JP2022184638A - ひずみセンサ、及びひずみセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】方向に依存しないひずみ検出と、温度変化の補償を兼ね備えたひずみセンサを提供する。【解決手段】ひずみセンサは、ひずみ感知材料で形成された、放射状に延びる４以上のひずみ感知エレメントと、前記４以上のひずみ感知エレメントのそれぞれに接続される電極と、を有し、前記電極の選択により、前記４以上のひずみ感知エレメントの中から、異なる４つの方向に延びる４つのひずみ感知エレメントの組が選択可能である。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ひずみセンサ、及びひずみセンサシステムに関し、特に、方向に依存しないひずみ検出と、温度変化の補償を兼ね備えたひずみセンサに関する。

ひずみセンサは、物体のひずみを測定するために、さまざまな分野で用いられている。ひずみセンサを用いることで、引張、圧縮、曲げ、トルク、振動などの機械的変形の影響下で、材料の耐久性の評価や、構造物の潜在的欠陥の検出が可能になる。一般的なひずみゲージの動作原理は、機械的な力を電気信号（電気抵抗など）の変化に変換し、その変化を検出してひずみを算出する。

一軸性のひずみゲージは、ひとつの方向のひずみだけを検出し、温度変動の影響を受けやすい。一軸性のひずみゲージは、最大ひずみ方向が未知の場合に、使用が難しい。一軸性のひずみゲージを用いた解析では、温度変動だけではなく、最大ひずみ方向に対するセンサの向きのずれが、解析結果に大きく影響する。最大ひずみ方向が未知の場合、通常はロゼットひずみゲージが用いられる。ロゼットひずみゲージは、異なる方向を向いた３つのひずみゲージを組み合わせたゲージであり、連立方程式を解くことで最大ひずみの方向が得られる。ロゼットひずみゲージは、複数方向のひずみを測定できるが、独立したひずみゲージの組み合わせであり、温度変化の影響を受けやすい。また、消費電極が大きい。

複数の延伸部を有する放射状のパターンを２個の端子に接続した、方向に依存しないひずみセンサが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。このひずみセンサは、２つの端子の間に１つの抵抗をもつ等価回路で表わされ、温度補償機能を有しない。一方、温度補償機能をもつフルブリッジ型のひずみセンサが提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。

特開２０１８－１３３３９８号公報

Daniel Zymelka, et al. "Printed strain sensor with temperature compensation and its evaluation with an example of application in structural health monitoring", JJAP 56, 05EC02 (2017)

上記のフルブリッジ型のひずみセンサは、励起電圧が印加される２つの電極と、出力電圧を取り出す２つの電極を有し、ホイートストンブリッジ回路を構成する。しかし、ホイートストンブリッジ回路を形成するひずみゲージの４つの電極は固定されており、１つの方向にしかひずみを検出できない。ユーザは最大ひずみ方向を特定して測定方向を決めなければならない。

本発明は、方向に依存しないひずみ検出と、温度変化の補償を兼ね備えたひずみセンサを提供することを目的とする。

本発明の一つの態様では、ひずみセンサは、
ひずみ感知材料で形成された、放射状に延びる４以上のひずみ感知エレメントと、
前記４以上のひずみ感知エレメントのそれぞれに接続される電極と、
を有し、前記電極の選択により、前記４以上のひずみ感知エレメントの中から、異なる４つの方向に延びる４つのひずみ感知エレメントの組が選択可能である。

方向に依存しないひずみ検出と、温度変化の補償を兼ね備えたひずみセンサが実現される。

実施形態のひずみセンサの構成例を示す図である。 実施形態のひずみセンサの別の構成例を示す図である。 実施形態のひずみセンサの電極選択の例を示す図である。 実施形態のひずみセンサの電極選択の例を示す図である。 実施形態のひずみセンサの電極選択の例を示す図である。 ひずみセンサで形成されるホイートストンブリッジ回路を示す図である。 ひずみセンサの全体形状の一例を示す図である。 図４のひずみセンサが取り得る測定方向を示す図である。 実施形態のひずみセンサシステムの模式図である。 実際に作製されたひずみセンサの外観図である。 作製したひずみセンサを用いたひずみ測定の態様を示す図である。 作製したひずみセンサを用いた曲げ測定の実験セットアップと、測定結果を示す図である。 作製したひずみセンサを用いたねじれ測定の実験セットアップと、測定結果を示す図である。

