JP6390045B2 - 地震検出装置、力算出方法及び質量算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、地震検出装置、力算出方法及び質量算出方法に関する。

地震後に鉄道の運行を再開する際、構造物や軌道に被害が生じていないことを確認する作業が行われている。具体的には、沿線に配置された地震計のデータ等から、強い揺れが生じた地域を割り出し、割り出した地域について構造物や軌道に被害が生じていないことを確認する作業が行われている。
ここで、地震計は、例えば２０キロメートル（ｋｍ）間隔などある程度の間隔をあけて設置されており、地震計が設置されていない位置の揺れの大きさについては、地震計の設置されている位置における揺れの大きさから推定するといった処理が行われている。
この場合、地震計の設置されていない位置の揺れの大きさを推定する手間がかかるとともに推定精度が低い。地震計の設置数を増やしてかかる手間を軽減させ精度を向上させるために、地震計の製造単価を低減させることが望まれる。

ここで、特許文献１には、台座の上部に各震度に相当する丸穴径の丸穴があけられており、各丸穴の上に球が乗せられている簡易地震計が示されている。この簡易地震計は、震度に応じて球が落ちることで震度を示す。
特許文献１によれば、この簡易地震計は、高価なセンサーや信号処理器を必要とせず簡便・安価・正確であるとされている。

特開２００６−２０８２３１号公報

特許文献１に記載の簡易地震計では、地震の震度に応じて球が落ちるよう、正確な丸穴径の丸穴を台座に開ける必要がある。この点で、特許文献１に記載の簡易地震計を製造するためには高精度な加工を行う必要がある。

本発明は、高精度な加工を行う必要なしに製造及び調整することができ、かつ、所定の大きさ以上の揺れを検出することができる地震検出装置、力算出方法及び質量算出方法を提供する。

本発明の第１の態様によれば、地震検出装置は、質量を有する移動部と、前記移動部を所定の直線方向に移動可能に支持する支持部と、前記支持部に固定されている固定部と、前記固定部に対して傾き可変に連結されており、前記移動部の所定の位置に接して前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する抑制部と、を備え、前記抑制部が前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する力の最大値が所定の大きさであり、前記移動部が前記抑制部から離れると、前記抑制部は自らの傾きを変化させる。

前記抑制部が磁力にて前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制するようにしてもよい。

本発明の第２の態様によれば、力算出方法は、質量を有する移動部と、前記移動部を所定の直線方向に移動可能に支持する支持部と、前記支持部に固定されている固定部と、前記固定部に対して傾き可変に連結されており、前記移動部の所定の位置に接して前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する抑制部と、を備え、前記抑制部が前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する力の最大の大きさが所定の大きさであり、前記移動部が前記抑制部から離れると、前記抑制部は自らの傾きを変化させる、地震検出装置を、前記支持部を水平に対して傾けて設置する設置ステップと、前記移動部が前記移動部自らに作用する重力によって前記所定の直線方向へ移動する、前記支持部の水平に対する最小の傾き角度を求める角度測定ステップと、前記角度測定ステップで測定した角度に基づいて、前記抑制部が前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する力の最大の大きさを求める力算出ステップと、を含む。

本発明の第３の態様によれば、質量算出方法は、質量を有する移動部と、前記移動部を所定の直線方向に移動可能に支持する支持部と、前記支持部に固定されている固定部と、前記固定部に対して傾き可変に連結されており、前記移動部の所定の位置に接して前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する抑制部と、を備え、前記抑制部が前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する力の最大の大きさが所定の大きさであり、前記移動部が前記抑制部から離れると、前記抑制部は自らの傾きを変化させる、地震検出装置を、前記支持部を水平に対して傾けて設置する設置ステップと、前記移動部が前記移動部自らに作用する重力によって前記所定の直線方向へ移動する、前記支持部の水平に対する最小の傾き角度を求める角度測定ステップと、前記角度測定ステップで測定した角度に基づいて、前記抑制部が前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する力の最大の大きさを求める力算出ステップと、前記所定の直線方向を水平方向に合わせて前記地震検出装置を設置した場合に、前記所定の直線方向における前記移動部の加速度が所定の大きさ以上になったときに前記移動部が前記所定の直線方向の移動を行うようにするための前記移動部の質量を、前記力算出ステップで算出した前記力の最大の大きさに基づいて算出する質量算出ステップと、を含む。

