歪ゲージ付き可撓性配線基板
【課題】測定対象物に埋め込み測定対象物の内部の変位を検出する場合に、深さ方向に、より多くの歪ゲージを配置し深さ方向の分解能を向上することである。
【解決手段】歪ゲージ付き可撓性配線基板１０は、長手方向に延びる可撓性配線基板３０の表面と裏面の対応する位置に、歪ゲージ２０がそれぞれ対をなして複数対配置される。可撓性配線基板３０は、積層構造を有し、中心側から外側に向かって、金属薄板３２、保護層３４、プラスチックフィルム３６、パターン化された導電配線３８が配置される。導電配線３８は、全歪ゲージ２０の全端子数と同じ数の配線がそれぞれ分離して設けられる。導電配線３８の上に、歪ゲージ２０が絶縁性フィルムの面を向けて配置される。歪ゲージ２０の端子２４と、対応する導電配線３８とはリード線４２で接続される。最も外側には保護膜４０が設けられる。
【解決手段】歪ゲージ付き可撓性配線基板１０は、長手方向に延びる可撓性配線基板３０の表面と裏面の対応する位置に、歪ゲージ２０がそれぞれ対をなして複数対配置される。可撓性配線基板３０は、積層構造を有し、中心側から外側に向かって、金属薄板３２、保護層３４、プラスチックフィルム３６、パターン化された導電配線３８が配置される。導電配線３８は、全歪ゲージ２０の全端子数と同じ数の配線がそれぞれ分離して設けられる。導電配線３８の上に、歪ゲージ２０が絶縁性フィルムの面を向けて配置される。歪ゲージ２０の端子２４と、対応する導電配線３８とはリード線４２で接続される。最も外側には保護膜４０が設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は歪ゲージ付き可撓性配線基板に係り、特に長手方向に沿って延びる可撓性絶縁基板上に複数の歪ゲージが配置される歪ゲージ付き可撓性配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の変位分布を測定する方法としては様々なものが知られているが、測定対象物の内部における変位分布を測定しようとすると、センサを測定対象物に埋め込むことが必要になり、場合によっては測定が困難なことがある。
【０００３】
例えば、大地の地形変化を知るために、大地の土壌の中に細長いセンサを埋め込み、大地の深さ方向についての変位を測定する場合がある。山の土、あるいは斜面の土は、長期間に渡って観察するとかなりの移動を示すことが知られており、例えば一般的な山の土は年間に約１ｍｍから２ｍｍ程度移動することがある。このように大地の移動は地形変化につながり、また、地滑り、山崩れ等の災害予知にとっても重要である。
【０００４】
このような大地の土壌内の緩慢な変位を測定する古典的な方法の１つとしてパイプ埋設法が知られている。この方法は、塑性変形が可能な材料からなるパイプをセンサとして用いるもので、このパイプを大地の地表に垂直に埋め込み、これを数年間放置した後に掘り出し、パイプの塑性変形量を測定することで、大地の土壌内の変位分布等を求めることができる。
【０００５】
しかし、パイプ埋設法は、埋め込んだ状態での変位測定が不可能で、測定のためには、測定対象である大地を破壊してしまうことになる。センサを埋め込んだままで測定対象物である大地の土壌の変位の測定を可能にするものとして、非特許文献１において１９５７年にウイリアムスによって発表されたストレインプローブ法が知られている。このストレインプローブ法によれば、厚さ０．１ｃｍの細長いバネ鋼に数個のストレインゲージを貼り付け、各ストレインゲージから信号線であるコードをバネ鋼の上端部まで延ばし、地表においてストレインゲージ２枚法と呼ばれるブリッジ回路を組んで、各対における歪量を求めることができる。
【０００６】
しかしながら、ストレインゲージは周知のように、平面寸法が数ｍｍの大きさで、きわめて敏感なセンサであるので、これを土壌中に埋め込むと、土壌中の不均一な硬さの影響をそのまま歪として検出してしまうことがある。例えば、土壌中に礫等が混在していると、礫の形状に依存してストレインゲージが変形し、歪として誤検出する。
【０００７】
非特許文献２には、ウイリアムスが発表したストレインプローブ法を発展させ、平面寸法が約３０ｍｍの大型ストレインゲージを４個用いて一組のブリッジ回路を構成することで、約１００ｍｍの範囲内の土壌組成の不均一性を平均化することができることを開示している。ここでは、厚さ０．４ｍｍで幅１３ｍｍ、長さ５００ｍｍのバネ鋼の表裏に１０対のストレインゲージが取り付けられている。この方法によれば、土壌中の礫等の影響を受けることを抑制することができ、これにより、年間で数ｍｍ程度の大地の土壌の移動をかなり正確に検出できることが可能になる。
【０００８】
なお、本願に関連する技術として、特許文献１には、歪ゲージを湾曲機構の周辺に有する電動湾曲式内視鏡において、組立中または湾曲動作中等にリード線が断線し、あるいは短絡することがないように、歪ゲージとリード線とを導通するフレキシブル基板等の中継配線部を歪ゲージ上に設けることが開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−９５６３０号公報
【非特許文献１】ウイリアムス・ピー・ジェイ（Williams, P.J ），「土壌部分の移動の直接記録（The direct recording of soilfluction movements）」，米国科学ジャーナル（American Journal of Science），２５５，１９５７年，ｐ．７０５−７１５
【非特許文献２】山田周二，倉茂好匡，「土壌匍行観測のためのひずみプローブ法の改良（Improvement of strain probe method for soil creep measurement）」，「地形」（Transactions Japanese Geomorphological Union），日本地形学連合，１９９６，１７−１，ｐ．２９−３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献１に記載される方法によれば、ストレインゲージ、すなわち歪ゲージを貼り付けたバネ鋼をセンサとして用い、このセンサを土壌に埋め込んだままで、深さ方向について約１００ｍｍの領域単位の大地の土壌の変位を検出することができる。ここで、歪ゲージの数を増やし、配置ピッチをこまかくすることで、さらに深さ方向の分解能を上げることが可能なように思える。しかし、歪ゲージの数を増やすと、歪ゲージから引き出される信号線ワイヤの数が増加し、その信号線ワイヤの剛性が土壌の変位を受け止めるセンサであるバネ鋼の弾性変形に影響を及ぼし、かえって測定精度が低下する。歪ゲージからワイヤ等の金属導線を引き出す方法では、細い金属導線を用いるものとしても、細長いバネ鋼の弾性との競合で、金属導線の数はせいぜい４０本程度が上限であることが経験上分かってきている。
【００１１】
したがって、金属導線を地中の歪ゲージから地表に引き出す方法では、歪ゲージの数がせいぜい２０個で、２個の歪ゲージを１対として歪を求めるものとしても、１０対がせいぜいである。このことから、例えば、深さ方向で５０ｃｍ程度の範囲の土壌の変位を検出するものとしたとき、深さ方向の分解能は約５０ｍｍとなる。
【００１２】
一方で、斜面崩壊に代表されるような土壌の移動は、土壌内のある面内でせん断破壊が生じることで発生し、また、この面内せん断破壊は、深さ方向で数１０ｍｍの領域で生じることが知られている。したがって、このような面内せん断破壊を検出するには、深さ方向の分解能をさらに向上させることが必要になる。
【００１３】
このように、従来技術の歪ゲージをバネ鋼に貼り付けて地中に埋め込む方法では、大地の土壌の移動について、深さ方向の分解能が不十分である。
【００１４】
本発明の目的は、測定対象物に埋め込んで測定対象物の内部の変位を検出する場合に、深さ方向の分解能を向上することを可能とする歪ゲージ付き可撓性配線基板を提供することである。他の目的は、測定対象物に埋め込んで測定対象物の内部の変位を検出する場合に、深さ方向に、より多くの歪ゲージを配置することを可能とする歪ゲージ付き可撓性配線基板を提供することである。また、さらに他の目的は、大地の土壌に埋め込んで土壌の移動を検出する場合に、礫等の影響を抑制しつつ、深さ方向の分解能を向上することを可能とする歪ゲージ付き可撓性配線基板を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る歪ゲージ付き可撓性配線基板は、長手方向に沿って延びる可撓性絶縁基板と、可撓性絶縁基板の長手方向に沿って、表面及び裏面の対応する位置にそれぞれ対をなして配置される複数対の歪ゲージと、可撓性絶縁基板の両面にそれぞれ形成される導電配線であって、歪ゲージからの引出線が配線の一方端に接続され、配線の他方端は可撓性絶縁基板の長手方向の他方端に配置され、歪ゲージからの引出線の総数に対応する数の導電配線と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、可撓性絶縁基板は、金属板を心材として有することが好ましい。
【００１７】
また、可撓性絶縁基板は、長手方向の一方端に、歪測定対象物に埋め込まれるアンカー部材が接続されることが好ましい。
