JP2013108945A - 積層ゴムの検査装置及び積層ゴム - Google Patents

Abstract

【課題】積層ゴムの水平変位量及び回転量を同時に測定する。
【解決手段】上部部材と下部部材に固定され、水平方向に変位される積層ゴム１０の外周部に周方向へ複数設けられたマーキングを異なる角度から同時に撮像する複数の撮像手段３４Ａ，３４Ｂと、前記撮像手段３４Ａ，３４Ｂによって撮像された画像上の前記マーキングの座標を算出する座標算出手段と、異なる撮像手段３４Ａ，３４Ｂによって同時に撮像された複数の画像上の前記マーキングの移動量から、積層ゴム１０の水平変位量及び中心軸周りの回転量を演算する演算手段４６と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、積層ゴムの検査装置及び積層ゴムに関する。

免震構造物では、構造物を支持する支承として、弾性体と剛性体とを互いに積層させた積層ゴムが用いられている。この積層ゴムの水平特性等を検査するため、せん断ひずみ試験が行われる。ここで用いられるせん断変位量の測定具の一例として、積層ゴムの上部及び下部の水平方向の変位量を２本の定規で測定する水平変位測定具が知られている（特許文献１）。一方で、マーキングが形成された積層ゴムに対して捩じり力を付与し、マーキングの移動量から積層ゴムの回転量を測定する測定方法が従来から知られている。

しかしながら、上述した測定方法では、積層ゴムの水平変位量と回転量を同時に測定することができない。

特開平１０−１１５５０１号公報

本発明は上記事実を考慮し、積層ゴムの水平変位量及び回転量を同時に測定することを課題とする。

請求項１に記載の積層ゴムの検査装置は、上部部材と下部部材に固定され、水平方向に変位される積層ゴムの外周部に周方向へ複数設けられたマーキングを異なる角度から同時に撮像する複数の撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された画像上の前記マーキングの座標を算出する座標算出手段と、異なる撮像手段によって同時に撮像された複数の画像上の前記マーキングの移動量から、積層ゴムの水平変位量及び中心軸周りの回転量を演算する演算手段と、を有する。

請求項１に記載の積層ゴムの検査装置では、積層ゴムの外周面に設けられた複数のマーキングを異なる角度から複数の撮像手段によって撮像し、それぞれの撮像手段によって同時に撮像された画像上のマーキングの移動量を座標算出手段が座標から算出する。また、演算手段がマーキングの移動量を積層ゴムのＸ軸方向の中心座標Ｘ_Ｇ、Ｙ軸方向の中心座標Ｙ_Ｇ、及び積層ゴムの中心軸周りの回転量θに置き換えて、積層ゴムの水平変位量及び中心軸周りの回転量とする。

請求項２に記載の積層ゴムの検査装置は、積層ゴムの中心軸を座標の原点としてＸ軸上に一方の撮像手段を配置し、Ｙ軸上に他方の撮像手段を配置し、マーキングをＸ軸上、Ｙ軸上、及び両方の撮像手段から撮像される位置の少なくとも３箇所に設けている。

請求項２に記載の積層ゴムの検査装置では、積層ゴムの中心軸を原点としてＸ軸方向及びＹ軸方向からマーキングを撮像するため、マーキングの移動量を容易に算出することができる。また、マーキングをＸ軸方向から０度及び９０度の２箇所に設け、更に両方の撮像手段から撮像される例えば４５度の位置に３箇所目のマーキングを設けることで、Ｘ軸方向にのみ水平力が付与されたときにはＹ軸上に配置した他方の撮像手段で撮像されたマーキングだけが移動し、逆に、Ｙ軸方向にのみ水平力が付与されたときにはＸ軸上に配置した一方の撮像手段で撮像されたマーキングだけが移動するため、水平変位量を容易に算出することができる。

さらに、捩じり変形が発生した際は、一方の撮像手段で撮像されたマーキングのうち、Ｘ軸方向から０度に設けたマーキングの移動量と４５度に設けたマーキングの移動量、及び９０度に設けられたマーキングの移動量の違いから積層ゴムの中心軸周りの回転量を算出することができる。

請求項３に記載の積層ゴムの検査装置は、前記積層ゴムの外周部には、周方向に互いに近接した複数の前記マーキングによって構成されたマーキング群が設けられ、前記撮像手段によって撮像された画像上の複数の前記マーキングの座標から、積層ゴム上での前記マーキングの座標を演算する座標演算手段を更に備えている。

