JP3760232B2

JP3760232B2 - 水平地動検出器

Info

Publication number: JP3760232B2
Application number: JP2002335576A
Authority: JP
Inventors: 雄次大竹
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP2004170215A; WO2004046668A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地震計等に用いられる水平地動検出器に関し、特に簡単な構成で高精度の測定が行えるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＴＳ（速度計）やＣＭＧ（加速度計）等の広帯域・高感度地震計や超伝導重力計等の地球観測機器は、遠地地震の小さな波形を正確に捕らえる地球の内部トモグラフィーを利用して地球の内部構造を明らかにしたり、等の近年の地震研究に多大な貢献をしている。このような地震研究を発展させるために、さらに高感度・高精度のサーボ型の地震計等が開発されてきた（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
地震計として、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することで振動を検出するものが従来より用いられている。このような地震計を高感度・広帯域化し、特に地震特有の低周波領域の測定を行うためには、長い自然周期を得ることが必要となる。
【０００４】
ここで、どのようにして長い自然周期を得るかが一つの問題となる。長周期を得るために、例えば、振り子の錘を非常に重いものとすることが考えられる。しかしながら、このような地震計は大型化するという問題があった。
【０００５】
一方、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やリーフスプリングタイプの地震計、さらにラコステ重力計で使用されているゼロ長バネが考案されている。
【０００６】
特に最近の水平高感度地震計は、僅かに倒立させた振り子で重力により板バネの強い復元力を打ち消し、その僅かな差で振り子の弱いバネを実現し長周期化をはかっているものがある。例えば、ＳＴＳ−１は、水平振り子のヒンジに使用している板バネの復元力を打ち消すために、本体を水平面から僅かに上に傾け、その角度調整で振り子の倒立の具合いを変えて重力の打ち消し調整を行っている。
【０００７】
また、平行磁場と永久磁石による無定位回転振り子と、磁気バネを使った地動検出器が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２４４３１９号公報（第２頁、図２）
【０００９】
【非特許文献１】
文部省科学研究補助金・基盤研究Ｃ 1999-2000年度、平行磁場と永久磁石による無定位回転振り子と、磁気バネを使った地動検出器の開発（第１〜３３頁）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した水平高感度地震計であると次のような問題があった。すなわち、大きな力同士の打ち消しで小さなバネ定数を得るという構造であるため、地面の僅かな傾きや設置誤差、温度・経年変化によるバネの弾性定数の少しの変化もその差を大きく拡大・縮小する。その差の変化は振り子全体のバネ定数の変化になり、自然周期や利得の変動をもたらし測定値のドリフト・ノイズに直結する。したがって、その調整や観測時の設置が難しいという問題があった。
【００１１】
また設置を容易にするために、ＣＭＧのように内部に電動ジンバル機構を持ったものもあるが、構造が複雑になり、コストが高くなるという問題があった。さらに、バネ機構の設計と製作は、非常に特殊な技術を必要とするという問題があった。
【００１２】
