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(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】6743393
(24)【登録日】2020年8月3日
(45)【発行日】2020年8月19日
(54)【発明の名称】変位測定装置
(51)【国際特許分類】
G01B 11/00 20060101AFI20200806BHJP
B81B 7/02 20060101ALI20200806BHJP
G01C 15/00 20060101ALI20200806BHJP
G02B 26/10 20060101ALI20200806BHJP
G02B 26/08 20060101ALI20200806BHJP
【ＦＩ】
G01B11/00 A
B81B7/02
G01C15/00 103D
G02B26/10 104Z
G02B26/08 E
【請求項の数】8
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2016-8328(P2016-8328)
(22)【出願日】2016年1月19日
(65)【公開番号】特開2017-129428(P2017-129428A)
(43)【公開日】2017年7月27日
【審査請求日】2018年12月14日
(73)【特許権者】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】熊田 貴夫
【審査官】
眞岩 久恵
(56)【参考文献】
【文献】
特開平０９−１９８６００（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１４−５０８９３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平８−１８９８１０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０
Ｂ８１Ｂ ７／０２
Ｇ０１Ｃ １５／００
Ｇ０２Ｂ ２６／０８
Ｇ０２Ｂ ２６／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
測定対象の変位を測定する変位測定装置であって、
光源部と、
前記光源部から照射された光を反射し、予め定められた軸において回転可能な光走査装置を有する光走査部と、
前記測定対象上に設けられ、前記光走査部から反射された光を反射する反射部と、
前記反射部から反射された光を受光する受光部と、
前記受光部が受光する光に基づいて前記測定対象の前記変位を算出する変位算出部と
を備え、
前記光源部、前記光走査部、前記受光部および前記変位算出部は、前記測定対象から離間して設けられ、
前記反射部は、１つの反射面を有し、
前記光源部は、
第１の光源と、
前記反射部に対する角度が前記反射部に対する前記第１の光源の角度より小さい位置に設けられた第２の光源と
を有し、
前記光走査部は、
前記第１の光源から照射された光を前記１つの反射面へ反射する第１の光走査装置と、
前記第２の光源から照射された光を前記１つの反射面へ反射する第２の光走査装置と
を有し、
前記受光部は、
前記第１の光走査装置において反射され、前記１つの反射面で反射された光を受光する第１の受光素子と、
前記第２の光走査装置において反射され、前記１つの反射面で反射された光を受光する第２の受光素子と
を有し、
前記変位算出部は、
前記第２の受光素子が受光する光に基づいて、前記１つの反射面と平行な第１方向における前記測定対象の変位が生じていたかを検知し、
前記第１方向における前記測定対象の変位が生じていない場合に、前記第１の受光素子が受光する光に基づいて、前記１つの反射面に直交する第２方向における前記測定対象の変位を算出する
変位測定装置。
光源部と、
前記光源部から照射された光を反射し、予め定められた軸において回転可能な光走査装置を有する光走査部と、
前記測定対象上に設けられ、前記光走査部から反射された光を反射する反射部と、
前記反射部から反射された光を受光する受光部と、
前記受光部が受光する光に基づいて前記測定対象の前記変位を算出する変位算出部と
を備え、
前記光源部、前記光走査部、前記受光部および前記変位算出部は、前記測定対象から離間して設けられ、
前記反射部は、１つの反射面を有し、
前記光源部は、
第１の光源と、
前記反射部に対する角度が前記反射部に対する前記第１の光源の角度より小さい位置に設けられた第２の光源と
を有し、
前記光走査部は、
前記第１の光源から照射された光を前記１つの反射面へ反射する第１の光走査装置と、
前記第２の光源から照射された光を前記１つの反射面へ反射する第２の光走査装置と
を有し、
前記受光部は、
前記第１の光走査装置において反射され、前記１つの反射面で反射された光を受光する第１の受光素子と、
前記第２の光走査装置において反射され、前記１つの反射面で反射された光を受光する第２の受光素子と
を有し、
前記変位算出部は、
前記第２の受光素子が受光する光に基づいて、前記１つの反射面と平行な第１方向における前記測定対象の変位が生じていたかを検知し、
前記第１方向における前記測定対象の変位が生じていない場合に、前記第１の受光素子が受光する光に基づいて、前記１つの反射面に直交する第２方向における前記測定対象の変位を算出する
変位測定装置。
【請求項2】
測定対象の変位を測定する変位測定装置であって、
光源部と、
前記光源部から照射された光を反射し、予め定められた軸において回転可能な光走査装置を有する光走査部と、
前記測定対象上に設けられ、前記光走査部から反射された光を反射する反射部と、
前記反射部から反射された光を受光する受光部と、
