JP6661348B2 - ひずみゲージ - Google Patents
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Description
近年、航空機の翼部や風力発電のブレードのモニタリング計測などにおいて、長期に亘る繰り返し測定が可能なひずみゲージが求められている。
このような長期に亘るモニタリング計測などに対応するためには、疲労寿命特性(繰り返し回数)を増加させた信頼性の高いひずみゲージが求められる。
ところで、一般的なひずみゲージは、ゲージタブパターン部に対して半田付けにより一対のリード線を接合するため、長期使用した際には、ひずみゲージ全体が引張、圧縮、曲げ等のひずみを繰り返し受けることにより、半田付けしたゲージリードの端部に位置するゲージタブパターン部にクラックや断線が発生し易いという問題がある。
このような問題に対処すべくなされた先行技術として、特開2009−302117号公報(以下、「特許文献1」という)が知られている。
これによって、タブパターン部の小型化、電気的性能の低下を来す不具合の回避、コスト低減を図るほか、クラックや断線の発生を回避できる、としている。
加えて、特許文献1のひずみゲージは、疲労特性から見ると、疲労寿命は、1.0×107回程度にとどまっており、長期モニタリング計測に対応するには不充分である。
このように、ひずみゲージの疲労特性を向上させるために、パターン形状を改良して改善させるひずみゲージは、存在していない状況にある。
本発明の第2の目的とするところは、ゲージタブパターン部を極力小型化し、且つコストの増大をもたらすことなく、ひずみゲージを提供することにある。
本発明の第3の目的とするところは、ゲージリードを半田付けする場合の半田量を制御し、半田フィレット(Fillet)形状がゲージリードの線径に対し所定の比率となるよう半田の最適化を図り、疲労寿命特性を向上させた信頼性の高いひずみゲージを提供することにある。
抵抗材料からなりひずみを検知してそのひずみに対応した抵抗変化を示す幅狭のグリッドパターン部と、
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前記グリッドパターン部の各端部とを電気的に連接する少なくとも一対の接続パターン部が、絶縁材料からなるゲージベース上に添着されたひずみゲージにおいて、
前記ゲージタブパターン部に、
前記グリッドパターン部の受感軸方向と直交する所定幅の第1の穴部を形成すると共に、前記第1の穴部の両端から円弧状に折曲がり、前記グリッドパターン部とは反対側に向かって伸び、その先端が円弧状をなす所定幅の第2の穴部を形成し、
前記第1の穴部と前記第2の穴部の内側に沿うように所定の間隔を隔てて、前記ゲージリードと半田からなる半田付部を形成し、当該半田付部近傍に生ずる応力集中を抑制し、疲労特性の向上を図るように構成したことを特徴としている。
前記第2の穴部の幅は、前記第1の穴部の幅より大きいことを特徴としている。
請求項3に記載した本発明に係るひずみゲージは、請求項1のひずみゲージにおいて、
前記第2の穴部の先端の円弧状をなす円弧部の曲率半径をRAとし、
前記第1の穴部と前記第2の穴部とを連接する円弧状をなす外側の円弧部の曲率半径をRBとし、内側の円弧部の曲率半径をRCとしたとき、
次の条件式(1)、
RA < RC < RB (1)
なる関係を満足することを特徴としている。
請求項4に記載した本発明に係るひずみゲージは、請求項1または2のひずみゲージにおいて、
前記第2の穴部の側部と前記ゲージタブパターン部の側端との間には、所定の間隔を設けていることを特徴としている。
前記ゲージリードの線径と半田付部に盛られる半田の横幅との比率が、1:2程度となるように設定してなることを特徴としている。
請求項6に記載した本発明に係るひずみゲージは、請求項1または5のひずみゲージにおいて、
