JP2007309659A - ３軸相対変位計 - Google Patents

Abstract

【課題】 略同一平面上に複数のセンサの配設を可能にして設置費用の低減と省スペースが可能となる。
【解決手段】 一端と他端間とを自在継ぎ手を介して接続するとともにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の変位を検出する３軸相対変位計において、一端１と他端２間を２個の自在継ぎ手６、１３で連結し、前記一端１の自在継ぎ手６を１軸の直線変位としてＺ軸変位を１個のセンサ３で検出するとともに、前記他端２の自在継ぎ手１３を２軸のＸ軸、Ｙ軸変位としてリンク１１、１２を介して２個のセンサ４、５で検出することで、３軸の変位を同時に計測できるように構成したことにより、３軸の変位を１つのユニットで測定できるため、各軸ごとに変位計を設置する必要がなく、設置費用の低減と省スペースが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一端と他端間とを自在継ぎ手を介して接続するとともにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の変位を検出する３軸相対変位計に関する。本発明はまた、３軸方向同時に変位する量を計測する変位計に適用できる。それらの適用分野は、土木、建築あるいは産業分野等あらゆる分野に及ぶ。

従来、測定対象物がＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に変位する場合には、通常、各軸毎に変位計を設置して測定していた。そのため、変位計の設置に費用が掛かり、測定部位によってはスペース的にも技術的にも設置出来ない場合もあった。そこで、これらの欠点を解決してＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に変位する測定対象物に対して、技術的に設置が困難な測定物にも設置できる変位計が提案された（下記特許文献１参照）。
実用新案登録第３０６２４３３号公報（段落０００６参照）

前記特許文献１に開示された３軸変位計を図３を用いて簡単に説明する。固定装置１０１にＺ軸用センサ１０３とＺ軸ガイド１１０を設けて、Ｚ軸センサ１０３が伸縮のみ自在にされる。次いで、Ｚ軸ガイド１１０にユニバーサルジョイント１０７を設ける。続いてユニバーサルジョイント１０８、１０９を設けてその中に、Ｘ軸センサ１０４、Ｙ軸センサ１０５を装着する。Ｘ軸センサ１０４、Ｙ軸センサ１０５を取り付けるユニバーサルジョイントの直交する軸のそれぞれに、伝達プレート１１１、１１２を取り付け、Ｘ軸センサ１０４、Ｙ軸センサ１０５の軸に伝達駒１１３、１１４を取り付ける。この時どちらかのセンサは重力に対して垂直にする。さらに、ユニバーサルジョイント１０８の最終端に測定位置１０２を設置する。固定位置１０１の外周部と測定位置１０２のの外周部との間に、カバー１１５を設けて防滴構造とする。

このように構成したことにより、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向に任意に移動する測定物の計測が、取付金具１１６の工夫だけの簡単な取付けにより計測ができることとなった。また、カバー１１５を付加することで、屋外でも簡単に設置して計測できるようになった。ところが、この従来のものでは、Ｘ軸、Ｙ軸の計測値が、ユニバーサルジョイント１０８、１０９上に設けられた回転伝達駒１１３、１１４を介してＸ軸センサ１０４、Ｙ軸センサ１０５にセンサに伝達されるため、Ｘ軸、Ｙ軸の２軸のセンサが、同一面上に設置できないことと、ユニバーサルジョイント１０８、１０９上に設置しなければならないため、ユニバーサルジョイント１０８、１０９が長くなる結果、３軸変位計全体の長さが長くなり、設置スペースに制約を生じる虞れがあった。

そこで本発明は、前記従来の３軸変位計の諸課題を解決して、略同一平面上に複数のセンサの配設を可能にして設置費用の低減と省スペースを可能とした３軸相対変位計を提供することを目的とする。

このため本発明は、一端と他端間とを自在継ぎ手を介して接続するとともにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の変位を検出する３軸相対変位計において、一端と他端間を２個の自在継ぎ手で連結し、前記一端の自在継ぎ手を１軸の直線変位としてＺ軸変位を１個のセンサで検出するとともに、前記他端の自在継ぎ手を２軸のＸ軸、Ｙ軸変位としてリンクを介して２個のセンサで検出することで、３軸の変位を同時に計測できるように構成したことを特徴とする。また本発明は、前記リンクを介して設置されるＸ軸、Ｙ軸センサは略同一平面上に配設されたことを特徴とする。また本発明は、前記各センサからの信号をパソコン等の演算処理装置を用いて、予め設定した演算式で演算することにより、３軸の変位を計測するように構成したことを特徴とする。また本発明は、前記いずれかの３軸相対変位計によって計測されるところの地震等による構造物の相対変位が、地震計の出力をトリガとして計測を開始するように構成したことを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とする。

