JPH08145614A - 物体の歪み測定方法 - Google Patents

物体の歪み測定方法

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JPH08145614A
JPH08145614A JP28466394A JP28466394A JPH08145614A JP H08145614 A JPH08145614 A JP H08145614A JP 28466394 A JP28466394 A JP 28466394A JP 28466394 A JP28466394 A JP 28466394A JP H08145614 A JPH08145614 A JP H08145614A
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JP
Japan
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strain
measured
acoustic wave
surface acoustic
piezoelectric material
Prior art date
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JP28466394A
Other languages
English (en)
Inventor
Takashi Ono
貴司 小野
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Akita Electronics Systems Co Ltd
Original Assignee
Akita Electronics Co Ltd
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Publication date
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 歪み測定時における歪み検出器の温度特性を
改善することと、歪み検出器を力を受ける部分に貼付て
測定すること。 【構成】 圧電材料の表面上にすだれ状電極を形成した
表面弾性波素子を被測定物の測定個所に貼り付け、歪み
の測定を行う歪み測定方法であって、前記表面弾性波素
子は、前記測定個所において、前記被測定物が歪むこと
により圧電材料に発生する弾性表面波の検出感度が最大
となる方向に貼り付け、前記表面弾性波素子で検出した
弾性表面波の周波数を測定し、その測定結果に基づいて
前記被測定物の歪みを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、物体の歪みを測定する
歪み測定方法に関し、特に、力、歪みをアナログ出力信
号として得る歪み測定方法に適用して有効な技術に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】従来において、物体に加わる力の強さに
応じたアナログ出力信号を得る歪み測定方法は、抵抗線
歪ゲージや圧電素子等の歪み検出器を用いて行うものが
代表的であり、中で最もオーソドックスなのが抵抗線歪
ゲージを用いる方法である。
【0003】この方法は、力を受ける部分に接着剤でこ
の金属線の歪ゲージを貼付け、金属線が伸びると抵抗値
が増す、という現象を利用して、力の変化を歪の変化、
さらに抵抗変化として測定するものであり、抵抗値の変
化をブリッジ回路によって電圧信号出力にするか、その
ままの出力では小さいので歪計と呼ばれるアナログ増幅
器で増幅する。
【0004】また、圧電素子を用いる方法は、電圧を加
えると素子自体が変位するのを逆に利用し、増幅回路と
組み合わせて微小変位の歪みの測定に使われている。
【0005】このことは、「メカトロニクスのセンサ技
術」(塩田泰仁著、総合電子出版社P6〜P9)に開示
されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、上記従来
技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。
【0007】従来の抵抗線歪ゲージを用いた歪み測定方
法は、歪み検出器である抵抗線歪ゲージ自体が温度変化
により抵抗値が変化するため、温度特性が悪く、正確に
測定するためには、温度補償用ゲージを貼って、温度に
よる抵抗の変化分をキャンセルしなければならないとい
う問題点があった。
【0008】また、圧電素子を用いた歪み測定方法は、
2つの電極にはさまれた圧電素子がその電極に加わった
力に応じて電圧を生じる圧電現象を利用するため、物に
はさまれるようにして測定するのが一般的であり、前述
の抵抗線歪ゲージのように力を受ける部分に直接貼付け
て測定することができないという問題点があった。
【0009】本発明の目的は、歪み測定時における歪み
検出器の温度特性を改善することである。
【0010】本発明の他の目的は、歪み検出器を力を受
ける部分に貼り付けて測定することが可能な技術を提供
することにある。
【0011】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
になるであろう。
【0012】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。
【0013】圧電材料の表面上にすだれ状電極を形成し
た表面弾性波素子を被測定物の測定個所に貼り付け、歪
みの測定を行う歪み測定方法であって、前記表面弾性波
素子は、前記測定個所において、前記被測定物が歪むこ
とにより圧電材料に発生する弾性表面波の検出感度が最