請求項３に記載の積層ゴムの検査装置では、周方向に互いに近接した複数のマーキングによってマーキング群が構成されている。これにより、近接した複数のマーキング間の周方向の距離と画像上のマーキング間の距離から、画像上の長さの倍率を算出し、実際の積層ゴムの水平移動量及び中心軸周りの回転量を求めることができる。

請求項４に記載の積層ゴムは、剛板と弾性体が交互に積層された積層弾性体と、前記積層弾性体の外周面を被覆する被覆部材と、前記被覆部材の表面に、周方向に近接した複数のマーキングをマーキング群として、前記マーキング群を同一高さでかつ周方向に所定の間隔で形成している。

請求項４に記載の積層ゴムは、検査用のマーキング群が形成されているので、撮像することで積層ゴムの水平変位量及び中心軸周りの回転量を同時に測定することができる。

請求項５に記載の積層ゴムは、請求項４に記載の積層ゴムであって、前記マーキングは、被覆部材をプレス成形することで形成された凹部又は凸部である。

請求項５に記載の積層ゴムでは、プレス成形によって凹部又は凸部が形成された被覆部材を積層ゴムの外周壁に被覆させることで、容易にマーキングを形成することができる。また、インクのように、積層ゴムを長期間に亘って使用することによって見えなくなることもない。

請求項６に記載の積層ゴムは、請求項４又は５に記載の積層ゴムであって、前記マーキング群は、前記積層弾性体の積層方向に複数設けられている。

請求項６に記載の積層ゴムでは、積層ゴムを撮像することで、積層ゴムの各部位の変化量を視覚的に捉えることができる。

本発明は、上記の構成とすることで、積層ゴムの水平変位量及び回転変位量を同時に測定できる。

本発明の実施形態に係る積層ゴムが加振装置に装着された状態を示す一部破断斜視図である。 本発明の実施形態に係る積層ゴムへ水平方向に変位されている状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る検査装置の構成を示す概略ブロック図である。 本発明の実施形態に係る検査装置による積層ゴムの水平変位量及び回転量を算出する手順を示したフローチャートである。 本発明の実施形態に係る積層ゴムの任意の高さの断面と、積層ゴムをＸ軸方向及びＹ軸方向から撮像したときの画像との関係を説明する説明図である。 変形時の積層ゴムの任意の高さの断面と、積層ゴムをＸ軸方向及びＹ軸方向から撮像したときの画像との関係を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る積層ゴムの任意の高さにおける原点からの移動状態を示す断面と、積層ゴムをＸ軸方向及びＹ軸方向から撮像したときの画像との関係を説明する説明図である。

本発明の第１実施形態に係る積層ゴム１０について説明する。図１に示すように、積層ゴム１０は、上下方向に交互に積層された高減衰ゴム製で円形のゴム板１８と円形の剛板２０とが加硫接着されて形成された積層弾性体１２を備えている。また、積層弾性体１２の上端及び下端には、上フランジ１４と下フランジ１６が接着されており、上フランジ１４を建物に固定し、下フランジ１６を基礎部に固定することで建物を免震構造体とする。

また、積層ゴム１０の外周面は被覆ゴム２２で被覆されている。被覆ゴム２２は、ゴム板１８及び剛板２０に加硫接着されて一体となっている。

被覆ゴム２２の表面には、周方向に互いに近接した凸状のマーキングＡ及びＢによって構成されたマーキング群Ｍが形成されている。マーキング群Ｍは、積層ゴム１０の周方向に所定の間隔で複数形成されている。

また、マーキング群Ｍは、積層ゴム１０の積層方向に等間隔に複数設けられている。本実施形態では、積層ゴム１０の周方向に４５度の間隔でマーキング群Ｍが形成されている。

なお、マーキングＡ、Ｂを形成する方法としては、被覆ゴム２２をプレスして成形する方法や、被覆ゴム２２の成形時に一体成形する方法などがある。また、マーキングＡ、Ｂを認識することができれば、インク等を用いて被覆ゴム２２上に印刷して形成してもよい、さらに、被覆ゴム２２上ではなく、ゴム板１８及び剛板２０上に直接マーキングを印刷して形成してもよい。

また、本実施形態では、マーキング群Ｍは、積層ゴム１０の周方向に４５度の間隔で８つ設けられているが、更に多くのマーキング群Ｍを設けても良い。例えば、積層ゴム１０の周方向に３０度の間隔で１２個のマーキング群Ｍを形成してもよい。ここで、積層ゴム１０の中心軸を原点として積層方向と直交するＸ軸及びＹ軸を描いたときに、マーキングＡやマーキングＢがＸ軸上又はＹ軸上に設けられていれば、後述するマーキングの座標の算出が容易となる。

