(57)【要約】【課題】構造物を吊り構造で固定する取付部材の全般に亘って取付状態を監視することを可能にする。【解決手段】センサ装置１０は、センシング部１１と通信部１２と制御部１３と電源部１４とを備える。センシング部１１は、トンネル内の天井部に構造物を吊り構造で固定する取付部材３０について取付状態を監視する。通信部１２は、センシング部１１が監視した取付状態に関する情報を取付情報として無線伝送路を通して送信する。センシング部１１は、加振器１１０と第１の監視部１１１と出力部１１３とを備える。加振器１１０は、取付部材３０に１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数成分を含む所定の振動を与える。第１の監視部１１１は、加振器１１０が与えた振動により生じる取付部材３０の振動に関する情報を応答情報として監視する。【選択図】図１
2015111091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル内の天井部に構造物を吊り構造で固定する取付部材について取付状態を監視するセンシング部と、
前記センシング部が監視した前記取付状態に関する情報を取付情報として無線伝送路を通して送信する通信部と、
前記センシング部および前記通信部の動作を制御する制御部と、
前記センシング部と前記通信部と前記制御部とに給電する電源部とを備え、
前記センシング部は、
前記取付部材に１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数成分を含む所定の振動を与える加振器と、
前記加振器が与えた振動により生じる前記取付部材の振動に関する情報を応答情報として監視する第１の監視部と、
前記応答情報を前記取付情報として出力する出力部とを備え、
前記通信部は、前記センシング部から出力された前記取付情報を所定のタイミングで送信する
ことを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記加振器は、前記取付部材に結合させた振動子であって、ミリ秒以下の短パルスで駆動される
請求項１記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記加振器は、ハンマを備えるアクチュエータであって、前記取付部材に前記ハンマを単発的に衝突させる
請求項１記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記加振器を定期的に動作させる
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記制御部は、外部信号による指示を受けたときに、前記加振器を動作させる
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記加振器から前記取付部材に与えた振動に関する情報を刺激情報として監視する第２の監視部をさらに備え、
前記通信部は、
前記応答情報に加えて前記刺激情報を前記取付情報として送信する
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記取付部材の周囲温度を温度情報として監視する温度センサをさらに備え、
前記通信部は、前記取付情報と併せて、前記温度情報を送信する
請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記センシング部は、
ハウジングベースと、
前記ハウジングベースに結合され、前記ハウジングベースとの間に前記加振器を収納する密閉された空間を形成するハウジングとを備え、
前記加振器は、圧電振動子を振動源とする構成であって、
前記ハウジングベースは、その音響インピーダンスが、前記取付部材の音響インピーダンスに対して定められた範囲内となるように構成されている
請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項９】
前記ハウジングベースは、
前記圧電振動子が載った領域と、前記ハウジングが結合される領域との間に、振動の伝達を抑制する音響絶縁部を備える
請求項８記載のセンサ装置。
【請求項１０】
前記加振器は、片持ち梁構造である
請求項８又は９記載のセンサ装置。
【請求項１１】
前記加振器は、両持ち梁構造である
請求項８又は９記載のセンサ装置。
【請求項１２】
前記振動源は、バイモルフ型である
請求項１０又は１１記載のセンサ装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のセンサ装置と、
前記センサ装置からの前記取付情報を受信する受信装置と、
前記取付部材の取付状態が正常である期間に前記受信装置が前記センサ装置から受信した前記取付情報に基づいて生成した基準情報と、前記受信装置が前記センサ装置から受信した最新の前記取付情報に基づいて生成した検査情報とを比較し、前記検査情報が前記基準情報に対して規定した正常範囲を逸脱している場合に異常と判断する判定装置とを備える
ことを特徴とする異常検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物をトンネル内の天井部に吊り構造で固定する取付部材について取付状態を監視するセンサ装置、このセンサ装置を用いて当該取付部材の異常を検知する異常検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、トンネル内には、トンネル天井板、道路標識、吸音板、ジェットファン、換気ダクトのように、吊り構造で固定される重量構造物が存在する。この種の構造物は、アンカーボルトで固定される取付部材を用いてトンネル内の天井部に取り付けられる場合が多い。構造物を吊り構造で固定している取付部材に、緩み、抜け、腐食などが生じると、構造物が落下する可能性があるから、この種の取付部材の取付状態は定期的に検査する必要がある。
