JP2007205738A - 振り子型地震センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 地震波を高精度、高感度で検出できる薄型で小型の地震センサを提供する。
【解決手段】 少なくとも、筐体内に固有振動数の異なるｎ個の振り子体が設置され、地震波により発生する前記ｎ個の振り子体のそれぞれの回転位置あるいは角度を、前記ｎ個の振り子体と前記ｎ個の振り子体に対応した前記筐体内の位置に設置されたｎ個の検出手段を備え、前記地震波により発生する前記ｎ個の振り子体のそれぞれの回転位置あるいは角度を、前記ｎ個の振り子体と前記ｎ個の振り子体に対応した前記筐体内の位置に設置されたｎ個の検出手段によって検出する振り子型地震センサであって、前記ｎ個の振り子体の固有振動数が０．５Ｈｚから１２Ｈｚに設定され、１≦ｍ＜ｎとしたｍ番目の前記振り子体の固有振動数をｆｏｍとし、ｍ＋１番目の前記振り子体の固有振動数をｆｏｍ＋１とすると、ｆｏｍ＜ｆｏｍ＋１で、且つ、該ｆｏｍ＋１と該ｆｏｍとの差が１Ｈｚ以上である振り子型地震センサとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地震で発生する低周波振動（地震波）を高感度で高精度に検出できる小型軽量な振り子型地震センサに関し、特に前記地震波の主な周波数成分である０．５Ｈｚ〜１２Ｈｚ範囲の超低周波振動を高感度、高精度で検出できる小型軽量な振り子型地震センサに関する。

一般に、地震で発生する地震波の周波数成分は０．数Ｈｚから十数Ｈｚ範囲の非常に低い周波数であることが知られている。
また、近年、国内外を含め多くの大地震が発生し、多くの死傷者や大規模な災害が起きている。従って地震防災意識が近年に無いほど高まり、前記地震波の情報をキャッチし、必要な地震情報や防災情報を速やかに得られる、高精度で実用性の高い地震検知システムが求められている。これらの地震検知システムには、小型軽量で高感度、高精度かつ実用性の高い振動センサが必要である。

一方、振り子体を用いたセンサは、筐体内に設置された錘体の質量分布による慣性モーメントや、前記錘体の重心位置と振り子体の回転軸の中心との距離をＬとすると、前記慣性モーメントや前記Ｌを適宜選定することで、前記振り子体の固有振動数ｆｏを任意に設定することができる。

そこで、前記振り子体を用いたセンサの固有振動数ｆｏを、前記地震波で発生する０．数Ｈｚから十数Ｈｚ範囲に適宜設定したものを複数個設置し、前記地震波を検知することにより、地震波の主な震動周波数や加速度あるいは変位量などが、高感度、高精度かつ実用性の高く検知できる振り子型振動センサとなりうる可能性がある。

固有振動数ｆｏの異なる複数個の振動センサを地震センサとして用いたものは、特許文献１に開示されている。

前記特許文献１で開示された地震波を検知する振動センサは、バネ力を有する片持ち梁の一端が支持部に支持され、前記片持ち梁の一方の先端に錘体が設けられ、片持ち梁の支持部近傍に歪みゲージがＸ軸及びＹ軸測定用に２個設置された構造である。従って、基本動作は錘体と片持ち梁のバネ力を応用した振動センサであり、その固有振動数ｆｏは、前記錘体の質量や慣性モーメント及び片持ち梁のバネ力や長さ等のパラメータによって決定される量である。これらのパラメータを適宜設定し、地震波を感度良く測定できる固有振動数ｆｏを有する前記複数個の振動センサを用い、前記地震波の加速度や周波数分析データなど迅速に検知しようとするものである。
特開平９−２６３５３号公報（請求項１、図１及び２）

しかしながら、前記特許文献１の振動センサでは以下の問題点及び課題を有している。
前記振動センサは、片持ち梁のバネ力の復元力を用いた振動センサであり、前記片持ち梁は通常、金属材料等によるバネ力（材料のヤング率に依存する。）を用いるが、前記金属材料等のバネ力を高精度に安定させるのは難しく、従って、前記振動センサの固有振動数ｆｏを高精度に設計及び製作することが困難である。

