JP4206868B2

JP4206868B2 - 変位記録センサ

Info

Publication number: JP4206868B2
Application number: JP2003303290A
Authority: JP
Inventors: 敬一岡田; 理人白石
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: JP2005069983A

Description

本発明は、測定対象物の変位を検出するとともに、過去の最大変位を記憶するセンサに関する。

地震や強風等に対する構造物の応答性状や性能劣化の情報を取得するために、地震や強風等による揺れを検出するセンサとトリガー装置とデータ収録装置を備え、常時監視を行うシステムが従来から使用されている。しかし、このようなシステムは非常に高価であることに加えて、システムの保守点検等のランニングコストがかかるという問題がある。
これに対して、より簡便な装置として、構造物の最大変形のみ記録する装置が開発されている。例えば、特許文献１では、複数の導電性要素を横並び状態に配置するとともに、構造物の変形量に応じてこれら導電性要素を順次切断させることにより、過去に生じた最大変位を知ることができる装置が考案されている。また、特許文献２では、構造物の一方向の最大変位を検出する装置が考案されている。
特開平９−９６５７６号公報（第３−６頁、第１図）特開２００１−２２７９３６号公報（第３−６頁、第８図）

しかしながら、特許文献1に開示された装置では、各導電性要素の弛み具合の設定や引張強度の設定条件によっては、各導電性要素の順次的な切断が的確に成されない場合が生じ、装置の信頼性を損ねる虞がある。また、一度、導電性要素が切断されてしまうと、導電性要素を交換しなければならない問題がある。さらに、当該装置では、導電性要素の伸び方向の変位は検出できるが、縮み方向の変位は検出できないという問題もある。一方、特許文献２に開示された装置は、構造物の伸び方向の変位を検出するように設定した場合、縮み方向の変位を検出することができず、逆に、構造物の縮み方向の変位を検出するように設定した場合、伸び方向の変位を検出することができないという問題がある。
地震や強風等に対する構造物の応答性状や性能劣化の程度を明らかにする場合、構造物の初期位置をゼロ点とする正負両方向の変位履歴が必要となる。なぜならば、地震や強風等の振動特性と構造物の振動特性とが複雑に絡み合い、地震や強風等に対して構造物が初期位置から対称に揺れることは殆ど有り得ないからである。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、測定対象物の初期位置をゼロ点とする正負両方向の最大変位を簡便且つ安価に測定・記録することができる変位記録センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る変位記録センサでは、保護ケース内に設置された摩擦部材と、測定対象物の変形に応じて前記摩擦部材上を直線的に摺動する可動部材と、前記可動部材の一方向の動きにのみ連動して前記摩擦部材上を前記一方向に摺動する第一受動部材と、前記可動部材の他方向の動きにのみ連動して前記摩擦部材上を前記他方向に摺動する第二受動部材とを備え、前記摩擦部材が、導電性を有し、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二可動部材の可動範囲全域にわたって設置され、前記摩擦部材に電圧入力端子を設けるとともに、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材に電圧出力端子をそれぞれ設け、前記電圧入力端子と前記各電圧出力端子との間の電圧値によって、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材それぞれの位置を検出することを特徴とする。
本発明では、測定対象物の変形に応じて摩擦部材上を可動部材が直線的に摺動すると、第一受動部材が前記可動部材の一方向（以下、正方向と呼ぶ。）の動きにのみ連動して摺動し、第二受動部材が前記可動部材の他方向（以下、負方向と呼ぶ。）の動きにのみ連動して摺動するため、前記第一受動部材は正方向の最大変位位置を、前記第二受動部材は負方向の最大変位位置をそれぞれ保持することができる。また、前記可動部材は現在の変位位置を示している。なお、前記可動部材と前記摩擦部材との間、前記第一受動部材および前記第二受動部材と前記摩擦部材との間には適度な摩擦力が働いているため、前記可動部材、前記第一受動部材、前記第二受動部材の移動に伴うオーバーシュートは発生しない。

