(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状に形成された被測定部材の外周部の少なくとも測定部位に接着剤によって固着された起歪部材と、この起歪部材の外周面に、前記被測定部材の軸線方向に延在するように固着された光ファイバとからなり、前記光ファイバにファイバブラッググレーティングが形成され、前記起歪部材のファイバブラッググレーティングに対応した部位に切欠きを設けた特徴とする軸力計。
【請求項２】
請求項１記載の軸力計において、起歪部材を円筒状に形成し、この起歪部材の軸線を対称軸とする対称な位置に光ファイバを設けたことを特徴とする軸力計。
【請求項３】
請求項１または２記載の軸力計において、ファイバブラッググレーティングを複数設け、これらファイバブラッググレーティングのブラッグ波長がそれぞれ異なることを特徴とする軸力計。
【請求項４】
請求項１ないし３記載の軸力計において、被測定部材を複数設け、複数のファイバブラッググレーティングのブラッグ波長がそれぞれ異なることを特徴とする軸力計。
【請求項５】
請求項１ないし４記載の軸力計において、起歪部材および光ファイバが筒状の保護部材とこの保護部材の両端部を被測定部材に固定する一対の固定部材とによって覆われていることを特徴とする軸力計。
【請求項６】
請求項５記載の軸力計において、固定部材に光ファイバの出力ケーブルを導出する導出孔を設けたことを特徴とする軸力計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンカーまたはケーブルボルト等の軸力を測定する軸力計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アンカーまたはケーブルボルトは、地すべりの監視用に使用されている。例えば、鉱山の坑道やトンネル等の地下空間を堀削するには、図５に示すように、トンネル２０を掘削する際に、先ず先進導坑２１を掘削して地質状況を確認するとともに、地山２２の補強とトンネル２０全体を堀削するために、狭い作業空間である先進導坑２１から全長の長いボルトを容易に施工可能なフレキシブルなケーブルボルト２３が多数本打設されている。
【０００３】
このように施工されたアンカーまたはケーブルボルトは、地山２２の挙動またはアンカーまたはケーブルボルトの補強効果を把握し、工事の安全性を確保するために、アンカーまたはケーブルボルトの全長にわたって発生する軸力の大きさまたは分布を測定する必要がある。
【０００４】
図６は従来のアンカーの軸力を測定する計測例を示す断面図である。これを同図によって説明すると、削孔した穴３０にアンカー３１を挿入し、アンカー３１の定着部３２をコンクリートモルタル３３によって固定した後、アンカー３１の頭部に、定着金具３４、中空状のロードセル３５、コンクリート受圧板３６を順に装着してアンカー３１を緊張させる。このとき、ロードセル３５にアンカー３１の張力、すなわち軸力が計測される。この場合、計測手段としてロードセル３５の替わりにアンカー３１の素線の表面にひずみゲージを直接貼着し、この上に防水材または防護材等をコーティングし、素線のひずみから軸力を換算する方法もある。
【０００５】
これに対して、本願発明者は、特開平０９−００５１８０号公報において、ひずみゲージを用いて軸力を測定する別の方法を提案している。これを図７によって説明すると、被測定物であるケーブルボルト４０の外周部に接着剤４１を介して円筒状に形成された起歪筒４２が固定され、この起歪筒４２の外周部にケーブルボルト４０の軸線方向に延在するようにひずみゲージ４３が貼着されている。これらケーブルボルト４０および起歪筒４２は、充填材４４を介して保護筒４５によって全周が覆われており、保護筒４５は両端部において固定金具４６によってケーブルボルト４０および起歪筒４４に固定されている。４７，４７は出力ケーブル、４８，４８はゴムチューブ、４９は全体を覆う保護チューブである。このように構成されていることにより、ケーブルボルト４０の測定個所に軸線方向の力が作用してひずみが生じると、このひずみによって起歪筒４２にもひずみが生じる。このひずみは、起歪筒４２の外周面に貼着されたひずみゲージ４３によって検出され、この検出データから軸力が計測される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の軸力計においては、被測定物のひずみをひずみゲージ４３によって計測するように構成しているために、水分が混入すると絶縁不良が発生したり、落雷や誘導雷により電気的なノイズを拾ってしまうという問題があった。また、ひずみゲージ４３が接続された出力ケーブル４７の全長が長くなると、出力ケーブル４７の抵抗値を補正する必要があり、測定場所と計測位置とが離れている場合には、測定ができなくなるといる問題もあった。
【０００７】
本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、正確で安定した軸力の測定を可能にした軸力計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、棒状に形成された被測定部材の外周部の少なくとも測定部位に接着剤によって固着された起歪部材と、この起歪部材の外周面に、前記被測定部材の軸線方向に延在するように固着された光ファイバとからなり、前記光ファイバにファイバブラッググレーティングが形成され、前記起歪部材の前記ファイバブラッググレーティングに対応した部位に切欠きを設けたものである。
