JP5301354B2 - 姿勢制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、姿勢制御装置に関する。

従来、地中に堀削されたボーリング孔内に設置され、ボーリング孔内で地盤の震動を観測するボアホール型の地震計が広く知られている。こうしたボアホール型の地震計は、地盤の震動が伝達されるように、ボーリング孔内に挿入されたケーシングと呼ばれる保護管内に固定されて設置される。

ところが、ボーリング孔やケーシングの孔芯が傾斜している場合には、その中に設置される地震計自体も傾斜してしまい、地盤の震動を正確に計測できない。そのため、ボーリング孔の傾斜角度は±３°以内に制限されている。地中に堀削したボーリング孔の傾斜精度が±３°を超える場合には、別の場所に新たなボーリング孔を再度堀削しなければならないこととなり、コストの増大や作業の遅延を招くという問題があった。

そこで、姿勢制御装置を内蔵し、姿勢制御装置によって自身の傾斜を補正する地震計が知られている。例えば、特許文献１には、地震計等の計測器を搭載するための台部材を有する海底設置用のジンバル装置が開示されている。このジンバル装置は、台部材を固定するためのクランプ機構を有しており、一旦クランプを解除してジンバル機構により台部材を水平状態に調整する。その後、クランプ機構により再び台部材をクランプすることにより、台部材に搭載された地震計の姿勢を水平状態に保持して正確な計測が可能となる。

特開平８−３２６７１５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている姿勢制御装置では、ケース内に第１支軸を介して枠部材が支持され、さらに、枠部材の内部に第２支軸を介して台部材が支持されており、台部材が水平面内で直交する２つの支軸により保持される構成となっている。そのため、台部材を固定するための機構が水平方向に展開され、水平方向に大きなスペースを必要とする。一方、ボアホール型の地震計が設置されるボーリング孔は径が小さく、特許文献１のような海底設置用の姿勢制御装置をボアホール型の地震計に適用することは不可能であるという問題があった。

本発明の課題は、検出器の姿勢を制御する姿勢制御装置の小型化を図ることである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、姿勢制御装置において、
検出器を保持し、第１軸周りに回動自在に支持されるとともに、ケース内に当該第１軸と直交する第２軸を介して揺動自在に支持された保持部材と、
前記保持部材の前記第１軸周りの回動を規制する第１クランプ機構と、
前記保持部材の前記第２軸周りの揺動を規制する第２クランプ機構と、
前記第１軸及び前記第２軸と直交する第３軸上に配設された重錘と、
前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を解除することで、前記重錘の重力作用により、前記保持部材を前記第１軸周りに回動させるとともに、所定時間経過後に、前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を行う第１軸制御手段と、
前記第１軸制御手段による制御と同時に又は制御後に、前記第２クランプ機構による前記保持部材の規制を解除することで、前記保持部材を前記第２軸周りに揺動させるとともに、所定時間経過後に、前記第２クランプ機構による前記保持部材の規制を行う第２軸制御手段と、
を備え、
前記第１軸制御手段及び前記第２軸制御手段による制御後に、前記第１軸及び前記第２軸のうち、前記第２軸のみが水平面上に有ることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の姿勢制御装置において、
前記第１クランプ機構は、
前記保持部材の前記第１軸周りの回動に連動して、前記保持部材とともに前記第１軸周りに回動する係止部材と、
前記係止部材に対して接近及び離間する方向に移動可能に支持された可動部材と、
前記可動部材を前記係止部材側に付勢する弾性部材と、
前記可動部材を挟んで前記係止部材と対向する側に設けられた電磁石と、
を備え、
前記第１軸制御手段は、
前記電磁石に通電して前記可動部材を当該電磁石側に磁気吸着することで、前記可動部材を前記係止部材から離間させ、前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を解除するとともに、前記所定時間経過後に、前記電磁石への通電を停止して前記弾性部材の付勢力により前記可動部材を前記係止部材側に付勢させ、前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を行うことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の姿勢制御装置において、
前記係止部材は、前記可動部材と対向する位置に溝部を有し、
前記可動部材は、前記溝部と嵌合する凸部を有し、
前記第１軸制御手段は、
前記弾性部材の付勢力により、前記可動部材の前記凸部を前記係止部材の前記溝部に嵌挿させて、当該凸部の外周面を前記溝部の内面に当接させることによって、前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を行うことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の姿勢制御装置において、
前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を検出する第１クランプ検出手段と、
前記第１クランプ検出手段による検出結果を報知する報知手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の姿勢制御装置において、
前記第２クランプ機構は、
前記保持部材に対して接近及び離間する方向に移動可能に支持された第２可動部材と、
前記第２可動部材を前記保持部材側に付勢する第２弾性部材と、
前記第２可動部材を挟んで前記保持部材と対向する側に設けられた第２電磁石と、
を備え、
前記第２軸制御手段は、
前記第２電磁石に通電して前記第２可動部材を当該第２電磁石側に磁気吸着することで、前記第２可動部材を前記保持部材から離間させ、前記第２クランプ機構による前記保持部材の規制を解除するとともに、前記所定時間経過後に、前記第２電磁石への通電を停止して前記第２弾性部材の付勢力により前記第２可動部材を前記保持部材側に付勢させ、前記第２クランプ機構による前記保持部材の規制を行うことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の姿勢制御装置において、
前記第２クランプ機構による前記保持部材の規制を検出する第２クランプ検出手段と、
前記第２クランプ検出手段による検出結果を報知する第２報知手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の姿勢制御装置において、
前記保持部材に、当該保持部材を振動させるための圧電素子が設けられ、
前記第２軸制御手段は、所定のタイミングで、前記圧電素子により前記保持部材を振動させることを特徴とする。

