カプセル型ひずみゲージ、カプセル型ひずみゲージの製造方法およびカプセル型ひずみゲージの取付方法
【課題】 ひずみ伝達率を低下させることなく小型化を実現すると共に、スポット溶接の巧拙に起因するゲージ率Ｋｓのばらつき発生の抑制を可能とする。
【解決手段】 このカプセル型ひずみゲージは、センサ部３１と、このセンサ部３１に接続されたシースチューブ３２、第１の接続部、ＭＩケーブル、第２の接続部およびフレキシブルケーブルを有する。センサ部３１は、先端部３２ａが封止されたシースチューブ３２内に充填された絶縁物１３によりシースチューブ３２内に保持されたひずみ感応抵抗体部１２ａを有している。フランジ１４は、細長い矩形状を呈した薄板でなり、長手方向に添う略中央に溶接によりシースチューブ３２が固着されている。シースチューブ３２の先端部３２ａは、フランジ１４と共に被測定物上に直接溶接により固着可能な厚さの平坦状に形成されている。
【解決手段】 このカプセル型ひずみゲージは、センサ部３１と、このセンサ部３１に接続されたシースチューブ３２、第１の接続部、ＭＩケーブル、第２の接続部およびフレキシブルケーブルを有する。センサ部３１は、先端部３２ａが封止されたシースチューブ３２内に充填された絶縁物１３によりシースチューブ３２内に保持されたひずみ感応抵抗体部１２ａを有している。フランジ１４は、細長い矩形状を呈した薄板でなり、長手方向に添う略中央に溶接によりシースチューブ３２が固着されている。シースチューブ３２の先端部３２ａは、フランジ１４と共に被測定物上に直接溶接により固着可能な厚さの平坦状に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種のひずみ測定に用いられるひずみゲージ、ひずみゲージの製造方法およびひずみゲージを被測定物に取り付けるひずみゲージの取付方法に関し、詳しくは、カプセル型ひずみゲージ、その製造方法およびその取付方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ひずみを測定すべき被測定物には各種各様のものがあるが、それに対応してひずみゲージの種類も多種多様であり、またひずみゲージを被測定物に取り付ける取付方法にも様々なものがある。エンジンやタービン、原子炉、ロケットなどの構成部品を被測定物としてひずみを測定する場合、被測定物の表面温度が容易に２００℃を越えることが多いため、いわゆる高温用ひずみゲージが用いられる。高温用ひずみゲージは、被測定物への取付方法により、従来から、接着型、溶接型、溶射型等に分類されている。このうち、溶接型高温用ひずみゲージは、高温環境に耐え得ることはもとより、比較的作業性が良い、取付のための費用が安いなどの利点がある。
図７は、本出願人が先に提案した従来のカプセル型ひずみゲージの外観構成を示す拡大平面図、図８は、図７に示すセンサ部のさらに大きな拡大断面図、図９は、図７に示すセンサ部のさらに大きな拡大側面図である。このカプセル型ひずみゲージは、１ゲージ法の溶接型高温用であり、センサ部１と、第１の接続部２と、ＭＩケーブル（mineral insulated metal sheathed cable）３と、第２の接続部４と、フレキシブルケーブル５とから構成されている。センサ部１は、図７〜図９に示すように、シースチューブ１１と、ひずみ感応抵抗体部１２ａと、リード部１２ｂａと、リード部１２ｂｂと、絶縁物１３と、フランジ１４とから構成されている。
【０００３】
シースチューブ１１は、耐食性と耐熱性に優れたＮＣＦ６００（ＪＩＳ記号）等の耐熱性合金から構成され、一体に形成された大径部１１ａと小径部１１ｂとからなり、大径部１１ａは、先端部１１ａｂが封じられている。小径部１１ｂの基端部は、第１の接続部２に接続されている。ひずみ感応抵抗体部１２ａ、リード部１２ｂａおよび１２ｂｂは、耐熱性特殊合金からなる１本の線材の所定長さ部分を加工によりその径を小さくして抵抗値を高めた部分を倒Ｕ字状に折り曲げてひずみ感応抵抗体部１２ａとし、加工されずにその径がもとのままの両端部近傍をリード部１２ｂａおよび１２ｂｂとしている。ひずみ感応抵抗体部１２ａは、ひずみに感応してひずみ量変化を抵抗値変化に変換するものであり、リード部１２ｂａおよび１２ｂｂの各一部と共に、シースチューブ１１の大径部１１ａ内に固く充填された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体からなる耐熱性の絶縁物１３によって大径部１１ａ内に固く保持されている。内部にひずみ感応抵抗体部１２ａ、リード部１２ｂａの一部、リード部１２ｂｂの一部および絶縁物１３がそれぞれ収容された大径部１１ａは、先端部１１ａｂから所定長さの部分までが、薄肉で細長い矩形状を呈したフランジ１４の長手方向に沿う略中央に、溶接により固着されている。フランジ１４は、耐食性と耐熱性に優れたＮＣＦ６００（ＪＩＳ記号）からなる。
【０００４】
第１の接続部２では、例えば、上記ＮＣＦ６００からなる筒体２ａ内において、シースチューブ１１の小径部１１ｂの端部から突出するリード部１２ｂａおよび１２ｂｂ（図８参照）の各一端と、ＭＩケーブル３の一端部から突出する２本の金属線（この従来例の場合、熱電対を構成するアルメル線とクロメル線）の各一端とがそれぞれ接続されている。また、第２の接続部４では、筒体４ａ内において、ＭＩケーブル３の他端部から突出する２本の金属線の各他端と、常温型のフレキシブルケーブル５の一端部から突出する２本の芯線（共に図示略）の各一端とが半田付けでそれぞれ接続されている。以上説明した構成を有するカプセル型ひずみゲージは、図１０に示すように、フランジ１４が被測定物２１上にスポット溶接により固着されることにより、センサ部１が被測定物２１に複数のスポット溶接部２２により強固に固着される。そして、被測定物２１のひずみは、フランジ１４、シースチューブ１１の大径部１１ａおよび絶縁物１３を介してひずみ感応抵抗体部１２ａに伝達される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３１１８６２１号公報（［００２７］〜［００３９］、図１，図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近では、被測定物の小型化や構造微細化・複雑化の傾向、あるいは、被測定物の局所におけるひずみ測定の要望の高まりなど様々な要因から、ひずみゲージの小型化が望まれているため、上記カプセル型ひずみゲージにおいても小型化する必要がある。ところが、カプセル型ひずみゲージを小型化すると、ひずみ伝達率が極端に低く（６０％程度）なってしまう。この結果、被測定物に固着されたひずみゲージの感度であるゲージ率Ｋｓが低下すると共に、ゲージ率Ｋｓが個々に大きくばらつく、という新たな問題が派生した。このひずみ伝達率低下を招く原因について本発明者らが鋭意解明した結果、以下に示すことが判明した。第１に、上記センサ部１の裏面は、被測定物２１への取付時に、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、被測定物２１の表面と接触しているが、被測定物２１が変形すると、上記センサ部１の裏面のうち、スポット溶接で固着されていないシースチューブ１１の先端部１１ａｂ付近直下のフランジ１４の裏面部分は、図１２（ａ）および（ｂ）に誇張して示すように、被測定物２１の表面から離れて浮き上がり、隙間２３が生じてしまう。これは以下に示す理由によると考えられる。
【０００７】
つまり、センサ部１を被測定物２１上にスポット溶接により固着可能とするために、フランジ１４が薄板状を呈しており、フランジ１４の剛性はシースチューブ１１の剛性に比べて小さく、もともとひずみ伝達率は最大でも９０％程度であった。このようなカプセル型ひずみゲージを小型化した場合、ひずみ感応抵抗体部１２ａの小型化に伴って受感領域が狭小化すると共に、ひずみ感応抵抗体部１２ａは相対的に剛性が特に高いシースチューブ１１の先端部１１ａｂにより接近して保持されることになり、フランジ１４とシースチューブ１１との剛性の違いの影響がさらに大きくなるからと推測される。また、カプセル型ひずみゲージを小型化した場合、フランジ１４の長さが短くなってフランジ１４を被測定物２１上にスポット溶接により固着する面積もスポット溶接部２２の個数も共に減少するため、スポット溶接の巧拙がゲージ率Ｋｓに大きな影響を及ぼす。
そこで、本発明者らは、フランジ１４とシースチューブ１１との剛性の差を小さくするために、フランジ１４を従来より厚くしてフランジ１４の剛性を高めることを試みた。即ち、本発明者らは、以下に示すように、フランジ１４の厚さを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、１ｍｍと変更して、上記センサ部１の端部からの距離に対するひずみ伝達率の変化を測定する実験を行った。
【０００８】
