JP3502911B2

JP3502911B2 - 平行な磁場中に配置された永久磁石を有する振り子を用いた無定位回転型振動検出器

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Publication number: JP3502911B2
Application number: JP2001165488A
Authority: JP
Inventors: 雄次大竹
Original assignee: 東京大学長
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2004-03-02
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: JP2002357665A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は地動検出器に関する
もので、詳しくは平行磁場中に配置された永久磁石によ
る無定位回転型振り子と、磁気バネとを使用する地動検
出器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より地震計は振り子を用いて慣性不
動点を作り、震動する地面とこの慣性不動点との間の変
位を測定して振動を検出していた。地震計を高感度・広
帯域化し、特に地震特有の低周波領域の測定のために
は、地震計に関し長い自然周期を得ることが必要であ
り、どのようにして長い自然周期を得るかが一つの問題
であった。その理由は、日本の反対側の地球上で発生し
た遠地地震の小さな波形を正確に捕らえる必要があるこ
とや、地震計を使って地球の内部トモグラフィー等を得
るために必要だからである。

【０００３】従来、かかる問題に応えて長周期を得るた
めに、例えば、非常に重い錘で大型化した地震計や、錘
にかかる重力を機械式のバネの復元力で打ち消し弱いバ
ネ定数を実現するための倒立振り子タイプの地震計、さ
らに図１０に示すようなラコステ重力計で使用されてい
るゼロ長バネ４８のリーフスプリング等が考案されてき
た。これらの方法は最初の地震計を除いて、例えば図１
０に示すように支持点４９に支持部材５０を介して回転
可能に取付けられた錘４７にかかる重力（矢印）をバネ
４８の復元力で打ち消し、変位測定に必要な範囲で常に
平衡を保つことにより、ほぼ無定位な振り子を形成する
ものである。また、かかる構造にさらに他のバネを追加
することにより、弱い力を加えて長周期化した振動検出
器が実現化されている。

【０００４】しかし、以上のような方法で重力を打ち消
して弱いバネを実現することは可能であっても、その具
体的機構としては長い間、基本的に機械的なスプリング
コイルや板バネが使用されてきた。このため、重い錘を
用いた振動検出器のバネの材料は弾性係数を大きくする
必要があり、重い錘にかかる強い重力と、それを打ち消
すためのバネの材料の弾性の僅かな調整のずれが、大き
な自然周期を有する振動検出器の特性変化をもたらすと
いう問題点を有していた。

【０００５】例えば、リーフスプリングで錘にかかる重
力を打ち消して弱いバネ定数を実現する広帯域・高感度
を図ったＳＴＳ（速度計）の場合には、板バネのＸヒン
ジで支えた水平振り子において錘をヒンジより少し持ち
上げ、その角度を調整して倒立ポテンシャルを加えるこ
とでヒンジの強い復元力を重力で打ち消している。

【０００６】その結果、僅かな角度調整のずれが大きな
特性（例えば振り子の自然周期など）の変化をもたらす
ことになる。また、温度や経年によるバネ常数の変化も
打ち消し誤差の原因になり、特性の変化や測定値のドリ
フト等に直結する。加えて、以上のような機構はバネの
設計と工作において非常に特殊技術を必要とし、この工
作技術の困難さと上記ドリフトの問題は、地震計が広帯
域化そして高感度化するほどより深刻であった。

【０００７】高感度化、長周期化を図り、さらにバネ常
数等の変動を低く押さえるためには、なるべく弱いバネ
を使用することが重要であると考えられる。バネ常数の
変動はそれが持っている弾性常数に対する比率で決まる
ので、変動の絶対値を低くするには柔らかいバネが必要
である。例えば、２０×１０×０．１ｍｍの恒弾性板バ
ネを使用する場合でヤング率が１８５００ｋｇ／ｍｍ²
とすると、復元力が５６．６Ｎ／ｍｍである。変動率が
約１０^-5／°Ｃで一定であるとすると、５６．６×１０
^-5／°ＣＮ／ｍｍの変動になる。バネの復元力を落と
せば、その割合で変動の絶対値も低くできる。

【０００８】しかし、柔らかい金属バネでは錘にかかる
重力を支えられない。そこで、上に述べた金属バネとは
異なった方法により錘に働く重力を打ち消し、自然周期
が無限大に近い振り子を作ることが必要となる。そして
その錘に、弱いバネ常数の金属によりまたは別の方法を
用いてバネ機構を付けることにより、長周期振り子の形
成が可能となる。

