JP3651686B2 - 地震計およびこれに類する計測器 - Google Patents

Description

本発明は、地震計及び類似計測器に関する。
本発明は、特に、慣性基準系を形成するに十分な質量が、回転あるいは並行移動によって計測器全体に対して自由に動くように吊られているために、計測器の動きの検出あるいは測定が可能な種類の高感度精密計器に関する。分かりやすくするために、このような種類の計測器を、ここでは、振子型計測器と呼ぶ。振子型計測器には、加速度計、速度計、伏角計及び重力計を含む変位測定器、いく種類かの慣性航行計測器、さらには、地表（あるいは地震振動が測定可能な他の物体）に接触し地表の動きを受けるフレームの中に質量が吊られた型の地震計が含まれる。原理的には、振動によって移動されるフレームと、自身の基準系を形成するために動きが自由に吊られた十分に大きな質量との間の相対運動が検出測定されるものである。
フレームに対する質量の動きの自由度を制限することによって、地震計を、一つの特定な軸上の動きを測定するように構成できる。これは、直線運動であってもよく、多くの振子型地震計においては、長い振り子が短いアークで移動する弓状運動によって近似される。
したがって、本発明は、概して、所望方向以外への質量の移動を阻止するが、一つ以上の他方向への可能な限りの自由な質量の移動を許容する振子型計測器に関する。本発明は、特に、フレームに対して重量を吊って拘束する機械的リンクがある種類の計測器に関する。
この種類の計測器においては、サスペンションのデザインは計測器の性能に重要である。サスペンションは、確実に質量を支持するに十分強く、また、不要な方向への質量の移動を阻止するもので、且つ、安定性があり、滑らかで著しく摩擦が少ないものでなくてはならない。
サスペンションは、意図された軸から逸れた質量の動きに抵抗するが、地震の所望の揺れが検出されるべき方向における質量の移動には従順であるという条件で、必要な質量の大きさ及び計測器の所望の感度を考慮すると、計測器が安全に輸送され取り扱われて、デリケートな構成要素を損なう危険を避けるために、フレームに対する質量の移動をロックするための手段を設けることが望ましい。しかし、実際は、不要な応力をサスペンションへ与えないで質量に完全に係合するロック機構を製造することが極度に困難であるという問題がある。実に、サスペンション構成要素は、応力を受け、ロック・アンロック・サイクルの繰り返しの後に究極的に破損するのが普通である。
この問題を扱うことが本発明の目的である。
常に、より正確にサスペンションを製造あるいは強化することによってこの問題の解決を試みるよりも、むしろ、この問題を実際に避けることが可能であることを発明者らは発見した。
本発明によれば、次の説明で開示されるいくつかのあるいは全ての要素及び特徴から振子型計測器メカニズム及びこれをロックする方法が構成される。本発明の範囲は、個別であるか、あるいはここに説明される他の特徴との組み合わせであるか否かにかかわらず、すべての新規な局面に及ぶ。
特に、本発明の一つの局面においては、質量は、限られた自由度内においてフレームに対して質量が自由に動くことを許容するがそれ以外ではフレームに対して質量が動くことを阻止するサスペンション手段によってフレームにしっかりと連結され、計測器は、サスペンション手段における質量とフレームとの間の連結を順番に解放するための手段、サスペンション・ポイントからの遠のく動きによって、解放された質量をフレームから分離するための手段、メカニズムをロックするために質量をフレームに固定するための手段、メカニズムをアンロックするために質量をフレームから外すための手段及びサスペンション手段を介して質量とフレームとの間の連結を再確立するための手段からなる
