(57)【要約】【課題】振り子体の固有振動数を数０．数Ｈｚから十数Ｈｚ範囲で、特に１Ｈｚ〜１２Ｈｚ範囲で任意に設定でき、かつ前記振り子型センサの小型軽量化を実現し、実用性の高い振り子型センサを供給する。【解決手段】少なくとも、筐体内に質量分布を有する錘体と、前記錘体の重心位置と回転軸中心とが設定された距離に設けられた振り子体と、該振り子体の回転位置あるいは角度を検知する手段とを備え、前記振り子体の回転位置あるいは角度を前記筐体および振り子体に設置された検出手段によって検知する振り子型センサであって、前記振り子体の固有振動数が１．０Ｈｚから１２Ｈｚに設定され、  前記錘体の質量分布の平均質量分布等価半径をｒとし、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離をＬとすると、ｒ／Ｌ≧１  …  （１）、更に望ましくはｒ／Ｌ≧３  …  （２）である振り子型センサとする。【選択図】    図１
2007139485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、筐体内に質量分布を有する錘体と、前記錘体の重心位置と回転軸中心とが設定された距離に設けられた振り子体と、該振り子体の回転位置あるいは角度を検知する手段とを備え、前記振り子体の回転位置あるいは角度を前記筐体および振り子体に設置された検出手段によって検知する振り子型センサであって、前記振り子体の固有振動数が１．０Ｈｚから１２Ｈｚに設定され、
前記錘体の質量分布の平均質量分布等価半径をｒとし、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離をＬとすると、
ｒ／Ｌ≧１  …  （１）
更に望ましくは
ｒ／Ｌ≧３  …  （２）
であることを特徴とする振り子型センサ。
ここで前記平均質量分布等価半径ｒとは、質量分布を有する前記錘体の慣性モーメントと等価の慣性モーメントを有する円形状の錘体の半径ｒを意味する。
【請求項２】
前記平均質量分布等価半径ｒが０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲であることを、更に望ましくは１．０ｍｍから７．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の振り子型センサ。
【請求項３】
前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離Ｌが０．１ｍｍから３．３ｍｍの範囲であることを、更に望ましくは０．２ｍｍから２ｍｍの範囲であること特徴とする請求項１記載の振り子型センサ。
【請求項４】
前記錘体と前記振り子体が同一部材からなり、かつ前記回転軸中心が前記錘体内に備えられていることを特徴とする請求項１〜３記載の振り子型センサ
【請求項５】
前記錘体は平板状でかつ円形状、多角形状、楕円形状あるいはこれらに近似した形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の振り子型センサ。
【請求項６】
前記検出手段は、前記錘体に設けた磁束発生手段と、該磁束の変化を検出する磁気センサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の振り子型センサ。
【請求項７】
前記磁束発生手段は前記錘体の全部あるいは一部の永久磁石であり、前記磁気センサは少なくとも一つ以上のホール素子であることを特徴とする請求項６記載の振り子型センサ。
【請求項８】
前記一部の永久磁石は一つあるいは複数個設けられ、その厚さおよび密度が前記錘体にほぼ等しいことを特徴とする請求項７記載の振り子型センサ。
【請求項９】
複数個設けられた前記永久磁石は、前記重心位置と回転軸中心を結ぶ直線に対し対称に設置されていることを特徴とする請求項７または８記載の振り子センサ。
【請求項１０】
前記錘体の密度との異なる密度を有する一つあるいは複数の前記永久磁石が設けられ、前記錘体の重心位置と前記回転軸中心との距離をｒｄとし、その平均した質量分布等価半径をＬｄとすると、
ｒｄ／Ｌｄ≧１  …  （３）
更に望ましくは
ｒｄ／Ｌｄ≫３  …  （４）
であることを特徴とする請求項７または９記載の振り子型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震や大型建造物（高層ビルや架橋など）で発生する低周波振動を高感度で検出できる振り子型センサに関し、特に前記低周波振動の周波数が１Ｈｚ〜１２Ｈｚ範囲の超低周波振動を高感度、高精度で検出でき、小型軽量化が可能な振り子型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、地震で発生する地震波の周波数や、前記地震波や台風時の強風などが原因で発生する前記大型建造物の振動周波数は、０．数Ｈｚから十数Ｈｚ範囲の非常に低い周波数であることが知られている。
【０００３】
