JP2014219259A - 回転トルク測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】埋設される杭に作用する回転トルクを測定してのトルク校正（動的トルク校正）を行い、尚かつ回転トルクの測定データの精度向上を図る。【解決手段】杭に着脱可能であり、該杭と一体的に回転して回転トルクを伝達する、断面円形の外周面２ａを有する測定用トルク伝達部材２と、該測定用トルク伝達部材２の外周面２ａに設けられた周回する磁歪部３と、該磁歪部３と所定の間隔を維持しながら測定用トルク伝達部材２に対して相対回転可能に設けられたセンサ４と、を備える。また、回転トルク測定装置１は、測定用トルク伝達部材２に対して相対回転可能であり、センサ４が取り付けられたケーシング５と、該ケーシング５と測定用トルク伝達部材２との間に配置される軸受６，７と、をさらに備える。【選択図】図２

Description

本発明は、回転トルク測定装置に関する。

鋼管杭の施工方法として、杭打機によって鋼管杭の下端付近を振れ止めしながら、杭回転装置（オーガー）で当該鋼管杭を回転させて地盤に埋設するというものがある。

このように鋼管杭を施工する際、該鋼管杭の先端が杭の支持層まで到達したかを確認するため等の手法として、回転トルクを測定して判断することが行われている（例えば、特許文献１参照）。回転トルクは、一般的にはオーガーモーターの油圧から換算して求められている。

上記のように回転トルクをパラメータとして利用する場合、トルクを校正して精度を保つことが重要となる。従来、回転トルクを校正するにあたっては、固定した鋼管にひずみゲージを取り付け、この鋼管にねじりトルクをかけ、施工機械側での油圧から換算したトルクの表示値とひずみゲージから求められたトルクの差を読み取り、適宜修正をするということが実施されている。このようにして校正された回転トルクの精度は例えば５％程度である。

国際公開第２０１２／１７３２６１号

しかしながら、実際の施工の場面では、鋼管杭の回転埋設中に回転トルクを測定することから、本来ならば、校正を行うにあたっても回転中のトルクを測定しての校正（動的トルク校正）をすることが望ましい。ところが、従来、回転中のトルクを測定するための手法が提案されてはいるものの、そのためのシステムが複雑で高価なものであった。

また、上述のごとき従来手法により校正された回転トルクの精度は例えば５％程度であり、向上の余地がある。

そこで、本発明は、埋設される杭に作用する回転トルクを測定してのトルク校正（動的トルク校正）を行うことが可能であり、尚かつ回転トルクの測定データの精度向上を図りうる構成の回転トルク測定装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。トルク校正は、実際の施工と同様の条件、すなわち鋼管杭の回転中のトルクを測定して行うのが望ましいはずであるが、それを実現するためのシステムが複雑になってしまう。このため、一般的には、鋼管杭を回転させず静止させた状態で回転トルクを測定しているというのが実情である。このような実情を鑑み、簡易な構成により、杭等の回転中におけるトルクを測定してのトルク校正（動的トルク校正）を行うという点、さらには、既存のシャフト（鋼管杭など）に簡易的な加工で設置するという点に着眼しつつ検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、地盤に施工される杭に作用する回転トルクを測定する回転トルク測定装置であって、
杭に着脱可能であり、該杭と一体的に回転して回転トルクを伝達する、断面円形の外周面を有する測定用トルク伝達部材と、
該測定用トルク伝達部材の外周面に設けられた周回する磁歪部と、
該磁歪部と所定の間隔を維持しながら測定用トルク伝達部材に対して相対回転可能に設けられたセンサと、
を備えることを特徴とする。

この回転トルク測定装置を利用する場合、まずは測定用トルク伝達部材を杭に取り付け、この測定用トルク伝達部材にトルクを与え、杭と一体的に回転させる。回転トルクはこの測定用トルク伝達部材をねじり、磁歪部に歪みを生じさせる。歪んだ磁歪部は、該歪みに対する透磁率の変化を生じさせるので、この変化をセンサで検出することにより、杭の回転中におけるトルクを測定し、該測定結果に基づくトルク校正（動的トルク校正）を行うことができる。

