(57)【要約】【課題】雪を圧縮させた状態で剪断したときの剪断力と剪断変位とを計測し、雪の剪断弾性率を含む剪断特性を高精度で測定しうる。【解決手段】基台２に、容器本体６Ｕと横移動部６Ｌとからなりサンプリングされた雪を収納しうるサンプル容器６と、ピストン７の押し下げる又は押し上げによりサンプル容器６内の雪を圧縮させる押し具８とを具える雪の圧縮手段３、及び前記横移動部６Ｌを圧縮方向と交わる向きに移動させることにより雪を剪断する横押し具４１と、雪への剪断力を測定する剪断力測定具４２と、横移動部６Ｌの横移動距離を測定する横移動距離測定器４３とからなる雪の剪断特性測定手段４を設けた。【選択図】　図１
2004125620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雪を圧縮させた状態で剪断したときの剪断力と剪断変位とを計測し雪の剪断特性を測定する雪特性測定装置であって、
基台に、
サンプリングされた雪を収納しうる直筒状をなし、かつ容器本体とこの容器本体とは圧縮方向に交わる向きに移動しうる横移動部とからなるサンプル容器と、前記サンプル容器の内腔と摺動して、内腔内の雪の上面又は下面に当接するピストンを具え、かつ該ピストンを荷重付加具により押し下げる又は押し上げることにより該雪を圧縮させる押し具とを具える雪の圧縮手段、
及び前記横移動部を移動させることにより前記サンプル容器内の雪を剪断する横荷重付加具を有する横押し具と、
前記雪への剪断力を測定する剪断力測定具と、
前記横移動部の横移動距離を測定することにより雪の剪断変位を計測する横移動距離測定器とからなる雪の剪断特性測定手段を設けたことを特徴とする雪特性測定装置。
【請求項２】
前記サンプル容器は、その少なくとも一部が外部に露出して前記基台に支持されることを特徴とする請求項１記載の雪特性測定装置。
【請求項３】
前記サンプル容器を冷却でき、前記サンプル容器内の雪が圧力融解するのを防止する冷却手段を具備したことを特徴とする請求項１又は２記載の雪特性測定装置。
【請求項４】
前記剪断力測定具は、前記横移動部と横荷重付加具との間に介在するロードセルであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の雪特性測定装置。
【請求項５】
前記サンプル容器は、前記容器本体と横移動部との間のクリアランスを、３．０ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の雪特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雪を圧縮させた状態で剪断したときの剪断力と剪断変位とを計測して雪の剪断特性を測定しうる雪特性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術、及び発明が解決しようとする課題】
例えばスノータイヤ、スタッドレスタイヤなどの冬用タイヤの雪上走行性能は、雪質に依存してその性能が大きく影響される。従って、冬用タイヤの研究開発においてタイヤの雪上走行性能を正確に比較評価する場合、同じ雪質の基で測定されたテストデータ、即ち同コースで同時刻に測定されたテストデータしか互いに比較評価することができず、研究開発の著しい妨げとなっている。
【０００３】
そこで本発明者は、雪質を定量化して表示すべく研究を行った。その結果、
▲１▼　雪質、すなわち雪が有する特性のうち雪上走行性能への影響力が大きいものとして、圧縮特性および剪断特性があり、これらを定量化して表示すことにより、雪質を概ね掌握できること、
▲２▼　テストコースの場所、テストの日時や時間、及びテスト時の気象条件などのうちの何れか一つでも異なった条件下で測定したテストデータにおいても、前記雪の圧縮特性および剪断特性が略一致している場合には、互いのテストデータを比較評価しうること、などを究明し得た。
【０００４】
又このような雪の圧縮特性および剪断特性を定量化することにより、種々の雪質の基で測定されたテストデータを、該雪の圧縮特性及び／又は剪断特性によって補正することも可能となり、雪質が異なる条件下で測定したテストデータ間の比較評価の実現も期待できる。さらにこのような定量化は、タイヤの雪上走行性能をコンピュータシュミレーションする際の雪モデルのデータとして活用することも可能となる。
【０００５】
