JP5530948B2

JP5530948B2 - 振動計

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Publication number: JP5530948B2
Application number: JP2011029271A
Authority: JP
Inventors: 茉伊澤田; 由紀夫志波
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2031-02-15
Also published as: JP2012168019A

Description

本発明は、地震などによって地面や構造物が振動した際の加速度を計測する振動計に関するものである。

従来、地震によって建物が被害を受けたときに、地震時に建物に発生した加速度の大きさからその建物の損傷度を判定する方法が知られている（特許文献１など参照）。

この特許文献１には、建物に設置される加速度センサを備えた建物損傷度判定装置が開示されており、この装置によって建物損傷度を判定するに際しては、加速度センサで計測された最大加速度データを使用している。

このような加速度センサは、通常、電力会社などの商用電源から供給される電力によって常時作動させるため、加速度センサを設置する場所まで配線をおこなう必要がある。

一方、特許文献２には、建物に発生するひずみをひずみセンサで計測することによって、建物の損傷の程度や位置を検知させる建築構造物損傷検知装置が開示されている。

そして、このひずみセンサを作動させるために振動発電装置や太陽光発電装置などの発電装置が利用できることが記載されている。このように自然エネルギーを利用して発電された電力を使用するのであれば、センサまでの配線を省略することができる。

特開２００９−２００５６号公報特開２００６−２９９３１号公報

しかしながら、特許文献２に開示されている自然エネルギーを利用した発電装置は、発電量が不安定であり、その電力に基づいて計測をおこなう構成では欠測などが生じるおそれがある。

また、バッテリーを使用することで、配線を無くし、設置場所の自由度を高めることはできるが、常時モニタリングなどでバッテリーの電力を常に消費する構成では、バッテリーの消耗が激しく頻繁に交換をおこなわなければならなくなり、実用的ではない。

そこで、本発明は、設置場所の自由度が高いうえに、長期間にわたり安定した計測をおこなうことが可能な振動計を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の振動計は、振動を検知してその加速度を計測する振動計であって、前記加速度を計測する加速度センサと、前記加速度センサによって計測された計測値を記録させる記憶部と、前記加速度センサを作動させる電力を供給する蓄電部と、前記蓄電部から前記加速度センサへの通電及び遮断を制御する通電制御部と、所定の大きさ以上の振動を検知したときに前記通電制御部を起動させる振動検知部とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記振動検知部は、振動エネルギーによって発電をおこなう振動発電部と、前記振動発電部の発電量が所定の大きさ以上に達したときに前記通電制御部を起動させる起動スイッチ部とを備えた構成とすることができる。例えば、前記起動スイッチ部は、ツェナーダイオードを備えており、そのツェナーダイオードに印加される電圧が所定の大きさ以上に達したときに前記通電制御部が起動される構成にできる。

また、前記振動検知部は、振動エネルギーによって変動する揺動部と、その揺動部との接触によって前記通電制御部を起動させる通電端子部とを備えた構成とすることができる。

さらに、前記通電制御部は、計時部を備えており、一度起動されると前記計時部から所定の時間が経過したことを知らせる信号が生成されるまで前記加速度センサに対する通電が継続される構成にすることができる。

このように構成された本発明の振動計は、加速度センサは蓄電部から供給される安定した電力によって作動させる。また、蓄電部から加速度センサへの通電及び遮断を制御する通電制御部は、振動検知部が振動を検知したときにのみ起動される。

このため、商用電源に接続させるための配線をしなくても良く、設置場所の自由度が高い。また、振動検知部を設けることによって計測したい大きさの振動が検知されたときにだけ蓄電部の電力が消費されるので、再充電が必要になるまでの蓄電部の寿命が長く、長期間にわたり蓄電部の電力によって安定した計測をおこなうことができる。

また、振動エネルギーによって発電をおこなう振動発電部を備えた振動検知部であれば、回路に振動発電部を接続するだけで簡単に構成することができる。さらに、ツェナーダイオードを備えた構成であれば、振動検知部によって検知させる振動の大きさを容易に変更することができる。