しかも、この回転トルク測定装置においては、該磁歪部における歪み（透磁率変化）を、測定用トルク伝達部材に対して相対回転可能なセンサで検出することができる。磁歪部のある一箇所のみを検出対象とする場合に比べ、このようなセンサを用い、相対回転させながら磁歪部の全体（一周）を検出対象とすれば、回転トルクの測定データの精度が向上する。

加えて、この回転トルク測定装置における測定用トルク伝達部材は杭に着脱可能であり、既存の鋼管杭などに簡易的な加工で設置することを可能とするものである。

かかる回転トルク測定装置１は、測定用トルク伝達部材に対して相対回転可能であり、センサが取り付けられたケーシングと、該ケーシングと測定用トルク伝達部材との間に配置される軸受と、をさらに備えていてもよい。このような回転トルク測定装置によれば、動的トルク校正を行う際、当該ケーシング等を既存のシャフト（鋼管杭の一部など）に簡易に設置することが可能である。

上述のケーシングは、測定用トルク伝達部材に被せるようにして後付け可能に形成されていてもよい。さらに、この場合には、軸受が２つ配置されており、少なくとも一方の軸受が設けられる部分における測定用トルク伝達部材の内径が、磁歪部の外径よりも大きくなっていれば、当該磁歪部の外径よりも大きい内径のほうからケーシングを測定用トルク伝達部材に被せるようにして、ケーシングを既存のシャフト（鋼管杭の一部など）に後付けすることができる。上述の軸受としてクロスローラーベアリングが用いられていることも好適である。

また、回転トルク測定装置における磁歪部は、金属ガラスが溶射されて複層に形成されてなるものであってもよい。さらに、磁歪部は、異なるバイアスの２列の周回部を含むことが好ましい。

本発明によれば、埋設される杭に作用する回転トルクを測定してのトルク校正（動的トルク校正）を行うことが可能となり、尚かつ回転トルクの測定データの精度向上を図りうるようになる。

杭施工時における鋼管杭、杭打機などの一例を示す概略図である。 本発明に係る回転トルク測定装置の一実施形態におけるケーシングの構造例および測定用トルク伝達部材の断面の構造例を示す図である。 ケーシングおよび測定用トルク伝達部材の構造例を示す平面図である。 ケーシングおよび測定用トルク伝達部材の構造例を示す半裁断面図である。 ケーシングの構造例を示す断面図である。 本発明に実施例において得られた時間−回転トルク値のグラフである。 従来の手法において得られた時間−回転トルク値のグラフを比較例として示したものである。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図５に本発明にかかる回転トルク測定装置１の一実施形態を示す。この回転トルク測定装置１は、地盤Ｇ中に鋼管杭１００を施工する際、当該鋼管杭１００に作用する回転トルクを測定する装置である。以下では、杭施工に利用される一般的な杭打機１０１の構成をまず簡単に説明し（図１参照）、その後、回転トルク測定装置１の構成を説明する。

杭打機１０１は、リーダー１０２、オーガー１０３、振れ止め装置１０４などを備えており、杭（例えば鋼管杭１００）を立設させながら回転させ、地盤Ｇに埋設させる機械である（図１参照）。なお、図１において、鋼管杭１００の基端（上端）に着脱可能な回転トルク測定装置１を想像線で示している。

オーガー（杭回転装置）１０３は、杭打時において鉛直方向に立設するリーダー１０２に沿って移動可能に設けられており、当該リーダー１０２の長手方向に沿って昇降する（図１参照）。オーガー１０３には、鋼管杭１００を直接接続することができるし、あるいはヤットコシャフト２を介して連結することもでき、該オーガー１０３を回転駆動させることによって鋼管杭１００を回転させることができる。

