CN107532896A - 应变检测用结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应变检测用结构体。应变检测用结构体具有：用于安装在检测应变的检查对象物的陶瓷制的主体(12)；以及形成于该主体(12)并且在规定的应变以上发生损坏的应力集中部(14)。将主体(12)整体的一个方向的尺寸设为Lm，并将应力集中部(14)的一个方向的尺寸设为Lc时，Lc<Lm，应力集中部(14)也可以由一个方向上的薄壁部分构成。

Description

应变检测用结构体
技术领域
本发明涉及应变检测用结构体，例如，适合金属制的框架、压力容器、混凝土结构物、钢筋混凝土结构物等应变检测用的应变检测用结构体。此外，“变形”以及“应变”这样的情况包括作为现象的应变和作为物理量的应变量，在明确表示应变量的情况下，记作“应变量”。
背景技术
以往，作为测量建筑物、结构物的机械应变、位移的位移检测装置，存在日本特开2000－065508号公报中记载的位移检测装置，并且，作为评价结构物的疲劳损伤的装置，存在日本特开2002－014014号公报中记载的结构物的疲劳损伤评价装置。通常，这种建筑物和结构物以通过由钢材构成的结构体支承其主要应力的方式进行建设。
作为主要用于建筑的钢材，存在有软钢(SS400等)，针对软钢的拉伸强度426Pa，在长时间的静载荷下，以安全率3(140MPa)进行设计，在脉动的反复载荷下，以安全率5(85MPa)进行设计。另外，软钢的屈服点(耐力)设为245MPa。
软钢的杨氏模量约为200GPa，因此各应力下的弹性变形应变量成为0.07％、0.04％、0.12％，当能够定量地检测产生了这样的应变量时，在评价结构物的损伤程度上是有效的。然而，由于其应变量微小，因此，为了检测，需要如下所述的高度复杂的测量装置。
日本特开2000－065508号公报中记载的位移检测装置由安装于建筑物、结构物等结构部件上并对结构部件上产生的应变和位移量进行变倍的杠杆机构、以及检测通过该杠杆机构放大或缩小的位移量的位移检测器构成。
日本特开2002－014014号公报中记载的疲劳损伤评价装置具备：检测评价对象结构物的应变量的应变量检测单元；检测与由该应变量检测单元检测到的应变量相对应的评价对象结构物的疲劳损伤率的疲劳损伤率检测单元；以及对由该疲劳损伤率检测单元检测到的疲劳损伤率进行累计的疲劳损伤率累计单元。
发明内容
日本特开2000－065508号公报中记载的位移检测装置的位移检测器是必要的，作为该位移检测器，使用微动开关等开关类，因此，与电源、各种传感器连接的配线是必要的，并且检测作业等比较繁琐。
日本特开2002－014014号公报中记载的疲劳损伤评价装置的应变量检测单元由机械结构可以实现，因此不需要电源、配线，但是由于由第一固定板、第二固定板、可动棒及转动轴构成，因此结构复杂。
本发明是考虑这样的课题而做出的，其目的在于提供如下的应变检测用结构体，其不需要高度复杂且高价的电源、电气配线，能够通过价格低廉的装置、目视(包含使用双筒望远镜等进行的目视)确认结构物上产生的变形。
另外，本发明的目的还在于，当长时间使用的结构物上由于台风、地震等自然灾害而产生无法预料的负载时，容易检测在该期间中有无超过允许应力那样的应变量的产生履历。
[1]本发明的应变检测用结构体的特征在于，包含发生弹性变形而不会发生塑性变形的材料，通过安装在检测应变的对象物(检查对象物)上，在规定的应变以上的弹性变形下发生损坏。
作为不会发生塑性变形而在规定的变形以上的弹性变形下发生损坏的材料，存在陶瓷、玻璃材料，但是在玻璃材料的情况下，由于气氛中的水分的影响，存在微小的裂缝发展下去而产生强度劣化，因此，为了长时间进行应变量检测，优选耐久性优异的陶瓷材料。在此使用的陶瓷优选在与检查对象物的允许应力相当的应变量同等以上的应变量下发生损坏。即，优选应变检测用结构体的强度(σ：MPa)与杨氏模量(E：GPa)的比率(σ/E)为0.04％以上，更优选为0.1％以上，特别优选为0.3％以上。
另外，当在一定的温度条件下使用检查对象物的情况下，不需要特别考虑应变检测用结构体的热膨胀系数，但在设置于室外的建筑物、结构体中在测量期间中发生伴随着气温变化的温度变化。这种情况下，为了消除温度变化的影响，优选与构成检查对象建筑物的结构体之间的热膨胀系数之差为±2ppm/K以下，更优选为±1ppm/K以下。通过选择这样的陶瓷材料，能够不受温度变化的影响检测设置于室外的结构物的长时间的应变量。例如，在检查对象物是钢材、钢筋混凝土的情况下，如果选择热膨胀系数同等的氧化锆、镁橄榄石等，则能够不受温度变化的影响而检测应变量。
[2]另外，也可以，以在规定的应变以上发生损坏的方式将应力集中部设置于应变检测用结构体的主体。由此，在检查对象物施加有负载，例如，在检查对象物发生规定的应变时，在应变检测用结构体的主体也发生规定的应变，应力集中部将选择性地发生损坏。由此，通过确认应力集中部是否被损坏，能够确认在检查对象物是否发生了规定的应变。当设计应力集中部的结构而任意地设定应力集中的等级时，则能够制作应变量的检测等级不同的应变检测陶瓷。通过设置多个这种应变量检测等级不同的应变检测陶瓷，能够检测检查对象物上发生的任意的应变量，即应力。另外，由于仅确认应力集中部上有无破损即可，因此用肉眼也能够简单地进行确认。因此，通过使用本发明的应变检测用结构体，不需要高价且复杂的电源、电气配线，对于长时间在检查对象物上发生的应变，即使在事后，通过目视(包含使用双筒望远镜等的目视)、简单的电信号的有无等，也能够廉价地简单地进行检测确认。
在本发明中，首先，通过选择强度与杨氏模量之比率(σ/E)不同的材料，能够制作以任意的应变量而发生破损的应变检测陶瓷。在不发生塑性变形的陶瓷，规定的应力下的应变量(ε)由下式表示。
