変位検出装置、傾斜計および加速度計
【課題】
検出感度が高く、測定レンジの広い傾斜計を得ることを目的とする。
【解決手段】
傾斜計２は、ハウジング部１０から吊り下げられた内側振子部２４を備えている。内側振子部２４には、内側磁石３２が固定されており、ハウジング部１０には外側磁石３０が設置されている。また、内側振子部２４には、発磁体３６が固定され、ハウジング部１０にはコイル部３８が固定され、内側振子部２４が初期位置から変位した場合は、発磁体３６とコイル部３８の間に吸引力が発生される。
検出感度が高く、測定レンジの広い傾斜計を得ることを目的とする。
【解決手段】
傾斜計２は、ハウジング部１０から吊り下げられた内側振子部２４を備えている。内側振子部２４には、内側磁石３２が固定されており、ハウジング部１０には外側磁石３０が設置されている。また、内側振子部２４には、発磁体３６が固定され、ハウジング部１０にはコイル部３８が固定され、内側振子部２４が初期位置から変位した場合は、発磁体３６とコイル部３８の間に吸引力が発生される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位検出装置、傾斜計、加速度計に関するものであり、特に、振子の変位を検出し、地中の岩盤の傾斜を検出するのに好適な傾斜計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地中の岩盤の傾斜度合いを測定する手法として、地中深くボアホールと呼ばれる孔を堀削し、ボアホールの壁に傾斜計を固定し、傾斜度合いを検出する手法が用いられている。傾斜計の構造には様々なものがあるが、代表的なものに、鉛直振子型の傾斜計が知られている。このタイプの傾斜計は、傾斜計内部に振子を備え、岩盤が傾斜した場合の振子の位置を検出し、岩盤が傾斜する前の振子の位置からの変位量に応じて、岩盤の傾斜度合いを検出するものである。本出願の発明者らは、振子型の傾斜計の開発を行い、以下に示す特許出願を行なっている。この傾斜計は、一枚の板状体から打ち抜かれて、振子部と、ボアホール側に固定されるベース部が形成されるものであり、振子部とベース部の間は連結部により連結されている。
【特許文献１】特願２００５−１８９５４９号
【０００３】
上記特許文献１の振子型傾斜計は、岩盤の傾斜により、振子部がベース部に対して変位することにより岩盤の傾斜を検出するものである。ベース部と振子部の間の連結部は、厚さの薄い板状とされており、小さく岩盤が傾いた場合でも、ベース部に対して振子部を変位させるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願の発明者らは、特許文献１の傾斜計の開発を続け、より高感度の傾斜計の開発を行なっていた。その開発過程において、振子型の傾斜計の感度を上げるためには、ベース部と振子部を連結する連結部の剛性が感度に影響を与えるという知見を得た。特許文献１の振子型傾斜計においても、連結部は板状で、振子の移動方向の剛性は比較的低いが、非常に小さな岩盤の傾きを測定するためには、連結部の振子移動方向への剛性を小さくする必要があった。また、このように、連結部の振子移動方向への剛性を小さくすると、傾斜計の感度は向上するが、傾斜計の測定レンジが小さくなるという問題もあり、傾斜計の高感度化と測定レンジの調整には工夫が必要であった。
【０００５】
そこで、本発明は、振子部の初期位置への復元力を減少したり増加したりすることのできる機構を付加して、高感度で、かつ測定レンジの広い変位検出装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、測定対象物側に設置されるハウジング部と、前記ハウジング部から吊り下げられ、所定の復元力をもって初期位置に保持され、力が及ぼされた場合に前記初期位置から変位する振子部とを備え、前記振子部の初期位置からの変位量を検出する変位検出装置であって、前記振子の初期位置への復元力を減少する方向に、前記振子部に力を及ぼす第１の付勢手段と、前記振子の初期位置への復元力を増加する方向に、前記振子部に力を及ぼす第２の付勢手段とを備え、前記振子部の初期位置からの変位量が所定量以下の場合は、前記第１の付勢手段の力の大きさが前記第２の付勢手段の力の大きさよりも大きく、前記振子の変位量が所定値よりも大きい場合は、前記第１の付勢手段の力の大きさが前記第２の付勢手段の力の大きさよりも小さいことを特徴とする変位検出装置によって構成される。この構成によれば、振子部が初期位置から所定値まで変位する場合は、振子部に作用するバネによる初期位置への復元力が減少する方向に、第１の付勢手段による力が加わるため、測定対象物のわずかな変位（傾斜変化）であっても、その傾斜に伴う重力の作用で振子部が大きく変位する。したがって、変位検出手段の感度を向上させることができる。また、振子部の変位量が所定値を超えた場合は、振子部に作用するバネによる初期位置への復元力が大きくなる方向に、第２の付勢手段による力が加わるため、測定対象物の大きな傾斜変化であっても、その傾斜に伴う重力の作用による振子部の変位量は小さくされる。したがって、変位検出手段の測定レンジを広くすることができる。
【０００７】
なお、測定対象物とは、地面の変位や傾斜を測定する場合は地面であり、移動体の変位を検出する場合は移動体自身である。また、測定対象物側に設置されるとは、ハウジング部が測定対象物に直接固定される場合や、ハウジング部が別の部分を介して測定対象物に固定される場合をも含むものである。また、振子部の初期位置とは、測定対象物が変位する前の状態における振子部の位置である。また、所定の復元力とは、振子部が変位する前および振子部が変位した後に、振子部を初期位置に保持あるいは戻そうとする力をいう。したがって、振子部がハウジング部にヒンジにより吊り下げられている場合は、当該ヒンジ部で発生する力であり、ヒンジ部をできるかぎり薄く形成しても、振子部を初期位置に保持しようとする力が発生する。本発明では、振子部を初期位置に保持しようとする力（復元力）を減少させる力（第１の付勢手段）により、わずかな変位（傾斜変化）であっても、復元力が減少されているために、振子部が変位することができ、高感度に変位を検出することができるのである。
【０００８】
また、本発明は、前記第１の付勢手段は、一方をハウジング部に設置され、他方を振子部に設置され、互いに吸引力を発生させる少なくとも２つの磁性体であることを特徴とする変位検出装置によっても構成することができる。この構成によれば、バネによる初期位置への復元力が小さくなる方向に、磁性体間の吸引力を発生させることができ、傾斜に伴う振子部の変位が大きくなり、変位検出装置の感度を向上させることができる。なお、ハウジング部および振子部に設置される磁性体の数は、２つ以上であれば良く、例えば８つの磁性体より構成することもできる。また、互いに吸引力を発生させる磁性体であればよく、一方が鉄で、他方を永久磁石としても良いし、両方を永久磁石の異なる磁極の組み合わせとしても良い。また、ハウジング部および振子部に設置される磁性体は、磁性体がハウジング部および振子部に固定されても良いし、磁性体の位置を変更することができるように支持されても良い。位置を変更することができるようにすると、磁性体の吸引力の調整を精度良く行なうことができる。
【０００９】
また、本発明は、前記第２の付勢手段は、一方をハウジング部に設置され、他方を振子部に設置され、互いに反発力を発生させる少なくとも２つの磁性体と、前記振子部を前記ハウジング部から吊り下げる部分であって、前記振子部を変位位置から初期位置に戻す力を発生させる部分であることを特徴とする変位検出装置によっても構成することができる。この構成によれば、バネによる初期位置への復元力が大きくなる方向に、磁性体間の反発力を発生させることができ、傾斜に伴う振子部の変位が小さくなり、変位検出装置の測定レンジを広くすることができる。なお、ハウジング部および振子部に設置される磁性体の数は、２つ以上であればよく、例えば４つの磁性体より構成することもできる。また、互いに反発力を発生させる磁性体であれば、Ｎ極どおしの組み合わせ、Ｓ極どおしの組み合わせでも良い。また、ハウジング部および振子部に設置される磁性体は、磁性体がハウジング部および振子部に固定されても良いし、磁性体の位置を変更することができるように支持されても良い。位置を変更することができるようにすると、磁性体の反発力の調整を精度良く行なうことができる。
【００１０】
また、本発明は、前記第１の付勢手段の磁性体は、前記ハウジング部に固定されたコイル部の鉄心と、前記振子部に固定された永久磁石より構成されるものであり、前記永久磁石から前記コイル部に及ぼされる磁界に応じて、前記ハウジング部に対する前記振子部の変位量を検出する変位測定手段を兼ねることを特徴とする変位検出装置によっても構成することができる。この構成によれば、鉄心と永久磁石により吸引力が働き、コイル部に及ぼされる磁界により振子部を変位量が検出されるため、変位量を検出するセンサを別に設ける必要が無く、装置の構成が簡略化されるとともに、装置を小型化することができる。
【００１１】