前記受光部が受光する光に基づいて前記測定対象の前記変位を算出する変位算出部と
を備え、
前記光源部、前記光走査部、前記受光部および前記変位算出部は、前記測定対象から離間して設けられ、
前記反射部は、１つの反射面を有し、
前記光源部は、
第１の光源と、
前記反射部に対する角度が垂直になる位置に設けられた第２の光源と
を有し、
前記光走査部は、前記第１の光源から照射された光を前記１つの反射面へ反射する第１の光走査装置を有し、
前記受光部は、
前記第１の光走査装置において反射され、前記１つの反射面で反射された光を受光する第１の受光素子と、
前記第２の光源から照射され、前記１つの反射面で反射された光を受光する第２の受光素子と
を有し、
前記変位算出部は、
前記第２の受光素子が受光する光に基づいて、前記１つの反射面と平行な第１方向における前記測定対象の変位が生じていたかを検知し、
前記第１方向における前記測定対象の変位が生じていない場合に、前記第１の受光素子が受光する光に基づいて、前記１つの反射面に直交する第２方向における前記測定対象の変位を算出する
変位測定装置。
光源部と、
前記光源部から照射された光を反射し、予め定められた軸において回転可能な光走査装置を有する光走査部と、
前記測定対象上に設けられ、前記光走査部から反射された光を反射する反射部と、
前記反射部から反射された光を受光する受光部と、
前記受光部が受光する光に基づいて前記測定対象の前記変位を算出する変位算出部と
を備え、
前記光源部、前記光走査部、前記受光部および前記変位算出部は、前記測定対象から離間して設けられ、
前記反射部は、１つの反射面を有し、
前記光源部は、
第１の光源と、
前記反射部に対する角度が垂直になる位置に設けられた第２の光源と
を有し、
前記光走査部は、前記第１の光源から照射された光を前記１つの反射面へ反射する第１の光走査装置を有し、
前記受光部は、
前記第１の光走査装置において反射され、前記１つの反射面で反射された光を受光する第１の受光素子と、
前記第２の光源から照射され、前記１つの反射面で反射された光を受光する第２の受光素子と
を有し、
前記変位算出部は、
前記第２の受光素子が受光する光に基づいて、前記１つの反射面と平行な第１方向における前記測定対象の変位が生じていたかを検知し、
前記第１方向における前記測定対象の変位が生じていない場合に、前記第１の受光素子が受光する光に基づいて、前記１つの反射面に直交する第２方向における前記測定対象の変位を算出する
変位測定装置。
【請求項3】
前記第２の受光素子が、前記１つの反射面に対して対向して設けられる
請求項１または２に記載の変位測定装置。
請求項１または２に記載の変位測定装置。
【請求項4】
前記第２の受光素子は、複数のフォトダイオードが平面状に配置されたフォトダイオードアレイである
請求項２に記載の変位測定装置。
請求項２に記載の変位測定装置。
【請求項5】
前記第１の光源における最大強度の波長は、前記第２の光源における最大強度の波長と異なる
請求項１から４のいずれか一項に記載の変位測定装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載の変位測定装置。
【請求項6】
前記変位算出部は、前記測定対象の温度に応じて、前記測定対象の前記変位を補正する
請求項１から５のいずれか一項に記載の変位測定装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載の変位測定装置。
【請求項7】
前記光源部における１つの光源は、異なる複数のピーク波長を有する
請求項１から６のいずれか一項に記載の変位測定装置。
請求項１から６のいずれか一項に記載の変位測定装置。
【請求項8】
前記光走査部、前記反射部および前記受光部の１以上は、前記光源部から照射された光を反射または透過する光学フィルムをさらに有する
請求項１から７のいずれか一項に記載の変位測定装置。
請求項１から７のいずれか一項に記載の変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、変位測定装置に関する。
【0002】
従来、４分の１波長板を利用することにより、特定の偏光方向の光のみを集光していた。これにより、反射体の位置を特定していた（例えば、特許文献１参照）。［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開平６−２２１８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
これに対して、測定対象自体にフォトダイオード等の受光部を設けて、測定対象の位置を特定することも考えられる。しかしながら、対象物が高温である場合、または、高電圧で帯電している場合、測定対象に受光部を設けたとしても受光部の電気回路が動作しないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明の第１の態様においては、測定対象の変位を測定する変位測定装置であって、光源部と、光走査部と、反射部と、受光部と、変位算出部とを備える変位測定装置を提供する。光走査部は、予め定められた軸において回転可能な光走査装置を有してよい。光走査装置は、光源部から照射された光を反射してよい。反射部は、測定対象上に設けられてよい。反射部は、光走査部から反射された光を反射してよい。受光部は、反射部から反射された光を受光してよい。変位算出部は、受光部が受光する光に基づいて測定対象の変位を算出してよい。光源部、光走査部、受光部および変位算出部は、測定対象から離間して設けられてよい。
【0005】
反射部は、２つ以上の非平行な反射面を有してよい。
【0006】
２つ以上の非平行な反射面のうち１つの反射面は、他の１つの反射面に直交して配置されてよい。
