特開 2023-60796 荷重変換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023060796

(43)【公開日】2023-04-28

(54)【発明の名称】荷重変換器

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/22 20060101AFI20230421BHJP

【ＦＩ】

G01L1/22 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021204054

(22)【出願日】2021-12-16

(31)【優先権主張番号】P 2021170515

(32)【優先日】2021-10-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【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】小林 璋好

【テーマコード（参考）】

2F049

【Ｆターム（参考）】

2F049BA15

2F049CA01

(57)【要約】

【課題】小型で比較的小さな荷重を検出する密閉型の荷重変換器を提供することを課題としている。
【解決手段】荷重受部２ｂと、固定部２ａと、アーム２ｊとを有してロバーバル機構を構成し、荷重受部２ｂに加わる荷重を感歪抵抗体Ｇにて検出して電気信号に変換する荷重変換器であって、荷重受部２ｂは、可撓性のアーム２ｊによって固定部２ａに接続され、固定部２ａは、アーム２ｊと接続する隔壁２ｆに荷重を受けて弾性変形する起歪部２ｄを有し、感歪抵抗体Ｇは、隔壁２ｆを挟んでアーム２ｊに対向する起歪部２ｄに添着される。

【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷重受部と、固定部と、アームとを有してロバーバル機構を構成し、前記荷重受部に加わる荷重を感歪抵抗体にて検出して電気信号に変換する荷重変換器であって、
前記荷重受部は、可撓性の前記アームによって前記固定部に接続され、
前記固定部は、前記アームと接続する隔壁に前記荷重を受けて弾性変形する起歪部を有し、
前記感歪抵抗体は、前記隔壁を挟んで前記アームに対向する前記起歪部に添着される荷重変換器。

【請求項2】

荷重受部と、固定部と、アームとを有してロバーバル機構を構成し、前記荷重受部に加わる荷重を感歪抵抗体にて検出して電気信号に変換する荷重変換器であって、
前記固定部は、前記アームと接続する隔壁の少なくとも１部に前記荷重を受けて弾性変形する起歪部と、前記隔壁を壁として凹んだ形状の空洞部と、を有し、
前記感歪抵抗体は、前記隔壁を挟んで前記アームに対向する前記空洞部内の前記起歪部に添着され、
前記空洞部が、前記空洞部の開口を塞ぐ部材によって密閉空間が形成される荷重変換器。

【請求項3】

前記固定部は、前記空洞部内の前記隔壁から突出して、前記荷重により前記アームが変形する方向に平行な第１の梁と、前記第１の梁に交差する前記隔壁から突出した第２の梁とを有し、前記第１の梁が前記起歪部を含んでいる請求項２に記載の荷重変換器。

【請求項4】

前記アームの前記隔壁との接続部位の少なくとも一部は、前記第１の梁の幅よりも小さい幅で前記固定部へ接続されている請求項３に記載の荷重変換器。

【請求項5】

荷重受部と、固定部と、複数のアームとを有して、前記荷重受部に加わる荷重を感歪抵抗体にて検出して電気信号に変換する荷重変換器であって、
前記荷重受部は、前記荷重受部から放射状に複数配置された可撓性の前記各アームによって前記荷重受部の外周に位置する前記固定部に接続され、
前記固定部は、柱状であって、前記各アームと接続する隔壁に前記荷重を受けて弾性変形する起歪部と、前記隔壁を壁として凹んだ形状の空洞部と、を有し、
前記感歪抵抗体は、前記隔壁を挟んで前記各アームに対向する前記起歪部に添着される荷重変換器。

【請求項6】

前記固定部の外周側面と、前記空洞部と、前記固定部の前記外周側面を覆うカバーとで密閉空間が形成される請求項５に記載の荷重変換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷重を電気信号に変換する荷重変換器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、薄肉部を有するロバーバル機構である起歪体を備えた荷重変換器が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開2014－073110号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１の構成では、感歪抵抗体（歪みゲージ）はベース材上に形成され、ベース材は接着剤を介して薄肉部に添着され、荷重を受けた際には薄肉部の変形は大きいものの、歪の発生は小さいので比較的小さな荷重を精度良く検出するのが難しかった。

【0005】

このような問題に鑑みて、本発明は、比較的小さな荷重を精度良く検出する荷重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】

【0006】

上記の目的を達成するために、本発明の荷重変換器は、
荷重受部と、固定部と、アームとを有してロバーバル機構を構成し、荷重受部に加わる荷重を感歪抵抗体にて検出して電気信号に変換する荷重変換器であって、
荷重受部は、可撓性のアームによって固定部に接続され、
固定部は、アームと接続する隔壁に荷重を受けて弾性変形する起歪部を有し、
感歪抵抗体は、隔壁を挟んでアームに対向する起歪部に添着される。

