JP2011237380A - ６自由度加速度センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造体の並進成分および回転成分を計測することが可能な６自由度加速度センサ装置を提供する。
【解決手段】中空状の筐体１１と、筐体内に配置され、構造体の水平方向に沿うように配された配置板１２と、配置板上に配された複数の３軸加速度計１３と、複数の３軸加速度計の出力から構造体の並進成分および回転成分を演算可能な演算回路１４と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、６自由度加速度センサ装置に関するものである。

構造体に対して地震などの外力が作用する時には、一般的に構造体が揺れることで変形が生じる。その変形量（建物層間変形：上階と下階とのずれ）を計測することで、構造体の健全性を判断するためのセンサが開発されている（例えば、特許文献１参照）。このセンサは、変形量の最大値を保持するものであり、通常水平面内の２方向の変形を計測している。

しかしながら、構造体のこうした変形を計測するには、対象とする構造体の層間変形を計測する必要があり、上述した特許文献１のセンサを用いようとすると、センサを設置する際に専用の治具が必要であり、かつ、センサの設置位置に工夫が必要である。また、計測対象とする構造体においての変形には回転の影響も含まれ、水平方向の変形量のみではせん断変形、曲げ変形、ロッキングなど複雑な成分を正確に評価することが困難である。

そのため、加速度計のように簡便に設置可能なセンサを用い、かつ、加速度計を適切な場所に設置することで、上述した回転成分が含まれた変形を推定することが可能である。通常の変形量を推定する方法は、この加速度計を構造体（建物）の上階と下階（基礎）に配置して、得られた加速度波形を２階積分することで、構造体としての層間変形（相対変位）を求めることができる。そして、この構造体の層間変形に基づいて、建物健全性を評価する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４２６４８９１号公報 特開２００３−３４４２１３号公報

しかしながら、特許文献２において評価している加速度計から求めた層間変形には回転成分も含まれている。すると、高層建物のように曲げ変形を多く含むような構造体においては、建物健全性を評価する際に、その精度が低下することが考えられる。そのため、加速度計を用いて並行成分および回転成分を含む動きを確実に捉えることができる技術が望まれる。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、構造体の並進成分および回転成分を計測することが可能な６自由度加速度センサ装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の６自由度加速度センサ装置は、中空状の筐体と、該筐体内に配置され、構造体の水平方向に沿うように配された配置板と、該配置板上に配された複数の３軸加速度計と、該複数の３軸加速度計の出力から前記構造体の並進成分および回転成分を演算可能な演算回路と、を備えていることを特徴としている。

本発明によれば、筐体内の配置板上に複数の３軸加速度計が配されているため、それぞれの３軸加速度計の出力値に基づいて構造体の並進成分および回転成分を検出することができる。

また、本発明は、前記配置板上に、前記３軸加速度計が４個配置されており、前記３軸加速度計は、前記構造体の水平方向の検知軸に対して４５°ずれた位置にそれぞれ配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、筐体内の配置板上に４個の３軸加速度計が配されているため、それぞれの３軸加速度計の出力値に基づいて構造体の並進成分および回転成分を検出することができる。また、４個の３軸加速度計を水平方向の検知軸に対してそれぞれ４５°ずれた位置に配置することにより、３軸加速度計のノイズなどによる誤検知の影響を低減することができ、より正確に構造体の並進成分および回転成分を検出することができる。

本発明の６自由度加速度センサ装置によれば、筐体内の配置板上に複数の３軸加速度計が配されているため、それぞれの３軸加速度計の出力値に基づいて構造体の並進成分および回転成分を検出することができる。

本発明の実施形態における６自由度加速度センサ装置の概略構成図である。 本発明の実施形態における構造体の概略斜視図である。 本発明の実施形態における３軸加速度センサの配置状態を示す概略平面図（１）である。 本発明の実施形態における３軸加速度センサの配置状態を示す概略平面図（２）である。 本発明の実施形態における３軸加速度センサの配置状態を示す概略平面図（３）である。 本発明の実施形態における３軸加速度センサの配置状態を示す概略平面図（４）である。 本発明の実施形態における構造体に６自由度加速度センサ装置を配置した状態を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態における構造体の曲げせん断変形の層間変形を求める際に利用するモデル図である。

