JPS5842901A - 歪測定方法及びこれに使用するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は物体の歪を測定Ｔる方法及びこれに使用するた
めの測定装置に関Ｔるものである。

物体の応力変形歪を検出す］るための歪ゲージとしては
従来抵抗線式の歪ゲージが最も普通である。

ところがこのような抵抗線式では、ゲージを通過する電
流を取り出すための電気回路配線が必要なため、例えば
高速で運動する物体の歪を外部より、＠定する場合には
不適当であった。なぜならばｔこのような測定のために
はゲージ電流の変動を一旦無゛線送信可能な信号に変え
る必要があり、このため装置が複雑化してかつ大型化す
る１ずかりでなく、歪ゲージに比較的大量の電流を流Ｔ
ための電源を含む上記の装置はすべて高速運動Ｔる被測
定物体上に取り付けられなければならないので、これに
より被測定物体の歪が大きく変動して測定誤差となる恐
れがある。またこあような複雑な回路を有Ｔる装置は、
高速運動によって損傷しやすいという欠点もある。ざら
に、ゲージに流れる電流による発熱もかなり大きく、被
測定物質がプラスチックのような熱絶縁体の場命には、
ゲージの温度上昇による抵抗値の変動のために測定誤差
を生じる恐れもある。

また別の歪測定浩として、振動物体の表面に電極を付し
、これと対向して設けた固定電極との間の空気コンデン
サの容量変化により振動体の変位量を測定して、歪を算
出する方法も知られているが″、この方法も固定電極が
必要なために例えば移動物体の歪測定には使用し得ない
。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされた□ものであ
って、例えば移動する゛物体の極く僅かな歪でも測定可
能なｉ測定方法及びこれに使用するための装置を提供し
ようとするものである。

こ゛の目的は本発明の第１発明により次のようにして達
成される。即ち本発明においては、表裏１こ電極の取り
付けられた高分子絶縁体膜からなるコンデンサを歪ゲー
ジとして用い、この歪ゲージの厚み変化に基く上輪電極
間の静電容量の変化を検出Ｔることにより被検出体の歪
を測定Ｔる。

まず本発明による方法の原理を説明する。

歪ゲージを物体（被検出体）の被測定位置に貼布し：物
体がゲージのＸ軸方向にのみ歪を生じた゛とＴる。この
゛ときゲージは物体表面に貼面すれているためにＸ軸方
向にはＳｘの歪が生じ、ｙ軸方向の歪ｉ１　Ｓｙ　＝　
０　　となる。またこの薄膜のポアシン比をνとすれば
、薄膜の厚み方向の歪Ｓｇは（１）式で表わされる。

８８＝−コ÷、　”　ａｘ　・・曲・曲”　（１）一方
、この薄膜の静電容量ｃｏは次式（２）で示されるＯ ’　　Ｃ６２ｇ　ｈ　　・・・・曲・・・曲（２）但し
、Ｃ：誘電率、Ａ：電極対向部の面積、ｈ：膜厚である
。この薄膜が変形して、面積大がΔＡだけ変イビし、ま
た膜厚りがΔｈだけ変化した場合の静電容量ｃｏの変化
ΔＣは近似的に次式（３）で示される。

ΔＣ＝−“■・τ−“ｐΔｈ ＝ｇＴ（τ−■）・・・・・・−・・＝（３）従って（
３）式は次の（４）式のように変形される。

Ａ　　　　Ｆ　　ｓ。

ＡＣ＝＃Ｔ（Ｓｘ＋１−ν　） ＝　Ｃ１「拳”ｘ（１＋１−、）　……………（４）こ
の（４）式より、 ΔＣ／Ｃ０＝１／（１−ν）・Ｓｘ……………（５）こ
の（５）式から上記薄膜コンデンサからなる歪ゲージの
容量変化率ΔＣ／Ｃｏは歪Ｓｘに比例し、才た１／（’
１−ν）が大きいほど、即ちポアタン比νが大きいほど
その感度の′大きいことが分る。

