JP7040073B2 - センサ、及びセンサの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサ、及びセンサの制御方法に関する。

センシング部と通信部と制御部と電源部とを備えるセンサ装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２０１５－１１１０９１号公報

物理量の検出タイミングを基準時刻に同期させるセンサにおいて、検出タイミングの決定に用いる計時用の発振器に周波数偏差等が生じることによって、検出タイミングが基準時刻から大きくずれてしまう場合がある。また、閏秒の挿入等により、検出タイミングが基準時刻からずれてしまう場合がある。

第１の態様において、センサは、クロック信号を生成するクロック生成部と、クロック信号に基づくタイミングで物理量を検出する検出部と、クロック生成部が生成したクロック信号に基づく時刻と外部の基準時刻との差が小さくなるように、クロック生成部が生成するクロック信号の周波数を調整する制御部とを備える。

制御部は、クロック信号に基づく時刻と外部から取得した基準時刻との差に基づいて、クロック信号に基づく時刻と基準時刻との差が小さくなるように、クロック信号の周波数を調整してよい。

制御部は、クロック信号に基づく時刻が基準時刻から遅れている場合に、クロック信号の周波数を高めてよい。

制御部は、クロック信号に基づく時刻の基準時刻からの遅れ量が大きいほど、クロック信号の周波数をより高めてよい。

制御部は、クロック信号に基づく時刻が基準時刻より進んでいる場合に、クロック信号の周波数を低くしてよい。

制御部は、クロック信号に基づく時刻の基準時刻からの進み量が大きいほど、クロック信号の周波数をより低くしてよい。

検出部は、物理量を示すアナログ信号を生成する検出器と、クロック信号により定められるタイミングでアナログ信号に対するＡＤ変換を行うＡＤ変換部とを有してよい。

ＡＤ変換部は、予め定められた測定周波数より高いサンプリング周波数でＡＤ変換を行い、検出部は、ＡＤ変換により得られたデジタル信号を、前記予め定められた測定周波数のデジタル信号に変換するフィルタ部を更に有してよい。

フィルタ部は、前記予め定められた測定周波数の周波数成分を減衰させるデシメーションフィルタを含んでよい。

クロック生成部は、制御電圧に応じた周波数のクロック信号を生成する電圧制御発振器と、クロック信号に基づく時刻と基準時刻との差に基づいて制御電圧を調整する電圧生成部とを有してよい。

制御部は、基準時刻を外部から取得し、基準時刻に基づく予め定められた時刻にセンサに物理量の検出を開始させ、予め定められた時刻とクロック信号に基づいてカウントされた経過時間とに基づいて内部時刻を生成し、内部時刻と基準時刻との差に基づいて、内部時刻と基準時刻との差が小さくなるように、クロック信号の周波数を調整してよい。

制御部は、基準時刻に閏秒が挿入される場合に、クロック信号の周波数を低くしてよい。

制御部は、基準時刻に閏秒が挿入された場合に、予め定められた期間にわたってクロック信号の周波数を低くすることにより、挿入された閏秒の長さだけ、クロック信号に基づく時刻を遅らせてよい。

制御部は、閏秒が挿入されることが通知された場合に、閏秒が挿入される時刻より予め定められた期間だけ前の時刻から予め定められた期間にわたって、クロック信号の周波数を低くすることにより、挿入された閏秒の長さだけ、クロック信号に基づく時刻を遅らせてよい。

制御部は、閏秒の挿入によりクロック信号の周波数を低くした期間に検出部によって検出された物理量を示すデータに、クロック信号の周波数を低くした期間に検出されたデータであることを示す情報を対応づけて出力してよい。

センサは、構造物に設けられ、構造物の加速度、傾斜角度、速度及び変位の少なくとも１つを検出してよい。

第２の態様において、センサにおける制御方法は、クロック信号を生成する段階と、クロック信号に基づくタイミングで物理量を検出する段階と、クロック信号に基づく時刻と、外部から取得した基準時刻との差に基づいて、クロック信号に基づく時刻と基準時刻との差が小さくなるように、クロック信号の周波数を調整する段階とを備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

一実施形態におけるモニタリングシステム１００の概略的な構成を示す。 センサ４０ａの機能構成を概略的に示す。 センサ４０のサンプリングタイミングを表すタイムシーケンスの一例を示す。 センサ４０ａのサンプリングタイミングを表すタイムシーケンスの一例を示す。 センサ４０ａの動作のフローチャートを示す。 閏秒に対する処理を行う場合におけるセンサ４０のサンプリングタイミングを表す。 閏秒に関する処理を含むフローチャートを示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一実施形態におけるモニタリングシステム１００の概略的な構成を示す。モニタリングシステム１００は、構造物８０と、構造物８１と、データ収集システム１０と、データ収集システム１１と、サーバ７０とを備える。モニタリングシステム１００は、構造物８０及び構造物８１に関する物理量をモニタリングする。本実施形態のモニタリングシステム１００は、構造物ヘルスモニタリングシステムである。例えば、モニタリングシステム１００は、構造物８０及び構造物８１に関する物理量をモニタリングして、構造物８０及び構造物８１のそれぞれの構造性能を診断する。

構造物８０及び構造物８１は、工作物であってよい。構造物８０及び構造物８１は、例えば、建築物、トンネル、道路、ガードレール、信号機、電柱、照明灯、空港の管制塔、飛行場灯台、駅、鉄道のレール、鉄道信号機、港湾のクレーン、プラント、鋼橋、ダム、堤防、門、塀、溝渠等を含んでよい。構造物８０及び構造物８１は、工作物以外の物体、盛土、法面、土手等の土構造物を含んでよい。

