JP2020521975A - ひずみゲージならびにこうしたひずみゲージを有する金属帯 - Google Patents
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Abstract
第１の測定格子（２，１０２）、第２の測定格子（３，１０３）、および当該２つの測定格子（２，３または１０２，１０３）を共通の平面（９）に配置した基板（４）を有するひずみゲージ（１，１００）、ならびにこうしたひずみゲージを備えた金属帯を示す。低コストであってかつ測定結果における温度障害量をロバストに補償可能なひずみゲージ（１，１００）を得るため、多層基板（４）が金属層（５）と電気絶縁層（６）とを有し、電気絶縁層（６）上にピエゾ抵抗材料（１０．１，１０．２）から成る２つの測定格子（２，３または１０２，１０３）が被着される構成を提案する。
Description
本発明は、第１の測定格子、第２の測定格子、および当該２つの測定格子を共通の平面に配置した基板を有するひずみゲージ、ならびにこうしたひずみゲージを有する金属帯に関する。
従来技術
箔ひずみゲージの複数の測定格子を共通の基板上でラテラル方向に相並ぶように設けることは、従来技術から公知である。箔ひずみゲージの測定格子は、同じ配向方向または異なる配向方向を有することができ、後者はロゼットひずみゲージとしても公知である。全ての箔ひずみゲージに対して、抵抗素子から成る１つの測定格子が共通に存在しており、当該抵抗素子は、例えば予めプラスチック基板にラミネートされたコンスタンタン箔からエッチングプロセスを用いて形成される。このような箔ひずみゲージは製造の点で比較的複雑であり、また、抵抗素子間の短絡を回避するため、（エッチングプロセスに基づいて）相互に相対的に離間されて配置された測定格子が要求される。
箔ひずみゲージの複数の測定格子を共通の基板上でラテラル方向に相並ぶように設けることは、従来技術から公知である。箔ひずみゲージの測定格子は、同じ配向方向または異なる配向方向を有することができ、後者はロゼットひずみゲージとしても公知である。全ての箔ひずみゲージに対して、抵抗素子から成る１つの測定格子が共通に存在しており、当該抵抗素子は、例えば予めプラスチック基板にラミネートされたコンスタンタン箔からエッチングプロセスを用いて形成される。このような箔ひずみゲージは製造の点で比較的複雑であり、また、抵抗素子間の短絡を回避するため、（エッチングプロセスに基づいて）相互に相対的に離間されて配置された測定格子が要求される。
さらに、このようにして製造された箔ひずみゲージは、ひずみ状態を測定すべき検査対象物に機械的に結合、すなわち接着されなければならない。接着層により、検査対象物の実際のひずみが充分にひずみゲージに伝達されないという欠点が生じうる。
発明の説明
したがって、本発明は、冒頭に言及した形式の複数の測定格子を有するひずみゲージが低コストに製造可能となり、かつまたその測定データが温度障害量(Temperaturstoergroesse)に対してロバストに評価可能となるよう、当該ひずみゲージを構造的に変更することを課題とする。
したがって、本発明は、冒頭に言及した形式の複数の測定格子を有するひずみゲージが低コストに製造可能となり、かつまたその測定データが温度障害量(Temperaturstoergroesse)に対してロバストに評価可能となるよう、当該ひずみゲージを構造的に変更することを課題とする。
本発明において、提起した課題は、多層基板が金属層と電気絶縁層とを有し、当該電気絶縁層上にピエゾ抵抗材料から成る２つの測定格子が被着されていることにより解決される。
