(57)【要約】【課題】従来の高感度型よりも更に高感度での計測を可能とする。【解決手段】板材１２の中央に貫通した切欠き部１２ａａを設けると共に、この切欠き部１２ａａを設けた中央部を除く両側に固定部１２ｂを形成した変動荷重センサ１１である。前記切欠き部１２ａａを設けた中央部分に、幅方向に延びる線状凹部１２ａｂを形成して試験部１２ａとなす。この試験部１２ａと前記両側の固定部１２ｃとの接続部分１２ｃにおける試験部１２ａ側の幅方向長さｂ１　を、試験部１２ａの幅方向長さｂ２　よりも短くする。【効果】試験部と両側固定部との接続部分における試験部側の幅方向長さを、試験部の幅方向長さよりも短くすることによる応力集中と、切欠き部を設けた中央部分に形成した幅方向に延びる線状凹部（厚さ方向の変化）による応力集中を重ね合わせることにより、従来の高感度型よりも更に大きなひずみ集中が実現できるようになる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板材の中央に貫通した切欠き部を設けると共に、この切欠き部を設けた中央部を除く両側に固定部を形成した変動荷重センサにおいて、
前記切欠き部を設けた中央部分に、幅方向に延びる線状凹部を形成して試験部となすと共に、
この試験部と前記両側の固定部との接続部分における試験部側の幅方向長さを、試験部の幅方向長さよりも短くしたことを特徴とする変動荷重センサ。
【請求項２】
前記線状凹部の深さは、前記切欠き部から幅方向両側に向かって離れるに従って浅くなっていることを特徴とする請求項１記載の変動荷重センサ。
【請求項３】
前記切欠き部は、両側の接続部を結ぶ線と線状凹部との交点の中心位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の変動荷重センサ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか記載の変動荷重センサと、長手方向の両端側裏面に第１と第２の固定部を形成した板状フレームとからなり、
前記変動荷重センサの両固定部を結ぶ方向と、前記板状フレームの第１と第２の固定部を結ぶ方向は平行で、
かつ、
前記板状フレームの第１固定部は前記変動荷重センサの一方の固定部表面と互に固定し、
前記板状フレームの第２固定部及び前記変動荷重センサの他方の固定部裏面は対象物と固定することを特徴とする圧縮変動荷重センサ。
【請求項５】
請求項４記載の圧縮変動荷重センサにおける変動荷重センサの一方の固定部には、前記板状フレームの第１固定部側端面に当接する凸部が形成されていることを特徴とする圧縮変動荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械や構造物に作用する荷重変動を計測し、機械や構造物の安全性の評価に役立てる変動荷重センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械や構造物（以下、「対象物」という。）の構造安全性を確保するためには、対象物の疲労損傷を予測することが重要であるが、現状は、疲労損傷箇所を的確に予測して合理的な疲労設計を行えるには至っていない。
【０００３】
このような状況下で、一層の安全性を確保しようとする場合、保守点検や構造モニタリングなど、使用中における対象物の安全管理面の強化が有効と考えられ、この使用中の疲労安全性維持のための方法の一つに、犠牲試験片の取り付けによる亀裂検出方法がある。
【０００４】
この方法は、犠牲試験片を対象物のホットスポット近傍に設置して一定期間モニタリングを行い、犠牲試験片に生じた疲労損傷の状態から、対象物の疲労損傷時期を推定する方法であり、実部材の寿命予測だけでなく、実機疲労で問題となる荷重履歴や限界累積被害値に関する有用な情報が得られる可能性があり、将来的に有望な方法である。
【０００５】
