JPH08201191A - ロードセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属基板の表面に歪検出回路を形成してなる
歪ゲージを用いたロードセルとして、部品点数が少な
く、かつ、小型でありながら、比較的大きな荷重の測定
に使用することができ、しかも、生産性や計量精度に優
れたロードセルを提供する。 【構成】 ロードセル３０を、中央に開口部３２を設け
ることにより両端の固定部３３と可動部３４及びこれら
を結ぶ左右の連結部３５，３６を有するプレート状の本
体３１と、両端部が上記本体３１の固定部３３と可動部
３４とにそれぞれ固着され、該本体３１の開口部３２を
跨いだ状態で、該本体３１の上下両面に互いに対向させ
てそれぞれ取り付けられた一対の歪ゲージ４１，４２と
で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子秤、変位計、加速
度計等に用いられるロードセルに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に電子秤等に用いられるロードセル
は、両端の剛体部と、両剛体部間に平行に架設された上
下のビーム部とで中空四角形状とされ、かつ、上記ビー
ム部の両剛体部寄りの部分に薄肉とされた低剛性部を設
けて、所謂ロバーバル機構を構成した起歪体を用い、こ
の起歪体における上記各低剛性部の表面にストレインゲ
ージ等の歪検出素子を配設した構成とされている。

【０００３】このロバーバル機構を用いたロードセルに
よれば、曲げモーメントや捩じりモーメント等による偏
荷重の影響や、周辺温度の影響等が除去されることによ
り、高精度の測定が可能となるのであるが、近年におい
ては、この種のロードセルの生産性や精度の一層の向上
を図るため、金属薄膜形成技術を用いて金属基板上に直
接歪検出回路を形成してなる歪ゲージを用いることが考
えられている。

【０００４】このようなロードセルとして、例えば特開
平６−１８６０９６号公報には、次のようなロードセル
が開示されている。

【０００５】即ち、図１０に示すロードセル１０は、起
歪体１１として、板金製の上部部材１２と下部部材１３
とを接合してなるものを用い、これらの部材１２，１３
の両端部で固定剛体部１４及び可動剛体部１５を形成す
ると共に、両部材１２，１３の中間部を上下のビーム部
１６，１７としている。そして、両ビーム部１６，１７
の中央にそれぞれ形成した開口部１６ａ，１７ａを跨ぐ
ように、金属薄膜形成技術を用いて金属基板上に直接歪
検出回路を形成してなる歪ゲージ１８，１８をそれぞれ
取り付けた構成とされている。

【０００６】この歪ゲージ１８は、金属基板１８ａの両
端部寄りに肉厚を薄くした低剛性部を設けると共に、該
基板１８ａの表面に、絶縁層１８ｂを介して、上記低剛
性部上に歪感知部が位置するように該歪感知部を含む歪
検出回路１８ｃを形成し、かつ、この歪検出回路１８ｃ
を保護層（図示せず）によってコーティングした構成と
されている。

【０００７】また、図１１に示すロードセル２０は、一
対の金属製ブロック２２，２３により両端の固定剛体部
２４と可動剛体部２５とを構成すると共に、これらの剛
体部２４，２５の上面間及び下面間に、上記ロードセル
１０の歪ゲージ１８と同様に、金属基板２８ａの表面に
絶縁層２８ｂ、歪検出回路２８ｃ及び保護層を設けてな
る歪ゲージ２８，２８を、それ自体が上下のビーム部２
６，２７を構成するように、架設した構成とされてい
る。

【０００８】そして、これらのロードセル１０，２０に
よれば、従来のロードセルと同様に、可動剛体部１５，
２５に負荷される荷重により、該可動剛体部１５，２５
が固定剛体部１４，２４に対して相対的に下方に変位し
たときに、歪ゲージ１８，２８の金属基板１８ａ，２８
ａにおける各低剛性部の表面に圧縮歪と引張歪とが発生
し、これが該基板１８ａ，２８ａ上に形成された歪検出
回路１８ｃ，２８ｃによって検出されることにより、上
記荷重が測定されることになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１０に示
すロードセル１０は、従来のロードセルと同様に、荷重
を起歪体１１に負荷させ、その際の該起歪体１１の変形
を歪ゲージ１８によって検出するものであるから、起歪
体として比較的大きなものが必要となり、ロードセルと
しての小型化が困難であるという欠点がる。

