JPH06511087A - 可撓支持体上に載置される歪ゲージおよび該歪ゲージを備えた変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 可撓支持体上に載置される歪ゲージおよび該歪ゲージを備えた変換器本発明は、 可撓支持体上に載置される歪ゲージと、このゲージを備える変換器とに関するも のである。

可撓支持体上に載置された歪ゲージは、機械部品の変形を測定するために使用さ れる。このような歪ゲージは多くの用途を有する。これらは特に秤量（たとえば 、工業用および浴室用はかり）、圧力測定および伝導軸、航空機翼または凹面の 種々の部分の如き機械部品の応力測定に使用される。これらはまた、ダムまたは 架橋の如きコンクリ−ｌ−構造を検査するための、伸び測定に使用される。最後 にこれらゲージは、捩り、トルク、振動または加速測定を行う時にも使用するこ とができる。

ゲージ１はその最も簡単な形においては、非常に薄いストランド（条）３によっ て構成され、該ストランドは薄い支持体５に接合され、かつ図ｌに示される如き 、ループの形で配置され、すなわちその長さの大部分が一定方向（矢印Ｘ）に平 行に位置している。計器に連結するケーブルの出口を溶接するために、大きなス トランド７が使用されている。

所定方向における構造物の伸びを検知しようとする時には，ゲージｌを前記方向 と平行なストランドと接合する。ゲージ１は、図２に示されるような、変換器９ を製造するためにも使用される。変換器は、任意の物理的量Ａ（圧力、力、加速 度等）を、試験体として知られている部品１１の変形に変換するための機械装置 である。試験体に接合されたゲージは、物理量Ａまたは調整装置に働Ｘ量を測定 するために、その変形を検出する。

図２に示された場合は、二つのゲージＩＣか圧縮時に作動し、二つのゲージＩｅ か伸長時に作動する。これによってほぼｌＯ−４程度の測定を、非常に正確に行 うことができる。同様な装置は、フランス、マラコフのビシニー・マイクロ測定 「応力分析のビシニー百科事典」の第２８２〜２８４頁に記載されているように 、全型式の構造物に使用することができる。

最後にこのゲージは、例えばＥＰ−Ａ−５３０５９に記載されているような、ホ イートストン・ブリッジの形に配置することができる。

歪ゲージの配置如何にかかわらず、行われる測定は全てストランド３の抵抗の変 化を基礎とするもので、この変化はストランドを形成する材料の種類、またはそ の長さおよび断面形状の関数である。

ＥＰ−Ａ−５　３　０　５　９に記載されているゲージは、厚さ１００〜２５０ μｍのガラス基質に、５０〜５００ｎｍの合金被覆を真空蒸着させることによっ て得られる。しかしながら、ガラスは非常に脆く、場合によっては使用できない 。したがってこのゲージは、ガラスの極限強さに起因して、圧縮の場合にしか使 用できない。

在米技術においてはさらに圧縮および伸長に使用されるゲージで、この目的のた めに可撓支持体に固定されたゲージが提案されている。これらゲージは厚さが２ ５μｍなるボリイミトまたはフェノールエポキシ樹脂の薄いフィルムを有し、こ のフィルムに、Ｎｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−ＣｕまたはＰ　ｔ　−Ｗ合金の如き積層抵抗 材料から成る厚さほぼ５μｍの極薄シートが接合される。

このような場合は、次に抵抗器層が細いス１・リップの形をなすように腐食され 、図１に示される如き形の抵抗器が得られるようにされる。このようにして得ら れた抵抗器は１２０〜６０００オームの値を存する。

この型式のゲージには幾つかの欠点がある。極薄シート抵抗材料を接合すること が難しいために、ゲージの製造が困難であり、その再現も困難である。厚さ５μ ｍの金属シートの製造も時間を要する困難な仕事である。その理由は、一連の圧 延と、各圧延段階の間で材料を安定させるための焼戻し作業とを行わなければな らないからである。最後に、厚さ５μｍの抵抗金属被覆は、得られる抵抗器の値 を制限し、この値は一般に６０００オームを超えることはない。

ＵＳ−Ａ−４７８６８８７には、可撓基質が高分子絶縁層および抵抗性のＮｉ− Ｃｒ合金層によって被覆され、出口タブにだけ金製導電層か配置され、接触スタ ッドを形成するようになっている。この文書は、絶縁層の特性を変えることによ って試験体のクリープを調節することを提案している。