また、前記可動部材、前記第一受動部材、前記第二受動部材の移動量（測定対象物の現在の変位、正方向の最大変位、負方向の最大変位）と、前記電圧入力端子と前記各電圧出力端子との間の電圧値とは比例関係にある。従って、予め、当該移動量と当該電圧値との関係式を求めておけば、前記可動部材、前記第一受動部材、前記第二受動部材それぞれについて、現在の電圧値を計測し、初期位置における電圧値との差分をとれば、測定対象物の現在の変位、正方向の最大変位、負方向の最大変位を精確に検出することができる。
なお、前記電圧入力端子と前記各電圧出力端子との間の電圧値を常時計測しておけば、測定対象物の正負方向の最大変位と現在の変位の時刻歴データを得ることができる。

さらに、本発明に係る変位記録センサでは、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材それぞれに位置を示すための指針を設けるとともに、前記保護ケースに変位目盛りを設けてもよい。
本発明では、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材それぞれに指針を設けるとともに、前記保護ケースに変位目盛りを設けることにより、測定対象物の正負方向の最大変位と現在の変位を直接目視によって確認することができる。

本発明によれば、第一受動部材が可動部材の一方向（正方向）の動きにのみ連動して摺動し、第二受動部材が可動部材の他方向（負方向）の動きにのみ連動して摺動するため、測定対象物の初期位置をゼロ点とする正負両方向の最大変位を簡便且つ安価に測定・記録することができる変位記録センサを実現することができる。その結果、地震や強風等に対する構造物の応答性状や性能劣化の情報を取得することが可能となる。

以下、本発明に係る変位記録センサの実施形態について、図面に基いて説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る変位記録センサの第一の実施形態を示す平断面図であり、図１（ｂ）はその側断面図である。
図１に示すように、本実施形態による変位記録センサ１では、図示していない測定対象物に先端を連結されたロッド６が、箱状の保護ケース７内に設置されたロッド支持部９、９に軸支され、軸方向（正負方向）に滑動できるようになっている。ロッド６の中間部には、直方体状の可動部材２が装着されており、ロッド６の動きに合わせて、保護ケース７内に設置された板状の摩擦部材５上を、可動部材２が正負方向に摺動する。
また、摩擦部材５上には、可動部材２を挟んで、板状の第一受動部材３と板状の第二受動部材４が設置されており、第一受動部材３と第二受動部材４は、保護ケース７内に固定されたガイドレール８、８に沿って、摩擦部材５上を可動部材２に押されて正負それぞれの方向に摺動する。
なお、可動部材２と第一受動部材３と第二受動部材４の摺動面には、摺動時の摩擦抵抗を大きくするため、突設部２ｂ、３ｂ、４ｂが設けられており、可動部材２、第一受動部材３、第二受動部材４は、突設部２ｂ、３ｂ、４ｂを介して、摩擦部材５とそれぞれ接触している。また、第一受動部材３と第二受動部材４が可動部材２と当接する面には、可動部材２と嵌合するための凹部がそれぞれ形成されている。
加えて、本実施形態による変位記録センサ１では、摩擦部材５の両端に電圧入力端子＋Ｔ_ｉｎと−Ｔ_ｉｎがリード線５ｃを介して設けられるとともに、可動部材２と第一受動部材３と第二受動部材４には電圧出力端子Ｔ_ｏｕｔ、＋Ｔ_ｏｕｔ、−Ｔ_ｏｕｔがリード線２ｃ、３ｃ、４ｃを介して設けられている。
また、可動部材２と第一受動部材３と第二受動部材４上には、それぞれ位置を示すための指針２ａ、３ａ、４ａが設けられ、保護ケース７上には変位目盛り１０が設けられている。

