特許 6761575 加速度計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6761575

(24)【登録日】2020年9月9日

(45)【発行日】2020年9月30日

(54)【発明の名称】加速度計

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/093 20060101AFI20200917BHJP

   G01P 15/08 20060101ALI20200917BHJP

【ＦＩ】

   G01P15/093

   G01P15/08 101B

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-27503(P2016-27503)

(22)【出願日】2016年2月17日

(65)【公開番号】特開2017-146171(P2017-146171A)

(43)【公開日】2017年8月24日

【審査請求日】2018年12月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100118267

【弁理士】

【氏名又は名称】越前 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 初美

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 中国特許出願公開第１０１２８５８４７（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５３８６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５３８４２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６１７５１０８（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｐ１５／００−１５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支軸を中心として揺動可能に配置されるアーム部材と、該アーム部材の端部に配置される重錘と、を備えた振動子と、
該振動子の揺動方向に延伸するように前記アーム部材に配置された光ファイバセンサと、を備え、
前記アーム部材は、長手方向に沿って形成され前記支軸が挿通される長孔を備えており、
前記光ファイバセンサにより出力される歪み量に基づいて加速度を計測する、
ことを特徴とする加速度計。

【請求項2】

前記光ファイバセンサと平行に前記アーム部材に配置された弾性部材を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の加速度計。

【請求項3】

前記光ファイバセンサ及び前記弾性部材は、前記アーム部材の両側に配置されている、ことを特徴とする請求項２に記載の加速度計。

【請求項4】

前記光ファイバセンサ及び前記弾性部材は、前記支軸を挟んで前記重錘と反対側に配置されている、ことを特徴とする請求項３に記載の加速度計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加速度計に関し、特に、光ファイバセンサの歪み量に基づいて加速度を計測する加速度計に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、橋梁等の構造物の劣化や損傷の有無を監視するため、構造物に加速度を計測する計測装置を設置し、計測された加速度から構造物の固有振動数、減衰（構造減衰）、撓み量等を算出している。かかる計測装置として、例えば、歪みゲージを用いた電気式計測装置が一般に使用されている。

【0003】

しかしながら、歪みゲージを用いた計測装置は、測定データを電気的に取得するため、例えば、過酷な環境下に置かれた構造物のような場合、断線やショートによる不具合が発生するおそれがある。また、歪みゲージが構造物から剥離してしまうと、計測自体が不可能になってしまう。

【0004】

そこで、上記の不具合を回避できる計測装置として、光信号を利用して測定データを取得するように構成した装置が種々開発されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

【0005】

特許文献１に記載された加速度計は、構造物に対して光ファイバ及びばね部材を介して重り部材を連結し、構造物の加速度を重り部材の変位方向と平行に配置した光ファイバの歪みに基づいて計測するように構成されている。

【0006】

また、特許文献２に記載された加速度計は、構造物に対して光ファイバ及びばね部材を介して重り部材を連結し、構造物の加速度を重り部材の変位方向と直交する方向に変形する光ファイバの変形量に基づいて計測するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０００−２３０９３５号公報

【特許文献2】特開２００５−１５６４３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献１に記載された加速度計では、光ファイバに重り部材が直接連結されているため、計測可能な周波数領域は、光ファイバが弾性変形できる範囲内に制限されてしまうという問題がある。また、特許文献２に記載された加速度計では、光ファイバがばね部材に沿って配置されていることから、光ファイバの撓みに基づいて歪み量を算出することとなる。したがって、おもりの揺動量に対して光ファイバの撓み量が小さく、振幅の少ない振動や低周波領域の振動の計測が難しく、計測可能な周波数領域が狭いという問題がある。

【0009】

本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、広範囲の周波数領域の計測に対応することができる加速度計を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明によれば、支軸を中心として揺動可能に配置されるアーム部材と、該アーム部材の端部に配置される重錘と、を備えた振動子と、該振動子の揺動方向に延伸するように前記アーム部材に配置された光ファイバセンサと、を備え、前記アーム部材は、長手方向に沿って形成され前記支軸が挿通される長孔を備えており、前記光ファイバセンサにより出力される歪み量に基づいて加速度を計測する、ことを特徴とする加速度計が提供される。

