JP4758271B2 - 大ひずみ測定用ひずみゲージ - Google Patents
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Description
このような用途に用いられる従来のひずみゲージは、図4および図5に示すように構成されている。
図4は、従来の箔ゲージタイプの単軸ひずみゲージの構成を模式的に示す平面図であり、図5は、図4に示すひずみゲージを被測定対象物に接着した状態を示す断面図である。
図4、図5において、1は、ゲージベースであり、可撓性を有する絶縁材料で形成されている。2は、導電箔(金属箔)材をフォトエッチング技術により、図4に示すように、所定長さ(ゲージ長)に連続的に折返されて蛇行状にパターンニングされた幅狭のゲージ素子パターン部であり、上記ゲージベース1を介して伝達される被測定対象物9のひずみ量に対応してその抵抗値を変化する。
このように構成されたひずみゲージを用いて大ひずみを測定する場合、諸種の問題がある。
このことは、A部(ゲージタブパターン部3a、3b)は、B部(接続パターン5a、5b)より箔面積が大きいこと、およびA部は、ゲージリード4a、4bが半田付けされていることから、B部より伸び難い状態となっているからであると考えられる。
そこで、本出願人は、先に、図4に示すようなひずみゲージを提案した(特許文献1:実用新案登録第3040684号公報)。
このように構成された特許文献1に記載されたひずみゲージにおいては、応力が集中するスリット8a,8bの最深部8c,8dの付近は、幅広で、長さ寸法が大きく、従って面積の広いゲージタブパターン部3a,3bの中心部付近であるため、応力集中が分散され、応力集中による断線を生じる虞れがなくなる。
従って、被測定対象物のひずみをゲージベース1を介して受けるゲージ素子パターン部2においては、上記ひずみを受け、そのひずみに対応した抵抗変化を示すこととなるが、大ひずみ計測用のひずみゲージのひずみ限界値、即ちひずみの限界は10%未満であったのに対し、図4に示すひずみゲージでは約15%を越えるひずみに対しても断線せず、ひずみの測定が可能となったのである。
そこで、本発明者らは、この要望に応えるべく各種の課題に取り組んだ。
先ず、接着剤の接着力について特性試験を行ったが現存する市販の接着剤、例えば、本出願人の販売に係る商品である「CC−36」においては、20%以上のひずみに対しても問題はなく、30%以上の大ひずみにも有効であったが、接着されたひずみゲージ自体のひずみの限界は15%を超えるものにはならなかった。
また、ゲージ素子パターン等を形成する金属箔のパターンの変更、箔材の変更を試みたが大幅な改善は見られなかった。
また、ゲージベースの被測定対象物との接着力の向上を図るべく、その接着面に研磨処理を種々試みたところ、多少の改善効果が見られたが、根本的な解決策とはなり得なかった。
また、接着性を向上させるために、ゲージベースの接着面積を大きくすることも考慮したが、結果としてひずみゲージ全体が大きくなってしまい、使用できるひずみ測定対象物が限定されてしまう、という別の問題が生じることとなる。
前記ラミネート膜を前記ゲージ素子パターン部側のゲージベースの先端縁より0.3mm〜1.5mm延長してはみ出し部を形成し、
被測定対象物に添着する際には、前記ゲージベースの裏面側と共に、前記はみ出し部の裏面側を前記被測定対象物に添着し、前記ゲージベースの前記先端縁側の剥離を阻止し、20%〜25%の大ひずみにも応動し得る構成としたことを特徴としている。
請求項3に記載した発明に係る大ひずみ測定用ひずみゲージは、被測定対象物に添着する際の指標となる位置合わせマークを、前記ゲージベースの前記先端縁から離れた位置に形成したことを特徴としている。
請求項5に記載した発明に係る大ひずみ測定用ひずみゲージにおける前記スリットは、ゲージ素子パターン部の受感軸に沿い且つゲージタブパターン部の前記ゲージ素子パターン部寄りの端部から中心部付近に至るまでの深さに亘って形成したことを特徴としている。
前記ラミネート膜を前記ゲージ素子パターン部側のゲージベースの先端縁より0.3mm〜1.5mm延長してはみ出し部を形成し、
