(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動に共振する一対の弾性体の振動を接触子を介して伝達されるそれぞれ一対の接点を近接して配置すると共に
重力の向きによって変化する弾性体と接触子の撓みによる接点の移動に対して接点の間隔を常に一定に保つようにし、
上記共振によるそれぞれの振動の周期及び／又は形態を変えることにより、２つの接点が振動により断続的に接触してスイッチング動作をするようにしてなる、振動検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気的に出力する振動検出装置に関する。特に家屋や建屋内への侵入者による振動を検出して防犯用装置の警報を発したり、土石流の発生に伴う振動等を検出して防災用に役立てる等の用途に好適な振動検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動検出装置の振動検出機構には、その用途により種々の原理のものが用いられているが、建築物や地上等に設置してこれらに伝わる振動を検出する場合、検出装置自体もこれら振動検出対象に設置されるため、固定した位置から相対的に対象物の振動を検出することができない。このため、検出対象に設置した検出装置内部の慣性質量に対する加速度を利用して、振動に伴う相対的な変移量を測定することが行われる。しかしながら、従来のこの種の装置は構造が複雑で高価であり、検出された信号も用途に応じた高度の処理が必要である等取扱いも困難であった。
近年これら振動検出装置を防犯用に用いるほか土石流や地滑り、崩落現象等を振動により検出して自然災害に対処することも考えられているが、設置する環境が厳しく、保守管理や運用システムにも制約があるところ、これら従来の振動検出装置は複雑且つ高価なものとなり、また保守・運用上の困難も避けられなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
簡単な構造で低コストで製造できると共に堅牢で保守管理が容易であり、また検出した信号の処理に格別複雑高価な回路等を必要とせず、システム全体の運用を容易にできる、防犯用や自然災害防止用に適した振動検出手段の提供。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その目的を達成するため、振動に共振する一対の弾性体の振動を接触子を介して伝達されるそれぞれ一対の接点を近接して配置すると共に
重力の向きによって変化する弾性体と接触子の撓みによる接点の移動に対して接点の間隔を常に一定に保つようにし、
上記共振によるそれぞれの振動の周期及び／又は形態を変えることにより、２つの接点が振動により断続的に接触してスイッチング動作をするようにしてなる、振動検出装置である。
【０００５】
【作用】
発条等の弾性体により接点を支持して振動に対して共振するようにすると、これらを支持固定する対象物から伝わる振動を簡単な構造で機械的に拡大増幅した形で接点の運動に変えることができる。そこで、この接点の運動により他の接点に触れて回路を閉じるようにすれば、対象物の振動をいわばスイッチのオン、オフ動作の信号として検出することができる。
例えば、蔓巻発条の一端を対象物に固定して他端に共振用の錘と接点を取り付けたものは、対象物に振動を加えるとその僅かな振動に対しても発条は敏感に反応して振れるから、この接点に近接して他の接点を設け、回路を構成すれば振動により開閉動作するスイッチ素子ができる。ところでこの場合、このスイッチ素子の固定方向を変えると重力の作用する向きが変わり接点を支持する発条は重力の方向に曲げられるため、２つの接点の間隔もまたその固定方向により変化することになる。
【０００６】
従って、このような微弱な振動により共振する構造は、共振用の錘にかかる重力の作用により敏感に曲がるものであるから、装置の設置方向により接点の間隔が変化することになり、一定の条件で振動の検出ができずまた検出可能な条件にも制約があることとなる。
このような場合、検出しようとする振動が衝撃的なもので一過性の作動で済む場合等は発条等の剛性を強化して重力作用による曲がりを制限する等して検出感度を低くすることが行われ、衝撃検出用センサー等として用いられているが、高感度で連続的な振動を継続的に検出することはできず、本発明の意図するような用途には使用できない。
即ち、このような共振する接点の開閉により高感度で振動を検出するには、重力作用が変化しても接点の間隔が常に一定に保たれ、且つ一定以上の振動に対して２つの接点同士が確実に接触するという２つの条件を達成することのできる構造としなければならない。
