微小変位表示デバイス及びこれを用いた建造物の異常振動監視システム
【課題】配線を用いずとも建造物に配置し、建造物の振動を検知できる微小変位表示デバイス及びこれを用いた建造物の異常振動監視システムを提供することを目的とする。
【解決手段】微小変位表示デバイス１は、被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、複数の平行線が施された固定側モアレスリット板１１と、被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられる振動伝達部材１４ａと、振動伝達部材１４ａに固定される振動子１５と、振動子１５に固定され複数の平行線が施された移動側モアレスリット板１２とを備える。
【解決手段】微小変位表示デバイス１は、被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、複数の平行線が施された固定側モアレスリット板１１と、被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられる振動伝達部材１４ａと、振動伝達部材１４ａに固定される振動子１５と、振動子１５に固定され複数の平行線が施された移動側モアレスリット板１２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モアレ縞を利用した微小変位表示デバイス及びこれを用いた建造物の異常振動監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
工場、建築物、橋梁などの建造物では、経年変化等により老朽し、強度不足等強度上の問題が生じる恐れがあるので、定期的に建造物の状態を監視し、保守管理を行う必要がある。
【０００３】
建造物の状態を監視する手法として、建造物の振動を検知して欠陥等を判断する手法がある（例えば、特許文献１）。建造物の振動を振動センサで検知し、建造物に通常状態とは異なる振動が生じていることを検知した場合には、これら建造物の構造に毀損や老朽化等、異常が生じていると判断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１７８５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
対象となる建造物は非常に大きいため、建造物に電力供給及び信号伝達のための配線を取り回してさまざまな箇所に異常を検知するセンサを配置することは難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、配線を用いずとも建造物に配置し、建造物の振動を検知できる微小変位表示デバイス、及び、これを用いた建造物の異常振動監視システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る第１態様の微小変位表示デバイスは、
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、複数の平行線が施された固定側モアレスリット板と、
前記被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられる振動伝達部材と、
前記振動伝達部材に固定される振動子と、
前記振動子に固定され、複数の平行線が施された移動側モアレスリット板と、を備え、
それぞれの前記平行線の角度が異なるように前記固定側モアレスリット板と前記移動側モアレスリット板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動による前記振動子の変位により前記移動側モアレスリット板をスライドさせ、
前記モアレ縞の変位量を前記振動子の変位量よりも大きくして表示する、ことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る第２態様の微小変位表示デバイスは、
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、格子が施された固定側モアレ格子板と、
前記被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられる振動伝達部材と、
前記振動伝達部材に固定される振動子と、
前記振動子に固定され、格子が施された移動側モアレ格子板と、を備え、
それぞれの前記格子の角度が異なるように前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動による前記振動子の変位により前記移動側モアレ格子板をスライドさせ、
前記モアレ縞の変位量を前記振動子の変位量よりも大きくして表示する、
ことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る第３態様の微小変位表示デバイスは、
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、格子が施された固定側モアレ格子板と、
格子が施された移動側モアレ格子板と、
前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とを接続する振動伝達部材と、を備え、
それぞれの前記格子の角度が異なるように前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動で前記移動側モアレ格子板を前記固定側モアレ格子板の所定地点を中心に回転させ、前記モアレ縞の幅を変化させて表示する、
ことを特徴とする。
【００１０】
また、前記固定側モアレ格子板の所定地点を中心にして同心円上に前記振動伝達部材が複数配置されていてもよい。
【００１１】
本発明に係る建造物の異常振動監視システムは、
建造物に設置される前述した微小変位表示デバイスと、
前記微小変位表示デバイスに発現したモアレ縞を連続して撮影する撮影装置と、
連続して撮影した前記モアレ縞の画像処理を行い、前記モアレ縞の変位に基づく振動データを演算する演算装置と、
予め演算しておいた基準振動データと演算した前記振動データとを照合する照合装置と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、前記演算装置は、前記モアレ縞の変位量から加速度を算出して前記振動データを演算してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る微小変位表示デバイスでは、被測定対象の微小な振動に基づく振動子の変位をモアレ縞によって拡大して表示することができる。これは、視認できないような被測定対象の微小な振動を視覚的に認識することにつながる。
【００１４】
本発明に係る建造物の異常振動監視システムでは、上述した微小変位表示デバイスを建造物に設置して、モアレ縞の変位に基づく建造物の振動データを演算し、正常時における建造物の基準振動データと照合を行っている。これにより、建造物に異常振動が発生しているか否かの判断が実現でき、橋梁、工場、ビル、等などの建造物の状態監視に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す外観斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す分解斜視図であ
【図３】実施の形態１に係る微小変位表示デバイスの（Ａ）固定側モアレスリット板、及び（Ｂ）移動側モアレスリット板の平面図である。
【図４】実施の形態１に係る微小変位表示デバイスの平面図である。
【図５】実施の形態１に係る微小変位表示デバイスのモアレ縞の変位を示す平面図である。
【図６】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す外観斜視図である。
【図７】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す分解斜視図である。
【図８】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスの（Ａ）固定側モアレ格子板、及び（Ｂ）移動側モアレ格子板の平面図である。
【図９】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスのモアレ縞の平面図である。
【図１０】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスのモアレ縞の変位を示す平面図である。