したがって、ファイバブラッググレーティングは、特開２００１−２２１６１５号公報に開示されているように、ひずみ検出用として使用でき、反射もしくは透過する光において、ピーク波長もしくはドロップ波長、すなわちブラッグ波長が変化することにより被測定部のひずみが検出できる。また、ファイバブラッググレーティングが起歪部材の外周面と非接触状態になる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記起歪部材を円筒状に形成し、この起歪部材の軸線を対称軸とする対称な位置に光ファイバを設けたものである。
したがって、仮に測定個所に曲がりが発生しても対称位置にある光ファイバの一方のファイバブラッググレーティングの伸長と他方のファイバブラッググレーティングの収縮とによって曲がり成分が打ち消される。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、ファイバブラッググレーティングを複数設け、これらファイバブラッググレーティングのブラッグ波長がそれぞれ異なるものである。
したがって、ブラッグ波長を違えることにより、ファイバブラッググレーティングによる検出データを出力する出力ケーブルが１本でよい。
【００１１】
また、請求項４に係る発明は、請求項１ないし３に係る発明において、被測定部材を複数設け、複数のファイバブラッググレーティングのブラッグ波長がそれぞれ異なるものである。
したがって、ブラッグ波長を違えることにより、ファイバブラッググレーティングによる検出データを出力する出力ケーブルが１本でよい。
【００１２】
また、請求項５に係る発明は、請求項１ないし４に係る発明において、前記起歪部材および光ファイバが筒状の保護部材とこの保護部材の両端部を被測定部材に固定する一対の固定部材とによって覆われているものである。
したがって、起歪部材および光ファイバの防湿性に優れているとともに、起歪部材および光ファイバが他部材と接触するのを規制される。
【００１３】
また、請求項６に係る発明は、請求項５に係る発明において、固定部材に光ファイバの導出ケーブルを導出する導出孔を設けたものである。
したがって、光ファイバケーブルが固定部材によって固定される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。
同図において、全体を符号１で示すものは本発明に係る軸力計であって、弾性係数の大きいプラスチックによって円筒状に形成した起歪部材としての起歪筒２と、この起歪筒２の外周面に貼着された２本の光ファイバ３，３とによって構成されている。
【００１６】
起歪筒２はケーブルボルト４の測定個所に位置決めされ、ケーブルボルト４の中心軸と起歪筒２の中心軸と一致するようにして、接着剤５によってケーブルボルト４の外周上に固着されている。接着剤５は接着力の大きい金属用の高性能接着剤が使用されており、この接着剤５によって起歪筒２がケーブルボルト４に一体化されている。また、接着剤５は弾性接着剤であって、ケーブルボルト４のひずみが正しく起歪筒２に伝達されるように、起歪筒２の弾性係数が接着剤５の弾性係数よりも小さくなるように設定している。
【００１７】
光ファイバ３の一部には、ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと略称する）７が書き込まれており、このＦＢＧ７が上述したケーブルボルト４の測定箇所に対応するように、光ファイバ３が接着剤８によって起歪筒２の外周面に固着されている。このように固着された２本の光ファイバ３，３は、ケーブルボルト４の軸線方向に延在し、かつケーブルボルト４の中心軸を対称軸とする対称の位置に位置付けられている。
【００１８】
このような構成において、軸力計１はケーブルボルト４とともにケーブルボルト打設孔内に挿入され、ケーブルボルト打設孔内に注入されたモルタルによって固定される。ケーブルボルト４に軸線方向の力が作用してひずみが生じると、このひずみは正しく起歪筒２に伝達されるので、ＦＢＧ７がこの起歪筒２のひずみを検出するので、この検出データに基づいて軸力が計測される。
【００１９】
このように、本発明の軸力計１においては、ＦＢＧ７をケーブルボルト４の素線に直接貼着することなく、あらかじめＦＢＧ７を起歪筒２に貼着することにより間接的に測定するようにしている。したがって、ＦＢＧ７を貼着するためケーブルボルト４の素線の表面をサンダーで削る等の加工が不要になるので、軸力計１をケーブルボルト４を設置する現地においてケーブルボルト４に容易に組み込むことができる。また、ケーブルボルト４のひずみを起歪筒２を介して間接的に測定するようにしたことにより、ＦＢＧ７がケーブルボルト４の素線のねじれの影響を受けることがない。
【００２０】
また、ＦＢＧ７をケーブルボルト４の中心軸を対称軸とする対称の位置に位置付けたことにより、ケーブルボルト４の測定個所が曲がり、軸力計１も曲がった場合でも、一方のＦＢＧ７は伸長し、他方のＦＢＧ７は収縮する。したがって、これらの平均値を取ることにより、曲がり成分を打ち消して曲がり成分を是正することができるので、ケーブルボルト４の正確なひずみを検出することができる。なお、この実施の形態においては、光ファイバ３を一対設けたが、二対以上設けてもよく、二対以上設ければいずれの曲がり方向に対してもより正確なひずみを検出することが可能になる。
【００２１】
図２は本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
この第２の実施の形態では、起歪筒２の外周部であってケーブルボルト４の測定位置に対応した部位に切欠部１０，１０を設け、この切欠部１０にＦＢＧ７を対応させるようにして、光ファイバ３を切欠部１０の端縁に接着剤８によって固定したものである。すなわち、ＦＢＧ７が起歪筒２の外周面に接触することなく、切欠部１０の底面から離間するようにして、ＦＢＧ７の両端部が、このＦＢＧ７が含まれないように起歪筒２の外周部に固定されている。