第１の条件に対しては、２つの接点を共に錘と弾性体による共振構造で支持して重力作用を受けるようにし、これらの重力による撓みに伴う変移量が少なくとも２つの接点の位置で等しくなるようすれば、重力作用の向きが変化してこれらがその方向に曲がっても接点の位置ではその間隔を等しく保つことができる。
【０００７】
しかしながら、このような構造とすると２つの接点の振動に対する挙動が同じようになるため、接点同士が同じような周期やパターンで振れて接点同士が容易に接触しないためスイッチとして動作しないこととなる。
そこで上記の２つの接点の間隔を一定に保つための条件に加えて、これら２つの接点に一定以上の振動を与えることにより確実に接触して回路を閉じるためにこれらの共振の振動周期や振れのパターンを接点同士の間で変えることが必要になる。
このためには、これら２つの弾性体と錘とからなる共振構造を弾性体の錘の慣性質量を変えて振動周期を変えたり、弾性体の材質や構造を異なるものにして減衰の仕方を変えたり、或いは錘に二次的なモーメントを持たせて共振の仕方を変えたりすることにより、振動すると相互に接触することができるようにすることによって、第２の条件を達成する。
【０００８】
以下に本発明の上記の２つの条件を満たすための構成を図９に示す具体的な共振振動体Ａ、Ｂの構造を例に説明する。
共振振動体Ａ、Ｂは、図９に示すように発条等からなる弾性体１、２の一端に共振用錘５、６を取付け、更に接点となる接触子３、４を設けてなる。接触子３、４は実用上はその先端近傍に接点を形成する。
このような共振振動体Ａをその発条の一端で筐体９上に固定して重力の作用する方向が変化するように、例えば該筐体９面上で固定点に立てた垂線の廻りに回転させると、振動体は重力の作用で撓むため接触子上の一点Ｐは図に示すように上記垂線を中心軸ＮP として一定の軌道面Ｘ内を動く。
【０００９】
これに対して第２の接点を支持する共振振動体Ｂを第１の共振振動体Ａと近接して固定して同様にその固定軸の廻りに回転すると、その接触子上の一点Ｑも同様に重力の作用で撓み、中心軸ＮQ の廻りに一定の軌道面Ｙ上を動く。そこで前記第１の条件を満たすためには、これら２つの軌道面の軸線が重なるか少なくとも近接してほぼ平行になるように配置されていて、軌道面を単純な球面とみなすと、これらの点の変移量と重力の変化には単純な対応関係があるから、図１０に示すようにこれらの点Ｐ、Ｑがそれぞれの中心軸ＮP 、ＮQ から等しい距離ＰＮP ＝ＱＮQ となるように撓み量を設定しておけば重力の変化に対する変移量は等しくなり、２つの点Ｐ、Ｑの間隔は重力の変化にかかわらず一定に保たれることとなる。第２の共振振動体Ｂ’が共振振動体Ａと同軸に配置されている場合も接触子上の点Ｑ’について、図１０に示すように同様の関係が成り立つ。
即ち、重力により曲がる角度が小さく、軌道面を球面に近似できる範囲ではこれらの共振振動体同士が近接して平行であるか或いは同軸であれば、錘等の負荷や発条の剛性を調整して接点同志をそれぞれの中心軸から等しい距離となるように設定すれば、筐体の向きを変えても接点の重力の変化による変移量はほぼ等しく接点間の間隔は常にほぼ一定に保たれることとなり、前記第１の条件を達成できる。
【００１０】
次にある静止位置において、共振振動体Ａに振動を与えると上記接触子３上の点Ｐは、その点から軌道面に立てた法線ＰN を中心（軸）として軌道面上を振動して動くこととなる。これに対して第二の共振振動体Ｂの接触子４上の点Ｑもまた上記の条件によりこれとほぼ平行若しくはこれと重なる軌道面上で点Ｑに立てた法線ＱN の廻りを振動し、動くこととなる。
従って、前記第２の条件はこれら２つの点が描く振動の範囲が重なった状態でその軌跡が同時に一点を通って交差するようにすれば達成できる。
【００１１】
図９に示すように、これら共振振動体Ａ、Ｂが同時に一定以上の大きさの振動を与えられると点Ｐ、Ｑの描く振動の範囲も大きくなって相互に重なるが、振動周期及び振動の描く軌道のパターンが同じであれば相互に接触することはない。そこで一方の弾性体の共振用錘の重さを変えてやると、共振特性は錘等の慣性質量を軽くすると振動数が大きくなるという原理によってこれらの接点同士の振動周期が変わり、同時的に同じ点を通って軌道が交差し合うため相互に接触するようになる。