【図１１】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスのモアレ縞の変位を示す平面図である。
【図１２】実施の形態３に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す外観斜視図である。
【図１３】実施の形態３に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す分解斜視図である。
【図１４】実施の形態３に係る微小変位表示デバイスの平面図である。
【図１５】実施の形態３に係る微小変位表示デバイスのモアレ縞の変化を示す平面図である。
【図１６】実施の形態４に係る建造物の異常振動監視システムの一形態例を示す概略構成図である。
【図１７】実施の形態４に係る建造物の異常振動監視システムの動作を示すフローチャートである。
【図１８】実施の形態４に係る建造物の異常振動監視システムの動作を示すフローチャートである。
【図１９】実施例に用いた微小変位表示デバイスの振動子の力学的特性図である。
【図２０】実施例における時間と加速度との関係を示す図である。
【図２１】実施例における時間と加振器の変位との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態に係る微小変位表示デバイス及びこれを用いた建造物の異常振動監視システムについて、詳細に説明する。まず、微小変位表示デバイスについて説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図を参照して、実施の形態１に係る微小変位表示デバイスについて説明する。微小変位表示デバイス１は、図１の外観斜視図、及び図２の分解斜視図に示すように、固定側モアレスリット板１１と、移動側モアレスリット板１２と、ベース１３と、振動伝達部材１４ａ、１４ｂと、振動子１５と、から構成されている。
【００１８】
ベース１３は、建造物等の被測定対象に固定される部材である。このため、ベース１３と被測定対象との相対位置が変化することはない。
【００１９】
振動伝達部材１４ａ、１４ｂは、ベース１３と振動子１５とを接続している。振動伝達部材１４ａ、１４ｂは、被測定対象の振動を振動子１５へ伝達するとともに、自らが変形して振動子１５を変位させる役割を有する。したがって、振動伝達部材１４ａ、１４ｂは、変形率及び弾性率が高い部材であることが好ましい。また、伝達した振動で振動子１５が慣性力で永続して振動しないよう、振動子１５を減衰させる役割を備えていることが好ましいので、減衰力の高い部材を用いるとよい。
【００２０】
振導伝達部材１４ａ、１４ｂの一例として、金属線や金属薄板、ゴムやプラスチック等の樹脂製棒状部材や板状部材等、種々の部材が挙げられる。また、バネとダンパーを組み合わせて構成されていてもよい。
【００２１】
振動子１５は、振動伝達部材１４ａ、１４ｂを介して伝達される被測定対象の振動を受けて振動する。振動子１５は被測定対象に対して相対位置が変位することにより、後述する移動側モアレスリット板１２を変位させる役割を有する。振動子１５には、振動伝達部材１４ａ、１４ｂを経由して被測定対象の振動が伝達され、この振動を受けて、振動子１５が振動することになる。すなわち、被測定対象に対して振動子１５の相対位置は変化する。このため、振動子１５は、被測定対象に対する相対位置が変化しやすいよう、重量がある必要がある。具体的な振動子１５の重量及び振動伝達部材１４ａ、１４ｂの弾性率と減衰力の関係については、文献「計測工学；谷口 修、掘込 泰雄；森北出版株式会社；ｐ．１９４−１９８」を参考にすればよい。
【００２２】
固定側モアレスリット板１１は、ベース１３に固定されており、被測定対象に対して相対位置が変わらないようになっている。
【００２３】
移動側モアレスリット板１２は、振動子１５に固定されている。上述のように、振動子１５が振動し変位するので、この振動子１５に追随して移動側モアレスリット板１２が変位することになる。このため、移動側モアレスリット板１２は、固定側モアレスリット板１１に対し、相対位置が変化する仕組みである。
【００２４】
固定側モアレスリット板１１、及び、移動側モアレスリット板１２は、無色の長方形の板状部材で構成されており、図３に示すように、それぞれ複数の直線が平行に施されている。固定側モアレスリット板１１、及び、移動側モアレスリット板１２に施されたそれぞれの複数の直線は全て同じ線幅で、等間隔に施されている。
【００２５】
また、固定側モアレスリット板１１には、ｘ軸方向に複数の直線が平行に施されている。一方の移動側モアレスリット板１２には、ｘ軸方向に対してやや傾斜された複数の直線が平行に施されている。
【００２６】
図４に、微小変位表示デバイス１の平面図を示す。上述のように、固定側モアレスリット板１１と移動側モアレスリット板１２とが、それぞれに施された複数の直線の角度が異なるように重ねて配置されることにより、帯状のモアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が発現している。
【００２７】
図５は、被測定対象からの振動を受けて振動子１５が振動し、ｙ軸方向に変位した際の、モアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の変位の状況を示している。振動子１５が矢印で示すようにｙ軸方向下向きにΔｙ変位すると、振動子１５に固定された移動側モアレスリット板１２も追従して、Δｙだけｙ軸方向下向きに変位する。すると、モアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、それぞれｘ軸方向左向きにΔｘほど変位することになる。
【００２８】
例えば、固定側モアレスリット板１１、及び、移動側モアレスリット板１２に施された複数の直線のピッチをＰｌとし、それぞれの直線がθの角度で交差している場合に発現するモアレ縞のピッチをＰＭとした場合、ＰＭは下記に示す式（１）で表される。
【数１】
【００２９】
θが０．５°として考えると、ＰＭは約１１４．５９３Ｐｌとなるので、モアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の変位量Δｘは、振動子１５の変位量Δｙの凡そ１１５倍（拡大率）となる。
【００３０】
このように、このモアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の変位量Δｘは、振動子１５の変位量Δｙに比べて大きな変位量となるので、これにより振動子１５の微小な変位を拡大して表示することができる。これは、被測定対象に生じる視認不可能な振動を、視覚的に認識することができることを意味し、後述の被測定対象に異常振動が生じていないかを視覚的に捉えることが可能になる。
【００３１】
一方、振動子１５がｙ軸方向を上向きに移動すると、モアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は前述とは逆にｘ軸方向右向きに移動する。
【００３２】
また、上記では、移動側モアレスリット板１２の複数の直線が傾斜して施されているが、逆に、固定側モアレスリット板１１の複数の直線が傾斜して施されていてもよい。
【００３３】
また、ベース１３を用い、間接的に固定側モアレスリット板１１を被測定対象に取り付ける場合について説明したが、ベース１３を必ずしも用いなくてもよい。例えば、振動伝達部材１４ａ、１４ｂ、及び、固定側モアレスリット板１１を直接被測定対象に固定する形態でもよい。
【００３４】
また、固定側モアレスリット板１１と移動側モアレスリット板１２とは、密着させて重ねて配置されていても、離間して配置されていてもよい。固定側モアレスリット板１１と移動側モアレスリット板１２とを密着させて重ねる場合、移動側モアレスリット板１２の動きを損なわないように、また、振動子１５の振動が慣性力によって永続しないよう、オイルやゲル等、粘性を有する物質を介して重ねて配置するとよい。
【００３５】
（実施の形態２）
図６の外観斜視図、及び、図７の分解斜視図を参照しつつ、実施の形態２に係る微小変位表示デバイス２について説明する。
【００３６】
微小変位表示デバイス２は、ベース１３と、振動伝達部材１４と、振動子１５と、固定側モアレ格子板２１と、移動側モアレ格子板２２とから構成される。
【００３７】
ベース１３及び振動子１５については、前述した実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００３８】
