JP2009216493A - 地震計 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力量を低減した地震計を提供する。
【解決手段】本発明の実施の形態の地震計は、光を発光する発光手段２と、発光手段２から発光された光Ｌ１を反射する反射手段１と、反射手段１で反射された光Ｌ２を受光する受光手段３と、受光手段３の出力を増幅する増幅回路４と、地震が発生したか否かを判断する判断手段５と、を有する。反射手段１は容器に収容された液体からなる。本発明の実施の形態の地震計は、容器に収容された液体の液面で反射した光Ｌ２を受光手段３で受光して電気信号に変換し、この受光手段３の出力から地震の揺れが発生したかどうかを判断する。よって、安定化時間が必要なフィルタ回路を必要としないため、地震の発生を判断するまでの時間を短くすることが可能となり、所定の周期で間欠的に動作させた際の各動作時間を短くすることができ、消費電力量を低減することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、地震波を検出し地震の発生を判断する地震計に関するものである。

地震被害を軽減するために重要なことは、いち早く地震発生を知り、素早く避難行動をとるということである。このため近年、揺れの大きなＳ波がくる前に、初期微動であるＰ波を検出して、警告を発する地震計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の地震計は、地震波を加速度センサで検出し、演算により震度を算出するものである。この方法について、図面を用いて詳細に説明を行う。図６は、従来技術の地震計の構成図である。

図６に示す従来の地震計は、加速度センサ８１、フィルタ回路８２、Ａ／Ｄ変換回路８３、演算部８４、表示部８５、記憶部８６により構成されている。
加速度センサ８１は、地震の揺れを電気信号に変換する。そして、フィルタ回路８２は、加速度センサ８１の出力から特定の周波数成分を抽出する。さらに、Ａ／Ｄ変換回路８３は、フィルタ回路８２の出力をディジタル化し、演算部８４は、フーリエ変換や一般に知られる気象庁アルゴリズムなどによって震度を算出する。表示部８５は、震度を通知あるいは警告し、記憶部８６は演算に必要な加速度データを記憶する。

フィルタ回路８２について、さらに詳しく説明する。フィルタ回路８２は遮断周波数１０Ｈｚ程度のローパスフィルタである。遮断周波数を１０Ｈｚ程度に設定する理由は２つあり、ひとつは地震の揺れが経験的に１０Ｈｚ以下であることが知られているためである。もう一つは初期微動のような微震動（たとえば１Ｇａｌ程度）に対する加速度センサの出力が１〜数ｕＶと微小であるため、帯域幅を狭くしないと信号を検出できないためである。

フィルタ回路８２の帯域幅を狭くする理由を、例を用いて説明する。一般にフィルタ回路にはオペアンプが使用されるが、そのオペアンプとして電圧ノイズ密度が低い（５ｎＶ／√Ｈｚ）、高性能なローノイズオペアンプを使用した場合を考えてみる。電圧ノイズ密度の単位から分かるように、オペアンプによるノイズは帯域幅に依存する。もし、帯域幅を１０Ｈｚにした場合、オペアンプの発するノイズは５×√１０＝１６ｎＶとなり、１〜数ｕＶである加速度センサの出力に対し十分小さいので、加速度センサの信号を検出できる。
一方、帯域幅を１０ＫＨｚとした場合は、オペアンプの発するノイズは５×√１００００＝５００ｎＶとなり、１〜数ｕＶである加速度センサ出力に対し十分小さいとは言えず、加速度センサの信号を検出することができなくなる。このような理由により、帯域幅は１０Ｈｚ程度にしておく必要がある。

特開２００７−１９８８１２号公報（第４−６頁、図１）

しかしながら、特許文献１に示した地震計は、連続動作することが前提となっているため、消費電力量が多いという課題があった。
またマイクロコントローラなどを使用し、特許文献１に示した地震計に対して、動作と停止を繰り返す間欠動作を行わせることで、ある程度消費電力量を低減することが可能で
はある。しかし、遮断周波数の低い（１０Ｈｚ程度の）フィルタ回路があるために、間欠動作時の各動作時間を短くできないという課題があった。

フィルタ回路が動作を開始する時には、以下の式（１）で示す時定数だけの安定化時間が、少なくとも必要である。
Ｔ＝１／２πｆ・・・（１）
（ここで、Ｔは時定数、ｆは遮断周波数）
例えば、１０Ｈｚの遮断周波数の場合は、式（１）より、少なくとも１６ｍｓもの安定化時間が必要である。よって、間欠動作時において動作時間を短くすることができず、消費電力量が多くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、消費電力を低減した地震計を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の地震計は、基本的に下記に示す構成を採用するものである。

