JPH0961190A - 薄膜センサーを用いた測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高エンタルピ衝撃風洞試験，その他の使用環
境の激しい各種機械構成要素部材の各種物理量の計測に
おいて、薄膜センサーの特徴を活かし、熱，振動及びデ
ブリに対して強く高精度及び十分な応答性をもって、し
かも確実に出力を取り出す薄膜センサーのリード線取り
出し方法を提供する。 【解決手段】 被測定体表面に形成され電気抵抗の変化
を利用して温度，歪等の各種物理量を計測する薄膜セン
サー１の出力を取り出すに際して、リード線４を被測定
体２に貫設された小径孔３を挿通するとともに同リード
線を同小径孔に固着させること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜センサーを用
いた測定装置及びその製作方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機，宇宙機器等の開発に当たって
は、従来、縮小模型を用いた風洞試験により各種空力特
性の計測を行い、設計データを取得している。その際、
温度の計測に関しては、従来の連続式風洞においては、
通常の熱電対方式が用いられている。しかしながら、ロ
ケット，宇宙往還機等の極超音速領域での試験が必要な
機器の場合には、瞬間的ではあるものの、極超音速の気
流を比較的簡単に得ることができる高エンタルピの衝撃
風洞が用いられている。そのため、瞬間的な気流持続時
間（数１０ミリ秒以下）に対応する短い加熱時間におい
て、十分な応答性と精度で計測が可能な温度センサーが
必要であり、その開発が進められてきている。このよう
な用途に使用されるひずみセンサーにおいては、微小形
状のセンサー形成が可能で熱容量が小さい薄膜方式が有
利であり、検出方式も熱電対方式よりも金属の温度によ
る電気抵抗の変化を検出する方式が応答性の点で有利と
考えられる。なお、上記のような高エンタルピ風洞試験
での温度計測に適した薄膜センサーの構成としては、被
測定体基材に窒化珪素や窒化アルミニウム等のセラミッ
クスを用い、ＰＶＤ法により薄膜センサーを形成する方
法が提案されている（特願平６−２４２６０５号）。従
来、そのような構成の薄膜温度センサーの出力取り出し
方法としては、例えば、ターボチャージャのブレードで
は、図３斜視図に示すように、薄膜センサーから外部に
リード線が取り出せる部位まで被測定体表面を薄膜で配
線する方法が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに被測定体表面を薄膜で配線する方法では、配線が薄
膜で断面積が小さいため配線自体の抵抗値が高くなり、
センサーの抵抗値に比べて無視できなくなる問題が生ず
る。すなわち、物理量を計測したい部位の薄膜センサー
の抵抗値変化の出力に配線部分の抵抗値変化の出力が重
畳してしまい、薄膜センサーの特徴である微小部分の物
理量の高感度計測が困難になる問題が生ずるのである。
さらに、高エンタルピ風洞試験においては、超高速気流
の発生に必要な圧力隔壁の破壊により発生する破片ある
いはピストン部分の摺動により発生する摩耗粉等のいわ
ゆるデブリ（ｄｅｂｒｉｓ）が被測定体表面に高速で衝
突する現象が生ずる。薄膜はそのようなデブリにより損
傷を受ける場合があり、薄膜による配線部分が長ければ
損傷を受ける部分が増え、薄膜センサーの出力取り出し
が不可能になる確率が高くなるという問題が生じてしま
うのである。そこで、本発明者等は、高エンタルピ衝撃
風洞試験及びその他の使用環境の厳しい各種機械構成要
素部材の各種物理量の計測において、適用可能な薄膜セ
ンサーの出力取り出し手段について研究を重ねた結果、
薄膜センサー直下に出力を取り出す方法に着目し、熱，
振動及びデブリ等の外的擾乱に強い薄膜センサーの出力
取り出し手段を創出するに至った。まず、図１に示すよ
うに、薄膜センサー１部分の出力のみをできるだけ高感
度で計測する手段を検討した結果、抵抗値が高くなる薄
膜や極細線での配線を設けないようにするために、薄膜
センサー１の部分の直下の被測定体２の表面に微小な貫
通孔３を設け、この貫通孔３にリード線４を挿入して薄
膜センサーと接続するのである。次に、薄膜センサー１
と貫通孔３に挿入したリード線４との具体的接続手段を
検討した結果、薄膜とリード線との間の薄膜形成に伴う
接合力のみでは、リード線の固着は到底困難であるた
め、あらかじめリード線を該貫通孔に固着させた後に、
薄膜センサーを形成する手段を見出した。その際、該リ
ード線端部を若干被測定体表面から突き出た状態で該貫
通孔に固着させ、その後、研磨仕上げにより被測定体表
面と同一面に仕上げる手段を用いると、リード線端部へ
の薄膜センサーの形成が容易となることを発見した。貫
通孔とリード線との固着手段としては、機械的な方法
と、接合媒体を用いる方法との２通りが知られており、
それぞれ多くの方法が考えられるが、薄膜センサーの使
用環境に適した手段を選択することが重要である。高エ
ンタルピ衝撃風洞の場合には、被測定体基材の種類によ
り状況は異なるが、風洞試験により被測定体表面温度が
数１００℃〜２０００℃程度まで上昇することが判明し
ており（特願平６−２４２６０５号）、また、瞬間的な
機械的衝撃が加わることも知られている。そのような状
況のもとでは、圧入等の機械的な固着手段では熱応力や
衝撃力によるリード線の脱落が発生し、薄膜センサーの
出力取り出しが不可能になる問題が発生しやすい。した
がって、耐熱性を有し、しかも被測定体基材とリード線
の両者との接合性に優れた接合媒体を用いることがより
望ましい。このような用途に適した接合媒体としては、
セラミックス系の耐熱性接着剤，ＩＣ基板に用いられる
導電性のペースト材及びろう材等が考えられるが、高い
接合強度と実用上十分な耐熱性を有するろう付け法がよ
り適している。高エンタルピ衝撃風洞試験に適した構成
として、被測定体基材に窒化珪素を用いる場合（特願平
６−２４２６０５号）には、窒化珪素との接合性，ろう
材の流れ性及び熱膨張係数等を考慮したろう材及びリー
ド線材料を選定する必要がある。そのような観点から、
リード線材料としてモリブデンやタングステンを用い、
ろう材としてＴｉを含む銀ろうを用いることが好適であ
る。

