JP2013130487A - 不同変位状態観測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】数メートル以上離れた２点間の相対的位置関係を高精度に観測する。複雑な解析ソフトを含む計測システムを用いることなく、容易に取扱うことができるものを実現する。
【解決手段】水平に扇状に広がるレーザー光線を照射するレーザー発光部を備えた投光器と、上下方向に等間隔に複数の受光素子が配列された受光素子アレイを内蔵した受光器とを用いる。観測しようとする２点間に投光器と受光器を設置し、投光器のレーザー光線が受光素子アレイ内の受光素子に入光するように方向を調整し固定する。受光器には、受光素子アレイ内のどの受光素子にレーザー光線が入光しているのかを表示する表示部を設け、設置時、点検時の調整作業をしやすくする。受光器には、どの受光素子にレーザー光線が入光しているのかを出力する出力部を備えており、遠隔地でこの出力信号の変動を観測することで、2点間の相対的位置の変動を精度よく監視することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビルや橋等の構造物の歪や、それら構造物の土台の歪を長期に渡り観測する不同変位状態観測装置に関する。

ビルや橋等の構造物や放送や送電等に利用される鉄塔は、変形量を測定することにより、その耐震性能や健全性等の確認を行っている。変形量を測定する方法は、加速度計を構造物に取り付けて振動性状を計測する方法、構造物の壁面に水平変位測定用の非接触型検出センサを取り付け、構造物の水平方向の変位の測定を行う方法等がある。

ほかに、変位角測定装置を使用し継続的に構造物の変位角を測定することも考えられていた。この変位角測定装置は、構造物の所定の変位計測位置の変位角を測定する変位角測定装置であり、光照射手段と光検出手段を２組使用し、これらの光検出手段から得られる信号を解析し、変位角を導出することを特徴とするものである（例えば、特許文献１参照）。

しかし、変位角測定装置には、発光ダイオードと、発光ダイオードの照射光を検出するＰＳＤセンサと、ＰＳＤセンサで検出されたデータを解析するコンピュータ等を備えているが、発光ダイオードの照射光を正確にＰＳＤセンサに入射させるための光軸調整が難しいという欠点があった。発光ダイオードの光はそれ程強くない為、数メートル以上離れたＰＳＤセンサに十分な光量を届けようとすると、レンズ等を用いて光のスポットサイズを小さく絞ることになる。すると光軸調整はさらに難しくなる。たとえ光軸がきちんと調整されたとしても、固定状態のわずかな変化で光軸が狂い、ＰＳＤセンサに光が入射しなくなり、結果として変位角測定装置が機能しなくなってしまう。

このほか、構造物の歪や、それら構造物の土台の歪を検出するには、ＣＣＤカメラから得られた画像を、画像処理ソフトを用いて解析する方法があるが、高精細カメラや、高価な処理ソフトが必要となる。三次元の歪を検出する為には、少なくとも２セット必要となり、コストも必然的に増加する。

特開２００４-２５１６７８号公報

直接的に、構造物の変位角を測定することは、発光ダイオードと、発光ダイオードの照射光を検出するＰＳＤセンサと、ＰＳＤセンサで検出されたデータを解析するコンピュータ等があれば、技術的には可能であるが、構造物へ取り付ける際の光軸調整と、点検時の光軸再調整が難しいという問題と、設置後のわずかな固定状態の変位により機能が停止してしまうという問題が残されていた。

そこで、構造物へ取り付ける際の光軸調整と、点検時の光軸再調整を容易にし、要求される検出方向以外の方向に変位する固定状態の移動があっても、正常な機能を維持する不同変位状態観測装置を実現することを目的とする。