以上の説明はＸ軸方向の歪についてのみ説明したが、ｙ
軸方向の歪についてもまったく同様であり、才たｘ−ｙ
方向に同時に歪の生じる場合には、誘電率εの変化が生
じない場合であるが、薄膜を電歪の大きな誘電体で構成
、シ、た場合には歪に比例して誘電率Ｃも変化する。即
ち最初の誘電率ＩがΔＣの変化を示すとすれば、上記（
３）　（４）（５１式は夫々（３Ｙ（４）’（５どのよ
うに変形される。

Δε　　ΔＡ　　Δｈ ΔＣ”ｉ　　Ｃｏ　　（（＋Ｔ　　　　Ｔ　　）”””
・（３）’１　　　Δζ ΔＣ＝　Ｃ（１（８ｘＴ−７；＋　、　）　”””　（
４）’皿＝　−４−ｓｘ　＋　−！−’　・・・・・・
・・・・・・・・・・・・＜５ｆＣｏ　　　１−ν　　
　　ｇ 従って電歪常数の大きな誘電体を用いた場合にノ８ はＴによる補正が必要なので、一般には電歪のない誘電
体を用いるのが奸才しい。しかし例えば誘電体膜の配向
の方向と歪の方向との関係によってΔ８が大きく変化Ｔ
るような電歪物質であれば、このΔＣの方向性を利用し
て歪の方向を検知することが可能であり、この目的のた
めに電歪の大きな誘電体を特に選んで使用してもよい。

このように本発明の第１発明によれば、物体の歪が薄膜
コンデンサの容量変化に変換されるので、この容量変化
を測定Ｔれば、上記物体の歪を容易に測定することがで
きる。

例えば本発明の第２発明によれば、ＦＭ変調器の発振回
路における発振定数を規定Ｔるためのコンデンサの少な
くとも一部として上記薄膜コンデンサからなる歪ゲージ
が用いられる。従ってこのコンデンサ容量の変化に応じ
て発振周波数が変調きれるので、このＦＭ信号を検出Ｔ
ることにより物体の歪を知ることができる。このような
ＦＭ変調器ならば、微小な水晶発振子とこれを駆動する
ための極めて小型の電池上があればよい。ま・た測定値
は既にＦＭ信号として得られているので、これを増巾し
て無線送信する場合でも、その送信回路は極めて簡単で
よく、従ってゲージ及び送信回路を含めた全体の装置は
極めて小型かつ軽食となる。それゆえこれを高速運動す
る被測定物体に取り付けたとしても、被測定部の歪を変
化させる恐れが極めて少なく、このため微小な歪でも正
確に測定することが可能である。

次に本発明の一実施例による歪測定装置を第１図及び第
２図を参照して説明する。

第１図において、（１）は被測定物体であり、その両面
に歪ゲージ（２＋　＜２Ｙが夫々貼布されでいる・各歪
ゲージ（２Ｘ２Ｙは、例えばポリエチレンフィルム（３
Ｘ３）’の表面に夫々電極（４）（５１及び（４）’（
５どが蒸着されてなる薄膜コンデンサである。＜６Ｘ６
）’は接着剤であり、またゲージ表頁は、必要に応じて
絶縁性樹脂層（７Ｘ７）’を介し、導電体のシールド（
８Ｘ８）’で覆われている＠各歪ゲージ（２）（２）’
表面の電極（４）　（５１及び（４）’（５）’は、一
対の発振回路を有ＴるＦＭ変調器（９）の夫々の発振回
路に接続されている。

このＦＭ変調器（９）の回路構成例を第２図に示Ｔ。

ａυは２系列の発振部を有する差動ＦＭ変調回路であり
、水晶振動子ｕｍａ’により所定の搬送波を得ている。

これらの水晶振動子ａ加γにはコンデンサ・（歪ゲージ
）　＜２に２どが直列（並列でもよい）に夫々接続され
ており、これらのコンデンサ（２に２どが歪を受けて容
量変化を生じると水晶振動子ａ圀γによる搬送波が夫々
の容量変化に応じてＦＭ変調される。

