JP5408533B2 - ひずみゲージ用のFe−Ni−Cr系アイソエラスティック組成物、及び、該組成物を用いて製造されるひずみゲージ - Google Patents
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Description
特に、近年、益々電気機器又は機械装置の小型化、高精密化、高性能化に伴い、これらに適用可能な高感度かつ安定的なセンサー用のひずみゲージの要請が高まっている。
1.ゲージ率が大きく、温度依存性が少ないこと、
2.比電気抵抗が大きいこと、
3.抵抗温度係数(Temperature Coefficient Of Resistance;「TCR」と略す。以下「Cf」ともいう)が小さいこと、
4.銅に対する熱起電力が小さいこと、
5.加工性が良好であり、機械的性質が良いこと、
6.低コストであること、
等が望まれている。
ところで、ゲージ率は、図1に示す静ひずみ測定装置1により以下のように測定される。
まず、一定寸法の帯状のひずみゲージ(箔状試験片)10を作製する。次に、ひずみゲージ10を金属抵抗体5に貼り付けて固定する。測定中、ひずみゲージ10のひずみが金属抵抗体5のひずみと連動し、そのときに、金属抵抗体5のひずみに応じて金属抵抗体5の抵抗値Rが変化する。ここで、この抵抗値Rとひずみ(変形率)εとの間には以下の関係がある。
現在、最も多く使用されているひずみゲージ用の合金材料は、Cu−Ni系合金(コンスタンタン)やNi−Cr系合金(カルマ)である。これらの合金は、抵抗温度係数Cfが極めて小さいという特徴がある。
さらに、高いGF(3.5〜3.6)を示すひずみゲージ用の合金材料として、Fe−Ni−Cr系合金であって、弾性率の常温付近での温度変化の少なく、かつ、弾性及び伸張性[アイソエラスティック(Iso-Elastic)]のある物性を示す特徴を持つアイソエラスティック組成物(単に「アイソエラスティック」又は「イソエラスティック」とも称される)がある。特許文献1の「発明の詳細な説明」の欄参照)。
また、純白金製のひずみゲージは、非常に高価であり低コスト化の要請に応えられない。さらに、純ニッケルのひずみゲージは、抵抗温度特性が非常に大きく、そのため、高安定性の要請に応えられない。
このように、Cu−Ni系合金(コンスタンタン)やNi−Cr系合金(カルマ)、純白金、純ニッケル、半導体の各材料を、ひずみゲージに使用するには一定の問題がある。
当該材料に関し、抵抗温度係数が比較的大きい点は、1ゲージ法(3線式)や2ゲージ法(ハーフブリッジ)を用いた温度補償回路による測定技術によって解消できる。
本項に例示した主成分と副成分及び重量比率(wt%)をベースに、Mn(wt%)をパラメータとした実験を行った結果から、本発明者等は、Mnが1.5wt%の近傍において、当該ひずみゲージに関しGFの最大値を呈することを見出した。そして、製造時の工程変動を考慮すると、1.3wt%から1.7wt%の範囲が、当該GFを好適とするためのMn(wt%)の好適添加範囲と考えられる。
このFe−Ni−Cr系アイソエラスティック組成物は、低コスト化の要請にも応えることができ、かつ、酸化しにくいため防食性、ひいては耐久性が優れている等の長所も兼ね備えている。
上記インゴットを、大気中で1100℃から1200℃付近の温度下、熱間鍛造により厚さを30mm程度まで加工し、その後、黒皮除去し、酸化膜を除去する。そして、大気中で1000℃から1200℃付近の温度下、熱間圧延によりさらに厚さを4mm程度になるように加工する。
さらに、熱処理された加工物に冷間圧延を施し、厚さを1mm程度の薄板状に加工する。これを、さらに不活性雰囲気で800℃から900℃付近の温度下で約1分程度の時間、焼鈍し、さらに加工物内のひずみや結晶の不安定さ等を取り除く。
表3及び表4から分かるように、実施例1より少ないMnの添加量(wt%)では、GFは従来例とほぼ変わらない数値であった。また、実施例5より大きなMnの添加量(wt%)でも、GFは従来例とほぼ変わらない数値であった。一方、Mnの添加量(wt%)が1.5wt%近傍でGFが最も高い傾向を示した。そのため、Mnの添加量を1.5wt%近傍にすれば、GFを向上させて最適化することができることが分かった。よって、製造時若しくは量産時もMnの添加量を1.5wt%を中心にして当該合金を作製すれば、工程変動による組成ずれが多少あったとしても安定してGFが良好なひずみゲージ用のアイソエラスティック組成物の合金を作製することができる。
また、本発明のFe−Ni−Cr系アイソエラスティック組成物は低コストであるため、当該合金によって製造されるひずみゲージの低コスト化をも可能とする。
さらに、Fe、Ni、Crを主成分としたFe−Ni−Cr系アイソエラスティック組成物を用いているため、耐食性が良く、耐環境性が高く、ひいては耐久性のあるひずみゲージを製造することができる。
Claims (2)
- Fe、Ni及びCrを主成分、Mn、Mo及びSiを副成分としたFe−Ni−Cr系アイソエラスティック組成物において、
前記Mnが、1.3wt%から1.7wt%のいずれかのwt%で添加され、ひずみゲージのゲージ率の値が、3.8〜4.1であることを特徴とするひずみゲージ用のFe−Ni−Cr系アイソエラスティック組成物。 - 請求項1に記載の前記ひずみゲージ用のFe−Ni−Cr系アイソエラスティック組成物より製造されることを特徴とするひずみゲージ。
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