同様に、慣性質量とフレームとの間の相対的な動きを検出し測定することによってフレームの運動の変化を検出し計測するためにフレームに連結された慣性質量からなる種類の慣性振子型計測器メカニズムをロック及びアンロックする方法が、質量は、限られた自由度内においてフレームに対して質量が自由に動くことを許容するがそれ以外ではフレームに対して質量が動くことを阻止するサスペンション手段によってフレームにしっかりと連結されており、サスペンション手段における質量とフレームとの間の連結を順番に解放すること、解放された質量をフレームから、サスペンション・ポイントから遠のく動きによって分離すること、メカニズムをロックするために質量をフレームに固定すること、メカニズムをアンロックするために質量をフレームから外すこと及びサスペンション手段を介して質量とフレームとの間の連結を再確立することからなる。
輸送目的のためにフレームに対して質量を固定する前に、このようにして、ある範囲の方向あるいは自由度における動きに対して抵抗する機構であるサスペンションを外すことによって、また、サスペンション機構を介して質量を再び連結する前に、この固定された質量を解放することによって、フレームに質量をロックすることによって起こるサスペンションへの極端な応力を完全に避けることが可能であり、また、この原因によるサスペンションひずみ及び破損を除去可能である。
上記の質量は、地震計内でフレームに対して動くすべての慣性体からなり、質量が主に集中する塊状の重りを特に示すものではない。したがって、旋回ブーム上に重りが載せられた振子型の計測器においては、上記の質量は、重りが付いたブーム全体であると考えることができ、また、本発明によれば、もちろん、旋回式のサスペンション手段によってフレームに連結され、輸送に際してフレームにロックされる質量であるこの構成要素を示す。
サスペンション手段においてフレームから質量を外すことを、二つのステップで行ってもよい。第一に、接続を解放し、第二に、サスペンション・ポイントから遠のく動きによって質量をフレームから分離する。同様に、フレームに質量を再度係合することを、まず、サスペンション・ポイントに質量とフレームとを再び移動させ、次に、サスペンション手段を介して質量をフレームに実際に再び連結することから構成する。
ロック・ステップ中にフレームに質量を正しく固定することを補助し、サスペンション手段の再連結において質量をフレームへ正しく再係合するガイド手段が分離ステップに用いられてもよい。このようなガイド手段は、サスペンション手段におけるフレームからの質量の遊離の完了前に、また、任意に最初の連結解除以前に用いられ、サスペンション手段においてフレームに対する質量の再配置後に取り外してもよいし、また、任意に実際の再連結後まで取り外さなくてもよい。
添付図面に本発明の一つの実施例が示されている。
図１は、明確にするため、一部切除分解された地震計メカニズムの等尺正面図である。
図２は、図１に示されたメカニズムを通る垂直断面形状を示し、直立状態にある左側フレームの内側から内向きに見たもので、ロックされていない状態のメカニズムを表す。
図３は図２に対応するものであるが、メカニズムはロックしている。
図４は、図２に類似の断面図であるが、計測器の中心線により近いところを表すもので、メカニズムはアンロックされている。
図５は、図４と同じ位置における断面形状であるが、メカニズムがロックされた状態を示す。
図面に示されたメカニズムは、通常、外側のキャニスターに収容され、特に、従来のエレクトロニクス制御器及び測定構成要素をかなりの量含むものである。これら構成要素は、本発明の理解に不必要であるため、除かれている。
図面に示されたメカニズムは、質量が基部上方、ピボット上に支持された倒立振子型地震計のためのものである。この計測器は、水平ピボット軸に直角な水平方向の振動を検出する。
特に、メカニズムのフレーム10は基部11、左コラム12、右コラム13及び上部横断ビーム14を含む。質量は、下記に説明されるが、ブーム20及びその全関連装備品からなる。
ブームは、個体で、概して長方形であり、フレーム10の上部内側に装着する。また、各側面には二つの下方へ延びる脚21が設けられている。各脚の底部に向かい円筒状のピボット・クランプ22が設けられており、これら各クランプは、ブーム取付ピボット24を保持する。
