JPH06258010A - ひずみゲージ - Google Patents
ひずみゲージInfo
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- JPH06258010A JPH06258010A JP4484493A JP4484493A JPH06258010A JP H06258010 A JPH06258010 A JP H06258010A JP 4484493 A JP4484493 A JP 4484493A JP 4484493 A JP4484493 A JP 4484493A JP H06258010 A JPH06258010 A JP H06258010A
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- metal resistor
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- alloy
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 金属抵抗体の弾性限度に制約されることな
く、広い範囲にわたってひずみ量を検出でき、しかも測
定精度の高いひずみゲージを提供することにある。 【構成】 ひずみ量を検出する素子として金属抵抗体を
用いるひずみゲージにおいて、前記金属抵抗体は、弾性
限度以上に変形させても応力を除去すれば元の形状に復
帰する超弾性効果を有する形状記憶合金で構成されてい
る。
く、広い範囲にわたってひずみ量を検出でき、しかも測
定精度の高いひずみゲージを提供することにある。 【構成】 ひずみ量を検出する素子として金属抵抗体を
用いるひずみゲージにおいて、前記金属抵抗体は、弾性
限度以上に変形させても応力を除去すれば元の形状に復
帰する超弾性効果を有する形状記憶合金で構成されてい
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、形状記憶合金を受感素
子とし、ひずみによる電気抵抗率変化を利用してひずみ
量を検出するひずみゲージに関するものである。
子とし、ひずみによる電気抵抗率変化を利用してひずみ
量を検出するひずみゲージに関するものである。
【０００２】
【従来技術】ひずみゲージは各種構造体のひずみ量を測
定するためのセンサーであって、これを応用した圧力計
やロードセル等の力学量計測器とともに、土木・建築・
機械分野などにおいて多数利用されている。特に機械分
野では、ひずみゲージが小型・軽量なので被測定体を拘
束しないことと安価であることがあいまって、多量に使
用されている。
定するためのセンサーであって、これを応用した圧力計
やロードセル等の力学量計測器とともに、土木・建築・
機械分野などにおいて多数利用されている。特に機械分
野では、ひずみゲージが小型・軽量なので被測定体を拘
束しないことと安価であることがあいまって、多量に使
用されている。
【０００３】このひずみゲージの構成および原理につい
て以下に述べる。
て以下に述べる。
【０００４】一般のひずみゲージは、金属抵抗体を電気
絶縁体を介し被測定体に固定する。このときの固定は、
被測定体の変形を忠実に金属抵抗体に加えられた変形は
金属抵抗体の抵抗値を変化させる。ここで金属抵抗体の
抵抗Ｒとひずみ（変形率）εの間にΔＲ／Ｒ＝Ｋεなる
関係があり、金属抵抗体の電気抵抗の変化率を知ること
から被測定体のひずみを知ることができる。ここでΔＲ
／Ｒとεとの比例定数Ｋはゲージ率と呼ばれ、Ｋ＝（１
＋２ν）＋（ｄρ／ρ）／ε（ν：金属抵抗体ポアソン
比 ρ：金属抵抗体の比抵抗）なる関係が知られてい
る。
絶縁体を介し被測定体に固定する。このときの固定は、
被測定体の変形を忠実に金属抵抗体に加えられた変形は
金属抵抗体の抵抗値を変化させる。ここで金属抵抗体の
抵抗Ｒとひずみ（変形率）εの間にΔＲ／Ｒ＝Ｋεなる
関係があり、金属抵抗体の電気抵抗の変化率を知ること
から被測定体のひずみを知ることができる。ここでΔＲ
／Ｒとεとの比例定数Ｋはゲージ率と呼ばれ、Ｋ＝（１
＋２ν）＋（ｄρ／ρ）／ε（ν：金属抵抗体ポアソン
比 ρ：金属抵抗体の比抵抗）なる関係が知られてい
る。
【０００５】この金属抵抗体に要求される条件の主なも
のは、 （１）ゲージ率Ｋが大きく、測定ひずみ範囲内で一定で
あること。 （２）弾性範囲が広く（弾性限度が高い）、疲労強度が
大きいこと。 （３）広い温度範囲にわたって抵抗温度係数ＴＣＲが小
さいこと。 （４）比抵抗ρが高いこと。 （５）加工性に優れること。 などがあげられる。
のは、 （１）ゲージ率Ｋが大きく、測定ひずみ範囲内で一定で
あること。 （２）弾性範囲が広く（弾性限度が高い）、疲労強度が
大きいこと。 （３）広い温度範囲にわたって抵抗温度係数ＴＣＲが小
