(57)【要約】１つ以上の導電性コイルで、急峻な磁束勾配を生成する様態で、１つ以上のコンプライアント要素（例えば、バネ）上で発振するように配置される複数の強磁性質量体（例えば、磁石）を含む、受振器を開示する。磁性質量体は、磁場勾配を圧縮するように、同極が互いに対面して位置付けられる。コイルは、磁石間に、磁石に近接して、または磁石を包囲してのいずれかで、磁束間隙に位置付けられ得る。次いで、振動測定値は、磁性質量体のうちの少なくとも１つの移動から検出され得る。
2013501240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動を測定するためのシステムであって、
振動測定装置と、
前記振動測定装置によって測定される振動に少なくとも部分的に基づいて指標を生成するように構成される、前記振動測定装置に動作可能に接続される出力デバイスと
を含み、
前記振動測定装置は、
１つ以上の統合コンプライアント領域を有する基板と、
複数の強磁性質量体であって、各強磁性質量体は、前記統合コンプライアント領域のうちの対応する１つ以上に連結され、前記強磁性質量体のうちの少なくとも１つは、基板加速に応答して、前記基板に対して移動し、前記複数の強磁性質量体のうちの少なくとも２つは、内部磁極が磁束間隙によって相互から分離されるように配置される内部磁極を有し、各内部磁極の磁極性は、前記磁束間隙の反対側上の前記内部磁極の磁極性に類似する、強磁性質量体と、
前記基板に連結され、かつ、前記磁束間隙内に配置される１つ以上のコイルであって、前記１つ以上のコイルは、前記基板に対する前記強磁性質量体のうちの少なくとも１つの強磁性質量体の運動から生じる変化する磁束に曝露される、１つ以上のコイルと
を含む、システム。
【請求項２】
前記１つ以上のコイルは、前記少なくとも２つの強磁性質量体間の前記磁束間隙内に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記１つ以上のコイルは、前記少なくとも２つの強磁性質量体の外側の前記磁束間隙内に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記１つ以上のコイルは、前記少なくとも２つの強磁性質量体を包囲して前記磁束間隙内に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記１つ以上のコイルは、前記統合コンプライアント領域のうちの１つ以上に接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも２つの強磁性質量体は、相互に堅固に連結され、かつ、同期的に移動するように配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記１つ以上のコイルは、直列または並列に接続される少なくとも２つのコイルを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記１つ以上のコイルの外縁部に取り付けられる慣性質量体をさらに含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記複数の強磁性質量体は、６つの強磁性質量体を含み、２つの強磁性質量体は、第１の方向における移動を検出するように構成され、２つの強磁性質量体は、前記第１の方向に実質的に垂直な第２の方向における移動を検出するように構成され、２つの強磁性質量体は、前記第１の方向および前記第２の方向に実質的に垂直な第３の方向における移動を検出するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
振動を測定するための方法であって、
１つ以上のコイルを複数の強磁性質量体間に生じる磁束間隙内に配置することであって、前記複数の強磁性質量体のうちの少なくとも２つは、前記磁束間隙によって相互から分離される内部磁極を有し、各内部磁極の磁極性は、前記磁束間隙の反対側上の前記内部磁極の磁極性と類似する、ことと、
前記強磁性質量体のうちの少なくとも１つの運動から生じる変化する磁束に応答して、前記１つ以上のコイル上で生成される電圧を測定することと、
前記測定された電圧に少なくとも部分的に基づいて振動の指標を生成することと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記１つ以上のコイルを配置することは、前記１つ以上のコイルを前記少なくとも２つの強磁性質量体間の前記磁束間隙内に配置することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記１つ以上のコイルを配置することは、前記１つ以上のコイルを前記少なくとも２つの強磁性質量体の外側の前記磁束間隙内に配置することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記１つ以上のコイルを配置することは、前記１つ以上のコイルを前記少なくとも２つの強磁性質量体を包囲して前記磁束間隙内に