更に、重量物である前記錘体を先端に設置された片持ち梁全体を、一方の端のみで支持しているが、この支持強度によって、振動センサの固有振動数ｆｏを含む周波数特性が大きく変化する。前記支持は理想的には剛体支持であるが、実現は非常に困難であり、片持ち梁振動センサの高精度化を更に妨げている。

また、地震波の主な周波数成分は０．５Ｈｚから１２Ｈｚの範囲であり、その基本波の周波数は５Ｈｚ以下の超低周波であると一般的に言われている。従って、前記超低周波を感度良く測定すべく、前記振動センサの固有振動数ｆｏを前記超低周波内に設定するためには、前記片持ち梁の長さを非常に大きくする必要があり、更に前記振動センサを複数個並べるため、センサ部全体が非常に大きくなってしまい、小型軽量化が困難であり、一般的な民生機レベルでの応用がほとんど不可能である。

更に、前記振動センサでは、片持ち梁振動センサの２次元振動の特徴を生かし、一つの前記片持ち梁の支持近傍にＸ軸及びＹ軸方向の地震波測定用に２個の歪みゲージを取り付け、Ｘ及びＹ軸の地震波を同時に測定しているが、震度７レベル（４００ｇａｌ以上）までの大地震波を測定するためには、前記片持ち梁の先端に設置された錘体が、Ｘ−Ｙ平面上で前記大地震波を測定出来るために、十分に広い範囲で動けることが必須であり、特に隣接する振動センサの錘体と接触しないように、より大きな設置場所を確保する必要があり、前記片持ち梁が長大化する課題と共に、より小型軽量化を妨げているという課題がある。

また、前記特許文献１の振動センサを用いた地震センサでは、地震波を精度良く迅速に測定するための、前記複数の振動センサの固有振動数ｆｏに関して具体的に明示されていない。

更に前記片持ち梁の支持部分近傍に設置された、地震波検出用の歪みセンサの感度は、同一地震波が加えられた時の、片持ち梁の変形量、例えば前記片持ち梁を棒状とすれば変形時の曲率に依存するので、前記感度を上げるためには片持ち梁の直径を細くしなければならないが、前記直径を細化させると同時に前記振動センサの固有振動数ｆｏも同時に低下してしまう。従って、前記振動センサの固有振動数ｆｏを一定にして、前記歪みセンサを高感度にすることが難しい。特に地震波のように震度１レベル（０．８ｇａｌ〜２．５ｇａｌ）から震度７レベル（４００ｇａｌ以上）までのダイナミックレンジの広い振動を検知するには、前記歪みセンサの高感度化は大きな課題である。

上記課題を解決すべく、本発明の振り子型地震センサは、少なくとも、筐体内に固有振動数の異なるｎ個の振り子体が設置され、地震波により発生する前記ｎ個の振り子体のそれぞれの回転位置あるいは角度を、前記ｎ個の振り子体と前記ｎ個の振り子体に対応した前記筐体内の位置に設置されたｎ個の検出手段を備え、前記地震波により発生する前記ｎ個の振り子体のそれぞれの回転位置あるいは角度を、前記ｎ個の振り子体と前記ｎ個の振り子体に対応した前記筐体内の位置に設置されたｎ個の検出手段によって検出する振り子型地震センサであって、
前記ｎ個の振り子体の固有振動数が０．５Ｈｚから１２Ｈｚに設定され、
１≦ｍ＜ｎとしたｍ番目の前記振り子体の固有振動数をｆｏｍとし、ｍ＋１番目の前記振り子体の固有振動数をｆｏｍ＋１とすると、
ｆｏｍ＜ｆｏｍ＋１で、且つ、該ｆｏｍ＋１と該ｆｏｍとの差が１Ｈｚ以上である構成としている。

また、本発明の振り子型地震センサは、前記ｎ個の振り子体が、平板状で、且つ、円形状、多角形状、楕円形状あるいはこれに近似した形状である構成としている。

また、本発明の振り子型地震センサは、前記ｎ個の振り子体が、各々個別の筐体内に設置されている構成としている。

また、本発明の振り子型地震センサは、前記ｎ個の検出手段が、前記ｎ個の振り子体の各々に設けた磁束発生手段と、該磁束の変化を検出する磁気センサである構成としている。

また、本発明の振り子型地震センサは、前記ｎ個の磁束発生手段が前記振り子体の全部あるいは一部が永久磁石であり、前記磁気センサは少なくとも一つ以上のホール素子である構成としている。

