(57)【要約】【課題】  水平方向の正確な振動記録を抽出する振動測定システムを開発する．【解決手段】  振子を用いる感震器は，鉛直方向と水平面内で東西方向及び南北方向の如く，互いに直交する３軸方向の振動を記録できるように配置されることが多い．一方，設置方向が選択できない海底等に感震器を設置する場合は，重心を偏芯させた２軸のジンバル構造の構成とし，重力の作用で鉛直方向や水平方向を出し，感震器を互いに直交する３軸方向に配置する．感震器３台を３次元の振動が記録できるように３方向に配置する．本発明では，水平振子の回転軸が鉛直方向にならないように，かつ，あらゆる方向からの振動が記録できるように，特定の方向に偏ることなく３台の感震器を配置する．【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振子を用いる感震器３台の振子の振動方向が，非鉛直方向で，かつ，非水平方向の異なる３方向であり，該３方向の振動を測定できる配置であることを特徴とする振動測定システム．
【請求項２】
重心が偏芯しており，重力の作用で第１の回転軸の回りを回転できる機能を有する第１のブロックに，第１の回転軸と直交する第２の回転軸の回りを回転できる機能を有する重心が偏芯している第２のブロックを設け，そのブロックの上に設置された振子を用いる感震器３台のそれぞれの振子の振動方向が，非鉛直方向で，かつ，非水平方向の異なる３方向であり，該３方向の振動を測定できる配置であることを特徴とする振動測定システム．
【請求項３】
請求項１及び請求項２に記載の３台の感震器により記録されたベクトル値に基づいて，各感震器の方位角を考慮しつつ記録振幅と振子の振動振幅との非線形な感度差の補正を行い，鉛直方向及び互いに直交する水平２方向の振動成分を求めることを特徴とする振動解析プログラム．
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は，振子を用いる感震器を設置して３次元の振動記録を取得する振動測定システムに関する．
【背景技術】
【０００２】  振子を用いる感震器は，鉛直方向と水平面内で東西方向及び南北方向の如く，互いに直交する３軸方向の振動を記録できるように配置されることが多い．一方，設置方向が選択できない海底等に感震器を設置する場合は，重心を偏芯させた２軸のジンバル構造の機構により，重力の作用で水平面を出し，その面上で感震器を互いに３軸方向の配置にする．
【特許文献１】  特願２００４−１８８４６２  感震器及び地震計システム
【特許文献２】  特願平９−２３７７６２  支軸摺動式ジンバル装置
【特許文献３】  特願２０００−２１１３９８  振動計及び地震計
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  感震器の例として地震計により説明する．地面の振動を記録する地震計では，振子を構成する錘の重心を不動点とみなして錘を支える台座との間の相対運動を記録する．地震計の場合は，台座は地面に固定されているから，この方式であれば台座の振動は地面の振動になり，地震記録が得られる．通常は先に記載したように，鉛直成分の地震計と水平方向の２成分の地震計を互いに直交する方向に配置する．錘を長さＬの糸で吊した単振子の場合，その固有周期は，
Ｔ＝２π√ｎ      ただし  ｎ＝Ｌ／ｇ          （１）
