JPS6026162B2 - 薄膜ひずみ計およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はひずみ計、特に新規な薄膜ひずみ計およびその
製造方法に関するものである。

勤ひずみセンサが機械部品を、特に所定の環境下の使用
状態で検査するのに有効なことはよく知られている。

航空機エンジン圧縮機および蒸気タービン用の翼の発展
に伴って行われる低サイクル疲労およびフラッタ動ひず
み検査のような特定の条件下では、ひずみ計を装置の臨
界部分に配置するので、ひずみ計は高度の酸化、腐食お
よび振動応力の状態にさらされ、許容し得ないような疲
れ破損（ひずみ感知素子および関連する導電性リードへ
の）や初期破損をこうむる。侵食性環境下で使用しても
作動時間の長いひずみ計であれば、検査の遅延やたび重
なるセンサ交換をなくすことができ、検査プログラムの
コストを大きく節減することができる。航空機エンジン
用の圧縮機の翼のような部品にひずみ計を取り付ける現
在普通に採られている方法によれば、小径の、代表的に
は約０．８ミリィンチ径の抵抗線をグリツドパターンに
予備成形し、このグリツド状抵抗線を被測定部品の表面
にプラズマ溶射または火炎溶射アルミナ（虹２０２）に
よって被着する。

このアルミナは、（普通）電気的に接地された下側の部
品表面（基板）からの電気絶縁の作用をなすだけでなく
、ひずみ計を基板と接触状態に保持する「接着」媒体と
しても作用し「従って部品に発生するひずみをグリッド
状抵抗線の抵抗値の変化に直接相関させることができる
。この技術に関連して少なくとも２つの問題点が挙げら
れている。即ち、ひずみ計抵抗線が（所望の測定精度を
得るのに十分な大きな抵抗値をとるために）部品表面上
でかなり大きな面積を占め、また溶射アルミナの厚さが
比較的大きく（厚さ２０ミリィンチのように厚くなる）
「これがため被測定部品の質量、形状および他の本来の
機械的特性を変え、測定精度を低めることになる。さら
に、溶射アルミナ（ＡＩ２０３）コーティングは多孔質
であるので、電流が下側の基板表面の接地電位に漏洩し
、かつ酸化や腐食が促進され、この結果ひずみ計の初期
破損を招くことになる。従って、測定すべき部品に生じ
るひずみを一層高い信頼性および精度で測定し得るのみ
ならず、か）る測定を部品の機械的特性を著しく変える
ことなく行うことができ、さらに耐疲労、侵食および腐
食性を最大にした状態で上記測定を行うこともでき、し
かも現在の場合より小さい装置占有面積にてひずみの測
定を行うことのできるひずみ計が望まれている。本発明
によれば、薄膜ひずみ計を次のようにして製造する。

まず、ひずみを測定すべき部品の表面上に高温絶縁材料
、例えばアルミナまたはホルステラィトの第１フィルム
を数ミクロンの厚さに堆積する。第１絶縁フィルム上に
抵抗体材料を堆積して、実質的に単一方向のみのひずみ
に応答するように配向された抵抗体パターンを形成する
。抵抗体材料は、所望の抵抗体寸法および抵抗値に応じ
て、約２００オングストロークから１ミクロン以上まで
の厚さ範囲の薄膜として堆積する。導電性リードを堆積
して抵抗体パターンへの電流供給を容易に行い得るよう
にする。次に、抵抗体パターン、導電性リードの少なく
とも一部および隣接第１絶縁フィルムの上に、絶縁材料
の腐食・侵食保護層、またはこの第２絶縁フィルムおよ
び金属フィルムの被覆層を堆積して薄膜ひずみ計を完成
する。この薄膜ひずみ計は全厚が約４〜３０ミクロンの
範囲にあり、かくしてひずみ計の全厚、質量および分布
が、ひずみ計を設けた装置の機械的特性に左程影響しな
い利点が得られる。従って、本発明の目的は新規な薄膜
ひずみ計を提供することにある。

