(57)【要約】【課題】振動や動ひずみが計測可能なワイヤレスひずみセンサにおいて、低ノイズで高精度な測定を実現しながら、同時に消費電力を低減し、バッテリ取り替え寿命の低減や、微小容量の電源での駆動を実現する。【解決手段】ワイヤレスひずみセンサモジュールで動ひずみを測定する際に、ひずみセンサからの出力を、フィルタでフィルタリングし、整流・平滑化回路で整流・平滑化してから、ＣＰＵでデータ処理をして、無線通信を行うことにより、データ処理ＣＰＵのサンプリング周期を長くでき、また、無線通信するデータ量が小さくなるので、ＣＰＵ，無線通信の消費電力を低減することができる。【選択図】図１
2007241583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に設置して力学量を測定し、測定結果を送信する力学量測定装置において、
力学量を検出して信号を出力する力学量検出手段と、
前記信号から第一の特定周波数の信号を取り出す第一のフィルタリング手段と、
前記取り出された信号を整流・平滑化する第一の整流・平滑化手段と、
前記整流・平滑化された信号をデータ処理するデータ処理手段と、
前記データ処理された信号を送信する送信手段とを備えた力学量測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記送信手段は、無線送信を行うことを特徴とする力学量測定装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記力学量検出手段が出力した信号から、前記第一のフィルタ手段が取り出した信号と異なる第二の特定周波数の信号を取り出す第二のフィルタリング手段と、
該取り出された信号を整流・平滑化する第二の整流・平滑化手段と、
前記第一の整流・平滑化手段により整流・平滑化された信号及び前記第二の整流・平滑化手段により整流・平滑化された信号をデータ処理するデータ処理手段とを備えた力学量測定装置。
【請求項４】
請求項１において、
電力を蓄えまたは電力を発生させ、前記送信手段に電力を供給する電力供給手段をその内部に備えたことを特徴とする力学量測定装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記力学量検出手段，フィルタリング手段，整流・平滑化手段，データ処理手段を単一の半導体基板上に備えたことを特徴とする力学量測定装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記フィルタリング手段が取り出す特定周波数は、可変であることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記データ処理手段を間欠的に動作させることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項８】
請求項１において、
前記力学量検出手段は、半導体基板上に形成されており、
前記半導体基板よりもバネ剛性の小さな物体を介して、前記被測定物に接続されることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記データ処理手段は、
前記整流・平滑化された信号と、
前記力学量検出手段から出力され、整流・平滑化手段により整流・平滑化されない信号とをデータ処理することを特徴とする力学量測定装置。
【請求項１０】
請求項１において、
前記力学量検出手段が出力した信号から、前記第一のフィルタ手段が取り出した信号と異なる第三の特定周波数の信号を取り出す第三のフィルタリング手段と、
前記第三のフィルタリング手段が取り出した信号をデータ処理するデータ処理手段とを備えたことを特徴とする力学量測定装置。
【請求項１１】
請求項１において、
前記データ処理手段は、力学量の大きさで分類して、力学量の大きさごとの頻度をカウントすることを特徴とする力学量測定。
【請求項１２】
被測定物に設置して力学量を測定し、測定結果を送信する力学量測定方法において、
力学量をセンシングして信号を出力し、
前記信号から特定周波数を取り出し、
前記取り出された信号を整流・平滑化し、
前記整流・平滑化された信号をデータ処理し、
前記データ処理された信号を送信する力学量測定方法。
【請求項１３】
請求項１１において、
前記送信は、無線送信であることを特徴とする力学量測定方法。
【請求項１４】
被測定物に設置してひずみを測定し、測定結果を送信する力学量測定方法において、
第一の測定モードと、
前記第一の測定モードよりも測定頻度が多い第二の測定モードを有し、
前記第一の測定モードで測定したひずみ測定値の変化量が所定の値よりも大きいときに、前記第二の測定モードで測定を行うことを特徴とする力学量測定方法。
【請求項１５】
大型構造物または建築物のひずみを測定し、測定結果を送信する力学量測定方法において、
測定の時間間隔が０.１ 秒以上である第一の測定モードと、
前記第一の測定モードよりも測定頻度の多い第二の測定モードを有し、
