JPH0136047B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は震動聴音機（geophone）即ち地震計
の懸垂スプリングに関する。

震動聴音機というのは、剛性固定基準支持構造
体から慣性質量体を懸垂することにより、運動を
検知する装置である。典型的には、その質量体は
磁場内にスプリングにより懸垂されたコイルであ
り、スプリングはそのコイル端の各々に取付けら
れている。スプリングの効果は、コイルを磁場内
に位置づけし、且つ所定の共振周波数を「懸垂シ
ステム」に与えることである。

現在震動聴音機に最も一般に使用されているス
プリングはスパイダー（spider）スプリングであ
り、このスパイダースプリングは、スポーク
（spoke）即ち脚と内方リングと外方リングより
成つており、この脚は内方リングと外方リングと
を連絡している。一般には、３つの脚が使用さ
れ、これが最も安定な装置と考えられている。

震動聴音機の目的は、一方向のみからの運動を
感知することであり、従つて、震動聴音機内の懸
垂コイルの軸線運動と平行でない方向からのいか
なる運動の影響も除去するかあるいは最少限とす
るのが望ましい。しかし乍ら、スプリング懸垂シ
ステムの本質的特徴により、震動聴音機が横方向
に動くと、懸垂コイルの運動の軸線に沿つての震
動成分を生ずる。これは好ましくない、即ち誤つ
てた信号を生じ、これは技術的に「スプリアス
（spurious）共振」と呼ばれる。

所定の型式の震動聴音機の幾何学的形状及び質
量体（コイル）が、製造上の許容量内で一定であ
れば、上記のスプリアス共振も一定である。従つ
て、このスプリアス共振の周波数は、懸垂スプリ
ングの幾何学的形状を変更することによつて、増
減することができる。この特性が、震動聴音機の
横方向運動により生じた誤つた信号を分離あるい
は除去する手段を提供していた。この問題は、通
常、震動聴音機のため、周波数スペクトル以上の
レベルまでスプリアス共振周波数を増加すること
により処理されている。現在の技術水準では通
常、スプリアス共振と震動聴音機の固有周波数と
の比は約30：１が必要である。

スプリアス共振と固有周波数との望ましい比を
得る最も一般的な方法は、スプリングの脚を短く
することであり、これによつて、スプリアス共振
周波数は上昇する。これは効果的な手段ではある
が、好ましくない副作用をもつている。

先行技術の震動聴音機スプリングの脚は長方形
断面であり、且つスプリングの内方リングと外方
リングの連結部分の間で脚の長さに沿つてカーブ
していた。このスプリングは「プレフオーム
（preformed）」されたものであり、質量体（コイ
ル）が２つのこのようなスプリングの間に懸垂さ
れると、各々のスプリングの内方リング、脚およ
び外方リングが同一平面に置かれるように、内方
リングは、外方リングからずれている即ち変位さ
れている。このプレフオーミング（preforming）
は、横の曲げの力がスプリング脚の各々に加わる
原因となる。スプリングの脚が示す、曲つた形状
の特性により、スプリングの脚に生ずる力は、ス
プリングの脚のうち内方リング部材に近い部分の
脚材料内部組織を内方リング部材から遠い部分の
脚材料内部組織よりも引き伸ばす。従つて、スプ
リングの脚においては、脚の材料は、先ず最初に
内方リング部材に近い部分の脚材料内部組織にお
いて降伏点に達し、その結果、その部分の材料内
部組織は引き伸ばされ、スプリングの脚の形状が
ゆがめられるであろう。これがスプリングを非直
線性とし、且つ震動聴音機から歪み信号を発生さ
せる。この影響は、脚が比較的短く且つプレフオ
ーミングあるいはずれが大きいときに増加し、一
般に高スプリアス共振をもつた低周波数震動聴音
機内で生ずる。

従つて、本発明を開発する以前には、内方リン
グ及び外方リング並びにそれらのリングを連結し
ている脚より成る震動聴音機のスプリングは非直
線性により特徴づけられたものであり、且つ曲げ
の力の存在がスプリングシステムの調和運動及び
震動聴音機によつて発生した信号を歪ませてい
た。従つて、本技術分野では、調波歪みの問題を
最少とする効果的な、簡単な震動聴音機のスプリ
ングが求められていた。

