JP2539642B2 - 高温用ひずみゲ―ジの添着構造および添着方法 - Google Patents

高温用ひずみゲ―ジの添着構造および添着方法

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JP2539642B2 JP62281964A JP28196487A JP2539642B2 JP 2539642 B2 JP2539642 B2 JP 2539642B2 JP 62281964 A JP62281964 A JP 62281964A JP 28196487 A JP28196487 A JP 28196487A JP 2539642 B2 JP2539642 B2 JP 2539642B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (a) 技術分野 本発明は、高温用ひずみゲージの添着構造および添着
方法に関しより詳細には、高温下で被測定体に作用する
応力、荷重、圧力、回転力等の物理量を電気量に変換す
るひずみゲージ素子を被測定体に添着する高温用ひずみ
ゲージの添着構造および添着方法に関するものである。
(b) 従来技術 高温に晒される機械部品や構造物、例えば原子力や航
空機のタービン・ブレード等に作用する応力、荷重、圧
力、回転力等の物理量を電気量に変換して検出する手段
として、その機械部品や構造物(以下「被測定対象物」
という)の表面または、この被測定対象物に取付けられ
る荷重変換器、圧力変換器等の起歪部(以下、これを総
称して「被測定体」という)に高温用ひずみゲージを添
着して検出する方法が採られている。
近年、これらの被測定対象物は、その材質としてSi3N
4,Al2O3,ZrO2,SiO2等の絶縁セラミックスが、強度、耐
腐食性、耐高温特性等に優れているために金属材に表面
処理を施したもの、またはそれに代ってセラミックスそ
のものが次第に用いられるようになてきている。
このような高温用ひずみゲージを被測定体に添着(接
合)する方法として、セラミックス接着法および溶射法
(ローカイド法とも称されている)が知られている。
前者のセラミックス接着法は、絶縁性セラミックスの
接着剤を用い被測定体の表面上に絶縁処理を目的として
接着し、キュアして得られた絶縁層上にゲージリード付
のひずみゲージを載置し、その上にひずみゲージ素子を
固定するためのセラミック接着剤で覆いキュアする。
この方法は、比較的容易に高温に耐えるひずみゲージ
被測定体に添着形成することができる反面、セラミック
ス上への接着力は悪く熱衝撃に対し剥離し易いという難
点がある。
一方、後者の溶射法は、高純度のアルミナ棒に火炎を
吹き付けて溶融させ被測定体の表面上に融着固形化して
絶縁層を形成し、この絶縁層上にゲージリード付のひず
みゲージ素子を載置し、その上をマスキングテープある
いはメッシュ板等のマスキング部材で押さえてアルミナ
を部分的に溶射して仮止めした後、上記マスキング部材
を取除いて再びアルミナを溶射してひずみゲージ素子お
よびゲージリードを覆うようにするものである。しか
し、この溶射法は、被測定体のセラミックス材にブラス
ト処理を施すことが困難で且つ溶射によるセラミック溶
着絶縁層と被測定体との接着力は極めて弱いという難点
がある。
(c) 目的 本発明は、上述の問題点に鑑みなされたもので、その
目的とするところは、Si3N4,Al2O3,ZrO2,SiO2等の絶縁
セラミックスでなる被測定体の表面に金属化合物でなる
ひずみゲージ部材を強固に接合することができ、温度変
動によってもひずみゲージの剥離を生ずる虞れがなく、
クリープ特性、感度温度特性を大幅に改善し得る高温用
ひずみゲージの添着構造および添着方法を提供すること
にある。
(d) 構成 上記の目的を達成させるために、第1の発明(特許請
求の範囲第1項記載の発明)は、高温下で被測定体に作
用する応力、荷重、圧力、回転力等の物理量を電気量に
変換するひずみゲージ素子を、該被測定体に添着する高
