(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成樹脂とフィラーとからなるベース部材上に金属箔をパターニングすることにより得られる蛇行状の抵抗線が配設された歪みゲージを起歪体の歪み発生部に固定してなる定格荷重１０ｋｇ以下のロードセルの製造方法であって、上記金属箔としてニッケル・クロム合金を用い、かつ、上記フィラーとして、ベース部材への配合比が少なくなるに従ってクリープがマイナス方向となる材料である窒化ホウ素を使用し、合成樹脂とフィラーとからなる組成物１００ｖｏｌ％に対して該フィラーの配合比が１５ｖｏｌ％以下となるようにベース部材を構成すると共に、値が小さくなるに従ってクリープがマイナス方向となる上記抵抗線のタブ比を３．７４以下とすることにより、ロードセルのクリープ特性をほぼゼロとすることを特徴とするロードセルの製造方法。
【請求項２】
合成樹脂とフィラーとからなるベース部材上に金属箔をパターニングすることにより得られる蛇行状の抵抗線が配設された歪みゲージを起歪体の歪み発生部に固定してなる定格荷重１０ｋｇ以下のロードセルであって、上記金属箔はニッケル・クロム合金であり、かつ、上記フィラーとして、ベース部材への配合比が少なくなるに従ってクリープがマイナス方向となる材料である窒化ホウ素が使用されていると共に、該ベース部材が、合成樹脂とフィラーとからなる組成物１００ｖｏｌ％に対してフィラーの配合比を１５ｖｏｌ％以下として構成されており、かつ、値が小さくなるに従ってクリープがマイナス方向となる上記抵抗線のタブ比が３．７４以下に設定されて、クリープ特性がほぼゼロとされていることを特徴とするロードセル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の計量機等に用いられるロードセルの製造方法およびロードセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、計量機等で用いられるロードセル１は、図５に示すように、固定剛体部２と、可動剛体部３と、肉厚を薄くした歪み発生部４ａ，４ａ，５ａ，５ａを有する上下のビーム部４，５とにより中空四角形状とされた起歪体６を用い、この起歪体６における上記各歪み発生部４ａ，４ａ，５ａ，５ａにそれぞれ歪みゲージ７…７を貼り付けた構成で、荷重を負荷することにより、上記可動剛体部３が固定剛体部２に対して相対的に下方に変位することに伴って各歪み発生部４ａ，４ａ，５ａ，５ａに圧縮歪みまたは引張り歪みが生じたときに、これを歪みゲージ７…７によって検出することにより、負荷された荷重を測定するようになっている。
【０００３】
その場合に、上記歪みゲージ７としては、例えば特公平８−１２１０１号公報に示されているような電気抵抗線式のものが広く用いられているが、この電気抵抗線式の歪みゲージ７は、図６に示すように、合成樹脂製のベース部材８に金属箔製抵抗線９を蛇行状に配設した構成とされて、上記抵抗線９の両端部にそれぞれリード線１０，１０が半田付けにより接続される。そして、起歪体６の歪み発生部４ａ，４ａ，５ａ，５ａの表面に発生する歪みに応じてＸ−Ｘ方向に伸縮することにより上記抵抗線９の抵抗値が増減し、これを検出することにより歪みの大きさが検出されるようになっている。
【０００４】
ところで、上記のような構成のロードセルにおいては、その構造上、所謂クリープ現象の発生を回避することができない。このクリープ現象は、一定荷重を負荷した状態を持続させたときに、負荷した時点からの時間の経過に伴って出力値が変化する現象をいい、起歪体、歪みゲージ、これらを接合する接着剤、および歪みゲージを含む電気回路を保護するコーティング材等にそれぞれ起因する原因が複合して発生する。
【０００５】
そして、このクリープ現象は、定格荷重の大きな高秤量のロードセルの場合には、時間経過と共に出力値が減少するマイナスクリープとして、定格荷重の小さな低秤量のロードセルの場合には、時間経過と共に出力値が増大するプラスクリープとして現れる傾向があるが、いずれの場合にも、このクリープ現象を極力抑制することが当該ロードセルないし計量機の精度を向上させる上で重要な課題となる。
