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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024136099
(43)【公開日】2024-10-04
(54)【発明の名称】荷重測定装置及び荷重測定プログラム
(51)【国際特許分類】
G01N 3/24 20060101AFI20240927BHJP
G01N 3/08 20060101ALI20240927BHJP
G01L 5/1627 20200101ALI20240927BHJP
G01M 7/02 20060101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
G01N3/24
G01N3/08
G01L5/1627
G01M7/02 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023047076
(22)【出願日】2023-03-23
【新規性喪失の例外の表示】新規性喪失の例外適用申請有り
(71)【出願人】
【識別番号】521114239
【氏名又は名称】笠井 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100100011
【弁理士】
【氏名又は名称】五十嵐 省三
(72)【発明者】
【氏名】笠井 和彦
(72)【発明者】
【氏名】牟 雨
(72)【発明者】
【氏名】金子 健作
(72)【発明者】
【氏名】アレックス シガイ
(72)【発明者】
【氏名】デイブ エム オサベル
【テーマコード（参考）】
2F051
2G061
【Ｆターム（参考）】
2F051AB09
2F051BA07
2F051DA02
2F051DB01
2G061AA02
2G061AA11
2G061AA17
2G061AB01
2G061BA08
2G061EA01
2G061EA04
2G061EB04
2G061EB05
(57)【要約】
【課題】試験体の水平荷重を精確に測定できる荷重測定装置及び荷重測定プログラムを提供する。
【解決手段】試験体１を載置する水平可動テーブル２は鉛直方向アクチュエータ１１上に設けられ、水平可動テーブル２は水平方向アクチュエータ５によって水平方向に移動可能になっている。試験体１は鉛直方向加圧部材７に固定され、鉛直方向加圧部材７の両側は水平方向ロードセル８、８’を介してフレーム１０、１０’に固定されている。鉛直方向加圧部材７と固定ベース４との間には、鉛直方向ロードセル柱６、６’が設けられている。制御ユニット１２はロードセル柱６、６’及び水平方向ロードセル８、８’の測定値に応じて第１、第２の水平荷重を得、加算して試験体１の水平荷重とし、試験体１の鉛直荷重を得さらに、試験体１の任意のＸ，Ｚ方向位置における曲げモーメントも算定する。
【選択図】 図１
【解決手段】試験体１を載置する水平可動テーブル２は鉛直方向アクチュエータ１１上に設けられ、水平可動テーブル２は水平方向アクチュエータ５によって水平方向に移動可能になっている。試験体１は鉛直方向加圧部材７に固定され、鉛直方向加圧部材７の両側は水平方向ロードセル８、８’を介してフレーム１０、１０’に固定されている。鉛直方向加圧部材７と固定ベース４との間には、鉛直方向ロードセル柱６、６’が設けられている。制御ユニット１２はロードセル柱６、６’及び水平方向ロードセル８、８’の測定値に応じて第１、第２の水平荷重を得、加算して試験体１の水平荷重とし、試験体１の鉛直荷重を得さらに、試験体１の任意のＸ，Ｚ方向位置における曲げモーメントも算定する。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
試験体の荷重を測定するための荷重測定装置であって、
固定ベースと、
前記試験体の下側を載置するための水平可動テーブルと、
前記試験体の上側を載置するための鉛直方向加圧部材と、
前記固定ベース上に設けられ、前記水平可動テーブルを支承部材を介して支承し、前記水平可動テーブルに鉛直力を印加するための鉛直方向アクチュエータと、
前記水平可動テーブルに水平力を印加するための水平方向アクチュエータと、
前記固定ベース上に固定された支持部材と、
前記支持部材と前記鉛直方向加圧部材との間に介在し、水平荷重を測定するための水平方向ロードセルと、
前記鉛直方向加圧部材と前記固定ベースとの間に介在し、前記水平可動テーブルを挟んで対抗した少なくとも２つの鉛直方向ロードセル柱と、
前記水平方向ロードセル及び前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージに接続された制御ユニットと
を具備し、
前記各鉛直方向ロードセル柱は、
第１の断面積を有する柱部と、
前記柱部の上下に設けられ、前記第１の断面積より小さい第２の断面積を有し、歪みゲージを有する上部ロードセル部及び下部ロードセル部と
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の鉛直荷重及び曲げモーメントを演算し、
前記曲げモーメントに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の第１の水平荷重を演算し、
前記水平方向ロードセルの荷重測定値により第２の水平荷重を演算し、
前記第１、第２の水平荷重を加算して前記試験体の水平荷重を演算する荷重測定装置。
固定ベースと、
前記試験体の下側を載置するための水平可動テーブルと、
