JP2012233868A - ロードセルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物による回転負荷が大きくなったときの破損を防止する。
【解決手段】ロードセルユニット２は、本体ケース３を備える。ロードセル１０は、セル本体１１、歪みゲージ１４ａ〜１４ｆ，１５ａ〜１５ｆから構成されている。セル本体１１に固定された固定板１７には、金属ボール１２が載せられる。ロードセルベース１３は、本体ベース５に固定されている。ボトムプレート２５には、保持ロッド２６が固定されている。金属ボール１２には、ボトムプレート２５に連結されたトッププレート３１が載せられている。コイルバネ４３，４４により、トッププレート３１は固定板１７と連結されている。保持ロッド２６にかかる回転負荷が大きくなると、コイルバネ４３，４４が伸長されて、本体ケース３に対してトッププレート３１が相対回転する。本体ベース５の収納凹部５ｇの壁面がボトムプレート２５の側面に当接すると、本体ケース３の回転が停止する。
【選択図】図６

Description

本発明は、荷重を測定するためのロードセルユニットに関するものである。

ロードセルユニットは、被測定物を吊り上げまたは吊り下げたときに生じる歪み量から荷重（重量）を測定するものであり、各種機器での荷重測定に利用されている。例えば、単結晶シリコンウェハの製造ラインでは、単結晶のインゴットの製造に利用されている。この単結晶シリコンウェハを製造するには、先ず、多結晶シリコンのチップを石英るつぼ内で溶解し、このシリコン融液の中に種結晶を入れて回転させながらゆっくりと引き上げることによって種結晶の下方に円柱状の単結晶インゴットを育成する。そして、単結晶インゴットを切断及び研磨して単結晶シリコンウェハを製造する。この単結晶インゴットの製造時に、その荷重をロードセルユニットで測定し、所定の直径サイズが得られるように、その引上げ速度を決定している。

従来のロードセルユニットとしては、特許文献１に示すように、円筒状のケース内の中仕切り上にロードセルを固定し、このロードセルを囲むように、四角な枠形をした門形連結体を配置したものが知られている。円筒状のケース内の上方と下方に、Ｌ字形をした上部板バネと下部板バネが固定されている。押圧板の軸部は、門形連結体の上梁と上部板バネとを貫通し、その上端部にナットが螺合している。門形連結体の上梁と上部板バネとの間に、リング状のスペーサが配置されているため、ナットの締付によって、上部板バネと門形連結体の上梁と押圧板との三者が一体的となっている。

同様に、保持ロッドは、門形連結体の下梁と下部板バネとを貫通し、円筒状ケースから下方に突出している。門形連結体の下梁と下部板バネとの間にスペーサが配置され、そして保持ロッドのフランジが下部板バネを受け止めた状態で、保持ロッドの上端部にナットが螺合されるから、下部板バネと門形連結体の下辺と保持ロッドとの三者が一体的となっている。押圧板の中心軸と保持ロッドは、門型連結体の中心線上に配置されている。

特許文献１記載のロードセルユニットは、単結晶インゴットの引上げ荷重の測定に用いられ、保持ロッドの先端に種結晶が取り付けられている。単結晶インゴットの製造時には、ロードセルユニットを回転させながら引き上げる。単結晶インゴットの育成によって、保持ロッドにかかる荷重量が増大する。この荷重量に応じて門型連結体が上下の板バネに抗して下がる。この門型連結体が下がると、押圧板も一体的に下がって、ロードセルを加圧する。ロードセル内に配置した歪みゲージが変形して、加圧力に応じた電気信号を発生する。

また、特許文献２には、ワイヤ巻取方式のシリコン単結晶引上装置において、ワイヤ巻取機構にかかる引張荷重を圧縮荷重としてセルユニットに作用させることが説明されている。特許文献２に示すように、ロードセンサユニットに回転可能に連結されたオーバーウェート防止機構の下端には、ロープシープがピボットによって回転可能に支承されており、このロープシープにはシリコン単結晶を引き上げるためのワイヤロープが巻掛けられている。オーバーウェート防止機構は、中心軸を介してバランスシャフトに連結され、バランスシャフトを介してセルユニットに作用結合している。