【０００９】かかる錘の浮上方法を採用する場合、特に
地震計のように地理的に広範囲でかつ多くの観測地点に
設置する必要のある機器においては、それ自身の重量や
消費電力の低減化の問題が本質的なので、重量が小さく
電力を消費しない永久磁石による磁気浮上構造の採用が
好適であると判断される。

【００１０】永久磁石は近年、希土類のものが発展して
０．５Ｔ程度の磁場を発生でき、その大きさについても
一辺が５０ｃｍ以上ある直方体のものが形成可能になっ
ている。また磁気浮上方式を採用する場合、かかる永久
磁石を使用し、１０ｋｇの錘を３次元空間内の１軸を板
バネ等で拘束することにより、安定に浮上できる能力の
ある事が明らかになっている。なお、アンショウの定理
により、強磁場を使い浮上体として反磁性物質を使用し
ない限り１軸拘束が必要である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】通常、垂直動の振動計
は、錘を単に磁気浮上させるだけでは磁場が強く自然周
期の短いバネしか実現できない。そのため、以上の議論
に加えて、どのようにして重力ポテンシャルを打ち消
し、長い自然周期を得るかが一つの問題となる。その具
体例としては前述したゼロ長バネがある。ゼロ長バネ
は、重力ポテンシャルに近い形のバネのポテンシャルに
より、重力を打ち消すものである。

【００１２】ゼロ長バネを使用した方法は、ポテンシャ
ルエネルギーの関数が重力に近いという利点を有する。
しかし欠点として、上に述べたように、温度に依存した
バネ常数の変動等により振動の検出誤差が生じることは
避けられない。またこのゼロ長バネにも様々な寄生振動
が存在し、ゼロ長バネを利用した地動検出器のノイズ発
生につながるという問題点がある。

【００１３】さらに、今まで述べた重力打ち消し用バネ
のポテンシャルの特性は、錘の位置の一部分でしか重力
ポテンシャルの特性と同一ではない。そのため、全ての
錘の位置で重力を打ち消すことはできず、線形の広いダ
イナミックレンジを得ることは難しい。

【００１４】新たに既存の地震計の性能を越える高感度
・広帯域地震計を設計する場合は、このような重力の影
響を好適に打ち消すことがより重要である。そして原理
的に広い範囲で無定位な振り子を形成可能とすること
が、動作のダイナミックレンジを広げ、地震計の性能向
上につながると考えられる。そのためには、振り子にか
かる重力のポテンシャルエネルギーの関数と、バネポテ
ンシャルの形が同じで、増減方向が逆でなければならな
い。さらに、打ち消す方法がバネを使用する方法による
ものでないならば、寄生振動や、温度に依存するバネ常
数の変化には影響されることがない。

【００１５】従って、本発明は、上記従来の種々の問題
点に鑑みてなされたもので、バネを使用せずに平行磁場
内に配置された永久磁石の回転モーメントにより、錘を
含む振り子にかかる重力による振り子の回転モーメント
を打ち消すものである。本発明は、かかる方法により無
定位な振り子を形成し、自然周期を可変できる磁気バ
ネ、例えばソレノイドコイル中の磁場軸に平行に円形棒
磁石を挿入しバネポテンシャルを実現する機構等、で弱
い復元力を加え、長周期の垂直または水平動を検出可能
な地震計を実現する手法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、平行磁場内の
永久磁石の回転モーメントにより、重力による振り子の
回転モーメントを打ち消すように形成した無定位回転型
の振り子である。より具体的には、図１の垂直振り子の
例に示すように、平行磁場Ｂ内に、磁場の外部において
その回転中心を例えばＸヒンジで固定した円柱型永久磁
石１を挿入することにより、重力による振り子の回転モ
ーメントを打ち消すものである。

【００１７】かかる構成により、永久磁石１には磁場軸
とその長軸が平行のとき（永久磁石１の長軸が垂直に位
置する場合）以外は回転モーメントが生じる。この回転
モーメントを打ち消すように永久磁石１の片側に錘３を
付け、重力で回転モーメントを加える。永久磁石に働く
回転モーメントに関しては、錘にかかる重力によるもの
と磁場によるものとが互いに打ち消し合うようにするこ
とができる。そして、永久磁石１の長軸と磁場軸との角
度がどの状態であっても、合成された回転モーメントが
常に零となり、永久磁石の角度とは無関係に、永久磁石
に回転力が働かないいわゆる無定位な状態を実現でき
る。

