JP5188472B2

JP5188472B2 - 電磁成形コイル、電磁成形コイルの成形可能寿命診断方法

Info

Publication number: JP5188472B2
Application number: JP2009182342A
Authority: JP
Inventors: 秀豪金橋; 美速今村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2029-08-05
Also published as: JP2011031290A

Description

本発明は、導電体の管を電磁成形する際に使用される電磁成形コイルに関する。

電磁力を利用して導電体を塑性加工する電磁成形は、板状及び管状等多様な形状に柔軟に対応できるため、様々な分野への適用が検討されている。電磁成形とは、高電圧で蓄えられた電荷を電磁成形コイルに瞬時に放電させ、その周囲に極めて短時間で強力な磁場を形成し、この磁場の中に被加工材を配置することにより、被加工材と電磁成形コイルとの間に反発力を発生させて成形を行うものである（例えば特許文献１）。

上記特許文献１に開示された電磁成形コイルは、円柱状の絶縁性樹脂（芯材）の外周面に周囲が樹脂で被覆された導線をコイル状に巻回し、隣接する導線間が樹脂で絶縁されて構成されている。特許文献１の電磁成形コイルの導線は断面円形であるが、電磁成形コイルとしては、断面矩形又は断面正方形の導線を巻回した構成（特許文献２）のもの、及び芯材を有しない構成の電磁成形コイルもある。

図７（ａ）は、従来技術の電磁拡管成形を模式的に示す縦断面図、図７（ｂ）は同じく横断面図である。導線１１ａをコイル状に巻回して形成されたコイル１１において、導線１１ａ間を樹脂１１ｂで被覆することにより、隣接する導線１１ａ間が絶縁されている。このようにして電磁成形コイル１が形成され、この外側に、電磁成形コイル１を取り囲むようにして導電性の材料からなる筒状の成形管２が配置されている。

この状態でコイル１１にパルス電圧を印加してコイル１１の導線１１ａに瞬発的な電流を流すと、コイル１１の周囲に発生する電磁場の変化により、導電体である成形管２に誘導電流が発生し、この誘導電流と電磁場との相互作用によって成形管２に、図７の矢印３３で示す向きに瞬発的な電磁力が作用する。この電磁力は成形管２を外側に押し広げるように作用するため、成形管２が拡管成形される。

特開２００４−３５１４５５号公報特開２００４−４００４４号公報特開２００７−２７５９０９号公報

しかしながら、上述の従来技術においては、以下のような問題点がある。拡管成形の際、成形管２に瞬発的な電磁力を作用させるとき、同時にコイル１１の導線１１ａには、導線１１ａ内に流れる電流とコイル１１自身が形成する磁束密度との相互作用（フレミングの左手の法則）により、中立軸に向かう径方向（図７の矢印３１で示す向き）の電磁力（向心力）が作用する。

コイル１１の隣接する導線１１ａの間を例えば樹脂１１ｂで絶縁していない場合、拡管成形の際に成形管２に瞬発的な電磁力を作用させると、図７の矢印３１で示す向きの電磁力（向心力）によって導線１１ａ同士が接触し、導通する虞がある。コイル１１は、導通が起こると同時にスパークし、弾くように大きく変形し、破損する。

また、コイル１１の隣接する導線１１ａ間を樹脂１１ｂで絶縁している場合でも、拡管成形の際に成形管２に瞬発的な電磁力を作用させると、図７の矢印３１で示す向きの電磁力（向心力）によって樹脂が圧壊又は剥離を起こす等の原因で絶縁破壊することがある。この結果、導線１１ａ同士が接触し、コイル１１は、導通が起こると同時にスパークし、弾くように大きく変形し、破損することがある。また、コイル１１が破損しなくても、変形すること等により成形管２の成形精度に影響する虞がある。更に、上記特許文献１及び２の電磁成形コイルは、導電体金属からなる芯材の周囲に樹脂で被覆された導線を巻回して構成され、芯材と導線との間には、これらに比して剛性が小さな絶縁性樹脂が挟み込まれる構成である。この場合、図８に示すように、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間の境界領域には、更に、剪断力（図８の矢印３２で示す向き）が作用し、剪断力によって導線１１ａの周囲の絶縁性樹脂１１ｂが圧壊又は剥離することもある。