【0007】
反射部は、１つの反射面を有してよい。光源部は、第１の光源と、第２の光源とを有してよい。第２の光源は、反射部に対する角度が反射部に対する第１の光源の角度とは異なる位置に設けられてよい。光走査部は、第１の光走査装置を有してよい。第１の光走査装置は、第１の光源から照射された光を１つの反射面へ反射してよい。受光部は、第１の受光素子と、第２の受光素子とを有してよい。第１の受光素子は、第１の光走査装置において反射され、１つの反射面で反射された光を受光してよい。第２の受光素子は、第２の光源から照射され、１つの反射面で反射された光を受光してよい。変位算出部は、第１の受光素子が受光する光と第２の受光素子が受光する光とに基づいて、第１方向における測定対象の変位と、第２方向における測定対象の変位とを算出してよい。第２方向は、第１方向に直交してよい。
【0008】
光走査部は、第２の光走査装置をさらに有してよい。第２の光走査装置は、第２の光源から照射された光を１つの反射面へ反射してよい。
【0009】
第２の受光素子が、１つの反射面に対して対向して設けられてよい。
【0010】
第２の受光素子は、複数のフォトダイオードが平面状に配置されたフォトダイオードアレイであってよい。
【0011】
第１の光源における最大強度の波長は、第２の光源における最大強度の波長と異なってよい。
【0012】
変位算出部は、測定対象の温度に応じて、測定対象の変位を補正してよい。
【0013】
光源部における１つの光源は、異なる複数のピーク波長を有してよい。
【0014】
光走査部、反射部および受光部の１以上は、光源部から照射された光を反射または透過する光学フィルムをさらに有してよい。
【0015】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】第１実施形態における変位測定装置１００を示す図である。
【図2】光走査装置２２の上面図である。
【図3】走査角θに基づいて測定対象１１０の変位ｚを算出する原理を説明する図である。
【図4】反射部３０の他の例を示す図である。
【図5】第２実施形態における変位測定装置２００を示す図である。
【図6】第３実施形態における変位測定装置３００を示す図である。
【図7】異なる最大強度の波長を説明する図である。
【図8】第４実施形態における変位測定装置４００を示す図である。
【図9】測定対象１１０の温度に応じて変位ｚを補正する例を説明する図である。
【図10】１つの光源１２が異なる複数のピーク波長を有する例を示す図である。
【図11A】光走査装置２２の反射面２５に反射膜７２を設ける例を示す図である。
【図11B】第１の反射面３２に反射膜７２を設ける例を示す図である。
【図11C】第１の受光素子４２に透過膜７４を設ける例を示す図である。
【図12A】ガスタービン５００のケーシング５０２に反射部３０を設ける例を示す図である。
【図12B】変圧器５１０に反射部３０を設ける例を示す図である。
【図12C】建物５２０の昇降路５２２に反射部３０を設ける例を示す図である。
【図12D】橋５３０に反射部３０を設ける例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0018】
図１は、第１実施形態における変位測定装置１００を示す図である。本例の変位測定装置１００は、測定対象１１０のＺ方向における変位ｚを測定する。図１（ａ）は、測定対象１１０に変位が生じていない初期状態を示す図である。これに対して、図１（ｂ）は、測定対象１１０にＺ方向の変位ｚが生じた状態を示す図である。
【0019】
本例において、Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交する方向であり、Ｚ方向はＸ‐Ｙ平面に垂直な方向である。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、いわゆる右手系を成す。Ｚ方向は、必ずしも地面に垂直な方向ではない。本例においては、説明を簡単にすることを目的として、測定対象１１０が変位する方向をＺ方向として記載する。ただし、測定対象１１０が変位する方向は、Ｘ方向であってよく、Ｙ方向であってもよい。これに対応して、変位測定装置１００はＸ方向またはＹ方向における測定対象１１０の変位ｘまたは変位ｙを測定してもよい。
【0020】
図１（ａ）を用いて、本例の変位測定装置１００の構成を説明する。変位測定装置１００は、光源部１０と、光走査部２０と、反射部３０と、受光部４０と、制御部５０とを備える。本例において、光源部１０、光走査部２０、受光部４０および制御部５０は、測定対象１１０から離間して設けられる。ただし、反射部３０は、測定対象上に設けられる。反射部３０は、測定対象１１０に直接接して設けられてよい。本例では、反射部３０の第１の反射面３２が少なくとも測定対象１１０に直接接して設けられる。本例では、測定対象１１０に受光部４０を設けない。それゆえ、対象物が高温である場合、または、高電圧で帯電している場合であっても、受光部４０が動作しないという問題を解消することができる。
【0021】
光走査部２０から測定対象１１０までの最短直線距離を距離ｄとする。距離ｄは、測定対象１１０の変位ｚに対して十分に大きい値である。一例であるが、距離ｄは３０［ｍ］から５０［ｍ］である場合に、変位ｚは数［ｍｍ］から数［ｃｍ］であってよい。なお、光走査部２０から測定対象１１０上に光が投影される位置は点として扱うことができる。当該点を射影点Ｐで示す。なお、測定対象１１０は、変位測定装置１００の構成要素ではない。これを表すために、図１において測定対象１１０を点線で示す。
【0022】
光源部１０は、光源１２を有する。本例の光源部１０は、１つの光源１２を有する。光源１２は、レーザー光源であってよい。本例の光源１２は、光走査部２０に対して位置が固定される。
