構造物の振動測定器
【課題】ケーブルを必要とすることなく、構造物に生じた振動の振動数を測定できる振動測定器を提供する。
【解決手段】本発明の構造物Ｓの振動測定器１は、振動体１３、振幅表示部１５および筐体１４という三つの要素を備える。振動体１３は複数あり、それぞれバネ１１およびバネ１１により吊り下げられる錘１２を有し、固有振動数が互いに異なっている。振幅表示部１５は、振動体１３の振動による錘１２の鉛直方向の変位に伴う振動体１３の片振幅を振動体１３毎に視覚的に表示するものである。筐体１４は、振動体１３および振幅表示部１５を収容する空間を有し、バネ１１および振幅表示部１５を支持するとともに、構造物Ｓに設けられるものである。
【解決手段】本発明の構造物Ｓの振動測定器１は、振動体１３、振幅表示部１５および筐体１４という三つの要素を備える。振動体１３は複数あり、それぞれバネ１１およびバネ１１により吊り下げられる錘１２を有し、固有振動数が互いに異なっている。振幅表示部１５は、振動体１３の振動による錘１２の鉛直方向の変位に伴う振動体１３の片振幅を振動体１３毎に視覚的に表示するものである。筐体１４は、振動体１３および振幅表示部１５を収容する空間を有し、バネ１１および振幅表示部１５を支持するとともに、構造物Ｓに設けられるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物に生じる振動の振動数を測定可能な振動測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物には、周辺の流体の動きや、地震等に起因して振動が生じうる。この振動の検出に用いることのできる静電容量型、ピエゾ抵抗式型、ガス温度分布型等の各種の加速度センサが知られている。また、機械的に振動を検出する装置として、容器内に重錘をバネで吊り下げ、地震時に、慣性により静止状態を維持しようとする重錘に対してカップが衝突することで振動検出スイッチが閉成し、容器の外部に設置した警報機を作動させる地震報知器が提案されている（特許文献１）。この地震報知器は、容器、カップ、重錘の大きさに応じて検出震度を設定できるので、例えば検出震度が３，４，５のように異なる３つの地震報知器を用いることにより、震度（加速度レベル）を把握できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２４０４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
構造物に生じる振動解析の観点からは、従来の加速度センサや特許文献１の地震報知器で測定される加速度に加え、振動数が測定されることが望まれる。
また、加速度センサは、加速度を電気信号として検出するため、通常、センサから回路基板まで電気信号を取り出すケーブルを必要とする。特許文献１の地震報知器も、重錘とカップとが接触した際の振動検出信号を警報機まで送信するためのケーブルを必要とする。このケーブルが、センサを設ける場所の制約となる場合がある。例えば、密閉容器内に設置される構造物にセンサを設け、容器の外側までケーブルを引き出すのは、密閉状態を維持する構造および作業が必要となるので、コストが増加してしまう。このような密閉容器が備えている配管に沿ってケーブルを引き出すことも考えられるが、配管の数が少ないと、容器内に振動を検出したい箇所が多数ある場合に対応できない。
【０００５】
そこで、本発明は、ケーブルを必要とすることなく、構造物に生じた振動の振動数を測定できる振動測定器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】
【０００６】
本発明の構造物の振動測定器は、振動体、振幅表示部および筐体という三つの要素を備える。
振動体は複数あり、それぞれバネおよびバネにより吊り下げられる錘を有し、固有振動数が互いに異なる。
振幅表示部は、振動体の振動に伴って錘が変位した際の振動体の片振幅を振動体毎に視覚的に表示するものである。この振幅表示部は、片振幅を直接的または間接的に視認できるか、あるいは振幅表示部の状態の撮像等を通じて片振幅を把握できることを特徴とする。また、振幅表示部は、振動体の錘が直接的または間接的に作用することでその形状、位置等の状態変化を遂げることにより、片振幅を表示する。
筐体は、振動体および振幅表示部を収容する空間を有し、バネおよび振幅表示部を支持するとともに構造物に設けられるものである。
【０００７】
本発明の振動測定器によれば、固有振動数が異なる複数の振動体と、各振動体の片振幅を視覚的に表示する振幅表示部とを備えるので、片振幅を複数の振動体間で比較し、片振幅が最大となる振動体の固有振動数に基づいて、構造物の振動数を特定することができる。
しかも、本発明によれば、表示された片振幅を所定の測定期間後に視認することで構造物の振動数を知ることができるので、測定値を電気的に取得する機器と違い、信号を送信するケーブルが不要となる。
【０００８】
本発明の振動測定器は、振幅表示部として少なくとも２つの形態を包含する。
第１の形態は、振動体の振動に伴って変位した錘によって突き破られる膜体を有している。膜体は、錘から所定距離だけ離れた位置に設けられる。
第１の形態では、膜体が突き破られたことにより、振動体の片振幅が表示されることになる。なお、錘によって膜体が突き破られるのは、直接、間接を問わない。例えば、錘自体が膜体に衝突して膜体を突き破ってもよいし、錘に設けられた鋭利な針が膜体を突き破ってもよい。
【０００９】
第1の形態において、膜体は、振動体の振動方向に間隔をおいて複数設けられていることが好ましい。
そうすることにより、膜体が１枚のみの場合よりも高い精度で構造物の振動数を測定できるのに加えて、構造物に生じた加速度をも測定できる。
【００１０】
第２の形態は、レールと、表示スライダとを有している。
レールは、振動体の振動方向に沿って配置されるとともに、錘を直接または間接に案内する。
表示スライダは、錘のレールに沿った往復変位における往路または復路の一方にのみ追従して移動する。
第２の形態では、例えば往路において表示スライダが振動体の最大の片振幅まで移動したとすると、その後、復路に表示スライダが追従して移動することがないので、最大の片振幅まで移動した表示スライダはその位置に留まることにより、片振幅が表示されることになる。
第２の形態によれば、錘の変位に応じた距離だけ表示スライダが無段階に移動するので、連続的な片振幅が得られる。このため、測定分解能の向上に寄与できる利点を有する。
【００１１】
本発明の振動測定器は、振動体の振動を減衰させる減衰手段を備えることが好ましい。
そうすることにより、振動体が周囲の筐体に衝突したり、バネに過大な応力が生じたりして、振動体が破損するのを回避できる。振動をどの程度減衰させるかは、構造物の変位に対する振動体の変位の倍率（変位応答の倍率）に基づいて、減衰定数を設定することで決めることができる。
減衰手段としては、公知の減衰手段を広く適用することができるが、振動体と共に筐体に収容される粘性抵抗を持つ流体が好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の振動測定器によれば、ケーブルを必要とすることなく、構造物の振動数を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る振動測定器の全体構成を示す図である。
【図２】振動測定器を構成する検出器を示す図である。
【図３】錘および膜体を示す模式図である。
【図４】振動数の測定原理を概念的に示す図である。
【図５】減衰定数をパラメータとして変位応答の倍率を示すグラフである。
【図６】振動体の片振幅を表示した膜体の状態を示す図である。
【図７】第１実施形態の変形例に係る減衰手段を示す図である。
【図８】第２実施形態に係る検出器の主要部を示す図である。
【図９】第２実施形態の変形例に係る検出器の主要部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面に示す実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１５】
〔第１実施形態〕
図１〜図６を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
図１に示す振動測定器１は、複数（例えば、本実施形態では５つ）の検出器１０（１０Ａ〜１０Ｅ）から構成されており、構造物Ｓに生じる振動の振動数を測定する。構造物Ｓとしては、密閉容器の内部の部材や、任意の場所に設置された配管、あるいは建造物躯体等が該当する。
