(57)【要約】【課題】天候や高圧電線等の外的要因の影響を受けにくく耐久性にも優れ、なおかつ遠隔で監視可能な光ファイバ式変位計を提供する。【解決手段】測定対象の変位に追従して変位を受け、その少なくとも一部にラックが設けられた板状部材と、前記ラックと噛合する歯車と、この歯車の前記板状部材の変位に伴う回転を当該回転の回転軸方向への変位に変換する変位変換部と、前記歯車の回転軸に対して回転対称な円筒形状をなし、前記変位変換部による変換に基づく前記歯車の回転軸方向への移動に応じて当該移動方向と略直交する方向へ弾性的に変形する弾性部材と、この弾性部材の変形方向に略直交し、当該弾性部材の周囲に巻回された光ファイバとを備える。【選択図】      図１
2004257933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の変位を検知する光ファイバ式変位計であって、
測定対象の変位に追従して変位を受け、その少なくとも一部にラックが設けられた板状部材と、
前記ラックと噛合する歯車と、
この歯車の前記板状部材の変位に伴う回転を当該回転の回転軸方向への変位に変換する変位変換部と、
前記歯車の回転軸に対して回転対称な円筒形状をなし、前記変位変換部による変換に基づく前記歯車の回転軸方向への移動に応じて当該移動方向と略直交する方向へ弾性的に変形する弾性部材と、
この弾性部材の変形方向に略直交し、当該弾性部材の周囲に巻回された光ファイバと
を備えたことを特徴とする光ファイバ式変位計。
【請求項２】
前記変位変換部は、前記歯車の回転軸表面が螺旋形状に加工され、当該回転軸表面と同様に螺旋形状に加工された前記歯車の中心に螺合されて成ることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ式変位計。
【請求項３】
前記弾性部材は、前記歯車と当該歯車の回転軸に固定された略中空円盤状の部材との間に配置されることを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバ式変位計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、橋梁の橋桁等の大型の土木構造物に設置し、地震動等によるその土木構造物の状態変化、特に変位を監視する場合に好適な光ファイバ式変位計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、大型の土木構造物の状態変化の監視は、保安要員による巡回点検や、電気式変位計（例えば、非特許文献１乃至３を参照）等によって行われている。
【０００３】
【非特許文献１】
”土木・建築用計測機器、変位計”、［ｏｎｌｉｎｅ］、株式会社共和電業、［平成１５年２月２５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｙｏｗａ−ｅｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｊａｐａｎｅｓｅ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｉｎｄｅｘ＿２００２−１０．ｈｔｍ＞
【０００４】
【非特許文献２】
”変位計”、［ｏｎｌｉｎｅ］、東京測器研究所、［平成１５年２月２５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｏｋｙｏｓｏｋｋｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ／ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．ｈｔｍｌ＞
【０００５】
【非特許文献３】
”マルチ変位計”、［ｏｎｌｉｎｅ］、株式会社興和、［平成１５年２月２５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｏｗａ−ｎｅｔ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｍｕｌｔｉ／ｍｕｌｔｉ．ｈｔｍ＞
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術のうち、保安要員による巡回点検は、即応性に欠けるとともに安全性に課題があった。
【０００７】
また、電気式変位計は、高精度ではあるものの雷害等の影響を受けるほか、耐久性や頻繁なメンテナンスを必要とする点に課題があった。
