JP2004361285A

JP2004361285A - 角度センサ及びそれを用いた管路計測装置

Info

Publication number: JP2004361285A
Application number: JP2003161024A
Authority: JP
Inventors: Yukio Ikeda; 幸雄池田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】精度良く小口径の管路の管路計測も可能にする管路計測装置を提供する。
【解決手段】弾性体６と、該弾性体６の折り曲げに応じて伸縮するように該弾性体６に取り付けられ、伸縮に応じて反射波長が変化するＦＢＧ１５とを備えた角度センサ２と、該角度センサ２を保持して管路１０の長手方向に沿って移動させる移動装置１２ａ、１２ｂと、前記移動装置１２ａ、１２ｂの移動量を計測する移動量計測器８と、前記ＦＢＧ１５の反射波長から弾性体６の曲げ角度を演算する角度演算部１７と、前記移動装置１２ａ、１２ｂの移動量と弾性体６の曲げ角度とから角度センサ２の移動軌跡を計算する軌跡演算部２７とにより、管路１０の埋設位置を計測する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管路計測装置に係り、角度を計測する装置及び埋設管路の埋設位置を計測する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地中に埋設された電力管路や通信管路、ガス管などの埋設位置は、施工図面により把握されている。埋設管路近くを掘削する場合には、これらの図面に加えて、管路計測装置により埋設位置を正確に把握し、工事により管路が損傷する可能性をできるだけ抑制している。
【０００３】
このような目的で使用される従来の管路計測装置を以下に説明する。
【０００４】
図１０の管路計測装置５１は、筐体に収納され計測を行うための角速度センサ５２と、角速度センサ５２の信号を伝送する通信ケーブル５６と、通信ケーブル５６の送出量を検出する計尺器５８と、角速度センサ５２から供給される角速度データ等から演算を行い角速度センサ５２の移動軌跡を求めるコンピュータ５７と、角速度センサ５２を牽引するための牽引索５９と、角速度センサ５２を牽引するウインチ６１とを備えて構成されている。
【０００５】
図示したように、角速度センサ５２は、測定される埋設管路６０内を牽引索５９を介してウインチ６１の牽引により移動し、計測を行う。
【０００６】
演算を行うコンピュータ５７には、角速度演算部６７と、軌跡演算部７７とが内蔵されている。
【０００７】
角速度センサ５２は、計測される管路６０の中をウインチ６１に牽引されて管路長手方向に通信ケーブル５６と共に移動する。ウインチ６１は、角速度センサ５２に接続された牽引索５９を牽引し、計測される管路６０内に置かれた角速度センサ５２を管路長手方向に移動させる。
【０００８】
通信ケーブル５６は、管路６０内を移動する角速度センサ５２において検出された角速度データをコンピュータ５７に伝送すると共に、角速度センサ５２に必要電力を給電する。計尺器５８は、ウインチ６１に牽引された通信ケーブル５６の送出量即ち角速度センサ５２の移動距離を検出し、コンピュータ５７に移動距離データとして供給する。コンピュータ５７は、角速度演算部６７において角速度センサ５２で検出された角速度データから角度演算を行う。この角度演算結果と計尺器５８から供給された移動距離データとから、軌跡演算部７７において角速度センサ５２の軌跡演算を行い、この軌跡演算によって管路６０内での移動軌跡が求められる。
【０００９】
