JP2019060645A - ひずみゲージ - Google Patents

Abstract

【課題】コストの低減、測定対象物への取付時の作業性の向上を図ることができ、さらに、測定対象物の変形形状の推定装置全体としてのコンパクト化を図ることができるひずみゲージの提供。【解決手段】ひずみゲージ１は、可撓性を有する絶縁性のゲージベース２と、測定対象物のひずみを感知するグリッド部３とを備える。グリッド部３は、複数の直線状の抵抗素子６が蛇行状に接続されて形成されており、ゲージベース２にグリッド幅方向へ沿って複数設けられる。各グリッド部３において抵抗素子６を囲む素子領域９を仮想したとき、各素子領域９内の抵抗素子６のグリッド長さ方向の長さを異ならせることで、各素子領域９の形状を異ならせている。【選択図】図１

Description

本発明は、ひずみゲージに関するものである。

従来、ひずみゲージ（箔ゲージ）は、絶縁性を有する薄板状のゲージベースと、このゲージベース上にフォトエッチング加工により蛇行状に形成される金属箔とを備える。このひずみゲージは、測定対象物に直接または間接に設けられる（下記特許文献１）。

特開２００３−９０７７２号公報

しかしながら、従来のひずみゲージは、単体では計測される抵抗値から測定対象物の変形形状を推定することができない。これは、ひずみゲージが上記構成であるので、測定対象物の変形形状が異なっている場合において、計測される抵抗値の変化に差異がないからである。そこで、従来では、測定対象物に長さ方向へ沿って多数のひずみゲージが取り付けられる。これにより、各ひずみゲージにおいて計測される抵抗値の変化に差異が生じるので、測定対象物の変形形状を推定することができる。

この場合、多数のひずみゲージが必要となると共に、変形形状推定時の分解能がひずみゲージの数に依存することになるので、コストおよび取り付け時の手間がかかる。また、多数のひずみゲージが用いられるので、これが接続されるＡＤ変換器も多数必要となる。また、多数のひずみゲージが用いられるので、ＡＤ変換器との間に多くの配線が存在することになる。従って、装置全体として、大型化してしまう。さらに、ひずみゲージおよびＡＤ変換器が多数用いられるので、それらの故障のリスクが増大する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、コストの低減、測定対象物への取付時の作業性の向上を図ることができ、さらに、測定対象物の変形形状の推定装置全体としてのコンパクト化を図ることができるひずみゲージを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るひずみゲージは、可撓性を有する絶縁性のゲージベースと、測定対象物のひずみを感知するグリッド部であり、複数の直線状の抵抗素子が蛇行状に接続されて形成され、両端部の前記抵抗素子にゲージリードが接続されるグリッド部とを備え、前記グリッド部は、前記ゲージベースにグリッド幅方向へ沿って複数設けられており、各グリッド部において前記抵抗素子を囲む素子領域を仮想したとき、各素子領域内の前記抵抗素子のグリッド長さ方向の長さが異なることで、前記各素子領域が異なった形状に形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係るひずみゲージは、前記各グリッド部の前記ゲージリードの接続部は、グリッド長さ方向一方側に配置されることを特徴とする。

さらに、本発明に係るひずみゲージは、前記全素子領域を囲む包括領域を仮想したときに、前記包括領域の形状は、グリッド長さ方向一方から他方へ行くに従って、前記測定対象物の変形時の抵抗値の変化が小さくなるように形成されることを特徴とする。

本発明に係るひずみゲージによれば、仮想された各素子領域内の抵抗素子のグリッド長さ方向の長さを異ならせることで、各素子領域の形状を異ならせている。これにより、測定対象物の変形形状に対応して、計測される抵抗値の変化に差異を生じさせることができる。従って、測定対象物の変形形状を推定する際、用いられるひずみゲージの数を従来よりも少なくすることができるので、ひずみゲージにかかるコストの低減、およびひずみゲージの測定対象物への取付時の手間の低減を図ることができる。また、用いられるひずみゲージの数を少なくすることで、それが接続されるＡＤ変換器の数を少なくすることができ、これにより、ひずみゲージとＡＤ変換器との間の配線も少なくすることができる。従って、装置全体のコンパクト化を図ることができ、ひずみゲージやＡＤ変換器の故障のリスクを低減することができる。