実施形態では、方向に依存しないひずみ検知と温度変化に対する補償を兼ね備えたひずみセンサ、及びこれを用いたひずみセンサシステムを提供する。以下の説明で、同じ構成要素には同じ符号を付けて重複する説明を省略する場合がある。

＜ひずみセンサの基本構成＞
図１Ａは、実施形態のひずみセンサ１０Ａの模式図である。ひずみセンサ１０Ａは、ひずみ感知材料で形成された放射状に延びる複数のひずみ感知エレメント１５Ａを有する。この例では、８つのひずみ感知エレメント１５Ａが設けられ、各ひずみ感知エレメント１５Ａに、電極１３と、電極１３から引き出される配線１２が設けられている。電極１３を選択することにより、８つのひずみ感知エレメント１５Ａの中から、互いに異なる方向に延びる４つのひずみ感知エレメント１５Ａを選択することができる。

図１Ａの構成では、互いに直交する方向に延びる４つのひずみ感知エレメント１５Ａが選択される。この明細書及び特許請求の範囲で「互いに直交する」というときは、選択された４つのひずみ感知エレメント１５Ａが厳密に９０°の角度をなしている必要はなく、許容誤差を含めて９０°に近い角度で配置されていればよい。選択されるひずみ感知エレメントの間の角度は、８０°から１００°、好ましくは８５°から９５°の範囲であってもよい。

互いに異なる方向に延びる４つのひずみ感知エレメント１５Ａを用いることで、電極間に４つの抵抗がブリッジされた、方向に依存しないフルホイートストンブリッジ回路が構成される。近接した４つの抵抗をブリッジしたホイートストンブリッジ回路により、温度変動が補償される。４つのひずみ感知エレメント１５Ａの組を選択可能にすることで、温度変化が補償された状態で、複数方向のひずみ検出が可能になり、全方向性の安定したひずみ検出が実現される。

８つのひずみ感知エレメント１５Ａのすべてに電極１３が設けられているが、ある方向の測定を行う際には、４つの電極１３だけが選択的に使用される。４つの電極１３は、励起電圧（Ｖex+とＶex-）を印可する２つの入力電極と、出力電圧（Ｖout+とＶout-）を取り出す２つの出力電極を含む。これらの４つの電極１３は、ホイートストンブリッジ回路の入出力端子となる。ホイートストンブリッジ回路の詳細は後述する。

ひずみセンサ１０Ａを全方向センサとして動作させるには、４つの電極１３の組を順次選択する新たな仕組みが必要である。異なる電極１３の組を選択することで、ひずみセンサ１０の設計で決まる測定可能なすべての方向でひずみ検出が行われる。このひずみセンシングにおいて、電極１３の組をどのようにして選択するかが一つの特徴である。電極１３の選択構成の詳細は後述する。

８つのひずみ感知エレメント１５Ａは、中心に対して点対称のスノーフレーク型の閉ループで形成されている。８つのひずみ感知エレメント１５Ａは、周方向に等角度で配置されていてもよい。ひずみ感知エレメント１５Ａを周方向に等角度で配置することで、互いに直交する４つのひずみ感知エレメント１５Ａが選択しやすくなる。

ひずみ感知エレメント１５Ａは、基板１１の上にひずみ感知材料で形成されている。基板１１は、測定対象のひずみ変形に追従して変形可能なフレキシブル基板である。フレキシブル基板の材料として、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、シリコーン、ポリエステル等を用いることができる。

ひずみ感知材料は、ひずみ変形に対して抵抗値が変化する導電性材料であり、グラファイトなどのカーボン系材料、合金材料、導電性のポリマー材料、導電性複合材料などを含む。この例で、ひずみ感知エレメント１５はカーボン系材料を用いて、細長いＵ字が８方向に延びるスノーフレークパターンに形成されている。

