JP5647567B2 - 応力センサ - Google Patents

Description

本発明は、たとえば自動車、航空機、鉄道車両、起重機、ロボット、橋梁、もしくは高架橋などの構造体に生じるせん断歪などの応力を計測する応力センサに関する。

橋梁や高架橋などに代表される既存の建造物の応力分布を計測することは、建造物の経年的な劣化や欠損個所を特定し、補修判断を行ううえで、非常に有効な手段である。一般的には、建造物を支える支柱や補強用鋼材に複数の応力センサを貼着もしくは埋設し、各応力センサから提供される応力情報を時系列的に比較することで、鋼材内部の亀裂発生、金属疲労、もしくは自重の偏りによる影響を判断する。

この応力センサとしては、特許文献１に示されたものが知られている。この応力センサは、立方体形状を呈しているとともに表面が非導電性材料からなる三次元体と、この三次元体の各面に形成された金属抵抗膜もしくは半導体素子からなる３組のセンサエレメントと、各種集積回路とを備えて構成されている。各センサエレメントは、平面視Ｘ字状をなしている。

上記応力センサにおいて、各センサエレメントから引き出された信号線を介して出力される歪信号を、所定の演算回路で演算して応力を検出する。こうして検出される応力は、３組のセンサエレメントのＸ字の各交点における応力である。これにより、構造体の内部における応力を、直交する３軸方向にそれぞれ分離して正確に検出することが可能となっている。かかる応力センサを構造体の内部に埋設して用いることにより、構造体の表面にセンサエレメントを貼りつける構成のセンサに比べ、検出精度の向上が図られている。

しかしながら、このような応力センサにおいては、次のような問題が存在する。

各軸方向の応力は、３組のセンサエレメントのＸ字の各交点における値として求められる。また、これらのセンサエレメントの交点はそれぞれ、上記三次元体の各面の中央に位置している。三次元体の各面の中央どうしは、所定距離だけ離間している。そのため、各軸方向の応力はそれぞれ、所定距離だけ離間した位置における値として求められる。すなわち、求められる各せん断応力には位置ずれが生じているといえる。このような位置ずれは、上記三次元体のサイズによっては、上記応力センサの計測精度の低下を招くおそれがある。

また、立方体形状の三次元体の各表面にセンサエレメントを形成することは、製造上の困難を伴う。すなわち、たとえば、絶縁体表面に導体薄膜を形成し、この導体薄膜をエッチングするといった工程を施し、かつ、互いに絶縁されてＸ状に交差するセンサエレメントを三次元体の各面に形成することは、きわめて困難である。

特開２００５−６２１７０号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、少なくとも２軸方向における応力をより精度よく計測することができる応力センサを提供することをその課題とする。

本発明によって提供される応力センサは、応力計測対象物中に埋設して用いる応力センサであって、原点において相互に交わるＸＹＺ軸を含むように設定された３次元領域において、上記原点を含むＸＹ平面内に、互いに異なる２方向にそれぞれ長手状に延びる一対の第１のセンサエレメントと、上記原点を含むＹＺ平面内に、互いに異なる２方向にそれぞれ長手状に延びる一対の第２のセンサエレメントと、を含むことを特徴としている。

好ましい実施の形態においては、上記第１のセンサエレメントおよび上記第２のセンサエレメントは、上記原点から延びるように形成されている。

好ましい実施の形態においては、上記第１のセンサエレメントおよび上記第２のセンサエレメントは、上記原点を中心とする放射方向に沿って延びるように形成されている。

このような構成においては、上記一対の第１のセンサエレメントどうしが近接する位置が、上記一対の第１のセンサエレメントによって応力を計測できる位置、すなわち第１の基準点となる。また、上記一対の第２のセンサエレメントどうしが近接する位置が、上記一対の第２のセンサエレメントによって応力を計測できる位置、すなわち第２の基準点となる。したがって上記応力センサにおいては、上記第１および第２の基準点のいずれをも原点またはその近傍に位置させることが容易となる。そのため、この応力センサを、構造体における応力を計測するべき特定位置に上記原点が位置するように埋設することにより、この特定位置における上記ＸＹ平面および上記ＹＺ平面の面内方向における応力を、より高精度に計測することが可能となる。すなわち、上記応力センサによって、少なくとも２軸方向における応力をより高精度に計測することが可能となる。

好ましい実施の形態においては、上記ＸＹ平面に表面が位置するように配置された第１の基板と、上記ＹＺ平面に表面が位置するように配置された第２の基板と、を含み、上記一対の第１のセンサエレメントは上記第１の基板の表面に形成され、上記一対の第２のセンサエレメントは上記第２の基板の表面に形成されている。