変調された各信号は差動回路ａυで混合され讐これらの
信号のうなり周波数がＦ−Ｖ変換゛回路Ｉにより電圧に
変換されて表示回路Ｑ！９に供給きれる。

−万、高速運動す−る物体゛（被検出体）に歪ゲージ（
２に２どが夫々取り付けられる場合には、＃！２図に破
線で′示Ｔ゛ように、差動ＦＭ変調゛回路ａＯ・からの
信号を送信回路αｅに供給して無線送信させ、これを受
信回路ａテにより受信してＦ−Ｖ変換回路Ｉに供給ずれ
はよい。このように測定装置を歪検出部と表示部とに分
け、これらを互いに無線で接続することも容易である。

また振動検出部の表裏に夫々歪ゲージを貼布Ｔることの
できないような被検出体の場合には、その片面のみに歪
ゲージ（２）又は（２どを貼布し、これを（以下余白次
頁に続く） □ 差動式ＦＭ変調回路Ｉの一方の発振回路のコンデンサと
して使用するとともに、他方の発振回路には別の固定容
量コンデンサを使用Ｔればよい。この場合、固定容量コ
ンデンサとして、振動検出部に貼布したと同様の歪ゲー
ジ（２ど又は（２）を使用するξともできる。ざらに、
同一の歪みによって静電容量の変化が異なる一対の歪ゲ
ージを使用し、これらを被測定物体の同一表面上ではり
歪み量が同一と考えられる部分暑こ夫々貼布して、これ
ら一対の歪ゲージを差動式ＦＭ変調回路Ｉの夫々の発振
回路のコンデンサとして使用Ｔることもできる。

本発明による測定対象は物体の応力変形による歪に限定
されず、例えば歪の繰返し周期を測定することにより、
振動体の振動周期などの測定にも本発明は適用可能であ
る。

本発明に使用可能な歪ゲージの高分子絶縁体としては、
薄膜化したものを振動体に貼布したとき簡単に破損しな
い程度の機械的強度を有するものならば何でもよ（、例
えばポリオレフィン類、ポリスチレン、ポリアクリロニ
トリル、ポリアルキルアクリレ、−ト類、ポリハロゲン
化ビニル類、ポリアミド、ポリエステル、その他多くの
熱可塑性プラスチック類、ポリブタジェンその他のジエ
ン系ゴム類、天然ゴムなどを任意に使用し得る。ただし
゛被検出体の材質が例えばプラスチ７．りやゴムなどの
ように軟質で外部応力により変形しやすい場合には、歪
ゲージに使用する薄膜はこの被検出体よりもざらに軟質
で変形しやすい高分子絶縁体を選択して使用することが
好ましい。

本発明によれば、歪ゲージが薄膜フィルムで構成されて
いるので、どのような複雑な形状の表面にも容易に貼布
することができ、またその太きさも任意に選択すること
ができる。なお上記実施例において歪ゲージコンデンサ
（２１１２）’のうちの一方を別の可変容量コンデンサ
によって構成し、歪ゲージコンデンサ（２）又は（２）
′の特性に応じてこの可変容量コンデジサの容量を設定
するようにすれば、歪ゲージコンデンサの面積選択の自
由度は一層大きくなる。ざらに歪ゲージは軽量なフィル
ムであり、′　また被測定物体の材質よりヤング率の充
、分率さい高分子材料を選択すれば、被測定物体の運動
をさまたげたり、歪を変化させたりする恐れは極めて少
ない。また歪をＦＭ信号に変換して小型軽量の送信機に
より信号の伝送を行なうこともできるので、静止に近い
状態の物体の歪のみならず、高速運動する物体の歪をも
容易に測定できる。

