JP6604857B2 - トルクセンサ、トルクセンサユニットおよび貫入試験機 - Google Patents

Description

本発明は、同軸に配置された２つの部材の間で発生する回転負荷を検出するトルクセンサおよびトルクセンサユニットに関する。また、トルクセンサを搭載する貫入試験機に関する。

地盤の固さを調べる調査方法の一つとしてスウェーデン式サウンディング方法が知られている。かかる方法による地盤の調査には貫入ロッドを有する貫入試験機が用いられる。貫入ロッドは、ロッドと、ロッドの先端に同軸に接続されたスクリューポイントを備える。貫入試験機は、貫入ロッドを地盤に突き刺して、スクリューポイントを所定の深さに到達させる。また、貫入試験機は、スクリューポイントを所定の深さに到達させる間に貫通ロッドにかかる荷重とスクリューロッドの回転負荷を計測する。

特許文献１に記載の貫入試験機では、スクリューロッドの回転負荷を計測するためのトルクセンサがロッドの後端部分に取り付けられている。ここで、ロッドの後端部分に取り付けたトルクセンサは、貫入ロッドの回転負荷を検出することはできるが、スクリューポイントの回転負荷を計測することができない。従って、特許文献１では、トルクセンサによって貫入ロッドの回転負荷を検出した後に、ロッドとスクリューポイントとを分離させる。その後、ロッドを回転させて、ロッドの後端部分に取り付けたトルクセンサによってロッドの回転負荷を検出する。しかる後に、貫入ロッドの回転負荷からロッドの回転負荷を差し引いて、スクリューロッドの回転負荷を取得する。

特開２０１０−９５９４９号公報

ロッドとスクリューポイントの間で発生する回転負荷（トルク）をトルクセンサによって直接計測できれば、貫入ロッドの回転負荷とロッドの回転負荷とを別々に計測することなく、スクリューポイントの回転負荷を取得できる。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、同軸に配置された２つの部材の間に配置されて当該２つの部材の間に発生する回転負荷を検出できるトルクセンサおよびトルクセンサユニットを提供することにある。また、かかるトルクセンサを搭載する貫入試験機を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のトルクセンサは、並列に配置された複数本の棒状の弾性体と、各弾性体の材軸方向の第１方向の第１端部分を保持する第１ホルダと、前記第１ホルダと同軸に配置され、各弾性体の前記第１方向とは反対の第２方向の第２端部分を保持する第２ホルダと、前記第１ホルダと前記第２ホルダとが当該第１ホルダおよび当該第２ホルダの軸線回りに相対回転した相対回転角度を検出する検出器と、を備えることを特徴とする。

本発明のトルクセンサは、同軸に配置されて弾性体により接続された第１ホルダと第２ホルダを備える。ここで、第１ホルダと第２ホルダを相対回転させたときに弾性体が捩れ
て発生する回転負荷（トルク）と、第１ホルダと第２ホルダとの相対回転角度との関係は、予め試験を行うことにより取得しておくことができる。従って、同軸に配置された一方の部材に第１ホルダを接続して、他方の部材に第２ホルダを接続した状態として、第１ホルダと第２ホルダの相対回転角度を検出すれば、同軸に配置された２つの部材の間で発生するトルクを取得できる。

本発明において、前記第１ホルダは、各弾性体の第１端部分が着脱可能に挿入された複数の第１弾性体保持孔を備え、前記第２ホルダは、各弾性体の第２端部分が着脱可能に挿入された複数の第２弾性体保持孔を備える。従って、第１ホルダと第２ホルダとの間に保持される棒状の弾性体の数を変更することが容易である。また、このようにすれば、各弾性体の第１端部分の第１弾性体保持孔への挿入量や、各弾性体の第２端部分の第２弾性体保持孔への挿入量を調整して、第１ホルダと第２ホルダとの間における弾性体の長さを変更することが容易となる。従って、トルクセンサのダイナミックレンジや感度を容易に変更できる。

本発明において、複数の前記第１弾性体保持孔は、前記軸線を中心とする環状に配列されおり、各第２弾性体保持孔は、前記軸線方向から見た場合に、各第１弾性体保持孔と重なる位置に設けられており、各弾性体は、それぞれの材軸方向を前記軸線方向に向けており、複数本の前記弾性体は、前記軸線回りで等角度間隔に配置されている。従って、弾性体に回転負荷が加わったときに、各弾性体の材軸方向が軸線に対して傾斜している場合と比較して、第１ホルダと第２ホルダの同軸状態が崩れることを抑制できる。また、このようにすれば、弾性体に回転負荷が加わったときに、複数本の弾性体の配置が等角度間隔でない場合と比較して、第１ホルダと第２ホルダの同軸状態が崩れることを抑制できる。従って、第１ホルダと第２ホルダとの間で発生する回転負荷（トルク）を正確に取得できる。

本発明において、前記第２ホルダは、前記第２弾性体保持孔を備える第２ホルダ本体部と、前記第２ホルダ本体部から前記軸線に沿って前記第１ホルダの側に延びる軸部と、を備え、前記第１ホルダは、前記軸線と重なる位置に前記軸部を挿通可能な中心孔を備え、前記軸部は、前記中心孔を貫通して前記第１ホルダから前記第２ホルダとは反対側に突出した突出部分を備え、前記検出器は、前記突出部分と前記第１ホルダとの相対回転角度を検出する。このようにすれば、第２ホルダの突出部分と第１ホルダが近い位置に配置される。従って、検出器を小型化できる。また、本発明において、前記第２ホルダは、前記軸部および前記第２ホルダ本体部を前記軸線方向に貫通する貫通孔を備える。従って、検出器への給電を行うための給電線や、検出器からの信号を外部に取り出すための信号線を、貫通孔を介して引き回すことができる。この結果、これらの配線を軸線方向のいずれの側にも引き回すことができる。また、貫通孔は、第１ホルダと第２ホルダが相対回転する際の回転中心に近い位置を当該回転中心に沿って設けられる。従って、貫通孔を介して配線を引き回せば、第１ホルダと第２ホルダが相対回転した場合でも配線の変位が少なく、配線の断線を防止できる。