前記試験体の上側を載置するための鉛直方向加圧部材と、
前記固定ベース上に設けられ、前記水平可動テーブルを支承部材を介して支承し、前記水平可動テーブルに鉛直力を印加するための鉛直方向アクチュエータと、
前記水平可動テーブルに水平力を印加するための水平方向アクチュエータと、
前記固定ベース上に固定された支持部材と、
前記支持部材と前記鉛直方向加圧部材との間に介在し、水平荷重を測定するための水平方向ロードセルと、
前記鉛直方向加圧部材と前記固定ベースとの間に介在し、前記水平可動テーブルを挟んで対抗した少なくとも２つの鉛直方向ロードセル柱と、
前記水平方向ロードセル及び前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージに接続された制御ユニットと
を具備し、
前記各鉛直方向ロードセル柱は、
第１の断面積を有する柱部と、
前記柱部の上下に設けられ、前記第１の断面積より小さい第２の断面積を有し、歪みゲージを有する上部ロードセル部及び下部ロードセル部と
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の鉛直荷重及び曲げモーメントを演算し、
前記曲げモーメントに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の第１の水平荷重を演算し、
前記水平方向ロードセルの荷重測定値により第２の水平荷重を演算し、
前記第１、第２の水平荷重を加算して前記試験体の水平荷重を演算する荷重測定装置。
【請求項2】
前記制御ユニットは、前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて前記試験体の鉛直荷重を演算する請求項１に記載の荷重測定装置。
【請求項3】
前記制御ユニットは、前記第１、第２の水平荷重及び前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて前記試験体の曲げモーメントを演算する請求項２に記載の荷重測定装置。
【請求項4】
前記制御ユニットは、前記鉛直方向ロードセル柱の上部ロードセル部の歪みゲージに応じて演算された前記試験体の鉛直荷重と、当該鉛直方向ロードセル柱の下部ロードセル部の歪みゲージに応じて演算された前記試験体の鉛直荷重とを比較することにより前記荷重測定装置の正常、異常を判別する請求項２に記載の荷重測定装置。
【請求項5】
前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージは該鉛直方向ロードセル柱の軸方向に沿ってヘアピン状に貼り付けられた請求項１に記載の荷重測定装置。
【請求項6】
試験体の荷重を測定するための荷重測定装置であって、
固定ベースと、
前記試験体の下側を載置するための水平可動テーブルと、
前記試験体の上側を載置するための鉛直方向加圧部材と、
前記固定ベース上に設けられ、前記水平可動テーブルを支承部材を介して支承し、前記水平可動テーブルに鉛直力を印加するための鉛直方向アクチュエータと、
前記水平可動テーブルに水平力を印加するための水平方向アクチュエータと、
前記固定ベース上に固定された支持部材と、
前記支持部材と前記鉛直方向加圧部材との間に介在し、水平荷重を測定する水平方向ロードセルと、
前記鉛直方向加圧部材と前記固定ベースとの間に介在し、前記水平可動テーブルを挟んで対抗した少なくとも２つの鉛直方向ロードセル柱と
を具備し、
前記各鉛直方向ロードセル柱は、
第１の断面積を有する柱部と、
前記柱部の上下に設けられ、前記第１の断面積より小さい第２の断面積を有し、歪みゲージを有する上部ロードセル部及び下部ロードセル部と
を具備する荷重測定装置において、
前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の曲げモーメントを演算する手順と、
前記曲げモーメントに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の第１の水平荷重を演算する手順と、
前記水平方向ロードセルの測定値により第２の水平荷重を演算する手順と、
前記第１、第２の水平荷重を加算して前記試験体の水平荷重を演算する手順とをコンピュータに実行させるための荷重測定プログラム。
固定ベースと、
前記試験体の下側を載置するための水平可動テーブルと、
前記試験体の上側を載置するための鉛直方向加圧部材と、
前記固定ベース上に設けられ、前記水平可動テーブルを支承部材を介して支承し、前記水平可動テーブルに鉛直力を印加するための鉛直方向アクチュエータと、
前記水平可動テーブルに水平力を印加するための水平方向アクチュエータと、
前記固定ベース上に固定された支持部材と、
前記支持部材と前記鉛直方向加圧部材との間に介在し、水平荷重を測定する水平方向ロードセルと、
前記鉛直方向加圧部材と前記固定ベースとの間に介在し、前記水平可動テーブルを挟んで対抗した少なくとも２つの鉛直方向ロードセル柱と
を具備し、
前記各鉛直方向ロードセル柱は、
第１の断面積を有する柱部と、
前記柱部の上下に設けられ、前記第１の断面積より小さい第２の断面積を有し、歪みゲージを有する上部ロードセル部及び下部ロードセル部と
を具備する荷重測定装置において、
前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の曲げモーメントを演算する手順と、