ところで、この方法に使用する犠牲試験片は、対象物に発生する応力が拡大伝達されるように工夫されたもので、例えば図６（ａ）に示すように、短冊状の薄板１ａの中央に幅方向に延びる鋭い機械ノッチ１ｂを設けた試験片本体１を、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、二枚の樹脂製薄板２の間に挟み、これらを前記機械ノッチ１ｂを含む試験片本体１の中央部を除いた接着領域１ｃに接着剤を塗布して対象物３に貼付することで、対象物３と同様のひずみ変動を受けるようにしたものである（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３０４２４０号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】
特開平１０−６８６７９号公報（第２頁、図２）
【０００７】
そして、このひずみ変動により機械ノッチから進展する亀裂長さを計測することで、それまでに受けたひずみ変動を推定するのであるが、この亀裂長さは、目視観察や、ゲージを使用したり（例えば、特許文献３参照。）、電位差の変化によって計測する（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献３】
特開２００１−２７２３１９号公報（第２頁）
【０００９】
しかしながら、上記の犠牲試験片では、対象物に作用する変動荷重が小さい場合、変動荷重の繰り返し数が大きくならないと機械ノッチからの亀裂の進展が十分でなく、その長さの計測が正確に行えない。
【００１０】
そこで、図７に示すように、２枚の樹脂製薄板２の幅を試験片本体１の幅よりも大きくなすと共に、樹脂製薄板２の中央における機械ノッチ１ｂが位置する部分に、アレイ型のスリット状貫通孔２ａを設けたものが提案されている（例えば、特許文献４参照。）。
【００１１】
【特許文献４】
特開２０００−１８０３２６号公報（第２頁、図１）
【００１２】
このような犠牲試験片では、対象物に変動荷重が作用した場合には、対象物の伸び変形に従って伸ばされた広幅の樹脂製薄板の伸びが、これに接着された狭幅の試験片本体に拡大されて伝えられると共に、樹脂製薄板に設けたスリット状貫通孔の位置では、樹脂製薄板は両端の僅かな幅しか有さないため、変形は試験片本体に集中することになって、機械ノッチに作用するひずみが更に拡大されることになる。ひずみが拡大されて高感度になれば、機械ノッチからの亀裂の進展は速くなる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、同じ応力変動が作用する場合、従来の犠牲試験片のように、ただ単に機械ノッチを設けただけでは、亀裂が長くなるにつれて進展速度は急激に上昇するため、高感度になるほど犠牲試験片の幅方向端面まで亀裂が伸びるのに要する時間が急激に短くなり、計測可能な期間が短くなってしまう。すなわち、負荷される荷重の繰り返し数が少なくなってしまう。
【００１４】
また、一般の土木構造物や船殻構造などに作用する不規則な負荷荷重変動の場合、当然のことながら、短期間で得られた結果はある特殊な期間の計測結果であり、それに基づくひずみ変動の推定値は精度の低いものにならざるを得ない。むろん、このような短期間での粗い推定が重要である場合も多く、このような測定も有用ではあるが、長期間に亘る計測が可能となれば、測定に要する期間は長くなるものの精度の高い推定が可能になる。
【００１５】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、従来の高感度型よりも更に高感度で、しかも、長期間における計測をも可能とする変動荷重センサを提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る変動荷重センサは、板材の中央に貫通した切欠き部を設けると共に、この切欠き部を設けた中央部を除く両側に固定部を形成した変動荷重センサの、前記切欠き部を設けた中央部分に、幅方向に延びる線状凹部を形成して試験部となすと共に、この試験部と前記両側の固定部との接続部分における試験部側の幅方向長さを、試験部の幅方向長さよりも短くしている。そして、このようにすることで、従来の高感度型よりも更に高感度で、しかも、長期間における計測をも可能となる。
