JP6202673B2 - 荷重計 - Google Patents

Description

この発明は、プレートの平行な２つの受圧面に荷重を受け、その荷重による両受圧面間の変位を計測する荷重計及び前記プレートに関する。

例えば、斜面安定や構造物の安定支持等のために行われるグランドアンカー工法では、地中のアンカー体に一端を固定したＰＣストランド等の緊張材に張力を付与した状態で、その他端側に斜面安定用のプレートや構造物等を固定している。このとき、前記緊張材の施工中の張力変動の計測や施工後の長期的な張力監視のために、その他端側固定部に荷重計が設置される（特許文献１段落００３１、図８参照）。また、吊り構造物のケーブルにも、張力計測のための荷重計が設置される。その荷重計として、静電容量型荷重計が検討されている。

その静電容量型荷重計の一例として、荷重を受ける円環状プレートの２つの平行な受圧面の間（以下、「両受圧面の間」を適宜に「上下間」という。）に円形孔を形成し、この円形孔の内周面に対の電極を対向して設けたものがある。この静電容量型荷重計は、前記プレートの両受圧面に荷重を受けると、その荷重によるプレートの上下間の変位（厚み変形）による前記電極間の距離変化に伴う静電容量変化を検出し、その検出値に基づき前記荷重を測定する（特許文献１段落０００９、図９参照）。すなわち、この荷重計は、プレート円形孔の上下方向の変位でもってそのプレートの受圧面への荷重を計測する。

特開２００９−５３０９５号公報

このような荷重計用プレートにおいて、図５を参照して説明すると、上下の受圧面１、２に荷重Ｐがかかると、その柱状をなす円形孔ｈは上下方向（Ｚ方向）が縮小し、前後方向（Ｘ方向）及び左右方向（Ｙ方向）が拡大する。
このとき、円形孔ｈの軸心ｃ_１方向において、その周壁の内周側（ｉｎ）及び外周側（ｏｕｔ）は一方面（図５に於いて前後面）が開放されているのに対し、中央部（ｍｉｄ）は両側が充実のため、剛性が高い。このため、Ｙ方向の変位（変形）において、前記内周側及び外周側と中央部とのバラツキが大きくなっている。このバラツキは円形孔ｈ内周面の軸心ｃ_１ほぼ全長に亘る変位（変形）度合いでプレートへの荷重を測定する場合の精度の低下を招くこととなる。特に、静電容量型は円形孔ｈ内周面の軸心ｃ_１ほぼ全長の静電容量変化でもって荷重を計測するからその測定精度の低下を招く。

また、プレートが円環状の場合、Ｙ方向の肉厚が内側から外側に向かって（Ｘ方向外側に向かって）、徐々に厚くなっており（剛性が高くなっており）、これによっても、Ｙ方向の内周側、中央部及び外周側の変位は均一ではない（バラツク）。
これらのＹ方向の変位はＺ方向の変位に影響するため（Ｙ方向の拘束がＺ方向の剛性にも影響するため）、Ｚ方向の変位の計測、すなわち、プレート円形孔の中心上下方向の変位測定による受圧面１、２への荷重測定の精度低下の原因ともなる。

この発明は、以上の実状の下、荷重を受ける平行な２つの受圧面間に形成された透孔の変形でもって前記荷重Ｐを計測する荷重計の精度を向上させることを課題とする。

上記課題を達成するため、この発明は、荷重を受ける平行な２つの受圧面を有するプレートと、そのプレートに形成されて前記受圧面の直交軸方向の断面円形又は断面正多角形の透孔と、その透孔内に設けられて透孔の変位を測定する変位計の測定子とを有する荷重計の、前記プレートであって、前記透孔の周りに沿うスリットを形成した構成を採用する。

この発明は、以上のように構成し、スリットによって切り離されたプレートの透孔側部分の変位（撓み）によって荷重を検出するようにしたので、その荷重が前記透孔側部分の変位として現れ、その荷重を適切に測定し得る。

この発明に係る荷重計の一つである静電容量型荷重計の一実施形態の一部分割部分斜視図である。 同実施形態の部分正面図である。 荷重と変形量の関係図であり、（ａ）はＺ方向の関係図、（ｂ）はＹ方向の関係図である。 他の各実施例の概略部分正面図である。 荷重の作用説明図である。

