(57)【要約】【課題】既存の振動センサを用いて、広帯域で微小振動を検知する。【解決手段】振動増幅器２００は、加速度を検知する検知器１００と検知対象物（配管５００）との間に、検知対象物の振動を検知器１００に伝搬可能に設置される。振動増幅器２００は、複数の共振周波数を有する。【選択図】      図１
2016217766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度を検知する検知器と検知対象物との間に、前記検知対象物の振動を前記検知器に伝搬可能に設置され、複数の共振周波数を有する、
振動増幅器。
【請求項２】
互いに異なる共振周波数を有する、複数の増幅手段を備える、
請求項１に記載の振動増幅器。
【請求項３】
前記複数の増幅手段は、前記検知器と前記検知対象物との間で層状に連結される、
請求項２に記載の振動増幅器。
【請求項４】
前記検知器を支持する片持ち梁を備える、
請求項１に記載の振動増幅器。
【請求項５】
互いに異なる共振周波数を有する、複数の片持ち梁を備え、
前記複数の片持ち梁は、一端が前記検知対象物、または、前記検知対象物に固定された他の物体に固定され、他端が他の片持ち梁を支持する第１の片持ち梁と、
一端が他の片持ち梁に支持され、他端が前記検知器を支持する第２の片持ち梁と、を含む、
請求項４に記載の振動増幅器。
【請求項６】
互いに異なる共振周波数を有する、複数の片持ち梁を備え、
前記複数の片持ち梁の各々は、一端が前記検知対象物、または、前記検知対象物に固定された他の物体に固定され、他端が前記検知器を支持する、
請求項４に記載の振動増幅器。
【請求項７】
前記片持ち梁は、一端が前記検知対象物、または、前記検知対象物に固定された他の物体に固定され、他端が前記検知器を支持し、複数の共振周波数を有する、
請求項４に記載の振動増幅器。
【請求項８】
前記検知対象物は配管であり、
前記配管の漏洩に起因する振動の周波数帯域における、複数の共振周波数を有する、
請求項１乃至７のいずれかに記載の振動増幅器。
【請求項９】
複数の固有振動モードの各々について、共振周波数を有する、
請求項１乃至８のいずれかに記載の振動増幅器。
【請求項１０】
加速度を検知する検知器と検知対象物との間に設置された、複数の共振周波数を有する振動増幅器が、前記検知対象物の振動を前記検知器に伝搬する、
振動増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動増幅器、及び、振動増幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル化が支えるＩＴ（Information Technology）やネットワーク技術の進展により、人や電子機器が扱うために蓄積される情報の量は増大の一途を辿っている。入力デバイスであるセンサから事象の精確なデータを取得し、それを正しく分析、判断、加工し、その結果を有用情報として人が認知することは、多量の情報に散漫になりつつある人間社会にとって、安心安全な社会を形成する上で重要な位置づけにある。現代生活では、上下水道網や、ガスや石油等の高圧化学パイプライン、高速鉄道、長大橋、超高層建築、大型旅客機、自動車等の設備が構築されている。これらの設備は、豊かな社会の基盤となっている。このような設備が、予期せぬ震災等の自然災害や寿命劣化によって破壊され、重大事故に至れば、社会への影響は多大であり、経済的損失は大きい。設備に用いられる部材は、使用時間に応じて腐食、摩耗、ガタツキ等により劣化し、やがて破壊等の機能不全に至る。このため、設備の安心、安全を確保するために、科学、工学、社会学等の学術的領域を超えた技術開発に多大な努力が行われている。
【０００３】
なかでも、上下水道網における漏水や、ガス管のガス漏れ、化学プラントにおける各種配管の漏洩の検知技術として、種々の方法が提案、実用化されている。このような漏洩検知技術の代表例として、低コストかつ操作が簡便な検査技術である、振動センサを用いた検査法（非破壊検査法）が広く知られている。非破壊検査法では、配管や、配管と接する箇所（例えば、配管が埋設されている箇所）に近い地表面、マンホール等に、振動センサを設置し、配管の漏洩によって生じる振動を検知する。より具体的には、地下消火栓に設置した振動センサにより、配管の漏洩に起因して伝搬する振動、すなわち、配管埋設時には観測されなかった振動の有無を判定することで、配管の漏洩を検知する。
【０００４】
しかしながら、配管に伝搬する振動は、伝搬距離が長くなるほど微小になる。特に、口径１０００ｍｍ以上の配管や減衰の大きいプラスチック管では、距離に対する振動の減衰が大きいため、より微小な振動の検知が必要である。加えて、配管の漏洩に起因する振動以外にも、マンホール周囲の交通に起因した外乱や、マンホール内部の雨水の流入や水滴音に起因した外乱が、振動の誤検知の要因となる。
【０００５】
このような微小振動を検知するための技術が、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の漏洩音検出装置は、検出部と台座部とをゴム材等の共振部材で連結することにより、漏水に起因する周波数帯域の振動を増幅する。
