JP6398137B2 - 地震計 - Google Patents
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Description
本発明は、加速度センサにより地震の揺れを検出することのできる地震計に関し、特に振動器を備えることで障害試験を行うことのできる地震計に関する。
地震計は、従来、地震の研究など限定的な分野において用いられており、大掛かりで高価なものが多かった。一方で、近年、ＭＥＭＳ加速度センサが飛躍的に発展したこともあり、地震計を小型で低価格にすることが可能となってきた。これに加えて、構造損傷検知（ＳＨＭ）が注目されていることで、一般のビルや建造物に比較的小型で安価な地震計を設置する需要の増加が予想される。このような加速度センサを用いた小型な地震計としては、例えば特許文献１に記載されているようなものがある。
従来の地震計は、研究者など地震その他の振動に精通した者によって使用されることが多かった。地震計は、地震以外の要因によっても振動波形を得ることがあるが、その振動波形が地震計の障害によるものか、あるいはそれ以外の要因によるものなのかは、各使用者の経験によって判別されていた。しかし、広く一般に地震計が用いられるようになると、使用者が必ずしも振動に精通しているとは限らない。このため、地震計によって得られた振動波形が、どのような要因によるものかを判別することが困難な場合も想定される。
地震計が振動波形を得る地震以外の要因としては、地震計の故障の他、地震計の取付不備や、計測地点特有の問題によるもの、建物の固有振動によるもの、あるいは他所での機械振動などのノイズ源によるものなどが考えられる。地震計が故障しているのであれば、製造者による修理または交換が必要となるが、それ以外の要因によるのであれば、使用者において要因に応じた対応が必要となる。したがって、振動波形が得られた要因について少なくとも故障によるものか、またはそれ以外の事由によるものかを簡易に判別する必要がある。
本発明は前記課題を鑑みてなされたものであり、機器障害が生じているか否かを簡易に判別することが可能な地震計を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、請求項１の発明に係る地震計は、揺れによる加速度を計測し該計測した加速度データを出力する加速度センサを有する地震計において、
前記加速度センサを振動させる振動器を備え、
前記振動器が振動した際に前記加速度センサから出力される加速度データを取得し、前記振動器の振動により得られる本来の振動波と前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波とを比較して機器障害を判定する判定部をさらに備え、
前記加速度センサは、互いに直交する三つの計測軸に沿う加速度を計測可能に構成され、前記振動器は、前記三つの計測軸のいずれの方向にも前記加速度センサを振動させるように配置され、
前記振動器は、前記加速度センサが配置される基板上に実装されると共に、少なくとも直交する二軸方向に振動し、該振動する方向の一方は前記加速度センサの計測軸のうち一つの計測軸と同方向または該一つの計測軸に対し傾斜し、前記振動する方向の他方は前記加速度センサの計測軸のうち前記一つの計測軸と直交する二つの計測軸に対し傾斜するように配置されることを特徴として構成されている。
前記加速度センサを振動させる振動器を備え、
前記振動器が振動した際に前記加速度センサから出力される加速度データを取得し、前記振動器の振動により得られる本来の振動波と前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波とを比較して機器障害を判定する判定部をさらに備え、
前記加速度センサは、互いに直交する三つの計測軸に沿う加速度を計測可能に構成され、前記振動器は、前記三つの計測軸のいずれの方向にも前記加速度センサを振動させるように配置され、
前記振動器は、前記加速度センサが配置される基板上に実装されると共に、少なくとも直交する二軸方向に振動し、該振動する方向の一方は前記加速度センサの計測軸のうち一つの計測軸と同方向または該一つの計測軸に対し傾斜し、前記振動する方向の他方は前記加速度センサの計測軸のうち前記一つの計測軸と直交する二つの計測軸に対し傾斜するように配置されることを特徴として構成されている。
請求項１に係る発明によれば、振動器によって振動があった場合の地震計の動作につき試験を行うことができ、得られた波形により機器障害の有無を判定することができる。また、加速度センサを構成する全てのセンサについて試験を行うことが可能となる。さらに、振動波を計測するための三軸方向を振動成分として全て含む振動を、振動器によって与えることができる。