また、本発明は、前記第２の付勢手段の磁性体は、前記振子部に固定された振子部永久磁石と、前記ハウジング部に設置されたハウジング部永久磁石より構成されるものであり、前記ハウジング部永久磁石は前記振子部永久磁石との間の間隔を変更可能な状態でハウジング部に設置されていることを特徴とする変位検出装置によっても構成することができる。この構成によれば、ハウジング部に設置された永久磁石が振子部の永久磁石との間隔を変更可能とされているため、変位検出装置の感度を精度良く調節することができる。なお、「間隔を変更可能な状態でハウジング部に設置される」とは、間隔を変更する際には、ハウジング部永久磁石はハウジング部から移動することができ、間隔を変更した後には、ハウジング部永久磁石はハウジング部に固定されることを意味する。また、ハウジング部永久磁石と振子部永久磁石の間隔は、変位検出装置の組立時に組立者により調整されても良いし、変位検出装置を組み立てた後に、永久磁石やモーター等を用いて間隔を調整して感度を調節しても良い。
【００１２】
また、本発明は、上記の変位検出装置を用いて前記振子部の変位量を検出し、前記振子部の変位量に基づき、測定対象物の傾斜角の変化を検出することを特徴とする傾斜計によって構成することもできる。この構成によれば、振子部の変位量を精度良く検出することができるため、感度の高い傾斜計を構成することができる。また、本発明は、上記の変位検出装置を用いて前記振子部の変位量を検出し、前記振子部の変位量に基づき、測定対象物の加速度の変化を検出することを特徴とする加速度計によって構成することもできる。この構成によれば、振子部の変位量を精度良く検出することができるため、感度の高い加速度計を実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、振子部に力を及ぼす第１の付勢手段を設けたため、感度の良い変位検出装置を得ることができる。また、振子部に力を及ぼす第２の付勢手段を設けたため、測定レンジの広い変位検出装置を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。第１の実施形態は、本発明の変位検出装置を傾斜計２として具体化したものである。図１は傾斜計２の全体構成を示す正面図であり、傾斜計２を分かり易く説明するために、傾斜計２の一部は断面図として示している。傾斜計２は、一枚の板状の弾性部材から形成される傾斜計本体部４と、傾斜計本体部４を傾斜計ベース部６に固定するボルト８より構成されている。傾斜計本体部４は、板状の弾性体で構成されるブロック体を、ワイヤー放電加工、レーザー加工、打ち抜き加工等の手法によりカットされて形成される。傾斜計ベース部６は、地中深く掘られたボアホールに傾斜計本体部４を固定するためのものである。なお、図示は省略するが、傾斜計ベース部６は、ボアホールの鉛直方向からの傾きを補正する機能を備えており、この機能により、傾斜計本体部４の方向を所定の方向に合わせることができる。傾斜計本体部４は、傾斜計本体部４の左右に一体的に設けられたボルト孔を用いてボルト８により、傾斜計ベース部６に固定される。
【００１５】
傾斜計本体部４は、外周部分を比較的剛性の高い部分で形成され、この部分が傾斜計本体部４のハウジング部１０として機能する。傾斜計本体部４のハウジング部１０の上辺からは、ハウジング部１０内を上下に伸びる外側腕部１２が左右対称に形成されている。ハウジング部１０の上辺と外側腕部１２との連結部である外側腕部ヒンジ部１４は、外側腕部１２の図中左右方向の厚さよりも薄く形成されている。なお、本実施形態の傾斜計本体部４は、板状の弾性体より構成されるものであるが、傾斜計本体部４は図１の紙面に垂直な方向へ撓むことがない程度の板圧とされており、これにより、外側腕部ヒンジ部１４は、ハウジング部１０に対して、外側腕部１２を図１の左右方向に変位させることができる。
【００１６】
また、左右の外側腕部１２の内側には、外側振子部１６が形成されている。外側振子部１６と外側腕部１２との間は、外側振子部ヒンジ部１８で連結されている。外側振子部１６は、ハウジング部１０内を上下に延びる部分が左右２つ形成され、この左右の部分をハウジング部１０の下辺の内側で接続する部分が一体となって構成されるものである。また、外側振子部ヒンジ部１８は、外側腕部１２の図中左右方向厚さよりも薄く形成される。したがって、外側振子部ヒンジ部１８は、外側振子部１６を外側腕部１２に対して、図１の左右方向に変位させることができる。
【００１７】
外側振子部１６の内側には、ハウジング部１０内を上下に延びる内側腕部２０が左右に一対形成されている。内側腕部２０は、内側腕部ヒンジ部２２を介して、外側振子部１６に連結されている。内側腕部ヒンジ部２２は、内側腕部２０の図中左右方向厚さよりも薄く形成されているため、内側腕部２０を外側振子部１６に対して、左右方向に変位させることができる。
【００１８】
内側腕部２０の内側には、ハウジング部１０内を上下に延びる内側振子部２４が形成されている。内側振子部２４は、ハウジング１０の内部の左右方向中心位置に形成され、内側振子部ヒンジ部２６を介して、内側腕部２０に連結されている。内側振子部ヒンジ部２６は、内側腕部の図中左右方向厚さよりも薄く形成されているため、内側振子部２４を内側腕部２０に対して、左右方向に変位させることができる。
【００１９】
また、ハウジング部１０には、外側磁石固定部材２８がボルト留めにより固定されている。外側磁石固定部材２８は、外側磁石３０をハウジング部１０に固定するための部材である。外側磁石固定部材２８は、図中の左右方向の幅がハウジング部１０の幅と略同じ幅であり、内側に空間を有し、空間の周囲４辺からなる部材である。外側磁石固定部材２８は、四隅にボルト孔を有し、ボルト孔を貫通するボルトによりハウジング部１０に固定される。また、外側磁石固定部材２８は、外側磁石３０の一部を収容するための空間を備え、該空間に外側磁石３０の一部が収容され、ボルトで外側磁石固定部材２８がハウジング部１０に固定されることで、外側磁石３０はハウジング部１０に左右方向位置を固定される。
【００２０】
外側磁石３０は、後述する内側磁石３２と対向する位置のハウジング部１０上に固定されるものである。なお、外側磁石３０は、外側磁石固定部材２８のボルトが緩められた状態では、ハウジング部１０に対して図中左右方向に移動することができる。これにより、外側磁石３０と内側磁石３２の対向する距離を変化させることができる。
【００２１】
内側磁石３２は、内側磁石固定部材３４を用いて、内側振子部２４にボルトで固定されるものである。内側磁石３２は、外側に向かって磁極を有する永久磁石であり、図１のように、左側の内側磁石３２はＳ極、右側の内側磁石３２はＮ極とされている。これにより、右側の外側磁石３０はＮ極、左側の外側磁石はＳ極とされているが、互いに対向する外側磁石３０と内側磁石３２の対向する部分の磁極が同一の磁極であれば上記の磁極の組み合わせに限られない。また、本実施形態では、内側磁石３２は、内側磁石固定部材３４により左右方向の位置を固定されており、内側磁石３２の図中左右方向への移動はできない構成となっているが、内側磁石３２を左右方向位置を移動させて、外側磁石３０との対向距離を変化させる構成としてもよい。なお、内側磁石３２と外側磁石３０は、内側振子２４に対し、初期位置へ戻そうとする復元力を付与する。この力を第２の付勢手段と呼ぶことができる。また、内側振子部２４を連結する内側振子部ヒンジ部２６が内側振子部２４を初期位置に戻そうとする力を発生する部分を、傾斜計２の復元力と呼ぶことができる。
【００２２】
次に、図１および図２を参照して、傾斜計２の発磁体３６およびコイル部３８について説明する。図２は、傾斜計２を図１の左右方向から見た全体図であり、傾斜計２の説明をより分かり易くするために、一部の部分については断面図を示している。図１および図２において、発磁体３６は、発磁体固定部材４０を用いて内側振子部２４の上端部にボルトで固定されており、図２に示すように、発磁体３６がコイル部３８を両側から挟む位置に配置されるように、発磁体固定部材４０が用いられている。また、コイル部３８は、ハウジング部１０の上辺中央部から下方に突出した部分にコイル部固定部材４２を用いて固定されている。
【００２３】
発磁体３６とコイル部３８の構成について、図３を用いて、さらに詳細に説明する。図３（ａ）は、発磁体３６とコイル部３８の相互の配置関係を説明するための図であり、傾斜計２を図１の下方から見た図である。図３においては、傾斜計２の一部を断面図で示している。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の（ｂ）部の拡大図であり、発磁体３６とコイル部３８の配置関係が明確となるよう、構成を概念図化して説明するものである。なお、発磁体３６とコイル部３８により、内側振子部２４のハウジング部１０に対する初期状態からの図１の左右方向への変位量を測定することができるため、発磁体３６とコイル部３８を変位検出手段と呼ぶことができる。また、発磁体３６とコイル部３８が、図３に示すような位置関係にあることにより、内側振子部２４の変位に伴い、初期状態から発磁体３６が図中左右方向に変位した場合、発磁体３６が右に変位すれば内側振子部２４を右方向に、発磁体３６が左側に変位すれば内側振子部２４を左方向に変位し易くする吸磁力が、発磁体３６とコイル部３８の間で発生し、内側振子部２４を初期位置から左右方向への変位を助長する力を付与する。したがって、このような力を発生する発磁体３６およびコイル部３８を、傾斜計２の第１の付勢手段と呼ぶこともできる。