である．√ｎはｎの平方根である．この（１）式でＬが大きな値であるかｇが小さな値であれば√ｎが大きな値になり振子の周期が長くなり，長周期の振動を記録することができる．高層ビルの振動解析等では，長周期の振動が記録できる地震計が必要とされるが，運搬や設置場所の制約があり，地震計のサイズを大きくすること，すなわち振子のＬをあまり長くすることができない．このため，重力加速度の作用を軽減し，分母ｇの値を見かけ上小さくし，振子の固有周期を長くする方法が用いられる．鉛直成分の場合はバネ等の作用で逆向きの力を錘に作用させ，重力加速度の作用を軽減する．一方，水平成分の場合は，水平振子の回転軸を鉛直方向から傾ける角度を小さくし，重力加速度の作用を軽減する．また，バネの復元力を利用し，振子の周期に関わる重力加速度の作用を軽減する．【０００４】  鉛直成分の場合は影響が少ないが，水平成分の場合は振子の回転軸方向が鉛直方向に近いと，地面の傾きの影響で振子が水平方向に大きく動いてしまう．このため，地震計が傾きを含んだ振動を受けると，記録された振動が，
１）水平方向の振動に伴う真の振動記録であるか，
２）傾動の影響で生じた誤った振動記録であるか，
区別できない．地震計の周期が長ければ長いだけ傾動が振子に及ぼす影響が大きく，振幅の大きな擾乱として真の振動記録に重なる．つまり，水平成分の地震計では水平方向の真の振動が抽出できなくなる．【０００５】  地震計を例にして，傾動運動の影響と水平方向の振動との区別ができない事例を説明した．振子を不動点として利用する水平方向の振動を検出する感震器では，加速度型，速度型，変位型等の何れの場合も，水平成分の記録に傾動の影響が重複し，その割合が大きくなり水平方向の振動が抽出できなくなる．【０００６】  しかしながら，特許文献等の先行技術を調査して得た結果では，地震計等の水平に振動する振子を用いる感震器を配置する際，水平方向の振動に傾動運動が影響することを指摘した事例は見あたらず，水平方向への振動を避け，振子を斜めに振動するように配置する意義を指摘する事例はない．唯一，特許文献１が感震器を斜めに配置する事例であるが，その主たる目的は，
１）感震器の故障検出，ないしは，故障時の振動情報を算出することであり，
２）感震器を４台利用すること，
で発明の目的を果たしている．この事例では，記録に重複する傾動の影響に関わる記述はなく，本発明の意図とは明らかに異なっている．【０００７】  解析に使用される振動の方向は３次元的であり，どのような方向から振動を受けているかを知るためには，互いに異なる少なくとも３方向の振動成分の大きさを記録する必要がある．この場合，水平方向の真値に近い振動を記録するためには，本発明のように，傾動の影響を受けにくい方向，すなわち，振子の回転軸が鉛直方向からずれるように感震器を配置しなければならない．
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明は上記課題を解決するためになされたものであり，本発明の第１の局面は，
振子を用いる感震器３台の振子の振動方向が，非鉛直方向で，かつ，非水平方向の異なる３方向であり，該３方向の振動を測定できる配置である振動測定システム．【０００９】  この場合，感震器を設置する面が概ね水平面であり，水平断面内で互いに１２０度±４５度以内に配置し，各地震計を地震計の振動方向を含む鉛直断面内で，水平方向と４５度±２０度程度の配置にすると好適である．このように規定される第１の局面における振動測定システム１０について図１Ａ，図１Ｂを用いて説明する．図１Ａは３台の感震器１１，１２，１３の配置を示す平面図の例で，それぞれ矢印の方向の振動を記録するとする．この図で示すように互いに方向が異なり１２０度程度違って配置されていれば，水平面内のどの方向の振動であっても，何れかの感震器で実際の振幅の８０％程度を超える大きさの振動として記録できる．例えば，１２０度違っていれば，実際の振幅を１とすれば，記録される振幅は０．５＊√３＝０．８６６以上となる．図１Ｂは，図１Ａの感震器１３のＩ−Ｉの垂直断面を示した図で，水平面と４５度である斜め方向の振動を記録し，図示してないが感震器１１，１２も感震器１３と同様に傾斜角を持たせて設置し，水平面と４５度方向の斜めの振動を記録するものとする．図１Ｂには，感震器を設置する台座面が示してあるが，この例では台座面は水平面と一致する．