JP4252431B2 - 疲労センサおよびその製造方法並びに疲労センサの破断片およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造物の疲労による損傷度を計測する疲労センサおよびその製造方法並びに疲労センサの破断片およびその製造方法に関する。

図３に示すように、疲労センサ１００は、箔状の基板１０１と、この基板１０１の上面１０２に固着される箔状の破断片１０３とを備える。この破断片１０３には、長手方向（図３の左右方向）両端部１０４、１０５間の中央部１０６に、長手方向に垂直な幅方向一側部１０７から幅方向他側部１０８に向かって延びるスリット１０９が形成されている。長手方向両端部１０４、１０５には、複数の接合部１１０、１１１と、各接合部１１０、１１１よりも長手方向外側の複数の接合部１１２、１１３が幅方向に断続的に配置されている。長手方向両端部１０４、１０５は、これらの接合部１１０〜１１３において、パラレルギャップ式抵抗溶接によって基板１０１の表面１０２上に直接、接合される（例えば、特許文献１参照。）。または図４に示すように、パラレルギャップ式抵抗溶接に代えて接着剤１１４、１１５を用いて、長手方向両端部１０４、１０５が基板１０１の表面１０２上に接着される。

しかしながら、これらの接合方法は、何れも、長手方向両端部１０４、１０５を基板１０１の表面１０２上に接合するための部分、いわゆる「のりしろ」のような広い部分を、長手方向両端部１０４、１０５に確保する必要がある。そのため、例えば図３に示すように、疲労センサの歪みに対する感度を決定するパラメータの１つである、破断片１０３の接合部１１０、１１１間の距離ＬＬが短くなる。その結果、この距離ＬＬが短くなった分、疲労センサ１００の感度が劣化する。これに対処するためには、前記接合部１１０、１１１間の距離ＬＬを長くすればよいのであるが、その場合には疲労センサ１００が大きくなる。従って、これらの接合方法では、疲労センサ１００を高感度に保ちながら小型化するのに限界がある。

また図３乃至図５に示すように、スリット１０９が形成される中央部１０６を含む中間部１１６が幅方向全体に亘って長手方向両端部１０４、１０５よりも薄く形成されている。より詳細には、図５に示すように、この中間部１１６の基板１０１と反対側の表面１１７と、長手方向左端部１０４の基板１０１と反対側の表面１１８との間に、スリット１０９の両側で平行に延びる段差面１１９が形成されている。各段差面１１９と、中間部１１６の基板１０１と反対側の表面１１７との交差部１２０は、破断片１０３の下面に向かって凸の湾曲面によって連なる。長手方向右端部１０５と中間部１１６との間も同様に構成されている。このように中間部１１６を長手方向両端部１０４、１０５よりも薄く形成することによって、中間部１１６に大きな応力を発生させることができる。これにより疲労センサ１００の感度を向上させている。

この効果は、中間部１１６の厚さと長手方向両端部１０４、１０５の厚さとの比率（Ｔ１／Ｔ２）が大きいほど大きい。しかし同時に中間部１１６、段差面１１９および交差部１２０を所定の寸法精度以上に形成する必要がある。それは、これらの寸法精度が所定の寸法精度未満である場合、疲労センサ１００の特性（破断片１０３に形成されているスリット１０９の先端からのき裂進展特性）のばらつきが大きくなって、精度良く構造物の疲労損傷度を計測できないからである。

ところが、従来は、特許文献１に開示されているように、電気鋳造にて破断片１０３を形成した後にエッチング処理によって破断片１０３の中間部１１６を減厚することにより、中間部１１６、段差面１１９および交差部１２０を形成している。この方法では、上記厚さの比率をある一定値以上にすると、中間部１１６、段差面１１９および交差部１２０の寸法精度が著しく落ちる。例えば、中間部１１６の厚さＴ２が０．０２ｍｍである場合、長手方向両端部１０４、１０５の厚さＴ１が０．２mmを超えると中間部１１６、段差面１１９および交差部１２０の寸法精度が著しく落ちる。従って、上記厚さの比率には限界がある。そのため、疲労センサ１００の感度をこの限界比率に対応する感度以上に向上させることはできない。
特許第３３４２４６７号公報 （第５−７頁）

