JP2020148658A - Strain gauge and load cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、起歪部に発生する歪みを測定する歪みゲージ、及び、歪みゲージが取り付けられた起歪部を有するロードセルに関する。 The present invention relates to a strain gauge for measuring strain generated in a strain generating portion and a load cell having a strain generating portion to which a strain gauge is attached.
従来、起歪部の表面の変形量に応じて電気抵抗値が変化する歪み抵抗体と、歪み抵抗体が取り付けられる絶縁性のベースとを備える歪みゲージが知られている。例えば、特許文献1(特開2015−64296号公報)には、ポリイミド樹脂及びエポキシ樹脂等からなる薄膜状のベースを備える歪みゲージと、歪みゲージが取り付けられている起歪部とを有するロードセルが開示されている。このロードセルは、ベースが吸湿して変形することに起因する歪み抵抗体の電気抵抗値の意図しない変動を低減するために、起歪部の表面に形成される窪みの中に歪みゲージを設け、窪みをカバーで覆う構成を有している。 Conventionally, a strain gauge having a strain resistor whose electric resistance value changes according to the amount of deformation of the surface of the strain-causing portion and an insulating base to which the strain resistor is attached is known. For example, Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-64296) describes a load cell having a strain gauge having a thin-film base made of a polyimide resin, an epoxy resin, or the like, and a strain generating portion to which a strain gauge is attached. It is disclosed. In this load cell, in order to reduce unintentional fluctuations in the electrical resistance value of the strain resistor due to the base absorbing moisture and deforming, a strain gauge is provided in the recess formed on the surface of the strain generating portion. It has a structure in which the dent is covered with a cover.
しかし、歪みゲージが中に設けられた窪みをカバー等で覆ったとしても、ロードセルの長期間の使用により水分が窪みの中に徐々に浸入して、ベースが吸湿により変形して歪みゲージの出力が変動する可能性がある。 However, even if the dent provided inside the strain gauge is covered with a cover or the like, moisture gradually infiltrates into the dent due to long-term use of the load cell, and the base is deformed by moisture absorption to output the strain gauge. May fluctuate.
本発明の1つの目的は、ベースの吸湿による歪みゲージの出力の変動を低減することで、出力が安定したロードセルを提供することである。 One object of the present invention is to provide a load cell with a stable output by reducing fluctuations in the output of the strain gauge due to moisture absorption of the base.
本発明の第1観点に係る歪みゲージは、荷重が加えられることにより変形する起歪部に取り付けられる。歪みゲージは、起歪部に取り付けられる絶縁性のベースと、ベースに取り付けられる歪み抵抗体とを備える。歪み抵抗体は、起歪部の変形の程度に応じて電気抵抗値が変化する。ベースの少なくとも一部は、液晶ポリマーで形成されている。 The strain gauge according to the first aspect of the present invention is attached to a strain-causing portion that deforms when a load is applied. The strain gauge includes an insulating base attached to the strain generating portion and a strain resistor attached to the base. The electric resistance value of the strain resistor changes according to the degree of deformation of the strain generating portion. At least part of the base is made of liquid crystal polymer.
この歪みゲージは、ベースの少なくとも一部が、ポリイミド樹脂等の従来の材料と比較して、吸水率、及び、水分の吸収及び放出に伴う変形量が小さい液晶ポリマーで形成されている。これにより、ベースの吸湿による変形に起因する歪み抵抗体の電気抵抗値の変動が低減されるので、歪みゲージの出力の変動が抑えられる。 At least a part of the base of this strain gauge is made of a liquid crystal polymer having a small water absorption rate and a small amount of deformation due to absorption and release of water as compared with conventional materials such as polyimide resin. As a result, fluctuations in the electrical resistance value of the strain resistor due to deformation due to moisture absorption of the base are reduced, so fluctuations in the output of the strain gauge can be suppressed.
本発明の第2観点に係る歪みゲージは、第1観点に係る歪みゲージであって、ベースは、液晶ポリマーで形成されている層であって、所定の感度方向を含む面に平行な層を含む。感度方向は、起歪部の変形により歪み抵抗体の長さが変化する方向である。 The strain gauge according to the second aspect of the present invention is the strain gauge according to the first aspect, and the base is a layer formed of a liquid crystal polymer, which is a layer parallel to a plane including a predetermined sensitivity direction. Including. The sensitivity direction is the direction in which the length of the strain resistor changes due to the deformation of the strain generating portion.
本発明の第3観点に係る歪みゲージは、第2観点に係る歪みゲージであって、ベースは、液晶ポリマーで形成されている1つの液晶ポリマー層を有する。感度方向は、液晶ポリマー層の線膨張率が最も低い方向に沿っている。 The strain gauge according to the third aspect of the present invention is the strain gauge according to the second aspect, and the base has one liquid crystal polymer layer formed of a liquid crystal polymer. The sensitivity direction is along the direction in which the linear expansion coefficient of the liquid crystal polymer layer is the lowest.
本発明の第4観点に係る歪みゲージは、第3観点に係る歪みゲージであって、感度方向は、液晶ポリマー層を形成している液晶ポリマー分子の長手方向に沿っている。 The strain gauge according to the fourth aspect of the present invention is the strain gauge according to the third aspect, and the sensitivity direction is along the longitudinal direction of the liquid crystal polymer molecules forming the liquid crystal polymer layer.
本発明の第5観点に係る歪みゲージは、第2観点に係る歪みゲージであって、ベースは、液晶ポリマーで形成されている第1液晶ポリマー層及び第2液晶ポリマー層を有する。第1液晶ポリマー層及び第2液晶ポリマー層は、それぞれ、吸湿により膨張する膨張方向と、吸湿により収縮する収縮方向とを有する。第1液晶ポリマー層の膨張方向と、第2液晶ポリマー層の膨張方向とは、交差している。 The strain gauge according to the fifth aspect of the present invention is the strain gauge according to the second aspect, and the base has a first liquid crystal polymer layer and a second liquid crystal polymer layer formed of a liquid crystal polymer. The first liquid crystal polymer layer and the second liquid crystal polymer layer each have an expansion direction that expands due to moisture absorption and a contraction direction that contracts due to moisture absorption. The expansion direction of the first liquid crystal polymer layer and the expansion direction of the second liquid crystal polymer layer intersect.
