JP6604200B2 - 加速度センサー、計測システム、および計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、物理量検出装置、計測システム、および計測装置に関する。

特許文献１には、橋梁通過車両の重量計測手段において、走行路に沿って複数の速度検知用センサーを設置して通過車両の走行速度を検出するとともに、走行路に車軸検知用センサーを設置して通過車両の車軸位置および車軸数を検出し、走行速度と車軸位置により通過車両の車両認識を行い、橋梁に変形量計測手段を設置して橋梁の変形量を設定された計測時間内に複数回、かつ少なくとも車両認識された通過車両の車軸に対応して計測し、車両認識データと車軸に対応した変形量の計測データに基づき前記通過車両の重量を算出することが記載されている。

特開２００５−３０７８６号公報

ところで、床版等の構造物の減衰係数等の減衰特性を求めることは、構造物の状態を調べる上で重要である。そのため、加速度センサーから、構造物の減衰特性の算出に適した信号が出力されることが望まれる。

なお、特許文献１には、車両の車軸位置および車軸数の検出について開示されているが、構造物の減衰特性の算出に適した周波数を含む信号を出力することは開示されていない。

そこで本発明は、構造物の減衰特性の算出に適した信号を出力することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の第一の態様は、基部と、継ぎ手部を介して前記基部と連結された可動部と、前記基部と前記可動部とに掛け渡された振動子と、を有する検出部と、基台に固定される固定部を備え、前記基部を支持する支持部と、を有する検出素子部と、前記振動子の出力から前記検出素子部の共振周波数における振動応答信号を抽出する処理部と、有することを特徴とする物理量検出装置である。第一の態様によれば、物理量検出装置は、検出素子部の共振周波数における振動応答信号を抽出するので、抽出した振動応答信号から、構造物の減衰特性の算出に適した信号を出力することができる。

前記処理部は、前記振動応答信号の振幅情報を出力する、ことを特徴としてもよい。これにより、物理量検出装置は、構造物の減衰特性の算出に適した、振動応答信号の振幅情報を出力することができきる。

前記処理部は、前記振動子の出力から物理量信号を算出する、ことを特徴としてもよい。これにより、物理量検出装置は、振幅情報と物理量信号とを出力することができる。

前記処理部は、コマンドに応じて、前記振幅情報と、前記物理量信号との一方を出力する、ことを特徴としてもよい。これにより、物理量検出装置は、例えば、１つの出力ポートから、振幅情報と物理量信号との一方を出力することができ、小型化されることができる。

前記物理量信号は、前記検出素子部の共振周波数が抑制または除去されている、ことを特徴としてもよい。これにより、物理量検出装置は、検出素子部の共振周波数が抑制または除去された適切な物理量信号を出力することができる。

前記振幅情報は、包絡線信号である、ことを特徴としてもよい。これにより、物理量検出装置は、構造物の減衰特性の算出に適した包絡線信号を出力することができる。

上記の課題を解決するための本発明の第二の態様は、基部と、継ぎ手部を介して前記基部と連結された可動部と、前記基部と前記可動部とに掛け渡された振動子と、を有する検出部と、基台に固定される固定部を備え、前記基部を支持する支持部と、を有する検出素子部と、前記振動子の出力から前記検出素子部の共振周波数における振動応答信号を抽出する処理部と、を有する物理量検出装置と、前記物理量検出装置によって抽出される前記振動応答信号に基づいて、構造物の減衰特性を算出する計測装置と、を有することを特徴とする計測システムである。第二の態様によれば、物理量検出装置は、検出素子部の共振周波数における振動応答信号を抽出するので、抽出した振動応答信号から、構造物の減衰特性の算出に適した信号を計測装置に出力することができる。

上記の課題を解決するための本発明の第三の態様は、基部と、継ぎ手部を介して前記基部と連結された可動部と、前記基部と前記可動部とに掛け渡された振動子と、を有する検出部と、基台に固定される固定部を備え、前記基部を支持する支持部と、を有する検出素子部と、前記振動子の出力から前記検出素子部の共振周波数における振動応答信号を抽出する処理部と、を有する物理量検出装置に対し、前記振動応答信号の振幅情報と、前記前記振動子の出力から算出された物理量信号との一方または両方の出力を指示するコマンドを出力するコマンド出力部、を有することを特徴とする計測装置である。第三の態様によれば、計測装置は、物理量検出装置から、振幅情報と物理量信号との一方または両方を指定して取得することができる。

