JP6349267B2 - 三次元変位計測装置と三次元変位計測システム - Google Patents

Description

本発明は、三次元変位計測装置とこれを備えた免震装置に関するものであり、例えば建物や橋梁等の各種建築物において相対変位する被測定対象物の一方と他方に取り付けた免震ダンパーの変形量を検出するようにした三次元変位計測装置と三次元変位計測システムに関する。

従来、地震に備えて、例えばビル等の建物や橋梁等の各種建築物において地盤側に設置された下部構造体と構築物側に設置した上部構造体との間に免震装置として免震ダンパーを設置したものが知られている。免震ダンパーとして例えば図１３に示すようなＵ字型のダンパー１００を設置したものがあり、上下のベースプレート（支持基盤）１０１、１０２に略Ｕ型ダンパー１００の両端を連結したものを水平方向に例えば９０度間隔や６０度間隔で設置している。なお、上部ベースプレート１０１は上部構造体に設置され、下部ベースプレート１０２は下部構造体に設置されている。

そして、地震時に３６０度方向の振動による変形に対してＵ型ダンパーに生じる歪みを局部的に集中させずにＵ型ダンパー全体に分散させて塑性化させることにより、塑性履歴を利用して地震エネルギーを吸収し、建築物の耐震・制震性能を向上させている。Ｕ型ダンパー１００は大地震時に３０ｃｍ以上大きく変形するため、Ｕ型ダンパー１００の歪みが約１０％となって繰り返される極低サイクル疲労領域の過酷な使い方をする。

免震用のＵ型ダンパーは地震発生時に鋼材変形を繰り返すことになるが、Ｕ型ダンパーの健全性確保のために、最大変形量や累積変形量が所定値となった時点で交換を行っている。そのため、Ｕ型ダンパーの変形量の把握・検出が必要になる。
従来、２点間の相対変位を三次元座標で動的に測定するシステムとして、超音波や光、レーザ光等を用いた非接触式の変位計測システムが知られている。これらの変位計測システムは高精度が得られる一方で高価であり、サイズも大きいという欠点がある。

また、比較的低廉な接触型の変位計を備えた変位計測装置として、例えば特許文献１及び２に記載されたものが提案されている。特許文献１に記載された変位計測システムは、垂直軸と水平軸を備えた回転体にロッドを備えて、ロッドの先端を配管に係止させ、後端にワイヤを連結させている。そして、ワイヤの直線移動と水平軸及び垂直軸の回転角をポテンショメータで測定している。
また、特許文献２に記載された変位計測装置は、水平軸と垂直軸を有するジンバル機構を備えたセンサ本体を一方の被測定対象物に取り付け、連結ロッドの先端に連結した測定子を他方の被測定対象物の変動部に取り付ける。そして、測定子が変動部からの振動や変位を受けると水平軸と垂直軸を中心として回転し、連結ロッドも伸縮することで変動部の振動や変位に追従して、それぞれ変位を検出するようにしている。

特開平８−２３３５６９号公報 特開２００７−３１５８１５号公報

ところで、Ｕ型ダンパーは上下のベースプレート１０１、１０２の間隔が２００ｍｍ〜３００ｍｍ程度と狭く変形量が最大±８００ｍｍ程度と大きいため、上下のベースプレート１０１、１０２間の狭い空間に長いストロークの変位計測が可能なセンサが必要である。一方、特許文献１及び２に記載された装置では、各ロッドを短く且つ多段構造にして長く延びる必要があるため、構造が複雑になり、製作が難しい上に製作費用も高価になる欠点がある。また、ロッドを多段に構成すると基部側のロッドの径が大きくなり、ロッドがセンサの動きを邪魔するだけでなく、変形したダンパーと接触してセンサを破損する恐れもあった。

これに対し、図１４、図１５に示すように、特許文献２に示す三次元変位計測システムにおいて、上述した不具合を改善するために、ロッドに変えてワイヤ１０６を設置して、ワイヤ１０６の上端に上部ベースプレート１０１に設けた測定子１０５を連結し、下端にセンサ本体１０７を連結した三次元変位計測装置１０８を下部ベースプレート１０２に設置したものが考えられる。

このような三次元変位計測装置１０８によれば、構造が簡単になる上にダンパー１００との接触の可能性も小さくなる。しかしながら、測定子１０５及びワイヤ１０６の移動に対してセンサ本体１０７の重量の慣性、水平軸や垂直軸を備えた各回転部材の摺動部の摩擦、配線ケーブルの張力によるセンサ本体１０７の追従性が低下するため、回転部材や変位計等を備えたセンサ本体１０７の回転が遅れ（図１５（ａ）、（ｂ）参照）、測定子１０５やワイヤ１０６の延長線からずれてしまい、計測精度が悪くなるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、測定子の変位に追従して精度よく三次元の変位量を計測できるようにした三次元変位計測装置と三次元変位計測システムを提供することを目的とする。

