JP2020008398A - ひずみセンサ、および引張特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力感度特性の測定が簡単に行える技術を提供する。【解決手段】ひずみセンサ１は、フィルム状に形成されたセンサ素子２０が、板状のベース板１０の一方の面に積層され、このセンサ素子２０の出力に応じた信号を出力する出力回路に電気的に接続されている。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とを有し、この電極２２ａ、２２ｂに接続された出力ライン２４ａ、２４ｂによって、出力回路５０に電気的に接続されている。ベース板１０は、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、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る。ひずみセンサは、物体に生じたひずみを計測するセンサである。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。圧電フィルムは、ひずみが生じると、そのひずみに応じた電荷を発生する。センサ素子は、圧電フィルムの両面に形成した電極間に、この圧電フィルムで発生した電荷に応じた電圧が生じる。ひずみセンサは、センサ素子の電極を電気的に接続した出力回路を備えている。

出力回路は、圧電フィルムの両面に形成した電極間の電圧を入力とし、この入力に応じた計測信号（センシング信号）を出力する回路である。出力回路の選択は、ひずみセンサの計測信号をどのように利用するかによって行われる。例えば、センサ素子の電極間に生じた電圧を増幅して出力するアンプ回路（例えば、チャージアンプ回路）を出力回路として選択することもあれば、センサ素子の電極間に生じた電圧が予め定めた値（閾値）よりも大きいかどうかを出力するトリガ回路を出力回路として選択することもある。また、アンプ回路、およびトリガ回路を選択せずに、これら以外の種類の回路を出力回路として選択することもある。

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、同じ構成のひずみセンサであっても、圧電フィルムのひずみ量と、出力回路の出力である計測信号との関係である出力感度特性に差がある(ひずみセンサは、出力感度特性に個体差がある。)。ひずみセンサにおいて、個体差が生じる主な要因は、圧電フィルムの特性のばらつき、出力回路を構成する回路部品等の電気的特性のばらつき、および圧電フィルムを含むセンサ素子と出力回路との電気的接続等にかかる接続特性のばらつき等である。ひずみセンサの出力感度特性の測定は、圧電フィルムの延伸方向に作用させる力の大きさを変化させ、そのときの、ひずみセンサの計測信号を計測することにより行えるのであるが、特許文献１等で示されている従来のひずみセンサは、形成された状態で、圧電フィルムの延伸方向に力を作用させることが困難な形状であった。ここで言う、圧電フィルムの延伸方向とは、圧電フィルムの厚さ方向に直交する方向である。

従来のひずみセンサは、サンプル抽出した圧電フィルムについて測定した圧電フィルムの延伸方向の圧電定数ｄ₃₁、および出力回路の設計データに基づく出力回路の電気的特性に基づいて出力感度特性を定めていたため、上述したように、出力感度特性に個体差があった。

なお、従来のひずみセンサは、センサ素子と出力回路との電気的接続等にかかる接続特性については、特に考慮していなかった。また、圧電フィルムのひずみ量（すなわち、ひずみセンサを取り付けた検出対象部材のひずみ量）は、圧電フィルムの延伸方向の圧電定数ｄ₃₁を用いて算出できる。

このように、従来のひずみセンサの出力感度特性は、そのひずみセンサについて実測したものではなく、推定したものであった。したがって、ひずみセンサの実際の出力感度特性と、推定された出力感度特性との差が、構造物の状態の診断に影響を与えていた。

この発明の目的は、出力感度特性の測定が簡単に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、フィルム状に形成されたセンサ素子を、板状のベース板の一方の面に積層し、また、このセンサ素子を、当該センサ素子の出力に応じた信号を出力する出力回路に電気的に接続した構成である。出力回路は、例えば、センサ素子の出力を増幅して出力するアンプ回路である。

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、これらの電極に接続された出力ラインによって、出力回路に電気的に接続されている。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形状である。