【００１８】
また、各歪ゲージは、歪を平均化して測定できる平均化領域の大きさが可撓性絶縁基板の長手方向に沿った長さＬで１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である形状を有することが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係る歪ゲージ付き可撓性配線基板において、隣接する歪ゲージの可撓性絶縁基板の長手方向に沿った配置ピッチＰが、平均化領域の長さＬよりも短いことが好ましい。
【００２０】
また、本発明に係る歪ゲージ付き可撓性配線基板は、大地の土壌中に埋め込まれ、埋め込み方向に沿った大地の変位を検出する歪ゲージ付き可撓性配線基板であって、埋め込み方向に対応する長手方向に沿って延び、歪測定対象物に埋め込まれるアンカー部材が一方端に接続される可撓性絶縁基板と、可撓性絶縁基板の長手方向に沿って、表面及び裏面の対応する位置にそれぞれ対をなして配置される複数対の歪ゲージと、可撓性絶縁基板の両面にそれぞれ形成される導電配線であって、歪ゲージからの引出線が配線の一方端に接続され、配線の他方端は可撓性絶縁基板の長手方向の他方端に配置され、歪ゲージからの引出線の総数に対応する数の導電配線と、を有し、各歪ゲージは、歪を平均化して測定できる平均化領域の大きさが可撓性絶縁基板の長手方向に沿った長さＬで１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である形状を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
上記構成の少なくとも１つにより、長手方向に沿って延びる可撓性絶縁基板上に導電配線が設けられ、表裏で対を成す歪ゲージが長手方向に沿って複数対配置され、各歪ゲージからの引出線は導電配線によって、可撓性絶縁基板の長手方向の一方端に集められる。このように、各歪ゲージからの信号は可撓性絶縁基板状の導電配線によって引き出されるので、従来技術のワイヤ等の金属導線によって各歪ゲージからの信号を取り出すことに比較し、測定精度に与える信号線自体の剛性の影響を大幅に低減できる。これにより、歪ゲージの数を、従来技術に比較してより多く配置することができる。
【００２２】
また、可撓性絶縁基板は、金属板を心材として有するので、測定対象物の弾性あるいは粘弾性等の特性に合わせて金属板の材質、厚み等を選択して可撓性絶縁基板の弾性を設定でき、測定対象物の変位測定の精度を向上させることができる。
【００２３】
また、可撓性絶縁基板は、長手方向の一方端に、歪測定対象物に埋め込まれるアンカー部材が接続されるので、たとえば、土壌等のように流動性がある歪測定対象物に対しても、アンカーの固定性を利用して、測定箇所が変動しないようにできる。
【００２４】
また、各歪ゲージは、歪の平均化領域の大きさが可撓性絶縁基板の長手方向に沿った長さＬで１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であるので、歪ゲージの検出敏感性を適当に緩和して、対象物の変位を測定できる。
【００２５】
また、隣接する歪ゲージの可撓性絶縁基板の長手方向に沿った配置ピッチＰを、平均化領域の長さＬよりも短くするので、長手方向に沿った測定分解能を高めることができる。
【００２６】
また、上記構成の少なくとも１つにより、大地の土壌中に埋め込んで大地の変位を検出する場合において、長手方向に沿って延びる可撓性絶縁基板上に導電配線が設けられ、表裏で対を成す歪ゲージが長手方向に沿って複数対配置され、各歪ゲージからの引出線は導電配線によって、可撓性絶縁基板の長手方向の一方端に集められる。このように、各歪ゲージからの信号は可撓性絶縁基板状の導電配線によって引き出されるので、土壌の変位測定において、従来技術のワイヤ等の金属導線によって各歪ゲージからの信号を取り出すことに比較し、測定精度に与える信号線自体の剛性の影響を大幅に低減できる。これにより、歪ゲージの数を、従来技術に比較してより多く配置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、変位の検出の対象物として、大地の土壌について説明するが、土壌には、粘土性のもの、砂土性のもの、礫を含むもの、泥土性のもの等、粘弾性の様々な範囲のものを含むことができる。また、大地についても、山地、平地、斜面等の様々な傾斜地形を含むことができる。また、変位の検出の対象物としては、大地の土壌以外に、緩慢な流動性を有する物体であってもよい。例えば、粘度の高い物質等の貯留槽において、その物質を測定対象物として、その物質の緩慢な変位を検出するものであってもよい。また、生体組織も粘弾性を有するので、生体組織を測定対象物として、生体組織に挿入して、長期的に渡る生体組織の変位を検出するものであってもよい。
【００２８】
図１は、大地の土壌の緩慢な変位を検出するために歪ゲージ付き可撓性配線基板を用いる様子を示す図である。図１においては、大地の斜面となっている土壌８の中に、一方端１６がアンカー１４に接続された細長い歪ゲージ付き可撓性配線基板１０が地表６に対しほぼ垂直に埋め込まれている様子が示されている。アンカー１４は、適当な質量を有する重りで、可撓性配線基板１０を土壌８の中に固定するためのものである。可撓性配線基板１０の他方端１８には歪ゲージからの信号を伝送するための測定用リード線１２が接続されて、これらの測定用リード線１２は、地表に設置された測定ボックス５０に接続される。
【００２９】
測定ボックス５０には、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０に配置される複数の歪ゲージからの信号を受け取り、例えば予め値の分かっている標準抵抗等と組み合わせてブリッジ回路を組み、精密に歪量を検出する歪量検出回路、検出された歪量等のデータを時系列に順次記憶するデータロガ部、必要があればデータセンタにデータ等を送信するデータ送信部等が備えられる。測定ボックス５０に必要な電源としては、電灯線等から取ることもでき、そのような施設のない箇所では、電池、あるいは太陽電池等を用いることができる。
【００３０】
図１には、大地の土壌８が流動し、それによって、最初は破線で示されているように、地表６に対しほぼ垂直に埋め込まれたまっすぐの歪ゲージ付き可撓性配線基板１０が、土壌の流動に応じてΔＳだけ変位している様子が示されている。一般的には、山地の土等は、図１に示されるように、表層部が年間に数ｍｍ程度移動することがあり、その場合に、大地の内部の土壌の変位分布を見ると、場合によっては図１のように深さ方向に変位量が異なっていることがある。
【００３１】
ここで、アンカー１４は、表層部の移動に対して、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０が流されないように、土壌８の深いところに埋め込まれ、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０による土壌８の変位測定に対し基準点として機能する。歪ゲージ付き可撓性配線基板１０は細長い平板状の形状であるのに対し、アンカー１４は適当な体積を有する重りである。したがって、アンカー１４が接続された歪ゲージ付き可撓性配線基板１０を土壌８中に埋めるには、適当な深さと穴径を有する穴を掘り、アンカー１４を穴の底に固定し、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０をまっすぐ地表６に向けて伸ばし、その状態で、土壌８を穴の中に埋め戻す。埋めた直後は、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０と土壌８との間には隙間があることがあるが、土壌８はそれを構成する土の質量によって土圧を生じ、その土圧によって、例えば数ヶ月の後に、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０は土壌８と一体化する。その状態が、図１の破線の状態である。
【００３２】
歪ゲージ付き可撓性配線基板１０の詳細な構成について、図２、図３を用いて説明する。図２は、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０の全体構成を示す図、図３は図２におけるＡ部の拡大図で、図３（ａ）は平面図、（ｂ）は側面断面図である。歪ゲージ付き可撓性配線基板１０は、長手方向に延びる可撓性配線基板３０上に、複数の歪ゲージ２０が配置されたものである。
【００３３】
複数の歪ゲージ２０は、可撓性配線基板３０の長手方向に沿って配置され、また、可撓性配線基板３０の表面と裏面の対応する位置にそれぞれ対をなして配置される。その対の数は、ワイヤ等で歪ゲージから信号線を取り出している従来技術の限度と経験的に言われている１０対を超える数である。図１、図２の例では、可撓性配線基板３０の長手方向に沿って、表面と裏面とにそれぞれ１１個の歪ゲージ２０が配置されている。表面と裏面の配置は、表裏を逆にしても同じ位置となるように行われる。換言すれば、表面の歪ゲージ２０とこれに対応する裏面の歪ゲージ２０とは、大地の土壌８のほぼ同じ位置の変位を測定していることになる。