【０００４】本発明はこのような事情及び知見に鑑みて
提案されたもので、高エンタルピ衝撃風洞試験，その他
の使用環境の激しい各種機械構成要素部材の各種物理量
の計測において、薄膜センサーの特徴を活かし、熱，振
動及びデブリに対して強く高精度及び十分な応答性をも
って、しかも確実に出力を取り出す薄膜センサーのリー
ド線取り出し方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、請求項１の発明は、被測定体表面に形成され
電気抵抗の変化により各種物理量を計測する薄膜センサ
ーと、該薄膜センサーの形成面から内部空間へ貫通する
被測定体の小径孔と、該小径孔に挿入され上記薄膜セン
サーの出力端子と接続するとともに該小径孔に接合され
固定されるリード線とよりなることを特徴とする。

【０００６】請求項２の発明は、請求項１において、被
測定体を窒化珪素とし、リード線を熱膨張係数の小さい
材質とし、リード線と小径孔との接合を両者との結合性
の高い材質によるろう付けとすることを特徴とする。

【０００７】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
において、小径孔を貫通させた後リード線を挿入し、リ
ード線の先端が被測定体表面よりも若干突き出た状態で
小径孔と接合して固定し、研磨によりリード線の先端を
被測定体表面と同一面に仕上げた後、薄膜センサーを形
成することを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面につい
て説明すると、図１はその一実施例の部分縦断面図、図
２は図１の温度と電気抵抗との関係を比較例と比較して
示した線図である。

