JPH07318441A

JPH07318441A - 計測器用歪センサおよびこれを用いたロードセル式計測器

Info

Publication number: JPH07318441A
Application number: JP6110076A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Taura; 方三田浦; Masaki Ikeda; 正樹池田; Haruhiko Handa; 晴彦半田; Yasuo Mizuno; 康男水野; Akihiko Yoshida; 昭彦吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-05-24
Filing date: 1994-05-24
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】高品質で、より一層耐荷重性及び耐久性に優れ
た計測器用歪センサの提供。及びこの計測器用歪センサ
を用い、被検知物品の荷重量をより一層精度良く検出出
来る高品質のロードセル式計測器の提供を目的とする。【構成】円筒金属体１と、円筒金属体１の表面に形成さ
れた結晶化ガラス層２と、結晶化ガラス層２の表面に形
成された、歪が加わると電気抵抗が変化する抵抗素子３
とからなる計測器用歪センサ５。【効果】本発明の計測器用歪センサ５は、従来に比べ特
性、耐久性とも優れている。さらに、本センサ５をロー
ドセル式計測器に装着することにより、被検知物品の荷
重量が精度良く検出できる計測器を提供することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検知物品の荷重を検
知する計測器用センサであり、特に被検知物品の荷重変
化量に対し、ひずみ変化により電気抵抗が変化する抵抗
素子を用いた計測器用歪センサに関する。また、それを
用いたロードセル式計測器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、荷重量を検出する歪センサは、機
械、船舶、自動車等の各部に生じる応力や荷重の大きさ
を検出するために広く用いられている。

【０００３】この歪センサは、基材種類、感歪材料の種
類によってさまざまなものが提案されている。

【０００４】その代表的なものとして、（１）ポリエス
テル、エポキシ、ポリイミド等の樹脂からなるフィルム
上に、Cu-Ni合金、Ni-Cr合金等からなる薄膜状の抵抗素
子を蒸着またはスパッタリングにより形成した構成のも
のが知られている。また、（２）特公平3−20682号公報
に開示されているように、上記の樹脂製フィルムの代り
にガラスプレートを用いた歪センサもある。

【０００５】荷重の大きさは、次のようにして測定され
る。すなわち、外部からの荷重により発生した部材の歪
が、樹脂製フィルム、ガラスプレート、金属基材を介し
て抵抗素子に伝わる。この伝達された歪により、抵抗素
子の断面積がわずかに変化し、その抵抗素子の電気抵抗
値が変化する。この電気抵抗値の変化を電気信号として
検出することにより、歪の大きさが測定でき、この歪の
大きさから部材に加わった荷重の大きさが測定できる。

【０００６】一般的に、被検知物品の荷重を検知するセ
ンサとして、上記歪センサ（１）を接着樹脂等で貼り付
けたロードセルを用いている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被検知
物品の荷重量を検知するために（１）のセンサを用いた
場合、温度範囲が−10℃から60℃、最大荷重が100kg、
条件によっては水がかかるといった過酷な環境条件下
で、長期間使用したとき、接着強度が劣下して歪センサ
が部材から剥離する問題がある。また、（２）の歪セン
サでは、ガラスプレートが割れてしまい、計測器のよう
な大きな荷重量がかかる所には使用できないといった課
題を有していた。

【０００８】本発明は、従来のこのような技術の課題を
考慮し、従来に比べてより一層高品質で、より一層耐荷
重性及び耐久性に優れた計測器用歪センサを提供するこ
と。及び、この計測器用歪センサを装着し、被検知物品
の荷重量を従来に比べてより一層精度良く検出出来る高
品質のロードセル式計測器を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の本発明は、金
属基材と、前記金属基材の上の絶縁性ガラス層と、前記
絶縁性ガラス層の上の感歪抵抗体と、その感歪抵抗体に
付着され、信号を伝達する電極体層とを備えた計測器用
歪センサである。