電極１３は、ひずみ感知エレメント１５Ａの先端に設けられ、ひずみ感知エレメント１５との間に電気的な接続が形成されている。電極１３と配線１２は、銀、金、銅、バラジウム、ニッケル、プラチナ、タングステンなどの良導性の材料で形成されている。各電極１３から配線１２が引き出され、図１Ａの例では、トータル８本の配線１２が引き出されている。電極１３と反対側の配線１２の端部は、後述するように、電極選択用の端子に接続されている。８つのひずみ感知エレメント１５Ａの中から、互いに異なる方向に延びる４つのひずみ感知エレメント１５Ａの組を４通りに選択することで、４つの方向のひずみを測定できる。ここでは、互いに１８０°逆向きの２つの方向を、ひとつの方向としてカウントしている。正方向か負方向かの違いのみで、ひずみの大きさの絶対値は同じだからである。

図１Ｂは、ひずみセンサ１０Ｂの模式図である。ひずみセンサ１０Ｂは、ひずみ感知材料で形成された放射状に延びる１６本のひずみ感知エレメント１５Ｂを有する。各ひずみ感知エレメント１５Ｂの先端に電極１３が設けられ、各電極１３から配線１２が引き出される。電極１３を選択することにより、１６本のひずみ感知エレメント１５Ｂの中から、互いに直交する４つのひずみ感知エレメント１５Ｂの組が、８通りに選択可能である。したがって、８方向のひずみ測定が可能である。

ひずみ感知エレメント１５Ｂは、ひずみ感知エレメント１５Ａと同様に、中心に対して点対称のスノーフレーク型の閉ループで形成されている。１６本のひずみ感知エレメント１５Ｂは、周方向に等角度、すなわち２２．５°の間隔で配置されている。ひずみ感知エレメント１５Ｂの材料、電極１３と配線１２の材料、基板１１の材料等は、図１Ａのひずみセンサ１０Ａと同様である。

図１Ａと図１Ｂの構成例で、基板１１は、ひずみ感知エレメント１５Ａまたは１５Ｂ（以下、適宜「ひずみ感知エレメント１５」と総称する）のパターンが形成された円形の領域と、配線１２が形成された帯状の領域を有するが、この例に限定されない。長方形、正方形、多角形、楕円形などの基板１１に、ひずみ感知エレメント１５と、電極１３及び配線１２のパターンを形成してもよい。

図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、ひずみセンサ１０の電極選択の例を示す。説明をわかりやすくするために、放射状のひずみ感知エレメント１５に、１から１６の番号を反時計回りに付けている。図２Ａで、互いに逆方向に延びる２番と１０番のひずみ感知エレメント１５と、これらのひずみ感知エレメントと直交する６番と１４番のひずみ感知エレメント１５が選択されている。

２番のひずみ感知エレメント１５の電極１３（図１Ｂ参照）にＶex+が印加され、１０番のひずみ感知エレメント１５の電極１３にＶex-が印加される。１４番のひずみ感知エレメント１５の電極１３から、出力電圧Ｖout+が取り出され、６番のひずみ感知エレメント１５の電極１３から、出力電圧Ｖout-が取り出される。

２番、６番、１０番、１４番のひずみ感知エレメント１５が選択されるときは、図の双方向矢印で示すように、２番と１４番の間の方向（１６番の方向）、または６番と１０番の間の方向（８番の方向）に、最大のひずみ感度を示す軸を有する。

図２Ｂで、互いに逆方向に延びる１番と９番のひずみ感知エレメント１５と、これらと直交する５番と１３番のひずみ感知エレメント１５が選択されている。１番のひずみ感知エレメント１５の電極１３にＶex+が印加され、９番のひずみ感知エレメント１５の電極１３にＶex-が印加される。１３番のひずみ感知エレメント１５の電極１３から、出力電圧Ｖout+が取り出され、５番のひずみ感知エレメント１５の電極１３から、出力電圧Ｖout-が取り出される。

１番、５番、９番、１３番のひずみ感知エレメント１５が選択されるときは、図の双方向矢印で示すように、１番と１３番の間の方向（１５番の方向）、または５番と９番の間の方向（７番の方向）に、最大のひずみ感度を示す軸を有する。

