JP3546203B2 - ひずみゲージ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ひずみゲージに関する。
【0002】
【従来の技術】
ひずみ測定方法においては、ひずみに応じて抵抗値が変化するひずみゲージが使用される。ひずみゲージには、単軸ひずみゲージや3軸ひずみゲージなどの種類があり、用途に合わせて使用される。例えば、図11に示すように、単軸ひずみゲージ1は、細い抵抗体を屈曲形成してなるひずみ受感部(以下、単に受感部と称す)2と、その両端に導通する信号線接続用のタブ(以下、単にタブと称す)3,4とをゲージベース9上にパターン状に形成して構成される。また、図12に示すように、3軸ひずみゲージ1′は、単軸ひずみゲージ1と同様に、細い抵抗体を屈曲形成してなる3つの受感部21,22,23と、そのそれぞれの両端に導通するタブ3〜8とをゲージベース9上にパターン状に形成して構成される。尚、各タブ3〜8には、ひずみゲージの受感部2を測定回路に接続するためのリード線が半田付けされる。
【0003】
ひずみ測定に際しては、このようなひずみゲージが物体に貼着される。そして、ひずみゲージの抵抗値変化を検出してひずみ測定を行う測定装置には、ひずみゲージと併せてホイートストンブリッジ回路(ブリッジ回路)を構成する抵抗回路が備えられている。例えば、図13に示す1ゲージ3線法は、温度変化に伴うブリッジ回路の不平衡を是正する方法であり、広く用いられている。この方法では、ひずみゲージ1のタブ3にリード線r1が結線されると共に、タブ4にリード線r2、r3が結線されている。そして、ひずみ測定する際には、ブリッジ回路の電源入力部A,C間に電源電圧Vを付与した状態で、ひずみゲージ1のタブ4と、抵抗体R3、R4の接続点Dとの間に生じる出力電圧eが図示を省略する増幅回路やA/D変換回路等を介して検出される。この方法では、リード線r1,r2がブリッジ回路の隣り合う辺に組み込まれることとなるので、リード線r1,r2の抵抗値が環境温度により同じように変化する限り、ブリッジ回路の平衡が保たれる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ひずみ測定に使用されるひずみゲージでは、前記図11,図12に示したような受感部2とタブ3〜8とは同じ抵抗体で一体に構成されるため、タブ3〜8や、受感部2からタブ3〜8までの配線もひずみに応じた抵抗値変化を生じる。このため、受感部2からタブ3〜8までの配線(パターン)や、タブ3〜8の配置及び形状には多くの制約がある。例えば、受感部2からタブ3〜8までの配線を受感部2に含めないようにするために、該配線の抵抗値が低くなるように、配線(パターン)を極力太くする必要があると共に、タブ3〜8を受感部2の近傍に配置せざるを得ない。また、タブ3〜8もその抵抗値を低くするために極力大きな面積で形成する必要がある。
【0005】
また、ひずみゲージのゲージ長方向と直交する方向でのひずみ感度、すなわち、横感度に影響を与えるため、特にひずみ受感方向と直角方向の配線パターンの引き出しには大きな制約がある。そのため、パターン設計の自由度が少なく、ひずみゲージの測定精度や品質の向上には限界があった。
【0006】
また、従来のようにブリッジ回路を用いた測定手法では、タブとリード線との接合抵抗がゲージ抵抗値の一部となってひずみ測定の精度に大きな影響を及ぼすため、接合抵抗が低くて安定な半田付けや溶接などの方法を用いてタブとリード線とを接合する必要があり、そのための特殊な技術が必要であった。
【0007】
本発明はかかる背景に鑑み、ひずみ受感部以外の配線パターン等の配線抵抗が測定値に影響を与えないようにしてひずみを測定できるひずみゲージを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明を以下に説明する。尚、以下の説明では本発明の理解の便宜上、図面を適宜用いる。
【0009】
前記の目的を達成するために、本発明のひずみゲージの第1の態様は、
ひずみに応じた抵抗変化を生じるひずみ受感部の一端に導通する2個の信号線接続用タブと他端に導通する2個の信号線接続用タブとが設けられ、
これらの信号線接続用タブのうち、前記ひずみ受感部の両端に存する一対の信号線接続用タブがひずみ受感部に電流を流すための電流供給用タブとして使用され、他の一対の信号線接続用タブがひずみ受感部に電流を流した時に該ひずみ受感部に生じる電圧を抽出するためのタブとして使用されることを特徴とする。
【0010】