【００２４】
図３（ｂ）に示すように、発磁体３６は、発磁体固定部材４０に合計４つ設けられている。また、中心のコア４４と巻線部４６より構成されている２つのコイル部３８が、コイル固定部材４２に設けられている。傾斜計２が、地面の傾斜を感知していない状態（初期状態）では、図３（ｂ）に示すように、コイル部３８のコア４４は、それぞれの発磁体３６のＳ極およびＮ極から等距離に位置している。したがって、コイル部３８は、発磁体３６より図３（ｂ）の左右方向へ磁力による力を受けていないことになる。一方、図３（ｂ）に示す状態から、例えば、傾斜の変化により、内側振子部２４が図１の右方に変位した場合、図３（ｂ）において発磁体３６はコイル部３８に対して右方に変位するが、磁性体であるコア４４と右上の発磁体３６のＮ極、左上の発磁体のＳ極、右下の発磁体３６のＳ極および左下の発磁体３６のＮ極がそれぞれ吸引力を発生し、さらに発磁体３６を図３中右方に変位させるのである。また、内側振子部２４が図１の左方に変位した場合も同様に、図３の発磁体３６をコイル部３８に対して、吸引力により左方に変位させることになる。したがって、図３を用いて説明したように、本実施形態の発磁体３６とコイル部３８は、相互の吸引力により、内側振子部２４の微小な変位を拡大することができるのである。なお、本実施形態の傾斜計２では、上記第１の付勢手段と第２の付勢手段の力の関係は、内側振子部２４の初期位置からの変位量が所定量以下の場合は、第１の付勢手段の力の大きさが第２の付勢手段の力の大きさよりも大きくされ、内側振子部２４の変位量が所定量よりも大きい場合は、前記第１の付勢手段の力の大きさが第２の付勢手段の力の大きさよりも小さくなるように、吸引力および反発力等が調節されている。
【００２５】
また、図３の発磁体３６とコイル部３８は、内側振子部２４の変位の大きさを検出する変位検出手段としても作用するが、この原理について説明する。なお、発磁体３６、コイル部３８および図４に示す回路図より、変位検出手段は構成されるのである。図４は、変位検出手段の原理を説明するための回路図である。図４において、パルス発振器４８はＩＣを用いたパルス発振回路であり、検出ヘッドであるコイル部３８を駆動するパルス電圧を発生する。パルス電圧は、コイル部３８に供給され、コイル部３８は十分に飽和させられる。抵抗５０は、コイル部３８の巻線部４６の負荷抵抗である。抵抗５０は、コイル部３８のインピーダンス変化に相当したパルス電圧が発生する。ダイオード５２、コンデンサ５４および抵抗５６は検波回路を構成する。抵抗５８とコンデンサ６０は、フィルタ回路を構成しており、検波回路のリップル電圧を平滑するものである。
【００２６】
次に、図４の回路を用いて、発磁体３６とコイル部３８から構成される変位検出手段の検出原理について説明する。図５の上側のグラフは、発磁体３６からコイル部３８に及ぼされる磁界をＨｅｘとした場合の、巻線部４６が作る磁界Ｈ１に対するコア４４の磁束密度Ｂの変化（Ｂ−Ｈ曲線）を示す図である。また、図５の下側のグラフは、パルス発振器４８が発生するパルス電圧Ｖｐに対して、動作点Ｐ（磁束密度が飽和する点）の位置を説明するグラフである。内側振子部２４が傾斜により、初期状態から変位した場合、発磁体３６からコイル部３８に外部磁界Ｈｅｘが及ぼされる。外部磁界Ｈｅｘが及ぼされた状態でパルス電圧が巻線部４６に及ぼされると、磁束密度ＢはＨｅｘによる磁束密度に加え、パルス電圧による磁界Ｈ１が巻線部４６に及ぼされるため、動作点ＰはＨｅｘの大きさにより移動することになる。これにより、抵抗５０の両端に発生するパルス電圧が変化することになり、抵抗５０の両端の電圧を検波回路で包絡線検波し、検波出力電圧をフィルタ回路を通すことにより、外部磁界Ｈｅｘの変化を検出するのである。したがって、外部磁界Ｈｅｘの変化を検出することで、発磁体３６がコイル部３８に対する変位を検出することができ、内側振子部２４の変位を検出することができるのである。
【００２７】
次に、本発明の第１の実施形態の作用について説明する。図１に示す傾斜計２は、まず、傾斜計２の測定する傾斜の感度の調整が行なわれる。傾斜計２の外側磁石固定部２８を固定するボルトが外され、外側磁石３０は図１の左右方向に自由に移動することができる状態となる。この状態において、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を調整することにより、傾斜計２の測定感度を調節することができるのである。例えば、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を大きくした場合は、内側磁石３２と外側磁石３０の間の反発力が小さくなり、内側振子部２４は比較的自由に動くことができるようになるため、傾斜計２の感度は高くなる。このように、傾斜計２の感度が高くなるのは、内側振子部２４が中立状態（傾斜が無い場合の鉛直方向）から移動した場合、発磁体３６とコイル部３８の間に吸引力が働くためであり、感度の高さを内側磁石３２と外側磁石３０の間隔の大きさを変更することにより、調節するのである。また、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔が小さくされた場合は、内側磁石３２と外側磁石３０の反発力が大きくなり、内側振子２４は傾斜に対して変位しにくくなるため、傾斜計２の感度は低くなるのである。したがって、本実施形態では、発磁体３６とコイル部３８で傾斜計２の感度を高くし、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を変更することで、感度を調整していることになる。なお、外側磁石３０と内側磁石３２の間隔は、上述したように、第１の付勢手段の力と第２の付勢手段の力関係が上述の関係となるように調整される。
【００２８】
傾斜計２の感度の調節が終了すると、傾斜計２は地中に深く掘られたボアホールの底部に傾斜計ベース部６を用いて設置される。ボアホールに傾斜計２を設置した状態で、傾斜計２の内側振子部２４の位置がハウジング１０に対する初期位置を向くように、傾斜計ベース部６の図示しない角度調節部が作動する。その後、地面の傾斜の測定が行なわれる。測定対象物である地面の傾斜がゼロの場合は、内側振子部２４の初期位置からの変位はゼロである。地面がわずかに傾いた場合、内側振子部２４は初期位置からわずかに変位するが、例えば、内側振子部２４が図１の右側に変位した場合は、図３（ｂ）の発磁体３６が図３（ｂ）の右側に変位することになり、コア４４と図３（ｂ）の左上の発磁体のＳ極、右上のＮ極、左下のＮ極、右下のＳ極がぞれぞれ吸引力を発生し、内側振子部２４をより大きく右側に変位させる。これにより、内側振子部２４は、わずかな地面の傾斜によっても、発磁体３６とコイル部３８の吸引力により、初期位置より変位することができる。
【００２９】
また、さらに地面が傾斜し、内側振子部２４が大きく変位すると、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔が小さくなり、内側磁石３２と外側磁石３０の間で発生する反発力が大きくなる。これにより、内側振子部２４は、地面の比較的大きな傾斜に対しても、内側振子部２４の一部が外側振子部１６等に当接して測定不能になることが低減できる。地面の傾斜の変化により発生した内側振子部２４の変位量は、図４の回路により外部磁界Ｈｅｘの変化量として測定することができ、内側振子部２４の変位量に基づき、傾斜計２が測定する傾斜の大きさが演算される。
【００３０】
したがって、本発明の第１の実施形態の傾斜計２は、発磁体３６とコイル部３８の吸引力により内側振子部２４の変位量を大きくしたため、地面のわずかな傾斜を精度良く測定することができる。図１に示すように、内側振子部２４は内側振子ヒンジ部２６、内側腕部ヒンジ部２２、外側振子部ヒンジ部１８および外側腕部ヒンジ部１４によりハウジング部１０から吊り下げられているが、各ヒンジ部は地面のわずかな傾斜に対して、内側振子部２４が変位しない方向へ力を付勢しており、この付勢力により傾斜計２の感度が低下させられるのである。本実施形態では、内側振子部２４のわずかな変位により、各ヒンジ部の付勢力を小さくするような力を、発磁体３６とコイル部３８により発生させて、傾斜計２の感度を向上させるものである。
【００３１】
また、本実施形態の内側磁石３２と外側磁石３０は、内側振子部２４の変位量が大きくなるに従い、反発力が大きくなるため、傾斜計２の傾斜の測定レンジ（ダイナミックレンジ）を大きくすることができる。これは、地面の大きな傾斜に対しても、内側振子部２４が他の部分に当接せず、内側振子部２４の変位を傾斜による変位として測定することができるためである。また、本実施形態では、磁気の力のバランスによって、傾斜計２の感度を調節しているため、各ヒンジ部の特性変化等による感度変化があっても傾斜計２の性能への影響が少なく、長期に渡って安定した動作を確保することができる。