次に、本発明の実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。
図１は本実施形態における６自由度加速度センサ装置の概略構成図である。図１に示すように、６自由度加速度センサ装置１０は、中空状の筐体１１と、筐体１１内に配置され、構造体３０の水平方向に沿うように配された配置板１２と、配置板１２上に配された複数の３軸加速度計１３と、複数の３軸加速度計１３の出力から構造体３０の並進成分および回転成分を演算可能な演算回路１４と、を備えている。なお、図２に構造体３０の一例を示す。図２に示すように、構造体３０は、例えば５階建てのビルであり、水平面内方向にＸ軸およびＹ軸を設定し、鉛直方向にＺ軸を設定する。

３軸加速度計１３は配置板１２上に複数配することで構造体３０の並進成分および回転成分を検出することができるが、３軸加速度計１３の具体的な配置例を４つ説明する。

（配置例１）
図３は３軸加速度計１３を２個用いて、配置板１２上に配置した状態を示している。配置板１２は、構造物３０のＸ軸およびＹ軸に平行な水平状態に保持されている。図３に示すように、配置板１２の中心Ｃを介して対称な位置に２個の３軸加速度計１３が配されている。具体的には、＋Ｘ軸方向から−４５°オフセットした位置に第１センサ１３Ａが配され、中心Ｃを介して第１センサ１３Ａの反対側に第２センサ１３Ｂが配されている。中心Ｃから第１センサ１３Ａまでの距離と、中心Ｃから第２センサ１３Ｂまでの距離は同一距離ｒに設定されている。

このように２個のセンサ１３Ａ，１３Ｂが配された６自由度加速度センサ装置１０において、第１センサ１３Ａで検出された各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度を（ａ１ｘ、ａ１ｙ、ａ１ｚ）とし、第２センサ１３Ｂで検出された各軸方向の加速度を（ａ２ｘ、ａ２ｙ、ａ２ｚ）とする。また、構造体３０に生じる各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度（ｃｍ／ｓ／ｓ）、つまり、構造体３０の加速度の並進成分（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ）は、

で表される。

さらに、構造体３０に生じる各軸方向を中心に生じる角加速度（ｒａｄ／ｓ／ｓ）、つまり、構造体３０の加速度の回転成分（θｘ、θｙ、θｚ）は、

で表される。

すなわち、２個の３軸加速度計１３（１３Ａ，１３Ｂ）を配置板１２上に配置することにより、構造体３０における６自由度加速度センサ装置１０を設置した箇所の並進成分および回転成分を検出することができる。なお、上記演算は演算回路１４において行われる。

（配置例２）
図４は３軸加速度計１３を３個用いて、配置板１２上に配置した状態を示している。配置板１２は、構造物３０のＸ軸およびＹ軸に平行な水平状態に保持されている。図４に示すように、配置板１２の中心Ｃを介して対称な位置に３個の３軸加速度計１３が配されている。具体的には、Ｙ軸に沿う位置に第１センサ１３Ｃが配され、＋Ｘ軸方向から−１５０°オフセットした位置に第２センサ１３Ｄが配され、＋Ｘ軸方向から−３０°オフセットした位置に第３センサ１３Ｅが配されている。つまり、第１センサ１３Ｃ、第２センサ１３Ｄおよび第３センサ１３Ｅは中心Ｃを介して１２０°ずつ離れた位置に配されている。なお、中心Ｃから第１センサ１３Ｃまでの距離と、中心Ｃから第２センサ１３Ｄまでの距離と、中心Ｃから第３センサ１３Ｅまでの距離とは同一距離ｒに設定されている。

このように３個のセンサ１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅが配された６自由度加速度センサ装置１０において、第１センサ１３Ｃで検出された各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度を（ａ１ｘ、ａ１ｙ、ａ１ｚ）とし、第２センサ１３Ｄで検出された各軸方向の加速度を（ａ２ｘ、ａ２ｙ、ａ２ｚ）とし、第３センサ１３Ｅで検出された各軸方向の加速度を（ａ３ｘ、ａ３ｙ、ａ３ｚ）とする。また、構造体３０に生じる各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度（ｃｍ／ｓ／ｓ）、つまり、構造体３０の加速度の並進成分（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ）は、

