JP2005172536A - 折れ角測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバー歪センサーを用いて測定装置としての耐久性の向上および測定精度の向上をはかる。
【解決手段】弾性若しくは機械ヒンジにより互いに離間して結合した剛体間に、基端を一方の剛体に固定するとともに先端を他方の剛体内にそれぞれ臨ませた一対の変位検出用金属棒を介在させ、さらに該一対の変位検出用金属棒の各先端を、他方の剛体内に内臓されたところの一端を固定させた一対の光ファイバ歪センサに個別に連結させてなる。これにより剛体相互間の折れ角の変位に伴う作用点の移動を捉えて地盤などの変位量をきわめて正確に測定することができる。また剛体間を連結する弾性ヒンジまたは機械ヒンジが温度変化により膨張又は収縮しても、これを挟んだ両側に位置する一対の金属棒が共に比例的に伸縮するために補正の必要が無く、環境温度変化に関係なく常に適正な折れ角の測定が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば地下掘削したボーリング孔やトンネルの変形歪量、あるいは地中に埋設した各種管類の変位量、さらには地表面における変位量を測定するための折れ角測定装置に関し、測定装置としての耐久性の向上および測定精度の向上をはかることを目的とする。

各種の構造物の歪量測定等に用いる測定器としては、二つの剛体間に一体に介在されるところの該剛体よりも軟質の測定体と該測定体の歪量を測定するための光ファイバ歪センサとからなり、該光ファイバ歪センサは、測定体に、両側の剛体方向に向けて穿設された細孔内に、該測定体と一体的に挿入された測定装置が既に本出願人によって出願されている（特開２００３−１０６８１８号公報参照）。

またこのほかにも、二つの剛体間に、金属管内に、該金属管両端の剛体方向に向けた光ファイバ歪センサを一体に装入させた金属管測定体を一体に介在させてなる歪量測定装置も同じく本出願人によって出願されている（特開２００３−１７７０１１号公報参照）。

上記した二つの発明は、基本的に二つの剛体を弾性体で連結し、該弾性体の歪量を弾性体又は金属管内部にエポキシ樹脂等の接着剤を充填することなどにより固定した光ファイバ歪センサをもって検出測定するようにした構造のものである。
特開２００３−１０６８１８号公報 特開２００３−１７７０１１号公報

上記した二つの発明においては、二つの剛体を連結する弾性体あるいは金属管の歪量を光ファイバセンサで検出することにより、歪量を介して二つの剛体の相対的な変位を求める構造であるために、弾性体あるいは金属管内において弾性体あるいは金属管の歪量の分布が均等であることを前提となる。

しかし弾性体あるいは金属管などの加工に際し、あるいは金属管内へのエポキシ樹脂等の接着剤充填によって光ファイバ歪センサを埋め込む過程において、該金属管中心部への位置決めが困難であり、その結果精密な変位測定が難しい。

さらに、光ファイバ歪センサの被覆層の変形、あるいは光ファイバ歪センサと弾性体あるいは金属管との間に充填したエポキシ樹脂等の接着剤の変形などに起因して弾性体あるいは金属管の歪量を光ファイバ歪センサに正確に伝達するのが阻害されやすい。

そこで本発明にあっては、二つの剛体間の変位量を測定するにあたって、光ファイバ歪センサを、二つの剛体間に介在させるのではなしに一方の剛体内に内臓させるとともに、二つの剛体間には金属棒を介在させ、しかも該金属棒の自由端を一方の剛体内に内臓させた上記光ファイバセンサに連結して二つの剛体間の折れ角を精度よく測定できるようにしたものである。

具体的には、請求項１の発明は、弾性若しくは機械ヒンジにより互いに離間して結合した剛体間に、基端を一方の剛体に固定するとともに先端を他方の剛体内にそれぞれ臨ませた一対の変位検出用金属棒を介在させ、さらに該一対の変位検出用金属棒の各先端を、他方の剛体内に内臓されたところの一端を固定させた一対の光ファイバ歪センサに個別に連結させてなることを特徴とした折れ角測定装置に関する。

また請求項２の発明は、剛体間に介在された一対の変位検出用金属棒が、弾性若しくは機械ヒンジの両側対称位置に設けられているところの請求項１に記載の折れ角測定装置に関する。 さらに請求項３の発明は、剛体間に介在された変位検出用金属棒が、互いに角度を変位させて二対設けられているところの請求項１に記載の折れ角測定装置に関する。

