(57)【要約】【課題】土木分野で多用されているアースアンカーやロックアンカーの張力を監視するための荷重計として最適なＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセルを提供すること。【解決手段】両端にリング状のフランジ部が形成された中空状の円筒部を有し、軸方向に加えられる荷重により歪を発生する起歪部と、前記円筒部の外周面に形成されている前記ＦＢＧの保護用の溝内に貼着された歪検出用ＦＢＧと、前記円筒部の外周面から離間して配設されている無歪状態の板上に貼着された温度検出用ＦＢＧとを備えたことを特徴としている。これにより、外周壁部の加工精度を容易に高めることができると共に、中空部にアースアンカーやロックアンカーを貫通させてセットすることができるので、均一かつ温度補償された歪を検出して高精度な荷重を測定することができる。【選択図】　　　図１
2004125587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）を用いた土木用センターホール型ロードセルであって、
両端にリング状のフランジ部が形成された中空状の円筒部を有し、軸方向に加えられる荷重により歪を発生する起歪部と、
前記円筒部の外周面に形成されている前記ＦＢＧの保護用の溝内に貼着された歪検出用ＦＢＧと、
前記円筒部の外周面から離間して配設されている無歪状態の板上に貼着された温度検出用ＦＢＧとを備えたことを特徴とするＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセル。
【請求項２】
前記円筒部を覆うように前記各フランジ部間に架渡された円筒状のカバーと、前記円筒部と前記カバーとの間に充填された断熱材と、前記保護用溝と前記断熱材とを仕切る仕切板とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセル。
【請求項３】
前記歪検出用ＦＢＧは、少なくとも３つが前記円筒部の外周方向に均等配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセル。
【請求項４】
前記温度検出用ＦＢＧは、前記無歪板における前記円筒部側の面に貼着されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセル。
【請求項５】
前記歪検出用ＦＢＧと前記温度検出用ＦＢＧは、１本の光ファイバにより連結されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木分野で多用されているアースアンカーやロックアンカーの張力を監視するための光ファイバブラッグ回折格子［ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ）］を用いた土木用センターホール型ロードセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
土木分野で多用されているアースアンカーやロックアンカーの張力を監視するための土木用センターホール型ロードセルとして、例えば特開２００２−８２００１号公報には、上下受圧部と応力円筒部より成り、この応力円筒部の中央部外面に電気式の歪ゲージを接着し、上下の加圧板の間に置いて加圧するようにした型式の円筒型力計が記載されている。
【０００３】
しかしながら、この円筒型力計は、電気式の歪ゲージを用いているため、例えば水分、湿度により絶縁性が低下し易く、耐雷性が低く、電磁界によるノイズの影響を受け易いという耐環境性に難がある。また、多点荷重測定を行うには、スキャナやケーブルを増加させる必要があるため、測定点１個当たりのコストが高くなる。さらに、微弱な歪検出信号を扱うため、歪検出信号の伝送面において難がある。このような事情から、上記円筒型力計は、土木分野には不適である。
【０００４】
このような電気式の歪ゲージの問題を解消するものとして、光ファイバを用いたものが提案されている。これは、通信用シングルモード型光ファイバのコア部の屈折率をファイバ軸方向に周期的に変化させたＦＢＧを検出素子として用い、ＦＢＧへの入射光のうち屈折率の周期に対応した特定の波長（ブラッグ波長）のみが選択的に反射される現象を利用したものである。すなわち、ＦＢＧに歪が発生すると、回折格子の周期が変化することから、反射光の波長にシフトを生じるので、この波長のシフト量から加えられた荷重を測定するというものである。
【０００５】
