JP2007078364A - ひずみ感知センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 薄膜基板4と少なくとも1対のひずみ伝達片2とセンサ箔1からなり、薄膜基板4は測定対象に貼付されて測定対象と共に歪むもので、ひずみ伝達片2は薄膜基板4上に形成されそれぞれ一端7が薄膜基板4に固定され、センサ箔1は断面積がひずみ伝達片2より小さい部分が対になったひずみ伝達片の間のギャップに渡されるように形成され、ひずみがセンサ箔1の限度を超えるとセンサ箔1が破断することにより、測定対象のひずみ履歴を推定する。
【選択図】 図1
Description
このため、構造物や車両などが履歴した最大ひずみや過大なひずみを把握する必要がある。
この方法は、変換器など精密な計測装置を用いなければならないので、一度に多数の部位について計測することは難しいため、大型の構造物等について全体的にひずみ履歴状況を把握することが難しい。
また、回転機械の回転軸などでは、運転中に発生するひずみを検知することは極めて難しい。
開示のセンサは、被測定物より小さなひずみで破壊する材料で製作したワイヤの両端を被測定物に固定しておいて、ワイヤの破断の有無から被測定物に作用した応力が所定の値より大きかったか小さかったかを判定するものである。
ワイヤあるいは短冊形平板を導電性のものとして、破断の有無やひずみの大小を電気的に検出しても良い。
特許文献2に開示された疲労センサは小型で感度が高いため、対象部位の極めて近傍に貼付して、貼付部分における繰返し応力により疲労センサの疲労損傷度を測定して対象部位の疲労損傷度を推定したり実寿命を推定することができる。
また、測定対象のひずみに伴いセンサ箔部に現れるひずみは、2つのひずみ伝達片の固定位置同士の距離が大きいほど大きくなるので、この距離を調整することにより検出範囲を調整することができる。
また、1対のひずみ伝達片がひずみの検出方向に垂直の方向に並んで配置され、センサ箔はひずみ伝達片が相互にずれる方向に歪むひずみを検知するようになっていてもよい。この場合は、部材の伸縮をセンサ箔のせん断破断により検知することになる。センサ箔部分の形状に伸縮方向に沿った凹みを形成してせん断し易くしても良い。
センサ箔は、破断伸びが小さい方が精度の良い感知センサを構成することができる。また、特性がよく知られており、製造が容易な材質を選ぶことが好ましい。したがって、電解銅は電鋳法により堆積が容易で十分に硬いため、また、ニッケルは十分に硬く疲労センサなどで情報および技術が蓄積されているため、センサ箔に使用することが好ましい。
補強枠とひずみ伝達片は同じ材料から形成されることが好ましい。電鋳法による場合は、任意の堆積形状を形成することができるので、補強枠とひずみ伝達片を一緒に形成することができる。
さらに、結果は取り付け現場で簡単に確認することができるので、非熟練作業者でも容易に正確な測定結果を収集することができ、的確な判断を得ることができる。
枠体6は、ひずみ伝達片2と同じ厚さ、同じ材質で一体に形成され、それぞれがばらばらに分解しかねないひずみ伝達片2を互いに連結して正しい位置関係を保持させる機能を有する。また、枠体6はひずみ感知センサを薄膜基板4にスポット溶接などで固定するときに固定代として利用することもできる。
さらに、ブリッジ部8の中に形成される狭隘部は、測定対象部材の測定スパン中に発生したひずみ量を、ギャップgより短い狭隘部の部分に集中させることにより感度を高める効果も有する。
たとえば、図1に示したひずみ感知センサでは、ステンレススチールSUS304の50μm薄膜の上に厚さ18〜20μmのポリイミド膜を接着し、その上に18μmの銅箔を接着して、3層構造を形成する。その後、SUS薄膜とポリイミド膜をエッチングしてたとえば100μmのギャップを有する幅4mm、1対分の全長が160mmのひずみ伝達片2と枠体6の形を生成し、また反対方向から銅箔をエッチングしてひずみ感知するブリッジ部8や電極10などを含めたセンサ箔1の形状を形成する。
なお、センサ箔1の形状は、型抜きにより形成することもできる。
なお、センサ箔1は電鋳法により薄膜基板上に直接形成しても良い。電鋳法の形状再現性は極めて高いので、電鋳法による形状形成をしたセンサは正確な測定結果を得ることができる。
