(57)【要約】【課題】本発明は、測定対象物の変位を高精度で測定すること。【解決手段】基準線を形成するワイヤ２と、ワイヤ２に取り付けられた永久磁石３と、ワイヤ２が貫通できる貫通部４１を有する磁気検出装置４とを備え、磁気検出装置４を構造物１に取り付け、貫通部４１に永久磁石３を配置し、基準線に直交する面上において、永久磁石３と磁気検出装置４との相対位置を非接触で測定する変位測定装置、又は変位測定方法。【選択図】　　　　図１
2004109080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準線を形成するワイヤと、
ワイヤに取り付けられた永久磁石と、
ワイヤが貫通できる貫通部を有する磁気検出装置とを備え、
磁気検出装置を測定対象物に取り付け、貫通部に永久磁石を配置し、
基準線に直交する面上において、永久磁石と磁気検出装置との相対位置を非接触で測定することを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
ワイヤを鉛直又は水平に張って基準線として、
ワイヤの途中に永久磁石を取り付け、
永久磁石を内部に配置でき、永久磁石との相対位置を非接触で測定できる貫通部を有する磁気検出装置を測定対象物に取り付け、
基準線に直交する面上において、永久磁石と磁気検出装置との相対位置を非接触で測定することを特徴とする変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石と磁気検出装置を組み合わせて行う構造物等の変位の測定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
土木・建築の地下工事では、地盤の掘削に伴う地中応力の変化、地下水位の低下に伴う地盤沈下あるいは施工機械の振動等によって、周辺に位置する既存の構造物や地中構造物に影響を及ぼすことがある。そのため、工事場所に近接する既存構造物の安全性・健全性を確認するために、しばしば計測管理が行われる。計測管理では、既存構造物の鉛直・水平方向の変位あるいは傾斜角を定量的に測定するために、各種の測定装置が用いられる。
【０００３】
構造物等の変位を測定するには、対象となる構造物の種類・形状あるいは測定する変位の方向によって、様々な装置ならびに方法が用いられている。変位を測定する代表的な従来方法の３例を示す。
【０００４】
＜イ＞従来方法１
従来方法１は、１台の傾斜計を用いて構造物の倒れ、すなわち構造物の上下２点間の相対水平変位を測定する方法の例である。なお、傾斜計とは鉛直（重力）方向に対する傾斜角を電気量として検出する測定装置の総称である。図５において、構造物の下部に設定した基準点を通る基準線に対する構造物頭部の相対水平変位δは、構造物に固定した傾斜計によって得られる傾斜角θと対象物の高さｈより以下の式１から算出される。なお、式１の右辺は、θが微小の場合であり、ｔａｎθ≒θから求められる。
【０００５】
δ＝ｈ・ｔａｎθ＝ｈ・θ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式１）
【０００６】
＜ロ＞従来方法２
従来方法２は、撓み性を有する構造物を測定対象とする場合であり、複数の傾斜計を用いて水平変位分布を求める方法を示す。図６は４台の傾斜計を用いる場合の水平変位の算出方法の原理を示すが、構造物に設けられた基準点ｓ１、各測点ｓ２、ｓ３、ｓ４、ｓ５間の基準線方向の測点間距離が等しくいずれもｈとすると、基準線に対する各測点の水平変位δ１、δ２、δ３、δ４は、基準線に対する各測点間を結ぶ直線の傾斜角θ１、θ２、θ３、θ４より、以下のように式２で求められる。
【０００７】
δ１＝ｈθ１、δ２＝δ１＋ｈ・θ２＝ｈ（θ１＋θ２）、δ３＝δ２＋ｈ・θ３＝ｈ（θ１＋θ２＋θ３）、δ４＝δ３＋ｈ・θ４＝ｈ（θ１＋θ２＋θ３＋θ４）・・・（式２）
【０００８】
一般解として、ｎ台の傾斜計によって傾斜角θｉ（ｉ＝１、２、・・・、ｎ）が得られる場合、ｎ番目の測点の水平変位δｎは以下のように式３で求められる。
【０００９】
δｎ＝ｈ（θ１＋θ２＋・・・＋θｎ）・・・・・・・・・・・・・（式３）
【００１０】