【０００９】まず、図１において、１は窒化珪素を基板
とする被測定体２の被検面２ａに張られたひずみ計測用
の薄膜センサー、３は被測定体２に適宜間隔で貫設され
た前後１対の貫通孔であり、この各貫通孔３にそれぞれ
挿通されたモリブデンリード線の上端がそれぞれ薄膜セ
ンサー１の下面の前後端部に接続されている。５は各貫
通孔３にそれぞれ挿通されたリード線４を貫通孔３に固
着する接合媒体である。

【００１０】このような構造において、被測定体基材の
窒化珪素にそれぞれ貫設された微小な貫通孔３を設け、
モリブデンリード線４をＴｉを含む銀ろうを用いて該貫
通孔３に固着して被測定体部分を配線した回路と薄膜配
線を用いて被測定体部分を配線した回路について同時に
キャリブレーションを行い、抵抗値の温度依存性を比較
評価した。その結果は、図２の実線に示すとおりであ
る。

【００１１】すなわち、図２において、本発明のリード
取り出し方法を用いた実線で示す薄膜温度センサーの出
力特性（実施例１）と、薄膜を用いた破線で示す薄膜温
度センサーの出力特定（比較例１）を比較すると、〇印
に示す室温での抵抗値がすでに両者で異なっている。本
発明を用いた薄膜センサーの回路はほとんど薄膜センサ
ー部分のみの抵抗値を示すのに対し、薄膜配線を用いた
回路では３０％程度高い値を示した。この結果は薄膜配
線部分の抵抗値がセンサーの抵抗値に比べて無視できな
いことを示している。一方、抵抗温度係数（温度による
抵抗の変化割合）は本発明方法の方が大きく、より高感
度，高精度に計測が可能であることを示している。薄膜
センサー自体は同様であるにもかかわらず、薄膜配線を
用いた薄膜センサーの抵抗温度係数が小さい原因は、薄
膜配線部分の抵抗変化が重畳されているからである（薄
膜配線部分は薄膜センサーの計測部分に比較して温度が
低いために抵抗の変化量が小さい）。

【００１２】さらに、この２種類の薄膜センサーをそれ
ぞれ５個同時に用いて、高エンタルピ衝撃風洞による温
度計測試験を計１０回行った。その結果、本発明方法の
出力取り出し方法を適用した薄膜センサーは５個とも、
数％程度の抵抗値の増加はあるものの、１０回の風洞試
験後もセンサー機能を維持していた（実施例２）。しか
しながら、薄膜配線を用いたセンサーでは、風洞試験ご
とに各センサーの抵抗値が連続的に増加し、うち３個の
センサーはそれぞれ５回，７回及び８回の風洞試験後に
抵抗値が無限大となり、センサーとして機能しなくなっ
た。また残りの２個のセンサーも抵抗値が一桁増加し、
計測が困難な状況であった（比較例２）。ちなみに、試
験後の被測定体表面を光学顕微鏡で観察した結果、デブ
リによる微細な損傷が随所に認められ、薄膜配線の損傷
が多く観察された。

【００１３】本発明を上記のような試験により、試験し
た結果、本発明によれば、熱，振動及びデブリ等の外的
擾乱に強い薄膜センサー用のリード線の取り出し部分を
構成することができることが確認できた。すなわち、ま
ず、薄膜センサー直下に微小な貫通孔を設けてリード線
を取り出すことにより、薄膜配線を用いる必要性がなく
なり、薄膜センサー本来の特徴が発揮できるとともに、
耐デブリ性も向上する。また、リード線は該貫通孔に固
着させることにより、薄膜センサーの形成が容易とな
る。該貫通孔とリード線との固着方法としては、使用温
度，雰囲気等の環境により各種方法を選択することが可
能であり、高エンタルピ衝撃風洞用の薄膜センサーの場
合には、接合媒体としてＴｉ入の銀ろうを用いることに
より被測定体基材の窒化珪素と接合させることができ、
一方、リード線材料としては熱膨張係数が小さく、また
銀ろうが流れすぎないモリブデンあるいはタングステン
を用いることにより、リード線を、該貫通孔に固着させ
ることができる。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の薄膜セン
サーを用いた測定装置，その製作方法によれば、特に
熱，振動等の外的擾乱に強いリード取り出し方法である
ことから、高エンタルピ衝撃風洞試験において高感度，
高精度に温度計測を行うことができる。なお、本発明は
その特徴を活かし、航空機エンジン等の各種エンジン，
タービン，ターボチャージャー等使用環境の厳しい各種
機械構成要素部材の計測にも適用することが可能であ
る。

