JP5371527B2 - 土木用圧力変換器 - Google Patents

Description

本発明は、土木用圧力変換器に関し、より詳しくは、地下の過酷な環境下で長期に亘り安定したモニタリングを行い得る土木用圧力変換器に関するものである。

従来の土木用圧力変換器としては、一般に土圧計と称されており、例えば、受圧面としての大径の一次ダイヤフラムとひずみゲージを接着した小径の二次ダイヤフラムとの二重のダイヤフラム構造で、一次ダイヤフラムと二次ダイヤフラムとの間隙を小さくして水銀封入室を設け、そこに水銀を封入してなり、一次ダイヤフラムの受圧面にかかる垂直荷重を流体圧に変換し、その流体圧による受圧面の微小変位を、二次ダイヤフラムに拡大して伝達し、そのダイヤフラムに接着されたひずみゲージによって感度よく検出できるように構成されたものが使用されていた。
また、剛性の大きい受圧板にかかる荷重をダイヤフラムに伝達し、そのダイヤフラムに生じたひずみ量をそのダイヤフラムに添着してなるひずみゲージによって電気的出力に変換して取出すようにした土圧計も多用されている。
しかしながら、地下の過酷な環境下で長期に亘って使用する場合、上述のひずみゲージを用いた電気式のものでは、長期使用中に、絶縁低下や腐食による劣化が発生し、所期の性能を持続することが困難となる。

そこで、近年、上述した電気式土圧計に代えて、上述の電気式のものより長期安定性が期待でき、しかも精度的に同程度のＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）がセンシング方式として、採用されるようになってきている。
例えば、特許文献１（特許第３５７１９３６号公報）には、ダイヤフラムにＦＢＧを直接貼り付ける形態、ダイヤフラムに応動して変位する部分にＦＢＧを貼り付ける形態のものなどが示されているが、光ファイバケーブルを、ダイヤフラムに直交する方向に引き出す構造となっており、圧力計の厚さを薄くするための配慮は何らなされていない。
この特許文献１のものにおいても、ダイヤフラムを起歪部としてそこにＦＢＧを直接取り付けた場合には、薄形化を図ることができるが、ダイヤフラムの耐力の制約から、定格の出力が大きくとれず、精度、分解能の面で、低下を余儀なくされる。
ところで、高レベル放射性廃棄物処分場は、深度３００ｍ以深に４０，０００本の廃棄体が定置され、地下坑道の延長は、約２００ｋｍになる。地下では、一般的に深度が深くなるほど温度は上昇する。温度に関しては、例えば、地表の平均気温を１５℃、地温勾配を３℃／１００ｍとすると、深度１０００ｍ地点での温度は４５℃と計算される。

また、廃棄体での近傍では、放射性核種の崩壊に伴い発生する熱により、廃棄体定置直後には、廃棄体周辺の温度が約１００℃となる。圧力に関しては、深度１，０００ｍでは、静水圧で１０ＭＰａとなる。また、廃棄体の近傍では、静水圧に加え、緩衝材のベントナイトが吸水することにより発生する膨潤圧が作用する。また、放射性核種の崩壊に伴い発生する放射線については、オーバーパック表面位置での吸収線量率は、オーバーパック厚さが１９ｃｍのときには、γ線で３ｍＧｙ／ｈ、中性子線で３×１０^−２ｍＧｙ／ｈと計算されている。処分場周辺の地下水の水質に関しては、処分場が内陸部に設置されている場合には、淡水系の地下水組成となり、沿岸部に設置される場合には、海水系の地下水組成となる。このように、地下の処分場環境は、地表と比較して、高い温度、高い圧力、廃棄体近傍では、放射線の影響があり、また、海水系の地下水の場合、腐食環境下にある。このような環境下で緩衝材の圧力や温度をモニタリングする場合、圧力変換器および温度変換器には、地表と異なり過酷な耐環境性が要求される。

特許第３５７１９３６号公報

従来の上述したひずみゲージを用いた電気式のものでは、上記過酷な環境下では到底使用には耐えないことが明らかであり、さらには、ＦＢＧを用いた上記特許文献１に記載された圧力変換器においては、薄形のものの製造が困難で、仮にダイヤフラムにＦＢＧを貼り付ける構造を採用し、薄肉化を図ろうとすると、ＦＢＧに付与するひずみが大きくとれない、という難点がある。即ち、例えば、ひずみ１０００×１０^−６をダイヤフラムに発生させるとＳＵＳ３１６の耐力（２０５Ｎ／ｍｍ^２）近くの応力になり、圧力変換器としての特性が悪化してしまうばかりでなく、強度の面からも、耐力まで応力を発生させることは危険でもある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、第１の目的とするところは、過酷な環境下で長期に亘り安定的に圧力を計測し得る土木用圧力変換器を提供することにあり、
第２の目的とするところは、高精度であって、非直線性およびヒステリシスを大幅に改善し得る土木用圧力変換器を提供することにあり、
第３の目的とするところは、小型化、特に薄形化を図り得る土木用圧力変換器を提供することにあり、
第４の目的とするところは、光ファイバを曲げることなく配線することができ、組立作業も容易な土木用圧力変換器を提供することにあり、
第５の目的とするところは、偏荷重が加わった場合でも、出力に影響を受け難い土木用圧力変換器を提供することにあり、
第６の目的とするところは、外観寸法を変更せずとも、且つ部品の共通化を図りつつ、負荷容量の変更にも容易に対応し得る土木用圧力変換器を提供することにあり、
第７の目的とするところは、起歪体をケース本体の台座部に締め付け固定するに際し、その締め付け方による負荷特性への影響が少ない土木用圧力変換器を提供することにある。

