(57)【要約】【課題】ノイズの影響を抑制する効果を高め、測定精度を向上できるひずみゲージ式変換器を提供する。【解決手段】ひずみゲージ式変換器１０は、起歪体１と、この起歪体１に設けられ、絶縁性の材料によって形成されたベース部２１及びこのベース部２１の一面側に設けられた抵抗体からなるパターン部２２を有する複数のひずみゲージ２と、この複数のひずみゲージ２をブリッジ接続するリード線２３と、前記複数のひずみゲージ２及びリード線２３と前記起歪体１の表面との間に介在されて配設された導電性を有するシールド層３とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
起歪体と、
この起歪体に設けられ、絶縁性の材料によって形成されたベース部及びこのベース部の一面側に設けられた抵抗体からなるパターン部を有する複数のひずみゲージと、
この複数のひずみゲージをブリッジ接続するリード線と、
前記複数のひずみゲージ及びリード線と前記起歪体の表面との間に介在されて配設された導電性を有するシールド層と、
を具備することを特徴とするひずみゲージ式変換器。
【請求項２】
前記ブリッジ接続されたひずみゲージから導出される入出力用のケーブルは、シールド部を有するシールドケーブルであり、前記シールド部は、前記起歪体側のシールド層に電気的に接続されるとともに、ひずみゲージの出力が接続される増幅器側に電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載のひずみゲージ式変換器。
【請求項３】
前記複数のひずみゲージをブリッジ接続するリード線は、より合わせて形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のひずみゲージ式変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみゲージを用いてひずみを測定する場合において、外乱ノイズの影響を抑制することができるひずみゲージ式変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ひずみゲージは、金属等に生じた微小な変形（ひずみ）を電気的信号に置き換えて検出するセンサであり、このひずみゲージを用いたロードセル、圧力センサやトルクセンサ等のひずみゲージ式変換器が開発されている。
【０００３】
このようなひずみゲージ式変換器は、一般的には、図９及び図１０に示すように構成されている。図９（ａ）は、ひずみゲージの斜視図であり、図９（ｂ）は、同断面図であり、図１０は、ひずみゲージ式変換器の構成を示す図である。
【０００４】
ひずみゲージ式変換器は、起歪体１と、この起歪体１に貼着されたひずみゲージ２とを備えている。起歪体１は、外力が加わった場合にひずみを発生させる部品であり、ニッケルクロムモリブデン鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金等の金属材料によって形成されている。ひずみゲージ２は、概略的には、絶縁性の材料、例えば、ポリイミド樹脂によって形成されたベース部２１と、このベース部２１の上に形成された抵抗体からなるパターン部２２と、このパターン部２２に接続された絶縁被覆されたリード線２３とを備えて薄膜状に形成されている。また、リード線２３は、パターン部２２におけるリード線接続部に半田付け等によって接続されている。パターン部２２は、カバーフィルム２４によって被覆されおり、前記ベース部２１は、起歪体１の表面に接着剤によって貼着されるようになっている。
【０００５】
図１０に示すように、４個のひずみゲージ２は、ホイートストンブリッジに結線されている。このブリッジ回路２５の入力端にブリッジ電源部２６によってブリッジ電圧が印加され、出力端には増幅器２７が接続されている。
【０００６】
このような構成において、ひずみゲージ２が起歪体１に貼着されている状態では、ひずみゲージ２のベース部２１は絶縁体（誘電体）であるため、パターン部２２と起歪体１との間に静電容量Ｃが発生する。すなわち、パターン部２２が一方の電極となり、起歪体１が他方の電極となって、これらの間に静電容量Ｃが発生する。
【０００７】
ところで、起歪体１の本体が良好なアースに接続されておらず、他の機器に電気的に接触し、更にその機器がアースに対してノイズを発生している場合、起歪体１は、図１０に示すようにアースに対してノイズＮを受けることとなり起歪体１からノイズＮがひずみゲージ２側に侵入することがある。つまり、ノイズＮが起歪体１から静電容量Ｃを介してひずみゲージ２のパターン部２２へと伝達される。また、起歪体１がノイズを受けていなくても増幅器２７でアースが接続されておらず、電気的に接続された他の機器がノイズを発生している場合、他の機器から回り込むなどして増幅器２７側にノイズが発生している場合もある。