外側筐体１８に収容されている複数の検出器１０は、ブラケット１７を介して構造物Ｓに一体に設けられている。ブラケット１７が、溶接、もしくはボルト接合により、十分な接合力で構造物Ｓに固定されることで、検出器１０は構造物Ｓに生じた振動を感受する。
【００１６】
検出器１０はそれぞれ、図２に示すように、バネ（引張コイルバネ）１１およびバネ１１により吊り下げられた錘１２を有する振動体１３（振動体１３Ａ〜１３Ｅ）と、振動体１３の片振幅を表示する振幅表示部１５と、振動体１３および振幅表示部１５を高粘性のオイル（流体）１６と共に収容する筐体１４と、を有しており、振動体１３の片振幅を検出する。本実施形態の検出器１０により検出される片振幅は、鉛直方向下向きの値である。
なお、本実施形態は、検出器１０として５つの検出器１０Ａ〜１０Ｅを備えているが、検出器１０Ａ〜１０Ｅに共通する事項を説明する場合には検出器１０と総称する。各々の検出器１０Ａ〜１０Ｅが備える振動体１３Ａ〜１３Ｅについても同様である。
【００１７】
複数の検出器１０Ａ〜１０Ｅのそれぞれの振動体１３Ａ〜１３Ｅの固有振動数は、互いに異なっている。
【００１８】
筐体１４は、振動体１３と、振幅表示部１５と、オイル１６とを収容する空間を有し、内部に塵埃や水滴等が侵入しないように作られており、外側筐体１８に一体に設けられている。また、筐体１４は、構造物Ｓの振動を受けても容易に変形しない程度の剛性を備えている。筐体１４の上壁内部にバネ１１の上端部１１Ａが固定されることで、振動体１３は筐体１４内で振動可能とされている。
筐体１４は、振動体１３が主に鉛直方向に沿って振動するように、外側筐体１８、およびブラケット１７を介して構造物Ｓに固定される。なお、本実施形態において、上・下は、鉛直方向における上・下を言うものとする。
検出器１０が筐体１４を備えることにより、設置環境による収容物の特性変化が抑制される。これにより、いずれも後述する振動体１３Ａ〜１３Ｅの固有振動数、および錘１２の針状部１２２と振幅表示部１５の膜体Ｆ１〜Ｆｎとの距離がそれぞれ正確に維持される。
また、検出器１０Ａ〜１０Ｅはそれぞれ、筐体１４を備えることで他の検出器とは独立して扱えるようにユニット化されている。これにより、振動特性（固有振動数等）の設定や、錘１２の針状部１２２と膜体Ｆ１〜Ｆｎとの距離の設定を振動体１３Ａ〜１３Ｅ毎に行えるので、これら振動特性や距離を正確に設定し易い。
【００１９】
振動体１３を構成する錘１２は、バネ１１の下端部１１Ｂに設けられた球状の錘本体１２１と、錘本体１２１の下端１２１Ａから下方に向けて突出した鋭利な針状部１２２と、を有している。錘本体１２１は、球状に限らず、任意の形状とすることができる。
【００２０】
振動体１３の固有振動数ｆは、次の式（１）に示すように、バネ１１のバネ定数ｋ、バネ１１の質量ｍ、錘１２の質量Ｍの値を規定することによって設定される。ｇは重力加速度である。
したがって、各振動体１３Ａ〜１３Ｅを構成するバネ１１、錘１２を式（１）に基づいて調整することにより、それぞれの振動体１３Ａ〜１３Ｅの固有振動数を相違させることができる。振動体１３Ａ〜１３Ｅの各々の固有振動数は、この順に値が大きくなるように設定される。なお、バネ１１としてここではコイルバネを用いているが、バネとして機能しうる弾性体を適用できる。
以下、振動体１３Ａ〜１３Ｅの各々の固有振動数を次のように称する。
振動体１３Ａ：ｆＡ， 振動体１３Ｂ：ｆＢ， 振動体１３Ｃ：ｆＣ
振動体１３Ｄ：ｆＤ， 振動体１３Ｅ：ｆＥ
【００２１】
【数１】
【００２２】
次に、振幅表示部１５は、図３に示すように、錘１２の針状部１２２の先端１２２Ａよりも下方に設けられており、複数の膜体Ｆ１〜Ｆｎから構成される。これらの膜体Ｆ１〜Ｆｎは、筐体１４の水平方向の開口面積と同程度の表面積を有しており、その周縁部が筐体１４に固定されることで、振動体１３の主な振動方向と直交する水平方向に張られている。最も上に位置するものから順に、膜体Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３…Ｆｎが鉛直方向に間隔をおいて配置されている。これらの膜体Ｆ１〜Ｆｎの間隔は、一定でも一定でなくてもよい。
【００２３】
各膜体Ｆ１〜Ｆｎには、例えば、金属（アルミニウム箔等）、ゴム、セラミック製のシートを用いることができる。膜体Ｆ１〜Ｆｎの材質は、使用環境温度等に応じて適宜選択される。例えば、高温環境下では、耐熱性を有するゴムや、セラミックが好適となる。また、各膜体Ｆ１〜Ｆｎの材質は、同じでも、互いに異なっていてもよい。
【００２４】
膜体Ｆ１〜Ｆｎの中心部には、針状部１２２の先端１２２Ａが対向しており、振動体１３が所定の片振幅以上に振動すると、針状部１２２の先端１２２Ａが接触することで、膜体Ｆ１〜Ｆｎが順に突き破られる。したがって、破れた膜体の枚数によって、振動体１３の片振幅を知ることができる。この点を以下でより詳しく説明する。
【００２５】
膜体Ｆ１〜Ｆｎと、針状部１２２の先端１２２Ａとのそれぞれの距離は、構造物Ｓと振動体１３とが膜体Ｆ１〜Ｆｎ毎に決められた片振幅で振動した際に、針状部１２２により突き破られるように設定されている。このときの片振幅は、オイル１６の粘性抵抗によって減衰されたものである。
その片振幅以上に振動体１３が振動すると、針状部１２２とのそれぞれの距離が設定された各膜体Ｆ１〜Ｆｎが上から順に突き破られるので、振幅表示部１５は、膜体Ｆ１〜Ｆｎの破れた枚数に基づいて、振動体１３の片振幅を表示する。例えば、膜体Ｆ１〜Ｆ３が破れたとすると、膜体Ｆ３に対応する片振幅が、振動体１３の最大の片振幅となる。ただし、振動体１３が最下端の膜体Ｆｎに対応する片振幅以上に振動して膜体Ｆｎまでもが破れてしまうと、膜体Ｆ１〜Ｆｎにより振動体１３の最大の片振幅を表示することができなくなる。そのため、膜体Ｆ１〜Ｆｎの枚数、および各膜体Ｆ１〜Ｆｎの位置は、少なくとも最下端の膜体Ｆｎが振動体１３の共振時の最大振幅を超える位置に設けられるように設定されている。
【００２６】
上述した複数の振動体１３と、振幅表示部１５とが、構造物Ｓに生じた振動の振動数を測定するための主な構成要素となる。
ここで、構造物Ｓに生じうる振動の振動数帯域は、例えば、構造物Ｓの模型を用いるか、またはコンピュータによるシミュレーションによって求めることができる。求められた振動数帯域に誤差分として例えば、その振動数帯域の±５％〜１０％を加えることによって、振動測定器１が測定対象とする振動数帯域（測定振動数帯域）を設定することもできる。
【００２７】
以下、図４に示すように、ｆｍｉｎからｆｍａｘまでの測定振動数帯域の振動数を５つの振動体１３Ａ〜１３Ｅを用いて測定する例について説明する。
この図４は、構造物Ｓの振動に対して振動体１３Ａ〜１３Ｅのいずれが応答して振動するかを示しており、横軸は、それぞれ所定の振動数帯域で振動する振動体１３Ａ〜１３Ｅの振動数を示し、縦軸は、振動数に対応する片振幅を示している。
振動体１３Ａ〜１３Ｅはいずれも、測定振動数帯域ｆｍｉｎ〜ｆｍａｘに固有振動数（ｆＡ、ｆＢ，ｆＣ，ｆＤ，ｆＥ）を有しており、その固有振動数の前後の振動数帯域において構造物Ｓの振動に応答する。構造物Ｓの振動数が固有振動数ｆＡ〜ｆＥのいずれかに一致または近似（以下、一致、と総称する）すると、その固有振動数を持つ振動体が共振するのでその片振幅が最大となる。したがって、振動体１３Ａ〜１３Ｅの片振幅を比較することによって構造物Ｓの振動数を測定できる。
例えば、構造物Ｓの振動数がｆＣだとすると、振動体１３Ａ〜１３Ｅを比較したときに最大の片振幅となるのは振動体１３Ｃである。これを図６を用いて説明すると、検出器１０Ｃの振動体１３Ｃによって破られた膜体の枚数が最も多いことになる。したがって、この振動体１３Ｃの固有振動数ｆＣを構造物Ｓの振動数とみなすことができる。
【００２８】
本実施形態では、振動体１３Ａ〜１３Ｅのそれぞれが受け持つ振動数帯域が、隣接するもの同士で互いに一部重複している。このため、例えば固有振動数ｆＣとｆＤとの間にある振動数ｆＣＤ１で構造物Ｓが振動するとき、振動体１３Ｃ，１３Ｄのいずれも応答し、これら振動体１３Ｃ，１３Ｄによって一枚または複数枚の膜体Ｆ１〜Ｆｎが破られる。この場合でも、振動体１３Ａ〜１３Ｅのそれぞれに対応する膜体Ｆ１〜Ｆｎが破れた枚数を比較すれば、振動数ｆＣとｆＤとの間に、測定値としうる振動数が存在することがわかるので、曲線近似等により、振動数を測定できる。
【００２９】
ところで、共振時には振動体１３の振幅が理論的には無限大となる。実際には、振動体１３周囲の物質の抵抗により、振幅が無限大となることはないが（図４に示した実線の振動特性を参照）、共振時の振幅が大き過ぎると。振動体１３に過大な応力が生じて、振動体１３（特にバネ１１）が破損するおそれがあるため、共振時の振動を減衰させる減衰手段として、粘性抵抗を持つオイル１６が筐体１４の中に充填されている。
