JP5590400B2 - 載荷装置および載荷試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、載荷対象物や載荷試験対象物に形成したボアホール（穿孔）内に挿入されてその内面を径方向に押圧することにより載荷するための載荷装置、およびその載荷装置を利用した載荷試験装置に関する。

周知のようにこの種の装置はボアホールジャッキと通称され、岩盤やコンクリート等に対する静的破砕装置として、また特許文献１，２に示されているように岩盤強度を計測するための試験装置として、従来より多用されている。

特開平８−２８５７４７号公報 特開２００４−２０４３２号公報

しかし、従来一般のボアホールジャッキは高強度の岩盤やコンクリートを対象とする破砕装置あるいは試験装置として使用されることから、載荷のために必要となる大駆動力を油圧あるいは水圧を利用して得るものであり、必然的に装置全体が大型大重量のものとならざるを得ない。
そのため従来一般のボアホールジャッキは簡易に取り扱い得るものではないし、作業現場やその周辺の環境条件によっては使用できない場合も多く、その点では必ずしも広く一般に適用できるものではない。

上記事情に鑑み、本発明はこの種のボアホールジャッキの簡易化と小形軽量化を実現して、様々な条件化においても広く適用することが可能な載荷装置とそれを利用した載荷試験装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、載荷対象物に形成されたボアホール内に挿入されてその内面を径方向に押圧するための載荷装置であって、前記ボアホール内に挿入可能な円筒状のケーシングと、前記ケーシング内の先端部において該ケーシングの中心を挟んで対向する位置に前記ケーシングの径方向に進退可能に設けられて、該ケーシングの先端部周面に形成されている開口部を通して前記ボアホールの内面に押圧可能な対の載荷板と、前記ケーシング内の基端部に設けられた電動モータと、前記電動モータと前記載荷板との間に介装されて前記電動モータによる回転駆動力を前記対の載荷板を前記ケーシングの径方向に進退させるための駆動力に転換する載荷機構を具備してなり、前記載荷機構は、右ネジを形成した右リードネジと左ネジを形成した左リードネジとが継手を介して軸方向に連結された構成とされて前記電動モータにより一体に回転せしめられる回転軸部材と、前記右リードネジに螺着された右ナットと前記左リードネジに対して螺着された左ナットとがそれぞれ前記ケーシングに対してガイドシャフトを介して該ケーシングに対して相対回転不能かつ軸方向に変位可能に支持された構成とされて、前記回転軸部材の回転によって前記右ナットと前記左ナットとが同期して互いに離接するように軸方向逆側に変位せしめられるナット部材と、該ナット部材の両側に対して前記対の載荷板をそれぞれ連結するとともに、該ナット部材における前記右ナットと左ナットとの離接により前記対の載荷板を前記回転軸部材の軸線に対して平行を維持しつつ径方向逆側に同期させて変位せしめるリンク機構とからなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、載荷試験対象物に形成されたボアホール内に挿入されてその内面を径方向に押圧することにより強度試験を行うための載荷試験装置であって、前記ボアホール内に挿入可能な円筒状のケーシングと、前記ケーシング内の先端部において該ケーシングの中心を挟んで対向する位置に前記ケーシングの径方向に進退可能に設けられて、該ケーシングの先端部周面に形成されている開口部を通して前記ボアホールの内面に押圧可能な対の載荷板と、前記ケーシング内の基端部に設けられた電動モータと、前記電動モータと前記載荷板との間に介装されて前記電動モータによる回転駆動力を前記対の載荷板を前記ケーシングの径方向に進退させるための駆動力に転換する載荷機構と、前記載荷機構に組み込まれて前記対の載荷板による載荷荷重を検出するための荷重検出手段を具備してなり、前記載荷機構は、右ネジを形成した右リードネジと左ネジを形成した左リードネジとが継手を介して軸方向に連結された構成とされて前記電動モータにより一体に回転せしめられる回転軸部材と、前記右リードネジに螺着された右ナットと前記左リードネジに対して螺着された左ナットとがそれぞれ前記ケーシングに対してガイドシャフトを介して該ケーシングに対して相対回転不能かつ軸方向に変位可能に支持された構成とされて、前記回転軸部材の回転によって前記右ナットと前記左ナットとが同期して互いに離接するように軸方向逆側に変位せしめられるナット部材と、該ナット部材の両側に対して前記対の載荷板をそれぞれ連結するとともに、該ナット部材における前記右ナットと左ナットとの離接により前記対の載荷板を前記回転軸部材の軸線に対して平行を維持しつつ径方向逆側に同期させて変位せしめるリンク機構とからなり、かつ、前記回転軸部材を構成している前記右リードネジと前記左リードネジとを前記継手を介して軸方向の相対変位を許容せしめる状態で連結するとともに、該回転軸部材の先端と前記ケーシングの先端との間に前記荷重検出手段としてのロードセルを介装してなることを特徴とする。

