JPH06137805A

JPH06137805A - ひずみゲージおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH06137805A
Application number: JP28801892A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Handa; 晴彦半田; Masahiro Hiraga; 将浩平賀; Masaki Ikeda; 正樹池田; Akihiko Yoshida; 昭彦吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1994-05-20

Abstract

(57)【要約】【目的】抵抗値のばらつきが小さく信頼性に優れたひ
ずみゲージを提供する。【構成】金属弾性体上に絶縁性に優れた結晶化ガラス
層を形成し、さらにその上に表面性に優れたゲル層また
はガラス層を形成し、このゲル層またはガラス層の上に
歪に対して抵抗が変化する素子を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、応力ひずみを検知する
ひずみゲージおよびその製造方法に関し、特に自動車に
使用される車両用サスペンションに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ひずみゲージは、機械、船舶、自
動車などの各部に生じる応力、荷重の大きさなどを検知
するために用いられていた。このひずみゲージは、ポリ
エステル、エポキシ、ポリイミドなどの樹脂またはセラ
ミックスのベース材料上にＣｕ−Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ箔の
抵抗素子を配設した構成で、測定する際に、ひずみゲー
ジを被測定物に接着剤で固定している。また、金属基材
を結晶化ガラス層で被覆したメタルコア基板上に抵抗素
子を形成したひずみゲージがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記接着式の
ひずみゲージを自動車のサスペンションのシャフトなど
の繰り返しひずみ量を測定するような部位に接着して用
いると、数万回のサイクルで接着層が剥離する可能性が
あるため使用できなかった。さらに、ひずみ測定部位が
１５０℃以上の高温雰囲気に曝される場合には、接着剤
の接着強度が弱くなってひずみゲージが剥離しやすくな
るという問題点を生じた。

【０００４】また、剥離の可能性はないもののメタルコ
ア基板を用いたひずみゲージは耐熱性をもたせるため
に、析出させる結晶の結晶化度を大きくするので表面が
ある程度粗れた状態になる。このような表面性の悪い結
晶化ガラス層の上に抵抗を形成すると抵抗のばらつきが
大きくなる。

【０００５】本発明は、上記問題を解決するもので、基
板表面の表面粗さを小さくして、その上に形成される抵
抗素子の抵抗のばらつきを小さくできるひずみゲージお
よびその製造方法を提供することを目的とするものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のひずみゲージおよびその製造方法は、金属
弾性体上に被覆された結晶化ガラスからなる絶縁層の表
面にゲル層またはガラス層を形成し、このゲル層または
ガラス層の上に歪に対して抵抗が変化する素子を形成し
たものである。

【０００７】

【作用】上記構成により、本発明のひずみゲージの基板
は、電気絶縁層の上に、さらにゲル層またはガラス層を
形成したものからなり、このゲル層またはガラス層を設
けることにより基板表面の表面粗さが小さくなり、高純
度アルミナ基板程度にまで改善される。したがって、抵
抗素子を形成した場合の抵抗のばらつきが小さくなる。

【０００８】

【実施例】以下本発明の一実施例について説明する。ま
ず、本発明の絶縁層である結晶化ガラス層について説明
する。結晶化ガラスは耐熱性、基板強度、絶縁性を考慮
すると無アルカリであることが好ましい。この結晶化ガ
ラス組成は、ＳｉＯ₂ ７〜３０重量％Ｂ₂Ｏ₃ ５〜３４重量％ＭｇＯ１６〜５０重量％ＣａＯ０〜２０重量％ＢａＯ０〜５０重量％ＺｒＯ₂ ０〜５重量％Ｐ₂Ｏ₅ ０〜５重量％Ｌａ₂Ｏ₃ ０〜４０重量％である。上記組成範囲のガラスが選択される理由は、金
属基材と結晶化ガラス層の密着性を強固にする必要があ
るからである。上記の範囲を超えたものは、密着性が悪
くなるため好ましくない。

【０００９】さらに、上記結晶化ガラス層を金属基体上
に被覆する方法として、スプレー法、粉末静電塗装法、
電気泳動電着法などがある。被膜の緻密性、電気絶縁性
などの観点から、電気泳動電着法が最も好ましい。

【００１０】この方法は、ガラスとアルコールおよび少
量の水を入れてボールミル中で約２０時間粉砕、混合
し、ガラスの平均粒径を１〜５μｍ程度にする。得られ
たスラリーを電解槽に入れて、液を循環する。あらかじ
め洗浄した金属基体を、このスラリー中に浸漬し、１０
０〜４００Ｖで陰分極させることにより、金属基体表面
にガラス粒子を析出させる。これを乾燥後、８５０〜９
００℃で１０分〜１時間焼成する。これによって、ガラ
スの微粒子が溶融するとともに、ガラスの成分と金属材
料の成分が、充分に相互拡散するためガラスホーロ層と
金属材料との強固な密着が得られる。