【００３２】
また、本実施形態は、外側磁石３０と外側磁石固定部２８を用いてハウジング部１０に固定する構成であるため、容易に傾斜計２の感度調整を行なうことができる。通常、傾斜計の感度を調整するためには、振子の長さを変更して振子の周期を変更することが必要であるが、本実施形態では、振子の長さを変更することなく、傾斜計２の感度を調整することができるのである。また、傾斜計２の各ヒンジ部の経時劣化等により、傾斜計２の感度が変化した場合でも、外側磁石３０と内側磁石３２の間隔を変更することで、傾斜計２の感度変化を抑制することができる。また、本実施形態は、内側振子部２４の軸方向長さを長くすることなく、傾斜計２の感度を向上させることができるため、小型、軽量で高感度の傾斜計２を構成することができる。これにより、傾斜計２を孔径の小さいボアホールに設置することができる。
【００３３】
また、本実施形態の傾斜計２は、傾斜計２の感度を向上するための発磁体３６およびコイル部３８を、内側振子部２４の変位検出手段として用いることができるため、傾斜計２の構成を簡略化することができるとともに、傾斜計２を小型化することができる。
【００３４】
次に、本発明に基づく傾斜計２を作製し、傾斜の変化を測定した結果を以下に示す。なお、測定に用いた傾斜計は、ハウジング部１０の材質はりんせい銅、内側磁石３２および外側磁石３０の対向する面の面積は２ｍｍ２、残留磁束密度Ｂｒは１．０８Ｔ、保磁力ｂＨｃは６２６．３ＫＡ／ｍ、エネルギー積は２１９．１ＫＪ／ｍ３とした。また、発磁体３６の残留磁束密度Ｂｒは１．０８Ｔ、保磁力ｂＨｃは６２６．３ＫＡ／ｍ、エネルギー積は２１９．１ＫＪ／ｍ３とし、各磁石の材質は、ＳｍＣｏ（サマリウムコバルト）とした。また、変位検出装置２の内側振子部２４の変位を測定するために用いた変位センサは、約５０ｍＶ／μｍの感度のものと用いた。なお、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を変更したものを図６から図８にそれぞれ示す。
【００３５】
図６は、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を約４．２ｍｍとしたものである。図６のグラフの横軸は傾斜計２に与えた傾斜角（μＲａｄ）であり、縦軸は与えられた傾斜角による図４の端子出力である。図６によれば、与えられた傾斜角がゼロから増加するときは、傾斜角が３００μＲａｄ付近に比較して、グラフの傾きが急峻になっており、内側振子部２４が発磁体３６とコイル部３８の吸引力により、変位量を拡大され、出力電圧が大きくなったと考えられる。また、傾斜角が３００μＲａｄ付近では、グラフの傾きが緩やかになっており、内側磁石３２と外側磁石３０の反発力により、内側振子部２４の変位量が小さくされ、出力電圧の上昇が抑えられたと考えられる。傾斜計２は、出力電圧より傾斜の値を検出するため、傾斜角がゼロ付近では、わずかな傾斜も精度良く検出できる。
【００３６】
図７は、内側磁石３２と外側磁石の間隔を約５．１ｍｍとしたものである。図７においても図６と同様に、傾斜角ゼロ付近で出力電圧が大きく変化し、傾斜角が１００μＲａｄ付近で出力電圧の上昇が抑えられている。図７では、１μＲａｄあたり、１４０ｍＶで測定することができ、図６よりも検出感度が高いことが確認された。
【００３７】
図８は、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を約４．４ｍｍとしたものである。図８においても、図６および図７を同様に、傾斜角ゼロ付近で出力電圧が大きく変化している。なお、図８の１μＲａｄあたり４５ｍＶで測定可能であった。
【００３８】
なお、本発明の実施形態は、内側振子部２４の軸方向を鉛直方向に向けたものについて説明したが、これに限られず、鉛直方向から内側振子部２４の軸方向を鉛直方向から水平方向に傾けた構成にすれば、傾斜計２の感度を向上させることができる。また、傾斜計２にバネ等を用いて力を発生させ、内側振子部２４に作用する重力とバランスを取り、内側振子部２４を振動の中心に位置させれば、傾斜計２を上下動成分の長周期地震計として利用することができる。なお、長周期地震計の上下成分を測定する場合は、バネ等が経年変化し、内側振子部２４が振動の中心からずれることにより、地震観測ができなくなる場合がある。このような場合でも、傾斜計２の向きを１８０°回転させ、バネ等に加わる重力の向きを反転させれば、クリープによるばね定数の経年変化を避けることができ、地震計として長期間使用できる。
【００３９】
なお、本実施形態では、ボアホール内に固定された傾斜計２に本発明が適用された例について説明したが、これに限らず、傾斜計２が固定される部分と、これに対して変位する変位量を用いて測定されるすべての変位検出装置に本発明を適用することができる。例えば、速度型地震計、加速度計に本発明を適用して良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の全体構成を示す正面図である。
【図２】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の全体構成を示す側面図である。
【図３】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の要部拡大図である。
【図４】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の変位検出手段を説明する回路図である。
【図５】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の変位検出手段の作動を説明するためのグラフである。
【図６】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の測定結果を示す図である。
【図７】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の測定結果を示す図である。
【図８】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
２ 傾斜計
１０ ハウジング部
２４ 内側振子部
２８ 外側磁石固定部
３０ 外側磁石
３２ 内側磁石
３６ 発磁体
３８ コイル部
４４ コア
４６ 巻線部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位検出装置、傾斜計、加速度計に関するものであり、特に、振子の変位を検出し、地中の岩盤の傾斜を検出するのに好適な傾斜計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地中の岩盤の傾斜度合いを測定する手法として、地中深くボアホールと呼ばれる孔を堀削し、ボアホールの壁に傾斜計を固定し、傾斜度合いを検出する手法が用いられている。傾斜計の構造には様々なものがあるが、代表的なものに、鉛直振子型の傾斜計が知られている。このタイプの傾斜計は、傾斜計内部に振子を備え、岩盤が傾斜した場合の振子の位置を検出し、岩盤が傾斜する前の振子の位置からの変位量に応じて、岩盤の傾斜度合いを検出するものである。本出願の発明者らは、振子型の傾斜計の開発を行い、以下に示す特許出願を行なっている。この傾斜計は、一枚の板状体から打ち抜かれて、振子部と、ボアホール側に固定されるベース部が形成されるものであり、振子部とベース部の間は連結部により連結されている。
【特許文献１】特願２００５−１８９５４９号
【０００３】
上記特許文献１の振子型傾斜計は、岩盤の傾斜により、振子部がベース部に対して変位することにより岩盤の傾斜を検出するものである。ベース部と振子部の間の連結部は、厚さの薄い板状とされており、小さく岩盤が傾いた場合でも、ベース部に対して振子部を変位させるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願の発明者らは、特許文献１の傾斜計の開発を続け、より高感度の傾斜計の開発を行なっていた。その開発過程において、振子型の傾斜計の感度を上げるためには、ベース部と振子部を連結する連結部の剛性が感度に影響を与えるという知見を得た。特許文献１の振子型傾斜計においても、連結部は板状で、振子の移動方向の剛性は比較的低いが、非常に小さな岩盤の傾きを測定するためには、連結部の振子移動方向への剛性を小さくする必要があった。また、このように、連結部の振子移動方向への剛性を小さくすると、傾斜計の感度は向上するが、傾斜計の測定レンジが小さくなるという問題もあり、傾斜計の高感度化と測定レンジの調整には工夫が必要であった。
【０００５】