本発明において、前記第１端部分は、接着剤により前記第１ホルダに固定され、前記第２端部分は、接着剤により前記第２ホルダに固定されていることが望ましい。このようにすれば、第１ホルダと第２ホルダの間に保持する弾性体の数や弾性体の長さ調整した後に、各弾性体を各ホルダに固定することが容易である。また、接着剤によって各弾性体を各ホルダに固定しておけば、第１ホルダと第２ホルダとの間で発生する回転負荷によって各
弾性体が第１ホルダや第２ホルダから外れることを防止できる。さらに、接着剤によって各弾性体を各ホルダに固定しておけば、各弾性体が自己の軸線回り（材軸回り）に回転することがないので、各弾性体と各ホルダとの間に生じる摩擦がトルクの計測に及ぼす影響を排除或いは抑制できる。また、接着剤を用いて各弾性体を各ホルダに固定すれば、各弾性体の太さを、各弾性体が各第１弾性体保持孔および各第２弾性体保持孔に挿入可能な範囲で変更できる。これにより、トルクセンサのダイナミックレンジや感度を容易に変更できる。ここで、接着剤として金属を用いることができる。すなわち、各弾性体は、ロウ付けにより各ホルダに固定されるものとすることができる。

本発明において、前記第１ホルダと前記第２ホルダとが相対回転する回転角度範囲を所定の回転角度範囲に規制する回転規制機構を備えることが望ましい。このようにすれば、第１ホルダと第２ホルダの間に発生する回転負荷によって弾性体が塑性変形してしまうことを防止できる。

本発明において、第１ホルダと第２ホルダの相対回転角度を検出するためには、前記検出器は、前記軸部または前記第１ホルダの一方に取り付けたマグネットと、他方に取り付けられて前記マグネットの磁界を検出する磁気センサと、を備えることが望ましい。

また、本発明において、前記検出器は、前記第１ホルダに取り付けた第１マグネットと、前記軸部に取り付けた第２マグネットと、前記軸部および前記第１ホルダから外周側に離間する位置に配置した磁気センサユニットを備え、前記磁気センサユニットは、前記第１マグネットの磁界を検出する第１磁気センサと、前記第２マグネットの磁界を検出する第２磁気センサと、を備えるものとすることができる。このようにすれば、トルクセンサが軸線回りで回転する回転動作中に、第１ホルダと第２ホルダの相対回転角度を検出できる。

次に、本発明のトルクセンサユニットは、第１トルクセンサと、第２トルクセンサと、を有し、前記第１トルクセンサおよび第２トルクセンサは、それぞれ上記のトルクセンサであり、前記第１トルクセンサの第１ホルダまたは前記第２ホルダは、前記第２トルクセンサの第１ホルダまたは第２ホルダに相対回転不能な状態で同軸に接続されていることを特徴とする。

本発明のトルクセンサユニットは、２つのトルクセンサを同軸に接続したものである。このようなトルクセンサユニットを、同軸に配置された第１部材と第２部材の間に配置するとともに、第１トルクセンサの第１ホルダおよび第２ホルダのうち第２トルクセンサに接続されていない側のホルダを第１部材に接続し、第２トルクセンサの第１ホルダおよび第２ホルダのうち第１トルクセンサに接続されていない側のホルダを第２部材に接続すれば、第１トルクセンサの検出器からの信号および第２トルクセンサからの第２信号に基づいて、第１部材と第２部材との間で発生する回転負荷を取得できる。

この場合において、前記第１トルクセンサが備える前記弾性体の本数と前記第２トルクセンサが備える前記弾性体の本数とは、異なるものとすることができる。このようにすれば、トルクセンサユニットのダイナミックレンジを大きくすることができる。

次に、本発明の貫入試験機は、ロッドと、前記ロッドの先端側に配置されたスクリューポイントと、上記のトルクセンサと、を有し、前記トルクセンサは、前記ロッドと前記スクリューポイントとの間に配置され、前記トルクセンサにおける前記第１ホルダおよび前記第２ホルダのいずれか一方は前記ロッドに相対回転不能に接続され、他方は前記スクリューポイントに相対回転不能に接続されていることを特徴とする。

本発明の貫入試験機では、ロッドとスクリューポイントの間にトルクセンサが配置されている。従って、トルクセンサはロッドとスクリューポイントとの間で発生する回転負荷
（スクリューポイントの回転負荷）を検出できる。よって、ロッドとスクリューポイントとからなる貫入ロッドの回転負荷とロッドの回転負荷とを別々に計測して、貫入ロッドの回転負荷からロッドの回転負荷を差し引くなどの作業を行うことなく、スクリューポイントの回転負荷を取得できる。

本発明を適用した貫入試験機の説明図である。 本発明を適用したトルクセンサの斜視図である。 トルクセンサ本体、第１筒状部材および第２筒状部材の斜視図である。 トルクセンサ本体の斜視図である。 トルクセンサ本体の断面図である。 荷重センサの斜視図および分解斜視図である。 荷重センサの断面図である。 変形例１、２のトルクセンサの説明図である。 トルクセンサユニットの斜視図である。 図１とは別の形態のトルクセンサの説明図である。 図１０のトルクセンサによるトルクの取得方法の説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態の貫入試験機およびトルクセンサを説明する。

（貫入試験機）
図１は本発明を適用した貫入試験機の説明図である。図１に示す貫入試験機はスウェーデン式サウンディング方法による地盤の調査に用いられる。貫入試験機１は地盤に突き刺す貫入ロッド２を備える。貫入ロッド２は、ロッド５、ロッド５と同軸に配置されたスクリューポイント６、および、ロッド５とスクリューポイント６の間に同軸に配置されてロッド５とスクリューポイント６とを接続するセンサ機構部７を備える。また、図示を省略するが、貫入試験機１は、ロッド５におけるスクリューポイント６とは反対側の端部分に錘とハンドルを備える。なお、貫入試験機１は、ロッド５におけるスクリューポイント６とは反対側の端部分に、貫入ロッド２を地中に貫入させるためのアクチュエーターを備える場合がある。以下では、貫入ロッド２が地盤に突き刺される際の姿勢を基準姿勢とし、ロッド５の位置する側を上下方向Ｘの上方Ｘ１、スクリューポイント６の位置する側を上下方向Ｘの下方Ｘ２として説明する。

