JP6799008B2 - ゲージ率の高い歪みゲージ - Google Patents
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Description
本出願は、２０１５年５月１４日に出願された米国非仮特許出願第１４/７１２，６０２号の優先権を主張する出願であり、本非仮特許出願の内容についてはここに援用するものとする。
本発明は全体としては歪みゲージに関し、具体的には抵抗−歪み感度（ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ−ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）と呼ばれることもあるゲージ率の高い金属抵抗歪みゲージに関する。
金属歪みゲージは、この歪みゲージを取り付けた表面の歪みを検出するために使用するものである。歪み量については、歪みゲージ内の電気回路の電気抵抗の変化に基づいて求める。一般的には、蛇行パターン（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ ｐａｔｔｅｒｎ）を取る金属の薄い箔や金属の薄い導体によって回路を構成する。測定対象の表面が歪むと、歪みゲージが変形し、回路の電気抵抗に変化が生じる。歪みゲージの場合、歪率、抵抗−歪み感度あるいはゲージ率（ＧＦ）をもつといわれている。
このＧＦは、機械的歪みに対する電気抵抗の分数変化率である。このＧＦは以下のように記述できる。
ＧＦ＝（ΔＲ／Ｒ）／ε
式中、ΔＲは歪みゲージによって検出された歪みによって生じる抵抗変化であり、Ｒは歪みのない歪みゲージの抵抗であり、そしてεは歪みである。ＧＦに関する詳細については、ＡＳＴＭ Ｅ２５１に記載がある。
ＧＦ＝（ΔＲ／Ｒ）／ε
式中、ΔＲは歪みゲージによって検出された歪みによって生じる抵抗変化であり、Ｒは歪みのない歪みゲージの抵抗であり、そしてεは歪みである。ＧＦに関する詳細については、ＡＳＴＭ Ｅ２５１に記載がある。
多くの金属抵抗歪みゲージの場合、ＧＦは４を超えることがなく、多くの場合３以下である。用途にもよるが、ＧＦが５以上の金属抵抗歪みゲージが望ましい。ＧＦが高い歪みゲージの作用効果の一部を挙げると、高いＳＮ比および低レベルの歪みを測定できる能力である。
公知の金属抵抗歪みゲージとしては、銅/ニッケル/マンガン（Ｃｕ−４４Ｎｉ−２Ｍｎ）構成のゲージがあり、ＧＦはおよそ２である。また、鉄/ニッケル/クロム（Ｆｅ−３６Ｎｉ−７Ｃｒ）構成のゲージがあり、ＧＦはおよそ３であり、また白金/タングステン（Ｐｔ−８Ｗ）構成のゲージがあり、ＧＦはおよそ４である。ＧＦが約４以上の金属抵抗歪みゲージはまだ利用できていないが、ＧＦが４以上の非金属抵抗歪みゲージについては利用可能である。しかし、これらの歪みゲージには、高い抵抗−温度感度（熱出力）やゲージ毎に代わる非均質的な特性などの欠陥がある。さらに、これら非金属抵抗歪みゲージは脆く、棄損をさけるために注意深く扱う必要がある。
このように、ＧＦが５以上の金属抵抗歪みゲージの需要は高い。
本発明は、ＧＦが少なくとも５以上のゲージ率が高い歪みゲージを提供するものである。このゲージの歪みを感受する金属要素の組成は、重量基準で、およそ６３％〜８４％のＮｉおよびおよそ１６％〜３７％のＦｅを有する。好ましい組成は７５％のＮｉおよび２５％のＦｅ（化学量論的組成）であり、Ｎｉ−Ｆｅ合金のより好ましい組成は、図２に示すＮｉＦｅ相状態図のＬ１２領域に存在する二元Ｎｉ３Ｆｅ組成に対応する。
一部の実施態様の場合、合金化成分は、重量基準で、歪みに感度を示す金属要素の化学組成の約１０％未満の量で存在する。合金化成分については、マンガン、タングステン、モリブデン、クロムおよびこれらの組み合わせからなる群から選択するのが好ましい。
添付図面に本発明の実施態様を示す。
本発明に使用するのが好ましい構成の金属抵抗歪みゲージを示す図である。
本発明に使用するのが好ましいニッケル/鉄合金を示す状態図である。
本発明に使用するのが好ましい面心立方格子構造を示す図である。