また、本発明に係るひずみゲージによれば、各グリッド部のゲージリードの接続部がグリッド長さ方向一方側に配置されるので、測定時にゲージリードが邪魔になることを抑制することができる。従来では、測定対象物に多数のひずみゲージが取り付けられるので、変形した測定対象物の途中から多数のゲージリードが延出することになり、測定時においてゲージリードが邪魔になっていた。また、従来では、測定対象物の変形箇所にゲージリードが配置されることになるので、ゲージリードが損傷するおそれがあった。これに対し、本発明に係るひずみゲージは、上述したようにゲージリードの接続部が配置されるので、単体で測定する場合、測定対象物の変形箇所にゲージリードが配置されない。

さらに、本発明に係るひずみゲージによれば、抵抗値の変化をより明確に示すことができる。

本発明のひずみゲージの一実施例を示す概略正面図である。 図１のＡ部拡大図である。 図１のひずみゲージの変形形状を示す説明図である。 図１のひずみゲージの変形形状を示すグラフであり、（ａ）は実験１の場合、（ｂ）は実験２の場合、（ｃ）は実験３の場合を示している。

以下、本発明のひずみゲージの具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１から図３は、本発明のひずみゲージの一実施例を示す概略図であり、図１は正面図、図２は図１のＡ部拡大図、図３は変形形状を示す説明図である。本実施例のひずみゲージ１は、ゲージベース２と、このゲージベース２に設けられるグリッド部３、ゲージタブ部４、グリッド部３とゲージタブ部４との連接部５とを備える。

ゲージベース２は、可撓性を有する絶縁性のものである。本実施例では、ゲージベース２は、合成樹脂製とされ、弾性変形可能な長方形の薄板状に形成されている。すなわち、ゲージベース２は、長手方向両端部が互いに近接するように、または長手方向一端部が他端部へ近接するようにして、折り曲げることができる。

グリッド部３は、測定対象物のひずみを感知するものであり、複数の直線状の抵抗素子６が蛇行状に接続されて形成されている。具体的には、各抵抗素子６は、その長手方向がゲージベース２の長手方向へ沿うようにして、ゲージベース２の前面に設けられる。この際、隣接する抵抗素子６，６同士は、ゲージベース２の短手方向へ互いに離隔して配置されており、各離隔距離はほぼ同一とされている。隣接する抵抗素子６，６同士は、上述したように蛇行状となるように、端部同士が素子接続部７により接続される。

グリッド部３において、ゲージベース２の幅方向両端部に配置される抵抗素子６にはそれぞれ、ゲージリード８が接続される。具体的には、ゲージリード８は、ゲージタブ部４および連接部５を介して、抵抗素子６の下端部に接続される。各ゲージタブ部４は、略四角形状とされ、抵抗素子６と比較して幅広に形成されている。各連接部５は、抵抗素子６と同一の幅の直線状に形成されており、抵抗素子６の下端部とゲージタブ部４の上端部とを連接している。図１に示されるように、ゲージリード８は、その一端部がゲージタブ部４に接続されている。なお、本実施例では、ゲージリード８は、導電性接着剤によりゲージタブ部４に接続される。

本実施例のひずみゲージ１は、典型的には箔ゲージとされるので、抵抗素子６、素子接続部７、ゲージタブ部４および連接部５が一体形成される。すなわち、抵抗素子６、素子接続部７、ゲージタブ部４および連接部５は、ゲージベース２に、フォトエッチング加工により抵抗性材料からなる箔材をパターニングすることで形成される。なお、図示しないが、本実施例のひずみゲージ１は、グリッド部３、連接部５、ゲージタブ部４およびゲージリード８の一端部がフィルムにより覆われて保護される。