【0023】
光走査部２０は、光走査装置２２を有する。本例の光走査部２０は、１つの光走査装置２２を有する。本例の光走査装置２２は、いわゆる光ＭＥＭＳスキャナである。光走査装置２２は、反射面２５と、回転軸２７とを有する。反射面２５は所定の角度範囲において予め定められた回転軸２７において回転可能である。例えば、反射面２５は、Ｘ‐Ｙ平面に対して±θの角度範囲内で回転軸２７において回転する。このことは、反射面２５が回転軸２７において振動すると表現してもよい。
【0024】
反射面２５は、光源１２から照射された光を反射する。これにより、光源１２から光走査装置２２に入射する光は、測定対象１１０へと反射される。反射面２５の回転により、測定対象１１０へと反射する光は、測定対象１１０上において走査される。
【0025】
測定対象１１０上には、反射部３０が固定して設けられる。それゆえ、測定対象１１０がＺ方向に変位すると、反射部３０も測定対象１１０と共にＺ方向に同じ長さだけ変位する。反射部３０は、光走査部２０から反射された光をさらに反射する。これにより、反射部３０は、反射部３０へ入射する光を受光部４０へ反射する。
【0026】
反射部３０は、２つ以上の非平行な反射面を有してよい。２つ以上の平行な反射面を用いる場合には、光源部１０、光走査部２０および受光部４０が２組以上必要になる。これに対して本例では、２つ以上の非平行な反射面を用いることにより、１組の光源部１０、光走査部２０および受光部４０により変位測定が可能となる。それゆえ、変位測定装置１００の部品点数を減らすことができるので、２つ以上の平行な反射面を用いる場合と比較して、変位測定装置１００のコストを削減することができる。
【0027】
本例の反射部３０は、Ｘ‐Ｚ平面に平行な第１の反射面３２と、Ｘ‐Ｙ平面に平行な第２の反射面３４とを有する。第１の反射面３２は、第２の反射面３４に直交して配置される。第１の反射面３２と第２の反射面３４とは、Ｙ‐Ｚ平面においてＬ字型を成す。これにより、光走査部２０から第１の反射面３２への入射方向と平行に、第２の反射面３４から受光部４０へ反射光が出射される。
【0028】
本例の受光部４０は、光走査部２０に近接するが光走査部２０とは異なる位置に配置される。例えば、光走査部２０の筐体上において、光走査装置２２からの光の出射方向と略同じ方向を向いて受光素子４２を配置する。これにより、光走査装置２２から出射された後に反射部３０において再帰反射されて受光素子４２に入射する。
【0029】
本例では、光走査部２０からの入射光を反射部３０において再帰反射させるので、１組の光源部１０、光走査部２０および受光部４０を近接配してコンパクトな配置とすることができる。また、２組ではなく１組の光源部１０、光走査部２０および受光部４０からの情報をデータ処理すればよいので、２組の場合と比較してデータ処理が簡単になるという効果を有する。
【0030】
受光部４０は、互いに接続された受光素子４２と電流電圧変換部４３とを有する。本例の受光部４０は、１つの受光素子４２と１つの電流電圧変換部４３とを有する。受光素子４２は、フォトダイオードであってよい。受光素子４２は、反射部３０から反射された光を受光する。
【0031】
受光素子４２は、入射光の光量に正比例して電流を生成する。つまり、入射光の光量が増加すると受光素子４２が生成する電流が増加し、入射光の光量が減少すると受光素子４２が生成する電流が減少する。受光素子４２が生成する電流値は、制御部５０によりモニタリングされてよい。受光素子４２が生成する電流値がピークとなるタイミングは、反射部３０から再帰反射した光が受光素子４２に入射しているタイミングである。
【0032】
測定対象１１０に変位が生じていない場合、光走査装置２２の所定の走査角θａにおいて、受光素子４２が電流値のピークを示すとする。この場合、光走査部２０のＹ方向への射影点Ｐから第１の反射面３２までの距離は、ｄ・ｔａｎθａとなる。受光素子４２で生成された電流は、電流電圧変換部４３において電圧信号に変換される。電圧信号は制御部５０へ出力される。
【0033】
制御部５０は、変位算出部５２と駆動部５４とを有する。変位算出部５２は、光走査装置２２の走査角θの情報と電流電圧変換部４３からの電圧信号とをリアルタイムに得てよい。これにより、変位算出部５２は、測定対象１１０上における反射部３０の位置を特定することができる。なお、本例において、変位算出部５２が特定する反射部３０の位置は、正確な絶対位置ではなくてよい。変位算出部５２が特定する反射部３０の位置は、測定対象１１０の変位の前後における相対的位置を特定できればよい。本例において、測定対象１１０が初期位置にある場合、反射面２５は走査角θａを有するとする。
【0034】
駆動部５４は、光走査装置２２を駆動する。駆動部５４は、光走査部２０に交流電源を印加する。これにより、光走査装置２２の反射面２５は、走査角±θの範囲で回転する。駆動部５４は、交流電源の電圧振幅を増加することにより反射面２５の走査角θの変動範囲を増加させることができる。また、駆動部５４は、電圧振幅を減少させることにより反射面２５の走査角θの変動範囲を減少させることもできる。
【0035】
次に、図１（ｂ）を用いて、測定対象１１０において生じたＺ方向の変位ｚの算出方法を説明する。変位算出部５２は、受光部４０が受光する光に基づいて測定対象１１０の変位ｚを算出する。例えば、測定対象１１０に変位が生じていない初期状態においては、走査角θａで受光素子４２の電流値がピークを示す。次に、測定対象１１０にＺ方向の変位ｚが生じた場合に、走査角θｂで受光素子４２の電流値がピークを示すとする。ただし、θｂはθａよりも大きい角度である。この場合、測定対象１１０の変位ｚはｚ＝ｄ・（ｔａｎθｂ−ｔａｎθａ）と表すことができる。このように、受光素子４２が電流ピークを示す走査角θを特定し、この走査角θを用いて変位を算出することができる。