本発明の地震計は、
容器に収容された液体と、液体の液面に光を発する発光手段と、液面で反射した光を受光し、電気信号に変換する受光手段と、受光手段の出力から、地震の揺れが発生したかどうかを判断する判断手段と、を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の地震計は、前述した構成に加えて、受光手段はフォトダイオードであることを特徴とするものである。

本発明の地震計は、容器に収容された液体の液面で反射した光を受光手段で受光して電気信号に変換し、この受光手段の出力から地震の揺れが発生したかどうかを判断する。よって、本発明の地震計は、安定化時間が必要なフィルタ回路を必要としないため、地震の発生を判断するまでの時間を短くすることが可能となる。これにより、所定の周期で間欠的に動作させた際の各動作時間を短くすることができ、消費電力量を低減することが可能となる。

以下図面を用いて、本発明の実施の形態を詳述する。
[構成の説明：図１〜図３]
まず、本発明の実施の形態の地震計の構成について図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の地震計を示す構成図である。
図１に示す様に、本発明の実施の形態の地震計は、光を発光する発光手段２と、発光手段２から発光された光Ｌ１を反射する反射手段１と、反射手段１で反射された光Ｌ２を受光し電気信号に変換する受光手段３と、を有する。また、本発明の実施の形態の地震計は、受光手段３の出力を増幅する増幅回路４と、地震が発生したか否かを判断する判断手段５と、を有する。

図２は、本発明の実施の形態の地震計の発光手段２、受光手段３及び反射手段１の構成を示す説明図である。図２（ａ）は、後述する容器６が振動していない通常時の様子を示す図である。図２（ｂ）は、地震の揺れなどにより容器６が振動している状態を示す図である。
図２に示すように、反射手段１は液体７を入れた容器６からなる。また、発光手段２は
レーザ又は発光ダイオードなどからなり、受光手段３はフォトダイオードからなる。発光手段２及び受光手段３は、容器６内の液体７の液面７ａの上方に配置される。

図２（ａ）に示すように、容器６が振動していない状態では、発光手段２から発せられた光Ｌ１は液面７ａで反射し、反射した光Ｌ２が受光手段３に入射する。受光手段３は受光した光Ｌ２に応じた電流を出力する（詳細は後述する）。
また、図２（ｂ）に示すように、地震の揺れなどにより容器６が振動している状態では、液面７ａが乱れる。このため、液面７ａで反射した光Ｌ２の方向は図２（ａ）の状態からずれ、光Ｌ２は受光手段３ａに入射しない。よって、図２（ｂ）に示す状態では、図２（ａ）に示す状態と比較して受光手段３が出力する電流が異なる。
地震の初期微動は微小であり、初期微動による液面７ａの乱れも微小である。光Ｌ１、Ｌ２の光路長を長くすることで光のずれ量Ｇを大きくすることができ、微小な揺れであっても、液面７ａで反射した光Ｌ２が受光手段３に入射せず、後述するように揺れを高感度で検知することができる。

図３は、本発明の実施の形態の地震計の受光手段３であるフォトダイオードと、増幅回路４とを示す図である。フォトダイオードには、例えば１２Ｖの逆バイアスが印加されており、光が入射すると電流Ｉが流れる。増幅回路４は、フォトダイオードに流れる電流Ｉを電圧に変換すると共に増幅する。増幅回路４の出力電圧Ｖは次の式で表わされる。
Ｖ＝−Ｒ１×Ｉ・・・（２）
（ここで、Ｖは出力電圧、Ｉは電流、Ｒ１は帰還抵抗）

判断手段５は、増幅回路４の出力に基づき地震が発生したか否かを判断する。判断手段５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などを備えて構成される。ＲＯＭには、後述する地震発生の有無の判断に用いられる各情報が記憶される。
判断手段５による地震発生の有無の判断については後述する。判断手段５は、地震の発生を判断した際に、地震発生通知信号８を出力する。

[動作説明：図１〜図５]
次に、本発明の実施の形態の地震計の動作について説明する。
前述したように、容器６が振動していない通常の状態では、図２（ａ）に示すように、発光手段２から発せられた光Ｌ１は液面７ａで反射し、反射した光Ｌ２が受光手段３に入射する。また、地震の揺れなどにより容器６が振動している状態では、図２（ｂ）に示すように、液面７ａが乱れ、液面７ａで反射した光Ｌ２は受光手段３ａに入射しない。

また前述したように、受光手段３のフォトダイオードに入射した光Ｌ２に応じて、図３示すように電流Ｉが流れる。電流Ｉは、増幅回路４で電圧に変換されるとともに増幅されて出力される。