【0011】

前記加速度計は、前記光ファイバセンサと平行に前記アーム部材に配置された弾性部材を備えていてもよい。

【0012】

また、前記光ファイバセンサ及び前記弾性部材は、前記アーム部材の両側に配置されていてもよい。

【0013】

また、前記光ファイバセンサ及び前記弾性部材は、前記支軸を挟んで前記重錘と反対側に配置されていてもよい。

【発明の効果】

【0015】

上述した本発明に係る加速度計によれば、振動子が揺動した際に光ファイバセンサが伸縮し、その歪み量に基づいて加速度を計測することができる。また、本発明によれば、計測対象物に生じる振動特性に応じてアーム部材の支軸の位置を変更することができ、広範囲の周波数領域の計測に対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の第一実施形態に係る加速度計の構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、である。

【図2】図１に示した加速度計を橋梁の振動計測に適用した場合の概略構成図である。

【図3】本発明の第二実施形態に係る加速度計を示す縦断面図である。

【図4】本発明の他の実施形態に係る加速度計を示す縦断面図であり、（ａ）は第三実施形態、（ｂ）は第四実施形態、（ｃ）は第五実施形態、を示している。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態について図１（ａ）〜図４（ｃ）を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る加速度計の構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、である。図２は、図１に示した加速度計を橋梁の加速度計測に適用した場合の概略構成図である。なお、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示したＸＹＺ軸は、Ｚ軸を鉛直方向とする三軸直交座標系を示している。

【0018】

本発明の第一実施形態に係る加速度計１は、例えば、図１に示したように、支軸２を中心として揺動可能に配置されるアーム部材３と、アーム部材３の端部に配置される重錘４と、を備えた振動子５と、振動子５の揺動方向（Ｚ軸方向）に延伸するようにアーム部材３に配置された光ファイバセンサ６と、光ファイバセンサ６と平行にアーム部材３に配置された弾性部材７と、振動子５等を収容する筐体８と、を備え、光ファイバセンサ６により出力される歪み量に基づいて加速度を計測するように構成されている。

【0019】

加速度計１を構成する部品（振動子５、光ファイバセンサ６及び弾性部材７）は、略直方体形状の筐体８に収容されユニット化されている。筐体８は、計測対象物である構造物Ｓへの取付部を形成するフランジ部８ａを有していてもよい。筐体８は、加速度計１の各構成部品を外部環境から保護する容器であり、十分な剛性及び防水性を有していることが好ましい。

【0020】

支軸２は、図１（ｂ）に示したように、両端部が筐体８の側面に固定される。本実施形態において、支軸２は水平方向（Ｙ軸方向）に沿って配置されている。なお、支軸２の支持方法は、図示した構成に限定されるものではなく、例えば、筐体８の下面に配置された一対の支持部材によって支軸２を支持するようにしてもよい。

【0021】

アーム部材３は、図１（ａ）に示したように、鉛直面（ＸＺ平面）内で揺動可能な状態となるように支軸２に軸支される。本実施形態では、アーム部材３の中間部に支軸２が挿通されている。

【0022】

また、アーム部材３の一端部には重錘４が配置される。本実施形態では、重錘４をアーム部材３の端部に固定しているが、アーム部材３の長手方向に沿って重錘４の位置を変更できるように構成してもよい。例えば、アーム部材３の一端にネジを切っておき、そのネジに重錘４を螺合させる構成であってもよい。また、重錘４にアーム部材３を挿通する開口部を形成しておき、アーム部材３及び重錘４を側面からピンで連結する構成であってもよい。また、重錘４は、用途に応じて重量の異なる重錘に交換可能であってもよい。

【0023】

かかるアーム部材３及び重錘４により振動子５が構成される。なお、本実施形態では、支軸２を筐体８に固定しアーム部材３を支軸２に対して揺動可能に構成しているが、支軸２を筐体８に回動可能に接続しアーム部材３を支軸２に固定して支軸２及びアーム部材３を揺動可能に構成してもよい。