本発明によれば、本改良震動聴音機スプリング
により上記の利点が達成された。本発明のスプリ
ングは、固定基準剛性支持体から慣性質量体を懸
垂する震動聴音機に使用され、典型的には磁場装
置内のコイルの懸垂に使用される。電動聴音機に
作用する震動が磁場を介してスプリングで懸垂さ
れたコイルを動かし、従つて地震振動を指示する
電気信号を発生する。このスプリングは、外方リ
ング部材、内方リング部材および内方リング部材
と外方リング部材とを連結する脚部材を有するよ
う構成されている。各々の脚部材は、矩形断面を
有し、且つ実質的に直線状であつて弓形形状では
ないセグメントを有している。このスプリングの
脚の直線形状が、曲線形状の脚内に生ずるような
不平衡な応力を防ぎあるいは最少にし、且つスプ
リングの直線性を改善すると考えられる。

本発明の特徴は、３つの脚部材をスプリングに
使用することができ、この場合、脚部材はスプリ
ングのスプリアス共振周波数と固有周波数との比
を30対１の範囲とするため出来る限り短くするこ
とができ、しかもスプリングの特性は実質的に直
線性を保たれ且つスプリングの運動は実質的に調
和を保つ。というのは、実質的に直線状のセグメ
ントを有する脚を具備したスプリングを使用する
ので、各スプリングの脚のうち内方リング部材に
近い部分の脚材料内部組織と内方リング部材に遠
い部分の脚材料内部組織の降伏点のと間に変化が
生じないからである。従つて、本発明のスプリン
グを使用する震動聴音機によつて、より正確な電
気的信号が発生すると考えられる。

本発明の１つの実施態様によれば、スプリング
の脚部材を３つのセグメントより構成し、実質的
に直線状であつて弓形形状ではない中央セグメン
トが、中央セグメントの両端部において他の２つ
の脚セグメントにより内方リング及び外方リング
と連結されるように構成してもよい。この構成に
よれば、内方リングの軸線方向の運動は、内方リ
ングが軸線方向に外方リングの存在する面から遠
ざかるよう動くとき、脚に作用する横の曲げの力
が減少するように、脚の中央の実質的に直線状の
中央セグメントを「連結」脚セグメントの周りに
旋回させ、そして横方向に動かす。

本発明の震動聴音機スプリングは、今までに使
用されてきたスプリングに比べ、スプリングの脚
の不均一な応力の減少及びスプリングの直線性の
改良並びに、電動聴音機により発生した信号の歪
みが生じないようスプリングに作用する横の曲げ
の力を減少する利点をもつている。

次に図面を参照して説明する。

第１図には、本技術分野において現在公知であ
る震動聴音機の従来のスプリング１０の平面図が
示されている。スプリングは外方リング１２と３
つの脚１６によつて連結されている内方リング１
４とにより成つている。スプリング１０の脚１６
は、スプリングの中央の周りをカーブしており、
内方リングの接続箇所１８から、外部リングの接
続箇所２０にまで延びている。

震動聴音機に使用されているスプリングは一般
的にプレフオーム（preformed）されている。即
ち内方リングは外方リングの面に対して軸線方向
にずれている、即ち変位している。３つの脚を有
するスプリングにおいて内方リングがずれている
とき、これは一般に最も安定した懸垂配列を作る
と考えられるが、内方リングは外方リングと同心
に保たれている。スプリング１０の平面図では、
接続部１８のＢ点は、内方リング１４が軸線方向
に或る距離外方リング１２の平面から上方あるい
は下方へ変位すると、B′点に移動される。これ
は接続部２０に関しては接続部１８の横の運動で
あり、これにより、スプリング脚に作用する横の
曲げの力Ｆが生ずる。

曲線形状の脚が力を受けると、その脚の内方リ
ングに近い部分の脚材料内部組織及び内方リング
に遠い部分の脚材料内部組織は、この分野では経
験により認められているように、異なる応力を受
ける。この曲線形状の脚は脚の中立軸の周りに等
しく且つ相反する偶力の作用を受ける。曲線形状
の脚の中立曲線が重心の曲線と一致せずそして重
心の軸線と脚の内側の歪みとの間にあれば、脚の
内方リングに近い部分の脚材料内部組織に作用す
る力は脚の内方リングに遠い部分の脚材料内部組
織に作用する力より大きい。その結果、曲線形状
の脚の内方リングに近い部分の脚材料内部組織
は、遠い部分の脚材料内部組織より大きな応力を
受ける。この装置の更に詳細な力学的解析は、ア
ルフレツド・ピー・ポールマン（Alfred P.
Poorman）著、1945年出版「材料強度」
（STRENGTH OF MATERIALS）295頁より
297頁から得られる。

