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    公开号:WO1992005416A1
    申请号:PCT/JP1991/001194
    申请日:1991-09-07
    公开日:1992-04-02
    发明作者:Takao Suzuki；Hiroyuki Konishi；Michito Utsunomiya
    申请人:Ishida Scales Mfg. Co., Ltd.；
    IPC主号:G01G3-00
    专利说明:
    [0001] 明細書
    [0002] ロー ドセノレ
    [0003] 技術分野
    [0004] 本発明は、 電子秤のような重量測定装置に使用されるもので、 起 歪体の表面にスバッタ リ ングにより歪ゲージを形成した口一 ドセル に関する。 背景技術
    [0005] 蒸着ゃスバッタ リ ングにより歪ゲージを形成した口一 ドセルは、 起歪体の表面にボリ イ ミ ド等の耐熱性高分子を塗布して電気絶緣膜 を形成し、 この铯緣膜の表面にニッケル—ク ロム合金や、 窒化タ ン タル等の薄膜を蒸着やスパッタ リ ングにより形成し、 さ らにこの薄 膜をフォ トエ ッチングにより抵抗パターンに形成することにより製 造されている。
    [0006] ところで、 秤などの重量測定装置に使用されるロー ドセルは、 歪 ゲージが 4個所に形成されていて、 これら 4つの歪ゲージがプリ ッ ジ接続されている。 その結果、 起歪体全体が一様に温度変化する場 合には、 各歪ゲージの温度変化による出力変動は相殺される。 しか しながら、 例えばロー ドセルの一端に取付けられている載荷台に、 冷谏食品等の室温とかけ離れた温度の物品が載置されるような場合 には、 起歪体に温度勾配が生じて、 各歪ゲージの抵抗値にその抵抗 温度係数に対応したバラツキが発生するため、 プリ ッ ジ接続でもつ ては相殺されない。
    [0007] ちなみに、 起歪体表面に、 ポリ イ ミ ドの電気絶緣膜を形成し、 こ の表面に窒化タンタル薄膜をスパッタ リ ングして歪ゲージを構成し たロー ドセルでは、 形成された 1 つの歪ゲージの抵抗温度係数はマ ィナス 4 0 PPM/deg CC ) 程度となり、 この結果、 重量測定装置に適 用した場合には l deg にっき最大 2 0 0 %程度の誤差を発生すると いう問題がある。
    [0008] 本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、 その目 的とするところは、 抵抗温度係数の極めて小さい歪ゲージを一体的 に形成したロードセルを提供することにある。 発明の開示
    [0009] このような問題を解決するために、 本発明においては、 金属製の 起歪体にスパッタ リ ングにより形成された銅一ニッケル合金膜によ り歪ゲージパターンを形成し、 前記歪ゲージバターンを無酸素雰囲 気で熱処理をしてなるロードセルにおいて、 前記歪ゲージパターン を構成する銅一二ッゲルの重量比を、 前記起歪体と一体的に伸縮す る歪ゲージパターンの抵抗温度係数が実質的にゼロとなる値、 つま り、 起歪体の線膨張に起因する歪ゲージの伸縮による抵抗値変化と 、 歪ゲージを構成する銅一二ッケル合金自体の抵抗温度係数が相殺 する値に設定している。
    [0010] 前記起歪体は、 アルミ合金、 ステンレス鐧、 真鍮、 リ ン青銅、 低 合金鐧または炭素鋼から形成される。
    [0011] たとえば、 前記起歪体が、 アルミ合金、 ステンレス鐧または真鍮 で形成されている場合、 この起歪体の線膨張係数を ^ としたとき、 前記歪ゲージバタ一 を形成する銅一二ッケル合金の二ッケル舍有 率 （w t % ) は、
