JP3729810B2 - 光変位センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、２点間の変位計測例えば斜面の健全度診断および崩壊予測等を目的に斜面変位を計測するもので、２点間の変位例えば斜面変位を光ファイバの曲率変化に変換し、光ファイバの曲率と光ファイバの透過光強度変化に一定の関係があることを利用して、２点間の変位量例えば斜面の変位量を計測する光変位センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道、道路などの斜面では豪雨、地震のみならず種々の環境変化による崩壊事故が起こっている。これらの被害を防止するには斜面の健全度の把握や崩壊の危険性のある斜面の変位を計測・監視して異常を早期に検知することが必要である。従来は斜面変位を計測するため、監視対象斜面の２点間にワイヤーを布設して、斜面変位に応じたワイヤーの動きを摺動抵抗やひずみゲージ等により電気信号に変換して変位を計測する伸縮計（以後伸縮センサと記す）が多用されていた。しかし近年光ファイバ技術の発達と共に、光ファイバは電磁誘導に強く落雷の影響を受けにくく、光変位センサへ布線した光ファイバ自体が、電源線や信号伝送線を兼用し距離減衰が小さいなど多くの利点があり、光変位センサによる斜面モニタリングが行われるようになってきた。
【０００３】
図４に従来式光変位センサの構造と斜面設置状況を示す。図４の光変位センサ１−１内部の光ファイバ２は一部分に光ファイバ曲線部３が設けられる。光ファイバ曲線部３の片側は不動部４で変位センサ１−１の本体に固定され、他方は移動部５に接続される。上記不動部４と移動部５の間には引っ張りバネ６が設置されている。斜面８の変位計測区間には計測杭９−１、９−２が打ち込まれ、計測杭９−１の上部に光変位センサ１−１が固定される。光変位センサ１−１の移動部５にはワイヤー７の片側が固定され、他方は引っ張りバネ６をある程度引っ張った力と均衡して計測杭９−２のワイヤー固定部１０に固定される。その後計測杭９−１と計測杭９−２間の斜面８が伸張変位するとワイヤー７が引っ張られ移動部５が右に移動して光ファイバ曲線部３の曲率が小さくなる。反対に圧縮変位が発生すると引っ張りバネの力で移動部５が左に移動して光ファイバの曲線が大きくなる。図示は省略するが光ファイバ２の片側は光照射部、他方は受光部に接続されて光ファイバ曲率部３の曲率変化に伴う透過光強度変化が監視されている。
【０００４】
図５は光ファイバの曲率（直径）と透過光減衰量の関係を示したものである。光ファイバの直径が大きい時は透過光の減衰はほとんど無いが、光ファイバの直径が約３５ｍｍφ以下になると透過光が減衰する。このとき透過光減衰量とファイバの直径には一定の関係があるため、斜面変位により光ファイバの曲率を変化させ透過光強度を測定すればファイバ曲率変化いわゆる斜面変位を知ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、斜面変位計測は地形や監視目的に応じて，変位計測スパンや変位検知感度（精度）を変更する必要がある。これに対して上記、従来式の光変位センサは計測スパンを簡単に変更できない。光ファイバの直径を小さくすると光ファイバが断線する危険があるため、仮に最小直径の限界を５ｍｍφとする。また直径が約３５ｍｍφ以上では透過光が減衰しないため、本光変位センサの計測スパンＬは式１より約９４．４ｍｍと限定される。
Ｌ=（３５×π−５×π）＝９４．４・・・・式１
【０００６】
またファイバの曲率変化を検知するために必要な、光ファイバへの光照射素子や受光素子などは環境温度で発光強度や受光感度特性が変化する。これらが外乱ノイズとなり計測精度が低下する。本光変位センサは現状Ｓ／Ｎ比（信号／ノイズ）は約１００：１で計測精度は約１ｍｍ程度である。このため温度補正回路等を付加するなど改善が行われているが装置が複雑で高価になる欠点がある。
【０００７】
さらに従来式光変位センサでは、ワイヤーがセンサ内部のバネの引っ張り力と均衡して布設されている。このため斜面計測杭間の変位により引っ張りバネの張力が変化してワイヤーの弛み量が変化する。特に計測区間が長距離になると、ワイヤーの弛み量が大きく変化するために、斜面変位が正確に光ファイバの曲率変化に対応しないなどの課題がある。
【０００８】
この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、変位を機械的に拡大して光ファイバの曲率を変化させる事によりＳ／Ｎ比を改善して計測精度を向上し、光ファイバの曲率をサイクリックに変化させることで計測スパンを拡大でき、またワイヤーの張力を一定に保持する事で、２点間変位例えば斜面変位によるワイヤーの弛み量変化を無くした高精度の光変位センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、請求項１の発明は、光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、前記光ファイバ曲率変化部を、弾性中空筒体の側周面に光ファイバを巻き付けると共に該光ファイバの両側に挟圧板を配置し弾性中空筒体の側周面に巻き付けた光ファイバを変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記挟圧板により両側から断面扁平状に挟圧変形して光ファイバの曲率を変化させる構成にし、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転する第１円盤の回転軸と同軸であって光ファイバ曲率変化部側に通じる第２円盤と、該第２円盤の回転運動を上記挟圧板の片方の往復運動に変換して光ファイバ曲率変化部に伝達する伝達部材とからなる変位計測範囲拡大機構を備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させる手段よりなるものである。
【００１３】
また、請求項２の発明は、光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、前記光ファイバ曲率変化部を、弾性中空筒体の側周面に光ファイバを巻き付けると共に該光ファイバの両側に挟圧板を配置し弾性中空筒体の側周面に巻き付けた光ファイバを変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記挟圧板により両側から断面扁平状に挟圧変形して光ファイバの曲率を変化させる構成にし、微少変位を高感度で計測するために、変位を拡大すべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転する小径の第１円盤と該第１円盤と同一の回転軸であって光ファイバ曲率変化部側に通じる大径の第２円盤とからなる変位拡大機構と、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、上記第２円盤と該第２円盤の回転運動を上記挟圧板の片方の往復運動に変換して光ファイバ曲率変化部に伝達する伝達部材とからなる変位計測範囲拡大機構とを備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位拡大機構及び変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させる手段よりなるものである。
【００１４】
また、請求項３の発明は、光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転し且つ第２歯車と一部で非噛合状態を生じさせる歯欠落部を有する第１歯車と、該第１歯車と噛合し光ファイバ曲率変化部側に通じる第２歯車と、非噛合状態の上記第２歯車を初期状態に復帰させる弾性部材とからなる変位計測範囲拡大機構を備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させる手段よりなるものである。
【００１５】
また、請求項４の発明は、光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、微少変位を高感度で計測するために、変位を拡大すべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転する大径の第１歯車と該第１歯車と噛合し光ファイバ曲率変化部側に通じる小径の第２歯車とからなる変位拡大機構と、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、上記第２歯車と、該第２歯車と一部で非噛合状態を生じさせる歯欠落部を有する上記第１歯車と、非噛合状態の上記第２歯車を初期状態に復帰させる弾性部材とからなる変位計測範囲拡大機構とを備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位拡大機構及び変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させる手段よりなるものである。
【００１６】
ここで、請求項１〜請求項４の発明は、高精度で変位を計測するために、変位によって配線の弛み量が変化する事が無いように、緊張状態で布設した配線の張力を一定に保持している。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に記載の発明の実施の形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
【００１８】
〔実施の形態−１〕
ここで、図１は光変位センサの構造と光センサの斜面設置状況を示した図である。
【００１９】
図１において、光変位センサ１１は、微少変位を高感度で計測するために、変位を拡大する変位拡大機構１２と、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させる変位計測範囲拡大機構２１を、光ファイバ曲率変化部３１に備えたものからなる。なお、変位拡大機構１２は必要に応じて省略されることもある。
【００２０】
