JP2023161197A - 荷重変換器及び荷重変換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストの荷重変換器及び荷重変換器の製造方法の提供を課題としている。【解決手段】構造体（プレート２）と感歪抵抗体Ｇａとを含み、受けた荷重を電気信号に変換する荷重変換器１であって、構造体（プレート２）は、１つの金属平板の切断加工及び複数箇所の折り曲げ加工によって少なくとも一部が平行リンク（ロバーバル機構）をなす形状に成形され、感歪抵抗体Ｇａは、平行リンクアーム部２ｃに設けられた起歪部２ｒ、２ｓに形成されている荷重変換器。【選択図】図１

Description

本発明は、荷重を電気信号に変換する荷重変換器及び荷重変換器の製造方法に関するものである。

特許文献１には、平行リンク（ロバーバル）機構を有する荷重変換器が記載されている。

特開2014-077673号公報

従来の荷重変換器の構造体は、直方体や丸棒状の金属を切削加工して成形したものが一般的である。上記特許文献１の構成では、構造体を絶縁性のセラミックスを用いている。しかしながら、材料、加工及び製造のコストが高価となるため改善の余地があった。

このような問題に鑑みて、本発明は、低コストで荷重を検出する荷重変換器及び荷重変換器の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の荷重変換器は、上記の目的を達成するために、
構造体と感歪抵抗体とを含み、受けた荷重を電気信号に変換する荷重変換器であって、
構造体は、１つの金属平板の切断加工及び複数箇所の折り曲げ加工によって少なくとも一部が平行リンクをなす形状に成形され、
感歪抵抗体は、平行リンクのアーム部に設けられた起歪部に形成されている。

また、起歪部が、荷重の方向に垂直な方向に延びるアーム部の相対的に小なる断面積の部分で構成されている。

また、感歪抵抗体が、荷重の方向に垂直な方向に延びて対向するアーム部のうち、一本で平行リンクの一辺を構成するアーム部の起歪部に設けられて構成されている。

また、感歪抵抗体を含んでホイートストンブリッジ回路を形成する配線の少なくとも一部が、フレキシブル配線板によって行われている。

本発明の荷重変換器の製造方法は、上記の目的を達成するために、構造体と感歪抵抗体とを含み、受けた荷重を電気信号に変換する荷重変換器の製造方法であって、
構造体を構成する１つの金属平板に感歪抵抗体を形成する感歪抵抗体形成ステップと、
構造体を金属平板の切断加工及び複数箇所の折り曲げ加工によって平行リンク形状に成形する金属平板成形ステップと、
を有している。

また、感歪抵抗体形成ステップは、絶縁体を介して金属平板の表面に金属箔を積層する金属箔積層ステップと、金属箔をレーザ加工によって所望の形状にパターニングを行うパターニングステップと、を含んで構成されている。

また、金属箔積層ステップ、金属平板成形ステップ、パターニングステップの順、若しくは、金属箔積層ステップ、パターニングステップ、金属平板成形ステップの順に実施される。

本発明の荷重変換器及び荷重変換器の製造方法によれば、低コストの荷重変換器及び荷重変換器の製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の製造のフローチャート図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器に用いられる感歪抵抗体及びフレキシブル配線板の平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図及び正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の製造のフローチャート図である。 本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図及び正面図である。 本発明の第３及び第４の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図及び正面図である。 本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の製造のフローチャート図である。 本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器に用いられる感歪抵抗体及びフレキシブル配線板の平面図である。 本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図である。 本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図及び正面図である。 本発明の第６及び第７の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図及び正面図である。 本発明の第８の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。 本発明の第９の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。

以下、本発明の各実施形態に係る荷重変換器について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器１の斜視構成図である。荷重変換器１は、プレート２と、フレキシブル配線板３ａと、感歪抵抗体Ｇａを含んで構成されている。

プレート２は、金属平板を加工して成形されたものであって、固定部２ａ、荷重導入部２ｊ、支持部２ｂ、支持部２ｉ、平行リンク部を含んで、マイナスｙ方向視ではＳ文字が縦に並んだセクション記号型の構造体を成している。

固定部２ａは、荷重変換器１を取り付ける剛性の高い部材に、ボス２ｍによって位置決めして、穴２ｋにボルト等を挿通して固定することができる。一方、荷重導入部２ｊは、通常は荷重を印加する部材が接触できるように構成されるが、荷重を印加する部材の形状によってはボス２ｐによって位置決めして、穴２ｎにネジを挿入して固定することも可能である。もちろんこれに限らず、固定部２ａ及び荷重導入部２ｊは共に接着剤などによって固定されても良い。

支持部２ｂ及び支持部２ｉは、それぞれ固定部２ａ及び荷重導入部２ｊから略直角に延伸して、荷重Ｆｚの方向（プラスｚ方向、すなわち圧縮方向）に平行となるように設けられている。なお荷重変換器１は、荷重導入部２ｊが荷重を印加する部材に固定されていれば、荷重Ｆｚに対して反対の方向（プラスｚ方向、すなわち引張方向）の検出も可能である。