センサ機構部７は、荷重センサ９、トルクセンサ１０およびデータロガー搭載部１１を備える。本例では、荷重センサ９、トルクセンサ１０およびデータロガー搭載部１１は、上方Ｘ１から下方Ｘ２に向かってこの順に配置されている。

荷重センサ９はロッド５の下端部分に回転不能に接続されている。トルクセンサ１０は荷重センサ９を介してロッド５に接続されている。また、トルクセンサ１０はデータロガー搭載部１１を介してスクリューポイント６に接続されている。データロガー搭載部１１は、荷重センサ９およびトルクセンサ１０に電気的に接続されたデータロガー１４を備える。データロガー１４は、荷重センサ９からの信号およびトルクセンサ１０からの信号を時系列に記憶保持する。また、データロガー搭載部１１は荷重センサ９およびトルクセンサ１０に電力を供給する電池１５を備える。

（トルクセンサ）
図２はトルクセンサ１０の外観斜視図である。図２はケースを取り除いたトルクセンサ１０の外観斜視図である。図３は第１筒状部材および第２筒状部材を取り除いたトルクセ
ンサ１０の斜視図である。図４は第１筒状部材および第２筒状部材を取り除いたトルクセンサ１０の縦断面図である。図２に示すように、トルクセンサ１０は、筒状のケース１７と、ケース１７の内周側に配置されたセンサ本体２３を備える。ケース１７の上端部分とセンサ本体２３との間には第１Ｏリング１８が介在する。ケース１７の下端部分とセンサ本体２３の間には第２Ｏリング１９が介在する。第１Ｏリング１８および第２Ｏリング１９はケース１７の内周側に異物が侵入することを防止する。

また、図３に示すように、ケース１７とセンサ本体２３の間には、第１筒状部材２１および第２筒状部材２２が介在する。第１筒状部材２１および第２筒状部材２２は、第１Ｏリング１８と第２Ｏリング１９の間において、上下に同軸に配置されている。

図４に示すように、センサ本体２３は、並列に配置された棒状の４本の弾性体２５と、各弾性体２５の上端部分（第１端部分）２５ａを保持する第１ホルダ２６と、各弾性体２５の下端部分（第２端部分）２５ｂを保持する第２ホルダ２７と、検出器２８を備える。第１ホルダ２６と第２ホルダ２７は同軸に配置されている。各弾性体２５は材軸方向を軸線Ｌ方向に向けている。図２に示すように、第１Ｏリング１８は第１ホルダ２６の外周面に装着されている。第２Ｏリング１９は第２ホルダ２７の外周面に装着されている。

図３に示すように、第１筒状部材２１は、その上端部分が第１ホルダ２６の下側部分に回転不能に固定されている。第１筒状部材２１の下端縁には、下方Ｘ２に突出する複数の突出部２１ａが設けられている。複数の突出部２１ａは等角度間隔で設けられており、各突出部２１ａの周方向における幅寸法は同一である。

第２筒状部材２２は、その下端部分が第２ホルダ２７の上側部分に回転不能に固定されている。第２筒状部材２２の上端縁には、下方Ｘ２に窪む複数の凹部２２ａが設けられている。凹部２２ａの数は第１筒状部材２１の突出部２１ａの数と同一である。複数の凹部２２ａは等角度間隔で設けられており、各凹部２２ａの周方向における幅寸法は同一である。各凹部２２ａの幅寸法は突出部２１ａの幅寸法よりも長く、各凹部２２ａには、上方Ｘ１から突出部２１ａが挿入されている。第２筒状部材２２における凹部２２ａの周方向の縁と第１筒状部材２１の突出部２１ａとの間には、所定の間隔の隙間Ｇが形成されている。

図４に示すように、第１ホルダ２６は円環状であり、一定の厚さを備える。第１ホルダ２６の外周面には雄ネジ２９が設けられている。第１ホルダ２６はステンレス鋼製である。第１ホルダ２６の下面２６ａ（第１ホルダ２６の第２ホルダ２７の側を向く環状端面）には、各弾性体２５を保持するための第１弾性体保持孔３１が、複数、形成されている。各第１弾性体保持孔３１は軸線Ｌと平行な方向に窪む。複数の第１弾性体保持孔３１は互いに同一の直径および同一の深さ寸法を備える。また、複数の第１弾性体保持孔３１は、軸線Ｌ回りで等角度間隔に設けられている。本例では、第１ホルダ２６は８つの第１弾性体保持孔３１を備える。

第２ホルダ２７は、円環状のホルダ本体部材３３と、ホルダ本体部材３３の中心孔に固定された軸部材３４を備える。

ホルダ本体部材３３は、ステンレス鋼製であり、一定の厚さを備える。ホルダ本体部材３３の外周面には雄ネジ３６が設けられている。ホルダ本体部材３３の上面３３ａ（第１ホルダ２６の側を向く環状端面）には、各弾性体２５を保持するための第２弾性体保持孔３７が、複数、形成されている。各第２弾性体保持孔３７は軸線Ｌと平行な方向に窪む。複数の第２弾性体保持孔３７は互いに同一の直径および同一の深さ寸法を備える。また、複数の第２弾性体保持孔３７は軸線Ｌ回りで等角度間隔に設けられている。ここで、第２
弾性体保持孔３７の形状は第１ホルダ２６の第１弾性体保持孔３１の形状と同一である。また、ホルダ本体部材３３は第１弾性体保持孔３１と同数の第２弾性体保持孔３７を備える。従って、ホルダ本体部材３３は８つの第２弾性体保持孔３７を備える。

軸部材３４は真鍮製のパイプである。従って、軸部材３４は貫通孔３８を備える。軸部材３４は、その下端部分がホルダ本体部材３３の中心孔３３ｂを貫通した状態でホルダ本体部材３３に固定され、ホルダ本体部材３３と一体とされている。