【0036】
なお、測定対象１１０は、Ｘ方向およびＹ方向において振動することもある。Ｘ方向またはＹ方向における測定対象１１０の振動は、測定対象１１０におけるＺ方向の変位ｚの測定に対してノイズとなる場合もある。そこで、レーザードップラー振動計により測定対象１１０における振動の有無を検知するべく、変位測定装置１００はレーザードップラー振動計を有してもよい。レーザードップラー振動計は、ドップラー効果に基づいて、レーザーを照射したポイントにおける振動の速度および変位を検出することができる。レーザードップラー振動計の測定結果は、変位算出部５２に出力されてよい。変位算出部５２は測定対象１１０に振動が生じていた場合のＺ方向の変位ｚを無視してよい。これにより、変位ｚの算出結果の精度をさらに向上させることができる。
【0037】
図２は、光走査装置２２の上面図である。本例の光走査装置２２は、櫛歯型の光ＭＥＭＳスキャナである。光走査装置２２は、ＳＯＩ基板をエッチングすることにより形成することができる。光走査装置２２は、反射面２５および回転軸２７に加えて、固定部２６、駆動部２８および櫛歯２９を有する。
【0038】
反射面２５は、ＳＯＩ基板の表面シリコン層（活性層）上に厚さ１００ｎｍのアルミニウム等の金属層をさらに有してよい。当該金属層が、鏡として機能する。Ｘ方向において反射面２５を挟んで１組の回転軸２７が設けられる。回転軸２７は一方の端部が反射面２５に固定され、他方の端部が固定部２６に固定される。反射面２５の±Ｙ方向の端部には複数の櫛歯２９が設けられる。反射面２５と、回転軸２７と反射面２５側の櫛歯２９とは、ＳＯＩ基板の表面シリコン層（活性層）のエッチングにより連続して一体形成されている。
【0039】
Ｙ方向において反射面２５を挟んで１組の駆動部２８が設けられる。なお、駆動部２８および固定部２６は、ＳＯＩ基板の裏面シリコン層（基板層）を介して連続して一体形成されている。駆動部２８には複数の櫛歯２９が設けられる。駆動部２８と、駆動部２８側の櫛歯２９とは、ＳＯＩ基板の表面シリコン層（活性層）のエッチングにより連続して一体形成されている。駆動部２８側の櫛歯２９と反射面２５側の櫛歯２９とは、噛み合うように配置される。ただし、両者は互いに接触しないように配置される。これにより、噛み合う櫛歯２９同士が静電容量を形成することができる。
【0040】
固定部２６の±Ｘ方向の端部には電極パッドが設けられる。固定部２６の電極パッドには所定の直流電圧が印加されてよい。駆動部２８の±Ｘ方向の端部には電極パッドが設けられる。駆動部２８の電極パッドには所定の交流電圧が印加されてよい。これにより、反射面２５側の櫛歯２９と駆動部２８側の櫛歯２９との間の静電気力により、反射面２５は所定の角度範囲で回転軸２７に対して回転することができる。図２においては、電極パッドを固定部２６および駆動部２８端部の四角枠で示す。
【0041】
図３は、走査角θに基づいて測定対象１１０の変位ｚを算出する原理を説明する図である。図３（ａ）は走査角θの時間変化を示す図であり、図３（ｂ）は、受光素子４２における光電変換電流Ｉの時間変化を示す図である。図３（ａ）の縦軸は走査角θ［度］であり、図３（ｂ）の縦軸は光電変換電流Ｉ［ａ．ｕ．］である。図３（ａ）および（ｂ）において、横軸はともに時間を示し、両者において共通する。
【0042】
本例の走査角θの周期は１［ｍｓｅｃ］である。つまり、本例の反射面２５は６０［ｋＨｚ］で振動する。測定対象１１０は例えば建物等であるので、反射面２５は測定対象１１０と比較して十分に高い振動周波数を有すると見なしてよい。それゆえ、変位測定装置１００は、測定対象１１０のＺ方向の振動に影響を受けない。したがって、本例の変位測定装置１００は、測定対象１１０のＺ方向の変位に加えて、測定対象１１０のＺ方向の振動を測定することもできる。
【0043】
図３（ａ）における走査角θの時間変化に対応して、図３（ｂ）における光電変換電流Ｉが周期的にピークを示す。本例では、走査角θ＝３．２［度］において、光電変換電流Ｉがｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４でピークを示す。ｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４では、光源部１０からの光が最も多く受光部４０に再帰反射されている。
【0044】
変位算出部５２は、走査角θの時間変化の情報を光走査装置２２から得ることができる。本例の変位算出部５２は、光走査装置２２における反射面２５の初期走査角度θｉと櫛歯２９の静電容量の変化とから走査角θを算出する。これにより、変位算出部５２は、走査角θの時間変化の情報をリアルタイムに知ることができる。なお、光走査装置２２において、反射面２５の櫛歯２９と駆動部２８の櫛歯２９とにより形成される静電容量は、反射面２５の走査角θに応じて増減する。加えて、変位算出部５２は、光電変換電流Ｉがピークを示す時間情報をリアルタイムに得ることができる。これにより、変位算出部５２は、光電変換電流Ｉがピークを示す走査角θを特定することができる。したがって、本例では、ハーフミラーまたはスプリッタ―等の光学素子を用いずに簡易な構成で安価に変位測定装置１００を構成することができる。
【0045】
変位算出部５２は、光電変換電流Ｉがピークを示す走査角θを１回の電流ピーク測定結果から特定してよい。これに代えて、変位算出部５２は、光電変換電流Ｉがピークを示す走査角θを複数回の電流ピーク測定結果から特定してもよい。
【0046】