請求項１に記載した発明に係る土木用圧力変換器は、上述した目的を達成するために、有底筒状を呈し、所定の深さの円穴が形成され、側部に貫通するケーブル引き出し孔が形成され、底部に剛性大なる台座部が形成されたケース本体と、
厚肉円板状を呈し、基端が反受圧面側中心に一体にまたは一体的に設けられた力伝達部材を有し、前記ケース本体の前記円穴の一端寄りに嵌合されてなる受圧板と、
両端に剛性大なる一対の取付部が形成され、少なくとも前記一対の取付部の一端側間を連設するように可撓性を有する起歪ビームが形成され、前記一対の取付部の他端側間を連設するように底辺部が形成され、前記起歪ビームに沿って光ファイバ配置用の挿通孔および凹溝が形成された起歪体と、
前記光ファイバ配置用の挿通孔に挿通され、前記起歪ビームの荷重印加部近傍の前記凹溝に接着にて固定されるＦＢＧセンサとからなり、
前記ケース本体の前記台座部に前記起歪体の前記底辺部を載置し且つ取付部を前記台座部に連結固定し、前記力伝達部材の先端を、前記起歪ビームの中央部に当接させた状態で前記受圧板に印加される圧力の変化を前記ＦＢＧの伸び縮みの変化に変換して、圧力値を求めるように構成したことを特徴としている。

請求項２に記載した発明に係る土木用圧力変換器は、前記起歪体が前記一対の前記取付部の一端側間を連設する、可撓性を有する前記起歪ビームと前記起歪ビームと離間して平行をなす連結ビームを有すると共に、前記一対の取付部の他端側を連設するように互いに平行をなす一対の底辺部が形成され、前記起歪ビームに沿って、光ファイバ配置用の前記挿通孔および前記凹溝が形成されていることを特徴としている。
請求項３に記載した発明に係る土木用圧力変換器は、前記起歪体が四角柱状の金属部材を素材とし、前記一対の取付部に挟まれる中間部分に荷重印加方向に対応させて上端面から下端面に達する第１のスリットを形成し、前記第１のスリットと直交する方向に一方の側面から他方の側面に達する前記第１のスリットより幅広の第２のスリットを形成し、前記両端部に取付ボルト挿通用の貫通孔を形成することにより構成されることを特徴としている。
請求項４に記載した発明に係る土木用圧力変換器は、前記ケース本体の円穴の内周面と前記受圧板の外周面との間に、シール材が介挿され、且つその表面側に円板状のシール材押さえ板が前記受圧板に固定されていることを特徴としている。
請求項５に記載した発明に係る土木用圧力変換器は、前記ケース本体の前記ケーブル引き出し孔に溶接またはロー付けにより固着されたケーブル引き出しチューブを有することを特徴としている。

請求項６に記載した発明に係る土木用圧力変換器は、前記ケース本体、前記シール材押さえ板、ケーブル引き出しチューブは、例えば、ＳＵＳ３１６、チタンの如き耐腐食性の材料から構成されていることを特徴としている。
請求項７に記載した発明に係る土木用圧力変換器は、前記光ファイバ配置用の前記凹溝にひずみ検出用のＦＢＧが配置され、前記起歪体の外観近傍に温度検出用のＦＢＧが配設されていることを特徴としている。
請求項８に記載した発明に係る土木用圧力変換器は、前記起歪体が、例えば、ＳＵＳ６３０−Ｈ９００からなる高強度材料を用いて、製作されていることを特徴としている。
請求項９に記載した発明に係る土木用圧力変換器は、前記起歪体の前記底辺部がケース本体の前記台座部に２本の取付ボルトをもって固定されたとき、前記２本の取付ボルトを結ぶ線分は、前記受圧板の中心から偏倚し、前記力伝達部材と前記起歪ビームとの接触点は、前記受圧板の中心上に位置付けられるように構成したことを特徴としている。

本発明の請求項１の土木用圧力変換器によれば、
有底筒状を呈し、所定の深さの円穴が形成され、側部に貫通するケーブル引き出し孔が形成され、底部に剛性大なる台座部が形成されたケース本体と、
厚肉円板状を呈し、基端が反受圧面側中心に一体にまたは一体的に設けられた力伝達部材を有し、前記ケース本体の前記円穴の一端寄りに嵌合されてなる受圧板と、
両端に剛性大なる一対の取付部が形成され、少なくとも前記一対の取付部の一端側間を連設するように可撓性を有する起歪ビームが形成され、前記一対の取付部の他端側間を連設するように底辺部が形成され、前記起歪ビームに沿って光ファイバ配置用の挿通孔および凹溝が形成された起歪体と、
前記光ファイバ配置用の挿通孔に挿通され、前記起歪ビームの荷重印加部近傍の前記凹溝に接着にて固定されるＦＢＧセンサとからなり、
前記ケース本体の前記台座部に前記起歪体の前記底辺部を載置し且つ取付部を前記台座部に連結固定し、前記力伝達部材の先端を、前記起歪ビームの中央部に当接させた状態で前記受圧板に印加される圧力の変化を前記ＦＢＧの伸び縮みの変化に変換して、圧力値を求めるように構成したので、次のような諸々の効果をそうする。