【０００６】
一般に、漏水に起因する振動の周波数は、配管によって異なる。このため、広い帯域で微小振動を検出することが要求される。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、単一の共振周波数により振動を増幅しているため、増幅される帯域幅が狭い。共振部材として硬質ゴム等のＱ値の低い材料を用いることにより、帯域幅を拡大可能であるが、振幅増幅とＱ値（損失）はトレードオフの関係にあるため、増幅率を保持したまま帯域幅を拡大することはできない。
【０００７】
振動を検出する帯域幅を拡大するための技術が、例えば、特許文献２に記載されている。特許文献２に記載の振動センサでは、圧電素子が複数の区画に分割され、各区画に電極、錘が設置される。複数の区画の各々が異なる共振周波数を有することにより、広帯域で感度を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０６−２８１５３０号公報
【特許文献２】特開２０２４０６２８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の特許文献２に記載の技術は、振動センサ内の電極や素子の変更が必要であり、既存の振動センサを用いることはできない。本発明の目的は、上述の課題を解決し、既存の振動センサを用いて、広帯域で微小振動を検知できる、振動増幅器、及び、振動増幅方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の振動増幅器は、加速度を検知する検知器と検知対象物との間に、前記検知対象物の振動を前記検知器に伝搬可能に設置され、複数の共振周波数を有する。
【００１１】
本発明の振動増幅方法は、加速度を検知する検知器と検知対象物との間に設置された、複数の共振周波数を有する振動増幅器が、前記検知対象物の振動を前記検知器に伝搬する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の効果は、既存の振動センサを用いて、広帯域で微小振動を検知できることである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の特徴的な構成を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態の基本的な構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における、振動増幅器２１０の周波数特性を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の振動増幅器２２０の断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の振動増幅器２２０の斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態の振動増幅器２３０の上面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態の振動増幅器２３０の斜視図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態の振動増幅器２４０の上面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態の振動増幅器２４０の斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態の具体例の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態の具体例における、検出された振動スペクトルの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（本発明の実施の形態の概要）
はじめに、本発明の実施の形態の概要について説明する。
【００１５】
図２は、本発明の実施の形態の基本的な構成を示す図である。
【００１６】
図２を参照すると、本発明の配管検査システム１は、振動検知装置１０、配管検査装置３００、及び、配管５００を含む。
【００１７】
振動検知装置１０は、検知対象物である配管５００または配管５００に固定された物体５０１に設置され、配管５００または配管５００内の流体５０２を伝搬する振動を検知する。ここで、物体５０１は、例えば、消火栓、空気弁、仕切弁等、配管５００の付属物である。流体５０２は、例えば、液体や、気体、固体である。配管５００は、例えば地中に埋設されていてもよく、構造物の屋根裏や地下に設置されていてもよい。また、配管５００は、構造物の壁や柱等に埋設されていてもよい。
【００１８】
振動検知装置１０は、検知器１００、及び、振動増幅器２００を含む。
【００１９】