この発明の実施形態の荷重計は、荷重を受ける平行な２つの受圧面を有するプレートと、そのプレートに形成されて前記受圧面の直交軸方向の断面円形又は断面正多角形の透孔と、その透孔内に設けられて透孔の変位を測定する変位計とを有する構成において、前記透孔の周りに沿うスリットを形成する。
このように構成すれば、スリットによって、透孔周囲のプレート壁の一部（前記スリットによって切り離されたプレートの透孔側部分）がプレートの他の部分と上下で連結され、同他部が切り離されたパイプ状となる。パイプは、その断面の上下から力を受けると（荷重Ｐを受けると）、その軸心方向全長及び全周囲全長に亘って均等にかつ容易に撓む。このため、パイプ部分の変位でもってその荷重を測定すれば、その測定精度は高いものとなる。
なお、パイプ状の壁を形成すれば、上記作用効果を発揮するため、透孔内に、パイプを挿入してそのパイプの上下を透孔内面に溶接等によって固定すれば、パイプと透孔内面との間にスリットが形成される。このため、この発明は、そのようなパイプを挿入固定した場合も含むものとする。

従来、荷重によるプレートの受圧間の変位がミクロン単位又はナノ単位の場合、温度変化による変位（撓み）が前記荷重による変位に対して大きいことによってその荷重による変位が計測し難くかった。しかし、上記のように、パイプ部分の変位でもってその荷重を測定することにより測定精度が高いものとなれば、前記温度変化による変位はパイプ状としたことによって予測できるとともに荷重による変位も大きくなるため、その温度変化による予測した変位を考慮すれば、荷重による変位を正確に計測し得る。すなわち、従来、「温度感受性（温度変化による変位）」＞「荷重による変位」であったのに対し、「温度感受性」＜「荷重による変位」としての特性を得られるものとなる。さらに、前記透孔の軸心方向の内周側、中央部、外周側においてその変位特性が揃う（均一となる）ため、繰り返し荷重による出力（測定値）の安定性も高まる。

前記プレートは、上下に受圧面を有するものであれば、その平面視形状は任意であるが、円形等の環状部材が好ましい。円形であれば、両受圧面への荷重をその軸心周りに均等に受け得るからである。

前記断面正多角形の透孔は、その対称軸が前記受圧面の直交軸方向となることが好ましい。このようになっていると、透孔の左右においてその変位が対称となって、透孔全体の変位が均一となるからである。この点から、透孔は断面円形が最も好ましい。また、その透孔の数及びプレート周方向間隔は、プレートの変位（撓み）特性を考慮して適宜に決定すれば良いが、プレートの平面視において、その軸心に対して左右及び上下に対称となるように位置することが好ましく、間隔は等間隔が好ましい。

前記パイプ状部分は透孔の左右の一方のみでもその透孔の変位を少なからず容易にする。このため、スリットは透孔の左右の一方のみでも良いが、透孔の軸心に対して左右対称に形成（左右に形成）すれば、パイプ状部分がその透孔のほぼ全周に形成されることとなるため、透孔の変位もより円滑になる。このとき、スリットは、透孔の軸心に対して上下対称とすることが好ましい。パイプ状部分が全周つながったパイプ状により近づき、上下左右が対称のパイプ状となってその周囲の厚み方向の変位が均一となるからである。
また、前記スリットは、前記透孔の周りに沿って同一幅となっていることが好ましい。スリット幅が均一であると、前記透孔周囲のプレート壁に対するプレートの他の部分の形状変化も少なく、プレートの受圧面間の変位（撓み）にムラが生じ難いからである。なお、幅を異ならせる場合に比べれば、同一幅の方が、ドリルやワイヤによる形成も容易である（図２、図４参照）。

さらに、前記スリットの前記透孔の周りに沿う面（内側面）は、全長に亘ってその透孔の内周面に対して同一の間隔となって、パイプ状部分を全長に亘って同一厚とすることが好ましい。このようにすると、荷重によるパイプ状部分の変位が全長に亘り均一となり、その均一化によって荷重検出精度も向上するからである。

なお、静電容量型荷重計は、非接触のセンサ（測定子）で検出するので、プレートが圧縮力を受けた状態で、故障懸念のあるセンサ部を交換可能であることが特徴であり、このため、透孔の変形が全周に亘って均一であると、透孔の加工精度、材料の不均一による孔変形のバラツキを抑制し、故障懸念のあるセンサを取り外し、その取り外した透孔に別の透孔で校正したセンサを再現性良く設置が可能となる。

前記各構成のプレートは、その透孔内に種々のその孔の変位計の測定子を組み込めば、両受圧面への荷重を測定する荷重計とすることができる。
その変位計には、従来の周知のものを採用すれば良く、例えば、電気抵抗歪みセンサ、レーザ式変位センサ、静電容量センサ等を使用し得る。その静電容量センサの場合、例えば、前記透孔内周面に設けた一の電極と、その電極に間隙を設けた他の電極とからなり、その両電極間の静電容量変化でもって前記両受圧面間の変位を測定する構成等を採用する。

この発明に係る静電容量型荷重計の一実施例を図１、図２に示し、この静電容量型荷重計Ｇは、前記グランドアンカー工法における緊張材の他端側固定部に設置される。
この荷重計Ｇは、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ６３０）からなるほぼ円環状プレート１０と、そのプレート１０に組み込まれる静電容量検出用プローブ（測定子）２０とからなる。