【０００３】
この種の取付部材の検査には、作業者が部材をハンマーで叩き、その際に生じる音や衝撃を作業者が判断する方法が知られている。しかしながら、多数個の取付部材を個々にハンマーで叩く作業には時間がかかる上に、異常の判断は作業者が行うから、判断結果にばらつきが生じやすいという課題がある。
【０００４】
そのため、特許文献１には、構造物を取り付けるための取付部材であるアンカーボルトに振動を与える加振装置と、アンカーボルトからの振動レベルを検出する検出装置とを備えたセンサユニットを用いる技術が提案されている。センサユニットは、検出装置が検出した振動データをコントロールユニットに送信する。一方、コントロールユニットは、受信した振動データを、正常状態の振動データと比較することにより、アンカーボルトに異常が生じているか否かを判断する。
【０００５】
ところで、特許文献１に記載された構成は、加振装置が振動を発生させる構成であり、加振指令部の指令に基づいて加振装置が駆動を停止することから、加振装置はアンカーボルトに対して連続的に振動を与える構成であると推定される。また、検出装置としての加速度センサからは、周波数毎の加速度データが得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５３０７９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された構成は、アンカーボルトに異常が生じているときには、低周波数側の加速度が大きくなるという経験側に基づいて、アンカーボルトの異常を判別している。すなわち、特許文献１に記載された構成では、アンカーボルトの異常を判別することはできるが、構造物を吊り構造で固定する取付部材の全般に亘って取付状態を監視することは困難である。
【０００８】
本発明は、構造物を吊り構造で固定する取付部材の全般に亘って取付状態を監視することを可能にしたセンサ装置を提供することを目的とし、さらに、このセンサ装置を用いた異常検知システム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】
【０００９】
本発明に係るセンサ装置は、トンネル内の天井部に構造物を吊り構造で固定する取付部材について取付状態を監視するセンシング部と、前記センシング部が監視した前記取付状態に関する情報を取付情報として無線伝送路を通して送信する通信部と、前記センシング部および前記通信部の動作を制御する制御部と、前記センシング部と前記通信部と前記制御部とに給電する電源部とを備え、前記センシング部は、前記取付部材に１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数成分を含む所定の振動を与える加振器と、前記加振器が与えた振動により生じる前記取付部材の振動に関する情報を応答情報として監視する第１の監視部と、前記応答情報を前記取付情報として出力する出力部とを備え、前記通信部は、前記センシング部から出力された前記取付情報を所定のタイミングで送信することを特徴とする。
【００１０】
このセンサ装置において、前記加振器は、前記取付部材に結合させた振動子であって、ミリ秒以下の短パルスで駆動されることが好ましい。
【００１１】
このセンサ装置において、前記加振器は、ハンマを備えるアクチュエータであって、前記取付部材に前記ハンマを単発的に衝突させることが好ましい。
【００１２】
このセンサ装置において、前記制御部は、前記加振器を定期的に動作させることが好ましい。
【００１３】
このセンサ装置において、前記制御部は、外部信号による指示を受けたときに、前記加振器を動作させることが好ましい。
【００１４】
このセンサ装置において、前記加振器から前記取付部材に与えた振動に関する情報を刺激情報として監視する第２の監視部をさらに備え、前記通信部は、前記応答情報に加えて前記刺激情報を前記取付情報として送信することが好ましい。
【００１５】
このセンサ装置において、前記取付部材の周囲温度を温度情報として監視する温度センサをさらに備え、前記通信部は、前記取付情報と併せて、前記温度情報を送信することが好ましい。
【００１６】
このセンサ装置において、前記センシング部は、ハウジングベースと、前記ハウジングベースに結合され、前記ハウジングベースとの間に前記加振器を収納する密閉された空間を形成するハウジングとを備え、前記加振器は、圧電振動子を振動源とする構成であって、前記ハウジングベースは、その音響インピーダンスが、前記取付部材の音響インピーダンスに対して定められた範囲内となるように構成されていることが好ましい。
【００１７】
前記ハウジングベースは、前記圧電振動子が載った領域と、前記ハウジングが結合される領域との間に、振動の伝達を抑制する音響絶縁部を備えることが好ましい。
【００１８】
前記加振器は、片持ち梁構造であることが好ましい。また、前記加振器は、両持ち梁構造であってもよい。そして、前記振動源は、バイモルフ型であることが望ましい。
【００１９】