そこで、本発明は、振子部の初期位置への復元力を減少したり増加したりすることのできる機構を付加して、高感度で、かつ測定レンジの広い変位検出装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、測定対象物側に設置されるハウジング部と、前記ハウジング部から吊り下げられ、所定の復元力をもって初期位置に保持され、力が及ぼされた場合に前記初期位置から変位する振子部とを備え、前記振子部の初期位置からの変位量を検出する変位検出装置であって、前記振子の初期位置への復元力を減少する方向に、前記振子部に力を及ぼす第１の付勢手段と、前記振子の初期位置への復元力を増加する方向に、前記振子部に力を及ぼす第２の付勢手段とを備え、前記振子部の初期位置からの変位量が所定量以下の場合は、前記第１の付勢手段の力の大きさが前記第２の付勢手段の力の大きさよりも大きく、前記振子の変位量が所定値よりも大きい場合は、前記第１の付勢手段の力の大きさが前記第２の付勢手段の力の大きさよりも小さいことを特徴とする変位検出装置によって構成される。この構成によれば、振子部が初期位置から所定値まで変位する場合は、振子部に作用するバネによる初期位置への復元力が減少する方向に、第１の付勢手段による力が加わるため、測定対象物のわずかな変位（傾斜変化）であっても、その傾斜に伴う重力の作用で振子部が大きく変位する。したがって、変位検出手段の感度を向上させることができる。また、振子部の変位量が所定値を超えた場合は、振子部に作用するバネによる初期位置への復元力が大きくなる方向に、第２の付勢手段による力が加わるため、測定対象物の大きな傾斜変化であっても、その傾斜に伴う重力の作用による振子部の変位量は小さくされる。したがって、変位検出手段の測定レンジを広くすることができる。
【０００７】
なお、測定対象物とは、地面の変位や傾斜を測定する場合は地面であり、移動体の変位を検出する場合は移動体自身である。また、測定対象物側に設置されるとは、ハウジング部が測定対象物に直接固定される場合や、ハウジング部が別の部分を介して測定対象物に固定される場合をも含むものである。また、振子部の初期位置とは、測定対象物が変位する前の状態における振子部の位置である。また、所定の復元力とは、振子部が変位する前および振子部が変位した後に、振子部を初期位置に保持あるいは戻そうとする力をいう。したがって、振子部がハウジング部にヒンジにより吊り下げられている場合は、当該ヒンジ部で発生する力であり、ヒンジ部をできるかぎり薄く形成しても、振子部を初期位置に保持しようとする力が発生する。本発明では、振子部を初期位置に保持しようとする力（復元力）を減少させる力（第１の付勢手段）により、わずかな変位（傾斜変化）であっても、復元力が減少されているために、振子部が変位することができ、高感度に変位を検出することができるのである。
【０００８】
また、本発明は、前記第１の付勢手段は、一方をハウジング部に設置され、他方を振子部に設置され、互いに吸引力を発生させる少なくとも２つの磁性体であることを特徴とする変位検出装置によっても構成することができる。この構成によれば、バネによる初期位置への復元力が小さくなる方向に、磁性体間の吸引力を発生させることができ、傾斜に伴う振子部の変位が大きくなり、変位検出装置の感度を向上させることができる。なお、ハウジング部および振子部に設置される磁性体の数は、２つ以上であれば良く、例えば８つの磁性体より構成することもできる。また、互いに吸引力を発生させる磁性体であればよく、一方が鉄で、他方を永久磁石としても良いし、両方を永久磁石の異なる磁極の組み合わせとしても良い。また、ハウジング部および振子部に設置される磁性体は、磁性体がハウジング部および振子部に固定されても良いし、磁性体の位置を変更することができるように支持されても良い。位置を変更することができるようにすると、磁性体の吸引力の調整を精度良く行なうことができる。
【０００９】
また、本発明は、前記第２の付勢手段は、一方をハウジング部に設置され、他方を振子部に設置され、互いに反発力を発生させる少なくとも２つの磁性体と、前記振子部を前記ハウジング部から吊り下げる部分であって、前記振子部を変位位置から初期位置に戻す力を発生させる部分であることを特徴とする変位検出装置によっても構成することができる。この構成によれば、バネによる初期位置への復元力が大きくなる方向に、磁性体間の反発力を発生させることができ、傾斜に伴う振子部の変位が小さくなり、変位検出装置の測定レンジを広くすることができる。なお、ハウジング部および振子部に設置される磁性体の数は、２つ以上であればよく、例えば４つの磁性体より構成することもできる。また、互いに反発力を発生させる磁性体であれば、Ｎ極どおしの組み合わせ、Ｓ極どおしの組み合わせでも良い。また、ハウジング部および振子部に設置される磁性体は、磁性体がハウジング部および振子部に固定されても良いし、磁性体の位置を変更することができるように支持されても良い。位置を変更することができるようにすると、磁性体の反発力の調整を精度良く行なうことができる。
【００１０】
また、本発明は、前記第１の付勢手段の磁性体は、前記ハウジング部に固定されたコイル部の鉄心と、前記振子部に固定された永久磁石より構成されるものであり、前記永久磁石から前記コイル部に及ぼされる磁界に応じて、前記ハウジング部に対する前記振子部の変位量を検出する変位測定手段を兼ねることを特徴とする変位検出装置によっても構成することができる。この構成によれば、鉄心と永久磁石により吸引力が働き、コイル部に及ぼされる磁界により振子部を変位量が検出されるため、変位量を検出するセンサを別に設ける必要が無く、装置の構成が簡略化されるとともに、装置を小型化することができる。
【００１１】
また、本発明は、前記第２の付勢手段の磁性体は、前記振子部に固定された振子部永久磁石と、前記ハウジング部に設置されたハウジング部永久磁石より構成されるものであり、前記ハウジング部永久磁石は前記振子部永久磁石との間の間隔を変更可能な状態でハウジング部に設置されていることを特徴とする変位検出装置によっても構成することができる。この構成によれば、ハウジング部に設置された永久磁石が振子部の永久磁石との間隔を変更可能とされているため、変位検出装置の感度を精度良く調節することができる。なお、「間隔を変更可能な状態でハウジング部に設置される」とは、間隔を変更する際には、ハウジング部永久磁石はハウジング部から移動することができ、間隔を変更した後には、ハウジング部永久磁石はハウジング部に固定されることを意味する。また、ハウジング部永久磁石と振子部永久磁石の間隔は、変位検出装置の組立時に組立者により調整されても良いし、変位検出装置を組み立てた後に、永久磁石やモーター等を用いて間隔を調整して感度を調節しても良い。
【００１２】
また、本発明は、上記の変位検出装置を用いて前記振子部の変位量を検出し、前記振子部の変位量に基づき、測定対象物の傾斜角の変化を検出することを特徴とする傾斜計によって構成することもできる。この構成によれば、振子部の変位量を精度良く検出することができるため、感度の高い傾斜計を構成することができる。また、本発明は、上記の変位検出装置を用いて前記振子部の変位量を検出し、前記振子部の変位量に基づき、測定対象物の加速度の変化を検出することを特徴とする加速度計によって構成することもできる。この構成によれば、振子部の変位量を精度良く検出することができるため、感度の高い加速度計を実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、振子部に力を及ぼす第１の付勢手段を設けたため、感度の良い変位検出装置を得ることができる。また、振子部に力を及ぼす第２の付勢手段を設けたため、測定レンジの広い変位検出装置を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。第１の実施形態は、本発明の変位検出装置を傾斜計２として具体化したものである。図１は傾斜計２の全体構成を示す正面図であり、傾斜計２を分かり易く説明するために、傾斜計２の一部は断面図として示している。傾斜計２は、一枚の板状の弾性部材から形成される傾斜計本体部４と、傾斜計本体部４を傾斜計ベース部６に固定するボルト８より構成されている。傾斜計本体部４は、板状の弾性体で構成されるブロック体を、ワイヤー放電加工、レーザー加工、打ち抜き加工等の手法によりカットされて形成される。傾斜計ベース部６は、地中深く掘られたボアホールに傾斜計本体部４を固定するためのものである。なお、図示は省略するが、傾斜計ベース部６は、ボアホールの鉛直方向からの傾きを補正する機能を備えており、この機能により、傾斜計本体部４の方向を所定の方向に合わせることができる。傾斜計本体部４は、傾斜計本体部４の左右に一体的に設けられたボルト孔を用いてボルト８により、傾斜計ベース部６に固定される。
【００１５】
傾斜計本体部４は、外周部分を比較的剛性の高い部分で形成され、この部分が傾斜計本体部４のハウジング部１０として機能する。傾斜計本体部４のハウジング部１０の上辺からは、ハウジング部１０内を上下に伸びる外側腕部１２が左右対称に形成されている。ハウジング部１０の上辺と外側腕部１２との連結部である外側腕部ヒンジ部１４は、外側腕部１２の図中左右方向の厚さよりも薄く形成されている。なお、本実施形態の傾斜計本体部４は、板状の弾性体より構成されるものであるが、傾斜計本体部４は図１の紙面に垂直な方向へ撓むことがない程度の板圧とされており、これにより、外側腕部ヒンジ部１４は、ハウジング部１０に対して、外側腕部１２を図１の左右方向に変位させることができる。
【００１６】
