JPS59196401A - 歪ゲ−ジとその製造方法 - 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】 技術分野 本発明は電気的歪ゲージに関する。

従来技術 電気的歪ゲージの設計および使用において、正確な計測
がされるとしたら、歪が計測される部材に直接的または
間接的に取付けられる歪感応電気要素から安定的な応答
が得られることを保証することが重要である。

このため、適当な基材上に薄膜技術により積層された歪
感応要素がメッキ箔をエツチングした要素よりも優れて
いることが見出されている。これらの技術によれば、基
材上に強固に接着された層を得ることができ、したがっ
て、合成接着剤（例えばエポキシ樹脂）により基材上に
接着された箔を用いるときに生じるクリーブやヒステリ
シスの問題がなく、また、このよう力接着剤により課せ
られる温度の制限がない歪感応要素が得られる。

公知の薄膜技術は、例えばスパッタリングや化学蒸気堆
積（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｕｒ　ｄｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ　）のような真空堆積工程を含み、真空状態から
凝縮によシ固体層を形成する方法を有する。このような
層は、厚くすることも可能であるが、通常２ミクロン以
下の厚さに堆積され、最終的な薄膜は、不連続な層、あ
るいは厚さに依存する大きな材料の性質を有する。ここ
で用いられる″薄膜層の語は、薄膜技術によシ製造され
、電流を通過させることができる堆積物を言うものとさ
れる。

このような歪感応保素を組込んだ歪ゲージは、絶縁層と
して、例えはスパッタリングによう、測定される部拐の
表面に堆積されたガラスあるいはその他の絶縁材料の層
を備える。その下の部材は通常金属であシ、薄膜状歪感
窓層が絶縁層の上に堆積され、抵抗回路要素を形成する
ためにエツチングが施される。この要素の外部の測定回
路への接続は、プリント回路基板を用いるワイヤボンド
によシなされ、プリント回路基板は、ワイヤボンドをリ
ードアウトとともに測定回路に結合するために抵抗要素
に近接する部材の表面に取付けられる。しかし、ワイヤ
ボンドは使用時に比較的こわれやすく、化学作用に弱い
。

歪ケ８−ノ測定の他の面として、不良環境において用い
ることがしばしは望まれる点がある。歪ケゞ−ノ要素を
、はこりや湿気から保護する機能を有する有機物の保護
材料で被覆することが知られているが、この手段は高温
下ではあまり有用性はない。さらに、薄く貼られた歪ケ
゛−ジ要素の接着剤は、接着剤材料と、該要素？測定さ
れる部材に取付けるのに用いられる基材との限界以上の
温度を受けると、消失してしまい、また薄膜状要素自体
が高温に制える場合でさえ、測定回路に接続されるシリ
ンド回路基板は高温に酬えられない。

この結果、測定される１犬なパラメータが、刀Ｕ熱館体
で満たされた例えば圧力容器等の容器の内壁のような位
置における歪の場合、歪ゲージを問題の表面に位置させ
ることができないかもしれない。測定は容器壁の他の部
分から間接的にされなければならず、その結果、発生し
た歪信号の精度および安定性が低下する。

結局、固体状態の装置を耐久性を改善するために包込む
構成は米国特許第３４４４６１９号明細書により公知で
あると言え、この明糾１書において、その装置は、はん
だ等の接着剤により基本要素に取付けられ、この要素の
開口の中で、電気リードは絶縁がラス挿入部材の中に固
定される。その装置のワイヤボンドは、挿入されたリー
ドの露出端部に結合され、金属カバーが基本要素にはん
だ付けあるいは溶接されて、固定状態の装置＾゛とリー
ドへ接続するワイヤボンドとを包込む。しかし、歪ケ゛
−ジにこのような構成が採用されると、上述された問題
があり、あまり価値がガい。

発明の開示 本発明によれば、電気歪ゲージが提供され、との電気歪
ケ゛−ジは基材の上に接着された薄膜層から形成された
歪感応回路要素を備え、この回路要素への接続はリード
により行々われ、このリードは基材を通ってこれの表面
から突出するとともに堆積された薄膜に接触し、かつ、
薄膜要素を被覆する保護処理材料が設けられる。

％に、次の構成の電気歪ゲージが提供される。

この電気歪ゲージは、歪感応電気回路少累を支持する金
属基材を備え、この回路要素は、回路要素を金属基材か
ら絶縁する不導体層に重合する薄膜層により形成され、
不導体層は基材と回路要素とに接着されており、寸たこ
の電気歪ゲージは、基材を貫ガ１３シて、不導体層が設
けられた上記基材の表面と同一平向で途切れる纒電体リ
ードを備え、上記層は、上記リードと回路要素の間合電
気的に薩触させるために上記リードの位置において不連
続になっており、またこの′市；気歪ケ゛−ジは上記回
路要素を被覆する保護処理層を１紺える。