本発明に係る異常検知システムは、上述したいずれかのセンサ装置と、前記センサ装置からの前記取付情報を受信する受信装置と、前記取付部材の取付状態が正常である期間に前記受信装置が前記センサ装置から受信した前記取付情報に基づいて生成した基準情報と、前記受信装置が前記センサ装置から受信した最新の前記取付情報に基づいて生成した検査情報とを比較し、前記検査情報が前記基準情報に対して規定した正常範囲を逸脱している場合に異常と判断する判定装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の構成によれば、取付部材に１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数成分を含む所定の振動を与え、与えた振動により生じる取付部材の振動に関する情報を応答情報として監視している。したがって、広範囲の周波数成分を用いることにより、構造物を吊り構造で固定する取付部材の全般に亘って取付状態を監視することが可能になるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態を示すブロック図である。
【図２】実施形態の取付部材への適用例を示す側面図である。
【図３】実施形態のトンネルへの適用例を示す斜視図である。
【図４】実施形態に用いるセンシング部の一構成例を示す断面図である。
【図５】実施形態に用いるセンシング部の他の構成例を示す断面図である。
【図６】実施形態に用いるセンシング部の駆動例を示す動作説明図である。
【図７】実施形態に用いるセンシング部の別の構成例を示す断面図である。
【図８】実施形態に用いるセンシング部のまた別の構成例を示す断面図である。
【図９】実施形態に用いるセンシング部のさらに別の構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示すように、以下に説明するセンサ装置１０は、センシング部１１と通信部１２と制御部１３と電源部１４とを備える。センシング部１１は、トンネル２０内の天井部２１に構造物２２を吊り構造で固定する取付部材３０について取付状態を監視する（図３参照）。通信部１２は、センシング部１１が監視した取付状態に関する情報を取付情報として無線伝送路を通して送信する。制御部１３は、センシング部１１および通信部１２の動作を制御する。電源部１４は、センシング部１１と通信部１２と制御部１３とに給電する。
【００２３】
センシング部１１は、加振器１１０と第１の監視部１１１と出力部１１３とを備える。加振器１１０は、取付部材３０に１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数成分を含む所定の振動を与える。第１の監視部１１１は、加振器１１０が与えた振動により生じる取付部材３０の振動に関する情報を応答情報として監視する。出力部１１３は、応答情報を取付情報として出力する。通信部１２は、センシング部１１から出力された取付情報を所定のタイミングで送信する。
【００２４】
加振器１１０は、取付部材３０に結合させた振動子であって、ミリ秒以下の短パルスで駆動されることが望ましい。あるいはまた、加振器１１０は、ハンマを備えるアクチュエータであって、取付部材３０にハンマを単発的に衝突させることが望ましい。加振器１１０がどちらの構成であっても、取付部材３０に衝撃を与え、取付部材３０のインパルス応答を応答情報として取り出すことが可能になる。
【００２５】
制御部１３は、加振器１１０を定期的に動作させることが望ましい。あるいはまた、制御部１３は、外部信号による指示を受けたときに、加振器１１０を動作させることが望ましい。前者の構成を採用すると、取付部材３０の検査を定期的に行うことが可能になり、後者の構成を採用すると、取付部材３０の検査を必要に応じて行うことが可能になる。
【００２６】
センサ装置１０は、加振器１１０から取付部材３０に与えた振動に関する情報を刺激情報として監視する第２の監視部１１２を備えることが望ましい。この場合、通信部１２は、応答情報に加えて刺激情報を取付情報として送信することが望ましい。
【００２７】
センサ装置１０において、取付部材３０の周囲温度を温度情報として監視する温度センサ１５をさらに備えていることが望ましい。この場合、通信部１２は、取付情報と併せて、温度情報を送信する。
【００２８】
また、以下に説明する異常検知システムは、上述したいずれかのセンサ装置１０と受信装置４０と判定装置５０とを備える。受信装置４０は、センサ装置１０からの取付情報を受信する。判定装置５０は、取付部材３０の取付状態が正常である期間に受信装置４０がセンサ装置１０から受信した取付情報に基づいて生成した基準情報と、受信装置４０がセンサ装置１０から受信した最新の取付情報に基づいて生成した検査情報とを比較する。そして、判定装置５０は、検査情報が基準情報に対して規定した正常範囲を逸脱している場合に異常と判断する。
【００２９】
以下に本実施形態の構成をさらに詳しく説明する。以下に説明する構成において、構造物２２は、トンネル２０の天井部２１に吊り構造で固定される物体であって、たとえば、トンネル天井板、道路標識、吸音板、ジェットファン、換気ダクトなどが相当する。図３の例では、構造物２２として天井板を示している。この種の構造物２２を天井部２１に取り付けるための取付部材３０は、図２に示すように、トンネル２０の天井部２１に固定される固定部材３１と、上端部が固定部材３１に結合され下端部が構造物２２に結合される吊下部材３２とを備える。
【００３０】