【００１８】かかる構成の振り子は、錘にかかる重力の
ポテンシャルエネルギーの関数と磁場中の永久磁石にか
かる磁力の関数とが同形でその向きが逆であり、無定位
にできる範囲が広い。かかる振り子に例えば弱い機械式
バネや、ソレノイドコイル内に永久棒磁石を挿入するよ
うにして構成した磁気バネを用いて弱い力を加え、長周
期の振動検出器を実現することが可能となる。なお、磁
気バネを採用した場合は、振り子の復元力をコイル電流
により自由に変更できる。

【００１９】同じ原理を用いて、錘が水平方向に振動す
る水平振り子も可能で、錘と永久磁石および平行磁場と
の位置関係は異なるものの、回転モーメントの打ち消し
等は上記垂直振り子と同じである。

【００２０】即ち本発明は、平行な磁場を生成する手段
と、前記平行な磁場中に回転可能に配置された振り子
と、ここで前記振り子は第１の永久磁石とこの永久磁石
に結合された錘とを有し、前記錘の位置を検出する手段
とを含み、前記第１の永久磁石にかかる磁力による回転
モーメントと前記振り子にかかる重力による回転モーメ
ントが互いに打ち消されるように形成される振動検出器
である。

【００２１】また本発明は、さらに、前記磁場を生成す
る手段は、第２の永久磁石によって磁場を生成する振動
検出器であり、前記第１の永久磁石は縦長の形状を有
し、この永久磁石の中心が振り子の回転中心に一致する
振動検出器であり、前記錘は前記縦長の形状の第１の永
久磁石の一方の端部と結合されていることを特徴とする
振動検出器であり、そして、前記錘は前記縦長の形状の
第１の永久磁石の長軸に対し垂直方向に延在するように
結合されている振動検出器である。

【００２２】また本発明は、前記振り子は振り子の振動
を制御する手段を含む振動検出器であり、前記振り子は
磁気バネによりその振動が制御される振動検出器であ
り、前記磁気バネは静止して配置されたソレノイドコイ
ルと、前記錘に結合され前記ソレノイドコイル内に移動
可能に配置された第３の永久磁石を含む振動検出器であ
る。

【００２３】また本発明は、前記振り子が、前記錘の位
置を検出する位置検出器と、この位置検出器からの検出
信号に基づき、錘の移動を制御して錘を所定の静止位置
に留めるように制御電流を流す制御回路を含むフィード
バック手段によりその振動が制御される振動検出器であ
り、前記磁場を生成する手段は窓枠形の形状を有し、そ
の中空部分に平行な磁場が形成される振動検出器であ
り、前記振り子は前記平行な磁場の外部においてその回
転中心がＸヒンジで固定されるように構成される振動検
出器である。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明について以下に図面を参照
して説明する。以下の説明は本発明に関する一実施の形
態を記載するものであり、本発明の一般的原理を図解す
ることを目的とするものである。したがって、本発明を
この実施の形態の欄および添付図面に具体的に記載され
た構成のみに限定するものではない。以下の詳細な説明
および図面の記載において、同様の要素は同様の参照番
号により表される。

【００２５】まず、本発明において用いる平行磁場が永
久棒滋石に対して働く力により振り子にかかる重力を打
ち消す原理について説明する。

【００２６】図１は、垂直動の無定位回転振り子の原理
を示す概略図である。垂直方向の平行磁場Ｂ内に、円柱
型の永久磁石１が配置されている。永久磁石１の中心を
何らかの方法で回転可能に固定すると、磁場Ｂと永久磁
石１の長軸が平行のとき（図示せず）以外、永久磁石１
には回転モーメントが生じる。図1（ａ）は永久磁石１
が傾いて位置している場合であり、図1（ｂ）は永久磁
石１が水平に、即ち磁場Ｂに対し垂直に位置している場
合でである。なお、図1においては便宜上永久磁石１の
左側がＳ極、右側がＮ極としてある。なお、図1（ｂ）
において示すように垂直方向の平行磁場Ｂはソレノイド
コイル４により生成される。図1（ａ）においては図示
が省略されている。