多層基板が金属層と電気絶縁層とを有し、当該電気絶縁層上にピエゾ抵抗材料から成る２つの測定格子が被着されている場合、比較的簡単にかつ高い再現性で処理可能な製造方法を得ることができ、これにより測定格子がラテラル方向で比較的近接して相並ぶように設けられる。このようにして得られる２つの測定格子の空間的近接性と、特にまた基板の金属層を介した当該２つの測定格子の比較的良好な熱結合とにより、さらに続いて、２つの測定格子に対して等しい温度障害量を基礎とすることができる。というのは、上部に印刷された２つの測定格子を有する電気絶縁層が金属層上に存在するからである。このことにより、適切な方法、例えば測定ブリッジを介してまたは数値的プロセスにより、ひずみゲージの測定結果についての正確な温度補償を行う手段が得られる。
したがって、本発明によるひずみゲージは温度障害量をロバストに抑制することができ、これによりひずみゲージでの高い測定精度を保証することができる。
特に、測定格子の印刷のためにピエゾ抵抗材料、例えば銀ベース、グラファイトベース等のペーストが使用される。当該印刷に対して種々の方法、例えばスクリーン印刷、凹版印刷、電子印刷法等が考えられる。
第２の測定格子が、第１の測定格子に対して直角に配向され、第１の測定格子のひずみ測定値の温度補償のための受動の測定格子として構成されており、このために２つの測定格子が同じピエゾ抵抗材料から成る場合、温度障害量に対する感応をいっそう低減することができる。つまり、直角の配向により、ひずみゲージの配向方向に対して垂直の測定格子は機械的力から解放された状態で保持可能であるので、温度障害量の取得のみに利用することができ、これにより例えばハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路を用いて、第１の測定格子の測定結果から温度影響を低減または消去することができる。このことは、２つの測定格子が同じピエゾ抵抗材料から成る場合、いっそう改善することができる。
第１の測定格子と第２の測定格子とが等しい定格抵抗を有する場合、ひずみゲージの感度をいっそう高めることができる。
第１の測定格子および第２の測定格子が、蛇行状に延在するそれぞれ少なくとも１つの格子区間を有し、第１の測定格子の１つの格子区間が第２の測定格子の２つの格子区間の間に配置されている場合、２つの測定格子への温度負荷を有利に相互に補償することができる。このように、本発明によれば、測定結果における温度障害量に対する感応を例えば測定ブリッジにより検出してさらに低減することができ、このことはひずみゲージの測定精度に寄与する。
測定格子のそれぞれが、蛇行状に延在する複数の格子区間を有し、当該格子区間が交互に連続して配置されている場合、ひずみゲージの構造を簡素化することができる。さらに、格子区間のこうした均等な分布は、２つの測定格子が類似した温度影響にさらされ、これにより、より正確な測定データの補償が可能となることに寄与する。
上述した利点は、第１の測定格子の格子区間が、複数の、特には２つの、相並んで延在する蛇行列を有する場合に殊に顕著となりうる。
第２の格子区間の少なくとも１つの格子幅に対する第１の格子区間の少なくとも１つの格子長さの比が１：０．７５から１：１．２５である場合、ひずみゲージを温度障害量に対してロバストに評価することができる。このことは特に、当該比が１：０．９から１：１．１である場合に達成可能であり、そのうち１：１が好ましいものとされうる。
各測定格子の格子区間が同様に延在するように構成されている場合、ひずみゲージの構造をさらに簡素化することができる。また、各測定格子の格子区間が等しい場合、いっそう簡素化可能である。
第１の測定格子と第２の測定格子とが同方向に配向されており、かつ能動の測定格子として、相互に異なる温度係数と相互に異なるひずみ係数とを有するそれぞれ１つのピエゾ抵抗材料を有する場合、温度障害量に対する感応は、また、共通の基板上の２つの能動の測定格子によって低減することもできる。
第１の測定格子および第２の測定格子が蛇行状に延在するそれぞれ１つの格子区間を有する場合、ひずみゲージの構造をいっそう簡素化することができ、またはこれにより殊に低コストの多格子ひずみゲージを得ることができる。
