JPH0320682B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、歪変化量測定装置に係る。より具体
的には、本発明は最良の先行技術装置よりも遥か
に廉価でありながら、より正確に歪変化量の測定
を行い得る装置に係る。本発明は、測定分野、特
に電子計量分野に於いて数多く適用される。

ひずみゲージを得るための既存の最良の方法で
は、ポリイミド薄膜層が使用され、該薄膜層に
は、ニツケル、クロム、或いは銅等を主成分とす
る抵抗物質の超薄膜層（約5μm）が積層される。

抵抗コーテイングは、好ましい値と形状をもつ
抵抗体を得るべく細片化されており、続いてゲー
ジは接着により試験体に直接接続される。

このようなゲージにより極めて正確な測定（最
大有効測定範囲10^-4）が可能であるが、その製造
は複雑で困難である。従つて、超薄膜層の取り扱
い及び接着も容易ではなく、5μmの厚さのシート
ですら製造するのは非常に困難である。従つて、
該ゲージは非常に高価であり、大量生産されるセ
ンサ中にこれを使用することは難しい。

他の方法としては、絶縁層次いで抵抗層を真空
蒸着することにより、試験体上にゲージを直接形
成する。非常に薄い鉱物絶縁体を使用することに
より極めて良好な安定性と良好な測定特性とを有
するセンサが得られるが、この方法には不都合も
ある。蒸着が行われる試験体の表面は、絶縁体中
に孔部を形成しないように、入念に研磨されなけ
ればならない。

他方、使用される機械の出力が単位時間当たり
の単位面積あたりに対して示されるので、センサ
の費用は該センサが配置される試験体の面積に比
例し、その面積は、機械的強度の関係で比較的大
であることが多い。また、試験体は化学生成物と
熱処理との両者に対して鋭敏であるため製造工程
は非常に複雑になりその費用は莫大なものにな
る。

更に、第３番目の方法では、ゲージ用サポート
として単結晶シリコンシートを使用し、該シート
中には、集積回路に於けると同様にドーピング剤
の拡散によつて抵抗体が形成される。この方法
は、大量生産が可能であるが、現状では、温度変
化に対するシリコンの感度により有効測定範囲
10^-2以上の精度を得ることは不可能である。

本発明の目的は、ひずみゲージを改良すること
によつて上述の問題点を排除し、正確な測定が可
能となり、かつ大規模で廉価な製造が可能となる
歪変化量測定装置を提供することにある。

本発明によれば前記目的は、厚さが60から
400μmであり、一方の面が試験体の圧縮応力面に
固定されるべき薄膜のガラスプレートと、金属又
は金属合金のいずれか一方から形成され、歪変化
量を測定すべく前記ガラスプレートの前記一方の
面に対向する他方の面に固定された超薄型の抵抗
コーテイングとを含む歪変化量測定装置によつて
達成される。

本発明の歪変化量測定装置においては、ガラス
プレートの厚さが60から400μmであるが故に、試
験体へ該ガラスプレートを固定する時の取扱いを
容易とし得、試験体が応力を受けたときに抵抗コ
ーテイングが測定し得る試験体を歪変化を抵抗コ
ーテイングが固定された該ガラスプレートの部位
に確実に生起し得、歪変化量を測定する抵抗コー
テイングが金属又は金属合金のいずれか一方から
形成されかつ超薄型なので、パターンのエツチン
グ時におけるゲージの抵抗の鮮明度を向上し得、
さらに単位長当りの抵抗を高くし得、ゲージの構
造をより単純化し得、高精度に歪変化量を測定し
得る。

薄膜のガラスプレートの弾力性は既知であり、
該ガラスプレートをゲージ用のサポートとして特
に圧力測定用に使用するという着想は新規なもの
でない。しかし乍ら、これは、変形がさほど大き
くない場合に限定されている。何故ならば、サポ
ートが変形する時その一部には引張り応力が加え
られ、ガラスの引張り力による破壊限界は圧縮力
による場合より約８倍も劣るからである。

