JP7233144B1 - 変位拡大装置及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変位の拡大率を向上した変位拡大装置及び変位測定装置並びに変位測定方法を提供すること。
【解決手段】変位拡大装置１０は、第一作用点１７及び第二作用点２５が軸線ＣＬ方向に向けて配されるとともに、軸線ＣＲ方向に並設された円状切欠部２８Ａ及び長円状切欠部２８Ｂに挟まれて中央が最も細い鼓形状に形成され、第一支点１６が軸線ＣＲ方向に長円状切欠部２８Ｂを挟んで第一作用点１７と対向するとともに軸線ＣＬ方向に向けて配され、軸線ＣＲ方向に並設された長円状切欠部２８Ｂ及び三日月状切欠部２８Ｃに挟まれて第一作用点１７側を中心とした円弧弓状に形成され、第二支点２３が軸線ＣＲ方向に長円状切欠部２８Ｂを挟んで第二作用点２５と対向するとともに軸線ＣＬ方向に向けて配され、軸線ＣＲ方向に並設された長円状切欠部２８Ｂ及び三日月状切欠部２８Ｃに挟まれて第二作用点２５側を中心とした円弧弓状に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、変位拡大装置及び変位測定装置並びに変位測定方法に関する。

微小変位をテコの原理を応用して連続的に拡大する変位拡大装置として弾性基板に溝彫り加工して支点、作用点、テコを連続的に溝彫りして形成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この変位拡大装置は、第一テコ５、第二テコ６、第３テコ７が平行配置で形成されていると共に、第一テコ５の第一柱状支点Ａ１、第一柱状作用点Ｂ１、第二テコ６の第二柱状支点Ａ２、第二柱状作用点Ｂ２、第３テコ７の第３柱状支点Ａ３第３柱状作用点Ｂ３が加工され、更に第一柱状支点Ａ１、第一柱状作用点Ｂ１、第二柱状支点Ａ２、第二柱状作用点Ｂ２、第３柱状支点Ａ３、第３柱状作用点Ｂ３が一体に加工されている。

また、上記各柱状支点及び柱状作用点は、夫々のテコの基部において、テコに対して直角方向に配置され、更に各柱状支点及び柱状作用点は、中央が最も細くなるように両サイドが円弧状にカットされた鼓形状を呈し、かつ各柱状支点と各柱状作用点は並列に配置されている。また、各テコはすべて平行に配置され、第一テコ５の先端は第二柱状作用点Ｂ２と連結され、第二テコ６の先端は第３テコ７の第３柱状作用点Ｂ３と連結されている。

この変位拡大装置によれば、入力端２に入力された変位量をテコの原理により第３テコ７の先端まで拡大することができ、拡大された変位量を検出することで高精度に変位量を検知することができる。

特公平０８－０１２０６７号公報

しかしながら、近年多発する巨大地震に対応するために研究者から広いダイナミックレンジを求められているのに対して、上記従来の変位拡大装置では変位の拡大率に制約があり、要求を満足することが困難になっている。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、変位の拡大率のさらなる向上とスムーズな応答が得られる変位拡大装置及び変位測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る変位拡大装置は、入力された変位を拡大して出力する変位拡大装置であって、平板状の本体を備え、該本体が、基体と、前記本体の一部が柱状に溝彫り加工されて前記本体の端部から中心部に向かって伸びるとともに前記基体に対して可動に形成された入力端と、前記本体の一部が柱状に溝彫り加工されて前記基体に対して可動に形成されるとともに前記入力端の伸びる方向に対して略鉛直方向に平行に配されたテコ部と、を備え、前記テコ部が、一端側に回動中心となる第一支点が配され、前記入力端からの前記変位が入力される第一作用点を挟んで一端側から他端側に伸びる第一テコ部と、一端側に回動中心となる第二支点が配され、前記第一テコ部によって拡大された前記変位が入力される第二作用点を挟んで出力端が配された他端側へ一端側から伸びる第二テコ部と、を備え、前記入力端の伸びる方向を第一方向、前記テコ部の延びる方向を第二方向としたとき、前記第一作用点及び前記第二作用点が前記第一方向に向けて配されるとともに、前記第二方向に並設された円状切欠部及び長円状切欠部に挟まれて中央が最も細い鼓形状に形成され、前記第一支点が前記第二方向に前記長円状切欠部を挟んで前記第一作用点と対向するとともに前記第一方向に向けて配され、前記第二方向に並設された長円状切欠部及び三日月状切欠部に挟まれて前記第一作用点側を中心とした円弧弓状に形成され、前記第二支点が前記第二方向に長円状切欠部を挟んで前記第二作用点と対向するとともに前記第一方向に向けて配され、前記第二方向に並設された長円状切欠部及び三日月状切欠部に挟まれて前記第二作用点側を中心とした円弧弓状に形成されている。