で表される。

さらに、構造体３０に生じる各軸方向を中心に生じる角加速度（ｒａｄ／ｓ／ｓ）、つまり、構造体３０の加速度の回転成分（θｘ、θｙ、θｚ）は、

で表される。

すなわち、３個の３軸加速度計１３（１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ）を配置板１２上に配置することにより、構造体３０における６自由度加速度センサ装置１０を設置した箇所の並進成分および回転成分を検出することができる。なお、上記演算は演算回路１４において行われる。

（配置例３）
図５は３軸加速度計１３を４個用いて、配置板１２上に配置した状態を示している。配置板１２は、構造物３０のＸ軸およびＹ軸に平行な水平状態に保持されている。図５に示すように、配置板１２の中心Ｃを介して対称な位置に４個の３軸加速度計１３が配されている。具体的には、＋Ｙ軸上に第１センサ１３Ｆが配され、−Ｘ軸上に第２センサ１３Ｇが配され、−Ｙ軸上に第３センサ１３Ｈが配され、＋Ｘ軸上に第４センサ１３Ｉが配されている。つまり、第１センサ１３Ｆ、第２センサ１３Ｇ、第３センサ１３Ｈおよび第４センサ１３Ｉは中心Ｃを介して９０°ずつ離れた位置に配されている。なお、中心Ｃから第１センサ１３Ｆまでの距離と、中心Ｃから第２センサ１３Ｇまでの距離と、中心Ｃから第３センサ１３Ｈまでの距離と、中心Ｃから第４センサ１３Ｉまでの距離と、は同一距離ｒに設定されている。

このように４個のセンサ１３Ｆ，１３Ｇ，１３Ｈ，１３Ｉが配された６自由度加速度センサ装置１０において、第１センサ１３Ｆで検出された各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度を（ａ１ｘ、ａ１ｙ、ａ１ｚ）とし、第２センサ１３Ｇで検出された各軸方向の加速度を（ａ２ｘ、ａ２ｙ、ａ２ｚ）とし、第３センサ１３Ｈで検出された各軸方向の加速度を（ａ３ｘ、ａ３ｙ、ａ３ｚ）とし、第４センサ１３Ｉで検出された各軸方向の加速度を（ａ４ｘ、ａ４ｙ、ａ４ｚ）とする。また、構造体３０に生じる各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度（ｃｍ／ｓ／ｓ）、つまり、構造体３０の加速度の並進成分（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ）は、

で表される。

さらに、構造体３０に生じる各軸方向を中心に生じる角加速度（ｒａｄ／ｓ／ｓ）、つまり、構造体３０の加速度の回転成分（θｘ、θｙ、θｚ）は、

で表される。

すなわち、４個の３軸加速度計１３（１３Ｆ，１３Ｇ，１３Ｈ，１３Ｉ）を配置板１２上に配置することにより、構造体３０における６自由度加速度センサ装置１０を設置した箇所の並進成分および回転成分を検出することができる。なお、上記演算は演算回路１４において行われる。

（配置例４）
図６は３軸加速度計１３を４個用いて、配置板１２上に配置した状態を示している。配置板１２は、構造物３０のＸ軸およびＹ軸に平行な水平状態に保持されている。図６に示すように、配置板１２の中心Ｃを介して対称な位置に４個の３軸加速度計１３が配されている。具体的には、＋Ｘ軸方向から＋４５°オフセットした位置に第１センサ１３Ｊが配され、＋Ｘ軸方向から１３５°オフセットした位置に第２センサ１３Ｋが配され、−Ｘ軸方向から＋４５°オフセットした位置に第３センサ１３Ｌが配され、＋Ｘ軸方向から−４５°オフセットした位置に第４センサ１３Ｍが配されている。つまり、第１センサ１３Ｊ、第２センサ１３Ｋ、第３センサ１３Ｌおよび第４センサ１３Ｍは中心Ｃを介して９０°ずつ離れた位置に配されている。なお、中心Ｃから第１センサ１３Ｊまでの距離と、中心Ｃから第２センサ１３Ｋまでの距離と、中心Ｃから第３センサ１３Ｌまでの距離と、中心Ｃから第４センサ１３Ｍまでの距離と、は同一距離ｒに設定されている。

