JP7308065B2 - 感震センサ - Google Patents

Description

本発明は感震センサに関し、特にＭＥＭＳ技術を使用した感震センサに関する。

地震による電気火災の発生を防止するために分電盤に感震センサを設けて、地震が発生したら電源を遮断して電気機器への通電を停止する機能を設けた分電盤が普及している。
例えば特許文献１には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を応用して３軸方向の加速度を検出するＭＥＭＳセンサを使用して、所定レベルの地震を検知したら遮断信号を出力する感震センサが開示されている。

特開２０１５－１９８５１８号公報

上記ＭＥＭＳセンサを使用した感震センサは、ＭＥＭＳセンサがワンチップ化されて基板に組み付けられており、省スペースで組み込むことができた。
しかしながら、ＭＥＭＳセンサは小さい加速度を検出することが不得意であり、小さい加速度が継続される長周期地震動を精度良く検出するのが難しかった。

この理由の一つは、例えばＡ／Ｄ変換部の電子回路によるひずみが考えられる。図４はこの従来のＭＥＭＳセンサの直交３軸それぞれの加速度検出部の動作説明図であり、横揺れを検知した場合を示している。Ａは検出した加速度波形、Ｅはゼロクロス付近のひずみ領域を示している。
ＭＥＭＳセンサが内蔵している加速度検出部は、水平面上で直交するＸ－Ｙ軸と、鉛直方向のＺ軸との直交３軸方向が設定されているが、図４に示すように個々の軸のゼロクロス付近は、ひずみ領域Ｅが存在するため、小さな加速度の検出が難しい。
一方で、高層マンション、免震構造建物の増加により地震時に水平方向に対し、長い周期かつ大きい変位で揺れる長周期地震動に対する地震検知が求められている。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、長周期地震動の検出を可能とした感震センサを提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、直交３軸方向の加速度を検出する加速度検出部を備えたＭＥＭＳセンサと、ＭＥＭＳセンサが出力するアナログ信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換部とがハウジングに組み込まれた感震センサであって、加速度検出部の原点を、ひずみ領域から離れた部位に移動させるために、直交３軸の方向が、ハウジングの水平／垂直方向に対して３０度乃至６０度の間で設定される所定角度傾いていることを特徴とする。
この構成によれば、ＭＥＭＳセンサに組み込まれている加速度検出部の加速度検出方向の直交３軸方向と、感震センサのハウジングの水平／垂直方向とが所定角度異なるため、感震センサを分電盤内の基台等所定の位置に組み付けた状態では、組み付け部位の水平／垂直方向とＭＥＭＳセンサの直交３軸方向は一致しない。
そのため、ＭＥＭＳセンサの３軸それぞれの加速度検出方向に対して従来と異なる重力加速度のバイアスが加わった状態となるため、加速度検出部の加速度ゼロの状態であるゼロクロス点が、個々の軸に対して本来の位置から移動する。よって、ひずみ領域から外れた位置に新たなゼロクロス点を配置でき、加速度が小さい長周期地震動の検出を行うことが可能となる。

加えて、３０度乃至６０度傾けられることで、加速度検出方向の３軸方向に対して発生する重力加速度のバイアスにより、本来のゼロクロス付近のひずみの影響を確実に削減できる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成においてＭＥＭＳセンサは第１の基板に実装されると共に、第１の基板は第２の基板上に固定されて成り、第２の基板は鉛直方向に起立配置される一方、第１の基板は第２の基板に対して直交し且つ水平面に対して所定角度傾斜させて配置され、ＭＥＭＳセンサを所定角度回転して第１の基板の実装面に組み付けることで、加速度を検出する直交３軸の方向がハウジングの水平／垂直方向に対して所定角度傾くことを特徴とする。
この構成によれば、加速度を検出する直交３軸はＭＥＭＳセンサの実装方向と２枚の基板の配置形態により、ハウジングの水平／垂直方向に対して所定角度傾斜配置される。よって、ＭＥＭＳセンサは３軸に傾斜の無い従来のものが使用できる。