図５は、正弦波外力による変位共振曲線を示している。図５において、横軸は、構造物Ｓの振動周期をω、振動体１３の振動周期をｎとしたときの振動周期比ω／ｎである。一方、縦軸は、次の式（２）で求められる変位応答倍率Ｌ０であり、振動体１３が構造物Ｓの変位δｓｔの何倍の変位Ｄで応答するかを示す。ｈは減衰定数である。
【００３０】
【数２】
【００３１】
図５に示すように、変位応答倍率Ｌ０は、構造物Ｓの振動周期ωに振動体１３の振動周期ｎが一致（ω／ｎ＝１．０）する共振時にピーク（最大値）を示す。このピークは、減衰定数ｈが小さい程高い値となって変位応答倍率Ｌ０の特性曲線が急峻となる。本実施形態では、構造物Ｓに対する共振が続いても振動体１３、特にバネ１１の破損を回避し、かつ、測定分解能を確保できるように、変位応答倍率Ｌ０が例えば５〜７倍とされる。このときの減衰定数ｈは、例えば０．０６〜０．１程度となる。オイル１６の選定に当たって、この減衰定数ｈが参照される。オイル１６を筐体１４内に充填することによって、少なくとも共振時の振動が減衰され、片振幅の最大値が減少する結果、振動体１３Ａ〜１３Ｅの振動特性は、図４に示す破線のようにピークが低くなる。
なお、減衰手段としてのオイル１６は好ましい要素であるが、本発明にとって必須の要素ではない。
また、振動数の測定に必要な分解能が確保できるように、振動を減衰させる程度を定めるのがよい。
【００３２】
振動測定器１による構造物Ｓの振動数測定について、そのプロセスを追って以下説明する。
構造物Ｓに振動測定器１を取り付け、その後構造物Ｓが振動すると、筐体１４が構造物Ｓと一体に振動し、構造物Ｓの振動は、ブラケット１７、外側筐体１８および筐体１４を介して振動体１３に伝えられる。しかし、錘１２は慣性により静止状態を維持しようとするので、バネ１１の伸縮に伴って錘１２が若干変位するだけで、振動体１３Ａ〜１３Ｅは構造物Ｓの振動に直ちには追従しない。振動体１３Ａ〜１３Ｅのうち、構造物Ｓの振動によってその慣性が打破されたものは変位を開始する。変位を開始しても、オイル１６の粘性抵抗によって、周期的に往復変位する振動には至らないことがある。しかし、その後の構造物Ｓの振動継続を受けて振動体が往復変位するに至り、構造物Ｓの振動数が振動体１３Ａ〜１３Ｅのいずれかの固有振動数に一致すると、その振動体は共振する。
【００３３】
検出器１０Ａ〜１０Ｅのうち、所定の片振幅以上に振動体１３Ａ〜１３Ｅが振動したものの振幅表示部１５においては、錘１２の針状部１２２により膜体Ｆ１〜Ｆｎが突き破られる。針状部１２２は、鋭利なため膜体を容易に突き破ることができ、かつ、突き破られることで膜体に出来た孔を抵抗がないか、殆どない状態で出入りする。このため、振動体１３の振動が妨げられることなく、振幅が増大すると膜体Ｆ１〜Ｆｎが上から順に突き破られる。このとき、先行した振幅よりも振幅が増大すると、より下側に位置する膜体Ｆ１〜Ｆｎが突き破られることで、最大の片振幅が更新される。こうして、構造物Ｓに生じた振動による振動体１３Ａ〜１３Ｅの各々の最大の片振幅が、膜体Ｆ１〜Ｆｎに表示される。
【００３４】
所定の測定期間経過後、構造物Ｓから振動測定器１を取り外し、検出器１０Ａ〜１０Ｅの筐体１４を開けて、膜体Ｆ１〜Ｆｎのうち突き破られている膜体の枚数、つまり破れの状態を確認する。この破れの状態は片振幅を示すものであるから、本実施形態によれば、振動体１３Ａ〜１３Ｅの片振幅を目視によって把握できる。
膜体Ｆ１〜Ｆｎの破れの状態に基づき、以下の例のようにして構造物Ｓの振動数を測定する。
図６に示す例では、振動数帯域が互いに隣接する振動体１３Ｂ〜１３Ｄを有する検出器１０Ｂ〜１０Ｄにおいて振幅表示部１５の膜体が突き破られている。具体的には、検出器１０Ｂの２枚の膜体Ｆ１およびＦ２、検出器１０Ｃの４枚の膜体Ｆ１〜Ｆ４、検出器１０Ｄの２枚の膜体Ｆ１およびＦ２が突き破られている。ここでは、破られた膜体の枚数は、検出器１０Ｃで最も多く、かつ、検出器１０Ｂと検出器１０Ｄで同数なので、構造物Ｓの振動数が振動体１３Ｃの固有振動数に一致し、共振が生じていたものと推定できる。この場合には、振動体１３Ｃの固有振動数ｆＣを構造物Ｓの振動数（測定値）として扱う。
【００３５】
次に、例えば、検出器１０Ｂ〜１０Ｄの破れた膜体の枚数が順に１枚、２枚、２枚のように、破れた膜体の枚数が最大となる検出器（１０Ｃ，１０Ｄ）が複数ある場合には、それらの検出器に係る固有振動数の間の値（例えば、図４に示すｆＣとｆＤとの間にあるｆＣＤ１）が、構造物Ｓの振動数に相当するものと推定できる。
また、例えば、検出器１０Ｂ〜１０Ｄの破れた膜体の枚数が順に１枚、３枚、２枚のように、破れた膜体の枚数が最大となる検出器（１０Ｃ）の両側の各検出器（１０Ｂ，１０Ｄ）において破れた膜体の数が異なる場合には、構造物Ｓの振動数は、固有振動数ｆＣよりもｆＤ側にシフトした値となる（例えば、図４のｆＣＤ２）。
以上のように振動数を特定する際に、検出器１０Ａ〜１０Ｅの破れた膜体の枚数、および減衰定数ｈから、曲線近似等を用いて測定値を求めてもよい。この場合には、減衰定数ｈが既知でなくても、複数の検出器１０Ａ〜１０Ｅのそれぞれにおける破れた膜体の枚数、および上記の式（２）から導かれる１自由度系の振動理論解に基づいて、測定値を求めることができる。これは、後述する加速度についても同様である。
【００３６】
以上説明した振動測定器１によれば、振動体１３Ａ〜１３Ｅ毎に設けられた膜体Ｆ１〜Ｆｎの破れの状態を目視により確認し、その破れの状態が示す振動体１３Ａ〜１３Ｅの片振幅に基づいて、振動数を測定できる。このため、振動測定器１は、検出値を回路基板に取り出すケーブルを必要としない。つまり、ケーブルに伴う前述したコストや設置箇所、設置数の問題を解決できる。
【００３７】
上記実施形態の振動測定器１と同様の構成により、加速度を測定することもできる。
加速度を測定するには、各々の膜体Ｆ１〜Ｆｎと、各々の膜体Ｆ１〜Ｆｎに対応する加速度Ａ１〜Ａｎと、が対応付けられた校正データを用意しておく。この加速度Ａ１〜Ａｎには、各々の膜体Ｆ１〜Ｆｎが破られるときに構造物Ｓに生じている加速度が当てられる。またこの校正データは、検出器１０Ａ〜１０Ｅ毎に用意される。
そして例えば、図６に示すように、検出器１０Ｃについて最も大きい番号の膜体Ｆ４が破れたとすると、校正データを参照することで、膜体Ｆ４に対応する加速度Ａ１を構造物Ｓの振動時の最大加速度として扱える。
【００３８】
上記実施形態の検出器１０は複数の膜体Ｆ１〜Ｆｎを備えていたが、本発明は、振動数を測定する上では、検出器１０が１つの膜体のみを備えている構成を許容する。膜体が１つのみであっても、各検出器１０の膜体の破れの有無を比較することで、振動数を測定できる場合がある。図４で、仮に、構造物Ｓに生じうる振動の振動数が、ｆＡ近傍，ｆＥ近傍のように、離散した帯域に限定される場合には、構造物Ｓの振動に応答して膜体が破れる検出器１０が一つだけとなるので、膜体が１枚のみであっても、その唯一の検出器１０の膜体の破れの有無に基づいて十分な精度で測定できる。
【００３９】
なお、本発明における他の減衰手段として、制振ダンパを振動体１３に設けることもできる。この制振ダンパは、例えば、図７に示すようなオイルダンパ１９であってよい。特に共振時には、振動体１３は構造物Ｓの変位の数倍の変位で応答するが（図５、および式（２））、ピストン１９２の動きがダンパオイル１９０の粘性により抑制されることで、シリンダー１９１と連結された錘１２を含む振動体１３の振動が減衰される。また、このオイルダンパ１９によって、振動エネルギが熱エネルギに変換されることで、振動体１３の振動が減衰される。
その他、制振ダンパとして、他のダンパ、例えば摩擦ダンパを用いることもできる。
なお、制振ダンパは、前述のオイル１６と併用することもできる。オイル１６やダンパオイル１９０等の流体を用いる場合、その流体の粘性抵抗によって振動体の振動が減衰される。粘性抵抗は減衰定数と所定の関係を有するので、減衰の度合に応じた粘性抵抗の流体を選択することにより、減衰の度合を容易に調整できる。
【００４０】
〔第２実施形態〕
次に、振幅表示部の構成が第１実施形態とは異なる第２実施形態について図８を参照して説明する。なお、図８では、第１実施形態と同じ構成要素に図１と同じ符号を付している。
図８に示される本実施形態の検出器２０は、振動体１３の側方に鉛直方向に沿って配置されるレール２６と、レール２６に沿って摺動する往復スライダ２７と、往復スライダ２７よりも下方に配置され、レール２６に沿って摺動する表示スライダ２８と、を有する振幅表示部２５を備えている。なお、図８には筐体１４の一部のみが示されているが、振幅表示部２５は振動体１３と共に筐体１４の内部に収容されている。また、表示スライダ２８に関し、初期位置にある状態を実線で示し、摺動後の状態を一点鎖線で示す。
