JP6518469B2 - 変位計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、変位計測装置に関する。

従来、橋梁などの大型構造物の変位を計測するための変位計測装置として、歪計を利用した装置が知られている。
図５は、従来技術による変位計測装置１０の一例を示す図である。変位計測装置１０を構成するラックギア部１１の一端側は、計測対象物（図示なし）と連結される。ラックギア部１１の長手方向（図中矢印方向）に計測対象物が変位すると、ラックギア部１１が直線的に移動し、このときのラックギア部１１の直線運動がピニオンギア部１２の回転運動に変換される。ピニオンギア部１２の回転角は、計測対象物の変位量に応じて定まる。

ピニオンギア部１２には、板バネ１３の一端が取り付けられ、板バネ１３の他端は、例えばピニオンギア部１２の回転軸を支持する構造体（図示なし）等に固定されている。板バネ１３には歪計１４が取り付けらえており、歪計１４には読取装置１５が接続されている。ピニオンギア部１２が回転すると、板バネ１３が変形し、板バネ１３に歪みが発生する。板バネ１３の歪みは、ピニオンギア部１２の回転量に依存し、ピニオンギア部１２の回転量は、計測対象物の変位量に依存する。従って、板バネ１３の歪み量から計測対象物の変位量を知ることができる。

歪計１４は、計測対象物の変位量に応じた板バネ１３の歪み量を検出し、読取装置１５は、歪計１４の検出値を読み取る。歪計１４として、光ファイバにおける反射波の波長の変化を利用して歪みを検出する光学式の歪計や、ホイートストーンブリッジにおける電気抵抗の変化を利用して歪みを検出する電気式の歪計が一般に使用されている。

特許第４７２１３２４号公報

上述の光学式の歪計によれば、光ファイバが損傷を受けると、その損傷個所以遠の部位からの反射波が得られなくなるため、損傷個所以遠の部位の歪みを検出することができなくなる。光ファイバ長が長くなる程、この種の故障の発生頻度が高まる。このため、歪みの検出値を伝送する伝送路の損傷による故障を回避する点で、光ファイバ等の有線による伝送方式よりも、無線伝送方式が望ましい。

ここで、無線伝送方式は電気信号を伝送の対象とすることを考慮すれば、歪み量を電気信号として得る電気式の歪計の方が、歪み量を光信号として得る光学式の歪計よりも、無線伝送方式との適合性に優れている。ただし、歪みの検出値を伝送する伝送路の損傷による故障を回避することができる無線伝送方式の利点を生かすためには、変位計測装置の電源を供給する配線の損傷も回避する必要がある。このため、無線伝送方式を採用する場合、変位計測装置の電源を遠隔から有線で供給する形態は好ましくなく、変位計測装置の電源として電池を備える必要がある。

しかしながら、電気抵抗変化を利用する電気式の歪計によれば、定常的に抵抗に電流を流す必要があり、その消費電力が大きくなる。このため、橋梁等の大型構造物の変位を長期間（例えば、５年以上）にわたってモニタする用途では、上述の無線伝送方式を採用した場合、変位計測装置の電池の消耗を極力抑える必要があり、変位計測装置に電気式の歪計を利用することは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、消費電力を抑制しつつ、計測対象物の変位量を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。

本発明の一態様による変位計測装置は、計測対象物の変位に合わせて移動する移動部と、前記移動部の移動に連動して回転する回転部と、前記回転部に設けられ、検出軸方向が前記回転部の回転軸と交差する方向に設定された重力加速度センサと、を備えた変位計測装置の構成を有する。
前記変位計測装置において、例えば、前記重力加速度センサの検出値に基づいて前記計測対象物の変位量を演算するための演算処理部を更に備え、前記演算処理部は、所定の頻度で前記重力加速度センサの検出値を取得してもよい。
前記変位計測装置において、例えば、前記演算処理部は、前記所定の頻度で取得した前記重力加速度センサの検出値に基づいて前記計測対象物の変位量を演算した後、前記計測対象物の変位量に基づいて、前記重力加速度センサの検出値を取得する頻度を変更してもよい。
前記変位計測装置において、例えば、前記移動部の移動に連動して、前記回転部の回転半径よりも大きい回転半径で回転する副回転部と、前記副回転部に設けられ、検出軸方向が前記副回転部の回転軸と交差する方向に設定された副重力加速度センサと、を更に備え、前記演算処理部は、前記副重力加速度センサの検出値を参照して前記回転部の回転数または回転方向を特定してもよい。
前記変位計測装置において、例えば、前記重力加速度センサは、静電容量型の重力加速度センサであってもよい。