また、本発明に係る変位測定装置は、変位拡大装置によって拡大された変位を計測する変位測定装置であって、前記変位拡大装置が、本発明に係る変位拡大装置である。

本発明によれば、変位の拡大率のさらなる向上と変位測定に際してスムーズな応答を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る変位拡大装置の概要を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る変位測定装置を示す（ａ）一部側面図（ｂ）一部正面図である。 本発明の一実施形態に係る変位測定装置への変位拡大装置の（ａ）搭載前（ｂ）搭載後を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る変位拡大装置の作用を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る変位測定装置による測定方法を示すフロー図である。

本発明に係る一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係る変位拡大装置１０は、入力された変位を拡大して出力する変位拡大装置であって、略円板状の本体１１を備える。この本体１１は、ベースとなる基体１２と、測定すべき変位が入力される入力端１３と、入力端１３に入力された変位を拡大して出力するテコ部１５と、を備える。

入力端１３は、本体１１の一部が柱状に溝彫り加工されて本体１１の端部から中心部Ｃに向かう軸線ＣＬ方向（第一方向）に伸びるとともに基体１２に対して可動に形成されている。テコ部１５は、本体１１の一部が柱状に溝彫り加工されて基体１２に対して可動に形成され、軸線ＣＬ方向に対して略鉛直の軸線ＣＲ方向（第二方向）に平行に配されている。

テコ部１５は、軸線ＣＬ方向の変位をテコの原理を利用して拡大するもので、一端側に回動中心となる第一支点１６が配され、入力端１３からの変位が入力される第一作用点１７を挟んで一端側から他端側に伸びる第一テコ部１８と、一端側に回動中心となる中間支点２０が配され、第一テコ部１８によって拡大された変位が入力される中間作用点２１を挟んで一端側から他端側に伸びる中間テコ部２２と、一端側に回動中心となる第二支点２３が配され、第一テコ部１８及び中間テコ部２２によって拡大された変位が入力される第二作用点２５を挟んで出力端２６が配された他端側へ一端側から伸びる第二テコ部２７と、を備える。出力端２６には、変位を電気信号に変換する不図示の変位計が接続される。

第一作用点１７は、入力端１３と第一テコ部１８との接続領域に、中間作用点２１は第一テコ部１８と中間テコ部２２との接続領域に、第二作用点２５は、中間テコ部２２と第二テコ部２７との接続領域にそれぞれ軸線ＣＬ方向に向けて配される。第一作用点１７、第二作用点２５、及び中間作用点２１は、軸線ＣＲ方向に並設された２つの円状切欠部２８Ａに挟まれて中央が最も細い鼓形状に形成されている。

第一支点１６は、軸線ＣＲ方向に長円状切欠部２８Ｂを挟んで第一作用点１７と対向するとともに軸線ＣＬ方向に向けて配され、軸線ＣＲ方向に並設された長円状切欠部２８Ｂ及び三日月状切欠部２８Ｃに挟まれて第一作用点１７側を中心とした円弧弓状に形成されている。中間支点２０は、軸線ＣＲ方向に長円状切欠部２８Ｂを挟んで中間作用点２１と対向するとともに軸線ＣＬ方向に向けて配され、軸線ＣＲ方向に並設された長円状切欠部２８Ｂ及び三日月状切欠部２８Ｃに挟まれて中間作用点２１側を中心とした円弧弓状に形成されている。第二支点２３は、軸線ＣＲ方向に長円状切欠部２８Ｂを挟んで第二作用点２５と対向するとともに軸線ＣＬ方向に向けて配され、軸線ＣＲ方向に並設された長円状切欠部２８Ｂ及び三日月状切欠部２８Ｃに挟まれて第二作用点２５側を中心とした円弧弓状に形成されている。