【0007】

また、荷重受部と、固定部と、アームとを有してロバーバル機構を構成し、荷重受部に加わる荷重を感歪抵抗体にて検出して電気信号に変換する荷重変換器であって、
固定部は、アームと接続する隔壁の少なくとも１部に荷重を受けて弾性変形する起歪部と、隔壁を壁として凹んだ形状の空洞部と、を有し、
感歪抵抗体は、隔壁を挟んでアームに対向する空洞部内の起歪部に添着され、
空洞部が、空洞部の開口を塞ぐ部材によって密閉空間が形成される。

【0008】

また、固定部は、空洞部内の隔壁から突出して、荷重によりアームが変形する方向に平行な第１の梁と、第１の梁に交差する隔壁から突出した第２の梁とを有し、第１の梁が起歪部を含んでいる。

【0009】

また、アームの隔壁との接続部位の少なくとも一部は、第１の梁の幅よりも小さい幅で固定部へ接続されている。

【0010】

また、荷重受部と、固定部と、複数のアームとを有して、荷重受部に加わる荷重を感歪抵抗体にて検出して電気信号に変換する荷重変換器であって、
荷重受部は、荷重受部から放射状に複数配置された可撓性の各アームによって荷重受部の外周に位置する固定部に接続され、
固定部は、柱状であって、各アームと接続する隔壁に荷重を受けて弾性変形する起歪部と、隔壁を壁として凹んだ形状の空洞部と、を有し、
感歪抵抗体は、隔壁を挟んで各アームに対向する起歪部に添着される。

【0011】

また、固定部の外周側面と、空洞部と、固定部の外周側面を覆うカバーとで密閉空間が形成される。

【発明の効果】

【0012】

本発明の荷重変換器によれば、比較的小さな荷重を精度良く検出する荷重変換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図（図１（ａ））と、感歪抵抗体の詳細図（図１（ｂ）、図１（ｃ））である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の正面図（ａ）と、組み立て時の状態を表す正面図（ｂ）である。

【図3】本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。

【図4】本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の正面図である。

【図5】本発明の第３の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。

【図6】本発明の第３の実施形態に係る荷重変換器の側面図である。

【図7】本発明の第３の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。

【図8】本発明の第４の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。

【図9】本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。

【図10】本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の正面図（図１０（ａ））と側面図（図１０（ｂ））である。

【図11】本発明の第１から第５の実施形態に係る荷重変換器のホイートストンブリッジ回路とその周辺回路である。

【図12】本発明の第６の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。

【図13】本発明の第６の実施形態に係る荷重変換器の斜視断面構成図である。

【図14】本発明の第６の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。

【図15】本発明の第６の実施形態に係る荷重変換器の正面図である。

【図16】本発明の第７の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図（図１６（ａ））と、第８の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図（図１６（ｂ））である。

【図17】本発明の第６から第８の実施形態に係る荷重変換器のホイートストンブリッジ回路とその周辺回路である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態に係る荷重変換器について、図面を参照して説明する。

【0015】

図１は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器１ａの斜視構成図（図１（ａ））、感歪抵抗体Ｇの詳細図（図１（ｂ）、図１（ｃ））である。また図２（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器１ａの正面図である。荷重変換器１ａは、本体部２と、ケーブル３を含んで構成されている。

【0016】

本体部２は、荷重受部２ｂ、固定部２ａ、アーム２ｊを含んでいる。本体部２は、厚みｔの平板を加工したものである。荷重受部２ｂは、略直方体形状であって、マイナスｚ方向の荷重Ｐ１若しくはプラスｚ方向の荷重Ｐ２を受ける。一方、固定部２ａは２箇所の矩形の開口穴８を有する略直方体形状であって、４つの穴２ｉにボルトを挿入して荷重変換器１ａを構造物などに固定することができる。なお穴２ｉはネジ穴であっても良い。荷重受部２ｂと固定部２ａとは、２つのアーム２ｊで接続されている。この２つのアーム２ｊは可撓性を有したアームであって、ｘｙ平面に平行な平面に対して対称な形状で、特に荷重受部２ｂとの接続部位の半円弧部がｚ方向において薄肉になっている。したがって荷重受部２ｂと、固定部２ａと、アーム２ｊとで、所謂ロバーバル機構を構成している。そして固定部２ａは隔壁２ｆにて、アーム２ｊと接続されている。

【0017】

２箇所の矩形の開口穴８は、壁２ｋが側面壁である。そしてアーム２ｊに対向している隔壁２ｆのうちの一部が起歪部２ｄである。この起歪部２ｄの隔壁２ｆを挟んでアーム２ｊに対向する箇所には、感歪抵抗体Ｇが添着されている。この起歪部２ｄは、荷重受部２ｂに荷重Ｐ１若しくは荷重Ｐ２が加わった時に弾性変形して歪みを検出する起歪体の役割を成している。感歪抵抗体Ｇは例えば歪みゲージであるが、歪を検出するものであれば良くこれに限るものではない。なお本発明の各実施形態の図において、感歪抵抗体Ｇは誇張して描かれている。