このうち、前記「剪断特性」とは、周知の如く、圧縮状態の雪に剪断応力を加えたときに生じる剪断変位と剪断応力との関係であり、図５に模式的に示す曲線ｍの如く、剪断初期には剪断応力が一定の弾性率（剪断弾性率という）を有して急激に増加し、その後変化が緩やかとなり、やがて×印の位置に達すると雪の壊れ（剪断破壊）が発生する。このときの前記剪断弾性率及び及び曲線ｍの形状が、雪質で相違し、トラクション性等に大きく影響を与える。
【０００６】
なお建築分野では、土壌の剪断破壊特性を測定する装置として、一面剪断試験装置が用いられている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
安川邦夫、今西清志、立石義孝著、「絵とき土質力学」オーム社、ｐ１２０−１２３
【０００８】
しかしこのものは、土壌を対象としたものであるため、装置構造が複雑かつ大型であり、屋外での測定を困難としている。なお雪の剪断特性は、気象条件や地域によって大きく影響を受けるため、測定対象となる雪が存在している場所に測定装置を持ち込み、サンプリングした雪をその場所でサンプリングと同時に測定することが重要であるが、前記装置では大型であるためそれを困難とし、剪断特性を正確に測定することができない。
【０００９】
又雪は、圧縮すると体積減少に伴い温度が上昇して融解（圧力融解）する傾向となるが、前記装置では構造が複雑であるため圧力融解を防止することが難しく、この点からも雪の剪断特性の測定を正確に行うことはできない。
【００１０】
そこで本発明は、構造簡易かつコンパクトに形成しうるなど、測定場所への装置の携帯を便宜とし、サンプリングした雪をその場所でサンプリングと同時に測定しうるとともに、測定時の圧力融解による雪の変質を抑えることが可能となり、剪断弾性率を含む雪の剪断特性を高精度で測定でき、雪質の定量化に大きく貢献しうる雪特性測定装置の提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、雪を圧縮させた状態で剪断したときの剪断力と剪断変位とを計測し雪の剪断特性を測定する雪特性測定装置であって、
基台に、
サンプリングされた雪を収納しうる直筒状をなし、かつ容器本体とこの容器本体とは圧縮方向に交わる向きに移動しうる横移動部とからなるサンプル容器と、前記サンプル容器の内腔と摺動して、内腔内の雪の上面又は下面に当接するピストンを具え、かつ該ピストンを荷重付加具により押し下げる又は押し上げることにより該雪を圧縮させる押し具とを具える雪の圧縮手段、
及び前記横移動部を移動させることにより前記サンプル容器内の雪を剪断する横荷重付加具を有する横押し具と、
前記雪への剪断力を測定する剪断力測定具と、
前記横移動部の横移動距離を測定することにより雪の剪断変位を計測する横移動距離測定器とからなる雪の剪断特性測定手段を設けたことを特徴としている。
【００１２】
又請求項２の発明では、前記サンプル容器は、その少なくとも一部が外部に露出して前記基台に支持されることを特徴としている。
【００１３】
又請求項３の発明では、前記サンプル容器を冷却でき、前記サンプル容器内の雪が圧力融解するのを防止する冷却手段を具備したことを特徴としている。
【００１４】
又請求項４の発明では、前記剪断力測定具は、前記横移動部と横荷重付加具との間に介在するロードセルであることを特徴としている。
【００１５】
又請求項５の発明では、前記サンプル容器は、前記容器本体と横移動部との間のクリアランスを、３．０ｍｍ以下としたことを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を、図示例とともに説明する。図１は本発明の雪特性測定装置を示す斜視図、図２はその正面図、図３はその側面図である。
【００１７】
図１〜３において、本実施形態の雪特性測定装置１は、基台２に、雪Ｗの圧縮手段３および剪断特性測定手段４を設けることにより構成され、これによって、雪の剪断弾性率を含む剪断特性を高精度で測定する。
【００１８】
前記基台２は、例えば四隅に設ける脚部５によって高さ調整自在に水平支持される板状の基台部２Ａと、この基台部２Ａ上に立設される支柱部２Ｂとを具え、測定現場における屋外での装置の据え付けを可能としている。
【００１９】