また、振動エネルギーによって変動する揺動部を備えた機械式の振動検知部であれば、屋外や温度差が激しい厳しい環境においても安定して作動させることができる。

さらに、通電制御部に計時部を設け、一度起動された後は、所定の時間が経過するまで加速度センサによる計測をおこなわせるようにすれば、途中で振動が弱まったりしても、時系列の計測をおこなうことができ、加速度波形を得ることができる。

本発明の実施の形態の振動計の構成を示した回路図である。（ａ）は加速度と発電電圧との関係を示した図、（ｂ）はツェナーダイオードの特性を説明するための図である。本発明の実施の形態の振動検知部の動作フローを説明するフローチャートである。本発明の実施の形態の通電制御部及び加速度センサの動作フローを説明するフローチャートである。実施例１の振動計の構成を示した回路図である。実施例２の振動計の構成を示した回路図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態で説明する振動計１の構成を説明する回路図である。この振動計１は、例えば、ビルや住宅などの建物、橋梁やダムやトンネルなどの土木構造物などの任意の場所に設置され、地震などによってそれらの構造物が受けた加速度の履歴を記録するために利用される。また、振動計１を地面に設置すれば地震計となる。

本実施の形態の振動計１は、加速度を計測する加速度センサ２と、加速度センサ２によって計測された計測値を記録させる記憶部２１と、加速度センサ２を作動させる電力を供給する蓄電部としてのバッテリー３と、バッテリー３から加速度センサ２への通電及び遮断を制御する通電制御部４と、所定の大きさ以上の振動を検知したときに通電制御部４を起動させる振動検知部５とを主に備えている。

この加速度センサ２は、設置されている場所の振動によって生じる加速度を検知して計測する装置である。すなわち、構造物に設置されていれば、構造物の応答加速度が計測され、地面に設置されていれば地面の振動によって生じる加速度を計測することになる。

また、この加速度センサ２には、計測値を記録させる記憶部２１が接続されている。この記憶部２１には、フラッシュメモリ、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ハードディスク、光ディスクなどの記憶媒体が使用できる。さらに、加速度センサ２と記憶部２１とが一体になった加速度データロガーを使用することもできる。

この加速度センサ２は、バッテリー３の電力によって作動するが、この加速度センサ２に通電させるか否かの制御は通電制御部４によっておこなう。この通電制御部４は、電子式スイッチを有するマイコンによって構成することができ、計時部としてのタイマー４１とスイッチ４２とを備えている。

このタイマー４１は、マイコンに組み込まれているクロックを分周して生成された時間を計測したり、それに基づいて一定間隔で生成されるパルス信号をカウントしたりすることで、時間を管理する装置である。

そして、タイマー４１の始動によって生成される信号によってスイッチ４２がオンになり、電気回路Ａ３が形成されて加速度センサ２にバッテリー３の電力が供給される。また、タイマー４１が予め設定された時間を計測した後に生成される信号によってスイッチ４２がオフになり、加速度センサ２への電力の供給が遮断される。

一方、振動検知部５は、地震などの振動エネルギーによって発電をおこなう振動発電部５１と、振動発電部５１の発電量が所定の大きさ以上に達したときに通電制御部４を起動させる起動スイッチ部５２とを主に備えている。

この振動発電部５１は、地震などによって発生する振動計１の設置場所の揺れによる振動エネルギーを電力に変換する装置である。この振動発電部５１の原理には、圧電素子（ピエゾ素子）が歪む際に電気が生成される圧電型、磁石とコイルの移動によりコイルを通る磁束が変化して電気が生成される電磁誘導型、電荷を帯びた電極同士の位置がずれることで電気が生成される静電誘導型などがある。

また、起動スイッチ部５２は、図１に示すように、機械式スイッチとツェナーダイオード５２１とによって構成される。この機械式スイッチは、鉄心部５２３と、その鉄心部５２３に巻き付けられるコイル部５２２と、棒状磁性体のシーソー部５２６と、シーソー部５２６の鉄心部５２３側の端部に取り付けられる接触子５２４と、接触子５２４と反対側のシーソー部５２６の端部に接続されるバネ部５２５とによって主に構成される。