【0018】

本実施形態では、感歪抵抗体Ｇは、感歪抵抗体Ｇａ、感歪抵抗体Ｇｂ、感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｄの４個が設けられている。そして感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄ、がそれぞれ同一の基材上に形成され（図１（ｂ）参照）、最大感度方向はｚ方向にて起歪部２ｄに添着されている。なお各感歪抵抗体Ｇは、必ずしも同一の基材上に形成されている必要はないが、感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄ、がそれぞれ同一の基材上に形成されることで、添着の工程数が少なくなる。また感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄを同一の基材上に形成することで、感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃとの距離の精度、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄとの距離の精度を高めることができるので、添着後の調整が簡素化される。また感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄを同一の基材上に形成して配線が共通となる電極を一体に形成することも可能であって（図１（ｃ）参照）、この場合配線の工数をさらに削減できる。

【0019】

なお２箇所の矩形の開口穴８の大きさは、感歪抵抗体Ｇを添着できるサイズであれば良い。

【0020】

次に感歪抵抗体Ｇの添着方法を図２（ｂ）にて説明する。例えば、本体部２を平板上に載置する。そして固定部２ａの矩形の開口穴８のｚ方向に僅かな隙間で嵌合する治具ブロック２ｖを用意し、この治具ブロック２ｖに感歪抵抗体Ｇを位置決め及び仮止めして開口穴にｙ方向で挿入する。次いでマイナスｘ方向に移動させ（図２（ｂ）の上側の開口穴８の部分を参照）、感歪抵抗体Ｇを起歪部２ｄへ接着剤を介して転写する。そして感歪抵抗体Ｇの接着後にこの治具ブロック２ｖをプラスｘ方向に退避させる（図２（ｂ）の下側の開口穴８の部分を参照）ことで行うことができる。治具ブロック２ｖの感歪抵抗体Ｇを仮止めする面には、感歪抵抗体Ｇの厚みを考慮した段差を設けることで感歪抵抗体Ｇを位置決めし、感歪抵抗体Ｇと治具ブロック２ｖとは微粘着のテーブなどで仮止めすることで、添着位置の精度を保つことが可能である。

【0021】

固定部２ａの一方の開口穴８へ、ケーブル３が挿通されている。そして固定部２ａの２箇所の矩形の開口穴８の中間部には、溝２ｑが設けられていて、感歪抵抗体Ｇを含むホイートストンブリッジ回路の配線路の役割を成している。

【0022】

なお本発明の第１の実施形態の本体部２は、ワイヤー放電加工またはレーザ加工によって形成可能であり、板厚ｔの板金を用いて安価にかつ容易に製作することができる。したがって感歪抵抗体Ｇの幅ｗ程度の厚みの板を本体部２に用いることが可能であって、狭いスペースに極めて小さな荷重を検出するこの荷重変換器１ａを組み込むことも可能である。さらにこの荷重変換器１ａを厚み方向に複数枚重ねて使用することで、ローラなどの表面粗さの管理測定に使用することも可能である。

【0023】

図３は本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器１ｂの斜視構成図である。また図４は本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器１ｂの正面図である。荷重変換器１ｂは、本体部２と、ケーブル３を含んで構成されている。

【0024】

本体部２は、荷重受部２ｂ、固定部２ａ、アーム２ｊを含んでいる。荷重受部２ｂは、略直方体形状であって、マイナスｚ方向の荷重Ｐ１若しくはプラスｚ方向の荷重Ｐ２を受ける。一方、固定部２ａは空洞部を有する略直方体形状であって、穴２ｉにボルトを挿入して荷重変換器１ｂを構造物などに固定することができる。荷重受部２ｂと固定部２ａとは、２つのアーム２ｊで接続されている。この２つのアーム２ｊは可撓性を有したアームであって、ｘｙ平面に平行な平面に対して対称な形状で、半円弧部がｚ方向において薄肉になっている。したがって荷重受部２ｂと、固定部２ａと、アーム２ｊとで、所謂ロバーバル機構を構成している。アーム２ｊは、幅方向すなわちｙ方向に比較的厚肉部分のアーム２ｊからの延伸部と、これより比較的薄肉部分の薄肉部２ｃとで固定部２ａに接続されている。

【0025】

固定部２ａには、凹形状の空洞部７が設けられている。この空洞部７内の隔壁２ｆの一部には起歪部２ｄがｚ方向に設けられている。空洞部７は壁２ｕを底部とし、壁２ｋを側壁としたものである。

【0026】

起歪部２ｄには感歪抵抗体Ｇが添着されていて、荷重受部２ｂに荷重Ｐ１若しくは荷重Ｐ２が加わった時に弾性変形して歪みを検出する起歪体の役割を成している。本実施形態では、感歪抵抗体Ｇは、感歪抵抗体Ｇａ、感歪抵抗体Ｇｂ、感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｄの４個が設けられている。そして感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄ、がそれぞれ同一の基材上に形成されて、起歪部２ｄに添着されている。感歪抵抗体Ｇは、この空洞部７に配置されている。したがって感歪抵抗体Ｇを含むホイートストンブリッジ回路の配線はこの空洞部７に納めることが容易で、ケーブル３にて外部との信号の送受信が可能となる。さらに感歪抵抗体Ｇａ、感歪抵抗体Ｇｂ、感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｄの４個全てを１つの基材上に形成してもよい。