図示する取付部材３０において、吊下部材３２は、図２に示すように、タイバー（連結棒）、ターンバックルなどを含む連結部材３２１と、連結部材３２１の上下両端にそれぞれ結合される一対の台座３２２とを備える。図２には連結部材３２１の上端に結合される台座３２２のみを示しているが、連結部材３２１の下端に結合される台座３２２も同様の構造を備える。
【００３１】
連結部材３２１の上端に結合される台座３２２は、天井部２１の壁面２１１に重ねられる取付板３２２１と、取付板３２２１から下向きに突出する取付板３２２２とを一体に備える。取付板３２２２には、連結部材３２１の端部が連結ボルト３２３を用いて結合される。つまり、連結部材３２１は、台座３２２に対して連結ボルト３２３の周りで移動可能になっている。連結部材３２１の上端に結合される台座３２２は、アンカーボルトのような固定部材３１を用いて天井部２１に固定される。つまり、トンネル２０の天井部２１に固定部材３１で固定された台座３２２に、連結ボルト３２３により連結部材３２１の上端が結合される。
【００３２】
一方、連結部材３２１の下端には、構造物２２に固定された台座（図示せず）に連結される。なお、連結部材３２１の下端に連結される台座は、連結部材３２１の上端に連結される台座３２２と同様の構造を備え、この台座に連結部材３２１の下端が結合される。図示例において、連結部材３２１の上端に結合される台座３２２および連結部材３２１の下端に結合される台座は、それぞれ連結部材３２１ごとに設けられているが、１つの台座に複数個の連結部材３２１が結合される構成であってもよい。
【００３３】
固定部材３１および吊下部材３２は、一般に金属製である。固定部材３１および吊下部材３２は、長期間に亘って使用し続けるうちに、腐食、変形、疲労などの劣化が生じ、構造物２２をトンネル２０の天井部２１に取り付ける強度が次第に低下する可能性がある。そこで本実施形態では、固定部材３１および吊下部材３２の異常の発生あるいは兆候を検出するためにセンサ装置１０が吊下部材３２に設けられている。
【００３４】
一般にはセンサ装置１０を設置する箇所が多いほど得られる情報量は多くなるが、固定部材３１に関する情報が得られる位置と、吊下部材３２に関する情報が得られる位置との少なくとも２箇所にセンサ装置１０が設けられていることが望ましい。図２に示す例において、台座３２２に１個のセンサ装置１０が設けられ、連結部材３２１に２個のセンサ装置１０が設けられている。台座３２２に設けられたセンサ装置１０では、主として固定部材３１に関する情報が得られ、連結部材３２１に設けられたセンサ装置１０では、主として吊下部材３２に関する情報が得られる。
【００３５】
センサ装置１０は、図１に示すように、取付部材３０に振動を加え、取付部材３０の振動を監視することによって、取付状態を監視するセンシング部１１を備える。センシング部１１は、取付部材３０に振動を加える加振器１１０を備える。加振器１１０は、具体的には、ＰＺＴのような圧電素子を用いた振動子（圧電振動子）と、金属のような硬質材料で形成されたハンマを備えたアクチュエータとのいずれかが用いられる。アクチュエータにおいてハンマを移動させる駆動力を発生させる構成は、電磁石、圧電素子（電歪素子）、磁歪素子などから選択される。また、加振器１１０は、モータの回転力を駆動力に用いて、ハンマを移動させる構成を採用することも可能である。
【００３６】
振動子を用いる場合、振動子に矩形波状の電圧を短時間だけ加えて振動子を駆動する。つまり、振動子に短時間だけ電圧を加えることによって、多くの周波数成分を含む振動を発生させる。振動子は、振動に１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数成分が含まれるように、ミリ秒以下の短パルス（たとえば、０．１ｍｓ）で駆動されることが望ましい。
【００３７】
また、加振器１１０が、ハンマを備えるアクチュエータである場合、ハンマを取付部材３０に対して単発的に衝突させることが望ましい。つまり、ハンマで取付部材３０を単発的に叩くことによって、取付部材３０に１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数成分を含む振動が与えられる。
【００３８】
これらの加振器１１０は、取付部材３０に衝撃（インパルス）を与えることにより、１Ｈｚ〜１００ｋＨｚ程度の広範囲の周波数成分を含む振動を取付部材３０に与えることが可能である。
【００３９】
加振器１１０が取付部材３０に振動を与えると、この振動は取付部材３０を伝達されるから、取付部材３０に加えた振動と、この振動により取付部材３０に生じる振動との関係がわかれば、取付部材３０に関する情報が得られる。そのため、センシング部１１は、加振器１１０が加えた振動により生じる取付部材３０の振動に関する情報を応答情報として監視する第１の監視部１１１を備える。
【００４０】
センシング部１１の具体的な構成例を説明する。センシング部１１は、図４に示すように、ハウジングベース６１と、ハウジング６２とを備える。ハウジングベース６１は、板状であって、取付部材３０にセンサ装置１０を取り付けた状態で、取付部材３０に密接する。以下に説明する加振器１１０は、圧電振動子を振動源１１０１として備える。図示例では、加振器１１０は、ハウジングベース６１の上に配置され、ハウジングベース６１に固定されている。加振器１１０はハウジングベース６１に対して接着剤などによって固定される。
【００４１】