【００１７】
また、本発明に係る圧縮変動荷重センサは、前記の本発明に係る変動荷重センサと、長手方向の両端側裏面に第１と第２の固定部を形成した板状フレームとからなり、前記変動荷重センサの両固定部を結ぶ方向と、前記板状フレームの第１と第２の固定部を結ぶ方向は平行で、かつ、前記板状フレームの第１固定部は前記変動荷重センサの一方の固定部表面と互に固定し、前記板状フレームの第２固定部及び前記変動荷重センサの他方の固定部裏面は対象物と固定することとしている。そして、このようにすることで、圧縮ひずみが引張りひずみに変換され、高感度でしかも長期間における計測が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る変動荷重センサは、板材の中央に貫通した切欠き部を設けると共に、この切欠き部を設けた中央部を除く両側に固定部を形成した変動荷重センサにおいて、前記切欠き部を設けた中央部分に、幅方向に延びる線状凹部を形成して試験部となすと共に、この試験部と前記両側の固定部との接続部分における試験部側の幅方向長さを、試験部の幅方向長さよりも短くしたもので、前記線状凹部の深さは、前記切欠き部から幅方向両側に向かって離れるに従って浅くすることが、また、前記切欠き部は、両側の接続部を結ぶ線と線状凹部との交点の中心位置に設けることが望ましい。
【００１９】
上記の本発明に係る変動荷重センサでは、試験部と両側固定部との接続部分における試験部側の幅方向長さを、試験部の幅方向長さよりも短くすることによる応力集中と、切欠き部を設けた中央部分に形成した幅方向に延びる線状凹部（厚さ方向の変化）による応力集中を重ね合わせることにより、従来の高感度型よりも更に大きなひずみ集中が実現できるようになる。
【００２０】
また、上記の本発明に係る変動荷重センサにおいて、線状凹部の深さを、切欠き部から幅方向両側に向かって離れるに従って浅くなした場合には、同じ深さの場合と比べてさらに亀裂の成長が遅くなって長期間における計測が可能になる。
【００２１】
また、上記の本発明に係る変動荷重センサにおいては、両側の接続部を結ぶ線と線状凹部との交点に一番大きな応力が作用するようにしたことから、切欠き部をこの交点の中心位置に設けることが望ましい。
【００２２】
本発明に係る圧縮変動荷重センサは、前記本発明に係る変動荷重センサと、長手方向の両端側裏面に第１と第２の固定部を形成した板状フレームとからなり、前記変動荷重センサの両固定部を結ぶ方向と、前記板状フレームの第１と第２の固定部を結ぶ方向は平行で、かつ、前記板状フレームの第１固定部は前記変動荷重センサの一方の固定部表面と互に固定し、前記板状フレームの第２固定部及び前記変動荷重センサの他方の固定部裏面は対象物と固定するものである。
【００２３】
上記の本発明に係る圧縮変動荷重センサにおいては、対象箇所の応力（荷重）変動が主として圧縮範囲にある場合も、この圧縮荷重を引張り荷重に変換して変動荷重センサに作用させることができるため、本発明に係る変動荷重センサの特性をそのままいかすことができる。
【００２４】
そして、この本発明に係る圧縮変動荷重センサにおいて、変動荷重センサの一方の固定部に、板状フレームの第１固定部側端面に当接する凸部を形成した場合には、前記圧縮荷重の引張り荷重への変換がより確実に行なえるようになる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明に係る変動荷重センサを図１〜図３に示す実施例に基づいて、また、本発明に係る変動荷重センサを備えた圧縮変動荷重センサを図５に基づいて説明する。
図１は本発明に係る変動荷重センサの第１実施例を示したもの、図２は本発明に係る変動荷重センサの第２実施例を示したもの、図３は本発明に係る変動荷重センサの第３実施例を示したもの、図５は本発明に係る変動荷重センサを備えた圧縮変動荷重センサの実施例を示したものである。
【００２６】