本発明によれば、一端と他端間とを自在継ぎ手を介して接続するとともにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の変位を検出する３軸相対変位計において、一端と他端間を２個の自在継ぎ手で連結し、前記一端の自在継ぎ手を１軸の直線変位としてＺ軸変位を１個のセンサで検出するとともに、前記他端の自在継ぎ手を２軸のＸ軸、Ｙ軸変位としてリンクを介して２個のセンサで検出することで、３軸の変位を同時に計測できるように構成したことにより、３軸の変位を１つのユニットで測定できるため、各軸ごとに変位計を設置する必要がなく、設置費用の低減と省スペースが可能となる。

また本発明は、前記リンクを介して設置されるＸ軸、Ｙ軸センサは略同一平面上に配設された場合は、Ｘ軸、Ｙ軸ほ変位を略同一平面内に配設されリンクを介したセンサによる計測できるので、Ｚ軸方向の嵩を効率よく減少させて３軸変位計をコンパクトに構成することができる。さらに、前記各センサからの信号をパソコン等の演算処理装置を用いて、予め設定した演算式で演算することにより、３軸の変位を計測するように構成した場合は、従来、各軸ごとに変位計を設置して各々の出力から、後計算にて移動量を算出していたものを、専用のＰＣ等により、３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）センサから出力を演算することで、３軸の移動量が実時間で計測できる。

さらにまた、前記いずれかの３軸相対変位計によって計測されるところの地震等による構造物の相対変位が、地震計の出力をトリガとして計測を開始するように構成した場合は、地震時に計測すべき構造物の相対変位等を、地震計の出力をトリガとして連動させて、確実に計測することが可能となる。

以下本発明に係る３軸相対変位計を実施するための好適な形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の３軸相対変位計の１つの実施例を示す断面図、図２は本発明の３軸相対変位計からの計測データを接続したパソコン等により処理する状態を示すブロック図である。本発明の３軸相対変位計の基本的な構成は、図１に示すように、一端１と他端２間とを自在継ぎ手６、１３を介して接続するとともにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の変位を検出する３軸相対変位計において、一端１と他端２間を２個の自在継ぎ手６、１３で連結し、前記一端１の自在継ぎ手６を１軸の直線変位としてＺ軸変位を１個のセンサ３で検出するとともに、前記他端２の自在継ぎ手１３を２軸のＸ軸、Ｙ軸変位としてリンク１１、１２を介して２個のセンサ４、５で検出することで、３軸の変位を同時に計測できるように構成したことを特徴とする。

本発明の３軸相対変位計は、図１（Ａ）に示すように、相対変位が測定される被測定物を構成する一端１および他端２間に跨設する形態にて設置される。前記一端１には、３軸相対変位計のベース７がアンカーボルト１８により取り付けられ、該ベース７にはホルダ８が取付ボルト１９により取り付けられる。ホルダ８にはボールジョイント等の自在継ぎ手（ユニバーサルジョイント）６が収納設置される。ボールジョイント６にはＺ軸センサ用ロッド９が接続されており、該Ｚ軸センサ用ロッド９はＺ軸ポテンショセンサホルダ１０内に軸方向相対変位自在に収容される。すなわちボールジョイント６が設置されたホルダ８に対してＺ軸ポテンショセンサホルダ１０が軸方向に伸縮自在な構造となっている。

これらのホルダ８とＺ軸ポテンショセンサホルダ１０の外周間には蛇腹状の伸縮ブーツ１６が水密に被覆して渡設され、屋外での計測時の防水機能が発揮される。Ｚ軸ポテンショセンサホルダ１０内のＺ軸センサ用ロッド９の移動軌跡に近接してＺ軸ポテンショセンサ３が配設される。Ｚ軸ポテンショセンサ３によるＺ軸方向の変位計測値はＺ軸センサ用ロッド９のＺ軸方向の移動量に基づいて計測される。図示の例では、図１（Ｂ）に拡大して示すように、Ｚ軸センサ用ロッド９の軸方向移動量を、該Ｚ軸センサ用ロッド９に付設されたラック２０に噛合するピニオン２１の回転量として取り出して、Ｚ軸ポテンショセンサ３に計測値が付与される。

