(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量型荷重計の部品として、荷重を受けるプレートの２つの平行な受圧面の間に形成された円形孔に挿入されるものであって、前記プレートの円形孔内径よりも小径に形成された絶縁性の円筒体の外周面に、その周方向の一部領域に沿って電極を設けるとともに、前記プレートの円形孔内周面に押し付けられる取付部材を設け、この取付部材を弾性部材からなるものとして、前記電極と前記プレートの円形孔内周面に設けられたプレート側電極との間に所定の隙間が形成されるようにした荷重計が負荷状態でも取り替え可能な電極付きプローブ。
【請求項２】
前記取付部材を、前記弾性部材として用いられるばねとボールとをケースに収納して、そのばねで付勢したボールをケースの開口から一部突出させたボールプランジャとし、このボールプランジャを前記円筒体に前記ボールが円筒体の径方向外側へ向かって付勢される状態で固定して、前記ボールを前記プレートの円形孔内周面に押し付けるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の荷重計が負荷状態でも取り替え可能な電極付きプローブ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電極付きプローブを前記プレートの円形孔に挿入して、前記プローブの取付部材を前記プレートの円形孔内周面に押し付けることにより、前記プローブの電極を前記プレートの円形孔内周面に設けられたプレート側電極と所定の隙間をおいて対向させた状態で前記プローブを支持して、前記プレートの受圧面に作用する荷重を、前記プレートの弾性変形によって生じる円形孔の変形に起因した前記プローブの電極とプレート側電極との間の静電容量の変化に基づいて計測するようにした静電容量型荷重計において、
前記プレートを絶縁体で形成し、前記円形孔の内周面に筒状に形成した前記プレート側電極を嵌め込んで、前記プレートとプレート側電極とが一体に変形するようにしたことを特徴とする静電容量型荷重計。
【請求項４】
前記プローブの電極を前記円筒体の周方向に９０°間隔で複数設けて、これらの電極のうちの少なくとも１つを前記プレートの受圧面と直交する方向に沿って前記プレート側電極と対向させ、前記プレート受圧面と直交する方向に沿って対向する電極どうしの間の静電容量と、前記プレート受圧面と平行な方向に沿って対向する電極どうしの間の静電容量との差を用いて、前記プレートの受圧面に作用する荷重を求めるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の静電容量型荷重計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に静電容量測定用の電極が設けられたプローブとそれを用いた静電容量型荷重計に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷重計には荷重測定原理の異なるものが数種類あり、各種の荷重計がその特徴に応じて様々な分野で使用されている。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ウンドアンカー工法では、地中のアンカー体に一端を固定された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おり、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ている。同様に、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ことが多い。その荷重計としては、一般に、荷重が負荷されたときのひずみゲージの電気抵抗変化を利用するもの（ひずみゲージ式）が使用され、封入された油の圧力変化を利用するもの（油圧封入式）や磁気ひずみによる磁気変化を利用するもの（磁歪式）が使用されることもある。
【０００３】
しかし、上記各種荷重計のうち、ひずみゲージ式のものや磁歪式のものは荷重計全体の寸法が大きくなりやすく、油圧封入式のものは小型化はできるが計測精度が低いという難点がある。また、いずれの方式でも、本体とセンサ部分とが一体に形成されているため、負荷状態でセンサ部分のみを取り替えることは困難で、故障したときや定期点検を行うときには、負荷荷重を完全に除いてから荷重計全体を交換する必要があり、この交換作業に非常に手間がかかることが問題となっている。このため、これらの方式のものに代わりうる荷重計の実用化が望まれており、その候補の一つとして静電容量型荷重計があげられている。