次に、本実施形態による変位記録センサ１の作用について説明する。
可動部材２と第一受動部材３と第二受動部材４が、互いに嵌合した状態で摩擦部材５の中央に静止している状態を、変位記録センサ１の初期静止状態とする。測定対象物が初期静止状態から正方向に変形する場合、当該測定対象物が正方向に変形すると、当該測定対象物に連結されたロッド６が正方向に滑動する。これに伴い、ロッド６の中間部に装着された可動部材２は、摩擦部材５上を正方向に摺動する。同時に、第一受動部材３は、可動部材２に押されて摩擦部材５上を正方向に摺動する。
次に、当該測定対象物が正方向から負方向へ変形する場合、当該測定対象物が負方向に変形すると、当該測定対象物に連結されたロッド６が負方向に滑動する。これに伴い、ロッド６の中間部に装着された可動部材２は、摩擦部材５上を負方向に摺動する。この際、可動部材２が初期位置よりもさらに負側に摺動する場合、可動部材２は第二受動部材４に当接し、第二受動部材４の凹部と嵌合する。そして、第二受動部材４は、可動部材２に押されて摩擦部材５上を負方向に摺動する。この間、第一受動部材３は、正方向の最大変位を保持した状態で、摩擦部材５上に静止している。
その後再び、当該測定対象物が正方向へ変形する場合、可動部材２は、摩擦部材５上を正方向に摺動する。この間、第二受動部材４は、負方向の最大変位を保持した状態で、摩擦部材５上に静止している。そして、可動部材２が過去の正方向の最大変位よりもさらに正方向へ摺動する場合、可動部材２は、第一受動部材３に当接して、第一受動部材３を押しながら摩擦部材５上を正方向に摺動する。
さらに再び、当該測定対象物が負方向へ変形する場合、可動部材２は、摩擦部材５上を負方向に摺動する。この間、第一受動部材３は、正方向の最大変位を保持した状態で、摩擦部材５上に静止している。そして、可動部材２が過去の負方向の最大変位よりもさらに負方向へ摺動する場合、可動部材２は、第二受動部材４に当接して、第二受動部材４を押しながら摩擦部材５上を負方向に摺動する。
以後、当該測定対象物が静止するまで、変位記録センサ１は上記の動きを繰り返す。そして、第一受動部材３と第二受動部材４の最終位置が、当該測定対象物の正方向の最大変位と負方向の最大変位を示していることになる。なお、第一の実施形態による変位記録センサ１では、可動部材２と摩擦部材５との間、第一受動部材３および第二受動部材４と摩擦部材５との間には、突設部２ｂ、３ｂ、４ｂによる適度な摩擦力が働いているため、可動部材２、第一受動部材３、第二受動部材４の移動に伴うオーバーシュートは発生しない。

図２は、第一の実施形態の回路図を示したものである。
図２に示すように、正負方向の電気抵抗値がＲである摩擦部材５両端の電圧入力端子＋Ｔ_ｉｎと−Ｔ_ｉｎとの間に電圧Ｖ_０を負荷すると、電圧入力端子−Ｔ_ｉｎと、可動部材２、第一受動部材３、第二受動部材４の電圧出力端子Ｔ_ｏｕｔ、＋Ｔ_ｏｕｔ、−Ｔ_ｏｕｔとの間の電圧値はそれぞれＶ_ｏｕｔ、＋Ｖ_ｏｕｔ、−Ｖ_ｏｕｔとなる。仮に、可動部材２、第一受動部材３、第二受動部材４それぞれの初期位置が摩擦部材５の中央であり、可動部材２、第一受動部材３、第二受動部材４それぞれが有する電気抵抗値がゼロであるとすると、可動部材２、第一受動部材３、第二受動部材４それぞれの初期電圧値はＶ_０／２となる。一方、可動部材２、第一受動部材３、第二受動部材４の移動量（測定対象物の現在の変位、正方向の最大変位、負方向の最大変位）と、電圧入力端子−Ｔ_ｉｎと電圧出力端子Ｔ_ｏｕｔ、＋Ｔ_ｏｕｔ、−Ｔ_ｏｕｔとの間の電圧値とは比例関係にある。従って、可動部材２、第一受動部材３、第二受動部材４それぞれの電圧値Ｖ_ｏｕｔ、＋Ｖ_ｏｕｔ、−Ｖ_ｏｕｔと初期電圧値Ｖ_０／２との差分を求めれば、測定対象物の現在の変位、正方向の最大変位、負方向の最大変位を精確に検出することができる。
なお、電圧入力端子−Ｔ_ｉｎと電圧出力端子Ｔ_ｏｕｔ、＋Ｔ_ｏｕｔ、−Ｔ_ｏｕｔとの間の電圧値を常時計測しておけば、測定対象物の正負方向の最大変位と現在の変位の時刻歴データを得ることができる。図３は、常時計測によって得られた正負方向の最大変位の時刻歴変化を示したものである。