また、近年、地震や台風などの自然災害に対する防災意識が高まり、前記地震波や前記大型建造物の振動の情報をキャッチし、必要な防災情報を速やかに得られる高精度で実用性の高いシステムが求められているが、前記システムには小型軽量で高感度、高精度かつ実用性の高い振動センサが要望されている。
【０００４】
一方、振り子型センサは、筐体内に設置された錘体の質量分布による慣性モーメントや、前記錘体の重心位置と振り子体の回転軸中心との距離をＬとすると、前記慣性モーメントや前記Ｌを適宜選定することで、前記振り子体の固有振動数を任意に設定できるため、前記固有振動数を前記０．数Ｈｚから十数Ｈｚ範囲の低周波数にすれば、小型軽量で高感度、高精度かつ実用性の高い振動センサとなりうる可能性がある。
【０００５】
従来、前記振り子体を用いた振り子型センサは、特許文献１や特許文献２に開示された車両などの移動体の傾斜角度を検出する傾斜センサとして開発されている。
【特許文献１】特開２００５−８３９５７号公報
【特許文献２】特開２００５−４９３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の振り子型センサは、前記傾斜センサとして開発されているために、前記振り子体の回転感度を上げる発明は開示されているが、前記慣性モーメントと前記Ｌおよび前記振り子体の固有振動数を数０．数Ｈｚから十数Ｈｚ範囲にする具体的な方法が明示されていない。特に前記地震波などで重要な１Ｈｚ〜１２Ｈｚ範囲についても前記方法が明示されていない。
【０００７】
さらに、従来の振り子型センサの前記固有振動数を０．数Ｈｚから十数Ｈｚ範囲の低周波にするには、特に前記地震波で重要な１Ｈｚ〜１２Ｈｚ範囲にするには、前記Ｌを長くする必要があり、結果として前記振り子体が大きくなり、前記振り子センサ全体の小型軽量化が困難であるという課題がある。従って、前記地震波や前記大型建造物の振動の情報を得るための実用性の高い振動センサとしての応用が非常に難しい。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決すべくなされたもので、前記振り子体の固有振動数を数０．数Ｈｚから十数Ｈｚ範囲で、特に１Ｈｚ〜１２Ｈｚ範囲で任意に設定でき、かつ前記振り子型センサの小型軽量化を実現し、実用性の高い振り子型センサを供給することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決すべく、本発明の振り子型センサは、少なくとも、筐体内に質量分布を有する錘体と、前記錘体の重心位置と回転軸中心とが設定された距離に設けられた振り子体と、該振り子体の回転位置あるいは角度を検知する手段とを備え、前記振り子体の回転位置あるいは角度を前記筐体および振り子体に設置された検出手段によって検知する振り子型センサであって、前記振り子体の固有振動数が１．０Ｈｚから１２Ｈｚに設定され、
前記錘体の質量分布の平均質量分布等価半径をｒとし、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離をＬとすると、
ｒ／Ｌ≧１  …  （１）
更に望ましくは
ｒ／Ｌ≧３  …  （２）
である構成としている。
ここで前記平均質量分布等価半径ｒとは、質量分布を有する前記錘体の慣性モーメントと等価の慣性モーメントを有する円形状の錘体の半径ｒを意味する。
【００１０】
また、本発明の振り子型センサは、前記平均質量分布等価半径ｒが０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲であることを、更に望ましくは１．０ｍｍから７．０ｍｍの範囲である構成としている。
【００１１】
また、本発明の振り子型センサは、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離Ｌが０．１ｍｍから３．３ｍｍの範囲であることを、更に望ましくは０．２ｍｍから２．０ｍｍの範囲である構成としている。
【００１２】
また、本発明の振り子型センサは、前記錘体と前記振り子体が同一部材からなり、かつ前記回転軸中心が前記錘体内に備えられている構成としている。
【００１３】
また、本発明の振り子型センサは、前記錘体は平板状でかつ円形状、多角形状、楕円形状あるいはこれらに近似した形状である構成としている。
【００１４】
また、本発明の振り子型センサは、前記検出手段を、前記錘体に設けた磁束発生手段と、該磁束の変化を検出する磁気センサで構成している。
【００１５】
また、本発明の振り子型センサは、前記磁束発生手段が前記錘体の全部あるいは一部の永久磁石であり、前記磁気センサは少なくとも一つ以上のホール素子で構成している。
【００１６】
また、本発明の振り子型センサは、前記一部の永久磁石が一つあるいは複数個設けられ、その厚さおよび密度が前記錘体にほぼ等しい構成としている。
【００１７】
また、本発明の振り子型センサは、複数個設けられた前記永久磁石は、前記回転軸と前記重心位置とを結ぶ直線に対し対称に設置されている構成としている。