【０００８】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、天候や高圧電線等の外的要因の影響を受けにくく耐久性にも優れ、なおかつ遠隔で監視可能な光ファイバ式変位計を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、測定対象の変位を検知する光ファイバ式変位計であって、測定対象の変位に追従して変位を受け、その少なくとも一部にラックが設けられた板状部材と、前記ラックと噛合する歯車と、この歯車の前記板状部材の変位に伴う回転を当該回転の回転軸方向への変位に変換する変位変換部と、前記歯車の回転軸に対して回転対称な円筒形状をなし、前記変位変換部による変換に基づく前記歯車の回転軸方向への移動に応じて当該移動方向と略直交する方向へ弾性的に変形する弾性部材と、この弾性部材の変形方向に略直交し、当該弾性部材の周囲に巻回された光ファイバとを備えたことを要旨とする。
【００１０】
請求項１記載の発明によれば、光ファイバをセンサ及び伝送路として用いるため遠隔地から監視することができる。また、光ファイバ式変位計に電気的な部品を用いないため、雷や高圧電線等の誘導の影響を受けないで済む。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記変位変換部は、前記歯車の回転軸表面が螺旋形状に加工され、当該回転軸表面と同様に螺旋形状に加工された前記歯車の中心に螺合されて成ることを要旨とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記弾性部材は、前記歯車と当該歯車の回転軸に固定された略中空円盤状の部材との間に配置されることを要旨とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る光ファイバ式変位計の概略構成を示す説明図である。同図に示す光ファイバ式変位計１は、光ファイバ１１に加わる引っ張り荷重に起因する引っ張り歪みを利用して測定対象の変位を検知するものである。図２は、図１の矢視Ａ方向の矢視図である。なお、光ファイバ式変位計１の測定対象として想定されるのは、例えばトンネル、橋梁、ダム、ビル、河川堤防、港湾施設等の大型の土木構造物の地震や経年変化によって生じる変位や、地盤や山岳地帯の斜面における雪氷の崩壊等であるが、必ずしもそれらに限定されるものではないことは勿論である。
【００１５】
これらの図１および図２に示す光ファイバ式変位計１は、自身が設置される測定対象の変位に追従して移動する板状部材１２と、この板状部材１２の移動を補助するために測定対象に対して固定配置される複数のローラー１６とを備えている。この板状部材１２の図１の上面部の少なくとも一部にはラック１３が設けられており、このラック１３と噛合する歯車１４の回転軸である軸１５は、その表面が螺旋形状に加工されており、この軸１５の表面と同様に螺旋形状に加工されて成る歯車１４の中心に螺合されることにより、歯車１４が軸１５を回転軸とする回転に伴って軸１５の軸心方向（図２の上下方向）に移動する。すなわち、軸１５は測定対象の変位に伴う板状部材１２の変位を歯車１４の軸心方向（図２の上方向）への変位に変換するように加工されている。この意味で、歯車１４と軸１５とは、それぞれがナットとボルトとに相当する構造となっており、この両者が全体として、歯車１４の板状部材１２の変位に伴う回転を軸１５方向への変位に変換する変位変換部をなしている。
【００１６】
この歯車１４には、軸１５を歯車と共有し、例えばゴム等の弾性範囲が広くポアソン比が大きい弾性部材から形成された略中空円筒形状を有する変状部１７が固着されている。変状部１７の歯車１４側とは異なる端部には同軸上に取り付けられた略中空円盤状の部材から成る円盤部１８が軸１５に固定して取り付けられており、この変状部１７には光ファイバ１１が巻回されている。
【００１７】
次に、本実施形態の光ファイバ式変位計１の作用について、図３の説明図を用いて説明する。同図においては、比較のため、測定対象の変位発生前（図３（ａ））と変位発生後（図３（ｂ））における光ファイバ式変位計１の状態を上下に併記している。
【００１８】
図３（ａ）に示す変位発生前の状態（初期状態）では、光ファイバ１１の歪み（ひずみ）分布は、変状部１７に巻回した部分で初期張力に応じた値となっている。
【００１９】
