(57)【要約】【課題】簡単な構成で、ノイズの影響を抑制し、測定精度を高めることが可能なひずみゲージ、ひずみ測定装置及びひずみゲージ式変換器を提供する。【解決手段】ひずみゲージ１は、絶縁性の材料によって形成されたベース部１１と、このベース部１１の一面側に設けられた抵抗体からなるパターン部１２とを備えた受感部１０と、絶縁体層２１と、この絶縁体層２１の一面側に設けられるとともに、前記受感部１０におけるベース部１１の他面側と対向して配設される導電体で形成されたシールド層２２とを備えた薄膜状の中間部材２とを備えている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の材料によって形成されたベース部と、このベース部の一面側に設けられた抵抗体からなるパターン部とを備えた受感部と、
絶縁体層と、この絶縁体層の一面側に設けられるとともに、前記受感部におけるベース部の他面側と対向して配設される導電体で形成されたシールド層とを備えた薄膜状の中間部材と、
を具備したことを特徴とするひずみゲージ。
【請求項２】
前記受感部と中間部材とは、一体化されていることを特徴とする請求項１に記載のひずみゲージ。
【請求項３】
前記中間部材が測定対象物に貼着され、その後、中間部材におけるシールド層に受感部が貼着されることを特徴とする請求項１に記載のひずみゲージ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載のひずみゲージの中間部材におけるシールド層と受感部の出力が接続される増幅器側とがコモン接続されることを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載のひずみゲージと、
このひずみゲージが貼着された測定対象物と、
ひずみゲージが用いられて構成されたブリッジ回路と、
を具備したことを特徴とするひずみゲージ式変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみゲージを用いて測定対象物のひずみを測定する場合において、外乱ノイズの影響を抑制することができるひずみゲージ、ひずみ測定装置及びひずみゲージ式変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ひずみゲージは、金属等に生じた微小な変形（ひずみ）を電気的信号に置き換えて検出するセンサであり、例えば、各種構造物や機械等の表面にひずみゲージを貼り付けておくことにより、ひずみから任意の場所の応力を計測することができ、強度、安全性の確認等の有用な手段として知られている（例えば、非特許文献１）。
【０００３】
このようなひずみゲージは、一般的には、図９及び図１０に示すように構成されている。図９（ａ）は、ひずみゲージの斜視図であり、図９（ｂ）は、同断面図であり、図１０（ａ）は、ひずみゲージを使ったひずみ測定装置の構成を示す図であり、図１０（ｂ）は、ひずみゲージ測定装置におけるノイズの影響を示す説明図である。
【０００４】
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、ひずみゲージ（受感部）１０は、概略的には、絶縁性の材料によって形成されたベース部１１と、このベース部１１の上に形成された抵抗体からなるパターン部１２と、このパターン部１２に接続されたリード線１３とを備えている。また、パターン部１２は、カバーフィルム１８によって被覆されおり、前記ベース部１１は、構造物等の測定対象物１４の表面に接着剤Ａによって貼着されるようになっている。
【０００５】
図１０（ａ）に示すように、ひずみゲージ１０は、ホイートストンブリッジ回路１５に組込まれ、このブリッジ回路１５の入力端にブリッジ電源部１７によってブリッジ電圧が印加され、出力端には増幅器１６が接続されている。
【０００６】
このような構成において、例えば、ひずみゲージ１０が金属製の測定対象物１４に貼着されている状態では、ひずみゲージ１０のベース部１１は絶縁体（誘電体）であるため、パターン部１２と測定対象物１４との間に静電容量Ｃが発生する。すなわち、パターン部１２が一方の電極となり、測定対象物１４が他方の電極となって、これらの間に静電容量Ｃが発生する。
【０００７】
ところで、測定対象物１４が電界、磁界や電磁波にさらされる場合があり、図１０（ｂ）に示すように、この電界、磁界や電磁波によって測定対象物１４からノイズＮがひずみゲージ１０側に侵入することがある。つまり、ノイズＮが測定対象物１４から静電容量Ｃを介してひずみゲージ１０のパターン部１２へと伝達される。また、測定対象物がノイズを受けてなくても他の機器から回り込むなどして増幅器１６側にノイズＭが発生している場合もある。この場合は、増幅器を基準とすれば、測定対象物側がノイズを受けているのと等価である。