【００１１】次に、具体的な実施例について説明する。（実施例１）（表１）〜（表５）の組成番号１〜４２に
示すような、結晶化ガラスを合成した。また、前述の工
程に従い、ＳＵＳ４３０基材（１００mm×１００mm×
０．５mm）の表面に、厚さ１００μｍの結晶化ガラス質
層を電気泳動電着し、８８０℃で１０分焼成してサンプ
ルを作成し、表に示すような、サンプルの表面粗度、う
ねり性、耐熱性などの諸特性の結果が得られた。

【００１２】なお、表面粗度はタリサーフ表面粗さ計で
測定し、表面中心線平均粗さＲａで示した。うねり性は
タリサーフ表面粗さ計で得られた山と谷の差Rmaxで表わ
した。耐熱性は、サンプルを８５０℃の電気炉中に10分
入れ、炉から取り出し３０分間、自然放冷するサイクル
を繰り返すスポーリングテストを行って、サンプルのク
ラックや剥離の状態を調べた。なお、クラックは赤イン
ク中に浸漬し、その後、表面を拭き取って、目視観察に
よって、その有無を調べた。表中の○、△、×は、○が
１０サイクル以上行っても、異常が認められないもの、
△は５〜９サイクルで発生したもの、×は４サイクル以
下で発生したものを示す。密着性は、基板の曲げ試験を
行い、ホーロ層が剥離して金属部が露出したものを×、
金属部が一部だけ露出したものを△、金属部が露出して
いないものを○とした。

【００１３】以上の評価にもとずき総合評価を行い、そ
の結果を○、△、×で示した。Ｎｏ１〜８は他の成分を
一定として、ＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃を変化させたもの、Ｎ
ｏ９〜１５は、ＳｉＯ₂／Ｂ₂Ｏ₃をほぼ一定にし、Ｍ
ｇＯ量を変化させたもの、Ｎｏ１６〜１９は同じく、Ｃ
ａＯ量を変化させたもの。Ｎｏ２０〜２４は、同じく、
ＢａＯ量を変化させたもの。Ｎｏ２５〜２９は、同じ
く、Ｌａ₂Ｏ₃量を変化させたもの。Ｎｏ３０〜４２は
それぞれ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｐ₂Ｏ₅、
ＺｎＯの影響を示したものである。

【００１４】表から明らかなように、ＳｉＯ₂を増加し
ていくと、耐熱性は向上するが、表面性、および密着性
が悪くなる。逆に、Ｂ₂Ｏ₃量を増加していくと、表面
性、密着性は向上するが耐熱性が低下する。これらを考
慮すると、本発明では、ＳｉＯ₂が７〜３０重量％、Ｂ
₂Ｏ₃が５〜３４重量％の範囲内が好ましい。

【００１５】ＭｇＯ量は結晶性と相関があり、１６重量
％以下では結晶析出が不十分で、耐熱性に劣る。また、
５０重量％以上では、結晶が析出しやすく、ガラス溶融
時に簡単に結晶化し、均質なガラスを得ることが難し
く、さらに表面粗度が大きくなる。

【００１６】ＣａＯ量は、２０重量％以上入れると、表
面性が悪くなり好ましくない。ＢａＯ量は、５０重量％
以上では、耐熱性、および密着性が劣化し好ましくな
い。

【００１７】Ｌａ₂Ｏ₃量は、４０重量％以上では、耐
熱性が劣化し好ましくない。その他の添加可能な成分は
ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｐ₂Ｏ₅、ＺｎＯなど
が挙げられるが、５重量％以下までなら添加可能であ
る。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】

【表４】

【００２２】

【表５】

【００２３】上記の方法に基づいて結晶化ガラスを形成
して作製したひずみセンサについて説明する。外径２０
ｍｍ、内径１８ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒金属弾性体を
前処理として脱脂・水洗・酸洗・水洗・ニッケルメッキ
・水洗の各工程を行った後、（表１）でＮｏ．５（表面
粗度０．０５μm）で示した組成のガラス粒子からなる
スラリー中に浸漬し、対極と円筒金属間に直流電圧を印
加することにより、円筒金属の側面上にガラス粒子を被
覆し、９００℃で１０分間焼成し結晶化ガラス層からな
る絶縁層を形成した。次に、結晶化ガラス層に、シリコ
ンテトラエトキシドＳｉ（Ｏ−Ｃ₂Ｈ₅）₄、チタンテ
トライソプロポキシドＴｉ（Ｏ−ｉｓｏＣ₃Ｈ₇）₄、
水、エタノール、塩酸を加えたアルコキシド溶液を塗布
した。アルコキシド溶液中の金属元素は、シリコン元素
とチタニウム元素比を、８：２とした。塗布はディップ
コーティング法で行った。塗布した後室温で５時間乾燥
し、５００℃で１０分間熱処理した。乾燥および熱処理
することにより塗布された金属アルコキシド溶液が加水
分解、脱水縮合反応を起こして、シリコン元素とチタニ
ウム元素を含むゲル層またはガラス層を形成し、基板の
表面性を向上させる。このゲル層またはガラス層の上に
スクリーン印刷法によりAg-Pd 系の電極ペーストを印刷
し８５０℃で１５分間熱処理し、さらにRuO₂系の抵抗ペ
ーストを印刷し７６０℃で３０分間熱処理して抵抗素子
を形成することによりひずみゲージを作製した。