本願発明者等は、上記従来技術の問題点を解決すべく、特許文献３において、成形管を拡管する場合には電磁コイルの内側に導電体を配置し、成形管を縮管する場合には電磁コイルの外側に筒状の導電体を配置した電磁成形コイルを提案した。図８は、本願発明者等が特許文献３で開示した電磁成形コイル１により、成形管２を拡管する場合を示す模式図である。図８に示すように、電磁コイル１の外側に導電体（芯材１０）を配置することにより、本願発明者等は、電磁コイル１に電磁力（向心力）を打ち消す（図８の矢印３４の）方向の電磁力（遠心力）を作用させ、電磁成形コイルの変形及び破損を防止する技術を提案した。

ところで、特許文献３に開示された技術は、電磁成形コイルの変形及び破損を構造面から改善するものであるが、瞬発的に大きな電磁力が作用する状態で繰り返し使用される電磁成形コイルにおいて、電磁成形コイルの寿命は成形管の加工コストに大きく影響する。しかしながら、上記特許文献１乃至３には、電磁成形コイルの寿命を定量的に把握する手法は開示されていない。

また、上述の如く、芯材と導線との間に樹脂が介在する構成の電磁成形コイルにおいては、変形及び破損は、芯材と絶縁性樹脂との境界領域に電磁力（向心力）及び剪断力が作用して、外部から視認できない領域に発生する。従って、電磁成形コイルの寿命を把握するためには、導線を被覆している絶縁性樹脂の損傷度合いを簡易Ｘ線計測又は磁場計測等によって計測する必要があり、計測方法が煩雑である。また、簡易Ｘ線計測又は磁場計測等による計測は、微小な損傷を直接的に計測する方法ではないため、計測結果に基づいて電磁成形コイルの寿命を十分高い精度で診断することができない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、導線周囲の絶縁性樹脂の損傷度合いを定量的に把握することができる電磁成形コイルを提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、導線周囲の絶縁性樹脂の損傷度合いに基づいて電磁成形コイルの寿命を高い精度で診断し、成形管の加工に使用する電磁成形コイルの無駄な製造を減らして成形管の加工コストを低減することができる電磁成形コイルの成形可能寿命診断方法を提供することにある。

本発明に係る電磁成形コイルは、芯材と、この芯材に接してその周囲に設けられ隣接する導線間が樹脂で被覆されて絶縁された電磁コイルと、を有する電磁成形コイルにおいて、前記芯材と前記電磁コイルとの境界領域にセンサが設けられ、このセンサによって前記芯材と前記電磁コイルの樹脂との間に発生する剪断歪みを測定することを特徴とする。

この場合、筒状の被成形体を前記電磁コイルの外側に電磁コイルを取り囲むように配置し、前記電磁コイルへの通電により前記被成形体を拡管することができる。

本発明に係る他の電磁成形コイルは、筒状の芯材と、この芯材に接してその内側に設けられ隣接する導線間が樹脂で被覆されて絶縁された電磁コイルと、を有する電磁成形コイルにおいて、前記芯材と前記電磁コイルとの境界領域にセンサが設けられ、このセンサによって前記芯材と前記電磁コイルの樹脂との間に発生する剪断歪みを測定することを特徴とする。

この場合においては、筒状の被成形体を前記電磁コイルの内側に配置し、前記電磁成形コイルへの通電により前記被成形体を縮管することができる。

上述のセンサは、例えば歪みゲージ又はピエゾ素子である。

上述の電磁コイルの導線間を絶縁する樹脂は、例えば導線の周囲に巻回されたガラスクロステープに絶縁性樹脂を含浸させて硬化させたものである

また、前記芯材は、例えば導電体である。

本発明に係る電磁成形コイルの成形可能寿命診断方法は、上述の電磁成形コイルを使用し、前記センサが検出した前記剪断歪みを予め計測された成形回数と剪断歪みとの関係に適用し、前記電磁成形コイルによる成形可能寿命を予測することを特徴とする。

本発明の電磁成形コイルは、芯材と電磁コイルとの境界領域にセンサが設けられ、このセンサによって芯材と電磁コイルの樹脂との間に発生する剪断歪みを検出するように構成されている。従って、本発明の電磁成形コイルは、導線周囲の剪断歪みを直接的に計測して、絶縁性樹脂の損傷度合いを定量的に把握することができる。