図２Ｃで、互いに逆方向に延びる１６番と８番のひずみ感知エレメント１５と、これらと直交する４番と１２番のひずみ感知エレメント１５が選択されている。１６番のひずみ感知エレメント１５の電極１３にＶex+が印加され、８番のひずみ感知エレメント１５の電極１３にＶex-が印加される。１２番のひずみ感知エレメント１５の電極１３から出力電圧Ｖout+が取り出され、４番のひずみ感知エレメント１５の電極１３から出力電圧Ｖout-が取り出される。

１６番、４番、８番、１２番のひずみ感知エレメント１５が選択されるときは、図の双方向矢印で示すように、１６番と１２番の間の方向（１４番の方向）、または４番と８番の間の方向（６番の方向）に、最大のひずみ感度を示す軸を有する。

以下、順次、互いに直交する４つのひずみ感知エレメント１５の組を選択することで、選択されたＶex+とＶout+の間の方向、または、Ｖex-とＶout-の間の方向のひずみを検知することができる。

図３は、ひずみセンサ１０で形成されるホイートストンブリッジ回路を示す。Ｖex+とＶex-は、電源４０に接続されている。Ｖout+とＶout-は、出力測定モジュール３１に接続されている。

図３の矢印の方向にひずみが生じているとき、励起電圧Ｖex+が印加される電極１３と、出力電圧Ｖout-が取り出される電極１３の間に接続されているひずみ感知エレメント１５に引張応力がかかって、線幅がわずかに減少する。抵抗値は、ひずみのない状態での抵抗値Ｒ１から、ΔＲだけ増大する。同様に、励起電圧Ｖex-が印加される電極１３と、出力電圧Ｖout+が取り出される電極１３の間に接続されているひずみ感知エレメント１５に引張応力がかかって、線幅がわずかに減少する。抵抗値は、ひずみがない状態での抵抗値Ｒ３から、ΔＲだけ増大する。

他方、励起電圧Ｖex+が印加される電極１３と、出力電圧Ｖout+が取り出される電極１３の間に接続されているひずみ感知エレメント１５の線幅はわずかに広がり、抵抗値は、ひずみのない状態での抵抗値Ｒ４から、ΔＲだけ減少する。同様に、励起電圧Ｖex-が印加される電極１３と、出力電圧Ｖout-が取り出される電極１３の間に接続されているひずみ感知エレメント１５の抵抗値は、ひずみのない状態での抵抗値Ｒ２から、ΔＲだけ減少する。

ホイートストンブリッジ回路を形成する４つの抵抗が互いに近接して配置されているとき、４つの抵抗は同じ温度変化を受ける。ひずみセンサ１０のひずみ感知エレメント１５は、同じ基板１１上に近接して配置され、どの電極１３の組が選択されても、同じ温度変化を受ける。選択される電極１３の組に拠らず、すべてのひずみ感知エレメント１５が同じ温度変化を受ける場合、ひずみセンサ１０で構成されるホイートストンブリッジ回路は、温度変動の補償機能を備えているといえる。ひずみセンサ１０が受ける外部変化は温度変化に限らず、湿度変化、気候変化などもあるが、これらの外部変化の影響も同様に補償され得る。

ひずみ感知エレメント１５は、同一の線幅で同一の形状に形成されており、ひずみのない状態で、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ０に設定されている。Ｒ０はひずみがないときの抵抗値である。力が加わる前の出力電圧Ｖ_０は、
Ｖ_０＝（Ｒ１・Ｒ３－Ｒ２・Ｒ４）Ｖin／（Ｒ１＋Ｒ２）（Ｒ３＋Ｒ４）
である。入力電圧Ｖinは、Ｖex+とＶex-の間の電位差である。 出力電圧ΔＶは、Ｖout+とＶout-の間の電位差である。

抵抗がＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ０のとき、同じ条件下で生じたひずみεによる抵抗の変化ΔＲは、
ΔＲ＝|ΔＲ１|＝|ΔＲ２|＝|ΔＲ３|＝|ΔＲ４|
である。出力電圧ΔＶは、
ΔＶ＝（ΔＲ／Ｒ０）Ｖin
である。ΔＲ／Ｒ＝ｋ・εであるから、
ΔＶ＝ｋ・Ｖin・ε
となり、出力電圧ΔＶはひずみεに比例する。ｋはゲージ率（感度）である。

