JPS6110706A - 高温用ひずみゲ−ジ式変換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）　　技術分野 本発明は、高温下（例えば３００〜６００℃）で被測定
対象に作用する荷重、圧力、回転力、加速度等の物理量
をひずみゲージにより電気量に変換して検出する方式の
高温用ひずみゲージ式変換器およびその製造方法に関す
るものである。

（ｂ）　　従来技術 この種のひずみゲージ式変換器としては、従来より種々
の物理量１例えば荷重、圧力、回転力、加速度等を電気
量（電気信号）に変換する荷重変換器、圧力変換器、ト
ルク変換器、加速度変換器等が広く使用されている。

このような従来のひずみゲージ式変換器は、被測定対象
に作用する物理的力を受けその力に応じた変形をする起
歪体と、この起歪体に添着され該変形に応じた抵抗値変
化を示すひずみゲージと、このひずみゲージの電気信号
出力を外部計測器に伝達するケーブルとを主要構成部材
として構成されている。このうち、起歪体は、一般にニ
ッケルークロム鋼、ニッケルークロム−モリブデン鋼、
等が用いられており、この起歪体上に有機系素材である
絶縁材料、例えばポリイミド、フェノール、エポキシ、
ポリエステル、シリコン樹脂等をベースとするひずみゲ
ージが、上記絶縁材料と同様な有機系素材よりなる接着
剤により接着されている。そして、上記ひずみゲージの
電気信号を外部に導出するためのケーブルは、例えば銅
線の周囲に塩化ビニール、合成ゴム、テフロン、または
ポリエチレン等により被覆されたものが使用されている
。

このように構成された従来のひずみゲージ式変換器は、
種々の理由により使用可能な温度範囲、特に温度の上限
が制限されている。その温度の上限は、起歪体、ひずみ
ゲージ、接着剤により決定される。特に、その中でもひ
ずみゲージのベース材（絶縁材）および接着剤は、上述
したように、有機系素材よりなっているため、最高使用
温度が４００℃を越えると、有機物が破壊されて炭化し
被測定対象から抵抗素子としてのひずみゲージへ伝達す
る機能が失われてしまうほか、ひずみゲージの絶縁抵抗
も低下してしまうという問題があった。さらに、これら
の有機系素材は、例えば３５０〜４００℃において、ガ
ラス転移、熱変態等を起し、その特性を変えてしまい、
ひずみゲージにクリープやドリフトを生じさせる原因と
なっていた。

さらに、ひずみゲージの出カケープルは、上述したよう
に可燃性素材が用いられていたため。

高温下においては使用不可能であった。

さらにまた、起歪体も従来用いられていたものの中には
、高温に晒されると、酸化を起しトリプトを生じさせる
原因となるものがあった６従って、従来の変換器は、こ
れら構成部材によりその使用可能な温度範囲が制限され
ており、特に高温での使用は不可能であった。

ところで、このような高温下において使用するここので
きるひずみゲージ式変換器として。

例えば溶射型高温ゲージ（別名、フリーフィラメント型
ひずみゲージ）を添着したものが知られている。この溶
射型高温ゲージは、高純度の酸化アルミ棒に火炎を吹付
けて被接着面にワイヤゲージを先ず部分的に溶射して仮
止めし、次にゲージの保護ベースを剥離し、再び火炎放
射器により酸化アルミニウムを吹付はゲージエレメント
およびゲージリードを完全に覆ってなるものである。こ
のようにして構成された溶射型変換器は、熱的および機
械的ショックに対する抵抗、伸び限界、電気絶縁抵抗な
どによい特性が得られ、特に放射能および液体酸素にも
十分耐えるとされている。しかしながら、この溶射型ひ
ずみゲージを用いた変換器は、起歪部が薄い場合は溶射
時に起歪部への悪影響が考えられ、また、狭隘で奥行き
の深い凹部に起歪部が形成されているような変換器では
火炎放射器が使用できないため製作可能な範囲が極めて
制限されるという難点があった。

その他従来においては、接着型高温ゲージおよび溶接型
高温ゲージと称されるものが使用されているが、前者の
型のものは剥離あるいは割れの発生、高温での絶縁の低
下等の問題があり、また後者の型のものは起歪部が薄い
場合では溶接が不可能であり、溶接箇所の残留ひずみが
測定値に影響を与える虞れがあり、さらには非金属を起
歪部とした場合は取付けることが出来ない。

