JP5378778B2 - 溶接型ひずみゲージおよび溶接型ひずみゲージの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属パイプの内側面に設けられたゲージにより該金属パイプが溶接された対象物のひずみを検出する溶接型ひずみゲージおよびその製造方法に関する。

この種の溶接型ひずみゲージでは、ゲージベースと金属パイプの接続に高温用の加熱硬化型接着剤が用いられる。かかる加熱硬化型接着剤は、加圧状態で高温加熱して接着する必要があるため、接着剤を塗布したゲージベースを金属パイプへ所定の圧力で加圧した状態に保持しつつ、高温で加熱することにより接着剤を硬化させ、ゲージベースを金属パイプに接着させる。

例えば、下記特許文献１では、接着剤を塗布したゲージベースを金属パイプへ接着させる際に、ゲージベースの表面に加圧板を配置し、該加圧板を湾曲した板ばねで付勢して押圧させながら、接着剤を加熱硬化させてなる。
特開２００４−１１７０８３号公報

しかしながら、従来の溶接型ひずみゲージでは、ゲージベースの接着の際に、加圧板や板ばね等の治具を用いる必要があり、接着後にこれらの治具を金属パイプ内から除去する必要もある。さらに、治具挿入のために空けていた金属パイプ内の空間は、充填材等により塞ぐ必要もある。このように、従来の溶接型ひずみゲージおよびその製造方法では、製造工程が複雑で製造に要する労力、費用や時間などのコストが嵩むという問題がある。

また、従来の溶接型ひずみゲージでは、金属パイプ内に加圧板や板ばねを挿入するためのスペースを確保しなければならないため、ゲージ全体の小型化や薄型化を図ることが困難である。

以上の事情に鑑みて、本発明は、簡易な構成により、小型化や薄型化を図ることができると共に、製造コストを節減することができる溶接型ひずみゲージおよびその製造方法を提供することを目的とする。

第１発明は、対象物のひずみを検出する溶接型ひずみゲージであって、金属パイプと、表面に抵抗体から成る受感部を有し、裏面に塗布された接着剤により該金属パイプの内側面に接着されるゲージベースと、前記金属パイプ内で前記ゲージベースの表面を覆うように設けられた離型性を有する緩衝材とを備え、前記ゲージベースは、前記金属パイプ内に収納されると共に前記受感部の表面に離型性を有する緩衝材が配置された状態で該金属パイプを押し潰すことにより、該金属パイプの内側面の該ゲージベースの裏面を接着させる部分に圧着されて成ることを特徴とする。

かかる第１発明の溶接型ひずみゲージによれば、金属パイプを押し潰すことにより、接着剤が塗布されたゲージベースを金属パイプの内側面へ押し付けた状態に維持する。そのため、ゲージベースの接着の際に、板ばね等の治具が不要となり製造過程を簡素化することができる。さらに、金属パイプは、治具挿入のスペースが不要となると共に、ゲージは押し潰された状態で用いられることから、ゲージ全体の小型化および薄型化を図ることができる。このように、第１発明の溶接型ひずみゲージによれば、簡易な構成により、小型化や薄型化を図ることができると共に、製造コストを節減することができる。
また、緩衝材を受感部の表面に配置した上で金属パイプを押し潰すため、受感部が損傷を受けることを回避することができる。さらに、緩衝材は、離型性を有するため、押し潰された金属パイプの内面が受感部と密着することを回避することができ、ひいては、金属パイプと受感部との接触による測定精度の低下を抑制し、測定精度を維持することができる。このようにゲージの小型化・薄型化や製造コストの節減が可能になることに加えて、測定精度も維持することができる。

第２発明の溶接型ひずみゲージは、第１発明の溶接型ひずみゲージにおいて、前記ゲージベースの裏面に塗布された熱硬化性の接着剤を予め加熱してプリプレグ状態である半硬化状態とした上で、該接着剤を介して該ゲージベースの裏面を前記金属パイプの内側面に当て、該金属パイプを押し潰して成ることを特徴とする。