次に、測定対象が図３で右方向に変位すると、その変位に伴って板状部材１２も右方向に変位し、ラック１３の移動によって歯車１４が回転する。ちなみに、このときの歯車１４の回転方向は、図１で反時計回りの方向である。歯車１４は回転によって軸１５に沿って図２中上方向に移動する。他方、円盤部１８は、前述したように軸１５に固定されており、変状部１７は前述した弾性部材から形成されているため、歯車１４の円盤部１８側への変位に応じて変状部１７は軸１５の軸心方向に押圧されて、歯車１４の移動方向と略直交する方向のうち軸１５から遠ざかる方向（軸１５から見て外向き）に樽状に弾性変形する。この弾性変形により、変状部１７に巻回された光ファイバ１１には引っ張り荷重が印加され、引っ張り歪みが発生する。
【００２０】
このように、本実施形態によれば、測定対象部位ひいては板状部材１２に位置変化（変位）が生じると、その変位量を光ファイバ１１に生じた引っ張り歪みにより検出することができる。したがって、本実施形態の光ファイバ式変位計１を測定対象部位に設置した上で、光ファイバ１１の歪み分布を測定する歪み分布測定器を光ファイバ式変位計１に接続し、変位前の初期状態との差分から、測定対象部位の変位量を検知、換算することが可能となる。
【００２１】
すなわち、本実施形態によれば、測定対象部位の位置変化（変位）に基づく物理量を電気的に計測するのではなく、位置変化に基づく光ファイバ１１の引っ張り歪みに応じて計測することができるため、例えば雷等の天候変化、高圧電線等の外的要因に対する影響を受けにくくなり、測定精度の向上とともに、耐久性の向上、および誤作動の防止を図ることが可能となる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、電気的構成要素を用いることなく、測定対象部位の荷重変化に基づく物理量を計測することができるため、光ファイバ式変位計１自体のコストを低減することができる。
【００２３】
この結果、光ファイバ式変位計１を測定対象部位の荷重変化検出用として最初に設置する場合のコスト（初期設置コスト）および交換時等のメンテナンスに伴う維持コストをそれぞれ低減することが可能になる。
【００２４】
なお、ラック１３は板状部材１２の少なくとも一部に設けてあればよく、ラック１３の長さ、および歯車１４の径や歯の数は、監視する測定対象構造物の許容変位量に応じて決定されることはいうまでもない。また、板状部材１２上に、少なくとも（ラック１３、歯車１４、軸１５、変状部１７、円盤部１８）の組を複数箇所設けることによって測定対象の変位を測定する構成にすることも勿論可能である。
【００２５】
図４は、本実施形態の光ファイバ式変位計１を複数個用いて測定対象の変位を計測する変位計測システムの概略構成を示す説明図である。同図に示す変位計測システム１００は、光ファイバ式変位計１を複数個用いて光ファイバ１１に発生した引っ張り歪みを検知するものである。以後の説明においては、複数の光ファイバ式変位計を１−１、１−２、・・・、１−ｎ（ｎは２以上の正の整数）と表す。
【００２６】
図４に示す各光ファイバ式変位計１−１、１−２、・・・、１−ｎは、同一の光ファイバ１１を介して直列に接続されており、その各々が、例えば測定対象部位に設置されている。より具体的な例については、図５を用いて後述する。なお、各光ファイバ式変位計１−１、１−２、・・・、１−ｎのその他の構成要素については、図１を用いて説明した光ファイバ式変位計１と同様であるため、その説明は省略する。
【００２７】
また、同一の光ファイバ１１を介して直列接続された複数の光ファイバ式変位計１−１、・・・、１−ｎにおける一端側の光ファイバ式変位計１−１から外側に引き出された光ファイバ１１は、その光ファイバ１１の歪み分布を測定して電気的な歪みデータに変換して出力する歪み分布測定器２０に接続されている。この歪み分布測定器２０は、パーソナルコンピュータ等の電子計算機である計算機３０と、ＬＡＮ、公衆回線、専用線等の通信ネットワークを介して通信可能に接続されている。計算機３０は、歪み分布測定器２０から出力された歪みデータを受信し、受信した歪みデータに基づいて測定対象の荷重変化量や変化位置を算出し、算出結果に基づいて予め設定された閾値に応じた位置変化発生の有無を判定して警報等を発出する。
【００２８】