ε＝σ/E……(1)
强度σ达到陶瓷的强度时发生破损，此时的应变量(ε)由(1)式表示。在下述的表1中示出了各种材料的σ/E的值，该值示出了各陶瓷、玻璃材料破损时的应变量。例如，由不具有应力集中部的氧化铝A构成的应变检测陶瓷以0.14％的应变量发生破损。同样地，由氮化硅A或云母构成的应变检测陶瓷以0.20％的应变量发生破损。
[3]另外，以下，对通过以任意的应变量而发生破损的方式设置应力集中部的情况进行说明。将所述主体整体的一个方向的尺寸设为Lm，并将所述应力集中部的所述一个方向的尺寸设为Lc时，Lc<Lm，所述应力集中部也可以由所述一个方向上的薄壁部分构成。由此，通过适当改变应力集中部的一个方向的尺寸Lc，能够以规定的应变使主体损坏。例如，通过在氧化锆B上设置规定的应力集中部，能够设计以0.56％以下的任意的位移而发生破损的应变检测陶瓷。
[4]该情况下，所述一个方向可以为与所述主体的长度方向正交且与所述主体的厚度方向正交的方向。
[5]在本发明中，优选地，所述主体具有通过二次损坏使发生所述规定的应变的情况可视化的结构(可视化结构)，所述二次损坏由所述应力集中部的一次损坏引起。由此，通过用目视确认可视化结构的状态，能够简单地确认主体是否发生了规定的应变。
[6]该情况下，所述可视化结构也可以具有通过所述二次损坏使所述主体的一部分脱落的薄壁部位。由此，当在主体发生应变从而应力集中部发生损坏(一次损坏)时，以该损坏为起点，引起薄壁部位的损坏(二次损坏)，主体的一部分将脱落。由此，通过确认主体的一部分是否脱落，能够确认在检查对象物是否发生了规定的应变。这种确认可用肉眼简单地进行。
[7]优选地，该情况下，所述主体的长度La为10mm以上300mm以下，宽度Lm为5mm以上100mm以下，所述主体的中央部的厚度ta为0.3mm以上3mm以下，所述主体的各两端部的厚度tae为1mm以上10mm以下，并且比所述中央部的厚度ta厚，所述薄壁部位的厚度tb为0.01mm以上0.5mm以下，并且比所述中央部的厚度ta薄。
[8]另外，也可以是，所述薄壁部位设置为框状，并且所述主体的一部分是由所述薄壁部位包围的部分。由此，当在主体发生应变从而应力集中部发生损坏(一次损坏)时，以该损坏为起点，在薄壁部产生龟裂。龟裂由于主体的一部分的存在而沿着薄壁部位以框状扩大，引起薄壁部位的损坏(二次损坏)。
[9]另外，在所述薄壁部位也可以形成有至少一个通孔。该情况下，当应力集中部损坏(一次损坏)而在薄壁部位产生龟裂时，由于通孔的存在，龟裂的进展提前，能够使主体的一部分提前且可靠地脱落。
[10]在[5]～[9]中，所述可视化结构也可以具有由于所述二次损坏而露出的可见部件。由此，主体的一部分脱落，由此可见部件露出，因此观测者通过确认可见部件的露出，能够容易地得知在主体是否发生了规定的应变。
[11]在[5]～[9]中，所述可视化结构也可以具有由于所述二次损坏而电气特性发生变化的导电性陶瓷。
[12]在[2]～[4]中，也可以是，在所述主体具有一个通孔，所述通孔的弯曲部分构成所述应力集中部的一部分。
[13]该情况下，也可以是，所述通孔为矩形、且构成所述应力集中部的一部分的两个顶部分别为弯曲形状。
[14]在本发明中，优选地，构成所述主体的陶瓷包含氧化锆。
[15]在本发明中，优选地，所述规定的应变为对象物发生弹性变形的范围的应变。
[16]在本发明中，也可以是，所述主体的两端部分别形成为壁厚，所述主体的中央部与所述两端部之间分别形成有台阶。该情况下，通过将各所述台阶和所述主体的中央部之间的边界部分形成为弯曲状，能够缓和边界部分上的应力集中，因此是优选的。
[17]该情况下，优选地，所述边界部分形成为0.5mmR以上的弯曲状。此外，0.5mmR表示弯曲状的曲率半径。
[18]在[16]或[17]中，优选地，利用所述两端部的各壁厚部，将所述主体固定于检查对象物。
[19]在[18]中，优选地，所述两端部的各所述壁厚部用于粘接固定在所述对象物，将所述两端部上各所述壁厚部的沿所述主体长度方向的长度设为所述壁厚部的长度Lae，并将所述壁厚部的沿所述主体宽度方向的长度设为所述壁厚部的宽度Lme时，关于各所述壁厚部，分别由所述壁厚部的长度Lae×所述壁厚部的宽度Lme所得到的各所述壁厚部的面积彼此相等，各所述壁厚部的所述面积具有为支承所述对象物达到规定的应变量时该应变检测用结构体上产生的载荷的足够的面积。
[20]该情况下，优选地，在将所述两端部的各所述壁厚部粘接固定于所述对象物的粘接剂的拉伸剪切粘接强度设为F(N/mm2)、将各所述壁厚部的面积设为A(mm2)、将所述对象物达到规定的应变量时该应变检测用结构体上产生的载荷设为L时，
A>L/F。
本发明的应变检测用结构体，不需要高价且复杂的电源、电气配线，能够用廉价的装置、目视(包含使用双筒望远镜等进行的目视)确认结构物上产生的变形。而且，当长时间使用的结构物上由于台风、地震等自然灾害发生了无法预料的负载时，容易检测在该期间中有无超过允许应力那样的应变量的产生的履历。
附图说明
图1中，图1A是表示从上表面观察第一实施方式的应变检测用结构体(第一应变检测用结构体)的俯视图，图1B是图1A中的IB－IB线上的剖视图，图1C是图1A中的IC－IC线上的剖视图。
图2中，图2A是表示从上表面观察第二实施方式的应变检测用结构体(第二应变检测用结构体)的俯视图，图2B是图2A中的IIB－IIB线上的剖视图，图2C是图2A中的IIC－IIC线上的剖视图。
图3中，图3A是表示从上表面观察第三实施方式的应变检测用结构体(第三应变检测用结构体)的俯视图，图3B是图3A中的IIIB－IIIB线上的剖视图，图3C是图3A中的IIIC－IIIC线上的剖视图。