また、左右の外側腕部１２の内側には、外側振子部１６が形成されている。外側振子部１６と外側腕部１２との間は、外側振子部ヒンジ部１８で連結されている。外側振子部１６は、ハウジング部１０内を上下に延びる部分が左右２つ形成され、この左右の部分をハウジング部１０の下辺の内側で接続する部分が一体となって構成されるものである。また、外側振子部ヒンジ部１８は、外側腕部１２の図中左右方向厚さよりも薄く形成される。したがって、外側振子部ヒンジ部１８は、外側振子部１６を外側腕部１２に対して、図１の左右方向に変位させることができる。
【００１７】
外側振子部１６の内側には、ハウジング部１０内を上下に延びる内側腕部２０が左右に一対形成されている。内側腕部２０は、内側腕部ヒンジ部２２を介して、外側振子部１６に連結されている。内側腕部ヒンジ部２２は、内側腕部２０の図中左右方向厚さよりも薄く形成されているため、内側腕部２０を外側振子部１６に対して、左右方向に変位させることができる。
【００１８】
内側腕部２０の内側には、ハウジング部１０内を上下に延びる内側振子部２４が形成されている。内側振子部２４は、ハウジング１０の内部の左右方向中心位置に形成され、内側振子部ヒンジ部２６を介して、内側腕部２０に連結されている。内側振子部ヒンジ部２６は、内側腕部の図中左右方向厚さよりも薄く形成されているため、内側振子部２４を内側腕部２０に対して、左右方向に変位させることができる。
【００１９】
また、ハウジング部１０には、外側磁石固定部材２８がボルト留めにより固定されている。外側磁石固定部材２８は、外側磁石３０をハウジング部１０に固定するための部材である。外側磁石固定部材２８は、図中の左右方向の幅がハウジング部１０の幅と略同じ幅であり、内側に空間を有し、空間の周囲４辺からなる部材である。外側磁石固定部材２８は、四隅にボルト孔を有し、ボルト孔を貫通するボルトによりハウジング部１０に固定される。また、外側磁石固定部材２８は、外側磁石３０の一部を収容するための空間を備え、該空間に外側磁石３０の一部が収容され、ボルトで外側磁石固定部材２８がハウジング部１０に固定されることで、外側磁石３０はハウジング部１０に左右方向位置を固定される。
【００２０】
外側磁石３０は、後述する内側磁石３２と対向する位置のハウジング部１０上に固定されるものである。なお、外側磁石３０は、外側磁石固定部材２８のボルトが緩められた状態では、ハウジング部１０に対して図中左右方向に移動することができる。これにより、外側磁石３０と内側磁石３２の対向する距離を変化させることができる。
【００２１】
内側磁石３２は、内側磁石固定部材３４を用いて、内側振子部２４にボルトで固定されるものである。内側磁石３２は、外側に向かって磁極を有する永久磁石であり、図１のように、左側の内側磁石３２はＳ極、右側の内側磁石３２はＮ極とされている。これにより、右側の外側磁石３０はＮ極、左側の外側磁石はＳ極とされているが、互いに対向する外側磁石３０と内側磁石３２の対向する部分の磁極が同一の磁極であれば上記の磁極の組み合わせに限られない。また、本実施形態では、内側磁石３２は、内側磁石固定部材３４により左右方向の位置を固定されており、内側磁石３２の図中左右方向への移動はできない構成となっているが、内側磁石３２を左右方向位置を移動させて、外側磁石３０との対向距離を変化させる構成としてもよい。なお、内側磁石３２と外側磁石３０は、内側振子２４に対し、初期位置へ戻そうとする復元力を付与する。この力を第２の付勢手段と呼ぶことができる。また、内側振子部２４を連結する内側振子部ヒンジ部２６が内側振子部２４を初期位置に戻そうとする力を発生する部分を、傾斜計２の復元力と呼ぶことができる。
【００２２】
次に、図１および図２を参照して、傾斜計２の発磁体３６およびコイル部３８について説明する。図２は、傾斜計２を図１の左右方向から見た全体図であり、傾斜計２の説明をより分かり易くするために、一部の部分については断面図を示している。図１および図２において、発磁体３６は、発磁体固定部材４０を用いて内側振子部２４の上端部にボルトで固定されており、図２に示すように、発磁体３６がコイル部３８を両側から挟む位置に配置されるように、発磁体固定部材４０が用いられている。また、コイル部３８は、ハウジング部１０の上辺中央部から下方に突出した部分にコイル部固定部材４２を用いて固定されている。
【００２３】
発磁体３６とコイル部３８の構成について、図３を用いて、さらに詳細に説明する。図３（ａ）は、発磁体３６とコイル部３８の相互の配置関係を説明するための図であり、傾斜計２を図１の下方から見た図である。図３においては、傾斜計２の一部を断面図で示している。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の（ｂ）部の拡大図であり、発磁体３６とコイル部３８の配置関係が明確となるよう、構成を概念図化して説明するものである。なお、発磁体３６とコイル部３８により、内側振子部２４のハウジング部１０に対する初期状態からの図１の左右方向への変位量を測定することができるため、発磁体３６とコイル部３８を変位検出手段と呼ぶことができる。また、発磁体３６とコイル部３８が、図３に示すような位置関係にあることにより、内側振子部２４の変位に伴い、初期状態から発磁体３６が図中左右方向に変位した場合、発磁体３６が右に変位すれば内側振子部２４を右方向に、発磁体３６が左側に変位すれば内側振子部２４を左方向に変位し易くする吸磁力が、発磁体３６とコイル部３８の間で発生し、内側振子部２４を初期位置から左右方向への変位を助長する力を付与する。したがって、このような力を発生する発磁体３６およびコイル部３８を、傾斜計２の第１の付勢手段と呼ぶこともできる。
【００２４】
図３（ｂ）に示すように、発磁体３６は、発磁体固定部材４０に合計４つ設けられている。また、中心のコア４４と巻線部４６より構成されている２つのコイル部３８が、コイル固定部材４２に設けられている。傾斜計２が、地面の傾斜を感知していない状態（初期状態）では、図３（ｂ）に示すように、コイル部３８のコア４４は、それぞれの発磁体３６のＳ極およびＮ極から等距離に位置している。したがって、コイル部３８は、発磁体３６より図３（ｂ）の左右方向へ磁力による力を受けていないことになる。一方、図３（ｂ）に示す状態から、例えば、傾斜の変化により、内側振子部２４が図１の右方に変位した場合、図３（ｂ）において発磁体３６はコイル部３８に対して右方に変位するが、磁性体であるコア４４と右上の発磁体３６のＮ極、左上の発磁体のＳ極、右下の発磁体３６のＳ極および左下の発磁体３６のＮ極がそれぞれ吸引力を発生し、さらに発磁体３６を図３中右方に変位させるのである。また、内側振子部２４が図１の左方に変位した場合も同様に、図３の発磁体３６をコイル部３８に対して、吸引力により左方に変位させることになる。したがって、図３を用いて説明したように、本実施形態の発磁体３６とコイル部３８は、相互の吸引力により、内側振子部２４の微小な変位を拡大することができるのである。なお、本実施形態の傾斜計２では、上記第１の付勢手段と第２の付勢手段の力の関係は、内側振子部２４の初期位置からの変位量が所定量以下の場合は、第１の付勢手段の力の大きさが第２の付勢手段の力の大きさよりも大きくされ、内側振子部２４の変位量が所定量よりも大きい場合は、前記第１の付勢手段の力の大きさが第２の付勢手段の力の大きさよりも小さくなるように、吸引力および反発力等が調節されている。
【００２５】
また、図３の発磁体３６とコイル部３８は、内側振子部２４の変位の大きさを検出する変位検出手段としても作用するが、この原理について説明する。なお、発磁体３６、コイル部３８および図４に示す回路図より、変位検出手段は構成されるのである。図４は、変位検出手段の原理を説明するための回路図である。図４において、パルス発振器４８はＩＣを用いたパルス発振回路であり、検出ヘッドであるコイル部３８を駆動するパルス電圧を発生する。パルス電圧は、コイル部３８に供給され、コイル部３８は十分に飽和させられる。抵抗５０は、コイル部３８の巻線部４６の負荷抵抗である。抵抗５０は、コイル部３８のインピーダンス変化に相当したパルス電圧が発生する。ダイオード５２、コンデンサ５４および抵抗５６は検波回路を構成する。抵抗５８とコンデンサ６０は、フィルタ回路を構成しており、検波回路のリップル電圧を平滑するものである。
【００２６】
次に、図４の回路を用いて、発磁体３６とコイル部３８から構成される変位検出手段の検出原理について説明する。図５の上側のグラフは、発磁体３６からコイル部３８に及ぼされる磁界をＨｅｘとした場合の、巻線部４６が作る磁界Ｈ１に対するコア４４の磁束密度Ｂの変化（Ｂ−Ｈ曲線）を示す図である。また、図５の下側のグラフは、パルス発振器４８が発生するパルス電圧Ｖｐに対して、動作点Ｐ（磁束密度が飽和する点）の位置を説明するグラフである。内側振子部２４が傾斜により、初期状態から変位した場合、発磁体３６からコイル部３８に外部磁界Ｈｅｘが及ぼされる。外部磁界Ｈｅｘが及ぼされた状態でパルス電圧が巻線部４６に及ぼされると、磁束密度ＢはＨｅｘによる磁束密度に加え、パルス電圧による磁界Ｈ１が巻線部４６に及ぼされるため、動作点ＰはＨｅｘの大きさにより移動することになる。これにより、抵抗５０の両端に発生するパルス電圧が変化することになり、抵抗５０の両端の電圧を検波回路で包絡線検波し、検波出力電圧をフィルタ回路を通すことにより、外部磁界Ｈｅｘの変化を検出するのである。したがって、外部磁界Ｈｅｘの変化を検出することで、発磁体３６がコイル部３８に対する変位を検出することができ、内側振子部２４の変位を検出することができるのである。