請求項３の発明は、請求項１に記載の構成において、ＭＥＭＳセンサは、台座を介して基板に組み付けられ、基板は水平或いは鉛直方向に配置される一方、台座は基板の実装面に組み付けられて成り、ＭＥＭＳセンサを実装する台座の実装面が基板の実装面に対して所定角度傾斜して成ると共に、ＭＥＭＳセンサが、台座の実装面に所定角度回転して組み付けられることで、加速度を検出する直交３軸の方向がハウジングの水平／垂直方向に対して所定角度傾くことを特徴とする。
この構成によれば、ＭＥＭＳセンサは台座を介して基板に組み付けられるため、基板がハウジング底面或いは側面に平行に配置されても、加速度を検出する直交３軸はハウジングの水平／垂直方向に対して所定角度傾斜配置される。よって、ＭＥＭＳセンサは３軸に傾斜の無い従来のものが使用できるし、従来の基板取付形態を変更すること無く加速度を検出する直交３軸を傾けて配置できる。

請求項４の発明は、請求項１に記載の構成において、加速度を検出する直交３軸の方向は、ＭＥＭＳセンサを組み付ける基板の面及びその直交方向と一致し、基板がハウジングの底面及びその垂直方向に対して所定角度傾けられてハウジングの内部に配置されることを特徴とする。
この構成によれば、基板がハウジングの底面或いは側面に対して傾斜配置されるため、ＭＥＭＳセンサの加速度を検出する３軸は、ハウジングの水平／垂直方向に対して所定角度傾斜配置される。よって、基板によって加速度検出方向が傾斜配置されるため、ＭＥＭＳセンサは３軸に傾斜の無い従来のものが使用できる。

本発明によれば、ＭＥＭＳセンサに組み込まれている加速度検出部の加速度検出方向の直交３軸方向と、感震センサのハウジングの水平／垂直方向とが所定角度異なるため、感震センサを分電盤内の基台等所定の位置に組み付けた状態では、組み付け部位の水平／垂直方向とＭＥＭＳセンサの直交３軸方向は一致しない。
そのため、ＭＥＭＳセンサの３軸それぞれの加速度検出方向に対して従来と異なる重力加速度のバイアスが加わった状態となるため、加速度検出部の加速度ゼロの状態であるゼロクロス点が、個々の軸に対して本来の位置から移動する。よって、ひずみ領域から外れた位置に新たなゼロクロス点を配置でき、加速度が小さい長周期地震動の検出を行うことが可能となる。

本発明に係る感震センサの一例を示す構成図である。 ＭＥＭＳセンサを組み付け形態を示す説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。 ４５度傾けたＭＥＭＳセンサの直交３軸それぞれの加速度検出部の動作説明図である。 従来の設置状態のＭＥＭＳセンサの直交３軸それぞれの加速度検出部の動作説明図である。 ＭＥＭＳセンサ組み付けの他の形態を示し、台座を使用して基板に組み付けた状態を示す説明図である。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る感震センサ１０の一例を示す構成図であり、１は加速度センサとしてのＭＥＭＳセンサ、２はＡ／Ｄコンバータ、３はＡ／Ｄコンバータ２からのデータ基に、地震レベルを演算・判定する演算部である感震センサＣＰＵである。

ＭＥＭＳセンサ１は、ＭＥＭＳ技術を使用して作製された公知の加速度センサであり、直交３軸方向の加速度を検出する３つの加速度検出部が組み込まれ、１チップＩＣとして作製されている。
そして、ＭＥＭＳセンサ１に組み込まれている加速度検出部の３軸Ｘ，Ｙ，Ｚは、ＩＣの基板への装着面に平行にＸ，Ｙ軸が配置され、装着面に直交する方向にＺ軸が配置されている。

Ａ／Ｄコンバータ２は、ＭＥＭＳセンサ１が出力するアナログ信号をデジタル変換して感震センサＣＰＵ３に出力する。
感震センサＣＰＵ３は、デジタル変換されたＭＥＭＳセンサ１の出力信号を基に、震度を算出して出力する。

図２はＭＥＭＳセンサ１を基板に組み付けた説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。図２に示すように、１チップＩＣから成るＭＥＭＳセンサ１は、プリント基板から成る第１の基板４に実装され、この第１の基板４が同様にプリント基板から成る第２の基板５に固着されている。

第１の基板４は、鉛直方向に起立配置された第２の基板５に対して、その面上に水平面から所定の傾斜角Ｓ１を設けて立設され、この第１の基板４の実装面４ａにＭＥＭＳセンサ１が所定の角度Ｓ２回転させた状態で実装されている。
即ち、ＭＥＭＳセンサ１の加速度を検出する３つの加速度検出部の軸（Ｘ'，Ｙ'，Ｚ'）全てが、水平面上に配置されるＸ軸、Ｙ軸、その鉛直方向を向くＺ軸に対して異なる角度となるよう実装される。
そして、ここでは傾斜角Ｓ１、回転角Ｓ２は何れも４５度となっており、加速度を検出する３つの加速度検出部の軸（Ｘ'，Ｙ'，Ｚ'）は、上記直交３軸に対して４５度傾いた状態で組み付けられる。