このように、外部の測定回路のだめの接続リードは、歪
に対応する信号を発生するイ専膜侠素に直接接触するが
ワイヤボンドを介在させることはない。リードは、回路
要素拐料を積層させる前に、歪グー・ソの基材すなわち
ボディ内に挿入されて固定される。さらに、リードは、
基材の薄膜要素を支持する面とは反対仰１の面から出る
よう、容易に植成される。その要素上の保、ｉＩつ層が
例えばガラスを備えていて、それ自体耐熱性のあるもの
であるとすると、回路要素は、歪ケ°−ノに損傷を与え
るおそれなく、高温にさらされた薄利の表面および化学
反応する月料の上で機能を発揮できる。

好１しくけ、導電制料の堆積は、保護処理材料が被覆さ
れる前に、リードのある領域内における回路要素の上に
施され、これは、該細裁の導電性を増加するとともに回
路要素のこれらの部分に分路を造るためである。

本発明の他の特徴によれは、次のステ、ツブから成る歪
ゲージの製造方法が得られる。

１）　　４Ｖ、体リードが、金属基材内においてこの基
材から絶縁するためにリードを取囲む絶縁材料とともに
、この金属基材に穿設された穴の中に固定され１ 、＝（：１＋　　上記リードが延びる基材の表面が、リ
ードの端面が該表面と同一平面になるようみがかれ、（
ｉｉ＋１　　金属基材に接着する薄ｊ摸状の絶縁材料の
堆朴ｔが上記表面に施され、 ＧＶ）　　露出したリードの上記瑞部とともに、歪感応
電気回路要素のための薄膜層が、絶縁層と接着するとと
もにリードと電気的に接触されられ、（）保護処理層が
回路要素の上に被覆される。

最初の絶縁層および被覆される保禮層は、それぞれガラ
スから成−てもよく、これにより、高温および腐食材料
に対して高い耐久性が得られる。

また上記各層にはスパッタリングが施されてもよい。導
電体リードを所定位置に接着し、金属基材から絶縁する
だめに、上記穴の中に力゛ラスをプラグの形態で用いて
もよい。

抵抗拐料が、あるいは被膜を用いることにより、回路要
素の最終的な形態で積層されてもよく、また、この積層
の後に所定の形に工、７チングが施されてもよい。導電
材料の層が、上記リードの端部のすぐ近くの領域にある
回路要素と別の部分に積層されてもよく、これは該領域
の導ｎ性を増すためである。しかし、導電材料を薄膜層
として積層させることは通常必要ではない。エツチング
法が回路要素および上記導電性の領域を形成するために
用いられるとすると、異なる材料が別々の槽内でエツチ
ングされるか、あるいは選定されたエツチング試薬を用
いた共通の槽が、回路要素およびこれに関連した導電領
域に作用するために用いられる。

実施例 、以下図示実施例によシ本発明を説明する。

第１図および第２図には、例えはニクロムから成り、支
持体すなわち基材４上の薄膜状の被膜の形態を有する、
歪感応電気抵抗要素２が示される。

この要素２は、例えはクツ＜　−（ＫｕＶａｒ：登録商
標）等の導電体６に接触し、これにより、上記基材の厚
みの分だけ通過するリードアウトが形成されて、この要
素を歪測定回路（図示せず）に接続させる。

基材４は、例えはステンレス鋼等の金属であり、導電体
６０両面に接着されたガラスプラグ８によυこの導電体
６から絶縁される。抵抗要素２の下には、これを金属製
の暴利から絶縁するガラス層１０が設けられる。このガ
ラス層は導電体６の所で途切れ、この所において導電体
６と抵抗要素２との間を接触させ、プラグ＆の上面を覆
って要素２を基材から遮断させる。要素２と導電体６間
の接触部分、およびその＠襞部分の上面にわたって、例
えば銅やアルミニウム等の導電１修１２が薄膜層である
要素２の上面に設けられる。この層１２は、できるだけ
要素２よりもいくらか厚く、また両者はガラス処理層１
４によって被覆される。

歪ゲージは薄膜状の抵抗要素２の離れた部分を接触させ
る複数の導電体６を有し、そしてこのような各部分には
、測定される薄膜状の抵抗要素の部分を制御し、これに
より測定信号の感度が増加するような金属導電層１２０
部分的な被膜が設けられてもよい。公知の歪グー・ゾの
形態のように、単一の抵抗要素があってもよく、あるい
は、２又はそれ以上のそのような要素が、例えはロゼ、
７ト状に、薄１摸状抵抗要素により形成されてもよい。

