応力センサ
【課題】 少なくとも2軸方向における応力を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。
【解決手段】 応力計測対象物中に埋設して用いる応力センサA1であって、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センサエレメント41,42と、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センサエレメント51,52と、を含む。
【解決手段】 応力計測対象物中に埋設して用いる応力センサA1であって、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センサエレメント41,42と、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センサエレメント51,52と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2005−62170号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】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2】図1に示した応力センサのXY平面視を示す図である。
【図3】図1に示した応力センサのYZ平面視を示す図である。
【図4】図1に示した応力センサのZX平面視を示す図である。
【図5】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6】図5に示した応力センサのXY平面視を示す図である。
【図7】図5に示した応力センサのYZ平面視を示す図である。
【図8】図5に示した応力センサのZX平面視を示す図である。
【図9】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10】図9に示した応力センサのXY平面視を示す図である。
【図11】図9に示した応力センサのYZ平面視を示す図である。
【図12】図9に示した応力センサのZX平面視を示す図である。
【図13】第4実施形態にかかる応力センサの平面図である。
【図14】図13の要部拡大図を示している。
【図15】第5実施形態にかかる応力センサの平面図である。
【図16】図15の要部断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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。
【0082】
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。
【0083】
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。
【0084】
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。
【符号の説明】
【0085】
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
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2005−62170号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】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2】図1に示した応力センサのXY平面視を示す図である。
【図3】図1に示した応力センサのYZ平面視を示す図である。
【図4】図1に示した応力センサのZX平面視を示す図である。
【図5】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6】図5に示した応力センサのXY平面視を示す図である。
【図7】図5に示した応力センサのYZ平面視を示す図である。
【図8】図5に示した応力センサのZX平面視を示す図である。
【図9】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10】図9に示した応力センサのXY平面視を示す図である。
【図11】図9に示した応力センサのYZ平面視を示す図である。
【図12】図9に示した応力センサのZX平面視を示す図である。
【図13】第4実施形態にかかる応力センサの平面図である。
【図14】図13の要部拡大図を示している。
【図15】第5実施形態にかかる応力センサの平面図である。
【図16】図15の要部断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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。
【0082】
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。
【0083】
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。
【0084】
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。
【符号の説明】
【0085】
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
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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する、応力センサ。
【請求項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、上記原点から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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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ないし3のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項5】
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4に記載の応力センサ。
【請求項6】
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5のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項7】
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6に記載の応力センサ。
【請求項8】
複数の上記センサラインは互いに並列している、請求項6に記載の応力センサ。
【請求項9】
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4ないし8のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項10】
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9のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項11】
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10のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項12】
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11のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項13】
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10に記載の応力センサ。
【請求項14】
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12に記載の応力センサ。
【請求項15】
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12ないし14のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項16】
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12ないし15のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項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は、いずれも、V字状をなしている、請求項12ないし16のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項18】
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12ないし16のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項1】
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する、応力センサ。
【請求項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、上記原点から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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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ないし3のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項5】
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4に記載の応力センサ。
【請求項6】
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5のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項7】
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6に記載の応力センサ。
【請求項8】
複数の上記センサラインは互いに並列している、請求項6に記載の応力センサ。
【請求項9】
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4ないし8のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項10】
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9のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項11】
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10のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項12】
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11のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項13】
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10に記載の応力センサ。
【請求項14】
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12に記載の応力センサ。
【請求項15】
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12ないし14のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項16】
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12ないし15のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項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は、いずれも、V字状をなしている、請求項12ないし16のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項18】
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12ないし16のいずれかに記載の応力センサ。
【図1】
【図5】
【図9】
【図13】
【図16】
【図2】
【図3】
【図4】
【図6】
【図7】
【図8】
【図10】
【図11】
【図12】
【図14】
【図15】
【図5】
【図9】
【図13】
【図16】
【図2】
【図3】
【図4】
【図6】
【図7】
【図8】
【図10】
【図11】
【図12】
【図14】
【図15】
【公開番号】特開2012−255715(P2012−255715A)
【公開日】平成24年12月27日(2012.12.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−128871(P2011−128871)
【出願日】平成23年6月9日(2011.6.9)
【出願人】(511140459)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年12月27日(2012.12.27)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年6月9日(2011.6.9)
【出願人】(511140459)
【Fターム(参考)】
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