第１に、過酷な環境下で長期に亘り安定的に圧力を計測することができ、
第２に、高精度であって、非直線性およびヒステリシスを大幅に改善することが可能で、
第３に、小型化、特に圧力印加方向の寸法を小さくし、薄形化を図ることができ、
第４に、光ファイバを曲げることなく配線することができ、組立作業も容易となり、安価に提供することができ、
第５に、偏荷重が加わった場合でも、出力に影響を受け難く、常に印加圧力に対応したひずみ出力を得ることができ、
第６に、外寸法を変更せずとも、且つ起歪体以外の部品の共通化を図りつつ、起歪体の起歪ビームの寸法を変更するのみで負荷容量の変更にも容易に対応することができ、
第７に、起歪体をケース本体の台座部に締め付け固定するに際し、その締め付け方による負荷特性への影響が少ない土木用圧力変換器を提供することができる。

また、請求項２の発明によれば、
前記起歪体は、前記一対の前記取付部の一端側間を連設する、可撓性を有する前記起歪ビームと前記起歪ビームと離間して平行をなす連結ビームを有すると共に、前記一対の取付部の他端側を連設するように互いに平行をなす一対の底辺部が形成され、前記起歪ビームに沿って、光ファイバ配置用の前記挿通孔および前記凹溝が形成されていることにより、上記請求項１の発明と同様の効果を発揮し得る土木用圧力変換器を提供することができる。
また、請求項３の発明によれば、前記起歪体が、四角柱状の金属部材を素材とし、前記一対の取付部に挟まれる中間部分に荷重印加方向に対応させて上端面から下端面に達する第１のスリットを形成し、前記第１のスリットと直交する方向に一方の側面から他方の側面に達する前記第１のスリットより幅広の第２のスリットを形成し、前記両端部に取付ボルト挿通用の貫通孔を形成することにより、特に、起歪体が単一の金属材料を素材として、第１のスリット、第２のスリット、取付ボルト挿通孔などを加工するだけで加工が容易で安価に製作することができ、且つ一体化により台座部に対する底辺部の移動あるいは当り方の状態が変化するのを抑制できるため、ヒステリシスが発生し難くなり、且つ非直線性も良好な土木用圧力変換器を提供することができる。

請求項４の発明によれば、前記ケース本体の円穴の内周面と前記受圧板の外周面との間に、シール材が介挿され、且つその表面側に円板状のシール材押さえ板が前記受圧板に固定されていることにより、水、粉粒体、汚泥等のケース本体内への浸入が防止され、受圧板の変位動作に支障を来たすことがなく、且つケース本体内に水分等が浸入しないため、ＦＢＧや起歪体の腐食等による性能劣化も防止し得る土木用圧力変換器を提供することができる。
また、請求項５の発明によれば、前記ケース本体の前記ケーブル引き出し孔に溶接またはロー付けにより固着されたケーブル引き出しチューブを有するので、特に、ケース本体内へ水分、粉粒物、汚泥等の浸入が阻止され、内部の起歪体やＦＢＧへの耐久性、性能を持続させ得る土木用圧力変換器を提供することができる。
また、請求項６の発明によれば、前記ケース本体、前記シール材押さえ板、ケーブル引き出しチューブは、例えば、ＳＵＳ３１６、チタンの如き耐腐食性の材料から構成され、一層過酷な環境下に配置されても、より長期に亘り、安定的な圧力をモニタリングし得る土木用圧力変換器も提供することができる。