本発明の振り子型地震センサによれば、少なくとも、筐体内に固有振動数の異なるｎ個の振り子体が設置され、地震波により発生する前記ｎ個の振り子体のそれぞれの回転位置あるいは角度を、前記ｎ個の振り子体と前記ｎ個の振り子体に対応した前記筐体内の位置に設置されたｎ個の検出手段を備え、前記地震波により発生する前記ｎ個の振り子体のそれぞれの回転位置あるいは角度を、前記ｎ個の振り子体と前記ｎ個の振り子体に対応した前記筐体内の位置に設置されたｎ個の検出手段によって検出する振り子型地震センサであって、
前記ｎ個の振り子体の固有振動数が０．５Ｈｚから１２Ｈｚに設定され、
１≦ｍ＜ｎとしたｍ番目の前記振り子体の固有振動数をｆｏｍとし、ｍ＋１番目の前記振り子体の固有振動数をｆｏｍ＋１とすると、
ｆｏｍ＜ｆｏｍ＋１で、且つ、該ｆｏｍ＋１と該ｆｏｍとの差が１Ｈｚ以上とすることにより、
前記振り子の固有振動数ｆｏは、前記振り子の回転軸の中心と錘体の重心位置との距離Ｌや前記錘体の質量分布による慣性モーメント及び重力加速度ｇなどによって一義的に決まり、前記回転軸での摩擦によるエネルギー損失を最小限に抑えることのみで、前記固有振動数ｆｏを非常に高精度で設計及び製作することができ、高精度の振り子型地震センサを実現できる。

更に、前記振り子体の固有振動数ｆｏは地震波の主な周波数成分である０．５Ｈｚから１２Ｈｚの任意の周波数に設定し、前記振り子体の全長を小型化することで、前記振り子を支持する筐体を小型することが可能になり、複数個の前記筐体を設置しても振り子型地震センサ全体を、従来例に比較し非常に小型化することが出来る。特に振り子型では、前記固有振動数ｆｏは原理的に振り子体の厚さに依存しない設計が可能であり、前記振り子体の厚さを可能な限り薄くすることが出来るために、前記筐体の厚さも製作上可能なレベルまで薄型化が可能で、振り子型地震センサの薄型、小型化に大きく寄与できる。

また、前記振り子体による固有振動数ｆｏの共振の鋭さＱ（quality factor）は、バネ力などを用いた振動系などに比較し非常に鋭く、前記ｆｏｍ＜ｆｏｍ＋１で、該ｆｏｍ＋１と該ｆｏｍとの差が１Ｈｚ以上である構成とすることが可能であり、地震波の測定に必要な前記ｎ個の固有振動数ｆｏが異なる振り子体を用いて、前記地震波の主周波数成分である０．５Ｈｚ〜１２Ｈｚを、高感度で迅速に測定し、詳細な地震波の振動状態が得られる振り子型地震センサを実現することが可能である。

また、本発明による振り子型地震センサでは、振り子体の共振を用い地震波の検出を行うため、前記ｎ個の振り子体の中で、前記地震波の主振動波に最も近い固有振動数ｆｏを持つ振り子体により、震度１〜２レベルの微弱な振動を高感度に検出可能であり、また、震度６〜７レベルの大振動では、前記地震波の主振動波に最も近い固有振動数ｆｏを持つ振り子体は振り切れてしまうが、前記振動波から適宜に離れた固有振動数ｆｏを持ち、前記主振動の感度が適宜に下がった振り子体を用いることにより、前記大振動の地震を高精度で測定出来る上、更に、震度３〜５レベルの中程度の振動では、前記ｎ個の振り子体から得られる各々の検出データにより、前記地震波を高精度に測定可能であり、従って、前記地震波全体を高精度で検出でき、感度の高い振り子型地震センサを提供出来る。

更に、前記ｎ個の振り子体が、平板状で、且つ、円形状、多角形状、楕円形状あるいはこれに近似した形状とすることにより、前記振り子体の慣性モーメントが、質量に対する前記慣性モーメントの効率が、最大（真円の場合）或いは前記最大にほぼ近い値が得られるため、同一の前記固有振動数ｆｏを設定した場合、前記振り子体の全長を最短化することが可能となり、振り子型地震センサの小型化に大きく寄与することが出来る。