【０００８】
ひずみゲージは、微小な変形を電気抵抗の変化として検出し、微弱な電気信号として出力するものであり、ブリッジ回路１５から出力される電圧は、一般にμＶ単位のレベルであり極めて小さい。そのため、出力電圧は、ノイズの影響を受けやすく、測定誤差やばらつきが生じやすい。
【０００９】
このため、ひずみゲージにおいて、ノイズの影響を抑制するため、種々の対策が考えられている。例えば、増幅器を含む電子回路を金属製部材で覆うシールド構造を採用し、電磁波ノイズを遮断するものが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】（社）日本非破壊検査協会編集、「ひずみ測定１」、「ひずみ測定２」、「ひずみ測定３」
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−１３３７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記のようなシールド構造の場合でも、増幅器のコモン端子が他の機器に接続された場合は、測定対象物が受けるノイズを抑制することができない。さらに、増幅器が測定対象物から離れている場合等、一体的にシールド構造を構成することが困難な場合にもノイズを抑制することができない。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、ノイズの影響を抑制し、測定精度を高めることが可能なひずみゲージ、ひずみ測定装置及びひずみゲージ式変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１に記載のひずみゲージは、絶縁性の材料によって形成されたベース部と、このベース部の一面側に設けられた抵抗体からなるパターン部とを備えた受感部と、絶縁体層と、この絶縁体層の一面側に設けられるとともに、前記受感部におけるベース部の他面側と対向して配設される導電体で形成されたシールド層とを備えた薄膜状の中間部材と、を具備したことを特徴とする。
【００１５】
中間部材は、一般的には、受感部と測定対象物との間に介在される。シールド層は、金属箔やスパッタリング等によって形成できるが、その形成方法や構成は格別限定されるものではない。導電性を有する材料によって形成されていればよい。
かかる発明によれば、簡単な構成で、ノイズの影響を抑制し、測定精度を高めることが可能なひずみゲージを提供することができる。
請求項２に記載のひずみゲージは、請求項１に記載のひずみゲージにおいて、前記受感部と中間部材とは、一体化されていることを特徴とする。
【００１６】
かかる発明によれば、シールド層を有するひずみゲージを単一の部品として取り扱うことが可能で、部品点数を増加させることなく取扱いに有利となる効果が期待できる。
【００１７】
請求項３に記載のひずみゲージは、請求項１に記載のひずみゲージにおいて、前記中間部材が測定対象物に貼着され、その後、中間部材におけるシールド層に受感部が貼着されることを特徴とする。
【００１８】
かかる発明によれば、受感部と中間部材とが分離されているので、例えば、種々のパターンのゲージ（受感部）を適宜選択して用いることができ、適応性を向上することが期待できる。
【００１９】
請求項４に記載のひずみ測定装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載のひずみゲージの中間部材におけるシールド層と受感部の出力が接続される増幅器側とがコモン接続されることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載のひずみゲージ式変換器は、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載のひずみゲージと、このひずみゲージが貼着された測定対象物と、ひずみゲージが用いられて構成されたブリッジ回路と、を具備したことを特徴とする。
【００２１】
ひずみゲージ式変換器は、力の大きさを電気信号に変える機器であり、ロードセル、圧力センサ、トルクセンサや変位センサ等がある。例えば、ロードセルにおける測定対象物は、いわゆる起歪体が該当する。また、ロードセルには、コラム型やダイヤフラム型等、各種型式があるが、適用型式が格別限定されるものではない。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、簡単な構成で、ノイズの影響を抑制し、測定精度を高めることが可能なひずみゲージ、ひずみ測定装置及びひずみゲージ式変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るひずみゲージを示す模式的な斜視図である。