ハウジングベース６１は、鉄系（ステンレス鋼）、銅系合金、亜鉛などの群から選択される金属を用いて形成されており、その音響インピーダンスが、取付部材３０の音響インピーダンスに対して定められた範囲内となるように構成されていることが望ましい。なお、取付部材３０は鉄系（ステンレス鋼）のような金属により形成されている。
【００４２】
ハウジングベース６１と取付部材３０との音響インピーダンスが一致していれば、理想的には、加振器１１０で生じた振動のエネルギーが損失することなく取付部材３０に伝達される。ハウジングベース６１と取付部材３０との音響インピーダンスは、完全に一致していなくとも、音響インピーダンスの差異が小さければ、加振器１１０で生じた振動は取付部材３０に効率よく伝達される。したがって、振動の伝達効率が定められた値以上になるように、ハウジングベース６１の音響インピーダンスが定められる。要するに、ハウジングベース６１は、その音響インピーダンスが取付部材３０の音響インピーダンスと同程度になるように設計される。
【００４３】
上述のように、ハウジングベース６１の音響インピーダンスと取付部材３０の音響インピーダンスとが同程度であると、振動を効率よく取付部材３０に伝達することができるから、振動源１１０１の小型化につながる。つまり、センシング部１１を小型化し、ひいてはセンサ装置１０を小型化することが可能になる。また、加振器１１０から取付部材３０への振動の伝達効率が向上するから、加振器１１０に与える電力の利用効率も高くなり、結果的に、消費電力の低減につながる。
【００４４】
ハウジングベース６１には、ハウジング６２が結合される。ハウジング６２は、ハウジングベース６１に結合され、ハウジングベース６１との間に加振器１１０を収納する密閉された空間を形成する。ハウジング６２は、ハウジングベース６１に被さるキャップ状に形成され、ハウジングベース６１の周部にハウジング６２が結合されることによって、加振器１１０を収納する空間をハウジングベース６１との間に形成する。ハウジング６２は、ハウジングベース６１と同種の金属で形成されていることが望ましい。ハウジングベース６１とハウジング６２とは、レーザ光などを用いて溶接されることが望ましいが、ろう付けにより結合されるか、接着剤により結合されていてもよい。
【００４５】
ハウジングベース６１とハウジング６２との間に形成される空間には、センシング部１１の他の構成要素を収納することが望ましいが、センシング部１１の他の構成要素は当該空間とは別に配置してもよい。また、センサ装置１０のすべての構成要素をハウジングベース６１とハウジング６２との間に形成された空間に収納してもよい。
【００４６】
ハウジングベース６１は、図５に示すように、加振器１１０が載っている領域と、ハウジング６２が結合される領域との間に、加振器１１０からの振動の伝達を抑制する音響絶縁部６１１を備えていてもよい。図示する音響絶縁部６１１は、加振器１１０が配置された領域とハウジング６２が結合された領域との間に空隙を備えている。具体的には、図５におけるハウジングベース６１の下面（外側面）に溝６１２が形成され、この溝６１２が空隙として機能する。ハウジングベース６１において加振器１１０が載っている領域の周囲に溝６１２が存在することにより、ハウジングベース６１において、当該領域から図５の横方向への振動の伝達が低減される。
【００４７】
溝６１２は、加振器１１０の全周を囲むように一連に連続した形状のほか、不連続に形成した複数の溝６１２によって加振器１１０の周囲を囲む形状であってもよい。また、溝は、ハウジングベース６１の上面（内側面）に形成されていてもよい。なお、音響絶縁部６１１は、溝６１２ではなく、ハウジングベース６１の他の領域とは異なる材料を用いることによって形成してもよい。なお、上、下、横の用語は図５の説明に用いており、センサ装置１０の取付方向を限定する趣旨ではない。
【００４８】
上述のように、音響絶縁部６１１が形成されることによって、加振器１１０で発生した振動はハウジング６２などに伝達されにくくなり、取付部材３０に集中して伝達されるから、加振器１１０から取付部材３０への振動の伝達効率が向上する。すなわち、センシング部１１のさらなる小型化につながる。また、音響絶縁部６１１が設けられることによって、加振器１１０から取付部材３０への振動の伝達効率が高くなるから、電力の利用効率も高くなり、結果的に消費電力の低減につながる。
【００４９】
制御部１３は、加振器１１０の振動源１１０１である圧電振動子に、たとえば、図６に示すような波形の電圧を加えることによって振動を発生させる。図示する波形は、三角波状の単発のパルスであって、半値幅Δｔとピーク電圧Ｖｐとの少なくとも一方が調節される。半値幅Δｔとピーク電圧Ｖｐとの少なくとも一方を変えることによって、振動源１１０１から発生する振動の周波数成分あるいは振幅が変化する。たとえば、半値幅Δｔが変わると主としての周波数成分が変化し、ピーク電圧Ｖｐが変わると主として振幅が変化する。
【００５０】
上述した構成例では、加振器１１０を構成する振動源１１０１をハウジングベース６１に直接取り付けているが、加振器１１０は、図７から図９に示す構造に構成することが好ましい。図７は加振器１１０が片持ち梁構造である構成例を示し、図８は加振器１１０が両持ち梁構造である構成例を示している。また、図９は振動源１１０１がバイモルフ型である例を示している。
【００５１】
図７に示す構成例では、加振器１１０は、ハウジングベース６１の一面に固定された支持台１１０２を備える。支持台１１０２には梁１１０３の一端部が固定されており、梁１１０３の他端部には重り１１０４が結合されている。振動源１１０１は、梁１１０３の中間部に配置され、梁１１０３に結合される。梁１１０３は、金属板を用いて板状に形成されており、図７における上下方向に撓むことが可能になっている。なお、上下方向は図における方向を示しているだけであり、使用時の方向を定める目的ではない。