このような応力センサを製造するためには、上記一対の第１のセンサエレメントを上記第１の基板に、上記一対の第２のセンサエレメントを第２の基板に形成すればよい。そのため、上記一対の第１および第２のセンサエレメントを単一のたとえば立方体形状の三次元体の各表面に形成する必要がない。よって、上記応力センサを製造する際には、製造上の困難を回避することができる。その結果、上記応力センサの製造工程の簡素化を実現できる。

好ましい実施の形態においては、上記第１の基板の表面と反対側の上記第１の基板における裏面に形成されているとともに、上記ＸＹ平面視において、上記原点またはその近傍から、互いに異なる２方向にそれぞれ長手状に延びる一対の追加の第１のセンサエレメントをさらに含む。このような構成によれば、上記第１の基板についてのせん断応力についてのみならず、上記第１の基板のまげ、ねじれの応力についても計測することができる。

好ましい実施の形態においては、上記第１のセンサエレメントは、この上記第１のセンサエレメントが延びる方向に沿って長手状に延びているとともに上記第１のセンサエレメントが延びる方向に交差する方向において互いに離間配置された複数のセンサラインをさらに含む。このような構成によれば、上記複数のセンサラインについての出力値を合算した値を得ることができる。これにより、上記第１のセンサエレメントについての出力値を向上させることができる。その結果、応力の検出精度の向上を実現しうる。

好ましい実施の形態においては、上記センサラインは、他の上記センサラインに積層されている。

好ましい実施の形態においては、複数の上記センサラインは互いに並列している。

好ましい実施の形態においては、上記第１の基板、および上記第２の基板をインサートしている絶縁材をさらに含む。

好ましい実施の形態においては、上記Ｘ軸、上記Ｙ軸、および上記Ｚ軸は、互いに直交する。

好ましい実施の形態においては、上記一対の第１のセンサエレメントは、上記Ｘ軸が等分するように９０度の開角をもって配置され、上記一対の第２のセンサエレメントは、上記Ｙ軸が等分するように９０度の開角をもって配置されている。

好ましい実施の形態においては、上記原点を含むＺＸ平面内に、互いに異なる２方向にそれぞれ長手状に延びる一対の第３のセンサエレメントをさらに含む。

好ましい実施の形態においては、上記第３のセンサエレメントは、上記原点から延びるように形成されている。

好ましい実施の形態においては、上記第３のセンサエレメントは、上記原点を中心とする放射方向に沿って延びるように形成されている。

好ましい実施の形態においては、上記ＺＸ平面に表面が位置するように配置された第３の基板を含み、上記一対の第３のセンサエレメントは第３の基板の表面に形成されている。

好ましい実施の形態においては、上記一対の第３のセンサエレメントは、上記Ｚ軸が等分するように９０度の開角をもって配置されている。

好ましい実施の形態においては、上記一対の第１のセンサエレメント、上記一対の第２のセンサエレメント、および上記一対の第３のセンサエレメントは、いずれも、Ｖ字状をなしている。

好ましい実施の形態においては、上記一対の第１のセンサエレメント、上記一対の第２のセンサエレメント、および上記一対の第３のセンサエレメントのいずれかは、上記原点を交点とするＸ字状をなしており、その余は、Ｖ字状をなしている。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

第１実施形態にかかる応力センサの内部を透視して示す斜視図である。 図１に示した応力センサのＸＹ平面視を示す図である。 図１に示した応力センサのＹＺ平面視を示す図である。 図１に示した応力センサのＺＸ平面視を示す図である。 第２実施形態にかかる応力センサの内部を透視して示す斜視図である 図５に示した応力センサのＸＹ平面視を示す図である。 図５に示した応力センサのＹＺ平面視を示す図である。 図５に示した応力センサのＺＸ平面視を示す図である。 第３実施形態にかかる応力センサの内部を透視して示す斜視図である。 図９に示した応力センサのＸＹ平面視を示す図である。 図９に示した応力センサのＹＺ平面視を示す図である。 図９に示した応力センサのＺＸ平面視を示す図である。 第４実施形態にかかる応力センサの平面図である。 図１３の要部拡大図を示している。 第５実施形態にかかる応力センサの平面図である。 図１５の要部断面図を示している。

以下、本発明の第１実施形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本実施形態にかかる応力センサＡ１の内部を透視して示す斜視図である。図２は、図１に示した応力センサＡ１のＸＹ平面視を示す図である。図３は、図１に示した応力センサＡ１のＹＺ平面視を示す図である。図４は、図１に示した応力センサＡ１のＺＸ平面視を示す図である。これらの図に示された応力センサＡ１は、ＸＹ平面センサｓ１、ＹＺ平面センサｓ２、ＺＸ平面センサｓ３、および絶縁材８を備えている。なお、図２、図３、図４においては、理解の便宜上絶縁材８を省略している。