本実施例のひずみゲージ１のグリッド部３についてさらに説明する。本実施例では、グリッド部３は、ゲージベース２に複数（図示例では二つ）設けられる。この際、複数のグリッド部３は、ゲージベース２の幅方向である短手方向、すなわちグリッド幅方向へ沿って設けられる。ここで、各グリッド部３において抵抗素子６を囲む素子領域９を仮想したとき、各素子領域９内の抵抗素子６のグリッド長さ方向（ゲージベース２の長手方向）の長さが異なることで、各素子領域９が全て異なった形状に形成されている。各素子領域９の抵抗素子６は、グリッド長さ方向一端部が揃えられており、グリッド長さ方向一端部から他端部への延出寸法が異なって形成されている。

このようにして本実施例のひずみゲージ１では、ゲージベース２に形成される複数のグリッド部３をグリッド長さ方向へ沿って複数の領域に区分けしたときに、全ての領域においてグリッド幅方向の抵抗素子６の本数が異なるように、各素子領域９が異なった形状に形成される。なお、本実施例では、各グリッド部３のゲージリード８の接続部は、グリッド長さ方向一方側に配置されるのが好ましい。具体的には、各グリッド部３に接続されるゲージタブ部４がグリッド長さ方向一方側に配置される。

本実施例のひずみゲージ１ではさらに、前述した全素子領域９を囲む包括領域１０を仮想したときに、包括領域１０の形状は、グリッド長さ方向一方から他方へ行くに従って、測定対象物の変形時の抵抗値の変化が小さくなるように形成される。具体的には、複数のグリッド部３を一つとしてみたときに、その一つのグリッド部において、グリッド幅方向の抵抗素子６の本数がグリッド長さ方向一方から他方へ行くに従って少なくなるように形成される。

図示例では、ゲージベース２の前面に二つのグリッド部３がグリッド幅方向へ沿って設けられる。一方（左方）のグリッド部３ａでは、左方から右方へ行くに従って上下長さが長くなる複数の抵抗素子６が蛇行状に接続されている。具体的には、複数の抵抗素子６の下端部が揃えられた状態で、上方への延出寸法が左方から右方へ行くに従って長くなるように、各抵抗素子６がゲージベース２に形成されている。この際、上端部が素子接続部７で接続される一対の抵抗素子６，６は、長さがほぼ同一に形成されている。左右方向へ沿って互いに離隔して配置される複数の抵抗素子６の内、左端部に配置される最も短い抵抗素子６の下端部および右端部に配置される最も長い抵抗素子６の下端部にはそれぞれ、連接部５を介して、ゲージタブ部４が接続されている。

他方（右方）のグリッド部３ｂでは、長さがほぼ同一に形成された複数の抵抗素子６が蛇行状に接続されている。具体的には、複数の抵抗素子６の下端部が揃えられた状態で、上方への延出寸法がほぼ同一となるように、各抵抗素子６が形成されている。左右方向へ沿って互いに離隔して配置される複数の抵抗素子６の内、左端部に配置される抵抗素子６の下端部および右端部に配置される抵抗素子６の下端部にはそれぞれ、連接部５を介して、ゲージタブ部４が接続されている。

従って、一方のグリッド部３ａにおいて抵抗素子６を囲む一方の素子領域９ａは、斜辺が上下方向へ沿う略直角三角形状に形成される。また、他方のグリッド部３ｂにおいて抵抗素子６を囲む他方の素子領域９ｂは、長手方向が上下方向へ沿う略長方形状に形成される。このようにして抵抗素子６の上下長さを異ならせることで、一方の素子領域９ａの形状と他方の素子領域９ｂの形状とを異ならせることができる。図１に示されるように、包括領域１０は、略直角三角形状の一方の素子領域９ａおよび略長方形状の他方の素子領域９ｂを囲むので、略台形状に形成される。