【0027】

なお空洞部７の大きさは、感歪抵抗体Ｇを添着できるサイズであれば良い。感歪抵抗体Ｇの添着は、第１の実施形態による添着方法とほぼ同じである。例えばこの空洞部７のｚ方向に僅かな隙間で嵌合する治具ブロック２ｖを用意し、この治具ブロック２ｖに感歪抵抗体Ｇを位置決め装着して仮止めして開口穴にｙ方向で挿入し、次いでマイナスｘ方向に移動させ感歪抵抗体Ｇを起歪部２ｄへ接着剤を介して転写することで容易に行うことができる。この時、壁２ｕが治具ブロック２ｖのｙ方向のストッパーとなることから、本体部２を必ずしも平板上に載置する必要はなく、組み立て性に優れる。また空洞部７は１面だけが開口され、５面（壁２ｕ、壁２ｋ、起歪部２ｄ）には壁が存在するため、固定部２ａの剛性は高く、薄肉部２ｃの幅Ｗａや形状を適宜変更することで、荷重変換器１ｂは低荷重から高荷重まで幅広い計測範囲を可能にしている。

【0028】

図５は本発明の第３の実施形態に係る荷重変換器１ｃの斜視構成図である。荷重変換器１は、本体部２と、ケーブル３、コネクタ４を含んで構成されている。

【0029】

本体部２は、荷重受部２ｂ、固定部２ａ、アーム２ｊを含んでいる。荷重受部２ｂは、略直方体形状であって、マイナスｚ方向の荷重Ｐ１若しくはプラスｚ方向の荷重Ｐ２を受ける。一方、固定部２ａは空洞部を有する略直方体形状であって、穴２ｉにボルトを挿入して荷重変換器１をプラスｘ方向にある構造物などに固定することができる。荷重受部２ｂと固定部２ａとは、２つのアーム２ｊで接続されている。この２つのアーム２ｊは可撓性を有したアームであって、ｘｙ平面に平行な平面に対して対称な形状で、半円弧部がｚ方向において薄肉になっている。したがって荷重受部２ｂと、固定部２ａと、アーム２ｊとで、所謂ロバーバル機構を構成している。そして固定部２ａとアーム２ｊは破線で囲まれた接続部位２ｍで接続されている。すなわち固定部２ａは隔壁２ｆにて、アーム２ｊと接続されている。接続部位２ｍのアーム２ｊ側は、幅方向すなわちｙ方向に比較的厚肉部分のアーム２ｊからの延伸部と、これより比較的薄肉部分の薄肉部２ｃとで固定部２ａに接続されている。

【0030】

図６は、本発明の第３の実施形態に係る荷重変換器１ｃの側面図であって空洞部内を表した構成図である。固定部２ａの接続部位２ｍには、アーム２ｊが接続されている側と反対側には、凹んだ形状の空洞部７が設けられている。この空洞部７内の隔壁２ｆから１部にて突出した起歪部（第１の梁）２ｄがｚ方向に設けられている。そして起歪部（第１の梁）２ｄと直交に交差して第２の梁２ｅがｙ方向に設けられている。起歪部２ｄには感歪抵抗体Ｇが添着されていて、荷重受部２ｂに荷重Ｐ１若しくは荷重Ｐ２が加わった時に弾性変形して歪みを検出する起歪体の役割を成している。また上述の薄肉部２ｃのｙ方向の幅Ｗａは、起歪部２ｄのｙ方向の幅Ｗｄより小さく設けられている。第２の梁２ｅは、荷重受部２ｂにｙ方向の成分の荷重が加わった時に起歪部（第１の梁）２ｄのｙ方向の変形を防ぐように設けられている。そして起歪部（第１の梁）２ｄと第２の梁２ｅのｘ方向の厚みは、隔壁２ｆよりも厚い。起歪部（第１の梁）２ｄ、第２の梁２ｅの厚みあるいは断面形状の設定によって、起歪部（第１の梁）２ｄの撓みの度合いを調整して、検出する歪みの範囲を設定することが可能となる。また上述の薄肉部２ｃのｙ方向の幅Ｗａは、起歪部（第１の梁）２ｄのｙ方向の幅Ｗｄより小さく設けられる。薄肉部２ｃによって、荷重による変形を隔壁２ｆにできるだけ起こさずに、荷重による変形がなるべく起歪部（第１の梁）２ｄのみに現れるようにすることもできる。

【0031】

そして隔壁２ｆと、起歪部（第１の梁）２ｄと、第２の梁２ｅと、壁２ｋと、で空洞部が画定されている。感歪抵抗体Ｇからの配線は、コネクタ４を経由してケーブル３に繋がっている。コネクタ４は固定部２ａに密着して取り付けられていて、液体や気体を通さない構造のものが使用される。なおコネクタ４を省略して、直にケーブル３を出す構造であっても良い。