振動伝達部材１４は、Ｌ字状の部材であり、機能や素材等については、前述した実施の形態１と同様であるが、実施の形態１では、振動子１５の一軸の変位に対応していたが、本実施の形態では、二軸の変位に対応している点で異なる。
【００３９】
固定側モアレ格子板２１と移動側モアレ格子板２２とは、重ねて配置されている。
【００４０】
固定側モアレ格子板２１は、ベース１３に固定され、被測定対象との相対位置が変化しないようになっている。
【００４１】
一方、移動側モアレ格子板２２は、振動子１５に固定されており、振動子１５の変位に追従して変位する。
【００４２】
固定側モアレ格子板２１、及び、移動側モアレ格子板２２は、無色の板状部材であり、図８に示すように、それぞれ格子が施されている。それぞれの格子の線幅及び格子のピッチは全て同じである。そして、移動側モアレ格子板２２に施された格子は、固定側モアレ格子板２１に施された格子に対して、傾斜され、異なる角度にされている。
【００４３】
固定側モアレ格子板２１と移動側モアレ格子板２２とが、各々に施された格子の角度が異なるように、重ねて配置されているので、図９の平面図に示すように、帯が交差した格子状のモアレ縞Ｍが発現する。
【００４４】
図１０に、被測定対象から伝達された振動によって、振動子１５にｙ軸方向への力が加わった場合のモアレ縞Ｍの変位の様子を示している。被測定対象から振動を受けて、Δｙほど振動子１５がｙ軸方向下向きに変位した場合、振動子１５に固定されている移動側モアレ格子板２２も追随して同様にｙ軸方向下向きにΔｙほど変位する。すると、ｙ軸方向に延在しているモアレ縞Ｍはｘ軸方向左向きにΔｘほど変位する。
【００４５】
モアレ縞Ｍの変位量Δｘは、実施の形態１と同様に、振動子１５の変位量Δｙに比べて非常に大きいので、微小な振動子１５の変位を拡大して表示することができる。このことは、被測定対象に生じる視認不可能な振動を、視覚的に認識することができることを意味する。なお、振動子１５がｙ軸方向上向きに変位した場合、ｙ軸方向に延在しているモアレ縞Ｍが、ｘ軸方向右向きに変位することになる。
【００４６】
一方、図１１には、被測定対象から伝達された振動によって、振動子１５にｘ軸方向への力が加わった場合のモアレ縞Ｍの変位の様子を示している。被測定対象から振動を受け、ｘ軸方向右向きにΔｘほど振動子１５が変位した場合、振動子１５に固定されている移動側モアレ格子板２２も付随して同様に変位する。この場合、ｘ軸方向に延在しているモアレ縞Ｍがｙ軸方向下向きにΔｙほど変位する。逆に、振動子１５がｘ軸方向左向きに変位した場合、ｘ軸方向に延在しているモアレ縞Ｍが、ｙ軸方向上向きに変位することになる。
【００４７】
（実施の形態３）
図１２の外観斜視図、及び、図１３の分解斜視図を参照しつつ、実施の形態３に係る微小変位表示デバイス３について説明する。
【００４８】
微小変位表示デバイス３は、振動伝達部材１４と、固定側モアレ格子板２１と、移動側モアレ格子板２２とから構成される。
【００４９】
固定側モアレ格子板２１は、直接的或いは間接的に被測定対象に取り付けられる。固定側モアレ格子板２１は、被測定対象に対し相対的な位置関係は変わらない。
【００５０】
移動側モアレ格子板２２は、四隅に配置された振動伝達部材１４を介して固定側モアレ格子板２１に接続している。
【００５１】
振動伝達部材１４は、所定地点を中心点とする同心円上に４つ配置されており、振動伝達部材１４は、被測定対象からの振動を移動側モアレ格子板２２に伝達する役割を有する。これにより、移動側モアレ格子板２２は、所定地点を中心軸とし、固定側モアレ格子板２１の面に沿って回転することになる。
【００５２】
固定側モアレ格子板２１及び移動側モアレ格子板２２は、上述した実施の形態２と同様に、それぞれ格子が施されており、固定側モアレ格子板２１と移動側モアレ格子板２２とは、それぞれの格子が角度を異ならせて積層配置されているため、図１４の平面図に示すように、格子状のモアレ縞Ｍが発現する。
【００５３】
図１５を参照して、微小変位表示デバイス３の作用について説明する。被測定対象から生じる振動が振動伝達部材１４を介して移動側モアレ格子板２２に伝達される。すると、移動側モアレ格子板２２の四角に振動伝達部材１４が接続されているため、移動側モアレ格子板２２は中心を支点として回転することになる。
【００５４】
移動側モアレ格子板２２が反時計回りにθほど回転すると、モアレ縞Ｍのピッチが大きく表示される。モアレ縞Ｍのピッチは、わずかな移動側モアレ格子板２２の回転によって、大きく変化するので、被測定対象に基づく移動側モアレ格子板２２の微小な回転変位を拡大して観察することができる。一方、移動側モアレ格子板２２が時計回りに回転する場合には、それぞれの格子の角度が一致する方向に向かうので、モアレ縞Ｍのピッチが小さくなる。
【００５５】
（実施の形態４）
続いて、上述した微小変位表示デバイスを用いた実施の形態４に係る建造物の異常振動監視システムについて説明する。図１６は、異常振動監視システムの一形態例を示す概略構成図である。
【００５６】
橋桁４２の上部に設置された微小変位表示デバイス４と、微小変位表示デバイス４を連続して高速撮影する撮影装置３１と、撮影装置３１で撮影された画像を処理し、振動データの演算及び照合を行う処理装置３２と、を備えている。
【００５７】
微小変位表示デバイス４としては、前述した微小変位表示デバイス１〜３のいずれかを用いればよい。
【００５８】
撮影装置３１は、微小変位表示デバイス４のモアレ縞の変位を撮影できるように配置される。撮影装置３１として、単位時間当たりに多数の画像を撮影可能な高速カメラを用いるとよい。撮影装置３１で撮影した画像は、画像データとして処理装置３２に送られる。
【００５９】
処理装置３２は、予め演算しておいた基準振動データを保存しておくメモリ（不図示）と、送られてきた画像データの処理を行い、モアレ縞の変位に基づいて振動データを演算する演算装置（不図示）と、基準振動データと演算した振動データとの照合を行う照合装置（不図示）とが備えられている。
【００６０】
続いて、図１７及び図１８に示すフローチャートを参照しつつ、建造物の異常振動監視システムの処理概要について説明する。
【００６１】
まず、図１７に示すフローチャートのように、正常時における橋の振動データである基準振動データが得られる。
【００６２】
まず、撮影装置３１にてモアレ縞の撮影Ｓ１１を行う。撮影装置３１で撮影された画像は、処理装置３２に送られ、演算装置にて画像処理Ｓ１２、基準振動データの演算Ｓ１３が行われる。
【００６３】
演算装置では、モアレ縞の変位量から、被測定対象である橋の加速度が算出され、この加速度に基づく基準振動データが演算される。この基準振動データとしては、例えば、この加速度をフーリエ変換、モード解析することにより求められる被測定対象である橋が持つ特有の振動特徴等を用いればよい。
【００６４】
なお、被測定対象である橋の加速度は、モアレ縞の変位量を実施の形態１で説明した拡大率で割ることにより、求められる振動子１５の変位量と、微小変位表示デバイス４の固有振動数の二乗との積より算出することができる。必要に応じ、求めた加速度を積分することにより、被測定対象の速度、変位を算出することができるため、これらを用いて基準振動データを作成してもよい。
【００６５】
上記のように演算された基準振動データは、メモリに保存Ｓ１４される。
【００６６】
続いて、図１８に示すフローチャートに沿って、振動データを取得し、橋に異常振動が発生していないかが監視される。
【００６７】
前述と同様に、撮影装置にてモアレ縞の撮影Ｓ２１を行う。そして、得られた画像の処理Ｓ２２を行い、振動データの演算Ｓ２３を行う。モアレ縞の撮影Ｓ２１、画像処理Ｓ２２、及び振動データの演算Ｓ２３については、前述の基準振動データの演算手法と同様である。
【００６８】
このようにして得られた振動データと基準振動データとが一致しているか否かの照合Ｓ２４を行う。振動データと基準振動データとが一致している場合は、Ｓ２１に戻り撮影を継続する。振動データと基準振動データとが不一致の場合には、橋が異常な状態であるとして、報知手段により、異常であることの報知Ｓ２５を行う。報知手段は、表示や、発光、音等、種々の手段を用いればよい。
【００６９】
撮影装置で橋を単純に撮影するだけでは、振動による橋の変位を識別可能な画像データを取得することは困難であるが、本実施の形態では、微小変位表示デバイスを用いることにより、上述のように橋の振動に基づく振動子の変位を識別できる画像データを取得することを実現している。橋の振動が振動子に伝達されて変位し、これによって移動側モアレ格子板２２或いは移動側モアレスリット板１２が変位するので、モアレ縞が変位するが、このモアレ縞の変位は、振動子１５の変位に比べて大きいので、遠く離れて配置された撮影装置でも観察することができ、撮影した画像から振動データを得ることができる。
