JP3660913B2

JP3660913B2 - Ｆｂｇ式角度センサ並びにこれを用いた変位計及び傾斜計

Info

Publication number: JP3660913B2
Application number: JP2002088881A
Authority: JP
Inventors: 一徳山賀; 栄一菅井; 清一藤田
Original assignee: NTT Advanced Technology Corp
Current assignee: NTT Advanced Technology Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003287411A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、支持板に軸支された回転軸の回転角度を中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバを用いて検出するＦＢＧ式角度センサ並びにこれを用いた変位計及び傾斜計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、支持板に軸支された回転軸の回転角度を検出する角度センサを利用した計測器としては、土木現場で地滑り監視の目的で使用する伸縮計や移動計といった変位計、更には、土木・建築現場で主に構造物の傾斜を計測する傾斜計が知られている。変位計は、直線運動を回転運動に変換する運動変換機構により被測定物の変位に応じ回転軸の回転角度を変化させて、被測定物の変位を計測するものであり、また、傾斜計は、回転軸に振り子式の錘を連結し、支持板を被測定物に固定して、被測定物の傾斜角に応じ錘により回転軸の回転角度を変化させ、被測定物の傾斜角を計測するものである。そして、これら変位計や傾斜計では、回転軸の回転角度をこれに連結したポテンショメータで検出する電気式角度センサを用いている。
然し、このような電気式角度センサを用いた変位計や傾斜計は、落雷による故障やノイズ混入を生じやすく、土木・建築現場に、落雷による計器故障やノイズ混入を防ぐため避雷器を設置することが必要になって、経費がかかる。
ところで、従来、光学的なひずみ検知素子としてＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）が知られている。ＦＢＧは、光ファイバ中を光波が伝搬しているとき、ブラッグ波長と呼ばれる或る特定の波長の光を反射する機能を持った光ファイバである。ＦＢＧのブラッグ波長は、ＦＢＧに作用する張力（ＦＢＧのひずみ）に応じて変化する性質がある。そのため、ＦＢＧは、ひずみ検知素子として利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、落雷の影響を受けない光学的検知素子である上記ＦＢＧに着目し、避雷器設備が不要な角度センサ並びにこの角度センサを用いた変位形及び傾斜計を提供することをその課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、支持板に軸支された回転軸の回転角度を検出する角度センサにおいて、本発明によれば、前記回転軸に相対回転可能に軸支したレバー部材と、前記回転軸の回転力を前記レバー部材に伝達するばね部材とを備え、中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバを、前記支持板と前記レバー部材との間に前記ＦＢＧが張り渡されるように、前記ＦＢＧの両側の光ファイバの部分において前記支持板と前記レバー部材とに固定している。
【０００５】
上記の構成によれば、レバー部材の回転（回転軸に対する回転）が光ファイバによって規制されるため、回転軸の回転によりばね部材の弾性力が変化する。この結果、ＦＢＧに作用する張力がばね部材によりレバー部材を介して回転軸の回転角度に応じ変化する。即ち、回転軸の回転角度の変化がＦＢＧの張力変化に変換され、この張力変化によるブラッグ波長の変化から回転軸の回転角度を検出できる。そして、ＦＢＧは、ポテンショメータのような電気式検知素子と異なり落雷の影響を受けず、そのため、避雷設備が不要になり、経費を削減できる。
【０００６】
上記本発明のＦＢＧ式角度センサを用い、直線運動を回転運動に変換する運動変換機構を設けて、この運動変換機構により被測定物の変位に応じ前記回転軸の回転角度を変化させるように構成すれば、避雷設備を必要とすることなく、被測定物の変位を計測できる変位計が得られる。