    [0012] 48'3 + 2 ' 21 X 1° 6 X x ( i 土 0. 006 )
    [0013] とするのが好ましい。
    [0014] 本発明によれば、 起歪体の線膨張に起因する歪ゲージの伸縮によ る抵抗値変化と、 ^ゲージを構成する銅一ニッケル合金自体の抵抗 温度係数が相殺されることになって、 起歪体及び歪ゲージの温度変 化による抵抗値変化を最小にすることができる。 図面の簡単な説明
    [0015] 第 1図 （ I ) ないし （ ΠΙ ) は、 それぞれ本発明のロー ドセルの製 造方法を示す説明図、 第 2図は抵抗体膜の形成に用いる高周波マグ ネ トロンスバッタ リ ング装置の一例を示す縦断面図、 第 3図は本発 明の一実施例にかかるロー ドセルを示す斜視図、 第 4図はアルミ合 金を起歪体に用いた時の銅一二ッケル合金の組成と、 起歪体に形成 された歪ゲージの抵抗温度係数との関係を示す線図、 第 5図は本発 明のロー ドセルと従来のものとの抵抗温度変化率を示す線図、 第 6 図 （ I ) ないし （ IE ) はそれぞれ抵抗体膜形成時における組成比を 変化させるために使用するターゲッ トの斜視図、 第 7図は起歪体の 他の例を示す斜視図である。 発明を実施するための最良の形態
    [0016] 以下に本発明の詳細を、 図示した実施例に基づいて説明する。 第 1図は、 本発明のロー ドセルを製造するための工程を示すもの であって、 図中符号 1 は、 バネ特性の優れたアルミ合金からなる起 歪体で、 歪ゲージを形成すべき面にポリ ィ ミ ド等の耐熱性高分子材 料をスビナ一等により 2 m程度の厚みに塗布して電気絶緣膜 2が 形成されている （ I ) 。
    [0017] 次いで、 この電気絶緣膜 2 の表面に厚さ 0. 1 ~ 1 m程度の銅— ニッケル合金の薄膜 3を形成する （ Π ) 。
    [0018] 第 2図は、 薄膜形成に使用する高周波マグネ ト ロ ンスバ 'ンタ リ ン グ装置の一例を示すものであって、 図中符号 1 0 は、 作用ガス供給 源に連通するガス流入口 1 1 と、 排気手段に連通するガス排気口 1 2を備えた真空容器で、 上部空間には冷却水が供袷されている基板 ホルダ 1 3が、 また下部にはシールド板 1 4が配置されている。 こ のシールド板 1 4 の上部には、 裏面にブラズマ補足用のマグネ ッ ト 1 5、 1 5を有し、 冷却水が供給されるターゲッ ト保持板を兼ねる 電極 1 6が配置され、 この電極 1 6 にはマッチングボッ クス 1 7を 介して高周波電源 1 8が接続されている。
    [0019] このような装置に前述の起歪体 1 (第 1図 I ) を、 その電気絶縁 膜 2を電極 1 6に向けて基板ホルダ 1 3に固定し、 また、 電極 1 6 に銅一ニッケル合金のターゲッ ト材料 Sを固定し、 真空容器 1 0内 の空気を排除した後、 アルゴンガスを 3〜 5 0 X 1 0 _ 3Torr 入す る。
    [0020] このような準備を終えた段階で、 起歪体 1 の温度を 5 0〜180 -C に保持しながら、 1 3 MHZ 程度の高周波電力を 100 〜 1000 Wで供 給し、 膜厚 0. 1 〜 1 mの銅—二ッケル合金の抵抗体薄膜 3を形成 する （第 1図 Π ) 。
    [0021] こ う して銅一二ッケル合金の薄膜が形成された起歪体を、 真空容 器 1 0から取出し、 抵抗体薄膜 3 の表面にフォ ト レジス トを塗布す る。
    [0022] 次いで、 プリ ッジを構成する 4個の歪ゲージパターンを露光後、 ェ ツチングを 亍ぅ。