検知器１００は、振動増幅器２００を介して、配管５００の振動を検知する。検知器１００は、例えば、固体の振動を計測するセンサである。この場合、センサとして、圧電型加速度センサ、動電型加速度センサ、静電容量型加速度センサ、光学式速度センサ、動ひずみセンサ等が用いられる。検知器１００は、振動を常時検知してもよいし、間欠的に検知してもよい。
【００２０】
振動増幅器２００は、検知器１００と配管５００の間に設置される。振動増幅器２００は、漏洩口５０３から発生する特定の周波数帯域の振動を増幅するような、機械的な共振周波数を有する。振動増幅器２００は、漏洩口５０３から発生する振動を増幅し、検知器１００に伝搬（伝達）する。
【００２１】
振動増幅器２００と検知器１００とは、例えば、機械的に（溶接や、ネジによる締結等により）接合される。なお、配管５００の振動を抑制しないで伝搬できれば、振動増幅器２００と検知器１００とは、接着剤による化学的な接合等、他の方法で接合されてもよい。
【００２２】
また、振動増幅器２００は、例えば磁石や、専用治具、接着剤等により、配管５００、または、物体５０１に接続される。配管５００の振動を伝搬できれば、振動増幅器２００は、配管５００や物体５０１に、他の方法で接続されてもよい。
【００２３】
配管５００に漏洩孔５０３が形成されている場合、漏洩口５０３から発生する特定の振動周波数成分の振動の振幅が、漏洩孔５０３が形成されていない暗振動時（正常時）に比べて大きいことが一般的に知られている。
【００２４】
しかしながら、漏洩孔５０３と振動検知装置１０との距離が長い場合や、漏洩量が微少な場合、あるいは、配管５００にプラスチック管が使われている場合等、振動の減衰が大きい場合は、振動検知装置１０に到達する振動が微小となる。この場合、検知器１００は、漏洩口５０３から発生する振動を検知できない可能性がある。
【００２５】
そこで、本発明の実施の形態では、振動増幅器２００が、漏洩口５０３から発生する特定の周波数帯域の振動を広帯域に増幅するように、複数の共振周波数を有する。
【００２６】
漏洩口５０３から発生する振動は、配管５００、または、流体５０２を介して、物体５０１に伝搬する。振動増幅器２００は、配管５００、または、物体５０１に伝搬した、漏洩口５０３から発生した振動を増幅し、検知器１００に伝搬する。
【００２７】
配管検査装置３００は、検知器１００より検出された振動を、暗振動時の振動と比較することにより、配管５００の漏洩を検出する。配管検査装置３００は、配管５００の漏洩の検出結果を、ユーザ等に出力する。なお、配管検査装置３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とプログラムを記憶した記憶媒体を含み、プログラムに基づく制御によって動作するコンピュータであってもよい。
【００２８】
次に、本発明の特徴的な構成を説明する。
【００２９】
図１は、本発明の特徴的な構成を説明する図である。図１を参照すると、本発明の振動増幅器２００は、加速度を検知する検知器１００と検知対象物（配管５００）との間に、検知対象物の振動を検知器１００に伝搬可能に設置される。振動増幅器２００は、複数の共振周波数を有する。
【００３０】
本発明の実施の形態によれば、既存の振動センサを用いて、広帯域で微小振動を検知できる。その理由は、振動増幅器２００が、加速度を検知する検知器１００と検知対象物との間に、検知対象物の振動を検知器１００に伝搬可能に設置され、複数の共振周波数を有するためである。
【００３１】
（第１の実施の形態）
次に、本発明の第１の実施の形態を説明する。
【００３２】
図３は、本発明の第１の実施の形態の構成を示す図である。
【００３３】
図３を参照すると、配管検査システム１は、振動検知装置１０、配管検査装置３００、及び、配管５００を含む。
【００３４】
振動検知装置１０は、配管５００または配管５００に固定された消火栓５１１等に設置される。
【００３５】
振動検知装置１０は、検知器１００、及び、振動増幅器２１０を含む。
【００３６】
振動増幅器２１０は、複数の増幅部２１１（２１１ａ、２１１ｂ）を連結することにより構成される。複数の増幅部２１１は、それぞれ、漏洩口５０３から発生する振動の特定の周波数帯域において、互いに異なる共振周波数を有する。増幅部２１１は任意の方向に連結可能であるが、検知器１００が検出する振動の方向に、層状に連結することが好ましい。また、図３の例では、増幅部２１１の連結数は２であるが、増幅部２１１の連結数は２以上の任意の数でよい。
【００３７】
配管５００の漏洩口５０３から発生した振動は配管５００、及び、配管５００内の流体５０２を伝搬し、振動検知装置１０に到達する。配管５００の口径、形状、材質は、任意でよい。
【００３８】
図４は、本発明の第１の実施の形態における、振動増幅器２１０の周波数特性を示す図である。図４において、横軸は周波数、縦軸は振動加速度を表す。
【００３９】
図４における特性（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、増幅部２１１ａ、２１１ｂの周波数特性である。増幅部２１１ａ、２１１ｂは、それぞれ、漏洩口５０３から発生する振動の周波数帯域Δｆにおいて、共振周波数ｆ１、ｆ２を有する。
