特許 7339619 荷重変換器

(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】

(24)【登録日】2023-08-29

(45)【発行日】2023-09-06

(54)【発明の名称】荷重変換器

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/22 20060101AFI20230830BHJP

   G01L 1/26 20060101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

G01L1/22 F

G01L1/26 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019184388

(22)【出願日】2019-10-07

(65)【公開番号】P2021060267

(43)【公開日】2021-04-15

【審査請求日】2022-09-15

(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】西村 充貴

(72)【発明者】

【氏名】長尾 武奈

(72)【発明者】

【氏名】嶋本 篤

【審査官】岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５９－３２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－２０８４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第６４８６６７９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】中国特許出願公開第１０６６７９７７７（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／００－ １／２６

Ｇ０１Ｌ ５／００－ ５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

起歪部と、感歪抵抗体と、電極部とを有する荷重変換器であって、
前記起歪部は、荷重を導入する荷重導入部及び前記荷重を受ける荷重受け部と一体で設けられて前記荷重の導入によって弾性変形する導電材料で構成され、
前記感歪抵抗体は、前記起歪部に設けられて前記起歪部に生ずる歪みを検出し、
前記電極部は、前記感歪抵抗体を含んで構成されるホイートストンブリッジ回路から増幅器へ出力する配線から分岐して設けられ、前記荷重導入部、前記起歪部及び前記荷重受け部の少なくとも１つに誘電体を介して対向するパターンを有し、前記パターンは平面視でその面積をレーザトリミングによって調整可能である荷重変換器。

【請求項2】

前記荷重受け部は中空円柱形状であって、前記感歪抵抗体に接続されて前記ホイートストンブリッジ回路を構成する可撓性の配線基板が、前記荷重受け部の内側壁面に沿って添着されていることを特徴とする請求項１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】

感歪抵抗体は、金属等に生ずる微小な歪みを検出して電気信号に変換するために、荷重変換器に使用されている。荷重変換器は、起歪部と起歪部に添着された感歪抵抗体とを含んでいる。起歪部は導電性の金属であって、外力が加わった場合に歪みを発生させる部品である。感歪抵抗体は、誘電材料の例えばポリイミド樹脂の基材とこの基材の上に形成された金属の抵抗体からなる折り返しパターンと、この折り返しパターンから引き出された配線接続用の端子部を有している。そして端子部には配線用のリード線がハンダ付けされて、ホイートストンブリッジ回路を形成している。

【0003】

この構成において、感歪抵抗体が起歪部に添着されている状態では、感歪抵抗体の基材と添着に用いる接着剤は誘電体であるため、パターン部と起歪部との間に寄生容量が発生する。そして起歪部を増幅器のグランドに接続させることが困難である場合、ノイズが起歪部から感歪抵抗体の折り返しパターン及び配線用の部材へ伝達されることになる。これによってホイートストンブリッジ回路の出力＋ＳＩＧと－ＳＩＧには図６に示すような静電容量Ｃｘ＋と静電容量Ｃｘ－が加わり、出力＋ＳＩＧと出力－ＳＩＧを受ける増幅器にとってはコモンモードノイズとなる。ここでホイートストンブリッジ回路の出力＋ＳＩＧ、出力－ＳＩＧそれぞれの側のインピーダンスが同じであればこのノイズは増幅器で打ち消すことができる。通常ホイートストンブリッジ回路の抵抗値は揃えるように調整されるが、静電容量Ｃｘ＋と静電容量Ｃｘ－は同じとは限らないため、増幅器が受ける出力＋ＳＩＧ、出力－ＳＩＧのノイズの量は同じにならずその差がノーマルモードノイズになってしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－０９０３９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このノイズ対策の一例として特許文献１の感歪抵抗体式の変換器では、複数の感歪抵抗体及びリード線と起歪部の表面との間に導電性を有するシールド層を設けて増幅器に接続したものが開示されている。しかしながらこのようなシールド層と起歪部の間、シールド層と感歪抵抗体のベース間には誘電体及び接着剤が存在し、精確な起歪部の歪みを検出することが難しいなど改善の余地があった。