本発明の電磁成形コイルの成形可能寿命診断方法によれば、センサが検出した剪断歪みを予め計測された成形回数と剪断歪みとの関係に適用すれば、電磁成形コイルによる成形可能寿命を高い精度で診断することができる。従って、本発明によれば、電磁成形コイルを必要な量だけ製造すればよく、電磁成形コイルの無駄な製造が防止されるため、成形管の加工コストを低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁拡管成形を示す模式図である。本発明の実施形態に係る電磁成形コイルの成形可能寿命診断に使用する成形回数と剪断歪みとの関係を示す図である。電磁成形コイルの芯材及び電磁コイルの構成を示す断面図である。第１実施形態の電磁成形コイルにおいて、歪み計測センサの固定方法を示す変形例である。（ａ），（ｂ）は、歪み検出センサとしてピエゾ素子を使用した場合の歪み検出を模式的に示す断面図である。本発明の第２実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁縮管成形を示す模式図である。（ａ）は従来技術において導電体の管を電磁成形により拡管成形する電磁成形コイルの縦断面を示す模式図、（ｂ）は同じく横断面を示す模式図である。コイルの内部に芯材が設けられた構成の従来の電磁成形コイルを模式的に示す縦断面図である。

次に、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁拡管成形を模式的に示す縦断面図、図２は本発明の実施形態に係る電磁成形コイルの成形可能寿命診断に使用する成形回数と剪断歪みとの関係を示す図、図３は電磁成形コイルの芯材及び電磁コイルの構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の電磁成形コイル１は、芯材１０の周囲に接して電磁コイル１１が設けられている。電磁コイル１１は、例えば断面矩形の導線１１ａが巻回され、更に隣接する導線１１ａ間が樹脂１１ｂで被覆されて絶縁されて形成されている。また、芯材１０と電磁コイルを被覆している絶縁性樹脂１１ｂとの境界領域に歪み検出センサ１２が設けられている。本実施形態においては、電磁成形コイル１を取り囲むようにして導電性の材料からなる筒状の成形管２が配置され、電磁成形コイル１への通電によって成形管２を拡管する。

芯材１０の材料としては、例えばアルミニウム、銅、非磁性のステンレス鋼、チタン又は鋼等の良導電性材料が好適である。詳細は後述するが、芯材１０を導電性材料によって構成することにより、電磁コイル１１に作用する電磁力を低減することができる。なお、芯材１０の材料は導電性材料に限らず、樹脂等であってもよい。本第１実施形態においては、芯材１０は例えば円筒状又は円柱状であり、電磁力で変形しない程度に高強度及び高剛性を有するものを使用することが好ましい。例えば、芯材１０が成形管と同一の材質からなり、形状が円筒状である場合には、電磁成形コイル１の強度確保の点から、芯材１０の肉厚は例えば成形管２の肉厚よりも大きいことが好ましい。

電磁コイル１１の隣接する導線１１ａ間を被覆している樹脂１１ｂは、例えばガラスクロステープ等の樹脂含浸性繊維に絶縁性の樹脂が含浸されたものである。樹脂含浸性繊維としてガラスクロステープを使用する場合には、ガラスクロステープの厚さは例えば０．２５ｍｍの市販サイズである。

芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間の境界領域に設けられた歪み検出センサ１２は、例えば歪みゲージ又はピエゾ素子であり、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを検出する。図１に示すように、歪み検出センサ１２は、例えばリード線１３を介して制御部１４に接続されており、歪み検出センサ１２による検出信号は、リード線１３を介して制御部１４に送信され、制御部１４は受信した検出信号を解析して測定結果として表示記録装置１５に表示する。歪み検出センサ１２は、例えば芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間において、電磁成形コイルが繰り返し使用された場合に絶縁性樹脂の損傷が顕著に発生する１箇所以上に設けられている。

次に、本実施形態の電磁成形コイル１の製造方法を説明する。本実施形態の電磁成形コイルを製造する場合には、まず、図３に示すように芯材１０の周囲に例えばガラスクロステープ等の樹脂含浸性繊維を例えばハーフラップ巻きにより巻回して、内側樹脂含浸層１１０ａを形成する。本実施形態においては、この内側樹脂含浸層１１０ａを形成する前に、芯材１０に歪み検出センサ１２を固定しておく。固定の方法としては、例えば歪みゲージ若しくはピエゾ素子等の歪み検出センサ１２に接着剤を塗布して芯材１０に接着する（図１）か、又は予め芯材１０の外周面に歪み検出センサ１２を埋設するための溝を設け（図４）、この溝に歪み検出センサ１２を嵌め込むか、若しくは溝の底部に歪み検出センサ１２を接着すればよく、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間の剪断歪みを計測できる範囲において固定方法は限定されない。このとき、歪み検出センサ１２によって検出する剪断歪みの計測方向を、後述する予め計測された剪断歪みの計測方向と一致させて、歪み計測センサ１２を芯材１０に固定する。歪み検出センサ１２として歪みゲージを使用する場合には、例えば短軸計測方式の歪みゲージ（例えば、東京測器研究所製、型名：ＧＦＬＡ−３−５０）を使用すればよい。剪断歪みの計測方向は、例えば芯材１０の軸方向（図１の矢印Ｆｚで示す向き）である。