更に、前記ｎ個の振り子体が、各々個別の筐体内に設置することで、前記ｎ個の振り子体を同一筐体に設置するための機構的な複雑化による、振り子型センサ全体の大型化を防ぐ事のみならず、ｎ個の振り子体の組み立て及び調整が高精度で行う事が可能であり、また、前記したように本発明による振り子体では、厚みは製作可能なレベルまで薄くすることが可能であり、従って前記筐体も薄型化が出来るため、高精度で小型化された振り子型地震センサを提供する事が出来る。

更に、前記ｎ個の検出手段が、前記ｎ個の振り子体の各々に設けた磁束発生手段と、該磁束の変化を検出する磁気センサとすることにより、原理的に前記振り子体と前記磁気センサの距離を可能な限り近接することが可能であり、前記検出手段を含む振り子体の小型化に寄与し、従って、振り子型地震センサ全体を小型化することが可能となる。

更に、前記ｎ個の磁束発生手段は、前記振り子体の全部あるいは一部が永久磁石であり、前記磁気センサは少なくとも一つ以上のホール素子とすることにより、前記振り子体内に電磁石などの機構が不要となり、また前記ホール素子は薄膜によるデバイス化が可能で、小型化が非常に容易であり、前記検出手段を含む振り子体の小型化に寄与し、従って、振り子型地震センサ全体を小型化することが可能となる。

図１は本発明に係る振り子型地震センサの一例の概略斜視図を示している。図１に於いて、図の煩雑化を防ぐため、前面の筐体及び振り子体のみ内部構造を示している。又、図１のＡ部拡大図は、前記振り子型地震センサの中心部の拡大概略図である。
また、図２は図１における概略断面図を示し、図３の（ａ）は図１及び２における一つの筐体と振り子体の概略正面断面図で、図３の（ｂ）は概略側面図である。

図１及び図２において、本発明に係る実施例の振り子型地震センサ１は、６（ｎ＝６）個のそれぞれの筐体２内に、６個のそれぞれ固有振動数ｆｏの異なる振り子体３が設置され、前記振り子体３は、半径ｒ５１を有する厚さの均一な円板形状を有し、更に、前記６個の筐体２はそれぞれ隣接して設置され、筐体２全体が基板５２上に固定されている。

更に、前記６個の振り子体３には、地震波で振動したそれぞれの振り子体３の回転位置あるいは角度θ４の検出手段５（例ば、永久磁石５ａ、ホール素子５ｂ）が設置されている。更に、前記ホール素子５ｂへの電源供給は電源電極５３から、地震波による地震信号は出力電極５４から出力されている。

ここで、前記振り子体３の筐体２への支持方法を、図１のＡ部拡大図を用いて説明する。前記振り子体３は前記振り子体３の回転中心５５に設置された回転軸５６により狭持され、前記回転中心５５は前記振り子体３の重心位置５７からの距離Ｌ５８の位置に設置されており、前記距離Ｌ５８が前記振り子体３の半径ｒ５１より短く設定されている。更に、重心位置５７は前記したように振り子体３が厚さの均一な円板形状であるので、前記円板形状の中心位置と一致する位置であり、即ち、前記振り子体３の直径の中心である。従って、前記振り子体３の全長は、振り子動作を考慮すると、前記振り子体３の半径ｒ４×２倍（円板形状の直径）に前記振り子体３の回転中心５５と重心位置５７との距離Ｌ５８を加えた長さに等しいと言える。

前記振り子体３の固有振動数ｆｏを、図１の手前から、又は図２の左側より、低周波数側から、ｆｏ１＝１．０１Ｈｚ、ｆｏ２＝３．０３Ｈｚ、ｆｏ３＝５．０２Ｈｚ、ｆｏ４＝７．００Ｈｚ、ｆｏ５＝９．０１Ｈｚ及びｆｏ６＝１０．９９Ｈｚに設定した場合、前記した振り子体３の全長を、全ての固有振動数ｆｏの振り子体３において、前記振り子体３の全長を最大でも１５ｍｍ以下に出来るので、前記振り子型地震センサ１全体を、非常に小型化が出来る。従って、前記６個の筐体２を含み振り子型地震センサ１の全体は、２０ｍｍ×２０ｍｍ×２５ｍｍの体積に入るほど、極めて小型化することができる。特に前記ｆｏ１＝１．０１Ｈｚの超低周波の固有振動数ｆｏを有する振り子体３であっても、全長は僅か約１４ｍｍ程度で、前記振り子体３を含む筐体２の幅や高さも１６ｍｍ×１６ｍｍ以内と、従来に無いほど極めて小型化されている。

