JP2017032554A - ひずみゲージ - Google Patents

Abstract

【課題】
３５０℃から１０５０℃の高温を含む高応力環境に耐えることができるひずみゲージを提供する。
【解決手段】
本明細書は、ひずみゲージ（２０）及びひずみゲージ（１０、２０）を製造する方法を開示する。ひずみゲージ（２０）は、第１の端部（２６）、第２の端部（２８）、及び該第１の端部（２６）と該第２の端部（２８）との間の測定用長さ部を有する単一導電性フィラメント（２４）を含む。測定用長さ部は、平面蛇行パターンで配置される。測定用長さ部は、第１の断面積を有する。第１の端部（２６）及び第２の端部（２８）の各々は、第１の断面積よりも大きな断面積を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ひずみゲージに関し、より具体的には高応力環境にさらされるひずみゲージに関する。

一般に、ひずみゲージは、蛇行パターンに配置された薄箔又はワイヤ等の導体を含む。パターンは、導体が長さ部及びその折り返し部に沿って延在する。これが繰り返されて複数の平行な長さ部を形成するようになっている。

導体は、試験される構成要素の上に位置決めされる。ひずみゲージは、構成要素が導電性の場合、ひずみゲージを構成要素から絶縁する非導電性接着剤で構成要素に取り付けられる。実施形態において、ひずみゲージは、試験される構成要素に取り付けられる非導電性バッキング層を含むことができる。バッキング層は、導電性構成要素をひずみゲージの導電性フィラメントから絶縁する。バッキング層は随意的である。実施形態において、ひずみゲージは、絶縁用接着剤を構成要素の表面に施工し、次にひずみゲージを取り付けることで、構成要素に取り付けることができる。一般に、ひずみゲージは、接着剤又は他の固着手段を用いて試験構成要素に付着されるが、このようなバッキング層は随意的である。

試験構成要素のひずみを特定するために導体の抵抗値を測定する。導体の抵抗値は、圧縮又は引張を受けているか否かに基づいて変化する。圧縮状態の場合、導体の長さが短くなりその厚さが増えるので、抵抗測定値が小さくなる。逆に、引張状態の場合、導体の長さが長くなるその厚さが減るので、抵抗測定値が大きくなる。

ひずみを受けている間の長さ及び厚さの変化は、導体の長さ部の各々に沿って生じる。そのため、抵抗値の変化は、蛇行パターンの長さ部の数によって増加する。従って、パターンは、抵抗測定値の変化を増幅するので、ひずみゲージが非常に敏感になる。

２つのひずみゲージを使用して、全面２Ｄひずみ場を得ることができる。これを実現するために、２つのひずみゲージは、互いに直交して配置される。この方法の精度を高めるために、他の２つのひずみゲージに対して４５度の角度の第３のひずみゲージを含むことができる。これは、各ひずみゲージの間の何らかの位置合わせ不良に対処するものである。

ひずみゲージは、可変抵抗器として機能するので、ホイートストンブリッジの能動アーム（ａｃｔｉｖｅ ａｒｍ）を形成するために用いられる。この構成により、より高感度かつ正確な測定が可能になる。

一般に、ひずみゲージは、試験構成要素の表面全域でゆっくりと変化するひずみを測定するために用いられ、表面応力は、構成要素の材料の内部に認められるはずの応力を合理的に表す。

高温、高振動、腐食性大気環境、例えばガス又は蒸気タービン環境において、ひずみゲージは頻繁に故障する。１つの故障モードは、ひずみゲージのフィラメント（又はグリッドワイヤ）と接続ワイヤ（又はリードワイヤ）との間の溶着である。

ひずみゲージは、構成要素、例えば、ガス及び／又は蒸気タービン等のターボ機械のバケットのひずみを測定するために使用される。このような構成要素は、高度の振動、高温、及び腐食性大気に曝される。このような構成要素に取り付けられたひずみゲージは、ストレスの多い環境に曝された後で故障する可能性がある。故障モードのタイプは様々であるが、このような条件下でのひずみゲージの故障発生を少なくすることが望ましいであろう。