本発明によれば、保持部材を第１軸周りに回動させることにより、第２軸の補正が行われるとともに、保持部材を第２軸周りに揺動させることにより第１軸の補正が行われる。そのため、検出器を保持する保持部材を水平方向に支持する軸が１つで足りることとなり、水平方向の２軸により保持部材を支持する従来のジンバル機構と比較して水平方向のスペースを小さくすることができ、姿勢制御装置の小型化を図ることができる。

本発明を適用した本実施形態の姿勢制御装置の外観図である。 図１のII-II線における縦断面図である。 本実施形態の姿勢制御装置の機能的構成を示すブロック図である。 Ｘ軸補正処理前の姿勢制御装置を上方側から見た平面図である。 Ｘ軸補正処理後の姿勢制御装置を上方側から見た平面図である。 本実施形態の姿勢制御装置における姿勢制御処理の流れを示すフローチャートである。 本実施形態の姿勢制御装置における姿勢制御を説明するための説明図である。 本実施形態の姿勢制御装置における姿勢制御を説明するための説明図である。 本実施形態の姿勢制御装置における姿勢制御を説明するための説明図である。 本実施形態の姿勢制御装置における姿勢制御を説明するための説明図である。 本実施形態の姿勢制御装置における姿勢制御を説明するための説明図である。 本実施形態の姿勢制御装置における姿勢制御を説明するための説明図である。

以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、発明の範囲は図示例に限定されない。
なお、図１、図２、図７〜図１２において、トラニオンフレーム８の台座部８１及び台座部８１の下方側に配設された各部材は断面図で示す。また、各図面において、補正前のＸ軸を「Ｘ軸」とし、補正後のＸ軸を「Ｘａ軸」として図示するとともに、補正前のＹ軸を「Ｙ軸」とし、補正後のＹ軸を「Ｙａ軸」として図示する。

本実施形態の姿勢制御装置１００は、図１〜図３に示すように、地震計（検出器）１を保持する保持部材２、重錘３、第１クランプ機構４、第２クランプ機構５、制御部（第１軸制御手段、第２軸制御手段）６、報知部（報知手段、第２報知手段）７等を備えて構成される。

保持部材２、重錘３、第１クランプ機構４、第２クランプ機構５は、トラニオンフレーム（ケース）８と一体的に設けられ、地震計１とともに略円柱形状の耐圧容器９内に収納されて、地中に堀削されたボーリング孔内に設置される。トラニオンフレーム８は、支持架構１０により耐圧容器９の内壁に支持された状態で耐圧容器９内に収納される。
また、制御部６及び報知部７は、地上に配置されるとともに、ボーリング孔内に設置された姿勢制御装置１００の各部とケーブルを介して接続され、ボーリング孔内の各部との間で各種信号を送受信する。

地震計１は、地中における地盤の震動を観測するボアホール型の地震計であり、水平２成分、垂直１成分の震動を検出する。地震計１は、保持部材２の内部に格納された状態で地盤の震動を検出し、ケーブルを介して震動の検出結果を地上の制御部６に送信する。地震計としては、サーボ型加速度計、過減衰型加速度計、動電型速度計等の各種地震計を用いることができる。
なお、検出器としての地震計は、少なくとも１成分の震動を検出するものであれば良い。

保持部材２は、全体が略円柱形状に形成され、トラニオンフレーム８内にＸ軸（第２軸）を介して支持されるとともに、耐圧容器９内においてＹ軸（第１軸）周りに回動自在に支持されている。保持部材２の内部には、地震計１を格納するための格納部２ａが形成されている。
また、保持部材２は、その底面の断面が凹型円弧状に形成されており、後述する第２クランプ機構５の第２可動部材５１により下方向からクランプ（固定）されていない場合には、重力作用によりＸ軸周りに自在に揺動する。一方、保持部材２は、第２クランプ機構５の第２可動部材５１により下方向からクランプされている場合には、第２可動部材５１との当接面に働く静止摩擦力によって、その姿勢が保持されるようになっている。

また、保持部材２は、第２クランプ機構５の第２可動部材５１によるクランプ／アンクランプ、すなわち、第２クランプ機構５による保持部材２のＸ軸周りの揺動の規制／規制の解除を検出する第２クランプ検出部（第２クランプ検出手段）２１を備えている。第２クランプ検出部２１は、例えば、圧力センサにより構成され、印加圧力により変化する抵抗値に基づいて、第２クランプ機構５の第２可動部材５１から印加される圧力を検出して出力する。そして、検出した圧力が予め定められた閾値に達した場合に、第２可動部材５１により保持部材２が正確にクランプされたこと、すなわち、保持部材２のＸ軸周りの揺動が確実に規制されたことを示す検出信号を、図示しないクランプ確認信号線を介して地上に配された制御部６に対して送信するようになっている。

また、保持部材２は、内部に第１の圧電素子（圧電素子）２２を備えている。第１の圧電素子２２は、後述するＹ軸補正処理に際して、保持部材２が第２クランプ機構５の第２可動部材５１によりクランプされていないタイミングで、後述する制御部６からの制御により駆動され、保持部材２に高周波の振動を与えて保持部材２を振動させる。これにより、保持部材２が重力作用によって、Ｘ軸周りによりスムーズに揺動することとなる。

