(57)【要約】【課題】金属部を含む構造体の健全度（状態）をより正確にモニタリングすることができる構造体モニタリングシステムおよび構造体モニタリング方法を提供すること。【解決手段】本発明の構造体モニタリングシステム１は、アルカリ金属原子のエネルギー遷移の特性を用いて、金属部を含む構造体からの磁場の強度を検出する磁気センサー２と、磁気センサー２の検出結果を用いて、構造体の健全度（金属部の疲労度）を判定する制御部５３と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属原子のエネルギー遷移の特性を用いて、金属部を含む構造体からの磁場の強度を検出する磁気センサーと、
前記磁気センサーの検出結果を用いて、前記構造体の健全度を判定する判定部と、を備えることを特徴とする構造体モニタリングシステム。
【請求項２】
前記構造体の振動を検出する振動センサーを備え、
前記判定部は、前記磁気センサーの検出結果に加えて、前記振動センサーの検出結果を用いて、前記健全度を判定する請求項１に記載の構造体モニタリングシステム。
【請求項３】
前記構造体の固有振動に関する振動データを記憶する記憶部を備え、
前記判定部は、前記振動センサーの検出結果と前記振動データとを比較し、その比較結果を用いて、前記健全度を判定する請求項２に記載の構造体モニタリングシステム。
【請求項４】
前記判定部は、前記磁気センサーの検出結果を用いて、前記金属部の疲労度を判定する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の構造体モニタリングシステム。
【請求項５】
前記磁気センサーは、
アルカリ金属が封入されている原子セルと、
前記原子セルに光を照射する光源部と、
前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出部と、を有し、
前記原子セル、前記光源部および前記受光部を含んでユニット化された本体部が前記構造体に取り付けられる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の構造体モニタリングシステム。
【請求項６】
前記磁気センサーは、前記光源部および前記光検出部に電気的に接続されている回路部と、を有し、
前記回路部は、前記本体部と分離している請求項５に記載の構造体モニタリングシステム。
【請求項７】
前記原子セルと前記金属部が並ぶ方向から見たとき、前記原子セルが前記金属部に包含されている請求項５または６に記載の構造体モニタリングシステム。
【請求項８】
前記磁気センサーの検出結果を無線送信する通信部を備える請求項１ないし７のいずれか１項に記載の構造体モニタリングシステム。
【請求項９】
前記通信部は、電池からの電力により駆動する請求項８に記載の構造体モニタリングシステム。
【請求項１０】
前記磁気センサーは、前記アルカリ金属原子の非線形磁気光学効果を用いて磁場の強度を検出する請求項１ないし９のいずれか１項に記載の構造体モニタリングシステム。
【請求項１１】
前記磁気センサーは、前記アルカリ金属原子の電磁誘起透過現象を用いて磁場の強度を検出する請求項１ないし９のいずれか１項に記載の構造体モニタリングシステム。
【請求項１２】
アルカリ金属原子のエネルギー遷移の特性を用いて、磁場の強度を検出する磁気センサーを用意する工程と、
金属部を含む構造体に前記磁気センサーを取り付ける工程と、
前記金属部の疲労に伴う磁場の変化を前記磁気センサーを用いて検出する工程と、
前記磁気センサーの検出結果を用いて、前記構造体の健全度を判定する工程と、を有することを特徴とする構造体モニタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体モニタリングシステムおよび構造体モニタリング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄筋や鉄骨等の金属部を含む構造体の健全度をモニタリングする構造体モニタリングシステムが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
例えば、非特許文献１に記載のシステムは、構造物に加速度センサーを設置し、その加速度センサーの検出結果を用いて構造物の状態（健全性）を確認する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】佐藤 貢一、他３名、「構造モニタリングシステムの開発に向けた基礎的検討」、大成建設技術センター報、大成建設株式会社、２０１０年、第４３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載のシステムでは、構造物に含まれる鉄筋等の劣化の結果を受けて生じた構造物の振動異常を捉えることができるものの、その振動異常の原因（例えば鉄筋の劣化による振動異常なのか否か）を特定できないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、金属部を含む構造体の健全度（状態）をより正確にモニタリングすることができる構造体モニタリングシステムおよび構造体モニタリング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の構造体モニタリングシステムは、アルカリ金属原子のエネルギー遷移の特性を用いて、金属部を含む構造体からの磁場を検出する磁気センサーと、
前記磁気センサーの検出結果を用いて、前記構造体の健全度を判定する判定部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような構造体モニタリングシステムによれば、アルカリ金属原子のエネルギー遷移の特性を用いて、金属部を含む構造体からの磁場（より具体的には、金属部から金属疲労に伴って生じる磁場）を検出する磁気センサーを用いて、構造体の金属部の疲労状態を判定することができる。そのため、構造体の健全度の判定結果に金属部の疲労状態に関する情報を含めることができ、その結果、金属部を含む構造体の健全度（状態）をより正確にモニタリングすることができる。
【０００９】
本発明の構造体モニタリングシステムでは、前記構造体の振動を検出する振動センサーを備え、
前記判定部は、前記磁気センサーの検出結果に加えて、前記振動センサーの検出結果を用いて、前記健全度を判定することが好ましい。
【００１０】
これにより、構造体の健全度の判定結果に構造体全体の振動異常の有無に関する情報を含めることができる。
【００１１】
本発明の構造体モニタリングシステムでは、前記構造体の固有振動に関する振動データを記憶する記憶部を備え、
前記判定部は、前記振動センサーの検出結果と前記振動データとを比較し、その比較結果を用いて、前記健全度を判定することが好ましい。
【００１２】
これにより、構造体全体の振動異常の有無を簡単かつ正確に判定して構造体の健全度の判定結果に含めることができる。
【００１３】
本発明の構造体モニタリングシステムでは、前記判定部は、前記磁気センサーの検出結果を用いて、前記金属部の疲労度を判定することが好ましい。
【００１４】
これにより、構造体の健全度の判定結果に金属部の疲労状態に関する情報を含めることができる。
【００１５】
本発明の構造体モニタリングシステムでは、前記磁気センサーは、
