特許 6199737 変位計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6199737

(24)【登録日】2017年9月1日

(45)【発行日】2017年9月20日

(54)【発明の名称】変位計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20170911BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/00 H

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-273055(P2013-273055)

(22)【出願日】2013年12月27日

(65)【公開番号】特開2015-127661(P2015-127661A)

(43)【公開日】2015年7月9日

【審査請求日】2016年8月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000206211

【氏名又は名称】大成建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(74)【代理人】

【識別番号】100116012

【弁理士】

【氏名又は名称】宮坂 徹

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 さやか

【審査官】 八木 智規

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−１９０６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／２２１３２７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

変位を検出する一の方向と交差する斜面からなる表面と、前記一の方向に平行な平面からなる裏面とを有する屈折部材と、
前記屈折部材の前記表面に向けて第１光と第２光とを照射する光照射部と、
前記表面において屈折し、前記裏面から出射した前記第１光及び前記第２光を受光する受光面を有し、前記受光面において前記第１光が受光される第１受光位置及び前記受光面において前記第２光が受光される第２受光位置を検出する受光部と、を備え、
前記屈折部材は、前記変位が相対的に生じ得る一方の側に固定され、前記光照射部は、前記変位が相対的に生じ得る他方の側に固定されることを特徴とする変位計測装置。

【請求項2】

前記光照射部は、第１波長を有する前記第１光と、前記第１波長と異なる第２波長を有する前記第２光と、を照射することを特徴とする請求項１に記載の変位計測装置。

【請求項3】

前記光照射部は、前記第１光を前記表面に対して第１角度で照射し、前記第２光を前記表面に対して第１角度よりも小さい第２角度で照射することを特徴とする請求項１に記載の変位計測装置。

【請求項4】

変位を検出する方向と交差する斜面からなる表面と、前記方向に平行な平面からなる裏面とを有する第１屈折部材と、
前記方向に平行な平面からなる表面と、当該表面と平行な平面からなる裏面と、を有する第２屈折部材と、
第１波長を有する第１光と、前記第１波長と異なる第２波長を有する第２光とを照射する光照射部と、
前記第１光を分割して第３光及び第４光を生成すると共に、前記第２光を分割して第５光及び第６光を生成し、前記第３光及び前記第５光を前記第１屈折部材の前記表面に向け、前記第４光及び前記第６光を前記第２屈折部材の前記表面に向ける光学系と、
前記第１屈折部材の前記表面において屈折し、前記第１屈折部材の前記裏面から出射した前記第３光、前記第５光及び、前記第２屈折部材の前記表面において屈折し、前記第２屈折部材の前記裏面から出射した前記第４光、前記第６光を受光する受光面を有し、前記受光面において前記第３光が受光される第３受光位置、前記第４光が受光される第４受光位置、前記第５光が受光される第５受光位置及び前記第６光が受光される第６受光位置を検出する受光部と、を備え、
前記第１屈折部材は、前記変位が相対的に生じ得る一方の側に固定され、前記第２屈折部材は、一の方向を中心軸とした回転変位が相対的に生じ得る一方の側に固定され、前記光照射部は、前記変位が相対的に生じ得ると共に、前記回転変位が相対的に生じ得る他方の側に固定されることを特徴とする変位計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物体の変位を計測する変位計測装置に係り、特に、構造物の層間変位または構造物の局所的な回転変形を計測する変位計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、地震等の外乱に対する構造物の変位を計測する変位計測装置がある。変位計測装置は、例えば、特許文献１に記載されている。
特許文献１に記載されている変位計測装置は、建物の変位を光学的に計測する光学式変位計測装置であって、建物の各階（層）に照射光源と、照射光源によって照射された光を受光する受光部材とを、備えている。特許文献１に記載された光学式変位計測装置は、受光部における照射光の照射位置を連続して計測誤差補正装置に送信する。計測誤差補正装置は、送信されてきた受光位置に含まれる局所変形による誤差を補正し、建物の層間変位を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−１２２４２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記した特許文献１記載の変位計測装置は、局所変形による誤差を補正するための計測誤差補正装置を備える必要がある。特許文献１には、計測誤差補正装置が構造解析モデルデータ格納部を備え、構造格納データを使ってコンピュータシミュレーションを行って計測誤差を行うことが記載されている。このような機能を有する計測誤差補正装置は、構造格納データを格納するメモリと、シミュレーションを実行できる規模のＣＰＵとが必要になる。このため、計測誤差補正装置を備える特許文献１記載の光学式計測装置は、装置の小型化やコストの点で改善の余地を残している。

【0005】

さらに、特許文献１記載の計測誤差補正装置は、計測変位を例えば地震の継続時間に相当する所定回数求め、計測変位の時刻歴と推定変位の時刻歴とを生成する。そして、シミュレーションにより、推定変位時刻歴が収束するまで繰返して計測誤差を補正する。このような特許文献１に記載の構成は、建物に変位が加わっている間に変位の誤差を補正し、正確な変位を動的に計測することができない。