管路計測装置５１による計測過程を以下に説明する。角速度センサ５２は通信ケーブル５６に接続され、通信ケーブル５６の端がウインチ６１によって牽引される。牽引された牽引索５９及び角速度センサ５２は、埋設された管路６０に沿って移動する。一般的に管路６０は一直線には敷設されておらず複雑に折れ曲がっているので、管路６０の方向が変わったり、管路６０の屈曲部を通過した際には、角速度センサ５２において方向の変化に応じた角速度が検出される。角速度センサ５２で検出された角速度データは通信ケーブル５６により接続されているコンピュータ５７の角速度演算部６７に供給される。角速度演算部６７に供給された角速度データは、演算により角速度センサ５２の通った管路６０の屈曲部の角度データとなる。
【００１０】
ウインチ６１によって牽引された牽引索５９及び角速度センサ５２は、牽引に従って管路６０内を移動し、計尺器５８によりその通信ケーブル５６の送出量即ち角速度センサ５２の移動距離が検出される。計尺器５８によって検出された移動距離データは、コンピュータ５７の軌跡演算部７７に供給される。
【００１１】
角速度演算部６７で演算された角速度データと、計尺器５８から供給された移動距離データとは、コンピュータ５７の軌跡演算部７７で演算されて角速度センサ５２が管路６０を移動した移動軌跡となる。これにより管路６０の埋設位置を得ることができる。
【００１２】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【００１３】
【特許文献１】
特開平７−７５６３０号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来管路計測装置においては、次のような問題点があった。
【００１５】
従来の管路計測装置５１においては、一般的に角速度センサ５２として方位磁石や機械式ジャイロが用いられていた。
【００１６】
しかしながら、方位磁石を用いた場合には角速度センサ（磁石）の近傍に鉄骨や鉄管などの磁性体金属が存在すると、実用上充分な精度で角度データを計測することができないことがしばしばあった。
【００１７】
また、機械式ジャイロを用いた場合には、機械式ジャイロの形状が大きいため小口径の管路６０内に配置することができず、管路計測を行えないと云う問題があった。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決し、精度良く小口径の管路の管路計測も可能な管路計測装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、弾性体と、該弾性体の折り曲げに応じて伸縮するように該弾性体に取り付けられ、伸縮に応じて反射波長が変化する光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）とを備えたものである。
【００２０】
請求項２の発明は、角度センサを管路内で移動させ該管路を計測する管路位置計測において、弾性体にＦＢＧを取り付けられた角度センサと、該角度センサを保持して管路の長手方向に沿って移動させる移動装置と、前記移動装置の移動量を計測する移動量計測器と、前記ＦＢＧの反射波長から弾性体の曲げ角度を演算する角度演算部と、前記移動装置の移動量と弾性体の曲げ角度とから角度センサの移動軌跡を計算する軌跡演算部とを備えたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２２】
図１は、本発明の好適実施の形態である角度センサ２を示す。
【００２３】
角度センサ２は、光ファイバ５に設けられた屈折率の異なる光ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと称す）１５と、ＦＢＧ１５が密着して固定し取り付けられた弾性体６とを備えて構成され、光ファイバ５及びＦＢＧ１５が弾性体６に取り付けられ、ＦＢＧ１５には光ファイバ５が接続されている。少なくとも、ＦＢＧ１５は、全長にわたり弾性体６に密着して固定されている。弾性体６に密着して固定されるＦＢＧ１５は、弾性体６長手方向に直線状に固定され弾性体６長手方向の伸縮に応じて、ＦＢＧ１５も弾性体６と共に伸縮する構造となっている。弾性体６は、例えば板状、ロッド状、管状などの部材で形成される。
【００２４】
