JPH089741Y2

JPH089741Y2 - ばね構造体

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Publication number: JPH089741Y2
Application number: JP1990008013U
Authority: JP
Inventors: 吉一阪本
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Priority date: 1990-01-29
Filing date: 1990-01-29
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2005-01-29
Also published as: JPH0398475U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は、伸縮自在な杆材とばね部材とから構成され
るばね構造体に関する。

〔従来の技術〕

例えば、土木，建築，機械分野等において、トラス型
の骨組構造物が一般に用いられている。このトラス型骨
組構造物（以下、トラスと記す）の強度を検討する場合
には、トラスを構成する各部材の応力を知る必要があ
る。すなわち、トラスに外力が作用した時に、各部材は
どの程度の引張力あるいは圧縮力を受けているかを予測
する必要がある。この予測は、一般に、図解や計算によ
り行われている。

トラスについては、中等及び高等教育課程で学習され
る。その強度計算の学習は、前述のような図解や計算を
用いた方法で行われる。ところが、力は目に見えない量
であるため、従来のやり方では、学習者が部材力の予測
について直観的に理解しにくい面があった。

そこで、トラスの学習器具として、実開平１−88974
号公報に示されるものが提案されている。これを第16図
に示す。

第16図において、このワーレントラス120は、７本の
伸縮自在な杆材110により構成されている。各杆材110の
連結部（節点）111〜115は、いずれもピン連結による滑
節となっており、各部材は相互に回動自在になってい
る。また、連結部113と115は、図示しない基台上に固定
されている。

杆材110は、第17図に示すように、外筒部材100,101
と、両端部が外筒部材100,101内に挿入されてスライド
自在な内筒部材102と、これら両部材の間に取り付けら
れたばね105,107とから構成されるばね構造体となって
いる。

外筒部材100,101の外側開口には、それぞれキャップ1
03,104が嵌合している。キャップ103,104には、それぞ
れ平坦部130,131が形成されている。平坦部130,131に
は、ピンが挿通し得る孔103a,104aがそれぞれ形成され
ている。

外筒部材100側のばね105の一端はキャップ103の端面
に固定され、また他端は内筒部材102の端面に固定され
ている。キャップ104には、軸方向に内筒部材102内まで
延在するロッド106が固定されている。外筒部材101側の
ばね107の一端は、このロッド106の先端部に固定され、
また他端は内筒部材102の端面に固定されている。ばね1
05,107は、無負荷状態においていずれも隣合う線材同士
が密に接触しており、最も縮退した状態で装着されてい
る。また、内筒部材102の概ね中央部の外周面上には、
外筒部材100,101の内筒部材102に対する変位置を測定す
るための目盛が付されている。

トラス120（第16図）の節点111〜115のいずれかに外
力が作用すると、各杆材110には引張力又は圧縮力がる
作用してトラス120は変形する。杆材110に引張力が作用
する場合には、ばね105が伸び、外筒部材100が第17図の
右方向にスライドする。一方、このとき、ばね107はこ
れ以上縮退できないので、外筒部材101は図の左方向に
は移動しない。従って、スパンｌが増加し、これによ
り、杆材110が伸長する。また、杆材110に圧縮力が作用
す場合には、ばね107のみが伸びるので、外筒部材101が
図の右方に移動し、この結果、スパンｌが減少する。こ
れにより、杆材110が縮退する。

このように、トラスの各部材を構成する杆材110にど
のような、またどの程度の力が作用するかを、学習者は
視覚で判定することができ、興味深く学習を進めること
ができる。

〔考案が解決しようとする課題〕

前記従来のばね構造体は、ばね及び外筒部材をそれぞ
れ２個ずつ有している。このため、部品点数が多くな
り、構造が複雑となる。また、両側の外筒部材がそれぞ
れスライドするため、スパンｌの変化量の測定がやや煩
雑になるという問題が生じる。

