JP2856748B2 - 物質内を伝搬する振動の測定方法及びその振動ピックアップ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、物質内を伝搬する固体振動を直接測定する
振動ピックアップに関する。

（従来の技術） 固体物質、例えば構築物において振動は重要な問題で
ある。例えば固体物質内を伝搬する縦波は音に変わるこ
とがないので通常問題とならないが、建屋等の構築物に
あっては柱の中を伝搬する縦波の振動が床面等で横波に
変わり、躯躰表面から音となって出るいわゆる固体音の
原因となる問題が生じている。そこで、これら構築物の
躯躰構造によってどのように振動が伝達されるのか、あ
るいは振動がどのように変化するのかを測定する必要が
ある。

従来の振動測定は、第６図に示すような、サイズモ系
（変換器内の質量−ばね系）101とその運動を電気的変
化に変換する変換素子102から構成されている振動ピッ
クアップを用いて振動が測定されている。例えば、コン
クリート躯躰の振動を測定する場合には躯躰の表面に振
動ピックアップを取付け、ピックアップの中にあるばね
103で吊られたおもり104とケース105との相対運動を変
換素子102に伝え、そこで電気信号に変換して振動を検
出するようにしている。また、軸受のような機械部品に
おいても同様に、ケーシングの適当な位置に振動ピック
アップを取付けて振動をモニターしている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の振動ピックアップは、コンクリ
ート躯躰の表面に取付け、おもり104の慣性運動を利用
して振動を測定するため、被測定物全体が動くような振
動に対しても出力があり、固体音等の原因となる低レベ
ルの物質内伝搬振動だけを検出したい場合には不向きで
ある。特に、固体内を伝搬する縦波を検出することは困
難である。このため、コンクリート躯躰において、例え
ば柱の中を伝搬する縦波が床面等との接合部において横
波に変わる過程等を測定することなどは困難であった。
しかも、コンクリートを例にとると、表面と骨材や鉄筋
が密集する内部とでは振動の伝搬特性が異なるのではな
いかという問題があり、コンクリート表面での振動測定
値に対しては全幅の信頼が得られない。そこで、被測定
物質の内部を振動が実際にどう伝わり、どう変化するの
かを直接測定することが望まれている。

また、振動ピックアップの変換素子として一般的なセ
ラミックス圧電効果素子は、縦効果を利用する場合、瞬
間的な周囲温度の変化による影響を受け易いことから、
温度や光等が変化する環境下では低レベルの振動測定が
困難になることがあるし、曲げに対する機械的強度が脆
弱であるために横効果を利用した高感度な振動測定を困
難なものとしている。

本発明は、物質内を伝搬する振動特に縦振動を直接測
定する振動ピックアップ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） かかる目的を達成するため、本発明の振動ピックアッ
プは、被測定物質とほぼ同材質からなるハウジングと、
圧電効果素子とから成り、前記ハウジング内に圧電効果
素子を埋設して密閉し、前記ハウジング内に伝わる振動
によって直接前記圧電効果素子を変形させて外部に検出
電圧信号を取出し得るようにしている。

また、同振動ピックアップにおいて、圧電効果素子は
互いに直交する２軸ないし３軸方向にそれぞれ配置され
てハウジング内に埋設されていることを特徴とする。ま
た、同振動ピックアップにおいて、圧電効果素子は、一
方の面に空間を形成したことを特徴とする。

また、本発明の振動ピックアップは、被測定物質とほ
ぼ同材質からなるハウジングと、ほぼ中央に圧電効果素
子を固着した振動を伝搬し易い薄板とから成り、前記薄
板の周辺を前記ハウジングに固定させると共に前記圧電
効果素子及びその部位の薄板の周囲に空間を形成して前
記薄板をハウジング内に埋設し、前記ハウジング内に伝
わる振動を前記薄板で増幅して前記圧電効果素子に伝搬
するようにしている。

（作用） したがって、物質内に振動が伝わると、それが埋設さ
れている圧電効果素子に対して圧縮ないし曲げとして直
接作用し、歪を与えて圧電効果素子の電極に振動に比例
した電圧を発生させる。この振動入力によって変形する
圧電素子の出力は、質量ｍが埋設条件で決定される一定
値であることから、その値は振動加速度αと比例してお
り、それを分析することによって物質内を伝搬する縦波
を診断できる。振動が縦波の場合、圧電素子の縦効果に
よって振動が検出され、横波の場合には横効果によって
検出され、これらはその信号の速度差等で分離される。
また、互いに直交する２軸ないし３軸方向に圧電素子が
埋設されている場合、各圧電効果素子の出力を解析する
ことによって振動の拡散挙動が測定される。