データ収集システム１０は、構造物８０の物理量を収集する。データ収集システム１０は、センサ４０ａと、センサ４０ｂと、センサ４０ｃと、センサ４０ｄと、収集装置２０と、通知装置３０と、中継装置５０と、通信回線６０とを備える。本実施形態において、センサ４０ａ、センサ４０ｂ、センサ４０ｃ、及びセンサ４０ｄを、センサ４０と総称する場合がある。

センサ４０は、構造物８０に設けられる。センサ４０は、加速度センサである。センサ４０は、地震や風等により構造物８０が振動するときの振動加速度を検出する。また、センサ４０は、構造物８０の傾き等を検出する。センサ４０は、重力加速度を検出することにより、構造物８０の傾き等を検出する。構造物８０が複数の階を有する建築物である場合、センサ４０は、建築物の互いに異なる階に設けられてよい。センサ４０の少なくとも一部は、建築物の同じ階に設けられてもよい。センサ４０の少なくとも一部は、構造物８０が定着した地盤に設けられてもよい。なお、加速度は、センサ４０が検出する物理量の一例である。センサ４０が検出する物理量として、傾斜角度、速度、変位等を例示できる。

センサ４０は、通信回線６０を通じて収集装置２０に接続される。具体的には、センサ４０は、通信回線６０及び中継装置５０を通じて収集装置２０に接続される。収集装置２０は、通知装置３０に接続される。通信回線６０は、コンピュータネットワークにおける通信回線である。本実施形態において、通信回線６０はイーサネット（登録商標）の通信線である。

センサ４０が検出した加速度を示すデータは、通信回線６０を通じて収集装置２０に送信される。収集装置２０は、センサ４０から収集したデータを処理する。収集装置２０は、収集したデータに基づいて、構造物８０の揺れを解析して、解析結果を、通知装置３０を通じて通知する。例えば、収集装置２０は、構造物８０の揺れに基づいて、地震が発生したか否かを判定する。収集装置２０は、複数の階に設けられたセンサ４０で検出した加速度に基づいて、複数の階の各階の震度を判定してよい。また、収集装置２０は、構造物８０の層間変位を判定してよい。収集装置２０は、構造物８０の各階の揺れの大きさに基づいて、各階の損傷度合いを判定してよい。収集装置２０は、通知装置３０を通じて、判定結果を通知してよい。

収集装置２０が収集したデータは、サーバ７０に送信される。収集装置２０は、収集したデータのうちの一部のデータを、中継装置５０及びネットワーク９０を通じてサーバ７０に送信してよい。収集装置２０は、収集したデータを時間的に間引いてサーバ７０に送信してよい。サーバ７０は、収集装置２０から受信したデータに基づいて、構造物８０の構造を解析する。例えば、サーバ７０は、収集装置２０から受信したデータに基づいて、構造物８０の構造の長期的な解析を行う。例えば、構造物８０は、構造物８０の建築当時のデータと、現在のデータとを比較して、構造物８０の安全度を判定する。サーバ７０は、構造物８０の変形度合いを測定して、構造物８０の応急危険度判定を行ってよい。サーバ７０による判定結果は、通知装置３０に送信され、通知装置３０から通知される。

なお、構造物８１におけるデータ収集システム１１は、データ収集システム１０が備える機能と同様の機能を有する。データ収集システム１１は、データ収集システム１０と同様に、構造物８１の揺れを解析し、解析結果を通知する。また、サーバ７０は、データ収集システム１１から受信したデータに基づいて、構造物８１の構造の長期的な解析を行い、解析結果を通知する。なお、データ収集システム１１は、データ収集システム１０が備える構成要素と同様の構成要素を有する。そのため、データ収集システム１１の構成要素については図示を省略する。また、データ収集システム１１が備える構成要素の具体的な説明は省略する。

収集装置２０は、計時機能を有する。収集装置２０は、計時機能により計測される内部時刻を、外部の基準時刻に一致させる。例えば、外部の基準時刻は、ネットワーク９０を通じて外部のＮＴＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）サーバ等から提供される。収集装置２０は、内部時刻をＮＴＰサーバの時刻と同期してよい。

センサ４０は、計時機能を有する。センサ４０は、当該計時機能により計時されるシステム時刻を、外部の基準時刻に一致させる。外部の基準時刻は、収集装置２０から提供されてよい。具体的には、センサ４０は、基準時刻との差が予め定められた誤差範囲内になるように、システム時刻を外部の基準時刻に一致させる。例えば、センサ４０は、収集装置２０から受信した基準時刻と、通信回線６０における通信の遅延時間とに基づいて、システム時刻を調整する。

センサ４０は、システム時刻に加えて、加速度の計測時刻を定める内部時刻を管理する。例えば、センサ４０は、加速度の測定周波数を定めるクロック信号に従って内部時刻を予め定められた時刻ずつカウントすることによって、内部時刻を更新する。センサ４０は、当該クロック信号に従って加速度を検出する。センサ４０は、検出した加速度を示すデータと、内部時刻を示すデータとを含むセンサ信号を、通信回線６０を通じて収集装置２０に送信する。