前記曲げモーメントに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の第１の水平荷重を演算する手順と、
前記水平方向ロードセルの測定値により第２の水平荷重を演算する手順と、
前記第１、第２の水平荷重を加算して前記試験体の水平荷重を演算する手順とをコンピュータに実行させるための荷重測定プログラム。
【請求項7】
さらに、前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて前記試験体の鉛直荷重を演算する手順をコンピュータに実行させるための請求項６に記載の荷重測定プログラム。
【請求項8】
さらに、前記第２の水平荷重及び前記試験体の鉛直荷重に応じて前記試験体の曲げモーメントを演算する手順をコンピュータに実行させるための請求項７に記載の荷重測定プログラム。
【請求項9】
さらに、前記制御ユニットは前記鉛直方向ロードセル柱の上部ロードセル部の歪みゲージに応じて演算された前記試験体の鉛直荷重と、当該鉛直方向ロードセル柱の下部ロードセル部の歪みゲージに応じて演算された前記試験体の鉛直荷重とを比較することにより前記荷重測定装置の正常、異常を判別する手順をコンピュータに実行させるための請求項７に記載の荷重測定プログラム。
【請求項10】
試験体の荷重を測定するための荷重測定装置であって、
固定ベースと、
前記試験体の下側を載置するための水平可動テーブルと、
前記試験体の上側を載置するための鉛直方向加圧部材と、
前記固定ベース上に固定された支持部材と、
前記鉛直方向加圧部材上に設けられ、前記鉛直方向加圧部材に鉛直力を印加するための鉛直方向アクチュエータと、
前記水平可動テーブルに水平力を印加するための水平方向アクチュエータと、
前記支持部材と前記鉛直方向加圧部材との間に介在し、水平荷重を測定するための水平方向ロードセルと、
前記鉛直方向アクチュエータと前記支持部との間に介在し、前記鉛直方向アクチュエータに対抗した少なくとも２つの鉛直方向ロードセルと、
前記水平方向ロードセル及び前記鉛直方向ロードセルの歪みゲージに接続された制御ユニットと
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記鉛直方向ロードセルの歪みゲージの歪みに応じて前記鉛直方向ロードセルの鉛直荷重を演算し、
前記水平方向ロードセルの測定値により前記試験体の水平荷重を演算する荷重測定装置。
固定ベースと、
前記試験体の下側を載置するための水平可動テーブルと、
前記試験体の上側を載置するための鉛直方向加圧部材と、
前記固定ベース上に固定された支持部材と、
前記鉛直方向加圧部材上に設けられ、前記鉛直方向加圧部材に鉛直力を印加するための鉛直方向アクチュエータと、
前記水平可動テーブルに水平力を印加するための水平方向アクチュエータと、
前記支持部材と前記鉛直方向加圧部材との間に介在し、水平荷重を測定するための水平方向ロードセルと、
前記鉛直方向アクチュエータと前記支持部との間に介在し、前記鉛直方向アクチュエータに対抗した少なくとも２つの鉛直方向ロードセルと、
前記水平方向ロードセル及び前記鉛直方向ロードセルの歪みゲージに接続された制御ユニットと
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記鉛直方向ロードセルの歪みゲージの歪みに応じて前記鉛直方向ロードセルの鉛直荷重を演算し、
前記水平方向ロードセルの測定値により前記試験体の水平荷重を演算する荷重測定装置。
【請求項11】
試験体の荷重を測定するための荷重測定装置であって、
固定ベースと、
前記試験体の下側を載置するための水平可動テーブルと、
前記試験体の上側を載置するための鉛直方向加圧部材と、
前記固定ベース上に固定された支持部材と、
前記支持部材上に設けられ、前記鉛直方向加圧部材に鉛直力を印加するための少なくとも２つの鉛直方向アクチュエータと、
前記水平可動テーブルに水平力を印加するための水平方向アクチュエータと、
前記支持部材と前記鉛直方向加圧部材との間に介在し、前記鉛直方向加圧部材を挟んで対抗した少なくとも２つの水平方向ロードセル柱と、
前記鉛直方向加圧部材と前記鉛直方向アクチュエータとの間に介在し、対抗した少なくとも２つの鉛直方向ロードセル柱と、
前記水平方向ロードセル柱及び前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージに接続された制御ユニットと
を具備し、
前記ロードセル柱は、
第１の断面を有する柱部と、
前記柱部の上下に設けられ、前記第１の断面積より小さい第２の断面積を有し、歪みゲージを有する上部ロードセル部及び下部ロードセル部と
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の鉛直荷重及び曲げモーメントを演算し、
前記曲げモーメントに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の第１の水平荷重を演算し、
前記水平方向ロードセル柱の測定値により第２の水平荷重を演算し、
前記第１、第２の水平荷重を加算して前記試験体の水平荷重を演算する荷重測定装置。
固定ベースと、
前記試験体の下側を載置するための水平可動テーブルと、
前記試験体の上側を載置するための鉛直方向加圧部材と、
前記固定ベース上に固定された支持部材と、
前記支持部材上に設けられ、前記鉛直方向加圧部材に鉛直力を印加するための少なくとも２つの鉛直方向アクチュエータと、
前記水平可動テーブルに水平力を印加するための水平方向アクチュエータと、