温用ひずみゲージの添着構造において、Si3N4,Al2O3,Zr
O2,SiO2等の絶縁セラミックスよりなり、ひずみゲージ
素子を添着すべき部位に研磨、脱脂処理が施されてなる
被測定体と、この被測定体の前記研磨、脱脂処理が施さ
れた部位にNiCr,NiCrAl,FeCrAl,FeCrNi,PtW,CuNi等の金
属合金物よりなるひずみゲージ素子が当接された状態で
前記ひずみゲージ素子と前記被測定体とが接着剤の介存
なしで、所定圧で加圧され且つ700℃〜1100℃で加熱処
理が施されて一体的に接合されて構成されていることを
特徴とするものであり、第2の発明は、(特許請求の範
囲第2項記載の発明)は、高温下で被測定体に作用する
応力、荷重、圧力、回転力等の物理量を電気量に変換す
るひずみゲージ素子を被測定体に添着する方法におい
て、Si3N4,Al2O3,ZrO2,SiO2等の絶縁セラミックスより
なる被測定体上の少なくとひずみゲージ素子が添着され
る予定の部位を含む領域を研磨および脱脂処理を施し、
この領域上にNiCr,NiCrAl,FeCrNi,PtW,CuNi等の金属合
金物よりなるひずみゲージ素子を当接または膜形成し、
別途用意される加圧手段によって、該加圧手段との接合
を防止するアルミナ紙等よりなる接合防止用保護シート
を介して前記被測定体と前記ひずみゲージとを所定圧で
挟持加圧した状態で真空容器中またはアルゴンガス、窒
素ガス等の不活性ガスを充填した容器内にて700℃〜110
0℃で加熱処理を施すことにより、前記ひずみゲージ素
子を前記被測定体の表面に接着剤の介在なしに強固に接
合することを特徴とするものである。
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説
明する。
先ず、本発明の第1実施例を第1図および第2図を用
いて説明する。
この第1実施例は、仮ベースに添着されたひずみゲー
ジ素子を被測定体に添着する方法(以下「仮ベース付ゲ
ージ法」という)に関するものである。
この仮ベース付ゲージ法の手順につき説明する。被測
定体3は、例えばSi3N4,Al2O3,ZrO2,SiO2等のいずれか
の絶縁セラミックスをもって所定の形状に形成されてい
るものとする。仮ベース1は、例えば紙、高分子フィル
ム、セラミックペーパー等のいずれかによって薄いシー
ト状に形成する。ひずみゲージ素子2は、箔ゲージの場
合、例えばNiCr,NiCrAl,FeCrAl,FeCrNi,PtW,CuNi等を素
材として2〜20μm程度の厚みの箔とし、これを上記仮
ベース1に添着した上で、例えばエッチングによりゲー
ジタブ、グリッド部を残すようにして形成される。
ひずみゲージ素子2が添着される予定の部位を含む被
測定体3の表面は、ひずみゲージ素子2を添着する前に
予めよく研磨した後、脱脂処理を施しておく。
そして、被測定体3の表面(第1図の実施例において
は、上面および下面)に仮ベース付ひずみゲージを、ひ
ずみゲージ素子2が直接被測定体3に当接するようにし
て載置する。
次に、高密度カーボン、モリブデン鋼等の耐熱性材料
よりなる加圧手段としての加圧治具4と5で被測定体3
を中間にして仮ベース付ひずみゲージを第1図に示すよ
うに積層し、弱い加圧力でもって挟持する。この状態で
雰囲気温度が約300℃になるまで昇温し、引続き、被測
定体3とひずみゲージ素子2の材質に応じて加圧治具4,
5によって、20〜500kg/cm2に加圧し、真空度1×10-5to
rr以下の容器中において700〜1100℃程度に加熱し、一
定時間(例えば約1時間)保持する。その後、容器内の
温度を下げ、加圧治具4,5を取外す。このようにして、
加熱、加圧されたひずみゲージ素子2は、被測定体3に
強固に接続される。尚、接合防止用保護シートとしての
仮ベース1は、加圧治具4,5がひずみゲージ素子2およ
び被測定体3と接合されるのを防止するために用いるも
のであるが、その材質が紙等であるため、300℃〜600℃
にて焼失炭化または粉末化してしまうのでこの炭化層
は、最終的には、加圧加熱が解除された後にラップ加工