この機械式スイッチは、コイル部５２２に通電されていないときはバネ部５２５の復元力によってシーソー部５２６の接触子５２４側が上がり、鉄心部５２３とシーソー部５２６とが離隔している。

これに対して、コイル部５２２に通電されると、鉄心部５２３に磁力が発生し、シーソー部５２６が鉄心部５２３の頭部に吸着される。そして、下がった接触子５２４が通電制御部４に繋がる端子５２７に接触し、電気回路Ａ２が形成される。

このコイル部５２２への通電は、振動発電部５１の発電による。この振動発電部５１の発電電圧は、図２（ａ）に示すように、振動による加速度αの増加に伴って増加する。

他方、振動発電部５１は、小さな振動でも発電をおこなうため、振動発電部５１とコイル部５２２とを直接、繋ぐと、交通振動、風振動又は計測する必要のない小地震による振動によっても起動スイッチ部５２によって通電制御部４が起動され、バッテリー３を消耗させる原因になる。

そこで、コイル部５２２と振動発電部５１との間にツェナーダイオード５２１を介在させて通電を制御する。このツェナーダイオード５２１は、図２（ｂ）に示すように、逆方向電圧がある値に達するまでは電流をほとんど遮断し、設定された降伏電圧Ｖ_Ｄ以上の電圧が印加されると逆方向電流が流れるようになる半導体である。

このため、振動発電部５１によって発電された電力の電流が、ツェナーダイオード５２１の逆方向電流の向きに流れるように接続すると、振動発電部５１の発電電圧Ｖが降伏電圧Ｖ_Ｄに至るまではコイル部５２２に電流は流れず、降伏電圧Ｖ_Ｄ以上の電圧が印加されると電気回路Ａ１が形成されてコイル部５２２に通電され、鉄心部５２３に磁力が発生することになる。

一方、このツェナーダイオード５２１の降伏電圧Ｖ_Ｄは、図２（ａ）に示すように振動発電部５１の発電電圧Ｖと加速度αとの関係で設定することができる。すなわち、振動計１によって計測をおこないたい地震の加速度αが加速度α_ｑであったとすると、その加速度α_ｑが作用したときの振動発電部５１の発電電圧Ｖ_ｑが図２（ａ）から求められるので、Ｖ_Ｄ＝Ｖ_ｑとなるツェナーダイオード５２１を選んで配置すればよい。

このツェナーダイオード５２１の降伏電圧Ｖ_Ｄは、3Ｖ〜50Ｖくらいまで幅広く、また細かい区分で存在するため、計測したい振動の大きさを任意に設定することが可能になる。

次に、本実施の形態の振動計１の動作フローについて、図３，４に示したフローチャートを参照しながら説明する。

まず、振動計１を加速度の履歴を計測したい建物に設置する。この際、バッテリー３の充電は最大容量までしておく。そして、その建物に振動が発生するのを待つ。

この状態で地震が発生すると（図３のステップＳ１）、その加速度αによって振動発電部５１が発電を始める（ステップＳ２）。ここで、風や小さな地震によって建物が振動しても、振動発電部５１の発電電圧Ｖは降伏電圧Ｖ_Ｄ以上にならないため、起動スイッチ部５２に通電されることはない（ステップＳ３）。

他方、ステップＳ３において振動発電部５１の発電電圧Ｖが降伏電圧Ｖ_Ｄ以上になると、ツェナーダイオード５２１に電流が流れて電気回路Ａ１が形成され、コイル部５２２に通電される（ステップＳ４）。

そして、コイル部５２２の通電によって鉄心部５２３に磁力が発生してシーソー部５２６が鉄心部５２３に引き寄せられると、接触子５２４が端子５２７に接触して電気回路Ａ２が形成される（ステップＳ５）。

この電気回路Ａ２には、バッテリー３の電力が供給され、図４のステップＳ５１に示すように、その電力によって通電制御部４が起動される。この通電制御部４が起動されると、まず、タイマー４１がカウントｎを開始する（ステップＳ５２）。