これにより、第２ホルダ２７は、図５に示すように、ホルダ本体部材３３と軸部材３４においてホルダ本体部材３３に挿入されている挿入部分とからなる第２ホルダ本体部４０と、軸部材３４においてホルダ本体部材３３から上方Ｘ１に突出する突出部分からなる軸部４１と、軸部材３４においてホルダ本体部材３３から下方Ｘ２に突出する突出部分からなる突部４２を備える。軸部４１および突部４２は軸線Ｌに沿って延びる。また、第２ホルダ２７は、軸部４１、第２ホルダ本体部４０および突部４２を軸線Ｌ方向に貫通する貫通孔３８を備える。第２ホルダ本体部４０の上面３３ａは複数の第２弾性体保持孔３７を備える。

第２ホルダ２７の軸部４１は、第１ホルダ２６の中心孔２６ｂを下方Ｘ２から上方Ｘ１に貫通して延びる。従って、軸部４１は、第１ホルダ２６から第２ホルダ２７とは反対側（上方Ｘ１）に突出した突出部分４１ａを備える。ここで、第１ホルダ２６の中心孔２６ｂの内径は軸部４１の外径よりも大きい。また、第１ホルダ２６と軸部４１は同軸である。従って、第１ホルダ２６の中心孔２６ｂを貫通する軸部４１は第１ホルダ２６と接触していない。また、軸線Ｌ方向から第１ホルダ２６と第２ホルダ２７とを見た場合には、第１ホルダ２６の各第１弾性体保持孔３１と第２ホルダ２７の各第２弾性体保持孔３７は重なる位置にある。

４本の弾性体２５のそれぞれは、ピアノ線、硬鋼線などのバネ鋼からなる。弾性体２５は第１弾性体保持孔３１および第２弾性体保持孔３７に挿入可能な太さを備える。各弾性体２５の上端部分２５ａは、第１ホルダ２６の第１弾性体保持孔３１に挿入されている。各弾性体２５の下端部分２５ｂは、第２ホルダ２７の第２弾性体保持孔３７に挿入されている。

本例では、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の間に４本の弾性体２５が保持されている。これに対して、第１ホルダ２６は８つの第１弾性体保持孔３１を備え、第２ホルダ２７は８つの第２弾性体保持孔３７を備える。従って、各弾性体２５の上端部分２５ａは、８つの第１弾性体保持孔３１のうちの一つおきの４つの第１弾性体保持孔３１に挿入されている。また、各弾性体２５の下端部分２５ｂは、８つの第２弾性体保持孔３７のうちの一つおきの４つの第２弾性体保持孔３７に挿入されている（図４参照）。これにより、並列に配列された４本の弾性体２５は軸線Ｌ回りで等角度間隔に配置されている。

また、本例では、図５に示すように、各弾性体２５の上端部分２５ａは第１弾性体保持孔３１に嵌合する太さを備える。各弾性体２５の下端部分２５ｂは第２弾性体保持孔３７に嵌合する太さを備える。そして、各弾性体２５の上端部分２５ａは第１弾性体保持孔３１の底（上面）に当接するまで挿入されている。各弾性体２５の下端部分２５ｂは、第２弾性体保持孔３７の底（下面）に当接するまで挿入されている。さらに、各弾性体２５の上端部分２５ａは接着剤によって第１ホルダ２６に固定され、各弾性体２５の下端部分２５ｂは接着剤によって第２ホルダ２７に固定されている。本例では、接着剤は、金属である。すなわち、各弾性体２５の上端部分２５ａはロウ付けにより、第１ホルダ２６に接着固定されている。また、各弾性体２５の下端部分２５ｂはロウ付けにより、第２ホルダ２７に接着固定されている。なお、接着剤は省略することもできる。

次に、検出器２８は、第１ホルダ２６に取り付けられたマグネット４５と、軸部４１の突出部分４１ａに取り付けられた磁気センサユニット４６を備える。マグネット４５は、第１ホルダ２６の上面２６ｃにおける外周縁部分に固定されている。マグネット４５は周方向に分極着磁されている。

磁気センサユニット４６は半径方向に延びる板状の固定部材４９を介して突出部分４１ａに取り付けられている。磁気センサユニット４６は、磁気センサ４７と演算部４８を備える。磁気センサ４７は、例えば、ホール素子を備える。磁気センサ４７は、狭い隙間を開けてマグネット４５と対向しており、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７（軸部４１）とが相対回転したときに、これらの相対回転角度に対応する信号を出力する。演算部４８は、磁気センサ４７からの信号に基づいて第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の間で発生した回転負荷（トルク）を取得する。ここで、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７を相対回転させたときに各弾性体２５が捩じれて発生する回転負荷（トルク）と、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７との相対回転角度との関係は、予め試験を行うことにより取得しておくことができる。従って、演算部４８は、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の相対回転角度に対応する信号に基づいてトルクを算出して取得できる。

磁気センサユニット４６には、当該磁気センサユニット４６に給電を行うための給電線４６ａと、当該磁気センサユニット４６からの信号を外部に取り出すための信号線４６ｂが接続されている。給電線４６ａおよび信号線４６ｂは第２ホルダ２７（軸部４１、第２ホルダ本体部４０および突部４２）を貫通する貫通孔３８を介して第２ホルダ２７の下方Ｘ２（第１ホルダ２６とは反対側）に引き出され、データロガー搭載部１１に達する。給電線４６ａは電池１５に接続され、信号線４６ｂはデータロガー１４に接続される。

（荷重センサ）
次に、図６および図７を参照して荷重センサ９を説明する。図６（ａ）は荷重センサ９の斜視図であり、図６（ｂ）は荷重センサ９の分解斜視図である。図７は荷重センサ９の縦断面図である。荷重センサ９は、筒状部材６１と、軸線Ｌ方向に移動可能な状態で筒状部材６１に挿入された可動部材６２を備える。また、荷重センサ９は、筒状部材６１に挿入されたバネ部材６３と、筒状部材６１の内側に配置された検出器６４と、筒状部材６１の上端開口縁に固定された環状のストッパ部材６５を備える。ストッパ部材６５の内周面にはＯリング５９が取り付けられている。検出器６４はマグネット６６と磁気センサユニット６７を備える。