ここで、ＦＢＧを用いる場合、上述したブラッグ波長が温度によって変化する性質があるため、検出する歪のレベル（例えば、数百マイクロストレイン）が周辺の温度変化（例えば、−２０°Ｃ〜７０°Ｃ）に基づくファイバ自身の歪のレベルと同程度であり、温度変化の影響を除外する方法（温度補償）が必要である。
【０００６】
例えば特開平１１−８３６４６号公報には、温度特性は同等で、弾性率の異なる２つの領域が設けられた弾性体において、この２つの領域に跨ってＦＢＧを貼着した光ファイバ型荷重計が記載されている。これによれば、２つの波長成分を持つ反射光を得ることができるので、これらの波長の差を計測することにより、温度変化による波長偏倚を相殺して歪を温度補償することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、土木分野で多用されているアースアンカーやロックアンカーの張力を監視するための荷重計としては、中空円筒形状に形成された荷重計、すなわち中空部にアースアンカーやロックアンカーを貫通させ、外周壁部を均一に歪ませて荷重の高精度測定を行うことが可能な土木用センターホール型ロードセルが望ましい。ところが、上述した従来の光ファイバ型荷重計は、上記公報の図面を見ても明らかなように、外壁部に段差もしくはテーパが付いた中実円筒形状もしくは中実角柱形状に形成されている。このため、中心部にアースアンカーやロックアンカーをセットすることができず、さらに加工精度は中空円筒形状よりも低くなり易いので、均一歪を得ることが困難となって荷重の測定精度が低下する場合がある。よって、この光ファイバ型荷重計は、アースアンカーやロックアンカーの張力を監視するための荷重計としては不向きである。
【０００８】
本発明は上述した事情から成されたものであり、本発明の目的は、土木分野で多用されているアースアンカーやロックアンカーの張力を監視するための荷重計として最適なＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセルを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に記載のＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセルでは、両端にリング状のフランジ部が形成された中空状の円筒部を有し、軸方向に加えられる荷重により歪を発生する起歪部と、前記円筒部の外周面に形成されている前記ＦＢＧの保護用の溝内に貼着された歪検出用ＦＢＧと、前記円筒部の外周面から離間して配設されている無歪状態の板上に貼着された温度検出用ＦＢＧとを備えたことを特徴としている。これにより、外周壁部の加工精度を容易に高めることができると共に、中空部にアースアンカーやロックアンカーを貫通させてセットすることができるので、均一かつ温度補償された歪を検出して高精度な荷重を測定することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセルにおいて、前記円筒部を覆うように前記各フランジ部間に架渡された円筒状のカバーと、前記円筒部と前記カバーとの間に充填された断熱材と、前記保護用溝と前記断熱材とを仕切る仕切板とを備えたことを特徴としている。これにより、歪検出用ＦＢＧの周辺と温度検出用ＦＢＧの周辺は同一の断熱材で覆われることになるので、歪検出用ＦＢＧの周辺温度と温度検出用ＦＢＧの周辺温度の不均一さを緩和することができ、それらの温度特性の改善を図ることができる。また、断熱材が歪検出用ＦＢＧに直接接触することは仕切板により防止されるので、歪検出用ＦＢＧの特性が悪化したり歪検出用ＦＢＧが破損したりすることを防止することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセルにおいて、前記歪検出用ＦＢＧは、少なくとも３つが前記円筒部の外周方向に均等配置されていることを特徴としている。これにより、加えられる荷重が円筒部の周方向において片当たりになっても、平均化された歪を検出することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜３の何れか一項に記載のＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセルにおいて、前記温度検出用ＦＢＧは、前記無歪板における前記円筒部側の面に貼着されていることを特徴としている。これにより、断熱材が温度検出用ＦＢＧに直接接触することは無歪板により防止されるので、温度検出用ＦＢＧの特性が悪化したり温度検出用ＦＢＧが破損したりすることを防止することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜４の何れか一項に記載のＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセルにおいて、前記歪検出用ＦＢＧと前記温度検出用ＦＢＧは、１本の光ファイバにより連結されていることを特徴としている。