建築模型を対象とした振動発生装置の製作
5年C組

青木 雅典

指導教員 米田 隆恒

１．要約
私は、2014 年 7 月 16 日から一週間、私のほか 3 人のメンバーと共に香港サイエンスキ
ャンプに参加した。このキャンプで私達は、日本の古代建築における耐震性について傾斜復元力と呼ばれる特性に注目し、建築模型に振動を与えることで、傾斜復元力がどのように影響するかを調べる実験を行った。そこで私は、実験に使用する振動発生装置、および建築模型の加速度検出モジュールを製作した。
キーワード

振動発生装置、スライダクランク、加速度センサー

２．研究の背景と目的
奈良県だけでなく、日本には古代から残る建築物が数多く存在している。これらの建築物は、多くの自然災害に遭ったにも関わらずその姿を保ち続けている。特に、心３．研究内容（１）研究事項＜研究１＞
振動数および振幅を変化させることが可能な簡易型の振動発生装置を製作する。

柱等の耐震構造に関する研究が行われているように、地震に対する構造には多くの謎が秘められている。
私は、香港科技大学主催 Intercity
Mathematics& Science Summer Camp

＜研究２＞
建築模型の揺れを加速度として検出し、記録することが可能な計測用モジュールを製作する。

for Talented Students（以下、香港サイエンスキャンプ）での研究活動において、ほ（２）研究内容

かの３人のメンバーと共に、傾斜復元力特＜研究１＞性に注目して、古代建築の耐震構造につい今回の実験では、建築模型を力学台車のて研究を行った。そのなかの、柱の形状や上に載せて振動させる。そのため、製作すそこに加わる力が耐震強度にどう影響するる振動発生装置は、外部から力学台車を前かを調べるための実験において、模型に対後に直線運動させる必要がある。この装置して振動を与え、その揺れを検出する必要はモーターを動力源としたいと考えたが、があった。

モーターは回転運動を行うため、そのまま本稿ではその実験のために製作した振動では振動発生装置としては機能しない。そ

発生装置と模型の揺れを加速度として検出

こで私は、この装置に「スライダクランクすることが可能なモジュールについて記す。

機構」と呼ばれる、回転運動を直線的な往復運動に変換することができるリンク機構を組み込んだ。（図１）

図２ 回転板の裏面図１製作したスライダクランク機構

二つ目の問題は、モーターの回転運動をどのように直線運動に変換するかである。

スライダクランク機構では、回転軸から回転板に載せるモーターは、回転軸のモークランクピンまでの距離を大きくすると、ターと異なり、パワーの小さな小型の物で往復運動の振幅も大きくなる。この仕組みある。そこで、小型モーターの先端にギアを利用し、クランクピンの位置を実験者がボックスを取り付け、モーターのトルクをモーターで自由に変えられるようにするこ上げる。さらに、ギアを通じてモーターのとで、振幅が変化可能となった。しかし、回転を２本のネジに伝え、クランクピンのこの機構には主に二つの問題が存在した。

取り付けられた板を移動させられる様にし一つ目は、電力供給の問題である。回転た。（図３）

板上のモーターを動かすには、当然電力が必要である。だが、そのままモーターと電源を導線で接続しただけでは、回転板を回転させた際に導線が絡まってしまう。この問題を解決するために、回転板の裏面に同心円状に二本のハンダ吸い取り線を取り付けた。そして、電源からの導線の先にバネを取り付け、それをハンダ吸い取り線に当てることで、バネがブラシとして機能し、回転板を回転させながら小型モーターに安定して電力供給を行うことができるように

図３

可動式クランクピンなった。（図２）
また、クランクピンと同じ高さのピンを力学台車に取り付け、それらを樹脂製の棒で接続して運動させた。

＜研究２＞
ここでは、模型の振動を計測するために、と呼ばれるマイクロコンピュータを用いて、情報処理を行った。また、子機から受信し搭載したセンサーから情報を読み取り、加たデータを実験者が確認できるようにする

速度データを読み取る子機と、子機から送ため、プログラミング言語「Processing」られてきたデータを受信し、コンピュータで専用ソフトウェアを制作した。親機からー上のソフトウェアに引き渡す親機の二種受け取ったデータは、加速度、ジャイロ、類のモジュールを製作する。