【0006】

建物の変位を動的に計測する構成としては、ジャイロセンサ等の傾斜器を使って回転変形角を検出するものがある。しかし、ジャイロセンサでは、全方位に軸が動く構成となっているため、特定の方向の変位を計測することは困難であった。
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、構造物の変位を方向毎に計測可能であって、かつ、装置規模の小型化に有利な変位計測装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記した課題を解決するため、本発明の変位計測装置の一態様は、変位を検出する一の方向と交差する斜面からなる表面と、前記一の方向に平行な平面からなる裏面とを有する屈折部材と、前記屈折部材の前記表面に向けて第１光と第２光とを照射する光照射部と、前記表面において屈折し、前記裏面から出射した前記第１光及び前記第２光を受光する受光面を有し、前記受光面において前記第１光が受光される第１受光位置及び前記受光面において前記第２光が受光される第２受光位置を検出する受光部と、を備え、前記屈折部材は、前記変位が相対的に生じ得る一方の側に固定され、前記光照射部は、前記変位が相対的に生じ得る他方の側に固定されることを特徴とする。

【0008】

また、本発明の変位計測装置の一態様は、上記発明において、前記光照射部は、第１波長を有する前記第１光と、前記第１波長と異なる第２波長を有する前記第２光と、を照射することを特徴とする。
また、本発明の変位計測装置の一態様は、上記発明において、前記光照射部は、前記第１光を前記表面に対して第１角度で照射し、前記第２光を前記表面に対して第１角度よりも小さい第２角度で照射することを特徴とする。

【0010】

また、本発明の変位計測装置の一態様は、変位を検出する方向と交差する斜面からなる表面と、前記方向に平行な平面からなる裏面とを有する第１屈折部材と、前記方向に平行な平面からなる表面と、当該表面と平行な平面からなる裏面と、を有する第２屈折部材と、第１波長を有する第１光と、前記第１波長と異なる第２波長を有する第２光とを照射する光照射部と、前記第１光を分割して第３光及び第４光を生成すると共に、前記第２光を分割して第５光及び第６光を生成し、前記第３光及び前記第５光または前記第４光及び前記第６光を前記第１屈折部材の前記表面または前記第２屈折部材の前記表面に向ける光学系と、前記第１屈折部材または前記第２屈折部材の表面において屈折し、前記第１屈折部材の前記裏面または前記第１屈折部材の前記裏面から出射した前記第３光、前記第４光、前記第５光及び前記第６光を受光する受光面を有し、前記受光面において前記第３光が受光される第３受光位置、前記第４光が受光される第４受光位置、前記第５光が受光される第５受光位置及び前記第６光が受光される第６受光位置を検出する受光部と、を備え、前記第１屈折部材は、前記変位が相対的に生じ得る一方の側に固定され、前記第２屈折部材は、一の方向を中心軸とした回転変位が相対的に生じ得る一方の側に固定され、前記光照射部は、前記変位が相対的に生じ得ると共に、前記回転変位が相対的に生じ得る他方の側に固定されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明は、構造物の変位を方向毎に計測可能であって、かつ、装置規模の小型化に有利な変位計測装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１実施形態の変位計装置の全体構成を説明するための図である。

【図2】図１に示した屈折部材を説明するための図である。

【図3】外力によって図２に示した平面方向に層間変位が生じた場合の変位計測装置の動作を説明するための図である。

【図4】図３に示した屈折部材の面上に現れる点を説明するための図である。

【図5】図３に示した２点間の距離から変位量を算出する方法を説明するための図である。

【図6】本発明の第１実施形態の材料が異なる層を複数有する屈折部材を説明するための図である。

【図7】回転方向の変位を説明するための図である。

【図8】本発明の第２実施形態の屈折部材を説明するための図である。

【図9】本発明の第２実施形態の回転角を算出する方法を説明するための図である。

【図10】本発明の第２実施形態の回転角計測データを例示した図である。

【図11】本発明の第３実施形態の変位計測装置を例示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態の変位計測装置について説明する。
［第１実施形態］
・構成
図１は、第１実施形態の変位計装置の全体構成を説明するための図である。第１実施形態の変位計測装置は、外力によって生じる床（以下、「床スラブ」と記す）面１０１の面方向の変位である層間変位を計測する装置である。層間変位は複数の方向の成分を含むが、第１実施形態では、変位計測装置が図１中に示した矢線ｄで示す方向（以下、「平面方向」と記す）の層間変位を計測する場合について説明する。

【0014】

図１に示した変位計測装置は、屈折部材１０４と、レーザ照射装置１０５と、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ１０３と、を備えている。屈折部材１０４は、変位を検出する矢線ｄで示す方向と交差する斜面からなる表面（図２に示す表面１０４ｂ）と、一の方向に平行な平面からなる裏面（図２に示す裏面１０４ａ）とを有している。レーザ照射装置１０５は、屈折部材１０４の表面１０４ｂに向けて第１レーザ光ｐ_ｒと第２レーザ光ｐ_ｇとを照射する。ＣＣＤイメージセンサ１０３は、表面１０４ｂにおいて屈折し、裏面１０４ａから出射した第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇを受光する受光面（図２に示す受光面１０３ａ）を有し、受光面１０３ａにおいて第１レーザ光ｐｒが受光される第１受光位置及び受光面１０３において第２レーザ光ｐ_ｇが受光される第２受光位置を検出する。

