(57)【要約】    【課題】雷による影響を受けず、また故障が少なく、誤作動や出力値に誤差の発生が少なく、小型で簡単な構造の傾斜計を提供する。    【解決手段】傾斜角計測用の容器４の傾斜角度に応じ、傾斜角計測用の容器４の内部に収容している質量体３の重力より分力された軸方向成分の荷重が傾斜角計測用の容器４の傾斜下端底面に加わって軸方向に変位が生じる傾斜センサー部と、傾斜角計測用の容器４の傾斜下端底面における軸方向変位に基づく応力が作用される光ファイバーからなる歪みセンサー１１と、歪みセンサー１１にレーザー光を入射すると共に該歪みセンサー１１からの反射光を受光して歪みを計測し、該計測した歪み量から傾斜角度を求める復調器２とを有する。【選択図】      図１
2005233918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形状に形成された傾斜角計測用の容器の傾斜角度に応じ、該傾斜角計測用の容器の内部に収容している質量体の重力より分力された軸方向成分の荷重が該傾斜角計測用の容器の傾斜下端底面に加わって軸方向に変位が生じる傾斜センサー部と、前記傾斜角計測用の容器の傾斜下端底面における軸方向変位に基づく応力が作用される光ファイバーからなる歪みセンサーと、前記歪みセンサーにレーザー光を入射すると共に該歪みセンサーからの反射光を受光して歪みを計測し、該計測した歪み量から傾斜角度を求める復調器とを有することを特徴とする傾斜計。
【請求項２】
前記傾斜角計測用の容器は、傾斜下端部に軸方向に伸縮可能な伸縮部材を備え、該傾斜角計測用の容器の傾斜角度に応じて前記質量体により加わる前記軸方向成分の荷重によって伸縮することを特徴とする請求項１に記載の傾斜計。
【請求項３】
前記傾斜センサー部は、前記傾斜角計測用の容器を固定すると共に、前記傾斜角計測用の容器の傾斜下端底面の軸方向変位によって撓みを受けるテンションばねを有する固定部材を備え、前記テンションばねと、前記固定部材における前記傾斜角計測用の容器を固定する部分との間に前記歪みセンサーを固定したことを特徴とする請求項１または２に記載の傾斜計。
【請求項４】
前記質量体は、前記傾斜角計測用の容器内に充填される複数の球体で構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の傾斜計。
【請求項５】
前記質量体は、柱体と、該柱体を前記傾斜角計測用の容器の内壁面に対して滑動自在に支持する複数の球体とにより構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の傾斜計。
【請求項６】
前記質量体は、円錐柱体形状に形成され、尖った先端部を前記傾斜角計測用の容器の傾斜下端底面に当接させ、大径底面側の外周縁部と該容器の内周壁面との間に複数の球体を配置し、該柱体を軸方向に滑動自在に支持したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の傾斜計。
【請求項７】
前記傾斜角計測用の容器は大気に開放されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の傾斜計。
【請求項８】
前記傾斜角計測用の容器は密閉されていて、大気圧の変動に応じて一端部側が軸方向に沿って変位する補正用の密閉容器を有し、該傾斜角計測用の密閉容器の傾斜下端底面に対して前記補正用の密閉容器の一端部側を対向配置し、該傾斜角計測用の密閉容器の傾斜下端底面に該補正用の密閉容器の一端部側の変位による力を作用させたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の傾斜計。
【請求項９】
前記傾斜角計測用の容器は密閉されていて、大気圧の変動に応じて一端部側が軸方向に沿って変位する補正用の密閉容器を有し、該傾斜角計測用の密閉容器の傾斜下端底面に対して前記補正用の密閉容器の一端部側を対向配置し、該傾斜角計測用の密閉容器の傾斜下端底面に該補正用の密閉容器の一端部側の変位による力を作用させると共に、前記両密閉容器内を連通させ、不活性ガスを充填したことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の傾斜計。
【請求項１０】
固定部材をなす枠体と、前記枠体の上部から下方に向けてくびれた接続部を介して吊り下げられ、前記枠体と一体に形成された質量体と、前記枠体の傾斜角度に応じ前記質量体が前記枠体に対して傾斜して生じる変位に基づく応力が作用される光ファイバーからなる歪みセンサーと、前記歪みセンサーにレーザー光を入射すると共に該歪みセンサーからの反射光を受光して歪みを計測し、該計測した歪み量から傾斜角度を求める復調器とを有することを特徴とする傾斜計。
【請求項１１】
前記固定部材には、前記歪みセンサーに接続される温度補正用の光ファイバーセンサーを固定したことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の傾斜計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重力の分力を利用した傾斜計に係り、光ファイバーセンサー（FBGセンサー、B-OTDR方式）などの歪みセンサーを用いて傾斜角を計測する傾斜計に関するもので、防災土木等に使用される地盤傾斜計，船舶傾斜計，ダム等のゲートの開度を計測する傾斜計，建築物の傾斜計，はねあげ橋の角度を計測する傾斜計等に適用される。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダム等の水門であるゲートの開度制御方法として、例えばゲートの駆動機構の駆動源にセルシンモータ（シンクロモータ）を用い、遠隔操作により該ゲートを所望の開度に傾動させるようにしており、また、扇体軸に直結したロータリーエンコーダーを設け、このロータリーエンコーダーからの検出信号に基づいて該モータのフィードバック制御を行なうようにしている。また、ゲート先端からワイヤーをのばし、機械室までプーリーで引き込み、これを機械的ワイヤー長さ計にて開度を計測していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した従来のゲートの傾斜角度を計測する傾斜角度を計測するシステムにあっては、ロータリーエンコーダーを使用しているため、以下のような問題点が指摘されている。
