(57)【要約】【課題】樹脂硬化時のひずみを正確に測定することができる樹脂硬化時のひずみ測定装置を提供することである。【解決手段】実施形態の樹脂硬化時のひずみ測定装置は、ひずみゲージと、ベース部材と、を持つ。ベース部材は、ひずみゲージが第１面に貼り付けられた剛性体である。ベース部材の材料のヤング率は、７ＧＰａ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ひずみゲージと、
前記ひずみゲージが第１面に貼り付けられた剛性体のベース部材と、を有し、
前記ベース部材の材料のヤング率は、７ＧＰａ以下である、
樹脂硬化時のひずみ測定装置。
【請求項２】
ひずみゲージと、
前記ひずみゲージが第１面に貼り付けられた剛性体のベース部材と、を有し、
前記ベース部材の材料のヤング率は、ひずみ測定対象樹脂の硬化後のヤング率の５０％以下である、
樹脂硬化時のひずみ測定装置。
【請求項３】
前記ベース部材の材料のガラス転移温度は、ひずみ測定対象樹脂の硬化温度より２０℃以上高い、
請求項１または２に記載の樹脂硬化時のひずみ測定装置。
【請求項４】
前記ベース部材は、前記第１面とは反対側の第２面に凹凸を有する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の樹脂硬化時のひずみ測定装置。
【請求項５】
前記ベース部材に接続された紐を有し、
前記紐の材料の軟化温度は、ひずみ測定対象樹脂のガラス転移温度以下である、
請求項１から４のいずれか１項に記載の樹脂硬化時のひずみ測定装置。
【請求項６】
前記ベース部材は、主剤および硬化剤から得られる硬化物を含み、
前記主剤は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＥ型エポキシ樹脂、ビスフェニル型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネートから選ばれるいずれか１種類以上の材料であり、
前記硬化剤は、ビスフェノールＡ型シアネート、フェノールノボラック型シアネート、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン、イミダゾールから選ばれるいずれか１類以上の材料である、
請求項１から５のいずれか１項に記載の樹脂硬化時のひずみ測定装置。
【請求項７】
ひずみゲージと、前記ひずみゲージが貼り付けられた剛性体のベース部材と、前記ベース部材に接続された紐と、を有し、前記ベース部材の材料のヤング率が、ひずみ測定対象樹脂の硬化後のヤング率の５０％以下である、樹脂硬化時のひずみ測定装置を使用して、
前記ひずみ測定装置を金型内に配置し、前記金型内での前記ひずみ測定装置の位置および方向を前記紐により固定し、前記金型内に前記ひずみ測定対象樹脂を射出成形して、前記ひずみ測定対象樹脂の硬化時のひずみを測定する、
樹脂硬化時のひずみ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、樹脂硬化時のひずみ測定装置および樹脂硬化時のひずみ測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチギアやブッシング、変圧器など電気機器一般に用いられる金属からなる通電部品を熱硬化性樹脂でモールドしたモールド品においては、金型内に電気部品を配置し、金型内に熱硬化性樹脂を充填して実施される。樹脂が硬化する過程で大きなひずみが発生すると、埋め込んだ電気部品の表面で樹脂が剥離する。樹脂が剥離すると、電気部品の使用時に部分放電が発生するおそれがある。そのため、樹脂硬化時のひずみ測定が求められる。しかしながら、市販のひずみゲージでは、樹脂硬化時のひずみを正確に測定することが困難である。その理由は、樹脂の射出成型時に樹脂が流動するため、ひずみゲージに湾曲が発生し、ひずみの測定方向が固定できないからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭６０−１３１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、樹脂硬化時のひずみを正確に測定することができる樹脂硬化時のひずみ測定装置および樹脂硬化時のひずみ測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の樹脂硬化時のひずみ測定装置は、ひずみゲージと、ベース部材と、を持つ。ベース部材は、ひずみゲージが第１面に貼り付けられた剛性体である。ベース部材の材料のヤング率は、７ＧＰａ以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態の樹脂硬化時のひずみ測定装置の平面図。