（ｃ）　　目的 本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みなされたも
ので、その目的とするところは、各種の変換器に容易に
適用でき、例えば、３００〜６００℃の高温下における
被測定対象の物理的変状を高感度でしかも精度よく検出
し得る高温用ひずみゲージ式変換器およびその製造方法
を提供することにある。

（ｄ）　　構成 本発明に係る高温用ひずみゲージ式変換器（以下第１の
発明ともいう）は、耐熱性を有する金属よりなり前記被
測定対象から物理的力を受けその力に応じて変形する起
歪体の起歪部上に少なくとも炭素を含有しない無機系素
材よりなる接着剤により絶縁被膜層が形成され、前記絶
縁被膜層上に耐熱性を有する金属抵抗素子よりなり前記
起歪部の変形に応じて抵抗値を変化するひずみゲージが
前記接着剤により接着され、前記絶縁被膜層上に少なく
とも前記ひずみゲージを完全に覆うように前記接着剤に
より保護被膜層が形成され、前記ひずみゲージにより変
換された電気信号を前記変換器外部に導出する耐熱ケー
ブルが該変換器内部から該変換器外部に延設されてなる
ことを特徴としており、さらに、本発明に係る高温用ひ
ずみゲージ式変換器の製造方法（以下第２の発明ともい
う）は、耐熱性を有する金属よりなる起歪体の一部に前
記被測定対象からの物理的力を受けその力に応じて変形
する起歪部を形成し、この起歪部上にセラミック接着剤
により未焼成の第１のセラミック層を形成しご例えばニ
トロセルロースの如き焼失可能な有機物よりなるフィル
ムをベースとして添着支持されてなるひずみゲージを前
記接着剤により前記未焼成の第１セラミック層上に添着
しＳその後高温加熱して前記ニトロセルロースフィルム
を焼失除去し、しかる後第１セラミック層上に少なくと
も前記ひずみゲージを完全に覆うように未焼成の第２セ
ラミック層を形成し、その後焼成処理を施すことを特徴
としており、このような構成とすることによって上記目
的を達成することができる。

以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて詳述する
。

第１図は、本発明の一実施例である荷重変換器の構成を
示す断面図である。

同図において、■は変換器のケース、２はこのケース１
内に基端（図においては下端）が固着または一体とされ
先端の頭部がケース１より突出した起歪体で、この場合
円柱状に形成されている。起歪体２頭部に被測定対象物
からの荷重が負荷されたとき、起歪体２の略中央部の起
・歪部２ａに最も大きなひずみを生ずる。この起歪部２
ａには、ひずみを検出す゛るためのひずみゲージ３ａ　
、３ｂ　、３ｃ　、３ｄが後述（第２図示）する方法に
よって添着されている。これらのひずみゲージ３ａ〜３
ｄは、ケース１の内壁および起歪体２の側周とケースｌ
の内周壁間に張り渡されたダイヤフラム４とにより形成
される密閉室内に収納され、外界と隔絶されている。

これによってひずみゲージ３８〜３ｄの防湿が図られる
。ひずみゲージ３８〜３ｄの各入出力端は、リード線５
を介してケース１の側周壁に外部より嵌入固定されまた
は一体化された端子箱６の所定端子に接続されている。

この端子箱６には、ひずみゲージ３の出力信号を外部の
、例えばひずみ測定器に伝達するための耐熱ケーブル７
が接続されている。

このような構成よりなる荷重変換器のうち起歪体２の材
質としては、通常の変換器に要求されるもののほか、特
に高温下における応力の経時変化が少なく、酸化による
腐食等を起こさない等の条件が付されるが、そのような
耐熱材として、例えばニッケル合金であるハステロイ、
インコーネルＸ（いずれも商品名）等が好適である。抵
抗素子としてのひずみゲージ３（＝３ａ〜、３ｄ）は、
箔ゲージまたはワイヤゲージが用いられ、その材質とし
て、例えばＮ　ｉ　−Ｃｒ　。

