JP6279935B2 - 変位計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体の変位を計測する変位計測装置に係り、特に、構造物の変形によって生じる変位を計測する変位計測装置に関する。

現在、外乱に対する構造物の変位を計測する変位計測装置がある。変位計測装置は、例えば、非特許文献１に記載されている。非特許文献１に記載された変位計測装置は、レーザ変位計を用いた遠隔、非接触の橋梁変位測定システムとして構成されている。
図７（ａ）、（ｂ）は、非特許文献１に記載された従来技術を説明するための図である。従来技術では、ターゲット７０３を橋梁スパンに固定する。また、図７（ａ）に示したように、レーザ光の光源７０１と受光部７０２とを、ターゲット７０３の表面に向けてレーザ光を照射し、その反射光を受光できる位置に設置する。光源７０１は、レーザ光を照射光ｐ１として照射する。照射光ｐ１はターゲット７０３の表面で反射され、反射光ｐ２となって受光部７０２に受光される。

図７（ｂ）に示したように、ターゲット７０３は矢線ｄに示す方向と平行な裏面と、矢線ｄに示す方向に対して傾いた表面７０３ａを有している。表面７０３ａには反射面７０３ｂが複数形成されている。図７（ｂ）においては、表面７０３ａに反射面７０３ｂが設けられてないと仮定した場合の斜面と矢線ｄに示した方向とのなす角度をθとする。変位が生じる以前、光源７０１が反射面７０３ｂに照射光ｐ１を照射すると、照射光ｐ１は表面７０３ａの反射面７０３ｂ＿１に照射される。反射面７０３ｂ＿１に照射された照射光ｐ１は、反射面７０３ｂ＿１で反射され、反射光ｐ２となって図７（ａ）に示した受光部７０２に受光される。

また、変位が生じた後、光源７０１が表面７０３ａに照射光ｐ１を照射すると、照射光ｐ１は表面７０３ａの反射面７０３ｂ＿２に照射される。反射面７０３ｂ＿２に照射された照射光ｐ１は、反射面７０３ｂ＿２で反射され、反射光ｐ２となって図７（ａ）に示した受光部７０２に受光される。このとき、反射光ｐ２が受光部７０２によって受光されるタイミングにより、従来技術では、反射面７０３ｂ＿１と反射面７０３ｂ＿２との高さの相違ΔＬを検出することができる。従来技術は、ΔＬと角度θとの幾何学的な関係を用い、ターゲット７０３が固定された構造物の矢線ｄの方向に生じた変位を検出している。

技術名称：ＤＤシステム，副題：高速サンプリングで測定可能なレーザ変位計を用いた遠隔・非接触型の橋梁変位測定システム，［online］、ＮＥＴＳ新技術情報提供システム、［平成２５年１２月６日検索］、インターネット〈ＵＲＬ；http://www.netis.mlit.go.jp/NetisRev/Search/NtDetail1.asp?REG_NO=KK-080035〉