【００３４】
歪ゲージ２０は、絶縁性フィルムの上に薄膜抵抗２２を配置し、その両端に端子２４を設けたものである。歪ゲージ２０の絶縁性フィルムの裏面には粘着材が配置されており、これにより可撓性配線基板３０の上にしっかりと固定して取り付けることができる。可撓性配線基板３０が伸縮すると、その伸縮量に応じて薄膜抵抗２２の抵抗値が変化するので、端子２４の間の抵抗値の変化を測定することで可撓性配線基板３０の伸縮量を検出することができる。
【００３５】
歪ゲージ２０の大きさは、歪を検出する領域を規定する。そして、歪ゲージ２０は、通常１つの薄膜抵抗を有するので、その抵抗変化は、その領域における歪の平均値を示すことになる。したがって、歪ゲージ２０の平面寸法が大きいほど、広い領域の歪を平均化し、歪ゲージ２０の敏感な検出性を緩和できる。特に、土壌に礫等の硬い物が存在すると、その硬い物に接触するのみで、抵抗値が変化し、土壌の変位として誤検出することがあるので、礫等の不均一物のノイズを除去するために、ある程度の大きさが歪ゲージ２０に必要である。一方で、歪ゲージ２０の大きさをあまり大きくすると、変位の分布の分解能が低下する。
【００３６】
例えば、図３（ａ）に示すように、歪を平均化して測定できる平均化領域の大きさとして、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った歪ゲージ２０の長さＬで代表させるとして、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った変位の分布の分解能は、隣接する歪ゲージ２０の配置ピッチＰで規定される。図３（ａ）のように、長手方向に１列に歪ゲージ２０を配置するときは、ＰはＬより大きく、したがって、歪を平均化する領域を示すＬを広く取ると、変位の分布の分解能を示す配置ピッチＰも大きくなり、分解能が低下する。
【００３７】
土壌中の礫等の不均一性を考慮すると、Ｌは数ｍｍ程度でもよいが、１０ｍｍ以上が好ましく、３０ｍｍ程度がよい。そこで、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った歪ゲージ２０の長さＬは、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることがよい。
【００３８】
可撓性配線基板３０は、図３（ｂ）に示すように積層構造を有する複合基板である。中心には、金属薄板３２があり、金属薄板３２の両面に保護層３４が設けられる。表側及び裏側の保護層３４の上には、それぞれプラスチックフィルム３６が配置され、プラスチックフィルム３６の上には、パターン化された導電配線３８が配置される。導電配線３８は、歪ゲージ２０の数の２倍、すなわち、全部の歪ゲージ２０の全端子数と同じ数の配線がそれぞれ分離して設けられる。この導電配線３８の上に、歪ゲージ２０が絶縁性フィルムの面を向けて粘着材で固定されて配置される。歪ゲージ２０の端子２４と、対応する導電配線３８とは適当なリード線４２で接続される。歪ゲージ２０、リード線４２、導電配線３８を保護するため、最も外側に保護膜４０が設けられる。
【００３９】
金属薄板３２は、可撓性配線基板３０の弾性特性を測定対象の土壌の弾性特性に合わせるために用いられるものである。例えば、硬い土質の場合には、その土質の変位を測定するには、その土質の硬さとほぼ同じ硬さの可撓性配線基板３０であることが好ましい。一方で、軟らかい土質の場合には、その土質の軟らかさとほぼ同じ軟らかさの可撓性配線基板３０であることが好ましい。プラスチックフィルム３６自体も適当な弾性特性を有するので、土質によっては、金属薄板３２を省略することができる。一般的には、バネ鋼を用い、測定対象の土質に合わせて、その板厚を設定することが好ましい。
【００４０】
金属薄板３２の両面に設けられる保護層３４は、金属薄板３２とプラスチックフィルム３６とを接着するための接着層でもある。この保護層３４の材質は、接着性能を有し、金属薄板３２とプラスチックフィルム３６との間の腐食等を避けるために適した材料が好ましい。かかる保護層３４の材料としては、シリコーン変形ポリマーを用いることができる。例えば、セメダイン社のスーパーＸ２クリア（商品名）を用いることができる。場合によっては保護層３４を省略することもできる。
【００４１】
プラスチックフィルム３６は、裏面側で金属薄板３２に固定され、表面側には導電配線３８がパターン化して設けられるものである。導電配線３８がパターン化して設けられるプラスチックフィルム３６としては、いわゆるフレキシブルプリント基板を用いることができる。フレキシブルプリント基板は、例えば、ポリイミドフィルムに銅箔等の導電層を圧着等で積層し、エッチング技術によって導電層を任意の配線パターンとするものである。フレキシブルプリント基板は、その厚さが薄いものでは１ｍｍ以下のものが可能で、その場合の剛性は、金属薄板３２に比べ格段に小さくできる。もちろん、厚さを適当に厚くすることで、適当な剛性を持たせ、金属薄板３２を省略できる場合があることは上述の通りである。
【００４２】
このように、金属薄板３２、保護層３４、プラスチックフィルム３６を積層したものは、長手方向において撓むことができ、その意味で絶縁性可撓性基板と呼ぶことができる。なお、金属薄板３２、保護層３４を省略できるときは、導電配線３８がパターン化して設けられるプラスチックフィルム３６として、両面に導電層を有する両面型フレキシブルプリント基板を用いることができる。プラスチックフィルム３６の外形の大きさは、可撓性配線基板３０の外形の大きさを規定する。金属薄板３２の外形は、プラスチックフィルム３６の外形と同じか、やや小さめとされ、導電配線３８は、プラスチックフィルム３６の表面に形成されるので、プラスチックフィルム３６の外形の大きさは、可撓性配線基板３０の外形の大きさを規定する。図２、図３の例では、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った歪ゲージ２０の長さＬを約３０ｍｍとし、歪ゲージ２０を１１対配置すると、可撓性配線基板３０の長手方向の全長は、約４００ｍｍから約５００ｍｍとなる。
【００４３】
導電配線３８は、プラスチックフィルム３６上に設けられる導電性のパターンである。図３（ａ）の例では、可撓性配線基板３０の表側のプラスチックフィルム３６の長手方向に沿って、平行に２２本の導電配線パターンが配置される。可撓性配線基板３０の裏側のプラスチックフィルム３６上にも同様に、２２本の導電配線パターンが配置される。これら２２本の導電配線パターンは、１１個の歪ゲージ２０のそれぞれについての２つの端子２４に対応するものである。図３（ａ）の例では、紙面に向かって、左側から１番目と２番目の導電配線パターンは、可撓性配線基板３０の地表側から数えて１番目の歪ゲージ２０の２つの端子２４に対応し、左側から３番目と４番目の導電配線パターンは、可撓性配線基板３０の地表側から数えて２番目の歪ゲージ２０の２つの端子２４に対応し、以下同様である。また、紙面に向かって、右側から１番目と２番目の導電配線パターンは、可撓性配線基板３０の地表側から数えて一番底部である１１番目の歪ゲージ２０の端子２４に対応し、左側から３番目と４番目の導電配線パターンは、可撓性配線基板３０の地表側から数えて１０番目の歪ゲージ２０の２つの端子２４に対応し、以下同様である。
【００４４】
図３（ａ）は、図２から分かるように、可撓性配線基板３０の地表側から数えて４番目、５番目、６番目の歪ゲージ２０が拡大して示されている。したがって、５番目の歪ゲージ２０の一方側の端子２４は、紙面に向かって、左側から数えて９番目の導電配線パターンに適当なリード線４２によって接続されており、同様に他方側の端子２４は、紙面に向かって、左側から数えて１０番目の導電配線パターンに適当なリード線４２によって接続されている。
【００４５】
保護膜４０は、上記のように、歪ゲージ２０、導電配線３８、リード線４２を土壌８から保護する機能を有する。例えば、土壌中の水分等からこれらを保護する。また、土壌中の礫等の硬い物による損傷から歪ゲージ２０等を保護する。かかる保護膜としては、耐湿性のよい樹脂層と、適当な硬さの樹脂層の組合せを用いることができる。例えば、下層にエポキシ樹脂層を用い、表面の上層にシリコーンゴム等を用いることができる。この他に、導電配線３８の接続部分のみをシリコーン樹脂で保護し、全体をエチレン-酢酸ビニルでコーティングしてもよい。また、必要があれば、適当な防食テープ等を巻くことができる。防食テープとしては、積水化学社のエスロン（商品名）等を用いることができる。このような構成とすることで、耐湿性を確保しながら、歪測定に適した土壌となじみのよい埋め込み状態とすることができる。
【００４６】
このように、歪ゲージ２０の絶縁性フィルムを導電配線３８の上に配置することで、導電配線３８のパターンは、単純な２２本の直線状とすることができる。可撓性配線基板３０の地表側の端部においては、表側に２２本、裏側に２２本の合計４４本の導電配線３８の端部が集められる。この４４本の端部には、測定用リード線１２が接続され、測定ボックス５０に導かれる。もちろん、測定用リード線１２の代わりに、可撓性配線基板３０が地表６に出た後もそのまま延長して、可撓性配線基板３０の４４本の導電配線３８の端部をそのまま測定ボックス５０に導くものとしてもよい。