【００１０】請求項２の本発明は、上記絶縁性ガラス層
が結晶化ガラス層である計測器用歪センサである。

【００１１】請求項３の本発明は、上記結晶化ガラスの
組成を、ＭｇＯが16〜50重量％、ＳｉＯ₂が7〜30重量
％、Ｂ₂Ｏ₃が５〜34重量％、ＢａＯが０〜50重量％、Ｌ
ａ₂Ｏ₃が０〜40重量％、ＣａＯが０〜20重量％、Ｐ₂Ｏ₅
が０〜５重量％、ＭＯ₂が０〜５重量％（但し、ＭはＺ
ｒ,Ｔｉ,Ｓｎのうち少なくとも一種の元素）とした計測
器用歪センサである。

【００１２】

【作用】本発明の計測器用歪センサは、例えば、金属基
材と結晶化ガラス層、結晶化ガラス層と感歪抵抗体およ
び電極体間でそれぞれの成分元素が相互拡散しているた
め密着性が非常に強く、大きな荷重量しかも水がかかる
といった過酷な環境条件で使用するセンサとして適した
ものである。

【００１３】又、本発明のロードセル式計測器は、上記
計測器用歪センサを装着することにより、例えば、被検
知物品の荷重を精度良く検出することが出来る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面及び表を
参照しながら説明する。

【００１５】まず、本発明の計測器用歪センサについ
て、基本的構成等に関し説明する。（１）金属基体本発明の金属基材としての金属基体は、ホーロ用鋼、ス
テンレス鋼、珪素鋼、ニッケル−クロム−鉄、ニッケル
−鉄、コバール、インバーなどの各種合金材やそれらの
クラッド材などが選択される。特に、本発明において使
用される金属材料は、ガラス層との膨張率を整合させる
必要があることから、膨張率100〜140×10-7／℃のステ
ンレス鋼が好ましい。

【００１６】金属基体の材質が決定されれば、所望の形
状加工、穴加工等が通常の機械加工、エッチング加工、
レーザ加工等で施される。その形状は、荷重の大きさや
用途により、円筒形や板状（箔状も含む）等が選択され
る。

【００１７】これら金属基体は、ガラス層の密着性を向
上させる目的で、表面脱脂された後、ニッケル、コバル
トなどの各種メッキを施したり、熱酸化処理によって酸
化被覆層を形成したりする。

【００１８】（２）結晶化ガラス層本発明に用いられる結晶化ガラス層には、電気絶縁性、
耐熱性の観点から、無アルカル結晶化ガラス（焼成によ
って、たとえば、ＭｇＯ系の結晶相を析出）で構成され
るほうが好ましい。そのガラス組成は、特に、ＭｇＯが
16〜50重量％,ＳｉＯ₂が７〜30重量％,Ｂ₂Ｏ₃が５〜34
重量％、ＢａＯが０〜50重量％,Ｌａ₂Ｏ₃が０〜40重量
％,ＣａＯが０〜20重量％,Ｐ₂Ｏ₅が０〜５重量％,ＭＯ₂
が０〜５重量％（但し、ＭはＺｒ,Ｔｉ,Ｓｎのうち少な
くとも一種の元素）からなるとき、より好ましい。

【００１９】このように、結晶化ガラス材料が選択され
る理由の１つは、金属基体とガラス層との密着性を強固
にするためである。特に、上記の組成のものは、密着性
が非常に強固である。

【００２０】上記結晶化ガラス層を金属基体上に被覆す
る方法として、通常のスプレー法、粉末静電塗装法、電
気泳動電着法等がある。被膜のち密性、電気絶縁性等の
観点から、電気泳動電着法が、最も好ましい。

【００２１】この方法は、ガラスとアルコールおよび少
量の水を入れてボールミル中で約20時間粉砕、混合し、
ガラスの平均粒径を１〜５μm程度にする。得られたス
ラリーを電解槽に入れて、液を循環する。そして、金属
基体を、このスラリー中に浸漬し、100〜400Ｖで陰分極
させることにより、金属基体表面にガラス粒子を析出さ
せる。これを乾燥後、850〜900℃で10分〜１時間焼成す
る。これによって、ガラスの微粒子が溶融すると共に、
ガラスの成分と金属材料の成分が、充分に相互拡散する
ためガラス層と金属基体との強固な密着が得られる。

