JP5869386B2 - ひずみセンサ、測定装置およびひずみ測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ひずみセンサに関し、特に測定対象物に貼り付けられ、かつ電気的に非接触の状態で測定可能なひずみセンサおよびそれを用いた測定装置ならびにひずみ測定方法に関するものである。

従来のひずみセンサの最も一般的な方式は、いわゆる「ひずみゲージ」と呼ばれるものである。このひずみゲージでは、測定対象物に接着剤でひずみゲージが貼り付けられた状態で、ひずみゲージに電流を流しながら測定が行われる。測定中に発生したひずみに応じた電気抵抗の変化を読み取ることでひずみが測定される。

一方、上記のひずみゲージを用いた測定法以外の測定法として、磁歪法、光弾性法、ラマン法などが挙げられる。ラマン法については、たとえば、特開平８−１９３８９３号公報（特許文献１）に、測定装置の構造を改良することで、測定精度を向上させるラマン応力測定装置が提案されている。

特開平８−１９３８９３号公報

上記のひずみゲージでは、ひずみゲージに電流を流しながら測定が行われるため、ひずみゲージと、電源および測定装置とがケーブルで接続される。しかし、このケーブルが測定の邪魔となる場合があるという問題がある。

一方、上記の磁歪法、光弾性法、ラマン法では、上記のひずみゲージのように、ひずみセンサと、電源および測定装置とをケーブルで接続する必要はない。そのため、たとえば測定対象物にこのケーブルが貼りついた状態となることでこのケーブルが測定の邪魔となることはない。

しかし、磁歪法および光弾性法では測定対象物の種類が限定されるという問題がある。また、ラマン法について、上記公報のような測定装置本体側の改良による精度向上では、波長分解能は０．０１ｃｍ^-1程度である。この場合、ラマンシフトが１ｃｍ^-1でひずみが約１０００μεの材料では、ひずみ分解能は１０με程度である。このひずみ分解能は、上記のひずみゲージのひずみ分解能が１με程度であるため、ひずみゲージのひずみ分解能に比べて低い。そのため、ひずみを高精度で測定することができないという問題がある。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、多くの種類の測定対象物のひずみを高精度で簡便に測定することができるひずみセンサを提供することである。

本発明のひずみセンサは、測定対象物に貼り付けられ、かつ電気的に非接続の状態で測定可能なひずみセンサである。ひずみセンサは、測定対象物に一方面が貼り付けられるフィルム部と、一方面と反対側の他方面に配置されたセンサ部とを備えている。センサ部は、それぞれがセンサ部の長手方向の両端部に設けられ、かつセンサ部の長手方向の両方の先端部のみが接着剤でフィルム部に接着された２つの第１のセンサ部と、２つの第１のセンサ部に挟まれており、かつ２つの第１のセンサ部の各々より小さい断面積を有する第２のセンサ部とを含んでいる。第２のセンサ部は、ラマン活性材料、光弾性材料および磁性材料の少なくともいずれかを有している。２つの第１のセンサ部の各々は、接着剤で接着されていない部分を有している。第２のセンサ部は、２つの第１のセンサ部の各々の接着されていない部分に接続されている。

本発明のひずみセンサによれば、測定対象物に貼り付けられ、かつ電気的に非接続の状態で測定可能であるため、ひずみセンサと、電源および測定装置とがケーブルで接続されない。そのため、ひずみを簡便に測定することができる。また、第２のセンサ部が第１のセンサ部より小さい断面積を有するため、第１のセンサ部に比べて第２のセンサ部でひずみを増幅することができる。これによりひずみ分解能を高くすることができる。そのため、ひずみを高精度で測定することができる。また、第２のセンサ部は、ラマン活性材料、光弾性材料および磁性材料の少なくともいずれかを有しているため、光弾性法および磁歪法に加えてラマン法も適用できるため、多くの種類の測定対象物を測定することができる。よって、本発明のひずみセンサによれば、多くの種類の測定対象物のひずみを高精度で簡便に測定することができる。

本発明の実施の形態１におけるひずみセンサの概略平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態１における変形例１のひずみセンサの概略平面図である。 本発明の実施の形態１における本発明例のひずみセンサの概略平面図である。 本発明の実施の形態１における測定装置の概略側面図であって、ラマン法での検量線の測定状態を示す概略側面図である。 ラマン法での検量線の取得結果を示す図である。 本発明の実施の形態１における測定装置の概略側面図であって、本発明例のひずみセンサを用いたダンベル試験片のひずみの測定状態を示す概略側面図である。 図７のＰ部を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態１における変形例２のひずみセンサの概略平面図である。 図９のＸ−Ｘ線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態１における変形例３のひずみセンサの概略平面図である。 本発明の実施の形態１における変形例４のひずみセンサの概略平面図である。 本発明の実施の形態１における変形例５のひずみセンサの概略断面図である。 本発明の実施の形態２におけるひずみセンサの概略平面図である。 本発明の実施の形態２における変形例１のひずみセンサの概略平面図である。 本発明の実施の形態２における測定装置の概略側面図であって、ラマン法での温度に対する検量線の測定状態を示す概略側面図である。 本発明の実施の形態２におけるラマン法での温度に対する検量線の取得結果を示す図である。 本発明の実施の形態２における測定装置の概略側面図であって、本発明例のひずみセンサを用いたダンベル試験片のひずみの測定状態を示す概略側面図である。 本発明の実施の形態２における変形例２のひずみセンサの概略平面図である。 本発明の実施の形態２における比較例のひずみ測定の概略図である。 本発明の実施の形態２におけるひずみ測定の概略図である。 本発明の実施の形態３における測定装置の概略側面図である。 本発明の実施の形態３における測定装置の概略側面図である。 本発明の実施の形態４における測定装置の概略側面図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に本発明の実施の形態１におけるひずみセンサの構成について説明する。