図６（ｂ）に示すように、可動部材６２は、上方Ｘ１から下方Ｘ２に向かって上側小径部分７０と、上側小径部分７０よりも大径の大径部分７１と、大径部分７１よりも小径の下側小径部分７２とを備える。図６（ａ）に示すように、上側小径部分７０はストッパ部材６５の中心孔を貫通して上方Ｘ１に延びる。上側小径部分７０とストッパ部材６５との間にはＯリング５９が介在する。

上側小径部分７０はロッド５への接続部であり、その外周面の上端部分には雄ネジ７０ａが設けられている。大径部分７１の外周面にはスプライン６８が設けられている。下側小径部分７２にはステー７３を介してマグネット６６が取り付けられている。

ここで、ロッド５の下端部分には上側小径部分７０を挿入可能な凹部５ａが設けられている。凹部５ａの内周面には雄ネジ７０ａと螺合する雌ネジ５ｂが形成されている。可動部材６２は、上側小径部分７０がロッド５の凹部５ａに捩じ込まれることにより、ロッド５に相対回転不能に接続される。

筒状部材６１の下側部分の内側には筒部材７５が保持されている。筒部材７５の環状上端面には環状部材７６が載置されている。環状部材７６にはコイル状のバネ部材６３が載置されている。バネ部材６３の中心孔および環状部材７６の中心孔には可動部材６２の下側小径部分７２が貫通する。バネ部材６３の上端は可動部材６２の大径部分７１に下方Ｘ２から当接する。

バネ部材６３は可動部材６２をストッパ部材６５に付勢する。すなわち、バネ部材６３は、可動部材６２を上方Ｘ１に付勢して、その大径部分７１がストッパ部材６５に当接する原点位置６２Ａに配置する。可動部材６２が原点位置６２Ａに配置された状態では、上側小径部分７０の上側部分がストッパ部材６５から上方Ｘ１に所定寸法だけ突出する（図６（ａ）および図７参照）。

筒部材７５の内周側には磁気センサユニット６７が配置されている。磁気センサユニット６７は、磁気センサ７７と演算部７８を備える。磁気センサ７７は、例えば、ホール素子を備える。磁気センサ７７は、狭い隙間を開けてマグネット６６と対向しており、可動部材６２が原点位置６２Ａから下方Ｘ２に移動したときに、その移動距離に対応する信号を出力する。演算部７８は、磁気センサ７７からの信号に基づいて貫入ロッド２にかかる荷重を取得する。ここで、可動部材６２と筒状部材６１とが相対移動してバネ部材６３を圧縮させる荷重と、可動部材６２の原点位置６２Ａからの移動距離との関係は予め試験を行うことにより取得しておくことができる。従って、検出器６４は、可動部材６２の移動距離に対応する信号に基づいて、貫入ロッド２にかかる荷重を算出して取得できる。

筒状部材６１の内周面の上端部分にはスプライン軸受６１ａが設けられている。筒状部材６１の内周面における筒部材７５よりも下側の部分には、第１ホルダ２６の雄ネジ２９と螺合可能な雌ネジ６１ｂが設けられている。トルクセンサ１０は、第１ホルダ２６の雄ネジ２９にリング６０を取り付けた状態で、下方Ｘ２から筒状部材６１に捩じ込まれる。これにより、第１ホルダ２６は筒状部材６１に相対回転不能に接続される。また、リング６０は筒部材７５を下方Ｘ２から支持する。

ここで、可動部材６２にはスプライン６８が設けられ、可動部材６２が挿入される筒状部材６１にはスプライン軸受６１ａが設けられている。従って、可動部材６２と筒状部材６１とは、上方方向Ｘに相対移動可能であるが、軸線Ｌ回りを一体に回転する。よって、ロッド５の回転は、可動部材６２から筒状部材６１を介して、トルクセンサ１０の第１ホルダ２６に伝達される。

検出器６４には、磁気センサユニット６７に電力を供給する給電線６７ａと当該検出器６４からの信号を外部に取り出すための信号線６７ｂとが接続されている。給電線６７ａおよび信号線６７ｂは、トルクセンサ１０を軸線Ｌ方向に貫通する貫通孔３８を介して、データロガー搭載部１１まで引き回される。そして、給電線６７ａは電池１５に接続され、信号線６７ｂはデータロガー１４に接続される。

データロガー搭載部１１は、図１に示すように、筒状部材７９と、筒状部材７９の内側に配置されたデータロガー１４および電池１５を備える。筒状部材７９の上端部分の内周面には雌ネジ７９ａが形成されている。データロガー搭載部１１は、筒状部材７９の雌ネジ７９ａをトルクセンサ１０の第２ホルダ２７の雄ネジ３６に螺合させて、第２ホルダ２７に回転不能な状態で同軸に固定される。一方、筒状部材７９の下端部分はスクリューポイント６に回転不能な状態で同軸に固定される。

（地盤調査方法）
地盤の調査では、貫入ロッド２を地盤に突き刺して地中に貫入させる。ここで、貫入ロ
ッド２を地中へ貫入させる間にスクリューポイント６からロッド５の側に向かって軸線Ｌ方向にかかる荷重は荷重センサ９により取得されてデータロガー１４に記憶保持される。また、貫入ロッド２を地中へ貫入させる間にロッド５とスクリューポイント６との間で発生する回転負荷（スクリューポイント６の回転負荷）は、トルクセンサ１０により取得されてデータロガー１４に記憶保持される。

なお、貫入ロッド２を地中に貫入させたときにロッド５（第１ホルダ２６）とスクリューポイント６（第２ホルダ２７）との間に想定を超える過剰な回転負荷が発生した場合には、第１ホルダ２６に固定された第１筒状部材２１の突出部２１ａと第２ホルダ２７に固定された第２筒状部材２２の凹部２２ａの縁とが干渉して、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７のそれ以上の回転を規制する。すなわち、第１筒状部材２１と第２筒状部材２２とは、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の回転角度範囲を所定の回転角度範囲に規制する回転規制機構として機能する。より、具体的には、第１ホルダ２６の突出部２１ａと第２ホルダ２７の第２筒状部材２２の凹部２２ａの縁とは、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７とが軸線Ｌ回りの一方側に隙間Ｇに対応する回転角度範囲以上に相対回転することを規制する。また、第１ホルダ２６の突出部２１ａと第２ホルダ２７の第２筒状部材２２の凹部２２ａの縁とは、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７とが軸線Ｌ回りの他方側に隙間Ｇに対応する回転角度範囲以上に相対回転することを規制する。従って、ロッド５（第１ホルダ２６）とスクリューポイント６（第２ホルダ２７）との間に想定を超える過剰な回転負荷が発生した場合でも、各弾性体２５が塑性変形してしまうことを防止できる。