前記半田付部の前記受感軸に沿う方向における一端側は、前記第1の穴部から所定の間隔を隔てた部位に配置され、他端側は、前記ゲージタブパターン部の前記グリッドパターン部とは反対側の端縁近傍まで延びていることを特徴としている。
請求項7に記載した本発明に係るひずみゲージは、請求項1または6のひずみゲージにおいて、
前記第1の穴部と、半田付けされる前記ゲージリードの先端との間は、前記第1の穴部の幅と同程度の間隔を保持するように半田付けされることを特徴としている。
前記第2の穴部の先端の円弧状をなす円弧部の曲率半径をRAとし、前記第1の穴部と前記第2の穴部とを連接する外側の円弧部の曲率半径をRBとし、内側の円弧部の曲率半径をRCとし、前記第1の穴部の幅をDとし、前記第1の穴部の内端部から前記第2の穴部の先端の円弧状をなす前記円弧部先端までの寸法をEとし、前記第2の穴部の先端の円弧状をなす前記円弧部先端部から前記ゲージタブパターン部の基端側の端部までの寸法をFとし、前記ゲージリードの先端から前記第1の穴部の内端部までの寸法をGとし、前記ゲージタブパターン部の横幅をHとし、前記第2の穴部の内面側間の寸法をIとし、前記ゲージリードを半田付けした際に形成される半田部の横方向の寸法をJとし、前記ゲージリードの線径をφdとし、
前記ゲージリードの線径φdを基準として、φd=1としたとき、上記各部の寸法は、
RA=0.3、 RB=0.9、 RC=0.6、
D=0.3、 E=1.3、 F=2.2、
G=0.3、 H=5.0、 I=2.5、
J=2.0、
の各比率をもって定めるものとし、
前記ゲージリードの線径φdは、
φd=0.1〜0.16(±0.05 [mm])
の範囲に設定するように構成したことを特徴としている。
抵抗材料からなりひずみを検知してそのひずみに対応した抵抗変化を示す幅狭のグリッドパターン部と、
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前記グリッドパターン部の各端部とを電気的に連接する少なくとも一対の接続パターン部が、絶縁材料からなるゲージベース上に添着されたひずみゲージにおいて、
前記ゲージタブパターン部に、
前記グリッドパターン部の受感軸方向と直交する所定幅の第1の穴部を形成すると共に、前記第1の穴部の両端から円弧状に折曲がり、前記グリッドパターン部とは反対側に向かって伸び、その先端が円弧状をなす所定幅の第2の穴部を形成し、
前記第1の穴部と前記第2の穴部の内側に沿うように所定の間隔を隔てて、前記ゲージリードと半田からなる半田付部を形成し、当該半田付部近傍に生ずる応力集中を抑制し、疲労特性の向上を図るように構成したことにより、
ひずみゲージ全体の大型化を招くことなく、且つコストの増大をもたらすことなく、ひずみゲージのゲージタブパターン部におけるクラックの発生を回避でき、疲労寿命特性を向上させた信頼性の高い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ひずみゲージの全体構成を示す平面図であり、図2は、図1に示すひずみゲージの正面図であり、図3は、本発明の第1の実施の形態であって且つ実施例1に係るひずみゲージのゲージタブパターン部と半田付部の構成を拡大して示す平面図であり、図4は、図3のひずみゲージの半田付部のX−X線矢視方向断面の構成を示す拡大断面図である。
図1〜図4において、1は、ゲージベースであり、絶縁材料で形成されており、通例は、可撓性を有する材料が用いられる。このゲージベース1は、一般的な用途のものは、透明または半透明である。
2は、箔材をフォトエッチング技術により、所定長さ(ゲージ長)に連続的に折り返されて蛇行状にパターンニングされた幅狭のグリッドパターン部であり、上記ゲージベース1を介して伝達される被測定対象物のひずみ量に対応してその抵抗値を変化する。
7は、グリッドパターン部2、2つのゲージタブパターン部3、3並びに2つの接続パターン部5、5の表面を被膜する透明または半透明のラミネート膜である。