本発明の載荷装置は、電動モータの回転駆動力を載荷機構によって対の載荷板をケーシングの径方向に進退させるための駆動力に転換する構成であるので、従来のボアホールジャッキのように大掛かりな油圧や水圧を利用することなく効率的な載荷が可能であり、したがって装置全体の小形軽量化を図りつつ様々な対象物に対する載荷を簡易に実施することが可能である。
特に、載荷機構を正ネジと逆ネジを組み合わせた回転軸部材とナット部材により構成して、その軸方向変位をリンク機構によって載荷板の径方向変位に転換する構成とすることにより、電動モータの回転駆動力を簡易な構成で載荷板に対して確実かつ効率的に伝達し得て載荷板を確実かつ安定に駆動することが可能である。

本発明の載荷試験装置は、上記の載荷装置に対して載荷荷重を検出するための手段を備えたので、上記の載荷装置を利用して載荷試験を簡易に実施することが可能である。
特に、載荷時における回転軸部材の軸方向変位を許容したうえでその先端とケーシングの先端との間に荷重検出手段としてのロードセルを介装することにより、簡易な構成で載荷荷重を精度良く検出することができる。

本発明の実施形態である載荷試験装置の外観図および断面図である。 同、内部機構の要部を示す斜視図である。 同、動作を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図３を参照して説明する。
なお、本発明の載荷装置と本発明の載荷試験装置は、載荷荷重を検知するための手段の有無において構成が異なるだけでそれ以外は共通しているので、以下では載荷荷重検出手段としてのロードセルを備えている載荷試験装置の実施形態について説明する。

本実施形態の載荷試験装置は、従来のボアホールジャッキと同様に、岩盤やコンクリート等の載荷試験対象物に形成したボアホール内に挿入されてその内側からボアホールの内面を外側に押圧することによって強度試験を行うためのもので、図１に示すように、円筒状のケーシング１と、ケーシング１内の先端部に設置された対の載荷板２（２ａ、２ｂ）と、ケーシング１内の基端部に設置された電動モータ３（図１（ｃ）参照）と、その電動モータ３と載荷板２との間に介装された載荷機構４とを主要構成要素として備えているものである。

ケーシング１はボアホール内に挿入可能な径寸法の円筒状のもので、先端部周面には中心を挟んで対向する位置にそれぞれ開口部１ａが形成され、その開口部１ａの内側に上記の載荷板２が配置されている。
ケーシング１の基端部にはボアホール内に挿入するための適宜のシャフト５が接続可能とされている。

電動モータ３は小径の円筒状の形態のもので、その先端部がケーシング１内に形成されている隔壁板１ｂに支持されて設置されている。

載荷板２はケーシング１の周面と同様に湾曲した板体であって、上記の載荷機構４（詳細は後述する）により支持されてケーシング１の径方向に進退可能に設置されたものである。各載荷板２は通常は図１（ａ）に示すようにケーシング１に形成されている開口部１ａの内側に配置されているが、載荷試験の際には鎖線で示すように開口部１ａを通してその外側に変位してボアホール（図示せず）の内面に押圧せしめられるものである。
なお、載荷板２の外表面は図示しているように適宜の凹凸や段部を形成することが通常であるが、試験対象物の特性や試験目的に応じて単なる平滑面とすることでも良い。