さいこと。 （４）比抵抗ρが高いこと。 （５）加工性に優れること。 などがあげられる。
【０００６】上記条件を以下に説明する。一般のひずみ
計測においてΔＲ／Ｒ＝Ｋεなる関係が成り立つことが
重要である。ゲージ率Ｋが一定であれば、ひずみ測定器
は非直線性補正を行なうことなく、抵抗変化からひずみ
を知ることができる。これにより、ひずみ測定の再現性
を高められ、コストに関しても有利である。ゲージ率Ｋ
が大きければひずみ測定感度が高くなり、より高感度な
ひずみ測定が可能となる。
計測においてΔＲ／Ｒ＝Ｋεなる関係が成り立つことが
重要である。ゲージ率Ｋが一定であれば、ひずみ測定器
は非直線性補正を行なうことなく、抵抗変化からひずみ
を知ることができる。これにより、ひずみ測定の再現性
を高められ、コストに関しても有利である。ゲージ率Ｋ
が大きければひずみ測定感度が高くなり、より高感度な
ひずみ測定が可能となる。
【０００７】被測定体の弾性変形範囲内において、被測
定体に固定されたひずみゲージの金属抵抗体が塑性変形
を起こした場合、被測定体の変形が完全に回復した時点
でも金属抵抗体に変形および抵抗値変化が生じている。
塑性変形の量が少ない場合には金属抵抗体は圧縮を感
じ、抵抗値は初期の値に戻る。しかし、塑性変形量が甚
だしい場合には抵抗値は元の値に戻らず、見かけ上のひ
ずみ出力を示す場合がある。このことから、繰り返しひ
ずみ測定においては、金属抵抗体の弾性限界は、最大測
定ひずみよりも高いことが要求される。また、金属抵抗
体の破壊が起きにくいように、疲労限界が高いことも望
まれる。
定体に固定されたひずみゲージの金属抵抗体が塑性変形
を起こした場合、被測定体の変形が完全に回復した時点
でも金属抵抗体に変形および抵抗値変化が生じている。
塑性変形の量が少ない場合には金属抵抗体は圧縮を感
じ、抵抗値は初期の値に戻る。しかし、塑性変形量が甚
だしい場合には抵抗値は元の値に戻らず、見かけ上のひ
ずみ出力を示す場合がある。このことから、繰り返しひ
ずみ測定においては、金属抵抗体の弾性限界は、最大測
定ひずみよりも高いことが要求される。また、金属抵抗
体の破壊が起きにくいように、疲労限界が高いことも望
まれる。
【０００８】抵抗体はその抵抗値に温度感度を持つの
で、環境温度の変化から見かけ上のひずみ出力を生じ
る。この抵抗温度係数は実用範囲内で小さい必要があ
る。
で、環境温度の変化から見かけ上のひずみ出力を生じ
る。この抵抗温度係数は実用範囲内で小さい必要があ
る。
【０００９】ひずみゲージの測定するひずみは抵抗体の
位置する範囲の平均であり、位置分解能の高いひずみ測
定を行う場合には、ひずみゲージは小さいほうがよい。
ひずみゲージの大きさは金属抵抗体の形状と比抵抗から
制限されるので、比抵抗は高いほうがゲージの小型化に
有利である。
位置する範囲の平均であり、位置分解能の高いひずみ測
定を行う場合には、ひずみゲージは小さいほうがよい。
ひずみゲージの大きさは金属抵抗体の形状と比抵抗から
制限されるので、比抵抗は高いほうがゲージの小型化に
有利である。
【００１０】ところで、現在一般に行なわれている非破
壊材料試験において、ＣｕＮｉ合金やＮｉＣｒ合金は上
記要件を満たす金属抵抗体材料であり、安価で信頼性の
高い材料として多く用いられている。また、これらの合
金は、金属抵抗体の塑性域においても、ゲージ率がほぼ
一定であるので、被測定体に２０％を超える変形を与え
るような破壊測定にも使える塑性域ゲージとして用いら
れている。
壊材料試験において、ＣｕＮｉ合金やＮｉＣｒ合金は上
記要件を満たす金属抵抗体材料であり、安価で信頼性の
高い材料として多く用いられている。また、これらの合
金は、金属抵抗体の塑性域においても、ゲージ率がほぼ
一定であるので、被測定体に２０％を超える変形を与え
るような破壊測定にも使える塑性域ゲージとして用いら
れている。
【００１１】近年、構造材料に対する要求性能の高まり
から、弾性限界が数％にも達するような複合材料が開発
され、実用化されつつある。このような材料の繰り返し
試験に従来のひずみゲージを用いた場合、ひずみゲージ
出力に零点ドリフトの見られることが指摘されている。
このように大きなひずみ領域では金属抵抗体に塑性変形
が起こり、荷重除去においても永久変形が金属抵抗体に
残ることが原因とされている。このため、弾性限界の高
いＧＦＲＰやＡＦＲＰのような複合材料の繰り返し荷重
試験にひずみゲージは使用できず、特殊な変位計が用い
られている。
から、弾性限界が数％にも達するような複合材料が開発
され、実用化されつつある。このような材料の繰り返し
試験に従来のひずみゲージを用いた場合、ひずみゲージ
出力に零点ドリフトの見られることが指摘されている。
このように大きなひずみ領域では金属抵抗体に塑性変形
が起こり、荷重除去においても永久変形が金属抵抗体に
残ることが原因とされている。このため、弾性限界の高