【図２】図１のＦ２−Ｆ２線における側面断面図。
【図３】実施形態の樹脂硬化時のひずみ測定装置の底面図。
【図４】ひずみ測定方法の第１説明図。
【図５】ひずみ測定方法の第２説明図。
【図６】樹脂硬化時の各種温度の変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の樹脂硬化時のひずみ測定装置および樹脂硬化時のひずみ測定方法を、図面を参照して説明する。本願において、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は以下のように定義される。Ｘ方向は、ひずみゲージと平行な面内におけるひずみの測定方向である。Ｙ方向は、ひずみゲージと平行な面内におけるひずみの測定方向とは垂直な方向である。Ｚ方向は、ひずみゲージの厚さ方向であり、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向である。
【０００８】
図１は、実施形態の樹脂硬化時のひずみ測定装置１の平面図である。図２は、図１のＦ２−Ｆ２線における側面断面図である。図３は、実施形態の樹脂硬化時のひずみ測定装置１の底面図である。図１に示されるように、実施形態の樹脂硬化時のひずみ測定装置１は、ひずみゲージ２と、ベース部材１０と、紐１６と、を有する。
ひずみゲージ２は、市販のひずみゲージである。図２に示されるように、ひずみゲージ２は、抵抗箔３と、ベース膜５と、保護膜６と、リード４と、を有する。
【０００９】
抵抗箔３は、機械的変形により電気抵抗値が変化する金属材料等で形成される。抵抗箔３は、Ｚ方向から見てつづら折り状に形成される（図１参照）。抵抗箔３のつづら折りは、Ｘ方向に伸びる複数の直線部分を含む。ひずみゲージ２は、抵抗箔３のつづら折りの直線部分が伸びるＸ方向のひずみを測定する。ベース膜５および保護膜６は、電気絶縁性を有する樹脂材料等で形成される。ベース膜５および保護膜６は、抵抗箔３の両面から抵抗箔３を覆う。リード４は、抵抗箔３の両端部に接続される。リード４は、ベース膜５および保護膜６の外側に引き出される。
【００１０】
ひずみゲージ２は、ベース部材１０に対して、接着剤８により接着される。接着剤８は、市販のひずみゲージ接着用の接着剤であり、エポキシ樹脂等を含む。ひずみゲージ２は、ベース部材１０の厚さ方向の第１面（＋Ｚ面）１０ａに接着される。ひずみゲージ２は、Ｚ方向から見て、ベース部材１０の中央部に配置される。
【００１１】
ベース部材１０は、図１に示されるように、矩形の板状に形成される。ベース部材１０は剛性体である。本願において剛性体とは、外力に対して変形しにくい物体を意味する。すなわち剛性体は、外力に対する変形のしにくさの度合いである剛性が高い物体である。具体的な剛性の高さは、ベース部材１０を金型内に配置したとき、金型内に射出された樹脂の流動に伴う外力によって、変形しない程度の剛性の高さである。ベース部材１０は、例えば１ｍｍ以上の厚さを有することで、剛性を確保している。ベース部材１０の材料については後述する。
【００１２】
ベース部材１０の第１面１０ａとは反対側の第２面（−Ｚ面）１０ｂには、凹凸が形成される。図２の例では、凹凸として複数の溝（複数の突起）１２が形成される。図３に示されるように、複数の溝１２はＹ方向に伸びる。凹凸は、第２面１０ｂにサンドブラストを施すことにより形成されたサンドブラスト痕であってもよい。
ベース部材１０の周縁部には、ベース部材１０を厚さ方向に貫通する複数の貫通孔１４が形成される。図１の例では、ベース部材１０の四隅に一つずつ貫通孔１４が形成される。
【００１３】
紐１６は、貫通孔１４に通されて、貫通孔１４とベース部材１０の周縁部との間に結び付けられる。これにより、紐１６の第１端部は、ベース部材１０に連結される。紐１６の第２端部は、複数の貫通孔１４のそれぞれから、ベース部材１０の外側に伸びる。紐１６の材料については後述する。