図１および図２を参照して、ひずみセンサ１は、測定対象物１０に貼り付けられ、かつ電気的に非接続の状態で測定可能に構成されている。ひずみセンサ１は、フィルム部２と、センサ部３とを主に有している。

フィルム部２は、測定対象物１０に一方面が貼り付けられるように構成されている。フィルム部２の材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）などの樹脂フィルムおよびアルミニウム箔が適用され得る。フィルム部２の一方面と反対側の他方面にセンサ部３が配置されている。

センサ部３は、ラマン活性材料を有している。ラマン活性材料としては、たとえばアラミド繊維、カーボン繊維などの繊維材料およびシリコン、アルミナなどの結晶性材料が適用され得る。

センサ部３は、２つの第１のセンサ部３１と、第２のセンサ部３２とを有している。２つの第１のセンサ部３１は、それぞれがセンサ部３の長手方向の両端部に設けられている。２つの第１のセンサ部３１はフィルム部２に接着剤４で接着されている。２つの第１のセンサ部３１は、センサ部３の長手方向の両方の先端部のみが接着剤４で接着されている。２つの第１のセンサ部３１のフィルム部２に接着された部分が第１接着部４１および第２接着部４２を構成している。

２つの第２のセンサ部３２は、第１のセンサ部３１に挟まれている。第２のセンサ部３２は、２つの第１のセンサ部３１の各々より小さい断面積を有している。第１のセンサ部３１の断面積は第２のセンサ部３２の断面積の１０倍以上の大きさを有していることが望ましい。第１のセンサ部３１と第２のセンサ部３２とは同じ厚さに形成されているので、第１のセンサ部３１の幅Ｗｔよりも第２のセンサ部３２の幅Ｗａが小さくなっている。

次に、本実施の形態におけるひずみセンサ１の動作について説明する。
上記のひずみセンサ１の構成によれば、測定対象物１０にひずみが発生した場合、フィルム部２、第１接着部４１および第２接着部４２を介して、センサ部３にひずみが発生する。

第２のセンサ部３２の幅Ｗａが第１のセンサ部３１の幅Ｗｔより十分狭い場合、第１の第２のセンサ部３２の断面積は第１のセンサ部３１の断面積より非常に小さくなる。このため、第１のセンサ部３１は第２のセンサ部３２に比べてほとんど伸びない。そのため、第１のセンサ部３１のひずみは第２のセンサ部３２のひずみより非常に小さくなる。これにより、第２のセンサ部３２にひずみが非常に大きく表れる。

つまり、第１のセンサ部３１および第２のセンサ部３２の互いの断面積の違いにより、第１のセンサ部３１ではひずみが無視できる程度となり、センサ部３のひずみは第２のセンサ部３２に集中するように表れる。これにより、測定対象物１０に発生するひずみが第２のセンサ部３２で増幅される。

このときのひずみの増幅率は、第２のセンサ部３２の長さＬａと、第１接着部４１と第２接着部４２との間隔（接着部間隔）Ｌｔとに対して、Ｌｔ／Ｌａ倍に増幅される。つまり、測定対象物１０のひずみεｔと、第２のセンサ部３２のひずみεａとの関係は、εａ＝εｔ×（Ｌｔ／Ｌａ）で表される。

このようにセンサ部３に幅広部と幅狭部を設け、幅広部の一部を接着する構造にし、幅狭部を測定することで、増幅されたひずみが測定される。これにより、測定対象物１０に発生した微小なひずみも高精度で測定される。

上記では、センサ部３は同一部材で幅広部と幅狭部とを設けた形状を有しているが、本実施の形態の変形例１のひずみセンサ１のように第１のセンサ部３１と第２のセンサ部３２とを別部材として、第２のセンサ部３２の断面積を第１のセンサ部３１の断面積より小さくしてもよい。

図３を参照して、変形例１のひずみセンサでは、第２のセンサ部３２がたとえばラマン活性部材からなる繊維で構成されている。第２のセンサ部３２が保持部としての第１のセンサ部３１に接着されている。第１のセンサ部３１は第２のセンサ部３２とは異なる材質からなっている。第１のセンサ部３１は第１接着部４１および第２接着部４２でフィルム部２に接着されている。第２のセンサ部３２を第１のセンサ部３１とは別部材することで、センサ部３の形状が容易に作成され得る。

また、第１のセンサ部３１のヤング率は、第２のセンサ部３２のヤング率より大きくてもよい。この場合、第１のセンサ部３１のひずみに比べて第２のセンサ部３２のひずみが大きくなる。したがって、これによっても、測定対象物１０に発生するひずみが第２のセンサ部３２で増幅される。たとえば第１のセンサ部３１の断面積が第２のセンサ部３２の断面積の５倍の大きさを有している場合には、第１のセンサ部３１のヤング率は第２のセンサ部３２のヤング率の２倍以上の大きさであることが望ましい。

続いて、変形例１に基づく本発明例のひずみセンサ１を用いたひずみの測定について説明する。

図４を参照して、本発明例のひずみセンサ１では、第２のセンサ部３２にラマン活性材料としてアラミド繊維が用いられている。アラミド繊維は長さが９ｍｍである。アラミド繊維は、線径が１２μｍであり、約１０本を束にして用いられている。アラミド繊維は、両端４ｍｍずつで保持部としての第１のセンサ部３１に接着されている。第１のセンサ部３１は、１０ｍｍ角のアルミニウム製の薄板からなっている。第１のセンサ部３１はセンサ部３の長手方向の長さが５ｍｍでＰＥＴ製のフィルム部２に接着されている。つまり、第１接着部４１および第２接着部４２は、それぞれセンサ部３の長手方向に５ｍｍの長さを有している。ＰＥＴ製のフィルム部２は、長さが３０ｍｍであり、幅が１２ｍｍとなるように形成されている。