次に、内側樹脂含浸層１１０ａの周囲に導線１１ａを巻回していくが、予め導線１１ａの周囲にガラスクロステープ等の樹脂含浸性繊維１１０ｂ等を例えばハーフラップ巻きにより巻回して被覆しておく。これにより、内側樹脂含浸層１１０ａの周囲に導線１１ａを巻回すると、隣接する導線１１ａ間には、樹脂含浸性繊維１１０ｂが介在する。導線１１ａの巻回が終了したら、更に外側にガラスクロステープ等の樹脂含浸性繊維を巻回し、外側樹脂含浸層１１０ｃを形成する。最後に、外側樹脂含浸層１１０ｃの外側から樹脂含浸性繊維の全体に絶縁性樹脂を含浸させる。これにより、芯材１０と電磁コイル１１との間、及び隣接する電磁コイル１１の導線１１ａ間が絶縁性樹脂１１ｂによって絶縁された状態で、本実施形態の電磁成形コイル１が製造される。歪み検出センサ１２が、芯材１０に固定され、その上から内側樹脂含浸層１１０ａが形成され、更に内側樹脂含浸層１１０ａに絶縁性樹脂が含浸されることにより、歪みセンサ１２は芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの両方に、夫々対向するように固定され、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを検出することができる。

次に、本実施形態の電磁成形コイルの動作を説明する。コイル状に巻回された導線１１ａにパルス電圧を印加することによって導線１１ａに瞬発的な電流を流すと、この電流によって発生する電磁場の変化により、導電体である成形管２に誘導電流が発生し、図１に示すように、この誘導電流と電磁場との相互作用によって成形管２に対し、成形管２を外側に押し広げる向き（図１の矢印３３で示す向き）に瞬発的な電磁力が作用する。この瞬発的な電磁力によって成形管２が拡管成形される。

このとき、コイル１１の導線１１ａには、導線１１ａ内に流れる電流とコイル１１自身が形成する磁束密度との相互作用（フレミングの左手の法則）により、成形管２に作用する電磁力と逆向き（図１の矢印３１で示す向き）に電磁力（向心力）が作用する。更に、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間の境界領域には剪断力（図１の矢印３２で示す向き）が作用する。本実施形態においては、電磁コイル１１の内側に配置された芯材１０が導電体から構成されていることにより、導線１１ａにはコイル１１の外周に向かう向き（図１の矢印３４で示す向き）にも電磁力（遠心力）が作用する。これらの電磁力（向心力及び遠心力）及び剪断力が作用した結果、導線１１ａを被覆している絶縁性樹脂１１ｂは、芯材１０の軸方向（図１の矢印Ｆｚで示す向き）に剪断歪みを生じる。なお、芯材１０が導電体によって構成されている場合には、導線１１ａには互いに打ち消し合う方向に向心力と遠心力とが同時に作用し、結果として絶縁性樹脂１１ｂに発生する剪断歪みを低減することができる。他方、芯材１０が、例えば絶縁性樹脂等の導電性を有しない材質からなる場合には、導線１１ａには電磁力として遠心力は作用しないが、向心力及び剪断力が作用する結果として、導線１１ａを被覆している絶縁性樹脂１１ｂは、芯材１０の軸方向（図１の矢印Ｆｚで示す向き）に剪断歪みを生じる。

電磁成形コイル１による成形回数が増えた場合、コイル１１に作用する電磁力（向心力）により、絶縁性樹脂１１ｂは芯材１０と導線１１ｂとの間に挟まれた状態で押圧されて変形が進行し、発生する剪断歪みは次第に増大していく。そして、剪断歪みが図２に示す所定の限界値γ_ｂを超えた場合、絶縁性樹脂１１ｂは圧壊又は剥離する。その結果、導線１１ａ同士が接触し、コイル１１は、導通が起こると同時にスパークし、弾くように大きく変形し、破損する。

本実施形態の電磁成形コイル１においては、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間の境界領域に設けられた歪み検出センサ１２により、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間に生じる剪断歪みを検出する。歪み検出センサ１２が歪みゲージである場合は、絶縁性樹脂１１ｂが芯材１０に対して剪断方向に歪むと、歪みゲージは絶縁性樹脂１１ｂの剪断方向の歪みに追従して剪断歪みを生じ、歪みゲージの電気抵抗値は線形的に変化する。この電気抵抗値の変化を例えばリード線１３を介して制御部１４で受信するように構成すれば、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを定量的に測定することができる。