【００５２】
支持台１１０２を形成する材料と梁１１０３を形成する材料と重り１１０４を形成する材料とは、鉄系（ステンレス鋼）、銅系合金、亜鉛などの群から選択される。重り１１０４は、梁１１０３と同材料で一体に形成されていてもよい。この場合、半導体のシリコンを微細に加工することによって、梁１１０３と重り１１０４とを形成することも可能である。
【００５３】
なお、図７は模式的に記載しているが、ハウジング６２の内側面の幅寸法Ｗ１は１ｃｍ程度に形成され、振動源１１０１の厚み寸法Ｈ１は１μｍ〜１ｍｍ程度に形成され、重り１１０４の厚みＨ２は１〜１０ｍｍ程度に形成される。これらの寸法は一例であり、本実施形態で用いるセンシング部１１の寸法を限定する趣旨ではない。
【００５４】
加振器１１０は、図８に示すような両持ち梁構造であってもよい。図７に示す構成例では、梁１１０３の一端部のみが支持台１１０２に固定されているのに対して、図８に示す構成例では、梁１１０３の両端部がそれぞれ支持台１１０２に固定されている。また、重り１１０４は、梁１１０３の中央部において図８における下面に結合されている。振動源１１０１は２個設けられており、梁１１０３の各一端部と重り１１０４との間の部位に配置されている。２個の振動源１１０１は、同じ向きに伸縮するように配置される。なお、上下の用語は図８について説明する目的で使用しており、センサ装置１０の使用時における方向を定める目的ではない。
【００５５】
図８に示す構成例では、２個の振動源１１０１を梁１１０３の両端部に配置しているから、図７に示す構成のように１個の振動源１１０１を備える構成よりも梁１１０３の変位を大きくとることが可能になる。なお、振動源１１０１と重り１１０４とは、梁１１０３に対して図示例のように配置することが望ましいが、振動源１１０１と重り１１０４とは梁１１０３に対する表裏を逆にしてもよい。つまり、図８の構成であれば、振動源１１０１を梁１１０３の下面に設け、重り１１０４を梁１１０３の上面に設けてもよい。振動源１１０１が梁１１０３の一面に配置され、重り１１０４が梁１１０３の他面に配置されるから、梁１１０３が撓んだときに、振動源１１０１と重り１１０４との干渉が生じない。すなわち、振動源１１０１および重り１１０４について、寸法および配置の自由度が高くなる。ただし、振動源１１０１と重り１１０４との寸法および配置の自由度が問題ではない場合は、振動源１１０１と重り１１０４とを梁１１０３の同じ面に配列してもよい。
【００５６】
図９に示す構成例は、振動源１１０１である圧電振動子をバイモルフ型とした構成例であって、図７に示した片持ち梁構造を基本として、梁１１０３の両面に振動源１１０１を配置した構成を有している。梁１１０３の各面に配置された振動源１１０１は、差動的に電圧が印加される。つまり、２つの振動源１１０１は、電圧が加えられたときに、互いに逆向きに変位する。したがって、梁１１０３の変位を大きくとることが可能になる。しかも、片持ち梁構造を基本にしているから、図８に示した両持ち梁構造の構成と比べて、梁１１０３の長さを短縮でき、結果的に、小型かつ変位の大きい（つまり、振幅の大きい）振動を発生させることが可能になる。
【００５７】
第１の監視部１１１は、圧電素子、差動トランス、加速度センサ、超音波式あるいは光学式の変位センサなど、取付部材３０の振動（変位）を検出できる構成であればよい。第１の監視部１１１は、取付部材３０の振動を検出することができるように配置される。第１の監視部１１１は、加振器１１０に並べて配置することが可能であるが、加振器１１０とは適宜距離だけ離れていることが望ましい。また、加振器１１０が圧電素子であれば、加振器１１０を第１の監視部１１１として兼用することも可能である。
【００５８】
上述した構成によれば、加振器１１０から与えた衝撃（インパルス）に対する取付部材３０の応答を第１の監視部１１１が監視するから、インパルス応答の伝達関数を求めることが可能である。つまり、加振器１１０が取付部材３０に与えるインパルスが既知であれば、第１の監視部１１１が監視した応答情報により、インパルス応答の伝達関数が求められる。この伝達関数は取付部材３０の取付状態を反映しているから、この伝達関数を評価すれば、取付部材３０の取付状態である取付情報が求められる。
【００５９】
ただし、取付部材３０に与えるインパルスは、加振器１１０の計時的な変化や周囲温度の変化などによって、必ずしも一定にはならない。そのため、本実施形態では、加振器１１０から取付部材３０に与えた振動に関する情報を刺激情報として監視する第２の監視部１１２を設けている。第２の監視部１１２が監視する刺激情報を用いると、刺激情報と応答情報とから、伝達関数を精度よく求めることが可能になる。つまり、取付部材３０に関する取付情報をより精度よく求めることが可能になる。
【００６０】
第２の監視部１１２としては、加振器１１０から取付部材３０に作用する荷重を監視する荷重センサと、加振器１１０に加える電圧値を監視する電圧センサとのいずれかが用いられる。荷重センサは、圧電素子およびセンサ増幅器を備える構成が望ましい。また、電圧センサは、高入力インピーダンスの増幅器（ボルテージフォロワでもよい）を備える構成が望ましい。
【００６１】