さらに、請求項２の発明に係る地震計は、前記判定部は、前記加速度データから得られる振動波の振幅及び周波数に基づき機器障害を判定することを特徴として構成されている。
請求項２に係る発明によれば、機器障害の有無及び問題発生の原因を判定することが可能となる。
さらにまた、請求項３の発明に係る地震計は、前記振動器は振動数が可変となるように構成されてなることを特徴として構成されている。
請求項３に係る発明によれば、振動器の振動数を変化させつつセンサの試験を行うことで、応答周波数特性から機器障害の有無を検出することができるようになる。
そして、請求項４の発明に係る地震計は、前記判定部は、前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波の振幅が、前記振動器の振動により得られる本来の振動波の振幅と比べて所定以下の場合は、センサ感度の劣化による機器障害が発生していると判定することを特徴として構成されている。
請求項４に係る発明によれば、センサ感度の劣化による機器障害を検出できる。
また、請求項５の発明に係る地震計は、揺れによる加速度を計測し該計測した加速度データを出力する加速度センサを有する地震計において、
前記加速度センサを振動させる振動器を備え、
前記振動器が振動した際に前記加速度センサから出力される加速度データを取得し、前記振動器の振動により得られる本来の振動波と前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波とを比較して機器障害を判定する判定部をさらに備え、
前記判定部は、前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波の波形パターンがランダムである場合には、回路故障による機器障害が発生していると判定することを特徴として構成されている。
前記加速度センサを振動させる振動器を備え、
前記振動器が振動した際に前記加速度センサから出力される加速度データを取得し、前記振動器の振動により得られる本来の振動波と前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波とを比較して機器障害を判定する判定部をさらに備え、
前記判定部は、前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波の波形パターンがランダムである場合には、回路故障による機器障害が発生していると判定することを特徴として構成されている。
請求項５に係る発明によれば、回路故障による機器障害を検出できる。
さらに、請求項６の発明に係る地震計は、揺れによる加速度を計測し該計測した加速度データを出力する加速度センサを有する地震計において、
前記加速度センサを振動させる振動器を備え、
前記振動器が振動した際に前記加速度センサから出力される加速度データを取得し、前記振動器の振動により得られる本来の振動波と前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波とを比較して機器障害を判定する判定部をさらに備え、
前記判定部は、前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波から振動周波数ピーク遷移による高調波及び低調波が検出される場合には、機器障害は発生していないと判定することを特徴として構成されている。また、請求項７の発明に係る地震計は、前記振動器を駆動するための電源または電流源が設けられ、該電源または電流源は、前記加速度センサを動作させる装置電源から絶縁されていることを特徴として構成されている。
前記加速度センサを振動させる振動器を備え、
前記振動器が振動した際に前記加速度センサから出力される加速度データを取得し、前記振動器の振動により得られる本来の振動波と前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波とを比較して機器障害を判定する判定部をさらに備え、
前記判定部は、前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波から振動周波数ピーク遷移による高調波及び低調波が検出される場合には、機器障害は発生していないと判定することを特徴として構成されている。また、請求項７の発明に係る地震計は、前記振動器を駆動するための電源または電流源が設けられ、該電源または電流源は、前記加速度センサを動作させる装置電源から絶縁されていることを特徴として構成されている。
請求項６に係る発明によれば、地震計の建物に対する固定に緩みが生じているためのものであって、機器障害ではないと判定できる。また、請求項７に係る発明によれば、ノイズを低減できる。
本発明に係る地震計によれば、振動器により振動発生時の試験を行うことで、地震計の動作不良の原因が機器障害によるものか否かを、使用者の経験等によらず簡単に判別することができ、どのような対処が必要かを地震計に不慣れな使用者であっても判断できるようにすることができる。