本発明による三次元変位計測装置は、相対変位する被測定対象物の一方に取り付けられたセンサ本体と、前記センサ本体に設けられていて互いに直交する２軸方向に回転可能なジンバル機構によって支持された変位計と、前記変位計によってその伸縮量を計測可能であって伸縮可能な計測用ワイヤと、前記計測用ワイヤの他端に連結されていて前記被測定対象物の他方に取り付けられた測定子と、前記変位計に連結されるとともに所定の張力を有している複数の牽引用ワイヤと、前記牽引用ワイヤを案内すると共に前記被測定対象物の他方または測定子に取り付けられた複数のプーリーと、前記牽引用ワイヤを、前記プーリーを介して牽引して繰り出し可能な複数の牽引巻き取り手段と、前記計測用ワイヤの互いに直交する前記２軸方向の回転角度をそれぞれ検出する第１角度検出器及び第２角度検出器とを備え、前記第１角度検出器及び第２角度検出器でそれぞれ計測される前記計測用ワイヤの回転角度と前記変位計で計測される前記計測用ワイヤの伸縮量とに基づいて前記被測定対象物の相対的な三次元変位を計測するようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、地震等によって、他方の被測定対象物に取り付けた測定子が他方の被測定対象物に沿って相対変位すると、変位計に設けた計測用ワイヤがジンバル機構で直交する２軸方向に追従して所要角度回転すると共に更に変位計から計測用ワイヤが所要長さ延びることになり、しかも計測用ワイヤの近傍に張力が大きい牽引用ワイヤとプーリーとを設けて牽引巻き取り手段で張力を確保することで、変位計が計測用ワイヤの相対変位と２軸方向の回転に同期して追従して変位及び回転するため、計測用ワイヤの三次元変位を第１角度検出器及び第２角度検出器と変位計に伝達して精度よく計測できる。
なお、牽引用ワイヤとプーリーと牽引巻き取り手段とは補助ガイド部材に含まれる。

また、牽引巻き取り手段は、前記牽引用ワイヤをぜんまい等の弾性復帰手段を用いて牽引していることが好ましい。
これによって、牽引用ワイヤを牽引巻き取り手段の弾性復帰手段によって牽引できるため、一方と他方の被測定対象物の相対変位に同期して牽引用ワイヤと共に計測用ワイヤを変位させることができる。

また、ジンバル機構は、第一回転軸と第一回転軸に直交する第二回転軸の２軸を備え、第一回転軸は変位計と第二回転軸とを回転可能に支持し、第二回転軸は変位計を回転可能に支持するようにしてもよい。
測定子の相対変位に応じて、変位計をジンバル機構の第一回転軸と第二回転軸に沿って所要量回転させることができ、測定子の相対変位に対する変位計と計測用ワイヤの追従性が高い。

また、第１角度検出器及び第２角度検出器は、抵抗素子またはホール素子を用いたポテンショメータであってもよい。あるいは、第１角度検出器及び第２角度検出器は、ロータリエンコーダであってもよい。

また、変位計は、直動型変位計であってもよく、またワイヤ式変位計であってもよい。

本発明による三次元変位計測システムは、上述したいずれかに記載された三次元変位計測装置を備えていて、第１角度検出器、第２角度検出器及び変位計から出力される変位情報をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号を三次元座標に変換して変位方向と変位量を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明による三次元変位計測システムによれば、三次元変位計測装置で計測した計測用ワイヤの伸縮量と互いに直交する２軸方向の回転角度の変位情報に基づいて、Ａ／Ｄ変換器と演算手段によって三次元座標を演算して変位方向と変位量を算出することができる。

本発明による三次元変位計測システムは、上述したいずれかに記載された三次元変位計測装置を備えていて、被測定対象物の一方は建築物の下部構造体に取り付ける下部ベースプレートであり、他方は上部構造体に取り付ける上部ベースプレートであり、下部ベースプレートと上部ベースプレートの間に免震ダンパーを設置したことを特徴とする。
本発明によれば、三次元変位計測装置によって計測した計測用ワイヤの伸縮量と互いに直交する２軸方向の回転角度に基づいて建築物における下部構造体と上部構造体の相対変位量を検出することができる。

本発明による三次元変位計測装置と三次元変位計測システムは、三次元方向に変位可能な測定子に対して、牽引用ワイヤとプーリーと牽引巻き取り手段によって、計測用ワイヤと変位計の追従性を良好に維持できるので、被測定対象物の一方と他方との間の三次元方向の変位方向と変位量を精度よく計測できる。