更に、図３（ａ）及び（ｂ）を用いて、振り子型地震センサ１に用いた、振り子体３の固有振動ｆｏと前記振り子体３の全長及び前記磁気センサ５ｂから出力との関係について詳しく説明する。

図３（ａ）及び（ｂ）に示す振り子体３は前記固有振動数ｆｏ２＝３．０３Ｈｚの実施の例である。前記したように、本発明に係る振り子型地震センサ１の振り子体３では、前記半径ｒ５１が前記回転中心５５と重心位置５７との距離Ｌ５８と比較して大きく、前記円板形状である振り子体３内に回転中心があることである。従って、一般の振り子のように、紐状や棒状の先端に錘体を有する構造とは大きく異なっており、図３（ａ）及び（ｂ）で示すように、振り子体３の一部品に回転軸５５のみが付加された、非常に単純な構造となる。

従って、前記した振り子体３では、振り子体３が前記錘体そのものであり、円板形状であるので前記錘体としての慣性モーメントが最大になり、振り子体３の全長を大きくすることなく、固有振動数ｆｏを低減化する事に極めて有効である。

一般に、図３（ａ）及び（ｂ）に示す厚さの均一な円板形状の振り子体３の固有振動数ｆｏは、下記に示す式で与えられる。
ｆ_０＝１／｛（２π×√｛（Ｌ^２＋ｒ^２／２）／（ｇ×Ｌ）｝ … （１）
ここで、πは円周率、Ｌは前記回転中心５５と重心位置５７との距離Ｌ５８であり、ｒは前記振り子体３の半径ｒ５１で、ｇは重力加速度（≒９．８ｍ／ｓｅｃ^２）である。（１）式から、前記した振り子体３の全長を大きくすることなく、固有振動数ｆｏを効果的に低減化するには、前記振り子体３の半径ｒ５１を前記回転中心５５と重心位置５７との距離Ｌ５８の長よりも大きく取ることで、達成出来ることが解る。

ここで、前記（１）式を用いて、地震波の主な周波数成分である０．５Ｈｚから１２Ｈｚまでの範囲で、前記振り子体３の半径ｒ５１と前記回転中心５５と重心位置５７との距離Ｌ５８を最適化した組み合わせの中で、前記振り子体３の全長、即ち、円板状である振り子体３の全長（＝２×ｒ＋Ｌ）が最短に近い計算結果の例を、図４の表に示す。前記図４の表の左側の１列目は振り子体３の目標固有振動数ｆｏ’、２列目は振り子体３の前記半径ｒ５１、３列目は振り子体３の円板直径２×ｒ、４列目は振り子体３の回転軸中心５５と重心位置５７との距離Ｌ５８、５列目は前記半径ｒ５１と振り子体３の回転軸中心と重心位置５７との距離Ｌを組み合わせて、前記目標固有振動数ｆｏ’にほぼ一致する理論設計上の固有振動数ｆｏ出した結果をそれぞれ示している。ここで目標固有振動数ｆｏは、低周波側より、０．５Ｈｚ、１Ｈｚ以上はそれぞれ１Ｈｚステップで１２Ｈｚまでの１３の目標固有振動数ｆｏ’とした。

図４の表から明らかなように、前記目標固有振動数ｆｏ’が０．５Ｈｚ〜１２Ｈｚの全ての範囲で、前記振り子体３の全長（＝２×ｒ＋Ｌ）を非常に小型化することが可能となり、特に１Ｈｚ〜１２Ｈｚの範囲では、前記全長が１５ｍｍ以下になっており、本発明の実施例で示した振り子型地震センサ１全体を、非常に小型化することが出来る。