また、請求項７の発明によれば、前記光ファイバ配置用の前記凹溝にひずみ検出用のＦＢＧが配置され、前記起歪体の外側近傍に温度検出用のＦＢＧが配設されていることにより、特に、温度検出用のＦＢＧにより温度変化を検知し、圧力検出用のＦＢＧの出力に含まれる温度影響を除去し、より正確な圧力測定を行い得る土木用圧力変換器を提供することができる。
また、請求項８の発明によれば、前記起歪体が、例えば、ＳＵＳ６３０−Ｈ９００からなる高強度材料を用いて、製作されていることにより、ＳＵＳ６３０−Ｈ９００なる高強度材料は、耐食性に優れたＳＵＳ３１６に対し、耐力（１１７５Ｎ／ｍｍ^２）が５〜６倍と大きいため、ＳＵＳ３１６を用いる場合より大きなひずみを付与することができ、特性を劣化させることなく、ＦＢＧを使用し得る土木用圧力変換器を提供することができる。
また、請求項９の発明によれば、前記起歪体の前記底辺部がケース本体の前記台座部に２本の取付ボルトをもって固定されたとき、前記２本の取付ボルトを結ぶ線分は、前記受圧板の中心から偏倚し、前記力伝達部材と前記起歪ビームとの接触点は、前記受圧板の中心上に位置付けられるように構成したことにより、特に、起歪体の台座部への取付け（固定）は、中心線を挟んで対称位置４箇所に設けることも考えられるが、そのように構成すると、必然的に起歪体が大型化し、延いては、土木用圧力変換器全体も大型化を来たすため起歪体の台座部への固定を中心から離れた位置で取付ボルトにより固定することにより、より一層小型の土木用圧力変換器を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る土木用圧力変換器の全体構成を示す平面図である。 図１の土木用圧力変換器の構成から光ファイバ保護用金属管、光ケーブル、コネクタ等を除去した状態を示す土木用圧力変換器の断面構成を示す断面図である。 図２に示す土木用圧力変換器の右側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る土木用圧力変換器の要部をなす起歪体の外観構成を模式的に示す斜視図である。 図４の起歪体の構成を示すもので、このうち、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 本発明を完成させる途上において着想された初期の土木用圧力変換器の構成を参考に示すもので、このうち（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る土木用圧力変換器の図５に示す起歪体において、起歪ビームの荷重印加点Ｐに荷重Ｗを印加した場合の起歪ビームおよび底辺部の変形状態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 図６に参考例として示す初期の起歪体において、起歪ビームの荷重印加点Ｐに荷重Ｗを印加した場合の起歪ビームおよび底部（台座部と接触する部分）の変形状態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る土木用圧力変換器の起歪体の構成を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る土木用圧力変換器と、本発明者等が初期に着想した土木用圧力変換器の負荷特性をそれぞれ示す負荷特性図である。

以下、本発明に係る実施の形態に基づき、図面を参照して本発明の土木用圧力変換器について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る土木用圧力変換器の全体構成を示す平面図、図２は、図１の土木用変換器の構成から光ファイバ保護用金属管、光ケーブル、コネクタ等を除去した状態を示す土木用圧力変換器の断面構成を示す縦断面図、図３は、図２に示す土木用圧力変換器の右側面図、図４は、本発明の第１の実施の形態に係る土木用圧力変換器の要部をなす起歪体の外観構成を模式的に示す斜視図、図５は、図４に示した起歪体の構成を示すもので、このうち、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
図６は、本発明を完成させる途上（初期）において着想された土木用圧力変換器の構成を参考に示すもので、このうち（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
図７は、本発明の第１の実施の形態に係る土木用圧力変換器の起歪体において起歪ビームの荷重印加点Ｐに、荷重Ｗを印加した場合の起歪ビームおよび底辺部の変形状態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、図８は、図６に参考例として示す起歪体において、起歪ビームの荷重印加点Ｐに荷重Ｗを印加した場合の起歪ビームおよび底部（台座部と接触する部分）の変形状態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。

図１〜図５において、本発明の第１の実施の形態に係る土木用圧力変換器について、詳しく説明する。
１は、ケース本体で、全体形状が有底筒状を呈し、上端と下端に厚肉のフランジ部が１ａ、１ｂが形成され、一端（図２においては上端）から底部に厚肉の台座部１ｃを残す深さまで円穴１ｄが穿設され、さらに、側部に貫通するケーブル引き出し孔１ｅが穿設されている。
また、このケース本体１の台座部１ｃの内底面（図２においては、台座部１ｃの上面）には、後述する起歪体を台座部１ｃに取付ボルトをもって取り付けるための雌ねじ１ｆが複数（２の場合、２個）形成され、さらに後述する受圧板の抜けを防止するボルト押さえをねじ込むための貫通した雌ねじ穴１ｇが複数（この場合、２個）形成されている。
ケース本体１の円穴１ｄの一端寄り（開口端部）には、厚肉で剛性の高い受圧板２がシール材３を介して嵌合している。この受圧板２の反受圧面側（図２においては、下面側）の中心に、下方に向けて突出するように突起ピン状の力伝達部材２ａが形成されており、その先端部（下端部）は、半球面状に形成されている。
尚、この力伝達部材２ａは、受圧板２に一体に形成されるものに限らず、受圧板２とは別体に加工し、受圧板２側に形成した穴にねじ込みあるいは圧入し、さらにはその接合部を溶接あるいはロー付け等の手段により一体的に形成してもよい。

受圧板２の一端面（上端面）近傍が小径に削成されてシール材３を嵌装するためのシール材嵌入部２ｂが形成されている。
ケース本体１の円穴１ｄの内周面と上記受圧板２の外周面との間に形成された凹溝にシール材３が嵌入されており、このシール材３の上面と受圧板２の上面に薄肉のシール材押さえ板４が当設され、４本の皿ビス５により、円板状のシール材押さえ板４が、上記ケース本体１の円穴１ｄに対し可動的に、受圧板２に固定されている。
シール材３は、この場合、耐熱性を有する、例えば、クロロプレンゴム、ポリウレタンゴムのような耐放射線性の封止材ラバー（ゴム）が好適である。
ケース本体１の台座部１ｃと受圧板２との間には起歪体６が配置される。
この起歪体６は、図４に全体形状の外観を示すように、この実施の形態の場合、四角柱状の高強度金属材料（望ましくは、ＳＵＳ６３０−Ｈ９００）を素材として、左右両端を一定長残し、その両端部に挟まれた中間部分に、荷重印加方向（図４においては、上下方向）に対応させて上端面から、下端面に達する第１のスリット６ａとが形成され、上記第１のスリット６ａと直交する方向（水平方向）に、一方の側面から他方の側面に達する第１のスリット６ａより幅広の第２のスリット６ｂが形成されている。