また、弾性体の発条の構造や材質を変えたり、異なる減衰作用を加えても同様に振動の周期を変えて接点を接触させることができる。或いは、共振用の錘を遊動式とする等として慣性質量のモーメントが異なるように分布させて共振特性を変えることによって振動の描く軌道を異なるようにしても同様の効果が得られる。
【００１２】
そして、このように設定された２つの共振振動体Ａ、ＢにそれぞれＰ、Ｑの位置に接点を設けて、一定以上の大きさの振動に対して接点が接触してスイッチとして作動するようにしておけば、このような振動に対して振動検出装置からはスイッチの開閉作用の断続した信号として検出されるから、タイマーとカウンターとを組合せた簡単な回路構成でその頻度を捉えれば、容易に所要の防犯或いは防災のための情報を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の態様】
以下に、本発明の具体的態様を図面を参照して説明する。
図１は、本発明における２つの共振振動体が同軸に配置された振動検出装置の最も基本的な形態を示す。
図に示すように共振振動体Ａは、振動検出装置の筐体９の固定点７に一端を固定した蔓巻発条等からなる弾性体１の先端に錘５を設け、弾性体の他端に接点となる針状の接触子３を延長して設けてなる。また、これに対して第２の共振振動体Ｂは、弾性体２の一端を共振振動体Ａと同軸になるように筐体９の固定点８に固定し、その他端に錘６及び接触子３との接点を形成する接点リングＲを形成した接触子４を設ける。
【００１４】
接触子３はその先端に近い位置で接触子４の接点リングＲの中央に挿通して設定され、静止状態で接点リングＲとの間に一定の間隔を保つ。筐体９を介して共振振動体Ａ、Ｂに振動が加わると、弾性体１、２の作用により接触子３と接触子４にはその振動が拡大して伝達され、接触子３が接点リングＲに接触することでその都度接点が閉じられ、振動につれて断続的にスイッチング動作を行う。
【００１５】
弾性体３及び４は、いわゆる弾性体としての特性を発揮すれば形状や材質に特に制約はないが、一般的には鋼製やリン青銅等の発条特性の優れた材料で蔓巻線状に形成した弾性体が簡便で良い。これらの材料製の蔓巻発条は導電性があり、またその一端側を直線に成形して固定点側の端子線１０としたり、接触子や接触子先端を環状に成形して接点リングＲとすることで、共振振動体Ａ、Ｂを一体の構造として構成することもできる。
弾性体をゴムのような絶縁性の材料で形成する場合は、導電性材料を蒸着したり、導電性の芯線を埋め込んで導電性を付与して端子線１０との接続を行えば良い。
接触子や接点リングは接点を構成するため導電材料で形成するが、大きな衝撃等を受けた場合これらの接触による変形を防止し或いは長期間の耐久性を確保するために鋼等の硬質の素材が好適であり、湿度の高い使用環境等における錆等による接触不良を防止するために耐食性のすぐれたニッケル系合金等を用いこともできる。
【００１６】
図２にその共振振動体Ａ、Ｂの接点間隔を一定に保ち、弾性体の振動特性を調整するための設定工程を示す。
予め共振振動体Ａは、弾性体１と接触子３とが一直線となるように形成し、共振振動体Ｂは、図のように接触子４を屈曲せしめて弾性体に取付られる直線部と弾性体の軸線が接触リングＲの中心を通るようにしてこれらが一直線となるように成形する。この場合両者の弾性体３、４は同じものでよい。
図１に示す振動検出装置をその取付方向によらず、即ち重力作用方向によらず常に接点同士の間隔を一定に保つように設定するには、図２に示すように筐体９を垂直にセットして２つの共振振動体Ａ、Ｂの軸方向を重力ｇの方向と一致させてこれらの軸方向が一直線上にあるように固定点７、８に固定する。
この状態で、共振振動体Ａの接触子３と共振振動体Ｂの接点リングＲの取付方向等を微調整して接触子３が接触リングＲの中心に位置するように設定する。
このように共振振動体Ａの弾性体と接触子の軸線が共振振動体Ｂの弾性体の軸線と接触リングＲの中心軸線と一致した状態で、共振振動体Ａの接触子の弾性体に共振用の錘５を取り付けて、振動特性を調整する。
【００１７】
次にこの筐体９を図１に示すようにこれら共振振動体Ａ、Ｂの軸線が水平になるようにセットし、重力による影響が最大となるようにして共振振動体Ａの弾性体１が錘５の負荷で曲がるようにし、弾性体４に対する錘６を取り付けて図１に示すように接点リングＲの中心に接触子３が位置するように調整する。この時、前記したそれぞれの中心軸から等しい距離に接点を位置させるという第１の条件が達成されることとなり、弾性体２の錘は弾性体１の錘よりも軽くなり、その撓み具合はこれら接点と固定点との間の長さの短い弾性体１の撓み具合とは逆に小さくなる関係にあることから接触子ＡとＢとは筐体の向きを変えてもほぼ一定の間隔を保つことができる。