ラマン法によるひずみの測定では、ラマンシフト量とひずみの検量線とが必要となる。図５を参照して、検量線を取得するための事前試験に用いられる測定装置では、可動ステージ１３が土台１４に移動可能に設置されている。アラミド繊維１５の一方端が繊維固定具１６を介して可動ステージ１３に取り付けられている。アラミド繊維１５の他方端が繊維固定具１６を介してロードセル１７に取り付けられている。アラミド繊維１５の上方にはラマン測定部１８が配置されている。

検量線を取得する事前試験として、ひずみを付与しながら周波数として１２８０ｃｍ^-1に注目してラマンシフトが測定された。測定装置として顕微ラマン（Jobin Yvon Ramanor U-100）が使用され、励起波長６３０ｎｍ、スリット幅１０００μｍ、積算１０回、露光１秒にてラマンシフトが測定された。

図６を参照して、その結果、ひずみ（με）とラマンシフト（ｃｍ^-1）との比例関係が得られた。直線の傾きは約２３００με／ｃｍ^-1である。

次に、事前試験と同様の測定装置および測定条件にて、測定対象物１０に貼り付けられた本発明例のひずみセンサ１のラマンシフトが測定された。

図７および図８を参照して、測定対象物１０として、エポキシ樹脂製のJIS K 7162 1A形ダンベル試験片が用いられた。ダンベル試験片の平行部に本発明例のひずみセンサ１が瞬間接着剤にて接着された。ダンベル試験片の一方端が可動ステージ１３に固定されており、他方端がロードセル１７に固定されている。ダンベル試験片の両端に８０Ｎの引張荷重が付与されたときの本発明例のひずみセンサ１に発生したひずみが測定された。

本発明例のひずみセンサ１における第２のセンサ部３２のアラミド繊維のラマンシフトは１．０ｃｍ^-1である。これは検量線から第２のセンサ部３２で発生したひずみが約２３００μεであることを示している。

本発明例のひずみセンサ１では、第２のセンサ部３２の長さＬａが１ｍｍであり、接着部間隔Ｌｔが１１ｍｍであるため、ひずみの増幅率（Ｌｔ／Ｌａ）は１１倍である。この増幅率を考慮すると、ダンベル試験片の平行部に発生するひずみは、約２３００με／１１＝約２１０μεと考えられる。

一方、ダンベル試験片の平行部の幅は１０ｍｍであり、厚さは４ｍｍであるため、その断面積は４０ｍｍ²である。そのため、ダンベル試験片の平行部での発生応力は８０Ｎ／４０ｍｍ²＝２ＭＰａとなる。ダンベル試験片に用いたエポキシ樹脂のヤング率は１００００ＭＰａであることから、本発明例のひずみセンサ１には計算上で２００μεのひずみが発生している。

このように上記の測定結果と計算結果とが概ね一致しており、本発明例のひずみセンサ１によれば、精度の高い結果が得られる。

本発明例のひずみセンサ１では、ひずみの増幅率（Ｌｔ／Ｌａ）は１１倍であり、第２のセンサ部３２のラマンシフトが１．０ｃｍ^-1でひずみが約２３０００μεの材料が用いられた。本実施の形態のひずみセンサ１はこれに限定されず、本実施の形態のひずみセンサ１では様々なひずみの増幅率および第２のセンサ部の材料が適用され得る。本実施の形態のひずみセンサ１において、ひずみの増幅率（Ｌｔ／Ｌａ）が１００倍であり、第２のセンサ部にラマンシフトが１ｃｍ^-1でひずみが約１０００μεの材料が用いられた場合、測定装置の波長分解能はたとえば０．１ｃｍ^-1程度であるため、ひずみ分解能は１μεとなる。このように、本実施の形態のひずみセンサ１では、ひずみを増幅することによってひずみ分解能を高くすることができる。

また、本実施の形態のひずみセンサ１では、センサ部３にラマン活性材料が用いられており、ラマン法によってひずみが測定される。したがって、ひずみセンサ１と、電源および測定装置とがケーブルで接続されないため、ケーブルレスでひずみが測定される。つまり、測定対象物１０にひずみセンサ１を介してケーブルを貼り付けることなく、ひずみが測定される。

また、上記では、センサ部３と測定対象物１０との間（センサ部３の下側）にフィルム部２が設けられたが、本実施の形態の変形例２のひずみセンサ１のように、センサ部３の上側にもラミネートフィルムが設けられていてもよい。

図９および図１０を参照して、本実施の形態の変形例２のひずみセンサ１では、ひずみセンサ１は、ラミネートフィルム２１を有している。ラミネートフィルム２１は、内周側２１ａでセンサ部３をラミネートする形で覆っている。ラミネートフィルム２１は、フィルム部２とラミネートフィルム２１の外周部２１ｂで接着剤４によって接着されている。このようにひずみセンサ１をラミネート構造とすることで、水、埃、汚れなどがセンサ部３へ付着することが防がれる。これにより、長期間測定する際のデータ信頼性が高められる。

また、本実施の形態の変形例３のひずみセンサ１のように、第１のセンサ部３１が対向側の第１のセンサ部３１に回り込むような形状を有しており、第１のセンサ部３１の互いの間を繋ぐように第２のセンサ部３２が設けられていてもよい。

図１１を参照して、本実施の形態の変形例３のひずみセンサ１では、第２のセンサ部３２は、第１連結センサ部３２ａを含んでいる。２つの第１のセンサ部３１は、第１湾曲センサ部３１ａと、第２湾曲センサ部３１ｂとを有している。

２つの第１のセンサ部３１の一方である第１湾曲センサ部３１ａは、第１連結センサ部３２ａの一方側でフィルム部２と第１接着部４１で接着されている。また、第１湾曲センサ部３１ａは、第１連結センサ部３２ａの他方側で第１連結センサ部３２ａに接続されている。

