JP2005337923A - 地震検知器及びそれを用いた地震警報機 - Google Patents

Abstract

【課題】 建物や建物内の人に被害を及ぼす可能性のある地震の発生時に、震源から離れた地点において主要動であるＳ波の到達前にＰ波を検知するに当たり、Ｐ波による重りの振動のみによって一定規模以上のＳ波が到来するか否かを直ちに判断する。
【解決手段】 建物その他の構造物に直接、もしくは間接的に固定されるガイド棒２と、同じく構造物に直接、もしくは間接的に固定されるセンサ３と、ガイド棒２の回りにガイド棒２に沿って往復動自在に配置される重り４と、ガイド棒２の回りに配置され、一端がガイド棒２に接続され、他端が重り４に接続されるばね５から地震検知器１を構成し、地震検知器１が設置された地点での震度が例えば５以上になることが予測される、予め設定された一定規模以上の地震波のＰ波によってセンサ３が反応し得るように、重り４の固有振動数、及び重り４とセンサ３の相対的な位置を決定しておく。
【選択図】 図１

Description

この発明は建物や建物内の人に被害を及ぼす可能性のある地震の発生時に、震源から離れた地点において主要動であるＳ波の到達前にＰ波を検知する地震検知器、及びその検知に基づいて警報信号を発生する地震警報機に関するものである。

建物や人に被害を及ぼす可能性のある規模の地震の発生時に、震源から離れた地点での被害を未然に防止しようとする場合、実際に被害を引き起こす主要動であるＳ波が到達する数秒前に到達するＰ波を地震（振動）センサにより検知し、その検知に基づき、運転中のエレベータを停止させる、Ｓ波の到来を知らせる警報音を発生する等により事前に安全を確保するための行動を促すことが行われる（特許文献１〜６参照）。

地震センサは振り子や重りを用いた機械式センサと、圧電や静電容量等を利用した電気式センサに大別されるが、Ｐ波、またはＳ波の検知にはセンサ本体の小型化が可能である圧電型センサや静電容量型センサが多用される傾向がある（特許文献７参照）。

機械式センサは例えば重り等の振動体と振動体を振動自在に支持するばねを基本要素とし、重りの振動の方向と振幅から地震動の規模を把握することになる（特許文献８参照）。
特公昭61-29308号公報 特公昭61-31708号公報 特開2001-147272号公報 特開2003-42834号公報 特許第3038147号公報 特許第3433144号公報 特開平8-263771号公報 特開平9-273960号公報

重りを用いた機械式センサである特許文献８では重りに接続された複数本の振動検知素子の振動成分から振動の大きさと方向を検出しているが、特許文献１〜６のようにＰ波を検知し、そのＰ波の振動からＳ波の規模を予測して安全確保の行動を起こす上では、特許文献８のように単に振動を検知するのみでは日常的に発生する衝撃的な振動や交通振動その他の微小振動をも検知する可能性があるため、十分とは言えない。

真に被害を引き起こすと予想される規模（加速度）のＳ波に対して安全確保の行動を起こすには、その程度の規模のＳ波を予測させる一定規模のＰ波に達しない規模のＰ波に対してはセンサが反応しないことが必要であるが、特許文献８の重りは特定の外乱振動に対してのみ振動するようには調整されていないため、重りと振動検知素子のみでは重りの振動から検知した振動が一定レベル以上のＰ波であるか否かを直ちに判断することはできず、振動検知素子の振動成分を信号判別手段へ送り、信号判別手段による判断を経由しなければならない。

加速度センサとして重り（重錘）とばね（可撓板）を用いている特許文献４においても、ばねの撓み量のみからは直ちに一定規模以上のＰ波であるか否かを判断することはできないため、撓み量に応じた静電容量値の大きさに基づく判断が必要になる。

この発明は上記背景より、Ｐ波による重りの振動のみによって一定規模以上のＳ波が到来するか否かを直ちに判断できる地震検知器とそれを用いた地震警報機を提案するものである。