【0032】

本実施形態では、感歪抵抗体Ｇは、感歪抵抗体Ｇａ、感歪抵抗体Ｇｂ、感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｄの４個が設けられている。そして感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄ、がそれぞれ同一の基材上に形成されて、起歪部（第１の梁）２ｄに添着されている。なお各感歪抵抗体Ｇは、必ずしも同一の基材上に形成されている必要はないが、感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄ、がそれぞれ同一の基材上に形成されることで、添着の工程数が少なくなる。また感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄをそれぞれ同一の基材上に形成することで、感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃとの距離の精度、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄとの距離の精度を高めることができるので、添着後の調整が容易になる。また感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄをそれぞれ同一の基材上に形成した時、配線が共通となる電極を一体に形成することが可能となり、配線の工数を削減できる。これは図１（ｂ）及び図１（ｃ）で説明した通りである。さらに感歪抵抗体Ｇａ、感歪抵抗体Ｇｂ、感歪抵抗体Ｇｃ、感歪抵抗体Ｇｄの４個全てを１つの基材上に形成してもよい。

【0033】

図７は、本発明の第３の実施形態に係る荷重変換器１ｃの斜視構成図である。図７（ａ）は、固定部２ａの空洞部７の開口を塞ぐ前の荷重変換器の斜視構成図であって、図７（ｂ）は、固定部２ａの空洞部７の開口を塞いだ後の荷重変換器の斜視構成図である。図７（ａ）において、固定部２ａの空洞部７の縁には、段差となっている段部２ｇが設けられている。空洞部７内の配線処理及び調整が終わった段階で、カバー５を段部２ｇに嵌め込み全周を溶接によって固定し、空洞部７を密閉空間にすることができる（図７（ｂ））。なお後述の図１１における、増幅器１０、アナログ／デジタル変換器１１、ＣＰＵ１２を実装した実装基板をこの空洞部７に入れてカバー５を固定して開口を塞ぎ空洞部７を密閉空間にしても良い。

【0034】

図８は、本発明の第４の実施形態に係る荷重変換器１ｄの斜視構成図である。本発明の第４の実施形態に係る荷重変換器１ｄの荷重受部２ｂ、アーム２ｊ、空洞部７などは第３の実施形態と同じであるが、空洞部７の開口を塞ぐ仕組みが異なる。図８は、固定部２ａの空洞部７の開口を塞ぐ前の荷重変換器の斜視構成図である。図８において、固定部２ａの空洞部７の外周には、溝部２ｈが設けられている。そして溝部２ｈにはＯリング６が嵌め込まれている。空洞部７内の配線処理及び調整が終わった段階で、４箇所の穴２ｉに荷重受部２ｂ側からボルトを挿入して、荷重変換器１ｄを図示しない構造物に取り付け、開口部を塞ぎ空洞部７を密閉空間にすることができる。なお穴２ｉをネジ穴として、図示しない構造物側からボルトを挿入して、荷重変換器１ｄを構造物に固定しても良い。また後述の図１１における、増幅器１０、アナログ／デジタル変換器１１、ＣＰＵ１２を実装した実装基板をこの空洞部７に入れて構造物にて開口を塞ぎ密閉空間にしても良い。また本発明の第３の実施形態と第４の実施形態の複合で構成して２重に密閉して密閉度を高めるようにしても良い。

【0035】

図９は、本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器１ｅの斜視構成図である。本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器１ｅの荷重受部２ｂ、アーム２ｊ、などは第３の実施形態と同じであるが、固定部２ａ及び空洞部７の形状が異なる。

【0036】

図９（ａ）はカバー５にて荷重変換器１ｅの空洞部７の開口部を閉じる前の状態であって、図９（ｂ）はカバー５にて空洞部７の開口部を閉じた後の状態である。本発明の第５の実施形態では、固定部２ａのｙ方向幅が荷重受部２ｂ及びアーム２ｊと同一であって、第２の実施形態の変形である。固定部２ａの空洞部７は、起歪部２ｄ、壁２ｋで画定されている。

【0037】

図１０（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器１ｅの正面図であって、図１０（ｂ）は側面図である。感歪抵抗体Ｇの配置は、第２の実施形態と同様である。そして感歪抵抗体Ｇは空洞部７の奥深い起歪部２ｄの面に添着されるが、これも壁２ｋに沿って僅かな隙間で摺動可能な長円断面の柱状の治具ブロック２ｖを、マイナスｘ方向に挿入して添着することで実施できる。

【0038】

本発明の第３の実施形態、第４の実施形態、第５の実施形態による荷重変換器によれば、荷重受部と、固定部と、アームとで、ロバーバル機構を構成するものの、感歪抵抗体を含めた電装系は固定部内の密閉空間に収納されているので、水のかかる場所での使用が可能である。さらに感歪抵抗体の添着や配線の固定に用いる接着剤による揮発ガスが、荷重変換器から拡散することも抑えられるため、半導体設備などでの使用も可能となる。