そのプレート１０の内外径や厚みは測定対象に応じて適宜に設定すれば良いが、例えば、外径：１２８ｍｍ、内径：６５ｍｍ，厚さ：３８ｍｍとし、上下に受圧面１１、１２を有する。また、プレート１０の周囲に、６０度の等間隔で直径：２０ｍｍの円形孔１３を形成し、各円形孔１３はその軸心ｃ_１がプレート１０の径方向となってその内外周面に開口している。この円形孔１３によってプレート１０の厚み方向の剛性を弱めて両受圧面１１、１２への荷重によって厚み方向に変形し（撓み）易くなっている。この円形孔１３の数及び直径は、その変形特性を考慮して、適宜に決定すれば良い。

静電容量検出用プローブ２０は全ての円形孔１３に設けることができるが、図１において左右対称に設けることが好ましい。この実施例では、４個のプローブ２０を左右対称に設けた。

各円形孔１３の周りに、この発明の特徴であるスリット１４が形成されている。このスリット１４は、前記プローブ２０を組み込む円形孔１３には必ず形成する。すなわち、プローブ２０を組み込まない円形孔１３にはスリット１４を設ける必要はない。
スリット１４は円形孔１３と同心の円弧状をしてプレート１０の内外周面に開口しており（図１参照）、その内周面は直径：２５ｍｍの円周上に位置し、その径方向の幅ｔ：０．３ｍｍとなっている。また、その弧状部分１６ｂの中心角度θは１２０度である。幅ｔは下記パイプ状部分１６ｂを形成し得れば任意であるが、パイプ状部分１６ｂの変位（撓み）特性を考慮して適宜に設定する。
スリット１４は、例えば、その両端に３ｍｍ径の孔１５を形成し、その両孔１５、１５間をワイヤーカットによって形成したが、他の手段、例えば、ドリル等によって形成し得る。

このように円形孔１３の周りにその内周に沿ってスリット１４が形成されると、スリット１４によって、円形孔１３周囲のプレート壁がプレート１０の他の部分１６ａと上下で連結され、他が切り離された弧状部分１６ｂがパイプ状となる。このパイプ状部分１６ｂは、上下から力を受けると（荷重を受けると）、その軸心ｃ_１方向全長に亘って均等にかつ容易に撓むとともに上下方向に容易に撓む。このため、パイプ状部分１６ｂの変位でもってその荷重を測定する場合、スリット１４が無い場合に比べて圧縮力による変位量が大きくなり、感度が良くなる。

このようなスリット１４を形成したプレート１０において、上下の受圧面１１、１２に荷重をかけて、円形孔１３の軸心内周側（ｉｎ）、同中央部（ｍｉｄ）、同外周側（ｏｕｔ）の上下間（Ｚ方向）及び左右間（Ｙ方向）の径変化を応力解析により求めた。その荷重（横軸：ｋＮ）と変形量（縦軸：ｎｍ）の関係を図３に示す。また、前記プレート１０において、スリット１４を形成しないものにおいても同様な解析を行い、その結果を図３に示し、同図において、（ａ）はＺ方向、（ｂ）はＹ方向のそれぞれ関係図である。

この解析結果から、スリット１４を形成すれば、パイプ状部分１６ｂの内周側、中央部、外周側における変位量の差が小さくなるとともに、Ｚ方向の変位量が大きくなる一方、Ｙ方向の変位量が小さくなっていることが理解できる。このことから、スリット１４を形成すれば、パイプ状部分１６ｂが容易に変形して、荷重Ｐに対する感度及び精度が向上することが理解できる。

以上の試験結果に基づき、図１に示すように、円形孔１３に静電容量検出用プローブ２０を設けて静電容量型荷重計Ｇを得る。そのプローブ２０は、特許文献１記載のものでも良いが、図１に示すものとすることができる。このプローブ２０は、プレート１０と同一材からなる円筒体２１の表面に絶縁層を介して銀ペースト等の金属からなる一方の電極を形成し、その両端部にＯリング２４等のシール材を嵌め、そのシール材間に窒素ガス等を封入して防錆を行い、後端に取付片２５を固定したものである。プレート１０と円筒体２１を同一材で構成すれば、温度変化による測定誤差を極力抑えることができる。