Ｐｔ　、Ｆｅ　−Ｃｒ　、Ｐｔ−Ｗ、Ｆｅ　−Ｎｉ−Ｃ
ｒ等の耐熱性を有する合金が使用される。このひずみゲ
ージ３を起歪部２ａに接着するための接着剤としては、
ＡｆｌｚＯｓ、Ｓｉ○、ＳｉＯ２゜ＭｇＯ、ＴｉＯ２等
容々を主成分としたリン酸系またはケイ酸ソーダ系の無
機系接着剤であるセラミック接着剤が使用される。ひず
みゲージ３とリード線５とは、ゲージリード９を介して
接続され、リード線５は端子箱６にて耐熱ケーブル７と
接続され、この耐熱ケーブル７は外部に引き出されてい
る。この耐熱ケーブル７としては、例えばＭＩケーブル
（ＭｉｎｅｒａｌＩｎｓｕｌａｔｅｄ　　Ｃａｂｌｅの
略称）と称されるものが使用される。このＭＩケーブル
は。

碍子管（シース）の中に酸化マグネシウムの粉を詰め、
その中に銅線等を挿通させたものであり、耐熱性に優れ
ている。

次に、起歪部２ａにおけるひずみゲージ３の添着方法を
第２図に基づき説明する。

先ず、起歪部２ａ上に上述したセラミック接着剤を薄く
塗布し未焼成の第１セラミック層８ａを形成し、これを
絶縁被膜層とする。このセラミック接着剤による絶縁被
膜層は、この上に直接添着されるひずみゲージ３のベー
ス材としての機能、すなわち起歪部２ａのひずみをひず
みゲージ３に伝達する機能およびひずみゲージ３を起歪
部２ａから電気的に絶縁する機能を担う。添着前のひず
みゲージ３は、一般に保護用ベース上にゲージのフィラ
メント（グリッド）が粘着剤で固定されている。本実施
例では、このようなワイヤゲージを使用する代りに箔ゲ
ージが使用されている。

ここで、箔ゲージの形成の手順について説明する。

先ず、例えばガラス板等のような平板の上に。

水を薄く張り、その上に箔を展張する。次に、この箔の
上から溶剤を含んで流動状をなしているニトロセルロー
スを薄く均一に塗布する（この場合ニトロセルロースを
箔の上に滴下した後、遠心分離機にかけることによって
薄膜を形成してもよい）６自然放置状態でニトロセルロ
ースを固化させると、箔と一体化されたベースが形成さ
れる。平板より箔をニトロセルロースのベースと共に剥
離し、フォトエツチングにより箔をエツチングして所定
のグリッドパターンを形成しひずみゲージ３を得る。

このようにして形成されたひずみゲージ（箔）３を、未
焼成の第１セラミック層８ａよりなる絶縁被膜層の上に
、上記セラミック接着剤をもって添着する。その後、ひ
ずみゲージ３上のニトロセルロースを加熱して焼失除去
する。このとき、ニトロセルロースは、炭化せずに焼失
し、ひずみゲージ３のみが絶縁被膜層の上に露出され且
つ添着された状′態で残る。次に、少なくともこの露出
されたひずみゲージ３を完全に覆うように上記セラミッ
ク接着剤を塗布し、保護被膜層としての未焼成の第２セ
ラミック層８ｂを形成する。この保護被膜層は、ひずみ
ゲージ３の起歪部２ａへの固定および保護の役目を担う
ものである。しかる後、ひずみゲージ３が添着された起
歪体を高温加熱し、第１および第２のセラミック層８ａ
および８ｂを焼成する。

このようにして起歪部２ａに添着されたひずみゲージ３
からは、ゲージリード９が引き出されており、このゲー
ジリード９は碍子管１０を介してリード線５と接続され
ている。

以上のようにして構成された荷重変換器は、その構成部
材として起歪体２を耐熱材としたことにより測定対象の
温度上昇による酸化等の影響によるドリフトを抑制する
ことができる。

また、ひずみゲージ３の添着、絶縁および保護のために
、セラミック接着剤を用いたことにより、温度上昇によ
る炭化、変質、剥離等がなくクリープやドリフトが生じ
る虞れがない。

また、起歪部２ａに添着する前の段階におけるひずみゲ
ージ３のベース材として、ニトロセルロースフィルムを
用いているため、起歪部２ａに添着後、高温加熱するこ
とによってこのニトロセルロースフィルムをカーボンを
残すことなく完全に焼失除去することができる。すなわ
ち、この方法によれば、どの様なノ（ターンのひずみゲ
ージでも容易に起歪材に取付けることができる。

さらにまた、ゲージリード９およびリード線５は、碍子
管１０によって高熱から絶縁され得る構成とされ、変換
器の入出カケ−プルである耐熱ケーブル７は、耐熱構造
のＭＩケーブルとなっているため高温下において焼損、
劣化等の虞れがない。

