(57)【要約】【課題】外部環境に晒した状態での使用にも耐え得る耐環境性に優れたロードセルを提供する。【解決手段】起歪部を有する金属弾性体を備えてなり、前記起歪部を外気に露出させた状態で使用されるロードセルにおいて、樹脂からなる絶縁基板１３の上面に、金属箔からなる抵抗線部１４とその抵抗線部１４に繋がるリード線接続部１５が一体的に形成され、そのリード線接続部１５にリード線１６が配線されたストレインゲージ単体品６Ａ，６Ｃであって、少なくともリード線１６を配線した上面にＤＬＣ膜２０Ａを成膜する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
起歪部を有する金属弾性体を備えてなり、前記起歪部を外気に露出させた状態で使用されるロードセルにおいて、
樹脂からなる絶縁基板の上面に、金属箔からなる抵抗線部とその抵抗線部に繋がるリード線接続部が一体的に形成され、そのリード線接続部にリード線が配線されたストレインゲージ単体品であって、前記リード線を配線した部分を含む少なくとも上面にＤＬＣ膜を成膜してなるストレインゲージ単体品を前記起歪部に貼り付けたことを特徴とするロードセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐環境対策が施されてなるロードセルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ロードセルは金属弾性体を備えてなり、この金属弾性体には被計量物の荷重の作用にて伸縮歪みを生じる起歪部が形成され、該起歪部上には伸び歪み量および縮み歪み量をそれぞれ検出する基本的に４枚のストレインゲージが貼り付けられている。これら４枚のストレインゲージは伸び歪み量を検出する２枚と縮み歪み量を検出する２枚とを対辺に置くブリッジ回路に接続され、該ブリッジ回路の入力端子に所定の電圧が与えられる。
【０００３】
そして、金属弾性体へ荷重が負荷されると、荷重の大きさに比例して起歪部の伸縮歪み量が変化し、それに対応してストレインゲージ抵抗が変化して、ブリッジ回路の出力端子に荷重の大きさに応じた出力電圧信号が発生する。計量装置においては、該出力電圧信号を荷重信号として被計量物の重量測定値の算出に利用するようにされている。
【０００４】
図５（ａ）には、従来の平行四辺形型（ロバーバル型）のロードセルの全体斜視図が示されている。
図５（ａ）に示されるロードセル１００は、貫通孔１０１を有する平行四辺形状に形成されたアルミニウム合金製の金属弾性体１０２を備えている。この金属弾性体１０２は、貫通孔１０１の内壁面と外周面とに挟まれた薄肉状の起歪部１０３を上下左右に合計４つ有し、各起歪部１０３には、ストレインゲージ１０４が接着剤で貼り付けられている。
【０００５】
図５（ｂ）には、従来のロードセルにおいて用いられているストレインゲージの平面図が示されている。
この図５（ｂ）に示されるストレインゲージ１０４は、グリッド１０５と呼ばれるＣｕ−Ｎｉ合金などで作製される抵抗線を、ベース１０６と呼ばれるイミドアミド樹脂などの材質による薄い板の上に形成し、カバー１０７と呼ばれるポリエステル樹脂などの材質によるやはり薄い板によって保護された構造をなしている。
【０００６】
図５（ａ）に示されるロードセル１００において、（Ａ）金属弾性体に施される従来の耐環境対策と、（Ｂ）ストレインゲージに施される従来の耐環境対策とについて以下に説明する。
【０００７】
＜金属弾性体の従来の耐環境対策＞
金属弾性体１０２は、アルミニウム合金であるため、極めて腐食し易い。ロードセル１００が外部環境に晒されて使用される場合には、金属弾性体１０２に対して、例えば、以下の（１）〜（３）のような対策が施される。
（１）アルマイト加工を施した上に更にシリコン樹脂で塗装する。
（２）化学皮膜処理であるアロジン処理を行う。
（３）アルマイト加工を施した上に更にフッ素樹脂を浸透させるタフラム加工を行う。
【０００８】
上記（１）のアルマイト加工による対策では、次亜塩素酸で洗浄する環境での使用の場合、残留付着した塩素によって腐食が起きるという問題点がある。
上記（２）のアロジン処理による対策では、化学皮膜にはピンホールが存在し、このピンホールを通して直接アルミニウム合金が大気に晒され、その部分から腐食が起きるという問題点がある。
なお、シリコン樹脂をアルマイト処理またはアロジン処理した全属弾性体の上に塗布しても、シリコン樹脂は多孔質でガス遮断性が低いため、次亜塩素酸水が計量部の洗浄液として使用されると、全属弾性体のシリコン樹脂塗布膜の上にも付着するが、次亜塩素酸水中の遊離残留塩素が次亜塩素酸水の乾燥過程において他に付着した硫黄酸化物などの物質とによって、次亜塩素酸水のｐＨが低くなるとガス化し水蒸気などの気体と共に金属弾性体の金属表面にまで侵入するので腐食が起きてしまう。
【０００９】