【０００８】
また、起歪体１、増幅器２７がともにアースに接続されていても、起歪体１と増幅器２７の間の距離が長く、双方のアース間に抵抗が存在し、双方のアース間にノイズが発生している場合もある。
【０００９】
このノイズは、接続される増幅器にとっては基本的にコモンモードノイズとなって伝達される。しかし、ホイートストンブリッジの両端から出力される各出力信号に漏出するノイズの量は全く同じとはなりにくく、その差はそのままノーマルモードノイズとなる。
【００１０】
また、一般的に増幅器は差動増幅器が用いられることが多く、原理的には差動増幅器の持つコモンモードノイズ除去能力によりコモンモードノイズは抑制されるのであるが、通常の差動増幅器は周波数が高くなるほどコモンモードノイズ除去能力が低下する。
【００１１】
さらに、増幅器の入力段には通常不要な高い周波数領域を遮断するためのローパスフィルターを備えるが、差動入力の両入力端の各ローパスフィルター特性が完全には一致しないので、特にローパスフィルターのカットオフ周波数近傍ではコモンモードノイズ除去能力は著しく低下する。
【００１２】
ひずみゲージは、微小な起歪体１の変形を電気抵抗の変化として検出し、微弱な電気信号として出力するものであり、ブリッジ回路２５から出力される電圧は、一般に最大でも数ｍＶで、その読みとり最小桁はμＶ単位のレベルであり極めて小さい。そのため、出力電圧は、小さなノイズでも影響は大きく、測定誤差やばらつきが生じやすい。
【００１３】
このため、ひずみゲージ式変換器において、ノイズの影響を抑制するため、種々の対策が講じられている。例えば、ひずみゲージとして、ひずみゲージ及びこのひずみゲージに接続される被覆リード線をシールド体で被覆するするものが知られている（特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１には、ひずみゲージをひずみゲージ式変換器に用いる場合の具体的なノイズの影響を抑制する構成が何ら示されていない。
【００１４】
一方、本願出願人は、上記のような問題を解決するため、本来的にコモンモードノイズの総量を小さくすることが重要とし、ひずみゲージと起歪体との間に中間部材としてシールド層を設けるものを提案した（特許文献２参照）。この構成によれば、コモンモードノイズの発生を抑制し、ひいては測定値に対するノイズの影響を抑制することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開昭５８−９７６０７号公報
【特許文献２】特開２０１４−８５２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献２に示されたものによれば、ひずみゲージ単体としてはノイズの影響を抑制する効果が認められるものの、これを応用するひずみゲージ式変換器としてはそれだけでは満足するレベルまでに至りにくく、さらにノイズの影響を抑制する効果を高める構成が望まれていた。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、ノイズの影響を抑制する効果を高め、測定精度を向上できるひずみゲージ式変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載のひずみゲージ式変換器は、起歪体と、この起歪体に設けられ、絶縁性の材料によって形成されたベース部及びこのベース部の一面側に設けられた抵抗体からなるパターン部を有する複数のひずみゲージと、この複数のひずみゲージをブリッジ接続するリード線と、前記複数のひずみゲージ及びリード線と前記起歪体の表面との間に介在されて配設された導電性を有するシールド層と、を具備することを特徴とする。
【００１８】
ひずみゲージ式変換器は、力の大きさを電気信号に変える機器であり、ロードセル、圧力センサ、トルクセンサや変位センサ等がある。例えば、ロードセルには、コラム型やダイヤフラム型等、各種型式があるが、適用型式が格別限定されるものではない。
また、シールド層上には、例えば、場合により付加される、ひずみゲージをブリッジに結線するための中継ターミナルや調整抵抗等を配設することが好ましい。
かかる発明によれば、ノイズの影響を抑制する効果を高め、測定精度を向上できる。
【００１９】
請求項２に記載のひずみゲージ式変換器は、請求項１に記載のひずみゲージ式変換器において、前記ブリッジ接続されたひずみゲージから導出される入出力用のケーブルは、シールド部を有するシールドケーブルであり、前記シールド部は、前記起歪体側のシールド層に電気的に接続されるとともに、ひずみゲージの出力が接続される増幅器側に電気的に接続されることを特徴とする。