請求項１では建物その他の構造物に直接、もしくは間接的に固定されるガイド棒と、同じく構造物に直接、もしくは間接的に固定されるセンサと、ガイド棒の回りにガイド棒に沿って往復動自在に配置される重りと、ガイド棒の回りに配置され、一端がガイド棒に接続され、他端が重りに接続されるばねから地震検知器を構成し、地震検知器が設置された地点での震度が例えば５以上になることが予測される、予め設定された一定規模（一定加速度）以上の地震波のＰ波によってセンサが反応し得るように重りの固有振動数、及び重りとセンサの相対的な位置を決定しておくことにより、Ｐ波による重りの振動のみによって一定規模以上のＳ波が到来するか否かを直ちに判断することを可能にする。

重りの固有振動数、すなわち重りの質量とばねのばね定数は重りが地震波のＰ波に共振し得るように決定され、センサは重りの端面から、重りがＰ波に共振しながら予め設定された一定規模以上のＰ波の加速度を受けて増大したときの振幅に相当する距離を隔てた位置に固定される。

重りは平常時には静止状態を維持することによりセンサをOFFの状態に保ち、一定規模未満のＰ波の到達時にはＰ波に共振しながらも、一定規模以上のＰ波の加速度に相当する、ある一定値を超える加速度を受けないことで、地盤の加速度に比例する振幅を増大させるまでに至ることはなく、センサをOFFの状態に保つ。一定規模以上のＰ波の到達時には前記ある一定値を超える、Ｐ波による地盤の加速度を受けて重りが共振しながら振幅を増大させ、振幅が一定量を超えることにより、センサを反応させてONにする。

Ｐ波は地質による変動はあるものの、地震動の規模（加速度）に関係なく地盤中を約５〜８ｋｍ／ｓの速さで伝播し、伝播するときの振動数は約８Ｈｚ前後とされていることから、重りをＰ波に共振させる上では重りの固有振動数ｆ_０を８Ｈｚ前後程度に設定すればよいことになる。

重りの固有振動数ｆ_０を８Ｈｚにする場合、重りの質量ｍとばねのばね定数ｋはｆ_０＝１／２π（ｋ／ｍ）^1/2の関係から求まり、例えば重りの質量ｍを50ｇ（0.05ｋｇ）とすれば、ばね定数ｋは126.3Ｎ／ｍとなる。またばね定数ｋが決まっている既製品のばねを用いた場合で、ばね定数ｋが156.8Ｎ／ｍであるときに、重りの質量ｍが50ｇのとき、重りの固有振動数ｆ_０は約8.913Ｈｚとなる。

重りの固有振動数ｆ_０は重りに対する外乱であるＰ波の振動数ｆの、固有振動数ｆ_０に対する比（振動数比ｆ／ｆ_０）が２^1/2未満であれば共振領域に入り、重りがＰ波に共振し得るため、重りの固有振動数ｆ_０はｆ／ｆ_０＜２^1/2の関係を満たしていればよいことになるが、前記8.913Ｈｚはこの関係を満たすため、この場合でも重りはＰ波に共振し得ることになる。ばねの種類は特定されないが、Ｐ波の振動に起因して直ちに重りに共振を生じさせる上では減衰のない金属ばね、特にコイルスプリングが適当である。

固有振動数ｆ_０を８Ｈｚにしたとき、ｆ／ｆ_０＜２^1/2の関係から重りは約11.3Ｈｚ未満の振動数を持つ振動に対して共振し得るものの、11.3Ｈｚを超える振動数を持つ振動に対しては共振しないことになる。交通振動による地盤の卓越振動数は軟弱地盤を除き、一般的に15Ｈｚ程度以上であるから、重りが交通振動によって共振することはないため、交通振動によって重りの振幅が増大し、一定量を超えることはない。

重りがＰ波の加速度（Ｐ波及びＳ波の規模）に関係なくＰ波に共振することで、一定規模以上のＰ波の到達時ばかりでなく、一定規模未満のＰ波に対しても重りは共振することになるが、重りの振幅Ａが加速度ａに比例して増大する関係（ａ＝ω^２・Ａ）から、センサが重りの端面から、重りが一定規模以上のＰ波の加速度を（Ｐ波による地盤の加速度）受けて増大したときの振幅に相当する距離を隔てた位置に固定されていることで、重りが一定規模未満のＰ波に共振してもそのＰ波の加速度から振幅を増大させるまでには至らないため、一定規模未満のＰ波に対してはセンサをOFFの状態に保つ一方、一定規模以上のＰ波によって重りの振幅が一定量を超えたときに限り、センサをONにすることが可能である。