平行リンク部は、平行リンクアーム部２ｃ～２ｈで構成される。そして１本のアームである平行リンクアーム部２ｃと、２本のアームである平行リンクアーム部２ｇ及び平行リンクアーム部２ｈとが平行で向かい合う辺となる。また２本のアームである平行リンクアーム部２ｄ及び平行リンクアーム部２ｅと、１本のアームである平行リンクアーム部２ｆとが平行で向かい合う辺となる。

荷重変換器１のセクション記号型の構造体の各部は、１つの平面の金属平板を切断加工、曲げ加工及び絞り加工などによって形成することができる。そして直角の曲げ部には補強のためのリブＣＲが設けられて曲げ加工が行われることが好ましい。

また起歪部２ｒ及び起歪部２ｓが、平行リンクアーム部２ｃのｘ方向の両端付近に設けられている。起歪部２ｒ及び起歪部２ｓは、対となった半円状の切り欠きによってｙ方向の寸法を小さくすることで断面積を小さくしている。切削加工によって製造される一般的な荷重変換器においては、構造体の肉厚を薄くしてこれを起歪部としていることが多いが、本発明では素材に均一な厚みのプレートを用いているため、局所的にプレートの厚みを減らすことは行わず、断面積を小さくすることで歪みを検出しやすい形状として起歪部を形成している。

感歪抵抗体Ｇａが、この起歪部２ｒ及び起歪部２ｓが固定部２ａに対向する面に貼られている。感歪抵抗体Ｇａは例えば歪みゲージである。

フレキシブル配線板３ａは、感歪抵抗体Ｇａと不図示の増幅器及び電源とを接続する配線回路基板である。フレキシブル配線板３ａは、銅箔などの導体を薄い絶縁材料（ポリイミドフィルムなど）で積層被覆した可撓性部材である。フレキシブル配線板３ａと増幅器及び電源との接続は、フレキシブル配線板３ａの端部に設けられた導体が露出したコネクタ接続部を増幅器及び電源に実装されたフレキシブル配線板コネクタに挿入することで行われる。そして感歪抵抗体Ｇａとフレキシブル配線板３ａとでホイートストンブリッジ回路を形成する。

荷重変換器１は、荷重Ｆｚが荷重導入部２ｊに印加されると、起歪部２ｒ及び起歪部２ｓが弾性変形して歪みが生じ、感歪抵抗体Ｇａがこの歪みを検出し、ホイートストンブリッジ回路から電気信号を出力する。この電圧の信号は不図示の増幅器により増幅されフィルター処理やアナログ・デジタル変換処理を行いさらにコンピュータにより荷重値を演算することで荷重を得ることができる。

図２は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程のフローチャートである。そして図３から図８は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図を順に示したものである。図２のフローチャートに沿って、荷重変換器の製造方法について説明する。

まず図３（ａ）に示すようにプレート２を製造の工程へ投入する（ステップＳ１０１）。プレート２は、例えば鉄、珪素鋼板、ステンレス鋼、ベリリウム銅などの金属板である。例えばステンレス鋼の場合は、結晶粒径が１μｍ程度のものが適している。また金属板に圧延材を用いる場合は、ロール目方向がＡ方向となるようにして、不図示の金型にセットする。

次いで図３（ｂ）に示すように、例えば金型によって、切断加工ラインＣに沿って切断加工を、谷折りラインＶ及び山折りラインＭに沿って複数箇所の直角折り曲げ加工を、そしてボス加工（ボス２ｍ、２ｐ）を行う（ステップＳ１０２）。これらの加工は複数回に分けて順送金型等で連続的に実施しても良く、その場合はプレート２には搬送用のスプロケットを設けることが好ましい。そして少なくともこの切断加工及び折り曲げ加工が金属平板成形ステップ（ステップＳ１０２）である。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、プレート２に対して前述の切断加工、複数箇所の直角折り曲げ加工及びボス加工を実施したものであって、図４（ａ）はプラスｚ方向、図４（ｂ）はマイナスｚ方向にそれぞれ見た斜視図である。この時点では、固定部２ａ及び荷重導入部２ｊは、未だ最終形状には成形されていない。

次にステップＳ１０３からステップＳ１０６で用いる、感歪抵抗体Ｇａとフレキシブル配線板３ａについての詳細を、図５（ａ）及び図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）は感歪抵抗体Ｇａの平面図である。感歪抵抗体Ｇａは、４つの単軸ゲージ部を１つの基材上に形成したものである。この基材はポリイミドなどの絶縁体である。また単軸ゲージ部Ｇ１～Ｇ４の折返しパターン（フィラメント）のそれぞれの歪みの最大感度方向は全て同一の方向Ｓである。この基材上には、単軸ゲージ部Ｇ１～Ｇ４と、各端子部Ｐｇと、配線部と、が形成され、ホイートストンブリッジ回路の一部を構成する。単軸ゲージ部Ｇ１～Ｇ４の折返しパターン（フィラメント）及び配線部は、絶縁基材上に接着剤を介して積層されたニッケルクロム合金などの金属箔を所望の形状に、フォトリソ等を用いたエッチング法やレーザ照射による直接描画除去法によって加工される。そして単軸ゲージ部Ｇ１～Ｇ４の折返しパターン及び配線部には外部環境から保護するため、さらに保護層が積層される。保護層の一部は開口しており、この部分が各端子部Ｐｇとなる。各端子部Ｐｇにはプリコートハンダ処理が施される場合がある。