图4中，图4A是表示构成可视化结构的薄壁部位的形成位置的一例的剖视图，图4B是表示上述薄壁部位的形成位置的另一例的剖视图。
图5是表示在第三应变检测用结构体的主体和检查对象物(由双点划线表示)之间设置了可见部件的例子的剖视图。
图6中，图6A是表示从上表面观察第四实施方式的应变检测用结构体(第四应变检测用结构体)的俯视图，图6B是图6A中的VIB－VIB线上的剖视图，图6C是图6A中的VIC－VIC线上的剖视图。
图7中，图7A是表示从上表面观察第五实施方式的应变检测用结构体(第五应变检测用结构体)的俯视图，图7B是图7A中的VIIB－VIIB线上的剖视图，图7C是图7A中的VIIC－VIIC线上的剖视图。
图8中，图8A是表示从上表面观察第六实施方式的应变检测用结构体(第六应变检测用结构体)的俯视图，图8B是图8A中的VIIIB－VIIIB线上的剖视图，图8C是图8A中的VIIIC－VIIIC线上的剖视图。
图9中，图9A是表示从上表面观察第二应变检测用结构体的另一例的俯视图，图9B是图9A中的IXB－IXB线上的剖视图，图9C是图9A中的IXC－IXC线上的剖视图。
图10中，图10A是表示从上表面观察第三应变检测用结构体的另一例的俯视图，图10B是图10A中的XB－XB线上的剖视图，图10C是图10A中的XC－XC线上的剖视图。
图11中，图11A是表示将主体的两端部分别形成为壁厚的第一例的剖视图，图11B是表示从上表面观察第一例的俯视图。
图12中，图12A是表示将主体的两端部分别形成为壁厚的第二例的剖视图，图12B是表示第三例的剖视图。
具体实施方式
以下，参照图1A～图12B对本发明的应变检测用结构体的实施方式例进行说明。此外，在本说明书中，表示数值范围的「～」被用作将其之前和之后记载的数值作为下限值和上限值进行包含的含义。
首先，如图1A～图1C所示，第一实施方式的应变检测用结构体(以下，记作第一应变检测用结构体10A)由用于安装在检测应变的对象物(检查对象物：未图示)的陶瓷制的主体12构成。另外，除主体12的中央部12c以外的两端部18a和18b构成例如使用螺栓紧固、粘接剂等安装于检查对象物的安装部。
第一应变检测用结构体10A的强度(σ：MPa)和杨氏模量(E：GPa)之比率(σ/E)优选为0.04％以上。更优选地为0.1％以上，特别优选地为0.3％以上。另外，与构成检查对象建筑物的结构体之间的热膨胀系数之差为±2ppm/K以下，更优选地为±1ppm/K以下。
在此，示出了关于第一应变检测用结构体10A的实施例。在该实验例，对使主体12的尺寸一定、改变了材料的情况下的应变的变化进行了确认。即，关于实施例1～24及比较例1和2，对在主体12的长度方向上施加拉伸载荷，主体12损坏时的应变量(应变)进行了确认。所有的实施例1～24以及比较例1～2如图1A～图1C所示，主体12的一个方向(y方向)的尺寸、即宽度Lm(参照图1A)均为20mm。其中，一个方向是与主体12的长度方向(x方向)正交且与主体12的厚度方向(z方向)正交的方向。另外，主体12的厚度ta(参照图1B)均为0.5mm。其结果示于以下的表1。
[表1]
接下来，如图2A～图2C所示，第二实施方式的应变检测用结构体(以下，记作第二应变检测用结构体10B)具有：安装在检测应变的对象物(检查对象物：图未示)上的陶瓷制的主体12；以及形成在该主体12上并且在规定的应变以上发生损坏的应力集中部14。此外，主体12向检查对象物的安装可通过已知的方法安装，例如，可使用螺栓紧固、粘接剂等安装。
主体12的形状可采用任意的形状，如果检查对象物的安装面为平面状，则也可以例如如图2A～图2C所示为平板状(代表性地，为长方体状)。该情况下，也可以在棱线部分进行倒角(C面或R面)。以下，主要对主体12为平板状的情况进行说明。
第二应变检测用结构体10B从平面(上表面)观察在主体12的中央具有圆形的通孔16。因此，应力集中部14是主体12中的由于通孔16而成为薄壁的部分。即，将主体12整体的一个方向(y方向)的尺寸、即宽度设为Lm(参照图2A)，将应力集中部14的一个方向的尺寸设为Lc(参照图2C)时，Lc<Lm。即，应力集中部14由一个方向上的薄壁部分构成。
此外，通孔16从上表面观察的形状除圆形以外，还可以采用椭圆形、轨道形状、矩形等。另外，主体12的两端部18a及18b构成例如使用螺栓紧固、粘接剂等安装在检查对象物上的安装部。
规定的应变是判断检查对象物是否超出允许应力发生了变形的范围的应变，例如，选择0.1％、0.2％等。该情况下，作为检查对象物，例如，包括压力容器、金属制的框架(起重机的框架、冲压机的框架、施加静水压的装置的框架等)、电线杆、铁塔、混凝土结构物、钢筋混凝土结构物等。但是，如果是在应力应变线图上屈服点明确出现的检查对象物，则可以在夹着屈服点的前后的范围选择应变量。如果是屈服点未明确出现的检查对象物，则可以在夹着0.2％承载力相当的应力产生时应变量的前后的范围选择应变量。
作为规定的应变，选择小于屈服点的检查对象物的发生弹性变形的范围的应变的理由之一如下所述。即，通常，即使结构物发生弹性变形的范围的应变，由于复原，因此难以得知是否发生了应变，即，是否作用有负载。因此，例如，定期地确认第二应变检测用结构体10B中的应力集中部14的损坏，如果发生损坏，则重复更换为新的第二应变检测用结构体10B这样的作业，由此能够得知0.1％程度的应变发生了多少次，能够有助于检查对象物的老朽化的分析。当然，通过缩短检查的周期，能够更准确地得知发生了0.1％程度的应变的次数。
作为构成主体12的陶瓷，优选包含氧化锆。损坏时的应变为0.56％，通过设置应力集中部14，能够以检查对象物发生弹性变形的范围的应变、例如0.1％、0.2％等使主体12损坏。而且，氧化锆的热膨胀系数与碳素钢(软钢材)、钢筋混凝土的热膨胀系数大致相同，因此能够补偿温度变化量。其不受温度变化影响，能够检测应变，对于实现检测精度的提高也是有利的。