本実施例のひずみゲージ１の場合、一方の素子領域９ａと他方の素子領域９ｂとが異なる形状に形成されているので、ひずみゲージ１の変形形状に対応して、計測される抵抗値の変化に差異を生じさせることができる。ここでは、図３に示す三つのパターンの変形形状についてそれぞれ比較する。そのために、図３（ａ）に示されるように、両素子領域９ａ，９ｂ内の複数の抵抗素子６の内、グリッド長さ方向の長さが最も長い抵抗素子６のグリッド長さ方向一端部と他端部との間で、両グリッド部３ａ，３ｂがグリッド長さ方向へ沿って三つの領域に区切られる。具体的には、ゲージタブ部４から遠い順に、領域Ａ、領域Ｂおよび領域Ｃとされ、各領域のグリッド長さ方向の長さはほぼ同一とされる。

そして、図３（ｂ）に示されるように、三つの変形形状それぞれに本実施例のひずみゲージ１を変形させる。図３（ｂ）に示される三つの変形形状の内、最も上側に示される変形形状（以下、第一形状という）は、領域Ａの箇所を湾曲させた形状とされる。また、最も下側に示される変形形状（以下、第二形状という）は、領域Ｃの箇所を湾曲させた形状とされる。さらに、それらの間に示される変形形状（以下、第三形状という）は、ひずみゲージ１全体を緩やかに湾曲させた形状とされる。

他方のグリッド部３ｂでは、素子領域９ｂが略長方形状に形成されるので、変形形状が異なったとしても、計測される抵抗値の変化は同じである。すなわち、第一形状の場合の他方のグリッド部３ｂの抵抗値変化、第二形状の場合の他方のグリッド部３ｂの抵抗値変化および第三形状の場合の他方のグリッド部３ｂの抵抗値変化は同一とされる。ここで、他方のグリッド部３ｂの抵抗値変化は、他方のグリッド部３ｂの領域Ａの抵抗値変化、他方のグリッド部３ｂの領域Ｂの抵抗値変化および他方のグリッド部３ｂの領域Ｃの抵抗値変化の合計である。

たとえば、第一形状の場合と第二形状の場合とを比較すると、第一形状の場合は、他方のグリッド部３ｂの領域Ａの抵抗値変化、他方のグリッド部３ｂの領域Ｂの抵抗値変化および他方のグリッド部３ｂの領域Ｃの抵抗値変化の順に、抵抗値変化が小さくなる。一方、第二形状の場合は、他方のグリッド部３ｂの領域Ａの抵抗値変化、他方のグリッド部３ｂの領域Ｂの抵抗値変化および他方のグリッド部３ｂの領域Ｃの抵抗値変化の順に、抵抗値変化が大きくなる。しかしながら、第一形状の場合の他方のグリッド部３ｂの抵抗値変化と第二形状の場合の他方のグリッド部３ｂの抵抗値変化とは同一となる。

一方のグリッド部３ａでは、素子領域９ａが略直角三角形状に形成されるので、変形形状が異なる場合、計測される抵抗値の変化が異なることになる。すなわち、第一形状の場合の一方のグリッド部３ａの抵抗値変化、第二形状の場合の一方のグリッド部３ａの抵抗値変化、および第三形状の場合の一方のグリッド部３ａの抵抗値変化は全て異なる。ここで、一方のグリッド部３ａの抵抗値変化は、一方のグリッド部３ａの領域Ａの抵抗値変化、一方のグリッド部３ａの領域Ｂの抵抗値変化および一方のグリッド部３ａの領域Ｃの抵抗値変化の合計である。

このようにして、第一形状の場合、第二形状の場合および第三形状の場合を比較した際、計測される抵抗値の変化に差異が生じる。これは、領域Ａ、領域Ｂおよび領域Ｃを比較した場合、グリッド部３の密度、すなわち配置される抵抗素子６の本数が異なるからである。具体的には、抵抗素子６の本数が多くなるほど、抵抗値の変化が大きくなる。本実施例では、領域Ａと領域Ｃとを比較した場合、領域Ｃの抵抗値の変化が領域Ａの抵抗値の変化よりも大きくなる。従って、本実施例のひずみゲージ１によれば、各素子領域９の形状を異ならせて計測される抵抗値の変化に差異を生じさせることで、ひずみゲージ１の変形形状、ひいてはひずみゲージ１が取り付けられる測定対象物の変形形状を推定することができる。