【００１４】
実施形態の樹脂硬化時のひずみ測定装置の使用方法について説明する。
図４は、樹脂硬化時のひずみ測定装置１を使用したひずみ測定方法の第１説明図であり、金型２０の第２型２０ｂの平面図である。図５は、樹脂硬化時のひずみ測定装置１を使用したひずみ測定方法の第２説明図であり、図４のＦ５−Ｆ５線における断面図である。
【００１５】
金型２０は、樹脂製品の材料である製品材料樹脂（熱硬化性樹脂）を射出して、樹脂製品を成形するための鋳型である。図５に示されるように、例えば金型２０は、第１型２０ａと、第２型２０ｂと、を有する。なお金型２０は、樹脂製品の形状によっては、第１型２０ａおよび第２型２０ｂ以外の部分型を組み合わせて構成される。金型２０の内部には、製品形状に対応するキャビティ２２が形成される。キャビティ２２は、第１型２０ａと第２型２０ｂとを組み合わせることにより密閉される。第１型２０ａは、スプルー２４およびゲート２５を有する。製品材料樹脂は、金型２０の外部からスプルー２４およびゲート２５を通って、キャビティ２２に射出される。金型２０の外側には加熱装置（不図示）が配置される。加熱装置は、金型２０を加熱することにより間接的に、キャビティ２２に射出された製品材料樹脂を加熱する。
【００１６】
図６は、各種温度の時間変化のグラフである。図６の実線は、製品材料樹脂の温度である。樹脂製品は以下の手順で成形される。製品材料樹脂の加熱硬化は、樹脂を液体からゲル状体に変化させるための１次硬化と、樹脂の特性を発揮させるための２次硬化との、２段階で行われる。２次硬化温度は、１次硬化温度より高い。
金型２０が、加熱装置により１次硬化温度Ｔ１に加熱される。製品材料樹脂が、キャビティ２２の内部に射出される。製品材料樹脂は、時刻ｔ１まで金型２０の内部に保持される。これにより、製品材料樹脂が１次硬化する。１次硬化した製品材料樹脂は、金型２０から取り出される。離形された製品材料樹脂は、２次硬化温度Ｔ２に保持されたチャンバ（不図示）に導入される。製品材料樹脂は、時刻ｔ２までチャンバの内部に保持される。これにより、製品材料樹脂が２次硬化（完全硬化）して、樹脂製品が完成する。
【００１７】
製品材料樹脂は、硬化の過程でひずみを生じる。製品材料樹脂のひずみの大きさは、樹脂製品の形状および部位に依存する。実施形態の樹脂硬化時のひずみ測定装置１は、キャビティ２２内の特定部位および特定方向において、製品材料樹脂の硬化時のひずみを測定する。すなわち、製品材料樹脂がひずみ測定対象樹脂である。
【００１８】
図４に示されるように、ひずみ測定装置１は、製品材料樹脂が射出される前に、キャビティ２２内の特定部位および特定方向に配置される。ひずみ測定装置１のキャビティ２２内での位置および方向は、紐１６により固定される。前述したように、紐１６の第１端部は、ベース部材１０に連結されている。紐１６の第２端部は、第１型２０ａと第２型２０ｂとの間を通って、金型２０の外部に引き出される。紐１６の第２端部は、第１型２０ａと第２型２０ｂとの間に挟まれて保持される。複数の紐１６が、ベース部材１０から四方に伸びてひずみ測定装置１を保持する。これにより、ひずみ測定装置１のキャビティ２２内での位置および方向が固定される。なお、紐１６の第２端部は、キャビティ２２の内面に貼り付けられてもよい。
【００１９】
ひずみ測定装置１がキャビティ２２内の特定部位および特定方向に配置された状態で、製品材料樹脂が射出される。製品材料樹脂は、硬化する過程でひずみ測定装置１に密着する。後述するように、ベース部材１０の材料のヤング率は、製品材料樹脂の硬化後のヤング率に比べて小さい。そのため、製品材料樹脂の硬化時のひずみに追従して、ベース部材１０にも同じひずみが発生する。そのベース部材１０にひずみゲージ２が貼り付けられているので、ひずみゲージ２は製品材料樹脂の硬化時のひずみを測定できる。
【００２０】
図２および図３に示されるように、ベース部材１０の第２面１０ｂには、Ｙ方向に伸びる溝１２が形成される。製品材料樹脂は、硬化する過程で溝１２の内部に入り込む。Ｙ方向に伸びる溝１２は、ひずみゲージ２のひずみ測定方向であるＸ方向に対して、アンカー効果を発揮する。そのため、製品材料樹脂の硬化時のＸ方向のひずみに対する、ベース部材１０の追従性が向上する。したがって、ひずみ測定装置１は、ひずみ測定対象樹脂の硬化時のひずみを正確に測定できる。
