(57)【要約】【課題】耐疲労性に優れたひずみゲージを形成することができるひずみゲージ用合金及びひずみゲージを提供する。【解決手段】ひずみゲージ用合金は、１３質量％以下のＮｉ、１６〜１９質量％のＣｒ、２．５質量％以下のＭｏ、０．１５〜１．０質量％のＳｉ、０．１〜２．０質量％のＭｎ、０．０２〜０．１５質量％のＣを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなり、次式（１）のＮｉ当量と次式（２）のＣｒ当量との和であるＮｉＣｒ当量が２０〜６０％の鉄基合金を２０〜６０％の圧下率で圧延してなる。    Ｎｉ当量＝Ｎｉ％＋３０×Ｃ％＋０．５×Ｍｎ％            ・・・（１）    Ｃｒ当量＝Ｃｒ％＋Ｍｏ％＋１．５×Ｓｉ％                ・・・（２）【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全量に対し、１３質量％以下のＮｉと、１６〜１９質量％のＣｒと、２．５質量％以下のＭｏと、０．１５〜１．０質量％のＳｉと、０．１〜２．０質量％のＭｎと、０．０２〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなり、次式（１）で表されるＮｉ当量と次式（２）で表されるＣｒ当量との和で表されるＮｉＣｒ当量が２０〜６０％の範囲にある鉄基合金であって、２０〜６０％の範囲の圧下率で圧延してなることを特徴とするひずみゲージ用合金。
Ｎｉ当量（％）＝Ｎｉ％＋３０×Ｃ％＋０．５×Ｍｎ％            ・・・（１）
Ｃｒ当量（％）＝Ｃｒ％＋Ｍｏ％＋１．５×Ｓｉ％                ・・・（２）
（式（１）、（２）において、「Ｍ（元素）％」は、合金の全量に対するその元素の含有量（質量％）を示す）
【請求項２】
請求項１記載のひずみゲージ用合金であって、全量に対し、１３質量％以下のＮｉと、１７〜１９質量％のＣｒと、２．５質量％以下のＭｏと、０．７５〜１．０質量％のＳｉと、１〜２質量％のＭｎと、０．０８〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる鉄基合金であることを特徴とするひずみゲージ用合金。
【請求項３】
請求項１記載のひずみゲージ用合金であって、全量に対し、１３質量％以下のＮｉと、１７〜１９質量％のＣｒと、０．７５〜１．０質量％のＳｉと、１〜２質量％のＭｎと、０．０８〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる鉄基合金であることを特徴とするひずみゲージ用合金。
【請求項４】
請求項１記載のひずみゲージ用合金であって、全量に対し、１７〜１９質量％のＣｒと、２．５質量％以下のＭｏと、０．７５〜１．０質量％のＳｉと、１〜２質量％のＭｎと、０．０８〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる鉄基合金であることを特徴とするひずみゲージ用合金。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のひずみゲージ用合金からなり、直線状の受感素子の端部を隣接する該受感素子と互い違いに接続したグリッドと、該グリッドの両端部の該受感素子の隣接する該受感素子に接続される側と反対側の端部に設けられ、ゲージリードが接続されるゲージタブとを備えることを特徴とするひずみゲージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみゲージ用合金及びひずみゲージに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、０．００３〜０．００６ｍｍ程度の厚さの鉄系合金の箔からなり、直線状の受感素子の端部を隣接する受感素子と互い違いに接続したグリッドと、グリッドに接続されたゲージタブとを備えるひずみゲージが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
前記ゲージタブにはゲージリードが接続され、前記ひずみゲージはゲージリードを介してブリッジ回路に接続されている。そして、前記受感素子がひずみにより伸縮して電気抵抗が変化すると、その変化をブリッジ回路により検出することができる。前記ひずみゲージは、局所に発生するひずみを精度良く検出するために、５０μΩ・ｃｍ以上の比抵抗を備えていることが必要とされている。
【０００４】