角度センサ２は、光ファイバ５及び光ファイバ５に設けられたＦＢＧ１５が密着し固定して取り付けられる構造となっており、弾性体６に外部から何らかの力が加わると、光ファイバ５及びＦＢＧ１５にも力が加わる。弾性体６は、図示した様に板状であるため、光ファイバ５長手方向の左右よりは、上下の折り曲げが容易である。ＦＢＧ１５が弾性体６の上面に取り付けられているときは、弾性体６を上下山なりに折り曲げた状態では弾性体６の上面とともにＦＢＧ１５は光ファイバ５長手方向に伸張する。逆に、弾性体６を上下谷なりに折り曲げた状態では弾性体６の上面とともにＦＢＧ１５は光ファイバ５長手方向に縮む。
【００２５】
図２に角度センサの実施の形態の構成図を示す。
【００２６】
具体的には、図示するように角度センサ２の光ファイバ５には、コヒーレント光を発光する光源３と、ＦＢＧ１５からの反射光の波長を計測する波長計測装置４とが接続され、各光ファイバ５ａ、５ｂ、５ｃはカプラ９と接続され、角度センサ２からの反射波長の計測が行われる。
【００２７】
光源３から発光されたコヒーレント光は、光ファイバ５ａを介してカプラ９に供給される。カプラ９に供給されたコヒーレント光は、光ファイバ５ｃを介してＦＢＧ１５に供給される。コヒーレント光が供給されたＦＢＧ１５は、該ＦＢＧ１５に特定の波長の光が到達した際には、ＦＢＧ１５において光の反射が生じる。この光の反射は、光ファイバ５の長手方向に屈折率の異なる領域を有していることから生じる現象である。
【００２８】
ＦＢＧ１５にて反射した光は、光ファイバ５ｃを逆送しカプラ９に供給される。カプラ９に供給された反射光は、光ファイバ５ｂを介して波長計測装置４に供給される。波長計測装置４において反射光の波長が計測される。
【００２９】
ＦＢＧ１５は、光ファイバ５の長手方向に屈折率の異なる領域を有し、ＦＢＧ１５は特定の波長の光のみを反射させる性質を有する。
【００３０】
図３は、光ファイバ５に設けられたＦＢＧ１５と光の関係を示す説明図である。
【００３１】
図示した光ファイバ５は、光ファイバ長手方向に形成された屈折率が高い部分であるコア３３と、光ファイバ長手方向にコア３３を取り囲んでいる形成されるコア３３よりも屈折率の低い部分であるクラッド３４と、コア３３にコア３３とは屈折率の異なる領域として設けられたＦＢＧ１５とを備えて構成されている。
【００３２】
図示したように矢印３５の方向に図２で示した光源３からコヒーレント光が光ファイバ５に供給される。供給されたコヒーレント光は、光ファイバ５のコア３３を伝送する。伝送されたコヒーレント光は、コア３３に設けられたＦＢＧ１５を通過しようとする際に、ＦＢＧ１５が特定の屈折率を有する場合にはコヒーレント光はＦＢＧ１５において反射する。次式に、コヒーレント光の波長とＦＢＧ１５の屈折率との関係を示す。
【００３３】
【数１】λ＝２ｎΛ ・・・・・（１）
λ：コヒーレント光の波長
ｎ：ＦＢＧ１５の屈折率
Λ：屈折率の等しいＦＢＧ１５の間隔
伝送されたコヒーレント光の波長がλの時に、ＦＢＧ１５の屈折率ｎの周期構造間隔がΛで、これらの関係が式（１）を満たすときに波長λのコヒーレント光は、ＦＢＧ１５において反射し、図示した矢印３６の方向に伝送される。
【００３４】
図２において光ファイバ５に伸縮力が加わった場合には、力が加わった領域の長さが変化するため、領域の長さの変化に応じて反射波長λが変化することになる。ＦＢＧ１５の伸び率と反射波長の変化率は、比例関係にあることが知られている。
【００３５】
図４に弾性体６に密着して固定し取り付けられたＦＢＧ１５が弾性体６と共に折り曲げられた場合の状態を示す。弾性体６に取り付けられたＦＢＧ１５が弾性体６と共に曲げ角度θだけ折り曲げられることで、光ファイバ５及びＦＢＧ１５が伸張される。
【００３６】
図５（ａ）は、ＦＢＧ１５が伸張する前後の反射波長λと反射強度の特性を示す。ＦＢＧ１５伸張前の反射波長λ＝λ０に対して、ＦＢＧ１５を伸張させることで反射波長λ＝λ１に変化する。
【００３７】