【０００７】
また、上記本発明のＦＢＧ式角度センサを用い、前記回転軸に振り子式の錘を連結して、前記支持板を固定する被測定物の傾斜角に応じ前記錘により前記回転軸の回転角度が変化されるように構成すれば、避雷設備を必要とすることなく、被測定物の傾斜角を計測できる傾斜計が得られる。
【０００８】
さらに本発明の変位計においては、前記運動変換機構を前記回転軸に変速機を介して連結し、また、本発明の傾斜計においては、前記錘を前記回転軸に減速機を介して連結するようにしてもよい。このようにすれば、変位計における被測定物の変位や、傾斜計における被測定物の傾斜角に対する前記回転軸の回転角の変化の割合を所望の割合に設定することが可能となる。特に、変位計における運動変換機構や、傾斜計における前記錘を変速機の一形態としての減速機を介して前記回転軸に連結することにより、被測定物の変位や傾斜角に対する回転軸の回転角度を小さくすることができる。その結果、本発明の変位計や傾斜計の計測容量を大きくすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のＦＢＧ式角度センサの第１実施形態を図１を参照して説明する。図１は、支持板１に軸支した回転軸２の回転角度を、中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）３を形成した光ファイバ４を用いて検出するＦＢＧ式角度センサＡを示している。
【００１０】
支持板１は、起立板部１ａとその下端の水平板部１ｂとを有する断面逆Ｔ字状に形成されている。そして、回転軸２を起立板部１ａに、図１（Ｂ）に示す如く、ベアリング５を介して軸支している。起立板部１ａの背面側に突出する回転軸２の部分にカラー６を装着して、回転軸２がベアリング５から脱落しないようにしている。
【００１１】
また、起立板部１ａの前面側に突出する回転軸２の部分には、上下方向に長手のレバー部材７がその中央部に装着したベアリング８を介して軸支されている。従って、レバー部材７は回転軸２に対して相対的に回転可能とされている。このレバー部材７の上下両端には、前方に突出するピン７ａ，７ｂが植設されている。そして、ばね部材たる非密着型の渦巻きばね９の外端に形成したフック部９ａをレバー部材７の上端のピン７ａに固定すると共に、該渦巻きばね９の内端に形成したフック部９ｂをレバー部材７の前方に突出する回転軸２の端部に固定している。これにより、回転軸２の回転力が渦巻きばね９を介してレバー部材７に伝達されるようにしている。
【００１２】
レバー部材７の下端のピン７ｂには、回転軸２を中心とする円のピン７ｂを通る接線上に位置するパイプ１０₁が固定され、更に、支持板１の起立板部１ａにも、パイプ１０₁に対し前記接線上で同心に対向するパイプ１０₂が固定金具１１を介して固定されている。そして、両パイプ１０₁，１０₂間にＦＢＧ３が張り渡されるように、光ファイバ４をＦＢＧ３の両側の部分において両パイプ１０₁，１０₂に挿通固定している。両パイプ１０₁，１０₂から引き出された光ファイバ４は図外の波長測定器に接続される。
【００１３】
尚、詳細な図示は省略するが、固定金具１１は、図示は省略するが、起立板部１ａの前面に垂直な方向に重合された表裏一対のブロック体で構成されており、これらのブロック体の合わせ面には、それぞれＶ溝が形成されている。そして、起立板部１ａに固定した裏側（起立板部１ａ寄り）のブロック体に表側のブロック体を、両ブロック体のＶ溝間にパイプ１０₂を挟み込んだ状態で、ボルト１１ａにより締め付け、パイプ１０₂を固定している。また、ＦＢＧ３の両側の光ファイバ４の部分は、両パイプ１０₁，１０₂の径中心に位置するようにエポキシ樹脂系等の接着剤で固定されている。
【００１４】
以上の構成によれば、光ファイバ４によりレバー部材７の回転が規制され、そのため、回転軸２が外力により図１（Ａ）で反時計方向に回転すると、渦巻きばね９が巻き締められる。このとき、渦巻きばね９の弾性力が回転軸２の回転角度に応じて変化するため、ＦＢＧ３に作用する張力が渦巻きばね９によりレバー部材７を介して回転軸２の回転角度に応じ変化する。即ち、回転軸２の回転角度の変化がＦＢＧ３の張力変化に変換され、この張力変化によるブラッグ波長の変化を波長測定器で測定することにより回転軸２の回転角度が検出される。
【００１５】