    [0023] これにより、 第 1図 IEに示すように、 起歪体表面の膜厚 2 mの 電気絶緣膜 2の表面に、 銅一ニッケル合金の歪ゲージ 4を 4個備え たロー ドセルが完成する。
    [0024] このようにして形成された歪ゲージ 4のほかに、 第 3図に示すよ うに、 必要に応じて 4つの零点補正用精密抵抗 5を形成し、 さらに 、 端子 6およびリードパターン 7を形成して、 これらリードバタ一 ン 7 により、 前記歪ゲージ 4、 零点補正用精密抵抗 5および端子 6 を接続してブリ ッ ジを構成している。 こう して、 ロードセルが完成 する。
    [0025] ところで、 このような製造工程の内、 スパッタリ ング工程で用い るタ一ゲッ ト材の合金組成比、 つまり銅とニッケルの重量比だけを 変化させて、 歪ゲージを構成する銅一ニ ッケル合金膜の組成を異な らせたものを複数種類製作し、 これら銅一二 ッケル組成と抵抗温度 係数との関係を、 起歪体と一体にした状態で測定したところ、 第 4 図 （ I ) に示すような結果となつた。 ここで、 アルミ合金製の起歪 体 1 の線膨張率は 21.8X10-ソ degである。
    [0026] すなわち、 銅 5 5 w t %—ニッケル 4 5 w t %の組成で形成され た歪ゲージではマイ ナス 7 0 PPM/deg 程度の抵抗温度係数を示し、 ニッケルの舍有率が高く なるにつれて、 その絶対値が小さ く なり、 さらにニッケルの含有率を高めてい く と抵抗温度係数がブラスに転 じる。
    [0027] ところで、 このようにして歪ゲージパターンを形成しただけのも のでも抵抗温度係数は一定であるものの、 抵抗値自体が時間ととも に変化するため、 アルゴ ン、 窒素などの無酸素雰囲気中で、 温度 1 50て〜 200'Cにより数時間程度エージングを行う。 これにより、 抵 抗値の経時変化が極めて小さ く なる一方、 組成に対する抵抗温度係 数が第 4図 （ Π ) に示すように熱処理前のものに比較してプラス僳 に変化する。
    [0028] 熱処理を施した場合には第 4図，（ Π ) に示す結果から、 抵抗温度 係数が実用的にゼロ、 すなわち、 6 PPM/deg 程度以下と見なせる組 成は、 銅 47.7wt%—二 'ンケル 52.3wt%ないし銅 48.3wt%—二 ッケル 51.7wt%の範囲であるという ことができる。 つまり、 このような銅 一ニ ッケルの重量比の範囲においては、 起歪体の線膨張係数と歪ゲ ージバターンの抵抗温度係数とが打ち消し合って、 起歪体と一体的 に伸縮する歪ゲージバタ一ン (4)の抵抗温度係数が、 実質的にゼロと なる。
    [0029] すなわち、 上述において抵抗温度係数が実質的にゼロと見なせる. 銅 4 8 wt%—ニッケル 5 2 wt%の組成比で製作した歪ゲージについ て、 2 0 てを基準温度としたブラスマイナス 3 0 deg の範囲におけ る抵抗変化率 （基準温度における抵抗値と変化分との比） を求めた ところ、 第 5図 （ I ) に示したように 0〜 3 X 1 0 程度の変化で あった。 他方、 銅 44.2wt%—ニッケル 55.8wt%の組成を持つ歪ゲー ジ （ Π ) と、 銅 55.7wt%—ニッケル 44.3wt%の組成をもつ歪ゲージ ( I ) では、 プラスマイ ナス 2 0 X 1 0 _4を超えた。
    [0030] このことからも、 熱処理を前提とする場合には、 銅 47.7wt%—二 ッケル 52.3wt%ないし銅 48.3wt%—エッケル 51.7wt%の範囲の組成 となるように高周波マグネ トロンバッタ リ ング法で形成した金属膜 により歪ゲージを構成することが、 ロー ドセル全体としての抵抗温 度係数を最小にできるものであることが判った。