【００２２】なお、焼成は常温から徐々に昇温して上記
温度に到達させるほうが微細針状結晶が無数に析出する
ためいわゆるアンカー効果の働きがより向上し、本発明
の感歪抵抗体としての抵抗素子との密着性向上に効果が
あり、より好ましい。

【００２３】結晶化ガラス材料が選択されるもう１つの
理由は、ガラス層の耐熱温度を高くするためである。

【００２４】すなわち、ガラス層に抵抗体および電極体
を焼成法で形成するとき、高温で焼成するのでガラス層
の耐熱温度は少なくとも900℃以上必要である。ガラス
層が非晶質の時の耐熱温度は650℃程度であるが、結晶
化させることによって耐熱温度が900℃以上（900℃でも
ガラスが流動しないので、850℃で抵抗素子を焼成して
も問題ない）になる。それに対して一般の非晶質ガラス
は、再加熱しても結晶化しないので耐熱性（約600℃以
上でガラスが流動するので、抵抗素子を600℃以上で焼
成するとガラスと反応する）は向上しない。

【００２５】（３）抵抗素子抵抗素子用の材料としては、Cu−Ni合金,Ni−Cr合金,酸
化ルテニウム等の種々の歪変化によって電気抵抗が変化
する性質を有する抵抗材料が使用される。本発明の計測
器用歪センサにおける抵抗素子の形成法としては、スク
リーン印刷法、ディスペンサ法、メタルマスク法、ドク
ターブレード法、オフセット印刷法が好ましい。

【００２６】上記印刷法で抵抗素子を形成する方法は、
有機金属化合物を出発原料とし、それを主成分とするペ
ーストを作成してガラス層の表面に印刷し、さらに、そ
の熱分解により抵抗素子成分元素の金属および合金膜を
形成する。感歪抵抗体成分元素として、ニッケル、クロ
ム、銅、鉄、ルテニュウムからなる群から選択された有
機金属化合物で、その他形成添加剤としてBi、Rh、V、S
bからなる熱分解有機化合物を少なくとも２種以上を添
加する。この構成のものは、従来の厚膜技術で薄膜並の
膜厚を得ることができる。

【００２７】もう１つの印刷法で抵抗素子を形成する方
法は、酸化ルテニュウムおよびガラスフリットを主成分
とするペーストを結晶化ガラス層に印刷し、その後焼成
する方法である。このペーストの成分には、主成分の酸
化ルテニュウムおよびガラスフリット（ホウケイ酸系ガ
ラス等）のほか、フィラー（ＺｒＯ₂等）、酸化ビスマ
ス、エチルセルロース、ブチルカルビトールアセテート
（テルピネオールでもよい）等が含まれている。

【００２８】次に、更に具体的な実施例について述べ
る。

【００２９】（実施例１）図１は、本発明の計測器用歪
センサにかかる一実施例であり、上述の製造方法に基づ
いて抵抗素子を形成したセンサの構成を示す図である。

【００３０】以下、同図を用いて、本実施例について具
体的に説明する。

【００３１】外形40φmm、厚さ20mmの円筒金属体（本発
明の金属基材に対応）１を脱脂・水洗・酸洗・水洗・ニ
ッケルメッキ・水洗して前処理を行った後、（表１）の
組成番号のNo７ガラス粒子からなるスラリー中に浸漬し
て、対極と円筒金属体１間に直流電圧を印加して、円筒
金属体１上にガラス粒子を100μｍ被覆し、常温から880
℃まで４時間かけて昇温し、さらにこの温度で10分間保
持する焼成を行ない結晶化ガラス層２を形成した。

【００３２】次に、結晶化ガラス層２の表面にAg−Pdペ
ーストをスクリーン印刷法でパターン印刷、850℃で焼
成して電極体４を形成した。この電極間に酸化ルテニウ
ムとガラスフリットを主成分とする昭栄化学製ペースト
をディスペンサ法で所定のパターンに印刷、830℃で焼
成して、抵抗素子３を形成して計測用歪センサ５を作製
した。