重錘３は、トラニオンフレーム８の台座部８１の上面部８１ａに設置されている。重錘３は、台座部８１の上面部８１ａにおけるＸ軸およびＹ軸と直交するＺ軸（第３軸）上のＸ軸及びＹ軸と重ならない位置に設置されている。そのため、台座部８１の重心位置がＺ軸上に有ることとなり、後述するＸ軸補正処理において、第１クランプ機構４による保持部材２のＹ軸周りの回動の規制が解除され、保持部材２がＹ軸周りに回動可能な状態となった場合に、台座部８１の上面部８１ａに配設された重錘３の重力作用によってＹ軸周りの回転モーメントが作用し、第１クランプ機構４の第１可動部材４２よりも上方側に配設された各部材（すなわち、保持部材２、重錘３、回転台４１、第２クランプ機構５、トラニオンフレーム８等）がＹ軸周りに回動することとなる。そして、Ｙ軸周りの回動によってＺ軸上の重錘３が台座部８１の上面部８１ａにおける最も下方側の位置に移動したタイミングで、トラニオンフレーム８のＹ軸周りの回動が停止することとなる。

第１クランプ機構４は、回転台（係止部材）４１、第１可動部材（可動部材）４２、第１ガイド４３、第１弾性部材（弾性部材）４４、第１電磁石（電磁石）４５を備えて構成され、保持部材２のＹ軸周りの回動を規制する。

回転台４１は、トラニオンフレーム８の台座部８１の下面に一体的に設けられ、全体が略円柱形状に形成されるとともに、その下面に円錐台形状の溝部４１１を有している。また、回転台４１は、ベアリング１１によって耐圧容器９の内壁にＹ軸周りに回動自在に支持されている。
ベアリング１１は、例えば、背面又は正面組み合わせ方式により配設された組み合わせアンギュラ玉軸受等であり、Ｘ軸補正処理において、第１クランプ機構４による保持部材２の規制が解除された場合に、Ｚ軸上に配設された重錘３の重力作用によって、回転台４１や回転台４１と一体的に設けられた各部材（すなわち、保持部材２、重錘３、第２クランプ機構５、トラニオンフレーム８等）のＹ軸周りの回動を案内する。

また、回転台４１は、第１クランプ機構４の第１可動部材４２によるクランプ／アンクランプ、すなわち、第１クランプ機構４による保持部材２のＹ軸周りの回動の規制／規制の解除を検出する第１クランプ検出部（クランプ検出手段）４１２を備えている。第１クランプ検出部４１２は、例えば、圧力センサにより構成され、印加圧力により変化する抵抗値に基づいて、第１クランプ機構４の第１可動部材４２から印加される圧力を検出して出力する。そして、検出した圧力が予め定められた閾値に達した場合に、第１可動部材４２により回転台４１が正確にクランプされたこと、すなわち、第１クランプ機構４により、保持部材２のＹ軸周りの回動が確実に規制されたことを示す検出信号を、図示しないクランプ確認信号線を介して地上に配された制御部６に対して送信するようになっている。

第１可動部材４２は、磁性体としての金属材料等により構成されるとともに円錐台形状の凸部４２１を有し、保持部材２の下方側に配置されている。第１可動部材４２は、後述する第１弾性部材４４によって上方向（回転台４１に対して接近する方向）に付勢されるとともに、後述するＸ軸補正処理における第１電磁石４５への通電／非通電により、上下方向（回転台４１に対して接近及び離間する方向）に移動可能となっている。

具体的には、第１可動部材４２は、第１電磁石４５が通電状態にある場合には、第１電磁石４５の磁力の作用により、第１弾性部材４４の付勢力に抗して下方向（回転台４１に対して離間する方向）に移動する。すると、第１可動部材４２の外周面は回転台４１の溝部４１１の内面から離間し、第１可動部材４２よりも上方側に配設された各部材（保持部材２、重錘３、回転台４１、第２クランプ機構５、トラニオンフレーム８等）は、Ｙ軸周りに回動可能な状態となる。
一方、第１可動部材４２は、第１電磁石４５が非通電状態にある場合には、第１弾性部材４４の付勢力によって上方向（回転台４１に対して接近する方向）に付勢される。第１可動部材４２の上面の径は、回転台４１の溝部４１１内の下面の径よりも若干大きく形成されており、第１弾性部材４４の付勢力により上方向に付勢されると、第１可動部材４２の凸部４２１が溝部４１１に嵌挿して、凸部４２１の外周面が第１可動部材４２の溝部４１１の内面に当接するようになっている。すると、第１弾性部材４４の付勢力が、第１可動部材４２を介して回転台４１に作用して、第１可動部材４２よりも上方側に配設された各部材（保持部材２、重錘３、回転台４１、第２クランプ機構５、トラニオンフレーム８等）が押圧され、各部材のＹ軸周りの回動が規制される。

また、第１可動部材４２は、内部に第２の圧電素子４２２を備えている。第２の圧電素子４２２は、Ｘ軸補正処理において、第１可動部材４２が上下方向に移動する際に、後述する制御部６からの制御により駆動され、第１可動部材４２に高周波の振動を与えて第１可動部材４２を振動させる。これにより、第１可動部材４２の上下方向への移動がよりスムーズに行われる。

第１ガイド４３は、略円環状に形成されており、支持架構１０の上面に固着されている。また、第１ガイド４３は、第１可動部材４２の下面に固着されている突設部４２３の外周面に当接して設けられている。突設部４２３は、第１ガイド４３よりも一回り小さく、且つ、第１弾性部材４４よりも一回り大きい略円環状に形成され、第１ガイド４３と第１弾性部材４４とによって挟まれる位置に配設されている。
そのため、Ｘ軸補正処理において、第１可動部材４２が上下方向に移動する際に、第１可動部材４２の下面に配設された突設部４２３の外周面が第１ガイド４３の内周面に沿って摺動することとなり、第１可動部材４２が移動する際の横方向への振動が第１ガイド４３によって抑制されることとなる。したがって、第１可動部材４２は、横揺れの無い安定した状態で回転台４１側に上昇して回転台４１をクランプし、保持部材２のＹ軸周りの回動を確実に規制することができる。