１  精密構造化が要求され、また回転部分を有するため、長期間に亘って精度を維持するには不向きであった。
２  ロータリーエンコーダー自身、微妙な電気信号を扱うため、野外で使用する時には雷による影響を受け易いという難点があった。
３  防水構造にすることが非常に困難で、浸入する雨水などの影響を受けて誤作動するおそれがあった。
４  ロータリーエンコーダーの出力値はデジタル値であるため、コード方式によっては振動する場所に設置した場合、数値抜け、数値飛びの現象が発生し、平均値化しても出力する信号値に誤差を含む可能性が高かった。
５  回転部分が存在し、磨耗による故障の原因となった。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題を解決するために為されたもので、雷による影響を受けず、また故障が少なく、誤作動や出力値に誤差の発生が少なく、小型で簡単な構造の傾斜計を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、請求項１に記載のように、筒形状に形成された傾斜角計測用の容器の傾斜角度に応じ、該傾斜角計測用の容器の内部に収容している質量体の重力より分力された軸方向成分の荷重が該傾斜角計測用の容器の傾斜下端底面に加わって軸方向に変位が生じる傾斜センサー部と、前記傾斜角計測用の容器の傾斜下端底面における軸方向変位に基づく応力が作用される光ファイバーからなる歪みセンサーと、前記歪みセンサーにレーザー光を入射すると共に該歪みセンサーからの反射光を受光して歪みを計測し、該計測した歪み量から傾斜角度を求める復調器とを有することを特徴とする傾斜計とするものである。
【０００６】
第２の発明は、請求項２に記載のように、上記した第１の発明で、前記傾斜角計測用の容器は、傾斜下端部に軸方向に伸縮可能な伸縮部材を備え、該傾斜角計測用の容器の傾斜角度に応じて前記質量体により加わる前記軸方向成分の荷重によって伸縮することを特徴とする。
【０００７】
第３の発明は、請求項３に記載のように、上記いずれかの発明で、前記傾斜センサー部は、前記傾斜角計測用の容器を固定すると共に、前記傾斜角計測用の容器の傾斜下端底面の軸方向変位によって撓みを受けるテンションばねを有する固定部材を備え、前記テンションばねと、前記固定部材における前記傾斜角計測用の容器を固定する部分との間に前記歪みセンサーを固定したことを特徴とする。
【０００８】
第４の発明は、請求項４に記載のように、上記いずれかの発明で、前記質量体は、前記傾斜角計測用の容器内に充填される複数の球体で構成したことを特徴とする。
【０００９】
第５の発明は、請求項５に記載のように、上記第１から第３のいずれかの発明で、前記質量体は、柱体と、該柱体を前記傾斜角計測用の容器の内壁面に対して滑動自在に支持する複数の球体とにより構成したことを特徴とする。
【００１０】
第６の発明は、請求項６に記載のように、上記第１から第３のいずれかの発明で、前記質量体は、円錐柱体形状に形成され、尖った先端部を前記傾斜角計測用の容器の傾斜下端底面に当接させ、大径底面側の外周縁部と該容器の内周壁面との間に複数の球体を配置し、該柱体を軸方向に滑動自在に支持したことを特徴とする。
【００１１】
第７の発明は、請求項７に記載のように、上記いずれかの発明で、前記傾斜角計測用の容器は大気に開放されていることを特徴とする。
【００１２】
第８の発明は、請求項８に記載のように、上記第１から第６のいずれかの発明で、前記傾斜角計測用の容器は密閉されていて、大気圧の変動に応じて一端部側が軸方向に沿って変位する補正用の密閉容器を有し、該傾斜角計測用の密閉容器の傾斜下端底面に対して前記補正用の密閉容器の一端部側を対向配置し、該傾斜角計測用の密閉容器の傾斜下端底面に該補正用の密閉容器の一端部側の変位による力を作用させたことを特徴とする。
【００１３】
第９の発明は、請求項９に記載のように、上記第１から第６のいずれかの発明で、前記傾斜角計測用の容器は密閉されていて、大気圧の変動に応じて一端部側が軸方向に沿って変位する補正用の密閉容器を有し、該傾斜角計測用の密閉容器の傾斜下端底面に対して前記補正用の密閉容器の一端部側を対向配置し、該傾斜角計測用の密閉容器の傾斜下端底面に該補正用の密閉容器の一端部側の変位による力を作用させると共に、前記両密閉容器内を連通させ、不活性ガスを充填したことを特徴とする。
【００１４】
第１０の発明は、請求項１０に記載のように、固定部材をなす枠体と、前記枠体の上部から下方に向けてくびれた接続部を介して吊り下げられ、前記枠体と一体に形成された質量体と、前記枠体の傾斜角度に応じ前記質量体が前記枠体に対して傾斜して生じる変位に基づく応力が作用される光ファイバーからなる歪みセンサーと、前記歪みセンサーにレーザー光を入射すると共に該歪みセンサーからの反射光を受光して歪みを計測し、該計測した歪み量から傾斜角度を求める復調器とを有することを特徴とする。
【００１５】
第１１の発明は、請求項１１に記載のように、上記いずれかの発明で、前記固定部材には、前記歪みセンサーに接続される温度補正用の光ファイバーセンサーを固定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明によれば、傾斜センサー部は傾斜角計測用の容器内に収容した質量体が該容器の傾斜角に応じて変化する重力より分力された軸方向成分の荷重に依存して該傾斜角計測用の容器の傾斜下端底面に軸方向変位を生じさせ、この軸方向変位に基づく応力を光ファイバーからなる歪みセンサーに加え、この歪みセンサーの歪み量はレーザー光を用いた復調器により計測し、計測した歪み量から傾斜角を求めるようにしたので、傾斜センサー部には故障の原因となる回転部分がなく、長期間に亘って安定して傾斜角を計測することができる。