このように４個のセンサ１３Ｊ，１３Ｋ，１３Ｌ，１３Ｍが配された６自由度加速度センサ装置１０において、第１センサ１３Ｊで検出された各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度を（ａ１ｘ、ａ１ｙ、ａ１ｚ）とし、第２センサ１３Ｋで検出された各軸方向の加速度を（ａ２ｘ、ａ２ｙ、ａ２ｚ）とし、第３センサ１３Ｌで検出された各軸方向の加速度を（ａ３ｘ、ａ３ｙ、ａ３ｚ）とし、第４センサ１３Ｍで検出された各軸方向の加速度を（ａ４ｘ、ａ４ｙ、ａ４ｚ）とする。また、構造体３０に生じる各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度（ｃｍ／ｓ／ｓ）、つまり、構造体３０の加速度の並進成分（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ）は、

で表される。

さらに、構造体３０に生じる各軸方向を中心に生じる角加速度（ｒａｄ／ｓ／ｓ）、つまり、構造体３０の加速度の回転成分（θｘ、θｙ、θｚ）は、

で表される。

すなわち、４個の３軸加速度計１３（１３Ｊ，１３Ｋ，１３Ｌ，１３Ｍ）を配置板１２上に配置することにより、構造体３０における６自由度加速度センサ装置１０を設置した箇所の並進成分および回転成分を検出することができる。なお、上記演算は演算回路１４において行われる。

上述した４つの例のように、配置板１２上に複数の３軸加速度計１３を適切に配置することにより、構造体３０における６自由度加速度センサ装置１０を設置した箇所の並進成分および回転成分を検出することができる。

なお、上述した４つの例のうち、配置例４で示した配置をすることにより、３軸加速度計１３のノイズなどに起因する誤検知の発生を低減することができ、また、３軸加速度計１３の個数を多くすることにより、各パラメータを検出する際の平均化個数を多くすることができるため、望ましい。

図７に示すように、上述のように構成された６自由度加速度センサ装置１０を構造体３０に複数設置することにより、地震時などにおいてビルなどの構造体３０の揺れの計測に利用することができ、構造体３０の上下階に複数配置することにより、立体的な動きの検出が可能となる。そして、それらの結果に基づいて、構造体３０の健全性を評価することも可能になる。

具体的には、図８に示すように、構造体３０の各階において曲げせん断変形が生じた場合に、屋上（ＲＦ）に設置された６自由度加速度センサ装置１０と５階（５Ｆ）に設置された６自由度加速度センサ装置１０との間の曲げせん断層間変形Ｄは、
Ｄ＝ｄ５ｘ・ｃｏｓθ５ｙ−ｄ４ｘ・ｃｏｓθ４ｙ
となる。なお、ｄは変位を表し、θは回転角を表している。

また、曲げせん断層間角Δθは、
Δθ＝θ５ｙ−θ４ｙ
となる。

また、曲げ層間変形δｍは、
δｍ＝Ｄ・ｓｉｎΔθ・ｓｉｎΔθ／ｃｏｓΔθ
となる。

さらに、せん断層間変形δは、
δ＝Ｄ・ｃｏｓΔθ
となる。

そして、曲げせん断比δｍ／δは、
δｍ／δ＝（ｓｉｎΔθ）＾２／（ｃｏｓΔθ）＾２
となる。

本実施形態によれば、筐体１１内の配置板１２上に複数の３軸加速度計１３が配されているため、それぞれの３軸加速度計１３の出力値に基づいて構造体３０の並進成分および回転成分を検出することができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態の演算回路１４にネットワーク型のコンピュータ回路を内蔵することで、複数の６自由度加速度センサ装置１０をネットワーク化してもよい。このようにネットワーク化することにより、容易に各装置間の同期をとることができる。

１０…６自由度加速度センサ装置 １１…筐体 １２…配置板 １３…３軸加速度計 １４…演算回路 ３０…構造体

Claims (2)

1. 中空状の筐体と、
   該筐体内に配置され、構造体の水平方向に沿うように配された配置板と、
   該配置板上に配された複数の３軸加速度計と、
   該複数の３軸加速度計の出力から前記構造体の並進成分および回転成分を演算可能な演算回路と、を備えていることを特徴とする６自由度加速度センサ装置。
2. 前記配置板上に、前記３軸加速度計が４個配置されており、
   前記３軸加速度計は、前記構造体の水平方向の検知軸に対して４５°ずれた位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１に記載の６自由度加速度センサ装置。

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