重りが一定規模以上のＰ波の加速度を受けて増大したときの振幅に相当する距離は、真に被害を引き起こすと予想される規模の地震動におけるＰ波による地盤の加速度ａとそのときに振動する重りの振幅との関係から決められる。

例えば兵庫県南部地震等のような大規模地震の加速度波形から、Ｓ波の加速度は凡そ600〜800ｇａｌ（ｃｍ／ｓ^２）程度であり、Ｐ波の加速度は凡そ30ｇａｌ（ｃｍ／ｓ^２）程度であることが読み取れるため、このＰ波の加速度30ｇａｌを一応の目安とし、加速度ａと角振動数ω（２πｆ_０）及び振幅Ａの関係を表す式（ａ＝ω^２・Ａ）から、Ｐ波によって振動するときの重りの振幅Ａは±0.1187ｍｍとなり、全振幅は約0.237ｍｍとなる。

この値は地盤の振幅であり、この地盤の振動によって重りが共振しながら、加速度ａに比例して振幅Ａが増大するため（ａ＝ω^２・Ａ）、共振による増幅後の振幅を見込んだ距離が重りの端面とセンサとの間に確保される。ここで真に被害を引き起こすと予想される規模の地震動におけるＰ波の加速度は30ｇａｌに限られず、任意に設定され、その設定した加速度に応じて重りの振幅が算出される。

また30ｇａｌに満たない加速度のＰ波やＰ波以外の振動に起因して重りが振動するときにセンサがONにならないよう、30ｇａｌ未満の加速度のＰ波やＰ波以外の振動による振幅を超える距離として、重りの質量ｍが50ｇ前後程度の場合、全振幅（約0.237ｍｍ）の10倍を見込み、センサは図２に示すように重りの端面から２〜３ｍｍ程度隔てた位置に配置されればよいことになる。

重りに振動が生じていない平常時には重りがセンサの反応を遮断しており、例えばガイド棒を鉛直に向けて配置した場合において重りが降下したときにセンサがONになる場合は、重りの上端面がセンサより上に位置し、重りが上昇したときにセンサがONになる場合は、重りの下端面がセンサより下に位置する。

以上のように重りの振幅Ａは加速度ａに比例し、Ｐ波の加速度の大きさによって重りの振幅が相違することから、大規模地震の到来を予測させるＰ波の加速度と、共振による振幅の増大分からセンサと重りの端面との間の距離を決めておくことで、大規模地震に至らない、例えば30ｇａｌ未満のＰ波の加速度によっては重りがセンサと重りの端面との間の距離を超える振幅を生ずることはないため、真に被害を引き起こすと予想される規模（加速度）のＳ波を予測させる一定規模のＰ波に対してのみセンサを反応させ、一定規模のＰ波に達しない規模のＰ波に対してはセンサを反応させないことが可能になる。

センサは重りがＰ波に共振し、振幅が一定量を超えたことを認識することができればよいため、センサの種類も機械式であるか電気式であるか問われないが、重りの振幅が一定量を超えた時点で、時間の損失を生ずることなくセンサがONになるようにする上では光センサ（赤外線センサ）等の電気式センサが適当である。

地震警報機を構成する上では、例えば請求項２に記載のように重りの振幅が一定量を超えたときの電気信号を音声出力装置等の警報信号発生装置に伝達するのに好適な光センサの使用が適当であり、重りの振幅が一定量を超えた時点から警報信号発生装置による警報信号を発生するまでの時間を短縮できる。

この場合、センサは重りの両側に配置される発光素子と受光素子とを有し、平常時と前記した一定規模に満たないＰ波の到達時に重りが発光素子と受光素子との間を遮断しており、重りがＰ波に共振して振幅が一定量を超えたときに発光素子からの送信光が受光素子に到達し、センサがONの状態になる。

センサがONになったときの信号は請求項３に記載のように警報信号発生装置に伝達され、警報信号発生装置によって予め設定されている警報信号が音や振動、光その他の形で出力される。出力される警報信号は一定規模以上のＳ波の到来を人の聴覚や視覚に訴え、人が警報として認識することができる形であれば、種類を問わない。