起歪体６のうち、上記第１、第２のスリット６ａ、６ｂが形成されていない左右の部分は、厚肉で、剛性の大きい一対の取付部６ｃ、６ｄとされている。この一対の両端の取付部６ｃ，６ｄの上面には、所定深さの座繰り穴６ｅ、６ｅが穿設され、この座繰り穴６ｅ、６ｅの中心には、下面に達する取付ボルト挿通孔６ｆが穿設されている。
この起歪体６には、さらに、左右の両端面間には、光ファイバ７を挿通するための光ファイバ挿通孔６ｇが形成され且つ第２のスリット６ｂが形成されている部分は、断面半円弧状の凹溝６ｈが形成されている。
上述のようにして形成された起歪体６は、一対の取付部６ｃ，６ｄの一端側間（上端部間）を連設する可撓性を有する細狭の起歪ビーム６ｉと、この起歪ビーム６ｉと離間して平行をなす連結ビーム６ｊを有すると共に、上記一対の取付部６ｃ，６ｄの他端側間（下端部間）を連設するように互いに平行をなす一対の底辺部（底辺ビーム）６ｋが形成されていることになる。

このように構成されてなる起歪体１には、一方の光ファイバ挿通孔６ｇから光ファイバ７が挿通される。光ファイバ７の一部区間には、２本のＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）、即ち、ひずみ検出用のＦＢＧ７ａと温度検出用のＦＢＧ７ｂが並設されてなり、このうち、ひずみ検出用のＦＢＧ７ａは、起歪ビーム６ｉの下面に沿って、配線され、荷重印加部Ｐの近傍の凹溝６ｈに接着剤にて固定され、温度検出のＦＢＧ７ｂは、起歪体１の外側近傍位置にひずみの影響を受けないようにして配置される。
このようにして、ＦＢＧ７ａ，７ｂを含む光ファイバ７が所定の個所に配置された状態の起歪体６は、図２に矢印Ａをもって示される横方向に向かって、ケース本体１内に挿入され、ケーブルは、ケーブル出し入れチューブ８からケーブル引き出し孔１ｅを介してケース本体１内に挿入され、光ファイバ７の先端側は、ケース本体１の反対側（右側）のケーブル出し入れチューブ９から引き出されることになる。
このような状態において、２本の取付ボルト１０を、起歪体６の取付部６ｃ，６ｄに穿設された座繰り穴６ｅ，６ｅ取付ボルト挿通孔６ｆ，６ｆを通して、台座部１ｃに形成された雌ねじ穴１ｆにそれぞれ螺合し、強く締め付けることによって、起歪体６が、ケース本体１の台座部１ｃに強固に固定される。

次いで、複数本（この場合２本）の中空のボルト押さえ１１の雄ねじ部を、台座部１ｃに形成した上記雌ねじ穴１ｇに螺合させ強く締め付ける。
次いで、上記ボルト押さえ１１の下側から取付ねじ１２を上に向けて挿入し、受圧板２に形成された雌ねじ孔２ｃに螺合し、強く締め付けることによって、受圧板２がケース本体１から抜け出すのを阻止するようになっている。
尚、受圧板２に荷重が作用して、受圧板２が下方に向けて変位したときは、取付ねじ１２の頭部が離れる方向（下方向）なので、荷重の印加に拘わらず、その荷重を拘束することはない。
このように、ボルト押さえ１１を設定した後に、台座部１ｃの底面から封止材１３をねじ止め、接着剤等にて水密状態とする。
次に、ケース本体１のケーブル引き出し孔１ｅにケーブル引き出し金属管１４を挿入し、その嵌合部周囲をロー付けまたは溶接により気密に封止する。

尚、このケーブル引き出し金属管１４を嵌入し接合するケース本体１の側周部は、図３に示されるように、上部のフランジ部１ａおよび下部のフランジ部１ｂを残すように、中間部分を平面状に削り落として、左右両側面から見て、矩形状を呈する平面部１ｈが形成されている。ケース本体１の両側に延びるケーブル引き出し金属管１４の両端には、やや小径の光ファイバ保護用金属管１５が連設され、その連設部の周囲も溶接あるいはロー付けにより気密に封止される。この光ファイバ保護用金属管１５の各端部には、金属製の接続金具１６を介して、細径で且つ可撓性を有する金属チューブに被覆された光ケーブル１７が、それぞれ接続され、さらにこの光ケーブル１７の先端には、信号授受を行う際に相手方のコネクタと接続させ得るコネクタ１８が接続されている。
このような、ケーブル引き出し金属管１４、光ファイバ保護用金属管１５、接続金具１６、光ケーブル１７、コネクタ１８の各内部を挿通される光ファイバ７を介して、起歪ビーム６ｉに接着剤にて添着されたひずみ（荷重）検出用ＦＢＧ７ａの情報および起歪体１の外側近傍に配置された温度計鞘管の内部温度を検出する温度検出用ＦＢＧ７ｂの情報（ブラッグ反射光の波長シフト量）が伝達されるように構成されている。
このように構成された本発明の第１の実施形態に係る土木用圧力変換器の作用につき説明する。