【００１８】
また、本発明の振り子型センサは、前記錘体の密度との異なる密度を有する一つあるいは複数の前記永久磁石が設けられ、前記錘体の重心位置と前記回転軸中心との距離をｒｄとし、その平均した質量分布等価半径をＬｄとすると、
ｒｄ／Ｌｄ≧１  …  （３）
更に望ましくは
ｒｄ／Ｌｄ≫３  …  （４）
である構成としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の振り子型センサによれば、少なくとも、筐体内に質量分布を有する錘体と、前記錘体の重心位置と回転軸中心とが設定された距離に設けられた振り子体と、該振り子体の回転位置あるいは角度を検知する手段とを備え、前記振り子体の回転位置あるいは角度を前記筐体および振り子体に設置された検出手段によって検知する振り子型センサであって、前記振り子体の固有振動数が１．０Ｈｚから１２Ｈｚに設定され、
前記錘体の質量分布の平均質量分布等価半径をｒとし、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離をＬとすると、
ｒ／Ｌ≧１  …  （１）
更に望ましくは
ｒ／Ｌ≧３  …  （２）
とすることにより、前記錘体の慣性モーメントによる前記振り子体の固有振動数の低減効果が大きくなり、１．０Ｈｚから１２Ｈｚ範囲の非常に低い固有振動数の設計が容易に行える。（１）式および特に（２）式から明らかなように、前記振り子体の長さは前記錘体の長さと同等近くになり、前記振り子の長さを大きくすることなく、すなわち振り子型センサを小型化したまま、前記固有振動数の低周波化が可能である。さらに地震波などの固有振動数ｆ０が５Ｈｚ以下の非常に低い周波数の領域では（２）式が有効で、非常に低い固有振動数を有しながら、前記振り子型センサの小型軽量化が達成できる。
【００２０】
更に、前記平均質量分布等価半径ｒを０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲とすることにより、更に望ましくは１．０ｍｍから７．０ｍｍの範囲とすることにより、前記１．０Ｈｚから１２Ｈｚ範囲の固有振動数を持つ振り子体の全長を２０ｍｍ以下、特に（２）式の条件では前記振り子体の全長を１０ｍｍ以下に設定でき、前記振り子型センサ全体を非常に小型にできる。
【００２１】
更に、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離Ｌを０．１ｍｍから３．３ｍｍの範囲とすることにより、更に望ましくは０．２ｍｍから２．０ｍｍの範囲とすることにより、前記１．０Ｈｚから１２Ｈｚ範囲の固有振動数を持つ振り子体の全長を２０ｍｍ以下、特に（２）式の条件では前記振り子体の全長を１０ｍｍ以下に設定でき、前記振り子型センサ全体を非常に小型にできる。
【００２２】
更に、前記錘体と前記振り子体が同一部材からなり、かつ前記回転軸中心が前記錘体内に備えられていることにより、前記錘体と振り子体を同一部品で形成することができるため、前記振り子体の構造の複雑化を防ぎ、全長をより短くでき前記振り子型センサの小型化が可能となるうえに、前記ｒおよび前記Ｌの加工精度の向上も容易となり、設定した前記振り子体の固有振動数を高精度に設定できる。かつ部品点数の削減であり前記振り子センサのコスト削減も達成できる。
【００２３】
更に、前記錘体は平板状でかつ円形状、多角形状、楕円形状あるいはこれらに近似した形状とすことにより、同じ質量を持つ前記錘体の中で質量分布による慣性モーメントの最大値（真円の場合）あるいはほぼ前記最大値に近い値が得られるため、同一の前記固有振動数を設定した前記錘体の中で、前記振り子体の全長の最短化ができ前記振り子型センサの小型軽量化が容易となる、換言すると、前記振り子体の長さを変えずに、すなわち前記振り子型センサを大きくすることなく前記固有振動数の低減化が容易となる。
【００２４】
更に、前記検出手段は、前記錘体に設けた磁束発生手段と、該磁束の変化を検出する磁気センサとすることにより、原理的に前記振り子体と前記磁気センサの距離を可能な限り近接することができため、前記振り子型センサの小型に大きく寄与する。さらに、該磁束の変化を検出する手段では前記距離が短いほど検出感度が向上する利点も有する。
【００２５】
また、前記磁束発生手段は前記錘体の全部あるいは一部に設けた永久磁石であり、前記磁気センサは少なくとも一つ以上のホール素子とすることにより、前記錘体の磁気発生手段に電磁石などの機構が不要となり、また前記ホール素子は薄膜素子化などにより小型化が容易な点を生かし、前記振り子型センサの小型化に大きく寄与することができる。さらに前記ホール素子による検出では、前記振り子体の速度や加速度に依存せず、その回転位置あるいは角度を正確に測定することができ、したがって、前記振り子体の振動周波数や前記角度の振幅も正確に測定することも可能となる。
【００２６】