この光変位センサ１１を構成する変位拡大機構１２、変位計測範囲拡大機構２１及び光ファイバ曲率変化部３１は、変位計測区間に取り付けられた計測杭９−１上のハウジング１１ａ内に設置されるが、必要に応じて複数の変位を計測する場合には隣の計測杭９−２上のハウジング１１ａ内にも設置されたりする。
【００２１】
図１において、変位拡大機構１２は、微少変位を高感度で計測するための機構で、変位計測区間に緊張状態で布設された配線１３の一端側が巻かれた小径の第１円盤１４ａと、第１円盤１４ａの回転中心部と同軸の回転軸１４にその回転中心部が装着された第１円盤１４ａより大径の第２円盤１４ｃとから構成されている。この小径の第１円盤１４ａと大径の第２円盤１４ｃとの直径比が変位拡大に関係する。なお、必要に応じて変位拡大機構１２を省略する場合には、第１円盤１４ａと第２円盤１４ｃの各直径を同一にする。
【００２２】
配線１３は、第１円盤１４ａの側周面に一端が固定されて数回巻かれて連結され、他端側は変位計測区間に緊張状態で布設されて、隣の計測杭９−２上のハウジング１１ａの外部側面の配線固定部１０に固定されている。配線１３の一端側が巻かれている第１円盤１４ａの回転軸は、大径の第２円盤１４ｃの回転軸１４と同軸である。この実施の形態では、第１円盤１４ａはその回転中心部が回転軸１４に装着されていて、第１円盤１４ａとこの第１円盤１４ａより大径の第２円盤１４ｃは回転軸１４と一体となって回転する。配線１３には温度変化、張力の影響による伸びを生じにくい金属製の例えばワイヤーや高張力線が使用される。
【００２３】
回転軸１４はハウジング１１ａ内の下部側の近くに設置され、その両端は図示しない軸受けに回転自在に保持されている。回転軸１４には円盤１４ｂの回転中心部が装着されている。円盤１４ｂの側周面には下端に錘１５が取り付けられたワイヤー１５ａの上端側が数回巻かれて連結されている。
【００２４】
錘１５の付いたワイヤー１５ａは、回転軸１４を図１では反時計回りに回転させる力が加わるように巻かれている。この錘１５の付いたワイヤー１５ａの働きによって、計測杭９−１と計測杭９−２の間に緊張状態で布設された配線１３の張力は一定に保持されており、高精度で変位を計測するために、変位によって配線１３の弛み量が変化する事が無いように図られている。
【００２５】
図１において、変位計測範囲拡大機構２１は、変位計測範囲の計測スパンを拡大するための機構で、変位計測区間に緊張状態で配設された配線１３の一端側が巻かれた第１円盤１４ａの回転中心部と同軸の回転軸１４にその回転中心部が装着された第２円盤１４ｃと、該第２円盤１４ｃの回転運動を光ファイバ曲率変化部３１の挟圧板の片方の往復運動に変換して光ファイバ曲率変化部３１に伝達する索条の伝達部材１６から構成されている。伝達部材１６には温度変化、張力の影響による伸びを生じにくい索条の金属製の例えばワイヤーや高張力線が使用される。
【００２６】
索条の伝達部材１６は、その一端が第２円盤１４ｃの例えば回転ローラの連結部１６ａに連結され、他端側は光ファイバ曲率変化部３１の固定挟圧板３３及び光ファイバ２が巻き付けられた弾性中空筒体３２を貫通して可動挟圧板３４に連結されている。この実施の形態では可動挟圧板３４を貫通して連結部１６ｂに連結されている。
【００２７】
また、この実施の形態では、索条の伝達部材１６は、その一端側が下向きに配置され、中間部分がハウジング１１ａ内に取り付けられたローラ１６ｃによって９０度程の角度で水平方向に変更されて図１の左方向に延びて、その他端側がハウジング１１ａの左側寄りに配置された光ファイバ曲率変化部３１の可動挟圧板３４に連結されるように配設されている。索条の伝達部材１６は、第２円盤１４ｃと可動挟圧板３４の間に緊張状態で配設されている。
【００２８】
索条の伝達部材１６は、変位計測区間で変位が発生すると一端側が連結された第２円盤１４ｃの連結部１６ａが円運動して他端が連結された光ファイバ曲率変化部３１の可動挟圧板３４を固定挟圧板３３方向に移動させて、光ファイバ曲率変化部３１の弾性中空筒体３２の側周面に巻き付けた光ファイバ２を断面扁平状に挟圧変形させて光ファイバ２の曲率を変化させるものである。
【００２９】
図１において、光ファイバ曲率変化部３１は、光ファイバ２を所定直径例えば直径３５ｍｍφの弾性中空筒体３２の側周面に巻き付けて、変位計測区間の変位に連動させて挟圧変形させて光ファイバ２の曲率を変化させる構造になっている。計測精度は光ファイバ２が巻き付けられる弾性中空筒体３２の径と弾性中空筒体３２に巻き付ける光ファイバ２の巻き付け量により異なる。本発明では単体で変位計測スパン約３５ｍｍ、計測精度約０．０５ｍｍ程度の計測が可能である。
【００３０】
光ファイバ曲率変化部３１は、光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２、該弾性中空筒体３２の両側に配置された固定挟圧板３３と可動挟圧板３４、固定挟圧板３３と可動挟圧板３４との間に配置された弾性部材３５などから構成される。
【００３１】
弾性中空筒体３２に巻き付けられる光ファイバ２の一端は図示しない光照射部に接続され、又光ファイバ２の他端は光源から出た光を受ける図示しない受光部に接続されている。受光部の受光素子が光照射部から照射された光の透過光強度の変化を検知することによって、弾性中空筒体３２に巻き付けた光ファイバ２の挟圧変形の変化を検知して、変位計測区間の変位の発生の有無及び変位の方向を検知できる構造になっている。
【００３２】
また、弾性中空筒体３２に数回巻かれた光ファイバ２の一端は光コネクタ３６ａに接続されている。光ファイバ２の一端は光コネクタ３６ａを介して変位検知箇所から離れた場所に設置された図示しない観測室内の光照射部に接続されている。同様に、弾性中空筒体３２に数回巻かれた光ファイバ２の他端は光コネクタ３６ｂに接続されている。光ファイバ２の他端は光コネクタ３６ｂを介して変位検知箇所から離れた場所に設置された図示しない観測室内の受光部に接続されている。
【００３３】
光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２は、その断面が例えば円形のものや楕円形のものがあり、又筒の内部は中空になっており、筒の両端は開口されている。光ファイバ２は通常、弾性中空筒体３２の外周側の側周面に複数回巻き付けられるが、必要に応じて筒の内周側の側周面に巻き付けることも可能である。この弾性中空筒体３２には、例えばりん青銅などの弾性復元力を有する直径約３５ｍｍφのものが使用される。
【００３４】
光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２を両側から挟圧して変形させる一対の固定挟圧板３３と可動挟圧板３４は、図３においては弾性中空筒体３２を挟んでその左右両側に平行に配置されている。固定挟圧板３３はハウジング１１ａに固定されて取り付けられている。可動挟圧板３４は固定挟圧板３３に対して前後に移動可能に取り付けられており、前記の索条の伝達部材１６の引っ張り力によって固定挟圧板３３に向けて移動して光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２を挟圧変形させる。
【００３５】
弾性部材３５には例えば圧縮バネが使用され、圧縮バネからなる弾性部材３５は光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２の上下にそれぞれ配置されている。弾性部材３５の一端は固定挟圧板３３の内面に取り付けられ、弾性部材３５の他端は可動挟圧板３４の内面に取り付けられている。弾性部材３５は索条の伝達部材１６からの張力が無くなると可動挟圧板３４を元の位置に押し戻して光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２の断面形状を初期状態に復帰させる。
【００３６】
次に、上記発明の実施の形態の構成に基づく作用について以下説明する。
斜面８の変位計測区間で伸張変位が発生して、配線１３が図１の右方向に引っ張られると、配線１３の一端側が巻かれている第１円盤１４ａは図１において時計回り方向に回転する。第１円盤１４ａが時計回り方向に回転すると回転軸１４も一体となって同一方向に回転する。回転軸１４に回転中心部が装着された第２円盤１４ｃも時計回り方向に回転する。
【００３７】
索条の伝達部材１６の一端側が連結された第２円盤１４ｃが時計回り方向に回転すると、索条の伝達部材１６は他端が光ファイバ曲率変化部３１の可動挟圧板３４を介して圧縮バネの弾性部材３５の付勢力に打ち勝って、索条の伝達部材１６の他端は連結された可動挟圧板３４を図１において右側つまり固定挟圧板３３側に向けて移動させる。
【００３８】
第２円盤１４ｃが更に回転すると、索条の伝達部材１６の一端が連結された連結部１６ａは円運動するために、索条の伝達部材１６は全体的に第２円盤１４ｃ側に移動する。そして、第２円盤１４ｃが半回転したときに、索条の伝達部材１６は最も第２円盤１４ｃ側に引き寄せられ、これに伴って索条の伝達部材１６の他端が連結された可動挟圧板３４も最も固定挟圧板３３側に近づき、可動挟圧板３４と固定挟圧板３３との間に挟まれている光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２は最も断面扁平状に挟圧変形して、光ファイバ２の曲率変形も最も変わる。
【００３９】
第２円盤１４ｃがさらに回転を続けて半回転以上回転すると、第２円盤１４ｃ側に移動していた索条の伝達部材１６は反対方向つまり光ファイバ曲率変化部３１側に向かって移動するため、索条の伝達部材１６の他端が連結された可動挟圧板３４は圧縮バネの弾性部材３５によって、固定挟圧板３３から離れる方向に移動し、これにより、固定挟圧板３３と可動挟圧板３４によって挟圧変形されていた光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２は少しづつ初期の断面形状に復帰し始め、第２円盤１４ｃが丁度１回転すると、弾性中空筒体３２は初期の断面形状に戻る。このように、第２円盤１４ｃが１回転する間に索条の伝達部材１６を介して可動挟圧板３４は固定挟圧板３３に向けて１往復運動する間に光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２を断面扁平状に挟圧変形させる。