また、上記（３）のタフラム加工による対策でも、フッ素には完全な気体遮断性がないため、フッ素の含浸部を通し多孔質アルマイトの内部に水蒸気が侵入して水分化すると、合金内に含まれるＣｕによってアルミニウムが陽極、Ｃｕが陰極となって電流が流れ、アルミニウムがイオン化され、腐食するという問題点がある。
【００１０】
なお、全属弾性体の上に直接シリコン、樹脂などを塗布しても、これらの高分子材料は多孔質であるため、後述するストレインゲージカバーやベース材料における問題点と同様に気体遮断性が無く水蒸気やガスの侵入を防止することができないので耐環境性が著しく向上しない。
【００１１】
ところで、アルミニウム合金に比べれば遥かに耐食性の高いＳＵＳ合金を全属弾性体として使用するようにしたロードセルもあるが、ＳＵＳ合金は加工が難しい。また、材料コストが高いうえに金属弾性体材料としての応力歪み特性におけるヒステリシス特性やクリープ特性がアルミニウム合金に比べて大きく現れ計量精度を低下させるので用途に制限がある。また、ＳＵＳ合金といえども塩素成分を含んだ液体、たとえば洗浄に用いられる次亜塩素酸の水溶液が付着したりするとやはり腐食を起こす。
【００１２】
＜ストレインゲージの従来の耐環境対策＞
ストレインゲージ１０４において、ベース１０６やカバー１０７の材料は樹脂であるため、水蒸気や塩素、硫黄成分などを含むガスなどが侵入し、気温低下によって露点を結び水分化すると、ベース１０６の厚みや硬度が変化したり、グリッド１０５の抵抗線に腐食が起きたりするので、荷重信号に零点変化やスパン変化が生じる。そこで、ストレインゲージ１０４の上にガス浸透性のない層を形成するといった対策が施されている。
【００１３】
ストレインゲージ１０４の防湿対策として、例えばストレインゲージ１０４の上にガス浸透性のないカバーを被着する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。その具体策として、樹脂層への金属の真空蒸着、スパッタリング、厚さ２乃至３μｍの金属箔などによる金属層の貼着の技術が提案されている（例えば、特許文献２，３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】実開昭５７−２０１９０９号公報
【特許文献２】特開昭６０−２２７１２９号公報
【特許文献３】特開昭６０−２２７１４０号公報
【００１５】
上記の特許文献２，３に係る技術では、金属を樹脂表面に真空蒸着やスパッタリングさせても樹脂表面に付着した金属粒子には間隙が存在して気体遮断性が十分には得られないという問題点がある。また、金属箔は薄く伸ばしすぎると基本的に箔板として剛性が弱くなりすぎて貼付の際に取り扱いが難しくという問題点がある。
また、金属箔を薄くしすぎると微小空隙が生じるなどがあって２乃至３μｍの厚みが限界で、これ以上薄くすることはできない。そうすると金属箔が金属弾性体に力学的な影響によってたとえば容量が５ｋｇ前後の小さいロードセルでは金属箔によるヒステリシスやクリープ特性によって計量精度が低下するという問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、外部環境に晒した状態での使用にも耐え得る耐環境性に優れたロードセルを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明によるロードセルは、
起歪部を有する金属弾性体を備えてなり、前記起歪部を外気に露出させた状態で使用されるロードセルにおいて、
樹脂からなる絶縁基板の上面に、金属箔からなる抵抗線部とその抵抗線部に繋がるリード線接続部が一体的に形成され、そのリード線接続部にリード線が配線されたストレインゲージ単体品であって、前記リード線を配線した部分を含む少なくとも上面にＤＬＣ膜を成膜してなるストレインゲージ単体品を前記起歪部に貼り付けたことを特徴とするものである。
ここで、ＤＬＣとは、ダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）の略称である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明においては、リード線を配線したストレインゲージ単体品に対して、少なくともリード線を配線した部分を含む上面にＤＬＣ膜が成膜される。
ここで、ＤＬＣ膜は、炭素、炭素結合を持った非結晶炭素膜の総称で、イオンプレーティング法、スパッタ法などの物理的蒸着法やプラズマＣＶＤ法、化学蒸着法によって作られ、材質の均一性が高く結晶粒界が存在しないため、気体の遮断性が高いという特徴があり、摺動部に使用される金属や樹脂・ゴム材の摩耗防止用のコーティングとして好適に用いられるものである。
したがって、本発明によれば、外部環境に晒した状態での使用にも耐え得る耐環境性に優れたロードセルを得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るロードセルが組み込まれた計量装置の概略構造説明図。