更に、前記永久磁石は一つあるいは複数個設けられ、その厚さおよび密度が前記錘体にほぼ等しくすることにより、前記錘体が均一の材質と等価となることで、前記固有振動数の設計精度を高めることができる上に、設定した前記固有振動数を変えることなく、振り子型センサが大型化するのを防ぐことが可能となる。
【００２７】
更に、複数個設けられた前記永久磁石は、前記回転軸と前記重心位置とを結ぶ直線に対し対称に設置することにより、複数個設けられた前記永久磁石から形成される磁束分布は前記直線に線対称あるいは前記直線上の一点を中心とした点対称となるため、前記磁束分布の中心も常に前記直線上にあり、前記筐体内の前記磁気センサや前記ホール素子を任意の位置に設定しても、前記振り子体の回転位置あるいは角度を正確に測定できる。したがって、前記磁気センサや前記ホール素子を振り子型センサが最も小型化できる位置に配置することが可能となり、前記振り子型センサを小型軽量化することに有効である。
【００２８】
また、前記錘体の密度と異なる密度を有する一つあるいは複数の前記永久磁石を設ける場合、前記錘体の重心位置と前記回転軸中心との距離をｒｄとし、その平均した質量分布等価半径をＬｄとすると、
ｒｄ／Ｌｄ≧１  …  （３）
更に望ましくは
ｒｄ／Ｌｄ≫３  …  （４）
とすることにより、前記錘体の密度と前記永久磁石の密度が異なっても、慣性モーメントによる前記振り子体の固有振動数の低減効果が大きくなり、１．０Ｈｚから１２Ｈｚ範囲の非常に低い固有振動数の設計が容認に行える。さらに（３）式および特に（４）式から明らかなように、前記振り子体の長さは前記錘体の長さと同等近くになり、前記振り子の長さを大きくすることなく、すなわち振り子型センサを小型化したまま、前記固有振動数の低周波化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１は本発明に係る振り子型センサの概略正面断面図を示している。
また、図２は図１における概略側面断面図を示している。
【００３０】
図１および２において、振り子型センサ１は、筐体接合部５１により接合された二つの部品からなる筐体２に、錘体３が該錘体３の回転軸中心４で回転自由に、回転軸５３と回転軸受け５５とで挟持されている。さらに、前記錘体３は重心位置５を中心とした平均質量分布等価半径ｒ７である質量分布を持ち、前記重心位置５と回転軸中心４との距離Ｌ６の位置に設置され、全体として振り子体８として構成している。ここで、平均質量分布等価半径ｒとは質量分布を有する前記錘体３の慣性モーメントと等価の慣性モーメントを有する円板状の錘体の半径を意味する。なお、図１および２の実施例では前記錘体３が正円板であり、前記平均質量分布等価半径ｒ７が前記錘体３の半径である。
【００３１】
更に、前記筐体２と振り子体８には前記振り子体８の回転位置あるいは角度を検出する手段９（例えば、永久磁石９ａ、ホール素子９ｂ）が備えられ、前記振り子体８の回転位置あるいは角度を検出する構成としてある。
【００３２】
ここで、前記振り子体８の固有振動数ｆ０が、地震や大型建造物（高層ビルや架橋など）で主に発生する１．０Ｈｚから１２Ｈｚに設定され、前記平均質量分布等価半径ｒ７と、前記重心位置５と回転軸中心４との距離Ｌ６とは
ｒ／Ｌ≧１  …  （１）
更に望ましくは
ｒ／Ｌ≧３  …  （２）
となるように構成している。
図１及び２の実施例では、地震波の検出を主な目的として、前記固有振動数ｆ０を３．０３Ｈｚ（設計値）、実測値では約３．０Ｈｚに設定し、
前記平均質量分布等価半径ｒ７が４ｍｍ、前記重心位置５と回転軸中心４との距離Ｌ６が０．３ｍｍの構成としている。
よって、ｒ／Ｌ≒１３．３となっている。
【００３３】
ここで、前記振り子体８の全長は、前記錘体３の直径すなわち前記平均質量分布等価半径ｒ７の２倍の長さに、前記重心位置５と回転軸中心４との距離Ｌ６を加えた長さ２×ｒ＋Ｌで与えられるが、前記重心位置５と回転軸中心４との距離Ｌ６が０．３ｍｍであるため、前記振り子体８の全長は４ｍｍ×２＋０．３ｍｍ＝８．３ｍｍであり、前記錘体３の直径、４ｍｍ×２＝８ｍｍにほぼ近似した長さである。したがって、前記前記振り子体８の回転位置あるいは角度を検出する手段９を含めても、前記振り子型センサ１全体が縦横１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの振り子型センサが可能となった。
【００３４】
上記振り子型センサ１の大きさは、固有振動数ｆ０＝３Ｈｚ前後の他の振り子型センサや振動センサと比較し、非常に小型軽量である。
【００３５】
本発明の構成原理を図３〜５を用いて詳しく説明する。
ここで、図３〜５は慣性質量を有する錘体３と振り子体８と前記振り子体８の固有振動数ｆ０との関係を説明する図である。
【００３６】
まず、図３は一般的な振り子の動作を説明するものである。平均質量分布等価半径ｒ７を有する錘体３は、回転軸中心４へ錘体支持部品５７によって前記錘体３の重心位置５と回転軸中心４と距離Ｌ６で支持されていて、全体として振り子体８を構成している。前記振り子体８は前記回転軸中心４の鉛直線５９を中心に回転方向６１に沿って振り子振動を行う。