一方、近年、地球環境の問題から省エネルギー化が進められており、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の新素材が各産業分野で使用されている。前記新素材は、耐疲労性の確認のためにひずみゲージを用いた疲労試験が行われるが、ＣＦＲＰ等の新素材よりもひずみゲージの耐疲労性の方が劣るために、疲労試験の途中でひずみゲージの方が先に破損するという問題がある。
【０００５】
ここで、金属の耐疲労性は、引張強度との間に比例関係があることが知られており、前記ひずみゲージの耐疲労性を向上させるために、引張強度の大きな材料を用いることが考えられる。例えば、安価で引張強度の大きな材料として、ばね鋼やばね用ステンレス鋼が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２４８３９９号公報
【特許文献２】特開２００５−３０７２９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記ばね鋼は、比抵抗が１０〜２０μΩ・ｃｍと低く、ひずみゲージには適さないという不都合がある。
【０００８】
本発明は、かかる不都合を解消して、ひずみゲージに適した比抵抗と、優れた耐疲労性とを備えるひずみゲージ用合金及びそれを用いるひずみゲージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的を達成するために、本発明のひずみゲージ用合金は、全量に対し、１３質量％以下のＮｉと、１６〜１９質量％のＣｒと、２．５質量％以下のＭｏと、０．１５〜１．０質量％のＳｉと、０．１〜２．０質量％のＭｎと、０．０２〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなり、次式（１）で表されるＮｉ当量と次式（２）で表されるＣｒ当量との和で表されるＮｉＣｒ当量が２０〜６０％の範囲にある鉄基合金であって、２０〜６０％の範囲の圧下率で圧延してなることを特徴とする。
【００１０】
Ｎｉ当量（％）＝Ｎｉ％＋３０×Ｃ％＋０．５×Ｍｎ％            ・・・（１）
Ｃｒ当量（％）＝Ｃｒ％＋Ｍｏ％＋１．５×Ｓｉ％                ・・・（２）
（式（１）、（２）において、「Ｍ（元素）％」は、合金の全量に対するその元素の含有量（質量％）を示す）
本発明者らは、所定の組成を備える鉄基合金において、前記ＮｉＣｒ当量と合金の比抵抗との間に関数関係が存在し、ＮｉＣｒ当量を適切に設定すれば所望の比抵抗を得ることができることを知見した。
【００１１】
そこで、本発明のひずみゲージ用合金は、まず、全量に対し、１３質量％以下のＮｉを含む。Ｎｉは、合金の耐食性を向上させ、引張強度と靭性とを向上させる作用を有する。Ｎｉは、全く含まれなくてもよいが、全量に対して１３質量％を超えると、引張強度が低下する上、コスト増となることが避けられない。
【００１２】
また、本発明のひずみゲージ用合金は、全量に対し、１６〜１９質量％のＣｒを含む。Ｃｒは、合金の比抵抗を高め、耐食性と引張強度とを向上させる作用を有する。Ｃｒは、全量に対して１６質量％未満では前記作用を得ることができず、１９質量％を超えると延性及び靭性が低下し、耐食性が過剰となるため、ひずみゲージを形成する際にエッチングを行うことができなくなる。
【００１３】
また、本発明のひずみゲージ用合金は、全量に対し、２．５質量％以下のＭｏを含む。Ｍｏは、合金の引張強度を向上させる作用を有する。Ｍｏは、全く含まれなくてもよいが、全量に対して２．５質量％を超えると延性及び靭性が低下する上、コスト増となることが避けられない。
【００１４】
また、本発明のひずみゲージ用合金は、全量に対し、０．１５〜１．０質量％のＳｉを含む。Ｓｉは、合金の比抵抗を高め、引張強度を向上させる作用を有する。Ｓｉは、全量に対して０．１５質量％未満では前記作用を得ることができず、１．０質量％を超えると靭性が低下する。
【００１５】
また、本発明のひずみゲージ用合金は、全量に対し、０．１〜２．０質量％のＭｎを含む。Ｍｎは、合金の比抵抗を高め、引張強度を向上させる作用を有する。Ｍｎは、全量に対して０．１質量％未満では前記作用を得ることができず、２．０質量％を超えると靭性が低下する。
【００１６】
また、本発明のひずみゲージ用合金は、全量に対し、０．０２〜０．１５質量％のＣを含む。Ｃは、合金の比抵抗を高め、引張強度を向上させる作用を有する。Ｃは、全量に対して０．０２質量％未満では前記作用を得ることができず、０．１５質量％を超えると靭性及び耐疲労性が低下する。
【００１７】
また、本発明のひずみゲージ用合金は、前記Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃと、Ｆｅとにより全量の９９．９質量％以上を占め、残部が不可避的不純物であることが好ましい。