【００２７】
次に、本発明の第１の実施形態の作用について説明する。図１に示す傾斜計２は、まず、傾斜計２の測定する傾斜の感度の調整が行なわれる。傾斜計２の外側磁石固定部２８を固定するボルトが外され、外側磁石３０は図１の左右方向に自由に移動することができる状態となる。この状態において、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を調整することにより、傾斜計２の測定感度を調節することができるのである。例えば、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を大きくした場合は、内側磁石３２と外側磁石３０の間の反発力が小さくなり、内側振子部２４は比較的自由に動くことができるようになるため、傾斜計２の感度は高くなる。このように、傾斜計２の感度が高くなるのは、内側振子部２４が中立状態（傾斜が無い場合の鉛直方向）から移動した場合、発磁体３６とコイル部３８の間に吸引力が働くためであり、感度の高さを内側磁石３２と外側磁石３０の間隔の大きさを変更することにより、調節するのである。また、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔が小さくされた場合は、内側磁石３２と外側磁石３０の反発力が大きくなり、内側振子２４は傾斜に対して変位しにくくなるため、傾斜計２の感度は低くなるのである。したがって、本実施形態では、発磁体３６とコイル部３８で傾斜計２の感度を高くし、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を変更することで、感度を調整していることになる。なお、外側磁石３０と内側磁石３２の間隔は、上述したように、第１の付勢手段の力と第２の付勢手段の力関係が上述の関係となるように調整される。
【００２８】
傾斜計２の感度の調節が終了すると、傾斜計２は地中に深く掘られたボアホールの底部に傾斜計ベース部６を用いて設置される。ボアホールに傾斜計２を設置した状態で、傾斜計２の内側振子部２４の位置がハウジング１０に対する初期位置を向くように、傾斜計ベース部６の図示しない角度調節部が作動する。その後、地面の傾斜の測定が行なわれる。測定対象物である地面の傾斜がゼロの場合は、内側振子部２４の初期位置からの変位はゼロである。地面がわずかに傾いた場合、内側振子部２４は初期位置からわずかに変位するが、例えば、内側振子部２４が図１の右側に変位した場合は、図３（ｂ）の発磁体３６が図３（ｂ）の右側に変位することになり、コア４４と図３（ｂ）の左上の発磁体のＳ極、右上のＮ極、左下のＮ極、右下のＳ極がぞれぞれ吸引力を発生し、内側振子部２４をより大きく右側に変位させる。これにより、内側振子部２４は、わずかな地面の傾斜によっても、発磁体３６とコイル部３８の吸引力により、初期位置より変位することができる。
【００２９】
また、さらに地面が傾斜し、内側振子部２４が大きく変位すると、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔が小さくなり、内側磁石３２と外側磁石３０の間で発生する反発力が大きくなる。これにより、内側振子部２４は、地面の比較的大きな傾斜に対しても、内側振子部２４の一部が外側振子部１６等に当接して測定不能になることが低減できる。地面の傾斜の変化により発生した内側振子部２４の変位量は、図４の回路により外部磁界Ｈｅｘの変化量として測定することができ、内側振子部２４の変位量に基づき、傾斜計２が測定する傾斜の大きさが演算される。
【００３０】
したがって、本発明の第１の実施形態の傾斜計２は、発磁体３６とコイル部３８の吸引力により内側振子部２４の変位量を大きくしたため、地面のわずかな傾斜を精度良く測定することができる。図１に示すように、内側振子部２４は内側振子ヒンジ部２６、内側腕部ヒンジ部２２、外側振子部ヒンジ部１８および外側腕部ヒンジ部１４によりハウジング部１０から吊り下げられているが、各ヒンジ部は地面のわずかな傾斜に対して、内側振子部２４が変位しない方向へ力を付勢しており、この付勢力により傾斜計２の感度が低下させられるのである。本実施形態では、内側振子部２４のわずかな変位により、各ヒンジ部の付勢力を小さくするような力を、発磁体３６とコイル部３８により発生させて、傾斜計２の感度を向上させるものである。
【００３１】
また、本実施形態の内側磁石３２と外側磁石３０は、内側振子部２４の変位量が大きくなるに従い、反発力が大きくなるため、傾斜計２の傾斜の測定レンジ（ダイナミックレンジ）を大きくすることができる。これは、地面の大きな傾斜に対しても、内側振子部２４が他の部分に当接せず、内側振子部２４の変位を傾斜による変位として測定することができるためである。また、本実施形態では、磁気の力のバランスによって、傾斜計２の感度を調節しているため、各ヒンジ部の特性変化等による感度変化があっても傾斜計２の性能への影響が少なく、長期に渡って安定した動作を確保することができる。
【００３２】
また、本実施形態は、外側磁石３０と外側磁石固定部２８を用いてハウジング部１０に固定する構成であるため、容易に傾斜計２の感度調整を行なうことができる。通常、傾斜計の感度を調整するためには、振子の長さを変更して振子の周期を変更することが必要であるが、本実施形態では、振子の長さを変更することなく、傾斜計２の感度を調整することができるのである。また、傾斜計２の各ヒンジ部の経時劣化等により、傾斜計２の感度が変化した場合でも、外側磁石３０と内側磁石３２の間隔を変更することで、傾斜計２の感度変化を抑制することができる。また、本実施形態は、内側振子部２４の軸方向長さを長くすることなく、傾斜計２の感度を向上させることができるため、小型、軽量で高感度の傾斜計２を構成することができる。これにより、傾斜計２を孔径の小さいボアホールに設置することができる。
【００３３】
また、本実施形態の傾斜計２は、傾斜計２の感度を向上するための発磁体３６およびコイル部３８を、内側振子部２４の変位検出手段として用いることができるため、傾斜計２の構成を簡略化することができるとともに、傾斜計２を小型化することができる。
【００３４】
次に、本発明に基づく傾斜計２を作製し、傾斜の変化を測定した結果を以下に示す。なお、測定に用いた傾斜計は、ハウジング部１０の材質はりんせい銅、内側磁石３２および外側磁石３０の対向する面の面積は２ｍｍ２、残留磁束密度Ｂｒは１．０８Ｔ、保磁力ｂＨｃは６２６．３ＫＡ／ｍ、エネルギー積は２１９．１ＫＪ／ｍ３とした。また、発磁体３６の残留磁束密度Ｂｒは１．０８Ｔ、保磁力ｂＨｃは６２６．３ＫＡ／ｍ、エネルギー積は２１９．１ＫＪ／ｍ３とし、各磁石の材質は、ＳｍＣｏ（サマリウムコバルト）とした。また、変位検出装置２の内側振子部２４の変位を測定するために用いた変位センサは、約５０ｍＶ／μｍの感度のものと用いた。なお、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を変更したものを図６から図８にそれぞれ示す。
【００３５】
図６は、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を約４．２ｍｍとしたものである。図６のグラフの横軸は傾斜計２に与えた傾斜角（μＲａｄ）であり、縦軸は与えられた傾斜角による図４の端子出力である。図６によれば、与えられた傾斜角がゼロから増加するときは、傾斜角が３００μＲａｄ付近に比較して、グラフの傾きが急峻になっており、内側振子部２４が発磁体３６とコイル部３８の吸引力により、変位量を拡大され、出力電圧が大きくなったと考えられる。また、傾斜角が３００μＲａｄ付近では、グラフの傾きが緩やかになっており、内側磁石３２と外側磁石３０の反発力により、内側振子部２４の変位量が小さくされ、出力電圧の上昇が抑えられたと考えられる。傾斜計２は、出力電圧より傾斜の値を検出するため、傾斜角がゼロ付近では、わずかな傾斜も精度良く検出できる。
【００３６】
図７は、内側磁石３２と外側磁石の間隔を約５．１ｍｍとしたものである。図７においても図６と同様に、傾斜角ゼロ付近で出力電圧が大きく変化し、傾斜角が１００μＲａｄ付近で出力電圧の上昇が抑えられている。図７では、１μＲａｄあたり、１４０ｍＶで測定することができ、図６よりも検出感度が高いことが確認された。
【００３７】
図８は、内側磁石３２と外側磁石３０の間隔を約４．４ｍｍとしたものである。図８においても、図６および図７を同様に、傾斜角ゼロ付近で出力電圧が大きく変化している。なお、図８の１μＲａｄあたり４５ｍＶで測定可能であった。
【００３８】