【００２７】この永久磁石１と磁界Ｂの作用により生ず
る回転モーメントを打ち消すように、永久磁石１の片
側、図1においてはＳ極側、に錘３を設けることにより
重力による回転モーメントを加える。このようにして、
永久磁石１に働く磁場による回転モーメントは、錘３に
係る重力による回転モーメントにより打ち消すことが可
能となる。この場合、永久磁石１の長軸と磁場軸の角度
がどのような状態であっても、回転モーメントが磁石に
は働かない状態を実現できる。この条件を式で表すと、Ｆ_gｃｏｓθ×Ｌ１−Ｆ_B1ｃｏｓθ×Ｌ１−Ｆ_B2ｃｏｓθ×Ｌ２＝０１）となり、Ｆ_gは錘にかかる重力で、錘３の質量をｍとす
るとＦ_g＝ｍｇ、Ｌ１は錘３の重心（磁極Ｓの位置に等
しい）と軸２との距離、θは振り子の磁場軸に対する角
度であって、重力の方向と錘３の回転方向との角度およ
び磁界の方向と各磁極の回転方向であり、Ｆ_B1は磁界Ｂ
により永久磁石１のＳ極が受ける磁力、Ｆ_B２は磁界Ｂ
により永久磁石１のＮ極が受ける磁力、Ｌ２は磁極Ｓと
軸２との距離である。

【００２８】図２は、振り子の磁場軸に対する角度θ
[ｒａｄ]に対する、重力による回転モーメントＦ_gｃｏ
ｓθ×Ｌ１、および磁場Ｂによる回転モーメント（Ｆ_B1
ｃｏｓθ×Ｌ１＋Ｆ_B2ｃｏｓθ×Ｌ２）の変化を示す。
左端が錘３の位置が最上位にある場合であり、右端が最
低位置にある場合を示す。また上部曲線が重力による振
り子に対する力即ち回転モーメントを示し、下部曲線が
磁場による永久磁石に対する力即ち磁場の基づく回転モ
ーメントを示す。双方の回転モーメントによる力の和を
ゼロとすることができるが、この条件を満たすのは１つ
の磁場値だけであり、図2はこの条件を満足する場合を
示す。

【００２９】図３に同様の原理の水平振り子の例を示
す。錘３が腕部５を介して軸２に回転可能に取付けられ
ている構造を有している。図１と同様に、平行磁場Ｂ内
での永久磁石１の回転モーメントが、重力により錘３へ
生ずる回転モーメントを打ち消すものである。錘３と永
久磁石１および平行磁場Ｂとの位置関係は異なるもの
の、回転モーメントや位置エネルギーの関係は図１の垂
直振子と同じである。図３（ａ）は永久磁石１が傾いて
いる場合であり、図３（ｂ）は永久磁石１が水平の場合
を示している。

【００３０】回転モーメントが永久磁石１に働かない条
件は、Ｆ_gｃｏｓθ×Ｌ３−Ｆ_B1ｃｏｓθ×Ｌ４−Ｆ_B2ｃｏｓθ×Ｌ４＝０２）であり、Ｌ３は錘３の重心と軸２との距離、Ｌ４は磁極
Ｓおよび磁極Ｎと軸２との間の距離である。

【００３１】上記原理を用いて振動検出器を形成する場
合、実際には、錘３にかかる重力を打ち消すための磁
場、および回転振り子の本体を構成する例えば円柱型の
永久磁石１の磁場強度は設計上の制限があり、自由に選
ぶことが困難である。

【００３２】その理由を述べると、地震観測のような野
外での観測を主とする検出器の場合は可搬型にする必要
があり小型化が要求される。さらに、設置が予想される
観測場所の電源状況の悪い場合が多く、電源としては電
池しか使えない場合が多い。

【００３３】この場合、電磁石を使用することは消費電
力や発熱などのために難しく、永久磁石を用いて錘にか
かる重力を打ち消すための磁場を作る必要がある。した
がって、磁場強度Ｂは使用する磁場形成用永久磁石の保
持力により固定されてしまい、この条件により自然周期
等の振り子の基本特性が決まってしまう。このため、振
動検出器としての性能が磁場形成用永久磁石の特性によ
り左右されることになる。かかる理由から、実際に使え
る磁場形成用永久磁石の磁場強度に対応してどの程度の
重さを有する錘が無定位にできるかが定まる。