載荷機構４は電動モータ３による回転駆動力によって対の載荷板２を同期させてケーシング１の径方向に進退させるための機構であって、この載荷機構４は、図２〜図３に示すように、電動モータ３に対して連結された回転軸部材４０と、その回転軸部材４０に螺着されたナット部材４１と、ナット部材４１に対して載荷板２を連結するためのリンク機構４２とにより構成されている。

回転軸部材４０はその両端部が軸受けにより回転自在に支持されているが、この回転軸部材４０は単一の部材からなるものではなく、互いに逆方向のネジが形成された２本のリードネジが継手を介して連結されたものである。
すなわち、図示例では逆ネジからなる左リードネジ４０ａが電動モータ３に対して継手６を介して連結され、その左リードネジ４０ａの先端に、左リードネジ４０ａと同ピッチの正ネジからなる右リードネジ４０ｂが継手７を介して相対回転不能に連結されていて、電動モータ３を駆動するとこの回転軸部材４０の全体が１本の回転軸として（つまり左リードネジ４０ａと右リードネジ４０ｂとが一体となって同方向に）回転するようになっている。

回転軸部材４０が左リードネジ４０ａと右リードネジ４０ｂとにより構成されていることに対応して、ナット部材４１も左ナット４１ａと右ナット４１ｂにより構成されていて、左リードネジ４０ａには左ナット４１ａが螺着され、右リードネジ４０ｂには右ナット４１ｂが螺着されている。
それら左ナット４１ａおよび右ナット４１ｂにはケーシング１内に固定されている２本のガイドシャフト８が挿通していて、それらのガイドシャフト８によって左ナット４１ａと右ナット４１ｂはケーシング１に対する相対回転が拘束され、かつそれらガイドシャフト８により案内されてそれぞれ独立にケーシング１の軸方向に変位可能に支持されている。
したがって、電動モータ３を駆動して回転軸部材４０を回転させると、左リードネジ４０ａに螺着されている左ナット４１ａと、右リードネジ４０ｂに螺着されている右ナット４１ｂとは、互いに離接するように同期して軸方向逆側に対称的に変位せしめられることになる。

そして、上記のナット部材４１の左右両側にそれぞれ上記のリンク機構４２が対称的に設置され、それらリンク機構４２を介して対の載荷板２がナット部材４１に対して連結されている。
すなわち、対の載荷板２のうち一方の載荷板２ａ（図示例では上側のもの）は右ナット４１ｂに対して２本の平行リンク４２ａにより連結されているとともに左ナット４１ａに対して１本の固定リンク４２ｂにより連結されている。また、他方の載荷板２ｂ（図示例では下側のもの）は左ナット４１ａに対して２本の平行リンク４２ａにより連結されているとともに右ナット４１ｂに対して１本の固定リンク４２ｂにより連結されている。

これにより、この載荷機構４は、電動モータ３を駆動して回転軸部材４０を回転（正転および逆転）させることにより、ナット部材４１を構成している左ナット４１ａと右ナット４１ｂとが同期して互いに離接するように軸方向逆側に対称的に変位し、そのようなナット部材４１の動作がリンク機構４２を介して載荷板２に伝達され、その結果、対の載荷板２が回転軸部材４０の軸線に対して平行を維持しつつ径方向逆側に同期して対称的に変位するようになっている。
つまり、図１（ｃ）および図３（ａ）に白矢印で示すように、載荷板２をケーシング１に収納している状態（ケーシング１の開口部１ａの内側に配置している状態）から、電動モータ３の回転軸を正転させたときには、左ナット４１ａと右ナット４１ｂとが接近するように軸方向に変位して双方の載荷板２はリンク機構４２を介して外側に押し出されるように径方向に変位し、これにより図３（ｂ）に示す状態となって載荷板２による試験対象物に対する載荷が可能となっている。
その状態から、図１（ｃ）および図３（ｂ）に黒矢印で示すように電動モータ３の回転軸を逆転させると、左ナット４１ａと右ナット４１ｂとが離間するように軸方向に変位して双方の載荷板２はリンク機構４２を介して内側に引き寄せられるように径方向に変位し、元の状態に復帰する。

