JP2011504589A - 内部応力を測定するためのロゼット歪ゲージ - Google Patents

Abstract

本発明は、穿孔法に従って工作物の内部応力を測定するためのロゼット歪ゲージであって、０°より大きく１８０°よりも小さい角度範囲内において、中心マーク２の周囲に半径方向に等間隔に、かつ相異なる方向に少なくとも３つの測定格子３、４、５を有するロゼット歪ゲージに関する。本発明は、これらの少なくとも３つの測定格子３、４、５の各々に、それぞれ同方向に整向された対向する同種の測定格子６、７、８が割り当てられていることを特徴とする。その際、各測定格子３、４、５、６、７、８、１６、１７から中心マーク２までの半径方向の間隔は等間隔である。さらに本発明では、歪方向の、これらの対向する測定格子３、８；４、７；５、６が、それらの測定値が平均化されるように互いに接続または結合されている。

Description

本発明は、請求項１および１０の上位概念に記載の、穿孔法に従って工作物における内部応力を測定するためのロゼット歪ゲージに関する。

所定の工作物または構成部材において、内部応力が存在するかどうか、ならびに、内部応力がどのような大きさおよび方向を有するのかを確認することがしばしば必要とされる。ここでは、内部応力とは、外部からの機械荷重なしに有効であり、しかも、空間的に均質かつ時間的に一定の温度場にさらされる構成部材における応力を意味するものとする。

この種の内部応力を測定するために様々な試験方法が存在し、これらの方法を用いて表面および材料内部における内部応力の状態を求めることができる。深さが数ミリメートルまでの表面近傍領域では、穿孔法が用いられることが多い。この場合、内部応力を決定すべき、構成部材の所定箇所において穴が穿孔される。この穴の直径および穿孔深さは、試料厚さによって決まる。この穿孔によって、材料内に存在する内部応力の一部が解放され、これにより、孔縁部の近傍に測定可能な変形が生じる。

次に、穿孔領域におけるこの変形を測定することによって、作用する内部応力を推定することができる。そのためには、例えば、穿孔の周囲に集められた３つの歪みゲージを施着することによって、３つの相異なった方向のひずみを求めなければならない。しかし、この方法の場合、比較的小さな歪みゲージしか用いることができない。なぜなら、穿孔の直近の周囲でしか、歪み差分と誘発された内部応力成分との間に十分な類似性が成立しないからである。

この種の方法およびその方法に用いられるロゼット歪ゲージが、特許文献１によって公知である。この場合、ロゼット歪ゲージは支持フィルムから成り、この支持フィルム上において、３つの測定格子が、中央の中心点の周囲に０°、４５°および９０°の角度位置に配置されている。穿孔法に従って内部応力を測定する場合、困難な点は、工作物の穿孔を、貼着されたロゼットの中央部に精確に実施する必要があるということである。なぜなら、孔が中心に設けられていない場合、半径方向に相異なる間隔をおいて配置された歪み測定格子が、距離依存性の歪みを検出してしまい、これが測定誤差につながるからである。従って、ロゼット歪ゲージは、その中心点が精確に中心に配置されてプリント基板に貼着される。その際、プリント基板の中央にセンタリングブッシュがろう接されている。その際、センタリングブッシュには中心孔が設けられており、この孔にセンタリングピンが嵌め込まれる。次に、ロゼット歪ゲージは、試験されるべき工作物上に貼着される。