しかしながら、上記した非特許文献１記載の変位計測装置は、図７（ａ）に示した矢線ｄが示す水平方向の変位を検出できるものの、他の方向に生じた変位を検出することができない。構造物に外力が加わったことによって生じる変位は、当然のことながら水平方向の他、表面７０３ａの紙面奥行方向にも生じる。さらに、構造物は、外力が加わったことによって水平方向ばかりでなく、回転方向にも変位し得る。したがって、非特許文献１に記載の従来技術は、構造物の多方向にわたる変位を観測することができなかった。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、構造物の変位を複数の方向について計測することができる変位計測装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するため、本発明の一態様の変位計測装置は、平面である裏面と、前記裏面に平行な複数の反射面を有する表面と、を有し、前記反射面は、互いに直交するｘ方向及びｙ方向に並ぶことで前記表面においてマトリックス状に配置され、前記裏面と平行な方向に変位が生じ得る一方の側に固定されるターゲットと、前記反射面と直交する光軸を有し、かつ、一つの前記反射面以上の光照射範囲を有する光を前記ターゲットの前記表面に向けて照射し、前記一方の側に対して前記変位が相対的に生じ得る他方の側に固定される光照射部と、前記表面の前記反射面において反射された前記光の反射光を受光する受光面を有し、前記受光面により、予め設定された時間の範囲内で複数の前記反射光が互いに異なるタイミングで受光された場合、各前記反射光の受光タイミングと強度比とを検出する受光部と、を備え、複数の反射面のうちの一つを基準反射面とし、その基準反射面の中心から各反射面の中心までの距離Ｄを、
Ｄ＝（Ｄ _ｘ ^２ ＋Ｄ _ｙ ^２ ） ^１／２ 式（１）
（ただし、Ｄ _ｘ は前記距離Ｄのｘ成分、Ｄ _ｙ は前記距離Ｄのｙ成分である。）
と表したときに、前記（１）式のＤ _ｘ に補正係数Ｃ _ｘ を乗じ、Ｄ _ｙ に補正係数Ｃ _ｙ （ただし、Ｃ _ｘ ≠Ｃ _ｙ ）を乗じて前記式（１）を補正してなる補正後の式（２）によって得られた値を各反射面の高さとすることで、
Ｄ＝｛（Ｃ _ｘ ×Ｄ _ｘ ） ^２ ＋（Ｃ _ｙ ×Ｄ _ｙ ^２ ）｝ ^１／２ 式（２）
前記光照射部によって前記光が同時に照射され得る複数の前記反射面について、前記表面上の基準点からの高さが全て異なっていることを特徴とする。

また、本発明の一態様の変位計測装置は、上記発明において、前記光照射部によって前記ターゲットの前記表面に照射される１つの光照射範囲と前記反射面との形状及びサイズが一致することを特徴とする。

本発明は、構造物の変位を方向毎に計測可能な変位計測装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態の変位計測装置の全体的な構成を説明するための図である。 図１に示したターゲットの表面を説明するための図である。 図１に示したターゲットの面方向の変位を説明するための図である。 図１に示したターゲットの表面における反射の状態を説明するための図である。 図１に示したＣＣＤイメージセンサから出力される信号を説明するための図である。 本発明の第２実施形態の変位計測装置の全体的な構成を説明するための図である。 公知の変位計測装置を説明するための図である。

以下、本発明の第１実施形態、第２実施形態の変位計測装置について説明する。
［第１実施形態］ ・構成
図１は、第１実施形態の変位計装置の全体構成を説明するための図である。図１に示した変位計測装置は、構造物として例えば建物に生じる層間変形によって生じる変位を計測することに適用される。なお、第１実施形態において、構造物の変形によって生じる変位は、外力によって生じる床（以下、「床スラブ」と記す）面１０１と天井面１０２との間の面方向の相対的な変位を指す。

図１に示した変位計測装置は、ターゲット１０４と、レーザ光照射装置１０５と、ハーフミラー１０６と、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ１０３と、を備えている。レーザ光照射装置１０５、ハーフミラー１０６及びＣＣＤイメージセンサ１０３は床スラブ面１０１上に固定され、ターゲット１０４は天井面１０２の床スラブ面１０１上方に固定されている。このような変位計測装置は、床スラブ面１０１と天井面１０２との間の相対的な面方向の変位を検出する。

ターゲット１０４は、平面である裏面１０４ａと、裏面１０４ａに平行な複数の反射面２０４を有する表面１０４ｂと、を有している。
レーザ光照射装置１０５及びハーフミラー１０６は、ターゲット１０４の表面１０４ｂに向けて平行光を照射する光照射部として機能する。平行光の光軸は、反射面２０４と直交する。即ち、図１に示したように、レーザ光照射装置１０５は、図示しない点光源から照射された光をパラボラ反射鏡１０５ａを用いて反射させ、互いに平行な複数の光束を含む照射光ｐ１を生成してハーフミラー１０６の反射面１０６ａに向けて照射する。照射光ｐ１は、図１に示したように、一辺がＳの長さを有する一定の面積の範囲（以下、「光照射範囲」と記す）に照射される。第１実施形態では、反射面２０４が一辺がＳの長さを有する正方形の形状をしていて、１つの光照射範囲と反射面２０４との形状及びサイズが一致する。