歪み検出センサ１２が例えばピエゾ（圧電）素子である場合には、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを以下の如く測定する。即ち、図５（ａ）に示すように、ピエゾ素子１２ａの下面に電極１２ｂを設け、ピエゾ素子１２ａの上下両面にわたる直列接続の電極１２ｃを設ける。２個の電極１２ｂ及び１２ｃを夫々端子Ａ及びＢを介してリード線１３に接続する。ピエゾ素子１２は図５（ａ）の左右方向に分極させておく。そして、電極１２ｂをピエゾ素子の下面側で芯材１０側に固定し、電極１２ｃをピエゾ素子１２ａの上面側で絶縁性樹脂１１ｂに固定する。この状態で芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間に図５（ａ）の矢印Ｓの方向に剪断歪みが発生すると、電極１２ｃは電極１２ｂに対して図５の右方向に移動する。従って、電極１２ｂの左側に位置するピエゾ素子１２ａは縮み、電極１２の右側に位置するピエゾ素子１２ａは伸びる（図５（ｂ））。従って、ピエゾ素子１２ａは圧電効果により分極し、電極１２ｂと電極１２ｃとの間に極性が異なる電圧を発生する。これにより、端子Ａ、Ｂを介して歪み検出センサ１２による検出信号が、リード線１３を介して制御部１４に送信される。このように、歪み検出１２をピエゾ素子で構成した場合においても、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを定量的に測定することができる。制御部１４は、受信した検出信号を解析して計測結果として例えば表示記録装置１５に表示する。

次に、本発明の第１実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁成形コイルの成型可能寿命診断方法について説明する。本発明においては、上述の歪み検出センサ１２による剪断歪みの計測結果を、図２に示す予め計測された成形回数と剪断歪みとの関係に適用する。図２に示すように、電磁成形コイル１の剪断歪みγは、成形回数ｎの増加に伴って増大する。そして、剪断歪みγが閾値γ_ｂを超えると、絶縁性樹脂１１ｂは容易に圧壊されるようになり、コイル１１のスパークによって大きく変形し、破損する。本実施形態においては、絶縁性樹脂１１ｂの安全率を考慮し、図２に示すように剪断歪みの安全値の上限値γ_ａを設け、歪み検出センサ１２が検出した剪断歪みγがγ_ａ乃至γ_ｂである範囲を限界ゾーンとする。そして、剪断歪みγが安全値の上限値γ_ａに達するときの成形回数ｎ_ａを、成形可能寿命と定める。即ち、歪み検出センサ１２が検出した剪断歪みγが例えば図２のγ_１である場合、成形回数がｎ_１からｎ_ａに達するまでの回数Δｎ_１を電磁成形コイル１に残された成形可能回数とし、歪み検出センサ１２が検出した剪断歪みγが例えば図２のγ_２である場合、成形回数がｎ_２からｎ_ａに達するまでの回数Δｎ_２を電磁成形コイル１に残された成形可能回数とする。

このように、本実施形態の電磁成形コイルによれば、芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間に設けた歪み検出センサ１２を使用して芯材１０と絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを直接的に測定することにより、絶縁性樹脂１１ｂの損傷度合いを剪断歪みγとして定量的に計測することができる。そして、剪断歪みγを１回測定するだけで、剪断歪みγの計測値を予め計測された成形回数と剪断歪みとの関係に適用すれば、電磁成形コイルによる成形可能寿命を高い精度で診断することができる。従って、わざわざ簡易Ｘ線計測又は磁場計測等を使用して絶縁性樹脂の損傷度合いを計測しなくても、絶縁性樹脂の微小な歪みを高い精度で検出することができ、実用性が高い。

また、従来の簡易Ｘ線計測及び磁場計測による損傷度の計測に比して高精度な測定が実現され、電磁成形コイルの成形可能寿命を正確に予測することが可能であるため、成形管の加工にあたり、電磁成形コイルを不必要に多く準備しなくてもよく、成形管の加工コストの低減に寄与する。

