JP2009540301A - ひずみセンサーのせん断ひずみ試験の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

ひずみセンサーを試験、評価及び／又は較正する方法及び装置。一様なせん断ひずみ領域を有する試験梁（１２）は長手軸の両端を一様な力のクランプアセンブリ（１４）及び（１６）により固定されている。直線的な試験梁の一端の第一のクランプアセンブリ（１４）は、定位置で前記試験梁（１２）を固定するように設定され、一方、他端の第二のクランプアセンブリ（１６）は長手軸周りに試験梁（１２）にトルクを加えることができるよう設定されている。第二のクランプアセンブリ（１６）に動作可能なように近接している変位センサー（６０）は加えられたトルクに対して長手軸周りの試験梁（１２）の偏位を示すデータを提供し、一方、トルクセンサー（６２）は実際に加えられたトルクを示すデータを提供する。実質的にせん断ひずみの一様な領域において試験梁（１２）の表面に配置された１以上のひずみセンサー（６４）からの出力信号を、直線的な試験梁（１２）の偏位、加えられたトルク、及び温度のような随意の環境変数に関して試験及び／又は較正することができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２００６年６月９日に提出された米国仮出願第６０／８０４，２９６号（発明の名称：ひずみセンサーのせん断ひずみ試験の方法及び装置）について優先権を主張し、当該出願を参照することにより本願に援用する。

本発明は、概して試験及び較正の方法に関し、特に、様々な温度における、加えられたせん断ひずみに対するひずみセンサーの反応の試験及び較正についての方法及び装置、及び、様々な温度における、加えられたせん断ひずみに対する材料の反応を測定する方法に関する。

センサーを試験及び／又は較正するとき、その試験プロセスに未知の環境変数が入り込むのを避けるため制御環境下でその方法を行う必要がある。ひずみセンサーを試験及び／又は較正するとき、その試験及び／又は較正方法は、高度な再現性を有していることが重要である。さらに、複数のセンサーを同時に又は順に、試験及び／又は較正するとき、各センサーが実質的に同じ操作条件に置かれることが必要である。

ひずみセンサーは、当該ひずみセンサーが取り付けられている物体に作用するせん断ひずみ力（shear-strain forces）、特に、物体のひずみセンサーの取り付け位置に近接するせん断ひずみ力を示す出力信号を提供するように設計されている。物体の異なった位置に配置されたセンサーは、物体それ自体の形状によって、物体に加えられた力に対する異なるレベルのせん断ひずみ力を受けるかもしれない。したがって、もしセンサーが、物体に繰り返し着脱されると、ひずみセンサーによってその物体に作用する再現性のあるせん断ひずみ力の測定結果を得ることは難しい。これは、毎回同じ取り付け位置にセンサーを再配置することが難しいという単純な事実に起因する。物体の異なった位置では、入力される力に応じて受けるせん断ひずみ力が異なるため、その物体へのひずみセンサーの配置が異なることにより、その後の試験又は較正方法におけるせん断ひずみ力の測定結果が異なってしまう可能性がある。

同様に、検体への取り付け位置が異なると、加えられた力に対する反応が異なる可能性があるので、加えられた力について同時に複数のひずみセンサーの反応を較正及び／又は試験することは難しくなる。

しかしながら、有限要素解析により、平らな長手方向梁やその長手方向軸周りにねじれたような検体の形状では、図１に示すように、一様なせん断ひずみの大きな表面積を作り出すことがわかった。この一様なせん断ひずみ領域に取り付けられたひずみセンサーの反応は、梁上の取り付け位置に影響を受けるが、無視し得る。これにより同時又は連続的に、測定及び定量化できる、例えば、モーメントのような梁に加えられたねじり力（twisting force）の関数としてひずみセンサーの正確な試験及び較正が容易となる。

従って、検体の表面のかなりの領域において、ひずみセンサーの取り付け位置に実質的に影響を受けない、検出可能な加えられたひずみに対するひずみセンサーの反応を評価及び／又は較正する装置及び試験方法を提供することは有利である。さらに、再現性のある結果を得ることができる試験装置や、例えば、温度のような様々な環境条件で利用できる試験装置を提供することは有利である。