２つの第１のセンサ部３１の他方である第２湾曲センサ部３１ｂは、第１連結センサ部３２ａの他方側でフィルム部２と第２接着部４２で接着されている。また、第２湾曲センサ部３１ｂは、第１連結センサ部３２ａの一方側で第１連結センサ部３２ａに接続されている。

本実施の形態の変形例３のひずみセンサ１では、圧縮方向のひずみの際に、寸法によってセンサ部３が座屈することが防止される。つまり、本実施の形態の変形例３のひずみセンサ１では、圧縮方向のひずみが、第２のセンサ部３２では引張方向のひずみとなるため、センサ部３が座屈することが防止される。

さらに、本実施の形態の変形例４のひずみセンサ１のように、第２のセンサ部３２が分離されており、分離された第２のセンサ部３２がそれぞれ圧縮方向のひずみおよび引張り方向のひずみで変形可能に設けられていてもよい。

図１２を参照して、本実施の形態の変形例４のひずみセンサ１では、第２のセンサ部３２は、第１連結センサ部３２ａと分離され、かつ第１連結センサ部３２ａと第２接着部４２との間に配置された第２連結センサ部３２ｂをさらに含んでいる。

第２連結センサ部３２ｂは、第２連結センサ部３２ｂの第１接着部４１側に位置する一方側で第１湾曲センサ部３１ａに接続されている。第２連結センサ部３２ｂは、第２連結センサ部３２ｂの第２接着部４２側に位置する他方側で第２湾曲センサ部３１ｂに接続されている。

本実施の形態の変形例４のひずみセンサ１では、引張方向および圧縮方向のどちらのひずみに対しても、第１連結センサ部３２ａおよび第２連結センサ部３２ｂのどちらか一方は引張方向となるため、センサ部３の座屈が抑制される。

また、本実施の形態の変形例５のひずみセンサ１のように、測定対象物１０が樹脂の場合、測定対象物１０と同じ材質の融着層が設けられていてもよい。

図１３を参照して、本実施の形態の変形例５のひずみセンサ１では、測定対象物１０は樹脂製である。フィルム部２は、耐熱性の高い材質からなっている。フィルム部２は、たとえばアルミニウム、ＰＩなどで形成されている。フィルム部２の測定対象物１０側に融着層２２が接着されている。融着層２２は、測定対象物１０と同じ材質からなっている。本実施の形態の変形例５のひずみセンサ１では、樹脂成形で残留するひずみを測定する際にも、融着層２２が測定対象物１０と融着され、かつフィルム部２が成形の際の熱および圧力により変形することで、フィルム部２と測定対象物１０の材質が異なることによってひずみ測定に影響を及ぼす可能性を低減できる。

なお、測定対象物１０が樹脂の場合、フィルム部２を測定対象物１０と同じ材質とすることもできる。この場合、ひずみセンサ１を製品製造の際に金型に保持しておき、成形のときの熱で測定対象物１０とフィルム部２とを融着させることで、樹脂に残留するひずみを測定できる。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のひずみセンサ１によれば、測定対象物１０に貼り付けられ、かつ電気的に非接続の状態で測定可能であるため、ひずみセンサ１と、電源および測定装置とがケーブルで接続されない。そのため、ひずみを簡便に測定することができる。また、第２のセンサ部３２が第１のセンサ部３１より小さい断面積を有するため、第１のセンサ部３１に比べて第２のセンサ部３２でひずみを増幅することができる。これによりひずみ分解能を高くすることができる。そのため、ひずみを高精度で測定することができる。また、第２のセンサ部３２は、ラマン活性材料、光弾性材料および磁性材料の少なくともいずれかを有しているため、光弾性法および磁歪法に加えてラマン法も適用できるため、多くの種類の測定対象物１０を測定することができる。よって、本実施の形態のひずみセンサ１によれば、多くの種類の測定対象物１０のひずみを高精度で簡便に測定することができる。

また、フィルム部２がない場合には第１のセンサ部３１の第１接着部４１および第２接着部４２のみを接着剤で測定対象物１０に接着する作業が必要であるが、その作業は困難であり手間がかかる。一方、本実施の形態のひずみセンサ１では、フィルム部２の全面に接着剤を塗布してフィルム部２全面で測定対象物１０に接着することができる。そのため、第１のセンサ部３１の一部を測定対象物１０に貼り付ける場合に比べて、接着作業が容易となるので、接着作業の手間を大きく省くことができる。なお、フィルム部２に第１のセンサ部３１を貼り付ける作業は機械を使用することで第１のセンサ部３１の一部を高精度にフィルム部２に接着することができる。

また、ひずみゲージでは電源がケーブルで接続されるため、ひずみゲージそのものは小さくとも、ひずみ測定システムとしてはサイズが大きくなる。一方、本実施の形態のひずみセンサ１では、ひずみセンサ１が電源とケーブルで接続されないため、ひずみ測定システムのサイズを小さくすることができる。

また、本実施の形態のひずみセンサ１によれば、第１湾曲センサ部３１ａは、第１連結センサ部３２ａの一方側でフィルム部２と第１接着部４１で接着され、かつ第１連結センサ部３２ａの他方側で第１連結センサ部３２ａに接続されている。第２湾曲センサ部３１ｂは、第１連結センサ部３２ａの他方側でフィルム部２と第２接着部４２で接着され、かつ第１連結センサ部３２ａの一方側で第１連結センサ部３２ａに接続されている。

これにより、圧縮方向のひずみの際に、寸法によってセンサ部３が座屈することを防止することができる。つまり、圧縮方向のひずみが、第２のセンサ部３２では引張方向のひずみとなるため、センサ部３が座屈することが防止される。

また、本実施の形態のひずみセンサ１によれば、第２連結センサ部３２ｂは、第２連結センサ部３２ｂの第１接着部４１側に位置する一方側で第１湾曲センサ部３１ａに接続されている。第２連結センサ部３２ｂは、第２連結センサ部３２ｂの第２接着部４２側に位置する他方側で第２湾曲センサ部３１ｂに接続されている。