ここで、前記錘体３は厚さが均一な板状で、また、前記錘体支持部品５７は紐や棒状で質量がほぼ無視できるものとする。
【００３７】
図３に示した振り子体８の固有周期Ｔは、一般に、
Ｔ＝２π×√｛（Ｌ２＋ｒ２／２）／（ｇ×Ｌ）｝  …  （５）
の（５）式で与えられる。ここで、ｇは重力加速度（≒９．８ｍ／ｓｅｃ２）である。
したがって、前記振り子体８の固有振動数ｆ０は、
ｆ０＝１／Ｔ
の関係と（５）式より、
ｆ０＝１／｛（２π×√｛（Ｌ２＋ｒ２／２）／（ｇ×Ｌ）｝  …  （６）
の（６）式で与えられる。
【００３８】
また、図４に示す振り子体８は、図３で示した振り子体８と同じ構成であるが、錘体３の平均質量分布半径ｒ７＝０ｍｍ、完全な質点の場合を示し、その周期Ｔおよび固有振動数ｆ０は（５）および（６）式により、
Ｔ０＝２π×√（Ｌ／ｇ）  …  （７）
ｆ０＝１／（２π×√（Ｌ／ｇ）  …  （８）
で与えられ、振り子体８の周期Ｔおよび固有振動数ｆ０として最も広く知られている式である。
【００３９】
ここで、（５）〜（８）式をみると、前記地震波や大型建造物で主に発生する１２Ｈｚ以下の固有振動数ｆ０を有する、特に数Ｈｚの振り子体８を実現しようとすると、前記錘体３の重心位置と回転中心４と距離Ｌが長くなってしまい、小型軽量化が非常に困難である。例えば、前記実施の最良の形態で説明した前記固有振動数ｆ０＝３Ｈｚの例では、前記（８）式で示した錘体３が質点である場合は前記Ｌは２７．５ｍｍほどになり、したがって振り子型センサは３０数ｍｍ〜４０ｍｍ以上になり、一般の電子機器に搭載するには非常に大型で実用性に乏しく、小型軽量化が強く望まれる。
【００４０】
そこで、本発明者らは、前記（５）式および（６）式を見直し、あらためて前記錘体３の重心位置と回転中心４と前記平均質量分布等価半径ｒ７および振り子体８の長さについて詳しく検討を行った。
【００４１】
図５に検討した振り子体８の動作および構成を説明する。
錘体３は図３および４で説明した振り子体８と同様に、平均質量分布等価半径ｒ７を有し、前記錘体３の重心位置５と回転中位置４との距離Ｌ６で前記回転中心４に回転自由に支持され、全体として振り子体８を構成している。
図５の振り子体８の特徴は、図３および４の振り子体とは異なり、
ｒ≧Ｌの領域になっている点である。
【００４２】
前記振り子体８の特徴は、前記錘体３の重心位置５と回転中位置４との距離Ｌ６を非常に短くあるいは前記錘体３の前記平均質量分布等価半径ｒ７を非常に大きくすることで、前記（６）式で示した、前記錘体３の慣性モーメントによる固有振動数ｆ０の低減効果を最大限利用するものである。同時に図５から明らかなように、前記錘体３の重心位置５と回転中位置４との距離Ｌ６が非常に短くなり前記平均質量分布等価半径ｒ７内に含まれるため、振り子体８全体の長さを大きくすることなく、固有振動数ｆ０を下げることが実現することができ、振り子型センサ１の小型化に極めて有効である。
【００４３】
ここで、前記（６）式を用い図５で示した振り子体８の前記錘体３の重心位置と回転中心４との距離Ｌ６と前記平均質量分布等価半径ｒ７をパラメータにし前記固有振動数ｆ０を求めた結果を、図６の表に示す。該表において、行パラメータが平均質量分布等価半径ｒ７で、列パラメータが錘体３の重心位置と回転中心４との距離Ｌ６とし、固有振動数ｆ０を求めた。前記平均質量分布等価半径ｒ７は０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲で、前記錘体３の重心位置と回転中心４と距離Ｌ６は０．１ｍｍから３．３ｍｍの範囲である。
【００４４】
前記表から、上記した前記平均質量分布等価半径ｒ７と錘体３の重心位置と回転中心４と距離Ｌ６の各パラメータ範囲では、多くの前記パラメータ内で前記固有振動数ｆ０が前記地震波や大型建造物で主に発生する１２Ｈｚ以下の固有振動数ｆ０内に入っており、特に地震波の主な振動周波数である５Ｈｚ以下の周波数の場合は前記パラメータ範囲内に入っている。さらに、ｒ／Ｌ値について見ると、前記ｒ／Ｌ値が大きいほど固有振動数ｆ０が低減することを示している。
【００４５】
ここで、前記表の結果より、前記振り子体８を小型化すると同時に固有振動数ｆ０を効果的に低減することも含め検討すると、
まず、前記平均質量分布等価半径ｒ７が０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲では、ｒ／Ｌ≧１を満たす錘体３の重心位置と回転中心４との距離Ｌ６を０．１ｍｍから３．３ｍｍの範囲で適宜設定することにより、前記表から明らかなように前記固有振動数ｆ０を１Ｈｚから１２Ｈｚ範囲に設定することが可能である。ここで、前記表より、同一の固有振動数ｆ０は、複数の前記行列パラメータ組み合わせで得られることが分かる。
【００４６】