被測定対象物に添着する際には、前記ゲージベースの裏面側と共に、前記はみ出し部の裏面側を前記被測定対象物に添着し、前記ゲージベースの先端縁側の剥離を阻止し、20%〜25%の大ひずみにも応動し得る構成としたので、被測定対象に添着されたラミネート膜のはみ出し部がゲージ素子パターン部側に対応するゲージベースの前記先端縁側の剥離を効果的に抑制し、これまで不可能であった20%を充分に超える大ひずみをも高精度に測定することができ、しかも、はみ出し部を設けることによるサイズの増大は僅かで問題は生ぜず、製造コストも増大せず、被測定対象物への添着作業も容易な大ひずみ測定用ひずみゲージを提供することができ、さらに、前記はみ出し部の長さを、前記ゲージベースの先端縁より0.3mm〜1.5mmに設定してなるので、ゲージベースに対する長さに対し、さほど、寸法の増大を来たすことがなく、特に、はみ出し部の寸法が上記寸法範囲未満であると、剥離防止効果が乏しく、また、上記寸法範囲を超えると、剥離防止効果が頭打ちとなり、むしろサイズの無用の増大を伴い、不利となる。
請求項5に記載の発明によれば、前記スリットは、ゲージ素子パターン部の受感軸に沿い且つゲージタブパターン部の前記ゲージ素子パターン部寄りの端部から中心部付近に至るまでの深さに亘って形成したので、上記請求項4に記載の発明と同様の効果を奏し得る大ひずみ測定用ひずみゲージを提供することができる。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る大ひずみ測定用ひずみゲージの構成を模式的に示す斜視図、図2は、図1のひずみゲージを被測定対象物に添着した状態を示す断面図である。
図1および図2に示したひずみゲージは、箔ゲージタイプの単軸ひずみゲージの一例を示すものであり、このうち、11は、可撓性を有する絶縁材料、例えばポリイミド樹脂で矩形板状に形成されたゲージベースである。
12は、抵抗材料、例えばCu−Ni合金よりなる箔材を、フォトエッチング技術により、図1に示すように所定のゲージ長Cの長さに連続的に折返されて蛇行状にパターニングされた幅狭のゲージ素子パターン部であり、上記ゲージベース11を介して伝達される被測定対象物に生じるひずみに対応してその抵抗値を変化する。
13aおよび13bは、上記ゲージ素子パターン部12と同一材料で且つ同時に形成される1対のゲージタブパターン部であり、ゲージリード(リード線)14aおよび14bを接続し易くするため、ゲージ素子パターン部12の幅に比べてかなり幅広に形成されている。
16aおよび16bは、ゲージリード14aおよび14bをゲージタブパターン部13aおよび13bに接続してなる半田付部(またはロー付部)である。17は、ゲージ素子パターン部12、ゲージタブパターン部13aおよび13b並びに接続パターン部15aおよび15bからなる金属箔パターン部の表面を被覆し、さらに、ゲージ素子パターン部12側のゲージベース11の端縁(図1および図2において左端縁)より、所定量延長してはみ出し部17aを設けてなるラミネート膜である。このラミネート膜17の材質は、ポリエステル、ポリアミドイミドおよびポリイミドなどの樹脂材を用いることができ、これらの樹脂をフィルム状に加工する。また、フィルム状のものに限らず、刷毛塗りやスプレーガンなどにより、噴霧するなどして塗膜を形成するようにしてもよい。
但し、製造が最も容易なのは、フィルム状に形成してゲージ素子パターン部12等が添着されたゲージベース11を被覆し、且つゲージベース11の先端縁11aより所定長(E)にわたって延設する方法である。
ところで、本発明者らは、従来の大ひずみゲージのひずみ限界の拡大のために各種の課題に取り組んできたが、鋭意原因の探求をした結果、ひずみゲージが大変位を受けると、被測定対象物からゲージベースが剥がれるという現象があり、特に、従来のひずみゲージにあっては、図6に示すように、ゲージベース1のゲージ素子パターン部2側の先端縁にその剥離10が著しいことを解明することができた。
本発明者らは、このような知見に基づき、ゲージベース11の先端側に、本来、ゲージ素子12aやゲージタブパターン部13a、13b上を複履し、吸湿による劣化および外部からの損傷を防止するために施すラミネート膜17を、さらに、その先端側を、ゲージベース11の先端縁11aから0.3mm〜1.5mmの長さのはみ出し部17aを形成し、このはみ出し部17aを被測定対象物に添着することで、ゲージベース11の先端部の剥離を防止し得ることを見出したのである。
このように構成された第1の実施の形態に係る大ひずみ測定用ひずみゲージの作用につき説明する。
また、このようにして金属箔パターン部が接着等の手段により添着されたゲージベース11の表面には、ラミネート膜17が、ゲージタブパターン部13a、13bの手前から、ゲージベース11の先端(左端)に至るまで、例えば適宜の接着剤等の手段により添着されるが、さらに、その先端のはみ出し部17aは、接着剤等を塗布せずに工場から出荷される。