【００７０】
また、本実施の形態に係る建造物の異常振動監視システムでは、電気信号を用いない微小変位表示デバイスを設置するので、橋に配線等を這わす必要がない。このため、メンテナンスが容易である。更に、電気信号を使わないので、振動検出センサに比べて、低コストで行える。
【００７１】
なお、複数計測する際は、複数の微小変位表示デバイス４を設置し、それぞれの微小変位表示デバイス４を撮影する撮影装置３１を設置すればよい。
【００７２】
また、上記では、加速度を演算した振動データにて照合しているが、正常時における橋の振動と、異常時における橋の振動との照合が可能なデータであれば、これに限定されることはない。例えば、撮影した画像から、モアレ縞の振幅の大きさを演算したデータや、モアレ縞の周波数を演算したデータ、或いは、モアレ縞の移動パターンを演算したデータ等を、基準振動データ及び振動データとして照合するようにしてもよい。
【００７３】
また、振動データと基準振動データとが一致するか否かは、閾値を設け、所望の許容範囲をもたせてもよい。
【００７４】
また、本実施の形態では、撮影装置３１からの映像を有線で処理装置３２に伝達しているが、無線により撮影装置３１から映像を処理装置３２に送信してもよい。
【００７５】
また、橋の異常振動を監視する場合について説明したが、塔やビル等の各種建造物についても同様である。
【実施例】
【００７６】
実施の形態１と同様の構造の微小変位表示デバイスを作成し、振動によるモアレ縞の変位から加速度データ及び変位データを演算した。
【００７７】
固定側モアレスリット板及び移動側モアレスリット板に施された、平行な複数の直線のピッチはいずれも０．０２ｍｍである。そして、それぞれの複数の直線が０．００３ｒａｄの角度で交わるようにして、固定側モアレ格子板と移動側モアレ格子板とが重ねて配置されている。このとき、発現するモアレ縞のピッチは、約６．７ｍｍであり、移動側モアレスリット板の変位に対するモアレ縞の相対変位は、約３３５倍に拡大されていることになる。振動伝達部材の材料はジュラルミン２０１７、振動子には銅合金Ｃ２０８１を用いた。この微小変位表示デバイスの質量は２５．９ｇである。
【００７８】
まず、作成した微小変位表示デバイスの力学的特性を調べた。微小変位表示デバイスを自由振動させ、振動子の変位を計測した。その結果を図１９に示す。固有角振動数は３１４ｒａｄ／ｓ（５０Ｈｚ）、減衰比は約０．００８であった。
【００７９】
この微小変位表示デバイスのベースを加振器の上に固定し、振動を加えた。加振器の振動は、一次元の振動で、振幅１ｍｍ以下、振動数３Ｈｚとした。また、同条件で、振動数５Ｈｚについても行った。
【００８０】
微小変位表示デバイスから約４００ｍｍ離れたところから、カメラで撮影し、撮影した画像からモアレ縞の変位量を計測した。この変位量をモアレ縞の拡大率（本微小変位表示デバイスでは約３３５倍）で割り、振動子の変位量を算出した後、振動子の加速度、即ち加振器の加速度を求めた。
【００８１】
なお、モアレ縞の変位の撮影には、高速カメラを用い、２０００ｆｐｓにて撮影した。
【００８２】
また、微小変位表示デバイスで計測したデータとの照合を得るため、加振器の変位をレーザ変位計により計測した。また、高速カメラとレーザ変位計の同期をとるために、ＬＥＤを用いた。
【００８３】
得られた振動子の加速度を図２０に示す。加振器の振動数と同じ、３Ｈｚ及び５Ｈｚの加速度が計測されていることがわかる。なお、５０Ｈｚの振動が同時に検出されているが、この振動数は本微小変位表示デバイスの固有振動数と一致しており、固有振動数の影響が出ていると考えられる。
【００８４】
図２１は、図１３に示した加速度を積分して求めた時間と加振器の変位との関係を示している。なお、実線が加速度から求めた加振器の変位であり、破線がレーザ変位計により計測した加振器の変位である。３Ｈｚ及び５Ｈｚいずれにおいても、微小変位表示デバイスを用いて求めた加振器の変位は、レーザ変位計を用いて計測した加振器の変位とほぼ一致していることが確認できる。
【００８５】
これらの実験結果から、微小変位表示デバイスでは、被測定対象の微小振動に基づく振動子の微小な変位をモアレ縞にて拡大して表示することができ、モアレ縞を撮影して画像処理を行うことで、モアレ縞の加速度や振動子の加速度を演算することができる。これにより、微小変位表示デバイスを用いて、建造物の異常振動を監視できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
微小変位表示デバイスでは、橋等の建造物の微小な振動に基づく振動子の変位をモアレ縞によって拡大して表示することができる。これは、視認できない建造物の微小な振動を視覚的に認識することにつながる。そして、このモアレ縞の変位に基づく建造物の振動データを演算し、正常時における建造物の基準振動データと照合を行うことにより、建造物に異常振動が発生しているか否かの判断が可能となる。したがって、橋梁、工場、ビル、等などの建造物の状態監視、保守管理を行う際に利用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１ 微小変位表示デバイス
２ 微小変位表示デバイス
３ 微小変位表示デバイス
４ 微小変位表示デバイス
１１ 固定側モアレスリット板
１２ 移動側モアレスリット板
１３ ベース
１４ 振動伝達部材
１４ａ 振動伝達部材
１４ｂ 振動伝達部材
１５ 振動子
２１ 固定側モアレ格子板
２２ 移動側モアレ格子板
３１ 撮影装置
３２ 処理装置
４１ 橋
４２ 橋桁
４３ 橋脚
Ｍ モアレ縞
Ｍ１ モアレ縞
Ｍ２ モアレ縞
Ｍ３ モアレ縞
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モアレ縞を利用した微小変位表示デバイス及びこれを用いた建造物の異常振動監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
工場、建築物、橋梁などの建造物では、経年変化等により老朽し、強度不足等強度上の問題が生じる恐れがあるので、定期的に建造物の状態を監視し、保守管理を行う必要がある。
【０００３】
建造物の状態を監視する手法として、建造物の振動を検知して欠陥等を判断する手法がある（例えば、特許文献１）。建造物の振動を振動センサで検知し、建造物に通常状態とは異なる振動が生じていることを検知した場合には、これら建造物の構造に毀損や老朽化等、異常が生じていると判断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１７８５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
対象となる建造物は非常に大きいため、建造物に電力供給及び信号伝達のための配線を取り回してさまざまな箇所に異常を検知するセンサを配置することは難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、配線を用いずとも建造物に配置し、建造物の振動を検知できる微小変位表示デバイス、及び、これを用いた建造物の異常振動監視システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る第１態様の微小変位表示デバイスは、
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、複数の平行線が施された固定側モアレスリット板と、
前記被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられる振動伝達部材と、
前記振動伝達部材に固定される振動子と、
前記振動子に固定され、複数の平行線が施された移動側モアレスリット板と、を備え、
それぞれの前記平行線の角度が異なるように前記固定側モアレスリット板と前記移動側モアレスリット板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動による前記振動子の変位により前記移動側モアレスリット板をスライドさせ、
前記モアレ縞の変位量を前記振動子の変位量よりも大きくして表示する、ことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る第２態様の微小変位表示デバイスは、
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、格子が施された固定側モアレ格子板と、