米国特許第３３０５８１６号明細書

本発明の実施形態は、第１の端部、第２の端部、及び該第１の端部と該第２の端部との間の測定用長さ部を有する単一導電性フィラメントを含むひずみゲージを備える。測定用長さ部は、平面蛇行パターンで配置される。測定用長さ部は、第１の断面積を有する。第１の端部及び第２の端部の各々は、第１の断面積よりも大きな断面積を有する。

本発明の実施形態は、ひずみゲージを製造する方法を含む。本方法は、導電性フィラメントを準備する段階を含む。導電性フィラメントが、第１の断面積を有する測定用長さ部と、各々が第１の断面積よりも大きな断面積を有する第１の端部及び第２の端部とを有するように、導電性フィラメントを引き抜くか又は延伸させる。測定用長さ部は平面グリッドパターンに形成される。

本発明の実施形態は、第１の端部、第２の端部、及び該第１の端部と該第２の端部との間の測定用長さ部を有する単一導電性フィラメントを含むひずみゲージを備える。導電性フィラメントは、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金から成るグループから選択された材料で構成される。測定用長さ部は、平面蛇行パターンで配置される。測定用長さ部は、第１の断面積を有する。第１の端部及び第２の端部の各々は、第１の断面積よりも大きな断面積を有する。

上記及び他の特徴要素は、以下の詳細な説明によって例証される。

本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付図面を参照して、本発明の種々の態様についての以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

従来のひずみゲージの図。 本明細書の種々の実施形態によるひずみゲージの図。 本明細書に記載の実施形態によるひずみゲージを構成するために用いるワイヤの図。

本明細書は、３５０℃から１０５０℃の高温を含む高応力環境に耐えることができるひずみゲージを開示する。

図１は、従来のひずみゲージ１０を示す。ひずみゲージ１０は、グリッドパターンで設けられた導電性ワイヤ１４又はフィラメントを含む。実施形態において、グリッドパターンは、導電性ワイヤ１４を蛇行パターン（グリッドパターン）でもってポスト１２の周りに案内して、テープ（図示せず）を用いてワイヤを所定位置に固定することで形成される。導電性ワイヤ１４は、グリッドパターンの端部で１６において第１のコネクタ１７に溶着される。導電性ワイヤ１４は、グリッドパターンの他の端部で１６において第２のコネクタ１８に溶着される。ひずみゲージは、ポストがひずみゲージの部品ではないので製作後にポスト１２から取り外す。溶着部１６は、高応力環境で機能しなくなり、ひずみゲージが動作不能になる可能性がある。

図２は、本発明の種々の実施形態によるひずみゲージ２０を示す。ひずみゲージ２０は、グリッドパターンに設けられた単一の導電性フィラメント２４又はワイヤを含む。実施形態において、グリッドパターンは、導電性フィラメント２４又は導電性ワイヤを平面蛇行パターン（グリッドパターン）でもってポスト１２の周りに案内して、テープ（図示せず）を用いてフィラメントを所定位置に固定することで形成される。導電性フィラメント２４は、第１の端部２６及び第２の端部２８を有する。導電性フィラメント２４の測定用長さ部は、点Ａを起点とし、ポストの周りで蛇行パターンを辿り、点Ｂで終わる。蛇行パターンでは、測定用長さ部の複数の平行な長さ部が設けられる。図１の従来技術に示すようなフィラメント又はワイヤをコネクタに溶着する代わりに、図２に示すひずみゲージ２０は、単一のワイヤから作られており、端部２６及び２８は、測定用長さ部（フィラメント２４の点Ａから点Ｂ）の断面積よりも大きな断面積を有する。実施形態において、フィラメント２４の断面領域は円形であり、この場合、端部２６及び２８の直径は測定用長さ部の直径よりも大きい。導電性フィラメント２４の端部２６及び２８よりも断面積が小さな測定長さ部を有する導電性フィラメント２４は、ワイヤを引き抜くか又は延伸させることで形成される。