【0024】

光ファイバセンサ６は、例えば、光ファイバの内部に屈折率が周期的に変化するブラッグ格子６１が形成されたセンサである。ブラッグ格子６１は、光ファイバが伸縮して格子間隔が変化した際、その間隔に応じた特定の波長の光のみを反射する。したがって、光ファイバセンサ６に広帯域のスペクトルを有する光を導入し、反射された光の波長を計測することにより、光ファイバに発生した歪みを検出することができる。

【0025】

また、光ファイバセンサ６は、光ファイバセンサ６は、一本の光ファイバで多点計測が可能であることから、図１（ａ）に示したように、一本の光ファイバにより構成される光ファイバセンサ６をアーム部材３の両側に配置するようにしてもよい。具体的には、光ファイバセンサ６は、筐体８の下面に固定された一端と、筐体８の上面に固定された他端と、アーム部材３に貫通した状態で固定された中間部と、を備えている。

【0026】

したがって、光ファイバセンサ６は、アーム部材３の揺動方向（Ｚ軸方向）に延伸するように配置される。また、光ファイバセンサ６の他端は、図示したように、光コネクタ１２を介して筐体８に固定されていてもよい。光コネクタ１２には光を伝送する光ケーブル１１が接続される。

【0027】

なお、光ファイバセンサ６の構成は図示した構成に限定されるものではなく、例えば、複数本の光ファイバセンサ６を用いた構成であってもよい。例えば、図１（ａ）において、アーム部材３の上方に配置された光ファイバセンサ６と、アーム部材３の下方に配置された光ファイバセンサ６と、を異なる光ファイバセンサ６によって構成してもよい。この場合、それぞれの光ファイバセンサ６には、個別に光を伝送する光コネクタ及び光ケーブルが接続される。

【0028】

また、図示しないが、アーム部材３の片側にのみ光ファイバセンサ６を配置するようにしてもよい。例えば、図１（ａ）において、アーム部材３の上方にのみ光ファイバセンサ６を配置するようにしてもよいし、アーム部材３の下方にのみ光ファイバセンサ６を配置するようにしてもよい。

【0029】

弾性部材７は、例えば、図１（ａ）に示したように、アーム部材３の両側に配置された一対のコイルスプリングである。アーム部材３の上方に配置された弾性部材７は、筐体８の上面に固定された一端と、アーム部材３に固定された他端と、を備えている。また、アーム部材３の下方に配置された弾性部材７は、筐体８の下面に固定された一端と、アーム部材３に固定された他端と、を備えている。

【0030】

弾性部材７は、光ファイバセンサ６と平行に配置されており、加速度計１に鉛直方向の加速度が付与されていない静止状態において、アーム部材３を略水平状態に保持する。また、弾性部材７は、所定の弾性係数を有するものを任意に選択して使用することにより、アーム部材３の揺動範囲（上限及び下限）を規定することができ、計測可能な加速度の周波数領域を調整することができる。

【0031】

なお、弾性部材７は、図示した構成に限定されるものではなく、アーム部材３を弾性的に支持できることができれば、ゴムやエアダンパ等を用いてもよい。また、図示しないが、アーム部材３の片側にのみ弾性部材７を配置するようにしてもよい。例えば、図１（ａ）において、アーム部材３の上方にのみ弾性部材７を配置するようにしてもよいし、アーム部材３の下方にのみ弾性部材７を配置するようにしてもよい。

【0032】

また、本実施形態において、光ファイバセンサ６及び弾性部材７は、支軸２を挟んで重錘４と反対側に配置されている。弾性部材７を重錘４と反対側の端部に配置することにより、重錘４によってアーム部材３に作用するモーメントを効果的に抑制することができ、アーム部材３の揺動する範囲（振幅）を低減することができる。したがって、本実施形態に係る加速度計１は、大きな振幅の振動を生じる場所にも適用することができる。

【0033】

また、光ファイバセンサ６は、重錘４と弾性部材７との間であれば、アーム部材３のどの位置に固定されていてもよいが、支軸２に近すぎると、光ファイバセンサ６の伸縮量が小さくなってしまい、歪み量の計測が困難になる場合もあり得る。したがって、光ファイバセンサ６は、重錘４と支軸２との中間部、又は、弾性部材７と支軸２との中間部に配置することが好ましい。なお、光ファイバセンサ６も一定の弾性力を有していることから、図示したように、弾性部材７と支軸２との中間部に配置すると効果的である。