さらに一定の力の作用によって、試験体ＩｆおよびゲージｌはｉＹｉｆ記力を加 える時に、瞬間的に変形するが、ある時間に互って漸次変形を続け、いわゆるク リープ現象が生しる。試験体１１から力を除けば、該試験体はその初期位置に復 帰する。クリープ値はクリープの生じた素子の長さの変化と、その初期長さとの 比をめることによって測定される。

同様に、試験体１１の変形に伴うゲージ１の瞬間的変形に続いて、ゲージｌは前 記変形と反対の力を受けるが、これはいわゆる弛緩現象を表す。変形を一定とす れば、この現象はゲージに働く応力または歪の減少に対応する。

一般的に荷重Δか加えられる試験体１１に固定されるゲージ１には、次の三つの 異なる変形が生じる： ■　荷重に対応する瞬間的変形 ■　試験体のクリープに起因する変形 ■　その固有の弛緩に起因する変形 ゲージによって行われた測定の結果は、これら三つの変形の合力に対応する。

しかしながらクリープまたは弛緩特性は、ゲージの用途の関数どして取扱われる 。

図１、図２に示された歪ゲージの場合は、ゲージｌに対する試験体１１の歪の伝 達は、相次ぐストランド３の間の連結ループ１５を、その端部において切断する ことによって行われる。

例えば架橋の如き、一定荷重を受ける構造物のクリープの展開を測定せんとする 時は、ゲージに弛緩が生じないようにする必要がある。しかしながら、ゲージｌ の弛緩はループ１５の長さによるもので、ループ１５が短ければ短いほど、ゲー ジの弛緩は大となる。したがってゲージの弛緩は、ループの長さを選択すること によって適合せしめられる。このためには、製造を行う前に、使用する各試験体 に対し、ループの長さを計算することが必要である。したがってまた、試験体毎 に一つのゲージを設計し、かつ試験体毎に一つの腐食マスクを形成しなければな らぬ。これは製造工程の煩雑化を意味する。

ＥＰ−Ａ−５３０５９にはクリープ調整の問題に関する記載はない。その理由は める用途が、主として一般的な秤量であり（浴室および家庭用秤り）、この場合 必要とされる精度は職業的に行われる重量測定の場合より低くて済むからである 。一般的な変換器に対してはクリープに起因するエラーは測定公差範囲内にある 。

しかしながら、ゲージを精密測定に使用する時は、ゲージｌの設計は弛緩が完全 に試験体１１のクリープを補償し、一定の出力信号が生しるようにしなＩ′Ｊれ ばならない。このような精度は、秤量作業時間の長短に拘らず、重量の読みが一 定となるようにするために必要である。

ＵＳ−Ａ−４８７６８９３にも圧力変換器に対する歪ゲージが記載占わている。

このゲージは単一の薄い合金フィルムによって被覆された、電気絶縁基板（絶縁 された金属またはガラス）よりなっている。前記合金の好適な組成は次の通りで の問題に関しては何等の記載もない。

一般的にクリープおよび弛緩現象は、大気温度においてはさして重要ではないが 、試験体およびこれにゲージを結合するための接着剤がその使用温度を超えた時 には無視し得ないようになる。この効果は、次の使用時における温度より高い温 度で組立体を熱処理することによって減少せしめられる。これは特に忠実度を０ 、　１％以上となすべき変換器の場合に重要である。しかしながらこのような熱 処理は高価につく。

さらに試験体１１は、ゲージ１とは著しく異なる膨張係数を有するものにするこ とかできる。接合は、接着処理温度に制限されるため、大気温度に復帰する時に ゲージに変形が生じる。したがって、真のゼロが無負荷に対応せず、接合条件下 における負荷に対応する。したがってまた、ある種の装置は無負荷時においては クリープするが、所定の変形に刻してはクリープしない。

最後に、次の式に従って、抵抗は温度の関数として変化することが知られている ： Ｒ＝Ｒｏ（１＋αＴ） 式中、Ｒｏは基準温度におけるゲージの抵抗値を表し、Ｔは測定時における温度 を表し、かつαは抵抗器を形成する材料（ストランド３）の抵抗温度係数（ＴＣ Ｒ）を表す。ＴＣＲがゼロに近い時には、抵抗値は温度の関数として変化しない 。