次に、孔を精確に設けるために、ドリルガイドを具備するＵ字形の金属ホルダから成る特殊な穿孔装置が、ロゼット歪ゲージの上方に配置されて、センタリングブッシュに挿入されるセンタリングピンによって精確にロゼット歪ゲージの中央に載置される。中心合わせした後、センタリングピンは穿孔装置から取り外され、穿孔機のシャフトが穿孔装置に挿入されることで、工作物において、貼着された測定格子間に非常に精確な中心孔を設けることができる。その際に穿孔工程中に誘発された歪みは、次に歪みゲージ格子によって電気信号に変換され、これらの信号から内部応力を算定することができる。穿孔の直近の周囲でしか、歪み差分と誘発された内部応力成分との間に十分な類似性が成立しないので、穿孔の周囲に集められた歪みゲージは、比較的小さなものでなければならない。従って、この種のロゼット歪ゲージは、直径がわずか約１０〜１５ｍｍであることが多く、その結果、わずかな偏心が比較的大きな測定誤差を引き起こす恐れがある。従って、前述の非常に高コストの穿孔装置を用いても、必要とされる０．０２ｍｍという最大許容偏心を実現できないことが多い。

独国特許出願公開第２５５８７６８号明細書

従って、本発明の根底をなす課題は、穿孔法に従って工作物の内部応力を測定するための測定方法およびそれに用いられるロゼット歪ゲージを、非常に高い測定精度が達成可能であるように、かつ、これが可能な限りわずかな測定技術コストで実現可能であるように改善することである。

この課題は、請求項１および１０に記載の本発明によって解決される。本発明の別形態と有利な実施例とは、従属請求項に記載されている。

本発明が有する利点は、共通の測定方向の、半径方向に対向して配置された測定格子によって、わずかな偏心による測定誤差を大幅に補償できるという点である。このためには、対向する測定格子ペアの測定信号を得るだけでよく、これにより、穿孔の偏心による測定誤差が、有利には、最大２０倍改善される。

本発明がさらに有する利点は、測定方向の、２つの対向する測定格子を具備するこの種のロゼットの場合、その平均値を、簡単な直列回路または並列回路あるいは簡単な演算手段を用いて求めることができ、これにより、そのための測定技術上または設備上のコストは言うに値するほど大きくはならないという点である。

本発明が有するまた別の利点は、同種のロゼット歪ゲージ上において測定格子を２倍にしさえすれば、容易に測定精度を何倍も改善でき、しかもその際、孔を中心に設けるためのコストを増大させる必要はないという点である。この場合、同種のロゼット構成において測定格子を倍化するための追加コストは、測定格子が、その数が倍化される点を除いて同様である支持フィルム上において共通のエッチング工程によって完全自動で製造されるので、比較的わずかで済む。従って、このように低コストで製造されたロゼット歪ゲージを用いても、有利には、測定精度を向上させることができ、しかも、センタリング精度に関するコストは低減される。

本発明について、図面に示された実施例を参照しながらさらに詳細に説明する。

６個型測定格子ロゼット型穿孔体（Ｓｅｃｈｓ−Ｍｅｓｓｇｉｔｔｅｒ−Ｂｏｈｒｌｏｃｈｒｏｓｅｔｔｅ）を示す。 ６個型測定格子ロゼット型穿孔体用の結線フィルムを示す。 ８個型測定格子ロゼット型穿孔体を示す。

図１には、ロゼット型穿孔体であるロゼット歪ゲージ１が示されており、このロゼットでは、穿孔中心２の周囲において、半径方向に等間隔に３つの同種の測定格子３、４、５が４５°の角距離で配置されている。これらの測定格子には、それぞれ割り当てられた同種の測定格子６、７、８が、穿孔中心２に対して対称に対向する。

その際、ロゼット歪ゲージ１はプラスチック支持層９から成り、このプラスチック支持層に６つの従来の蛇行状の測定格子３、４、５、６、７、８が施着されている。この場合、全ての測定格子３、４、５、６、７、８は、中央の穿孔マーク２の周囲に同軸状に配置されている。その際、左側の３つの測定格子３、４、５または右側の３つの測定格子６、７、８は、通常の３個型格子ロゼット型穿孔体と同じように穿孔マーク２の周囲に備えられており、各測定格子３、４、５、６、７、８から穿孔マーク２までの半径方向の各間隔は等しい。その際、左側の３つの測定格子３、４、５は、０°から９０°までの間で３つの相異なる方向に整向されている。測定格子３、４、５の間には、それぞれ４５°という等角度が設けられており、これにより、左側の３つの測定格子３、４、５は９０°の角度範囲をカバーする。