本発明の一態様によれば、消費電力を抑制しつつ、計測対象物の変位量を計測することができる。

本発明の第１実施形態による変位計測装置が適用される橋梁の一例を模式的に示す図であり、（Ａ）は、橋梁の全体図であり、（Ｂ）は、変位計測装置が取り付けられた部位付近の拡大図である。 本発明の第１実施形態による変位計測装置の構成例を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態による変位計測装置の構成例を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態による変位計測装置の動作例を説明するためのフローチャートである。 従来技術による変位計測装置の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
なお、ここでは、本発明の実施形態による変位計測装置を橋梁の橋桁の変位計測に適用する場合を例とするが、本発明の実施形態による変位計測装置は任意の用途に適用することが可能である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による変位計測装置１００（後述の図２）が適用される橋梁の一例を模式的に示す図であり、（Ａ）は、橋梁の全体図であり、（Ｂ）は、変位計測装置１００が取り付けられた部位付近（点線の丸印で囲んだ部位）の拡大図である。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すｘｙｚ座標系のｘ軸方向は、橋梁の長手方向を示し、ｙ軸方向は、橋梁の幅方向を示し、ｚ軸方向は鉛直方向を示している。従って、図１（Ａ）は、橋梁をｙ軸方向から見た側面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す橋梁の一部（点線の丸印で囲んだ部位）をｚ軸方向から見た上視図である。
なお、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す各要素は、説明の便宜上、強調または簡略化されて表現されており、実際のスケールで表現されていないことに留意されたい。

第１実施形態による変位計測装置１００が適用される橋梁は、図１（Ａ）に示すように、上部構造体として橋桁１Ａ，１Ｂ，１Ｃを備え、下部構造体として、橋台２Ａ，２Ｂおよび橋脚３Ａ，３Ｂとを備えている。橋桁１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、第１実施形態による変位計測装置１００の計測対象物であり、変位計測装置１００は、橋桁間の相対的変位量（例えば橋脚間の隙間または段差）を計測する。

橋桁１Ａの一端側は、橋台２Ａにより支持され、橋桁１Ａの他端側は、橋脚３Ａにより支持されている。また、橋桁１Ｂの一端側は、上記の橋桁１Ａの他端と共に橋脚３Ａにより支持され、橋桁１Ｂの他端側は、橋脚３Ｂにより支持されている。更に、橋桁１Ｃの一端側は、上記の橋桁１Ｂの他端と共に橋脚３Ｂにより支持され、橋桁１Ｃの他端側は、橋台２Ｂにより支持されている。

また、図１（Ｂ）に示すように、橋桁１Ａと橋桁１Ｂとの連結部付近に、第１実施形態による変位計測装置１００が取り付けられている。詳細には、変位計測装置１００の本体部１１０は、橋桁１Ａに固定されている。また、変位計測装置１００の本体部１１０の内部から突出した計測棒１１１ａは、橋桁１Ｂに固定された台座１ＢＢに連結されている。橋桁１Ａと橋桁１Ｂとの間の相対的変位量（隙間等）に応じて、変位計測装置１００から突出した計測棒１１１ａが、その長手方向に移動する。

図２は、本発明の第１実施形態による変位計測装置１００の構成例を模式的に示す図である。
変位計測装置１００は、その本体部１１０の内部に、ラックギア部１１１、ピニオンギア部１１２、加速度センサ１１３、演算処理部１１４、変位情報記憶部１１５、無線通信部１１６を備えている。ラックギア部１１１は、その長手方向に沿って複数の歯が列状に形成された直線歯形の歯車であり、その長手方向に沿って移動可能に支持されている。ラックギア部１１１は、計測対象物である橋桁１Ａと橋桁１Ｂとの間の相対的変位に合わせて移動する移動部として機能する。ラックギア部１１１の一部は、計測棒１１１ａとして本体部１１０から突出している。計測棒１１１ａの端部（ラックギア部１１１の端部）は、橋桁１Ｂ（図１）に形成された台座１１Ｂと連結されている。

ピニオンギア部１１２は、回転半径ｒの平歯車であり、その外周に形成された歯がラックギア部１１１に形成された歯と噛み合うようにして回転可能に支持されている。ピニオンギア部１１２は、ラックギア部１１１の移動に連動して回転する回転部として機能する。ピニオンギア部１１２は、上述のラックギア部１１１と共に所謂ラックアンドピニオン(rack and pinion)を構成する。ピニオンギア部１１２の回転軸（図示なし）は水平状に支持され、ピニオンギア部１１２の回転面は上述のｘｙｚ座標系のｘｚ面に対応する鉛直面をなす。このため、ピニオンギア部１１２は、概ね鉛直面内で回転する。