本発明の第一実施形態による三次元変位計測装置の要部斜視図である。 図１に示す三次元変位計測装置の初期位置を示す第二回転軸方向から見た図である。 図１に示す三次元変位計測装置の測定子が変位した位置を示す第二回転軸方向から見た図である。 三次元変位計測装置で計測する三次元変位計測システムのブロック図である。 測定子の三次元座標位置を三面図に投影した状態を示す概念図である。 本発明の第二実施形態による三次元変位計測装置の要部を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 第二実施形態による三次元変位計測装置において上部ベースプレートの変位に応じてワイヤと多段アームが変位した状態を示す側面図であり，（ａ）は変位が小さい状態、（ｂ）は変位が大きい状態の図である。 第三実施形態による三次元変位計測装置の要部斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は図８に示す三次元変位計測装置のプーリー及びプーリーの固定部材の回転軸方向と回転軸に直交する方向を示す比較図である。 図９に示す三次元変位計測装置を示す図であり、（ａ）は初期状態、（ｂ）は変位状態を示す図である。 第四実施形態による三次元変位計測装置の要部斜視図である。 変形例による三次元変位計測装置の要部構成図である。 建物の上下ベースプレート間に設置したＵ型ダンパーの地震時の変位を示す側面図であり、（ａ）は初期状態、（ｂ）は地震による変位状態を示す図である。 従来技術に関連する三次元変位計測装置をＵ型ダンパーに設置した状態を示す図である。 図１４に示す三次元変位計測装置を示すものであり、（ａ）は初期状態、（ｂ）は地震による変形状態を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の各実施形態による三次元変位計測装置と三次元変位計測システムについて説明するが、上述した従来技術と同一の部材には同一の符号を用いて説明する。
図１乃至図３に示す第一実施形態による三次元変位計測装置１は、例えばＵ型ダンパー１００の下部ベースプレート１０２と上部ベースプレート１０１との間に設置されて、Ｕ型ダンパー１００の最大変形量や累積変形量等を計測してＵ型ダンパー１００の交換時期を推定する等のために用いられる。この三次元変位計測装置１は下部ベースプレート１０２に設置されるセンサ本体２を備え、センサ本体２と上部ベースプレート１０１に設置される測定子３との２点間の相対変位を計測することで、上下部ベースプレート１０１，１０２の相対変位を三次元座標で計測するようになっている。

センサ本体２は基板６が下部ベースプレート１０２上に固定され、基板６上の一対の柱部７間に四角形枠状の枠体８を設け、枠体８は一方の対向する一対の枠部８ａと柱部７とにそれぞれ設けた第一回転軸９によってφ方向に任意の角度回転可能とされている。枠体８の他方の対向する一対の枠部８ｂ間に変位計１０を設け、変位計１０は一対の枠部８ｂをそれぞれ貫通する第二回転軸１１によってθ方向に任意の角度回転可能に支持されている。第一回転軸９と第二回転軸１１とは例えば同一平面内で互いに直交する方向に配設されている。
そのため、センサ本体２は、互いに直交する第一回転軸９と第二回転軸１１によって変位計１０を各軸周りに回転可能に支持しており、且つ各軸９，１１の延長線が１点で交わる機構であるジンバル機構１２を備えている。

そして、第一回転軸９の一端部には変位計１０の回転角度φを検出するための第１角度検出器１３が設置され、第二回転軸１１の一端部には変位計１０の回転角度θを検出するための第２角度検出器１４が設置されている。第１角度検出器１３と第２角度検出器１４は第一回転軸９と第二回転軸１１に抵抗素子またはホール素子を用いたポテンショメータを備えており、あるいはロータリエンコーダを備えていてもよい。第１角度検出器１３は変位計１０と枠体８との水平位置を基準として第一回転軸９の回転角度φをφ成分として計測可能としている。また、第２角度検出器１４は変位計１０の水平位置を基準として第二回転軸１１の回転角度θをθ成分として計測可能としている。

また、変位計１０は上面に支持部１５が設置され、支持部１５から計測用ワイヤ１６が引き出し可能とされ、計測用ワイヤ１６の先端部が測定子３に接続されている。変位計１０の筐体１０ａ内には計測用ワイヤ１６を巻き取り可能な巻き取りドラムと、計測用ワイヤ１６を巻き取りドラムに巻き込む方向に付勢する渦巻ばねとが内蔵されており、測定子３を取り付けた上部ベースプレート１０１の変位によって計測用ワイヤ１６が伸縮可能とされている。なお、測定子３は上部ベースプレート１０１に対して例えば自在継手等によって回転可能に支持されている。
しかも、変位計１０は筐体１０ａ内に巻き取りドラムの回転軸と一体に回転するワイヤ式変位計または直動型変位計を備えており、計測用ワイヤ１６の引き出し長さをｒ成分として検出可能としている。計測用ワイヤ１６の延長線は第一回転軸９及び第二回転軸１１の延長線と１点で交わる原点とされ、第一回転軸９、第二回転軸１１、計測用ワイヤ１６は１個の動径(引き出し長さ)ｒと２個の偏角(回転角度)θ，φからなる三次元極座標系を構成している。この三次元極座標系は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸からなる三次元直交座標系に変換することができる（図５参照）。