以下において、ＸＹ平面センサｓ１、ＹＺ平面センサｓ２、およびＺＸ平面センサｓ３の各構成についての説明を行うが、ＸＹ平面センサｓ１の構成についての説明は、ＹＺ平面センサｓ２、およびＺＸ平面センサｓ３についても同様に適用できる。ＹＺ平面センサｓ２、ＺＸ平面センサｓ３の各構成については、ＸＹ平面センサｓ１の各構成と異なるものについて主に説明し、ＸＹ平面センサｓ１についての説明と重複するものは省略する。

これらの図に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸が設定されている。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は互いに直交している。

図１、図２に示すように、ＸＹ平面センサｓ１は、基板１と、一対のセンサエレメント４１，４２とを備えている。ＸＹ平面センサｓ１における一対のセンサエレメント４１，４２は、図２における基板１の長辺に沿う方向のせん断応力Ｆ１を効率的に検出できるように配置されている。

図１、図２に示すように、基板１は、たとえばシリコン系の絶縁材料からなり、長方形状の薄板である。基板１のサイズは、たとえば、２ｍｍ×４ｍｍ程度の比較的小サイズとされる。基板１は、表面１ａおよび裏面１ｂを有する。表面１ａは、ＸＹ平面に位置している。

図１、図２に示すように、一対のセンサエレメント４１，４２は、基板１の表面１ａに形成されている。センサエレメント４１，４２は、一般に歪ゲージと称されるものである。センサエレメント４１，４２は、たとえばＣｒＯｘまたはＮｉなどからなる帯状膜である。なお、センサエレメント４１，４２として、ピエゾ効果による歪ゲージ、半導体歪ゲージ等を用いてもよい。図２によく表れているように、センサエレメント４１，４２は、Ｖ字状をなしている。このＶ字の頂点は、センサエレメント４１，４２がそれ自体、幅を有すること、基板１の縁まで形成することが困難なこと、などから、原点Ｐと一致させることができないが、可能な限り原点Ｐに近接させられていることが望ましい。このようなことから、センサエレメント４１，４２は、ＸＹ平面内において、原点Ｐから、互いに異なる２方向に向かって長手状に延びているということができる。また、センサエレメント４１，４２はいずれも、原点Ｐを中心とする放射方向に沿って延びているということもできる。これらのセンサエレメント４１，４２はまた、図に示す実施形態においては、Ｘ軸によって等分されるように９０度の開角をもって配置されている。

センサエレメント４１，４２は、スパッタリングまたはＣＶＤなどの薄膜形成手法により、基板１にＣｒＯｘまたはＮｉの薄膜を生成し、この薄膜に対して、フォトリソグラフィにより形成したレジストマスクをエッチングマスクとしたドライエッチングを施すことにより形成することができる。もしくは、センサエレメント４１，４２が形成された絶縁フィルムを、基板１に貼り付けてもよい。

センサエレメント４１，４２のＶ字の頂点は、ＸＹ平面センサｓ１の基準点ｋ１とされる。センサエレメント４１，４２は、せん断応力Ｆ１に応じて、長手方向寸法がそれぞれ伸縮する。たとえばせん断応力Ｆ１が矢印の方向に作用している場合、センサエレメント４１は縮み、センサエレメント４２は伸びる。一方、せん断応力Ｆ１が矢印の方向と逆方向に作用している場合は、センサエレメント４１は伸び、センサエレメント４２は縮む。センサエレメント４１，４２の伸縮により、センサエレメント４１，４２の長手方向における電気抵抗が変化する。この変化を、公知のブリッジ回路や増幅回路（ともに図示略）を介して、センサエレメント４１，４２についてそれぞれ読み取ることにより、センサエレメント４１，４２がそれぞれ延びる方向のひずみ量に対応する出力値を得ることができる。そして、これらのセンサエレメント４１，４２の各出力値を用いて所定の演算をすることにより、基準点ｋ１におけるせん断応力Ｆ１を検出することができる。なお、センサエレメント４１に由来する出力値とセンサエレメント４２に由来する出力値とをそれぞれＮ倍（Ｎ＞１）することにより、せん断応力Ｆ１を検出してもよい。このようにすると、センサエレメント４１，４２のひずみ量がわずかであっても、各センサエレメント４１，４２の出力値を大きくすることができるため、せん断応力Ｆ１をより正確に検出することができる。

図１、図３に示すように、ＹＺ平面センサｓ２は、基板２と、一対のセンサエレメント５１，５２とを備えている。ＹＺ平面センサｓ２における一対のセンサエレメント５１，５２は、図３における基板２の長辺に沿う方向のせん断応力Ｆ２を効率的に検出することができるように配置されている。