又前記圧縮手段３は、サンプリングされた雪Ｗを収納しうる直筒状のサンプル容器６と、前記サンプル容器６内の雪Ｗの上面に当接するピストン７を有しかつこのピストン７を押し下げることにより該雪Ｗを圧縮させる押し具８とを少なくとも具え、本例では、前記ピストン７の押し下げの距離を測定する距離測定器１０をさらに具備したものを例示している。なお押し具８としては、ピストン７を雪Ｗの下面に当接せしめ、このピストン７を押し上げることにより雪Ｗを圧縮させる如く構成させることもできる。
【００２０】
前記サンプル容器６は、図４に示すように、サンプリングされた雪Ｗを収納する例えば矩形筒状の有底の容器であって、本例では、その前面を例えばアクリル樹脂、ポリカーボネ−ト樹脂などの透明プラスチックで形成することにより、内部の雪Ｗの圧縮状態及び剪断状態を透視可能に形成している。なお本例では、前記サンプル容器６が、上方側の容器本体６Ｕと、この容器本体６Ｕとは圧縮方向に交わる向きに横移動しうる下方側の横移動部６Ｌとから形成される場合を例示しており、該横移動部６Ｌは、前記基台部２Ａ上に敷設されるガイドレール１１によって横移動可能に案内される。
【００２１】
又前記容器本体６Ｕは、前記支柱部２Ｂに、保持手段１３を介して着脱自在に保持される。この保持手段１３は、本例では、前記支柱部２Ｂから前方に突出する一対の縦の保持板片１３Ａを有し、この保持板片１３Ａ、１３Ａ間の空所内に、前記容器本体６Ｕを挿入保持させる。なお保持板片１３Ａは、容器本体６Ｕを前記横移動部６Ｌから浮かして保持でき、又本例では、前記容器本体６Ｕ下端と横移動部６Ｌ上端との間のクリアランス（隙間）を、３．０ｍｍ以下、好ましくは１．０ｍｍ以下、さらに好ましくは０．５ｍｍ以下に調整可能に構成している。
【００２２】
ここで、雪は圧縮すると体積減少に伴って温度上昇し圧力融解を起こすなど雪質を変化させる性質があり、従って、剪断特性を正確に測定するためには、圧縮による温度上昇を抑えて圧力融解を防止することが重要である。そのためには、サンプル容器６を、その少なくとも一部を外部に露出させて前記基台２に支持せしめ、内部の雪Ｗをサンプル容器６とともに露出部分から自然冷却させる、及び／又はドライアイスなどを露出部分に付着させて強制冷却させることが好ましい。
【００２３】
このとき、冷却効果をより高めるため、露出部分を多く確保することが必要であり、そのために本例では、容器本体６Ｕの前面及び横移動部６Ｌの周囲面の略全体の広い領域を外部に露出させている。
【００２４】
次に、前記押し具８は、サンプル容器６内の雪Ｗ上面に当接するピストン７と、該ピストン７に荷重を付加して押し下げることにより該雪Ｗを圧縮させる荷重付加具１５とを具えるとともに、この荷重付加具１５では、付加する荷重を掌握可能に構成している。
【００２５】
前記ピストン７は、前記サンプル容器６の内腔面と摺動しうるピストンヘッド７Ａ（図２、３に示す）と、このピストンヘッド７Ａよりも小径をなしかつ上方に向かって一体にのびる胴部７Ｂとを具え、この胴部７Ｂの上端に荷重付加具１５が同軸状に連結される。
【００２６】
ここで、前記ピストンヘッド７Ａでは、摺動の際の前記内腔面との摩擦熱の発生を抑え、摩擦熱による雪の融解を防止するために、例えばテフロン（デュポン社の商標）等の摩擦抵抗が低いポリフルオルエチレン樹脂を使用することが好まし。又このピストンヘッド７Ａでは、前記内腔面との間のクリアランスが小さいと、圧縮時或いはサンプル封入時、ピストンヘッド７Ａと内腔面との間に僅かに存在する水分が、測定時の環境温度によって凍結してしまい、ピストン７が摺動できない、或いは圧縮力が正確に雪に伝達されなくなるという問題が発生する。従って、前記クリアランスは、好ましくは０．０５〜１．０ｍｍ、さらには０．１〜０．５ｍｍに設定するのが好ましい。
【００２７】
又前記荷重付加具１５として、図１に示すように、本例では、ボールネジ機構を用いて形成した場合を例示する。この荷重付加具１５は、前記支柱部２Ｂに設けるガイド１７によって上下移動自在に案内される昇降台１８と、下端部が前記昇降台１８に枢着されかつ上端部に手操作用のハンドル１９Ａを形成した垂直なネジ軸１９と、前記支柱部２Ｂの上端部に取付板を介して固定されかつ前記ネジ軸１９と螺合するナット金具２０とを具える。なお本例では、前記昇降台１８と前記ピストン７の上端部とを継ぎ部材２１を介して連結した場合を例示しているが、継ぎ部材２１を介することなく直接連結しても良い。
【００２８】