図１３に実験結果の一例を示す。図１３（ａ）の横軸における距離と図１３（ｂ）のセンサ部１の長さの縮尺は、一致（対応）している。図１３（ａ）において、曲線ａは、フランジ１４の厚さを０．１ｍｍとした場合の特性、曲線ｂは、フランジ１４の厚さを０．２ｍｍとした場合の特性、曲線ｃは、フランジ１４の厚さを１ｍｍとした場合の特性を示している。この図を参照すれば、フランジ１４の厚さを従来の０．１ｍｍからその２倍の０．２ｍｍとした場合には、センサ部１の端部からの距離に対するひずみ伝達率は全体的に大きくなっていることが分かる。しかし、フランジ１４の厚さを従来の０．１ｍｍからその１０倍の１ｍｍとした場合には、センサ部１の端部からの距離に対するひずみ伝達率は逆に全体的に小さくなってしまう。このことから、フランジ１４を従来より厚くしてフランジ１４の剛性を高めてフランジ１４とシースチューブ１１との剛性の差を小さくしたとしても、必ずしもひずみ伝達率の向上にはつながらないことが判明した。その一因は、フランジ１４の厚さを厚くしてその剛性を高めた場合、被測定物の剛性がセンサ部１を取り付けた部分だけ高まるため、被測定物の挙動が拘束され、被測定物のひずみ測定に支障を来したものと考えられる。
【０００９】
さらに、フランジ１４の厚さを厚くした場合、フランジ１４を被測定物２１上に固着する際のスポット溶接のパワーを大きくする必要があるが、溶接時の電流がフランジ１４のスポット溶接部２２以外の部分やシースチューブ１１表面にも流れたり、スパークが発生したりすることにより、フランジ１４やシースチューブ１１、場合によってはシースチューブ１１内のひずみ感応抵抗体部１２ａまで損傷を及ぼしてしまうおそれがあるという問題も発生する。したがって、フランジ１４の厚さを厚くするにも限界がある。
そこで、本発明者らは、フランジの厚さを変えずにひずみ伝達率を向上させることを鋭意探求した。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、ひずみ伝達率を低下させることなく小型化を実現すると共に、スポット溶接の巧拙に起因するゲージ率Ｋｓのばらつき発生を抑制し得るカプセル型ひずみゲージ、カプセル型ひずみゲージの製造方法およびカプセル型ひずみゲージの取付方法を提供することを目的としている。
【００１０】
本発明の請求項１の目的は、ひずみ伝達率の向上を実現でき、特に、ひずみ伝達率の低下をもたらすことなく小型化を図り得ると共に、被測定物に固着するための溶接の巧拙にも拘わらずゲージ率Ｋｓのばらつきが極めて小さいカプセル型ひずみゲージを提供することにある。
本発明の請求項２の目的は、ひずみ伝達率の向上を実現でき、特に、ひずみ伝達率の低下をもたらすことなく小型化を図り得ると共に、被測定物に固着するための溶接の巧拙にも拘わらずゲージ率Ｋｓのばらつきが極めて小さいカプセル型ひずみゲージの製造方法を提供することにある。
本発明の請求項３の目的は、特に、カプセル型ひずみゲージを構成するシースチューブの先端部の被測定物の表面からの浮き上がりを抑制し、被測定物の挙動を忠実にひずみ感応抵抗体部に伝達し得るカプセル型ひずみゲージの取付方法を提供することにある。
本発明の請求項４の目的は、特に、カプセル型ひずみゲージを構成するシースチューブの先端部の被測定物の表面からの浮き上がりを抑制し、被測定物の挙動を忠実にひずみ感応抵抗体部に伝達し得るカプセル型ひずみゲージの取付方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載した本発明に係るカプセル型ひずみゲージは、上述した目的を達成するために、
先端部が封じられ且つ平坦部が形成されたシースチューブ内に充填された絶縁物からなる粉体により前記シースチューブ内に保持されたひずみ感応抵抗体部を有するセンサ部と、
薄肉で細長い矩形状を呈し、長手方向の中心に沿って前記シースチューブが固着されたフランジとを有し、
前記シースチューブの前記平坦部は、前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さに形成されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載した本発明に係るカプセル型ひずみゲージの製造方法は、上述した目的を達成するために、
シースチューブの先端部を溶接により封止する封止工程と、
前記シースチューブの前記先端部をプレスしてその厚みを前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さにまで平坦状に延伸するプレス工程と、
薄肉で細長い矩形状を呈するフランジの長手方向の中心に添って電子ビーム溶接により前記シースチューブを固着するシースチューブ溶接工程と、
前記シースチューブ内にひずみ感応抵抗体部を挿入し、前記ひずみ感応抵抗体部が前記シースチューブの内周面に接触しないように保持した状態で、前記シースチューブ内に絶縁物からなる粉体を充填するひずみ感応抵抗体部装填工程と
を有することを特徴としている。
【００１３】
請求項３に記載した本発明に係るカプセル型ひずみゲージの取付方法は、上述した目的を達成するために、
前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項１に記載のカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付け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カプセル型ひずみゲージの取付方法は、上述した目的を達成するために、
前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項２に記載のカプセル型ひずみゲージの製造方法により製造されたカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付けることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べたように、本発明によれば、ひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓの低下をもたらすことなく小型化を可能とすると共に、スポット溶接の巧拙に起因するゲージ率Ｋｓのばらつきの発生を抑制可能とするカプセル型ひずみゲージ、カプセル型ひずみゲージの製造方法およびカプセル型ひずみゲージの取付方法を提供することができる。
すなわち、本発明の請求項１のカプセル型ひずみゲージによれば、先端部が封じられ且つ平坦部が形成されたシースチューブ内に充填された絶縁物からなる粉体により前記シースチューブ内に保持されたひずみ感応抵抗体部を有するセンサ部と、薄肉で細長い矩形状を呈し、長手方向の中心に沿って前記シースチューブが固着されたフランジとを有し、前記シースチューブの前記平坦部は、前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さに形成されていることにより、ひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓの向上を実現し得、また、ひずみ伝達率の低下をもたらすことなく小型化を実現し得ると共に、被測定物に固着するための溶接の巧拙に拘わらず、ゲージ率Ｋｓのばらつきを極めて小さく抑えることが可能となる。さらに、フランジの厚さを従来と同様に構成できるので、被測定物に固着させても被測定物の挙動を拘束することはなく、溶接電流による各構成要素の損傷を回避することができる。
【００１５】
本発明の請求項２のカプセル型ひずみゲージの製造方法によれば、シースチューブの先端部を溶接により封止する封止工程と、前記シースチューブの前記先端部をプレスしてその厚みを前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さにまで平坦状に延伸するプレス工程と、薄肉で細長い矩形状を呈するフランジの長手方向の中心に添って電子ビーム溶接により前記シースチューブを固着するシースチューブ溶接工程と、前記シースチューブ内にひずみ感応抵抗体部を挿入し、前記ひずみ感応抵抗体部が前記シースチューブの内周面に接触しないように保持した状態で、前記シースチューブ内に絶縁物からなる粉体を充填するひずみ感応抵抗体部装填工程とを有することにより、ひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓの向上を実現し得、また、ひずみ伝達率の低下をもたらすことなく小型化を実現し得ると共に、被測定物に固着するための溶接の巧拙に拘わらず、ゲージ率Ｋｓのばらつきを極めて小さく抑えることが可能となる。さらに、フランジの厚さを従来と同様に構成できるので、被測定物に固着させても被測定物の挙動を拘束することはなく、溶接電流による各構成要素の損傷を回避することができる。
【００１６】
本発明の請求項３のカプセル型ひずみゲージの取付方法によれば、前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項１に記載のカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付けることにより、カプセル型ひずみゲージを構成するシースチューブの先端部の被測定物の表面からの浮き上がりを抑制し、被測定物の挙動を効率良くひずみ感応抵抗体部に伝達することができる。