実公昭６１−０３９９４０号公報 実開平０７−０４３７６７号公報

石英るつぼ内のシリコン融液の粘度が高くなると、保持ロッドにかかる回転負荷が大きくなる。特許文献１では、保持ロッドは門形連結体を介して板バネに取り付けられている。板バネは、円筒状ケースに取り付けられているため、円筒状ケースが一定速度で回転すると、これと同じ速度で回転する。この板バネと一体的に連結された保持ロッドも一定速度で回転しようとするが、保持ロッドにかかる負荷が急に大きくなった場合には、歪みゲージが固定されている板バネが捻じれて変形するため、ロードセルユニットが破損・故障する原因となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、被測定物による回転負荷や突き上げ荷重など、保持ロッドにかかる負荷が大きくなったときのロードセルの破損を防止することができるロードセルユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のロードセルユニットは、歪み量に応じた電気信号を発生する歪みゲージを有し、印加された被測定物の荷重を測定するロードセルと、前記ロードセルの下面側を固定したロードセルベースと、前記ロードセルベースの下面側を固定した本体ベースと、前記本体ベースの上側に取り付けられ、前記ロードセルを覆う本体カバーとを有し、上下動及び回転可能に機器に取り付けられる本体ケースと、前記ロードセルベースの下方に配置され、前記本体ベースと隙間を保って、前記本体ベースに形成された収納凹部の中に収納されたボトムプレートと、前記ボトムプレートと一体的に連結された状態で前記ロードセルの上方に位置するように、前記本体カバー内に収納され、前記ロードセルに上方から荷重を印加するトッププレートと、前記本体ベースを貫通した下端で前記被測定物を保持する保持ロッドと、前記保持ロッドの上端を前記ボトムプレートに固定するロッド固定手段と、前記トッププレートと前記ロードセルとの位置関係が一定に保たれたままで、前記保持ロッドと前記本体ケースとが一体的に回転するように連結しており、前記保持ロッドの回転負荷が増加したときに、前記本体ケースに対して前記トッププレートが一時的に相対回転することを許容する回転許容手段と、前記本体ケースの回転中に、前記回転許容手段による連結力よりも大きい回転負荷が、前記保持ロッドを介して前記トッププレートに印加して前記回転許容手段による連結が解除されたときに、前記本体ケースの回転を停止する停止手段と、を備えることを特徴とする。

また、前記停止手段は、前記被測定物によって前記回転負荷が増加したときに、前記ボトムプレートの側面に当接する前記収納凹部の壁面から構成されていることが好ましい。

さらに、前記ロッド固定手段は、前記保持ロッドの上端部に形成され、横方向に延びる固定凹部と、前記ボトムプレートの上端部に形成され、横方向に延びる固定孔と、前記固定凹部及び前記固定孔に挿入される固定ピンと、から構成され、前記本体ケースの回転力が強いために、前記停止手段により前記本体ケースの回転が停止できない場合に、前記固定ピンが折れて前記本体ケースが前記ボトムプレートとともに回転することが好ましい。

また、前記固定ピンは、前記連結孔及び前記連結凹部に挿入されたときに径が広がるスプリングピンから構成されていることが好ましい。

さらに、前記ロッド固定手段は、前記保持ロッドの上端部に形成され、横方向に延びる固定凹部と、前記ボトムプレートの上端部に形成され、横方向に延びるクリック孔と、前記固定凹部及び前記クリック孔に挿入されるクリックボールと、前記固定凹部に挿入されており、前記クリックボールを外側に向けて付勢してその一部を前記クリック孔に挿入することで前記保持ロッドを前記ボトムプレートに固定するクリックバネと、から構成され、前記本体ケースの回転力が強いために、前記停止手段により前記本体ケースの回転が停止できない場合に、前記クリックボールは、前記ボトムプレートの壁面により押圧されて前記クリックバネの付勢に抗して内側に移動してその全部が前記固定凹部の中に入ることで前記ロッド固定手段による固定が解除され、前記本体ケースが前記ボトムプレートとともに回転することが好ましい。

また、前記トッププレートと前記ロードセルとの間に、前記ロードセルに上方から荷重を印加する金属ボールを配置することが好ましい。

さらに、前記本体ベースには、前記本体ケースの回転力が強いために、前記停止手段により前記本体ケースの回転が停止できない場合に、前記ボトムプレートに当接して持ち上げ、前記トッププレートを前記金属ボールから離れるようにする持上部が設けられていることが好ましい。

また、前記回転許容手段は、前記ロードセルの上面に固定され、中心の円錐溝内に前記金属ボールが載せられる固定板と、前記固定板と前記トッププレートとを連結するとともに、前記トッププレートを互いに反対方向に付勢することで、前記トッププレートを特定の位置に保持する複数のコイルバネと、を備えていることが好ましい。

本発明によれば、被測定物を保持する保持ロッドは、トッププレートと一体的に結合され、このトッププレートは金属ボールを介してロードセルに上から荷重を印加している。したがって、従来例のように、保持ロッドがロードセルに直接的に固定されていないため、大きな回転負荷が作用してもロードセルを破損することはない。

保持ロッドの回転負荷の影響で、トッププレートがロードセルに対して相対回転すると、ボトムプレート等の位置も変化するから、これらが本体ケースと接触する。この接触によって、ロードセルの荷重が微妙に変化し、そのために高精度に荷重を測定することができなくなる。本発明では、トッププレートとロードセルとの位置関係を一定に保つとともに、保持ロッドの回転負荷が増加したときに、トッププレートの一時的な相対回転を可能にする回転許容手段を設けたから、ボトムプレートが本体ケースに接触しないようにして、高精度な測定を行うことができる。

また、本体ケースの回転中に、回転許容手段による連結力よりも大きい回転負荷が、保持ロッドを介してトッププレートに印加して回転許容手段による連結が解除されたときに、本体ケースの回転を停止するから、大きな回転負荷が作用してもロードセルを破損することはない。

さらに、保持ロッドが被測定物に接触したとき等では、保持ロッドが上方に突き上げられるが、保持ロッドの上面とロードセルベースの下面との間には隙間が設けられているから、保持ロッドはボトムプレート及びトッププレートとともに隙間内で上方へ移動可能である。これにより、ロードセルに突き上げの作用力を及ぼさないので、ロードセルの破損を防止することができる。また、保持ロッドが突き上げられたときに、荷重が零になるあるいは荷重が急激に変化するから、この測定値あるいは測定値の変化を利用して、例えば種結晶がシリコン融液に接触したことを検知することができる。