この感震器１３であれば，振子の振動方向である紙面に沿った斜め左上から右下方向の振動だけでなく，水平方向と鉛直方向の振動も記録できる．斜め右上方向から斜め左下方向の振動は，この感震器の振動方向と直交する方向であり記録できないが，図１Ｂに図示してない他の２つの感震器は，この方向の振動を記録できる方向を向いており，図１Ｂの右上方向から斜め左下方向の振動が大きな振幅として記録できる．【００１０】  感震器１１，１２，１３が，前記した好適な状態の設置構成であれば，それぞれの振子の回転軸は鉛直方向と大きくずれており，傾動運動が作用し感震器が少し傾いた場合でも感震器で記録される振動の振幅は作用した傾動運動の影響をあまり受けない．このため，３台の感震器ではそれぞれの振子の振動方向に関わる傾動の影響をあまり受けない記録が得られる．したがって，これらの３方向の振動記録から，鉛直方向や方位角を含む水平方向の３次元の振動記録が抽出できる．【００１１】  傾いた面を基準に設置された振子を用いる感震器２１，２２，２３が，非鉛直方向で，かつ，非水平方向の異なる３方向の振動を測定できる配置である振動測定システム２０について図２Ａ，図２Ｂを用いて説明する．図２Ｂに感震器を設置する台座面が記してあるが，同じ図の波線で示した水平面とは角度θだけ異なっているとする．感震器２１，２２，２３を設置する際，台座がθ傾いていることを考慮しながら，水平面を基準にして感震器を図１Ａ，図１Ｂの条件を満たす所定の配置にすればよい．地表では雑振動があるため雑振動の影響で微少な振動が記録できない．雑振動の振幅が小さいボーリング孔の孔底等に感震器を設置すれば，微少な振動が記録できるが，ボーリング孔の孔底やボーリング孔が傾斜していると意図する配置に感震器を設置することは容易ではない．このような場合，ボーリング���の孔底の傾きや，ボーリング孔の，孔軸方向（傾斜角と方位角）を前もって測定し，その傾斜角θと方位角を考慮した面を基準として，感震器を所定の好適な配置にする．その結果，３方向に配置した感震器２１，２２，２３の記録から，水平方向や鉛直方向の振動記録が抽出できる．【００１２】  この場合，図２Ｂの断面が水平面からθだけ時計回りの方向に傾けた状態で，波線で示した面が基準である水平面と見なし，図１Ｂと同様に感震器が目的とする方位角や傾斜角になるよう設置する．また，図２Ｂに図示してない他の感震器２２，２３についても，目的とする方位角と傾斜角になるよう基準面の傾斜角度を考慮し，第１の局面と同様に感震器を斜め方向の振動が記録できるように設置する．このような配置であれば，水平方向や垂直方向の振動も記録できる。【００１３】  本発明の第２の局面は，次のように規定される．すなわち，
重心が偏芯しており，重力の作用で第１の回転軸の回りを回転できる機能を有する第１のブロックに，第１の回転軸と直交する第２の回転軸の回りを回転できる機能を有する重心が偏芯している第２のブロックを設け，そのブロックの上に設置された振子を用いる感震器３台のそれぞれの振子の振動方向が，非鉛直方向で，かつ，非水平方向の異なる３方向であり，該３方向の振動を測定できる配置である振動測定システム．【００１４】  このように規定される第２の局面における振動測定システム３０について図３を用いて説明する．第２の局面で使用するブロックは重心が偏芯した位置にあり，外側の第１ブロックは重力の作用により最大傾斜角の方向で静止する．第１ブロックが静止した場合，第１ブロックの回転軸と直交する第２の回転軸を有するジンバル構造の内側の第２ブロックの，第２の回転軸は水平になる．このため，第２の回転軸の回りを回転する構成で重心が偏芯した位置にある第２ブロックは，重力の作用で水平面と一定の傾きを保った状態で静止する．【００１５】  例えば，第１と第２のブロックが共に静止した時，第２のブロック上の特定の部分が水平面となる構成なら，この面上に３方向の感震器を図１Ａ，図１Ｂに示した条件を満たすように配置できる．