JP2020008397A - ひずみセンサ、および圧電定数測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電フィルムの延伸方向の圧電定数ｄ31を比較的簡単に測定でき、検出対象部材のひずみ量の計測が精度よく行える技術を提供する。【解決手段】ひずみセンサ１は、板状のベース板１０の一方の面に、フィルム状に形成されたセンサ素子２０を積層している。センサ素子２０は、圧電フィルム２１と、この圧電フィルム２１の両面に積層された電極２２ａ、２２ｂとを有する。ベース板１０は、一方の面を、積層されているセンサ素子２０が外側にはみ出さない大きさに形成したものであり、さらに、一方の面に平行である引っ張り方向における両端部に、センサ素子２０が積層されていないチャック部１０ａ、１０ｂを有する。【選択図】図１

Description

この発明は、物体に生じたひずみを計測する技術に関する。

従来、物体に生じたひずみを計測するセンサとして、フィルム状に形成した圧電フィルム（ピエゾフィルム）を用いたひずみセンサがあった。例えば、ひずみセンサで、橋梁やビル等の様々な種類の構造物に生じたひずみ量を計測し、その構造物の状態（損傷等にかかる状態）をモニタリング（診断）することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

ひずみセンサは、圧電フィルムの両面に電極を形成したセンサ素子を用いた構成である。圧電フィルムに生じたひずみに応じた電圧が、センサ素子の電極間に生じる。

なお、ひずみセンサは、上述した橋梁やビル等の構造物に限らず、産業機械等の構成要素（例えば、ロボットアーム、）に生じたひずみ量を計測することにも使用されている。

特開２０１７− ３３７１号公報

しかしながら、圧電フィルムの厚さ方向に直交する方向（ここでは、延伸方向と言う。）の圧電定数ｄ₃₁を比較的簡単に測定できるひずみセンサがなかった。検出対象部材のひずみ量は、ひずみセンサの計測出力と、そのひずみセンサの特性である延伸方向の圧電定数ｄ₃₁とを用いて算出される。このため、サンプル抽出したセンサ素子について圧電定数ｄ₃₁を測定し、これらの測定結果に基づいて取得した値を、ひずみセンサの圧電定数ｄ₃₁にしていた。

なお、延伸方向とは、圧電フィルムの厚さ方向に直交する方向である。また、検出対象部材とは、構造物や産業機械等に対して、ひずみセンサを取り付けた部分である。

ひずみセンサの圧電定数ｄ₃₁は、当該ひずみセンサを構成するセンサ素子の個体差を有する値である。また、上述したように、圧電定数ｄ₃₁は、サンプル抽出したセンサ素子に対して測定した測定結果に基づくものであり、製品であるひずみセンサに対して測定した測定結果に基づくものでなかった。したがって、検出対象部材のひずみ量の算出において、使用している圧電定数ｄ₃₁と、ひずみセンサの実際の圧電定数ｄ₃₁とに差があり、計測精度を低下させていた。

なお、製品であるひずみセンサに対する、分極方向の圧電定数ｄ₃₃の測定は、重り等を利用して、圧電フィルムの厚さ方向に荷重を作用させることにより、比較的簡単に測定できる。分極方向とは、圧電フィルムの厚さ方向である。

この発明の目的は、圧電フィルムの延伸方向の圧電定数ｄ₃₁を比較的簡単に測定でき、検出対象部材のひずみ量の計測が精度よく行える技術を提供することにある。

この発明のひずみセンサは、上記目的を達するため、以下のように構成している。

ひずみセンサは、板状のベース板の一方の面に、フィルム状に形成されたセンサ素子を積層した構成である。また、センサ素子は、圧電フィルムと、この圧電フィルムの両面に積層された電極とを有する。また、ベース板は、一方の面を、積層されているセンサ素子が外側にはみ出さない大きさに形成したものであり、さらに、一方の面に平行である引っ張り方向における両端部に、センサ素子が積層されていないチャック部を有する。