また、変位計１０の支持部１５と測定子３との間には計測用ワイヤ１６の周囲に任意の複数本、例えば４本の屈曲可能なアーム１８が配設され、パンタグラフ状に伸縮可能に形成されている。各アーム１８は長手方向中央の軸部１８ａで自由に折り曲げ可能であり、計測用ワイヤ１６の周囲に所定間隔、例えば９０度間隔で配列されている。アーム１８は金属などの剛性の高い高強度の部材で形成され、各アーム１８の両端部は例えば軸受によって支持部１５と測定子３にそれぞれ連結されている。

そのため、図２に示す初期位置では、上下部ベースプレート１０１，１０２は変位しておらず、計測用ワイヤ１６は上部ベースプレート１０１に垂直な方向に位置している。そして、地震時に上部ベースプレート１０１が下部ベースプレート１０２に対して相対移動した場合には、センサ本体２の変位計１０が第一及び第二回転軸９、１１回りに傾斜する。図３に示す例では、第二回転軸１１が角度θ傾斜するとともに、測定子３の水平移動に追従して移動するにしたがって計測用ワイヤ１６が伸長することで、その周囲のアーム１８の曲げ角が大きく直線に近い形状に変形する。

図４に示すように、三次元変位計測装置１に設けた第一回転軸９の傾斜角度φを計測する第１角度検出器１３と、第二回転軸１１の傾斜角度θを計測する第２角度検出器１４と、第一及び第二回転軸９，１３に直交するｒ成分の長さを計測する変位計１０を備えたセンサ部２１を備えている。
また、三次元変位計測装置１のセンサ部２１には測定記録部２３が電気的に接続されており、第１角度検出器１３と第２角度検出器１４と変位計１０から出力されたφ、θ、ｒの各成分の変位情報を入力してＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２４と、デジタル信号に変換された各信号を演算する演算部２５と、演算結果の情報を例えば三次元直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）として記録したり印刷したりする記録部２６とを備えている。更にセンサ部２１に電力を供給する電源部２７を備えている。
これらセンサ部２１を備えた三次元変位計測装置１と測定記録部２３とを含めて三次元変位計測システム２０を構成する。

ここで、図１に示す三次元変位計測装置１におけるセンサ本体２の運動支点、すなわち第一回転軸９、第二回転軸１１、計測用ワイヤ１６の各延長線の交差点を原点とした三次元極座標系をとり、計測用ワイヤ１６の先端部に連結した測定子３の中心（自在継手がボールジョイントであればその中心）を測定点とする。
そして、図５において、第１角度検出器１３で検出する角度φと第２角度検出器１４で検出する角度θと変位計１０で検出する計測用ワイヤ１６の伸縮長さｒとを随時計測することで、測定点の三次元極座標系における位置を特定できる。更に、計測して求めた各値ｒ，θ，φを三次元直交座標系におけるＸ−Ｚ座標面、Ｙ−Ｚ座標面にそれぞれ投影することにより、原点からの長さｘ，ｙ，ｚを随時演算することで測定点の三次元直交座標系における位置に変換できる。

本実施形態による三次元変位計測装置１は上述の構成を備えており、次に三次元変位計測装置１の使用方法について説明する。
本実施形態による三次元変位計測装置１は免震装置であるＵ型ダンパー１００の下部ベースプレート１０２上に設置され、測定子３は上部ベースプレート１０１に回転自在に支承されている。そして、地震が発生した場合、建物や橋梁等の建築物が水平３６０度全方向の変形に対して、Ｕ型ダンパー１００に生じる歪みを局部的に集中させずに全体に分散させ塑性化させることで塑性履歴を利用して地震エネルギーを吸収し、建築物の耐震制震性能を向上させる。このようなダンパー１００の歪みや塑性変形量や累積変形量を三次元変位計測システム２０によって計測する。

図１及び図２に示す初期位置では、上下部ベースプレート１０１，１０２は変位しておらず、第一及び第二回転軸９、１１は変位計１０が水平状態で計測用ワイヤ１６が上部ベースプレート１０１に垂直な方向に延びている。そして、図３に示すように、地震発生時に上部ベースプレート１０１が下部ベースプレート１０２に対して相対移動した場合には、測定子３が追従して上部ベースプレート１０１と共に相対移動する。

例えば、上部ベースプレート１０１が下部ベースプレート１０２に対して第一回転軸９に直交する方向に相対変位する場合、測定子３に連動して、変位計１０の計測用ワイヤ１６が支持部１５を通して引き出されると共に、測定子３の移動と一体に計測用ワイヤ１６を囲うパンタグラフ状の剛性の高いアーム１８が計測用ワイヤ１６に伸長と傾斜に沿って略直線状に近い形状に伸長しながら傾斜していく。そのため、アーム１８の下端部が支持される支持部１５を備えた変位計１０がアーム１８に引っ張られて第二回転軸１１を中心にして所要角度θ回転する。

