JP2014077673A - 超小型ロードセル - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも小型でかつ微小荷重に対応することができる超小型ロードセルを提供する。
【解決手段】超小型ロードセルは、起歪部２を含み、一体成型してなる構造体１と、前記起歪部２に貼り付けられた、検知材料としてＣｒ−Ｎ薄膜を有する歪ゲージ３とを有する。一体成型した構造体１は、起歪部の両側に一対の固定用ネジ部４ａ、４ｂを有し、その一対の固定用ネジ部４ａ、４ｂのねじ穴５ａ、５ｂが一軸線上に存在し、その軸線が力の作用する軸線Ｌであり、起歪部２がこの力が作用する軸線Ｌ上に存在する。
【選択図】図１

Description

本発明は、歪ゲージを貼り付けた構造の超小型ロードセルに関する。

近年、スマートフォンやパッド型ＰＣ等の携帯型画面入出力装置のタッチパネル内におけるタッチ部位（アイコン等）が非常に多くなってきており、タッチ検出素子の高密度化が進んでいるため、その製造工程における検査機器のセンサ素子について高位置分解能化が求められている。さらに、測定ピッチが小さければ小さいほど多点の同時測定が可能となり、検査効率を向上させることにもなる。また、その検査は画面にタッチする（すなわち画面に力を印加する）ことになるが、画面を破壊しないように適度な比較的小さい力での検査であることから、センサ素子には微小な力に対する検知能力が必要とされている。今日、そのような状況から、極力小型で定格容量の小さいロードセルが求められている。

従来、ロードセルとして、ＣｕＮｉ系合金またはＮｉＣｒ系合金の箔材からなるストレインゲージまたは歪ゲージなどと呼ばれる歪を電気抵抗に変換するセンサ素子を特殊な構造体の起歪部に貼り付ける構成のものが多く用いられてきた。

そのような金属箔ストレインゲージを用いたロードセルの小型化の例として、特許文献１に開示されたものが挙げられる。これは、円筒形の保持体の中心に、十字状に配置した断面四角形の４本のスポーク柱によって荷重受部を支持した同形の２つのロードセル半部を、前記保持体の端部同士を向き合わせて上下対称に配置して前記保持体の端縁同士を接続し、前記スポーク柱の各面に歪ゲージを貼付したことを特徴とする多軸力ロードセルである。

また、単軸のロードセルにおいては、力点と支点を同軸上に存在させることによって、二次元的に必要最小限の面積にすることが可能となり、小型化を図ることができる。そこで、両端部に配置した２つの固定用ネジ部が一軸線上に存在する一体成型した構造体において、それらネジの間に存在しかつそれらと同一の軸線上に存在する起歪部に金属箔歪ゲージを貼り付けたロードセルが開発されている。それによって幅７ｍｍという超小型で定格容量の小さいロードセルが実現可能とされている。

特開２００７−１６３４０５号公報

ところで、タッチ検出素子のさらなる高密度化に対応すべく、ロードセルにはさらなる小型化および微小荷重化が要求されているが、ロードセルの小型化に伴って歪量が低下することになるため、ロードセルをさらに小型化するためには歪検知能力を向上させる必要がある。しかし、金属箔歪ゲージ自身はゲージ率が小さく、感度が低いため、微小荷重や微小変位に対して出力が小さく、精度（分解能）、繰り返し性に問題が生じる。出力を大きくするために、入力電圧を増加させることも考えられるが、入力電圧を増加させると電流が増加して素子が発熱し、抵抗値やフルブリッジバランスのドリフト等といった悪影響を生じる可能性がある。このため、ロードセルのさらなる小型化に十分対応することができない。ロードセルを構成する構造体の設計、例えば起歪部を特に薄くする、やわらかい材質に変更する等で感度を補うことも考えられるが、構造体自身が塑性変形を起こしやすくなり、測定時に構造体自身の形状を安定に保てず、自ずと限界がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、従来よりも小型でかつ微小荷重に対応することができる超小型ロードセルを提供することを課題とする。

