JP4174040B2

JP4174040B2 - 振動記憶装置及び振動記録システム

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Publication number: JP4174040B2
Application number: JP2004214530A
Authority: JP
Inventors: 貢一佐藤; 隆敏末田; 修満八木下
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: JP2006038482A

Description

本発明は、建築物等を構成する柱、梁、壁、床等に加えられた振動の履歴情報を管理する技術に関するものである。

建築物等を構成する柱、梁、壁、床等の構造部材は、その外見からだけでは経時的な損傷の程度を判断することは難しく、特にそれらの構造部材がコンクリートから形成されている場合には、損傷の程度を判断することが困難な場合が多い。そのような場合、Ｘ線検査などによりコンクリート内部での亀裂の生じ方等を検査する方法などもあるが、そのような検査は非常に手間のかかるものであった。

そのため、従来より、例えば特開平１０−９６７４２号公報（特許文献１）、特開２００１−２０１５１１号公報（特許文献２）等に開示されているような加速度検出装置を建築物等の所定の場所に設置し、建築物に加わる地震等による振動の経時的な履歴を記録しておき、その履歴から建築物の損傷の程度を予測することが行なわれている。
特開平１０−９６７４２号公報特開２００１−２０１５１１号公報

しかしながら、上記のような加速度検出装置を建築物に設置する従来の方法では、いつ地震等の振動が建築物に加わるかが予測できないため、振動が生じていない状態でも常時加速度値を記録しておかなければならず、振動が生じていない状態の多くの無駄なデータを記録することになるという問題点があった。

また、常時加速度値を記録することから、時間の経過とともに膨大な量のデータが記録されることになり、数十年という長期にわたって記録をとり続けることは困難であった。

さらに、上記の従来の方法では、加速度検出装置と記録装置の間の配線が必要であり、その配線のためのスペースが必要であったり、配線のための手間がかかるといった問題点もあった。

したがって、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、建築物等に振動が生じたときのみ、その振動履歴を記録できるようにすることである。

また、本発明の他の目的は、加速度検出装置と記録装置間の配線をなくすことである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる振動記憶装置は、振動を検出するための第１及び第２の加速度計と、前記第１の加速度計の出力信号を整流して直流電圧に変換する整流回路と、該整流回路により整流された直流電圧により駆動されるＩＣチップと、前記第１の加速度計の振動を前記第２の加速度計に遅延して伝達するために、前記第１の加速度計と前記第２の加速度計を機械的に接続する棒状の遅延部材と、前記第２の加速度計の出力信号を前記ＩＣチップの制御により記憶するメモリと、該メモリに記憶された加速度データを無線で外部に送信する送信手段と、を具備することを特徴とする。

また、この発明にかかわる振動記憶装置において、前記第２の加速度計の出力信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器をさらに具備することを特徴とする。

また、この発明にかかわる振動記憶装置において、前記第１及び第２の加速度計は、圧電セラミックを用いた加速度計であることを特徴とする。

また、この発明にかかわる振動記憶装置において、前記送信手段は、ＲＦＩＤの原理により無線通信を行なうことを特徴とする。

また、この発明にかかわる振動記憶装置において、前記ＩＣチップに所定のクロック信号を供給するための時計をさらに具備することを特徴とする。

また、この発明に係わる振動記憶装置において、前記遅延部材は、それぞれ共振周波数の異なる複数の振動子を有することを特徴とする。

また、この発明に係わる振動記憶装置において、前記遅延部材は、前記第１の加速度計から前記第２の加速度計に伝達される振動の反射を防止するための振動吸収負荷を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかわる振動記録システムは、振動を検出するための第１及び第２の加速度計と、前記第１の加速度計の出力信号を整流して直流電圧に変換する整流回路と、該整流回路により整流された直流電圧により駆動されるＩＣチップと、前記第１の加速度計の振動を前記第２の加速度計に遅延して伝達するために、前記第１の加速度計と前記第２の加速度計を機械的に接続する棒状の遅延部材と、前記第２の加速度計の出力信号を前記ＩＣチップの制御により記憶するメモリと、該メモリに記憶された加速度データを無線で外部に送信する送信手段とを具備する振動記憶装置と、前記振動記憶装置に備えられた前記メモリから前記加速度計で得られた加速度データを無線で読み出す読み出し装置とを備え、前記振動記憶装置と前記読み出し装置とは、ＲＦＩＤの原理により無線でデータの通信を行なうための通信手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、建築物等に振動が生じたときのみ、その振動履歴を記録することが可能となる。