なお、本実施形態において、導線１１ａは断面矩形であるが、導線１１ａは断面が円形等の他の形状であってもよく、管状であってもよい。また、絶縁性樹脂１１ｂは、芯材１０の周囲及び導線１１ａの周囲の夫々に対して、別々に巻回したガラスクロステープ等の樹脂含浸性繊維に樹脂を含浸させることによって一体化されているが、隣接する導線１１ａ間を絶縁し、一体化された状態で軸芯１０との間に発生する剪断歪みを歪み検出センサ１２で検出することができれば、絶縁性樹脂１０ｂは最初から一体的に形成されてもよい。更に、歪み検出センサ１２としては、歪みゲージ及びピエゾ素子に限らず、芯材１０と導線１１ａ周囲の絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを検出することが可能なものであればよく、短軸計測方式のものに限らず、２軸以上の方向において剪断歪みを計測する方式のものを使用してもよい。更にまた、剪断歪みを計測する形態のセンサでなく、例えば剪断応力を計測することができるセンサを使用しても、絶縁性樹脂の横弾性率Ｇとτ＝Ｇ×γ（τ：剪断応力）の式により、剪断歪みを求めて、求めた剪断歪みの値から電磁成形コイルの成形可能寿命を正確に診断することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る電磁成形コイルについて説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁縮管成形を模式的に示す縦断面図である。第１実施形態においては、円筒状又は円柱状の芯材の外側に導線を巻回して電磁成形コイルを形成したが、本第２実施形態においては、円筒状の芯材１０ａの内側に接するように、隣接する導線１１ａ間が樹脂１１ｂで被覆されて絶縁された電磁コイル１１が配置されている。本実施形態においては、電磁成形コイル１の内側には、導電性材料からなる成形管２が配置され、電磁成形コイル１への通電によって成形管６を縮管する。

芯材１０ａの材料としては、例えばアルミニウム、銅、非磁性のステンレス鋼、チタン又は鋼等の良導電性材料が好適であり、電磁力で変形しない程度に高強度及び高剛性を有するものを使用することが好ましい。本実施形態において、芯材１０ａは例えば円筒状であり、芯材１０ａが成形管と同一の材質からなる場合、電磁成形コイル１の強度確保の点から、芯材１０ａの肉厚は成形管２の肉厚よりも大きいことが好ましい。なお、芯材１０ａの材料は導電性材料に限らず、樹脂等であってもよい。

芯材１０ａと絶縁性樹脂１１ｂとの間の境界領域に設けられた歪み検出センサ１２は、例えば歪みゲージ又はピエゾ素子であり、第１実施形態と同様に、芯材１０ａと絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを検出する。図６に示すように、歪み検出センサ１２は、例えばリード線１３を介して制御部１４に接続されており、歪み検出センサ１２による検出信号は、リード線１３を介して制御部１４に送信され、制御部１４は受信した検出信号を解析して測定結果として表示記録装置１５に表示する。第１実施形態と同様に、歪み検出センサ１２は、例えば芯材１０ａと絶縁性樹脂１１ｂとの間において、電磁成形コイルが繰り返し使用された場合に絶縁性樹脂の損傷が顕著に発生する１箇所以上に設けられている。

次に、本実施形態の電磁成形コイル１の製造方法を説明する。本実施形態においては、まず、芯材１０ａの内周面に沿って歪み測定センサ１２を固定しておく。固定の方法としては、第１実施形態と同様に、例えば歪みゲージ若しくはピエゾ素子等の歪み検出センサ１２に接着剤を塗布して芯材１０ａに接着するか、又は予め芯材１０ａの外周面に歪み検出センサ１２を埋設するための溝を設け、この溝に歪み検出センサ１２を埋設する。但し、固定方法はこれらに限定されない。このとき、歪み検出センサ１２によって検出する剪断歪みの計測方向を、後述する予め計測された剪断歪みの計測方向と一致させて、歪み計測センサ１２を芯材１０ａに固定する。歪み検出センサ１２として歪みゲージを使用する場合には、例えば短軸計測方式の歪みゲージ（例えば、東京測器研究所製、型名：ＧＦＬＡ−３−５０）を使用すればよい。剪断歪みの計測方向は、例えば芯材１０ａの軸方向（図６の矢印Ｆｚで示す向き）である。