アルカリ金属が封入されている原子セルと、
前記原子セルに光を照射する光源部と、
前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出部と、を有し、
前記原子セル、前記光源部および前記受光部を含んでユニット化された本体部が前記構造体に取り付けられることが好ましい。
【００１６】
これにより、非線形磁気光学効果または電磁誘起透過現象を用いた磁気センサーを実現することができる。また、原子セルを金属部の近くに設置することができ、その結果、金属部からの磁場を高精度に検出することができる。
【００１７】
本発明の構造体モニタリングシステムでは、前記磁気センサーは、前記光源部および前記光検出部に電気的に接続されている回路部と、を有し、
前記回路部は、前記本体部と分離していることが好ましい。
【００１８】
これにより、原子セルを含むユニットを回路部に対して構造体の内部側とし、当該ユニットを金属部の近くに容易に設置することができる。
【００１９】
本発明の構造体モニタリングシステムでは、前記原子セルと前記金属部が並ぶ方向から見たとき、前記原子セルが前記金属部に包含されていることが好ましい。
【００２０】
これにより、金属部からの磁場を原子セルに好適に作用させることができる。そのため、磁気センサーを用いて、金属部からの磁場を高精度に検出することができる。
【００２１】
本発明の構造体モニタリングシステムでは、前記磁気センサーの検出結果を無線送信する通信部を備えることが好ましい。
【００２２】
これにより、磁気センサーが複数ある場合においても、磁気センサーの検出結果を容易に収集することができる。
【００２３】
本発明の構造体モニタリングシステムでは、前記通信部は、電池からの電力により駆動することが好ましい。
【００２４】
これにより、商用電源が無い環境下においても、磁気センサーを用いて構造体からの磁場を検出し、その検出結果を用いて構造体の健全度のモニタリングを行うことができる。
【００２５】
本発明の構造体モニタリングシステムでは、前記磁気センサーは、前記アルカリ金属原子の非線形磁気光学効果を用いて磁場の強度を検出することが好ましい。
【００２６】
これにより、磁気センサーを用いて、金属部からの磁場を高精度に検出することができる。
【００２７】
本発明の構造体モニタリングシステムでは、前記磁気センサーは、前記アルカリ金属原子の電磁誘起透過現象を用いて磁場の強度を検出することが好ましい。
【００２８】
これにより、磁気センサーを用いて、金属部からの磁場を高精度に検出することができる。
【００２９】
本発明の構造体モニタリング方法は、アルカリ金属原子のエネルギー遷移の特性を用いて、磁場の強度を検出する磁気センサーを用意する工程と、
金属部を含む構造体に前記磁気センサーを取り付ける工程と、
前記金属部の疲労に伴う磁場の変化を前記磁気センサーを用いて検出する工程と、
前記磁気センサーの検出結果を用いて、前記構造体の健全度を判定する工程と、を有することを特徴とする。
【００３０】
このような構造体モニタリング方法によれば、アルカリ金属原子のエネルギー遷移の特性を用いて、金属部を含む構造体からの磁場（より具体的には、金属部から金属疲労に伴って生じる磁場）を検出する磁気センサーを用いて、構造体の金属部の疲労状態を判定することができる。そのため、構造体の健全度の判定結果に金属部の疲労状態に関する情報を含めることができ、その結果、金属部を含む構造体の健全度（状態）をより正確にモニタリングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る構造体モニタリングシステムの使用状態の一例を示す図である。
【図２】図１に示す構造体モニタリングシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す構造体モニタリングシステムが備える磁気センサーの設置状態を示す図である。
【図４】図３に示す磁気センサーが備えるセンサー本体部の断面図である。
【図５】図３に示す磁気センサーの制御系を示すブロック図である。
【図６】セシウム原子の磁束密度とエネルギー遷移状態との関係を示すグラフである。
【図７】構造体に含まれる金属部の歪みとそれに伴って生じる磁場の強度との関係を示すグラフである。
【図８】磁気センサーによる検出磁場と振動センサーによる検出振動量との関係を示すグラフである。
【図９】図１に示す構造体モニタリングシステムの使用方法（構造体モニタリング方法）を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る構造体モニタリングシステムに用いる磁気センサーの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の構造体モニタリングシステムおよび構造体モニタリング方法の好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００３３】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態を説明する。
【００３４】
≪構造体モニタリングシステム≫
図１は、本発明の第１実施形態に係る構造体モニタリングシステムの使用状態の一例を示す図である。図２は、図１に示す構造体モニタリングシステムの概略構成を示すブロック図である。図３は、図１に示す構造体モニタリングシステムが備える磁気センサーの設置状態を示す図である。図４は、図３に示す磁気センサーが備えるセンサー本体部の断面図である。図５は、図３に示す磁気センサーの制御系を示すブロック図である。図６は、セシウム原子の磁束密度とエネルギー遷移状態との関係を示すグラフである。
【００３５】
図１に示す構造体モニタリングシステム１（以下、単に「システム１」という）は、構造体Ｂの健全度（状態）をモニタリングするものである。このシステム１は、構造体Ｂの状態を測定するセンサー装置４と、センサー装置４の測定結果を収集する収集装置５（ロガー）と、を有する。
【００３６】
ここで、構造体Ｂは、説明の便宜上、３階建ての鉄筋コンクリート構造または鉄筋鉄骨コンクリート構造の建築構造物である。また、センサー装置４は、構造体Ｂの各階の壁Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）に設置された複数の磁気センサー２（２ａ、２ｂ、２ｃ）と、構造体Ｂの各階の床Ｆ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）に設置された複数の振動センサー３（３ａ、３ｂ、３ｃ）と、を有する。そして、センサー装置４では、各磁気センサー２が構造体Ｂの金属部からの磁場を検出するとともに、各振動センサー３が構造体Ｂの振動を検出し、これらの検出結果を収集装置５に送信する。
【００３７】
収集装置５は、センサー装置４から送信された検出結果を収集し、その収集した検出結果を用いて、構造体Ｂの健全度を判定する。その判定結果は、例えば、図示しない表示装置に表示されたり、パソコン、携帯端末等に取り込まれたりする。
【００３８】
以下、センサー装置４および収集装置５について順次詳細に説明する。
（センサー装置）