図５（ｂ）は、図４に示した折り曲げが生じたＦＢＧ１５に於ける反射波長λと曲げ角度θとの関係を示す。波長λと曲げ角度θが比例関係にあることがグラフより分かる。従ってあらかじめ、この波長反射λの変化量と曲げ角度θの対応を求めておくことにより、反射波長λの変化量から弾性体６及びＦＢＧ１５の曲げ角度θを求めることができる。
【００３８】
図１の変形例を図６に示す。角度センサ２、２’は、図１に示した板状の弾性体６を２つ用いて、図６に示すように直交する弾性体６−１、６−２を構成する。これら弾性体６−１、６−２にそれぞれＦＢＧ１５−１，１５−２を設けた光ファイバ５が密着して固定し取り付けられる。弾性体６−１は、上下方向に折り曲げ易い。弾性体６−２は光ファイバ５の長手方向に対して左右方向に折り曲げ易い。この折り曲げに従い弾性体６−１に密着して固定しているＦＢＧ１５−１は上下方向に曲がり易く、上下方向の曲げ角度を検出する。弾性体６−２に密着し固定されているＦＢＧ１５−２は光ファイバ５の長手方向に対して左右方向に曲がり易く、左右方向の曲げ角度を検出する。各々のＦＢＧ１５−１、１５−２における反射波長λを波長計測装置（図示せず）で計測することにより、ＦＢＧ１５−１の上下方向の曲げ角度及びＦＢＧ１５−２の左右方向の角度を同時に測定することができる。
【００３９】
このように角度センサ２は、ＦＢＧ１５を設けた光ファイバ５及び弾性体６で構成され、装置構成が簡易であることから、角度センサ２として小型化でき、小口径管路であっても管路の計測が可能となる。
【００４０】
また、光の反射波長λを計測することで目的である管路の曲げ角度θの計測が可能となる。その結果、管路近傍に鉄骨等の磁性体が在る場合にも周囲の電磁干渉の影響を受けないため、精度の高い角度計測が可能となる。
【００４１】
図７は、ＦＢＧ１５を設けた角度センサ２を用いた角度センサ部１６のより具体的な実施形態を示す。
【００４２】
角度センサ部１６は、ＦＢＧ（図示せず）を設けた光ファイバ５を密着して固定し取り付けた弾性体（図示せず）と、光ファイバ５及び弾性体を収納した筐体２２と、筐体２２を管路１０の中心に管路１０と平行に保持して管路１０内を長手方向に移動する移動装置１２ａ、１２ｂとを備えて構成される。
【００４３】
移動装置１２ａ、１２ｂは、それぞれロッド６３の周りにガイドリング６４ａ、６４ｂを設けてなる。ガイドリング６４ａ、６４ｂによって常にロッド６３は管路１０のほぼ中心に保持される。ガイドリング６４ａ、６４ｂは、角度センサ部１６が管路１０内を円滑に移動するために設けられている。移動装置１２ａと移動装置１２ｂとの間には筐体２２がつながれており、よって筐体２２も管路１０の中心に保持される。
【００４４】
移動装置１２ａ、１２ｂは、角度センサ部１６の前部、後部で異なる方向に向けることができる構成となっており、角度センサ部１６が管路１０内を移動した場合、各々管路１０に沿って移動する。
【００４５】
具体的には、移動装置１２ａを牽引索１９で牽引すると筐体２２、移動装置１２ｂは牽引索１９の牽引に応じて移動装置１２ａと共に移動する。
【００４６】
移動装置１２ａ、筐体２２及び移動装置１２ｂが管路１０の屈曲部を通過すると、筐体２２は管路１０の曲げ角度θに応じて折り曲がる。
【００４７】
以上の構成により、角度センサ部１６は、管路１０内を移動装置１２にガイドされ、ウインチ（図示せず）に牽引されて移動し、管路１０の形状に応じて直進、折り曲げられながら移動する。
【００４８】
図８に、ウインチ（図示せず）に牽引されて移動する角度センサ部１６が管路１０の屈曲部を通過する際の状態を示す。
【００４９】
角度センサ部１６は、管路１０の屈曲部を通過すると移動装置１２ａと移動装置１２ｂとの間の筐体２２の部分で管路１０の屈曲部に従い、角度センサ部１６の筐体２２が同じ角度で折り曲がる。筐体２２の折り曲がりにより筐体２２内の弾性体及び弾性体に密着して固定したＦＢＧ（図示せず）も同様に折り曲がる。この折り曲げは、筐体２２の露出した部分で前述の図４の折り曲げの状態と同じである。従って、ＦＢＧ１５が曲げ角度θであるとき、図５（ａ）、図５（ｂ）に示す反射波長λに変化が生じ、筐体２２の屈曲前に反射波長λ＝λ０であったものが、折り曲げ後に反射波長λ＝λ１になる。