各格子区間が組み合うように配置されて同様に延在している場合、コンパクトかつロバストなひずみゲージを得ることができる。またこれにより、２つのひずみゲージの温度レベルを相互に適応化し、ひいては温度補償を改善することができる。
上述した利点は、特に、２つの測定格子が２重蛇行状に延在し、したがって２つの測定格子での等しい温度負荷を保証することができる場合に得られる。ゆえに、本発明による多格子ひずみゲージは、測定データの検出において殊に高い精度を保証することができる。
好適には、ひずみゲージはブリッジ回路において使用可能である。この場合、ひずみゲージの配線にはハーフブリッジまたはフルブリッジが考えられる。
好適には、基板の金属層は、アルミニウムテープ、または鋼テープ、またはアルミニウムもしくは鋼から成るシートである。このように、金属層は、金属または合金から成る。このことにより、２つの測定格子間の殊に良好な熱結合を達成することができる。
好適には、基板の電気絶縁層は、プライマー、または絶縁レジスト層、または有機もしくは無機のプレコーティングである。
ひずみゲージの構造条件は、コーティングを有する金属帯であって、当該金属帯が金属層を形成しており、コーティングが基板の電気絶縁層を形成していることにより、簡素化することができる。これにより、測定格子間の熱結合を改善することができるだけでなく、検査体と測定格子との間に別個の接着層を設ける必要性も無用にすることができる。本発明によれば、ひずみが検査対象物からひずみゲージへ完全に伝達されないようにすることができ、これにより測定精度を高めることができる。
図には、例として、本発明の対象が複数の実施バリエーションに即して詳細に示されている。
発明を実施する手段
図１および図１ａに例として示した、第１の実施例によるひずみゲージ１は、第１の測定格子２と第２の測定格子３とを有する。第１の測定格子２は２つの端子２０．１，２０．２間に展開されており、第２の測定格子３は２つの電気端子３０．１，３０．２間に展開されており、ここで、２つの測定格子２，３は、終端部側で端子２０．２，３０．２へ短絡されている。２つの測定格子２，３は、基板４上に設けられており、共通の平面９に配置されている。図１および図１ａから見て取れるように、当該測定格子２，３は、ラテラル方向で相並ぶように基板４上に設けられている。
図１および図１ａに例として示した、第１の実施例によるひずみゲージ１は、第１の測定格子２と第２の測定格子３とを有する。第１の測定格子２は２つの端子２０．１，２０．２間に展開されており、第２の測定格子３は２つの電気端子３０．１，３０．２間に展開されており、ここで、２つの測定格子２，３は、終端部側で端子２０．２，３０．２へ短絡されている。２つの測定格子２，３は、基板４上に設けられており、共通の平面９に配置されている。図１および図１ａから見て取れるように、当該測定格子２，３は、ラテラル方向で相並ぶように基板４上に設けられている。
本発明によれば、多層基板４が、図１ａに示したように、金属層５と電気絶縁層６とを有する。ここで、電気絶縁層６は、金属層５上に存在している。
電気絶縁層６は、例えば、金属層５上の薄板、帯状体、シート、スリットストリップ、支持体等のプライマーもしくは下塗剤、コーティング等であってよく、当該薄板、帯状体、スリットストリップ、シート、支持体等は、例えば金属層５を形成している。金属層５、電気絶縁層６および２つの測定格子２，３または１０２，１０３は、層状に上下方向に配置されている。好適には、電気絶縁層６は、金属層５を完全にカバーする。
２つの測定格子２，３または１０２，１０３の、基板４の金属層５を介した比較的良好な熱結合は、ここでの多層基板４により達成可能であり、これにより、さらに続いて、２つの測定格子２，３または１０２，１０３に対して等しい温度障害量を基礎とすることができる。また、このようにすることで、測定格子２，３または１０２，１０３において、電気絶縁層６により、金属層５への短絡に対する耐性が得られる。なお基板４は別の層も有してよいが、このことは図示していない。