前記被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられる振動伝達部材と、
前記振動伝達部材に固定される振動子と、
前記振動子に固定され、格子が施された移動側モアレ格子板と、を備え、
それぞれの前記格子の角度が異なるように前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動による前記振動子の変位により前記移動側モアレ格子板をスライドさせ、
前記モアレ縞の変位量を前記振動子の変位量よりも大きくして表示する、
ことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る第３態様の微小変位表示デバイスは、
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、格子が施された固定側モアレ格子板と、
格子が施された移動側モアレ格子板と、
前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とを接続する振動伝達部材と、を備え、
それぞれの前記格子の角度が異なるように前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動で前記移動側モアレ格子板を前記固定側モアレ格子板の所定地点を中心に回転させ、前記モアレ縞の幅を変化させて表示する、
ことを特徴とする。
【００１０】
また、前記固定側モアレ格子板の所定地点を中心にして同心円上に前記振動伝達部材が複数配置されていてもよい。
【００１１】
本発明に係る建造物の異常振動監視システムは、
建造物に設置される前述した微小変位表示デバイスと、
前記微小変位表示デバイスに発現したモアレ縞を連続して撮影する撮影装置と、
連続して撮影した前記モアレ縞の画像処理を行い、前記モアレ縞の変位に基づく振動データを演算する演算装置と、
予め演算しておいた基準振動データと演算した前記振動データとを照合する照合装置と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、前記演算装置は、前記モアレ縞の変位量から加速度を算出して前記振動データを演算してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る微小変位表示デバイスでは、被測定対象の微小な振動に基づく振動子の変位をモアレ縞によって拡大して表示することができる。これは、視認できないような被測定対象の微小な振動を視覚的に認識することにつながる。
【００１４】
本発明に係る建造物の異常振動監視システムでは、上述した微小変位表示デバイスを建造物に設置して、モアレ縞の変位に基づく建造物の振動データを演算し、正常時における建造物の基準振動データと照合を行っている。これにより、建造物に異常振動が発生しているか否かの判断が実現でき、橋梁、工場、ビル、等などの建造物の状態監視に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す外観斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す分解斜視図であ
【図３】実施の形態１に係る微小変位表示デバイスの（Ａ）固定側モアレスリット板、及び（Ｂ）移動側モアレスリット板の平面図である。
【図４】実施の形態１に係る微小変位表示デバイスの平面図である。
【図５】実施の形態１に係る微小変位表示デバイスのモアレ縞の変位を示す平面図である。
【図６】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す外観斜視図である。
【図７】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す分解斜視図である。
【図８】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスの（Ａ）固定側モアレ格子板、及び（Ｂ）移動側モアレ格子板の平面図である。
【図９】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスのモアレ縞の平面図である。
【図１０】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスのモアレ縞の変位を示す平面図である。
【図１１】実施の形態２に係る微小変位表示デバイスのモアレ縞の変位を示す平面図である。
【図１２】実施の形態３に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す外観斜視図である。
【図１３】実施の形態３に係る微小変位表示デバイスの概略構成を示す分解斜視図である。
【図１４】実施の形態３に係る微小変位表示デバイスの平面図である。
【図１５】実施の形態３に係る微小変位表示デバイスのモアレ縞の変化を示す平面図である。
【図１６】実施の形態４に係る建造物の異常振動監視システムの一形態例を示す概略構成図である。
【図１７】実施の形態４に係る建造物の異常振動監視システムの動作を示すフローチャートである。
【図１８】実施の形態４に係る建造物の異常振動監視システムの動作を示すフローチャートである。
【図１９】実施例に用いた微小変位表示デバイスの振動子の力学的特性図である。
【図２０】実施例における時間と加速度との関係を示す図である。
【図２１】実施例における時間と加振器の変位との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態に係る微小変位表示デバイス及びこれを用いた建造物の異常振動監視システムについて、詳細に説明する。まず、微小変位表示デバイスについて説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図を参照して、実施の形態１に係る微小変位表示デバイスについて説明する。微小変位表示デバイス１は、図１の外観斜視図、及び図２の分解斜視図に示すように、固定側モアレスリット板１１と、移動側モアレスリット板１２と、ベース１３と、振動伝達部材１４ａ、１４ｂと、振動子１５と、から構成されている。
【００１８】
ベース１３は、建造物等の被測定対象に固定される部材である。このため、ベース１３と被測定対象との相対位置が変化することはない。
【００１９】
振動伝達部材１４ａ、１４ｂは、ベース１３と振動子１５とを接続している。振動伝達部材１４ａ、１４ｂは、被測定対象の振動を振動子１５へ伝達するとともに、自らが変形して振動子１５を変位させる役割を有する。したがって、振動伝達部材１４ａ、１４ｂは、変形率及び弾性率が高い部材であることが好ましい。また、伝達した振動で振動子１５が慣性力で永続して振動しないよう、振動子１５を減衰させる役割を備えていることが好ましいので、減衰力の高い部材を用いるとよい。
【００２０】
振導伝達部材１４ａ、１４ｂの一例として、金属線や金属薄板、ゴムやプラスチック等の樹脂製棒状部材や板状部材等、種々の部材が挙げられる。また、バネとダンパーを組み合わせて構成されていてもよい。
【００２１】
振動子１５は、振動伝達部材１４ａ、１４ｂを介して伝達される被測定対象の振動を受けて振動する。振動子１５は被測定対象に対して相対位置が変位することにより、後述する移動側モアレスリット板１２を変位させる役割を有する。振動子１５には、振動伝達部材１４ａ、１４ｂを経由して被測定対象の振動が伝達され、この振動を受けて、振動子１５が振動することになる。すなわち、被測定対象に対して振動子１５の相対位置は変化する。このため、振動子１５は、被測定対象に対する相対位置が変化しやすいよう、重量がある必要がある。具体的な振動子１５の重量及び振動伝達部材１４ａ、１４ｂの弾性率と減衰力の関係については、文献「計測工学；谷口 修、掘込 泰雄；森北出版株式会社；ｐ．１９４−１９８」を参考にすればよい。
【００２２】
固定側モアレスリット板１１は、ベース１３に固定されており、被測定対象に対して相対位置が変わらないようになっている。
【００２３】
移動側モアレスリット板１２は、振動子１５に固定されている。上述のように、振動子１５が振動し変位するので、この振動子１５に追随して移動側モアレスリット板１２が変位することになる。このため、移動側モアレスリット板１２は、固定側モアレスリット板１１に対し、相対位置が変化する仕組みである。
【００２４】
固定側モアレスリット板１１、及び、移動側モアレスリット板１２は、無色の長方形の板状部材で構成されており、図３に示すように、それぞれ複数の直線が平行に施されている。固定側モアレスリット板１１、及び、移動側モアレスリット板１２に施されたそれぞれの複数の直線は全て同じ線幅で、等間隔に施されている。