ところで、上記第１実施形態では、ばね部材として非密着型の渦巻きばね９を用いたが、これに限るものではなく、例えば図２に示す第２実施形態の如く、ばね部材としてＳ字状の板ばね１２を用い、この板ばね１２の上下両端に形成したフック部１２ａ，１２ｂをレバー部材７の上端のピン７ａと回転軸２とに固定しても良い。このようなＳ字状の板ばね１２を用いれば、回転軸２の回転角度に対するＦＢＧ３の張力変化量を大きくでき、回転軸２の回転角度範囲が比較的小さい場合の検出感度を向上させる上で有利である。尚、第２実施形態は、Ｓ字状の板ばね１２を除いて第１実施形態と同一の構成になっており、第１実施形態と同一の部材に上記と同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００１６】
次に、本発明の変位計の一実施形態を図３を参照して説明する。図３は、上記第１実施形態のＦＢＧ式角度センサＡを用いた変位計を示している。図中１００は円柱状の錘１０１を内挿したシリンダであり、基準杭等の基準物体１０２にシリンダ１００をその長手方向が重力方向に合致するように図示しないクランプ等で固定している。シリンダ１００の上端には基板１０３が溶接されており、この基板１０３上に、図３（Ｂ）に示す如く、ＦＢＧ式角度センサＡが支持板１の水平板部１ｂにおいてボルト止めされている。
【００１７】
また、基板１０３上には、プーリ１０４がこれに固定の軸１０４ａにおいて軸受部材１０５によりベアリング１０５ａを介して回転自在に軸支されている。このプーリ１０４に、一端を錘１０１に連結したワイヤ１０６を図３（Ａ）で時計方向に１回転以上巻き掛けすると共に、ワイヤ１０６の他端をガイドプーリ１０７を介して移動杭等の被測定物（図示せず）に連結し、プーリ１０４とワイヤ１０６とで被測定物の直線運動（変位）を回転運動に変換する運動変換機構を構成している。尚、ガイドプーリ１０７は、基板１０３上に立設したブラケット１０７ａに回転自在に軸支されている。
【００１８】
基板１０３上には、更に、プーリ１０４の軸１０４ａに連結される減速機１０８が設けられている。ここで、ＦＢＧ式角度センサＡは、支持板１の起立板部１ａの背面が減速機１０８側に向き、且つ、その回転軸２が減速機１０８の出力軸１０８ａとほぼ同心になるように配置されている。そして、減速機１０８の出力軸１０８ａを起立板部１ａの背面に突出する回転軸２の部分にフレキシブルカップリング１０９を介して連結している。
【００１９】
尚、プーリ１０４は、錘１０１とプーリ１０４との間にあるワイヤ１０６の部分が錘１０１の中心線上に位置し、且つ、プーリ１０４の軸１０４ａが錘１０１の中心線とワイヤ１０６とを含む仮想平面に直交するように配置されている。また、減速機１０８は、例えば遊星歯車式のもの等、比較的減速比の大きなものとされている。
【００２０】
上記の構成によれば、被測定物の変位に応じてプーリ１０４が回転し、この回転が減速機１０８を介して回転軸２に伝達される。そして、上記の如く検出される回転軸２の回転角度に基づいて被測定物の変位が計測される。また、プーリ１０４に対し回転軸２が減速機１０８により減速回転されるため、変位の計測容量が大きくなる。
【００２１】
尚、上記実施形態では、プーリ１０４を用いて運動変換機構を構成したが、例えば、被測定物に連結されるラックに回転軸２に連結されるピニオンを噛み合わせて成るラックピニオン機構等により、運動変換機構を構成することも可能である。また、ＦＢＧ式角度センサＡは、本実施形態では前記第１実施形態のものを用いたが、前記第２実施形態のものを用いてもよい。
【００２２】
次に、本発明の傾斜計の一実施形態を図４を参照して説明する。図４は、上記第２実施形態のＦＢＧ式角度センサＡを用いた傾斜計を示している。図中２００は基板であり、該基板２００は、図４（Ｂ）に示す如く、被測定物２０１にオールアンカ等で水平に固定されている。そして、基板２００上に、ＦＢＧ式角度センサＡが支持板１の水平板部１ｂにおいてボルト止めされている。
【００２３】
また、図４（Ｂ）に示す如く、被測定物２０１の前方に張り出した基板２００の部分に上下方向に穿設された穴２００ａに、上下方向に長手の振り子式の錘２０２が遊挿されており、この錘２０２の上端に固定した軸２０２ａが、上記穴２０ａの前後で基板２００上に固設された一対の軸受部材２０３，２０３によりベアリング２０３ａ，２０３ａを介して回転自在に軸支されている。これにより、錘２０２は、基板２００に対して相対的に軸２０２ａの軸心回りに傾動可能とされている。ここで、ＦＢＧ式角度センサＡは、支持板１の起立板部１ａの背面が錘２０２側に向き、且つ、回転軸２が錘２０２の軸２０２ａとほぼ同心になるように配置されている。そして、錘２０２をその軸２０２ａにおいて起立板部１ａの背面に突出する回転軸２の部分にフレキシブルカップリング２０４を介して連結している。