【００１７】
また、復調器から光ファイバーを介して傾斜センサー部にはレーザー光が入射するだけの構成であるため、傾斜センサー部には電気的構成部分が存在しないので、防水構造にする必要がなくなり、構造の小型化、簡素化が図れ簡単化すると共に野外に設置した場合に雷による被害を受けることがない。さらに、従来のロータリーエンコーダーの出力値はデジタル出力であるため、デジタル化のためのコード方式によっては振動等で数値抜け、数値飛びの現象が発生し、平均値化しても誤差の原因となっていたが、本発明では歪みセンサーの出力は基本的に連続したアナログ量であるため、傾斜センサー部に振動が加わった出力値であっても、平均化すれば収斂した値となり、誤差は拡大しない。
【００１８】
さらに、傾斜センサー部の小型化が図れるため、取付場所の制限が少なくなる。
【００１９】
また、歪みセンサーを用いることにより、従来のロータリーエンコーダーでは不可能な数ｍｓ単位の極めて高速度な傾斜変化にも対応可能となった。
【００２０】
請求項２に係る発明によれば、傾斜角計測用の容器には、傾斜下端部に軸方向に伸縮可能な伸縮部材を備えたので、該傾斜角計測用の容器の傾斜角度に応じて前記質量体により加わる前記軸方向成分の荷重による変位を正確に伝達することができる。
【００２１】
請求項３に係る発明によれば、例えば凹形状に形成した固定部材に傾斜センサー部の構成部品及び歪みセンサーをコンパクトに配置することができ、傾斜計の小型化を図ることができる。
【００２２】
請求項４に係る発明によれば、傾斜角計測用の容器が傾斜すると複数の球体は全体的に流体のように動くので、質量体により加わる軸方向成分の荷重はスムーズに変位する。
【００２３】
請求項５に係る発明によれば、傾斜角計測用の容器が傾斜すると、大きな重量の柱体が該容器の軸心と一致して軸方向にスムーズに移動するので、質量体により加わる軸方向成分の荷重はスムーズに変位する。
【００２４】
請求項６に係る発明によれば、傾斜角計測用の容器内に収容されている質量体は該容器の軸心と一致して移動するように規制されているため、該容器が傾斜すると、大きな重量の円錐柱体形状の質量体は該容器の軸心と一致して軸方向にスムーズに移動するので、質量体により加わる軸方向成分の荷重はスムーズに変位する。
【００２５】
請求項７に係る発明によれば、大気圧の変動に作用されることなく傾斜角を計測することができる。
【００２６】
請求項８、９に係る発明によれば、傾斜角計測用の容器は密閉されることにより、容器内に発生する結露等のコンタミネーションによる影響が排除できる。また、補正用密閉容器の作用で大気圧変化の影響をキャンセルすることができる。
【００２７】
請求項１０に係る発明によれば、センサー部が簡単な構成であるため故障の発生を低減することができる。
【００２８】
請求項１１に係る発明によれば、歪みセンサーに及ぼされる温度変化の影響を取り除き、高精度に傾斜角を計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
第１の実施の形態
図１は本発明の第１の実施の形態を示す傾斜計を示す。
【００３０】
本実施の形態の傾斜計は、傾斜計の機械的構成部１と、電気的構成部である復調器２から構成され、機械的構成部１と復調器２とは光ファイバーＯＦにより接続されている。
【００３１】
図１において、４は円筒状に形成された容器で、後端側（図中右側）は蓋体４ａで閉鎖され、先端側には軸方向に沿って伸縮可能な円筒状に形成されたベローズ部材６が固定されている。このベローズ部材６は、伸び方向に負荷が加わるとばね力に抗して伸び、伸び方向への負荷が軽減されるとばね力によって縮む引張ばねと同等の特性を備えたもので、例えばステンレスまたはベリリューム銅等の金属材により形成されている。ベローズ部材６はこのようにばね性（弾性）を有することにより、傾斜しても内部に充填されている球体３の重量により全体的に軸心に対する撓みを極力小さくし、押しピン５が容器４の軸心と一致できるようにしているが、ベローズ部材６にばね性を与えず、ベローズ部材６をその軸方向に沿って伸縮するのを案内するが軸方向に対して撓むのを阻止するリニアレールなどの直線案内部材（不図示）を設けるようにしてもよい。
【００３２】
ベローズ部材６は先端面が閉鎖され、後端面が開口しており、ベローズ部材６の後端開口が容器４の先端側に軸心を合わせて固定されている。ベローズ部材６の内径と容器４の内径とは同径に形成されて繋ぎ目に段差が全くないようにしている。
【００３３】
容器４内およびベローズ部材６内には多数個の球体３が密に充填され、容器４の傾斜に伴って金属球全体が流体のように移動するようになっている。このため、球体３同士の接触摩擦を非常に小さくすること、および球体３と容器４内面との接触摩擦を非常に小さくする必要がある。そこで、本実施の形態では、比較的比重が大きく、きわめて硬く、物質間の接触摩擦の小さい、例えばステンレス（ＳＵＳ４４０Ｃ），タングステンカーバイト，クロム，スチール，セラミック，炭素材を使用して、球体３の表面及び容器４の内表面にできる限りの表面凹凸を小さくする電解研磨などの仕上げ技術を用いて表面を非常に滑らかに処理している。また、球体３も真球に近い球に形成されている。勿論、ベローズ部材６の内表面についても容器４の内表面と同様に処理されている。
【００３４】
また、ベローズ部材６の先端には軸心に合せて押しピン５が固定されており、ベローズ部材６に加わる軸方向の力をこの押しピン５に集中させるようにしている。
【００３５】
本実施の形態の傾斜計は、ダムのゲートを水平方向の回転軸を中心に回動する方式において、該回転軸を中心にゲートの回動と一体に回動する部材に取り付けて該ゲートの開度を計測するのに適用されるもので、容器４内を大気に開放するための開口４ｂを容器４の蓋体４ａに設けただけの場合には、この蓋体４ａの開口４ｂから水が容器４内に浸入するので、開口４ｂに長尺のパイプ１０を接続し、このパイプ１０の先端を上方に上げて水の浸入を防いでいる。なお、パイプ１０の先端部には防塵用のフィルター１０ａを設け、パイプ１０内、容器４内にごみが入らないようにし、常に容器４内が大気開放状態となるようにしている。