【００４１】
レール２６は、構造物Ｓに振動が生じても位置ずれを起こすことのないように、筐体１４の内部に十分な接合力で固定されている。図８の例では、筐体１４の側壁にレール２６が支持されているが、筐体１４の側壁から離してレール２６が支持されていてもよい。
このレール２６は、振動体１３が共振して往復スライダ２７および表示スライダ２８が最大の変位で移動しても、レール２６から往復スライダ２７および表示スライダ２８が脱落しないように長さが設定される。
レール２６は、以下示す連結片２７１および往復スライダ２７を介して錘１２を案内する。
【００４２】
往復スライダ２７は、連結片２７１により錘１２と機械的に連結されている。したがって、振動体１３の振動に伴って錘１２が鉛直方向に往復変位すると、その変位に連動して往復スライダ２７はレール２６に沿って往復動する。このとき、錘１２と往復スライダ２７は変位の大きさが一致する。なお、連結片２７１は、錘１２に往復スライダ２７が連動できる程度の剛性を備えている必要がある。
また、往復スライダ２７は、レール２６に摺動可能に保持されている。より詳しくは、錘１２と連結されていない状態において、その自重により下向きに滑落しない程度にレール２６との間に摩擦力が生じて保持されている必要がある。この摩擦力は、連結片２７１を介して連結された錘１２が往復変位するのを極力妨げないことをも考慮して設定される。
【００４３】
表示スライダ２８は、往復スライダ２７と同様に、所定の摩擦力によりレール２６に摺動可能に保持されている。ただし、錘１２に連結されていない点と、レール２６上の位置（往復スライダ２７よりも下方に配置される）の点で、表示スライダ２８は往復スライダ２７と相違する。この表示スライダ２８は、往復スライダ２７とは機械的な連結がなされていないので、往復スライダ２７とは独立してレール２６に沿って移動することができる。往復スライダ２７よりも下方に位置する表示スライダ２８は、往復スライダ２７が下向きに変位する際に往復スライダ２７に押されることで、往復スライダ２７に連動して下向きに移動する。
【００４４】
以上の構成を有する検出器２０は、以下のように動作する。
構造物Ｓの振動を受けて振動体１３が振動し、これに伴って錘１２が鉛直方向に変位するものとする。錘１２の下向きの変位に連動して往復スライダ２７がレール２６に沿って下向きに移動するとき、その移動方向前方に位置する表示スライダ２８が往復スライダ２７により押されるので、表示スライダ２８は下向きに移動する。錘１２の変位が上向きに転ずると、往復スライダ２７は錘１２の変位に連動して上向きに移動する。しかし、表示スライダ２８は往復スライダ２７と機械的な結合がなされていないので、上向きの変位に転ずる直前の位置（ｙ１とする）に留まる。
以後、構造物Ｓの振動が継続しても振動体１３の振幅がそれまでよりも大きくならなければ、この表示スライダ２８の位置ｙ１が、振動体１３の片振幅を示す。
一方、構造物Ｓの振動が継続する間に、振動体１３の振幅が大きくなると、表示スライダ２８は往復スライダ２７により下向きに押され、位置ｙ１を超える位置ｙ２まで移動する。そうすると、この表示スライダ２８位置ｙ２が、振動体１３の片振幅を示す。
【００４５】
以上の第２実施形態によれば、錘１２の変位に応じた距離だけ表示スライダ２８がレール２６に沿って無段階に移動するので、連続的な片振幅が得られる。このため、片振幅が離散値となる第１実施形態よりも、複数の検出器２０の中で片振幅が最大となる振動体１３を精度良く抽出できるので、振動数の測定分解能の向上に寄与できる。
また、第２実施形態においても、構造物Ｓに生じうる加速度と、表示スライダ２８により表示される片振幅との対応を示す校正データを用いることにより、加速度をも測定することができる。
さらに、第２実施形態では、レール２６と往復スライダ２７の間、および、レール２６と表示スライダ２８の間の一方または双方の摩擦力を高めることによって往復スライダ２７および表示スライダ２８の移動に負荷を与えれば、振動体１３の振動を往復スライダ２７および表示スライダ２８の当該負荷により減衰させることができる。つまり、第２実施形態の振幅表示部２５は減衰手段として機能させることができる。
【００４６】
なお、本実施形態の振幅表示部２５を次のように変形することもできる。錘１２がレール２６に沿って案内される構成を少ない部品点数で実現するため、例えば、往復スライダ２７を排して連結片２７１をレール２６に摺動可能に配置したり、連結片２７１および往復スライダ２７の両方を排して錘１２の一部をレール２６に摺動する形状に変更してもよい。前者の場合、表示スライダ２８が連結片２７１を介して錘１２の下側への変位に追従し、後者の場合、錘１２の下側への変位に表示スライダ２８が直接追従する。すなわち、錘１２を案内するレール２６と、錘１２の往復変位の一方向のみに追従する表示スライダとのみによって、振幅表示部を構成できる。
【００４７】
また、第２実施形態の変形例として、振動体１３が鉛直方向に加え水平方向にも振動するときに好適な構成を図９に示す。
振動体１３が水平方向にも振動すると、錘１２はバネ１１の上端部１１Ａを支点に旋回しようとするので、連結片２９１や往復スライダ２９には、水平方向の成分を持つ力が作用する。
往復スライダ２９、および往復スライダ２９を錘１２に連結する連結片２９１は、水平方向に対する剛性が、図８の往復スライダ２７および連結片２７１よりも向上されている。剛性を向上するには、よく知られているように、往復スライダ２９、連結片２９１を剛性の高い材料で構成したり、断面径を太くすればよい。また、往復スライダ２９に、連結片２９１の一端に連結された部分から上下両側にそれぞれ延びた延出部２９Ａ，２９Ｂを設け、往復スライダ２９および連結片２９１を合わせた全体形状をＴ字とすることにより、剛性を向上することもできる。
【００４８】
このように連結片２９１および往復スライダ２９の剛性が高いので、振動体１３の振動時、錘１２は水平方向には振れることがなく、連結片２９１および往復スライダ２９と共にレール２６に沿って鉛直方向に案内される。これにより、検出される振動体１３の片振幅から水平方向の振動成分が排除されるので、本変形例によれば鉛直方向の振動数測定の精度が向上する。
【００４９】
以上、本発明の振動測定器について具体例を挙げて説明したが、図４に示した振動体１３Ａ〜１３Ｅの振動特性はあくまで一例であり、測定対象とする構造物Ｓに生じうる振動の振動数や振幅に応じて適宜設計されることは勿論である。したがって、例えば、本発明は、振動体１３Ａ〜１３Ｅの最大片振幅が互いに異なること、また、振動体１３Ａ〜１３Ｅの各々が受け持つ振動数帯域の幅が互いに異なること、を許容する。
また、以上の実施形態では、複数の筐体１４が用意され、振動体１３Ａ〜１３Ｅが各々の筐体１４に収容されていたが、本発明は、１つの筐体の中に全ての振動体１３Ａ〜１３Ｅを収容することを許容する。
さらに、上記各実施形態では、鉛直方向の下向きの片振幅を検出する例について説明したが、本発明は、鉛直方向の上向きの片振幅を検出する構成であってもよい。
以上で述べた以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 振動測定器
１０，２０ 検出器
１１ バネ
１１Ａ 上端部
１１Ｂ 下端部
１２ 錘
１３，１３Ａ〜１３Ｅ 振動体
１４ 筐体
１５，２５ 振幅表示部
１６ オイル
１７ ブラケット
１８ 外側筐体
１９ 制振ダンパ
２６ レール
２７，２９ 往復スライダ
２８ 表示スライダ
１２１ 錘本体
１２２ 針状部
１２２Ａ 先端
２７１ 連結片
Ｓ 構造物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物に生じる振動の振動数を測定可能な振動測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物には、周辺の流体の動きや、地震等に起因して振動が生じうる。この振動の検出に用いることのできる静電容量型、ピエゾ抵抗式型、ガス温度分布型等の各種の加速度センサが知られている。また、機械的に振動を検出する装置として、容器内に重錘をバネで吊り下げ、地震時に、慣性により静止状態を維持しようとする重錘に対してカップが衝突することで振動検出スイッチが閉成し、容器の外部に設置した警報機を作動させる地震報知器が提案されている（特許文献１）。この地震報知器は、容器、カップ、重錘の大きさに応じて検出震度を設定できるので、例えば検出震度が３，４，５のように異なる３つの地震報知器を用いることにより、震度（加速度レベル）を把握できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２４０４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