この構成では、ベース板の両端部に設けたチャック部を保持し、ひずみセンサの長手方向に作用させる引張力の大きさを変化させながら、このひずみセンサの出力を計測することにより、圧電定数ｄ₃₁を測定することができる。すなわち、ひずみセンサ毎に、そのひずみセンサの圧電定数ｄ₃₁の測定が比較的簡単に行える。

また、ひずみセンサの圧電定数ｄ₃₁を得ることができるので、このひずみセンサを利用した検出対象部材のひずみ量の計測が精度よく行える。

この発明によれば、圧電フィルムの延伸方向の圧電定数ｄ₃₁を比較的簡単に測定でき、検出対象部材のひずみ量の計測が精度よく行える。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、ひずみセンサの概略図である。 センサ素子の構成を示す概略図である。 ひずみセンサの使用例を説明する図である。 ひずみセンサの圧電定数ｄ₃₁を測定する測定器の概略図である。 別の例にかかる、ひずみセンサの概略図である。 別の例にかかる、ひずみセンサの概略図である。 別の例にかかる、ひずみセンサの概略図である。

以下、この発明の実施形態であるひずみセンサについて説明する。

＜１．構成例＞
図１は、この例にかかるひずみセンサの概略図である。図１（Ａ）は、平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＡ−Ａ線部の断面図である。この例にかかるひずみセンサ１は、図１（Ａ）に示すように、ベース板１０、センサ素子２０、センサカバー３０、端子カバー４０、および出力ケーブル５０を備えている。

ベース板１０は、絶縁材料で形成された板状部材である。ベース板１０は、例えばポリカーボネート製の樹脂基板である。ベース板１０の厚さは、１ｍｍ程度である。ベース板１０は、センサ素子２０を積層する積層面が矩形形状である。積層面は、ベース板１０の厚さ方向（図１（Ｂ）における上下方向）に直交する一方の面である。また、この例では、ベース板１０の積層面の長辺に沿う方向（図１（Ａ）、（Ｂ）における左右方向）を長手方向と言い、短辺に沿う方向（図１（Ａ）における上下方向）を幅方向と言う。センサ素子２０の厚さは、数十μｍであり、ベース板１０よりも薄い。

なお、ベース板１０の平面形状は、矩形形状に限らず、例えば角の形状を円弧状に形成した形状（角に丸みを持たせた形状）であってもよいし、角度が９０度でない角を有する形状であってもよい。

センサ素子２０は、ベース板１０の積層面に積層されている。センサ素子２０は、接着剤、または両面テープ等を用いて、ベース板１０の積層面に貼り合わせられている。センサ素子２０は、ベース板１０の外側にはみ出さない大きさである。言い換えれば、ベース板１０は、積層面の大きさを、積層されるセンサ素子２０が外側にはみ出さない大きさに形成している。すなわち、センサ素子２０の幅方向の長さは、ベース板１０の幅方向の長さ未満であり、且つセンサ素子２０の長手方向の長さは、ベース板１０の長手方向の長さ未満である。

図２は、センサ素子の構成を示す概略図である。センサ素子２０は、フィルム状に形成された、圧電効果を有するものである。センサ素子２０は、保護膜２３ａ、電極２２ａ、圧電フィルム２１、電極２２ｂ、保護膜２３ｂが、この順に積層されたフィルム状の素子である。圧電フィルム２１は、例えば圧電効果を有するプラスチックＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride）をフィルム状に形成したものである。電極２２ａ、２２ｂが、圧電フィルム２１を挟むように積層されている。電極２２ａ、２２ｂは、例えば銀インクスクリーン印刷により形成したものである。また、保護膜２３ａ、２３ｂが、この順に積層された電極２２ａ、圧電フィルム２１、電極２２ｂを挟むように積層されている。保護膜２３ａ、２３ｂは、薄いアクリルの皮膜であり、電極２２ａ、２２ｂの表面の酸化を抑える。保護膜２３ａ、２３ｂは、電極２２ａ、２２ｂの表面を覆う大きさである。