本発明によれば、高精度な加工を行う必要なしに地震検出装置の製造及び調整することができ、かつ、地震検出装置が所定の大きさ以上の揺れを検出することができる。

本発明の一実施形態における地震検出装置が地震未検出を表示している場合の、当該地震検出装置の外観を示す概略外形図である。 同実施形態にて、地震検出装置が地震検出を表示している場合の、当該地震検出装置の外観を示す概略外形図である。 同実施形態にて、ガイドレールを水平から傾けた場合に移動部に生じる力の向きを示す説明図である。 同実施形態にて、錘の質量を調整することで地震検出装置が所定の大きさの加速度を検出するよう調整する場合の処理手順の例を示すフローチャートである。 鉄道路線における同実施形態の地震検出装置の配置箇所の例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一実施形態における地震検出装置が地震未検出を表示している場合の、当該地震検出装置の外観を示す概略外形図である。同図に示すように、地震検出装置１は、ガイドレール１００と、移動部２００と、表示装置３００とを備える。移動部２００は、スライダ２０１と、錘２０２と、磁性体２０３とを備える。表示装置３００は、固定部３０１と、ヒンジ３０２と、回転板３０３と、永久磁石３０４と、表示板３０５とを備える。
地震検出装置１が地震未検出の状態では、磁性体２０３が永久磁石３０４に吸着されており、これによって移動部２００が表示装置３００に固定されている。

地震検出装置１は、所定の大きさ以上の加速度を検出する装置である。特に、地震検出装置１は、地震の際に所定の大きさ以上の加速度を検出することで、所定の大きさ以上の地震を検出する。以下では、地震検出装置１が所定の大きさ以上の地震を検出することを、地震検出装置１が地震を検出すると表記する。
ガイドレール１００は、直線状のレールである。ガイドレール１００は、ガイドレール１００自らに固定されている固定部３０１を支持する。また、ガイドレール１００は、スライダ２０１をガイドレール１００の長手方向に移動可能に支持する。ガイドレール１００は、指示部の例に該当する。ガイドレール１００は支持部の例に該当し、ガイドレール１００の長手方向は所定の直線方向の例に該当する。

移動部２００は、地震検出装置１が地震未検出を表示している状態では、上記のように表示装置３００に固定されている。一方、地震の際には移動部２００の質量によって移動部２００に水平荷重が生じる。磁性体２０３に作用している永久磁石３０４の吸着力（磁力）に対して逆向きに、当該吸着力の大きさよりも大きい加速度の水平荷重が生じた場合、移動部２００は表示装置３００から離れていく。

スライダ２０１は、上記のようにガイドレール１００の長手方向に移動可能に、ガイドレール１００に支持されている。
錘２０２は、スライダ２０１の上部に設けられている。錘２０２の質量を調整することで移動部２００の質量を調整することができる。移動部２００の質量を調整することで、地震検出装置１が検出する加速度の大きさを調整することができる。
磁性体２０３は、地震検出装置１が地震未検出を表示している状態では、上記のように永久磁石３０４に吸着されている。一方、磁性体２０３に作用している永久磁石３０４の吸着力（磁力）に対して逆向きに、当該吸着力の大きさよりも大きい加速度の水平荷重が生じた場合、磁性体２０３は、永久磁石３０４から離れる。

表示装置３００は、地震検出装置１が地震を検出したか否か（所定の大きさ以上の加速度を検出したか否か）を、表示板３０５の姿勢によって表示する。ここでいう表示板３０５の姿勢は、ガイドレール１００に対する表示板３０５の角度である。
固定部３０１は、ガイドレール１００に固定されている。
ヒンジ３０２は、回転板３０３が固定部３０１に対して相対的に回転可能となるように、固定部３０１と回転板３０３とを連結している。