【図２】金属弾性体単体またはストレインゲージとのセットでの耐環境性向上手段の説明図
【図３】ストレインゲージ単体の耐環境性向上手段の説明図
【図４】起歪部に貼り付けられたストレインゲージの耐環境性向上手段の説明図
【図５】従来のロードセルの全体斜視図（ａ）およびストレインゲージの平面図（ｂ）
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明によるロードセルの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１には、本発明の一実施形態に係るロードセルが組み込まれた計量器の概略構造説明図が示されている。
【００２２】
＜計量装置の概略構成の説明＞
図１に示される計量装置１は、筐体２と、ロードセル３と、計量皿４とを備えて構成されている。
【００２３】
＜ロードセルの概略構成の説明＞
ロードセル３は、主として、金属弾性体５と、複数のストレインゲージ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄとを備えている。なお、これらストレインゲージ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを必要に応じ総称して、「ストレインゲージ６」と表現することとする。
【００２４】
金属弾性体５は、例えばアルミニウム合金製で、貫通孔７が設けられた平行四辺形型（ロバーバル型）の形状とされている。この金属弾性体５は、貫通孔７の内壁面と外周面とに挟まれた薄肉状の起歪部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを上下左右に合計４つ有している。なお、これら起歪部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを必要に応じ総称して、「起歪部８」と表現することとする。
金属弾性体５の一端側は弾性体支持金具９を介して筐体２に固定されている。
金属弾性体５の他端側には計量皿支持金具１０を介して計量皿４が取り付けられている。この計量皿４上に被計量物１１が載せられて、計量皿支持金具１０を介して金属弾性体５に被計量物１１の荷重が作用すると、その負荷荷重に応じて、起歪部８ａ，８ｃには伸張歪みが生じ、起歪部８ｂ，８ｄには圧縮歪みが生じる。
【００２５】
ストレインゲージ６ａ，６ｂは、起歪部８ａ，８ｂに対応させて金属弾性体５の上面に接着手段を用いて貼り付けられ、ストレインゲージ６ｃ，６ｄは、起歪部８ｃ，８ｄに対応させて金属弾性体５の下面に接着手段を用いて貼り付けられている。
【００２６】
＜耐環境性向上手段の概略説明＞
本実施形態においては、ＤＬＣ膜、すなわちダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）膜の性質を利用し、起歪部８が外気に露出されるロードセル３の金属弾性体５や、該ロードセル３に使用されるストレインゲージ６、ストレインゲージ貼付部に対して以下のような耐環境性向上手段が施される。
【００２７】
＜ＤＬＣ膜の説明＞
ここで、ＤＬＣ膜とは、炭素、炭素結合を持った非結晶炭素膜の総称で、イオンプレーティング法、スパッタ法などの物理的蒸着法やプラズマＣＶＤ法、化学蒸着法によって作られ、材質の均一性が高く結晶粒界が存在しないため、気体の遮断性が高いという特徴があり、摺動部に使用される金属や樹脂・ゴム材の摩耗防止用のコーティングとして好適に用いられるものである。
ＤＬＣ膜を用いたコーティング技術によれば、２００Åの薄膜でＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂製）ボトルのガス遮断性を２０倍以上に向上させることができる。なお、成膜時の温度が６０℃以下と低温であるから、金属弾性体５やストレインゲージ６上にＤＬＣ膜を直接成膜させてもそれらが変質することはない。
【００２８】
＜金属弾性体の耐環境性向上手段の説明＞
図２（ａ）（ａ）´に示されるように、金属弾性体５の全体に直接、または金属弾性体５がアルミニウム合金製である場合はアルマイト加工を施した上で全体に、更にはタフラム加工を施したアルミニウム合金製の金属弾性体５の全体にＤＬＣ膜１２Ａを成膜させる。要するにストレインゲージ６を貼り付ける前の金属弾性体５上にＤＬＣ膜１２Ａを成膜させる。なお、起歪部８およびその周辺のみにＤＬＣ膜１２Ａを成膜させてコストを低減させてもよい。
【００２９】
＜金属弾性体とストレインゲージのセットでの耐環境性向上手段の説明＞
図２（ｂ）（ｂ）´に示されるように、まず金属弾性体５にストレインゲージ６を貼り付け、その後、金属弾性体５とストレインゲージ６の表面全体にＤＬＣ膜１２Ｂを成膜させる。