これに対して本発明では、薄膜のガラスプレー
トがゲージ用サポートとしてのみ使用され、ガラ
スプレートは、試験体の圧縮応力面に固定され
る。ガラスプレートは、プレート全体に圧縮力を
受け、８倍の感度で圧縮応力を測定することがで
きる。

本発明は、非限定的な実施例及び添付図面を参
照して以下に詳述される。

第１図は、例えば鋼製プレートの形態の試験体
１を示し該試験体１の一端２は、壁部３に固定さ
れ、他端４は自由端である。被測定量（例えば
力）の作用下で、試験体１は変形し、その一方の
面５は引張り応力面、他方の面６は圧縮応力面で
ある。面６は、抵抗コーテイング８を含むひずみ
ゲージ７を担持する。この場合、抵抗コーテイン
グ８は薄膜のガラスプレート９上に蒸着されてい
る。ガラスプレート９は、シール層１０を介して
試験体に接着される。ゲージ７は、一群の接続線
１１により増幅器（図示せず）に接続される。

ゲージ７は本質的に既知のいずれかの方法、特
にガラスプレート上へ抵抗材を真空蒸着すなわち
噴霧法もしくは、蒸着法により製造し得る。

多数の抵抗材が使用可能であり、特にニツケル
−クロム、クロム−二酸化ケイ素、プラチナ、タ
ンタル等を主成分とする金属もしくは金属合金の
うちのいずれか一方が使用され得、真空蒸着工程
によれば50から500nmの範囲の超薄型の抵抗コー
テイング８の形成が可能となる。従つて、金属が
著しく節約され、コーテイングが薄い程パターン
のエツチング時に於けるゲージの抵抗の鮮明度は
より良くなる。

超薄型の抵抗コーテイング８を使用することに
より更に単位長さ当たりの高い抵抗もしくは強度
が得られ、ゲージ７の構造が単純化する。

ゲージ７の形状は第２図の斜視図に示される。
ガラスプレート９上に蒸着された抵抗コーテイン
グ８は、正方形に配置された４個の相等しい金属
ストリツプ１２，１３，１４，１５から構成さ
れ、該正方形は試験体１の長手方向軸XX′に関し
て対称形である。金属ストリツプ１３及び１４は
試験体１の軸に平行であり、ストリツプ１２及び
１５は垂直である。正方形の頂点には４個の接点
Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤが配置される。金属ストリツプ
１２，１３，１４，１５はAC間に電力を供給さ
れるホイートストンブリツジの４個の抵抗を構成
し、他方出力電圧は、BD間で測定される。こう
して形成された完全なブリツジは約5nm平方であ
るため、ゲージ７の寸法は非常に小さい。

試験体１が被測定量の作用下で撓曲する時、即
ち、試験体１の軸が変形してガラスプレート９が
圧縮応力を受ける時、ストリツプ１３及び１４も
また圧縮応力をうける。その抵抗は変化し、従つ
て試験本体の変形に比例するホイートストンブリ
ツジの不均衡が生じる。

更に、驚くべきことにストリツプ１２及び１５
はやや引張り応力をうける現象が見られ、従つて
ブリツジの不均衡が強調されると共に装置の感度
が増す。

超薄型の金属ストリツプ（例えば厚さ150nm）
を使用する場合、それによつて得られる金属の節
約とゲージ構造の超単純化とにより装置のコスト
が縮減され得る。また、ブリツジの各抵抗素子は
引張り応力と圧縮応力のいずれをうける場合にも
すべての点で同一方向に変形し、その結果センサ
の最大理論感度が得られる。この点は、抵抗体１
の一部が相反する方向に変形されるように設計さ
れる先行技術方法に較べて格段の進歩である。

ガラスプレート９の厚さは試験体１の変形を損
なわせないように十分小であるが、過度の困難な
しにゲージを操作できるよう十分大である。良好
な結果は、ガラスの厚さが60から400μm、好まし
くは約150μmの時に得られた。