基板２は、表面２ａおよび裏面２ｂを有する。表面２ａは、ＹＺ平面に位置している。基板２の表面２ａは、たとえばエポキシ樹脂などの接着剤を用いて、基板１の端縁と接着されている。一対のセンサエレメント５１，５２は、基板２の表面２ａに形成されている。センサエレメント５１，５２は、Ｖ字状をなしている。このＶ字の頂点もまた、可能な限り原点Ｐに近接して配置させることが望ましい。このようなことから、センサエレメント５１，５２は、ＹＺ平面内において、原点Ｐから、互いに異なる２方向に向かって長手状に延びているということができる。また、センサエレメント５１，５２はいずれも、原点Ｐを中心とする放射方向に沿って延びているということもできる。これらのセンサエレメント５１，５２はまた、図に示す実施形態では、Ｙ軸によって等分されるように９０度の開角をもって配置されている。

センサエレメント５１，５２のＶ字の頂点は、ＹＺ平面センサｓ２の基準点ｋ２とされる。ＹＺ平面センサｓ２は、ＸＹ平面センサｓ１によりせん断応力Ｆ１を検出するのと同様に、基準点ｋ２におけるせん断応力Ｆ２を検出することができる。

図１、図４に示すように、ＺＸ平面センサｓ３は、基板３と、一対のセンサエレメント６１，６２とを備えている。ＺＸ平面センサｓ３における一対のセンサエレメント６１，６２は、図４における基板３の長辺に沿う方向のせん断応力Ｆ３を効率的に検出できるように配置されている。

基板３は、表面３ａおよび裏面３ｂを有する。表面３ａは、ＺＸ平面に位置している。基板３の端縁は、たとえばエポキシ樹脂などの接着剤を用いて、基板１の裏面１ｂと接着されている。一対のセンサエレメント６１，６２は、Ｖ字状をなしている。このＶ字の頂点もまた、可能な限り、原点Ｐに近接して配置されることが望ましい。このようなことから、センサエレメント６１，６２は、ＺＸ平面内において、原点Ｐから、互いに異なる２方向に向かって長手状に延びているということができる。また、センサエレメント６１，６２はいずれも、原点Ｐを中心とする放射方向に沿って延びているということもできる。これらのセンサエレメント６１，６２はまた、図に示す実施形態では、Ｚ軸によって等分されるように９０度の開角をもって配置されている。

センサエレメント６１，６２のＶ字の頂点は、ＺＸ平面センサｓ３の基準点ｋ３とされる。ＺＸ平面センサｓ３は、ＸＹ平面センサｓ１によりせん断応力Ｆ１を検出したり、ＹＺ平面センサｓ２によりせん断応力Ｆ２を検出するのと同様に、基準点ｋ３におけるせん断応力Ｆ３を検出することができる。

図１によく表れているように、絶縁材８は、立方体形状を呈している。絶縁材８は、たとえばシリコン系の絶縁樹脂からなる。もちろん絶縁材８は、基板１と同一の材料からなる必要はなく、基板１と異なる材料からなってもよい。絶縁材８には、ＸＹ平面センサｓ１、ＹＺ平面センサｓ２、およびＺＸ平面センサｓ３が、インサートされている。絶縁材８は、ＸＹ平面センサｓ１、ＹＺ平面センサｓ２、およびＺＸ平面センサｓ３どうしが直交した状態を保持する役割も果たす。

次に、本実施形態にかかる応力センサＡ１の作用について説明する。

応力センサＡ１において、基準点ｋ１、基準点ｋ２、および基準点ｋ３はいずれも、原点Ｐに近接して位置している。そのため、従来知られているような、三次元体の各面の中央に交点が位置するように３組のセンサエレメントを配置した構成に対して、応力センサＡ１は、基準点ｋ１，ｋ２，ｋ３を互いに接近させるのに適する。基準点ｋ１，ｋ２，ｋ３を互い接近させることは、構造体における応力を検出したい特定点に原点Ｐが位置するようにこの応力センサＡ１を埋設して使用した場合に、特定点における三次元のせん断応力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３をより精度良く検出するのに資する。

本実施形態によれば、応力センサＡ１の製造工程を簡素化できるといった利点がある。上述したように、特許文献１に記載の応力センサを製造する場合には、立方体形状の三次元体の各表面にセンサエレメントを形成することが必要であるから、製造上の困難を従う。しかしながら、本実施形態にかかる応力センサＡ１を製造するためには、センサエレメント４１，４２を基板１に、センサエレメント５１，５２を基板２に、そしてセンサエレメント６１，６２を基板３に形成すればよく、これらのセンサエレメントを単一の三次元体における各表面に形成する必要がない。そのため、応力センサＡ１を製造する場合には、上述した製造上の困難を回避することができる。その結果、従来の三次元応力センサを製造する場合に比べて、本実施形態にかかる応力センサＡ１の製造工程を簡素化できる。また、図１〜図４に示す実施形態では、基板１〜３を同一形態のものとして共用することが可能である。このようにすることで、本実施形態にかかる応力センサＡ１の製造工程をさらに簡素化できる。