第１弾性部材４４は、支持架構１０の上面に設置されるとともに、第１可動部材４２の底面に固着され、第１可動部材４２を下方側から回転台４１に対して接近及び離間する方向に移動可能に支持している。
第１弾性部材４４の弾性力は、第１電磁石４５に通電した場合に作用する磁力よりも小さく設定されており、第１電磁石４５への通電を停止した場合には伸長して、第１可動部材４２を回転台４１側に付勢する。
一方、第１弾性部材４４は、第１電磁石４５が通電されている場合には、第１電磁石４５側に磁気吸着される第１可動部材４２により圧縮されて収縮し、第１可動部材４２を回転台４１から離間させる。

第１電磁石４５は、第１弾性部材４４の外周側に配設された略円筒状のボビンケース４５１と、このボビンケース４５１の周面に巻回されたコイル４５２と、を備えて構成され、第１可動部材４２を挟んで回転台４１と対向する側に配されている。
第１電磁石４５は、後述するＸ軸補正処理において、後述する制御部６からの制御により、所定時間の間、コイル４５２に通電されて、磁性体である第１可動部材４２を当該第１電磁石４５側に磁気吸着するようになっている。すなわち、第１電磁石４５のコイル４５２に通電することで、第１電磁石４５の磁力が第１可動部材４２に作用して、第１可動部材４２が、第１弾性部材４４の付勢力に抗して下方向（回転台４１から離間する方向）に引き下げられることとなる。
一方、第１電磁石４５への通電を停止すると、第１電磁石４５の磁力が作用しない状態となり、第１可動部材４２が第１弾性部材４４の復元力により上方向（回転台４１に対して接近する方向）に押し上げられることとなる。

第２クランプ機構５は、第２可動部材５１、第２ガイド５２、第２弾性部材５３、第２電磁石５４を備えて構成され、保持部材２のＸ軸周りの揺動を規制する。

第２可動部材５１は、磁性体としての金属材料等により構成されるとともに円柱形状をなし、保持部材２の下方側に配置されている。第２可動部材５１は、後述する第２弾性部材５３によって上方向（保持部材２に対して接近する方向）に付勢されるとともに、後述するＹ軸補正処理における第２電磁石５４への通電／非通電により、上下方向（保持部材２に対して接近及び離間する方向）に移動可能となっている。

具体的には、第２可動部材５１は、第２電磁石５４が通電状態にある場合には、第２電磁石５４の磁力の作用により、第２弾性部材５３の付勢力に抗して下方向（保持部材２に対して離間する方向）に移動する。すると、第２可動部材５１の上面は保持部材２の底面から離間し、保持部材２は、Ｘ軸周りに揺動可能な状態となる。
一方、第２可動部材５１は、第２電磁石５４が非通電状態にある場合には、第２弾性部材５３の付勢力によって上方向（保持部材２に対して接近する方向）に付勢される。第２可動部材５１の上面の断面は、保持部材２の底面の断面と同じ曲率を有する凹型円弧状に形成されており、第２弾性部材５３の付勢力により上方向に付勢されると、第２可動部材５１の上面の全面が保持部材２の底面に当接するようになっている。すると第２弾性部材５３の付勢力が、第２可動部材５１を介して保持部材２に作用して、保持部材２が上方向に向けて押圧され、保持部材２のＸ軸周りの揺動が規制される。
また、第２可動部材５１の上面における弧の長さは、保持部材２の底面における弧の長さよりも短く形成されている。そのため、保持部材２の垂直軸と第２可動部材５１の垂直軸とがずれていても、第２可動部材５１の上面の全面を保持部材２の底面に当接させて押圧し、保持部材２をクランプできるようになっている。

また、第２可動部材５１は、内部に第３の圧電素子５１１を備えている。第３の圧電素子５１１は、Ｙ軸補正処理において、第２可動部材５１が上下方向に移動する際に、後述する制御部６からの制御により駆動され、第２可動部材５１に高周波の振動を与えて第２可動部材５１を振動させる。これにより、第２可動部材５１の上下方向への移動がよりスムーズに行われる。

第２ガイド５２は、略円環状に形成されており、トラニオンフレーム８の台座部８１の上面部８１ａに固着されている。また、第２ガイド５２は、第２可動部材５１の周面部の一部を覆うように、第２可動部材５１の周面部に当接して設けられている。
そのため、Ｙ軸補正処理において、第２可動部材５１が上下方向に移動する際に、第２可動部材５１が第２ガイド５２の内周面に沿って摺動することとなり、第２可動部材５１が移動する際の横方向への振動が第２ガイド５２によって抑制されることとなる。したがって、第２可動部材５１は、横揺れの無い安定した状態で保持部材２側に上昇して保持部材２をクランプし、保持部材２のＸ軸周りの揺動を確実に規制することができる。

第２弾性部材５３は、トラニオンフレーム８の台座部８１の上面部８１ａに設置されるとともに、第２可動部材５１の底面に固着され、第２可動部材５１を保持部材２に対して接近及び離間する方向に移動可能に支持している。
第２弾性部材５３の弾性力は、第２電磁石５４に通電した場合に作用する磁力よりも小さく設定されており、第２電磁石５４への通電を停止した場合には伸長して、第２可動部材５１を保持部材２側に付勢する。
一方、第２弾性部材５３は、第２電磁石５４が通電されている場合には、第２電磁石５４側に磁気吸着される第２可動部材５１により圧縮されて収縮し、第２可動部材５１を保持部材２から離間させる。