主体12的大小根据断裂的辨识性和期望形状的陶瓷部件可制作的大小而限定。即，为了通过目视等简单的方法确认应变检测陶瓷上是否发生了断裂，优选地，从自远方的辨识性等的观点出发，主体12的宽度Lm为5mm以上，主体12的长度La为10mm以上。另一方面，由陶瓷构成的陶瓷部件的制造工艺为使陶瓷粉体成形，之后，通过烧制来制造。该情况下，成形体的强度小，在烧制时，由于伴随着百分之几十的大小的烧制收缩，因此为了制造变形小的按照设计的尺寸的主体12，要设为较大的尺寸，自然而然地存在限制。即，优选地，主体12的宽度Lm为100mm以下，主体12的长度La为300mm以下。进一步，关于主体12的厚度ta，存在厚度ta越厚则制作越容易的倾向，但是应变检测时产生的载荷增大，向检查对象物进行固定的固定方法变难。因此，优选地，主体12的厚度ta为3mm以下。另外，由于厚度ta过薄则成形或烧制时发生开裂和变形，因此优选0.3mm以上的厚度ta。
[第一实验例]
在此，示出了第二应变检测用结构体10B的第一实验例。作为陶瓷，使用了氧化锆B(参照上述表1)。在该实验例，确认了改变了主体12的尺寸以及通孔16的直径Da的情况下的应变的变化、断裂的辨识性的可否以及制作的可否。关于应变，在主体12的长度方向上施加拉伸载荷，确认了主体12损坏时的应变。
(样本1～7)
如图2A～图2C所示，样本1～7均是主体12的长度La为100mm，宽度Lm(主体12的一个方向的长度)为30mm，主体12的厚度ta(参照图2B)为1mm。关于通孔16的直径Da，样本1为4mm，样本2为8mm，样本3为9mm，样本4为11mm，样本5为15mm，样本6为19mm，样本7为26mm。两端部18a和18b的各长度、即沿主体12的长度方向的长度Lae分别为20mm。样本1～7利用该两端部18a和18b固定于检测变形的对象物上。
(样本8)
对样本8而言，主体12的宽度Lm为5mm，长度La为10mm，厚度ta为0.3mm。通孔16的直径Da为0.67mm。两端部18a和18b的各长度Lae分别为2.5mm。样本8利用该两端部18a和18b固定于检测变形的对象物上。
(样本9)
对样本9而言，主体12的宽度Lm为100mm，长度La为300mm，厚度ta为3mm。通孔16的直径Da为87mm。两端部18a和18b的各长度Lae分别为50mm。样本9利用该两端部18a和18b固定于检测变形的对象物上。
(比较例3)
对比较例3而言，主体12的宽度Lm为100mm，长度La为300mm，厚度ta为0.2mm。通孔16的直径Da为63mm。两端部18a和18b的各长度Lae分别为50mm。比较例3利用该两端部18a和18b固定于检测变形的对象物上。
(比较例4)
对比较例4而言，主体12的宽度Lm为3mm，长度La为7mm，厚度ta为0.3mm。通孔16的直径Da为1.9mm。两端部18a和18b的各长度Lae分别为2mm。比较例4利用该两端部18a和18b固定于检测变形的对象物上。
(比较例5)
对比较例5而言，主体12的宽度Lm为120mm，长度La为350mm，厚度ta为1mm。通孔16的直径Da为76mm。两端部18a和18b的各长度Lae分别为50mm。比较例5利用该两端部18a和18b固定于检测变形的对象物上。
<评价结果>
将样本1～9、以及比较例3～5的评价结果与详细内容一起示于以下的表2中。此外，表2中，将两端部18a和18b的各长度Lae标记为“端部长度”。
[表2]
由表2可知，样本1～9的断裂的辨识性良好，能够制作。另一方面，比较例3在制造过程中产生裂缝，损坏时的变形和辨识性均无法评价。比较例4虽然能够制造，但是尺寸小，因此，断裂的辨识性差，难以通过目视识别断裂。、比较例5在制造过程中的变形大，不能制作，无法评价损坏时的变形以及辨识性。
[第二实验例]
在第二实验例，对将第二应变检测用结构体10B的长度La(端部18a的一端至端部18b的一端的距离)设为100mm、将宽度Lm设为30mm、将厚度ta设为0.5mm的情况下，改变了通孔16的直径Da时的应变的变化进行了确认。两端部18a和18b的各长度Lae分别为20mm。即，关于以下的表3所示的样本11～13，利用两端部18a和18b固定于检测变形的对象物上，在主体12的长度方向上施加拉伸载荷，对主体12损坏时的应变进行了确认。关于通孔16的直径Da，样本11为4mm，样本12为11mm，样本13为19mm。结果示于以下的表3。此外，在表3中，将两端部18a和18b的各长度Lae标记为“端部长度”。
[表3]
由表3可知，通过改变通孔16的直径Da，能够以规定的应变损坏主体12。这一点从第一实验例的样本1～7的结果(参照表2)也可以明确。即，通过适当改变应力集中部14的一个方向的尺寸Lc，能够以规定的应变损坏主体12。
如此，在第二应变检测用结构体10B中，当对检查对象物施加负载，例如，在检查对象物发生规定的应变时，在第二应变检测用结构体10B的主体12也发生规定的应变，应力集中部14将发生损坏。例如，在应力集中部14将出现龟裂或者发生断裂。由此，通过确认应力集中部14是否被损坏，能够确认检查对象物是否发生了规定的应变。这种确认可通过肉眼简单地进行。
因此，通过使用第二应变检测用结构体10B，不需要电源、电气配线，能够廉价地通过目视(包括使用双筒望远镜等的目视)确认检查对象物上产生的应变。
接下来，参照图3A～图3C对第三实施方式的应变检测用结构体(以下，记作第三应变检测用结构体10C)进行说明。