本発明のロードセルユニットの斜視図である。 ロードセルの分解斜視図である。 ロードセルユニットの要部を示す分解斜視図である。 ロードセルユニットの縦方向縦断面図である。 ロードセルユニットの横方向縦断面図である。 本体ベースの内部を示す断面図である。 本体トップカバーを取り外した状態のロードセルユニットを示す平面図である。 ロードセルユニットと単結晶引上げ機構の電気的構成を示すブロック図である。 本発明のロードセルユニットを利用した単結晶インゴット製造装置を示す説明図である。 種結晶の下方に単結晶インゴットを育成した状態を示す図９と同様な説明図である。 保持ロッドの回転負荷でバネが伸長された状態を示す図７と同様な平面図である。 本体ベースがボトムプレートに当接した状態の本体ベースの内部を示す断面図である。 スプリングピンが折れた状態の本体ベースの内部を示す断面図である。 クリックボール及びクリックバネにより保持ロッドを固定する第２実施形態のボトムプレートと保持ロッドとを示す側面断面図である。 第２実施形態の保持ロッドの固定が解除された状態のボトムプレートと保持ロッドとを示す側面断面図である。 第２実施形態のボトムプレートと保持ロッドとを示す平面断面図である。 第２実施形態の保持ロッドの固定が解除された状態のボトムプレートと保持ロッドとを示す平面断面図である。 シリコン融液の粘度上昇時にボトムプレートを持ち上げる第３実施形態のロードセルユニットを示す断面図である。 第３実施形態のボトムプレートを持ち上げた状態のロードセルユニットを示す断面図である。 第３実施形態の本体ベースの内部を示す平面断面図である。 第３実施形態のボトムプレートを持ち上げた状態の本体ベースの内部を示す平面断面図である。

［第１実施形態］
図１に示すように、ロードセルユニット２は、本体ケース３と、この本体ケース３を回転可能に支持するスリップリング４とを備える。本体ケース３は、本体ベース５と、本体カバー６と、本体トップカバー７と、中仕切り板８とから構成されている。

図４に示すように、本体ベース５には、ボルト９ａ，９ｂが挿通される挿通孔５ａ，５ｂが形成されている。本体カバー６には、ボルト９ａ，９ｂが螺合するネジ孔６ａ，６ｂが形成されている。ボルト９ａ，９ｂは、挿通孔５ａ，５ｂを介してネジ孔６ａ，６ｂに螺合され、本体カバー６は、本体ベース５の上側に取り付けられている。

本体カバー６の上部外周面には、ネジ部６ｃが形成され、本体トップカバー７の下部内周面には、ネジ部６ｃに螺合するネジ部７ａが形成されている。本体トップカバー７は、本体カバー６との間に中仕切り板８を挟み込んだ状態で、ネジ部６ｃとネジ部７ａとが螺合され、本体カバー６に取り付けられている。

図２〜図６に示すように、被測定物の荷重を測定するためのロードセル１０は、セル本体１１と、複数の歪みゲージとから構成されている。セル本体１１は、外筒部１１ａと内筒部１１ｂとを備え、本体カバー６内に収納されている。この外筒部１１ａと内筒部１１ｂは、複数例えば３個のブリッジ１１ｃで連結されている。これらの外筒部１１ａと内筒部１１ｂと３個のブリッジ１１ｃは、金属例えばアルミで一体に形成されている。また、内筒部１１ｂに荷重が印加されると、各ブリッジ１１ｃは弾性によって荷重量に応じて撓むことができる。

１個のブリッジ１１ｃに２個の歪みゲージを取り付けることで、３個のブリッジ１１ｃの上面には、全部で６個の歪みゲージ１４ａ〜１４ｆが取り付けられている。同様に、下面にも歪みゲージ１５ａ〜１５ｆが取り付けられている（図４及び図５参照）。歪みゲージ１４ａ〜１４ｆ，１５ａ〜１５ｆは、薄い絶縁体上に金属の抵抗体（金属箔）をジグザグ状に取り付けたものであり、ブリッジ１１ｃが荷重によって撓むと、これと一緒に変形して、荷重量に応じて抵抗値が変化する。この実施形態では、歪みゲージ１４ａ〜１４ｆ，１５ａ〜１５ｆは、測定レベルが０〜２００Ｎ（設計に応じて適宜変更）のタイプが用いられている。なお、ブリッジに取り付ける歪みゲージの数は、ブリッジの数や必要とする測定精度によって、適宜変更可能であるが、ホイートストンブリッジ回路を形成するために、４の倍数であることが望ましい。例えば、多少測定精度が低下してもよい場合は、外筒部と内筒部とを４個のブリッジで連結し、各ブリッジに１個ずつ取り付けるようにしてもよい等である。

セル本体１１の上には固定板１７が配置されている。この固定板１７には、その中央に軸部１７ａが一体に設けられている。この軸部１７ａは、上端には金属ボール１２が載せられる円錐溝１７ｂが形成され、また下端にネジ１７ｃが突出している。ネジ１７ｃが内筒部１１ｂにネジ結合されることで、固定板１７がセル本体１１から浮き上がった状態となる。金属ボール１２としては、例えばスチールボールが用いられている。なお、軸部１７ａとセル本体１１（ロードセル１０）を一体成形し、固定板１７を軸部１７ａに取り付けるようにしてもよい。