ピニオンギア部１１２の回転中心部付近には、加速度センサ１１３が取り付けられている。加速度センサ１１３は、静電容量型の重力加速度センサであり、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)センサである。ただし、この例に限定されず、重力加速度を検出することができることを限度として、加速度センサ１１３は、半導体センサ、角度センサ、傾斜角センサなど、他の任意のセンサとして表現し得る。加速度センサ１１３の検出軸ＪＳの方向は、ピニオンギア部１１２の回転軸（図示なし）と交差するように設定されている。望ましくは、加速度センサ１１３の検出軸ＪＳの方向は、ピニオンギア部１１２の回転軸と概ね直交する方向に設定される。

加速度センサ１１３の検出軸ＪＳの方向は、計測棒１１１ａの移動量がゼロの状態、即ちピニオンギア部１１２の回転角θがゼロの状態で、鉛直軸方向ＪＶと一致するように初期設定されている。加速度センサ１１３は、検出軸方向における重力加速度成分を検出することにより、ピニオンギア部１１２の回転角θを示す検出信号Ｓ（θ）を生成して出力する。加速度センサ１１３から出力された検出信号Ｓ（θ）は、演算処理部１１４に供給される。

演算処理部１１４は、ピニオンギア部１１２の回転角θを示す加速度センサ１１３の検出信号Ｓ（θ）に基づいて、計測対象物の橋桁間の相対的変位量Ｄを算出するための要素である。この相対的変位量Ｄは、ラックギア部１１１の移動量Ｍと一致する。演算処理部１１４は、後述するように、ラックギア部１１１の移動量Ｍから、計測対象物の橋桁間の相対的変位量Ｄを示す変位信号Ｓ（Ｄ）を生成して出力する。
変位情報記憶部１１５は、演算処理部１１４により算出された相対的変位量Ｄに関する変位情報を記憶するための要素であり、例えばＳＲＡＭ(Static Random Access Memory)等の任意のメモリから構成され得る。

無線通信部１１６は、橋梁を管理する図示しない遠隔地の管理センターに備えられた無線通信装置との間で無線通信回線を通じて各種の情報を含む信号の送受信を実施するための要素である。無線通信部１１６は、例えば、演算処理部１１４がピニオンギア部１１２の回転角θを取得する都度、または、上記管理センターの無線通信装置からの要求に応じて、または、定期的に、上記無線通信回線を通じて上記管理センターの無線通信装置に変位信号Ｓ（Ｄ）を送信する。また、無線通信部１１６は、上記管理センターの無線通信装置から上記無線通信回線を通じて、演算処理部１１４が実施する処理の制御に関する制御情報を含む指示信号を受信する。ただし、無線通信部１１６は、必要に応じて備えられる任意的要素であり、変位計測装置１００の外部に備えられてもよく、省略することも可能である。なお、無線通信回線は、任意の形態の無線通信を含む。

次に、第１実施形態による変位計測装置１００の動作を説明する。
ここでは、橋桁１Ａと橋桁１Ｂとの間の隙間が拡大したことにより、橋桁１Ａに対して橋桁１Ｂが変位したときの演算処理部１１４の処理に着目して、変位計測装置１００の動作を説明する。
なお、説明の便宜上、橋桁１Ａと橋桁１Ｂとの間の相対的変位量Ｄは、変位計測装置１００の本体部１１０が取り付けられた橋桁１Ａの位置を基準とした橋桁１Ｂの変位量であるものとし、橋桁１Ａと橋桁１Ｂとの間の相対的変位量Ｄを橋桁１Ｂの変位量Ｄと称す。

図２に示すように、橋桁１Ｂが、橋桁１Ａを基準とした初期位置Ｐａから図２の右手方向の位置Ｐｂに変位すると、ラックギア部１１１が図２の右手方向に移動する。このときのラックギア部１１１の移動量Ｍは、橋桁１Ｂの変位量Ｄを示す。ラックギア部１１１が図２の右手方向に移動すると、ピニオンギア部１１２が図２において右回転方向（時計回りの方向）に回転する。

この場合、ピニオンギア部１１２の回転角θ（ラジアン）は、ピニオンギア部１１２の回転半径ｒとラックギア部１１１の移動量Ｍ（即ち、ピニオンギア部１１２の外周に沿った歯の移動距離）とを用いて、次式（１）により与えられる。式（１）から理解されるように、回転半径ｒを小さく設定するほど、ピニオンギア部１１２の回転角θとして大きな値を得ることができる。このことは、変位量Ｄ（即ち、移動量Ｍ）の検出感度が向上することを意味する。

θ＝Ｍ／ｒ …（１）

加速度センサ１１３は、ピニオンギア部１１２の回転角θに応じて変化する検出軸ＪＳの方向における重力加速度成分を検出する。検出軸ＪＳの方向における重力加速度成分は、ピニオンギア部１１２の回転角θに応じて決定される。加速度センサ１１３は、検出軸ＪＳの方向における重力加速度成分に対応したピニオンギア部１１２の回転角θを示す検出信号Ｓ（θ）を演算処理部１１４に出力する。