配置することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記１つ以上のコイルは、１つ以上の統合コンプライアント領域に接続される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも２つの強磁性質量体は、相互に堅固に連結され、かつ、同期的に移動するように配置される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記１つ以上のコイルは、直列または並列に接続される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数の強磁性質量体は、６つの強磁性質量体を含み、２つの強磁性質量体は、第１の方向における移動を検出するように構成され、２つの強磁性質量体は、前記第１の方向に実質的に垂直な第２の方向における移動を検出するように構成され、２つの強磁性質量体は、前記第１の方向および前記第２の方向に実質的に垂直な第３の方向における移動を検出するように構成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記振動の指標を生成することは、前記指標を出力することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記指標をログに記録することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
前記指標を記録することは、前記指標をユーザ定義のスケジュールで記録することを含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、受振器に関し、より具体的には、改善された信号対雑音比を伴う、高感度受振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
受振器は、地震エネルギーまたは振動を、電圧信号に変換するために使用される、計器である。従来の受振器は、単一のコイルと、強磁性質量体（例えば、磁石）とを含み、これらの双方は、筐体に包含され得る。バネは、コイルを支持することができ、このため、筐体に対する、１次元における運動を可能にする。磁石は、筐体に対して固定され得、受振器が振動する際に、コイルは、磁石に対して移動することができる。コイルの相対運動は、コイルにおいて、起電力、または電圧を誘導し得る。「単一のコイル」は、コイル状に巻取された、単一の、連続した長さのワイヤを含み得、コイルに対するその接続は、ワイヤの２つの端部、または端末で利用可能である。これらの２つの端末にわたる電圧は、デバイスからの出力信号を提供することができる。この電圧は、バネ・コイル・質量体システムの固有の共振周波数を上回る周波数に対して、筐体の速度に比例し得る。
【０００３】
上で言及した設計で遭遇する欠点のうちの１つは、受振器のサイズ（例えば、コイルの長さ、および／または強磁性質量体のサイズ）を劇的に増加させることなく、受振器の感度を増加させることができないことである。受振器のサイズを増加させることは、一般的に、可搬性の減少、および動作費用の増加をもたらす。したがって、より高い信号対雑音比を伴う、より感度がある受振器を提供することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の例示的な実施形態に従い、受振器を使用して振動を測定するためのシステムおよび方法が提供される。受振器構成は、１つ以上の統合コンプライアント領域（例えば、バネ）を伴う基板と、磁場勾配を圧縮するように、同じ磁極が互いに対面して位置付けられる、少なくとも２つの強磁性質量体（例えば、磁石）と、コイルとを含む。強磁性質量体のうちの１つ以上は、強磁性質量体のうちの少なくとも１つが、基板加速に応答して、基板に対して移動するように、統合コンプライアント領域のうちの対応する１つ以上に連結され得る。強磁性質量体のうちの少なくとも２つの対面する、または整合された内部磁極は、磁束間隙内、およびその周囲に、急峻な磁束勾配領域を形成し得る。コイルは、基板に連結され、かつ急峻な磁束勾配領域に配置され得、これは、基板に対する、強磁性質量体のうちの少なくとも１つの運動から生じる変化する磁束に曝露される。種々の例示的な実施形態において、コイルは、磁石間に、磁石に近接して、または磁石を包囲してのいずれかで、磁束間隙に位置付けられ得る。
【０００５】
少なくとも２つの同じ磁極をともに対面させることによって生じる圧縮された磁場勾配は、コイルがより短い距離にわたり磁束においてより大きな変化を経験し得ることから、所与の振動量に対してより大きな電圧信号がコイルの２つの端末間で生成されることを可能にし得る。この構成は、雑音を増加させることなく、より大きな電圧信号をもたらすことができ、このため、有利にも、従来の受振器構成よりも大きな信号対雑音比をもたらす。
【０００６】