このように、本例の荷重付加具１５では、前記ネジ軸１９がハンドル操作によって螺進することにより、自在な距離を昇降台１８とともに一体に下降でき、同軸状に連結されるピストン７を押し下げることにより、前記サンプル容器６内の雪Ｗを圧縮できる。このとき、ピストン７に付加する荷重である雪Ｗからの反力、即ち雪Ｗへの圧縮力は、本例では、前記ピストン７と継ぎ部材２１との間、或いは昇降台１８との間に介在させるロードセルなどのセンサによって測定できる。なおセンサとして、例えば圧電効果を利用した圧電式力センサ、磁気歪現象を利用した磁わい式力センサなど、種々のものを適宜採用することができる。
【００２９】
又前記荷重付加具１５としては、前記ボールネジ機構以外にも、例えば、予め質量を測定しておいた錘を用いることもできる。即ち、この錘を前記昇降台１８上、或いは垂直に支持したピストン７上に直接乗せることにより、ピストン７を押し下げて雪Ｗを圧縮させる。このとき、雪Ｗへの圧縮力は、前記ピストン７と錘との質量の和（昇降台１８等を有するときは昇降台１８等の質量も含める）で表すことができ、またこれらの各質量を予め計測しておくことで、前記圧縮力を掌握できる。かかる場合には、装置構造をさらに簡易化かつ小型化しうるため、携帯性を高める上でより好ましいものとなる。
【００３０】
なお本例では、前記雪Ｗの圧縮による体積変化を測定するために、前記押し具８の押し下げの距離を測定する距離測定器１０を設けた場合を例示しているが、この距離測定器１０は排除することができる。なお距離測定器１０として、本例では、図１の如く、検出スケール１０Ａと、この検出スケール１０Ａに沿った移動距離を検出する検出ヘッド１０Ｂとからなる所謂リニアスケールを使用している。前記検出スケール１０Ａは、前記支柱部２Ｂに取付金具を介して垂直に取り付けられ、又前記検出ヘッド１０Ｂは、前記昇降台１８に一体移動可能に取り付けられる。なおリニアスケールとして光学式、電磁式の種々のものが適宜使用できる。
【００３１】
次ぎに、前記剪断特性測定手段４は、サンプル容器６の前記横移動部６Ｌを移動させることによりサンプル容器６内の雪Ｗを剪断する横荷重付加具４０を有する横押し具４１と、前記雪への剪断力を測定する剪断力測定具４２と、前記横移動部６Ｌの横移動距離を測定することにより雪の剪断変位を計測する横移動距離測定器４３とから構成される。
【００３２】
又前記横荷重付加具４０は、本例では、前記荷重付加具１５と略同様のボールネジ機構を用いて形成している。即ちこの横荷重付加具４０は、図２の如く、基台部２Ａ上の前記ガイドレール１１によって横移動自在に案内される移動台４７と、横方向内端部が前記移動台４７に枢着されかつ外端部に手操作用のハンドル４６Ａを形成した水平なネジ軸４６と、前記基台部２Ａに取付板を介して固定されかつ前記ネジ軸１９と螺合するナット金具４５とを具える。なお本例では、前記移動台４７と前記ピストン７とは継ぎ部材４８を介して連結した場合を例示しているが、継ぎ部材４８を介することなく直接連結しても良い。
【００３３】
このように本例の横押し具４１では、横荷重付加具４０をなすネジ軸４６がハンドル操作による螺進によって内方に横移動し、移動台４７を介して横移動部６Ｌを移動させることにより、前記サンプル容器６内の雪Ｗを剪断できる。このとき、雪Ｗから受ける反力、すなわち剪断力は、本例では、前記横移動部６Ｌと横荷重付加具４０との間に設けるロードセルである剪断力測定具４２によって測定できる。本例では、ロードセルが前記継ぎ部材４８内に収容保持されている場合を例示している。なお剪断力測定具４２としては、前記ロードセル以外にも、例えば圧電効果を利用した圧電式力センサ、磁気歪現象を利用した磁わい式力センサなど、種々のものを適宜採用できる。
【００３４】
又そのときの雪Ｗの剪断変位は、前記横移動部６Ｌの横移動距離を測定する横移動距離測定器４３により測定される。この横移動距離測定器４３として、前記距離測定器１０と同様、本例では、検出スケール４３Ａと、この検出スケール４３Ａに沿った移動距離を検出する検出ヘッド４３Ｂとからなるリニアスケールを使用している。前記検出スケール４３Ａは、前記基台部２Ａに取付金具を介して水平に取り付けられ、又前記検出ヘッド４３Ｂは、前記移動台４７に一体移動可能に取り付けられる。なおリニアスケールとして光学式、電磁式の種々のものが適宜採用できる。
【００３５】