構造物に生じる振動解析の観点からは、従来の加速度センサや特許文献１の地震報知器で測定される加速度に加え、振動数が測定されることが望まれる。
また、加速度センサは、加速度を電気信号として検出するため、通常、センサから回路基板まで電気信号を取り出すケーブルを必要とする。特許文献１の地震報知器も、重錘とカップとが接触した際の振動検出信号を警報機まで送信するためのケーブルを必要とする。このケーブルが、センサを設ける場所の制約となる場合がある。例えば、密閉容器内に設置される構造物にセンサを設け、容器の外側までケーブルを引き出すのは、密閉状態を維持する構造および作業が必要となるので、コストが増加してしまう。このような密閉容器が備えている配管に沿ってケーブルを引き出すことも考えられるが、配管の数が少ないと、容器内に振動を検出したい箇所が多数ある場合に対応できない。
【０００５】
そこで、本発明は、ケーブルを必要とすることなく、構造物に生じた振動の振動数を測定できる振動測定器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】
【０００６】
本発明の構造物の振動測定器は、振動体、振幅表示部および筐体という三つの要素を備える。
振動体は複数あり、それぞれバネおよびバネにより吊り下げられる錘を有し、固有振動数が互いに異なる。
振幅表示部は、振動体の振動に伴って錘が変位した際の振動体の片振幅を振動体毎に視覚的に表示するものである。この振幅表示部は、片振幅を直接的または間接的に視認できるか、あるいは振幅表示部の状態の撮像等を通じて片振幅を把握できることを特徴とする。また、振幅表示部は、振動体の錘が直接的または間接的に作用することでその形状、位置等の状態変化を遂げることにより、片振幅を表示する。
筐体は、振動体および振幅表示部を収容する空間を有し、バネおよび振幅表示部を支持するとともに構造物に設けられるものである。
【０００７】
本発明の振動測定器によれば、固有振動数が異なる複数の振動体と、各振動体の片振幅を視覚的に表示する振幅表示部とを備えるので、片振幅を複数の振動体間で比較し、片振幅が最大となる振動体の固有振動数に基づいて、構造物の振動数を特定することができる。
しかも、本発明によれば、表示された片振幅を所定の測定期間後に視認することで構造物の振動数を知ることができるので、測定値を電気的に取得する機器と違い、信号を送信するケーブルが不要となる。
【０００８】
本発明の振動測定器は、振幅表示部として少なくとも２つの形態を包含する。
第１の形態は、振動体の振動に伴って変位した錘によって突き破られる膜体を有している。膜体は、錘から所定距離だけ離れた位置に設けられる。
第１の形態では、膜体が突き破られたことにより、振動体の片振幅が表示されることになる。なお、錘によって膜体が突き破られるのは、直接、間接を問わない。例えば、錘自体が膜体に衝突して膜体を突き破ってもよいし、錘に設けられた鋭利な針が膜体を突き破ってもよい。
【０００９】
第1の形態において、膜体は、振動体の振動方向に間隔をおいて複数設けられていることが好ましい。
そうすることにより、膜体が１枚のみの場合よりも高い精度で構造物の振動数を測定できるのに加えて、構造物に生じた加速度をも測定できる。
【００１０】
第２の形態は、レールと、表示スライダとを有している。
レールは、振動体の振動方向に沿って配置されるとともに、錘を直接または間接に案内する。
表示スライダは、錘のレールに沿った往復変位における往路または復路の一方にのみ追従して移動する。
第２の形態では、例えば往路において表示スライダが振動体の最大の片振幅まで移動したとすると、その後、復路に表示スライダが追従して移動することがないので、最大の片振幅まで移動した表示スライダはその位置に留まることにより、片振幅が表示されることになる。
第２の形態によれば、錘の変位に応じた距離だけ表示スライダが無段階に移動するので、連続的な片振幅が得られる。このため、測定分解能の向上に寄与できる利点を有する。
【００１１】
本発明の振動測定器は、振動体の振動を減衰させる減衰手段を備えることが好ましい。
そうすることにより、振動体が周囲の筐体に衝突したり、バネに過大な応力が生じたりして、振動体が破損するのを回避できる。振動をどの程度減衰させるかは、構造物の変位に対する振動体の変位の倍率（変位応答の倍率）に基づいて、減衰定数を設定することで決めることができる。
減衰手段としては、公知の減衰手段を広く適用することができるが、振動体と共に筐体に収容される粘性抵抗を持つ流体が好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の振動測定器によれば、ケーブルを必要とすることなく、構造物の振動数を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る振動測定器の全体構成を示す図である。
【図２】振動測定器を構成する検出器を示す図である。
【図３】錘および膜体を示す模式図である。
【図４】振動数の測定原理を概念的に示す図である。
【図５】減衰定数をパラメータとして変位応答の倍率を示すグラフである。
【図６】振動体の片振幅を表示した膜体の状態を示す図である。
【図７】第１実施形態の変形例に係る減衰手段を示す図である。
【図８】第２実施形態に係る検出器の主要部を示す図である。
【図９】第２実施形態の変形例に係る検出器の主要部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面に示す実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１５】
〔第１実施形態〕
図１〜図６を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
図１に示す振動測定器１は、複数（例えば、本実施形態では５つ）の検出器１０（１０Ａ〜１０Ｅ）から構成されており、構造物Ｓに生じる振動の振動数を測定する。構造物Ｓとしては、密閉容器の内部の部材や、任意の場所に設置された配管、あるいは建造物躯体等が該当する。
外側筐体１８に収容されている複数の検出器１０は、ブラケット１７を介して構造物Ｓに一体に設けられている。ブラケット１７が、溶接、もしくはボルト接合により、十分な接合力で構造物Ｓに固定されることで、検出器１０は構造物Ｓに生じた振動を感受する。
【００１６】
検出器１０はそれぞれ、図２に示すように、バネ（引張コイルバネ）１１およびバネ１１により吊り下げられた錘１２を有する振動体１３（振動体１３Ａ〜１３Ｅ）と、振動体１３の片振幅を表示する振幅表示部１５と、振動体１３および振幅表示部１５を高粘性のオイル（流体）１６と共に収容する筐体１４と、を有しており、振動体１３の片振幅を検出する。本実施形態の検出器１０により検出される片振幅は、鉛直方向下向きの値である。
なお、本実施形態は、検出器１０として５つの検出器１０Ａ〜１０Ｅを備えているが、検出器１０Ａ〜１０Ｅに共通する事項を説明する場合には検出器１０と総称する。各々の検出器１０Ａ〜１０Ｅが備える振動体１３Ａ〜１３Ｅについても同様である。
【００１７】
複数の検出器１０Ａ〜１０Ｅのそれぞれの振動体１３Ａ〜１３Ｅの固有振動数は、互いに異なっている。
【００１８】
筐体１４は、振動体１３と、振幅表示部１５と、オイル１６とを収容する空間を有し、内部に塵埃や水滴等が侵入しないように作られており、外側筐体１８に一体に設けられている。また、筐体１４は、構造物Ｓの振動を受けても容易に変形しない程度の剛性を備えている。筐体１４の上壁内部にバネ１１の上端部１１Ａが固定されることで、振動体１３は筐体１４内で振動可能とされている。
筐体１４は、振動体１３が主に鉛直方向に沿って振動するように、外側筐体１８、およびブラケット１７を介して構造物Ｓに固定される。なお、本実施形態において、上・下は、鉛直方向における上・下を言うものとする。
検出器１０が筐体１４を備えることにより、設置環境による収容物の特性変化が抑制される。これにより、いずれも後述する振動体１３Ａ〜１３Ｅの固有振動数、および錘１２の針状部１２２と振幅表示部１５の膜体Ｆ１〜Ｆｎとの距離がそれぞれ正確に維持される。
また、検出器１０Ａ〜１０Ｅはそれぞれ、筐体１４を備えることで他の検出器とは独立して扱えるようにユニット化されている。これにより、振動特性（固有振動数等）の設定や、錘１２の針状部１２２と膜体Ｆ１〜Ｆｎとの距離の設定を振動体１３Ａ〜１３Ｅ毎に行えるので、これら振動特性や距離を正確に設定し易い。