次に本発明を実験例につき説明する。

」ｌ１１ 第２図に示すような一対の発振回路（基本周波＃！１１
８ＭＨｚ　）を有するＦＭ変調器Ｉとして小笠原プレシ
ジョンに、に、製のテレミクロ１８Ｍ−０１を使用し、
ＦＭ変調器ａυのコンデンサ（２８２）’として、とも
に厚ざ２７ｊ１、巾２■、長７５２０ｍｍのポリフッ化
ビーリデンフイルムの両面に夫々電極を設けた素子を用
いた。このポリフッ化ビニリデンフィルム素子の静電容
量は１８ＭＨｚにおいて７５　ｐＦであった。

次に一方の素子α力の両端をクランプにはぎみ、その長
さ方向に所烏の伸び歪を与えて、一対の発振回路の周波
数のズレ（うなり周波数）をＦ−Ｖ変換回路Ｉによって
電圧に変換して読み取った。

第３図はその結果を示したものであるが、歪と電圧とが
直線関係を示し、この装置が歪計として作動することが
確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による歪測定装置の概略縦断
面図、第２図は同上のブロック回路図、第３図は同上の
装置における電圧と伸びとの関係を示すグラフである。 なお図面に用いた符号において、 （１）・・・・・・・・・・・・・・・被測定物体（２
Ｘ２＋’・・・・・・・・・・・・歪ゲージ（９）・・
・・・・・・・・・・・・・ＦＭ変調器である。 代理人　土星　勝 ｌ　　松材　修 第１図 ？ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｉ！裏に電極の取り付けられた高分子絶縁体膜から
   なるコンデンサを歪ゲージとして用い、この歪ゲージの
   厚み変化に基く前配電極間の静電容量の変化を検もする
   ことにより被検出体の歪を測定するようにしたことを特
   徴とＴる歪測定方法。 ２、歪ゲージを、ＦＭ変調器の発振回路における発振定
   数を規定するためのコンデンサの少なくとも一部として
   用い、この歪ゲージの静電容量変化による変調ＦＭ周波
   数により前記静電容量変化を検出するようにした仁とを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の歪測定方法。 ３、　ＦＭ変、調器として、一対の発振回路を有する差
   動式ＦＭ変調器を用い、かつ少なくとも一方の発振回路
   における発振定数を規定するためのコンデンサの一部と
   して歪ゲージを用いて、これら一対の発振回路から夫々
   得られるＦＭ信号゛の差動によるうなり周波数によって
   静電容量変化を検出するようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第２項に記載の歪測定方法。 ４、被検出体の表面及び裏面に夫々貼布された一対の歪
   ゲージを夫々の発振回路における発振定数を規定するた
   めのコンデンサとして使用することを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載の歪測定方法。 ５、一方は被検出体表面に貼布され、かつ他方は歪−を
   生じないように保持された一対の歪ゲージを夫々の発振
   回路における発振定数を規定Ｔるためのコンデンサとし
   て使用することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記
   載の歪測定方法。 ６、同一の歪による静電容量の変化量が異なる一対の歪
   ゲージを被検出体の同一表面に夫々貼布して用いること
   を特徴とする特許請求の範囲＃！１項〜第５項のいずれ
   か１項に記載の歪測定方法。 ２　表裏に電極の取り付けられた高分子絶縁体膜からな
   るコンデンサによって構成された歪ゲージが、ＦＭ変調
   器の発振回路における発振定数を規定するためのコンデ
   ンサの少なくとも一部として使用されていることを特徴
   とする歪測定装置。□８、ＦＭ変調器が、一対の発振回
   路を有する差動式ＦＭ変調器であることを特徴とする特
   許請求の範囲第７項に記載の歪測定装置。 ９、ＦＭ変調器が、送信回路と受信回路とからなる無線
   伝送回路を有していることを特徴とする特許請求の範囲
   第７項又は第８項に記載の歪測定装置。 １［１，ＦＭ変調器のＦＭ変調回路が、表示回路に接続
   されたＦ−Ｖ変換回路に接続されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第７項〜第９項のいずれか１項に記載
   の歪測定装置。