回転板３０３は、上記のように、ヒンジ３０２を介して固定部３０１に連結されている。
また、回転板３０３には永久磁石３０４が設置されている。上記のように磁性体２０３が永久磁石３０４に吸着されており、地震の際に移動部２００が表示装置３００から離れていく場合、回転板３０３は永久磁石３０４を介して移動部２００に引っ張られてガイドレール１００に向かって倒れるように回転する。回転板３０３と永久磁石３０４との組み合わせは抑制部の例に該当し、永久磁石３０４が磁性体２０３を吸着することで、移動部２００のガイドレール１００の長手方向への移動を抑制する。
さらに、回転板３０３には、表示板３０５が設置されている。回転板３０３が固定部３０１に対して相対的に回転することで、表示板３０５の姿勢が変化する。地震検出装置１が地震未検出の状態では、表示板３０５は、ガイドレール１００に対して平行になっている。

図２は、地震検出装置１が地震検出を表示している場合の、当該地震検出装置１の外観を示す概略外形図である。
上記のように、磁性体２０３に作用している永久磁石３０４の吸着力（磁力）に対して逆向きに、当該吸着力の大きさよりも大きい加速度の水平荷重が生じた場合、移動部２００は、表示装置３００から離れる。その際、表示装置３００が移動部２００に引っ張られ、回転板３０３はガイドレール１００に向かって倒れて、おおよそガイドレール１００に平行になる。

回転板３０３がガイドレール１００に向かって倒れると、永久磁石３０４がガイドレール１００に接する。ガイドレール１００のうち永久磁石３０４と接する部分には磁性体が設けられており、永久磁石３０４はガイドレール１００に吸着する。
移動部２００が表示装置３００から離れた後、表示装置３００の方へ戻ってきた場合でも、永久磁石３０４とガイドレール１００との間の吸着力（磁力）と、回転板３０３および表示板３０５の重力と、表示装置３００の形状とにより、地震検出装置１は、地震未検出を表示する状態（図１）には戻らない。

具体的には、永久磁石３０４とガイドレール１００との間の吸着力（磁力）、回転板３０３および表示板３０５の重力は、いずれも下向きに作用する。この力は、移動部２００が回転板３０３を立たせる（図２の状態から図１の状態へ戻す）のを阻止する力として作用する。
また、図１および図２に示すように、回転板３０３と表示板３０５とが直角をなす形状となっている。このため、仮に、移動部２００が表示板３０５を押して回転板３０３が多少し立った（回転板３０３がガイドレール１００におおよそ平行な状態から、垂直な状態に少し近づいた）場合、表示板３０５の移動部２００に対する向きが変化し、また、回転板３０３の固定部３０１に対する角度が変化する。この向きおよび角度の変化により、移動部２００が表示板３０５を押す力に対して表示板３０５が移動部２００を押し返す力（応力）が生じるようになる。移動部２００が表示板３０５を押す力と、表示板３０５が移動部２００を押し返す力とが均衡する位置以上には、表示板３０５は立たない。

このようにして、地震検出装置１が地震検出を表示している状態（図２）では、地震検出装置１が地震未検出を表示している場合（図１）とは異なり、表示板３０５が立った状態（ガイドレール１００に対しておおよそ垂直な状態）になっている。地震検出装置１のユーザ（例えば、地震検出装置１が設置されている線路区間を保守する鉄道保守作業員）は、表示板３０５が倒れた状態（ガイドレール１００に対して平行な状態）か、表示板３０５が立った状態（ガイドレール１００に対しておおよそ垂直な状態）かを確認することで、所定の大きさ以上の地震の有無を判定することができる。