【００２１】
ベース部材１０の材料について説明する。
一般産業用および半導体封止用の樹脂の硬化後のヤング率は、８〜２０ＧＰａである。そこでベース部材１０は、ヤング率が７ＧＰａ以下の材料で形成される。これにより、ベース部材１０の材料のヤング率は、ひずみ測定対象樹脂の硬化後のヤング率より小さくなる。したがって、ひずみ測定装置１は、ひずみ測定対象樹脂の硬化時のひずみを正確に測定できる。
【００２２】
ひずみ測定対象樹脂のヤング率は、硬化中に変動する。そこで、ベース部材１０の材料のヤング率は、ひずみ測定対象樹脂の硬化後のヤング率の５０％以下であることが望ましい。これによりひずみ測定装置１は、ひずみ測定対象樹脂の硬化中のひずみを広い範囲で測定できる。例えばひずみ測定装置１は、ひずみ測定対象樹脂の１次硬化から２次硬化にかけてのひずみを測定できる。
前述したように、一般産業用および半導体封止用の樹脂の硬化後のヤング率は、８〜２０ＧＰａである。そこで、ベース部材１０の材料のヤング率は、８ＧＰａの５０％である４ＧＰａ以下であることが望ましい。
【００２３】
ベース部材１０は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で形成される。ベース部材１０の樹脂の線膨張係数は、ひずみゲージ２の抵抗箔の線膨張係数より大きい。そのため、ひずみ測定対象樹脂の熱硬化時におけるベース部材１０の熱膨張により、ひずみゲージ２は「みかけのひずみ」を測定してしまう。このとき、みかけのひずみの補正が必要になる。具体的には、ひずみゲージ２が測定したみかけのひずみから、ひずみ測定対象樹脂の硬化温度におけるベース部材１０の熱膨張によるひずみを減算して、真のひずみを算出する。
しかし、樹脂はガラス転移点を有する。ガラス転移点の前後において、樹脂の物性値は非線形に大きく変化する。ベース部材１０の樹脂のガラス転移点が、ひずみ測定対象樹脂の硬化温度の近くにあると、みかけのひずみの補正が困難になる。
【００２４】
そこで、ベース部材１０の材料のガラス転移温度が、ひずみ測定対象樹脂の硬化温度（好ましくは２次硬化温度）より２０℃以上高くなるように、ベース部材１０の材料が選択される。これにより、ひずみ測定対象樹脂の硬化温度において、ベース部材１０の樹脂の物性値変化が線形に近くなる。そのため、ひずみ測定対象樹脂の硬化温度におけるベース部材１０の熱膨張によるひずみの予測精度が向上する。これにより、みかけのひずみの補正が正確に実施できるので、ひずみ測定対象樹脂の硬化時のひずみを正確に測定できる。
【００２５】
具体的なベース部材１０の材料は、主剤および硬化剤から得られる硬化物を含む。２液性の樹脂は室温での取り扱いが容易である。またシリカなどの無機粒子の添加によりヤング率の調整が容易である。
主剤は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＥ型エポキシ樹脂、ビスフェニル型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネートから選ばれるいずれか１種類以上の材料である。これらの結晶性ポリマーは、ガラス転移点までに機械的な変曲点を持たないので、温度変化を伴う測定において再現性が高い。
硬化剤は、ビスフェノールＡ型シアネート、フェノールノボラック型シアネート、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン、イミダゾールから選ばれるいずれか１類以上の材料である。硬化剤の調整や、硬化促進剤の添加により、樹脂のガラス転移点を調整することができる。
【００２６】
紐１６の材料について説明する。
前述したように、複数の紐１６がベース部材１０を保持することで、ひずみ測定装置１のキャビティ２２内での位置および方向が固定される。しかし、ひずみ測定対象樹脂が硬化する過程で紐１６がベース部材１０を保持し続けると、ひずみ測定対象樹脂のひずみにベース部材１０が追従できなくなる。このとき、ひずみゲージ２は正確なひずみを測定できない。
【００２７】