第一の実施形態による変位記録センサ１では、測定対象物の変形に応じて摩擦部材５上を可動部材２が直線的に摺動すると、第一受動部材３が可動部材２に押されて正方向に摺動し、第二受動部材４が可動部材３に押されて負方向に摺動するため、第一受動部材３は正方向の最大変位位置を、第二受動部材４は負方向の最大変位位置をそれぞれ保持することができる。
また、第一の実施形態による変位記録センサ１では、電圧入力端子−Ｔ_ｉｎと電圧出力端子Ｔ_ｏｕｔ、＋Ｔ_ｏｕｔ、−Ｔ_ｏｕｔとの間の電圧値を計測することにより、測定対象物の現在の変位、正方向の最大変位、負方向の最大変位を精確に検出することができる。
さらに、第一の実施形態による変位記録センサ１では、可動部材２と第一受動部材３と第二受動部材４それぞれに指針２ａ、３ａ、４ａが設けられ、保護ケース７上には変位目盛り１０が設けられているため、測定対象物の正負方向の最大変位と現在の変位を直接目視によって確認することができる。

図４（ａ）は、本発明に係る変位記録センサの第二の実施形態を示す平断面図であり、図４（ｂ）はその側断面図である。
第二の実施形態による変位記録センサ１１では、第一の実施形態による変位記録センサ１を構成する摩擦部材５に代えて、第一摩擦部材１５０と第二摩擦部材１５１と第三摩擦部材１５２が保護ケース１７内に並列に設置されている。また、第一摩擦部材１５０、第二摩擦部材１５１、第三摩擦部材１５２には、導電線１２ｄ、１３ｄ、１４ｄがそれぞれ並行に設けられている。
保護ケース１７内に設置されたロッド支持部１９、１９に軸支されたロッド１６が軸方向に滑動すると、ロッド１６中間部に装着された直方体状の可動部材１２が、ロッド１６の動きに合わせて、第一摩擦部材１５０および導電線１２ｄ上を正負方向に摺動する。
また、可動部材１２を挟んで、板状の第一受動部材１３が第二摩擦部材１５１および導電線１３ｄ上に、板状の第二受動部材１４が第三摩擦部材１５２および導電線１４ｄ上にそれぞれ設置されている。可動部材１２が第一摩擦部材１５０および導電線１２ｄ上を正負方向に摺動すると、第一受動部材１３は可動部材１２に押されて第二摩擦部材１５１および導電線１３ｄ上を正方向に、第二受動部材１４は可動部材１２に押されて第三摩擦部材１５２および導電線１４ｄ上を負方向に、それぞれガイドレール１８、１８に沿って摺動する。
なお、可動部材１２と第一受動部材１３と第二受動部材１４の摺動面には、摺動時の摩擦抵抗を大きくするとともに、導電線１２ｄ、１３ｄ、１４ｄとの接触端子として、突設部１２ｂ、１３ｂ、１４ｂが設けられており、可動部材１２、第一受動部材１３、第二受動部材１４は、突設部１２ｂ、１３ｂ、１４ｂを介して、第一摩擦部材１５０と導電線１２ｄ、第二摩擦部材１５１と導電線１３ｄ、第三摩擦部材１５２と導電線１４ｄとそれぞれ接触している。
さらに、本実施形態による変位記録センサ１１では、第一摩擦部材１５０、第二摩擦部材１５１、第三摩擦部材１５２の両端に電圧入力端子＋Ｔ_ｉｎと−Ｔ_ｉｎがリード線１５ｃを介して設けられるとともに、導電線１２ｄ、１３ｄ、１４ｄの端部には電圧出力端子Ｔ_ｏｕｔ、＋Ｔ_ｏｕｔ、−Ｔ_ｏｕｔがリード線１２ｃ、１３ｃ、１４ｃを介して設けられている。
また、可動部材１２と第一受動部材１３と第二受動部材１４上にはそれぞれ位置を示すための指針１２ａ、１３ａ、１４ａが設けられ、保護ケース１７上には変位目盛り２０が設けられている。