本発明は、構造物の変位角を測定するのではなく、構造物の所定の２点間の変位計測位置の相対的位置関係を観測する不同変位状態観測装置であり、構造物の一方の測定点に固定する投光器と、他方の測定点に固定し、投光器の照射光を検出する受光器とで構成される。投光器は、受光器の受光面の横幅以上に、水平に扇状に広がるレーザー光線を照射するレーザー発光部を備えており、受光器は、上下方向に等間隔に複数の受光素子が配列された受光素子アレイと、受光素子アレイ内のどの受光素子にレーザー光線が入光しているのかを表示する入光位置表示手段と、受光素子アレイ内のどの受光素子にレーザー光線が入光しているのかを出力する入光位置出力手段とを備えている。

本発明の不同変位状態観測装置は、投光器に、受光器の受光面の横幅以上に、水平に扇状に広がるレーザー光線を照射するレーザー発光部を備えているため、光軸調整が容易になる。また、受光器に、受光素子アレイ内のどの受光素子にレーザー光線が入光しているのかを表示する入光位置表示手段を備えているため、光軸調整が容易になるとともに、さらに進んで、光軸の微調整までもが可能になる。光軸調整の精度が増すことにより、投光器と受光器を設置する間隔が、数メートル以上の長距離であっても、不同変位状態観測装置の性能を発揮させる状態に正確に且つ迅速に設置することが可能となる。

図１は本発明の不同変位状態観測装置の構成を示す説明図であり、受光器に光線反射板を取り付けた状態を示す。 図２は本発明の不同変位状態観測装置の構成を示す説明図であり、受光器から光線反射板を取り外した状態を示す。 図３は、光線反射板の再帰反射性を有する部分の形状の一例を示した図である。 図４は本発明の不同変位状態観測装置の受光器の受光素子アレイ、補助受光素子及び入光位置表示手段を示す説明図である。

構造物へ取り付ける際の光軸調整と、点検時の光軸再調整を容易にし、要求される検出方向以外の方向に変位する固定状態の移動があっても、正常な機能を維持するという目的を、最小の部品点数で、コストの増加を伴うこと無く実現した。

図１は、本発明の不同変位状態観測装置の構成を示す説明図であり、受光器２０に光線反射板３０を取り付けた状態を示している。投光器１０から照射された水平に扇状に広がるレーザー光線Ｌが、受光器２０の受光面では、その横幅以上に広がり、受光器２０の前面に取り付けられた光線反射板３０に達している。光線反射板３０の表面処理は、再帰反射性を備えたものとしてある。

図２は、図１と同じく本発明の不同変位状態観測装置の構成を示す説明図であり、受光器２０から光線反射板３１を取り外した状態を示している。光線反射板３１は、受光器２０の窓の両側に相当する位置に、受光素子アレイの受光感度を有する上下方向の範囲以上の長さを有する再帰反射性を備えたシート３２を左右に２枚貼り付けたものである。受光器２０の前面には、レーザー光線Ｌを取り込み、内蔵した入光位置表示手段の光を外部に放射させる窓２１を備えている。図３は、光線反射板の再帰反射性を有する部分の形状の一例を示した図である。

図４は本発明の不同変位状態観測装置の受光器の受光素子アレイと入光位置表示手段を示す説明図である。受光器２０の窓２１の奥まった位置に配置されたプリント基板に、受光素子アレイＲ１〜Ｒ５、補助受光素子Ｓ１、補助受光素子Ｓ２、目安表示灯Ｅ１〜Ｅ６、デジタル表示器Ｄ１、デジタル表示器Ｄ２が実装されている。窓２１は可視光線を透過させるガラスまたは、合成樹脂材料で成形された板材で形成されている。

投光器１０には、水平に扇状に広がるレーザー光線Ｌを照射するレーザー発光部を備えている。光源として赤色半導体レーザー、光学系として、扇状にレーザー光線を広げるためにシリンドリカルレンズ（図示省略）を内蔵している。投光器１０と受光器２０のケースは、アルミニウムで形成され、不同変位状態観測対象となる構造物に固定させる為の固定機構(図示省略)を備えている。投光器１０と受光器２０は、外部から供給される直流電源（ＤＣ１２Ｖ）により駆動される。