図５（ｂ）はフレキシブル配線板３ａの平面図である。フレキシブル配線板３ａは、感歪抵抗体Ｇａの各端子部Ｐｇに対応した位置に接続用の端子部Ｐｆを有している。端子部Ｐｆにはプリコートハンダ処理が施され、コネクタ接続部Ｐｃは金メッキ処理若しくはハンダ処理が施されている。感歪抵抗体Ｇａとフレキシブル配線板３ａとの接続によりホイートストンブリッジ回路が構成される。なおフレキシブル配線板３ａにおいて、単軸ゲージ部の折返しパターンの上にオーバーラップする箇所は、ノイズを低減するためにシールドを設けることが好ましい。このシールドは多層化したフレキシブル配線板３ａの一層であってもよいし、別途単軸ゲージ部或いはフレキシブル配線板３ａに銅箔などを貼付けても良い。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、図５（ａ）及び図５（ｂ）で表された平行リンクアーム部２ｃの起歪部２ｒ及び起歪部２ｓへ、感歪抵抗体Ｇａが形成された図である。感歪抵抗体Ｇａは、平行リンクアーム部２ｃの下面のみに形成されるので、図５（ａ）には現れるが、図５（ｂ）には現れない。感歪抵抗体Ｇａの形成は、図４に示した感歪抵抗体Ｇａを接着剤によって貼り付けることで行うことができる。感歪抵抗体Ｇａの形成は、感歪抵抗体形成ステップによって行われる。

感歪抵抗体形成ステップは、金属箔積層ステップ（ステップＳ１０３）と、パターニングステップ（ステップＳ１０４）を含んでいる。金属箔積層ステップ（ステップＳ１０３）は、抵抗体となる金属箔を積層した絶縁基材を接着剤で平行リンクアーム部２ｃの起歪部２ｒ及び起歪部２ｓへ貼付ける工程である。パターニングステップ（ステップＳ１０４）は、金属箔積層ステップの後、レーザ照射による金属箔の除去によって所望のパターンを形成する。なおレーザ照射による直接描画除去法では、プレート２の外形からゲージ部の折返しパターン（フィラメント）の形成位置を画像認識で割り出して行うことで、プレート２に対して極めて正確な位置にゲージ部の折返しパターン（フィラメント）を配置することができる。感歪抵抗体形成ステップは、さらに保護層を積層するステップ（ステップＳ１０５）を含んでいても良い。その他、予め表面に絶縁コーティングをしたプレート２を用いて、抵抗体となる金属箔を平行リンクアーム部２ｃの起歪部２ｒ及び起歪部２ｓへ貼付け（金属箔積層ステップ）、その後レーザ照射による除去によって所望のパターンを形成し（パターニングステップ）、さらに保護層をオーバーコートして行ってもよい。もちろん、パターニング済の感歪抵抗体Ｇａを接着剤で平行リンクアーム部２ｃの起歪部２ｒ及び起歪部２ｓへ貼付けても良いが、感歪抵抗体Ｇａの形成位置の精確さはレーザ照射による直接描画除去法が有利である。

図７（ａ）、図７（ｂ）は、フレキシブル配線板３ａを感歪抵抗体Ｇａに接合した（ステップＳ１０６）図である。フレキシブル配線板３ａは、感歪抵抗体Ｇａの各端子部Ｐｇに対応した端子部Ｐｆと配線部とを有する。そして感歪抵抗体Ｇａの各端子部Ｐｇとフレキシブル配線板３ａの端子部Ｐｆを向かい合うように配置し、少なくともいずれか一方にプリコートされたハンダを加熱によって溶融して接合が行われる。感歪抵抗体Ｇａの各端子部Ｐｇとフレキシブル配線板３ａの端子部Ｐｆとの接合はこれに限らず、導電性接着剤や導電性接着フィルムなどによって行うことも可能である。フレキシブル配線板３ａの配線部は、起歪部２ｒ及び起歪部２ｓへ力を伝達しないように、接着剤などで平行リンクアーム部２ｃの一部などに固定される。図７（ａ）、図７（ｂ）においては、フレキシブル配線板３ａの配線部は、プラスｘ方向に引き出されて、不図示の増幅器へ接続される。