【００４０】
以下、斜面８の計測区間の伸張変位がさらに続くと、第２円盤１４ｃは同一方向に回転を続け、１回転する度に前述した動作が繰り返される。このように、配線１３が同一方向に長く引っ張られても、光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２は狭い範囲内で挟圧変形を繰り返すに過ぎないため、変位計測範囲の計測スパンが長くなっても、光ファイバ２の曲率の変化をサイクリックに変化させることになる。従って、変位に対して透過光が飽和することが無くなるため大きい変位を計測できると共に、変位拡大機構１２を利用することによって、微少変位を高感度で検出することが可能となる。
【００４１】
また、斜面８の計測区間の圧縮変位では、前記で説明したのと第２円盤１４ｃの回転方向が異なるのみで、同様の動作を繰り返すので、その説明を省略する。
【００４２】
本発明では変位を２倍に拡大し光ファイバの曲率を変化させ、変位長約１５．７ｍｍ毎に光ファイバの曲率をサイクリックに変化させて計測スパンを拡大した例を示す。また斜面計測区間の配線１３の張力は一定に保持している。
【００４３】
図１に於いて弾性中空筒体３２の直径を約３５ｍｍφ（移動量約３１．４ｍｍ）にして、第１円盤１４ａ及び円盤１４ｂの直径を１０ｍｍ、第２円盤１４ｃの連結部１６ａの移動量を３１．４ｍｍにすると、配線１３の伸縮変位は２倍に拡大されて索条の伝達部材１６に伝達され、約０．０５ｍｍの計測精度が実現可能となる。また斜面変位約１５．７ｍｍ毎に光ファイバ２の曲率が変位するため、透過光減衰量は飽和する事がなく、計測スパンは錘１５の上下移動範囲量、または定トルクバネの有効範囲まで拡大できる。
【００４４】
図２は上記光変位センサ１１の変位と透過光減衰量の関係を示したもので光変位センサ１１は通常、図２に示す変位０の状態で斜面に設置される。以後斜面８に伸張変化が発生すると図示右側にサイクリックに変化し、圧縮変位が発生すると図示左側にサイクリックに変化する。従って本透光減衰量の変化を連続監視しておけば斜面伸縮変位を知ることができる。
【００４５】
〔実施の形態−２〕
ここで、図３は光変位センサの構造と光センサの斜面設置状況を示した図である。
【００４６】
図３において、光変位センサ５１は、微少変位を高感度で計測するために、変位を拡大する変位拡大機構５２と、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させる変位計測範囲拡大機構６１とを、光ファイバ曲率変化部７１に備えたものからなる。なお、変位拡大機構５２は必要に応じて省略されることもある。
【００４７】
この光変位センサ５１を構成する変位拡大機構５２、変位計測範囲拡大機構６１及び光ファイバ曲率変化部７１は、変位計測区間に取り付けられた計測杭９−１上のハウジング５１ａ内に設置されるが、必要に応じて複数の変位を計測する場合には隣の計測杭９−２上のハウジング５１ａ内にも設置されたりする。
【００４８】
図３において、変位拡大機構５２は、微少変位を高感度で計測するための機構で、変位計測区間に緊張状態で布設された配線５３の一端側が巻かれた円盤５４ａと、円盤５４ａの回転中心部と同軸の回転軸５４にその回転中心部が装着された大径の第１歯車５４ｃと、大径の第１歯車５４ｃと噛み合う小径の第２歯車５６ａと、光ファイバ曲率変化部７１の円盤７３ａとから構成されるが、基本の構成は大径の第１歯車５４ｃ及びこれと噛み合う小径の第２歯車５６ａである。なお、必要に応じて変位拡大機構５２を省略する場合には、円盤５４ａ、第１歯車５４ｃ、第２歯車５６ａ及び円盤７３ａの各直径を同一にする。
【００４９】
配線５３は、円盤５４ａの側周面に一端が固定されて数回巻かれて連結され、他端側は変位計測区間に緊張状態で布設されて、隣の計測杭９−２上のハウジング５１ａの外部側面の配線固定部１０に固定されている。配線５３の一端側が巻かれている円盤５４ａの回転軸は、変位拡大機構５２の大径の第１歯車５４ｃの回転軸５４と同軸である。この実施の形態では、円盤５４ａはその回転中心部が回転軸５４に装着されていて、円盤５４ａとこの円盤５４ａより大径の第１歯車５４ｃは回転軸５４と一体となって回転する。配線５３には温度変化、張力の影響による伸びを生じにくい金属製の例えばワイヤーや高張力線が使用される。
【００５０】
回転軸５４はハウジング５１ａ内の下部側の近くに設置され、その両端は図示しない軸受けに回転自在に保持されている。回転軸５４には円盤５４ｂの回転中心部が装着されている。円盤５４ｂの側周面には下端に錘５５が取り付けられたワイヤー５５ａの上端側が数回巻かれて連結されている。
【００５１】
錘５５の付いたワイヤー５５ａは、回転軸５４を反矢印方向（図３では反時計回り）に回転させる力が加わるように巻かれている。この錘５５の付いたワイヤー５５ａの働きによって、計測杭９−１と計測杭９−２の間に緊張状態で布設された配線５３の張力は一定に保持されており、高精度で変位を計測するために、変位によって配線５３の弛み量が変化する事が無いように図られている。
【００５２】
大径の第１歯車５４ｃは同一の回転軸５４にその回転中心部が装着された円形歯車から構成されている。第１歯車５４ｃは円盤５４ａよりも直径が例えば３倍大きい。円盤５４ａが１回転すると、回転軸５４を通じて大径の第１歯車５４ｃも同一の角速度で１回転する。
【００５３】
大径の第１歯車５４ｃと噛み合う小径の第２歯車５６ａは大径の第１歯車５４ｃよりも歯数が少ない円形歯車から構成され、大径の第１歯車５４ｃが例えば１／３回転する間に小径の第２歯車５６ａは１回転する。このように、大径の第１歯車５４ｃが例えば１／３回転する間に小径の第２歯車５６ａが１回転することによって変位を拡大するもので、微少変位を高感度で計測することが可能となる。小径の第２歯車５６ａは変位計測範囲拡大機構６１の回転軸５６と同軸になっており、この実施の形態では変位計測範囲拡大機構６１の回転軸５６に小径の第２歯車５６ａの回転中心部が装着されている。
【００５４】
変位計測範囲拡大機構６１は、変位計測範囲の計測スパンを拡大するための機構で、第２歯車５６ａと一部で非噛合状態を生じさせる歯欠落部５４ｄを有する第１歯車５４ｃと、第２歯車５６ａと、非噛合状態の上記第２歯車を初期状態に復帰させる弾性部材５７とから構成されている。
【００５５】
大径の第１歯車５４ｃには小径の第２歯車５６ａと一部で非噛合状態を生じさせる歯欠落部５４ｄが等角度の間隔をあけて複数、実施の形態では１２０度の角度で周縁の３箇所に形成されている。歯欠落部５４ｄは変位計測範囲拡大機構６１の一部を構成する。
【００５６】
第２歯車５６ａの回転中心部が装着された回転軸５６には、第２歯車５６ａより大径の円盤５６ｂが装着されている。第２歯車５６ａと円盤５６ｂとは回転軸５６を通じて一体的に同一方向に同一角速度で回転する。つまり第２歯車５６ａが一回転すると、円盤５６ｂも一回転する。回転軸５６はハウジング５１ａ内の中間部の近くに設置され、その両端は図示しない軸受けに回転自在に保持されている。
【００５７】
弾性部材５７は例えば微弱な力の引っ張りバネからなり、引っ張りバネからなる弾性部材５７の一端が円盤５６ｂの一部の可動連結部５７ａに連結されている。弾性部材５７の他端はハウジング５１ａの端部の固定部５７ｂに固定されている。円盤５６ｂには弾性部材５７を通じて初期の状態に戻す初期復帰回転トルクが作用しており、第２歯車５６ａが歯欠落部５４ｄによって第１歯車５４ｃと非噛合状態になると、弾性部材５７による初期復帰回転トルクが作用して、第２歯車５６ａは円盤５６ｂと共に逆回転して初期の状態に復帰する。
【００５８】
図３に示すように、光ファイバ曲率変化部７１は、光ファイバ２の光減衰が生じる所定直径例えば直径１５ｍｍφの光減衰円形曲線部７２と、光ファイバ２の光減衰が生じない所定直径例えば直径４０ｍｍφの光非減衰円形曲線部７３とから構成され、光ファイバ２の一端側は光減衰円形曲線部７２に数回巻かれ、光ファイバ２の他端側は光非減衰円形曲線部７３に数回巻かれている。光ファイバ曲率変化部７１はハウジング５１ａ内の上部側近くに設置されている。
【００５９】
光ファイバ２の一端は図示しない光照射部に接続され、又光ファイバ２の他端は光源から出た光を受ける図示しない受光部に接続されている。受光部の受光素子が光照射部から照射された光の透過光強度の変化を検知することによって、光ファイバ２の光減衰円形曲線部７２の巻き数の変化を検知して、変位計測区間の変位の発生の有無及び変位の方向を検知できる構造になっている。
【００６０】
光ファイバ２の光減衰円形曲線部７２は、直径が所定直径例えば１５ｍｍφからなる円盤７２ｂの側周面に光ファイバ２の一端側が数回巻かれた構成からなっている。光減衰円形曲線部７２は光ファイバ２の巻き数の増減によって透過光強度が変化する構造になっている。また、数回巻かれた光ファイバ２の一端が円盤７２ｂの側周面の図示しない固定点で固定されて光コネクタ７４ａに接続されている。光ファイバ２の一端は光コネクタ７４ａを介して変位検知箇所から離れた場所に設置された図示しない観測室内の光照射部に接続されている。
【００６１】
円盤７２ｂの回転中心部は回転軸７２ａに装着されている。回転軸７２ａはハウジング５１ａ内の上部近くに設置され、その両端は図示しない軸受けに回転自在に保持されている。回転軸７２ａには微弱な力の回転バネ７２ｃが取り付けられている。回転バネ７２ｃには例えばゼンマイバネが使用されている。回転バネ７２ｃは回転軸７２ａが回転中心部に装着された円盤７２ｂを図３において反時計回り方向に回転させるように付勢している。
【００６２】
光ファイバ２の光非減衰円形曲線部７３は、直径が所定直径例えば４０ｍｍφからなる円盤７３ａの側周面に光ファイバ２の他端側が数回巻かれた構成からなっている。光非減衰円形曲線部７３は光減衰円形曲線部７２と異なり、光ファイバ２の巻き数の増減によって透過光強度が変化することはない。また、数回巻かれた光ファイバ２はその他端が側周面の図示しない固定点で固定されて光コネクタ７４ｂに接続されている。光ファイバ２の他端は光コネクタ７４ｂを介して変位検知箇所から離れた場所に設置された図示しない観測室内の受光部に接続されている。