抵抗要素を憬う導電性の層は、特に、導′鑞体とともに
接合部分にわたる分路として作用し、これらの接合部分
を抵抗測定から除いて雑音を減少させる。

歪ゲージの成形にあたり、まず、導電体６を受容するた
めに金属の基材４に穴があけられ、そしてこれらの穴Ω
中にガラスプラグ８が仲人される。

その後、ガラスプラグが基材の一方の面上に僅かに突出
する可塑性のものである間に、導電体のリードがガラス
プラグを貫通して設けられる。上記各穴の中でガラスが
リード線に接着してシールをすると、基材のその面はこ
すりみがかれて高１＊度な平面に仕上けられる。そして
、約６ミクロンの厚さの絶縁層を形成するために、好ま
しくはラジオ周波数のスパッタリング（ｒａｄｉｏ　ｆ
ｒｅｑｕｅｎｅｙｓｐａｔｔｅｒｉｒ：ｇ　）により、
力２７層１０が積層される。ガラス層１０が積層される
前に、導電体６のみがかれた端部のすぐ上の部分は被覆
されるが、この被覆によ”リガラス層１０がガラスプラ
グの環状の端部に重なり、連続的な絶縁枠が基材の表面
を覆えようになる。

場合によっｒ：Ｊは、例えば特別な回路構成のために、
ガラス層１０の積層の間に基材を被覆することは、実際
的ではないかもしれない。しかして導電体６の端部は、
次の４テツグ全実示する前にガラス層をエツチングする
ことに！ｂｇ出される。

この次のステップのため、ニクロムがガラス層１０の表
面と導電体の露出端面に積層され、これも、好１しくは
ラジオ周波数のスーＪ？２タリングにより１ミクロンよ
りもいくらか薄くされる。そしてマスクを介して金属被
覆が施され、あるいは、この金属被覆の後、１又はそれ
以上の抵抗要素を形成するためにエツチングがなされる
。ガラス層１０に予めマスクをすることによシ、抵抗要
素２は金属の基材から完全に絶縁されるが、導電体の端
面によく接触できるようになる。

ここでさらに金属被膜が施され、抵抗性のある層よりも
好ましくは僅かに厚い層１２を形成する導電性月料が積
層される。その積層表面は被覆されるか、あるいは金属
被膜は後にエツチングされて、導電性材料の層を、最初
の絶縁ガラス層１０の不連続部分のすぐ上の部分を含む
特定領域に制限させる。最後のガラス処理層１４は、抵
抗要素２と導電層１２の上に約２〜６ミクロンの厚さだ
け塗布されて、これらを被覆する。

このように構成された歪ケ８−ジにより、薄膜状の歪感
芯要素を用いる利点は、ワイヤーボンド（ｗｉｒｅ　ｂ
ｏｎｄ）　ｆ必要とする不便さがないことである。さら
に、構造がコン・セクトであり、化学的に作用する環境
においても、また従来の両ゲージの性能をはるかに越え
た高温度の環境でも用いることができる。歪ゲージが、
腐食材刺を含むとともに（または）高温の空間に面した
としても、基材の反対側から出る導電体は、その環境か
ら保獲される。同時に、導電体（ｄ１歪感応要素を外部
の測定回路に接続するための、非常に簡単で丈夫なリー
ドアウトを構成する。

これらの特徴により、高温あるいは化学作用のある環境
で用いることができ、長期にわたって安定性がありクリ
ープやヒステリシスがないないう公知の薄膜状ゲージの
利点を維持する設計が可能になる。

第３図〜第５図には、上述した方法で成形され　　　　
　　ｌた本発明による歪ゲージの例が示されている。

第３図において、ゲージは、片持ち梁に用いられて示さ
れている。支持部３０から突出しているので、自由端の
近くに置かれた荷ＢＬは片持ち梁の基材すなわちボディ
３４の上面に引張りを与え、その大きさは薄膜状の回路
要素３２の抵抗値を決定する。

第４図は、ダイヤフラム状基材すなわちボディ４４の上
面に作用する圧力ｐｌ測定するよう構成されたケ°−ジ
を示し、このため、抵抗要素の下にあるボディの部分４
４ａは、感度を上げるべく厚さを薄くしている。な２、
要素４２は、圧力ｐｌ受ける表面の歪を直接受け、処理
層５２によって圧力領域の反大気状態から保６ｍされる
。−力、リードアウト４６の配置によυ、これらは上記
圧力および大気状態から保護婆れ、流体がダイヤフラム
状のボディを通って洩れるおそれなく、確実に回路要素
を外部の測定回路（図示ぜず）へ接続できる。