このように前記雪特性測定装置１は構成されるため、構造簡易かつコンパクトに形成しうるなど装置の携帯を便宜としている。従って、測定対象となる雪が存在している場所に装置を持ち込み、サンプリングした雪をその場所でかつサンプリングと同時に測定することが可能となる。
【００３６】
又サンプル容６器は、その少なくとも一部、本例では、前記容器本体６Ｕの前面及び横移動部６Ｌの周囲面の略全体を外部に露出させている。従って、屋外で測定する際、その広い露出部分を冷たい外気にさらすことができ、内部の雪を自然冷却しうるなど、圧力融解による雪の変質を抑え、前記測定現場への装置の持ち込みと相俟って、雪の剪断特性を高精度で測定することが可能となる。
【００３７】
特に、前記圧力融解による雪の変質をより確実に抑制するため、サンプル容器６を強制冷却しうる冷却手段２３を具備させることが好ましい。この冷却手段２３は、本例では、ＬＰガスなどの液体ガスを収容した所謂冷却スプレー２３Ａであって、圧縮時、サンプル容器６の前記露出部分に噴射することにより強制冷却でき、内部の雪の圧力融解をより確実に抑制しうる。
【００３８】
次に、本実施形態の雪特性測定装置１を用いて、雪の剪断特性を測定する場合を説明する。
【００３９】
測定対象となる雪が存在している場所（測定現場）に装置を持ち込んで設置する。又この測定現場で採取した雪のサンプルを、サンプル容器６内に収納するとともに、このサンプル容器６を装置１にセットする。しかる後、荷重付加具１５へのハンドル操作により、ピストン７を押し下げ、圧縮力に相当するロードセル（圧縮力測定具）からの出力が所定の値に達するまで、雪を徐々に圧縮する。
▲１▼　この圧縮状態において、横荷重付加具４０へのハンドル操作を行い、サンプル容器６のうちの横移動部６Ｌを徐々に横移動させて、容器本体６Ｕと横移動部６Ｌとの間で雪を剪断していく。そのときの横移動距離（雪の剪断変位）と、ロードセル（剪断力測定具）からの出力（剪断応力）とを同時に測定する。なお横移動部６Ｌの横移動速度は、０．０１〜５ｍｍ／秒の範囲とするのが好ましい。
【００４０】
これにより、測定した横移動距離とロードセルからの出力とから、図４に例示するように、雪の剪断応力と剪断変位との関係である剪断特性がわかり、特に、剪断初期における曲線ｍの傾きから、剪断弾性率を得ることができる。
【００４１】
このとき、前記圧縮による雪の温度上昇を抑え、圧力融解等による雪質の変動を抑制するため、圧縮時、サンプル容器６の露出部分に冷却スプレー２３Ａを噴射して強制冷却を行う。これにより、剪断弾性率を含む剪断特性をより正確に測定することができる。
【００４２】
なお同図には、名寄テストにおいて採取した雪温−２℃における雪のサンプルの、圧縮力が５ｋｇｆ／ｃｍ２　における剪断特性（測定温度−２℃）を示している。
【００４３】
以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は叙上の如く構成しているため、装置を構造簡易かつコンパクトに形成しうるなど、測定場所への装置の携帯を便宜とし、サンプリングした雪をその場所でサンプリングと同時に測定しうるとともに、測定時の圧力融解による雪の変質を抑えることが可能となり、剪断弾性率を含む雪の剪断特性を高精度で測定でき、雪質の定量化に大きく貢献しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の雪特性測定装置の一実施例を示す斜視図である。
【図２】その正面図である。
【図３】その側面図である。
【図４】本装置によって測定した剪断応力と剪断変位との関係を示す線図である。
【図５】雪特性のうちの剪断特性を説明する線図である。
【符号の説明】
１　　　雪特性測定装置
２　　　基台
３　　　雪の圧縮手段
４　　　剪断特性測定手段
６　　　サンプル容器
６Ｕ　　容器本体
６Ｌ　　横移動部
７　　　ピストン
８　　　押し具
１５　　荷重付加具
２３　　冷却手段
４０　　横荷重付加具
４１　　横押し具
４２　　剪断力測定具
４３　　横移動距離測定器
【図１】
2004125620.tif 000003
【図２】
2004125620.tif 000004
【図３】
2004125620.tif 000005
【図４】
2004125620.tif 000006
【図５】
2004125620.tif 000007