前記第一の測定モードで測定した測定値の大きさに応じて、前記第二の測定モードで測定へ切り替えることを特徴とする力学量測定方法。
【請求項１６】
請求項１５において、
前記第一の測定モードで測定したひずみ測定値の変化量が所定の値よりも大きいときに、前記第二の測定モードで測定を行うことを特徴とする力学量測定装置。
【請求項１７】
被測定物に設置してひずみを測定し、測定結果を送信する力学量測定方法において、
ひずみを測定し、
測定されたひずみの大きさごとの頻度をカウントし、
前記測定されたひずみのうち、大きさ最大のひずみ及びそれ以下の大きさひずみの頻度を送信し、前記最大のひずみより大きいひずみの頻度を送信しないことを特徴とする力学量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサで得た情報を伝送して、力学量の計測を行うシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、構造物の寿命評価や異常診断のために動ひずみの計測が行われてきた。橋桁等の構造物では、測定者の容易に近付けない場所での計測も必要となることから、ひずみセンサと送信機から構成されるセンサモジュールを被測定物に取り付け、測定者の近くに受信機と解析装置を置いて、ワイヤレスで測定されることも多い。また、モータやエンジンで駆動して移動する装置などに取り付けて、離れたところから異常監視を行うことも行われている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１１４４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの場合には被測定物近傍に適当な電源線が無く、ひずみセンサと送信機はバッテリで駆動することが多い。動ひずみを測定する場合にはセンサモジュール内のＣＰＵ等の制御部や通信部を絶えず動作させる必要があり、バッテリの消耗が激しいという問題があった。例えば、ゆっくりしたひずみの変化を計測するためには、計測の制御装置や通信部等を間欠動作させることによって、バッテリの消耗を防止することができる。しかしながら、比較的速い周期的なひずみの変化や不定期に起こる現象を計測する場合には、ひずみのピーク値を取り逃がさないように、計測の制御装置や通信部等を常に動作させる必要があるためにバッテリの消耗が激しくなる。よってバッテリの取り替えを頻繁に行わなければならない等の問題がある。また同様に、従来はセンサモジュールの消費電力が大きいため、太陽電池等の微小容量電源での駆動が不可能であった。
【０００５】
よって動ひずみをワイヤレスで測定する場合でも、低消費電力で動作し、バッテリの取り替えの頻度が低いシステムが望まれている。
【０００６】
よって本発明は、前記課題の何れかを抑制することができる動ひずみ計測システムを提供する。特に振動等、周期的で比較的速いひずみ振幅を取得するのに、低消費電力でバッテリの取り替え頻度が低く、太陽電池等の微小容量電源での駆動も可能である動ひずみ計測システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、センサモジュール内にひずみセンサからの出力をフィルタリングするバンドパスもしくはハイパスフィルタを設け、さらに該フィルタからの出力を整流し、平滑化する回路を設け、この平滑化された値を送信機で送信する。これによって、ひずみセンサで得た周期的な動ひずみのうち、特定の周波数帯域、もしくは特定の周波数以上の帯域のみを取り出し、これを整流，平滑化することで、その周波数帯域の振幅の大きさのみを取り出すことができる。ある周波数帯域における周期的な動ひずみを計測する場合には、該動ひずみの振幅に比例した一定の直流電圧が得られるため、センサモジュールが間欠的にセンシングや通信を行った場合でも、精度の高い計測が可能となる。よって間欠通信が可能となるために、バッテリの取り替え頻度を極端に短くすることや、太陽電池等の微小容量電源での駆動が可能となった。なお、以下では力学量センサの代表例であるひずみセンサについて主に説明する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、送受信部が送信する計測データを少なくすることができ、電力消費量が特に大きい送受信部の消費量を低減することができる。また、測定に用いるＣＰＵ等の消費電力を低減させることができる。これによって、バッテリ消費量を低減し、バッテリ充電や交換回数の低減をする、または、バッテリを小型化してセンサチップを有する力学量測定装置を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１に本発明における動ひずみ計測システムを示す。本実施例では、ほぼ周期的なひずみ変動を持つ構造物や機器に、該計測システムを取り付ける。該システムは、図１に示すように、センサモジュール１３に備えられたバッテリ１，ひずみセンサ２，アンプ３，フィルタ４，整流・平滑化部５，Ａ／Ｄ変換部６，データ処理部７，送受信部８，受信機