【００２０】
請求項３に記載のひずみゲージ式変換器は、請求項１又は請求項２に記載のひずみゲージ式変換器において、前記複数のひずみゲージをブリッジ接続するリード線は、より合わせて形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ノイズの影響を抑制する効果を高め、測定精度を向上できるひずみゲージ式変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るひずみゲージ式変換器を示す斜視図である。
【図２】同ひずみゲージ式変換器を平面的に展開してその一部を示す構成図である。
【図３】同ひずみゲージ式変換器におけるひずみゲージとシールド層との関係を示す斜視図である。
【図４】同ひずみゲージ式変換器を模式的に示す構成図である。
【図５】同ひずみゲージ式変換器において、シールド層の電気的な接続状態を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るひずみゲージ式変換器を模式的に示す構成図である。
【図７】同ひずみゲージ式変換器において、リード線がより合わされた状態を示す斜視図である。
【図８】ひずみゲージ式変換器のノイズ抑制効果を測定した結果を示す表である。
【図９】ひずみゲージを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図１０】一般的なひずみゲージ式変換器を模式的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の第１の実施形態に係るひずみゲージ式変換器について図１乃至図５を参照して説明する。
【００２４】
図１は、ひずみゲージ式変換器を示す斜視図であり、図２は、ひずみゲージ式変換器を平面的に展開してその一部を示す構成図であり、図３は、ひずみゲージとシールド層との関係を示す斜視図であり、図４は、ひずみゲージ式変換器を模式的に示す構成図である。また、図５は、シールド層の接続状態を示す説明図である。なお、各図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２５】
図１において、ひずみゲージ式変換器１０は、ロードセルであり、起歪体１と、この起歪体１に貼着されて設けられたひずみゲージ２と、シールド層３とを備えている。起歪体１は、金属製であり略円柱状に形成されている。この円柱状の周表面に略等間隔で縦方向及び横方向に交互に４個のひずみゲージ２が配設されている。つまり、複数のひずみゲージ２、具体的には、４個のひずみゲージ２が縦方向に位置するものと横方向に位置するもの同士が対向するように貼着されている。
ひずみゲージ２は、既述（図９参照）のように絶縁性のベース部２１と、このベース部２１の上に形成されたパターン部２２とを有している。
【００２６】
パターン部２２は、ベース部２１の一面側に形成された抵抗体である。パターン部２２は、抵抗材料である金属箔で形成されており、ベース部２１の長手方向に沿って連続的に折り返されて蛇行状に形成されていて、一端部側には、一対のリード線接続部が形成されており、このリード線接続部に絶縁被覆されたリード線２３が半田付け等によって接続されている。
このパターン部２２は、起歪体１に生じるひずみに対応して、その抵抗値が変化するようになっている。
また、各ひずみゲージ２は、リード線２３によってブリッジ接続されており、リード線２３は、起歪体１の周囲に配線されている。
【００２７】
図２を併せて参照して示すように、このようなひずみゲージ式変換器１０において、複数のひずみゲージ２及びリード線２３と起歪体１の表面との間に導電性を有するシールド層３が介在されて配設されている。
【００２８】
シールド層３は、導電体によって形成され、具体的には、導電性を有する薄い金属箔で形成されており、導電性を有する銅やニッケル合金等の材料で形成することができる。また、シールド層３の一面側の略全面には、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の絶縁性を有する材料からなる絶縁体層４が形成されている。換言すれば、絶縁体層４の上にシールド層３が貼着されて形成されている。
【００２９】
このようなシールド層３は、起歪体１の表面における略全面に配設されている。したがって、複数のひずみゲージ２及びリード線２３は、シールド層３の上に、シールド層３と対向して位置するようになる。
【００３０】
図３を参照してシールド層３の起歪体１への配設方法について説明する。図３は、起歪体１、シールド層３及びひずみゲージ２を示している。まず、略長方形状のシールド層３を略円柱状の起歪体１の表面における略全面に巻き付けるように貼着する。つまり、シールド層３を起歪体１の外周面の略全面にわたって、絶縁体層４側を起歪体１の表面に接着剤等を用いて貼着する。