フレキシブル配線板３ａと感歪抵抗体Ｇａとの接合（ステップＳ１０６）が完了したら、固定部２ａ、荷重導入部２ｊの最終形状を作成する工程を実施する。固定部２ａは、図７（ａ）の下部の谷折りラインＶに沿って直角折り曲げ加工（ステップＳ１０７）を行うことで形成できる。一方、荷重導入部２ｊは図７（ａ）の上部の山折りラインＭに沿って直角折り曲げ加工（ステップＳ１０７）を行うことで形成できる。この折り曲げ部には、直角折り曲げ加工時にリブＣＲを施すことで補強することができる。

図８（ａ）は、完成した第１の実施形態の荷重変換器１の外観斜視図である。そして図８（ａ）を正面から見た（プラスｙ方向視）図が、図８（ｂ）である。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるように、平行リンクアーム部２ｃと平行リンクアーム部２ｇ及び平行リンクアーム部２ｈとが向かい合い、平行リンクアーム部２ｆと平行リンクアーム部２ｄ及び平行リンクアーム部２ｅとが向かい合い、所謂平行リンク（ロバーバル）形状となっている。

そして荷重Ｆｚ方向に垂直な方向に延びる平行リンクアーム部２ｃと平行リンクアーム部２ｇ及び平行リンクアーム部２ｈとが向かい合っていて、そのうち一本で平行リンクの一辺を構成するのが平行リンクアーム部２ｃである。そしてこの平行リンクアーム部２ｃの断面積が他の部分と比較して相対的に小さくなるように切り欠かれた起歪部２ｓ、起歪部２ｒに感歪抵抗体Ｇａが設けられている。すなわち荷重変換器１が荷重Ｆｚを受けた時、平行リンクアーム部２ｆと平行リンクアーム部２ｄ及び平行リンクアーム部２ｅとは変形しにくく、平行リンクアーム部２ｃの起歪部２ｓ、起歪部２ｒに歪みが大きく発生するように、相対的に断面積を小さくしている。なお荷重導入部２ｊがマイナスｚ方向に荷重Ｆｚを受けると、起歪部２ｓに貼られた単軸ゲージ部Ｇ１及びＧ２は圧縮歪みを、起歪部２ｒに貼られた単軸ゲージ部Ｇ３及びＧ４は引張歪みをそれぞれ検出することになる。

荷重変換器１は、固定部２ａのボス２ｍを位置決めとして、穴２ｋにボルト等を挿通して固定ベース４に固着して使用することができる。

図９は本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程のフローチャートである。そして図１０から図１４は本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図を順に示したものである。第２の実施形態では、プレート２の曲げ加工前に、感歪抵抗体を形成する点で第１の実施形態と相違する。図９のフローチャートに沿って、第２の実施形態に係る荷重変換器の製造方法について説明する。

まず図１０（ａ）に示すようにプレート２を製造の工程へ投入する（ステップＳ２０１）。プレート２は、例えば鉄、珪素鋼板、ステンレス、ベリリウム銅などの金属板である。金属板に圧延材を用いる場合は、ロール目方向がＡ方向になるようにして、不図示の金型にセットする。

次いで図１０（ｂ）に示すように、レーザ加工によって、切断加工ラインＣに沿って切断加工（ステップＳ２０２）を行う。したがって、プレート２には穴２ｋ、穴２ｎ、８個の半円状の穴、２本の直線部が形成される。

次いで図１０（ｃ）に示すように、所定の位置に抵抗体となる金属箔を積層した絶縁基材Ｇｐを接着剤で貼付ける金属箔積層ステップ（ステップＳ２０３）を行う。この時金属箔は未だパターニング前の段階であるから、貼り付ける位置の精度を高くする必要はない。

次いで図１１（ｄ）に示すように、レーザ照射による除去によって所望のパターンを形成する（パターニングステップ）（ステップＳ２０４）。所望のパターンの位置は、ステップＳ２０２で行った切断加工による８個の半円状の穴位置を用いて画像認識で割り出して行うことができる。そしてさらにパターニングされた金属箔の上に保護層を接着して（ステップＳ２０５）、感歪抵抗体Ｇａを形成する。もちろん予めパターニングされた感歪抵抗体Ｇａを接着剤で貼り付けることも可能である。なお感歪抵抗体Ｇａは第１の実施形態と同様のものである。

そして、図１１（ｅ）に示すように、プレート２に対して例えば金型によって、谷折りラインＶ及び山折りラインＭに沿って複数箇所の直角折り曲げ加工を、そしてボス加工（ボス２ｍ、２ｐ）を行う（ステップＳ２０６）。これらの加工は複数回に分けて順送金型等で連続的に実施しても良いのは第１の実施形態と同様である。このレーザ照射による切断加工及び金型等による折り曲げ加工が金属平板成形ステップである。この金属平板成形ステップによって成形されるプレート２の形状は、第１の実施形態と同様である。