簡潔に述べると、本発明は、ひずみセンサーの試験、評価、及び較正の装置を提供する。該装置は、クランプアセンブリ（clamp assemblies）により長手方向軸の両端に固定された直線的な試験梁（test beam）を含む。直線的な試験梁の一端の第一のクランプアセンブリは、定位置にその直線的な試験梁を保持するように形状が決められており、一方、他端の第二のクランプアセンブリは、梁の長手方向軸周りにその直線的な試験梁にトルクを加えるように形状が決められている。第二のクランプアセンブリに対して有効な近さにある変位センサーは、加えられたトルクに対する反応において、長手方向軸周りのその直線的な試験梁の偏位を表すデータを提供し、一方、トルクセンサーは、実際に加えられたトルクを表すデータを提供する。実質的に一様なせん断ひずみ領域において、直線的な試験梁の表面に配置された１以上のひずみセンサーからの出力信号は、直線的な試験梁のねじり偏位及び加えられたトルクとの関連で較正することができる。

本発明のひずみセンサーを試験及び／又は較正する方法では、初めに直線的な試験梁上の一様なせん断ひずみ領域を特定する必要があり、その領域内の直線的な試験梁に試験及び／又は較正される１以上のひずみセンサーを固定しても良い。ひずみセンサーを直線的な試験梁に固定した時点で、試験梁の一端に長手方向軸周りにトルクを加えながら、その直線的な試験梁を、定位置で試験梁の他端を固定しながら長手方向軸周りにねじる。前記梁の物理的偏位と加えられたトルクの測定結果を得て、梁に固定されたひずみセンサーからの出力信号の評価及び／又は較正に利用する。

本発明の他の方法では、直線的な試験梁に関連する温度のような環境条件を管理された方法で変化させ、多様な環境条件の関数として、梁に固定されたひずみセンサーからの出力信号を試験及び／又は較正する。

本発明の上述した特徴及び利点、並びに現在の最良の形態を、添付図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

尚、全図面を通して参照番号の同じものは同じ部分を示している。

図１は、梁表面にせん断ひずみの分布を示した試験装置梁の斜視図である。 図２Ａは、設定された試験装置梁の側面図である。 図２Ｂは、図２Ａの実施形態である設定された試験装置梁の上面図である。 図３は、使用中の較正及び試験ユニット全体の斜視図である。 図４は、図３の較正及び試験ユニットの梁回転末端の斜視図である。 図５は、図３の較正及び試験ユニットの梁固定末端の斜視図である。 図６は、試験梁装置に取り付けられたひずみセンサーの斜視図である。

以下に示す詳細な説明は本発明の例示であり、本発明を限定するものではない。この記載は、当業者が本発明を理解し利用できるようにするものであり、本発明を実施するための最良の形態と現在考えられるものを含め、本発明のいくつかの実施形態、適用、変更、代替及び使用を示す。

図１〜６において、ひずみセンサーの試験及び較正の装置１０の実施形態は、クランプアセンブリ１４及び１６の組により、長手方向Ｘ軸の両端を固定された直線的な試験梁１２を含む（図３）。図示された直線的な試験梁１２は直方体の形態をしているが、図１に示されるような、加えられたトルクに対する実質的に大きな一様なせん断ひずみ領域を有する他の形態や形状を用いても良い。試験梁１２は、等方性の材料から成ることが好ましいが、随意に異方性を有する材料から成る試験梁を用いても良い。

試験梁１２を固定するための、試験梁１２の一端に隣接する第一のクランプアセンブリ１４は、ボルト２４及びナット２６のような１以上の留め具により固定板２２及び２３の間に固定され、試験梁１２のＸ軸を横断するように配向した２組の円筒棒１８及び２０からなる（図２Ａ及び２Ｂ）。円筒棒１８又はロッドの１組目は、試験梁１２の上面２８に隣接して配置され、一方、円筒棒２０又はロッドの２組目は、試験梁１２の下面３０に隣接して配置される。図２Ａに最もよく表わされているように、上面２８上の円筒棒１８又はロッドは、下面に接している円筒棒２０又はロッドと、Ｘ軸の同一平面上の接触線を共有している。上側の固定板２２は、クランプアセンブリ１４内で梁１２の配置を容易にするため、試験梁１２から着脱可能か、移動可能であることが好ましく、一方、下側の固定板２３は、安定した支持体表面３２に対して定位置に固定されている（図３）。上側及び下側の円筒棒１８及び２０の組の間に試験梁１２が配置され、ボルト２４をしっかり締めることで、固定板２２及び２３並びに円筒棒１８及び２０を通して試験梁１２にクランプ力が働く。試験梁１２の幅方向にクランプ力を確実に一様に分配させるため、図３及び５に示すように、ボールジョイント３４を固定板２２の一つと、ボルト２４がクランプ力を働かせるカバープレート３６の間に配置しても良い。このクランプの配置により、試験梁１２に対する再現性があり一様なクランプ力がもたらされ、試験梁１２を安定した支持体表面３２に対する定位置に保持する。本発明の範囲内で、一様で再現性のあるクランプ力を有しながら、定位置に試験梁１２の一端を固定するための他の配置を用いても良い。締め付けを高めるため、試験梁１２は適当な粗さを有していることがよく、約０．１ｒｍｓマイクロから約１０ｒｍｓマイクロが好ましい。試験梁１２が滑らかすぎると低摩擦により締め付けが難しい。試験梁１２が粗すぎると、試験梁の表面がすり減り易くなる。