本発明の第6観点に係る歪みゲージは、第5観点に係る歪みゲージであって、
角度θTH1及び角度θTH2が
角度θ1は、θTH1−20°からθTH1+20°までの範囲内の角度であり、
角度θ2は、θTH2−20°からθTH2+20°までの範囲内の角度であり、
角度θ0を
Angle θ TH1 and angle θ TH2
The angle θ 1 is an angle within the range from θ TH1 −20 ° to θ TH1 + 20 °.
The angle θ 2 is an angle within the range from θ TH2 −20 ° to θ TH2 + 20 °.
Angle θ 0
本発明の第7観点に係る歪みゲージは、第2観点に係る歪みゲージであって、ベースは、液晶ポリマーで形成されている少なくとも3つの液晶ポリマー層を有する。それぞれの液晶ポリマー層は、吸湿により膨張する膨張方向と、吸湿により収縮する収縮方向とを有する。互いに隣接する2つの液晶ポリマー層の膨張方向は、互いに交差している。 The strain gauge according to the seventh aspect of the present invention is the strain gauge according to the second aspect, and the base has at least three liquid crystal polymer layers formed of the liquid crystal polymer. Each liquid crystal polymer layer has an expansion direction that expands due to moisture absorption and a contraction direction that contracts due to moisture absorption. The expansion directions of the two liquid crystal polymer layers adjacent to each other intersect each other.
本発明の第8観点に係る歪みゲージは、第2観点に係る歪みゲージであって、ベースは、液晶ポリマーで形成されている液晶ポリマー層と、液晶ポリマー以外の結晶性ポリマー又は非結晶性ポリマーで形成されている非液晶ポリマー層とを有する。液晶ポリマー層は、吸湿により膨張する膨張方向と、吸湿により収縮する収縮方向とを有する。また、
液晶ポリマー層の膨張方向と、感度方向とが成す角度は、θ−20°からθ+20°までの範囲内の角度である。上式において、液晶ポリマー層の膨張方向の線膨張率がE1aであり、液晶ポリマー層の収縮方向の線膨張率がE1bであり、液晶ポリマー層の厚みがt1であり、非液晶ポリマー層の線膨張率がE2であり、非液晶ポリマー層の厚みがt2である。
The strain gauge according to the eighth aspect of the present invention is a strain gauge according to the second aspect, and the base is a liquid crystal polymer layer formed of a liquid crystal polymer and a crystalline polymer or a non-crystalline polymer other than the liquid crystal polymer. It has a non-liquid crystal polymer layer formed of. The liquid crystal polymer layer has an expansion direction that expands due to moisture absorption and a contraction direction that contracts due to moisture absorption. Also,
The angle formed by the expansion direction and the sensitivity direction of the liquid crystal polymer layer is an angle within the range of θ-20 ° to θ + 20 °. In the above equation, the linear expansion coefficient in the expansion direction of the liquid crystal polymer layer is E 1a , the linear expansion coefficient in the contraction direction of the liquid crystal polymer layer is E 1b , the thickness of the liquid crystal polymer layer is t 1 , and the non-liquid crystal polymer. The coefficient of linear expansion of the layer is E 2 , and the thickness of the non-liquid crystal polymer layer is t 2 .
本発明の第9観点に係る歪みゲージは、第1乃至第8観点のいずれか1つに係る歪みゲージであって、歪み抵抗体を覆うカバー部材をさらに備える。 The strain gauge according to the ninth aspect of the present invention is a strain gauge according to any one of the first to eighth aspects, and further includes a cover member for covering the strain resistor.
本発明の第10観点に係る歪みゲージは、第9観点に係る歪みゲージであって、カバー部材の少なくとも一部は、液晶ポリマーで形成されている。 The strain gauge according to the tenth aspect of the present invention is the strain gauge according to the ninth aspect, and at least a part of the cover member is made of a liquid crystal polymer.
本発明の第11観点に係るロードセルは、第1乃至第10観点のいずれか1つに係る歪みゲージと、起歪部とを備える。起歪部は、歪みゲージが取り付けられ、荷重が加えられることにより変形する。歪みゲージは、荷重が加えられることにより変形する方向と交差する、起歪部の表面に取り付けられている。 The load cell according to the eleventh aspect of the present invention includes a strain gauge according to any one of the first to tenth aspects and a strain generating portion. The strain-causing portion is deformed when a strain gauge is attached and a load is applied. The strain gauge is attached to the surface of the strain-causing portion, which intersects the direction of deformation when a load is applied.
本発明に係る歪みゲージは、ベースの吸湿による出力の変動を低減することができ、出力が安定したロードセルを提供することができる。 The strain gauge according to the present invention can reduce fluctuations in output due to moisture absorption of the base, and can provide a load cell with stable output.
本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下に説明される実施形態は、本発明の具体例の一つであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiments described below are one of the specific examples of the present invention and do not limit the technical scope of the present invention.