一部の実施形態において、本発明の受振器構成は、機械監視、地震撮像、および振動測定を必要とする他の用途を含む、振動測定のために使用され得る。コイル端末は、測定された振動を示す、視覚的、聴覚的、または録音された出力を提供するように構成される、１つ以上の出力デバイスに接続されてもよい。
【０００７】
上に説明される受振器の代替の実施形態において、強磁性質量体のうちの少なくとも２つは、相互に堅固に連結され、かつ同期的に移動するように配置されてもよい。
【０００８】
上に説明される受振器の別の代替の実施形態において、連結された強磁性質量体のうちの２つ以上は、基板加速に応答して、基板に対して直線的に移動するように構成されてもよい。
【０００９】
上に説明される受振器の別の代替の実施形態において、変化する磁束に応答して流れる電流を導電するために、導体がコイルに連結されてもよい。
【００１０】
上に説明される受振器の別の代替の実施形態において、単一コイルは、基板に連結され、かつ急峻な磁束勾配領域内に配置される、複数の独立したコイルで置き換えられてもよく、複数の独立したコイルは、変化する磁束に曝露される。コイルは、直列もしくは並列に接続されてもよい。
【００１１】
上に説明される受振器の別の代替の実施形態において、コイルは、磁束間隙内の急峻な磁束勾配領域内に配置されてもよい。
【００１２】
上に説明される受振器の別の代替の実施形態において、コイルは、磁束間隙の外側または近傍で、急峻な磁束勾配領域内に配置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の上記または他の目的および利点は、以下の発明を実施するための形態を、添付の図面と併せて検討すれば明らかとなり、図中では、同様の参照文字が、全体にわたり同様の部分を指す。
【図１】図１は、本発明の受振器の例示的な実施形態を表す、減衰された質量体・バネモデルを例解する、概略図である。
【図２】図２は、図１のモデルに関する、古典的な電磁理論に従う、コイル電圧、磁束密度、および相対変位間の理論的関係を例解するチャートである。
【図３】図３ａ−３ｄは、本発明の受振器の種々の例示的な実施形態による、いくつかの異なるコイル／磁束構成の側面図を例解する。
【図４ａ】図４ａは、２つの磁性質量体間、およびこれらの包囲して生じる、磁束間隙を例解する。
【図４ｂ】図４ｂ−４ｈは、本発明の受振器の種々の例示的な実施形態の側面斜視図を例解する。
【図４ｃ】図４ｂ−４ｈは、本発明の受振器の種々の例示的な実施形態の側面斜視図を例解する。
【図４ｄ】図４ｂ−４ｈは、本発明の受振器の種々の例示的な実施形態の側面斜視図を例解する。
【図４ｅ】図４ｂ−４ｈは、本発明の受振器の種々の例示的な実施形態の側面斜視図を例解する。
【図４ｆ】図４ｂ−４ｈは、本発明の受振器の種々の例示的な実施形態の側面斜視図を例解する。
【図４ｇ】図４ｂ−４ｈは、本発明の受振器の種々の例示的な実施形態の側面斜視図を例解する。
【図４ｈ】図４ｂ−４ｈは、本発明の受振器の種々の例示的な実施形態の側面斜視図を例解する。
【図５】図５は、本発明の受振器の例示的な実施形態を利用する、例示的なシステムを例解する。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の受振器の例示的な実施形態を表す、減衰された質量体・バネモデルを例解する、概略図である。電気的および機械的減衰の双方は、特定の周囲振動スペクトルに対する設計を分析および最適化する際に考慮され得る。図１を参照すると、時間ｔ、質量体ｍ、バネ定数ｋ、電気的減衰係数ｂｅ、機械的減衰係数ｂｍ、および変位関数ｚ（ｔ）に関して、コイル電流から利用可能な動力Ｐは、方程式１に示されるように表され得る。
【００１５】
【数１】
2013501240.tif 000003
エネルギーの保存は、方程式２をもたらす。
【００１６】
【数２】
2013501240.tif 000004
変数のＬａｐｌａｃｉａｎ変換および置換は、以下の方程式３〜７を提供するように示すことができる。
【００１７】
【数３】
2013501240.tif 000005
【００１８】
【数４】
2013501240.tif 000006
と仮定する。
式中、
【００１９】
【数４−１】
2013501240.tif 000007
である。このため、
【００２０】
【数５】
2013501240.tif 000008
【００２１】
【数６】
2013501240.tif 000009
または
【００２２】
【数７】
2013501240.tif 000010
であり、式中、Ａ  ＝  ω２Ｙである。
【００２３】
これは、非線形問題であり、コイル電流からの反力の非線形性質により、システム共振は、所与の用途に関して、方程式７を参照して最適化され得る。一般的に、より高い電気的減衰ｂｅは、システムの機械的共振周波数ｆｒ＝２πωｎを下回る周波数で、動力出力性能を改善し得る。
【００２４】
図２は、種々の電気的および機械的前提に対する、予想されるコイル電圧、磁束密度、および相対変位を例解するチャートである。加速は、全体の周波数範囲にわたり、定数１．０ｍ／秒２、Ｂｍａｘ＝１テスラ、ｋ＝１Ｎ／ｍ、速度＝５０ｍｍ／秒、質量＝１ｍｇ、およびｘ＝１ｍｍであると仮定される。図２に示されるピークコイル電圧は、コイル巻線当たりの電圧を指す。