本例の変位算出部５２は、光電変換電流Ｉがピークを示す走査角θを１００回の電流ピーク測定結果から特定する。具体的には、１００回の電流ピークに対応する各走査角θを平均してよい。これにより、測定時のノイズが均されるので、測定対象１１０のＺ方向の変位ｚの精度をさらに向上させることができる。なお、本例では、２回の電流ピーク測定に１［ｍｓｅｃ］を要するので、１００回の電流ピーク測定には５０［ｍｓｅｃ］を要する。１００回の電流ピーク測定を１［ｓｅｃ］以下で迅速に行うことができる。
【0047】
図４は、反射部３０の他の例を示す図である。本例の反射部３０は、コーナーキューブである。図４は、２つ以上の非平行な反射面である第１の反射面３２および第２の反射面３４を有するコーナーキューブの断面図である。本例においても、測定対象１１０に受光部４０を設けないので、対象物が高温である場合、または、高電圧で帯電している場合であっても、受光部４０が動作しないという問題を解消することができる。
【0048】
図５は、第２実施形態における変位測定装置２００を示す図である。本例の反射部３０は、再帰反射を実現する２つ以上の非平行な反射面ではなく、１つの反射面としての第１の反射面３２を有する。これに起因して本例においては、Ｘ‐Ｙ‐Ｚの配置が第１実施形態と異なる点に注意されたい。本例のＺ方向は光走査部２０から測定対象１１０に向かう方向である。しかしながら、Ｚ方向の変位を測定する点は第１実施形態と同じである。
【0049】
本例の光源部１０は、第１の光源１２と、第２の光源１４とを有する。また、光走査部２０は、第１の光走査装置２２と第２の光走査装置２４とを有する。さらに、受光部４０は、第１の受光素子４２および電流電圧変換部４３と、第２の受光素子４４および電流電圧変換部４５とを有する。当該構成により、本例の変位算出部５２は、第１の受光素子４２が受光する光と第２の受光素子４４が受光する光とに基づいて、第１方向としてのＺ方向における測定対象１１０の変位ｚと、第２方向としてのＹ方向における測定対象１１０の変位ｙとを算出する。
【0050】
第１の光源１２から照射された光は、第１の光走査装置２２において第１の反射面３２へ反射される。そして、受光素子４２は、第１の反射面３２で反射された光を受光する。変位算出部５２が、光電変換電流Ｉがピークを示すタイミングから光走査装置２２における反射面２５の走査角θ１を特定する点は第１実施形態と同じである。ただし、本例では変位ｚの算出方法が異なる。
【0051】
変位ｚが無い場合における、光電変換電流Ｉがピークを示す走査角がθ１ａであるとする。また、変位ｚが生じた場合における、光電変換電流Ｉがピークを示す走査角がθ１ｂであるとする。なお、θ１ａはθ１ｂよりも大きい角度である。この場合、変位ｚは、ｚ＝ｄ・（１／ｔａｎθ１ａ−１／ｔａｎθ１ｂ）により算出する。
【0052】
第２の光源１４は、反射部３０に対する角度βが反射部３０に対する第１の光源１２の角度αとは異なる位置に設けられる。本例において、反射部３０に対する角度とは、Ｚ方向と光源からの入射光との成す角度を意味する。第２の光源１４とＺ方向とが成す角度βは、第１の光源１２とＺ方向とが成す角度αよりも十分に小さい角度であってよい。例えば、角度βは０［度］より大きく数［度］以下であってよい。角度βは０［度］に近いほど好ましい。また、本例において光走査装置２４の走査角θ２は、光走査装置２２の走査角θ１よりも小さい角度である。
【0053】
第２の光走査装置２４は、第２の光源１４から照射された光を第１の反射面３２へ反射する。本例では、光走査装置２４から反射される光は、Ｘ‐Ｙ平面に対してほぼ垂直に入射する。第２の受光素子４４は、第１の反射面３２に対して対向して設けられる。本例では、第２の受光素子４４と第１の反射面３２とは、変位を測定するＺ方向において対向して設けられる。第２の受光素子４４は、第１の反射面３２で反射された光を受光する。本例では、第２の光源１４、第２の光走査装置２４および第２の受光素子４４を用いて、第１の反射面３２のＸ方向およびＹ方向におけるずれを検知することができる。例えば、Ｘ方向における測定対象１１０の変位ｘ、および、Ｙ方向における測定対象１１０の変位ｙを検知することができる。
【0054】
Ｙ方向における測定対象１１０の変位ｙを変位算出部５２に出力することにより、変位算出部５２は、測定対象１１０に変位ｙが生じていた場合のＺ方向の変位ｚを無視してよい。例えば、変位ｙが測定されたタイミングにおける第１の光走査装置２２の走査角θ１は変位ｚの算出に用いないとしてよい。これにより、変位ｚの算出結果の精度をさらに向上させることができる。なお、変位ｙが生じたタイミングをより正確に把握するべく、第２の光走査装置２４における走査角θ２の周波数は、第１の光走査装置２２における走査角θ１の周波数よりも高くてよい。
【0055】
図６は、第３実施形態における変位測定装置３００を示す図である。本例は、第２の光源１４および第２の受光素子４４の配置および構成が第２実施形態と異なる。本例の第２光源１４は、半透過膜１６を介して第１の反射面３２に入射する。これにより、第２の光源１４から入射する光は、Ｘ‐Ｙ平面に対して完全に垂直に入射させることができる。
【0056】
第２の受光素子４４は、第１の反射面３２に対して対向して設けられる。本例において第２の受光素子４４は、複数のフォトダイオードが平面状に配置されたフォトダイオードアレイである。フォトダイオードアレイにより構成される受光面がＸ‐Ｙ平面に対して平行に設けられることにより、第２の受光素子４４と第１の反射面３２とが対向してよい。本例のフォトダイオードアレイは、電流電圧変換部４５を内蔵してよい。
【0057】