【００３１】
次いで、起歪体１にシールド層３が配設された状態で、ひずみゲージ２をシールド層３上に貼着し、ブリッジ接続されるリード線２３をシールド層３に対応して起歪体１の周囲に沿うように配線する。
【００３２】
なお、シールド層３上には、場合により付加される、ホイートストンブリッジに結線するための中継ターミナルや感度を調整するために接続される調整抵抗等を配設することが好ましい。つまり、ひずみゲージ２から後述するシールドケーブルまでの経路に接続される部品のすべてがシールド層３上に配設されていることが好ましい。
【００３３】
また、ひずみゲージ２及びリード線２３と対向するシールド層３は、一体的ではなく分割して形成するようにしてもよい。この場合は、分割されたシールド層相互を電気的に接続する。
【００３４】
さらに、シールド層３は、絶縁体層４と一体化したものを起歪体１に貼着するのが好ましいが、まず、絶縁体層４を起歪体１に設け、その上にシールド層３を設けるようにしてもよい。
次に、本実施形態のひずみゲージ式変換器１０におけるノイズの影響を抑制する構成について図４及び図５を参照して説明する。
【００３５】
図４に示すように、本実施形態は、４アクティブゲージ法によるものであり、４個のひずみゲージ２は、ホイートストンブリッジに結線され、このブリッジ回路２５の入力端にブリッジ電源部２６によってブリッジ電圧が印加され、出力端には増幅器２７が接続されている。また、ひずみゲージ２から導出される入出力用のケーブル５は、網線からなるシールド部５ａを有するシールドケーブルが用いられている。
【００３６】
上述したように、シールド層３は、起歪体１の略全面に設けられており、ひずみゲージ２及びリード線２３と対向している。そして、このシールド層３は、シールドケーブルのシールド部５ａの一端側と接続Ａされ、また、シールド部５ａの他端側は、増幅器２７側、具体的には、増幅器２７側のケース６又は増幅器２７のコモン端子と電気的に接続Ｂされている。
【００３７】
このシールド層３の接続状態を図５を参照して説明する。図５において、ひずみゲージ式変換器１０、ケーブル５としてのシールドケーブル及び増幅器２７が示されている。
【００３８】
第１に、ひずみゲージ式変換器１０における起歪体１に設けられたシールド層３とシールドケーブルにおけるシールド部５ａの一端側とが接続Ａされる。第２に、シールドケーブルにおけるシールド部５ａの他端側と増幅器２７側のケース６又は増幅器２７のコモン端子とが接続Ｂされる。
【００３９】
ひずみゲージ２から導出される入出力用のケーブル５は、シールドケーブルであり、４本の絶縁被覆された芯線５ｂが導電性を有するシールド部５ａで覆われており、このシールド部５ａの外側が絶縁性のシース５ｃで覆われている。入出力用のケーブル５の入力用は、ブリッジ接続されたひずみゲージ２に印加電圧を供給するために用いられ、出力用は、ブリッジ接続されたひずみゲージ２からの出力電圧を増幅器２７に供給するために用いられる。
したがって、シールド層３は、シールドケーブルを介して増幅器２７側に電気的に接続されるようになる。
【００４０】
このように構成されたひずみゲージ式変換器１０の動作の概略を説明する。起歪体１ににひずみが生じると、ひずみゲージ２のパターン部２２の抵抗値が変化し、ブリッジ回路２５の出力端に微弱な測定信号電圧が出力される。この測定信号電圧は、増幅器２７によって増幅される。
【００４１】
この場合、ノイズＮが起歪体１に発生している場合がある。このノイズＮは、起歪体１から静電容量Ｃ１を介してひずみゲージ２のパターン部２２へ侵入してくる可能性がある。また、リード線２３は絶縁被覆されており、このリード線２３と起歪体１との間にも静電容量Ｃ２が発生する。この静電容量Ｃ２を介してリード線２３へノイズＮが侵入してくる可能性もある。
【００４２】
しかしながら、本実施形態では、シールド層３がひずみゲージ２と対向する領域とリード線２３と対向する領域に設けられており、このシールド層３は、シールド線を介して増幅器２７側に電気的に接続されているので、例えノイズＮが侵入したとしても、ひずみゲージ２側と増幅器２７側とは同電位にあるため、ノイズＮによって測定値が影響されることを抑制できる。
【００４３】
以上のように本実施形態は、ひずみゲージ２と起歪体１との間に発生する静電容量Ｃ１のみならず、リード線２３、中継ターミナルや調整抵抗等と起歪体１との間に発生する静電容量Ｃ２にも着目し、シールド層３をひずみゲージ２と対向する領域とリード線２３と対向する領域に設け、すなわち、少なくともひずみゲージ２とリード線２３の配線は、すべてシールド層３の領域でなされるようにしたものである。