図２に示すように、センサー装置４は、複数の磁気センサー２と、複数の振動センサー３と、これらのセンサーの検出結果を送信する通信部４１と、記憶部４２と、制御部４３と、を有する。
【００３９】
［磁気センサー］
磁気センサー２は、アルカリ金属原子のエネルギー遷移の特性を用いて、構造体Ｂからの磁場の強度を検出する機能を有する。この磁気センサー２は、図３に示すように、壁Ｗに設置されている。ここで、壁Ｗは、鉄筋等の金属部ＳＴと、金属部ＳＴを補強するコンクリート部Ｃとで構成されており、磁気センサー２の少なくとも一部（本体部２０）が壁Ｗのコンクリート部Ｃに埋設されている。
【００４０】
磁気センサー２の本体部２０は、図４に示すように、前述したような量子干渉効果を生じさせる原子セルユニット２２と、原子セルユニット２２を収納するパッケージ２１と、パッケージ２１内に収納され、原子セルユニット２２をパッケージ２１に対して支持する支持部材２３と、を備えている。なお、図示しないが、パッケージ２１内またはパッケージ２１外には、原子セルユニット２２を囲むようにコイル（図５に示すコイル２３１）が配置されている。
【００４１】
また、原子セルユニット２２は、原子セル２２１と、光源部２２２と、光学部品２２３、２２４と、光検出部２２５と、ヒーター２２６と、温度センサー２２７と、基板２２８と、保持部材２２９と、を含み、これらがユニット化されている。具体的には、基板２２８の上面に、光源部２２２、ヒーター２２６、温度センサー２２７および保持部材２２９が搭載されており、原子セル２２１および光学部品２２３、２２４が保持部材２２９に保持されているとともに、光検出部２２５が保持部材２２９に接着剤２３０を介して接合されている。
【００４２】
以下、磁気センサー２の本体部２０の各部を説明する。
原子セル２２１内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、原子セル２２１内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
【００４３】
図４に示すように、原子セル２２１は、柱状の貫通孔を有する胴体部２２１１と、その貫通孔の両側の開口を封鎖する１対の光透過部２２１２、２２１３と、を有する。これにより、前述したようなアルカリ金属が封入される内部空間Ｓが形成されている。
【００４４】
ここで、原子セル２２１の各光透過部２２１２、２２１３は、光源部２２２からの光（共鳴光対）に対する透過性を有している。この光透過部２２１２、２２１３を構成する材料としては、前述したような励起光に対する透過性を有していれば、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。
【００４５】
また、原子セル２２１の胴体部２２１１を構成する材料は、特に限定されず、シリコン材料、セラミックス材料、金属材料、樹脂材料等であってもよく、光透過部２２１２、２２１３と同様にガラス材料、水晶等であってもよい。
【００４６】
そして、各光透過部２２１２、２２１３は、胴体部２２１１に対して気密的に接合されている。これにより、原子セル２２１の内部空間Ｓを気密空間とすることができる。原子セル２２１の胴体部２２１１と光透過部２２１２、２２１３との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。
【００４７】
光源部２２２は、前述した原子セル２２１内のアルカリ金属原子に共鳴する周波数の異なる２種の光である共鳴光対（共鳴光１および共鳴光２）を出射するものである。この光源部２２２としては、前述したような光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。
【００４８】
アルカリ金属は、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。光源部２２２から出射された２種の共鳴光１、２をアルカリ金属に照射したとき、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
【００４９】
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
【００５０】
例えば、共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、光検出部２２５の検出強度は、前述したＥＩＴ現象に伴って急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。
【００５１】
図４に示すように、複数の光学部品２２３、２２４は、それぞれ、前述した光源部２２２と原子セル２２１との間における光の光路上に設けられている。本実施形態では、光源部２２２側から原子セル２２１側へ、光学部品２２３、光学部品２２４がこの順に配置されている。
【００５２】
光学部品２２３は、λ／４波長板である。これにより、光源部２２２からの光（励起光）を直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。図５に示すコイル２３１の磁場により原子セル２２１内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることができる。そのため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号の強度が大きくなる。
【００５３】
コイル２３１は、ソレノイドコイルであってもよいし、ヘルムホルツコイルであってもよい。また、コイル２３１が発生する磁場は、一定の大きさ（または振幅）であり、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。
【００５４】
光学部品２２４は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、原子セル２２１に入射する光の強度を調整（減少）させることができる。
【００５５】
なお、光源部２２２と原子セル２２１との間には、波長板および減光フィルターの他に、レンズ、偏光板等の他の光学部品が配置されていてもよい。また、光源部２２２からの光の強度によっては、光学部品２２４を省略することができる。
【００５６】
光検出部２２５は、原子セル２２１内を透過した励起光（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。この光検出部２２５としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。
【００５７】
ヒーター２２６は、通電により発熱する発熱抵抗体（加熱部）を有する。ヒーター２２６からの熱は、基板２２８および保持部材２２９を介して、原子セル２２１に伝達される。
【００５８】
温度センサー２２７は、ヒーター２２６または原子セル２２１の温度を検出するものである。そして、この温度センサー２２７の検出結果に基づいて、前述したヒーター２２６の発熱量が制御される。これにより、原子セル２２１内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
【００５９】
本実施形態では、温度センサー２２７は、基板２２８上に設けられている。なお、温度センサー２２７の設置位置は、これに限定されず、例えば、保持部材２２９上であってもよいし、ヒーター２２６上であってもよいし、原子セル２２１の外表面上であってもよい。
