JP4289226B2

JP4289226B2 - ロードセルおよび物性評価試験装置

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Publication number: JP4289226B2
Application number: JP2004182302A
Authority: JP
Inventors: 匡規金田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: JP2006003295A

Description

本発明は力を検出するためのロードセルに関する。さらに、試験対象に力を加えながら試験する場合に、ロードセルを用いてこの力を検出しながら試験対象の各種の物性を電気的に検出して評価する物性評価試験装置に関する。この物性評価試験装置の中には強度評価試験装置、耐久性評価試験装置、導通試験装置、寿命評価試験装置など、試験対象の性質や状態を評価したり、試験したり、分析したりする装置一般をも含むものとする。

試験対象物の各種性質を評価するために、試験対象に対して力を加えながら試験対象からの電気的信号を取り出したい場合がある。試験対象に加えられる試験力をロードセルによって検出するために、試験対象はロードセルの荷重受座に固定され、力の大きさはロードセルからの出力として計測される。一方、試験対象からの電気的信号は、力の負荷および測定機構とは別に取り出す必要があるので、このための電気的接続は試験対象から直接的に引き出されたリード線を利用することが多い。このリード線を通じて電力を供給したり電気的信号を取り出したりしている。

図４に、このような評価試験を行う場合の従来の構成を概略図で示す。装置フレーム５１にロードセル５２が固定され、その上に試料５３が固定されている。試料に対して負荷部５４が上から押圧し、その負荷力はロードセル５２からの出力で計測される。このロードセルから出力に基づく力の計測部分については図４では省略している。一方、試料からは２本のリード線５５が伸ばされており、これを計測装置５６に接続することで試料５３の電気的特性が測定される。この場合の電気的特性とは、たとえば、試料の抵抗値である。すなわち、図４に示された例は、試料５３に力を加えて圧縮応力をかけながら抵抗を測定する装置の一例である。

このような測定の一例は、たとえば特許文献１に記載されている。この文献では、材料試験機を用いて試験対象上の塗膜の亀裂を検出するために、亀裂発生検知回路を試験対象から直接的に出ているリード線に接続するようにしている。

特開２００１−４１８６９号公報（図１）

ロードセルで測定する試験力が大きい場合、すなわちリード線の剛性が使用するロードセルの剛性に対して十分小さい場合には、従来のような接続の方法でもリード線の剛性が測定する試験力に与える影響は少ない。しかし小型電子部品やマイクロマシンなどを対象にして、測定したい試験力が小さい場合、つまりはリード線剛性が使用するロードセルの剛性に対して大きくかつ不安定な場合、リード線剛性が試験力測定に与える影響は大きく試験力を精度よく測定できない。小さな力による試験としては、試験力のフルスケールが０．５Ｎ程度の試験が必要とされ、小さな場合には２ｍＮ程度の試験力を精度よく負荷することが要求される場合もある。

これは次の理由による。ロードセルは、一般的に、力を受けるための荷重受座と自分自身を他の部材に固定するための取付台座との間に起歪部を有する構造となっている。荷重受座に力を受けると起歪部が変形しその変形量を検出することで力を測定する。このとき測定対象が当接されている荷重受座がわずかながら移動するので測定対象も一緒に移動することになる。測定対象にリード線が付いているとこのリード線も引っ張られることとなり、この引張力が測定される力の誤差となる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、リード線の剛性が試験力測定に影響しないようにしたロードセル、および、このロードセルを用いてリード線の影響が試験力の測定に影響しない物性評価試験装置を提供することを目的とする。

本発明は、力を受けるための荷重受座と自分自身を他の部材に固定するための取付台座との間に起歪部を有するロードセルにおいて、ロードセル自体を電気的に導通性のある材料で形成し、電気的接続をするための端子として前記荷重受座に受座端子部と、前記取付台座に台座端子部を備え、この２つの端子部間で電気的導通があるようにしたことを特徴とする。（請求項１）

本発明のロードセルは自分自身を電気的導通を得るための導体とする。そして試験対象から出ているリード線はロードセルの荷重受座部分に接続するように受座端子部を設けてある。そうすればロードセルの起歪部が変形しても、試験対象と荷重受座は同じように一緒になって移動するだけなので、リード線が変形することがなく測定される力に影響を与えない。

本発明の物性評価試験装置は、試験対象に力を加えた状態で試験対象の電気的物性を評価する物性評価試験装置において、試験対象に加える力を検出するために上記のロードセルを備え、試験対象からのリード線を前記受座端子部に接続した状態で前記台座端子部から電気的信号を取り出すことを特徴とする。（請求項２）