また、電極２２ａ、２２ｂには、出力ライン２４ａ、２４ｂがそれぞれ接続されている。この出力ライン２４ａ、２４ｂは、電極２２ａ、２２ｂに接続されていない他端を端子カバー４０の内側に形成されている出力端子（不図示）に接続している。

センサ素子２０は、圧電フィルム２１にひずみ（変形）が生じると、そのひずみに応じた電圧を出力ライン２４ａ、２４ｂに出力する。このセンサ素子２０は、すでに実用化されているものであるので、ここでは詳細な説明を省略する。

センサカバー３０は、ベース板１０に積層されているセンサ素子２０を覆うように、貼付されている。このセンサカバー３０は、防水気密用片面粘着テープ（所謂、全天テープ）である。センサカバー３０は、センサ素子２０の変形、変色、劣化等を抑制する。

また、ひずみセンサ１は、ベース板１０の長手方向におけるセンサ素子２０の一方の端部側に端子カバー４０を設けている。端子カバー４０は、センサ素子２０の出力ライン２４ａ、２４ｂが引き出されている側に設けられている。端子カバー４０は、例えばポリカーボネート製の樹脂を原材料とする成型品である。端子カバー４０は、外形が直方体形状であり、中空の空間を有する箱型形状である。端子カバー４０の幅方向の長さは、ベース板１０の幅方向の長さよりも短い。端子カバー４０は、開口面をベース板１０の積層面に対向する向きに取り付けられ、端子カバー４０の内側の空間内に、出力ライン２４ａ、２４ｂが接続されている出力端子（不図示）が位置する。また、この出力端子には、出力ケーブル５０が接続されている。この出力ケーブル５０は、端子カバー４０の側面に形成したケーブルの引き出し孔を通して、外部に引き出されている。端子カバー４０は、接着剤等を使用してベース板１０に取り付けられている。また、ベース板１０に取り付けられている端子カバー４０の内側の空間には、樹脂４１が充填されている。

ひずみセンサ１は、図１に示すように、センサ素子２０と、端子カバー４０とをベース板１０の長手方向に並べて取り付けている。また、ひずみセンサ１は、ベース板１０の長手方向の両端部に、センサ素子２０、および端子カバー４０が設けられていない、チャック部１０ａ、１０ｂを有する形状である。チャック部１０ａ、１０ｂでは、ベース板１０が露出している。

＜２．動作例＞
この例にかかるひずみセンサ１は、図３に示すように、接着剤を用いて、ひずみを検出する検出対象部材に貼り付けて使用する。ひずみセンサ１は、ベース板１０のセンサ素子２０、および端子カバー４０が設けられていない面（ここでは、取付面と言う。）を検出対象部材に貼り付ける。取付面は、積層面に対向する面である。検出対象部材は、構造物である橋梁の鋼材や、構造物であるビルの壁面、ロボットのアーム等である。

また、ベース板１０は、ヤング率Ｙを、センサ素子２０のヤング率Ｚよりも大きく、このひずみセンサ１を貼り付ける検出対象部材のヤング率Ｘよりも小さく（Ｚ＜Ｙ＜Ｘ）するのが好ましい。

上述したように、ひずみセンサ１は、接着剤等によって、ひずみを検出する検出対象部材に貼り付けられる。具体的には、ひずみセンサ１は、ベース板１０の取付面または検出対象部材の表面に接着剤を塗布し、検出対象部材に貼り付けている。また、ひずみセンサ１は、ベース板１０によってある程度の硬さを有している。また、ひずみセンサ１を取り付けるために、検出対象部材に対して加工を施す必要もない。したがって、ひずみセンサ１は、既存の構造物に対しても、その取り付け作業が簡単に行える。