例えば音は音声出力装置によって予め録音、合成等され、警報音としてスピーカから発生させられる。振動は例えば偏心した振動子を回転させることにより地震警報機本体の振動として発生させられ、光は電球やＬＥＤ等の発光体の発光として発生させられる。

更に請求項４に記載のように地震警報機に、地震検知器のセンサがONになったときに一部の負荷機器をONにし、他の一部の負荷機器をOFFにするコンセントを接続しておき、例えばリレーを利用し、地震検知器のセンサに連動させてコンセントを制御すれば、負荷機器を地震の到来に備えた状態で待機させることが可能になる。

地震の到来前に例えば非常用の照明器具の電源をONにする一方、暖房器具や調理器具の電源をOFFにすれば、昼夜を問わず、事前に安全確保の行動を取りながら、火災発生の原因を除去することが可能になる。

請求項１ではガイド棒と、センサと、重りと、ばねから地震検知器を構成し、予め設定された一定規模（加速度）以上の地震波のＰ波によってセンサが反応し得るように、重りの固有振動数、及び重りとセンサの相対的な位置を決定しておくことで、真に被害を引き起こすと予想される規模（加速度）のＳ波の到来を予測させる一定規模のＰ波に対してのみセンサを反応させ、一定規模に満たない規模のＰ波に対してはセンサを反応させないことができるため、一定規模以上のＰ波であるか否かの判断を経由することなく、Ｐ波による重りの振動のみによって一定規模以上のＳ波が到来するか否かを直ちに判断することができる。

またセンサを重りの端面から、重りが予め設定された一定規模以上のＰ波の加速度を受けて増大したときの振幅に相当する距離を隔てた位置に固定するため、重りの振幅が一定量を超えたときに直接的にセンサをONにすることができる。

請求項２ではセンサとして光センサを使用することで、重りの振幅が一定量を超えたときの電気信号を警報信号発生装置に伝達するのに適するため、重りの振幅が一定量を超えた時点から警報信号発生装置による警報信号を発生するまでの時間を短縮できる。

請求項３ではセンサがONの状態になったときに警報信号発生装置によって予め設定されている警報信号を音や振動、光その他の形で出力するため、Ｓ波の到達前に事前に安全を確保するための行動を促すことができる。

請求項４では地震警報機に、地震検知器のセンサがONになったときに一部の負荷機器をONにし、他の一部の負荷機器をOFFにするコンセントを接続しておき、地震検知器のセンサに連動させてコンセントを制御するため、負荷機器を地震の到来に備えた状態で待機させることができる。

請求項１に記載の発明は図１−(a)〜(c)に示すように構造物の内部や外部に直接、もしくは間接的に固定されるガイド棒２と、同じく構造物に直接、もしくは間接的に固定されるセンサ３と、ガイド棒２の回りにガイド棒２に沿って往復動自在に配置される重り４と、ガイド棒２の回りに配置され、一端がガイド棒２に接続され、他端が重り４に接続されるばね５から構成される地震検知器１である。地震検知器１は主に図３に示すように請求項３に記載の地震警報機７としてケース19に収納された状態で使用されるが、必ずしもその必要はない。

ガイド棒２はその一端に一体化しているベース2aにおいてケース19等に固定され、重り４はベース2aと、ガイド棒２の他端に一体化し、重り４の抜け出しを防止するためのストッパ2bとの間に配置され、ばね５は重り４とベース2aとの間に配置され、双方に接続される。

図面ではセンサ３を固定するためのブラケット６、６をストッパ2bに一体化させているが、ベース2aにブラケット６を固定することもある。ベース2aにはケース19等へのねじ2d等による固定のためのねじ孔2cが明けられ、ストッパ2bは例えばねじ2d等によってガイド棒２に接続される。

ブラケット６、６は図１−(a)に示すようにガイド棒２の回りで静止状態を維持する重り４を挟んで対向し、センサ３、３は(b)、(c)に示すように両センサ３、３を結ぶ一点鎖線で示す直線が平常時に重り４のみによって遮断され、重り４がＰ波に共振し、その振幅が一定値を超えて降下、もしくは上昇したときに直線が通ずる位置に固定される。

ガイド棒２は重り４の静止状態の保ち易さの面からは、基本的に軸を鉛直に向けた状態でケース19等に固定されることになるが、ばね５が重り４を支持した状態で重り４と釣合いを保ち、重り４の静止状態を維持することができれば、必ずしもガイド棒２の軸を鉛直に向ける必要はなく、水平に向けることもある。

