特許 5747265 ひずみ計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5747265

(24)【登録日】2015年5月22日

(45)【発行日】2015年7月8日

(54)【発明の名称】ひずみ計

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/00 20060101AFI20150618BHJP

   G01B 7/24 20060101ALI20150618BHJP

【ＦＩ】

   G01B7/00 101H

   G01B7/24

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-20438(P2013-20438)

(22)【出願日】2013年2月5日

(65)【公開番号】特開2014-153081(P2014-153081A)

(43)【公開日】2014年8月25日

【審査請求日】2014年6月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】301031392

【氏名又は名称】国立研究開発法人土木研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000151520

【氏名又は名称】株式会社東京測器研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村越 潤

(72)【発明者】

【氏名】田中 良樹

(72)【発明者】

【氏名】末吉 良敏

(72)【発明者】

【氏名】浅田 知之

【審査官】 堀 圭史

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−３１８８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１５７００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１１４４０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ７／００−３４

Ｇ０１Ｎ ２７／７２−９０

Ｇ０１Ｌ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁性材料を含む物体に生じるひずみ又は応力を測定するためのひずみ計であって、
第１磁石が搭載されており、前記物体の測定箇所で、該物体と前記第１磁石との間に作用する磁力によって該物体に固定される第１部材と、
第２磁石が搭載されており、前記物体の測定箇所に前記第１部材に並列して配置されると共に該物体と前記第２磁石との間に作用する磁力によって該物体に固定される第２部材と、
前記第１部材及び第２部材が前記物体の測定箇所に固定された状態で、前記第１磁石及び第２磁石によりそれぞれ生成される磁場が作用するように前記第１部材及び第２部材のいずれか一方に搭載されており、前記物体に固定された前記第１部材と第２部材との間の相対的変位に伴う前記磁場の変化に応じた出力を発生する磁場検知素子とを備えることを特徴とするひずみ計。

【請求項2】

請求項１記載のひずみ計において、
前記磁場検知素子は、前記第１部材及び第２部材があらかじめ定められた所定の位置関係で前記物体の測定箇所に固定された当初の初期状態で、前記第１磁石及び第２磁石によりそれぞれ生成される磁場が互いに打ち消し合う位置に配置されるように前記第１部材及び第２部材のいずれか一方に搭載されていることを特徴とするひずみ計。

【請求項3】

請求項１記載のひずみ計において、
前記第１部材及び第２部材があらかじめ定められた所定の位置関係で前記物体の測定箇所に固定された当初の初期状態で、前記第１磁石及び第２磁石によりそれぞれ前記磁場検知素子の配置位置に生成される磁場の合成磁場と打ち消し合う磁場を該磁場検知素子の配置位置に生成する第３磁石が、前記第１部材及び第２部材の少なくともいずれか一方に搭載されていることを特徴とするひずみ計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物体のひずみ又は応力を測定するためのひずみ計に関する。

【背景技術】

【0002】

橋梁等の構造物の保守、管理等のために、該構造物に含まれる鋼材等の物体のひずみ又は応力を測定することが従来より行われている。

【0003】

そして、この種の測定には、ひずみゲージ、あるいは、ひずみセンサを含むひずみ計が従来より一般に使用されている（例えば、特許文献１、２、３を参照）。ひずみゲージは、通常、物体の測定箇所に接着剤により接着される。また、ひずみ計は、通常、ボルト等の締結部材により物体の測定箇所に固定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００−５５６０８号公報

【特許文献2】特開２００９−２３７８０５号公報

【特許文献3】特開２０１１−１８００６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

物体に接着するひずみゲージ、あるいは、物体にボルト等の締結部材で固定するひずみ計を使用する従来の測定では、次のような不都合があった。

【0006】

すなわち、ひずみゲージを物体に接着する場合には、通常、ひずみゲージを物体に接着する前に、物体の測定箇所の表面の塗装を除去して研磨する加工作業が必要となる。また、ひずみ計を物体にボルト等の締結部材で固定する場合には、通常、ひずみ計を物体に固定する前に、物体の測定箇所周辺に穴あけ加工を施す等の加工作業が必要となる。