本発明の請求項４のカプセル型ひずみゲージの取付方法によれば、前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項２に記載のカプセル型ひずみゲージの製造方法により製造されたカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付けることにより、カプセル型ひずみゲージを構成するシースチューブの先端部の被測定物の表面からの浮き上がりを抑制し、被測定物の挙動を効率良くひずみ感応抵抗体部に伝達することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態に基づき、図面を参照して本発明のカプセル型ひずみゲージを詳細に説明する。
図１は、本発明の一つの実施の形態に係るカプセル型ひずみゲージの外観構成を示す拡大平面図、図２は、図１に示すセンサ部のさらに大きな拡大断面図、図３は、図１に示すセンサ部および第１の接続部の拡大斜視図、図４は、図１に示すセンサ部のさらに大きな拡大側面図、図５は、図１に示すセンサ部の被測定物への取付状態の外観構成を示すさらに大きな拡大平面図である。図１〜図５において、図７〜図１０の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その詳細な説明を省略する。このカプセル型ひずみゲージは、１ゲージ法の溶接型高温用であり、狭義には、センサ部３１を指称するが、広義には、センサ部３１と、第１の接続部２と、ＭＩケーブル３と、第２の接続部４と、フレキシブルケーブル５とを含んで構成されている。センサ部３１は、図１〜図４に示すように、シースチューブ３２と、ひずみ感応抵抗体部１２ａと、リード部１２ｂａと、リード部１２ｂｂと、絶縁物１３と、フランジ１４とから構成されている。
【００１８】
シースチューブ３２は、耐食性と耐熱性に優れたＮＣＦ６００（ＪＩＳ記号）等の特殊合金から構成され、先端部３２ａが封止されていると共に、基端部３２ｂは、第１の接続部２に接続されている。図４に示すシースチューブ３２の先端部３２ａは、図９に示すシースチューブ１１の大径部１１ａの先端部１１ａｂの厚さ（約０．４ｍｍ）と比較して分かるように、その厚さが薄く（０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ）形成されている。ひずみ感応抵抗体部１２ａは、リード部１２ｂａおよび１２ｂｂの各一部と共に、シースチューブ３２内に固く充填された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体からなる耐熱性の絶縁物１３によってシースチューブ３２内に固く保持されている。シースチューブ３２は、内部にひずみ感応抵抗体部１２ａ、リード部１２ｂａの一部、リード部１２ｂｂの一部および絶縁物１３がそれぞれ収容された先端部３２ａから所定長さの部分までが、薄肉で細長い矩形状を呈したフランジ１４の長手方向に沿う（添う）略中央に、溶接により一体的に固着されている。第１の接続部２では、筒体２ａ内において、シースチューブ３２の基端部３２ｂから突出するリード部１２ｂａおよび１２ｂｂ（図示略）の各一端と、ＭＩケーブル３の一端部から突出する２本の金属線（例えば、熱電対を構成するアルメル線とクロメル線）の各一端とがそれぞれ接続されている。
【００１９】
次に、以上説明した構成を有するカプセル型ひずみゲージのセンサ部の製造方法について説明する。
（１） 円筒状（あるいはパイプ状）を呈しているシースチューブ３２の先端部を溶接により、完全に封止する。この工程を、「封止工程」と称する。
（２） シースチューブ３２の先端部をプレスしてその厚さを０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度まで平坦状に薄く延伸する。この工程を、「プレス工程」と称する。
【００２０】
（３） シースチューブ３２の裏面であって、シースチューブ３２の先端部の薄く延び広がった平坦部分からシースチューブ３２の長手方向の所定長さに至るまでの部分を、フランジ１４の長手方向の中心に沿う（添う）ように位置付けた上で、フランジ１４を電子ビーム溶接によりシースチューブ３２の裏面に固着する。この工程を、「シースチューブ溶接工程」と称する。
（４） シースチューブ３２内にひずみ感応抵抗体部１２ａ、リード部１２ｂａの一部、リード部１２ｂｂの一部を挿入し、ひずみ感応抵抗体部１２ａの先端部がシースチューブ３２の先端部３２ａの近傍に位置し、且つ、上記ひずみ感応抵抗体部１２ａ等がシースチューブ３２内周面に接触しないように保持した状態で、シースチューブ３２内に絶縁物１３を、ひずみ伝達率が高まるように固く充填する。この工程を、「ひずみ感応抵抗体部装填工程」と称する。
【００２１】
以上説明した構成を有するカプセル型ひずみゲージは、図５に示すように、先ず、フランジ１４のシースチューブ３２の両側面近傍が被測定物３３上に適宜間隔おきにスポット溶接により固着されることにより、センサ部３１が被測定物３３に複数のスポット溶接部３４により強固に固着される。さらに、この実施の形態では、図５と図１０とを比較して分かるように、シースチューブ３２の先端部３２ａの平坦部もフランジ１４と共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａにより強固に直接固着される。先端部３２ａにおけるスポット溶接部３４ａの数は、少なくとも１個、可能ならば、２個以上の複数とすることが望ましい。
図６は、図１のセンサ部３１を構成するシースチューブ３２の先端部３２ａをスポット溶接によりフランジ１４と共に被測定物３３に固着した場合とシースチューブ３２の先端部３２ａをスポット溶接によりフランジ１４と共に被測定物３３に固着しなかった場合のセンサ部３１の端部からの距離に対するひずみ伝達率の変化特性の一例を示す図である。図６（ａ）の横軸における距離と図６（ｂ）のセンサ部３１の長さの縮尺は、一致（対応）している。
【００２２】
図６（ａ）において、曲線ａは、図５に示すようにシースチューブ３２の先端部３２ａもフランジ１４と共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａにより強固に固着した場合の特性、曲線ｂは、シースチューブ３２の先端部３２ａをフランジ１４と共に被測定物３３に固着しなかった場合の特性を示している。この図を参照すれば、シースチューブ３２の先端部３２ａをフランジ１４と共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａにより強固に固着した場合には、センサ部３１の先端部からの距離に対するひずみ伝達率は全体的に大きくなっていることが分かる。これは、被測定物３３への取付当初あるいは、被測定物が変形しない状態のときは、被測定物３３の表面と接触していた上記センサ部３１の裏面は、被測定物３３が変形すること、換言すれば、ひずみが生じることにより、上記センサ部３１の裏面のうち、特に、スポット溶接で固着されていないシースチューブ３２直下のフランジ１４の裏面は、被測定物３３の表面から離れて浮き上がろうとするが、シースチューブ３２の先端部３２ａおよび両側面近傍のフランジ１４が、共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａおよび３４により強固に固着されているので、被測定物３３の挙動がフランジ１４を介してシースチューブ３２内のひずみ感応抵抗体部１２ａに効率良く伝達するようになったためと考えられる。
【００２３】
このように、本発明の上述の実施の形態によれば、シースチューブ３２の先端部３２ａの厚さをフランジ１４の厚さとほぼ等しくし、且つ、シースチューブ３２の先端部３２ａをフランジ１４と共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａにより強固に直接固着している（シースチューブ先端部のフランジ化）。したがって、カプセル型ひずみゲージを小型化しても、ひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓの低下を軽減することができる。換言すれば、同じ大きさの従来のカプセル型ひずみゲージに比べ、ひずみ伝達率を大幅に増大させることができる。実験によれば、シースチューブ３２の先端部３２ａをスポット溶接により被測定物３３へ固着した場合は、ゲージ率Ｋｓが約１．９であり、固着しなかった場合に比べて、１０〜２０％程度の上昇があった。また、カプセル型ひずみゲージを小型化した場合、フランジ１４の長さが短くなってフランジ１４を被測定物３３上にスポット溶接により固着する面積も減少し、スポット点数が減り、スポット溶接もしにくくなるが、仮に、センサ部３１を構成するシースチューブ３２の両側面近傍のフランジ１４へのスポット溶接がうまくいかず、スポット溶接部３４が不均一に小数形成された場合であっても、シースチューブ３２の先端部３２ａがフランジ１４と共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａにより強固に固着されていれば、シースチューブ３２直下のフランジ１４の裏面の被測定物３３の表面からの浮き上がりを抑えることができるので、スポット溶接の巧拙に起因するゲージ率Ｋｓのばらつきを、シースチューブ３２の先端部３２ａを被測定物３３へ固着しなかった場合に比べて、半分以下に抑えることができると共に、スポット溶接部３４を均一に形成することにあまり神経を使わなくてすむので、作業効率も向上する。