また、圧電効果素子を薄板に固着してハウジング内に
振動可能に固定する場合、固体内振動が薄板において増
幅されてから圧電効果素子に伝えられるため大きな出力
電圧が出力される。

（実施例） 以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳
細に説明する。

第１図に構築物用の振動ピックアップの一実施例を中
央縦断面図で示す。この振動ピックアップ１は、圧電素
子２とそれを完全に包囲するハウジング３とから成り、
ハウジング３内に圧電効果素子１を隙間なく埋設して成
る。尚、符号５はリード線である。

圧電効果素子２としては、振動ピックアップの変換素
子として一般に用いられているチタン酸バリウム（BaTi
₃）、チタン酸ジルコン酸鉛［Pb（Zr,Ti）O₃］などの強
誘電体を主材料とする圧電磁器（圧電セラミックス）が
一般的であるが、これ限定されるものではなく測定しよ
うとする振動に対応させて適切な共振周波数のものを採
用することが好ましい。この圧電効果素子の表面には絶
縁コーティング６が施されている。この絶縁材６として
は、ゴムのような弾力性のあるものは好ましくなく、振
動減衰が少ないものを選択し薄いフィルム状に形成する
ことが好ましい。

ハウジング３は、好ましくは被測定物即ち構築物４と
同一材料若しくはこれに近似する材質によって構成する
ことが望まれる。例えば、建屋等のコンクリート躯躰の
固体振動を測定する場合には、当該躯躰に使用されてい
るモルタルをハウジング材として使用する。このハウジ
ング３へのセラミックス圧電効果素子２の埋設は、測定
しようとする固体振動の伝搬方向に直交する方向に配置
され、セラミックス圧電効果素子２と直交する方向に進
行する振動のみを検出するように設けられている。ま
た、あらゆる方向の振動に対応するために圧電効果素子
２は互いに直交する２軸ないし３軸方向に埋設すること
が好ましい。

第２図（Ａ）に示す他の実施例のように、圧電効果素
子２は、その全表面をハウジング３に対して完全に密着
させず、少なくとも一面をハウジング３に密着させるが
一方の面に空間Ｓを設けることもある。この場合、空間
Ｓの存在により極性が異なる圧電効果素子入２の表裏両
面間がハウジング３で短絡させるおそれが無く両面間で
の絶縁を確保できるので、圧電効果素子２の絶縁効果が
より高くなり、例えば完全に乾燥していないモルタル等
でハウジング３を形成するような場合に効果的である。

また、第２図（Ｂ）示す他の実施例のように、圧電効
果素子２を振動を伝搬し易い薄板例えばリン青銅板７に
固着したものをハウジング３内に振動可能に埋設するこ
とである。例えば、中央に圧電セラミックス２を焼き付
けたリン青銅板７の周辺をハウジング３に固定させる一
方、圧電効果素子２及びその部位の薄板の周囲に空間８
を設け、リン青銅板７の圧電セラミックス部分が振動し
得るように構成されている。この実施例の場合、圧電効
果素子２の出力電圧が大きく、後の信号処理が容易とな
る。

尚、本実施例においては構築物と同材質のハウジング
３に圧電効果素子２を埋設して振動ピックアップ１を構
成し、これを被測定物４内に埋設するようにしている
が、被測定物中に直接セラミックス圧電効果素子２を埋
設し、振動を測定することも可能である。

第３図に本発明の縦波振動の測定例のひとつを示す。
この実施例はコンクリート柱10の床面11が接合される直
前と床面部分11に本発明のピックアップ１を設置し、コ
ンクリート柱10に伝搬する縦波12とそれが接合部分にお
いて横波13に変化する状態、割合等を測定しようとする
ものである。

以上のように構成したので、被測定物内に振動が伝搬
される場合、この振動によってセラミックス圧電素子に
歪が生ずるためその歪に比例した電圧が発生する。ま
た、圧電効果素子２がハウジング３に埋設されてピック
アップを構成している場合には被測定物４とハウジング
３とは同一材質であるため一体化され、伝搬振動が変化
することなく圧電効果素子にそのまま伝えられる。粗密
波から成る縦波の場合、波の進行方向の圧電素子の縦効
果（圧縮）を利用して歪に比例する電圧が出力され、横
波の場合には横効果（曲げ）を利用して歪に比例する電
圧が出力される。ここで、本発明による圧電効果素子か
らの出力と従来の振動ピックアップからの出力との関係
を見ると第４図に示すようにほぼ1:1で対応した比例関
係にあり、従来の振動ピックアップと同様に加速度を測
定できることは明らかである。尚、該グラフの回帰曲線
はＹ＝AX^Bのべき回帰によって表されており、250Hzにお
いてＢは0.99576、Ａは3.90241、100HzにおいてＢは0.9
42213、Ａは32.0489である。また、第５図に示すよう
に、本発明の圧電効果素子と従来のピックアップの加速
度減衰波形はほぼ時間軸上において重なり、波高が若干
異なるが同様に減衰波形も測定できることは明らかであ
る。