したがってゲージは、ＴＣＲがゼロに近い材料から形成することが望ましい。

ゲージおよび変換器の計測学的品質はクリープ現象の制御によって左右されるこ とが多い。

したがって本発明の目的は、前記の如き欠点を排除することであり、特にゲージ のクリープを種々の試験体に適合せしめ得るようになすとともに、抵抗の温度係 数をゼロに近い状態に維持し、しかもマスクの設計変更を必要とすることなく、 各試験体に対するループの形成を可能にすることである。

したかって本発明は、試験体の面の一つに固定し、測定せんとする量の作用によ って変形し得るようになった歪ゲージで、変形を感知する薄いフィルムを有し、 該フィルムが抵抗器の形をなすようにエツチングされ、かつ可撓支持体に固定さ れるようになった歪ゲージに関する。

本発明の特徴によれば、前記薄いフィルムは、異なるクリープ値を存する少なく とも二つの下層フィルムよりなっている。

前記フィルムは好ましくは異なるクリープ値、および異なる厚さを有する幾つか のフィルムよりなる、マルチムフィルム構造を有するものとされる。

したがって、この薄いフィルムの性質、その数および厚さを変えることにより、 ゲージの弛緩およびクリープ度を適切にすることができる。

下層フィルムの一つは正のクリープ値を有し、かっＴＣＲがゼロに近い、非晶質 状態にある合金とし、他の下層フィルムが負のクリープを存し、同様にＴＣＲカ 七口に近い結晶質状態にある合金となすことが望ましい。

また、本発明は、量を測定するための変換器に関する。本発明のと特徴よれば、 少なくとも一つの本発明の歪ゲージが試験体に固定され、前記測定せんとする量 の作用によって変形し得るようにされている。

次に、添付図面により、本発明の非制限的実施例に関して詳述する。

図１は在来技術による歪ゲージを示す略平面図。

図２は若干の在来技術による歪ゲージを有する変換器の透視図。

図３は本発明による歪ゲージの１実施例の部分的透視図。

図４は本発明による歪ゲージおよび制御ゲージに対する時間の関数としてのクリ ープを表す曲線。

本発明の第１実施例によれば、図３に示された歪ゲージは図１に示されたような 長細い形を有している。この歪ゲージは、好ましくはポリイミドの如き熱硬化性 ポリマーによって形成された可撓支持体２０を存し、少なくともほぼ４０００Ｃ の温度に耐え得るようにされている。

この可撓支持体２０は、変形を感知する薄いフィルム２２によって被覆され、該 フィルムは図１に示された抵抗器の形をなしている。本発明の特徴によれば、こ のフィルムは異なるクリープ値を存する少なくとも二つの下層フィルム２４．２ ６の組合せである。

第１下層フィルム２６は、好ましくは、正のクリープ値を有し、かつ非晶質状態 にある合金によって形成される。この下層フィルムは、Ｎｉ−Ｃｒに基づく合金 から選択された材料によって形成される。この合金は、好適にはＮｉ、Ｃｒ、Ｓ ｉを含む。特にこの合金は、次の式を有するものである：ＮＬ　Ｃｒｙ　Ｓｉｎ 　ここで、５＜ｚ＜１１　および　ｘ十ｙ十Ｚ＝　Ｉ　ＯＯ特にこの合金は、重 量で、はぼＮ　ｉ　７２％、Ｃｒ１８％、５ｉｌＯ％を含む。その抵抗温度係数 ＴＣＲは０に近い。

第２下層フィルム２４は、好ましくは、負のクリープ値を有する合金、すなわち ゲージを載置する試験体と比較して、該ゲージを著しく弛緩させる合金によって 構成される。この合金は結晶質状態にあることか望ましい。該合金は、Ｎｉ　− Ｃｒ、Ｐｔ−ＷまたはＣｕ−Ｎｉに基づく合金から選ばれ、好適には、コンスタ ンタン、すなわち重量で、はぼＣｕ５５％、Ｎｉ４４％およびＭｎ１％を含む合 金である。

若干の不純物か添加（ドープ）された、二種のコンスタンタンを使用することが でき、その最も重要なものが表１に示されている。なお、添加剤としてはＺｎ、 ＡｇまたはＴｉも使用することができる。