また、加速度検出装置と記録装置間の配線をなくすことが可能となる。

以下、本発明の好適な一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる振動記録システムの一実施形態の概略構成を示すブロック図である。

図１において、振動記録システムは、建築物の柱、梁、壁、床等に設置される振動記憶装置１００と、振動記憶装置１００とは別体で、振動記憶装置１００に記憶されている振動履歴を無線で読み出す、あるいは振動記憶装置１００に必要な情報を記録するための情報読み出し／記録装置２００とから構成されている。

振動記憶装置１００は、建築物に加わる振動を検出するための圧電セラミック等からなる第１の加速度計（加速度センサ）８と、第１の加速度計８で発生して振動遅延伝達棹９（詳細は後述する）により所定時間遅延された振動を検出するための圧電セラミック等からなる第２の加速度計（加速度センサ）１０と、第２の加速度計１０から出力される加速度信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器１２と、第１の加速度計８から出力される加速度信号を整流し、ＤＣ電力に変換するための整流回路１３と、Ａ／Ｄ変換器１２から出力された加速度のデジタル信号に所定の演算処理を施すためのＩＣチップ１４と、ＩＣチップ１４により演算処理された加速度値を記憶するためのメモリ１６と、ＩＣチップ１４に所定のクロック信号を供給するための時計１８と、時計１８の電源となるバッテリー２０と、メモリ１６から読み出された加速度履歴を情報読み出し／記録装置２００に送信、あるいは情報読み出し／記録装置２００から送信される情報を受信するための送受信回路２２と、送受信回路２２と情報読み出し／記録装置２００との間の信号のやり取りを行なうと共に、情報読み出し／記録装置２００から発信される電磁波等によりＩＣチップ１４の電源となる起電力を発生するためのアンテナ２４とを備えて構成されている。

また、情報読み出し／記録装置２００は、振動記憶装置１００に電磁波等を送信するためのアンテナ３０と、振動記憶装置１００から振動履歴を読み出す、あるいは振動記憶装置１００に必要な情報を送信するためのリーダ／ライタ部３２とを備えている。

ここで、振動記憶装置１００内におけるＩＣチップ１４とメモリ１６と送受信回路２２とアンテナ２４は、無線ＩＣタグ２６を構成しており、情報読み出し／記録装置２００とともに、所謂ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）と呼ばれる無線通信システムを構成している。

ＲＦＩＤには、交流磁界によるコイルの相互誘導を利用して５５０ＫＨｚ以下の長波帯での交信を行なう電磁結合方式と、主に１３５ＫＨｚ以下、あるいは１３．５６ＭＨｚ帯の短波の電磁波を利用する電磁誘導方式と、８００／９００ＭＨｚのＵＨＦ帯を利用する電磁波伝播方式と、２．４５ＧＨｚの準マイクロ波帯により交信を行なうマイクロ波方式とがあるが、いずれの方式も本実施形態に適用可能である。

図２は、本実施形態における無線ＩＣタグ２６の構成の一例を示す概略平面図である。

無線ＩＣタグ２６は、ＩＣチップ１４と、このＩＣチップ１４をループ状に取り巻くように配置されたループアンテナ２４とを備えている。情報読み出し／記録装置２００から発信された電磁波により、ループアンテナ２４に電磁誘導による起電力が発生し、この起電力がＩＣチップ１４を駆動する電源となる。なお、図２においては、メモリ１６と送受信回路２２は、ＩＣチップ１４の中に含まれるものとして示されている。