センサ４０は、内部時刻が基準時刻から遅れていることが検出された場合に、加速度の測定周波数を定めるクロック信号の周波数を高める。また、センサ４０は、基準時刻より内部時刻が進んでいることが検出された場合に、加速度の測定周波数を定めるクロック信号の周波数を低くする。これにより、内部時刻と基準時刻の差が大きくなった場合に、内部時刻と基準時刻との差を減少させながら、概ね一定の周波数で加速度の計測を継続することができる。したがって、データが時間的に欠落することを抑制することができる。また、基準時刻に基づく規定時刻からセンサ４０の検出動作を開始させることで、規定の検出時刻で加速度を検出することができる。また、各センサ４０が加速度を検出する時刻を揃えることができる。これにより、収集装置２０は、例えば、同じ時刻における構造物８０の各階の加速度に基づいて、構造物８０の揺れを正確に判定することが可能になる。

なお、上述したように、センサ４０において、システム時刻は基準時刻と同期している。そのため、センサ４０は、内部時刻がシステム時刻から遅れていることが検出された場合に、加速度の測定周波数を定めるクロック信号の周波数を高めてもよい。また、センサ４０は、システム時刻より内部時刻が進んでいることが検出された場合に、加速度の測定周波数を定めるクロック信号の周波数を低くしてもよい。

図２は、センサ４０ａの機能構成を概略的に示す。センサ４０ａは、制御部２００と、メモリ２１０と、測定部２３０と、通信部２９０と、クロック生成部２５０とを備える。

なお、図２に関連してセンサ４０ａの機能構成をついて説明するが、センサ４０ｂ、センサ４０ｃ、及びセンサ４０ｄは、センサ４０ａと同様の構成を有する。そのため、センサ４０ｂ、センサ４０ｃ、及びセンサ４０ｄについての具体的な説明は省略する。

制御部２００は、センサ４０ａの全体を制御する。制御部２００はプロセッサであってよい。メモリ２１０は揮発性メモリまたは不揮発性メモリである。制御部２００は、メモリ２１０内に記憶された情報を用いて、センサ４０ａの各部を制御する。

測定部２３０は、加速度を検出する。クロック生成部２５０は、測定部２３０が加速度を検出するタイミングを定めるクロック信号を生成する。クロック生成部２５０は、異なる周波数のクロック信号を生成することが可能である。クロック生成部２５０は、可変周波数発振器である。測定部２３０は、クロック信号に基づくタイミングで加速度を検出する。

制御部２００は、クロック生成部２５０が生成したクロック信号に基づく時刻と外部の基準時刻との差が小さくなるように、クロック信号の周波数を調整してよい。具体的には、制御部２００は、クロック生成部２５０が生成したクロック信号に基づく時刻と、外部から取得した基準時刻との差に基づいて、クロック信号に基づく時刻と基準時刻との差が小さくなるように、クロック生成部２５０が生成するクロック信号の周波数を調整する。

制御部２００は、クロック信号に基づく時刻が基準時刻から遅れている場合に、クロック信号の周波数を高める。具体的には、制御部２００は、クロック信号に基づく時刻の基準時刻からの遅れ量が大きいほど、クロック信号の周波数をより高める。

制御部２００は、クロック信号に基づく時刻が基準時刻より進んでいる場合に、クロック信号の周波数を低くする。具体的には、制御部２００は、クロック信号に基づく時刻の基準時刻からの進み量が大きいほど、クロック信号の周波数をより低くする。

制御部２００は、基準時刻に閏秒が挿入される場合に、クロック信号の周波数を低くしてよい。例えば、制御部２００は、基準時刻に閏秒が挿入された場合に、予め定められた期間にわたってクロック信号の周波数を低くすることにより、挿入された閏秒の長さだけ、クロック信号に基づく時刻を遅らせてよい。例えば、電圧制御発振器２８０の周波数可変範囲が±１００ｐｐｍである場合、１秒の閏秒が挿入されたときは、１００００秒間にわたって、電圧制御発振器２８０の周波数を最低値にする。これにより、１００００秒後に、内部時刻と基準時刻とを実質的に同期させることができる。また、制御部２００は、閏秒が挿入されることが通知された場合に、閏秒が挿入される時刻より予め定められた期間だけ前の時刻から予め定められた期間にわたって、クロック信号の周波数を低くすることにより、挿入された閏秒の長さだけ、クロック信号に基づく時刻を遅らせてよい。

測定部２３０は、検出器２２０と、ＡＤ変換器２４０とを有する。ＡＤ変換器２４０は、ＡＤ変換部２４２と、フィルタ部２４４とを有する。検出器２２０は、加速度を示すアナログ信号を生成する。検出器２２０は、３軸加速度センサであってよい。

検出器２２０は、検出部材２２２と、アナログ処理部２２４と、ＬＰＦ２２６とを有する。検出器２２０は、ＭＥＭＳ型加速度センサである。検出部材２２２は、シリコン基板、ガラス基板、有機材料等の上に集積化されたＭＥＭＳデバイスを有してよい。検出部材２２２は、加速度により変位可能な可動電極を有し、可動電極の変位に応じて変化する静電容量に応じたアナログ信号を出力する。

検出部材２２２から出力されたアナログ信号は、アナログ処理部２２４に供給される。アナログ処理部２２４は、アナログ信号に対して増幅処理等の予め定められた処理を行う。ＬＰＦ２２６は、ローパスフィルタである。ＬＰＦ２２６は、高周波成分を実質的に低下させて低周波を通過する。例えば、測定周波数が１００Ｈｚである場合、ＬＰＦ２２６は、１００Ｈｚ以上の周波数成分を低下させる周波数特性を有することが好ましい。ＬＰＦ２２６が出力したアナログ信号は、検出器２２０からのアナログ信号として、ＡＤ変換器２４０に出力される。