ここで、歪み分布測定器２０の概略構成について、図４を用いて説明する。図４に示す歪み分布測定器２０は、光ファイバ１１に沿って連続的な歪み分布の測定が可能なブリルアン後方散乱光を用いた光学時間領域反射測定法（ＢＯＴＤＲ：Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ−ｆｉｂｅｒ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）に基づく測定器である。
【００２９】
すなわち、歪み分布測定器２０は、レーザ光等の信号光Ｓ１および参照光Ｓ２をそれぞれ出力する光源２１と、この光源２１から出力された信号光Ｓ１の光周波数を、例えば約１０ＧＨｚ上昇した周波数に変換する光周波数変換器２２と、この光周波数変換器２２により周波数変換された信号光Ｓ１をパルス変調して光パルスＰ１を生成して出力する光パルス変調器２３と、この光パルス変調器２３から出力された光パルスＰ１を光ファイバ１１に出力する一方で、自身に戻ってくるブリルアン散乱に起因した後方散乱光Ｂ１を分岐（スプリット）して後述するコヒーレント光受信機２５に出力するビームスプリッタ２４とを備えている。
【００３０】
また、歪み分布測定器２０は、複数の光ファイバ式変位計１−１、１−２、・・・、１−ｎ側からビームスプリッタ２４を介して戻ってくる後方散乱光Ｂ１を受信し、受信された後方散乱光Ｂ１と参照光Ｓ２とを比較して、光ファイバ１１全体、すなわち、複数の光ファイバ式変位計１−１、・・・、１−ｎ内での歪み分布を測定し、測定された歪み分布を電気的な歪みデータに変換して計算機３０に出力するコヒーレント光受信機２５を備えている。
【００３１】
次に、変位計測システム１００全体の作用を説明する。
【００３２】
複数の光ファイバ式変位計１−１、１−２、・・・、１−ｎには、歪み分布測定器２０から光パルスＰ１が送出されて光ファイバ１１に入射されている。
【００３３】
このとき、複数の光ファイバ式変位計１−１、１−２、・・・、１−ｎのうちで少なくとも一つの光ファイバ式変位計１−ｊ（１≦ｊ≦ｎ；ｊは整数）が設置された測定対象部位に変位が生じると、この光ファイバ式変位計１−ｊの変状部１７−ｊは、板状部材１２−ｊの変位量に応じて歯車１４−ｊがラック１３−ｊを介して移動することによって歯車１４−ｊと軸１５−ｊに固定された円盤部１８−ｊに挟まれて押圧されることにより、軸１５−ｊの軸心方向に対して略直交する方向（径方向）に沿って外方へ樽状に弾性変形する（前掲図２参照）。この弾性変形により、光ファイバ１１における光ファイバ式変位計１−ｊにおける変状部１７−ｊの環状側面部に巻回された部分（以下、この部位をファイバ部位と称する）には引っ張り荷重が印加され、この結果、ファイバ部位に引っ張り歪みが発生する。ここで、光ファイバ式変位計１−ｊの構成要素の符号には、すべて「−ｊ」を追加している。
【００３４】
このとき、光ファイバ１１に入射された光パルスＰ１は、その光ファイバ１１内を伝播しながらブリルアン散乱に基づく後方散乱光Ｂ１（戻り光；約１０ＧＨｚ周波数ダウンする）を発生している。
【００３５】
特に、光ファイバ１１における少なくとも一つ以上のファイバ部位において引っ張り歪みが生じているため、ファイバ部位からの後方散乱光には、引っ張り歪みに起因した周波数シフトが発生している。
【００３６】
このようにして発生した後方散乱光Ｂ１は、光ファイバ１１内を光パルス入射側、すなわち歪み分布測定器２０側に向かって伝播し、ビームスプリッタ２４を介して分岐してコヒーレント光受信機２５に入射する。
【００３７】
このコヒーレント光受信機２５では、入射された後方散乱光Ｂ１および参照光Ｓ２間において、例えば光ヘテロダイン検波が実行され、上記後方散乱光Ｂ１および参照光Ｓ２間の周波数差を表す分布（周波数分布）に対応する電気データ、すなわち、上記引っ張り歪みに起因した周波数シフト部分に対応する周波数差の分布（歪み分布）を表す歪みデータが生成される。
【００３８】
生成された歪みデータは、計算機３０に送信される。計算機３０では、歪みデータに基づいて解析処理が実行され、測定対象部位の荷重変化量や位置変化（変位）が算出される。
【００３９】
また、算出された測定対象部位の荷重変化量および位置変化に基づいて、予め設定された閾値（例えば、測定対象の許容できる最大の荷重変位レベルを表す）に応じた荷重変化発生の有無が判定され、その結果、閾値を超えた荷重変化が発生したと判定された場合には、計算機３０から警報が出力される。
【００４０】