１４に備えられた送受信部９，異常診断部１０から構成されている。本システムは、その計測仕様等によって、若干はその構成が変更されることがあるが、その場合でも、ひずみセンサ２，フィルタ４，整流・平滑化部５，データ処理部７，送受信部８は必要である。ひずみセンサ２は、従来からひずみゲージとして知られる、フィルム上に薄膜の細線が形成されたものや、圧電素子を用いたものでもよいが、シリコンチップ上にひずみセンサが形成されたものであれば、耐ノイズ性，感度，消費電力低減の観点から最も良い。また、フィルタ４はバンドパスフィルタが望ましいが、用途によっては低周波成分のみをカットするハイパスフィルタでも良い。また、フィルタ４を構成する素子のうち、その幾つかはシリコンチップ外に外付け部品として取り付けられても良い。
【００１１】
被測定物のひずみは、比測定物の表面や内部に設けられた該ひずみセンサ２によって電気的信号としてセンシングされる。該センシングデータはアンプ３で増幅された後、フィルタ４によって特定周波数領域の信号だけ取り出される。さらに整流・平滑化部５によって、該動ひずみの振幅に比例した一定の直流電圧を得る。この値をＡ／Ｄ変換部６によってデジタル化し、このデジタル値をデータ処理部７と送受信部８で間欠的に送信する。なお、Ａ／Ｄ変換部６とデータ処理部７は、市販の１チップＣＰＵを用いても良く、その場合には消費電力をより小さく出来るという利点が生じる。
【００１２】
ここで、本発明との比較を行うために、図２を用いて従来のシステムの詳細を説明する。従来は、ひずみセンサ２からの出力はアンプ３を通してＡ／Ｄ変換部６に入力され、
ＣＰＵ等のデータ処理部７と受送信部８の連携によりほぼ連続的に動作していた。すなわち、比較的高周波の動ひずみを計測する場合には、ほぼ常時、ＣＰＵ等のデータ処理部７を動作させて、細かい波形全体の計測を行わないと高精度な測定は不可能となる。例えば、図３に示すように周期的な高周波ひずみ振幅を計測しようとする場合において、間欠的なセンシングを行うと、ピーク位置がセンシング出来ない場合があるため、正確にひずみ振幅を求めることが出来ない。そこでひずみの変化を正確にトレースするようにセンシングする必要があり、そのためにはひずみセンサ２とＣＰＵ等のＡ／Ｄ変換部６やデータ処理部７をほぼ常時動かして、ひずみ波形を詳細に取得することが必須となる。このようにＣＰＵ等のＡ／Ｄ変換部６やデータ処理部７やひずみセンサ２を常時動かすためにバッテリの消耗が早く、バッテリの早期交換を余儀なくされてきた。さらに常時センシングしたデータはセンサモジュール１３内で蓄積、もしくは処理しようとしても限界があるために、外部に頻繁に送信し、受信機１４内でＦＦＴ（Fast Fourier Transform）解析部１１によって周波数分析を行う必要がある。このように、通信を頻繁に行うことによってさらにバッテリの消耗が早くなり、バッテリの早期交換を余儀なくされてきた。
【００１３】
よって従来のシステムでは、高精度な計測と低消費電力なセンシングを両立させることが難しかった。
【００１４】
これに対して本実施例では、フィルタ４と整流・平滑化部５によって、ひずみ振幅に比例した直流信号に変換できるので、ある短時間だけＣＰＵ等のＡ／Ｄ変換部６やデータ処理部７を動かすだけで、ひずみ振幅の値を直流値として得ることが出来る。よって、ひずみ振幅の測定精度はＣＰＵ等のＡ／Ｄ変換部６のサンプリング周期の影響を受け難く、間欠的にセンシングを行った場合においても高精度にひずみ振幅の情報を得ることが可能となる。すなわち従来のようにひずみ値の時々刻々の変化をすべてセンシングして、その膨大なデータを送信するのではなく、本実施例ではひずみ振幅の値のみをＣＰＵ等のＡ／Ｄ変換部６やデータ処理部７で間欠的に扱ってＲＡＭ等の記憶手段（図示せず）に記録し、記憶手段に蓄えたデータを送受信部８で間欠的に通信できるので、データ処理や通信に必要なエネルギも少なくて済むという利点がある。すなわち、従来と比較して、ＣＰＵや通信部で取り扱う情報量が非常に小さくなるので、結果的にセンサモジュールの消費電力を非常に小さく出来、バッテリの長寿命化を可能とすることができる。さらに、ひずみセンサ２の直後でフィルタリング処理や整流・平滑化処理をしているために、ノイズに強いという利点も生じる。さらに本実施例では、ＦＦＴ解析を受信側で行う必要が無いので、受信機１４もコンパクトに出来るという利点が生じる。
【００１５】
なお本実施例では、送受信はワイヤレスで行っているが、有線で送受信をおこなっても、ノイズに強いという利点がある。また、バッテリのような電力供給手段としては、電池，充電電池，キャパシタ，コンデンサ等内部に電力を蓄えるものがあり、太陽光や振動で発電する発電手段を設けてもよい。いずれでも、消費電力低減による電力供給手段の長寿命化やコンパクト化の効果がある。
【００１６】
