センサユニットおよび変位検出装置

【課題】製造コストを低減でき、耐久性を向上できるセンサユニットを提供する。
【解決手段】センサユニット１０は、対象物に取り付けられる２つの部材であって、１つの回動軸４１に対し回動可能に連結された２つの部材１１・１２と、対象物の変位に応じて変化する、２つの部材１１・１２がなす角度を検出する角度センサ１３とを備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レール、建物、山の斜面など、大規模な対象物における各部の変位を検出する変位検出装置と、該変位検出装置に利用されるセンサユニットとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、地震、津波、台風、洪水などの異常な自然現象による、大規模な災害が頻発している。このため、上記自然現象を迅速に検出したり、上記災害から迅速に復旧したりすることが要望されている。
【０００３】
例えば、鉄道においては、地震が発生した場合、列車の運転を休止し、レールの歪みなどを点検した後に、列車の運転を再開している。このうち、レールの歪みの点検は、点検用の列車を走行させると脱線の危険性があるため、従来は、作業員が目視で確認していた。その結果、地震が発生してから列車の運転を再開するまでに時間がかかることになっていた。
【０００４】
これに対し、特許文献１・２には、上記点検用の列車を走行させることなく、レールの歪みを自動的に検知できる装置が提案されている。
【０００５】
特許文献１に記載のレール変位計は、球体状の接続部を介して接続された第１管体と第２管体とを備え、第１管体と第２管体とが自由方向に枢動変形することに加え第２管体が管体中心軸に対して回転変形する手段を備えている。また、上記レール変位計は、上記球体に該球体中心に対して対称となるよう２つのロッドを設け、一方のロッドの基端を第１管体内に固定し、他方のロッドの基端を第２管体内に保持し、上記枢動変形と上記回転変形とを感知する手段と備えている。これにより、レールの監視のうち高低狂い、通り狂い、および水準狂いを計測することができる。
【０００６】
特許文献２に記載の軌道狂い計測装置では、レールに沿って、該レールの腹部に光ファイバケーブルが貼付されている。該光ファイバケーブルからの情報を、記憶装置に記憶された貼付時の情報と比較することにより、上記レールの狂いを計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２２３９３０号公報（２０１０年１０月０７日公開）
【特許文献２】特開２００３−１３９５０８号公報（２００３年０５月１４日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載のレール変位計は、構造が複雑である分、製造コストおよび耐久性の点で問題がある。地震対策などのように、変位を計測すべきエリアが広く、かつ常時設置しておく必要がある変位検出装置の場合、製造コストの低減と耐久性の向上が求められる。
【０００９】
また、特許文献２の場合、光ファイバケーブルの一端から他端までの全体の変位を計測できるのみである。このため、レールの各部における変位を計測するには、各部に光ファイバケーブルを個別に設ける必要があり、コストが増大することになる。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを低減でき、耐久性を向上できるセンサユニットおよび変位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るセンサユニットは、対象物の変位を検出する変位検出装置に利用されるセンサユニットであって、上記課題を解決するために、上記対象物に取り付けられる２つの部材であって、１つの回動軸に対し回動可能に連結された２つの部材と、上記対象物の変位に応じて変化する、上記２つの部材がなす角度を検出する角度センサとを備えることを特徴としている。
【００１２】
上記の構成によると、対象物に取り付けられる２つの部材が１つの回動軸に対し回動可能に連結されており、上記対象物の変位に応じて変化する、上記２つの部材がなす角度が角度センサによって検出される。従って、上記角度センサが検出した角度の変化量と、上記２つの部材の寸法とを用いて、上記対象物が上記回動軸の周りを変位した変位量を検出することができる。
【００１３】