本発明の不同変位状態観測装置の詳細を、設置から稼動までの流れに沿って説明する。不同変位状態観測対象となる構造物に受光器２０を固定し、投光器１０を、受光器２０の窓に向かってレーザー光線が発射される様に、目視で狙いを定めて仮固定する。投光器１０と受光器２０に、外部から直流電源（ＤＣ１２Ｖ）を供給すると、投光器１０からは、レーザー光線Ｌの照射が開始され、受光器２０は、レーザー光線Ｌの受光待機状態となる。

投光器１０からは、レーザー光線Ｌの照射が開始されている。この光が、光線反射板３０を装着した受光器２０に当る様に、上下左右に少しずつ角度を振りながら角度を微調整する。すると、光線反射板３０の表面は、再帰反射性を備えたものであるため、投光器１０側から受光器２０を見ると、光線反射板３０の表面に横方向に広がる１本の赤い線Ｌ１が視認される様になる。図１は、投光器１０から照射されたレーザー光線Ｌが、光線反射板３０のほぼ中央に当った状態を示している。

光線反射板は、光線反射板３０の様に、表面全体が再帰反射性を備えたものでも、光線反射板３１の様に、受光器に装着したときに、受光器の窓の両側に相当する位置に、上下方向に受光部の縦方向の長さ以上の長さを有する再帰反射性を備えたシート３２を貼り付けたものでも良い。図２は、光線反射板３１を受光器２０から取り外し、窓２１が現れた状態を示している。光線反射板に貼り付ける再帰反射性を有したシート３２の形状を、図３に示す様に、上下方向の中心部の上下に再帰反射性のない部分を設けたものにすると、レーザー光線Ｌの照射すべき方向がピンポイントで認識されるようになる。表面に横方向に広がる１本の赤い線Ｌ１が視認され、上方または下方に投光器１０の角度を連続してゆっくり変えてＬ１を移動させ、赤い線Ｌ１が見えなくなって、再び見える様になったら、その位置が、受光器のほぼ中央ということになる。

次に、受光器の受光素子アレイと入光位置表示手段について説明する。受光素子アレイＲ１〜Ｒ５は、１６個のフォトダイオードを、０．８ミリメートルピッチで並べたものである。受光素子アレイＲ１と受光素子アレイＲ２は、縦に連続して並べるのではなく、受光素子アレイＲ１の一番下のフォトダイオードと受光素子アレイＲ２の一番上のフォトダイオードとの間の上下方向のピッチが０．８ミリメートルとなる様に、受光素子アレイのケースが互いに接触しない程度に左右にずらして並べてある。受光素子アレイＲ２と受光素子アレイＲ３、受光素子アレイＲ３と受光素子アレイＲ４、受光素子アレイＲ４と受光素子アレイＲ５の関係も、同様にそれぞれの受光素子アレイの一番下のフォトダイオードとその下の受光素子アレイの一番上のフォトダイオードとの間の上下方向のピッチが０．８ミリメートルとなる様に、左右にずらして並べてある。