実際に、たとえば、ひずみ伝達片2、絶縁層3、センサ箔1の厚みを、それぞれ10μmから数100μmとしたものが多数の測定点に適用するものとして便利である。また、ギャップ量も測定の条件に応じて調整することができ、数10μmから数mmの値が用いられる。
さらに、ひずみ伝達片2をインバー、センサ箔1をニッケルで構成してもよい。ニッケルの特性や製造方法については、疲労センサの製造や使用により蓄積された技術を活用することができる。
測定対象部材5が何らかの応力作用により伸縮すると、測定スパンLの部分に生じるひずみεはひずみ感知センサのひずみ伝達片2とセンサ箔1に分配される。分配率は材料のヤング率などに影響されるが、部品の断面積に関係する応力集中度に大きく影響され、測定スパンLに生じたひずみεの殆どがギャップgの位置にあるブリッジ部8のセンサ箔1に集中する。
本実施例のセンサ箔形状によれば、ひずみが狭隘部に集中するため実質的なひずみ率を増倍するため、破断ひずみεfがたとえば20%以下の材料であれば比較的容易に破断するように構成することができる。
ただし、ひずみ伝達片2も応力を受けて歪むので、センサ箔1に伝達するひずみは断面積比などにより若干緩和される。そこで、正確な測定には、これらの緩和率を実験的に算出して補正することが必要である。
センサは長さ200mm以下の小型に形成され、測定には構造表面に貼付するだけでモニタと接続する配線などが不要であるので、測定点が増えても測定コストが膨大化するようなことはない。
グラフは、横軸をひずみ感知センサのセンサ箔が破断するときの応力の理論値、縦軸をその実測値にとり、狭隘部の線幅dをパラメータとして実験結果をプロットしたものである。線幅が50μm,100μm,200μmの3ケースについて、測定対象部材に応力を生じさせて破断した時の応力を求めた。本実験では、測定スパンLを40mm,60mm,80mmと変えることにより、同じ線幅における破断応力を変えた。なお、線幅50μmではギャップ200μm、線幅100μmと200μmではギャップ100μmで試験している。
実験結果から、理論値と実測値はかなりよく一致しており、一定の制約下ではセンサとして使用できることが分かる。
本態様のセンサは、1対のひずみ伝達片11の間にひずみ発生方向に沿ったギャップ部を設けて、このギャップを挟んでセンサ箔12の狭隘部13を配設したものである。
狭隘部13の局所ひずみが材料の破断伸びを越えると破断することに基づいて、測定対象部材に負荷されたひずみが閾値を越えたことを感知するものである。なお、ひずみ伝達片11とセンサ箔12の間に電気絶縁層を形成し、センサ箔12に形成された電極部14を介して電気的に感知するようにしてもよい。
図6に示すように、ブリッジを形成する狭隘部13を部材の伸び方向に傾けるようにすると、部材の伸びと縮みで狭隘部が伸長する場合と圧縮する場合に分かれて破損強度が異なるので、伸びと縮みで異なる感度を有するセンサになる。
なお、図6に示したセンサは、2個のセンサが点対称に配置されていて、二重測定により測定確度を向上させたものである。
ひずみ伝達片15がギャップ部17を挟んで対向し、センサ箔16がひずみ伝達片15の縁まで覆うのではなく少し内側に退いた形状に形成されている。したがって、ブリッジ18を形成する狭隘部は上記の各態様より長くなり、センサ箔16がひずみ伝達片15によく固着している場合でもひずみ率が緩和する可能性があるが、ブリッジ部18の破断状態はよく判定できる。
また、ブリッジ部18の最狭部における寸法精度は簡単に確保できるので、測定の再現性は向上する。
第2実施例のひずみ感知センサは、ひずみ伝達片とセンサ箔が同じ材料から形成された1枚構造であることを特徴とする。
図8の平面図および図9の断面図を参照すると、1対のひずみ伝達片21がギャップ部22を挟んで対向配置し、周囲を枠体25で囲繞した金属薄膜でひずみ感知センサが形成される。
ギャップ部22には、ブリッジ部24が形成される。ブリッジ部24は、ひずみ伝達片21の部分より肉厚が薄く、たとえばひずみ伝達片21の厚みが200μmであるのに対して20μmの厚さになるように形成される。
なお、測定対象部材30に適用するときは、ひずみの測定範囲に応じて、測定スパンが所定の値になるように、ひずみ伝達片21の適当な位置をスポット溶接23で測定対象部材に固定する。
なお、薄膜基板29は、熱膨張率が小さいインバーで形成することが推奨される。
ひずみ伝達片31の長さは2枚合わせて100mm余りあり、測定スパンは100mm以下の適当な値、たとえば約60mm,80mm,100mmという風に選択できる。