本考案の目的は、構造を簡略化でき、杆材の伸縮量の
測定が容易なばね構造体を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本考案に係るばね構造体は、外側筒状部材と、内側筒
状部材と、１つのばね部材と、ばね作動機構とを有して
いる。外側筒状部材は、一端に第１支持部を有し他端が
開放されている。内側筒状部材は、他端に第２支持部を
有し、一端が前記外側筒状部材の他端側から内部にスラ
イド自在に挿入されている。ばね部材は前記内側筒状部
材内に配置されている。ばね作動機構は、前記外側筒状
部材の第１支持部と内側筒状部材の第２支持部とが互い
に離れる方向に両筒状部材がスライドする際に前記ばね
部材の前記第１支持部側の第１端部を前記外側筒状部材
に対して固定するとともに前記第２支持部側の第２端部
を前記内側筒状部材に対して固定し、前記第１支持部と
第２支持部とが互いに近づく方向に前記両筒状部材がス
ライドする際に前記ばね部材の第１端部を前記内側筒状
部材に対して固定するとともに第２端部を外側筒状部材
に対して固定する。

〔作用〕

本考案に係るばね構造体では、たとえば伸長方向に外
力が作用した場合は、ばね部材の第１端部が外側筒状部
材に対して固定され、第２端部が内側筒状部材に対して
固定されるので、外力に応じてばね部材は伸びる。ま
た、逆に圧縮方向に外力が作用した場合は、前記とは逆
に、ばね部材の第１端部が内側筒状部材に対して固定さ
れ、第２端部が外側筒状部材に対して固定されるので、
ばね部材としては前記と同様の力を受けることとなり、
外力に応じて伸びる。

ここでは、ばね部材は１つであるため、部品点数を削
減でき、全体の構造を簡略化できる。また、このばね構
造体に対して引張力あるいは圧縮力のいずれの方向の力
が作用しても、ばね部材はこれらの外力に対して一方向
（引張方向）に変位するので、いずれの方向の外力に対
しても１本のばね部材で外力の度合いを変位量として正
確に表現できる。

また、本ばね構造体をたとえばトラス骨組模型に用い
た場合には、各ばね構造体に作用する部材力の正負をば
ね構造体の伸縮により視覚で容易に判定することができ
る。

〔実施例〕

第７図は本考案の一実施例が適用されたトラス学習器
具を示している。この学習器具は、６本の部材40〜45か
ら構成されたトラス骨組模型50と、この骨組模型50が取
り付けられる基板30とを有している。

トラス骨組模型50を構成する部材40〜45は、第１図に
示すようなばね構造体となっている。このばね構造体
は、伸縮自在な杆材３と、杆材３内部に設けられたばね
部材７とから構成されている。

杆材３は、外筒１と、外筒１内をスライド自在な内筒
２とを有している。外筒１及び内筒２の一端開口部に
は、それぞれキャップ（支持部）4,5が嵌合している。
キャップ4,5には、それぞれ平坦部4a,5aが形成されてお
り（第８図，第９図）、これらの平坦部4a,5aにそれぞ
れ孔4b,5bが形成されている。

キャップ４には、軸方向に内筒２の内部にまで延在す
るロッド６が固定されている。ロッド６の概ね中央部に
は、１対の爪部材８が所定のスパンを介して固定されて
いる。各爪部材８のスパンは、ばね７の自由長に対応し
ている。各爪部材８の外側には、それぞれの弁座9,10が
配置されている。各弁座9,10の中央部には、ロッド６が
挿通し得る孔が形成されている。弁座9,10は、ロッド６
上を軸方向にスライド自在となっている。また、内筒２
内部において、弁座9,10の間にはブッシュ2aが固定され
ている。このブッシュ2aの内径は弁座9,10の外径よりも
小さくなっている。ブッシュ2a内にはばね７が装着され
ている。なお、ばね７の内径は、爪部材８の外径よりも
大きくなっている。ばね７の両端部はそれぞれ弁座9,10
の端面に固定されている。