そこで本発明は、振り子の長周期化を図る場合であっても、弾性部材のバネ定数の変化に伴うドリフト・ノイズの発生を防止し、かつ、調整や観測時の設置を容易にすることで、高ダイナミックレンジ化及び安定化が図ることができる水平地動検出器を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の水平地動検出器は次のように構成されている。すなわち、先端側に錘部が設けられるとともに、基端側が板バネで支持され、上記基端側を中心として水平面内で揺動する水平振り子と、この水平振り子の下方に対向配置され上記錘部を磁気浮上させて上記水平振り子の揺動方向を水平面内に維持する浮上磁石部と、前記水平振り子の水平方向の振れ角を測定する測定部と、この測定部による上記水平振り子の振れ角に基づいて上記水平振り子の復元量を算出する演算部と、この演算部による算出結果に基づいて上記水平振り子を復元する復元部とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態に係る水平高感度地震計１０を示す斜視図、図２は同水平高感度地震計１０を一部切欠して示す平面図、図３は同側面図、図４は同水平高感度地震計１０の背面図である。なお、これらの図中矢印ＸＹＺは互いに直交する三方向を示しており、特に矢印ＸＹは水平方向、矢印Ｚは鉛直方向を示している。
【００１５】
水平高感度地震計１０は、いわゆるサーボ型地震計である。サーボ型地震計は、錘の位置を検出しその動きを止めることで大きな外力による大きな揺れでも振り子が振り切れないようにしたものである。このことで地震計の高ダイナミックレンジ化及び安定化が図ることが可能となる。また、フィードバック回路から錘に接続されたコイルアクチュエータヘの信号や位置検出回路の出力信号を、振動検出出力とする。さらにフィードバックパラメータによる補償で、振り子の減衰定数や自然周期等が可変できるという特性を有している。
【００１６】
水平高感度地震計１０は、測定位置に固定されるベース１１と、このベース１１上に搭載された水平振り子機構２０、磁気浮上機構３０、振り子復元機構４０と、水平振り子２４の位置に基づいて振り子復元機構４０を制御する制御回路１００とを備えている。
【００１７】
水平振り子機構２０は、ＸＹＺテーブル２１と、このＸＹＺテーブル２１に支持された振り子支持部２２と、この振り子支持部２２にＸ型ヒンジ２３を介して取付けられた水平振り子２４と、この水平振り子２４の先端側下部に取付けられた板状のブラケット２５と、このブラケット２５の下面に取付けられた錘２６と、この錘２６を挟んで配置された一対の上側磁石部２７，２８とを備えている。
【００１８】
ＸＹＺテーブル２１は、３つの調節ネジ２１ａ〜２１ｃによりＸＹＺ方向について移動可能に構成されており、例えば錘２６の質量を変えた場合に、磁石浮上機構３０による磁気浮上が適正に行われるように調節することが可能である。
【００１９】
Ｘ型ヒンジ２３は、恒弾性合金（ハイテリンバー）の板バネにより形成されており、振り子支持部２２及び水平振り子２４にネジ止めされている。このＸ型ヒンジ２３により水平振り子２４は振り子支持部２２に対し、その中心軸２３ａを揺動軸として揺動可能に支持されている。なお、中心軸２３ａは鉛直方向であることから、水平振り子２４の揺動範囲は水平面内となる。
【００２０】
上側磁石部２７，２８は、Ｘ型ヒンジ２３の中央軸２３ａを中心とした円弧状にＮ極とＳ極の細い帯状磁石（数ｍｍ幅）が交互に配置されたものから構成されている。なお、帯状磁石の代わりにＮ極・Ｓ極を交互に着磁した磁石を用いてもよい。
【００２１】
磁気浮上機構３０は、架台３１と、この架台３１上に設けられ、上述した上側磁石部２７，２８に対向配置された下側磁石部３２，３３と、非接触で水平振り子２４の振れ角を検出する静電容量位置検出器３４とを備えている。
【００２２】
下側磁石部３２，３３は、Ｘ型ヒンジ２３の中央軸２３ａを中心とした円弧状にＮ極とＳ極の細い帯状磁石（数ｍｍ幅）が交互に配置されたものから構成されている。なお、帯状磁石の代わりにＮ極・Ｓ極を交互に着磁した磁石を用いてもよい。
【００２３】