【００６３】
円盤７３ａの回転中心部は前記回転軸５６に装着されている。円盤７３ａの直径は前記第２歯車５６ａ及び円盤５６ｂよりも大径となっている。円盤７３ａは円盤５６ｂ及び回転軸５６を介して弾性部材５７によって、初期復帰回転トルクが作用している。
【００６４】
次に、上記発明の実施の形態の構成に基づく作用について以下説明する。
斜面８の計測区間に伸張変位が発生すると、配線５３の引っ張り力で配線５３の一端側が巻かれている円盤５４ａ及び回転軸５４は一体となって図３で時計回り方向に回転する。このとき、回転軸５４の回転に伴ってこれと一体となる円盤５４ｂも同一方向に回転して錘５５は上昇する。斜面８の計測区間に圧縮変位が発生すると、配線５３の弛み量だけ錘５５が下降して円盤５４ｂ、円盤５４ａ及び回転軸５４は図３で反時計回り方向に回転する。錘５５が上下することで配線５３は一定張力に保持される。
【００６５】
配線５３の動きにより回転軸５４が回転すると、回転軸５４に回転中心部が装着された大径の第１歯車５４ｃも回転し、大径の第１歯車５４ｃと変位拡大機構５２を構成する小径の第２歯車５６ａも噛合により逆方向に回転する。小径の第２歯車５６ａは変位拡大機構５２によって、大径の第１歯車５４ｃより例えば３倍の角速度で回転することになる。
【００６６】
伸張変位では、大径の第１歯車５４ｃは時計回り方向に回転し、大径の第１歯車５４ｃと噛合する小径の第２歯車５６ａは反時計回り方向に回転する。小径の第２歯車５６ａと同一の回転軸５６である光非減衰円形曲線部７３の円盤７３ａも反時計回り方向に回転して、光ファイバ曲率変化部７１の光ファイバ２は光非減衰円形曲線部７３の円盤７３ａから光減衰円形曲線部７２の円盤７２ｂに巻き取られて透過光強度が減衰する。
【００６７】
ところで、小径の第２歯車５６ａと噛合する大径の第１歯車５４ｃには、第２歯車５６ａと一部で非噛合状態を生じる歯欠落部５４ｄが形成されて変位計測範囲拡大機構６１が構成されているため、伸張変位が増加し続けると、第１歯車５４ｃは歯欠落部５４ｄで第２歯車５６ａとの噛合が無くなり、第１歯車５４ｃから第２歯車５６ａに回転力が伝達されなくなる。
【００６８】
第２歯車５６ａには、常時、回転軸５６及び円盤５６ｂを介して弾性部材５７による初期復帰回転力が作用しており、第１歯車５４ｃから回転力が無くなると、この初期復帰回転力によって第２歯車５６ａは逆向きに回転し、第２歯車５６ａと同一の回転軸５６の光非減衰円形曲線部７３の円盤７３ａも同様に逆向きの時計回り方向に回転する。光減衰円形曲線部７２の円盤７２ｂも回転バネ７２ｃによる回転力により同様に逆向きの時計回り方向に回転する。
【００６９】
円盤７３ａは弾性部材５７の弾性力によって、又円盤７２ｂは回転バネ７２ｃによって決まる規定位置に復帰し、円盤７３ａ及び円盤７２ｂに巻き付けられた光ファイバ２は初期巻き付け位置に復帰して、円盤７２ｂに巻かれていた光ファイバ２は巻き戻されて透過光強度が増加する。
【００７０】
更に、伸張変位が増加すると、歯欠落部５４ｄで第２歯車５６ａとの噛合が無くなっていた第１歯車５４ｃは再び第２歯車５６ａと噛合し始め、第２歯車５６ａは上記と同一の反時計回り方向に回転し、さらに同一方向の回転が進行すると再び変位計測範囲拡大機構６１を構成する歯欠落部５４ｄによって再び第１歯車５４ｃから回転力が無くなる動作をサイクリックに繰り返す。
【００７１】
このように、配線５３が同一方向に長く引っ張られても、光減衰円形曲線部７２側は狭い範囲内での巻き取り及び巻き戻しに変換されるに過ぎないため、変位計測範囲の計測スパンが長くなっても、光減衰円形曲線部７２の巻き数をサイクリックに変化させることになる。従って、変位に対して透過光が飽和することが無くなるため大きい変位を計測できると共に、変位拡大機構５２を利用することによって、微少変位を高感度で検出することが可能となる。
【００７２】
また、斜面８の計測区間の圧縮変位では、前記で説明したとの回転方向が異なるのみで、同様の動作を繰り返すので、その説明を省略する。
【００７３】
上記光変位センサ５１で円盤５４ａの直径を１として大径の第１歯車５４ｃ、小径の第２歯車５６ａおよび円盤７３ａを３：１：２の直径比にすると、配線５３の伸縮変位は光ファイバ２へ６倍に拡大して伝達されるため、従来のＳ／Ｎ比１００／１は機械的に６００／１に向上して計測精度が高くなる。これら直径比により変位拡大率が変更でき、円盤５４ａ、第１歯車５４ｃの直径比を変えれば錘５５の重量や定トルクバネの力も変更可能であることは当然の事である。
【００７４】
なお、この発明は上記発明の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。前記実施の形態では、斜面変位の計測の場合で説明したが、これに限定されるものではなく、例えば水平変位や垂直変位などの２点間変位の計測についても使用できるのは勿論である。
【００７６】
【発明の効果】
以上の記載より明らかなように請求項１、請求項３の発明に係る光変位センサによれば、変位計測範囲の計測スパンが長くなっても、光ファイバ曲率変化部の曲率をサイクリックに変化させることになり、従って、変位に対して透過光が飽和することが無くなるため大きい変位を計測できることが可能となる。
【００７７】
また、請求項２、請求項４の発明に係る光変位センサによれば、２点間の変位例えば斜面の変位を機械的に拡大して光ファイバの曲率を変化させるために高感度・高精度での変位計測が可能となり、光ファイバの曲率をサイクリックに変化させることで変位計測スパンが拡大する。
【００７８】
また、請求項５によれば、計測区間に布設する配線張力を一定に保つことで変位による配線の弛み変化が無くなり高精度での変位計測が可能となる。
【００７９】
本発明の光変位センサは２点間の変位例えば斜面変位の計測のみならず、橋梁、トンネル、ビル等構造物の変位計測にも使用可能で、特に長計測区間の２点間の変位計測に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態−１を示す光変位センサの構造と光センサの斜面設置状況を示した図である。
【図２】この発明の実施の形態−１の光変位センサの変位と透過光強度の関係図である。
【図３】この発明の実施の形態−２を示す光変位センサの構造と光センサの斜面設置状況を示した図である。
【図４】従来式光変位センサの構造と斜面設置状況の概略図である。
【図５】光ファイバループ直径と透過光強度の関係図である。
【符号の説明】
１−１ 従来式光変位センサ
１−２ 従来式光変位センサ
２ 光ファイバ
３ 光ファイバ曲線部
４ 光ファイバ固定部
５ 移動部
６ 引っ張りバネ
７ ワイヤー（斜面用）
８ 斜面
９−１ 計測杭
９−２ 計測杭
１０ 固定部
１１ 光変位センサ
１１ａ ハウジング
１２ 変位拡大機構
１３ 配線
１４ 回転軸
１４ａ 第１円盤
１４ｂ 円盤
１４ｃ 第２円盤
１５ 錘
１５ａ ワイヤー
１６ 伝達部材
１６ａ 連結部
１６ｂ 連結部
１６ｃ ローラ
２１ 変位計測範囲拡大機構
３１ 光ファイバ曲率変化部
３２ 弾性中空筒体
３３ 固定挟圧板
３４ 可動挟圧板
３５ 弾性部材
３６ａ 光コネクタ
３６ｂ 光コネクタ
５１ 光変位センサ
５１ａ ハウジング
５２ 変位拡大機構
５３ 配線
５４ 回転軸
５４ａ 円盤
５４ｂ 円盤
５４ｃ 第１歯車
５４ｄ 歯欠落部
５５ 錘
５５ａ ワイヤー
５６ 回転軸
５６ａ 第２歯車
５６ｂ 円盤
５７ 弾性部材
５７ａ 可動連結部
５７ｂ 固定部
６１ 変位計測範囲拡大機構
７１ 光ファイバ曲率変化部
７２ 光減衰円形曲線部
７２ａ 回転軸
７２ｂ 円盤
７２ｃ 回転バネ
７３ 光非減衰円形曲線部
７３ａ 円盤
７４ａ 光コネクタ
７４ｂ 光コネクタ
【発明の属する技術分野】
この発明は、２点間の変位計測例えば斜面の健全度診断および崩壊予測等を目的に斜面変位を計測するもので、２点間の変位例えば斜面変位を光ファイバの曲率変化に変換し、光ファイバの曲率と光ファイバの透過光強度変化に一定の関係があることを利用して、２点間の変位量例えば斜面の変位量を計測する光変位センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道、道路などの斜面では豪雨、地震のみならず種々の環境変化による崩壊事故が起こっている。これらの被害を防止するには斜面の健全度の把握や崩壊の危険性のある斜面の変位を計測・監視して異常を早期に検知することが必要である。従来は斜面変位を計測するため、監視対象斜面の２点間にワイヤーを布設して、斜面変位に応じたワイヤーの動きを摺動抵抗やひずみゲージ等により電気信号に変換して変位を計測する伸縮計（以後伸縮センサと記す）が多用されていた。しかし近年光ファイバ技術の発達と共に、光ファイバは電磁誘導に強く落雷の影響を受けにくく、光変位センサへ布線した光ファイバ自体が、電源線や信号伝送線を兼用し距離減衰が小さいなど多くの利点があり、光変位センサによる斜面モニタリングが行われるようになってきた。
【０００３】
図４に従来式光変位センサの構造と斜面設置状況を示す。図４の光変位センサ１−１内部の光ファイバ２は一部分に光ファイバ曲線部３が設けられる。光ファイバ曲線部３の片側は不動部４で変位センサ１−１の本体に固定され、他方は移動部５に接続される。上記不動部４と移動部５の間には引っ張りバネ６が設置されている。斜面８の変位計測区間には計測杭９−１、９−２が打ち込まれ、計測杭９−１の上部に光変位センサ１−１が固定される。光変位センサ１−１の移動部５にはワイヤー７の片側が固定され、他方は引っ張りバネ６をある程度引っ張った力と均衡して計測杭９−２のワイヤー固定部１０に固定される。その後計測杭９−１と計測杭９−２間の斜面８が伸張変位するとワイヤー７が引っ張られ移動部５が右に移動して光ファイバ曲線部３の曲率が小さくなる。反対に圧縮変位が発生すると引っ張りバネの力で移動部５が左に移動して光ファイバの曲線が大きくなる。図示は省略するが光ファイバ２の片側は光照射部、他方は受光部に接続されて光ファイバ曲率部３の曲率変化に伴う透過光強度変化が監視されている。