このように、ロッド６、１対の爪部材８、弁座９、10
及びブッシュ2aによりばね作動機構が構成されている。

また、外筒１には、第４図に示すような距離センサ11
が取り付けられている。この距離センサ11の詳細を第5A
図及び第5B図に示す。第5A図は平面図であり、第5B図は
正面図である。距離センサ11は、正面視凹字状のケース
12を有している。このケース12の凹部12a内にバー13が
軸方向に配設されている。このバー13上には、スライダ
ー14がスライド自在に設けられている。スライダー14の
下部には、平面視コ字状の舌状片15が設けられている。
この舌状片15は板ばね状となっており、常時外方（第5B
図下方）へ付勢されている。一方、凹部12aの底壁12bに
は、抵抗線16及び取り出し電極17がバー13の長手方向に
並設されている。これらの抵抗線16及び取り出し電極17
上に舌状片15の先端下部が当接している。また、ケース
12の下面には端子18,19,20が設けられている。端子18,2
0は抵抗線16の両端に接続されており、端子19は取り出
し電極17に接続されている。

第７図の各部材40〜45の各連結部（節点）30〜33はい
ずれも滑節となっている。即ち、連結部30,31は第８図
に示すような構造を有している。第８図は第７図のVIII
−VIII断面概略図である。第８図において、各部材40,4
1,44の端部に嵌合するキャップ4,5の孔4b,5b（第１図）
には、平座金122aを介して下方からボルト120が挿通し
ている。ボルト120には、上方から平座金122b及びばね
座金123を介してナット121が螺合している。各部材40,4
1,44はボルト120の廻りにそれぞれ回動自在となってい
る。また、各連結部30,31において、各ボルト120には、
それぞれ紐37,38が巻き付けられている。

また、連結部32,33は、第９図に示すような構造を有
している。第９図は第７図のIX−IX断面概略図である。
第９図において、基板30の下面には、開孔凹部30aが形
成されている。この開孔凹部30aに下方からボルト125が
挿通している。このボルト125の基板30上の突出部分に
は、カラー127,平座金128aを介して、各ばね構造体41,4
2,45の端部に嵌合するキャップ4,5が取り付けられてい
る。キャップ4,5上には平座金128b,ばね座金129を介し
てナット126が螺合している。各部材41,42,45はそれぞ
れボルト125の廻りに回動自在となっている。なお、カ
ラー127の長さ調節により、連結部32,33の高さ位置を連
結部30,31の高さ位置に合わせることができるようにな
っている。これにより、トラスを構成する各部材の軸線
が同一平面内におかれる。

基板30は、例えばアクリル樹脂等の透明樹脂材料から
なる板である。基板30上にはねじ34〜36が取り付けられ
ている。各ねじ34〜36の頭部は基板30上に突出した状態
となっている。

この学習器具は、第６図に示すような制御装置21を有
している。第６図において、制御装置21は、CPU22,ROM2
3,及びRAM24等からなるマイクロコンピュータを備えて
いる。また、この制御装置21には、A/Dコンバータ25,LC
D（液晶表示部）26,及びキーボード27が接続されてい
る。A/Dコンバータ25には、距離センサ11の端子19が接
続されている。なお、距離センサ11の端子18,20の間に
は電源28が接続されている。

次に、この学習器具の使用方法について説明する。

例えば節点30（第７図）に外力Ｆが作用すると、骨組
模型50は一点鎖線に示すように変形する。この時、各部
材40〜45はそれぞれ伸長又は縮退する。従って、学習者
は、各部材40〜45の長さの変化を観察することにより、
各部材40〜45に働く力が引張力か、あるいは圧縮力かの
判定を視覚で容易に行うことができる。なお、外力Ｆの
載荷方法としては、節点30を直接指で押すか、或いは紐
37,38を斜め方向に引っ張り、紐37,38の一端を例えばね
じ35b,36に係止させることにより行う。