更に、前記ｒ／Ｌ≧１では前記回転軸中心４が前記錘体３内にあり、前記錘体３の慣性モーメントによる固有振動数ｆ０の低減効果を有効に利用することが可能であり、前記複数の行列パラメータの組み合わせ内で、前記振り子体８の長さ（＝２×ｒ＋Ｌ）を最も短くできる前記組み合わせを選択することで、前記１Ｈｚから１２Ｈｚ範囲の前記固有振動数ｆ０を、前記振り子体８の長さが最大でも約２０ｍｍ以内で形成でき、前記振り子型センサ１の小型軽量化に大きく寄与できる。
【００４７】
更に望ましくは、ｒ／Ｌ≧３とすることで、慣性モーメントによる前記効果をより有効に利用し、前記１Ｈｚから１２Ｈｚの固有振動数ｆ０を、前記表の前記複数の行列パラメータの組み合わせ内で、前記振り子体８の長さを最も短くできる前記組み合わせを選択することで、特に前記地震波の主な振動周波数である５Ｈｚ以下の固有振動数ｆ０を有する振り子体８であっても、前記振り子体８の長さを最大でも十数ｍｍ以下にすることが可能で、前記振り子型センサ１の小型軽量化により大きく寄与できる。
【００４８】
また、前記平均質量分布等価半径ｒ７を１．０ｍｍから７ｍｍの範囲とし、ｒ／Ｌ≧１の範囲を満たす錘体３の重心位置と回転中心４との距離Ｌ６を０．２ｍｍから２ｍｍの範囲とし、前記振り子体８の長さを最も短くできる前記行列パラメータの組み合わせを選択することで、前記表より、１Ｈｚから１２Ｈｚの範囲の前記固有振動数ｆ０を、前記振り子体８の長さを数ｍｍから十数ｍｍ以内で達成でき、前記振り子型センサ１を十数ｍｍ角以下の小型軽量なサイズで形成できる。
【００４９】
更に望ましくは、前記平均質量分布等価半径ｒ７を１．０ｍｍから７ｍｍの範囲とし、ｒ／Ｌ≧３の範囲を満たす錘体３の重心位置と回転中心４との距離Ｌ６を０．２ｍｍから２ｍｍの範囲とし、前記振り子体８の長さを最も短くできる前記行列パラメータの組み合わせを選択することで、前記表より、１Ｈｚから１２Ｈｚの範囲の前記固有振動数ｆ０を、前記振り子体８の長さをほぼ数ｍｍ以内で達成でき、前記振り子型センサ１が１０ｍｍ角以下のサイズで可能となり、極めて小型軽量化した前記振り子型センサ１ができる。
【００５０】
図１および２で述べた本発明の実施例において、３Ｈｚの極めて低い固有振動数ｆ０を有していても、振り子型センサ１全体を１０ｍｍ角程度に小型軽量化が達成できる。
【００５１】
更に、上記構成原理によって、図１および２に記載された本発明に係る前記振り子体８は、前記錘体３と回転中心４と重心位置５および前記錘体３の重心位置と回転中心４との距離Ｌ６は、前記錘体３内に設置され、前記振り子体８を錘体３と同一部材で構成することができる。したがって、前記振り子体８の構造の複雑化を防ぎ、全長をより短くでき前記振り子型センサ１の小型化が可能となるうえに、前記錘体３の重心位置と回転中心４との距離Ｌ６および前記平均質量分布等価半径ｒ７の加工精度の向上も容易となり、設定した前記振り子体８の固有振動数ｆ０を高精度に設定できる。かつ部品点数の削減であり前記振り子型センサ１のコスト削減も達成できる
【００５２】
また、図７および図８に本発明に係る振り子型センサ１の他の実施例の概略正面断面図を示す。図７は錘体３の形状が楕円板に近い形状の実施例で、図８は錘体３の形状が八角形板の形状の実施例である。図７および図８に示した振り子型センサ１の基本構成は、図１の実施例の前記振り子体型センサ１と同じであるが、各々の前記錘体８は形状が正円ではないため、図７および図８の点線で示された平均質量分布等価半径ｒ７をそれぞれ有する。
図７の実施例では、前記振り子体８の回転防止ための回転ストッパー６３が設置されている。
【００５３】
前記図７および図８の実施例のそれぞれの振り子体１の固有振動数ｆ０も、前記図１の実施例と同じく３Ｈｚに設定した。また、前記錘体３の重心位置と回転中心４との距離Ｌ６も同様に０．３ｍｍ、平均質量分布等価半径ｒも４ｍｍとした。
ぞれぞれの図から明らかなように、前記錘体３を前記楕円板に近い形状や、八角形板などの形状にしても、図１の実施例の正円形状の場合と長さがほとんど変わらず、前記振り子センサ全体の大きさも、縦横が約１０ｍｍ角で厚さが３ｍｍと、ほとんど同じに設計することが可能となる。
【００５４】
したがって、前記錘体３を平板状でかつ円形状、多角形状、楕円形状あるいはこれらに近似した形状とすことにより、同じ質量を持つ前記錘体３の中で質量分布による慣性モーメントの最大値（正円の場合）あるいはほぼ前記最大値に近い値が得られるため、同一の前記固有振動数ｆ０を設定した前記錘体３の中で、前記振り子体８の全長を短くでき前記振り子型センサ１の小型軽量化が容易となる、換言すると、前記振り子体８の長さを変えずに、すなわち前記振り子型センサ１を大きくすることなく前記固有振動数ｆ０の低減化が容易となる。
【００５５】
更に、図９に本発明に係る振り子型センサ１の他の実施例の概略正面断面図を示す。図９の実施例も基本構成は前記図１の実施例と同じで、振り子体８の回転位置あるいは角度を検出する手段は、錘体３内に設けられた永久磁石１１からなる磁気発生手段１２と、ホール素子１３からなる磁気センサ１４で構成されている。また、本実施例では前記磁気発生手段１２および磁気センサ１４はそれぞれ一つとしたが、前記錘体３は全体が永久磁石１１からなる磁気発生手段１２であっても良い。