以下に本発明の他の実施形態について説明する。これらの実施形態を説明するために参照する図では、第１実施形態と同一または類似の要素には、第１実施形態と同一の符号を付している。

図５〜図８は、本発明の第２実施形態を示している。図５は、本実施形態にかかる応力センサＡ２の内部を透視して示す斜視図である。図６は、図５に示した応力センサＡ２のＸＹ平面視を示す図である。図７は、図５に示した応力センサＡ２のＹＺ平面視を示す図である。図８は、図５に示した応力センサＡ２のＺＸ平面視を示す図である。

第２実施形態にかかる応力センサＡ２は、ＹＺ平面センサｓ２、およびＺＸ平面センサｓ３の形態が、第１実施形態にかかる応力センサＡ１と異なっている。以下具体的に説明する。

図５、図６に示すように、ＸＹ平面センサｓ１の構成は、第１実施形態と同一である。よって、第１実施形態と同様に、ＸＹ平面センサｓ１によって、基準点ｋ１におけるせん断応力Ｆ１を検出することができる。

図５、図７に示すように、ＹＺ平面センサｓ２における基板２は、正方形状の薄板である。基板２のサイズは、たとえば４ｍｍ×４ｍｍ程度である。ＹＺ平面センサｓ２における一対のセンサエレメント５１，５２は、原点Ｐを交点とするＸ字状をなしている。Ｘ字状をなすセンサエレメント５１，５２は、Ｖ字状の部分を２つ組み合わせたものであるとも考えられる。これは、センサエレメント５１，５２が、ＹＺ平面において、原点Ｐから、異なる２方向にそれぞれ長手状に延びる部分を有していることを意味する。

センサエレメント５１とセンサエレメント５２との交点は、ＹＺ平面センサｓ２の基準点ｋ２とされる。ＹＺ平面センサｓ２は、第１実施形態と同様に、基準点ｋ２におけるせん断応力Ｆ２を検出することができる。

図５、図８に示すように、ＺＸ平面センサｓ３における基板３は、基板３１と基板３２とを備える。基板３１および基板３２はいずれも、たとえば２ｍｍ×２ｍｍ程度の正方形状である。基板３１の端縁は、基板１の表面１ａ、および基板２の表面２ａと接着されている。基板３１の表面３ａには、センサエレメント６１が形成されている。図７によく表れているように、センサエレメント６１は、原点Ｐに近接した位置から、Ｘ軸に対して４５度の角度をなして、図８の斜め上に、長手状に延びている。基板３２の端縁は、基板１の裏面１ｂ、および基板２の表面２ａと接着されている。基板３２の表面３ａには、センサエレメント６２が形成されている。センサエレメント６２は、原点Ｐに近接した位置から、Ｘ軸に対して４５度の角度をなして、図８の斜め下に、長手状に延びている。そのため、本実施形態においても、センサエレメント６１，６２は、ＺＸ平面内において、原点Ｐから互いに異なる２方向にそれぞれ長手状に延びているということができる。また、センサエレメント６１，６２はいずれも、原点Ｐを中心とする放射方向に沿って延びているということもできる。

センサエレメント６１とセンサエレメント６２とが最も近接している位置は、ＺＸ平面センサｓ３の基準点ｋ３とされる。ＺＸ平面センサｓ３は、第１実施形態と同様に、基準点ｋ３におけるせん断応力Ｆ３を検出することができる。

第１実施形態と同様に、ＸＹ平面センサｓ１は、センサエレメント４１とセンサエレメント４２との交点とされる基準点ｋ１におけるせん断応力Ｆ１を検出することができる。

応力センサＡ２において、基準点ｋ１、基準点ｋ２、および基準点ｋ３はいずれも原点Ｐに位置し、もしくは原点Ｐに近接して位置している。第１実施形態と同様に、応力センサＡ２は、基準点ｋ１，ｋ２，ｋ３どうしをより接近させるのに好適であるといえる。その結果、構造体における応力を検出したい特定点に原点Ｐが位置するようにこの応力センサＡ２を埋設して使用した場合に、特定点における三次元のせん断応力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３をより精度良く検出することが可能となる。

図９〜図１２は、本発明の第３実施形態を示している。図９は、本実施形態にかかる応力センサＡ３の内部を透視して示す斜視図である。図１０は、図９に示した応力センサＡ３のＸＹ平面視を示す図である。図１１は、図９に示した応力センサＡ３のＹＺ平面視を示す図である。図１２は、図９に示した応力センサＡ３のＺＸ平面視を示す図である。

第３実施形態にかかる応力センサＡ３は、ＸＹ平面センサｓ１、ＹＺ平面センサｓ２、およびＺＸ平面センサｓ３における一対のセンサエレメントがいずれもＸ字状である点において、第１実施形態にかかる応力センサＡ１と異なっている。以下具体的に説明する。