【0015】

第１実施形態では、屈折部材１０４が相対的に変位が生じ得る天井面１０２の側に固定される。レーザ光照射装置１０５は、相対的に変位が生じ得る床スラブ面１０１の側に固定される。なお、第１実施形態は、レーザ照射装置１０５を床スラブ面１０１に設け、ＣＣＤイメージセンサ１０３を天井面に設ける構成に限定されるものではない。第１実施形態は、レーザ照射装置１０５を天井面１０２に設け、ＣＣＤイメージセンサ１０３を床スラブ面１０１に設けてもよい。さらに、レーザ照射装置１０５とＣＣＤイメージセンサ１０３との位置関係は、両者を相対的に変位し得る位置に対向するように固定するのであれば、どのようなものであってもよい。

【0016】

上記した構成のうち、第１実施形態では、ＣＣＤイメージセンサ１０３を二次元のＣＣＤイメージセンサとした。二次元のＣＣＤイメージセンサでは、例えば、受光した光を電荷に変換する複数のフォトトランジスタと、電荷を転送する転送部とが平面上に配置されている。第１実施形態では、複数のフォトトランジスタの光を受光する面全体を、ＣＣＤイメージセンサ１０３の受光面１０３ａと記す。

【0017】

ただし、第１実施形態の受光部はＣＣＤイメージセンサに限定されるものでなく、光強度を測定できる素子であればどのような構成であってもよい。
レーザ照射装置１０５は、約７００ｎｍの波長を有するレーザ光を出力するレーザ光源と、約５５０ｎｍの波長を有するレーザ光を出力するレーザ光源とを有する。約７００ｎｍの波長を有するレーザ光は赤色を有するレーザ光となり、約５００ｎｍの波長を有するレーザ光は緑色を有するレーザ光となる。図１に示した第１レーザ光ｐ_ｒは、赤色を有するレーザ光であり、第２レーザ光ｐ_ｇは、緑色を有するレーザ光である。

【0018】

さらに、第１実施形態の変位計測装置は、第１受光位置と第２受光位置との間の距離を検出する距離検出部１００を備えている。距離検出部１００は、ＣＣＤイメージセンサ１０３から出力される第１受光位置と第２受光位置との距離から第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇが出射される裏面１０４ａ上の２点を検出し、検出された２点間の距離を出力する機能を有する小型のコンピュータである。第１実施形態では、汎用的なコンピュータに第１受光位置と第２受光位置との距離及び層間変位量を算出するためのソフトウェアをインストールし、距離検出部１００として機能させた。

【0019】

図２は、図１に示した屈折部材１０４を説明するための図である。屈折部材１０４は、第１レーザ光ｐ_ｒと第２レーザ光ｐ_ｇとを各々の波長に対応する屈折角で屈折させる。屈折部材１０４は、透明な光学ガラスでなる三角柱のプリズムであり、矢線ｄの方向に平行な裏面１０４ａが受光面１０３ａと重なるように配置されている。屈折部材１０４は、矢線ｄの方向と交差する斜面である表面１０４ｂを有している。図２のように、ｘ，ｙ，ｚの方向を定義した場合、表面１０４ｂの傾斜は、ｙ方向についてはｚ成分が変化し、ｘ方向についてはｚ成分が一定の値を有するように表される。

【0020】

表面１０４ｂから屈折部材１０４に入射した第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇは、表面１０４ｂにおいて各々の波長に対応する屈折角で屈折する。そして、屈折角の相違により、裏面１０４ａにおける第１レーザ光ｐ_ｒの出射位置と第２レーザ光ｐ_ｇの出射位置とに距離ΔＬ_ｔが生じる。第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇは、屈折部材１０４の裏面１０４ａから出射し、受光面１０３ａに受光される。ＣＣＤイメージセンサ１０３は、第１レーザ光ｐ_ｒの出射位置と第２レーザ光ｐ_ｇの出射位置とを、受光面１０３ａにおける第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇの受光位置とする。第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇの受光位置は、ＣＣＤイメージセンサ１０３が、裏面１０４ａを撮像することによって検出される。

【0021】

・動作
以下、第１実施形態の変位計測装置が層間変位を計測する動作について具体的に説明する。
図３は、外力によって図２に示した平面方向に層間変位が生じた場合の変位計測装置の動作を説明するための図である。図３では、層間変位により、図１に示した床スラブ面１０１が図２に示した天井面１０２に対して相対的にＩに示す位置（位置Ｉ）からＩＩに示す位置（位置ＩＩ）まで移動する。図３では、このときに生じる層間変位の変位量を、図中にδとして記す。

【0022】

ここで、図３では、位置Ｉにおいて第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇが屈折部材１４０に入射する点を点ａ、位置ＩＩにおいて第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇが屈折部材１４０に入射する点を点ａ’とする。また、図１では、点ａを通り、裏面１０４ａに垂直な直線と裏面１０４ａとの交点を点ｂ、点ｂを通り、裏面１０４ａに垂直な直線と裏面１０４ａとの交点を点ｂ’とする。