青−± コンスタンタンＮｏ、１　コンスタンタンＮｏ、２（μｇ／ｇ）　（μｇ／ｇ） Ｃａ　９３５　５００ Ｐｂ　２００　１７５ Ｓｉ　２００　２５ Ｆｅ　４２０　２１５ ＡＩ　６０　２５ Ｍｇ　５５　６１５ 第１コンスタンタン（Ｎｏ、Ｉ）はゼロに近いＴＣＲを有している。第２コンス タンタン（Ｎｏ、２）のＴＣＲは大であるが、弛緩は小さい。

不純物レベルの低いコンスタンタン合金は大きなＴＣＲを有し、またはその逆で ある。したがって合金内の添加剤の量は請求めるＴＣＲの関数として適合される 。

図３に示される如く、非晶質状態にある合金下層フィルム２６は、好ましくは可 撓支持体２０上に直接膜けられ（デポジットされ）、次いでこの下層フィルム２ ６の上に、下層フィルム２４が設けられる（デポジットされる）。これはなお逆 にすることもてきるが、得られる結果は均一性の低いものとなる。

下層フィルムの一つが正のクリープ値を有し、他のものが負のクリープ値を有す ることは重要ではなく、これらの値が異なれば良いと言うことに注意すべきであ る。

ゲージ、さらに詳しく言えばフィルム２２のクリープ度は、各下層フィルム２４ ．２６のクリープ値たけによるものではなく、これら下層フィルム２４．２６の 相対的厚さおよび数による。以下に述べる試験は、３層および５層のフィルムに 対して行われた。

次に、ゲージの製造方法について詳述する。非晶質フィルム（ＮｉＣｒＳｉ）お よび結晶質フィルム（ＣｕＮｉＭｎ）よりなる多層フィルムの付設（デポジット ）は、厚さ２５μｍの可撓ポリアミドを使用し、連続ダイオードによる陰極スパ ッタリングによって行われる。この型の溶着方法が使用される理由は、ポリアミ ド・ポリマーか、フィルムの製造時に達する４００°Ｃまたはそれ以上の温度に 耐えなければならないからである。もちろんこの温度は、析出形成（デポジショ ン）装置に冷却システムを加えることによって低下させることはできる。ポリマ ーの選択は薄いフィルムの付設時に達する温度による。この選択は技術者の熟練 度の範囲内にある。

これら薄いフィルムの形成（付設）方法は、厚さが５０Ｘ１０−１層ｍ−１００ ００ＸＩＰ”ｍの範囲内にあり、かつ単位長さ当りの抵抗が非常に大きなフィル ムの形成を可能にする。これら抵抗または抵抗器は、異なる多層フィルム配置に 対し、単一のマスク（すなわち単一のループ長さ）を使用し、図１または図３に 示された図形にしたがって、化学的エツチングを行うことによって形成される。

次に、例えばコネクタ２８が、マスクを通して各ゲージの両端に、厚さ１００人 のＣｒ、３０００人のＮｉおよび３０００人の金を蒸着させることによって付設 される。最後にこのようにして得られたゲージを試験体に接合し、変換器が形成 されるようにする。これらゲージは図２に示される如く、ホイートストン・ブリ ッジの形に配置することができる。次に、半田ごてと、たとえば５ｎ−Ｐｂ合金 とを使用して配線をコネクタに溶接する。

本発明による構造を存する歪ゲージで行った試験試験体上に、ホイートストン・ ブリッジ配置が得られるようにゲージを設置した。試験体はＯｋｇと３ｋｇとの 間で秤量作業を行うものとする。この試験体は、一般に秤量に使用される全ての 試験体に対し、中間値のクリープを有している。

図４は、最大荷重を加えて３０分間に亙り、ホイートストン・ブリッジの不平衡 読みを取った測定を示す。曲線は時間の関数としてのクリープ（すなわち最大変 形の０／。。て表した変形）を示す。この試験は、単数または複数の結晶コンス タンタン、または非晶質ＮｉＣｒ５ｉＴ層フィルムによって被覆した可撓ポリイ ミド支持体を有するゲージによって行った。なお、各曲線の前方には、支持フィ ルム２０を有しないゲージの対応する断面と、コンスタンタンおよびＮｉＣｒＳ ｉ合金の相対的厚さとが示されている。