    [0031] なお、 この実施例においては予め所定の組成比となるように合金 化した 1枚のターゲッ ト Sを使用しているが、 第 6図に示すように 、 基準となる金属、 例えば銅や銅合金の板材 2 0の表面に、 ニッケ ルのチップ 2 1、 2 1を載置したり （ 1 ) 、 銅の板材 2 2 とニッケ ルの板材 2 3をそれぞれ独立させて載置したり （ Π ) 、 さ らには 1 枚の基板を構成する銅 2 4 とニッケル 2 5の領域面積を変えるよう にして （ ΒΙ ) 製作したタ一ゲッ ト Sを使用しても、 歪ゲージの組成 比を調整することができる。
    [0032] 次に、 線膨張係数が 17.3XlO—6Zdeg のステンレス鐧により構成 した起歪体に、 ボリ イ ミ ド等の耐熱性絶縁膜を形成し、 この絶緣膜 の表面に、 前述と同様の方法で銅とニッゲルの組成比を変えながら 抵抗体膜を形成し、 この抵抗体膜をヱツチングして歪ゲージパター ンを形成し、 これを無酸素ガス中で熱処理を行なって口一 ドセルを 構成し、 抵抗体膜の組成比と抵抗温度係数を調べた。 その結果、 銅 47.2wt% -ニッケル 52.8wt%ないし銅 47.8wt%—二ッケル 52.2wt% の組成の場合に、 ロー ドセルとしての抵抗温度係数がほぼゼロとな つた。
    [0033] さらに、 この発明には舍まれないが、 線膨張係数が 4.6 X 10-"/ deg のガラス基板 （起歪体に相当） に、 ポリ ィ ミ ド等の耐熱性絶緣 膜を形成し、 この絶縁膜の表面に、 前述と同様の方法で、 銅とニ ッ ゲルの組成比を変えながら抵抗体膜を形成し、 この抵抗体膜をェ ッ チングして歪ゲージバタ一ンを形成し、 これを無酸素ガス中で熱処 理を行ってロー ドセルを構成して、 抵抗体膜の組成比と抵抗温度係 数を調べた。 その結果、 銅 46.0wt%—ニ ッケル 54.0wt%ないし銅 46 .6wt%—ニッケル 53.4wt%の組成の場合に、 ロー ドセルとしての抵 抗温度係数がほぼゼロ となった-。
    [0034] ところで、 前述のとおり、 アルミ合金により構成した起歪体の線 膨張係数は、 21.8X10—6/deg であり、 ステンレス鋼の線膨張係数 は、 17.3X10—6Zdeg であり、 さらに、 ガラス基板の線膨張係数は 、 4.6 X10"6/deg である。 これらのことから、 起歪体と一体状態 となった歪ゲージが最低の抵抗温度係数を示す銅とニ ッケルの組成 比を、 ニッケルの含有率（wt ) と して実験的に求めたところ、
    [0035] となった。 そしてこの関係式に、 前述のとおりプラスマイ ナス 0.3 wt%を加えた範囲内のもの、 つまり、 関係式 （その値は 5 0前後） X ( 1 ± 0.006 ) の範囲内のものであれば、 重量測定装置で発生す る温度勾配に対して実用上温度誤差がゼロであると見なせる口一ド セルを実現することができる。
    [0036] 上記関係式の信頼性を検証するために、 線膨張係数 20.8X 10 / deg の真鏺により構成された起歪体に銅一二 ッケル合金の膜により 歪ゲージを製作した場合、 その抵抗温度係数がロー ドセルと してゼ 口 となる銅一二ッケル合金の組成を求めたところ、 銅 47.6 w t %一 ニッケル 52.4 w t %乃至銅 48.2 w t %—ニ ッケル 51.8w t %との組 成データを得た。