例えば、上部ベースプレート１０１が下部ベースプレート１０２に対して任意の方向に相対変位した場合、測定子３に連動して、変位計１０の計測用ワイヤ１６が支持部１５を通して引き出されると共に、測定子３の移動と一体に計測用ワイヤ１６を囲うパンタグラフ状の剛性の高いアーム１８が計測用ワイヤ１６の伸長と傾斜に沿って屈曲部を伸長させながら追従して傾斜していく。そのため、アーム１８の下端部が支持される支持部１５を備えた変位計１０がアーム１８に引っ張られて、第一回転軸９と第二回転軸１１を中心にして互いに直交する方向に所要角度φ、θ回転する。そのため、測定子３と計測用ワイヤ１６及びアーム１８と変位計１０とは互いに略直線状の配置を維持しながら同期して傾斜する。
そのため、センサ本体２における変位計１の重量による慣性や、変位計１０の回転時の摺動部分の摩擦等による変位計１０の回転の遅れを生じない。

このように、地震の振動によって、第一及び第二回転軸９、１１を備えた変位計１０、計測用ワイヤ１６が同期して相対変位すると、図４に示すセンサ部２１において、第１角度検出器１３、第２角度検出器１４、変位計１０で計測用ワイヤ１６の傾斜角度φ、θ、伸縮長さｒを同時に精度よく検出できる。そして、これらの測定データをアナログ信号としてセンサ部２１の外部に設置した測定記録部２３に入力し、Ａ／Ｄ変換器２４でＡ／Ｄ変換し、演算部２５で次式によって演算することで、測定子３の測定点の三次元直交座標系における座標（ｘ、ｙ、ｚ）、そして変位方向と変位量を得られる。

上述のように、本第一実施形態による三次元変位計測装置１及び三次元変位計測システム２０によれば、測定子３と変位計１０を連結する伸縮成分として計測用ワイヤ１６とアーム１８を用いたことで、計測用ワイヤ１６の傾斜角度φ、θ、伸縮長さｒを計測でき、更に測定子３の測定点の座標（ｘ、ｙ、ｚ）や変位方向と変位量を得られる。
しかも、計測用ワイヤ１６の周囲にパンタグラフ形状のアーム１８を取り付けて測定子３の相対変位に同期して変位計１０を追従させて第一及び第二回転軸９，１１回りに回転させるようにしたから、短時間で精度良く測定子３の三次元方向の変位を計測できる。そのため、ダンパー１００の最大変形量や累積変形量を精度良く測定して交換時期を高精度に推定できる。また、ロッドに変えて計測用ワイヤ１６を用い、その周囲のアーム１８は測定子３の変位が大きければ計測用ワイヤ１６に近接する方向にすぼんで小径化するため、地震時にＵ型ダンパー１００に接触のおそれがなく、三次元変位計測装置１を損傷するおそれがない。

なお、本発明は上述の第一実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で上述した実施形態の構成を適宜変更したり置換したりすることができる。これらの構成も本発明の範囲に含まれる。
例えば、上述した実施形態による三次元変位計測装置１では、下部ベースプレート１０２にセンサ本体２の基板６を設置し、上部ベースプレート１０１に測定子３を設置した構成としたが、これとは逆に上部ベースプレート１０１にセンサ本体２の基板６を設置し、下部ベースプレート１０２に測定子３を設置する構成を採用してもよい。この場合には、センサ本体２に設置した変位計１０が地盤等に設けた下部ベースプレート１０２から離間するため、地表等から離間することになり、湿気等による変位計１０の誤作動や破損等を生じ難い利点がある。後述する他の実施形態や変形例でも同様である。

次に図６及び図７により、本発明の第二実施形態による三次元変位計測装置を説明するが、第一実施形態に用いた部品や部材等は同一符号を用いて説明するものとする。
本第二実施形態による三次元変位計測装置３０は、下部ベースプレート１０２にセンサ本体２のジンバル機構３１を備えており、このジンバル機構３１は第一実施形態と同様に互いに直交する第一回転軸９と第二回転軸１１を備えていて、変位計１０を互いに直交する上下方向に回転可能としているが、図６及び図７では簡略化して示されている。

また、図６，７において、上部ベースプレート１０１と測定子３を接続する連結部材３２は測定子３との連結部に自在継手を備えているものとする。そして、変位計１０の上面の支持部１５には第一アーム受け部材３４が連結され、測定子３にも第二アーム受け部材３５が連結されている。
これら第一及び第二アーム受け部材３４、３５の間にはマジックハンド状の多段アーム３６が取り付けられており、一対のアーム部３７ａ、３７ｂを交差させて中央の支軸３７ｃで回転可能に軸支したものを両端部で軸ピン３７ｄによって順次回動可能に多数本連結している。本実施形態では、多段アーム３６は第一及び第二アーム受け部材３４，３５の両側に２組設けているが、高強度であれば１組だけでもよい。