図１は、本発明に使用するのが好ましい構成の歪みゲージ１００を示す図である。この歪みゲージ１００は、適宜使用する支持材１０４に蛇行形成した歪みに感度を示す金属要素１０２を有し、そして歪みゲージ１００を電気リード線１０８ａ、１０８ｂの第１端部に電気的に接続する接続パッド１０６ａ、１０６ｂを有する。電気リード線１１０ａ、１１０ｂの第２端部は公知の測定計器に接続する。なお、この測定計器は入力信号を歪みゲージに印加し、歪みゲージ１００に誘導された歪みに対応する歪みゲージからの出力信号を受信する。
ゲージ１００の金属要素１０２はワイヤとして、あるいは箔として構成することができ、所望形状にエッチングするか切断してもよく、あるいは金属を例えば薄膜成膜などによって支持材に成膜してもよい。いずれの場合も、金属要素１０２は、化学組成が重量基準でおよそ６３％〜８４％のＮｉおよびおよそ１６％〜３７％のＦｅを有する金属である。基準化学組成は重量基準で７５％のＮｉおよび２５％のＦｅである（化学量論的組成）。
好適な実施態様の場合、Ｎｉ−Ｆｅ合金は、図２に示すＮｉＦｅ状態図２００のＬ１２領域に存在する二元Ｎｉ３Ｆｅ組成に対応する。図２および図３を参照して説明すると、図２のＬ１２領域２０４は、図３に示すように、ニッケル原子３０２が面位置を占め、そして鉄原子３０４が隅位置を占める面心立方結晶格子３００を構成するＮｉ−Ｆｅ合金である。この合金の強度、磁性、耐腐食性や電気抵抗などの一部の特性については、よく知られている。およそ７０％のＮｉおよび３０％のＦｅを有する市販の合金は、その電気抵抗変化が温度の関数として予測可能であるため、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）に利用されているが、これら合金の場合、電気抵抗歪みゲージの歪みに感度を示す要素として使用することは考慮の対象になっていなかった。
本発明者の研究および実験の結果として、Ｎｉ−Ｆｅ合金が、歪みゲージに使用するのに好ましく、また本発明者以外には知られていなかった、例えば抵抗−歪み感度（即ちＧＦ）などの特性をもつことが見いだされた。また、本発明者は重量基準で７５％のＮｉおよび２５％のＦｅを有する基準組成物が、ＧＦが公知の金属抵抗歪みゲージよりも高い歪みゲージを構成できることも見出した。さらに、本発明者は、図２に示すＬ１２領域２０４内で二元Ｎｉ−Ｆｅ合金が、ゲージ率がより高い（即ちＧＦが５以上）抵抗歪みゲージを構成できることも見出した。
一例として、合金の例えば圧延などの冷間処理を行ってから、アニーリングを行うと、合金のＧＦが５以上になることを見出した。およそ６３％〜８４％のＮｉおよびおよそ１６％〜３７％のＦｅを含有する合金を箔ゲージ構成用として公知な方法を使用して圧延し、箔を形成してから、この箔を６００〜９００°Ｆの温度で１〜１６時間アニーリングすると、公知金属抵抗歪みゲージのＧＦをはるかに凌駕する歪みゲージを構成できた。すべての実施態様で、ＧＦは少なくとも５以上になり、一部の実施態様では、ＧＦは１０〜２０まで高くなった。既に説明したように、本発明の歪みゲージの場合、歪みゲージを構成する公知方法に従って、合金をワイヤに延伸するか、あるいは合金の金属膜蒸着によって構成することができる。
本発明者の研究結果に基づいて、冷間処理およびアニーリングを行うと、合金内にＮｉ原子およびＦｅ原子を配列することが容易になるため、図３に示すように、Ｎｉ原子が面心立方結晶格子の面位置を占め、そしてＦｅ原子が隅位置を占めるという理論を打ち立てることができた。
また、一種かそれ以上の合金化成分を有する三元あるいはこれ以上の合金を１０重量％以上添加すると、別な作用効果が得られることも分かった。一例として、およそ６３重量％〜８４重量％のＮｉおよびおよそ１６重量％〜３７重量％のＦｅを組成とする合金にマンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）あるいはこれらの組み合わせを１０重量％以下の量で添加した状態で、合金を電気抵抗歪みゲージに加工処理すると少なくとも一つ以上の作用効果が得られた。１％〜５％のＭｎ、０．５％〜２％のＷ、１％〜５％のＭｏおよび１％〜５％のＣｒを個々に添加すると、ゲージ率の高い材料への合金の加工処理が改善することも認められた。重ねて述べると、図３に示すように、少なくともいくつかの合金を添加するとＮｉ原子およびＦｅ原子を面心立方格子３００に配列することが容易になるという理論が見出された。