工作物または構成部材の内部応力は、工作物に作用する内力または外力によって生じる可能性がある。これらの力によって引き起こされた変形は、長手方向および横方向の変位を特徴とする。工作物の内力に相当するのは、単位面積当たりの３つの応力である。応力状態は、単軸、２軸または３軸の可能性があり、その際、変形状態は常に３軸である。従って、主歪み方向が未知である限り、変形状態を検出できるように、相異なる方向に整向された３つの測定格子３、４、５を備える必要がある。検出された歪み変化から演算によって内部応力を推定することができるので、基本的に、測定格子３、４、５のそれぞれの向きは重要ではなく、従って、０°、９０°および１３５°、または０°、６０°および１２０°という配置も存在する。ただし、３つの測定格子３、４、５は、常に相異なる方向に整向されていなければならず、従って、これまで、ロゼットの２つの測定格子３、４、５間に１８０°という角度のずれが見られることはなかった。

例えば、１つの主応力方向の内部応力が分かっているというような特殊な場合には、例外的に、穿孔の周囲に相異なる方向に整向されたただ２つの測定格子を用いることでも内部応力測定を実施することができるであろう。しかし、現実的にはこういったことは重要ではないので、従来のロゼット型穿孔体は少なくとも３つの測定格子を有し、測定格子の角距離は常に＜１８０°である。従って、図示した６個型測定格子ロゼット型穿孔体１を用いて、０°、４５°および９０°という３つの主歪み方向について歪みが検出される。この検出は、左側の３つの測定格子３、４、５によっても、また、鏡面対称に対向していて、従って穿孔中心点と、割り当てられた対向する測定格子とに対して等距離を有する右側の３つの測定格子６、７、８によっても同様に行われる。６つの全ての測定格子３、４、５、６、７、８は同じように構成されているので、それぞれ１８０°で対向する測定格子ペア３、８；４、７；５、６は、同じ主歪み方向に整向されているために、穿孔工程中、基本的に同じ歪みを検出するはずである。

そこで、本発明ではこの事実を利用することで、穿孔配置が偏心することによる不可避の穿孔公差および従ってまた測定精度を修正することができる。なぜなら、現在求められている測定精度の場合、一部では、０．０２ｍｍという最大許容偏心しか容認されておらず、この最大許容偏心は、従来の穿孔センタリング法では、大きな測定技術コストをかけることでしか実現できない。また、センターポンチ作業などの機械式の穿孔センタリングも、検出されるべき内部応力に影響を及ぼすので許容されておらず、その結果、実際には大抵の場合、＞０．０２ｍｍの偏心しか実現できない。

従って、本発明は、少なくとも、検出されるべき各々の主歪み方向について、１８０°で対向する２つの同種の測定格子３、８；４、７；５、６をロゼット歪ゲージ上に設けて、穿孔の偏心によるその偏差を平均値形成によって大幅に補償できることを提案する。しかしその際、これによって引き起こされる誤差を最小限にするために、主歪み方向の、収集された歪み測定値を平均化することが必要である。これは、確かに完全に成功するわけではない。なぜなら、算定可能な内部応力は、穿孔までの間隔に比例しては走らず、従って、残留誤差が残るからである。しかし、実際の試験では、例えば最大可能な偏心精度が０．０２ｍｍの場合、測定精度が２０倍改善されることが明らかになった。コストを削減して、簡単な穿孔センタリング法を用いた場合、例えば０．１ｍｍという偏心がまだ実現可能であった。このような偏心では、本発明に係るロゼット型穿孔体１の場合、３つの同等の測定格子しか有していない簡単なロゼット型穿孔体の可能最大許容偏心に比べて、測定精度が８倍改善されることが明らかにされた。