第２電磁石５４は、第２弾性部材５３の外周側に配設された略円筒状のボビンケース５４１と、このボビンケース５４１の周面に巻回されたコイル５４２と、を備えて構成されており、第２可動部材５１を挟んで保持部材２と対向する側に配されている。
第２電磁石５４は、姿勢制御処理において、後述する制御部６からの制御により、所定時間の間、コイル５４２に通電されて、磁性体である第２可動部材５１を当該第２電磁石５４側に磁気吸着するようになっている。すなわち、第２電磁石５４のコイル５４２に通電することで、第２電磁石５４の磁力が第２可動部材５１に作用して、第２可動部材５１が、第２弾性部材５３の付勢力に抗して下方向（保持部材２から離間する方向）に引き下げられることとなる。
一方、第２電磁石５４への通電を停止すると、第２電磁石５４の磁力が作用しない状態となり、第２可動部材５１が第２弾性部材５３の復元力により上方向（保持部材２に対して接近する方向）に押し上げられることとなる。

制御部６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）（いずれも図示せず）等を備えて構成され、地震計１の姿勢制御処理において、地震計１を保持する保持部材２のＸ軸方向の姿勢を補正するためのＸ軸補正処理と、保持部材２のＹ軸方向の姿勢を補正するためのＹ軸補正処理とを実行する。

ここで、本実施形態の姿勢制御装置１００のボーリング孔内への設置から地震計１による計測開始までの処理手順の流れを図６のフローチャートに簡単に示すとともに、図６及び図１、図４、図５、図７〜図１２を参照しながら制御部６により実行されるＸ軸補正処理およびＹ軸補正処理について説明する。

まず、地震計１や姿勢制御装置１００の各部（すなわち、保持部材２、重錘３、第１クランプ機構４、第２クランプ機構５、トラニオンフレーム８）が収納された耐圧容器９がボーリング孔内へ設置されると（図６のステップ１）、作業者は、図示しない操作部を操作して、姿勢制御処理の開始を指示する。
作業者による姿勢制御処理の開始の指示を受けて、制御部６は、初めに、第１軸制御手段としてＸ軸補正処理を実行し、保持部材２のＸ軸方向の姿勢を補正する。
Ｘ軸補正処理において、制御部６は、所定時間の間、第１クランプ機構４の第１電磁石４５を通電することで、第１クランプ機構４による保持部材２のＹ軸周りの回動の規制を一旦解除して（図７、図６のステップＳ２）、保持部材２を重力作用によってＹ軸周りに回動させ、保持部材２を支持するＸ軸が水平面に対して平行となるように補正する。

ここで、図４は、Ｘ軸補正処理前且つＹ軸補正処理前の姿勢制御装置１００（図１）を上方側から見た図である。また、図５は、Ｘ軸補正処理後であってＹ軸補正処理前の姿勢制御装置１００（図９）を上方側から見た図である。
図４に示すように、トラニオンフレーム８の台座部８１に配設された重錘３の位置（重心の位置）が台座部８１の上面部８１ａにおける上方側に位置している場合、第１クランプ機構４の第１可動部材４２が、回転台４１から離間する方向（図７における矢印ａの方向）に下昇して回転台４１から離間すると（図７）、第１可動部材４２の上方側に位置する各部材（保持部材２、重錘３、回転台４１、第２クランプ機構５、トラニオンフレーム８等）が、第１クランプ機構４によるＹ軸周りの規制から開放され、Ｙ軸周りに回動可能な状態となる。そして、重錘３に作用する重力作用によってＹ軸周り（図４における矢印ｂの方向）に回動し、図５に示すように、重錘３が台座部８１の上面部８１ａにおける最も下方側に移動し、Ｘ軸が水平面に対して平行となると（Ｘａ軸）、Ｙ軸周りの回動が停止する（図８）。
このとき、重心位置を含むＺ軸と直交するＸ軸は、水平面に対して平行な状態となる。すなわち、第１クランプ機構４の第１電磁石４５への通電を行って、第１クランプ機構４による保持部材２の規制を解除すると、Ｚ軸上に配設された重錘３の重力作用を受けて、保持部材２を含む各部材が、Ｙ軸周りに回動することで、保持部材２が自動的にＸ軸方向の姿勢を補正することとなる。
そして、制御部６は、第１クランプ機構４による規制の解除から所定時間経過後に（図６のステップＳ３；Ｙｅｓ）、第１電磁石４５への通電を停止して、第１可動部材４２を保持部材２に対して接近する方向（図９における矢印ｃの方向）に上昇させる。すると、第１可動部材４２の外周面が、回転台４１の溝部４１１の内面に当接し、第１弾性部材４４の付勢力によって回転台４１を押圧して、再びクランプする。これにより、保持部材２のＸ軸方向の姿勢が水平に保たれた状態のまま、第１クランプ機構４によってＹ軸周りの回動が規制されることとなり、Ｘ軸の補正がなされることとなる（図９、図６のステップＳ４）。

また、制御部６は、Ｘ軸補正処理において、第１電磁石４５への通電によって保持部材２のＹ軸周りの回動の規制を一旦解除した後に、第１クランプ検出部４１２から、第１クランプ機構４による保持部材２の規制が完了したことを示すクランプ検出信号が出力されるまで、可変抵抗器等を用いて第１電磁石４５に流す電流を徐々に減少させて通電を停止する。これにより、第１弾性部材４４の付勢力により第１可動部材４２が少しずつ回転台４１側に押し上げられることとなり、第１可動部材４２の外面が回転台４１の溝部４１１の内面に接触する際の地震計１への衝撃を緩和することができる。そのため、保持部材２に余計な衝撃を与えて揺動させることなく、安定した状態で、第１クランプ機構４による規制を行うことができる。

