JPS62266402A - 高温用ひずみゲ−ジの添着構造および添着方法 - 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、高温用ひずみゲージの添着構造および添着方
法に関し、より詳細には、高温下で被測定対象物に作用
する応力、荷重、圧力、回転力等の物理量を電気量に変
換するひずみゲージ素子を、該被測定対象物自体または
該被測定対象物に取付けられる物理量−電気量変換器の
起歪部等の被測定体に添着する高温用ひずみゲージの添
着構造および添着方法に関するものである。

（ｂ）　　従来技術 高温に晒される機械部品や構造物、例えば船舶や航空機
のタービン・ブレード等に作用する応力、荷重、圧力１
回転力等の物理量を電気量に変換して検出する手段とし
て、その機械部品や構造物（以下ｒ被測定対象物」とい
う）の表面または、この被測定対象物に取付け、られる
荷重変換器、圧力変換の起歪部（以下、これらを総称し
て「被測定体」という）に高温用ひずみゲージを添着し
て検出する方法が採られている。

このような高温用ひずみゲージを被測定体に添着する方
法として、溶射法（ローカイト法とも称されている）が
知られている。この溶射法は、高純度のアルミナ捧に火
炎を吹き付けて被測定体の表面上に絶縁層を形成し、こ
の絶縁層上にゲージリード付のひずみゲージ素子を載置
し、その上をマスキングテープあるいはメツシュ板等の
マスキング部材で押さえてアルミナを部分的に溶射して
仮止めした後、上記マスキング部材を取除いて再びアル
ミナを溶射してひずみゲージ素子およびゲージリードを
覆うようにするものである。このようにして構成された
溶射型の高温用ひずみゲージは、熱的および機械的シ目
ツクに対する抵抗、電気絶縁抵抗などによい特性が得ら
れ、また、高温のみならず液体窒素等の極低温にも十分
耐えるとされている。

一方、上述した溶射法においては、被測定体とアルミナ
溶射層間の線膨張係数に大きな差があり、急激な温度変
化に弱く剥れ易いという問題がある。この問題を克服す
るために、上記被測定体と上記絶縁層との間に、ニッケ
ルークロム（ＮｉＣｒ）の溶射層とニッケルークロム、
アルミナ（ＮｉＣｒ＋Ａｊｌｚ　Ｏｓ　）の溶射層とを
介挿せしめた抵抗線式溶射型高温ひずみゲージが実開昭
５８−７４１０４号公報に開示されている。

しかしながらこの後者の溶射型高温ひずみゲージを製造
するに際しては、ニッケルークロム層や絶縁層を形成す
るための溶射被膜は、溶射ノズルの移動速度、溶射面と
の間の距離および作動ガスの噴出量とのバランス等によ
り大きく左右され、溶射粒子の最適条件は、経験的に設
定している。このため上記最適条件の設定は、極めて微
妙でノウハウに負うところが多く、通常得られる溶射皮
膜は、機械的強度にバラツキが多く、鍛造品や焼結金屑
の強度に比べると大きく劣り、安定な溶射被膜を形成す
るのに困難を極めていた。

この問題に加えて、上記の溶射型高温ゲージにおける「
ひすみゲージ素子とアルミナ溶射層」、「被測定体（金
Ｒ）と溶射金属にニッケルークロム）」は、溶射による
飛行溶融粒子の凹凸表面上への機械的結合（付着）によ
って結合されているだけであるため、結果的に被測定体
に対するひずみゲージ素子の添着（結合）が不充分であ
り、一般のひずみゲージと比較すると、例えばクリープ
特性、ヒステリシス特性が数倍劣っており、またひずみ
限界が低いという間頭がある。

さらに、各溶射層は不安定粒子（格子欠陥を多く有する
）が多く、あまり緻密でなく、換言すれば気孔率が大き
く、金属よりなる被測定体やひずみゲージ素子との結合
力が強くないので。

急激な温度変化やひずみ変化によってひずみゲージが剥
離し易いという問題点もある。

（ｅ）　　目的 本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので
、その目的は、絶縁層を形成するセラミック溶射層の不
安定粒子を減少させ、本来の焼結体の性質に近づけると
共に特にひずみゲージ素子と絶縁層との結合力を強化せ
しめることができ、もってクリープ特性、ヒステリシス
特性を大幅に改善し得る高温用ひずみゲージの添着構造
および添着方法を提供することにある。