ハーフミラー１０６は、照射光ｐ１を反射面１０６ａにおいて反射する。反射された照射光ｐ１は、ターゲット１０４の表面１０４ｂに照射される。そして、照射光ｐ１は、表面１０４ｂ上の反射面２０４において反射され、反射光ｐ２としてＣＣＤイメージセンサ１０３で受光される。
第１実施形態では、ＣＣＤイメージセンサ１０３を二次元のＣＣＤイメージセンサとした。二次元のＣＣＤイメージセンサでは、例えば、受光した光を電荷に変換する複数のフォトトランジスタと、電荷を転送する転送部とが平面上に配置されている。第１実施形態では、複数のフォトトランジスタの光を受光する面全体を、ＣＣＤイメージセンサ１０３の受光面１０３ａと記す。

また、第１実施形態では、ＣＣＤイメージセンサ１０３が受光面１０３ａにおける反射光ｐ２の強度と受光面１０３ａにおいて反射光ｐ２が受光される受光タイミングとを検出する。ＣＣＤイメージセンサ１０３は、反射光ｐ２の強度と受光タイミングとをセンサ信号として外部に出力する。このとき、光照射範囲が複数の反射面にわたって照射され、複数の反射面２０４によって反射された場合、ＣＣＤイメージセンサ１０３は、複数の反射面２０４によって反射され、生成された複数の反射光ｐ２の強度を各々検出する。なお、各反射光ｐ２の強度を検出する具体的な方法については後述する。

また、第１実施形態の変位計測装置は、ＣＣＤイメージセンサ１０３から出力された反射光ｐ２の強度と反射光ｐ２の受光タイミングとに基づいて、床スラブ面１０１、または天井面１０２に相対的に生じる変位を検出する変位検出部１１０を備えている。
第１実施形態では、ターゲット１０４が相対的に変位が生じ得る天井面１０２の側に固定される。レーザ光照射装置１０５、ハーフミラー１０６及びＣＣＤイメージセンサ１０３は、床スラブ面１０１の側に固定される。なお、第１実施形態は、レーザ光照射装置１０５、ハーフミラー１０６及びＣＣＤイメージセンサ１０３を床スラブ面１０１に設け、ターゲット１０４を天井面に設ける構成に限定されるものではない。第１実施形態は、レーザ光照射装置１０５、ハーフミラー１０６及びＣＣＤイメージセンサ１０３を天井面１０２に設け、ターゲット１０４を床スラブ面１０１に設けてもよい。さらに、ターゲット１０４とＣＣＤイメージセンサ１０３との位置関係は、両者を相対的に変位し得る位置に対向するように固定するのであれば、どのようなものであってもよい。さらに、第１実施形態の受光部はＣＣＤイメージセンサに限定されるものでなく、光強度と受光のタイミングとを測定できる素子であればどのような構成であってもよい。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、ターゲット１０４の表面１０４ｂを説明するための図であって、図２（ａ）は表面１０４ｂの上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中に示した矢線Ａ−Ａ’に沿うターゲット１０４の断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）中に示した矢線Ｂ−Ｂ’に沿うターゲット１０４の断面図、図２（ｄ）は照射光ｐ１が照射される光照射範囲を説明するための図である。また、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）中に、ｘ，ｙ，ｚ軸を示す。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したように、表面１０４ｂの表面には裏面１０４ａと平行な反射面２０４がマトリックス状に複数配置されている。複数の反射面２０４は、全て面積及び形状が等しい。ここで、図２（ｂ）を用い、複数の反射面２０４と基準反射面Ｃとの距離（以下、「高さ」と記す）について説明する。図２（ａ）に示すように、第１実施形態では、複数の反射面２０４のうちの図中左下に示した反射面を基準反射面Ｃとし、他の反射面２０４と区別する。