【００２４】
また、フランジ１４の厚さを厚くしてその剛性を高めることなく、即ち、フランジ１４に可撓性を持たせたまま、ひずみ伝達率の向上を図ることができるので、被測定物の挙動が拘束され難く、被測定物のひずみ測定に支障を来すおそれはない。また、フランジ１４を被測定物３３上に固着する際のスポット溶接のパワー（溶接電流）をあまり大きくする必要がないため、パワー上昇に起因する漏れ電流やスパークの発生を防止することができ、フランジ１４やシースチューブ３２、延いてはシースチューブ３２内のひずみ感応抵抗体部１２ａを損傷するおそれが少なくなる。因みに、シースチューブ３２の先端部３２ａの厚さ（０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ）とフランジ１４の厚さ（０．１ｍｍ）の合計が０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であれば、スポット溶接機のパワーは従来程度で良い。つまり、シースチューブ３２の先端部３２ａの厚さは、フランジ１４の厚さの１〜２倍程度とすれば良い。
また、本発明の上述の実施の形態によれば、シースチューブ３２の先端部を加熱して溶かした状態で封止した後、シースチューブ３２の先端部をプレスして薄く平坦状に延伸しているので、シースチューブ３２の先端部の封止が確実に行え、プレスによる割れや変形などの損傷が生ぜず、良好な封止状態を得ることができる。
【００２５】
以上、この実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施ができることは勿論である。
例えば、上述した実施の形態では、本発明を、測温機能付きカプセル型ひずみゲージ、即ち、第１の接続部２において、熱電対を構成するアルメル線とクロメル線をリード部１２ｂａと１２ｂｂに接合する例を示したが、これに限定されるものではない。本発明は、測温機能が付いていないカプセル型ひずみゲージにも適用することができる。即ち、シースチューブ３２を被測定物の温度の影響が受けない位置まで延長すると共に、シースチューブ３２内のリード部１２ｂａおよび１２ｂｂも延長し、第１の接続部２の筒体２ａ内において、シースチューブ３２の基端部３２ｂから突出するリード部１２ｂａおよび１２ｂｂ（図示略）の各一端と、フレキシブルケーブル５の一端部から突出する２本の芯線（共に図示略）の各一端とを半田付けでそれぞれ接続するように構成しても良い。
【００２６】
また、上述した実施の形態では、センサ部３１を平面状を呈する被測定物３３に固着する例を示したが、これに限定されず、曲面を有する被測定物に固着するように構成しても良い。また、上述した実施の形態では、本発明を、１本のシースチューブ３２内に１本のひずみ感応抵抗体部１２ａが収容された１ゲージ法の高温用ひずみゲージに適用する例を示したが、これに限定されず、倒Ｕ字状に形成したアクティブゲージにスパイラル状に形成したダミーゲージを付加した２ゲージ法のひずみゲージに適用することができる。即ち、１本のシースチューブ内に２本以上のひずみ感応抵抗体部を収容するように構成しても良い。
また、上述した実施の形態では、本発明を、１ゲージ法２線式の高温用ひずみゲージに適用する例を示したが、これに限定されず、本発明は、１ゲージ法３線式の高温用ひずみゲージに適用しても良い。この場合、図１に示す第１の接続部２の筒体２ａ内において、例えば、シースチューブ３２の基端部３２ｂから突出するリード部１２ｂａ（図示略）の一端と、ＭＩケーブル３の一端部から突出する１本の金属線の一端とを接続すると共に、シースチューブ３２の基端部３２ｂから突出するリード部１２ｂｂ（図示略）の一端と、ＭＩケーブル３の一端部から突出する２本の金属線の各一端とをそれぞれ接続する。
【００２７】
また、第２の接続部４の筒体４ａ内において、ＭＩケーブル３の他端部から突出する３本の金属線の各他端と、常温型のフレキシブルケーブル５の一端部から突出する３本の芯線（共に図示略）の各一端とを半田付けでそれぞれ接続する。
また、本発明は、カプセル型ひずみゲージの小型化を実現する過程で生じた問題を解決すべくなされているため、上述した実施の形態において、本発明を小型なカプセル型ひずみゲージに適用する例を示したが、これに限定されるものではない。即ち、一般的な大きさのカプセル型ひずみゲージにおいても、シースチューブの先端部の厚さをフランジの厚さとほぼ等しくし、且つ、シースチューブの先端部の平坦部をフランジと共に被測定物にスポット溶接により強固に直接固着することにより、ひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓを増大させることができる。
【００２８】
また、上述した実施の形態では、フランジ１４の厚さについては従来と同様であること（０．１ｍｍ）を前提として説明したが、これに限定されるものではない。上記した「発明が解決しようとする課題」で言及したように、本発明者らは、フランジ１４とシースチューブ１１との剛性の差を小さくするために、フランジ１４を従来より厚くしてフランジ１４の剛性を高めることを試みている。フランジ１４の厚さを厚くするという発想は、従来なかったものである。シースチューブの先端部の厚さをフランジの厚さとほぼ等しくし、且つ、シースチューブの先端部を平坦状としてフランジと共に被測定物にスポット溶接部により強固に直接固着することと、フランジ１４の厚さを厚くすることを組み合わせることにより、これらの相乗効果により、カプセル型ひずみゲージのひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓを大幅に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係るカプセル型ひずみゲージの外観構成を示す拡大平面図である。
【図２】図１のセンサ部のさらに大きな拡大断面図である。
【図３】図１のセンサ部および第１の接続部の拡大斜視図である。
【図４】図１のセンサ部のさらに大きな拡大側面図である。
【図５】図１のセンサ部の被測定物への取付状態の外観構成を示すさらに大きな拡大平面図である。
【図６】この図の（ａ）、（ｂ）は、図１のセンサ部を構成するシースチューブの先端部をスポット溶接により被測定物へ固着した場合と固着しなかった場合のセンサ部の端部からの距離に対するひずみ伝達率の変化特性の一例を示す図である。
【図７】従来のカプセル型ひずみゲージの外観構成を示す拡大平面図である。
【図８】図７のセンサ部のさらに大きな拡大断面図である。
【図９】図７のセンサ部のさらに大きな拡大側面図である。
【図１０】図７のセンサ部の被測定物への取付状態の外観構成を示す拡大平面図である。
【図１１】この図の（ａ）および（ｂ）は、図７のセンサ部の被測定物への当初の取付状態を示す拡大正面図および拡大側面図である。
【図１２】この図の（ａ）は、（ｂ）のＡ−Ａ線矢視方向断面図、この図の（ｂ）は、図７のセンサ部の挙動を示すさらに大きな拡大側面図である。
【図１３】この図の（ａ）および（ｂ）は、図７のセンサ部を構成するフランジの厚さを変更した場合のセンサ部の端部からの距離に対するひずみ伝達率の変化特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
２ 第１の接続部
２ａ，４ａ 筒体
３ ＭＩケーブル
４ 第２の接続部
５ フレキシブルケーブル
１２ａ ひずみ感応抵抗体部
１２ｂａ，１２ｂｂ リード部
１３ 絶縁物
１４ フランジ
３１ センサ部
３２ シースチューブ
３２ａ 先端部
３２ｂ 基端部
３３ 被測定物
３４，３４ａ スポット溶接部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種のひずみ測定に用いられるひずみゲージ、ひずみゲージの製造方法およびひずみゲージを被測定物に取り付けるひずみゲージの取付方法に関し、詳しくは、カプセル型ひずみゲージ、その製造方法およびその取付方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ひずみを測定すべき被測定物には各種各様のものがあるが、それに対応してひずみゲージの種類も多種多様であり、またひずみゲージを被測定物に取り付ける取付方法にも様々なものがある。エンジンやタービン、原子炉、ロケットなどの構成部品を被測定物としてひずみを測定する場合、被測定物の表面温度が容易に２００℃を越えることが多いため、いわゆる高温用ひずみゲージが用いられる。高温用ひずみゲージは、被測定物への取付方法により、従来から、接着型、溶接型、溶射型等に分類されている。このうち、溶接型高温用ひずみゲージは、高温環境に耐え得ることはもとより、比較的作業性が良い、取付のための費用が安いなどの利点がある。
図７は、本出願人が先に提案した従来のカプセル型ひずみゲージの外観構成を示す拡大平面図、図８は、図７に示すセンサ部のさらに大きな拡大断面図、図９は、図７に示すセンサ部のさらに大きな拡大側面図である。このカプセル型ひずみゲージは、１ゲージ法の溶接型高温用であり、センサ部１と、第１の接続部２と、ＭＩケーブル（mineral insulated metal sheathed cable）３と、第２の接続部４と、フレキシブルケーブル５とから構成されている。センサ部１は、図７〜図９に示すように、シースチューブ１１と、ひずみ感応抵抗体部１２ａと、リード部１２ｂａと、リード部１２ｂｂと、絶縁物１３と、フランジ１４とから構成されている。