これにより、多点荷重測定を行う際に、スキャナやケーブル等を増加させる必要が無くなるので、測定点１個当たりのコストを低く抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、発明の実施の形態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのものであり、本発明がその実施の形態に限定されるものではない。
【００１５】
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施の形態であるＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセルを示す平面図及びＡｄ−Ａ０断面とＡ２−Ａ０断面を示す図である。この土木用センターホール型ロードセル１００は、軸方向に加えられる荷重により歪を発生する起歪部１１０と、この起歪部１１０の外周に配設された３つの歪検出用ＦＢＧ１２０及び１つの温度検出用ＦＢＧ１３０を備えている。
【００１６】
起歪部１１０は、両端にリング状のフランジ部１１１が形成された中空状の円筒部１１２を有している。このように、起歪部１１０を中空円筒状に形成しているので、外周壁部の加工精度を容易に高めることができると共に、中空部にアースアンカーやロックアンカーを貫通させてセットすることができるので、均一な歪を検出して高精度な荷重を測定することができる。
【００１７】
円筒部１１２の外周面には、歪検出用ＦＢＧ１２０を収納して保護するための溝１１３が形成されている。この溝１１３は、円筒部１１２の外周方向に１２０°の等角度間隔で軸方向に延びる直方体状に形成されている。なお、溝１１３は、等角度間隔であれば２つもしくは４つ以上形成してもよい。
【００１８】
このように、複数個の歪検出用ＦＢＧ１２０を円筒部１１２の外周面に均等配置しているので、フランジ部１１１の当たり面の状態によって各歪検出用ＦＢＧ１２０で検出される歪が均一にならなくても、全歪検出用ＦＢＧ１２０の歪を平均化し、予め行った校正試験により測定された歪から、加えられる荷重を高精度に測定することができる。
【００１９】
さらに、円筒部１１２の外周面における２つの溝１１３のほぼ中間位置には、温度検出用ＦＢＧ１３０を貼着するための無歪状態のダミー板１４０が例えばネジ等により外周面から離間して配設されている。このダミー板１４０は、温度検出用ＦＢＧ１３０には、起歪部１１０に発生する歪を伝えず、温度のみを伝えるための部材である。このように、温度検出用ＦＢＧ１３０を無歪状態のダミー板１４０に貼着しているので、温度に依存した見掛け歪を補償することができる。
【００２０】
各歪検出用ＦＢＧ１２０は、上記各溝１１３の内部底面に軸方向に延びるように例えば接着剤により貼着されている。温度検出用ＦＢＧ１３０は、ダミー板１４０における円筒部１１２側の面に例えば接着剤により貼着されている。各歪検出用ＦＢＧ１２０と温度検出用ＦＢＧ１３０は、反射中心波長がそれぞれ異なるものが使用される。そして、各歪検出用ＦＢＧ１２０と温度検出用ＦＢＧ１３０は、図２の起歪部１１０の外周面の展開図に示すように、１本の光ファイバ１５０により連結されている。
【００２１】
このように、反射中心波長がそれぞれ異なる各歪検出用ＦＢＧ１２０と温度検出用ＦＢＧ１３０を１本の光ファイバ１５０により連結しているので、多点荷重測定を行う際には以下のような構成とすればよい。すなわち、複数の土木用センターホール型ロードセル１００を数珠繋ぎにしてＦＢＧ歪測定器及びコンピュータに接続し、さらに遠隔監視する場合は測定点数に応じた光チャンネルセレクタ及びモデム等を接続する構成とする。したがって、スキャナやケーブル等を増加させる必要が無くなるので、測定点１個当たりのコストを低く抑えることができる。
【００２２】
さらに、矩形状の仕切板１６０が、歪検出用ＦＢＧ１２０が収納された各溝１１３の開口部を覆うように例えば接着剤により貼着され、円筒状のカバー１７０が、円筒部１１２の外周面を覆うように各フランジ部１１１間に架渡されてスポット溶接されている。なお、スポット溶接の他、接着剤による接着、更に、ガス圧接のような圧接のみならず、種々の融接及びろう付け技術等で両者を固定することが可能である。そして、断熱材１８０が、円筒部１１２とカバー１７０との間に充填されている。
【００２３】