ここで、ラックギア部１１１の移動量Ｍは、橋桁１Ｂの変位量Ｄと等しいから、上式（１）は、次式（２）のように書き替えられる。演算処理部１１４は、次式（２）を用いて、検出信号Ｓ（θ）によって示されるピニオンギア部１１２の回転角θと、ピニオンギア部１１２の回転半径ｒとから橋桁１Ｂの変位量Ｄを算出する。演算処理部１１４は、変位量Ｄに関する変位情報を変位情報記憶部１１５に記憶させる。また、演算処理部１１４は、変位量Ｄを示す変位信号Ｓ（Ｄ）を生成して無線通信部１１６に出力する。無線通信部１１６は、無線通信回線を通じて変位信号Ｓ（Ｄ）を管理センターの無線通信装置に送信する。

Ｄ＝θ×ｒ …（２）

ここで、上述の例では、演算処理部１１４により変位量Ｄが算出される都度、変位量Ｄそのものを示す変位信号Ｓ（Ｄ）が遠隔の管理センターに無線送信されるが、この例に限らず、演算処理部１１４は、変位情報記憶部１１５から前回算出した変位量Ｄ（以下、「変位量Ｄ（ｎ−１）」と称す。）を読み出し、前回の変位量Ｄ（ｎ−１）と、今回算出した変位量Ｄ（以下、「変位量Ｄ（ｎ）」と称す。）との差分（即ち、変位量Ｄの変化分）を算出し、この変位量Ｄの差分を示す差分信号を上記変位信号Ｓ（Ｄ）として無線送信してもよい。

第１実施形態では、演算処理部１１４は、所定の頻度（または周期）で加速度センサ１１３の検出信号Ｓ（θ）をサンプリングすることにより、変位量Ｄを算出するための回転角θを取得する。例えば、演算処理部１１４は、ピニオンギア部１１２の回転角θが１８０度を超えない頻度で回転角θを取得する。このような回転角θの取得頻度に関する制約を設ける理由は、検出信号Ｓ（θ）をサンプリングしてから次回のサンプリングまでの期間中に回転角θが１８０度（２πラジアン）を超えると、移動量Ｍ（変位量Ｄ）を正しく算出することができなくなるためである。

即ち、検出信号Ｓ（θ）をサンプリングしてから次回のサンプリングまでの期間中に回転角θが１８０度（２πラジアン）を超えると、次回のサンプリングにより得られる回転角θが、前回のサンプリングにより得られた回転角θを基準にしてピニオンギア部１１２が右回転したときの回転角であるのか、左回転したときの回転角であるのか、または、ピニオンギア部１１２が何回転したときの回転角であるのかを特定することができなくなる。この場合、移動量Ｍ（変位量Ｄ）を正しく算出することができなくなる。

上述の例では、ピニオンギア部１１２の回転角θを上述の所定の頻度で取得するものとしたが、状況に合わせて、ピニオンギア部１１２の回転方向を特定することができることを限度に、その頻度を変更してもよい。例えば、演算処理部１１４に、ピニオンギア部１１２の回転角θを取得する頻度の初期値として、比較的高い頻度を与える値を設定しておく。演算処理部１１４は、上記初期値として設定された頻度でピニオンギア部１１２の回転角θを取得し、その回転角θの経時的な変化の傾向から、回転角θが１８０度を超えない頻度を推定する。その後、演算処理部１１４は、ピニオンギア部１１２の回転角θを取得する頻度を、上記推定された頻度に変更する。このように回転角θを取得する頻度を変更すれば、過剰な頻度で回転角θを取得することがなくなり、加速度センサ１１３から出力される検出信号Ｓ（θ）をサンプリングするために必要とする演算処理部１１４の消費電力を抑制することが可能になる。

また、演算処理部１１４がピニオンギア部１１２の回転角θを取得する頻度（以下、「回転角θの取得頻度」と称す。）を、遠隔地から上述の無線通信回線を通じて伝送される指示信号により変更可能としてもよい。例えば、上述の例により状況に合わせて回転角θの取得頻度を少ない値に変更した後、地震等により変位量Ｄが急激に変化する状況が発生することが予測される場合、遠隔地の監視センターに駐在する保守管理者が、上述の無線通信回線を通じて回転角θの取得頻度を高い値に設定し直してもよい。逆に、例えば変位量Ｄが急激に変化し得ない状況が予測される場合、遠隔地の管理センターに駐在する保守管理者が、上述の無線通信回線を通じて回転角θの取得頻度を低い値に設定し直してもよい。