なお、これらの寸法は検出したいひずみ量に対応して変更することができる。
狭隘部34の破断に基づいて、測定対象部材に負荷されたひずみが閾値を越えたことを感知する。破断は目視で確認することができる。
図11の態様は、ひずみ伝達片に一体に形成された狭隘部が伸長して破断することにより測定対象部材のひずみを感知するもので、図面では伸長と圧縮の2つの方向のひずみを測定できるように複合されたセンサが表わされている。
こうして、2つのセンサが分担して圧縮方向と伸長方向のひずみを監視するので、これらを1枚の薄膜基板43に並置して機能を複合し、両方向のひずみ感知センサとすることができる。
図12に示すように、ブリッジ部47を測定対象部材の伸び方向に傾けるように形成すると、部材の伸びで狭隘部が伸長する場合には感知能力が高いが部材の圧縮で圧縮する場合は破損しにくく感知能力が劣るので、傾きを逆にした1対のブリッジ部47を形成して、両方向共にひずみが閾値を越えたことを感知できるようにしたものである。
本図の態様は、ひずみ伝達片48,49の間に形成されるギャップ部50がひずみの検出方向に対して傾きを持つことを特徴とする。ブリッジ部51はギャップ部50に垂直に形成されるため、ひずみの方向に対して角度を持ち、ブリッジ部51の狭隘部はせん断破断をするので破断しやすく、感知感度が向上する。
本実施例のひずみ感知センサは、狭隘部を有するセンサ箔が、ひずみ伝達片と異なる金属で直接ひずみ伝達片表面に形成されることを特徴とする。
図14と図15から、本実施例のひずみ感知センサは、1対のひずみ伝達片52の間に形成されるギャップ部にセンサ箔53を渡して、その中央部に両縁側からスリットを設けて狭隘な残存部を残すようにしたひずみ感知部54を備えたものを薄膜基板55に固定したものである。ひずみ伝達片52の適当な位置56でスポット溶接などの方法により測定対象部材に固定して測定スパンを決定する。
なお、ひずみ伝達片52に対するセンサ箔53の層厚比が大きいほど、応力集中率が高くなり、ひずみがセンサ箔に大きく配分されて狭隘部で破断し易くなる。
ひずみ感知部54に応力が作用すると、スリット先端の片方あるいは両方に2本の小さい亀裂が発生して変形帯を形成し、両側の変形帯が徐々に進展してやがて合体し破断に至る。
ひずみ感知センサは薄膜基板64の上に固定された状態で利用に供される。
このひずみ感知センサは、たとえば回転軸71の表面にギャップ68が軸方向に来るように置いて、ひずみ伝達片66の端部70を回転軸71に固定して用いる。回転装置を運転したときに、狭隘部の伸長方向に発生する捻れひずみが予め決めた閾値を越えていなかったかを感知することができる。
なお、反対方向の捻れひずみに対しては感度が低く、感知が難しい。
本実施例のひずみ感知センサは、測定対象部材のひずみが無くなった後にヒステリシスによりセンサ部品に残った残留ひずみを拡大して示すようにして、ひずみ履歴を推定するものである。センサ部品は破断には至らないが、変形することにより測定対象部材のひずみを感知することができる。
本実施例のひずみ感知センサは、ひずみ伝達片81を形成する金属薄膜をエッチングして、あるいは電鋳法などにより堆積して、整形される単層型センサである。なお、図18には表記を省略したが、ひずみ感知センサは、上記説明した各実施例のセンサと同様、薄膜基板に固定することにより、部品の位置関係を正しく維持しやすくすることが好ましい。
柱部82の根本を測定対象部材の表面に固定し、てこ部83のヒンジ部86近傍の枠体部分を測定対象部材の表面に固定する。
本発明のひずみ感知センサは、薄くて小型なセンサシートの形で供給することができ、狭い表面にも容易に適用することができる。また、感知結果は目視、あるいはテスタなどで簡単に知ることができる。したがって、適用や測定のコストは従来より大きく減少し、装置に対して解析に十分な多数の測定箇所を設定しても過大な費用を要しない。
2 ひずみ伝達片
3 絶縁膜
4 薄膜基板
5 測定対象部材
6 枠体
7 スポット溶接部
8 ブリッジ部
9 ブリッジ部に隣接する部分
10 電極部
11 ひずみ伝達片
12 センサ箔
13 ブリッジ部
14 電極部
15 ひずみ伝達片
16 センサ箔
17 ギャップ部
18 ブリッジ部
21 ひずみ伝達片
22 ギャップ部
23 スポット溶接部
24 ブリッジ部
25 枠体
26 ブリッジ部薄膜帯
27 スリット