ＡＤ変換器２４０は、検出器２２０から供給されるアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号に変換して、制御部２００に出力する。具体的には、ＡＤ変換器２４０は、クロック生成部２５０から供給されるクロック信号に基づいて動作する。より具体的には、ＡＤ変換部２４２は、クロック信号により定められるタイミングでアナログ信号に対してＡＤ変換を行う。ＡＤ変換部２４２は、予め定められた測定周波数より高いサンプリング周波数でＡＤ変換を行う。例えば、ＡＤ変換器２４０には、前記測定周波数より高い周波数のクロック信号がクロック生成部２５０から供給される。

例えば、ＡＤ変換部は、ΔΣ（デルタ・シグマ）方式のＡＤ変換を行う。フィルタ部２４４は、ＡＤ変換により得られたデジタル信号を、前記測定周波数のデジタル信号に変換する。フィルタ部２４４は、測定周波数の周波数成分を減衰させるデシメーションフィルタを含んでよい。前記測定周波数が１００Ｈｚである場合、フィルタ部２４４は、１００Ｈｚ近傍に減衰ピークを有してよい。なお、フィルタ部２４４はＡＤ変換器２４０の外に設けられてよい。

クロック生成部２５０は、制御電圧生成部２６０と、電圧制御発振器２８０と、分周器２７０とを有する。電圧制御発振器２８０は、制御電圧に応じた周波数のクロック信号を生成する。電圧制御発振器２８０に供給される制御電圧は、制御電圧生成部２６０から供給される。制御電圧生成部２６０は、クロック生成部２５０が生成するクロック信号に基づく時刻と基準時刻との差に基づく制御電圧を生成する。なお、制御電圧生成部２６０の機能は、制御部２００が有してもよい。

電圧制御発振器２８０が生成したクロック信号は、分周器２７０に供給される。分周器２７０は、供給されたクロック信号を予め定められた分周比で分周して、制御部２００に供給する。制御部２００は、分周器２７０から供給されるクロック信号の分周信号に基づいて時刻のカウントを行うことにより、センサ４０による加速度を計測する時刻を定める内部時刻を定める。

制御部２００は、外部から取得した基準時刻に基づく予め定められた時刻に、センサに加速度の検出を開始させる。具体的には、制御部２００は、基準時刻に基づく予め定められた時刻に、ＡＤ変換器２４０にＡＤ変換を開始させる開始信号を出力する。制御部２００は、予め定められた時刻と、クロック信号に基づいてカウントされた経過時間とに基づいて、内部時刻を生成する。具体的には、制御部２００は、分周器２７０から供給されるクロック信号の分周信号に基づいて、経過時間をカウントする。制御部２００は、内部時刻と基準時刻との差に基づいて、内部時刻と基準時刻との差が小さくなるように、クロック信号の周波数を調整する。例えば、制御部２００は、内部時刻と基準時刻との差に基づく大きさの制御電圧を制御電圧生成部２６０に生成させる。具体的には、制御部２００は、内部時刻が基準時刻から遅れている場合に、クロック信号の周波数を高めるべく、制御電圧を高める。また、制御部２００は、内部時刻が基準時刻より進んでいる場合に、クロック信号の周波数を低くするべく、制御電圧を下げる。これにより、測定部２３０において、周期的な測定を継続しつつ、基準時刻において予め定められた測定時刻とサンプリングタイミングとが一致するように制御することができる。

制御部２００は、ＡＤ変換器２４０から供給されるデジタル信号が示す検出データをメモリ２１０に記憶する。制御部２００は、検出データに予め定められた処理を適用して、加速度値を示す加速度データを生成する。また、制御部２００は、クロック生成部２５０が生成するクロック信号に基づく内部時刻を検出時刻とする。制御部２００は、加速度データと、検出時刻を示す時刻データとを含むセンサデータを生成する。センサデータは、加速度を示すデータの一例である。

なお、制御部２００は、上述したように閏秒の挿入によりクロック信号の周波数を低くした場合、クロック信号の周波数を低くした期間に測定部２３０によって検出された検出データに、クロック信号の周波数を低くした期間に検出されたデータであることを示す情報を対応づけて出力してよい。例えば、制御部２００は、閏秒調整の有無を示すフラグを各加速度データに付加してよい。

通信部２９０は、通信回線６０を介した収集装置２０との間の通信を担う。通信部２９０は、制御部２００が生成したセンサデータを通信回線６０に出力する。通信部２９０は、センサ４０において加速度が検出される毎に、通信回線６０を通じてセンサデータを収集装置２０に送信してよい。また、通信部２９０は、通信回線６０を通じて受信したデータを制御部２００に供給する。受信データとしては、基準時刻を示すデータ等を例示することができる。

図３は、センサ４０のサンプリングタイミングを表すタイムシーケンスの一例を示す。なお、シーケンスを分かり易く説明するため、図４のタイムシーケンスの時間スケールは、実際のタイムシーケンスの時間スケールとは異なって示されている。

ここでは、センサ４０には、０時０分０秒から１０ｍｓ毎のタイミングで加速度を測定することが定められているとする。この場合、センサ４０における規定の測定周波数は１００Ｈｚである。制御部２００は、内部時刻が０時０分０秒０ミリ秒になったタイミングで、ＡＤ変換の開始信号をＡＤ変換部２４２に供給する。

ＡＤ変換器２４０及び電圧制御発振器２８０の仕様により、電圧制御発振器２８０にＶ０の制御電圧を供給した場合に、ＡＤ変換器２４０から１００Ｈｚの出力データレートが得られることが定められているとする。制御部２００は、制御電圧生成部２６０から制御電圧Ｖ０を出力させるための制御信号を制御電圧生成部２６０に出力する。