上述した第１実施形態によれば、加速度センサ１１３として、静電容量型のＭＥＭＳセンサを用いたので、検出信号Ｓ（θ）は、加速度センサ１１３の静電容量の電圧値として検出され、加速度センサ１１３には定常的な直流電流が流れない。また、加速度センサ１１３をＭＥＭＳセンサとしたので、その静電容量の容量値が小さくなり、充放電に要する電流成分を小さくすることができる。従って、加速度センサ１１３の消費電力を抑制することができる。

また、橋梁の橋桁の変位をモニタする用途では、変位量Ｄは、長期にわたって少しずつ変化する傾向を示し、短期間で急激に変化することは少ない。このため、演算処理部１１４による検出信号Ｓ（θ）のサンプリングの頻度を十分に小さい値に設定することができる。検出信号Ｓ（θ）のサンプリングの頻度を少なくすれば、演算処理部１１４の消費電力を抑制することができる。

上述した第１実施形態によれば、加速度センサ１１３として、静電容量型のセンサを用いたので、検出信号Ｓ（θ）は、加速度センサ１１３の静電容量の電圧として検出され、加速度センサ１１３に定常的な直流電流は流れない。また、加速度センサ１１３をＭＥＭＳセンサとしたので、その容量値が小さくなり、加速度センサ１１３の静電容量の充放電成分を小さくすることができる。従って、加速度センサ１１３の消費電力を有効に抑制することができる。

また、橋梁の用途では、変位量Ｄは、長期にわたって少しずつ変化する傾向を示し、短期間で急激に変化することは少ない。このため、演算処理部１１４による検出信号Ｓ（θ）のサンプリングの頻度を十分に少なくすることができる。検出信号Ｓ（θ）のサンプリングの頻度を少なくすれば、演算処理部１１４の消費電力を抑制することができる。

従って、第１実施形態によれば、変位計測装置１００の消費電力を小さく抑えることができる。このため、上述の無線通信回線等の無線伝送方式を用いて変位量Ｄに関する変位信号Ｓ（Ｄ）を送信する用途において、変位計測装置１００の電源として電池を採用した場合、その電池の消耗を抑制することができ、長期間にわたって変位計測装置１００を稼働させて変位量Ｄを安定的にモニタすることが可能になる。この場合、有線伝送方式に特有の断線等の故障を防止することができ、モニタの信頼性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
上述した第１実施形態では、ピニオンギア部１１２の回転角θが１８０度（２πラジアン）以上となった場合、回転方向を特定することができなくなる不都合を回避する必要上、ピニオンギア部１１２の回転角θを取得する頻度に関する制約が存在したが、第２実施形態は、回転角θを取得する頻度に関する制約を受けることなく、変位量Ｄをモニタすることを可能とする。

図３は、本発明の第２実施形態による変位計測装置２００の構成例を模式的に示す図である。
変位計測装置２００は、上述の図２に示す第１実施形態による変位計測装置１００の構成において、本体部１１０に代えて本体部２１０を備えている。本体部２１０には、第１実施形態による変位計測装置１００の本体部１１０の構成要素であるラックギア部１１１、ピニオンギア部１１２、加速度センサ１１３に加え、ピニオンギア部１１２０と加速度センサ１１３０とが更に備えられている。また、本体部２１０には、第１実施形態による変位計測装置１００の本体部１１０の構成要素である演算処理部１１４に代えて、演算処理部１１４０が備えられている。

なお、図３に示す「回転角θ１」、「検出信号Ｓ（θ１）」、「回転半径ｒ１」、「検出軸ＪＳ１」は、それぞれ、上述の図２に示す第１実施形態におけるピニオンギア部１１２の回転角θ、加速度センサ１１３から出力される検出信号Ｓ（θ）、ピニオンギア部１１２の回転半径ｒ、加速度センサ１１３の検出軸ＪＳに相当する。

ここで、ピニオンギア部１１２０は、ピニオンギア部１１２の回転半径ｒ１よりも大きい回転半径ｒ２を有する平歯車であり、その外周に形成された歯がピニオンギア部１１２に形成された歯と噛み合うようにして回転可能に支持されている。ピニオンギア部１１２０は、ラックギア部１１１の移動に連動して回転する副回転部として機能する。ピニオンギア部１１２０の回転軸（図示なし）は、ピニオンギア部１１２と同様に水平状に支持され、ピニオンギア部１１２の回転面は上述のｘｙｚ座標系のｘｚ面に対応する鉛直面をなす。即ち、ピニオンギア部１１２０は、ピニオンギア部１１２と同一の鉛直面内で回転する。