8aは、ゲージタブパターン部3の特定の部位に貫通された第1の穴部であり、8bは、同じくゲージタブパターン部3に、上記第1の穴部8aの両端から円弧状に折れ曲がり、上記グリッドパターン部2とは反対側に向かって延び、その先端が円弧状をなす所定幅の貫通された第2の穴部である。
ゲージタブパターン部3は、ゲージリード4を接続するために、幅広に形成されている。このゲージタブパターン部3には、グリッドパターン部2の受感軸方向(図1、図3において左右方向)と直交する方向(図1、図3において上下方向)に延びる所定幅Dの第1の穴部8aを形成すると共に、第1の穴部8aの両端から円弧状に折れ曲がり、グリッドパターン部2とは反対側(図1における右側)に向かって延び、その先端が円弧状をなす所定幅2RAの第2の穴部8bを形成してある。
第1の穴部8aと第2の穴部8bの三方に囲まれた内側部分に沿うように所定の間隔Gを隔てて、ゲージリード4と半田からなる半田付部6を形成してある。
第2の穴部8bの幅2RAは、第1の穴部8aの幅Dよりも大きく形成してある。第1の穴部8aと第2の穴部8bは、円弧状に形成した部分があり、各円弧部は、次のように規定することが望ましい。
次の条件式(1):
RA<RC<RB (1)
なる関係を満足することが、応力の集中を分散させるのに有効である。
また、第2の穴部8bの側部8fと、ゲージタブパターン部3の側端8eとの間には、所定の間隔を設けることが望ましい。
次に、ゲージリード4、半田付部6と第1の穴部8aおよび第2の穴部8bとの関係について説明する。
ゲージリード4の線径φdと半田付部6に盛られる半田の形状(Fillet:フィレットと称されることがある)の横幅(ゲージリード4に直交する方向の寸法)との比率を、所定の比率に設定することが望ましい(実施例1にあっては、1:2の比率に設定したものである)。
このように、半田付けされるゲージリード4の先端と、第1の穴部8aの内端部8cとの間に所定の間隔を設けるようにすることで、剛性の大きい半田付部6の先端部近傍に応力集中が生じるのを、第1の穴部8aと第2の穴8bとで分散させることに寄与させると共に、ゲージリード4の半田付けの際に半田が流れても、第1の穴部8aおよび第2の穴部8bに至らない寸法に設定するものである。
また、半田付部6の他端側を、ゲージタブパターン部3の端縁8g近傍まで延ばしているのは、応力の緩和に寄与させるためである。
第2の穴部8bの先端の円弧状をなす円弧部8Aの曲率半径をRAとし、第1の穴部8aと第2の穴部8bとを連接する外側の円弧部8Bの曲率半径をRBとし、内側の円弧部8Cの曲率半径をRCとし、第1の穴部8aの幅をDとし、第1の穴部8aの内端部8cから第2の穴部8bの先端の円弧状をなす円弧部8A先端までの寸法をEとし、第2の穴部8bの先端の円弧状をなす円弧部8A先端部からゲージタブパターン部3の基端側の端縁8gまでの寸法をFとし、ゲージリード4の先端から第1の穴部8aの内端部8cまでの寸法をGとし、ゲージタブパターン部3の横幅をHとし、第2の穴部8bの内面側間の寸法をIとし、
ゲージリード4を半田付けした際に形成される半田付部6の横方向(ゲージリード4の方向と直交する方向)の寸法をJとし、ゲージリード4の線径をφdとし、ゲージリード4の線径φdを基準として、φd=1としたとき、上記各部の寸法は、
RA=0.3、 RB=0.9、 RC=0.6、
D=0.3、 E=1.3、 F=2.2、 G=0.3、
H=5.0、 I=2.5、 J=2.0
の各比率をもって定めるものとし、
ゲージリード4の線径φdを、
φd=0.1〜0.16(±0.05)の範囲のものを設定(使用)するものとする。