本発明の物性評価試験装置は、上述のロードセルを使用して試験対象からの電気的信号を受座端子部からロードセル本体を通じて、試験対象に力を加えても動くことのない台座端子部から取り出すようにする。こうすることで試験対象から出ているリード線を計測装置などに直接的につなぐ必要がないので、試験対象に力を加えてもリード線が変形することがなく力の測定に影響しない。

さらに本発明の物性評価試験装置は、試験対象に力を加えた状態で試験対象の電気的物性を評価する物性評価試験装置において、試験対象からのリード線が複数であって、試験対象に加える力を検出するために上記のロードセルを前記リード線の数に対応した数以上備え、それぞれのリード線を別々のロードセルの前記受座端子部に接続した状態で、そのリード線が接続されたロードセルの前記台座端子部から電気的信号を取り出すことを特徴とする。（請求項３）

試験対象からのリード線が複数必要な場合には、上記のロードセルを複数個使用することによって、全ての信号線をロードセルを介して外部に取り出すことができる。そうすることで全てのリード線はロードセルの荷重受座部との間で固定されているのでリード線が力の測定に影響することがない。この場合、リード線の数に合わせて上記ロードセルを使用すればよいが、リード線の数を越えた数量のロードセルを使用してもよい。また試験力の測定としては一つのロードセルからの出力で代表させることもでき、または、複数のロードセルからの出力を合算（平均化）してもよい。

本発明のロードセルはロードセル自身を電気的導体として利用できるように、荷重受座部および固定台座部にそれぞれ電気的端子部を設けたので、試験対象からのリード線を荷重受座部の端子部に接続することができ、リード線が力の検出に影響を与えないようにして力を検出することができる。

また、本発明の物性評価試験装置は上記のロードセルを使用して試験対象に試験力を加えながら電気的な物性評価をするので、試験対象からの電気信号を動くことのない台座端子部から取り出すことができ、試験対象から出ているリード線が試験力の測定に影響を与えることがなく精度の高い測定を行うことができる。とくに小さな試験力を用いて評価する小さな材料や部品の評価試験に有効である。

さらに、本発明の物性評価試験装置は、試験対象からのリード線が複数の場合に、複数の上記ロードセルを使用して試験対象に試験力を加えながら電気的な物性評価をするので、試験対象からの電気的リード線が試験力の測定に影響を与えることがなく精度の高い測定を行うことができる。リード線が２本あるいはそれ以上の本数だけ必要となっても、本発明のロードセルを複数個使用することで対応することができる。

本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明のロードセルを示している。ロードセル１は力を受けるための荷重受座部２とロードセルを装置フレーム等に固定するための固定台座部３との間に起歪部４を介在させた構成となっている。荷重受座部２はブロック状であり、それ自身は少なくとも定格の測定範囲内の力がかかった場合には変形しない程度の高剛性となっている。また固定台座部３も同様にブロック状でありそれ自身は変形しない。起歪部４は、荷重受座部２と固定台座部３との間に力がかかることによって変形し、その変形量が歪ゲージによって測定され力に換算される。図１に図示してあるロバーバル機構の例で説明すると、起歪部４は２本の平行バーの両端に変形しやすい窪みを作ってあり、荷重受座部２に力がかかると窪み部分が変形し、その付近に貼り付けてある歪ゲージ７の出力を図示していない計測装置によって計測することで力として測定される。

図１の荷重受座部２には受座端子部５が設けてある。この受座端子部５はこのロードセルを使用するときに荷重受け座部２に載置された試験対象の試料からリード線を接続する端子である。また、固定台座部３には台座端子部６が設けてある。この台座端子部６はこのロードセルを使用するときに計測装置に接続するための端子である。そしてロードセル１そのものは、金属などのようにそれ自身が電気的導通性のある材料で形成されている。このロードセルを使用する場合に試験対象試料から電気的信号はロードセル１を介して台座端子部６から取り出すことができる。

受座端子部５および台座端子部６の形状は、はんだ付けできるような金属製のタブとしたり、試料からのリード線あるいは計測装置へのケーブルをネジによって固定するためのタップ穴とすることができる。さらには単なる穴であって、バネ性のある端子を差し込むことで電気的導通を取れるようにしたものでもよい。また、荷重受座部２における受座端子部５の位置は側面でも上面でもよく、荷重受座部２に載置する試料との干渉を避けられる位置であれば任意の位置が採用できる。固定台座部３における台座端子部６の位置も同様に任意の位置を採用できる。