ここでは、ピニオンギア部１１２０の回転半径ｒ２は、ピニオンギア部１１２の回転半径ｒ１の４倍であるものとする。従って、ピニオンギア部１１２が右回転方向に２回転し、回転角θ１が＋７２０度（＋４πラジアン）となったとき、ピニオンギア部１１２０は、左回転方向に４分の１回転し、その回転角θ２は−９０度（−π／２ラジアン）となる。逆に、ピニオンギア部１１２が左回転方向に２回転し、回転角θ１が−７２０度（−４πラジアン）となったとき、ピニオンギア部１１２０は、右回転方向に４分の１回転し、その回転角θ２は＋９０度（＋π／２ラジアン）となる。従って、ピニオンギア部１１２の回転角θ１が±１８０度以上となっても、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２からピニオンギア部１１２の回転方向と回転数を特定することができる。

ただし、この例に限定されず、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２からピニオンギア部１１２の回転方向と回転数を特定することができることを限度として、ピニオンギア部１１２の回転半径ｒ１とピニオンギア部１１２０の回転半径ｒ２との比は任意に設定し得る。第２実施形態では、回転半径ｒ１および回転半径ｒ２は、ラックギア部１１１の移動量Ｍが最大値Ｍｍａｘ（計測限界値）に達したときに、ピニオンギア部１１２０が＋１８０度（＋２πラジアン）未満になるように設定されている。

ピニオンギア部１１２０の回転中心部付近には、加速度センサ１１３０が取り付けられている。加速度センサ１１３０は、ピニオンギア部１１２に取り付けられた加速度センサ１１３と同様の静電容量型の加速度センサであり、ＭＥＭＳセンサである。加速度センサ１１３０の検出軸ＪＳ２は、ピニオンギア部１１２０の回転軸（図示なし）と交差する方向に設定されている。望ましくは、加速度センサ１１３０の検出軸ＪＳ２は、ピニオンギア部１１２０の回転軸と直交する方向に設定される。

また、加速度センサ１１３０の検出軸ＪＳ２の方向は、計測棒１１１ａの移動量がゼロの状態、即ちピニオンギア部１１２の回転角θ１とピニオンギア部１１２０の回転角θ２とが共にゼロの状態で、鉛直軸方向ＪＶと一致するように初期設定されている。加速度センサ１１３０は、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２を示す検出信号Ｓ（θ２）を出力する。

加速度センサ１１３から出力される検出信号Ｓ（θ１）と、加速度センサ１１３０から出力される検出信号Ｓ（θ２）は、演算処理部１１４０に供給される。演算処理部１１４０は、加速度センサ１１３０から出力される検出信号Ｓ（θ２）を参照してピニオンギア部１１２０の回転数または回転方向を判定し、その判定結果に基づいて、ラックギア部１１１の移動量Ｍを算出する。この移動量Ｍは計測対象物の橋桁１Ｂの変位量Ｄと一致する。演算処理部１１４０は、計測対象物の橋桁１Ｂの変位量Ｄを示す変位信号Ｓ（Ｄ）を生成して出力する。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

次に、図４に示すフローチャートに沿って、第２実施形態による変位計測装置２００の動作を説明する。
ここでは、第１実施形態と同様に、橋桁１Ａと橋桁１Ｂとの間の隙間が拡大したことにより、橋桁１Ａに対して橋桁１Ｂが変位したときの演算処理部１１４０の処理に着目して、変位計測装置２００の動作を説明する。

演算処理部１１４０がピニオンギア部１１２の回転角θ１を示す検出信号Ｓ（θ１）を取得するための動作等は、第１実施形態と同様であり、その説明を省略する。
橋桁１Ｂが図３中の右手方向に変位すると、そのときの橋桁１Ｂの変位量Ｄに応じて、ラックギア部１１１が図３中の右手方向に移動量Ｍ（＝変位量Ｄ）だけ移動する。ラックギア部１１１が移動すると、ピニオンギア部１１２が回転角θ１（ラジアン）だけ右回転方向に回転する。ピニオンギア部１１２が回転すると、ピニオンギア部１１２０が左回転方向に回転角θ２だけ回転する。このとき、回転角θ２の絶対値は、回転角θ１の絶対値の４分の１である。

加速度センサ１１３０は、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２に応じて変化する検出軸ＪＳ２の方向における重力加速度成分を検出する。検出軸ＪＳ２の方向における重力加速度成分は、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２に応じて決定される。加速度センサ１１３０は、検出軸ＪＳ２の方向における重力加速度成分に対応したピニオンギア部１１２０の回転角θ２を示す検出信号Ｓ（θ）を出力する。

演算処理部１１４０は、回転角θ１，θ２の取得処理を実施する（ステップＳ１）。即ち、演算処理部１１４０は、所定の頻度で、加速度センサ１１３の検出信号Ｓ（θ１）と、加速度センサ１１３０の検出信号Ｓ（θ２）をサンプリングすることにより、変位量Ｄを算出するための回転角θ１，θ２を取得する。ただし、第２実施形態では、検出信号Ｓ（θ１），Ｓ（θ２）をサンプリングする所定の頻度は、上述の第１実施形態において述べたような制約を受けず、任意に設定し得る。