更に前記（１）式で注目すべき点は、前記振り子体３の質量に無関係なことで、即ち、厚さが均一な円板状の場合では、原理的に振り子体３の厚さを可能な限り薄くすることが可能であり、前記振り子型地震センサ１では、前記６個の固有振動数ｆｏが異なる振り子体３を含むすべての筐体２の厚さを３ｍｍ以下することが可能であり、前記６筐体を隣接して設置すると、前記６個の筐体の厚さを１８ｍｍ程度の極めて小さいなサイズで形成できる。

更に、（１）式から明らかなように、前記６個の振り子体３の固有振動数ｆｏは、原理的に前記重力加速度ｇのみに依存する量であり、実際には前記回転軸５６での支持部材との摩擦抵抗を軽減することのみで、従来例に比較し、極めて高精度な前記固有振動数ｆｏを設定することが可能である。又、本発明に係る前記振り子型地震センサ１では、前記振り子体３の慣性モーメントを最大限に有効利用する方式のため、前記中心軸５６と支持部材との摩擦抵抗の影響を受けにくい構成であり、より前記固有振動数ｆｏの高精度化に寄与することが可能となり、ｎ個の任意な、非常に高精度な前記固有振動ｆｏを有する振り子型地震センサ１を容易に作ることが可能となる。

また、図５に図３で示した固有振動数ｆｏ２＝３．０３Ｈｚの振動周波数に対するセンサ出力Ｉの出力特性を示す。横軸は振動周波数ｆ（Ｈｚ）で、縦軸は前記ホール素子５ｂのセンサ出力Ｉ（任意単位）を示す。

図５の前記センサ出力Ｉの特性は、振動周波数に対して非常に急峻なピーク特性を示し、前記した固有振動数ｆｏ３＝３．０３Ｈｚを有する振り子体のセンサ出力Ｉの共振の鋭さＱは非常に鋭く、前記ピーク特性の半値幅（ピーク時のセンサ出力Ｉの１／２における周波数幅）が約０，７Ｈｚであって、１Ｈｚ以下である。更に本実施例に用いた６個の全ての前記振り子体３の出力特性も、ほぼ同等の特性を示し、前記Ｑも非常に鋭く、前記半値幅も全て１Ｈｚ以下であるため、前記したように、前記ｆｏｍ＜ｆｏｍ＋１の固有振動数ｆｏが最小で１Ｈｚ設定しても、前記センサ出力信号の分離が可能であり、地震波の測定に必要な前記ｎ個の固有振動数ｆｏなる振り子体を用いて、前記地震波の主周波数成分である０．５Ｈｚ〜１２Ｈｚの、高感度で迅速に、詳細な地震波の振動状態が得られる振り子型地震センサ１が可能である。

更に図６に、本発明の実施例の前記ｎ＝６の振り子体３を有する、前記振り子型地震センサ１の６個のすべての磁気センサ５ｂのセンサ出力Ｉの出力特性を示す。横軸は振動周波数ｆ（Ｈｚ）で、縦軸は前記ホール素子を用いた磁気センサ５ｂのセンサ出力Ｉ（任意単位）である。前記図５で述べたように、前記各センサ出力Ｉの特性は、それぞれ非常に急峻なピーク特性で、前記Ｑ値も高く、非常に良好なスペクトル特性が得られている。

従って、本実施例の振り子型地震センサ１を用いれば、非常に高精度に設計された固有振動数ｆｏを有し、前記した良好なスペクトル特性を有するために、前記ｎ個の振り子体の中で、前記地震波の主振動波に最も近い固有振動数ｆｏを持つ振り子体３により、震度１〜２レベルの微弱な振動を高感度に検出可能であり、また、震度６〜７レベルの大振動では、前記地震波の主振動波に最も近い固有振動数ｆｏを持つ振り子体３は振り切れてしまうが、前記振動波から適宜に離れた固有振動数ｆｏを持ち、更に前記主振動の感度が適宜に下がった振り子体３を用いることにより、前記大振動の地震を高精度で測定出来る上、更に、震度３〜５レベルの中程度の振動では、前記ｎ個の振り子体３から得られる各々のセンサ出力Ｉを用い、前記地震波を高精度に測定可能であり、従って、前記地震波全体を高精度で検出が感度高く、非常に小型化が達成された、振り子型地震センサ１が実現される。