これにより、引張方向および圧縮方向のどちらのひずみに対しても、第１連結センサ部３２ａおよび第２連結センサ部３２ｂのどちらか一方は引張方向となるため、センサ部３の座屈が抑制される。

また、本実施の形態のひずみセンサ１によれば、第１のセンサ部３１のヤング率は、第２のセンサ部３２のヤング率より大きい。これにより、第１のセンサ部３１のひずみに比べて第２のセンサ部３２のひずみが大きくなるため、測定対象物１０に発生するひずみを第２のセンサ部３２で増幅することができる。

また、本実施の形態のひずみセンサ１によれば、ラミネートフィルム２１は、内周側２１ａでセンサ部３を覆っており、かつフィルム部２とラミネートフィルム２１の外周部２１ｂで接着されている。これにより、ラミネートフィルム２１によって、水、埃、汚れなどがセンサ部３へ付着することを防ぐことができる。これにより、長期間測定する際のデータ信頼性を高めることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態３のひずみセンサ１は、実施の形態１のひずみセンサ１と比較して、ひずみの温度補正機能を有している点で主に異なっている。なお、実施の形態１と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

図１４を参照して、本実施の形態のひずみセンサ１は、温度補償用の温度測定部３３を有している。温度測定部３３は第２のセンサ部３２よりも幅広の部分である第１のセンサ部（幅広部）３１に設けられている。温度測定部３３ではラマン錯乱光を用いて温度が測定される。ひずみ測定の際、第１のセンサ部３１と温度測定部３３とはラマン法によって測定され、温度測定部３３の温度を元にひずみの温度補正が行われ、補正後のひずみが出力される。

次に本実施の形態の温度補正機能について説明する。
本実施の形態のひずみセンサ１では、第１のセンサ部（幅広部）３１と第２のセンサ部（幅狭部）３２とは隣接しておりほぼ同一温度とみなせる。その上、幅広形状のため第１のセンサ部（幅広部）３１ではひずみは小さい。そのため、温度測定部３３のラマン散乱光は、第２のセンサ部（幅狭部）３２の温度における無負荷に近い状態のものとなる。

ラマンスペクトルは温度依存性を有しており、無負荷状態でも温度が変化するとラマンシフトが発生する。温度測定部３３のラマンスペクトルを無負荷状態のラマンスペクトルとみなし、この温度測定部３３のラマンスペクトルと第２のセンサ部（幅狭部）３２のラマンスペクトルとの差分を、ひずみによるラマンシフトとみなすような温度補正処理を行えば、温度の影響を受けることなく、ひずみを高精度に測定することができる。

また、ひずみとラマンシフトとの関係が温度依存性を有している場合、温度と無負荷でのラマンスペクトルのデータベース１およびひずみとラマンシフトの温度依存性のデータベース２があらかじめ測定装置内に保持されている。そして、温度測定部３３のラマンスペクトルが測定された後、データベース１から温度が算出される。その温度および第２のセンサ部３２と温度測定部３３とのラマンスペクトルの差（ラマンシフト）がデータベース２に入力されてひずみが算出されることで、高度に温度補正されたひずみを得ることができる。

また一般的に、測定対象物１０の線膨張係数は様々であり、ひずみセンサ１とは異なる場合が多いため、温度変化が生じた場合、測定対象物１０とひずみセンサ１との線膨張係数差による熱ひずみが発生する。これにより、無負荷の状態でもラマンシフトが発生する。このような場合でも、前述のデータベース１、データベース２に加え、データベース３を用いることで高度に温度補正されたひずみを得ることができる。

データベース３には、事前に、ひずみセンサ１を貼り付けた測定対象物１０に無負荷の状態で温度変化を与えて発生したラマンスペクトルと温度との関係が保持されている。温度測定部３３からデータベース１を通して算出された温度がデータベース３に入力され、無負荷でのラマンスペクトルが取得される。この無負荷でのラマンスペクトルと負荷状態における第２のセンサ部３２のラマンスペクトルとの差（シフト量）から、ひずみを算出することで、高度に温度補正されたひずみを得ることができる。

なお第１のセンサ部（幅広部）３１は、第２のセンサ部（幅狭部）３２よりも断面積が大きいため、線膨張係数差による熱ひずみの影響は受けにくい。このため、温度測定部３３は、熱ひずみの影響をうけることなく、ラマンスペクトルから温度を算出できる。

また図１５を参照して、本実施の形態の変形例１のひずみセンサ１では、第１のセンサ部３１と第２のセンサ部３２とは別の材質で構成されている。第１のセンサ部（幅広部）３１上に、第２のセンサ部（幅狭部）３２と同材質の温度センサ部３４が接着されている。この温度センサ部３４に温度測定部３３が設けられている。この変形例１の構成でも上記と同様に温度補正したひずみを測定できるという効果が得られる。

また温度センサ部３４の材質として、第２のセンサ部（幅狭部）３２と異なる材質が用いられ、温度に対するラマンスペクトルの変化が敏感な材質が選定されてもよい。これにより、温度測定の精度を向上できるという効果が得られる。

続いて、本実施の形態の変形例１に基づく本発明例のひずみセンサ１を用いたひずみの測定について説明する。

再び図１５を参照して、本実施の形態の変形例１に基づく本発明例のひずみセンサ１は、実施の形態１の変形例１に基づく本発明例のひずみセンサ１と温度センサ部３４を設けた点で主に異なっている。温度センサ部３４には炭素繊維が使用されている。温度センサ部３４の炭素繊維は長さ２ｍｍ程度であり、約１０本を束にして用いられている。温度センサ部３４の炭素繊維は全体を第１のセンサ部（幅広部）３１に接着されている。