【００４７】
図１に再び戻り、測定ボックス５０には、可撓性配線基板３０に配置された各歪ゲージ２０の各端子２４が導電配線３８と測定用リード線１２を介して延長されて導かれる。換言すれば、各歪ゲージ２０の各端子２４に相当する測定端子が測定ボックス５０に集められることになる。測定ボックス５０は、これら導かれた各測定端子を用いて、各歪ゲージ２０における変位を求める回路が設けられる。
【００４８】
歪ゲージ２０の各端子２４を用いて、その歪ゲージ２０の位置における、可撓性配線基板３０の変位、すなわち、その位置に対応する土壌８の変位を求めるには、上記のウイリアムスが用いた周知のストレインゲージ２枚法、または、非特許文献２に開示されている周知のストレインゲージ４枚法を用いることができる。
【００４９】
ストレインゲージ２枚法を用いるときは、図３で説明したように、可撓性配線基板３０の表面及び裏面の対応した位置に配置される１対の歪ゲージ２０を用いて、ストレインゲージ２枚法の原理にしたがったブリッジ回路を組むことで、その位置における歪を算出できる。この場合は、図３（ａ）に関連して説明したように、長さＬで平均化された歪を、深さ方向にピッチＰの分解能で得ることができる。そして、当初に歪ゲージ付き可撓性配線基板１０を大地の土壌８に埋め込んだときの歪分布と比較することで、現在の測定時点との間の土壌８の変位を求めることができる。
【００５０】
ストレインゲージ４枚法を用いるときは、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った２対の歪ゲージ２０を用いる。そして、合計４個の歪ゲージ２０について、ストレインゲージ４枚法の原理にしたがったホイトストンブリッジ回路を組むことで、その位置における歪を算出できる。この場合は、図３（ａ）の寸法関係を用いて説明すると、長さ（Ｐ＋Ｌ）で平均化された歪を、深さ方向にピッチ２Ｐの分解能で得ることができる。そして、当初に歪ゲージ付き可撓性配線基板１０を大地の土壌８に埋め込んだときの歪分布と比較することで、現在の測定時点との間の土壌８の変位を求めることができる。
【００５１】
なお、ストレインゲージ２枚法、ストレインゲージ４枚法のいずれを用いるにしても、土壌８の変位は、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０の平坦面に垂直な方向の変位が検出される。歪ゲージ付き可撓性配線基板１０の平坦面に平行な方向の変位は検出されない。土壌８の変位について、地表６の平面に対し２次元的に検出するには、２組の歪ゲージ付き可撓性配線基板１０の平坦面の方向を互いに直交するようにして、近接した場所に埋め込む。これによって、土壌８の変位の３次元的分布を検出することができる。
【００５２】
測定ボックス５０は、このように、ブリッジ回路を組む構成として、各歪ゲージ２０の位置における歪を求めるものとでき、例えば、定時観測時期を定め、その時期に、土壌８の変位を求めるものとすることができる。その他に、例えば、データ蓄積装置を備え、自動的に所定の時間間隔で、各歪ゲージ２０の位置における歪を求め、さらに土壌８の変位を求めて記憶し、随時読み出す構成とすることもできる。また、送信装置を設け、取得した歪データ等を、中央データ管理装置に逐時送信する構成とすることもできる。
【００５３】
図４は、歪ゲージ２０と導電配線３８との接続方法の他の例を示す図である。なお、図１から図３と同様の要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。この例では、歪ゲージ２０の表面、つまり薄膜抵抗２２と端子２４が配置される面が、プラスチックフィルム３６の表面に向かい合うようにして配置される。したがって、導電配線３８は、薄膜抵抗２２と端子２４との短絡を防止するため、歪ゲージ２０の配置領域を通らないように配置される。そして、導電配線３８の一方端は、対応する歪ゲージ２０の対応する端子２４の真下に来るように延ばされ、そこで終端する。その終端部と、歪ゲージ２０の対応する端子２４との間は、適当な導電性材料によって電気的に結合される。例えば、導電ペーストあるいは異方性導電フィルム等を用いることができる。図４の接続方法によれば、可撓性配線基板３０の長手方向に沿って、歪ゲージ２０を隙間なく配置することができ、長手方向に沿った分解能を高めることができる。図３（ａ）で説明したＬとＰを用いて説明すると、Ｐを限りなくＬに近づけることができる。
【００５４】
図５は、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った分解能をさらに高めることができる歪ゲージ２０の配置方法を示す図である。なお、図１から図３と同様の要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。また、導電配線の図示を省略している。ここでは、歪ゲージ２０を、可撓性配線基板３０の長手方向に沿って２列に配置し、隣り合う列の歪ゲージ２０の配置位置をずらして、いわゆる千鳥配置としたものである。このようにすることで、歪ゲージ２０の平均化領域を示す長さＬに比べ、長手方向に沿った分解能を示すピッチＰを大幅に小さくすることができる。この配置方法によれば、歪の平均化領域を適度の大きさに確保しながら、長手方向の分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る実施の形態における歪ゲージ付き可撓性配線基板を大地の土壌の緩慢な変位を検出するために用いる様子を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態における歪ゲージ付き可撓性配線基板の全体構成を示す図である。
【図３】図２におけるＡ部の拡大図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、歪ゲージと導電配線との接続方法の他の例を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、歪ゲージの他の配置方法を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
６ 地表、８ 土壌、１０ 歪ゲージ付き可撓性配線基板、１２ 測定用リード線、１４ アンカー、１６ 一方端、１８ 他方端、２０ 歪ゲージ、２２ 薄膜抵抗、２４ 端子、３０ 可撓性配線基板、３２ 金属薄板、３４ 保護層、３６ プラスチックフィルム、３８ 導電配線、４０ 保護膜、４２ リード線、５０ 測定ボックス。
【技術分野】
【０００１】
本発明は歪ゲージ付き可撓性配線基板に係り、特に長手方向に沿って延びる可撓性絶縁基板上に複数の歪ゲージが配置される歪ゲージ付き可撓性配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の変位分布を測定する方法としては様々なものが知られているが、測定対象物の内部における変位分布を測定しようとすると、センサを測定対象物に埋め込むことが必要になり、場合によっては測定が困難なことがある。
【０００３】
例えば、大地の地形変化を知るために、大地の土壌の中に細長いセンサを埋め込み、大地の深さ方向についての変位を測定する場合がある。山の土、あるいは斜面の土は、長期間に渡って観察するとかなりの移動を示すことが知られており、例えば一般的な山の土は年間に約１ｍｍから２ｍｍ程度移動することがある。このように大地の移動は地形変化につながり、また、地滑り、山崩れ等の災害予知にとっても重要である。
【０００４】
このような大地の土壌内の緩慢な変位を測定する古典的な方法の１つとしてパイプ埋設法が知られている。この方法は、塑性変形が可能な材料からなるパイプをセンサとして用いるもので、このパイプを大地の地表に垂直に埋め込み、これを数年間放置した後に掘り出し、パイプの塑性変形量を測定することで、大地の土壌内の変位分布等を求めることができる。
【０００５】
しかし、パイプ埋設法は、埋め込んだ状態での変位測定が不可能で、測定のためには、測定対象である大地を破壊してしまうことになる。センサを埋め込んだままで測定対象物である大地の土壌の変位の測定を可能にするものとして、非特許文献１において１９５７年にウイリアムスによって発表されたストレインプローブ法が知られている。このストレインプローブ法によれば、厚さ０．１ｃｍの細長いバネ鋼に数個のストレインゲージを貼り付け、各ストレインゲージから信号線であるコードをバネ鋼の上端部まで延ばし、地表においてストレインゲージ２枚法と呼ばれるブリッジ回路を組んで、各対における歪量を求めることができる。
【０００６】
しかしながら、ストレインゲージは周知のように、平面寸法が数ｍｍの大きさで、きわめて敏感なセンサであるので、これを土壌中に埋め込むと、土壌中の不均一な硬さの影響をそのまま歪として検出してしまうことがある。例えば、土壌中に礫等が混在していると、礫の形状に依存してストレインゲージが変形し、歪として誤検出する。
【０００７】