【０００３】
シースチューブ１１は、耐食性と耐熱性に優れたＮＣＦ６００（ＪＩＳ記号）等の耐熱性合金から構成され、一体に形成された大径部１１ａと小径部１１ｂとからなり、大径部１１ａは、先端部１１ａｂが封じられている。小径部１１ｂの基端部は、第１の接続部２に接続されている。ひずみ感応抵抗体部１２ａ、リード部１２ｂａおよび１２ｂｂは、耐熱性特殊合金からなる１本の線材の所定長さ部分を加工によりその径を小さくして抵抗値を高めた部分を倒Ｕ字状に折り曲げてひずみ感応抵抗体部１２ａとし、加工されずにその径がもとのままの両端部近傍をリード部１２ｂａおよび１２ｂｂとしている。ひずみ感応抵抗体部１２ａは、ひずみに感応してひずみ量変化を抵抗値変化に変換するものであり、リード部１２ｂａおよび１２ｂｂの各一部と共に、シースチューブ１１の大径部１１ａ内に固く充填された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体からなる耐熱性の絶縁物１３によって大径部１１ａ内に固く保持されている。内部にひずみ感応抵抗体部１２ａ、リード部１２ｂａの一部、リード部１２ｂｂの一部および絶縁物１３がそれぞれ収容された大径部１１ａは、先端部１１ａｂから所定長さの部分までが、薄肉で細長い矩形状を呈したフランジ１４の長手方向に沿う略中央に、溶接により固着されている。フランジ１４は、耐食性と耐熱性に優れたＮＣＦ６００（ＪＩＳ記号）からなる。
【０００４】
第１の接続部２では、例えば、上記ＮＣＦ６００からなる筒体２ａ内において、シースチューブ１１の小径部１１ｂの端部から突出するリード部１２ｂａおよび１２ｂｂ（図８参照）の各一端と、ＭＩケーブル３の一端部から突出する２本の金属線（この従来例の場合、熱電対を構成するアルメル線とクロメル線）の各一端とがそれぞれ接続されている。また、第２の接続部４では、筒体４ａ内において、ＭＩケーブル３の他端部から突出する２本の金属線の各他端と、常温型のフレキシブルケーブル５の一端部から突出する２本の芯線（共に図示略）の各一端とが半田付けでそれぞれ接続されている。以上説明した構成を有するカプセル型ひずみゲージは、図１０に示すように、フランジ１４が被測定物２１上にスポット溶接により固着されることにより、センサ部１が被測定物２１に複数のスポット溶接部２２により強固に固着される。そして、被測定物２１のひずみは、フランジ１４、シースチューブ１１の大径部１１ａおよび絶縁物１３を介してひずみ感応抵抗体部１２ａに伝達される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３１１８６２１号公報（［００２７］〜［００３９］、図１，図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近では、被測定物の小型化や構造微細化・複雑化の傾向、あるいは、被測定物の局所におけるひずみ測定の要望の高まりなど様々な要因から、ひずみゲージの小型化が望まれているため、上記カプセル型ひずみゲージにおいても小型化する必要がある。ところが、カプセル型ひずみゲージを小型化すると、ひずみ伝達率が極端に低く（６０％程度）なってしまう。この結果、被測定物に固着されたひずみゲージの感度であるゲージ率Ｋｓが低下すると共に、ゲージ率Ｋｓが個々に大きくばらつく、という新たな問題が派生した。このひずみ伝達率低下を招く原因について本発明者らが鋭意解明した結果、以下に示すことが判明した。第１に、上記センサ部１の裏面は、被測定物２１への取付時に、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、被測定物２１の表面と接触しているが、被測定物２１が変形すると、上記センサ部１の裏面のうち、スポット溶接で固着されていないシースチューブ１１の先端部１１ａｂ付近直下のフランジ１４の裏面部分は、図１２（ａ）および（ｂ）に誇張して示すように、被測定物２１の表面から離れて浮き上がり、隙間２３が生じてしまう。これは以下に示す理由によると考えられる。
【０００７】
つまり、センサ部１を被測定物２１上にスポット溶接により固着可能とするために、フランジ１４が薄板状を呈しており、フランジ１４の剛性はシースチューブ１１の剛性に比べて小さく、もともとひずみ伝達率は最大でも９０％程度であった。このようなカプセル型ひずみゲージを小型化した場合、ひずみ感応抵抗体部１２ａの小型化に伴って受感領域が狭小化すると共に、ひずみ感応抵抗体部１２ａは相対的に剛性が特に高いシースチューブ１１の先端部１１ａｂにより接近して保持されることになり、フランジ１４とシースチューブ１１との剛性の違いの影響がさらに大きくなるからと推測される。また、カプセル型ひずみゲージを小型化した場合、フランジ１４の長さが短くなってフランジ１４を被測定物２１上にスポット溶接により固着する面積もスポット溶接部２２の個数も共に減少するため、スポット溶接の巧拙がゲージ率Ｋｓに大きな影響を及ぼす。
そこで、本発明者らは、フランジ１４とシースチューブ１１との剛性の差を小さくするために、フランジ１４を従来より厚くしてフランジ１４の剛性を高めることを試みた。即ち、本発明者らは、以下に示すように、フランジ１４の厚さを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、１ｍｍと変更して、上記センサ部１の端部からの距離に対するひずみ伝達率の変化を測定する実験を行った。
【０００８】
図１３に実験結果の一例を示す。図１３（ａ）の横軸における距離と図１３（ｂ）のセンサ部１の長さの縮尺は、一致（対応）している。図１３（ａ）において、曲線ａは、フランジ１４の厚さを０．１ｍｍとした場合の特性、曲線ｂは、フランジ１４の厚さを０．２ｍｍとした場合の特性、曲線ｃは、フランジ１４の厚さを１ｍｍとした場合の特性を示している。この図を参照すれば、フランジ１４の厚さを従来の０．１ｍｍからその２倍の０．２ｍｍとした場合には、センサ部１の端部からの距離に対するひずみ伝達率は全体的に大きくなっていることが分かる。しかし、フランジ１４の厚さを従来の０．１ｍｍからその１０倍の１ｍｍとした場合には、センサ部１の端部からの距離に対するひずみ伝達率は逆に全体的に小さくなってしまう。このことから、フランジ１４を従来より厚くしてフランジ１４の剛性を高めてフランジ１４とシースチューブ１１との剛性の差を小さくしたとしても、必ずしもひずみ伝達率の向上にはつながらないことが判明した。その一因は、フランジ１４の厚さを厚くしてその剛性を高めた場合、被測定物の剛性がセンサ部１を取り付けた部分だけ高まるため、被測定物の挙動が拘束され、被測定物のひずみ測定に支障を来したものと考えられる。
【０００９】
さらに、フランジ１４の厚さを厚くした場合、フランジ１４を被測定物２１上に固着する際のスポット溶接のパワーを大きくする必要があるが、溶接時の電流がフランジ１４のスポット溶接部２２以外の部分やシースチューブ１１表面にも流れたり、スパークが発生したりすることにより、フランジ１４やシースチューブ１１、場合によってはシースチューブ１１内のひずみ感応抵抗体部１２ａまで損傷を及ぼしてしまうおそれがあるという問題も発生する。したがって、フランジ１４の厚さを厚くするにも限界がある。
そこで、本発明者らは、フランジの厚さを変えずにひずみ伝達率を向上させることを鋭意探求した。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、ひずみ伝達率を低下させることなく小型化を実現すると共に、スポット溶接の巧拙に起因するゲージ率Ｋｓのばらつき発生を抑制し得るカプセル型ひずみゲージ、カプセル型ひずみゲージの製造方法およびカプセル型ひずみゲージの取付方法を提供することを目的としている。
【００１０】
本発明の請求項１の目的は、ひずみ伝達率の向上を実現でき、特に、ひずみ伝達率の低下をもたらすことなく小型化を図り得ると共に、被測定物に固着するための溶接の巧拙にも拘わらずゲージ率Ｋｓのばらつきが極めて小さいカプセル型ひずみゲージを提供することにある。
本発明の請求項２の目的は、ひずみ伝達率の向上を実現でき、特に、ひずみ伝達率の低下をもたらすことなく小型化を図り得ると共に、被測定物に固着するための溶接の巧拙にも拘わらずゲージ率Ｋｓのばらつきが極めて小さいカプセル型ひずみゲージの製造方法を提供することにある。
本発明の請求項３の目的は、特に、カプセル型ひずみゲージを構成するシースチューブの先端部の被測定物の表面からの浮き上がりを抑制し、被測定物の挙動を忠実にひずみ感応抵抗体部に伝達し得るカプセル型ひずみゲージの取付方法を提供することにある。
本発明の請求項４の目的は、特に、カプセル型ひずみゲージを構成するシースチューブの先端部の被測定物の表面からの浮き上がりを抑制し、被測定物の挙動を忠実にひずみ感応抵抗体部に伝達し得るカプセル型ひずみゲージの取付方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載した本発明に係るカプセル型ひずみゲージは、上述した目的を達成するために、