（ｄ）　　構成 上記の目的を達成させるため、第１の発明は、高温下で
被測定対象物に作用する応力、荷重。

圧力、回転力等の物理量を電気量に変換するひずみゲー
ジ素子を該被測定対象物自体または該被測定対象物に取
付けられる物理量−電気量変換器の起歪部等の被測定体
に添着する高温用ひずみゲージの添着構造において、ひ
ずみゲージ素子を添着すべき部位近傍にブラスト処理が
施されて粗面が形成された被測定体と、この被測定体の
ブラスト処理が施された部位の上に金属を溶射して形成
された金属溶射層と、この金属溶射層上にセラミックを
溶射して形成された第１の絶縁溶射層と、この第１の絶
縁溶射層上に配設されたひずみゲージ素子と、このひず
みゲージ素子上および前記第１の絶縁溶射層上に上記セ
ラミックを溶射して形成された第２の絶縁溶射層とから
なる積層体が、所定圧で加圧され６００℃〜９００℃で
加熱処理を施されて構・成されたことを特徴とするもの
であり、また、第２の発明は、高温下で被測定対象物に
作用する応力、荷重、圧力、回転力等の物理量を電気量
に変換するひずみゲージを該被測定対象物自体または該
被測定対象物に取付けられる物理量−電気量変換器の起
歪部等の被測定体に添着する方法において、前記被測定
体上のひずみゲージ素子が添着される予定の部位を含む
領域をブラスト処理を施して粗面となし、この粗面上に
ＮｉＣｒ、Ｍｅ　、Ｔｉ０ｚ　　、ＳＵＳ、Ａ１１合金
等の金属のうちいずれか１つまたは２つの材質からなる
金属材を溶射して金属溶射層を形成し、この金属溶射層
上にアルミナ等のセラミックを溶射して第１の絶縁溶射
層を形成し、この第１の絶縁溶射層上に予め所定の形状
に形成されたひずみゲージ素子およびその端子に接続さ
れたゲージリードを配置し、このひずみゲージ素子の全
体およびゲージリードの少なくとも基端側を覆うように
先ずマスキング部材を用いて部分的に上記セラミックを
溶射して仮止めした後。

上記マスキング部材を取除いて上記セラミックを溶射し
て第２の絶縁溶射層を形成して積層体を構成し１次にこ
の積層体の両面間を前記セラミックの粉末をそれぞれ介
して挟圧手段により所定圧で挟持加圧した状態で真空容
器中またはアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスを充
填した容器内にて６００℃乃至９００℃で加熱処理を施
すことを特徴とするものである。

以下、第１および第２の発明（以下両発明を総称してｒ
本発明」という）を添付面図に示す実施例を基に詳細に
説明する。

第１図は、第１の発明に係る高温用ひずみゲージの添着
構造の一実施例を一部破断して示す斜視図、第２図は、
同実施例中のひずみゲージの添着工程である仮止の方法
を説明するための平面図である。

同図において、１は高温に晒される被測定対象物または
この被測定対象物に取付けられる荷重変換器、圧力変換
器、等の起歪部等の被測定体であり、その材質としては
、ＳＵＳ、インニーネル。ハステロイ、鋼等が用いられ
ている。この被測定体１上には、後述するひずみゲージ
素子を添着すべき予定の部位を含む所定範囲にわたって
例えばサンドブラスト処理を施して、１５〜３０μｍ程
度の粗さの粗面２を形成する。

次に、この粗面が形成された被測定体ｌ上に、例えばＮ
ｉＣｒ、Ｍａ　、ＴｉＯ２、ＳＵＳ等の中から選択され
た金属材を溶射して２５〜５０μｍ程度の厚みの金属溶
射層３を形成する。この金属溶射層３は、被測定体１に
粗面２で接しているため、強固に結合せしめられる。

次に、この金属溶射層３の表面には、９８％以上を含む
アルミナ（Ａｕｔｏｓ）またはアルミナにマグネシアそ
の他を添加してなるセラミックを溶射して厚みが５０〜
１００μｍ程度の第１の絶縁溶射層４を形成する。

この第１の絶縁溶射層４の上の所定部位に予めフォトエ
ツチング法等により例えば第２図に示される如き形状に
形成されたフリーフィラメント状のひずみゲージ素子５
を載置する。このひずみゲージ素子５は、箔ゲージの場
合、ＦｅＣｒＡｌ、ＮｉＣｒ、ＰｔＷ等を素材として７
〜２０　μｍ程度の厚みの箔で２つのゲージタブ５ａ　
、５ｂとグリッド部５Ｃとが形成されている。このひず
みゲージ素子５のゲージタブ５ａおよび５ｂのそれぞれ
には、リボン状のゲージリード６ａおよび６ｂが例えば
スポット溶接等により接続されている。