【００１５】要するに請求項１の発明によれば、被測定
体表面に形成され電気抵抗の変化により各種物理量を計
測する薄膜センサーと、該薄膜センサーの形成面から内
部空間へ貫通する被測定体の小径孔と、該小径孔に挿入
され上記薄膜センサーの出力端子と接続するとともに該
小径孔に接合され固定されるリード線とよりなることに
より、高エンタルピ衝撃風洞試験，その他の使用環境の
激しい各種機械構成要素部材の各種物理量の計測におい
て、薄膜センサーの特徴を活かし、熱，振動及びデブリ
に対して強く高感度の計測を可能とする薄膜センサーを
用いた測定装置を得るから、本発明は産業上極めて有益
なものである。

【００１６】請求項２の発明によれば、請求項１におい
て、被測定体を窒化珪素とし、リード線を熱膨張係数の
小さい材質とし、リード線と小径孔との接合を両者との
結合性の高い材質によるろう付けとすることにより、請
求項１の発明による効果を一層高めることができるとと
もに、高温下での測定が可能でかつ振動にも強い薄膜セ
ンサーを用いた測定装置を得るから、本発明は産業上極
めて有益なものである。

【００２０】請求項３の発明によれば、請求項１又は請
求項２において、小径孔を貫通させた後リード線を挿入
し、リード線の先端が被測定体表面よりも若干突き出た
状態で小径孔と接合して固定し、研磨によりリード線の
先端を被測定体表面と同一面に仕上げた後、薄膜センサ
ーを形成することにより、請求項１又は請求項２による
効果を有するほか、リード線先端部への薄膜センサーの
形成作業を容易に行うことができる経済的な薄膜センサ
ーを用いた測定装置の製作方法を得るから、本発明は産
業上極めて有益なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をタービンブレードに適用した一実施例
を示す縦断面図である。

【図２】図１における温度とリードの電気抵抗との関係
を比較例と比較して示す比較線図である。

【図３】従来のターボチャージャーの薄膜センサーのリ
ード取り出し要領を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 薄膜センサー ２ 被測定体 ２ａ 被検面 ３ 貫通孔 ４ リード線 ５ 接合媒体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 直樹 愛知県春日井市神屋町地福1218−18 玉川 エンジニアリング株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定体表面に形成され電気抵抗の変化
   により各種物理量を計測する薄膜センサーと、該薄膜セ
   ンサーの形成面から内部空間へ貫通する被測定体の小径
   孔と、該小径孔に挿入され上記薄膜センサーの出力端子
   と接続するとともに該小径孔に接合され固定されるリー
   ド線とよりなることを特徴とする薄膜センサーを用いた
   測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、被測定体を窒化珪素
   とし、リード線を熱膨張係数の小さい材質とし、リード
   線と小径孔との接合を両者との結合性の高い材質による
   ろう付けとすることを特徴とする薄膜センサーを用いた
   測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２において、小径孔
   を貫通させた後リード線を挿入し、リード線の先端が被
   測定体表面よりも若干突き出た状態で小径孔と接合して
   固定し、研磨によりリード線の先端を被測定体表面と同
   一面に仕上げた後、薄膜センサーを形成することを特徴
   とする測定装置の製作方法。