＜ハ＞従来方法３
従来方法３は、鉄道・道路等の高架橋やトンネル等の水平方向に連続する構造物の水平あるいは鉛直変位を測定する例である。図７は、構造物に設置した各測点間を順に結ぶ直線（測線）間の成す角度（偏角）を測定することによって基準線に対する各測点の相対変位量を求める方法の原理を示すもので、一方の端部に設けた２点の基準点ｓ１、ｓ２により基準線を設定し、順次、測点を設けながら測定区間を一方向に延長する場合を示している。偏角の測定にはいくつかの種類の装置が用いられているが、測点間距離は一般に数ｍ程度とされている。
【００１１】
図７は３つの測点間距離ｈが等間隔で連続している場合を表しているが、各測点ｓ２（基準点を兼ねる）、ｓ３、ｓ４での偏角θ１、θ２、θ３より、測点ｓ３、ｓ４、ｓ５での基準線に対する相対変位δ１、δ２、δ３は、以下のように式４で求められる。
【００１２】
δ１＝ｈθ１、δ２＝δ１＋ｈ（θ１＋θ２）＝ｈ（２θ１＋θ２）、δ３＝δ２＋ｈ（θ１＋θ２＋θ３）＝ｈ（３θ１＋２θ２＋θ３）・・・・・・・・・・・・・（式４）
【００１３】
従来例３の方法は、測量の分野で偏角法と呼ばれている方法であり、測点がｎ個の場合のｎ＋１番目の測点での基準線に対する相対変位を求める一般式は下記式５のように表される。なお、図７を平面図と見れば水平方向の相対変位を、立面図とみれば鉛直方向の相対変位を求める方法を示す図となる。
【００１４】
δｎ＝ｈ｛ｎθ１＋（ｎ−１）θ２＋・・・＋θｎ｝・・・・・・・・・（式５）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来方法１では、基準点に対する構造物頭部の相対水平変位を求める際に、構造物がいずれの点でも同一の傾斜角θを生じていることが前提である。すなわち、式１は構造物自体が剛体と見なせる場合にしか成り立たず、撓み性を有する構造物には適用できない。
【００１６】
撓み性を有する構造物の相対水平変位を求めるには従来方法２による方法が必要となるが、上下２点間の相対水平変位のみを求める場合にも複数の傾斜計が必要となる。また、いずれの傾斜計によっても測定値には誤差を有しており、式２によれば、測点数が増大するに従って累積する傾斜角の数が増大することから測定誤差も増大し、測定値の信頼性が低下する。
【００１７】
また、従来方法３では従来方法２と同様に、複数の傾斜角を測定する必要がある。式３によれば、測点数が増大するに従って各測定値の累積回数が相乗的に増加することから、基準点から離れた測点ほど測定誤差も相乗的に増大する。一般に、測定区間全長が数１０ｍを超える場合、従来使用されている測定装置では要求される測定精度を満足することは困難である。
【００１８】
【問題を解決するための手段】
本発明は、基準線を形成するワイヤと、ワイヤに取り付けられた永久磁石と、ワイヤが貫通できる貫通部を有する磁気検出装置とを備え、磁気検出装置を測定対象物に取り付け、貫通部に永久磁石を配置し、基準線に直交する面上において、永久磁石と磁気検出装置との相対位置を非接触で測定することを特徴とする変位測定装置にある。
また、本発明は、ワイヤを鉛直又は水平に張って基準線として、ワイヤの途中に永久磁石を取り付け、永久磁石を内部に配置でき、永久磁石との相対位置を非接触で測定できる貫通部を有する磁気検出装置を測定対象物に取り付け、基準線に直交する面上において、永久磁石と磁気検出装置との相対位置を非接触で測定することを特徴とする変位測定方法にある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
＜イ＞変位測定装置
変位測定装置の構成と外観の概念図を図１に示す。変位測定装置はワイヤ２に固定された永久磁石３と磁気検出装置４で構成され、ワイヤ２によって形成される基準線方向（ｚ方向とする）に直交するｘおよびｙの２方向に対する（即ち、基準線に直交する面上（２次元）における）永久磁石４と磁気検出装置４との相対位置を電気量として検出するものである。磁気検出装置４は、貫通部４１を備えている。貫通部４１は、ワイヤ２を貫通することができ、また、ワイヤ２に取り付けられた永久磁石４を貫通部４１の内部に配置することができる。磁気検出装置４は、例えば、永久磁石３の磁力の強度や方向を測定して、永久磁石３の相対位置を求めるものである。