１８０°で対向して配置された２つの測定格子のペア３、８；４、７；５、６について適宜平均値を形成するために、本発明は、３つの異なる方法を提案する。平均値形成は、それぞれ対向し、かつ割り当てられた２つの測定格子３、８；４、７；５、６を直列接続することによって実現できるのが好ましい。図２には、この種の個別の結線フィルム１８が示されている。この場合、結線フィルム１８は、ロゼット歪ゲージの、接続点１１に至るまで導出された接続導電路１０を具備し、これらの接続導電路は、例えば銅線１２を介して互いに接続される。その際、結線フィルム１８は、既に固定的に配線された導電路ブリッジ１３を含み、これらの導電路ブリッジによって、主歪み方向の、１８０°で対向して配置された測定格子ペア３、８；４、７；５、６が直列に接続される。このとき、出力側には、３つの測定格子を具備する従来のロゼット型穿孔体の場合と同じように、６つの測定導電点１４しか存在しない。

しかしまた、６つの測定格子３、４、５、６、７、８は、従来の方式で６個型測定格子ロゼット型穿孔体１の１２個の接続点１１を用いて直列に接続することもでき、これにより、出力信号としてそれぞれ歪み方向の平均値を得ることができる。

しかし、この種の固定的な結線は、直接、ロゼット型穿孔体１の支持フィルム９上に設けることもできるであろう。だが、この場合、導電路１０が交差することになるので、この方式は、ロゼット型穿孔体１を積層構成にすることによってのみ可能である。

また、中間値形成を、歪み方向の、１８０°で対向して配置されて割り当てられた測定格子ペア３、８；４、７；５、６を並列接続することによっても実現することができるであろう。各測定格子３、４、５、６、７、８の測定信号は、しばしば増幅後にアナログデジタル変換器に供給されるので、中間値は、後に、簡単な演算回路を用いて計算によって得ることもできる。このとき、偏心がかなり大きい場合には、さらに補正係数を準備することも可能であり、この補正係数によって穿孔偏差に関する非線形性が補償される。

図３には、ロゼット歪ゲージのまた別の実施態様が、８個型測定格子ロゼット型穿孔体として示されている。この実施態様が６個型測定格子ロゼット型穿孔体１と異なっているのは、同種の測定格子１６、１７のペアが増えている点のみであり、この測定格子を用いることで、検出可能な工作物の歪み方向が増加する。その際、この追加的な測定格子１６、１７は、隣接する測定格子ペアに対して４５°という角距離で配置されている。これにより、６個型測定格子ロゼット型穿孔体１の場合なら格子のない方向に生じたはずの偏心が存在する際に精度が改善されるのが好ましい。さらに、特に、主歪み方向が、測定格子をこれまで備えていなかった方向に延びている場合、単に評価可能な測定信号を増大することによっても測定精度は向上する。さらにまた、穿孔近傍に密に測定格子を配置することを支持層９上のスペース事情が許す限り、これよりも多くの測定格子ペアを具備するロゼット型穿孔体を実現することも可能である。なぜなら、上述の実施例の場合、両ロゼット型穿孔体１、１５が有する直径あるいはエッジ長さは、好ましくは１２ｍｍであるにすぎないからである。従って、測定格子数が８個超に増やされるのは、穿孔直径がさらに大きい場合のみであるのが好ましい。なぜなら、穿孔法の場合、穿孔直径およびその穿孔深さは、まず第１に分析深さによって決まり、従って、穿孔直径は、必ずしも小さければ十分というわけではないからである。

Claims (10)