【００２４】なお、ゲル層またはガラス層はＳｉ，Ｇ
ｅ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂ，Ａｌ，Ｐの少なくとも１種類以上
の元素を含む酸化物であればよい。（実施例２）実施例１において、アルコキシド溶液中
のシリコン元素とチタン元素の比を８．５：１．５とし
た。

【００２５】（実施例３）実施例１において、チタン
のアルコキシドを加えず、アルコキシド溶液中のシリコ
ン元素とチタン元素の比を１０：０とした。（実施例４）実施例１においてスラリー中のガラス粒
子をＮｏ．２（表面粗度０．５μm ）とした。他の条件
は同じ。

【００２６】上記実施例および下記に示した比較例に基
づいて、それぞれ１０個について、電極層と抵抗層を形
成する前の表面粗度の平均値、および電極層と抵抗層を
形成した後の抵抗値を測定し、その平均値と標準偏差を
測定した。結果を（表６）に示す。

【００２７】

【表６】

【００２８】（表６）に示すように、表面粗度の悪いメ
タルコア基板にガラス層を設けると（実施例４）、表面
粗度のよいメタルコア基板（比較例１）よりも抵抗のば
らつき（標準偏差）は小さくなった。すなわち、本発明
により表面粗度の悪い基板でも抵抗値のばらつきの小さ
いセンサを作製することができる。ただし、ばらつき度
合いは実施例１と実施例４の結果が示すように元々の基
板の表面粗度を反映することがわかる。しかしながら、
コーティング用のアルコキシド溶液の組成の選択を適切
に行わないと、基板の表面粗度が逆に悪くなることがわ
かる。

【００２９】（比較例１）実施例１において、結晶化ガ
ラス層の上にガラス層を形成させず結晶化ガラス層の上
に直接電極、抵抗層を形成した。（比較例２）実施例１において、アルコキシド溶液中の
シリコン元素とチタン元素の比を２．５：７．５とし
た。表面粗度は０．０６μｍとなり、表面性が悪くなっ
た。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明のひずみゲージ
は、絶縁層の上にゲル層またはガラス層を形成すること
により基板表面の表面粗さを小さくできて、簡単に抵抗
のばらつきを小さくすることができ、２００℃程度の高
温雰囲気にも耐えることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田昭彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属弾性体上に被覆された結晶化ガラス
からなる絶縁層と、前記絶縁層の表面に形成されたゲル
層またはガラス層と、前記ゲル層またはガラス層上に形
成された歪に対して抵抗が変化する素子とを備えたひず
みゲージ。
【請求項２】結晶化ガラスの組成が重量％でＭｇＯ；
１６〜５０％、ＢａＯ；０〜５０％、ＣａＯ；０〜２０
％、Ｌａ₂Ｏ₃；０〜４０％、Ｂ₂ Ｏ₃；５〜３４％、
ＳｉＯ₂；７〜３０％、ＭＯ₂（ＭはＺｒ，Ｔｉ，Ｓｎ
の少なくとも１種）；０〜５％、Ｐ₂Ｏ₅；０〜５％で
あることを特徴とする請求項１記載のひずみゲージ。
【請求項３】ゲル層またはガラス層がＳｉ、Ｇｅ、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ａｌ、Ｐの少なくとも１種類以上の元素
を含む酸化物であることを特徴とする請求項１または２
記載のひずみゲージ。
【請求項４】少なくとも金属弾性体上に結晶化ガラス
層からなる絶縁層を設ける工程と、前記絶縁層の表面に
ゲル層またはガラス層を設ける工程と、前記ゲル層また
はガラス層の上に歪に対して抵抗が変化する抵抗素子を
形成する工程を含むことを特徴とするひずみゲージの製
造方法。
【請求項５】ゲル層またはガラス層を設ける工程が、
熱処理することによりゲルまたはガラスとなる金属アル
コキシドを含む溶液を塗布し、熱処理する工程であるこ
とを特徴とする請求項４記載のひずみゲージの製造方
法。
【請求項６】金属アルコキシドが、シリコンアルコキ
シドおよび／またはチタニウムアルコキシドを含み、そ
の組成比が１０：０〜８：２の範囲にあることを特徴と
する請求項５記載のひずみゲージの製造方法。