しかも、図７に示すように、この多段アーム３６の一端（変位計１０側）では、一方のアーム部３７ａのピン３９が第一アーム受け部材３４に回転可能に支持され、他方のアーム部３７ｂのピン４０は第一アーム受け部材３４に形成した溝部３４ａ内に摺動可能に支持されている。また、多段アーム３６の他端（測定子３側）では、一方のアーム部３７ｂのピン４１が第二アーム受け部材３５に回転可能に支持され、他方のアーム部３７ａのピン４２は第二アーム受け部材３５に形成した溝部３５ａ内に摺動可能に支持されている。
また、多段アーム３６は計測用ワイヤ１６と略平行な状態を維持しながら伸縮することで、計測用ワイヤ１６の傾斜や伸縮に同期して変位計１０を追従させて、第一回転軸９及び第二回転軸１１を所要角度φ、θだけ傾斜させることができる。
また、計測用ワイヤ１６の延長線は、第一実施形態と同様に、第一回転軸９及び第二回転軸１１と原点で互いに直交して交差する図５に示すＸ，Ｙ，Ｚ軸の三次元直交座標系を構成する。

そのため、本実施形態による三次元変位計測装置３０では、変位のない初期状態では、図６（ａ）、（ｂ）に示すように多段アーム３６は各アーム部３７ａ、３７ｂ同士が互いに近接した圧縮状態にある。そして、地震の際に、図７（ａ）に示すように変位が比較的小さい場合には、変位計１０が第一及び第二回転軸９、１１回りに所定角度φ、θだけそれぞれ回転し、計測用ワイヤ１６のわずかな伸張と傾斜に沿って多段アーム３６は各アーム部３７ａ、３７ｂがわずかに離間した状態で傾斜させられる。

また、変位が比較的大きい場合には、図７（ｂ）に示すように、変位計１０が第一及び第二回転軸９、１１回りに所定角度φ、θだけそれぞれ回転し、更に計測用ワイヤ１６が傾斜して大きく伸張すると共に、多段アーム３６は各対のアーム部３７ａ、３７ｂが比較的小さな交差角を形成するように伸長した状態で傾斜させられる。
しかも、センサ部２１で計測した各測定値φ、θ、ｒに基づいて測定記録部２３によって測定子３の三次元直交座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）を演算することができる。

このようにして、本第二実施形態による三次元変位計測装置３０と三次元変位計測システム２０によれば、支持部１５と測定子３に両端が連結された多段アーム３６によって変位計１０を計測用ワイヤ１６に精度よく追従させることができ、第一実施形態と同一の作用効果を奏する。

次に本発明の第三実施形態による三次元変位計測装置５０を図８、図９、図１０によって説明するが、上述した第一実施形態及び第二実施形態に用いた三次元変位計測装置１、３０の部品や部材と同一または同様なものは同一符号を用いて説明するものとする。
本第三実施形態による三次元変位計測装置５０は、下部ベースプレート１０２にセンサ本体２のジンバル機構１２を備えており、このジンバル機構１２は第一実施形態と同様に互いに直交する第一回転軸９と第二回転軸１１を備えていて、変位計１０を互いに直交する上下方向に回転可能としている。

また、図８において、測定子３は自在継手によって上部ベースプレート１０１に連結されている。測定子３を挟む両側には２つのプーリー５１，５２が設けられている。図９及び図１０に示すように、これらプーリー５１，５２は上部ベースプレート１０１に支持された固定部材５３、５４に回動可能に支持され、プーリー５１、５２は固定部材５３，５４に支持された回転軸を中心に回転可能とされている。また、固定部材５３，５４に対してプーリー５１、５２は回動可能であり、プーリー５１，５２の回動方向を例えばＡ方向というものとする。
各プーリー５１、５２の近傍にはぜんまいユニット５５、５６が牽引巻き取り手段として上部ベースプレート１０１に支持されている。そして、ぜんまいユニット５５，５６からそれぞれ繰り出された牽引用ワイヤ５７はプーリー５１、５２を介して下方に案内されて計測用ワイヤ１６の両側に沿って下方に延びて支持部１５に連結されている。

そのため、図９（ａ）に示すように、上部ベースプレート１０１の変位によってプーリー５１，５２の回転軸方向、即ちＡ方向に力を受けると牽引用ワイヤ５７の張力を受けているプーリー５１，５２が回動して傾斜し、各ぜんまいユニット５５、５６から牽引用ワイヤ５７が繰り出し可能である。また、図９（ｂ）及び図１０において、上部ベースプレート１０１がプーリー５１，５２の回転軸に直交する方向（Ｂ方向という）に変位すると牽引用ワイヤ５７に沿ってプーリー５１，５２が摺動し、各ぜんまいユニット５５、５６から牽引用ワイヤ５７が繰り出される。