ブーム取付ピボットは、各々二つの互いに直角な平面にからなる葉バネから形成され、板バネにおける隣接する端部の対が、部分的に円筒状のシェルによって連結されている。このため、これら二つのシェルは、板バネが互いに交差する線分の回りを互いに対してちょうつがいのように作用することが可能な部品を形成する。これら二つの対向する部分的に円筒状のシェルは、軸方向に整列された二つの円筒状のリング内に配置され、一つのシェルの一端部が一方のリングに固着され、他のシェルの反対側端部が他方リングに固着されている。このように、ピボット軸は、二つの板バネ平面が互いを横切ってできる線分からなり、二つの隣接する円筒状リングの中心軸であり、片側のリングは、この軸の回りを他のリングに対して平滑でかなり摩擦がない状態で回転することが可能である。この種類のピボットは、この関連技術においてよく知られているもので、ベンディクス（Bendix Fluid Power Division of Allied Bendix Aerospace）によって製造された「フリー・フレックス（Free−Flex）」ピボットを含む。
ピボットの円筒状のリングの一つが各ブーム脚内に締められ、隣接する円筒状のリングが、反対側のピボット24に向かって整列して各脚21の内側に自由に突き出す。
地震計フレームの基部11は、１対のピボット取付ブロック26を含み、各ピボット取付ブロックの上面にはピボットを受けるＶ溝28が設けられている。これらＶ溝は、互いに一列に並べられて、ブーム・ピボット24の内側リングにサポートを提供するように配置されている。
ピボットは、二つのピボット・クランプ・レバー30によってＶ溝内に保持される。これらレバーは、一端（図１に示されたメカニズムの後部）においてフレームに旋回可能に取り付けられており、ピボット取付ブロックの前部に固定されたピボット・クランプ・レバー戻りバネ32によって各々ピボット24上に下方へ引かれている。したがって、塊状のブーム20は、ピボット24を含むサスペンション手段によってフレーム10に連結されており、これらピボットによってフレーム内の一つのピボット軸上における回転にのみブームの動きが制限されること、塊状のブームは、フレーム上のピボット取付ブロックのピボット受けＶ溝内にあるピボット・リングの上に作用するピボット・クランプ・レバーの圧力によってフレームに係合されることが明らかである。
ブーム21及びその関連装備品からなる質量に関しては、これら装備品には運動検出器40が含まれるが、この検出器は、磁性サーボ・フィードバックをもつ容量性変位トランスデューサー型であり、ブーム20上部の前面にそれから離れて強固に付けられた巻型42を含む。巻型は、フレーム10における上部横断ビーム14及びコラム12及び13の上端部にしっかりと固定された磁石44とキーパー46との間に空間を隔てて位置する。また、ブームには、検出器の下に、位置調整モーター47及び調整重量アセンブリ49があり、これらは、従来の方法で、ブームの重心の微調整を行うために用いられる。
大規模な旋回ブーム・アセンブリからなる倒立型の振り子は、その静止位置で直立になるように安定させる必要がある。これも、従来の方法において達成されるものであり、基部11の後部の縁に直立に固定された長い狭い安定板バネ50を用いる。この板バネには、その上端部、ブームの頂上の高さにおいて、ブームの頂部に向かって延びてそこで締められた水平安定ワイヤ52が設けられている。安定ワイヤ52は、軸方向については堅いが、他端に対する一端の垂直運動に関しては従順である。
フレームの上部横断ビーム14には、これを通過する、横方向に離れて配置された二つの上側ブーム・ロック・スクリューが設けてある。これらロック・スクリューの下端は、円錐プローブ56になっている。ブーム20の頂端には、各々のプローブ56の下にそれに対応する円錐のくぼみ58が設けられている。この意図するところは、後に説明するが、ブームを上げることによってプローブをしっかりとくぼみに係合させ、ブームをロックする、また、ブームを下げることによってプローブとくぼみとを分離し、ブームをアンロックしもう一度ブームの適度に自由な動きを可能にすることである。