【0007】

このため、かかる加工作業を伴うひずみゲージの設置作業、あるいは、ひずみ計の設置作業に時間がかかりやすい。特に、多点測定を行う場合には、多数のひずみゲージあるいはひずみ計の設置作業に多大な工数を要するものとなる。

【0008】

また、上記研磨や穴あけ加工等の加工作業を測定対象の物体に施すために、該物体が損傷を受けて、該物体の挙動特性（応力による変形特性等）が元々の状態から変化してしまう虞もある。

【0009】

さらに、物体に接着したひずみゲージは再利用できない。また、ひずみゲージを接着した測定箇所、あるいは、ひずみ計を固定した測定箇所で物体の亀裂もしくは破断が生じたような場合には、該ひずみゲージ、あるいは、ひずみ計も損傷してしまう場合が多い。このため、測定コストの高コスト化を招きやすい。

【0010】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、鋼材等、磁性材料を含む物体のひずみ又は応力を測定するにあたって、その測定のためのひずみ計を容易に物体の測定箇所に設置することができると共に、測定コストの低コスト化を実現することができるひずみ計を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明のひずみ計は、かかる目的を達成するために、磁性材料を含む物体に生じるひずみ又は応力を測定するためのひずみ計であって、第１磁石が搭載されており、前記物体の測定箇所で、該物体と前記第１磁石との間に作用する磁力によって該物体に固定される第１部材と、第２磁石が搭載されており、前記物体の測定箇所に前記第１部材に並列して配置されると共に該物体と前記第２磁石との間に作用する磁力によって該物体に固定される第２部材と、前記第１部材及び第２部材が前記物体の測定箇所に固定された状態で、前記第１磁石及び第２磁石によりそれぞれ生成される磁場が作用するように前記第１部材及び第２部材のいずれか一方に搭載されており、前記物体に固定された前記第１部材と第２部材との間の相対的変位に伴う前記磁場の変化に応じた出力を発生する磁場検知素子とを備えることを特徴とする（第１発明）。

【0012】

かかる第１発明によれば、前記物体（鋼材等、磁性材料を含む物体）に生じるひずみ又は応力を測定する際には、前記第１部材及び第２部材は、それぞれに搭載された第１磁石、第２磁石と前記物体との間に作用する磁力によって該物体に固定される。このため、物体に研磨加工や穴あけ加工等の加工作業を施すことを必要とすることなく、ひいては、物体もしくはその表面の塗装等の防食層を傷つけることなく、第１部材及び第２部材を物体の測定箇所に容易に短時間で設置することができる。

【0013】

第１部材及び第２部材を物体の測定箇所に設置した後に、該測定箇所で物体のひずみが発生すると、物体にそれぞれ固定されている第１部材及び第２部材の間の相対的変位が生じる。この相対的変位によって、前記第１磁石又は第２磁石の前記磁場検知素子に対する位置関係が変化するため、該第１磁石及び第２磁石から前記磁場検知素子に作用するトータルの磁場（第１磁石及び第２磁石が磁場検知素子の配置位置にそれぞれ生成する磁場の合成磁場）が変化する。ひいては、磁場検知素子の出力が変化する。

【0014】

従って、磁場検知素子の出力は、前記測定箇所での物体のひずみに応じて変化することとなり、該磁場検知素子の出力に基づいて、物体に発生したひずみ、あるいは、該ひずみに対応する応力を測定できることとなる。

【0015】

また、この場合、第１部材と第２部材とは、それぞれ磁力によって物体に固定されていると共に、互いに分離された別体の部材であるので、第１部材と第２部材との間で物体のひずみによる亀裂や破断が生じても、第１部材と第２部材とが損傷を受けるようなことはない。