そして、第１クランプ機構４の第１可動部材４２による回転台４１のクランプが完了し、第１クランプ機構４による保持部材２のＹ軸周りの回動の規制が正常に行われた場合には、回転台４１に設けられた第１クランプ検出部４１２から、第１クランプ機構４による保持部材２の規制が正常に終了したことを示す検出信号が制御部６に対して出力される。
制御部６は、Ｘ軸補正処理における第１電磁石４５への通電の開始から所定時間内に、第１クランプ検出部４１２から第１クランプ機構４による保持部材２の規制が正常に終了したことを示す検出信号を受信しない場合には、第１クランプ機構４による保持部材２のＹ軸周りの規制が正常に終了しなかったと判断し、その旨を報知部７により作業者に報知する。

一方、Ｘ軸補正処理における第１電磁石４５への通電の開始から所定時間内に、第１クランプ検出部４１２から第１クランプ機構４による保持部材２の規制が正常に終了したことを示す検出信号が出力された場合、制御部６は、Ｘ軸補正処理が正常に終了したと判断し、次に、第２軸制御手段としてＹ軸補正処理を実行し、保持部材２のＹ軸方向の姿勢を補正する。
Ｙ軸補正処理において、制御部６は、所定時間の間、第２クランプ機構５による保持部材２のＸ軸周りの揺動の規制を一旦解除して（図１０、図６のステップＳ５）、保持部材２を重力作用によってＸ軸周りに揺動させ、保持部材２を通るＹ軸が重力方向と一致するように補正する。

ここで、保持部材１を通るＹ軸が重力方向に対して傾斜している場合、第２クランプ機構５の第２可動部材５１が、保持部材２から離間する方向（図１０における矢印ｄの方向）に下降して保持部材２から離間すると、保持部材２が、第２クランプ機構５によるＸ軸周りの規制から開放され、Ｘ軸周りに揺動可能な状態となる。そして、自身の重力作用によって、Ｘ軸周りに重力方向に対するＹ軸の傾斜角θ分揺動し（図１１の矢印ｅの方向）、Ｙ軸が重力方向と一致すると（Ｙａ軸）、保持部材２のＸ軸周りの揺動が停止する（図１１）。
すなわち、第２クランプ機構５の第２電磁石５４への通電を行って、第２クランプ機構５による保持部材２の規制を解除すると、重力の作用を受けて、保持部材２がＸ軸周りに揺動することで、自動的に自身のＹ軸方向の姿勢を補正することとなる。
そして、制御部６は、第２クランプ機構５によるＸ軸周りの揺動の規制の解除から所定時間経過後に（図６のステップＳ６；Ｙｅｓ）、第２電磁石５４への通電を停止して、第２可動部材５１を、保持部材２に対して接近する方向（図１２における矢印ｆの方向）に上昇させる。すると、第２可動部材５１の上面が保持部材２の底面に当接し、第２弾性部材５３の付勢力によって保持部材２を押圧して、保持部材２を再びクランプする。これにより、保持部材２のＹ軸方向の姿勢が水平に保たれた状態のまま、第２クランプ機構５によってＸ軸周りの揺動が規制されることとなり、Ｙ軸の補正がなされることとなる（図１２、図６のステップＳ７）。

また、制御部６は、Ｙ軸補正処理において、第２電磁石５４への通電によって保持部材２のＸ軸周りの揺動の規制を一旦解除した後に、第２クランプ検出部２１から、第２クランプ機構５による保持部材２の規制が完了したことを示すクランプ検出信号が出力されるまで、可変抵抗器等を用いて第２電磁石５４に流す電流を徐々に減少させて通電を停止する。これにより、第２弾性部材５３の付勢力により第２可動部材５１が少しずつ保持部材２側に押し上げられることとなり、第２可動部材５１により保持部材２がクランプされる際の地震計１への衝撃を緩和することができる。そのため、保持部材２に余計な衝撃を与えて揺動させることなく、安定した状態で、第２クランプ機構５による保持部材２の規制を行うことができる。

そして、第２クランプ機構５の第２可動部材５１による保持部材２のクランプが完了し、第２クランプ機構５による保持部材２のＸ軸周りの規制が正常に行われた場合には、回転台４１に設けられた第２クランプ検出部２１から、第２クランプ機構５による保持部材２の規制が正常に終了したことを示す検出信号が制御部６に対して出力される。
制御部６は、Ｙ軸補正処理における第２電磁石５４への通電の開始から所定時間内に、第２クランプ検出部２１から第２クランプ機構５による保持部材２の規制が正常に終了したことを示す検出信号を受信しない場合には、第２クランプ機構５による保持部材２のＸ軸周りの揺動の規制が正常に終了しなかったと判断し、その旨を報知部７により作業者に報知する。
一方、Ｙ軸補正処理における第２電磁石５４への通電の開始から所定時間内に、第２クランプ検出部２１から第２クランプ機構５による保持部材２の規制が正常に終了したことを示す検出信号が出力された場合、制御部６は、Ｙ軸補正処理が正常に終了したと判断し、第１クランプ機構４及び第２クランプ機構５による保持部材２の規制が正常に完了して、保持部材２（すなわち、地震計１）の姿勢がロックされたことを報知する（図６のステップＳ８）。これを受けて、作業者は、図示しない操作部を操作して、姿勢制御装置１００における姿勢制御処理を終了し、地震計１による計測を開始する（図６のステップＳ９）。