【００５６】
前記実施例で明らかなように、前記振り子体８の回転位置あるいは角度を検出する手段として、磁気発生手段１２と磁気センサ１４を用いると、原理的に前記振り子体８と前記磁気センサ１４の距離を可能な限り近接することができため、前記振り子型センサの小型に大きく寄与する。さらに、該磁束の変化を検出する手段では前記距離が短いほど検出感度が向上する利点も有する。また、前記手段が、前記図１と図７および図８で示した本発明の実施例においても有効なことは明らかである。
【００５７】
さらに、前記磁束発生手段１２に前記永久磁石１１を、また、前記磁気センサ１４にホール素子１３を用いることで、前記錘体３内の磁気発生手段に電磁石などの機構が不要となり、また前記ホール素子１３は真空蒸着法やスパッタリング法などで形成したインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）薄膜などによる薄膜素子化が可能で、したがってホール素子１３の小型化は極めて容易であり、この点を生かし前記振り子型センサ１４の小型化に大きく寄与することができる。さらに前記ホール素子１３による検出では、電磁誘導型等のセンサ方式と異なり、前記振り子体８の速度や加速度に依存せず、その回転位置あるいは角度を正確に測定することができ、したがって、前記振り子体８の振動数や前記角度の振幅も正確に測定することも可能となる。本手段も前記図１と図７および図８で示した本発明の実施例においても有効なことは明らかである。
【００５８】
前記図９の本発明の実施例も前記効果により、図１の実施例と同様に、固有振動数ｆ０を３Ｈｚ、前記平均質量分布等価半径ｒｄ７を４ｍｍ、前記重心位置５と回転軸中心４との距離Ｌｄ６を０．３ｍｍとし、前記振り子型センサ１全体が縦横１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの設計が可能となった。
【００５９】
また、前記図９の本発明の実施例では、前記錘体３には厚さ０．４ｍｍの真鍮板、密度が８．５ｇ／ｃｍ３、を用い、前記永久磁石１１には厚さ０．４ｍｍで直径１．８ｍｍのサマリウムコバルト磁石円板、密度が８．４ｇ／ｃｍ３を用いた。前記永久磁石１１の厚さと密度をほぼ前記錘体３と同じにすることで、前記錘体３が均一の材質と等価となり、前記固有振動数ｆ０の設計精度を高めることができると同時に、設定した前記固有振動数ｆ０を変えることなく、前記振り子型センサ１が大型化するのを防ぐことが可能となる。本実施例では、前記固有振動数ｆ０を３Ｈｚに設定し、前記振り子型センサ全体の大きさを変化させずに、前記サマリウムコバルト磁石円板の直径を５ｍｍから２５ｍｍまで変化させた場合、前記固有振動数ｆ０の設計精度は３Ｈｚ±０．２Ｈｚ範囲に入り、小型の振り子型センサとしては非常に高い設計精度を示した。本手段も前記図１と図７および図８で示した本発明の実施例においても有効なことは明らかである。
【００６０】
更に、図１０に本発明に掛かる振り子型センサの他の実施例を示す。図１０に示した実施例も図９の実施例と同様の構成であるが、磁気発生手段１２として３個の永久磁石１１が錘体３に設置されている。前記３個の永久磁石１１は重心位置５と回転中心４を結ぶ直線１５に対し、対称に配置されている。本実施例においても、固有振動数ｆ０を３Ｈｚ、前記平均質量分布等価半径ｒｄ７を４ｍｍ、前記重心位置５と回転軸中心４との距離Ｌｄ６を０．３ｍｍとした。
【００６１】
前記３個の永久磁石１１は、前記重心位置５と回転軸中心４を結ぶ直線１５に対し対称に設置されていることにより、形成される磁束分布は前記重心位置５と回転軸中心４を結ぶ直線１５に対し対称になる。したがって、前記筐体２内の前記磁気センサ１４や前記ホール素子１３を任意の位置に設定しても、前記振り子体８の回転位置あるいは角度を正確に測定できる。よって、前記磁気センサ１４や前記ホール素子１３を振り子型センサ１が最も小型化できる位置に配置することが可能となり、前記振り子型センサ１を小型軽量化することに有効であり、本実施例においても、前記振り子型センサ１全体が縦横１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの設計が可能となっている。本手段も前記図１と図７と図８および図９で示した本発明の実施例においても有効なことは明らかである。
【００６２】
また、図１の実施例のように偶数個の永久磁石１１が前記重心位置５と回転軸中心４を結ぶ直線１５に対し対称に配置されて、かつ、前記永久磁石１１の極性が異方性で配置されているい場合の磁束分布密度は、前記重心位置５と回転軸中心４を結ぶ直線１５の一点を中心とした点対称形になるが、対称性を利用するので効果は前記線対称と同じである。
【００６３】
ここで、本発明者らは、図９および図１０の本発明の実施例において、前記錘体３の密度と異なる密度を有する永久磁石１１を用い場合の検討を行った。
【００６４】