【0016】

また、第１部材及び第２部材は、それぞれ磁力によって物体に固定されるものであるから、測定の終了後には、前記磁力に抗する力を第１部材及び第２部材に作用させるだけで、物体もしくはその表面の防食層、あるいは、第１部材及び第２部材を損傷させることなく、物体から取り外すことができる。そして、物体から取り外した第１部材及び第２部材は、そのまま支障なく再利用することができる。

【0017】

よって、第１発明によれば、鋼材等、磁性材料を含む物体のひずみ又は応力を測定するにあたって、その測定のためのひずみ計を容易に物体の測定箇所に設置することができると共に、測定コストの低コスト化を実現することができる。

【0018】

上記第１発明では、前記磁場検知素子は、前記第１部材及び第２部材があらかじめ定められた所定の位置関係で前記物体の測定箇所に固定された当初の初期状態で、前記第１磁石及び第２磁石によりそれぞれ生成される磁場が互いに打ち消し合う位置に配置されるように前記第１部材及び第２部材のいずれか一方に搭載されていることが好ましい（第２発明）。

【0019】

あるいは、前記第１部材及び第２部材があらかじめ定められた所定の位置関係で前記物体の測定箇所に固定された当初の初期状態で、前記第１磁石及び第２磁石によりそれぞれ前記磁場検知素子の配置位置に生成される磁場の合成磁場と打ち消し合う磁場を該磁場検知素子の配置位置に生成する第３磁石が、前記第１部材及び第２部材の少なくともいずれか一方に搭載されていることが好ましい（第３発明）。

【0020】

上記第２発明によれば、前記初期状態で、第１磁石及び第２磁石によりそれぞれ磁場検知素子の配置位置に生成される磁場が互いに打ち消し合うので、第１部材及び第２部材の相互の位置関係が前記初期状態又はそれに近い状態で一定に保たれている状況では、第１部材及び第２部材の周囲の環境温度の変化に起因して、第１磁石及び第２磁石のそれぞれが生成する磁場が変化しても、磁場検知素子の配置位置でのトータルの磁場（第１磁石による磁場と第２磁石による磁場との合成磁場）を一定もしくはほぼ一定に保つことが可能となる。

【0021】

このため、環境温度の変化に起因して、磁場検知素子の出力が変動するのを防止もしくは抑制することが可能となる。ひいては、磁場検知素子の出力に基づく、物体のひずみ又は応力の測定の信頼性を高めることができる。

【0022】

また、上記第３発明によれば、前記初期状態で、第１磁石及び第２磁石のそれぞれによって磁場検知素子の配置位置に生成される磁場の合成磁場と、第３磁石によって磁場検知素子の配置位置に生成される磁場とが互いに打ち消し合うので、第１部材及び第２部材の相互の位置関係が前記初期状態又はそれに近い状態で一定に保たれている状況では、第１部材及び第２部材の周囲の環境温度の変化に起因して、第１磁石、第２磁石及び第３磁石のそれぞれが生成する磁場が変化しても、磁場検知素子の配置位置でのトータルの磁場（第１磁石による磁場と第２磁石による磁場と第３磁石による磁場との合成磁場）を一定もしくはほぼ一定に保つことが可能となる。

【0023】

このため、前記第２発明と同様に、環境温度の変化に起因して、磁場検知素子の出力が変動するのを防止もしくは抑制することが可能となる。ひいては、磁場検知素子の出力に基づく、物体のひずみ又は応力の測定の信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施形態のひずみ計の構成を示す斜視図。

【図2】実施形態のひずみ計の出力特性を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本発明の一実施形態を図１及び図２を参照して以下に説明する。本実施形態のひずみ計１によってひずみ又は応力を測定しようとする物体Ｗは、鋼材等、磁性材料により構成された物体、あるいは、磁性材料を十分に含む材質により構成された物体（換言すれば、任意の磁石を磁力によって吸着させることが可能な物体）である。