【００２５】
図３ａ−３ｄは、いくつかの異なるコイル／磁束構成の例解的側面図を示す。図３において、コイル２０は、２つの磁性質量体２４および２６によって形成される、磁束間隙２２に配置される。図３ａおよび３ｂにおいて、「急峻な」磁束勾配領域は、磁束間隙２２の各縁部上の互いに対面する、または整合される、類似の磁極によって、磁束間隙２２に形成される。図３ｃおよび３ｄにおいて、「浅い」磁束勾配領域は、磁束間隙２２の各縁部上の非類似の磁極によって、磁束間隙２２に形成される。図３ａにおいて、コイル２０は、質量体２４およびコイル２０に対する、質量体２６の任意の垂直運動Ｚ（ｔ）が、コイル２０での磁束における急速な変化を生成するように、磁束間隙２２に配置される。同様に、図３（ｂ）において、コイル２０は、ともにコイル２０に対する、双方の質量体２４および２６の任意の同期的垂直運動Ｚ（ｔ）が、コイル２０での磁束における急速な変化を生成するように、磁束間隙２２に配置される。対照的に、図３ｃにおいて、コイル２０は、質量体２４およびコイル２０に対する、質量体２６の任意の垂直運動Ｚ（ｔ）が、コイル２０での磁束における制限された変化を生成するように、磁束間隙２２に配置される。同様に、図３ｄにおいて、コイル２０は、ともにコイル２０に対する、双方の質量体２４および２６の任意の同期的水平運動Ｙ（ｔ）が、コイル２０での磁束における制限された変化を生成するように、磁束間隙２２に配置される。さらに、追加の磁性質量体もまた、図３ａ−３ｄに示される構成のいずれか、および本発明の受振器の代替的実施形態として、他の有用な幾何学的構成を形成すると認識される、描写される質量体に追加されてもよい。
【００２６】
例えば、一部の実施形態において、６つ以上の磁性質量体が、磁場勾配をさらに増加させるために使用されてもよい。磁性質量体の群は、実質的に垂直方向における移動を検出するように構成されてもよい。例えば、磁性質量体のうちの２つ（以上）は、Ｘ軸に沿った移動を検出するように構成されてもよく、２つ（以上）の他の質量体は、Ｙ軸に沿った移動を検出するように構成されてもよく、２つ（以上）の他の質量体は、Ｚ軸に沿った移動を検出するように構成されてもよい。他の実施形態において、７つ以上の磁性質量体が、使用されてもよい。２つ以上の磁性質量体の各群は、類似の磁極が、互いに整合される、または対面するように、配設されてもよい。磁性質量体は、任意の好適な幾何学的構成に位置付けられてもよい。
【００２７】
図４ａは、磁性質量体４２と４４との間、およびそれらを包囲して生じる、磁束間隙３６の例示的な例解図である。磁束間隙３６は、質量体４２および４４の磁性内面が、同一の極性を有する時に生じ得る。磁束間隙３６は、磁性質量体４２の物理的中点５０と、磁性質量体４４の物理的中点５２との間、およびそれらを包囲する、領域であり得る。
【００２８】
図４ｂは、本発明の受振器の例示的な実施形態の側面斜視図を例解する図である。受振器２８は、コイル端末３２および３４に連結される、電気的に導電性の材料の複数の巻回から成る、コイル３０を含む。コイル３０は、基板材料（図示せず）、ならびに／または１つ以上のコンプライアント要素４６および４８（例えば、バネ）に連結されてもよい。コイル３０は、それぞれ、磁性質量体４２および４４の内面３８および４０によって境界される、磁束間隙３６に配置される。磁束間隙３６は、図４ａに示されるように、磁性質量体４２の物理的中点から磁性質量体４４の物理的中点の間、およびそれらを包囲する領域であり得る。他の実施形態において、コイル３０は、磁束間隙に近接して、または磁性質量体４２および４４を包囲して、分散されてもよい。内面３８および４０は、磁性質量体４２および４４のＮ極として示されるが、いずれの極性であってもよく、ただし、双方の内面３８および４０が、同一の磁極性を有することを条件とする。
【００２９】
磁性質量体４２は、コンプライアント要素４６によって例示される、１つ以上のコンプライアント要素（例えば、バネ）によって支持され得る。同様に、磁性質量体４４は、コンプライアント要素４８によって例示される、１つ以上のコンプライアント要素によって支持され得る。コンプライアント要素４６および４８の自由端は、任意の有用な様態によって、基板材料（図示せず）に固定され得、それによって、磁性質量体４２および４４が、地震振動または外部の機械的振動に応答して、コイル３０に対してＺ（ｔ）方向に移動することを可能にする。磁性質量体４２および４４は、相互に堅固に連結され、かつ地震振動または外部の機械的振動に応答して、同期的に移動するように配置され得る。追加の磁性質量体もまた、コイル３０に対してＹ（ｔ）方向およびＸ（ｔ）方向に移動するように構成される、受振器２８に含まれ得る。簡素化のために、図４ａにおいては、１つのコイル３０が示されるが、図４ｇに示されるように、他の実施形態は、直列もしくは並列のいずれかに接続される、複数のコイル３０を含んでもよい。
【００３０】