従って、本発明に係るセンサユニットは、２つの部材および１つの角度センサの構成で上記対象物の変位量を検出できるので、従来よりも部品点数が少なく、かつ、単純な構造で上記変位量を検出することができる。その結果、製造コストを低減することができ、耐久性を向上させることができる。なお、角度センサとしては、ポテンショメータ、歪みゲージなどが利用される。
【００１４】
本発明に係る変位検出装置は、対象物における各部の変位を検出する変位検出装置であって、上記課題を解決するために、上記構成のセンサユニットが複数個連結されたセンサ連結体を備えている。これにより、上述と同様の効果を実現することができる。
【００１５】
本発明に係る変位検出装置では、上記センサ連結体に含まれる少なくとも２つの上記センサユニットは、上記回動軸の方向が異なることをが好ましい。この場合、方向の異なる少なくとも２つの回動軸の周りを変位した上記対象物の変位量をそれぞれ検出することができる。なお、上記回動軸の方向が垂直に異なることが好ましい。
【００１６】
なお、上記センサ連結体を複数本備え、上記対象物の表面に複数本の上記センサ連結体を離間して配置してもよい。さらに、別の上記センサ連結体を複数本備え、上記対象物の表面に複数本の上記別のセンサ連結体を、上記センサ連結体と交差するように、離間して配置してもよい。また、上記対象物の表面に上記センサ連結体を蛇行して配置してもよい。また、上記センサ連結体は、上記センサユニットを網目状に連結したものであってもよい。これらの場合、上記対象物の表面の変位を検出することができる。
【００１７】
また、上記センサ連結体は、上記センサユニットを立体の格子状に連結したものであってもよい。この場合、上記対象物の立体（三次元）上の変位を検出することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明に係るセンサユニットは、２つの部材および１つの角度センサの構成で対象物の変位量を検出できるので、従来よりも部品点数が少なく、かつ、単純な構造で上記変位量を検出でき、その結果、製造コストを低減でき、耐久性を向上できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態である変位検出装置に利用されるセンサユニットの概要を示す斜視図である。
【図２】上記センサユニットの側面図および平面図である。
【図３】上記センサユニットを２個連結したセンサ連結体の概要を示す斜視図である。
【図４】鉄道において、２本のレールの一方に対し、センサ連結体を配置した上記変位検出装置の例を示す図である。
【図５】鉄道において、２本のレールの間に、センサ連結体を蛇行して配置した上記変位検出装置の例を示す図である。
【図６】鉄道において、２本のレールに対し、２本のセンサ連結体をそれぞれ配置し、該レールの間に、該レールから離間して１本のセンサ連結体を配置した上記変位検出装置の例を示す図である。
【図７】複数本のセンサ連結体を縦横に配置した上記変位検出装置の例を示す平面図である。
【図８】複数の上記センサユニットを立体の格子状に連結したセンサ連結体を備える上記変位検出装置の例を示す斜視図である。
【図９】本発明の他の実施形態である変位検出装置に利用されるセンサユニットの概要を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図３を参照して説明する。図１は、本実施形態の変位検出装置に利用されるセンサユニットの概要を示す斜視図であり、図２は、該センサユニットの側面図および平面図である。本実施形態の変位検出装置は、対象物の変位を検出するものであり、図示のセンサユニット１０を複数個連結したセンサ連結体を１または複数個備えるものである。
【００２１】
まず、センサユニット１０について説明する。図１および図２に示すセンサユニット１０では、上記対象物に取り付けられる２つの部材１１・１２が、１つの回動軸４１に対し回動可能に連結している。さらに、上記対象物の変位に応じて変化する、２つの部材１１・１２のなす角度を検出する角度センサ１３が設けられている。なお、部材１１・１２は、撓みおよび歪みがほぼ無い、剛体のようなものであることが望ましい。
【００２２】