ロードセルの材料および機械的形状については、公知のさまざまな構成を採用できる。たとえば材料としては、アルミニウムやステンレス等の金属や、導電性プラスチック等の高分子材料でもよい。機械的形状や起歪部の形式は図１に図示した例にとどまらず、直線はり受感型や曲げ受感型、中空円筒受感型、せん断受感型等のようにあらゆる公知の形状や形式を採用することができる。また、ロードセルが検出する力は圧縮力に限られず、引張力を検出するタイプでもよいし、また、圧縮力と引張力の両方を検出できるタイプでもよい。

図２は本発明の物性評価試験装置の要部を示す図である。装置のフレーム１０に固定されたロードセル１に試料Ｓ１を載置し、負荷部１１によって試料Ｓ１に力を加えながら試料Ｓ１からの電気的信号を取り出して物性評価をする装置である。ここで使用するロードセル１は上記で図１を用いて説明したロードセルである。負荷部１１に記載してある矢印は負荷部１１の動きおよび力のかける方向を示している。

装置のフレーム１０とロードセル１との間には絶縁板９が入れてあり、これによってフレーム１０とロードセル１が電気的に絶縁されている。この絶縁板９は電気的に高い抵抗値を持つ絶縁材料からなるものであり、機械的には高い剛性を持つ材料が望ましい。この電気的抵抗はロードセル自身の導体としての抵抗値よりも遥かに高い値であること、機械的剛性は少なくともロードセル１の起歪部の剛性よりも遥かに高い値であることが必要である。具体的には絶縁板９としてセラミック製の板やプラスチック製の板などが採用できる。

ロードセル１の上に載置された試料Ｓ１からのリード線８はロードセル１に形成されている受座端子部５に接続されている。ロードセル１に形成された台座端子部６からはケーブル１２を用いて計測装置１３に電気的に接続されている。こうすることで試料Ｓ１からの電気的信号は、リード線８、受座端子部５、ロードセル１の本体、台座端子部６、ケーブル１２、計測装置１３の順番で流れることになる。

図２に示される構成の装置では次のような測定をすることができる。たとえば、試料Ｓ１は圧力によって抵抗値が変わる材料であり、力を加えながら抵抗値変化を測定すること目的とする。抵抗値測定の一端はリード線８から取り出し、他の一端は負荷部１１の先端を電極の接点とする。計測装置１３からの接続として、一端はケーブル１２を介して台座端子部６に接続され、他端は図示していないケーブルを用いて負荷部１１に接続する。こうすることで試料Ｓ１に対して負荷部１１によって力を加えつつ、計測装置によって試料Ｓ１の抵抗値を測定することができる。力を試料Ｓ１に加えた場合に、試料Ｓ１の位置はロードセル１の起歪部の変形分だけ下方に移動するが、台座端子部６の位置は少しも動かないので、力の測定にケーブル１２の剛性は全く影響しない。また、試料Ｓ１から出ているリード線８は試料Ｓ１および受座端子部５と同じように連れ立って移動するだけなので全く変形せず、リード線８の剛性がロードセル１による力測定には全く影響を与えない。

図３に示す実施の形態は試料Ｓ２からのリード線が複数ある場合の例である。この例では３本のリード線２９が試料Ｓ２から出ている。装置のフレーム２６の上に電気的な絶縁板２４を介して図１で説明したロードセル２１、２２、２３が固定され、その上に電気的な絶縁板２５が固定されている。３つのロードセル２１から２３はその高さ寸法や力測定器としての特性などがそろえられており、絶縁板２４と絶縁板２５との間にかかる力が均等に３つのロードセルにかかるようになっている。

試料Ｓ２から出ている３本のリード線は、それぞれロードセル２１から２３の各受座端子部３０に接続されている。一方、３つのロードセル２１から２３の各台座端子部３１からのケーブル３２は計測装置２８に接続されている。すなわち、試料Ｓ２から出ている３本のリード線を通じて得られる３種類の信号は、各ロードセルの受座端子部３０、ロードセル本体、台座端子部３１を介して計測装置２８にそれぞれ伝達される。３つのロードセル間は絶縁板２４と絶縁板２５とで電気的に絶縁されているので、互いに電気信号が干渉することはない。

この絶縁板２４および２５は、電気的に高い抵抗値を持つ絶縁材料からなるものであり、機械的には高い剛性を持つ材料が望ましい。この電気的抵抗はロードセル自身の導体としての抵抗値よりも遥かに高い値であること、機械的剛性は少なくともロードセル１の起歪部の剛性よりも遥かに高い値であることが必要である。さらには複数のロードセルに均等に力がかかるようにするためにも高い機械的剛性が必要である。具体的には絶縁板２４および２５としてセラミック製の板やプラスチック製の板などが採用できる。