なお、上記のように構成される振動記憶装置１００は、第１の加速度計８の出力信号を電源としてＩＣチップ１４を駆動させて振動波形を記憶し、また、外部の情報読み出し／記録装置２００との通信は、情報読み出し／記録装置２００から発信される電磁波等による誘導起電力を利用して行なわれるため、基本的に内部に電池等の電源を備える必要はない。しかしながら、建築物等に加わった振動履歴を記録する場合、第２の加速度計１０から出力される振動波形を、例えば０．０１秒毎などの一定のサンプリング周期で記憶することも振動履歴を後に解析する場合に有効である。そのため、本実施形態では、振動記憶装置１００内に時計１８を備えており、その電源としてボタン型のリチウム電池などのバッテリー２０を内部に備える必要がある。そして、このバッテリーは定期的に交換する必要がある。ただしこのようなバッテリーは、単に時計を駆動させるために使用されるだけであるので、その寿命は長く、２〜３年に１回程度の交換ですむため、頻繁に振動記憶装置１００の保守を行なう必要はない。また、本実施形態では、上記のような理由により振動記憶装置１００の内部に時計１８を備えているが、時計１８のクロック信号が無かったとしても加速度計８，１０に振動が加われば、自動的に振動波形がメモリ１６に記憶されるので、時計１８は必ずしも必須なものではない。

図３は、第１及び第２の加速度計（加速度センサ）８，１０の構成を示す斜視図であり、図４は加速度計の振動検出原理を説明するための図である。なお、第１及び第２の加速度計８，１０の構成は略同様であるので、図３にはその一方の構成を示す。

加速度計８，１０は、板状の圧電セラミック５０を１箇所以上で支持して構成されており、図３は例えば１箇所で支持された構造を示している。そして、加速度計８，１０に振動が加わると、圧電セラミック５０の先端部が、加えられた振動の加速度に応じて上下に振動する。このとき、圧電セラミック５０の上下の表面は、それぞれ圧縮力と引っ張り力を受け、それによる圧縮／引っ張り歪により起電力を発生し、図４に示すような加速度波形が出力される。この加速度波形を図１に示すＡ／Ｄ変換器１２によりデジタル信号に変換し、ＩＣチップ１４の制御によりメモリ１６に格納することで、第１及び第２の加速度計８，１０が設置された建築物等に加わった振動履歴を記録しておくことができる。

なお、第１及び第２の加速度計８，１０に使用する圧電セラミックとしては、１枚で構成されるものと、２枚の圧電セラミックを貼り合わせたバイモルフと呼ばれるものがあるが、どちらも本実施形態に適用可能である。

次に、図５は、第１及び第２の加速度計８，１０と振動遅延伝達棹９の関係を模式的に示した図である。

本実施形態は、加速度計を、建築物等に加わった加速度波形の発生源として用いると共に、その出力信号を整流することによりＩＣチップ１４の駆動電力源としても用いることを主旨としている。そのためには、例えば、第２の加速度計１０の出力信号を整流回路１３に入力してＩＣチップ１４の駆動電力とすれば、第１の加速度計８がなかったとしても、振動波形を記録することは可能である。しかしながら、第２の加速度計１０のみの場合には、第２の加速度計１０に振動が加えられ始めた時点から、その出力信号が整流回路１３で整流されてＩＣチップ１４が駆動され始める時点までの間に僅かなタイムラグが生じる。そのため、このタイムラグの間は、第２の加速度計１０からの加速度波形が記録されないこととなってしまう。

そのため、本実施形態では、第１の加速度計８の出力信号を整流回路１３で整流してＩＣチップ１４の駆動電力源にする一方、第１の加速度計８の振動を振動遅延伝達棹９により第２の加速度計１０に伝達させ、第２の加速度計１０からの振動波形信号を記録するようにしている。振動遅延伝達棹９はある一定の長さを有しているので、第１の加速度計８の圧電セラミックの振動が振動遅延伝達棹９を伝播するのにある一定の時間がかかり、第２の加速度計１０は、このある一定の遅延時間が経過した後に振動し始める。そのため、第１の加速度計８からの出力電圧によりＩＣチップ１４の駆動が開始された後に、第２の加速度計１０から振動波形が出力されるようになるので、振動の初期の波形からもらさずメモリ１６に記録することが可能となる。

図６は、上記の振動波形の遅延原理を説明するための図である。

まず、図６（ａ）に示す様に、第１の加速度計８に時刻Ｔ１で振動が加わり始めたとすると、その出力信号が整流されてＩＣチップ１４が駆動され始めるまでには一定の時間がかかり、ＩＣチップ１４は時刻Ｔ２から駆動され始める。そのため、第１の加速度計８からの出力波形をそのまま記録したのでは、図６（ｂ）に示す様に、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間の振動波形データが記録されずに欠損してしまう。これに対し、本実施形態では、振動遅延伝達棹９の長さを、第１の加速度計８の振動が第２の加速度計１０に略（Ｔ２−Ｔ１）の時間で伝達するような長さに設定しておくことにより、図６（ｃ）に示す様に、振動波形の最初から記録することが可能となる。