続いて、演算処理部１１４０は、回転角θ２の場合分け処理を実施する（ステップＳ２）。具体的には、演算処理部１１４０は、加速度センサ１１３０から出力される検出信号Ｓ（θ２）から、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２（ラジアン）が次の数値範囲Ｒ１〜Ｒ４の何れに属するかを判定する。

（１）数値範囲Ｒ１；−π≦θ２＜−π／２
（２）数値範囲Ｒ２；−π／２≦θ２＜０
（３）数値範囲Ｒ３；０≦θ２＜＋π／２
（４）数値範囲Ｒ４；＋π／２≦θ２＜π

ここで、ピニオンギア部１１２が右方向（時計回りの方向）に回転し、そのときのピニオンギア部１１２の回転数が１回転以上かつ２回転未満である場合、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２は数値範囲Ｒ１に属する。また、ピニオンギア部１１２が右方向に回転し、そのときのピニオンギア部１１２の回転数が１回未満である場合、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２は数値範囲Ｒ２に属する。

また、ピニオンギア部１１２が左方向（反時計回りの方向）に回転し、そのときのピニオンギア部１１２の回転数が１回未満である場合、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２は数値範囲Ｒ３に属する。更に、ピニオンギア部１１２が左方向に回転し、そのときのピニオンギア部１１２の回転数が１回転以上かつ２回転未満である場合、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２は数値範囲Ｒ４に属する。従って、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２が上記の数値範囲Ｒ１〜Ｒ４の何れに属するかを判定することにより、ピニオンギア部１１２０の回転方向と回転数を特定することができる。

続いて、演算処理部１１４０は、上述のピニオンギア部１１２の回転数および回転方向と、回転角θ２が属する数値範囲Ｒ１〜Ｒ４との間の関係を用いて、ピニオンギア部１１２の回転数の判定処理を実施する（ステップＳ３）。例えば、演算処理部１１４０は、回転角θ２が上記の数値範囲Ｒ１に属していれば、ピニオンギア部１１２の回転数は１回転以上かつ２回転未満であると判定する。

続いて、演算処理部１１４０は、上述のピニオンギア部１１２の回転数および回転方向と、回転角θ２が属する数値範囲Ｒ１〜Ｒ４との間の関係を用いて、ピニオンギア部１１２の回転方向の判定処理を実施する（ステップＳ４）。例えば、演算処理部１１４０は、回転角θ２が上記の数値範囲Ｒ１に属していれば、ピニオンギア部１１２の回転方向は右回転方向（時計回りの方向）であると判定する。

続いて、演算処理部１１４０は、上記の判定処理（ステップＳ２，Ｓ３）により得られたピニオンギア部１１２の回転方向および回転数と、加速度センサ１１３から出力される検出信号Ｓ（θ１）によって示される回転角θ１とを用いて、変位量Ｄを演算する。具体的には、演算処理部１１４０は、上記の判定処理（ステップＳ２，Ｓ３）により、ピニオンギア部１１２の回転方向が左回転方向であり、そのときのピニオンギア部１１２の回転数が１回転以上かつ２回転未満であると判定された場合、ピニオンギア部１１２の右回りの総回転角は、「θ１−４π」と表わされるから、次式（３ａ）を用いて変位量Ｄを演算する。

Ｄ＝ｒ１×（θ１−４π） …（３ａ）

また、演算処理部１１４０は、上記の判定処理（ステップＳ２，Ｓ３）により、ピニオンギア部１１２の回転方向が左回転方向であり、そのときのピニオンギア部１１２の回転数が１回転未満であると判定された場合、ピニオンギア部１１２の右回りの総回転角は、「θ１−２π」と表わされるから、次式（３ｂ）を用いて変位量Ｄを演算する。

Ｄ＝ｒ１×（θ１−２π） …（３ｂ）

また、演算処理部１１４０は、上記の判定処理（ステップＳ２，Ｓ３）により、ピニオンギア部１１２の回転方向が右回転方向であり、そのときのピニオンギア部１１２の回転数が１回転未満であると判定された場合、ピニオンギア部１１２の回転角θ１の右回りの総回転角は回転角θ１そのものであるから、次式（３ｃ）を用いて変位量Ｄを演算する。

Ｄ＝ｒ１×θ１ …（３ｃ）

また、演算処理部１１４０は、上記の判定処理（ステップＳ２，Ｓ３）により、ピニオンギア部１１２の回転方向が右回転方向であり、そのときのピニオンギア部１１２の回転数が１回転以上かつ２回転未満であると判定された場合、ピニオンギア部１１２の右回りの総回転角は「θ１＋２π」であるから、上記（３ｃ）におけるθ１を（θ１＋２π）に置き換えた次式（３ｄ）を用いて変位量Ｄを演算する。