以上の構成は本発明の載荷装置においても同様であるが、本実施形態の載荷試験装置ではさらに以下の構成が付加されて載荷試験時における載荷荷重を精度良く検知可能とされている。
すなわち、上記の回転軸部材４０においては継手７を介して連結されている基端側の左リードネジ４０ａと先端側の右リードネジ４０ｂとの相対回転は当然に拘束されるのであるが、その継手７は左リードネジ４０ａと右リードネジ４０ｂとの軸方向の相対変位を許容する状態で連結するものとされている。
また、回転軸部材４０の先端側の右リードネジ４０ｂの先端がセンサープレート５０により支持されているとともに、そのセンサープレート５０は上記のガイドシャフト８に案内されて軸方向変位が許容されており、そのセンサプレート５０とケーシング１内の先端部に固定されている端面板１ｃとの間にはロードセル５１が介装されている。

これにより、載荷試験に際して図３（ａ）に示すように電動モータ３を正転させて載荷板２をボアホールの内面に押圧させたときには、その反力がリンク機構４２、ナット部材４１を介して回転軸部材４０の軸方向に作用して左リードネジ４０ａと右リードネジ４０ｂとが互いに離間する方向に付勢され、その付勢力が破線矢印で示しているように右リードネジ４０ｂからセンサープレート５０を介してロードセル５１に作用するから、その時点における載荷板２による実際の載荷荷重をロードセル５１の計測値として検知することができる。
そして、電動モータ３に付設したエンコーダ（図示せず）により得られる回転量から左リードネジ４０ａと右リードネジ４０ｂの位置（相互間隔）を把握し、またリンク機構４２の幾何学条件から載荷板２の径方向への変位量を把握すれば、それらの情報とロードセル５１の計測値とから強度その他の特性を精度良く検知することが可能である。

以上のように、本発明の載荷試験装置によれば、電動モータ３の回転駆動力が、左リードネジ４０ａと右リードネジ４０ｂとにより構成されている回転軸部材４０、左ナット４１ａと右ナット４１ｂにより構成されているナット部材４１、平行リンク４２ａと固定リンク４２ｂにより構成されているリンク機構４２を介して載荷板２の径方向への押圧力に転換され、それにより効率的な載荷が可能である。
したがって従来のボアホールジャッキのように大掛かりな油圧や水圧を利用することなく、それにより装置全体の小形軽量化を図りつつ、載荷試験を簡易に実施することが可能である。

なお、以上の説明で明らかと思われるが、上記実施形態の載荷試験装置から荷重検出手段としてのロードセル５１を省略すれば本発明の載荷装置として機能するものとなる。
すなわち、上記実施形態の載荷試験装置は載荷試験を行うことを目的とするものであるので当然に載荷荷重を検出するためのロードセル５１が不可欠であるが、この載荷試験装置を（載荷試験を目的とするのではなく）岩盤やコンクリート等を対象としてたとえば静的破砕のための載荷を目的として使用することも可能であり、その場合には単に載荷機能を有するものであれば良いのであって必ずしも載荷荷重を精度良く検出する必要はないから、そのような場合にはロードセル５１およびそれに関連する構成要素を省略することのみで本発明の載荷装置を構成することができる。

以上で本発明の載荷試験装置および載荷装置の実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例であって本発明の載荷装置および載荷試験装置は上記実施形態に限定されるものではなく、たとえば装置全体の外観や形状・寸法、電動モータ３の仕様はもとより、載荷機構４における回転軸部材４０やナット部材４１、リンク機構４２、荷重検出のための構成や荷重検出手段の設置位置、その他細部の構成については、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の設計的変形や応用が可能であることはいうまでもない。

特に、本発明における載荷機構としては上記実施形態のように正ネジ（右ネジ）と逆ネジ（左ネジ）を組み合わせて構成することが好適ではあるが、それに限るものでもなく、要は電動モータの回転駆動力を載荷板の径方向への駆動力に転換するための動力伝達機構として機能するものであれば適宜構成の載荷機構の採用が可能である。