先端部が封じられ且つ平坦部が形成されたシースチューブ内に充填された絶縁物からなる粉体により前記シースチューブ内に保持されたひずみ感応抵抗体部を有するセンサ部と、
薄肉で細長い矩形状を呈し、長手方向の中心に沿って前記シースチューブが固着されたフランジとを有し、
前記シースチューブの前記平坦部は、前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さに形成されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載した本発明に係るカプセル型ひずみゲージの製造方法は、上述した目的を達成するために、
シースチューブの先端部を溶接により封止する封止工程と、
前記シースチューブの前記先端部をプレスしてその厚みを前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さにまで平坦状に延伸するプレス工程と、
薄肉で細長い矩形状を呈するフランジの長手方向の中心に添って電子ビーム溶接により前記シースチューブを固着するシースチューブ溶接工程と、
前記シースチューブ内にひずみ感応抵抗体部を挿入し、前記ひずみ感応抵抗体部が前記シースチューブの内周面に接触しないように保持した状態で、前記シースチューブ内に絶縁物からなる粉体を充填するひずみ感応抵抗体部装填工程と
を有することを特徴としている。
【００１３】
請求項３に記載した本発明に係るカプセル型ひずみゲージの取付方法は、上述した目的を達成するために、
前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項１に記載のカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付け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カプセル型ひずみゲージの取付方法は、上述した目的を達成するために、
前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項２に記載のカプセル型ひずみゲージの製造方法により製造されたカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付けることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べたように、本発明によれば、ひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓの低下をもたらすことなく小型化を可能とすると共に、スポット溶接の巧拙に起因するゲージ率Ｋｓのばらつきの発生を抑制可能とするカプセル型ひずみゲージ、カプセル型ひずみゲージの製造方法およびカプセル型ひずみゲージの取付方法を提供することができる。
すなわち、本発明の請求項１のカプセル型ひずみゲージによれば、先端部が封じられ且つ平坦部が形成されたシースチューブ内に充填された絶縁物からなる粉体により前記シースチューブ内に保持されたひずみ感応抵抗体部を有するセンサ部と、薄肉で細長い矩形状を呈し、長手方向の中心に沿って前記シースチューブが固着されたフランジとを有し、前記シースチューブの前記平坦部は、前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さに形成されていることにより、ひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓの向上を実現し得、また、ひずみ伝達率の低下をもたらすことなく小型化を実現し得ると共に、被測定物に固着するための溶接の巧拙に拘わらず、ゲージ率Ｋｓのばらつきを極めて小さく抑えることが可能となる。さらに、フランジの厚さを従来と同様に構成できるので、被測定物に固着させても被測定物の挙動を拘束することはなく、溶接電流による各構成要素の損傷を回避することができる。
【００１５】
本発明の請求項２のカプセル型ひずみゲージの製造方法によれば、シースチューブの先端部を溶接により封止する封止工程と、前記シースチューブの前記先端部をプレスしてその厚みを前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さにまで平坦状に延伸するプレス工程と、薄肉で細長い矩形状を呈するフランジの長手方向の中心に添って電子ビーム溶接により前記シースチューブを固着するシースチューブ溶接工程と、前記シースチューブ内にひずみ感応抵抗体部を挿入し、前記ひずみ感応抵抗体部が前記シースチューブの内周面に接触しないように保持した状態で、前記シースチューブ内に絶縁物からなる粉体を充填するひずみ感応抵抗体部装填工程とを有することにより、ひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓの向上を実現し得、また、ひずみ伝達率の低下をもたらすことなく小型化を実現し得ると共に、被測定物に固着するための溶接の巧拙に拘わらず、ゲージ率Ｋｓのばらつきを極めて小さく抑えることが可能となる。さらに、フランジの厚さを従来と同様に構成できるので、被測定物に固着させても被測定物の挙動を拘束することはなく、溶接電流による各構成要素の損傷を回避することができる。
【００１６】
本発明の請求項３のカプセル型ひずみゲージの取付方法によれば、前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項１に記載のカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付けることにより、カプセル型ひずみゲージを構成するシースチューブの先端部の被測定物の表面からの浮き上がりを抑制し、被測定物の挙動を効率良くひずみ感応抵抗体部に伝達することができる。
本発明の請求項４のカプセル型ひずみゲージの取付方法によれば、前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項２に記載のカプセル型ひずみゲージの製造方法により製造されたカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付けることにより、カプセル型ひずみゲージを構成するシースチューブの先端部の被測定物の表面からの浮き上がりを抑制し、被測定物の挙動を効率良くひずみ感応抵抗体部に伝達することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態に基づき、図面を参照して本発明のカプセル型ひずみゲージを詳細に説明する。
図１は、本発明の一つの実施の形態に係るカプセル型ひずみゲージの外観構成を示す拡大平面図、図２は、図１に示すセンサ部のさらに大きな拡大断面図、図３は、図１に示すセンサ部および第１の接続部の拡大斜視図、図４は、図１に示すセンサ部のさらに大きな拡大側面図、図５は、図１に示すセンサ部の被測定物への取付状態の外観構成を示すさらに大きな拡大平面図である。図１〜図５において、図７〜図１０の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その詳細な説明を省略する。このカプセル型ひずみゲージは、１ゲージ法の溶接型高温用であり、狭義には、センサ部３１を指称するが、広義には、センサ部３１と、第１の接続部２と、ＭＩケーブル３と、第２の接続部４と、フレキシブルケーブル５とを含んで構成されている。センサ部３１は、図１〜図４に示すように、シースチューブ３２と、ひずみ感応抵抗体部１２ａと、リード部１２ｂａと、リード部１２ｂｂと、絶縁物１３と、フランジ１４とから構成されている。
【００１８】
シースチューブ３２は、耐食性と耐熱性に優れたＮＣＦ６００（ＪＩＳ記号）等の特殊合金から構成され、先端部３２ａが封止されていると共に、基端部３２ｂは、第１の接続部２に接続されている。図４に示すシースチューブ３２の先端部３２ａは、図９に示すシースチューブ１１の大径部１１ａの先端部１１ａｂの厚さ（約０．４ｍｍ）と比較して分かるように、その厚さが薄く（０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ）形成されている。ひずみ感応抵抗体部１２ａは、リード部１２ｂａおよび１２ｂｂの各一部と共に、シースチューブ３２内に固く充填された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉体からなる耐熱性の絶縁物１３によってシースチューブ３２内に固く保持されている。シースチューブ３２は、内部にひずみ感応抵抗体部１２ａ、リード部１２ｂａの一部、リード部１２ｂｂの一部および絶縁物１３がそれぞれ収容された先端部３２ａから所定長さの部分までが、薄肉で細長い矩形状を呈したフランジ１４の長手方向に沿う（添う）略中央に、溶接により一体的に固着されている。第１の接続部２では、筒体２ａ内において、シースチューブ３２の基端部３２ｂから突出するリード部１２ｂａおよび１２ｂｂ（図示略）の各一端と、ＭＩケーブル３の一端部から突出する２本の金属線（例えば、熱電対を構成するアルメル線とクロメル線）の各一端とがそれぞれ接続されている。
【００１９】
次に、以上説明した構成を有するカプセル型ひずみゲージのセンサ部の製造方法について説明する。