このように、ひずみセンサ１０は、全方向性のセンサであり、かつ温度変動などの外部変化の影響を受けにくい安定したセンサである。

図４は、ひずみセンサ１０の全体形状の一例を示す。ひずみセンサ１０は、図２の（Ａ）と同じ状態であり、励起電圧印加用の電極１３－２、１３－１０と、出力電圧取出し用の電極１３－６、１３－１４が選択されている。

基板１１は、ひずみ感知エレメント１５のパターンが形成された円形部１１ａと、配線１２が形成された帯状部１１ｂと、電極選択用の端子１４－１～１４－１６が設けられたアレイ部１１ｃを含む。各ひずみ感知エレメント１５に設けられた電極１３－１～１３－１６は、配線１２によって、対応する端子１４－１～１４－１６に接続されている。複数の端子１４の中から、励起電圧Ｖex+とＶex-を印加する２つの端子と、出力電圧Ｖout+とＶout-を取り出す２つの端子を選択することで、電極１３を介して、異なる方向に延びる４つのひずみ感知エレメント１５の組を選択することができる。

図５は、図４のひずみセンサ１０が取り得る測定方向を示す。等角度で放射状に延びる１６本のひずみ感知エレメント１５が設けられる場合、２２．５°間隔で、（Ａ）～（Ｈ）の８つの方向の測定が可能である。４つの端子１４の組を、８通りに高速で切り替えることで、全方向のひずみ検出が実現される。

この全方向性のひずみセンサ１０は、機械的変位に関連するさまざまな分析に使用可能である。たとえば、（１）ひずみの方向が既知である場合、選択した方向のひずみを測定する標準ひずみセンサとして使用可能である。（２）ひずみの方向が未知の場合、全方向で測定して最大ひずみ方向を特定し、最大ひずみ値を提供することで、ひずみの方向と大きさの両方を測定可能である。（３）ひずみセンサ１０は、トルクと曲げの分析にも使用可能である。ひずみセンサ１０が曲げによるひずみや、ねじり力に感度をもつように電極の選択を最適化することで、面内の直線方向へのひずみだけではなく、曲げ、ねじれ等によるひずみの評価が実現される。これらの場合も、温度補償機能が働くことは言うまでもない。

＜ひずみセンサシステム＞
図６は、ひずみセンサ１０を用いたひずみセンサシステム１の模式図である。ひずみセンサシステム１は、ひずみセンサ１０と、ひずみセンサ１０に接続される電極選択手段を有する。図６では、電極選択手段として、４つのマルチプレクサ２５－１、２５－２、２５－３、２５－４（図中、「ＭＵＸ－１」、「ＭＵＸ－２」、「ＭＵＸ－３」、「ＭＵＸ－４」と表記されている）を用いているが、この例に限定されない。励起電圧Ｖex+とＶex-、及び出力電圧Ｖout+とＶout-に接続される４つの電極１３をそれぞれ個別に、独立して選択し制御できる限り、どのような電子部品やスイッチング機構を用いてもよい。また、ソフトウエアで電極の選択と制御を行ってもよい。

ひずみセンサ１０は、コネクタ２１を介して４つのマルチプレクサ２５に接続されていてもよい。マルチプレクサ２５－１～２５－４（以下、適宜「マルチプレクサ２５」と総称することがある）のそれぞれは、プロセッサ３０の制御モジュール３２に接続され、制御モジュール３２から制御信号を受け取る。

４つのマルチプレクサ２５の各々は、ひずみセンサ１０との間に複数のパラレル接続（入出力線）を有する。パラレル接続の数は、ひずみセンサ１０に形成されているひずみ感知エレメント１５の数に等しい。マルチプレクサ２５－１と２５－２は、電源４０に接続されている。マルチプレクサ２５－１と２５－２は、２つのひずみ感知エレメント１５を選択し、選択された２つのひずみ感知エレメント１５に接続された電極１３に、励起電圧Ｖex+とＶex-を印加する。