なお、ひずみセンサ１は、両面テープで、ひずみを検出する検出対象部材に貼り付けてもよい。

また、ひずみセンサ１は、センサカバー３０によってセンサ素子２０を覆っているので、センサ素子２０における外部環境（紫外線や雨等）の影響が抑えられる。すなわち、ひずみセンサ１は、センサカバー３０によってセンサ素子２０に耐候性を持たせているので、ひずみセンサ１（センサ素子２０）の劣化速度が抑えられる。

また、ひずみセンサ１は、貼り付けた検出対象部材と、センサ素子２０との間にベース板１０が位置するので、検出対象部材から染み出てきた雨水等による、センサ素子２０の劣化も抑えられる。

また、ひずみセンサ１は、ベース板１０のヤング率Ｙを、センサ素子２０のヤング率Ｚよりも大きく、このひずみセンサ１を貼り付ける検出対象部材のヤング率Ｘよりも小さく（Ｘ＞Ｙ＞Ｚ）することにより、検出対象部材のひずみを精度よく検出することができる。このことを以下に説明する。

ヤング率Ｅとひずみεとの関係は、
Ｅ＝Ｆ／ε・・・（１）
である。Ｆは、応力である。

ここで、ベース板１０のヤング率Ｙと、このひずみセンサ１を貼り付けた検出対象部材のヤング率Ｘとの関係が、Ｘ＜Ｙであると、
Ｆ１＝Ｘε１、Ｆ２＝Ｙε２・・・（２）
である。Ｆ１は、検出対象部材に作用した応力であり、Ｆ２は、ベース板１０に作用した応力である。ε１は、検出対象部材のひずみであり、ε２は、ベース板１０のひずみである。

検出対象部材に作用した応力Ｆ１が、ベース板１０に作用したとしても（すなわち、ベース板１０に作用した応力Ｆ２≒検出対象部材に作用した応力Ｆ１であったとしても、）、ベース板１０のヤング率Ｙが検出対象部材のヤング率Ｘよりも大きいので、ベース板１０のひずみε２は、
ε２＝ε１×（Ｘ／Ｙ）・・・（３）
になる。ここで、Ｘ＜Ｙであることから、０＜（Ｘ／Ｙ）＜１である。したがって、ベース板１０のひずみε２は、検出対象部材のひずみε１よりも小さくなる。

センサ素子２０のひずみε３は、ベース板１０のひずみε２に応じた大きさになるので、検出対象部材のひずみε１に比べて小さくなる。このため、ひずみセンサ１は、ベース板１０のヤング率Ｙと、このひずみセンサ１を貼り付けた検出対象部材のヤング率Ｘとの関係が、Ｘ＜Ｙであると、検出対象部材のひずみε１の検出精度が低下する。

したがって、ひずみセンサ１は、ベース板１０のヤング率Ｙと、このひずみセンサ１を貼り付けた検出対象部材のヤング率Ｘとの関係をＸ＞Ｙにすることにより、検出対象部材のひずみε１≒ベース板１０のひずみε２になるので、検出対象部材のひずみε１の検出精度が向上する。

なお、検出対象部材とベース板１０との間には、ひずみセンサ１を検出対象部材に貼り付けるために使用した、接着剤や、両面テープが存在するので、この接着剤や、両面テープによって応力の吸収が生じる。したがって、検出対象部材に作用した応力Ｆ１と、ベース板１０に作用した応力Ｆ２とは等しくない。

さらに、ひずみセンサ１は、ベース板１０のヤング率Ｙを、センサ素子２０のヤング率Ｚよりも大きくすることにより、上述した検出対象部材とベース板１０との関係と同様に、ベース板１０のひずみε２≒センサ素子２０のひずみε３、になる。すなわち、検出対象部材のひずみε１≒センサ素子２０のひずみε３になる。

したがって、各ヤング率の関係をＸ＞Ｙ＞Ｚとすると、検出対象部材のひずみε１の検出精度を向上できる。

なお、上述した検出対象部材のヤング率Ｘ、ベース板１０のヤング率Ｙ、およびセンサ素子２０のヤング率Ｚの関係（Ｚ＜Ｙ＜Ｘ）は、検出対象部材のひずみε１の検出精度を向上させる上で好ましい関係であり、この関係が成立しないものが本願発明に含まれないという意味ではない。