例えば、ゲージベース1の裏面側に接着剤を塗布して試験機に接着し、引っ張りまたは圧縮により変位を与えた場合、従来のひずみゲージにおいては、剛性の大きいゲージリード4を半田付けしてなる半田付部の先端近傍のゲージタブパターン部3に応力が集中し、ゲージタブパターン部3にクラックが生じ、疲労特性が低下していたが、本発明のように、ゲージタブパターン部3に、第1の穴部8aとこれと直交する方向に向かって延びる第2の穴部8bを所定の形態に形成し、ゲージリード4の半田付け(フィレット)を所定の関係となるように設定することにより、応力集中が分散され、繰り返し伸縮が加えられても、クラックが生じにくく、長期モニタリング計測に好適で、疲労寿命特性(回数)を大幅に向上させ得るひずみゲージを提供することができる。
また、第1の穴部8aと第2の穴部8bに対し、半田断面の比率、半田付け位置を適正に管理、制御することにより、応力の集中を緩和させ、ゲージタブパターン部3に生ずる応力を低減させ、延いては、疲労寿命特性(回数)を増加させ、信頼性の高いひずみゲージを提供することができる。
即ち、図5は、実施例1に係るひずみゲージの疲労試験特性図であり、横軸にサイクル(回数)、縦軸に零点変化量(×10−6ひずみ)を示す。
この疲労試験は、NAS942規格に準拠し、一定振幅を発生させる荷重装置を用いて、毎秒30回、±1500με×10−6ひずみを与え、無負荷時あるいは負荷時の指示値が最初の指示値より±100×10−6ひずみ以上移動したとき、ひずみゲージの寿命と規定しているものである。
この規定にならって、実施例1に係るひずみゲージの疲労試験を行った結果を図5に示す。
この試験結果によれば、1.0×108回に至るまで、最初の指示値より±100×10−6ひずみを超えることがないことが分かる。
また、図6は、実施例1の疲労試験データであり、このうち、図6(a)は、最高正ひずみ(MAX)の特性グラフ、図6(b)は、零ひずみ(ZERO)の特性グラフ、図6(c)は、最高負ひずみ(MIN)の特性グラフであるが、「1×108」回に至るまで、最初の指示値より、±100×10−6ひずみを超えるひずみは生じておらず、1×108回以上の疲労寿命を達成し、特許文献1のひずみゲージより優れていることが明らかである。
次に、図7を参照して、本発明の開発過程において、実施された改良品の試作、解析結果を改良前のものと比較して説明する。
また、改良〔4〕と記載されているのは、本発明に係るもので、「第1の穴と第2の穴とが所定の関係をもって連通されているもの」を指す。
図6によれば、改良〔2〕〜改良〔4〕は、未改良(従来技術)のものに比べれば、ゲージリード先端部の最大値の主応力(MPa)は減少している。その中でも特に、ゲージリード先端部の最大、パターン穴部の最大の主応力を斟酌し、改良〔4〕についての開発を進めた。
図8で合格とは、疲労寿命(回数)が、1×108に到達したものを合格とし、到達しないものを不合格とするものである。
図8に示すように、未改良(従来品)のひずみゲージでは、半田量の大小に拘わらず、4つのサンプル共に合格数は0であり、改良〔4〕(本発明)のひずみゲージの場合、半田量が少ない(適正な)場合には、4つのサンプル中、すべてが合格であったが、半田量が多い場合には、4つのサンプル全て合格しない、という試験結果が得られた。
即ち、ゲージリード4の線径φdに対する半田付部6の横幅Jを制御すると共に、フィレットの位置の制御を適正に行うことが肝要となる。
本発明は、上述し且つ図面に示した実施の形態および実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲に変形し得ることは勿論である。
例えば、図示の例においては、単軸型のひずみゲージについて説明したが、2軸、3軸等の多軸型のひずみゲージについても適用可能であり、箔材をもって形成したひずみゲージの他、スパッタリング技術等によってグリッドパターン部やゲージタブパターン部等を成膜する半導体ひずみゲージにも適用可能である。
上述した実施例においては、各寸法を具体的に記載したが、これに限定されるものではなく、適宜変更され得るもので具体的数値を基準として所定範囲における変更を施して初期の目的、効果が達成されるようアレンジし得ることは勿論である。
2 グリッドパターン部
3 ゲージタブパターン部