いＧＦＲＰやＡＦＲＰのような複合材料の繰り返し荷重
試験にひずみゲージは使用できず、特殊な変位計が用い
られている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような用
途の変位計はひずみゲージに比して大型かつ高価で、感
度も不十分である。また、被測定体の形状によっては取
り付けができなかったり、著しく被測定体を拘束してし
まい、測定誤差をまねく不都合が存在する。
途の変位計はひずみゲージに比して大型かつ高価で、感
度も不十分である。また、被測定体の形状によっては取
り付けができなかったり、著しく被測定体を拘束してし
まい、測定誤差をまねく不都合が存在する。
【００１３】弾性限界の高い複合材料においても、繰り
返し変形のひずみ測定が可能なひずみゲージが求められ
ている。現在、ひずみゲージ用の金属抵抗体として実用
されている材料の諸特性を次の表１に示す。
返し変形のひずみ測定が可能なひずみゲージが求められ
ている。現在、ひずみゲージ用の金属抵抗体として実用
されている材料の諸特性を次の表１に示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】この表１から明らかなように、各合金とも
弾性範囲は０．１５〜０．４％であり、１％以上の繰り
返しひずみの測定に適する材料はない。
弾性範囲は０．１５〜０．４％であり、１％以上の繰り
返しひずみの測定に適する材料はない。
【００１６】本発明の課題は、金属抵抗体の弾性限度に
制約されることなく、広い範囲にわたってひずみ量を検
出でき、しかも測定精度の高いひずみゲージを提供する
ことにある。
制約されることなく、広い範囲にわたってひずみ量を検
出でき、しかも測定精度の高いひずみゲージを提供する
ことにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ひずみ
量を検出する素子として金属抵抗体を用いるひずみゲー
ジにおいて、前記金属抵抗体は、弾性限度以上に変形さ
せても応力を除去すれば元の形状に復帰する超弾性効果
を有する形状記憶合金で構成されていることを特徴とす
るひずみゲージが得られる。
量を検出する素子として金属抵抗体を用いるひずみゲー
ジにおいて、前記金属抵抗体は、弾性限度以上に変形さ
せても応力を除去すれば元の形状に復帰する超弾性効果
を有する形状記憶合金で構成されていることを特徴とす
るひずみゲージが得られる。
【００１８】また、本発明によれば、前記ひずみゲージ
において、前記金属抵抗体は、超弾性効果を有するＮｉ
Ｔｉ合金で構成されていることを特徴とするひずみゲー
ジが得られる。
において、前記金属抵抗体は、超弾性効果を有するＮｉ
Ｔｉ合金で構成されていることを特徴とするひずみゲー
ジが得られる。
【００１９】
【実施例】以下に本発明の実施例について述べる。
【００２０】本発明で使用する超弾性効果を有する形状
記憶合金は、Ｎｉ５０．７ａｔ％、残部ＴｉであるＴｉ
Ｎｉ合金であり、非酸化性雰囲気中でアーク溶解炉を用
いて溶解した。この合金の変態温度を示差走査熱量計
（ＤＳＣ）により測定すると、マルテンサイト変態開始
温度（Ｍｓ）−４３℃、マルテンサイト逆変態終了温度
（Ａｆ）−１２℃となり、Ａｆ点以上の温度で超弾性挙
動がみられる。
記憶合金は、Ｎｉ５０．７ａｔ％、残部ＴｉであるＴｉ
Ｎｉ合金であり、非酸化性雰囲気中でアーク溶解炉を用
いて溶解した。この合金の変態温度を示差走査熱量計
（ＤＳＣ）により測定すると、マルテンサイト変態開始
温度（Ｍｓ）−４３℃、マルテンサイト逆変態終了温度
（Ａｆ）−１２℃となり、Ａｆ点以上の温度で超弾性挙
動がみられる。
【００２１】尚、超弾性効果とは、形状記憶合金特有の
現象で、マルテンサイト変態の逆変態終了温度Ａｆ点以
上の温度で現れ、変形力を加えるときには他の材料と同
じ様に弾性変形に続いて降伏が起こる。一方、変形力を
下げるときには、弾性変形分が回復するだけでなく、変
形力を加えたときの逆の現象を示しながら、数％に及ぶ
大きな変形ひずみが元に戻る現象をいう。
現象で、マルテンサイト変態の逆変態終了温度Ａｆ点以
上の温度で現れ、変形力を加えるときには他の材料と同
じ様に弾性変形に続いて降伏が起こる。一方、変形力を
下げるときには、弾性変形分が回復するだけでなく、変
形力を加えたときの逆の現象を示しながら、数％に及ぶ
大きな変形ひずみが元に戻る現象をいう。
【００２２】この合金インゴットを熱間にて圧延した
後、冷間加工を施し、目的形状である線径φ４０μｍと
し、雰囲気温度による抵抗変化（抵抗温度係数）を調査
した。結果を図１の線Ａで示す。本合金は、測定温度範
囲内で負の直線性を示すとともに、比抵抗１３７μΩ・
ｃｍ、抵抗温度係数（ＴＣＲ）−１２０ｐｐｍ／℃の特
性が得られた。これらの特性は、前記のひずみゲージ材