本発明者らは、従来の超小型ロードセルをさらに小型化かつ微小荷重化すべく、歪ゲージの検知材料として従来のＣｕ−Ｎｉ箔よりも感度が高いＣｒ−Ｎ薄膜を用いることを前提として検討を重ねた。

検知材料として、Ｃｒ−Ｎ薄膜を用いる場合、フォトリソグラフィー技術を用い、起歪部に直接（要すれば絶縁体膜を介して）形成することが可能である。しかし、超小型のロードセルを実現しようとする場合、上述したように、起歪部を含む構造体を一体成型する必要があり、このように一体成型した入り組んだ構造の内部に安定な薄膜を直接（要すれば絶縁体膜を介して）形成することが極めて困難であることが判明した。

そこで、Ｃｒ−Ｎ薄膜を検知材料として用いて超小型ロードセルを得るべく、さらに検討を重ねた結果、適当な基板に検知材料としてＣｒ−Ｎ薄膜を形成して歪ゲージを構成し、この歪ゲージを一体成型した構造体の起歪部に貼り付ければよいことに想到した。

本発明は本願発明者らのこのような知見に基づいてなされたものであり、以下の（１）〜（６）を提供する。
（１）起歪部を含み、一体成型してなる構造体と、前記起歪部に貼り付けられた、検知材料としてＣｒ−Ｎ薄膜を有する歪ゲージとを有することを特徴とする超小型ロードセル。
（２）前記一体成型した構造体は、前記起歪部の両側に一対の固定用ネジ部を有し、前記一対の固定用ネジ部のねじ穴が一軸線上に存在し、その軸線が力の作用する軸線であり、前記起歪部はこの力が作用する軸線上に存在することを特徴とする（１）に記載の超小型ロードセル。
（３）前記歪ゲージは絶縁性のセラミックスからなる基板上にＣｒ−Ｎ薄膜が形成されてなり、前記基板が前記起歪部に貼り付けられていることを特徴とする（１）または（２）に記載の超小型ロードセル。
（４）前記基板はジルコニアからなることを特徴とする（３）に記載の超小型ロードセル。
（５）前記構造体の幅が５ｍｍ以下であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の超小型ロードセル。
（６）安定に測定可能な荷重が３Ｎ以下であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の超小型ロードセル。

本発明によれば、歪ゲージの検知材料としてＣｒ−Ｎ薄膜を用い、歪ゲージを一体成型した構造体の起歪部に貼り付けるようにしたので、一体成型された起歪部に容易に形成することができ、また、Ｃｒ−Ｎ薄膜はゲージ率が大きく高感度であるため、従来の超小型ロードセルよりも小型化および微小荷重化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るロードセルを示す概略構成図である。 図１のロードセルに用いられる歪ゲージを示す断面図である。 （ａ）は従来最小品であるロードセル（ＴＣＬＳ）、（ｂ）は本発明のロードセル（ＴＣＳＳ）を示す図である。 ＴＣＬＳの起歪体を用いた場合の歪ゲージ種類の違いによる出力を比較した図であり、最大印加荷重が１０Ｎの場合である。 ＴＣＬＳの起歪体を用いた場合の歪ゲージ種類の違いによる出力を比較した図であり、最大印加荷重が２．５Ｎの場合である。 起歪体も歪ゲージ種類も異なる場合について出力を比較した図であり、最大印加荷重が３Ｎの場合である。 起歪体も歪ゲージ種類も異なる場合について出力を比較した図であり、最大印加荷重が１．５Ｎの場合である。 ロードセル試料における非直線性の絶対値を荷重に対してプロットした図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本実施形態に係るロードセルは、起歪部を含み、一体成型してなる構造体と、前記起歪部に貼り付けられた、検知材料としてＣｒ−Ｎ薄膜を有する歪ゲージとを有する。好ましくは、一体成型した構造体は、一対の固定用ネジ部を有し、起歪部は、これら一対の固定用ネジ部の間で、かつ一対のネジ部と同一の、力が作用する軸線上に存在する。

