JPS61137026A

JPS61137026A - 振動変換器

Info

Publication number: JPS61137026A
Application number: JP60270572A
Authority: JP
Inventors: アーネスト・エム・ホール、ジユニア
Original assignee: Oyo Corp; Oyo Corp USA
Current assignee: Oyo Corp; Oyo Corp USA
Priority date: 1984-11-30
Filing date: 1985-11-29
Publication date: 1986-06-24
Also published as: AU5049885A; EP0184401A3; US4663747A; CA1281408C; EP0184401A2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は一般的には電磁振動変換器及び振動の変換方法
に係り、より詳細にはその１つの要素が池の要素に対し
相対的に運動できるようにスプリングによって支持され
る変換器に関する。

（技術背景及び発明か解決すべき課題）地球の振動又は
震動を感知する地震計は２つの要素を含んでいる。すな
わち、１つの要素は地球とともに運動するように地球に
結合され、他の要素の慣性はかかる運動に抵抗する。理
想的な条件下では、慣性要素は不動状態を維持し、−万
能の要素は地球とともに運動する。２つの要素間の相対
運動は地球の運動の信頼しうる尺度となる。

地震計を向上させるためのいくつかの企てがなされてい
る。それらの中には慣性要素が磁石を含むようにしたも
のがあり、その磁気回路については例えば米国特許第３
，５７７．１８４号及び同３，８７８，５０４号を参照
されたい。又、例えば米国特許第２，１３０，２１３号
及び同２．７５９，１６７号において、コイルを磁石及
びその磁極片に固定することが暗示されている。

そのような地震計は仮に製造されていたとしても商業的
に成功することはなかった。

今日の地震計において、地球とともに運動する要素は磁
石を含み、一方不動状聾を維持する傾向にある慣性要素
は磁気回路のエアギャップ内に位置するコイルを含む。

このコイルと磁場間の相対運動がコイルに信号を誘導し
、該信号は地球の運動の尺度となる。可動コイルを有す
る地震計は良く知られた問題に苦しめられる。

問題点１．地震計が地面に対し不充分に結合されている
際には、上記地震計が発生する信号は地球の運動に正確
には比例しない。比較的重い慣性要素を有する地震計に
よればより良い結果が得られる。しかし、現在使用され
ている地震計においては、コイル全体（巻型及び該巻型
上のコイル）の重量は典型的には地震計の全重量に比し
て小ざい。例えば、慣性要素の質量の地震計の全質量に
対する比は通常的ｌＯ〜１５％に過ぎない。この比を増
すことにより地震計を地球とより良く一致基仕て運動さ
せる一方、慣性要素は不動状態を維持することが長い間
型まれていた。本発明の１つの目的はこの比を実質的に
増加させることである。

問題点２、グループ内の複数の地震計を相互に連結させ
てアレイを形成するようにすると、地震計相互間にいわ
ゆる“運動”が生じる。このことはグループ内の１つの
地震計が機械的に刺激を受けることにより、グループ内
の他の全ての地震計のコイルが電気的エネルギーを与え
られて運動することを意味する。明らかに、１つの地震
計の刺激がノイズに基づく場合、グループ内の他の全て
の地震計が同じノイズを拾い上げることになる。

従って、本発明の他の目的は相互に連結される複数の地
震計間の運動問題を除去することである。

問題点３．大部分の地震計はスリップリングとピグテー
ルのいずれかを使用している。これらは螺旋状に巻いた
小さな巻線であって、可動コイルに対し電気的連続性を
与える。本発明の更に他の目的はスリップリング又はピ
グテール接続によって提供される利点を保有しながら、
それらの公知の欠点を除去することである。

問題点４．一般に最も最近の地震計は固有周波数より低
い周波数を有する信号を約１２ｄＢ／オクターブで減衰
させる。本発明の１つの目的はこの減衰率を大幅に増大
させることである。

問題点５　地震信号が地球を通して伝ばんされろ際、地
球は低周波成分よりも高周波成分をより速い速度で減衰
させる。

本発明の非常に重要な目的は、高周波成分に対し低周波
成分よりも高い感度を有する周波数応答を育することに
より、地球による高周波信号に対するより高度の減衰を
自動的に補償しうる新規な振動変換器を提供することで
ある。

（実施例）以下、添付図面との関連で本発明をより詳細に記述する
。

記述を簡単化するため、対応する部材は“プライム符号
”（゛）を付して示し、それらについての記述を最小限
に制限する。

新規な可変磁束振動変換器１０は磁性材料からなるケー
ス（ケーシング）１２を有し、該ケースの端部には非磁
性材料からなる端部蓋体１４．１４’が設けられて、液
密ハウジング１５が形成される。