【0039】

また、ロバーバル機構のアームの部分に感歪抵抗体を設ける構成ではないことから、密閉部材により起歪部の動きを阻害することがない。そして密閉型の荷重変換器でありながら例えば１～１０Ｎ程度の比較的小さな荷重を検出することが可能となる。そして基本的にはロバーバル機構であることから、荷重の印加位置による検出誤差が極めて少ない構成である。

【0040】

さらに起歪部（第１の梁）２０ｄ及び起歪部２ｄは、荷重を受けても容易に変形しない固定部２ａ内であることから、カバー５を溶接などで固着しても影響は受け難い構造である。

【0041】

図１１は本発明の第１～第５の実施形態に係る荷重変換器のホイートストンブリッジ回路とその周辺回路である。ホイートストンブリッジ回路において、感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｂとが、感歪抵抗体Ｇｃと感歪抵抗体Ｇｄとが、それぞれ向かい合う辺に配置されている。荷重受部２ｂに荷重Ｐ２が印加された時には、感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｂとには引張歪み、感歪抵抗体Ｇｃと感歪抵抗体Ｇｄとには圧縮歪みを受けることから、向かい合う辺には歪みが同種となる感歪抵抗体が配置されている。一方、荷重受部２ｂに荷重Ｐ１が印加された時には、感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｂとには圧縮歪み、感歪抵抗体Ｇｃと感歪抵抗体Ｇｄとには引張歪みを受けることになる。

【0042】

ホイートストンブリッジ回路において、感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｃとの交点Ｔ１と、感歪抵抗体Ｇｂと感歪抵抗体Ｇｄとの交点Ｔ３には電源Ｅから所定の電圧が印加されている。一方、感歪抵抗体Ｇｃと感歪抵抗体Ｇｂとの交点Ｔ２と、感歪抵抗体Ｇａと感歪抵抗体Ｇｄとの交点Ｔ４とから、検出される歪みに応じた電気信号としてのブリッジ電圧の出力（＋ＳＩＧ、―SIG）がなされる。ブリッジ電圧出力は増幅器１０で増幅され、次いでアナログ／デジタル変換器１１でデジタル信号に変換され、さらにＣＰＵ１２（Central Processing Unit）にて荷重が演算される。なお増幅器１０、アナログ／デジタル変換器１１、ＣＰＵ１２は図示しないプリント配線板上に実装されている。

【0043】

図１２は本発明の第６の実施形態に係る荷重変換器２１の斜視構成図である。荷重変換器２１は、本体部２０と、ケーブル３、コネクタ４を含んで構成されている。

【0044】

本体部２０は、固定部２０ａと、荷重受部２０ｂと、アーム２０ｊａと、アーム２０ｊｂとを含んでいる。荷重受部２０ｂは略円柱形状であって、マイナスｚ方向の荷重Ｐ１若しくはプラスｚ方向の荷重Ｐ２を受ける。荷重受部２０ｂの端部にはネジ穴が設けられ、荷重を発生又は伝達させるものに接続される。一方、固定部２０ａは荷重受部２０ｂと離間した外周にあって、荷重受部２０ｂを取り囲む中空円筒形状である。荷重変換器２１は穴２０ｉにボルトを挿入して本体部２０を構造物などに固定して使用することができる。荷重受部２０ｂと固定部２０ａとは、平板状のアーム２０ｊａ、アーム２０ｊｂで接続されている。３本のアーム２０ｊａは、荷重受部２０ｂの中心軸回りに放射状に１２０度の間隔で、荷重受部２０ｂを固定部２０ａへ連結している。さらに３本のアーム２０ｊｂは、３本のアーム２０ｊａよりもｚ軸方向でマイナス側に配置され、３本のアーム２０ｊａと荷重受部２０ｂの中心軸回りに放射状にそれぞれ６０度ずらした位置にて荷重受部２０ｂを固定部２０ａへ連結している。アーム２０ｊａ及びアーム２０ｊｂはそれぞれ、幅方向すなわち荷重受部２０ｂの中心軸回りでは円周方向で円弧状にて細くなる箇所がある。またアーム２０ｊａ及びアーム２０ｊｂは、荷重受部２０ｂ及び固定部２０ａと接続する箇所ではその幅が滑らかに太くなってそれぞれ固定部２０ａと接続されている。固定部２０ａは中空円筒形状に限らず、中空の多角柱などであっても良い。荷重受部２０ｂも円柱形状に限らず、多角柱などであっても良い。

【0045】

図１３は本発明の第６の実施形態に係る荷重変換器２１の斜視断面構成図であって、図１２において荷重受部２０ｂの中心軸線を含むｙｚ平面で切断した図である。アーム２０ｊａ及びアーム２０ｊｂは、荷重受部２０ｂの近傍にて半円弧形でｚ方向に薄肉となっている。そして、アーム２０ｊａと固定部２０ａ、アーム２０ｊｂと固定部２０ａの接続部分に起歪部２０ｄが設けられている。