【００３６】
８は側面が略凹形状に形成された金属製（例えばステンレス）の固定部材としてのアーム体で、１本のアーム８ａで構成された第１アーム部８Ａと、第１アーム部８Ａと対向し、該第１アーム部８Ａのアーム８ａよりも長い２本のテンションばね７とストッパー９で構成された第２アーム部８Ｂとを有し、第１アーム部８Ａのアーム８ａの先端には、押しピン５の先端をテンションばね７の作用面に当接させるようにして容器４が固定されている。
【００３７】
第２アーム部８Ｂを構成するアーム８ａ側のテンションばね７と、押しピン５の押圧でテンションばね７が所定値以上に撓むと当接してテンションばね７が塑性変形するのを防止するストッパー９とは、隙間を有して隔設されている。
【００３８】
したがって、アーム体８を傾斜の測定対象となるダムゲートの回動部材に取り付けると、ダムゲートの傾斜角度に応じて容器４内の多数の球体３に基づく容器４の軸方向における分力荷重が変化し、これによりベローズ６の伸び量が変化することになる。
【００３９】
すなわち、図２に示すように、水平線に対する容器４の傾きをθ、容器４内の質量体Ｗの重量をｍとし、該質量体Ｗと容器４との摩擦を無視すると、分力荷重ｗは、
ｗ＝ｍ・sinθ（式１）
で与えられる。
【００４０】
このことから、傾斜角θは、
θ＝sin-1(w/m)
で求めることができる。なお、第１の実施の形態における質量体は球体３の総重量となる。
【００４１】
ベローズ６の伸び量が変化すると、押しピン５によって撓まされているテンションばね７の撓み量も変化する。
【００４２】
本実施の形態では、テンションばね７の根元部の近くと第１アーム部８Ａのアーム８ａとの間に固定点１２で光ファイバーグレーティング（Fiber Bragg Grating）センサーを固定し、テンションばね７の撓み量の変化をＦＢＧセンサー１１の歪み変化に変換するようにしている。
【００４３】
ＦＢＧセンサー１１は、ファイバーのコア部の屈折率を周期的に変化させたもので、グレーティング長、周期、屈折率増加量を変化させることにより、特定の波長（ブラッグ波長）の光を任意に反射させることができる特性を備えているものである。
【００４４】
ＦＢＧセンサー１１は光ケーブルを介して復調器２と接続されている。なお、前記光ケーブルには一個のＦＢＧセンサー１１だけでなく、他の複数のＦＢＧセンサー（不図示）を接続することができる。
【００４５】
図３に示す本実施の形態における光ファイバーグレーティングセンサーを用いた復調器（傾斜計の電気的構成部）は、光源にＷＤＭ（WaveLength  devision  multiplex、波長分割多重方式）用波長可変半導体レーザー装置（米国アイオロン社製「商品名：チューナブルレーザー」、以下レーザー装置と略称する）１０１を用いたもので、このレーザー装置１０１は、MEMS（Micro  Erectomechanical  System）方式のマイクロマシーンなどと称される駆動手段により、出力されるレーザーの波長を可変としている。
【００４６】
１０２はビームスプリッタとして機能する光ファイバー用方向性カップラーで、レーザー装置１０１から入力されるレーザーを光ファイバーＯＦに導入して一つのＦＢＧセンサー１１からなるセンサー部へ向けて出力すると共に、ＦＢＧセンサー１１から反射したレーザーを受光部１１２へ出力する。
【００４７】
この受光部１１２は、光電変換手段としての受光器１０３、増幅器１０４及びＡ/Ｄ変換器１０７により構成され、カップラー１０２からの反射レーザーを受光器１０３が検出して電気信号に変換し、変換された反射光信号を増幅器１０４で増幅後、Ａ/Ｄ変換器１０７でデジタル信号に変換された反射光信号１１１を外部出力波長指示装置としてのパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略す）１０８に出力する。
【００４８】
本実施の形態において、ＰＣ１０８は、レーザー装置１０１に対してレーザーの出力開始の指令１１０を出力する。レーザー装置１０１は、ＰＣ１０８からレーザーの出力開始の指令を受けると、上記したMEMS方式の駆動手段により出力されるレーザーの波長を予め設定した範囲内で増加あるいは減少させながら変更するスイープ動作が行われる。
【００４９】
本実施の形態におけるレーザー装置１０１は、スイープ動作を行う際、波長可変信号がレーザー波長の応答速度に対して充分低速度であれば、該波長可変信号に対する直線性、応答性が極めて高く、スイープ開始波長とスイープ終了波長を認識すれば、その間における波長情報はスイープ時間の経過のみで推定可能である。
【００５０】
このため、本実施の形態では、ＰＣ１０８のメモリ１０９にこのスイープ開始波長とスイープ終了波長とを記憶させ、受光部１２からの反射光信号の入力タイミングに基づいて該反射光信号の波長を求め、求めた波長と予めメモリ１０９に記憶しているＦＢＧセンサー１１の基準波長（ＦＢＧセンサー１１に対して歪がゼロとした場合の反射波長）との波長差（実際には反射波長のピーク値と基準波長との波長差）に基づいてＦＢＧセンサー１１の歪を予め記憶している換算テーブルにより求める。
【００５１】
すなわち、ＰＣ１０８は、レーザー装置１０１に対して出力開始を指示するが、受光部１１２からの反射光信号に基づいて、波長を調整するといったフィードバック制御を行わせるものではなく、レーザー装置１０１はＰＣ１０８からの出力開始の指示を受けると、出力されるレーザーの波長を例えば開始波長から終了波長に向けて所定時間で連続的に変更させる予め決められているスイープ動作を行う。
【００５２】
一方、受光器１０３の出力レベルは、レーザー装置１０１から出力されるレーザーの波長が例えば長くなるに従って反射ピークが現れ、そのレベル値をＰＣ１０８内のメモリ１０９にスイープ開始からの経過時間（以下スイープ時間と称す）をパラメータとして記憶する。このスイープ時間、スイープ開始波長並びに波長可変速度（以下スイープ速度と称す）により反射波長を求めることになる。