図１２から図１３に示すこの後の工程は、第１の実施形態と同様である。すなわち、図１２は、プレート２は曲げ加工とボス加工（ステップＳ２０６）が行なわれた状態を示している。そして図１３は、フレキシブル配線板３ａが感歪抵抗体Ｇａに接合（ステップＳ２０７）された状態を示している。そして荷重変換器１の完成形が図１４に示されており、外観上は第１の実施形態と同等である。

第２の実施形態では、プレート２に対して折り曲げ加工を実施する前に、感歪抵抗体Ｇａを形成している。したがって、プレート２は平面であって取り扱いが容易であることから、感歪抵抗体Ｇａの形成も非常に容易となる。また第２の実施形態の工程は、荷重変換器１が非常に小型であって感歪抵抗体の折返しパターンを起歪部のエッジ付近に配置したい場合には特に有効である。すなわちプレート２は予めレーザ加工によって切断加工ラインＣに沿って切断加工が行われ、その後に感歪抵抗体の形成を行うため、金型による剪断加工等に起因する変形などの影響を低減することができる。なお、感歪抵抗体Ｇａの形成がプレート２の折り曲げ加工前に完成しているので、固定部２ａ及び荷重導入部２ｊの形状によっては、ステップＳ２０８の直角折り曲げ加工は、ステップＳ２０６にて一度に行うこともできる。

図１５は本発明の第３、第４の実施形態に係る荷重変換器の斜視図である。第３、第４の実施形態では、感歪抵抗体から引き出される配線のフレキシブル配線板が第１、第２の実施形態とは異なる。図１５（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る荷重変換器を示しており、フレキシブル配線板３ｂは支持部２ｂ及び固定部２ａに沿って接着剤等で固定されている。そして固定部２ａの穴２ｋを避けるように円環状に分かれて再度合流する部分が存在する。第３の実施形態では、フレキシブル配線板３ｂは第１、第２の実施形態と比べて全長が長くなるものの、支持部２ｂ及び固定部２ａに沿って接着剤等で固定されていることから、増幅器側からフレキシブル配線板３ｂを伝わって来る力の影響は受けにくいという利点を有している。

図１５（ｂ）、図１５（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る荷重変換器を示しており、フレキシブル配線板３ｂは、平行リンクアーム部２ｃの下面から半円の切り欠き部分にて平行リンクアーム部２ｃの上面へ浮上させ、平行リンクアーム部２ｄ及び平行リンクアーム部２ｅの間を通ってマイナスｘ方向に引き出され、接着剤等で平行リンクアーム部２ｃに固定されている。

なお第１及び第２の実施形態においては、フレキシブル配線板のコネクタ接続部Ｐｃはフレキシブル配線板コネクタと、感歪抵抗体に向き合う端子部Ｐｆが存在する面と同じであって、マイナスｚ方向に見た時、コネクタ接続部Ｐｃが露出して見え、すなわちフレキシブル配線板の上面で接続される。これに対して、第３の実施形態では、フレキシブル配線板のコネクタ接続部Ｐｃはフレキシブル配線板コネクタと下面で接続される。また第４の実施形態では、フレキシブル配線板のコネクタ接続部Ｐｃはフレキシブル配線板コネクタと上面で接続される。このように増幅器で使用するフレキシブル配線板コネクタの接触の方向の仕様に応じてフレキシブル配線板を選定することも可能である。

そして配線用のフレキシブル配線板の配線引き出し方向はプラスｘ方向、マイナスｘ方向いずれにも対応可能であり、荷重変換器１の使用形態に応じて選択が可能である。また配線部材としてフレキシブル配線板の３種類について説明したがこれに限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、フレキシブル配線板の取り出し面は、説明した実施形態ではｘｙ平面に平行な面であるが、ｘｚ平面に平行な面やｙｚ平面に平行な面など様々な面に対応可能である。

図１６は本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成図である。第５の実施形態に係る荷重変換器は、感歪抵抗体の配置と配線用フレキシブル配線板の形状が、第１～第４の実施形態に係る荷重変換器と相違する。

図１７は本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程のフローチャートである。そして図１８から図２３は本発明の第５の実施形態に係る荷重変換器の製造の工程に沿った各部材の状態図を順に示したものである。図１７のフローチャートに沿って、荷重変換器の製造方法について説明する。

まず図１８（ａ）に示すようにプレート２を製造の工程へ投入する（ステップＳ５０１）。プレート２は、例えば鉄、珪素鋼板、ステンレス、ベリリウム銅などの金属板である。

次いで図１８（ｂ）に示すように、所定の位置に抵抗体となる金属箔を積層した絶縁基材Ｇｐをプレート２の１ｓｔ面に接着剤で貼付ける（金属箔積層ステップ）（ステップＳ５０２）。この絶縁基材Ｇｐを貼る位置は厳密な位置である必要はない。

次いで図１８（ｃ）に示すように、レーザ照射による除去によって所望のパターンを形成し（パターニングステップ）（ステップＳ５０３）、さらに保護層を接着して（ステップＳ５０４）、感歪抵抗体Ｇｂ１をプレート２の１ｓｔ面に形成する。もちろん予めパターニングされた感歪抵抗体Ｇｂ１を接着剤で貼り付けても良いが、その際の貼付け位置精度は高めておく必要がある。