第５図は、英国特許出願第２０５０６２４号に記載され
た一般的形状を有するプラグ状ボディ５４と歪ゲージを
示す。この図は、測定される部材５０の表面の穴にプラ
グの全体を挿入させて、リードアウト５６が外部の測定
回路（図示せず）へ接続される構成を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、それぞれ、本発明の一実施例に
係る歪ケ゛−ジの詳細な断面図および該歪ケ゛−ソの同
様な一部分の破断した平面図であって、導電体リードと
歪感芯要素の結合を示し、第３図〜第５図は、第１図お
よび第２図に示された特徴を有する、本発明の他の実施
例に係る異なる形態の概略図である。 ２・・・歪感応電気抵抗敬素、４　、３４　、４４　。 ５４・・・暴利、６．４６．５６・・・導電体、８・・
・ガラスプラグ、１０・・・ガラス層、１２・・・金属
導′亀層、１４・・・ガラス処理層。 以下余白

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、歪感応電気回路要素を形成する薄膜層が上に接着さ
   れ、電気的に絶縁した表面を有する基材と、上記基材か
   ら電気的に絶縁されて貫通突出するとともに上記表面と
   同一平面で途切れ、かつ上記回路要素に電気的に接触す
   る導電体のリードと、上記要素を覆う保護処理層とを備
   える電気的歪ゲージ。 ２、絶縁層に接着された実質的に滑らかな表面を有する
   金属基材と、上記層に接着され、上記層によυ金属基材
   から遮断された歪感応電気回路を形成する薄膜層と、上
   記基制ヲ通って上記表面へ延びる複数の穴と、上記穴の
   中に接着され、これらの穴を通って延びる導電体リード
   を上記基材から遮断する、絶縁体のプラグとを備え、上
   記ＩＪ−ドは上記表面と同一平面の端部を有し、′上記
   絶縁層は、上記回路要素の１−の部分に重合された上記
   端部の部分において少なくきも１の不連続部を有して上
   記リードと上記絶縁層上の回路要素との間を電気的に接
   触させ、かつ、上記回路要素を被覆する回路要素保護層
   が設けられる電気的歪ゲージ。 ３、上記電気的に遮断する層のうち少なくともｌの層は
   ガラスから成る特許請求の範囲第２項記載の歪ゲージ。 ４、上記絶縁層は、実質的に６ミクロンよシも厚くない
   薄膜層として成形される特許請求の範囲第２項または第
   ３項記載の歪ゲージ。 ５、上記複数の穴が、上記表面の反対側の基材の面に向
   って延びミかっ上記導電体リードが外部の回路に接続す
   るために上記基材の面から突出する特許請求の範囲第２
   項〜第４項のいずれが１項に記載の歪ゲージ。 ６、導電性材料の層が、上記リードの端部に重合する回
   路要素の当該部分に直接接触する部分に設けられる特許
   請求の範囲第２項〜第５項のいずれか１項に記載の歪ゲ
   ージ。 ７、貫通して延びる穴を有する金属基材を備えた電気的
   歪ゲージの製造方法であって、該製造方法は次のステッ
   プを有する。 （１）導′ゼ体リードを、このリードを取囲む絶縁材料
   とともに上記穴の中に固定して、このリードを基材から
   絶縁させ、 （１１）上記リードの端部が延びる上記基材の表面を滑
   らかにみがいて、上記端部を上記表面と同一平面に成形
   し、 （ｉｉ＋）　　上記金属基材の表ｍ１に、上記リードの
   端部を露出させて絶縁層をオ責層させるとともに接着し
   、（ＩＶ）　　上記リードの端部に重合するとともに電
   気的に接触する歪感応電気回路のだめの薄膜層を、上記
   絶縁層に接着し、 （Ｖ＋　　上阻回路安累の上に保護層金被覆させる。 ８、基椙は、リードが固定される後であって絶縁層が在
   ルｌされる前に、平らにみがかれる、岐許向求の範囲第
   ７項記戦の製造方法。 ９、上記層ｐｋｊ−の不連続部は、上記層の積層の間に
   上記露出された端部を残して被覆することにより、リー
   ドの端部に形成される特許請求の範囲第７項または第８
   項に記載の製造方法。 １０、絶縁層がリードの端部に重合して設けられ、上記
   端部は上記層を後にエツチング処理することによυ露出
   される特許請求の範囲第７項または第８項に記載の製造
   方法。 １１、　　歪感応要素は、この要素と上記層をエツチン
   グするだめの共通の槽を用いるエツチングにより、上記
   薄膜層から成形される特許請求の範囲第１０項記載の製
   造方法。 １２、導電層が上記回路要素の不連続部上に成形され、
   各不連続部は、リードの各露出きれた端部に重合すると
   ともに、尚該リード端部の部分を越えて上記回路要素の
   一部に重合する特許請求の範囲第７項〜第１１項のいず
   れか１項に記載の製造方法。 １３　　絶縁層および保護層は、実質的にガラスから成
   り、かつ、各ガラスの層はスパッタリングによυ堆積さ
   れる特許請求の範囲第７項〜第１２項のいずれか１項に
   記載の製造方法。 以下余白