先ず、本発明に係る土木用圧力変換器は、図１〜図３に示すような組立てが完了した状態にあるものとして説明する。
本発明に係る土木用圧力変換器は、過酷な環境、例えば、深度１０００ｍの地点に設置されているものとする。
地中の土砂等の圧力（間隙水圧も含まれる）が、シール材押さえ板４に印加されると、シール材押さえ板４の面積に圧力が乗ぜられた荷重が受圧板２に伝達され、この荷重（力）は力伝達部材２ａを介して起歪体６の起歪ビーム６ｉの中央部（図４、図５に示されるＰ点）に集中して、伝達される。この場合、力伝達部材２ａの下端部、即ち、起歪ビーム６ｉに当接する部分が、略半球面状に形成されているので、受圧板２に偏荷重が印加された場合であっても、起歪ビーム６ｉへの影響が極めて少ないように構成されている。
起歪ビーム６ｉが印加される荷重に応じて、図７（ｂ）に示すように、下側に向けて湾曲するので、起歪ビーム６ｉの下面側の断面半円形状の凹溝６ｈに接着剤により強度に固着されたひずみ検出用ＦＢＧ７ａも同様に湾曲するので、ＦＢＧ７ａに予め記憶させてあるブラッグ反射光の波長が、曲げ量に応じてシフトするので、例えば、光源（図示せず）からコネクタ（またはカプラ）を通して光（連続光）を送り出して起歪ビーム６ｉに接着されたＦＢＧ７ａで発生したブラッグ反射光を光スペクトルアナライザ（図示せず）で受けて、当該ブラッグ反射光の波長を計測することで、圧力変換器のシール材押さえ板４および受圧板２で受けた圧力を正確に測定することができる。

このような土木用圧力変換器を複数個順次直列状に接続し、各圧力変換器のひずみ検出用ＦＢＧ７ａのブラッグ反射光の中心波長を、予め所定の間隔（この間隔は、各圧力変換器の測定範囲に応じた反射光の中心波長変動幅を考慮して定められる）だけずらしておくことにより、ブラッグ反射光の中心波長がどの範囲にあるかで、どの圧力変換器からの信号であるかを区別することができ、従って、複数個所の圧力測定を一括して行うことができる。
ところで、本発明の第１の実施の形態によれば、起歪ビーム６ｉの下部に位置して第１の取付部６ｃと第２の取付部６ｄの間を、１対の底辺部６ｈで連設したことにより、起歪体６の底部とケース本体１の台座部１ｃとの当接状態が極めて安定しているので、ヒステリシスが極めて少ないばかりでなく、非直線性が良好で、圧力の測定精度を飛躍的に向上させることができた。
即ち、これを、本発明者等が、本発明を完成させる過程で、創案した圧力変換器の起歪体を参考例として図６に示し、その参考例と、第１の実施の形態に係る起歪体と比較して説明する。

先ず、発明者等が当初創案した初期の圧力変換器を、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に参考例として示すが、このうち（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
尚、参考例の各部材に付した符号は、本発明の第１の実施の形態に付した符号に「′」ダッシュを付してある。
この参考例に示す土木用の圧力変換器が、本発明の第１の実施の形態と相違する点は、起歪ビーム６ｉ′に隣接する連結ビームが存在しない点および起歪ビーム６ｉ′の下位に底辺部（ビーム）が存在しない点である。
このような相違があることによる作用上の違いを図８および図１０を用いて説明する。
本発明の第１の実施の形態に係る土木用圧力変換器は、図７に示すように、起歪ビーム６ｉのＰ点に荷重Ｗが印加された場合には、起歪ビーム６ｉは下方に向かって円弧状に撓む。この際、起歪体６の底部は、一対の取付部６ｃと６ｃとの間が底辺部６ｈで連設されて、完全固定状態に近いため、底部の変形は極めて少なく抑えることができ、従って、起歪ビーム６ｉの撓み量は、印加加重Ｗに対応した量となり、起歪ビーム６ｉの裏側に取り付けられたひずみ検出用ＦＢＧ７ａも同様に撓み、ブラッグ反射光の波長が変化するので、その変化を、例えば、光スペクトルアナライザによって、被測定圧力を測定することができる。