そして、このようにＭＥＭＳセンサ１が組み付けられた第２の基板５が、図示しないハウジングにＡ／Ｄコンバータ２、感震センサＣＰＵ３と共に収容され、感震センサ１０は形成される。その際、第２の基板５は、ハウジングの背面或いは側面に平行に配置されて組み付けられ、ハウジングは分電盤等の取付対象に傾斜配置等せず従来と同様に地面に対して垂直な面に取り付けられる。

図３は、こうして加速度を検出する直交３軸を４５度傾けたＭＥＭＳセンサ１の加速度検出部の動作説明図であり、横揺れが発生した場合を示している。Ａは検出した加速度波形、Ｅはひずみ領域を示し、検出が不安定な領域を示している。
図３に示すように、直交３軸方向に配置された加速度検出部の各軸が４５度傾けられることで、各加速度検出部には重力による加速度が常時発生した状態となる（具体的には、ルート３分の１の重力が加わった状態となる。）。
そのため図３に示すように、ひずみ領域Ｅから離れた部位に原点が移動し、小さな横揺れが発生しても３軸全で加速度の検出が可能となる。こうして、精度の高い観測が可能となる。

一方、従来の設置状態のＭＥＭＳセンサ１の場合、上記図４に示すように横揺れはＺ軸方向の加速度検出部は加速度を検出しないし、水平面内のＸ，Ｙ軸方向は、小さい加速度はひずみ領域Ｅに埋もれて観測できず、ひずみ領域Ｅより大きな加速度のピークを僅かに検出する程度である。

このように、ＭＥＭＳセンサ１に組み込まれている加速度検出部の加速度検出方向の直交３軸方向と、感震センサ１０のハウジングの水平／垂直方向とが所定角度（４５度）異なるため、感震センサ１０を分電盤内の基台等所定の位置に組み付けた状態では、組み付け部位の水平／垂直方向とＭＥＭＳセンサ１の直交３軸方向は一致しない。
そのため、ＭＥＭＳセンサ１の３軸それぞれの加速度検出方向に対して従来と異なる重力加速度のバイアスが加わった状態となるため、加速度検出部の加速度ゼロの状態であるゼロクロス点が、個々の軸に対して本来の位置から移動する。よって、ひずみ領域から外れた位置に新たなゼロクロス点を配置でき、加速度が小さい長周期地震動の検出を行うことが可能となる。
そして、加速度検出方向の３軸の方向が４５度傾けられるため、直交３軸の方向は等しい重力加速度のバイアスが効率良く加わる。よって、本来のゼロクロス付近のひずみの影響を確実に無くすことができ、加速度が小さい長周期地震動の検出を良好に実施できる。
加えて、ＭＥＭＳセンサは実装方向と２枚の基板４，５の配置形態により、感震センサＣＰＵ３が実装された第２の基板５がハウジング底面或いは側面に平行に配置されても、加速度を検出する直交３軸はハウジングの水平／垂直方向に対して所定角度傾斜配置される。よって、ＭＥＭＳセンサ１は３軸に傾斜の無い従来のものが使用できる。

尚、上記実施形態では、ＭＥＭＳセンサ１を自身の実装角度と第１の基板４とよりに傾斜させているが、第１の基板４を介さずに第２の基板５に組み付け、第２の基板５自体をハウジング内に傾斜配置しても良い。このように構成しても、ＭＥＭＳセンサ１の加速度を検出する３軸はハウジングの水平／垂直方向に対して所定角度傾斜配置されるため、ＭＥＭＳセンサ１は３軸に傾斜の無い従来のものを使用して、長周期地震動の検出が可能となる。

図５はＭＥＭＳセンサ１の他の組み付け形態を示し、第１の基板４に替えて台座１１を使用し、水平に配置した第３の基板１２上に台座１１を配置した構成を示している。図５に示すように、１チップＩＣから成るＭＥＭＳセンサ１は、台座１１を介して第３の基板１２に実装しても良い。尚、６はＡ／Ｄコンバータ２と感震センサＣＰＵ３を一体化したＩＣを示している。