尚、図2にて理解されるように、ゲージタブパターン部13a、13bに半田付けされたゲージリード14a、14bの半田付部16a、16bの基端部周辺も、ラミネート膜17によって、被覆されて防湿される。
このようにして、ラミネート膜17によって金属箔パターン部は、水密に被覆されるため、吸湿による劣化および外部からの損傷が防止されると共に、従来品において生じていたゲージベース11の先端縁11a付近の被測定対象物19からの剥離がラミネート膜17のはみ出し部17aによって確実に抑止され、結果的に20%〜25%という大ひずみにも応動させることができる。
はみ出し部17aの剥離防止結果は、はみ出し部17の長さEによって変化するが、Eが0.3mm〜1.5mmの範囲に入れば、充分発揮されることを確認した。因に、ゲージベース11のベース長Dが11mm、ゲージ長が5mmのものにあって、はみ出し部17aの長さEを、0.5mmに設定したところ、初期の目的を充分達成させられた。
図3においては、ラミネート膜27で被覆していない状態のひずみゲージを示し、ラミネート膜27は仮装線(二点鎖線)をもって示している。
図3に示した大ひずみ測定用ひずみゲージは、上述したと同様に箔ゲージタイプの単軸ひずみゲージの一例を示すものであり、
このうち、21は、可撓性を有する絶縁材料、例えばポリイミド樹脂で矩形板状に形成されたゲージベースである。
22は、抵抗材料、例えばCu−Ni合金よりなる箔材を、フォトエッチング技術により、所定のゲージ長の長さに連続的に折返されて蛇行状にパターニングされた幅狭のゲージ素子パターン部であり、上記ゲージベース21を介して伝達される被測定対象物に生じるひずみに対応してその抵抗値を変化する。
23aおよび23bは、上記ゲージ素子パターン部22と同一材料で且つ同時に形成される1対のゲージタブパターン部であり、図示しないゲージリード(リード線)を接続し易くするため、ゲージ素子パターン部22の幅に比べてかなり幅広に形成されている。
27は図1、図2に示した本発明の第1の実施の形態のひずみゲージの場合と同様に、ゲージ素子パターン部22、ゲージタブパターン部23aおよび23b並びに接続パターン部25aおよび25bの表面を被覆し、吸湿による劣化および外部からの損傷を防止すると共に、ゲージベース21の先端側の剥離を防止するはみ出し部27aを有する、例えばポリエステルフィルムからなるラミネート膜である。
このような構成よりなる第2の実施の形態のひずみゲージの特徴的なところは、ゲージタブパターン部23a,23bの上記接続パターン部25a,25bと連接する部分における応力の集中を分散させ、断線を防止するためのスリットを形成したことにある。これをより具体的に説明すると、ゲージタブパターン部23a,23bのゲージ素子パターン部22に対峙する側の端部が、ゲージ素子パターン部22側(図3において左側)に凹面を向くような円弧状に形成され、さらに、ゲージタブパターン部23a,23bにおける接続パターン部25a,25bとの連接部に、受感軸方向に沿い且つゲージ素子パターン部22寄りの一端からゲージタブパターン部23a,23bのほぼ中心附近に達する深さのスリット30a,30bが形成されている。
ところが、応力が集中するスリット30a,30bの最深部30c,30dの附近は、幅広で、長さ寸法が大きく、従って面積の広いゲージタブパターン部23a,23bの中心部附近であるため、応力集中が分散され、応力集中による断線を生じる虞れがない。
一方、第1の実施の形態において説明したように、この第2の実施の形態においても、測定に際し、被測定対象物上に、ゲージベース21の裏面およびラミネート膜27のはみ出し部27aの裏面が接着剤によって接着された状態にあっては、ラミネート膜27によってゲージ素子パターン部22等の金属箔パターン部は気密に被覆されるため、吸湿による劣化および外部からの損傷が防止されると共に、従来品において生じていたゲージベース21の先端部21a付近の被測定対象物からの剥離がラミネート膜27のはみ出し部27aによって確実に阻止され、結果的に20%〜25%という大ひずみにも応動させることができる。
但し、第2の実施の形態は、上述した第1の実施の形態に対し、次のような違いがある。
即ち、第1に、ゲージタブパターン部23a、23bの接続パターン部25a、25bと連接する部分に、応力の集中を分散させ、断線を防止するためのスリット30a、30bを形成したことに特徴がある。このスリット30a、30bは、ゲージ素子パターン部22の受感軸に沿い且つゲージタブパターン部23a、23bのゲージ素子パターン部22寄りの端部から最深部30c、30dが中心部付近に至るまでの深さに亘って形成してある。
