JP3240660U - ジオフォンを用いた加速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】長周期（低周波数領域）成分まで高感度かつ高精度に測定することのできるジオフォンを用いた加速度計を提供する。【解決手段】加速度計は、ジオフォン１と、負性抵抗回路２とを有する。負性抵抗回路２は、オペアンプ２０と、負性抵抗２１と、第１抵抗２３と、第２抵抗２５とを備える。オペアンプ２０は、反転入力端子３１と、非反転入力端子３２と、出力端子３３と、出力端子３３の出力を反転入力端子３１に帰還させる第１帰還回路２２と、出力端子３３の出力を非反転入力端子３２に帰還させる第２帰還回路２４とを含む。第１抵抗２３（Ｒ１）は、第１帰還回路２２に、第２抵抗２５（Ｒ２）は、第２帰還回路２４に配置されている。ジオフォン１のコイル１１の出力は、オペアンプ２０の反転入力端子３１に入力される。負性抵抗２１（Ｒｄ＋ΔＲｔ）は、オペアンプの非反転入力端子３２に接続されている。【選択図】図１

Description

本考案は、ジオフォンを用いた加速度計に関する。

地震の振動を測定する装置としては、振り子の重りにペンを取り付け、地震の振動による振り子の揺動を、ペンによって紙に記録する地震計が知られている。また、振子の動作を電気信号として出力する地震計が非特許文献１に開示されている。非特許文献１の地震計は、振り子に対する減衰定数ｈを大きくして加速度計とし、出力を積分することで、速度計として使用することも開示されている。振り子を用いる地震計は、長周期（低周波数領域）成分まで精度良く測定しようとすると、振り子を長くする必要があるために装置が大型になる。

一方、地震動を検知でき、振り子を用いる地震計に比べて小型で低コストのセンサ技術として、ジオフォンと、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）静電容量を用いた加速度センサの２つが知られている。

ジオフォンは、コイルを容器内にばねで支持し、永久磁石を容器に固定した構造である。地震の振動によって磁石がコイルに対して振動すると、コイルに誘導電圧信号が流れ、これを出力する。ジオフォンは、例えば特許文献１～３に開示されている。

具体的には、特許文献１には、ジオフォンの構造と、製造方法に関する技術が開示されている。

特許文献２には、小型且つ軽量であり高感度の動電型加速度計を提供することを目的とし、コイルの出力をオペアンプに入力するジオフォンが開示されている。

特許文献３には、ジオフォン応答パラメータの測定精度を改良し、ジオフォンのキャリブレーションを改良し、応答出力データの精度を改良する技術が開示されている。

一方、ＭＥＭＳ静電容量を用いた加速度センサは、錘の役割をする絶縁部の変位によって静電容量が変化するＭＥＭＳ容量素子を用いて、加速度を検出するセンサであり、例えば、特許文献４、５に開示されている。

具体的には、特許文献４には、ＭＥＭＳ静電容量を用いた加速度センサにおいて、サーボ信号を高速化せずに、サーボ信号生成に伴う量子化誤差に起因するセンサ出力雑音を低減する技術が開示されている。

特許文献５には、ＭＥＭＳ静電容量を用いた加速度センサの消費電力の低減を図りながら、高精度のセンサを提供する技術が開示されている。

また、上述した非特許文献１の技術では、速度計に負性抵抗および二次共振回路を付加し、周期を１秒から約５秒に増大させている。

特表２００５－５２２６６７号公報 特開平０６－０２７１３５号公報 特開２０１１－２２１０３８号公報 特開２０２０－１５９９４１号公報 特開２０２０－０４６１９１号公報

森谷武男，岡田広，凌甦群，今義豪，中野修：地震計の周期を長周期化するための負抵抗シャントによる過制振・積分法の評価，北海道大学地球物理学研究報告，６１，１０７－１１３，１９９８．３

近年、地震および地震以外の振動の加速度、速度、変位を、長周期（低周波数領域）成分まで高感度かつ高精度に測定することが望まれている。

振り子を用いる地震計によって、地震の長周期（低周波数領域）成分まで精度良く測定するためには、振り子を長くする必要があり、装置が大型化するという問題がある。

従来の加速度計は、振動数０．３Ｈｚから３０Ｈｚ前後まで検出できるが、振動の検出用コイルと制御用コイルの２つのコイルが必要であり、装置構成は複雑である。ただし、コイルが２つあることによって温度補正が可能であるというメリットもある。