―第1実施形態―
(1)ロードセルの構成
図1は、本発明の第1実施形態に係る歪みゲージ17を備えるロードセル10の斜視図である。図2は、ロードセル10の側面図である。ロードセル10は、主として、起歪部12と、4つの歪みゲージ17とから構成されている。
― First Embodiment ―
(1) Configuration of Load Cell FIG. 1 is a perspective view of a
起歪部12は、アルミニウム合金を原材料とする。アルミニウム合金は、日本工業規格(JIS)で定められる2000番台のアルミニウム合金(Al−Cu系合金)である。
The
起歪部12は、図2に示されるように、ロバーバル型の形状を有している。起歪部12は、固定剛体部13と可動剛体部14とを有する。固定剛体部13及び可動剛体部14は、起歪部12の長手方向における両端部に配置されている。
As shown in FIG. 2, the
固定剛体部13及び可動剛体部14は、2本のビーム部15,16によって連結されている。2本のビーム部15,16は、上方ビーム部15と下方ビーム部16とから構成される。上方ビーム部15及び下方ビーム部16は、図2に示されるように、側面視において、起歪部12の長手方向と直交する高さ方向に並べて配置されている。上方ビーム部15は、固定剛体部13の高さ方向上部と、可動剛体部14の高さ方向上部とを連結する。下方ビーム部16は、固定剛体部13の高さ方向下部と、可動剛体部14の高さ方向下部とを連結する。
The fixed
固定剛体部13の上面、及び、可動剛体部14の上面は、高さ方向において同じ位置にある。固定剛体部13の下面、及び、可動剛体部14の下面は、高さ方向において同じ位置にある。上方ビーム部15の上面は、固定剛体部13及び可動剛体部14の上面よりも、高さ方向において下方に位置している。下方ビーム部16の下面は、固定剛体部13及び可動剛体部14の下面よりも、高さ方向において上方に位置している。
The upper surface of the fixed
ロードセル10は、起歪部12の高さ方向中央部かつ長手方向中央部において、起歪部12の幅方向の両側面を貫通する孔を有する。幅方向とは、長手方向及び高さ方向と直交する方向である。ロードセル10の孔は、固定剛体部13、可動剛体部14、及び、2本のビーム部15,16によって囲まれる空間である。ロードセル10の孔は、2つのノッチ部30と、2つのノッチ部30を繋ぐ連通部31とからなる。ノッチ部30の高さ方向の寸法は、連通部31の高さ方向の寸法よりも長い。
The
上方ビーム部15は、2つの薄肉部15aと1つの均厚部15bとを有する。下方ビーム部16は、2つの薄肉部16aと1つの均厚部16bとを有する。
The
薄肉部15a,16aは、ビーム部15,16において高さ方向の寸法(厚み)が他の部分よりも小さくなっている部分である。薄肉部15a,16aは、起歪部12の中で最も剛性が低い部分である。起歪部12の長手方向において、薄肉部15a,16aは、ノッチ部30と同じ位置にある。薄肉部15a,16aの厚みは、起歪部12の長手方向におけるノッチ部30の中心で最も小さく、起歪部12の長手方向に沿ってノッチ部30の中心から離れるにつれて大きくなる。
The thin-
均厚部15b,16bは、2つの薄肉部15a,16aに挟まれ、均一の厚みを有する部分である。均厚部15b,16bは、ビーム部15,16において厚みが最も大きい部分である。起歪部12の長手方向において、均厚部15b,16bは、連通部31と同じ位置にある。
The
2本のビーム部15,16は、それぞれ、2つの歪測定部が設けられる。具体的には、上方ビーム部15の上面には、2つの歪測定部が設けられ、下方ビーム部16の下面には、2つの歪測定部が設けられる。歪測定部は、起歪部12の長手方向において、薄肉部15a,16aと同じ位置、又は、薄肉部15a,16aの近傍の位置に設けられる。2本のビーム部15,16に設けられる4つの歪測定部のそれぞれには、1つの歪みゲージ17が貼り付けられている。
Each of the two
(2)ロードセルを用いる秤の一例
ロードセル10は、例えば、秤を構成する一要素として用いられる。図3は、ロードセル10を用いる秤100の一例の概略図である。秤100は、被計量物Gの重量を測定する。
(2) Example of Scale Using Load Cell The
図3に示される例では、ロードセル10は、ベースユニット21と受け皿22とが取り付けられている。起歪部12の固定剛体部13は、ベースユニット21にネジ等により固定されている。起歪部12の可動剛体部14は、受け皿22がネジ等により取り付けられている。
In the example shown in FIG. 3, the
受け皿22の上に被計量物Gが載せられると、被計量物Gの荷重Pが起歪部12の可動剛体部14に作用し、可動剛体部14が下方に変位する。一方、ベースユニット21に固定されている固定剛体部13は変位しない。これにより、起歪部12が変形して、起歪部12の長手方向において、上方ビーム部15が伸び、下方ビーム部16が縮む。その結果、上方ビーム部15の2つの歪測定部には引っ張り歪が生じ、下方ビーム部16の2つの歪測定部には圧縮歪が生じる。
When the object to be measured G is placed on the
ロードセル10の4つの歪みゲージ17は、ホイートストンブリッジに接続される。歪みゲージ17は、自身の電気抵抗値の変化によって、ビーム部15,16の4つの歪測定部のそれぞれにおける荷重Pによる歪みを検出することができる。4つの歪みゲージ17による歪みの検出結果から、荷重Pが演算されて、被計量物Gの重量が求められる。
The four
(3)歪みゲージの構成
図4は、歪みゲージ17の外観図である。図5は、歪みゲージ17の側面図である。図6は、起歪部12の上方ビーム部15の歪測定部に取り付けられた歪みゲージ17の側面図である。
(3) Configuration of Strain Gauge FIG. 4 is an external view of the
歪みゲージ17は、主として、ベース18と歪み抵抗体19とから構成される。ベース18は、薄膜状の電気絶縁体である。ベース18の少なくとも一部は、液晶ポリマーで形成されている。ベース18は、ビーム部15,16の歪測定部に接着剤等によって貼り付けられる。ベース18は、歪み抵抗体19と起歪部12とを電気的に絶縁する。
The
歪み抵抗体19は、ベース18に取り付けられる電気抵抗体である。歪み抵抗体19は、例えば、図4に示されるように、フォトエッチング加工した金属箔等をベース18上に蛇行状に形成したものである。図4〜6には、蛇行状に形成された歪み抵抗体19の長手方向が矢印Lで示されている。歪みゲージ17は、歪み抵抗体19の長手方向が起歪部12の長手方向に沿うように、起歪部12に取り付けられる。荷重Pにより起歪部12が変形すると、ビーム部15,16が起歪部12の長手方向に伸び縮みする。これにより、歪み抵抗体19は、その長手方向に伸び縮みする。以下、起歪部12の変形により歪み抵抗体19が伸び縮みする方向(歪み抵抗体19の長手方向)を感度方向と呼ぶ。