ガラスプレート９は、既知のいずれかの手段に
より例えば、メチル−２−シクロアクリレートを
主成分とする速乾接着剤もしくは２成分を有する
エポキサイドを使用し、スクリーン印刷し得るよ
うなシールガラスを使用することにより、或いは
溶着によつて試験本体に接着され得る。

抵抗コーテイング８と反対側のガラスプレート
９の面に固定されると共に試験体１に溶接された
溶着層を介して固定を行うこともまた可能であ
る。

本実施例に従う装置は、多くの利点を有し、特
に極めて廉価で得られるものである。これはガラ
スプレート９が非常に経済的（センサ当たり約
0.01フラン）な基板を構成し、集中処理による自
動化大量生産が可能であるという事実、及び抵抗
材が迅速かつすみやかに再生産可能な工程により
超薄型の抵抗コーテイング８の形で形成されるた
め金属消費量が著しく低減されるという事実に依
るものである。抵抗材の選択範囲は非常に広く、
真空蒸着により抵抗材とガラス間にすぐれた結合
が得られる。更に、サポートは十分剛性であるた
め接着処理が容易である。また、装置の生産工程
は、使用されるサポートに無関係である。

上記記載のセンサの測定性能レベルは薄型パタ
ーンに依る既存の最良のゲージに匹敵する。即ち
精度は約10^-3から10^-4の有効測定範囲であり、測
定信号は比較可能な振幅を有する。従来型のゲー
ジの信号は既に非常に弱く接続される増幅器の価
格に本質的に影響するので、前記の点は非常に重
要である。感度を更に縮小させるならば、電子機
器の費用は殆んどの適用に相容れないものとなろ
う。

自明のことではあるが、本発明は、上記記載の
実施例に限定されず、本発明の領域を逸すること
なく多数の応用が可能である。例えば、数個のゲ
ージを同一のガラスプレート上に配置することが
でき、或いはそれぞれ１個以上のゲージを有する
数個のガラスプレートを使用することが可能であ
る。

抵抗コーテイングの性質については、他の抵抗
層例えば、著しく高感度であると同時に変形特性
も顕著であるとして公知の超微細金コーテイング
（厚さ５mm未満）或いはビスマスコーテイングが
使用され得る。抵抗コーテイング以外のコーテイ
ング、例えばトランジスタ型の活性成分が形成れ
るときのような半導体コーテイング等を使用する
こともまた可能である。更にコンデンサの製造に
使用する誘電コーテイングを使用してもよい。応
力によつて決定される透過性を有する磁気ひずみ
材を使用してもよい。

本実施例に従うガラスプレートを使用する利点
は、該装置の製造方法と首尾よく両立しうるとい
う点である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う装置の実施例の略断面
図、及び第２図は、第１図の装置の拡大平面図で
ある。 １……試験体、６……圧縮応力面、８……抵抗
コーテイング、９……ガラスプレート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 厚さが60から400μmであり、一方の面が試験
   体の圧縮応力面に固定されるべき薄膜のガラスプ
   レートと、金属又は金属合金のいずれか一方から
   形成され、歪変化量を測定すべく前記ガラスプレ
   ートの前記一方の面に対向する他方の面に固定さ
   れた超薄型の抵抗コーテイングとを含む歪変化量
   測定装置。 ２ 前記ガラスプレートの厚さが、100から
   250μmである特許請求の範囲第１項に記載の装
   置。 ３ 前記ガラスプレートの厚さが、約150μmであ
   る特許請求の範囲第２項に記載の装置。 ４ 前記抵抗コーテイングが、噴霧又は蒸着法の
   いずれか一方によつて真空蒸着される特許請求の
   範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の装
   置。 ５ 前記抵抗コーテイングが、正方形の４辺を形
   成するように配置された４つの相等しい金属スト
   リツプを含む特許請求の範囲第１項から第４項の
   いずれか一項に記載の装置。 ６ 前記ガラスプレートが、前記試験体の前記圧
   縮応力面に接着によつて固定される特許請求の範
   囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の装
   置。 ７ 前記ガラスプレートが、前記試験体の前記圧
   縮応力面に溶着層によつて固定される特許請求の
   範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の装
   置。