如图3A～图3C所示，第三应变检测用结构体10C具有与上述的第二应变检测用结构体10B大致相同的结构，但不同之处在于，具有使由于由应力集中部14的损坏(一次损坏)引起的二次损坏导致规定的应变的发生可视化的结构(以下，记作可视化结构20)。
可视化结构20具有在主体12的中央一体形成的比主体12的厚度薄的圆盘状的薄壁部位22。即，第二应变检测用结构体10B的通孔16(参照图2A)具有被薄壁部位22堵塞的结构。
因此，当主体12产生应变从而应力集中部14损坏(一次损坏)时，以该损坏为起点，引起薄壁部位22的损坏(二次损坏)，该薄壁部位22的全部或一部分将脱落。由此，通过确认薄壁部位22的全部或一部分是否脱落，能够确认检查对象物是否发生了规定的应变。这种确认可通过肉眼简单地进行。
关于薄壁部位22的形成位置，可列举图3B、图4A以及图4B所示的位置。
(a)如图3B所示，薄壁部位22的一个主面22a以与主体12的一个主面12a为同一面的方式形成。
(b)如图4A所示，薄壁部位22的另一主面22b以与主体12的另一主面12b为同一面的方式形成。
(c)如图4B所示，薄壁部位22形成于主体12的厚度方向中央。
当然，可以在(a)所示的位置和(b)所示的位置之间，也可以在(b)所示的位置和(c)所示的位置之间。薄壁部位22的壁厚tb(参照图3B)优选为主体12的应力集中未受到缓和那样的壁厚以下，但当过薄时，在成形、烧制等陶瓷制造工艺中存在发生变形、破裂的可能。因此，薄壁部位22的壁厚tb优选为0.01mm以上0.5mm以下。
另外，如图5所示，也可优选采用在主体12和检查对象物(由双点划线表示)之间，且在至少与薄壁部位22对置的部分利用粘接剂等预先设置可见部件24。该情况下，二次损坏后的薄壁部位22的全部或一部分脱落，由此可见部件24露出，因此观察者通过确认可见部件24的露出，能够容易地得知主体12是否发生了规定的应变。
作为可见部件24，可列举Al(铝)等金属膜、荧光涂料、着色剂等。可见部件24可以经由粘接剂等安装于检查对象物，也可以经由粘接剂等安装于第三应变检测用结构体10C中的与检查对象物对置的部分。
接下来，参照图6A～图6C对第四实施方式的应变检测用结构体(以下，记作第四应变检测用结构体10D)进行说明。
如图6A～图6C所示，第四应变检测用结构体10D具有与上述的第三应变检测用结构体10C大致相同的结构，不同之处在于，构成可视化结构20的薄壁部位22设置为框状。由框状的薄壁部位22包围的部位厚度比薄壁部位22厚，并作为配重26发挥功能。作为配重发挥功能的部位(以下，记作配重部位26)的厚度比薄壁部位22厚，优选为主体12的厚度以下。
因此，当主体12产生应变，应力集中部14发生损坏(一次损坏)时，以该损坏为起点，薄壁部位22产生龟裂。龟裂由于配重部位26的存在而沿着薄壁部位22以框状扩大，引起薄壁部位22的损坏(二次损坏)。由于薄壁部位22损坏，配重部位26从主体12脱落。由此，通过确认配重部位26是否脱落，能够确认检查对象物上是否发生规定的应变。这种确认可通过肉眼简单地进行。
该情况下，优选地，在主体12与检查对象物之间，且在至少与配重部位26对置的部分上利用粘接剂等预先设置可见部件24(参照图5)。由此，由于薄壁部位22的二次损坏，配重部位26脱落，由此可见部件24露出，因此观察者通过确认可见部件24的露出，能够容易地得知主体12是否发生了规定的应变。
接下来，参照图7A～图7C对第五实施方式的应变检测用结构体(以下，记作第五应变检测用结构体10E)进行说明。
如图7A～图7C所示，第五应变检测用结构体10E具有与上述的第四应变检测用结构体10D大致相同的结构，不同之处在于，在设置为框状的薄壁部位22上形成有至少一个小径的通孔28。在图7A的例子中，示出了沿着薄壁部位22等间隔地形成多个通孔28的情况。当然，也可以不是等间隔，通孔28的直径的大小可以全部相同，也可以不同。
该情况下，应力集中部14发生损坏(一次损坏)，从而在薄壁部位22上产生龟裂时，由于多个通孔28的存在，龟裂的进展提前，能够使配重部位26提前且可靠地从主体12脱落。
接下来，参照图8A～图8C对第六实施方式的应变检测用结构体(以下，记作第六应变检测用结构体10F)进行说明。
如图8A～图8C所示，第六应变检测用结构体10F具有与上述的第二应变检测用结构体10B大致相同的结构，通孔16的形状在以下方面不同。
即，通孔16从上观察的形状不是圆形，而是矩形，并且四个顶部30a～30d中的构成应力集中部14的一部分的两个顶部30a和30b分别为弯曲形状。其他的两个顶部30c和30d可以为弯曲形状，也可以为形成有角的状态。
在该第六应变检测用结构体10F中，通过变更构成应力集中部14的一部分的两个顶部30a和30b的曲率半径，应力集中部14的应力集中系数发生变化，由此能够使通孔16的大小大致一定，能够确保辨识性的同时以规定的应变损坏主体12。
此外，第六应变检测用结构体10F中的上述形状、即从上观察的形状为矩形且四个顶部30a～30d中的构成应力集中部14的一部分的两个顶部30a和30b分别为弯曲形状的形状也可以应用于上述的第三应变检测用结构体10C～第五应变检测用结构体10E的可视化结构20。
在上述的图2A～图2C以及图3A～图3C中，将第二应变检测用结构体10B的通孔16以及第三应变检测用结构体10C的可视化结构20的形状、尤其是从上观察的形状设为圆形，但除此以外，如上所述，也可以设为椭圆形状。
该情况下，如图9A～图9C所示，关于第二应变检测用结构体10B，使通孔16的x方向的直径(x方向的轴)Dax与y方向的直径(y方向的轴)Day之比率(Dax/Day)比1小，或者比1大。在图9A的例子中，示出了使比率(Dax/Day)比1小的例子。