非特許文献２には、ウイリアムスが発表したストレインプローブ法を発展させ、平面寸法が約３０ｍｍの大型ストレインゲージを４個用いて一組のブリッジ回路を構成することで、約１００ｍｍの範囲内の土壌組成の不均一性を平均化することができることを開示している。ここでは、厚さ０．４ｍｍで幅１３ｍｍ、長さ５００ｍｍのバネ鋼の表裏に１０対のストレインゲージが取り付けられている。この方法によれば、土壌中の礫等の影響を受けることを抑制することができ、これにより、年間で数ｍｍ程度の大地の土壌の移動をかなり正確に検出できることが可能になる。
【０００８】
なお、本願に関連する技術として、特許文献１には、歪ゲージを湾曲機構の周辺に有する電動湾曲式内視鏡において、組立中または湾曲動作中等にリード線が断線し、あるいは短絡することがないように、歪ゲージとリード線とを導通するフレキシブル基板等の中継配線部を歪ゲージ上に設けることが開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−９５６３０号公報
【非特許文献１】ウイリアムス・ピー・ジェイ（Williams, P.J ），「土壌部分の移動の直接記録（The direct recording of soilfluction movements）」，米国科学ジャーナル（American Journal of Science），２５５，１９５７年，ｐ．７０５−７１５
【非特許文献２】山田周二，倉茂好匡，「土壌匍行観測のためのひずみプローブ法の改良（Improvement of strain probe method for soil creep measurement）」，「地形」（Transactions Japanese Geomorphological Union），日本地形学連合，１９９６，１７−１，ｐ．２９−３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献１に記載される方法によれば、ストレインゲージ、すなわち歪ゲージを貼り付けたバネ鋼をセンサとして用い、このセンサを土壌に埋め込んだままで、深さ方向について約１００ｍｍの領域単位の大地の土壌の変位を検出することができる。ここで、歪ゲージの数を増やし、配置ピッチをこまかくすることで、さらに深さ方向の分解能を上げることが可能なように思える。しかし、歪ゲージの数を増やすと、歪ゲージから引き出される信号線ワイヤの数が増加し、その信号線ワイヤの剛性が土壌の変位を受け止めるセンサであるバネ鋼の弾性変形に影響を及ぼし、かえって測定精度が低下する。歪ゲージからワイヤ等の金属導線を引き出す方法では、細い金属導線を用いるものとしても、細長いバネ鋼の弾性との競合で、金属導線の数はせいぜい４０本程度が上限であることが経験上分かってきている。
【００１１】
したがって、金属導線を地中の歪ゲージから地表に引き出す方法では、歪ゲージの数がせいぜい２０個で、２個の歪ゲージを１対として歪を求めるものとしても、１０対がせいぜいである。このことから、例えば、深さ方向で５０ｃｍ程度の範囲の土壌の変位を検出するものとしたとき、深さ方向の分解能は約５０ｍｍとなる。
【００１２】
一方で、斜面崩壊に代表されるような土壌の移動は、土壌内のある面内でせん断破壊が生じることで発生し、また、この面内せん断破壊は、深さ方向で数１０ｍｍの領域で生じることが知られている。したがって、このような面内せん断破壊を検出するには、深さ方向の分解能をさらに向上させることが必要になる。
【００１３】
このように、従来技術の歪ゲージをバネ鋼に貼り付けて地中に埋め込む方法では、大地の土壌の移動について、深さ方向の分解能が不十分である。
【００１４】
本発明の目的は、測定対象物に埋め込んで測定対象物の内部の変位を検出する場合に、深さ方向の分解能を向上することを可能とする歪ゲージ付き可撓性配線基板を提供することである。他の目的は、測定対象物に埋め込んで測定対象物の内部の変位を検出する場合に、深さ方向に、より多くの歪ゲージを配置することを可能とする歪ゲージ付き可撓性配線基板を提供することである。また、さらに他の目的は、大地の土壌に埋め込んで土壌の移動を検出する場合に、礫等の影響を抑制しつつ、深さ方向の分解能を向上することを可能とする歪ゲージ付き可撓性配線基板を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る歪ゲージ付き可撓性配線基板は、長手方向に沿って延びる可撓性絶縁基板と、可撓性絶縁基板の長手方向に沿って、表面及び裏面の対応する位置にそれぞれ対をなして配置される複数対の歪ゲージと、可撓性絶縁基板の両面にそれぞれ形成される導電配線であって、歪ゲージからの引出線が配線の一方端に接続され、配線の他方端は可撓性絶縁基板の長手方向の他方端に配置され、歪ゲージからの引出線の総数に対応する数の導電配線と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、可撓性絶縁基板は、金属板を心材として有することが好ましい。
【００１７】
また、可撓性絶縁基板は、長手方向の一方端に、歪測定対象物に埋め込まれるアンカー部材が接続されることが好ましい。
【００１８】
また、各歪ゲージは、歪を平均化して測定できる平均化領域の大きさが可撓性絶縁基板の長手方向に沿った長さＬで１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である形状を有することが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係る歪ゲージ付き可撓性配線基板において、隣接する歪ゲージの可撓性絶縁基板の長手方向に沿った配置ピッチＰが、平均化領域の長さＬよりも短いことが好ましい。
【００２０】
また、本発明に係る歪ゲージ付き可撓性配線基板は、大地の土壌中に埋め込まれ、埋め込み方向に沿った大地の変位を検出する歪ゲージ付き可撓性配線基板であって、埋め込み方向に対応する長手方向に沿って延び、歪測定対象物に埋め込まれるアンカー部材が一方端に接続される可撓性絶縁基板と、可撓性絶縁基板の長手方向に沿って、表面及び裏面の対応する位置にそれぞれ対をなして配置される複数対の歪ゲージと、可撓性絶縁基板の両面にそれぞれ形成される導電配線であって、歪ゲージからの引出線が配線の一方端に接続され、配線の他方端は可撓性絶縁基板の長手方向の他方端に配置され、歪ゲージからの引出線の総数に対応する数の導電配線と、を有し、各歪ゲージは、歪を平均化して測定できる平均化領域の大きさが可撓性絶縁基板の長手方向に沿った長さＬで１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である形状を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
上記構成の少なくとも１つにより、長手方向に沿って延びる可撓性絶縁基板上に導電配線が設けられ、表裏で対を成す歪ゲージが長手方向に沿って複数対配置され、各歪ゲージからの引出線は導電配線によって、可撓性絶縁基板の長手方向の一方端に集められる。このように、各歪ゲージからの信号は可撓性絶縁基板状の導電配線によって引き出されるので、従来技術のワイヤ等の金属導線によって各歪ゲージからの信号を取り出すことに比較し、測定精度に与える信号線自体の剛性の影響を大幅に低減できる。これにより、歪ゲージの数を、従来技術に比較してより多く配置することができる。
【００２２】
また、可撓性絶縁基板は、金属板を心材として有するので、測定対象物の弾性あるいは粘弾性等の特性に合わせて金属板の材質、厚み等を選択して可撓性絶縁基板の弾性を設定でき、測定対象物の変位測定の精度を向上させることができる。
【００２３】
また、可撓性絶縁基板は、長手方向の一方端に、歪測定対象物に埋め込まれるアンカー部材が接続されるので、たとえば、土壌等のように流動性がある歪測定対象物に対しても、アンカーの固定性を利用して、測定箇所が変動しないようにできる。
【００２４】
また、各歪ゲージは、歪の平均化領域の大きさが可撓性絶縁基板の長手方向に沿った長さＬで１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であるので、歪ゲージの検出敏感性を適当に緩和して、対象物の変位を測定できる。
【００２５】
また、隣接する歪ゲージの可撓性絶縁基板の長手方向に沿った配置ピッチＰを、平均化領域の長さＬよりも短くするので、長手方向に沿った測定分解能を高めることができる。
【００２６】