ブームを上げるための直接的な手段は、メカニズムの中心後部に旋回可能に取り付けられてブームの脚21の間及び二つのピボット・クランプ・レバー30の間を前方へ延びるブーム・ロック・レバー60からなる。ロック・レバー60の上面には、円錐切頭体の先端を有するブーム・ロック・スタッド62が設けられており、すぐ上方に位置するブームの上部の下端に対応する円錐のくぼみが形成されている。ピボットにおけるフレームからのブームの遊離に依存し、ブーム・ロック・レバー60が上げられるとき、ブーム・ロック・スタッド62は、くぼみ64に係合して、ブーム上端にあるくぼみ58が円錐プローブ56に係合するまでブームを持ち上げる。これら三つの係合点によって、ブームは、ブーム・ロック・レバーへの上向きの圧力によってフレームに固定される。
サスペンションを解放すること、ブームを固定すること、及び逆方向のステップは、メカニズムの前部、ピボット・クランプ・レバー30及びブーム・ロック・レバー60の前端の下に取り付けられたカム軸70上のカムによって実行され制御される。ピボット・クランプ・レバーを操作する二つのカム72と、ブーム・ロック・レバーを操作する中央のカム74がある。カム軸には、その左側端部に駆動ギア・ピニオン76が設けられており、このピニオンは、メカニズムの前部に取付ブロック88で付けられたカム軸モーター86のモーター駆動ピニオン78に係合する。
ブーム・ロック・レバー・カム74は、ピボット・クランプ・レバー・カム72とほとんど同じ形であるが、ブーム・ロック・レバー60は、フレーム内においてピボット・クランプ・レバーよりも僅かに高いため、カム軸が回転するとき、ピボット・クランプ・レバーは、ブーム・ロック・レバー60がカム74によって持ち上げられる以前にカム72によって持ち上げられる。これは、ブーム・ロック・レバーがブームを持ち上げ始める前に、ピボット・クランプ・レバーが戻りバネ32の張力に対抗して上げられるためにサスペンション内のピボット連結が解放され、このとき、内側のピボット・リングは、塊状のブームが完全にフレームから分離されることによってピボット受けＶ溝28から持ち上げられ、サスペンションの遊離が完了することを意味する。さらに、カム軸の回転が各々のレバーを持ち上げ続け、究極的に、ブームはしっかりと上側ロックねじ54の円錐プローブ先端に対して固定される。このロック状態において、サスペンションに全く応力が作用しないことは明白である。メカニズムをアンロックするためには、カム軸70をモーター80によってさらに回転させる。ブーム・ロック・レバー60はブームの重量によって下がると共に、ピボット・クランプ・レバー30は、サスペンション・クランプ・レバー戻りバネ32の張力によって下方、ピボット・リング上へ引かれ、ピボット24がピボット受けＶ溝28上に正しく再配置させられる。それ以降、カム72がクランプ・レバー30から完全に分離するので、ピボットは、戻りバネの増加した張力によってしっかりとそこに保持される。
ブームがブーム・ロック・レバーによって上げられるとき、ピボット・クランプ・レバー戻りバネがいかなる状況にあってもピボットを破損するほど強くないのなら、ピボット・クランプ・レバー・カム72は原理的に排除可能であることは明らかである。戻りバネの弱い張力が単に適用される場合、質量を効率的にフレームから外すことは可能であるが、一般的に、先に説明したように、ピボットあるいは他のサスペンション・ポイントにおける質量とフレームとの間に作用するすべての力を除去するのが好ましい。
カム軸70には、さらに、フレーム・コラム12及び13内のブーム脚21の外面の位置に一致する所に二つのブーム・ガイド・ウェブ80が設けられている。ガイド・ウェブには、外側に曲げられた案内縁82が設けられており、これらはカム軸と共に回転する。ウェブは、十分に薄く、外側への横方向の圧力に対して幾分弾力があり、カム軸が回転するとき、ウェブにおけるテーパが施された案内縁が脚21の外側に接触して通過し、次に来るウェブの平らな面がわずかな圧力で脚21を抱きかかえるように構成されている。この構成の目的は、ロック・アンロック・サイクル中にブームをガイドすることにある。ロック・ステップにおいては、横向きの移動に抵抗しフレームに塊状のブームを正しく固定することを、また、ピボットをピボット受けＶ溝に再度係合するときには、フレームにブームを正しく再係合することを助ける。
