行となるように、前記起歪体に配置されることを特徴とする歪みゲージ。

【請求項2】

並列に配置された前記各抵抗配線の配線幅が、それぞれ異なるものを含むことを特徴とする請求項１に記載の歪みゲージ。

【請求項3】

前記各抵抗配線が、前記対称軸線と交差する箇所を通過点としてそれぞれ、円弧状及び直線状の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１又は２に記載の歪みゲージ。

【請求項4】

前記各抵抗配線が、前記対称軸線と交差する箇所を通過点として９０度の角度を成しそれぞれ直線状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の歪みゲージ。

【請求項5】

剪断力を受けて変形する起歪体と、
前記起歪体に添着される請求項１から４のいずれか一項に記載の歪みゲージと、を有することを特徴とする力変換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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及びこれを用いた力変換器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、力変換器等に用いられて起歪部に設けられた歪みゲージは、歪みが加わることで抵抗値が変化する折り返しパターン部と端子部によってホイートストンブリッジ回路を形成し、印加電圧を加えることで、力変換器に加わる力によって生じる起歪部の歪みに比例した電圧が出力される。

【0003】

折り返しパターン部と端子部を有する歪みゲージの回路形成は、一例として絶縁ベース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。実際には、フォトリソグラフィにおける像の歪み、ボケ、レジスト形成時の現像時の薬品の不確定要素、金属箔のエッチング時のサイドエッチングのばらつきより、所望するパターン寸法に対して誤差が生じるため各端子部間の抵抗値がばらつくことになる。したがってホイートストンブリッジ回路の平衡状態を作り出すために、各端子部間の抵抗値調整が必要となる。実際の調整は例えば調整用パッドを折り返しパターン部と端子部の間に設け、レーザ光線照射によりトリミングすることで、抵抗値を調整しブリッジバランスを保つようにする手法が用いられてきた。

【0004】

この抵抗値調整用として、導電膜の間にあって選択的に切断される複数の並列に配置された抵抗配線パターンが特許文献１、特許文献２に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開昭５８−２０８６３３号公報

【特許文献2】国際公開第２０１４／１０７５９７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら特許文献１、及び特許文献２の発明で開示された歪みゲージは、歪みに対して高い感度を有する折り返しパターン部の最大感度方向と同じ向きに、選択的に切断される複数の平行の短絡調整パターン部が設けられている。このように短絡調整パターン部の配置を特に考慮していない歪みゲージを剪断応力の測定用として力変換器に使用した場合、選択的に切断される短絡調整パターン部内の複数の平行の抵抗配線が細い場合には歪を受けて抵抗値が変わってしまうことが顕著となって、切断前と切断後で歪みゲージ全体での歪みに対する感度が変わってしまうという問題があった。

【0007】

本発明は、抵抗値調整を行うための短絡調整パターン部が歪みの感度に対する影響を低減している歪みゲージ及びこれを用いた力変換器を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１に記載の歪みゲージは上記の目的を達成するため、
抵抗体によって形成された歪み検出用の折り返しパターン部と、
抵抗調整用の短絡調整パターン部と、を備えて剪断力を受けて変形する起歪体に配置される歪みゲージであって、
短絡調整パターン部は並列に配置されて選択的に切断される複数の抵抗配線を有し、
各抵抗配線は、各抵抗配線の始点と終点を結ぶ線分の垂線を対称軸線とした線対称の形状を少なくとも１つ以上有すると共に始点と終点を結ぶ線分及び対称軸線と各々交差する方向の成分を少なくとも一部に有し、
起歪体に加わる剪断力の方向と対称軸線とが略平行となるように、起歪体に配置されて構成されている。

【0009】

請求項２に記載の歪みゲージは上記の目的を達成するため、並列に配置された各抵抗配線の配線幅が、それぞれ異なるものを含むように構成されている。

【0010】

請求項３に記載の歪みゲージは上記の目的を達成するため、各抵抗配線が、対称軸線と交差する箇所を通過点としてそれぞれ、円弧状及び直線状の少なくとも１つであるように構成されている。

【0011】

請求項４に記載の歪みゲージは上記の目的を達成するため、各抵抗配線が、対称軸線と交差する箇所を通過点として９０度の角度を成しそれぞれ直線状であるように構成されている。

【0012】

請求項５に記載の力変換器は上記の目的を達成するため、
剪断力を受けて変形する起歪体と、
起歪体に添着される請求項１から４のいずれか一項に記載の歪みゲージとで構成されている。