かかる本発明の第1の態様によれば、図1に例示するように、ひずみゲージ10は、ひずみに応じた抵抗変化を生じるひずみ受感部2を備え、そのひずみ受感部2の一端に導通する2個の信号線接続用のタブ3,4が設けられ、他端に導通する2個の信号線接続用のタブ5,6が設けられている。このひずみゲージ10を使用する際には信号線接続用のタブ3〜6にそれぞれ信号線が接合される。そして、ひずみゲージ10は、その信号線を介して測定回路に接続される。例えば、タブ4,5が電流供給用タブとして使用され、これらとは異なるタブ3,6がひずみ受感部2に生じた電圧を抽出するための電圧抽出用タブとして使用される。このとき、オペアンプ等の高入力インピーダンスの電圧抽出手段を用いることにより、ひずみ受感部2からタブ3,6までの配線パターン11,14並びにタブ3,6に接合される信号線にほとんど電流を流すことなく、ひずみ受感部2に生じた電圧をタブ3,6を介して抽出できる。つまり、ひずみ受感部2に生じた電圧を配線パターン11,14等による電圧降下を実質的に伴うことなく抽出できる。
【0011】
そして、ひずみ受感部2に電流を流しつつ、そのひずみ受感部2に生じた電圧を抽出したとき、その抽出した電圧に基づいてひずみ受感部2に生じたひずみを測定することが可能である。例えば、ひずみ受感部2に流す電流を定電流にすれば、ひずみ受感部2に生じる電圧はひずみ受感部2の抵抗値に比例するものとなる。従って、その電圧(抽出した電圧)の変化を観測することで、ひずみ受感部2のひずみを測定できることとなる。また、具体的な内容は後述するが、本願出願人が先に出願した特願2002−92749号にて提案した方法によって、ひずみ受感部2に生じた電圧(抽出した電圧)に基づいてひずみ測定を行うこともできる。
【0012】
上記のような本発明の第1の態様のひずみゲージによれば、ひずみ受感部2から信号線接続用タブ3〜6までの各経路の配線パターン11〜14の抵抗やタブ3〜6の抵抗がそれぞれ異なった値に変化したとしても、それがひずみ測定結果に影響を及ぼすことはない。また、このため、信号線接続用のタブ3〜6を任意の位置に配置することができる。例えば、配線パターンを延長して、ひずみ受感部2から離れた位置にタブ3〜6を配置することも容易にできる。
【0013】
また、本発明のひずみゲージの第2の態様は、
ひずみに応じた抵抗変化を生じる複数のひずみ受感部が直列に接続され、その直列接続により構成された直列接続体におけるひずみ受感部どうしの接合点に各1個の信号線接続用タブが導通して設けられると共に、該直列接続体の両端に各2個の信号線接続用タブが設けられ、
前記信号線接続用タブのうちの2つの信号線接続用タブが、ひずみ測定に使用する1つまたは複数のひずみ受感部に電流を流すための電流供給用タブとして使用され、該電流供給用タブと異なる2つ以上の信号線接続用タブが前記電流を流した各ひずみ受感部に生じる電圧を抽出するための電圧抽出用タブとして使用されることを特徴とする。
【0014】
かかる本発明の第2の態様によれば、図2に例示するように、ひずみゲージ20は、ひずみに応じた抵抗変化を生じる複数の(図2では3つ)ひずみ受感部21、22、23を備え、ひずみ受感部21、22、23は直列に接続されて、直列接続体を形成している。ひずみ受感部21、22の接合点および22、23の接合点にはそれぞれ1個の信号線接続用タブ5,6が導通して設けられている。また、この直列接続体の両端にはそれぞれ2個の信号線接続用タブ3,4および7,8が導通して設けられている。
【0015】
そして、例えば1つのひずみ受感部21に対して、例えばタブ4,5が電流供給用タブとして使用され、これらとは異なる2つのタブ、例えばタブ3,6が電圧抽出用タブとして使用される。このとき、オペアンプ等の高入力インピーダンスの電圧抽出手段を用いることにより、ひずみ受感部21からタブ3,6までの間に存する配線パターン11,14やひずみ受感部21以外のひずみ受感部22並びにタブ3,6に接合される信号線にほとんど電流を流すことなく、ひずみ受感部21に生じた電圧をタブ3,6を介して抽出できる。つまり、ひずみ受感部21に生じた電圧を配線パターン11,14やひずみ受感部21以外のひずみ受感部22等による電圧降下を実質的に伴うことなく抽出できる。
【0016】
そして、ひずみ受感部21に電流を流しつつ、そのひずみ受感部21に生じた電圧を抽出したとき、その抽出した電圧に基づいてひずみ受感部21に生じたひずみを測定することが可能である。例えば、ひずみ受感部21に流す電流を定電流にすれば、ひずみ受感部21に生じる電圧はひずみ受感部21の抵抗値に比例するものとなる。従って、その電圧(抽出した電圧)の変化を観測することで、ひずみ受感部21のひずみを測定できることとなる。また、具体的な内容は後述するが、本願出願人が先に出願した特願2002−92749号にて提案した方法によって、ひずみ受感部21に生じた電圧(抽出した電圧)に基づいてひずみ測定を行うこともできる。このことはひずみ受感部22、23についても同様である。
【0017】