よって、ひずみゲージ２及びリード線２３からのノイズＮを遮断でき、ノイズの影響を抑制する効果を高め、測定精度を向上できる。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施形態に係るひずみゲージ式変換器について図６及び図７を参照して説明する。図６は、図４と同様に、ひずみゲージ式変換器を模式的に示す構成図であり、図７は、リード線がより合わされた状態を示す斜視図である。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４５】
本実施形態は、図６及び図７に示すように、ひずみゲージ２に接続されるリード線２３をより合わせて、ツイストペアに形成したものである。また、ケーブル５としてのシールドケーブルにおける４本の芯線５ｂもより合わせて形成したものである。
【００４６】
図７に示すように、より合わせて形成されたリード線２３と対向してシールド層３が配設されている。また、ひずみゲージ式変換器１０における起歪体１に設けられたシールド層３とシールドケーブルにおけるシールド部５ａの一端側とが接続Ａされ、シールドケーブルにおけるシールド部５ａの他端側と増幅器２７側のケース６又は増幅器２７のコモン端子とが接続Ｂされている。
【００４７】
図７に示すように、シールドケーブルにおける芯線５ｂは、絶縁被覆された銅線であり、この各２本ずつの銅線がより合わされて、各ひずみゲージ２のリード線接続部に接続されている。なお、このより合わせは、シールドケーブルの端部近傍まで形成されていることが望ましい。つまり、より合わされていない部分が実質的に存在していないのが望ましい。
【００４８】
このような構成によれば、第１の実施形態の奏する効果に加え、リード線２３及びケーブル５は、より合わせて形成されているので、変動する磁場の中においても、リード線２３及びケーブル５上に発生する誘導起電力は対向するようになるので、互いに打ち消され、相殺されて電磁誘導の影響を防止することができる。
【００４９】
次に、上記第１の実施形態及び第２の実施形態によるひずみゲージ式変換器のノイズ抑制効果を確認するため、図８に示すように、ノイズ漏出量（μＶ）と漏出率（ｄＢ）の測定を行った。測定対象物は、シールド層が配設された第１の実施形態（実施例１）、シールド層が配設されているうえにリード線がより合わされた第２の実施形態（実施例２）及びシールド層もリード線のより合わせもない従来の形態（比較例）である。
【００５０】
試験方法は、ロードセルの起歪体１と増幅器（１０００倍）のコモン端子との間に模擬ノイズ源を接続し、この模擬ノイズ源によって電圧を印加する。印加電圧は、ピーク値３０Ｖとした。ロードセルの出力電圧をプラス側とマイナス側とでそれぞれ観測し、増幅器の出力電圧のピーク値を測定した。また、周波数を５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚと変えて測定した。
【００５１】
ノイズ漏出量は、出力電圧のピーク値を１／１０００にして入力換算した電圧値（μＶ）としている。また、漏出率は、出力電圧のピーク値を印加電圧（３０Ｖ）で除した値をデシベル（ｄＢ）で表現している。
【００５２】
この測定結果を図８に示している。図８から分かるように、周波数が高くなるに従いノイズ漏出量は増加するものの、実施例１では、比較例に対し、ノイズ漏出量において４５倍以上のノイズ抑制効果があることが認められた。また、実施例２では、当然のことながら、よりノイズ抑制効果が向上することが認められた。
【００５３】
なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記各実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していないものである。
例えば、シールド層の厚さ寸法や形状等が格別限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・起歪体
２・・・ひずみゲージ
３・・・シールド層
４・・・絶縁体層
５・・・ケーブル（シールドケーブル）
５ａ・・・シールド部
６・・・ケース
１０・・・ひずみゲージ式変換器
２１・・・ベース部
２２・・・パターン部
２３・・・リード線
２５・・・ホイートストンブリッジ回路
２６・・・ブリッジ電源部
２７・・・増幅器
Ｎ・・・ノイズ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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