【００６０】
温度センサー２２７としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
【００６１】
保持部材２２９は、ヒーター２２６と原子セル２２１の各光透過部２２１２、２２１３とを熱的に接続している。これにより、ヒーター２２６からの熱を保持部材２２９による熱伝導により各光透過部２２１２、２２１３に伝達し、各光透過部２２１２、２２１３を加熱することができる。
【００６２】
このような保持部材２２９の構成材料としては、熱伝導性に優れた材料、例えば、金属材料を用いることが好ましい。また、後述するパッケージ２１と同様、外部から原子セル２２１への磁場やコイル２３１からの磁場を阻害しないよう、保持部材２２９の構成材料としては、非磁性の材料を用いることが好ましい。
【００６３】
基板２２８は、前述した光源部２２２、ヒーター２２６、温度センサー２２７および保持部材２２９等を支持する機能を有する。また、基板２２８は、ヒーター２２６からの熱を保持部材２２９へ伝達する機能を有する。これにより、ヒーター２２６が保持部材２２９に対して離間していても、ヒーター２２６からの熱を保持部材２２９へ伝達することができる。
【００６４】
ここで、基板２２８は、ヒーター２２６と保持部材２２９とを熱的に接続している。このようにヒーター２２６および保持部材２２９を基板２２８に搭載することにより、ヒーター２２６の設置の自由度を高めることができる。
【００６５】
また、光源部２２２が基板２２８に搭載されていることにより、ヒーター２２６からの熱により基板２２８上の光源部２２２を温度調節することができる。
【００６６】
また、基板２２８は、光源部２２２、ヒーター２２６、温度センサー２２７に電気的に接続される配線（図示せず）を有している。
【００６７】
このような基板２２８の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、セラミックス材料、金属材料等が挙げられ、これらのうちの１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、基板２２８の表面には、基板２２８が有する配線の短絡防止等の目的で、必要に応じて、例えば、樹脂材料、金属酸化物、金属窒化物等で構成された絶縁層が設けられていてもよい。また、後述するパッケージ２１と同様、外部から原子セル２２１への磁場やコイル２３１からの磁場を阻害しないよう、基板２２８の構成材料としては、非磁性の材料を用いることが好ましい。
【００６８】
なお、基板２２８は、保持部材２２９の形状、ヒーター２２６の設置位置等によっては、省略することができる。この場合、ヒーター２２６を保持部材２２９に接触させる位置に設置すればよい。
【００６９】
図４に示すように、パッケージ２１は、原子セルユニット２２および支持部材２３を収納する機能を有する。なお、パッケージ２１内には、前述した部品以外の部品が収納されていてもよい。
【００７０】
このパッケージ２１は、図４に示すように、板状の基体２１１（ベース部）と、有底筒状の蓋体２１２（蓋部）と、を備え、蓋体２１２の開口が基体２１１により封鎖されている。これにより、原子セルユニット２２および支持部材２３を収納する内部空間Ｓ１が形成されている。
【００７１】
基体２１１は、支持部材２３を介して原子セルユニット２２を支持している。また、基体２１１は、例えば配線基板であり、基体２１１の下面には、複数の端子２１４が設けられている。この複数の端子２１４は、図示しないが、基体２１１を貫通する配線を介して、基体２１１の上面に設けられた複数の端子に電気的に接続されている。そして、基体２１１には、図示しない配線（例えば、フレキシブル配線基板やボンディングワイヤー等）を介して、前述した光源部２２２および基板２２８等がそれぞれ電気的に接続されている。
【００７２】
この基体２１１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、樹脂材料、セラミックス材料等を用いることができるが、セラミック材料を用いることが好ましい。これにより、配線基板を構成する基体２１１を実現しながら、内部空間Ｓ１の気密性を優れたものとすることができる。
【００７３】
このような基体２１１には、蓋体２１２が接合されている。基体２１１と蓋体２１２との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等を用いることができる。なお、基体２１１と蓋体２１２との間には、これらを接合するための接合部材が介在していてもよい。
【００７４】
また、基体２１１と蓋体２１２とは気密的に接合されているのが好ましい。すなわち、パッケージ２１内が気密空間であることが好ましい。これにより、パッケージ２１内を減圧状態とすることができ、その結果、本体部２０の特性を向上させることができる。特に、パッケージ２１内は、減圧状態（真空）であることが好ましい。これにより、本体部２０の特性をより向上させることができる。
【００７５】
このような蓋体２１２の構成材料としては、磁気透過性を有していて前述したような気密空間を形成することができれば、特に限定されず、例えば、樹脂材料、セラミックス材料、金属材料等を用いることができる。
【００７６】
支持部材２３（支持部）は、パッケージ２１内に収納されており、パッケージ２１（より具体的にはパッケージ２１の一部を構成している基体２１１）に対して原子セルユニット２２を支持する機能を有する。また、支持部材２３は、原子セルユニット２２とパッケージ２１の外部との間の熱の伝達を抑制する機能を有する。これにより、原子セルユニット２２の各部と外部との間の熱干渉を抑制することができる。
【００７７】
このような支持部材２３は、パッケージ２１の基体２１１および基板２２８のそれぞれに対して例えば接着剤により接合されている。
【００７８】
また、支持部材２３の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、樹脂材料、セラミックス材料等の非金属を用いることが好ましく、樹脂材料を用いることがより好ましい。また、支持部材２３の構成材料としては、外部から原子セル２２１への磁場やコイル２３１からの磁場を阻害しないよう、非磁性の材料を用いることが好ましい。
以上、磁気センサー２の本体部２０の構成について説明した。
【００７９】
図５に示すように、磁気センサー２は、前述した本体部２０の他に、中心波長制御部２４４、増幅器２４０、検波部２４１、変調部２４２、発振器２４３、検波部２５０、発振器２５１、変調部２５２、発振器２５３、周波数変換部２５４、検波部２５５、発振器２５６、変調部２５７、発振器２５８および変調部２５９を含んで構成されている。これらは、光源部２２２および光検出部２２５に電気的に接続されている「回路部」を構成している。
【００８０】
光源部２２２が出射するレーザー光は、中心波長制御部２４４の出力に基づいて中心波長λ０が制御されるとともに、変調部２５９の出力に基づいて変調がかけられる。例えば、中心波長制御部２４４として、光源部２２２に駆動電流を供給するレーザードライバーを用いた場合、その駆動電流に変調部２５９が出力する交流電流を重畳することにより、光源部２２２が出射するレーザー光に変調をかけることができる。そして、後述するように、変調成分に相当する光がアルカリ金属原子に対する共鳴光１または共鳴光２になるように変調部２５９の出力がフィードバック制御される。