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、ベース板の長手方向（すなわち、圧電フィルムの延伸方向）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（出力回路の出力）を計測することができる。ひずみセンサの出力の計測は、例えばベース板の一方の端部に設けられたチャック部を保持した保持部材を固定し、ベース板の他方の端部に設けられたチャック部を保持した保持部材を、一方の端部に対して近づく方向、または離れる方向に作用させる力の大きさを変化させることで行える。したがって、ひずみセンサは、形成された状態で、出力感度特性を簡単に測定することができる。

なお、ここで言う出力感度特性とは、圧電フィルムのひずみ量と、出力回路の出力である計測信号との関係である。

これにより、検出対象部材のひずみ量の計測（センシング）が、使用するひずみセンサについて実測した出力感度特性を用いて行える。すなわち、ひずみセンサの個体差による影響を受けることなく、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精度よく計測できる。その結果、モニタリング装置における構造物の状態の診断も精度よく行える。

また、出力回路は、ベース板の一方の面に取り付けられていてもよいし、ベース板以外の部材に取り付けられていてもよい。

出力回路を、ベース板の一方の面に取り付ける場合には、この出力回路を覆う回路カバーを設けるのが好ましい。特に、この回路カバーの内部に、樹脂を充填するのがよい。

このように構成すれば、ひずみセンサを屋外で使用する場合であっても、雨、紫外線等による出力回路の劣化が抑えられる。

この発明によれば、ひずみセンサの出力感度特性の測定が簡単に行える。また、ひずみセンサを用いた構造物の状態の診断精度の向上が図れる。

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。 出力回路を示す回路図である。 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。 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、出力回路を示す回路図である。 別の例にかかる、出力回路を示す回路図である。 別の例にかかる、出力回路を示す回路図である。 別の例にかかる、出力回路を示す回路図である。 別の例にかかる、出力回路を示す回路図である。 別の例にかかる、出力回路を示す回路図である。 センサノードの主要部の構成を示すブロック図である。 状態を診断する橋梁にセンサを取り付ける例を示す概念図である。

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に示すように、ベース板１０、センサ素子２０、センサカバー３０、回路カバー４０、出力回路５０、および出力ケーブル６０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 Di 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回路カバー４０の内側に取り付けた出力回路５０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の一方の端部側に回路カバー４０を設けている。回路カバー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。回路カバー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。回路カバー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。回路カバー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。回路カバー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ている。回路カバー４０の内側の空間内には、出力ライン２４ａ、２４ｂを接続した出力回路５０が取り付けられている。また、出力回路５０には、出力ケーブル６０が接続されている。この出力ケーブル６０は、回路カバー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。回路カバー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回路カバー４０の内側の空間には、樹脂４１が充填されている。

図３は、出力回路を示す回路図である。この図３に示す出力回路５０は、センサ素子２０において、当該センサ素子２０のひずみ量に応じて発生した電荷に応じた電圧を計測信号として出力するチャージアンプ回路である。出力回路５０の出力がひずみセンサ１の計測信号である。出力回路５０は、アンプＡｍｐのマイナス入力端子と出力端子との間に、センサ素子２０で発生した電荷をチャージするコンデンサＣｆを接続している。また、出力回路５０は、リーク電流を逃がすための抵抗ＲをコンデンサＣｆに並列に接続している。この出力回路５０は、コンデンサＣｆにチャージされた電荷Ｑに応じた電圧Ｖを出力する。図３に示す、ｏｕｔ（＋）、およびｏｕｔ（−）は、出力回路５０の出力端子であり、出力ケーブル６０は、一端が出力回路５０の出力端子に接続されている。

この出力回路５０の出力電圧Ｖは、
出力電圧Ｖ＝Ｑ×コンデンサＣｆの容量
である。コンデンサＣｆには、センサ素子２０で発生した電荷（当該センサ素子２０のひずみ量に応じて発生した電荷）がチャージされる。すなわち。出力回路５０は、センサ素子２０のひずみ量に応じた電圧を出力する。