【００５０】
なお、図８では管路１０の屈曲部を二次元的に示したが、三次元的な屈曲部であってもよい。図６のように直交二軸の折り曲げ角度を計測する角度センサ２、２’を用いれば、直交二軸それぞれの軸の折り曲げ角度を互いに独立して計測することができる。
【００５１】
次に、上記角度センサ部１６を用いた管路計測装置を説明する。
【００５２】
図９の管路計測装置１は、筐体２２に収納され計測を行うための角度センサ部１６と、角度センサ部１６に於ける反射光を伝送する光ファイバ５と、光ファイバ５にコヒーレント光を供給する光源３と、反射光を計測する波長計測装置４と、光源３や波長計測装置４を接続するカプラ９と、角度センサ部１６（移動装置１２ａ、１２ｂを含む）の移動距離を計測するための移動量計測器としての機能を有し光ファイバ５の送出量を計測する計尺器８と、波長計測装置４から供給される反射波長のデータ等から演算を行い角度センサ部１６の移動軌跡を求めるコンピュータ７と、角度センサ部１６を牽引するための牽引索１９と、角度センサ部１６を牽引するウインチ１１とを備えて構成されている。角度センサ部１６は、前述図７、図８で示した構造となっている。
【００５３】
図示したように、角度センサ部１６は測定される埋設管路１０内を繋がれた牽引索１９を介してウインチ１１の牽引により移動し、角度計測を行う。
【００５４】
演算を行うコンピュータ７には、角度演算部１７と、軌跡演算部２７とが内蔵されている。
【００５５】
光源３から発光されたコヒーレント光は、カプラ９に供給される。カプラ９に供給されたコヒーレント光（光源光）は、光ファイバ５を介して、角度センサ部１６に供給される。
【００５６】
光源光の供給される角度センサ部１６は、計測される管路１０の中を牽引索１９に牽引されて管路長手方向に移動する。角度センサ部１６の内部には図１或いは図６で説明したＦＢＧ１５と弾性体６が内蔵されているのはもちろんである。ウインチ１１は、角度センサ部１６に接続された牽引索１９を牽引し、計測される管路１０内に置かれた角度センサ部１６を管路長手方向に移動させる。角度センサ部１６内のＦＢＧ１５は管路１０を移動する際に各々の位置の折り曲げ角度θに応じた波長を反射する。この反射波長が角度センサ部１６で検出される各位置の角度データに相当する。
【００５７】
光ファイバ５は、管路１０内を移動する角度センサ部１６における反射光を波長計測装置４に伝送する。波長計測装置４は、光ファイバ５から供給された反射光により反射光の波長を計測する。コンピュータ７の角度演算部１７は、波長計測装置４によって計測された反射光の波長データによる演算を行い、角度センサ部１６に於ける折り曲げ角度θを算出する。この折り曲げ角度θが、管路１０屈曲部の各々の角度データである。
【００５８】
計尺器８は、ウインチ１１に牽引された牽引索１９の牽引量（光ファイバ５の送出量）即ち角度センサ部１６、移動装置１２ａ、１２ｂの移動距離を検出し、コンピュータ７の軌跡演算部２７に供給する。軌跡演算部２７は、角度演算部１７で算出された角度データと計尺器８から供給された角度センサ部１６の移動距離データとから角度センサ部１６の軌跡演算を行うことができる。この計測過程により管路１０の管路位置計測ができ、管路１０内での移動軌跡が求められる。
【００５９】
管路計測装置１による計測過程を以下に説明する。角度センサ部１６は光ファイバ５に接続され、移動装置１２ａが牽引索１９を介してウインチ１１により牽引されている。牽引された光ファイバ５及び角度センサ部１６は、埋設された管路１０内を長手方向に移動する。角度センサ部１６が移動するのに伴って、管路１０の屈曲部を通過すると、角度センサ部１６は管路１０の曲がり具合（曲げ角度θ）に応じた曲げ歪を受ける。この曲げ歪みに応じて角度センサ部１６は光源光を反射し、この反射された光は、光ファイバ５により接続されている波長計測装置４に供給される。波長計測装置４で反射波長が計測され、計測された反射波長のデータは、角度演算部１７に供給される。供給された反射波長のデータは演算され、その演算結果により、角度センサ部１６の通った管路１０の屈曲部の曲げ角度データが得られる。