【0006】

このような問題に鑑みて、本発明は、ノイズの影響を低減して荷重を精確に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】

【0007】

本発明の荷重変換器は、上記の目的を達成するために、
起歪部と、感歪抵抗体と、電極部とを有する荷重変換器であって、
起歪部は、荷重を導入する荷重導入部及び荷重を受ける荷重受け部と一体で設けられて荷重の導入によって弾性変形する導電材料で構成され、
感歪抵抗体は、起歪部に設けられて起歪部に生ずる歪みを検出し、
電極部は、感歪抵抗体を含んで構成されるホイートストンブリッジ回路から増幅器へ出力する配線から分岐して設けられ、荷重導入部、起歪部及び荷重受け部の少なくとも１つに誘電体を介して対向するパターンを有し、パターンは平面視でその面積をレーザトリミングによって調整可能で構成されている。

【0009】

また、荷重受け部は中空円柱形状であって、感歪抵抗体に接続されてホイートストンブリッジ回路を構成する可撓性の配線基板が、荷重受け部の内側壁面に沿って添着されて配置されている。

【発明の効果】

【0010】

本発明の荷重変換器によれば、起歪部に静電容量を調整する電極を設けることで、ノイズの影響を低減して荷重を精確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態に係る荷重変換器の斜視図（ａ）、断面図（ｂ）である。

【図2】本発明の実施形態に係る荷重変換器の一部の部品を省略した底面図である。

【図3】本発明の実施形態に係る荷重変換器、電源及び増幅器の回路図である。

【図4】本発明の実施形態の荷重変換器の静電容量調整部のトリミングの経過を表す図である。

【図5】本発明の実施形態の荷重変換器の電極部のトリミング経過に伴うノイズの推移を表すグラフである。

【図6】従来の荷重変換器、電源及び増幅器の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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。

【0013】

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る荷重変換器１の斜視構成図である。図２（ｂ）は一部の部品を省略して、荷重変換器１の内部を示す断面図である。荷重変換器１は、荷重導入部２ｃ、起歪部２ａ、荷重受け部２ｄ、感歪抵抗体Ｇ、配線基板５、コネクタ３、蓋体４等を含んでいる。

【0014】

荷重導入部２ｃは荷重Ｐに直接的に接して剛性が高くて容易に変形せず、荷重を起歪部２ａへ導入する。起歪部２ａは荷重導入部２ｃに比べて比較的薄肉で、荷重導入部２ｃによって導入された荷重によって弾性変形する部分である。荷重受け部２ｄは、荷重導入部２ｃによって導入された荷重を中間部の起歪部２ａを経由して受け、容易に変形しない剛性の高い部分である。荷重受け部２ｄは、中空円柱形状であって固定構造物等に取り付けられるように底面にネジ穴２ｆを有している（図２参照）。荷重導入部２ｃ、起歪部２ａ及び荷重受け部２ｄは一体構造の導電材料の金属で構成されていて、全体の形状としては有底の略中空円柱状である。

【0015】

荷重変換器１内には、感歪抵抗体Ｇと、不図示の絶縁被覆されたリード線と、配線基板５と、で構成されたホイートストンブリッジ回路が収納されている。感歪抵抗体Ｇは、起歪部面２ｂに添着され、荷重の導入により起歪部２ａに生ずる歪みに応じてその抵抗値が変化する。配線基板５は、可撓性を有するプリント配線板であって、ホイートストンブリッジ回路の配線の一部と温度補償用の抵抗等が実装されている。そして配線基板５は荷重受け部２ｄの内側壁面２ｅに例えば絶縁性接着剤などで固定されている。したがって配線基板５は、比較的大きな荷重Ｐが荷重導入部２ｃへ高速で繰り返し印加されるような場合において、従来一般的に用いられていた配線用の円形のリジッド基板が蓋体４と平行に配置されるような構成と比較して、固定される面積が大きく振動による基板へのダメージを受け難い構成である。