鋼管杭１００の具体的な形状等は特に限定されないが、例えば、図１に示す鋼管杭１００はその先端に掘削用の螺旋状羽根１００ａが設けられているもので、回転時、螺旋状羽根１００ａが生じさせる地中への推進力を利用して当該鋼管杭１００を未掘削の地盤Ｇに食い込ませながら掘進させることができるようになっている。地盤Ｇに対して鋼管杭１０が掘進する際、オーガー１０３もリーダー１０２に沿って降下する。

振れ止め装置１０４は、杭打される鋼管杭１００をガイドして当該鋼管杭１００の横振れ（水平方向への振れ）を抑える装置で、例えばリーダー１０２の下部に設けられている（図１参照）。また、振れ止め装置１０４は、鋼管杭１００の軸線回りに鋼管杭１００を取り囲んで案内するガイド部（図示省略）を備えている。

続いて、回転トルク測定装置１の構成例を具体的に説明する（図２等参照）。本実施形態の回転トルク測定装置１は、ヤットコシャフト２、磁歪部３、コイルセンサ４、ケーシング５、クロスローラーベアリング６，７、さらには板状リング８，カラー９などによって構成されている。

ヤットコシャフト２は、鋼管杭１００とオーガー１０３の間に着脱可能なもので、該オーガー１０３の回転トルクを鋼管杭１００に伝達しながら該鋼管杭１００と一体的に回転するトルク伝達部材として機能する。また、ヤットコシャフト２は、鋼管杭１００と一体的に回転する際、回転時に作用する回転トルクに応じてその表面に歪みを生じさせる。この歪みを利用することで、回転時に作用している回転トルク（動的トルク）を測定することが可能となっている。なお、このようなヤットコシャフト２として、既製のヤットコ（鋼管製の仮杭）をそのままあるいは改良して利用することが可能である。

本実施形態のヤットコシャフト２は、断面円形のパイプ状であって、その外周面２ａには磁歪部３が設けられている。また、ヤットコシャフト２の一方の端部近傍であって大径クロスローラーベアリング７が配置される部分は、他の箇所よりも外径が大きい、大径クロスローラーベアリング７用の台座部２１となっている（図２参照）。この台座部２１は、溶接によりヤットコシャフト２に後付けして形成されたものであってもよい。さらに、この台座部２１の軸方向一方側には、大径クロスローラーベアリング７の内径よりも大きい、位置決め用のフランジ部２２が形成されている（図２参照）。

磁歪部３は、歪んだ際に歪み量に応じて透磁率の変化を生じさせる部材により、ヤットコシャフト２の外周面２ａに形成されているものである（図２参照）。磁歪部３が歪むことによって透磁率の変化が生じた場合、この変化をセンサで検出することにより、ヤットコシャフト２に作用している回転トルクの大きさを測定することが可能である。

本実施形態の磁歪部３は、ヤットコシャフト２の外周面２ａに金属ガラスを溶射して複層とし、該外周面２ａを周回するように帯状に形成したものである。このような磁歪部３の具体的な形成の仕方は特に限定されないが、例示すれば以下のようなものがある。

すなわち、まず、ヤットコシャフト２の溶射部の表面（溶射成膜部）をブラスト処理し、それ以外の表面にはマスキングをする。ちなみに、溶射成膜部の被膜への密着性をよりよくする（金属ガラスをより密着させる）には、例えばブラスター装置によって研磨粒子を溶射成膜部に直接投射するなど、あらかじめショットブラストにより表面を粗く施し表面積を大きくしておくことが好適である。その後、予熱し（一例として４００℃程度）、金属ガラスを溶射して金属ガラス被膜（金属アモルファス）を形成する。次に、マスクブラストによるパターニングを行う。具体的には、溶射膜の形成後、パターンマスクを巻き付け装着し、ショットブラストを行うことによってパターニングする。以上により、ヤットコシャフト２の外周面２ａに金属ガラスからなる磁歪部３が形成される。このように溶射被膜を形成する本実施形態においては、磁歪部３を高透磁率化することが可能である。