また、上記構成の少なくとも１つにより、大地の土壌中に埋め込んで大地の変位を検出する場合において、長手方向に沿って延びる可撓性絶縁基板上に導電配線が設けられ、表裏で対を成す歪ゲージが長手方向に沿って複数対配置され、各歪ゲージからの引出線は導電配線によって、可撓性絶縁基板の長手方向の一方端に集められる。このように、各歪ゲージからの信号は可撓性絶縁基板状の導電配線によって引き出されるので、土壌の変位測定において、従来技術のワイヤ等の金属導線によって各歪ゲージからの信号を取り出すことに比較し、測定精度に与える信号線自体の剛性の影響を大幅に低減できる。これにより、歪ゲージの数を、従来技術に比較してより多く配置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、変位の検出の対象物として、大地の土壌について説明するが、土壌には、粘土性のもの、砂土性のもの、礫を含むもの、泥土性のもの等、粘弾性の様々な範囲のものを含むことができる。また、大地についても、山地、平地、斜面等の様々な傾斜地形を含むことができる。また、変位の検出の対象物としては、大地の土壌以外に、緩慢な流動性を有する物体であってもよい。例えば、粘度の高い物質等の貯留槽において、その物質を測定対象物として、その物質の緩慢な変位を検出するものであってもよい。また、生体組織も粘弾性を有するので、生体組織を測定対象物として、生体組織に挿入して、長期的に渡る生体組織の変位を検出するものであってもよい。
【００２８】
図１は、大地の土壌の緩慢な変位を検出するために歪ゲージ付き可撓性配線基板を用いる様子を示す図である。図１においては、大地の斜面となっている土壌８の中に、一方端１６がアンカー１４に接続された細長い歪ゲージ付き可撓性配線基板１０が地表６に対しほぼ垂直に埋め込まれている様子が示されている。アンカー１４は、適当な質量を有する重りで、可撓性配線基板１０を土壌８の中に固定するためのものである。可撓性配線基板１０の他方端１８には歪ゲージからの信号を伝送するための測定用リード線１２が接続されて、これらの測定用リード線１２は、地表に設置された測定ボックス５０に接続される。
【００２９】
測定ボックス５０には、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０に配置される複数の歪ゲージからの信号を受け取り、例えば予め値の分かっている標準抵抗等と組み合わせてブリッジ回路を組み、精密に歪量を検出する歪量検出回路、検出された歪量等のデータを時系列に順次記憶するデータロガ部、必要があればデータセンタにデータ等を送信するデータ送信部等が備えられる。測定ボックス５０に必要な電源としては、電灯線等から取ることもでき、そのような施設のない箇所では、電池、あるいは太陽電池等を用いることができる。
【００３０】
図１には、大地の土壌８が流動し、それによって、最初は破線で示されているように、地表６に対しほぼ垂直に埋め込まれたまっすぐの歪ゲージ付き可撓性配線基板１０が、土壌の流動に応じてΔＳだけ変位している様子が示されている。一般的には、山地の土等は、図１に示されるように、表層部が年間に数ｍｍ程度移動することがあり、その場合に、大地の内部の土壌の変位分布を見ると、場合によっては図１のように深さ方向に変位量が異なっていることがある。
【００３１】
ここで、アンカー１４は、表層部の移動に対して、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０が流されないように、土壌８の深いところに埋め込まれ、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０による土壌８の変位測定に対し基準点として機能する。歪ゲージ付き可撓性配線基板１０は細長い平板状の形状であるのに対し、アンカー１４は適当な体積を有する重りである。したがって、アンカー１４が接続された歪ゲージ付き可撓性配線基板１０を土壌８中に埋めるには、適当な深さと穴径を有する穴を掘り、アンカー１４を穴の底に固定し、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０をまっすぐ地表６に向けて伸ばし、その状態で、土壌８を穴の中に埋め戻す。埋めた直後は、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０と土壌８との間には隙間があることがあるが、土壌８はそれを構成する土の質量によって土圧を生じ、その土圧によって、例えば数ヶ月の後に、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０は土壌８と一体化する。その状態が、図１の破線の状態である。
【００３２】
歪ゲージ付き可撓性配線基板１０の詳細な構成について、図２、図３を用いて説明する。図２は、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０の全体構成を示す図、図３は図２におけるＡ部の拡大図で、図３（ａ）は平面図、（ｂ）は側面断面図である。歪ゲージ付き可撓性配線基板１０は、長手方向に延びる可撓性配線基板３０上に、複数の歪ゲージ２０が配置されたものである。
【００３３】
複数の歪ゲージ２０は、可撓性配線基板３０の長手方向に沿って配置され、また、可撓性配線基板３０の表面と裏面の対応する位置にそれぞれ対をなして配置される。その対の数は、ワイヤ等で歪ゲージから信号線を取り出している従来技術の限度と経験的に言われている１０対を超える数である。図１、図２の例では、可撓性配線基板３０の長手方向に沿って、表面と裏面とにそれぞれ１１個の歪ゲージ２０が配置されている。表面と裏面の配置は、表裏を逆にしても同じ位置となるように行われる。換言すれば、表面の歪ゲージ２０とこれに対応する裏面の歪ゲージ２０とは、大地の土壌８のほぼ同じ位置の変位を測定していることになる。
【００３４】
歪ゲージ２０は、絶縁性フィルムの上に薄膜抵抗２２を配置し、その両端に端子２４を設けたものである。歪ゲージ２０の絶縁性フィルムの裏面には粘着材が配置されており、これにより可撓性配線基板３０の上にしっかりと固定して取り付けることができる。可撓性配線基板３０が伸縮すると、その伸縮量に応じて薄膜抵抗２２の抵抗値が変化するので、端子２４の間の抵抗値の変化を測定することで可撓性配線基板３０の伸縮量を検出することができる。
【００３５】
歪ゲージ２０の大きさは、歪を検出する領域を規定する。そして、歪ゲージ２０は、通常１つの薄膜抵抗を有するので、その抵抗変化は、その領域における歪の平均値を示すことになる。したがって、歪ゲージ２０の平面寸法が大きいほど、広い領域の歪を平均化し、歪ゲージ２０の敏感な検出性を緩和できる。特に、土壌に礫等の硬い物が存在すると、その硬い物に接触するのみで、抵抗値が変化し、土壌の変位として誤検出することがあるので、礫等の不均一物のノイズを除去するために、ある程度の大きさが歪ゲージ２０に必要である。一方で、歪ゲージ２０の大きさをあまり大きくすると、変位の分布の分解能が低下する。
【００３６】
例えば、図３（ａ）に示すように、歪を平均化して測定できる平均化領域の大きさとして、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った歪ゲージ２０の長さＬで代表させるとして、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った変位の分布の分解能は、隣接する歪ゲージ２０の配置ピッチＰで規定される。図３（ａ）のように、長手方向に１列に歪ゲージ２０を配置するときは、ＰはＬより大きく、したがって、歪を平均化する領域を示すＬを広く取ると、変位の分布の分解能を示す配置ピッチＰも大きくなり、分解能が低下する。
【００３７】
土壌中の礫等の不均一性を考慮すると、Ｌは数ｍｍ程度でもよいが、１０ｍｍ以上が好ましく、３０ｍｍ程度がよい。そこで、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った歪ゲージ２０の長さＬは、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることがよい。
【００３８】
可撓性配線基板３０は、図３（ｂ）に示すように積層構造を有する複合基板である。中心には、金属薄板３２があり、金属薄板３２の両面に保護層３４が設けられる。表側及び裏側の保護層３４の上には、それぞれプラスチックフィルム３６が配置され、プラスチックフィルム３６の上には、パターン化された導電配線３８が配置される。導電配線３８は、歪ゲージ２０の数の２倍、すなわち、全部の歪ゲージ２０の全端子数と同じ数の配線がそれぞれ分離して設けられる。この導電配線３８の上に、歪ゲージ２０が絶縁性フィルムの面を向けて粘着材で固定されて配置される。歪ゲージ２０の端子２４と、対応する導電配線３８とは適当なリード線４２で接続される。歪ゲージ２０、リード線４２、導電配線３８を保護するため、最も外側に保護膜４０が設けられる。
【００３９】
金属薄板３２は、可撓性配線基板３０の弾性特性を測定対象の土壌の弾性特性に合わせるために用いられるものである。例えば、硬い土質の場合には、その土質の変位を測定するには、その土質の硬さとほぼ同じ硬さの可撓性配線基板３０であることが好ましい。一方で、軟らかい土質の場合には、その土質の軟らかさとほぼ同じ軟らかさの可撓性配線基板３０であることが好ましい。プラスチックフィルム３６自体も適当な弾性特性を有するので、土質によっては、金属薄板３２を省略することができる。一般的には、バネ鋼を用い、測定対象の土質に合わせて、その板厚を設定することが好ましい。
【００４０】