さらに、複数のひずみ受感部に対して2つのタブにより電流を供給し、電流を供給したときにひずみ受感部に生じた電圧をひずみ受感部ごとに2つのタブから抽出して、その抽出した電圧に基づいて各ひずみ受感部に生じたひずみを測定することもできる。この場合には、例えば2つのひずみ受感部21、22に対して、例えばタブ4,6が電流供給用タブとして使用される。また、これらとは異なる2つのタブ、例えばタブ3,5がひずみ受感部21に対して電圧抽出用タブとして使用され、例えばタブ5,7がひずみ受感部22に対して電圧抽出用タブとして使用される。すなわち、3つのタブ3,5,7が電圧抽出用タブとして使用される。
【0018】
このとき、オペアンプ等の高入力インピーダンスの電圧抽出手段を用いることにより、ひずみ受感部21からタブ3,5までの間に存する配線パターン11,13並びにタブ3,5に接合される信号線にほとんど電流を流すことなく、ひずみ受感部21に生じた電圧をタブ3,5を介して抽出できる。また、同様に、ひずみ受感部22からタブ5,7までの間に存する配線パターン13,15やひずみ受感部22以外のひずみ受感部23並びにタブ5,7に接合される信号線にほとんど電流を流すことなく、ひずみ受感部22に生じた電圧をタブ5,7を介して抽出できる。
【0019】
上記のような本発明の第2の態様のひずみゲージによれば、ひずみ受感部21〜23からタブ3〜8までの各経路の配線パターン11〜16の抵抗やタブ3〜8の抵抗がそれぞれ異なった値に変化したとしても、それがひずみ測定結果に影響を及ぼさない。また、そのため、信号線接続用のタブ3〜8を任意の位置に配置することができる。例えば、配線パターンを延長して、ひずみ受感部21〜23から離れた位置にタブ3〜8を配置することも容易にできる。また、2軸ゲージや3軸ゲージのように各ひずみゲージのひずみ受感方向が異なる場合でも、タブを揃えて配置することもできる。
【0020】
また、本発明の第2の態様のひずみゲージは、複数のひずみ受感部のうちの少なくとも1つのひずみ受感部を抵抗式センサまたは他の抵抗体で置き換えてもよい。
【0021】
この構成によれば、複数のひずみ受感部のうちの例えば1つのひずみ受感部を抵抗式センサとして測温抵抗体で置き換えた場合には、この測温抵抗体の影響を受けずにひずみ測定を行えると共に、温度測定をすることができる。また、他の抵抗体として例えば配線抵抗に置き換えたときには、ひずみ受感部を離間配置することができる。
【0022】
また、本発明の第1および第2の態様のひずみゲージは、前記複数の信号線接続用タブにそれぞれリード線が接合されてもよい。
【0023】
この構成によれば、リード線が一体に形成されたひずみゲージが実現できる。従って、微細な信号線接続用タブにリード線を接合する作業が不要になる。
【0024】
このようにリード線を接合したひずみゲージは、前記各信号線接続用タブとリード線とは、該タブとリード線とを接触させて導通する接触手段を介して接合されてもよい。
【0025】
すなわち、本発明のひずみゲージは、タブとリード線との接合抵抗値が比較的大きくても受感部に生じる電圧を抽出して精度のよいひずみ測定を行えるので、例えば、タブに圧接して導通するリード線付のひずみゲージが実現できる。従って、タブにリード線を半田付けで接合する必要がないので、製造時に半田を用いなくてもよくなり、半田に含まれる鉛による環境負荷を低減できる。
【0026】
また、このようにリード線を接合したひずみゲージは、前記リード線の端部にコネクタが接続されてもよい。
【0027】
この構成によれば、測定装置に対するひずみゲージの着脱がし易くなる。また、本発明のひずみゲージは、タブとリード線との接合抵抗値が比較的大きくても受感部に生じる電圧を抽出して精度のよいひずみ測定を行えるので、接触抵抗の比較的大きなコネクタを接続したひずみゲージが実現できる。
【0028】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態のひずみゲージを図1、図3を参照して説明する。このひずみゲージ10は、図1に示すように、ゲージベース9上にひずみ受感部(以下、単に受感部と称す)2を備え、受感部2の一端から配線パターン11,12が分岐しており、その先端にそれぞれ導通する信号線接続用タブ(以下、タブと称す)3,4が設けられている。同様に、受感部2の他端から配線パターン13,14が分岐しており、その先端にそれぞれ導通するタブ5,6が設けられている。尚、受感部2、タブ3〜6、配線パターン11〜14は同じ抵抗体で一体に形成されている。
【0029】
このひずみゲージ10を用いてひずみ測定を行う場合には、例えば、図3に示すような測定回路17を用い、ひずみゲージ10をリード線21〜24を介して測定回路17に接続し、ひずみゲージ10を測定対象の物体(図示せず)に貼着する。本実施形態の測定例では、タブ4,5が受感部2に電流を流すための電流供給用のタブとして使用され、さらにタブ3,6が受感部2への通電時に該受感部2に生じる電圧V1を抽出するための電圧抽出用のタブとして用いられる。リード線21〜24は、それぞれひずみゲージ10のタブ3〜6に接合される。この接合は例えば半田付けにより行われている。