同样地，如图10A～图10C所示，关于第三应变检测用结构体10C，也使可视化结构20的x方向的直径Dax与y方向的直径Day之比率(Dax/Day)比1小或者比1大。
其中，对与第二应变检测用结构体10B及第三应变检测用结构体10C有关的实验例(第三实验例及第四实验例)进行说明。作为陶瓷，使用了氧化锆B(参照上述表1)。
[第三实验例]
在第三实验例，对将图9A～图9C所示的第二应变检测用结构体10B的长度La设为50mm、将宽度Lm设为30mm、将厚度ta设为0.5mm、将通孔16的y方向的直径Day设为19mm的情况下改变了通孔16的x方向的直径Dax时的应变的变化进行了确认。两端部18a和18b的长度Lae分别为10mm。即，关于下述的表4所示的样本21～23，利用两端部18a及18b固定于检测变形的对象物上，在主体12的长度方向上施加拉伸载荷，对主体12损坏时的应变进行了确认。关于通孔16的x方向的直径Dax，样本21为19mm，样本22为9.5mm，样本23为2.85mm。结果示于下述的表4。此外，在表4中，将两端部18a和18b的各长度Lae标记为“端部长度”。
[表4]
[第四实验例]
在第四实验例，对将图10A～图10C所示的第三应变检测用结构体10C的长度La设为50mm、将宽度Lm设为30mm、将主体12的厚度ta设为0.5mm、将可视化结构20的薄壁部位22的厚度tb设为0.1mm、将可视化结构20的y方向的直径Day设为19mm的情况下改变了可视化结构20的x方向的直径Dax时的应变的变化进行了确认。两端部18a和18b的长度Lae分别为10mm。即，关于以下的表5所示的样本31～33，利用两端部18a及18b固定于检测变形的对象物上，在主体12的长度方向上施加拉伸载荷，对主体12损坏时的应变进行了确认。关于可视化结构20的x方向的直径Dax，样本31为19mm，样本32为9.5mm，样本33为2.85mm。结果示于以下的表5。此外，在表5中，将两端部18a和18b的各长度Lae标记为“端部长度”。
[表5]
由表4和表5可知，即使通孔16和可视化结构20的形状(从上观察的形状)为椭圆形，通过改变通孔16和可视化结构20的直径，例如仅改变x方向的直径Dax或者仅改变y方向的直径Day，或者改变x方向的直径Dax和y方向的直径Day，能够以规定的应变使主体12损坏。即，通过适当改变应力集中部14的一个方向的尺寸Lc，能够以规定的应变使主体12损坏。
此外，如上述的例子所示，需要将椭圆形状的两个直径(轴)分别设定为x方向和y方向。在Dax和Day相等的情况下(圆形的情况)，也可以在任意的方向上设定。
另外，也可以将上述的椭圆形状应用于第四应变检测用结构体10D和第五应变检测用结构体10E的可视化结构20。
但是，上述的第一应变检测用结构体10A～第六应变检测用结构体10F的主体12由两端部18a和18b以及中央部12c构成。
如图1A～图1C所示，在第一应变检测用结构体10A中，两端部18a和18b以及主体12的中央部12c分别为相同的厚度，两端部18a和18b的一个主面32a与主体12的中央部12c的一个主面12a位于同一平面，并且两端部18a和18b的另一主面32b与主体12的中央部12c的另一主面12b位于同一平面。
在第二应变检测用结构体10B、第三应变检测用结构体10C等中，主体12的中央部12c中的除通孔16、可视化结构20以外的部分与两端部18a以及18b分别为相同的厚度，两端部18a及18b的一个主面32a与主体12的中央部12c的一个主面12a位于同一平面，且两端部18a及18b的另一主面32b与主体12的中央部12c的另一主面12b位于同一平面。
可以为上述的结构，除此以外，如图11A～图12B所示，也可以使两端部18a及18b的厚度tae比主体12的中央部12c的厚度ta大。即，也可以将两端部18a和18b分别形成为壁厚，并在主体12的中央部12c与两端部18a以及18b之间分别形成台阶34。图11A～图12B示出了应用于第三应变检测用结构体10C的例子。此外，在上述的图1A～图10C所示的例子中，由于中央部12c的厚度和两端部18a以及18b的厚度相同，因此将主体12的厚度标记为“ta”。但是，在图11A～图12B的例子中，由于两端部18a和18b的厚度比主体12的中央部12c的厚度大，因此将中央部12c的厚度标记为“ta”，将两端部18a和18b的厚度标记为“tae”。
根据图11A～图12B所示的例子，能够利用两端部18a和18b的壁厚部40a和40b将主体12容易地固定于检查对象物。为了防止中央部12c和检查对象物之间的干扰，两端部18a和18b的厚度tae优选为1mm以上。另一方面，当两端部18a和18b的厚度tae过厚时，在应变检测用结构体的制造时，与中央部12c之间的壁厚差过大，因此中央部12c发生变形或者在中央部12c与两端部18a以及18b之间产生裂缝。因此，两端部18a和18b的厚度tae优选为10mm以下。
在利用两端部18a和18b的壁厚部40a和40b的表面进一步通过粘接剂等固定于检查对象物的情况下，优选满足以下的条件(a)和(b)。壁厚部40a和40b的表面在图11A和图11B的例子中为另一主面32b，在图12A的例子中为一个主面32a，在图12B的例子中为一个主面32a或另一主面32b。
(a)两端部18a和18b的各自的形状相同。
(b)两端部18a和18b的壁厚部40a和40b的表面的面积是为支承达到检查对象物的规定的应变量时应变检测用结构体上产生的载荷的足够的大小。此外，壁厚部40a和40b的表面的面积例如，如图11B所示，为沿主体12的长度方向的长度Lae×沿主体的宽度方向的长度(宽度Lme)。