曲線ＣＩは、単一のコンスタンタン・フィルムによって得られた結果を示し、か つ制置部材を形成する。クリープは３０分後において−ＩＸＩＯ−”である。

曲線Ｃ２、Ｃ３およびＣ４は、下層フィルムＮｉＣｒＳｉの厚さが、コンスタン タンの厚さに比して増加したために、弛緩効果が減少（クリープ値の増加）した ことを表す。曲線Ｃ４はゲージのクリープに対応し、これは試験体のクリープを 正確に補償する。

曲線Ｃ５、Ｃ６およびＣ７は正のクリープ値の方に転位した結果を表し、これは ＮｉＣｒＳｉ合金およびコンスタンタンの変えることによって得られたものであ る。ＮｉＣｒＳｉ合金の厚さを、コンスタンタンの厚さに比して増加させること により、二つの下層フィルムだけて、同じ曲線が得られることに注意すべきであ る。

最後に比較のために、曲線Ｃ８はＮａＣｒＳｉ合金フィルムだけによって得られ た試験体のクリープを示す。この値は３０分後において、１．４Ｘ１０−’であ る。この場合は金属フィルムは完全に試験体に従い、かつゲージは弛緩しない。

本発明による歪ゲージは、重量／価格用柱りとして正確な秤量を行わんとする時 に特に適している。

特定用途、特に所要のクリープ値の関数として、種々の合金下層フィルムの数お よび厚さが選択される。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．測定すべき量の作用によって変形し得る試験体の一つの面に固定するための 歪ゲージで、変形を感知する薄いフイルム（２２）を有し、該フイルムが抵抗器 の形となるようにエッチングされ、かつ可撓支持体（２０）に固定されるように なっている歪ゲージにおいて、前記薄いフイルム（２２）が、クリープ値の異な る少なくとも二つの下層フイルム（２４、２６）を有することを特徴とする歪ゲ ージ。
2. ２．下層フイルムの一つが、正のクリープ値を有する合金（２６）によって構成 され、かつ他の下層フイルムが、負のクリープ値を有する合金（２４）によって 構成されていることを特徴とする請求項１記載の歪ゲージ。
3. ３．負のクリープ値を有する合金（２４）が、結晶質状態にある合金であること を特徴とする請求項２記載の歪ゲージ。
4. ４．正のクリープ値を有する合金（２６）が、非品質状態にある合金であること を特徴とする請求項２記載の歪ゲージ。
5. ５．結晶質状態にある合金（２４）および非晶質状態にある合金（２６）が、Ｎ ｉ−Ｃｒ、Ｐｔ−ＷまたはＣｕ−Ｎｉに基づく合金の中から選択されることを特 徴とする請求項３または４記載の歪ゲージ。
6. ６．合金が、ゼロに近い抵抗温度係数を有していることを特徴とする請求項３ま たは４記載の歪ゲージ。
7. ７．正のクリープ値を有する合金（２６）が、ＮｉｘＣｒｙＳｉｚなる組成を有 し、５＜ｚ＜１１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００であることを特徴とする請求項４または ５記載の歪ゲージ。
8. ８．合金（２６）が、重量でほぼＮｉ７２％、Ｃｒ１８％およびＳｉ１０％を有 していることを特徴とする請求項７記載の歪ゲージ。
9. ９．負のクリープ値を有する合金（２４）が、Ｃｕ、ＮｉおよびＭｎの合金であ る請求項３記載の歪ゲージ。
10. １０．合金（２４）が、重量でほぼＣｕ５５％、Ｎｉ４４％およびＭｎ１％を含 んでいることを特徴とする請求項９記載の歪ゲージ。
11. １１．負のクリープ値を有する合金（２４）が、Ｃａ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ａｌ 、Ｍｇ、Ｚｎ、ＡｇまたはＴｉの中から選択された元素によってドープされてい ることを特徴とする請求項３または４記載の歪ゲージ。
12. １２．可撓支持体（２０）が、ほぼ４００℃またはそれ以上の温度に耐え得るポ リアミドによって形成されていることを特徴とする前記請求項の何れか一つに記 載の歪ゲージ。
13. １３．正のクリープ値を有する合金下層フイルム（２６）が、可撓支持体（２０ ）と直接接触していることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の歪ゲ ージ。
14. １４．異なるクリープ値を有する各下層フイルム（２４、２６）が、厚さ５０× １０−１０ｍ〜１００００×１０−１０ｍを有することを特徴とする前記請求項 のいずれか一項に記載の歪ゲージ。