によって除去される。
次に第3図を用いてフリーフィラメント法による第2
実施例を説明する。
第3図に示すように被測定体13の表面に上述したと同
様の材質よりなるフリーフィラメント状のひずみゲージ
素子12を載置し、この上面に例えばアルミナペーパーよ
りなる接合防止用のシート11を被せ、上述同様の加圧治
具4,5を用いて被測定体13にひずみゲージ素子12を加
圧、加熱接合する。
次に、第4図〜第6図を用いてイオンエッチング法に
よる第3実施例を説明する。
このイオンエッチング法によりひずみゲージ素子を形
成するには、先ず第4図に示すように被測定体23の表面
に、例えば2〜20με程度の厚さに圧延されたNiCr等の
ひずみゲージ素子膜22を、さらにその上に図示しない接
合防止用シートをそれぞれ載置し、上述同様にして加
熱、加圧を行う。冷却後、炭化し消失した接合防止用シ
ートをラップ処理によって除去し、しかる後ひずみゲー
ジ素子膜22の表面に第5図に示すようにフォトレジスト
膜24を形成する。そして、このフォトレジスト膜24の表
面に第6図に示すようにひずみゲージパターン25aが形
成されたレジストパターン25を載置し、レジスト露光を
行い、所定の現像処理を行いレジストパターンが形成さ
れる。しかる後、10-4torr中のArガスでイオンエッチン
グを行い、ひずみゲージ素子の形成が完了する。
実際に、ひずみゲージ素子と、被測定体の材質を下表
に示すように組合せ、且つ下表に示す加熱条件および加
圧条件にて実験したところ、高温ゲージとして良好な特
性を示すものが得られた。
上記の組合せにおいて、ひずみゲージ素子と被測定体
を加圧、加熱処理すると、下表に示すような反応(生
成)物がそれぞれ生成されると考えられる。
また、温度/被測定体の材質がSi3N4でひずみゲージ
素子の材質がNiCrのものを用いて250kgfの圧力をかけて
1000℃で加熱処理してなる本発明のひずみゲージ素子の
感度温度特性を求めたところ、第7図に示すような結果
が得られた。
即ち、Si3N4の基板にNiCr箔を上述の方法により添着
してなるカンチレバー式荷重変換器に、2kgの荷重を負
荷した実験結果によると、20℃における出力は812με
であり、100℃で804μεであり、200℃で789μεであ
り、300℃で780μεを示した。
従って、20℃を基準に考えると300℃においては、−
3.9%の変化となり、見かけ上の感度変化は−0.014%/
℃であり、通常のひずみゲージに比べて約1/2の値にな
っている。この結果から本発明に係る高温用ひずみゲー
ジの感度温度特性が良好であることが理解できる。
さらに、第7図に示す感度温度特性を有する本発明に
係る高温用ひずみゲージは、第8図に示すようなクリー
プ特性を有する。
即ち、25℃を基準にして100℃,200℃と温度上昇する
に伴って、0.12%→0.4%と変動するがその変動は少な
い。
さらに、300℃においては、一般のひずみゲージでは
大幅に変動するのであるが、この例においてはSi3N4
熱存性依動変化が金属に比べ少ないので、上述の変動が
さほど大きくならない。
また、通常は、2つのひずみゲージを検出ブリッジの
2つの辺に接続することによって温度による変動成分を
打消す、いわゆる2枚ゲージ法が採用される。第9図に
示すように従来のひずみゲージの場合2枚ゲージ法によ
っても見掛けひずみ特性Pは、+1450με(1με=1
×10-6ひずみ)/300℃=4.83με/℃であったが、本発
明に係る高温用ひずみゲージにおいては、−400με/30
0℃=−1.33με/℃と減少させることができた。
上述のように各種特性が良好である原因は、セラミッ
クスに形成されるひずみゲージ素子が被測定体に加熱圧
接される際に、被測定体の材質がSi3N4でひずみゲージ
素子の材質がNiCrである場合において、その接合断面を
電子顕微鏡で観察したところ、被測定体とひずみゲージ
素子の界面において、該ひずみゲージ素子側から被測定
体内にNiが侵入し、被測定体側からひずみゲージ素子内