また、ゼンマイユニット５５、５６の中には図示しないゼンマイが格納されており、ゼンマイの弾性復帰力により各牽引用ワイヤ５７は大きな張力で牽引されている。このとき、牽引用ワイヤ５７の張力は変位計１０の計測用ワイヤ１６の張力よりも大きく設定するとともに、２本の牽引用ワイヤ５７の張力はお互い同等になるように調整する。更に、２組のゼンマイユニット５５、５６とプーリー５１，５２と固定部材５３，５４は、測定子３を挟んでその両側に対称に配置されている。

本第三実施形態による三次元変位計測装置５０において、上部ベースプレート１０１が下部ベースプレート１０２との関係で相対的にＡ方向に変位した場合、図９（ａ）に示すように、固定部材５３、５４とぜんまいユニット５５，５６が一体にＡ方向に移動する。すると、牽引用ワイヤ５７がゼンマイユニット５５、５６から引き出され、プーリー５１，５２は各牽引用ワイヤ５７の引き出し長さに応じて回転軸回りに回転するとともに、牽引用ワイヤ５７の張力によってプーリー５１，５２は固定部材５３、５４に対してＡ方向に回動して傾斜する。
そして、上部ベースプレート１０１の変位が元に戻ると、各牽引用ワイヤ５７はゼンマイユニット５５，５６に巻き戻され、プーリー５１，５２は各牽引用ワイヤ５７の巻き戻される長さに応じて回転するとともに固定部材５３、５４に対するプーリー５１，５２も傾斜状態から垂直な元の姿勢に戻る。

また、図９（ｂ）及び図１０に示すように、上部ベースプレート１０１がプーリー５１，５２の回転軸に直交する方向、即ちＢ方向に変位した場合、プーリー５１，５２及び固定部材５３、５４は上部ベースプレート１０１とともに移動する。その結果、牽引用ワイヤ５７はゼンマイユニット５５，５６から引き出され、プーリー５１，５２は各牽引用ワイヤ５７の引き出される長さに応じて回転する。上部ベースプレート１０１の変位が元に戻ると、各牽引用ワイヤ５７はゼンマイユニット５５，５６に巻き戻され、プーリー５１，５２は各牽引用ワイヤ５７の巻き戻される長さに応じて回転する。

そのため、本第三実施形態による三次元変位計測装置５０では、変位のない初期状態では、図１０（ａ）に示すように牽引用ワイヤ５７による張力により計測用ワイヤ１６は上下ベースプレート１０１，１０２に垂直な方向に延びている。そして、地震の際に、図１０（ｂ）に示すように、牽引用ワイヤ５７と計測用ワイヤ１６は略平行な状態を維持しながら伸張と傾斜を行い、変位計１０が第一及び第二回転軸９、１１回りに所定角度φ、θだけそれぞれ回転し、センサ部２１で計測した各測定値φ、θ、ｒに基づいて測定記録部２３によって測定子３の三次元直交座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）を演算することができる。

上述のように、本実施形態による三次元変位計測装置５０によれば、プーリー５１，５２と固定部材５３、５４とゼンマイユニット５５、５６は測定子３を中心として対称に配置されているため、２本の牽引用ワイヤ５７がバランスよく変位計１０を牽引し、牽引用ワイヤ５７と計測用ワイヤ１６とが略平行な状態を維持しながら伸縮することで、上部ベースプレート１０１の変位に同期して変位計１０を追従させることができる。しかも、牽引用ワイヤ５７の張力を計測用ワイヤ１６よりも高い張力に設定したことで、地震等に対する変位計１０の追従性を向上させることができて応答性が一層良くなる。

なお、牽引用ワイヤ５７の張力は大きいほど変位計１０の追従性が向上するが、本体センサ２を構成する各部品の強度も大きくする必要があるため、適切な張力を選択する。また、本実施形態では、牽引用ワイヤ５７、プーリー５１，５２、ゼンマイユニット５５、５６は２組ずつ設けられているが、３組以上設けてもよい。

次に図１１により、本発明の第四実施形態による三次元変位計測装置６０を説明する。
本実施形態において、２つのプーリー５１，５２は測定子３の対向する面に固定され、対称に配設されている。これら２つのプーリー５１，５２は、２つのゼンマイユニット５５，５６から引き出されて変位計１０の支持部１５に連結された２本の牽引用ワイヤ５７を案内している。
本実施形態による三次元変位計測装置６０においても、第三実施形態と同一の作用効果を奏する。