特定の面が傾いている場合は，図２Ａ，図２Ｂに示した条件を満たすように好適な配置ができ，第２ブロック上に設置した３方向の感震器の記録より，水平方向と鉛直方向の振動記録が抽出できる．【００１６】  陸域の場合は，人が方向を選択して感震器を設置できるが，海底に設置する場合等は，予め基準とする面の傾斜や方向を知ることができない．このような場合，図３で示すように，ジンバル構成の２重ブロックを利用して内側に位置する第２ブロックを特定の角度，例えば水平とし，この面を基準に好適な方向に感震器を配置する．さらに，ここでは記載しないが，地磁気を利用したり，ジャイロを使用して感震器の方位角を特定すれば，３台の感震器で得られた記録より，方位角を含め水平方向や鉛直方向の振動記録を抽出できる．この場合，２重ブロックである内側の第２のブロック上に図３の例のように個別に感震器を設置してもよいが，同じ内側の第２のブロック上に複数の成分の感震器を設置してもよい．【００１７】  ジンバル構成の２重ブロックが，記録しようとする振動の周期と同程度の周期で回転すると，感震器が回転の影響を受けて振動を正しく記録できない．このような擾乱を防ぐには，ジンバル構成の２重ブロックを流動し難いオイル等の液体に浸して回転し難くする．流動し難いオイル等の影響でブロックの姿勢が安定するまでに時間がかかるが，何れ重力の作用でブロックは安定する．一方，流動し難いオイル等の液体であれば早い周期の振動に対しては固体のように振舞い，その早い周期の振動を正しく記録することができる．【００１８】  本発明の第３の局面は，次のように規定される．すなわち，
第１の局面及び第２の局面における３台の感震器により記録されたベクトル値に基づいて，各感震器の方位角を考慮しつつ記録振幅と振子の振動振幅との非線形な感度差の補正を行い，鉛直方向及び互いに直交する水平２方向の振動成分，例えば東西・南北方向の振動成分を求める振動解析プログラム．【００１９】  第１の局面及び第２の局面のように配置された各感震器の感度特性はそれぞれ異なるし，振子の振幅が大きくなると，通常，振子の振幅と記録された振動の大きさが比例しなくなる．特に，重力加速度方向に沿って下方に振動する場合と，重力加速度方向に逆らって上方に移動する場合では感度差がでる．このような場合，設置方位や振子の振幅を考慮して，振子の振幅と記録された振動の大きさの間の補正を行わなければ，鉛直方向，及び，水平方向で互いに直交する方向の正確な振動を抽出することができない，【００２０】  図４に簡単な振動解析プログラムのフローチャートを示す．この例では，各感震器の記録振幅と振動の大きさの関係を前もって測定により決めた感度表を参照することとする．そして，事前に感震器の方位角と傾斜角を入力し，感震器の記録振幅を用い，換算表を参照して，方位角と傾斜角を考慮しながらＺ，Ｘ，Ｙ各方向の振動の大きさを特定する．Ｚ方向は鉛直方向であり，Ｘ方向とＹ方向は東西・南北等，共に水平方向で，互いに直交しているとする．
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】  本発明による振動測定システムの第１実施例を，前記したように図１Ａ，図１Ｂに示す．図１Ａは３台の感震器の平面図で，互いに水平のブロック上（台座上）に１２０度に配置されている例である．この場合，それぞれの成分が各感震器と全体の中心に向かう矢印方向の振動を記録できるものとする．図１Ｂは，感震器１３のＩ−Ｉの断面を示す．この場合は，感震器１３の振子の振動方向が水平面と４５度となっている例である．【００２２】  前記したように，図１Ａ，図１Ｂで示すような方向に感震器を配置すれば，図１Ａの面に平行である方向の振動であれば，何れかの感震器で比較的大きな振幅の振動を記録することができる．また，図１Ｂにおいて紙面に平行な方向の振動であれば，上下方向の振動でも水平方向の振動でも感震器１３で記録できる．