【００６０】
なお、図９に示す管路１０は二次元的に示してあるが、一般的には三次元的な屈曲部を有する管路１０である。図６のように直交二軸の折り曲げ角度を計測可能な角度センサ２、２’を用いた角度センサ部１６を管路計測装置１の構成にすることで、直交二軸それぞれの軸の折り曲げ角度を互いに独立して計測することができる。
【００６１】
牽引索１９を介して牽引することで光ファイバ５及び角度センサ部１６は、管路１０内を移動し、計尺器８により光ファイバ５の送出量を計尺することで、牽引索１９の牽引量即ち角度センサ部１６の移動距離が検出される。計尺器８によって検出された角度センサ部１６（移動装置１２ａ、１２ｂを含む）の移動距離データは、コンピュータ７の軌跡演算部２７に供給される。
【００６２】
角度演算部１７で算出された角度データと、計尺器８から供給された移動距離データとは、コンピュータ７の軌跡演算部２７で演算される。軌跡演算部２７での演算結果は、角度センサに管路１０内の移動軌跡に対応し、これにより管路１０の管路位置計測ができ、管路１０の埋設位置が得ることができる。
【００６３】
以上、記したように、本実施の形態により従来に比べ小形の角度センサを実現でき、該角度センサを用いた管路計測装置により、小口径の埋設管路の位置を正確に計測することが可能となると共に、管路近傍に鉄骨等の磁性体が在る場合にも周囲の電磁干渉の影響を受けないため、精度の高い角度計測が可能となる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば精度の良い管路計測装置が得られるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の角度センサの実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の角度センサの実施形態を示す構成図である。
【図３】光ファイバに設けられたＦＢＧと反射波長の関係を示す説明図である。
【図４】本発明の角度センサの動作を示す側面図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の角度センサの特性を示す特性図である。図５（ｂ）は、本発明の角度センサの特性を示す特性図である。
【図６】図１の変形例を示す説明図である。
【図７】本発明の管路計測装置の一実施形態を示す側面図である。
【図８】本発明の管路計測装置の一実施形態を示す側面図である。
【図９】本発明の管路計測装置の一実施形態を示す構成図である。
【図１０】従来の管路計測装置を示す構成図である。
【符号の説明】
２角度センサ
３光源
４波長計測装置
５光ファイバ
６弾性体
８移動量計測器（計尺器）
９カプラ
１２ａ、１２ｂ移動装置
１５光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
１７角度演算部
２７軌跡演算部

Claims

弾性体と、該弾性体の折り曲げに応じて伸縮するように該弾性体に取り付けられ、伸縮に応じて反射波長が変化する光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）とを備えたことを特徴とする角度センサ。
角度センサを管路内で移動させ該管路を計測する管路位置計測において、弾性体にＦＢＧを取り付けられた角度センサと、該角度センサを保持して管路の長手方向に沿って移動させる移動装置と、前記移動装置の移動量を計測する移動量計測器と、前記ＦＢＧの反射波長から弾性体の曲げ角度を演算する角度演算部と、前記移動装置の移動量と弾性体の曲げ角度とから角度センサの移動軌跡を計算する軌跡演算部とを備えたことを特徴とする管路計測装置。