第１の実施の形態に係る計測システムの構成例を示した図である。 加速度センサーの出力例を説明する図である。 加速度センサーの機能ブロック例を示した図である。 センサー部を模式的に示した斜視図である。 図４のセンサー部の平面図である。 図５のセンサー部のＡＡ矢視図である。 信号処理部の機能ブロックの構成例を示した図である。 可動部の共振周波数における加速度の例を示した図である。 計測装置の機能ブロック例を示した図である。 第２の実施の形態に係る加速度センサーの機能ブロックの構成例を示した図である。 信号処理部の機能ブロックの構成例を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る計測システムの構成例を示した図である。図１に示すように、計測システムは、加速度センサー（本発明の物理量検出装置に相当する）１と、計測装置２とを有している。また、図１には、通信ネットワーク３と、橋梁４とが示してある。

橋梁４は、橋梁４の略中央部に位置する橋脚４ａと、両端に位置する２つの橋台４ｂ，４ｃと、橋台４ｂから橋脚４ａまでの上を渡される床版４ｄと、橋台４ｃから橋脚４ａまでの上を渡される床版４ｅとを有している。橋脚４ａと橋台４ｂ，４ｃはそれぞれ、地盤に施設された基礎（図示せず）の上に固定される。

加速度センサー１は、床版４ｄの側面４ｄａに設置される。具体的には、加速度センサー１は、床版４ｄに設けられている、車両５の移動方向規制手段（例えば、車線や縁石、欄干等）の規制方向と平行（略平行を含む）な側面４ｄａ（端部）の、規制方向の中央部（略中央部を含む）に設置される。

加速度センサー１は、通信ネットワーク３を介して、計測装置２と通信可能に接続されている。加速度センサー１は、例えば無線通信インターフェイスを有し、あるいは無線通信インターフェイスに接続され、当該無線通信インターフェイスを介して通信ネットワーク３に接続される。加速度センサー１には、加速度および角速度を出力する慣性センサーも含まれる。

加速度センサー１は、複数の出力ポートを有し、それぞれの出力ポートから、異なる信号を出力する。加速度センサー１から出力される信号は、例えば、デジタル信号である。

図２は、加速度センサー１の出力の例を説明する図である。図２の（Ａ）には、加速度センサー１の周波数特性の例が示してある。図２の（Ｂ）には、加速度センサー１の出力ポートの例が示してある。加速度センサー１は、例えば、図２の（Ｂ）に示すように、２つの出力ポート１ａ，１ｂを有している。

加速度センサー１は、以下で詳述するが、加速度によって変位する可動部（例えば、図４、図５、図６に示す可動部２３）を有している。加速度センサー１は、その可動部の加速度によって生じた変位に基づいて、加速度データ（本発明の物理量信号に相当する）を算出する。

グラフＧ１の波形Ｗ１ａは、加速度センサー１が出力する加速度データの周波数特性を示している。加速度センサー１は、可動部の変位に基づいて算出した加速度データのうち、波形Ｗ１ａに示すようなローパス特性の加速度を抽出し、出力ポート１ａから出力する。波形Ｗ１ａのカットオフ周波数は、例えば、「ｆ_ｃ」である。以下では、可動部の変位に基づいて算出される加速度データを単に「加速度」と表現する場合がある。

また、加速度センサー１は、以下で詳述するが、検出部および支持部を含む検出素子部（例えば、図５に示す検出部８１および支持部８２を含む検出素子部８０）を有している。加速度センサー１は、検出素子部の共振周波数における振動の信号（本発明の振動応答信号に相当する）を抽出し、抽出した信号の振幅情報を出力する。振幅情報は、例えば、抽出した信号の包絡線信号である。

グラフＧ１の波形Ｗ１ｂは、加速度センサー１の検出素子部の共振周波数「ｆ_ｒ」を示している。共振周波数「ｆ_ｒ」は、「ｆ_ｃ」より大きい。加速度センサー１は、検出素子部の共振周波数「ｆ_ｒ」における振動の包絡線信号（振幅変化）を出力ポート１ｂから出力する。以下では、検出素子部の共振周波数における振動の包絡線信号を単に「検出素子部共振における振幅情報」と表現する場合がある。

なお、一般的な加速度センサーは、検出素子部共振における振幅情報を出力しない。例えば、一般的な加速度センサーは、出力ポート１ｂを備えず、出力ポート１ａから、波形Ｗ１ａに示すローパス特性の加速度を出力する。