変位拡大装置１０が載置される変位測定装置３０は、中心軸線Ｃ１を有する円筒状の感受体３１と、中心軸線Ｃ１側に突出して感受体３１に配された第一棚部３２及び第二棚部３３と、変位拡大装置１０の入力端１３と接離可能に配されて第一棚部３２に載置された入力端１３を押圧する加圧部３５と、加圧部３５を駆動する駆動機構３６と、を備え、重力方向が中心軸線Ｃ１方向となるよう地中の所定位置に埋設される。埋設されることによって感受体３１と地中との相対移動が規制され、感受体３１が地中を伝播する変位を変位拡大装置１０に伝えることになる。

第一棚部３２は、入力端１３の先端側のみが載置される大きさに形成されている。第二棚部３３は、中心軸線Ｃ１を挟んで第一棚部３２に対向するとともに中心軸線Ｃ１側に突出して感受体３１に配されている。この第二棚部３３は、変位拡大装置１０の本体１１の中心部Ｃを挟んで反対側となる基体１２の取付穴３４の近傍のみが固定される大きさに形成されている。

加圧部３５は、凹部３７が配され入力端１３が凹部３７に挿入された状態で第一棚部３２に固定される門型の加圧本体３８と、凹部３７内に配されて一端が加圧本体３８に回動自在に接続され他端にて入力端１３を押圧する押さえヒンジ４０と、押さえヒンジ４０の他端側を中心軸線Ｃ１方向に押圧する加圧コマ４１と、を備える。駆動機構３６は、加圧コマ４１を中心軸線Ｃ１方向に移動する駆動源４２を備える。

次に、本実施形態に係る変位拡大装置１０及び変位拡大装置１０が搭載された変位測定装置３０の作用について変位測定方法とともに説明する。

まず、準備工程（Ｓ０１）では、変位拡大装置１０を変位測定装置３０に取り付ける。準備工程（Ｓ０１）は、基体固定工程（Ｓ０１１）と、入力端固定工程（Ｓ０１２）と、埋設工程（Ｓ０１３）と、を備える。基体固定工程（Ｓ０１１）では、変位拡大装置１０の入力端１３を第一棚部３２に載置するとともに、取付穴３４を第二棚部３３に不図示のボルトで固定して第二棚部３３を介して基体１２を感受体３１に固定する。

入力端固定工程（Ｓ０１２）では、加圧本体３８の凹部３７内に押さえヒンジ４０及び加圧コマ４１が挿入された状態で加圧本体３８を第一棚部３２に固定して第一棚部３２を介して加圧本体３８を感受体３１に固定する。そして、駆動機構３６によって加圧コマ４１を中心軸線Ｃ１方向に移動して押さえヒンジ４０を一端側を回転中心として回動させる。これによって、押さえヒンジ４０の他端側にて入力端１３を第一棚部３２を介して感受体３１に押圧固定する。こうして埋設工程（Ｓ０１３）にて変位測定装置３０を地中の所定位置に埋設して測定工程（Ｓ０２）へ移行する。

測定工程（Ｓ０２）では、地震等によって感受体３１に変位が生じたとき、入力端１３から入力された変位が変位拡大装置１０で拡大されて出力端２６から出力される。

すなわち、入力端１３から入力された軸線ＣＬ方向の変位は第一作用点１７に伝わり、第一作用点１７が軸線ＣＬ方向に長さＸ移動する。このとき、第一テコ部１８は、第一支点１６を回動中心として角度β分回転しようとするとともに、第一作用点１７が第一支点１６に対して距離σ分軸線ＣＲ方向に移動しようとする。この際、第一支点１６が円弧弓状に形成されているので、鼓形状に形成された場合に比べて弾性変形しやすくなっている。そして、第一支点１６と第一作用点１７とが同一方向に並んで配されているため、角度β及び距離σが第一支点１６に吸収される。こうして長さＸ分の変位が、第一支点１６から第一作用点１７までの距離と第一支点１６から中間作用点２１までの距離との比率に応じて拡大されて中間作用点２１に出力される。

中間テコ部２２も第一テコ部１８と同様の形状となっている。そのため、第一テコ部１８と同様の作用によって中間テコ部２２では、中間作用点２１に入力された変位が中間支点２０から中間作用点２１までの距離と中間支点２０から第二作用点２５までの距離との比率に応じて拡大されて第二作用点２５に出力される。第二テコ部２７も第一テコ部１８と同様の形状となっている。そのため、第一テコ部１８と同様の作用によって第二テコ部２７では、第二作用点２５に入力された変位が第二支点２３から第二作用点２５までの距離と第二支点２３から出力端２６までの距離との比率に応じて拡大されて出力端２６から出力される。