具体的な構造を図１に示す。ロードセル１０は、一体成型してなる構造体１を有している。構造体１は、起歪部２を有しており起歪部２の表面に歪ゲージ３が貼り付けられている。構造体１は起歪部２の両側に、それぞれ固定用のネジを挿通するネジ穴５ａ，５ｂが形成されたネジ部４ａ，４ｂを有している。そして、ねじ穴５ａ，５ｂ（の中心）は一軸線上に存在するようになっている。そして、この軸線が力の作用する軸線Ｌとなる。起歪部２はこの力が作用する軸線Ｌ上に存在する。この軸線Ｌ上に力が作用すると起歪部２に歪が生じ、その歪を歪ゲージ３により検出することにより荷重を計測することができる。

歪ゲージ３は、図２に示すように、基板（ベース）１１上に、検知材料（ゲージ材）としてＣｒ−Ｎ薄膜１２が形成されてなり、起歪部２に貼り付ける際には、基板（ベース）１１を起歪部２に貼り付ける。検知材料を構成するＣｒ−Ｎ薄膜は、ゲージ率が大きく高感度であり、抵抗温度係数（ＴＣＲ）が小さく安定性が高いため、超小型ロードセルの歪ゲージとして適している。Ｃｒ−Ｎ薄膜のＮの含有量は、原子％で０．０００１〜３０％の範囲であることが好ましい。歪ゲージの検知材料としてのＣｒ−Ｎ薄膜については、特許第３６４２４４９号公報等に詳細に記載されている。この文献に記載されているように、Ｎ濃度を原子％で０．０００１〜３０％とすることにより、熱処理によってＡ１５型構造をｂｃｃ構造へ変化させて、ｂｃｃ構造またはｂｃｃ構造とＡ１５型構造との混合組織として抵抗温度係数を±１００ｐｐｍ／℃以内という低い値とすることができる。

このようなＣｒ−Ｎ薄膜の基板（ベース）１１としては、ポリイミド等の樹脂を挙げることができる（丹羽英二，佐々木祥弘，荒井賢一，増本剛：「ポリイミドを基板としたCr-N薄膜の作製と微圧センサ応用」，電気学会研究会資料，フィジカルセンサ研究会PHS-11-03，pp.11-16 (2011).）。ただし、ポリイミド樹脂はやわらかく、薄膜そのものが形態的に不安定となり、耐熱性が低く熱膨張係数が大きいため薄膜形成のための基板としては難点がある。また、基板（ベース）１１としては、絶縁性のセラミックスを挙げることができる。セラミックスは、硬く耐熱性が高いため薄膜形成のための基板としては優れているが、硬くて脆く、延びが小さいため、歪伝達性が問題視されていた。しかし、厚さを薄くすることにより、良好な歪伝達性が得られることが判明した。したがって、基板（ベース）１１としては薄い絶縁性セラミックスが好適である。十分な歪伝達性を得る観点からは、セラミックス基板の厚さを８０μｍにすることが好ましく、５０μｍ以下がより好ましい。セラミックスの中でも、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、特に部分安定化ジルコニアを用いることが好ましい。ジルコニアは曲げ強度および圧縮強度が大きく、熱膨張係数がＣｒ−Ｎ薄膜と近いという利点がある。