【０００４】
静電容量型荷重計は、図９に示すように、荷重を受けるプレート５１の２つの平行な受圧面５１ａの間に円形孔５１ｂを形成し、この円形孔５１ｂの内周面に、２つの平板状電極５２をプレート受圧面５１ａと直交する方向に沿って所定の隙間をおいて互いに平行に対向させた状態で固定して、荷重を受けたプレート５１の弾性変形による両電極５２間の距離変化に伴う静電容量変化に基づいて荷重を計測するようにしたもので（例えば、特許文献１、２参照。）、原理的にひずみゲージ式のものや磁歪式のものよりも小型化が可能でかつ同等の計測精度が得られる。
【特許文献１】特開昭５６−１３０６２９号公報（第１図）
【特許文献２】特開昭５４−１０３０８２号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の静電容量型荷重計では、各電極が荷重を受けて弾性変形するプレートの円形孔内周面に固定されており、負荷状態でこのセンサ部分のみを取り替えることは困難なため、故障したとき等には一旦負荷荷重を除いて荷重計全体を交換する必要があるという点で、他の各種荷重計と同じ問題があった。
【０００６】
本発明の課題は、負荷状態にある静電容量型荷重計のセンサ部分のみの取り替えを可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明では、静電容量型荷重計の部品として、荷重を受けるプレートの２つの平行な受圧面の間に形成された円形孔に挿入されるものであって、前記プレートの円形孔内径よりも小径に形成された絶縁性の円筒体の外周面に、その周方向の一部領域に沿って電極を設けるとともに、前記プレートの円形孔内周面に押し付けられる取付部材を設け、この取付部材を弾性部材からなるものとして、前記電極と前記プレートの円形孔内周面に設けられたプレート側電極との間に所定の隙間が形成されるようにした電極付きプローブを採用した。
【０００８】
すなわち、静電容量型荷重計のプレートの円形孔に挿入されるセンサ部分である電極付きプローブを、外周面に電極を有する円筒体にプレートの円形孔内周面に押し付けられる取付部材が設けられており、その電極がプレート側電極と所定の隙間をおいて対向する状態でプレートに支持されるものとすることにより、静電容量型荷重計が負荷状態にあっても簡単にプレートに着脱できるようにしたのである。
【０００９】
ここで、前記取付部材を、前記弾性部材として用いられるばねとボールとをケースに収納して、そのばねで付勢したボールをケースの開口から一部突出させたボールプランジャとし、このボールプランジャを前記円筒体に前記ボールが円筒体の径方向外側に向かって付勢される状態で固定して、前記ボールを前記プレートの円形孔内周面に押し付けるようにすれば、プローブがより安定した状態でプレートに支持されるようになる。
【００１０】
そして、本発明の静電容量型荷重計は、上記構成の電極付きプローブを前記プレートの円形孔に挿入して、前記プローブの取付部材を前記プレートの円形孔内周面に押し付けることにより、前記プローブの電極を前記プレートの円形孔内周面に設けられたプレート側電極と所定の隙間をおいて対向させた状態で前記プローブを支持して、前記プレートの受圧面に作用する荷重を、前記プレートの弾性変形によって生じる円形孔の変形に起因した前記プローブの電極とプレート側電極との間の静電容量の変化に基づいて計測するようにしたもので、負荷状態にあっても簡単にプローブを取り替えることができる。
【００１１】
ここで、前記プレートは、金属で形成して前記プレート側電極として用いるようにしてもよいし、絶縁体で形成し、前記円形孔の内周面に筒状に形成した前記プレート側電極を嵌め込んで、プレート側電極と一体に変形するようにしてもよい。
【００１２】
上記構成の静電容量型荷重計においては、前記プローブの電極を前記円筒体の周方向に９０°間隔で複数設けて、これらの電極のうちの少なくとも１つを前記プレートの受圧面と直交する方向に沿って前記プレート側電極と対向させ、前記プレート受圧面と直交する方向に沿って対向する電極どうしの間の静電容量と、前記プレート受圧面と平行な方向に沿って対向する電極どうしの間の静電容量との差を用いて、前記プレートの受圧面に作用する荷重を求めるようにすることが望ましい。このとき、プレート受圧面と直交する方向の静電容量およびプレート受圧面と平行な方向の静電容量として、それぞれ２箇所の測定値の平均値を用いることにより、プローブを取り替えるときに生じる偏心の影響を小さくすることができる。