外力Ｆの作用により、部材41は伸長し、第２図に示す
ような状態となる。即ち、第２図において、外筒１及び
内筒２がそれぞれ外方にスライドする。すると、ロッド
６上に固定された爪部材８が外筒１とともに第２図の右
方に移動して、爪部材８が弁座９を右方に移動させる。
また、ブッシュ2aが内筒２とともに図の左方に移動し
て、ブッシュ2aの端面が弁座10を左方に移動させる。従
って、弁座9,10はそれぞれ互いに遠ざかる方向に移動す
る。これにより、弁座9,10に両端面が固定されたばね７
は、杆材３の伸び量に対応して伸長する。また、内筒２
の外筒１に対する変位量は、距離センサ11により検出さ
れる。この変位量は、CPU22によって制御されるA/Dコン
バータ25（第６図）によりデジタル量に変換され、LCD2
6に表示される。これにより、内筒２の外筒１に対する
変位量、即ち、杆材３の伸び量をリアルタイムで測定す
ることができる。

また、外力Ｆの作用により、部材40は縮退して、第３
図に示すような状態となる。即ち、第３図において、外
筒１及び内筒２はそれぞれ内方にスライドする。する
と、ブッシュ2aが内筒２とともに第３図の右方に移動し
て、ブッシュ2aの端面が弁座９を右方に移動させる。ま
た、ロッド６上に固定された爪部材８が外筒１とともに
図の左方に移動して、爪部材８が弁座10を左方に移動さ
せる。従って、弁座9,10はそれぞれ互いに遠ざかる方向
に移動する。これにより、ばね７は杆材３の縮み量に対
応して伸長する。なお、外筒１の内筒２に対する変位量
は、前記と同様にして距離センサ11により検出され、A/
Dコンバータ（第６図）を介してLCD26に表示される。こ
れにより、内筒２の外筒１に対する変位量、即ち杆材３
の縮み量をリアルタイムで測定することができる。

このような本実施例では、各部材40〜45を構成するば
ね構造体は、従来のものに比べ外筒及びばねが１つで済
み、これにより、ばね構造体自体の部品点数を削減で
き、構造を簡略化することができる。従って、トラス骨
組模型50の全体構造を簡略化することができる。また、
ばね７は杆材３の無負荷状態からの伸縮量に対応して伸
長する。このため、外力Ｆの徐荷後は、各部材40〜45
は、内部のばね７の復元力により元の長さに戻り、これ
により、骨組模型50は載荷前の状態に戻る。さらに、内
外筒がそれぞれ１つの部材から構成されるので、杆材３
の伸縮量を１つの距離センサで容易に測定することがで
き、構造を一層簡略化することができる。

なお、基板30は透明樹脂製なので、OHP（オーバーヘ
ッド・プロジェクタ）で骨組模型50を拡大投影すること
ができ、これにより大勢の者が一度に学習することがで
きる。

〔他の実施例〕

（ａ）前記実施例では、ばね構造体を構成するばね７と
して、いわゆる引張ばねを用いたものを示したが、圧縮
ばねを用いたものにも同様に本考案を適用することがで
きる。

第10図はこの圧縮ばねを用いたばね構造体を示してい
る。第10図において、外筒51及び内筒52により杆材53が
構成されている。外筒51及び内筒52の一端側開口には、
それぞれキャップ54,55が嵌合している。キャップ54,55
の先端部には、それぞれ孔54a,55aが形成されている。
内筒52の他端には、半径方向内側に突出し、中心に孔を
有するストッパ部52aが形成されている。キャップ54に
は、軸方向に内筒52内に延在するロッド56が固定されて
いる。