ＡＤ変換器２４０は、ＡＤ変換部２４２及びフィルタ部２４４の内部遅延時間を含む所定のセトリング時間が経過した後、ＡＤ変換器２４０に供給されるクロック信号に同期して、実質的に１０ｍｓの周期Ｔ毎に、検出データ１，２，３・・・を出力する。制御部２００は、分周器２７０からの分周信号に基づいて内部時刻を計測する。ここでは簡単のために、検出開始時刻０時０分０秒０ミリ秒から１０ｍｓ後の時刻００：００：００．０１０に、最初の検出データ１が得られたとする。以後、時刻００：００：００．０２０に検出データ２が得られ、時刻００：００：００．０３０に検出データ３が得られる。

制御電圧をＶ０に維持した状態で検出データｉが得られた後に、収集装置２０から基準時刻００：００：２０．０５０を受信する。なお、基準時刻は、収集装置２０から基準時刻として通知された時刻と、収集装置２０とセンサ４０との間の通信の遅延時間を考慮して補正された時刻であるとする。このときのセンサ４０の内部時刻は、００：００：２０．００５である。すなわち、内部時刻が基準時刻から４５ｍｓ遅れた状態であることが分かる。この場合、制御部２００は、基準時刻と内部時刻との差４５ｍｓに対応する量だけ、電圧制御発振器２８０への制御電圧Ｖを上昇させる。図３のタイムシーケンスでは、制御部２００は、制御電圧をＶ０からＶ１に上昇させる。これにより、クロック生成部２５０からのクロック信号の周期が短くなる。これにより、制御部２００における内部時刻のカウントが早まる。

検出データｉが得られた後に、内部時刻００：００：２０．０１０に検出データｉ＋１が得られ、内部時刻００：００：２０．０２０に検出データｉ＋２が得られ、内部時刻００：００：２０．０３０に検出データｉ＋３が得られる。制御電圧がＶ１に到達した後、１０ｍｓより短い周期Ｔ１毎に、検出データｉ＋１、検出データｉ＋２、検出データｉ＋３・・・が得られる。

制御電圧をＶ１に維持した状態で、実質的に周期Ｔ１で、内部時刻００：００：３０．０００に検出データｊが得られ、内部時刻００：００：３０．０１０に検出データｊ＋１が得られた後に、収集装置２０から基準時刻００：００：３０．０１７を受信する。このときのセンサ４０の内部時刻は、００：００：３０．０１５である。すなわち、内部時刻が基準時刻からまだ２ｍｓ遅れている状態であることが分かる。この場合、制御部２００は、制御電圧をさらにＶ１'に上昇させる。これにより、クロック生成部２５０からのクロック信号の周期がさらに短くなる。したがって、制御部２００における内部時刻のカウントがさらに早まる。制御電圧がＶ１'に到達した後、実質的に１０ｍｓの周期Ｔ毎に、検出データｊ＋２、検出データｊ＋３・・・が得られる。例えば内部時刻と基準時刻との時間差の目標を±１ｍｓ以内とすると、目標以内になるまで上記の動作を繰り返す。

図４は、センサ４０ａのサンプリングタイミングを表すタイムシーケンスの一例を示す。図４は、図３において検出データｊ＋３が得られた後のタイムシーケンスを示す。ここでは、検出データｊ＋３が得られた後、制御電圧はＶ０に維持されていたとする。

検出データｊ＋３が得られた後に、実質的に１０ｍｓの周期Ｔ毎に、内部時刻００：００：４０．０００に検出データｋ、内部時刻００：００：４０．０１０に検出データｋ＋１、内部時刻００：００：４０．０２０に検出データｋ＋３が得られる。

制御電圧をＶ０に維持した状態で検出データｋ＋２が得られた後に、収集装置２０から基準時刻００：００：３９．０８０を受信する。このときのセンサ４０ａの内部時刻は、００：００：４０．０２５である。すなわち、内部時刻が基準時刻から４５ｍｓ進んだ状態であることが分かる。この場合、制御部２００は、制御電圧をＶ２に低下させる。これにより、クロック生成部２５０からのクロック信号の周期が長くなる。したがって、制御部２００における内部時刻のカウントが遅くなる。制御電圧がＶ２に到達した後、実質的に周期Ｔより長い周期Ｔ２毎に、検出データｋ＋３、検出データｋ＋４、検出データｋ＋５・・・が得られる。

制御電圧をＶ２に維持した状態で、内部時刻００：００：５０．０００に検出データｍが得られ、内部時刻００：００：５０．０１０に検出データｍ＋１が得られた後に、収集装置２０から基準時刻００：００：５０．０１３を受信する。このときのセンサ４０ａの内部時刻は、００：００：５０．０１５である。すなわち、内部時刻が基準時刻からまだ２ｍｓ進んでいる状態であることが分かる。この場合、制御部２００は、制御電圧をさらにＶ２'に低下させる。これにより、クロック生成部２５０からのクロック信号の周期がさらに長くなる。したがって、制御部２００における内部時刻のカウントがさらに遅くなる。制御電圧がＶ２'に到達した後、実質的に１０ｍｓの周期Ｔ毎に、検出データｍ＋２、検出データｍ＋３・・・が得られる。例えば内部時刻と基準時刻との時間差の目標を±１ｍｓ以内とすると、目標以内になるまで上記の動作を繰り返す。