【００８１】
光検出部２２５の出力信号は、増幅器２４０で増幅され、検波部２４１、検波部２５０および検波部２５５に入力される。
【００８２】
検波部２４１は、発振器２４３の発振信号によって増幅器２４０の出力信号を同期検波する。変調部２４２は、発振器２４３の発振信号によって検波部２４１の出力信号を変調する。発振器２４３は、例えば、数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振させればよい。そして、中心波長制御部２４４は、変調部２４２の出力信号に応じて、光源部２２２が出射するレーザー光の中心波長λ０を制御する。光源部２２２、原子セル２２１、光検出部２２５、増幅器２４０、検波部２４１、変調部２４２および中心波長制御部２４４を通るフィードバックループにより中心波長λ０が安定する。
【００８３】
検波部２５０は、発振器２５３の発振信号によって増幅器２４０の出力信号を同期検波する。発振器２５１は、検波部２５０の出力信号の大きさに応じて、発振周波数が変化する発振器であり、例えば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）により実現することができる。変調部２５２は、発振器２５３の発振信号によって発振器２５１の出力信号を変調する。発振器２５３は、例えば、数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振させればよい。
【００８４】
周波数変換部２５４は、変調部２５２の出力信号を、原子セル２２１に封入された磁気量子数ｍ＝０のアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差の１／２（セシウム原子の場合は９．１９２６ＧＨｚ／２＝４．５９６３ＧＨｚ）に等しい周波数の信号に変換する。周波数変換部２５４は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現することができる。なお、周波数変換部２５４は、変調部２５２の出力信号を、原子セル２２１に封入された磁気量子数ｍ＝０のアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差（セシウム原子の場合は９．１９２６ＧＨｚ）に等しい周波数の信号に変換するようにしてもよい。
【００８５】
検波部２５５は、発振器２５８の発振信号によって増幅器２４０の出力信号を同期検波する。発振器２５６は、検波部２５５の出力信号の大きさに応じて、発振周波数が変化する発振器であり、例えば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）により実現することができる。ここで、発振器２５６は、原子セル２２１に封入されたアルカリ金属原子の励起準位のドップラー拡がりの幅に相当する周波数に対して十分小さい周波数Δω（例えば、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ程度）で発振する。変調部２５７は、発振器２５８の発振信号によって発振器２５６の出力信号を変調する。発振器２５８は、例えば、数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振させればよい。
【００８６】
変調部２５９は、変調部２５７の出力信号によって周波数変換部２５４の出力信号を変調する（周波数変換部２５４の出力信号によって変調部２５７の出力信号を変調させてもよい）。変調部２５９は、周波数混合器（ミキサー）、周波数変調（ＦＭ：Frequency Modulation）回路、振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）回路等により実現することができる。そして、前述したように、光源部２２２が出射するレーザー光は、変調部２５９の出力に基づいて変調がかけられ、複数の共鳴光１と共鳴光２が生成される。
【００８７】
このような構成の磁気センサー２において、原子セル２２１に磁場がかけられると、図６に示すように、アルカリ金属原子の基底準位１（Ｆ＝３）と基底準位２（Ｆ＝４）が、磁気量子数ｍが異なる複数のゼーマン分裂準位に分かれる。そして、基底準位１、基底準位２ともに、磁気量子数ｍが互いに１だけ異なる２つのゼーマン分裂準位のエネルギー差Ｅδは、磁場の強度に比例する。また、光検出部２２５の出力信号（増幅器２４０の出力信号）の信号強度が最大になるようにフィードバック制御がかかる。そして、光検出部２２５の出力信号（増幅器２４０の出力信号）の信号強度が最大になるのは、発振器２５６の発振周波数Δωとゼーマン分裂準位のエネルギー差Ｅδに相当する周波数δに対して、２×δ×ｎ＝ΔωまたはΔω×ｎ＝２×δ（ｎは正の整数）の関係（Δω＝２δが望ましい）が満たされるときである。つまり、発振器２５６の発振周波数Δωは磁場の強度に比例するので、発振器２５６の発振信号を出力信号とすることにより、磁場の強度を検出することができる。ここで、コイル２３１により常に磁場が発生しているが、外部磁気の強度が０のときの発振器２５６の発振周波数を基準として出力信号の相対的な周波数を求めることにより外部磁気の強度を計算することができる。
【００８８】
以上説明したように磁気センサー２は、アルカリ金属原子の電磁誘起透過現象を用いて磁場の強度を検出する。これにより、磁気センサー２を用いて、金属部ＳＴからの磁場を高精度に検出することができる。
【００８９】
また、原子セル２２１、光源部２２２および光検出部２２５を含むユニットである本体部２０が構造体Ｂに取り付けられるため、原子セル２２１を金属部ＳＴの近くに設置することができ、その結果、金属部ＳＴからの磁場を高精度に検出することができる。
【００９０】
ここで、原子セル２２１と金属部ＳＴが並ぶ方向から見たとき、原子セル２２１が金属部ＳＴに包含されていることが好ましい。これにより、金属部ＳＴからの磁場を原子セル２２１に好適に作用させることができる。そのため、磁気センサー２を用いて、金属部ＳＴからの磁場を高精度に検出することができる。
【００９１】
また、光源部２２２および光検出部２２５に電気的に接続されている回路部が本体部２０と分離していることが好ましい。これにより、原子セル２２１を含む本体部２０を回路部に対して構造体Ｂの内部側とし、本体部２０を金属部ＳＴの近くに容易に設置することができる。
【００９２】
［振動センサー］
振動センサー３は、構造体Ｂの振動を検出する機能を有する。この振動センサー３は、振動を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、加速度センサー、角速度センサー等を含んで構成されている。
【００９３】
［通信部］
図２に示す通信部４１は、前述した磁気センサー２および振動センサー３の検出結果を含む測定情報（以下、単に「測定情報」ともいう）を無線送信する機能を有する。この無線送信された測定情報は、収集装置５で受信される。なお、通信部４１は、磁気センサー２および振動センサー３の検出結果を制御部４３にて処理して得られる情報を測定情報として送信してもよい。