ここで、歪検出用ＦＢＧ１２０の温度と温度検出用ＦＢＧ１３０の温度が同一であることが温度に依存した見掛け歪を補償する上で重要であるが、例えば直射日光が土木用センターホール型ロードセル１００の片側に当たるような場合の不均一な温度分布、特に過渡的に発生する温度不均一さに依存した見掛け歪を補償するには、各歪検出用ＦＢＧ１２０の近傍に温度検出用ＦＢＧ１３０を取り付けることが望ましいが、コスト高になるという問題がある。
【００２４】
そこで、上記のような構成にすることにより、歪検出用ＦＢＧ１２０の周辺と温度検出用ＦＢＧ１３０の周辺は同一の断熱材１８０で覆われることになるので、歪検出用ＦＢＧ１２０の周辺温度と温度検出用ＦＢＧ１３０の周辺温度の不均一さを緩和することができ、それらの温度特性の改善を図ることができる。
【００２５】
また、断熱材１８０が歪検出用ＦＢＧ１２０に直接接触することは仕切板１６０により防止されるので、歪検出用ＦＢＧ１２０の特性が悪化したり歪検出用ＦＢＧ１２０が破損したりすることを防止することができる。さらに、断熱材１８０が温度検出用ＦＢＧ１３０に直接接触することはダミー板１４０により防止されるので、温度検出用ＦＢＧ１３０の特性が悪化したり温度検出用ＦＢＧ１３０が破損したりすることも防止することができる。
【００２６】
図３は、上記土木用センターホール型ロードセル１００を土木分野で多用されているアースアンカーやロックアンカーの張力監視に適用した場合を示す断面図である。アンカーボルト１０の下部アンカーネジ部１１が基礎部１２にねじ込まれ、このアンカーボルト１０に下部載荷板１３、土木用センターホール型ロードセル１００、上部載荷板１４がこの順で挿入され、アンカーボルト１０の上部アンカーネジ部１５にアンカーボルト固定ナット１６がねじ込まれて荷重が負荷されている。これにより、上述した理由から、平均化され、かつ温度補償された正確な歪を検出することができるので、高精度な荷重監視システムを構築することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、外周壁部の加工精度を容易に高めることができると共に、中空部にアースアンカーやロックアンカーを貫通させてセットすることができ、さらに、加えられる荷重が円筒部の周方向において片当たりになっても、平均化された歪を検出することができるので、高精度な荷重を測定することができる。このとき、歪検出用ＦＢＧの周辺と温度検出用ＦＢＧの周辺は同一の断熱材で覆われることになるので、歪検出用ＦＢＧの周辺温度と温度検出用ＦＢＧの周辺温度の不均一さを緩和することができ、それらの温度特性の改善を図ることができる。
【００２８】
また、断熱材が歪検出用ＦＢＧ及び温度検出用ＦＢＧに直接接触することは仕切板及び無歪板により防止されるので、歪検出用ＦＢＧ及び温度検出用ＦＢＧの特性が悪化したり歪検出用ＦＢＧ及び温度検出用ＦＢＧが破損したりすることを防止することができる。また、多点荷重測定を行う際に、スキャナやケーブル等を増加させる必要が無くなるので、測定点１個当たりのコストを低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるＦＢＧを用いた土木用センターホール型ロードセルを示す平面図及びＡｄ−Ａ０断面とＡ２−Ａ０断面を示す図である。
【図２】図１の土木用センターホール型ロードセルの起歪部の外周面の展開図である。
【図３】図１の土木用センターホール型ロードセルを土木分野で多用されているアースアンカーやロックアンカーの張力監視に適用した場合を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　　　　　　　　　　アンカーボルト
１１　　　　　　　　　　下部アンカーネジ部
１２　　　　　　　　　　基礎部
１３　　　　　　　　　　下部載荷板
１４　　　　　　　　　　上部載荷板
１５　　　　　　　　　　上部アンカーネジ部
１６　　　　　　　　　　アンカーボルト固定ナット
１００　　　　　　　　　土木用センターホール型ロードセル
１１０　　　　　　　　　起歪部
１１１　　　　　　　　　フランジ部
１１２　　　　　　　　　円筒部
１１３　　　　　　　　　溝
１２０　　　　　　　　　歪検出用ＦＢＧ
１３０　　　　　　　　　温度検出用ＦＢＧ
１４０　　　　　　　　　ダミー板
１５０　　　　　　　　　光ファイバ
１６０　　　　　　　　　仕切板
１７０　　　　　　　　　カバー
１８０　　　　　　　　　断熱材
【図１】
2004125587.tif 000003
【図２】
2004125587.tif 000004
【図３】
2004125587.tif 000005