第１の部材１１は、細長でありかつ端面が正方形である直方体の基部２０を有している。基部２０における長手方向の一方の端部２１には、端面の中央から板部２２が、基部２０の上面（下面）と平行に延在している。一方、基部２０における長手方向の他方の端部２３には、上面および下面を貫通する貫通孔２４と、２側面を貫通する貫通孔２４とが形成されている。貫通孔２４・２４には、各表面から螺合可能なようにねじ山が形成されている。
【００２３】
第２の部材１２は、細長でありかつ端面が正方形である直方体の基部３０を有している。基部３０の端面は、第１の部材１１の基部２０の端面と同じ寸法である。基部３０における長手方向の一方の端部３１には、第１の部材１１の板部２２が摺動する摺動溝３２が形成されている。一方、基部３０における長手方向の他方の端部３３には、上面および下面を貫通する貫通孔３４と、２側面を貫通する貫通孔３４とが形成されている。貫通孔３４・３４には、各表面から螺合可能なようにねじ山が形成されている。
【００２４】
本実施形態では、角度センサ１３は、リング状の抵抗体の上を摺動子が回動軸の回動に連動して摺動することにより抵抗値が増減する可変抵抗器（ポテンショメータ）である。上記抵抗値を計測することにより、部材１１・１２のなす角度を検出することができる。図１および図２には、角度センサ１３として、上記抵抗体および上記摺動子を収容するケース４０と回動軸４１とが示されている。なお、角度センサ１３としては、歪みゲージなど、部材１１・１２がなす角度を検出可能な任意のセンサを利用することができる。
【００２５】
さらに、第１の部材１１の板部２２における先端部の中央には、角度センサ１３の回動軸４１が嵌合する嵌合孔２６が形成されている。また、第２の部材１２の基部３０における端部３１には、上面および摺動溝３２を貫通する貫通孔３６が形成されている。角度センサ１３の回動軸４１が、貫通孔３６を介して嵌合孔２６に嵌合し、角度センサ１３のケース４０が第２の部材１２に固定される。これにより、部材１１・１２は、角度センサ１３の回動軸４１に対し回動可能に結合することになる。
【００２６】
また、第１の部材１１に対し第２の部材１２が回動することにより、角度センサ１３の回動軸４１が回動するので、部材１１・１２のなす角度の変化を検出することができる。例えば、角度センサ１３としてポテンショメータを用いると、回転角度の変化によって抵抗値が変化するので、上記ポテンショメータの出力電圧の変化で対象物の変動を確認することができる。
【００２７】
従って、本実施形態のセンサユニット１０は、２つの部材１１・１２および１つの角度センサ１３によって構成されるので、従来よりも部品点数が少なくて済み、かつ、単純な構造とすることができる。その結果、製造コストを低減することができ、耐久性を向上させることができる。
【００２８】
図３は、図１および図２に示すセンサユニット１０を複数個（図示の例では２個）連結したセンサ連結体２の概要を示す斜視図である。図示のセンサ連結体２では、第１のセンサユニット１０ａの第２の部材１２ａにおける端部３３ａの端面と、第２のセンサユニット１０ｂの第１の部材１１ｂにおける端部２３ｂの端面とを接触させている。
【００２９】
そして、２つの開口部を有する連結用プレート５０を用いて、ネジ５１ａを、一方の開口部を介して貫通孔３４ａに螺合し、ネジ５１ｂを、他方の開口部を介して貫通孔２４ｂに螺合することにより、端部３３ａ・２３ｂが連結用プレート５０を介して連結されている。なお、４つの貫通孔３４ａ・２４ｂの組のうち少なくとも１つを、連結用プレート５０およびネジ５１ａ・５１ｂを用いて締結すればよい。また、連結手法はこれに限定されず、周知の連結手法を利用することができる。
【００３０】
本実施形態では、第１のセンサユニット１０ａに対し、第２のセンサユニット１０ｂを、長手方向の周りに９０度回転させて接触させている。上述のように、端部３３ａの端面と端部２３ｂの端面とは、同じ寸法の正方形であるので、上記９０度回転を行っても、はみ出ることなく接触させることができる。
【００３１】
また、第１のセンサユニット１０ａの角度センサ１３ａの回動軸４１ａと、第２のセンサユニット１０ｂの角度センサ１３ｂの回動軸４１ｂとが垂直となっている。従って、本実施形態の変位検出装置１は、互いに垂直な２つの回動軸４１ａ・４１ｂの周りの変位を検出することができる。また、第２の部材１２の長手方向の周りの変位ベクトルは、回動軸４１ａの周りの変位ベクトルと、回動軸４１ｂの周りの変位ベクトルとに分解できるので、各回動軸４１ａ・４１ｂの周りの変位から、上記長手方向の周りの変位を検出することができる。
【００３２】