【００３４】実際の地動検出器内に形成された磁場中
で、シーソーのような無定位の振り子運動をさせる場
合、磁場の平行性および均一性が問題となる。磁場に不
均一な成分があると、回転振り子である円柱型永久磁石
１に回転モーメント以外の力や式１）および式２）の関
数からずれた力が働くからである。一般に永久磁石はそ
の端部の形状が平面による四角の形状であり、このため
着磁が均一に行なわれたとしても、エッジ等の形状効果
によりその平面の直上で均一な磁場が形成できるとは限
らない。

【００３５】図４に上記問題を解決し均一な磁場を形成
するための構造の一例を示す。永久磁石６に鉄の磁気回
路であるヨーク７を付加して窓枠型の磁石８を形成し、
図４のＡで示した空間の磁場を均一化する方法である。
磁場の向は矢印で示してある。この例では左右に直方体
の例えばネオジウムコバルトからなる永久磁石６が配置
されている。左右の磁石６の極性の配置は同一方向で、
図４においては両方とも上がＮ極である。永久磁石５の
上部および下部に純鉄のヨーク７が配置されている。磁
場Ｂは図４において矢印のように流れ、Ａの空間におい
ては平行かつ均一にすることができる。

【００３６】図４において、窓枠の入り口においてエッ
ジを有する磁石６を使用する場合であっても、使用領域
Ａで１０^-3以下の磁場の均一性が実現できることがわか
った。さらに、磁石６のエッジ等を丸く形成すればこれ
以上の均一性が可能である。この空間Ａの中央部に例え
ば円柱型の永久磁石（一例として、直径１０ｍｍφ、長
さ３０ｍｍ）を挿入して安定な無定位回転型振り子を実
現することができる。

【００３７】次に本発明において採用する磁気バネの作
用について述べる。磁気バネは地動測定装置を基準とし
た場合における錘の運動を制御するために使用するもの
である。

【００３８】図５に磁気バネ９の基本的動作を説明する
ための概略図を示す。磁気バネ９はソレノイドコイル１
０中にその磁場軸と平行にそれと同じ長さの円柱型永久
磁石１１を挿入した構造を有する。ソレノイドコイル１
０の磁極と永久磁石１１の磁極は、その磁気特性が互い
に逆になるように配置されている。このため永久磁石１
１はソレノイドコイル１０中で安定な位置を有すること
ができ、永久磁石１１がこの位置から移動しようとする
場合、永久磁石１１にその復元力を加算又は減少させる
力が働く。

【００３９】この機構により、永久磁石１１がソレノイ
ドコイル１０内にある場合が最も安定で、ソレノイドコ
イル１０の外に出ると復元力や反発力が働く磁気バネ９
が実現できる。ソレノイドコイル１０の電流を変えれば
振り子の自然周期も変えられ、さらに弱い復元力も実現
できる。この場合のソレノイドコイル１０内の永久磁石
１１の運動方程式を下記の式３）に示す。

【００４０】

【数１】３）

【００４１】ここで、左辺のｔは時間、ｍは永久磁石１
０の質量、Ｙはその変位、μは空気や人工的な減衰項
（粘性）、ＭＧ_pは永久磁石の磁荷、ｎはソレノイドコ
イルの巻き数、Ｉはその電流である。右辺は外力項であ
る。

【００４２】式３）による計算によると、地動検出器に
磁気バネを付属させることにより、１００秒以上の自然
周期も可能となることがわかった。実験によると、通常
のサーボ型（負帰還制御方式）地震計のように錘に関す
るフィードバック回路を使用することなく、また水平の
設置精度を気にしなくとも、少なくとも２７秒以上の自
然周期が得られることが確認されている。

【００４３】図６に以上の原理に基づく本発明による一
実施形態である地動検出器すなわち垂直動振動検出器の
構造の概略を示す。

【００４４】図６の右側に地動検出器の錘にかかる重力
を打ち消すための磁場Ｂを発生する磁場形成用磁石１３
が示され、そして、この磁場Ｂ内に挿入された振り子本
体を構成する縦長の形状の永久磁石即ち円柱型の永久磁
石１４が示されている。なお磁場形成用磁石としては電
力の供給が不要な永久磁石を使用するのが望ましいが、
永久磁石に限定するものではなく必要な場合には例えば
電磁石を用いることもできる。磁場形成用磁石１３は均
一で平行な磁場を形成できるものであればその構成およ
び形状は問わない。振り子本体である永久磁石１４の形
状は円柱型に限るものではなく、例えば、四角柱であっ
ても良い。磁場形成用磁石１３は検出器１２のハウジン
グ（図示せず）に固定され、永久磁石１４はその中心軸
１５の回りで回転可能となるような方法で、検出器１２
のハウジングの所定の位置に取り付けられる。