4 ゲージリード
5 接続パターン部
6 半田付部
7 ラミネート膜
8a 第1の穴部
8b 第2の穴部
8c 第1の穴部の内端部
8d 第1の穴部の外端部
8e ゲージタブパターン部の側端
8f ゲージタブパターン部の側部
8g ゲージタブパターン部の端縁
Claims (8)
- 抵抗材料からなりひずみを検知してそのひずみに対応した抵抗変化を示す幅狭のグリッドパターン部と、
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前記グリッドパターン部の各端部とを電気的に連接する少なくとも一対の接続パターン部が、絶縁材料からなるゲージベース上に添着されたひずみゲージにおいて、
前記ゲージタブパターン部に、
前記グリッドパターン部の受感軸方向と直交する所定幅の第1の穴部を形成すると共に、前記第1の穴部の両端から円弧状に折曲がり、前記グリッドパターン部とは反対側に向かって伸び、その先端が円弧状をなす所定幅の第2の穴部を形成し、
前記第1の穴部と前記第2の穴部の内側に沿うように所定の間隔を隔てて、前記ゲージリードと半田からなる半田付部を形成し、当該半田付部近傍に生ずる応力集中を抑制し、疲労特性の向上を図るように構成したことを特徴とするひずみゲージ。 - 前記第2の穴部の幅は、前記第1の穴部の幅より大きいことを特徴とする請求項1に記載のひずみゲージ。
- 前記第2の穴部の先端の円弧状をなす円弧部の曲率半径をRAとし、
前記第1の穴部と前記第2の穴部とを連接する円弧状をなす外側の円弧部の曲率半径をRBとし、内側の円弧部の曲率半径をRCとしたとき、
次の条件式(1)、
RA < RC < RB (1)
なる関係を満足することを特徴とする請求項1に記載のひずみゲージ。 - 前記第2の穴部の側部と前記ゲージタブパターン部の側端との間には、所定の間隔を設けていることを特徴とする請求項1または2に記載のひずみゲージ。
- 前記ゲージリードの線径と半田付部に盛られる半田の横幅との比率が、1:2程度となるように設定してなることを特徴とする請求項1に記載のひずみゲージ。
- 前記半田付部の前記受感軸に沿う方向における一端側は、前記第1の穴部から所定の間隔を隔てた部位に配置され、他端側は、前記ゲージタブパターン部の前記グリッドパターン部とは反対側の端縁近傍まで延びていることを特徴とする請求項1または5に記載のひずみゲージ。
- 前記第1の穴部と、半田付けされる前記ゲージリードの先端との間は、前記第1の穴部の幅と同程度の間隔を保持するように半田付けされることを特徴とする請求項1また6に記載のひずみゲージ。
- 前記第2の穴部の先端の円弧状をなす円弧部の曲率半径をRAとし、前記第1の穴部と前記第2の穴部とを連接する外側の円弧部の曲率半径をRBとし、内側の円弧部の曲率半径をRCとし、前記第1の穴部の幅をDとし、前記第1の穴部の内端部から前記第2の穴部の先端の円弧状をなす前記円弧部先端までの寸法をEとし、前記第2の穴部の先端の円弧状をなす前記円弧部先端部から前記ゲージタブパターン部の基端側の端部までの寸法をFとし、前記ゲージリードの先端から前記第1の穴部の内端部までの寸法をGとし、前記ゲージタブパターン部の横幅をHとし、前記第2の穴部の内面側間の寸法をIとし、前記ゲージリードを半田付けした際に形成される半田部の横方向の寸法をJとし、前記ゲージリードの線径をφdとし、
前記ゲージリードの線径φdを基準として、φd=1としたとき、上記各部の寸法は、
RA=0.3、 RB=0.9、 RC=0.6、
D=0.3、 E=1.3、 F=2.2、
G=0.3、 H=5.0、 I=2.5、
J=2.0、
の各比率をもって定めるものとし、
前記ゲージリードの線径φdは、
φd=0.1〜0.16±0.05 [mm]
の範囲に設定するように構成したことを特徴とする請求項1に記載のひずみゲージ。
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