ガイド・ウェブ80は、扇形に近い形をしており、それらの案内縁82は、ピボット・クランプ・レバー30が上がる直前にブームへ送られ、ロック・アンロック操作の全体に渡ってブームに接触し、ピボットがＶ溝に固定させられた後にブームを解放する。ガイド・ウェブを収容するためにフレーム10の基部11にクリアランス溝84が設けられている。
サスペンションが外されブームがロックされる前は、ブームは、安定バネ50及びワイヤ52を介してフレームに繋がれているが、これらはもちろん永久ひずみを受けることは全く無く、また、本発明によれば、サスペンション手段の一部を形成するものでもないということは明らかである。本発明は、そのような効率的に従順な連結に関するものではなく、自由度の限定セット内で、最も一般的には単一自由度で、質量が自由に動くように制限される部分的に固いサスペンション・システムに関するものであり、特に、この実施例においては、弧がその半径と比較して十分に短いならば直線運動に近づく。
図面を参照して説明された本発明の実施例は、水平方向の運動に反応するために設計された地震計メカニズムであるが、この原理は、垂直変位を測るための計測器に容易に適合され得るものである。例えば、ブームは、ピボットの所にねじりバネを適用することによって水平方向に保持可能であり、センタリング操作を、ブームの重心を移すことによってではなく、ねじりバネの張力を調整することによって実行できる。また、本発明は、ここに説明された種類の他の振子型計測器にも、また地震計にも適用可能である。
さらに、本発明は、他形式のサスペンションに適用可能であり、取り外し可能なクランプ・ブロックに取り付けられたピボットに限定されるものではない。

Claims (20)

1. フレームに連結された慣性質量からなる種類の慣性振子型計測器メカニズムであって、前記慣性質量と前記フレームとの間の相対的な動きを検出し測定することによって前記フレームの運動の変化を検出測定するものであり、前記質量は、限られた自由度内において前記フレームに対して前記質量が自由に動くことを許容するがそれ以外では前記フレームに対して前記質量が動くことを阻止するサスペンション手段によって前記フレームにしっかりと連結され、前記計測器は、前記サスペンション手段における前記質量と前記フレームとの間の連結を順番に解放するための手段、サスペンション・ポイントから遠のく動きによって、解放された質量を前記フレームから分離するための手段、前記メカニズムをロックするために前記質量を前記フレームに固定するための手段、前記メカニズムをアンロックするために前記質量を前記フレームから外すための手段及び前記サスペンション手段を介して前記質量と前記フレームとの間の前記連結を再確立するための手段からなる慣性振子型計測器メカニズム。
2. 前記質量とフレームとの間の連結を再確立するための手段は、前記サスペンション・ポイントに前記質量と前記フレームとをもたらすための手段と、前記サスペンション手段を介して前記質量と前記フレームとを再び連結するための手段とからなることを特徴とする請求項１に記載の慣性振子型計測器メカニズム。
3. 前記質量は、解放可能なクランプが設けられた旋回式サスペンション手段によって前記フレームにしっかりと連結された重り付きブームからなることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の慣性振子型計測器メカニズム。
4. 前記質量は、交差する板バネからなり、これら板バネが交差する線分上にピボット軸が定義される旋回式サスペンション手段によって前記フレームにしっかりと連結された重り付きブームからなることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の慣性振子型計測器メカニズム。
5. 前記フレームに前記質量を連結する前記サスペンション手段は、解放可能な状態でピボット受け溝内にしっかりと保持されるピボットからなることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の慣性振子型計測器メカニズム。
6. 前記ピボットは、バネによって前記ピボット上に促されたピボット・クランプによって前記溝内に解放可能な状態でしっかりと保持されることを特徴とする請求項５に記載の慣性振子型計測器メカニズム。