図２（ａ）では、反射面２０４の各々に数字が記されていて、基準反射面Ｃには「０」が記されている。各反射面２０４に記された数字は、反射面２０４の高さｈを示している。図２（ａ）から明らかなように、各反射面２０４の高さｈは、一方向において（一方向毎に）、表面１０４ｂの上面視における基準反射面Ｃからの距離（以下、単に「距離」と記す）に応じて単調に変化する。このように構成することにより、第１実施形態は、反射面２０４の高さをランダムに設定するよりも、ターゲット１０４の設計を容易にすることができる。

第１実施形態では、レーザ光照射装置１０５によって平行光が同時に照射され得る（光照射範囲を同時に含み得る）複数の反射面２０４の高さが全て異なっている。このような構成を実現するため、第１実施形態では、各反射面２０４の距離をｘ成分とｙ成分とに分け、両者に値が異なる補正係数を乗じて各反射面２０４の高さｈを決定している。
即ち、基準反射面Ｃから各反射面２０４までの距離Ｄは、以下の式によって決定される。なお、式（１）では、距離Ｄを、基準反射面Ｃの中心から各反射面２０４の中心までの距離とする。また、Ｄ_ｘは、基準反射面Ｃから各反射面２０４までの距離のｘ成分（ｘ座標）、Ｄ_ｙは、基準反射面Ｃから各反射面２０４までの距離のｙ成分（ｙ座標）である。

Ｄ＝（Ｄ_ｘ ^２＋Ｄ_ｙ ^２）^１／２ 式（１）
第１実施形態では、上記式（１）のＤ_ｘに補正係数Ｃ_ｘ（第１実施形態では「０．５」）を乗じ、Ｄ_ｙに補正係数Ｃ_ｙ（第１実施形態では「１．０」）を乗じて式（１）を補正し、補正後の式（２）によって得られた値を高さｈとする。式（２）は、以下のとおりである（Ｃ_ｘ≠Ｃ_ｙ）。

Ｄ＝｛（Ｃ_ｘ×Ｄ_ｘ）^２＋（Ｃ_ｙ×Ｄ_ｙ ^２）｝^１／２ 式（２）
第１実施形態では、先に述べたように、光照射範囲と反射面２０４とが一致している。このため、照射光ｐ１は、一度に最大４つの反射面２０４に光を照射することができる。第１実施形態は、上記構成により、高さｈが、方向毎に基準反射面Ｃからの距離に比例し、かつ、平行光が同時に照射され得る４つの反射面２０４の間で全て異なるようになる。

このような構成により、第１実施形態は、１つの組合せにおいて反射された反射光が、組合せに含まれる反射面２０４のうちのいずれで反射されたかを確実に判別することができる。
また、平行光が同時に照射され得る４つの反射面２０４の組合せ（以下、単に「組合せ」とも記す）は、表面１０４ｂ上において複数存在し得る。第１実施形態では、上記したように、式（１）のＤ_ｘに補正係数Ｃ_ｘを乗じ、Ｄ_ｙに補正係数Ｃ_ｙを乗じて式（１）を補正し（Ｃ_ｘ≠Ｃ_ｙ）、補正後の式（２）によって得られた値を高さｈとすることにより、複数の組合せのうちの一の組合せと他の組合せとの間で、反射面２０４の高さｈと距離との両方が等しい反射面２０４が含まれることがない。
このような構成により、第１実施形態は、一の組合せと他の組合せとの間において高さｈが等しい反射面２０４が含まれる場合にも、他の反射面２０４の高さが異なるようになる。このため、第１実施形態は、１つの組合せと他の組合せとを確実に判別することができる。

・計測原理
図３から図５は、第１実施形態の変位計測装置が変位を計測する原理を説明するため図である。図３は、床スラブ面１０１に対して天井面１０２に取り付けられたターゲット１０４が相対的に変位している状態を示している。変位の計測に先だって、第１実施形態では、照射光ｐ１が表面１０４ｂ上の特定の反射面にだけ照射されるように、ターゲット１０４とレーザ光照射装置１０５及びハーフミラー１０６とが位置合わせされている。図３に示した変位が生じると、ターゲット１０４は、図中に示したΔｄ分だけ移動する。ターゲット１０４が移動すると、移動前と移動後においてターゲット１０４において照射光ｐ１を反射する位置は変化するが、照射光ｐ１の反射光ｐ２が受光面１０３ａにおいて受光される位置は変化しない。