第１の絶縁溶射層４の上に載置されたひずみゲージ素子
５の上に、その表面の一部を露呈するスリット状の開ロ
アａ　、７ｂ　、７ｃが穿設されたマスキング部材７を
載置して仮に固定する。

この状態で、上述の第１の絶縁溶射層４と同様の材質か
らなるセラミックを溶射してひずみゲージ素子５を上述
の第１の絶縁溶射層４上に仮止めする。即ち、マスキン
グ部材７の開ロアａに対応するひずみゲージ素子５の折
返し部５ｄと。

開ロアｂに対応するグリッド部５Ｃと、開ロアｃに対応
する折返し部５ｅとが、第１の絶縁溶射層４上に仮固定
される。

しかる後、マスキング部材７を取除いた状態で、上述の
ひずみゲージ素子５の全体およびゲージリード６ａ　、
６ｂの一部を覆うように再びアルミナを溶射して１００
〜２００μｍ程度の厚みを有する第２の絶縁層８を形成
する。

そして、この第２の絶縁溶射層８の表面および被測定体
ｌの表面にかけて防湿および表面保護用のシリコン樹脂
被膜９を２５〜５０μｍ程度の厚みに形成する。

このようにしてひずみゲージ素子５を挟むようにして順
次積層された被測定体１．金属溶射層３、第１の絶縁溶
射層４、ひずみゲージ素子５、第２の絶縁溶射層８およ
びシリコン樹脂被膜９よりなる積層体１０は１次のよう
にして加圧、加熱の処理が施される。

（Ｉ）　　固定基板と加圧板とこの加圧板を固定基板に
近接または離間せしめるジヤツキまたは、油圧シリンダ
ロッドのような調節加圧部材とからなる挟圧手段（図示
せず）を用い、先ず、固定基板上にアルミナ等のセラミ
ック粉末をほぼ均等に置き（散布し）、その上に積層体
１０の被測定体ｌまたはシリコン樹脂被膜９のいずれか
一方の面倒を載せ、他方の面側には上述同様アルミナ等
のセラミックの粉末をほぼ均等に置き（散布し）、その
上に加圧板を置き、上述の調節加圧部材によって加圧板
を固定基板側に挟圧せしめて所定の圧力（１０ｋｇｆ／
ａ１〜１０００ｋｇｆ／ｃｊ程度）で積層体１０を加圧
する。

（ＩＩ）　　次に、上述（１）の状態を保ったまま、１
０“４〜１０−８　ｔ、ｏｒｒ程度の真空中またはアル
ゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス中にて６００℃乃至
９００℃の高温下で所定時間（例えば１時間〜３時間程
度）加熱処理する。

すると、第１と第２の絶縁溶射層４，８を形成する溶射
被膜の組織が緻密化されると共に、金属または金属溶射
層とセラミックとの間の接合力（または結合力）が著し
く強化される。即ち、この加圧加熱処理により、第１に
、セラミックの溶射被膜の不安定粒子（格子欠陥を多く
有する粒子）を減少させ本来の焼結体の性質に近付ける
ことができ、第２に金属であるひずみゲージ素子５、金
属溶射層３および被測定体１とセラミック被膜である第
１、第２の絶縁溶射層４，８間などの界面近傍における
拡散反応により１強固な接合を得ることができる。

以下に１本実施例の効果につき実験データを基に説明す
る。

ひずみゲージ素子５の材質がＦｅＣｒＡ　ｎであって、
ゲージ長が６．３−、グリッド折返し長が１．１ｍ、ゲ
ージ率が２．６である高温用ゲージ（積層体１０）を、
大気中で５００ｋｇｆ／Ｊに加圧（挟圧）シ、これをｌ
ｏ’ｔｏｒｒの真空容器内に入れ、その状層で７００℃
の高温下で２時間の加熱処理を施したものの、クリープ
変化をみると、次のようである。

先ず、被測定体１に１０００μεのひずみが生じている
とき、室温クリープ変化は、第３図に示すように、全く
加圧加熱処理を施さない場合には、符号ＡＩで示すよう
に１．９％ＦＳ　のクリープ特性であったものが、上述
したように加圧加熱処理を施した場合には、符号Ａ２で
示すように０．５％ＦＳ　　のクリープ特性となり。