【発明の効果】

【0013】

請求項１に記載の歪みゲージによれば、選択的に切断される短絡調整パターン部内の複数の並列の抵抗配線が剪断応力の方向と平行な線を中心として対称形であることから、剪断応力による短絡調整パターン部の抵抗値変化を低減した歪みゲージが実現できる。

【0014】

請求項２に記載の歪みゲージによれば、上記効果に加えて、選択的に切断される短絡調整パターン部内の複数の並列の抵抗配線の太さの種類を複数設けることで、抵抗調整の選択肢を増やした歪みゲージが実現できる。

【0015】

請求項３に記載の歪みゲージによれば、上記効果に加えて、選択的に切断される短絡調整パターン部内の複数の並列の抵抗配線の形状に自由度を持たせていることから、細線幅であっても大きな応力印加による導通不良を防止する短絡調整パターン部を設けた歪みゲージが実現できる。

【0016】

請求項４に記載の歪みゲージによれば、上記効果に加えて、選択的に切断される短絡調整パターン部内の複数の並列の抵抗配線が９０度の角度を成して対称形であってその対称軸線が剪断応力方向と一致していることから、短絡調整パターン部の剪断応力による抵抗値変化を極めて小さくした歪みゲージが実現できる。

【0017】

請求項５に記載の力変換器によれば、短絡調整パターン部の剪断応力による抵抗値変化を低減した歪みゲージを用いることで、高精度な力変換器を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る歪みゲージの平面図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る歪みゲージの短絡調整パターン部詳細拡大図である。

【図3】本発明の第２の実施形態に係る歪みゲージの短絡調整パターン部詳細拡大図である。

【図4】本発明の第３の実施形態に係る歪みゲージの短絡調整パターン部詳細拡大図である。

【図5】本発明の歪みゲージを用いた力変換器の一部断面斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、添付の図面を参照して、本発明の歪みゲージ及び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。

【0020】

図１は、本発明の第１の実施形態に係る歪みゲージの平面図である。歪みゲージ２は、ベースとなるフィルム基材上に抵抗体がパターン形成されていて、主として歪み検出用の折り返しパターン部２０１ａ、２０１ｂ、信号を取り出しや電源に接続されるための端子部２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、抵抗調整用の短絡調整パターン部２０３ａ、２０３ｂが左右対称形に設けられている。この歪みゲージ２は、最大感度方向が９０度の角度を成した折り返しパターン部２０１ａ、２０１ｂを１つのフィルム基材上に設けたものであって、例えば剪断力検出用の歪みゲージとして使用される。

【0021】

本実施形態ではベースとなるフィルム基材は例えばポリイミドフィルムであり、抵抗体は金属であって銅とニッケルの合金を使用している。なお必要に応じて抵抗体の一部を覆う保護層としてポリイミド絶縁層が塗布若しくは積層される場合がある。

【0022】

短絡調整パターン部２０３ａは、レーザトリミングよって選択的に切断がなされる箇所である。切断位置の特定は、位置出しマーク２０４ａと位置出しマーク２０５ａをカメラ等で認識してレーザトリミングを行うラインと、どのパターンを切断するかを割り出すことで行われる。短絡調整パターン部２０３ｂも、位置出しマーク２０４ｂと位置出しマーク２０５ｂによって短絡調整パターン部２０３ａと同様にレーザトリミングよって選択的に切断がなされる。

【0023】

レーザトリミング用のレーザは抵抗体である金属のトリミングに適した波長のレーザであって、例えばレーザから出力されたレーザ光はビームエキスパンダにてビームを所定の大きさに成形し、ガルバノスキャナを経てｆθレンズにて集光されて被加工物に照射されてレーザトリミングが行われる。

【0024】

図２は、本発明の第１の実施形態に係る歪みゲージ２の短絡調整パターン部２０３ａの部分の拡大詳細図である。短絡調整パターン部２０３ａは複数の抵抗配線が並列にて配置されたもので構成されている。抵抗配線（直線）２０６ｃは始点ＳＰから斜め方向に直線状に形成され、通過点ＰＰにて向きを変えて抵抗配線（直線）２０６ｄとなって終点ＥＰで合流となる。通過点ＰＰは始点ＳＰと終点ＥＰを結ぶ線分の垂直二等分線上にあって、抵抗配線（直線）２０６ｃと抵抗配線（直線）２０６ｄは始点ＳＰと終点ＥＰを結ぶ線分の垂直二等分線を対称軸線ＭＬとして対称形である。配線幅が同じ抵抗配線（直線）２０６ｃ及び抵抗配線（直線）２０６ｄが並列に設けられているのが図２の上側であって、下側にあるような配線幅を異なるようにした抵抗配線（直線）２０６ｅ及び抵抗配線（直線）２０６ｆを並列に配置すると、切断による抵抗値変化のバリエーションを作り出すことができる。