図４は、ターゲット１０４の表面１０４ｂに設けられた複数の反射の状態を示した図である。ここでは、変位を計測する方法を説明するため、複数の反射面２０４のうち、照射光ｐ１が照射される４つの反射面をそれぞれＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４とする。また、計測の前に照射光ｐ１が照射される反射面を反射面Ａ０とする。
第１実施形態では、構造物に変位が生じる前、照射光ｐ１が反射面Ａ０に受光されるように、レーザ光照射装置１０５及びハーフミラー１０６の位置を設定する。このとき、照射光ｐ１の中心は、反射面Ａ０の中心点Ｄ_ａ０に照射される。第１実施形態では、中心点Ｄ_ａ０の位置を「イニシャル位置」とも記す。照射光ｐ１の中心がイニシャル位置にあるとき、計測される変位量は、原点ｏを基準にした長さＤ_ａ０として表される。第１実施形態では、長さＤ_ａ０のｘ方向の距離Ｄ_ｘ０、ｙ方向の距離Ｄ_ｙ０を予め求めておく。

また、第１実施形態では、予め設定された所定のタイミングからイニシャル位置で反射された反射光ｐ２が受光されるまでの時間ｔ_０を予め計測しておく。第１実施形態では、所定のタイミングから反射光ｐ２が受光されるまでの時間を、以降、反射時間とも記す。
構造物に変位が生じたとき、ターゲット１０４が移動して表面１０４ｂにおける照射光ｐ１の照射位置が変化する。第１実施形態では、図４に示したように、変位前にあってはイニシャル位置に照射されていた照射光ｐ１が、構造物の変位によって反射面Ａ１、Ａ２、Ａ３及び反射面Ａ４のそれぞれ一部に照射されるようになる。

反射面Ａ１、Ａ２、Ａ３及び反射面Ａ４は、図２（ａ）で説明したように、高さｈが互いに全て異なっている。このため、反射面Ａ１、Ａ２、Ａ３及び反射面Ａ４に照射された照射光ｐ１は、照射された反射面の高さｈに応じた異なるタイミングで受光面１０３ａに受光される。第１実施形態は、ＣＣＤイメージセンサ１０３における受光のタイミングと、受光される反射光ｐ２の強度とによって照射光ｐ１が照射された表面１０４ｂの位置を特定する。

図５は、図４に示した反射面Ａ１、Ａ２、Ａ３及び反射面Ａ４において反射された反射光ｐ２を受光したＣＣＤイメージセンサ１０３から出力される信号を示した図である。図５の縦軸は、反射光ｐ２の強度の割合（光照射範囲全体で反射される反射光の強度を「１」とする各反射光の強度の割合であって、以下、「強度比」とも記す）を示し、横軸は反射時間を示している。反射面Ａ１、Ａ２、Ａ３及び反射面Ａ４では、反射面Ａ１が最も反射面Ａ０に近い位置にあり、高さｈが最も小さい。また、反射面Ａ２、Ａ３及び反射面Ａ４では、反射面Ａ４が最も反射面Ａ０から遠い位置にあり、高さｈが最も大きい。

上記した高さｈの相違によって、反射面Ａ１において反射された反射光ｐ２＿１が最も早いタイミングで受光面１０３ａに受光される。また、反射面Ａ２において反射された反射光ｐ２＿２が反射光ｐ２＿１に続いて受光され、次いで反射面Ａ３において反射された反射光ｐ２＿３、反射面Ａ４において反射された反射光ｐ２＿４が受光面１０３ａに受光される。

また、図４に示したように、照射光ｐ１が照射された面積は、反射面Ａ４において最も大きく、次いで反射面Ａ２及び反射面Ａ３において等しく、反射面Ａ１において最も小さい。受光面１０３ａで受光される反射光ｐ２の割合は、照射光ｐ１が各反射面に照射される面積に対応して異なっている。ここでは、反射面Ａ１において反射される反射光ｐ２＿１の強度比をα１％、反射面Ａ２において反射される反射光Ｒ２の強度比をα２％、反射面Ａ３において反射される反射光Ｒ３の強度比をα３％、反射面Ａ４において反射される反射光Ｒ４の強度比をα４％とする。