さらに請求項４の発明は、剛体間に介在された二対の変位検出用金属棒が、各対の変位検出用金属棒の基端および先端に結合される光ファイバ歪センサを、互いに反対側の剛体に位置するように取り付けてなるところの請求項３に記載の折れ角測定装置に関する。

さらに請求項５の発明は、剛体内に内臓される光ファイバ歪センサの固定側端部には張力調整用バネが介在されているところの請求項１〜４の何れか１に記載の折れ角測定装置に関する。さらに請求項６の発明は、剛体内に内臓される光ファイバ歪センサの固定側端部には張力調整用バネおよび張力調整ネジが介在されているところの請求項１〜４の何れか１に記載の折れ角測定装置に関する。

上記したように本願の発明は、剛体間に金属棒を介し、剛体相互間の変位量を該金属棒の移動量とし、これを該金属棒に直列的に連結させた光ファイバ歪センサに直接伝達して剛体相互間の折れ角を測定して地盤などの変位量を測定するようにしたものであるために、以下の効果を奏する。

すなわち、請求項１の構成においては、一方の剛体に金属棒の一端を固定させるとともに、該金属棒の自由端を、他方の剛体内に取り付けてあるところの、一端を剛体に対して固定して支点とするとともに、他端を上記金属棒の自由端に直接連結して作用点とした光ファイバ歪センサによって、剛体相互間の折れ角の変位に伴う作用点の移動を捉えて地盤などの変位量をきわめて正確に測定することができる。

また請求項２の構成においては、剛体間を連結する弾性ヒンジまたは機械ヒンジが温度変化により膨張又は収縮しても、これを挟んだ両側に位置する一対の金属棒が共に比例的に伸縮するために補正の必要が無く、環境温度変化に関係なく常に適正な折れ角の測定が可能となる。

さらに請求項３の構成においては、剛体間に介在された変位検出用金属棒が、互いに角度を変位させて二対設けられ、また請求項４の構成においては、各対の変位検出用金属棒の基端および先端に結合される光ファイバ歪センサを、互いに反対側の剛体に位置するように取り付けてなるものであるために、Ｘ軸方向のみならずＹ軸方向を含めた二方向の変位を合成することにより任意の方向での剛体間の曲げ変位量の検出をおこなうことが可能となる。

さらに請求項５の構成においては、剛体内に内臓される光ファイバ歪センサの固定側端部には張力調整用バネが介在されており、また請求項６の構成においては剛体内に内臓される光ファイバ歪センサの固定側端部には張力調整用バネおよび張力調整ネジが介在されているために、光ファイバセンサの張力を簡単に微調整することができ、これによって常に高精度の折れ角測定を可能にする。

以下において本発明の具体的な内容を図面にあらわした実施例を元に説明すると、１Ａおよび１Ｂは内部を中空とした剛体、２は剛体１Ａと剛体１Ｂ間を連結するヒンジ、３・３はヒンジ２の両側に位置し、それぞれの一端を剛体１Ｂに固定させるとともに、剛体１Ａ・１Ｂ間の相対的変位伴って変位量に対応する距離だけ自由端を他方の剛体１Ａ内に進退させるようにした金属棒、４は該金属棒の先端に連結される光ファイバ歪センサをあらわしている。

剛体１Ａ・１Ｂは、例えば鉄、あるいはステンレス、その他の金属、硬質プラスチックなど、それぞれ一定区間の測定箇所における両端部に安定的に、しかも形状変形することなく固定が可能な形状・硬度および材質を有するものが選ばれる。

なお形状に関しては、例えば地中に埋設する場合においては、ボーリング孔内などに設置し易い円筒状に、また地表面に設置する場合には円筒状のほか細長い箱型とし、また各種の管内を移動させて管の曲がり具合を測定するような場合においては円筒状とし、しかもステンレス鋼その他の金属など、一定の硬度を有する材質のものが好ましい。

さらにヒンジ２は、剛体１Ａと剛体２Ａとを連結するのに十分な強度を有する弾性ヒンジまたは機械ヒンジであり、弾性ヒンジにあっては、一定の曲率で曲がることが保証されるところの、例えば鉄、あるいはステンレス、その他の金属、硬質プラスチックなどでできた棒あるいはパイプが選ればれる。