図１の説明に戻る。車両５が床版４ｄ上を走行（移動）すると、床版４ｄは、車両５の荷重によって、下方に撓む。計測装置２は、車両５の荷重によって生じる、床版４ｄの撓みによる加速度に基づいて、車両５の床版４ｄ上の運動を解析する。例えば、計測装置２は、床版４ｄ上の車両５が走行している車線や速度を解析する。

車両５の荷重による床版４ｄの加速度の周波数は、図２の波形Ｗ１ａに示す周波数成分に含まれている。例えば、車両５の荷重による加速度の周波数は、車両５の床版４ｄ上を走行する速度および床版４ｄの長さによるが、波形Ｗ１ａに示すカットオフ周波数「ｆ_ｃ」より十分低く、図２の波形Ｗ１ａに示す周波数成分に含まれている。従って、計測装置２は、加速度センサー１の出力ポート１ａから出力される、波形Ｗ１ａの周波数成分の加速度から、車両５の床版４ｄ上の運動を解析することができる。

また、車両５は、床版４ｄ上を走行しているとき、タイヤによって床版４ｄを叩きながら（インパクトを与えながら）走行しているといえる。計測装置２は、車両５のインパクトによって生じる床版４ｄの振動の包絡線（振動の振幅変化）に基づいて、床版４ｄの減衰係数を算出する。

車両５のインパクトによる床版４ｄの振動の周波数は、広範に及ぶ（理想的には全周波数に及ぶ）。従って、車両５のインパクトによる床版４ｄの振動（または加速度）は、図２の波形Ｗ１ａ，Ｗ１ｂに示す周波数成分に含まれている。よって、計測装置２は、加速度センサー１の出力ポート１ｂから出力される、検出素子部共振における振幅情報から、床版４ｄの減衰係数を算出することができる。

計測装置２が、波形Ｗ１ａの周波数成分の加速度の包絡線から、床版４ｄの減衰係数を算出しないのは、波形Ｗ１ａの周波数成分に、床版４ｄの減衰係数の算出に不要な加速度成分が含まれているからである。例えば、波形Ｗ１ａの周波数成分には、上記した車両５の荷重による加速度の周波数成分が含まれている。また、波形Ｗ１ａの周波数成分には、床版４ｄの固有共振による加速度の周波数（床版４ｄの材質や長さによるが、カットオフ周波数「ｆｃ」より十分小さい）が含まれている。この車両５の荷重による加速度および床版４ｄの固有共振による加速度は、車両５のインパクトによる加速度とは異なり、床版４ｄの減衰係数の算出においては、ノイズである。

一方、検出素子部の共振周波数「ｆ_ｒ」は、車両５の荷重による加速度（振動）の周波数および床版４ｄの固有共振による加速度（振動）の周波数に対し、十分高い周波数とする。つまり、検出素子部の共振周波数には、床版４ｄの減衰係数の算出に不要な加速度（振動）成分が含まれていない。このため、計測装置２は、上記したように、図２の波形Ｗ１ｂに示す検出素子部共振における振幅情報から、床版４ｄの減衰係数を算出する。

このように、加速度センサー１は、検出素子部の共振周波数を、車両５のインパクトによる振動のピックアップ周波数とし、検出素子共振における振幅情報を抽出する。すなわち、加速度センサー１は、床版４ｄの減衰係数の算出に適した周波数の振動の振幅情報を抽出する。これにより、加速度センサー１は、床版４ｄの減衰係数の算出に適した信号を出力することができる。

図３は、加速度センサー１の機能ブロックの構成例を示した図である。図３に示すように、加速度センサー１は、センサー部１１と、信号処理部（本発明の処理部に相当する）１２とを有している。また、図３の加速度センサー１には、図２の（Ｂ）に示した出力ポート１ａ，１ｂが示してある。まず、センサー部１１について、図面を用いて説明する。

図４は、センサー部１１を模式的に示した斜視図である。図４に示すように、センサー部１１は、基部２１と、継ぎ手部２２と、可動部２３と、加速度検出素子２４（本発明の振動子に相当する）と、質量部２５ａ〜２５ｄとを有している。

基部２１は、継ぎ手２２を介して、可動部２３を支持している。

継ぎ手部２２は、基部２１と可動部２３との間に設けられている。継ぎ手部２２は、可動部２３が基部２１に対して稼働するように溝を有している。継ぎ手部２２は、可動部２３が基部２１に対して変位（回動）する際に、支点（中間ヒンジ）として、ｘ軸に沿った回転軸となる。