円形断面領域を有する実施形態において、単一導電性フィラメントの測定用長さ部の直径は、約１２．７ミクロンから約２２．８６ミクロン（０．０００５から約０．０００９インチ）である。実施形態において、第１の端部２６の直径は、約２５．４ミクロンから約２５４ミクロン（０．００１から約０．０１インチ）である。実施形態において、第２の端部２８の直径は、約２５．４ミクロンから約２５４ミクロン（０．００１から約０．０１インチ）である。導電性フィラメント２４は、プレス又は圧延して断面を円形からより平らな形状に変えることができる。

ひずみゲージのグリッドパターン又は測定用領域は、図２に示すように幅Ｗ及び長さＬで規定される。実施形態において、グリッドパターンの幅Ｗは、約２０３２ミクロンから約３８１００ミクロン（０．０８インチから約１．５インチ）であり、長さＬは、約２０３２ミクロンから約３８１００ミクロン（０．０８インチから約１．５インチ）である。

実施形態において、ひずみゲージは、随意的にグリッドパターンに取り付けられた絶縁フイルム（図示せず）を含むことができ、又は測定領域の上に高温（３５０℃から１０５０℃）テープを配置することができる。測定される構成要素は、構成要素の表面に非導電性接着剤を施工し、次にひずみゲージを接着剤に取り付けることで準備することができる。

高温環境において、フィラメントは、酸化、腐食、軟化、又は破損を進展させることになる何らかの他のプロセスに耐性を示すことができる。高温環境に適した導電性フィラメントは、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金等の合金又は金属材料とすることができる。ニッケル／クロム合金は、商標ＮＩＣＨＲＯＭＥ（登録商標）、ＣＨＲＯＭＥＬ（登録商標）、及びＭＯＬＥＣＵＬＯＹ（登録商標）の下で販売されている。クロム／アルミニウム合金は、商標名ＨＯＳＫＩＮＳ（登録商標）で販売されており、Ｈｙｎｄａｍａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｒｏｄｕｓｔｓ社から入手できる。

本明細書に記載のひずみゲージを製造するために、フィラメント又はワイヤは、延伸／引き抜き、又は他の類似の方法によって、フィラメントの一部を縮小することで準備することができ、容積は変わらず、長さが長くなるので直径が小さくなる。フィラメントの縮径セクションは測定用長さ部である。ワイヤの両端は、引き抜き加工を受けない。

図３に示すように、ワイヤの引き抜き又は延伸加工は、端部が中間部よりも大きな直径を有するワイヤ２４をもたらす。引き抜き加工を受ける導電性フィラメント２４の部分は、測定用長さ部ＭＬである。端部２６及び２８は、最初の直径又は断面積のままである。端部２６及び２８は、電気メッキプロセス又は類似の方法により、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金等の導電性合金及び金属でメッキを施して、抵抗値を下げることができる。

図３に示すようにフィラメント又はワイヤを引き抜いた後、フィラメント又はワイヤの端部２６及び２８は、より大きな断面積を有する。図３において、フィラメント２４の端部２６、２８及び測定用長さ部（ＭＬ）は正確な縮尺ではない。フィラメントは、図２に示すように、ワイヤをポスト１２（図２）の周りまで延ばし、次に反対側の端部のポストまで折り返すことで平らなグリッドパターンに形成される。このプロセスは、フィラメント２４の全長の長さがグリッドパターン（測定用長さ部）の長さに一致するように管理され、端部２６及び２８は、グリッドパターンから離れて延在することができる。グリッドパターンは、所定位置に保持するためにテープ留めされ、ポストから取り外される。次に、ひずみゲージ２０を保持するための絶縁表面又はプレートを付加する等のさらなるステップを実施することができる（図２）。