大となる方向に貼り付け、前記表面弾性波素子で検出し
た弾性表面波の周波数を測定し、その測定結果に基づい
て前記被測定物の歪みを測定する。
【0014】
【作用】上述した手段によれば、圧電材料の表面上にす
だれ状電極を形成した表面弾性波素子を被測定物の測定
個所に貼り付け、歪みの測定を行う歪み測定方法であっ
て、前記表面弾性波素子は、前記測定個所において、前
記被測定物が歪むことにより圧電材料に発生する弾性表
面波の検出感度が最大となる方向に貼り付け、前記表面
弾性波素子で検出した弾性表面波(以下、表面波と略
す)の周波数を測定し、その測定結果に基づいて前記被
測定物の歪みを測定することにより、被測定物の歪みに
よって、表面弾性波素子の圧電材料に加わった力により
生じる表面波を歪みの測定に利用でき、従来の圧電素子
を電極等で挟み込む構造にする必要がなくなるので、力
を受ける部分に貼り付けて測定することが可能となる。
【0015】また、歪み検出器である表面弾性波素子の
圧電材料の温度係数は、抵抗線歪みゲージに用いられる
金属線材料のそれより、かなり低い値をとるので、歪み
測定時における歪み検出器の温度特性を改善することが
可能となる。
【0016】以下、本発明について、実施例とともに説
明する。
【0017】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。
【0018】
【実施例】図1は、本発明の一実施例である歪み測定方
法で用いる歪み検出器の構成を説明するための図であ
り、図1(a)は歪み検出器の構成を説明するためのも
のであり、図1(b)は歪み検出器の電極の表面パタン
を説明するための図であり、図1(c)は歪み検出器と
被測定物との接続を説明するためのものである。
【0019】図1において、1は歪み検出器(表面弾性
波素子)、10は圧電材料で形成した圧電基板、20は
すだれ状電極、30はリード取り出し口、40はリード
線、50は接着剤、60は被測定物、をそれぞれ示す。
【0020】図1(a)に示すように、本発明の一実施
例の歪み検出器である表面弾性波素子(以下、SAWと
記す)は、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)、LiT
aO3(タンタル酸リチウム)、または水晶等からなる
圧電基板10と、その圧電基板10上に形成されたアル
ミ等からなるすだれ状の電極20とその電極20に接続
されたリード取り出し口30と、リード40とから構成
される。
【0021】上記圧電材料のLiNbO3、LiTaO
3は、電気結合係数が大きく、歪みの検出感度がよいの
で、検出感度を要求される場合の歪み測定に好適であ
り、水晶は、温度係数が2ppm程度であり、ほとんど
温度に依存しないため、温度変化により生じる歪み測定
に好適である。
【0022】また、電極20のパタンは、図1(b)に
示すように、くし型で互い嵌合するような対になってお
り、そのくしの本数、くしの間隔は、使用する目的によ
って最適な値が選択されるものである。
【0023】なお、くしの数が多くなるほど、検出感度
(電気信号に変換する効率)が大きくなるが、帯域幅が
小さくなる。
【0024】次に、本実施例のSAW1と被測定物60
との貼り付けは、図1(c)に示すように、測定したい
個所において、図1(b)に示す電極20上のX−X線
と被測定物60が外力から受ける歪みの方向とが平行と
なる向きで、電極20形成面を上にして接着剤を用いて
行う。上述した方向で貼り付けることにより、検出感度
が最大になる。
【0025】次に、前述のSAW1を用いた本実施例の
歪み測定方法を実現する具体的な手段を二つ挙げ、以下
それについて説明する。
【0026】図2は、本実施例の歪み測定方法を実現す
る具体的手段を説明するための図である。
【0027】図2において、200はネットワークアナ
ライザ、210は標準信号発生器、220はスペクトラ
ムアナライザ、230はVCO回路、240はVCO回
路用電源をそれぞれ示す。
【0028】図2(a)は、ネットワークアナライザ2
00を用いた手段、図2(b)はVCO回路230を用
いた手段をそれぞれ説明するための図である。
【0029】本実施例の第一手段は、図2(a)に示す
ように、本実施例のSAW1のリード3を直接ネットワ
ークアナライザ200に繋げ、そのネットワークアナラ
イザ200に表示されるSAW1の表面波の周波数の変
化で歪みを測定するものである。
【0030】次に、本実施例の第二手段として、図2
(b)に示すように、標準信号発生器210が接続され
たVCO回路230(Voltage Controlled Oscilator)
に本実施例のSAW1を接続し、SAW1の表面波の周
波数を測定し、その変化で歪みを測定するものである。
【0031】なお、上述した第一、二の手段において、
各機器のコントロールと演算処理のためにコンピュータ
を用いてもかまわないし、第一、二の手段以外でも、S
AW1の表面波の周波数の変化を測定できるものであれ
ばどんな手段を用いてもかまわない。
【0032】次に、本実施例のSAW1で検出される表
面波の周波数の変化分と歪みの関係について説明する。
【0033】図3は、本実施例の歪み測定方法を用いて
測定した周波数上昇分に対する圧縮歪みのグラフであ
る。
【0034】図3のグラフは、被測定物60の歪み測定
個所に本実施例の歪み検出器を直接貼り付けて測定した
ものであり、横軸に圧縮歪(%)、縦軸に周波数上昇分
(ΔMHz)のグラフとして結果を示してある。
【0035】なお、歪み検出器として、圧電材料LiN
bO3、共振周波数260MHz、電極のくしの数50
本、電極の間隔3.2μmのSAW1を用い、被測定物
60として、大きさ5.5mm×4.0mm、厚さ0.