このように、検知材料（ゲージ材）としてのＣｒ−Ｎ薄膜を基板（ベース）上に形成して歪ゲージを構成し、これを起歪部に貼り付けるので、薄膜を起歪部に形成する場合のような困難性をともなうことがない。また、Ｃｒ−Ｎ薄膜はゲージ率が高く高感度であるため、受感部をさらに小さくしても微小荷重や微小変位に対して十分な出力を得ることができる。具体的には、従来の超小型ロードセルの歪ゲージに用いられていたＣｕＮｉ箔は、ゲージ率（感度）が２、比抵抗が約５０×１０^-８Ω・ｍであるのに対し、本発明のロードセルの歪ゲージに用いるＣｒ−Ｎ薄膜は、例えばゲージ率（感度）を８、比抵抗を約２００×１０^-８Ω・ｍとすることができ、本発明では、感度および抵抗値のいずれも従来の４倍とすることができる。このため、素子の発熱をＮｉ箔と同等に抑えるには抵抗値が４倍になることで入力電圧を２倍にすることができ、結果として出力を８倍とすることができる。したがって、ロードセルのさらなる小型化が可能であり、幅５ｍｍ以下とすることが可能である。また、従来の超小型ロードセルは、ＣｕＮｉ箔の感度が低いため、安定に測定可能な荷重（定格容量）としては１０Ｎが限界であったが、本発明ではＣｒ−Ｎ薄膜の感度が高いため、安定に測定可能な荷重を３Ｎ以下とすることができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

ここでは、表１に示すように、図３の（ａ）に示す従来最小品であるロードセル（ＴＣＬＳ）の起歪体（起歪部を有する構造体）に、それぞれポリイミドベースの市販箔歪ゲージとセラミックス（ジルコニア）ベースのＣｒ−Ｎ薄膜歪ゲージとを接着したロードセル試料（測定番号１〜６）、および図３の（ｂ）に示す本発明のロードセル（ＴＣＳＳ）の起歪体（起歪部を有する構造体）に、セラミックス（ジルコニア）ベースのＣｒ−Ｎ薄膜歪ゲージを接着したロードセル試料（測定番号７〜８）を作製し、荷重印加試験を行った。なお、表１に起歪体の材質および最大印加荷重を併記した。

荷重印加試験は、圧縮試験として行った。具体的には堅固安定で平滑な板の上にロードセルを置き、ロードセル上部に球状の負荷治具を載せ、さらにこの治具に皿の付いた枠をかけ、その皿の上に分銅を負荷・除荷する。このとき分銅は、定格容量または最大印加荷重の１／５の重量の分銅を一つずつ、すなわち５ピッチにて負荷（荷重の増加）および除荷（荷重の減少）を行った。荷重印加試験における最大荷重出力、非直線性、ヒステリシスについて表２に示す。

次に、ＴＣＬＳの起歪体を用いた場合の歪ゲージ種類の違いによる出力を比較した。
図４は、最大印加荷重が１０Ｎの測定番号１（ＣｕＮｉ箔歪ゲージ）と測定番号５（Ｃｒ−Ｎ薄膜歪ゲージ）とを比較した図であり、図５は、最大印加荷重が２．５Ｎの測定番号３（ＣｕＮｉ箔歪ゲージ）と測定番号６（Ｃｒ−Ｎ薄膜歪ゲージ）とを比較した図である。いずれも直線性に優れ、ヒステリシスが無い良好な特性を示した。また、Ｃｒ−Ｎ薄膜歪ゲージの出力は、市販箔歪ゲージと比較して、１０Ｎにおいて約３．９倍、２．５Ｎにおいて約３．８倍であった。これはほぼゲージ率の比率と同じ比率であり、ゲージ率の違いが出力の違いにそのまま反映されている。

次に起歪体も歪ゲージ種類も異なる場合について出力を比較した。
図６は、最大印加荷重が３Ｎの測定番号２（ＴＣＬＳ起歪体、ＣｕＮｉ箔歪ゲージ）と測定番号７（ＴＣＳＳ起歪体、Ｃｒ−Ｎ薄膜歪ゲージ）とを比較した図であり、図７は、最大印加荷重が１．５Ｎの測定番号４（ＴＣＬＳ起歪体、ＣｕＮｉ箔歪ゲージ）と測定番号８（ＴＣＳＳ起歪体、Ｃｒ−Ｎ薄膜歪ゲージ）とを比較した図である。いずれも直線性に優れ、ヒステリシスが無い良好な特性を示した。また、Ｃｒ−Ｎ薄膜歪ゲージの出力は、市販箔歪ゲージと比較して、３Ｎにおいて約６．５倍、１．５Ｎにおいて約６．３８倍であった。これはゲージ率の比率よりも大きい値であり、出力に対しては、ゲージ率の他に、起歪体の大きさも影響していると考えられる。