【００１３】
すなわち、静電容量型荷重計では、環境の温度変化によってプレートが変形したときにも電極間の静電容量が変化するため、従来は温度影響を考慮した補正が必要であったが、一方向から荷重を受けるプレートの円形孔の圧縮方向と拡大方向で静電容量を測定し、その差を用いて荷重を求めることにより、測定された静電容量の変化のうちの温度影響分が相殺され、補正を行わなくても計測精度を確保できるようになる。
【００１４】
ここで、前記プレートを、両端面を前記受圧面とする円環状のものとすれば、線棒状の部材に作用する張力を計測するのに適した荷重計となる。
【００１５】
また、前記円環状プレートに前記円形孔を放射状に複数設けて、そのうちの任意の円形孔に前記プローブを挿入するようにすれば、受圧面の計測位置を簡単に変更することができ、複数のプローブを用いて受圧面の荷重分布を求めることもできる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、上述したように、静電容量型荷重計が負荷状態にあってもそのセンサ部分である電極付きプローブのみを簡単に取り替えられるようにしたので、使用中の静電容量型荷重計が故障したときや定期点検を行うとき等の除荷工程と再負荷工程を省略して、作業効率を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図１乃至図８に基づき、本発明の実施形態を説明する。この実施形態の静電容量型荷重計１は、図１に示すように、両端面を互いに平行な受圧面２ａとする円環状プレート２と、このプレート２の両受圧面２ａ間に形成された複数の円形孔２ｂに挿入される電極付きプローブ３とで基本的に構成されている。
【００１８】
前記プレート２は、ステンレス鋼製で、各円形孔２ｂの内周面がプローブ３に対向するプレート側電極としても用いられるものとなっている。各円形孔２ｂはプレート周方向に等間隔で放射状に形成されており、そのうちの１つおきにプローブ３が挿入されている。また、その外周近傍には、両受圧面２ａから各円形孔２ｂに貫通して、後述するようにプローブ３の位置決めに用いられる孔２ｃがあけられている。
【００１９】
ここで、プレートの材質は荷重を受けてある程度弾性変形するものであればよく、ステンレス鋼以外の金属で形成してもよいし、プレートを硬質ゴム等の絶縁体で形成し、その円形孔の内周面に筒状に形成した薄いプレート側電極を嵌め込んで、プレートとプレート側電極とが一体に変形するようにしてもよい。
【００２０】
図２および図５に示すように、プレート２の各円形孔２ｂの両端には、円形孔２ｂの開口を塞いでプローブ３を保護する円板状の蓋４、５が取り付けられている。プレート内周側の蓋４は、プレート外周側から円形孔２ｂに挿入されて、円形孔２ｂのプレート内周側端に形成された環状突部２ｄの内面に接着されている。一方、プレート外周側の蓋５は、その外周におねじ部を有し、円形孔２ｂのプレート外周側端の座ぐり部２ｅに接着されためねじ部材６にねじ結合している。なお、各蓋４、５およびめねじ部材６の材質は、耐久性を有し、プレート２の弾性変形への影響の小さい合成樹脂等を用いることが望ましい。
【００２１】
前記プローブ３は、図２乃至図５に示すように、絶縁体によりプレート２の円形孔２ｂ内径よりも小径に形成された円筒体７の外周面に、その周方向に沿って９０°間隔で４つの電極８を互いに接触しないように設けるとともに、円筒体７両端部にボールプランジャ（取付部材）９を４個ずつ各電極８と干渉しないように設けたものである。各ボールプランジャ９のうち、円筒体７の一端側の４個については、電極８と同じ円筒体周方向位置に配され、円筒体７の他端側の４個は、電極８と円筒体周方向で交互に並ぶ位置に配されている。なお、円筒体７を形成する絶縁体としては、耐久性があって熱変形の小さいエンジニアリングプラスチックやセラミックスが望ましく、この実施形態ではポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いている。
【００２２】