第２の監視部１１２が荷重センサである場合、加振器１１０が取付部材３０に衝撃を与える際の反力が発生する部位に第２の監視部１１２が配置される。また、電圧センサは、加振器１１０に圧電素子を用いている場合に有効であり、圧電素子に加える電圧を電圧センサで監視する増幅器のみで構成される。第２の監視部１１２は、荷重センサあるいは電圧センサが出力する波形を、加振器１１０から取付部材３０に与えた振動に関する刺激情報として出力する。
【００６２】
第１の監視部１１１から出力される応答情報と、第２の監視部１１２から出力される刺激情報とは、センシング部１１の出力である取付情報として出力部１１３を通して出力される。センシング部１１から出力された取付情報は通信部１２を通して無線信号として送信される。通信部１２は、他のセンサ装置１０から出力された無線信号を中継するマルチホップ通信の機能を有し、近距離無線通信を行いながらも電波が直接届かない遠方の端末間で通信することが可能になっている。
【００６３】
センシング部１１および通信部１２は、制御部１３により制御される。制御部１３は、プログラムに従って動作するプロセッサを備えるデバイスを主なハードウェア要素として備える。この種のデバイスは、メモリをプロセッサと一体に備えるマイコン（マイクロコントローラ）、メモリを別に備えるプロセッサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などから選択される。
【００６４】
制御部１３は、センシング部１１（加振器１１０）を一定周期で定期的に動作させる。あるいはまた、制御部１３は、外部信号による指示を受けたときに、センシング部１１（加振器１１０）を動作させる。このような外部信号は、通信部１２を通して他装置から無線信号により与えられる。また、制御部１３は、センシング部１１を動作させるたびに、センシング部１１から出力された刺激情報および応答情報を通信部１２に引き渡し、刺激情報および応答情報を取付情報として通信部１２から送信させる機能を有する。
【００６５】
要するに、制御部１３は、センシング部１１を動作させるタイミングを定め、センシング部１１から出力された刺激情報および応答情報を取付情報として通信部１２から送信するタイミングを定める。刺激情報および応答情報はセンシング部１１からアナログ信号として出力され、制御部１３においてデジタル信号に変換される構成を想定しているが、デジタル信号に変換する機能はセンシング部１１が備えていてもよい。
【００６６】
なお、センサ装置１０において、通信部１２と制御部１３とを１枚の回路基板に実装してユニット化し、センシング部１１も１枚の回路基板に実装することによってユニット化すれば、センサ装置１０は、２個のユニットと電源部１４とで構成されることになる。このように、適宜にユニット化されていることにより、センサ装置１０の組み立てが容易になる上に、機械的な力が作用するセンシング部１１と、電気回路のみからなる通信部１２および制御部１３とが分離され、メンテナンスが容易になる。
【００６７】
ところで、本実施形態において、センサ装置１０の電源は、センサ装置１０ごとに設けられた電源部１４から供給される。すなわち、電源部１４は、電池または小型の発電装置から電力が供給される。この種の発電装置は、トンネル２０において生じる振動、熱、光、気流などを電力に変換する環境発電機（いわゆる、エナジーハーベスタ）が望ましい。なお、この種の発電装置から電源部１４に電力を供給する場合、制御部１３は、所要の電力が確保できるときに取付情報を送信させることになる。つまり、この種の発電装置を電源に用いると、センサ装置１０は、定期的に動作できるとは限らず、不定期に動作する場合もある。また、電池は、センサ装置１０を５〜１０年程度は動作させることが可能な容量を持つことが望ましい。
【００６８】
なお、センサ装置１０に電力を供給する電源は、取付部材３０を単位として設けられていてもよい。つまり、１個の取付部材３０に複数個のセンサ装置１０を配置している場合、１個の取付部材３０に設けられたすべてのセンサ装置１０が共用する電源を設けることも可能である。この場合、１個の取付部材３０に配置されたセンサ装置１０の間は電源線で接続する必要があるが、取付部材３０の間は電源線で接続する必要がないから、施工は比較的容易である。
【００６９】
センサ装置１０は、トンネル２０の内部に多数個配置され、個々のセンサ装置１０から無線信号として送信された取付情報は、受信装置４０に受信される。つまり、センサ装置１０から無線通信路を通して受信装置４０に取付情報が伝送される。受信装置４０は、無線信号から取付情報を抽出し、取付情報を判定装置５０に入力する。
【００７０】
判定装置５０は、取付部材３０の取付状態が正常であることが既知である期間に受信装置４０がセンサ装置１０から受信した取付情報に基づいて生成した基準情報を記憶する記憶部５１を備える。また、判定装置５０は、記憶部５１が記憶している基準情報と、受信装置４０が受信した最新の取付情報に基づいて生成した検査情報とを比較し、取付部材３０が正常な取付状態か否かを判断する判断部５２を備える。
【００７１】
基準情報および検査情報は、判定装置５０に設けられた生成部５３が生成する。基準情報および検査情報としては、たとえば、センサ装置１０から受信装置４０が受信した刺激情報と応答情報とにＦＦＴ（高速フーリエ変換）を施すなどして求めた伝達関数が用いられる。伝達関数を基準情報および検査情報として用いる場合、生成部５３は、刺激情報の周波数成分からなる第１のベクトルと、応答情報の周波数成分からなる第２のベクトルとを求め、第１のベクトルを第２のベクトルに変換する変換ベクトルを求める。生成部５３は、この変換ベクトルを伝達関数とみなす。