【０００４】
図５は光ファイバの曲率（直径）と透過光減衰量の関係を示したものである。光ファイバの直径が大きい時は透過光の減衰はほとんど無いが、光ファイバの直径が約３５ｍｍφ以下になると透過光が減衰する。このとき透過光減衰量とファイバの直径には一定の関係があるため、斜面変位により光ファイバの曲率を変化させ透過光強度を測定すればファイバ曲率変化いわゆる斜面変位を知ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、斜面変位計測は地形や監視目的に応じて，変位計測スパンや変位検知感度（精度）を変更する必要がある。これに対して上記、従来式の光変位センサは計測スパンを簡単に変更できない。光ファイバの直径を小さくすると光ファイバが断線する危険があるため、仮に最小直径の限界を５ｍｍφとする。また直径が約３５ｍｍφ以上では透過光が減衰しないため、本光変位センサの計測スパンＬは式１より約９４．４ｍｍと限定される。
Ｌ=（３５×π−５×π）＝９４．４・・・・式１
【０００６】
またファイバの曲率変化を検知するために必要な、光ファイバへの光照射素子や受光素子などは環境温度で発光強度や受光感度特性が変化する。これらが外乱ノイズとなり計測精度が低下する。本光変位センサは現状Ｓ／Ｎ比（信号／ノイズ）は約１００：１で計測精度は約１ｍｍ程度である。このため温度補正回路等を付加するなど改善が行われているが装置が複雑で高価になる欠点がある。
【０００７】
さらに従来式光変位センサでは、ワイヤーがセンサ内部のバネの引っ張り力と均衡して布設されている。このため斜面計測杭間の変位により引っ張りバネの張力が変化してワイヤーの弛み量が変化する。特に計測区間が長距離になると、ワイヤーの弛み量が大きく変化するために、斜面変位が正確に光ファイバの曲率変化に対応しないなどの課題がある。
【０００８】
この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、変位を機械的に拡大して光ファイバの曲率を変化させる事によりＳ／Ｎ比を改善して計測精度を向上し、光ファイバの曲率をサイクリックに変化させることで計測スパンを拡大でき、またワイヤーの張力を一定に保持する事で、２点間変位例えば斜面変位によるワイヤーの弛み量変化を無くした高精度の光変位センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、請求項１の発明は、光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、前記光ファイバ曲率変化部を、弾性中空筒体の側周面に光ファイバを巻き付けると共に該光ファイバの両側に挟圧板を配置し弾性中空筒体の側周面に巻き付けた光ファイバを変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記挟圧板により両側から断面扁平状に挟圧変形して光ファイバの曲率を変化させる構成にし、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転する第１円盤の回転軸と同軸であって光ファイバ曲率変化部側に通じる第２円盤と、該第２円盤の回転運動を上記挟圧板の片方の往復運動に変換して光ファイバ曲率変化部に伝達する伝達部材とからなる変位計測範囲拡大機構を備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させる手段よりなるものである。
【００１３】
また、請求項２の発明は、光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、前記光ファイバ曲率変化部を、弾性中空筒体の側周面に光ファイバを巻き付けると共に該光ファイバの両側に挟圧板を配置し弾性中空筒体の側周面に巻き付けた光ファイバを変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記挟圧板により両側から断面扁平状に挟圧変形して光ファイバの曲率を変化させる構成にし、微少変位を高感度で計測するために、変位を拡大すべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転する小径の第１円盤と該第１円盤と同一の回転軸であって光ファイバ曲率変化部側に通じる大径の第２円盤とからなる変位拡大機構と、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、上記第２円盤と該第２円盤の回転運動を上記挟圧板の片方の往復運動に変換して光ファイバ曲率変化部に伝達する伝達部材とからなる変位計測範囲拡大機構とを備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位拡大機構及び変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させる手段よりなるものである。
【００１４】
また、請求項３の発明は、光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転し且つ第２歯車と一部で非噛合状態を生じさせる歯欠落部を有する第１歯車と、該第１歯車と噛合し光ファイバ曲率変化部側に通じる第２歯車と、非噛合状態の上記第２歯車を初期状態に復帰させる弾性部材とからなる変位計測範囲拡大機構を備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させる手段よりなるものである。
【００１５】
また、請求項４の発明は、光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、微少変位を高感度で計測するために、変位を拡大すべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転する大径の第１歯車と該第１歯車と噛合し光ファイバ曲率変化部側に通じる小径の第２歯車とからなる変位拡大機構と、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、上記第２歯車と、該第２歯車と一部で非噛合状態を生じさせる歯欠落部を有する上記第１歯車と、非噛合状態の上記第２歯車を初期状態に復帰させる弾性部材とからなる変位計測範囲拡大機構とを備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位拡大機構及び変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させる手段よりなるものである。
【００１６】
ここで、請求項１〜請求項４の発明は、高精度で変位を計測するために、変位によって配線の弛み量が変化する事が無いように、緊張状態で布設した配線の張力を一定に保持している。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に記載の発明の実施の形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
【００１８】
〔実施の形態−１〕
ここで、図１は光変位センサの構造と光センサの斜面設置状況を示した図である。
【００１９】
図１において、光変位センサ１１は、微少変位を高感度で計測するために、変位を拡大する変位拡大機構１２と、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させる変位計測範囲拡大機構２１を、光ファイバ曲率変化部３１に備えたものからなる。なお、変位拡大機構１２は必要に応じて省略されることもある。
【００２０】
この光変位センサ１１を構成する変位拡大機構１２、変位計測範囲拡大機構２１及び光ファイバ曲率変化部３１は、変位計測区間に取り付けられた計測杭９−１上のハウジング１１ａ内に設置されるが、必要に応じて複数の変位を計測する場合には隣の計測杭９−２上のハウジング１１ａ内にも設置されたりする。
【００２１】
図１において、変位拡大機構１２は、微少変位を高感度で計測するための機構で、変位計測区間に緊張状態で布設された配線１３の一端側が巻かれた小径の第１円盤１４ａと、第１円盤１４ａの回転中心部と同軸の回転軸１４にその回転中心部が装着された第１円盤１４ａより大径の第２円盤１４ｃとから構成されている。この小径の第１円盤１４ａと大径の第２円盤１４ｃとの直径比が変位拡大に関係する。なお、必要に応じて変位拡大機構１２を省略する場合には、第１円盤１４ａと第２円盤１４ｃの各直径を同一にする。
【００２２】
配線１３は、第１円盤１４ａの側周面に一端が固定されて数回巻かれて連結され、他端側は変位計測区間に緊張状態で布設されて、隣の計測杭９−２上のハウジング１１ａの外部側面の配線固定部１０に固定されている。配線１３の一端側が巻かれている第１円盤１４ａの回転軸は、大径の第２円盤１４ｃの回転軸１４と同軸である。この実施の形態では、第１円盤１４ａはその回転中心部が回転軸１４に装着されていて、第１円盤１４ａとこの第１円盤１４ａより大径の第２円盤１４ｃは回転軸１４と一体となって回転する。配線１３には温度変化、張力の影響による伸びを生じにくい金属製の例えばワイヤーや高張力線が使用される。
【００２３】
回転軸１４はハウジング１１ａ内の下部側の近くに設置され、その両端は図示しない軸受けに回転自在に保持されている。回転軸１４には円盤１４ｂの回転中心部が装着されている。円盤１４ｂの側周面には下端に錘１５が取り付けられたワイヤー１５ａの上端側が数回巻かれて連結されている。
【００２４】
錘１５の付いたワイヤー１５ａは、回転軸１４を図１では反時計回りに回転させる力が加わるように巻かれている。この錘１５の付いたワイヤー１５ａの働きによって、計測杭９−１と計測杭９−２の間に緊張状態で布設された配線１３の張力は一定に保持されており、高精度で変位を計測するために、変位によって配線１３の弛み量が変化する事が無いように図られている。
【００２５】