次に、円筒状の芯材１０ａの内部にコイル状に巻回した導線１１ａを挿入するが、予め導線１１ａの周囲にガラスクロステープ等の樹脂含浸性繊維等を例えばハーフラップ巻きにより巻回して被覆しておく。これにより、導線１１ａをコイル状に巻回すると、隣接する導線１１ａ間には、樹脂含浸性繊維が介在する。このとき、導線１１ａの周囲への樹脂含浸性繊維の巻き数により、電磁コイル１１を挿入したときの導線１１ａと芯材１０ａ内面との間隔を調整する。電磁コイル１１を芯材１０ａの内部に挿入したら、最後に、コイルの内側から樹脂含浸性繊維に絶縁性樹脂を含浸させる。これにより、芯材１０ａと電磁コイル１１との間、及び隣接する電磁コイル１１の導線１１ａ間が絶縁性樹脂１１ｂによって絶縁された状態で、本実施形態の電磁成形コイル１が製造される。歪み検出センサ１２が、芯材１０ａに固定され、その上から周囲を樹脂含浸性繊維で被覆した導線１１ａに押圧された状態で樹脂含浸性繊維に絶縁性樹脂を含浸させることにより、歪みセンサ１２は芯材１０ａと絶縁性樹脂１１ｂとの両方に、夫々対向するように固定され、芯材１０ａと絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを検出することができる。

次に、本実施形態の電磁成形コイルの動作を説明する。コイル状に巻回された導線１１ａにパルス電圧を印加することによって導線１１ａに瞬発的な電流を流すと、この電流によって発生する電磁場の変化により、導電体である成形管２に誘導電流が発生し、図６に示すように、この誘導電流と電磁場との相互作用によって成形管２に対し、成形管２を内側に押し縮める向き（図６の矢印３３で示す向き）に瞬発的な電磁力が作用する。この瞬発的な電磁力によって成形管２が縮管成形される。

このとき、コイル１１の導線１１ａには、導線１１ａ内に流れる電流とコイル１１自身が形成する磁束密度との相互作用（フレミングの左手の法則）により、成形管２に作用する電磁力と逆向き（図６の矢印３１で示す向き）に電磁力（遠心力）が作用する。更に、芯材１０ａと絶縁性樹脂１１ｂとの間の境界領域には剪断力（図６の矢印３２で示す向き）が作用する。また、本実施形態においては、コイル１１の外側に導電性を有する芯材１０ａが配置されていることにより、導線１１ａにはコイル１１の内周に向かう向き（図６の矢印３４で示す向き）にも電磁力（向心力）が作用する。これらの電磁力（向心力及び遠心力）及び剪断力が作用した結果、導線１１ａを被覆している絶縁性樹脂１１ｂは、コイル１１の軸方向（図６の矢印Ｆｚで示す向き）に剪断歪みを生じる。なお、芯材１０ａが導電体である場合には、導線１１ａには互いに打ち消し合う方向に向心力と遠心力とが同時に作用し、結果として絶縁性樹脂１１ｂに発生する剪断歪みを低減することができる。他方、芯材１０ａが、例えば絶縁性樹脂等の導電性を有しない材質からなる場合には、導線１１ａには電磁力として向心力は作用せず、遠心力及び剪断力が作用する結果として、導線１１ａを被覆している絶縁性樹脂１１ｂは、コイル軸方向（図６の矢印Ｆｚで示す向き）に剪断歪みを生じる。

この剪断歪みは、電磁成形コイル１による成形回数の増加により増大し、剪断歪みが所定の限界値を超えた場合、絶縁性樹脂１１ｂは圧壊又は剥離する。その結果、導線１１ａ同士が接触し、コイル１１は、導通が起こると同時にスパークし、弾くように大きく変形し、破損する。

本実施形態の電磁成形コイル１においては、第１実施形態と同様に、芯材１０ａと絶縁性樹脂１１ｂとの間の境界領域に設けられた歪み検出センサ１２により、芯材１０ａと絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを定量的に測定することができる。

次に、本第２実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁成形コイルの成型可能寿命診断方法について説明する。本実施形態においても、第１実施形態と同様に、歪み検出センサ１２が検出した剪断歪みを、図２に示す予め計測された成形回数ｎと剪断歪みγとの関係に適用する。本実施形態においては、成形管２を縮径加工するため、電磁成形コイルによる縮径加工時の成形回数ｎと剪断歪みγとの関係を予め準備する。歪み計測センサ１２が検出した剪断歪みγを図２の成形回数ｎと剪断歪みγとの関係に適用し、電磁成形コイル１に残された成形可能回数を診断する方法については、第１実施形態と同様である。即ち、絶縁性樹脂１１ｂの安全率を考慮し、剪断歪みの安全値の上限値γ_ａを設け、歪み検出センサ１２が検出した剪断歪みγがγ_ａから剪断歪みの限界値γ_ｂまでの範囲を限界ゾーンとする。そして、剪断歪みγが安全値の上限値γ_ａに達するときの成形回数ｎ_ａを、成形可能寿命と定めた上で、歪み検出センサ１２が検出した剪断歪みγが例えば図２のγ_１である場合、成形回数がｎ_１からｎ_ａに達するまでの回数Δｎ_１を電磁成形コイル１に残された成形可能回数とし、歪み検出センサ１２が検出した剪断歪みγが例えば図２のγ_２である場合、成形回数がｎ_２からｎ_ａに達するまでの回数Δｎ_２を電磁成形コイル１に残された成形可能回数とする。