【００１９】
振動体１３を構成する錘１２は、バネ１１の下端部１１Ｂに設けられた球状の錘本体１２１と、錘本体１２１の下端１２１Ａから下方に向けて突出した鋭利な針状部１２２と、を有している。錘本体１２１は、球状に限らず、任意の形状とすることができる。
【００２０】
振動体１３の固有振動数ｆは、次の式（１）に示すように、バネ１１のバネ定数ｋ、バネ１１の質量ｍ、錘１２の質量Ｍの値を規定することによって設定される。ｇは重力加速度である。
したがって、各振動体１３Ａ〜１３Ｅを構成するバネ１１、錘１２を式（１）に基づいて調整することにより、それぞれの振動体１３Ａ〜１３Ｅの固有振動数を相違させることができる。振動体１３Ａ〜１３Ｅの各々の固有振動数は、この順に値が大きくなるように設定される。なお、バネ１１としてここではコイルバネを用いているが、バネとして機能しうる弾性体を適用できる。
以下、振動体１３Ａ〜１３Ｅの各々の固有振動数を次のように称する。
振動体１３Ａ：ｆＡ， 振動体１３Ｂ：ｆＢ， 振動体１３Ｃ：ｆＣ
振動体１３Ｄ：ｆＤ， 振動体１３Ｅ：ｆＥ
【００２１】
【数１】
【００２２】
次に、振幅表示部１５は、図３に示すように、錘１２の針状部１２２の先端１２２Ａよりも下方に設けられており、複数の膜体Ｆ１〜Ｆｎから構成される。これらの膜体Ｆ１〜Ｆｎは、筐体１４の水平方向の開口面積と同程度の表面積を有しており、その周縁部が筐体１４に固定されることで、振動体１３の主な振動方向と直交する水平方向に張られている。最も上に位置するものから順に、膜体Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３…Ｆｎが鉛直方向に間隔をおいて配置されている。これらの膜体Ｆ１〜Ｆｎの間隔は、一定でも一定でなくてもよい。
【００２３】
各膜体Ｆ１〜Ｆｎには、例えば、金属（アルミニウム箔等）、ゴム、セラミック製のシートを用いることができる。膜体Ｆ１〜Ｆｎの材質は、使用環境温度等に応じて適宜選択される。例えば、高温環境下では、耐熱性を有するゴムや、セラミックが好適となる。また、各膜体Ｆ１〜Ｆｎの材質は、同じでも、互いに異なっていてもよい。
【００２４】
膜体Ｆ１〜Ｆｎの中心部には、針状部１２２の先端１２２Ａが対向しており、振動体１３が所定の片振幅以上に振動すると、針状部１２２の先端１２２Ａが接触することで、膜体Ｆ１〜Ｆｎが順に突き破られる。したがって、破れた膜体の枚数によって、振動体１３の片振幅を知ることができる。この点を以下でより詳しく説明する。
【００２５】
膜体Ｆ１〜Ｆｎと、針状部１２２の先端１２２Ａとのそれぞれの距離は、構造物Ｓと振動体１３とが膜体Ｆ１〜Ｆｎ毎に決められた片振幅で振動した際に、針状部１２２により突き破られるように設定されている。このときの片振幅は、オイル１６の粘性抵抗によって減衰されたものである。
その片振幅以上に振動体１３が振動すると、針状部１２２とのそれぞれの距離が設定された各膜体Ｆ１〜Ｆｎが上から順に突き破られるので、振幅表示部１５は、膜体Ｆ１〜Ｆｎの破れた枚数に基づいて、振動体１３の片振幅を表示する。例えば、膜体Ｆ１〜Ｆ３が破れたとすると、膜体Ｆ３に対応する片振幅が、振動体１３の最大の片振幅となる。ただし、振動体１３が最下端の膜体Ｆｎに対応する片振幅以上に振動して膜体Ｆｎまでもが破れてしまうと、膜体Ｆ１〜Ｆｎにより振動体１３の最大の片振幅を表示することができなくなる。そのため、膜体Ｆ１〜Ｆｎの枚数、および各膜体Ｆ１〜Ｆｎの位置は、少なくとも最下端の膜体Ｆｎが振動体１３の共振時の最大振幅を超える位置に設けられるように設定されている。
【００２６】
上述した複数の振動体１３と、振幅表示部１５とが、構造物Ｓに生じた振動の振動数を測定するための主な構成要素となる。
ここで、構造物Ｓに生じうる振動の振動数帯域は、例えば、構造物Ｓの模型を用いるか、またはコンピュータによるシミュレーションによって求めることができる。求められた振動数帯域に誤差分として例えば、その振動数帯域の±５％〜１０％を加えることによって、振動測定器１が測定対象とする振動数帯域（測定振動数帯域）を設定することもできる。
【００２７】
以下、図４に示すように、ｆｍｉｎからｆｍａｘまでの測定振動数帯域の振動数を５つの振動体１３Ａ〜１３Ｅを用いて測定する例について説明する。
この図４は、構造物Ｓの振動に対して振動体１３Ａ〜１３Ｅのいずれが応答して振動するかを示しており、横軸は、それぞれ所定の振動数帯域で振動する振動体１３Ａ〜１３Ｅの振動数を示し、縦軸は、振動数に対応する片振幅を示している。
振動体１３Ａ〜１３Ｅはいずれも、測定振動数帯域ｆｍｉｎ〜ｆｍａｘに固有振動数（ｆＡ、ｆＢ，ｆＣ，ｆＤ，ｆＥ）を有しており、その固有振動数の前後の振動数帯域において構造物Ｓの振動に応答する。構造物Ｓの振動数が固有振動数ｆＡ〜ｆＥのいずれかに一致または近似（以下、一致、と総称する）すると、その固有振動数を持つ振動体が共振するのでその片振幅が最大となる。したがって、振動体１３Ａ〜１３Ｅの片振幅を比較することによって構造物Ｓの振動数を測定できる。
例えば、構造物Ｓの振動数がｆＣだとすると、振動体１３Ａ〜１３Ｅを比較したときに最大の片振幅となるのは振動体１３Ｃである。これを図６を用いて説明すると、検出器１０Ｃの振動体１３Ｃによって破られた膜体の枚数が最も多いことになる。したがって、この振動体１３Ｃの固有振動数ｆＣを構造物Ｓの振動数とみなすことができる。
【００２８】
本実施形態では、振動体１３Ａ〜１３Ｅのそれぞれが受け持つ振動数帯域が、隣接するもの同士で互いに一部重複している。このため、例えば固有振動数ｆＣとｆＤとの間にある振動数ｆＣＤ１で構造物Ｓが振動するとき、振動体１３Ｃ，１３Ｄのいずれも応答し、これら振動体１３Ｃ，１３Ｄによって一枚または複数枚の膜体Ｆ１〜Ｆｎが破られる。この場合でも、振動体１３Ａ〜１３Ｅのそれぞれに対応する膜体Ｆ１〜Ｆｎが破れた枚数を比較すれば、振動数ｆＣとｆＤとの間に、測定値としうる振動数が存在することがわかるので、曲線近似等により、振動数を測定できる。
【００２９】
ところで、共振時には振動体１３の振幅が理論的には無限大となる。実際には、振動体１３周囲の物質の抵抗により、振幅が無限大となることはないが（図４に示した実線の振動特性を参照）、共振時の振幅が大き過ぎると。振動体１３に過大な応力が生じて、振動体１３（特にバネ１１）が破損するおそれがあるため、共振時の振動を減衰させる減衰手段として、粘性抵抗を持つオイル１６が筐体１４の中に充填されている。
図５は、正弦波外力による変位共振曲線を示している。図５において、横軸は、構造物Ｓの振動周期をω、振動体１３の振動周期をｎとしたときの振動周期比ω／ｎである。一方、縦軸は、次の式（２）で求められる変位応答倍率Ｌ０であり、振動体１３が構造物Ｓの変位δｓｔの何倍の変位Ｄで応答するかを示す。ｈは減衰定数である。
【００３０】
【数２】
【００３１】
図５に示すように、変位応答倍率Ｌ０は、構造物Ｓの振動周期ωに振動体１３の振動周期ｎが一致（ω／ｎ＝１．０）する共振時にピーク（最大値）を示す。このピークは、減衰定数ｈが小さい程高い値となって変位応答倍率Ｌ０の特性曲線が急峻となる。本実施形態では、構造物Ｓに対する共振が続いても振動体１３、特にバネ１１の破損を回避し、かつ、測定分解能を確保できるように、変位応答倍率Ｌ０が例えば５〜７倍とされる。このときの減衰定数ｈは、例えば０．０６〜０．１程度となる。オイル１６の選定に当たって、この減衰定数ｈが参照される。オイル１６を筐体１４内に充填することによって、少なくとも共振時の振動が減衰され、片振幅の最大値が減少する結果、振動体１３Ａ〜１３Ｅの振動特性は、図４に示す破線のようにピークが低くなる。
なお、減衰手段としてのオイル１６は好ましい要素であるが、本発明にとって必須の要素ではない。
また、振動数の測定に必要な分解能が確保できるように、振動を減衰させる程度を定めるのがよい。
【００３２】
振動測定器１による構造物Ｓの振動数測定について、そのプロセスを追って以下説明する。
構造物Ｓに振動測定器１を取り付け、その後構造物Ｓが振動すると、筐体１４が構造物Ｓと一体に振動し、構造物Ｓの振動は、ブラケット１７、外側筐体１８および筐体１４を介して振動体１３に伝えられる。しかし、錘１２は慣性により静止状態を維持しようとするので、バネ１１の伸縮に伴って錘１２が若干変位するだけで、振動体１３Ａ〜１３Ｅは構造物Ｓの振動に直ちには追従しない。振動体１３Ａ〜１３Ｅのうち、構造物Ｓの振動によってその慣性が打破されたものは変位を開始する。変位を開始しても、オイル１６の粘性抵抗によって、周期的に往復変位する振動には至らないことがある。しかし、その後の構造物Ｓの振動継続を受けて振動体が往復変位するに至り、構造物Ｓの振動数が振動体１３Ａ〜１３Ｅのいずれかの固有振動数に一致すると、その振動体は共振する。