かかる第２発明の溶接型ひずみゲージによれば、接着剤を半硬化状態としておくことで、接着剤の流動性や粘着性を抑えることができる。これにより、金属パイプにゲージベースを挿入する際の取り扱いを容易として、製造過程を簡素化することができる。さらに、微小な金属パイプへの挿入が可能となり、ゲージ全体の更なる小型化を図ることもできる。

第３発明は、対象物のひずみを検出する溶接型ひずみゲージの製造方法であって、表面に抵抗体から成る受感部を有すると共に裏面に熱硬化性の接着剤が塗布されたゲージベースを加熱し、該接着剤をプリプレグ状態である半硬化状態とする半硬化工程と、前記半硬化工程を経た前記ゲージベースを金属パイプに挿入し、前記接着剤を介して該ゲージベースの裏面を該金属パイプの内側面に当てる当接工程と、前記当接工程により前記金属パイプの内側面に配置された前記ゲージベースの前記受感部の表面に該表面を覆うように離型性を有する緩衝材を配置した状態で、該ゲージベースの面に向けて該金属パイプを押し潰す押圧工程と、前記押圧工程により押し潰された金属パイプを再加熱して、前記接着剤を硬化させる再硬化工程とを備えることを特徴とする。

第３発明の溶接型ひずみゲージの製造方法によれば、金属パイプを押し潰すことにより、接着剤が塗布されたゲージベースを金属パイプの内側面へ押し付けた状態に維持するため、ゲージベースの接着の際に、板ばね等の治具が不要となり製造過程を簡素化することができる。さらに、金属パイプは、治具挿入のスペースが不要となると共に、ゲージは押し潰された状態で用いられることから、ゲージ全体の小型化および薄型化を図ることができる。

また、接着剤を半硬化状態としておくことで、金属パイプにゲージベースを挿入する際の取り扱いを容易として、製造過程を簡素化することができる。さらに、金属パイプの径が微小でもゲージベースの挿入が可能となり、ゲージ全体の更なる小型化を図ることもできる。

このように、簡易な構成により、小型化や薄型化を図ることができると共に、製造コストを節減することができる。

また、第３発明の溶接型ひずみゲージの製造方法によれば、予め緩衝材を受感部の表面に配置した上で金属パイプを押し潰すため、受感部が損傷を受けることを回避することができる。さらに、緩衝材は、離型性を有するため、押し潰された金属パイプの内面が受感部と密着することを回避することができ、ひいては、金属パイプと受感部との接触による測定精度の低下を抑制し、測定精度を維持することができる。このように、ゲージの小型化・薄型化や製造コストの節減が可能になることに加えて、測定精度も維持することができる。

本発明の一実施形態としての溶接型ひずみゲージの構成について、図１〜図４を参照して説明する。

図１を参照して、本実施形態の溶接型ひずみゲージの全体的な構成について説明する。溶接型ひずみゲージは、金属パイプ１と、金属パイプ１の端縁に溶接されたベースプレート２と、金属パイプ１内に設けられたゲージベース３（図２および図３参照）とを備え、ベースプレート２を金属製の被測定対象物へ溶接することにより、該対象物に生じたひずみをゲージベース３により検出する。

図２に図１のＩＩ−ＩＩ線断面図で示すように、金属パイプ１は、例えばステンレス製の楕円形断面のパイプであって、後述するようにゲージベース３が内蔵された領域のみ扁平に押し潰されている。

ベースプレート２は、例えばインコネル等の材質からなる薄肉の長方形平板であって、その長手方向の中心線に沿って金属パイプ１の端縁部分（曲率が最小となる外側面）と当接し、当接部分が電子ビーム溶接等により溶接されて溶接部２１となっている。溶接部２１の両側に広がるフランジ部２２ａ，２２ｂは、対象物にスポット溶接等により固定される部分であって、対象物に生じたひずみを、金属パイプ１を介してゲージベース３へ伝達する。

ゲージベース３は、ポリエステル、エポキシ、ポリイミド樹脂フィルム材等の絶縁性硬質材より構成される板状であって、その表面に受感部３１とゲージリード３２とタブ３３とを備える。一方、ゲージベース３の裏面は、その長手方向と金属パイプ１の軸方向とが平行になるように、後述する接着剤４により金属パイプ１の内側面に接着される。ここで、接着剤４は、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等から選択される高温用接着剤であって、加熱による硬化作用で接着する。