図４ｃ、４ｄ、および４ｅは、本発明の受振器２８の代替的実施形態の側面斜視図を例解する。図４ｃおよび４ｄに示されるように、コイル３０は、磁性質量体４２および４４の外側の磁束間隙３６に配置され得る。代替的に、図４ｅに示されるように、コイル３０は、磁性質量体４２および４４を包囲して、磁束間隙３６に設置され得る。
【００３１】
図４ａ−４ｅに示されるように、ともに２つ（以上）の同じ磁極を対面させることにより生じる、圧縮された磁場勾配は、コイル３０が、より小さな距離にわたり、磁束におけるより大きな変化を経験し得ることから、所与の振動量に対して、より大きな電圧信号が、端末３２と３４（図４ｂ）との間で生成されることを可能にする。図４ｂ−４ｅに示される例示的な構成は、雑音または受振器サイズを増加させることなく、より大きな電圧信号をもたらし得、このため、有利にも、従来の受振器構成よりも大きな信号対雑音比をもたらす。
【００３２】
図４ｆは、コイル３０が、コンプライアント領域４６および４８に接続される、受振器２８の例示的な実施形態を例解する。さらに、図４ｆに示されるように、一部の実施形態において、慣性質量体５４は、機械的減衰力を提供するように、コイル３０の外縁部に取り付けられ得る。
【００３３】
図４ｂ−４ｇに示される実施形態は、磁性質量体４２と４４との間の磁束間隙内に配置されるコイル３０を示すが、コイル３０はまた、磁性質量体４２および４４を包囲して配置されてもよい。図４ｈに示されるように、コイル３０は、磁性質量体４２および４４の外側周囲に、ならびに磁性質量体４２および４４の物理的中点５０および５２まで延在され得る。
【００３４】
図５は、本発明の受振器の例示的な実施形態を利用する、例示的なシステムを例解する。図５に示されるように、受振器２８は、出力デバイス５０に動作可能に接続される、振動測定装置として利用され得る。振動測定装置２８のコイル３０の端末３２および３４は、出力デバイス５０に動作可能に接続され得る。出力デバイス５０は、振動測定装置２８によって測定される振動の視覚的および／または聴覚的指標を提供するように、表示ユニット（図示せず）および／またはスピーカユニット（図示せず）を含んでもよい。例えば、一部の実施形態において、出力デバイス５０は、コイル３０の端末３２および３４にわたる電位差を検出または測定することができる、電圧計または他のデバイスの形態を採る。出力デバイス５０はまた、処理回路（図示せず）に連結される、メモリ（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、およびハイブリッド型のメモリ）、ならびに記憶装置（例えば、光、テープ、またはハードディスクドライブ）だけでなく、処理のために、受信された電圧信号をデジタル信号に変換するための、少なくとも１つアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を含んでもよい。
【００３５】
一部の実施形態において、出力デバイス５０は、コンピュータおよび／または地震撮像機器を含んでもよい。コンピュータまたは地震撮像機器は、継続的に、定期的に、もしくはユーザ定義のスケジュールで実行される、記録された振動測定のログを記録するように構成されてもよい。次いで、ログは、揮発性メモリまたは非揮発性メモリに保存され得るか、ローカルまたはネットワーク記憶デバイス（図示せず）に記録され得る。出力デバイス５０はまた、振動測定値を、インターネットもしくはセキュアな仮想プライベートネットワーク（ＶＰＮ）、またはイントラネットといった、遠隔記憶デバイスまたはネットワークに保存するための、統合ネットワークコントローラ（例えば、ワイヤレスネットワークコントローラ）を含んでもよい。図５のシステムは、機械監視、地震撮像等といった、種々の用途において実施され得る。
【００３６】
本発明の上に説明する実施形態は、制限ではなく、例解目的で提示され、本発明は、以下の特許請求によってのみ制限される。
【図１】
2013501240.tif 000011
【図２】
2013501240.tif 000012
【図３（ａ）】
2013501240.tif 000013
【図３（ｂ）】
2013501240.tif 000014
【図３（ｃ）】
2013501240.tif 000015
【図３（ｄ）】
2013501240.tif 000016
【図４ａ】
2013501240.tif 000017
【図４ｂ】
2013501240.tif 000018
【図４ｃ】
2013501240.tif 000019
【図４ｄ】
2013501240.tif 000020
【図４ｅ】
2013501240.tif 000021
【図４ｆ】
2013501240.tif 000022
【図４ｇ】
2013501240.tif 000023
【図４ｈ】
2013501240.tif 000024
【図５】
2013501240.tif 000025
【国際調査報告】
2013501240.tif 000026
2013501240.tif 000027
2013501240.tif 000028