【００４０】
図４における特性（ｃ）は、増幅部２１１ａ、２１１ｂを連結した、振動増幅器２１０の周波数特性である。振動増幅器２１０は、複数の共振周波数ｆ１、ｆ２を持ち、検知対象である周波数帯域Δｆにおいて、増幅率をほぼ一定としたまま、振動を増幅できる。
【００４１】
本発明の第１の実施の形態によれば、広帯域で微小振動を検知できる。その理由は、振動増幅器２１０が、互いに異なる共振周波数を有し、層状に連結された、複数の増幅部２１１を備えるためである。
【００４２】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００４３】
図５、及び、図６は、それぞれ、本発明の第２の実施の形態の振動増幅器２２０の断面図、及び、斜視図である。
【００４４】
振動増幅器２２０は、片持ち梁である、複数の増幅部２２１（２２１ａ、２２１ｂ）を連結することにより構成される。ここで、図５、図６に示すように、増幅部２２１ａ（第１の片持ち梁）の一端が検知器１００を支持し、他端が増幅部２２１ｂに支持（固定）される。また、増幅部２２１ｂ（第２の片持ち梁）の一端が増幅部２２１ａを支持し、他端が配管５００または消火栓５１１等に固定される。
【００４５】
増幅部２２１ａ、２２１ｂは、それぞれ、漏洩口５０３から発生する振動の周波数帯域Δｆにおいて、異なる共振周波数ｆ１、ｆ２を有する。共振周波数ｆ１、ｆ２は、例えば、片持ち梁の形状（長さ、幅）や材質により決定される。
【００４６】
本発明の第２の実施の形態における振動増幅器２２０の周波数特性も、第１の実施の形態における振動増幅器２１０の周波数特性（図４、特性（ｃ））と同様となる。振動増幅器２２０は、複数の共振周波数ｆ１、ｆ２を持ち、検知対象である周波数帯域Δｆにおいて、振動を増幅できる。
【００４７】
なお、本発明の第２の実施の形態では、振動増幅器２２０において、片持ち梁である増幅部２２１を積み重ねた。しかしながら、これに限らず、周波数帯域Δｆにおいて異なる共振周波数が得られれば、増幅部２２１として、任意の形状、寸法、材質を有する物質を積み重ねてもよい。例えば、増幅部２２１として、圧電体の塊（固体）のようなバルク材を積み重ねてもよい。
【００４８】
また、図５、及び、図６の例では、増幅部２２１の連結数は２であるが、増幅部２２１の連結数は２以上の任意の数でよい。
【００４９】
本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、広帯域で微小振動を検知できる。その理由は、振動増幅器２２０が、互いに異なる共振周波数を有し、層状に連結された、複数の増幅部２２１（片持ち梁）を備えるためである。
【００５０】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
【００５１】
図７、及び、図８は、それぞれ、本発明の第３の実施の形態の振動増幅器２３０の上面図、及び、斜視図である。
【００５２】
振動増幅器２３０は、片持ち梁である増幅部２３１ａ、２３１ｂ、及び、固定部２３２を含む。増幅部２３１ａ、２３１ｂは、一端が検知器１００を支持し、他端が固定部２３２における異なる位置に固定される。固定部２３２は、配管５００または消火栓５１１等に固定される。
【００５３】
増幅部２３１ａ、２３１ｂは、それぞれ、漏洩口５０３から発生する振動の周波数帯域Δｆにおいて、異なる共振周波数ｆ１、ｆ２を有する。共振周波数ｆ１、ｆ２は、片持ち梁の形状（長さ、幅）や材質により決定される。また、増幅部２３１ａ、２３１ｂは、それぞれ異なる固有振動モード（以下、振動モードと記載する）を有する。
【００５４】
本発明の第３の実施の形態における振動増幅器２３０の周波数特性も、第１の実施の形態における振動増幅器２１０の周波数特性（図４、特性（ｃ））と同様となる。振動増幅器２３０は、複数の共振周波数ｆ１、ｆ２を持ち、検知対象である周波数帯域Δｆにおいて、振動を増幅できる。
【００５５】
なお、周波数帯域Δｆにおいて異なる共振周波数が得られれば、各増幅部２３１の方向は任意の方向でよい。また、増幅部２３１として、任意の形状、寸法、材質を有する物質を用いてもよい。さらに、増幅部２３１の数は２以上の任意の数でよい。
【００５６】
本発明の第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、広帯域で微小振動を検知できる。その理由は、振動増幅器２３０が、互いに異なる共振周波数を有し、検知器１００を支持する、複数の増幅部２３１（片持ち梁）を備えるためである。また、本発明の第３の実施の形態によれば、複数の振動モードの微小振動を検知できる。その理由は、複数の増幅部２３１（片持ち梁）が、互いに異なる振動モードを有するためである。
【００５７】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。
【００５８】
図９、及び、図１０は、それぞれ、本発明の第４の実施の形態の振動増幅器２４０の上面図、及び、斜視図である。