コンパスの３つのセンサーすべてのデータ

今回は、加速度を計測するために、９軸が入っている。このデータをソフトウェア

センサーモジュール「MPU-9150」を利用で読み込み、リアルタイムでグラフ描画すした。（図４）このセンサーは、３軸方向ることで、実験者が模型の振動状態をよりの加速度センサーに加え、３軸方向のジャ観測しやすくなり、かつ振動状態の記録がイロ、コンパスセンサーを備えている。そ可能となる。のため、このモジュールを建築模型の柱等に取り付けることで、模型の加速度だけで４．研究結果なく、柱の傾き具合なども検知することが＜研究１＞可能となる。

目標としていた、振動数及び振幅を変化させることが可能な振動発生装置を製作することができた。
ただし、実験者は加える電圧を変化させることで装置を制御するため、実験中に振動数や振幅を装置から確認することはできない。また、回転軸に使用したモーターがパワー不足だったため、振幅をある一定以上大きくすると負荷がかかり、振動周期が図４ ９軸センサー「MPU-9150」不安定になり、振動させることができなくなった。

模型は力学台車の上で振動させるため、親機と子機は無線接続されていることが好＜研究２＞ましい。そこで、無線通信モジュール

模型の振動状態を検出し、加速度のデー「Xbee」を用いて近距離無線通信を行い、タを記録、およびリアルタイムでグラフ描

ワイヤレスでリアルタイムに模型の状態を画することに成功した。

把握出来るようにした。
９軸センサーや無線送受信モジュールは、しかし、受信している加速度データはセンサーからのデジタルデータをそのまま処単体では動作しないため、これらの周辺機理しているだけで、実際の加速度に変換し器を制御し、連携させなければならない。ているわけではない。そのため、ここで計

そこで、ここでは「PIC24FJ64GA002」

測した加速度を他の計算に利用することが

このままではできない。さらに、今回製作

験等は行えなかった。

したモジュールは未だ試作段階であり、モ

今後は、振動発生装置や計測モジュールジュール全体が大きく重いため、模型の振の安定性および正確さを高めていくことを動に大きく影響してしまう。

念頭に置き、より利用しやすい装置を製作していきたいと考えている。

５．考察
今回製作した振動発生装置に取り入れた

７．参考文献

スライダクランク機構は、回転運動を往復[1] PIC24F リ フ ァ レ ン ス マ ニ ュ ア ル

運動に変換する際、実際には往復運動の直www.microchip.co.jp/download.html

線方向から少し傾いた方向に力がかかる。
そのため、力学台車の進行方向と違った方[2] MPU-9150 データシート

向にも力がかかり、振動実験を続けると力

strawberry-linux.com/pub/MPU-

学台車が徐々にずれ、結果として正しく振9150_DataSheet_V4%203.pdf

動しなくなってしまう。腕からの余分な力を打ち消せるような構造を作るか、もしく

８．謝辞

はスライダクランク構造以外の方法で、回今回の研究にあたり、サイエンス研究会

転運動を往復運動に変換することを考える

物理班顧問の米田隆恒先生には、日頃から必要がある。また、加速度センサーからのご指導、ご助言をしていただきました。さ

データを収集する間隔が長すぎると短時間らに、本校サイエンス研究会の先輩およびの模型の変位が計測できない。データ収集

同級生にも多大なご協力をいただきました。の間隔をより短くする方法を探るか、加速この場をお借りして、御礼申し上げます。

度以外のデータから模型の動きを検知する方法を考える必要がある。さらに、今回の測定方法では、正確には模型の動きではなく、力学台車と模型の動きを一緒に検知してしまう。模型の動きを正しく測定するには、力学台車自身の変位も測定し、その差分を求めなくてはならない。

６．今後の課題
傾斜復元力特性に注目して行った今回の耐震強度実験では、傾斜復元力によって、建築物の倒壊がある程度防がれていることが確認できた。しかし、与えた振動が不安定な場合が多く、実際に計測された数値が不正確であることなどから、細かな計測実