料に要求される前記条件のうち（３），（４）を十分に
満たすものである。さらに、上記の線材について２％引
張り試験を行い、ひずみ量と抵抗の関係を求めた結果を
図２の線Ｂで示す。この線材は直線性が非常に良く、ま
たヒステリシスも無い。ゲーシ率は約２．１９を示し
た。これらの特性は、前記ひずみゲージ材料に要求され
る前記条件の（１），（２）を十分に満たすものであ
り、この合金の線材をひずみゲージに用いることによ
り、これまで０．４％の繰り返しひずみまでしか測定で
きなかったものが、２％のひずみまでヒステリシスなく
測定できることが可能であった。
後、冷間加工を施し、目的形状である線径φ４０μｍと
し、雰囲気温度による抵抗変化（抵抗温度係数）を調査
した。結果を図１の線Ａで示す。本合金は、測定温度範
囲内で負の直線性を示すとともに、比抵抗１３７μΩ・
ｃｍ、抵抗温度係数（ＴＣＲ）−１２０ｐｐｍ／℃の特
性が得られた。これらの特性は、前記のひずみゲージ材
料に要求される前記条件のうち（３），（４）を十分に
満たすものである。さらに、上記の線材について２％引
張り試験を行い、ひずみ量と抵抗の関係を求めた結果を
図２の線Ｂで示す。この線材は直線性が非常に良く、ま
たヒステリシスも無い。ゲーシ率は約２．１９を示し
た。これらの特性は、前記ひずみゲージ材料に要求され
る前記条件の（１），（２）を十分に満たすものであ
り、この合金の線材をひずみゲージに用いることによ
り、これまで０．４％の繰り返しひずみまでしか測定で
きなかったものが、２％のひずみまでヒステリシスなく
測定できることが可能であった。
【００２３】このように、超弾性効果を有する形状記憶
合金をひずみゲージの金属抵抗体に用いることにより、
従来もっているひずみゲージの特性を損ねることなく、
繰り返し測定可能なひずみ測定範囲を大幅に広げたひず
みゲージを得ることができ、工業上有用である。
合金をひずみゲージの金属抵抗体に用いることにより、
従来もっているひずみゲージの特性を損ねることなく、
繰り返し測定可能なひずみ測定範囲を大幅に広げたひず
みゲージを得ることができ、工業上有用である。
【００２４】なお、本発明で使用する超弾性効果を有す
る形状記憶合金としては、Ｎｉ４９〜５１ａｔ％、残部
ＴｉであるＴｉＮｉ合金であってもよく、また、このＴ
ｉＮｉ合金に３ａｔ％以下の物質を添加した合金でもよ
い。これらの合金の例と特性を次の表２に示す。
る形状記憶合金としては、Ｎｉ４９〜５１ａｔ％、残部
ＴｉであるＴｉＮｉ合金であってもよく、また、このＴ
ｉＮｉ合金に３ａｔ％以下の物質を添加した合金でもよ
い。これらの合金の例と特性を次の表２に示す。
【００２５】
【表２】
【００２６】
【発明の効果】以上に述べたごとく、本発明によれば、
弾性限度を超えて変形しても、応力を除去すれば元の形
状に回復する超弾性効果を有する形状記憶合金を金属抵
抗体としてひずみゲージを形成したので、弾性限度以上
のひずみが加わっても金属抵抗体が塑性変形を起こすこ
とがなくなり、広い範囲の繰り返しひずみ量を正確に検
出することが可能になった。
弾性限度を超えて変形しても、応力を除去すれば元の形
状に回復する超弾性効果を有する形状記憶合金を金属抵
抗体としてひずみゲージを形成したので、弾性限度以上
のひずみが加わっても金属抵抗体が塑性変形を起こすこ
とがなくなり、広い範囲の繰り返しひずみ量を正確に検
出することが可能になった。
【図１】本発明のひずみゲ−ジにおける金属抵抗体の一
つであるＴｉＮｉ合金の雰囲気温度に対する抵抗値変化
を示す特性図である。
つであるＴｉＮｉ合金の雰囲気温度に対する抵抗値変化
を示す特性図である。
【図２】本発明のひずみゲ−ジにおける金属抵抗体の一
つであるＴｉＮｉ合金のひずみ量に対する抵抗値変化を
示す特性図である。
つであるＴｉＮｉ合金のひずみ量に対する抵抗値変化を
示す特性図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 孝晴 東京都品川区南大井６−８−２ 株式会社 東京測器研究所内
Claims (2)
- 【請求項１】 ひずみ量を検出する素子として金属抵抗
体を用いるひずみゲージにおいて、前記金属抵抗体は、
弾性限度以上に変形させても応力を除去すれば元の形状
に復帰する超弾性効果を有する形状記憶合金で構成され
ていることを特徴とするひずみゲージ。 - 【請求項２】 ひずみ量を検出する素子として金属抵抗
体を用いるひずみゲージにおいて、前記金属抵抗体は、
超弾性効果を有するＮｉＴｉ合金で構成されていること