実際このようにして構成された荷重変換器は、３００℃
〜６００℃の高温下におｔ）ても精度よく荷重の検出を
行うことができた。

上記実施例のように耐熱性の箔ゲージを起歪部２ａに添
着する構成とした場合、この箔ゲージは、そのフィラメ
ントのパターンをフォトエツチングにより任意の形に形
成することが可能であるから、あらゆる用途の変換器を
得ることができる。例えば、極めて小型の変換器あるい
は、低容量から高容量におよぶ各種の変換器を構成する
こともできる。

尚、本発明は、上述した実施例のみに限定されるもので
はなくその要旨を逸脱しない範囲において種々の変形実
施が可能である。

例えば、その変形例を第３図に示す。同図は、圧力変換
器を耐熱構造としたものであって、ケース１の圧力導入
口１ａより導入された流体はケース１内の起歪板１１を
撓ませる。この起歪板１１には第２図に示したようにセ
ラミック接着剤によりひずみゲージ３が添着されており
、このひずみゲージ３の出力は、それぞれ端子板１２、
端子箱６および耐熱ケーブル７を介して導出される。本
発明は、荷重変換器および圧力変換器に限らず１例えば
トルク変換器、加速度変換器等にも同様にして適用可能
である。

また、箔ゲージの代りにワイヤゲージを用いいてもよく
、その場合、用途は多少狭くなり小型化は菫しくなるが
、箔ゲージを用いた場合と同様の効果を得ることができ
る。

（、）　　効果 以上詳述したように第１および第２の発明によれば、各
種の変換器に容易に適用でき、例えば３００〜６００℃
の高温下における被測定対象の物理的変状を高感度でし
かも精度よく検出し得る高温用ひずみゲージ式変換器お
よびその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である荷重変換器の構成を
示す断面図、第２図は同実施例の主要部であるひずみゲ
ージの起歪部への添着状態を示す断面図、第３図は本発
明の他の実施例である圧力変換器の構成を示す断面図で
ある。 １・・・・・・ケース、 ２・・・・・・起歪体、 ２ａ・・・・・・起歪部、 ３　、３ａ、　３ｂ、　３ｃ、　３ｄ　−−−−−−ひ
ずみゲージ、７・・・・・・耐熱ケーブル。 ８ａ　、８ｂ・・・・・・セラミック層、１０・・・・
・・碍子管、 １１・・・・・・起歪板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温下で被測定対象に作用する荷重、圧力、回転
   力等の物理量をひずみゲージにより電気量に変換して検
   出する方式の高温用ひずみゲージ式変換器において、耐
   熱性を有する金属よりなり前記被測定対象から物理的力
   を受けその力に応じて変形する起歪体の起歪部上に少な
   くとも炭素を含有しない無機系素材よりなる接着剤によ
   り絶縁被膜層が形成され、前記絶縁被膜層上に耐熱性を
   有する金属抵抗素子よりなり前記起歪部の変形に応じて
   抵抗値を変化するひずみゲージが前記接着剤により添着
   され、前記絶縁被膜層上に少なくとも前記ひずみゲージ
   を完全に覆うように前記接着剤により保護被膜層が形成
   され、前記ひずみゲージにより変換された電気信号を前
   記変換器外部に導出する耐熱ケーブルが該変換器内部か
   ら該変換器外部に延設されてなることを特徴とする高温
   用ひずみゲージ式変換器。
2. （２）高温下で被測定対象に作用する荷重、圧力、回転
   力等の物理量をひずみゲージにより電気量に変換して検
   出する方式の高温用ひずみゲージ式変換器の製造方法に
   おいて、耐熱性を有する金属よりなる起歪体の一部に前
   記被測定対象からの物理的力を受けその力に応じて変形
   する起歪部を形成し、この起歪部上にセラミック接着剤
   により未焼成の第１のセラミック層を形成し、例えばニ
   トロセルロースの如き焼失可能な有機物よりなるフィル
   ムをベースとして添着支持されてなるひずみゲージを前
   記接着剤により前記未焼成の第１セラミック層上に添着
   し、その後高温加熱して前記ニトロセルロースフィルム
   を焼失除去し、しかる後第１セラミック層上に少なくと
   も前記ひずみゲージを完全に覆うように未焼成の第２セ
   ラミック層を形成し、その後焼成処理を施すことを特徴
   とする高温用ひずみゲージ式変換器の製造方法。