図１及び図２において、１１は亀裂検出方法に適用する本発明に係る変動荷重センサであり、対象物と同程度の亀裂伝播特性を有する板材１２で製作され、この板材１２は、中央に、ひずみ変動を受けて進展する亀裂長さを計測するための試験部１２ａを、そして、この試験部１２ａの長手方向両側に、対象物に対して例えば接着、ボルト止め、溶接などにより固定する固定部１２ｂを形成している。
【００２７】
そして、前記試験部１２ａは、その中央位置に表裏面を貫通した切欠き部１２ａａと、この切欠き部１２ａａを設けた中央部分に、幅方向に延びる線状凹部１２ａｂが設けられた構成である。
【００２８】
前記切欠き部１２ａａは、前記のように取り付け位置に作用する対象物へのひずみ変動を受けて進展する亀裂長さの発生源であり、擬似亀裂となっている。従って、亀裂のスムーズな発生、成長のため、通常は点でなく幅方向に延びる線、望ましくは端部が鋭いものが望ましい。
【００２９】
この第１，２実施例では、図１，２（ｃ）に示したように、貫通孔１２ａａａの直径線上に幅方向に延びるスリット１２ａａｂを形成したものを示している。また、この第１，２実施例では、切欠き部１２ａａは、一番大きな応力が作用する、後述する両側の接続部分１２ｃを結ぶ線と線状凹部１２ａｂとの交点の中心位置に設けたものを示している。
【００３０】
また、前記線状凹部１２ａｂは、切欠き部１２ａａに応力を集中させるために形成されたものであるが、亀裂の成長方向がこの線状凹部１２ａｂに沿うので、２次的に亀裂の方向を誘導する機能を有することになる。
【００３１】
この第１，２実施例では、図１，２（ｄ）に示したように、板材１２の表裏面に板材１２の長手方向から見て凹状に形成したものを示している。また、第１，２実施例では、線状凹部１２ａｂの深さは、幅方向全域に亘って一定のものを示したが、前記切欠き部１２ａａから幅方向両側に向かって離れるに従って浅くなるようにした場合には、幅方向両側に向かうほど亀裂の成長がより遅くなるので、同じ深さの場合に比べてより長期間における計測が可能になる。
【００３２】
１２ｃは前記試験部１２ａと両側の固定部１２ｂを接続する接続部分であり、本発明では、この接続部分１２ｃにおける試験部側の幅方向長さｂ１　を、試験部１２ａの幅方向長さｂ２　よりも短くして切欠き部１２ａに作用する応力を集中させるようにしている。この際、本発明に係る変動荷重センサ１１を取り付ける対象箇所が、十分な幅をもたない場合には、図２に示したように、固定部１１ｂの幅方向長さｂ３　を減少させたものでも良い。
【００３３】
この第１，２実施例では、接続部分１２ｃは、固定部１２ｂから試験部１２ａに向けて幅方向長さをテーパ状に漸減させ、かつ、試験部１２ａとの交点では、応力の集中を避けて切欠き部１２ａａにのみ亀裂を発生させるように、Ｒ形成したものを示している。
【００３４】
上記の構成よりなる本発明に係る変動荷重センサ１１では、試験部１２ａと両側固定部１２ｂとの接続部分１２ｃにおける試験部側の幅方向長さｂ１　を、試験部１２ａの幅方向長さｂ２　よりも短くすることによる応力集中と、切欠き部１２ａａを設けた中央部分に形成した幅方向に延びる線状凹部１２ａｂ（厚さ方向の変化）による応力集中を重ね合わせることにより、従来の高感度型よりも更に大きなひずみ集中が実現できるようになる。
【００３５】
上記の第１，２実施例（板材１２の長さ１４０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ、試験部１２ａの長さ１０ｍｍ×幅６０ｍｍ、固定部１２ｂの長さ各４０ｍｍ×幅６０ｍｍ，２０ｍｍ、接続部分の長さ各２５ｍｍ、試験部１２ａとの接続位置の幅１０ｍｍ×Ｒ６ｍｍ、貫通孔１２ａａａの直径１ｍｍ、スリット１２ａａｂの幅０．１５ｍｍ、線状凹部１２ａｂの幅３ｍｍ×最も薄い位置の厚さ０．３ｍｍ）をＦＥＭ解析によって求めた亀裂の長さと、亀裂先端のＫ値（応力拡大係数）の関係を図４に示す。Ｋ値は亀裂の進展速度を支配するパラメータで、亀裂に作用する応力に比例するため、この値が大きい程作用するひずみが大きいことになる。図４では、亀裂を開閉口させる方向のＫ値であるＫＩ値を示した。