図１において、変位計測範囲拡大機構２１は、変位計測範囲の計測スパンを拡大するための機構で、変位計測区間に緊張状態で配設された配線１３の一端側が巻かれた第１円盤１４ａの回転中心部と同軸の回転軸１４にその回転中心部が装着された第２円盤１４ｃと、該第２円盤１４ｃの回転運動を光ファイバ曲率変化部３１の挟圧板の片方の往復運動に変換して光ファイバ曲率変化部３１に伝達する索条の伝達部材１６から構成されている。伝達部材１６には温度変化、張力の影響による伸びを生じにくい索条の金属製の例えばワイヤーや高張力線が使用される。
【００２６】
索条の伝達部材１６は、その一端が第２円盤１４ｃの例えば回転ローラの連結部１６ａに連結され、他端側は光ファイバ曲率変化部３１の固定挟圧板３３及び光ファイバ２が巻き付けられた弾性中空筒体３２を貫通して可動挟圧板３４に連結されている。この実施の形態では可動挟圧板３４を貫通して連結部１６ｂに連結されている。
【００２７】
また、この実施の形態では、索条の伝達部材１６は、その一端側が下向きに配置され、中間部分がハウジング１１ａ内に取り付けられたローラ１６ｃによって９０度程の角度で水平方向に変更されて図１の左方向に延びて、その他端側がハウジング１１ａの左側寄りに配置された光ファイバ曲率変化部３１の可動挟圧板３４に連結されるように配設されている。索条の伝達部材１６は、第２円盤１４ｃと可動挟圧板３４の間に緊張状態で配設されている。
【００２８】
索条の伝達部材１６は、変位計測区間で変位が発生すると一端側が連結された第２円盤１４ｃの連結部１６ａが円運動して他端が連結された光ファイバ曲率変化部３１の可動挟圧板３４を固定挟圧板３３方向に移動させて、光ファイバ曲率変化部３１の弾性中空筒体３２の側周面に巻き付けた光ファイバ２を断面扁平状に挟圧変形させて光ファイバ２の曲率を変化させるものである。
【００２９】
図１において、光ファイバ曲率変化部３１は、光ファイバ２を所定直径例えば直径３５ｍｍφの弾性中空筒体３２の側周面に巻き付けて、変位計測区間の変位に連動させて挟圧変形させて光ファイバ２の曲率を変化させる構造になっている。計測精度は光ファイバ２が巻き付けられる弾性中空筒体３２の径と弾性中空筒体３２に巻き付ける光ファイバ２の巻き付け量により異なる。本発明では単体で変位計測スパン約３５ｍｍ、計測精度約０．０５ｍｍ程度の計測が可能である。
【００３０】
光ファイバ曲率変化部３１は、光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２、該弾性中空筒体３２の両側に配置された固定挟圧板３３と可動挟圧板３４、固定挟圧板３３と可動挟圧板３４との間に配置された弾性部材３５などから構成される。
【００３１】
弾性中空筒体３２に巻き付けられる光ファイバ２の一端は図示しない光照射部に接続され、又光ファイバ２の他端は光源から出た光を受ける図示しない受光部に接続されている。受光部の受光素子が光照射部から照射された光の透過光強度の変化を検知することによって、弾性中空筒体３２に巻き付けた光ファイバ２の挟圧変形の変化を検知して、変位計測区間の変位の発生の有無及び変位の方向を検知できる構造になっている。
【００３２】
また、弾性中空筒体３２に数回巻かれた光ファイバ２の一端は光コネクタ３６ａに接続されている。光ファイバ２の一端は光コネクタ３６ａを介して変位検知箇所から離れた場所に設置された図示しない観測室内の光照射部に接続されている。同様に、弾性中空筒体３２に数回巻かれた光ファイバ２の他端は光コネクタ３６ｂに接続されている。光ファイバ２の他端は光コネクタ３６ｂを介して変位検知箇所から離れた場所に設置された図示しない観測室内の受光部に接続されている。
【００３３】
光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２は、その断面が例えば円形のものや楕円形のものがあり、又筒の内部は中空になっており、筒の両端は開口されている。光ファイバ２は通常、弾性中空筒体３２の外周側の側周面に複数回巻き付けられるが、必要に応じて筒の内周側の側周面に巻き付けることも可能である。この弾性中空筒体３２には、例えばりん青銅などの弾性復元力を有する直径約３５ｍｍφのものが使用される。
【００３４】
光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２を両側から挟圧して変形させる一対の固定挟圧板３３と可動挟圧板３４は、図３においては弾性中空筒体３２を挟んでその左右両側に平行に配置されている。固定挟圧板３３はハウジング１１ａに固定されて取り付けられている。可動挟圧板３４は固定挟圧板３３に対して前後に移動可能に取り付けられており、前記の索条の伝達部材１６の引っ張り力によって固定挟圧板３３に向けて移動して光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２を挟圧変形させる。
【００３５】
弾性部材３５には例えば圧縮バネが使用され、圧縮バネからなる弾性部材３５は光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２の上下にそれぞれ配置されている。弾性部材３５の一端は固定挟圧板３３の内面に取り付けられ、弾性部材３５の他端は可動挟圧板３４の内面に取り付けられている。弾性部材３５は索条の伝達部材１６からの張力が無くなると可動挟圧板３４を元の位置に押し戻して光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２の断面形状を初期状態に復帰させる。
【００３６】
次に、上記発明の実施の形態の構成に基づく作用について以下説明する。
斜面８の変位計測区間で伸張変位が発生して、配線１３が図１の右方向に引っ張られると、配線１３の一端側が巻かれている第１円盤１４ａは図１において時計回り方向に回転する。第１円盤１４ａが時計回り方向に回転すると回転軸１４も一体となって同一方向に回転する。回転軸１４に回転中心部が装着された第２円盤１４ｃも時計回り方向に回転する。
【００３７】
索条の伝達部材１６の一端側が連結された第２円盤１４ｃが時計回り方向に回転すると、索条の伝達部材１６は他端が光ファイバ曲率変化部３１の可動挟圧板３４を介して圧縮バネの弾性部材３５の付勢力に打ち勝って、索条の伝達部材１６の他端は連結された可動挟圧板３４を図１において右側つまり固定挟圧板３３側に向けて移動させる。
【００３８】
第２円盤１４ｃが更に回転すると、索条の伝達部材１６の一端が連結された連結部１６ａは円運動するために、索条の伝達部材１６は全体的に第２円盤１４ｃ側に移動する。そして、第２円盤１４ｃが半回転したときに、索条の伝達部材１６は最も第２円盤１４ｃ側に引き寄せられ、これに伴って索条の伝達部材１６の他端が連結された可動挟圧板３４も最も固定挟圧板３３側に近づき、可動挟圧板３４と固定挟圧板３３との間に挟まれている光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２は最も断面扁平状に挟圧変形して、光ファイバ２の曲率変形も最も変わる。
【００３９】
第２円盤１４ｃがさらに回転を続けて半回転以上回転すると、第２円盤１４ｃ側に移動していた索条の伝達部材１６は反対方向つまり光ファイバ曲率変化部３１側に向かって移動するため、索条の伝達部材１６の他端が連結された可動挟圧板３４は圧縮バネの弾性部材３５によって、固定挟圧板３３から離れる方向に移動し、これにより、固定挟圧板３３と可動挟圧板３４によって挟圧変形されていた光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２は少しづつ初期の断面形状に復帰し始め、第２円盤１４ｃが丁度１回転すると、弾性中空筒体３２は初期の断面形状に戻る。このように、第２円盤１４ｃが１回転する間に索条の伝達部材１６を介して可動挟圧板３４は固定挟圧板３３に向けて１往復運動する間に光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２を断面扁平状に挟圧変形させる。
【００４０】
以下、斜面８の計測区間の伸張変位がさらに続くと、第２円盤１４ｃは同一方向に回転を続け、１回転する度に前述した動作が繰り返される。このように、配線１３が同一方向に長く引っ張られても、光ファイバ２が側周面に巻き付けられた弾性中空筒体３２は狭い範囲内で挟圧変形を繰り返すに過ぎないため、変位計測範囲の計測スパンが長くなっても、光ファイバ２の曲率の変化をサイクリックに変化させることになる。従って、変位に対して透過光が飽和することが無くなるため大きい変位を計測できると共に、変位拡大機構１２を利用することによって、微少変位を高感度で検出することが可能となる。
【００４１】
また、斜面８の計測区間の圧縮変位では、前記で説明したのと第２円盤１４ｃの回転方向が異なるのみで、同様の動作を繰り返すので、その説明を省略する。
【００４２】
本発明では変位を２倍に拡大し光ファイバの曲率を変化させ、変位長約１５．７ｍｍ毎に光ファイバの曲率をサイクリックに変化させて計測スパンを拡大した例を示す。また斜面計測区間の配線１３の張力は一定に保持している。
【００４３】
図１に於いて弾性中空筒体３２の直径を約３５ｍｍφ（移動量約３１．４ｍｍ）にして、第１円盤１４ａ及び円盤１４ｂの直径を１０ｍｍ、第２円盤１４ｃの連結部１６ａの移動量を３１．４ｍｍにすると、配線１３の伸縮変位は２倍に拡大されて索条の伝達部材１６に伝達され、約０．０５ｍｍの計測精度が実現可能となる。また斜面変位約１５．７ｍｍ毎に光ファイバ２の曲率が変位するため、透過光減衰量は飽和する事がなく、計測スパンは錘１５の上下移動範囲量、または定トルクバネの有効範囲まで拡大できる。
【００４４】
図２は上記光変位センサ１１の変位と透過光減衰量の関係を示したもので光変位センサ１１は通常、図２に示す変位０の状態で斜面に設置される。以後斜面８に伸張変化が発生すると図示右側にサイクリックに変化し、圧縮変位が発生すると図示左側にサイクリックに変化する。従って本透光減衰量の変化を連続監視しておけば斜面伸縮変位を知ることができる。
【００４５】
〔実施の形態−２〕