また、上述した第三実施形態、第四実施形態による三次元変位計測装置５０，６０の変形例として、図１２に示すようにゼンマイユニット５５，５６をセンサ本体２に取付け、牽引用ワイヤ５７を上部ベースプレート１０１に直に固定してもよい。

なお、上述した各実施形態による三次元変位計測装置１、３０，５０，６０では、センサ本体２に設けた変位計１０の回転軸として第一回転軸９と第二回転軸１１を同一平面内で互いに直交する方向に配設し、計測用ワイヤ１６を第一回転軸９と第二回転軸１１に互いに直交する方向に伸縮させることで、測定子３の変位計測を可能にしたが、これに変えて、回転軸と垂直軸を設置すると共にこれら回転軸と垂直軸に互いに直交する計測用ワイヤ１６を伸縮可能に配設して計測用ワイヤ１６の先端に測定子３を設けて、計測用ワイヤ１６を任意の方向に傾斜及び伸縮可能に構成してもよい。この場合には回転軸と垂直軸によって変位計１０を互いに直交する２方向に変位可能としたジンバル機構を構成してもよい。なお、ジンバル機構は、互いに直交する２軸で構成したものに限定されない。例えば、球体形状等でもよい。
また、本発明において、アーム１８、多段アーム３６は補助アームを構成する。
また、アーム１８、計測用ワイヤ１６及びプーリー５１，５２、ぜんまいユニット５５，５６は補助ガイド部材を構成する。

１，３０、５０、６０ 三次元変位計測装置
２ センサ本体
３ 測定子
９ 第一回転軸
１０ 変位計
１１ 第二回転軸
１２、３１ ジンバル機構
１３ 第１角度検出器
１４ 第２角度検出器
１５ 支持部
１６ 計測用ワイヤ
１８ アーム
２０ 三次元変位計測ユニット
２１ センサ部
２３ 測定記録部
３４ 第一アーム受け部材
３５ 第二アーム受け部材
３６ 多段アーム
５１，５２ プーリー
５３、５４ 固定部材
５５，５６ ぜんまいユニット
５７ 牽引用ワイヤ
１００ Ｕ型ダンパー
１０１ 上部ベースプレート
１０２ 下部ベースプレート

Claims (7)

1. 相対変位する被測定対象物の一方に取り付けられたセンサ本体と、
   前記センサ本体に設けられていて互いに直交する２軸方向に回転可能なジンバル機構によって支持された変位計と、
   前記変位計によってその伸縮量を計測可能であって伸縮可能な計測用ワイヤと、
   前記計測用ワイヤの他端に連結されていて前記被測定対象物の他方に取り付けられた測定子と、
   前記変位計に連結されるとともに所定の張力を有している複数の牽引用ワイヤと、
   前記牽引用ワイヤを案内すると共に前記被測定対象物の他方または測定子に取り付けられた複数のプーリーと、
   前記牽引用ワイヤを、前記プーリーを介して牽引して繰り出し可能な複数の牽引巻き取り手段と、
   前記計測用ワイヤの互いに直交する前記２軸方向の回転角度をそれぞれ検出する第１角度検出器及び第２角度検出器とを備え、
   前記第１角度検出器及び第２角度検出器でそれぞれ計測される前記計測用ワイヤの回転角度と前記変位計で計測される前記計測用ワイヤの伸縮量とに基づいて前記被測定対象物の相対的な三次元変位を計測するようにしたことを特徴とする三次元変位計測装置。
2. 前記牽引巻き取り手段は、前記牽引用ワイヤをぜんまい等の弾性復帰手段を用いて牽引している請求項１に記載された三次元変位計測装置。
3. 前記ジンバル機構は、第一回転軸と該第一回転軸に直交する第二回転軸とを備え、前記第一回転軸は前記変位計と前記第二回転軸とを回転可能に支持し、前記第二回転軸は変位計を回転可能に支持するようにした請求項１または２に記載された三次元変位計測装置。
4. 前記第１角度検出器及び第２角度検出器は、抵抗素子またはホール素子を用いたポテンショメータ、またはロータリエンコーダである請求項１から３のいずれか１項に記載された三次元変位計測装置。
5. 前記変位計は、直動型変位計、またはワイヤ式変位計である請求項１から４のいずれか１項に記載された三次元変位計測装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載された三次元変位計測装置を備えていて、
   前記第１角度検出器、第２角度検出器及び変位計から出力される変位情報をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号を三次元座標に変換して変位方向と変位量を演算する演算手段と、を備えた三次元変位計測システム。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載された三次元変位計測装置を備えていて、
   前記被測定対象物の一方は建築物の下部構造体に取り付ける下部ベースプレートであり、他方は上部構造体に取り付ける上部ベースプレートであり、前記下部ベースプレートと上部ベースプレートの間に免震ダンパーを設置したことを特徴とする三次元変位計測システム。

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