本明細書では様々な実施形態について説明してきたが、これらの実施形態における要素の様々な組合せ、変形又は改良を当業者が行なうことができ、これらもまた本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することを意図している。

本明細書は、開示される主題の実施例を用いて、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
第１の端部、第２の端部、及び該第１の端部と該第２の端部との間の測定用長さ部を有する単一導電性フィラメントを備える、ひずみゲージであって、
上記測定用長さ部は、平面蛇行パターンで配置され、上記測定用長さ部は、第１の断面積を有し、
上記第１の端部及び上記第２の端部の各々は、上記第１の断面積よりも大きな断面積を有する、
ひずみゲージ。
［実施態様２］
上記測定用長さ部は、約１２．７ミクロンから約２２．８６ミクロンの直径を有する、実施態様１に記載のひずみゲージ。
［実施態様３］
上記第１の端部は、約２５．４ミクロンから約２５４ミクロンの直径を有する、実施態様１に記載のひずみゲージ。
［実施態様４］
上記第２の端部は、約２５．４ミクロンから約２５４ミクロンの直径を有する、実施態様１に記載のひずみゲージ。
［実施態様５］
上記平面蛇行パターンに取り付けられた絶縁フイルムをさらに備える、実施態様１に記載のひずみゲージ。
［実施態様６］
上記平面蛇行パターンに取り付けられたテープをさらに備え、上記テープは、３５０℃から１０５０℃の温度に耐えることができる、実施態様１に記載のひずみゲージ。
［実施態様７］
上記蛇行パターンは、約２０３２ミクロンから約３８１００ミクロンの幅Ｗ、及び約２０３２ミクロンから約３８１００ミクロンの長さＬを有する測定用領域を形成する、実施態様１に記載のひずみゲージ。
［実施態様８］
上記単一導電性フィラメントは、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金から成るグループから選択される材料で構成される、実施態様１に記載のひずみゲージ。
［実施態様９］
ひずみゲージを製造する方法であって、
導電性フィラメントを準備する段階と、
上記導電性フィラメントが、第１の断面積を有する測定用長さ部と、各々が上記第１の断面積よりも大きな断面積を有する第１の端部及び第２の端部とを有するように、上記導電性フィラメントを引き抜くか又は延伸させる段階と、
上記測定用長さ部を平面グリッドパターンに形成する段階と、
を含む方法。
［実施態様１０］
上記平面グリッドパターンを絶縁層又は絶縁テープに取り付ける段階をさらに含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１１］
上記第１の端部及び上記第２の端部に、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金から成るグループから選択された導電性材料をメッキする段階をさらに含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１２］
上記導電性フィラメントは、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金から成るグループから選択された材料で構成される、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１３］
上記測定用長さ部は、約１２．７ミクロンから約２２．８６ミクロンで直径を有する、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１４］
第１の端部、第２の端部、及び第１の端部と第２の端部との間の測定用長さ部を有する単一導電性フィラメントであって、上記導電性フィラメントが、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金から成るグループから選択された材料で構成される単一導電性フィラメントを備える、ひずみゲージであって、
上記測定用長さ部は、平面蛇行パターンで配置され、上記測定用長さ部は、第１の断面積を有し、
上記第１の端部及び上記第２の端部の各々は、上記第１の断面積よりも大きな断面積を有する、
ひずみゲージ。
［実施態様１５］
上記第１の端部は、約２５．４ミクロンから約２５４ミクロンの直径を有する、実施態様１４に記載のひずみゲージ
［実施態様１６］
上記第２の端部は、約２５．４ミクロンから約２５４ミクロンの直径を有する、実施態様１４に記載のひずみゲージ。
［実施態様１７］
上記蛇行パターンは、約２０３２ミクロンから約３８１００ミクロンの幅Ｗ、及び約２０３２ミクロンから約３８１００ミクロンの長さＬを有する測定用領域を形成する、実施態様１４に記載のひずみゲージ。
［実施態様１８］
上記平面蛇行パターンに取り付けられたテープをさらに備え、上記テープは、３５０℃から１０５０℃の温度に耐えることができる、実施態様１４に記載のひずみゲージ。
［実施態様１９］
上記第１の端部及び上記第２の端部上に電気メッキコーティングをさらに備える、実施態様１４に記載のひずみゲージ。
［実施態様２０］
上記電気メッキコーティングは、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金から成るグループから選択される、実施態様１９に記載のひずみゲージ。