次いで図１９（ｄ）に示すように、所定の位置に抵抗体となる金属箔を積層した絶縁基材Ｇｐをプレート２の２ｎｄ面に接着剤で貼付ける（金属箔積層ステップ）（ステップＳ５０５）。プレート２の２ｎｄ面とは、プレート２の１ｓｔ面の裏面である。

次いで図１９（ｅ）に示すように、レーザ照射による除去によって所望のパターンを形成し（パターニングステップ）（ステップＳ５０６）、さらに保護層を接着して（ステップＳ５０７）、感歪抵抗体Ｇｂ２をプレート２の２ｎｄ面に形成する。プレート２の２ｎｄ面におけるパターニングステップは、プレート２の１ｓｔ面のパターニングステップと同様に、プレート２の外形などを基準として位置合わせを行う。したがってプレート２を製造の工程へ投入する（ステップＳ５０１）前に、プレート２に貫通の穴などを設けて、これを基準としてパターニングステップを行っても良い。また１ｓｔ面及び２ｎｄ面への金属箔積層ステップ、１ｓｔ面及び２ｎｄ面へのパターニングステップ、１ｓｔ面及び２ｎｄ面への保護層の接着をそれぞれまとめて行ってもよい。したがってステップＳ５０２からステップＳ５０７の配置は適宜変更することも可能である。

次いで、図１９（ｆ）に示すように、プレート２に対して例えば金型によって、切断加工ラインＣに沿って切断加工を、谷折りラインＶ及び山折りラインＭに沿って複数箇所の直角折り曲げ加工を、そしてボス加工（ボス２ｍ、２ｐ）を行う（ステップＳ５０８）。これらの加工は複数回に分けて順送金型等で連続的に実施しても良いのは第１、第２の実施形態と同様である。なお切断加工ラインＣに沿う切断加工は、図１８（ｂ）の抵抗体となる金属箔を積層した絶縁基材Ｇｐの貼付前に、レーザ加工で行っても良い。その他前述したように、予め両面に絶縁コーティングをしたプレート２を用いて、抵抗体となる金属箔を平行リンクアーム部２ｃの起歪部２ｒ及び起歪部２ｓとなる箇所の両面に貼付け（金属箔積層ステップ）、その後レーザ照射による除去によってそれぞれ所望のパターンを形成し（パターニングステップ）、さらに両面に保護層を接着して行ってもよい。

図２０（ａ）は感歪抵抗体Ｇｂ１、Ｇｂ２の平面図である。感歪抵抗体Ｇｂ１、Ｇｂ２は、２つの単軸ゲージ部を１つの基材上に形成したものである。この１つの基材はポリイミドなどの絶縁体であって、単軸ゲージ部のそれぞれの最大感度方向は同一である。この基材上には、単軸ゲージ部Ｇ１、Ｇ３（単軸ゲージ部Ｇ２、Ｇ４）と、各端子部Ｐｇと、配線部が形成され、ホイートストンブリッジ回路の一部を構成している。単軸ゲージ部Ｇ１～Ｇ４の折返しパターン（フィラメント）及び配線部は、絶縁基材上に接着剤で積層された例えばニッケルクロム合金などの金属箔を、所望の形状にフォトリソによるエッチングやレーザ照射による除去によって行なわれる。そして単軸ゲージ部Ｇ１～Ｇ４の折返しパターン及び配線部には保護のため、さらに保護層が積層される。保護層の一部は開口しており、この部分が各端子部Ｐｇとなる。

図２０（ｂ）はフレキシブル配線板３ｄを平面に展開した平面図である。フレキシブル配線板３ｄは、感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２の各端子部Ｐｇに対応した位置に接続用の端子部Ｐｆを有している。感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２とフレキシブル配線板３ｄとの接続によりホイートストンブリッジ回路が構成される。フレキシブル配線板３ｄは、ラインＬで曲げられて、各端子部Ｐｇが背面の組み合わせで平行リンクアーム部２ｃに貼られた感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２を挟み込むようにして感歪抵抗体Ｇｂ１及びＧｂ２に接続される。

なおフレキシブル配線板３ｄの一部の配線は、感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２の方に設けることも可能である。この場合には、フレキシブル配線板３ｄと、感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２との接合箇所を減らすことができる。

またフレキシブル配線板３ｄにおいて、単軸ゲージ部の折返しパターンの上にオーバーラップする箇所は、ノイズを低減するためにシールドを設けることが好ましい。このシールドは多層化したフレキシブル配線板３ｄの一層であってもよいし、別途単軸ゲージ部或いはフレキシブル配線板３ｄに貼付けても良い。フレキシブル配線板３ｄの各端子部Ｐｇ及びコネクタ接続部Ｐｃの表面処理はフレキシブル配線板３ａと基本的に同じである。