【００２５】
また、固定側モアレスリット板１１には、ｘ軸方向に複数の直線が平行に施されている。一方の移動側モアレスリット板１２には、ｘ軸方向に対してやや傾斜された複数の直線が平行に施されている。
【００２６】
図４に、微小変位表示デバイス１の平面図を示す。上述のように、固定側モアレスリット板１１と移動側モアレスリット板１２とが、それぞれに施された複数の直線の角度が異なるように重ねて配置されることにより、帯状のモアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が発現している。
【００２７】
図５は、被測定対象からの振動を受けて振動子１５が振動し、ｙ軸方向に変位した際の、モアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の変位の状況を示している。振動子１５が矢印で示すようにｙ軸方向下向きにΔｙ変位すると、振動子１５に固定された移動側モアレスリット板１２も追従して、Δｙだけｙ軸方向下向きに変位する。すると、モアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、それぞれｘ軸方向左向きにΔｘほど変位することになる。
【００２８】
例えば、固定側モアレスリット板１１、及び、移動側モアレスリット板１２に施された複数の直線のピッチをＰｌとし、それぞれの直線がθの角度で交差している場合に発現するモアレ縞のピッチをＰＭとした場合、ＰＭは下記に示す式（１）で表される。
【数１】
【００２９】
θが０．５°として考えると、ＰＭは約１１４．５９３Ｐｌとなるので、モアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の変位量Δｘは、振動子１５の変位量Δｙの凡そ１１５倍（拡大率）となる。
【００３０】
このように、このモアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の変位量Δｘは、振動子１５の変位量Δｙに比べて大きな変位量となるので、これにより振動子１５の微小な変位を拡大して表示することができる。これは、被測定対象に生じる視認不可能な振動を、視覚的に認識することができることを意味し、後述の被測定対象に異常振動が生じていないかを視覚的に捉えることが可能になる。
【００３１】
一方、振動子１５がｙ軸方向を上向きに移動すると、モアレ縞Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は前述とは逆にｘ軸方向右向きに移動する。
【００３２】
また、上記では、移動側モアレスリット板１２の複数の直線が傾斜して施されているが、逆に、固定側モアレスリット板１１の複数の直線が傾斜して施されていてもよい。
【００３３】
また、ベース１３を用い、間接的に固定側モアレスリット板１１を被測定対象に取り付ける場合について説明したが、ベース１３を必ずしも用いなくてもよい。例えば、振動伝達部材１４ａ、１４ｂ、及び、固定側モアレスリット板１１を直接被測定対象に固定する形態でもよい。
【００３４】
また、固定側モアレスリット板１１と移動側モアレスリット板１２とは、密着させて重ねて配置されていても、離間して配置されていてもよい。固定側モアレスリット板１１と移動側モアレスリット板１２とを密着させて重ねる場合、移動側モアレスリット板１２の動きを損なわないように、また、振動子１５の振動が慣性力によって永続しないよう、オイルやゲル等、粘性を有する物質を介して重ねて配置するとよい。
【００３５】
（実施の形態２）
図６の外観斜視図、及び、図７の分解斜視図を参照しつつ、実施の形態２に係る微小変位表示デバイス２について説明する。
【００３６】
微小変位表示デバイス２は、ベース１３と、振動伝達部材１４と、振動子１５と、固定側モアレ格子板２１と、移動側モアレ格子板２２とから構成される。
【００３７】
ベース１３及び振動子１５については、前述した実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００３８】
振動伝達部材１４は、Ｌ字状の部材であり、機能や素材等については、前述した実施の形態１と同様であるが、実施の形態１では、振動子１５の一軸の変位に対応していたが、本実施の形態では、二軸の変位に対応している点で異なる。
【００３９】
固定側モアレ格子板２１と移動側モアレ格子板２２とは、重ねて配置されている。
【００４０】
固定側モアレ格子板２１は、ベース１３に固定され、被測定対象との相対位置が変化しないようになっている。
【００４１】
一方、移動側モアレ格子板２２は、振動子１５に固定されており、振動子１５の変位に追従して変位する。
【００４２】
固定側モアレ格子板２１、及び、移動側モアレ格子板２２は、無色の板状部材であり、図８に示すように、それぞれ格子が施されている。それぞれの格子の線幅及び格子のピッチは全て同じである。そして、移動側モアレ格子板２２に施された格子は、固定側モアレ格子板２１に施された格子に対して、傾斜され、異なる角度にされている。
【００４３】
固定側モアレ格子板２１と移動側モアレ格子板２２とが、各々に施された格子の角度が異なるように、重ねて配置されているので、図９の平面図に示すように、帯が交差した格子状のモアレ縞Ｍが発現する。
【００４４】
図１０に、被測定対象から伝達された振動によって、振動子１５にｙ軸方向への力が加わった場合のモアレ縞Ｍの変位の様子を示している。被測定対象から振動を受けて、Δｙほど振動子１５がｙ軸方向下向きに変位した場合、振動子１５に固定されている移動側モアレ格子板２２も追随して同様にｙ軸方向下向きにΔｙほど変位する。すると、ｙ軸方向に延在しているモアレ縞Ｍはｘ軸方向左向きにΔｘほど変位する。
【００４５】
モアレ縞Ｍの変位量Δｘは、実施の形態１と同様に、振動子１５の変位量Δｙに比べて非常に大きいので、微小な振動子１５の変位を拡大して表示することができる。このことは、被測定対象に生じる視認不可能な振動を、視覚的に認識することができることを意味する。なお、振動子１５がｙ軸方向上向きに変位した場合、ｙ軸方向に延在しているモアレ縞Ｍが、ｘ軸方向右向きに変位することになる。
【００４６】
一方、図１１には、被測定対象から伝達された振動によって、振動子１５にｘ軸方向への力が加わった場合のモアレ縞Ｍの変位の様子を示している。被測定対象から振動を受け、ｘ軸方向右向きにΔｘほど振動子１５が変位した場合、振動子１５に固定されている移動側モアレ格子板２２も付随して同様に変位する。この場合、ｘ軸方向に延在しているモアレ縞Ｍがｙ軸方向下向きにΔｙほど変位する。逆に、振動子１５がｘ軸方向左向きに変位した場合、ｘ軸方向に延在しているモアレ縞Ｍが、ｙ軸方向上向きに変位することになる。
【００４７】
（実施の形態３）
図１２の外観斜視図、及び、図１３の分解斜視図を参照しつつ、実施の形態３に係る微小変位表示デバイス３について説明する。
【００４８】
微小変位表示デバイス３は、振動伝達部材１４と、固定側モアレ格子板２１と、移動側モアレ格子板２２とから構成される。
【００４９】
固定側モアレ格子板２１は、直接的或いは間接的に被測定対象に取り付けられる。固定側モアレ格子板２１は、被測定対象に対し相対的な位置関係は変わらない。
【００５０】
移動側モアレ格子板２２は、四隅に配置された振動伝達部材１４を介して固定側モアレ格子板２１に接続している。
【００５１】
振動伝達部材１４は、所定地点を中心点とする同心円上に４つ配置されており、振動伝達部材１４は、被測定対象からの振動を移動側モアレ格子板２２に伝達する役割を有する。これにより、移動側モアレ格子板２２は、所定地点を中心軸とし、固定側モアレ格子板２１の面に沿って回転することになる。
【００５２】
固定側モアレ格子板２１及び移動側モアレ格子板２２は、上述した実施の形態２と同様に、それぞれ格子が施されており、固定側モアレ格子板２１と移動側モアレ格子板２２とは、それぞれの格子が角度を異ならせて積層配置されているため、図１４の平面図に示すように、格子状のモアレ縞Ｍが発現する。
【００５３】
図１５を参照して、微小変位表示デバイス３の作用について説明する。被測定対象から生じる振動が振動伝達部材１４を介して移動側モアレ格子板２２に伝達される。すると、移動側モアレ格子板２２の四角に振動伝達部材１４が接続されているため、移動側モアレ格子板２２は中心を支点として回転することになる。
【００５４】