また機械ヒンジにあっては、鉄、あるいはステンレス、その他の金属、硬質プラスチック、セラミックなどでできた蝶番あるいは自在継手を使用する。 さらに金属棒３は、剛体１Ａと剛体１Ｂとの相対的変位を確実に伝える強度を有し、なおかつ剛体１Ａと剛体１Ｂとの間の折れ角に追従できる柔軟性を備えた材料として鉄、あるいはステンレス、その他の金属などでできた棒が使用される。

さらに、本発明において用いられる光ファイバ歪センサ４としては、一例を挙げれば「ＦＢＧ応用センサ」（Fiber Bragg Grating）を用いることができる。 これは光ファイバのコア部の屈折率を一定の間隔（グレイティング間隔）で変化させたもので、その間隔に応じた「ブラッグ（Bragg）波長」といわれる特定の波長を反射し、光ファイバが伸長又は収縮してグレイティング間隔が変化すると、それに比例してブラッグ波長が変化する原理を利用して歪又は変位量を検出するようにしたものである。

なお本発明において使用される光ファイバ歪センサ４としては、上記したＦＢＧ応用センサに限定されるものではなく、このほかにも例えばファブリペロ干渉計応用センサなどの使用も可能である。

図２には本発明の第１実施例が示されている。 図２においてヒンジ２により内部中空の剛体１Ａ・１Ｂが互いに一定の間隔だけ離間して結合されているとともに、上記ヒンジ２と並行して、該ヒンジ２の両側、すなわちヒンジ２から等距離の対称位置に、基端を一方の剛体１Ｂに固定するとともに先端（自由端）を他方の剛体１Ａ内にそれぞれ進退可能に臨ませた一対の変位検出用金属棒３・３が介在される。

さらに他方の剛体１Ａ内には固定バー７Ｐにより全体としてＴ字形をした支持金具７が取り付けられており、しかも該支持金具７には前記固定バー７Ｐを中心とした両側であって、固定バー７Ｐへの取り付け部から等距離の位置に一対の光ファイバ歪センサのそれぞれの端部が固定される。

すなわち、支持金具７における固定バー７Ｐへの取り付け部から等距離の位置には張力調整ネジ６・６を介して張力調整バネ５・５の一端が取り付けられ、さらに張力調整バネ５・５のそれぞれの先端には光ファイバ歪センサ４・４の基端部が接続されている。 この場合に使用される一対の光ファイバ歪センサ４・４は、ともに材質や太さおよび長さが均等のものが使用される。

さらにそれぞれの光ファイバ歪センサ４・４の先端には前記した一対の変位検出用金属棒３・３の各先端に個別に連結させることにより折れ角測定装置を構成する。 かかる実施例１の構成において、変位検出用金属棒３・３の変位による折れ角の検出について図３をもとに説明すると、剛体１Ａと剛体１Ｂとが相互に折れ角θにまで変位すると、剛体１Ａの内部に突出する一対の変位検出用金属棒３-1と３-2との突出長さに差ｄが発生する。

このθとｄとの間には相互に一定の比例関係にあり、あらかじめこの関係を求めておけばｄを測定することによってθを知ることができる。

図４には本発明の第２実施例が示されている。 これは剛体１Ａ・１Ｂ間に介在された変位検出用金属棒３・３が、互いに角度を変位させて二対設けられているものであって、具体的には剛体１Ａ・１Ｂ間に介在されるＸ方向変位検出用金属棒３Ａ・３Ａと、これに交差する位置に角度を変位して設けられるＹ方向変位検出用金属棒３Ｂ・３Ｂとが、各対のＸ方向変位検出用金属棒３Ａ・３ＡおよびＹ方向変位検出用金属棒３Ｂ・３Ｂの基端および先端に結合されるＸ方向光ファイバ歪センサ４Ａ・４ＡとＹ方向光ファイバ歪センサ４Ｂ・４Ｂとを、Ｘ方向光ファイバ歪センサ４Ａ・４Ａについては剛体１Ａ側に、またＹ方向光ファイバ歪センサ４Ｂ・４Ｂについては剛体１Ｂ側に位置して互いに反対側に位置するように取り付けてなる。

具体的には剛体１Ａ内には固定バー７Ｐにより全体としてＴ字形のＸ方向支持金具７Ａが取り付けられており、しかも該Ｘ方向支持金具７Ａには前記固定バー７Ｐを中心とした両側であって、固定バー７Ｐへの取り付け部から等距離の位置に一対のＸ方向光ファイバ歪センサ４Ａ・４Ａのそれぞれの端部が固定される。