ひずみセンサ１は、図１に示すように、センサ素子２０と、回路カバー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、および回路カバー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は、ベース板１０が露出している部分である（センサ素子２０や回路カバー４０等が積層されてない部分である。）。

なお、上述したように、出力回路５０は、ベース板１０に取り付けられ、回路カバー４０に覆われている。

＜２．動作例＞
この例にかかるひずみセンサ１は、図４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、および回路カバー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。

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られる。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、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、回路カバー４０によって出力回路５０を覆い、この回路カバー４０の内側の空間に樹脂４１を充填しているので、出力回路５０についても外部環境（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、回路カバー４０、および樹脂４１によって出力回路５０に耐候性を持たせているので、出力回路５０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、および出力回路５０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の出力感度特性の測定について説明する。ここで言う出力感度特性とは、圧電フィルム２１のひずみ量と、出力回路５０の出力である計測信号との関係である。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、および回路カバー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５は、ひずみセンサの出力感度特性を測定する測定器の概略図である。図４では、測定器８０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８０は、上端保持部８１と、下端保持部８２と、スライド部材８３とを有している。上端保持部８１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８２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８１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８２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８３は、図示していないスライド機構部によって、下端保持部８２に対して接離する方向（図５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８１は、スライド部材８３に取り付けられている。すなわち、上端保持部８１は、スライド部材８３のスライドにともなって、下端保持部８２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８１がチャック部１０ａを保持し、下端保持部８２がチャック部１０ｂを保持するとしているが、上端保持部８１がチャック部１０ｂを保持し、下端保持部８２がチャック部１０ａを保持してもよい。

図５に示すように、ひずみセンサ１を測定器８０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（出力回路５０の出力）を計測することにより、ひずみセンサ１の出力感度特性を測定する。測定器８０は、スライド部材８３を下端保持部８２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、出力感度特性の測定が比較的簡単に行える。

ひずみセンサ１の出力感度特性は、圧電フィルム２１の特性、出力回路５０を構成する回路部品等の電気的特性、およびセンサ素子２０と出力回路５０との電気的接続等にかかる接続特性等の影響を受ける。したがって、ひずみセンサ１は、出力感度特性に個体差がある。しかしながら、この例にかかるひずみセンサ１は、出力感度特性の測定が簡単に行えるので、検出対象部材のひずみ量の計測（センシング）が、使用するひずみセンサ１について実測した出力感度特性を用いて行える。すなわち、ひずみセンサ１の個体差による影響を受けることなく、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精度よく計測できる。これにより、ひずみセンサ１を使用した構造物の状態の診断がより適正に行える。

また、ひずみセンサ１は、出力感度特性の測定時に、測定器８０によってセンサ素子２０、および回路カバー４０（出力回路５０を含む。）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８０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８０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６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５に示した測定器８０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７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、および回路カバー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８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、および回路カバー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。

また、上記の例では、出力回路５０は、ベース板１０に取り付けられている構成であるとしたが、図９に示すような構成にしてもよい。図９に示すひずみセンサ１は、上述した出力回路５０を回路カバー４０の内部に取り付けていない。この例にかかるひずみセンサ１は、出力回路５０をベース板１０とは別に形成した収納ケース５１の内部に取り付けた構成である。収納ケース５１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。収納ケース５１の内部には、出力回路５０を収納する空間が形成されている。

ベース板１０に取り付けられているセンサ素子２０と、収納ケース５１の内部に取り付けた出力回路５０とは、接続ケーブル５２によって電気的に接続されている。具体的には、接続ケーブル５２は、センサ素子２０の出力ライン２４ａ、２４ｂと、出力回路５０の入力端子とを電気的に接続する。出力ケーブル６０は、上記の例と同様に、出力回路５０の出力端子に電気的に接続されている。