【0034】

ここで、図２を参照しつつ、上述した加速度計１を用いて橋梁１３の振動計測に適用した場合の処理について説明する。橋梁１３は、例えば、一対の橋台１３ａと、橋台１３ａに支承を介して支持される上部構造体１３ｂとによって構成される。加速度計１は、上部構造体１３ｂの所定の箇所に複数配置される。また、これらの加速度計１は、光ケーブル１１を介して解析装置１４に接続される。

【0035】

解析装置１４は、例えば、広帯域のスペクトルを有する光を供給する光源１４ａと、光源１４ａと光ケーブル１１とを連結するカプラ１４ｂと、加速度計１から戻ってきた光の波長を計測する光センサ１４ｃと、計測された波長に基づいて加速度を計測する加速度演算部１４ｄと、計測された加速度に基づいて橋梁１３の状態を解析する解析部１４ｅと、を備えている。

【0036】

光源１４ａから光ケーブル１１に供給された光は、各加速度計１の光ファイバセンサ６に伝送される。各光ファイバセンサ６のブラッグ格子６１により反射された光は、光ケーブル１１を介してカプラ１４ｂに伝送され、カプラ１４ｂから光センサ１４ｃに伝送される。光センサ１４ｃは、伝送された光の周波数を計測して波長を算出する。

【0037】

光センサ１４ｃで算出された波長のデータは、加速度演算部１４ｄに供給される。加速度演算部１４ｄは、橋梁１３が健全な状態にあるときに計測した基準波長のデータと、監視時において計測した波長のデータとを比較し、その波長の変化量から光ファイバセンサ６の歪み量を算出する。そして、加速度演算部１４ｄは、算出された歪み量に基づいて加速度を算出する。

【0038】

加速度演算部１４ｄで算出された加速度のデータは解析部１４ｅに供給される。解析部１４ｅは、加速度計１により計測された加速度に基づいて橋梁１３の状態を解析する。例えば、解析部１４ｅは、橋梁１３の固有振動数、減衰（構造減衰）、撓み量等の解析データを算出して橋梁１３の状態を解析する。また、解析部１４ｅは、これらの算出した解析データと、橋梁１３の構造解析によって算出された理論値とを比較することにより、橋梁１３の状態（例えば、劣化や損傷の程度等）を判定するようにしてもよい。

【0039】

なお、図２では、加速度計１の計測対象物である構造物Ｓの一例として橋梁１３を図示しているが、構造物Ｓは橋梁１３に限定されるものではない。例えば、構造物Ｓは、水門、建築鉄骨、工場建屋、プラント構造物、海洋構造物等の他の構造物であってもよい。

【0040】

上述した本実施形態に係る加速度計１によれば、振動子５を構成するアーム部材３の揺動方向（Ｚ軸方向）に延伸するように光ファイバセンサ６を配置したことにより、振動子５が揺動した際に光ファイバセンサ６が伸縮し、その歪み量に基づいて加速度を計測することができる。

【0041】

ところで、上述した加速度計１では、構造物Ｓに鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動が発生した際、重錘４の慣性力によりアーム部材３は支軸２を中心としてＺ軸方向に揺動する。揺動するアーム部材３の固有振動数は、一般に支軸２と重錘４との間の距離に依存する。例えば、支軸２と重錘４との間の距離を大きく設定すれば、固有振動数を小さくすることができ、支軸２と重錘４との間の距離を小さく設定すれば、固有振動数を大きくすることができる。したがって、支軸２の位置を調整することにより、広範囲の周波数領域で加速度を計測することができる。

【0042】

例えば、特定の構造物Ｓに最適な加速度計１を設計する場合には、適用する構造物Ｓの振動特性に応じて支軸２の位置を設計すればよい。このとき、重錘４の重量や弾性部材７の弾性係数等も考慮して加速度計１の各構成部品を設計する。また、加速度計１のアーム部材３が交換可能に構成されている場合には、支軸２を固定する位置が異なる複数のアーム部材３を用意しておき、用途に応じてアーム部材３を選択するようにすればよい。

