JP2749158B2 - 貼付型電気容量ひずみゲージ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は貼付型電気容量ひずみゲージに関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来の容量型ひずみゲージは、NDI第19回応力ひずみ
測定シンポジユウム講演論文集P5〜P8（昭62−１）にお
いて論じられている。本論文中第１図にその構造が示さ
れているが、被測定物には先端の２点でスポツト溶接し
て取付ける。しかし、安定に電気容量を計測するには、
ある程度電極板の面積を大きくする必要がある。溶接面
積に比べ全体形状が大きいため、被測定物が振動する部
位および被測定物の表面を高速流体が流動する部位等で
は、２次振動が生じ、正確なひずみ測定ができない。ま
た、被測定物へ規定寸法になるようにスポツト溶接等で
取付けるにはかなりの熟練を要する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は応力の集中する局所部の1Hz以下の静
的なひずみを計測することを主目的としており、変動す
る流体雰囲気中および振動する被測定物での動ひずみ測
定についての配慮がされておらず、このような場合には
ゲージ自身が２次振動する問題があつた。また、被測定
物への規定のゲージ長でスポツト溶接により貼付するに
は、高度な技術を要する問題があつた。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、被測定
物への貼付が容易で、高温高速流体が被測定物表面を流
動する雰囲気および振動する被測定物表面のひずみ検出
を可能とした貼付型電気容量ひずみゲージを提供するこ
とを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち本発明は、被測定物の表面の伸縮量を静電容
量の変化として検出する貼付型電気容量ひずみゲージに
おいて、前記ひずみゲージが、前記被測定物の表面に貼
付された伸縮自在な絶縁基盤上に対向する電極板よりな
る電極対を備え、かつこの電極対が、前記被測定物の伸
縮に応じた静電容量を測定する電極対と、この電極対に
対しその長手方向が直交するように配置された電極対と
を備えるように形成し所期の目的を達成するようにした
ものである。

〔作用〕

上記手段を設けたので、ゲージが簡単に取り付けられ
ると共に、感度，安定性がよくなつて、小形化が可能と
なる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。
第１図から第７図には本発明の一実施例が示されてい
る。本実施例ではひずみゲージを、被測定物の表面に貼
付された伸縮自在な絶縁材（絶縁基盤）１上に対向する
電極板2a,2bよりなる電極対２を設けて形成した。この
ようにすることにより、ゲージが簡単に取り付けられる
と共に、感度，安定性がよくなつて、小形化が可能とな
り、被測定物への貼付が容易で、高温高速流体が被測定
物表面を流動する雰囲気および振動する被測定物表面の
ひずみ検出を可能とした貼付型電気容量ひずみゲージを
得ることができる。

すなわちこれらの図で３は耐熱性の金属薄膜板（金属
板）で本ゲージのベースとなるものである。この金属薄
板３に絶縁材１で電気絶縁して、電気容量を構成する対
向した電極板2a,2bから成る電極対２を複数個配置し、
それぞれの電極板2a,2bはリード線４（4a,4b）およびタ
ブ５（5a,5b）に接続されている。また、第８図に示さ
れているように、タブにはスパイラル状のリボンリード
線６がスポツト溶接等で溶接されており、複数個の電極
対で計測される電気容量を測定する計測器（電気容量計
測器）７まで配線するシールド線８とスポツト溶接等で
接続される。なお、金属薄板は後述するように、被測定
物への取付を容易にするためのものであり、金属薄板を
使用せず、被測定物へ直接絶縁材を介して電極対を構成
しても同じ効果が得られる。

本ゲージは、600℃以上の高温で使用することを目的
としており、その製作方法を第１図から第８図を参照し
乍ら次に述べる。まず耐熱性の金属薄板３と電極対2,リ
ード線４およびタブ５とを電気的に絶縁して固定する必
要があるので、これらの配置されるパターンより若干広
めにセラミツクス等の耐熱性の絶縁材１をスパツタリン
グ，コーテイング，蒸着等の処理により金属薄板３上に
固着させる。次に、この絶縁材１の上に第１図に示され
ているように、電極対2,リード線４およびタブ５の配線
パターンで耐熱金属をスパツタリングする。さらに、電
極対２が所定の対向面積になるまで、電極対２の部分に
のみ繰返してスパツタリングを行い背を高くする。最後
に、タブ５部にリボンリード線６を溶接してゲージが完
成される。