【0016】

不図示の絶縁被覆されたリード線はいくつかの箇所で絶縁性接着剤などにて、起歪部面２ｂ、内側壁面２ｅ及び配線基板５に固定されている。コネクタ３は、配線基板５と不図示の絶縁被覆されたリード線を経由して繋がっている。コネクタ３は、後述の電源１０及び増幅器１１とケーブルで繋がるように設置されている。蓋体４は、薄肉の可撓性を有する金属板である。蓋体４は、接着若しくは溶接で荷重受け部２ｄに固定されていて、起歪部２ａの弾性変形に影響を及ぼさないように薄肉で設けられている。感歪抵抗体Ｇや配線基板５は、この蓋体４によって外部環境から保護されている。

【0017】

図２は、本発明の実施形態に係る荷重変換器１の一部の部品を省略した底面図である。感歪抵抗体Ｇ（Ｇ１～Ｇ４）は、長手方向が起歪部面２ｂの半径方向に沿うように、それぞれが円周方向に９０度の間隔で、起歪部面２ｂに例えば絶縁性（誘電性）接着剤（エポキシ系やフェノール系）によって添着されている。本実施形態では、例えば感歪抵抗体Ｇ１は、一つの誘電材料の基材と、この基材上に形成された折り返しパターンの感歪抵抗体Ｇ１ａ及び感歪抵抗体Ｇ１ｂとで構成されている。基材となる誘電材料は例えばポリイミドフィルム等であって、感歪抵抗体Ｇ１ａ、Ｇ１ｂは銅・ニッケル系合金やニッケル・クロム系合金等である。感歪抵抗体Ｇ２～Ｇ４も感歪抵抗体Ｇ１と同様の部材で構成されている。

【0018】

変形例として、感歪抵抗体Ｇ１ａと感歪抵抗体Ｇ１ｂとが、別々の基材上に配置されていても良い。感歪抵抗体Ｇ１ａ～Ｇ４ａは、起歪部面２ｂの内周側、感歪抵抗体Ｇ１ｂ～Ｇ４ｂは起歪部面２ｂの外周側にそれぞれ略同一半径の位置に配置されている。各感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ４の最大感度方向はいずれも起歪部面２ｂの半径方向である。各感歪抵抗体Ｇには信号を引き出すために絶縁被覆されたリード線をハンダ付けするための接続用の端子部が設けられている。

【0019】

抵抗調整部６は、例えば２つの感歪抵抗体Ｇ３とＧ４に挟まれた箇所で起歪部面２ｂ面に添着されている。抵抗調整部６は、各感歪抵抗体Ｇとホイートストンブリッジ回路に組み込まれて、ホイートストンブリッジ回路内の抵抗値を調整するために設けられている。抵抗調整部６は、感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ４と同様に、誘電材料の基材上に所定のパターンで抵抗体ＭＲ＋、ＭＲ－が設けられている。この抵抗調整部６は、レーザ照射によって抵抗体のパターンの一部をトリミングして所望の抵抗値に調整される。抵抗調整部６の配置は、これに限らず外部からレーザトリミングが可能な位置であれば良い。

【0020】

電極部７は、例えば２つの感歪抵抗体Ｇ１とＧ２に挟まれた起歪部面２ｂに添着されている。電極部７は、感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ４と同様に、誘電材料の基材上に所定の金属のパターンで電極パターンＣ＋、電極パターンＣ－が設けられている。電極部７の誘電材料の基材は例えばポリイミドフィルムであって、電極パターンＣ＋及び電極パターンＣ－が形成されている面の反対面にエポキシ系接着剤やフェノール系接着剤にて起歪部面２ｂに接着される。電極部７は、これに限らず起歪部面２ｂと電気的に繋がった箇所であって、外部からレーザトリミングが可能な位置であれば良い。電極部７の詳細については後述する。