8mmのセラミック基板を用いた。
【0036】図3に示したグラフの結果より、SAW1
が受けた圧縮歪みとそれによって生じる表面波の周波数
の上昇分(変化分)とは、比例の関係にある。
【0037】この図3のグラフ結果では、周波数が1M
Hz上昇当たり約0.4%の圧縮歪みを受けていること
になる。
【0038】したがって、被測定物にこのSAW1を直
接貼付けて、そのSAW1の表面波の周波数の変化分を
測定することにより、その変化分から被測定物の歪をア
ナログ的に取り出し、測定することが可能となる。
【0039】また、このSAW1の大きさは1mm角程
度であるため、これまでのセンサでは測れなかった微少
部分の力や歪を測定をも可能にする。(被測定物は2〜
3mmでも十分測定でき、さらにSAW1のパターンサ
イズを小さくすることにより、さらに、微少部分も測定
できる。) さらに、一般的にもろく、薄くすることが困難であるS
AW1の圧電材料(基板)は、厚さ0.3mm程度が限
界であるが、ZnO(酸化亜鉛)、CdS(硫化カドミ
ウム)、ZnS(硫化亜鉛)のような、蒸着によっても
圧電効果を示す材料10aを、図4に示すように、薄型
の非圧電材料であるガラス400上に蒸着し、その圧電
材料膜の上(図4(a)参照)、または下(図4(b)
参照)のいずれか一方にすだれ状電極20を形成した歪
み検出器を用いると薄くすることが可能になる。
【0040】そして、これまでの金属線を用いたセンサ
ーでは温度補償が十分とはいえなかったのに対して、上
述したように、例えば、歪み測定に利用する表面波の周
波数が温度変化に対してほとんど影響を受けない、温度
係数が2ppm/℃のSTカット水晶を本実施例の検出
器の圧電材料として選択することにより、測定結果に対
して温度補償をする必要がなくなるので、歪みの検出器
の温度特性を改善することができる。
【0041】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。
【0042】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。
【0043】被測定物の歪みによって、表面弾性波素子
の圧電材料に加わった力により生じる表面波を歪みの測
定に利用でき、従来の圧電素子を電極等で挟み込む構造
にする必要がなくなるので、力を受ける部分に貼り付け
て測定することが可能となる。
【0044】また、歪み検出器である表面弾性波素子の
圧電材料の温度係数は、抵抗線歪みゲージに用いられる
金属線材料のそれより、かなり低い値をとるので、歪み
測定時における歪み検出器の温度特性を改善することが
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である歪み検出器を説明する
ための図である。
【図2】本実施例の歪み測定方法を実現する具体的手段
を説明するための図である。
【図3】本実施例の歪み測定方法を用いて測定した周波
数上昇分に対する圧縮歪みのグラフである。
【図4】本実施例の他の歪み検出器を説明するための図
である。
【符号の説明】
1…歪み検出器(表面弾性波素子)、10…圧電材料で
形成した圧電基板、20…すだれ状電極、30…リード
取り出し口、40…リード線、50…接着剤、60…被
測定物、200…ネットワークアナライザ、210…標
準信号発生器、220…スペクトラムアナライザ、23
0…VCO回路、240…VCO回路用電源、400…
ガラス基板、10a…蒸着された圧電材料。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電材料の表面上にすだれ状電極を形成
    した表面弾性波素子を被測定物の測定個所に貼り付け、
    歪みの測定を行う歪み測定方法であって、 前記表面弾性波素子は、前記測定個所において、前記被
    測定物が歪むことにより圧電材料に発生する弾性表面波
    の検出感度が最大となる方向に貼り付け、前記表面弾性
    波素子で検出した表面波の周波数を測定し、その測定結
    果に基づいて前記被測定物の歪みを測定することを特徴
    とする歪み測定方法。
  2. 【請求項2】 前記請求項1に記載の歪み測定方法にお
    いて、前記圧電材料として、STカット水晶を用いたこ
    とを特徴とする歪み測定方法。
  3. 【請求項3】 前記請求項1に記載の歪み測定方法にお
    いて、薄型の非圧電材料上に圧電材料膜を蒸着し、その
    圧電材料膜の上または下のいずれか一方にすだれ状電極
    を形成した歪み検出器を前記表面弾性波素子の代わりに
    用いることを特徴とする歪み測定方法。
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