従つて、スプリング１０がプレフオームされる
か、あるいは、内方リング１４が、震動聴音機使
用中、外方リング１２に対して曲線方向にたわむ
と、脚１６は横の曲げの力Ｆを受け、且つ脚１６
の内方リングに近い部分の脚材料内部組織は遠い
部分の脚材料内部組織よりも大きな応力を受け
る。脚内のこの不平衡応力により先ず第一に内方
リングに近い部分の脚材料内部組織はスプリング
材料の降伏点に達し、その結果、脚は引き伸ばさ
れるかあるいはその形状がゆるめられる。スプリ
アス共振の周波数を増加するためスプリアス脚を
短くしたときは、これは特に重要である。スプリ
ングは非直線性となり且つ震動聴音機は歪み信号
を発生する。

次に、本発明の震動聴音機のスプリングについ
て説明する。

第２図より明らかなように、本発明の震動聴音
機のスプリング２２の好ましい実施例では、外方
リング２４及び内方リング２６は、脚２８により
連絡され、これ等の脚は実質的に直線状であつて
弓形形状ではないセグメントを有している。本発
明によるスプリングは、スプリング材料から形成
することができ、例えば、ベリリウム銅合金をス
プリング形状に打抜くかあるいは適当な材料の薄
板から打抜き且つ脚とリングとの間にスロツトを
エツチングすることにより形成することができ
る。

震動聴音機のコイル組立体にスプリング２２を
取付けるため、外方リング２４にフランジ２３及
び２５を設けてもよい。このようなフランジはコ
イル組立体にはんだ付けされ且つコイル組立体に
対してスプリング２２の回転運動を制限するよう
にコイル組立体内に収容してもよい。内方リング
２６は、固定基準磁場組立体に対してスプリング
の回転運動を可能にしているが震動聴音機の軸線
に沿つての動きに関して内方リングを固定するス
リツプリング装置で震動聴音機内に保持されても
よい。

第４図に描かれているように、スプリング２２
がプレフオームされているとき、あるいは内方リ
ング２６に対する外方リング２４の軸線方向運動
が震動聴音機に対して作用するスプリングの軸線
に平行な運動により生じるときは、脚２８の直線
状セグメントの内方リングに近い部分の脚材料内
部組織及び内方リングに遠い部分の脚材料内部組
織は等しい応力を受けるので、スプリングの直線
性は更に改善される。これは、脚の直線状セグメ
ントの中立軸線が重心軸線と一致することによつ
て達成され、従つて脚断面の中立軸から等距離の
点に均等な応力が生じる。スプリング２２の直線
性が改善されたことによつて、磁場を介してスプ
リングに取付けられたコイルの運動により発生す
る歪んだ電気信号が少なくなる。

第３図には、本発明の好ましい実施例によるス
プリングの脚が図示されている。スプリングの脚
２８の中央セグメント３０は実質的に直線状であ
つて弓形形状ではなく、且つそれぞれ弓状外方セ
グメント３２及び弓状内方セグメント３４の各々
によつて外方リング２４及び内方リング２６に連
結されている。Ｃ点とＤ点との間の脚内の均等な
応力を保つことによつてスプリングの直線性が増
加するのに加えて、第３図の脚形状は又、スプリ
ングがプレフオームされているときあるいは外方
リング２４が震動聴音機使用中軸線方向に内方リ
ング２６から変位したときに、脚に作用する横の
曲げの力を減少あるいは除去する。これは第３図
に図示したように、且つ更に以下に説明するよう
に、スプリング脚２８の幾何学的形状によつて達
成された。