にSiが侵入しており、その結果被測定体とひずみゲージ
素子が極めて強固に接合されたものと考えられる。
(e) 効果 このように、本発明に係る高温用ひずみゲージの添着
構造および添着方法は、被測定体にひずみゲージ素子を
加熱圧接することによって添着(接合)しているので、
両者の結合が密になり、温度変動によってひずみゲージ
が剥離したりせず、クリープ特性が良好に保てる。
また、本発明によればひずみゲージ素子を被測定体か
ら絶縁するためのプラスチックベース等を用いずしかも
接着剤を用いないので直接に被測定体のひずみを検出す
ることができ、また、セラミックスの絶縁体はAl2O3
場合には、500℃で10MΩ程度で、Si3N4の場合には、500
℃で300MΩ程度であるのでかなり高温域まで安定に使用
可能な高温用ひずみゲージの添着構造および添着方法を
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は、本発明の第1実施例を示すもの
で、このうち第1図は、製造時における断面図、第2図
は、仮ベース付のひずみゲージ素子の斜視図、第3図
は、本発明の第2実施例を示す斜視図、第4図ないし第
6図は、本発明の第3実施例に係る高温用ひずみゲージ
の添着構造の製造時における工程をそれぞれ示す斜視
図、第7図は、本発明に係る高温用ひずみゲージの感度
温度特性の一例を示す線図、第8図は、本発明に係る高
温用ひずみゲージのクリープ特性の一例を示す線図、第
9図は、本発明に係る高温用ひずみゲージ素子の温度補
償特性の一例を示す線図である。 1……仮ベース、 2,12……ひずみゲージ素子、 3,13,23……被測定体(被測定対象物)、 4,5……加圧治具、 22……ひずみゲージ素子膜。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高温下で被測定体に作用する応力、荷重、
    圧力、回転力等の物理量を電気量に変換するひずみゲー
    ジ素子を、該被測定体に添着する高温用ひずみゲージの
    添着構造において、Si3N4,Al2O3,ZrO2,SiO2等の絶縁セ
    ラミックスよりなり、ひずみゲージ素子を添着すべき部
    位に研磨、脱脂処理が施されてなる被測定体と、この被
    測定体の前記研磨、脱脂処理が施された部位にNiCr,NiC
    rAl,FeCrAl,FeCrNi,PtW,CuNi等の金属合金物よりなるひ
    ずみゲージ素子が当接された状態で前記ひずみゲージ素
    子と前記被測定体とが接着剤の介存なしで、所定圧で加
    圧され且つ700℃〜1100℃で加熱処理が施されて一体的
    に接合されて構成されていることを特徴とする高温用ひ
    ずみゲージの添着構造。
  2. 【請求項2】高温下で被測定体に作用する応力、荷重、
    圧力、回転力等の物理量を電気量に変換するひずみゲー
    ジ素子を被測定体に添着する方法において、Si3N4,Al2O
    3,ZrO2,SiO2等の絶縁セラミックスよりなる被測定体上
    の少なくともひずみゲージ素子が添着される予定の部位
    を含む領域を研磨および脱脂処理を施し、この領域上に
    NiCr,NiCrAl,FeCrNi,PtW,CuNi等の金属合金物よりなる
    ひずみゲージ素子を当接または膜形成し、別途用意され
    る加圧手段によって、該加圧手段との接合を防止するア
    ルミナ紙等よりなる接合防止用保護シートを介して前記
    被測定体と前記ひずみゲージとを所定圧で挟持加圧した
    状態で真空容器中またはアルゴンガス、窒素ガス等の不
    活性ガスを充填した容器内にて700℃〜1100℃で加熱処
    理を施すことにより、前記ひずみゲージ素子を前記被測
    定体の表面に接着剤の介在なしに強固に接合することを
    特徴とする高温用ひずみゲージの添着方法。
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