図４には、本システムの実装形態を示す。被測定物２０表面近傍にひずみセンサ２が接着，接合、もしくは埋め込みの何れかの方法で設けられており、その近傍にアンプ３，フィルタ４，整流・平滑化部５，Ａ／Ｄ変換部６，データ処理部７，送受信部８，バッテリ１を有し、これらを容器２１が覆っている。被測定物２０に発生するひずみが大きい場合にはこのような実装方法が望ましい。本実施例によれば、センサモジュール１３の消費電流が小さくできるため、バッテリ１も小型で済み、全体的に場所を取らないで設置できるという利点が生じる。ひずみの変化の最も大きい場所は角部等の応力集中箇所であることが多く、システムが小型に出来るため、角部等の狭い場所にも設置することができるという利点が生じる。
【実施例２】
【００１７】
さらに図５には微小振動を計測するのに適したシステムの実装形態を示す。本実施例では、被測定物２０の振動を計測するために、被測定物２０に接触して、取り付け部２４が接着，接合，埋め込み、の何れかの手法で設けられており、バネ様物質２３にその振動が伝達される。バネ様物質は、例えばつる巻き状のバネ，板バネや弾性物質等であり、被測定物２０や半導体チップ１５よりもバネ剛性の低い物体である。バネ様物質２３では、バネ様物質２３より密度の大きい重量物質２２に接続されていることから、重量物質２２の慣性力が働くために、振動が大きなひずみに変換される。バネ様物質２３表面近傍にはひずみセンサ２が接着，接合、もしくは埋め込みの何れかの方法で設けられており、バネ様物質２３のひずみの変化を捉えることで振動を検知する。本実施例によれば、微小振動を大きな振動に変換してからひずみセンサ２で検出し、センサモジュール１３の消費電流が小さくできるため、バッテリ１も小型で済み、全体的に場所を取らないで設置できるという利点が生じる。
【００１８】
被測定物２０として、モータやエンジンを具備した装置を考えると、そのモータやエンジンに固有の振動周波数をセンシングできるようにフィルタ４の遮断周波数や中心周波数を決定しておくことにより、モータやエンジンの異常検知が可能になるという利点がある。すなわち、モータやエンジンの異常時には、発生する振動周波数が変化することから、本システムにおいて計測するひずみ振幅の値が変化するため、本システムのセンシングデータを受信することで、異常を検知することが可能となる。従来では加速度計やひずみセンサからの信号をワイヤレス電送した後に、ＦＦＴ解析等により分析するという複雑な処理が必要であったが、本システムを用いれば簡単な処理で済むため低消費電力で小型なシステムを実現できるという利点が生じる。
【００１９】
なお、図４と図５においては、各回路要素２〜８を積み上げるようにして実装する場合を示したが、１つのボードに実装しても良いし、各要素が接続されていれば良い。
【実施例３】
【００２０】
＜複数フィルタ＞
図６には、フィルタ４ａ，４ｂを複数設けた実施例を示す。本実施例では、フィルタの遮断周波数や中心周波数を変えたフィルタ４ａ，４ｂを複数設けてあり、フィルタ４ａの出力を整流・平滑化手段５ａが整流・平滑化し、フィルタ４ｂの出力を整流・平滑化手段５ｂが整流・平滑化する。本実施例によれば、各種の周波数ひずみ変動が混在したセンシングデータから、特定の周波数帯域のひずみ変動を取り出して、そのひずみ振幅を直流信号で得られ、かつその周波数を変えた場合のひずみ振幅の値を送信することができる。すなわち、実施例１のＣＰＵや通信部で取り扱う情報量が非常に小さくなるので、結果的にセンサモジュールの消費電力を非常に小さく出来、バッテリの長寿命化を可能とすることができるという利点を備え、かつ複数の周波数域のひずみ振幅を測定して、より複雑で高精度な測定を行うことができるという利点を本実施例では有する。
【実施例４】
【００２１】
なお、図７に示すように、フィルタ４の遮断周波数や中心周波数をスイッチで切り替えられるようにして、単一のフィルタ４で複数の周波数域の振動を取り出すようにしても良い。具体的にはフィルタ４を構成する抵抗（図示せず）の値やコンデンサ（図示せず）の容量をスイッチ１２で切り替えても良い。この場合にはフィルタ４が１つで済むので、消費電力が低減できるという利点，装置を小型化できるという利点、予め固有振動数等の測定したい周波数がいくつか決まっている場合に、柔軟にその周波数だけ選択して測定することが出来、他の周波数領域まで測定しなくても良い分、エネルギ消費量を減少させることが出来るという利点等が生じる。また、一つのフィルタ４で、多くの周波数帯域を測定することができるので、木目細やかな測定を行うことができる。
【００２２】
フィルタ４が測定を行う周波数は、あらかじめセンサモジュール１３内のＲＯＭやRAM等に記憶された周波数帯域に従って順番に切り替えても良い。この場合、ある周波数帯域を所定の時間，ひずみ測定を行った後、周波数域を変更し、別の周波数域のひずみ測定を行う。また、受信機１４を操作し、受信機１４からセンサモジュール１３に指令を送信してフィルタ４の周波数域を変更しても良い。
【実施例５】
【００２３】