このゲージの被測定物への貼付は、ひずみ計測点を覆
うように金属薄板３を配置し、金属薄板３の絶縁材１を
固着していない所をスポツト溶接することで簡単に行う
ことができる。その後、第８図に示されているように記
録計10まで配線し、最後にゲージ部およびシールド線８
の一部を覆う若干剛性の大きな金属カバー９をすること
で、計測器７でひずみを測定し記録計10で記録できる状
態となる。なお600℃以上の高温に耐えるシールド線８
は一般に剛性が大きいため、リード線４と直接に接触す
ると接続作業中にゲージを損傷する恐れがある。そこで
予めスパイラル状にし、より剛性を小さくしたリボンリ
ード線６をリード線４と接続されているタブ５に取付け
ておくことで、シールド線８との取付（スポツト溶接）
作業性を容易にしている。

第１図で水平方向に被測定物が伸縮した場合を考え
る。被測定物にスポツト溶接された金属薄板３は、被測
定物の伸縮量に伴い同じ量だけ伸縮する。この時、絶縁
材１を介して取付けられた電極板2a,2b間も金属薄板３
の伸縮に伴つてその間隔が変化し、静電容量が変化す
る。すなわち被測定物の伸縮量（ひずみ）を計測器７に
より電気的に測定できることになる。なお、被測定物に
スポツト溶接で貼付けることで微小な損傷が懸念される
場合や、非金属のようにスポツト溶接できない場合に
は、高温接着剤等でも貼付が可能である。この時は、金
属薄板３に微小穴を多数設けておくことで、被測定物に
対しより強力に接着することができる。

このように本実施例によれば次に述べるような効果を
奏することができる。（１）電極対を複数個接続してお
り電極対１個の場合に比べ電極面積をｎ分の１にできる
ので、被測定物上の空間に極めて小さくセツトできる。
従つて応答性が極めてよく振動する被測定物のひずみも
高精度に計測できる。（２）ゲージ部およびリード線の
一部に金属製の箱状のカバーを施すことで、外部電気ノ
イズの影響を受けず高精度にひずみ測定が可能になる。
（３）金属薄板に予め電極対等をスパツタリング等で形
成するため、ゲージ毎のバラツキがなく均一なものが製
作できる。（４）従来は被測定物へゲージ長を規定寸法
になるようにスポツト溶接しなければならず、取付けに
はかなりの熟練を要したが、本ゲージではひずみ計測点
を覆うように金属薄板を被測定物にスポツト溶接等で簡
単に取付けられ、取付方法の違いよるゲージ特性の変化
はない。

第９図および第10図には本発明の他の実施例が示され
ている。本実施例では金属薄板３表面に電極対２を積層
するのではなく、金属薄板３に複数個の矩形状のスリツ
トを空けておき、このスリツトの対向断面に絶縁材１お
よび電極板2a,2bを積層し、複数個の電極対２を形成す
るものであり、被測定物へは金属薄板３をスポツト溶接
等により貼付ける。本実施例によれば金属薄板３の伸縮
が直接に電極対２に伝達されるので、前述の場合より応
答性がよくなる。また、電極対２は金属薄板３表面上に
出ることがなく、前述の場合よりゲージ全体が薄くでき
る利点がある。

第11図および第12図には本発明の更に他の実施例が示
されている。本実施例は金属薄板３に第11図に示されて
いるように、Ｉ型のスリツト11を複数個設け、このスリ
ツト11部を第12図に示されているように折り曲げ、この
折り曲げた対向面に絶縁材１および電極板2a,2bを積層
し、複数個の電極対２を形成した。上述の第１図に示さ
れている実施例では、電極板2a,2bはある程度背を高く
しなければならず、積層するのに時間がかかる。また、
金属薄板３は基本的にスポツト溶接で被測定物に取付け
るので板厚は約0.1mm以下としなければならず、第９
図，第10図の実施例では、所定の対向電極板面積を得る
には電極対の数を多くしなければならない。その点本実
施例ではこれらの問題点はなくなる。