【００４５】円柱型の永久磁石１４の端部１８から永久
磁石の長軸と平行に延在する腕部１６を介して、慣性不
動点を形成するための錘１７が永久磁石１４と接続され
ている。従って、永久磁石１４とともに振り子本体を形
成するこの錘１７は永久磁石１４の回転中心の回りを永
久磁石１４と共に回転する。図６において錘１７は簡単
化のため球状で示されているが、球状に限定されるもの
ではない。

【００４６】また、錘１７は上下に分岐した腕部１９を
介して、コイル２０、２３と共に磁気バネ２１またはフ
ィードバック手段２４のいずれかを構成する永久磁石２
２、２５と結合する。コイル２０、２３および永久磁石
２２、２５を磁気バネとして使用する場合には、制御回
路２７が磁気バネを構成するコイル２０、２３に流れる
電流を所定の値に制御する。また、コイル２０、２３お
よび永久磁石２２、２５をフィードッバック手段２４と
して使用する場合には、制御回路２７は錘１７の位置を
検出する例えば静電容量検出器のような位置検出器２６
からの検出信号に基づき、錘の垂直移動を制御して錘を
所定の静止位置に留めるような制御電流をコイル２０、
２３に流す。なお、この制御電流は錘を移動させようと
する力に対応するので、その波形は地面の震動に対応す
ることになる。図６においては磁気バネ２１またはフィ
ードッバック手段２４のいずれかを含む構成が示されて
いるが、本発明は磁気バネ２１またはフィードッバック
手段２４の両方を含まなくとも良い。フィードッバック
手段２４を含まない場合は錘１７の位置が位置検出器２
６によって検出され記録または表示される。

【００４７】図７は、錘と永久磁石との組合わせ部分に
関する他の実施の形態を示すものである。錘１７の側部
から伸びた一対の梁２８が、それぞれの端部部分３０、
３１において振り子の回転軸２０と一致するように延伸
する構造を有する。このため永久磁石１４の中心部には
何の加工を施すこともなく錘１７と永久磁石１４を回転
軸２０の回りで回転可能に配置することができる。

【００４８】図８は、本発明による地動検出器の他の実
施の形態を示すもので、実際に試作した検出器を示すも
のである。（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は
背面図、（ｄ）は正面図である。

【００４９】図８（ａ）において、向かって左側に、磁
気バネ用コイル３２およびフィードッバック用コイル３
３が配置されている。これらコイル内部には上下に分岐
する腕部３４に結合された永久磁石（図示されていな
い）がそれぞれ挿入されている。

【００５０】そして、右側に重力打ち消し用磁場を発生
するための永久磁石３５と、振り子の本体を構成する円
柱型永久磁石３６（図示されていない）が配置されてい
る。

【００５１】中央に上記永久磁石３６と共に振り子を構
成する板形状の錘３７が配置されている。図８（ｂ）で
わかるように、錘３７は永久磁石３５の部分の空間が四
角に抜かれて、この空間を半ば取り巻いている構造を有
する。錘平板３５の両側ではＸヒンジ３８により、永久
磁石３６の回転中心３９と同じになるように固定されて
いる。

【００５２】円柱永久磁石３６は、振り子を構成する板
状部３７から延在する棒部材４０を介して振り子の板状
部３７と結合し、窓枠型の磁場発生用永久磁石３５のボ
ーア４１内に配置されている。

【００５３】錘３７の位置検出器２６として、例えば２
０ｎｍ以下の変移が検出可能な静電容量位置検出器（示
されていない）が、磁気バネ３２とフィードバックコイ
ル３３が取り付けられている板の裏側に錘の位置を測定
するように取り付けられる。