１０ ひずみゲージ
１２ ポスト
１４ 導電性ワイヤ
１６ 溶着
１７ 第１のコネクタ
１８ 第２のコネクタ
２０ ひずみゲージ
２４ 導電性フィラメント
２６ 第１の端部
２８ 第２の端部

Claims (10)

1. 第１の端部（２６）、第２の端部（２８）、及び該第１の端部（２６）と該第２の端部（２８）との間の測定用長さ部を有する単一導電性フィラメント（２４）を備える、ひずみゲージ（２０）（２０）であって、
   前記測定用長さ部は、平面蛇行パターンで配置され、前記測定用長さ部は、第１の断面積を有し、
   前記第１の端部（２６）及び前記第２の端部（２８）の各々は、前記第１の断面積よりも大きな断面積を有する、
   ひずみゲージ（２０）。
2. 前記測定用長さ部は、約１２．７ミクロンから約２２．８６ミクロンの直径を有する、請求項１に記載のひずみゲージ（２０）。
3. 前記第１の端部（２６）は、約２５．４ミクロンから約２５４ミクロンの直径を有する、請求項１に記載のひずみゲージ（２０）。
4. 前記第２の端部（２８）は、約２５．４ミクロンから約２５４ミクロンの直径を有する、請求項
   前記平面蛇行パターンに取り付けられたテープをさらに備え、前記テープは、３５０℃から１０５０℃の温度に耐えることができる、請求項１に記載のひずみゲージ（２０）。
5. 前記単一導電性フィラメント（２４）は、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金から成るグループから選択される材料で構成される、請求項１に記載のひずみゲージ（２０）。
6. ひずみゲージ（２０）を製造する方法であって、
   導電性フィラメント（２４）を準備する段階と、
   前記導電性フィラメント（２４）が、第１の断面積を有する測定用長さ部と、各々が前記第１の断面積よりも大きな断面積を有する第１の端部（２６）及び第２の端部（２８）とを有するように、前記導電性フィラメント（２４）を引き抜くか又は延伸させる段階と、
   前記測定用長さ部を平面グリッドパターンに形成する段階と、
   を含む方法。
7. 前記第１の端部（２６）及び前記第２の端部（２８）に、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金から成るグループから選択された導電性材料をメッキする段階をさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 第１の端部（２６）、第２の端部（２８）、及び第１の端部（２６）と第２の端部（２８）との間の測定用長さ部を有する単一導電性フィラメント（２４）であって、前記導電性フィラメント（２４）が、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金から成るグループから選択された材料で構成される単一導電性フィラメント（２４）を備える、ひずみゲージ（２０）であって、
   前記測定用長さ部は、平面蛇行パターンで配置され、前記測定用長さ部は、第１の断面積を有し、
   前記第１の端部（２６）及び前記第２の端部（２８）の各々は、前記第１の断面積よりも大きな断面積を有する、
   ひずみゲージ（２０）。
9. 前記第１の端部（２６）及び前記第２の端部（２８）は、約２５．４ミクロンから約２５４ミクロンの直径を有する、請求項８に記載のひずみゲージ（２０）
10. 前記電気メッキコーティングは、ニッケル／クロム合金、プラチナ／ニッケル合金、プラチナ、及びクロム／アルミニウム合金から成るグループから選択される、請求項８に記載のひずみゲージ（２０）。