本発明の他の目的はこの新規な薄膜ひずみ計の新しい製
造方法を提供することにある。

本発明の上記目的および他の目的を明瞭に示すために、
次に本発明を添付図面に関連してさらに詳細に説明する
。

図面において、本発明の薄膜ひずみ計１０は、測定すべ
き部分または基板、例えばジェットエンジン圧縮機翼１
２の表面１１上に設ける。

ひずみ計１０は１対の導電性リード部材１４ａおよび１
４ｂを有し、これによりひずみ計１０と導体、例えば低
抵抗リード線１５および１６との間に適当な電気接続を
形成し、ひずみ計の抵抗値を読み取り得るようにする。
物品１２上の、ひずみ計１０の設置位置から離れた、ま
たひずみ計の周囲の比較的高い応力、ひずみおよび振動
の作用する部分からも離れた地点で、外部装置（図示せ
ず）を導体１５および１６に接続する。ひずみ計１０は
次のようにして基板表面１１上に形成する。

まず最初、高温絶縁性材料、例えばアルミナ（山２０３
）またはホルステライト（２Ｍｇ○−Ｓｉ０２））など
の第１フィルム２０（第２ａ図）を約２〜６ミクロンの
第１厚さＴ，に堆積する。この高温絶縁フィルムをＲＦ
スパッタリングにより堆積するのが好適であり、このこ
とは、フィルムの化学的蒸着を行い得るかなり高い温度
にさらすのが望ましくない材料（例えばチタン）よりな
るジェットエンジンの圧縮機翼などの部品上にひずみ計
を形成する場合特に好適である。ＲＦ（無線周波数）ス
パッタリングは次の意味でも好適である。即ち、ＲＦス
パッタリングによって堆積したアルミナまたはホルステ
ライトフイルムは、同じ材料をプラズマ溶射または火炎
溶射したフィルムと比較して、明らかに硬くかつ多孔性
が幾分低く、従って層２０を経て通常導電性の基板１２
に電流が漏洩する原因となる多孔費を避けることができ
る。少なくとも１個のひずみ感知部材２１を形成する目
的で、高温絶縁性フィルムの上表面２０ａに抵抗体材料
、例えばニクロム、白金、ＭｏＳｉ、ＣｒＳｉなどの薄
膜を堆積する。

この抵抗体材料は、ＲＦスパッタリングまたは真空蒸着
により堆積し、マスキング技術により成形するか、また
は連続フィルムとして堆積した後フオトェッチング、レ
ーザー加工などの方法を用いて所望の抵抗体パターンに
形成することができる。抵抗体フィルムの厚さＴ２は、
所望の抵抗値と、ひずみ計を堆積形成するのに利用可能
な基板の面積により規定される抵抗体パターンの物理的
寸法とに依存し、約２００オングストロームから１ミク
ロン以上までの範囲とする。具体的に説明すると、第１
図に示すジェットエンジンの圧縮機翼の例では、ひずみ
計１０は、この翼の頂部１２ａおよび基部１２ｂ間の矢
印Ａの方向における振動ひずみを監視する目的で設けら
れ、１対の平行な抵抗体部材２１ａおよび２１ｂをその
延長方向が測定すべきひずみの方向、例えば矢印Ａと平
行な方向に一致するように配置して構成する。図示例で
は、抵抗体部材の縦横比、即ち長さＬ対幅Ｗの比を約１
／８インチ：４ミルから約１／４インチ：４ミル程度と
し、抵抗体部材が実質的にその延長（長さ）方向のみの
ひずみに応答するようにしている。上記寸法は多数の採
用可能な縦横比の一例にすぎず、本発明の原理を逸脱せ
ぬ範囲内で、特定の用途に応じて設置するひずみ計に適
当な特定の組合せの寸法が決められることは勿論である
。また、少なくとも１個の抵抗体部村２１のそれぞれの
厚さＴ２は、抵抗体部材を同一源から絶縁層２０上に均
一に堆積させるので、実質的に一定であり、さらに抵抗
率（Ｒオーム／単位平方）はこの厚さのみに依存するの
で、縦横比を適切に選択することにより設計抵抗値を任
意に選択することができる。少なくとも１個の抵抗体部
材２１を堆積した後、導電性リード形成材料、例えばニ
ッケル、金などの層を絶縁層の表面２０ａ上に、マスク
を介するか、または連続フィルムとして設けた後前述し
たフオトェツチング、レーザー加工などの方法でパター
ン化するかのいずれかにより堆積し、それぞれ抵抗体パ
ターンの一端部２２ａまたは２２ｂと電気接続した少な
くとも１対のパッド１４ａおよび１４ｂを形成する。１
個またはそれ以上の抵抗体部材２１に与えた特定の形状
に従って、直列接続用導電性パターン２５を設けて複数
個の抵抗体部材の反対側端部を所望の電気的パターン状
に結合することが必要である。