図２に示すように、検査対象となる積層ゴム１０は、建物から取外され、下フランジ１６がボルト２８で加振装置２６の台座３１に固定されている。また、積層ゴム１０の上フランジ１４は加振装置２６の加振器３０に取付けられている。加振器３０は、積層ゴム１０へ鉛直方向の荷重を付与すると共に、ＸＹ平面内を移動することで、積層ゴム１０を水平方向に変位させ、積層ゴム１０をせん断変形させる。また、被覆ゴム２２上のマーキング群Ｍは、積層ゴム１０に付与された水平方向のせん断力に伴って変位している。

次に、本実施形態に係る積層ゴムの検査装置について説明する。図３に示すように、本実施形態に係る積層ゴムの検査装置３２は、積層ゴム１０を撮像する撮像手段としての２台のカメラ３４Ａ、３４Ｂを備えている。カメラ３４Ａ及び３４Ｂは、積層ゴム１０の中心軸を原点としたＸ軸及びＹ軸上にレンズ中心が位置するように配置されている。

また、本実施形態では２台のカメラ３４Ａ、３４Ｂで積層ゴム１０を撮像しているが、２台以上であれば設置するカメラの台数及び位置は特に制限しない。例えば、更に２台のカメラを配置して、４台のカメラで四方から積層ゴム１０を撮像してもよい。この場合、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位量をそれぞれ２台のカメラで撮像して算出できるので、算出精度を上げることができる。

２台のカメラ３４Ａ、３４Ｂは、制御装置３６に接続されており、制御装置３６の命令によって撮像を開始し又は停止する。また、制御装置３６は、加振装置２６にも接続されており、予め設定された加振条件で加振装置２６の加振器３０を作動させる。

また、カメラ３４Ａ及びカメラ３４Ｂは、回路基板３８に接続されており、カメラ３４Ａ及びカメラ３４Ｂで撮像された画像データは、回路基板３８の画像データ格納部４０へ格納される。回路基板３８には、画像データ格納部４０の他に、データ抽出部４２、マーキング座標算出部４４、演算部４６、及び制御装置３６へ接続された信号発生部４８が設けられている。また、回路基板３８にはモニタ５０が接続されている。

次に、検査装置３２を用いて積層ゴム１０の水平変位量及び回転量を測定する手順について図４のフローチャートに沿って説明する。

図示しない測定開始ボタンが押されると、信号発生部４８から制御装置３６へ信号が送られる。制御装置３６は、信号発生部４８から信号を受信すると、加振装置２６により積層ゴム１０へ入力された荷重に応じてカメラ３４Ａ及びカメラ３４Ｂへ同時に撮像開始の命令を行い加振する前の積層ゴム１０を撮像する（ステップ１００）。

図４に示すように、撮像開始後、マーキングの初期座標を算出する（ステップ１０２）。具体的には、図５に示すように、カメラ３４Ａが積層ゴム１０を撮像した画像５２Ａ、及びカメラ３４Ｂが積層ゴム１０を撮像した画像５２Ｂから、剛板２０の周方向に設けられたマーキングＡ１、Ａ２、Ａ３の座標を算出する。なお、以下の説明において、カメラ３４Ｂの撮像方向をＸ軸方向、カメラ３４Ａの撮像方向をＹ軸方向として説明する。また、無変形状態での積層ゴム１０の中心の座標をＸ＝０、Ｙ＝０とする。

ここで、画像５２ＡのＹ軸上にマーキングＡ１があるので、マーキングＡ１のＸ座標Ｘ_１は０となる。また、マーキングＡ１から反時計回りに４５度（π／４）の位置にあるマーキングＡ２のＸ座標Ｘ_２は、剛板２０の半径Ｒを用いて、Ｒｓｉｎ（π／４）と表される。

同様にして、画像５２ＢのＸ軸上にマーキングＡ３があるので、マーキングＡ３のＹ座標Ｙ_３は０となる。また、マーキングＡ２のＹ座標Ｙ_２は、−Ｒｃｏｓ（π／４）となる。以上により、マーキングＡ１のＸ座標Ｘ_１、マーキングＡ２のＸ座標Ｘ_２、マーキングＡ３のＹ座標Ｙ_３、及びマーキングＡ２のＹ座標Ｙ_２の計４つの初期座標を算出した。

なお、本実施形態では上記４つの初期座標を算出したが、更に他のマーキングＡの座標を算出してもよい。ただし、同一高さに形成されたマーキングＡに対して、画像５２Ａ及び画像５２Ｂの各画像上で１つ以上の座標を算出すると共に、合計３つ以上の座標を算出する必要がある。