【0023】

また、図３では、点ａから屈折部材１４０に入射した第１レーザ光ｐ_ｒが出射する裏面１０４ａ上の点を点ｃ、点ａから屈折部材１４０に入射した第２レーザ光ｐ_ｇが出射する裏面１０４ａ上の点を点ｄとする。さらに、図３では、点ａ’から屈折部材１４０に入射した第１レーザ光ｐ_ｒが出射する裏面１０４ａ上の点を点ｃ’、点ａ’から屈折部材１４０に入射した第２レーザ光ｐ_ｇが出射する裏面１０４ａ上の点を点ｄ’とする。また、第１実施形態では、裏面１０４ａと表面１０４ｂとがなす角度をθとする。さらに、図３では、表面１０４ｂと、点ｂ、ｃ、ｄ、ｂ’、ｃ’、ｄ’を通る直線との交点を点ｏとする。

【0024】

点ａから屈折部材１０４に入射した第１レーザ光ｐ_ｒは、表面１０４ｂにおいて波長に対応する屈折率ｎ_ｒで屈折し、点ｃから出射される。点ａから屈折部材１０４に入射した第２レーザ光ｐ_ｇは、表面１０４ｂにおいて波長に対応する屈折率ｎ_ｇで屈折し、点ｃから距離ΔＬ_ｔ１を隔てた点ｄから出射される。また、点ａ’から屈折部材１０４に入射した第１レーザ光ｐ_ｒは、表面１０４ｂにおいて波長に対応する屈折率ｎ_ｒで屈折し、点ｃ’から出射される。点ａ’から屈折部材１０４に入射した第２レーザ光ｐ_ｇは、表面１０４ｂにおいて波長に対応する屈折率ｎ_ｇで屈折し、点ｃ’から距離ΔＬ_ｔ２を隔てた点ｄ’から出射される。なお、「Ｌ」は、点ｂから図中の点ｏまでの距離である。

【0025】

図４（ａ）、（ｂ）は、屈折部材１０４の裏面１０４ａ上に現れる点ｃ、ｄ、ｃ’、ｄ’を説明するための図である。図４（ａ）は層間変位が起こる以前（レーザ照射装置１０５が位置Ｉにある）に現れる点ｃ、ｄを説明するための図であり、図４（ｂ）は層間変位が起こった後（レーザ照射装置１０５が位置ＩＩにある）に現れる点ｃ’、ｄ’を説明するための図である。

【0026】

図４（ａ）に示したように、層間変位前においては、第１レーザ光ｐ_ｒによって点ｃに光強度のピークを持つ輝点が現れる。また、第２レーザ光ｐ_ｇによって点ｄに光強度のピークを持つ輝点が現れる。そして、層間変位後においては、図４（ｂ）のように、第１レーザ光ｐ_ｒによって点ｃ’に光強度のピークを持つ輝点が現れる。また、第２レーザ光ｐ_ｇによって点ｄ’に光強度のピークを持つ輝点が現れる。図１等に示したＣＣＤイメージセンサ１０３は、屈折部材１０４の裏面１０４ａ上の輝点を撮像する。撮像によって第１レーザ光ｐ_ｒと第２レーザ光ｐ_ｇが受光面１０３において受光された位置が検出される。撮像された画像のデータは、距離検出部１００に出力される。

【0027】

距離検出部１００は、ＣＣＤイメージセンサ１０３によって撮像された輝点の中心から裏面１０４ａ上の点ｃ、ｄ間の距離及び点ｃ’、ｄ’間の距離を検出し、検出された距離を出力する。そして、検出された距離から図３に示した変位量δを算出する。
ただし、第１実施形態は、距離検出部１００が変位量δを算出する構成に限定されるものではなく、画像データから裏面１０４ａ上の点ｃ、ｄ間の距離及び点ｃ’、ｄ’間の距離を検出する機能のみを有するものであってもよい。そして、距離検出部１００は、点ｃ、ｄ間の距離及び点ｃ’、ｄ’間の距離を他のコンピュータやリムーバルメモリ等に出力し、他のコンピュータによって変位量δを算出するものであってもよい。さらに、距離の出力は、紙に距離を印字して出力するものであってもよいし、図示しないディスプレイ画面に表示するものであってもよい。

【0028】

・変位量の算出
図５は、検出された点ｃ、ｄ間の距離及び点ｃ’、ｄ’間の距離から変位量δを算出する方法を説明するための図である。層間変位の前後において、第１レーザ光ｐ_ｒと第２レーザ光ｐ_ｇとは、等しい入射角θで屈折部材１０４の表面１０４ｂに入射する。屈折部材１０４に入射した第１レーザ光ｐ_ｒは、表面１０４ｂにおいて屈折角θ_ｒで屈折する。また、第２レーザ光ｐ_ｇは、表面１０４ｂにおいて屈折角θ_ｇで屈折する。なお、屈折角θ_ｒ、θ_ｇは、レーザ光の波長に対応する屈折率よって決定する値である。ここで、第１レーザ光ｐ_ｒの屈折率をｎ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇの屈折率をｎ_ｇとすると、第１レーザ光ｐｒの屈折角θ_ｒ、第２レーザ光ｐｇの屈折角θ_ｇと、第１レーザ光ｐ_ｒの屈折部材１０４に対する屈折率ｎ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇの屈折部材１０４に対する屈折率ｎ_ｇとの間には、以下の式（１）、（２）の関係がある。なお、式（１）、（２）において、θは第１レーザ光ｐ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇの表面１０４ｂに対する入射角である。