重り４の振動はＰ波の振動の方向に卓越するものの、予めＰ波の振動の方向、すなわち鉛直方向であるか、水平２方向の内のいずれの方向であるかを特定することはできないため、確実にＰ波を検知するには３個の地震検知器１の各ガイド棒２を水平２方向と鉛直方向に向けて使用することが望ましい。

約８Ｈｚ前後の振動数ｆを持つＰ波に重り４を共振させる上では前記の通り、重り４の固有振動数ｆ_０は８Ｈｚ前後程度に設定されるが、振動数比ｆ／ｆ_０＜２^1/2の関係を満たしていれば重り４が共振可能であるため、この範囲内での誤差は許容される。重り４の固有振動数ｆ_０を例えば８Ｈｚに設定する場合、重り４の質量ｍとばね５のばね定数ｋはｆ_０＝１／２π（ｋ／ｍ）^1/2から任意に決定することができ、いずれか一方を決めれば他方が決定される。

センサ３は重り４の振幅が一定量を超えたときに直接、ONになることができるよう、ガイド棒２の軸を鉛直に向けた場合には重り４の上端面、もしくは下端面から、重り４がＰ波に共振しながら予め設定された一定規模以上のＰ波の加速度を受けて増大したときの振幅に相当する距離を隔てた位置に固定され、また重り４の振幅が一定量を超えた時点で、時間の損失なくセンサ３がONになるよう、センサ３には光センサ等の電気式センサが使用される（請求項２）。

重り４がＰ波の振動に共振するときの振幅Ａは前記の通り、ａ＝（２πｆ_０）^２・Ａとｆ_０＝１／２π（ｋ／ｍ）^1/2により、重り４の質量ｍとばね５のばね定数ｋから重りの固有振動数ｆ_０が決まれば決まり、振幅Ａから、共振によって増大したときの振幅が決められる。図２に示すように例えば質量ｍが50ｇ前後程度の重り４の振幅Ａが0.1ｍｍであるとすれば、その約20倍程度の２〜３ｍｍが重り４の上端面や下端面とセンサ３との間に確保される。

光センサの場合、センサ３は重り４の両側に配置される発光素子31と受光素子32とを有し、平常時には重り４の上端面や下端面から、重り４が共振し、増大したときの振幅に相当する距離を隔てた位置に固定されることで、重り４が発光素子31と受光素子32との間を遮断している。

請求項３に記載の発明は図３に示すように前記地震検知器１と、そのセンサ３がONになったときに予め設定してある警報信号を警報音や光、振動等の形でスピーカ8bや電球、ケース19等から発生する警報信号発生装置を構成要素とする地震警報機７である。図３は警報信号発生装置として警報音を発生する音声出力装置８を用いた場合であり、ケース19内に収納される地震警報機７の構成要素を示している。図３ではまた、音声を予め設定すべき警報音として録音するためのマイク20と録音スイッチ21をケース19に付属させている。

センサ３がONになったときの信号は音声出力装置８を構成する音声出力回路8aに伝達され、音声出力回路8aは予め録音されている音声や警告音等、大地震の到来を知らせる音をスピーカ8bから出力する。電源には整流する必要がない電池やバッテリーのような直流電源も使用できるが、地震警報機７が常時待機（ON）の状態を保てるよう、主に交流電源（商用電源）が使用される。

図４に示す電気回路図に従い、センサ３がONになったときから、警報音をスピーカ8bから発生するまでの動作を説明する。

平常時には商用電源AC100Vが変圧器９によってAC8Vに降圧され、更にブリッジ整流回路10により直流実効値化されてDC11Vが生成される。このDC11Vにより３端子レギュレータ素子11を駆動させ、回路電源DC＋6Vを発生させる。回路電源DC＋6Vは電流制限抵抗12（510Ω）を介してセンサ３の赤外線感応素子13に供給され、これにより「Ｔ」側（送信側）の発光素子31が送信待機状態に置かれる。