【００１８】
また、本発明のひずみゲージ用合金は、前記組成の鉄基合金であって、前記ＮｉＣｒ当量が２０〜６０％の範囲にある。ＮｉＣｒ当量は、（１）で表されるＮｉ当量と、式（２）で表されるＣｒ当量との和で表される。ここで、Ｎｉ当量は、シェフラー状態図においてＮｉと同等の効果を示すオーステナイト生成元素の指数であり、Ｃｒ当量は、シェフラー状態図においてＣｒと同等の効果を示すフェライト生成元素の指数である。
【００１９】
本発明のひずみゲージ用合金において、ＮｉＣｒ当量は、２０％未満ではひずみゲージに必要な比抵抗を得ることができず、６０％を超えてもそれ以上の効果は望めない。
【００２０】
また、本発明のひずみゲージ用合金は、前記組成の鉄基合金を２０〜６０％の範囲の圧下率で圧延してなる。本発明のひずみゲージ用合金は、前記組成の鉄基合金を前記範囲の圧下率で圧延することにより、所望の引張強度を得ることができ、これにより優れた耐疲労性を得ることができる。
【００２１】
圧下率が２０％未満では所望の引張強度を得ることができない。また、６０％を超える圧下率とすることは技術的に難しく、その結果コスト増となることが避けられない。
【００２２】
この結果、本発明のひずみゲージ用合金によれば、ひずみゲージに適した比抵抗と、優れた耐疲労性とを得ることができる。
【００２３】
また、本発明のひずみゲージ用合金は、全量に対し、１３質量％以下のＮｉと、１７〜１９質量％のＣｒと、２．５質量％以下のＭｏと、０．７５〜１．０質量％のＳｉと、１〜２質量％のＭｎと、０．０８〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる鉄基合金であってもよい。
【００２４】
また、本発明のひずみゲージ用合金は、全量に対し、１３質量％以下のＮｉと、１７〜１９質量％のＣｒと、０．７５〜１．０質量％のＳｉと、１〜２質量％のＭｎと、０．０８〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる鉄基合金であってもよい。
【００２５】
さらに、本発明のひずみゲージ用合金は、全量に対し、１７〜１９質量％のＣｒと、２．５質量％以下のＭｏと、０．７５〜１．０質量％のＳｉと、１〜２質量％のＭｎと、０．０８〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる鉄基合金であってもよい。
【００２６】
また、本発明のひずみゲージは、前記いずれかのひずみゲージ用合金からなり、直線状の受感素子部の端部を隣接する該受感素子と互い違いに接続したグリッドと、該グリッドの両端部の該受感素子の隣接する該受感素子に接続される側と反対側の端部に設けられ、ゲージリードが接続されるゲージタブとを備えることを特徴とする。
【００２７】
本発明のひずみゲージによれば、前記いずれかの合金からなることにより、ひずみゲージに適した比抵抗を備え、優れた耐疲労性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）は本発明のひずみゲージの一構成例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図。
【図２】本発明のひずみゲージ用合金におけるＮｉＣｒ当量と比抵抗との関係を示すグラフ。
【図３】本発明のひずみゲージ用合金における圧下率と引張強度との関係を示すグラフ。
【図４】本発明のひずみゲージ用合金と従来の合金との耐疲労性の比較を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態のひずみゲージ１は、絶縁性樹脂からなるゲージベース２上に直線状の受感素子３が平行に複数配設され、各受感素子３はその端部で隣接する受感素子３と互い違いに接続されてグリッド４を形成している。グリッド４の両端部に位置する受感素子３は、接続部５を介してゲージタブ６に接続されている。
【００３１】
ゲージタブ６は、ゲージリード７が接合される電極であり、ゲージリード７を介して図示しないブリッジ回路に接続されている。ゲージリード７は、半田８によりゲージタブ６に接続されている。また、ひずみゲージ１は、グリッド４、接続部５、ゲージタブ６と、ゲージタブ６に接合されている側のゲージリード７とを被覆する保護フィルム９を備えている。
【００３２】
ひずみゲージ１は、０．００３〜０．００６ｍｍ程度の厚さの鉄基合金からなる箔をフォトエッチングすることにより、図１に示す形状に加工することができる。
【００３３】