Ｄ＝ｒ１×（θ１＋２π） …（３ｄ）

上述したように、演算処理部１１４０は、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２が属する数値範囲Ｒ１〜Ｒ４に応じて、ピニオンギア部１１２の回転方向と回転数を判定し、その判定結果を参照して、ピニオンギア部１１２の初期値からの総回転角を算出する。そして、演算処理部１１４０は、算出した総回転角を用いて変位量Ｄを算出する。

次に、第２実施形態の変形例を説明する。
図３に示す例では、ピニオンギア部１１２を挟んでピニオンギア部１１２０をラックギア部１１１と連結させたが、ピニオンギア部１１２０をラックギア部１１１に直接連結させてもよい。この場合、ピニオンギア部１１２０をラックギア部１１１に連結させる手法は任意であり、例えば、ラックギア部１１１を挟んでピニオンギア部１１２と対向する位置にピニオンギア部１１２０を配置してもよい。この場合、ラックギア部１１１の上辺と下辺の両方に歯を形成すればよい。

また、この場合、ラックギア部１１１の長手方向に沿ってピニオンギア部１１２と並べるようにピニオンギア部１１２０を配置してもよい。このようにピニオンギア部１１２０をラックギア部１１１に直接連結させることにより、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２の精度を改善することができる。
また、図３の構成において、ピニオンギア部１１２の位置とピニオンギア部１１２０の位置とを入れ替え、ピニオンギア部１１２０を挟んでピニオンギア部１１２をラックギア部１１１に連結させてもよい。

上述した第２実施形態によれば、小さな回転半径ｒ１を有するピニオンギア部１１２の回転角θ１から変位量Ｄを算出するので、高精度で変位量Ｄをモニタすることが可能となる。

また、上述した第２実施形態によれば、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２を参照して、ピニオンギア部１１２の総回転角を算出するので、ピニオンギア部１１２の回転角が１８０度以上であっても、変位量Ｄを正しく算出することができる。従って、上述の第１実施形態に比較して、より大きな変位量Ｄを高精度でモニタすることが可能となる。

また、上述した第２実施形態によれば、ピニオンギア部１１２０の回転角θ２が１８０度（πラジアン）を超えない範囲で加速度センサ１１３，１１３０の各検出信号を１回だけサンプリングすればよく、計測を常時行う必要がない。このため、演算処理部１１４０における消費電力を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の修正、変形、付加、置換等が可能である。
例えば、上述の実施形態では、ラックアンドピニオンを利用して計測対象物の変位量を加速度センサの検出軸の回転角に変換したが、例えば、ラックギア部１１１に代えて紐状の移動部を用い、ピニオンギア部１１２，１１２０に代えて円柱状の回転部を用い、上記紐状の移動部を上記円柱状の回転部に巻き付けておき、計測対象物の変位量に応じて、紐状の移動部を回転部から巻き出すことにより、ラックアンドピニオンと同様に、計測対象物の変位による直線運動を回転運動に変換してもよい。即ち、計測対象物の変位に応じて加速度センサの検出軸を傾かせるための手法として任意の手法を用いることができる。

１００，２００…変位計測装置、１１０，２１０…本体部、１１１…ラックギア部（移動部）、１１１ａ…計測棒、１１２，１１２０…ピニオンギア部（回転部）、１１３，１１３０…加速度センサ、１１４，１１４０…演算処理部、１１５…変位情報記憶部、１１６…無線通信部。

Claims (4)

1. 計測対象物の変位に合わせて移動する移動部と、
   前記移動部の移動に連動して回転する回転部と、
   前記回転部に設けられ、検出軸方向が前記回転部の回転軸と交差する方向に設定された重力加速度センサと、
   前記移動部の移動に連動して、前記回転部の回転半径よりも大きい回転半径で回転する副回転部と、
   前記副回転部に設けられ、検出軸方向が前記副回転部の回転軸と交差する方向に設定された副重力加速度センサと、
   前記重力加速度センサの検出値に基づいて前記計測対象物の変位量を演算するとともに、前記副重力加速度センサの検出値を参照して前記回転部の回転数または回転方向を特定する演算処理部と、
   を備えた変位計測装置。
2. 前記演算処理部は、所定の頻度で前記重力加速度センサの検出値を取得することを特徴とする請求項１に記載の変位計測装置。
3. 前記演算処理部は、前記所定の頻度で取得した前記重力加速度センサの検出値に基づいて前記計測対象物の変位量を演算した後、前記計測対象物の変位量に基づいて、前記重力加速度センサの検出値を取得する頻度を変更することを特徴とする請求項２に記載の変位計測装置。
4. 前記重力加速度センサは、静電容量型の重力加速度センサであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の変位計測装置。

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