【００１０】これに対して、図１１に示すロードセル２
０は、歪ゲージ２８，２８自体が起歪体における上下の
ビーム部を構成するので、ロードセル全体としての小型
化が図られ、電子秤用等の他に、変位計や加速度計用
等、広い用途に適用される利点がある。

【００１１】しかし、このロードセル２０の場合、次の
ような不具合が考えられる。

【００１２】まず、可動剛体部２５に負荷される荷重の
全てが上下の歪ゲージ２８，２８に入力されるので、該
歪ゲージ２８，２８の荷重に対する撓み量が大きくな
り、そのため、大きな荷重の計測用として用いることが
できないのである。

【００１３】また、歪検出回路２８ｃをコーティングす
る保護層は基板２８ａの低剛性部における歪の発生を妨
げて、入力された荷重に対する出力を一定の比率で減少
させるように作用するので、全荷重が歪ゲージ２８，２
８に入力される構成の場合、この保護層による出力の低
下の比率が相対的に大きくなり、ロードセルとしての計
量精度を低下させ、或は計量精度のばらつきの原因とな
るのである。

【００１４】さらに、生産時においては、上下の歪ゲー
ジ２８，２８が平行に、かつ、正しく対向した状態で取
り付けるためには、両剛体部２４，２５を高い寸法精度
で製造する必要があると共に、これらの剛体部２４，２
５間に歪ゲージ２８を架設する際に、両剛体部２４，２
５を正しく位置決めしなければならず、これが生産性の
向上を妨げるのである。また、製造中、搬送中或は電子
秤等への組込み中、特に製造途中における両剛体部２
４，２５の一方の面間にのみ歪ゲージ２８が架設された
状態では、外力により歪ゲージ２８が容易に折損するの
で、取り扱いを慎重に行わなければならず、これによっ
ても生産性の向上が阻害されるのである。

【００１５】そこで、本発明は、上記ロードセル１０，
２０のように、金属基板上に歪検出回路を形成してなる
歪ゲージを用いたロードセルとして、小型でありながら
比較的大きな荷重の計測用としても利用でき、また、歪
ゲージにおける歪検出回路の保護層による悪影響が低減
されて良好な計量精度が得られ、しかも生産性に優れて
いると共に、部品点数も少なくてすむロードセルを実現
することを課題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

【００１７】まず、本願の請求項１に係る発明（以下、
第１発明という）は、荷重が負荷される本体と、該本体
の変形に伴って発生する歪を検出する歪ゲージとを有す
るロードセルにおいて、上記本体をプレート部材で構成
し、その中央に開口部を設けることにより、一端の固定
部と、他端の可動部と、これら両部を結ぶ左右の連結部
とを備えた形状とすると共に、上記歪ゲージを、両端部
寄りに低剛性部を設けた金属基板の表面に、上記低剛性
部に歪感知部が位置するように該歪感知部を含む歪検出
回路を設けた構成とする。そして、この歪ゲージを、両
端部が上記本体の固定部と可動部とにそれぞれ固着され
て該本体の開口部を跨いだ状態で、該本体の上下両面に
互いに対向させてそれぞれ取り付けたことを特徴とす
る。

【００１８】また、請求項２に係る発明（以下、第２発
明という）は、上記第１発明に係るロードセルにおい
て、歪ゲージの金属基板の表面に形成される歪検出回路
を、上記金属基板上に設けた絶縁層の上に、金属薄膜を
積層した後、所定形状に成形することにより形成すると
共に、この歪検出回路を保護層によってコーティングし
たことを特徴とする。

【００１９】さらに、請求項３に係る発明（以下、第３
発明という）は、上記第１発明または第２発明に係るロ
ードセルにおいて、本体の開口部における固定部及び可
動部と左右の連結部との間の各コーナー部に、該本体の
幅方向に延びる切欠き部をそれぞれ設けたことを特徴と
する。