クリープを約１／３に減少させることができた。

次に、加圧加熱処理の条件のうち熱処理温度の最適値に
ついて説明する。

ひずみゲージ素子５の材質がＦｅＣｒＡＡで、ゲージ抵
抗が１２０Ωの場合の熱履歴後のゲージ抵抗値°変化を
調べてみると、第４図中の符号Ｆ１で示すように真空中
において７００℃で２時間加熱処理した場合には、ゲー
ジ抵抗の変化が生じない。

さらに、符号Ｆ２で示すようにアルゴンガス雰囲気中に
おいて、９２０℃で２時間加熱処理した場合には、約８
０の抵抗値減少が見られる。

ところが、同様にアルゴンガス雰囲気中において１２０
０℃で４時間加熱処理した場合には、符号Ｆｓで示すよ
うに約３２Ωの抵抗値の減少が見られる。その上、その
抵抗値変化のバラツキも著しく増大する。

このようなデータからも明らかなように、加熱温度の上
限値は、ゲージ抵抗値変化を考慮すると、その変化率が
１０％程度以下である。略９００℃以下であることが望
ましい。

なお、高温用ひずみゲージの加熱処理温度と見かけひず
みとの関係を検討してみると、アルゴンガス中において
１２００ｋｇｆ／ｃｄで加圧し１２００℃で４時間加熱
処理したものは、第５図の符号Ｇ１で示すように温度上
昇に伴って急激な変化率で見かけひずみが増大するため
、到底実用に供することはできない、また、アルゴンガ
ス中において１８００ｋｇｆ／ａＪで加圧し９２０℃で
２時間加熱処理したものは、第５図中符号Ｇ２で示すよ
うにその変化率は、上述したもの（符号Ｇｓ）よりかな
り小さくなり、その変化もリニアであり、温度補償がし
易いので実用に供し得るが、見かけひずみの大きさから
すると実用上のほぼ上限界に相当する。

第６図は、ひずみゲージが実際に使用される温度（環境
温度）とクリープ変化との関係を示す特性線図である。

同図において、加圧加熱処理が施されていないものは、
符号Ｈ１で示すように温度上昇につれてクリープの変化
は次第に増大する。これに対して、本考案の如く加圧加
熱処理したものは符号Ｈ２に示すように殆んどクリープ
変化が見られない。

第７図は、ひずみレベルに対するクリープ変化の関係を
示す特性線図である。

同図において、加圧加熱処理されていないものは、符号
■１で示すように大きな変化を示す。

これに対し５００ｋｇｆ／ｃｄで加圧し大気中において
７００℃で加熱処理したものは、符号Ｉ２に示すように
、その変化は大幅に減少する。さらに、この加圧加熱処
理を１０″５　ｔｏｒｒの真空中で行なったものは、符
号Ｉ３で示すようにさらにその変化が減少する。このよ
うなデータよりみて、加圧加熱処理は、大気中で行なう
よりは真空中で行なった方がクリープ変化について、は
良好であることが理解できる。

ところで、加熱処理における温度は、上述したところよ
りして約９００℃に上限があるが。

その下限温度は、絶縁溶射層を形成するセラミック（例
えばアルミナ）の融点の約１／３の温度、即ち６００℃
程度にすることが望ましい。

その理由は、温度が融点の約１７３付近になると、固体
の機械的強度が急激に低下するので。

加熱と同時に加圧すると粒子間の接触点てすベリが生じ
１粒子の再配列が進行し、この再配列は原子の大きい集
団である粒子の相対的な動きであり、充填が疎な領域で
特に顕著に進むので、これが起ると急激な収縮とともに
粒子の充填が均一となり、組織が緻密になるからである
。

尚、本発明は、上述した実施例に何ら限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施す
ることができる。

例えば、アルミナ溶射により形成する第１の絶縁溶射層
４と金属溶射Ｎ！Ｉ３との間に、さらにＮｉＣｒ等の金
属を溶射して緩衝層を形成するようにしてもよい、この
ような緩衝層を介在させた場合、金属とアルミナ間の線
膨張係数を段階的に小さくし得るという点で有利である
。

また、第１図に示す実施例においては、シリコン樹脂被
膜９を防湿のため、に形成しであるが、シリコン樹脂の
分解温度以上では採用せず、また、同温度以下の場合は
、用途によっては省略してもよい。