また、本実施形態では、平行な２列の帯状溶射皮膜（周回部）によって磁歪部３を形成するとともに、これら２列の周回部においてはパターニング時に形成されるアモルファスの向き（バイアスの傾き）を互いに異なる４５°の左右対称パターニングとしている（図２参照）。このような磁歪部３においては、ヤットコシャフト２に一方向（時計回りあるいは反時計回り）への回転トルクが作用している場合に、一方の帯状溶射皮膜には引っ張り応力、他方の帯状溶射皮膜には圧縮応力が作用することになる。

コイルセンサ４は、磁歪部３との間における所定の間隔を維持するように配置され、磁歪部３における透磁率の変化を検出して電気信号を送信するセンサである。本実施形態の回転トルク測定装置１においては、平行な２列の帯状溶射皮膜のそれぞれに対して１つずつ計２つのコイルセンサ４が配置されている。各コイルセンサ４は、ケーシング５内に配置されるコイルボビン４２と、コイルボビン４２を芯として形成されたコイル４１とからなり、ヤットコシャフト２に対して相対回転可能となっている（図２参照）。

コイル４１は、励磁部と検出部とを有し、励磁部には励磁回路が接続され、検出部には整流回路および演算回路が接続されている。

ケーシング５は、コイルセンサ４を支持しつつ、ヤットコシャフト２に対して相対回転可能に設けられる部材である。本実施形態のケーシング５はヤットコシャフト２よりも大径の筒状に形成されており、該ヤットコシャフト２の外周側に配置される。このケーシング５の内周面には、コイルセンサ４を構成するコイルボビン４２、小径クロスローラーベアリング６の軸方向ストッパとして機能する段部５２と、大径クロスローラーベアリング７の軸方向ストッパとして機能する段部５３とが形成されている（図２、図５等参照）。また、ケーシング５の外周面には、コイルセンサ４との接続端子等を収容することが可能な防水性のレセプタクル５４が形成されている（図５等参照）。

クロスローラーベアリング６，７は、ヤットコシャフト２とケーシング５との間に配置される軸受であり、ヤットコシャフト２に対してケーシング５を回転自由な状態で支持する。このようなクロスローラーベアリング６，７等の軸受を使用することで、ヤットコシャフト２に対して５を相対回転する際、磁歪部３（の表面）とコイルセンサ４との隙間の変動を極力抑えて一定にすることが可能となる。

また、本実施形態では、少なくとも一方のクロスローラーベアリングとして、その内径が磁歪部３の外径よりも大きい大径クロスローラーベアリング７を採用している（図２参照）。このようなクロスローラーベアリングを採用した場合、当該大径クロスローラーベアリング７やケーシング５を軸方向に（図２でいえば、図中向かって左側から右側へと）移動させ、ヤットコシャフト２に被せるようにして後付けすることが可能になる。すなわち、ヤットコシャフト２の外周面２ａに磁歪部３を形成した後で、コイルセンサ４を内蔵したケーシング５を、該磁歪部３に触れたり傷付けたりすることなく後から被せるようにして取り付けることが可能になる。なお、この大径クロスローラーベアリング７は、軸方向一方側においてはケーシング５の段部と当接し、他方側においてはヤットコシャフト２のフランジ部２２と当接して軸方向における位置決めがなされている。

なお、実施形態ではケーシング５の軸受の一例として、それぞれが該ケーシング５の端部近傍に配置される一組のクロスローラーベアリング６，７を例示したが、もちろんこれは軸受の好適例にすぎない。ただし、外径と内径との差が小さいクロスローラーベアリングは、径方向厚みが少ない分、ケーシング５ひいては回転トルク測定装置１の小径化・小型化といった面での利点が得られやすい。

板状リング８は、ヤットコシャフト２とケーシング５との間であって、軸方向に関してはコイルボビン４２と小径クロスローラーベアリング６との間となる位置に設けられる部材である。

カラー９は、小径クロスローラーベアリング６を、軸方向において板状リング８とは反対側から抑えるベアリング抑えとして機能する部材である。本実施形態のカラー９は、固定リング１１によって軸方向位置が固定される（図２参照）。