第13図から第15図には本発明の更に他の実施例が示さ
れている。本実施例では金属薄板３に第13図に示されて
いるように、被測定物の伸縮方向と平行に、平行なスリ
ツト11を複数個設け、このスリツト11部を第14図に示さ
れているようにＶ字形に絞り出し、この絞り出したもの
を第15図に示されているように、絞り出した対向面に絶
縁材１および電極板2a,2bを積層し、複数個の電極対２
を形成する。上述の第11図および第12図に示した実施例
では、電極対２の一端がフリーであるため形状が安定せ
ず、ひずみが負荷されていないのにもかかわらず電極対
２がゆれることにより、みかけひずみを計測する恐れが
ある。しかし、本実施例では電極対２の取付部は固定さ
れているため、このような問題はない。また、電極対２
は傘形状にした金属薄板３の内側に配置されるため、カ
バー９（第８図参照）を配置しなくても電極対２の保護
ができる利点がある。

なお、第11図，第12図および第13図〜第15図に示した
実施例では、金属薄板３にスリツト加工した後に絶縁材
１および電極対２をスパツタリング等で積層し、その
後、折り曲げまたは絞り出し加工により所定の形状に製
作でき、より均一なゲージの製作が可能となる。ただし
第13図から第15図に示した実施例では対向した電極板2
a,2bが平行でないため、被測定物のひずみと容量変化と
の関係に直線性がなくなる恐れがある。この欠点をなく
したのが第16図に示されている実施例の電極対である。

すなわち電極板2a,2bが平行に対向するようにΩ字形
の電極板取付枠12の内側に絶縁材１を介して積層し、金
属薄板３に平行に複数個スポツト溶接等で設置する。本
実施例では電極板2a,2bの取付部が片持とならず形状が
安定であるため、ある程度背を高することができ、電極
対２の数を少なくできる利点もある。また、金属薄板３
にスリツト11を設け、このスリツト11を挟んでΩ字形の
電極板取付枠12を設置すれば、被測定物の伸縮量を忠実
に電極板2a,2b間の距離の変化、すなわち容量変化とし
て検出することができる。この実施例では金属薄板３に
Ω字形の電極板取付枠12をスポツト溶接で取付ける場合
を示したが、電極板取付枠12をΩ字形の連続した波板と
することで金属薄板３は不要となり、前述の場合より忠
実に被測定物の伸縮が検出可能となる。また、電極対２
の取付間隔も精度よく設置できるので、均一なゲージを
大量に生産できる。

第17図には本発明の更に他の実施例の温度補償された
ゲージについて示されている。本実施例は金属薄板３の
一部分にスリツトを設け、絶縁材１を介して対向距離お
よび対向面積が同じな電極対2A,2Bを配置する。電極対2
Bの配置された金属薄板３の領域は被測定物には貼付せ
ずフリーな状態となるように、金属薄板３を被測定物に
貼付し、電極対2A,2Bを電気平衡回路の隣辺となるよう
に結線して、電気容量を計測する。同図で水平方向に伸
縮する場合は、伸縮量に比例した電気容量変化が電極対
2Aで計測される。また、環境因子例えば温度変動などの
雰囲気が変化した場合には、電極対2A,2Bには同極性で
同じ容量変化となるので、電気平衡回路で相殺されるた
め検出されない。従つてゲージ貼付位置の環境が変化し
ても被測定物の機械的負荷に伴う伸縮量のみの電気容量
変化を精度よく計測できることになる。なお、抵抗線ひ
ずみゲージを同様な方法でスリツト付の金属薄板３に貼
付すれば同じ効果が得られる。しかし、抵抗線の固有抵
抗値が温度により変化するため、ゲージの基本特性であ
るゲージ率も変化する。そのため、その効果も温度によ
り補正しないと真のひずみが算出できない欠点がある。
その点、本発明の容量型ゲージではそのような特性変化
はない。

このように本実施例よれば被測定物の伸縮に反応せ
ず、環境変化にのみ電気容量が変化する電極対も設け、
この電極対も使用して電気平衡回路を組むことにより、
温度変動等の環境変化がある雰囲気中においても機械的
負荷のみによる電気容量の変化を高精度に計測できる。