【００２０】また、請求項４に係る発明（以下、第４発
明という）は、同じく上記第１発明または第２発明に係
るロードセルにおいて、本体の開口部における固定部及
び可動部と左右の連結部との間の各コーナー部に、該本
体の長手方向に延びる切欠き部をそれぞれ設けたことを
特徴とする。

【００２１】

【作用】上記の構成によれば、第１〜第４発明のいずれ
によっても、ロードセルが、中央に開口部を有する矩形
のプレート部材でなる本体と、上記開口部を跨ぐように
本体の上下両面にそれぞれ取り付けられた一対の歪ゲー
ジとにより構成されるから、該ロードセルの薄型化ない
し小型化が可能となると共に、部品点数が極めて少なく
なる。

【００２２】また、本体の上下両面に開口部を跨ぐよう
に歪ゲージを取り付けるだけであるから、固定部と可動
部の位置決め等が不要となると共に、歪ゲージは単一部
品としての本体に取り付けれるから、製造、搬送、組込
み中等に該歪ゲージを折損させたりすることがなくな
り、高い生産性が得られることになる。

【００２３】さらに、上記本体の両端部の固定部と可動
部とは、左右両側の連結部と上下一対の歪ゲージとによ
って連結されることになるから、本体の可動部に負荷さ
れた荷重は、左右の連結部と一対の歪ゲージとに分配さ
れて入力されることになる。したがって、小型でありな
がら、比較的大きな荷重の測定に使用可能となると共
に、全荷重が歪ゲージに入力されるものに比較して、歪
検出回路をコーティングする保護層による出力の低下の
比率が相対的に小さくなり、計量精度の低下やばらつき
が低減されることになる。

【００２４】そして、第２発明によれば、上記歪ゲージ
として、金属薄膜形成技術を用いて製造されるものが用
いられるので、上記第１発明の作用と相まって、従来の
ストレインゲージ等の歪検出素子を用いるものに比べ
て、生産性や計量精度が一層向上することになる。

【００２５】また、第３発明によれば、本体における左
右の連結部の固定部及び可動部との接続部の剛性が幅方
向に延びる切欠きの形状に応じて低減され、また、第４
発明によれば、同じく本体における左右の連結部の長さ
が長手方向に延びる切欠きの長さに応じて長くされて、
いずれの場合にも、可動部に負荷される一定の荷重に対
して該可動部の固定部に対する下方への変位量が増加
し、それだけ、歪ゲージに入力される荷重が大きくな
る。したがって、上記幅方向に延びる切欠きの深さや長
手方向に延びる切欠きの長さ等を適切に設定することに
より、本体の連結部と歪ゲージとに分配される荷重の分
配比率の範囲を拡大することが可能となる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００２７】図１〜図３に示すように、本実施例に係る
ロードセル３０の本体３１は、例えばステンレスでなる
矩形のプレート部材で構成され、その中央に四角形の開
口部３２を設けることにより、両端の固定部３３および
可動部３４と、これら両部３３，３４を結ぶ左右の連結
部３５，３６とを備えた形状とされている。また、該本
体３１の上記固定部３３と可動部３４とには、固定用ブ
ラケット及び荷重受け用ブラケット（図７参照）の取り
付け穴３７，３８が設けられている。

【００２８】そして、この本体３１の上下両面におい
て、固定部３３と可動部３４との間に両端が固着され
て、上記開口部３２を跨ぐように、上下一対の歪ゲージ
４１，４２が互いに対向して取り付けられている。

【００２９】これらの歪ゲージ４１，４２は同一の構成
で、図４に示すように、金属材料で形成された矩形状の
基板４３の一方の面に絶縁層４４を介して歪検出回路４
５を設けると共に、該基板４３の他方の面における両端
部寄りの所定位置には、両側端部間にわたって幅方向に
延びる一対の溝が形成され、この溝によって肉圧が薄く
された部分が低剛性部４３ａ，４３ａとされている。