本例のフォトダイオードアレイは、Ｘ‐Ｙ平面に５×５個のフォトダイオードを有する。なお、５×５個は説明を簡単にするための例示であって、フォトダイオードの数は５×５個以上のフォトダイオードを有してよい。そして、Ｘ方向およびＹ方向の変位が無い場合における第１の反射面３２からの入射光が、３行３列目のフォトダイオードに入射するよう予め設定しておいてよい。すなわち、Ｘ方向およびＹ方向の変位が無い場合、３行３列目のフォトダイオードが光電変換電流Ｉのピークを示す。
【0058】
これに対して、測定対象１１０がＸ方向に変位すると、フォトダイオードアレイのＸ方向の異なる位置におけるフォトダイオードが、最大の光電変換電流Ｉを示す。また同様に、測定対象１１０がＹ方向に変位すると、フォトダイオードアレイのＹ方向の異なる位置におけるフォトダイオードが、最大の光電変換電流Ｉを示す。このように、最大の光電変換電流を示すフォトダイオードの位置変化を検出することにより、第１の反射面３２のＸ方向およびＹ方向における変位を検知することができる。
【0059】
なお、隣接する複数のフォトダイオードの電流の比を用いて、Ｘ方向およびＹ方向における変位を検知してもよい。例えば、Ｘ方向に隣接する２つのフォトダイオード、すなわち、ＤＸ，Ｙとした場合のＤ３，３：Ｄ４，３における光電変換電流Ｉの比が、３：７である場合、Ｄ３，３およびＤ４，３間の距離を７：３に分割する位置に第１の反射面３２からの反射光が照射されているとしてよい。Ｙ方向においても同様にして第１の反射面３２からの反射光の位置を特定してよい。
【0060】
図７は、異なる最大強度の波長を説明する図である。本例において、第１の光源１２における最大強度の波長λ１は、第２の光源１４における最大強度の波長λ２と異なる。これにより、第１の光源１２が第２の受光素子４４に及ぼす影響、および、第２の光源１４が第１の受光素子４２に及ぼす影響を低減することができる。したがって、同一の最大強度の波長を用いる場合と比較して、変位測定の精度を向上させることができる。
【0061】
図８は、第４実施形態における変位測定装置４００を示す図である。本例では、測定対象１１０上に温度測定部６０を設けて、測定対象１１０の温度を測定する。なお、本例の温度測定部６０は接触型であるが、温度測定部６０は非接触型であってもよい。すなわち、温度測定部６０は、測定対象１１０から離れて測定対象１１０の温度を測定してもよい。
【0062】
測定対象１１０が高温になると、反射部３０が熱膨張により変形することが想定される。反射部３０の変形により、受光素子４２へ入射する光の角度が変化し得る。そこで、変位算出部５２は、測定対象１１０の温度に応じて、測定対象１１０の変位を補正してよい。本例は、係る点において第１実施形態と異なる。なお、測定対象１１０の温度を測定して測定対象１１０の変位を補正することを、第２実施形態および第２実施形態に適用してもよい。
【0063】
図９は、測定対象１１０の温度に応じて変位ｚを補正する例を説明する図である。図９（ａ）は、反射部３０が熱膨張していない状態を示す図である。図９（ｂ）は、反射部３０が熱膨張した場合の反射光の変化を示す図である。図９（ｃ）は、反射部３０が熱膨張した場合に、走査角θを補正することを説明する図である。
【0064】
図９（ａ）は、図１から図３の説明に対応しているので、説明を省略する。図９（ｂ）に示すように、測定対象１１０の温度がＴ０からＴ０＋ΔＴに変化することにより、反射部３０が熱膨張する。このとき、第１の反射面３２および第２の反射面３４における反射角が図９（ａ）と比較して変化する。これにより、走査角θａのタイミングでは光電変換電流Ｉがピークを示さなくなる。なお、熱膨張前における第１の反射面３２、第２の反射面３４および反射光を点線で示し、熱膨張後におけるこれらを実線で示す。
【0065】
熱膨張後は、図９（ｃ）に示すように走査角θｃのタイミングで光電変換電流Ｉがピークを示すとする。なお、本例においてθｃはθａよりも小さい角度である。この場合、本来ならば、長さｄ・ｔａｎθａとすべきところ、反射部３０の熱膨張に起因してｄ・ｔａｎθａ（＜ｄ・ｔａｎθｃ）と算出されるという問題が生じる。
【0066】
そこで、変位算出部５２は、測定対象１１０の温度がΔＴだけ上昇した場合に、光電変換電流Ｉがピークを示す走査角θがθａからθｃに変化することを予め補正テーブルとして有してよい。変位算出部５２は、反射部３０の温度変化に対応する走査角θを予め補正テーブルとして有することにより、測定対象１１０の温度に応じて、測定対象１１０の変位を補正することができる。これにより、反射部３０が熱膨張および熱収縮したとしても、変位測定を正確に行うことができる。なお、熱膨張時の変形量等および変形の形状は、反射部３０の形状および材料により異なるので、補正テーブルは、個々の反射部３０に応じて設けられてよい。
【0067】
図１０は、１つの光源１２が異なる複数のピーク波長を有する例を示す図である。本例のピーク波長とは、発光強度が極大値を示す波長を意味する。なお、１つの光源１４が異なる複数のピーク波長を有してもよい。変位測定装置１００、２００、３００および４００は、屋外で使用される場合もある。例えば、使用環境において、夕日により強い赤色が存在している場合、赤色を発する光源１２は使用できない。また、使用環境において、ライト等の外光により強い青色が存在している場合、青色を発する光源１２は使用できない。
【0068】
本例の光源１２は、λ１、λ２およびλ３のピーク波長を有する。例えば、ピーク波長λ１は３８０ｎｍ以上４９５ｎｍ未満であり、ピーク波長λ２は４９５ｎｍ以上５９０ｎｍ未満であり、ピーク波長λ３は５９０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下である。これにより、使用環境によって、光源１２が使用できず、変位測定装置１００等が機能しないという事態を回避することができる。
【0069】