変換器ｌＯの磁気回路は円筒型永久磁石１６、磁極片１
８．１８°、エアギャップ［９，１９°（第３図）及び
ケース１２を含む。

Ｚ形の磁極片１８．１８°は磁石１６を把持し、磁石を
ケース１２に対して心合せする。磁気回路内において、
磁束線は磁石１６のＮ極から上部磁極片１８、上部エア
ギャップ１９、ケース１２、下部エアギャップ１９′及
び下部磁極片１８°を介して磁石のＳ極に流れる。

この磁気回路の構成は２コイル式地震計において従来公
知である。

又、コイル手段２０が設けられ、該コイル手段は薄い横
断面の非磁性材料からなる円筒状の巻型２２を備えてい
る。分割肩部が巻型の中央から径方向に伸び、１対の空
間２４．２４′が設けられる。空間２４．２４″内にそ
れぞれ巻線２６．２６′が配置される。両巻線は等しい
軸方向長さ及び等しい巻数とされ、かつ同一サイズの絶
縁されたワイヤからなる。　　　　゛図面には２つの巻
線２６．２６°が示されているが、１つの巻線を使用し
て、その中央で巻き方向を逆転させても良い。又、巻線
２６．２６′を直列にかつ適当な位相関係で接続してこ
れらの巻線から２本のみのワイヤ２７．２７°を引き出
すようにすることも可能である。なお、通常は４本のワ
イヤが引き出される。

本発明によれば、好ましくは円筒状スラグ（ｓｌｕｇ）
３２の形態をした環状の慣性要素３０が磁石１Ｂを包囲
するとと乙に該磁石１６及び巻型２２と同軸にニアギャ
ップ山１９゛内に位置している。該スラグは、通常非磁
性導体からなる。スラグ３２はエアギャップ１９．１９
’内の大部分の空間を満たすものの、スラグ３２が、−
側において磁石【６又は磁極片１８．１８’上でこすり
又は引きずらずに垂直方向に移動できるように、及び／
又は他側において巻型２２上でこすり又は引きずらずに
垂直方向に移動できろように充分なりリアランスが残さ
れる。巻型２２とケース１２の内筒壁【３間にはいかな
る間隙ら設けられない。

スラグ３２は上部及び下部の１対の円板状スプリング、
好ましくはスパイダスプリング３４．３４°により弾性
的に支持されろ。上記スパイダスプリングは典型的には
ベリリウム鋼からなる。各スパイダスプリングの外周部
３５は内周部３６より上方に６置する。スパイダスプリ
ング３４．３４°に代えて、他の公知のばね支持装置を
使用することらできる。

ばね支持装置の機能は、スラグ３２をエアギャップ１９
．１９゛内に同軸に保持し、同軸の磁石１６及び同軸の
巻型２２に対し軸方向に相対運動できるようにスラグ３
２を弾性的に支持することである。

端部蓋体１＋：１４″は軸方向に心合せされるとともに
スプリング固定肩部１７が設けられた案内支性部１１．
１１’を有する。各磁極片は肩部１７との間でスパイダ
スプリングの内周部３５を捕捉し、磁石１６は磁極片１
８．１８″間に把持される。スパイダスプリング３４．
３４″の外周部３５はスナップリング３８．３８°によ
ってスラグ３２の反対側の端部に固定され、上記スナッ
プリング３８．３８′はそれぞれ上記外周部を所定位置
に保持する。スナップリング３８．３８°はスラグ３２
の環状溝３９．３９″内に配置される。この部材は軸方
向運動中にスラグ３２を心合せ状態に維持し、該スラグ
を変換器ＩＯの残りの部分に対して心合せする。

変換器の構成要素は圧力によって組み合わされ、かつ変
換器の内部で互いに積み重ねられるので、組立て時間が
最小限になるとと乙に比較的低度の熟練性を要ずろのみ
である。端部蓋体１４の肩部４４（第４図）は巻型２２
の一致する型部４４°に固定される。

各部材の配置は磁石１６の中心を通過する垂直面及び水
平面の双方に関して対称であるので、変換器■０は最小
限の第２高調波成分を発生するのみである。このように
各部材を対称に配置することにより重要な製造上及び作
動上の利点か得られ、それにより変換器ｌＯの製造コス
トがかなり低減する。