受光素子アレイＲ１・Ｒ３・Ｒ５の左側と、受光素子アレイＲ２・Ｒ４の右側には、便宜上、フォトダイオードの番号を記載している。受光素子アレイＲ１の一番上のフォトダイオードを１とし、各受光素子アレイの一番上のフォトダイオードと一番下のフォトダイオードの通し番号を付した。５つの受光素子アレイの右に、５つの目安表示灯（Ｅ１〜Ｅ５）を縦一列に配置し、５つの受光素子アレイの左で、目安表示灯Ｅ３と同じ高さには、目安表示灯Ｅ６を配置し、レーザー光線Ｌ１の入光位置にいちばん近い目安表示灯が発光する様にしてある。目安表示灯Ｅ３の左側には補助受光素子Ｓ１、目安表示灯Ｅ６の右側には補助受光素子Ｓ２を配置している。目安表示灯の下部には、２つのデジタル表示器Ｄ１・Ｄ２を配置し、帯状に左右方向に照射されたレーザー光線Ｌ１が入光しているフォトダイオードの一番上と一番下のフォトダイオードの番号が２桁で表示される様にしてある。図３では、レーザー光線Ｌ１が入光しているのは、フォトダイオードの３７番目と４１番目のフォトダイオードの間であることを表示している。このとき、目安表示灯Ｅ３とＥ６が発光し、受光素子アレイＲ１〜Ｒ５のほぼ中央にレーザー光線Ｌ１が照射されていることを示している。フォトダイオードは、全部で８０個並んでいるので、４０番目と４１番目のフォトダイオードの間が、ちょうど真ん中の位置となる。目安表示灯Ｅ３は、補助受光素子Ｓ１に入射する光の光量に応じて明るさを増す様にし、目安表示灯Ｅ６は、補助受光素子Ｓ２に入射する光の光量に応じて明るさを増す様にしている。この様にすると、レーザー光線Ｌ１が入光している位置の左右のずれを確認することができる。またレーザー光線Ｌ１が水平になっていない場合、目安表示灯Ｅ３と目安表示灯Ｅ６は、同じタイミングで光量変化を生じないため、Ｌ１の傾き状態も認識されることになる。

レーザー光線Ｌ１が入光している位置が、上下に移動すると、それに伴い目安表示灯の発光位置が上下に切り替わるので、投光器１０側から、レーザー光線Ｌが入光しているときの移動が確認できる。真ん中の目安表示灯Ｅ3と目安表示灯Ｅ６とが同じ明るさで光る位置で、投光器１０の角度設定を固定すれば、投光器の光軸調整は完了したことになる。２つのデジタル表示器Ｄ１・Ｄ２のデジタル表示が、限りなく４０と４１に近づく様にすれば、光軸はさらにフォトダイオードの列の中心に精度良く調整されることになる。レーザー光線Ｌ１が入光している位置が、フォトダイオードの列の中心に精度良く調整されるということは、投光器１０の上方向と下方向の不同変位状態観測可能距離が等しくなり、上下方向の検出性能が最大となることを示している。

受光器２０からは、受光素子アレイ内の、レーザー光線が入光している受光素子の位置に応じて変動する電流を出力する様にし、遠隔地でレーザー光線Ｌの照射位置の変動を観測できる様にしてある。一番目のフォトダイオードにレーザー光線Ｌが入光しているときには、４ｍＡ。８０番目の一番下のフォトダイオードにレーザー光線Ｌが入光しているときには、２０ｍＡの電流が出力される。この間のフォトダイオードにレーザー光線Ｌが入光しているときには、レーザー光線Ｌの照射位置の中心を割り出し、その位置のフォトダイオードに対応した電流が出力される。入光位置出力手段としては、受光素子の位置に応じて変動する電流値（アナログ値）の出力でなくても、電圧値（アナログ値）や電流や電圧のデジタル値による出力でも良い。

本発明の不同変位状態観測装置は、８メートル離れた位置に設置した投光器と受光器で、受光素子数は８０個、検出幅（一番目のフォトダイオードと一番下のフォトダイオード間の長さ）は６４ミリメートルであるので、０．８ミリメートルの相対的変位量(角度に換算すると、０．００６度の角度変位量)を検出することが可能となる。上下方向の感度は高いが、水平に扇状に広がるレーザー光線を採用しているので左右方向の感度は無く、この方向の設定角度ズレの影響はなくなった。また 水平に扇状に広がるレーザー光線を採用しているので、受光素子アレイは、必要検出幅を有する特別なものを採用する必要は無く、市販の受光素子アレイを、縦方向に２列に千鳥配列に配置させることで、検出感度を有する幅を、無限に拡大させることができる。特別なものを採用する必要が無い為、製造コストも低く抑えることができる。実施例は、光軸調整時に光線反射板を着脱する構成としているが、受光器のケース前面に再帰反射性を備えた表面処理を施しておけば、光線反射板を着脱する必要はなくなる。ただ、受光器は長期間屋外に設置しておくと、その表面は汚れ、それに伴い、再帰反射性能も低下してくる。点検時における光軸再調整のことを考慮すると、実施例の構成が優れている。