（ｅ）　　効果 以上詳述したように、第１の発明および第２の発明によ
れば、金属溶射層並びにひずみゲージ素子を介挿してな
る第１、第２の絶縁溶射層を形成する溶射被膜に加圧加
熱処理を施しているので、各溶射被膜組織が緻密化され
ると共にひずみゲージ素子と第１、第２の絶縁溶射層と
の結合、並びに第１の絶縁溶射層と金属溶射層との結合
が強固になり、本来の絶縁層や金属層の有する性質に極
めて近い強度になるため、ひずみゲージ素子が剥離する
おそれがなく且つクリープ特性、ヒステリシス特性を大
幅に改善し得る高温ひずみゲージの添着構造および添着
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、第１の発明に係る高温用ひずみゲージの添着
構造の一実施例を一部破断して示す斜視図、第２図は、
第１図中に示されるひずみゲージ素子の仮固定方法を示
す平面図、第３図は、加熱温度に対する室温クリープ変
化を示す特性線図、第４図は、熱処理温度に対する熱履
歴後のゲージ抵抗変化を示す線図、第５図は、加熱処理
温度に対する見かけひずみを示す特性線図、第６図は、
使用温度に対するクリープの変化を示す特性線図、第７
図は、ひずみレベルに対するクリープ変化を示す特性線
図である。 ｌ・・・・・・被測定体、 ２・・・・・・粗面。 ３・・・・・・金属溶射層。 ４・・・・・・第１の絶縁溶射層。 ５・・・・・・ひずみゲージ素子、 ５ａ　ｅ　５ｂ・・・・・・ゲージタブ、５ｃ・・・・
・・グリッド部、 ６ａ　、６ｂ　・・・・・・ゲージリード。 ７・・・・・・マスキング部材。 ８・・・・・・第２の絶縁溶射層。 ９・・・・・−シリコン樹脂被膜、 ｉｏ・・・・・・積層体。 特許出願人　株式会社　共　和　電　業代表者弁理士真
田修治　゛ −，−７゛ 第２図 ５ｄ ’：＋ａ　　　　　　　　　ｂｔ：＋ ゛も　−′δ′５Ａ堀Ｑ属ボ 第　　５　　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温下で被測定対象物に作用する応力、荷重、圧
   力、回転力等の物理量を電気量に変換するひずみゲージ
   素子を、該被測定対象物自体または該被測定対象物に取
   付けられる物理量−電気量変換器の起歪部等の被測定体
   に添着する高温用ひずみゲージの添着構造において、ひ
   ずみゲージ素子を添着すべき部位近傍にブラスト処理が
   施されて粗面が形成された被測定体と、この被測定体の
   ブラスト処理が施された部位の上に金属を溶射して形成
   された金属溶射層と、この金属溶射層上にセラミックを
   溶射して形成された第１の絶縁溶射層と、この第１の絶
   縁溶射層上に配設されたひずみゲージ素子と、このひず
   みゲージ素子上および前記第１の絶縁溶射層上に上記セ
   ラミックを溶射して形成された第２の絶縁溶射層とから
   なる積層体が、所定圧で加圧され６００℃〜９００℃で
   加熱処理を施されて構成されたことを特徴とする高温用
   ひずみゲージの添着構造。
2. （２）高温下で被測定対象物に作用する応力、荷重、圧
   力、回転力等の物理量を電気量に変換するひずみゲージ
   を該被測定対象物自体または該被測定対象物に取付けら
   れる物理量−電気量変換器の起歪部等の被測定体に添着
   する方法において、前記被測定体上のひずみゲージ素子
   が添着される予定の部位を含む領域をブラスト処理を施
   して粗面となし、この粗面上にＮｉＣｒ、Ｍｏ、ＴｉＯ
   ＿２、ＳＵＳ、Ａｌ合金等の金属のうちいずれか１つま
   たは２つの材質からなる金属材を溶射して金属溶射層を
   形成し、この金属溶射層上にアルミナ等のセラミックを
   溶射して第１の絶縁溶射層を形成し、この第１の絶縁溶
   射層上に予め所定の形状に形成されたひずみゲージ素子
   およびその端子に接続されたゲージリードを配置し、こ
   のひずみゲージ素子全体およびゲージリードの少なくと
   も基端側を覆うように先ず、マスキング部材を用いて部
   分的に上記セラミックを溶射して仮止めした後、上記マ
   スキング部材を取除いて上記セラミックを溶射して第２
   の絶縁溶射層を形成して積層体を構成し、次にこの積層
   体の両面間を前記セラミックの粉末をそれぞれ介して挟
   圧手段により所定圧で挟持加圧した状態で真空容器中ま
   たはアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスを充填した
   容器内にて６００℃乃至９００℃で加熱処理を施すこと
   を特徴とする高温用ひずみゲージの添着方法。