又、複数の変換器ｌＯが相互に連結されて一様な刺激を
受ける場合、各変換器内のコイルに誘導される信号は実
質的に同相になる。

固定端子４０，４０’が端部蓋体１４に固定されている
。

蓋体１４と巻型２２はとらに円筒状ケース１２に構造的
に固定されている。コイル手段２０と端子４０．４０″
間の相対的な運動は許容されない。このため、コイル手
段２０の出力ワイヤ２７．２７°を出力端子４０．４０
′にはんた付けすることができ、それにより従来の可動
コイル型の変換器に比して非常に重要な利点を得ること
ができる。

本発明の丘述した利点及び他の明白な利点は信頼性の向
上及び製造コストの低減に大きく寄与し、かつ変換器ｌ
Ｏ及び本発明の他の実施例を軽量、小型化すると同時に
頑丈にすることを可能にする。

慣性スラグ３２が予め定めた範囲内、すなわちスラグ３
２の肩部４２の反対側の端部４１．４１’（第４図）と
磁極片１８．１８°の内周部によって定められる範囲内
で軸方向に移動可能であることか図面から観察できるで
あろう。

第５図に示す別の実施例１Ｏ°において、巻線２６．２
６′は巻型２２を使用することなくケース１２の内筒壁
１３に固定することができる。変換器１０″の残部は変
換器１０と同様である。

変換器ｌＯ及び１０″は垂直方向の運動に応答するもの
であるが、上記変換器は水平方向の運動に適合させるこ
ともできる。変換器１Ｇを水平型変換器に変更するため
のスプリング３４．３４″、それらの厚さと重量及びそ
の他の内部設計の選択は当業者に容易に理解できるであ
ろう。

慣性スラグ３２が変換器１０の１つの要素であり、残り
の部分が他の要素を構成するとみなすことは有用である
。これら２つの要素は相対運動可能である。

磁石１６は磁極片１８．１ｇ’とケース１２間のエアギ
ャップ１９．１９″内で一定の磁場を発生する。スラグ
３２が静止している場合、コイル２０にはいかなる信号
ら誘導されない。機械的な刺激又は振動が１つの要素（
スラグ３２）と他の要素（変換器１０の残部）間に相対
運動を生じさせろ。この相対運動がスラグ３２に振幅が
変化するうず電流を誘導する。

上記振幅が変化するうず電流によって発生する磁場は上
記相対運動の速度に比例する。

エアギャップ１９．１９’内の巻線２６．２６゛はスラ
グ３２内のうず電流によって発生する変化する磁場をさ
えぎる。その結果、巻線２６．２６′に誘導される電流
又は電圧は加速度、つまりスラグ３２の速度の変化率に
比例する。

エアギャップ１９．１９″内で一様な磁場が発生するよ
うに各部材を適当に調和させることにより、スラグ３２
によって遮断される磁束線の数はその作動レンジ内で一
様になり、コイル２０からの出力電圧はケース１２によ
って検出される地球の運動の加速度に実質的に比例する
。

変換器１０の直径は２．２２ｃｍ、高さは２．５４ｃｍ
、コイル手段２０の重量は１６グラム、変換器ｌＯ全全
体重量は４９グラムである。磁石１６の直径は１．０２
ｃｍ、長さは１．０２ｃｍで、スラグ３２内の１．１７
ｃｍの穴内に配置される。巻型２２の長さは２．０３ｃ
ｍ＋である。巻１＠２６．２６°は互いにＯＪ８ｃｍ離
れるとともに巻型の端部からそれぞれＯ，１７ｃｍ離れ
ている。ケース１２は軟鉄製であって、外径が２．２２
ＣＩ１１％内径が２．０３ｃｍである。磁石１６はアル
ニコ（商標名）■からなり、各巻線２６．２６″はＮｏ
Ｊ９ＡＷＧワイヤ製で、巻数は７５０ターンである。ス
ラグ３２の長さは１．８ｃｍ、直径は１　、６ｃａ＋で
、ＡＳＴＭ−Ｂ−１８７として知られる鉛添加銅製であ
る。

前述したように、現在の地震計において、コイル全体（
巻型とその上のコイル）の質量は、典型的には地震計の
全質量に比して小さい。例えば、慣性要素の質量は地震
計の全質量のｌＯ〜１５％程度である。

しかし、本発明によればこの質量比を増大させることが
できる。それゆえ、本発明に係る新規な地震計は地球と
より良く一致して運動し、一方その慣性要素は不動状態
を維持する。