Ｚ軸ポテンショセンサホルダ１０と他端２との間にも、ボールジョイント等の自在継ぎ手１３が設置される。被測定物を構成する他端２に取り付けられたベース１５に、ホルダ１４が取付ボルト２２により取り付けられる。ホルダ１４にはボールジョイント等の自在継ぎ手１３が収納設置される。ボールジョイント１３からは前記Ｚ軸ポテンショセンサホルダ１０に向けてロッド部２３が延びて接続される。図１（Ｃ）に示すように、前記ロッド部２３を球面状かつフォーク状に囲んでジョイスティックのように直交配置される一対のリンク１１、１２が配設される。Ｘ軸リンク１１にはＸ軸ポテンショセンサ４が接続固定され、Ｙ軸リンク１２にはＹ軸ポテンショセンサ５が接続固定される。

前記一端１側のボールジョイント６の周囲と同様に、これらのホルダ１４とＺ軸ポテンショセンサホルダ１０の外周間にも蛇腹状の伸縮ブーツ１７が水密に被覆して渡設され、屋外での計測時の防水機能が発揮できるように構成される。前記ホルダ１４の下端部近傍にはＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸の各ポテンショセンサ３、４、５からの入出力ケーブル２４が設置される。前記Ｚ軸、Ｘ軸、Ｙ軸の各ポテンショセンサ３、４、５からの計測値は、図示省略の適宜の信号ケーブル等によりホルダ１４における入出力ケーブル２４の設置点までもたらされる。また、各ポテンショセンサ３、４、５への電源の供給も入出力ケーブル２４によりなされる。

このような構成により、地震等の振動によって被測定物の一端１および他端２間が相対変位すると、一端１および他端２間のＺ軸方向の伸縮変位は、Ｚ軸ポテンショセンサホルダ１０内でのＺ軸センサ用ロッド９のＺ軸方向の変位量すなわちピニオン２１の回転量（正転、逆転いずれか）として取り出されて計測される。一方、一端１および他端２間のＸ軸（図面で上下）方向の変位量、あるいはＹ軸（図面に直交）方向の変位量は、ボールジョイント１３周りのロッド部２３の変位量として取り出され、さらに、ロッド部２３にジョイスティック状に密接して配設されたＸ軸リンク１１およびＹ軸リンク１２の変位に変換される。これらのＸ軸リンク１１およびＹ軸リンク１２の変位は、それぞれに接続固定されたＸ軸ポテンショセンサ４およびＹ軸ポテンショセンサ５によって計測される。

図２は本発明の３軸相対変位計からの計測データを接続したパソコン等により処理する状態を示すブロック図である。前記図１の入出力ケーブル２４を介して、Ｚ軸、Ｘ軸、Ｙ軸の各ポテンショセンサ３、４、５における計測値の出力信号が、パソコンＰＣに接続されたシグナルコンディショナを介して調整されて送出される。パソコンＰＣ内では、Ｚ軸、Ｘ軸、Ｙ軸の各ポテンショセンサ３、４、５からの出力を予め用意した演算式にて演算することで、３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の移動量が実時間（リアルタイム）で計測できることになる。３軸相対変位計における計測の開始は、地震計が振動を検知したことを契機としたトリガ信号をシグナルコンディショナに入力して即時に行われる。本発明で使用されるポテンショセンサとしては、可変抵抗、ロータリーエンコーダ、磁気抵抗素子、ホールＩＣ等の機械的変位を電気量に変換できるものなら適宜のセンサが使用可能である。

以下に、本発明の３軸相対変位計からの変位出力測定値のパソコン等による演算例を示す。

ΔＸ＝（Ｌ±ΔＬ）＊（ＳＱＲＴ（ｓｉｎΔθｙ＾２＊ｃｏｓΔθｘ＾２／（ｓｉｎΔθｙ＾２＊ｃｏｓΔθｘ＾２＋ｃｏｓΔθｙ＾２））
ΔＹ＝（Ｌ±ΔＬ）＊（ＳＱＲＴ（ｓｉｎΔθｘ＾２＊ｃｏｓΔθｙ＾２／（ｓｉｎΔθｘ＾２＊ｃｏｓΔθｙ＾２＋ｃｏｓΔθｘ＾２））
ΔＺ＝（Ｌ±ΔＬ）＊（ＳＱＲＴ（ｃｏｓΔθｘ＾２＊ｃｏｓΔθｙ＾２／（ｓｉｎΔθｘ＾２＊ｃｏｓΔθｙ＾２＋ｃｏｓΔθｘ＾２））−Ｌ