すなわち、Ｘ方向支持金具７Ａにおける固定バー７Ｐへの取り付け部から等距離の位置にはＸ方向張力調整ネジ６Ａ・６Ａを介してＸ方向張力調整バネ５Ａ・５Ａの一端が取り付けられ、さらにＸ方向張力調整バネ５Ａ・５Ａのそれぞれの先端にはＸ方向光ファイバ歪センサ４Ａ・４Ａの各基端部が接続されている。

さらにそれぞれのＸ方向光ファイバ歪センサ４Ａ・４Ａの先端には前記した一対のＸ方向変位検出用金属棒３Ａ・３Ａの各先端に個別に連結させる。 さらに剛体１Ｂ側に取り付けられるところの、Ｙ方向支持金具７Ｂにおける固定バー７Ｐへの取り付け部から等距離の位置にはＹ方向張力調整ネジ６Ｂ・６Ｂを介してＹ方向張力調整バネ５Ｂ・５Ｂの一端が取り付けられ、さらにＹ方向張力調整バネ５Ｂ・５Ｂのそれぞれの先端にはＹ方向光ファイバ歪センサ４Ｂ・４Ｂの各基端部が接続され、さらにそれぞれのＹ方向光ファイバ歪センサ４Ｂ・４Ｂの先端には前記した一対のＹ方向変位検出用金属棒３Ｂ・３Ｂの各先端に個別に連結されることにより第２実施例の折れ角測定装置を構成する。

すなわち、この第２実施例においては、剛体１Ａ・１Ｂ間に二対の変位検出用金属棒を配置し、それらの変位を合成することにより任意方向の折れ角を測定可能としたものであって、剛体１Ａ内にはＸ方向の折れ角測定用の一対のＸ方向変位検出用金属棒３ＡとＸ方向光ファイバ歪センサ４Ａを、また剛体１Ｂ内にはＹ方向の折れ角を測定するための一対のＹ方向変位検出用金属棒３ＢおよびＹ方向光ファイバ歪センサ４Ｂが、図４のＳ−Ｓ´断面にあらわしたように、互いに９０度位置をずらして設置されている。

上記した第１実施例および第２実施例において、弾性若しくは機械ヒンジにより互いに離間して結合した剛体１Ａ・１Ｂ間に配置されるとことの一対の変位検出用金属棒３・３又は３Ａ・３Ｂについて、これを弾性若しくは機械ヒンジの両側対称位置に設けることにより、環境温度が変化しても一対の変位検出用金属棒が受ける伸縮量は相互に正比例するために両者の伸縮量に差が生じない。

すなわち、図５によりさらに具体的に説明すると、イは剛体１Ａと剛体１Ｂとが相互に変位して折れ角θに変位した際に剛体１Ａ内に突出する変位検出用金属棒３-1と変位検出用金属棒３-2との間に長さの差ｄが発生したことを示している。 またロは剛体１Ａと剛体１Ｂとが相互に折れ角θに変位したまま、折れ角測定装置が周辺の環境温度変化により上昇した場合を示している。

この場合、変位検出用金属棒３-1と変位検出用金属棒３-2とは、共に同一条件の熱膨張により長さが増加するが、イとロとでは長さの差ｄが全く変わらない。 このように環境温度変化があっても正確な折れ角θを検出することが可能である。 なお上記した各光ファイバ歪センサの歪度は、これに別途接続するレーザ光源および波長計、波形アナライザ、干渉計などを応用した計測器（図示省略）などにより測定することができる。 また、いずれの実施例の場合においても張力調整ネジ６・６Ａ・６Ｂを操作することにより張力調整バネ５・５Ａ・５Ｂの張力を微細に調整することができる。

実験例１

図６には、本発明の折れ角測定装置を地下掘削したボーリング孔内に設置して用いてみた場合の模式図が示されている。 具体的にはボーリング孔Ｈ内に密着させてパイプＰを装入し、該パイプＰ内に本発明の折れ角測定装置の剛体１Ａおよび剛体１Ｂを、それぞれ支持部８によってパイプＰの目的箇所における内壁面に固定できるようになっている。