本発明の実施形態について図面に沿って詳細に説明する。図１には、本実施形態における地震計の斜視図を示している。この地震計は、ビル等の建物の任意の箇所に設置固定されるものであり、地震による震動のデータを取得して出力することができるように構成されている。
図１に示すように、地震計は、箱状に形成されてなる本体１と、本体１が載置される板状の固定面部２とを有してなり、固定面部２には建物に対して固定するための固定部３が設けられる。本体１の側面には、内部に納められる機器に指令を入力したり、あるいは振動のデータを出力するための入出力口４が形成されている。本実施形態では、入出力口４はＬＡＮポートとして構成されている。地震による震動を確実に検出するため、固定面部２は建物の壁面または床面などに対し当接して強固に取付けられる必要がある。
図２には、本体１内に設けられる基板１０の平面図を示している。基板１０には地震計を構成する各種部品が実装されているが、図２にはそのうち代表的な部品のみを示している。地震計を構成する部品として、加速度センサ１１と基準電圧源１２及びＡＤ変換器１３が基板１０上に配置されている。なお、本実施形態では加速度センサ１１とＡＤ変換器１３が分かれているが、これらが一体となったデジタル出力センサであってもよい。
加速度センサ１１は、図２中に示すＸ軸方向の加速度を検出するＸ軸センサ１１ａと、Ｙ軸方向の加速度を検出するＹ軸センサ１１ｂと、Ｚ軸方向の加速度を検出するＺ軸センサ１１ｃとを有している。図２中のＸ軸とＹ軸及びＺ軸は、互いに直交する。すなわち、加速度センサ１１は、互いに直交する三軸方向について、それぞれ加速度のデータを取得することができる。
基板１０上には、加速度センサ１１を含め基板１０全体を振動させることのできる振動器１４が配置されている。振動器１４は、振動モーターからなり、回転に伴って回転軸１４ｂの軸方向と直交する平面方向に振動を与えることができる。この振動器１４は、加速度センサ１１の三つの計測軸のうち、Ｘ軸及びＹ軸に対して回転軸方向がそれぞれ４５度の角度をなすように基板１０上に配置されており、加速度センサ１１により加速度データを正常に取得することができるか否かの試験のために用いられる。
図３には振動器１４の斜視図を、図４には振動器１４の正面図を、それぞれ示している。これらの図に示すように振動器１４は、基板１０に載置固定される基部１４ａと、基部１４ａに対して回転する回転軸１４ｂと、回転軸１４ｂを偏芯させるように一体的に設けられる錘部１４ｃとを有して構成されている。錘部１４ｃによって、回転軸１４ｂの重心は回転中心から偏芯しており、振動器１４は回転軸１４ｂの回転に伴って該回転軸１４ｂの軸方向と直交する平面方向に振動を生じる。すなわち、振動器１４は回転軸１４ｂの軸方向と直交する二軸方向に振動する。
図２に示されているように、振動器１４は加速度センサ１１の計測軸のうちＸ軸及びＹ軸に対して回転軸方向がそれぞれ４５度の角度をなすように傾斜配置されているので、振動器１４の振動方向である二軸方向のうち一方がＺ軸方向とすると、他方はＸ軸及びＹ軸に対して傾斜することとなるので、Ｘ軸方向の振動成分とＹ軸方向の振動成分のいずれも生じさせることができる。すなわち、加速度センサ１１によって計測される三軸方向のいずれにも振動器１４によって振動成分を生じさせることができる。これにより、Ｘ軸センサ１１ａとＹ軸センサ１１ｂ及びＺ軸センサ１１ｃのいずれについても、振動器１４によって振動させ、加速度データを取得することができる。
図５には、本実施形態の地震計のブロック図を示している。この図に示すように、加速度センサ１１を構成する各センサと並列にダミーセンサ１１ｄが設けられている。ダミーセンサ１１ｄからの出力は、オフセット補正及びノイズ除去のために用いられる。
Ｘ軸センサ１１ａとＹ軸センサ１１ｂ、Ｚ軸センサ１１ｃ及びダミーセンサ１１ｄは、それぞれ前置アンプ２６に接続されている。各センサは、出力インピーダンスが高いため、インピーダンス変換が必要であり、前置アンプ２６はそのインピーダンス変換を行うと共に、アンチエイリアスフィルタを構成する。各前置アンプ２６は、それぞれＡＤ変換器１３に接続されており、加速度センサ１１からの出力がデジタルデータとして出力される。ＡＤ変換器１３には、高精度な基準電圧源１２が接続される。
加速度センサ１１からの出力は、ＣＰＵ２０に入力される。ＣＰＵ２０には不揮発性のメモリ２１が接続されている。メモリ２１には、加速度センサ１１を構成する各センサの感度補正値などが記憶されている。感度補正値は、工場出荷前に予め測定されているもので、各センサからの出力に対して適用される。また、ＣＰＵ２０は、ＬＡＮネットワークコントローラを内蔵しており、ＬＡＮ物理層用デバイスである入出力部２２を介してＬＡＮネットワーク２３に接続される。これにより、地震計は取得した加速度データを外部に送信することができると共に、外部からの指令により振動器１４による試験等を行うことができる。なお、ＬＡＮネットワーク２３への接続には、無線ＬＡＮなどを用いてもよい。