この点において本発明の利点を得るためには、スラグ３
２の質量は変換器１０の全質量の２０〜５０％とするこ
とが好ましく、それにより地球によってケース１２に与
えられる機械的振動に応じてより信頼性の高い出力電気
信号が得られるようになる。上記レンジ内でのスラグ３
２の好適な重量値は変換器１０の全重量の３５％である
。

コイル２０はエアギャップ１９．１９’に対し相対運動
を行わないので、該コイルは端子４０．４０°に抵抗負
荷として現われる。それゆえ、複数の変換器１０　Ｍ　
一様に刺激された際、それらは同相で予想可能な信号を
発生し、最小限の高調波を有するのみである。

この点は、周波数及び減衰の関数としてのインピーダン
スを有する現在の市販の可動コイル型地震計と相反する
。

グループ内の１つのみの変換器に加えられた機械的な刺
激に応じて復敗の変換器」０が相互に“運動”すること
はない。なぜなら、全ての他の変換器内のコイル２０は
固定されており、電気的にエネルギーを与えられること
に応じて慣性要素３０に応答運動を誘導することができ
ないからである。

本発明によれば、１つの変換器ｌＯのみにノイズとして
機械的刺激が加えられても、グループ内の他の全ての変
換器がこのノイズを受けることはない。これに反し、可
動コイル型の変換器は１つの変換器が電気的に駆動され
ると、他の全ての変換器が電気的に駆動されるという問
題に苦しめられる。

グループの複合出力電気信号は、いずれか１つの慣性要
素３０の運動が他の慣性要素の運動に影響を与えること
なく、グループを形成する個々の変換器［０の慣性要素
３０の相対運動の複合的な測定値を構成する。

変換器１０が変換器の固有周波数より低い周波数成分を
約１８ｄＢ／オクターブの割合で減衰させろことが判明
している。通常は１２ｄＢ／オクターブであるので、変
換器の固有周波数より高い周波数成分を６　ｄＢ／オク
ターブ増強させることになる。

低周波成分をより大きな割合で減衰させること及び高周
波成分を増強させることは、地震検出に顕著な利点を提
供する。なぜなら、そのことにより、地球によって伝ば
んされる際に低周波成分が所望に反して高いレベルにな
ること及び地球による高周波成分の減衰が自動的に補償
されるからである。

要するに、変換器ｌＯは高周波成分を助長し、より高い
低域遮断フィルタ効果を与えて、ピグテール及びスリッ
プリング接続の必要性を除去する周波数応答を有する。

第６〜８図に振動変換器５０が示されており、該変換器
はその端部に非磁性材料製の端部蓋体５４を備えた軟鉄
磁性材料製のケース５２を有する。ケースと蓋体とは液
密ハウジング５５を構成する。その磁気回路は円筒状永
久磁石５６、ケース５２及びエアギャップ５３を含む。

リング５７が磁石５６を把持し、該磁石をケース５２の
底部５８に対して心合せする。この磁気回路における磁
束線は磁石５６のＮ極からエアギャップ５３及びケース
５２を介して磁石のＳ極へ流れる。単一コイル用のこの
磁気回路の構成は従来公知である。

本発明Ｃ，−よれば、好ましくは円筒状スラグ６０の形
態をし□た環状慣性要素は磁石５６を包囲し、かつ磁石
５６と同軸にエアギャップ５３内に位置する。

巻型６３は絶縁されたワイヤからなる巻線６２を支持す
るとともにエアギャップ５３内に位置し、慣性要素６０
内を流れるうず電流によって生じる変化する磁場を遮断
する。コイル６２に誘導されろ電流又は電圧は加速度、
すなわちスラグ６０の速度の変化率に比例する。

エアギャップ５３内にはスラグ６０が一側て磁石５６上
をこすり又は引きすることなく、及び／又は他側でコイ
ル６２上をこずり又は引きすることなく軸方向に移動で
きるように充分なりリアランスが設けられている。コイ
ル６２とケース５２の内筒壁６４間にはいかなる間隙ら
設けられない。スラグ６０は単一の円板状スパイダスプ
リング６６により弾性的に支持されており、該スパイダ
スプリングはリング６９及び７０により所定位置に保持
される。

第９図に示す変換器の他の実施例５０′は、スラグ６０
′が上部及び下部のｌ対の円板状スパイダスプリング６
６°、６６”により弾性的に支持されている点を除いて
変換器５０と同様である。