試験梁１２の他端の第二のクランプアセンブリ１６は、第一のクランプアセンブリ１４と類似している（図２Ａ及び２Ｂ）。第二のクランプアセンブリ１６は、ボルト４６及びナット４８のような１以上の留め具により、固定板４２及び４４の間に固定され、試験梁１２のＸ軸を横断するように配向した２組の円筒棒３８及び４０からなる（図２Ａ及び２Ｂ）。図２Ａに最もよく表わされているように、円筒棒３８又はロッドの１組目は、試験梁１２の上面２８に隣接して配置され、一方、円筒棒４０又はロッドの２組目は、試験梁１２の下面３０に隣接して配置される。上側の固定板４２は、クランプアセンブリ１６内で梁１２の配置を容易にするため、試験梁１２から着脱可能か、移動可能であることが好ましく、一方、下側の固定板４４は、クランプ支持フレーム５０に対して定位置に固定されている（図３）。試験梁１２にクランプ力を確実に一様に分配させるため、図４に示すように、ボールジョイント５２を固定板４２の一つと、ボルト４６がクランプ力を働かせているカバープレート５４との間に配置しても良い。このクランプの配置により試験梁１２に対する再現性があり、一様なクランプ力がもたらされ、試験梁１２をクランプアセンブリ１６に対する定位置に保持する。本発明の範囲内で、一様で再現性のあるクランプ力を有しながら定位置に試験梁１２の一端を固定するための他の配置を用いても良い。

第二のクランプアセンブリ１６のクランプ支持フレーム５０は、長手方向Ｘ軸周りに試験梁１２に制御したトルクを加えるように形状が決められている回転アセンブリ５６に連結している（図３）。安定した表面３２に対する定位置に固定された回転アセンブリ５６と、第二のクランプアセンブリにより固定された試験梁のＸ軸との間の軸のずれを調整するため、回転アセンブリ５６は軸受台構造５８を組み込んでいる。軸のずれを調整する間、軸受台構造５８は、試験梁１２のＸ軸方向のねじれの収縮も可能にしなければならない。ねじ（screw）及びカム（cam）配置のような手段によって手動で制御したトルクを加えても良いし、又は何らかの好適な制御機構を利用して自動で行っても良い。

第二のクランプアセンブリ１６のクランプ支持フレーム５０に対して、有効な近さに少なくとも一つの変位センサー６０を配置し、加えられたトルクに対する直線的な試験梁１２の長手方向Ｘ軸周りの偏位を示すデータを提供する（図２Ａ）。センサー出力信号の異なる組み合わせが回転の測定結果を提供するように、１つの変位センサー６０は、長手方向Ｘ軸の各側面のクランプ支持フレーム５０に対して動作可能なように近接して位置することが好ましい。変位センサー６０は、レーザー、容量変位センサー（capacitive displacement sensors）、及び誘導変位センサー（inductive displacement sensors）を含む公知の変位センサーのいずれであっても良い。

回転アセンブリ５６が試験梁１２に加えるトルクを測定するため、トルクセンサー６２を、回転アセンブリ５６と試験梁１２の間に動作可能なように配置し、該トルクセンサー６２から試験梁に実際に加えられるトルクを示すデータが提供される。

装置１０では、一様なせん断ひずみ領域内で試験梁１２の上面２８及び下面３０に１以上のひずみセンサー６４を取り付けることで、１以上のひずみセンサー６４の較正及び試験を行うことができる。該一様なせん断ひずみ領域は、試験梁１２の長手方向Ｘ軸に対して４５°であることが好ましい（図６）。いかなる種類のひずみセンサーも試験及び／又は較正することができる。例えば、これらに限定されないが、金属箔ひずみセンサー（metal-foil）、半導体ひずみセンサー、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）ひずみセンサー、容量ひずみセンサー、誘導ひずみセンサー、ピエゾ抵抗ひずみセンサー、光学ひずみセンサー、及び表面弾性波ひずみセンサー（ＳＡＷ）が挙げられる。ひずみセンサー６４は試験梁１２に適切な方法で取り付けることができる。例えば、これらに限定されないが、接着、締め付け、及びボルト締めが挙げられる。試験梁１２の表面２８及び３０上に位置しているひずみセンサー６４からの出力信号は、変位センサー６０が観測した試験梁１２の偏位、及びトルクセンサー６２が観測した加えられたトルクとの関係から較正しても良い。