次に、荷重と非直線性との関係について検討した。図８は、上記測定番号１〜８における非直線性の絶対値を荷重に対してプロットした図である。ここで非直線性とは、横軸に負荷をとり縦軸に出力をとった場合に、校正曲線の無負荷時の出力と定格負荷時の出力とを結ぶ直線と、負荷増加時の曲線との差の最大値を、定格出力に対する百分率で表したものをいう。図４〜７では従来の市販箔歪ゲージを用いたロードセルにおいても低荷重においてマクロ的には直線性が良好に見えるが、実際に必要な直線性が得られているわけではない。図８に示すように、従来の箔歪ゲージは、荷重が小さくなると直線性が悪くなることが確認された。したがって、従来の箔歪ゲージを用いてロードセルを小型化した場合、抵抗値および起歪体構造の問題から低荷重での直線性が一層悪化するものと考えられる。これに対して、本発明のＣｒ−Ｎ薄膜歪ゲージを用いたロードセルは、低荷重であっても良好な直線性を示しており、一層の小型化および低荷重化が可能であることが確認された。

以上のように、検知材料としてＣｒ−Ｎ薄膜を用いた歪ゲージを起歪部に貼り付けてロードセルを構成することにより、従来の超小型ロードセルよりもさらに小型化することができ、さらなる微小荷重にも対応できることが確認された。具体的には、Ｃｒ−Ｎ薄膜歪ゲージは、従来の箔歪ゲージと比べて感度が４倍、抵抗値も４倍であるため、入力電圧を２倍にすることができ、出力として単純に８倍の値を得ることができ、入力電圧をむしろ従来よりも低下させることができるため、発熱のおそれもない。また、実際に、Ｃｒ−Ｎ薄膜を貼り付けて構成されたロードセルは、起歪体（構造体）の幅が４ｍｍ以下と従来の７ｍｍよりも著しく小さくても従来の６倍以上の出力を得ることができ、３Ｎ以下の低荷重に対しても直線性に優れ、ヒステリシスがないことが確認された。Ｃｒ−Ｎ薄膜歪ゲージは従来の箔歪ゲージよりも抵抗値が十分に高いため、さらなる小型化も可能である。

なお、上記実施例では、荷重印加試験を圧縮試験により行った例を記載したが、引張試験で行っても同様の結果が得られた。引張試験の場合には、堅固安定で平滑な板に対しロードセル上部のネジを利用してロードセルを固定し、次いで、ロードセル下部のネジ穴に吊り下げ治具を取り付け、圧縮試験と同様、この治具に皿の付いた枠を接続し、その皿の上に分銅を一つずつ負荷・除荷することにより行うことができる。

１；構造体、２；起歪部、３；歪ゲージ、４ａ、４ｂ；固定用ネジ部、５ａ、５ｂ；ネジ穴、１０；ロードセル、１１；基板、１２；Ｃｒ−Ｎ薄膜

Claims (6)

1. 起歪部を含み、一体成型してなる構造体と、前記起歪部に貼り付けられた、検知材料としてＣｒ−Ｎ薄膜を有する歪ゲージとを有することを特徴とする超小型ロードセル。
2. 前記一体成型した構造体は、前記起歪部の両側に一対の固定用ネジ部を有し、前記一対の固定用ネジ部のねじ穴が一軸線上に存在し、その軸線が力の作用する軸線であり、前記起歪部はこの力が作用する軸線上に存在することを特徴とする請求項１に記載の超小型ロードセル。
3. 前記歪ゲージは絶縁性のセラミックスからなる基板上にＣｒ−Ｎ薄膜が形成されてなり、前記基板が前記起歪部に貼り付けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超小型ロードセル。
4. 前記基板はジルコニアからなることを特徴とする請求項３に記載の超小型ロードセル。
5. 前記構造体の幅が５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超小型ロードセル。
6. 安定に測定可能な荷重が３Ｎ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超小型ロードセル。

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