本実施形態のひずみゲージ１において、前記鉄基合金からなる箔は、全量に対し、１３質量％以下のＮｉと、１６〜１９質量％のＣｒと、２．５質量％以下のＭｏと、０．１５〜１．０質量％のＳｉと、０．１〜２．０質量％のＭｎと、０．０２〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなり、次式（１）で表されるＮｉ当量と次式（２）で表されるＣｒ当量との和で表されるＮｉＣｒ当量が２０〜６０％の範囲にある鉄基合金であって、２０〜６０％の範囲の圧下率で圧延してなるひずみゲージ用合金により形成されている。
【００３４】
Ｎｉ当量（％）＝Ｎｉ％＋３０×Ｃ％＋０．５×Ｍｎ％            ・・・（１）
Ｃｒ当量（％）＝Ｃｒ％＋Ｍｏ％＋１．５×Ｓｉ％                ・・・（２）
（式（１）、（２）において、「Ｍ（元素）％」は、合金の全量に対するその元素の含有量（質量％）を示す）
前記ひずみゲージ用合金は、全量に対し、１３質量％以下のＮｉを含むことにより、合金の耐食性を向上させ、引張強度と靭性とを向上させることができる。尚、Ｎｉは、全く含まれなくてもよい。
【００３５】
また、前記ひずみゲージ用合金は、全量に対し、１６〜１９質量％のＣｒを含むことにより、合金の比抵抗を高め、耐食性と引張強度とを向上させることができる。
【００３６】
また、前記ひずみゲージ用合金は、全量に対し、２．５質量％以下のＭｏを含むことにより、合金の引張強度を向上させることができる。尚、Ｍｏは、全く含まれなくてもよい。
【００３７】
また、前記ひずみゲージ用合金は、全量に対し、０．１５〜１．０質量％のＳｉを含むことにより、合金の比抵抗を高め、引張強度を向上させることができる。
【００３８】
また、前記ひずみゲージ用合金は、全量に対し、０．１〜２．０質量％のＭｎを含むことにより、合金の比抵抗を高め、引張強度を向上させることができる。
【００３９】
また、前記ひずみゲージ用合金は、全量に対し、０．０２〜０．１５質量％のＣを含むことにより、合金の比抵抗を高め、引張強度を向上させることができる。
【００４０】
次に、前記ひずみゲージ用合金におけるＮｉＣｒ当量と比抵抗との関係を図２に示す。図２から、ＮｉＣｒ当量をｘ、比抵抗をｙとすると、両者間には次式（３）で示される関数関係があることがわかる。
【００４１】
ｙ＝0.0003ｘ３−0.0523ｘ２＋3.306ｘ＋9.8548        ・・・（３）
また、図２から、前記ひずみゲージ用合金では、ＮｉＣｒ当量が２０〜６０％の範囲にあることにより、比抵抗が５０〜８０μΩ・ｃｍの範囲となり、ひずみゲージに適した値となることが明らかである。
【００４２】
また、前記ひずみゲージ用合金は２０〜６０％の範囲の圧下率で圧延することにより、ひずみゲージに適した１０００Ｎ／ｍｍ２程度の引張強度を得ることができ、これにより優れた耐疲労性を得ることができる。
【００４３】
この結果、前記ひずみゲージ用合金によれば、ひずみゲージに適した比抵抗と、優れた耐疲労性とを得ることができる。
【００４４】
また、前記ひずみゲージ用合金は、全量に対し、１３質量％以下のＮｉと、１７〜１９質量％のＣｒと、２．５質量％以下のＭｏと、０．７５〜１．０質量％のＳｉと、１〜２質量％のＭｎと、０．０８〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる鉄基合金であってもよく、全量に対し、１３質量％以下のＮｉと、１７〜１９質量％のＣｒと、０．７５〜１．０質量％のＳｉと、１〜２質量％のＭｎと、０．０８〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる鉄基合金であってもよい。
【００４５】
さらに、前記ひずみゲージ用合金は、全量に対し、１７〜１９質量％のＣｒと、２．５質量％以下のＭｏと、０．７５〜１．０質量％のＳｉと、１〜２質量％のＭｎと、０．０８〜０．１５質量％のＣとを含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる鉄基合金であってもよい。
【００４６】
次に、本発明の実施例を示す。
【実施例】
【００４７】
〔実施例１〕
本実施例では、純鉄に、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃを添加して溶融することにより、ひずみゲージ用合金を得た。本実施例のひずみゲージ用合金は、全量に対し、Ｎｉを７質量％、Ｃｒを１７質量％、Ｓｉを１質量％、Ｍｎを２質量％、Ｃを０．１５質量％含み、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃの合計量が９９．９質量％以上であって、残部が不可避的不純物からなるセミオーステナイト系合金である。