（作用効果）
本例のトルクセンサ１０によれば、同軸に配置されたロッド５とスクリューポイント６の間で発生するトルクを取得できる。また、トルクセンサ１０では、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７を接続する各弾性体２５は、それぞれの材軸方向を軸線Ｌ方向に向けており、軸線Ｌ回りを等角度間隔に配置されている。従って、弾性体２５に回転負荷が加わったときに、各弾性体２５の材軸方向が軸線Ｌに対して傾斜している場合と比較して、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の同軸状態が崩れることを抑制できる。また、弾性体２５に回転負荷が加わったときに、複数本の弾性体２５の配置が等角度間隔でない場合と比較して、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の同軸状態が崩れることを抑制できる。従って、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７との間で発生する回転負荷（トルク）を正確に取得できる。

また、検出器２８は、第２ホルダ２７から第１ホルダ２６を貫通して延びる軸部４１の突出部分４１ａと第１ホルダ２６との間に設けられて、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の相対回転角度を検出する。ここで、第２ホルダ２７における軸部４１の突出部分４１ａと第１ホルダ２６は近い位置に配置されているので、検出器２８を小型化できる。

さらに、本例では、トルクセンサ１０が軸線Ｌに沿って上下に貫通する貫通孔３８を備える。従って、検出器２８への給電を行うための給電線４６ａや検出器２８からの信号を外部に取り出すための信号線４６ｂを、貫通孔３８を介して、引き回すことができる。また、荷重センサ９の検出器６４への給電を行うための給電線６７ａや検出器６４からの信号を外部に取り出すための信号線６７ｂを、軸線Ｌ方向で荷重センサ９と直列に接続されたトルクセンサ１０の貫通孔３８を介して、引き回すことができる。ここで、貫通孔３８は、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７が相対回転する際の回転中心に近い位置を当該回転中心に沿って設けられている。従って、貫通孔３８を介してこれらの配線（給電線４６ａ、信号線４６ｂ、給電線６７ａ、信号線６７ｂ）を引き回せば、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７が相対回転した場合でも配線の変位が少なく、配線の断線を防止できる。

なお、ロッド５に貫通孔を設けておき、これらの配線（給電線４６ａ、信号線４６ｂ、給電線６７ａ、信号線６７ｂ）を、貫通孔を介して、ロッド５の上端側に引き出してもよ
い。この場合には、貫入ロッド２を地中に貫入させたときに、地上において、貫入ロッド２にかかる荷重やスクリューポイント６の回転負荷をモニタリングすることができる。

また、本例では、弾性体２５は、第１ホルダ２６の第１弾性体保持孔３１と第２ホルダ２７の第２弾性体保持孔３７に着脱可能に保持される。従って、各弾性体２５の上端部分２５ａの第１弾性体保持孔３１への挿入量や、各弾性体２５の下端部分２５ｂの第２弾性体保持孔３７への挿入量を調整して、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７との間における棒状の弾性体２５の長さを変更できる。これにより、トルクセンサ１０のダイナミックレンジや感度を容易に変更できる。

ここで、各弾性体２５の上端部分２５ａはロウ付けにより第１ホルダ２６に固定され、下端部分２５ｂは、ロウ付けにより第２ホルダ２７に固定される。従って、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の間に保持する弾性体２５の長さ調整した後に、各弾性体２５を各ホルダ２６、２７に固定することができる。また、ロウ付けによって各弾性体２５を各ホルダ２６、２７に固定しておけば、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７との間で発生する回転負荷によって各弾性体２５が第１ホルダ２６や第２ホルダ２７から外れることを防止できる。さらに、ロウ付けによって各弾性体２５を各ホルダ２６、２７に固定しておけば、各弾性体２５が自己の軸線回り（材軸回り）に回転することがないので、各弾性体２５と各ホルダ２６、２７との間に生じる摩擦がトルクの計測に及ぼす影響を排除或いは抑制できる。また、ロウ付けを用いて各弾性体２５を各ホルダ２６、２７に固定すれば、各弾性体２５の太さを、各弾性体２５が各第１弾性体保持孔３１および各第２弾性体保持孔３７に挿入可能な範囲で変更できる。これにより、トルクセンサ１０のダイナミックレンジや感度を容易に変更できる。

なお、金属用の接着材を用いて各弾性体２５を各ホルダ２６、２７に固定してもよい。

また、上記の例では、第２ホルダ２７の軸部４１と第１ホルダ２６とは接触していないが、軸部４１は第１ホルダ２６の中心孔２６ｂの内周面と摺接してもよい。

（変形例）
トルクセンサ１０では、弾性体２５は第１ホルダ２６の第１弾性体保持孔３１と第２ホルダ２７の第２弾性体保持孔３７に着脱可能に保持される。従って、図８に示す変形例１のトルクセンサ１０´のように、弾性体２５の本数を、第１弾性体保持孔３１と第２弾性体保持孔３７の数を上限として増減させることができる。これにより、トルクセンサ１０のダイナミックレンジや感度を容易に変更できる。

（トルクセンサユニット）
次に、上記のトルクセンサ１０を複数同軸に連結したトルクセンサユニットを説明する。図９はトルクセンサユニットの斜視図である。本例のトルクセンサユニット８０は、同軸に連結された第１トルクセンサ１０Ａと第２トルクセンサ１０Ｂとを有する。第１トルクセンサ１０Ａの第２ホルダ２７は、筒状連結部材８１を介して、第２トルクセンサ１０Ｂの第１ホルダ２６と相対回転不能に接続されている。