【0026】

このひずみ計１は、図１に示すように、物体Ｗのひずみ又は応力の測定に際して、物体Ｗの測定箇所の表面に固定される２つの部材として、筐体状の第１部材２及び第２部材３を備える。

【0027】

第１部材２及び第２部材３には、それぞれ、第１磁石４、第２磁石５が搭載されている。また、第１部材２及び第２部材３の一方、例えば第１部材２には、さらに第３磁石６と磁場検知素子としてのホール素子７とが搭載されている。

【0028】

第１磁石４は、その周囲に磁場を生成すると同時に、その磁場によって第１部材２を物体Ｗに固定させる力（引力）となる磁力を該第１部材２と物体Ｗとの間に発生させるための磁石である。この第１磁石４は、本実施形態では、第１部材２の底面（物体Ｗへの接触面）寄りの位置で第１部材２の内部に収容されて該第１部材２に固定されている。

【0029】

また、第２磁石５は、その周囲に磁場を生成すると同時に、その磁場によって第２部材３を物体Ｗに固定させる力（引力）となる磁力を該第２部材３と物体Ｗとの間に発生させるための磁石である。この第２磁石５は、本実施形態では、第２部材３の底面（物体Ｗへの接触面）寄りの位置で第２部材３の内部に収容されて該第２部材３に固定されている。

【0030】

上記のように第１磁石４、第２磁石５がそれぞれ搭載された第１部材２と第２部材３とは、物体Ｗのひずみ又は応力の測定当初において、図１に示すように、物体Ｗの測定箇所にあらかじめ定められた所定の位置関係で間隔を存して測定する方向に並列するように配置される。そして、この配置状態（以降、初期配置状態という）で、第１部材２及び第２部材３が、それぞれに搭載されている第１磁石４、第２磁石５と物体Ｗとの間に作用する磁力（引力）によって、物体Ｗに固定（吸着）されることとなる。

【0031】

ホール素子７は、自身の配置位置における磁場（第１磁石４、第２磁石５及び第３磁石６により生成される磁場）の強度及び向き（極性）に応じた信号（電圧信号）を出力する磁場検知素子であり、本実施形態では、第１部材２の第２部材３に面した側面部外面に取り付けられて、該第１部材２に固定されている。

【0032】

このホール素子７は、第１部材２から導出されたケーブル８に電気的に接続されており、ホール素子７の出力信号が、ケーブル８を介して外部に出力されるようになっている。なお、第１部材２には、ホール素子７の出力信号を増幅するアンプ等の回路が搭載されていてもよい。

【0033】

第３磁石６は、第１部材２及び第２部材３を物体Ｗの測定箇所に設置した状態で、ホール素子７の配置位置に作用するトータルの磁場の強度を調整するための磁石である。この第３磁石６は、第１部材２及び第２部材３の前記初期配置状態で、第１磁石４及び第２磁石５のそれぞれによってホール素子７の配置位置に生成される磁場の合成磁場を打ち消す磁場（該合成磁場との総和の磁場の強度がゼロもしくはほぼゼロとなるような磁場）をホール素子７の配置位置に生成するように、第１部材２の内部に収容されて、該第１部材２に固定されている。

【0034】

すなわち、第１部材２における第３磁石６の位置もしくは姿勢、あるいは、該第３磁石６の大きさ、形状、発生磁場の強度等を適切に設定しておくことで、第１部材２及び第２部材３の前記初期配置状態で、第１磁石４、第２磁石５及び第３磁石６によりホール素子７の配置位置に生成されるトータルの磁場の強度がゼロもしくはほぼゼロになるようになっている。

【0035】

ここで、第１磁石４、第２磁石５及び第３磁石６は、互いに同じ温度特性を有し、それぞれが生成する磁場の強度が、第１部材２及び第２部材３の周囲の環境温度の変化に対してほぼ同じ特性で増減する。