またラマン法による温度の測定には、ラマンシフト量と温度の検量線とが必要となる。図１６を参照して、検量線を取得するための事前試験に用いられる測定装置では、ひずみセンサ１がヒータ８１上に置かれている。温度を測定するための熱電対８２がひずみセンサ１上に配置されている。

熱電対８２が所定の温度となるようヒータ８１が加熱されてラマンシフトが測定された。測定装置として顕微ラマン（Jobin Yvon Ramanor U-100）が使用され、励起波長５１５ｎｍ、スリット幅１０００μｍ、積算１０回、露光１秒にてラマンシフトが測定された。ラマンシフトの周波数２７００ｃｍ^−１付近のピークに着目したところ、２５℃を基準としたとき、図１７に示すようなラマンシフト（ｃｍ^−１）と温度（℃）との比例関係が得られた。

一方、アラミド繊維の温度依存性を調べるため、上記と同様の手順で、上記と同じ条件にてラマンシフトが測定されたが、２５℃〜８０℃の範囲では周波数１２８０ｃｍ^-1付近のラマンスペクトルに周波数の変化は見られなかった。

次に事前試験と同様の測定装置および測定条件にて、測定対象物１０に貼り付けられた本発明例のひずみセンサ１のラマンシフトが測定された。

図１８を参照して、本発明例の測定対象物１０は実施の形態１の変形例１に基づく本発明例の測定対象物１０と同様である。また本発明例の測定装置は、実施の形態１の変形例１に基づく本発明例の測定装置とヒータ８１および熱電対８２が設けられている点で主に異なっている。本発明例では、熱電対８２が６０℃となるよう、ヒータ８１で加熱され、ダンベル試験片の両端に８０Ｎの引張荷重が付与されたときの、ひずみセンサ１に発生したひずみがラマン測定部１８で測定された。この測定部１８はひずみセンサ１に対して電気的に非接続の状態でひずみセンサ１に発生したひずみを測定可能に構成されている。

このとき、温度センサ部３４に発生したラマンシフトは１．０ｃｍ^−１であり、図１７に示す検量線から熱電対８２の測定値６０℃に近い温度が算出できるのが確認できる。

８０Ｎの引張荷重が付与されたとき、無負荷からのラマンシフト量は、実施の形態１の変形例１に基づく本発明例と同じ１．０ｃｍ^−１である。アラミド繊維のひずみによるラマンシフト量の関係は６０℃と２５℃で同じであることが確認されている。したがって、本発明例は、実施の形態１の変形例１に基づく本発明例と同様に、精度の高いひずみ測定結果が得られていると言える。

また図１９を参照して、本実施の形態の変形例２のひずみセンサ１では、ひずみのセンサ部３に隣接して、温度センサ７が設けられている。温度センサ７は幅広なセンサ部７１（幅広部）とセンサ部７１より幅が狭く断面積の小さな幅狭部７２とを有している。センサ部７１に温度測定部７３が設けられている。センサ部７１は第２のセンサ部３２よりも幅広の部分である。センサ部７１は幅狭部７２と接着部４を介してフィルム部２に接続されている。

このような構造によって、ひずみセンサ１にひずみが発生しても、幅広なセンサ部７１のひずみを抑制でき、温度測定部７３の温度をラマン法にて測定する際に、ひずみの影響を受けることなく、正確に温度を測定することができる。さらに温度測定部７３をひずみのセンサ部３と別にすることで、温度、ひずみに対して感度の高い材料を別々に選定することができ、高精度な測定が実現できる。

次に本実施の形態の温度補正機能を有するひずみ測定方法について比較例と対比して説明する。比較例は温度補正不要の場合のひずみ測定方法である。

図２０を参照して、比較例のひずみ測定方法では、まず温度センサ部の基準温度Ｔ０におけるラマン周波数ν０（Ｔ０）（応力フリーの状態）が測定される（Ｓ１）。次にセンサ部の基準温度Ｔ０におけるラマン周波数ν（Ｔ０）が測定される（Ｓ２）。次にラマンシフトΔν（＝ν（Ｔ０）−ν０（Ｔ０））が算出される（Ｓ３）。次にラマンシフトΔνに換算乗数ａ（Ｔ０）を乗じてひずみε（ε＝ａ（Ｔ０）×Δν）が算出される（Ｓ４）。

一方、図２１を参照して、本実施の形態の温度補正機能を有するひずみ測定方法では、以下のように温度補正されたひずみが測定される。まずセンサ部と温度センサ部が同材質（ケースＩ）（Ｓ１１）の場合について説明する。ケースＩは、ひずみセンサと測定対象物の線膨脹係数がほぼ同じ場合、また測定対象物の熱伸びを測定するなどの用途の場合である。

温度センサ部材質の温度Ｔとラマン周波数ν０（Ｔ）の関係が取得される。温度数点測定し多項式近似やテーブルとしてデータベース１に保持される（Ｓ１２）。次にセンサ部材質の温度Ｔと換算係数ａ（Ｔ）の関係が取得される。温度数点測定し多項式近似やテーブルとしてデータベース２に保持される（Ｓ１３）。次にひずみセンサが製品等測定対象物に貼り付けられる（Ｓ１４）。次に温度測定部のラマン法による温度Ｔ測定が行われる（Ｓ１５）。次にセンサ部のラマン周波数ν（Ｔ）が測定される（Ｓ１６）。次にラマンシフトΔν（Ｔ）（Δν（Ｔ）＝ν（Ｔ）−ν０（Ｔ））が算出される（Ｓ１７）。次にラマンシフトΔν（Ｔ）に換算乗数ａ（Ｔ）を乗じてひずみε（ε(T)＝ａ（Ｔ）×Δν（Ｔ））が算出される（Ｓ１８）。