以上述べたように、図１に示す光ファイバ式変位計１と同等のものを複数個用いて変位計測システム１００を構成する場合にも、例えば雷等の天候変化、高圧電線等の外的要因からの影響を大幅に低減して測定精度を向上し、さらに、各光ファイバ式変位計１−１、・・・、１−ｎのコスト低減に基づいて変位計測システム１００全体のコストを低減させることができ、初期設置コストおよび維持コストをそれぞれ低減することが可能になる。
【００４１】
このような変位計測システム１００は、特に大型の測定対象に対して複数箇所で計測する場合に好適である。すなわち、それぞれの測定部位に設けられる光ファイバ式変位計１−１、・・・、１−ｎと一つの歪み分布測定器２０との間を１本の光ファイバ１１を用いて直列に配線することができ、光ファイバ式変位計１−１、・・・、１−ｎ毎に個別に配線する必要がないため、変位計測システム１００全体を簡素化することが可能になる。
【００４２】
さらに、各光ファイバ式変位計１−１、・・・、１−ｎに対して電源は不要であり、電源分のコストを低減し、また、電源交換等のメンテナンスも不要になる。
【００４３】
そして、上述したように、光ファイバ式変位計１−１、・・・、１−ｎと歪み分布測定器２０との間を光ファイバ１１のみで配線することができるため、歪み分布測定器２０を光ファイバ式変位計１−１、・・・、１−ｎに対して遠隔配置することに適しており、遠隔側において測定対象部位の荷重変化を一元的に監視することができる。
【００４４】
本実施形態に係る変位計測システム１００は、例えば橋梁における橋桁の連結部分に設置され、橋桁の移動を検知する場合に適用することが出来る。図５は、本実施形態に係る光ファイバ式変位計を橋桁の連結部分に取り付けた場合の側面図である。同図に示す二つの橋桁４１および４２は、橋脚５１を台座として連結されており、両橋桁４１および４２には落橋防止装置６１が連結して設けられている。
【００４５】
この連結部分側面に設置される光ファイバ式変位計に対して便宜上符号１−ｊ（１≦ｊ≦ｎ；ｊは整数）を付し、その光ファイバ式変位計１−ｊの各部位の符号にも「−ｊ」を追加して記載する。板状部材１２−ｊは、その右端が橋桁４２に固定して取り付けられ、さらに各ローラー１６の回転軸も橋桁４１または４２に取り付けられている。橋桁４１には、軸１５−ｊも取り付けられている。したがって、橋桁４２が図５の右方向に変位することに伴って板状部材１２−ｊも右方向に変位する。これにより、変状部１７−ｊが弾性変形を受け、この変状部１７−ｊの周囲に巻回された光ファイバ１１に引っ張り歪みが発生することにより、橋桁４２の変位を検知することが出来る。
【００４６】
なお、同図に示す場合には、左方向への変位には対応できないが、これは例えば図の反対側（紙面の反対側）に同様の光ファイバ式変位計１を設けることによって検知可能にすることが出来る。
【００４７】
また、光ファイバ式変位計１−ｊに対して適宜カバー部材を用いて被覆等の処理を施しておけば、一段と耐久性を増すことが出来る。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、天候や高圧電線等の外的要因の影響を受けにくく耐久性にも優れ、なおかつ遠隔で監視可能な光ファイバ式変位計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光ファイバ式変位計の概略構成を示す説明図である。
【図２】図１の矢視Ａ方向の側面図である。
【図３】変位前後の光ファイバ式変位計の変化を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る光ファイバ式変位計を複数個備えた変位計測システムの概略構成を示す説明図である。
【図５】図４に示す変位計測システムの一適用例を示す橋梁の連結部分の側面図である。
【符号の説明】
１、１−１、１−２、・・・、１−ｎ  光ファイバ式変位計
１１  光ファイバ
１２  板状部材
１３  ラック
１４  歯車
１５  軸
１６  ローラー
１７  変状部
１８  円盤部
２０  歪み分布測定器
２１  光源
２２  光周波数変換器
２３  光パルス変調器
２４  ビームスプリッタ
２５  コヒーレント光受信機
３０  計算機
４１、４２  橋桁
５１  橋脚
６１  落橋防止装置
１００  変位計測システム
【図１】
2004257933.tif 000003
【図２】
2004257933.tif 000004
【図３】
2004257933.tif 000005
【図４】
2004257933.tif 000006
【図５】
2004257933.tif 000007