なお、回動軸４１ａ・４１ｂを同じ方向とすることもできる。これにより、連結すべき複数のセンサユニット１０における回動軸４１の並べ方の自由度を向上させることができる。また、本実施形態では、回動軸４１ａ・４１ｂを垂直としているが、回動軸４１ａ・４１ｂの方向が少なくとも異なれば、上述の効果を奏することができる。
【００３３】
また、第１部材１１および第２部材１２の基部２０・３０の形状について、本実施形態では同じ直方体としているが、円柱など、対象物に設置可能な任意の形状とすることができるし、互いに異なる形状とすることもできる。また、第１部材１１および第２部材１２が接触する端部２３・３３の端面について、本実施形態では同じ寸法の正方形としているが、長方形、円など、上記端面どうしが接触可能な任意の形状とすることができるし、互いに異なる寸法とすることもできる。なお、上記同じ寸法の正方形とした場合、上述のように、部材１１・１２の何れかを９０度回転させても、はみ出ることなく接触させることができ、また、生産性を向上させることができる。
【００３４】
〔実施例１〕
次に、本実施形態の変位検出装置１が備えるセンサ連結体２の配置例について図４〜図７を参照して説明する。図４は、鉄道において、２本のレール１００・１００の一方に対し、センサ連結体２を配置した変位検出装置１の例を示す図である。図示の場合、変位検出装置１により、一方のレール１００の変位を検出することができる。
【００３５】
図５は、鉄道において、２本のレール１００・１００間に、センサ連結体２を蛇行して配置した変位検出装置１の例を示す図である。図示の場合、変位検出装置１により、２本のレール１００・１００の間における地面の変位を検出することができる。
【００３６】
図６は、鉄道において、２本のレール１００・１００に対し、２本のセンサ連結体２ａ・２ｂをそれぞれ配置すると共に、該レール１００・１００の間に、該レールから離間して１本のセンサ連結体２ｃを配置した変位検出装置１の例を示す図である。図示の場合、センサ連結体２ａ・２ｂにより、２本のレール１００・１００の変位をそれぞれ検出することができる。さらに、センサ連結体２ｃにより、２本のレール１００・１００間の変位を検出できるので、変位検出装置１は、３つのセンサ連結体２ａ〜２ｃを用いることにより、２本のレール１００・１００の間における地面の変位を推定することができる。
【００３７】
従って、本実施例の変位検出装置１を利用することにより、地震、事故、工事などによるレール１００などの軌道の変化に迅速に対応することができる。
【００３８】
〔実施例２〕
図７は、複数本のセンサ連結体２を縦横に配置した変位検出装置１の例を示す平面図である。図示の例では、縦方向に３本、横方向に３本のセンサ連結体２を配置している。図示の場合、変位検出装置１が配置される物体の表面の変位を検知することができる。このことから、図示の配置例は、例えば、建物の表面、道路および線路の表面、山の傾斜などに適用することが考えられる。この場合、地震、台風、工事などによる対象物の変化に迅速に対応することができる。
【００３９】
また、センサ連結体２の配置間隔によって、検知する変位の分解能を変更することができる。例えば、耐震構造のビルディングの表面にセンサ連結体２を縦横に配置する場合、上記配置間隔を調整することにより、地震等による揺れの検知幅を調整することができる。なお、センサ連結体２の本数および配置間隔は、検出領域の広さ、要求される変位の分解能などに依存する。
【００４０】
また、検出する対象物によっては、体積が膨張して表面積が増大したり、体積が収縮して表面積が減少したりする場合がある。この場合、センサ連結体２の長手方向に応力が働き、センサ連結体２が破損する虞がある。そこで、センサ連結体２は、長手方向に伸縮可能であることが望ましい。例えば、図３に示す連結用プレート５０について、２つの開口部の一方または両方を横長の形状とすることにより、センサ連結体２にて隣接するセンサユニット１０ａ・１０ｂ同士を離間または接近させることができる。その結果、センサ連結体２を長手方向に伸縮することができる。なお、その他公知の伸縮方式を利用することができる。
【００４１】
また、複数本のセンサ連結体２を縦横に配置する代わりに、センサユニット１０を網目状に連結した１個のセンサ連結体２を配置してもよい。また、本実施形態では、複数本のセンサ連結体２を縦横に配置、すなわち垂直な方向に交差させているが、異なる方向に交差させるのみで、上述の効果を奏することができる。