なお、出力回路５０を内部に収納している収納ケース５１は、樹脂が内部に充填されていてもよいし、充填されていなくてもよい。

また、図９に示すひずみセンサ１は、上述した出力感度特性の測定において、出力ケーブル６０の電圧の計測に加えて、接続ケーブル５２の電圧をも計測することで、圧電フィルム２１の延伸方向の圧電定数ｄ₃₁についても測定できる。

また、図９に示す例では、ベース板１０の形状を図１に示した形状にしているが、図６、図７、または図８等に示した形状にしてもよい。

また、出力回路５０は、図３に示した回路に限らず、他の回路で構成してもよい。図１０〜図１５は、それぞれ別の例にかかる出力回路を示す図である。図１０〜図１５に示す出力回路５０ａ〜５０ｆについて、簡単に説明する。

図１０に示す出力回路５０ａは、抵抗Ｒ１の両端に、センサ素子２０（圧電フィルム２１）に生じたひずみに応じた電圧が印加される。この出力回路５０ａは、公知のボルテージフォロアであり、抵抗Ｒ１の両端に印加されている電圧を出力する。

また、図１１に示す出力回路５０ｂは、抵抗Ｒ２の両端に、センサ素子２０（圧電フィルム２１）に生じたひずみに応じた電圧が印加される。この出力回路５０ｂは、抵抗Ｒ１の両端に印加されている電圧を、（（Ｒａ＋Ｒｂ）／Ｒａ）倍に増幅して出力する増幅回路である。

また、図１２、および図１３に示す出力回路５０ｃ、５０ｄは、ＦＥＴを使用した回路である。図１２に示す出力回路５０ｃは、ドレイン接地回路であり、抵抗Ｒ３の両端に印加されている電圧を出力する。抵抗Ｒ３の両端には、センサ素子２０（圧電フィルム２１）に生じたひずみに応じた電圧が印加される。また、図１３に示す出力回路５０ｄは、ソース接地回路であり、抵抗Ｒ４の両端に印加されている電圧を（Ｒｄ／Ｒｅ）倍に増幅して出力する。抵抗Ｒ４の両端には、センサ素子２０（圧電フィルム２１）に生じたひずみに応じた電圧が印加される。

また、図１４に示す出力回路５０ｅは、センサ素子２０（圧電フィルム２１）で生じたひずみに応じた電圧が、設定電圧を超えたときに、ハイレベルを出力するトリガ回路である。この設定電圧は、可変抵抗ＶＲの抵抗値を変化させることにより、設定できる。

また、図１５に示す出力回路５０ｆは、センサ素子２０（圧電フィルム２１）で生じた電圧が、抵抗Ｒｆに印加されている電圧Ｖ以上である場合に、センサ素子２０（圧電フィルム２１）で生じた電圧を出力する回路である。

なお、上記した出力回路５０、５０ａ〜５０ｆを動作させるのに必要な電源電圧は、この出力回路に設けた電池等によって供給する構成であってもよいし、外部機器（例えば、口述するセンサノード１００）から供給する構成であってもよい。出力回路５０、５０ａ〜５０ｆに対する外部機器からの電源電圧の供給は、出力ケーブル６０を利用して行えばよい。

次に、上記した例のいずれかのひずみセンサ１を備えるセンサノードについて説明する。図１６は、センサノードの主要部の構成を示す図である。センサノード１００は、状態を診断する構造物について、その診断に用いる各種の物理量を計測し、診断装置（不図示）に出力する。図１６に示すように、センサノード１００は、制御部１０１と、センサ制御回路１０２〜１０５と、タイマ１０６と、記憶部１０７と、無線通信部１０８と、電源部１０９とを備えている。