続いてセンサ部と温度センサ部が同材質（ケースＩＩ）（Ｓ２１）の場合について説明する。ケースＩＩは、ケースＩ以外の場合である。またセンサ部と温度センサ部が別部材の場合（３１）について説明する。これら２つの場合のひずみ測定方法は同じである。

これら２つの場合も上記と同様に、温度センサ部材質の温度Ｔとラマン周波数ν０（Ｔ）の関係が取得され（Ｓ１２）、センサ部材質の温度Ｔと換算係数ａ（Ｔ）の関係が取得される（Ｓ１３）。次に被着体とセンサの線膨脹係数差による関係が取得される（Ｓ２２）。ここでは、まずセンサがひずみフリーの被着体（測定対象物と同材料）に貼り付けられる（Ｓ２３）。次にオーブン等で被着体とセンサの温度が変更される（Ｓ２４）。
次に温度測定部の温度Ｔが測定される（Ｓ２５）。次にセンサ部のラマン周波数ν１（Ｔ）の関係が取得される。温度数点測定し多項式近似、又はテーブルとしてデータベース３に保持される（Ｓ２６）。

次に上記と同様にひずみセンサが製品等測定対象物に貼り付けられる（Ｓ１４）。次に温度測定部のラマン法による温度Ｔ測定が行われる（Ｓ１５）。次にセンサ部のラマン周波数ν（Ｔ）が測定される（Ｓ１６）。次にラマンシフトΔν（Ｔ）（Δν（Ｔ）＝ν（Ｔ）−ν１（Ｔ））が算出される（Ｓ２７）。次にラマンシフトΔν（Ｔ）に換算乗数ａ（Ｔ）を乗じてひずみε（ε(T)＝ａ（Ｔ）×Δν（Ｔ））が算出される（Ｓ１８）。

つまり、本実施の形態の温度補正機能を有するひずみ測定方法では、測定対象物１０にひずみセンサ１を貼り付けて測定対象物１０に応力を加えたときに測定対象物１０に生じるひずみがひずみセンサ１を用いて測定されている。測定対象物１０に加える応力を一定とし、かつ測定対象物１０の温度を変化させたときに測定対象物１０に生じるひずみをひずみセンサ１で測定することによりひずみの温度依存性が調べられる。所定の温度で測定対象物１０に応力が加えられた状態で測定対象物１０に生じるひずみがひずみセンサ１で測定される。所定の温度で測定したひずみがひずみの温度依存性に基づいて温度補正される。第１のセンサ部３１は前記第２のセンサ部３２よりも幅広に設けられている。ひずみの温度依存性は第１のセンサ部３１のひずみを測定することによって調べられる。なお、応力一定については、幅広部での測定が応力一定とみなされる。

次に本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のひずみセンサ１によれば、第２のセンサ部３２よりも幅広の部分に設けられた温度補正用の温度測定部３３を有しているため、温度補正されたひずみを測定することができる。

本実施の形態の測定装置によれば、上記のひずみセンサ１と、ひずみセンサ１に対して電気的に非接続の状態でひずみセンサ１に発生したひずみを測定可能な測定部とを備えている。このため、測定対象物１０のひずみを高精度に測定することができる測定装置を提供することができる。

本実施の形態の温度補正機能を有するひずみ測定方法では、所定の温度で測定したひずみがひずみの温度依存性に基づいて温度補正される。これにより、ひずみの温度依存性に基づいて温度補正されたひずみを測定することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３のひずみセンサ１は、実施の形態１のひずみセンサ１と比較して、センサ部３が光弾性材料を有している点で主に異なっている。なお、実施の形態１と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

図２２を参照して、本実施の形態のひずみセンサ１では、センサ部３は光弾性材料を有している。ひずみセンサ１は、光反射部２３を有している。光反射部２３は、フィルム部２とセンサ部３との間に配置されている。光反射部２３は、センサ部３側に鏡面を有している。光反射部２３は、アルミニウム、銅、銀などの金属がフィルム部２に蒸着されることで構成されていてもよい。また、光反射部２３は、アルミニウム、銅、銀などの金属箔であってもよい。

図２３を参照して、光弾性測定装置５１は、光源５２と、受光部５３と、偏光板５４とを主に有している。光弾性測定装置５１内にひずみセンサ１が配置されている。光源５２は偏光板５４を通して入射光Ｌ１をひずみセンサ１に照射可能に構成されている。受光部５３は偏光板５４を通してひずみセンサ１からの反射光Ｌ２を受光可能に構成されている。

本実施の形態のひずみセンサ１によれば、センサ部３は光弾性材料を有しているため、光弾性法でひずみを測定できる。光弾性法はラマン法のようなレーザ光を使用しないため、レーザ光源が不要である。このため、測定装置を簡易化することができる。

また、本実施の形態のひずみセンサ１によれば、光反射部２３は、フィルム部２とセンサ部３との間に配置されており、センサ部３側に鏡面を有しているため、反射光Ｌ２を測定することにより光弾性法でひずみを測定することができる。このため、透過光を測定することでひずみを測定する通常の光弾性法で使用される測定装置に比べて、光源５２と、受光部５３とをひずみセンサ１の同じ面に配置することができる。このため、測定装置を小型化することができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４のひずみセンサ１は、実施の形態１のひずみセンサ１と比較して、センサ部３が磁性材料を有している点で主に異なっている。なお、実施の形態１と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

図２４を参照して、本実施の形態のひずみセンサ１では、センサ部３は磁性材料を有している。センサ部３は、磁性体である鉄系材料、フェライト系ステンレスなどを有していてもよい。

磁歪測定装置６１は、測定装置本体６２と、プローブ（磁歪センサ）６３と、コイル６４とを主に有している。測定装置本体６２とプローブ６３とが電気的に接続されている。プローブ６３の先端部にコイル６４が配置されている。コイル６４は、ひずみセンサ１に磁場を印加可能に構成されている。

