(57)【要約】【目的】水位の変化を長期間安定して、かつ精度良く測定する。【構成】タンク４の中に水１００を満たし、その水面にフロート１を浮かべてこのフロートの変位を変位センサー３で検出する水位変化検出器において、前記フロートの底部にタッチプローブを備え、前記タンク底部に前記タッチプローブの硬球の径よりも大きな内径を備えるシリンダー１０を備えており、前記硬球がシリンダー内に可動保持されることを特徴とする水位検出器。【選択図】図１
2004077455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンク４の中に水１００を満たし、その水面にフロート１を浮かべてこのフロートの変位を変位センサー３で検出する水位変化検出器において、前記フロートの底部にタッチプローブを備え、前記タンク底部に前記タッチプローブの硬球の径よりも大きな内径を備えるシリンダー１０を備えており、前記硬球がシリンダー内に可動保持されることを特徴とする水位検出器。
【請求項２】
請求項１の水位検出器において、前記水に振動を加える超音波発生器１２を備えていることを特徴とする水位検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は地震予知や地殻変動観測に使用される水位変化検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、水面変動を検出する装置は数多く提案、開発されてきた。水面変動検出としては、浴槽への自動給湯や各種タンクの液面管理など比較的精度を必要としない検出器が広く普及している。一方、地震予知や地殻変動観測など微小変位測定と精度を必要とする水位変化検出応用が存在する。地殻のわずかな変動を正確に検出するために様々な工夫がなされている。図３に水面変動検出用フロート（浮き）を板バネで保持する方式の水位変化検出器の従来例を示す。フロート１を小さなバネ常数の板バネ２で支えている構造である。フロートの水平方向の変位を抑制して鉛直方向にだけ変位を許容する支持構造である。フロートの鉛直方向の変位は変位センサー３で検出する。フロートはタンク４に貯めた水１００に浮かべられている。図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は側面図である。測地学会誌第２６巻第１号（１９８０）１〜１６ページにこの技術の詳細が記述されている。図３の板バネで保持する構造と類似な構造としてマグネットの吸引力を利用した水位変化検出器も提案されている。地震研究所彙報Ｖｏｌ．６７（１９９２）、７９〜８７ページにこの技術の詳細が記述されている。フロートがタンクに貯えられた水に浮かべられて、フロートはガラス製で内部には鉛製のウェート（錘）が格納されておりフロート底部中心にはハリスが取り付けてある。このハリスには針がつりさげてある。タンクはガラス製でその底部には磁石が設置されている。前記針は磁石に吸い寄せられるので、フロートの浮力と磁石の吸引力とでバランスをとった位置に前記フロートは浮遊することになる。フロートの変位はフロート上部のアルミ円盤の変位として近接センサーであるリニアセンサーで検出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の水面変位計の抱える課題について述べる。精密水面変位計を用いた地殻変動観測用の水管傾斜計は水面を基準として、異なった地点間での傾斜量を精密に測定する装置である。特に地殻変動観測や地殻予知などの目的で使用される水管傾斜計はその目的から人口的な擾乱を避けるため、長期間に渡って無人で動作させる必要がある。長期間動作させた場合には精密水面計内の水質や構成部品が劣化することで各可動部分の水位変化に対する応答特性が変化することや水が蒸発または過剰供給されることで精密水面変化計のセンサーの動作点がずれて応答特性が変化することが課題となる。具体的に述べる。フロートを利用した水面変位計では横方向へのブレを抑制して安定して変位を検出しようとすると水面の変化量に対して実際に検出される量は縮小されるのが一般的である。すなわち、フロートの水平移動を規制するための支持機構によってフロートの自由な上下移動も規制される課題を抱えていた。従来例として示した小さなバネ常数の板バネで支持する方法、マグネットと軟鉄との吸引力を利用する方法は上記上下動の規制を軽減するために考案された構造である。しかし、板バネの場合、水面高の変化量が一定範囲を超えるとバネ常数が変化して検出特性の直線性が悪くなってしまう。最適な位置を保つために精密な位置調整機構を必要とする課題を抱えていた。マグネットと磁性体の吸引力を利用してフロートの水平移動を規制する方式では水面高の変動に伴い吸引力も変化するため、水面の変化量がそのままフロートの変位量とならない。また、直線性も劣化するため、板バネ方式と同様、フロートの最適位置を保つ必要がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の水位検出器は、タンク４の中に水１００を満たし、その水面にフロート１を浮かべてこのフロートの変位を変位センサー３で検出することに加えて、前記フロートの底部にタッチプローブを備え、前記タンク底部に前記タッチプローブの硬球の径よりも大きな内径を備えるシリンダー１０を備えており、前記硬球がシリンダー内に可動保持されることを第１の特徴とし、
前記第１の特徴に加えて、前記水に振動を加える超音波発生器１２を備えていることを第２の特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明の水位検出器において、タンク４の中に水１００を満たし、その水面にフロート１を浮かべてこのフロートの変位を変位センサー３で検出することに加えて、前記フロートの底部にタッチプローブを備え、前記タンク底部に前記タッチプローブの硬球の径よりも大きな内径を備えるシリンダー１０を備えており、前記硬球がシリンダー内に可動保持される第１の特徴を備える場合には、前記タッチプローブの動作範囲がシリンダー内壁との接触によって上下方向に強く制限されることでフロートおよびその上部に取り付けた変位センサーの可動部分が上下方向のみに強く制限される。このことで、水位の変化を精度よく測定できる。