なお、ここで使用される支持部８としては、剛体１Ａ・１ＢをそれぞれパイプＰの内壁面に固定できるものであれば格別構造の如何を問わないが、例えば金属製ないし合成樹脂製の丸棒や角柱、あるいはバネなどによって支持された車輪などを用いても良い。 本発明の折れ角測定装置を上記のようにパイプＰ内に沿って目的の深度にまで装入・固定して地中変位測定計として用いてみたところ、地滑りや地下工事など種々の要因による地盤の変位計測計として在来の測定装置に比してきわめて高精度の測定値を検出することができた。

実験例２

図７には、本発明の折れ角測定装置を地表面の変位測定計として用いてみた場合の模式図が示されている。 具体的には剛体１Ａ・１Ｂ・１Ｃを、金属製などの支持部９をもって測定すべき地表面上に一定間隔毎に設置された支持台座１０・１０上に載せた状態で地盤変化などによる地表面の変動を測定してみたところ、やはり期待通りの高精度の折れ角測定をおこなうことができた。

実験例３

図８には、本発明の折れ角測定装置を長尺パイプやボーリング孔の曲がり具合を測定する曲がり測定計として用いてみた場合の模式図が示されている。 具体的には剛体１ＡにロッドＲを繋ぎ、該ロッドにより折れ角測定装置をパイプやボーリング孔内の測定対象域に装入押し込み、あるいは逆に引き出しつつ折れ角を測定してみたところ、これもきわめて高精度の測定結果を得ることができた。

なお、上記いずれの実施例および実験例においても、本発明の基本的な構成は剛体１Ａと剛体１Ｂとによるものであるが、剛体を例えば前記した実験例２のように、１Ｃ・１Ｄ・・・というようにさらに連鎖状に複数台連続させて用いることにより、局部的箇所の折れ角のみならず、広域にわたる折れ角を正確に測定することができる。

本発明の折れ角測定装置の基本的な構成をあらわした外観図。 本発明の第１実施例である、一方向の折れ角を測定するための折れ角測定装置の縦断面図。 本発明の折れ角測定装置による折れ角測定原理をあらわした要部拡大断面図。 本発明の第２実施例である、全方向の折れ角を測定するための折れ角測定装置の縦断面図。 本発明の折れ角測定時における温度変化に対する自己補正機能の説明図。 本発明の折れ角測定装置を、地中ボーリング孔内変位測定計として用いた場合の縦断面図。 本発明の折れ角測定装置を、地表面変位測定計として用いた場合の側面図。 本発明の折れ角測定装置を、パイプなどの曲がり測定計として用いた場合の概略側面図。

符合の説明

１Ａ 剛体
１Ｂ 剛体
１Ｃ 剛体
２ ヒンジ
３ 変位検出用金属棒
３Ａ 変位検出用金属棒
３Ｂ 変位検出用金属棒
４Ａ 光ファイバ歪センサ
４Ｂ 光ファイバ歪センサ
５Ａ Ｘ方向張力調整バネ
５Ｂ Ｙ方向張力調整バネ
６Ａ Ｘ方向張力調整ネジ
６Ｂ Ｙ方向張力調整ネジ
７Ａ Ｘ方向支持金具
７Ｂ Ｙ方向支持金具
８ 支持部
９ 支持部
１０ 支持台座

Claims (6)

1. 弾性若しくは機械ヒンジにより互いに離間して結合した剛体間に、基端を一方の剛体に固定するとともに先端を他方の剛体内にそれぞれ臨ませた一対の変位検出用金属棒を介在させ、さらに該一対の変位検出用金属棒の各先端を、他方の剛体内に内臓されたところの一端を固定させた一対の光ファイバ歪センサに個別に連結させてなることを特徴とした折れ角測定装置。
2. 剛体間に介在された一対の変位検出用金属棒が、弾性若しくは機械ヒンジの両側対称位置に設けられているところの請求項１に記載の折れ角測定装置。
3. 剛体間に介在された変位検出用金属棒が、互いに角度を変位させて二対設けられているところの請求項１に記載の折れ角測定装置。
4. 剛体間に介在された二対の変位検出用金属棒が、各対の変位検出用金属棒の基端および先端に結合される光ファイバ歪センサを、互いに反対側の剛体に位置するように取り付けてなるところの請求項３に記載の折れ角測定装置。
5. 剛体内に内臓される光ファイバ歪センサの固定側端部には張力調整用バネが介在されているところの請求項１〜４の何れか１に記載の折れ角測定装置。
6. 剛体内に内臓される光ファイバ歪センサの固定側端部には張力調整用バネおよび張力調整ネジが介在されているところの請求項１〜４の何れか１に記載の折れ角測定装置。

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