前記密度の異なる永久磁石１１を含む錘体３の重心位置５と前記回転軸中心４との距離をＬｄとし、前記密度の異なる永久磁石１１を含む錘体３の質量分布等価半径をｒｄとすると、前記質量分布等価半径ｒｄを適宜設計することで、基本動作は図１の実施例の動作と同様であり、同様の効果が期待できることは明らかである。
【００６５】
図９の本発明の実施例において、前記錘体３には密度が１．４ｇ／ｃｍ３のプラスチック材を、永久磁石１１には密度が６．８ｇ／ｃｍ３でのボンド磁石を用い、前記振り子体８の固有振動数ｆ０が、１．０Ｈｚから１２Ｈｚに設定され、
ｒｄ／Ｌｄ≧１  …  （３）
更に望ましくは
ｒｄ／Ｌｄ≫３  …  （４）
の構成となる前記振り子センサ１の試作を行った。前記固有振動数ｆ０を３Ｈｚにした場合、前記ボンド磁石からなる永久磁石１１を最適配置することで、前記振り子型センサ１の大きさを縦横１２ｍｍ角にすることができた。この時、前記質量分布等価半径ｒｄ＝４ｍｍで前記密度の異なる永久磁石１２を含む錘体３の重心位置５と前記回転軸中心４との距離をＬｄ＝０．３ｍｍで、ｒｄ／Ｌｄ≒１３．３であり、前記図１の実施例で説明したと同様の効果が得られた。したがって、前記前記錘体３の密度と前記永久磁石１１の密度が異なっても、図１の本発明の実施例と同じく、慣性モーメントによる前記振り子体８の固有振動数ｆ０の低減効果が大きくなり、１．０Ｈｚから１２Ｈｚ範囲の非常に低い固有振動数ｆ０の設計が容認に行えるうえに、さらに前記（５）式および特に（６）式から明らかなように、が前記振り子体８の長さは前記錘体３の長さと同等近くになり、前記振り子の長さを大きくすることなく、すなわち振り子型センサ１を小型化したまま、前記固有振動数の低周波化が可能となった。
【００６６】
上記説明した全ての本発明の実施例で、前記振り子体８の回転位置あるいは角度を検出する手段９としては、磁気発生手段１２と磁気センサ１４を用いたが、光学素子と光学センサを用い手法や静電容量で検出する手段あるいは磁気エンコーダを用いた手法なども適用できることは明らかである。
【００６７】
以上、説明したように本発明によれば、振り子体の固有振動数を数０．数Ｈｚから十数Ｈｚ範囲で、特に１Ｈｚ〜１２Ｈｚ範囲で任意に設定でき、かつ前記振り子型センサの小型軽量化を実現し、実用性の高い振り子型センサを供給することができ、その工業的価値は非常に高い。
【００６８】
本発明の振り子型センサは、従来にない非常に小型軽量で数Ｈｚの超低周波の固有振動数を実現したもので、高感度の振動振動センサや傾斜センサあるいは加速度センサなどへの幅広い応用が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係る振り子型センサの概略正面断面図を示している。
【図２】図１における概略側面断面図を示している。
【図３】慣性質量を有する錘体と振り子体の固有振動数ｆ０との関係を説明する図である。
【図４】慣性質量を有する錘体と振り子体の固有振動数ｆ０との関係を説明する図である。
【図５】慣性質量を有する錘体と振り子体の固有振動数ｆ０との関係を説明する図である。
【図６】振り子体８の前記固有振動数ｆ０を、前記錘体の重心位置と回転中心との距離Ｌと、前記平均質量分布等価半径ｒをパラメータにし求めた表である。
【図７】本発明に係る振り子型センサの他の実施例の概略正面断面図を示す
【図８】本発明に係る振り子型センサの他の実施例の概略正面断面図を示す
【図９】本発明に係る振り子型センサ他の実施例の概略正面断面図を示す。
【図１０】本発明に係る振り子型センサの他の実施例を示す。
【符号の説明】
【００７０】
１      振り子型センサ
２      筐体
３      錘体
４      回転中心軸
５      重心位置
６      錘体の重心位置と回転軸中心との距離  Ｌ
７      平均質量分布等価半径  ｒ
８      振り子体
９      回転位置あるいは角度を検出する手段
９ａ    回転位置あるいは角度を検出する手段
９ｂ    回転位置あるいは角度を検出する手段
１１    永久磁石
１２    磁束発生手段
１３    ホール素子
１４    磁気センサ
１５    重心位置と回転軸中心を結ぶ直線
５１    筐体接合部
５３    回転軸
５５    回転軸受け
５７    錘体支持部品
５９    鉛直線
６１    回転方向
６３    回転ストッパー
【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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【図６】
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【図７】
2007139485.tif 000009
【図８】
2007139485.tif 000010
【図９】
2007139485.tif 000011
【図１０】
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