また、２つの測定格子２，３は、基板４上、とりわけ電気絶縁層６上に被着され、これにより各測定素子を短絡なく近接して相並ぶように設けることができる。このために、電気絶縁層６は、基板４の金属層５に対して２つの測定格子２，３を電気的に絶縁する。印刷のために、ピエゾ抵抗材料、例えば銀ベースまたはグラファイトベースのペーストが用いられる。つまり、測定格子２，３は、ピエゾ抵抗材料を電気絶縁層６上に印刷することにより被着される。
当該２つの測定格子２，３上または１０２，１０３上には、例えばカバーレジスト１１が設けられている。
このようにして製造されたひずみゲージ１は、比較的低コストであり、そのコンパクトな構成によって測定データを送出可能であるが、当該測定データについては、例えばブリッジ回路により、温度障害量をロバストに補償することができる。
図１からさらに見て取れるように、２つの測定格子２，３は相互に異なる配向を有し、図示のケースでは、測定格子２，３は直角に配向されている。これにより、第２の測定格子３は、第１の測定格子２の配向方向Ｏでの機械的負荷がある場合に、受動の測定格子として機能する。２つの測定格子２，３は同じピエゾ抵抗材料から成り、好適には等しい定格抵抗Ｒ０［Ω］を有する。つまり、機械的に負荷されない第２の測定格子３は、例えば２つの測定格子２，３をハーフブリッジの同じハーフブリッジ分岐内に設けることにより、第１の測定格子２のひずみ測定値の温度補償に利用可能である。
測定格子２は、電気的に直列に接続されて蛇行状に延在する４つの格子区間２．１，２．２，２．３，２．４を有する。こうして、配向方向Ｏでの機械的負荷に対する、第１の測定格子２の殊に高い感度を得ることができる。
測定格子３は、電気的に直列に接続されて蛇行状に延在する４つの格子区間３．１，３．２，３．３，３．４を有する。第１の測定格子２の１つの格子区間２．２が第２の測定格子３の２つの格子区間３．１，３．２の間に配置されていることにより、２つの測定格子２，３に対してほぼ等しい温度影響が発生し、これにより、詳細には図示していない共通のハーフブリッジ内の測定格子２，３を使用して、測定結果における温度障害量を顕著に最小化することができる。このことは、図１から見て取れる通り、格子区間２．１，２．２，２．３，２．４および３．１，３．２，３．３，３．４が交互に相並びかつ相互に連続するように配置されているので、殊に有利に達成される。
また、図１によれば、第１の測定格子２の格子区間２．１，２．２，２．３，２．４が、相並んで延在するそれぞれ２つの蛇行列７，８を有することが示されている。さらに、第１の格子区間２．１，２．２，２．３，２．４の全ての格子長さｌ２．１，ｌ２．２，ｌ２．３，ｌ２．４は、第２の格子区間３．１，３．２，３．３，３．４の全ての格子幅ｂ３．１，ｂ３．２，ｂ３．３，ｂ３．４と実質的に等しく、これにより、２つの測定格子２，３が同等の温度レベルに維持されることへの好ましい前提が得られる。
また、各測定格子２，３の格子区間２．１，２．２，２．３，２．４または３．１，３．２，３．３，３．４は同様に構成されており、これにより等しい特性を有するので、ひずみゲージ１の構造は簡素化される。
図２によれば、第２の実施例によるひずみゲージ１００が示されている。当該ひずみゲージ１００は、組み合うように配置された、またはそれぞれの延在部分が組み合った、第１の測定格子１０２と第２の測定格子１０３とを有する。
第１の測定格子１０２は２つの端子１２０．１，１２０．２間に展開されており、第２の測定格子１０３は２つの電気端子１３０．１，１３０．２間に展開されている。２つの測定格子１０２，１０３は共通の平面９に配置されており、当該平面は、既に第１の実施例に即して説明したように、例えば電気絶縁材５としてのプライマーもしくは下塗剤によってコーティングされた薄板６またはこれに類似のものであってよい。
本発明によれば、２つの測定格子１０２，１０３は、基板４上、とりわけ基板４の電気絶縁層６上に被着され、当該基板４がさらに金属層５を有する。当該多層基板４の構造は第１の実施例および図１ａと同様であると考えることができる。
