JPH0338532B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は地震等による振動を感知する地震感知
器の構造に関するものである。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕

まず、地震の周波数について説明する。

一般に地震波の主成分の周波数は１〜10Hzにあ
ると言われているが、そのうち特に１〜５Hzの成
分が顕著である。第２図に昭和53年６月12日17時
14分に発生した宮城県沖地震について、一例とし
て大船渡で観測された地震波のパワースペクトル
を示す。卓越振動数は２〜３Hz（2.4Hz）で、１
〜５Hzのパワーが大きい（図示しないが、フーリ
エスペクトルもほぼ同様な形状で１〜５Hz成分が
多い）。

又、電車、ダンプカー、建築工事及び回転機械
等種々の原因による地盤及び建物の微小振動は地
震波とは異なり外乱振動となるが、この外乱振動
は20Hz以上のものが多いが10Hz近傍のものも含ま
れているので誤動作防止の点より日本エレベータ
協会の耐震設計・施工指針の技術基準において
は、感知器の周波数特性として「普通級は１〜５
Hzの範囲でフラツト特性、精密級では0.1〜５Hz
の範囲でフラツト特性、５Hzを越える範囲では感
度は下降特性とすること」となつている。

上記のような地震の特性に対して、従来の地震
感知器としては、電気式の動電型やストレーンゲ
ージ型、圧電型、或いは機械式の重錘落下型など
が一般に用いられている。

第３図に、動電型地震感知器の構造の一例（垂
直方向感知器）を示す。この動電型地震感知器
は、永久磁石４により発生する磁束５の中を、お
もり２に固定されたコイル３が振動により上下に
動くと、コイル３の両端に電圧が発生し、この電
圧の大きさがコイル３の移動速度に比例すること
を利用して地震を感知するものである。なお、１
はおもり２を支持するばね系であり、６は磁路を
形成するヨークである。このばね系１の固有振動
数は、普通４Hz程度にとられているが、この方式
で周波数特性を前述のように５Hz以上で下降特性
とするのは難しく（ばね系の問題）、通常10Hz程
度以上で下降特性にしている。更に固有振動数
は、ばね系１やおもり２の精度に大きく影響を受
けるので、実際には、最終の工程で手加工により
おもりの重さ等を調整している。すなわち、この
動電型地震感知器は精度や調整の手間の点で問題
を有している。

また、ストレーンゲージ型地震感知器は、スト
レーンゲージ（歪ゲージ）をＸ，Ｙ方向に設置
し、これらの電気出力をベクトル合成して加速度
を求めるものであるが、歪ゲージ自身の周波数特
性は数Hzにも及ぶので、電気的フイルターで５Hz
以上を滅衰させるようにしている。従つてストレ
ーンゲージ型の地震感知器はこのフイルターの特
性に大きく左右され、更にベクトル合成を行なう
為に掛算器等を必要とするなど、多くの誤差要因
を含んでおり信頼性の点で問題がある。なお、圧
電型地震感知器もベクトル合成方式を採用してお
り、同様の問題点を含んでいる。

第４図は、重錘落下型地震感知器の構造の一例
を示すものである。これは、静止状態では重錘
（鉄等の磁性体）１３が、ケース１０に固定され
た永久磁石１１に吸引されているが、ある一定以
上の振動が発生するとこの重錘１３が落下し、重
錘１３にはめ込まれているレバー１２が支点１５
を中心に矢印方向に回転することにより、マイク
ロスイツチ１４のアクチユエータ１４′を作動さ
せて地震を感知するものである。この方式は簡単
であるが、磁石の吸引力と重錘の重さの関係によ
つて、感知レベルが左右され、その調整が大変で
あると同時に低い周波数（１Hz以下）では感知し
にくいという欠点があり、やはり精度や信頼性の
点で問題がある。

このため、出願人は特願昭59−88902号にて新
しいタイプの地震感知器を提案している。それは
第５図及び第６図に示すような、円柱状の容器３
１（外部からの光を遮断する密閉構造の容器）に
例えば水銀や油などの液体３２を入れ、この容器
３１の蓋には発光ダイオード等の光源３４とこの
液体３２からの反射光を受光する受光素子３５を
備えて、地震波によつて容器３１内の液体３２が
揺動すると、この液体表面の形状が変わることに
よつて変化する反射光の輝度分布を受光素子３５
により電気信号に変換出力したものを信号処理部
２１がこの出力信号２０ａの大きさに応じて震動
レベルを識別するような新しいタイプの地震感知
器である。