マルチプレクサ２５－３と２５－４は、出力測定モジュール３１の一部であるアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）３１Ａに接続されている。ＡＤＣ３１Ａは、プロセッサ３０に内蔵されていてもよいし、プロセッサ３０の外部にあってもよい。マルチプレクサ２５－３と２５－４は、別の２つのひずみ感知エレメント１５を選択し、選択されたひずみ感知エレメント１５に接続されている電極１３から、出力電圧Ｖout+とＶout-を引き出す。マルチプレクサ２５－３と２５－４によって選択されるひずみ感知エレメント１５は、マルチプレクサ２５－１と２５－２によって選択されるひずみ感知エレメント１５と直交する位置関係にあってもよい。

プロセッサ３０は、ＡＤＣ３１Ａの出力値と、あらかじめ設定されている励起電圧とから、ΔＶ＝ｋ・Ｖin・εに基づいて、ひずみεを算出してもよい。

制御モジュール３２は、マルチプレクサ２５－１から２５－４のそれぞれが選択すべき電極１３を示す制御信号を出力する。プロセッサ３０は、あらかじめ選択すべき４つの電極の組を記述したテーブルをメモリに保存していてもよい。制御信号により、ひずみ測定に用いられる４つのひずみ感知エレメント１５の組を高速で切り替えることで、全方向のひずみ測定が可能になる。

＜ひずみセンサの作製＞
図７Ａは、実際に作製したひずみセンサ１０の外観図である。ひずみセンサ１０は、厚さ２０μｍのＰＥＴ基板に形成されている。まず、ＰＥＴ基板上に、シルバーインク（Genes'Ink社製のＣＳ２１３０６）のスクリーン印刷で、電極１３、配線１２、及び端子１４（図４参照）のパターンを形成する。ここでは、高解像印刷のために、ステンレスメッシュ（ＡｓａｄａメッシュＨＳ－Ｄ ６５０／１４）を使用し、１６個の電極１３を持つパターンを形成する。印刷されたパターンを、１１０℃の対流式オーブンで３０分間、硬化させる。配線の端部は、マルチプレクサ２５との接続のために、アレイ状の端子となっている。

次に、シルバーインクのパターンの上に、ひずみ感知エレメント１５のパターンをカーボンインク（東洋紡ＤＹ－２００Ｌ－２）で形成する。カーボンベースの材料は抵抗値が高く、ひずみに対する感度が高い。ひずみ感知エレメント１５のパターンは、２２．５°の間隔で放射状に突出する閉ループのパターンである。パターン形成後、ひずみセンサ１０の全体を、再度、１３０℃の対流式オーブンで３０分間、硬化させる。マルチプレクサ２５の接続部となる端子のアレイ部１１ｃ（図４参照）を除いて、ひずみセンサ１０の全体を厚さ２０μｍのＰＥＴ基板で覆って、２枚のＰＥＴ基板を貼り合わせる。こうして作製されたひずみセンサ１０の長さＬは１０７ｍｍ、配線端部のアレイ部１１ｃ（図４参照）の幅Ｗは、１７ｍｍである。

図７Ｂは、作製したひずみセンサ１０を用いたひずみ測定の態様を示す。ひずみ測定の実験のために、ひずみセンサ１０をアクリル板に張り付ける。ひずみセンサ１０の端部をＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）コネクタに接続する。このＦＰＣコネクタを、図６のひずみセンサシステム１のコネクタ２１として使用してもよい。ＦＰＣコネクタには、補強用に厚さ１００μｍのＰＥＴ基材が取り付けられている。以下の実証実験では、アクリル板に機械的な力を加えて、異なる種類のひずみを測定する。

＜実証実験＞
図７Ａで作製したひずみセンサ１０を、図７Ｂのようにアクリル板に張り付けて、一軸性の曲げにより生じるひずみと、ねじれにより生じるひずみを測定する。マルチプレクサ２５－１～２５－４により、１６個の電極１３から互いに直交する位置にある４つの電極１３の組を順次選択する。選択された４つの電極のうちの２つに、２．４Ｖの励起電圧を印加する。マルチプレクサ２５－１～２５－４を、デジタル出力モジュール（National Instruments社のNI 9403）を介して、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）に接続する。ひずみセンサ１０からの出力を、２４ビットＡＤＣを備えるデータ取得モジュール（National Instruments社のNI-9238）で測定する。ＡＤＣ付きデータ取得モジュールは、図３の出力測定モジュール３１の一例である。