固定リング１１は、カラー９を固定するための部材である。本実施形態の固定リング１１には、周方向の複数箇所にボルト用の透孔が形成されており、該透孔に通したボルト１２を利用して固定リング１１をロックするようになっている（図２参照）。なお、固定リング１１は溶接等によりヤットコシャフト２に後付けされている。

ここで、回転トルク測定装置１におけるトルクの検出原理について簡単に説明しておく。ヤットコシャフト２に回転トルクが加わると、アモルファスの向き（バイアスの傾き）が互いに異なる２列の磁歪部３の一方には引張応力、他方には圧縮応力が作用する。そうすると、磁歪部３の一方では透磁率が増加し、他方では減少する。このように透磁率が変化すると、コイル４１には誘導起電圧が発生するので、これを検出部で検出し、直流変換、差動増幅することによって回転トルクの大きさに比例した電圧出力が得られる。

以上のごとき構成の回転トルク測定装置１を用いる場合、該回転トルク測定装置１を鋼管杭１００とオーガー１０３との間に配置し（図１参照）、オーガー１０３を駆動して回転させる。このとき、本実施形態では、見かけ上、ケーシング５が止まって状態としている。あるいは、ケーシング５がゆっくり回る状態となっていてもよい。いずれにせよ、ケーシング５は、鋼管杭１００と一体的に回転するヤットコシャフト２に対して相対的に回転した状態となる。

回転時、回転トルク測定装置１のヤットコシャフト２は、回転トルクを伝達しつつ鋼管杭１００と一体的に回転する。また、このとき、回転トルクの作用によって回転トルク測定装置１の磁歪部３に歪みが生じ、該歪みに応じて透磁率が変化するので、この変化をコイルセンサ４で検出することにより、鋼管杭１００の回転中におけるトルクを測定し、該測定結果に基づくトルク校正（動的トルク校正）を行うことができる。

しかも、本実施形態の回転トルク測定装置１においては、磁歪部３における歪み（透磁率変化）を、ヤットコシャフト２に対して相対回転可能なコイルセンサ４で検出することができる。このようにコイルセンサ４を相対回転させながら、周回する磁歪部３の全体を検出対象とすれば、磁歪部３のある一箇所のみを検出対象とした場合に比べ、より精度の高い回転トルクの測定データを得ることが可能となる。すなわち、上述のように金属ガラス等を何層も溶射成膜して磁歪部３を形成する場合、周方向の厚みが常に一定だとは限らず、微細な誤差が生じうることは避けがたいが、そうだとしても磁歪部３の全体を検出対象とすれば、局部的な誤差を極力排除して安定した測定データ（平均に近い測定データ）を入手することが可能となる。

また、このようにコイルセンサ４（およびケーシング５）をヤットコシャフト２に対して相対回転させるにあたり、本実施形態の回転トルク測定装置１においては、ヤットコシャフト２の両端部付近を軸受（小径クロスローラーベアリング６、大径クロスローラーベアリング７）で支持する構成としている。これによれば、相対回転する間、磁歪部３とコイルセンサ４との間の微細な隙間の変動をも極力排除して安定した測定データを入手することが可能となる。

加えて、上述したように、本実施形態の回転トルク測定装置１におけるヤットコシャフト２は鋼管杭１００に着脱可能なものである。このため、既存の鋼管杭１００などにおいて回転トルクを測定したり校正したりする際、簡易に設置することを可能とする。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、ヤットコシャフト（測定用トルク伝達部材）２の外周面２ａに磁歪部３を形成する形態を挙げたが、回転トルクの測定データを得るという観点だけでいえば、原理的には、鋼管杭１００の外周面に磁歪部を設けることも可能である。

また、上述した実施形態では鋼管杭１００を施工対象とした場合について説明したが、鋼管杭以外の杭を施工対象とした場合も本発明の適用が妨げられないことはいうまでもない。例えば、コンクリートパイルの施工時や、掘削スクリューのトルクを測定する場合にも、本発明は有用である。

上述のごとき構成の回転トルク測定装置１を用いて回転トルク値のデータを得た。時間−回転トルク値のグラフを記載するとともに（図６参照）、該データから得られた見解を以下に実施例１として記載する。