また、ベース板１０は、絶縁材料で形成されているので、センサ素子２０で発生した電荷の漏れ、およびセンサ素子２０への外部からの電荷の流入が抑えられる。

次に、この例にかかるひずみセンサ１について、圧電フィルム２１の厚さ方向に直交する方向（ここでは、延伸方向と言う。）における圧電定数ｄ₃₁の測定について説明する。図１に示したように、この例にかかるひずみセンサ１は、長手方向の両端部に、センサ素子２０、および端子カバー４０が設けられておらず、ベース板１０が露出しているチャック部１０ａ、１０ｂを有する。

図４は、ひずみセンサの圧電定数ｄ₃₁を測定する測定器の概略図である。図４では、測定器１００にセットしたひずみセンサ１を破線で示している。この測定器１００は、上端保持部１０１と、下端保持部１０２と、スライド部材１０３とを有している。上端保持部１０１は、ひずみセンサ１の長手方向の一方の端部に位置するチャック部１０ａを挟持して保持する構造である。下端保持部１０２は、ひずみセンサ１の長手方向の他方の端部に位置するチャック部１０ｂを挟持して保持する構造である。上端保持部１０１がひずみセンサ１の長手方向の一方の端部を保持する保持部と、下端保持部１０２がひずみセンサ１の長手方向の他方の端部を保持する保持部と、は対向している。

スライド部材１０３は、図示していないスライド機構部によって、下端保持部１０２に対して接離する方向（図４における上下方向）にスライド自在に取り付けられている。また、上端保持部１０１は、スライド部材１０３に取り付けられている。すなわち、上端保持部１０１は、スライド部材１０３のスライドにともなって、下端保持部１０２に対して接離する方向にスライドする。

なお、ここでは、上端保持部１０１がチャック部１０ａを保持し、下端保持部１０２がチャック部１０ｂを保持するとしているが、上端保持部１０１がチャック部１０ｂを保持し、下端保持部１０２がチャック部１０ａを保持してもよい。

図４に示すように、ひずみセンサ１を測定器１００にセットし、ひずみセンサ１の長手方向に作用させる引張力の大きさを変化させながら、このひずみセンサ１の出力を計測することにより、圧電定数ｄ₃₁を測定する。測定器１００は、スライド部材１０３を下端保持部１０２から離れる方向にスライドすることにより、ひずみセンサ１の長手方向に作用させる引張力を大きくできる。したがって、ひずみセンサ１毎に、そのひずみセンサ１の圧電定数ｄ₃₁の測定が比較的簡単に行える。これにより、検出対象部材のひずみ量の算出において、使用しているひずみセンサ１について測定した圧電定数ｄ₃₁を用いることができる。このため、検出対象部材のひずみ量の計測精度を向上させることができる。

また、ひずみセンサ１は、圧電定数ｄ₃₁の測定時に、測定器１００によってセンサ素子２０、および端子カバー４０が保持されないので、破損することもない。

また、上記の説明では、測定器１００は、ひずみセンサ１を鉛直方向に引っ張る構成であるが、ひずみセンサ１を引っ張る方向は、ひずみセンサ１の長手方向であればよい。例えば、測定器１００は、セットされたひずみセンサ１を水平方向に引っ張る構成であってもよい。

＜３．変形例＞
図５は、別の例にかかるひずみセンサを示す平面図（図１（Ａ）に相当する図）である。この例にかかるひずみセンサ１は、チャック部１０ａ、１０ｂに中心線１１ａ、１１ｂをマーキングした点で、上記の例と異なっている。中心線１１ａ、１１ｂは、ひずみセンサ１の長手方向に延びる線であり、ひずみセンサ１の幅方向の略中心にマーキングしている。