【００２４】
上記の構成によれば、被測定物２０１の傾斜で基板２００と一体にＦＢＧ式角度センサＡの支持板１が傾斜するのに対し、ＦＢＧ式角度センサＡの回転軸２には、回転軸２の位相を錘２０２が重力方向に向く位相に保持しようとする力が作用する。そのため、回転軸２は被測定物２０１の傾斜角に応じた回転角度で支持板１に対し相対回転する。そして、前述の如く検出される回転軸２の回転角度に基づいて被測定物２０１の傾斜角が計測される。
【００２５】
尚、本実施形態では、錘２０２を回転軸２に直接的に連結したが、回転軸２が減速回転されるように、錘２０２を減速機を介して回転軸２に連結すれば、傾斜角の計測容量を大きくすることができる。この場合の実施形態は、図示は省略するが、前記第３実施形態（変位計の実施形態）でプーリ１０４の軸１０４ａを、角度センサＡの回転軸２に減速機１０８を介して接続した場合と同様に、錘２０２の軸２０２ａを角度センサＡの回転軸２に減速機を介して接続するようにすればよい。
【００２６】
また、ＦＢＧ式角度センサＡは、本実施形態では前記第２実施形態のものを用いたが、前記第１実施形態のものを用いてもよい。
【００２７】
また、前記変位計の実施形態では、被測定物の変位に応じたプーリ１０４の軸１０４ａの回転を減速機１０８を介して角度センサＡの回転軸２に伝達するようにしたが、例えば被測定物の変位の範囲が小さいような場合には、プーリ１０４の軸１０４ａを増速機（例えば減速機１０８の入力側と出力側を逆にしたもの）を介して角度センサＡの回転軸２に接続し、被測定物の微小変位に対する角度センサＡの回転軸２の回転角が大きくなるようにしてもよい。このことは、傾斜計に関しても同様であり、この場合には、錘２０２の軸２０２ａを増速機を介して角度センサＡの回転軸２に接続するようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）本発明の角度センサの第１実施形態を示す正面図、（Ｂ）図１（Ａ）の１Ｂ―１Ｂ線で切断した断面図。
【図２】（Ａ）本発明の角度センサの第２実施形態を示す正面図、（Ｂ）図２（Ａ）の２Ｂ―２Ｂ線で切断した断面図。
【図３】（Ａ）本発明の変位計の実施形態を示す正面図、（Ｂ）図３（Ａ）の３Ｂ―３Ｂ線で切断した断面図。
【図４】（Ａ）本発明の傾斜計の実施形態を示す正面図、（Ｂ）図４（Ａ）の４Ｂ―４Ｂ線で切断した断面図。
【符号の説明】
Ａ…ＦＢＧ式角度センサ、１…支持板、２…回転軸、３…ＦＢＧ、４…光ファイバ、７…レバー部材、９…渦巻きばね（ばね部材）、１２…Ｓ字状の板ばね（ばね部材）、１０３…変位計の基板、１０４…プーリ（運動変換機構）、１０６…ワイヤ（運動変換機構）、１０８…減速機（変速機）、２００…傾斜計の基板、２０１…被測定物、２０２…振り子式の錘。

Claims

支持板に軸支された回転軸の回転角度を中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバを用いて検出するＦＢＧ式角度センサであって、前記回転軸に相対回転可能に軸支したレバー部材と、前記回転軸の回転力を前記レバー部材に伝達するばね部材とを備え、前記光ファイバを、前記支持板と前記レバー部材との間に前記ＦＢＧが張り渡されるように、前記ＦＢＧの両側の光ファイバの部分において前記支持板と前記レバー部材とに固定することを特徴とするＦＢＧ式角度センサ。
直線運動を回転運動に変換する運動変換機構を備え、この運動変換機構により被測定物の変位に応じ前記回転軸の回転角度を変化させて、被測定物の変位を計測することを特徴とする請求項１記載のＦＢＧ式角度センサを用いた変位計。
前記運動変換機構を前記回転軸に変速機を介して連結することを特徴とする請求項２記載の変位計。
前記回転軸に連結した振り子式の錘を備え、前記支持板を固定する被測定物の傾斜角に応じ前記錘により前記回転軸の回転角度を変化させて、被測定物の傾斜角を計測することを特徴とする請求項１記載のＦＢＧ式角度センサを用いた傾斜計。
前記錘を前記回転軸に変速機を介して連結することを特徴とする請求項４記載の傾斜計。