【００３６】
図４には比較として図６に示した犠牲試験片（幅は上記実施例と同じ６０ｍｍとしたもの。以下、「標準型」という。）のＫＩ値も併せて示した。図４の縦軸はこの図６に示した犠牲試験片のＫＩ値の初期値を基準とした比率で示している。
【００３７】
この図４によれば、亀裂長さが１０ｍｍ前後の初期段階では、実施例１のＫＩ値は標準型の２．５倍程度の値を示し、速い亀裂進展が実現できることがわかる。
ちなみに、亀裂進展速度はＫ値のおよそ３条に比例するとされるため、Ｋ値が２．５倍であれば亀裂進展速度は１５倍以上となる。すなわち、初期段階において高感度化されていることがわかる。
【００３８】
反対に亀裂長さが２５ｍｍを超える範囲では、標準型で高いＫＩ値が保たれるのに対して、実施例１ではＫＩ値が低下し、亀裂進展速度が急速に低下することがわかる。すなわち、長期間、精度の高い計測が可能になることがわかる。
【００３９】
また、実施例２のように固定部の幅を狭くした場合においても、センサとしての性能はほとんど低下せず、実施例１とほとんど変わらないことが判明した。
【００４０】
ところで、上記の本発明に係る変動荷重センサ１１を用いて計測する対象は、主に溶接部に作用する疲労荷重である。
溶接部においては、固有の引張り残留応力のため、圧縮範囲にある変動荷重（応力）のもとでも亀裂が発生し、進展することが知られている。
【００４１】
ところが、上記の本発明に係る変動荷重センサ１１は、予め形成した切欠き部１２ａａから進展する亀裂の長さを計測することでセンシングを行うものであり、対象箇所の応力（荷重）変動が主として圧縮範囲にある場合には、十分な亀裂の進展が期待できない。
【００４２】
そこで、このような対象箇所の応力（荷重）変動が主として圧縮範囲にある場合には、本発明に係る圧縮変動荷重センサを適用することが有効である。以下、本発明に係る圧縮変動荷重センサ２１を、図５に示した実施例に基づいて説明する。
【００４３】
すなわち、本発明に係る圧縮変動荷重センサ２１は、上記の本発明に係る変動荷重センサ１１と、図５（ａ）（ｂ）に示したように、長手方向の両端側裏面に第１と第２の固定部１３ａ，１３ｂを形成した、前記変動荷重センサ１１と同等以上の剛性を有する材料で製作された板状フレーム１３とからなり、図５（ｅ）に示したように、前記変動荷重センサ１１の両固定部１２ｂを結ぶ方向と、前記板状フレーム１３の第１と第２の固定部１３ａ，１３ｂを結ぶ方向が平行となるように構成されている。
【００４４】
そして、本発明に係る圧縮変動荷重センサ２１は、その適用に際しては、前記板状フレーム１３の第１固定部１３ａと前記変動荷重センサ１１の一方の固定部１２ｂの表面とを互に固定し、前記板状フレーム１３の第２固定部１３ｂ及び前記変動荷重センサ１１の他方の固定部１２ｂの裏面を対象物３に固定するのである。
【００４５】
従って、本発明に係る圧縮変動荷重センサ２１を対象物３に固定した時に変動荷重センサ１１の裏面と、板状フレーム１３の裏面が略同一面となるように、変動荷重センサ１１の厚さと、板状フレーム１３の第１と第２の固定部１３ａ，１３ｂの厚さを決定する。
【００４６】
上記のように構成することで、本発明に係る圧縮変動荷重センサ２１においては、対象箇所の応力（荷重）変動が主として圧縮範囲にある場合も、この圧縮荷重を引張り荷重に変換して変動荷重センサ１１に効果的に作用させることができるようになる。
【００４７】
図５に示した実施例では、変動荷重センサ１１の一方の固定部１２ｂに、板状フレーム１３の第１固定部１３ａ側端面に当接する凸部１３ｂａを形成し、前記圧縮荷重の引張り荷重への変換がより確実に行なえるようにしたものを示している。
【００４８】
また、本実施例では、図５（ａ）に示したように、亀裂部の進展を目視できるように、板状フレーム１３に切り抜き部１３ｃを設けたものを示したが、変動荷重センサ１１に電位差計測用の電極を設け、計測器接続用のリード線を側方から取り出せるようにしておけば、前記切り抜き部１３ｃを設ける必要はない。
【００４９】