図８には、半導体チップ１５上にひずみセンサ２，アンプ３，フィルタ４，整流・平滑化部５を形成した実施例を示す。ひずみの変化をひずみセンサ２で計測し、アンプ３で増幅し、その値をフィルタ４においてフィルタリングし、これを整流・平滑化部５で直流化した後にパッド１６に出力する。フィルタ４はバンドパスフィルタでも良いし、ハイパスフィルタでも良い。また、フィルタ４の後段にアンプ（図示せず）を設けても良いし、整流・平滑下部５の後段にアンプを設けても良い。システムの用途と入力されるひずみ信号レベルに応じて、アンプは必要な箇所に設けられるのが望ましい。
【００２４】
フィルタ４がバンドパスフィルタである場合には、その周波数帯域の信号のみを取り出すことが出来ることから、固有振動数等の測定したい振動数が明確である場合に非常に有効である。測定したい振動数のひずみ振幅の増減で、異常検知が可能である。また、ハイパスフィルタである場合には、明確な振動数は決まっていないが、異常時に高周波振動が増えることが明らかになっているモータやエンジン等の場合に適し、高周波振動の増減で機器の状態を把握するのに好適である。
【００２５】
本実施例におけるひずみセンサ２としては、半導体基板表面に局所的に不純物拡散層を設けたものを用いる。これによって半導体基板上にトランジスタやダイオード等の素子と該ひずみセンサを混載でき、ほぼ同じ製造プロセスで作成できることから、高感度，低消費電力とノイズ耐性を両立させることができる。すなわち、微小な高周波ひずみを検知したい場合に、高感度なひずみセンサ２で微小なひずみの変化を検知し、同じ半導体基板上でアンプ３を用いてノイズが最小になるように信号を増幅し、同じ半導体基板上のフィルタ４で目的となる周波数帯域の信号だけ選別できる。ひずみセンサ２とアンプ３が別チップになっている場合には、ここでノイズが入りやすく、フィルタ４でフィルタリングしてもノイズを拾うことになりかねない。また、アンプ３とフィルタ４が別チップになっている場合、およびフィルタ４と整流・平滑化部５が別チップになっている場合のいずれかでも、実際上前段のアンプ３の倍率を高く出来ないことから、ノイズが混入しやすく高精度な計測が実現出来ない。すなわち、ひずみセンサ２、アンプ３，フィルタ４，整流・平滑化部５までの回路を１つの半導体基板上に構成して半導体チップ１５とすることではじめて、微小なひずみ変化を計測する場合においても十分なノイズ耐性を有し、高精度な動ひずみ計測が可能なシステムとすることが出来る。
【００２６】
本チップを用いることにより、基板ボード上に各種の電子パーツを混載してはんだ付けした場合に比べて、各種の利点が生じる。本実施例では、半導体基板から構成される半導体チップ１５上に各種の電子回路と微小なひずみセンサを形成しているので、外部ノイズの混入が少なく、耐ノイズ性に優れるという利点がある。よって、微小なひずみ信号でも高精度に測定が可能であり、高精度な動ひずみ計測や異常診断が可能となる。また、回路を形成する各素子が低消費電力で動作するので、全体としてセンサモジュール１３の消費電力を低減することが出来、さらにバッテリの消耗を抑えることが出来るという利点がある。さらに、１チップ化することで小型化が図れることから、応力集中場等の微小部のひずみ計測にも適用できるようになるという利点も生じる。
【００２７】
なお、比較的低周波領域を遮断周波数とするフィルタを用いる場合には、半導体チップ１５に外付けするコンデンサや抵抗が必要になる場合もあるが、その場でも上記と同様な利点がある。
【００２８】
図９には、半導体チップ１５上に複数チャンネルのフィルタ４を設けた例を示したものである。この場合にはフィルタ４の遮断周波数や中心周波数をそれぞれ異なるものに設定し、フィルタリングした各出力は異なるパッド１６から出力される。本発明の実施例１のフィルタを複数設けた場合と同様な利点がある。さらに本実施例では、１チップに全ての回路を形成しているので、複数チャンネル設けても消費電力の増加が抑えられるという利点がある。さらに複数チャンネル設けても、装置が大型化することがないという利点がある。また、チャンネル数を多数設けることで、半導体チップ１５上でＦＦＴ解析と同様な機能を持たせることが可能となる。すなわち、周波数ごとの振動強度やひずみ強度を半導体チップ１５上の複数のパッド１６からそれぞれ出力することが可能となる。この出力を別に設けたＡ／Ｄ変換部６，データ処理部７，送受信部８に接続することで、チャネル毎の振動強度やひずみ強度を送信することが出来る。これにより実際のひずみ波形をそのまま高速に送信する場合と比較してデータの情報量を少なくすることが出来、通信に要するエネルギを小さくすることが可能である。また、受信側でＦＦＴ処理を行わなくても良いために、受信側の装置が、例えば低速ＣＰＵを用いた携帯端末等の限られたデータ処理機能を持つものでもよいという利点も生じる。
【００２９】
図１０には、フィルタ４は１種類であるが、スイッチを用いてその遮断周波数もしくは中心周波数を変更できる機能を持った半導体チップ１５を示す。具体的にはフィルタ４に付随するコンデンサ容量や抵抗をスイッチで切り替える、もしくは可変にすることで、任意の周波数を選択し、そのひずみ強度や振動強度を計測するものである。本方法は、図８に示した実施例に比べて回路が簡単になる、より低消費電力で動作させることができるというメリットがある。