【0029】

θ_ｒ＝ｎ_ｒ・θ …式（１）
θ_ｇ＝ｎ_ｇ・θ …式（２）
層間変位の前（変位前）において、点ｂ、ｃ間の距離ｌ_ｒ１と屈折角θ_ｒとの間には、以下の式（３）の関係がある。式（３）に示す関係から、式（３−ｉ）のように、距離ｌ_ｒ１が求められる。

【0030】

ｔａｎ（θ_ｒ−θ）＝ｌ_ｒ１／（Ｌ・ｔａｎθ） …式（３）
ｌ_ｒ１＝Ｌｔａｎθ・ｔａｎ（θ_ｒ−θ） …式（３−ｉ）
また、変位前において、点ｂ、ｄ間の距離ｌ_ｇと屈折角θ_ｇとの間には、以下の式（４）の関係がある。式（４）に示す関係から、式（４−ｉ）のように、距離ｌ_ｇ１が求められる。

【0031】

ｔａｎ（θ_ｇ−θ）＝ｌ_ｇ１／（Ｌ・ｔａｎθ） …式（４）
ｌ_ｇ１＝Ｌ・ｔａｎθ・ｔａｎ（θ_ｇ−θ） …式（４−ｉ）
なお、式（３−ｉ）、（４−ｉ）のいずれにおいても、「Ｌ」は屈折部材１０４の点ｂから点ｏまでの距離である。
距離ｌ_ｒ１と距離ｌ_ｇ１との差分をとることにより、式（５−ｉ）のように、図５に示したΔＬ_ｔ１が求められる。ΔＬ_ｔ１は、図１に示した距離検出部１００によって検出される点ｃ、ｄ間の距離である。

【0032】

ΔＬ_ｔ１＝ｌｇ_１−ｌｒ_１
＝Ｌ・ｔａｎθ｛ｔａｎ（θ_ｇ−θ）−ｔａｎ（θ_ｒ−θ）｝…式（５−ｉ）
また、変位後においても同様に、以下の式（３−ｉｉ）、式（４−ｉｉ）によって、点ｂ’、ｃ’間の距離ｌ_ｒ２と点ｂ’、ｄ’間の距離ｌ_ｇ２とが求められる。
ｌ_ｒ２＝Ｌ・ｔａｎθ・ｔａｎ（θ_ｒ−θ） …式（３−ｉｉ）
ｌ_ｇ２＝Ｌ・ｔａｎθ・ｔａｎ（θ_ｇ−θ） …式（４−ｉｉ）
距離ｌ_ｒ２と距離ｌ_ｇ２との差分をとることにより、式（５−ｉｉ）のように、図５に示したΔＬ_ｔ２が求められる。ΔＬ_ｔ２は、図１に示した距離検出部１００によって検出される点ｃ’、ｄ’間の距離である。

【0033】

ΔＬ_ｔ２＝ｌｇ_２−ｌｒ_２
＝（Ｌ−δ）ｔａｎθ｛ｔａｎ（θ_ｇ−θ）−ｔａｎ（θ_ｒ−θ）｝…式（５−ｉｉ）
ΔＬ_ｔ１と、ΔＬ_ｔ２と、図５に示した変位量δと、の間には、式（６）に示す関係がある。
ΔＬ_ｔ１−ΔＬ_ｔ２＝δ・ｔａｎθ｛ｔａｎ（θ_ｇ−θ）−ｔａｎ（θ_ｒ−θ）｝…式（６）
式（６）より、以下の式（７）のように、変位量δを求めることができる。

【0034】

δ＝（ΔＬ_ｔ１−ΔＬ_ｔ２）／（ｔａｎθ｛ｔａｎ（θ_ｇ−θ）−ｔａｎ（θ_ｒ−θ）｝）
…式（７）
上記した式（７）において、θ、θ_ｒ、θ_ｇの値は既知である。また、第１実施形態では、式（７）に示したΔＬ_ｔ１、ΔＬ_ｔ２の値を距離検出部１００から得ることができる。第１実施形態の変位計測装置は、距離検出部１００によって検出されたΔＬ_ｔ１、ΔＬ_ｔ２の値を順次式（７）に代入することにより、変位量δを計測することができる。

【0035】

このような第１実施形態によれば、撮像画像から得られる距離を比較的単純な式（７）に順次代入することによって変位量δを算出することができるため、構造物に変位が加わっている間にも変位量δを動的に計測することができる。変位量δを動的に算出することができる点は、構造物に人工的に外力を加えて行う実験において有効である。即ち、実験において動的に構造物の変位を検出することができれば、実験者は、構造物に加わる変位をモニタしながら構造物に加える外力の程度を調整することができる。