The
図4に示されるように、歪み抵抗体19は、感度方向に沿って伸びている部分が大部分を占める。感度方向に沿って歪み抵抗体19が伸びると、その断面積が小さくなり電気抵抗値が増加する。感度方向に沿って歪み抵抗体19が縮むと、その断面積が大きくなり電気抵抗値が減少する。そのため、歪み抵抗体19は、起歪部12の変形の程度に応じて電気抵抗値が変化する。
As shown in FIG. 4, the
図6に示されるように、起歪部12に取り付けられた歪みゲージ17は、カバー部材20によって覆われている。カバー部材20は、例えば、歪みゲージ17が起歪部12に取り付けられた後、歪み抵抗体19を覆うように歪みゲージ17及び起歪部12に取り付けられる。カバー部材20は、歪みゲージ17が起歪部12に取り付けられる前に、歪み抵抗体19を覆うように予め歪みゲージ17に取り付けられてもよい。カバー部材20は、ベース18に対する密着力に優れ、かつ、十分な強度を有する材料で成形される。例えば、カバー部材20としてTa2O5とSiNの複合膜が用いられる。
As shown in FIG. 6, the
(4)歪みゲージのベースの構成
薄膜状のベース18は、層状構造を有している。具体的には、ベース18は、絶縁性を有する1又は複数の層から構成される。ベース18が複数の層から構成される場合、各層は起歪部12の高さ方向に積層している。ベース18に取り付けられている歪み抵抗体19の感度方向は、ベース18の層が形成する平面に沿っている。
(4) Structure of base of strain gauge The thin film-shaped
本実施形態では、ベース18は、図5に示されるように、液晶ポリマーで形成されている1つの液晶ポリマー層のみから構成されている。液晶ポリマーは、例えば、分子構造の観点からは芳香族ポリエステルに分類される高分子である。液晶ポリマーは、溶融時、又は、溶液の状態において、液晶ポリマーの分子がその長手方向に沿って配向し、固化時においても、その配向構造がほとんど維持される性質を有する。そのため、液晶ポリマー層は、液晶ポリマー分子の高次構造により、線膨張率について異方性を有する。具体的には、液晶ポリマー層は、吸湿により膨張する膨張方向、及び、吸湿により収縮する収縮方向を有する。
In this embodiment, the
ベース18に取り付けられる歪み抵抗体19の感度方向は、液晶ポリマー層の線膨張率が最も低い方向に沿っている。液晶ポリマー層の線膨張率が最も低い方向とは、液晶ポリマー層を形成している液晶ポリマー分子の長手方向に沿っている方向である。図7は、ベース18を上面視した場合において、液晶ポリマー層を形成している液晶ポリマー分子を模式的に示した図である。図7において、液晶ポリマー分子はハッチングされた長方形で示され、液晶ポリマー分子の長手方向は、長方形の長辺に沿っている方向である。歪み抵抗体19の長手方向(感度方向)は、液晶ポリマー分子の長手方向に沿っている。
The sensitivity direction of the
ベース18の材料である液晶ポリマーとしては、例えば、住友化学株式会社製のE5000シリーズが用いられる。
As the liquid crystal polymer used as the material of the
(5)特徴
従来、歪みゲージのベースの材料として、ポリイミド樹脂及びエポキシ樹脂等が用いられている。これらの樹脂は、耐熱性が高く、ハンダ付け耐性に優れている反面、外気中の水分を吸収して膨張しやすい。ベースが吸湿により膨張すると、ベースに取り付けられている歪み抵抗体も膨張して、歪み抵抗体の電気抵抗値が増加する。反対に、ベースから水分が放出されてベースが収縮すると、歪み抵抗体も収縮して、歪み抵抗体の電気抵抗値が減少する。このように、従来の歪みゲージは、ベースに吸収されている水分量に応じて出力が変化しやすい。また、歪みゲージの出力とその変化方向は、ベースに吸収されている水分量と外気の湿度との相対関係等によって変わるため、例えば、湿度に応じて歪みゲージの出力を補正することは困難である。
(5) Features Conventionally, polyimide resin, epoxy resin and the like have been used as the base material of the strain gauge. While these resins have high heat resistance and excellent soldering resistance, they easily absorb moisture in the outside air and expand easily. When the base expands due to moisture absorption, the strain resistor attached to the base also expands, and the electrical resistance value of the strain resistor increases. On the contrary, when water is released from the base and the base contracts, the strain resistor also contracts, and the electric resistance value of the strain resistor decreases. As described above, the output of the conventional strain gauge tends to change according to the amount of water absorbed in the base. Further, since the output of the strain gauge and its changing direction change depending on the relative relationship between the amount of water absorbed in the base and the humidity of the outside air, for example, it is difficult to correct the output of the strain gauge according to the humidity. is there.