【0046】

起歪部２０ｄには感歪抵抗体Ｇが添着されている。感歪抵抗体Ｇは例えば歪みゲージであるが、歪を検出するものであれば良くこれに限るものではない。また固定部２０ａの外周側面にはカバー５０が取り囲むように配置されている。固定部２０ａとカバー５０との間には空洞部７が形成され、固定部２０ａの鍔２０ｎにはめ込まれたＯリング６によって気密が保たれる構造である。

【0047】

図１４は本発明の第６の実施形態に係る荷重変換器２１の内部の構造を示す斜視図である。固定部２０ａに設けられた起歪部２０ｄはｚ方向に伸びる梁であって、その両隣には隔壁２０ｆが配置されている。隔壁２０ｆの肉厚は、起歪部２０ｄの肉厚よりも薄く形成されている。そして固定部２０ａの起歪部２０ｄの周囲は壁２０ｋに囲まれた凹形状である。ゆえに隔壁２０ｆと、起歪部２０ｄと、壁２０ｋと、固定部壁２０ｐと、鍔２０ｎと、Ｏリング６と、カバー５０とで空洞部７が画定されている。

【0048】

また上段のアーム２０ｊａに接続する起歪部２０ｄには、感歪抵抗体Ｇ１が、下段のアーム２０ｊｂに接続する起歪部２０ｄには、感歪抵抗体Ｇ２が、それぞれ添着されている。

【0049】

図１５は本発明の第６の実施形態に係る荷重変換器２１の内部の構造を示し、図１２において荷重変換器２１をプラスｚ方向に見た正面図である。上段に位置する起歪部２０ｄには、感歪抵抗体Ｇ１ａと感歪抵抗体Ｇ１ｄが、感歪抵抗体Ｇ１ｂと感歪抵抗体Ｇ１ｅが、感歪抵抗体Ｇ１ｃと感歪抵抗体Ｇ１ｆが、それぞれ同一の基材上に形成されて添着されている。なお感歪抵抗体Ｇ１ｃと感歪抵抗体Ｇ１ｆとは背面に位置しているので現れないが、感歪抵抗体Ｇ１ｃ及び感歪抵抗体Ｇ１ｆの組み合わせは、感歪抵抗体Ｇ１ａ及び感歪抵抗体Ｇ１ｄの組み合わせと同様である。そして感歪抵抗体Ｇ１ａと感歪抵抗体Ｇ１ｂと感歪抵抗体Ｇ１ｃとが、ｚ方向位置では同一であって、感歪抵抗体Ｇ１ｄと感歪抵抗体Ｇ１ｅと感歪抵抗体Ｇ１ｆとが、ｚ方向位置では同一である。

【0050】

一方下段に位置する起歪部２０ｄには、感歪抵抗体Ｇ２ａと感歪抵抗体Ｇ２ｄが、感歪抵抗体Ｇ２ｂと感歪抵抗体Ｇ２ｅが、感歪抵抗体Ｇ２ｃと感歪抵抗体Ｇ２ｆが、それぞれ同一の基材上に形成されて添着されている。なお感歪抵抗体Ｇ２ｂ及び感歪抵抗体Ｇ２ｅ、感歪抵抗体Ｇ２ｃ及び感歪抵抗体Ｇ２ｆは背面に位置しているので現れないが、感歪抵抗体Ｇ２ａと感歪抵抗体Ｇ２ｂと感歪抵抗体Ｇ２ｃとが、ｚ方向位置では同一であって、感歪抵抗体Ｇ２ｄと感歪抵抗体Ｇ２ｅと感歪抵抗体Ｇ２ｆとが、ｚ方向位置では同一である。

【0051】

第６の実施形態では、隔壁２０ｆと、起歪部２０ｄと、壁２０ｋと、固定部壁２０ｐと、鍔２０ｎと、Ｏリング６と、をカバー５０で覆うことで空洞部７が画定されていて、空洞部７の気密は保たれている。空洞部７には、感歪抵抗体や配線などが収納されて、配線はケーブル３にて外部へ引き出されることから、水のかかる場所での使用が可能である。さらに感歪抵抗体の添着や配線の固定に用いる接着剤による揮発ガスが、荷重変換器から拡散することも抑えられるため、半導体設備などでの使用も可能となる。

【0052】

図１６（ａ）と図１６（ｂ）はそれぞれ本発明の第７及び第８の実施形態に係る荷重変換器の内部の構造を示す斜視図である。第７及び第８の実施形態の荷重変換器は、感歪抵抗体Ｇや起歪部２ｄの位置等の構成は第６の実施形態と同じであるが、固定部壁２０ｐの形状が異なる。第６の実施形態の荷重変換器では、固定部２０ａの鍔２０ｎよりも固定部壁２０ｐの半径方向の寸法が小さかったが、第７及び第８の実施形態の荷重変換器においては同一寸法である。

【0053】

そして本発明の第７の実施形態の荷重変換器では、上段及び下段の空洞部７とのｚ方向の中間部に溝２０ｑが、全周に渡って設けられている。各感歪抵抗体Ｇの配線は、この溝２０ｑに沿って行うことができる。配線を溝２０ｑに沿って行うことで配線作業が容易となり、また固定部２０ａの半径方向の肉厚が大きく剛性を高めることが可能である。