    [0037] このデータに基づいて前述の工程により真鍮の基板に歪ゲージを 形成して抵抗温度係数を測定したところ、 5 PPM/deg の測定結果を 得た。 このことから上記関係式は極めて信頼性が高いことが判明した。 さ らに、 本発明はリ ン青銅、 または、 ニッケル · ク ロム ' モ リ ブ デン鋼などのステンレスでない低合金鐧ゃ炭素鋼など、 他の金属で 構成した起歪体を使用したロードセルについても適用できる。 その 場合、 前記と同様な手法で、 ロー ドセルとしての抵抗温度係数がほ ぼにゼロとなる銅一ニッケルの組成比 （重量比） を見出すことがで きる。 こう して見出された好ま しいニッケルの含有率（w t%) は、 前 記関係式で得られる値とは異なる場合があるが、 要するに、 銅—二 ッゲルの重量比を、 前記のよう にして見出した値、 つまり、 起歪体 と一体的に伸縮する歪ゲージバタ一ンの抵抗温度係数が実質的にゼ 口となる値に設定しておけばよい。
    [0038] なお、 この実施例においては、 銅—ニッケル合金により形成した 抵抗体膜をェッチングにより歪ゲージバタ一ンに加工しているが、 スパッタ リ ング時に歪ゲージパターンを形成するようにしても同様 の作用を奏することは明らかである。
    [0039] また、 この実施例においては、 ブロ ック型の起歪体に歪ゲージを 形成した場合を例に採って説明したが、 第 7図に示したような板状 の起歪体 1 に歪ゲージを形成したロー ドセルに適用しても同様の作 用を奏することは明らかである。
    [0040] さらに、 この実施例においては同一の起歪体に 4つの歪ゲージを 形成したものを例に採って説明したが、 起歪体には 2つだけの歪ゲ ージを形成し、 2辺に精密固定抵抗を用いてプリ ッ ジを構成する口 —ドセルに適用しても同様の作用を奏することは明らかである。
    [0041] さらに、 この実施例においては起歪体の表面に電気絶緣膜を形成 して、 これの表面に歪ゲージ形成用の抵抗体膜を構成しているが、 起歪体表面に酸化膜等の電気絶緣膜が形成されている場合には、 電 気絶緣膜の形成工程が不要となることは明らかである。
    [0042] 以上説明したように、 本発明においては、 起歪体にスパッタ リ ン グにより形成される銅一ニ ッケル合金膜からなる歪ゲージパターン の銅一ニッケル重量比を、 この歪ゲージパターンの抵抗温度係数が 実質的にゼロ となる値に設定したので、 つまり、 起歪体の線膨張に 起因する歪ゲージの伸縮による抵抗値変化と、 歪ゲージを構成する 銅一ニッケル合金自体の抵抗温度係数とが相殺するように設定した ので、 起歪体及び歪ゲージの温度変化による抵抗値変化を最小にす ることができ、 ロー ドセルに温度勾配が生じる測定対象に適用した 場合にも、 極めて高い精度で荷重を測定することができる。 産業上の利用可能性
    [0043] 本発明にかかるロー ドセルは、 電子秤のような重量測定装置のほ か、 エ ンジンのような動力発生装置の出力 トルク測定装置、 加速度 計などにも利用できる。
    权利要求:
    Claims雲青求 の 範囲
    1 . 金属製の起歪体にスバッタ リ ングにより形成された銅—二ッケ ル合金膜により歪ゲージパターンを形成し、 前記歪ゲ一ジバタ一ン を無酸素雰囲気で熱処理をしてなるロードセルにおいて、 前記歪ゲ ージパターンを構成する銅—二ツゲルの重量比を、 前記起歪体と一 体的に伸縮する歪ゲージバタ一ンの抵抗温度係数が実質的にゼ口と なる値に設定したことを特徴とするロードセル。
    2 . 前記起歪体が、 アルミ合金、 ステ ン レス鐧、 真鐘、 リ ン青銅、 低合金鐧および炭素鐧からなる 1群より選ばれた 1種の金属材料に よって形成されている請求の範囲第 1項記載のロー ドセル。
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