【００５３】
次に、受光部１２で受光した反射光信号の波長の求め方を図８を参照しながら以下に説明する。
【００５４】
図４（ａ）は横軸に波長（時間ｔ）、縦軸にレーザーの出力レベルを示し、時間の経過と共に波長が変化するレーザー光が一定レベルで出力される様子を示している。そして、レーザー装置１０１から出力されるレーザーのスイープは波長が小さい所定のスイープ開始波長からスイープが開始され、該スイープ開始波長（波長をλ0）からスイープ終了波長（λmax）まで時間と共に波長を変化させる。
【００５５】
図４（ａ）に示すスイープが実行されている途中で、図４（ｂ）に示すように、スイープ時間ｔａの時に受光器１０３で反射レベルピークＬａを検出したとすると、本実施の形態ではＦＢＧセンサー１１を一つだけ取り付けた場合を例にしているので、反射レベルピークＬaはこのＦＢＧセンサー１１で反射されたレーザーであることが特定され、デジタル変換された反射レベルピークＬaの反射光信号がＰＣ１０８のメモリ１０９にスイープ時間ｔaと共に記憶される。
【００５６】
ＰＣ１０８は、記憶したスイープ時間ｔa、スイープ開始波長λ0、スイープ速度からこの時の反射したレーザーの波長λaを求める。ここで波長λaはＦＢＧセンサー１１に歪を生じさせていない場合における基準反射波長として図４（ｃ）を説明する。
【００５７】
次に、図４（ｃ）は、ＦＢＧセンサー１１の歪みを実際に測定する状態を示し、上述したスイープ動作を行った際に検出した受光器１０３の反射レベルを示している。図４（ｃ）中、実線で示す計測中の反射レベルＬb（破線で示す上記基準反射波長λaとは異なる波長）をスイープ時間ｔbと共にメモリ１０９に記憶する。そして、ＰＣ１０８にて、スイープ時間ｔb、スイープ開始波長λ0、スイープ速度からスイープ時間ｔｂで反射したレーザーの波長λbを求める。また、ＰＣ１０８ではこの変化した波長λb（λa＜λb）と、基準反射波長λaとの相対波長差Δλを求め、この相対波長差Δλと予めメモリ１０９に用意した歪の換算テーブルとから、ＦＢＧセンサー１１に加えられた歪を測定することが可能となる。例えば、Δλが１ピコメートルならば、１マイクロストレインの歪が測定され、２ピコメートルならば２マイクロストレインの歪が測定されたことになる。なお、極めて精度の高いＦＢＧセンサーを用いた場合、０〜５０００μスストレインの広い範囲の自身の伸びとして検出される。
【００５８】
そして、ＰＣ１０８はこの歪みに基づいて傾斜角θを求める。傾斜角θは、歪みと傾斜角との関係を換算テーブルとしてメモリ１０９に予め用意し、測定した歪みから傾斜角θを出力する方法、あるいは計測した歪みと、上記した式（１）などから演算して傾斜角θを出力する方法などが用いられる。
【００５９】
また、ダムゲートが複数存在する場合には、例えば反射波長の異なるＦＢＧセンサーを夫々のアーム８のアーム部８ａとテンションばね７とに緊張状態で固定し、これら反射波長の異なる複数のＦＢＧセンサーを光ファイバーで直列に接続することにより、一台の復調器２で各ダムゲートの開度を計測することが可能となる。
【００６０】
本実施の形態によれば、ダムゲートとは離れたダムの管理室などに復調器２を設置し、光ファイバーをダムゲートまで配線するだけなので、傾斜を計測するためにダムゲートに配置される部分には電気的な構成要素が不要となり、接触不良やショート等のトラブルがなく長期間に亘り安定して計測することができる。また、回転部分がないため、トラブルの発生がなくなり長期間に亘って安定して計測することができる。
【００６１】
また、従来用いていたロータリーエンコーダーでは不可能な数ｍｓ単位の極めて高速度な傾斜変化にも対応可能となった。
【００６２】
なお、ベローズ部材６が傾斜角度に無関係に常に軸方向にのみ伸縮し、軸心に対して撓みを無視できる剛性を備えている場合には、押しピン５の先端はテンションばね７の片面の一定位置に常に当接する。しかし、ダムゲートに加わる振動などによって、テンションばね７に対する押しピン５の先端位置がずれることも考えられるので、テンションばね７の片面側に例えばＶ字溝を形成し、このＶ字溝に押しピン５の先端を嵌合させることにより、押しピン５がテンションばね７の一定位置で常に接触させることができる。
【００６３】
第２の実施の形態
図５は本発明の第２の実施の形態を示す。
【００６４】
本実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態と同様に、容器４内を大気開放としたもので、図１に示す部材と同じ部材には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００６５】
本実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と異なる点は、容器４内には球体４と質量体である金属製の円柱形状に形成した柱体１４を内装している点にある。また、押しピン５の先端はテンションばね７の片面側に形成したＶ字溝７ａに嵌合させている。
【００６６】
柱体１４は、円柱形状に形成されていて、容器４と同様の金属材料（例えばＳＵＳ４０４Ｃ）で構成され、外表面は容器４の内表面と同様の表面処理がなされて滑らかに形成されている。
【００６７】
柱体１４は容器４内における質量の大きな部分を占めており、球体３は柱体１４と容器４内との間に充填され、容器４の傾斜角が変化すると、容器４の軸心に対する柱体１４の軸心を一致させたまま柱体１４を軸方向に沿って滑動させるようになっている。
【００６８】
本実施の形態によれば、アーム１３をダムゲートの所定位置に固定した使用状態において、該ダムゲートの傾斜角が変化しても、容器４の軸心に対する柱体１４の軸心位置が合致しているので、容器４内における質量の重心位置が略軸心位置に一定しているため、押しピン５によってテンションばね７に加わる荷重と傾斜角との関係が略リニアな状態になる。このため、ＦＢＧセンサー１１が計測した歪みと傾斜角との関係が複雑にはならず、高精度に傾斜角を出力することができる。