【００５９】
振動増幅器２４０は、片持ち梁である増幅部２４１、及び、固定部２４２を含む。増幅部２４１は、一端が検知器１００を支持し、他端が固定部２４２に固定される。固定部２４２は、配管５００または消火栓５１１等に固定される。
【００６０】
増幅部２４１は、図１０に示すように、曲げによる振動モード２４３、及び、ねじれによる振動モード２４４を有する。また、これらの振動モード２４３、２４４は、それぞれ、漏洩口５０３から発生する振動の周波数帯域Δｆにおいて、異なる共振周波数ｆ１、ｆ２を有する。
【００６１】
本発明の第４の実施の形態における振動増幅器２４０の周波数特性も、第１の実施の形態における振動増幅器２１０の周波数特性（図４、特性（ｃ））と同様となる。振動増幅器２４０は、増幅部２４１の曲げ、ねじれにより発生する複数の共振周波数ｆ１、ｆ２を持ち、検知対象である周波数帯域Δｆにおいて、振動を増幅できる。
【００６２】
本発明の第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、広帯域で微小振動を検知できる。その理由は、振動増幅器２４０が、複数の共振周波数を有し、検知器１００を支持する、増幅部２４１（片持ち梁）を備えるためである。また、本発明の第４の実施の形態によれば、第３の実施の形態と同様に、複数の振動モードの微小振動を検知できる。その理由は、増幅部２４１（片持ち梁）が、複数の振動モードを有するためである。
【００６３】
（本発明の実施の形態の具体例）
次に、本発明の実施の形態の具体例を説明する。
【００６４】
本発明の振動検知装置１０を用いて、配管５００の漏洩を検出した。検知器１００のみで漏洩を検出した場合と、本発明の振動検知装置１０を用いて漏洩を検出した場合を比較した。
【００６５】
図１１は、本発明の実施の形態の具体例の構成を示す図である。
【００６６】
図１１の例では、配管５００として、口径１０００ｍｍの鋼管を用いた。配管５００内の流体５０２として、水が流れている。配管５００に付設されたマンホール内の消火栓５１１（単口消火栓）から１００ｍ離れた位置に、口径２ｍｍの漏洩口５０３が生じている。増幅すべき振動は、漏洩口５０３により発生して伝搬する、周波数帯域１００〜２００Ｈｚの振動５２１である。
【００６７】
この振動５２１を検出するために、消火栓５１１に、振動検知装置１０を設置した。検知器１００として、圧電型振動センサを用いた。また、振動増幅器として、本発明の第２、第３、及び、第４の実施の形態における、振動増幅器２２０（複数連結した片持ち梁）、２３０（二方向の片持ち梁）、及び、２４０（複数の振動モードを有する片持ち梁）を用いた。
【００６８】
これらの振動増幅器２２０、２３０、２４０を用いて振動検知装置１０により検出した振動スペクトルと、振動増幅器を用いずに検知器１００（圧電型振動センサ）のみにより検出した振動スペクトルを比較した。
【００６９】
図１２は、本発明の実施の形態の具体例における、検出された振動スペクトルの例を示す図である。図１２において、横軸は周波数、縦軸は振動加速度を示す。
【００７０】
図１２に示すように、振動増幅器を用いずに検知器１００（圧電型振動センサ）のみにより振動を検出した場合、振動スペクトル７０１が得られた。一方、振動増幅器２２０、２３０、２４０を用いた振動検知装置１０により振動を検出した場合、振動スペクトル７０２が得られた。
【００７１】
振動スペクトル７０２では、振動スペクトル７０１に比べて、漏洩検知に必要な周波数帯域１００〜２００Ｈｚで振動が増幅されている。このように、本発明の振動増幅器２２０、２３０、２４０を用いることにより、振動を広帯域で増幅できる。
【００７２】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００７３】
例えば、本発明の実施の形態では、検知対象物を配管５００としたが、特定の周波数帯域の振動を発生する物体であれば、検知対象物は配管５００以外の物体でもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１    配管検査システム
１０    振動検知装置
１００    検知器
２００    振動増幅器
２１０    振動増幅器
２１１    増幅部
２２０    振動増幅器
２２１    増幅部
２３０    振動増幅器
２３１    増幅部
２３２    固定部
２４０    振動増幅器
２４１    増幅部
２４２    固定部
２４３    振動モード
２４４    振動モード
３００    配管検査装置
５００    配管
５０１    物体
５０２    流体
５０３    漏洩口
５１１    消火栓
５２１    振動
７０１    振動スペクトル
７０２    振動スペクトル
【図１】
2016217766.tif 000003
【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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