セル本体１１には、ボルト２１ａ〜２１ｃが挿通される挿通孔１１ｄ〜１１ｆが形成されている。ロードセルベース１３には、ボルト２１ａ〜２１ｃが螺合するネジ孔１３ａ〜１３ｃが形成されている。ボルト２１ａ〜２１ｃは、挿通孔１１ｄ〜１１ｆを介してネジ孔１３ａ〜１３ｃに螺合され、セル本体１１はロードセルベース１３の上面に取り付けられる。

図３に示すように、ロードセルベース１３は、本体ベース５に形成された凹部５ｃに収納される。ロードセルベース１３には、ボルト２２ａ〜２２ｃが挿通される挿通孔１３ｄ〜１３ｆが形成されている。凹部５ｃには、ボルト２２ａ〜２２ｃが螺合するネジ孔５ｄ〜５ｆが形成されている。ボルト２２ａ〜２２ｃは、挿通孔１３ｄ〜１３ｆを介してネジ孔５ｄ〜５ｆに螺合され、ロードセルベース１３は本体ベース５に固定される。

ロードセルベース１３の下方には、ボトムプレート２５が配されている。このボトムプレート２５は、本体ベース５に形成された収納凹部５ｇに収納されている。この収納凹部５ｇは、ボトムプレート２５よりも一回り大きく、収納凹部５ｇの壁面とボトムプレート２５との間には、隙間がある。この隙間は、例えば片側で１ｍｍであり、両方で２ｍｍとなる。

ボトムプレート２５には、挿通孔２５ａが形成されている。この挿通孔２５ａには、被測定物を保持する保持ロッド２６が挿通されている。ボトムプレート２５には、固定孔２５ｂが形成され、保持ロッド２６には、固定凹部２６ａが形成されている。Ｃ字状の弾性変形可能なスプリングピン２７は、固定孔２５ｂ及び固定凹部２６ａに挿入されており、挿入された状態では、径が広がる方向への弾性力を有する。このスプリングピン２７により、保持ロッド２６はボトムプレート２５に固定されている。

保持ロッド２６の下端部は、本体ベース５に形成された挿通孔５ｈに挿通され、本体ベース５の下方に突出している。保持ロッド２６の上面とロードセルベース１３の下面との間には隙間がある。

金属ボール１２には、トッププレート３１が載せられている。このトッププレート３１には、連結ロッド３２，３３の上端部が挿入される挿入孔３１ａ，３１ｂが形成されている。ボトムプレート２５には、連結ロッド３２，３３の下端部が挿入される挿入孔２５ｃ，２５ｄが形成されている。ボルト３４ａ〜３４ｄは、挿入孔２５ｃ，２５ｄ，３１ａ，３１ｂを介して連結ロッド３２，３３のネジ孔に螺合され、ボトムプレート２５とトッププレート３１とは、連結ロッド３２，３３により一体的に連結されている。ロードセルベース１３には、連結ロッド３２，３３を挿通するための切欠き１３ｇ，１３ｈが形成されている。ロードセル１０にぶら下がる風袋３６は、保持ロッド２６、ボトムプレート２５、連結ロッド３２，３３、トッププレート３１から構成される。

中仕切り板８は、本体カバー６の上に載せられ、本体トップカバー７で押さえつけられている。この中仕切り板８には、スリップリング４の回転軸４ａが固定されている。回転軸４ａは、スリップリング４のハウジング４ｂ内に回転可能に設けられている。これにより、本体ケース３が回転すると、中仕切り板８とともに回転軸４ａが回転する。この回転軸４ａは、ハウジング４ｂ内で回転するから、スリップリング４が停止した状態で、本体ケース３がロードセル１０と一緒に回転する。なお、通常状態では、保持ロッド２６もロードセル１０と一緒に回転する。

中仕切り板８上には、回転軸４ａに遊嵌した制御回路基板３８が取り付けられている。中仕切り板８上には、断面が凸状の貫通孔８ａが穿設されており、この貫通孔８ａには、両端が金属端子となっている電極１８が取り付けられている。この電極１８の金属端子１８ａは制御回路基板３８に、金属端子１８ｂはロードセル１０の中継基板（図示せず）にそれぞれ接続されており、歪みゲージ１４ａ〜１４ｆ，１５ａ〜１５ｆで測定した測定信号（測定電圧）を制御回路基板３８に伝達する。制御回路基板３８には、歪みゲージ１４ａ〜１４ｆ，１５ａ〜１５ｆの電源回路、増幅回路が設けられている。この制御回路基板３８には、スリップリング４の外部に引き出されたリード線（図示せず）が接続されている。