前記支持部材と前記鉛直方向加圧部材との間に介在し、前記鉛直方向加圧部材を挟んで対抗した少なくとも２つの水平方向ロードセル柱と、
前記鉛直方向加圧部材と前記鉛直方向アクチュエータとの間に介在し、対抗した少なくとも２つの鉛直方向ロードセル柱と、
前記水平方向ロードセル柱及び前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージに接続された制御ユニットと
を具備し、
前記ロードセル柱は、
第１の断面を有する柱部と、
前記柱部の上下に設けられ、前記第１の断面積より小さい第２の断面積を有し、歪みゲージを有する上部ロードセル部及び下部ロードセル部と
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の鉛直荷重及び曲げモーメントを演算し、
前記曲げモーメントに応じて前記鉛直方向ロードセル柱の第１の水平荷重を演算し、
前記水平方向ロードセル柱の測定値により第２の水平荷重を演算し、
前記第１、第２の水平荷重を加算して前記試験体の水平荷重を演算する荷重測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は建築物等の構造物で大きな鉛直力を受ける部材、たとえば柱材、免震部材の試験体の荷重つまり水平荷重、鉛直荷重及び曲げモーメントを高精度で測定するための荷重測定装置及び荷重測定プログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
大型建築物等の構造物で大きな鉛直力を受ける部材、たとえば柱材、免震部材は、部材サイズが大きいので、荷重測定装置を用いて断面積をたとえば０．２倍以下に縮小した試験体の荷重つまり水平荷重、鉛直荷重を測定し、試験体の測定結果を外挿して部材の耐力を評価している。但し、近年、試験体は極力大きなサイズとして部材の試験体の測定結果を内挿して部材の耐力評価を上げる傾向にある。このような水平荷重、鉛直荷重を高精度で測定するための荷重測定装置がある。
【0003】
図６は従来のゴム支承型荷重測定装置を示す図である（参照：特許文献１）。
【0004】
図６において、構造物の試験体１０１の下部エンドプレート１０１ａ側を載置する水平可動テーブル１０２はローラ１０３を支承として固定ベース１０４上に設けられている。固定ベース１０４上にはさらに水平方向アクチュエータ１０５が設けられ、水平可動テーブル１０２は水平方向アクチュエータ１０５の比較的微小な水平力Ｈたとえば０．１～３ＭＮによって水平Ｘ方向に移動可能となっている。
【0005】
試験体１０１の上部プレート１０１ｂ側は積層ゴム１０６を介してコ字状鉛直方向加圧部材１０７に固定され、試験体１０１の両側は水平方向ロードセル１０８、１０８’を介してコ字状鉛直方向加圧部材１０７に固定されている。また、コ字状鉛直方向加圧部材１０７はローラ１０９、１０９’を支承としてフレーム１１０に設けられると共に、フレーム１１０は固定ベース１０４に固定されている。コ字状鉛直方向加圧部材１０７はフレーム１１０に設けられた鉛直方向アクチュエータ１１１の大きな鉛直力Ｐたとえば４０ＭＮによって鉛直Ｚ方向に移動可能となっている。
【0006】
図６においては、積層ゴム１０６の水平剛性は水平方向ロードセル１０８、１０８’の剛性の０．５％より小さく設定され、積層ゴム１０６の回転挙動を抑えているので、積層ゴム１０６の反力を無視して水平方向ロードセル１０８、１０８’の水平力Ｈを試験体１０１の水平荷重とみなせる。また、積層ゴム１０６の鉛直剛性は非常に大きいので、鉛直方向アクチュエータ１１１の鉛直力Ｐを試験体１０１の鉛直荷重とみなせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１６－４５１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、図６に示すゴム支承型荷重測定装置においては、積層ゴム１０６の水平方向剛性は小さいものの無視できず、鉛直力、振幅、振動数、温度等に依存するため、その値の測定は困難である、また、積層ゴム１０６の曲げモーメントに対する剛性は小さいので、上部エンドプレート１０１ｂが回転するため、試験体の抵抗力を左右する境界条件が不確実になる。これらより、試験体１０１の水平荷重が不確実となり、測定誤差が不明確であるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上述の課題を解決するために、本発明に係る荷重測定装置は、試験体の荷重を測定するための荷重測定装置であって、固定ベースと、試験体の下側を載置するための水平可動テーブルと、試験体の上側を載置するための鉛直方向加圧部材と、固定ベース上に設けられ、水平可動テーブルを支承部材を介して支承し、水平可動テーブルに鉛直力を印加するための鉛直方向アクチュエータと、水平可動テーブルに水平力を印加するための水平方向アクチュエータと、固定ベース上に固定された支持部材と、支持部材と鉛直方向加圧部材との間に介在し、水平荷重を測定するための水平方向ロードセルと、鉛直方向加圧部材と固定ベースとの間に介在し、水平可動テーブルを挟んで対抗した少なくとも２つの鉛直方向ロードセル柱と、水平方向ロードセル及び鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージに接続された制御ユニットとを具備し、各鉛直方向ロードセル柱は、第１の断面積を有する柱部と、柱部の上下に設けられ、第１の断面積より小さい第２の断面積を有し、歪みゲージを有する上部ロードセル部及び下部ロードセル部とを具備し、制御ユニットは、鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて鉛直方向ロードセル柱の軸力つまり鉛直荷重及び曲げモーメントを演算し、曲げモーメントに応じて鉛直方向ロードセル柱の第１の水平荷重を演算し、水平方向ロードセルの荷重測定値に応じて第２の水平荷重を演算し、第１、第２の水平荷重を加算して試験体の水平荷重を演算するものである。