制御部１０１は、センサノード１００本体各部の動作を制御する。

センサ制御回路１０２には、上述したいずれかの例にかかるひずみセンサ１が接続される。また、センサ制御回路１０３〜１０５には、センサ１１１〜１１３が接続される。センサ制御回路１０２〜１０５は、接続されているひずみセンサ１、およびセンサ１１１〜１１３の検知信号（センシング信号）を処理し、センシングデータ（計測された物理量）を取得する処理回路を備える。ひずみセンサ１の検知信号は、上述した出力回路５０（または５ａ〜５０ｆ）の出力信号である。センサ制御回路１０２〜１０５は、接続されるひずみセンサ１、およびセンサ１１１〜１１３に応じた処理回路を備える。すなわち、各センサ制御回路１０２〜１０５は、処理回路の回路構成が同じであるとは限らない。

なお、センサ１１１〜１１３は、上述したひずみセンサ１であってもよいし、構造物の加速度、構造物の変位量、構造物の振動周波数、構造物周辺の温度、構造物周辺の湿度、構造物の赤外線量、構造物周辺の風速等をセンシングする他の種類のセンサであってもよい。また、この例では、センサノード１００は、ひずみセンサ１、およびセンサ１１１〜１１３が接続される構成（４つのセンサが接続される構成）であるとしたが、接続されるセンサの数（すなわち、センサ制御回路の数）は５つ以上であってもよいし、３つ以下であってもよい。また、センサノード１００は、一部のセンサ制御回路１０２〜１０５に、ひずみセンサ１、およびセンサ１１１〜１１３を接続していない状態で使用してもよい。

タイマ１０６は、現在の日時を計時する。

記憶部１０７は、センサノード１００の動作時に用いる各種設定パラメータや、接続されているひずみセンサ１、およびセンサ１１１〜１１３から入力された計測信号を処理して取得した物理量（構造物のひずみ量、構造物の加速度、構造物の変位量、構造物の振動周波数、構造物周辺の温度、構造物周辺の湿度、構造物の赤外線量、構造物周辺の風速等）を一時的に記憶する。

無線通信部１０８は、計測した構造物の各種物理量の送信先である装置との間における無線通信を制御する。各種物理量の送信先である装置とは、複数のセンサノード１００から収集した各種物理量を用いて、構造物の状態を診断する診断装置（不図示）であってもよいし、センサノード１００と、診断装置との間で送受信される各種物理量を中継する中継装置（不図示）であってもよい。

電源部１０９は、バッテリ１０９ａを備えている。バッテリ１０９ａは、センサノード１００の駆動電源である。電源部１０９は、センサノード１００本体各部に対して動作に必要な電力をバッテリ１０９ａから供給する。また、この例では、センサノード１００は、センサ制御回路１０２〜１０５に対する電源供給を必要に応じて行う。具体的には、電源部１０９は、センサ制御回路１０２〜１０５に対するバッテリ１０９ａからの駆動電源の供給を、制御部１０１からの指示にしたがってオン／オフする。

なお、電源部１０９がセンサ制御回路１０２〜１０５に対して駆動電源の供給をオフしている状態（駆動電源の供給停止状態）とは、センサ制御回路１０２〜１０５に対して電力の供給が全く行われていない状態であってもよいが、この状態のみに限るものではない。ここで言う駆動電源の供給停止状態とは、電源部１０９がセンサ制御回路１０２〜１０５、および接続されているセンサ１１１〜１１３が適正に動作するのに必要な電力の供給を行っていない状態である。例えば、電源部１０９が、センサ制御回路１０２〜１０５、および接続されているセンサ１１１〜１１３の起動に要する時間を短縮するため、センサ制御回路１０２〜１０５、および接続されているセンサ１１１〜１１３が待機状態（スリープ状態）を保つのに必要な電力を供給している状態も、ここで言う駆動電源の供給停止状態に含まれる。

また、この例では、センサノード１００は、バッテリ１０９ａが駆動電源である構成としているが、商用電源が駆動電源である構成であってもよい。

ひずみセンサ１、およびセンサ１１１〜１１３は、計測対象の構造物に取り付けられる。ひずみセンサ１は、計測対象の構造物の鋼材等に貼り付けている。計測対象の構造物は、橋梁、トンネル、建物、住宅、プラント設備、パイプライン、電柱、ガス供給設備、上下水道設備、遺跡等である。