装置１０を、オーブン又は冷蔵庫のような制御された環境に置くことで、温度のような環境変数を選択的に変化させ、試験梁１２の表面２８及び３０上のひずみセンサー６４からの出力信号を試験及び／又は較正するための追加データを提供することができる。他の制御される環境変数としては、例えば、これらに限定されないが、圧力、湿度、電場、及び磁場が挙げられる。

試験梁１２上にひずみセンサー６４が１つも配置されない場合、又はごくわずかな反動力（reaction forces）を有するひずみセンサー６４のみが用いられる場合には、トルクセンサー６２の加えられたトルクの測定を、加えられたせん断ひずみの測定（変位測定結果に由来する）と合わせて、試験梁１２自体の剛性率の評価を提供してもよい。

他の実施形態では、試験梁１２の一様なせん断ひずみ領域に基準ひずみ計を取り付け、ひずみ計６４を較正するためのせん断ひずみの測定データを提供することができる。ひずみ計６４を較正するために、基準ひずみ計を単独で又は変位センサー６０及びトルクセンサー６２と共に用いることができる。

ひずみセンサー６４を試験及び／又は較正する方法では、初めに試験梁１２上の一様なせん断ひずみ領域を特定する必要があり、その領域内に試験及び／又は較正する１以上のひずみセンサー６４を固定しても良い。ひずみセンサー６４が直線的な試験梁１２に固定された時点で、試験梁１２の一端に長手方向軸周りにトルクを加えながら、その直線的な試験梁１２を、定位置で試験梁１２の他端を固定しながら長手方向軸周りにねじる。長手方向Ｘ軸周りの試験梁１２の物理的偏位と加えられたトルクの測定結果を得て、梁に固定された様々なひずみセンサー６４からの出力信号の試験及び／又は較正に利用する。

本発明の他の方法では、試験サイクル間で温度のような、試験梁１２に関連する環境条件を管理された方法で変化させ、多様な環境条件の関数として、梁１２に固定されたひずみセンサー６４からの出力信号を試験及び／又は較正する。これは装置１０全体を加熱及び冷却することや、試験梁１２及びひずみ計６４を囲む環境室のようなもので、試験梁１２及びひずみ計６４を局所的に加熱及び冷却することにより達成される。さらに具体的には、試験梁１２及びひずみ計６４は、試験梁１２に電流を送ることや誘導加温により、局所的に加熱することができる。

試験梁１２は、クロスカップリングエラー（cross-coupling errors）を測定するために四点曲げ較正／試験システムとともに用いることができる。

本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記説明に変更を加えることができ、上記記載又は添付図面に示されたすべての内容は、説明を目的としており、本発明を限定するものではない。

１０ 装置
１２ 試験梁
１４ 第一のクランプアセンブリ
１６ 第二のクランプアセンブリ
１８、２０、３８、４０ 円筒棒
２２、２３、４２、４４ 固定板
２４、４６ ボルト
２６、４８ ナット
２８ 上面
３０ 下面
３２ 安定した表面
３４、５２ ボールジョイント
３６、５４ カバープレート
５０ クランプ支持フレーム
５６ 回転アセンブリ
５８ 軸受台構造
６０ 変位センサー
６２ トルクセンサー
６４ ひずみセンサー

Claims (20)