図９、図１０に示すように、ＸＹ平面センサｓ１は、基板１と、センサエレメント４１，４２，４３，４４とを備える。基板１は、基板１１および基板１２を備える。基板１１および基板１２はいずれも、たとえば２ｍｍ×４ｍｍ程度の長方形状である。基板１１の端縁は、基板２の表面２ａと接着されている。基板１１の表面１ａには、センサエレメント４１，４２が形成されている。基板１２の端縁は、基板２の裏面２ｂと接着されている。基板１２の表面１ａには、センサエレメント４３，４４が形成されている。

図１０によく表れているように、センサエレメント４１，４２，４３，４４はいずれも、原点ＰからＸ軸に対して４５度の角度をなして、長手状に延びている。センサエレメント４１，４２、センサエレメント４１，４３、センサエレメント４２，４４、およびセンサエレメント４３，４４、のいずれをとってみても、ＸＹ平面において、原点Ｐから、異なる２方向にそれぞれ長手状に延びている。

本実施形態においては、図１０に示すように、センサエレメント４１，４２の交点と、センサエレメント４３，４４の交点の近傍の領域が、ＸＹ平面センサｓ１の基準点ｋ１とされる。ＸＹ平面センサｓ１は、第１実施形態と同様に、基準点ｋ１におけるせん断応力Ｆ１を検出することができる。

図９、図１１に示すように、ＹＺ平面センサｓ２における基板２は、正方形状の薄板である。基板２のサイズは、たとえば４ｍｍ×４ｍｍ程度である。ＹＺ平面センサｓ２における一対のセンサエレメント５１，５２は、原点Ｐを交点とするＸ字状をなしている。また、Ｘ字状をなすセンサエレメント５１，５２は、Ｖ字状の部分を２つ組み合わせたものであるとも考えられる。これは、センサエレメント５１，５２は、ＹＺ平面において、原点Ｐから、異なる２方向にそれぞれ長手状に延びる部分を有していることを意味する。

センサエレメント５１とセンサエレメント５２との交点は、ＹＺ平面センサｓ２の基準点ｋ２とされる。ＹＺ平面センサｓ２は、第１実施形態と同様に、基準点ｋ２におけるせん断応力Ｆ２を検出することができる。

図９、図１２に示すように、ＺＸ平面センサｓ３は、基板３と、センサエレメント６１，６２，６３，６４とを備える。基板３は、基板３１，３２，３３，３４を備える。基板３１，３２，３３，３４はいずれも、たとえば２ｍｍ×２ｍｍ程度の正方形状である。基板３１の端縁は、基板１１の表面１ａおよび基板２の表面２ａと接着されている。同様に、基板３２の端縁は、基板１１の裏面１ｂおよび基板２の表面２ａと接着されている。同様に、基板３３の端縁は、基板１２の表面１ａおよび基板２の裏面２ｂと接着されている。同様に、基板３４の端縁は、基板１２の裏面１ｂおよび基板２の裏面２ｂと接着されている。

図１２によく表れているように、センサエレメント６１，６２，６３，６４は、基板３１，３２，３３，３４の表面３ａにそれぞれ形成されている。センサエレメント６１，６２，６３，６４はいずれも、原点ＰからＸ軸に対して４５度の角度をなして、長手状に延びている。センサエレメント６１，６２、センサエレメント６１，６３、センサエレメント６２，６４、およびセンサエレメント６３，６４、のいずれをとってみても、ＺＸ平面において、原点Ｐから、異なる２方向にそれぞれ長手状に延びている。

本実施形態においては、図１２に示すように、センサエレメント６１，６２が最も近接している位置、およびセンサエレメント６３，６４が最も近接している位置、の近傍の領域が、ＺＸ平面センサｓ３の基準点ｋ３とされる。ＺＸ平面センサｓ３は、第１実施形態と同様に、基準点ｋ３におけるせん断応力Ｆ３を検出することができる。

応力センサＡ３において、基準点ｋ１、基準点ｋ２、および基準点ｋ３はいずれも原点Ｐに位置している。第１実施形態と同様に、応力センサＡ３は、基準点ｋ１，ｋ２，ｋ３どうしをより接近させるのに、好適であるといえる。その結果、この応力センサＡ３を、構造体の応力を検出したい特定点に原点Ｐが位置するように埋設して使用する場合、この特定点に作用する三次元のせん断応力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を高精度で計測することが可能となる。

図１３、図１４は、本発明の第４実施形態を示している。図１３は、本実施形態にかかるＸＹ平面センサｓ１の平面図を示している。図１３は、第１実施形態の図２に対応する。図１４は、図１３に示したセンサエレメント４１，４２の要部拡大図を示している。これらの図に示された応力センサＡ４は、一対のセンサエレメント４１，４２がそれぞれ、複数（本実施形態では３つ）のセンサライン４１１，４２１を備えている点において、第１実施形態にかかる応力センサＡ１と相違する。