【００３０】
図１１は半導体チップ１５上にひずみセンサ２，アンプ３，フィルタ４，整流・平滑化部５，ＣＰＵ１７を形成した実施例を示す。図８に示した実施例の利点に加え、さらに低消費電力化が図れるというメリットがある。すなわち、図８に示した実施例では、整流・平滑化部５からＡ／Ｄ変換部６の間にアンプが必要な場合が多かったが、図１１に示すシステムでは半導体チップ１５上に全て混載できることから、アンプの数を減らすことが出来、その分だけ消費電力を低減することが出来る。
【００３１】
図１２には本システムの実装形態を示す。被測定物２０表面近傍に半導体チップ１５が接着，接合、もしくは埋め込みの何れかの方法で設けられており、その近傍に半導体チップ１５，Ａ／Ｄ変換部６，データ処理部７，送受信部８，バッテリ１を有し、これらを容器２１が覆っている。図４で説明した事項と同様な利点があるが、さらに半導体チップ
１５を用いたことでコンパクト，低消費電力となるというメリットが生じる。さらに図
１３には微小振動を計測するのに適した実装形態を示す。これも図５で説明したのと同様なメリットがあるが、さらに半導体チップ１５を用いたことでコンパクト，低消費電力となるというメリットが生じる。
【００３２】
なお、図１２と図１３においては、各回路要素を積み上げるようにして実装する場合を示したが、半導体チップ１５以外は１つのボードに実装しても良いし、各要素が接続されていれば良い。半導体チップ１５はひずみを測定する箇所であるので、他の部材から拘束されることのないように配置するのが望ましい。
【実施例６】
【００３３】
以下では、０.１Ｈｚ から１０Ｈｚ程度の中程度の変化速度を持つ動ひずみを計測し、その計測値から寿命評価を行うという用途についての実施例を示す。図１４にシステム構成を示す。図４または図５に示すものと同様に、被測定物２０表面近傍にひずみセンサ２が接着，接合、もしくは埋め込みの何れかの方法で設けられており、その近傍にアンプ３，Ａ／Ｄ変換部６，ひずみ頻度解析部１８，送受信部８，バッテリ１を有し、容器２１がこれらを覆っている。通常、被測定物２０のひずみをひずみセンサ２で計測し、アンプ３でこれを増幅し、さらにＡ／Ｄ変換部６でデジタルデータに変換する。そして一定時間内に観察されたひずみ振幅を、その大きさに応じて分類し、頻度分布としてひずみ頻度解析部１８にてカウントする。この、ひずみレベルと頻度分布の組み合わせを、送受信部８から送信する。Ａ／Ｄ変換部６，ひずみ頻度解析部１８はＣＰＵとして１つのデバイスであることが望ましい。
【００３４】
このような寿命評価を行うためのシステム自体は、例えば特開２００２−３５７４８７号公報に記載されているように、バッテリ消費量の低減が課題となっている。すなわち、このような中速の動ひずみを計測して、頻度分布を得るには、Ａ／Ｄ変換部やＣＰＵを常時動かしておく必要があり、そのためにバッテリ１の消耗が激しいという問題があった。
【００３５】
さらに該システムは中程度の変化速度を持つひずみを専用で計測するシステムであったが、該システムで計測できない高速の動ひずみ変化によって構造物の異常が見つかる実例も出てきている。すなわち、高周波の範囲のひずみ変化と中程度のひずみ変化を持つ場合の両者を計測する必要が出てきた。
【００３６】
図１５には、この課題を解決した本発明の実施例を示す。ひずみセンサ２からの出力はアンプ３で増幅され、一方はフィルタ４を通り、整流・平滑化部５に接続される。他のアンプ３からの出力は、ローパスフィルタ２６を通り、そのままＡ／Ｄ変換部６に接続される。また、用途によってはローパスフィルタ２６が不要である場合もある。フィルタ４はバンドパスフィルタかハイパスフィルタが望ましい。本実施例によれば、高周波の範囲のひずみ変化は、フィルタ４により取り出し、整流・平滑化部５によって直流化してからＡ／Ｄ変換してデータ処理部７で間欠的に計測することができる一方で、低速度から中速度域のひずみ変化に対するひずみ計測は、比較的測定頻度が少なくて済むので、測定波形を整流・平滑化部５で直流化せずに直接Ａ／Ｄ変換してデータ処理部７でほぼ連続的にデータ処理を行うことが出来る。すなわち、従来の方法では、高周波の範囲のひずみ変化と低から中速程度のひずみ変化を持つ場合の両者を計測する場合には、両者とも連続してCPUを動かしてセンシングを行う必要があるために、１つのＣＰＵで同時に測定することは困難であった。すなわち、１つのＣＰＵは中速程度のひずみ変化を計測して、ひずみ振幅のレベルに分類しながらカウントすることを連続して行い、また他のＣＰＵは、高速の動ひずみを、その波形を忠実に計測するために連続して計測動作する必要があった。しかしながら本実施例では、間欠的に高速の動ひずみを計測することが可能なため、独立した２つのＣＰＵが無くても計測できることから、その分だけバッテリの消耗が少なく、小型のシステムを実現できるという利点がある。また、１つのセンサを被測定物に設置するだけでよいので作業性や信頼性が格段に向上するという利点がある。なお、図１５ではひずみセンサ２は１つであるが、高速用と低・中速用の２つのセンサを設けても良い。