ロッド56の概ね中央部には、弁座59,60が設けられて
いる。弁座59,60の中央部には、ロッド56が挿通し得る
孔が形成されている。弁座59,60はロッド56上を摺動自
在となっている。また、弁座59,60の間のスパンは、弁
座59,60の間に装着されるばね57の自由長に対応してい
る。ばね57の両端は、それぞれ弁さ59,60の端面に固定
されている。弁座59,60の外側のロッド56上には、爪部
材58a,58bが固定されている。爪部材58bの取り付け位置
に対応する内筒52内面には、ストッパ部材52bが固定さ
れている。前記ストッパ部52aの内径及びストッパ部材5
2bの内径は、爪部材58a,58bの外径よりも大きく、弁座5
9,60の外径よりも小さくなっている。また、外筒51上に
は、第5A図，第5B図に示す距離センサ11と同様の距離セ
ンサ61が取り付けられている。距離センサ61は、第６図
と同様の制御装置に接続されている。

このばね構造体に引張力が作用した場合、第11図に示
すように、外筒51及び内筒52はそれぞれ外方へスライド
する。すると、内筒52先端のストッパ部52aが弁座59を
図の左方へ移動させる。また、ロッド56上に固定された
爪部材58bが図の右方に移動して、爪部材58bが弁座60を
右方へ移動させる。これにより、ばね57が、杆材53の伸
び量に対応して縮退する。

また、このばね構造体に圧縮力が作用した場合には、
第12図に示すように、外筒51及び内筒52はそれぞれ内方
へスライドする。すると、内筒52の内面に固定されたス
トッパ部材52bが図の右方へ移動して、ストッパ部材52b
が弁座60を右方へ移動させる。一方、ロッド56上に固定
された爪部材58aが図の左方に移動して、爪部材58aが弁
座59を左方へ移動させる。これにより、ばね57が、杆材
53の縮み量に対応して縮退する。

従って、このばね構造体をトラス学習器具に適用した
場合には、前記と実施例と同様にして、学習者は、トラ
スを構成する各部材に働く部材力の正負を視覚により容
易に判定することができる。また、内筒52の外筒51に対
する変位量は、位置センサ61により検出されてLCD26に
表示される。これにより、変位量をリアルタイムで測定
できる。また、この場合においても、前記実施例と同様
に、外筒及びばねはそれぞれ１つで済むため、部品点数
の削減により、トラスの構造を簡略化することができ
る。

（ｂ）距離センサ11の取付けは第４図に示すものに限定
されない。例えば、第13図に示すような取付けであって
もよい。

第13図において、ばね構造体の内筒62に、距離センサ
11のケース12が固定されている。距離センサ11のスライ
ダ14はロッド63に固定されている。また、外筒61の距離
センサ11取付け部分には、切欠き61aが形成されてい
る。なお、各端子18〜20は、制御装置21（第６図）に接
続されている。この場合には、外筒61の内筒62に対する
変位量は、外筒61と一体的に移動するロッド63の内筒62
に対する変位量として検出されることになる。

（ｃ）外筒１又は内筒２に目盛を付しておくことによ
り、距離センサ11を省略した構成とすることもできる。
この場合には、外筒１の内筒２に対する概略の変位量を
目視で測定することになる。

（ｄ）本考案が適用されるトラス学習器具のトラス骨組
模型は第７図に示すものに限定されない。例えば、ワー
レントラス，ブラットトラス，ハウトラス等の種々のト
ラスにも同様に適用することができる。また、平面トラ
スに限定されず、立体トラスにも適用することが可能で
ある。

（ｅ）前記実施例では、トラスの学習器具に本考案が適
用された場合について説明したが、本考案の適用はこれ
に限定されない。例えば、第15図に示すような立体セン
サとしても用いることができる。

この立体センサ80は、立方体状の骨組構造物90と、こ
の骨組構造物90の内部に取り付けられる三角形状トラス
70とから構成されている。骨組構造物90は、立方体の各
陵線をなすように配置された、例えば金属製の12本の線
材91から構成されている。各線材91は、ピン92〜99によ
り相互に回動自在に連結されている。