【００４８】
本実施例のひずみゲージ用合金は、表１に示すように、ＮｉＣｒ当量が３１％であり、比抵抗が７２μΩ・ｃｍであった。
【００４９】
次に、本実施例のひずみゲージ用合金を、２０〜６０％の範囲の圧下率で圧延した。結果を図３に示す。
【００５０】
図３から、本実施例のひずみゲージ用合金によれば、圧下率が２０〜６０％の範囲で引張強度が１０００Ｎ／ｍｍ２以上となることが明らかである。
【００５１】
次に、本実施例のひずみゲージ用合金を６０％の圧下率で圧延した厚さ０．００５ｍｍの箔を用いて図１に示すひずみゲージ１を作製し、疲労試験を行った。疲労試験は、片持ち梁にひずみゲージ１を取り付け、梁に±３０００μｍ／ｍの交番ひずみを与えたときの指示ひずみ（μｍ／ｍ）を測定する操作を、１０００万回まで繰り返した。
【００５２】
次に、比較例として、全量に対し、Ｎｉを４４．２質量％、Ｃｒを０．０１質量％、Ｓｉを０．１質量％、Ｍｎを１．４質量％、Ｃを０．０３質量％、Ｆｅを０．４質量％含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなり、比抵抗が５０μΩ・ｃｍであるひずみゲージ用合金を用いた以外は、本実施例と全く同一にして疲労試験を行った。結果を図４に示す。
【００５３】
図４から、従来のひずみゲージ用合金を用いたひずみゲージが２万回程度で破損したのに対し、本実施例のひずみゲージ用合金を用いたひずみゲージは１０００万回を超えても破損することがなく、優れた耐疲労性を備えていることが明らかである。
【００５４】
〔実施例２〕
本実施例では、純鉄に、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃを添加して溶融することにより、ひずみゲージ用合金を得た。本実施例のひずみゲージ用合金は、全量に対し、Ｃｒを１７質量％、Ｓｉを０．７５質量％、Ｍｎを１質量％、Ｃを０．１２質量％含み、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃの合計量が９９．９質量％以上であって、残部が不可避的不純物からなるフェライト系合金である。
【００５５】
本実施例のひずみゲージ用合金は、表１に示すように、ＮｉＣｒ当量が２２％であり、比抵抗が６０μΩ・ｃｍであった。
【００５６】
次に、本実施例のひずみゲージ用合金を、２０〜６０％の範囲の圧下率で圧延した。結果を図３に示す。
【００５７】
図３から、本実施例のひずみゲージ用合金によれば、圧下率が６０％で引張強度が１０００Ｎ／ｍｍ２以上となり、実施例１のひずみゲージ用合金と同等の引張強度となっている。従って、本実施例のひずみゲージ用合金によれば、優れた耐疲労性を得ることができることが明らかである。
【００５８】
〔実施例３〕
本実施例では、純鉄に、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃを添加して溶融することにより、ひずみゲージ用合金を得た。本実施例のひずみゲージ用合金は、全量に対し、Ｎｉを１３質量％、Ｃｒを１９質量％、Ｍｏを２．５質量％、Ｓｉを１質量％、Ｍｎを２質量％、Ｃを０．０２質量％含み、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃの合計量が９９．９質量％以上であって、残部が不可避的不純物からなるオーステナイト系合金である。
【００５９】
本実施例のひずみゲージ用合金は、表１に示すように、ＮｉＣｒ当量が３９％であり、比抵抗が７４μΩ・ｃｍであった。
【００６０】
次に、本実施例のひずみゲージ用合金を、２０〜６０％の範囲の圧下率で圧延した。結果を図３に示す。
【００６１】
図３から、本実施例のひずみゲージ用合金によれば、圧下率が３０〜６０％の範囲で引張強度が１０００Ｎ／ｍｍ２以上となり、実施例１のひずみゲージ用合金と同等の引張強度となっている。従って、本実施例のひずみゲージ用合金によれば、優れた耐疲労性を得ることができることが明らかである。
【００６２】
【表１】
2016074934.tif 000003
【符号の説明】
【００６３】
１…ひずみゲージ、  ３…受感素子、  ４…グリッド、  ６…ゲージタブ、  ７…ゲージリード。
【図１】
2016074934.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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