以上により、重力作用による影響のない鉛直の状態を基準としてその影響の最大となる水平状態で接触子３が接点リングＲの中心を通るように設定し、この２点補正法により重力の方向が変わっても接点間の間隔をほぼ一定に保つための第１の条件を正確に設定することができる。
【００１８】
ここでは簡便のため弾性体１、２に同じ蔓巻発条を用い、錘の重さをこれらの接点と固定点との間の長さに反比例するような関係に調節しており、このため図において接点と固定点の間の長さは共振振動体Ａよりも共振振動体Ｂの方が長いから、錘６は錘５よりも軽いものとなる。またこの他、２つの弾性体の撓みに対する剛性を異なるものにしてその撓みによる接点の変移量を調整したり、錘の位置を変えて調整しても良い。
次に前記第２の条件を達成するために、このようにして接点間の間隔を一定とした共振振動体Ａ、Ｂの接点が一定以上の振動に対して接触するようにこれらの接点が異なる運動をしなければならない。
この振動検出装置に振動を加えると接触子ＡとＢは共に共振して振れるが、接触子Ａ、Ｂの共振用の錘５、６は重さが異なり、錘を小さくすると振動数が大きくなることから、図１の例においては前記の通り錘の軽い弾性体２の方が振動数が大きくなって周期が異なるためこれらの接点は断続的に接触することとなる。従って、接触子３は接点リングＲに断続的に接触して確実にスイッチング作用をする。
なお、図１の振動検出装置は、接触子の弾性体の軸方向に平行な振動に対しては共振しないが、同様に作動する振動検出装置をその軸方向を直角に組合せて用いれば、任意の方向の振動に対しても、また、装置の設置方向にかかわらず検出することができる。
【００１９】
上記の例は、共振振動体Ａ、Ｂを同軸に配置した例であるが、これらを平行に配置した例を図３〜４に示す。
図４は完成後の構造であるが、共振振動体Ａ、Ｂは、図１のものと同じく蔓巻発条等からなる弾性体１、２に共振用錘５、６を取付け、それよりそれぞれ延長した接触子３、４に接点及び接点リングＲを設ける。これらの設定法は図３に示すように筐体９を水平にセットして、共振振動体Ａ、Ｂを軸線を重力方向ｇに一致させて平行に固定し、接触子３が接点リングＲの中心を通るように設定する。
次に筐体を鉛直方向にセットして図４に示すように重力作用が最大となるようにして接触子３が接点リングＲの中心を通るように調整する。この接点の間隔を一定に保つには、錘に対する弾性体の剛性を重力による撓みを同じくするように予め構造や材質を調整しておくことによって達成でき、図示するように２つの共振振動体は、ほぼ平行に撓んで接点の間隔を一定に保つ。
【００２０】
なお、図から明らかなように共振振動体Ａ、Ｂは間隔をおいているため、これらが撓むとき全体の構成が平行四辺形に変形するため厳密に幾何学的には相互の関係位置は変化するが、これらの変化は接触針方向に若干現れるものの接点間の間隔の変化は極く僅かであって実用上問題とはならない。
次に、このように設定された共振振動体Ａ、Ｂは、振動特性が等しい場合はほとんど同じ運動を行うため接点が接触しないが、弾性体の材質や構造等を変えて振動の周期や振れの軌道のパターンを変えることによって接点同士を接触させ、図１の例と同様にスイッチ動作をさせることができる。図４の例は弾性体１、２の構造を変えて振動の減衰パターンを変えたもので時間と共に振動に周期差が現れ、接点が断続的に接触することとなる。このように振動の特性を変えるには弾性体に異なる材質を用いたり、共振用の錘を遊動式として遊びを与えたり或いは複数の弾性体を組合せたりして、振動のパターンを変えることによっても達成できる。
また、このような振動のパターンを変える手法は、図１に示したような構造の共振振動体においても用いることができることは無論である。
【００２１】
更に、図５〜７に本発明の他の態様を示す。
図１〜４に示す構造では、弾性体の軸線方向の振動に対して原理的に作動しないが、図５に示すように弾性体をほぼ直角に曲げて構成することにより、弾性体のこれらのそれぞれの屈曲した方向の振動成分を補って共振させることができる。この構造の共振作用に対しても同様に前記の２つの条件、即ち接点の間隔を一定とする条件及び接点を一定の振動に対して接触してオン、オフのスイッチ動作をさせる条件を設定できるから、２つの振動検出装置をほぼ直角に配置した場合と同様にあらゆる方向の振動を検出することができる。