そこで、紐１６の材料の軟化温度が、ひずみ測定対象樹脂のガラス転移温度以下になるように、紐１６の材料が選択される。図６の二点鎖線は、樹脂のガラス転移点温度の変化を示す。樹脂のガラス転移点温度は、樹脂の硬化に伴って上昇する。紐１６の材料の軟化温度が、ひずみ測定対象樹脂の１次硬化時のガラス転移温度以下になるように、紐１６の材料が選択される。これにより、製品材料樹脂の１次硬化時に紐１６が軟化して、ベース部材１０を保持から解放する。したがって、ひずみ測定装置１は、ひずみ測定対象樹脂の１次硬化から２次硬化にかけてのひずみを正確に測定できる。
紐１６の具体的な材料として、ナイロン、ポリ塩化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステルが挙げられる。
【実施例】
【００２８】
実施例として、実施形態のひずみ測定装置１を作製した。実施例のひずみ測定装置１のベース部材１０は、材料がエポキシ樹脂であり、そのヤング率は７ＧＰａである。ベース部材１０の厚さは１ｍｍである。実施例のひずみ測定装置１を、ひずみ測定対象樹脂（エポキシ樹脂）のダンベル型引張試験片の内部に埋め込んで、引張試験を行った。引張荷重および引張試験片の断面積から算出した応力と、実施例のひずみ測定装置１のひずみゲージが測定したひずみから、ヤング率を算出した。
【００２９】
比較例として、金属薄版にひずみゲージを貼り付けたひずみ測定装置を作製した。比較例のひずみ測定装置１の金属薄版は、材料がステンレス、鉄、銅の３種類であり、厚さが０．２ｍｍである。比較例のひずみ測定装置１を、ひずみ測定対象樹脂（エポキシ樹脂）のダンベル型引張試験片の内部に埋め込んで、引張試験を行った。比較例についても、実施例と同様に、ヤング率を算出した。
【００３０】
表１は、実施例および比較例のヤング率の算出結果である。
【００３１】
【表１】
2019184251.tif 000003
【００３２】
ヤング率の算出結果を検証するため、ひずみ測定対象樹脂（エポキシ樹脂）のダンベル型引張試験片の表面に直接ひずみゲージを貼り付けて、引張試験を行った。引張荷重および引張試験片の断面積から算出した応力と、ひずみゲージが測定したひずみから、ひずみ測定対象樹脂のヤング率を算出した。その結果、ひずみ測定対象樹脂のヤング率は１４ＧＰａであった。
【００３３】
表１の実施例におけるヤング率の算出結果は、ひずみ測定対象樹脂のヤング率の検証結果である１４ＧＰａに一致している。実施例のひずみ測定装置１におけるベース部材１０のヤング率は７ＧＰａであり、ひずみ測定対象樹脂のヤング率の１４ＧＰａより十分に小さい。そのため、ひずみ測定対象樹脂のひずみに追従して、ベース部材１０にも同じひずみが発生する。そのベース部材１０のひずみをひずみゲージ２が測定するので、実施例ではひずみ測定対象樹脂のヤング率を正確に算出できたと考えられる。
【００３４】
これに対して、表１の比較例におけるヤング率の算出結果は、ひずみ測定対象樹脂のヤング率の検証結果である１４ＧＰａより大きい。比較例のひずみ測定装置１における金属薄板のヤング率は、ひずみ測定対象樹脂のヤング率の１４ＧＰａより大きい。そのため、ひずみ測定対象樹脂のひずみに金属薄板のひずみが追従せず、金属薄板のひずみが小さくなる。その金属薄板のひずみをひずみゲージ２が測定するので、比較例ではひずみ測定対象樹脂のヤング率を正確に算出できなかったと考えられる。
【００３５】
以上により、実施例である実施形態のひずみ測定装置１は、樹脂の正確なひずみを測定できることが確認された。
【００３６】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、ヤング率が７ＧＰａ以下の材料で形成された剛性体のベース部材を持つことにより、樹脂硬化時のひずみを正確に測定することができる。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１…ひずみ測定装置、２…ひずみゲージ、１０…ベース部材、１０ａ…第１面、１０ｂ…第２面、１２…溝（凹凸）、１６…紐、２０…金型。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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