【００２１】
＜ロ＞鉛直な基準線による変位測定方法
図２は、変位測定装置を用いて、測定対象物である構造物の相対水平変位を測定する方法を概念的に表す立面図である。図２において、永久磁石３を取り付けたワイヤ２は重錘５によって基準点ｓ１より常に鉛直方向を示す基準線を成し、測定対象物である構造物１が変形する前後の各測点ｓ２、ｓ３、ｓ４に固定した磁気検出装置４と永久磁石３との相対位置を検出することによって、基準線に対する各測点ｓ２、ｓ３、ｓ４の位置での構造物１の直交する２方向（ワイヤに直交する面上）の相対水平変位を求めることができる。
【００２２】
＜ハ＞水平な基準線による変位測定方法
図３は、変位測定装置を用いて、水平方向に離して設けた２点の基準点間を結ぶ基準線に対する測定対象物である構造物の相対水平変位および相対鉛直変位を測定する方法を概念的に示す立面図である。図３において、２点の基準点ｓ１、ｓ５間に重錘５と滑車６によって張力を与えたワイヤ２を配して基準線とし、ワイヤ２の中間部に固定された永久磁石３と構造物１に固定された磁気検出装置４の相対位置の変化を検出することによって、測点ｓ２、ｓ３、ｓ４位置における基準線２に対する構造物１の相対水平変位および相対鉛直変位を測定することができる。
【００２３】
なお、図３の方法ではワイヤ２と永久磁石３の重量により、ワイヤ２には若干の弛みが生じることから、基準線は直線とはならない。弛み量はワイヤ２の長さ・断面・使用材料の物性と重錘５による張力、永久磁石３の重量・数量・設置位置に影響を受ける。図３に示す測定方法では、ワイヤ２の成す基準線が直線である必要はないが、ワイヤ２の弛み量の変化が測定精度上、無視できることが前提である。したがって、ワイヤ２には引張強度が大きく、線膨張率の小さい材料が適しており、全長も使用材料によって制限を設けるのが望ましい。直径１ｍｍ程度のインバー線（鉄−ニッケル合金）やスーパーインバー線（鉄−ニッケル−コバルト合金）等を用いる場合、基準点間隔は５０ｍ程度以内とする。
【００２４】
＜ニ＞複数のワイヤを用いた変位測定方法
測定範囲が５０ｍ程度を超える場合や測定範囲の構造物が軸方向に彎曲する場合にも、１本のワイヤ２を測定範囲全長にわたって配置できず、図３の方法を適用するのが困難な場合がある。その場合には、図３に示した測定方法を拡張して、基準線を成すワイヤ２の一部を重ね合わせて順次新たなワイヤ２を設置し、一方向に基準線を延長することによって対応が可能である。
【００２５】
図４は、ワイヤの一部を重ね合わせて一方向に測定範囲を延長する方法の原理を示すものである。図４において、構造物の基準線ｋ０が基準点ｓ１、ｓ２の２点を結ぶ直線で設定できるものとする。構造物上に点ｓ３、ｓ４、ｓ５を設け、２本のワイヤをｓ１−ｓ４間、およびｓ３−ｓ５間に設置し、図３に示した方法により、前者のワイヤに対して測点ｓ２、ｓ３を、後者のワイヤに対して測点ｓ４を設ける。構造物が変形した後の変形分布をｃとすると、各々のワイヤによって形成される２本の測線ｋ１、ｋ２に対する各測点での相対変位ａ１、ｂ１、ａ２が得られる。構造物の基準線ｋ０に対する２本のワイヤ右端部の相対変位δ１、δ２は、ワイヤの長さ（Ｌ１、Ｌ２、基準点ｓ１−ｓ２間距離ｄ１およびワイヤの重ね長さｄ２より、以下のように式６で求められる。なお、λは測点ｓ３における基準線に対する相対変位である。
【００２６】
δ１＝Ｌ１ａ１／ｄ１、λ＝（Ｌ１−ｄ２）ａ１−ｂ１、δ２＝λ＋（δ１＋ａ２−λ）Ｌ２／ｄ２＝（Ｌ１＋Ｌ２−ｄ２）ａ１／ｄ１＋（Ｌ２−ｄ２）ｂ１／ｄ２＋Ｌ２ａ２／ｄ２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式６）
【００２７】
上記を繰り返すことによって、測線をｎ本設けた場合の、右端部における基準線に対する相対変位δｎを求める一般式は以下の式７のとおり求められる。
【００２８】
