(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材と、前記金属基材の表面に形成され絶縁層と、前記絶縁層の表面に設けられた抵抗体と、前記抵抗体の両端に各々接続された電極と、を備えた歪みセンサにおいて、
前記金属基材が、Ｃｒを１６〜２６質量％、Ｍｏを２〜６質量％含むステンレス鋼により形成されていることを特徴とする歪みセンサ。
【請求項２】
前記ステンレス鋼は、フェライト系である請求項１記載の歪みセンサ。
【請求項３】
前記ステンレス鋼は、Ｎｉを３〜８質量％含む二相系である請求項１記載の歪みセンサ。
【請求項４】
前記ステンレス鋼の金属組織に、シグマ相が含まれている請求項１ないし３のいずれかに記載の歪みセンサ。
【請求項５】
前記ステンレス鋼の金属組織に、ガンマ相とシグマ相とが含まれている請求項３記載の歪みセンサ。
【請求項６】
前記絶縁層がガラス材料である請求項１ないし５のいずれかに記載の歪みセンサ。
【請求項７】
（ａ）Ｃｒを１６〜２６質量％、Ｍｏを２〜６質量％含むステンレス鋼の金属基材の表面にペースト状のガラス材料の層を形成する工程と、
（ｂ）前記ペースト状のガラス材料を焼成して絶縁層を形成する工程と、
（ｃ）前記絶縁層の上に電極および抵抗体を焼成工程を用いて形成する工程と、を有し、
前記（ｂ）と（ｃ）の少なくとも一方の焼成工程において、焼成温度が８００℃以上であることを特徴とする歪みセンサの製造方法。
【請求項８】
前記金属基材を、Ｃｒを１６〜２６質量％、Ｎｉを３〜８質量％、Ｍｏを２〜６質量％含むステンレス鋼により形成する請求項７記載の歪みセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗体を用いた膜積層型の歪みセンサに係わり、特に金属基材の弾性領域での歪み量を多くし、残留歪みを少なくして、広い検出範囲と高精度な歪み検出を可能とした歪みセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に使用されている従来の歪みセンサは、金属基材の表面にガラス材料の絶縁層が形成されており、この絶縁層の表面に、対を成す電極と、前記両電極間に形成された抵抗体とを設けた膜積層構造である。
【０００３】
この種の歪みセンサは、前記金属基材に引張り方向または圧縮方向の歪みが与えられると、金属基材とともに抵抗体に歪みが与えられて電気抵抗値が変化する。前記抵抗体を例えばホーイトストーンブリッジ回路などの検出回路内に組み込んで前記抵抗体の電気抵抗値の変化を検出することにより、前記歪みセンサに与えられる歪み量に対応した検出出力が得られるようになっている。
【０００４】
例えば、前記歪みセンサの金属基材として、ＳＵＳ４３０（１８Ｃｒステンレス）を用いることが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記歪みセンサは、弾性領域で歪みが与えられたときの前記抵抗体の電気抵抗値の変化を検出するものである。よって、歪みセンサの歪みの検出領域を広げるためには、前記弾性領域での歪み範囲（降伏点までの歪み範囲）が広いことが望まれる。
【０００６】
しかし、金属基材をＳＵＳ４３０などの一般的なフェライト系ステンレス鋼、またはオーステナイト系ステンレス鋼などのＳＵＳ材で形成すると、弾性領域で使用できる歪みの範囲が狭くなる欠点がある。
【０００７】
これは、前記金属基材にガラス材料の絶縁膜を形成する際に焼成が行われ、さらに電極およびサーメット材料などの抵抗体を形成する際にも焼成が行われる。前記焼成は８００〜９００℃の高温で行われるため、例えばＳＵＳ４３０などのステンレス鋼では、高温の焼成処理により脆性が劣り、耐力劣化を生じることが原因のひとつである。
【０００８】