測定に先立って、作製したひずみセンサ１０を、基準ひずみ測定値を用いて校正する。基準ひずみ測定値は、既知のゲージ率（ｋ＝２．１２）をもつ市販のひずみゲージ（共和電業のKFGS-30-120-C1-11）で取得する。アクリル板の上面に作製したひずみセンサ１０を貼り付け、アクリル板の下面の対応する位置に市販のひずみゲージをエポキシ系の接着剤で貼り付ける。

アクリル板に機械的な力を加え、上述した２４ビットＡＤＣ付きデータ取得モジュールで、ひずみセンサ１０と、市販のひずみゲージの両方から、出力電圧を同時に取得する。ひずみセンサ１０から取得された電圧測定値をＰＣに入力して、抵抗値の相対変化（ΔＲ／Ｒ０）を計算し、市販のひずみゲージの測定値（ひずみε）から、ひずみセンサ１０のゲージ率ｋを決定する。

抵抗の相対変化は、ΔＲ／Ｒ０＝ｋ・εであるから、作製したひずみセンサ１０のゲージ率は、ｋ＝（ΔＲ／Ｒ０）／εで求まる。算出されたゲージ率ｋは２．７６である。

図８は、作製したひずみセンサ１０を用いた曲げ測定の実験セットアップと、測定結果を示す。図８の曲げ測定では、ひずみセンサ１０は、一軸性の曲げ応力を受ける。ひずみセンサ１０の長軸方向のうち、円形部１１ａ（図４参照）の先端側を０°、アレイ部１１ｃ（図４参照）側を１８０°の方向とする。ひずみセンサ１０を貼り付けたアクリル板の０°の位置で、矢印の方向（下方）に５００ｇの荷重をかける。

測定結果から、０°のセンサ軸（すなわち１８０°のセンサ軸）に沿ったひずみが観測され、ひずみの方向と大きさが正確に示されることがわかる。

図９は、作製したひずみセンサ１０を用いたねじれ測定の実験セットアップと、測定結果を示す。図９のねじれ測定では、ひずみセンサ１０を貼り付けたアクリル板を、ひずみセンサ１０の長軸に対して４５°の方向で下向きの力をかけ、３１５°の方向で上向きの力をかけて、上下にねじる。

測定結果から、４５°と６７．５°の間で最大ひずみが観察される。これは、この種のねじれ変形測定で予測される結果と一致している。

上記の実装実験から、実施形態のひずみセンサ１０とひずみセンサシステム１により、最大ひずみ方向を正確に測定できることがわかる。この特徴は、複雑な構造要素や多様な形状を有する土木建造物の構造ヘルスモニタリングに有用である。ひずみセンサ１０は、航空宇宙産業、ロボット工学、自動車等の工学構造の監視にも適用可能である。

以上、特定の実施例に基づいてひずみセンサとひずみセンサシステムの構成を説明したが、本発明は上記の例に限定されない。ひずみ感知エレメント１５の数は、８本または１６本に限定されず、４×ｎ本（ｎは自然数）であってもよい。ｎ＝１の場合、励起電圧を印可する電極と出力電圧を取り出す電極の組を２通りに選択することで、２方向のひずみ検出が可能である。４つの電極１３またはひずみ感知エレメント１５の組を選択できる限り、４以上の適切な数を選択できる。ひずみ感知エレメント１５の材料は、カーボンベースのインクに限定されず、Ｎｉ‐Ｃｕ合金など、ひずみに感度をもつ適切な材料を使用することができる。

基板１１の形状は、円形部１１ａと帯状部１１ｂを有する形状に限定されない。長方形の基板１１に、４以上のひずみ感知エレメント１５と、電極１３から引き出される配線１２と、端子１４の配列を形成してもよい。ひずみセンサ１０の長さと幅は測定対象物に応じて適宜設計可能である。励起電圧Ｖex+、Ｖex-と、出力電圧Ｖout+、Ｖout-に接続される電極１３の選択制御は、マルチプレクサに限定されず、スイッチング制御が可能な電子回路や、ソフトウエア制御を利用してもよい。いずれの場合も、電極１３の選択により、異なる方向に延びる４つのひずみ感知エレメント１５の組を選択して、温度変動を補償しつつ複数方向のひずみを測定することができる。