また、本実施例のひずみゲージ１の場合、前述したように単体で測定対象物の変形形状を推定することができるので、従来と比較して、使用されるひずみゲージの数を少なくすることができる。従って、ひずみゲージにかかるコストを低減することができると共に、ひずみゲージの測定対象物への取付時の手間を低減することができる。また、使用されるひずみゲージの数が少なくなるので、それが接続されるＡＤ変換器の数も少なくすることができる。ひずみゲージの数およびＡＤ変換器の数が少なくなることで、それらの間の配線も少なくすることができる。従って、測定対象物の変形形状の推定装置全体のコンパクト化を図ることができると共に、装置の故障のリスクを低減することができる。なお、ＡＤ変換器の数を少なくすることで、ＡＤ変換器にかかるコストを低減することができると共に、ＡＤ変換器とひずみゲージとの接続時の手間を低減することができる。

また、本実施例のひずみゲージ１の場合、各グリッド部３のゲージリード８の接続部は、ゲージベース２において、グリッド長さ方向一方側に配置される。従って、ゲージリード８を容易にまとめることができる。また、測定対象物の変形形状を推定する際、測定対象物の端部にゲージリード８を配置することができ、測定時においてゲージリード８が邪魔になることを抑制することができる。

また、本実施例のひずみゲージ１の場合、包括領域１０が台形状に形成されている。すなわち、図１において下方から上方へ行くに従って、左右方向へ配置される抵抗素子６の本数が少なくなっている。これにより、本実施例のひずみゲージ１によれば、図１において下方から上方へ行くに従って、ひずみゲージ１の変形時の抵抗値の変化が小さくなるように形成することができる。従って、抵抗値の変化をより明確に確認することができる。さらに、本実施例のひずみゲージ１の場合、測定対象物の変形形状を推定する際、図３で示した領域の数（図示例では領域Ａ，Ｂ，Ｃの三つ）を増やすことで、分解能を高くすることができる。

図４は、本実施例のひずみゲージ１により計測された抵抗値からひずみゲージ１の変形形状を推定した実験結果を示すグラフであり、（ａ）は実験１の場合、（ｂ）は実験２の場合、および（ｃ）は実験３の場合を示している。実験１から３で用いられる本実施例のひずみゲージ１は、ゲージベース２がＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）から形成されており、抵抗素子６、素子接続部７、ゲージタブ部４および連接部５が導電性接着剤（セメダイン株式会社製「ＸＸ−ＥＣＡ０５」）から一体形成されている。

より具体的には、ゲージベース２は、長さ（グリッド長さ方向の長さ）が２１０ｍｍ、幅（クリッド幅方向の長さ）が１００ｍｍ、厚みが０．８ｍｍに形成されている。また、抵抗素子６、素子接続部７、ゲージタブ部４および連接部５は、シルクスクリーン印刷により一体形成されている。ここで、一方のグリッド部３ａおよび他方のグリッド部３ｂにおいて、抵抗素子６は、幅が１ｍｍ、厚みが２３．４３×１０^−３ｍｍとされている。一方のグリッド部３ａにおいて、抵抗素子６は、最も長さ（グリッド長さ方向の長さ）の長いものが１８９ｍｍとされ、それを１２段階で減少させている。他方のグリッド部３ｂにおいて、各抵抗素子６は、１８９ｍｍとされている。一方のグリッド部３ａおよび他方のグリッド部３ｂにおいて、全抵抗素子６とその接続部の長さの合計は、４５８２ｍｍとされている。すなわち、両グリッド部３ａ，３ｂの長さは、同一に形成されている。