【0030】
測定回路17は、基準抵抗体RSと、電圧差検出回路18と、電圧安定化回路19とを備えている。基準抵抗体RSは、リード線23を介してひずみゲージ10の受感部2と直列に接続されている。基準抵抗体RSは、例えば固定抵抗値の抵抗素子により構成される。
【0031】
電圧差検出回路18は、ひずみゲージ10の受感部2にリード線22,23を介して電流を流したときに受感部2に生じた電圧V1と基準抵抗体RSに生じた電圧V2との差分eを検出するものであり、図示のように、高入力インピーダンスのオペアンプop1,op2,op3と抵抗体Ra〜Rdとから構成されている。この回路18では、オペアンプop1,op2,op3はボルテージフォロア回路を形成し、固定抵抗Ra〜Rdの抵抗値は同一である(Ra=Rb=Rc=Rd)。この電圧差検出回路12の出力電圧eは、次式(1)で与えられる。
【0032】
e=(V1−V2)/2・・・・・・・・・・(1)
【0033】
従って、出力電圧eはV1−V2に比例したものになり、V1−V2を検出できることとなる。この場合、オペアンプop1,op2,op3は高入力インピーダンスのものであるので、リード線21,24と、配線パターン11,14およびタブ3,6には電流がほとんど流れないと共に、基準抵抗体RSとリード線23の間からオペアンプop3に流れる電流もほぼ0である。従って、受感部2の電圧V1と、オペアンプop1,op2の正入力間の電圧とは実質的に等しく、オペアンプop1,op2により受感部2の電圧V1が抽出されることとなる。また、受感部2と基準抵抗体RSに電流iを流すときに、受感部2に生じる電圧V1と基準抵抗体RSに生じる電圧V2との比は、受感部2の抵抗値と基準抵抗体RSの抵抗値との比に等しくなる。
【0034】
電圧安定化回路19は、ひずみゲージ10の受感部2に電流iを流すときに基準抵抗体RSに生じる電圧V2を一定値に保持するためのものであり、高入力インピーダンスのオペアンプop4から構成される。オペアンプop4の正入力と基準抵抗体RSの一端(リード線23と反対側の一端)の間には一定レベルの基準入力電圧Vが付与される。このとき、オペアンプop4は、基準抵抗体RSに生じる電圧V2が基準入力電圧Vと等しくなるように、受感部2及び基準抵抗体RSに流れる電流を制御する。尚、測定回路17には、リード線21〜24を接続するための接続端子31〜34が設けられている。
【0035】
このような測定回路17を用いて、次のようにひずみ測定が行われる。尚、このひずみ測定法は特願2002−92749号にて詳述しているので詳細な説明を省略する。ひずみ測定の基準とする初期状態において、以下のように測定が行われる。まず、ひずみゲージ10が測定対象の物体(図示せず)に貼着される。測定回路17に基準入力電圧Vを供給すると、リード線22,23、タブ4,5、配線パターン12,13を介してひずみゲージ10の受感部2と基準抵抗体RSにop4によってV2=Vとするように電流iが流れる。このとき電圧差検出回路18は、ひずみゲージ10の受感部2の両端に生じた電圧V1と基準抵抗体RSに生じた電圧V2(=V)との差に比例した電圧e(初期状態での出力電圧e0)を出力する。
【0036】
そして、電圧差検出回路18の出力電圧e0と前記基準入力電圧Vの値とに基づいて、次式(2)により、基準抵抗体RSに対する受感部2の抵抗の比(抵抗比)C(初期状態での抵抗比C0)を求めておく。
【0037】
C=V1/V2=1+2・e/V・・・・・・・・・・(2)
【0038】
次に、ひずみを測定するタイミングにおいて、初期状態の場合と同様に、測定回路17に基準入力電圧Vを供給し、電圧差検出回路18の出力電圧e(ひずみ測定時の出力電圧eε)と基準入力電圧Vに基づいて、前記の式(2)により抵抗比C(ひずみ測定時の抵抗比Cε)を求める。そして、受感部2のゲージ率K、初期状態における抵抗比C0、およびひずみ測定時の抵抗比Cεの各データを用いて、次式(3)の演算を行うことで、受感部2に関してひずみεを求めることができる。
【0039】
ε=(1/K)・(Cε/C0−1)・・・・・・・・・・(3)
【0040】
この実施形態によれば、ひずみゲージ10の受感部2からタブ3〜6までの配線パターン11〜14の抵抗の値に影響されることなくひずみを測定することができる。従って、ひずみゲージ10内でのタブ3〜6の位置や大きさ、あるいは配線パターン11〜14の向きや太さを自由に設定することができる。この結果、ひずみゲージ10の製造、設計時に自由度が高まり、製造コストを低く抑えると共に、測定対象や測定目的に好適なひずみゲージ10を提供できる。
【0041】