内方リング２６が内方リング及び外方リングと
同心に延びている軸線に沿つて外方リング２４か
ら特定の距離ずれる即ち変位されると、脚２８上
のＢ点及びＣ点は外方リング２４のＡ点に関し
て、それぞれB′点及びC′点で示した位置まで移動
する。しかしながら、内方リング２６が外方リン
グ２４の平面から軸線方向に動かされると、Ｃ点
とＤ点との間の脚の中央セグメント３０は、外方
脚セグメント３２上のＡ点とＤ点との間に引かれ
た線の周りを旋回する。同じように、脚の中央セ
グメント３０は内方脚セグメント３４上のＢ点と
Ｃ点との間に引かれた線の周りを旋回する。AD
線の周りのCD線の旋回運動が、Ａ点に関して脚
２８上のＣ点のC′点の方への横の運動を生ぜしめ
る。もしも脚の中央セグメント３０がカーブをし
ていると、Ｃ点が同様の横の運動を行えずそして
横方向曲げ力が脚に作用するように、Ｃ点は強制
されるであろう。スプリングの脚２８の幾何学的
形状が、横の曲げの力が作用する方向に脚のセグ
メントCDの横への運動をもたらすのであるから、
スプリングの脚２８の上に結果として生じた横の
曲げ力は減少するかあるいは除去される。スプリ
ング脚に作用するこの曲げの力の減少が、震動調
音機のスプリングの調和応答を改善し、従つて信
号の歪みを減少する。

本発明の上記の記述は、第一に特許法の要件に
従い、且つ図解説明のため、特に好ましい実施例
を示した。しかしながら、この特殊な装置の多く
の変更および変化が本発明の範囲と精神に反する
ことなく行い得ることは当業者においては明らか
である。例えば、スプリングの脚を第３図に図示
したような弓状内方セグメント及び外方セグメン
トによつて結ばれた直線状の中央セグメントでは
なく、３つの直線状のセグメントから構成するこ
とも出来る。

そのような変更及び変化も本発明の真の精神及
び範囲に含まれることが、本願出願人の意図であ
る。

本出願は、好ましい実施例に関連した説明した
が、本発明がこの実施例により限定されるもので
はないことを理解すべきである。更に、本願特許
請求の範囲に規定されたような本発明の精神及び
範囲内に含まれ得るすべての他の態様の変更及び
同等のものを含むものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、代表的な先行技術の震動聴音機スプ
リングの平面図である。第２図は、本発明による
震動聴音機の平面図である。第３図は、第２図に
図示された震動聴音機の脚部分の平面図である。
第４図は、「プレフオーム」状態の本発明のスプ
リングの斜視図である。 １０……スプリング、１２……外方リング、１
４……内方リング、１６……脚、１８……接続
部、２２……スプリング、２４……外方リング、
２６……内方リング、２８……脚。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 震動聴音機に使用され、慣性質量構造体を固
   定基準剛体支持構造体から懸垂するスプリングで
   あつて、 外方リング部材と、 内方リング部材と、 該外方リング部材と該内方リング部材とを連結
   し、断面が矩形であり、実質的に直線状であつて
   弓形形状ではないセグメントを有する複数の脚部
   材と、 からなることを特徴とするスプリング。 ２ 該外方リング部材と該内方リング部材とを連
   結する脚部材は３つである特許請求の範囲第１項
   記載のスプリング。 ３ 該脚部材は、スプリングのスプリアス共振と
   スプリングの固有周波数との比を実質的に30対１
   とするため、長さを短くされた脚部材である特許
   請求の範囲第１項記載のスプリング。 ４ 各々の該脚部材は、 実質的に直線状であつて弓形形状ではない中央
   セグメントと、 該実質的に直線状であつて弓形形状ではない中
   央セグメントを該外方リング部材に連結している
   外方セグメントと、 該内方リング部材の中心を通る軸線に沿つた垂
   直方向への、該外方リング部材に対する該内方リ
   ングの運きが、該脚部材の該実質的に直線状であ
   つて弓形形状ではない中央セグメントを、該脚部
   材の該外方セグメントの周りで実質的に旋回せし
   めるようにし、旦つそれによつて、該脚部材の該
   実質的に直線状であつて弓形形状でない中央セグ
   メントを、該脚部材に作用する横方向の曲げの力
   が減少するよう横方向に移動せしめるように、該
   実質的に直線状であつて弓形形状でない中央セグ
   メントを該内方リング部材に連結している内方セ
   グメントと からなる特許請求の範囲第１〜３項のいずれか１
   つの項に記載のスプリング。 ５ コイル形状の慣性質量構造体を、磁石組立体
   より成る固体基準剛体支持構造体から懸垂するた
   めに震動聴音機に使用する特許請求の範囲第１〜
   ４項のいずれか１つの項に記載のスプリング。