【図２】同ひずみゲージを示す模式的な平面図である。
【図３】同ひずみゲージを示す模式的な断面図である。
【図４】同ひずみゲージを分解して示す斜視図である。
【図５】同ひずみ測定装置におけるノイズの影響を抑制する構成を示す説明図である。
【図６】同じく、別の実施例の構成を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るひずみゲージ式変換器を示し、測定対象物（起歪体）にひずみゲージが貼着された状態を示す斜視図である。
【図８】同ひずみ測定装置のブロック構成図である。
【図９】一般的なひずみゲージ（受感部）を示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図１０】同ひずみゲージ（受感部）を使ったひずみゲージ測定装置を示し、（ａ）は構成図であり、（ｂ）はノイズの影響を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の第１の実施形態に係るひずみゲージ及びひずみ測定装置について図１乃至図６を参照して説明する。本実施形態は、本発明の基本的な実施形態を示している。
【００２５】
図１は、ひずみゲージの模式的な斜視図を示し、図２は、同平面図を示し、図３は、同断面図を示し、図４は、同分解斜視図を示している。また、図５は、ひずみ測定装置におけるノイズの影響を抑制する構成を示す説明図であり、図６は、同じく別の実施例を示す説明図である。
図１乃至図４に示すように、ひずみゲージ１は、受感部１０と中間部材２とを備えている。
【００２６】
受感部１０は、いわゆる既存のひずみゲージに相当し、ベース部１１と、このベース部１１の一面側に形成されたパターン部１２と、このパターン部１２に接続されて導出されるリード線１３とを備えて薄膜状に形成されている。
【００２７】
ベース部１１は、絶縁性の材料、例えば、ポリイミド樹脂によって略矩形状に形成されており、厚さ寸法は、２０μｍ程度である。なお、ベース部１１は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の絶縁性を有する材料によって形成されていてもよく、また、形状は、矩形状に限らず、円弧状等に形成されていてもよい。
【００２８】
パターン部１２は、ベース部１２の一面側、すなわち、面上に形成された抵抗体である。パターン部１２は、ベース部１１の長手方向に沿って連続的に折り返されて蛇行状に形成されていて、一端部側には、一対のリード線接続部１２ａが形成されている。なお、パターン部１２は、蛇行状に形成される場合に限るものではない。所定の抵抗値が得られれば、他のパターンによって形成されていてもよい。
【００２９】
また、パターン部１２は、抵抗材料である金属箔で形成されており、例えば、フォトエッジングされた銅ニッケル系合金箔によって厚さ寸法５μｍ程度に形成されている。このパターン部１２は、測定対象物１４に生じるひずみに対応して、その抵抗値が変化するようになっている。
【００３０】
リード線１３は、パターン部１２におけるリード線接続部１２ａに半田付け等によって接続されている。また、前記パターン部１２及びリード線接続部１２ａを被覆するようにカバーフィルム１８が設けられている。このカバーフィルム１８の材料には、ポリイミド樹脂やポリエステル樹脂等を用いることができる。
中間部材２は、絶縁体層２１と、この絶縁体層２１の一面側に設けられシールド層２２とを備えて薄膜状に形成されている。
【００３１】
絶縁体層２１は、受感部１０におけるベース部１１と同様に、例えば、ポリイミド樹脂によって略矩形状に形成され、ベース部１１より大きい寸法を有して厚さ寸法２０μｍ程度に形成されている。また、絶縁体層２１は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の絶縁性を有する材料によって形成することができる。
【００３２】
シールド層２２は、導電体によって形成され、具体的には、導電性を有する薄い金属箔で形成されており、絶縁体層２１の一面側の略全面に設けられている。また、このシールド層２２の一端部側には、リード線２３が接続される一対のリード線接続部２２ａが形成されている。このリード線接続部２２ａは、後述する増幅器１６側とコモン接続する場合や複数のひずみゲージ１が用いられる場合に相互のシールド層２２を接続する際に使用される。