このひずみゲージ10では、タブ4,5が電流供給用のタブとして使用され、タブ3,6が電圧抽出用のタブとして用いられたが、これに限定されることなく、例えば、タブ3、6を電流供給用タブ、タブ4,5を電圧抽出用タブとして用いてもよい。この場合にはリード線22,23はそれぞれ測定回路17の接続端子31,34に接続され、リード線21,24はそれぞれ接続端子32,33に接続される。
【0042】
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態のひずみゲージ20を図2、図4を参照して説明する。ひずみゲージ20は、図2に示すように、ゲージベース9上に3軸方向の受感部21,22,23を直列に接続してなる3軸のひずみゲージ(ロゼットゲージ)である。この受感部21〜23の直列接続体の一端(受感部21側の一端)には配線パターン11,12を介してタブ3,4が導通して設けられており、他端には配線パターン15,16を介してタブ7,8が導通して設けられている。受感部21,22の接続点および22,23の接続点には、それぞれ配線パターン13,14を介してタブ5,6が導通して設けられている。尚、受感部21〜23、タブ3〜8、配線パターン11〜16は同じ抵抗体で一体に形成されている。
【0043】
このひずみゲージ20の各受感部21〜23によるひずみ測定は、例えば、第1の実施形態と同じ測定回路17を用いて行うことができる。より具体的には図4に示すように各タブ3〜8には、それぞれリード線21〜26が接合される。そして、例えば、受感部21によるひずみ測定を行う場合には、図示のように、例えばタブ3〜6にそれぞれ接合されたリード線21〜24を接続端子31〜34を介して測定回路17に接続する。
【0044】
そして、まず、ひずみゲージ20が測定対象の物体に貼着される。ひずみ測定の基準とする初期状態において、測定回路17に基準入力電圧Vを供給すると、リード線22,23、タブ4,5、配線パターン12,13を介してひずみゲージ20の受感部21と基準抵抗体RSにop4によってV2=Vとするように電流iが流れる。このとき電圧差検出回路18は、受感部21の両端に生じた電圧V1と基準抵抗体RSに生じた電圧V2との差に比例した電圧e0を出力する。そして、電圧差検出回路18の出力電圧e0と前記基準入力電圧Vの値とに基づいて、前記の式(2)により、基準抵抗体RSに対する受感部21の抵抗比C0を求めておく。
【0045】
次に、ひずみを測定するタイミングにおいて、初期状態の場合と同様に、測定回路17に基準入力電圧Vを供給し、電圧差検出回路18の出力電圧eεと基準入力電圧Vに基づいて、前記の式(2)により抵抗比Cεを求める。そして、受感部21のゲージ率K1、初期状態における抵抗比C0、およびひずみ測定時の抵抗比Cεの各データを用いて、前記の式(3)の演算を行うことで、受感部21に関するひずみεを求めることができる。
【0046】
また、受感部22によるひずみ測定を行う場合には、例えばタブ4〜7にそれぞれ接合されたリード線22〜25を接続端子31〜34を介して測定回路17に接続すれば、受感部21によるひずみ測定と全く同様に行うことができる。
【0047】
また、受感部23によるひずみ測定を行う場合には、例えばタブ5〜8にそれぞれ接合されたリード線23〜26を接続端子31〜34を介して測定回路17に接続すれば、受感部21によるひずみ測定と全く同様に行うことができる。
【0048】
この実施形態によれば、ひずみゲージ20の受感部21〜23からタブ3〜8までの配線パターン11〜16の抵抗の値に影響されることなくひずみを測定することができる。従って、ひずみゲージ20内でのタブ3〜8の位置や大きさ、あるいは配線パターン11〜16の向きや太さを自由に設定することができる。この結果、ひずみゲージ20の製造、設計時に自由度が高まり、製造コストを低く抑えると共に、測定対象や測定目的に好適なひずみゲージ20を提供できる。
【0049】
また、本実施形態のロゼットゲージ20のように受感部21〜23の方向が揃っていないときでも図示のようにタブ3〜8の向きを揃え並列配置することもできる。この場合には、リード線21〜26を同方向に引き出せるのでリード線21〜26の取り回しが容易になる。尚、上記実施形態のひずみゲージ20では受感部を3つ直列に接続したが、本発明はこれに限定されるものではなく、受感部の接続数はいくつでもよい。
【0050】
(第3の実施形態)
図5は第3の実施形態のひずみゲージを示す図である。このひずみゲージ30は、第2の実施形態のひずみゲージ20のタブ3〜8にそれぞれリード線21〜26があらかじめ接合されたものである。この接合は例えば半田付けにより行われている。リード線21〜26はリード線カバー37により被覆され一体に形成されている。
【0051】