【００９４】
このような通信部４１は、図示しないが、アンテナと、通信回路とを有する。アンテナは、特に限定されないが、例えば、金属材料、カーボン等で構成され、巻線、薄膜等の形態をなす。通信回路は、例えば、電磁波を送信するための送信回路と、送信する信号を変調する機能を有する変調回路と、を有する。また、通信回路は、信号の周波数を小さく変換する機能を有するダウンコンバータ回路、信号の周波数を大きく変換する機能を有するアップコンバータ回路、信号を増幅する機能を有する増幅回路等を有していてもよい。
【００９５】
［記憶部］
記憶部４２は、磁気センサー２の検出結果、振動センサー３の検出結果等の情報を記憶する機能を有する。この記憶された情報は、前述した通信部４１で無線送信される。これにより、通信部４１が所定時間に亘る磁気センサー２および振動センサー３の検出結果を一括して無線送信することができる。
【００９６】
このような記憶部４２は、特に限定されず、不揮発性メモリ、揮発性メモリのいずれも用いることができるが、電力を供給しなくても情報を記憶した状態を保持することができ、省電力化を図ることができるという観点から、不揮発性メモリを用いるのが好ましく、特に、省電力で情報の読み書きができるという観点から、フラッシュメモリを用いるのが好ましい。
【００９７】
［制御部］
制御部４３は、センサー装置４を構成する各部等を制御したり、必要に応じて磁気センサー２および振動センサー３の検出結果に関する情報を処理したりする機能を有する。この制御部４３は、例えば、ＭＰＵで構成されている。なお、この制御部４３は、後述する収集装置５の制御部５３と同様、磁気センサー２および振動センサー３の検出結果を用いて、構造体Ｂの健全度を判定してもよい。この場合、その判定結果に関する情報を通信部４１で送信すればよい。
【００９８】
以上、センサー装置４の構成について説明した。このように構成されたセンサー装置４を駆動する電源としては、特に限定されないが、例えば、商用電源、太陽電池に接続された二次電池等を用いることができる。
【００９９】
以上説明したようなセンサー装置４によれば、通信部４１が複数の磁気センサー２の検出結果を無線送信することにより、磁気センサー２が複数ある場合においても、磁気センサー２の検出結果を収集装置５にて容易に収集することができる。
【０１００】
また、通信部４１が電池からの電力により駆動する場合、商用電源が無い環境下においても、磁気センサー２を用いて構造体Ｂからの磁場を検出し、その検出結果を用いて構造体Ｂの健全度のモニタリングを行うことができる。
【０１０１】
（収集装置）
図２に示すように、収集装置５は、前述したセンサー装置４からの情報（磁気センサー２および振動センサー３の検出結果等の情報）を受信する通信部５１と、記憶部５２と、制御部５３と、を有する。
【０１０２】
［通信部］
図２に示す通信部５１は、前述したように無線送信された測定情報を受信する機能を有する。この通信部５１は、図示しないが、前述した通信部４１と同様のアンテナと、通信回路とを有する。通信部５１の通信回路は、例えば、電磁波を受信するための受信回路と、受信する信号を復調する機能を有する復調回路と、を有する。また、通信部５１の通信回路は、信号の周波数を小さく変換する機能を有するダウンコンバータ回路、信号の周波数を大きく変換する機能を有するアップコンバータ回路、信号を増幅する機能を有する増幅回路等を有していてもよい。
【０１０３】
［記憶部］
記憶部５２は、測定情報、後述するような健全度の判定に用いるプログラムやデータ（例えば構造体Ｂの固有振動に関する振動データ）、得られた健全度に関する判定結果等の情報を記憶する機能を有する。この記憶部５２は、特に限定されず、不揮発性メモリ、揮発性メモリのいずれも用いることができる。
【０１０４】
［制御部］
制御部５３は、収集装置５を構成する各部等を制御したり、測定情報を処理したりする機能を有する。この制御部５３は、例えば、ＭＰＵで構成されている。
【０１０５】
特に、制御部５３は、磁気センサー２および振動センサー３の検出結果を用いて、構造体Ｂの健全度を判定する「判定部」としての機能を有する。なお、かかる健全度の判定については、後述する構造体モニタリング方法の説明とともに詳述する。
【０１０６】
以上、収集装置５の構成について説明した。このように構成された収集装置５を駆動する電源としては、特に限定されないが、例えば、商用電源、太陽電池に接続された二次電池等を用いることができる。
【０１０７】
≪構造体モニタリング方法≫
以下、本発明の構造体モニタリング方法について、前述したシステム１を使用する場合を例に説明する。
【０１０８】
図７は、構造体に含まれる金属部の歪みとそれに伴って生じる磁場の強度との関係を示すグラフである。図８は、磁気センサーによる検出磁場と振動センサーによる検出振動量との関係を示すグラフである。
【０１０９】
構造体Ｂに含まれる金属部ＳＴは、一般に、軟鉄に代表される一般構造用鉄鋼材で構成されているため、強磁性を呈する。そして、このような金属部ＳＴは、図７に示すように、金属疲労（歪み）に伴って、金属部ＳＴから生じる磁場が変化する。より具体的には、金属疲労（歪み）の進行に伴って、金属部ＳＴから生じる磁場が大きくなる。このようなことから、磁気センサー２の検出結果を用いて、金属部ＳＴの疲労度を判定することができる。
【０１１０】
また、金属部ＳＴの金属疲労が進行すると、構造体Ｂを一定の力で加振したときの構造体Ｂの振動量（振幅）が大きくなる。したがって、このような金属疲労と振動量との関係と、前述した図７に示す結果とから、図８に示すように、磁気センサー２の検出結果に基づく金属部ＳＴからの磁場が大きくなると、振動センサー３の検出結果に基づく構造体Ｂの振動量が大きくなる。このようなことから、磁気センサー２によって検出された磁場が大きくなるにしたがって、振動センサー３によって検出された振動量が大きくなっている場合、金属部ＳＴの金属疲労に伴って構造体Ｂの振動量が増加していると判断することができる。また、磁気センサー２によって検出された磁場の変化量に対して、振動センサー３によって検出された振動量が急激に大きくなった場合、金属部ＳＴの金属疲労とは異なる要因によって構造体Ｂの振動量が増加していると判断することができる。また、振動センサー３によって検出された振動量が所定量以上となった後に急激に小さくなった場合、構造体Ｂが破壊した（構造体Ｂの振動状態が異常である）と判断することができる。また、金属部ＳＴが金属疲労によって破断する場合、金属部ＳＴから生じる磁場が急激に大きくなる。したがって、構造体Ｂが破壊したと判断した場合において、磁気センサー２によって検出された磁場が急激に増加したとき、構造体Ｂの破壊の原因が金属部ＳＴの金属疲労（金属部ＳＴの破断）によるものと判断することができる。また、構造体Ｂの劣化が進行すると、構造体Ｂの固有振動数が小さくなるため、予め設定された構造体Ｂの振動データと、振動センサー３によって検出された振動の周波数とに基づいて、構造体Ｂの劣化の進行度を判定することもできる。
【０１１１】
以上のようにして構造体Ｂの健全度を判定することができる。以下、前述したシステム１の使用方法について説明する。
【０１１２】