前記電極８は、図２に示すように、矩形板状の測定電極８ａと、測定電極８ａを僅かな間隔をおいて囲む矩形枠板状の保護電極８ｂとで構成されており、円筒体７外周面に溶着用フィルム（図示省略）で溶着されている。この保護電極８ｂは、測定電極８ａの外周部に生じる電界の乱れを防止して静電容量の測定値を安定させるものである。測定電極８ａおよび保護電極８ｂの材質としては、金、銀、銅、ニッケル、銅ニッケル等を用いることができる。そして、図５に示すように、測定電極８ａおよび保護電極８ｂは、それぞれ円筒体７を径方向に貫通する金属製導通ピン１０を介してリード線１１に接続されており、そのリード線１１はプレート外周側の蓋５の中心部を貫通する保護管１２に通されて、外部に引き出されている。
【００２３】
前記ボールプランジャ９は、図３および図５に示すように、円筒状のケース１３に弾性部材としてのコイルばね１４とボール１５とを収納して、そのばね１４で付勢したボール１５をケース１３一端の開口から一部突出させたもので、ケース１３が円筒体７を径方向に貫通し、ボール１５が円筒体７の径方向外側に向かって付勢される状態で円筒体７に固定されている。また、円筒体７の一端側の各ボールプランジャ９のうち、互いに対向する一対は、後述するようにプローブ３をプレート２に挿入する際の位置決めを行うために、他のものよりも径方向サイズの大きいものを用いている。
【００２４】
そして、プローブ３をその円筒体７の一端側がプレート２の外周側に位置するように円形孔２ｂに挿入して、径方向サイズの大きい一対のボールプランジャ９のボール１５をプレート２の位置決め用孔２ｃの位置に合わせると、プローブ３の各電極８のうちの２つがプレート受圧面２ａと直交する方向に沿って、他の２つがプレート受圧面２ａと平行な方向に沿って、それぞれ円形孔２ｂ内周面すなわちプレート側電極と対向し、各ボールプランジャ９のボール１５が円形孔２ｂ内周面に押し付けられる。これにより、プローブ３は、各電極８とプレート側電極との間に所定の隙間が形成された状態で安定してプレート２に支持される。そして、図示は省略するが、アースをとるためにプローブ３に予め備えたアース電極板もしくは直接プレート２に接続したリード線と、プローブ３の各電極８に接続したリード線１１との間に静電容量計を接続することにより、プレート受圧面２ａに荷重が加えられたときに円形孔２ｂが圧縮される方向と拡大する方向で静電容量を測定することができる。しかも、このプローブ３は、ばね１４で付勢されたボール１５をプレート２の円形孔２ｂ内周面に押し付けているだけなので、プレート２に荷重が加えられている状態でも簡単に着脱することができる。
【００２５】
次に、この荷重計１に荷重を加えたときの静電容量測定値の変化挙動を確認する試験を行った。この試験では、図６に示すように、圧縮試験機の上下の載荷盤１６、１７と荷重計１のプレート受圧面２ａとの間に絶縁体としてのテフロンシート１８を挟んだ状態で、両載荷盤１６、１７から荷重計１に段階的に荷重を加えていき、プローブ３の各電極８とプレート２の円形孔２ｂ内周面との間の静電容量の変化を測定した。その試験条件は下記のとおりである。なお、載荷盤１６、１７と荷重計１の間にテフロンシート１８を挟んだのは、測定を非接地式とするためである。プローブ３をプレート２を介して大地に接続するか、もしくはプローブ３から直接大地にアースをとって接地式とすればテフロンシート１８は不要となるが、測定値を安定させるには非接地式の方が望ましい。
＜試験条件＞
・プレート寸法：外径１２０ｍｍ、内径６８ｍｍ、高さ３０ｍｍ
・負荷荷重    ：０〜２００ｋＮ
・入力電圧    ：５Ｖ
【００２６】
図７は上記試験での静電容量の変化の測定結果を示す。このうち、図７（ａ）は、
プローブ３の上下の電極８とプレート２の円形孔２ｂ内周面との間、すなわちプレート受圧面２ａと直交する方向に沿って対向する電極どうしの間の静電容量の測定値（上下平均値）を、図７（ｂ）は、プローブ３の左右の電極８とプレート２の円形孔２ｂ内周面との間、すなわちプレート受圧面２ａと平行な方向に沿って対向する電極どうしの間の静電容量の測定値（左右平均値）を示している。そして、図７（ｃ）は、測定した静電容量の上下平均値と左右平均値の差を示している。
【００２７】
図７から明らかなように、荷重計１に加えられる荷重が増加すると、プレート２の円形孔２ｂが上下方向に圧縮され左右方向に拡大することに伴って、静電容量の上下平均値がほぼ直線的に増加し、左右平均値はほぼ直線的に減少する。このため、上下平均値と左右平均値の差も荷重にほぼ比例しており、この関係を用いて静電容量の測定値から荷重を計測できることが確認された。
【００２８】