好適な配置の３台の感震器を用いれば，３次元の振動が記録でき，ブロックが傾動運動を受けても，傾動による擾乱で記録が大きく乱されることはない．【００２３】  本発明による振動測定システムの第２実施例を図２Ａ，図２Ｂに示す．図２Ａは，台座が水平面よりθ傾いている場合であり，水平面上に投影した状態を示す．３台の感震器２１，２２，２３はそれぞれの感震器の振子の振動方向が互いに１２０度になっている例である．【００２４】  図２Ａの感震器２３のＩＩ−ＩＩ垂直断面を図２Ｂで示すが，この例では感震器２３の振子の振動方向が水平面より４５度になっており，振動方向はブロックの面とは（θ−４５）度傾いた方向になる．これ以外の感震器２２，２３の振動方向は，図１Ｂと同様にそれぞれ，ブロックの面の傾きを考慮して水平面より４５度になるように配置する．【００２５】  本発明による振動測定システムの第３実施例を図５Ａ，図５Ｂに示す．この例は，概ね鉛直方向に掘削されたボーリング孔に，縦列で３方向の感震器５１，５２，５３を設置する例で，最上部の感震器の平面図を図５Ａで，断面図を図５Ｂで示した．この場合は，図５Ｂでは，各感震器の振動方向が水平から約４５度程度になっていることを想定している．上段の感震器５１（Ａ−Ａ’）は手前Ａ’が下方で右上がＡが上部であり，中段の感震器５２（Ｂ−Ｂ’）は，手前Ｂが上で，斜め下方で紙面から遠ざかる方向Ｂ’が下である．下段の感震器５３（Ｃ−Ｃ’）は手前Ｃ’が下で斜め左上Ｃが上に位置する．上部の感震器（Ａ−Ａ’）から約１２０度回転させながら，順次，下方の向かって縦列で設置する．ボーリング孔が傾いている場合は，その傾きを考慮して設置する．【００２６】  上記したように，特定の方向の振動を記録する感震器３台を，互いに異なる方向で傾斜角を持ち，３次元の振動が記録できる方向に配置し，それぞれが傾動運動の影響を受け難くする．この場合，水平振子の回転軸が鉛直方向にならず，かつ，あらゆる方向からの振動が記録でき，３台の感震器が特定の方向に偏らず，概ね互いに等角度に近い角度になる配置が好適である．【００２７】  ここでは図示しないが，３台の感震器を，ジンバル構成で重力の作用で特定の面が水平面あるいは，水平面と一定の角度を有する面の上に配置し，上記の条件を満たすような３方向の振動記録を得れば，傾動運動の影響を避けて，水平方向の振動を抽出できる．【００２８】  上記では，感震器が記録する振動方向が水平面と４５度になっている例について記載したが，感震器が記録する振動方向が水平でもなく垂直でもなく，互いに一定の大きさの角度だけ異なる方向に配置されていれば本発明の目的を満たす．【００２９】  本発明の実施例のように，感震器を振動方向が斜めになる配置にすると，振子の振動方向が，上向きになる場合と下向きなる場合で，振動振幅の大きさと記録の大きさの違いが生じる．この大きさの違いを補正する換算表を前もって測定し，解析プログラム中でこの換算表に基づいた補正をする．定期的に感度検定を行って，換算表の修正を行い，解析プログラムに組み込めば，前記したように鉛直方向Ｚ，及び水平面内で互いに直交しているＸ，Ｙ方向の振動を正しく抽出できる．
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】  水平面上に感震器を設置した状態を示す図．
【図２】  水平面からθだけ傾いた台座上に感震器を設置した状態を示す図．
【図３】  ジンバル構成の台座上に感震器を設置した状態を示す図．
【図４】  振動の大きさを求めるフローチャート．
【図５】  ボーリング孔に縦列に感震器を設置した状態を示す図．
【符号の説明】
【００３１】  １１，１２，１３，２１，２２，２３，５１，５２，５３  ‥‥  感震器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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