こうして出力端２６から出力された変位を不図示の変位計が検知して電気信号として出力することによって、軸線ＣＬ方向の変位を計測する。ただし、時間の経過とともに感受体３１や変位拡大装置１０に変位が蓄積されて飽和してしまう。そこで、所定時間経過後、リセット工程（Ｓ０３）に移行して変位拡大装置１０に蓄積された変位を解放する。

リセット工程（Ｓ０３）は、入力端解放工程（Ｓ０３１）と、入力端再固定工程（Ｓ０３２）と、を備える。入力端解放工程（Ｓ０３１）では、駆動機構３６によって加圧コマ４１を中心軸線Ｃ１方向に移動して、押さえヒンジ４０の他端側を入力端１３から離間して第一棚部３２への押圧固定状態を解除する。この際、変位拡大装置１０は、基体１２に対して入力端１３が軸線ＣＬ方向に移動自在となるので、各テコ部１８，２２，２６が元の形状に戻ろうとして蓄積された変位が解放される。

その後、入力端再固定工程（Ｓ０３２）に移行する。入力端再固定工程（Ｓ０３２）は、入力端固定工程（Ｓ０１２）と同様の作業を行う。こうして再び変位計測が可能になる。

この変位拡大装置１０によれば、各支点１６，２０，２３の形状が円弧弓状に形成されている。このことから、従来よりも各支点を弾性変形しやすくさせて各テコ部の回転や軸線ＣＲ方向の移動をより好適に吸収することができ、各作用点１７，２１，２５における軸線ＣＬ方向の変位量を拡大することができる。

また、この変位測定装置３０によれば、押さえヒンジ４０が入力端１３のみを第一棚部３２に押圧するので、感受体３１から入力される変位を入力端１３のみから入力させることができ、高精度の測定を可能にする。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１０ 変位拡大装置
１１ 本体
１２ 基体
１３ 入力端
１５ テコ部
１６ 第一支点
１７ 第一作用点
１８ 第一テコ部
２０ 中間支点
２１ 中間作用点
２２ 中間テコ部
２３ 第二支点
２５ 第二作用点
２６ 出力端
２７ 第二テコ部
２８Ａ 円状切欠部
２８Ｂ 長円状切欠部
２８Ｃ 三日月状切欠部
３０ 変位測定装置
３１ 感受体
３２ 第一棚部
３３ 第二棚部
３５ 加圧部
３６ 駆動機構
Ｃ 中心部
Ｃ１ 中心軸線
ＣＬ 軸線（第一方向）
ＣＲ 軸線（第二方向）

Claims (2)

1. 入力された変位を拡大して出力する変位拡大装置であって、
   平板状の本体を備え、
   該本体が、基体と、前記本体の一部が柱状に溝彫り加工されて前記本体の端部から中心部に向かって伸びるとともに前記基体に対して可動に形成された入力端と、前記本体の一部が柱状に溝彫り加工されて前記基体に対して可動に形成されるとともに前記入力端の伸びる方向に対して略鉛直方向に平行に配されたテコ部と、を備え、
   前記テコ部が、一端側に回動中心となる第一支点が配され、前記入力端からの前記変位が入力される第一作用点を挟んで一端側から他端側に伸びる第一テコ部と、
   一端側に回動中心となる第二支点が配され、前記第一テコ部によって拡大された前記変位が入力される第二作用点を挟んで出力端が配された他端側へ一端側から伸びる第二テコ部と、
   を備え、
   前記入力端の伸びる方向を第一方向、前記テコ部の延びる方向を第二方向としたとき、前記第一作用点及び前記第二作用点が前記第一方向に向けて配されるとともに、前記第二方向に並設された円状切欠部及び長円状切欠部に挟まれて中央が最も細い鼓形状に形成され、
   前記第一支点が前記第二方向に前記長円状切欠部を挟んで前記第一作用点と対向するとともに前記第一方向に向けて配され、前記第二方向に並設された長円状切欠部及び三日月状切欠部に挟まれて前記第一作用点側を中心とした円弧弓状に形成され、
   前記第二支点が前記第二方向に長円状切欠部を挟んで前記第二作用点と対向するとともに前記第一方向に向けて配され、前記第二方向に並設された長円状切欠部及び三日月状切欠部に挟まれて前記第二作用点側を中心とした円弧弓状に形成された変位拡大装置。
2. 変位拡大装置によって拡大された変位を計測する変位測定装置であって、
   前記変位拡大装置が、請求項１に記載の変位拡大装置である変位測定装置。
   

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