この静電容量型荷重計１は、上述したように、負荷状態にあっても円環状プレート２の円形孔２ｂに挿入した電極付きプローブ３を簡単に取り替えられるようにしたものであるから、使用中に故障したときや定期点検を行うときには、除荷工程や再負荷工程を必要とせず効率よく作業することができる。
【００２９】
しかも、一方向から荷重を受けるプレート２の円形孔２ｂの圧縮方向と拡大方向で静電容量を測定し、その差を用いて荷重計測を行えるようにしたので、環境の温度によって円形孔２ｂ径が全体的に変化しても、それによる静電容量変化の影響を受けることがない。同様に、電気的な同相変動や円形孔２ｂの内周面性状の経年変化の影響も抑えられ、従来のように温度影響の補正等を行わなくても計測精度を確保することができる。
【００３０】
もちろん、従来の静電容量型荷重計と同様、ひずみゲージ式のものや磁歪式のものよりも小型化できるし、プレート２の微小な変形から荷重計測ができるため、プレート２を堅牢なものとすることにより、耐荷重を大きくして測定レンジを広くとることができるという特長も有している。
【００３１】
図８は、上述した実施形態の静電容量型荷重計１の使用状態の一例を示す。この使用例では、斜面安定を目的とするグラウンドアンカー工法において、斜面Ｇ上にアンカープレート１９を固定するために緊張材として用いられるＰＣストランド２０の張力を計測している。ＰＣストランド２０は、一端を地中に固定されて引っ張られた状態で、他端側の一部が防食用パイプ２１に通されてグラウト２２で固定されている。そして、ＰＣストランド２０の他端に取り付けられた定着具２３とアンカープレート１９との間に、２枚の受圧板２４に挟まれた荷重計１を設置している。
【００３２】
ここで、この荷重計１は、プレート２が両端面を受圧面２ａとする円環状のものであるので、上述した使用例のように線棒状の部材に作用する張力を計測するのに適している。また、プレート２には円形孔２ｂが放射状に複数設けられており、任意の円形孔２ｂにプローブ３を挿入できるようになっているので、受圧面２ａの計測位置を簡単に変更することができるし、複数のプローブ３を用いて受圧面２ａの荷重分布を求めることもできる。
【００３３】
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。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、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。
【００３４】
例えば、プレートの形状は、実施形態のような円環状に限らず、用途に応じて矩形板状や円板状とすることもできるし、プレートの円形孔やプローブの電極は少なくとも１つ設けられていればよい。また、プローブは、プレートとセットで用いるだけでなく、荷重測定対象部材そのものにあけた円形孔に挿入して使用することもできる。さらに、プローブの取付部材も、必ずしも実施形態のようなボールプランジャを採用する必要はなく、円筒体に取り付けたゴム等の弾性部材を直接プレートの円形孔内周面に押し付けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ａは実施形態の静電容量型荷重計の外観斜視図、ｂはａの正面図、ｃはａの一部切欠き平面図
【図２】図1（ｃ）の要部拡大平面断面図
【図３】図２のIII−III線に沿った断面図
【図４】図２のIV−IV線に沿った断面図
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図
【図６】図１の荷重計の試験方法の説明図
【図７】ａ、ｂ、ｃは、それぞれ図１の荷重計の試験結果を示すグラフ
【図８】図１の荷重計の使用例の説明図
【図９】従来の静電容量型荷重計の要部の正面図
【符号の説明】
【００３６】
１  静電容量型荷重計
２  プレート
２ａ  受圧面
２ｂ  円形孔
３  プローブ
４、５  蓋
７  円筒体
８  電極
９  ボールプランジャ
１３  ケース
１４  ばね
１５  ボール
【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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【図８】
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【図９】
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