【００７２】
判断部５２は、検査情報となる伝達関数と、基準情報となる伝達関数との距離（ユークリッド距離あるいはマンハッタン距離）を求め、距離の大きさがあらかじめ定めた正常範囲か否かを判断する。検査情報が基準情報に基づいて設定された正常範囲を逸脱している場合、つまり、検査情報と基準情報とから求めた距離が正常範囲を逸脱している場合、判断部５２は、取付部材３０に異常が生じていると判断する。
【００７３】
本実施形態では、判定装置５０が、刺激情報と応答情報とから求められる伝達関数を用いて取付部材３０の取付状態を評価するから、判断部５２による判断の際に、自動車の走行などによって生じる振動の成分（ノイズ）の影響を低減させることが可能になる。つまり、判断部５２は、刺激情報と応答情報との関係である伝達関数を抽出するから、定常的に生じているノイズは、伝達関数の成分としては小さい値になり、ノイズの影響が軽減される。また、判断部５２が、基準情報と検査情報との距離を求める際にも、定常的に生じているノイズは除去される。
【００７４】
以上のことから、判定装置５０による判定結果において、自動車の走行などによって生じるノイズ（環境振動）の影響が軽減され、取付部材３０の取付状態を正確に判断することが可能になる。しかも、取付状態が正常である場合の１次情報および２次情報から求めた基準情報を記憶部５１に記憶しており、判断部５２は、検査情報を基準情報と比較する。したがって、正常な取付状態を参照して取付部材３０の取付状態を判断することになり、取付状態について妥当性のある判断が可能になる。
【００７５】
ところで、加振器１１０、第１の監視部１１１、第２の監視部１１２は、具体的な構成にもよるが周囲温度の影響により特性が変化する可能性がある。そのため、センシング部１１の周囲温度に応じて応答情報を補正することが望ましい。この場合、周囲温度を計測するために、図１に破線で示すように、温度センサ１５を設けることが望ましい。図示例において、温度センサ１５はセンシング部１１に設けているが、センシング部１１とは独立して温度センサ１５を設けることも可能である。温度センサ１５は、サーミスタ、熱電対などから選択される。
【００７６】
温度センサ１５が計測した周囲温度である温度情報は、通信部１２を通して送信され、判定装置５０の生成部５３において、基準情報および検査情報を求める際に、温度情報を用いた補正が行われる。したがって、基準情報および検査情報に関して周囲温度の影響が軽減され、取付部材３０の取付状態をより精度よく判断することが可能になる。
【００７７】
上述した構成によれば、取付部材３０に対して衝撃を与えるから１Ｈｚ〜１００ｋＨｚ程度の広帯域の周波数成分を含む振動を取付部材３０に与えることが可能になる。そのため、取付部材３０に関して、様々な周波数成分に関する評価が可能になり、取付部材３０について取付状態を精度よく判断することが可能になる。
【００７８】
加えて、取付部材３０の異常だけではなく、取付部材３０により吊り構造で固定されている構造物２２などについても異常の有無を総合的に判断できる可能性もある。なお、取付部材３０にセンサ装置１０を取り付けているが、構造物２２などにもセンサ装置１０を取り付けることによって、取付部材３０と同様に異常の有無を判断できる可能性もある。したがって、センサ装置１０を汎用的に用いることが可能である。
【００７９】
上述した構成例では、センサ装置１０に給電する電源部１４をセンサ装置１０が備えており、また通信部１２は無線通信を行うから、センサ装置１０に電線を接続する必要がなく、既存のトンネル２０であってもセンサ装置１０を簡単に設置することができる。しかも、センサ装置１０は、センシング部１１と通信部１２と制御部１３と電源部１４とを備えるだけの簡単な構成であって、電源部１４に電池を用いれば小型に構成することができるから、小型化が容易である。
【００８０】
なお、上述した構成例において、センサ装置１０は、刺激情報と応答情報との２種類の情報を送信しているが、刺激情報はほぼ一定とみなす場合には、応答情報のみを通信部１２から送信してもよい。この場合、判定装置５０は、刺激情報は既知とみなし、応答情報のみを用いて取付部材３０の取付状態を判断する。なお、この場合も温度情報を用いて基準情報および検査情報を補正してもよい。
【００８１】
上述した実施形態は本発明の一例であって、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１０  センサ装置
１１  センシング部
１２  通信部
１３  制御部
１４  電源部
１５  温度センサ
２０  トンネル
２１  天井部
２２  構造物
３０  取付部材
４０  受信装置
５０  判定装置
６１  ハウジングベース
６２  ハウジング
１１０  加振器
１１１  第１の監視部
１１２  第２の監視部
１１３  出力部
６１１  音響絶縁部
１１０１  振動源
【図１】
2015111091.tif 000003
【図２】
2015111091.tif 000004
【図３】
2015111091.tif 000005
【図４】
2015111091.tif 000006
【図５】
2015111091.tif 000007
【図６】
2015111091.tif 000008
【図７】
2015111091.tif 000009
【図８】
2015111091.tif 000010
【図９】
2015111091.tif 000011