1. 穿孔法に従って工作物の内部応力を測定するためのロゼット歪ゲージであって、０°より大きく１８０°よりも小さい角度範囲内において、中心マーク２の周囲に半径方向に等間隔に、かつ相異なる方向に少なくとも３つの測定格子３、４、５を有するロゼット歪ゲージにおいて、
   これらの少なくとも３つの測定格子３、４、５の各々に、それぞれ同方向に整向された対向する同種の測定格子６、７、８が割り当てられており、この測定格子から中心マーク２までの半径方向の間隔が、対向する測定格子の場合と同じ間隔であって、その際、歪み方向の、これらの対向する測定格子３、８；４、７；５、６が、それらの測定値が平均化されるように互いに接続または結合されていることを特徴とするロゼット歪ゲージ。
2. 前記ロゼット歪ゲージが、６個型測定格子ロゼット型穿孔体１として構成されており、そこでは３つの同種の測定格子３、４、５が、中心マークである穿孔マーク２の周囲に４５°の間隔で半径方向に配置されており、これらの測定格子に、さらに３つの同種の測定格子６、７、８がそれぞれ１８０°で対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロゼット歪ゲージ。
3. 前記ロゼット歪ゲージが、８個型測定格子ロゼット型穿孔体１として構成されており、そこでは４つの同種の測定格子３、４、５、１６が、中心マークである穿孔マーク２の周囲に４５°の間隔で半径方向に配置されており、これらの測定格子に、さらに４つの同種の測定格子６、７、８、１７がそれぞれ１８０°で対向して共通の支持フィルム９上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロゼット歪ゲージ。
4. 前記測定格子３、４、５、６、７、８、１６、１７が、共通の円形または角形の支持フィルム９上に設けられており、各測定格子が、２つの導出された接続点１１またはろう接点を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のロゼット歪ゲージ。
5. 前記測定格子３、４、５、６、７、８、１６、１７が、少なくとも１２本の接続導電路１０によって、支持フィルム９の長手側の少なくとも１２個の接続点１１に至るまで導出されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のロゼット歪ゲージ。
6. ペアとして対向する前記測定格子３、８；４、７；５、６；１６、１７が平均値形成のために直列または並列に接続されるように、前記接続導電路１０が、結線フィルム１８としての共通の、または個別の支持フィルム９上において、導通または結線されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のロゼット歪ゲージ。
7. 前記測定格子３、４、５、６、７、８、１６、１７の結線が、導電路ブリッジ１３によって、または交差するように積層された導電路によって施されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のロゼット歪ゲージ。
8. 請求項１〜７のいずれか一つに記載のロゼット歪ゲージ１、１５を用いて穿孔法に従って工作物内の内部応力を測定するための測定機構において、
   前記ロゼット歪ゲージ１、１５が、備えられた演算回路に接続されており、この演算回路が、それぞれ１８０°で対向する測定格子ペア３、８；４、７；５、６；１６、１７の歪み測定値から、その平均値を算定することを特徴とする測定機構。
9. ロゼット歪ゲージ１、１５を用いて内部応力を測定するために、このロゼット歪ゲージの接続点１１が個別の結線フィルム１８に接続されており、その際、この結線フィルム１８が導電路１０を有していて、これらの導電路が、前記対向する測定格子ペア３、８；４、７；５、６；１６、１７を直列接続または並列接続するための導電路ブリッジ１３を具備すること、および、これらの導電路が、６個または８個の測定導電点１４に至るまで導出されていることを特徴とする請求項８に記載の測定機構。
10. 請求項１〜７に記載のロゼット歪ゲージのいずれか一つを用いて穿孔法に従って工作物の内部応力を測定するための方法であって、このロゼット歪ゲージの測定導電点１４または接続点１１が、評価装置の電子演算回路に接続されており、この電子演算回路が、中心穿孔マーク２における工作物の穿孔後、その際収集された歪み測定値から、公知の演算アルゴリズムに従って内部応力を算定する方法において、
    事前に、前記対向する測定格子３、８；４、７；５、６；１６、１７の測定値からその平均値が算定され、この平均値が内部応力を算出するための歪み測定値として用いられることを特徴とする方法。

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