即ち、簡単のため液体の入つた小円筒容器を一
定振動加速度で水平方向に加振させたときの液体
の表面の波の動きは、振動加速度の大きさをＡ，
重力の加速度をｇ，波の振幅をａ，その波長をλ
とし、波の進路に沿つてｘ軸をとるとすれば第８
図に示すように、小円筒容器の側壁のところがち
ようど山ないし谷になる1/2波長の正弦波の振動
が主成分となる振動をする。そして、液面の傾斜
角θはその値が小さい場合には次の式で与えられ
る。

θ＝Ａ／ｇ＝2πa／λ・cos 2πｘ／λ … つまり、振動加速度の大きさＡは液体表面の傾
斜角に比例するから振動加速度を検出するために
は液体表面の傾斜角を検出すればよいことにな
る。

このような円筒容器内の波は円形波であり、側
壁のところでは液体は鉛直方向に動かなければな
らず、円形波のパターンは山ないし谷がちようど
側壁の位置にくるような大きさになり、水平加振
時は第８図、上下加振時には第９図を基本波モー
ドとする波が発生する。

次に、液面の傾斜角を検出する基本的な光学系
は第１０図に示すとおりである。

即ち、液面への入射光束をφ₁，静止した液面
での反射光束をφ₂，傾いた液面での反射光束を
φ₃，傾斜角θだけ液面が変化したときの光電変
換素子へ入射する光束の変化量をφ₄とすると、
図から明らかなように液面がθなる角度だけ傾く
と、反射光束の移動角は2θとなるので、結局光電
変換素子への入射光束の変化量φ₄（液体表面から
の反射光束の変化量）はθに比例することにな
る。

今、光電変換素子としてホトダイオードのよう
なものを使用すると、その出力は入射光束（光
量）に比例するから、円筒容器が加速されると、
そのときの出力ｕは式を考慮すれば次の式で表
わされる。

ｕ＝K₁・θ＝K₂・Ａ … 但し、K₁，K₂は定数 つまり、光電変換素子の出力は震動加速度に比
例する。

即ち、この地震感知器は感知部２０の受光素子
３５から出力された振動加速度に比例した信号２
０ａを交流増幅器２２により増幅し、コンパレー
タ２３，２５等により複数のレベルの地震を感知
するものであるが、第１１図ａに示すように受光
素子３５と光源３４を水平面上に配置すると、震
動方向に対する感知器の感度が大幅に相違してし
まう。つまり、感知器の周波数特性が第１１図ｂ
のように、加振方向がf₃，f₄の場合にはg₃，g₄と
略同じ特性となるが、加振方向がf₁，f₂の場合に
は特性がそれぞれg₁，g₂となり、同じ加振力であ
つても出力レベルが違つてしまい誤検出の原因と
なる虞れがある。又、この感知特性に影響を及ぼ
す要素としては、液体の種類や量、発受光素子自
体の特性、電源電圧変動、周囲温度変化など種々
雑多なものが考えられるが、特に地震感知器を持
ち運ぶ際の液体の乱れによる容器側壁あるいは発
受光素子への液体の付着など、この新しい感知器
の構造面での問題がまだ残されており、これが実
用上の課題となつていた。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、全て
の震動方向に対して同一の感度を有する構造をも
つとともに、たとえ乱暴な取り扱いを受けても感
知器の特性に影響を与えない地震感知器を提供す
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、外部からの光を遮断する密閉構造の
容器を備え、該容器の底部は中心に向かつて傾斜
をもつた形状をし、該底部には、比重が大きく表
面反射率の高い第１の液体と比重が小さく表面反
射率の低い第２の液体とが入つており、第１の液
体及び第２の液体の上方には容器内を照射する光
源と、該光源が発する光のうち第１の液体表面か
らの反射光を受光し、その光量を電気信号に変換
する光電変換素子とを設け、第１の液体の液面の
傾きを第１の液体表面からの反射光量の変化とし
て捉え、光電変換素子の出力電気信号が所定値よ
りも大きいとき出力を発する信号処理部を備えた
地震感知器において、光源と光電変換素子とは容
器の中心線上に光電変換素子の方が液体寄りに配
置し、第１の液体及び第２の液体と光電変換素子
との間には透明板を設けて隔離するものである。

〔作用〕

上述の如く構成すれば、何れの方向に容器が加
振されても、第２の液体によつてダンピングされ
ながら第１の液体の表面が同じように凹凸状に変
化し、この変化を液体表面での反射光量の変化と
して捉え、地震による振動レベルを経年変化の影
響をほとんど受けずに検出する。