図２１（ａ）及び図２１（ｂ）は、図１９（ｆ）にてプレート２に対して、切断加工、直角折り曲げ加工、ボス加工（ボス２ｍ、２ｐ）を行った（ステップＳ５０８）後の斜視図である。感歪抵抗体Ｇｂ１が平行リンクアーム部２ｃの下面に、感歪抵抗体Ｇｂ２が平行リンクアーム部２ｃの上面に、それぞれ背面合わせで位置している。

図２２（ａ）、図２２（ｂ）はさらに、フレキシブル配線板３ｄを感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２に接合した（ステップＳ５０９）図である。フレキシブル配線板３ｄは、感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２の各端子部Ｐｇに対応した電極部と配線部を有し、感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２の各端子部Ｐｇとフレキシブル配線板３ｄの端子部Ｐｆが向かい合って、少なくともいずれか一方にコーティングされたハンダを加熱によって溶融することで接合が行われる。感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２の各端子部Ｐｇとフレキシブル配線板３ｄの端子部Ｐｆとの接合はこれに限らず、導電性接着剤や導電性接着フィルムなどによって行うことも可能である。フレキシブル配線板３ｄの配線部は、起歪部２ｒ及び起歪部２ｓへ力が加わらないように、接着剤などで平行リンクアーム部２ｃの一部などに固定される。図２２（ａ）、図２２（ｂ）においては、フレキシブル配線板３ｄの配線部は、プラスｘ方向に引き出されて、不図示の増幅器へ接続される。また第５の実施形態では、フレキシブル配線板のコネクタ接続部Ｐｃはフレキシブル配線板コネクタと上面で接続される。

フレキシブル配線板３ｄと感歪抵抗体Ｇｂ１及び感歪抵抗体Ｇｂ２との接合が完了したら、固定部２ａ、荷重導入部２ｊの最終形状を作成する工程（ステップＳ５１０）を実施する。固定部２ａは、図２２（ａ）の下部の谷折りラインＶに沿って直角折り曲げ加工（ステップＳ５１０）を行うことで形成できる。一方、荷重導入部２ｊは図２２（ａ）の上部の山折りラインＭに沿って直角折り曲げ加工（ステップＳ５１０）を行うことで形成できる。この折り曲げ部には、リブＣＲを施すことで補強することができる。なお、感歪抵抗体Ｇｂの形成がプレート２の折り曲げ加工前に完成しているので、固定部２ａ及び荷重導入部２ｊの形状によっては、ステップＳ５１０の直角折り曲げ加工は、ステップＳ５０８にて一度に行うこともできる。

図２３（ａ）は以上の工程によって完成した第５の実施形態の荷重変換器１の外観斜視図である。そして図２３（ａ）を正面から見た（プラスｙ方向視）図が、図２３（ｂ）である。第１の実施形態の荷重変換器と同様に、平行リンクアーム部２ｃと平行リンクアーム部２ｇ及び平行リンクアーム部２ｈとが向かい合い、平行リンクアーム部２ｆと平行リンクアーム部２ｄ及び平行リンクアーム部２ｅとが向かい合い、所謂平行リンク形状となっている。

図２４は本発明の第６、第７の実施形態に係る荷重変換器の斜視図である。第６、第７の実施形態では、感歪抵抗体から引き出される配線のフレキシブル配線板が第５の実施形態とは異なる。図２４（ａ）は第６の実施形態に係る荷重変換器であって、フレキシブル配線板３ｅは支持部２ｂ及び固定部２ａに沿って接着剤等で固定されている。そして固定部２ａの穴２ｋを避けるように二股に分かれて再度合流する環状の部分が存在する。第６の実施形態では、フレキシブル配線板３ｅは第１、第２の実施形態と比べて全長が長くなるものの、支持部２ｂ及び固定部２ａに沿って接着剤等で固定されていることから、増幅器側からフレキシブル配線板３ｅを伝わって来る力の影響は生じにくいという利点を有している。また第６及び第７の実施形態では、フレキシブル配線板のコネクタ接続部Ｐｃはフレキシブル配線板コネクタと下面で接続される。

図２４（ｂ）、図２４（ｃ）は第７の実施形態に係る荷重変換器であって、フレキシブル配線板３ｆは平行リンクアーム部２ｃの上面から直に、平行リンクアーム部２ｄ及び平行リンクアーム部２ｅの間を通ってマイナスｘ方向に引き出され、接着剤等で平行リンクアーム部２ｃに固定されている。

本発明の第５～第７の実施形態に係る荷重変換器配線用のフレキシブル配線板の配線引き出し方向もプラスｘ方向、マイナスｘ方向いずれにも対応可能であり、荷重変換器１の使用形態に応じて選択が可能である。また配線用のフレキシブル配線板の３種類について説明したがこれに限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、フレキシブル配線板の取り出し面は、説明した実施形態ではｘｙ平面に平行な面であるが、ｘｚ平面に平行な面やｙｚ平面に平行な面であってもよい。