【００３３】比較例として、樹脂フィルム上に、Cu-Ni
合金の抵抗素子をスパッタリングした従来のロードセル
をステンレス基材にエポキシ系接着剤で貼り付けたサン
プルを用いた。

【００３４】図３に、本発明にかかる一実施例の計測器
用歪センサと従来センサでの荷重量と抵抗変化率の関係
を示す。

【００３５】本実施例の計測器用歪センサおよび従来セ
ンサは、荷重量に対し抵抗変化率が直線的に変化する
が、本実施例の計測器用歪センサは従来に比べ、抵抗変
化率が大きく優れた特性を示すことが判った。

【００３６】さらに本実施例の計測器用歪センサと従来
センサを用いて、約５０℃の水中浸漬試験を行った。従
来センサは、５００時間でセンサがステンレス基材から
剥離した。それに対し、本実施例の計測器用歪センサ
は、５０００時間の浸漬試験でも剥離することがなく、
全く問題がなかった。すなわち、本実施例の計測器用歪
センサは耐久性にも優れていることが判明した。

【００３７】本実施例の計測器用歪センサを、図２に示
すような被検知物品の積載台６と、積載台６を支えるて
こ７と、てこ比により被検知物品の荷重を縮小した力を
検知するロードセル式台はかり８に装着し、被検知物品
の荷重量の検知試験を行った。被検知物品の荷重量は０
〜１００ｋｇの範囲で変化させ、センサで検出される荷
重量を基準分銅を用いて相関を求めた。その結果、荷重
量は１０ｇ単位で計測することができた。

【００３８】（実施例２）前述のガラス層被覆工程に従
い、SUS430基体（100mm×100mm×0.5mm）の表面に、厚
さ100μmの（表１）〜（表５）に示す組成の結晶化ガラ
ス層を電気泳動電着し、880℃で10分焼成しサンプルの
表面粗度、うねり性、耐熱性等の諸特性を調べた。（表
１）〜（表５）は、その結果を組成とともに示すもので
あり、以下、同表を用いて、本実施例について具体的に
説明する。

【００３９】なお、表面粗度はタリサーフ表面粗さ計で
測定し、表面中心線平均粗さRaで示し、うねり性はタリ
サーフ表面粗さ計で得られた山と谷の差Rmaxで表わし
た。

【００４０】耐熱性は、サンプルを850℃の電気炉中に1
0分入れ、炉から取り出し30分間、自然放冷するサイク
ルを繰り返すスポーリングテストを行って、サンプルの
クラックや剥離の状態を調べた。なお、クラックは赤イ
ンク中に浸漬し、その後、表面を拭き取って、目視観察
によって、その有無を調べた。表中の○、△、×は、○
が10サイクル以上行っても、異常が認められないもの
を、△は５〜９サイクルで発生したものを、×は４サイ
クル以下で発生したものを示す。

【００４１】密着性は、基体の曲げ試験を行い、ガラス
層が剥離して金属部が露出したものを×、金属部が一部
だけ露出したものを△、金属部が露出していないものを
○とした。

【００４２】以上の評価に基づき総合評価を行い、その
結果を○、△、×で示した。No１〜８は他の成分を一定
として、ＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃を変化させたもの、No９〜15
は、ＳｉＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃をほぼ一定にし、ＭｇＯ量を変化
させたもの、No16〜19は同じく、ＣａＯ量を変化させた
もの。No20〜24は、同じく、ＢａＯ量を変化させたも
の。No25〜29は、同じくＬａ₂Ｏ₃量を変化させたもの。
No30〜42はそれぞれ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｐ₂
Ｏ₅、ＺｎＯの影響を示す。

【００４３】表から明らかなように、ＳｉＯ₂を増加し
ていけば、耐熱性は向上するが、表面性、および密着性
が悪くなる。逆に、Ｂ₂Ｏ₃量を増加していけば、たしか
に表面性、密着性は向上するが耐熱性は低下する。した
がって、本発明では、ＳｉＯ₂；７〜30重量％、Ｂ
₂Ｏ₃；５〜34重量％の範囲内が好ましい。