地震計には、振動器１４を駆動するための電源または電流源２４が設けられる。電源または電流源２４は、ノイズ対策のため、地震計全体を動作させる装置電源から絶縁されたものが用いられる。電源または電流源２４は、ＣＰＵ２０によって制御されるリレー２５を介して振動器１４に接続される。すなわち、振動器１４の駆動は、ＣＰＵ２０によって制御される。振動器１４を駆動することによる試験は、地震計自体に設けるスイッチ（図示しない）の操作により行うようにしてもよいし、ＬＡＮネットワーク２３を介して外部から指令することにより行うようにしてもよい。なお、リレー２５の代わりに、半導体リレーやトランジスタ、ＦＥＴ、あるいはアナログスイッチなど、電気的な接続状態を切替可能なものであれば、別の種類の部品を採用してもよい。
前述のように、振動器１４はＸ軸センサ１１ａとＹ軸センサ１１ｂ、Ｚ軸センサ１１ｃのいずれも振動させることができるように配置されているので、ＣＰＵ２０の制御により振動器１４が駆動されると、各センサから加速度データが出力され、ＣＰＵ２０では三軸方向の加速度データから振動波のデータを得る。この振動波のデータの波形、具体的には振動波の振幅及び周波数などに基づいて、機器障害の有無を判別する。その判定を行う判定部は、ＣＰＵ２０の機能として設けてもよいし、ＬＡＮネットワーク２３を介して接続された外部機器に設けてもよい。
判定部においては、振動器１４によって加速度センサ１１で得られる本来の振動波データと、実際に得られた振動波データを比較して、機器障害の有無を検出する。例えば、実際に得られた振動波データの振幅が本来の振幅に比べて所定以下であった場合には、センサ感度の劣化による機器障害が発生していると判定する。また、振動波データの波形パターンがランダムになっているなど異常があった場合には、回路故障による機器障害が発生していると判定する。振動波データの振動周波数ピーク遷移により２倍等の高調波及び１／２等の低調波が検出される場合には、地震計の建物に対する固定に緩みが生じているためのものであって、機器障害ではないものと判定する。一方、実際に得られた振動波データが本来の振動波データのパターンと所定範囲内で一致する場合には、機器障害は発生していないものと判定する。また、振動器１４は振動数を変化させることができるように構成されており、振動器１４の振動数を変化させて加速度センサ１１の試験を行うことにより、その応答周波数特性から機器障害の有無を判定することもできる。
図６には、振動器１４が発生する振動の振動数の時間変化を表した図を示している。図６（ａ）は、時間経過に伴い振動数が変化せず、一定の場合を表している。図６（ｂ）は、時間経過に伴い振動数が徐々に大きくなるよう、連続的に変化させた場合を表している。この場合、応答周波数特性によってより詳細な障害の原因を判定することができる。図６（ｃ）は、振動器１４に対する電力供給をパルス状にして、振動を間欠的に行う場合を表している。この場合、省電力化を図ることができる。図６（ｄ）は、振動器１４に対する電極供給をパルス状にし、かつ、振動数が徐々に大きくなるように変化させた場合を表している。この場合、省電力化を図りつつ、応答周波数特性によってより詳細な障害の原因を判定することができる。
地震計内に判定部を設けた場合には、判定結果につき表示する表示部（図示しない）を本体に設けることで、使用者が簡易に判定結果を知ることができる。また、地震計の外部に判定部を設けた場合には、判定部を有する機器において、判定結果につき適宜表示を行うことができる。
このように、振動器１４を設けたことにより、加速度センサ１１を実際に振動させての試験を簡単に行うことができ、それによって得られた振動波データに基づき、判定部で機器障害の有無及び動作不良の原因を判定することができる。このことによって、地震計に動作不良があった場合に、少なくともその原因が機器障害によるものか否かを、使用者の経験等によらず簡単に判別することができ、どのような対処が必要かを地震計に不慣れな使用者であっても判断することが可能となる。
また、振動器１４の回転軸を、加速度センサ１１のうち２つのセンサの計測軸方向と傾斜するように配置したことで、加速度センサ１１によって計測する三軸方向にいずれにも振動成分を発生させることができ、全てのセンサについて試験を行うことができる。なお、本実施形態では振動器１４の回転軸方向を、Ｘ軸とＹ軸に対しそれぞれ４５度傾斜するように配置したが、それ以外の傾斜角度であってもよいし、また、Ｚ軸に対して傾斜させるように配置してもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の適用は本実施形態には限られず、その技術的思想の範囲内において様々に適用されうるものである。例えば、本実施形態では振動器１４として振動モーターを用いたが、加速度センサ１１に振動を与えることのできるものであれば、それ以外の振動を発生する機器であってもよい。