一方、ジオフォンは、検出コイルは１つであり、小型で低コストに地震を検出することができる。
本考案の目的は、長周期（低周波数領域）成分まで高感度かつ高精度に測定することのできるジオフォンを用いた加速度計を提供することにある。

上記目的を達成するために、本考案によれば、一つのコイルを備えたジオフォンと、負性抵抗回路とを有する加速度計が提供される。前記負性抵抗回路は、オペアンプと、負性抵抗と、第１抵抗（Ｒ１）と、第２抵抗（Ｒ２）とを備えている。オペアンプは、反転入力端子と、非反転入力端子と、出力端子と、前記出力端子の出力を前記反転入力端子に帰還させる第１帰還回路と、前記出力端子の出力を前記非反転入力端子に帰還させる第２帰還回路とを含む。前記第１抵抗（Ｒ１）は、前記第１帰還回路に配置され、前記第２抵抗（Ｒ２）は、前記第２帰還回路に配置されている。前記ジオフォンの前記コイルの出力は、前記オペアンプの前記反転入力端子に入力される。前記負性抵抗は、前記オペアンプの前記非反転入力端子に接続されている。

本考案によれば、長周期（低周波数領域）成分まで高感度かつ高精度に測定することのできるジオフォンを用いた加速度計を提供することができる。

（ａ）本考案の一実施形態の加速度計のジオフォン１の構成を示す断面図、（ｂ）本考案の一実施形態の加速度計の負性抵抗回路２の回路構成を示す図。 本考案の加速度計のジオフォン１の出力信号の減衰定数ζを変化させた場合の、振り子の動き（正解地に対する出力倍率）を示すグラフ。 本考案の加速度計の振動計測対象の変位に対する出力信号の位相遅れを示すグラフ。 本考案の加速度計の負性抵抗回路２の原理を説明する図。

本考案の一実施形態について図面を用いて説明する。図１（ａ）は、ジオフォン１の全体構造を示し、図１（ｂ）は、本実施形態のジオフォン１を用いた加速度計の負性抵抗回路２の構成を示す図である。

本実施形態の加速度計は、ジオフォン１と負性抵抗回路（ＮＩＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：負性インピーダンス変換器）回路）２とを含む。ジオフォン１のコイル１８の出力を、負性抵抗回路２により処理することにより、負性抵抗回路２から加速度を示す信号を出力する。これにより、ジオフォン１に加わった振動の加速度を、低周波数領域成分まで高感度かつ高精度に測定する。

まず、ジオフォン１について説明する。図１（ａ）のように、ジオフォン１は、筒状の容器１０と、容器１０の上端と下端に配置された一対のヨーク８、９を備えている。ヨーク８、９の内側には、それぞれ永久磁石１５、１６が装着されている。一対の永久磁石１５と永久磁石１６は、Ｎ極が向かい合うように配置されている。永久磁石１５と永久磁石１６の間の空間には、ばね１３、１４を介してポールピース１８が配置されている。ポールピース１８の周囲の空間には、コイル１１が配置されている。コイル１１もばね１３、１４により、永久磁石１５と永久磁石１６に対して支持されている。すなわち、コイル１１は、永久磁石１５、１６がそれぞれ形成する磁束を横切るように吊るされている。

このような構成のジオフォン１に振動が加わった場合、永久磁石１５、１６は、容器１０とともに振動するが、コイル１１およびポールピース１８は、ばね１３、１４により懸架されているため振動せず、永久磁石１５、１６に対するコイル１１の相対位置が振動の周波数に応じて変化する。これにより、コイル１１には、振動の周波数に応じた誘導電圧が生じる。コイル１１の誘導電圧は、出力配線１７により容器１０外に引き出され、負性抵抗回路２に入力される。