【０００６】
そこで、従来においては、歪みゲージにおける抵抗線の蛇行状パターンにおけるタブ比、即ち、図６に示す抵抗線９におけるＸ−Ｘ方向に平行な部分の幅寸法ａに対する蛇行部におけるＸ−Ｘ方向の寸法ｂの倍率（ｂ／ａ）を調整することによりクリープ特性を調整することが行われており、起歪体の形状、寸法等や、歪みゲージにおけるベース部材の材質、厚さ等、さらにはその他の条件を同一に設定して、歪みゲージの抵抗線におけるタブ比のみを変化させたときに、タブ比が大きくなるほどクリープがプラスになるという結果が得られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように、歪みゲージのタブ比を変化させることによりロードセルのクリープ特性を調整しようとしても、このタブ比だけでは調整できる範囲が限られており、前述のように、定格荷重によってクリープ特性が異なるから、広範囲の定格荷重のロードセルについてクリープ特性を最適に調整することはできず、また、各定格荷重のロードセル毎に異なるタブ比の歪みゲージを選択して使用することになるから、多種の歪みゲージを用意する必要が生じてコストの上昇を招くことになる。
【０００８】
特に、歪みゲージの抵抗線は、エッチング処理により所定のパターンに成形されるので、上記のようにタブ比の異なる多種の歪みゲージを製造しようとすると、エッチング時に用いるマスクも多数用意する必要が生じて生産管理が複雑化し、そのためコストが一層上昇すると共に、タブ比を細かく設定して各タブ比毎に多数のマスクを用意しても、オーバーエッチングやアンダーエッチング等のエッチング量のばらつきにより所望のタブ比が精度よく得られず、そのため、タブ比の調整だけでは各定格荷重のロードセル毎にクリープ特性を適切に調整することが困難であった。特に、低定格荷重のロードセルについては、この方法ではクリープ特性をゼロにすることはできなかった。
【０００９】
そこで、本発明の課題の一つは、クリープ特性がほぼゼロであるロードセルの製造方法を提供することである。また、本発明の課題の他の一つは、クリープ特性がほぼゼロであるロードセルを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。
【００１２】
まず、本願の請求項１に記載の発明（以下、第１発明という）に係るロードセルの製造方法は、合成樹脂とフィラーとからなるベース部材上に金属箔をパターニングすることにより得られる蛇行状の抵抗線が配設された歪みゲージを起歪体の歪み発生部に固定してなる定格荷重１０ｋｇ以下のロードセルの製造方法において、上記金属箔としてニッケル・クロム合金を用い、かつ、上記フィラーとして、ベース部材への配合比が少なくなるに従ってクリープがマイナス方向となる材料である窒化ホウ素を使用し、合成樹脂とフィラーとからなる組成物１００ｖｏｌ％に対して該フィラーの配合比が１５ｖｏｌ％以下となるようにベース部材を構成すると共に、値が小さくなるに従ってクリープがマイナス方向となる上記抵抗線のタブ比を３．７４以下とすることにより、ロードセルのクリープ特性をほぼゼロとすることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明（以下、第２発明という）に係るロードセルは、合成樹脂とフィラーとからなるベース部材上に金属箔をパターニングすることにより得られる蛇行状の抵抗線が配設された歪みゲージを起歪体の歪み発生部に固定してなる定格荷重１０ｋｇ以下のロードセルであって、上記金属箔はニッケル・クロム合金であり、かつ、上記フィラーとして、ベース部材への配合比が少なくなるに従ってクリープがマイナス方向となる材料である窒化ホウ素が使用されていると共に、該ベース部材が、合成樹脂とフィラーとからなる組成物１００ｖｏｌ％に対してフィラーの配合比を１５ｖｏｌ％以下として構成されており、かつ、値が小さくなるに従ってクリープがマイナス方向となる上記抵抗線のタブ比が３．７４以下に設定されて、クリープ特性がほぼゼロとされていることを特徴とする。