另外，各台阶34和主体12的中央部12c之间的边界部分优选形成为弯曲状，由此，能够缓和边界部分上的应力集中。该情况下，边界部分的弯曲半径优选为0.5mmR以上。
[第五实验例]
在第五实验例，对将图11A和图11B所示的应变检测用结构体的主体12的长度La设为100mm、将宽度Lm设为30mm、将主体12的厚度(中央部12c的厚度ta)设为0.5mm、将两端部18a和18b的壁厚部的长度Lae(沿主体12的长度方向的长度)分别设为25mm、将两端部18a和18b的壁厚部的宽度Lme(沿主体12的宽度方向的长度)分别设为30mm、将可视化结构20的薄壁部位22的厚度tb设为0.1mm、将可视化结构20的y方向的直径Day设为19mm的情况下改变了两端部18a和18b的厚度tae、中央部12c与两端部18a及18b之间的边界部分的曲率半径(在表6中标记为“边界部分”)以及可视化结构20的x方向的直径Dax时的应变的变化进行了确认。即，关于以下的表6所示的样本41～43，在主体12的长度方向上施加拉伸载荷，对主体12损坏时的应变进行了确认。关于两端部18a和18b的厚度tae，样本41为10mm，样本42为3mm，样本43为1mm。关于可视化结构20的x方向的直径Dax，样本41为19mm，样本42为7.26mm，样本43为2.85mm。结果示于下述的表6。此外，第五实验例中使用的应变检测用结构体由作为陶瓷的氧化锆B(参照上述表1)构成。
[表6]
由表6可知，通过改变两端部18a及18b的壁厚部的厚度tae、中央部12c与两端部18a以及18b之间的边界部分的曲率半径、可视化结构20的直径，例如，仅改变x方向的直径Dax或者仅改变y方向的直径Day，或者改变x方向的直径Dax和y方向的直径Day，能够以规定的应变使主体12损坏。即，通过适当改变两端部18a和18b的壁厚部的厚度tae、应力集中部14的一个方向的尺寸Lc，能够以规定的应变使主体12损坏。
并且，在用于将主体12安装于检查对象物上的粘接剂的拉伸剪切粘接强度为20N/mm2的情况下，两端部18a和18b的壁厚部40a和40b分别为相同的形状，能够确保可用于粘接的面积在单侧分别为750mm2(25mm×30mm)，因此能够支承15,000N的载荷。样本41、42及43的断裂载荷分别为约5,500N至1,300N之间的值，能够确保充分的粘接强度。
此外，如图11A所示，也可以使两端部18a以及18b的一个主面32a与主体12的中央部12c的一个主面12a位于同一平面，并在两端部18a以及18b的另一主面32b与主体12的中央部12c的另一主面12b之间形成台阶34。
或者，如图12A所示，也可以在两端部18a以及18b的一个主面32a与主体12的中央部12c的一个主面12a之间形成台阶34，并且使两端部18a以及18b的另一主面32b与主体12的中央部12c的另一主面12b位于同一平面。
或者，如图12B所示，也可以在两端部18a以及18b的一个主面32a与主体12的中央部12c的一个主面12a之间形成台阶34，在两端部18a以及18b的另一主面32b与主体12的中央部12c的另一主面12b之间形成台阶34。
另外，通过将各台阶34和主体12的中央部12c之间的边界部分36设为弯曲形状，能够缓和边界部分36上的应力集中，因此是优选的。该情况下，边界部分36优选由0.5mmR以上的曲面形成。
接下来，以下对上述的第一应变检测用结构体10A～第六应变检测用结构体10F的制造方法简单地进行说明。将第一应变检测用结构体10A～第六应变检测用结构体10F统称的情况下，记作应变检测用结构体。
首先，第一应变检测用结构体10A～第六应变检测用结构体10F的制造方法不特别限定，也可以是刮刀法、挤出法、凝胶浇注法、粉末冲压法、压印法等任意的方法。如第三应变检测用结构体10C～第五应变检测用结构体10E，针对复杂的形状，特别优选地，使用凝胶浇注法制造。在优选的实施方式中，将包含陶瓷粉末、分散介质及胶凝剂的浆料注入到模具中，使该浆料凝胶化，由此得到成形体，对该成形体进行烧制，从而能够得到第三应变检测用结构体10C～第五应变检测用结构体10E(参照日本特开2001－335371号公报)。如第一应变检测用结构体10A和第二应变检测用结构体10B那样，针对简单的形状，优选刮刀法等带成形方法。
作为应变检测用结构体的材料，特别优选地，针对氧化锆粉末，使用添加了3mol％的氧化钇(Y2O3)助剂的原料。作为助剂，优选氧化钇，但是也可以例示氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)等。
关于凝胶浇注法，可列举以下的方法。
(1)与无机物粉体一起，将成为胶凝剂的聚乙烯醇、环氧树脂、酚醛树脂等预聚物与分散剂一起分散于分散介质中并调制浆料，浇注后，通过交联剂以三维方式交联而凝胶化，从而使浆料硬化。
(2)通过使具有反应性官能团的有机分散介质和胶凝剂化学键合，从而使浆料硬化。该方法是记载在本申请的申请人的日本特开2001－335371号公报中的方法。
此外，当然，本发明的应变检测用结构体不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的情况下，可采用各种结构。
例如，在第三应变检测用结构体10C～第五应变检测用结构体10E中，薄壁部位22也可以由导电陶瓷构成。该情况下，由于薄壁部位22的损坏(二次损坏)，导电陶瓷的电气特性发生变化，因此，通过将该变化作为电信号捕捉并显示在显示器等上，能够使规定的应变的产生可视化。

Claims (20)

1.一种应变检测用结构体，其特征在于，包括用于安装在检测应变的对象物的陶瓷制的主体(12)，该陶瓷制的主体(12)的强度(σ)与杨氏模量(E)之比率(σ/E)为0.04％以上。