金属薄板３２の両面に設けられる保護層３４は、金属薄板３２とプラスチックフィルム３６とを接着するための接着層でもある。この保護層３４の材質は、接着性能を有し、金属薄板３２とプラスチックフィルム３６との間の腐食等を避けるために適した材料が好ましい。かかる保護層３４の材料としては、シリコーン変形ポリマーを用いることができる。例えば、セメダイン社のスーパーＸ２クリア（商品名）を用いることができる。場合によっては保護層３４を省略することもできる。
【００４１】
プラスチックフィルム３６は、裏面側で金属薄板３２に固定され、表面側には導電配線３８がパターン化して設けられるものである。導電配線３８がパターン化して設けられるプラスチックフィルム３６としては、いわゆるフレキシブルプリント基板を用いることができる。フレキシブルプリント基板は、例えば、ポリイミドフィルムに銅箔等の導電層を圧着等で積層し、エッチング技術によって導電層を任意の配線パターンとするものである。フレキシブルプリント基板は、その厚さが薄いものでは１ｍｍ以下のものが可能で、その場合の剛性は、金属薄板３２に比べ格段に小さくできる。もちろん、厚さを適当に厚くすることで、適当な剛性を持たせ、金属薄板３２を省略できる場合があることは上述の通りである。
【００４２】
このように、金属薄板３２、保護層３４、プラスチックフィルム３６を積層したものは、長手方向において撓むことができ、その意味で絶縁性可撓性基板と呼ぶことができる。なお、金属薄板３２、保護層３４を省略できるときは、導電配線３８がパターン化して設けられるプラスチックフィルム３６として、両面に導電層を有する両面型フレキシブルプリント基板を用いることができる。プラスチックフィルム３６の外形の大きさは、可撓性配線基板３０の外形の大きさを規定する。金属薄板３２の外形は、プラスチックフィルム３６の外形と同じか、やや小さめとされ、導電配線３８は、プラスチックフィルム３６の表面に形成されるので、プラスチックフィルム３６の外形の大きさは、可撓性配線基板３０の外形の大きさを規定する。図２、図３の例では、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った歪ゲージ２０の長さＬを約３０ｍｍとし、歪ゲージ２０を１１対配置すると、可撓性配線基板３０の長手方向の全長は、約４００ｍｍから約５００ｍｍとなる。
【００４３】
導電配線３８は、プラスチックフィルム３６上に設けられる導電性のパターンである。図３（ａ）の例では、可撓性配線基板３０の表側のプラスチックフィルム３６の長手方向に沿って、平行に２２本の導電配線パターンが配置される。可撓性配線基板３０の裏側のプラスチックフィルム３６上にも同様に、２２本の導電配線パターンが配置される。これら２２本の導電配線パターンは、１１個の歪ゲージ２０のそれぞれについての２つの端子２４に対応するものである。図３（ａ）の例では、紙面に向かって、左側から１番目と２番目の導電配線パターンは、可撓性配線基板３０の地表側から数えて１番目の歪ゲージ２０の２つの端子２４に対応し、左側から３番目と４番目の導電配線パターンは、可撓性配線基板３０の地表側から数えて２番目の歪ゲージ２０の２つの端子２４に対応し、以下同様である。また、紙面に向かって、右側から１番目と２番目の導電配線パターンは、可撓性配線基板３０の地表側から数えて一番底部である１１番目の歪ゲージ２０の端子２４に対応し、左側から３番目と４番目の導電配線パターンは、可撓性配線基板３０の地表側から数えて１０番目の歪ゲージ２０の２つの端子２４に対応し、以下同様である。
【００４４】
図３（ａ）は、図２から分かるように、可撓性配線基板３０の地表側から数えて４番目、５番目、６番目の歪ゲージ２０が拡大して示されている。したがって、５番目の歪ゲージ２０の一方側の端子２４は、紙面に向かって、左側から数えて９番目の導電配線パターンに適当なリード線４２によって接続されており、同様に他方側の端子２４は、紙面に向かって、左側から数えて１０番目の導電配線パターンに適当なリード線４２によって接続されている。
【００４５】
保護膜４０は、上記のように、歪ゲージ２０、導電配線３８、リード線４２を土壌８から保護する機能を有する。例えば、土壌中の水分等からこれらを保護する。また、土壌中の礫等の硬い物による損傷から歪ゲージ２０等を保護する。かかる保護膜としては、耐湿性のよい樹脂層と、適当な硬さの樹脂層の組合せを用いることができる。例えば、下層にエポキシ樹脂層を用い、表面の上層にシリコーンゴム等を用いることができる。この他に、導電配線３８の接続部分のみをシリコーン樹脂で保護し、全体をエチレン-酢酸ビニルでコーティングしてもよい。また、必要があれば、適当な防食テープ等を巻くことができる。防食テープとしては、積水化学社のエスロン（商品名）等を用いることができる。このような構成とすることで、耐湿性を確保しながら、歪測定に適した土壌となじみのよい埋め込み状態とすることができる。
【００４６】
このように、歪ゲージ２０の絶縁性フィルムを導電配線３８の上に配置することで、導電配線３８のパターンは、単純な２２本の直線状とすることができる。可撓性配線基板３０の地表側の端部においては、表側に２２本、裏側に２２本の合計４４本の導電配線３８の端部が集められる。この４４本の端部には、測定用リード線１２が接続され、測定ボックス５０に導かれる。もちろん、測定用リード線１２の代わりに、可撓性配線基板３０が地表６に出た後もそのまま延長して、可撓性配線基板３０の４４本の導電配線３８の端部をそのまま測定ボックス５０に導くものとしてもよい。
【００４７】
図１に再び戻り、測定ボックス５０には、可撓性配線基板３０に配置された各歪ゲージ２０の各端子２４が導電配線３８と測定用リード線１２を介して延長されて導かれる。換言すれば、各歪ゲージ２０の各端子２４に相当する測定端子が測定ボックス５０に集められることになる。測定ボックス５０は、これら導かれた各測定端子を用いて、各歪ゲージ２０における変位を求める回路が設けられる。
【００４８】
歪ゲージ２０の各端子２４を用いて、その歪ゲージ２０の位置における、可撓性配線基板３０の変位、すなわち、その位置に対応する土壌８の変位を求めるには、上記のウイリアムスが用いた周知のストレインゲージ２枚法、または、非特許文献２に開示されている周知のストレインゲージ４枚法を用いることができる。
【００４９】
ストレインゲージ２枚法を用いるときは、図３で説明したように、可撓性配線基板３０の表面及び裏面の対応した位置に配置される１対の歪ゲージ２０を用いて、ストレインゲージ２枚法の原理にしたがったブリッジ回路を組むことで、その位置における歪を算出できる。この場合は、図３（ａ）に関連して説明したように、長さＬで平均化された歪を、深さ方向にピッチＰの分解能で得ることができる。そして、当初に歪ゲージ付き可撓性配線基板１０を大地の土壌８に埋め込んだときの歪分布と比較することで、現在の測定時点との間の土壌８の変位を求めることができる。
【００５０】
ストレインゲージ４枚法を用いるときは、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った２対の歪ゲージ２０を用いる。そして、合計４個の歪ゲージ２０について、ストレインゲージ４枚法の原理にしたがったホイトストンブリッジ回路を組むことで、その位置における歪を算出できる。この場合は、図３（ａ）の寸法関係を用いて説明すると、長さ（Ｐ＋Ｌ）で平均化された歪を、深さ方向にピッチ２Ｐの分解能で得ることができる。そして、当初に歪ゲージ付き可撓性配線基板１０を大地の土壌８に埋め込んだときの歪分布と比較することで、現在の測定時点との間の土壌８の変位を求めることができる。
【００５１】
なお、ストレインゲージ２枚法、ストレインゲージ４枚法のいずれを用いるにしても、土壌８の変位は、歪ゲージ付き可撓性配線基板１０の平坦面に垂直な方向の変位が検出される。歪ゲージ付き可撓性配線基板１０の平坦面に平行な方向の変位は検出されない。土壌８の変位について、地表６の平面に対し２次元的に検出するには、２組の歪ゲージ付き可撓性配線基板１０の平坦面の方向を互いに直交するようにして、近接した場所に埋め込む。これによって、土壌８の変位の３次元的分布を検出することができる。
【００５２】
測定ボックス５０は、このように、ブリッジ回路を組む構成として、各歪ゲージ２０の位置における歪を求めるものとでき、例えば、定時観測時期を定め、その時期に、土壌８の変位を求めるものとすることができる。その他に、例えば、データ蓄積装置を備え、自動的に所定の時間間隔で、各歪ゲージ２０の位置における歪を求め、さらに土壌８の変位を求めて記憶し、随時読み出す構成とすることもできる。また、送信装置を設け、取得した歪データ等を、中央データ管理装置に逐時送信する構成とすることもできる。
【００５３】
図４は、歪ゲージ２０と導電配線３８との接続方法の他の例を示す図である。なお、図１から図３と同様の要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。この例では、歪ゲージ２０の表面、つまり薄膜抵抗２２と端子２４が配置される面が、プラスチックフィルム３６の表面に向かい合うようにして配置される。したがって、導電配線３８は、薄膜抵抗２２と端子２４との短絡を防止するため、歪ゲージ２０の配置領域を通らないように配置される。そして、導電配線３８の一方端は、対応する歪ゲージ２０の対応する端子２４の真下に来るように延ばされ、そこで終端する。その終端部と、歪ゲージ２０の対応する端子２４との間は、適当な導電性材料によって電気的に結合される。例えば、導電ペーストあるいは異方性導電フィルム等を用いることができる。図４の接続方法によれば、可撓性配線基板３０の長手方向に沿って、歪ゲージ２０を隙間なく配置することができ、長手方向に沿った分解能を高めることができる。図３（ａ）で説明したＬとＰを用いて説明すると、Ｐを限りなくＬに近づけることができる。