三角形状トラス70は、第14図に示すようなばね構造体
71〜73を三角形に組み合わせて構成されている。各ばね
構造体71〜73はピン74〜76により相互に回動自在に連結
されている。また、各ばね構造体71〜73は、前記実施例
に示すもの（第１図）とそれぞれ同様の構成を有してい
る。また、各ばね構造体71〜73には、それぞれ距離セン
サ77が取り付けられている。この距離センサ77は、前記
実施例のもの（第5A図，第5B図）と同様の構成を有して
いる。また、距離センサ77は、第６図と同様の制御装置
に接続されている。この三角形トラス70の各連結部74〜
76には、骨組構造物90のピン92,97,99が挿通しており、
それぞれ相互に回動自在になっている。骨組構造物90の
内部には、例えばゼリー状の半流動体が充填されてい
る。これにより、骨組構造物90の内部に外部から不純物
が混入するのが防止されている。なお、この半流動体を
充填する代わりに、骨組構造物90の回りにカバーを設け
るようにしてもよい。

この立体センサ80を、歪みを測定しようとする被測定
物、例えば建造物のコンクリートの中、或いは土砂の中
に埋め込んでセットする。そして、ピン92及び98を被測
定物中の測定部位に固定する。この立体センサ80に外力
が作用して変形すると、三角形トラス70を構成する各ば
ね構造体71〜73がそれぞれ伸長又は縮退する。すると、
各ばね構造体71〜73の伸長，縮退量が距離センサ77によ
って検出される。これにより、コンクリート内部の歪み
の大きさや方向がリアルタイムで測定できる。また、土
砂の中に埋め込んだ場合には、地滑りの状態等をリアル
タイムで観測することができる。

（ｆ）本考案はばねばかりにも同様に適用することがで
きる。この場合には、引張荷重と圧縮荷重の双方を測定
することが可能となる。また、ばねが１本で済むことか
ら構造を簡略化することができる。

〔考案の効果〕

本考案に係るばね構造体では、引張り及び圧縮の外力
が作用した場合、いずれの場合でも１つのばね部材の伸
長によって外力を測定でき、簡単な構造でかつ正確に外
力を測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例によるばね構造体の縦断面概
略図、第２図及び第３図は前記ばね構造体の載荷状態を
示す図、第４図は第１図の部分拡大図、第5A図は距離セ
ンサの平面図、第5B図はその正面図、第６図は制御装置
のブロック構成図、第７図は前記実施例が適用された学
習器具の平面概略図、第８図は第７図のVIII−VIII断面
略図、第９図は第７図のIX−IX断面略図、第10図は本考
案の他の実施例によるばね構造体の縦断面概略図、第11
図および第12図はその載荷状態を示す図、第13図は距離
センサの他の取付け状態を示す図、第14図は本考案の一
実施例が適用される立体センサを構成する三角形トラス
の平面概略図、第15図は立体トラスの全体斜視図、第16
図は従来のトラス骨組模型の第７図に相当する図、第17
図は従来のばね構造体の第１図に相当する図である。１…外筒、２…内筒、３…杆材、4,5…キャップ、６…
ロッド、７…ばね、50…トラス骨組模型。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】一端に第１支持部を有し他端が開放された
外側筒状部材と、他端に第２支持部を有し、一端が前記外側筒状部材の他
端側から内部にスライド自在に挿入された内側筒状部材
と、前記内側筒状部材内に配置された１つのばね部材と、前記外側筒状部材の第１支持部と内側筒状部材の第２支
持部とが互いに離れる方向に両筒状部材がスライドする
際に前記ばね部材の前記第１支持部側の第１端部を前記
外側筒状部材に対して固定するとともに前記第２支持部
側の第２端部を前記内側筒状部材に対して固定し、前記
第１支持部と第２支持部とが互いに近づく方向に前記両
筒状部材がスライドする際に前記ばね部材の第１端部を
前記内側筒状部材に対して固定するとともに第２端部を
外側筒状部材に対して固定するばね作動機構と、を備えたばね構造体。