本実施例ではｎ＝６としたが要求される振り子型地震センサ１の特性や性能に合わせ、最大でｎ＝１２まで拡張することが可能であり、より高精度な前記振り子型地震センサ１が可能である。更に、振り子体３の出力特性は非常に良好なため、ｎ＝２或いは３であっても、十分に実用化が可能で、高精度で非常に小型の前記振り子型地震センサ１が可能である

更に、図７には図１と同じ構造を有し、前記振り子体３の固有振動数ｆｏ＝３．０３Ｈｚで、その形状のみが平板状で正八角形６の本発明に係る実施例を示す。ここで前記正八角形６の振り子体３は、回転中心５５の位置に回転軸５６によって、筐体２に支持され、前記正八角形６の重心位置５７が、前記回転中心５５から距離Ｌ＝０．５４ｍｍに設置されている。また点線で図示した円形状５９は、前記正八角形６である振り子体３と全く同じ慣性モーメントを有する等価の円板状の振り子体３であり、その半径ｒｅ６０＝４ｍｍに設定している。また、前記検出手段５は、２個の永久磁石５ａを磁気発生手段７として、ホール素子５ｂを前記磁束の変化を検出する磁気センサ８を設置した。

図７で図示したように、前記正八角形の等価の円板状の振り子体３の半径ｒｅ６０は、前記振り子体３の慣性モーメントが、質量に対する慣性モーメントの効率が、最大（真円の場合）或いは前記最大にほぼ近い値が得られるため、同一の前記固有振動数ｆｏに設定しても、前記振り子体の全長を最短化することがほぼ可能となり、振り子型地震センサ１の小型化に大きく寄与することが出来る。従って、円形状のみならず、円形状に近い多角形または楕円体またはそれに近似した形状であるならば、上記と同等の効果が得られること明らかである。

更に、図１及び図２で示した、本発明に係る振り子型地震センサ１は、６個の振り子体３が、６個の筐体２に別個に設置されている。前記６個の振り子体３を、同一の筐体２に設置することは、原理的に全く問題ないが、機構的には非常に複雑になるため、大型化し、小型化には不向きである。本発明の係る実施例の振り子型地震センサ１のように、ｎ個の個別の筐体２を個別に組み上げることで、ｎ個の筐体２と振り子体３の組み立て及び調整が高精度で行うことができ、更に、本発明による振り子体３では、厚み方向を製作可能なレベルまで、薄くすることが可能であり、従って、前記筐体２も前記したように３ｍｍ程度になり、前記６個の筐体２の全厚さは１８ｍｍと、非常に薄型化が出来るため、高精度で小型化された前記振り子型地震センサ１を提供出来る。

また、図７で示したように、本発明に係る振り子型地震センサ１では、前記回転位置あるいは角度θ４の検出手段５として、前記振り子体３内に、永久磁石５ａを磁気発生手段７として、筐体２内に、ホール素子５ｂを前記磁束の変化を検出する磁気センサ８として、それぞれに設置した。本構成にすることで、原理的に前記振り子体３と筐体２内に設置された前記磁気センサ８との距離を可能な限り近接することが可能となり、前記検出手段５を含む振り子体３の小型化に寄与し、結果として前記振り子型地震センサ１の小型化が化可能である。

また、前記図７の実施例では、２個の永久磁石５ａを磁気発生手段７として用い、前記振り子体３が多角形や楕円形状あるいはそれらに近似した形状である場合や、または前記回転位置あるいは角度θ４の左右の動きを、センサ出力Ｉの特性に反映させたい場合や、または前記磁気センサ８の磁気感度の向上などのために、前記振り子体３内に複数個の磁気発生手段７を設けることは非常に有効である。

更に、本実施例で用いた、前記永久磁石５ａはネオジウム磁石で、直径１．２ｍｍで厚さ０．８ｍｍであり、前記ホール素子５ｂは厚さ１ｍｍで３ｍｍ×３ｍｍと非常に小型である。前記永久磁石は５ａは電磁石などの複雑な機構が不要であり、磁性材料を適宜選択することで、小型で高効率な磁気発生手段７が可能であり、また前記ホール素子５ｂは
インジウム・アンチモンやインジウム・ヒ素などの薄膜による超小型デバイス化が可能であり、前記検出手段５を含む振り子体３と筐体２の小型化に大きく寄与し、従って、前記振り子型地震センサ１全体の小型化がより促進される。