このように、本実施形態の電磁成形コイルにおいても、芯材１０ａと絶縁性樹脂１１ｂとの間に設けた歪み検出センサ１２を使用して芯材１０ａと絶縁性樹脂１１ｂとの間に発生する剪断歪みを直接的に測定することにより、絶縁性樹脂１１ｂの損傷度合いを剪断歪みγとして定量的に計測することができ、縮径加工する形態の電磁成形コイルにおいても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施形態においても、導線１１ａは断面矩形に限らず、断面円形又は管状であってもよい。また、絶縁性樹脂１１ｂは、導線１１ａの周囲に巻回したガラスクロステープ等の樹脂含浸性繊維に樹脂を含浸させることによって一体化されているが、本発明においては、隣接する導線１１ａ間を絶縁し、一体化された状態で軸芯１０ａとの間に発生する剪断歪みを歪み検出センサ１２で検出することができればよい。更に、歪み検出センサ１２としては、歪みゲージ及びピエゾ素子に限らず、芯材１０ａと導線１１ａ周囲の絶縁性樹脂１１ｂとの間に作用する剪断歪みを計測することが可能なものであればよく、短軸計測方式のものに限らず、２軸以上の方向において剪断歪みを計測する方式のものを使用してもよい。更にまた、剪断歪みを計測する形態のセンサでなく、例えば剪断応力を計測することができるセンサを使用しても、絶縁性樹脂の横弾性率Ｇとτ＝Ｇ×γ（τ：剪断応力）の式により、剪断歪みを求めて、求めた剪断歪みの値から電磁成形コイルの成形可能寿命を正確に診断することができる。

以上説明してきた本発明の実施形態において、芯材１０、１０ａは、断面円形であり、円管状の成形管２を拡管又は縮管するものであるが、本発明は円管状の成形管２を加工する場合に限らず、成形管２の断面形状が円形以外の、例えば矩形である場合にも適用することができる。

１：電磁成形コイル、１０：芯材、１０ａ：芯材、１１：（電磁）コイル、１１ａ：導線、１１ｂ：（絶縁性）樹脂、１２：歪み検出センサ、１３：リード線、１４：制御部、１５：表示記録装置、２：成形管、３１：電磁力、３２：剪断力、３３：電磁力

Claims

芯材と、この芯材に接してその周囲に設けられ隣接する導線間が樹脂で被覆されて絶縁された電磁コイルと、を有する電磁成形コイルにおいて、
前記芯材と前記電磁コイルとの境界領域にセンサが設けられ、
このセンサによって前記芯材と前記電磁コイルの樹脂との間に発生する剪断歪みを測定することを特徴とする電磁成形コイル。
筒状の被成形体が前記電磁コイルの外側に電磁コイルを取り囲むように配置され、前記電磁コイルへの通電により前記被成形体が拡管されることを特徴とする請求項１に記載の電磁成形コイル。
筒状の芯材と、この芯材に接してその内側に設けられ隣接する導線間が樹脂で被覆されて絶縁された電磁コイルと、を有する電磁成形コイルにおいて、
前記芯材と前記電磁コイルとの境界領域にセンサが設けられ、
このセンサによって前記芯材と前記電磁コイルの樹脂との間に発生する剪断歪みを測定することを特徴とする電磁成形コイル。
筒状の被成形体が前記電磁コイルの内側に配置され、前記電磁成形コイルへの通電により前記被成形体が縮管されることを特徴とする請求項３に記載の電磁成形コイル。
前記センサは、歪みゲージ又はピエゾ素子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁成形コイル。
前記電磁コイルの導線間を絶縁する樹脂は、導線の周囲に巻回されたガラスクロステープに絶縁性樹脂を含浸させて硬化させたものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電磁成形コイル。
前記芯材は、導電体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電磁成形コイル。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電磁成形コイルを使用し、前記センサが検出した前記剪断歪みを予め計測された成形回数と剪断歪みとの関係に適用し、前記電磁成形コイルによる成形可能寿命を予測することを特徴とする電磁成形コイルの成形可能寿命予測方法。