【0010】
また、本発明に係るコンピュータによって実行される荷重測定プログラムは、試験体の荷重を測定するための荷重測定装置であって、固定ベースと、試験体の下側を載置するための水平可動テーブルと、試験体の上側を載置するための鉛直方向加圧部材と、固定ベース上に設けられ、水平可動テーブルを支承部材を介して支承し、水平可動テーブルに鉛直力を印加するための鉛直方向アクチュエータと、水平可動テーブルに水平力を印加するための水平方向アクチュエータと、固定ベース上に固定された支持部材と、支持部材と鉛直方向加圧部材との間に介在し、水平荷重を測定するための水平方向ロードセルと、鉛直方向加圧部材と固定ベースとの間に介在し、水平可動テーブルを挟んで対抗した少なくとも２つの鉛直方向ロードセル柱とを具備し、各鉛直方向ロードセル柱は、第１の断面積を有する柱部と、柱部の上下に設けられ、第１の断面積より小さい第２の断面積を有し、歪みゲージを有する上部ロードセル部及び下部ロードセル部とを具備する荷重測定装置において、鉛直方向ロードセル柱の歪みゲージの歪みに応じて鉛直方向ロードセル柱の軸力つまり鉛直荷重及び曲げモーメントを演算する手順と、曲げモーメントに応じて鉛直方向ロードセル柱の第１の水平荷重を演算する手順と、水平方向ロードセルの荷重測定値に応じて第２の水平荷重を演算する手順と、第１、第２の水平荷重を加算して試験体の水平荷重を演算する手順とを実行させるものである。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、試験体の水平荷重の演算には例えば水平可動テーブルと鉛直方向アクチュエータの間に生じる摩擦力や水平可動テーブルの慣性力を含まないので、誤差を小さくできる。また、鉛直荷重の演算にも、水平可動テーブルの周囲の支持材との間に生じる摩擦力などを含まないので、誤差を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
【0014】
図１において、試験体１の下部エンドプレート１ａ側を載置する水平可動テーブル２は支承部材としてのローラ３を介して鉛直方向アクチュエータ１１上に設けられ、鉛直方向アクチュエータ１１は固定ベース４上に設けられている。水平可動テーブル２は鉛直方向アクチュエータ１１の大きな鉛直力Ｐたとえば４０ＭＮによって鉛直Ｚ方向に移動可能になっている。尚、鉛直力を引張力とする場合には、ローラ３をレールに埋込む形式とすることもできる。さらに、固定ベース４に固定されたフレーム１０、１０’に水平方向アクチュエータ５が設けられ、水平可動テーブル２は水平方向アクチュエータ５の微小の水平力Ｈたとえば０．１～３ＭＮによって水平Ｘ方向に移動可能になっている。
【0015】
試験体１の上部エンドプレート１ｂ側は鉛直方向加圧部材７に固定され、鉛直方向加圧部材７の両側は水平方向ロードセル８、８’を介してフレーム１０、１０’に固定されている。各水平方向ロードセル８、８’は、水平Ｘ方向の力を検出する。尚、水平方向ロードセル８、８’はいずれか１つとすることもできるが、全体の対称性を保つために２つの方が好ましい。
【0016】
鉛直方向加圧部材７と固定ベース４との間には、鉛直方向ロードセル柱６、６’が設けられている。鉛直方向ロードセル柱６、６’は好ましくは鉛直方向加圧部材７の両端に位置し、水平Ｘ方向上で対抗している。すなわち、鉛直方向ロードセル柱６、６’は水平可動テーブル２を挟んで対抗している。鉛直方向ロードセル柱６、６’は図５の積層ゴム１０６の作用をする。しかし、鉛直方向ロードセル柱６、６’は試験体１の鉛直Ｚ方向荷重、曲げモーメント及び水平Ｘ方向荷重を高精度に測定できる。また、鉛直方向ロードセル柱６、６’は鉛直方向加圧部材７の両端に位置することにより鉛直Ｚ方向歪みを効率よく検出できる。
【0017】
制御ユニット１２は、たとえば中央処理装置（ＣＰＵ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、Ｄ／Ａ変換器、ディスプレイユニット等よりなるコンピュータによって構成され、鉛直方向アクチュエータ１１、水平方向アクチュエータ５を駆動すると共に、鉛直方向ロードセル柱６、６’の歪み及び水平方向ロードセル８、８’の水平力測定値の出力を取込んで試験体１の鉛直荷重及び水平荷重と共に曲げモーメントを演算する。尚、鉛直方向アクチュエータ１１、水平方向アクチュエータ５は制御ユニット１２を介さずに駆動してもよい。
【0018】
図２は図１の鉛直方向ロードセル柱６の詳細を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は正面図、（Ｂ’）は上部ロードセル部の拡大正面図、（Ｃ）は上部ロードセル部の拡大図、（Ｄ）は歪みゲージの配置図である。尚、鉛直方向ロードセル柱６’も鉛直方向ロードセル柱６と同一の構造をなす。
【0019】