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、小型化と高感度化とを実現することができる疲労センサを提供することを目的とする。

本発明に係る別の疲労センサは、 箔状の基板と、箔状の破断片とを備えており、該破断片は、２段電気鋳造法によって形成されており、長手方向両端部間の中間部に、長手方向に垂直な幅方向一側部から幅方向他側部に向かって延びるスリットを有する箔状の第１電鋳部と、第１電鋳部の、スリットが形成される中間部を除く長手方向両側部分の一表面上に重ねて形成された第２電鋳部とを備え、長手方向両端部が基板の一表面上に固着されており、基板の他表面を被検出部材に固定して、スリットから進展したき裂進展長によって被検出部材の疲労損傷度を検出する。

本発明に係る疲労センサの破断片の製造方法では、電気鋳造によって、長手方向両端部間の中間部に、長手方向に垂直な幅方向一側部から幅方向他側部に向かって延びるスリットを有する第１箔膜（前記第１電鋳部に相当する）を形成し、さらに電気鋳造によって、第１箔膜の、スリットが形成される中間部を除く長手方向両側部分の一表面上に重ねて第２箔膜（前記第２電鋳部に相当する）を形成することによって破断片を製造する。

本発明に係る疲労センサの製造方法では、電気鋳造によって、長手方向両端部間の中間部に、長手方向に垂直な幅方向一側部から幅方向他側部に向かって延びるスリットを有する第１箔膜を形成し、さらに電気鋳造によって、第１箔膜の、スリットが形成される中間部を除く長手方向両側部分の一表面上に重ねて第２箔膜を形成することによって破断片を形成し、該破断片の長手方向両端部をさらに基板の一表面上に接合することによって疲労センサを製造する。

以上の構成および製造方法によれば、破断片の形成に２段電気鋳造法を用いているので、疲労センサの歪みに対する感度を決定するパラメータの１つである、破断片の中間部と長手方向両端部との厚さの比率を、従来よりも大きくすることができる。これにより、疲労センサの長さと幅とが同じであれば、前記比率を大きくすることができる分、疲労センサの感度を高くすることができる。また仮に疲労センサの感度が従来と同じであれば、疲労センサを小型化することもできる。さらに破断片の中間部と長手方向両端部との間に形成される段部を、従来よりも高精度に形成することができる。これにより、破断片に付与される応力を中間部に確実に集中させることが可能となる。その結果、さらに疲労センサの感度を向上させることができる。

ここで、電気鋳造は、電気めっきと同じ原理で電気化学反応を利用し、金属イオンを含んだ電解質溶液に電流を通じて目的の金属を被めっき体上に析出させるものである。前記２段電気鋳造法は、この電気鋳造によって１段目（例えば板状のもの）を形成した後、この形成された面にさらに電気鋳造によって２段目を重ねて形成するものである。この２段電気鋳造法は、破断片として使用されるＮｉのような、表面に不動態皮膜が形成されて１段目と２段目との密着を確保することが困難である材料でも一段目の表面に形成される不動態皮膜を洗浄して除去することによって１段目と２段目との密着を確保することができること、および、厚めっきを高精度（例えば０．０５ミクロン〜０．１ミクロン）に形成することができることなどの特徴を有する。

上記破断片が、長手方向両端面と基板の一表面との間にそれぞれ形成される交差部を溶接することによって、基板の一表面上に接合されてもよい。これにより、破断片の長手方向両端面が溶接によって基板の一表面上に接合されているので、従来のように破断片の長手方向両端部の長手方向の内側の部分に接合部、いわゆる「のりしろ」を設ける必要がない。従って、疲労センサの歪みに対する感度を決定するパラメータの１つである、破断片の長手方向両端部と基板との各接合部間の距離（以下、接合スパンと呼ぶ）を従来よりも長くすることができる。その結果、疲労センサの高感度化を実現することができる。また従来と同じ接合スパンを確保する場合には、上記のとおり、破断片の長手方向両端部にいわゆる「のりしろ」を設ける必要がないので、その分疲労センサを小型化することができる。このように疲労センサを小型化することにより、疲労センサの取付位置の選択上の自由度が増す。これにより、疲労センサを、例えば溶接構造物の疲労強度上重要となる溶接ビード止端近傍（ホットスポット）に取り付けることも可能となる。なお、前記溶接として、微少連続融合溶接（例えばマイクロプラズマ溶接）を用いることができる。このマイクロプラズマ溶接は、小容量のプラズマ溶接で、電流を細かく設定することができるという特徴を有し、本発明のような極薄板（箔）の精密溶接に適する。