ひずみセンサ１を図４に示した測定器１００にセットするときに、この中心線１１ａ、１１ｂを基準線として利用することによって、ひずみセンサ１がまっすぐ立設するようにセットできる。

図６は、また別の例にかかるひずみセンサを示す平面図（図１（Ａ）に相当する図）である。この例にかかるひずみセンサ１は、長手方向の両端部に位置するチャック部１０ａ、１０ｂの幅を他の部分（センサ素子２０、および端子カバー４０が取り付けられている部分）よりも細くした形状である。

なお、チャック部１０ａと、チャック部１０ｂとは、同じ幅である。

図７は、さらに別の例にかかるひずみセンサを示す平面図（図１（Ａ）に相当する図）である。この例にかかるひずみセンサ１は、長手方向の両端部に位置するチャック部１０ａ、１０ｂの幅を他の部分（センサ素子２０、および端子カバー４０が取り付けられている部分）よりも太くした形状である。

なお、チャック部１０ａと、チャック部１０ｂとは、同じ幅である。

この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

さらに、この発明にかかる構成と上述した実施形態にかかる構成との対応関係は、以下の付記のように記載できる。
＜付記＞
板状のベース板（１０）の一方の面に、フィルム状に形成されたセンサ素子（２０）を積層したひずみセンサ（１）であって、
前記センサ素子（２０）は、圧電フィルム（２１）と、この圧電フィルム（２１）の両面に積層された電極（２２ａ、２２ｂ）とを有し、
前記ベース板（１０）は、前記一方の面を、積層されている前記センサ素子（２０）が外側にはみ出さない大きさに形成したものであり、さらに、前記一方の面に平行である引っ張り方向における両端部に、前記センサ素子（２０）が積層されていないチャック部（１０ａ、１０ｂ）を有する、ひずみセンサ（１）。

１…ひずみセンサ
１０…ベース板
１０ａ、１０ｂ…チャック部
１１ａ…中心線
２０…センサ素子
２１…圧電フィルム
２２ａ、２２ｂ…電極
２３ａ、２３ｂ…保護膜
２４ａ、２４ｂ…出力ライン
３０…センサカバー
４０…端子カバー
４１…樹脂
５０…出力ケーブル
１００…測定器
１０１…上端保持部
１０２…下端保持部
１０３…スライド部材

Claims (8)

1. 板状のベース板の一方の面に、フィルム状に形成されたセンサ素子を積層したひずみセンサであって、
   前記センサ素子は、圧電フィルムと、この圧電フィルムの両面に積層された電極とを有し、
   前記ベース板は、前記一方の面を、積層されている前記センサ素子が外側にはみ出さない大きさに形成したものであり、さらに、前記一方の面に平行である引っ張り方向における両端部に、前記センサ素子が積層されていないチャック部を有する、ひずみセンサ。
2. 前記ベース板は、前記一方の面が矩形形状であり、また前記引っ張り方向が前記一方の面の長手方向である、請求項１に記載のひずみセンサ。
3. 前記ベース板は、その厚みが、前記センサ素子の厚みよりも大きい、請求項１、または２に記載のひずみセンサ。
4. 前記ベース板は、絶縁材料で形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のひずみセンサ。
5. 前記ベース板には、前記センサ素子の端子を覆う端子カバーが設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載のひずみセンサ。
6. 前記端子カバーの内部には、樹脂を充填している、請求項４に記載のひずみセンサ。
7. 前記引っ張り方向の一方の側から、前記チャック部、前記センサ素子、前記端子カバー、および前記チャック部が、この順番に並んでいる、請求項５、または６に記載のひずみセンサ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のひずみセンサについて、前記センサ素子の前記圧電フィルムの厚さ方向に直交する方向の圧電定数ｄ₃₁を測定する圧電定数測定方法であって、
   前記ベース板の両端部に形成されている前記チャック部を保持し、前記ベース板を長手方向に引っ張る引張力の大きさを変化させながら、前記ひずみセンサの出力を計測する、圧電定数測定方法。

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