このひずみゲージ30の各受感部21〜23によるひずみ測定は、例えば、第2の実施形態と同じ測定回路17を用いて行うことができる。この場合の測定の手法は第2の実施形態と全く同一なので説明を省略する。この実施形態によれば、リード線21〜26が一体に形成されているので、例えば測定回路17の接続端子31〜36にリード線21〜26を結線する際に、混乱なく配線することができる。特にリード線21〜26が長い場合にその効果は大きいと言える。尚、このリード線が接合される実施形態は、3軸のひずみゲージに限定されるものではなく、単軸、2軸のひずみゲージなどであってもよい。
【0052】
(第4の実施形態)
上記第3の実施形態は一体形成されたリード線があらかじめタブに接合されたひずみゲージであるが、このリード線の先にコネクタを接続するようにしてもよい。図6に第4の実施形態として示すように、このひずみゲージ40は第1の実施形態のひずみゲージ10のタブ3〜6にそれぞれリード線21〜24が半田付けによりあらかじめ接合され、リード線21〜24がリード線カバー37により被覆されて一体に形成されている。ひずみゲージ40はリード線の先端(タブ3〜6と反対側)にコネクタ41が接続され、このコネクタ41を介して測定器に着脱自在に接続し得るようになっている。
【0053】
このひずみゲージ40の受感部2によるひずみ測定は、例えば、第1の実施形態と同じ測定回路17を用いて行うことができる。尚、この場合、ひずみゲージ40のコネクタ41は測定回路17側にあらかじめ設けられたコネクタ(図示しない)に嵌合して接続される。この場合の測定の手法は第1の実施形態と全く同一なので説明を省略する。この実施形態によれば、ひずみゲージ40はひずみ測定器の接続端子に対して着脱がし易くなる。尚、このコネクタが接合される実施形態は、単軸のひずみゲージに限定されるものではなく、2軸、3軸のひずみゲージなど多軸ゲージであってもよい。
【0054】
(第5の実施形態)
図7は、第5の実施形態のひずみゲージ50を示す図である。このひずみゲージ50は、第1の実施形態のひずみゲージ10がコネクタ付リード線51に接続して構成される。ゲージベース9の端部(タブ側)は、コネクタ付リード線51の一端に設けられた基板52と、各リード線21〜24の先端部に装着された弾性材からなる導通端子53(接触手段)との間に矜持され、タブ3〜6とリード線21〜24の先端部とはこの導通端子53を介して圧接し、導通している。尚、コネクタ付リード線51の他端には前記第4実施形態のものと同様のコネクタ54が設けられている。このひずみゲージ50の受感部2によるひずみ測定は、例えば、第1の実施形態と同じ測定回路17を用いて行うことができる。この場合の測定の手法は第1の実施形態と全く同一なので説明を省略する。
【0055】
上記第3、第4の実施形態はタブ3〜8とリード線21〜26とが半田付けで接合されたものであるが、本実施形態は半田を用いないでタブ3〜6とリード線21〜24とを圧接させて導通させる。従って、本実施形態によれば、ひずみゲージ50を製造する際に半田を用いないので、半田に含まれる鉛などの環境に対して有害である物質を低減できる効果を奏する。尚、接合に半田を用いないこの実施形態は、単軸のひずみゲージに限定されるものではなく、2軸、3軸のひずみゲージなど多軸ゲージであってもよい。
【0056】
(第6の実施形態)
本発明の第6の実施形態のひずみゲージを図8、図9を参照して説明する。このひずみゲージ60は、図8に示すように、ゲージベース9上に2つの受感部2,2′が互に垂直に配設された2軸ひずみゲージである。受感部2の一端から配線パターン11,12が分岐しており、その先端にそれぞれタブ3,4が設けられている。また、受感部2′の一端から配線パターン15,16が分岐しており、その先端にそれぞれタブ7,8が設けられている。
【0057】
各受感部2,2′の他端はそれぞれ配線パターン17を介して接続されている。受感部2と配線パターン17の間から配線パターン13が延設され、その先端にタブ5が設けられており、受感部2′と配線パターン17の間から配線パターン14が延設され、その先端にタブ6が設けられている。このひずみゲージ60は、図2の3軸のひずみゲージの受感部22を抵抗体としての配線パターン17で置き換えたものに相当する。
【0058】
このひずみゲージ60を用いてひずみ測定を行う場合には、例えば、図9に示すような測定回路67を用い、ひずみゲージ60をリード線21〜26を介して測定回路67に接続し、ひずみゲージ60を測定対象の物体(図示せず)に貼着する。
【0059】
本実施形態の測定例では、ひずみゲージ60のタブ4、7は受感部2,2′に電流を流すための電流供給用のタブとして使用され、タブ3,5は受感部2,2′への通電時に受感部2に生じる電圧V1を抽出するための電圧抽出用のタブとして用いられる。さらに、タブ6,8は受感部2,2′への通電時に受感部2′に生じる電圧V2を抽出するための電圧抽出用のタブとして用いられる。リード線21〜26は、それぞれひずみゲージ60のタブ3〜8に接合される。この接合は例えば半田付けにより行われている。