本発明に係る疲労センサによれば、小型化することができるとともに高感度化を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施の形態に係る疲労センサは、稼働中の機械および構造物など被検出部材の疲労損傷度を検出するために用いられる。この疲労センサと、図３乃至図５に示した従来の疲労センサとの主な相違点は次の２つである。１つは、破断片の長手方向両端面と基板とを微少連続融合溶接をすることによって、破断片と基板との接合部間の接合スパンを従来よりも長くすることができる点である。もう１つは、破断片の形成に２段電気鋳造法を用いることによって、破断片の中間部と破断片の中間部を除く両側部分との段差（両者の厚さの比率）を、従来よりも大きくすることができると共に高精度に形成することができる点である。これにより、疲労センサの小型化と高感度化とを実現することが可能となる。

図１は本発明の一実施形態に係る疲労センサの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２は図１（ｂ）のＢ部の部分拡大断面図である。

図１（ａ）に示すように、この疲労センサ１は、箔状の基板２と、該基板２の一表面３上に固着される箔状の破断片４とを備える。この破断片４の長手方向（図１（ａ）の左右方向）中央部５には、長手方向に垂直な幅方向一側部６から幅方向他側部７に向かって延びるスリット８が形成されている。図１（ｂ）に示すように、この疲労センサ１は、基板２の他表面９を被検出部材１０に固定して、前記スリット８から進展したき裂進展長ａによって被検出部材１０の疲労損傷度を検出するようになっている。

前記破断片４の長手方向両端面１１、１２は、基板２の一表面３との間に形成される交差部１３、１４をマイクロプラズマ溶接（微少連続融合溶接の一種）による溶接をすることによって、基板２の一表面３上に接合されている。これに対して、従来は、図３に示したように破断片１０３の長手方向両端部１０４、１０５を抵抗溶接または接着によって基板１０１の一表面１０２上に接合している。すなわち、破断片１０３の長手方向両端部１０４、１０５にいわゆる「のりしろ」を確保する必要がある。しかし本実施の形態では、上記のとおり、この「のりしろ」が不要である。従って、図１（ａ）に示す破断片４の長手方向両端面１１、１２と基板２との各接合部１５、１６間の接合スパンＬを、従来よりも長くすることができる。これにより、疲労センサ１の高感度化を実現することができる。また従来と同じ接合スパンＬを確保する場合には、前記「のりしろ」の分、疲労センサを小型化することができる。

前記破断片４には、スリット８が形成される中央部５を含む中間部１７が幅方向全体に亘って長手方向両側部１８、１９よりも薄く形成されている。その結果、長手方向両側部１８、１９に被検出部材１０から基板２を介して伝達された歪みによって中間部１７に大きな応力を発生させることができる。これにより、スリット８の先端８ａに応力集中が生じ、き裂が進展しやすくなり、破断片４にわずかな歪みが伝達されても容易にき裂を発生させることができ、疲労センサ１の感度を向上させることができる。

さらに詳細には、中間部１７の基板２と反対側の表面２０と、長手方向両側部１８、１９の基板２と反対側の表面２１、２２との間に、スリット８の両側に平行に延びる段部２３、２４がそれぞれ形成される。各段部２３、２４は互いに中央部側に向かって凸の湾曲面によって連なる。