本実施形態では、歪みゲージ17のベース18の材料として、液晶ポリマーが用いられている。液晶ポリマー分子は、ヒドロキシル基等の親水性の官能基を含まないので、水分子と結合しにくい。また、液晶ポリマー分子は、剛直性を有し曲がりにくいので、分子同士が規則正しく隣り合って並びやすい。これにより、液晶ポリマー分子間には水分子が浸透できる間隙が少なく、かつ、水分子によって間隙が押し広げられにくい。従って、液晶ポリマーは、吸水性が低く、吸湿による寸法が変化しにくい。
In this embodiment, a liquid crystal polymer is used as the material of the
そのため、液晶ポリマーは、ポリイミド樹脂等の従来の材料と比較して、吸水率、及び、水分の吸収及び放出に伴う変形量が小さい。例えば、液晶ポリマーの吸水率は、ポリイミドの吸水率の約1/10である。従って、ベース18の材料として液晶ポリマーを用いることで、ベース18の吸湿による変形に起因する歪み抵抗体19の電気抵抗値の変動が低減され、歪みゲージ17の出力の変動を抑えることができる。
Therefore, the liquid crystal polymer has a smaller water absorption rate and a smaller amount of deformation due to absorption and release of water as compared with conventional materials such as polyimide resin. For example, the water absorption rate of the liquid crystal polymer is about 1/10 of the water absorption rate of polyimide. Therefore, by using the liquid crystal polymer as the material of the
従って、歪みゲージ17のベース18の材料として液晶ポリマーを用いることで、ベース18の吸湿による変形を抑え、歪みゲージ17の出力の変動を低減することができる。これにより、歪みゲージ17を有するロードセル10を用いる秤100の出力の変動も低減されるので、外部環境の影響を受けにくい高精度の秤100を実現することができる。
Therefore, by using the liquid crystal polymer as the material of the
また、液晶ポリマーは、溶融状態から固化しても、液晶ポリマー分子がその長手方向に沿って規則正しく配向している高次構造を維持しやすい。そのため、液晶ポリマーからなるベース18は、吸湿等による変形時の線膨張率について異方性を有する。例えば、「住友化学 技術誌 2003−I(2003年5月30日発行)」の37〜42頁に掲載の論文「LCPフィルムの開発」の「第2表(39頁)」に記載されているように、液晶ポリマーフィルムは、吸湿膨張係数について異方性を有する。歪み抵抗体19の感度方向が、ベース18の線膨張率が最も低い方向に沿うように、歪み抵抗体19をベース18に取り付けることで、ベース18の吸湿による変形に起因する歪みゲージ17の出力の変動を最小限にすることができる。これにより、ベース18の線膨張率の異方性を考慮せずに歪み抵抗体19をベース18に取り付ける場合と比較して、歪みゲージ17の出力の変動の分散が抑えられ、歪みゲージ17の出力が安定化する。
Further, even if the liquid crystal polymer is solidified from the molten state, it is easy to maintain a higher-order structure in which the liquid crystal polymer molecules are regularly oriented along the longitudinal direction thereof. Therefore, the
―第2実施形態―
図8は、本発明の第2実施形態における歪みゲージ17の側面図である。本実施形態は、第1実施形態と比べて、歪みゲージ17のベース18の構成のみが異なっている。以下において、ベース18の構成について主に説明する。
-Second Embodiment-
FIG. 8 is a side view of the
本実施形態では、ベース18は、液晶ポリマーで形成されている第1液晶ポリマー層18aと、液晶ポリマーで形成されている第2液晶ポリマー層18bとからなる2層構造を有する。第1液晶ポリマー層18a及び第2液晶ポリマー層18bは、同じ材料から形成されてもよく、互いに異なる材料から形成されてもよい。第1液晶ポリマー層18aには、歪み抵抗体19が取り付けられる。第2液晶ポリマー層18bは、ビーム部15,16の歪測定部に接着剤等によって貼り付けられる。
In the present embodiment, the
図9は、ベース18の層状構造を模式的に示した図である。第1液晶ポリマー層18aは、吸湿により膨張する第1膨張方向D1aと、吸湿により収縮する第1収縮方向D1bとを有する。第2液晶ポリマー層18bは、吸湿により膨張する第2膨張方向D2aと、吸湿により収縮する第2収縮方向D2bとを有する。図9において、第1液晶ポリマー層18a及び第2液晶ポリマー層18bのハッチングの線に沿った方向は、それぞれ、第1膨張方向D1a及び第2膨張方向D2aを表す。ベース18を平面視した場合において、第1膨張方向D1aと、第2膨張方向D2aとは交差している。
FIG. 9 is a diagram schematically showing the layered structure of the
図10は、第1膨張方向D1aと第2膨張方向D2aとがなす角度の算出方法を説明するための図である。図10には、第1膨張方向D1a、第1収縮方向D1b、第2膨張方向D2a、第2収縮方向D2b、及び、歪み抵抗体19の感度方向Sが示されている。
FIG. 10 is a diagram for explaining a method of calculating the angle formed by the first expansion direction D1a and the second expansion direction D2a. FIG. 10 shows the first expansion direction D1a, the first contraction direction D1b, the second expansion direction D2a, the second contraction direction D2b, and the sensitivity direction S of the
最初に、次の式(1)の関係式を満たす角度θTH1及び角度θTH2が求められる。
式(1)において、E1aは、第1液晶ポリマー層18aの第1膨張方向D1aの線膨張率である。E1bは、第1液晶ポリマー層18aの第1収縮方向D1bの線膨張率である。t1は、第1液晶ポリマー層18aの厚みである。E2aは、第2液晶ポリマー層18bの第2膨張方向D2aの線膨張率である。E2bは、第2液晶ポリマー層18bの第2収縮方向D2bの線膨張率である。t2は、第2液晶ポリマー層18bの厚みである。なお、式(1)において、左辺値が1に近い値になるように角度θTH1及び角度θTH2が求められてもよい。
In the formula (1), E 1a is the linear expansion coefficient of the first liquid
次に、次の式(2)の関係式から角度θ0が求められる。
式(2)において、θ1は、第1液晶ポリマー層18aの第1収縮方向D1bと感度方向Sとが成す角度である。θ2は、第2液晶ポリマー層18bの第2収縮方向D2bと感度方向Sとが成す角度である。角度θ1は、θTH1−20°からθTH1+20°までの範囲内の角度である。角度θ1は、好ましくはθTH1−10°からθTH1+10°までの範囲内の角度であり、より好ましくはθTH1−5°からθTH1+5°までの範囲内の角度であり、さらにより好ましくはθTH1−1°からθTH1+1°までの範囲内の角度である。角度θ2は、θTH2−20°からθTH2+20°までの範囲内の角度である。角度θ2は、好ましくはθTH2−10°からθTH2+10°までの範囲内の角度であり、より好ましくはθTH2−5°からθTH2+5°までの範囲内の角度であり、さらにより好ましくはθTH2−1°からθTH2+1°までの範囲内の角度である。
In the formula (2), θ 1 is an angle formed by the first shrinkage direction D1b of the first liquid
ベース18を上面視した場合において、第1膨張方向D1aと第2膨張方向D2aとがなす角度は、θ0−20°からθ0+20°までの範囲内の角度であり、好ましくはθ0−10°からθ0+10°までの範囲内の角度であり、より好ましくはθ0−5°からθ0+5°までの範囲内の角度であり、さらにより好ましくはθ0−1°からθ0+1°までの範囲内の角度である。 In the case where the base 18 viewed from the top, the angle formed between the first expansion direction D1a and the second expansion direction D2a is is the angle in the range of theta 0 -20 ° to θ 0 + 20 °, preferably theta 0 - An angle in the range of 10 ° to θ 0 + 10 °, more preferably an angle in the range of θ 0-5 ° to θ 0 + 5 °, and even more preferably an angle in the range of θ 0 -1 ° to θ 0. The angle is within the range up to + 1 °.