これにより、２つの測定格子１０２，１０３を短絡なしに相互に近接して設けることができる。印刷のために、ピエゾ抵抗材料、例えば銀ベースのペーストが第１の測定格子１０２に使用され、グラファイトベースのペーストが第２の測定格子１０３に使用される。つまり、測定格子１０２，１０３は、ピエゾ抵抗材料を電気絶縁層６上に印刷することにより被着される。
このようにして製造されたひずみゲージ１００は、比較的低コストに製造可能であり、またそのコンパクトな構成により、２つの測定格子において殊に均等な温度負荷を有する。このため、数値的補償プロセスによって、温度障害量をひずみゲージ１００の測定結果からロバストに除去することができる。
図２によれば、第１の測定格子１０２と第２の測定格子１０３とが同方向に配向されており、これにより当該２つの測定格子１０２，１０３は、同じ配向方向Ｏでの機械的負荷がある場合に能動の測定格子として測定データを取得する。よって、２つの測定格子は、同じ温度障害量および同じひずみにさらされる。温度障害量の補償のために、測定格子１０２，１０３のピエゾ抵抗材料は、相互に異なる温度係数（α２，α３）と、相互に異なるひずみ係数（ｋ係数すなわちｋ１，ｋ２）とを有する。これらの差により、測定結果における温度影響を補償することができる。
温度障害量の数値的補償のために、測定格子１０２，１０３の抵抗Ｒ１０２，Ｒ１０３が、適切な方法により、最も簡単には抵抗測定装置を用いて、測定される。
測定格子のそれぞれに対し、その抵抗は、高次の温度依存性およびひずみ依存性を無視すれば、式
Ｒ（ε，Ｔ）＝ＲＴ０（１＋ｋε＋α１（Ｔ−Ｔ０））
により記述可能である。ここで、ＲＴ０は基準温度Ｔ０でひずみのない場合の各測定格子の定格抵抗であり、ｋはｋ係数であり、αは温度係数であり、εはひずみであり、Ｔは測定格子の温度である。ここで、測定格子１０２，１０３への適用から、２つの方程式と２つの未知の量すなわち温度およびひずみとから成る方程式系、すなわち
Ｒ１０２（ε，Ｔ）＝Ｒ１０２，Ｔ０（１＋ｋ１ε＋α１（Ｔ−Ｔ０））
Ｒ１０３（ε，Ｔ）＝Ｒ１０３，Ｔ０（１＋ｋ２ε＋α２（Ｔ−Ｔ０））
が得られる。当該方程式系を解くことにより、測定格子１０２，１０３に共通の温度およびひずみを計算することができる。
Ｒ（ε，Ｔ）＝ＲＴ０（１＋ｋε＋α１（Ｔ−Ｔ０））
により記述可能である。ここで、ＲＴ０は基準温度Ｔ０でひずみのない場合の各測定格子の定格抵抗であり、ｋはｋ係数であり、αは温度係数であり、εはひずみであり、Ｔは測定格子の温度である。ここで、測定格子１０２，１０３への適用から、２つの方程式と２つの未知の量すなわち温度およびひずみとから成る方程式系、すなわち
Ｒ１０２（ε，Ｔ）＝Ｒ１０２，Ｔ０（１＋ｋ１ε＋α１（Ｔ−Ｔ０））
Ｒ１０３（ε，Ｔ）＝Ｒ１０３，Ｔ０（１＋ｋ２ε＋α２（Ｔ−Ｔ０））
が得られる。当該方程式系を解くことにより、測定格子１０２，１０３に共通の温度およびひずみを計算することができる。
こうして、測定データの点で正確なひずみゲージ１００が得られる。
また図２から見て取れるように、第１の測定格子１０２および第２の測定格子１０３は、蛇行状に延在するそれぞれ１つの格子区間１０２．１，１０３．１を有する。当該格子区間１０２．１，１０３．１は組み合うように配置されて同様に延在しており、これにより２つの測定格子１０２，１０３は２重蛇行状に延在している。
Claims (15)
- 第１の測定格子（２，１０２）、第２の測定格子（３，１０３）、および該２つの測定格子（２，３または１０２，１０３）を共通の平面（９）に配置した基板（４）を有する、ひずみゲージにおいて、
前記多層基板（４）は、金属層（５）と電気絶縁層（６）とを有し、
前記電気絶縁層（６）上に、ピエゾ抵抗材料（１０．１，１０．２）から成る前記２つの測定格子（２，３または１０２，１０３）が被着されている、