上記説明した本発明の実施例で、前記振り子体３の回転位置あるいは角度θ４の検出する手段としては、磁気発生手段７と磁気センサ８としたが、光学素子と光学センサを用いた手法や静電容量で検出する手段または磁気エンコーダを用い手法なども適用出来ることは明らかである。

以上、説明したように本発明によれば、地震波の主な周波数成分である０．５Ｈｚから１２Ｈｚ範囲の振動スペクトル成分を、非常に高感度で高精度に測定が可能であり、従来にないほどの超小型が実現できる、極めて実用性の高い振り子型地震センサを供給することができ、その工業的価値は非常に高い。

本発明の振り子型地震センサの原理は、基本的に振り子であり、地震センサのみならず、高感度でスペクト分析まで可能な、超高精度な振動センサや加速度センサなどへの幅広い応用が可能であることは明らかである。

本発明に係る振り子型地震センサの概略斜視図である。 第一図における概略側面図である。 （ａ）本発明に係る振り子型地震センサの筐体と振り子体の一例を示す 概略正面図、（ｂ）図３（ａ）における概略断面図である。 振り子体の半径ｒと回転中心と重心位置都の距離Ｌとをパラメータとし て、振り子体の固有振動数ｆｏを求めた表である。 本発明に係る振り子型地震センサの固有振動数ｆｏが３．０３Ｈｚに設 定された振動周波数ｆに対するセンサ出力Ｉの特性を示すグラフである。 本発明に係る振り子型地震センサの６つのセンサ出力Ｉのスペクトル特 性を示すグラフである。 本発明に係る振り子型地震センサの振り子体が正八角形の形状である例 の概略正面図である。

符号の説明

１ 振り子型地震センサ
２ 筐体
３ 振り子体
４ 回転位置あるいは角度θ
５ 検出手段
５ａ 永久磁石
５ｂ ホール素子
６ 正八角形形状の振り子体
７ 磁束発生手段
８ 磁気センサ
５１ 振り子体の半径 ｒ
５２ 基板
５３ 電源電極
５４ 出力電極
５５ 回転中心
５６ 回転軸
５７ 重心位置
５８ 振り子体の回転中心と重心位置都の距離Ｌ
５９ 正八角形形状の振り子体と同じ慣性モーメントを持つ円板状振り子体の円形状
６０ 正八角形形状の振り子体と同じ慣性モーメントを持つ円板状振り子体の円形状の
半径ｒｅ

Claims (5)

1. 少なくとも、筐体内に固有振動数の異なるｎ個の振り子体が設置され、地震波により発生する前記ｎ個の振り子体のそれぞれの回転位置あるいは角度を、前記ｎ個の振り子体と前記ｎ個の振り子体に対応した前記筐体内の位置に設置されたｎ個の検出手段を備え、前記地震波により発生する前記ｎ個の振り子体のそれぞれの回転位置あるいは角度を、前記ｎ個の振り子体と前記ｎ個の振り子体に対応した前記筐体内の位置に設置されたｎ個の検出手段によって検出する振り子型地震センサであって、
   前記ｎ個の振り子体の固有振動数が０．５Ｈｚから１２Ｈｚに設定され、
   １≦ｍ＜ｎとしたｍ番目の前記振り子体の固有振動数をｆｏｍとし、ｍ＋１番目の前記振り子体の固有振動数をｆｏｍ＋１とすると、
   ｆｏｍ＜ｆｏｍ＋１で、且つ、該ｆｏｍ＋１と該ｆｏｍとの差が１Ｈｚ以上であることを特徴とする振り子型地震センサ。
2. 前記ｎ個の振り子体が、平板状で、且つ、円形状、多角形状、楕円形状あるいはこれに近似した形状であることを特徴とする請求項１記載の振り子型地震センサ。
3. 前記ｎ個の振り子体が、各々個別の筐体内に設置されていることを特徴とする請求項１または２記載の振り子型地震センサ。
4. 前記ｎ個の検出手段が、前記ｎ個の振り子体の各々に設けた磁束発生手段と、前記磁束の変化を検出する磁気センサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振り子型地震センサ。
5. 前記ｎ個の磁束発生手段が、前記振り子体の全部あるいは一部が永久磁石であり、前記磁気センサは少なくとも一つ以上のホール素子であることを特徴とする請求項４記載の振り子型地震センサ。

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