本実施形態では、ベース18は、2つの液晶ポリマー層からなる多層構造を有している。2つの液晶ポリマー層は、平面視において、各層の膨張方向が交差するように積層されている。これにより、吸湿による各液晶ポリマー層の変形が互いに打ち消し合うことで、ベース18全体の吸湿による変形量を低減させることができる。
In this embodiment, the
また、本実施形態では、第1実施形態に関する図6に示されるように、起歪部12に取り付けられた歪みゲージ17は、カバー部材20によって覆われていてもよい。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 6 regarding the first embodiment, the
―第3実施形態―
図11は、本発明の第3実施形態における歪みゲージ17の側面図である。本実施形態は、第1実施形態と比べて、歪みゲージ17のベース18の構成のみが異なっている。以下において、ベース18の構成について主に説明する。
―Third Embodiment―
FIG. 11 is a side view of the
本実施形態では、ベース18は、液晶ポリマーで形成されている第1液晶ポリマー層18cと、液晶ポリマーで形成されている第2液晶ポリマー層18dと、液晶ポリマーで形成されている第3液晶ポリマー層18eとからなる3層構造を有する。第1液晶ポリマー層18c、第2液晶ポリマー層18d及び第3液晶ポリマー層18eは、同じ材料から形成されてもよく、互いに異なる材料から形成されてもよい。
In the present embodiment, the
図12は、ベース18の層状構造を模式的に示した図である。高さ方向において、第1液晶ポリマー層18c、第2液晶ポリマー層18d及び第3液晶ポリマー層18eは、この順番で上方から下方に積層されている。第1液晶ポリマー層18cには、歪み抵抗体19が取り付けられる。第3液晶ポリマー層18eは、ビーム部15,16の歪測定部に接着剤等によって貼り付けられる。図12において、各液晶ポリマー層のハッチングの線に沿った方向は、膨張方向を表す。
FIG. 12 is a diagram schematically showing the layered structure of the
それぞれの液晶ポリマー層18c,18d,18eは、吸湿により膨張する膨張方向と、吸湿により収縮する収縮方向とを有する。ベース18を平面視した場合において、互いに隣接する2つの液晶ポリマー層18c,18d,18eの膨張方向は、互いに交差している。これにより、吸湿による各液晶ポリマー層の変形が互いに打ち消し合うことで、ベース18全体の吸湿による変形量を低減させることができる。
Each of the liquid
また、本実施形態では、第1実施形態に関する図6に示されるように、起歪部12に取り付けられた歪みゲージ17は、カバー部材20によって覆われていてもよい。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 6 regarding the first embodiment, the
―第4実施形態―
図13は、本発明の第4実施形態における歪みゲージ17の側面図である。本実施形態は、第1実施形態と比べて、歪みゲージ17のベース18の構成のみが異なっている。以下において、ベース18の構成について主に説明する。
― Fourth Embodiment ―
FIG. 13 is a side view of the
本実施形態では、ベース18は、液晶ポリマーで形成されている1つの液晶ポリマー層18fと、1つの非液晶ポリマー層18gとからなる2層構造を有する。非液晶ポリマー層18gとは、液晶ポリマー以外の結晶性ポリマー又は非結晶性ポリマーで形成されている層である。非液晶ポリマー層18gは、ポリイミド樹脂及びエポキシ樹脂等で形成されている層である。液晶ポリマー層18fには、歪み抵抗体19が取り付けられる。非液晶ポリマー層18gは、ビーム部15,16の歪測定部に接着剤等によって貼り付けられる。
In the present embodiment, the
液晶ポリマー層18fは、吸湿により膨張する膨張方向と、吸湿により収縮する収縮方向とを有する。ここで、次の式(3)の関係式を満たす角度をθとおく。
式(3)において、E1aは、液晶ポリマー層18fの膨張方向の線膨張率である。E1bは、液晶ポリマー層18fの収縮方向の線膨張率である。t1は、液晶ポリマー層18fの厚みである。E2は、非液晶ポリマー層18gの線膨張率である。t2は、非液晶ポリマー層18gの厚みである。
In the formula (3), E 1a is the linear expansion coefficient in the expansion direction of the liquid
ベース18を上面視した場合において、液晶ポリマー層18fの膨張方向と、歪み抵抗体19の感度方向とが成す角度は、θ−20°からθ+20°までの範囲内の角度であり、好ましくはθ−10°からθ+10°までの範囲内の角度であり、より好ましくはθ−5°からθ+5°までの範囲内の角度であり、さらにより好ましくはθ−1°からθ+1°までの範囲内の角度である。なお、式(3)の左辺値が1に近くなるように角度θが決められてもよい。
When the
本実施形態では、ベース18は、1つの液晶ポリマー層と1つの非液晶ポリマー層とからなる多層構造を有している。これにより、ベース18全体の吸湿による変形量を低減させることができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、第1実施形態に関する図6に示されるように、起歪部12に取り付けられた歪みゲージ17は、カバー部材20によって覆われていてもよい。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 6 regarding the first embodiment, the
―変形例―
(1)変形例A
第3実施形態では、ベース18は、液晶ポリマーで形成されている3つの液晶ポリマー層18c,18d,18eからなる多層構造を有する。しかし、ベース18に含まれる液晶ポリマー層の数は3より多くてもよい。この場合、ベース18に含まれる複数の液晶ポリマー層は、互いに隣接する2つの液晶ポリマー層の膨張方向が互いに交差するように、積層している。