可動部２３は、継ぎ手部２２を介して、基部２１に支持されている。図４の例では、可動部２３は、基部２１から継ぎ手部２２を介して、ｙ軸に沿って延出されている。

可動部２３は、板状の形状を有し、面２３ａを有している。可動部２３は、面２３ａと交差する方向（ｚ軸方向）に加わる加速度の変化に応じて、継ぎ手部２２を支点（回転軸）として、面２３ａと交差する方向（ｚ軸方向）に変位（回動）可能である。

加速度検出素子２４は、基部２１と可動部２３とに掛け渡されて設けられている。可動部２３の加速度による変位は、加速度検出素子２４によって検出される。

質量部２５ａ〜２５ｄは、可動部２３に設けられている。質量部２５ａ〜２５ｄは、その重さによって、可動部２３に加わる加速度の検出感度を向上させる。

図５は、図４のセンサー部１１の平面図である。図５において図４と同じものには、同じ符号が付してある。図５では、検出素子部８０と、加速度検出素子２４と、電極２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂとについて説明する。

図５に示すように、検出素子部８０は、検出部８１と、支持部８２とを有している。検出部８１は、基部２１と、継ぎ手部２２を介して基部２１と連結された可動部２３と、基部２１と可動部２３とに掛け渡された加速度検出素子２４とを有している。

支持部８２（点線枠で示している部分）は、基部２１と連結された屈曲部３０ａ，３０ｂと、固定部３０ｃ，３０ｄとを有している。固定部３０ｃ，３０ｄは、屈曲部３０ａ，３０ｂの端部に設けられている。固定部３０ｃ，３０ｄは、センサー部１１をパッケージや回路基板などの部材に固定するための部分である。支持部８２は、固定部３０ｃ，３０ｄによって、パッケージや回路基板などの部材に固定に固定され、基部２１を支持している。

加速度検出素子２４は、振動梁部２４ａ，２４ｂと、素子基部２４ｃ，２４ｄとを有している。振動梁部２４ａ，２４ｂは、可動部２３の延出方向に沿って（ｙ軸に沿って）、素子基部２４ｃから素子基部２４ｄまで延出している。

振動梁部２４ａ，２４ｂの形状は、例えば、角柱状である。振動梁部２４ａ，２４ｂは、振動梁部２４ａ，２４ｂに設けられた励振電極（図示せず）に駆動信号（交流の電圧）が印加されると、ｘ軸に沿って、互いに離れまたは近づくように屈曲振動する。

加速度検出素子２４は、２本の振動梁部２４ａ，２４ｂと、一対の素子基部２４ｃ，２４ｄとを有している。そのため、加速度検出素子２４を双音叉素子（双音叉型振動素子）と呼ぶことができる。

加速度検出素子２４は、例えば、水晶の原石などから所定の角度で切り出された水晶基板を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によってパターニングすることにより形成される。これにより、振動梁部２４ａ，２４ｂおよび素子基部２４ｃ，２４ｄを、一体的に形成することができる。

なお、加速度検出素子２４の材質は、水晶に限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電材料、または酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電体を皮膜として備えたシリコンなどの半導体材料であってもよい。

電極２６ａ，２６ｂは、加速度検出素子２４の素子基部２４ｃ上に設けられている。電極２６ａ，２６ｂは、振動梁部２４ａ，２４ｂに設けられた励振電極（図示せず）と電気的に接続されている。

電極２７ａ，２７ｂは、基部２１上に設けられている。電極２７ａ，２７ｂは、金属ワイヤーによって、電極２６ａ，２６ｂと接続されている。電極２７ａ，２７ｂは、後述する信号処理部１２と接続されている。

図６は、図５のセンサー部１１のＡＡ矢視図である。図６において図４および図５と同じものには、同じ符号が付してある。図６では、加速度検出素子２４と質量部２５ａ〜２５ｄの固定について説明する。

加速度検出素子２４は、素子基部２４ｃ，２４ｄにおいて、接合部２８ａ，２８ｂにより、基部２１および可動部２３に固定されている。振動梁部２４ａ，２４ｂと、基部２１および可動部２３との間には、可動部２３の変位時に、振動梁部２４ａ，２４ｂと、基部２１および可動部２３とが接触しないように、所定の間隙が設けられている。

質量部２５ｃ，２５ｄは、接合部２９ａ，２９ｂによって、可動部２３に固定されている。質量部２５ａ，２５ｂ（図示せず）も同様に、接合部によって可動部２３に固定されている。