その接点間隔を一定とし、接点の振動条件を設定する工程は図１に示すものと同じであって、共振振動体Ａ、Ｂをそれぞれの振動の中心軸を一致させて固定した後、筐体９を水平にして重力の作用を最大とした状態で共振振動体Ｂの錘を取り付けて、接触子３が接点リングＲの中心を通るように設定する。
【００２２】
図６の例は、図５の構造の弾性体２を弾性体１の相似形となるように小さくしたもので、装置全体をコンパクトに構成できる。その振動に対する挙動は接触子の長さや共振用錘の設定により接点部で拡大されるので、図５の場合と同様に扱うことができる。
図７の例は、図４の変形例で共振用錘や接触子の設定は図３、４の例と同様にして行うことができる。
【００２３】
また、図８に本発明の更に他の例を示す。図において、弾性体はゴム等の弾性材料を用いたもので、装置の小型化と共に接触子の自重を共振用の錘として作用させることができ、このため接触子の形状や重さ等も予め計算して設定しておくことにより生産性の向上を図ることができる。また、弾性体自身の慣性質量により共振する性質を利用することもできる。
弾性体にゴム等を用いる場合絶縁性であるため、内部に芯線を通して外部に端子線１０を出すことができる。図の構造では、接触子３、４の質量とモーメントを適当に設定することにより、弾性体の軸に平行な方向に対しても共振させることができ、１つの検出装置で３次元の方向に対して振動の検出ができる。
【００２４】
以上の各例においては、弾性体の共振方向を軸廻りのものとしたが、２つの接点が相対した方向にのみ振動する平面構成のものも同様にして原理的に実現可能であり、例えば金属箔のような薄い弾性材料を合成樹脂層等の絶縁材料を介して積層し、錘となる金属層を積層してフォトエッチングの手法によりそれぞれパターニングすることにより、共振する弾性体と接点とが近接して平行に配置する構造とすることができる。この構造は、弾性体を構成する箔面に垂直な方向の振動しか検出できないが、それぞれの方向に向けて複数の検出装置を配置すれば良く、フォトプロセスにより高精度のものが安価に製造できる利点がある。
また、本発明の振動検出装置を用いて防犯用や防災用のシステムを構成する場合、これらと接続する信号ケーブル類のラインの断線や故意に行われるショート等に対する管理体制が必要となるが、本発明の振動検出装置の検出信号は断続するスイッチング動作によるものであるから、振動検出装置の端子間に一定の抵抗を挿入して微弱な電流を流しておく等の方法により、断線の検知やショートとの識別が容易にできるから、システムの維持管理が容易である。
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、微弱な振動が簡単な構造により連続的、継続的に高い精度で検出が可能となり、スイッチ作用による検出信号も簡単な処理により所要の警報等に出力することができ、防犯用を始めとして土石流災害等従来の検出装置では対応困難であった自然防災用の目的等にも好適な特性を有し、安価且つその維持、運用が容易であるから広い応用範囲に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  共振振動子Ａ、Ｂの軸線を同軸に構成した本発明の振動検出装置
【図２】  図１の振動検出装置の共振用錘と接点位置の設定工程
【図３】  図４の振動検出装置の共振用錘と接点位置の設定工程
【図４】  共振振動子Ａ、Ｂの軸線を平行に構成した本発明の振動検出装置
【図５】  弾性体Ａ、Ｂを２次元形状とした本発明の振動検出装置
【図６】  図５の変形例
【図７】  弾性体Ａ、Ｂを２次元形状とした図４の変形例
【図８】  弾性体Ａ、Ｂをゴム等の材料で構成した本発明の振動検出装置
【図９】  本発明の振動検出装置の原理説明図
【図１０】  本発明の共振振動体Ａ、Ｂの接点の位置関係を示す図
【符号の説明】
１、２：弾性体    ３、４：接触子    ５、６：錘    ７、８：固定点    ９：筐体    １０：端子線      Ａ、Ｂ：共振振動体    ｇ：重力方向    ＮP ：共振振動体Ａの中心軸    ＮQ ：共振振動体Ｂの中心軸    Ｐ：共振振動体Ａの接触子３上の点    Ｑ：共振振動体Ｂの接触子４上の点    Ｒ：接触子４の接点リング    Ｘ：Ｐが重力の変化により軸ＮP を中心として描く軌道面    Ｙ：Ｑが重力の変化により軸ＮQ を中心として描く軌道面
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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