これに対し、図６に参考例として示す初期の土木用圧力変換器において、起歪ビーム６ｉ′に荷重ＷがＰ点に印加されると、図８（ｂ）に示す正面図のように、起歪ビーム６ｉ′は、細線で示すように下方に向けて円弧状に大きく撓むが、同時に、起歪体６′の底部の外側が浮く傾向になり、内側の接点は、印加荷重の大きさにより水平方向に移動し、または当たり方の状態が変化してしまう。
このため、この初期の土木用圧力変換器の起歪ビーム６ｉ′は、印加荷重に対応した変形とはならず、精度が充分とはいえるものではないことが解明された。
そして、起歪体６′の底部が台座部に対し不安定で、単純支持状態に近く、荷重印加点Ｐより外側が浮く状態となり、内側の接点は、荷重の大きさにより水平方向に移動または当たり方の状態が変化することに起因して、非直線やヒステリシスが顕在化する。
このことを図１０を用いて明らかにする。図１０は、本発明の上記第１の実施の形態の土木用圧力変換器と、初期に試作した土木用圧力変換器の負荷特性を示すものであるが、改善後と記載された本発明に係るものと改善前と記載された初期試作品のものとを比較すると分かるように、改善後（本発明）のものは、昇圧時の特性と降圧時の特性とが極めて僅かの差しかなく、換言すれば、直線性が良好であって、ヒステリシスが極めて小さいことが明白である。

一方、これに対して、改善前（初期の試作品）のものは、昇圧時は、初期値から定格値に至るまで、マイナス側に大きく円弧を描くような特性を示す。降圧時は、定格値から初期値に至るまでプラス側に大きく円弧を描くような特性を示しており、さらに、負荷（荷重）を０にしたときのずれがあり、ヒステリシスが大きいことも明白である。
尚、本発明は、上述し図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、種々に変形して実施することができる。
即ち、第１の実施の形態に係る起歪体については、図２〜図６に示すように、起歪ビームと平行に連結ビーム６ｊを設けた例につき説明したが、図９に示す第２の実施の形態における起歪体６は、上記連結ビーム６ｊに対応する部分を省略した形状となっている。
このような構成としつつも、一対の底辺部６ｋを有するので、実質的には第１の実施の形態に係る土木用圧力変換器と機能的あるいは性能的には遜色がない。
むしろ、連結ビーム６ｊがない分だけ、加工が容易となり、且つ軽量化される、という点では、有利といえる。

以上詳しく説明したように、本発明によれば、計測センサとしての起歪体６やＦＢＧの部分は、ケース本体１、シール材押さえ板４、受圧板２、ケーブル引き出しチューブ８、９等によって覆われており、少なくとも水密的に構成されているため、地中の過酷の環境下においても、絶縁低下や腐食による性能劣化がなく、特に、外皮に相当するケース本体１、シール材押さえ板４、受圧板２、ケーブル引き出しチューブ等は、不銹鋼、より好ましくは、ＳＵＳ３１６または、チタン合金等を用いることにより、長期に亘り安定的に圧力を計測することができる。
また、起歪体６には、起歪ビーム６ｉに加え、底辺部６ｈを設ける構成としたから、高精度であって、非直線およびヒステリシスを大幅に改善することができ、更には起歪体６の素材に、ＳＵＳ６３０−Ｈ９００からなる高強度材料を用いた場合には、大容量であって、高精度な圧力変換器を構成することができる。
また、ひずみ検出用ＦＢＧ７ａと共に温度検出用ＦＢＧ７ｂを併設したから、温度変化に対応した補正を行うことができる。
また、光ファイバ７（ひずみ検出用ＦＢＧ７ａおよび温度検出用ＦＢＧを含む）が、受圧板２と平行で且つ起歪ビーム６ｉにも平行なファイバ配置用の光ファイバ挿通孔６ｇおよび凹溝６ｈに直線状に配列されており、光ファイバ７を曲げることなく、配線でき、組立、地中への設置などが容易であり、低コスト化が実現でき、特に、その構造上、薄型化、小型化を実現することができる。

また、受圧板２に突設された力伝達部材２ａの先端を、半球面状として、起歪ビーム６ｉの中心部に点接触するように構成したことにより、荷重印加点は、受圧面の中心一箇所であり、従って、偏荷重や不等分布荷重がかかっても、出力には影響を与えず、常に印加荷重に対応したひずみ出力を得ることができる。
また、本発明は、負荷容量の変更に対して、起歪体６の起歪ビーム６ｉの板厚、長さ幅等を変更するだけ、あるいはこれらに関連してスリット１ａ，１ｂの位置や幅寸法を変えるだけで対応することができるため、ケース本体１、シール材押さえ板４、受圧板２、シール材３、ケーブル引き出しチューブ８、９等起歪体６を除く、殆どの部材は、共用することができ、設計の自由度が大きく、また、安価に製作することができる。
また、本発明は、起歪体６の取付部６ｃ，６ｄの台座部１ｃへの固定位置を受圧板２の中心位置から離れた（偏倚した）位置とし、力伝達部材２ａの起歪ビーム６ｉとの接触点を、受圧板２の中心上に位置付けるように構成することにより、起歪体６をケース本体１内にケーブル出し入れチューブ８、９を介して挿入する際の寸法が小さくてすむことから、より一層の小型化を実現することができる。
また、本発明は、ケース本体１の円穴１ｄの内周面と受圧板２の外周面との間に介挿されるシール材３として、例えば、クロロプレンゴム、ポリウレタンゴムのような耐放射線性の封止材ゴムを用いることにより１００℃を越える高温に晒されても劣化することなく、初期の弾性力、シール能力を長期に亘って持続でき、延いては水密性を持続させることができる。