【００６９】
また、本実施の形態では、容器４内の流動的な質量を第１の実施の形態のように多数の球体３のみで構成した場合に比べてコストを低減することができる。
【００７０】
第３の実施の形態
図６は本発明の第３の実施の形態を示す。
【００７１】
本実施の形態は、図４に示す第２の実施の形態の変形例で、容器４内に金属製で形成した質量体である円錐状の柱体１５を容器４内に内装した点にあり、柱体１５の底面部を容器４内の後端部側に向けて配置され、尖った先端部１５ｂはベローズ部材６の内面側軸心位置にシール部材６ａでシールされた押しピン５のねじ部に螺合している。
【００７２】
柱体１５の底面部の外周縁部には、複数の球体３が周方向に沿って転動自在に嵌合する周溝部１５ａが形成されていて、この周溝部１５ａに嵌合している複数の球体３は容器４の内周面にも当接し、円錐形状の柱体１５の軸心を容器４の軸心に合致させた状態で柱体１５を軸方向に沿って移動可能としている。柱体１５は容器４と同様の金属材料（例えばＳＵＳ４４０Ｃ）で構成され、外表面は容器４の内表面と同様の表面処理がなされて滑らかに形成されている。
【００７３】
本実施の形態において、アーム８と一体の容器４が傾斜すると、質量体である円錐状の柱体１５が軸方向に移動し、ベローズ部材６が軸方向に伸びあるいは縮む。このため、押しピン５によるテンションばね７の撓み量が変化し、これに伴ってＦＢＧセンサー１１の歪み量が変化し、この歪み量に対応して傾斜角が得られることになる。
【００７４】
本実施の形態によれば、柱体１５を円錐形状とし、尖った先端１５ｂをベローズ部材６の受座部６ａに係合させ、柱体１５の大径部を球体３を介して容器４の内面に沿って軸方向にのみがたなくスムーズに移動させることができ、しかも柱体１５の軸心を容器４の軸心に一致させて柱体１５を移動させることができるので、傾斜角とテンションばね７の撓み量をリニアな関係とすることができ、傾斜角を正確で高精度に求めることができる。
【００７５】
第４の実施の形態
図７は本発明の第４の実施の形態を示す。
【００７６】
上記した各実施の形態は、容器４内を大気開放としているが、傾斜計を設置する場所に水蒸気，ガス等が存在する場合、容器４内に充填されている球体３間、球体と容器４の間、球体と柱体の間、柱体と容器４の間に結露などのコンタミネーションが発生し、これが原因となって荷重変化の直線性が失われる場合がある。
【００７７】
本実施の形態は、これを防止するもので、容器４内を真空状態としている。ただし、容器４内を真空にした場合には、大気圧の変動によって容器４内の圧力が変化するため、この圧力変化分だけベローズ部材６が伸縮する。したがって、このまま容器４を傾斜させた場合には、この大気圧の変動を考慮しなければならない。そこで、容器４と同じ真空状態の容器（以下大気圧補正用アキュムレータと称す）４０を別に用意し、この大気圧補正用アキュムレータ４０によってテンションばね７を引っ張り、容器４内の大気圧の影響を除去して大気圧に開放した場合と同様に補正している。
【００７８】
本実施の形態にあっては、この大気圧補正用アキュムレータ４０を容器４と軸心を一致させて固定部材であるアーム体８０に対向して固定している。また、容器４は密閉型とした点を除いて第２の実施の形態と同様の構成とし、大気圧アキュムレータ４０は、内部を空洞状態としている。
【００７９】
アーム体８０は断面略凹形状に形成され、対向する両側のアーム部８０ａ、８０ｂの間にテンションばね７を形成し、このテンションばね７を挟んで両側のアーム部８０ａ、８０ｂに容器４と大気圧補正用アキュムレータ４０をベローズ部材６に固定した押しピン５を対向させて固定させている。また、容器４の押しピン５と、大気圧補正用アキュムレータ４０の押しピン５は、軸心を一致させた状態で、テンションばね７の両面にそれぞれ形成した凹溝内に嵌合固定されている。
【００８０】
したがって、テンションばね７は容器４と大気圧補正用アキュムレータ４０によって互いに引っ張り合う形でバランスされ、容器４を密閉型としたことによる大気圧変動の影響を取り除いている。
【００８１】
また、テンションばね７と、容器４が固定されているアーム部８０ａとの間にＦＢＧセンサー１１を支点１２で固定し、ＦＢＧセンサー１１の歪みに基づいてアーム体８０が固定されているダムゲートの開度を得るようにしている。
【００８２】
第５の実施の形態
図８は本発明の第５の実施の形態を示す。
【００８３】
上記した各実施の形態では、アーム体（８、８０）の支点１２の間にＦＢＧセンサー１１を固定しているが、アームの温度変化によりＦＢＧセンサー１１に歪みが生じる。そのため、アームの温度変化に応じたＦＢＧセンサー１１の歪みを換算テーブルなどとしてメモリに記憶させておき、この換算テーブルに基づいてＦＢＧセンサー１１の歪み値を補正することもできるが、本実施の形態ではＦＢＧセンサー１１と直列に反射波長が若干異なる（例えば短い）アーム温度補正用のＦＢＧセンサー１１０を光ファイバーＯＦに接続し、両ＦＢＧセンサーの反射波長差等から温度補正を行なったＦＢＧセンサー１１に基づく歪みからダムゲートの開度を求めるようにしている。
【００８４】
本実施の形態では、図８に示すように、歪み計測用のアーム体８００と、温度補正用のアーム体８０１とを上下２分割構造とし、両アーム体８００、８０１との間に密閉型の容器４と、大気圧補正用の容器４００とをテンションばね７を挟んで両側のアーム部８００ａ、８００ｂに固定している。
【００８５】
本実施の形態では、容器４は密閉型とした点及び押しピン５０をパイプ形状とした点を除いて図６に示す第３の実施の形態と同様の構造とし、また大気圧補正用の密閉型容器４００もパイプ形状の押しピン５０を備えており、テンションばね７の両側面を貫通する孔部７ｂに容器４の押しピン５０と容器４００の押しピン５０とが夫々装着固定され、容器４と容器４００とを連通状態とし、且つ容器４と容器４００内に不活性ガスを封入している。
【００８６】