δｎ＝｛（Ｌ１＋Ｌ２＋・・・＋Ｌｎ）−（ｄ２＋ｄ３＋・・・＋ｄｎ）｝ａ１／ｄ１＋｛（Ｌ２＋Ｌ３＋・・・＋Ｌｎ）−（ｄ２＋ｄ３＋・・・＋ｄｎ）｝ｂ１／ｄ２＋｛（Ｌ２＋Ｌ３＋・・・＋Ｌｎ）−（ｄ３＋ｄ４＋・・・＋ｄｎ）｝ａ２／ｄ２＋｛（Ｌ３＋Ｌ４＋・・・＋Ｌｎ）−（ｄ３＋ｄ４＋・・・＋ｄｎ）｝ｂ２／ｄ３＋・・・・・＋｛（Ｌｎ−１＋Ｌｎ）−ｄｎ｝ａｎ−１／ｄｎ−１＋（Ｌｎ−ｄｎ）ｂｎ−１／ｄｎ＋Ｌｎａｎ／ｄｎ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式７）
【００２９】
＜ホ＞変位測定装置を変位測定方法に用いた利点
図１に示した変位測定装置によれば、ワイヤの成す基準線に直交する２方向の構造物の変位を同時に測定できる。また、ワイヤを鉛直方向あるいは水平方向に設置することによって、同一の変位測定装置を用いながら、測定対象物や目的に応じて各種の計測に適用が可能である。
【００３０】
重錘５を取り付けたワイヤ２を鉛直方向に設置し、変位測定装置を用いて構造物の相対水平変位を測定する方法（図２参照）によれば、ワイヤ２が成す基準線が重力によって常に鉛直方向に保持される。したがって、構造物１の倒れを測定する場合、構造物１が撓み性を有する場合であっても１台の変位測定装置によって上下２点間の相対水平変位を測定できる。
【００３１】
また、複数の磁気測定装置４によって構造物１の水平変位分布を求める場合、傾斜計を用いる従来の方法（図６参照）では、測点が増大するに従って測定誤差が累積されるのに対して、本発明の磁気測定装置４によれば、基準線に対する各測点での相対水平変位を各々単独に測定することから測定誤差が累積されず、精度の高い測定結果が得られる。
【００３２】
また、変位測定装置を用いて、水平方向に離して設けた２点の基準点間を結ぶ基準線に対する構造物の相対水平変位および相対鉛直変位を測定する方法においては、図３に示す方法によって、５０ｍ程度までの測定区間に対して、図７に示した従来方法に比べて高い精度で測定できる。
【００３３】
さらに、測定範囲が５０ｍ程度を超える場合や測定範囲の構造物が軸方向に彎曲する場合で、１本のワイヤを測定範囲全長にわたって配置できない場合には、図３に示した測定方法を拡張して、図４に示すようにワイヤの一部を重ね合わせて順次新たなワイヤを設置することで測定範囲を延長することが可能である。図３および図４に示した方法により、測定範囲が数１００ｍ程度に及ぶ場合にも、変位測定装置によれば、十分な精度で相対変位を得ることが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、次のような効果を得ることができる。
＜イ＞本発明は、測定対象物の変位を高精度で測定できる。
＜ロ＞また、本発明は、１台の変位測定装置で２次元の平面上の変位を測定することができる。
＜ハ＞また、本発明は、長距離にわたって測定対象物の変位を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による変位測定装置の構成と外観を示す概念図
【図２】本発明による変位測定装置を用いて、鉛直方向の基準線に対する構造物の倒れあるいは相対水平変位を測定する方法を概念的に表す図
【図３】本発明による変位測定装置を用いて、水平方向に離して設けた２点の基準点間を結ぶ基準線に対する構造物の相対水平変位および相対鉛直変位を測定する方法を概念的に示す図
【図４】図３の測定方法において、ワイヤの一部を重ね合わせて一方向に測定範囲を延長する方法の原理を示す図
【図５】１台の傾斜計を用いて構造物の倒れを測定する従来方法１を示す図
【図６】撓み性を有する構造物の鉛直方向の基準線に対する相対水平変位を、複数の傾斜計を用いて測定する原理の従来方法２を示す図
【図７】水平方向に連続する構造物を対象として、構造物上の各測点間を順に結ぶ直線（測線）間の成す角度（偏角）を測定することによって、基準線に対する各測点の相対変位量を求める原理の従来方法３を示す図
【符号の説明】
１・・・構造物
２・・・ワイヤ
３・・・永久磁石
４・・・磁気検出装置
４１・・貫通部
５・・・重錘
６・・・滑車
【図１】
2004109080.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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