【0025】

この短絡調整パターン部２０３ａが受ける剪断力方向Ｔｘｙがこの対称軸線ＭＬと平行になるように歪みゲージ２を起歪体に配置すると、抵抗配線（直線）２０６ｃは引張応力、抵抗配線（直線）２０６ｄは圧縮応力を受けるように働き、双方で検出される歪は相殺されることになる。第１の実施形態では剪断力方向Ｔｘｙに対して抵抗配線（直線）２０６ｃ及び抵抗配線（直線）２０６ｄは４５度の角度で設けられていることから、相殺される効果は最大となる。

【0026】

図３は、本発明の第２の実施形態に係る歪みゲージの短絡調整パターン部の拡大詳細図である。抵抗配線（直線）２０６ｃと抵抗配線（直線）２０６ｄは第１の実施形態に加えて同一のパターンを１列追加している。すなわち３列の並列な抵抗が設けられたものであり、トリミング予定線ＴＬに沿って切断を２回行うことができるため、より細かいステップで抵抗の調整が可能となる。また抵抗配線（直線）２０７ｃと抵抗配線（直線）２０７ｄは、抵抗配線（直線）２０６ｃと抵抗配線（直線）２０６ｄと同じ線幅であるが、抵抗配線（直線）２０７ｅと抵抗配線（直線）２０７ｆのように線幅を変えることによって切断による抵抗値変化のバリエーションをさらに増加させることができる。

【0027】

図４は、本発明の第３の実施形態に係る歪みゲージの短絡調整パターン部の拡大詳細図である。抵抗配線（円弧）２０６ｇは始点ＳＰから半径Ｒの円弧で形成され、通過点ＰＰを通り、同じ半径Ｒの円弧の抵抗配線（円弧）２０６ｈにて終点ＥＰで合流となる。通過点ＰＰは始点ＳＰと終点ＥＰを結ぶ線分の垂直二等分線上にあって、抵抗配線（円弧）２０６ｇと抵抗配線（円弧）２０６ｈは始点ＳＰと終点ＥＰを結ぶ線分の垂直二等分線を対称軸線ＭＬとして対称形である。この円弧状のパターンの場合、第１の実施形態と比較すると剪断力の相殺効果は若干低くなるものの、通過点ＰＰ付近での応力が緩和されているので、大きな歪みを受ける歪みゲージに使用してパターン切断を防止することができる。

【0028】

すなわち、これらの抵抗配線は、始点ＳＰと終点ＥＰ結ぶ線分の垂線を対称軸線ＭＬとして線対称な形状であって、始点ＳＰと終点ＥＰ結ぶ線分及び対称軸線ＭＬと各々交差する方向の成分を少なくとも一部に有していれば良く、第１の実施形態の直線型と第３の実施形態の円弧型を組み合わせても良く、また直線型と円弧型を直列に配置したもの等の変形であっても良い。

【0029】

図５は本発明の歪みゲージを用いた力変換器の実施形態を示した一部断面斜視図である。本発明が適用される力変換器は例えばトルク検出器２０のような回転軸１に加わるトルク力を測定するものであって、不図示のモータと接続可能な、減速機を内蔵しており、ここでは一部の部材を除いた切断断面による斜視図にて表したものである。

【0030】

回転軸１は不図示のモータなどと繋がって、負荷側へ動力を伝達するものであり、その一部にねじれによって歪むように設けた回転軸起歪部１ａがあり、また回転軸鍔部１ｂが回転軸起歪部１ａ近傍に設けられている。回転軸１はカバー１８、１９に設けられたベアリング１５により回転自在となっている。

【0031】

歪みゲージ２は、回転軸起歪部１ａの円柱面に添着されていて、回転軸１のトルク発生に応じて変形する回転軸起歪部１ａの歪みを検出し、ホイートストンブリッジ回路の一部を構成している。歪みゲージ２は回転軸起歪部１ａの円柱面に、回転軸１の中心軸で対称になるように対向して４箇所に添着されていて、それぞれのなす角は９０度である。