28 残存部
29 薄膜基板
30 測定対象部材
31 ひずみ伝達片
32 ギャップ部
33 ブリッジ部
34 狭隘部
35 薄膜基板
36 ひずみ伝達片
37 狭隘部
38,39 ひずみ伝達片
40 狭隘部
41,42 スポット溶接固定位置
43 薄膜基板
44,45 ひずみ伝達片
46 ギャップ部
47 ブリッジ部
48,49 ひずみ伝達片
50 ギャップ部
51 ブリッジ部
52 ひずみ伝達片
53 センサ箔
54 ひずみ感知部
55 薄膜基板
56 固定位置
57 ひずみ伝達片
58 ギャップ部
59 センサ箔
60 ブリッジ部
61 ひずみ伝達片
62 センサ箔
63 ブリッジ部
64 薄膜基板
65 固定部
66 ひずみ伝達片
68 ギャップ
67 センサ箔
69 薄膜基板
70 固定端部
71 回転軸
81 ひずみ伝達片
82 てこ部
83 柱部
84 枠体
85 狭隘部
86 ヒンジ部
87,88 固定位置
Claims (13)
- 薄膜基板と少なくとも1対のひずみ伝達片とセンサ箔からなり、該薄膜基板は測定対象に貼付されて該測定対象と共に歪むもので、前記ひずみ伝達片は該薄膜基板上に形成されそれぞれ一端が該薄膜基板に固定されており、前記センサ箔は断面積が前記ひずみ伝達片より小さい部分が前記対になったひずみ伝達片の間に渡されるように形成され、ひずみが該センサ箔の限度を超えると該センサ箔が破断することを特徴とするひずみ感知センサ。
- 前記1対のひずみ伝達片がひずみの検出方向に沿った方向に並んで配置され、前記センサ箔は該ひずみ伝達片が相互に離れる方向に歪むひずみを検知することを特徴とする請求項1記載のひずみ感知センサ。
- 前記1対のひずみ伝達片がひずみの検出方向に垂直の方向に並んで配置され、前記センサ箔は該ひずみ伝達片が相互にずれる方向に歪むひずみを検知することを特徴とする請求項1記載のひずみ感知センサ。
- 前記センサ箔は前記ひずみ伝達片の応力を集中して応力拡大する形状を有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のひずみ感知センサ。
- 前記センサ箔は前記ひずみ伝達片と同じ材料で両者を一体に形成することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のひずみ感知センサ。
- 前記ひずみ伝達片と前記センサ箔が電気良導体からなり、該ひずみ伝達片と該センサ箔の間に電気絶縁体薄膜が介装されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のひずみ感知センサ。
- 前記センサ箔が前記ひずみ伝達片の上まで広がって電極を形成することを特徴とする請求項6記載のひずみ感知センサ。
- 前記センサ箔は破断ひずみが20%以下の材料で形成されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のひずみ感知センサ。
- 前記薄膜基板がインバーで形成され、前記センサ箔がニッケルで形成されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のひずみ感知センサ。
- 薄膜基板とひずみ伝達片からなり、該薄膜基板は測定対象に貼付されて該測定対象と共に歪むもので、前記ひずみ伝達片は該薄膜基板上にてこ部と柱部を有する形状に形成され、該てこ部がヒンジ部を介して前記薄膜基板に固定され、該柱部の根本が前記薄膜基板に固定されると共に先端がヒンジ部を介して前記てこ部のヒンジ部の近傍に連結されていることを特徴とするひずみ感知センサ。
- 前記薄膜基板がインバーで形成され、前記ひずみ伝達片がニッケルで形成されることを特徴とする請求項10記載のひずみ感知センサ。
- 前記ひずみ伝達片は該ひずみ伝達片を囲繞し該ひずみ伝達片の一部が接続する補強枠を備え、該ひずみ伝達片と該補強枠は同じ1枚の薄膜材料から形成されることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載のひずみ感知センサ。
- 前記ひずみ伝達片は電鋳法、エッチング、型抜き法のいずれかで形成されることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載のひずみ感知センサ。
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