センサー部１１の動作について説明する。センサー部１１に、＋ｚ軸方向の加速度が印加されると（例えば、図６参照）、可動部２３には−ｚ軸方向に力が作用し、可動部２３は継ぎ手部２２を支点として−ｚ軸方向に変位する。これにより、加速度検出素子２４には、ｙ軸に沿って素子基部２４ｃと素子基部２４ｄとが互いに離れる方向の力が加わり、振動梁部２４ａ，２４ｂには引っ張り応力が生じる。そのため、振動梁部２４ａ，２４ｂの振動周波数（共振周波数）は、高くなる。

一方、センサー部１１に、−ｚ軸方向の加速度が印加されると、可動部２３には＋ｚ軸方向に力が作用し、可動部２３は、継ぎ手部２２を支点として＋ｚ軸方向に変位する。これにより、加速度検出素子２４には、ｙ軸に沿って素子基部２４ｃと素子基部２４ｄとが互いに近づく方向の力が加わり、振動梁部２４ａ，２４ｂには圧縮応力が生じる。そのため、振動梁部２４ａ，２４ｂの共振周波数は、低くなる。

このように、加速度検出素子２４（振動梁部２４ａ，２４ｂ）の共振周波数は、可動部２３に印加される加速度によって変化する。従って、以下で説明する信号処理部１２は、加速度検出素子２４（振動梁部２４ａ，２４ｂ）の共振周波数の変化量から、センサー部１１に生じた加速度を算出することができる。

なお、上記では、１軸方向の加速度検出について説明したが、加速度センサー１は、３軸方向の加速度を検出できる。例えば、加速度センサー１は、ｘ軸方向およびｙ軸方向の加速度を検出するセンサー部１１を備えることにより（すなわち、３軸の各軸に対応した３つのセンサー部１１を備えることにより）、３軸方向の加速度を検出することができる。

また、上記では、加速度検出素子２４として、いわゆる双音叉素子を用いた例について説明したが、可動部２３の変位に応じて共振周波数が変化すれば、加速度検出素子２４の形態は、特に限定されない。

次に、信号処理部１２について、図面を用いて説明する。

図７は、信号処理部１２の機能ブロックの構成例を示した図である。図７に示すように、信号処理部１２は、カウンター部３１と、フィルター部３２と、ダウンサンプリング部３３と、補正部３４と、変換部３５と、包絡線処理部３６と、フィルター部３７と、ダウンサンプリング部３８と、変換部３９とを有している。信号処理部１２は、例えば、記憶部に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）によって、その機能が実現される。また、信号処理部１２は、例えば、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit）などのカスタムＩＣ（Integrated Circuit）でその機能が実現されてもよい。

カウンター部３１は、加速度検出素子２４を励振する発振回路（図示せず）を有している。発振回路は、センサー部１１の電極２７ａ，２７ｂと接続され、センサー部１１の電極２７ａ，２７ｂに駆動信号を印加する。

センサー部１１の電極２７ａ，２７ｂに印加された駆動信号（クロック）は、加速度検出素子２４の共振周波数（例えば、１２０ｋＨｚ）で発振する。なお、上記したように、加速度検出素子２４の共振周波数は、加速度によって生じる可動部２３の変位により変化する。

カウンター部３１は、加速度検出素子２４の共振周波数で発振しているクロックを所定の周期でカウントし、加速度検出素子２４の共振周波数を測定する。そして、カウンター部３１は、加速度検出素子２４の共振周波数の変化量を算出する。カウンター部３１は、算出した加速度検出素子２４の共振周波数の変化量を、フィルター部３２と、包絡線処理部３６とに出力する。

フィルター部３２は、後段のダウンサンプリング部３３とともに、カウンター部３１から出力される信号のデシメーションを行う。フィルター部３２は、ダウンサンプリング部３３によってダウンサンプリングされる信号の折り返し雑音を除去するフィルターである。フィルター部３２は、例えば、低域通過型のＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルターによって構成される。

ダウンサンプリング部３３は、フィルター部３２を通過した信号をダウンサンプリングする。なお、カウンター部３１から出力される信号（加速度検出素子２４の共振周波数の変化量）は、フィルター部３２とダウンサンプリング部３３とによって、検出素子部８０の共振周波数（例えば、８００Ｈｚ）を含む高域周波数が抑制または除去される。

補正部３４は、加速度検出素子２４の共振周波数の変化量と、加速度とを対応付けたルックアップテーブル（図示せず）を有している。補正部３４は、所定の周期で、加速度検出素子２４の共振周波数の変化量に対応する加速度を、ルックアップテーブルから取得（算出）する。