ＣＣＤイメージセンサ１０３は、反射光ｐ２＿１、ｐ２＿２、ｐ２＿３及びｐ２＿４を順次受光し、各反射光の強度比と受光タイミングとを表す信号を図１に示した変位検出部１１０に順次出力する。
なお、第１実施形態では、反射光ｐ２＿１、ｐ２＿２、ｐ２＿３及びｐ２＿４が予め設定されている比較的短い時間内に受光面１０３ａに受光された場合に限り、上記動作をする。予め設定された比較的短い時間は、反射面２０４間の高さの相違に応じて決定する。このようにすることにより、第１実施形態は、一の組合せの反射面２０４で反射された反射光と他の組合せの反射面で反射された反射光とが混同されることを防ぐことができる。

変位検出部１１０は、先ず、光照射範囲の中心点Ｍ_ｏと、反射面Ａ１、反射面Ａ２、反射面Ａ３及び反射面Ａ４が接する交点Ｎ_ｏとのズレ量ｘ_ｄ、ｙ_ｄを、ｘ方向とｙ方向とに分けて求める（交点Ｎ_ｏを原点とするｘｙ座標）。
具体的には、反射光ｐ２＿１、ｐ２＿２、ｐ２＿３及びｐ２＿４の強度比と光照射範囲の反射面に対する位置とには、以下の式（３）〜（６）に示す関係がある。

ｘ方向
（α３＋α４）×Ｓ^２＝｛（Ｓ／２）＋ｘ_ｄ｝×Ｓ 式（３）
（α１＋α２）×Ｓ^２＝｛（Ｓ／２）−ｘ_ｄ｝×Ｓ 式（４）
ｙ方向
（α２＋α４）×Ｓ^２＝｛（Ｓ／２）＋ｙ_ｄ｝×Ｓ 式（５）
（α１＋α３）×Ｓ^２＝｛（Ｓ／２）−ｙ_ｄ｝×Ｓ 式（６）

第１実施形態では、図５に示したＣＣＤイメージセンサ１０３から出力信号の強度比α１〜α４を得る。光照射範囲の一辺である「Ｓ」の値は既知であるから、第１実施形態では、上記式（３）〜（６）からｘ_ｄ、ｙ_ｄを求めることができる。さらに、第１実施形態では、前述したように、予め求めておいた各反射面２０４の高さｈに応じた反射時間から、反射光ｐ２を反射した複数の反射面のうち、反射面Ａ０と最も距離の短い反射面（第１実施形態では反射面Ａ１）が特定できる。第１実施形態では、反射面Ａ１の中心点Ｄ_ａ１の座標（Ｄ_ａ１ｘ，Ｄ_ａ１ｙ）と、ｘ_ｄ、ｙ_ｄとを使って、点Ｄ_ａ０（Ｄ_ａ０ｘ，Ｄ_ａ０ｙ）から点Ｍ_ｏまでの距離のｘ成分Ｄｘ、ｙ成分Ｄｙを以下の式（７）、（８）によって求めることができる。

Ｄ_ｘ＝（Ｄ_ａ１ｘ−Ｄ_ａ０ｘ）＋（Ｓ／２）＋ｘ_ｄ 式（７）
Ｄ_ｙ＝（Ｄ_ａ１ｙ−Ｄ_ａ０ｙ）＋（Ｓ／２）＋ｘ_ｙ 式（８）
以上説明したように、第１実施形態によれば、構造物の層間変形によって生じる面方向の変位をｘ方向、ｙ方向毎に計測可能である。このような第１実施形態は、面方向に生じる構造物の変位を高精度に計測することができる。