図９は、図１に示す構造体モニタリングシステムの使用方法（構造体モニタリング方法）を説明するためのフローチャートである。
【０１１３】
図９に示すように、構造体モニタリングシステムの使用方法（構造体モニタリング方法）は、［１］磁気センサー２を用意する工程（ステップＳ１）と、［２］磁気センサー２を構造体Ｂに取り付ける工程（ステップＳ２）と、［３］金属部ＳＴの金属疲労に伴う磁場の変化を磁気センサー２で検出する工程（ステップＳ３）と、［４］磁気センサー２の検出結果を用いて、構造体Ｂの健全度を判定する工程（ステップＳ４）と、を有する。
【０１１４】
ステップＳ１では、前述したように構成された磁気センサー２を用意する。このとき、前述したように構成されたセンサー装置４および収集装置５を用意する。なお、磁気センサー２のみを用意し、ステップＳ２の後かつステップＳ３の前に、センサー装置４を組み立てるとともに、収集装置５を用意してもよい。
【０１１５】
ステップＳ２では、前述したように磁気センサー２を構造体Ｂに取り付ける。このとき、振動センサー３も前述したように構造体Ｂに取り付ける。ここで、これらのセンサーの取り付けは、コンクリート部Ｃの硬化前にセンサーを埋め込むことで行ってもよいし、硬化後のコンクリート部Ｃを穿孔してセンサーを埋め込むことで行ってもよい。
【０１１６】
ステップＳ３では、センサー装置４を動作させて、磁気センサー２による磁気検出を行う。これにより、金属部ＳＴからの磁場を磁気センサー２で検出することができる。このとき、振動センサー３による振動検出も行う。これにより、構造体Ｂの振動を検出することができる。ここで、振動センサー３による振動検出の際、構造体Ｂに対して外部の装置または器具から所定の力で加振を行って振動検出を行ってもよいし、構造体Ｂの自然振動（固有振動）を振動センサー３で検出してもよい。磁気センサー２および振動センサー３の検出結果は、センサー装置４から収集装置５へ送信され、収集装置５に収集される。
【０１１７】
ステップＳ４では、収集装置５にて、前述したように、磁気センサー２および振動センサー３の検出結果を用いて、構造体Ｂの健全度を判定する。
以上のようにして、構造体Ｂの健全度を判定することができる。
【０１１８】
以上説明したようなシステム１によれば、アルカリ金属原子のエネルギー遷移の特性を用いて、金属部ＳＴを含む構造体Ｂからの磁場（より具体的には、金属部ＳＴから金属疲労に伴って生じる磁場）の強度を検出する磁気センサー２を用いて、構造体Ｂの金属部ＳＴの疲労状態を検出することができる。そのため、構造体Ｂの健全度の判定結果に金属部ＳＴの疲労状態に関する情報を含めることができ、その結果、金属部ＳＴを含む構造体Ｂの健全度をより正確にモニタリングすることができる。
【０１１９】
また、前述したように、収集装置５の制御部５３は、磁気センサー２の検出結果に加えて、振動センサー３の検出結果を用いて、構造体Ｂの健全度を判定する。これにより、構造体Ｂの健全度の判定結果に構造体Ｂ全体の振動異常の有無に関する情報を含めることができる。
【０１２０】
また、制御部５３は、振動センサー３の検出結果と、記憶部５２に記憶された振動データとを比較し、その比較結果を用いて、健全度を判定する。これにより、構造体Ｂ全体の振動異常の有無を簡単かつ正確に判定して構造体Ｂの健全度の判定結果に含めることができる。
【０１２１】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
【０１２２】
図１０は、本発明の第２実施形態に係る構造体モニタリングシステムに用いる磁気センサーの概略構成を示す図である。
【０１２３】
以下、第２実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【０１２４】
第２実施形態は、磁気センサーの構成が異なる以外は、第１実施形態と同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
【０１２５】
本実施形態で用いる磁気センサー２Ａは、光源部２２２Ａと、偏光板２６１と、ハーフミラー２６２と、原子セル２２１と、ミラー２６３と、偏光分離器２６４と、光検出部２２５ａと、光検出部２２５ｂと、を有する。なお、図１０では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸としてｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が矢印で図示されており、その矢印の先端側を「＋」、基端側を「−」とし、ｘ軸に平行な方向を「ｘ軸方向」、ｙ軸に平行な方向を「ｙ軸方向」、ｚ軸に平行な方向を「ｚ軸方向」という。
【０１２６】
光源部２２２Ａは、原子セル２２１内のアルカリ金属の吸収線に応じた波長の光を出射する。この光源部２２２Ａとしては、前述したような光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。
【０１２７】
偏光板２６１は、光源部２２２Ａからの光を特定方向に偏光させ、直線偏光にする素子である。
【０１２８】
ハーフミラー２６２は、光源部２２２Ａから−ｚ軸方向に向かう光を透過し、原子セル２２１から＋ｚ軸方向に向かう光を偏光分離器２６４に向かう方向に反射する素子である。ハーフミラー２６２は、例えば、部分偏光ビームスプリッター、または、偏光方位によらず透過率が一定になる無偏光ビームスプリッターである。
【０１２９】
ミラー２６３は、原子セル２２１を透過した光源部２２２Ａからの光を反射し、再度原子セル２２１に入射する素子である。ミラー２６３は、金属膜または誘電体多層膜を用いた反射面を有する。
【０１３０】
偏光分離器２６４は、入射した光を、互いに直交する２つの偏光成分の光に分離する素子である。偏光分離器２６４は、例えば、ウォラストンプリズムまたは偏光ビームスプリッターである。
【０１３１】
光検出部２２５ａおよび光検出部２２５ｂは、それぞれ、光源部２２２Ａからの光の波長に感度を有する検出器である。
【０１３２】
このような構成を有する磁気センサー２Ａでは、光源部２２２Ａから出射した光は、偏光板２６１により、偏光度がより高い直線偏光になる。偏光された光は、ハーフミラー２６２を透過し、原子セル２２１に入射する。そして、原子セル２２１に入射した光は、原子セル２２１に封入されているアルカリ金属原子を励起（光ポンピング）する。このとき、光は、磁場の強さに応じた偏光面回転作用を受けて偏光面が回転する。原子セル２２１を透過した光は、ミラー２６３で反射し、再び原子セル２２１に入射する。そして、原子セル２２１に入射した光は、再度、偏光面回転作用を受ける。原子セル２２１を透過した光は、ハーフミラー２６２で反射し、偏光分離器２６４により２つの偏光成分の光に分離される。２つの偏光成分の光の強度は、光検出部２２５ａおよび光検出部２２５ｂでそれぞれ検出される。
【０１３３】
ここで、磁場測定のための原子と光の相互作用（偏光面回転作用）は、基本的には、ポンプ過程、歳差運動過程およびプローブ過程の３段階に分けられる。以下、各段階における素子の働きについて説明する。
【０１３４】