なお、地震検出装置１は、ガイドレール１００の長手方向の水平荷重を検出するが、ガイドレール１００の長手方向に直角な方向の水平荷重は検出しない。すなわち、地震検出装置１は、ガイドレール１００の長手方向の地震の揺れを検出するが、ガイドレール１００の長手方向と直角な方向の地震の揺れは検出しない。
これに対し、複数の地震検出装置１を互いに異なる方向（２つの場合は直角が好ましい）に配置しておくことで、これら複数の地震検出装置１の組み合わせにて様々な方向の地震の揺れを検出することができる。例えば、地震検出装置１のユーザは、ガイドレール１００の長手方向を東西に向けて、地震検出装置１を設置し、ガイドレール１００の長手方向を南北に向けて、もう１つの地震検出装置１を設置する。そして、ユーザは、２つの地震検出装置１のうちいずれか１つでも地震検出を表示している状態になっていれば、所定の大きさ以上の地震があったと判定する。

次に、図３を参照して、地震検出装置１が検出する加速度の大きさの設定方向について説明する。
図３は、ガイドレール１００を水平から傾けた場合に移動部２００に生じる力の向きを示す説明図である。同図の例では、ガイドレール１００の長手方向が水平方向から角度θだけ傾いている。なお、ガイドレール１００は、表示装置３００の側よりも移動部２００の側の方が下になる向きに傾いている。

また、ベクトルＢ１１は移動部２００に作用する重力の大きさ及び向きを示し、ベクトルＢ１２及びＢ１３は、ベクトルＢ１１を分解したベクトルを示している。ベクトルＢ１２は、ガイドレール１００の長手方向に平行なベクトルであり、ベクトルＢ１３は、ガイドレール１００の長手方向に直角なベクトルである。
移動部２００に作用する重力（ベクトルＢ１１）は、ガイドレール１００の長手方向に平行な成分（ベクトルＢ１２）と、ガイドレール１００の長手方向に直角な成分（ベクトルＢ１３）とに分解できる。このうち、ガイドレール１００の長手方向に直角な成分は、ガイドレール１００からの応力によって打ち消される。

また、ガイドレール１００の長手方向に平行な成分が、永久磁石３０４の吸着力以下である場合、移動部２００は表示装置３００に固定されている。一方、ガイドレール１００の長手方向に平行な成分が、永久磁石３０４の吸着力より大きくなると、移動部２００は、表示装置３００から離れガイドレール１００に沿って滑り落ちるようになる。従って、ガイドレール１００の長手方向に平行な成分の大きさを算出することで、地震検出装置１が検出する加速度の大きさを求めることができる。

ここで、スライダ２０１の質量をｍとし、錘２０２の質量をＭとし、移動部２００が滑り始める角度（移動部２００が表示装置３００から離れガイドレール１００に沿って滑り落ちるようになる最小の角度）をθとする。また、重力加速度をｇとする。
すると、永久磁石３０４の吸着力（磁性体２０３に作用する磁力）の大きさＦは、式（１）のように示される。

また、地震検出装置１が検出する加速度の大きさをαとすると、永久磁石３０４の吸着力（磁性体２０３に作用する磁力）の大きさＦは、式（２）のように示される。

式（１）及び式（２）より、地震検出装置１が検出する加速度の大きさαは、式（３）のように示される。

なお、ばね秤等を用いて永久磁石３０４の吸着力の大きさＦを測定した場合、地震検出装置１が検出する加速度の大きさαは、式（４）を用いて算出することができる。

地震の際、地震検出装置１が所定の大きさαの加速度を検出するよう、永久磁石３０４の吸着力Ｆまたは錘２０２の質量Ｍを調整する。
例えば、使用する永久磁石３０４を複数の永久磁石３０４から選択する場合など、永久磁石３０４の吸着力Ｆを調整する場合、永久磁石３０４の吸着力は式（２）を用いて求められる。
また、地震検出装置１に使用する永久磁石３０４が決まっており、錘２０２の質量を調整する場合、錘２０２の質量は式（５）を用いて算出することができる。