本発明の不同変位状態観測装置は、光軸調整が容易であり、コストも低く抑えられ、検出精度も格段に良いので、ビルや橋等の構造物の歪や、それら構造物の土台の歪を長期に渡り観測する不同変位状態観測装置として有効である。また、構造物の変位角を測定するのではなく、２点間の特定方向のズレを高精度に検出できるので、本装置を複数台組み合わせることで、独立した４つのコンクリート土台を備えた構造物の土台部分の不同沈下を観測でき、構造物の倒壊の危険性を予告するシステムのセンサー部としての応用も可能である。

１０ 投光器
２０ 受光器
２１ 窓
３０ 光線反射板
３１ 光線反射板
３２ 再帰反射性を備えたシート
Ｌ レーザー光線
Ｌ１ 帯状に左右方向に照射されたレーザー光線
Ｒ１〜Ｒ５ 受光素子アレイ
Ｅ１〜Ｅ６ 目安表示灯
Ｓ１・Ｓ２ 補助受光素子
Ｄ１・Ｄ２ デジタル表示器

Claims (9)

1. 構造物の所定の２点間の変位計測位置の相対的位置関係を観測する不同変位状態観測装置であって、前記構造物の一方の測定点に備えた投光器と、前記構造物の他方の測定点に備えられ、前記投光器の照射光を検出する受光器とで構成され、前記投光器は、前記受光器の受光面の横幅以上に、水平に扇状に広がるレーザー光線を照射するレーザー発光部を備えたものであり、前記受光器は、上下方向に等間隔に複数の受光素子が配列された受光素子アレイと、前記受光素子アレイ内のどの受光素子にレーザー光線が入光しているのかを表示する入光位置表示手段と、前記受光素子アレイ内のどの受光素子にレーザー光線が入光しているのかを出力する入光位置出力手段と、を備えたものであることを特徴とする不同変位状態観測装置。
2. 前記入光位置出力手段は、受光素子アレイ内の、レーザー光線が入光している受光素子の位置に応じて変動する電流を出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の不同変位状態観測装置。
3. 前記入光位置表示手段は、受光素子アレイ内のどの受光素子にレーザー光線が入光しているのかを表示する発光素子と、受光素子アレイの上下方向の中間位置の左右に配置した２つの補助受光素子に入射する光の光量に応じてそれぞれ明るさが変化する２つ以上の発光素子とを備えたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の不同変位状態観測装置。
4. 前記受光器は、上下方向に等間隔に複数の受光素子が配列された受光素子アレイを２つ以上備え、前記受光素子アレイは、縦方向に２列に千鳥配列に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項3の何れかに記載の不同変位状態観測装置。
5. 前記投光器の照射光は、可視レーザー光線であり、前記受光器は、そのケース前面が、再帰反射性を備えたものであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の不同変位状態観測装置。
6. 前記投光器の照射光は、可視レーザー光線であり、前記受光器は、その受光面に、レーザー光線入射光路を覆わない形状の光線反射板を着脱可能としたことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の不同変位状態観測装置。
7. 前記光線反射板の表面処理は、再帰反射性を備えたものであることを特徴とする請求項６に記載の不同変位状態観測装置。
8. 前記光線反射板は、受光器に装着した状態において、受光器の窓の両側に相当する位置に、前記受光素子アレイの受光感度を有する上下方向の範囲以上の長さを有する再帰反射性を備えたシートを貼り付けたものであることを特徴とする請求項６に記載の不同変位状態観測装置。
9. 前記再帰反射性を備えたシートは、受光器に装着した状態において、受光素子アレイの上下方向の中間位置に相当する部分の左右に再帰反射性を備え、その上下に再帰反射性を備えない部分を配置したものであることを特徴とする請求項８に記載の不同変位状態観測装置。

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