実験１から３は、それぞれ次のとおりである。実験１は、ゲージベース２をゲージリード８が接続される側の端部（図１における下端部）がその反対側の端部（ゲージリード８が接続されていない側の端部であり、図１における上端部）へ近づくように座屈させた場合を示している。この際、座屈距離を２００ｍｍから１４０ｍｍに八段階で変化させている。実験２は、ゲージベース２のゲージリード８が接続される側の端部を１．３９ｒａｄで傾斜させて拘束した状態で、ゲージベース２をゲージリード８が接続される側の端部がその反対側の端部へ近づくように座屈させた場合を示している。この際、座屈距離を１７０ｍｍから１３０ｍｍに五段階で変化させている。実験３は、ゲージベース２のゲージリード８が接続されていない側の端部を１．３９ｒａｄで傾斜させて拘束した状態で、ゲージベース２をゲージリード８が接続される側の端部がその反対側の端部へ近づくように座屈させた場合を示している。この際、座屈距離を１７０ｍｍから１３０ｍｍに五段階で変化させている。

各実験において、本発明のひずみゲージ１により計測された抵抗値から変形形状を推定する際には、ゲージベース２の弾性エネルギー、一方のグリッド部３ａにて計測される抵抗値および他方のグリッド部３ｂで計測される抵抗値などを解析することで推定することができる。この解析結果を示すグラフは、図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）において左側に配置されるグラフである。また、図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）において右側に配置されるグラフは、本発明の結果との比較対象となるグラフである。この各グラフは、各実験において、ゲージベース２の弾性エネルギー、ゲージベース２の座屈距離およびゲージベース２の長さ方向両端部の角度などを数値解析することで得られる。なお、図４の各グラフは、ゲージベース２の変形形状そのものを示している。すなわち、グラフの各曲線は、ゲージベース２の座屈状態を側方からみた場合を示している（より具体的には、ゲージベース２の厚みが見える方向からみた場合である）。従って、グラフのＸは、ゲージベース２の長さ方向を示しており、グラフのＹは、ゲージベース２の厚み方向を示している。

図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）から分かるように、本発明による推定結果と実際の推定結果とを比較して、推定されるゲージベース２の変形形状がほぼ同じになることが確認された。すなわち、本発明のひずみゲージ１により計測された抵抗値からひずみゲージ１の変形形状を推定できることが確認された。

本発明のひずみゲージは、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、グリッド部３は、ゲージベース２に二つ設けられたが、これに限定されるものではなく、三つ以上であってもよい。また、前記実施例では、一方の素子領域９ａが略直角三角形状とされ、他方の素子領域９ｂが略長方形状とされたが、これに限定されるものではなく、各素子領域９が異なる形状であればよい。さらに、前記実施例では、ひずみゲージ１は、箔ゲージとされたが、これに限定されるものではなく、たとえば、線ゲージであってもよい。

本発明は、測定対象物の変形形状を推定する際に用いられるひずみゲージに好適に用いることができる。

１ ひずみゲージ
２ ゲージベース
３ グリッド部
４ ゲージタブ部
６ 抵抗素子
８ ゲージリード
９ 素子領域
１０ 包括領域

Claims (3)

1. 可撓性を有する絶縁性のゲージベースと、
   測定対象物のひずみを感知するグリッド部であり、複数の直線状の抵抗素子が蛇行状に接続されて形成され、両端部の前記抵抗素子にゲージリードが接続されるグリッド部とを備え、
   前記グリッド部は、前記ゲージベースにグリッド幅方向へ沿って複数設けられており、
   各グリッド部において前記抵抗素子を囲む素子領域を仮想したとき、各素子領域内の前記抵抗素子のグリッド長さ方向の長さが異なることで、前記各素子領域が異なった形状に形成されている
   ことを特徴とするひずみゲージ。
2. 前記各グリッド部の前記ゲージリードの接続部は、グリッド長さ方向一方側に配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載のひずみゲージ。
3. 前記全素子領域を囲む包括領域を仮想したときに、前記包括領域の形状は、グリッド長さ方向一方から他方へ行くに従って、前記測定対象物の変形時の抵抗値の変化が小さくなるように形成される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のひずみゲージ。

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