【0021】

図３は本発明の実施形態に係る荷重変換器１、電源１０及び増幅器１１を含んだ回路図である。荷重変換器１は、感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ４、抵抗調整部６、電極部７を含んだホイートストンブリッジ回路を有している。電源１０はホイートストンブリッジ回路の端部Ｔ１及びＴ２に電圧を印加する。増幅器１１は、ホイートストンブリッジ回路の端部Ｔ３及びＴ４からの出力＋ＳＩＧ、出力－ＳＩＧを増幅して出力する。増幅器１１は例えば差動式増幅器である。増幅器１１から出力されたアナログ信号の出力＋ＳＩＧ、出力－ＳＩＧはＡ／Ｄ変換器１２（アナログ／デジタル変換器）にてデジタル信号に変換されて、その後図示しない演算装置等によって荷重値が算出される。

【0022】

端部Ｔ１と端部Ｔ４との間のホイートストンブリッジ回路の辺Ｓ１には、感歪抵抗体Ｇ２ａ、感歪抵抗体Ｇ４ａ、抵抗体ＭＲ＋が配置されている。辺Ｓ１と端部Ｔ１を挟んで隣り合う端部Ｔ１と端部Ｔ３との間のホイートストンブリッジ回路の辺Ｓ４には感歪抵抗体Ｇ１ｂ、感歪抵抗体Ｇ３ｂ、抵抗体ＭＲ－が配置されている。端部Ｔ４と端部Ｔ２との間のホイートストンブリッジ回路の辺Ｓ２には、感歪抵抗体Ｇ２ｂ、感歪抵抗体Ｇ４ｂが配置されている。辺Ｓ２と端部Ｔ２を挟んで隣り合う端部Ｔ２と端部Ｔ３との間のホイートストンブリッジ回路の辺Ｓ３には、感歪抵抗体Ｇ１ａ、感歪抵抗体Ｇ３ａが配置されている。

【0023】

アナログ信号の出力＋ＳＩＧ、出力－ＳＩＧは、配線基板５の導体パターンや絶縁被覆されたリード線などを伝わって進む。配線基板５やリード線は、起歪部２ａの歪みに影響を及ぼさないようにしつつ、起歪部面２ｂや内側壁面２ｅなどに絶縁性接着剤にて固定される。

【0024】

したがって、感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ４、抵抗調整部６、配線基板５及びリード線と起歪部２ａ及び内側壁面２ｅの間には、個々の寄生容量をまとめると出力＋ＳＩＧ側では静電容量Ｃｘ＋、出力－ＳＩＧ側では静電容量Ｃｘ－が存在することになる。起歪部２ａ及び内側壁面２ｅは配線を有していないが導電性の金属であって電極として働き、感歪抵抗体Ｇ１～Ｇ４、抵抗調整部６、配線基板５及びリード線の金属部も電極となり、これらの間には誘電体があるため、静電容量Ｃｘ＋、静電容量Ｃｘ－が生じている。

【0025】

起歪部２ａ（荷重受け部２ｄ）が直接グランドに接続されておらずノイズ源１３が存在すると、この静電容量Ｃｘ＋、静電容量Ｃｘ－を通ってノイズがアナログ信号の出力＋ＳＩＧ、出力－ＳＩＧへ加わる可能性がある。そしてこの静電容量Ｃｘ＋と静電容量Ｃｘ－とを同値にするのは沢山の箇所で生じているため困難である。本発明ではこの静電容量Ｃｘ＋、静電容量Ｃｘ－と並列に面積を可変にできる電極部７を設けることで、アナログ信号の出力＋ＳＩＧ側と起歪部２ａ間の全静電容量と、アナログ信号の出力－ＳＩＧ側と起歪部２ａ間の全静電容量と、を揃えることを容易にしている。