筒状連結部材８１は、その上端部分の内周面に第２ホルダ２７の雄ネジ３６と螺合可能な雌ネジ８２を備え、その下端部分の内周面に第１ホルダ２６の雄ネジ２９と螺合可能な雌ネジ８３を備える。第１トルクセンサ１０Ａと第２トルクセンサ１０Ｂの連結時には、上側の雌ネジ８２が第１トルクセンサ１０Ａの第２ホルダ２７の雄ネジ３６と螺合し、下側の雌ネジ８３が第２トルクセンサ１０Ｂの第１ホルダ２６の雄ネジ２９と螺合する。

トルクセンサユニット８０を用いれば、トルクセンサ１０と同様に、同軸に配置された
第１部材８５と第２部材８６との間で発生する回転負荷（トルク）を測定できる。この場合、第１トルクセンサ１０Ａの第１ホルダ２６を第１部材８５に接続し、第２トルクセンサ１０Ｂの第２ホルダ２７を第２部材８６に接続する。そして、第１トルクセンサ１０Ａの検出器２８からの信号および第２トルクセンサ１０Ｂの検出器２８からの第２信号に基づいて、第１部材８５と第２部材８６との間で発生する回転負荷を取得する。

ここで、第１トルクセンサ１０Ａと第２トルクセンサ１０Ｂとに同一のものを用いた場合には、第１トルクセンサ１０Ａの第１ホルダ２６と第２トルクセンサ１０Ｂの第２ホルダ２７との間で発生する回転負荷を、一つのトルクセンサ１０を用いて取得する場合と比較して、より精度よく、取得できる。また、第１トルクセンサ１０Ａが備える弾性体２５の本数と第２トルクセンサ１０Ｂが備える弾性体２５の本数とを異なるものとすれば、すなわち、第１トルクセンサ１０Ａと第２トルクセンサ１０Ｂとでダイナミックレンジが相違するものを用いれば、トルクセンサユニット８０のダイナミックレンジを大きくすることができる。

なお、第１トルクセンサ１０Ａの第１ホルダ２６と第２トルクセンサ１０Ｂの第１ホルダ２６とを筒状連結部材８１を用いて相対回転不能に接続してトルクセンサユニットとすることもできる。また、第１トルクセンサ１０Ａの第２ホルダ２７と第２トルクセンサ１０Ｂの第２ホルダ２７とを筒状連結部材８１を用いて相対回転不能に接続してトルクセンサユニットとすることもできる。

（その他の実施の形態）
図１０はその他の実施の形態のトルクセンサの説明図である。図１１は図１０のトルクセンサによるトルクの取得方法の説明図である。図１１（ａ）はトルクセンサを第１ホルダの側から見た場合の平面図であり、図１１（ｂ）はトルクセンサが搭載する磁気センサから出力される信号のグラフである。

本例のトルクセンサ９０は、同軸に配置された第１部材９１と第２部材９２の間に配置されて、第１部材９１と第２部材９２の間で発生する回転負荷（トルク）を計測する。また、本例のトルクセンサ９０は、第１部材９１と第２部材９２が軸線Ｌ回りで回転する回転動作中に第１部材９１と第２部材９２の間で発生する回転負荷（トルク）を計測する。なお、本例のトルクセンサ９０は上記のトルクセンサ１０と対応する構成を備えるので、対応する部分には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１０に示すように、トルクセンサ９０の第１ホルダ２６は第２ホルダ２７とは反対側に突出する一対の突部９４を備える。一対の突部９４は、軸線Ｌを間に挟んだ両側に設けられており、直径方向で対峙する。また、トルクセンサ９０は、軸部４１の突出部分４１ａに固定された固定部材９５を備える。固定部材９５は、一対の突部９４の間を、一対の突部９４の対向方向と直交する方向に延びる。周方向において、固定部材９５と一方の突部９４との間には隙間Ｇが設けられている。また、周方向において、固定部材９５と他方の突部９４との間には隙間Ｇが設けられている。第１ホルダ２６は第１部材９１に回転不能な状態で同軸に接続される。第２ホルダ２７は第２部材９２に回転不能な状態で同軸に接続される。

検出器１００は、第１ホルダ２６に取り付けた第１マグネット９６と、固定部材９５を介して軸部４１に取り付けた第２マグネット９７と、軸部４１および第１ホルダ２６から外周側に離間する位置に配置した磁気センサユニット９８を備える。第１マグネット９６は第１ホルダ２６の環状外周面に固定されている。第１マグネット９７は周方向に分極着磁されている。第２マグネット９７は固定部材９５の外周側の端面に固定されている。第２マグネットは周方向に分極着磁されている。図１１（ａ）に示すように、第１マグネッ
ト９６と第２マグネット９７とは軸線Ｌ回りで角度θだけ離間する角度位置に配置されている。本例では、角度θは９０°である。

図１０に示すように、磁気センサユニット９８は、第１マグネット９６の磁界を検出する第１磁気センサ１０１と、第２マグネット９７の磁界を検出する第２磁気センサ１０２と、演算部（不図示）を備える。

図１１（ｂ）に示すように、第１部材９１（第１ホルダ２６）と第２部材９２（第２ホルダ２７）が軸線Ｌ回りを回転する回転動作中には、第１磁気センサ１０１から第１信号Ｓ１が出力され、第２磁気センサ１０２からは第２信号Ｓ２が出力される。第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２は、第１マグネット９６と第２マグネット９７とが離間する角度θ（９０°）だけ位相がずれている。

ここで、第１部材９１（第１ホルダ２６）と第２部材９２（第２ホルダ２７）との間に回転負荷（トルク）が発生した場合には、第２磁気センサ１０２から図１１（ｂ）に点線で示す第２信号Ｓ２´が出力される。第２信号Ｓ２´は、回転負荷（トルク）が発生していない場合の第２信号Ｓ２に対して、第１ホルダ２６（第１マグネット９６）と第２ホルダ２７（第２マグネット９７）の相対回転角度ｄθ分だけ位相がずれている。従って、演算部は、第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２´との位相のずれと、第１信号Ｓ１の周期（波長）に基づいて、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の相対回転角度ｄθを取得する。また、演算部は、取得した相対回転角度ｄθに基づいて第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の間で発生している回転負荷（トルク）を取得する。