取付片２５は、その上端部にねじ２６を通し、そのねじ２６をねじ孔２６ａにねじ込むことによってプレート１０に固定し、取付片２５の下端部の孔２７をプレート１０のピン２８に上下左右に動き得るように嵌める（バカ孔２７にピン２８を嵌める）。このとき、円形孔１３と円筒体２１の軸心は一致させる。この取付態様は、プレート１０が上下方向の荷重Ｐを受けても、プローブ２０にはその荷重が殆ど加わらないため、ねじ２６を弛めることによって、負荷状態においてもブローブ２０を取り替えることができる。
なお、このプローブ２０の取付態様は、スリット１４を設けない、例えば、特許文献１の取付態様等においても採用でき、また、そのプローブは、静電容量型以外でも良い。

円形孔１３の内面には、従来と同様に、前記プローブ２０に形成された一の電極に対向するように他の電極を形成する。この他の電極は、円形孔１３の内面を研磨して形成しても良いが、プローブ２０に形成された電極と同様に、金属ペーストを塗布して形成しても良い。
このように、パイプ状部分１６ｂの内面とプローブ２０外面に対向する対の電極が位置することによって、プレート１０の受圧面１１、１２に荷重がかかると、円形孔１３外周のパイプ状部分１６ｂが上下左右方向に変形（変位）し、前記両電極間の静電容量が変化する。その変化を、従来と同様に、リード線２９等を介して電気的に外部のＩＣ等からなる検出器に導き、その検出器において、静電容量変化測定値を、前もって測定したプレート１０への荷重と静電容量の変形量の関係を示すデータベースとの比較によって測定（算出）する。

この実施例において、スリット１４の長さ（角度θ）、同幅ｔ等は、実験などによって適宜に決定する。スリット１４の形状は、この発明の作用効果を発揮し得る限りにおいて任意であり、例えば、弧状ではなく、上下方向の直線状としても良く（図４（ｃ）参照）、円形孔１３の軸心ｃ_１に対して上下対称であったり（同図（ａ）〜（ｄ）参照）、その幅も変化したりしても良い（同図（ａ）、（ｂ）参照）。さらに、左右のスリット１４のどちらか一方のみとしたり（同図（ｄ）参照）、左右が対称で上下を非対称としたり（同図（ｅ）参照）、上下が対称で左右を非対称としたりとすることができる。また、円形孔１３の内周面とスリット１４の内周面の間隙は上下方向で異なっても良い（同図（ｂ）、同（ｃ）参照）。
いずれの態様においても、プローブ２０の電極はパイプ状部分１６ｂに対向させる。

前記実施例は、グランドアンカー工法における緊張材の他端側固定部に設置されるものであったが、この発明の荷重計は、他の種々の態様における荷重を測定する場所に採用し得ることは勿論である。
また、この発明は、受圧面を有するプレートにおいて、その受圧面への荷重をプレート内に形成したパイプ状部分１６ｂの変位として捉え、その変位の測定でもって前記荷重を測定し得るものであるため、そのパイプ状部分１６ｂの変位を捉え得る変位計であれば、静電容量型センサに限らず、他の変位計、例えば、電気抵抗歪みセンサ、レーザ式変位センサ等を採用できる。

このように、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ プレート
１１ 、１２ 受圧面
１３ 円形孔
１４ スリット
１５ 孔
１６ａ 連結部分
１６ｂ パイプ状部分
２０ 静電容量検出用プローブ
２１ 静電容量検出用プローブの円筒体
２４ 円筒体に嵌めるＯリング
２５ 円筒体取付片
２６ プローブ取付ねじ
２６ａ ねじ孔
２７ 孔
２８ ピン

Claims (7)

1. 上下方向の荷重を受ける平行な２つの受圧面を上下に有する環状のプレートと、
   前記環状のプレートを径方向に貫通する断面円形又は断面正多角形の透孔と、
   前記透孔内に設けられ、その透孔の内周面の一の電極と、その一の電極に間隙をおいて対向する他の電極との間の静電容量変化を検出する静電容量検出用プローブと、を有する荷重計であって、
   前記透孔の周りに沿うスリットを、そのスリットによって切り離されたプレートの透孔側部分と、その透孔側部分に対してスリットを挟んで対向する部分とがそれぞれ前記荷重を受けるように形成した荷重計。
2. 前記スリットは、前記透孔の軸心に対して上下左右に対称であり、かつ、そのスリットの前記透孔の周りに沿う面は、全長に亘ってその透孔の内周面に対して同一の間隔となっている請求項１に記載の荷重計。
3. 前記スリットは、透孔の軸心に対して上下対称である請求項１に記載の荷重計。
4. 前記スリットは、透孔の軸心に対して左右対称である請求項１又は請求項３に記載の荷重計。
5. 前記スリットの前記透孔の周りに沿う面は、全長に亘ってその透孔の内周面に対して同一の間隔となっている請求項１、請求項３又は請求項４に記載の荷重計。
6. 前記スリットは、前記透孔の周りに沿って同一幅となっている請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の荷重計。
7. 前記プレートの環状中心軸周りに、前記透孔が等間隔で設けられた請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の荷重計。

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