-Modification example-
(1) Modification A
In the third embodiment, the
また、ベース18が複数の液晶ポリマー層を有する場合、液晶ポリマー層の膨張方向が積層方向に沿って所定の角度ずつ変化するように、複数の液晶ポリマー層が積層していることが好ましい。例えば、ベース18が4つの液晶ポリマー層から構成される場合、液晶ポリマー層の膨張方向が積層方向に沿って90°ずつ変化するように、4つの液晶ポリマー層が積層していることが好ましい。
When the
(2)変形例B
第4実施形態では、ベース18は、液晶ポリマーで形成されている1つの液晶ポリマー層18fと、1つの非液晶ポリマー層18gとからなる多層構造を有する。しかし、ベース18に含まれる液晶ポリマー層の数、非液晶ポリマー層の数、及び、層の積層順は任意である。例えば、ベース18は、2つ以上の液晶ポリマー層と1つの非液晶ポリマー層とを有してもよく、1つの液晶ポリマー層と2つ以上の非液晶ポリマー層とを有してもよく、2つ以上の液晶ポリマー層と2つ以上の非液晶ポリマー層とを有してもよい。多層構造を有するベース18において、非液晶ポリマー層の位置は、2つの液晶ポリマー層の間でもよく、2つの非液晶ポリマー層の間でもよく、液晶ポリマー層と非液晶ポリマー層との間でもよい。吸湿による各液晶ポリマー層の変形が互いに打ち消し合うことで、ベース18全体の吸湿による変形量を低減させる観点からは、液晶ポリマー層は、他の液晶ポリマー層と隣接していることが好ましい。
(2) Modification B
In the fourth embodiment, the
(3)変形例C
図6には、歪みゲージ17を覆うカバー部材20が示されている。カバー部材20の材料としては、液晶ポリマーが用いられてもよい。具体的には、カバー部材20の少なくとも一部は、液晶ポリマーで形成されていてもよい。例えば、歪み抵抗体19を覆うように歪みゲージ17に予め取り付けられるカバー部材20として、液晶ポリマーからなる薄膜が用いられてもよい。カバー部材20の材料として用いられる液晶ポリマーは、歪みゲージ17のベース18の材料として用いられる液晶ポリマーと同じであってもよい。
(3) Modification C
FIG. 6 shows a
また、歪み抵抗体19を覆うように歪みゲージ17に予め取り付けられるカバー部材20の材料として、ポリイミド樹脂又はエポキシ樹脂等が用いられてもよい。例えば、カバー部材20は、ポリイミド樹脂又はエポキシ樹脂等からなる薄膜であってもよい。
Further, as a material of the
また、歪みゲージ17が起歪部12に取り付けられた後、歪み抵抗体19を覆うように歪みゲージ17及び起歪部12に取り付けられるカバー部材20の材料として、ブチルゴム等のゴムが用いられてもよい。例えば、カバー部材20は、ブチルゴム等のゴムからなる薄膜であってもよい。
Further, after the
10 ロードセル
12 起歪部
17 歪みゲージ
18 ベース
19 歪み抵抗体
20 カバー部材
10
Claims (11)
前記起歪部に取り付けられる絶縁性のベースと、
前記ベースに取り付けられ、前記起歪部の変形の程度に応じて電気抵抗値が変化する歪み抵抗体と、
を備え、
前記ベースの少なくとも一部は、液晶ポリマーで形成されている、
歪みゲージ。 A strain gauge attached to a strain-causing part that deforms when a load is applied.
With an insulating base attached to the strain generating part,
A strain resistor attached to the base and whose electrical resistance value changes according to the degree of deformation of the strain-causing portion.
With
At least part of the base is made of liquid crystal polymer.
Strain gauge.
前記感度方向は、前記起歪部の変形により前記歪み抵抗体の長さが変化する方向である、
請求項1に記載の歪みゲージ。 The base is a layer made of a liquid crystal polymer, including a layer parallel to a plane containing a predetermined sensitivity direction.
The sensitivity direction is a direction in which the length of the strain resistor changes due to the deformation of the strain generating portion.
The strain gauge according to claim 1.
前記感度方向は、前記液晶ポリマー層の線膨張率が最も低い方向に沿っている、
請求項2に記載の歪みゲージ。 The base has one liquid crystal polymer layer made of liquid crystal polymer.
The sensitivity direction is along the direction in which the linear expansion coefficient of the liquid crystal polymer layer is the lowest.
The strain gauge according to claim 2.
請求項3に記載の歪みゲージ。 The sensitivity direction is along the longitudinal direction of the liquid crystal polymer molecules forming the liquid crystal polymer layer.