１ ケーシング
１ａ 開口部
１ｂ 隔壁板
１ｃ 端面板
２ 載荷板
３ 電動モータ
４ 載荷機構
５ シャフト
６，７ 継手
８ ガイドシャフト
４０ 回転軸部材
４０ａ 左リードネジ
４０ｂ 右リードネジ
４１ ナット部材
４１ａ 左ナット
４１ｂ 右ナット
４２ リンク機構
４２ａ 平行リンク
４２ｂ 固定リンク
５０ センサープレート
５１ ロードセル（荷重検出手段）

Claims (2)

1. 載荷対象物に形成したボアホール内に挿入されてその内面を径方向に押圧するための載荷装置であって、
   前記ボアホール内に挿入可能な円筒状のケーシングと、
   前記ケーシング内の先端部において該ケーシングの中心を挟んで対向する位置に前記ケーシングの径方向に進退可能に設けられて、該ケーシングの先端部周面に形成されている開口部を通して前記ボアホールの内面に押圧可能な対の載荷板と、
   前記ケーシング内の基端部に設けられた電動モータと、
   前記電動モータと前記載荷板との間に介装されて、前記電動モータによる回転駆動力を前記対の載荷板を前記ケーシングの径方向に進退させるための駆動力に転換する載荷機構を具備してなり、
   前記載荷機構は、右ネジを形成した右リードネジと左ネジを形成した左リードネジとが継手を介して軸方向に連結された構成とされて前記電動モータにより一体に回転せしめられる回転軸部材と、
   前記右リードネジに螺着された右ナットと前記左リードネジに対して螺着された左ナットとがそれぞれ前記ケーシングに対してガイドシャフトを介して該ケーシングに対して相対回転不能かつ軸方向に変位可能に支持された構成とされて、前記回転軸部材の回転によって前記右ナットと前記左ナットとが同期して互いに離接するように軸方向逆側に変位せしめられるナット部材と、
   該ナット部材の両側に対して前記対の載荷板をそれぞれ連結するとともに、該ナット部材における前記右ナットと左ナットとの離接により前記対の載荷板を前記回転軸部材の軸線に対して平行を維持しつつ径方向逆側に同期させて変位せしめるリンク機構とからなることを特徴とする載荷装置。
2. 載荷試験対象物に形成したボアホール内に挿入されてその内面を径方向に押圧することにより強度試験を行うための載荷試験装置であって、
   前記ボアホール内に挿入可能な円筒状のケーシングと、
   前記ケーシング内の先端部において該ケーシングの中心を挟んで対向する位置に前記ケーシングの径方向に進退可能に設けられて、該ケーシングの先端部周面に形成されている開口部を通して前記ボアホールの内面に押圧可能な対の載荷板と、
   前記ケーシング内の基端部に設けられた電動モータと、
   前記電動モータと前記載荷板との間に介装されて、前記電動モータによる回転駆動力を前記対の載荷板を前記ケーシングの径方向に進退させるための駆動力に転換する載荷機構と、
   前記載荷機構に組み込まれて前記対の載荷板による載荷荷重を検出するための荷重検出手段を具備してなり、
   前記載荷機構は、右ネジを形成した右リードネジと左ネジを形成した左リードネジとが継手を介して軸方向に連結された構成とされて前記電動モータにより一体に回転せしめられる回転軸部材と、
   前記右リードネジに螺着された右ナットと前記左リードネジに対して螺着された左ナットとがそれぞれ前記ケーシングに対してガイドシャフトを介して該ケーシングに対して相対回転不能かつ軸方向に変位可能に支持された構成とされて、前記回転軸部材の回転によって前記右ナットと前記左ナットとが同期して互いに離接するように軸方向逆側に変位せしめられるナット部材と、
   該ナット部材の両側に対して前記対の載荷板をそれぞれ連結するとともに、該ナット部材における前記右ナットと左ナットとの離接により前記対の載荷板を前記回転軸部材の軸線に対して平行を維持しつつ径方向逆側に同期させて変位せしめるリンク機構とからなり、
   かつ、前記回転軸部材を構成している前記右リードネジと前記左リードネジとを前記継手を介して軸方向の相対変位を許容せしめる状態で連結するとともに、該回転軸部材の先端と前記ケーシングの先端との間に前記荷重検出手段としてのロードセルを介装してなることを特徴とする載荷試験装置。

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