報知部７は、第１クランプ検出部４１２又は第２クランプ検出部２１によるクランプの検出結果を、ユーザに報知する。この報知部７は、例えば、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)ランプ等により構成され、Ｘ軸補正処理及びＹ軸補正処理に際して、第１クランプ検出部４１２及び第２クランプ検出部２１からクランプ状態にあることを示す検出信号を受信する。そして、Ｘ軸補正処理における第１電磁石４５への通電停止から所定時間内に、第１クランプ検出部４１２からクランプ状態にあることを示す検出信号を受信しない場合に点灯するとともに、Ｙ軸補正処理における第２電磁石５４への通電停止から所定時間内に、第２クランプ検出部２１からクランプ状態にあることを示す検出信号を受信しない場合に点灯することで、保持部材２の規制が正常に行われなかったことを報知する。

これにより、作業者は、ボーリング孔内に設置された姿勢制御装置１００において、保持部材２のＹ軸周りの回動又はＸ軸周りの揺動が、第１クランプ機構４及び第２クランプ機構５により適切に規制されなかったことを知ることができる。そして、保持部材２と第１可動部材４２、５１との間に障害物が入り込む等、何らかの原因によりクランプが正確に行われず、保持部材２の姿勢を確実に固定できなかった場合、作業者は作業のやり直し等を行うことができる。そのため、作業者は、Ｘ軸補正処理及びＹ軸補正処理において何らかの原因により保持部材２のＹ軸周りの回動の規制又はＸ軸周りの揺動の規制が確実に行わなかった場合であっても作業のやり直し等を行うことができ、姿勢制御装置１００における姿勢制御の信頼性が向上することとなる。
また、報知部７は、所定時間内に第１クランプ機構４及び第２クランプ機構５による保持部材２の規制が正常に終了しなかった場合にその旨を作業者に報知するため、保持部材２の規制が正常に終了した場合にその旨を報知する報知部と比較して、作業者が、保持部材２の規制が正常に行われなかったことをより素早く且つ確実に把握することができ、作業の迅速化が図られることとなる。

以上説明した本実施形態の姿勢制御装置１００によれば、保持部材をＹ軸（第１軸）周りに回動させることにより、Ｙ軸（第１軸）と直交するＸ軸（第２軸）の補正が行われるとともに、保持部材をＸ軸（第２軸）周りに揺動させることによりＹ軸（第１軸）の補正が行われる。そのため、地震計等の検出器を保持する保持部材を水平方向に支持する軸が１つで足りることとなり、水平方向の２軸により保持部材を支持する従来のジンバル機構と比較して水平方向のスペースを小さくすることができ、姿勢制御装置の小型化を図ることができる。これにより、従来はスペースの問題で姿勢制御装置を備えることが不可能であったボアホール型の地震計に、本発明の姿勢制御装置を適用することが可能となる。したがって、従来は姿勢制御が不可能であったボアホール型の地震計において姿勢の補正が可能となり、ボアホール型の地震計における検出精度を高め、信頼性を向上させることができる。

また、ボーリング孔の施工時に、ボーリング孔の傾斜角度を厳密に考慮する必要が無くなるため、ボーリング孔の施工コストの削減と作業時間の短縮化を図ることができる。
また、地中に堀削されたボーリング孔が傾斜している場合であっても、ボーリング孔内に設置したボアホール型の地震計の姿勢が補正可能であるため、新たなボーリング孔を再度堀削するリスクが無くなる。そのため、新たなボーリング孔を施工する場合に生ずるコストの増大や作業の遅延を防止することができる。
また、ボアホール型の地震計をボーリング孔に設置して姿勢の補正を実施した後に、地殻変動等の何らかの外乱により地震計を収納する耐圧容器（ケース）が傾斜した場合であっても、再度、姿勢制御装置により地震計の姿勢を補正することができる。
さらに、地上からの遠隔操作により姿勢の補正が可能であるため、作業の効率化を図ることができる。

また、第１クランプ機構４に備わる第１電磁石４５への通電を切り替えることで、第１クランプ機構４による保持部材２のＹ軸周りの回動の規制と、規制の解除とを行って、保持部材２のＸ軸方向の姿勢を自重で補正させることができる。また、第２クランプ機構５に備わる第２電磁石５４への通電を切り替えることで、第２クランプ機構５による保持部材のＸ軸周りの揺動の規制と、規制の解除とを行って、保持部材のＹ軸方向の姿勢を自重で補正させることができる。そのため、部品等に高い加工精度が求められることが無く、製造コストを抑えることができ、低価格化を図ることができる。

さらに、Ｙ軸（第１軸）の傾斜補正及びＸ軸（第２軸）の傾斜補正を、モータを用いずに行うことができる。そのため、モータ駆動を行う姿勢制御装置に比べて、装置全体を小型化することができる。また、モータによる姿勢制御を行う場合に比べて機構が簡略化されるため、部品等に高い加工精度が求められることが無く、製造コストを抑えることができ、低価格化を図ることができる。また、機構が簡略であるとともに、部品等の故障が発生し難いため、モータの故障の影響を受けるモータ駆動に比べて、信頼性が向上することとなる。また、モータによる姿勢制御を行う場合と比較して、より短い時間で姿勢制御を行うことができる。さらに、モータを備える姿勢制御装置に比べて、配線の本数を減らすことができる。

なお、本発明の範囲は上記実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。

例えば、保持部材の底面形状は、断面視凸型円弧状である限り如何なる形状でも良く、例えば、かまぼこ型の曲面形状や、球面形状であっても良い。同様に、第２クランプ機構の可動部材の上面形状は、断面視凹型円弧状である限り如何なる形状でも良く、かまぼこ型の曲面形状や、球面形状であっても良い。

また、上記実施形態では、地中に堀削したボーリング孔内に設置して、地中における地盤の震動を検出するボアホール型の地震計に適用される姿勢制御装置について説明したが、姿勢制御の対象はボアホール型の地震計に限られず、他の検出器に適用しても良い。例えば、地上に設置される地震計や海底に設置される地震計に、本発明の姿勢制御装置を適用することとしても良い。