The strain gauge according to claim 3.
前記第1液晶ポリマー層及び前記第2液晶ポリマー層は、それぞれ、吸湿により膨張する膨張方向と、吸湿により収縮する収縮方向とを有し、
前記第1液晶ポリマー層の前記膨張方向と、前記第2液晶ポリマー層の前記膨張方向とは、交差している、
請求項2に記載の歪みゲージ。 The base has a first liquid crystal polymer layer and a second liquid crystal polymer layer formed of a liquid crystal polymer.
The first liquid crystal polymer layer and the second liquid crystal polymer layer each have an expansion direction that expands due to moisture absorption and a contraction direction that contracts due to moisture absorption.
The expansion direction of the first liquid crystal polymer layer and the expansion direction of the second liquid crystal polymer layer intersect with each other.
The strain gauge according to claim 2.
前記第2液晶ポリマー層の前記膨張方向の線膨張率がE2aであり、前記第2液晶ポリマー層の前記収縮方向の線膨張率がE2bであり、前記第2液晶ポリマー層の前記収縮方向と前記感度方向とが成す角度がθ2であり、前記第2液晶ポリマー層の厚みがt2であり、
角度θTH1及び角度θTH2が
角度θ1は、θTH1−20°からθTH1+20°までの範囲内の角度であり、
角度θ2は、θTH2−20°からθTH2+20°までの範囲内の角度であり、
角度θ0を
前記第1液晶ポリマー層の前記膨張方向と、前記第2液晶ポリマー層の前記膨張方向とが成す角度は、θ0−20°からθ0+20°までの範囲内の角度である、
請求項5に記載の歪みゲージ。 The linear expansion rate in the expansion direction of the first liquid crystal polymer layer is E 1a , the linear expansion rate in the contraction direction of the first liquid crystal polymer layer is E 1b , and the contraction direction of the first liquid crystal polymer layer. The angle formed by the sensitivity direction and the sensitivity direction is θ 1 , and the thickness of the first liquid crystal polymer layer is t 1 .
The linear expansion rate in the expansion direction of the second liquid crystal polymer layer is E 2a , the linear expansion rate in the contraction direction of the second liquid crystal polymer layer is E 2b , and the contraction direction of the second liquid crystal polymer layer. The angle formed by the sensitivity direction and the sensitivity direction is θ 2 , and the thickness of the second liquid crystal polymer layer is t 2 .
Angle θ TH1 and angle θ TH2
The angle θ 1 is an angle within the range from θ TH1 −20 ° to θ TH1 + 20 °.
The angle θ 2 is an angle within the range from θ TH2 −20 ° to θ TH2 + 20 °.
Angle θ 0
Said expansion direction of the first liquid crystal polymer layer, wherein the angle between the direction of expansion forms the second liquid crystal polymer layer is an angle in the range of theta 0 -20 ° to θ 0 + 20 °,
The strain gauge according to claim 5.
それぞれの前記液晶ポリマー層は、吸湿により膨張する膨張方向と、吸湿により収縮する収縮方向とを有し、
互いに隣接する2つの前記液晶ポリマー層の前記膨張方向は、互いに交差している、
請求項2に記載の歪みゲージ。 The base has at least three liquid crystal polymer layers made of liquid crystal polymer.
Each of the liquid crystal polymer layers has an expansion direction that expands due to moisture absorption and a contraction direction that contracts due to moisture absorption.
The expansion directions of the two liquid crystal polymer layers adjacent to each other intersect each other.
The strain gauge according to claim 2.
前記液晶ポリマー層は、吸湿により膨張する膨張方向と、吸湿により収縮する収縮方向とを有し、
前記液晶ポリマー層の前記膨張方向の線膨張率がE1aであり、前記液晶ポリマー層の前記収縮方向の線膨張率がE1bであり、前記液晶ポリマー層の厚みがt1であり、
前記非液晶ポリマー層の線膨張率がE2であり、前記非液晶ポリマー層の厚みがt2であり、
前記液晶ポリマー層の前記膨張方向と、前記感度方向とが成す角度は、θ−20°からθ+20°までの範囲内の角度である、
請求項2に記載の歪みゲージ。 The base has a liquid crystal polymer layer formed of a liquid crystal polymer and a non-liquid crystal polymer layer formed of a crystalline polymer other than the liquid crystal polymer or a non-crystalline polymer.
The liquid crystal polymer layer has an expansion direction that expands due to moisture absorption and a contraction direction that contracts due to moisture absorption.
The linear expansion coefficient of the liquid crystal polymer layer in the expansion direction is E 1a , the linear expansion coefficient of the liquid crystal polymer layer in the contraction direction is E 1b , and the thickness of the liquid crystal polymer layer is t 1 .
The coefficient of linear expansion of the non-liquid crystal polymer layer is E 2 , and the thickness of the non-liquid crystal polymer layer is t 2 .
The angle formed by the expansion direction of the liquid crystal polymer layer and the sensitivity direction is an angle within the range of θ-20 ° to θ + 20 °.
The strain gauge according to claim 2.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の歪みゲージ。 A cover member that covers the strain resistor is further provided.
The strain gauge according to any one of claims 1 to 8.
請求項9に記載の歪みゲージ。 At least a part of the cover member is made of a liquid crystal polymer.
The strain gauge according to claim 9.
前記歪みゲージが取り付けられ、荷重が加えられることにより変形する起歪部と、
を備え、
前記歪みゲージは、荷重が加えられることにより変形する方向と交差する、前記起歪部の表面に取り付けられている、
ロードセル。 The strain gauge according to any one of claims 1 to 10,
A strain-causing part to which the strain gauge is attached and deforms when a load is applied,
With
The strain gauge is attached to the surface of the strain-causing portion, which intersects the direction of deformation when a load is applied.
Load cell.
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