【0060】
測定回路67は、電圧差検出回路68と、電圧安定化回路69とを備えている。電圧差検出回路68は、ひずみゲージ60の受感部2,2′にリード線22,25を介して電流を流したときに受感部2,2′に生じた電圧の差V1−V2を検出するものであり、図示のように、高入力インピーダンスのオペアンプop1,op2,op3,op4と抵抗体Ra〜Rdとから構成されている。
【0061】
この回路67では、オペアンプop1,op2,op3,op4はボルテージフォロア回路を形成し、固定抵抗Ra〜Rdの抵抗値は同一である(Ra=Rb=Rc=Rd)。この電圧差検出回路68の出力電圧eは、前記の式(1)で表される。従って、出力電圧eはV1−V2に比例したものになり、V1−V2を検出できることとなる。この場合、オペアンプop1,op2,op3,op4は高入力インピーダンスのものであるので、リード線21,23,24,26と、配線パターン11,13,14,16およびタブ3,5,6,8には電流がほとんど流れない。
【0062】
従って、受感部2の電圧V1と、オペアンプop1,op2の正入力間の電圧とは実質的に等しく、受感部2′の電圧V2と、オペアンプop3,op4の正入力間の電圧とは実質的に等しい。よって、オペアンプop1,op2により受感部2の電圧V1が抽出され、オペアンプop3,op4により受感部2′の電圧V2が抽出されることとなる。また、受感部2,2′に電流iを流すときに、受感部2に生じる電圧V1と受感部2′に生じる電圧V2との比は、受感部2の抵抗値と受感部2′の抵抗値との比に等しくなる。
【0063】
電圧安定化回路69は、ひずみゲージ60の受感部2,2′に電流iを流すときに受感部2′に生じる電圧V2を一定値に保持するためのものであり、高入力インピーダンスのオペアンプop5,op6から構成される。オペアンプop5,op6の正入力の間には一定レベルの基準入力電圧Vが付与される。このとき、オペアンプop5,op6は、ひずみゲージ60の受感部2′に生じる電圧V2が基準入力電圧Vと等しくなるように受感部2,2′に流れる電流を制御する。
【0064】
このような測定回路67を用いて、次のようにひずみ測定が行われる。尚、このひずみ測定法は特願2002−92749号にて詳述しているので詳細な説明を省略するが、2ゲージ法による測定を行うものである。ひずみ測定の基準とする初期状態において、以下のように測定が行われる。まず、ひずみゲージ60が測定対象の物体に貼着される。このとき、ひずみ受感部2,2′に生じるひずみの比aが既知となるように物体に貼着される。本実施形態では、同一面で直交軸方向にひずみ受感部が配置されるので、ひずみゲージ60を貼着する物体のポアッソン比をνとすると、a=−νとなる。
【0065】
ひずみ測定の基準とする初期状態において、測定回路67に基準入力電圧Vを供給すると、リード線22,25、タブ4,7、配線パターン12,15を介してひずみゲージ60の受感部2,2′にop5,op6によってV2=Vとするように電流iが流れる。このとき電圧差検出回路68は、ひずみゲージ30の受感部2,2′の両端にそれぞれ生じた電圧V1、V2の差に比例した電圧e0を出力する。そして、電圧差検出回路68の出力電圧e0と基準入力電圧Vの値とに基づいて、前記の式(2)により、受感部2′に対する受感部2の抵抗比C0を求めておく。
【0066】
次に、ひずみ測定を行うタイミングにおいて、初期状態の場合と同様に、測定回路67に基準入力電圧Vを供給し、電圧差検出回路68の出力電圧eεと基準入力電圧Vに基づいて、前記の式(2)により抵抗比Cεを求める。
【0067】
そして、2つの受感部2,2′のゲージ率K1,K2と、2つの受感部2,2′に生じるひずみの比aと、初期状態における抵抗比C0およびひずみ測定時の抵抗比Cεの各データを用いて、次式(4)の演算を行うことで、受感部2に関するひずみε1を求めることができる。尚、受感部2′のひずみε2はε2=a・ε1の関係から求めることができる。
【0068】
ε1=(Cε−C0)/(K1・C0−a・K2・Cε)・・・・・・・・・・(4)
【0069】
この実施形態によれば、受感部2,2′からタブ3〜8までの配線パターン11〜16の抵抗の値に影響されることなくひずみを測定することができる。従って、ひずみゲージ60内でのタブ3〜8の位置や大きさ、あるいは配線パターン11〜16の向きや太さを自由に設定することができる。この結果、ひずみゲージ60の製造、設計時に自由度が高まり、製造コストを低く抑えると共に、測定対象や測定目的に好適なひずみゲージ60を提供できる。
【0070】