また、補正部３４は、算出した加速度の補正処理を行う。例えば、補正部３４は、加速度のアライメント補正や、オフセット補正、温度ドリフト補正等を行う。補正部３４は、算出した加速度を、変換部３５へ出力する。

変換部３５は、計測装置２からの指示に応じて、補正部３４から出力される加速度の出力形式を変換する。例えば、変換部３５は、計測装置２からの指示に応じて、加速度の通信仕様をＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）やＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）などに変換する。また、変換部３５は、計測装置２からの指示に応じて、加速度の数値仕様をバイナリやＡＳＣＩＩ（American standard code for information interchange）などに変換する。変換部３５は、出力形式を変換した加速度を出力ポート１ａに出力する。

なお、変換部３５から出力される加速度は、フィルター部３２とダウンサンプリング部３３とによって、検出素子部８０の共振周波数を含む高域周波数が抑制される。従って、出力ポート１ａからは、例えば、図２に示した波形Ｗ１ａに示すローパス特性の加速度が出力される。

カウンター部３１から出力される、加速度検出素子２４の共振周波数の変化量には、検出素子部８０の振動成分も含まれている。包絡線処理部３６は、カウンター部３１から出力される、加速度検出素子２４の共振周波数の変化量のうち、検出素子部８０の共振周波数成分（例えば、８００Ｈｚ）の信号を抽出し、その信号の包絡線を算出する。すなわち、包絡線処理部３６は、検出素子部共振における振幅情報を算出する。

図８は、検出素子部８０の共振周波数における振幅情報の例を示した図である。図８のグラフＧ２の横軸は時間を示し、縦軸は検出素子部８０の共振周波数における信号の振幅を示す。

上記したように、車両５が床版４ｄ上を走行すると、床版４ｄには、車両５のタイヤによってインパクトが与えられる。車両５のインパクトによる加速度の周波数は広範に及び、検出素子部８０の共振周波数にも及んでいる。従って、検出素子部８０の共振周波数における信号は、車両５のインパクトによって、例えば、グラフＧ２の波形Ｗ２ａに示すように変化する。なお、波形Ｗ２ａの振動周波数は、検出素子部８０の共振周波数（例えば、８００Ｈｚ）である。

包絡線処理部３６は、波形Ｗ２ａの包絡線を算出する。波形Ｗ２ｂは、波形Ｗ２ａの包絡線を示している。包絡線処理部３６は、例えば、検出素子部８０の共振周波数における信号（波形Ｗ２ａ）の絶対値を算出し、ローパス処理を行って、検出素子部８０の共振周波数における信号の包絡線を算出する。または、包絡線処理部３６は、検出素子部８０の共振周波数における信号をヒルベルト変換し、検出素子部８０の共振周波数における信号の包絡線を算出してもよい。

図７の説明に戻る。フィルター部３７は、後段のダウンサンプリング部３８とともに、包絡線処理部３６から出力される、検出素子部８０の共振周波数における包絡線信号のデシメーションを行う。フィルター部３７およびダウンサンプリング部３８は、フィルター部３２およびダウンサンプリング部３３と同様であり、その説明を省略する。なお、ダウンサンプリング部３８は、検出素子部８０の共振周波数における包絡線信号を、所定のダウンサンプリングレートでダウンサンプリングする。

変換部３９は、計測装置２からの指示に応じて、ダウンサンプリング部３８から出力される信号の出力形式を変換する。変換部３９は、変換部３５と同様であり、その説明を省略する。変換部３９は、出力形式を変換した、検出素子部共振における振幅情報を出力ポート１ｂに出力する。

なお、上記したように、包絡線処理部３６は、カウンター部３１から出力される、加速度検出素子２４の共振周波数の変化量から、検出素子部８０の共振周波数における信号を抽出し、その信号の包絡線を算出する。従って、出力ポート１ｂからは、例えば、図２に示した波形Ｗ１ｂに示す共振周波数「ｆ_ｒ」の包絡線信号が出力される。

図９は、計測装置２の機能ブロック例を示した図である。図９に示すように、計測装置２は、通信部５１と、運動解析部５２と、記憶部５３と、変換部５４と、減衰係数算出部５５とを有している。計測装置２の各機能部は、例えば、記憶部に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵによって、その機能を実現する。

通信部５１は、加速度センサー１の出力ポート１ａから出力される加速度を受信する。また、通信部５１は、加速度センサー１の出力ポート１ｂから出力される検出素子部共振における振幅情報を受信する。