【0036】

また、第１実施形態は、シミュレーションよりも計算にかかる負荷が小さい演算によって変位量δを算出することができる。このため、第１実施形態は、シミュレーションによって誤差を補正する構成よりも装置規模の小型化に有利である。
また、第１実施形態は、図１、２に示した平面方向（矢線ｄの方向）に生じる変位の変位量だけを抽出して計測することができる。

【0037】

さらに、第１実施形態は、第１レーザ光の受光位置点と第２レーザ光の受光位置との距離（差分）を使って構造物の変位を検出している。このため、第１実施形態は、構造物に生じた変位を増幅して可視化し、変位量を検出し易くすることができる。さらに、第１レーザ光の受光位置と第２レーザ光の受光位置は、構造物の局所変形によって同様に変動する。このため、第１実施形態は、構造物の局所変形による誤差が少ない変位量を得ることができる。

【0038】

なお、本発明の第１実施形態は、以上説明した構成に限定されるものではない。例えば、上記した構成では、２つのレーザ光源を有するレーザ照射装置によって第１レーザ光と第２レーザ光とを照射した。しかし、第１実施形態のレーザ照射装置は、２つのレーザ光源を有する構成に限定されるものでなく、レーザ光の波長を比較的高速に交互に切替えることが可能な１つの光源を有するレーザ照射装置であってもよい。

【0039】

また、上記した第１実施形態では、第１レーザ光を赤色のレーザ光とし、第２レーザ光を緑色のレーザ光とした。しかし、第１実施形態は、このような構成に限定されるものではない。例えば、第１レーザ光と第２レーザ光は、いずれも撮像可能な波長であればどのような波長であってもよい。ただし、ΔＬ_ｔ１及びΔＬ_ｔ２の値は、第１レーザ光の波長と第２レーザ光の波長との差が大きいほど大きくなるために計測しやすくなる。

【0040】

また、第１レーザ光と第２レーザ光との波長の相違によって十分なΔＬ_ｔ１及びΔＬ_ｔ２の値が得られない場合、第２レーザ光の波長に対応する屈折率が大きい材料でなる屈折部材を採用することが考えられる。また、第１実施形態の屈折部材は、単一の材料でなるものに限定されるものではなく、互いに異なる材料でなる複数の部位を有するものであってもよい。

【0041】

図６は、材料が異なる複数の層を有する屈折部材１１４を説明するための図である。屈折部材１１４は、互いに絶対屈折率が異なる部材で成る層１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの３層構造を有している。層１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃは、屈折部材の表面から裏面にかけて積層されている。そして、層１１４ａは、第１レーザ光ｐ_ｒに対して屈折率ｎ_ｒ１、を有し、かつ、第２レーザ光ｐ_ｇに対して屈折率ｎ_ｇ１を有する。層１１４ｂは、第１レーザ光ｐ_ｒに対して屈折率ｎ_ｒ２、を有し、かつ、第２レーザ光ｐ_ｇに対して屈折率ｎ_ｇ２を有する。また、層１１４ｃは、第１レーザ光ｐ_ｒに対して屈折率ｎ_ｒ３、を有し、かつ、第２レーザ光ｐ_ｇに対して屈折率ｎ_ｇ３を有する。屈折部材１１４によれば、第１レーザ光及び第２レーザ光を３回屈折させ、屈折部材１１４の表面から裏面にかけて第１レーザ光及び第２レーザ光を大きく屈折させることができる。

【0042】

また、層１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃに、第１レーザ光に対する屈折率と第２レーザ光に対する屈折率との相違が大きい材料を用いることにより、屈折部材１１４は、点ｃ、ｄ間及び点ｃ’、ｄ’間の距離を大きくとることできる。
また、上記した第１実施形態では、波長の異なる第１レーザ光と第２レーザ光とを使って点ｃ、ｄ間及び点ｃ’、ｄ’間に距離を生じさせている。しかし、第１実施形態は、このような構成に限定されるものではない。例えば、第１レーザ光と第２レーザ光とを同じ波長を有するレーザ光としてもよい。このような場合、レーザ光照射装置は、第１レーザ光を屈折部材の表面に対して予め定められた角度（第１角度）で照射し、第２レーザ光を表面に対して第１角度よりも小さい角度（第２角度）で照射する。このようにすれば、波長が同一の第１レーザ光と第２レーザ光とを屈折部材において異なる屈折角で屈折させることができる。このとき、式（１）から式（７）はそのままでは適用できないが、第１角度および第２角度をそれぞれθ1、θ2として式（１）から式（７）の該当部分を読み替えれば変位量を算定することができる。

【0043】

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態の変位計測装置を説明する。第２実施形態の変位計測装置は、構造物の回転方向の変位を検出するものである。第２実施形態の説明において、第１実施形態で説明した構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を一部略すものとする。

【0044】

図７（ａ）、（ｂ）は、回転方向の変位を説明するための図である。図７（ａ）は、変位が生じる前の床スラブ面１０１上に置かれたレーザ照射装置１０５を示している。図７（ｂ）は、外力が加わったことによって床スラブ面１０１に回転方向の変位が生じた状態を示している。図７（ａ）、（ｂ）中に示した軸ｓは、床スラブ面１０１に平行な軸を示し、軸ｔは、床スラブ面１０１に対して鉛直な軸を示している。