移動側モアレ格子板２２が反時計回りにθほど回転すると、モアレ縞Ｍのピッチが大きく表示される。モアレ縞Ｍのピッチは、わずかな移動側モアレ格子板２２の回転によって、大きく変化するので、被測定対象に基づく移動側モアレ格子板２２の微小な回転変位を拡大して観察することができる。一方、移動側モアレ格子板２２が時計回りに回転する場合には、それぞれの格子の角度が一致する方向に向かうので、モアレ縞Ｍのピッチが小さくなる。
【００５５】
（実施の形態４）
続いて、上述した微小変位表示デバイスを用いた実施の形態４に係る建造物の異常振動監視システムについて説明する。図１６は、異常振動監視システムの一形態例を示す概略構成図である。
【００５６】
橋桁４２の上部に設置された微小変位表示デバイス４と、微小変位表示デバイス４を連続して高速撮影する撮影装置３１と、撮影装置３１で撮影された画像を処理し、振動データの演算及び照合を行う処理装置３２と、を備えている。
【００５７】
微小変位表示デバイス４としては、前述した微小変位表示デバイス１〜３のいずれかを用いればよい。
【００５８】
撮影装置３１は、微小変位表示デバイス４のモアレ縞の変位を撮影できるように配置される。撮影装置３１として、単位時間当たりに多数の画像を撮影可能な高速カメラを用いるとよい。撮影装置３１で撮影した画像は、画像データとして処理装置３２に送られる。
【００５９】
処理装置３２は、予め演算しておいた基準振動データを保存しておくメモリ（不図示）と、送られてきた画像データの処理を行い、モアレ縞の変位に基づいて振動データを演算する演算装置（不図示）と、基準振動データと演算した振動データとの照合を行う照合装置（不図示）とが備えられている。
【００６０】
続いて、図１７及び図１８に示すフローチャートを参照しつつ、建造物の異常振動監視システムの処理概要について説明する。
【００６１】
まず、図１７に示すフローチャートのように、正常時における橋の振動データである基準振動データが得られる。
【００６２】
まず、撮影装置３１にてモアレ縞の撮影Ｓ１１を行う。撮影装置３１で撮影された画像は、処理装置３２に送られ、演算装置にて画像処理Ｓ１２、基準振動データの演算Ｓ１３が行われる。
【００６３】
演算装置では、モアレ縞の変位量から、被測定対象である橋の加速度が算出され、この加速度に基づく基準振動データが演算される。この基準振動データとしては、例えば、この加速度をフーリエ変換、モード解析することにより求められる被測定対象である橋が持つ特有の振動特徴等を用いればよい。
【００６４】
なお、被測定対象である橋の加速度は、モアレ縞の変位量を実施の形態１で説明した拡大率で割ることにより、求められる振動子１５の変位量と、微小変位表示デバイス４の固有振動数の二乗との積より算出することができる。必要に応じ、求めた加速度を積分することにより、被測定対象の速度、変位を算出することができるため、これらを用いて基準振動データを作成してもよい。
【００６５】
上記のように演算された基準振動データは、メモリに保存Ｓ１４される。
【００６６】
続いて、図１８に示すフローチャートに沿って、振動データを取得し、橋に異常振動が発生していないかが監視される。
【００６７】
前述と同様に、撮影装置にてモアレ縞の撮影Ｓ２１を行う。そして、得られた画像の処理Ｓ２２を行い、振動データの演算Ｓ２３を行う。モアレ縞の撮影Ｓ２１、画像処理Ｓ２２、及び振動データの演算Ｓ２３については、前述の基準振動データの演算手法と同様である。
【００６８】
このようにして得られた振動データと基準振動データとが一致しているか否かの照合Ｓ２４を行う。振動データと基準振動データとが一致している場合は、Ｓ２１に戻り撮影を継続する。振動データと基準振動データとが不一致の場合には、橋が異常な状態であるとして、報知手段により、異常であることの報知Ｓ２５を行う。報知手段は、表示や、発光、音等、種々の手段を用いればよい。
【００６９】
撮影装置で橋を単純に撮影するだけでは、振動による橋の変位を識別可能な画像データを取得することは困難であるが、本実施の形態では、微小変位表示デバイスを用いることにより、上述のように橋の振動に基づく振動子の変位を識別できる画像データを取得することを実現している。橋の振動が振動子に伝達されて変位し、これによって移動側モアレ格子板２２或いは移動側モアレスリット板１２が変位するので、モアレ縞が変位するが、このモアレ縞の変位は、振動子１５の変位に比べて大きいので、遠く離れて配置された撮影装置でも観察することができ、撮影した画像から振動データを得ることができる。
【００７０】
また、本実施の形態に係る建造物の異常振動監視システムでは、電気信号を用いない微小変位表示デバイスを設置するので、橋に配線等を這わす必要がない。このため、メンテナンスが容易である。更に、電気信号を使わないので、振動検出センサに比べて、低コストで行える。
【００７１】
なお、複数計測する際は、複数の微小変位表示デバイス４を設置し、それぞれの微小変位表示デバイス４を撮影する撮影装置３１を設置すればよい。
【００７２】
また、上記では、加速度を演算した振動データにて照合しているが、正常時における橋の振動と、異常時における橋の振動との照合が可能なデータであれば、これに限定されることはない。例えば、撮影した画像から、モアレ縞の振幅の大きさを演算したデータや、モアレ縞の周波数を演算したデータ、或いは、モアレ縞の移動パターンを演算したデータ等を、基準振動データ及び振動データとして照合するようにしてもよい。
【００７３】
また、振動データと基準振動データとが一致するか否かは、閾値を設け、所望の許容範囲をもたせてもよい。
【００７４】
また、本実施の形態では、撮影装置３１からの映像を有線で処理装置３２に伝達しているが、無線により撮影装置３１から映像を処理装置３２に送信してもよい。
【００７５】
また、橋の異常振動を監視する場合について説明したが、塔やビル等の各種建造物についても同様である。
【実施例】
【００７６】
実施の形態１と同様の構造の微小変位表示デバイスを作成し、振動によるモアレ縞の変位から加速度データ及び変位データを演算した。
【００７７】
固定側モアレスリット板及び移動側モアレスリット板に施された、平行な複数の直線のピッチはいずれも０．０２ｍｍである。そして、それぞれの複数の直線が０．００３ｒａｄの角度で交わるようにして、固定側モアレ格子板と移動側モアレ格子板とが重ねて配置されている。このとき、発現するモアレ縞のピッチは、約６．７ｍｍであり、移動側モアレスリット板の変位に対するモアレ縞の相対変位は、約３３５倍に拡大されていることになる。振動伝達部材の材料はジュラルミン２０１７、振動子には銅合金Ｃ２０８１を用いた。この微小変位表示デバイスの質量は２５．９ｇである。
【００７８】
まず、作成した微小変位表示デバイスの力学的特性を調べた。微小変位表示デバイスを自由振動させ、振動子の変位を計測した。その結果を図１９に示す。固有角振動数は３１４ｒａｄ／ｓ（５０Ｈｚ）、減衰比は約０．００８であった。
【００７９】
この微小変位表示デバイスのベースを加振器の上に固定し、振動を加えた。加振器の振動は、一次元の振動で、振幅１ｍｍ以下、振動数３Ｈｚとした。また、同条件で、振動数５Ｈｚについても行った。
【００８０】
微小変位表示デバイスから約４００ｍｍ離れたところから、カメラで撮影し、撮影した画像からモアレ縞の変位量を計測した。この変位量をモアレ縞の拡大率（本微小変位表示デバイスでは約３３５倍）で割り、振動子の変位量を算出した後、振動子の加速度、即ち加振器の加速度を求めた。
【００８１】
なお、モアレ縞の変位の撮影には、高速カメラを用い、２０００ｆｐｓにて撮影した。
【００８２】
また、微小変位表示デバイスで計測したデータとの照合を得るため、加振器の変位をレーザ変位計により計測した。また、高速カメラとレーザ変位計の同期をとるために、ＬＥＤを用いた。
【００８３】
得られた振動子の加速度を図２０に示す。加振器の振動数と同じ、３Ｈｚ及び５Ｈｚの加速度が計測されていることがわかる。なお、５０Ｈｚの振動が同時に検出されているが、この振動数は本微小変位表示デバイスの固有振動数と一致しており、固有振動数の影響が出ていると考えられる。
【００８４】
図２１は、図１３に示した加速度を積分して求めた時間と加振器の変位との関係を示している。なお、実線が加速度から求めた加振器の変位であり、破線がレーザ変位計により計測した加振器の変位である。３Ｈｚ及び５Ｈｚいずれにおいても、微小変位表示デバイスを用いて求めた加振器の変位は、レーザ変位計を用いて計測した加振器の変位とほぼ一致していることが確認できる。
【００８５】