また、本実施形態のひずみゲージ60のように受感部2,2′の方向が揃っていないときでも図示のようにタブ3〜8の向きを揃え並列配置することもできる。この場合には、リード線21〜26を同方向に引き出せるのでリード線21〜26の取り回しが容易になる。また、2つの受感部2,2′の間に配線パターン17が接続されていてもその抵抗値に影響を受けずにひずみを測定することができる。従って、2つの受感部2,2′を配線パターンを介して離間配置することができる。
【0071】
尚、本実施形態のひずみゲージ60では2ゲージ法を用いてひずみ測定を説明したが、1ゲージ法を用いることも可能である。この場合には、例えば、第1の実施形態と同様に測定回路17を用いる。ひずみゲージ60の受感部2のひずみを測定するには各リード線21〜24を測定回路17の接続端子31〜34にそれぞれ接続し、受感部2′のひずみを測定するには各リード線23〜26を測定回路17の接続端子31〜34にそれぞれ接続する。この場合の測定の手法は第1の実施形態と同様なので説明を省略する。
【0072】
(第7の実施形態)
図10は第7の実施形態のひずみゲージ70を示す図である。このひずみゲージ70は、第6の実施形態のひずみゲージ60の受感部2,2′の間に配設された配線パターン17の代わりに抵抗式センサを配設したものである。この場合には、抵抗式センサは測温抵抗体71からなり、例えば、第6の実施形態と同様の測定手法によって、この測温抵抗体71の抵抗値に影響を受けずにひずみ測定を行うことができる。あるいは第1の実施形態と同様の測定手法によって受感部2、2′毎にひずみ測定を行うことができる。さらに、ひずみに密接に関与する温度の測定を行うことができる。尚、この場合に、測温抵抗体71に生じた電圧を測定するには、例えばタブ4,7を介して測温抵抗体71に電流を流した状態で、タブ5,6を介して電圧を抽出すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態のひずみゲージを示す図。
【図2】第2の実施形態のひずみゲージを示す図。
【図3】第1の実施形態のひずみゲージと測定回路との接続図。
【図4】第2の実施形態のひずみゲージと測定回路との接続図。
【図5】第3の実施形態のひずみゲージを示す図。
【図6】第4の実施形態のひずみゲージを示す図。
【図7】第5の実施形態のひずみゲージの平面図及び側面図。
【図8】第6の実施形態のひずみゲージを示す図。
【図9】第6の実施形態のひずみゲージと測定回路との接続図。
【図10】測温抵抗体を含むひずみゲージを示す図。
【図11】従来の単軸のひずみゲージを示す図。
【図12】従来の3軸のひずみゲージを示す図。
【図13】従来の1ゲージ3線法の測定回路を示す図。
【符号の説明】
1,10,20,30,40,50,60,70・・・ひずみゲージ、2・・・受感部、3〜8・・・タブ、11〜17・・・配線パターン、21〜26・・・リード線、41,54・・・コネクタ、71・・・測温抵抗体。
Claims (6)
- ひずみに応じた抵抗変化を生じるひずみ受感部の一端に導通する2個の信号線接続用タブと他端に導通する2個の信号線接続用タブとが設けられ、
これらの信号線接続用タブのうち、前記ひずみ受感部の両端に存する一対の信号線接続用タブがひずみ受感部に電流を流すための電流供給用タブとして使用され、他の一対の信号線接続用タブがひずみ受感部に電流を流した時に該ひずみ受感部に生じる電圧を抽出するためのタブとして使用されることを特徴とするひずみゲージ。 - ひずみに応じた抵抗変化を生じる複数のひずみ受感部が直列に接続され、その直列接続により構成された直列接続体におけるひずみ受感部どうしの接合点に各1個の信号線接続用タブが導通して設けられると共に、該直列接続体の両端に各2個の信号線接続用タブが設けられ、
前記信号線接続用タブのうちの2つの信号線接続用タブが、ひずみ測定に使用する1つまたは複数のひずみ受感部に電流を流すための電流供給用タブとして使用され、該電流供給用タブと異なる2つ以上の信号線接続用タブが前記電流を流した各ひずみ受感部に生じる電圧を抽出するための電圧抽出用タブとして使用されることを特徴とするひずみゲージ。 - 複数のひずみ受感部のうちの少なくとも1つのひずみ受感部を抵抗式センサまたは他の抵抗体で置き換えたことを特徴とする請求項2に記載のひずみゲージ。
- 前記複数の信号線接続用タブにそれぞれリード線が接合されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のひずみゲージ。
- 前記各信号線接続用タブとリード線とは、該タブとリード線とを接触させて導通する接触手段を介して接合されていることを特徴とする請求項4に記載のひずみゲージ。
- 前記リード線の端部にコネクタが接続されていることを特徴とする請求項4又は5に記載のひずみゲージ。
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