運動解析部５２は、通信部５１によって受信された加速度から、車両５の床版４ｄ上を走行している車線や速度を解析する。

記憶部５３には、床版４ｄ上を移動する車両５の各位置と、床版４ｄに設けられた加速度センサー１との間の距離の関係が予め記憶されている。

変換部５４は、通信部５１によって受信された、検出素子部共振における振幅情報の時間変化を、記憶部５３に記憶されている距離に対する変化に変換する。

減衰係数算出部５５は、距離に対する変化に変換された、検出素子部共振における振幅情報に基づいて、床版４ｄの減衰係数を算出する。

このように、加速度センサー１の信号処理部１２は、検出素子部８０の共振周波数を、車両５のインパクトによる、床版４ｄの振動のピックアップ周波数とし、検出素子部８０の共振周波数における振動の振幅情報を出力する。これにより、加速度センサー１は、床版４ｄの減衰係数の算出に適した信号を出力できる。

また、加速度センサー１は、車両５のインパクトによる振動のピックアップ周波数を、検出素子部８０の共振周波数とすることで、感度よく車両５のインパクトによる振動を抽出できる。例えば、検出素子部８０は、共振周波数におけるＱ値が大きいほど、外部の振動（加速度）を増幅して検知するので、感度良く車両５のインパクトによる振動を抽出できる。

なお、加速度センサー１が設置される床版４ｄ（床版４）は、構造物の一例である。加速度センサー１は、例えば、立体駐車場などの他の構造物に設置されてもよい。

また、加速度センサー１は、振幅情報の３軸成分のうちの一部を出力してもよいし、全部を出力してもよい。また、加速度センサー１は、加速度の３軸成分のうちの一部を出力してもよいし、全部を出力してもよい。

また、加速度センサー１は、加速度を検出する加速度検出素子２４とは別の高Ｑセンサーを備え、この高Ｑセンサーから構造物の振動を検出してもよい。

また、上記では、車両５のインパクトを用いて減衰係数を算出するとしたが、インパクトハンマーで床版４ｄをたたいてインパクトを発生させ、減衰係数を算出してもよい。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、加速度センサー１は、２つの出力ポートを備え、それぞれの出力ポートから、加速度と、検出素子部共振における振幅情報とを出力した。第２の実施の形態では、加速度センサー１は、加速度と、検出素子部共振における振幅情報とを切替えて、１つの出力ポートから出力する。

図１０は、第２の実施の形態に係る加速度センサー１の機能ブロックの構成例を示した図である。図１０において、図３と同じものには同じ符号が付してある。

図１０に示すように、加速度センサー１は、信号処理部６１と、出力ポート６２とを有している。信号処理部６１は、加速度と、検出素子部共振における振幅情報とを切替えて、その一方を出力ポート６２に出力する。

図１１は、信号処理部６１の機能ブロックの構成例を示した図である。図１１において、図７と同じものには同じ符号が付してある。図１１に示すように、信号処理部６１は、切替え部７１を有している。

切替え部７１は、計測装置２からのコマンドに応じて、加速度と、検出素子部共振における振幅情報との一方が、出力ポート６２に出力されるようにする。例えば、切替え部７１は、計測装置２から、加速度を出力するコマンドを受信した場合、フィルター部３２と、ダウンサンプリング部３３と、補正部３４と、変換部３５とをアクティブにし、包絡線処理部３６と、フィルター部３７と、ダウンサンプリング部３８と、変換部３９とを非アクティブにする。これにより、変換部３５から加速度が出力され、出力ポート６２に加速度が出力される。また、切替え部７１は、計測装置２から、検出素子部共振おける振幅情報を出力するコマンドを受信した場合、フィルター部３２と、ダウンサンプリング部３３と、補正部３４と、変換部３５とを非アクティブにし、包絡線処理部３６と、フィルター部３７と、ダウンサンプリング部３８と、変換部３９とをアクティブにする。これにより、変換部３９から検出素子部共振における振幅情報が出力され、出力ポート６２に検出素子部共振における振幅情報が出力される。

計測装置２は、加速度センサー１に対し、コマンドを出力するコマンド出力部を有している。コマンド出力部は、例えば、ユーザーの操作に応じて、加速度と、検出素子部共振における振幅情報との一方の出力を指示するコマンドを出力する。または、コマンド出力部は、プログラムによって、加速度と、検出素子部共振における振幅情報との一方の出力を指示するコマンドを出力する。

このように、信号処理部６１は、加速度と、検出素子部共振における振幅情報とを切替えて、１つの出力ポート６２から出力する。これにより、加速度センサー１を小型化することができる。また、加速度センサー１の消費電力を低減することができる。