本発明の第１および第２の実施形態においては、土木用圧力変換器を対象として説明したが、同様な環境下で使用される荷重変換器も同様な構成で適用可能である。

１ ケース本体
１ａ、１ｂ フランジ部
１ｃ 台座部
１ｄ 円穴
１ｅ ケーブル引き出し孔
１ｆ 雌ねじ穴（取付ボルト用）
１ｇ 雌ねじ穴
２ 受圧板
２ａ 力伝達部材
２ｂ シール材嵌入部
２ｃ 雌ねじ穴
３ シール材
４ シール板押さえ板
５ 皿ビス
６ 起歪体
６ａ 第１のスリット
６ｂ 第２のスリット
６ｃ、６ｄ 取付部
６ｅ 座繰り穴
６ｆ 取付ボルト挿通孔（貫通孔）
６ｇ 光ファイバ挿通孔
６ｈ 断面半円弧状の凹溝
６ｉ 起歪ビーム
６ｊ 連結ビーム
６ｋ 底辺部
７ 光ファイバ
７ａ ひずみ検出用ＦＢＧ
７ｂ 温度検出用ＦＢＧ
８、９ ケーブル出し入れチューブ
１０ 取付ボルト
１１ ボルト押さえ
１２ 取付ねじ
１３ 封止材
１４ ケーブル引き出し金属管
１５ 光ファイバ保護用金属管
１６ 金属製の接続金具
１７ 光ケーブル
１８ コネクタ

Claims (9)

1. 有底筒状を呈し、所定の深さの円穴が形成され、側部に貫通するケーブル引き出し孔が形成され、底部に剛性大なる台座部が形成されたケース本体と、
   厚肉円板状を呈し、基端が反受圧面側中心に一体にまたは一体的に設けられた力伝達部材を有し、前記ケース本体の前記円穴の一端寄りに嵌合されてなる受圧板と、
   両端に剛性大なる一対の取付部が形成され、少なくとも前記一対の取付部の一端側間を連設するように可撓性を有する起歪ビームが形成され、前記一対の取付部の他端側間を連設するように底辺部が形成され、前記起歪ビームに沿って光ファイバ配置用の挿通孔および凹溝が形成された起歪体と、
   前記光ファイバ配置用の挿通孔に挿通され、前記起歪ビームの荷重印加部近傍の前記凹溝に接着にて固定されるＦＢＧセンサとからなり、
   前記ケース本体の前記台座部に前記起歪体の前記底辺部を載置し且つ取付部を前記台座部に連結固定し、前記力伝達部材の先端を、前記起歪ビームの中央部に当接させた状態で前記受圧板に印加される圧力の変化を前記ＦＢＧの伸び縮みの変化に変換して、圧力値を求めるように構成したことを特徴とする土木用圧力変換器。
2. 前記起歪体は、前記一対の前記取付部の一端側間を連設する、可撓性を有する前記起歪ビームと前記起歪ビームと離間して平行をなす連結ビームを有すると共に、前記一対の取付部の他端側を連設するように互いに平行をなす一対の底辺部が形成され、前記起歪ビームに沿って、光ファイバ配置用の前記挿通孔および前記凹溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の土木用圧力変換器。
3. 前記起歪体は、四角柱状の金属部材を素材とし、前記一対の取付部に挟まれる中間部分に荷重印加方向に対応させて上端面から下端面に達する第１のスリットを形成し、前記第１のスリットと直交する方向に一方の側面から他方の側面に達する前記第１のスリットより幅広の第２のスリットを形成し、前記両端部に取付ボルト挿通用の貫通孔を形成することにより構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の土木用圧力変換器。
4. 前記ケース本体の円穴の内周面と前記受圧板の外周面との間に、シール材が介挿され、且つその表面側に円板状のシール材押さえ板が前記受圧板に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の土木用圧力変換器。
5. 前記ケース本体の前記ケーブル引き出し孔に溶接またはロー付けにより固着されたケーブル引き出しチューブを有することを特徴とする請求項１に記載の土木用圧力変換器。
6. 前記ケース本体、前記シール材押さえ板、ケーブル引き出しチューブは、例えば、ＳＵＳ３１６、チタンの如き耐腐食性の材料から構成されていることを特徴とする請求項５に記載の土木用圧力変換器。
7. 前記光ファイバ配置用の前記凹溝にひずみ検出用のＦＢＧが配置され、前記起歪体の外側近傍に温度検出用のＦＢＧが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の土木用圧力変換器。
8. 前記起歪体は、例えば、ＳＵＳ６３０−Ｈ９００からなる高強度材料を用いて、製作されていることを特徴とする請求項１〜７に記載の土木用圧力変換器。
9. 前記起歪体の前記底辺部がケース本体の前記台座部に２本の取付ボルトをもって固定されたとき、前記２本の取付ボルトを結ぶ線分は、前記受圧板の中心から偏倚し、前記力伝達部材と前記起歪ビームとの接触点は、前記受圧板の中心上に位置付けられるように構成したことを特徴とする請求項３に記載の土木用圧力変換器。

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