【００４４】ＭｇＯ量は結晶性と相関があり、16重量％
以下では結晶析出が不十分で、耐熱性に劣る。また、50
重量％以上では、結晶が析出しやすく、ガラス溶融時に
簡単に結晶化し、均質なガラスを得ることが難しく、ま
た、表面粗度が大きくなる。

【００４５】ＣａＯ量は、20重量％以上入れると、表面
性が悪くなり好ましくない。

【００４６】ＢａＯ量は、50重量％以上では、耐熱性、
および密着性が劣化し好ましくない。

【００４７】Ｌａ₂Ｏ₃は、40重量％以上では、耐熱性が
劣化し好ましくない。

【００４８】その他の添加可能な成分はＺｒＯ₂、Ｔｉ
Ｏ₂、ＳｎＯ₂、Ｐ₂Ｏ₅、ＺｎＯなどが挙げられるが、５
重量％以下までなら添加可能である。

【００４９】

【表１】

【００５０】

【表２】

【００５１】

【表３】

【００５２】

【表４】

【００５３】

【表５】

【００５４】以上のように、上記実施例の構成による計
測器用歪センサは、金属基材と結晶化ガラス層、結晶化
ガラス層と感歪抵抗体および電極体間でそれぞれの成分
元素が相互拡散しているため密着性が非常に強く、大き
な荷重量しかも水がかかるといった過酷な環境条件で使
用するセンサとしては最適なものである。

【００５５】さらに上記計測器用歪センサを、被検知物
品の積載台と、積載台を支えるてこと、てこ比により被
検知物品の荷重を縮小した力を検知するロードセル式計
測器に装着することにより被検知物品の荷重を精度良く
検出することが出来るロードセル式計測器を実現するこ
とが出来る。

【００５６】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明は、従来に比べてより一層耐荷重性、耐久性に優
れた計測器用歪センサを提供することが出来るという長
所を有する。又、このような計測器用歪センサをロード
セル式計測器に用いて、被検知物品の荷重量をより一層
精度良く検出出来得るという長所を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明にかかる実施例１の計測用歪セン
サの斜視図（ｂ）同縦断面図

【図２】本発明にかかる一実施例の計測器用歪センサを
装着したロードセル式計測器の斜視図

【図３】本発明にかかる一実施例の計測器用歪センサと
従来センサでの荷重量と抵抗変化率の関係

【符号の説明】

１円筒金属体２結晶化ガラス層３抵抗素子４電極体５計測用歪センサ６積載台７てこ８ロードセル式台はかり

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水野康男大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者吉田昭彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属基材と、前記金属基材の上の絶縁性
ガラス層と、前記絶縁性ガラス層の上の感歪抵抗体と、
その感歪抵抗体に付着され、信号を伝達する電極体層と
を備えたことを特徴とする計測器用歪センサ。
【請求項２】絶縁性ガラス層が結晶化ガラス層である
ことを特徴とする請求項１記載の計測器用歪センサ。
【請求項３】結晶化ガラスの組成は、ＭｇＯが16〜50
重量％、ＳｉＯ₂が7〜30重量％、Ｂ₂Ｏ₃が５〜34重量
％、ＢａＯが０〜50重量％、Ｌａ₂Ｏ₃が０〜40重量％、
ＣａＯが０〜20重量％、Ｐ₂Ｏ₅が０〜５重量％、ＭＯ₂
が０〜５重量％（但し、ＭはＺｒ,Ｔｉ,Ｓｎのうち少な
くとも一種の元素）であることを特徴とする請求項２記
載の計測器用歪センサ。
【請求項４】被検知物品の積載台と、積載台を支える
てこと、てこ比により被検知物品の荷重を縮小した力を
検知するロードセル式計測器において、上記請求項１、
２、又は３記載の計測器用歪センサを少なくとも１個用
いたことを特徴とするロードセル式計測器。