次に、図５に戻って振動遅延伝達棹９の構造について説明する。

振動遅延伝達棹９は棒状の部材であり、その第１の加速度計８に接続されている側の端部には、複数（本実施形態では例えば４つ）の振動子６０，６２，６４，６６が固定されている。これらの振動子は、それぞれ棒状部６０ａ，６２ａ，６４ａ，６６ａと、その先端に固定された錘６０ｂ，６２ｂ，６４ｂ，６６ｂとを備えて構成されている。そして、各振動子６０，６２，６４，６６は、それぞれ棒状部の長さと錘の重さが異なっており、それぞれの振動子の共振周波数が異なるように構成されている。なお、本実施形態では、振動子を４つ備える場合について説明したが、振動子の個数は４つに限らずその他の個数でもよいことは言うまでもない。

ここで、図７（ａ）に示す様に、ｎ個の振動子の共振周波数をそれぞれＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，…Ｆｎとすれば、ｎ個の振動子の周波数特性を合成した振動検出周波数特性は、図７（ｂ）に曲線Ａで示す様に広い帯域にわたって略フラットな特性となる。そのため、様々な周波数の振動が建物等に加わった場合でも、それらの様々な周波数の振動の検出感度が略一様になり、広い帯域の振動検出が可能となる。

また、振動遅延伝達棹９の第２の加速度計１０に接続されている側の端部には、バネ等からなる振動吸収負荷７０が取り付けられており、振動遅延伝達棹９を伝達してきた振動の反射を防止することにより、伝達されてきた振動を第２の加速度計１０で正確に検出することが可能となる。

次に、図８は、圧電セラミック５０（第１の加速度計８）が出力する電圧変化である加速度波形を整流するための整流回路１３を示す図である。

圧電セラミック５０から出力される加速度波形は交流電圧であるが、これを図８に示すような整流回路１３でＤＣ電圧に変換することにより、このＤＣ電圧を図１に示すＩＣチップ１４の駆動電圧として利用することができる。このように、第１の加速度計８の出力信号を、振動の大きさを示す加速度波形としてだけではなく、ＩＣチップ１４を駆動するための電源として使用することにより、第１の加速度計８に振動が加わった場合のみＩＣチップ１４が駆動されて振動波形が記憶されるので、振動が加わっていない状態での不要なデータまでをも記録してしまうことが防止される。そのため、必要なデータのみがメモリ１６に記憶されることになり、メモリ１６の記憶容量を有効に使用することができる。

次に、上述したように構成される振動記録システムの動作について図１を参照して説明する。

まず、振動記憶装置１００が使用者により、建築物の柱、梁、壁、床等の必要な場所に取り付けられる。そして、地震等により建築物に振動が加わると、振動記憶装置１００内の第１の加速度計８が振動波形を出力する。第１の加速度計８から出力された振動波形は、整流回路１３によりＤＣ電圧に変換され、このＤＣ電圧によりＩＣチップ１４が駆動される。これと同時に、第１の加速度計８の振動は、振動遅延伝達棹９を介して所定時間遅れて第２の加速度計１０に伝達され、第２の加速度計１０から振動波形が出力される。この振動波形は、Ａ／Ｄ変換器１２にも供給され、ここでデジタル信号に変換され、ＩＣチップ１４の処理により振動波形のデジタルデータがメモリ１６に記憶される。このとき、ＩＣチップ１４には、時計１８から所定のクロック信号が入力され、第２の加速度計１０から出力される振動波形は、例えば０．０１秒毎などの一定のサンプリング周期でサンプリングされる。このようにして、振動記憶装置１００のメモリ１６には、建築物に加わった振動波形の履歴が時間の経過とともに蓄積されていく。

一方、使用者は、ある程度の期間が経過すると、必要に応じて情報読み出し／記録装置２００を建築物の振動記憶装置１００が取り付けられている場所に持っていき、又はその場所で、既に説明した原理により振動記憶装置１００からメモリ１６に記憶されている振動履歴のデータを情報読み出し／記録装置２００に読み出す。そして、情報読み出し／記録装置２００を持ち帰り、読み出されたデータの解析等を行なう。