続いて、通電制御部４のスイッチ４２が入り、電気回路Ａ３が形成される。この電気回路Ａ３の形成によって加速度センサ２及び記憶部２１にバッテリー３の電力が供給される（ステップＳ５３）。

通電された加速度センサ２は、そのときの建物の振動を加速度αとして計測し（ステップＳ５４）、その計測値を記憶部２１の空いている領域に逐次、記録する（ステップＳ５５）。この計測及び記録は、タイマー４１のカウントｎが予め設定された設定カウントＮ（例えば時間で２分程度）に至るまで継続しておこなわれる（ステップＳ５６）。

一方、図３のステップＳ６に示すように、起動スイッチ部５２の通電は振動発電部５１の発電電圧Ｖが降伏電圧Ｖ_Ｄ以上の間は持続され、発電電圧Ｖが降伏電圧Ｖ_Ｄを下回ると、鉄心部５２３の磁力が消滅してバネ部５２５の復元力によって接触子５２４が端子５２７から離れ、起動スイッチ部５２の通電は遮断される（ステップＳ７）。

そこで、図４のステップＳ５７に示すように、タイマー４１のカウントｎが設定カウントＮに達した時点で発電電圧Ｖが降伏電圧Ｖ_Ｄ以上であるかを判定し、降伏電圧Ｖ_Ｄ以上であればカウントｎを初期化（ステップＳ５８）して加速度センサ２による計測及び記録を続ける。

これに対して、ステップＳ５７のときに発電電圧Ｖが降伏電圧Ｖ_Ｄを下回っていれば、通電制御部４のスイッチ４２を切って加速度センサ２への通電を遮断する（ステップＳ５９）。

また、振動計１の加速度センサ２によって計測され、記憶部２１に記録された計測値のデータは、定期的に記憶部２１から有線又は無線を介して送信させたり、記憶部２１を交換したりすることで取り出すことができる。例えば、有線方式であればデータ集計装置を記憶部２１に直接結線する方法がある。無線方式であれば、特定小電力無線などの送信機を記憶部２１に接続しておき、記憶部２１に記録された計測値をその送信機によってデータ集計装置に無線送信させる方法が適用できる。また、RFID（Radio Frequency IDentification）などで用いられている方法であるが、誘導電磁界を発生するデータ集計装置を記憶部２１に接続された送信機に近づけ、送信機に発生した誘起電力を電力として用いれば、バッテリー３を消耗させることなく、記憶部２１に記録された計測値をデータ集計装置へ無線送信させることができる。

次に、本実施の形態の振動計１の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の振動計１は、加速度センサ２はバッテリー３から供給される安定した電力によって作動させる。また、バッテリー３から加速度センサ２への通電及び遮断を制御する通電制御部４は、振動検知部５が振動を検知したときにのみ起動される。

このため、設置場所に合わせて商用電源に接続させるための配線をしなくても良く、建物の電源位置に制限されることなく、建物内外の任意の位置に振動計１を置くことができる。

一般に、地震による建物の揺れの程度は、加速度波形データを入力値として地震応答解析をおこなうことで推定することができるが、入力値として気象庁が設置する近傍の地震計から得られた計測値を利用するよりも、解析対象構造物である建物が建っている地盤上や建物の基礎部に設置された振動計１の計測値のデータを利用することによってより現実に近い推定が可能となる。

なお、この振動計１では、通電制御部４が起動するまでの間の地震初期の振動を計測することはできないが、最も必要とされるのは、建物が受けた最大応答加速度又はその近辺の加速度波形であるため、振動計１としての機能を充分に果たすことができる。

そして、大地震が起きた場合に、建物や橋梁などに設置されていた振動計１の記憶部２１から計測値のデータを取り出し、記録された最大応答加速度や加速度波形を分析することによって、建物に立ち入っても良いかや橋梁が通行可能か否かなどの判断を、迅速におこなうことができる。さらに、地震後の復旧計画を立てるに際しても、これらの計測値のデータに基づいて的確な復旧計画を立案することができる。