このとき、上述した上側磁石部２７，２８におけるＮ極と下側磁石部３２，３３のＮ極とが対向するように、上側磁石部２７，２８におけるＳ極と下側磁石部３２，３３のＳ極と対応するように配置されている。このことで永久磁石の直上平面では磁場の位置エネルギーを均一にでき、錘２６の安定浮上が実現できる。
【００２４】
静電容量位置検出器３４は、ターゲットである参照質量と検出器にある電極との間の変位に比例した静電容量を測定するものであり、アナログ値として出力される。静電容量位置検出器３４の最大分解能は例えば０．５ｎｍである。
【００２５】
なお、上述した上側磁石部２７，２８及び下側磁石部３２，３３で用いる永久磁石は、例えば、希土類であるネオジウムコバルトやフェライトシートであって０．５Ｔ程度の磁場を発生するものを用いる。希土類の永久磁石の磁場強度は、磁場の転移点であるキューリー温度に達するまでは大きな温度依存性が無く、また僅かな強度の温度依存性があっても浮上は鉛直方向なので、水平振り子にはほとんど影響しない。希土類の永久磁石を用いた場合、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で安定に浮上できることが明らかになっている。
【００２６】
振り子復元機構４０は、架台４１と、この架台４１に支持された磁気バネ機構４２と、フィードバック機構５０とを備えている。磁気バネ機構４２は、矢印Ｙ方向に沿った磁場軸を形成するソレノイドコイル４３と、軸方向を矢印Ｙ方向としその先端が水平振り子２４に当接して配置された円形棒磁石４４とを備えている。ソレノイドコイル４３には制御回路１００により通電されることで、円形棒磁石４４に駆動力を与えて、水平振り子２４の自然周期を変えることが可能である。ここで、磁気バネ機構４２による駆動力をｆmag とする。
【００２７】
フィードバック機構５０は、矢印Ｙ方向に沿った磁場軸を形成するソレノイドコイル５１と、軸方向を矢印Ｙ方向としその先端が水平振り子２４に当接して配置された円形棒磁石５２とを備えている。ソレノイドコイル５１は後述するフィードバックコイル駆動部１０４により通電・駆動されることで、円形棒磁石４４に駆動力を与えて、水平振り子２４の動きを規制するものである。
【００２８】
制御回路１００は、アナログフィードバック回路であって、図５に示すように、静電容量位置検出器３４からの出力を増幅するプリアンプ１０１と、位相補償器１０２と、フィードバッグフィルタ１０３と、ソレノイドコイル４３を駆動するフィードバックコイル駆動部１０４とを備えている。
【００２９】
次に、磁気浮上機構３０及びＸ型ヒンジ２３を用いて長周期の振り子を実現している点について詳述する。すなわち、振り子を支持するために用いられる弾性部材のバネ定数の変動はバネの弾性定数に対する比率で決まることから、バネ定数の変動の絶対値を小さくするには弱い（柔らかい）金属バネを用いることが好ましい。しかし弱い金属バネで支えられる錘は軽いものに限られる。そこで、バネ系とは独立に錘を支え、無定位な状態を作るとともに、錘に金属または別の方法で弱いバネ機構を付加して、長周期振り子を作ることが求められる。
【００３０】
したがって、水平振り子２４を磁気浮上機構３０で支持するとともに、弱いバネ機構としてＸ型ヒンジ２３を用いた。このように、Ｘ型ヒンジ２３に対する錘２６の負荷をごく僅かとすることができることから、Ｘ型ヒンジ２３を弱い板バネで構成でき長周期化が可能となる。さらに、振り子の自然周期を固定して考えたときには、軽い錘の使用で地震計の軽量化も期待できる。
【００３１】
なお、重力に対する錘の支持と振り子の機能を分離して構造を単純にすることで、設置誤差等で生じる傾きに起因した相互干渉による悪影響も除くことが可能となる。
【００３２】
永久磁石で浮上できる錘２６の重量は、水平振り子２４の自然周期を決めるパラメータである。ここでは、簡略化した例として対向する永久磁石による浮上重量の計算結果を述べる。但し、ＮＳ交互着磁の浮上用磁石でもほぼ同じ結果が得られる。対向する磁石の吸引力Ｆは、
【数１】