なお、ストレインゲージ６の貼付部分の近傍には図示されない温度補償抵抗等の電子部品も装着される場合があり、これらの電子部品も含めてＤＬＣ膜１２Ｂを成膜させる。また、ストレインゲージ６の表面を覆う保護用のカバーの有無、更には金属弾性体５とストレインゲージ６の全体に何らかの樹脂の塗布の有無は別にして、金属弾性体５にストレインゲージ６を貼り付けた上にＤＬＣ膜１２Ｂを成膜させる。
【００３０】
＜ストレインゲージ単体の耐環境性向上手段の説明＞
図３（ａ）に示されるストレインゲージ６Ａは、イミドアミド樹脂などの材質による薄い矩形板状の絶縁基板（ベース）１３の上面に、Ｃｕ−Ｎｉ合金などの金属箔で作製される抵抗線部（グリッド）１４と、このグリッド１４に繋がるリード線接続部１５とが一体的に形成され、更にリード線接続部１５にリード線１６がはんだ１７によって接続された構造のものである。
図３（ｂ）に示されるストレインゲージ６Ｂは、ベース１３の上面にグリッド１４とリード線接続部１５とが一体的に形成されたのみの単純な構造のものである。
図３（ｃ）に示されるストレインゲージ６Ｃは、同図（ａ）に示されるストレインゲージ６Ａの表面上に、ポリエステル樹脂などの材質による薄い板状の保護用のカバー１８が装着された構造のものである。
図３（ｄ）に示されるストレインゲージ６Ｄは、同図（ｂ）に示されるストレインゲージ６Ｂの表面上に、リード線接続部１５を除いて保護用のカバー１９が装着された構造のものである。
【００３１】
図３（ａ）（ｃ）に示されるように、リード線１６が配線された構造のストレインゲージ６Ａ，６Ｃであれば、同図（ａ）´（ｃ）´に示されるように全面に、周囲、裏面も含めてＤＬＣ膜２０Ａを成膜させる。
一方、図３（ｂ）（ｄ）に示されるように、リード線１６が未配線の構造のストレインゲージ６Ｂ，６Ｄであれば、同図（ｂ´）（ｄ´）に示されるように、リード線接続部１５におけるはんだ付けに必要とされるはんだ接合部２１を残して全面に、周囲、裏面も含めてＤＬＣ膜２０Ｂを成膜させる。
【００３２】
＜起歪部に貼り付けられたストレインゲージの耐環境性向上手段の説明＞
金属弾性体５の起歪部８に図３（ａ）〜（ｄ）に示されるいずれかのストレインゲージ６Ａ〜６Ｂが貼り付けられている場合の耐環境性向上手段として次のようなものが挙げられる。
代表例として、金属弾性体５の起歪部８に図３（ａ）に示されるストレインゲージ６Ａが貼り付けられている場合の耐環境性向上手段としては、図４（ａ）に示されるように、金属弾性体５の起歪部８に貼り付けられるストレインゲージ６Ａの全体とその周辺部を覆うことのできる樹脂シート上にＤＬＣ膜を成膜させてなる保護カバー２２を作製し、この保護カバー２２をストレインゲージ６Ａを覆うようにして起歪部８に貼り付けるようにしたものが挙げられる。
なお、図４（ｂ）には、金属弾性体５の起歪部８上に既に成膜されたＤＬＣ膜２３上に上記代表例に係る図３（ａ）のストレインゲージ６Ａが貼り付けられている場合の耐環境性向上手段の態様例が示されており、保護カバー２２を同様にして適用可能である。
従来のニッケル箔などは数ミクロンの厚みを持つのに対してＤＬＣ膜は数１００Å程度の厚みに成膜し、起歪部８において金属弾性体５としての特性を劣化させないようにしながら気体を遮断する。
【００３３】
＜本実施形態の作用効果の説明＞
本実施形態においては、金属弾性体５の全面または少なくとも起歪部８を含む周辺部に対してＤＬＣ膜１２Ａが成膜される。また、起歪部８に貼り付けられるストレインゲージ６を含む電子部品が装着された金属弾性体５に対して直接、あるいは電子部品を保護する樹脂層上にＤＬＣ膜１２Ｂが成膜される。また、起歪部８に、外形表面の全部または一部にＤＬＣ膜２０Ａ；２０Ｂを成膜してなるストレインゲージ６Ａ´，６Ｃ´；６Ｂ´，６Ｄ´が貼り付けられる。また、起歪部８に貼り付けられるストレインゲージ６Ａおよびそのストレインゲージ６Ａの周辺部が、ＤＬＣ膜を成膜してなる樹脂製の保護カバー２２にて被覆される。したがって、外部環境に晒した状態での使用にも耐え得る耐環境性に優れたロードセル３を得ることができるという効果がある。
【００３４】
以上、本発明のロードセルについて、一実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明のロードセルは、耐環境性に優れるという特性を有していることから、外部環境に晒した状態で使用される計量装置の荷重センサとしての用途に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１      計量装置
３      ロードセル
５      金属弾性体
６      ストレインゲージ
８      起歪部
１２Ａ，１２Ｂ      ＤＬＣ膜
２０Ａ，２０Ｂ      ＤＬＣ膜
２２    保護カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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