また、通電制御部４にタイマー４１を設け、一度起動された後は、所定の時間が経過するまで加速度センサ２による計測をおこなわせるようにすれば、途中で振動が弱まったりしても、時系列の計測をおこなうことができ、上述した解析などに必要となる加速度波形を得ることができる。

さらに、振動検知部５を設けることによって計測したい大きさの振動が検知されたときにだけバッテリー３の電力が消費されるので、再充電が必要になるまでのバッテリー３の寿命が長く、一度の設置で長期間にわたり安定した計測をおこなうことができる。すなわち、検知可能な振動が発生しなければ、自然放電分以上のバッテリー３の消費がなく、常時モニタリングのように僅かであっても常に作動電力が必要な構成に比べてバッテリー３の交換時期を遅らせることができる。

また、振動検知部５で検知されたものだけ計測する構成であれば、計測対象でない振動による誤作動を減らすことができるうえに、不要な計測値が無駄に蓄積されることがなく、記憶部２１の記憶容量を節約することができる。さらに、計測値の整理にかかる時間も短縮できる。

また、振動エネルギーによって発電をおこなう振動発電部５１を備えた振動検知部５であれば、回路に振動発電部５１を接続するだけで簡単に構成することができる。

さらに、ツェナーダイオード５２１を備えた構成であれば、所望する降伏電圧Ｖ_Ｄのものに付け替えるだけで、振動検知部５によって検知させる振動の大きさを容易に変更することができる。

以下、この実施例１では、前記した実施の形態とは別の実施の形態について図５を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

前記実施の形態では、起動スイッチ部５２を機械式スイッチにしたが、この実施例１では、電子式スイッチで構成された起動スイッチ部５３を備えた振動計１Ａについて説明する。

この起動スイッチ部５３は、図５に示すように、ツェナーダイオード５３１と、発光ダイオード５３２と、フォトトランジスタ５３３とによって主に構成される。

このフォトトランジスタ５３３は、光信号によって電流を制御するトランジスタである。ここでは、発光ダイオード５３２とフォトトランジスタ５３３とが封入されたフォトカプラを使用する。

このように構成された振動計１Ａは、振動が発生して振動発電部５１の発電電圧Ｖがツェナーダイオード５３１の降伏電圧Ｖ_Ｄ以上になると、電気回路Ｂ１が形成されて発光ダイオード５３２が発光する。

そして、発光ダイオード５３２の光によってフォトトランジスタ５３３が通電可能状態になると電気回路Ｂ２が形成される。この電気回路Ｂ２が形成されると、バッテリー３の電力によって通電制御部４が起動し、前記実施の形態で説明したようにスイッチ４２が入ると、電気回路Ｂ３が形成される。

このように構成された実施例１の振動計１Ａは、起動スイッチ部５３をフォトカプラとツェナーダイオード５３１とを繋げるだけで容易に製作することができる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以下、この実施例２では、前記した実施の形態及び実施例１とは別の実施の形態について図６を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態又は実施例１で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

前記実施の形態及び実施例１では、振動発電部５１を備えた振動検知部５，５Ａの構成について説明したが、この実施例２では、機械式の振動検知部６の構成について説明する。

この振動検知部６は、振動エネルギーによって変動する揺動部６１と、その揺動部６１との接触によって通電制御部４を起動させる通電端子部６２とを主に備えている。

この通電端子部６２は、図６に示すように中が空洞の箱状の電導体によって形成されており、上端が通電制御部４に接続されている。また、通電端子部６２の下部は、絶縁体の底部６３によって塞がれている。

そして、この底部６３の上面に揺動部６１が設けられる。この揺動部６１は、電導体によって形成されるバネ部６１ｂと、そのバネ部６１ｂの上端に設けられる電導体によって形成される球体状の錘部６１ａとを備えている。

この揺動部６１は、箱状の通電端子部６２と底部６３とによって形成される空間に収容される。また、バネ部６１ｂの下端はバッテリー３に接続される端子６４に接続されている。

このように構成された振動検知部６は、振動計１Ｂの設置場所が振動していないと、錘部６１ａと通電端子部６２の内面とが離隔していて、電気回路Ｃ１が形成されることはない。