本実施の形態のひずみセンサ１によれば、センサ部３は磁性材料を有しているため、磁歪法でひずみを測定できる。磁歪法では、センサ部３に磁性体である鉄系材料、フェライト系ステンレスなどの耐熱性の高い金属を使用できる。そのため、センサ部３は高温の熱履歴に耐えることができる。これにより、ひずみセンサ１の耐熱性を向上することができる。

上記の各実施の形態は適宜組み合わせられ得る。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ひずみセンサ、２ フィルム部、３ センサ部、４ 接着剤、１０ 測定対象物、１３ 可動ステージ、１４ 土台、１５ アラミド繊維、１６ 繊維固定具、１７ ロードセル、１８ ラマン測定部、２１ ラミネートフィルム、２２ 融着層、２３ 光反射部、３１ 第１のセンサ部、３１ａ 第１湾曲センサ部、３１ｂ 第２湾曲センサ部、３２ 第２のセンサ部、３２ａ 第１連結センサ部、３２ｂ 第２連結センサ部、３３ 温度測定部、３４ 温度センサ部、４１ 第１接着部、４２ 第２接着部、５１ 光弾性測定装置、５２ 光源、５３ 受光部、５４ 偏光板、６１ 磁歪測定装置、６２ 測定装置本体、６３ プローブ、６４ コイル、７ 温度センサ、７１ センサ部、７２ 幅狭部、７３ 温度測定部、８１ ヒータ、８２ 熱電対。

Claims (8)

1. 測定対象物に貼り付けられ、かつ電気的に非接続の状態で測定可能なひずみセンサであって、
   前記測定対象物に一方面が貼り付けられるフィルム部と、
   前記一方面と反対側の他方面に配置されたセンサ部とを備え、
   前記センサ部は、
   それぞれが前記センサ部の長手方向の両端部に設けられ、かつ前記センサ部の長手方向の両方の先端部のみが接着剤で前記フィルム部に接着された２つの第１のセンサ部と、
   ２つの前記第１のセンサ部に挟まれており、かつ２つの前記第１のセンサ部の各々より小さい断面積を有する第２のセンサ部とを含み、
   前記第２のセンサ部は、ラマン活性材料、光弾性材料および磁性材料の少なくともいずれかを有し、
   ２つの前記第１のセンサ部の各々は、前記接着剤で接着されていない部分を有し、前記第２のセンサ部は、２つの前記第１のセンサ部の各々の前記接着されていない部分に接続されている、ひずみセンサ。
2. 前記第２のセンサ部は、第１連結センサ部を含み、
   ２つの前記第１のセンサ部の一方は、前記第１連結センサ部の一方側で前記フィルム部と第１接着部で接着され、かつ前記第１連結センサ部の他方側で前記第１連結センサ部に接続されており、
   ２つの前記第１のセンサ部の他方は、前記第１連結センサ部の他方側で前記フィルム部と第２接着部で接着され、かつ前記第１連結センサ部の一方側で前記第１連結センサ部に接続されている、請求項１に記載のひずみセンサ。
3. 測定対象物に貼り付けられ、かつ電気的に非接続の状態で測定可能なひずみセンサであって、
   前記測定対象物に一方面が貼り付けられるフィルム部と、
   前記一方面と反対側の他方面に配置されたセンサ部とを備え、
   前記センサ部は、
   それぞれが前記センサ部の長手方向の両端部に設けられ、かつ前記フィルム部に接着された２つの第１のセンサ部と、
   ２つの前記第１のセンサ部に挟まれており、かつ２つの前記第１のセンサ部の各々より小さい断面積を有する第２のセンサ部とを含み、
   前記第２のセンサ部は、ラマン活性材料、光弾性材料および磁性材料の少なくともいずれかを有し、
   前記第２のセンサ部は、第１連結センサ部を含み、
   ２つの前記第１のセンサ部の一方は、前記第１連結センサ部の一方側で前記フィルム部と第１接着部で接着され、かつ前記第１連結センサ部の他方側で前記第１連結センサ部に接続されており、
   ２つの前記第１のセンサ部の他方は、前記第１連結センサ部の他方側で前記フィルム部と第２接着部で接着され、かつ前記第１連結センサ部の一方側で前記第１連結センサ部に接続されており、
   前記第２のセンサ部は、前記第１連結センサ部と分離され、かつ前記第１連結センサ部と前記第２接着部との間に配置された第２連結センサ部をさらに含み、
   前記第２連結センサ部は、前記第２連結センサ部の前記第１接着部側に位置する一方側で２つの前記第１のセンサ部の前記一方に接続されており、
   前記第２連結センサ部は、前記第２連結センサ部の前記第２接着部側に位置する他方側で２つの前記第１のセンサ部の前記他方に接続されている、ひずみセンサ。
4. 前記第１のセンサ部のヤング率は、前記第２のセンサ部のヤング率より大きい、請求項１〜３のいずれかに記載のひずみセンサ。
5. ラミネートフィルム部をさらに備え、
   前記ラミネートフィルムは、内周側で前記センサ部を覆っており、かつ前記フィルム部と前記ラミネートフィルムの外周部で接着されている、請求項１〜４のいずれかに記載のひずみセンサ。
6. 前記フィルム部と前記センサ部との間に配置された光反射部をさらに備え、
   前記第２のセンサ部は、光弾性材料からなり、
   前記光反射部は、前記センサ部側に鏡面を有している、請求項１〜５のいずれか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と、
   前記ひずみセンサに対して電気的に非接続の状態で前記ひずみセンサに発生したひずみを測定可能な測定部とを備えた、測定装置。
8. 請求項１に記載のひずみセンサを用いるひずみ測定方法であって、
   前記ひずみセンサの前記フィルム部全面を前記測定対象物に接着して前記第２のセンサ部のひずみを非接触で測定し、
   前記ひずみセンサのひずみの増幅率を用いて前記測定対象物のひずみを求める、ひずみ測定方法。

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