これらの実験結果から、微小変位表示デバイスでは、被測定対象の微小振動に基づく振動子の微小な変位をモアレ縞にて拡大して表示することができ、モアレ縞を撮影して画像処理を行うことで、モアレ縞の加速度や振動子の加速度を演算することができる。これにより、微小変位表示デバイスを用いて、建造物の異常振動を監視できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
微小変位表示デバイスでは、橋等の建造物の微小な振動に基づく振動子の変位をモアレ縞によって拡大して表示することができる。これは、視認できない建造物の微小な振動を視覚的に認識することにつながる。そして、このモアレ縞の変位に基づく建造物の振動データを演算し、正常時における建造物の基準振動データと照合を行うことにより、建造物に異常振動が発生しているか否かの判断が可能となる。したがって、橋梁、工場、ビル、等などの建造物の状態監視、保守管理を行う際に利用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１ 微小変位表示デバイス
２ 微小変位表示デバイス
３ 微小変位表示デバイス
４ 微小変位表示デバイス
１１ 固定側モアレスリット板
１２ 移動側モアレスリット板
１３ ベース
１４ 振動伝達部材
１４ａ 振動伝達部材
１４ｂ 振動伝達部材
１５ 振動子
２１ 固定側モアレ格子板
２２ 移動側モアレ格子板
３１ 撮影装置
３２ 処理装置
４１ 橋
４２ 橋桁
４３ 橋脚
Ｍ モアレ縞
Ｍ１ モアレ縞
Ｍ２ モアレ縞
Ｍ３ モアレ縞
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、複数の平行線が施された固定側モアレスリット板と、
前記被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられる振動伝達部材と、
前記振動伝達部材に固定される振動子と、
前記振動子に固定され、複数の平行線が施された移動側モアレスリット板と、を備え、
それぞれの前記平行線の角度が異なるように前記固定側モアレスリット板と前記移動側モアレスリット板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動による前記振動子の変位により前記移動側モアレスリット板をスライドさせ、
前記モアレ縞の変位量を前記振動子の変位量よりも大きくして表示する、
ことを特徴とする微小変位表示デバイス。
【請求項２】
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、格子が施された固定側モアレ格子板と、
前記被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられる振動伝達部材と、
前記振動伝達部材に固定される振動子と、
前記振動子に固定され、格子が施された移動側モアレ格子板と、を備え、
それぞれの前記格子の角度が異なるように前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動による前記振動子の変位により前記移動側モアレ格子板をスライドさせ、
前記モアレ縞の変位量を前記振動子の変位量よりも大きくして表示する、
ことを特徴とする微小変位表示デバイス。
【請求項３】
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、格子が施された固定側モアレ格子板と、
格子が施された移動側モアレ格子板と、
前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とを接続する振動伝達部材と、を備え、
それぞれの前記格子の角度が異なるように前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動で前記移動側モアレ格子板を前記固定側モアレ格子板の所定地点を中心に回転させ、前記モアレ縞の幅を変化させて表示する、
ことを特徴とする微小変位表示デバイス。
【請求項４】
前記固定側モアレ格子板の所定地点を中心にして同心円上に前記振動伝達部材が複数配置されていることを特徴とする請求項３に記載の微小変位表示デバイス。
【請求項５】
建造物に設置される請求項１乃至４のいずれかの微小変位表示デバイスと、
前記微小変位表示デバイスに発現したモアレ縞を連続して撮影する撮影装置と、
連続して撮影した前記モアレ縞の画像処理を行い、前記モアレ縞の変位に基づく振動データを演算する演算装置と、
予め演算しておいた基準振動データと演算した前記振動データとを照合する照合装置と、
を備えることを特徴とする建造物の異常振動監視システム。
【請求項６】
前記演算装置は、前記モアレ縞の変位量から加速度を算出して前記振動データを演算することを特徴とする請求項５に記載の建造物の異常振動監視システム。
【請求項１】
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、複数の平行線が施された固定側モアレスリット板と、
前記被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられる振動伝達部材と、
前記振動伝達部材に固定される振動子と、
前記振動子に固定され、複数の平行線が施された移動側モアレスリット板と、を備え、
それぞれの前記平行線の角度が異なるように前記固定側モアレスリット板と前記移動側モアレスリット板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動による前記振動子の変位により前記移動側モアレスリット板をスライドさせ、
前記モアレ縞の変位量を前記振動子の変位量よりも大きくして表示する、
ことを特徴とする微小変位表示デバイス。
【請求項２】
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、格子が施された固定側モアレ格子板と、
前記被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられる振動伝達部材と、
前記振動伝達部材に固定される振動子と、
前記振動子に固定され、格子が施された移動側モアレ格子板と、を備え、
それぞれの前記格子の角度が異なるように前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動による前記振動子の変位により前記移動側モアレ格子板をスライドさせ、
前記モアレ縞の変位量を前記振動子の変位量よりも大きくして表示する、
ことを特徴とする微小変位表示デバイス。
【請求項３】
被測定対象に直接的或いは間接的に取り付けられ、格子が施された固定側モアレ格子板と、
格子が施された移動側モアレ格子板と、
前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とを接続する振動伝達部材と、を備え、
それぞれの前記格子の角度が異なるように前記固定側モアレ格子板と前記移動側モアレ格子板とが重ねて配置されてモアレ縞を発現させ、
前記振動伝達部材を経由する前記被測定対象の振動で前記移動側モアレ格子板を前記固定側モアレ格子板の所定地点を中心に回転させ、前記モアレ縞の幅を変化させて表示する、
ことを特徴とする微小変位表示デバイス。
【請求項４】
前記固定側モアレ格子板の所定地点を中心にして同心円上に前記振動伝達部材が複数配置されていることを特徴とする請求項３に記載の微小変位表示デバイス。
【請求項５】
建造物に設置される請求項１乃至４のいずれかの微小変位表示デバイスと、
前記微小変位表示デバイスに発現したモアレ縞を連続して撮影する撮影装置と、
連続して撮影した前記モアレ縞の画像処理を行い、前記モアレ縞の変位に基づく振動データを演算する演算装置と、
予め演算しておいた基準振動データと演算した前記振動データとを照合する照合装置と、
を備えることを特徴とする建造物の異常振動監視システム。
【請求項６】
前記演算装置は、前記モアレ縞の変位量から加速度を算出して前記振動データを演算することを特徴とする請求項５に記載の建造物の異常振動監視システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１０−２７１２５３（Ｐ２０１０−２７１２５３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２４７３０（Ｐ２００９−１２４７３０）
【出願日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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