そして、振動計１Ｂの設置場所が振動すると、バネ部６１ｂが揺動して錘部６１ａが傾き、振動が大きくなると錘部６１ａと通電端子部６２の内面とが接触して電気回路Ｃ１が形成される。

さらに、電気回路Ｃ１が形成されると、バッテリー３の電力によって通電制御部４が起動し、前記実施の形態で説明したようにスイッチ４２が入ると、電気回路Ｃ２が形成される。

このように構成された実施例２の振動計１Ｂは、振動エネルギーによって変動する揺動部６１を備えた機械式の振動検知部６であるため、屋外や温度差が激しい厳しい環境でも安定して作動させることができる。

また、通電端子部６２の内空の大きさ、錘部６１ａの重さや形状、又はバネ部６１ｂの強さなどを変更することによって、揺動部６１が通電端子部６２に接触する振動の大きさ、換言すると振動検知部６に検知させる振動の大きさを容易に調整することができる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態又は実施例１と略同様であるので説明を省略する。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態又は実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態又は実施例１では、ツェナーダイオード５２１（５３１）を使って起動スイッチ部５２（５３）を制御する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、起動スイッチ部のリレーの定格電圧を調節する構成であってもよい。さらに、小さな振動であっても計測をおこないたい場合は、ツェナーダイオード５２１（５３１）を省略することもできる。

また、前記実施の形態又は実施例の振動計１，１Ａ，１ＢにＧＰＳアンテナ及びＧＰＳ受信機を搭載させ、加速度センサ２に通電中にＧＰＳ衛星から受信した電波に含まれる時刻情報を取り込み、計測値と一緒に絶対的な時刻を記録させる構成とすることもできる。

１振動計
２加速度センサ
２１記憶部
３バッテリー（蓄電部）
４通電制御部
４１タイマー（計時部）
４２スイッチ
５振動検知部
５１振動発電部
５２起動スイッチ部
５２１ツェナーダイオード
１Ａ振動計
５Ａ振動検知部
５３起動スイッチ部
５３１ツェナーダイオード
１Ｂ振動計
６振動検知部
６１揺動部
６２通電端子部

Claims

振動を検知してその加速度を計測する振動計であって、
前記加速度を計測する加速度センサと、
前記加速度センサによって計測された計測値を記録させる記憶部と、
前記加速度センサを作動させる電力を供給する蓄電部と、
前記蓄電部から前記加速度センサへの通電及び遮断を制御する通電制御部と、
所定の大きさ以上の振動を検知したときに前記通電制御部を起動させる振動検知部とを備え、
前記振動検知部は、振動エネルギーによって発電をおこなう振動発電部と、前記振動発電部の発電量が所定の大きさ以上に達したときに前記通電制御部を起動させる起動スイッチ部とを備えるとともに、
前記起動スイッチ部は、機械式スイッチとツェナーダイオードとを備えるものであって、
前記機械式スイッチは、鉄心部と、その鉄心部に巻き付けられるコイル部と、棒状磁性体のシーソー部と、そのシーソー部の鉄心部側の端部に取り付けられる接触子と、その接触子と反対側のシーソー部の端部に接続されるバネ部とを有しており、
前記機械式スイッチは、前記コイル部に通電されていないときは前記バネ部の復元力によって前記シーソー部の接触子側が上がって、前記鉄心部とシーソー部とが離隔した状態となり、
前記振動発電部の発電量が所定の大きさ以上に達することで前記ツェナーダイオードに印加される電圧が所定の大きさ以上に達したときに、前記コイル部に通電がされて前記鉄心部に磁力が発生し、前記シーソー部が前記鉄心部の頭部に吸着されて下がった前記接触子が前記通電制御部に繋がる端子に接触することで前記通電制御部が起動されることを特徴とする振動計。
前記通電制御部は、計時部を備えており、一度起動されると前記計時部から所定の時間が経過したことを知らせる信号が生成されるまで前記加速度センサに対する通電が継続されることを特徴とする請求項１に記載の振動計。