【実施例７】
【００３７】
構造物の寿命評価を行う目的で、低中速の動ひずみを計測して頻度分布をカウントするワイヤレス通信モジュールにおいては、Ａ／Ｄ変換部やＣＰＵを常時動かしておく必要があり、そのためにバッテリ１の消耗が激しいという問題があった。
【００３８】
通常、このようなシステムの消費電力低減のためには、モジュールの間欠動作を行うことが一般的に行われる。これはＣＰＵに内蔵されたタイマやカウンタを利用して一定時間ごとにＣＰＵのメイン回路やセンサ回路，アンプ回路等に電源を入れて計測を行い、計測終了後にはカウンタやタイマ等をセットして休止動作に入るものである。しかしながら、休止期間に大きなひずみ変動があると不正確な計測結果にならざるを得ないために、従来は構造物の寿命評価において間欠動作は採用されなかった。
【００３９】
以下では、動ひずみを計測して寿命評価を行うシステムにおいて、間欠動作を取り入れることでバッテリの消費量を減少させるとともに、精度の高い計測が可能となる本発明の実施例を示す。
【００４０】
我々は、鉄橋，橋脚等の大型構造物や建築物の動ひずみ計測を行った結果、全体の計測時間のうち、数百με以下のひずみの低い時間の割合が大部分であることを見つけた。また、大きなひずみが負荷される場合には、その前兆として秒オーダで事前にひずみ上昇の予兆が見られることがわかった。すなわち、橋脚等の大型構造物では車や鉄道車両が近づくために事前にひずみの上昇が見られることや、橋脚自体の固有振動数が小さいことから、大きなひずみ変化の予兆が秒オーダで事前に現れることがわかった。ここで、大型構造物とは、例えば、橋（鉄橋，コンクリート橋，橋脚等含む），大型建造物（ゲート，ビル，ダム，トンネル，堤防等含む）等のことである。
【００４１】
本発明ではこの知見を利用し、ひずみが十分小さくて、それが維持される場合には、間欠動作を行って監視し、ひずみが上昇し始めたことを検知した時点で連続動作に移行することで、低消費電力と高精度計測とを両立させることに成功した。以下に詳細を示す。
【００４２】
図１６には本実施例におけるセンサモジュール１３の動作フローを示す。まず、寿命を推定するために計測する期間（計測時間）をセンサモジュール１３に入力し、さらに間欠動作モードでのセンシング休止時間と、ＣＰＵを連続動作モードとするためのひずみセンサ計測値の変化量をセンサモジュールに入力する。計測が開始されるとセンサモジュールは間欠的にセンシングを行い、センシング値の変化量が予め設定された変化値を超えた場合には連続動作モードに入ることを特徴とする。その後、連続的にセンシングを行ってひずみの波形を測定し、ピーク値やひずみ振幅の計測を行う。さらにこのひずみ振幅の値を幾つかのレベルに分けて、そのレベルでの回数をカウントする。そのカウント方法は、一般的にレインフロー法や応力レベルクロスカウント法と呼ばれるものと同様である。さらに、ある一定期間において計測値の変化量が予め設定された変化値を下回った場合には、間欠動作モードに移行する。この動作を計測時間終了するまで、繰り返して行う。そして計測時間終了後には、ひずみレベル毎にそのレベルのひずみ振幅が何回起こったか、すなわち頻度データをワイヤレスで送信する。
【００４３】
このとき、間欠動作モードでのセンシング休止時間と、ＣＰＵを連続動作モードとするためのひずみセンサ計測値の変化量の値をどのように設定するか、が正確な測定を行う上で重要となる。本発明においては、間欠動作モードのセンシング休止時間を０.１ 秒以上と長めに設定して、消費電力の低減を図っている。センシング休止時間を長くすることにより、ひずみが大きくなってから連続動作モードに移行するまでの時間が長くなるが、前述したように大型構造物や建築物では大きなひずみ変化が起きる前には前兆として秒オーダーでひずみの上昇が起きるため、０.１ 秒以上の時間間隔で前兆のひずみ上昇を検知してゆっくりと連続動作モードに移行しても、大きなひずみを逃さずに測定できるからである。連続動作モードに移行するための閾値は、この大きなひずみの前兆のひずみ上昇を検出するような値に設定することが望ましい。また、ピーク値が閾値付近のひずみは、連続動作モードに移行せずに検出できないこともあるが、ひずみ検出においては、構造物等の寿命に影響を与える大きなひずみを検出することが重要であり、比較的小さなひずみの検出を逃しても、ひずみ測定データの評価に与える影響は小さい。なお、ひずみ上昇が秒オーダーで起きることを考慮すると、センシング休止時間の上限は、１０秒にすることが望ましい。
【００４４】
また、本実施例では、連続動作モードとするためのトリガを、ひずみ計測値の変化量としたが、これをひずみセンサの絶対値とすると、半導体チップからなるひずみセンサでは大きな問題が発生する。周囲温度が変化するとひずみセンサがシリコン等の半導体チップであるために被測定物との間に大きな熱応力が発生し、見かけ上の無ひずみ点がシフトしてしまい、ひずみが生じていないのに大きなひずみ値がひずみ測定値にかかったままの状態になってしまうからである。よってひずみセンサの絶対値をしきい値とした場合には、トリガがかからない、もしくは連続モードで動作し続けるという誤動作が発生する。本実施例ではひずみの変化量を判断基準としていることから、無ひずみ点がシフトした場合でも、大きなひずみ振幅の計測を正しく行うことが出来る。