【0045】

第２実施形態では、軸ｓが軸ｓ’まで傾き、軸ｔが軸ｔ’まで傾いた場合、レーザ光照射装置１０５が床スラブ面１０１の変位に伴って回転方向に変位する。床スラブ面１０１及びレーザ光照射装置１０５の回転方向の変位は、図中に示した軸ｕを中心軸にして発生する。なお、図７（ａ）、（ｂ）では、変位の中心軸を便宜上紙面奥行方向の軸として示したが、中心軸は、紙面手前方向に向かう軸であってもよい。

【0046】

・構成
図８（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態の屈折部材８０４を説明するための図である。図８（ａ）は、床スラブ面１０１に変位が生じていない状態でレーザ照射装置１０５から屈折部材８０４に向けて第１レーザ光ｐ_ｒ、ｐ_ｇが照射されている状態を示している。図８（ｂ）は、床スラブ面１０１に回転方向の変位が生じ、レーザ照射装置１０５が軸ｕを中心にして回転角αだけ回転した状態で屈折部材８０４に第１レーザ光ｐ_ｒ、ｐ_ｇを照射している状態を示している。

【0047】

図８（ａ）、（ｂ）に示したように、屈折部材８０４は、平板の形状を有していて、第１レーザ光ｐ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇが照射される軸ｕと平行な平面である裏面８０４ａと、裏面８０４ａと平行な表面８０４ｂと、を有している。図８（ａ）に示したように、変位が生じていない状態では、第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇは、表面８０４ｂに対して垂直に入射する。このとき、第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇは、表面８０４ｂにおいて屈折することなく屈折部材８０４内に進む。

【0048】

図８（ｂ）に示したように、床スラブ面１０１が回転角αだけ回転すると、第１レーザ光ｐ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇは、回転角α傾いた状態で表面８０４ｂに対して照射される。このとき、第１レーザ光ｐ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇは、表面８０４ｂで屈折し、各々の波長に対応する屈折角で屈折する。波長に対応する屈折角の相違により、第１レーザ光ｐ_ｒが裏面８０４ａ上から出射する位置と、第２レーザ光ｐ_ｇが裏面８０４ａ上から出射する位置とが相違する。このため、第１レーザ光ｐ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇが出射する裏面８０４ａ上の位置には２つの輝点が生じる。

【0049】

第２実施形態においても、図１に示したＣＣＤイメージセンサ１０３は、屈折部材８０４の裏面８０４ａから出射した第１レーザ光ｐ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇによって生じる２つの輝点を撮像する。撮像により、第１レーザ光ｐ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇが受光面１０３ａにおいて受光された位置が検出される。ＣＣＤイメージセンサ１０３は、撮像した輝点の画像のデータを図１に示した距離検出部１００に出力する。距離検出部１００は、ＣＣＤイメージセンサ１０３によって撮像された輝点の中心から点ｆ、ｇを検出する。点ｆ、ｇ間の距離を図８（ｂ）中にΔＬ_ｔ３と記す。

【0050】

・変位量の算出
図９は、検出された点ｆ、ｇ間の距離から回転角αを算出する方法を説明するための図である。回転方向の変位が生じている場合、第１レーザ光ｐ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇは、点ｅから屈折部材８０４の表面８０４ｂに入射する。そして、表面８０４ｂにおいて第１レーザ光ｐ_ｒは屈折角θ_ｒで屈折し、第２レーザ光ｐ_ｇは屈折角θ_ｇで屈折する。屈折した第１レーザ光ｐ_ｒは裏面８０４ａの点ｆから出射し、第２レーザ光ｐ_ｇは裏面８０４ａの点ｇから出射する。

【0051】

以上のことから、ΔＬ_ｔ３と屈折角θ_ｒ、θ_ｇとは、以下の式（８）に示す関係を有している。なお、式（８）において、ｔは屈折部材８０４の厚さを示している。
ΔＬ_ｔ３＝ｔ（ｔａｎθ_ｇ−ｔａｎθ_ｒ） …式（８）
また、第１レーザ光ｐ_ｒの屈折部材８０４における屈折率をｎ_ｒ、第２レーザ光ｐ_ｇの屈折部材８０４における屈折率をｎ_ｇとすると、屈折角と屈折率の関係は、以下のように表される。

【0052】

θ_ｒ＝ｎ_ｒ・α …式（９−ｉ）
θ_ｇ＝ｎ_ｇ・α …式（９−ｉｉ）
式（８）と式（９−ｉ）、（９−ｉｉ）において、ΔＬ_ｔ３は計測によって得られる。また、屈折部材８０４の厚さｔ、屈折率ｎ_ｒ、ｎ_ｇは既知の値である。以上のことから、第２実施形態では、ΔＬ_ｔ３に対応する回転角αを予め計算しておき、距離検出部１００の図示しないメモリに回転角計測データとして記憶させておくものとした。そして、第２実施形態では、距離検出部１００が、検出したΔＬ_ｔ３の値を回転角計測データと比較して回転角αを求めている。