【００３３】
詳しくは、シールド層２２の金属箔は、導電性を有する銅、アルミニウム合金やニッケル合金等の材料で作られており、絶縁体層２１に貼着されて設けられている。このシールド層２２の厚さ寸法は、５μｍ程度である。なお、シールド層２２は、スパッタリングによって膜状に形成するようにしてもよい。
【００３４】
このように構成される中間部材２は、そのシールド層２２が受感部１０におけるベース部１１の他面側と対向して配設されている。具体的には、受感部１０と中間部材２とが分解された態様を示す図４に代表して示すように、中間部材２のシールド層２２側と受感部１０におけるベース部１１の他面側との間に所定の接着剤が介在されて、これにより受感部１０は、中間部材２に貼着され一体化される。なお、受感部１０と中間部材２とを一体化する手段は、接着剤を用いる場合に限定されるものではない。他の手段を用いてもよい。
【００３５】
この受感部１０と中間部材２とが一体化された状態では、中間部材２のシールド層２２が形成された領域は、少なくとも受感部１０のパターン部１２が形成された領域と対向するようになるとともに、リード線接続部２２ａが受感部１０の一端からはみ出して延出するようになっている。
【００３６】
また、受感部１０の面積Ｓ１と、シールド層２２の面積Ｓ２と、絶縁体層２１の面積Ｓ３との関係は、受感部１０の面積Ｓ１＜シールド層２２の面積Ｓ２＜絶縁体層２１の面積Ｓ３となっていて、順に寸法が大きくなっている。したがって、絶縁体層２１の面積Ｓ３を大きくすることにより、絶縁性を確保し向上することができる。
【００３７】
以上のように構成されたひずみゲージ１は、可撓性を有し、構造物等の測定対象物１４の表面に貼着される。具体的には、中間部材２の絶縁体層２１と測定対象物１４の表面との間に熱硬化性の接着剤Ａが介在され、ひずみゲージ１は、測定対象物１４の表面に貼着される。
【００３８】
このようにひずみゲージ１が測定対象物１４の表面に貼着された状態では、中間部材２は、受感部１０と測定対象物１４との間に介在されるようになる。そして、測定対象物１４にひずみが生じると、そのひずみが中間部材２を介して受感部１０のパターン部１２に伝達され、ひずみに対応してパターン部１２の抵抗値が変化する。
【００３９】
なお、上述のひずみゲージ１においては、受感部１０と中間部材２とを予め一体化し、これを測定対象物１４に貼着する場合について説明したが、受感部１０と中間部材２とが分離しているひずみゲージ１であってもよい。この場合には、図４を参照して示すように、まず、中間部材２を測定対象物１４に貼着し、その後、その上から受感部１０を貼着するようにして、中間部材２をそのシールド層２２が受感部１０におけるベース部１１の他面側と対向して配設されるようにする。
【００４０】
以上のようにひずみゲージ１は、既存の受感部１０に中間部材２を組み合わせることにより構成できる。また、受感部１０と中間部材２とを一体化する場合には、ひずみゲージ１を単一の部品として取り扱うことが可能で、部品点数を増加させることなく取扱いに有利となる。
【００４１】
一方、受感部１０と中間部材２とが分離している場合には、各種型式のひずみゲージ（受感部）の寸法等にに適合する中間部材２を用意しておくことにより、種々のパターンのゲージ（受感部１０）を適宜選択して用いることができ、適応性を向上することができる。
【００４２】
以上のような本実施形態のひずみゲージ１は、各種構造物や機械等の表面に貼着したり、ひずみゲージ式変換器としてのロードセルの測定対象物（起歪体）等に貼着して用いることができる。
【００４３】
次に、図５を参照してひずみ測定装置のブロック構成について説明する。図は、ひずみ測定装置のブロック構成の一部を示し、ノイズの影響を抑制する構成を示している。
【００４４】
本実施形態は、１ゲージ２線法によるものであり、上記ひずみゲージ１と、このひずみゲージが用いられて固定抵抗素子Ｒとで構成されたホイートストンブリッジ回路１５と、このブリッジ回路１５の一対の出力端に接続された増幅器１６とを備えている。
【００４５】
ひずみゲージ１における中間部材２のシールド層２２と増幅器１６とは、リード線２３によってコモン接続されている。詳しくは、シールド層２２のリード線接続部２２ａと増幅器１６のコモン端子とがリード線２３によって接続されている。
【００４６】
このように構成されたひずみ測定装置の動作の概略を説明する。ひずみゲージ１が測定対象物１４に貼着された状態において、測定対象物１４にひずみが生じると、受感部１０のパターン部１２の抵抗値が変化し、ブリッジ回路１５の出力端に微弱な測定信号電圧が出力される。この測定信号電圧は、増幅器１６によって増幅される。