図４及び図５に示されるように、制御部２００は、内部時刻が基準時刻より予め定められた時間を超えて遅れた場合に、制御電圧を規定値Ｖ０より高めることにより、クロック信号の周波数を高める。クロック周波数の周波数を高めた後、内部時刻と基準時刻との差が予め定められた時間未満になった場合に、制御電圧をその電圧値で固定する。また、制御部２００は、内部時刻が基準時刻より予め定められた時間を超えて進んだ場合に、クロック信号の周波数を低くする。クロック周波数の周波数を低くした後、内部時刻と基準時刻との差が予め定められた時間未満になった場合に、制御電圧をその電圧値で固定する。

なお、図３及び図４に関連して、分かり易く説明するために、ミリ秒以上の誤差範囲で基準時刻と同期させる場合を説明した。しかし、ミリ秒未満の誤差範囲で基準時刻に同期させることも可能である。また、図３及び図４に関連して、基準時刻を取得する度に内部時刻を判定する方法を説明した。しかし、センサ４０のシステム時刻を基準時刻に同期している場合には、測定用の内部時刻とシステム時刻とを比較する形態も採用できる。

図５は、センサ４０ａの動作のフローチャートを示す。図５のフローチャートの処理は、主として制御部２００の制御に従ってセンサ４０ａの各部が動作することにより、実行される。

図５のＳ５００において、制御部２００は、内部時刻を基準時刻に合わせる。具体的には、収集装置２０から基準時刻を受信した場合に、収集装置２０とセンサ４０ａとの間の通信に要する時間を考慮して、内部時刻を基準時刻に合わせる。

図５のＳ５０２において、制御部２００は、測定開始時刻になったか否かを判断する。制御部２００は、内部時刻が予め定められた測定開始時刻に一致したか否かを判断する。内部時刻が測定開始時刻になっていない場合、制御部２００は測定開始時刻になるまで待つ。測定開始時刻になった場合、Ｓ５０４において、制御部２００は、ＡＤ変換開始信号をＡＤ変換部２４２に出力し、クロック生成部２５０からＡＤ変換部２４２へのクロック信号の供給を開始させる。

図５のＳ５０６において、生じたイベントを判断する。イベントとしては、フィルタ部２４４から検出データを取得した場合に生じる検出データ取得イベントと、収集装置２０から基準時刻を取得した場合に生じる基準時刻取得イベントと、測定終了イベントを取り上げる。

図５のＳ５０６において、検出データ取得イベントが生じたと判断した場合、Ｓ５１０において、制御部２００は、予め定められたデータ処理を検出データに適用して、センサデータを生成する。そして、Ｓ５１２において、制御部２００は、センサデータを通信部２９０から送信させる。Ｓ５１２の処理が完了すると、Ｓ５０６に戻る。

図５のＳ５０６において、制御部２００は、基準時刻に対する内部時刻の遅れ量が閾値Ｔｔｈを超えているかを判断する。基準時刻に対する内部時刻の遅れ量が閾値Ｔｔｈを超えている場合、Ｓ５２２において、制御部２００は、電圧制御発振器２８０に供給する制御電圧を上昇させ、Ｓ５０６に戻る。

図５のＳ５２０において基準時刻に対する内部時刻の遅れ量が閾値Ｔｔｈを超えていない場合、Ｓ５２４において、制御部２００は、基準時刻に対する内部時刻の進み量が閾値Ｔｔｈを超えているか否かを判断する。基準時刻に対する内部時刻の進み量が閾値Ｔｔｈを超えている場合、Ｓ５２６において、制御部２００は、電圧制御発振器２８０に供給する制御電圧を低下させ、Ｓ５０６に戻る。

図５のＳ５０６において、測定終了イベントが生じたと判断した場合、本フローチャートの処理を終了する。なお、測定終了イベントは、収集装置２０から計測を終了する旨の指示を受信した場合や、測定終了スイッチが操作された場合に生じる。

図６は、閏秒に対する処理を行う場合におけるセンサ４０のサンプリングタイミングを表す。図６において、動作シーケンスを分かり易く説明するため、時間スケールは、実際のタイムシーケンスの時間スケールとは異なって示されている。図６は、ＮＴＰサーバ等から受信した閏秒インジケータによって、８時５９分５９秒の次に１秒の閏秒「８時５９分６０秒」が挿入されることが通知された場合のサンプリングタイミングを表す。

例えば、電圧制御発振器２８０の周波数可変範囲が±１００ｐｐｍである場合、制御部２００は、閏秒が挿入される時刻の１００００秒前から、内部時刻において１００００秒間にわたって、クロック信号の周期を１００μ秒長くする。これにより、閏秒挿入後のタイミングにおいて、クロック信号に基づく内部時刻を基準時刻に実質的に一致させる。具体的には、６時１３分２０秒から１００００秒間（＝２時間４６分４０秒間）にわたって、電圧制御発振器２８０への制御電圧Ｖを低下させて、クロック信号の周期をＴ'にする。ここで、Ｔ'＝Ｔ＋０．０００１である。これにより、測定部２３０は周期Ｔ'で加速度のサンプリングを続ける。制御部２００は、クロック信号の周期をＴ'に保っている間に取得されたデータに、「閏秒調整あり」を示す閏秒調整フラグを付加する。これにより、基準時刻に対して同期が取れたデータと閏秒調整中のデータとを区別することができる。

これにより、基準時刻の８時５９分５９秒の次に閏秒が挿入された後の基準時刻９時０分０秒において、内部時刻が基準時刻に実質的に一致する。また、閏秒が挿入されるタイミングを含む期間にわたって、測定周期がほぼ一定の時間的に連続したデータを得ることができる。