7. 前記ピボット受け溝から前記ピボットを解放するための、前記ピボット・クランプ上に作用するカムからなることを特徴とする請求項６に記載の慣性振子型計測器メカニズム。
8. 前記ピボットを前記溝から分離するように適合されたカムからなることを特徴とする請求項５から７までのいずれか一つに記載の慣性振子型計測器メカニズム。
9. 前記フレームに前記質量を固定させるために適合されたカムからなることを特徴とする請求項５から８までのいずれか一つに記載の慣性振子型計測器メカニズム。
10. 共通のカム軸上に取り付けられた複数の前記カムからなることを特徴とする請求項７から９までのいずれか一つに記載の慣性振子型計測器メカニズム。
11. 前記フレームからの前記質量の分離中に前記質量をガイドするための手段からなることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の慣性振子型計測器メカニズム。
12. 前記質量をガイドするための手段は、二つのガイド・ウェブからなり、各ウェブはほぼ扇形であってカム軸と共に回転するため、前記カム軸が回転するとき、前記ウェブは、前記フレームから前記質量が分離する期間中、前記質量をガイドするように前記質量を抱え込むことを特徴とする請求項10及び請求項11に記載の慣性振子型計測器メカニズム。
13. 前記フレームと前記質量とには、各々少なくとも一つのロック・プローブとそれに対応するくぼみが設けられており、前記質量は、前記プローブを前記くぼみに係合することによって前記フレームに固定され、また、前記プローブを前記くぼみから外すことによって前記フレームから分離されることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の慣性振子型計測器メカニズム。
14. 前記請求項のいずれか一つに記載の慣性振子型測定器メカニズムが設けられた地震計。
15. 前記メカニズムは倒立の振子型であることを特徴とする請求項14に記載の地震計。
16. 慣性質量とフレームとの間の相対的な動きを検出し測定することによって前記フレームの運動の変化を検出し測定するために前記フレームに連結された慣性質量からなる種類の慣性振子型計測器メカニズムをロック及びアンロックする方法であって、前記質量は、限られた自由度内において前記フレームに対して前記質量が自由に動くことを許容するがそれ以外では前記フレームに対して前記質量が動くことを阻止するサスペンション手段によって前記フレームにしっかりと連結されており、前記サスペンション手段における前記質量と前記フレームとの間の連結を順番に解放すること、解放された質量を前記フレームからサスペンション・ポイントから遠のく動きによって分離すること、前記メカニズムをロックするために前記質量を前記フレームに固定すること、前記メカニズムをアンロックするために前記質量を前記フレームから外すこと及び前記サスペンション手段を介して前記質量と前記フレームとの間の前記連結を再確立することからなる前記方法。
17. 前記質量と前記フレームとの間の連結を再確立するステップは、サスペンション・ポイントに前記質量及び前記フレームをもたらすことと、次に、前記サスペンション手段を介して前記質量と前記フレームとを再び連結することからなることを特徴とする請求項16に記載の方法。
18. 前記サスペンション手段は、前記質量と前記フレームとの間に連結された、クランプによって締められたピボットからなり、前記ロック・ステップは、このピボットを解放することを含み、前記アンロック・ステップは、このピボットを再度固定することを含むことを特徴とする請求項16あるいは請求項17に記載の方法。
19. 前記フレームからの前記質量の分離中に前記質量をガイドすることからなることを特徴とする請求項16から18のいずれか一つに記載の方法。
20. 前記メカニズムは地震計メカニズムであることを特徴とする請求項16から19のいずれか一つに記載の方法。

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