本発明の貼付型電気容量ひずみゲージは、基本的には
第18図に示されているように、複数個の電極対２を並列
接続して、金属薄板３の部分の平均ひずみを計測するも
のである。従つて狭い範囲でひずみ分布を持ち、最大ひ
ずみ（き裂）発生位置を的確に推定できない溶接継手や
応力集中部位に本ゲージを使用すれば、最大ひずみ発生
点を含んだ平均ひずみとして検出できるようになる。

また、第19図に示されているように、電極対２各々シ
ールド線８を付け、スイツチングレギユレータ13を介す
ることで各々の電極対２でひずみが計測でき、１枚のゲ
ージで多点のひずみ計測も可能となる。従つて被測定物
の平均的なひずみと局所的なひずみとを１枚のゲージで
計測できる利点がある。特に、電極対２の配置位置が明
確になつているので、ひずみ分布から最大ひずみ発生点
および最大ひずみを精度よく推定できる。

電極対２を形成する電極板2a,2bの対向面積をA,対向
距離をl,電極対の配置されている雰囲気の誘電率をＫと
すれば、電極対２の電気容量Ｃは、次式のような関係と
なる。

Ｃ＝Ｋ・A/l …（１） 本発明のゲージの場合は、ＡおよびＫが一定で被測定
物の伸縮により、電極板2a,2bの対向距離ｌが変化する
ことにより、電気容量の変化を検出するものである。一
方、電極板2a,2bの対向距離ｌが変化しないように被測
定物に貼付あるいは据置して、電極板2a,2bが損傷（減
肉）することにより電極間距離ｌが変化しても電気容量
の変化が計測できる。

そこで本ゲージを腐食環境下に置き、腐食量を検出す
るセンサーとして使用した実施例が第20図および第21図
に示されている。全体の基本的な構成は、前述等の実施
例とほぼ同じである。本腐食センサーの場合は、被測定
物の伸縮量を伝達する必要がないので、金属薄板３は耐
食性で剛性の大きなものを使用する。また、電極板2a,2
bは被測定物と同一材料かあるいは被測定物より腐食が
促進される金属材料とし、電極板対向背面には耐食性の
絶縁材１等でコーテイングを施してある。電極板2a,2b
が腐食減肉すると図中点線表示のような形状となるた
め、腐食量と容量変化との関係は比例しない。従つて実
際の被測定物の腐食減肉量を計測する場合には、予め同
一環境下で被測定物の腐食減肉量と電極板2a,2bの電極
間距離ｌとの変化に伴う電気容量変化量との関係（校正
曲線）を求めておき、電気容量変化より被測定物の腐食
量を算出する。なお、被測定物に本センサーを固定する
場合は、１点でスポツト溶接（第20図のＸ印）すればよ
い。また、固定する必要がない場合は、金属薄板３がな
くても同じ効果が得られる。

このように本実施例によれば電極板の損傷に伴う電気
容量の変化を計測することで、例えば被測定物の腐食減
肉量等を検出する損傷検出センサーとしても使用でき
る。

また、（１）式より誘電率Ｋが変化することにより電
気容量Ｃが変化する。従つて、種々の雰囲気すなわち誘
電率と電気容量との関係を求めておけば雰囲気の種類、
あるいは雰囲気の濃度変化を検出できるので、例えば有
毒ガスの発生する恐れのある場所に設置すれば、ガス検
知センサーとして利用できる。

このように本実施例によれば電極板近辺の環境変化す
なわち誘電率の変化による電気容量の変化を計測するこ
とにより、例えばガス検出センサーとしても使用でき
る。

抵抗線ひずみゲージは、抵抗線の伸縮に伴う抵抗変化
からひずみを計測するもので、基本的には抵抗線の弾性
範囲内のひずみしか計測できない。その点、電気容量ひ
ずみゲージは、電極板2a,2b間の距離、あるいは電極板2
a,2b間の対向面積の変化からひずみを計測するものであ
り、弾性域を越える大きなひずみあるいはき裂の開口変
位量の計測も可能である。