【００４５】
さらに本実施例では連続計測モードとするためのトリガを、ひずみ計測値の変化量としているため、間欠動作の最中に、最大値がしきい値をわずかに上回る様な、小さなひずみ振幅が生じ、これを検出出来なかったとしても、小さなひずみ振幅が短時間作用するだけなので寿命評価には大きな影響を与えないため、精度低下にはつながらないという利点がある。また、急激なひずみ変化には敏感に反応するため、大きなひずみは連続動作モードで精度良く検出することができる。すなわち、本実施例によれば、間欠動作によるバッテリの節約と測定精度の維持を両立させることが出来るという利点が生じる。
【００４６】
また、本実施例によれば、測定精度を落とすことなく間欠動作が可能となるので、バッテリの消耗を防止することが出来、長時間バッテリを取り替えずに計測できるという利点が生まれる。
【００４７】
なお、この実施例は、図１に示す実施例１のひずみセンサを用いても、図２に示す従来のひずみセンサを用いても実施が可能である。
【００４８】
また、本実施例では計測時間終了後の頻度データの送り方は、以下のように行う。
【００４９】
本発明におけるシステムでは、一定時間計測した後、計測期間内の測定データをワイヤレスで電送する機能を有する。しかしながら、電送はそれ自体、非常にバッテリを消費する行為であるため、この低消費電力化はバッテリ寿命に大きく影響を及ぼす。そこで本実施例においては、送信するデータをできるだけ小さくすることで送信時間を短縮し、送信に必要な電力量を少なくした。すなわち、図１７に示すように計測終了時には、頻度データがセンサモジュール内のメモリに蓄えられた状態にあるが、そのうち一番大きなひずみレベルを示すものを探し出し、それと同等およびそれ以下のひずみレベルのもののみを送信し、それ以上のひずみレベルのものは送信しないようにする。本実施例によれば、送信に必要なエネルギを節約できるため、バッテリの取り替え回数を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例である力学量測定システムの構成を示すブロック図である。
【図２】従来例の構成を説明したブロック図である。
【図３】従来技術の技術課題を説明した図である。
【図４】本発明の力学量測定システムの実装例を示す模式図である。
【図５】本発明の力学量測定システムの実装例を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施例である力学量測定システムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施例である力学量測定システムの構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の一実施例である半導体チップの回路構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の一実施例である半導体チップの回路構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の一実施例である半導体チップの回路構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の一実施例である半導体チップの回路構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の力学量測定システムの実装例を示す模式図である。
【図１３】本発明の力学量測定システムの実装例を示す模式図である。
【図１４】従来例の構成を説明したブロック図である。
【図１５】本発明の力学量測定システムの構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の力学量測定システムの動作を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…バッテリ、２…ひずみセンサ、３…アンプ、４…フィルタ、５…整流・平滑化部、６…Ａ／Ｄ変換部、７…データ処理部、８，９…送受信部、１０…異常診断部、１１…
ＦＦＴ解析部、１２…スイッチ、１３…センサモジュール、１４…受信機、１５…半導体チップ、１６…パッド、１７…ＣＰＵ、１８…ひずみ頻度解析部、１９…寿命評価部、
２０…被測定物、２１…容器、２２…重量物質、２３…バネ様物質、２４…取り付け部、２５…振動検知装置、２６…ローパスフィルタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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