図７に示すように、固定板１７の上面には、バネ掛け部４１，４２が設けられている。これらバネ掛け部４１，４２には、コイルバネ４３，４４の一端が掛けられている。トッププレート３１の下面には、コイルバネ４３，４４の他端が掛けられるバネ掛け部４５，４６が設けられている。コイルバネ４３，４４は、トッププレート３１を互いに反対方向に付勢することで、トッププレート３１を固定板１７と連結するとともに、トッププレート３１を、固定板１７に対して所定の角度となるように保持する。これにより、ボトムプレート２５が収納凹部５ｇ内でその壁面に接触することなく、その中央に位置決めされる。同様に、連結ロッド３２，３３もロードセルベース１３の切欠き１３ｇ，１３ｈに接触することなく、その中央に位置決めされる。このため、保持ロッド２６に加わる荷重がそのままロードセル１０に伝達されるから、正確な測定を行うことができる。

図８に示すように、ロードセル１０内には、歪みゲージ１４ａ〜１４ｆ，１５ａ〜１５ｆが設けられており、荷重をかけたときの歪み極性が同じになる歪みゲージ３枚を直列に結線することによって４つの結線歪みゲージ４８ａ〜４８ｄを形成している。各結線歪みゲージ４８ａ〜４８ｄは、ホイートストンブリッジ回路５１を形成している。なお、ホイートストンブリッジ回路の形成には４つの抵抗が必要であることから、歪みゲージが複数個（望ましくは４の倍数個）存在する場合には、４つの結線歪みゲージが形成されるように各歪みゲージを結線する。

ホイートストンブリッジ回路５１は、結線歪みゲージ４８ａと結線歪みゲージ４８ｃの接続点Ａと、結線歪みゲージ４８ｂと結線歪みゲージ４８ｄの接続点Ｂとが、ＤＣ電源５２に接続されている。結線歪みゲージ４８ａと結線歪みゲージ４８ｄの接続点Ｃと、結線歪みゲージ４８ｂと結線歪みゲージ４８ｃの接続点Ｄとは、負帰還をかけた差動増幅器４９ａ，４９ｂの＋入力端子にそれぞれ接続されている。各差動増幅器４９ａ，４９ｂの出力は、差動増幅器４９ｃに入力され、その差分が増幅される。差動増幅器４９ｃの出力は、測定電圧としてＡ／Ｄ変換器５０に入力される。この測定電圧は、Ａ／Ｄ変換器５０でデジタル信号に変換され、測定データとしてロードセルユニット２の外部に取り出される。なお、増幅された測定電圧をアナログ信号の測定データとして出力するようにしてもよい。測定電圧をアナログ信号の測定データとして出力する場合は、Ａ／Ｄ変換器５０が省略される。また、測定電圧の増幅方法は、差動増幅に限定されるものではない。

図８に示す実施形態では、ロードセルユニット２は、単結晶インゴットの製造装置の単結晶引上げ機構５３に使用されている。単結晶引上げ機構５３は、移動装置５４と、回転装置５５と、制御装置５６とを備えている。Ａ／Ｄ変換器５０からの出力から求められる測定データは、制御装置５６に送られる。この制御装置５６では、この測定データを単結晶インゴットの荷重とする。この荷重に応じて、制御装置５６は、予め定めた特性曲線を参照して、保持ロッド２６の引上げ速度と回転速度を求め、移動装置５４と回転装置５５とを制御する。

図９は、第１実施形態のロードセルユニットを用いた単結晶インゴットの製造装置を示すものである。この単結晶インゴット製造装置６０は、石英るつぼ６１と、単結晶引上げ機構５３とから構成されている。単結晶インゴットを製造するための材料としては、シリコンやサファイア等が挙げられるが、ここではシリコン単結晶の製造を例に説明する。石英るつぼ６１内には、多結晶シリコンチップを加熱して溶解したシリコン融液６２が収容されている。単結晶引上げ機構５３は、ロードセルユニット２を介して保持ロッド２６を回転させながら、ゆっくりと引き上げるものであり、移動装置５４と回転装置５５とを備えている。

回転装置５５は、モータ６４と、このモータ６４のモータ軸に固定された駆動ギア６５と、駆動ギア６５で回転される大ギア６６とから構成されている。大ギア６６は、ボルト６７ａ，６７ｂによって、本体ベース５の下部に固定されている。また、大ギア６６は、その中央に、保持ロッド２６よりも径が大きい孔が形成されており、この孔を通して保持ロッド２６が突出している。モータ６４が回転すると、大ギア６６により、ロードセルユニット２が回転する。

移動装置５４は、例えば、モータと送りネジ棒と、送りネジ棒に螺合するナットから構成されている。このナットはロードセルユニット２が取り付けられる昇降台（図示せず）に取り付けられている。モータによって送りネジ棒が回転すると、ナットが昇降台と一緒にガイド軸に沿って昇降動することにより、ロードセルユニット２が上下方向に移動する。

次に、図９〜図１３を参照して、本発明を実施した単結晶インゴット製造装置６０の作用について説明する。先ず、保持ロッド２６の下端に種結晶６８を取り付ける。

単結晶引上げ機構５３のスタートボタンを押すと、図９に示すように、制御装置５６は、移動装置５４を駆動してロードセルユニット２を下方に移動し、種結晶６８を、石英るつぼ６１内のシリコン融液６２の液面につける。そして、制御装置５６は、回転装置５５及び移動装置５４を駆動して、本体ケース３を回転させながらロードセルユニット２を引き上げる。