【００３０】また、上記歪検出回路４５は、上記低剛性
部４３ａ，４３ａの対応位置にそれぞれ配置された抵抗
体でなる一対の歪み感知部４５ａ，４５ａと、これらの
歪感知部４５ａ，４５ａの両端に接続された合計３本の
導体配線部４５ｂ…４５ｂと、これらの導体配線部４５
ｂ…４５ｂの端部に設けられた端子部４５ｃ…４５ｃと
で構成されていると共に、この歪検出回路４５は、図５
に拡大して示すように、保護層４６によってコーティン
グされている。

【００３１】そして、上記各端子部４５ｃ…４５ｃに
は、フレキシブルプリント回路４７（図１参照）が接続
されて、上下の歪ゲージ４１，４２の合計４箇所の歪感
知部４５ａ…４５ａにより、図６に示すようなホイート
ストンブリッジ回路５０が構成されており、各歪感知部
４５ａ…４５ａの抵抗値が、基板４３の低剛性部４３ａ
の表面に発生する引張歪もしくは圧縮歪に応じて変化す
ることにより、該ホイートストンブリッジ回路５０の一
定の入力電圧Ｅに対して出力電圧ｅが変化するようにな
っている。

【００３２】なお、歪ゲージ４１，４２の基板４３は、
例えばステンレスやアルミニウム等の金属で形成され、
また、絶縁層４４は、ポリイミド等の樹脂で形成され
る。

【００３３】また、歪検出回路４５における歪感知部４
５ａ及び導体配線部４５ｂは、スパッタリング等の金属
薄膜形成技術と、エッチング等のその薄膜を所定形状に
成形する技術とを用いて、図４に示すような形状の金属
薄膜を積層することにより形成される。その場合に、歪
感知部４５ａは、窒化タンタル、ニッケルクロム或は銅
ニッケル等の合金を材料として形成され、また、導体配
線部４５ｂは、ニッケルクロム、パラジウム、金等の金
属を順に積層して、或は上記歪感知部４５ａの材料でパ
ターン幅を広くすることにより形成される。

【００３４】さらに、この歪検出回路４５をコーティン
グする保護層４６は、ソルダーレジスト、ブチルゴムま
たはシリコーンゴム等の樹脂を単独でもしくは組合せて
形成される。

【００３５】そして、このような構成の歪ゲージ４１，
４２の両端部が、本体３１の固定部３３と可動部３４と
に、スポット溶接のうちの比較的周辺に与える熱の影響
が少ないＹＡＧ溶接ｘ…ｘ（図１、図２参照）等によ
り、複数箇所ずつ固着されている。

【００３６】次に、このロードセル３０の作用を説明す
る。

【００３７】図７に示すように、本体３１の固定部３３
及び可動部３４にそれぞれ固定用及び荷重受け用のブラ
ケット５１，５２を取り付け、後者のブラケット５２を
介して上記本体３１の可動部３４に荷重Ｗを負荷させた
ものとする。

【００３８】このとき、可動部３４の固定部３３に対す
る下方への相対変位により、本体３１は、図７に誇張し
て示すように、側面視で略Ｓ字状に変形し、これに伴っ
て、固定部３３と可動部３４とに両端部が固着された上
下一対の歪ゲージ４１，４２においては、基板４３，４
３の各低剛性部４３ａ…４３ａで屈曲して、同じく略Ｓ
字状に変形する。

【００３９】その結果、上方の歪ゲージ４１において
は、本体の固定部３３側の低剛性部４３ａの表面（上
面）に引張歪が、可動部３４側の低剛性部４３ａの表面
（上面）に圧縮歪がそれぞれ発生し、また、下方の歪ゲ
ージ４２においては、本体の固定部３３側の低剛性部４
３ａの表面（下面）に圧縮歪が、可動部３４側の低剛性
部４３ａの表面（下面）に引張歪がそれぞれ発生するこ
とになる。

【００４０】そして、これらの歪により、各歪ゲージ４
１，４２における歪検出回路４５，４５の歪感知部４５
ａ…４５ａの抵抗値が変化し、図６に示すホイートスト
ンブリッジ回路５０においては、一定の入力電圧Ｅに対
して、出力電圧ｅが変化することになるが、その場合の
変化は上記各低剛性部４３ａ…４３ａにおける歪の大き
さ、即ち、本体３１の可動部３４に負荷された荷重Ｗに
対応することにより、この荷重Ｗが測定されることにな
る。