で表される。ここでＢg は対向する磁極問の磁束密度、μは透磁率、Ｓは磁極間の対向面積である。反発力も同様に成り立つ。この式（１）を使って磁力を変えたときの水平振り子２４に使う錘２６の浮上力を計算した結果を図６中実線に示す。また、図６中のポイントＰは実験値を示す。ＮＳ交互着磁の浮上用磁石は磁力線が帯と帯の間に閉じるので、強い磁場の範囲は近傍のみである。その範囲は大きく見ても表面から数十ｍｍの程度である。そのために浮上用磁場の漏れによるＸ型ヒンジ２３等に対する影響も少なくできる。
【００３３】
しかし範囲が狭くても、上側磁石部２７，２８を下側磁石部３２，３３に対向して近づければ、磁石近傍では０．５Ｔ程度の磁場強度が期待できる。図６のグラフから磁石の面積Ｓにもよるが、１０００ｍｍ^２程度の面積で２ｋｇ程度の重量の錘２６を浮上させることができ、実験値は計算値に合致している。
【００３４】
次に、水平振り子２４の動作特性について説明する。水平振り子２４の動作特性は、主にＸ型ヒンジ２３の板バネの復元力ｆres で決まる。ここで、磁気バネ機構４２の力をｆmag とする。また本体が傾斜することにより、重力ｆg によるＸ型ヒンジ２３の復元力を打ち消すような負の力ｆgsinが錘２６に対して働く。この錘２６に働く力の関係を模式的に示したのが図７である。
【００３５】
図７中の力でＹ−Ｚ平面（Ｙ軸の傾き）に沿った本体の傾き（回転成分）は、水平振り子２４の平衡点のシフトにつながり、この検出器は原理的に水平動の外力とこの成分を区別できない。Ｘ−Ｚ平面（Ｘ軸の傾き）に沿った本体の傾き（回転成分）はバネ定数の変化につながる。水平振り子２４に働く外力とそれぞれの力の関係は、
【数２】

で表され、この式（２）ではＹ−Ｚ平面に沿った傾きは無いものとする。錘２６に働く重力ｆg は、磁気浮上力ｆlevel で打ち消され式（２）に表れない。ここでｆext は外力、ｍは参照質量、εは減衰係数、ｋはＸ型ヒンジ２３のバネ定数、ｇは重力加速度、φは水平振り子２４の倒立の具合を決める角度、θは水平振り子２４の振れ角、Ｍgspは磁気バネ機構４２の内部棒磁石の磁荷、ｎは磁気バネ機構４２のソレノイドコイル４３の巻き数、Iはソレノイドコイル４３の電流、αはソレノイドコイル４３の半径、ｘd は水平振り子２４の変位である。また右辺の括弧内の第１項はＸ型ヒンジ２３の復元力ｆres で、第２項は水平振り子２４の錘２６に働く重力による倒立力ｆgsin、第３項は磁気バネ機構４２による力ｆmag である。
【００３６】
地震計のノイズにつながる外力は、上記の傾斜成分のほかに音や気圧変化等多様なものがある。この式（２）を使って磁気バネ機構４２でＸ型ヒンジ２３と逆方向の負の復元力を加え、水平振り子２４の自然周期が長くなる方向に変化させたときの計算値を図８の（ａ）中実線で示す。なお、ソレノイドコイル４３に流す電流値と自然周期との関係で示されている。また、図中のポイントは、試作機によって得られた実験値である。図８の（ａ）からわかるように、計算値と実験値はほぼ一致している。
【００３７】
一方、Ｘ−Ｚ平面（Ｘ軸の傾き）でベース１１を傾け、水平振り子２４の復元力を変化させたときの傾き角に依存した自然周期の変化の計算値を図８の（ｂ）に示す。なお、試作機の参照質量は２ｋｇ程度である。
【００３８】
このように構成された水平高感度地震計１０は、次のように動作する。すなわち、地震等により水平高感度地震計１０に水平方向の振動が伝わると、錘２６によって水平振り子２４が水平方向に振れる方向に力が働く。この水平振り子２４の微小な移動量を静電容量位置検出器３４が検出する。静電容量位置検出器３４で検出された移動量は振れ角に対応し、この振れ角の信号は、制御回路１００に入力され、ソレノイドコイル５１への通電量が算出され、フィードバックコイル駆動部１０４によりソレノイドコイル５１が駆動される。そして、円形棒磁石５２により水平振り子２４の動きが規制される。同時に、フィードバックコイル駆動部１０４の出力信号や位相補償器１０２の出力信号を取り出すことにより、振動検出出力とすることができる。
【００３９】