トッププレート３１は、コイルバネ４３，４４により固定板１７に一体化されており、この固定板１７は、ロードセル１０、ロードセルベース１３を介して本体ケース３に固定されているから、トッププレート３１を含む風袋３６は本体ケース３と一緒に回転する。

ロードセルユニット２を引き上げると、図１０に示すように、種結晶６８の下方に単結晶インゴットＣＩが育成され、この単結晶インゴットＣＩの重量が、種結晶６８、風袋３６、金属ボール１２、固定板１７を介してロードセル１０に加わる。このロードセル１０に印加した荷重は、セル本体１１の内筒部１１ｂを押圧するから、ブリッジ１１ｃが僅かであるが湾曲する。このブリッジ１１ｃの湾曲で歪みゲージ１４ａ〜１４ｆ，１５ａ〜１５ｆも歪むため、荷重に応じた測定電圧が発生する。

歪みゲージ１４ａ〜１４ｆ，１５ａ〜１５ｆによって形成されるホイートストンブリッジ回路５１の接続点Ｃ，Ｄの信号は、差動増幅器４９ａ，４９ｂで増幅されてから、差動増幅器４９ｃに送られ、その差分が差動増幅器４９ｃで増幅される（例えば、２ｍＶ→１０Ｖ）。差動増幅器４９で増幅された測定電圧は、Ａ／Ｄ変換器５０でデジタル信号に変換され、測定データとして制御装置５６に送られる。

制御装置５６は、測定データに基づいて、育成された単結晶インゴットＣＩの重量が適正であるか否か（例えば、１秒間に増加した重量が適正であるか否か）を判定する。制御装置５６は、適正でないと判定した場合には、移動装置５４及び回転装置５５を制御して、ロードセルユニット２の引き上げ速度や、本体ケース３の回転速度を調整する。これにより、所望する直径の単結晶インゴットＣＩが育成される。所定時間（例えば、６０分）経過すると、制御装置５６は、移動装置５４及び回転装置５５を停止する。育成された単結晶インゴットＣＩは、保持ロッド２６から、種結晶６８とともに取り外される。この単結晶インゴットＣＩは、切断及び研磨されて、厚みが１〜２ｍｍ程度の円盤状の単結晶シリコンウェハが製造される。

石英るつぼ６１内のシリコン融液６２の粘度が高くなると、種結晶６８が取り付けられた保持ロッド２６にかかる回転負荷が大きくなる。この場合、ボトムプレート２５、連結ロッド３２，３３を介して保持ロッド２６が固定されているトッププレート３１の回転速度が低下する。一方、回転装置５５により回転される本体ケース３の回転速度は、一定に保たれている。この場合、図１１に示すように、コイルバネ４３，４４が伸長されて、本体ケース３に対してトッププレート３１の相対的な回転が許容される。そして、図１２に示すように、本体ベース５の収納凹部５ｇの壁面がボトムプレート２５の側面に当接する。回転装置５５による本体ケース３の回転力が弱い場合、収納凹部５ｇの壁面がボトムプレート２５の側面に当接すると、本体ケース３の回転が停止される。この場合でも、回転装置５５は本体ケース３を回転させようとしているため、出力異常が発生する。この出力異常が発生した場合には、制御装置５６は、回転装置５５を停止する。

一方、回転装置５５による本体ケース３の回転力が強いために、上記した本体ケース３の回転停止ができない場合には、図１３に示すように、固定孔２５ｂ及び固定凹部２６ａに挿入されたスプリングピン２７が折れて、保持ロッド２６の固定が解除される。保持ロッド２６の固定が解除されると、本体ケース３及びボトムプレート２５が一緒に回転する。これにより、融液粘度の変化で保持ロッド２６に大きなトルクがかかったときにも、ロードセル１０に負荷が加わることがないので、ロードセル１０が壊れることがない。

また、単結晶インゴットＣＩの切り離し作業などを行うときに、反動で保持ロッド２６が上方へ突き上げられることがある。この場合には、種結晶６８を介して保持ロッド２６が上方へ突き上げられる。この場合は、保持ロッド２６が上方に移動して、保持ロッド２６の上面がロードセルベース１３の下面に当り、保持ロッド２６とロードセルベース１３との間の隙間がなくなる。この隙間内でボトムプレート２５が上昇すると、これに伴ってトッププレート３１が上昇して金属ボール１２から離れる。これにより、種結晶６８及び保持ロッド２６の突き上げによりロードセル１０に負荷が加わることがないので、ロードセル１０が破損することがない。また、ロードセルベース１３及び保持ロッド２６は、厚みがあり剛性が高いものであるから、突き上げにより当たっても壊れることがない。

［第２実施形態］
図１４〜図１７に示す第２実施形態では、クリックボール７１及びクリックバネ７２により、保持ロッド２６がボトムプレート２５に固定されている。なお、第１実施形態のものと同様の構成部材には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１４及び図１６に示すように、保持ロッド２６の固定凹部２６ａには、クリックバネ７２及びクリックボール７１が挿入されている。このクリックボール７１は、クリックバネ７２により外側に付勢されている。この付勢されたクリックボール７１の一部がボトムプレート２５の固定孔（クリック孔）２５ｂに挿入され、保持ロッド２６はボトムプレート２５に固定されている。本実施形態では、クリックボール７１とクリックバネ７２と固定孔２５ｂとにより、クリックストップ機構が構成されている。なお、クリックバネ７２は、コイルバネに限らず、板バネやモールドバネを用いてもよい。