このような閏秒に対応する処理を行わない場合、センサからは８時５９分５９秒から９時０分０秒までの１秒間のデータが出力されるが、基準時刻８時５９分６０秒から９時０分０秒の１秒間のデータが失われる場合がある。しかし、図６に示すように、閏秒が挿入される前にクロック信号の周期を調整することで、閏秒に対する特別なデータ操作を行うことなく、時間的に連続したデータを生成することができる。

図６においては、閏秒が挿入されることが予め通知された場合に、閏秒の挿入前にクロック信号の周波数を低くする処理について説明した。一方、閏秒が挿入されることが予め通知されなかった場合においては、制御部２００は、基準時刻に「６０秒」の閏秒の挿入を検出したときに、１００００秒間にわたって、クロック信号の周期を１００μ秒長くしてよい。これにより、１００００秒後のタイミングにおいて、内部時刻と基準時刻とを実質的に一致させることができる。

図７は、閏秒に関する処理を含むフローチャートを示す。図７は、図５のフローチャートにおけるＳ５０６以後の動作を示す。図７は、Ｓ５４０及びＳ５４２の処理を含む点で、図５のフローチャートと異なる。ここでは、主として図５のフローチャートとの相違点を説明し、他の説明を省略する。

図７のフローチャートにおいて、Ｓ５０６で判断されるイベントには、図５に関連して説明したイベントに加えて、閏秒挿入通知イベントと、閏秒処理イベントが含まれる。閏秒挿入通知イベントは、ＮＴＰサーバ等から受信した閏秒インジケータによって、閏秒を挿入することが予め通知された場合に生じる。閏秒処理イベントは、基準時刻に閏秒が挿入されたことを検出した場合や、閏秒に対するクロック周波数調整を開始する予定時刻になった場合に生じる。

Ｓ５０６において閏秒挿入通知イベントが生じたと判断した場合、Ｓ５４０において、制御部２００は、閏秒の挿入時刻の１００００秒前に閏秒処理イベントが生じるように設定する。閏秒の挿入時刻の１００００秒前は、閏秒に対するクロック周波数調整を開始する予定時刻である。

Ｓ５０６において閏秒処理イベントが生じたと判断した場合、Ｓ５４２において、制御部２００は、１００００秒間にわたって電圧制御発振器２８０に供給する制御電圧を低下させて、クロック信号の周期を長くする。これにより、閏秒が挿入された時刻のデータが失われることなく、時間的に連続するデータを送信することができる。

なお、閏秒に関する処理について、主として正の閏秒が挿入される場合を取り上げて説明した。負の閏秒が挿入される場合は、正の閏秒が挿入される場合とは反対に、クロック信号の周波数を高くすればよい。

以上に説明したデータ収集システム１０によれば、各センサ４０は、ＡＤ変換部２４２に供給するクロック信号を、基準時刻からの遅れ量又は進み量に応じて調整することで、センサ４０の測定を行いつつ、内部時刻と基準時刻を合わせることができる。そのため、各センサ４０は、時刻合わせのために測定を一時的に中断したり、測定間隔が空いてしまったり、測定間隔が極端に短くなったりすることを抑制することができる。

また、データ収集システム１０によれば、センサ４０がＡＤ変換部２４２の変換タイミングを調整することで、時刻同期を行う。そのため、周波数固定の水晶発振器等をクロック信号に用いる場合と比べて、周波数の誤差が蓄積することにより基準時刻からのずれが大きくなることを抑制できる。

なお、測定時刻を基準時刻に同期させるために、基準時刻に同期して、制御部２００が周期ＴでＡＤ変換の開始信号を逐一ＡＤ変換部２４２に供給する方式も考えられる。しかし、フィルタ部２４４が周期Ｔのサンプリングにより生じる折り返し信号を除去するために、概ね時間Ｔのセトリング時間を要する。そのため、ＡＤ変換部２４２及びフィルタ部２４４の全体のセトリング時間が周期Ｔ以上になってしまう。そのため、この方式を採用することはできない。

これに対し、センサ４０によれば、センサ４０がＡＤ変換部２４２を開始した後は、変換タイミングを連続的に微調整することで、時刻同期を行う。そのため、折り返し信号を十分に除去した信号を継続的に得ることができる。これにより、センサ４０の零点出力の変動を小さくすることができるので、傾斜角度の測定を高い精度で行うことができる。

なお、モニタリングシステム１００において、データ収集システム１０による構造物８０の加速度の検出タイミングと、データ収集システム１１による構造物８１の加速度の検出タイミングとは、同期されていてよい。例えば、データ収集システム１１は、データ収集システム１０が構造物８０の加速度を検出する時刻と同じ時刻に、構造物８１の加速度を検出してよい。

また、モニタリングシステム１００において、１つの構造物８０に１つのモニタリングシステム１００を設けた形態を説明した。しかし、複数の構造物に１つのモニタリングシステム１００を設けてもよい。

センサ４０の検出対象は加速度に限られない。センサ４０は、磁場、電場、光、放射線等、様々な物理量を検出してよい。１つのデータ収集システム１０が備えるセンサ４０の数は４個に限らず、２個以上であってよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ データ収集システム
１１ データ収集システム
２０ 収集装置
３０ 通知装置
４０ センサ
５０ 中継装置
６０ 通信回線
７０ サーバ
８０ 構造物
８１ 構造物
９０ ネットワーク
１００ モニタリングシステム
２００ 制御部
２１０ メモリ
２２０ 検出器
２２２ 検出部材
２２４ アナログ処理部
２２６ ＬＰＦ
２３０ 測定部
２４０ ＡＤ変換器
２４２ ＡＤ変換部
２４４ フィルタ部
２５０ クロック生成部
２６０ 制御電圧生成部
２７０ 分周器
２８０ 電圧制御発振器
２９０ 通信部