図４に示すように、ステップ１０２でマーキングＡ１、Ａ２、Ａ３の初期座標が算出した後、加振器３０を作動させる（ステップ１０４）。ここでは、図３に示すように、制御装置３６から加振装置２６へ信号を送り加振器３０を作動させる。加振器３０は予め設定された加振条件に基づいて、積層ゴム１０を水平方向に変位させる。

カメラ３４Ａ及びカメラ３４Ｂは、せん断力が付与されている積層ゴム１０を撮像し続ける。また、撮像された画像データは画像データ格納部４０へ蓄積される。図４に示すように、ステップ１０８では、ステップ１０６で画像データ格納部４０へ蓄積された画像データから、任意の画像データだけをデータ抽出部４２へ抽出する（図３参照）。すなわち、せん断力の増減やせん断方向の変化に応じて、撮像された全ての画像データから数フレーム毎の画像データだけを抽出する。

ステップ１１０では、抽出された画像データ上でマーキング２６の座標を算出する。本実施形態では、図６に示すように、画像５２Ａ上でマーキングＡ１のＸ座標及びマーキングＡ２のＸ座標を算出し、画像５２Ｂ上でマーキングＡ２のＹ座標及びマーキングＡ３のＹ座標を算出する。

ここで、マーキングＡ１のＸ座標は積層ゴム１０の初期位置の中心座標（０、０）からマーキングＡ１までの画像５２Ａ上の距離ｘ_１’となる。また、同様にしてマーキングＡ２のＸ座標は、中心座標（０、０）からマーキングＡ２までの画像５２Ａ上の距離ｘ_２’、マーキングＡ２のＹ座標は、中心座標（０、０）からマーキングＡ３までの画像５２Ｂ上の距離ｙ_２’、マーキングＡ３のＹ座標は、画像５２Ｂ上の距離ｙ_３’となる。

次に、図４のステップ１１２では、画像上のマーキングＡ１、Ａ２、Ａ３の画像上での移動量を算出する。例えば、図５に示すように、画像５２Ａ上ではマーキングＡ１はＹ軸上にあったので、マーキングＡ１のＸ軸方向の移動量Δｘ_１は、ｘ_１’となる（図６参照）。また、マーキングＡ２のＸ軸方向の移動量Δｘ_２は、図５の画像５２Ａ上のＡ２の座標ｘ_２と、図６の画像５２Ａ上のＡ２の座標ｘ_２’から求めることができる。同様にして、Δｙ_２、Δｙ_３を算出する。

ステップ１１４では、以下の方法によって実空間上のマーキング移動量を算出する。図７に示すように、マーキング群Ｍ２は、互いに近接するマーキングＡ２、Ｂ２によって構成されている。また、マーキングＡ２及びＢ２は、積層ゴム１０の周方向に距離Ｌだけ離れて形成されている。

ここで、画像５２Ａ上のマーキングＡ２、Ｂ２間の距離はｌｘ_２であり、画像５２Ｂ上のマーキングＡ２、Ｂ２間の距離はｌｙ_２である。また、マーキングＡ２及びＢ２のＸ軸方向の実際の距離をＬｘ_２と仮定する。

次に、積層ゴム１０の変形に伴ってマーキングＡ２が移動した移動量は、画像５２Ａ上ではΔｘ_２であり、画像５２Ｂ上ではΔｙ_２である。また、マーキングＡ２の実際のＸ軸方向の移動量はΔＸ_２、Ｙ軸方向の移動量はΔＹ_２であると仮定すると、ｌｘ_２、Ｌｘ_２、Δｘ_２、及びΔＸ_２の関係式は以下の（１）式で求められる。


・・・・・・・・・・（１）
ここで、Ｌｘ_２は、距離Ｌ及びＹ軸に対するマーキングＡ２の角度π／４を用いて、


・・・・・・・・・・・・・（２）
と表されるので、ΔＸ_２は（３）式で表される。


・・・・・・・・・・・・・（３）

以上により、マーキングＡ２の実際のＸ軸方向の移動量ΔＸ_２を、画像５２Ａ上の距離Δｘ_２、ｌｘで表すことができた。同様にしてマーキングＡ１の実際のＸ軸方向の移動量ΔＸ_１、マーキングＡ２の実際のＹ軸方向の移動量ΔＹ_２、及びマーキングＡ３の実際のＹ軸方向の移動量ΔＹ_３は以下の（４）〜（６）式で表される。