【0053】

図１０は、回転角計測データを例示した図である。図１０の縦軸はΔＬ_ｔ３を示し、横軸は回転角αを示している。距離検出部１００は、ΔＬ_ｔ３を回転角計測データの縦軸に対照し、検出されたΔＬ_ｔ３に対応する回転角αを検出する。そして、検出された回転角αを出力する。
以上説明した第２実施形態は、回転方向に生じる変位の変位量だけを抽出して計測することができる。

【0054】

［第３実施形態］
また、本発明の変位計測装置は、上記したように、平面方向の変位を計測する計測装置と回転方向の変位を計測する装置とを別々に構成するものに限らない。第３実施形態は、平面方向の変位と回転方向の変位の両方を計測する変位計測装置について説明する。
図１１は、第３実施形態の変位計測装置を示した図である。図１１において、図１、図８に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、説明を略す。

【0055】

第３実施形態の変位計測装置は、屈折部材１０４、８０４と、屈折部材１０４、８０４と重ね合わされて固定されたＣＣＤイメージセンサ１０３と、第１レーザ光ｐ_ｒ及び第２レーザ光ｐ_ｇを照射するレーザ照射装置１０５と、レーザ照射装置１０５から照射された第１レーザ光ｐ_ｒを分割して第３レーザ光ｐ_ｒ１、第４レーザ光ｐ_ｒ２を生成すると共に、レーザ照射装置１０５から照射された第２レーザ光ｐ_ｇを分割して第５レーザ光ｐ_ｇ１及び第６レーザ光ｐ_ｇ２を生成し、第３レーザ光ｐ_ｒ１及び第５レーザ光ｐ_ｇ１を表面８０４ｂに向け、第４レーザ光ｐ_ｒ２及び第６レーザ光ｐ_ｇ２を表面１０４ｂに向けるハーフミラー１１１及びミラー１１２と、を備えている。

【0056】

ハーフミラー１１１は、第１レーザ光ｐ_ｒを分割して第３レーザ光ｐ_ｒ１、第４レーザ光ｐ_ｒ２を生成し、第３レーザ光ｐ_ｒ１を透過すると共に第４レーザ光ｐ_ｒ２を反射する。また、ハーフミラー１１１は、第２レーザ光ｐ_ｇを分割して第５レーザ光ｐ_ｇ１、第６レーザ光ｐ_ｇ２を生成し、第５レーザ光ｐ_ｇ１を透過すると共に第６レーザ光ｐ_ｇ２を反射する。透過された第３レーザ光ｐ_ｒ１と第５レーザ光ｐ_ｇ１とは反射部材８０４の表面８０４ｂに向かう。反射された第４レーザ光ｐ_ｒ２と第６レーザ光ｐ_ｇ２とは、ミラー１１２に向かい、ミラー１１２によって反射されて反射部材１０４の表面１０４ｂに向かう。

【0057】

第３実施形態の変位計測装置によれば、第１実施形態または第２実施形態に示した変位計測装置に他の屈折部材、ハーフミラー１１１及びミラー１１２を追加して平面方向の変位と回転方向の変位の両方を同時に計測することができる。
なお、第３実施形態の変位計測装置は、第３レーザ光ｐ_ｒ１、第５レーザ光ｐ_ｇ１を表面８０４ｂに向けて照射し、第４レーザ光ｐ_ｒ２、第６レーザ光ｐ_ｇ２を表面１０４ｂに向けて照射する構成に限定されるものではない。第３実施形態の変位計測装置は、第３レーザ光ｐ_ｒ１、第５レーザ光ｐ_ｇ１を表面１０４ｂに向けて照射し、第４レーザ光ｐ_ｒ２、第６レーザ光ｐ_ｇ２を表面８０４ｂに向けて照射するものであってもよい。

【0058】

さらに、第３実施形態は、ＣＣＤイメージセンサ１０３が屈折部材１０４、８０４の両方を撮像する構成に限定されるものではない。例えば、第３実施形態は、屈折部材１０４を撮像するＣＣＤイメージセンサと屈折部材８０４を撮像するＣＣＤイメージセンサとを別個に設けてもよい。また、ＣＣＤイメージセンサ１０３が屈折部材１０４、８０４の両方を撮像する場合、例えば、図１に示した距離検出部１００において、撮像された画像を一方の端部から走査し、最初に現れた赤色の輝点の中心と次に現れる緑色の輝点の中心との距離を検出し、次に現れる赤色の輝点の中心と次に現れる緑色の輝点の中心との距離を検出するようにしてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0059】

本発明の変位計測装置は、構造物に外力が加わった際に構造物に生じる変位を計測するどのような分野にも適用できる。また、本発明の変位計測装置は、物品の搬送時に物品にかかる「揺れ」を計測することに適用することができる。

【符号の説明】

【0060】

１００ 距離検出部
１０１ 床スラブ面
１０２ 天井面
１０３ ＣＣＤイメージセンサ
１０３ａ 受光面
１０４、１１４、８０４ 屈折部材
１０４ａ、８０４ａ 裏面
１０４ａ、８０４ａ 表面
１０５ レーザ照射装置
１１１ ハーフミラー
１１２ ミラー
１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ 層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】