第22図には切欠き付丸棒試験片の応力が集中する切欠
き底ひずみ（電気容量）を従来例で示した容量型ひずみ
ゲージで計測した結果が示されている。図中10〜20×10
²回および30〜60×10²回は、破面に縞模様を入れるため
繰返し負荷量を小さくして試験した範囲が示されてい
る。その結果、試験後の破面観察から20×10²回および6
0×10²回でき裂深さがそれぞれ0.3mmおよび0.8mmである
ことがわかつた。また、５×10²回近辺から徐々にひず
みが増加しており、この時点で微小なき裂が発生したと
推定できる。このように容量型ひずみゲージでは、ひず
みを連続計測することにより、き裂の発生時期およびき
裂開口変位量とき裂深さとの関係を予め求めておけば、
き裂開口変位量からき裂深さが測定できることになり、
き裂進展速度すなわち損傷量が計測でき、予め機器の寿
命評価が可能となる。このように従来例の容量型ひずみ
ゲージでの測定結果を示したが、本実施例のひずみゲー
ジでも測定することができ、同等以上の効果を奏するこ
とは云うまでもない。

〔発明の効果〕

上述のように本発明は被測定物への貼付が容易で、高
温高速流体が被測定物表面を流動する雰囲気および振動
する被測定物表面のひずみが検出できるようになつて、
被測定物への貼付が容易で、高温高速流体が被測定物表
面を流動する雰囲気および振動する被測定物表面のひず
み検出を可能とした貼付型電気容量ひずみゲージを得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の貼付型電気容量ひずみゲージの一実施
例の平面図、第２図は同じく一実施例の正面図、第３図
は第１図のＡ−Ａ線に沿う断面図、第４図は第１図のＢ
−Ｂ線に沿う断面図、第５図は同じく一実施例の側面
図、第６図は第１図のＣ−Ｃ線に沿う断面図、第７図は
第１図のＤ−Ｄ線に沿う断面図、第８図は同じく一実施
例のひずみゲージによるひずみ計測システム図、第９図
は本発明の貼付型電気容量ひずみゲージの他の実施例の
平面図、第10図は第９図のＥ−Ｅ線に沿う断面図、第11
図は本発明の貼付型電気容量ひずみゲージの更に他の実
施例のスリツト設置を示す平面図、第12図は第11図のＦ
−Ｆ線に沿うゲージ製作後の断面図、第13図は本発明の
貼付型電気容量ひずみゲージの更に他の実施例のスリツ
ト設置を示す平面図、第14図は第13図のスリツト部を絞
り出し加工した状態を示す平面図、第15図は第14図のＧ
−Ｇ線に沿う断面図、第16図は本発明の貼付型電気容量
ひずみゲージの更に他の実施例の斜視図、第17図は本発
明の貼付型電気容量ひずみゲージの更に他の実施例によ
る温度補償されたゲージを示す平面図、第18図は本発明
の貼付型電気容量ひずみゲージの更に他の実施例の複数
個の電極対の結線方法を示す説明図、第19図は本発明の
貼付型電気容量ひずみゲージの更に他の実施例の多点ひ
ずみ計測用として使用する場合の計測方法を示す説明
図、第20図は本発明の貼付型電気容量ひずみゲージの更
に他の実施例の環境変化検出センサーとして使用する場
合を示す平面図、第21図は第20図のＨ−Ｈ線に沿う断面
図、第22図は容量型ひずみゲージを使用してき裂深さを
測定した場合の容量変化率と負荷繰返し数との関係を示
す特性図である。 １……絶縁材（絶縁基盤）、2,2A,2B……電極対、2a,2b
……電極板、３……金属薄板（金属板）、4,4a,4b……
リード線、5,5a,5b……タブ、６……リボンリード線、
７……計測器（電気容量計測器）、８……シールド線、
９……カバー、11……スリツト。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−54904（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−13466（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−44035（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の表面の伸縮量を静電容量の変化
   として検出する貼付型電気容量ひずみゲージにおいて、
   前記ひずみゲージが、前記被測定物の表面に貼付された
   伸縮自在な絶縁基盤上に対向する電極板よりなる電極対
   を備え、かつこの電極対が、前記被測定物の伸縮に応じ
   た静電容量を測定する電極対と、この電極対に対しその
   長手方向が直交するように配置された電極対とを備えて
   いることを特徴とする貼付型電気容量ひずみゲージ。