【００５４】上記振動検出器の構成要素の材質は、コイ
ル３２、３３のボビンや永久磁石３６の保持部材で非磁
性の必要がある部分はマコールが望ましく、他の構成部
分は硬質アルミが望ましい。また、セラミックとアルミ
の融合材の使用も考えられる。この材料は比重がアルミ
に近く、線膨張率がセラミックに近い１０^-6程度であ
り、振動の減衰時間もステンレスの数分の１である。構
造体の熱膨張を少なくし余分な寄生振動を防止するの
に、効果がある。

【００５５】図９は、図８に示した地動検出器の、重力
打ち消し用磁場を発生する永久磁石３５と、振り子の本
体を構成する円柱型永久磁石３６、および中央に永久磁
石３６と共に振り子を構成する板形状の錘３７の部分を
示す斜視図である。図９において、Ｘヒンジ３８は薄い
板バネにより形成され、磁場発生用永久磁石３５は中央
に穴部４１を有する窓枠状に形成されている。錘３７に
取付けられ錘のモーメントを変更可能にするネジ４２、
円柱型永久磁石３６の位置を調節するために錘部分に取
り付けられた位置変更機構４３、窓枠型磁石３５の位置
を調節するＸ−Ｙ−Ｚステージ４４、基板４６の高さを
調節する調節ネジ４５、そして支持部材４７が設けられ
ている。

【００５６】以上、平行磁場による永久磁石の回転モー
メントにより、重力による振り子の回転モーメントを打
ち消す構造、そして磁気バネおよびフィードバック制御
手段を有する振動検出器の説明を行った。予備的な実験
において、図８で示した振動検出器は、その動作におい
て１０秒程度の自然周期を確認し、それ以上の自然周期
を達成することも期待できる。更に、ヒンジの復元力に
磁気バネの電流を変えることで力を加えバネを強くした
り、逆に倒立的な力を加え弱くすることもできることが
わかった。

【００５７】この装置の用途に関しては、地震等の振動
検出器の他に、長周期の慣性不動点が得られる特徴から
防振システムへの応用も考えられる。

【００５８】以上説明した、本発明の実施例は単なる一
例であり、本発明は上記実施形態に限定されるものでは
なく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に
変形することが可能である。更に、上記実施形態には種
々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成
要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出さ
れ得る。例えば実施形態に示される全構成要件から幾つ
かの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする
課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発
明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが
得られる場合には、この構成要件が削除された効果が発
明として抽出され得る。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば永
久磁石の長軸と磁場軸の角度がどのような状態であって
も、回転モーメントが磁石に働かない無定位な状態を実
現できる。このため、この振り子は従来のものよりも無
定位にできる範囲をより広くすることができ、そして自
然周期を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の垂直動の無定位回転振り子の原理を示
す概略図であり、図1（ａ）は永久磁石１が傾いて位置
している場合、図1（ｂ）は永久磁石１が水平に、即ち
磁場Ｂに対し垂直に位置している場合である。

【図２】図1の無定位回転振り子の磁場軸に対する角度
と、重力による回転モーメントおよび磁場による回転モ
ーメントとの関係を示す図である。

【図３】図1と同様の原理による、水平振り子の例を示
す図である。

【図４】磁場不均一性の問題を解決するための一方法で
ある窓枠型磁石を示す図である。

【図５】磁気バネの基本的動作を説明するための概略図
である。

【図６】本発明による地動検出器構造の概略を示す図面
である。

【図７】錘と永久磁石との組合わせ部分に関する他の実
施の形態を示す図である。

【図８】本発明による地動検出器の他の実施の形態を示
すもので、実際に試作した検出器を示すものである。

【図９】図８に示す地動検出器の、無定位型振り子の主
要部分を示す斜視図である。

【図１０】従来のラコステ加速時計を示す図面。

【符号の説明】

１ … 永久磁石２ … 中心軸３ … 錘４ … ソレノイドコイル５ … 腕部６ … 永久磁石７ … ヨーク８ … 窓枠型の磁石９ … 磁気バネ１０ … ソレノイドコイル１１ … 永久磁石１２ … 垂直動振動検出器１３ … 磁場形成用磁石１４ … 永久磁石１５ … 中心軸１６ … 腕部１７ … 錘１８ … 端部１９ … 腕部２０ … コイル２１ … 磁気バネ２２ … 永久磁石２３ … コイル２４ … フィードッバック手段２５ … 永久磁石２６ … 位置検出器２７ … 制御回路２８ … 梁２９ … 回転軸３０、３１ … 端部部分３２ … 磁気バネ用コイル３３ … フィードッバック用コイル３４ … 腕部３５ … 磁場発生用永久磁石３６ … 永久磁石３７ … 板形状の錘３８ … Ｘヒンジ３９ … 回転中心４０ … 棒部材４１ … ボーア４２ … ネジ４３ … 位置変更機構４４ … Ｘ−Ｙ−Ｚステージ４５ … 調節ネジ４６ … 基板４７ … 錘４８ … バネ４９ … 支持点５０ … 支持部材