図１３に示すように、センサエレメント４１，４２は、第１実施形態と同様に、Ｖ字状をなしており、かつ、Ｘ軸によって等分されるように９０度の開角をもって配置されている。

図１４によく表れているように、各センサライン４１１は、センサエレメント４１の延びる方向に沿って長手状に延びている。各センサライン４１１は、互いに並列している。各センサライン４１１の両端には、ブリッジ回路（図示略）を構成するための配線ｄ１が接続されている。これにより、各センサライン４１１についての出力をそれぞれ検出することが可能になっている。

各センサライン４２１は、センサエレメント４２の延びる方向に沿って長手状に延びている。各センサライン４２１は、互いに並列している。各センサライン４２１の両端には、ブリッジ回路（図示略）を構成するための配線ｄ１が接続されている。これにより、各センサライン４２１についての出力をそれぞれ検出することが可能になっている。

応力センサＡ４によると、センサライン４１１の長手方向に各センサライン４１１が伸縮した場合、各センサライン４１１についての出力値を検出することができる。そして、各センサライン４１１の出力値を合算した値をセンサエレメント４１についての出力値とする。このようにすることで、センサエレメント４１についての出力値を大きくできる。同様の理由により、センサエレメント４２についての出力値を大きくできる。センサエレメント４１，４２の出力値を大きくできることにより、応力センサＡ４の検出精度を向上させることができる。

図１５、図１６は、本発明の第５実施形態を示している。図１５は、本実施形態にかかるＸＹ平面センサｓ１の平面図を示している。図１５は、第４実施形態の図１３に対応する。図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う要部断面図を示している。図１６によく表れているように、応力センサＡ５は、複数のセンサライン４１１が絶縁層ｂを介して積層されている点において、第４実施形態にかかる応力センサＡ４と相違する。図１５においては理解の便宜上、絶縁層ｂの記載を省略している。また本実施形態においても、各センサラインの両端にはブリッジ回路を構成するための図示しない配線が接続されている。応力センサＡ５においてはセンサライン４１１と同様に、複数のセンサライン４２１も絶縁層を介して積層されている。

センサライン４１１を積層させるには、たとえば半導体プロセスを用いればよい。もしくは、センサライン４１１が形成された複数の絶縁フィルムを重ねて、基板１に貼りつけてもよい。

応力センサＡ５によると、図１５に示すように、ＸＹ平面視において複数のセンサライン４１１はいずれも重なる位置に配置されており、ＸＹ平面視においてずれた状態で配置されていない。同様に、複数のセンサライン４２１はＸＹ平面視においてずれた状態で配置されていない。そのため、ＸＹ平面センサｓ１の検出精度を向上させることができる。ＸＹ平面センサｓ１の検出精度の向上が図られることで、応力センサＡ５の検出精度を向上させうる。

図示していないが、第１実施形態，第２実施形態，もしくは第３実施形態にかかるセンサエレメント４３，４４，５１，５２，６１，６２，６３，６４がそれぞれ、センサエレメント４１，４２のように、複数のセンサラインを備えていてもよい。もちろん本発明にかかる１つのセンサエレメントが含むセンサラインの数は、図示したものに限られず、２つや４つなどでもよい。

本発明の範囲は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明にかかる応力センサの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。応力センサＡ１〜Ａ４が、ＸＹ平面センサｓ１、ＹＺ平面センサｓ２、およびＺＸ平面センサｓ３、の３つの平面センサからなる例を示したが、本発明は必ずしもこれには限られない。本発明にかかる応力センサは、２つの一対のセンサエレメントを備えていればよく、たとえばＸＹ平面センサｓ１、ＹＺ平面センサｓ２の２つの平面センサのみから構成されていてもよい。

また、上記実施形態においては、一対のセンサエレメントが各基板の表面に形成された例を示したが、各基板の裏面に、さらに追加の一対のセンサエレメントが形成されていてもよい。このようにすることで、基板の面内方向におけるせん断応力のみならず、この面内方向におけるひねりやまげ応力についても検出することができる。

一対のセンサエレメントが９０度の開角をもって配置された例を示したが、本発明は必ずしもこれには限られない。一対のセンサエレメントは互いに異なる２方向に長手状に延びていればよく、たとえば５０度程度の開角をもって配置されてもよいのはもちろんである。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は直角をなすことが、たとえば第１実施形態におけるセンサエレメント４１，４２，５１，５２，６１，６２の出力についての演算を効率化するうえで好ましいが、本発明は必ずしもこれに限られない。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が直角をなしていない場合には、たとえば第１実施形態におけるセンサエレメント４１，４２，５１，５２，６１，６２の出力について、補正のための追加の演算を施す必要がある。

Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５ 応力センサ
ｓ１ ＸＹ平面センサ
ｓ２ ＹＺ平面センサ
ｓ３ ＺＸ平面センサ
１ （第１の）基板
２ （第２の）基板
３ （第３の）基板
１ａ，２ａ，３ａ 表面
１ｂ，２ｂ，３ｂ 裏面
４１，４２，４３，４４ （第１の）センサエレメント
５１，５２ （第２の）センサエレメント
６１，６２，６３，６４ （第３の）センサエレメント
４１１，４２１ センサライン
ｄ１ 配線
ｂ 絶縁層
８ 絶縁材

Claims (17)

1. 応力計測対象物中に埋設して用い、原点における応力を検出するための応力センサであって、
   上記原点において相互に交わるＸＹＺ軸を含むように設定された３次元領域において、
   上記原点を含むＸＹ平面内に、互いに異なる２方向にそれぞれ長手状に延びる一対の第１のセンサエレメントと、
   上記原点を含むＹＺ平面内に、互いに異なる２方向にそれぞれ長手状に延びる一対の第２のセンサエレメントと、を含み、
   上記一対の第１のセンサエレメントおよび上記一対の第２のセンサエレメントはいずれも、上記原点から延びていることを特徴とする、応力センサ。
2. 上記第１のセンサエレメントおよび上記第２のセンサエレメントは、上記原点を中心とする放射方向に沿って延びるように形成されている、請求項１に記載の応力センサ。
3. 上記ＸＹ平面に表面が位置するように配置された第１の基板と、
   上記ＹＺ平面に表面が位置するように配置された第２の基板と、を含み、
   上記一対の第１のセンサエレメントは上記第１の基板の表面に形成され、上記一対の第２のセンサエレメントは上記第２の基板の表面に形成されている、請求項１または２に記載の応力センサ。
4. 上記第１の基板の表面と反対側の上記第１の基板における裏面に形成されているとともに、上記ＸＹ平面視において、上記原点またはその近傍から、互いに異なる２方向にそれぞれ長手状に延びる一対の追加の第１のセンサエレメントをさらに含む、請求項３に記載の応力センサ。
5. 上記第１のセンサエレメントは、この上記第１のセンサエレメントが延びる方向に沿って長手状に延びているとともに上記第１のセンサエレメントが延びる方向に交差する方向において互いに離間配置された複数のセンサラインをさらに含む、請求項１ないし４のいずれかに記載の応力センサ。
6. 上記センサラインは、他の上記センサラインに積層されている、請求項５に記載の応力センサ。
7. 複数の上記センサラインは互いに並列している、請求項５に記載の応力センサ。
8. 上記第１の基板、および上記第２の基板をインサートしている絶縁材をさらに含む、請求項３ないし７のいずれかに記載の応力センサ。
9. 上記Ｘ軸、上記Ｙ軸、および上記Ｚ軸は、互いに直交する、請求項１ないし８のいずれかに記載の応力センサ。
10. 上記一対の第１のセンサエレメントは、上記Ｘ軸が等分するように９０度の開角をもって配置され、
    上記一対の第２のセンサエレメントは、上記Ｙ軸が等分するように９０度の開角をもって配置されている、請求項１ないし９のいずれかに記載の応力センサ。
11. 上記原点を含むＺＸ平面内に、互いに異なる２方向にそれぞれ長手状に延びる一対の第３のセンサエレメントをさらに含む、請求項１ないし１０のいずれかに記載の応力センサ。
12. 上記第３のセンサエレメントは、上記原点から延びるように形成されている、請求項９に記載の応力センサ。
13. 上記第３のセンサエレメントは、上記原点を中心とする放射方向に沿って延びるように形成されている、請求項１１に記載の応力センサ。
14. 上記ＺＸ平面に表面が位置するように配置された第３の基板を含み、
    上記一対の第３のセンサエレメントは第３の基板の表面に形成されている、請求項１１ないし１３のいずれかに記載の応力センサ。
15. 上記一対の第３のセンサエレメントは、上記Ｚ軸が等分するように９０度の開角をもって配置されている、請求項１１ないし１４のいずれかに記載の応力センサ。
16. 上記一対の第１のセンサエレメント、上記一対の第２のセンサエレメント、および上記一対の第３のセンサエレメントは、いずれも、Ｖ字状をなしている、請求項１１ないし１５のいずれかに記載の応力センサ。
17. 上記一対の第１のセンサエレメント、上記一対の第２のセンサエレメント、および上記一対の第３のセンサエレメントのいずれかは、上記原点を交点とするＸ字状をなしており、その余は、Ｖ字状をなしている、請求項１１ないし１５のいずれかに記載の応力センサ。