【0036】

このため、第１部材２及び第２部材３の相互の位置関係が、前記初期配置状態もしくはこれに近い状態で一定に保持されている状況（ひいては、第１磁石４、第２磁石５及び第３磁石６の相互の位置関係が一定に保持されている状況）では、環境温度が変化しても、第１磁石４、第２磁石５及び第３磁石６が、それぞれホール素子７の配置位置に生成する磁場を合成してなるトータルの磁場の強度は、ほぼ一定に保たれるようになっている。

【0037】

なお、本実施形態では、各磁石４，５，６の形状や大きさ、あるいは、前記初期配置状態での各磁石４，５，６及びホール素子７の相互の位置関係等を適切に設定しておくことで、第１部材２及び第２部材３の間の前記初期配置状態からの相対的変位が、該第１部材２及び第２部材３の間隔方向（図１の矢印Ｙの方向）で生じた場合に、第１磁石４、第２磁石５及び第３磁石６によりホール素子７の配置位置に生成されるトータルの磁場の強度が比較的感度よく変化するようになっている。

【0038】

次に、本実施形態のひずみ計１による測定処理について説明する。

【0039】

物体Ｗのひずみ又は応力を測定するにあたって、まず、ひずみ計１の第１部材２及び第２部材３が、前記初期配置状態で、物体Ｗの測定箇所に配置される。このとき、第１部材２及び第２部材３は、それぞれに搭載された第１磁石４、第２磁石５と物体Ｗとの間に作用する磁力（引力）によって、物体Ｗに固定される。

【0040】

このため、物体Ｗに研磨加工や穴あけ加工等の加工処理を事前に施すことを必要とすることなく、容易に短時間で、物体Ｗの測定箇所に、ひずみ計１の第１部材２及び第２部材３を設置することができる。

【0041】

上記のように物体Ｗの測定箇所に、ひずみ計１の第１部材２及び第２部材３を設置した当初の状態（物体Ｗのひずみが生じていない状態）で、すなわち、第１部材２及び第２部材３の初期配置状態では、第１磁石４、第２磁石５及び第３磁石６によりホール素子７の配置位置に生成されるトータルの磁場の強度は、ゼロ（もしくはほぼゼロ）である。このため、ホール素子７の出力信号の大きさ（電圧レベル）がゼロレベルとなる。従って、物体Ｗのひずみが生じていない状態では、ホール素子７の出力信号の大きさは、図２のグラフで示す如くゼロレベルとなる。

【0042】

なお、物体Ｗのひずみが生じていない状態でも、第１部材２及び第２部材３の周囲の環境温度が変化すると、第１磁石４、第２磁石５及び第３磁石６のそれぞれがホール素子７の配置位置に生成する磁場の強度は変化する。ただし、前記したように、第１部材２及び第２部材３の相互の位置関係が一定に保持されている限り、第１磁石４、第２磁石５及び第３磁石６のそれぞれがホール素子７の配置位置に生成する磁場を合成してなるトータルの磁場の強度は、環境温度による変化分が打ち消し合うことで、ほぼ一定に保たれる。

【0043】

このため、物体Ｗのひずみが生じていない状態では、環境温度が変化しても、ホール素子７の出力信号の大きさはゼロレベル（もしくはほぼゼロレベル）に保たれる。

【0044】

第１部材２及び第２部材３の設置後に、物体Ｗのひずみが発生すると、そのひずみに伴い、第１部材２及び第２部材３の間の相対的変位が発生し、ひいては、第１磁石４、第２磁石５及び第３磁石６の相互の位置関係が初期配置状態から変化する。例えば、図１に矢印Ｙで示す方向で、物体Ｗにひずみが発生して、第１部材２及び第２部材３の間の間隔が変化する。

【0045】

このとき、ホール素子７の配置位置に生成されるトータルの磁場の強度が変化し、それに応じて、ホール素子７の出力信号の大きさがゼロレベルから変化する。

【0046】

この場合、ホール素子７の配置位置に生成されるトータルの磁場の強度の変化量は、物体Ｗのひずみの大きさが大きいほど、大きなものとなる。また、ホール素子７の配置位置に生成されるトータルの磁場の向きは、該ひずみが、第１部材２及び第２部材３の間の間隔の拡大方向のひずみである場合と、該間隔の縮小方向のひずみである場合とで、互いに逆向きとなる。このため、ホール素子７の出力信号の大きさ及び極性は、例えば図２のグラフで示す如く、物体Ｗのひずみに応じて変化するものとなる。