図４は、錘２０２の質量を調整することで地震検出装置１が所定の大きさαの加速度を検出するよう調整する場合の処理手順の例を示すフローチャートである。
同図の処理にて、調整者は、図３のように、表示装置３００の側よりも移動部２００の側が下になるようにガイドレール１００を水平に対して傾けて、地震検出装置１を設置する（ステップＳ１０１）。
そして、調整者は、ガイドレール１００の傾きを変えて、移動部２００が滑り始める角度（移動部２００が表示装置３００から離れガイドレール１００に沿って滑り落ちるようになる最小の角度）θを求める（ステップＳ１０２）。
次に、調整者は、ステップＳ１０２で求まった角度θに基づいて、永久磁石３０４の吸着力Ｆの大きさを、式（１）を用いて算出する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の処理は、力算出方法における処理の例に該当する。
そして、調整者は、ステップＳ１０３で算出した角度θに基づいて、錘２０２の質量を、式（５）を用いて算出する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０１〜Ｓ１０４の処理は、質量算出方法処理の例に該当する。
そして、調整者は、錘２０２の質量をステップＳ１０４で得られた質量にする調整を行う（ステップＳ１０５）。錘２０２の質量の調整は、錘２０２を削ることや、新たな錘を錘２０２に付加する（例えば貼り付ける）ことで行われる。
ステップＳ１０５の後、図４の処理を終了する。

図５は、鉄道路線における地震検出装置１の配置箇所の例を示す説明図である。同図の例では、高架の上部や、橋脚の上部および下部など色々な位置に、また、比較的狭い間隔で地震検出装置１が設置されている。地震検出装置１は構造が簡単であるため製造費用及び維持費用が安価であり、また、電源が不要である点で容易に設置することができる。このため、鉄道路線の管理者は色々な位置に比較的狭い間隔で地震検出装置１を設置することができる。

地震計などの地震検出装置が比較的広い間隔で設置されている場合、地震の際、地震検出装置が設置されていない位置の揺れの大きさは、地震検出装置が設置さている位置の揺れの大きさから推定する必要がある。この点で、地震検出装置が設置されていない位置における地震の揺れの大きさを正確に把握することができない。
一方、地震検出装置１の場合、上記のように比較的狭い間隔で設置することができ、設置位置では揺れの大きさが所定の大きさ以上か否かを直接的に判定することができる。この点で、地震検出装置１によれば、ある位置での地震の揺れの大きさが所定の大きさ以上か否かをより正確に判定することができる。

以上のように、ガイドレール１００は、移動部２００をガイドレール１００の長手方向に移動可能に支持し、また、固定部３０１は、ガイドレール１００に固定されている。また、回転板３０３は、ヒンジ３０２を介して固定部３０１に対して傾き可変に連結されており、回転板３０３に設置されている永久磁石３０４が、磁性体２０３を吸着することで、移動部２００のガイドレール１００の長手方向への移動を抑制する。そして、永久磁石３０４の吸着力（したがって、永久磁石３０４が移動部２００のガイドレール１００の長手方向への移動を抑制する力）の大きさの最大値は所定の大きさ（永久磁石３０４毎に決まる磁力の大きさ）になっている。また、移動部２００が永久磁石３０４から離れると、回転板３０３は自らの傾きを変化させる。
地震検出装置１は、これら各部を組み合わせた簡単な構造とすることができる。また、錘２０２の重さを調整するという比較的簡単な調整方法にて、地震検出装置１が検出する加速度の大きさを調整することができる。

なお、抑制部（例えば、回転板３０３と永久磁石３０４との組み合わせ）が移動部２００のガイドレール１００の長手方向への移動を抑制する方法は、磁力を用いる方法に限らない。例えば、回転板３０３、移動部２００それぞれに面ファスナーが設けられており、これら面ファスナーの接着にて移動部２００のガイドレール１００の長手方向への移動を抑制するようにしてもよい。あるいは、回転板３０３が移動部２００と接着剤で接着されて、移動部２００のガイドレール１００の長手方向への移動を抑制するようにしてもよい。