【0054】

一方、本発明の第８の実施形態の荷重変換器では、上段の空洞部７のｚ方向略中央に溝２０ｓが、下段の空洞部７のｚ方向略中央に溝２０ｒが、全周に渡ってそれぞれ設けられている。さらに上段の溝２０ｓと下段の空洞部７とを繋ぐために溝２０ｔが設けられている。したがって第７の実施形態の荷重変換器と同様に、配線を溝２０ｓ及び溝２０ｒに沿って行うことで配線作業が容易となり、また固定部２０ａの半径方向の肉厚を大きくして剛性を高めることが可能である。

【0055】

第７の実施形態の荷重変換器では、隔壁２０ｆと、起歪部２０ｄと、壁２０ｋと、固定部壁２０ｐと、鍔２０ｎと、Ｏリング６と、溝２０ｑと、をカバー５０で覆うことで空洞部７が画定されていて、空洞部７の気密は保たれている。第８の実施形態の荷重変換器では、隔壁２０ｆと、起歪部２０ｄと、壁２０ｋと、固定部壁２０ｐと、鍔２０ｎと、Ｏリング６と、溝２０ｒと、溝２０ｓと、をカバー５０で覆うことで空洞部７が画定されていて、空洞部７の気密は保たれている。

【0056】

さらに起歪部２０ｄは、荷重を受けても容易に変形しない部分に囲まれていることから、鍔２０ｎに設けたＯリング６の代わりにカバー５０を溶接などで固着しても良いし、またこれらを併用しても良い。

【0057】

図１７は本発明の第６～第８の実施形態に係る荷重変換器のホイートストンブリッジ回路とその周辺回路である。ホイートストンブリッジ回路において、感歪抵抗体Ｇ１ａと感歪抵抗体Ｇ１ｂと感歪抵抗体Ｇ１ｃとが、同じ辺Ａに配置されている。また感歪抵抗体Ｇ２ａと感歪抵抗体Ｇ２ｂと感歪抵抗体Ｇ２ｃとが、同じ辺Ｂに配置され、辺Ａと辺Ｂはホイートストンブリッジ回路において向かい合う辺である。同様に、感歪抵抗体Ｇ１ｄと感歪抵抗体Ｇ１ｅと感歪抵抗体Ｇ１ｆとが、同じ辺Ｃに配置されている。また感歪抵抗体Ｇ２ｄと感歪抵抗体Ｇ２ｅと感歪抵抗体Ｇ２ｆとが、同じ辺Ｄに配置され、辺Ｃと辺Ｄはホイートストンブリッジ回路において向かい合う辺である。

【0058】

図１５に示すように、荷重受部２ｂにマイナスｚ方向の荷重Ｐが印加された時には、感歪抵抗体Ｇ１ａ～Ｇ１ｃと、感歪抵抗体Ｇ２ａ～Ｇ２ｃとには圧縮歪みが、感歪抵抗体Ｇ１ｄ～Ｇ１ｆと、感歪抵抗体Ｇ２ｄ～Ｇ２ｆと、には引張歪みを受けることから、向かい合う辺には歪みが同種となる感歪抵抗体が配置されている。この第６～第８の実施形態の荷重変換器の荷重受部２ｂは、マイナスｚ方向の荷重Ｐのみならず、プラスｚ方向の荷重も受けることができる構造であり、プラスｚ方向の荷重を受けた場合は、各感歪抵抗体が検出する歪は逆になる。ブリッジ電圧出力以降の構成は、図１１の構成と同じであるので省略する。

【0059】

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0060】

本発明の活用例として、半導体製造装置等への適用が可能である。

【符号の説明】

【0061】

１ ：荷重変換器
２ ：本体部
２ａ ：固定部
２ｂ ：荷重受部
２ｃ ：薄肉部
２ｄ ：起歪部（第１の梁）
２ｅ ：第２の梁
２ｆ ：隔壁
２ｇ ：段部
２ｈ ：溝部
２ｉ ：穴
２ｊ ：アーム
２ｋ ：壁
２ｍ ：接続部位
２ｑ ：溝
２ｕ ：壁
２ｖ ：治具ブロック
３ ：ケーブル
４ ：コネクタ
５ ：カバー
６ ：Ｏリング
７ ：空洞部
８ ：開口穴
１０ ：増幅器
１１ ：アナログ／デジタル変換器
１２ ：ＣＰＵ
２０ ：本体部
２０ａ ：固定部
２０ｂ ：荷重受部
２０ｄ ：起歪部（第１の梁）
２０ｆ ：隔壁
２０ｉ ：穴
２０ｊａ ：アーム
２０ｊｂ ：アーム
２０ｋ ：壁
２０ｎ ：鍔
２０ｐ ：固定部壁
２０ｑ ：溝
２０ｒ ：溝
２０ｓ ：溝
２０ｔ ：溝
２１ ：荷重変換器
５０ ：カバー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】