フロントページの続き (56)参考文献特開2000−244319（ＪＰ，Ａ) 特開平６−50754（ＪＰ，Ａ) 特開平10−38672（ＪＰ，Ａ) 特開平９−21696（ＪＰ，Ａ) 特開平９−325067（ＪＰ，Ａ) 実開昭55−122126（ＪＰ，Ｕ) 特公昭61−13168（ＪＰ，Ｂ２) 特公平４−78128（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭58−608（ＪＰ，Ｂ２) 大竹雄次、辻信行，“ディジタルＰＩＤフィードバックコントローラーの高速・高ダイナミックレンジ化の提案”, 東京大学地震研究所技術報告，日本，東京大学地震研究所，1999年12月24日，第５号，ｐ．23−28 山田功夫，“最近の地震観測”，地震，日本，地震学会，1991年９月10 日，第２輯、第44巻、特集号，ｐ．３− 14 森田裕一，“ディジタルフィードバック地震計（ＤＦＳ）の実用化の可能性について”，地球惑星科学関連学会合同大会予稿集，日本，1998年５月26日, 1998年、Ｓｂ−008，ｐ．284 Ｅ．ＷｉｅｌａｎｄｔａｎｄＧ．Ｓｔｒｅｃｋｅｉｓｅｎ，”ＴｈｅＬｅａｆ−ＳｐｒｉｎｇＳｅｉｓｍｏｍｅｔｅｒＤｅｓｉｇｎａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ”，ＢｕｌｌｅｔｉｎｏｆｔｈｅＳｅｉｓｍｏｌｏｇｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，米国，1982年12 月，第72巻、第６号，ｐ．2349−2367 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01V 1/00 - 1/52 G01H 1/00 - 1/16 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平行な磁場を生成する手段と、前記平行な磁場中に回転可能に配置された振り子と、こ
こで前記振り子は縦長の形状の第１の永久磁石とこの第
１の永久磁石に結合された錘とを有し、前記第１の永久
磁石の中心は前記振り子の回転中心と一致しており、そ
して前記錘の位置を検出する手段とを含み、前記磁場により前記第１の永久磁石に生ずる回転モーメ
ントと、前記振り子にかかる重力による回転モーメント
が互いに打ち消されるように形成されることを特徴とす
る振動検出器。
【請求項２】前記磁場を生成する手段は、第２の永久
磁石によって磁場を生成することを特徴とする請求項１
記載の振動検出器。
【請求項３】前記錘は前記縦長の形状の第１の永久磁
石の一方の端部と結合されていることを特徴とする請求
項１記載の振動検出器。
【請求項４】前記錘は前記縦長の形状の第１の永久磁
石の長軸に対し垂直方向に延在するように結合されてい
ることを特徴とする請求項１記載の振動検出器。
【請求項５】前記振り子は振り子の振動を制御する手
段を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１
項記載の振動検出器。
【請求項６】前記振り子は磁気バネによりその振動が
制御されることを特徴とする請求項５記載の振動検出
器。
【請求項７】前記磁気バネは静止して配置されたソレ
ノイドコイルと、前記錘に結合され前記ソレノイドコイ
ル内に移動可能に配置された第３の永久磁石を含むこと
を特徴とする請求項６記載の振動検出器。
【請求項８】前記振り子は、前記錘の位置を検出する
位置検出器と、この位置検出器からの検出信号に基づ
き、錘の移動を制御して錘を所定の静止位置に留めるよ
うに制御電流を流す制御回路を含むフィードバック手段
によりその振動が制御されることを特徴とする請求項５
記載の振動検出器。
【請求項９】前記磁場を生成する手段は窓枠形の形状
を有し、その中空部分に平行な磁場が形成されることを
特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の振動検
出器。
【請求項１０】前記振り子は前記平行な磁場の外部に
おいてその回転中心がＸヒンジで固定されるように構成
されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項
記載の振動検出器。