図３では、リード線の数が３本なので３つのロードセルを使用してあるが、ロードセルの数としては４以上の数を使用してもよい。一般的にロードセルの数はリード線の数を越えた数量のロードセルを使用すればよいことになる。また試験力の測定としては、３つあるロードセルのうちの一つのロードセルからの出力で代表させることもできる。この場合たとえばロードセル２１から出てくる力測定用の信号を力計測器に入力すればよい。または、２つあるいは３つのロードセルからの出力を合算あるいは平均化して力として計測してもよい。リード線が４本以上必要な場合も考え方は同じであり、リード線の数より多いロードセルを使用すればよい。

図３の構成で物性を測定する方法の一例を説明する。たとえば試料Ｓ２は圧電素子のような物質であって、力を加えることによって起電力を発生するものであるとする。図３に示すように接続された状態で負荷部２７によって試料Ｓ２に圧縮応力をかける。負荷部２７に記載してある矢印は負荷部２７の動きおよび力のかける方向を示している。そのとき試料の２つの方向に発生する起電力を測定する場合を考えると、一つの端子を共通とすれば合計で３本のリード線が必要となる。試料Ｓ２から出ている３本のリード線をそれぞれ３つのロードセルの受座端子部３０に接続してあるから、それぞれの信号はそれぞれのロードセルの台座端子部３１を介して計測装置２８に伝達され、２つの起電力が計測される。

力を試料Ｓ２に加えた場合に、試料Ｓ２の位置はロードセル２１〜２３の変形の分だけ下方に移動するが、台座端子部３１の位置は少しも動かないので、力の測定にケーブル３２の剛性は全く影響しない。また、試料Ｓ２から出ているリード線２９は試料Ｓ２および受座端子部３０と同じように移動するだけなので全く変形せず、リード線２９の剛性がロードセル２１〜２３による力測定には全く影響を与えない。

本発明の物性評価試験装置は、上述の例に限られず、さまざまな具体的装置を包含するものである。試験対象の試料に対して引張または圧縮の力を加えつつ、試料からの電気的信号をリード線を使用して取り出す装置であって、力計測にロードセルを使用する装置を全て包含する。

たとえば本発明は次のような装置にも応用できる。試料は機械的接点を持つマイクロスイッチ等の電気スイッチであり、アクチュエータ部分にスイッチを入れる動作のように力を加えつつ接点間の抵抗値を測定する装置である。スイッチが入ったときの力の値やそのときの抵抗値がどのようになるかを評価する。スイッチを入れる動作を多数回繰り返すことで試料であるスイッチの耐久性試験装置にも利用できる。

電気的なコネクタの挿抜に伴う接点の抵抗値測定および耐久性試験に応用する場合には、組み合わされるコネクタ接点間の抵抗値を測定する。ＩＣ内の配線のように小さな配線がどのくらいの引張力に耐えられるかというような機械的強度を測定する場合には、配線とその接続部分との抵抗値あるいは導通の有無を測定する。

本発明のロードセルの一例である。本発明の物性評価試験装置の一例である。本発明の物性評価試験装置の他の例である。従来の試験装置の一例である

符号の説明

１…ロードセル、２…荷重受座部、３…固定台座部、４…起歪部、５…受座端子部、６…台座端子部、７…歪ゲージ、１０…フレーム、１１…負荷部、１２…ケーブル、１３…計測装置、２１…ロードセル、２２…ロードセル、２３…ロードセル、２４…絶縁板、２５…絶縁板、２６…フレーム、２７…負荷部、２８…計測装置、２９…リード線、３０…受座端子部、３１…台座端子部、３２…ケーブル、５１…フレーム、５２…ロードセル、５３…試料、５４…負荷部、５５…リード線、５６…計測装置

Claims

力を受けるための荷重受座と自分自身を他の部材に固定するための取付台座との間に起歪部を有するロードセルにおいて、ロードセル自体を電気的に導通性のある材料で形成し、電気的接続をするための端子として前記荷重受座に受座端子部と、前記取付台座に台座端子部を備え、この２つの端子部間で電気的導通があるようにしたことを特徴とするロードセル。
試験対象に力を加えた状態で試験対象の電気的物性を評価する物性評価試験装置において、試験対象に加える力を検出するために請求項１記載のロードセルを備え、試験対象からのリード線を前記受座端子部に接続した状態で前記台座端子部から電気的信号を取り出すことを特徴とする物性評価試験装置。
試験対象に力を加えた状態で試験対象の電気的物性を評価する物性評価試験装置において、試験対象からのリード線が複数であって、試験対象に加える力を検出するために請求項１記載のロードセルを前記リード線の数に対応した数以上備え、それぞれのリード線を別々のロードセルの前記受座端子部に接続した状態で、そのリード線が接続されたロードセルの前記台座端子部から電気的信号を取り出すことを特徴とする物性評価試験装置。