【0026】

図４（ａ）～（ｄ）は本発明の実施形態の荷重変換器１の電極部７のトリミングの経過を表す図である。電極部７のトリミングは例えばレーザトリミングによって行われる。レーザ光源は電極部７の金属材料の吸収波長に応じて選定したものが使用される。また図５は本発明の実施形態の荷重変換器１の電極部７のトリミング経過に伴うノイズの推移を表すグラフである。図４と図５を参照して電極部７を用いたトリミングについて説明する。

【0027】

図４（ａ）はトリミング調整前の電極部７を表している。電極部７には誘電体の基材上に接続パッド７ａ、７ｂが所定のパターンで形成されている。そして接続パッド７ａ側には電極パターンＣ＋が、接続パッド７ｂ側には電極パターンＣ－が、それぞれ形成されている。図４（ａ）～（ｄ）において電極パターンＣ＋、電極パターンＣ－のうち斜線で表された部分が、起歪部面２ｂに対して有効な電極の領域である。

【0028】

図５は、横軸はトリミングによって切り離された電極部７の面積の累積面積であって、縦軸はノイズのレベルを示したグラフである。例えばトリミング調整前のノイズレベルがＮｉであって、目標とするノイズレベルがＮｔである。電極部７をトリミングでカットすることで電極部７が起歪部面２ｂに対向する面積が減少し、トリミングによって切り離された電極部７の面積が増加する。

【0029】

図４（ｂ）では第１回目のトリミングを行った際の電極パターンＣ＋の変化を示している。第１回目のトリミングによってトリミングライン８ａが形成され、電極パターンＣ＋の面積［Ａ］の部分が切り離される。したがって電極パターンＣ＋の平面視の面積が面積［Ａ］だけ減少する。この時点では未だノイズレベルが目標値Ｎｔに達しておらず（図５）、さらにトリミングを行う。

【0030】

図４（ｃ）では第２回目のトリミングを行った際の電極パターンＣ＋の変化を示している。第２回目のトリミングによってトリミングライン８ｂが形成され、電極パターンＣ＋の面積［Ｂ］の部分が切り離される。したがって電極パターンＣ＋の平面視の面積が累積で面積［Ａ＋Ｂ］だけ減少する。この時点でも未だノイズレベルが目標値Ｎｔに達しておらず（図５）、さらにトリミングを行う。

【0031】

図４（ｄ）では第３回目のトリミングを行った際の電極パターンＣ＋の変化を示している。第３回目のトリミングによってトリミングライン８ｃが形成され、電極パターンＣ＋の面積［Ｃ］の部分が切り離される。したがって電極パターンＣ＋の平面視の面積が累積で面積［Ａ＋Ｂ＋Ｃ］だけ減少する。この時点でノイズレベルが目標値Ｎｔに達したため（図５）、調整は終了となる。

【0032】

本発明の実施形態によれば、感歪抵抗体を添着した起歪部に静電容量を調整する電極を設け、この電極をレーザにてトリミングすることで静電容量を調整することができるので、ホイートストンブリッジ回路の出力に対してノイズの影響を低減して荷重を精確に検出することができる。

【0033】

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】

【0034】

本発明の活用例として、ロードセル等への適用が可能である。

【符号の説明】

【0035】

１ ：荷重変換器
２ａ ：起歪部
２ｂ ：起歪部面
２ｃ ：荷重導入部
２ｄ ：荷重受け部
２ｅ ：内側壁面
２ｆ ：ネジ穴
３ ：コネクタ
４ ：蓋体
５ ：配線基板
６ ：抵抗調整部
７ ：電極部
７ａ、７ｂ ：接続パッド
８ａ～８ｃ ：トリミングライン
１０ ：電源
１１ ：増幅器
１２ ：Ａ／Ｄ変換器
１３ ：ノイズ源
Ｇ ：感歪抵抗体
Ｇ１ａ～Ｇ４ａ ：感歪抵抗体
Ｇ１ｂ～Ｇ４ｂ ：感歪抵抗体
ＭＲ＋、ＭＲ－ ：抵抗体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】