このスリット30a、30bの作用効果については、既述したところである。
第2に、接続パターン部25a、25bの長さを、一般用ひずみゲージの場合に比べ長くし、ゲージ素子パターン部22からゲージタブパターン部23a、23bを遠ざけて構成した点に特徴がある。
第3に、ゲージベース21の幅方向(図1においては上下方向)の寸法を、一般用ひずみゲージに比べて小さく設定したことに特徴がある。
このように設定することで、ポアソン比による幅方向の変形量を少なくすることができ、ゲージベース21の被測定対象物からの剥離を防止するために有効となる。
第4に、被測定対象物にひずみゲージを添着する際の指標となる位置合わせマーク28a〜28hのうち、ゲージベース21の先端部(図3においては左端部)21aの近傍に形成されていた位置合わせマーク28aを、ゲージベース21の先端部21aから内方(図3においては右方)に向けて遠ざけたことに特徴がある。
このような構成とすることにより、ゲージベース21の先端部近傍の伸び特性を極力均一化し、ゲージベース21の先端部における剥離を抑制し、大ひずみの測定範囲をさらに拡大することができる。
例えば、蛇行状をなすゲージ素子パターン部の折り返し部に、受感軸方向に沿うように応力を分散させ、断線を防止するためのスリットを形成してもよい。このように構成すれば、折り返し部とゲージ素線との連接部における断線事故をなくし、換言すればひずみ限界値を大幅に上げ得るひずみゲージを提供することができる。
また、図4に従来例として示すひずみゲージは、製造メーカのロゴマークが、ゲージベース1の先端側に付設されていたが、この部分に金属箔からなるロゴマークが存在すると応力分布を不均一にし、剥離に悪影響が生ずるため、図3に示すようにゲージ素子パターン部22と、ゲージタブパターン部23a、23bとの中間部分に移動させることが望ましい。
12、22 ゲージ素子パターン部
13a、13b、23a、23b ゲージタブパターン部
14a、14b ゲージリード
15a、15b、25a、25b 接続パターン部
16a、16b 半田付部
17、27 ラミネート膜
17a、27a ラミネート膜のはみ出し部
18a、18b、18c、18d、18e、18f、18g、18h、28a、28b、28c、28d、28e、28f、28g、28h 位置合わせマーク
19 被測定対象物
30a、30b スリット
30c、30d スリットの最深部
Claims (5)
- 抵抗材料からなりひずみを感知してそのひずみに対応した抵抗変化を示す幅狭のゲージ素子パターン部と、ゲージリードが接続される幅広の少なくとも1対のゲージタブパターン部と、このゲージタブパターン部と上記ゲージ素子パターン部の各端部とを電気的に連接する少なくとも1対の接続パターン部からなる金属箔パターン部が、可撓性を有する絶縁材料からなるゲージベース上に添着されると共に、前記金属箔パターン部が添着された前記ゲージベースの表面側がラミネート膜で覆われてなるひずみゲージにおいて、
前記ラミネート膜を前記ゲージ素子パターン部側のゲージベースの先端縁より0.3mm〜1.5mm延長してはみ出し部を形成し、
被測定対象物に添着する際には、前記ゲージベースの裏面側と共に、前記はみ出し部の裏面側を前記被測定対象物に添着し、前記ゲージベースの前記先端縁側の剥離を阻止し、20%〜25%の大ひずみにも応動し得る構成としたことを特徴とする大ひずみ測定用ひずみゲージ。 - 前記ラミネート膜は、ポリエステル、ポリアミドイミドおよびポリイミドのうちのいずれか1つの樹脂により形成されてなるものであることを特徴とする請求項1に記載の大ひずみ測定用ひずみゲージ。
- 被測定対象物に添着する際の指標となる位置合わせマークを、前記ゲージベースの前記先端縁から離れた位置に形成したことを特徴とする請求項1に記載の大ひずみ測定用ひずみゲージ。
- 前記ゲージタブパターン部の前記接続パターン部と連接する部分に、応力の集中を分散させ、断線を防止するためのスリットを形成したことを特徴とする請求項1に記載の大ひずみ測定用ひずみゲージ。
- 前記スリットは、ゲージ素子パターン部の受感軸に沿い且つゲージタブパターン部の前記ゲージ素子パターン部寄りの端部から中心部付近に至るまでの深さに亘って形成したことを特徴とする請求項4に記載の大ひずみ測定用ひずみゲージ。
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