なお、第１実施形態は、上記した構成に限定されるものではない。例えば、第１実施形態は、反射面２０４の高さが方向毎に基準反射面Ｃからの距離に比例して小さくなるものであってもよい。さらに、基準反射面Ｃは、複数の反射面のうちの端部にある反射面に限定されるものでなく、表面１０４ｂ上に設けられた反射面２０４のいずれであってもよい。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお、第２実施形態において、構造物の変形によって生じる変位は、外力によって生じる床スラブ面１０１と天井面１０２との間の回転方向の相対的な変位を指す。

図６は、本発明の第２実施形態の変位計測装置の構成及び計測原理を説明するための図である。図６において、第１実施形態で図示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を略す。第２実施形態の変位計測装置は、ターゲット１０４と、ハーフミラー１０６と、ＣＣＤイメージセンサ１０３と、を備えている。ターゲット１０４は、第１実施形態と同様に、平面である裏面１０４ａと、裏面１０４ａに対して一定の傾きを有することにより裏面１０４ａとの距離が一方向ｄ１に単調に変化する表面１０４ｂと、を有する。表面１０４ｂは、裏面１０４ａと平行な反射面２０４を複数備えている。

なお、第２実施形態では、レーザ光照射装置１０５は図示されていないが、第２実施形態の変位計測装置は、図１に示したレーザ光照射装置１０５によって光をハーフミラー１０６が平行光にしてターゲット１０４に照射している。レーザ光照射装置１０５、ハーフミラー１０６及びＣＣＤイメージセンサ１０３は床スラブ面１０１上に固定され、ターゲット１０４は天井面１０２の床スラブ面１０１上方に固定されている。

建物に外力が加わると、天井面１０２が床スラブ面１０１に対して相対的に回転方向に変位する。図６に示したように、天井面１０２の側に固定されたターゲット１０４の回転は、裏面１０４ａと平行であって、かつｄ１の方向と直交する軸ａを中心にして生じ得る。また、第２実施形態の変位計測装置は相対的な回転を計測するものであるから、第２実施形態は、ターゲット１０４を床スラブ面１０１の側に固定し、ハーフミラー１０６、ＣＣＤイメージセンサ１０３及びレーザ光照射装置１０５を天井面１０２の側に固定するようにしてもよい。

・計測原理
天井面１０２に回転方向の変位が生じると、天井面１０２に固定されているターゲット１０４も床スラブ面１０１に対して回転方向に変位する。第２実施形態では、図６に示したように、天井面１０２に生じた回転方向の変位によってターゲット１０４の裏面１０４ａと変位前の天井面１０２との間に角度φが生じる。このような変位を、「回転角φの変位」とも記す。

ターゲット１０４に回転方向の変位が生じていない場合、ターゲット１０４の表面１０４ｂに照射された照射光ｐ１は、表面１０４ｂにおいて反射され、反射光ｐ２として図６中に示した受光面１０３ａで受光される。このとき、照射光ｐ１の光軸と反射光ｐ２の光軸とは一致している。図２（ｄ）で示したように、照射光ｐ１の照射範囲は一辺をＳとする矩形形状を有していて、反射光ｐ２の受光面１０３ａに対する照射範囲に等しい。図６に示した範囲Ｓは、反射光ｐ２の受光面１０３ａに対する照射範囲を図６中に示したｘ方向から見た場合の長さを表す。

一方、ターゲット１０４に回転角φの変位が生じた場合、表面１０４ｂは天井面１０２に対して角度φを有するように傾く。このため、反射光ｐ２２は、受光面１０３ａにおける範囲Ｓ’で受光されるようになる。範囲Ｓ’は、反射光ｐ２２が受光面１０３ａにおいて受光された範囲を図６中に示したｘ方向から見た場合の長さを示す。