【0043】

このように、本実施形態に係る加速度計１によれば、計測対象物である構造物Ｓに生じる振動特性に応じてアーム部材３の支軸２の位置を変更することができ、広範囲の周波数領域の計測に対応することができる。したがって、橋梁のような低次の振動モード特性を有する大型構造物の振動計測だけでなく、高次の振動モード特性を有する構造物Ｓの振動計測にも適用することができる。

【0044】

次に、本発明の他の実施形態に係る加速度計１について、図３及び図４を参照しつつ説明する。ここで、図３は、本発明の第二実施形態に係る加速度計を示す縦断面図である。図４は、本発明の他の実施形態に係る加速度計を示す縦断面図であり、（ａ）は第三実施形態、（ｂ）は第四実施形態、（ｃ）は第五実施形態、を示している。なお、各図において、上述した第一実施形態に係る加速度計１と同一の構成部品については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

【0045】

図３に示した第二実施形態に係る加速度計１は、重錘４と支軸２との間の距離を調整可能に構成したアーム部材３を有している。具体的には、アーム部材３は、長手方向に沿って形成され支軸２が挿通される長孔３１を備えている。かかる構成により、長孔３１の長手方向に沿って支軸２を移動させることができ、重錘４と支軸２との間の距離を調整することができる。

【0046】

なお、支軸２の位置決め方法は種々の方法が考えられるが、例えば、長孔３１に挿通された支軸２とアーム部材３とを貫通するボルト・ナット３２によって位置決めするようにしてもよい。この場合、支軸２とアーム部材３とが固定されることから、支軸２は筐体８に軸受を介して回動可能に支持しておく。また、図示しないが、支軸２とアーム部材３との間に軸受を配置して、軸受を長孔３１に沿って相対移動可能かつ所定の位置で固定可能に構成してもよい。

【0047】

図４（ａ）に示した第三実施形態に係る加速度計１は、図１に示した第一実施形態に係る加速度計１から弾性部材７を省略したものである。かかる第三実施形態では、光ファイバセンサ６は、センサ機能に加えて、アーム部材３を弾性的に支持する機能を併せ持っている。なお、かかる第三実施形態において、歪み量を高精度に検知するためには、光ファイバセンサ６の変形を弾性変形の範囲内とする必要がある。したがって、かかる加速度計１は、小さい振幅の振動や低い周波数領域の加速度の計測に適している。

【0048】

図４（ｂ）に示した第四実施形態に係る加速度計１は、重錘４と支軸２との間に光ファイバセンサ６及び弾性部材７を配置したものである。かかる構成の加速度計１であっても、上述した第一実施形態に係る加速度計１と同様の効果を有する。また、図示したように、光ファイバセンサ６を支軸２側に配置し、弾性部材７を重錘４側に配置することにより、光ファイバセンサ６に負荷される応力を低減することができる。勿論、光ファイバセンサ６と弾性部材７の位置を入れ替えてもよい。

【0049】

図４（ｃ）に示した第五実施形態に係る加速度計１は、図１に示した第一実施形態に係る加速度計１の向きを鉛直面（ＸＺ平面）内で９０°偏向させ、構造物Ｓの水平方向（Ｘ軸方向）の加速度を計測するように構成したものである。例えば、図示したように、支軸２はＹ軸方向に沿って配置され、光ファイバセンサ６及び弾性部材７はＸ軸方向に沿って配置され、アーム部材３は静止状態でＺ軸方向に沿って配置されている。

【0050】

このように、加速度計１は、構造物Ｓに配置する場所に応じて、筐体８の内部に収容される構成部品の向きを任意に変更することができる。また、第一実施形態に係る加速度計１及び第五実施形態に係る加速度計１の両方を用いることにより、鉛直方向及び水平方向の加速度を同時に計測することができる。

【0051】

本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0052】

１ 加速度計
２ 支軸
３ アーム部材
４ 重錘
５ 振動子
６ 光ファイバセンサ
７ 弾性部材
８ 筐体
１１ ケーブル
１２ コネクタ
１３ 橋梁
１３ａ 橋台
１３ｂ 上部構造体
１４ 解析装置
１４ａ 光源
１４ｂ カプラ
１４ｃ 光センサ
１４ｄ 加速度演算部
１４ｅ 解析部
３１ 長孔
３２ ボルト・ナット
６１ ブラッグ格子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】