また、前記ＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス鋼が前記高温で処理されると、弾性領域内で歪みを与えたときに、残留歪みを生じるようになる。この残留歪みが生じると、歪みを与えた後に弾性により元の状態に復帰する際に歪みを残すことになり、歪みセンサの電気抵抗値を検出する際の、原点への復帰精度が悪くなり、高精度な検出ができなくなる。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、金属基材の弾性領域での歪み範囲を広くして歪みの測定領域を広く確保できる歪みセンサおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
また、本発明は、弾性領域での残留歪みを少なくして高精度な歪み検出ができるようにした歪みセンサおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属基材と、前記金属基材の表面に形成され絶縁層と、前記絶縁層の表面に設けられた抵抗体と、前記抵抗体の両端に各々接続された電極と、を備えた歪みセンサにおいて、
前記金属基材が、Ｃｒを１６〜２６質量％、Ｍｏを２〜６質量％含むステンレス鋼により形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
ＣｒとＭｏを含むステンレス鋼は、引張り強さが高く、また耐力も高く、硬度が高いために、弾性領域での歪み範囲が広い。
【００１３】
本発明では、前記ステンレス鋼がフェライト系であってもよいが、Ｎｉを３〜８質量％含む二相系であることが好ましい。すなわち前記金属基材として、Ｃｒを１６〜２６質量％、Ｎｉを３〜８質量％、Ｍｏを２〜６質量％含む二相系ステンレス鋼を使用することが好ましい。この二相系ステンレス鋼は、引張り強さが高く、また耐力も高く、弾性領域での歪み範囲が広く、よって歪みの検出範囲を広くできる。
【００１４】
前記において、前記ステンレス鋼の金属組織に、シグマ相が含まれているものが好ましく、または、前記ステンレス鋼の金属組織に、ガンマ相とシグマ相とが含まれているものが好ましい。また、前記絶縁層は、例えばガラス材料である。
【００１５】
本発明の歪みセンサの製造方法は、
（ａ）Ｃｒを１６〜２６質量％、Ｍｏを２〜６質量％含むステンレス鋼の金属基材の表面にペースト状のガラス材料の層を形成する工程と、
（ｂ）前記ペースト状のガラス材料を焼成して絶縁層を形成する工程と、
（ｃ）前記絶縁層の上に電極および抵抗体を焼成工程を用いて形成する工程と、を有し、
前記（ｂ）と（ｃ）の少なくとも一方の焼成工程において、焼成温度が８００℃以上であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、前記金属基材を、ステンレス鋼として、Ｃｒを１６〜２６質量％、Ｎｉを３〜８質量％、Ｍｏを２〜６質量％含むステンレス鋼により形成することが好ましい。
【００１７】
本発明では、Ｍｏを含んだステンレス鋼を用いているため、８００℃以上の温度で焼成したときに、アルファ相がシグマ相に転移し、硬度および耐力が向上する。よって、Ｍｏを含まないステンレス鋼を前記温度で熱処理したものに比べて弾性領域での歪みの範囲を拡大でき、また弾性領域での残留歪みを少なくできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は歪みセンサの構造を示す断面図である。
【００１９】
図１に示す歪みセンサ１は、金属基材２の上に絶縁層３が形成されている。前記絶縁層３の表面の両側に対を成す電極４，４が形成され、電極４と電極４との間で前記絶縁層３の上に抵抗体５が設けられている。
【００２０】
この歪みセンサ１の製造方法は、金属基材２の表面にガラスぺーストをスクリーン印刷し、これを焼成してガラスの前記絶縁層３を形成する。次に、前記絶縁層３の表面に、ペースト状の銀材料を印刷しこれを焼成して前記電極４，４を形成する。さらに、電極４と電極４との間に、酸化ルテニウムなどの金属粉末とガラス系の粉末などから形成したペースト状のサーメット材をスクリーン印刷し、これを焼成して前記抵抗体５を形成する。