図２の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、鉛直方向ロードセル柱６は、弾性で変形が非常に小さくなるように材料と断面積を定められた大径部の柱部６１及び柱部６１の上下に強度が大きいたとえば降状応力８５０ＭＰａ以上のモリブデン鋼よりなる剛性が小さい小径部の上部ロードセル部６２、下部ロードセル部６３を有する。尚、ロードセル部６２、６３は同一構成をなしており、同一動作を行う。従って、ダブルチェックも可能となる。
【0020】
図２の（Ｂ）、（Ｂ’）、（Ｃ）に示すように、ロードセル部６２（６３）は、通常の材料試験に用いられるものの形に近く、フランジ６２ａ、６２ｂ；６３ａ、６３ｂから丸みを介して最小径部分に極力一様な歪みが生じ易い構造となっている。
【0021】
図２の（Ｃ）、（Ｄ）に示すごとく、ロードセル部６２は歪みを高精度で測定できるように円周方向たとえば複数たとえば４ヶ所に右回りに歪みゲージ６２１（Ａ）、６２２（Ｂ）、６２３（Ｃ）、６２４（Ｄ）が設けられている。この場合、図２の（Ｃ）に示すように、各歪みゲージ６２１（Ａ）、６２２（Ｂ）、６２３（Ｃ）、６２４（Ｄ）はＺ軸方向歪みのみを測定できるようにＺ方向にヘアピン状に細長く形成されている。尚、最外縁の歪みゲージ６２２（Ｂ）及び最内縁の歪みゲージ６２４（Ｄ）はＹ軸まわりの曲げモーメントＭｙを演算する際にも用いられる。
【0022】
尚、ロードセル部６３も、ロードセル部６２と同様に、歪みゲージ６３１（Ｅ）、６３２（Ｆ）、６３３（Ｇ）、６３４（Ｈ）を有する。また、鉛直方向ロードセル柱６’も、図示しないが、鉛直方向ロードセル柱６と同様に、歪みゲージ６２１’（Ａ’）、６２２’（Ｂ’）、６２３’（Ｃ’）、６２４’（Ｄ’）、 ６３１’（Ｅ’）、６３２’（Ｆ’）、６３３’（Ｇ’）、６３４’（Ｈ’）を有する。
【0023】
制御ユニット１２は、鉛直方向ロードセル柱６、６’それぞれの上部と下部のロードセル部の軸力Ｐｕ、Ｐｄ、Ｐｕ’、Ｐｄ’、鉛直方向ロードセル柱６、６’それぞれの上部と下部のロードセル部の曲げモーメントＭｙｕ、Ｍｙｄ、Ｍｙｕ’、Ｍｙｄ’、鉛直方向ロードセル柱６、６’それぞれの小さな水平荷重Ｑｘ、Ｑｘ’を演算する。この場合、鉛直方向ロードセル柱６、６’において、これらの荷重のすべてはＺ軸方向歪みのみを用いて演算するので、各歪みが相互干渉することがない。
【0024】
【0025】
始めに、ステップ３０１にて、鉛直方向アクチュエータ１１及び水平方向アクチュエータ５を鉛直力Ｐ、水平力Ｈとなるように駆動する。
【0026】
次に、ステップ３０２にて、鉛直方向ロードセル柱６の歪みゲージ６２１（Ａ）、６２２（Ｂ）、６２３（Ｃ）、６２４（Ｄ）；６３１（Ｅ）、６３２（Ｆ）、６３３（Ｇ）、６３４（Ｈ）の歪みεＡ、εＢ、εＣ、εＤ；εＥ、εＦ、εＧ、εＨ、鉛直方向ロードセル柱６’の歪みゲージ６２１’（Ａ’）、６２２’（Ｂ’）、６２３’（Ｃ’）、６２４’（Ｄ’）；６３１’（Ｅ’）、６３２’（Ｆ’）、６３３’（Ｇ’）、６３４’（Ｈ’）の歪みεＡ’、εＢ’、εＣ’、εＤ’；εＥ’、εＦ’、εＧ’、εＨ’をＡ／Ｄ変換した値及び水平方向ロードセル８、８’の荷重測定値Ｒｘ、Ｒｘ’を取込む。
【0027】
次に、ステップ３０３にて、図４の（Ａ）を参照すると、鉛直方向ロードセル柱６の上部ロードセル６２の歪みケージの歪みを用いて、鉛直荷重Ｐuを次式を用いて演算する。
Ｐu＝ 1/4・(εＡ＋εＢ＋εＣ＋εＤ)・Ｅ・ＡＬＣ
但し、Ｅはロードセル柱のヤング率（たとえば２０５ＧＰａ）
ＡＬＣは上部ロードセル部６２の断面積（たとえば６１５.７５ｍｍ２）である。また、鉛直方向ロードセル柱６’の上部ロードセル６２’の歪みケージの歪みを用いて、鉛直荷重Ｐu’を次式を用いて演算する。
Ｐu’＝ 1/4・(εＡ’ ＋εＢ’＋εＣ’＋εＤ’)・Ｅ・ＡＬＣ’
ＡＬＣ’は上部ロードセル部６２’の断面積（たとえば６１５．７５ｍｍ２）である。
次に、試験体１の鉛直荷重ＰＳを次式を用いて演算する。
ＰＳ＝Ｐu＋Ｐu’
尚、演算された鉛直荷重ＰＳには摩擦力等の影響がないので、誤差は小さい。
Ｐu＝ 1/4・(εＡ＋εＢ＋εＣ＋εＤ)・Ｅ・ＡＬＣ
但し、Ｅはロードセル柱のヤング率（たとえば２０５ＧＰａ）
ＡＬＣは上部ロードセル部６２の断面積（たとえば６１５.７５ｍｍ２）である。また、鉛直方向ロードセル柱６’の上部ロードセル６２’の歪みケージの歪みを用いて、鉛直荷重Ｐu’を次式を用いて演算する。
Ｐu’＝ 1/4・(εＡ’ ＋εＢ’＋εＣ’＋εＤ’)・Ｅ・ＡＬＣ’
ＡＬＣ’は上部ロードセル部６２’の断面積（たとえば６１５．７５ｍｍ２）である。
次に、試験体１の鉛直荷重ＰＳを次式を用いて演算する。
ＰＳ＝Ｐu＋Ｐu’
尚、演算された鉛直荷重ＰＳには摩擦力等の影響がないので、誤差は小さい。
【0028】
次に、ステップ３０４では、鉛直方向ロードセル柱６、６’が正常か否か、すなわち、鉛直方向ロードセル柱６の上部ロードセル部６２の鉛直荷重Ｐｕと、鉛直方向ロードセル柱６の下部ロードセル部６３の鉛直荷重Ｐｄとがほぼ同一か否か、また、鉛直方向ロードセル柱６’の上部ロードセル部６２’の鉛直荷重Ｐｕと、鉛直方向ロードセル柱６’の下部ロードセル部６３’の鉛直荷重Ｐｄとがほぼ同一か否かを判別する。この結果、鉛直方向ロードセル柱６、６’が共に正常であれば、ステップ３０５に進み、他方、鉛直方向ロードセル柱６、６’のいずれか一方が異常であれば、ステップ３１０に進み、終了する。
【0029】
次に、ステップ３０５にて、図４の（Ｂ）を参照して鉛直方向ロードセル柱６’のＹ軸曲げモーメントＭｙｕ、Ｍｙｄ、鉛直方向ロードセル柱６’のＹ軸曲げモーメントＭｙｕ’、Ｍｙｄ’を次式を用いて演算する。