〔実施例〕

第１図は本発明による感知部４０の構造を示す
一実施断面図、第７図はその構成部品の斜視図
で、図中、第６図と同一符号のものは同一のもの
を示すが、４１は比重が大きく低粘度でかつ表面
反射率の高い、例えば水銀のような液体４２と液
体４２より比重が小さく温度による粘度変化の少
ない高粘度でかつ表面反射率の低い、例えば航空
機の作動油のような液体４３とで構成された二重
層液体４４（二重層液体を用いる理由は常温での
周波数特性を理想的な特性にするためである）が
入つているシリンダで、外部からの光を遮断する
密閉構造をしており、このシリンダ４１内の底部
４１ａは所定の頂角を有する円錐形状に構成さ
れ、外側面にはねじ山４１ｂが設けられている。
４５は透明な材質、例えばアクリル樹脂からなる
透明板で、接着剤によりシリンダ４１上に取り付
けられる。４７はシリンダ４１外側面のねじ山４
１ｂにねじ込まれる中空のリングで、このリング
４７上に透明な材質で中央部には受光素子３５が
はめ込まれる穴４８ａが設けられた透明板４８を
置き、その上からカバー４９をかぶせ、リング４
７のタツプ穴４７ａとカバー４９の穴４９ａとを
つき合わせてボルト５０により締結する。このカ
バー４９の略中央上面には別の穴４９ｂ，４９ｃ
が設けられ、穴４９ｂには光源３４がはめ込ま
れ、穴４９ｃは受光素子３５の端子を貫通させて
いる。そして、光源３４と受光素子３５とシリン
ダ４１の頂点とは垂直線上に配置される。

〔発明の効果〕

このように、液体の入つたシリンダの上面に透
明板を取り付け、この透明板の上方に光源及び受
光素子を隔離して配置すれば、持ち運びの際たと
えこの地震感知器を引つ繰り返すようなことがあ
つても液体が発受光素子に付着して感知器の特性
を劣化させたり素子寿命を縮めることもない。こ
の場合透明板には若干液体が付着するが、その量
は極めて微量であり、感知器の特性を変化させる
までには到らない。又、光源と受光素子とをとも
に液体の上方、容器の中心線上に受光素子の方が
液体寄りに配置したため、たとえ何れの方向に震
動する地震があつても誤動作を起こす虞れがなく
ムラなく正確に地震を感知することができる。

尚、透明板を介しての透過光量変化による感度
変化については、例えば、特願昭59−269964号に
て出願人が既に提案している受光素子の直流成分
信号による感度補正を行えば特に問題は生じな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による感知部の一実施例を示す
構造断面図、第２図は地震波のパワースペクトル
の一例を示す図、第３図は動電型地震感知器の構
造の一例を示す図、第４図は重錘落下型地震感知
器の構造の一例を示す図、第５図は新タイプの地
震感知器の一構成を示すブロツク図、第６図は新
タイプの地震感知器の感知部の一例を示す構造断
面図、第７図は第１図における構成部品の斜視
図、第８図乃至第１０図は新しいタイプの地震感
知器の動作原理を示す原理説明図、第１１図は新
しいタイプの地震感知器の問題点を説明する説明
図である。 ２０，４０……感知部、２１……信号処理部、
２２……交流増幅器、２３，２５……コンパレー
タ、２４，２６……出力回路、４１……シリン
ダ、４５，４８……透明板、３２，４２，４３，
４４……液体、３４……光源、３５……受光素
子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外部からの光を遮断する密閉構造の容器を備
   え、該容器の底部は中心に向かつて傾斜をもつた
   形状をし、該底部には、比重が大きく表面反射率
   の高い第１の液体と比重が小さく表面反射率の低
   い第２の液体とが入つており、前記第１の液体及
   び前記第２の液体の上方には前記容器内を照射す
   る光源と、該光源が発する光のうち前記第１の液
   体表面からの反射光を受光し、その光量を電気信
   号に変換する光電変換素子とを設け、前記第１の
   液体の液面の傾きを前記第１の液体表面からの反
   射光量の変化として捉え、前記光電変換素子の出
   力電気信号が所定値よりも大きいとき出力を発す
   る信号処理部を備えた地震感知器において、 前記光源と前記光電変換素子とは前記容器の中
   心線上に前記光電変換素子の方が前記液体寄りに
   配置し、前記第１の液体及び前記第２の液体と前
   記光電変換素子との間には透明板を設けて隔離す
   ることを特徴とする地震感知器。 ２ 前記第１の液体は水銀であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の地震感知器。 ３ 前記第２の液体は前記第１の液体の動きをダ
   ンピングする性質の液体であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の地震感知器。 ４ 前記容器は円柱状の容器で、底部は逆円錐形
   状をしていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の地震感知器。 ５ 前記信号処理部は前記光電変換素子の出力電
   気信号を入力として前記液体の液面の傾きを前記
   液体表面からの反射光量の変化として捉える交流
   増幅器を備えたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の地震感知器。 ６ 前記信号処理部は複数の所定値と比較するコ
   ンパレータを備えたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の地震感知器。