【００３３】
検出器１０Ａ〜１０Ｅのうち、所定の片振幅以上に振動体１３Ａ〜１３Ｅが振動したものの振幅表示部１５においては、錘１２の針状部１２２により膜体Ｆ１〜Ｆｎが突き破られる。針状部１２２は、鋭利なため膜体を容易に突き破ることができ、かつ、突き破られることで膜体に出来た孔を抵抗がないか、殆どない状態で出入りする。このため、振動体１３の振動が妨げられることなく、振幅が増大すると膜体Ｆ１〜Ｆｎが上から順に突き破られる。このとき、先行した振幅よりも振幅が増大すると、より下側に位置する膜体Ｆ１〜Ｆｎが突き破られることで、最大の片振幅が更新される。こうして、構造物Ｓに生じた振動による振動体１３Ａ〜１３Ｅの各々の最大の片振幅が、膜体Ｆ１〜Ｆｎに表示される。
【００３４】
所定の測定期間経過後、構造物Ｓから振動測定器１を取り外し、検出器１０Ａ〜１０Ｅの筐体１４を開けて、膜体Ｆ１〜Ｆｎのうち突き破られている膜体の枚数、つまり破れの状態を確認する。この破れの状態は片振幅を示すものであるから、本実施形態によれば、振動体１３Ａ〜１３Ｅの片振幅を目視によって把握できる。
膜体Ｆ１〜Ｆｎの破れの状態に基づき、以下の例のようにして構造物Ｓの振動数を測定する。
図６に示す例では、振動数帯域が互いに隣接する振動体１３Ｂ〜１３Ｄを有する検出器１０Ｂ〜１０Ｄにおいて振幅表示部１５の膜体が突き破られている。具体的には、検出器１０Ｂの２枚の膜体Ｆ１およびＦ２、検出器１０Ｃの４枚の膜体Ｆ１〜Ｆ４、検出器１０Ｄの２枚の膜体Ｆ１およびＦ２が突き破られている。ここでは、破られた膜体の枚数は、検出器１０Ｃで最も多く、かつ、検出器１０Ｂと検出器１０Ｄで同数なので、構造物Ｓの振動数が振動体１３Ｃの固有振動数に一致し、共振が生じていたものと推定できる。この場合には、振動体１３Ｃの固有振動数ｆＣを構造物Ｓの振動数（測定値）として扱う。
【００３５】
次に、例えば、検出器１０Ｂ〜１０Ｄの破れた膜体の枚数が順に１枚、２枚、２枚のように、破れた膜体の枚数が最大となる検出器（１０Ｃ，１０Ｄ）が複数ある場合には、それらの検出器に係る固有振動数の間の値（例えば、図４に示すｆＣとｆＤとの間にあるｆＣＤ１）が、構造物Ｓの振動数に相当するものと推定できる。
また、例えば、検出器１０Ｂ〜１０Ｄの破れた膜体の枚数が順に１枚、３枚、２枚のように、破れた膜体の枚数が最大となる検出器（１０Ｃ）の両側の各検出器（１０Ｂ，１０Ｄ）において破れた膜体の数が異なる場合には、構造物Ｓの振動数は、固有振動数ｆＣよりもｆＤ側にシフトした値となる（例えば、図４のｆＣＤ２）。
以上のように振動数を特定する際に、検出器１０Ａ〜１０Ｅの破れた膜体の枚数、および減衰定数ｈから、曲線近似等を用いて測定値を求めてもよい。この場合には、減衰定数ｈが既知でなくても、複数の検出器１０Ａ〜１０Ｅのそれぞれにおける破れた膜体の枚数、および上記の式（２）から導かれる１自由度系の振動理論解に基づいて、測定値を求めることができる。これは、後述する加速度についても同様である。
【００３６】
以上説明した振動測定器１によれば、振動体１３Ａ〜１３Ｅ毎に設けられた膜体Ｆ１〜Ｆｎの破れの状態を目視により確認し、その破れの状態が示す振動体１３Ａ〜１３Ｅの片振幅に基づいて、振動数を測定できる。このため、振動測定器１は、検出値を回路基板に取り出すケーブルを必要としない。つまり、ケーブルに伴う前述したコストや設置箇所、設置数の問題を解決できる。
【００３７】
上記実施形態の振動測定器１と同様の構成により、加速度を測定することもできる。
加速度を測定するには、各々の膜体Ｆ１〜Ｆｎと、各々の膜体Ｆ１〜Ｆｎに対応する加速度Ａ１〜Ａｎと、が対応付けられた校正データを用意しておく。この加速度Ａ１〜Ａｎには、各々の膜体Ｆ１〜Ｆｎが破られるときに構造物Ｓに生じている加速度が当てられる。またこの校正データは、検出器１０Ａ〜１０Ｅ毎に用意される。
そして例えば、図６に示すように、検出器１０Ｃについて最も大きい番号の膜体Ｆ４が破れたとすると、校正データを参照することで、膜体Ｆ４に対応する加速度Ａ１を構造物Ｓの振動時の最大加速度として扱える。
【００３８】
上記実施形態の検出器１０は複数の膜体Ｆ１〜Ｆｎを備えていたが、本発明は、振動数を測定する上では、検出器１０が１つの膜体のみを備えている構成を許容する。膜体が１つのみであっても、各検出器１０の膜体の破れの有無を比較することで、振動数を測定できる場合がある。図４で、仮に、構造物Ｓに生じうる振動の振動数が、ｆＡ近傍，ｆＥ近傍のように、離散した帯域に限定される場合には、構造物Ｓの振動に応答して膜体が破れる検出器１０が一つだけとなるので、膜体が１枚のみであっても、その唯一の検出器１０の膜体の破れの有無に基づいて十分な精度で測定できる。
【００３９】
なお、本発明における他の減衰手段として、制振ダンパを振動体１３に設けることもできる。この制振ダンパは、例えば、図７に示すようなオイルダンパ１９であってよい。特に共振時には、振動体１３は構造物Ｓの変位の数倍の変位で応答するが（図５、および式（２））、ピストン１９２の動きがダンパオイル１９０の粘性により抑制されることで、シリンダー１９１と連結された錘１２を含む振動体１３の振動が減衰される。また、このオイルダンパ１９によって、振動エネルギが熱エネルギに変換されることで、振動体１３の振動が減衰される。
その他、制振ダンパとして、他のダンパ、例えば摩擦ダンパを用いることもできる。
なお、制振ダンパは、前述のオイル１６と併用することもできる。オイル１６やダンパオイル１９０等の流体を用いる場合、その流体の粘性抵抗によって振動体の振動が減衰される。粘性抵抗は減衰定数と所定の関係を有するので、減衰の度合に応じた粘性抵抗の流体を選択することにより、減衰の度合を容易に調整できる。
【００４０】
〔第２実施形態〕
次に、振幅表示部の構成が第１実施形態とは異なる第２実施形態について図８を参照して説明する。なお、図８では、第１実施形態と同じ構成要素に図１と同じ符号を付している。
図８に示される本実施形態の検出器２０は、振動体１３の側方に鉛直方向に沿って配置されるレール２６と、レール２６に沿って摺動する往復スライダ２７と、往復スライダ２７よりも下方に配置され、レール２６に沿って摺動する表示スライダ２８と、を有する振幅表示部２５を備えている。なお、図８には筐体１４の一部のみが示されているが、振幅表示部２５は振動体１３と共に筐体１４の内部に収容されている。また、表示スライダ２８に関し、初期位置にある状態を実線で示し、摺動後の状態を一点鎖線で示す。
【００４１】
レール２６は、構造物Ｓに振動が生じても位置ずれを起こすことのないように、筐体１４の内部に十分な接合力で固定されている。図８の例では、筐体１４の側壁にレール２６が支持されているが、筐体１４の側壁から離してレール２６が支持されていてもよい。
このレール２６は、振動体１３が共振して往復スライダ２７および表示スライダ２８が最大の変位で移動しても、レール２６から往復スライダ２７および表示スライダ２８が脱落しないように長さが設定される。
レール２６は、以下示す連結片２７１および往復スライダ２７を介して錘１２を案内する。
【００４２】
往復スライダ２７は、連結片２７１により錘１２と機械的に連結されている。したがって、振動体１３の振動に伴って錘１２が鉛直方向に往復変位すると、その変位に連動して往復スライダ２７はレール２６に沿って往復動する。このとき、錘１２と往復スライダ２７は変位の大きさが一致する。なお、連結片２７１は、錘１２に往復スライダ２７が連動できる程度の剛性を備えている必要がある。
また、往復スライダ２７は、レール２６に摺動可能に保持されている。より詳しくは、錘１２と連結されていない状態において、その自重により下向きに滑落しない程度にレール２６との間に摩擦力が生じて保持されている必要がある。この摩擦力は、連結片２７１を介して連結された錘１２が往復変位するのを極力妨げないことをも考慮して設定される。
【００４３】
表示スライダ２８は、往復スライダ２７と同様に、所定の摩擦力によりレール２６に摺動可能に保持されている。ただし、錘１２に連結されていない点と、レール２６上の位置（往復スライダ２７よりも下方に配置される）の点で、表示スライダ２８は往復スライダ２７と相違する。この表示スライダ２８は、往復スライダ２７とは機械的な連結がなされていないので、往復スライダ２７とは独立してレール２６に沿って移動することができる。往復スライダ２７よりも下方に位置する表示スライダ２８は、往復スライダ２７が下向きに変位する際に往復スライダ２７に押されることで、往復スライダ２７に連動して下向きに移動する。