したがって、大気圧が変化しても容器４と容器４００の内圧は等しいため、テンションばね７には大気圧の変化による撓みが加わらず、容器４を密閉型としたことによる大気圧変動の影響が取り除かれている。
【００８７】
一方、温度補正用のアーム体８０１は、歪み計測用のアーム体８００と同じ金属材料にて略逆凹形状に形成され、凹部８０１ａに隣接してテンションばね７の上端部が遊嵌するストッパー部８０１ｂが形成され、テンションばね７がこのストッパー部８０１ｂの前後方向（図中左右方向）内でのみ移動可能としている。また、凹部８０１ａの両側のアーム部にアーム温度補正用のＦＢＧセンサー１１０が支点１２０で固定されており、この支点１２０間の距離は、ＦＢＧセンサー１１の支点１２間の距離と同じ距離としている。
【００８８】
上記した各実施の形態ではＦＢＧセンサー１１を一つだけ設けた場合を例にしているが、本実施の形態では歪み計測用とは別にアーム温度補正用のＦＢＧセンサー１１０を別に設けた点を除けば、装置全体の構成は図３と同様で、ＰＣ８による演算処理が第１の実施の形態とは異なっている。
【００８９】
本実施の形態において、複数のＦＢＧセンサー１１、１１０６の反射波長は同一条件下にあっても、その反射波長を僅かにずらして作成されており、ＦＢＧセンサー１１０の反射波長（λa１）をFBGセンサー１１の反射波長（λb1）よりも短く設定している（λa1＜λb1）。
【００９０】
また、本実施の形態において、ＦＢＧセンサー１１０は温度校正用として用い、他のＦＢＧセンサー１１は歪み受領用として用いるようにしている。
【００９１】
図９は受光部１２で受光した反射光信号の波長の求め方を示したもので、以下図９を参照しながら説明する。
【００９２】
図９（ａ）は横軸に波長（時間ｔ）、縦軸にレーザーの出力レベルを示し、時間の経過と共に波長が変化するレーザー光が一定レベルで出力される様子を示している。レーザー装置１から出力されるレーザーのスイープは波長が小さい所定のスイープ開始波長からスイープが開始され、該スイープ開始波長（波長をλ0）からスイープ終了波長（λmax）まで時間と共に波長を変化させる。
【００９３】
図９（ａ）に示すスイープが実行されている途中で、図９（ｂ）に示すように、スイープ時間ｔa1の時に受光器３で反射レベルピークＬa1を検出し、その後のスイープ時間ｔb1の時に受光器３で反射レベルピークＬb1を検出したとすると、本実施の形態では反射波長が短いＦＢＧセンサー１１０と反射波長の長いＦＢＧセンサー１１を備えているので、スイープ時間ｔa1の時に検出された反射光はＦＢＧセンサー一１１０からのレーザーであり、スイープ時間ｔb1の時に検出された反射光はＦＢＧセンサー１１からのレーザーであることが特定され、デジタル変換された反射レベルピークＬa1及びＬb1の反射光信号がＰＣ８のメモリ９にスイープ時間ｔa1及びｔb1と共に記憶される。
【００９４】
ＰＣ８は、記憶したスイープ時間ｔa1及びｔb1、スイープ開始波長λ0、スイープ速度からこの時の反射したレーザーの波長λa１及びλb1を求める。ここで波長λa1及びλb1はそれぞれＦＢＧセンサー１１０及びＦＢＧセンサー１１に歪を生じさせていない場合における基準反射波長として図９（ｃ）を説明する。
【００９５】
次に、図９（ｃ）は、ＦＢＧセンサー１１を実際に歪を測定する状態に設置し、上述したスイープ動作を行った際に検出した受光器３の反射レベルを示している。図９（ｃ）中、最初に検出された実線で示す計測中の反射レベルＬa2（破線で示す上記基準反射波長λa1とは異なる波長）をスイープ時間ｔa2と共にメモリ９に記憶し、次に検出された実線で示す計測中の反射レベルＬｂ2（破線で示す上記基準反射波長λｂ1とは異なる波長）をスイープ時間ｔｂ2と共にメモリ９に記憶する。そして、ＰＣ８にて、スイープ時間ｔb、スイープ開始波長λ0、スイープ速度から、それぞれスイープ時間ｔa2、ｔb2で反射したレーザーの波長λa2、λｂ2を求める。
【００９６】
また、ＰＣ８ではこの変化した波長λa2、λb2（λa1＜λa2＜λb1＜λb）と、基準反射波長λa1、λb1との相対波長差Δλa、Δλbを求め、この相対波長差Δλa、Δλbと予めメモリ９に用意した歪の換算テーブルとから、温度校正用のＦＢＧセンサー１１０が受けた温度変化、歪み受領用のＦＢＧセンサー１１が受けた歪値を算出する。例えば、Δλが１ピコメートルならば、１マイクロストレインの歪が測定され、２ピコメートルならば２マイクロストレインの歪が測定されたことになる。
【００９７】
ＦＢＧセンサーの歪みによる反射波長の変化は前述した通り、１マイクロストレインで約１ｐｍであり、又温度による波長変化は１℃あたり１０ｐｍであるので、Δλａが１ｐｍ（ピコメートル）であれば、ＦＢＧセンサー１１０には０．１℃の温度変化があったことになる。また、Δλｂが５ｐｍならばＦＢＧセンサー１１は５マイクロストレインの歪を測定したこととなる。
【００９８】
以上のように、本実施の形態にあっては、複数のＦＢＧセンサーを設けた場合でも、各ＦＢＧセンサー毎にスイープするのではなく、所定の波長の範囲で例えば短い波長から長い波長に向けて時間と共に波長を変化させるだけであって、１回のスイープで複数のＦＢＧセンサーに対応することができる。勿論、温度補正用のＦＢＧセンサーに限らず、圧力測定のためのＦＢＧセンサーも接続することにより、一台の復調器で複数のＦＢＧセンサーを監視することができ、システムコストを極めて安く構築することができる。
【００９９】
なお、第１〜第４の実施の形態にも本実施の形態と同様の温度補正の機構を適用してもよいことは言うまでもないことである。
【０１００】
また、上記した各実施の形態と同様に、極めて精度の高いＦＢＧセンサーを用いた場合、伝達された応力は０〜５０００マイクロストレインの広い範囲の自身の延びとして検出することができる。
【０１０１】
さらに、上記した各実施の形態では、容器内に設けた質量体と容器内壁面との摩擦を極めて小さくして容器の傾斜角変化に応じてＦＢＧセンサーに加わる分力がm・sinθの式に近似してスムーズな信号を出力する。したがって、従来のロータリーエンコーダーを用いた方式に比べてはるかに分解能が高く、分力相当でＦＢＧセンサーを使用した上記各実施の形態の場合で、1/5000の分解能を得ることができる。