ことを特徴とするひずみゲージ。 - 前記第２の測定格子（３）は、前記第１の測定格子（２）に対して直角に配向され、前記第１の測定格子（２）のひずみ測定値を温度補償するための受動の測定格子（３）として構成されており、このために前記２つの測定格子（２，３）は同じピエゾ抵抗材料（１０）から成る、
請求項１記載のひずみゲージ。 - 前記第１の測定格子（２）と前記第２の測定格子（３）とは、等しい定格抵抗（Ｒ０）を有する、
請求項２記載のひずみゲージ。 - 前記第１の測定格子（２）および前記第２の測定格子（３）は、それぞれ少なくとも１つの蛇行状に延在する格子区間（２．１，２．２，２．３，２．４または３．１，３．２，３．３，３．４）を有し、前記第１の測定格子（２）の１つの格子区間（２．１，２．２，２．３）は、前記第２の測定格子（３）の２つの格子区間（３．１，３．２または３．２，３．３または３．３，３．４）の間に配置されている、
請求項２および３のいずれか１項記載のひずみゲージ。 - 前記測定格子（２，３）のそれぞれは、蛇行状に延在する複数の格子区間（２．１，２．２，２．３，２．４または３．１，３．２，３．３，３．４）を有し、該格子区間（２．１，２．２，２．３，２．４または３．１，３．２，３．３，３．４）は交互に連続するように配置されている、
請求項４記載のひずみゲージ。 - 前記第１の測定格子（２）の格子区間（２．１，２．２，２．３，２．４）は、複数の、特には２つの、相並んで延在する蛇行列（７，８）を有する、
請求項４または５記載のひずみゲージ。 - 第２の格子区間（３．１，３．２，３．３，３．４）の少なくとも１つの格子幅（ｂ３．１，ｂ３．２，ｂ３．３，ｂ３．４）に対する第１の格子区間（２．１，２．２，２．３，２．４）の少なくとも１つの格子長さ（ｌ２．１，ｌ２．２，ｌ２．３，ｌ２．４）の比は、１：０．７５から１：１．２５であり、好ましくは１：０．９から１：１．１であり、特には１：１である、
請求項４から６までのいずれか１項記載のひずみゲージ。 - 各前記測定格子（２，３）の前記格子区間（２．１，２．２，２．３，２．４または３．１，３．２，３．３，３．４）は、同様に延在するように、特には等しく、構成されている、
請求項４から７までのいずれか１項記載のひずみゲージ。 - 前記第１の測定格子（１０２）と前記第２の測定格子（１０３）とは同方向に配向されており、かつ能動の測定格子（１０２，１０３）として、相互に異なる温度係数（α１，α２）と相互に異なるひずみ係数（ｋ１，ｋ２）とを有するそれぞれ１つのピエゾ抵抗材料を有する、
請求項１記載のひずみゲージ。 - 前記第１の測定格子（１０２）および前記第２の測定格子（１０３）は、蛇行状に延在するそれぞれ１つの格子区間（１０２．１，１０３．１）を有する、
請求項９記載のひずみゲージ。 - 前記格子区間（１０２．１，１０３．１）は、組み合うように配置されて同様に延在している、
請求項１０記載のひずみゲージ。 - 前記２つの測定格子（１０２，１０３）は２重蛇行状に延在している、
請求項９から１１までのいずれか１項記載のひずみゲージ。 - 前記基板（４）の前記金属層（４．１）は、アルミニウムテープ、または鋼テープ、またはアルミニウムもしくは鋼から成るシートである、
請求項１から１２までのいずれか１項記載のひずみゲージ。 - 前記基板（４）の前記電気絶縁層（６）は、プライマー、または絶縁レジスト層、または有機もしくは無機のプレコーティングである、
請求項１から１３までのいずれか１項記載のひずみゲージ。 - コーティングと、請求項１から１４までのいずれか１項記載のひずみゲージ（１，１００）とを有する金属帯であって、
前記金属帯は、前記ひずみゲージ（１，１００）の前記基板（４）の金属層（５）を形成しており、前記コーティングは、前記ひずみゲージ（１，１００）の前記基板（４）の電気絶縁層（６）を形成している、金属帯。
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