例えば、原子セル２２１内にセシウムが封入され、光源部２２２Ａからの光が、セシウムの超微細構造量子数をＦ＝３の基底状態からＦ’＝４の励起状態に励起させる波長を有し、ｙ軸方向に振動する電場（電場ベクトルＥｉ）を有する直線偏光である場合、セシウムの最外殻電子が励起（光ポンピング）され、セシウム原子の角運動量（より正確にはスピン角運動量）が、入射光の電場に沿って偏って分布する。このとき、入射光の電場がｙ軸方向に沿って振動しているので、角運動量は、主に＋ｙ軸方向および−ｙ軸方向に偏って分布する。すなわち、光ポンピングされたセシウム原子は、＋ｙ軸方向および−ｙ軸方向という反平行の２つの角運動量を有する。ここでは、角運動量の分布に生じた異方性を広く「アライメント」といい、角運動量に異方性分布を生じさせることを「アライメントを形成する」という。別の言い方をすると、アライメントを形成することは、磁化させることと同じである。
【０１３５】
光ポンピングにより前述したようにアライメントが形成された状態で、ｚ軸方向に静磁場が印加された場合、静磁場およびアライメントの作用により、セシウム原子は、ｚ軸に平行な軸線（静磁場に平行な軸線）を回転軸として時計回りの回転力を受ける。この回転力により、セシウム原子はｘｙ平面内で回転する。これが歳差運動である。セシウム原子が回転するということは、アライメントが回転するということである。ここで、磁場が印加されていない状態でのアライメントを基準としたアライメントの回転角をαとする。単一の原子についてみると、ポンピングにより生じた角運動量の偏り（励起状態）は時間の経過とともに減少、すなわちアライメントは緩和する。レーザービームはＣＷ光であるので、アライメントの形成と緩和は、同時平行的かつ連続的に繰り返される。その結果、原子の集団全体としてみれば、定常的な（時間平均的な）アライメントが形成される。アライメントの回転角αと角運動量の大きさは、歳差運動の周波数（ラーモア周波数）と、複数の要因で決まる緩和速度とに依存する。
【０１３６】
このような定常的アライメントにより、光源部２２２Ａからの光は、原子セル２２１内において、線形二色性の作用を受ける。アライメントの方向は透過軸であり、この方向の偏光成分は主に透過される。アライメントの方向と垂直な方向は吸収軸であり、この方向の偏光成分は主に吸収される。すなわち、透過軸および吸収軸における光の振幅透過係数をｔ‖およびｔ⊥と表すと、ｔ‖＞ｔ⊥である。入射光の電場Ｅｉの透過軸成分および吸収軸成分は、ＥｉｃｏｓαおよびＥｉｓｉｎαである。原子セル２２１を透過した後（セシウム原子と相互作用した後）の電場Ｅｏの透過軸成分および吸収軸成分は、ｔ‖Ｅｉｃｏｓαおよびｔ⊥Ｅｉｓｉｎαである。ｔ‖＞ｔ⊥であるから、電場ベクトルＥｏは、電場ベクトルＥｉを基準として回転している（すなわち、レーザービームの偏光面は回転する）。この回転角をφとする。
【０１３７】
なお、より正確には、角運動量がレーザービームの伝播方向に偏る現象（アライメント−オリエンテーション変換、Alignment Orientation Conversion、ＡＯＣ）が生じ、その結果として、円複屈折による偏光面の回転（ファラデー効果）が起こるが、ここではこの現象は無視して説明する。
【０１３８】
前述したように定常アライメントにより偏光面回転した光は、偏光分離器２６４により２つの偏光成分に分離される。例えば、これら２つの偏光成分は、第１検出軸および第２検出軸の２つの軸に沿った成分に分離される。第１検出軸は、偏光面の回転がない場合（φ＝０）の偏光面に対して＋４５°傾いている。第２検出軸は、偏光面の回転がない場合の偏光面に対して−４５°傾いている。光検出部２２５ａおよび光検出部２２５ｂは、それぞれ第１検出軸および第２検出軸に沿った成分の光量を検出する。原子セル２２１を透過した光の電場ベクトルＥｏの第１検出軸成分はＥｏｃｏｓ（π／４−φ）であり、第２検出軸成分はＥｏｓｉｎ（π／４−φ）である。ここで、偏光面の回転がほぼゼロの場合（φ≒０）、光検出部２２５ａおよび光検出部２２５ｂに入射する光の強度（光量）はほぼ同じである。逆にいうと、光検出部２２５ａおよび光検出部２２５ｂに入射する光の光量に差がある場合、偏光面が回転していることが示される。これはすなわち磁場が存在することを意味する。光検出部２２５ａおよび光検出部２２５ｂに入射する光の光量の差は、偏光面の回転角φの関数である。光検出部２２５ａおよび光検出部２２５ｂの出力信号の差を取ることにより、回転角φの情報が得られる。回転角φは、印加された静磁場の関数である。したがって、回転角φから、印加された静磁場の情報が得られる。
【０１３９】
以上説明したような磁気センサー２Ａは、アルカリ金属原子の非線形磁気光学効果を用いて磁場の強度を検出する。これにより、磁気センサー２Ａを用いて、金属部ＳＴからの磁場を高精度に検出することができる。
【０１４０】
以上、本発明の構造体モニタリングシステムおよび構造体モニタリング方法を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１４１】
例えば、本発明では、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
【０１４２】
また、前述した実施形態では、複数のセンサーからの検出結果を１つの通信部で一括して送信する場合を例に説明したが、センサーごとに通信部が設けられていてもよい。この場合、各通信部が収集装置５に情報を送信してもよいし、少なくとも１つの通信部が、親機として機能し、残りの通信部からの送信方法を収集した後に一括して収集装置５へ送信するように構成してもよい。
【０１４３】
また、前述した実施形態では、各センサーの検出結果を収集装置へ無線送信する場合を例に説明したが、各センサーの検出結果を収集装置へ有線送信してもよい。
【符号の説明】
【０１４４】
１…構造体モニタリングシステム、２、２Ａ、２ａ、２ｂ、２ｃ…磁気センサー、３、３ａ、３ｂ、３ｃ…振動センサー、４…センサー装置、５…収集装置、２０…本体部、２１…パッケージ、２２…原子セルユニット、２３…支持部材、４１…通信部、４２…記憶部、４３…制御部、５１…通信部、５２…記憶部、５３…制御部、２１１…基体、２１２…蓋体、２１４…端子、２２１…原子セル、２２２…光源部、２２２Ａ…光源部、２２３…光学部品、２２４…光学部品、２２５…光検出部、２２５ａ…光検出部、２２５ｂ…光検出部、２２６…ヒーター、２２７…温度センサー、２２８…基板、２２９…保持部材、２３０…接着剤、２３１…コイル、２４０…増幅器、２４１…検波部、２４２…変調部、２４３…発振器、２４４…中心波長制御部、２５０…検波部、２５１…発振器、２５２…変調部、２５３…発振器、２５４…周波数変換部、２５５…検波部、２５６…発振器、２５７…変調部、２５８…発振器、２５９…変調部、２６１…偏光板、２６２…ハーフミラー、２６３…ミラー、２６４…偏光分離器、２９０…変調器、２２１１…胴体部、２２１２…光透過部、２２１３…光透過部、Ｂ…構造体、Ｃ…コンクリート部、Ｆ、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３…床、Ｓ…内部空間、Ｓ１…内部空間、ＳＴ…金属部、Ｗ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…壁
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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