【００２２】
ここで、上述した第１の実施の形態のように、ＦＢＧ７の全体を起歪筒２の外周面に貼着した場合では、仮に、起歪筒２に生じるひずみが不均一であった場合に、ＦＢＧ７の伸縮ムラが発生する。したがって、反射信号としての波長変化にノイズを与えてしまい、反射波長が均一ではなく複数現れてしまうといった問題が発生する。しかしながら、第２の実施の形態のように、切欠部１０を設け、ＦＢＧ７を起歪筒２の外周面と非接触状態とすることにより、上述したＦＢＧ７にかかるひずみムラの発生を防止することができるので、均一な信号で安定した計測が可能になる。
【００２３】
図３は本発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
この第３の実施の形態においては、起歪筒２の両端に位置付けられたリング状の固定金具１２，１２がケーブルボルト４に固定されており、この固定金具１２には、光ファイバ３の出力ケーブル１５を導出する導出孔１３が設けられている。１４は剛性の高い金属によって円筒状に形成された保護筒であって、光ファイバ３および起歪筒２を覆うようにしてケーブルボルトが受ける軸力の影響を与えない程度に固定金具１２に固定されている。出力ケーブル１５には、光コネクタが接続されており、延長用の光ケーブル（いずれも図示せず）をコネクタ接続することにより観測所の機器と接続され、検出データが記録される。したがって、絶縁性、遠隔監視性に優れ、多数箇所の広範囲な計測が可能になる。
【００２４】
このように、起歪筒２と光ファイバ３とが固定金具１２と保護筒１４とによって覆われていることにより、起歪筒２に接触等の外的な要因による局所的なひずみを防止できるとともに、光ファイバ３に障害物等が接触して断線するようなことがない。また、起歪筒２と光ファイバ３の防湿性にも優れている。また、固定金具１２に光ファイバ３の出力ケーブル１５を導出する導出孔１３を設けたことにより、出力ケーブル１５がこの導出孔１３によって固定され、光ファイバ３が保護されているから、出力ケーブル１５に外力が加わったとしても光ファイバ３の断線を防止することができる。
【００２５】
ここで、２つのＦＢＧ７，７のブラッグ波長をそれぞれ異ならせることにより、１本の出力ケーブル１５に複数の検出点を設けることができるから、出力ケーブル１５を１本とすることができるので、配線の処理が容易になる。なお、この場合、被測定物であるケーブルボルト４を複数本設け、これら複数本のケーブルボルト４に対応した複数のＦＢＧ７からの検出データを１本の出力ケーブル１５によって検出することもできる。
【００２６】
図４はケーブルボルト４の引張試験において、本発明に係る軸力計１の出力と引張荷重との関係を示した図である。同図において、横軸に軸力計ひずみ（出力）を表し、縦軸に引張荷重を表しており、破線は、ＰＣ撚り鋼線を用い径が１５．２ｍｍのケーブルボルトの場合の試験結果を示し、実線は、ＰＣ撚り鋼線を用い径が１２．７ｍｍのケーブルボルトの場合の試験結果を示している。これらの図から明らかなように、本発明に係る軸力計による測定データは、実荷重と直線性の良い相関関係が得られることがわかる。
【００２７】
なお、本実施の形態では、軸力計１をケーブルボルト４の軸力を測定するために用いた例を示したが、ケーブルボルト以外の棒状部材、例えばアンカーやＦＲＰによって形成されたケーブル等種々の棒状部材の軸力を測定することができる。また、ケーブルボルト４に２本の光ファイバ３，３を設けたが、１本の光ファイバでもよい。
【００２８】
【実施例】
起歪筒２をプラスチックによって形成した。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、被測定物の軸力を起歪筒により間接的に測定するようにしたことにより、軸力計を現地で組込むことが容易になるばかりではなく、素線のねじれの影響を受けずに安定した正確な軸力を測定することができる。また、光ファイバを使用することにより、水分の混入による絶縁不良を防止でき、かつ電磁ノイズの影響を受けないため雷電対策になるばかりか、長期的な信頼性を維持できる。また、ＦＢＧを起歪筒の軸線を対称軸とする対称の位置に複数個設けたことにより、測定個所に曲げが生じた場合、曲げによる誤差を是正することができる。さらに、ファイバブラッググレーティングによる軸力計によれば、絶縁性、遠隔監視性に優れ、多数箇所の広範囲な計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】  本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図３】  本発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図４】  本発明に係る軸力計によって計測された軸力計の出力と引張加重との関係を示す図である。
【図５】  ケーブルボルトの使用状態の説明するためのモデル図である。
【図６】  アンカーの軸力を測定する従来の計測方法を示す断面図である。
【図７】  従来の軸力計の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１…軸力計、２…起歪筒、３…光ファイバ、４…ケーブルボルト、５，８…接着剤、７…ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、１０…切欠部、１２…固定金具、１３…導出孔、１４…保護筒、１５…出力ケーブル。
【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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