【００２１】
ここで、上記ベース部材に用いられる合成樹脂としては、電気絶縁材料として用いられる各種の樹脂が使用可能であるが、特にポリイミド樹脂が好ましく、このポリイミド樹脂には、ポリアミド・イミド等のポリイミド系樹脂も含まれる。
【００２２】
上記の合成樹脂とフィラーとの配合は、樹脂のプレポリマー溶液に所定量のフィラー粉末を混合撹拌して均一に配合することにより行われ、得られた配合物をシート状に成形しつつ樹脂を加熱硬化することによりベース部材が得られる。このベース部材にニッケル・クロム合金でなる金属箔を接着または加熱状態で圧着し、その後、金属箔をパターニングすることにより歪みゲージが形成される。なお、歪みゲージの表面は、ブタジエンゴムまたはポリイミド等のポリマーでコーティングを行ってもよい。
【００２３】
ところで、従来から、歪ゲージを構成する金属箔と合成樹脂ベース部材との熱膨張係数を合わせるため、合成樹脂にフィラーを約２０ｖｏｌ％程度（樹脂とフィラーとからなる組成物１００ｖｏｌ％に対して）混合することは行われていたが、本発明者らは、特定材料のフィラーの場合、フィラー量がクリープ特性に関係しているとの驚くべき知見を得て本発明に到達したもので、特にフィラーの配合比を１５ｖｏｌ％以下にとどめることにより、従来技術では達成できなかった低定格荷重のロードセルについて、クリープ率をゼロにすることができた。
【００２４】
本発明では、クリープ特性がゼロになるようにフィラーの混合量が選択されるが、この混合量は所望のロードセルの定格荷重に応じて異なり、定格荷重の小さいロードセルについてクリープ特性をゼロにするためには、フィラーの混合量は少なくてよい。
【００２５】
一例を示すと、
定格荷重：３ｋｇ          フィラーの混合量：１０ｖｏｌ％
１．５ｋｇ                        ５ｖｏｌ％
０．７５ｋｇ                      ２．５ｖｏｌ％
フィラー量と定格荷重との関係は、用いられる合成樹脂の種類、フィラーの種類、金属箔の種類等により異なり、一義的に定めることは困難であるので、個々に応じて決めなければならないが、上記のように、本発明におけるフィラー量は従来技術におけるフィラー量とは著しく異なり、非常に少ない量である。
【００２６】
したがって、本発明では、金属箔と合成樹脂ベース部材とは熱膨張係数が異なることになるが、金属箔のパターニングを行う際に、金属箔が圧着されたベース部材を基台等に仮固定または枠にはめた状態で、反りをなくしてパターニングを行い、その後に基台から外すことによって、反りの影響を受けることなく歪みゲージを製造することができる。そして、得られた歪みゲージは常法により起歪体に取り付けられる。
【００２７】
そして、上記の構成により、本願発明によれば次の作用が得られる。
【００２８】
まず、第１発明に係るロードセルの製造方法によれば、歪みゲージのベース部材を構成する合成樹脂とフィラーの混合割合と、該ベース部材上に形成される蛇行状の金属箔抵抗線のタブ比とを調節することにより、クリープ特性がほぼゼロのロードセルが得られることになる。
【００２９】
一方、第２発明によれば、起歪体の歪み発生部に歪みゲージを固定してなるロードセルとして、クリープ特性がほぼゼロのものが得られることになるが、その場合におけるクリープ特性の調整が上記ベース部材に混合するフィラーの量によって行われ、その量を少量とすることによって、低定格荷重のロードセルについて、クリープ特性をほぼゼロとすることができる。そして、クリープ特性の調整を、ベース部材の成形時に溶融樹脂素材中へのフィラーの添加量を異ならせるだけで行うことができるから、定格荷重に応じてクリープ特性を調整した多種のロードセルを製造する場合に、生産管理が容易となり、しかも精度よく調整できることになる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例の説明として、主として歪みゲージのベース部材に含有されるフィラーの量と当該ロードセルのクリープ特性との関係を確認した試験について説明する。