変換器５０及び５０’におけるスプリングの機能は、エ
アギャップ５３内のスラグ６０及び６０°を同軸に保持
し、同軸の磁石５６及び同軸のコイル６２に対し軸方向
に運動できるように上記スラグを弾性的に支持すること
である。

変換器５０及び５０°の作用は変換器ｌＯについて前述
した作用と本質的に同様であり、繰り返して説明するこ
とは不要と思われる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る振動変換器の実施例の斜視図、第２図及び第３図はそれぞれ変換器に加えられる相反す
る最大限の刺激に応じて相反する最大変位位置にあるス
プリングを示す第１図の■−■線及び■−■線に沿う変
換器の断面図、第４図は変換器の分解斜視図、第５図は巻型を備えないコイル手段を使用した他の実施
例を非刺激状態にあるスプリングとともに示す第２図と
同様の断面図、第６図は変換器の更に他の実施例の斜視図、第７図は第
６図の■−■線に沿う断面図、第８図は第６図に示す変
換器の分解斜視図、第９図は１対のスパイダスプリング
を使用した別の実施例の第７図と同様の断面図である。１６．５６・・・永久磁石、１９．１９’・・・エアギ
ャップ、２０・・・コイル手段、３２．６０・・・非磁
性導体、３４．３４．６６・・・ばね手段。特許出願人　オヨ・コーポレーション、ニー・ニス・エ
イ化　理　人　弁理士　青白　葆　ほか１名Ｆｉｇ　／
　　　　　　　　　　Ｆｉｇ　５へ２　　　　　　　　
像３ＦＩｇ＆Ｆｔ’ｇ　６

Claims

【特許請求の範囲】

（１）永久磁石及び少なくとも１つのエアギャップを含
む磁気回路を有する振動変換器において、上記エアギャ
ップ内でばね手段により環状非磁性導体を弾性的に支持
し、上記エアギャップに対し相対的に運動しないように該エ
アギャップ内に環状コイル手段を固定的に支持して該コ
イル手段に上記環状導体とエアギャップ間の相対運動に
応じて電気信号を誘導せしめ、上記信号が導体とエアギ
ャップ間の相対運動のパラメータと関連することを特徴
とする振動変換器。
（２）上記パラメータが上記相対運動の加速度である特
許請求の範囲第１項に記載の変換器。
（３）上記導体の質量が上記変換器の全質量の２０〜５
０％である特許請求の範囲第１項又は第２項のいずれか
に記載の変換器。
（４）中空ケーシング、上記ばね手段、上記コイル手段
及び上記非磁性導体を含み、上記永久磁石を上記ケーシ
ング内に配置し、コイル手段及び磁石をケーシングに対
し相対的に不動状態とし、ばね手段は磁石に対し軸方向
に相対運動ができるように非磁性電気導体を弾性的に支
持することにより、上記導体と磁石間の相対運動に応じ
て導体内にうず電流を誘導せしめ、該うず電流がコイル
手段に上記電気信号を発生させる特許請求の範囲第１〜
３項のいずれかに記載の変換器。
（５）上記ケーシングが磁性材料からなる円筒体であり
、上記磁石が円筒体であり、上記導体が環状形状を有し
、磁石の端部に少なくとも１つの磁極片を配置し、磁石
、磁極片及びケーシングが磁極片とケーシング間に上記
エアギャップを有する上記磁気回路を形成し、上記導体
を磁石及びコイル手段と同心的に配置し、該コイル手段
をケーシングに構造的に固定して環状導体を包囲せしめ
た特許請求の範囲第４項に記載の変換器。
（６）上記ケーシングがｌ対の非磁性端部蓋体を有する
とともに上記磁石の反対側の端部に１対の軟鉄製磁極片
を有することによりエアギャップが各磁極片とケーシン
グ間に形成され、上記ばね手段が環状導体を磁石と同心
的に支持するための１対のスパイダスプリングを含み、
コイル手段が上記導体から径方向に離れるとともに該導
体を包囲する非磁性円筒体及び該円筒体上の少なくとも
１つの巻線を含む特許請求の範囲第４項又は第５項のい
ずれかに記載の変換器。
（７）上記パラメータが上記相対運動の加速度であると
ともに導体の質量が変換器の全質量の２０〜５０％であ
る特許請求の範囲第４〜６項のいずれかに記載の変換器
。
（８）上記変換器が地球に与えられる地震エネルギーの
周波数が増すにつれて連続的に感度が増加する周波数応
答を有することにより、地球による高周波成分の減衰が
実質的に克服される特許請求の範囲第１〜７項のいずれ
かに記載の変換器。