【００４２】
〔実施例３〕
図８は、複数のセンサユニット１０を立体の格子状に連結したセンサ連結体２を備える変位検出装置１の例を示す斜視図である。図示の場合、変位検出装置１が配置される物体の内部の変位を検知することができる。このことから、図示の変位検出装置１は、例えば、建物、ダム、堤防、船、飛行機などの巨大な建造物に適用することが考えられる。この場合、地震、津波、経年劣化などによる対象物の変化に迅速に対応することができる。
【００４３】
〔実施の形態２〕
次に、本発明の別の実施形態について、図９を参照して説明する。図９は、本実施形態の変位検出装置に利用されるセンサユニットの概要を示す斜視図である。本実施形態のセンサユニット１０は、図１に示すセンサユニット１０に比べて、第１の部材１１における端部２３と、第２の部材１２における端部３３との形状が異なり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００４４】
本実施形態では、第２の部材１２における端部３３には、貫通孔３４に代えて、端面の中心から直方体の突片３７が形成されている。また、第１の部材１１における端部２３には、貫通孔２４に代えて、第２の部材１２における突片３７が嵌合する嵌合穴２７が、上面、下面、両側面、および端面に形成されている。
【００４５】
本実施形態の場合、第１のセンサユニット１０ａの第２の部材１２における端部３３の突片３７を、第２のセンサユニット１０ｂの第１の部材１１における端部２３の端面側の嵌合穴２７に嵌合することにより、センサ連結体２を形成することができる。また、突片３７が直方体であるので、第１のセンサユニット１０ａに対し、第２のセンサユニット１０ｂを、長手方向の周りに９０度回転させて嵌合することができる。
【００４６】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明に係るセンサユニットは、２つの部材および１つの角度センサの構成により、製造コストを低減でき、耐久性を向上できるので、広い領域に常設される任意の変位検出装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１変位検出装置
２センサ連結体
１０センサユニット
１１第１の部材
１２第２の部材
１３角度センサ
２０基部
２１端部
２２板部
２３端部
２４貫通孔
２６嵌合孔
２７嵌合穴
３０基部
３１端部
３２摺動溝
３３端部
３４貫通孔
３６貫通孔
３７突片
４０ケース
４１回動軸
５０連結用プレート
５１ａ・５１ｂネジ
１００レール

【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の変位を検出する変位検出装置に利用されるセンサユニットであって、
上記対象物に取り付けられる２つの部材であって、１つの回動軸に対し回動可能に連結された２つの部材と、
上記対象物の変位に応じて変化する、上記２つの部材がなす角度を検出する角度センサとを備えることを特徴とするセンサユニット。
【請求項２】
対象物における各部の変位を検出する変位検出装置であって、
請求項１に記載のセンサユニットが複数個連結されたセンサ連結体を備える変位検出装置。
【請求項３】
上記センサ連結体に含まれる少なくとも２つの上記センサユニットは、上記回動軸の方向が異なることを特徴とする請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
上記センサ連結体を複数本備えており、
上記対象物の表面に複数本の上記センサ連結体を離間して配置することを特徴とする請求項２または３に記載の変位検出装置。
【請求項５】
さらに別の上記センサ連結体を複数本備えており、
上記対象物の表面に複数本の上記別のセンサ連結体を、上記センサ連結体と交差するように、離間して配置することを特徴とする請求項４に記載の変位検出装置。
【請求項６】
上記対象物の表面に上記センサ連結体を蛇行して配置することを特徴とする請求項２または３に記載の変位検出装置。
【請求項７】
上記センサ連結体は、上記センサユニットを網目状に連結したものであることを特徴とする請求項２または３に記載の変位検出装置。
【請求項８】
上記センサ連結体は、上記センサユニットを立体の格子状に連結したものであることを特徴とする請求項２または３に記載の変位検出装置。

【図１】