（１） 円筒状（あるいはパイプ状）を呈しているシースチューブ３２の先端部を溶接により、完全に封止する。この工程を、「封止工程」と称する。
（２） シースチューブ３２の先端部をプレスしてその厚さを０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度まで平坦状に薄く延伸する。この工程を、「プレス工程」と称する。
【００２０】
（３） シースチューブ３２の裏面であって、シースチューブ３２の先端部の薄く延び広がった平坦部分からシースチューブ３２の長手方向の所定長さに至るまでの部分を、フランジ１４の長手方向の中心に沿う（添う）ように位置付けた上で、フランジ１４を電子ビーム溶接によりシースチューブ３２の裏面に固着する。この工程を、「シースチューブ溶接工程」と称する。
（４） シースチューブ３２内にひずみ感応抵抗体部１２ａ、リード部１２ｂａの一部、リード部１２ｂｂの一部を挿入し、ひずみ感応抵抗体部１２ａの先端部がシースチューブ３２の先端部３２ａの近傍に位置し、且つ、上記ひずみ感応抵抗体部１２ａ等がシースチューブ３２内周面に接触しないように保持した状態で、シースチューブ３２内に絶縁物１３を、ひずみ伝達率が高まるように固く充填する。この工程を、「ひずみ感応抵抗体部装填工程」と称する。
【００２１】
以上説明した構成を有するカプセル型ひずみゲージは、図５に示すように、先ず、フランジ１４のシースチューブ３２の両側面近傍が被測定物３３上に適宜間隔おきにスポット溶接により固着されることにより、センサ部３１が被測定物３３に複数のスポット溶接部３４により強固に固着される。さらに、この実施の形態では、図５と図１０とを比較して分かるように、シースチューブ３２の先端部３２ａの平坦部もフランジ１４と共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａにより強固に直接固着される。先端部３２ａにおけるスポット溶接部３４ａの数は、少なくとも１個、可能ならば、２個以上の複数とすることが望ましい。
図６は、図１のセンサ部３１を構成するシースチューブ３２の先端部３２ａをスポット溶接によりフランジ１４と共に被測定物３３に固着した場合とシースチューブ３２の先端部３２ａをスポット溶接によりフランジ１４と共に被測定物３３に固着しなかった場合のセンサ部３１の端部からの距離に対するひずみ伝達率の変化特性の一例を示す図である。図６（ａ）の横軸における距離と図６（ｂ）のセンサ部３１の長さの縮尺は、一致（対応）している。
【００２２】
図６（ａ）において、曲線ａは、図５に示すようにシースチューブ３２の先端部３２ａもフランジ１４と共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａにより強固に固着した場合の特性、曲線ｂは、シースチューブ３２の先端部３２ａをフランジ１４と共に被測定物３３に固着しなかった場合の特性を示している。この図を参照すれば、シースチューブ３２の先端部３２ａをフランジ１４と共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａにより強固に固着した場合には、センサ部３１の先端部からの距離に対するひずみ伝達率は全体的に大きくなっていることが分かる。これは、被測定物３３への取付当初あるいは、被測定物が変形しない状態のときは、被測定物３３の表面と接触していた上記センサ部３１の裏面は、被測定物３３が変形すること、換言すれば、ひずみが生じることにより、上記センサ部３１の裏面のうち、特に、スポット溶接で固着されていないシースチューブ３２直下のフランジ１４の裏面は、被測定物３３の表面から離れて浮き上がろうとするが、シースチューブ３２の先端部３２ａおよび両側面近傍のフランジ１４が、共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａおよび３４により強固に固着されているので、被測定物３３の挙動がフランジ１４を介してシースチューブ３２内のひずみ感応抵抗体部１２ａに効率良く伝達するようになったためと考えられる。
【００２３】
このように、本発明の上述の実施の形態によれば、シースチューブ３２の先端部３２ａの厚さをフランジ１４の厚さとほぼ等しくし、且つ、シースチューブ３２の先端部３２ａをフランジ１４と共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａにより強固に直接固着している（シースチューブ先端部のフランジ化）。したがって、カプセル型ひずみゲージを小型化しても、ひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓの低下を軽減することができる。換言すれば、同じ大きさの従来のカプセル型ひずみゲージに比べ、ひずみ伝達率を大幅に増大させることができる。実験によれば、シースチューブ３２の先端部３２ａをスポット溶接により被測定物３３へ固着した場合は、ゲージ率Ｋｓが約１．９であり、固着しなかった場合に比べて、１０〜２０％程度の上昇があった。また、カプセル型ひずみゲージを小型化した場合、フランジ１４の長さが短くなってフランジ１４を被測定物３３上にスポット溶接により固着する面積も減少し、スポット点数が減り、スポット溶接もしにくくなるが、仮に、センサ部３１を構成するシースチューブ３２の両側面近傍のフランジ１４へのスポット溶接がうまくいかず、スポット溶接部３４が不均一に小数形成された場合であっても、シースチューブ３２の先端部３２ａがフランジ１４と共に被測定物３３にスポット溶接部３４ａにより強固に固着されていれば、シースチューブ３２直下のフランジ１４の裏面の被測定物３３の表面からの浮き上がりを抑えることができるので、スポット溶接の巧拙に起因するゲージ率Ｋｓのばらつきを、シースチューブ３２の先端部３２ａを被測定物３３へ固着しなかった場合に比べて、半分以下に抑えることができると共に、スポット溶接部３４を均一に形成することにあまり神経を使わなくてすむので、作業効率も向上する。
【００２４】
また、フランジ１４の厚さを厚くしてその剛性を高めることなく、即ち、フランジ１４に可撓性を持たせたまま、ひずみ伝達率の向上を図ることができるので、被測定物の挙動が拘束され難く、被測定物のひずみ測定に支障を来すおそれはない。また、フランジ１４を被測定物３３上に固着する際のスポット溶接のパワー（溶接電流）をあまり大きくする必要がないため、パワー上昇に起因する漏れ電流やスパークの発生を防止することができ、フランジ１４やシースチューブ３２、延いてはシースチューブ３２内のひずみ感応抵抗体部１２ａを損傷するおそれが少なくなる。因みに、シースチューブ３２の先端部３２ａの厚さ（０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ）とフランジ１４の厚さ（０．１ｍｍ）の合計が０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であれば、スポット溶接機のパワーは従来程度で良い。つまり、シースチューブ３２の先端部３２ａの厚さは、フランジ１４の厚さの１〜２倍程度とすれば良い。
また、本発明の上述の実施の形態によれば、シースチューブ３２の先端部を加熱して溶かした状態で封止した後、シースチューブ３２の先端部をプレスして薄く平坦状に延伸しているので、シースチューブ３２の先端部の封止が確実に行え、プレスによる割れや変形などの損傷が生ぜず、良好な封止状態を得ることができる。
【００２５】
以上、この実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施ができることは勿論である。
例えば、上述した実施の形態では、本発明を、測温機能付きカプセル型ひずみゲージ、即ち、第１の接続部２において、熱電対を構成するアルメル線とクロメル線をリード部１２ｂａと１２ｂｂに接合する例を示したが、これに限定されるものではない。本発明は、測温機能が付いていないカプセル型ひずみゲージにも適用することができる。即ち、シースチューブ３２を被測定物の温度の影響が受けない位置まで延長すると共に、シースチューブ３２内のリード部１２ｂａおよび１２ｂｂも延長し、第１の接続部２の筒体２ａ内において、シースチューブ３２の基端部３２ｂから突出するリード部１２ｂａおよび１２ｂｂ（図示略）の各一端と、フレキシブルケーブル５の一端部から突出する２本の芯線（共に図示略）の各一端とを半田付けでそれぞれ接続するように構成しても良い。
【００２６】
また、上述した実施の形態では、センサ部３１を平面状を呈する被測定物３３に固着する例を示したが、これに限定されず、曲面を有する被測定物に固着するように構成しても良い。また、上述した実施の形態では、本発明を、１本のシースチューブ３２内に１本のひずみ感応抵抗体部１２ａが収容された１ゲージ法の高温用ひずみゲージに適用する例を示したが、これに限定されず、倒Ｕ字状に形成したアクティブゲージにスパイラル状に形成したダミーゲージを付加した２ゲージ法のひずみゲージに適用することができる。即ち、１本のシースチューブ内に２本以上のひずみ感応抵抗体部を収容するように構成しても良い。