負性抵抗回路２は、図１（b）に示すように、NIC（Negative Impedance Converter：負性インピーダンス変換器）回路であり、オペアンプ２０を含む。オペアンプ２０の非反転入力端子（＋）３２には、負性抵抗（Rd+ΔRt）２１の一端が接続され、負性抵抗（Rd+ΔRt）２１の他端は、接地されている。なお、負性抵抗（Rd+ΔRt）２１の抵抗値は、抵抗値Rdと、コイル抵抗値Rcの温度により変化する抵抗値ΔRtの和である。負性抵抗（Rd+ΔRt）２１は、通常の抵抗であり、負性抵抗回路２の全体で、両端に加わる電圧が増加すると流れる電流が減少する特性（負性抵抗）を示す。

反転入力端子（－）３１には、ジオフォン１のコイル１１の一端の出力信号が配線１７により入力される。コイル１１の他端は、接地されている。また、オペアンプ２０の出力端子３３の出力信号は、抵抗（Ｒ１）２３を備えた第１の帰還回路２２により反転入力端子３１に入力される。さらにオペアンプ２０の出力端子３３の出力信号は、抵抗（Ｒ２）２５を備えた帰還回路２４により、非反転入力端子３２に入力される。

出力端子３３から出力される出力信号は、ジオフォン１に加わった振動の加速度を示す。

このような構成の負性抵抗回路２は、以下のような作用および効果を発揮することができる。
（ａ） ジオフォン１の出力信号に負性抵抗（Ｒｄ＋ΔＲｔ）２１を付加されているため、計測範囲を広げることができ、低周波数領域応答の計測が可能である
（ｂ） 温度によるコイル抵抗Ｒｃの変化をキャンセルする回路（負性抵抗（Ｒｄ＋ΔＲｔ）２１）が付加されているため、回路の安定化を図ることができる
（ｃ） 負性抵抗回路２は、制御コイルを使用しないため、回路構成がシンプルである
（ｄ） 出力端子３３の出力信号を、別途配置する積分回路により積分することにより、速度、変位の出力が可能である

一般的に、ジオフォンを長周期（低周波数領域）成分まで測定できるようにするためには、１）逆フィルタ、２）正帰還、３）負帰還、の３つの方法が考えられる。１）逆フィルタは、ピンク・ノイズが増幅されることや、低周波数領域において熱安定性が低下することが欠点としてあげられている。２）正帰還は、フィルタ回路を安定させることが難易度の高い課題とされている。３）負帰還は、オペアンプを使用し、バンドパス・フィルタとゲインの高いフィルタを追加して周波数応答のシェーピングを行うことで安定化を図ることが可能であるが、減衰を大きくしたときに熱安定性が低下することが欠点としてあげられている。

これに対し、本考案は、上述の負性抵抗回路２のような構成にすることにより、上記１）～３）の欠点を生じさせることなく、上記（ａ）～（ｄ）の作用・効果を達成できる。

このように、本実施形態の考案のジオフォン１の負性抵抗回路（ＮＩＣ回路）２は、負性抵抗（Ｒｄ＋ΔＲｔ）２１をオペアンプ２０の非反転入力端子３２に付加し、低周波数領域の応答を広げる負帰還回路２２，２４を備えたことにより、振動の加速度を、長周期（低周波数領域）成分まで高感度かつ高精度に測定することができる。

また、ジオフォン１は、検出コイル１１が１つのみであるのために、温度補正が必要となる。コイル１１は温度が上がると抵抗が大きくなる。コイル抵抗より負性抵抗は常に小さくなければ、回路が発散する。そのため、温度が高くなると抵抗値が高くなる特性を持つ抵抗（温度補正抵抗）を負性抵抗２１に挿入した。これにより、回路の発散がなくなった。

＜本考案のジオフォンを用いた加速度計の詳細説明＞
本考案のジオフォン１を用いた加速度計の詳細についてさらに説明する。ジオフォン（電磁式速度計）１のコイル１１の出力信号に、減衰を大きく掛けると、固有周期を中心に周波数特性の周波数幅が広がり、振り子（ばね１３およびポールピース１８）の動きが速度となり、コイル１１と磁石１５、１６にて微分されるので、加速度出力となる（図２）。