このことは、図示例の場合のように、２個以上の抵抗体
部材の近接端部から２つのひずみ計接続点（パッド１４
ａおよび１４ｂ）を引出すのが望ましく、従って反対側
端部２３ａおよび２３ｂを各々これらに電気接続された
導電路２５により互に直列接続しなければならない場合
に特に好適である。パッド２５は部材２１ａおよび２１
ｂと一体的に堆積される抵抗体材料により同時に形成す
ることができる。但し、このパッド部分２５の表面積が
十分に大きく（縦横比が低く）、（抵抗体部材の端部２
３ａおよび２３ｂ間の）部分２５の抵抗が、これにより
接続される各抵抗体部材の抵抗と較べて著しく小さいも
のとする。この設計基準により、好適方向（抵抗体部村
の長さＬの方向）を横切る方向のひずみが全検知器抵抗
を大きく変化させるのを防止することができ、かくして
実質的に検知器延在方向のひずみのみへの応答を維持す
る。都合の良いことに、平行な比較的高抵抗の部材２１
１を複数個用いる場合、上記の必要が増大する。その理
由は、ひずみに応答する抵抗値の全変化が各抵抗体部材
における変化の和となるからである。所望の抵抗体パタ
−ン、その導電性リードおよび相互接続部を絶縁基層２
０の上表面２０ａの上に堆積した（第２図）後、同じく
好ましくはアルミナまたはホルステライトのＲＦスパッ
タリングによって第２フィルム３０（侵食・腐食保護を
確実にする）を、上記上表面２０ａの一部にこれと結合
するように堆積し、かくして少なくとも１個の抵抗体部
材２１、これらと共に用いられる導電性相互接続部２５
、およびパッド１４と抵抗体パターンとの接続部付近の
領域に位置する導電性リード接続パッド１４の少なくと
も一部の三者すべてを完全に被覆する。

保護フィルム３０は約２ミクロンのような薄い厚さＬに
堆積することができる。か）る比較的薄い保護層３０は
その表面３０ａが、下側に位置するひずみ計部分に比較
的に順応して被覆するようになり、また表面３０ａが多
少波状であるので翼表面１１を通過する空気流を乱す恐
れがある。フィルム３０を比較的厚く堆積すれば、堆積
分子が平行な抵抗体部材間の溝３１のような形状の部分
を充填するとともに、下側に位置するパターンの境界の
斜面３２をなだらかにするので、保護層の表面を滑らか
にすることができる。本発明者らは、アルミナおよびホ
ルステラィトをＲＦスパッタリングしたフィルムが侵食
性雰囲気中で用いる場合に表面３０ａの腐食または欠け
落ちを防ぎ得る見掛け硬さおよび相対的平滑さを有する
ことを確かめた。