また、上述した実施の形態では、本発明を、１ゲージ法２線式の高温用ひずみゲージに適用する例を示したが、これに限定されず、本発明は、１ゲージ法３線式の高温用ひずみゲージに適用しても良い。この場合、図１に示す第１の接続部２の筒体２ａ内において、例えば、シースチューブ３２の基端部３２ｂから突出するリード部１２ｂａ（図示略）の一端と、ＭＩケーブル３の一端部から突出する１本の金属線の一端とを接続すると共に、シースチューブ３２の基端部３２ｂから突出するリード部１２ｂｂ（図示略）の一端と、ＭＩケーブル３の一端部から突出する２本の金属線の各一端とをそれぞれ接続する。
【００２７】
また、第２の接続部４の筒体４ａ内において、ＭＩケーブル３の他端部から突出する３本の金属線の各他端と、常温型のフレキシブルケーブル５の一端部から突出する３本の芯線（共に図示略）の各一端とを半田付けでそれぞれ接続する。
また、本発明は、カプセル型ひずみゲージの小型化を実現する過程で生じた問題を解決すべくなされているため、上述した実施の形態において、本発明を小型なカプセル型ひずみゲージに適用する例を示したが、これに限定されるものではない。即ち、一般的な大きさのカプセル型ひずみゲージにおいても、シースチューブの先端部の厚さをフランジの厚さとほぼ等しくし、且つ、シースチューブの先端部の平坦部をフランジと共に被測定物にスポット溶接により強固に直接固着することにより、ひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓを増大させることができる。
【００２８】
また、上述した実施の形態では、フランジ１４の厚さについては従来と同様であること（０．１ｍｍ）を前提として説明したが、これに限定されるものではない。上記した「発明が解決しようとする課題」で言及したように、本発明者らは、フランジ１４とシースチューブ１１との剛性の差を小さくするために、フランジ１４を従来より厚くしてフランジ１４の剛性を高めることを試みている。フランジ１４の厚さを厚くするという発想は、従来なかったものである。シースチューブの先端部の厚さをフランジの厚さとほぼ等しくし、且つ、シースチューブの先端部を平坦状としてフランジと共に被測定物にスポット溶接部により強固に直接固着することと、フランジ１４の厚さを厚くすることを組み合わせることにより、これらの相乗効果により、カプセル型ひずみゲージのひずみ伝達率延いてはゲージ率Ｋｓを大幅に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係るカプセル型ひずみゲージの外観構成を示す拡大平面図である。
【図２】図１のセンサ部のさらに大きな拡大断面図である。
【図３】図１のセンサ部および第１の接続部の拡大斜視図である。
【図４】図１のセンサ部のさらに大きな拡大側面図である。
【図５】図１のセンサ部の被測定物への取付状態の外観構成を示すさらに大きな拡大平面図である。
【図６】この図の（ａ）、（ｂ）は、図１のセンサ部を構成するシースチューブの先端部をスポット溶接により被測定物へ固着した場合と固着しなかった場合のセンサ部の端部からの距離に対するひずみ伝達率の変化特性の一例を示す図である。
【図７】従来のカプセル型ひずみゲージの外観構成を示す拡大平面図である。
【図８】図７のセンサ部のさらに大きな拡大断面図である。
【図９】図７のセンサ部のさらに大きな拡大側面図である。
【図１０】図７のセンサ部の被測定物への取付状態の外観構成を示す拡大平面図である。
【図１１】この図の（ａ）および（ｂ）は、図７のセンサ部の被測定物への当初の取付状態を示す拡大正面図および拡大側面図である。
【図１２】この図の（ａ）は、（ｂ）のＡ−Ａ線矢視方向断面図、この図の（ｂ）は、図７のセンサ部の挙動を示すさらに大きな拡大側面図である。
【図１３】この図の（ａ）および（ｂ）は、図７のセンサ部を構成するフランジの厚さを変更した場合のセンサ部の端部からの距離に対するひずみ伝達率の変化特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
２ 第１の接続部
２ａ，４ａ 筒体
３ ＭＩケーブル
４ 第２の接続部
５ フレキシブルケーブル
１２ａ ひずみ感応抵抗体部
１２ｂａ，１２ｂｂ リード部
１３ 絶縁物
１４ フランジ
３１ センサ部
３２ シースチューブ
３２ａ 先端部
３２ｂ 基端部
３３ 被測定物
３４，３４ａ スポット溶接部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部が封じられ且つ平坦部が形成されたシースチューブ内に充填された絶縁物からなる粉体により前記シースチューブ内に保持されたひずみ感応抵抗体部を有するセンサ部と、
薄肉で細長い矩形状を呈し、長手方向の中心に沿って前記シースチューブが固着されたフランジとを有し、
前記シースチューブの前記平坦部は、前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さに形成されている
ことを特徴とするカプセル型ひずみゲージ。
【請求項２】
シースチューブの先端部を溶接により封止する封止工程と、
前記シースチューブの前記先端部をプレスしてその厚みを前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さにまで平坦状に延伸するプレス工程と、
薄肉で細長い矩形状を呈するフランジの長手方向の中心に添って電子ビーム溶接により前記シースチューブと固着するシースチューブ溶接工程と、
前記シースチューブ内にひずみ感応抵抗体部を挿入し、前記ひずみ感応抵抗体部が前記シースチューブの内周面に接触しないように保持した状態で、前記シースチューブ内に絶縁物からなる粉体を充填するひずみ感応抵抗体部装填工程と
を有することを特徴とするカプセル型ひずみゲージの製造方法。
【請求項３】
前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項１に記載のカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付けることを特徴とするカプセル型ひずみゲージの取付方法。
【請求項４】
前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項２に記載のカプセル型ひずみゲージの製造方法により製造されたカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付けることを特徴とするカプセル型ひずみゲージの取付方法。
【請求項１】
先端部が封じられ且つ平坦部が形成されたシースチューブ内に充填された絶縁物からなる粉体により前記シースチューブ内に保持されたひずみ感応抵抗体部を有するセンサ部と、
薄肉で細長い矩形状を呈し、長手方向の中心に沿って前記シースチューブが固着されたフランジとを有し、
前記シースチューブの前記平坦部は、前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さに形成されている
ことを特徴とするカプセル型ひずみゲージ。
【請求項２】
シースチューブの先端部を溶接により封止する封止工程と、
前記シースチューブの前記先端部をプレスしてその厚みを前記フランジと共に被測定物上に溶接により固着可能な厚さにまで平坦状に延伸するプレス工程と、
薄肉で細長い矩形状を呈するフランジの長手方向の中心に添って電子ビーム溶接により前記シースチューブと固着するシースチューブ溶接工程と、
前記シースチューブ内にひずみ感応抵抗体部を挿入し、前記ひずみ感応抵抗体部が前記シースチューブの内周面に接触しないように保持した状態で、前記シースチューブ内に絶縁物からなる粉体を充填するひずみ感応抵抗体部装填工程と
を有することを特徴とするカプセル型ひずみゲージの製造方法。
【請求項３】
前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項１に記載のカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付けることを特徴とするカプセル型ひずみゲージの取付方法。
【請求項４】
前記シースチューブの両側面近傍の前記フランジを被測定物上に溶接により固着すると共に、前記シースチューブの前記先端部の平坦部を前記フランジと共に前記被測定物に溶接により直接固着することにより、請求項２に記載のカプセル型ひずみゲージの製造方法により製造されたカプセル型ひずみゲージを前記被測定物に取り付けることを特徴とするカプセル型ひずみゲージの取付方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−７８２３６（Ｐ２００６−７８２３６Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６０３４５（Ｐ２００４−２６０３４５）
【出願日】平成１６年９月７日（２００４．９．７）
【出願人】（０００１４２０６７）株式会社共和電業 (52)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月７日（２００４．９．７）
【出願人】（０００１４２０６７）株式会社共和電業 (52)
【Ｆターム（参考）】
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