【００３１】
（１）実施例１
ベース部材の合成樹脂材料としてポリイミドを用い、フィラーとして窒化ホウ素を用いた歪みゲージについて、次の通り試験を行った。
【００３２】
供試品
ポリイミド樹脂９５、９０、８５、８０ｖｏｌ％に、窒化ホウ素をそれぞれ５、１０、１５、２０ｖｏｌ％（樹脂とフィラー合わせて１００ｖｏｌ％）配合したシート状のベース部材を用意し、この上にニッケル・クロムを主成分とする金属箔を接着固定し、その後、金属箔をパターニングすることにより歪みゲージを作成し、これを起歪体に貼り付けてなるロードセル（定格荷重１０ｋｇ）を試験に供した。
【００３３】
上記ベース部材は、市販のポリイミドのプレポリマー溶液に所定量の窒化ホウ素粉末を添加撹拌してポリマー中に均一に配合させた後、厚み２５ミクロンのシート状に成形し、その後、これを加熱して樹脂を硬化させることにより作成した。
【００３４】
ここで、フィラー配合比が２０ｖｏｌ％のものは従来品であって、歪みゲージのベース部材がゲージ箔と同等の熱膨張率を有するようにフィラーを配合したものである。そして、フィラー配合比が５、１０および１５ｖｏｌ％のものは、フィラー配合比を少なくしたときに、クリープ率がどのように変化するかを調べるために用意したものである。なお、歪みゲージにおける抵抗線のタブ比は３．７４（ａ＝２１．１ミクロン、ｂ＝７９．０ミクロン）である。
【００３５】
試験条件
各ロードセルについて、その定格荷重（１０ｋｇ）の負荷を５分間印加し、その間における出力値の変化量の初期値に対する割合、即ちクリープ率を求めた。
【００３６】
結果
試験の結果は図１に示す通りであって、歪みゲージのベース部材に含有させるフィラーの配合比を従来品より少なくするに従ってクリープ率が減少し、特に、５ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％ではマイナスクリープを示し、１５ｖｏｌ％でクリープ率がほぼ０となった。
【００３７】
なお、フィラー配合比を従来品より少なくしたものは、熱膨張係数がゲージ箔よりも大きくなるので、ゲージ箔を接着固定したときにベース部材が反るという問題が生じるが、ゲージ箔を接着固定したものを基台に仮固定することにより、反りをなくしてゲージパターンの形成ができるので、実用上の問題がないことが確認された。なお、ゲージパターンを形成した後に仮固定を除き、得られた 歪みゲージを起歪体に取り付けることによりロードセルが得られる。
【００３８】
（２）参考例
上記実施例１に対する参考例として、従来品に対して歪みゲージの抵抗線のタブ比を変化させたときに、クリープ率がどのように変化するかを確認する試験を行った。
【００３９】
供試品
定格荷重が１０ｋｇのロードセルについて、抵抗線のタブ比が３．７４（ａ＝２１．１ミクロン、ｂ＝７９．０ミクロン）および２．４９（ａ＝１９．５ミクロン、ｂ＝４８．５ミクロン）の歪みゲージを用いたものを用意した。ベース部材へのフィラーの配合比はいずれも２０ｖｏｌ％であり、タブ比３．７４のものが上記実施例１における従来品に相当する。
【００４０】
なお、上記実施例１と同様に、ベース部材の合成樹脂材料はポリイミド樹脂であって、その厚さは２５ミクロンである。また、含有させたフィラーは窒化ホウ素の粉末である。
【００４１】
試験条件
実施例１と同じ
結果
試験の結果は図２に示す通りであって、従来品よりタブ比を小さくすることによりクリープ率が小さくなることが確認されたが、試験を行った範囲では、ゼロクリープないしマイナスクリープには至らなかった。
【００４２】
（３）実施例２
供試品
図１に示す構成を有し、定格荷重が１ｋｇ、２ｋｇ、４ｋｇ、６ｋｇ、１０ｋｇ、５０ｋｇ、１００ｋｇのロードセルのそれぞれについて、ベース部材へのフィラー配合比が２０ｖｏｌ％で、抵抗線のタブ比が３．７４（ａ＝２１．１ミクロン、ｂ＝７９．０ミクロン）の歪みゲージを用いたものと、ベース部材へのフィラー配合比が１０ｖｏｌ％で、抵抗線のタブ比が２．４９（ａ＝１９．５ミクロン、ｂ＝４８．５ミクロン）の歪みゲージを用いたものとを用意した。