具体的に、台座１１はＭＥＭＳセンサ１を組み付ける実装面１１ａが、第３の基板１２の実装面１２ａに密着する底面に対して傾斜形成され、上面及び底面が直角２等辺三角形を有する三角柱を倒したような形状を有している。尚、第３の基板１２の実装面１２ａからの傾斜角Ｓ３，ＭＥＭＳセンサ１の回転角Ｓ４は何れも４５度となっている。
このような形状の台座１１にＭＥＭＳセンサ１を組み付けることで、第３の基板１２の直交３軸（第３の基板１２の実装面１２ａにＸ軸，Ｙ軸が平行に配置され、Ｚ軸は実装面１２ａに直交配置される）に対して、ＭＥＭＳセンサ１は４５度傾いた状態となる。即ち、加速度を検出する３つの加速度検出部の軸は全て第３の基板１２の直交３軸に対して４５度傾いた状態で組み付けられる。
尚、第３の基板１２は垂直に配置しても良く、その場合もＭＥＭＳセンサ１の加速度検出部の３軸は全て第３の基板１２の直交３軸に対して４５度傾いた状態にできる。

このように、ＭＥＭＳセンサ１は台座１１を介して第３の基板１２に組み付けられるため、第３の基板１２がハウジング底面或いは側面に平行に配置されても、加速度を検出する直交３軸はハウジングの水平／垂直方向に対して所定角度傾斜配置される。よって、ＭＥＭＳセンサ１は３軸に傾斜の無い従来のものが使用できるし、従来の基板取付形態を変更すること無く加速度を検出する直交３軸を傾けて配置できる。

尚、上記実施形態は、何れもＭＥＭＳセンサ１を組み付ける段階で加速度検出方向に角度を持たせているが、ＭＥＭＳセンサ１を作製する段階で、内部の加速度検出部の形成する直交３軸自体を傾斜させても良い。
また、３軸全てを４５度傾けているが、３０度程度の傾斜（或いは４５度を超えて６０度の傾斜）でも良く、加速度検出方向の３軸方向に対して発生する重力加速度のバイアスにより、本来のゼロクロス付近のひずみの影響を確実に削減でき、小さな加速度の検出は可能である。

１・・ＭＥＭＳセンサ（加速度センサ）、２・・Ａ／Ｄ変換部、３・・感震センサＣＰＵ（演算部）、４・・第１の基板（基板）、４ａ・・実装面、５・・第２の基板（基板）、１０・・感震センサ、１１・・台座、１１ａ・・実装面、１２・・第３の基板（基板）。

Claims (4)

1. 直交３軸方向の加速度を検出する加速度検出部を備えたＭＥＭＳセンサと、前記ＭＥＭＳセンサが出力するアナログ信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換部とがハウジングに組み込まれた感震センサであって、
   前記加速度検出部の原点を、ひずみ領域から離れた部位に移動させるために、前記直交３軸の方向が、前記ハウジングの水平／垂直方向に対して３０度乃至６０度の間で設定される所定角度傾いていることを特徴とする感震センサ。
2. 前記ＭＥＭＳセンサは第１の基板に実装されると共に、前記第１の基板は第２の基板上に固定されて成り、
   前記第２の基板は鉛直方向に起立配置される一方、前記第１の基板は前記第２の基板に対して直交し且つ水平面に対して所定角度傾斜させて配置され、
   前記ＭＥＭＳセンサが所定角度回転して前記第１の基板の実装面に組み付けられることで、加速度を検出する前記直交３軸の方向が前記ハウジングの水平／垂直方向に対して所定角度傾くことを特徴とする請求項１記載の感震センサ。
3. 前記ＭＥＭＳセンサは、台座を介して基板に組み付けられ、
   前記基板は水平或いは鉛直方向に配置される一方、前記台座は前記基板の実装面に組み付けられて成り、
   前記ＭＥＭＳセンサを実装する前記台座の実装面が前記基板の実装面に対して所定角度傾斜して成ると共に、前記ＭＥＭＳセンサが、前記台座の実装面に所定角度回転して組み付けられることで、加速度を検出する前記直交３軸の方向が前記ハウジングの水平／垂直方向に対して所定角度傾くことを特徴とする請求項１記載の感震センサ。
4. 加速度を検出する前記直交３軸の方向は、前記ＭＥＭＳセンサを組み付ける基板の面及びその直交方向と一致し、
   前記基板が前記ハウジングの底面及びその垂直方向に対して所定角度傾けられて前記ハウジングの内部に配置されることを特徴とする請求項１記載の感震センサ。

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