本例においても、上記のトルクセンサ１０と同様の作用効果を得ることができる。

なお、第１部材９１と第２部材９２との間に想定を超える過剰な回転負荷が発生した場合には、第１ホルダ２６の突部９４と第２ホルダ２７の軸部４１に固定された固定部材９５とが干渉して、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７のそれ以上の回転を規制する。すなわち、一対の突部９４と固定部材９５とは、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７の回転角度範囲を所定の回転角度範囲に規制する回転規制機構として機能する。より、具体的には、第１ホルダの一対の突部９４と固定部材９５とは、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７とが軸線Ｌ回りの一方側に隙間Ｇに対応する回転角度範囲以上に相対回転することを規制する。また、第１ホルダの一対の突部９４と固定部材９５とは、第１ホルダ２６と第２ホルダ２７とが軸線Ｌ回りの他方側に隙間Ｇに対応する回転角度範囲以上に相対回転することを規制する。従って、第１部材９１と第２部材９２との間に想定を超える過剰な回転負荷が発生した場合でも、各弾性体２５が塑性変形することを防止できる。

１・・・貫入試験機
５・・・ロッド
６・・・スクリューポイント
１０・１０´・１０Ａ・１０Ｂ・９０・・トルクセンサ
２５・・・弾性体
２５ａ・・・上端部分（第１端部分）
２５ｂ・・・下端部分（第２端部分）
２６・・・第１ホルダ
２６ｂ・・・中心孔
２７・・・第２ホルダ
２８・・・検出器
３１・・・第１弾性体保持孔
３７・・・第２弾性体保持孔
３８・・・貫通孔
４０・・・第２ホルダ本体部
４１・・・軸部
４１ａ・・・突出部分
４５・・・マグネット
８０・・・トルクセンサユニット
９８・・・磁気センサユニット
１０１・・・第１磁気センサ
１０２・・・第２磁気センサ
Ｌ・・・軸線

Claims (8)

1. 並列に配置された複数本の棒状の弾性体と、
   各弾性体の材軸方向の第１方向の第１端部分を保持する第１ホルダと、
   前記第１ホルダと同軸に配置され、各弾性体の前記第１方向とは反対の第２方向の第２端部分を保持する第２ホルダと、
   前記第１ホルダと前記第２ホルダとが当該第１ホルダおよび当該第２ホルダの軸線回りに相対回転した相対回転角度を検出する検出器と、を備え、
   前記第１ホルダは、各弾性体の第１端部分が挿入された複数の第１弾性体保持孔を備え、
   前記第２ホルダは、各弾性体の第２端部分が挿入された複数の第２弾性体保持孔を備え、
   複数の前記第１弾性体保持孔は、前記軸線を中心とする環状に配列されおり、
   各第２弾性体保持孔は、前記軸線方向から見た場合に、各第１弾性体保持孔と重なる位置に設けられており、
   各弾性体は、それぞれの材軸方向を前記軸線方向に向けており、
   複数本の前記弾性体は、前記軸線回りで等角度間隔に配置されており、
   前記第２ホルダは、前記第２弾性体保持孔を備える第２ホルダ本体部と、前記第２ホルダ本体部から前記軸線に沿って前記第１ホルダの側に延びる軸部と、を備え、
   前記第１ホルダは、前記軸線と重なる位置に前記軸部を挿通可能な中心孔を備え、
   前記軸部は、前記中心孔を貫通して前記第１ホルダから前記第２ホルダとは反対側に突出した突出部分を備え、
   前記検出器は、前記突出部分と前記第１ホルダとの相対回転角度を検出し、
   前記第２ホルダは、前記軸部および前記第２ホルダ本体部を前記軸線方向に貫通する貫通孔を備えることを特徴とするトルクセンサ。
2. 請求項１において、
   前記第１端部分は、接着剤により前記第１ホルダに固定され、
   前記第２端部分は、接着剤により前記第２ホルダに固定されていることを特徴とするトルクセンサ。
3. 請求項１または２において、
   前記第１ホルダと前記第２ホルダとが相対回転する回転角度範囲を所定の回転角度範囲に規制する回転規制機構を備えることを特徴とするトルクセンサ。
4. 請求項１から３のうちのいずれか一項において、
   前記検出器は、前記軸部または前記第１ホルダの一方に取り付けたマグネットと、他方に取り付けられて前記マグネットの磁界を検出する磁気センサと、を備えることを特徴とするトルクセンサ。
5. 請求項１から３のうちのいずれか一項において、
   前記検出器は、前記第１ホルダに取り付けた第１マグネットと、前記軸部に取り付けた第２マグネットと、前記軸部および前記第１ホルダから外周側に離間する位置に配置した磁気センサユニットを備え、
   前記磁気センサユニットは、前記第１マグネットの磁界を検出する第１磁気センサと、前記第２マグネットの磁界を検出する第２磁気センサと、を備えることを特徴とするトルクセンサ。
6. 第１トルクセンサと、
   第２トルクセンサと、を有し、
   前記第１トルクセンサおよび第２トルクセンサは、それぞれ請求項１ないし５のうちのいずれか一項に記載のトルクセンサであり、
   前記第１トルクセンサの第１ホルダまたは前記第２ホルダは、前記第２トルクセンサの第１ホルダまたは第２ホルダに相対回転不能な状態で同軸に接続されていることを特徴とするトルクセンサユニット。
7. 請求項６において、
   前記第１トルクセンサが備える前記弾性体の本数と前記第２トルクセンサが備える前記弾性体の本数とは、異なることを特徴とするトルクセンサユニット。
8. ロッドと、
   前記ロッドの先端側に配置されたスクリューポイントと、
   請求項１ないし４のうちのいずれか一項に記載のトルクセンサと、を有し、
   前記トルクセンサは、前記ロッドと前記スクリューポイントとの間に配置され、
   前記トルクセンサにおける前記第１ホルダおよび前記第２ホルダのいずれか一方は前記ロッドに相対回転不能に接続され、他方は前記スクリューポイントに相対回転不能に接続されていることを特徴とする貫入試験機。

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