【0032】

調整基板３は、回転軸鍔部１ｂに固着された単一の配線基板であって、円環状の一部を切り欠いた略Ｃの字形状をしていて、歪みゲージ２と電気的に接続されている。

【0033】

回転側回路基板４は円環状の形状であって、回転軸１の軸方向に回転軸鍔部１ｂに立てたれた支柱１４にて回転軸１に固定されていて、調整基板３や後述の２次側コイル１３からの配線がなされている。回転側回路基板４には、電源の整流回路、ホイートストンブリッジ回路から出力信号を増幅する増幅回路、これをデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路、そしてこれらを演算してトルク値として無線で送信する送信回路が搭載されている。

【0034】

固定側回路基板１６はカバー１８に固定されて回転側回路基板４に対向するように配置されていて、回転側回路基板４へ電源を供給する回路、回転側回路基板４からトルク値を受信する受信回路、受信したトルク値を外部に出力する出力回路を有している。固定側回路基板１６に搭載されたこれらの回路を総称して固定側回路と呼ぶものとする。

【0035】

１次側コア１０は固定側回路基板１６に取り付けられた１次側コアホルダ１７にはめ込まれて固定され、両側に突部を設けた断面コの字型の磁性体からなっている。１次側コア１０の突部間には１次側コイル１１が巻回されていて、コイルは固定側回路基板１６と繋がっている。

【0036】

一方回転軸１には２次側コア１２が回転軸１と同軸で設けられていて、２次側コイル１３がこの上に巻回されている。２次側コイル１３からの配線は支柱１４に沿ってなされ回転側回路基板４に接続されている。

【0037】

固定側回路基板１６内の回転側回路基板４へ電源を供給する回路はスイッチング回路であって交流に変換された電流を１次側コイル１１通電すると、交流磁界が発生し、この交流磁界が回転軸側の２次側コア１２に透過することで、２次側コイル１３に電流が誘起される。誘起された電流は回転側回路基板４内に設けられた整流回路を経て歪みゲージ２、回転側回路基板４内の増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路、送信回路に供給される。以上の仕組みをもって、回転軸１側に非接触で給電がなされる。

【0038】

実際のトルクの測定は、回転軸１にトルクが加わると、回転軸１の回転軸起歪部１ａがトルクの大きさに応じて歪み、この歪みの大きさは、歪みゲージ２の抵抗値の変化としてホイートストンブリッジ回路部より出力され、回転側回路基板４の増幅回路にて増幅された後このアナログ信号をＡ／Ｄ変換してデジタル化されて、固定側回路基板１６へトルク値として送信され、検出された歪みは電気信号に変換されることになる。

【0039】

以上説明したように、本実施形態による歪みゲージは剪断歪み変形による抵抗値変化の影響を低減する短絡調整パターン部を備えていることから、抵抗値調整による歪みの感度に対する影響が小さい歪みゲージを実現することができる。またこの歪みゲージを用いることで高精度な力変換器を提供することが可能となる。

【0040】

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、剪断歪み変形によって測定が行われるロードセルなどの力変換器に適用できるものであり、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。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明は、歪みゲージを使用した力変換器に適用することができる。

【符号の説明】

【0042】

１ 回転軸
１ａ 回転軸起歪部
１ｂ 回転軸鍔部
２ 歪みゲージ
３ 調整基板
４ 回転側回路基板
１０ １次側コア
１１ １次側コイル
１２ ２次側コア
１３ ２次側コイル
１４ 支柱
１５ ベアリング
１６ 固定側回路基板
１７ １次側コアホルダ
１８ カバー
１９ カバー
２０ トルク検出器

２０１ａ、２０１ｂ 折り返しパターン部
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ 端子部
２０３ａ、２０３ｂ 短絡調整パターン部
２０４ａ、２０４ｂ、２０５ａ、２０５ｂ 位置出しマーク
２０６ｃ、２０６ｄ 抵抗配線（直線）
２０７ｃ、２０７ｄ、２０７ｅ、２０７ｆ 抵抗配線（直線）
２０６ｇ、２０６ｈ 抵抗配線（円弧）
２０７ｇ、２０７ｈ 抵抗配線（円弧）

ＳＰ 始点
ＥＰ 終点
ＰＰ 通過点
ＴＬ トリミング予定線
ＭＬ 対称軸線
Ｔｘｙ 剪断力方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】