ここで、
ΔＸ：Ｘ軸移動量
ΔＹ：Ｙ軸移動量
ΔＺ：Ｚ軸移動量
Ｌ±ΔＬ：全長±Ｚ軸ポテンショセンサ変化量
Δθｘ：Ｘ軸ポテンショセンサ変化量
Δθｙ：Ｙ軸ポテンショセンサ変化量
Δθｘ、Δθｙはポテンショセンサからの出力で角度の変化を表しており、ΔＬはポテンショセンサからの出力で長さの変化を表している。これらの変化量を上式に代入することで、三次元のΔＸ、ΔＹ、ΔＺの変化（長さ）を表すことができる。

以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、一端と他端間とを接続する自在継ぎ手の形状、形式（ボールジョイント、ユニバーサルジョイントの他、球面継ぎ手等適宜のものが採用され得る）、Ｚ軸ポテンショセンサ、Ｘ軸ポテンショセンサ、Ｙ軸ポテンショセンサの各形状、形式（可変抵抗、ロータリーエンコーダ、磁気抵抗素子、ホールＩＣ等の機械的変位を電気量に変換できるもの）および配設位置（Ｚ軸方向と直交するＸ軸、Ｙ軸方向の同一面上に配設されることが好適であるが、僅かにずれて配設されることを妨げるものではない）、Ｘ軸、Ｙ軸センサにおけるＸ軸、Ｙ軸リンクの形状、形式（Ｚ方向の軸を球面状かつフォーク状に囲んでジョイスティックのように直交配置されるが、球面状体のみで軸を囲んでもよい）、パソコン等の演算処理装置の形式、予め準備される演算式の形態、演算処理装置に接続されるシグナルコンディショナの形式、シグナルコンディショナによる信号の調整形態、地震計におけるトリガ信号の選定等については適宜選定できる。実施例に記載の諸元はあらゆる点で単なる例示に過ぎず限定的に解釈してはならない。

本発明の３軸相対変位計の１つの実施例を示す断面図である。 同、本発明の３軸相対変位計からの計測データを接続したパソコン等により処理する状態を示すブロック図である。 従来の３軸変位計の断面図である。

符号の説明

１ 一端
２ 他端
３ Ｚ軸ポテンショセンサ
４ Ｘ軸ポテンショセンサ
５ Ｙ軸ポテンショセンサ
６ 自在継ぎ手（ボールジョイント等）
７ ベース
８ ホルダ
９ Ｚ軸センサ用ロッド
１０ Ｚ軸ポテンショセンサホルダ
１１ Ｘ軸リンク
１２ Ｙ軸リンク
１３ 自在継ぎ手（ボールジョイント等）
１５ ベース
１６ 伸縮ブーツ
１７ 伸縮ブーツ
２０ ラック
２１ ピニオン
２３ ロッド部
２４ 入出力ケーブル

Claims (4)

1. 一端と他端間とを自在継ぎ手を介して接続するとともにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の変位を検出する３軸相対変位計において、一端と他端間を２個の自在継ぎ手で連結し、前記一端の自在継ぎ手を１軸の直線変位としてＺ軸変位を１個のセンサで検出するとともに、前記他端の自在継ぎ手を２軸のＸ軸、Ｙ軸変位としてリンクを介して２個のセンサで検出することで、３軸の変位を同時に計測できるように構成したことを特徴とする３軸相対変位計。
2. 前記リンクを介して設置されるＸ軸、Ｙ軸センサは略同一平面上に配設されたことを特徴とする請求項１に記載の３軸相対変位計。
3. 前記各センサからの信号をパソコン等の演算処理装置を用いて、予め設定した演算式で演算することにより、３軸の変位を計測するように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の３軸相対変位計。
4. 前記請求項１から３のいずれかの３軸相対変位計によって計測されるところの地震等による構造物の相対変位が、地震計の出力をトリガとして計測を開始するように構成したことを特徴とする３軸変位計。
   

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