増幅回路４の出力は、判断手段５に入力される。ここで図４は、判断手段５の動作を示すフローチャートである。判断手段５は、図４に示すフローチャートに従って動作する。
判断手段５は、まず増幅回路４の出力データを取得する（ステップＳ１）。次に、増幅回路４から取得したデータが、あらかじめ設定されている規定範囲内かどうか判定する(ステップＳ２)。ここで規定範囲とは、図２（ａ）に示すような揺れのない通常時の受光手段３の受光量に基づく増幅回路４の出力値を中心値とし、一定の誤差量を含んだ範囲に設定される。

ステップＳ２で規定範囲内と判定されたなら、地震なしと判断し（ステップＳ３）、判断手段５は処理を終了する。ステップＳ２で規定範囲外と判定されたなら、判断手段５は
地震発生と判断し（ステップＳ４）、地震発生通知信号５ａによって地震発生を通知する（ステップＳ５）。

ここで、判断手段５による地震発生の通知先は、例えば図６に示す従来技術と同様の構成の地震計である。この従来技術と同様の構成の地震計は、例えば、地震が発生していない通常時は停止しており、地震発生が判断手段５から通知された時のみ動作を開始する。

図５は、地震波と、本発明の実施の形態の地震計の動作とのタイミングを示す説明図である。
これまで説明した、発光手段２から光を発してから、判断手段５で地震発生を判断するまでの一連の動作は、消費電力を低減するために、図５のように、図示しないマイクロコントローラなどにより、所定の周期で動作と停止を繰り返す間欠動作で行われる。地震は緊急性が高いため、繰り返しインターバルＴｉは、例えば１００ｍｓ程度である。

ここで本発明の実施の形態の地震計では、安定化時間が必要なフィルタ回路がないため、動作時間Ｔａは１ｍｓ程度とすることができる。以下に、本発明の実施の形態の地震計で、フィルタ回路が不要である理由を説明する。
例えば、発光手段２として、一般に市販されている高輝度ＬＥＤを用いたとすれば、受光手段３であるフォトダイオードを照度５００ルクスの位置に配置することは容易であり、５００ルクス受光したときのフォトダイオードの出力電流は数十ｕＡである。
また、図３に示した増幅回路４のオペアンプとして、ゲインバンド幅が１０ＭＨｚ、電流ノイズ密度が０．５ｆＡ／√Ｈｚのローノイズオペアンプを使用したとすると、帯域をオペアンプのゲインバンド幅１０ＭＨｚの全帯域として考えても、オペアンプの発するノイズは０．５×√１０００００００＝１５８１ｆＡ＝１．５８１ｐＡである。これはフォトダイオードの出力の数十ｕＡに対して十分小さく、追加のフィルタ回路で帯域を制限せずとも検出が可能である。

前述した従来技術の地震計は、フィルタ回路を備えるため少なくとも１６ｍｓの安定化時間が必要であり、動作時間Ｔａは１６ｍｓ以上となる。したがって、本発明の実施の形態の地震計は、間欠動作時の消費電力を、従来技術と比較して１／１６以下に低減することができる。よって、例えば電池駆動の地震計とした場合、電池寿命を１６倍に伸ばすことが可能となる。

上述したように、本発明の実施の形態の地震計では、容器６に収容された液体７の液面７ａで反射した光Ｌ２を受光手段３で受光して電気信号に変換し、この
受光手段３の出力から地震の揺れが発生したかどうかを判断する。よって、本発明の実施の形態の地震計は、安定化時間が必要なフィルタ回路を必要としないため、地震の発生を判断するまでの時間を短くすることが可能となる。
これにより、所定の周期で間欠的に動作させた際の各動作時間を短くすることができ、消費電力量を低減することが可能となる。

本発明の地震計は、低消費電力が求められる地震計、特に電池駆動が望まれる一般家庭用の地震計に適用することができる。

本発明の実施の形態の地震計を示す構成図である。 発光手段、受光手段および反射手段の構成を示す説明図である。 受光手段および増幅回路の構成を示す説明図である。 判断手段の動作を示すフローチャートである。 地震波と、本発明の実施の形態の地震計の動作とのタイミングを示す説明図である。 従来の地震計の構成図である。

符号の説明

１ 反射手段
２ 発光手段
３ 受光手段
４ 増幅回路
５ 判断手段
６ 容器
７ 液体
７ａ 液面
８ 地震発生通知信号
Ｌ１、Ｌ２ 光

Claims (2)

1. 容器に収容された液体と、
   前記液体の液面に光を発する発光手段と、
   前記液面で反射した光を受光し、電気信号に変換する受光手段と、
   前記受光手段の出力から、地震の揺れが発生したかどうかを判断する判断手段と、
   を備える
   ことを特徴とする地震計。
2. 前記受光手段はフォトダイオードである
   ことを特徴とする請求項１に記載の地震計。

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