【００４７】
この場合、図９及び図１０に基づいて前述した場合と同様に、ノイズＮ、Ｍが測定対象物１４や増幅器１６側に発生している場合がある。しかしながら、本実施形態では、ひずみゲージ１と増幅器１６とは、リード線２３によってコモン接続されているので、例えノイズＮ、Ｍが侵入したとしても、ひずみゲージ１と増幅器１６とは同電位にあるため、ノイズＮ、Ｍによって測定値が影響されることを抑制できる。つまり、ノイズの影響を抑制し、測定精度を高めることが可能となる。
【００４８】
なお、図６に示すように、ひずみゲージ１における中間部材２のシールド層２２をアース接続し接地するようにしてもよい。この場合には、測定対象物１４から侵入するノイズＮは、リード線２３を伝わってアースラインに流れ、ひずみゲージ１へのノイズＮの侵入を阻止することができ、上記と同様に、ノイズの影響を抑制し、測定精度を高めることが可能となる。
また、本実施形態のひずみ測定装置の形式は格別特定のものに限定されるものではない。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施形態に係るひずみ測定装置について図７及び図８を参照して説明する。本実施形態は、上記のようなひずみゲージ１をひずみゲージ式変換器としてのロードセル５に適用するものである。
【００５０】
図７は、測定対象物としての起歪体にひずみゲージが貼着された状態を示す斜視図であり、図８は、ひずみ測定装置のブロック図の一部を示している。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し重複した説明は省略する。
【００５１】
図７に示すように、測定対象物１４としての起歪体は、金属製であり略円柱状に形成されている。この円柱状の周面に略等間隔で縦方向及び横方向に交互に４枚のひずみゲージ１が配設されている。つまり、４枚のひずみゲージ１が縦方向に位置するものと横方向に位置するもの同士が対向するように貼着されており、４枚の受感部１０（Ｇ１〜Ｇ４）が用いられている。
【００５２】
図８に示すように、本実施形態は、４ゲージ法によるものであり、各受感部１０（Ｇ１〜Ｇ４）によりホイートストンブリッジ回路１５が構成されている。このようにロードセル５は、測定対象物１４の起歪体と、ひずみゲージ１及びホイートストンブリッジ回路１５を図示しないケースに内蔵して備えている。
【００５３】
また、各ひずみゲージ１における中間部材２のシールド層２２は、リード線２３ｂによって相互に接続されており、さらに、特定の１枚のひずみゲージ１における中間部材２のシールド層２２（図８における左下側）と増幅器１６とは、リード線２３ａによってコモン接続されている。
【００５４】
なお、第１の実施形態において説明したように、受感部１０と中間部材２とが分離しているひずみゲージ１を適用してもよい。また、ひずみゲージ１における中間部材２のシールド層２２をアース接続し接地するようにしてもよい。
以上のように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ノイズの影響を抑制し、測定精度を高めることが可能となる。
【００５５】
本発明は、上記各実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記各実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していないものである。
【００５６】
例えば、上記実施形態においては、受感部は、既存のひずみゲージを用いる場合について説明したが、新たに設計製作された受感部を用いることを妨げるものではない。また、受感部の結線法は、１ゲージ法、２ゲージ法及び４ゲージ法等が適用でき、格別結線法が限定されるものではない。  
【符号の説明】
【００５７】
１・・・ひずみゲージ
２・・・中間部材
５・・・ひずみゲージ式変換器（ロードセル）
１０・・・受感部
１１・・・ベース部
１２・・・パターン部
１２ａ・・・ひずみゲージのリード線接続部
１３、２３・・・リード線
１４・・・測定対象物
１５・・・ホイートストンブリッジ回路
１６・・・増幅器
２１・・・絶縁体層
２２・・・シールド層
２２ａ・・・中間部材のリード線接続部
Ａ・・・接着剤
Ｎ・・・ノイズ
Ｍ・・・ノイズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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