を特徴とするひずみゲージ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4484493A JPH06258010A (ja) | 1993-03-05 | 1993-03-05 | ひずみゲージ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4484493A JPH06258010A (ja) | 1993-03-05 | 1993-03-05 | ひずみゲージ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06258010A true JPH06258010A (ja) | 1994-09-16 |
Family
ID=12702789
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4484493A Withdrawn JPH06258010A (ja) | 1993-03-05 | 1993-03-05 | ひずみゲージ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06258010A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016200539A (ja) * | 2015-04-13 | 2016-12-01 | 株式会社古河テクノマテリアル | センサ、リチウムイオン電池の異常検知方法 |
| JP2017026328A (ja) * | 2015-07-15 | 2017-02-02 | 株式会社エスシーエー | 形状記憶合金ワイヤを用いた入力装置 |
| DE102016107464B3 (de) * | 2016-04-22 | 2017-08-10 | Fibercheck Gmbh | Dehnungssensor und Verfahren zum Herstellen eines Dehnungssensors |
| CN107747902A (zh) * | 2017-09-20 | 2018-03-02 | 上海交通大学 | 一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法 |
| WO2018206660A1 (de) * | 2017-05-12 | 2018-11-15 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Treibriemen für die übertragung von drehmomenten von einer antriebsriemenscheibe zu einer abtriebsriemenscheibe |
| WO2019124019A1 (ja) * | 2017-12-20 | 2019-06-27 | 国立大学法人筑波大学 | 湾曲検出センサ |
-
1993
- 1993-03-05 JP JP4484493A patent/JPH06258010A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016200539A (ja) * | 2015-04-13 | 2016-12-01 | 株式会社古河テクノマテリアル | センサ、リチウムイオン電池の異常検知方法 |
| JP2017026328A (ja) * | 2015-07-15 | 2017-02-02 | 株式会社エスシーエー | 形状記憶合金ワイヤを用いた入力装置 |
| DE102016107464B3 (de) * | 2016-04-22 | 2017-08-10 | Fibercheck Gmbh | Dehnungssensor und Verfahren zum Herstellen eines Dehnungssensors |
| WO2018206660A1 (de) * | 2017-05-12 | 2018-11-15 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Treibriemen für die übertragung von drehmomenten von einer antriebsriemenscheibe zu einer abtriebsriemenscheibe |
| CN107747902A (zh) * | 2017-09-20 | 2018-03-02 | 上海交通大学 | 一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法 |
| WO2019124019A1 (ja) * | 2017-12-20 | 2019-06-27 | 国立大学法人筑波大学 | 湾曲検出センサ |
| JPWO2019124019A1 (ja) * | 2017-12-20 | 2020-12-17 | 国立大学法人 筑波大学 | 湾曲検出センサ |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20000509 |