図５は、第二の実施形態の回路図を示したものである。
図５に示すように、電気抵抗値がＲ０である第一摩擦部材１５０、電気抵抗値がＲ１である第二摩擦部材１５１、電気抵抗値がＲ２である第三摩擦部材１５２それぞれの両端に電圧Ｖ_０を負荷すると、電圧入力端子−Ｔ_ｉｎと、可動部材１２、第一受動部材１３、第二受動部材１４の電圧出力端子Ｔ_ｏｕｔ、＋Ｔ_ｏｕｔ、−Ｔ_ｏｕｔとの間の電圧値はそれぞれＶ_ｏｕｔ、＋Ｖ_ｏｕｔ、−Ｖ_ｏｕｔとなる。本実施形態においても、可動部材１２、第一受動部材１３、第二受動部材１４それぞれの電圧値Ｖ_ｏｕｔ、＋Ｖ_ｏｕｔ、−Ｖ_ｏｕｔと初期電圧値との差分を求めれば、測定対象物の現在の変位、正方向の最大変位、負方向の最大変位を精確に検出することができる。

第二の実施形態による変位記録センサ１１では、第一摩擦部材１５０、第二摩擦部材１５１、第三摩擦部材１５２に導電線１２ｄ、１３ｄ、１４ｄを並設し、可動部材１２、第一受動部材１３、第二受動部材１４の突設部１２ｂ、１３ｂ、１４ｂを接触端子とすることにより、可動部材１２、第一受動部材１３、第二受動部材１４にそれぞれリード線を取り付ける必要がなくなる。これにより、第一の実施形態による変位記録センサ１に比べて、リード線の取り回しが楽になる。

本発明に係る変位記録センサの第一の実施形態を示す図である。本発明に係る変位記録センサの第一の実施形態の回路図である。測定対象物の正負方向の最大変位の時刻歴変化を示す図である。本発明に係る変位記録センサの第二の実施形態を示す図である。本発明に係る変位記録センサの第二の実施形態の回路図である。

符号の説明

１、１１変位記録センサ
２、１２可動部材
３、１３第一受動部材
４、１４第二受動部材
５摩擦部材
１５０第一摩擦部材
１５１第二摩擦部材
１５２第三摩擦部材
６、１６ロッド
７、１７保護ケース
８、１８ガイドレール
９、１９ロッド支持部
１０、２０変位目盛り

Claims

保護ケース内に設置された摩擦部材と、測定対象物の変形に応じて前記摩擦部材上を直線的に摺動する可動部材と、前記可動部材の一方向の動きにのみ連動して前記摩擦部材上を前記一方向に摺動する第一受動部材と、前記可動部材の他方向の動きにのみ連動して前記摩擦部材上を前記他方向に摺動する第二受動部材とを備え、
前記摩擦部材が、導電性を有し、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二可動部材の可動範囲全域にわたって設置され、
前記摩擦部材に電圧入力端子を設けるとともに、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材に電圧出力端子をそれぞれ設け、前記電圧入力端子と前記各電圧出力端子との間の電圧値によって、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材それぞれの位置を検出することを特徴とする変位記録センサ。
前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材それぞれに位置を示すための指針を設けるとともに、前記保護ケースに変位目盛りを設けることを特徴とする請求項１に記載の変位記録センサ。