特に侵食性の雰囲気の場合には、金属材料、例えばニッ
ケル、クローム、ニッケル−白金などの頂部保護フィル
ム３５を、保護フィルム表面３０ａ上に２ミクロン〜５
ミクロンの範囲の厚さに堆積し、侵食および腐食に対す
る保護を二重にするのがよい。薄膜ひずみ計およびひず
みを測定すべき物品の表面にひずみ計を形成する方法に
ついて説明したが、この薄膜ひずみ計は寸法（合計厚さ
が約４ミクロン〜約１．５ミリインチの範囲内に入る）
および質量が極めて小さく、従って部品の空気力学的特
性および他の機械的特性は相対的に変らず、しかも酸化
、腐食、侵食などに帰因するひずみ計の早期破損を防ぐ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って薄膜ひずみ計を形成したジェッ
トエンジンの圧縮機翼の斜視図、第２ａ図は被測定部品
およびこの上に形成途中の薄膜ひずみ計の一部の斜視図
、および第か図は完成した薄膜ひずみ計の斜視図である
。 １０・・・・・・ひずみ計、１１・・…・物品表面、１
２・・・…翼（物品）、１４ａ，１４ｂ……導電性パッ
ド、１５，１６・・・・・・導体、２０・・・・・・第
１絶縁フィルム、２１ａ，２１ｂ・・・・・・抵抗体部
村、２５・．．・．・相互接続パッド、３０・・・・・
・第２絶縁フィルム、３５．…・・保護フィルム。 ク後ノ タ警抜 Ｊ後孫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物品の表面上に、アルミナおよびホステライトより
   なる群から選択された絶縁材料の第１フイルムを第１厚
   さまでＲＦパツタリングにより形成し、 ひずみ感知抵
   抗体材料を、ニクロム、白金、珪化モリブデンおよび珪
   化クロムよりなる材料群から選択し、 前記第１絶縁フ
   イルムの前記物品の表面とは反対側の表面上に前記ひず
   み感知抵抗対材料のパターンを形成し、 前記第１絶縁
   フイルムの表面上で前記パターンと略同一平面に、該パ
   ターンの抵抗値の値を確認するために該パターンに直接
   に電気接続する導電手段を形成し、 さらに、前記選択
   された絶縁材料の第２フイルムを、前記パターンの全部
   と、前記導電手段の少なくとも一部と、前記第１絶縁フ
   イルムの隣接領域とに直接に接触してこれらを被覆する
   ように形成する。 ことよりなる物品の表面に薄膜抵抗体ひずみ計を製造す
   る方法。２ 耐侵食性金属材料を、ニツケル、クロムお
   よびニツケル−白金よりなる群から選択し、 前記第２
   絶縁フイルムの前記物品の表面とは反対側の表面上に前
   記選択された耐侵食性金属材料の保護フイルムを形成す
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記第１絶縁層を約２〜６ミクロンの厚さに堆積す
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 前記第２絶縁層を約２〜６ミクロンの厚さに堆積す
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５ 前記ひずみ感知抵抗体材料のパターンを、少なくと
   も２００オングストロームの厚さに堆積する特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ６ 前記抵抗体材料のパターンをＲＦスパツタリングに
   より形成する特許請求の範囲第５項記載の方法。 ７ 前記抵抗体材料のパターンを真空蒸着により形成す
   る特許請求の範囲第５項記載の方法。 ８ 物品の表面上に直接にＲＦスパツタリングにより堆
   積された、アルミナ（Ａｌ＿２Ｏ＿２）又はホルステラ
   イト（２ＭｇＯ−ＳｉＯ＿２）のいずれかからなる絶縁
   材料の第１フイルムと、 前記第１絶縁フイルムの前記
   物品の表面とは反対側の表面上に直接に形成され、ニク
   ロム、白金、珪化モリブデンおよび珪化クロムよりなる
   群から選択された材料からなる抵抗体ひずみ感知材料の
   少なくとも１個の部材と、 前記第１絶縁フイルムの表
   面上で前記少なくとも１個の部材と略同一平面に形成さ
   れ、該少なくとも１個の部材に電気的に結合してその抵
   抗値の値を確認するための第１手段と、 前記少なくと
   も１個の部材と、前記第１手段の一部と、前記第１絶縁
   フイルムの表面の隣接部分とにわたつて直接その上にＲ
   Ｆスパツタリングにより堆積され、前記第１絶縁フイル
   ムとあいまつて該少なくとも１個の部材および該第１手
   段の一部を包み込む前記絶縁材料の第２フイルムとを含
   む、物品の表面に使用する薄膜ひずみ計。 ９ 前記第１フイルムが約２〜６ミクロンの厚さを有す
   る特許請求の範囲第８項記載のひずみ計。 １０ 前記第２フイルムが約２〜６ミクロンの厚さを有
   する特許請求の範囲第８項記載のひずみ計。 １１ 前記少なくとも１個の部材が少なくとも２００オ
   ングストロームのほぼ均一な厚さに形成された特許請求
   の範囲第８項記載のひずみ計。 １２ 前記少なくとも１個部材が実質的に単一方向のみ
   のひずみに応答するよう成形および配向された特許請求
   の範囲第８項記載のひずみ計。 １３ 抵抗体部材を複数個設け、各部材を細長くすると
   ともにすべての部材の延長方向を互に平行に配置し、さ
   らにこれら複数個の部材を互に一緒にして所望のパター
   ンにし且つ前記第１手段に導電接続する第２手段を設け
   た特許請求の範囲第８項記載のひずみ計。 １４ 前記部材、前記第１手段および前記第２手段がす
   べてほぼ同一の厚さを有する特許請求の範囲第１３項記
   載のひずみ計。 １５ 前記第２絶縁フイルムの前記物品表面とは反対側
   の表面上に金属材料の保護フイルムを形成した特許請求
   の範囲第１５項記載のひずみ計。 １６ 前記保護フイルムが約２〜５ミクロンの厚さを有
   する特許請求の範囲第１５項記載のひずみ計。 １７ 前記金属材料がニツケル、クロムおよびニツケル
   一白金よりなる群から選択される特許請求の範囲第１６
   項記載のひずみ計。