【００４４】
以上の構成を有する検出器２０は、以下のように動作する。
構造物Ｓの振動を受けて振動体１３が振動し、これに伴って錘１２が鉛直方向に変位するものとする。錘１２の下向きの変位に連動して往復スライダ２７がレール２６に沿って下向きに移動するとき、その移動方向前方に位置する表示スライダ２８が往復スライダ２７により押されるので、表示スライダ２８は下向きに移動する。錘１２の変位が上向きに転ずると、往復スライダ２７は錘１２の変位に連動して上向きに移動する。しかし、表示スライダ２８は往復スライダ２７と機械的な結合がなされていないので、上向きの変位に転ずる直前の位置（ｙ１とする）に留まる。
以後、構造物Ｓの振動が継続しても振動体１３の振幅がそれまでよりも大きくならなければ、この表示スライダ２８の位置ｙ１が、振動体１３の片振幅を示す。
一方、構造物Ｓの振動が継続する間に、振動体１３の振幅が大きくなると、表示スライダ２８は往復スライダ２７により下向きに押され、位置ｙ１を超える位置ｙ２まで移動する。そうすると、この表示スライダ２８位置ｙ２が、振動体１３の片振幅を示す。
【００４５】
以上の第２実施形態によれば、錘１２の変位に応じた距離だけ表示スライダ２８がレール２６に沿って無段階に移動するので、連続的な片振幅が得られる。このため、片振幅が離散値となる第１実施形態よりも、複数の検出器２０の中で片振幅が最大となる振動体１３を精度良く抽出できるので、振動数の測定分解能の向上に寄与できる。
また、第２実施形態においても、構造物Ｓに生じうる加速度と、表示スライダ２８により表示される片振幅との対応を示す校正データを用いることにより、加速度をも測定することができる。
さらに、第２実施形態では、レール２６と往復スライダ２７の間、および、レール２６と表示スライダ２８の間の一方または双方の摩擦力を高めることによって往復スライダ２７および表示スライダ２８の移動に負荷を与えれば、振動体１３の振動を往復スライダ２７および表示スライダ２８の当該負荷により減衰させることができる。つまり、第２実施形態の振幅表示部２５は減衰手段として機能させることができる。
【００４６】
なお、本実施形態の振幅表示部２５を次のように変形することもできる。錘１２がレール２６に沿って案内される構成を少ない部品点数で実現するため、例えば、往復スライダ２７を排して連結片２７１をレール２６に摺動可能に配置したり、連結片２７１および往復スライダ２７の両方を排して錘１２の一部をレール２６に摺動する形状に変更してもよい。前者の場合、表示スライダ２８が連結片２７１を介して錘１２の下側への変位に追従し、後者の場合、錘１２の下側への変位に表示スライダ２８が直接追従する。すなわち、錘１２を案内するレール２６と、錘１２の往復変位の一方向のみに追従する表示スライダとのみによって、振幅表示部を構成できる。
【００４７】
また、第２実施形態の変形例として、振動体１３が鉛直方向に加え水平方向にも振動するときに好適な構成を図９に示す。
振動体１３が水平方向にも振動すると、錘１２はバネ１１の上端部１１Ａを支点に旋回しようとするので、連結片２９１や往復スライダ２９には、水平方向の成分を持つ力が作用する。
往復スライダ２９、および往復スライダ２９を錘１２に連結する連結片２９１は、水平方向に対する剛性が、図８の往復スライダ２７および連結片２７１よりも向上されている。剛性を向上するには、よく知られているように、往復スライダ２９、連結片２９１を剛性の高い材料で構成したり、断面径を太くすればよい。また、往復スライダ２９に、連結片２９１の一端に連結された部分から上下両側にそれぞれ延びた延出部２９Ａ，２９Ｂを設け、往復スライダ２９および連結片２９１を合わせた全体形状をＴ字とすることにより、剛性を向上することもできる。
【００４８】
このように連結片２９１および往復スライダ２９の剛性が高いので、振動体１３の振動時、錘１２は水平方向には振れることがなく、連結片２９１および往復スライダ２９と共にレール２６に沿って鉛直方向に案内される。これにより、検出される振動体１３の片振幅から水平方向の振動成分が排除されるので、本変形例によれば鉛直方向の振動数測定の精度が向上する。
【００４９】
以上、本発明の振動測定器について具体例を挙げて説明したが、図４に示した振動体１３Ａ〜１３Ｅの振動特性はあくまで一例であり、測定対象とする構造物Ｓに生じうる振動の振動数や振幅に応じて適宜設計されることは勿論である。したがって、例えば、本発明は、振動体１３Ａ〜１３Ｅの最大片振幅が互いに異なること、また、振動体１３Ａ〜１３Ｅの各々が受け持つ振動数帯域の幅が互いに異なること、を許容する。
また、以上の実施形態では、複数の筐体１４が用意され、振動体１３Ａ〜１３Ｅが各々の筐体１４に収容されていたが、本発明は、１つの筐体の中に全ての振動体１３Ａ〜１３Ｅを収容することを許容する。
さらに、上記各実施形態では、鉛直方向の下向きの片振幅を検出する例について説明したが、本発明は、鉛直方向の上向きの片振幅を検出する構成であってもよい。
以上で述べた以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 振動測定器
１０，２０ 検出器
１１ バネ
１１Ａ 上端部
１１Ｂ 下端部
１２ 錘
１３，１３Ａ〜１３Ｅ 振動体
１４ 筐体
１５，２５ 振幅表示部
１６ オイル
１７ ブラケット
１８ 外側筐体
１９ 制振ダンパ
２６ レール
２７，２９ 往復スライダ
２８ 表示スライダ
１２１ 錘本体
１２２ 針状部
１２２Ａ 先端
２７１ 連結片
Ｓ 構造物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれがバネおよび前記バネにより吊り下げられる錘を有し、互いに異なる固有振動数とされる複数の振動体と、
前記振動体の振動に伴って前記錘が変位した際の前記振動体の片振幅を前記振動体毎に視覚的に表示する振幅表示部と、
前記振動体および前記振幅表示部を収容する空間を有し、前記バネおよび前記振幅表示部を支持するとともに構造物に設けられる筐体と、
を備える、ことを特徴とする構造物の振動測定器。
【請求項２】
前記振幅表示部は、
前記振動体の振動に伴って変位した前記錘によって突き破られる膜体を有する、
請求項１に記載の構造物の振動測定器。
【請求項３】
前記膜体は、前記振動体の振動方向に間隔をおいて複数設けられている、
請求項２に記載の構造物の振動測定器。
【請求項４】
前記振幅表示部は、
前記振動体の振動方向に沿って配置されるとともに、前記錘を直接または間接に案内するレールと、
前記錘の前記レールに沿った往復変位における往路または復路の一方にのみ追従して移動する表示スライダと、を有する、
請求項１に記載の構造物の振動測定器。
【請求項５】
前記筐体内に前記振動体の振動を減衰させる減衰手段を備える、
請求項１から４のいずれか１項に記載の構造物の振動測定器。
【請求項１】
それぞれがバネおよび前記バネにより吊り下げられる錘を有し、互いに異なる固有振動数とされる複数の振動体と、
前記振動体の振動に伴って前記錘が変位した際の前記振動体の片振幅を前記振動体毎に視覚的に表示する振幅表示部と、
前記振動体および前記振幅表示部を収容する空間を有し、前記バネおよび前記振幅表示部を支持するとともに構造物に設けられる筐体と、
を備える、ことを特徴とする構造物の振動測定器。
【請求項２】
前記振幅表示部は、
前記振動体の振動に伴って変位した前記錘によって突き破られる膜体を有する、
請求項１に記載の構造物の振動測定器。
【請求項３】
前記膜体は、前記振動体の振動方向に間隔をおいて複数設けられている、
請求項２に記載の構造物の振動測定器。
【請求項４】
前記振幅表示部は、
前記振動体の振動方向に沿って配置されるとともに、前記錘を直接または間接に案内するレールと、
前記錘の前記レールに沿った往復変位における往路または復路の一方にのみ追従して移動する表示スライダと、を有する、
請求項１に記載の構造物の振動測定器。
【請求項５】
前記筐体内に前記振動体の振動を減衰させる減衰手段を備える、
請求項１から４のいずれか１項に記載の構造物の振動測定器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０４８４０（Ｐ２０１３−１０４８４０Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０６９７（Ｐ２０１１−２５０６９７）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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