受感部３１は、ゲージベース３のひずみに応じた抵抗値変化を示すひずみ測定子であって、所定寸法の略櫛形状とされ、所定の抵抗値に調整された銅ニッケル合金箔や線材等により構成される。受感部３１は、ゲージベース３と同質の接着剤により接着されている。

図３に図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図で示すように、受感部３１の表面側には、受感部３１を全体的に覆って保護するためのカバーフィルム３４が設けられおり、さらにカバーフィルム３４の外側にはケージベース３１の表面全体を覆うようにフッ素樹脂からなる離型性緩衝材５が設けられる。

図４に示すように、ゲージリード３２は、ケージベース３の表面に形成された配線パターンであって、受感部３１とタブ３３とを電気的に接続する。タブ３３は、受感部３１に生じた電気信号を外部に出力するための端子部である。

次に図５を参照して、溶接型ひずみゲージの製造方法について説明する。

まず、前処理工程として、図５（ａ）に示すように、ゲージベース３のタブ３３に、ケーブルＸ等を半田付けして接続した上で、受感部３１の抵抗値を所望の抵抗値に合わせる。そして、ゲージベース３の受感部３１およびゲージリード３２をカバーフィルム３４で覆う。

次いで、図５（ｂ）に示すように、ゲージベース３の裏面全体に接着剤４を塗布する。これにより、接着剤４がゲージベース３の微小孔に含浸して封孔処理される。

以上の前処理工程に続く半硬化工程では、裏面に接着剤４が塗布されたゲージベース３全体を加熱して、接着剤４を半硬化状態（プリプレグ）とする。例えば、約１２０℃で２時間程度加熱することにより、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等から選択される高温用接着剤４を半硬化状態とすることができる。ここで、半硬化状態の接着剤４は、流動性や粘着性が大幅に低下するため、ほぼ流動性や粘着性が無い状態となる。

次いで、図５（ｃ）に示すように、半硬化工程を経たゲージベース３に対して、カバーフィルム３４で覆われた受感部３１およびゲージリード３２を、離型性緩衝材５でさらに覆う。

これに続く当接工程では、図５（ｄ）に示すように、ゲージベース３を予め先端部を封止した金属パイプ１へ挿入し、半硬化状態となっている接着剤４を介してゲージベース３の裏面を金属パイプ１の内側面（曲率が最小となる内側面部分）に押し当てる。

かかる当接工程において、接着剤４は、ほぼ流動性や粘着性が無い半硬化状態となっているため、接着面が金属パイプ１へ触れても接着剤４の一部が金属パイプ１に付着することがなく、接着剤４自体がゲージベース３から脱落することもない。これにより、接着剤の付着や脱落による減量で生じる接着不良を回避することができる。このように、接着剤４を半硬化状態にしておくことで、接着剤４が塗布されたゲージベース３の取扱いが容易となり、微小な金属パイプ１への挿入も可能となる。

当接工程に続く押圧工程では、図５（ｅ）に示すように、金属パイプ１の先端側を所定範囲に亘って押し潰す。具体的には、図示しないプレス装置により、２ｋｇ〜３ｋｇの圧力で、金属パイプ１内に配置されたゲージベース３の面に向かって金属リンク１を押し潰す。また、その押圧範囲は、ベースプレート２全体を含み、且つゲージベース３のタブ３３を除いた領域となっている。

かかる押圧工程では、金属パイプ１を押し潰すことにより、接着剤４が塗布されたゲージベース３を金属パイプ１の内側面へ押し付けた状態に維持することができる。そのため、ゲージベース３と金属パイプ１との接着のために、板ばね等の治具が不要となり製造過程を簡素化することができる。金属パイプ１は、治具挿入のスペースが不要となると共に、ゲージは押し潰された状態で用いられることから、ゲージ全体の小型化および薄型化を図ることができる。具体的には、従来、極小値が直径２ｍｍであった金属パイプ１の直径を１ｍｍに小型化することができる。