【００４１】ところで、このロードセル３０によれば、
上下の歪ゲージ４１，４２と本体３１の固定部３３及び
可動部３４とによりロバーバル機構が構成されることに
より、曲げモーメントや捩じりモーメントによる偏荷重
の影響や、周辺温度の影響が除去されて、負荷された荷
重が精度良く測定されることになるが、特に、本体３１
の可動部３４に負荷された荷重が上下一対の歪ゲージ４
１，４２と、該本体３１における開口部３２の左右両側
の連結部３５，３６とに分配されて入力されるので、歪
ゲージ４１，４２の入力荷重に一定の限界がある場合に
も、ロードセル３０に対しては、その限界よりも大きな
荷重を負荷させることが可能となる。

【００４２】そして、このロードセル３０の本体３１
は、一枚の単なるプレート部材によって構成されている
から、全体としての薄型化ないし小型化が可能となり、
したがって、小型でありながら、比較的大きな荷重を測
定することができるロードセルが実現されることにな
る。

【００４３】また、上記歪ゲージ４１，４２における歪
検出回路４５は保護層４６によってコーティングされ
て、湿気や水分等から保護されるようになっているが、
この保護層４６は入力された荷重による各低剛性部４３
ａ，４３ａの歪の発生を妨げて、歪ゲージ４１，４２に
入力された荷重に対して一定の比率で出力を減少させる
ように作用する。

【００４４】しかし、上記のように、歪ゲージ４１，４
２に入力される荷重は、ロードセル３０に負荷される荷
重の全部ではなく、本体３１の連結部３５，３６と分配
された荷重であるから、ロードセル３０に負荷された荷
重に対しては、保護層４６によって減少する出力の比率
が小さくなる。つまり、この保護層４６による計量精度
の低下やばらつきが抑制されることになるのである。

【００４５】次に、図８及び図９にそれぞれ示す他の実
施例について説明すると、図８に示すロードセル６０に
おいては、本体６１の開口部６２における固定部６３及
び可動部６４と左右の連結部６５，６６との間の各コー
ナー部に、該本体６１の幅方向に延びる切欠き部６７…
６７が形成されており、これらのコーナー部において、
連結部６５，６６の剛性が低くされている。なお、上記
開口部６２を跨ぐように本体６１の上下両面に一対の歪
ゲージ４１，４２が取り付けられている構成、及びその
他の構成は前記実施例に係るロードセル３０と同様であ
る。

【００４６】この実施例に係るロードセル６０による
と、本体６１の可動部６４に負荷される一定の荷重に対
する該可動部６４の固定部６３に対するする下方への変
位量が大きくなる。換言すれば、固定部６３と可動部６
４との間で、本体６１の連結部６５，６６と歪ゲージ４
１，４２とに分配される荷重の分配比率が、切欠き部６
７…６７を設けない場合より、歪ゲージ４１，４２の分
配比率が大きくなる方向に変化する。

【００４７】また、図９に示すロードセル７０において
は、本体７１の開口部７２における固定部７３及び可動
部７４と左右の連結部７５，７６との間の各コーナー部
に、該本体７１の長手方向に延びる切欠き部７７…７７
が形成されており、これらの切欠き部７７…７７の長さ
分だけ上記連結部７６，７７が長くされている。なお、
このロードセル７０においても、上記開口部７２を跨ぐ
ように本体７１の上下両面に一対の歪ゲージ４１，４２
が取り付けられている構成、及びその他の構成は前記実
施例に係るロードセル３０と同様とされている。

【００４８】この実施例に係るロードセル７０において
も、本体７１の可動部７４に負荷される一定の荷重に対
する該可動部７４の固定部７３に対するする下方への変
位量が大きくなって、固定部７３と可動部７４との間
で、本体７１の連結部７５，７６と歪ゲージ４１，４２
とに分配される荷重の分配比率が、切欠き部７７…７７
を設けない場合より、歪ゲージ４１，４２の分配比率が
大きくなる方向に変化する。