Ｍｙｕ＝ 1/2・(εＢ－εＤ)・Ｅ・Ｚ
Ｍｙｄ＝ 1/2・(εＨ－εＦ)・Ｅ・Ｚ
Ｍｙｕ’＝ 1/2・(εＢ’－εＤ’)・Ｅ・Ｚ’
Ｍｙｄ’＝ 1/2・(εＨ’－εＦ’)・Ｅ・Ｚ’
但し、鉛直方向ロードセル柱６において、
εＢは上部ロードセル部６２の試験体１から見て最外縁歪みゲージの歪み、
εＤは上部ロードセル部６２の試験体１から見て最内縁歪みゲージの歪み、
εＦは下部ロードセル部６３の試験体１から見て最外縁歪みゲージの歪み、
εＨは下部ロードセル部６３の試験体１から見て最内縁歪みゲージの歪み、
Ｅはロードセル部のヤング率、
Ｚは鉛直方向ロードセル柱６’のロードセル部の断面係数
である。
鉛直方向ロードセル柱６’において、
εＢ’は上部ロードセル部６２’の試験体１から見て最外縁歪みゲージの歪み、
εＤ’は上部ロードセル部６２’の試験体１から見て最内縁歪みゲージの歪み、
εＦ’は下部ロードセル部６３’の試験体１から見て最外縁歪みゲージの歪み、
εＨ’は下部ロードセル部６３’の試験体１から見て最内縁歪みゲージの歪み、
Ｚ’は鉛直方向ロードセル柱６’のロードセル部６２’、６３’の断面係数
である。
尚、図４の（Ｂ）に示すごとく、曲げ変形は剛性が大きい柱部６１、６１’に生ぜず、剛性が小さいロードセル部に集中する。
Ｍｙｕ＝ 1/2・(εＢ－εＤ)・Ｅ・Ｚ
Ｍｙｄ＝ 1/2・(εＨ－εＦ)・Ｅ・Ｚ
Ｍｙｕ’＝ 1/2・(εＢ’－εＤ’)・Ｅ・Ｚ’
Ｍｙｄ’＝ 1/2・(εＨ’－εＦ’)・Ｅ・Ｚ’
但し、鉛直方向ロードセル柱６において、
εＢは上部ロードセル部６２の試験体１から見て最外縁歪みゲージの歪み、
εＤは上部ロードセル部６２の試験体１から見て最内縁歪みゲージの歪み、
εＦは下部ロードセル部６３の試験体１から見て最外縁歪みゲージの歪み、
εＨは下部ロードセル部６３の試験体１から見て最内縁歪みゲージの歪み、
Ｅはロードセル部のヤング率、
Ｚは鉛直方向ロードセル柱６’のロードセル部の断面係数
である。
鉛直方向ロードセル柱６’において、
εＢ’は上部ロードセル部６２’の試験体１から見て最外縁歪みゲージの歪み、
εＤ’は上部ロードセル部６２’の試験体１から見て最内縁歪みゲージの歪み、
εＦ’は下部ロードセル部６３’の試験体１から見て最外縁歪みゲージの歪み、
εＨ’は下部ロードセル部６３’の試験体１から見て最内縁歪みゲージの歪み、
Ｚ’は鉛直方向ロードセル柱６’のロードセル部６２’、６３’の断面係数
である。
尚、図４の（Ｂ）に示すごとく、曲げ変形は剛性が大きい柱部６１、６１’に生ぜず、剛性が小さいロードセル部に集中する。
【0030】
次に、ステップ３０６にて、鉛直方向ロードセル柱６の水平荷重Ｑｘと鉛直方向ロードセル柱６’の水平荷重Ｑｘ’を次式を用いて演算する。
Ｑｘ＝（Ｍｙｕ＋Ｍｙｄ）／（Ｌ－ＬＬＣ）
Ｑｘ’＝（Ｍｙｕ’＋Ｍｙｄ’）／（Ｌ’ －ＬＬＣ’）
但し、鉛直方向ロードセル６において、
Ｌは鉛直方向ロードセル柱６の全長、
ＬＬＣは鉛直方向ロードセル柱６のロードセル部の長さ
である。
鉛直方向ロードセル６’において、
Ｌ’は鉛直方向ロードセル柱６’の全長、
ＬＬＣ’は鉛直方向ロードセル柱６’のロードセル部の長さ
である。
尚、誤差をさらに小さくするためには、アクチュエータ駆動時の鉛直方向ロードセル柱６、６’の幾何学的非線形性を考慮して、水平荷重Ｑｘ、Ｑｘ’を次式を用いて演算してもよい。
Ｑｘ＝（Ｍｙｕ＋Ｍｙｄ）／（Ｌ－ＬＬＣ）＋Ｐu・θ
Ｑｘ’＝（Ｍｙｕ’＋Ｍｙｄ’）／（Ｌ’ －ＬＬＣ’）＋Ｐu’・θ’
但し、θ、θ’はそれぞれアクチュエータ駆動時の鉛直方向ロードセル柱６、６’の傾きである。近似的な計算方法として、次式を用いて演算してもよい。
θ＝（εＨ－εＦ）／ｄ・ＬＬＣ
θ’＝（εＨ’－εＦ’）／ｄ’・ＬＬＣ’
但し、ｄ、ｄ’は鉛直方向ロードセル柱６、６’のロードセル部の直径である。
Ｑｘ＝（Ｍｙｕ＋Ｍｙｄ）／（Ｌ－ＬＬＣ）
Ｑｘ’＝（Ｍｙｕ’＋Ｍｙｄ’）／（Ｌ’ －ＬＬＣ’）
但し、鉛直方向ロードセル６において、
Ｌは鉛直方向ロードセル柱６の全長、
ＬＬＣは鉛直方向ロードセル柱６のロードセル部の長さ
である。
鉛直方向ロードセル６’において、
Ｌ’は鉛直方向ロードセル柱６’の全長、
ＬＬＣ’は鉛直方向ロードセル柱６’のロードセル部の長さ
である。
尚、誤差をさらに小さくするためには、アクチュエータ駆動時の鉛直方向ロードセル柱６、６’の幾何学的非線形性を考慮して、水平荷重Ｑｘ、Ｑｘ’を次式を用いて演算してもよい。
Ｑｘ＝（Ｍｙｕ＋Ｍｙｄ）／（Ｌ－ＬＬＣ）＋Ｐu・θ
Ｑｘ’＝（Ｍｙｕ’＋Ｍｙｄ’）／（Ｌ’ －ＬＬＣ’）＋Ｐu’・θ’
但し、θ、θ’はそれぞれアクチュエータ駆動時の鉛直方向ロードセル柱６、６’の傾きである。近似的な計算方法として、次式を用いて演算してもよい。
θ＝（εＨ－εＦ）／ｄ・ＬＬＣ
θ’＝（εＨ’－εＦ’）／ｄ’・ＬＬＣ’
但し、ｄ、ｄ’は鉛直方向ロードセル柱６、６’のロードセル部の直径である。
【0031】
次に、ステップ３０７にて、試験体１の水平荷重ＨＳを次式を用いて演算する。
ＨＳ＝Ｑｘ＋Ｑｘ’＋Ｒｘ＋Ｒｘ’
尚、試験体１の水平荷重ＨＳにも摩擦力等の影響がないので、誤差は小さい。
ＨＳ＝Ｑｘ＋Ｑｘ’＋Ｒｘ＋Ｒｘ’
尚、試験体１の水平荷重ＨＳにも摩擦力等の影響がないので、誤差は小さい。
【0032】
次に、ステップ３０８にて、図４の（Ｃ）を参照して試験体１内の任意のＺ方向とＸ方向の位置におけるＹ軸曲げモーメントＭｓを演算する。すなわち、
Ｍｓ＝Ｈｓ・ｈ－Ｐｕ・ｓ＋Ｐｕ’・ｓ’
－（ＱＸ＋ＱＸ’）・ｗ－Ｍｙｕ－Ｍｙｕ’