重り４がＰ波に共振し、振幅が一定量を超えて「Ｔ」側の発光素子31と「Ｒ」側（受信側）の受光素子32との間の遮光が開放されたとき、「Ｔ」側の発光素子31から赤外線送信光が「Ｒ」側の受光素子32に伝達され、「Ｒ」側の受光素子32が反応してセンサ３がONになり、「Ｒ」側回路14が電流を出力する。

「Ｒ」側回路14からの出力電流はベース電流制限抵抗15（１ｋΩ）を介してトランジスタ16のベース端子に送られる。トランジスタ16は２段にダーリントン接続されることにより電流増幅率を上げ、動作時の出力電流を増大させる形になっている。ダーリントン接続されたトランジスタ16のコレクタ端子には負荷機器となるリレー素子17（R1、R2）のコイルが接続される。

ここでトランジスタ16のベース端子の電流変化に伴い、コレクタ端子からエミッタ端子へ電流が流れる原理を利用すれば、赤外線感応素子13の受信「Ｒ」側回路14の反応出力により負荷機器のリレー素子17を作動させる回路が実現される。

負荷機器のリレー素子17内でのａ接点とｂ接点等、接点の組み合わせにより振動の発生時（重り４の共振時）に一部の負荷機器をONにし、他の一部の負荷機器をOFFにするAC100Vサービスコンセント18（ON Outlet、OFF Outlet）が制御される。例えば地震の到来に備え、暖房器具や調理器具の電源をOFFにし、照明器具の電源をONにする等である。

一方、負荷機器のリレー素子17から音声出力回路8aに再生制御信号が与えられることにより、再生スイッチ22がONになり、音声出力回路8aのSP＋端子から予め録音されている音声信号が出力される。この音声信号は信号増幅回路8cを経て可聴音としてスピーカ8bから発せられる。

(a)は地震検知器の構成例を示した立面図、(b)は(a)の側面図、(c)は(a)の平面図である。 Ｐ波による地盤の振幅と、重りとセンサの位置との関係を示した立面図である。 ケースを含めた地震警報機の構成例を示した斜視図である。 センサがONになったときから、スピーカから警報音を発生するまでの動作例を示した回路図である。

符号の説明

１……地震検知器、２……ガイド棒、2a……ベース、2b……ストッパ、2c……ねじ孔、2d……ねじ、
３……センサ、31……発光素子、32……受光素子、
４……重り、５……ばね、６……ブラケット、
７……地震警報機、８……音声出力装置、8a……音声出力回路、8b……スピーカ、8c……信号増幅回路、
９……変圧器、10……ブリッジ整流回路、11……３端子レギュレータ素子、12……電流制限抵抗、13……赤外線感応素子、14……「Ｒ」側回路、15……ベース電流制限抵抗、16……トランジスタ、17……リレー素子、18……AC100Vサービスコンセント、
19……ケース、20……マイク、21……録音スイッチ、22……再生スイッチ

Claims (4)

1. 構造物に直接、もしくは間接的に固定されるガイド棒と、同じく構造物に直接、もしくは間接的に固定されるセンサと、前記ガイド棒の回りにガイド棒に沿って往復動自在に配置される重りと、ガイド棒の回りに配置され、一端がガイド棒に接続され、他端が前記重りに接続されるばねからなり、前記重りの固有振動数は重りが地震波のＰ波に共振し得るように決定され、前記センサは重りの端面から、重りが前記Ｐ波に共振しながら予め設定された一定規模以上のＰ波の加速度を受けて増大したときの振幅に相当する距離を隔てた位置に固定されており、平常時及び前記一定規模に満たないＰ波の到達時に重りがセンサをOFFの状態に保ち、前記一定規模以上のＰ波の到達時にＰ波の加速度を受けて重りが振幅を増大させ、この重りの振幅が一定量を超えたときに前記センサがONになる地震検知器。
2. センサは重りの両側に配置される発光素子と受光素子とを有し、平常時及び一定規模に満たないＰ波の到達時に重りが発光素子と受光素子との間を遮断している請求項１記載の地震検知器。
3. 請求項１、もしくは請求項２記載の地震検知器と、地震検知器のセンサがONになったときに予め設定してある警報信号を発生する警報信号発生装置からなる地震警報機。
4. 地震検知器のセンサがONになったときに一部の負荷機器をONにし、他の一部の負荷機器をOFFにするコンセントを有する請求項３記載の地震警報機。
   

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