【００４９】つまり、図８及び図９に示すロードセル６
０，７０によれば、本体６１，７１に負荷される荷重に
対する歪ゲージ４１，４２に入力される荷重の比率の範
囲を拡大することが可能となり、例えば上記比率を小さ
くすることにより許容可能な最大荷重を大きくしたり、
該比率を大きくすることにより、感度を向上させたりす
ることができるのである。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、本願の第１〜第４発明に
よれば、金属基板の表面に歪検出回路を形成してなる歪
ゲージを用いたロードセルとして、部品点数が少なく、
かつ、小型でありながら、比較的大きな荷重の測定に使
用することができ、しかも、生産性や計量精度に優れた
ロードセルが実現されることになる。

【００５１】そして、特に第２発明によれば、上記歪ゲ
ージとして、金属薄膜形成技術を用いて製造されるもの
が用いられるので、従来の金属箔製のストレインゲージ
等の歪検出素子を用いるものに比べて、小型化や歪検出
位置精度の向上が図られ、生産性や計量精度が一層向上
することになる。

【００５２】また、第３発明及び第４発明によれば、本
体に負荷される荷重のうちの歪ゲージに入力される荷重
の比率の範囲を拡大することが可能となることにより、
感度や、負荷可能な荷重の最大値、即ち秤の場合におけ
る秤量の設定を容易に行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係るロードセルの斜視
図である。

【図２】 同ロードセルの平面図である。

【図３】 図２のＡ−Ａ線で切断した同ロードセルの縦
断側面図である。

【図４】 同ロードセルにおける歪ゲージの斜視図であ
る。

【図５】 同歪ゲージの要部拡大断面図である。

【図６】 同ロードセルに設けられるホイートストンブ
リッジ回路の回路図である。

【図７】 同ロードセルの荷重測定時の状態を示す断面
図である。

【図８】 本発明の第２実施例に係るロードセルの平面
図である。

【図９】 本発明の第３実施例に係るロードセルの平面
図である。

【図１０】 従来のロードセルを示す斜視図である。

【図１１】 従来の他のロードセルを示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

３０，６０，７０ ロードセル ３１，６１，７１ 本体 ３３，６３，７３ 固定部 ３４，６４，７４ 可動部 ３５，３６，６５，６６，７５，７６ 連結部 ４１，４２ 歪ゲージ ４３ 金属基板 ４３ａ 低剛性部 ４４ 絶縁層 ４５ 歪検出回路 ４５ａ 歪感知部 ４６ 保護層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷重が負荷される本体と、該本体の変形
   に伴って発生する歪を検出する歪ゲージとを有するロー
   ドセルであって、上記本体はプレート部材で構成され、
   その中央に開口部を設けることにより、一端の固定部
   と、他端の可動部と、これら両部を結ぶ左右の連結部と
   を備えた形状とされていると共に、上記歪ゲージは、両
   端部寄りに低剛性部を設けた金属基板の表面に、上記低
   剛性部に歪感知部が位置するように該歪感知部を含む歪
   検出回路を設けた構成とされ、かつ、この歪ゲージが、
   両端部が上記本体の固定部と可動部とにそれぞれ固着さ
   れて該本体の開口部を跨いだ状態で、該本体の上下両面
   に互いに対向させてそれぞれ取り付けられていることを
   特徴とするロードセル。
2. 【請求項２】 歪ゲージの金属基板の表面に形成される
   歪検出回路は、上記金属基板上に設けられた絶縁層の上
   に、金属薄膜を積層した後、所定形状に成形することに
   より形成されていると共に、保護層によってコーティン
   グされていることを特徴とする請求項１に記載のロード
   セル。
3. 【請求項３】 本体の開口部における固定部及び可動部
   と左右の連結部との間の各コーナー部に、該本体の幅方
   向に延びる切欠き部がそれぞれ設けられていることを特
   徴とする請求項１または２に記載のロードセル。
4. 【請求項４】 本体の開口部における固定部及び可動部
   と左右の連結部との間の各コーナー部に、該本体の長手
   方向に延びる切欠き部がそれぞれ設けられていることを
   特徴とする請求項１または２に記載のロードセル。