図２５は本発明の第８の実施形態に係る荷重変換器の斜視図である。第８の実施形態では、感歪抵抗体から引き出される配線が絶縁被覆のケーブルとなっている。
ケーブル５ａのリード線５ｂ先端部の導線は、感歪抵抗体Ｇａの各端子部Ｐｇにハンダ付けされる。なおケーブル５ａのリード線５ｂは、起歪部２ｒ及び起歪部２ｓの弾性変形に影響を及ぼさないように配線される。そしてケーブル５ａは、支持部２ｂを隔壁として支持部２ｂに設けた貫通穴に通して固定されたケーブルクランプ６によって保持されて、外部へ引き出される。

図２６は本発明の第９の実施形態に係る荷重変換器の斜視図である。第９の実施形態では、感歪抵抗体から引き出される配線がフレキシブル配線板３ｇと絶縁被覆のケーブル５ａとなっている。ケーブル５ａのリード線５ｃの先端部の導線は、フレキシブル配線板３ｇの貫通穴に挿通されて、貫通穴周囲に設けられて露出したランド部にハンダ付けされる。フレキシブル配線板３ｇは、感歪抵抗体Ｇａに接続され、支持部２ｂに沿ってケーブルクランプ６の外周を経由し、リード線５ｃの先端部の導線に接続される。そしてケーブル５ａは、支持部２ｂを隔壁として支持部２ｂに設けた貫通穴に通して固定されたケーブルクランプ６によって保持されて、外部へ引き出される。

ゆえに、本発明の荷重変換器によれば、構造体を金属平板の切断及び曲げ加工により製作することができて、コスト低減が可能となり、製造時間の短縮も可能となる。また本発明の荷重変換器の製造方法によれば、レーザ加工、順送金型による成形などを直列に配置して少なくともその一部はインライン自動化も可能であり、コストの低減を図ることができる。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明の活用例として、荷重計測機器、荷重センサ等への適用が可能である。

１ ：荷重変換器
２ ：プレート（構造体）
２ａ ：固定部
２ｂ ：支持部
２ｃ ：平行リンクアーム部
２ｄ ：平行リンクアーム部
２ｅ ：平行リンクアーム部
２ｆ ：平行リンクアーム部
２ｇ ：平行リンクアーム部
２ｈ ：平行リンクアーム部
２ｉ ：支持部
２ｊ ：荷重導入部
２ｋ ：穴
２ｍ ：ボス
２ｎ ：穴
２ｐ ：ボス
２ｒ ：起歪部
２ｓ ：起歪部
３ａ～３ｇ ：フレキシブル配線板
４ ：固定ベース
５ａ ：ケーブル
５ｂ、５ｃ ：リード線
６ ：ケーブルクランプ

Claims (8)

1. 構造体と感歪抵抗体とを含み、受けた荷重を電気信号に変換する荷重変換器であって、
   前記構造体は、１つの金属平板の切断加工及び複数箇所の折り曲げ加工によって少なくとも一部が平行リンクをなす形状に成形され、
   前記感歪抵抗体は、前記平行リンクのアーム部に設けられた起歪部に形成されている荷重変換器。
2. 前記起歪部が、前記荷重の方向に垂直な方向に延びる前記アーム部の相対的に小なる断面積の部分で構成される請求項１に記載の荷重変換器。
3. 前記感歪抵抗体が、前記荷重の方向に垂直な方向に延びて対向する前記アーム部のうち、一本で前記平行リンクの一辺を構成する前記アーム部の前記起歪部に設けられている請求項１又は２に記載の荷重変換器。
4. 前記感歪抵抗体を含んでホイートストンブリッジ回路を形成する配線の少なくとも一部が、フレキシブル配線板によって行われる請求項１又は２に記載の荷重変換器。
5. 前記感歪抵抗体を含んでホイートストンブリッジ回路を形成する配線の少なくとも一部が、フレキシブル配線板によって行われる請求項３に記載の荷重変換器。
   
6. 構造体と感歪抵抗体とを含み、受けた荷重を電気信号に変換する荷重変換器の製造方法であって、
   前記構造体を構成する１つの金属平板に前記感歪抵抗体を形成する感歪抵抗体形成ステップと、
   前記構造体を前記金属平板の切断加工及び複数箇所の折り曲げ加工によって平行リンク形状に成形する金属平板成形ステップと、
   を有する荷重変換器の製造方法。
7. 前記感歪抵抗体形成ステップは、絶縁体を介して前記金属平板の表面に金属箔を積層する金属箔積層ステップと、前記金属箔をレーザ加工によって所望の形状にパターニングを行うパターニングステップと、を含む請求項６に記載の荷重変換器の製造方法。
8. 前記金属箔積層ステップ、前記金属平板成形ステップ、前記パターニングステップの順、若しくは、前記金属箔積層ステップ、前記パターニングステップ、前記金属平板成形ステップの順に実施される請求項７に記載の荷重変換器の製造方法。
   
   

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