ここで、図３は光変位センサの構造と光センサの斜面設置状況を示した図である。
【００４６】
図３において、光変位センサ５１は、微少変位を高感度で計測するために、変位を拡大する変位拡大機構５２と、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させる変位計測範囲拡大機構６１とを、光ファイバ曲率変化部７１に備えたものからなる。なお、変位拡大機構５２は必要に応じて省略されることもある。
【００４７】
この光変位センサ５１を構成する変位拡大機構５２、変位計測範囲拡大機構６１及び光ファイバ曲率変化部７１は、変位計測区間に取り付けられた計測杭９−１上のハウジング５１ａ内に設置されるが、必要に応じて複数の変位を計測する場合には隣の計測杭９−２上のハウジング５１ａ内にも設置されたりする。
【００４８】
図３において、変位拡大機構５２は、微少変位を高感度で計測するための機構で、変位計測区間に緊張状態で布設された配線５３の一端側が巻かれた円盤５４ａと、円盤５４ａの回転中心部と同軸の回転軸５４にその回転中心部が装着された大径の第１歯車５４ｃと、大径の第１歯車５４ｃと噛み合う小径の第２歯車５６ａと、光ファイバ曲率変化部７１の円盤７３ａとから構成されるが、基本の構成は大径の第１歯車５４ｃ及びこれと噛み合う小径の第２歯車５６ａである。なお、必要に応じて変位拡大機構５２を省略する場合には、円盤５４ａ、第１歯車５４ｃ、第２歯車５６ａ及び円盤７３ａの各直径を同一にする。
【００４９】
配線５３は、円盤５４ａの側周面に一端が固定されて数回巻かれて連結され、他端側は変位計測区間に緊張状態で布設されて、隣の計測杭９−２上のハウジング５１ａの外部側面の配線固定部１０に固定されている。配線５３の一端側が巻かれている円盤５４ａの回転軸は、変位拡大機構５２の大径の第１歯車５４ｃの回転軸５４と同軸である。この実施の形態では、円盤５４ａはその回転中心部が回転軸５４に装着されていて、円盤５４ａとこの円盤５４ａより大径の第１歯車５４ｃは回転軸５４と一体となって回転する。配線５３には温度変化、張力の影響による伸びを生じにくい金属製の例えばワイヤーや高張力線が使用される。
【００５０】
回転軸５４はハウジング５１ａ内の下部側の近くに設置され、その両端は図示しない軸受けに回転自在に保持されている。回転軸５４には円盤５４ｂの回転中心部が装着されている。円盤５４ｂの側周面には下端に錘５５が取り付けられたワイヤー５５ａの上端側が数回巻かれて連結されている。
【００５１】
錘５５の付いたワイヤー５５ａは、回転軸５４を反矢印方向（図３では反時計回り）に回転させる力が加わるように巻かれている。この錘５５の付いたワイヤー５５ａの働きによって、計測杭９−１と計測杭９−２の間に緊張状態で布設された配線５３の張力は一定に保持されており、高精度で変位を計測するために、変位によって配線５３の弛み量が変化する事が無いように図られている。
【００５２】
大径の第１歯車５４ｃは同一の回転軸５４にその回転中心部が装着された円形歯車から構成されている。第１歯車５４ｃは円盤５４ａよりも直径が例えば３倍大きい。円盤５４ａが１回転すると、回転軸５４を通じて大径の第１歯車５４ｃも同一の角速度で１回転する。
【００５３】
大径の第１歯車５４ｃと噛み合う小径の第２歯車５６ａは大径の第１歯車５４ｃよりも歯数が少ない円形歯車から構成され、大径の第１歯車５４ｃが例えば１／３回転する間に小径の第２歯車５６ａは１回転する。このように、大径の第１歯車５４ｃが例えば１／３回転する間に小径の第２歯車５６ａが１回転することによって変位を拡大するもので、微少変位を高感度で計測することが可能となる。小径の第２歯車５６ａは変位計測範囲拡大機構６１の回転軸５６と同軸になっており、この実施の形態では変位計測範囲拡大機構６１の回転軸５６に小径の第２歯車５６ａの回転中心部が装着されている。
【００５４】
変位計測範囲拡大機構６１は、変位計測範囲の計測スパンを拡大するための機構で、第２歯車５６ａと一部で非噛合状態を生じさせる歯欠落部５４ｄを有する第１歯車５４ｃと、第２歯車５６ａと、非噛合状態の上記第２歯車を初期状態に復帰させる弾性部材５７とから構成されている。
【００５５】
大径の第１歯車５４ｃには小径の第２歯車５６ａと一部で非噛合状態を生じさせる歯欠落部５４ｄが等角度の間隔をあけて複数、実施の形態では１２０度の角度で周縁の３箇所に形成されている。歯欠落部５４ｄは変位計測範囲拡大機構６１の一部を構成する。
【００５６】
第２歯車５６ａの回転中心部が装着された回転軸５６には、第２歯車５６ａより大径の円盤５６ｂが装着されている。第２歯車５６ａと円盤５６ｂとは回転軸５６を通じて一体的に同一方向に同一角速度で回転する。つまり第２歯車５６ａが一回転すると、円盤５６ｂも一回転する。回転軸５６はハウジング５１ａ内の中間部の近くに設置され、その両端は図示しない軸受けに回転自在に保持されている。
【００５７】
弾性部材５７は例えば微弱な力の引っ張りバネからなり、引っ張りバネからなる弾性部材５７の一端が円盤５６ｂの一部の可動連結部５７ａに連結されている。弾性部材５７の他端はハウジング５１ａの端部の固定部５７ｂに固定されている。円盤５６ｂには弾性部材５７を通じて初期の状態に戻す初期復帰回転トルクが作用しており、第２歯車５６ａが歯欠落部５４ｄによって第１歯車５４ｃと非噛合状態になると、弾性部材５７による初期復帰回転トルクが作用して、第２歯車５６ａは円盤５６ｂと共に逆回転して初期の状態に復帰する。
【００５８】
図３に示すように、光ファイバ曲率変化部７１は、光ファイバ２の光減衰が生じる所定直径例えば直径１５ｍｍφの光減衰円形曲線部７２と、光ファイバ２の光減衰が生じない所定直径例えば直径４０ｍｍφの光非減衰円形曲線部７３とから構成され、光ファイバ２の一端側は光減衰円形曲線部７２に数回巻かれ、光ファイバ２の他端側は光非減衰円形曲線部７３に数回巻かれている。光ファイバ曲率変化部７１はハウジング５１ａ内の上部側近くに設置されている。
【００５９】
光ファイバ２の一端は図示しない光照射部に接続され、又光ファイバ２の他端は光源から出た光を受ける図示しない受光部に接続されている。受光部の受光素子が光照射部から照射された光の透過光強度の変化を検知することによって、光ファイバ２の光減衰円形曲線部７２の巻き数の変化を検知して、変位計測区間の変位の発生の有無及び変位の方向を検知できる構造になっている。
【００６０】
光ファイバ２の光減衰円形曲線部７２は、直径が所定直径例えば１５ｍｍφからなる円盤７２ｂの側周面に光ファイバ２の一端側が数回巻かれた構成からなっている。光減衰円形曲線部７２は光ファイバ２の巻き数の増減によって透過光強度が変化する構造になっている。また、数回巻かれた光ファイバ２の一端が円盤７２ｂの側周面の図示しない固定点で固定されて光コネクタ７４ａに接続されている。光ファイバ２の一端は光コネクタ７４ａを介して変位検知箇所から離れた場所に設置された図示しない観測室内の光照射部に接続されている。
【００６１】
円盤７２ｂの回転中心部は回転軸７２ａに装着されている。回転軸７２ａはハウジング５１ａ内の上部近くに設置され、その両端は図示しない軸受けに回転自在に保持されている。回転軸７２ａには微弱な力の回転バネ７２ｃが取り付けられている。回転バネ７２ｃには例えばゼンマイバネが使用されている。回転バネ７２ｃは回転軸７２ａが回転中心部に装着された円盤７２ｂを図３において反時計回り方向に回転させるように付勢している。
【００６２】
光ファイバ２の光非減衰円形曲線部７３は、直径が所定直径例えば４０ｍｍφからなる円盤７３ａの側周面に光ファイバ２の他端側が数回巻かれた構成からなっている。光非減衰円形曲線部７３は光減衰円形曲線部７２と異なり、光ファイバ２の巻き数の増減によって透過光強度が変化することはない。また、数回巻かれた光ファイバ２はその他端が側周面の図示しない固定点で固定されて光コネクタ７４ｂに接続されている。光ファイバ２の他端は光コネクタ７４ｂを介して変位検知箇所から離れた場所に設置された図示しない観測室内の受光部に接続されている。
【００６３】
円盤７３ａの回転中心部は前記回転軸５６に装着されている。円盤７３ａの直径は前記第２歯車５６ａ及び円盤５６ｂよりも大径となっている。円盤７３ａは円盤５６ｂ及び回転軸５６を介して弾性部材５７によって、初期復帰回転トルクが作用している。
【００６４】
次に、上記発明の実施の形態の構成に基づく作用について以下説明する。
斜面８の計測区間に伸張変位が発生すると、配線５３の引っ張り力で配線５３の一端側が巻かれている円盤５４ａ及び回転軸５４は一体となって図３で時計回り方向に回転する。このとき、回転軸５４の回転に伴ってこれと一体となる円盤５４ｂも同一方向に回転して錘５５は上昇する。斜面８の計測区間に圧縮変位が発生すると、配線５３の弛み量だけ錘５５が下降して円盤５４ｂ、円盤５４ａ及び回転軸５４は図３で反時計回り方向に回転する。錘５５が上下することで配線５３は一定張力に保持される。
【００６５】
配線５３の動きにより回転軸５４が回転すると、回転軸５４に回転中心部が装着された大径の第１歯車５４ｃも回転し、大径の第１歯車５４ｃと変位拡大機構５２を構成する小径の第２歯車５６ａも噛合により逆方向に回転する。小径の第２歯車５６ａは変位拡大機構５２によって、大径の第１歯車５４ｃより例えば３倍の角速度で回転することになる。
【００６６】
伸張変位では、大径の第１歯車５４ｃは時計回り方向に回転し、大径の第１歯車５４ｃと噛合する小径の第２歯車５６ａは反時計回り方向に回転する。小径の第２歯車５６ａと同一の回転軸５６である光非減衰円形曲線部７３の円盤７３ａも反時計回り方向に回転して、光ファイバ曲率変化部７１の光ファイバ２は光非減衰円形曲線部７３の円盤７３ａから光減衰円形曲線部７２の円盤７２ｂに巻き取られて透過光強度が減衰する。
【００６７】
ところで、小径の第２歯車５６ａと噛合する大径の第１歯車５４ｃには、第２歯車５６ａと一部で非噛合状態を生じる歯欠落部５４ｄが形成されて変位計測範囲拡大機構６１が構成されているため、伸張変位が増加し続けると、第１歯車５４ｃは歯欠落部５４ｄで第２歯車５６ａとの噛合が無くなり、第１歯車５４ｃから第２歯車５６ａに回転力が伝達されなくなる。