なお、図７に記載の例を本例に適用することにより、光源１２と光源１４とが少なくとも一部異なるピーク波長を有してもよい。一例において、光源１２がλ１およびλ２のピーク波長を有する場合、光源１４はλ２およびλ３のピーク波長を有してよい。また、光源１２がλ１、λ２およびλ３のピーク波長を有する場合、光源１４はλ１、λ２およびλ３のいずれとも異なるピーク波長λ４を有してもよい。
【0070】
図１１Ａから図１１Ｃは、光走査部２０、反射部３０および受光部４０の１以上が、光源部１０から照射された光を反射または透過する光学フィルムを有する例である。上述の様に、変位測定装置１００等は、使用環境に応じて、特定の波長帯域を使用できない場合がある。そこで本例では、光源１２から複数のピーク波長を出射させたうえで、使用できない波長は光学フィルムにより遮断する。これにより、使用環境に応じて使用する波長を選択することができる。それゆえ、使用環境に依らず変位測定の精度を保つことができる。
【0071】
図１１Ａは、光走査装置２２の反射面２５に反射膜７２を設ける例を示す図である。反射膜７２は、特定の波長帯域のみを反射し、他の波長帯域は反射しない機能を有する。図１１Ｂは、第１の反射面３２に反射膜７２を設ける例を示す図である。図１１Ｂの例は、反射膜７２が光走査装置２２の回転に影響を与えない。また、反射膜７２は、反射部３０への設置が容易である。それゆえ、図１１Ａの例に比べて実現が容易である。
【0072】
図１１Ｃは、第１の受光素子４２に透過膜７４を設ける例を示す図である。透過膜７４は、特定の波長帯域のみを透過し、他の波長帯域は等価しない機能を有する。図１１Ｃの例においても、透過膜７４が光走査装置２２の回転に影響を与えない。また、透過膜７４は、第１の受光素子４２への設置が容易である。それゆえ、図１１Ａの例に比べて実現が容易である。なお、図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃの例のうち、任意の２つを組み合わせてもよい。
【0073】
図１２Ａから図１２Ｄは、変位測定装置１００等を適用する例を示す。図１２Ａは、ガスタービン５００のケーシング５０２に反射部３０を設ける例を示す図である。圧縮器５０３は、空気を圧縮して燃焼器５０１に圧縮した空気を送る。燃焼器５０１は、空気と燃料とを燃やしてガスタービン５００を動かす。ガスタービン５００、燃焼器５０１および圧縮器５０３は、ケーシング５０２に覆われている。ケーシング５０２は、例えば直径ＬＹが３ｍであり、縦方向の長さＬＺが１０ｍである。
【0074】
本例では、ケーシング５０２に反射部３０を設けて、ケーシング５０２のＺ方向の変位を測定する。ガスタービン５００は１，０００℃以上にもなるので、ケーシング５０２も相当の高い温度となる。本例では、ケーシング５０２の変位を測定することにより、発電機全体の異常を事前に把握することができる。
【0075】
図１２Ｂは、変圧器５１０に反射部３０を設ける例を示す図である。変圧器５１０は、数千［Ｖ］から数十万［Ｖ］の電圧を取り扱う機器である。変圧器５１０の側部および上部には、送電線および避雷線を設けるための鉄塔５１２が設けられる。本例では、変圧器５１０の表面に反射部３０を設けて変圧器５１０のＺ方向の変位を測定することにより、変圧器５１０の異常を事前に把握することができる。なお、鉄塔５１２の表面に反射部３０を設けて鉄塔５１２のＺ方向の変位を測定してもよい。
【0076】
図１２Ｃは、建物５２０の昇降路５２２に反射部３０を設ける例を示す図である。建物５２０は数十［ｍ］から数百［ｍ］の高さを有してよい。本例の建物５２０の内部には、エレベータ５２４が昇降することができる空間である昇降路５２２が設けられる。本例では、エレベータ５２４の上部に光走査部２０および受光部４０を設ける。なお、図面の見易さを考慮して制御部５０の記載は省略しているが、制御部５０もエレベータ５２４の上部に設けてよい。これに対して、反射部３０は、昇降路５２２の最上部に設けられてよい。エレベータ５２４を停止した状態において変位測定を行うことにより、建物５２０のＺ方向の変位を測定することができる。
【0077】
図１２Ｄは、橋５３０に反射部３０を設ける例を示す図である。本例の橋５３０は、吊橋形式であり、主桁５３２および主塔５３４を有する。主桁５３２と主塔５３４とは、ケーブル５３６により固定される。本例の反射部３０は、主塔５３４の最上部に設けられる。本例では、主塔５３４のＺ方向の変位を測定することができる。なお、反射部３０を主桁５３２に設けることにより、主桁５３２のＺ方向の変位を測定してもよい。
【0078】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【0079】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【0080】
１０・・光源部、１２・・光源、１４・・光源、１６・・半透過膜、２０・・光走査部、２２・・光走査装置、２４・・光走査装置、２５・・反射面、２６・・固定部、２７・・回転軸、２８・・駆動部、２９・・櫛歯、３０・・反射部、３２・・第１の反射面、３４・・第２の反射面、４０・・受光部、４２・・受光素子、４３・・電流電圧変換部、４４・・受光素子、４５・・電流電圧変換部、５０・・制御部、５２・・変位算出部、５４・・駆動部、６０・・温度測定部、７２・・反射膜、７４・・透過膜、１００・・変位測定装置、１１０・・測定対象、２００・・変位測定装置、３００・・変位測定装置、４００・・変位測定装置、５００・・ガスタービン、５０１・・燃焼器、５０２・・ケーシング、５０３・・圧縮器、５１０・・変圧器、５１２・・鉄塔、５２０・・建物、５２２・・昇降路、５２４・・エレベータ、５３０・・橋、５３２・・主桁、５３４・・主塔、５３６・・ケーブル