【００２１】
前記のように歪みセンサ１を製造する過程において、複数段階の焼成が行われるが、前記焼成温度は、全ての工程において８００〜９００℃であり、前記各層を形成するのにさらに好ましい焼成温度は８５０℃以上である。
【００２２】
本発明の第１の実施の形態では、前記金属基材２が、Ｃｒを１６〜２６質量％、Ｎｉを３〜８質量％、Ｍｏを２〜６質量％含む二相系ステンレス鋼で形成されている。この二相系ステンレス鋼は、焼成しない段階で、フェライトを形成するアルファ相と、オーステナイトを形成するガンマ相とを有する。
【００２３】
前記組成範囲の二相系ステンレス鋼としては、ＪＩＳ規格に定められているＳＵＳ３２９ＪＬ４（以下、ＳＵＳ３２９という）を例示できる（表１参照）。前記ＳＵＳ３２９は、Ｃｒが２４〜２６質量％、Ｎｉが５．５〜７．５質量％、Ｍｏが２．５〜３．５質量％含まれている。
【００２４】
表１にも示すように、前記ＳＵＳ３２９は、Ｍｏを含んでいるために、硬度が高く、また耐力が強く、引張り変形による強度も高い。よって、歪みセンサ１の金属基材２を前記ＳＵＳ３２９で形成すると、弾性領域での歪みの範囲が拡大する。また、弾性領域内で歪みを与えたときの、残留歪みも少ない。
【００２５】
さらに、Ｍｏを含むステンレス鋼は、歪みセンサ１の製造において８００℃以上の焼成工程を複数回経ると、耐力と硬度がさらに向上し、焼成工程を経た後の状態で、弾性領域での歪みの範囲がさらに広くなり、歪みセンサ１で検知できる歪みの範囲を拡大できる。また、弾性領域内で歪みを与えたときの残留歪みが少なくなる。
【００２６】
Ｍｏを含むステンレス鋼において、焼成後に耐力と硬度および強度が向上する理由は、８００℃以上の加熱処理により、ステンレス鋼のＭｏを含むフェライト組成を形成するアルファ相がシグマ相に転移し、その結果、耐力と硬度および強度が上昇するためである。一般にシグマ相が増えると脆性を生じるが、歪みセンサ１を前記ステンレス鋼の弾性領域の範囲内での歪みを与えて使用している限りにおいて、前記脆性は問題にならない。
【００２７】
図２は、前記ＳＵＳ３２９に８５０℃の熱処理を行ったときの、熱処理の回数と、ステンレス鋼内をフェライトが占める質量％との関係を示しており、図３は前記熱処理の回数と、ステンレス鋼の硬度Ｈｖとの関係を示している。
【００２８】
図２に示すように、８５０℃の熱処理を１回行うと、アルファ相はほとんどシグマ相に転移し、熱処理を２回以上行えば、アルファ相がほとんど無くなることが解る。また図３から熱処理を１回以上行うことにより、硬度が高くなることが解る。
【００２９】
図４は、ＳＵＳ３２９を引張り変形させたときの残留歪み特性を示す線図であり、横軸が引張りの印加歪みで、縦軸が残留歪みである。また、熱処理を経ていないＳＵＳ３２９を黒丸を結んだ線で示し、８５０℃の熱処理を５回行ったものを白丸を結んだ線で示している。またこの明細書では歪みをμε（マイクロストレイン）で表している。このμεは（歪み量×１０6）である。
【００３０】
図４から、ＳＵＳ３２９を熱処理すると、前記のようにアルファ相がシグマ相に転移する結果、残留歪みがきわめて少なくなることが解る。また図５は、８５０℃の熱処理を５回行ったＳＵＳ３２９に引張り歪みを段階的に与え、それぞれの印加歪みのときの残留歪みをプロットし、その後に圧縮歪みを段階的に与え、それぞれの印加歪みのときの残留歪みをプロットしたものである。図５から、ＳＵＳ３２９を熱処理した後は、引張り歪みと圧縮歪みの双方を与えたときに共に残留歪みが少ないことが解る。よって、この歪みセンサ１は、引張りと圧縮の双方の歪みを検出するような使用形態であっても、残留歪みが少なく、検出値の原点戻り精度を高くできる。
【００３１】
また、図４と図５から、引張りと圧縮の歪み量の絶対値が１４００μεの範囲までが弾性領域であり、弾性領域での歪みの範囲が広いことが解る。
【００３２】