・・・・・・・・・・・・・・・・（４）


・・・・・・・・・・・・・・（５）


・・・・・・・・・・・・・・・・（６）

次に、図４のステップ１１６では、ステップ１０２で算出したマーキングの初期座標からステップ１１４で算出した実空間上のマーキング移動量を足して、実空間上でのマーキング座標を算出する。実空間上でのマーキングＡ１のＸ座標をＸ_１’、マーキングＡ２のＸ座標をＸ_２’、Ｙ座標をＹ_２’、マーキングＡ３のＹ座標をＹ_３’とすると実空間上でのマーキング座標は以下の（７）〜（１０）式で表される。


・・・・・・・・・・・・（７）


・・・・・（８）


・・・・・（９）


・・・・・・・・・・・・・（１０）

次に、ステップ１１８では、ステップ１１６で求めた実空間上でのマーキング座標から積層ゴム１０の中心座標Ｘ_Ｇ、Ｙ_Ｇ、及び回転量θを演算する（図６参照）。まず、マーキングＡ１、Ａ２，及びＡ３の座標は、Ｘ_Ｇ、Ｙ_Ｇ、及びθを用いて以下の（１１）〜（１４）式で表される。


・・・・・・・・・・・・・・・・（１１）


・・・・・・・・・・・・・（１２）


・・・・・・・・・・・・・・（１３）


・・・・・・・・・・・・・・・・（１４）

上記（１１）〜（１４）式から、Ｘ_Ｇ、Ｙ_Ｇ、θを求めると、以下の（１５）〜（１７）式となる。なお、本実施形態では、回転量θが微小であることを前提として計算している。


・・・・・・・・・・・・・・（１５）


・・・・・・・・・・・・・・・（１６）


・・・・・・・・・・・・・（１７）

上記（１５）〜（１７）式に対して（７）〜（１０）式のＸ_１’、Ｘ_２’、Ｙ_２’、及びＹ_３’を代入することで、積層ゴム１０の実際の水平変位量及び回転量を求めることができる。また、積層ゴム１０の積層方向に設けられたマーキングＡ、Ｂについても同様に演算することで、任意の高さに応じた積層ゴム１０の中心軸周りの回転量が求められる（図１参照）。

図４に示すように、ステップ１２０で積層ゴム１０の水平変位量及び中心軸周りの回転量が演算後、モニタ５０へ演算結果が出力される（図３参照）。モニタ５０には、例えば、積層ゴム１０の変形状態を再現した３次元像や、せん断力とせん断ひずみ量との関係を示す荷重変位曲線図などが表示される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、複数の鏡やプリズム等を積層ゴム１０の周囲に配置して、マーキング２６を同時に撮像する構成であってもよい。

１０ 積層ゴム
１８ ゴム板
２０ 剛板
３２ 検査装置
３４Ａ カメラ（撮像手段）
３４Ｂ カメラ（撮像手段）
４４ マーキング座標算出部（座標算出手段）
４６ 演算部（演算手段）
Ａ マーキング
Ｂ マーキング
Ｍ マーキング群

Claims (6)

1. 上部部材と下部部材に固定され、水平方向に変位される積層ゴムの外周部に周方向へ複数設けられたマーキングを異なる角度から同時に撮像する複数の撮像手段と、
   前記撮像手段によって撮像された画像上の前記マーキングの座標を算出する座標算出手段と、
   異なる撮像手段によって同時に撮像された複数の画像上の前記マーキングの移動量から、積層ゴムの水平変位量及び中心軸周りの回転量を演算する演算手段と、
   を有する積層ゴムの検査装置。
2. 積層ゴムの中心軸を座標の原点としてＸ軸上に一方の撮像手段を配置し、Ｙ軸上に他方の撮像手段を配置し、マーキングをＸ軸上、Ｙ軸上、及び両方の撮像手段から撮像される位置の少なくとも３箇所に設けた請求項１に記載の積層ゴムの検査装置。
3. 前記積層ゴムの外周部には、周方向に互いに近接した複数の前記マーキングによって構成されたマーキング群が設けられ、
   前記撮像手段によって撮像された画像上の複数の前記マーキングの座標から、積層ゴム上での前記マーキングの座標を演算する座標演算手段を更に備えた請求項１又は２に記載の積層ゴムの検査装置。
4. 剛板と弾性体が交互に積層された積層弾性体と、
   前記積層弾性体の外周面を被覆する被覆部材と、
   前記被覆部材の表面に、周方向に近接した複数のマーキングをマーキング群として、前記マーキング群を同一高さでかつ周方向に所定の間隔で形成した積層ゴム。
5. 前記マーキングは、被覆部材をプレス成形することで形成された凹部又は凸部である請求項４に記載の積層ゴム。
6. 前記マーキング群は、前記積層弾性体の積層方向に複数設けられている請求項４又は５に記載の積層ゴム。