この段部２３、２４を有する破断片４は２段電気鋳造法を用いて形成されている。

まず、電気鋳造によって、前記中間部１７を含む第１電鋳部２５が形成される。第１電鋳部２５の材料としては、耐腐食性および製作容易性を考慮して純Ｎｉが用いられている。ただし、これに限定するものではない。例えば、純亜鉛などを使用することができる。この第１電鋳部２５は、図１に示すように長さＬ（ここでは、接合スパンと略同じ長さ）、幅Ｗ、厚さＴ３を有し、本実施形態において、長さＬは１２mm、幅Ｗは２．５または５．０mm、厚さＴ３は０．０２mmに選択されている。

より具体的には、図示していないが、第１電鋳部２５を形成するための雌型を例えば樹脂製レジストから製作する。このレジストを、Ｎｉイオンを含む電解質溶液中に入れて電流を通じる。すると雌型の表面上にＮｉイオンが析出し純Ｎｉの第１箔膜（第１電鋳部２５）が形成される。

その後、さらに電気鋳造によって、第１電鋳部２５の中間部１７を除く長手方向両側部分２６、２７の基板２と反対側の表面２８、２９上に、第２電鋳部３０、３１が重ねて形成される。より具体的には、第１電鋳部２５の中間部１７を例えば樹脂製レジストで覆うことにより、中間部１７上に純Ｎｉの箔膜が形成されないようにして、電流を通じる。すると、第１電鋳部２５の長手方向両側部分２６、２７の基板２と反対側の表面２８、２９上にのみ、純Ｎｉの第２箔膜（第２電鋳部３０、３１）が形成される。この第２電鋳部３０、３１は、前記第１電鋳部２５と同様、純Ｎｉなどを用いて形成される。これにより、上述した破断片４の長手方向両側部１８、１９（第１電鋳部２５に第２電鋳部３０、３１を積重した部分）が形成される。この長手方向両側部１８、１９は厚さＴ４を有し、本実施形態において、厚さＴ４は０．４mmに選択されている。

以上のような２段電気鋳造法によれば、既述したように、Ｎｉのような、表面に不動態皮膜が形成されて１段目と２段目との密着を確保することが困難である材料でも一段目の表面に形成される不動態皮膜を洗浄して除去することによって１段目と２段目とを確実に密着させることができる。また厚めっきを高精度（例えば０．０５〜０．１ミクロン）に形成することもできる。

従って、この２段電気鋳造法を用いることによって、前記第１電鋳部２５（１段目）と第２電鋳部３０、３１（２段目）とを確実に密着させて精度良く一体に形成することができる。さらに段部２３、２４を高精度に、かつ上述のような大きな段差（Ｔ３＝０．０２mm／Ｔ４＝０．４mm）に形成することができる。その結果、疲労センサ１の歪みに対する感度を決定するパラメータの１つである、中間部１７の厚さと破断片４の長手方向両側部１８、１９の厚さとの比率を従来よりも大きくすることができる。同時に破断片４に付与される応力を中間部１７に確実に集中させることが可能となる。これにより、疲労センサ１の長さと幅が同じであれば、破断片４に、より大きな段差を形成することができる分だけ、疲労センサ１の高感度化を実現することができる。また疲労センサ１の感度が従来と同じであれば、疲労センサ１を小型化することができる。

また破断片４の中間部１７には、スリット８の先端８ａから幅方向他側部７に亘るき裂進展領域３２に、き裂進展長ａを電気的に検出するき裂進展長検出部材３３が設けられている。

このき裂進展検出部材３３は、き裂の進展方向、すなわち横方向に直角な長手方向に沿って延びる複数の電気抵抗線３４を有する。各電気抵抗線３４は、幅方向に等間隔をあけて平行に配置され、両端部が電気的に並列的に接続され、電気絶面性樹脂である例えばエポキシ樹脂によってシート状に被覆され、前記き裂進展領域３２に接着剤などによって接着される。

スリット８の先端８ａからき裂が進展すると、電気抵抗線３４が順次的に破断し、このような破断による抵抗値の経時的変化を図示しない計測装置によって計測する。これにより、き裂の進展状況を定量的に検出することができる。