また、報知手段として、第１クランプ機構４によるクランプの結果を報知する報知部と、第２クランプ機構５によるクランプの結果を報知する報知部とを、別々に設け、Ｘ軸補正処理の後に、第２クランプ機構によるクランプが正常に終了しなかった場合には、Ｙ軸補正処理のみをやり直しすることができるように構成しても良い。
また、第１クランプ機構４によるクランプと第２クランプ機構５によるクランプとが正常に終了した場合に、その旨を作業者に報知する報知部を報知手段としても設けることとしても良い。

また、上記実施形態では、第１軸制御手段によるＸ軸補正処理が終了した後に、第２軸制御手段によるＹ軸補正処理を実行する場合について説明したが、第１軸制御手段によるＸ軸補正処理と第２軸制御手段によるＹ軸補正処理とを同時に実行しても良い。

１００ 姿勢制御装置
１ 地震計（検出器）
２ 保持部材
２１ 第２クランプ検出部（第２クランプ検出手段）
２２ 第１の圧電素子（圧電素子）
３ 重錘
４ 第１クランプ機構
４１ 回転台（係止部材）
４１１ 溝部
４１２ 第１クランプ検出部（第１クランプ検出手段）
４２ 第１可動部材（可動部材）
４２１ 凸部
４４ 第１弾性部材（弾性部材）
４５ 第１電磁石（電磁石）
５ 第２クランプ機構
５１ 第２可動部材
５３ 第２弾性部材
５４ 第２電磁石
６ 制御部（第１軸制御手段、第２軸制御手段）
７ 報知部（報知手段、第２報知手段）
８ トラニオンフレーム（ケース）

Claims (7)

1. 検出器を保持し、第１軸周りに回動自在に支持されるとともに、ケース内に当該第１軸と直交する第２軸を介して揺動自在に支持された保持部材と、
   前記保持部材の前記第１軸周りの回動を規制する第１クランプ機構と、
   前記保持部材の前記第２軸周りの揺動を規制する第２クランプ機構と、
   前記第１軸及び前記第２軸と直交する第３軸上に配設された重錘と、
   前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を解除することで、前記重錘の重力作用により、前記保持部材を前記第１軸周りに回動させるとともに、所定時間経過後に、前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を行う第１軸制御手段と、
   前記第１軸制御手段による制御と同時に又は制御後に、前記第２クランプ機構による前記保持部材の規制を解除することで、前記保持部材を前記第２軸周りに揺動させるとともに、所定時間経過後に、前記第２クランプ機構による前記保持部材の規制を行う第２軸制御手段と、
   を備え、
   前記第１軸制御手段及び前記第２軸制御手段による制御後に、前記第１軸及び前記第２軸のうち、前記第２軸のみが水平面上に有ることを特徴とする姿勢制御装置。
2. 前記第１クランプ機構は、
   前記保持部材の前記第１軸周りの回動に連動して、前記保持部材とともに前記第１軸周りに回動する係止部材と、
   前記係止部材に対して接近及び離間する方向に移動可能に支持された可動部材と、
   前記可動部材を前記係止部材側に付勢する弾性部材と、
   前記可動部材を挟んで前記係止部材と対向する側に設けられた電磁石と、
   を備え、
   前記第１軸制御手段は、
   前記電磁石に通電して前記可動部材を当該電磁石側に磁気吸着することで、前記可動部材を前記係止部材から離間させ、前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を解除するとともに、前記所定時間経過後に、前記電磁石への通電を停止して前記弾性部材の付勢力により前記可動部材を前記係止部材側に付勢させ、前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を行うことを特徴とする請求項１に記載の姿勢制御装置。
3. 前記係止部材は、前記可動部材と対向する位置に溝部を有し、
   前記可動部材は、前記溝部と嵌合する凸部を有し、
   前記第１軸制御手段は、
   前記弾性部材の付勢力により、前記可動部材の前記凸部を前記係止部材の前記溝部に嵌挿させて、当該凸部の外周面を前記溝部の内面に当接させることによって、前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を行うことを特徴とする請求項２に記載の姿勢制御装置。
4. 前記第１クランプ機構による前記保持部材の規制を検出する第１クランプ検出手段と、
   前記第１クランプ検出手段による検出結果を報知する報知手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の姿勢制御装置。
5. 前記第２クランプ機構は、
   前記保持部材に対して接近及び離間する方向に移動可能に支持された第２可動部材と、
   前記第２可動部材を前記保持部材側に付勢する第２弾性部材と、
   前記第２可動部材を挟んで前記保持部材と対向する側に設けられた第２電磁石と、
   を備え、
   前記第２軸制御手段は、
   前記第２電磁石に通電して前記第２可動部材を当該第２電磁石側に磁気吸着することで、前記第２可動部材を前記保持部材から離間させ、前記第２クランプ機構による前記保持部材の規制を解除するとともに、前記所定時間経過後に、前記第２電磁石への通電を停止して前記第２弾性部材の付勢力により前記第２可動部材を前記保持部材側に付勢させ、前記第２クランプ機構による前記保持部材の規制を行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の姿勢制御装置。
6. 前記第２クランプ機構による前記保持部材の規制を検出する第２クランプ検出手段と、
   前記第２クランプ検出手段による検出結果を報知する第２報知手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の姿勢制御装置。
7. 前記保持部材に、当該保持部材を振動させるための圧電素子が設けられ、
   前記第２軸制御手段は、所定のタイミングで、前記圧電素子により前記保持部材を振動させることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の姿勢制御装置。

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