本発明は上記の実施例に示した形態に限るものではなく、同一の技術的思想を具現できるものであれば、設計変更は任意である。
例えば、試験部１２ａと両側の固定部１２ｂを接続する接続部分１２ｃの形状を、テーパ状に漸減させるものに代えて、試験部１２ａと固定部１２ｂを細幅の矩形状としてもよい。この場合、試験部１２ａや固定部１２ｂと接続部分１２ｃの接続箇所は応力集中を避けるために、Ｒ形成することは上記の実施例と同じである。
【００５０】
また、線状凹部１２ａｂについても、
▲１▼　板材１２の表裏面に設けたものに代えて、どちらか一方に設けたもの、
▲２▼　幅方向全域に設けたものに代えて、予定される計測期間内であれば幅方向の中央部にのみ設けたもの、
▲３▼　板材１２の長手方向から見て凹状に形成したものに代えて、図３に示したように、板材１２の幅方向から見て凹状に形成したもの、
でも良い。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試験部と両側固定部との接続部分における試験部側の幅方向長さを、試験部の幅方向長さよりも短くすることによる応力集中と、切欠き部を設けた中央部分に形成した幅方向に延びる線状凹部（厚さ方向の変化）による応力集中を重ね合わせることにより、従来の高感度型よりも更に大きなひずみ集中が実現できるようになる。
【００５２】
また、本発明において、線状凹部の深さを、切欠き部から幅方向両側に向かって離れるに従って浅くなした場合には、同じ深さの場合と比べて亀裂の成長が遅くなって更に長期間における計測が可能になる。
【００５３】
また、本発明に係る圧縮変動荷重センサにおいては、対象箇所の応力（荷重）変動が主として圧縮範囲にある場合も、この圧縮荷重を引張り荷重に変換して変動荷重センサに作用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る変動荷重センサの第１実施例を示したものであり、（ａ）は平面から見た図、（ｂ）は（ａ）を正面から見た図、（ｃ）は（ａ）のＡ部詳細図、（ｄ）は（ａ）のＢ部詳細図である。
【図２】本発明に係る変動荷重センサの第２実施例を示したものであり、（ａ）は平面から見た図、（ｂ）は（ａ）を正面から見た図、（ｃ）は（ａ）のＡ部詳細図、（ｄ）は（ａ）のＢ部詳細図である。
【図３】本発明に係る変動荷重センサの第３実施例を示したものであり、図２（ａ）を側面から見た断面図である。
【図４】本発明に係る変動荷重センサの第１実施例と第２実施例、及び、図６の犠牲試験片のＫ値を比較した図である。
【図５】本発明に係る変動荷重センサを備えた圧縮変動荷重センサの実施例を示したものであり、（ａ）は板状フレームを平面から見た図、（ｂ）は（ａ）を正面から見た図、（ｃ）は本発明に係る変動荷重センサの第４実施例を平面から見た図、（ｄ）は（ｃ）を正面から見た図、（ｅ）は板状フレームと変動荷重センサを組み合わせた圧縮変動荷重センサを平面から見た図、（ｆ）は（ｅ）を正面から見た図である。
【図６】亀裂検出方法に使用する犠牲試験片の説明図で、（ａ）は試験片本体を平面から見た図、（ｂ）は犠牲試験片を平面から見た図、（ｃ）は（ｂ）を正面から見た図である。
【図７】高感度型の犠牲試験片の説明図で、（ａ）は試験片本体を平面から見た図、（ｂ）は犠牲試験片を平面から見た図、（ｃ）は（ｂ）を正面から見た図である。
【符号の説明】
３　　　　対象物
１１　　　変動荷重センサ
１２　　　板材
１２ａ　　試験部
１２ａａ　切欠き部
１２ｂ　　固定部
１２ｂａ　凸部
１２ｃ　　接合部分
１３　　　板状フレーム
１３ａ　　第１の固定部
１３ｂ　　第２の固定部
１４　　　対象物
２１　　　変動荷重センサ
【図１】
2004101192.tif 000003
【図２】
2004101192.tif 000004
【図３】
2004101192.tif 000005
【図４】
2004101192.tif 000006
【図５】
2004101192.tif 000007
【図６】
2004101192.tif 000008
【図７】
2004101192.tif 000009