但し、Ｐｕは鉛直方向ロードセル柱６の上部ロードセル部６２の鉛直荷重、
ｓは鉛直方向ロードセル柱６とＹ軸曲げモーメントＭｓの評価点とのＸ方向距離、
Ｐｕ’は鉛直方向ロードセル柱６’の上部ロードセル部６２’の鉛直荷重、
ｓ’は鉛直方向ロードセル柱６’とＹ軸曲げモーメントＭｓの評価点とのＸ方向距離、
ｈは水平方向ロードセル８、８’とＹ軸曲げモーメントＭｓの評価点のＺ方向距離、
ｗは水平方向ロードセル８、８’と鉛直方向ロードセル６、６’の上部ロードセル部の歪ゲージ位置とのＺ方向距離、
である。
試験体１のＹ軸曲げモーメントＭｓも摩擦力等の影響がなく、誤差は小さい。
Ｍｓ＝Ｈｓ・ｈ－Ｐｕ・ｓ＋Ｐｕ’・ｓ’
－（ＱＸ＋ＱＸ’）・ｗ－Ｍｙｕ－Ｍｙｕ’
但し、Ｐｕは鉛直方向ロードセル柱６の上部ロードセル部６２の鉛直荷重、
ｓは鉛直方向ロードセル柱６とＹ軸曲げモーメントＭｓの評価点とのＸ方向距離、
Ｐｕ’は鉛直方向ロードセル柱６’の上部ロードセル部６２’の鉛直荷重、
ｓ’は鉛直方向ロードセル柱６’とＹ軸曲げモーメントＭｓの評価点とのＸ方向距離、
ｈは水平方向ロードセル８、８’とＹ軸曲げモーメントＭｓの評価点のＺ方向距離、
ｗは水平方向ロードセル８、８’と鉛直方向ロードセル６、６’の上部ロードセル部の歪ゲージ位置とのＺ方向距離、
である。
試験体１のＹ軸曲げモーメントＭｓも摩擦力等の影響がなく、誤差は小さい。
【0033】
そして、図３のルーチンはステップ３０９で終了し、試験体１の鉛直荷重ＰＳ、水平荷重ＨＳ及びＹ軸曲げモーメントＭｓはディスプレイユニットに表示される。
【0034】
尚、図３のフローチャートの全部又は一部は制御ユニット１２のＲＯＭ、フラッシュメモリ等にプログラムとして格納され、コンピュータによって実行される。
【0035】
【0036】
図５の（Ａ）に示すごとく、図１の鉛直方向ロードセル柱６、６’の代りに鉛直方向ロードセル１６、１６’を鉛直方向加圧部材７とフレーム１０との間に設けると共に、鉛直方向ロードセル１６、１６’と鉛直方向加圧部材７との間に鉛直方向アクチュエータ１１、１１’を設ける。この場合、鉛直方向ロードセル１６、１６’は水平方向ロードセル８、８’と同一構成である。これにより、鉛直方向加圧部材７が左右に少し動き、摩擦力が生じて水平方向ロードセル８、８’に混入する。この結果、水平方向ロードセル８、８’の計測値が乱れる。これを防ぐために、ピン８ａ、８ｂ、８’ａ、８’ｂを押し付けるプレストレスをかければよい。
【0037】
また、図５の（Ｂ）に示すごとく、図１の鉛直方向ロードセル柱６、６’を鉛直方向加圧部材７とフレーム１０との間に設けると共に、鉛直方向ロードセル柱６、６’とフレーム１０との間に鉛直方向アクチュエータ１１、１１’を設ける。この場合には、水平方向ロードセル８、８’の代りに鉛直方向ロードセル柱６，６’と同一構造の水平方向ロードセル柱１８、１８’を設ける。これにより、水平方向ロードセル柱１８、１８’は上下の動きに追従しながら水平力と小さな鉛直荷重を測定する。
【0038】
また、上述の実施の形態において、水平Ｘ方向に対抗する２つの鉛直方向ロードセル柱６、６’及び水平方向ロードセル８、８’を設けているが、Ｘ方向に直交する水平Ｙ方向にも対抗する２つの鉛直方向ロードセル柱及び水平方向ロードセル８、８’を設けてもよい。また、直交しない水平２方向に対抗する２つの鉛直方向ロードセル柱及び水平方向ロードセル８、８’を設けてもよい。さらに、１つの鉛直方向ロードセル柱の代わりに２つ以上の鉛直方向ロードセル柱を設けてもよい。
【0039】
【0040】
さらに、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。
【符号の説明】
【0041】
１：試験体
１ａ：下部エンドプレート
１ｂ：上部エンドプレート
１０２：水平可動テーブル
３：ローラ
４：固定ベース
５：水平方向アクチュエータ
６、６’：鉛直方向ロードセル柱
７：鉛直方向加圧部材
８、８’：水平方向ロードセル
１０９、１０９’：ローラ
１０、１０’：フレーム
１１：鉛直方向アクチュエータ
１０１：試験体
１０１ａ：下部エンドプレート
１０１ｂ：上部エンドプレート
１０２：水平可動テーブル
１０３：ローラ
１０４：固定ベース
１０５：水平方向アクチュエータ
１０６：積層ゴム
１０７：コ字状鉛直方向加圧部材
１０８、１０８’：水平方向ロードセル
１０９、１０９’：ローラ
１１０：フレーム
１１１：鉛直方向アクチュエータ
Ｐ：鉛直力
Ｈ：水平力
ＰＳ：試験体の鉛直荷重
ＨＳ：試験体の水平荷重
ＭＳ：試験体の曲げモーメント
１ａ：下部エンドプレート
１ｂ：上部エンドプレート
１０２：水平可動テーブル
３：ローラ
４：固定ベース
５：水平方向アクチュエータ
６、６’：鉛直方向ロードセル柱
７：鉛直方向加圧部材
８、８’：水平方向ロードセル
１０９、１０９’：ローラ
１０、１０’：フレーム
１１：鉛直方向アクチュエータ
１０１：試験体
１０１ａ：下部エンドプレート
１０１ｂ：上部エンドプレート
１０２：水平可動テーブル
１０３：ローラ
１０４：固定ベース
１０５：水平方向アクチュエータ
１０６：積層ゴム
１０７：コ字状鉛直方向加圧部材
１０８、１０８’：水平方向ロードセル
１０９、１０９’：ローラ
１１０：フレーム
１１１：鉛直方向アクチュエータ
Ｐ：鉛直力
Ｈ：水平力
ＰＳ：試験体の鉛直荷重
ＨＳ：試験体の水平荷重
ＭＳ：試験体の曲げモーメント
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】