前記第１の特徴に加えて、前記水に振動を加える超音波発生器１２を備えている第２の特徴を備える場合には、水垢がタッチプローブ表面についてすべりが悪くなった場合にはその水垢を超音波で分散させて取り除くことが出来る。同時に変位検出器の動作確認を行うことができる。
【０００６】
【実施例】本発明の精密水面変位計を用いた地殻変動観測用の水管傾斜計について説明する。本水管傾斜計は水面を基準として、異なった地点間での傾斜量を精密に測定する装置である。図１に側面図を図２に重要な部分の拡大図を描く。タンク４の中に水１００を満たし、その水面にフロート１を浮かべてこのフロートの変位を変位センサー３で検出する構造である。フロートの主たる素材はテフロン樹脂である。テフロンを使うことにより撥水効果が期待でき、水滴によるフロート側面の濡れを防ぐことが出来る。フロートに対する不要な外力に対する影響を少なくするため、フロートの中心部分の底部にカウンターウエイト５を挿入し、フロートの重心と浮心を最適位置に設定する。前記カウンターウエイトの材質はステンレスである。フロートの中央上部の空気中に露出している部分には上面に変位センサー３の可動部分６を取り付けてある。フロートの底部で水中に没している部分の中心には硬球７を先端に有するタッチプローブ８を取り付ける。タッチプローブという部品は様々な形状や材質のものが市販されているので高精度なものが低価格で入手できる。タッチプローブのうち硬球がルビーであるものが特に好ましい。典型的には直径２ｍｍの物を使用する。ルビーは硬度が高い上に水中で錆びる等の化学変化が起きにくく、このような長所を備えている上に比較的低コストで入手できる特徴を備えているからである。
【０００７】水を張り水面高さを検出するためのタンク４はキューブポットとも呼ばれている。１５０ｍｍ角の底面積を備えている。ステンレス製である。この内面にはテフロン皮膜処理を施す。タンク４に水を導入する水路導入パイプ９には真空装置で一般的に用いられているクイックカップリングの規格であるＮＷ４０のフィッテング形状に合わせる。このようにすればパイプ接続は市販のＮＷ４０規格のパイプを用いることができるのでシステム全体を低コストで組み上げることが出来る。
【０００８】ポット内底部中心には、タッチプローブを挿入するための円筒形状の突起物を備えている。この突起物をシリンダー１０と呼ぶ。シリンダーはサファイア製で、その内径は前記タッチプローブのボール径よりもわずかに太く設定してある。典型的には０．２ｍｍ太くしている。
【０００９】フロートをポット内に浮かべ、フロート底部中心に取り付けたタッチプローブ先端をポット底部中心のシリンダー内に挿入する。その状態を図１及び図２に描いている。
【００１０】フロート底部のタッチプローブとタンク底部のシリンダーが図１および図２に描くようにわずかな隙間で接している状態では、ルビーとシリンダーの接触ということで摩擦が小さい上に、水の膜で覆われるのでフロートの上下動を妨げることが少ない。かつ、シリンダーがフロートの可動方向を制限するガイドの役割を果たしているのでフロートの水平方向のぶれを抑制している。このタッチプローブとシリンダーの組合せの働きでフロートはタンクのほぼ中央に浮かんだ状態を保てる。通常の地殻変動観測では水面の予想最大変化量が典型的には１０ｍｍであるのでシリンダーの深さを１０ｍｍ以上にしておく。バネ式やマグネット式では１０ｍｍという大きな可動範囲に対して精度の高い測定を行う方式は出されていない。本方式ではシリンダーの深さを増やせば対応可動範囲を大きくすることができる。
【００１１】本方式で用いる変位センサー３は、測定したい垂直方向以外の方向に動きがある場合にセンサー自身の出力精度が低下するようなセンサーであってもかまわない。つまり、本方式ではフロート自体が水平方向の動きを抑制されているのでセンサーの選定が楽に行える。
【００１２】変位センサーは天井板に取り付ける。天井板にはセンサー用の最適位置調整機構を設ける。天井板はフロートの状態を観察できる透明材質が適している。ポリカーボネイトを用いることもよい。
【００１３】本装置には、水垢でフロートの動作が妨げられないように超音波発生器１２をタンク底部に設置して、定期的に作動させることもできる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の水位変化検出器は、水面変化量と実際の検出量とを一致させる方式であるので、水位変動量と検出機構からの電気信号との値付けは使用する変位センサーの感度のみに依存し、これまでフロート支持機構と組み合わせて行ってきた縮小率の検定は不要となる。機構部分を大幅に省略化することもできたので故障も少ない。ポットがステンレス製であり、フロートがテフロン等の加工品であるので従来多用されていたガラス製と比較して加工寸法精度を高くすることができる。水平移動が無視できるので使用するセンサーの選定においても制約条件が少なく、高性能で低コストなセンサーを使用することができる。また、マグネット方式の場合には地震等のショックでフロートが逃げてしまう恐れがあるが、本方式ではこの逃げが生じない構造である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す側断面模式図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示す拡大図である。
【図３】従来例を示す、（ａ）上面図、（ｂ）側面図である。
【符号】１はフロート、２は板バネ、３は変位センサー、４はタンク、５はカウンターウェイト、６は可動部分、７は硬球、８はタッチプローブ、９は水路導入パイプ、１０はシリンダー、１１は天井板、１２は超音波発生器、１００は水である。
【図１】
2004077455.tif 000003
【図２】
2004077455.tif 000004
【図３】
2004077455.tif 000005