この第２実施形態では、回転装置５５による本体ケース３の回転力が強く、シリコン融液６２の粘度上昇時に、本体ケース３の回転停止ができない場合、図１５及び図１７に示すように、クリックボール７１は、ボトムプレート２５の壁面により押圧される。この押圧により、クリックボール７１は、クリックバネ７２の付勢に抗して内側に移動してその全部が固定凹部２６ａの中に入る。これにより、保持ロッド２６の固定が解除されて、本体ケース３及びボトムプレート２５が一緒に回転する。

本体ケース３及びボトムプレート２５が１回転すると、クリックボール７１がクリックバネ７２により外側に移動して、その一部がボトムプレート２５の固定孔２５ｂに挿入され、保持ロッド２６はボトムプレート２５に再度固定される。

［第３実施形態］
図１８〜図２１に示す第３実施形態のロードセルユニット８０は、シリコン融液６２の粘度上昇時にボトムプレート２５を持ち上げる。なお、第１実施形態のものと同様の構成部材には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１８及び図２０に示すように、本体ベース５の収納凹部５ｇには、ボトムプレート２５を持ち上げる持上部８１ａ〜８１ｄが形成されている。ボトムプレート２５の側面の下端には、テーパ面２５ｅが形成されている。

この第３実施形態では、シリコン融液６２の粘度上昇により、保持ロッド２６の回転負荷が増加した場合、本体ケース３に対してトッププレート３１が相対的に回転する。回転装置５５による本体ケース３の回転力が弱い場合、時計方向に回転する本体ベース５の持上部８１ａ，８１ｄが、ボトムプレート２５のテーパ面２５ｅに当接して、本体ケース３の回転が停止される。

一方、回転装置５５による本体ケース３の回転力が強いために、上記した本体ケース３の回転停止ができない場合には、図１９及び図２１に示すように、時計方向に回転する本体ベース５の持上部８１ａ，８１ｄが、ボトムプレート２５のテーパ面２５ｅを押圧してボトムプレート２５を持ち上げ、持上部８１ａ，８１ｄは、ボトムプレート２５の下に入り込む。なお、本体ベース５が反時計方向に回転する場合には、本体ベース５の持上部８１ｂ，８１ｃが、テーパ面２５ｅを押圧してボトムプレート２５を持ち上げる。

ボトムプレート２５が持ち上げられると、トッププレート３１が金属ボール１２から離れる。これにより、融液粘度の変化で保持ロッド２６に大きなトルクがかかったときにも、ロードセル１０に負荷が加わることがないので、ロードセル１０が壊れることがない。

トッププレート３１が金属ボール１２から離れると、各歪みゲージ１４ａ〜１４ｃで歪みが検出されず、ロードセルユニット２からの出力が零になる。制御装置５６は、この出力異常を検知した場合、回転装置５５を停止する。

なお、上記実施形態では、コイルバネにより、トッププレートを本体ケースと一体的に回転するように連結するとともに、本体ケースに対してトッププレートの相対的な回転を許容しているが、コイルバネの代わりに、永久磁石の反発力により連結及び回転許容を行ってもよい。この場合、本体ケースとトッププレートとに、互いに反発するとともに、トッププレートを互いに反対方向に付勢する永久磁石を複数取り付ける。シリコン融液の粘度上昇により保持ロッドにかかる負荷が大きくなり、トッププレートの回転速度が低下した場合には、本体ケースの永久磁石がトッププレートの永久磁石に近づくため、永久磁石同士の反発力により、トッププレートが回転され、本体ケースとトッププレートとが再度一体的に連結される。

また、上記実施形態では、ロードセルを１個用いたロードセルユニットに本発明を適用しているが、本発明は複数のロードセルを用いたロードセルユニットにも適用可能である。ロードセルを複数用いる場合には、０〜２００Ｎの定格容量の低容量ロードセルと、０〜５００Ｎの定格容量の高容量ロードセルとを用いる。

さらに、上記第３実施形態では、スプリングピンにより保持ロッドをボトムプレートに固定しているが、上記第２実施形態のように、クリックボール及びクリックバネにより保持ロッドをボトムプレートに固定してもよい。

また、上記実施形態では、トッププレートとロードセルを固定板と金属ボールを介して連結したロードセルユニットを例に説明しているが、特許文献２に開示されているロードセンサユニットのように、金属ボールを介さずにトッププレート（特許文献２のバランスシャフトに相当）を直接ロードセルと連結するような構造のロードセルユニットにも適用可能である。

さらに、上記実施形態では、フォースバーで単結晶インゴットを引き上げる単結晶インゴット製造装置を例に説明しているが、特許文献２に開示されているようなワイヤを巻き取ることで単結晶インゴットを引き上げる単結晶インゴット製造装置にも適用可能である。

以上の実施形態の説明に基づいて、以下の具体的形態を挙げることができる。
付記項１．前記本体カバーは筒状をしており、その上に前記トップカバーが固定され、前記本体ケースは全体が円柱状をしていることを特徴とする請求項１記載のロードセルユニット。
付記項２．前記ボトムプレートと前記トッププレートとは、複数の連結ロッドを介して一体的に連結されていることを特徴とする請求項１記載のロードセルユニット。
付記項３．前記本体ベースには、細長の凹部が形成されており、この中に前記ボトムプレートが適宜な隙間を保って収納されていることを特徴とする付記項１または２記載のロードセルユニット。