図６中に示した直線ｌ１の長さは、以下の式（９）によって表される。
ｌ１＝Ｓ／ｃｏｓ（θ＋φ） 式（９）
なお、式（９）中の角度θは、ターゲット１０４の表面１０４ｂに反射面２０４がないと仮定した場合に得られる仮想的な斜面と裏面１０４ａとがなす角度である。
また、図６中に示したｌ２の長さは、以下の式（１０）によって表される。
ｌ２＝ｌ１×ｃｏｓθ＝Ｓｃｏｓθ／ｃｏｓ（θ＋φ） 式（１０）
そして、範囲Ｓ’は、長さｌ２より、以下の式（１１）によって求められる。
Ｓ´＝ｌ２／ｃｏｓφ＝Ｓ・ｃｏｓθ／｛ｃｏｓφ・ｃｏｓ（θ＋φ）｝ 式（１１）
上記した式（１１）中の範囲Ｓと範囲Ｓ’は計測によって得られる。また、角度θは、ターゲット１０４の設計値より既知である。したがって、上記式（１１）に範囲Ｓ、範囲Ｓ’、角度θの値を代入することにより、ターゲット１０４の回転角φを計測することができる。

以上説明したように、第２実施形態によれば、構造物の回転方向の変位が計測可能であるという効果を有する。
第２実施形態は、上記した構成に限定されるものではない。例えば、第２実施形態は、複数の反射面が設けられた表面を有するターゲットを使用するものに限定されるものではなく、ターゲットは、表面の裏面に対する高さが少なくとも一方向に単調に変化するものであればよい。なお、このようなターゲットを用いた場合、第２実施形態では、範囲Ｓが上記した式（９）から式（１１）とは別の式によって求められることは言うまでもない。

本発明の変位計測装置は、構造物に外力が加わった際に構造物に生じる変位を計測するどのような分野にも適用できる。また、本発明の変位計測装置は、物品の搬送時に物品にかかる「揺れ」を計測することに適用することができる。

１０１：床スラブ面、１０２：天井面、１０３：ＣＣＤイメージセンサ
１０３ａ：受光面、１０４：ターゲット、１０４ａ：裏面
１０４ｂ：表面、１０５：レーザ光照射装置
１０５ａ：パラボラ反射鏡、１０６：ハーフミラー、１０６ａ：反射面
１１０：変位検出部、２０４：反射面

Claims (2)

1. 平面である裏面と、前記裏面に平行な複数の反射面を有する表面と、を有し、前記反射面は、互いに直交するｘ方向及びｙ方向に並ぶことで前記表面においてマトリックス状に配置され、前記裏面と平行な方向に変位が生じ得る一方の側に固定されるターゲットと、
   前記反射面と直交する光軸を有し、かつ、一つの前記反射面以上の光照射範囲を有する光を前記ターゲットの前記表面に向けて照射し、前記一方の側に対して前記変位が相対的に生じ得る他方の側に固定される光照射部と、
   前記表面の前記反射面において反射された前記光の反射光を受光する受光面を有し、前記受光面により、予め設定された時間の範囲内で複数の前記反射光が互いに異なるタイミングで受光された場合、各前記反射光の受光タイミングと強度比とを検出する受光部と、
   を備え、
   複数の反射面のうちの一つを基準反射面とし、その基準反射面の中心から各反射面の中心までの距離Ｄを、
   Ｄ＝（Ｄ _ｘ ^２ ＋Ｄ _ｙ ^２ ） ^１／２ 式（１）
   （ただし、Ｄ _ｘ は前記距離Ｄのｘ成分、Ｄ _ｙ は前記距離Ｄのｙ成分である。）
   と表したときに、
   前記（１）式のＤ _ｘ に補正係数Ｃ _ｘ を乗じ、Ｄ _ｙ に補正係数Ｃ _ｙ （ただし、Ｃ _ｘ ≠Ｃ _ｙ ）を乗じて前記式（１）を補正してなる補正後の式（２）によって得られた値を各反射面の高さとすることで、
   Ｄ＝｛（Ｃ _ｘ ×Ｄ _ｘ ） ^２ ＋（Ｃ _ｙ ×Ｄ _ｙ ^２ ）｝ ^１／２ 式（２）
   前記光照射部によって前記光が同時に照射され得る複数の前記反射面について、前記表面上の基準点からの高さが全て異なっていることを特徴とする変位計測装置。
2. 前記光照射部によって前記ターゲットの前記表面に照射される１つの光照射範囲と前記反射面との形状及びサイズが一致することを特徴とする請求項１に記載の変位計測装置。

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