図２は、減衰定数ζを変化させた場合の、振り子の動きを示すグラフであり、横軸はω／ωｎであり、縦軸は、正解値に対する出力倍率である。

ω_ｎは、非減衰固有円振動数、減衰定数ζは、減衰係数Ｃと臨界減衰係数Ｃ_ｃｒ＝２√ｋｍの比、である。

一般的なジオフォンは、減衰定数ζを大きくするためには、ジオフォンの出力端子（１１コイルの両端）をショートすればよいが、コイル抵抗Ｒｃは残るため、減衰定数ζを大きくするには限界がある。

図３に、振動計測対象の変位に対する、出力信号の位相遅れを示す。

しかし、コイル１１には、コイル抵抗Ｒｃが存在し、それ以上低い抵抗にはできない。そこで、図４に示すように負性抵抗（Ｒｄ＋ΔＲｔ）２１を接続すれば、コイル抵抗を小さくすることが可能である。負性抵抗（Ｒｄ＋ΔＲｔ）２１を大きくすればするほど、長周期成分まで計測が可能となる。

ただし、コイル１１のコイル抵抗Ｒｃと負性抵抗－（Ｒｄ＋ΔＲｔ）２１が逆転すると発散するので、負性抵抗（Ｒｄ＋ΔＲｔ）２１の抵抗値は、温度が変化してもコイル抵抗Ｒｃよりも小さくなるように設計する。

本技術は、温度によるコイル抵抗Ｒｃの変化をキャンセルする負性抵抗回路（負性抵抗２１）を付加して回路の安定化を図る。

また、オペアンプ２０の出力端子３３に、図示していない積分回路を付加することにより、速度、変位を出力することが可能である。

負性抵抗は周知の技術であるが、本考案では、温度によるコイル抵抗Ｒｃの変化をキャンセルする負性抵抗２１を付加して負性抵抗回路２の安定化を図ったのが革新的である。

ジオフォン１は、検出コイル１１が１つのみのために、温度補正が必要となるが、負性抵抗２１により、その解決を図った点が革新的である。

本考案は、地震計や、土木・建築分野における加速度計として用いることができる。

１ ジオフォン
２ 負性抵抗回路
８ ヨーク
９ ヨーク
１０ 容器
１１ コイル
１３ ばね
１４ ばね
１５ 永久磁石
１６ 永久磁石
１７ 出力配線
１８ ポールピース
２０ オペアンプ
２１ 負性抵抗
２２ 帰還回路
２３ 抵抗Ｒ１
２４ 帰還回路
２５ 抵抗Ｒ２
３１ 反転入力端子
３２ 非反転入力端子
３３ 出力端子

Claims (4)

1. 一つのコイルを備えたジオフォンと、負性抵抗回路とを有する加速度計であって、
   前記負性抵抗回路は、オペアンプと、負性抵抗と、第１抵抗（Ｒ１）と、第２抵抗（Ｒ２）とを備え、
   オペアンプは、反転入力端子と、非反転入力端子と、出力端子と、前記出力端子の出力を前記反転入力端子に帰還させる第１帰還回路と、前記出力端子の出力を前記非反転入力端子に帰還させる第２帰還回路とを含み、
   前記第１抵抗（Ｒ１）は、前記第１帰還回路に配置され、前記第２抵抗（Ｒ２）は、前記第２帰還回路に配置され、
   前記ジオフォンの前記コイルの出力は、前記オペアンプの前記反転入力端子に入力され、
   前記負性抵抗は、前記オペアンプの前記非反転入力端子に接続されていることを特徴とする加速度計。
2. 請求項１に記載の加速度計であって、前記ジオフォンは、容器と、前記容器の上端と下端にそれぞれ配置された一対のヨークと、一対の前記ヨークの内側にそれぞれ装着された一対の永久磁石と、前記一対の永久磁石の間の空間にばねを介して配置されたポールピースと、前記コイルとを有し、
   前記コイルは、前記容器内の前記ポールピースの外側の空間に配置され、前記ばねによって支持されていることを特徴とする加速度計。
3. 請求項１に記載の加速度計であって、前記負性抵抗の抵抗値は、温度が変化した場合であっても、前記コイルの抵抗値よりも小さいことを特徴とする加速度計。
4. 請求項１に記載の加速度計であって、前記負性抵抗の前記オペアンプに接続されていない側の端部、および、前記ジオフォンの前記コイルの、前記オペアンプに接続されていない側の端部は、いずれも接地されていることを特徴とする加速度計。
   
   
   
   

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