なお、ここでは、電気抵抗線３４の抵抗値の経時変化を計測することによりき裂の進展長ａを計測しているが、これに代えて歪みゲージによってき裂の進展長ａを計測してもよいし、またき裂進展領域３２に目盛を付したシートを貼付して、視覚的にき裂の進展長ａを計測してもよい。もちろん、き裂進展領域３１にエッチング処理などで直接目盛を付しても構わない。このように視覚的に計測するために、例えば公知のＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラなどを用いることができる。

また図１（ｂ）では、破断片４の凹部（中間部１７など）を破断片４の基板２と反対側に向けて配置して破断片４の長手方向両端面１１、１２を基板２の一表面３に溶接しているが、これに代えて破断片４の凹部（中間部１７など）を基板２側に向けて配置して長手方向両端面１１、１２を基板２の一表面３に溶接してもよい。

またここでは、スリット８は破断片４の長手方向中央部５に設けられているが、このスリット８を、中間部１７の、破断片４の長手方向中央部５から長手方向（図１（ｂ）の左右方向）のいずれか一方にずれた位置に設けてもよい。またここでは、中間部１７についても破断片４の長手方向中央に設けられているが、破断片４の中央から長手方向（図１（ｂ）の左右方向）のいずれか一方にずれた位置に設けても構わない。

なお、上述した実施形態は一例であり、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る疲労センサの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 図１（ｂ）のＢ部の部分拡大断面図である。 従来の疲労センサの平面図である。 従来の別の疲労センサの平面図である。 図３および図４のＣ−Ｃ線断面図である。

符号の説明

１…疲労センサ
２…基板
３…一表面
４…破断片
５…中央部
６…一側部
７…他側部
８…スリット
８ａ…スリットの先端
９…他表面
１０…被検出部材
１１、１２…長手方向両端面
１３、１４…交差部
１５、１６…接合部
１７…中間部
１８、１９…長手方向両側部
２０…中間部の基板と反対側の表面
２１、２２…長手方向両側部の基板と反対側の表面
２３、２４…段部
２５…第１電鋳部
２６、２７…両側部分
２８、２９…両側部分の基板と反対側の表面
３０、３１…第２電鋳部
３２…き裂進展領域
３３…き裂進展検出部材
３４…電気抵抗線
ａ…き裂進展長

Claims (4)

1. 箔状の基板と、
   箔状の破断片とを備えており、
   該破断片は、２段電気鋳造法によって形成されており、長手方向両端部間の中間部に、長手方向に垂直な幅方向一側部から幅方向他側部に向かって延びるスリットを有する箔状の第１電鋳部と、前記第１電鋳部の、スリットが形成される中間部を除く長手方向両側部分の一表面上に重ねて形成された第２電鋳部とを備え、長手方向両端部が基板の一表面上に固着されており、
   基板の他表面を被検出部材に固定して、前記スリットから進展したき裂進展長によって被検出部材の疲労損傷度を検出する、疲労センサ。
2. 前記破断片が、長手方向両端面と前記基板の一表面との間にそれぞれ形成される交差部を溶接することによって、基板の一表面上に接合されてなる、請求項２記載の疲労センサ。
3. 疲労センサの破断片の製造方法であって、
   電気鋳造によって、長手方向両端部間の中間部に、長手方向に垂直な幅方向一側部から幅方向他側部に向かって延びるスリットを有する第１箔膜を形成し、
   さらに電気鋳造によって、前記第１箔膜の、スリットが形成される中間部を除く長手方向両側部分の一表面上に重ねて第２箔膜を形成することによって破断片を形成する、破断片の製造方法。
4. 箔状の基板と箔状の破断片とを備える疲労センサの製造方法であって、
   電気鋳造によって、長手方向両端部間の中間部に、長手方向に垂直な幅方向一側部から幅方向他側部に向かって延びるスリットを有する第１箔膜を形成し、
   さらに電気鋳造によって、前記第１箔膜の、スリットが形成される中間部を除く長手方向両側部分の一表面上に重ねて第２箔膜を形成することによって前記破断片を形成し、
   該破断片の長手方向両端部をさらに前記基板の一表面上に接合する、疲労センサの製造方法。

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