上述したように本実施例の振動ピックアップによれ
ば、物質内に圧電効果素子を被測定振動の伝搬方向と直
交させて埋設して測定するので、物質内を伝搬する振動
によって圧電素子が直接歪を受け、その歪に比例する電
圧を出力することから、これを解析することによって固
体振動のみを直接検出することができる。しかも、従来
では測定不可能であった縦波も圧電素子の縦効果を利用
して直接測定できる。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明の振動ピック
アップによれば、おもりの慣性運動を利用せずに物質内
を伝搬する振動によって圧電効果素子に直接歪を与える
ため、固体音等の原因となる微小な物質内伝搬振動以外
の振動、例えば物質全体が揺れるような大レベルの振動
等に対して作動することはない。

また、本発明の振動ピックアップは物質とほぼ同材質
からなるハウジング内に圧電効果を素子を埋設して密閉
しているので、物質内に埋設するときその位置決めや設
置が容易であるし、埋設によって物質と一体化され外部
環境から完全に遮断されるため伝搬振動が変化すること
なく圧電効果素子に伝わり、環境変化による影響から完
全に遮断される。即ち、圧電効果素子が実質的に隙間な
く外部雰囲気とは完全に遮断された状態でハウジングな
いし物質によって包囲されているため、外部環境の変化
に起因する異常電圧の発生を防ぎかつ機械的強度を補強
できる。依って、従来の振動ピックアップよりも高感度
で低レベルの振動測定を可能とする。

更に、振動を伝搬し易い薄板に圧電効果素子を固着
し、それを被測定物質と同質のハウジング内に振動可能
に埋設するピックアップの場合、軸受の振動が薄板の振
動に変換されてから電気信号に変換されるため軸受全体
が揺れる振動も拾うこととなるが、出力される電気信号
値が大きいので、後の信号処理が容易であるため使用し
易い。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の振動ピックアップの一実施例を示す中
央縦断面図、第２図（Ａ）及び（Ｂ）は同ピックアップ
の他の実施例を示す中央縦断面図、第３図は本発明の振
動ピックアップを利用してコンクリート柱から床への振
動の変化を測定する実施例を示す説明図、第４図は従来
の加速度ピックアップ出力と本発明の振動ピックアップ
出力との関係を示すグラフで、（Ａ）は100Hz、（Ｂ）
は250Hzにおける関係を示す。第５図は従来のピックア
ップと本発明のピックアップとの加速度の減衰波形を比
較するグラフ、第６図は従来の振動ピックアップの原理
図である。 １……振動ピックアップ、２……圧電効果素子、 ３……ハウジング、４……物質、６……絶縁材、 ７……薄板、８……空間。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物質とほぼ同材質からなるハウジン
   グと、圧電効果素子とから成り、前記ハウジング内に圧
   電効果素子を埋設して密閉し、前記ハウジング内に伝わ
   る振動によって直接前記圧電効果素子を変形させて外部
   に検出電圧信号を取出し得るようにして成る振動ピック
   アップ。
2. 【請求項２】前記圧電効果素子は互いに直交する２軸な
   いし３軸方向にそれぞれ配置されてハウジング内に埋設
   されてなる請求項１記載の振動ピックアップ。
3. 【請求項３】前記圧電効果素子には絶縁材がコーティン
   グされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の
   振動ピックアップ。
4. 【請求項４】前記圧電効果素子の一方の面とハウジング
   との間に空間を形成したことを特徴とする請求項１ない
   し３のいずれかに記載の振動ピックアップ。
5. 【請求項５】被測定物質とほぼ同材質からなるハウジン
   グと、ほぼ中央に圧電効果素子を固着した振動を伝搬し
   易い薄板とから成り、前記薄板の周辺を前記ハウジング
   に固定させると共に前記圧電効果素子及びその部位の薄
   板の周囲に空間を形成して前記薄板をハウジング内に埋
   設し、前記ハウジング内に伝わる振動を前記薄板で増幅
   して前記圧電効果素子に伝搬することを特徴とする振動
   ピックアップ。