【0047】

従って、ホール素子７の出力信号に基づいて、物体Ｗの測定箇所で生じたひずみを測定できることとなる。さらに、このひずみの測定値から、物体Ｗの測定箇所で生じた応力を測定することもできる。

【0048】

なお、物体Ｗのひずみが生じた状態であっても、そのひずみが一定に保たれる状態、ひいては第１部材２及び第２部材３の相互の位置関係が一定に保たれている状態では、物体Ｗのひずみが生じていない場合と同様に、環境温度が変化しても、ホール素子７の出力信号は、ほぼ一定に保たれる。

【0049】

以上のように、本実施形態のひずみ計１によれば、第１部材２及び第２部材３を、それぞれに搭載した第１磁石４、第２磁石５の磁力によって物体Ｗに固定できるので、測定対象の物体Ｗに研磨加工や穴あけ加工等の加工処理を施すことを必要とせずに、ひいては、物体Ｗやその表面の防食層を傷つけることなく、容易に短時間でひずみ計１を物体Ｗに設置することができると共に、物体Ｗの本来の挙動状態で該物体Ｗに生じるひずみ又は応力を、ホール素子７の出力信号に基づいて測定することができる。

【0050】

また、第１部材２に第３磁石６を追加的に搭載して、第１部材２及び第２部材３の相互の位置関係が一定に保持されている状態で、環境温度が変化しても、ホール素子７の配置位置に生成されるトータルの磁場の強度がほぼ一定に保たれるようにしたので、環境温度の変化によらずに、ホール素子７の出力信号に基づいて、物体Ｗのひずみ又は応力を高い信頼性で測定できる。

【0051】

なお、以上説明した実施形態では、ホール素子７の配置位置に生成されるトータルの磁場が環境温度に応じて変化しないようにするために、第１部材２にのみ第３磁石６を搭載するようにしたが、第１部材２の代わりに、第２部材３にだけ第３磁石を搭載したり、あるいは、第１部材２と第２部材３との両方に第３磁石を搭載してもよい。

【0052】

あるいは、第１部材２及び第２部材３の両方に第３磁石を搭載せずに、第１部材２（又は第２部材３）におけるホール素子７の配置位置を適切に設定しておくことによって、第１磁石４及び第２磁石５によりホール素子７の配置位置に生成されるトータルの磁場の強度が、環境温度によらずにほぼ一定に保たれるようにしてもよい。この場合には、第３磁石６は不要である。

【0053】

また、前記実施形態では、第１部材２及び第２部材３の間隔方向で生じるひずみ又はこれに対応する応力を測定する場合を例にとって説明したが、第１部材２及び第２部材３に搭載する各磁石の大きさ、形状、搭載位置、もしくは姿勢、あるいは、第１部材２又は第２部材３に対するホール素子の搭載位置等を適切に設定しておくことで、第１部材２及び第２部材３の間隔方向と直交する方向（図１の矢印Ｙと直交する方向）での物体Ｗのひずみに対してホール素子７に作用するトータルの磁場の強度の変化の感度が高まるようにして、第１部材２及び第２部材３の間隔方向と直交する方向での物体Ｗのひずみ又はこれに対応する応力を測定するようにしてもよい。

【0054】

また、前記実施形態では、磁場検知素子としてホール素子７を用いたが、ホール素子以外の磁場検知素子を使用してもよい。

【符号の説明】

【0055】

１…ひずみ計、２…第１部材、３…第２部材、４…第１磁石、５…第２磁石、６…第３磁石、７…ホール素子（磁場検知素子）

【図1】

【図2】