なお、本発明の実施形態は、内側振子部２４の軸方向を鉛直方向に向けたものについて説明したが、これに限られず、鉛直方向から内側振子部２４の軸方向を鉛直方向から水平方向に傾けた構成にすれば、傾斜計２の感度を向上させることができる。また、傾斜計２にバネ等を用いて力を発生させ、内側振子部２４に作用する重力とバランスを取り、内側振子部２４を振動の中心に位置させれば、傾斜計２を上下動成分の長周期地震計として利用することができる。なお、長周期地震計の上下成分を測定する場合は、バネ等が経年変化し、内側振子部２４が振動の中心からずれることにより、地震観測ができなくなる場合がある。このような場合でも、傾斜計２の向きを１８０°回転させ、バネ等に加わる重力の向きを反転させれば、クリープによるばね定数の経年変化を避けることができ、地震計として長期間使用できる。
【００３９】
なお、本実施形態では、ボアホール内に固定された傾斜計２に本発明が適用された例について説明したが、これに限らず、傾斜計２が固定される部分と、これに対して変位する変位量を用いて測定されるすべての変位検出装置に本発明を適用することができる。例えば、速度型地震計、加速度計に本発明を適用して良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の全体構成を示す正面図である。
【図２】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の全体構成を示す側面図である。
【図３】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の要部拡大図である。
【図４】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の変位検出手段を説明する回路図である。
【図５】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の変位検出手段の作動を説明するためのグラフである。
【図６】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の測定結果を示す図である。
【図７】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の測定結果を示す図である。
【図８】本発明に係る第一実施形態の傾斜計２の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
２ 傾斜計
１０ ハウジング部
２４ 内側振子部
２８ 外側磁石固定部
３０ 外側磁石
３２ 内側磁石
３６ 発磁体
３８ コイル部
４４ コア
４６ 巻線部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物側に設置されるハウジング部と、
前記ハウジング部から吊り下げられ、所定の復元力をもって初期位置に保持され、力が及ぼされた場合に前記初期位置から変位する振子部とを備え、
前記振子部の初期位置からの変位量を検出する変位検出装置であって、
前記振子の初期位置への復元力を減少する方向に、前記振子部に力を及ぼす第１の付勢手段と、
前記振子の初期位置への復元力を増加する方向に、前記振子部に力を及ぼす第２の付勢手段とを備え、
前記振子部の初期位置からの変位量が所定量以下の場合は、前記第１の付勢手段の力の大きさが前記第２の付勢手段の力の大きさよりも大きく、前記振子の変位量が所定値よりも大きい場合は、前記第１の付勢手段の力の大きさが前記第２の付勢手段の力の大きさよりも小さいことを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記第１の付勢手段は、一方をハウジング部に設置され、他方を振子部に設置され、互いに吸引力を発生させる少なくとも２つの磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記第２の付勢手段は、一方をハウジング部に設置され、他方を振子部に設置され、互いに反発力を発生させる少なくとも２つの磁性体と、前記振子部を前記ハウジング部から吊り下げる部分であって、前記振子部を変位位置から初期位置に戻す力を発生させる部分から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記第１の付勢手段の磁性体は、前記ハウジング部に固定されたコイル部の鉄心と、前記振子部に固定された永久磁石より構成されるものであり、前記永久磁石から前記コイル部に及ぼされる磁界に応じて、前記ハウジング部に対する前記振子部の変位量を検出する変位測定手段を兼ねることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記第２の付勢手段の磁性体は、前記振子部に固定された振子部永久磁石と、前記ハウジング部に設置されたハウジング部永久磁石より構成されるものであり、前記ハウジング部永久磁石は前記振子部永久磁石との間の間隔を変更可能な状態でハウジング部に設置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の変位検出装置を用いて前記振子部の変位量を検出し、前記振子部の変位量に基づき、測定対象物の傾斜角の変化を検出することを特徴とする傾斜計。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載の変位検出装置を用いて前記振子部の変位量を検出し、前記振子部の変位量に基づき、測定対象物の加速度の変化を検出することを特徴とする加速度計。
【請求項１】
測定対象物側に設置されるハウジング部と、
前記ハウジング部から吊り下げられ、所定の復元力をもって初期位置に保持され、力が及ぼされた場合に前記初期位置から変位する振子部とを備え、
前記振子部の初期位置からの変位量を検出する変位検出装置であって、
前記振子の初期位置への復元力を減少する方向に、前記振子部に力を及ぼす第１の付勢手段と、
前記振子の初期位置への復元力を増加する方向に、前記振子部に力を及ぼす第２の付勢手段とを備え、
前記振子部の初期位置からの変位量が所定量以下の場合は、前記第１の付勢手段の力の大きさが前記第２の付勢手段の力の大きさよりも大きく、前記振子の変位量が所定値よりも大きい場合は、前記第１の付勢手段の力の大きさが前記第２の付勢手段の力の大きさよりも小さいことを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記第１の付勢手段は、一方をハウジング部に設置され、他方を振子部に設置され、互いに吸引力を発生させる少なくとも２つの磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記第２の付勢手段は、一方をハウジング部に設置され、他方を振子部に設置され、互いに反発力を発生させる少なくとも２つの磁性体と、前記振子部を前記ハウジング部から吊り下げる部分であって、前記振子部を変位位置から初期位置に戻す力を発生させる部分から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記第１の付勢手段の磁性体は、前記ハウジング部に固定されたコイル部の鉄心と、前記振子部に固定された永久磁石より構成されるものであり、前記永久磁石から前記コイル部に及ぼされる磁界に応じて、前記ハウジング部に対する前記振子部の変位量を検出する変位測定手段を兼ねることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記第２の付勢手段の磁性体は、前記振子部に固定された振子部永久磁石と、前記ハウジング部に設置されたハウジング部永久磁石より構成されるものであり、前記ハウジング部永久磁石は前記振子部永久磁石との間の間隔を変更可能な状態でハウジング部に設置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の変位検出装置を用いて前記振子部の変位量を検出し、前記振子部の変位量に基づき、測定対象物の傾斜角の変化を検出することを特徴とする傾斜計。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載の変位検出装置を用いて前記振子部の変位量を検出し、前記振子部の変位量に基づき、測定対象物の加速度の変化を検出することを特徴とする加速度計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１７０１５２（Ｐ２００８−１７０１５２Ａ）
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４８７８０（Ｐ２００６−３４８７８０）
【出願日】平成１８年１２月２６日（２００６．１２．２６）
【出願人】（０００１３７３４０）株式会社マコメ研究所 (20)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２６日（２００６．１２．２６）
【出願人】（０００１３７３４０）株式会社マコメ研究所 (20)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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