１ ひずみセンサシステム
２ 撮像装置
３ 情報処理装置
５ メモリ
６ 表示装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ ひずみセンサ
１１ 基板
１２ 配線
１３ 電極
１４ 端子
１５ ひずみ感知エレメント
２１ コネクタ
２５、２５－１～２５－４ マルチプレクサ（選択手段）
３０ プロセッサ
３１ 出力測定モジュール
３１Ａ ＡＤＣ
３２ 制御モジュール
４０ 電源

Claims (10)

1. ひずみ感知材料で形成された、放射状に延びる４以上のひずみ感知エレメントと、
   前記４以上のひずみ感知エレメントのそれぞれに接続される電極と、
   を有し、前記電極の選択により、前記４以上のひずみ感知エレメントの中から、異なる４つの方向に延びる４つのひずみ感知エレメントの組が選択可能である、
   ひずみセンサ。
2. 選択された前記４つのひずみ感知エレメントに接続された４つの電極に対する電気信号の入出力によりホイートストンブリッジ回路が構成される、
   請求項１に記載のひずみセンサ。
3. 前記４以上のひずみ感知エレメントは、円周方向に等角度で配置されており、互いに直交する方向に延びる４つのひずみ感知エレメントの組が選択可能である、
   請求項１または２に記載のひずみセンサ。
4. 前記電極から引き出される配線と、
   前記電極と反対側で前記配線に接続される電極選択用の端子の配列と、
   をさらに有する請求項１から３のいずれか１項に記載のひずみセンサ。
5. 測定対象物の変形に追従して変形可能なフレキシブル基板、
   をさらに有し、前記フレキシブル基板は、前記４以上のひずみ感知エレメントが形成された円形部と、前記円形部から延びて前記配線が形成された帯状部とを有する、
   請求項４に記載のひずみセンサ。
6. ひずみ感知材料で形成された放射状に延びる４以上のひずみ感知エレメントと、前記４以上のひずみ感知エレメントのそれぞれに接続された電極とを有するひずみセンサと、
   前記ひずみセンサに接続されて前記４以上のひずみ感知エレメントの中から４つのひずみ感知エレメントの組を選択する選択手段と、
   を有し、
   前記選択手段は、前記ひずみセンサとの間に４以上のパラレル接続を有し、前記４以上のパラレル接続の中から、前記ひずみセンサへの励起電圧の印可と、前記ひずみセンサからの出力電圧の取出しに用いられる４つの接続を選択する、
   ひずみセンサシステム。
7. 前記選択手段は、前記電極の中から、前記励起電圧を入力する第１電極と第２電極、及び前記出力電圧を取出する第３電極と第４電極を選択する、
   請求項６に記載のひずみセンサシステム。
8. 前記選択手段は前記ひずみセンサに接続される４つのマルチプレクサであり、
   前記４つのマルチプレクサの中の第１マルチプレクサと第２マルチプレクサは、互いに逆方向に延びる第１ひずみ感知エレメントと第２ひずみ感知エレメントに接続された前記第１電極と前記第２電極をそれぞれ選択し、
   第３マルチプレクサと第４マルチプレクサは、前記第１ひずみ感知エレメント及び前記第２ひずみ感知エレメントと直交する第３ひずみ感知エレメントと第４ひずみ感知エレメントに接続された前記第３電極と前記第４電極をそれぞれ選択する、
   請求項７に記載のひずみセンサシステム。
9. 前記第１マルチプレクサと前記第２マルチプレクサに接続される電源と、
   前記第３マルチプレクサと前記第４マルチプレクサに接続される出力測定モジュールと、をさらに有する請求項８に記載のひずみセンサシステム。
10. 前記選択手段に制御信号を供給する制御モジュール、
    をさらに有する請求項６から９のいずれか１項に記載のひずみセンサシステム。

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