上述したように本発明の一実施の形態に係る水平高感度地震計１０によれば、次のような効果が得られる。すなわち、サーボ型地震計において、重い錘を用いた水平振り子を弱いバネで支持することにより、振り子の長周期化を図ることができる。このため、地震計の高ダイナミックレンジ化及び安定化が図ることが可能となる。また、強い板バネを用いた場合の温度変化に依存したドリフトや複雑なバネによる重力の打ち消し機構に起因する設置の困難性を排除することが可能である。
【００４０】
また、水平高感度地震計１０では、錘２６の浮上を永久磁石を用いた磁気浮上によって実現しているので、電力消費を小さくでき、地震計のように野外で設置する機器に適している。
【００４１】
なお、静電容量位置検出器３４の代わりにレーザスケール（最大相対分解能３５ｐｍ）を用いても良い。レーザスケールでは、石英の物差しに刻んであるホログラム回折格子の動きをレーザ干渉計により測定する方法である。この方法では、格子で作られる干渉縞をフリンジカウントし絶対測定するか、縞の変化により得られる２つのサインとコサイン関数の干渉波形の位相関係を求めて変位情報とするかである。位相測定は数十ｐｍの相対分解能がある。なお、この場合、制御回路としてはデジタルフィードバック回路を用いる。
【００４２】
変位情報を計測するとほぼ同時にソレノイドコイル５１を駆動する必要があることから、リアルタイム処理が必要である。したがって、処理は高速に行う必要がある。このような高速の非線形データ処理には高速のＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）を使ったデジタルフィードバックが最適である。デジタルフィードバックでは、フィードバック回路とデータ処理・通信回路を一体化して低価格にしたり、振り子の非線形特性を補正し広いダイナミックレンジを得たり、温度による検出器の特性変化を補正するアダプティブ制御が使用できる等の利点がある。
【００４３】
なお、地震計にデジタルフィードバックを採用する場合に問題であった信号入力・出力のためのＡＤＣ・ＤＡＣのダイナミックレンジの不足は、必要な範囲をカバーするビット幅を上位と下位ビット群に分け、それぞれに対応する各２つのＡＤＣやＤＡＣで高ビット化して対応するか、デルタ・シグマ方式の２４ビットＤＡＣを使用することも可能である。
【００４４】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、振り子の長周期化を図る場合であっても、弾性部材のバネ定数の変化に伴うドリフト・ノイズの発生を防止し、かつ、調整や観測時の設置を容易にすることで、高ダイナミックレンジ化及び安定化が図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る水平地動検出器を示す斜視図。
【図２】同水平地動検出器を示す平面図。
【図３】同水平地動検出器を示す側面図。
【図４】同水平地動検出器を示す背面図。
【図５】同水平地動検出器に組み込まれた制御回路を示すブロック図。
【図６】磁場強度と浮上力と磁石面積との関係を示すグラフ。
【図７】錘にかかる力を模式的に示す説明図。
【図８】（ａ）はソレノイドコイルへの電流と自然周期との関係を示すグラフ、（ｂ）はベースの傾きと自然周期との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０…水平高感度地震計、２０…水平振り子機構、２３…Ｘ型ヒンジ、２４…水平振り子、２６…錘、２７，２８…上側磁石部、３０…磁気浮上機構、３２，３３…下側磁石部、３４…静電容量位置検出器、４０…振り子復元機構、４２…磁気バネ機構、４３…ソレノイドコイル、１００…制御回路、１０４…フィードバックコイル駆動部。

Claims

先端側に錘部が設けられるとともに、基端側が板バネで支持され、上記基端側を中心として水平面内で揺動する水平振り子と、
この水平振り子の下方に対向配置され上記錘部を磁気浮上させて上記水平振り子の揺動方向を水平面内に維持する浮上磁石部と、
前記水平振り子の水平方向の振れ角を測定する測定部と、
この測定部による上記水平振り子の振れ角に基づいて上記水平振り子の復元量を算出する演算部と、
この演算部による算出結果に基づいて上記水平振り子を復元する復元部とを備えていることを特徴とする水平地動検出器。