２，８０ ロードセルユニット
３ 本体ケース
５ 本体ベース
６ 本体カバー
１０ ロードセル
１２ 金属ボール
１３ ロードセルベース
１４ａ〜１４ｆ，１５ａ〜１５ｆ 歪みゲージ
２５ ボトムプレート
２６ 保持ロッド
２７ スプリングピン
３１ トッププレート
３６ 風袋
４３，４４ コイルバネ
６１ 石英るつぼ
６２ シリコン融液
７１ クリックボール
７２ クリックバネ
８１ａ〜８１ｄ 持上部

Claims (8)

1. 歪み量に応じた電気信号を発生する歪みゲージを有し、印加された被測定物の荷重を測定するロードセルと、
   前記ロードセルの下面側を固定したロードセルベースと、
   前記ロードセルベースの下面側を固定した本体ベースと、前記本体ベースの上側に取り付けられ、前記ロードセルを覆う本体カバーとを有し、上下動及び回転可能に機器に取り付けられる本体ケースと、
   前記ロードセルベースの下方に配置され、前記本体ベースと隙間を保って、前記本体ベースに形成された収納凹部の中に収納されたボトムプレートと、
   前記ボトムプレートと一体的に連結された状態で前記ロードセルの上方に位置するように、前記本体カバー内に収納され、前記ロードセルに上方から荷重を印加するトッププレートと、
   前記本体ベースを貫通した下端で前記被測定物を保持する保持ロッドと、
   前記保持ロッドの上端を前記ボトムプレートに固定するロッド固定手段と、
   前記トッププレートと前記ロードセルとの位置関係が一定に保たれたままで、前記保持ロッドと前記本体ケースとが一体的に回転するように連結しており、前記保持ロッドの回転負荷が増加したときに、前記本体ケースに対して前記トッププレートが一時的に相対回転することを許容する回転許容手段と、
   前記本体ケースの回転中に、前記回転許容手段による連結力よりも大きい回転負荷が、前記保持ロッドを介して前記トッププレートに印加して前記回転許容手段による連結が解除されたときに、前記本体ケースの回転を停止する停止手段と、
   を備えることを特徴とするロードセルユニット。
2. 前記停止手段は、前記被測定物によって前記回転負荷が増加したときに、前記ボトムプレートの側面に当接する前記収納凹部の壁面から構成されていることを特徴とする請求項１記載のロードセルユニット。
3. 前記ロッド固定手段は、
   前記保持ロッドの上端部に形成され、横方向に延びる固定凹部と、
   前記ボトムプレートの上端部に形成され、横方向に延びる固定孔と、
   前記固定凹部及び前記固定孔に挿入される固定ピンと、から構成され、
   前記本体ケースの回転力が強いために、前記停止手段により前記本体ケースの回転が停止できない場合に、前記固定ピンが折れて前記本体ケースが前記ボトムプレートとともに回転することを特徴とする請求項１または２記載のロードセルユニット。
4. 前記固定ピンは、前記連結孔及び前記連結凹部に挿入されたときに径が広がるスプリングピンから構成されていることを特徴とする請求項３記載のロードセルユニット。
5. 前記ロッド固定手段は、
   前記保持ロッドの上端部に形成され、横方向に延びる固定凹部と、
   前記ボトムプレートの上端部に形成され、横方向に延びるクリック孔と、
   前記固定凹部及び前記クリック孔に挿入されるクリックボールと、
   前記固定凹部に挿入されており、前記クリックボールを外側に向けて付勢してその一部を前記クリック孔に挿入することで前記保持ロッドを前記ボトムプレートに固定するクリックバネと、から構成され、
   前記本体ケースの回転力が強いために、前記停止手段により前記本体ケースの回転が停止できない場合に、前記クリックボールは、前記ボトムプレートの壁面により押圧されて前記クリックバネの付勢に抗して内側に移動してその全部が前記固定凹部の中に入ることで前記ロッド固定手段による固定が解除され、前記本体ケースが前記ボトムプレートとともに回転することを特徴とする請求項１または２記載のロードセルユニット。
6. 前記トッププレートと前記ロードセルとの間に、前記ロードセルに上方から荷重を印加する金属ボールを配置したことを特徴とする請求項１ないし５いずれか１つ記載のロードセルユニット。
7. 前記本体ベースには、前記本体ケースの回転力が強いために、前記停止手段により前記本体ケースの回転が停止できない場合に、前記ボトムプレートに当接して持ち上げ、前記トッププレートを前記金属ボールから離れるようにする持上部が設けられていることを特徴とする請求項６記載のロードセルユニット。
8. 前記回転許容手段は、
   前記ロードセルの上面に固定され、中心の円錐溝内に前記金属ボールが載せられる固定板と、
   前記固定板と前記トッププレートとを連結するとともに、前記トッププレートを互いに反対方向に付勢することで、前記トッププレートを特定の位置に保持する複数のコイルバネと、
   を備えていることを特徴とする請求項６または７記載のロードセルユニット。

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