【００４３】
ここで、前者の供試品は実施例１における従来品に相当するものであるが、ここでは、歪みゲージの表面がブタジエンゴムでコーティングされた製品を用いた。また、後者の供試品は実施例品であって、上記従来品に対し、ベース部材のフィラー配分比および抵抗線のタブ比をクリープ率が小さく変化するように設定したものである。
【００４４】
なお、ベース部材の母材、厚さ、フィラーの材料等は各ロードセルについて共通であり、前記実施例１と同じである。
【００４５】
試験条件
各ロードセルについて、そのロードセルの定格荷重の負荷を５分間印加したときのクリープ率を求めた。
【００４６】
結果
試験の結果は図３に示す通りであって、実施例品の場合、全定格荷重において従来品よりクリープ率が小さくなることが確認された。特に、図４に拡大して示すように、実施例品では、定格荷重４ｋｇのものと２ｋｇのものとの間でクリープの方向がプラスからマイナスに転じるから、定格荷重３ｋｇでクリープ率がほぼ０となるロードセルが実現されることが推測される。
【００４７】
また、従来品では、図３に示すように、定格荷重が５０ｋｇのものと１００ｋｇのものとの間でクリープの方向がプラスからマイナスに転じ、定格荷重７０ｋｇで、クリープ率がほぼ０のものが実現されることが推測される。
【００４８】
したがって、上記の結果から、ベース部材へのフィラー配合比を２０ｖｏｌ％から５ｖｏｌ％に減少させ、抵抗線のタブ比を３．７４から２．４９に小さくする範囲で、定格荷重７０ｋｇから１ｋｇまでのロードセルについて、クリープ率をゼロにすることが可能となることが推測される。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本願の第１発明に係るロードセルの製造方法によれば、歪みゲージのベース部材を構成する合成樹脂とフィラーの混合割合と、該ベース部材上に形成される蛇行状の金属箔抵抗線のタブ比とを調節することにより、クリープ特性がほぼゼロのロードセルが得られることになる。
【００５０】
一方、第２発明によれば、起歪体の歪み発生部に、合成樹脂製ベース部材に金属箔をパターニングすることにより得られる抵抗線を配設した歪みゲージを固定してなるロードセルとして、クリープ特性がほぼゼロのものが得られることになるが、その場合におけるクリープ特性の調整が上記ベース部材に混合するフィラーの量によって行われ、その量を少量とすることにより、低定格荷重のロードセルについて、クリープ特性をほぼゼロとすることが可能となる。また、クリープ特性の調整を、ベース部材の成形時に溶融樹脂素材中へのフィラーの添加量を異ならせるだけで行うことができるから、定格荷重に応じてクリープ特性を調整した多種のロードセルを製造する場合に、生産管理が容易となり、しかも精度よく調整できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１のデータを示すグラフである。
【図２】  本発明の参考例のデータを示すグラフである。
【図３】  本発明の実施例２のデータを示すグラフである。
【図４】  図３のグラフの要部を拡大して示すグラフである。
【図５】  本発明が適用されるロードセルを示す斜視図である。
【図６】  同ロードセルにおける歪みゲージの拡大図である。
【符号の説明】
１        ロードセル
７        歪みゲージ
８        ベース部材
９        抵抗線
【図１】
0003998046.tif 000002
【図２】
0003998046.tif 000003
【図３】
0003998046.tif 000004
【図４】
0003998046.tif 000005
【図５】
0003998046.tif 000006
【図６】
0003998046.tif 000007