なお、加速度センサー１は、振幅情報の３軸成分および加速度の３軸成分のうちの一部を出力してもよいし、全部を出力してもよい。

また、計測装置２のコマンド出力部は、加速度と、検出素子部共振における振幅情報との両方の出力を指示するコマンドを出力してもよい。加速度センサー１は、前記コマンドを受信した場合、加速度と、検出素子部共振における振幅情報とを、出力ポート６２から交互に出力する。

以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、加速度センサー１の機能構成は、加速度センサー１の構成を理解容易にするために、主な処理内容に応じて分類したものである。構成要素の分類の仕方や名称によって、本願発明が制限されることはない。加速度センサー１の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。また、各構成要素の処理は、１つのハードウェアで実行されてもよいし、複数のハードウェアで実行されてもよい。

また、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者には明らかである。また、そのような変更また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。

１…加速度センサー、２…計測装置、３…通信ネットワーク、４…橋梁、４ａ…橋脚、４ｂ，４ｃ…橋台、４ｄ，４ｅ…床版、４ｄａ…側面、５…車両、１１…センサー部、１２…信号処理部、２１…基部、２２…継ぎ手部、２３…可動部、２４…加速度検出素子、２５…質量部、３１…カウンター部、３２…フィルター部、３３…ダウンサンプリング部、３４…補正部、３５…変換部、３６…包絡線処理部、３７…フィルター部、３８…ダウンサンプリング部、３９…変換部、６１…信号処理部、６２…出力ポート、７１…切替え部、８０…検出素子部、８１…検出部、８２…支持部。

Claims (7)

1. 基台に対する固定部を備えた支持部と、前記支持部に連結された基部と、継ぎ手部を介して前記基部に連結され、印加された加速度の変化に応じて回動する板状の可動部と、前記基部と前記可動部に掛け渡されて設けられ、前記可動部に印加される加速度によって共振周波数を変化させる振動子と、を有する検出素子部と、
   前記振動子の共振周波数の変化量の波形を算出するとともに、算出した前記共振周波数の変化量の波形から、前記検出素子部の共振周波数成分の信号を抽出したうえで、前記信号の振幅情報を出力する処理部と、
   を有することを特徴とする加速度センサー。
2. 請求項１に記載の加速度センサーであって、
   前記処理部は、前記振動子の出力から物理量信号を算出する、
   ことを特徴とする加速度センサー。
3. 請求項２に記載の加速度センサーであって、
   前記処理部は、コマンドに応じて、前記振幅情報と前記物理量信号との一方を出力する、
   ことを特徴とする加速度センサー。
4. 請求項２または３に記載の加速度センサーであって、
   前記物理量信号は、前記検出素子部の共振周波数成分が抑制または除去されている、
   ことを特徴とする加速度センサー。
5. 請求項１に記載の加速度センサーであって、
   前記振幅情報は、包絡線信号である、
   ことを特徴とする加速度センサー。
6. 基台に対する固定部を備えた支持部と、前記支持部に連結された基部と、継ぎ手部を介して前記基部と連結され、印加された加速度の変化に応じて回動する板状の可動部と、前記基部と前記可動部とに掛け渡されて設けられ、前記可動部に印加される加速度によって共振周波数を変化させる振動子と、を有する検出素子部と、前記振動子の共振周波数の変化量の波形を算出するとともに、算出した前記共振周波数の変化量の波形から、前記検出素子部の共振周波数成分の信号を抽出したうえで、前記信号の振幅情報を出力する処理部と、を有する加速度センサーと、
   前記加速度センサーによって出力される前記信号の振幅情報に基づいて、構造物の減衰特性を算出する計測装置と、
   を有することを特徴とする計測システム。
7. 基台に対する固定部を備えた支持部と、前記支持部に連結された基部と、継ぎ手部を介して前記基部と連結され、印加された加速度の変化に応じて回動する板状の可動部と、前記基部と前記可動部とに掛け渡されて設けられ、前記可動部に印加される加速度によって共振周波数を変化させる振動子と、を有する検出素子部と、前記振動子の共振周波数の変化量の波形を算出するとともに、算出した前記共振周波数の変化量の波形から、前記検出素子部の共振周波数成分の信号を抽出したうえで、前記信号の振幅情報を出力する処理部と、を有する加速度センサーに対し、前記信号の振幅情報と、前記前記振動子の出力から算出された物理量信号との一方または両方の出力を指示するコマンドを出力するコマンド出力部、
   を有することを特徴とする計測装置。

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