2.根据权利要求1所述的应变检测用结构体，其特征在于，所述主体(12)具有在规定的应变以上发生损坏的应力集中部(14)。
3.根据权利要求2所述的应变检测用结构体，其特征在于，
将所述主体(12)整体的一个方向的尺寸设为Lm，并将所述应力集中部(14)的所述一个方向的尺寸设为Lc时，Lc<Lm，
所述应力集中部(14)由所述一个方向上的薄壁部分构成。
4.根据权利要求3所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述一个方向为与所述主体(12)的长度方向正交且与主体(12)的厚度方向正交的方向。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述主体(12)具有通过二次损坏使发生所述规定的应变的情况可视化的结构(20)，所述二次损坏由所述应力集中部(14)的一次损坏引起。
6.根据权利要求5所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述结构(20)具有通过所述二次损坏使所述主体(12)的一部分脱落的薄壁部位(22)。
7.根据权利要求6所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述主体(12)的长度La为10mm以上300mm以下，宽度Lm为5mm以上100mm以下，所述主体(12)的中央部(12c)的厚度ta为0.3mm以上3mm以下，所述主体(12)的各两端部(18a，18b)的厚度tae为1mm以上10mm以下，并且比所述中央部(12c)的厚度ta厚，所述薄壁部位(22)的厚度tb为0.01mm以上0.5mm以下，并且比所述中央部(12c)的厚度ta薄。
8.根据权利要求6或7所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述薄壁部位(22)设置为框状，
所述主体(12)的一部分是由所述薄壁部位(22)包围的部分。
9.根据权利要求8所述的应变检测用结构体，其特征在于，
在所述薄壁部位(22)形成有至少一个通孔(28)。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述结构(20)具有由于所述二次损坏而露出的可见部件(24)。
11.根据权利要求5至9中任一项所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述结构(20)具有由于所述二次损坏而电气特性发生变化的导电陶瓷。
12.根据权利要求2至4中任一项所述的应变检测用结构体，其特征在于，
在所述主体(12)具有一个通孔(16)，
所述通孔(16)的弯曲部分构成所述应力集中部(14)的一部分。
13.根据权利要求12所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述通孔(16)为矩形、且构成所述应力集中部(14)的一部分的两个顶部(30a，30b)分别为弯曲形状。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的应变检测用结构体，其特征在于，
构成所述主体(12)的陶瓷包含氧化锆。
15.根据权利要求2至14中任一项所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述规定的应变为所述对象物发生弹性变形的范围的应变。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述主体(12)的两端部(18a，18b)分别形成为壁厚，所述主体(12)的中央部(12c)与所述两端部(18a，18b)之间分别形成有台阶(34)，
各所述台阶(34)和所述主体(12)的中央部(12c)之间的边界部分(36)形成为弯曲状。
17.根据权利要求16所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述边界部分(36)形成为0.5mmR以上的弯曲状。
18.根据权利要求16或17所述的应变检测用结构体，其特征在于，
利用所述两端部(18a，18b)的各壁厚部(40a，40b)，将所述主体(12)固定于所述对象物。
19.根据权利要求18所述的应变检测用结构体，其特征在于，
所述两端部(18a，18b)的各所述壁厚部(40a，40b)用于粘接固定在所述对象物，
将所述两端部(18a，18b)的各所述壁厚部(40a，40b)沿所述主体(12)的长度方向的长度设为所述壁厚部(40a，40b)的长度Lae，并将所述壁厚部(40a，40b)的沿所述主体(12)的宽度方向的长度设为所述壁厚部(40a，40b)的宽度Lme时，关于各所述壁厚部(40a，40b)，分别由所述壁厚部(40a，40b)的长度Lae×所述壁厚部(40a，40b)的宽度Lme所得到的各所述壁厚部(40a，40b)的面积彼此相等，
各所述壁厚部(40a，40b)的所述面积具有为支承所述对象物达到规定的应变量时该应变检测用结构体上产生的载荷的足够的面积。
20.根据权利要求19所述的应变检测用结构体，其特征在于，
在将所述两端部(18a，18b)的各所述壁厚部(40a，40b)粘接固定于所述对象物的粘接剂的拉伸剪切粘接强度设为F(N/mm2)、将各所述壁厚部(40a，40b)的面积设为A(mm2)、将所述对象物达到规定的应变量时该应变检测用结构体上产生的载荷设为L时，
A>L/F。
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