図１７は、状態を診断する橋梁に対して、センサを取り付ける例を示す概念図である。図１７に示す橋梁は、自動車が走行する高架道路橋である。高架道路橋は、上部構造と、下部構造とに分かれている。上部構造は、床版、主桁、主構、横構等を含み、下部構造は、橋台や橋脚等を含む。自動車の走行路は、上部構造の床版の上に形成される。上部構造と下部構造との間には、走行路（路面）における自動車の走行等にともなう上部構造の振動や、上部構造の変形を吸収し、下部構造にかかる荷重負荷を抑える支承が設けられている。下部構造の橋脚や、橋台は、地中に形成された基礎の上に設置されている。支承よりも上側を上部構造といい、支承よりも下側を下部構造という。ひずみセンサ１、およびセンサ１１１〜１１３は、計測対象の種類の物理量が適正に計測できる位置に取り付けられる。

図１７では、ひずみセンサ１、およびセンサ１１１〜１１３を橋梁の上部構造に取り付けた例を示しているが、下部構造に取り付けてもよい。

この例では、センサノード１００が、予め定められた計測タイミングになると、ひずみセンサ１、およびセンサ１１１〜１１３により物理量を計測する。計測タイミングは、予め定めた時刻や、時間間隔であってもよいし、予め定めた条件（温度等）を満たしたタイミング等であってもよい。

センサノード１００は、ひずみセンサ１、およびセンサ１１１〜１１３で計測した物理量と、計測時刻とを対応付けた計測データを記憶部１０７に記憶する。また、センサノード１００は、予め定めた送信タイミングになると、前回の送信タイミングから今回の送信タイミングまでの間に計測した物理量にかかる計測データ（記憶部１０７に記憶している計測した物理量）を診断装置に送信する。このとき、センサノード１００は、自機を識別する識別番号を送信している。

診断装置は、各センサノード１００から送信されてきた計測データを、センサノード１００で分類して収集する。すなわち、診断装置は、センサノード１００毎に、そのセンサノードで計測された各種物理量を収集する。診断装置は、センサノード１００毎に、収集した各種物理量を用いて、橋梁の状態を診断する。

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＞
フィルム状に形成されたセンサ素子（２０）が、板状のベース板（１０）の一方の面に積層され、
また、前記センサ素子（２０）が、当該センサ素子（２０）の出力に応じた信号を出力する出力回路に電気的に接続されたひずみセンサ（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、
前記電極（２２ａ、２２ｂ）に接続された出力ライン（２４ａ、２４ｂ）によって、前記出力回路（５０）に電気的に接続され、
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、１１ｂ…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…回路カバー
４１…樹脂
５０、５０ａ〜５０ｆ…出力回路
５１…収納ケース
５２…接続ケーブル
６０…出力ケーブル
８０…測定器
８１…上端保持部
８２…下端保持部
８３…スライド部材

Claims (7)

1. フィルム状に形成されたセンサ素子が、板状のベース板の一方の面に積層され、
   また、前記センサ素子が、当該センサ素子の出力に応じた信号を出力する出力回路に電気的に接続され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、
   前記電極に接続された出力ラインによって、前記出力回路に電気的に接続され、
   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. 前記出力回路は、前記センサ素子の出力を増幅して出力するアンプ回路である、請求項１に記載のひずみセンサ。
3. 前記出力回路は、前記ベース板の前記一方の面に取り付けられている、請求項１、または２に記載のひずみセンサ。
4. 前記ベース板には、前記出力回路を覆う回路カバーが設けられている、請求項３に記載のひずみセンサ。
5. 前記回路カバーの内部には、樹脂を充填している、請求項４に記載のひずみセンサ。
6. 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、前記回路カバー、および前記チャック部が、この順番に並んでいる、請求項４、または５に記載のひずみセンサ。
7. 請求項１〜６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特性を測定する引張特性測定方法であって、
   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、引張特性測定方法。

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