Claims (16)

1. クロック信号を生成するクロック生成部と、
   前記クロック信号に基づくタイミングで物理量を検出する検出部と、
   前記クロック生成部が生成した前記クロック信号に基づく時刻と外部の基準時刻との差が小さくなるように、前記クロック生成部が生成するクロック信号の周波数を調整する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、閏秒が挿入されることが通知された場合に、前記閏秒が挿入される時刻より予め定められた期間だけ前の時刻から前記予め定められた期間にわたって、前記クロック信号の周波数を低くすることにより、挿入された閏秒の長さだけ、前記クロック信号に基づく時刻を遅らせる
   センサ。
2. 前記制御部は、前記クロック信号に基づく時刻と外部から取得した前記基準時刻との差に基づいて、前記クロック信号に基づく時刻と前記基準時刻との差が小さくなるように、前記クロック信号の周波数を調整する
   請求項１に記載のセンサ。
3. 前記制御部は、前記クロック信号に基づく時刻が前記基準時刻から遅れている場合に、前記クロック信号の周波数を高める
   請求項１又は２に記載のセンサ。
4. 前記制御部は、前記クロック信号に基づく時刻の前記基準時刻からの遅れ量が大きいほど、前記クロック信号の周波数をより高める
   請求項３に記載のセンサ。
5. 前記制御部は、前記クロック信号に基づく時刻が前記基準時刻より進んでいる場合に、前記クロック信号の周波数を低くする
   請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ。
6. 前記制御部は、前記クロック信号に基づく時刻の前記基準時刻からの進み量が大きいほど、前記クロック信号の周波数をより低くする
   請求項５に記載のセンサ。
7. 前記検出部は、
   前記物理量を示すアナログ信号を生成する検出器と、
   前記クロック信号により定められるタイミングで前記アナログ信号に対するＡＤ変換を行うＡＤ変換部と
   を有する請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサ。
8. 前記ＡＤ変換部は、予め定められた測定周波数より高いサンプリング周波数で前記ＡＤ変換を行い、
   前記検出部は、
   前記ＡＤ変換により得られたデジタル信号を、前記測定周波数のデジタル信号に変換するフィルタ部
   を更に有する請求項７に記載のセンサ。
9. 前記フィルタ部は、前記測定周波数の周波数成分を減衰させるデシメーションフィルタを含む
   請求項８に記載のセンサ。
10. 前記クロック生成部は、
    制御電圧に応じた周波数の前記クロック信号を生成する電圧制御発振器と、
    前記クロック信号に基づく時刻と前記基準時刻との差に基づいて前記制御電圧を調整する電圧生成部と
    を有する請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサ。
11. 前記制御部は、
    前記基準時刻を外部から取得し、
    前記基準時刻に基づく予め定められた時刻に前記センサに前記物理量の検出を開始させ、
    前記予め定められた時刻と前記クロック信号に基づいてカウントされた経過時間とに基づいて内部時刻を生成し、
    前記内部時刻と前記基準時刻との差に基づいて、前記内部時刻と前記基準時刻との差が小さくなるように、前記クロック信号の周波数を調整する
    請求項１０に記載のセンサ。
12. 前記制御部は、前記基準時刻に閏秒が挿入された場合に、予め定められた期間にわたって前記クロック信号の周波数を低くすることにより、挿入された閏秒の長さだけ、前記クロック信号に基づく時刻を遅らせる
    請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサ。
13. クロック信号を生成するクロック生成部と、
    前記クロック信号に基づくタイミングで物理量を検出する検出部と、
    外部の基準時刻に閏秒が挿入される場合に、前記クロック生成部が生成した前記クロック信号に基づく時刻と前記基準時刻との差が小さくなるように、前記クロック生成部が生成するクロック信号の周波数を低くする制御部と
    を備え、
    前記制御部は、前記閏秒の挿入により前記クロック信号の周波数を低くした期間に前記検出部によって検出された物理量を示すデータに、前記クロック信号の周波数を低くした期間に検出されたデータであることを示す情報を対応づけて出力する
    センサ。
14. 前記センサは、構造物に設けられ、前記構造物の加速度、傾斜角度、速度及び変位の少なくとも１つを検出する
    請求項１から１３のいずれか一項に記載のセンサ。
15. クロック信号を生成する段階と、
    前記クロック信号に基づくタイミングで物理量を検出する段階と、
    前記クロック信号に基づく時刻と、外部から取得した基準時刻との差が小さくなるように、前記クロック信号の周波数を調整する段階と
    を備え、
    前記クロック信号の周波数を調整する段階は、閏秒が挿入されることが通知された場合に、前記閏秒が挿入される時刻より予め定められた期間だけ前の時刻から前記予め定められた期間にわたって、前記クロック信号の周波数を低くすることにより、挿入された閏秒の長さだけ、前記クロック信号に基づく時刻を遅らせる
    センサの制御方法。
16. クロック信号を生成する段階と、
    前記クロック信号に基づくタイミングで物理量を検出する段階と、
    外部から取得した基準時刻に閏秒が挿入される場合に、前記クロック信号に基づく時刻と、前記基準時刻との差が小さくなるように、前記クロック信号の周波数を低くする段階と、
    前記閏秒の挿入により前記クロック信号の周波数を低くした期間に前記検出された物理量を示すデータに、前記クロック信号の周波数を低くした期間に検出されたデータであることを示す情報を対応づけて出力する段階と
    を備えるセンサの制御方法。

Images