以上説明したように、上記の実施形態によれば、第１の加速度計８の出力信号を起電力としてＩＣチップ１４を駆動し、振動遅延伝達棹９により所定時間遅延された振動による加速度波形が第２の加速度計１０から出力されて、メモリ１６に記憶されるため、振動の初期からもれなく振動波形を記録することができる。また、建物等に加えられた振動による加速度計の出力信号をＩＣチップ１４を駆動する電源として用いているので、建築物等に振動が加わった場合のみ、振動波形の記録が行なわれ、振動が加わっていない状態の無駄なデータを記録することが防止される。

また、振動記憶装置１００から情報読み出し／記録装置２００へのデータの読み出しを、ＲＦＩＤの原理を利用して無線で行なうため、配線が不要になり、配線のためのスペースや配線の手間を排除することができる。

本発明に係わる振動記録システムの一実施形態の概略構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態における無線ＩＣタグの構成の一例を示す概略平面図である。加速度計の構成を示す斜視図である。加速度計の振動検出原理を説明するための図である。第１及び第２の加速度計と振動遅延伝達棹の関係を模式的に示した図である。振動波形の遅延原理を説明するための図である。複数の振動子の周波数特性を示す図である。加速度計の出力電圧を整流するための整流回路の構成を示す図である。

符号の説明

８第１の加速度計
９振動遅延伝達棹
１０第２の加速度計
１２Ａ／Ｄ変換器
１３整流回路
１４ＩＣチップ
１６メモリ
１８時計
２０バッテリー
２２送受信回路
２４，３０アンテナ
２６無線ＩＣタグ
３２リーダ／ライタ部
５０圧電セラミック
６０，６２，６４，６６振動子
７０振動吸収負荷
１００振動記憶装置
２００情報読み出し／記録装置

Claims

振動を検出するための第１及び第２の加速度計と、
前記第１の加速度計の出力信号を整流して直流電圧に変換する整流回路と、
該整流回路により整流された直流電圧により駆動されるＩＣチップと、
前記第１の加速度計の振動を前記第２の加速度計に遅延して伝達するために、前記第１の加速度計と前記第２の加速度計を機械的に接続する棒状の遅延部材と、
前記第２の加速度計の出力信号を前記ＩＣチップの制御により記憶するメモリと、
該メモリに記憶された加速度データを無線で外部に送信する送信手段と、
を具備することを特徴とする振動記憶装置。
前記第２の加速度計の出力信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の振動記憶装置。
前記第１及び第２の加速度計は、圧電セラミックを用いた加速度計であることを特徴とする請求項１に記載の振動記憶装置。
前記送信手段は、ＲＦＩＤの原理により無線通信を行なうことを特徴とする請求項１に記載の振動記憶装置。
前記ＩＣチップに所定のクロック信号を供給するための時計をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の振動記憶装置。
前記遅延部材は、それぞれ共振周波数の異なる複数の振動子を有することを特徴とする請求項１に記載の振動記憶装置。
前記遅延部材は、前記第１の加速度計から前記第２の加速度計に伝達される振動の反射を防止するための振動吸収負荷を備えることを特徴とする請求項１に記載の振動記憶装置。
振動を検出するための第１及び第２の加速度計と、前記第１の加速度計の出力信号を整流して直流電圧に変換する整流回路と、該整流回路により整流された直流電圧により駆動されるＩＣチップと、前記第１の加速度計の振動を前記第２の加速度計に遅延して伝達するために、前記第１の加速度計と前記第２の加速度計を機械的に接続する棒状の遅延部材と、前記第２の加速度計の出力信号を前記ＩＣチップの制御により記憶するメモリと、該メモリに記憶された加速度データを無線で外部に送信する送信手段とを具備する振動記憶装置と、
前記振動記憶装置に備えられた前記メモリから前記加速度計で得られた加速度データを無線で読み出す読み出し装置とを備え、
前記振動記憶装置と前記読み出し装置とは、ＲＦＩＤの原理により無線でデータの通信を行なうための通信手段を備えることを特徴とする振動記録システム。