【００５４】
図５は、可撓性配線基板３０の長手方向に沿った分解能をさらに高めることができる歪ゲージ２０の配置方法を示す図である。なお、図１から図３と同様の要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。また、導電配線の図示を省略している。ここでは、歪ゲージ２０を、可撓性配線基板３０の長手方向に沿って２列に配置し、隣り合う列の歪ゲージ２０の配置位置をずらして、いわゆる千鳥配置としたものである。このようにすることで、歪ゲージ２０の平均化領域を示す長さＬに比べ、長手方向に沿った分解能を示すピッチＰを大幅に小さくすることができる。この配置方法によれば、歪の平均化領域を適度の大きさに確保しながら、長手方向の分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る実施の形態における歪ゲージ付き可撓性配線基板を大地の土壌の緩慢な変位を検出するために用いる様子を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態における歪ゲージ付き可撓性配線基板の全体構成を示す図である。
【図３】図２におけるＡ部の拡大図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、歪ゲージと導電配線との接続方法の他の例を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、歪ゲージの他の配置方法を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
６ 地表、８ 土壌、１０ 歪ゲージ付き可撓性配線基板、１２ 測定用リード線、１４ アンカー、１６ 一方端、１８ 他方端、２０ 歪ゲージ、２２ 薄膜抵抗、２４ 端子、３０ 可撓性配線基板、３２ 金属薄板、３４ 保護層、３６ プラスチックフィルム、３８ 導電配線、４０ 保護膜、４２ リード線、５０ 測定ボックス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に沿って延びる可撓性絶縁基板と、
可撓性絶縁基板の長手方向に沿って、表面及び裏面の対応する位置にそれぞれ対をなして配置される複数対の歪ゲージと、
可撓性絶縁基板の両面にそれぞれ形成される導電配線であって、歪ゲージからの引出線が配線の一方端に接続され、配線の他方端は可撓性絶縁基板の長手方向の他方端に配置され、歪ゲージからの引出線の総数に対応する数の導電配線と、
を有することを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項２】
請求項１に記載の歪ゲージ付き可撓性配線基板において、
可撓性絶縁基板は、金属板を心材として有することを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の歪ゲージ付き可撓性配線基板において、
可撓性絶縁基板は、長手方向の一方端に、歪測定対象物に埋め込まれるアンカー部材が接続されることを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項４】
請求項３に記載の歪ゲージ付き可撓性配線基板において、
各歪ゲージは、歪を平均化して測定できる平均化領域の大きさが可撓性絶縁基板の長手方向に沿った長さＬで１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である形状を有することを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項５】
請求項４に記載の歪ゲージ付き可撓性配線基板において、
隣接する歪ゲージの可撓性絶縁基板の長手方向に沿った配置ピッチＰが、平均化領域の長さＬよりも短いことを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項６】
大地の土壌中に埋め込まれ、埋め込み方向に沿った大地の変位を検出する歪ゲージ付き可撓性配線基板であって、
埋め込み方向に対応する長手方向に沿って延び、歪測定対象物に埋め込まれるアンカー部材が一方端に接続される可撓性絶縁基板と、
可撓性絶縁基板の長手方向に沿って、表面及び裏面の対応する位置にそれぞれ対をなして配置される複数対の歪ゲージと、
可撓性絶縁基板の両面にそれぞれ形成される導電配線であって、歪ゲージからの引出線が配線の一方端に接続され、配線の他方端は可撓性絶縁基板の長手方向の他方端に配置され、歪ゲージからの引出線の総数に対応する数の導電配線と、
を有し、
各歪ゲージは、歪を平均化して測定できる平均化領域の大きさが可撓性絶縁基板の長手方向に沿った長さＬで１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である形状を有することを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項１】
長手方向に沿って延びる可撓性絶縁基板と、
可撓性絶縁基板の長手方向に沿って、表面及び裏面の対応する位置にそれぞれ対をなして配置される複数対の歪ゲージと、
可撓性絶縁基板の両面にそれぞれ形成される導電配線であって、歪ゲージからの引出線が配線の一方端に接続され、配線の他方端は可撓性絶縁基板の長手方向の他方端に配置され、歪ゲージからの引出線の総数に対応する数の導電配線と、
を有することを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項２】
請求項１に記載の歪ゲージ付き可撓性配線基板において、
可撓性絶縁基板は、金属板を心材として有することを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の歪ゲージ付き可撓性配線基板において、
可撓性絶縁基板は、長手方向の一方端に、歪測定対象物に埋め込まれるアンカー部材が接続されることを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項４】
請求項３に記載の歪ゲージ付き可撓性配線基板において、
各歪ゲージは、歪を平均化して測定できる平均化領域の大きさが可撓性絶縁基板の長手方向に沿った長さＬで１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である形状を有することを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項５】
請求項４に記載の歪ゲージ付き可撓性配線基板において、
隣接する歪ゲージの可撓性絶縁基板の長手方向に沿った配置ピッチＰが、平均化領域の長さＬよりも短いことを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【請求項６】
大地の土壌中に埋め込まれ、埋め込み方向に沿った大地の変位を検出する歪ゲージ付き可撓性配線基板であって、
埋め込み方向に対応する長手方向に沿って延び、歪測定対象物に埋め込まれるアンカー部材が一方端に接続される可撓性絶縁基板と、
可撓性絶縁基板の長手方向に沿って、表面及び裏面の対応する位置にそれぞれ対をなして配置される複数対の歪ゲージと、
可撓性絶縁基板の両面にそれぞれ形成される導電配線であって、歪ゲージからの引出線が配線の一方端に接続され、配線の他方端は可撓性絶縁基板の長手方向の他方端に配置され、歪ゲージからの引出線の総数に対応する数の導電配線と、
を有し、
各歪ゲージは、歪を平均化して測定できる平均化領域の大きさが可撓性絶縁基板の長手方向に沿った長さＬで１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である形状を有することを特徴とする歪ゲージ付き可撓性配線基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１５７８３０（Ｐ２００８−１５７８３０Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４８７９３（Ｐ２００６−３４８７９３）
【出願日】平成１８年１２月２６日（２００６．１２．２６）
【出願人】（５０６１５８１９７）公立大学法人 滋賀県立大学 (29)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２６日（２００６．１２．２６）
【出願人】（５０６１５８１９７）公立大学法人 滋賀県立大学 (29)
【Ｆターム（参考）】
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