本発明はゲージ率（ＧＦ）が５以上の高い電気抵抗歪みゲージを提供するだけでなく、この歪みゲージのＳＮ比を改善するもので、電気抵抗歪みゲージでは以前難しかった低レベルの歪みを測定できるためさらに有利である。加えて、ゲージ率（ＧＦ）が高いと、実質的に低い印加歪みレベル（ε）でＣｕ−４４Ｎｉ−２Ｍｎなどの従来歪みゲージと同レベルの高い歪みゲージ数抵抗変化率（ΔＲ/Ｒ）を実現できる。このため、ゲージ率の高い歪みゲージを取り付けるトランスデューサのバネ要素をさらに有する測定システムの強靭性および安定性などのいくつかの作用効果も実現できる。
１００：歪みゲージ、ゲージ
１０２：金属要素
１０４：支持材
１０６ａ、１０６ｂ：接続パッド
１０８ａ、１０８ｂ、１１０ａ、１１０ｂ：電気リード線
２００：ＮｉＦｅ状態図
２０４：Ｌ１２領域
３００：面心立方結晶格子、面心立方格子
３０２：ニッケル原子
３０４：鉄原子
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Claims (23)
- 歪みに感度を示す金属要素を有し、この金属要素は化学的組成が重量基準で６３％〜８４％のニッケルおよび１６％〜３７％の鉄であり、前記歪みに感度を示す金属要素の材料はニッケル原子が面位置を占め且つ鉄原子が隅位置を占める面心立方格子の結晶を構成し、そして、少なくともゲージ率５を有する電気抵抗型であることを特徴とする歪みゲージ。
- さらに、前記の歪みに感度を示す金属要素の前記化学的組成の重量基準で１０％未満の量で金属合金化添加物を有する請求項１に記載の歪みゲージ。
- 前記合金化添加物がマンガンである請求項２に記載の歪みゲージ。
- 前記マンガンが重量基準で前記合金の１％〜５％を占める請求項３に記載の歪みゲージ。
- 前記合金化添加物がタングステンである請求項２に記載の歪みゲージ。
- 前記タングステンが重量基準で前記合金の０．５％〜２％を占める請求項５に記載の歪みゲージ。
- 前記合金化添加物がモリブデンである請求項２に記載の歪みゲージ。
- 前記モリブデンが重量基準で前記合金の１％〜５％を占める請求項７に記載の歪みゲージ。
- 前記合金化添加物がクロムである請求項２に記載の歪みゲージ。
- 前記クロムが重量基準で前記合金の１％〜５％を占める請求項９に記載の歪みゲージ。
- 前記の歪みに感度を示す金属要素がワイヤである請求項２に記載の歪みゲージ。
- 前記ワイヤを蛇行パターンで構成した請求項１１に記載の歪みゲージ。
- 前記の歪みに感度を示す金属要素が箔である請求項２に記載の歪みゲージ。
- 前記箔を蛇行パターンで構成した請求項１３に記載の歪みゲージ。
- 前記の歪みに感度を示す金属要素が薄膜である請求項２に記載の歪みゲージ。
- 前記薄膜を蛇行パターンで構成した請求項１５に記載の歪みゲージ。
- 前記の歪みに感度を示す金属要素がワイヤである請求項１に記載の歪みゲージ。
- 前記ワイヤを蛇行パターンで構成した請求項１７に記載の歪みゲージ。
- 前記の歪みに感度を示す金属要素が箔である請求項１に記載の歪みゲージ。
- 前記箔を蛇行パターンで構成した請求項１９に記載の歪みゲージ。
- 前記の歪みに感度を示す金属要素が薄膜である請求項１に記載の歪みゲージ。
- 前記薄膜を蛇行パターンで構成した請求項２１に記載の歪みゲージ。
- 歪みに感度を示す金属要素を有し、この金属要素は化学的組成が重量基準で６３％〜８４％のニッケルおよび１６％〜３７％の鉄であり且つゲージ率が少なくとも５以上であり、そしてさらに合金化添加物を有し、この合金化添加物は前記の歪みに感度を示す金属要素の前記化学的組成の重量基準で１０％を超えない量で存在し且つマンガン、タングステン、モリブデン、クロムおよびこれらの組み合わせからなる群から選択されていることを特徴とする電気抵抗歪みゲージ。
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