従来手法つまり既存の油圧から変換したトルク値（以下に示す比較例１参照）と比較したところ、従来のグラフ（図７参照）よりも振れが細かくて多いことから、感度が高く、応答性が向上していることが確認できた（図６、図７参照）。その理由としては、従来のように油圧変動を介して測定するのではなく、回転トルクが作用するヤットコシャフト２（の表面に形成された磁歪部３）を直接測定していることがあると考えられる。また、このことからすれば、トルク校正の必要性やその頻度が少なくなることが期待できる。

また、応答性が向上した本例によれば、鋼管杭１００を施工する際、該鋼管杭１００の先端が地盤Ｇ中の支持層に到達したことを明確に確認できることもわかった。すなわち、鋼管杭１００の先端が固い支持層に到達すれば回転トルクが所定値（図６中の線を参照）を上回るが、応答性が向上した本例によればその判断が容易である。ちなみに、鋼管杭１００が支持層に到達した場合、すぐに施工（埋設）を止めるのではなく、少なくとも螺旋状羽根１００ａの外径（羽根径）ぶんは支持層の中に入れる（「根入れ」する）のが一般的である。

なお、本例のごとく測定感度が向上したということは、例えば地盤Ｇが礫地盤であれば、鋼管杭１００の先端が小石に当たっているのか、あるいは砂に当たっているのかによって変動しうる回転トルクの測定結果から、その時点で地中がどのような性状であるかまでわかるようになる可能性があると考えられる。

さらには、この測定結果からすれば、ヤットコシャフト２および磁歪部３を適宜取り替えることによって、複数の施工機におけるオーガー１０３等の装置の検証を行うことも可能になると期待できる。

［比較例１］
従来手法つまり既存の油圧から変換して得られたトルク値の一例を示す（図７参照）。波形が滑らかに見えるのは、そのぶん応答速度が低いと考えられる。その理由の一つとしては、従来の油圧方式だと、オーガー１０３を鉛直に移動させながら鋼管杭１００を埋設するため、油圧の変動や伝達性の影響を受けやすいことを挙げることができる。

本発明は、地盤に施工される杭に作用する回転トルクを測定する装置に適用して好適である。

１…回転トルク測定装置
２…ヤットコシャフト（測定用トルク伝達部材）
２ａ…外周面
３…磁歪部
４…コイルセンサ（センサ）
５…ケーシング
６…小径クロスローラーベアリング（軸受）
７…大径クロスローラーベアリング（軸受）
Ｇ…地盤

Claims (7)

1. 地盤に施工される杭に作用する回転トルクを測定する回転トルク測定装置であって、
   前記杭に着脱可能であり、該杭と一体的に回転して回転トルクを伝達する、断面円形の外周面を有する測定用トルク伝達部材と、
   該測定用トルク伝達部材の前記外周面に設けられた周回する磁歪部と、
   該磁歪部と所定の間隔を維持しながら前記測定用トルク伝達部材に対して相対回転可能に設けられたセンサと、
   を備えることを特徴とする回転トルク測定装置。
2. 前記測定用トルク伝達部材に対して相対回転可能であり、前記センサが取り付けられたケーシングと、該ケーシングと前記測定用トルク伝達部材との間に配置される軸受と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の回転トルク測定装置。
3. 前記ケーシングは、前記測定用トルク伝達部材に被せるようにして後付け可能に形成されている、請求項２に記載の回転トルク測定装置。
4. 前記軸受が２つ配置されており、少なくとも一方の軸受が設けられる部分における前記測定用トルク伝達部材の内径が、前記磁歪部の外径よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の回転トルク測定装置。
5. 前記軸受としてクロスローラーベアリングが用いられている、請求項４に記載の回転トルク測定装置。
6. 前記磁歪部は、金属ガラスが溶射されて複層に形成されてなる、請求項１から５のいずれか一項に記載の回転トルク測定装置。
7. 前記磁歪部は、異なるバイアスの２列の周回部を含むものである、請求項６に記載の回転トルク測定装置。

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