一方、永久磁石３０４が、磁力に磁性体２０３を吸着することで、抑制部が移動部２００のガイドレール１００の長手方向への移動を抑制する力の最大値を一定にすることが容易になる。かつ、永久磁石３０４と磁性体２０３とが離れている場合（地震検知を表示している状態にある場合）、地震検出装置１のユーザは、容易に永久磁石３０４と磁性体２０３とくっつける（地震未検出を表示している状態にする）ことができる。

また、地震検出装置１の調整者は、ガイドレール１００を水平に対して傾けて地震検出装置１を設置し、移動部２００が滑り始める角度（移動部２００が表示装置３００から離れガイドレール１００に沿って滑り落ちるようになる最小の角度）を求めることで、式（１）のように簡単な式で、永久磁石３０４が磁性体２０３を吸着する力（磁力）の最大の大きさを求めることができる。

また、地震検出装置１の調整者は、永久磁石３０４が磁性体２０３を吸着する力（磁力）の最大の大きさに基づいて、式（５）のように簡単な式で、錘２０２の質量を求めることができる。
また、地震検出装置１の調整者は、錘２０２の質量を求めた質量に合わせる簡単な加工にて地震検出装置１が所定の大きさの加速度を検出するように調整することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１ 地震検出装置
１００ ガイドレール
２００ 移動部
２０１ スライダ
２０２ 錘
２０３ 磁性体
３００ 表示装置
３０１ 固定部
３０２ ヒンジ
３０３ 回転板
３０４ 永久磁石
３０５ 表示板

Claims (4)

1. 質量を有する移動部と、
   前記移動部を所定の直線方向に移動可能に支持する支持部と、
   前記支持部に固定されている固定部と、
   前記固定部に対して傾き可変に連結されており、前記移動部の所定の位置に接して前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する抑制部と、
   を備え、
   前記抑制部が前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する力の最大値が所定の大きさであり、前記移動部が前記抑制部から離れると、前記抑制部は自らの傾きを変化させる、
   地震検出装置。
2. 前記抑制部が磁力にて前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する、請求項１に記載の地震検出装置。
3. 質量を有する移動部と、前記移動部を所定の直線方向に移動可能に支持する支持部と、前記支持部に固定されている固定部と、前記固定部に対して傾き可変に連結されており、前記移動部の所定の位置に接して前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する抑制部と、を備え、前記抑制部が前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する力の最大の大きさが所定の大きさであり、前記移動部が前記抑制部から離れると、前記抑制部は自らの傾きを変化させる、地震検出装置を、前記支持部を水平に対して傾けて設置する設置ステップと、
   前記移動部が前記移動部自らに作用する重力によって前記所定の直線方向へ移動する、前記支持部の水平に対する最小の傾き角度を求める角度測定ステップと、
   前記角度測定ステップで測定した角度に基づいて、前記抑制部が前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する力の最大の大きさを求める力算出ステップと、
   を含む力算出方法。
4. 質量を有する移動部と、前記移動部を所定の直線方向に移動可能に支持する支持部と、前記支持部に固定されている固定部と、前記固定部に対して傾き可変に連結されており、前記移動部の所定の位置に接して前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する抑制部と、を備え、前記抑制部が前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する力の最大の大きさが所定の大きさであり、前記移動部が前記抑制部から離れると、前記抑制部は自らの傾きを変化させる、地震検出装置を、前記支持部を水平に対して傾けて設置する設置ステップと、
   前記移動部が前記移動部自らに作用する重力によって前記所定の直線方向へ移動する、前記支持部の水平に対する最小の傾き角度を求める角度測定ステップと、
   前記角度測定ステップで測定した角度に基づいて、前記抑制部が前記移動部の前記所定の直線方向への移動を抑制する力の最大の大きさを求める力算出ステップと、
   前記所定の直線方向を水平方向に合わせて前記地震検出装置を設置した場合に、前記所定の直線方向における前記移動部の加速度が所定の大きさ以上になったときに前記移動部が前記所定の直線方向の移動を行うようにするための前記移動部の質量を、前記力算出ステップで算出した前記力の最大の大きさに基づいて算出する質量算出ステップと、
   を含む質量算出方法。

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