１ 本体
２ 固定面部
３ 固定部
４ 入出力口
１０ 基板
１１ 加速度センサ
１１ａ Ｘ軸センサ
１１ｂ Ｙ軸センサ
１１ｃ Ｚ軸センサ
１２ 基準電圧源
１３ ＡＤ変換器
１４ 振動器
１４ａ 基部
１４ｂ 回転軸
１４ｃ 錘部
２０ ＣＰＵ
２１ メモリ
２２ 入出力部
２３ ＬＡＮネットワーク
２４ 電源または電流源
２５ リレー
２６ 前置アンプ
２ 固定面部
３ 固定部
４ 入出力口
１０ 基板
１１ 加速度センサ
１１ａ Ｘ軸センサ
１１ｂ Ｙ軸センサ
１１ｃ Ｚ軸センサ
１２ 基準電圧源
１３ ＡＤ変換器
１４ 振動器
１４ａ 基部
１４ｂ 回転軸
１４ｃ 錘部
２０ ＣＰＵ
２１ メモリ
２２ 入出力部
２３ ＬＡＮネットワーク
２４ 電源または電流源
２５ リレー
２６ 前置アンプ
Claims (7)
- 揺れによる加速度を計測し該計測した加速度データを出力する加速度センサを有する地震計において、
前記加速度センサを振動させる振動器を備え、
前記振動器が振動した際に前記加速度センサから出力される加速度データを取得し、前記振動器の振動により得られる本来の振動波と前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波とを比較して機器障害を判定する判定部をさらに備え、
前記加速度センサは、互いに直交する三つの計測軸に沿う加速度を計測可能に構成され、前記振動器は、前記三つの計測軸のいずれの方向にも前記加速度センサを振動させるように配置され、
前記振動器は、前記加速度センサが配置される基板上に実装されると共に、少なくとも直交する二軸方向に振動し、該振動する方向の一方は前記加速度センサの計測軸のうち一つの計測軸と同方向または該一つの計測軸に対し傾斜し、前記振動する方向の他方は前記加速度センサの計測軸のうち前記一つの計測軸と直交する二つの計測軸に対し傾斜するように配置されることを特徴とする地震計。 - 前記判定部は、前記加速度データから得られる振動波の振幅及び周波数に基づき機器障害を判定することを特徴とする請求項１に記載の地震計。
- 前記振動器は振動数が可変となるように構成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の地震計。
- 前記判定部は、前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波の振幅が、前記振動器の振動により得られる本来の振動波の振幅と比べて所定以下の場合は、センサ感度の劣化による機器障害が発生していると判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の地震計。
- 揺れによる加速度を計測し該計測した加速度データを出力する加速度センサを有する地震計において、
前記加速度センサを振動させる振動器を備え、
前記振動器が振動した際に前記加速度センサから出力される加速度データを取得し、前記振動器の振動により得られる本来の振動波と前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波とを比較して機器障害を判定する判定部をさらに備え、
前記判定部は、前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波の波形パターンがランダムである場合には、回路故障による機器障害が発生していると判定することを特徴とする地震計。 - 揺れによる加速度を計測し該計測した加速度データを出力する加速度センサを有する地震計において、
前記加速度センサを振動させる振動器を備え、
前記振動器が振動した際に前記加速度センサから出力される加速度データを取得し、前記振動器の振動により得られる本来の振動波と前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波とを比較して機器障害を判定する判定部をさらに備え、
前記判定部は、前記加速度センサから取得した加速度データに基づく振動波から振動周波数ピーク遷移による高調波及び低調波が検出される場合には、機器障害は発生していないと判定することを特徴とする地震計。 - 前記振動器を駆動するための電源または電流源が設けられ、該電源または電流源は、前記加速度センサを動作させる装置電源から絶縁されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の地震計。
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