1. 以下の工程を含む、少なくとも１つのひずみセンサーの出力を較正する方法。
   当該各ひずみセンサーを、試験梁の実質的にせん断ひずみが一様な領域内に配置する工程、
   当該試験梁の一端を定位置に固定する工程、
   当該第一の端と反対側の第二の端において、当該試験梁の長手方向軸周りにトルクを加える工程、
   当該長手方向軸周りの当該試験梁の変位及び当該加えられたトルクを含むパラメーターからなる群より選択される、少なくとも１つの当該試験梁のパラメーターを測定する工程、
   当該各ひずみセンサーから関連する出力信号を得る工程、並びに
   当該変位の測定結果及び当該トルクの測定結果の少なくとも１つで、当該関連する各出力信号を較正する工程。
2. 前記測定する工程において、前記長手方向軸周りの前記試験梁の前記変位、及び前記加えられたトルクを測定する工程を含み、
   さらに当該試験梁の剛性率を決定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記試験梁に近接する少なくとも１つの環境変数を測定する工程、及び
   前記測定した環境変数で、前記関連する出力信号を較正する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記環境変数が温度である、請求項３に記載の方法。
5. 以下の要素を含む、少なくとも１つのひずみセンサーの出力を試験及び／又は較正する装置。
   一様なクランプ力を加えるように設定され、固定表面に対して固定されている第一のクランプアセンブリ、
   一様なクランプ力を加えるように設定され、当該第一のクランプアセンブリから離れて回転アセンブリに固定されている第二のクランプアセンブリ、
   長手方向軸、及びひずみの測定結果を得るために動作可能なように固定されていても良い少なくとも一つのひずみセンサーを有する一様なせん断ひずみ領域を有し、両端を当該第一及び第二のクランプアセンブリにより固定されている試験梁、
   当該第二のクランプアセンブリを通して、当該試験梁に当該長手方向軸周りにトルクを加えるよう設定されている、当該回転アセンブリ、並びに
   前記試験梁に関連する、回転変位及び加えられたトルクを含むパラメーターからなる群より選択されるパラメーターを測定するために動作可能なように位置している、少なくとも１つのセンサー。
6. 前記センサーが、第二のクランプアセンブリの前記長手方向軸周りの回転変位を測定するために動作可能なように位置している少なくとも１つの変位センサーを含む、請求項５に記載の装置。
7. 前記センサーが、前記加えられたトルクを測定するために動作可能なように位置しているトルクセンサーである、請求項５に記載の装置。
8. 少なくとも１つのひずみセンサーが、金属箔ひずみセンサー、半導体ひずみセンサー、マイクロエレクトロメカニカルシステムひずみセンサー、容量ひずみセンサー、誘導ひずみセンサー、ピエゾ抵抗ひずみセンサー、光学ひずみセンサー、及び表面弾性波ひずみセンサーからなる群より選択される、請求項５に記載の装置。
9. 前記試験ビームに近接する少なくとも１つの環境変数を選択的に制御する手段をさらに含む、請求項５に記載の装置。
10. 前記環境変数が温度である、請求項９に記載の装置。
11. 前記固定表面に固定されている前記第一のクランプアセンブリが、下側の固定板、下側の横断する締め付け円筒棒の組、上側の横断する締め付け円筒棒の組、上側の固定板、並びに、前記上側及び下側の固定板の間で、前記上側及び下側の締め付け円筒棒を固定している少なくとも１つのボルトを含み、前記試験梁の一端は、前記上側及び下側の横断する締め付け円筒棒間で、前記長手方向軸方向に締め付けられている、請求項５に記載の装置。
12. 前記第一のクランプアセンブリが、さらにクランプ力を一様に分配するように設定されている少なくとも１つのボールジョイントを含む、請求項１１に記載の装置。
13. 前記回転アセンブリに固定されている前記第二のクランプアセンブリが、下側の固定板、下側の横断する締め付け円筒棒の組、上側の横断する締め付け円筒棒の組、上側の固定板、並びに、前記上側及び下側の固定板の間で、前記上側及び下側の締め付け円筒棒を固定している少なくとも１つのボルトを含み、前記試験梁の一端が、前記上側及び下側の横断する締め付け円筒棒間で、前記長手方向軸方向に締め付けられている、請求項５に記載の装置。
14. 前記第二のクランプアセンブリが、さらにクランプ力を一様に分配するように設定されている少なくとも１つのボールジョイントを含む、請求項１３に記載の装置。
15. 前記回転アセンブリが、前記回転アセンブリと前記試験梁の前記長手方向軸との間の軸のずれを調整するための軸受台部品を含む、請求項５に記載の装置。
16. 前記軸受台部品が、加えられたねじれによる前記試験梁の前記長手方向軸に沿った収縮を調整するように設定されている、請求項１５に記載の装置。
17. 前記試験梁が等方性を有する材料からなる、請求項５に記載の装置。
18. 前記試験梁が異方性を有する材料からなる、請求項５に記載の装置。
19. 前記変位センサーが、レーザー、容量センサー、及び誘導変位センサーからなる群より選択される、請求項５に記載の装置。
20. 以下の工程を含む、試験梁の剛性率を測定する方法。
    ごくわずかな反動力を有するひずみセンサーを、試験梁の実質的にせん断ひずみが一様な領域に随意に配置する工程、
    当該試験梁の一端を定位置に固定する工程、
    当該第一の端と反対側の第二の端において当該試験梁の長手方向軸周りにトルクを加える工程、
    当該長手方向軸周りの当該試験梁の変位を測定する工程、
    当該加えられたトルクを測定する工程、並びに
    当該変位の測定結果及び当該トルクの測定結果から当該試験梁の剛性率を決定する工程。

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