【０１０２】
このように、上記した各実施の形態と同様にＦＢＧセンサーを用いて歪みを測定することで傾斜角度を得るようにしたので、従来のロータリーエンコーダーでは不可能な数ｍｓ単位の極めて高速度な傾斜変化にも対応可能となった。
【０１０３】
第６の実施の形態
図１０は本発明の第６の実施の形態を示す。
【０１０４】
上記した各実施の形態は、質量体を傾斜している容器に対して滑動自在とし、傾斜下端位置のテンションばね７の変位をＦＢＧセンサー１１で検知することにより傾斜角度を得るようにしているが、本実施の形態では上記した各実施の形態のような相対的な滑動動作を利用せず、質量体の直接傾斜をＦＢＧセンサー１１で検知しようとするものである。
【０１０５】
本実施の形態の傾斜計のセンサー部は、図１０に示すように、平板状の厚板部材を切欠形成した固定部材をなす枠体２０と、この枠体２０に対して傾動可能な帯状の質量体２１とを一体的に形成したもので、枠体２０に対して質量体２１は上方から吊り下げられ、下端が自由端となっている。また質量体２１が枠体２０から延びる根元部には幅方向の厚みが急激に狭くなるくびれた形状に形成したくびれ部２２により一体に接続し、枠体２０に対して質量体２１が大きく傾斜できるようにして傾斜敏感度を高めている。
【０１０６】
このように枠体２０と質量体２１とは同じ金属材料により一体に形成され、枠体２０と質量体２１との接続部分もヒンジ部材などの別部材を用いることなくくびれ部２２を介して一体的に接続しているため、質量体２１は故障なく常に傾動可能となっている。
【０１０７】
また、質量体２１が必要以上に傾動するとくびれ部２２が塑性変形するおそれがあるので、本実施の形態では枠体２０と質量体２１の下部両側の空隙を狭くし、質量体２１が所定の傾斜角度に達すると枠体２０に当接し、必要以上に質量体２１が傾斜するのを阻止している。
【０１０８】
本実施の形態の傾斜計は、図１０中、紙面の表裏方向に傾動軸を有し、紙面の左右方向に傾動可能としているが、矢印で示すように、図中時計回転方向に質量体２１を傾斜させるようにしている。
【０１０９】
また、質量体２１の上部右側面には大きな空隙部２３が枠体２０に形成されており、この空隙部２３を跨ぐようにしてＦＢＧセンサー１１が質量体２１と枠体２０の右側部分との間に固定され、質量体２１の時計回転方向における傾斜角の検出を行なえるようにしている。
【０１１０】
例えば、このセンサー部を傾斜の測定対象となるダムゲートの回動部材に取り付けると、ダムゲートの傾斜角度に応じて、質量体２１は重力により分力された荷重が加わって変位する。そして、質量体２１に変位量が生じると、上記した実施の形態と同様に、質量体２１の変位量にともなうＦＢＧセンサー１１ののび量から復調器によって傾斜角度が求められる。一例として、厚板部材に厚さ１２ｍｍのステンレスを用いた場合、ＦＢＧセンサーののびは９０度で６０ミクロンである。
【０１１１】
本実施の形態によれば、センサー部が簡単な構成であるため故障の発生を低減することができる。特に、ダムゲートなど、水分の影響を受けやすく、メンテナンス作業が困難な測定場所においても、故障の発生を低減することができる。
【０１１２】
なお、本実施の形態に、上記した第５の実施の形態と同様の温度補正の機構を適用してもよいことは言うまでもない。
【０１１３】
なお、以上の各実施の形態はいずれもダムゲートの開度を計測するための傾斜計について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、防災土木等に使用される地盤傾斜計、船舶傾斜計、建築物傾斜計、はねあげ橋の角度計等に使用されるものである。
【０１１４】
また、光ファイバーセンサーとしてＦＢＧセンサーを例にしているが、分布型光ファイバーセンサー（ＢＯＴＤＲ）を用いても良い。この場合、復調器も分布型光ファイバーセンサーに対応するものを用いればよい。簡単に説明すると、ＢＯＴＤＲは、光ファイバーにレーザー光を通したときに生じる散乱光（ブリルアン散乱光）の周波数が歪みの大きさに比例して変化することを利用したもので、例えば光ファイバーにレーザーパルスを入射し、その反射光の周波数分布を解析することにより、光ファイバーに生じている歪みを測定する。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明による傾斜計の第１の実施の形態を示す縦断面図。
【図２】本発明による傾斜計の測定原理を説明するための縦断面図。
【図３】第１の実施の形態の復調器の構成を示すブロック図。
【図４】第１の実施の形態の復調器による歪みの測定方法を説明するための波形図。
【図５】本発明による傾斜計の第２の実施の形態を示す縦断面図。
【図６】本発明による傾斜計の第３の実施の形態を示す縦断面図。
【図７】本発明による傾斜計の第４の実施の形態を示す縦断面図。
【図８】本発明による傾斜計の第５の実施の形態を示す縦断面図。
【図９】第５の実施の形態の復調器による歪み測定方法を説明するための波形図。
【図１０】本発明による傾斜計の第６の実施の形態を示す平面図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１  傾斜計の機械的構成部分
２  復調器
３  球体
４、４０、４００  容器
５、５０  押しピン
６  ベローズ部材
７  テンションばね
８、８０、８００、８０１  アーム体
９  ストッパー
１０  パイプ
１１、１１０  ＦＢＧセンサー
１２、１２０  支点
１４、１５  柱体
２０  枠体
２１  質量体
【図１】
2005233918.tif 000003
【図２】
2005233918.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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