【００６８】
第２歯車５６ａには、常時、回転軸５６及び円盤５６ｂを介して弾性部材５７による初期復帰回転力が作用しており、第１歯車５４ｃから回転力が無くなると、この初期復帰回転力によって第２歯車５６ａは逆向きに回転し、第２歯車５６ａと同一の回転軸５６の光非減衰円形曲線部７３の円盤７３ａも同様に逆向きの時計回り方向に回転する。光減衰円形曲線部７２の円盤７２ｂも回転バネ７２ｃによる回転力により同様に逆向きの時計回り方向に回転する。
【００６９】
円盤７３ａは弾性部材５７の弾性力によって、又円盤７２ｂは回転バネ７２ｃによって決まる規定位置に復帰し、円盤７３ａ及び円盤７２ｂに巻き付けられた光ファイバ２は初期巻き付け位置に復帰して、円盤７２ｂに巻かれていた光ファイバ２は巻き戻されて透過光強度が増加する。
【００７０】
更に、伸張変位が増加すると、歯欠落部５４ｄで第２歯車５６ａとの噛合が無くなっていた第１歯車５４ｃは再び第２歯車５６ａと噛合し始め、第２歯車５６ａは上記と同一の反時計回り方向に回転し、さらに同一方向の回転が進行すると再び変位計測範囲拡大機構６１を構成する歯欠落部５４ｄによって再び第１歯車５４ｃから回転力が無くなる動作をサイクリックに繰り返す。
【００７１】
このように、配線５３が同一方向に長く引っ張られても、光減衰円形曲線部７２側は狭い範囲内での巻き取り及び巻き戻しに変換されるに過ぎないため、変位計測範囲の計測スパンが長くなっても、光減衰円形曲線部７２の巻き数をサイクリックに変化させることになる。従って、変位に対して透過光が飽和することが無くなるため大きい変位を計測できると共に、変位拡大機構５２を利用することによって、微少変位を高感度で検出することが可能となる。
【００７２】
また、斜面８の計測区間の圧縮変位では、前記で説明したとの回転方向が異なるのみで、同様の動作を繰り返すので、その説明を省略する。
【００７３】
上記光変位センサ５１で円盤５４ａの直径を１として大径の第１歯車５４ｃ、小径の第２歯車５６ａおよび円盤７３ａを３：１：２の直径比にすると、配線５３の伸縮変位は光ファイバ２へ６倍に拡大して伝達されるため、従来のＳ／Ｎ比１００／１は機械的に６００／１に向上して計測精度が高くなる。これら直径比により変位拡大率が変更でき、円盤５４ａ、第１歯車５４ｃの直径比を変えれば錘５５の重量や定トルクバネの力も変更可能であることは当然の事である。
【００７４】
なお、この発明は上記発明の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。前記実施の形態では、斜面変位の計測の場合で説明したが、これに限定されるものではなく、例えば水平変位や垂直変位などの２点間変位の計測についても使用できるのは勿論である。
【００７６】
【発明の効果】
以上の記載より明らかなように請求項１、請求項３の発明に係る光変位センサによれば、変位計測範囲の計測スパンが長くなっても、光ファイバ曲率変化部の曲率をサイクリックに変化させることになり、従って、変位に対して透過光が飽和することが無くなるため大きい変位を計測できることが可能となる。
【００７７】
また、請求項２、請求項４の発明に係る光変位センサによれば、２点間の変位例えば斜面の変位を機械的に拡大して光ファイバの曲率を変化させるために高感度・高精度での変位計測が可能となり、光ファイバの曲率をサイクリックに変化させることで変位計測スパンが拡大する。
【００７８】
また、請求項５によれば、計測区間に布設する配線張力を一定に保つことで変位による配線の弛み変化が無くなり高精度での変位計測が可能となる。
【００７９】
本発明の光変位センサは２点間の変位例えば斜面変位の計測のみならず、橋梁、トンネル、ビル等構造物の変位計測にも使用可能で、特に長計測区間の２点間の変位計測に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態−１を示す光変位センサの構造と光センサの斜面設置状況を示した図である。
【図２】この発明の実施の形態−１の光変位センサの変位と透過光強度の関係図である。
【図３】この発明の実施の形態−２を示す光変位センサの構造と光センサの斜面設置状況を示した図である。
【図４】従来式光変位センサの構造と斜面設置状況の概略図である。
【図５】光ファイバループ直径と透過光強度の関係図である。
【符号の説明】
１−１ 従来式光変位センサ
１−２ 従来式光変位センサ
２ 光ファイバ
３ 光ファイバ曲線部
４ 光ファイバ固定部
５ 移動部
６ 引っ張りバネ
７ ワイヤー（斜面用）
８ 斜面
９−１ 計測杭
９−２ 計測杭
１０ 固定部
１１ 光変位センサ
１１ａ ハウジング
１２ 変位拡大機構
１３ 配線
１４ 回転軸
１４ａ 第１円盤
１４ｂ 円盤
１４ｃ 第２円盤
１５ 錘
１５ａ ワイヤー
１６ 伝達部材
１６ａ 連結部
１６ｂ 連結部
１６ｃ ローラ
２１ 変位計測範囲拡大機構
３１ 光ファイバ曲率変化部
３２ 弾性中空筒体
３３ 固定挟圧板
３４ 可動挟圧板
３５ 弾性部材
３６ａ 光コネクタ
３６ｂ 光コネクタ
５１ 光変位センサ
５１ａ ハウジング
５２ 変位拡大機構
５３ 配線
５４ 回転軸
５４ａ 円盤
５４ｂ 円盤
５４ｃ 第１歯車
５４ｄ 歯欠落部
５５ 錘
５５ａ ワイヤー
５６ 回転軸
５６ａ 第２歯車
５６ｂ 円盤
５７ 弾性部材
５７ａ 可動連結部
５７ｂ 固定部
６１ 変位計測範囲拡大機構
７１ 光ファイバ曲率変化部
７２ 光減衰円形曲線部
７２ａ 回転軸
７２ｂ 円盤
７２ｃ 回転バネ
７３ 光非減衰円形曲線部
７３ａ 円盤
７４ａ 光コネクタ
７４ｂ 光コネクタ
Claims (5)
- 光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、前記光ファイバ曲率変化部を、弾性中空筒体の側周面に光ファイバを巻き付けると共に該光ファイバの両側に挟圧板を配置し弾性中空筒体の側周面に巻き付けた光ファイバを変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記挟圧板により両側から断面扁平状に挟圧変形して光ファイバの曲率を変化させる構成にし、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転する第１円盤の回転軸と同軸であって光ファイバ曲率変化部側に通じる第２円盤と、該第２円盤の回転運動を上記挟圧板の片方の往復運動に変換して光ファイバ曲率変化部に伝達する伝達部材とからなる変位計測範囲拡大機構を備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させることを特徴とする光変位センサ。
- 光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、前記光ファイバ曲率変化部を、弾性中空筒体の側周面に光ファイバを巻き付けると共に該光ファイバの両側に挟圧板を配置し弾性中空筒体の側周面に巻き付けた光ファイバを変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記挟圧板により両側から断面扁平状に挟圧変形して光ファイバの曲率を変化させる構成にし、微少変位を高感度で計測するために、変位を拡大すべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転する小径の第１円盤と該第１円盤と同一の回転軸であって光ファイバ曲率変化部側に通じる大径の第２円盤とからなる変位拡大機構と、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、上記第２円盤と該第２円盤の回転運動を上記挟圧板の片方の往復運動に変換して光ファイバ曲率変化部に伝達する伝達部材とからなる変位計測範囲拡大機構とを備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位拡大機構及び変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させることを特徴とする光変位センサ。
- 光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転し且つ第２歯車と一部で非噛合状態を生じさせる歯欠落部を有する第１歯車と、該第１歯車と噛合し光ファイバ曲率変化部側に通じる第２歯車と、非噛合状態の上記第２歯車を初期状態に復帰させる弾性部材とからなる変位計測範囲拡大機構を備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させることを特徴とする光変位センサ。
- 光ファイバ曲率変化部を備え、変位計測区間の変位に連動して光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させて、光ファイバの透過光強度が変化することを利用して変位を計測する光変位センサにおいて、微少変位を高感度で計測するために、変位を拡大すべく、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して回転する大径の第１歯車と該第１歯車と噛合し光ファイバ曲率変化部側に通じる小径の第２歯車とからなる変位拡大機構と、変位計測範囲の計測スパンの拡大のため、一定変位毎に光ファイバの曲率変化方向をサイクリックに反転変化させるべく、上記第２歯車と、該第２歯車と一部で非噛合状態を生じさせる歯欠落部を有する上記第１歯車と、非噛合状態の上記第２歯車を初期状態に復帰させる弾性部材とからなる変位計測範囲拡大機構とを備え、変位計測区間に緊張状態で布設した配線の長さの変位に連動して上記変位拡大機構及び変位計測範囲拡大機構を通じて光ファイバ曲率変化部の光ファイバの曲率を変化させることを特徴とする光変位センサ。
- 高精度で変位を計測するために、変位によって配線の弛み量が変化する事が無いように、緊張状態で布設した配線の張力を一定に保持した請求項１〜請求項４の何れかに記載の光変位センサ。
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