また、加圧範囲をタブ３３を除いた領域とすることで、半田付け等により肉厚となっているタブ３３を除外して金属パイプ１全体を押し潰すことができ、ベースプレート２に接続された測定部分を限りなく薄くすることが可能となる。具体的には、金属パイプ１が押し潰されることにより、測定部のゲージの厚さを０．４５ｍｍ程度まで薄型化することが可能となる。これにより、測定対象物の表面と受感部３１との距離を、従来の約０．５５ｍｍから約０．１８ｍｍに小さくすることができ、該距離に応じて生じ得る測定誤差の低減を図ることができる。

さらに、予め離型性緩衝材５がベースプレート２の上面と金属パイプ１の内側面との間に配置されているため、金属パイプ１を押し潰しても、受感部３１が損傷を受けることを回避することができる。さらに、離型性緩衝材５の離型作用により、押し潰された金属パイプ１の内面が受感部と密着することを回避することができ、ひいては、金属パイプ１と受感部３１との接触による測定精度の低下を抑制し、測定精度を維持することもできる。

加圧工程に続く再加熱工程では、加圧工程により押し潰された金属パイプ１を再加熱して、接着剤を完全に硬化させる。具体的に、再加熱工程では、金属パイプ１全体を、約１２０℃で２時間程度加熱する。これにより、まず、加熱の初期の段階で、接着剤４が流動性を持ち、金属パイプ１の内側面とゲージベース３の裏面との間に隙間なく行き亘る。その後、加熱による接着剤の硬化作用により、ゲージベース３と金属パイプ１の内側面とが接着される。

以上説明した溶接型ひずみゲージの製造方法によれば、製造工程を簡略化することができ、製造に要するコストを節約することができると共に、ゲージを簡易な構成とすることができ、ゲージの小型化や薄型化を図ることができる。

本実施形態の溶接型ひずみゲージの全体構成図。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。 本実施形態のゲージベースを示す平面図。 本実施形態の溶接型ひずみゲージの製造工程を示す説明図。

符号の説明

１…金属パイプ、２…ベースプレート、３…ゲージベース、４…接着剤、５…離型性緩衝材、２１…溶接部、２２ａ，２２ｂ…フランジ部、３１…受感部、３２…ゲージリード、３３…タブ、３４…カバーフィルム。

Claims (3)

1. 対象物のひずみを検出する溶接型ひずみゲージであって、
   金属パイプと、表面に抵抗体から成る受感部を有し、裏面に塗布された接着剤により該金属パイプの内側面に接着されるゲージベースと、前記金属パイプ内で前記ゲージベースの表面を覆うように設けられた離型性を有する緩衝材とを備え、
   前記ゲージベースは、前記金属パイプ内に収納されると共に前記受感部の表面に離型性を有する緩衝材が配置された状態で該金属パイプを押し潰すことにより、該金属パイプの内側面の該ゲージベースの裏面を接着させる部分に圧着されて成ることを特徴とする溶接型ひずみゲージ。
2. 請求項１記載の溶接型ひずみゲージにおいて、
   前記ゲージベースの裏面に塗布された熱硬化性の接着剤を予め加熱してプリプレグ状態である半硬化状態とした上で、該接着剤を介して該ゲージベースの裏面を前記金属パイプの内側面に当て、該金属パイプを押し潰して成ることを特徴とする溶接型ひずみゲージ。
3. 対象物のひずみを検出する溶接型ひずみゲージの製造方法であって、
   表面に抵抗体から成る受感部を有すると共に裏面に熱硬化性の接着剤が塗布されたゲージベースを加熱し、該接着剤をプリプレグ状態である半硬化状態とする半硬化工程と、
   前記半硬化工程を経た前記ゲージベースを金属パイプに挿入し、前記接着剤を介して該ゲージベースの裏面を該金属パイプの内側面に当てる当接工程と、
   前記当接工程により前記金属パイプの内側面に配置された前記ゲージベースの前記受感部の表面に該表面を覆うように離型性を有する緩衝材を配置した状態で、該ゲージベースの面に向けて該金属パイプを押し潰す押圧工程と、
   前記押圧工程により押し潰された金属パイプを再加熱して、前記接着剤を硬化させる再硬化工程と
   を備えることを特徴とする溶接型ひずみゲージの製造方法。

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