また、図４と図５において、歪みセンサ１に与える引張り歪みと圧縮歪みを±１４００μεとしたとき、残留歪みは２〜３με程度である。よって、歪みセンサの原点戻り精度、すなわち最大印加歪み（１４００）に対する残留歪み（２〜３）の比（ＦＳ）は、０．１４〜０．２１％である。一般に、歪みセンサ１は前記ＦＳ値を０．５％以下とするのはきわめて困難とされているが、本発明の第１の実施の形態では、ＦＳが０．５％以下の歪みセンサ１を構成することができる。
【００３３】
また本発明の第２の実施の形態は、前記歪みセンサ１の金属基材２が、Ｃｒを１６〜２６質量％、Ｍｏを２〜６質量％含むフェライト系ステンレス鋼で形成されたものである。このフェライト系ステンレス鋼として、以下の表１に示すＳＵＳ４４４を例示することができる。ＳＵＳ４４４は、Ｃｒを１７〜２０質量％含み、Ｍｏを１．７５〜２．５質量％含んでいる。またＮｉを含んでおらず、熱処理しない状態では、そのほとんどがアルファ相である。
【００３４】
図６は、前記ＳＵＳ４４４に８５０℃の熱処理を５回与えたものに対して、引張り歪みを段階的に与え、それぞれの印加歪みのときの残留歪みをプロットし、その後に圧縮歪みを段階的に与え、それぞれの印加歪みのときの残留歪みをプロットしたものである。
【００３５】
前記ＳＵＳ４４４を８５０℃で熱処理すると、ステンレス鋼内のほとんどを示すアルファ相がシグマ相に転移するため、弾性領域での歪みの範囲が拡大し、また残留歪みも小さくなる。
【００３６】
図５の線図から、少なくとも引張り方向（符号（＋））については、１０００με付近まで弾性領域であることが解る。また１０００μεまでの範囲で引張り歪みを与えたときの残留歪みは、５με未満であり、前記ＦＳ値が（５未満／１０００）＝０．５％未満であることが解る。
【００３７】
ただし、図６から引張り歪みを与えた後に圧縮歪みを与えると、−１０００μεに至る前にやや塑性変形に近くなり、また残留歪みも−１０μεを越えることが解る。また、熱処理したＳＵＳ４４４に対して最初に圧縮歪みを与えてから引張り歪みを与えると、残留歪みの特性は図６と上下逆になる。
【００３８】
すなわち、金属基材２としてＳＵＳ４４４を用いた歪みセンサ１の場合には、引張り歪みのみが与えられる使用環境、または圧縮歪みのみが与えられる使用環境とすれば、歪みの測定範囲を広げることができ、また残留歪みが小さくなって、原点への戻り精度を高くできるようになる。
【００３９】
【表１】
0003811042.tif 000002
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明では、測定可能な歪みの範囲が広く、また残留歪みによる原点戻り性の低下の少ない高精度な検出が可能な歪みセンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】歪みセンサの構造を示す断面図、
【図２】金属基材として使用されるＳＵＳ３２９の熱処理回数とフェライトの占有率との関係を示す線図、
【図３】金属基材として使用されるＳＵＳ３２９の熱処理回数と硬度との関係を示す線図、
【図４】金属基材として使用されるＳＵＳ３２９の熱処理前と熱処理後とでの引張り歪みと残留歪みとの関係を示す線図、
【図５】金属基材として使用されるＳＵＳ３２９を熱処理した後の、引張りおよび圧縮方向の印加歪みと残留歪みとの関係を示す線図、
【図６】金属基材として使用されるＳＵＳ４４４を熱処理した後の、引張りおよび圧縮方向の印加歪みと残留歪みとの関係を示す線図、
【符号の説明】
１  歪みセンサ
２  金属基材
３  絶縁層
４  電極
５  抵抗体
【図１】
0003811042.tif 000003
【図２】
0003811042.tif 000004
【図３】
0003811042.tif 000005
【図４】
0003811042.tif 000006
【図５】
0003811042.tif 000007
【図６】
0003811042.tif 000008