JPH0718928B2 - ジオホンスプリング - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、一般的にジオホン（地中聴音機）に関し、さ
らに詳細には、ジオホンまたは地震計用の懸垂スプリン
グに関す。

（従来の技術） ジオホンは、慣性参照質量を頑丈な固定された支持構造
から吊るすことによつて、動きを感知する装置である。
典型的には、慣性参照質量（以下、質量と言う。）は、
磁場の中にスプリングによつて懸垂されたコイルホーム
であり、それぞれ１本のスプリングが、コイルホームの
各々の端に取り付けられる。スプリングは、コイルホー
ムが、磁場の中で、横方向にその軸線に沿つて中央に寄
せられるように、磁場の中にコイルホームを位置決めす
る。スプリングは、また、予め決められた共鳴周波数を
持つた懸垂システムを形成する。

地震が起きると、地震の波動が、地球の表面または表面
に近い処で、地球の地殻の中に伝えられ、それらの地震
波の一部は、表面層の境界で反射されるかあるいは屈折
される。ジオホンは、地球の表面に配列または集団にし
て配置される。反射波または屈折波がジオホンに衝突す
るとき、２本のスプリングの間に懸垂されたコイルホー
ムは、静止したままでいる傾向を持つが、一方、ジオホ
ンのハウジング及びそれに連結された磁性の回路は、地
球の表面と一緒に動く。磁場を通り抜けるコイルホーム
の運動が、電圧を、ジオホンの出力端に発生させる。配
列されたジオホンの出力端が、解析を可能にした形式で
記録される。熟練した解析者は、解析から、地球の表面
の下の層群の形状を識別し、また、油及びガスのような
鉱物の蓄積物の発見の可能性を識別する。

現在のジオホンにおいては、スパイダースプリングが、
広範囲に使用される。そのようなスプリングは、普通、
スプリング材料のデイスクからできていて、多数のレエ
グによつて連結された内側リング及び外側リングを持
つ。レエグは、予め決められた模様に従つてスプリング
材料のデイスクを食刻または刻印することによつて形成
される。一般的に、そのようなレエグは、３本使用さ
れ、そして３本のレエグが付いた装置が、一般的に、最
も便利であると考えられている。

ジオホンスプリングのレエグは、矩形の断面形状を持
ち、スプリングの内側リング接合点と外側リング接合点
との間で、その長さに沿つて湾曲される。食刻のあと、
スプリング、公知の技術によつて、「前成形」される。
前成形が完全であると、内側リングは、外側リングに関
してオフセツト、すなわち、位置をずらされ、それによ
つて、質量が、そのような２本のスプリングの間で懸垂
されたとき、各スプリングの内側リング、レエグ及び外
側リングは、同じ平面の中に横たわる。

ジオホンは、ジオホンハウジングに関するコイルホーム
の運動の軸に対しておおまかに平行な方向から、動きを
感知するように意企されている。それ故に、ジオホンの
中の懸垂されたコイルホームの運動の軸に平行ではない
力に答えるコイルホームのすべての横方向の動きの影響
を、除去または最小にすることが好ましい。

地震が起きると、ジオホンの軸線と正確には平行ではな
い衝撃、すなわち、スプリアス周波数の周波数成分或は
それに非常に近い周波数成分を含んでいる衝撃が、ジオ
ホンのコイルの中に希望されない又は偽りの起電力を発
生させる。その高い周波数のために、運動は、衝撃を引
き起こした力が静まつたあと、しばらく続く。この共鳴
は、ジオホンにおける主なスプリアスの周波数であると
考えられている。また、この共鳴は、ジオホンの上側の
明瞭なバンド幅を制限するので、非常に好ましくない。

所定の形式のジオホンのためのコイルホームの形状寸法
及び質量が、製造上の制限の中で一定であるかぎり、ス
プリアス共鳴もまた一定である。それ故に、スプアリス
共鳴の周波数は、懸垂スプリングの形状寸法を変更する
ことによつて、高くされることも低くされることもでき
る。この特性は、これら偽の信号が、スプリングの横方
向の剛性を増すことによつて、ジオホンの好ましい周波
数の範囲を越えるまで、これらの偽の信号の周波数を高
くするために、使用されて来た。この接近方法によれ
ば、これら偽の信号は、関心のある信号を邪魔したり改
悪したりしない。スプリングの剛性を増大させる普通の
方法は、スプリングのレエグの長さを短くすることであ
る。不運にも、スプリングの非線形性によつて引き起こ
された信号の歪みは、レエグが比較的に短いとき、増加
する。そして、スプリングの寿命は短かくなる。

アメリカ特許第4323994号には、そのレエグが真直ぐな
部分を持つているジオホンスプリングが、開示される。
アメリカ特許第4458344号には、レエグが最も大きい量
の屈曲歪を受ける部分においてレエグの幅を広くするこ
とにより、屈曲歪が各々のレエグの全長にわたつて均等
になるようにしたジオホンスプリングが、開示される。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、ジオホンスプリングの線形の応答をなお維持
しながら、非常に高いスプリアス共鳴周波数を得ること
によつて、ジオホンスプリングの構造をさらに改良しよ
うとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、磁界の中にコイルを懸垂してジオホンに使用
されるために、１枚のデイスクから形成され、外側リン
グ５、内側リング６、及び、おのおの外側リング５との
接合点10から内側リング６との接合点11まで延びる３本
のレエグ７からなり、各レエグ７が、予め決められた模
様に前記デイスクの部分を取り除くことによつて形成さ
れるようにしたジオスプリング４において、各レエグ７
は、ジオスプリング４が平らな時に円弧の形に形成され
た内縁を持ち、前記円弧の半径が、ジオホンスプリング
４の中心９から、内側リング６とレエグ７との接合点11
における内側リング６の内縁までの距離の少なくとも1.
25倍であること、ジオホンスプリング４の中心９から各
レエグ７の内縁までの距離が、各レエグ７と外側リング
５との接合点10から各レエグ７の中央12まで連続的に減
少すること、及び、各レエグ７は、接合点10、11の巾が
中央12の巾より広いことを特徴としたジオホンスプリン
グを提供するものである。

本発明は、ジオホンスプリングの線形の応答に対して有
害な影響なしに、ジオホンスプリングのスプリアス共鳴
周波数対自然周波数の比率の非常な改良を達成する。こ
れは、ジオホンスプリングにおいて作用する主要な非線
形の力を分離する解析によつて、一部分成し遂げられ
た。かくして、その非線形の力を阻止しながら、同時
に、ジオホンスプリングのスプリアス共鳴周波数対自然
周波数の高い比率を持つために、ジオホンスプリングの
横方向の剛性を大きくするための構造が、設計された。

非線形の力を阻止するために、各レエグの幅は、その端
部のどちらか一方におけるよりも中央部において狭くな
るように、中細りにされる。この中細りは、レエグに作
用する非線形の力によつて引き起こされた信号のゆがみ
を小さくする。この中細りは、また、各レエグの内側及
び外側のリングとの接合点に見られることができる破壊
応力を小さくする。非線形の力は、また、レエグをでき
るだけ長くすることによつて小さくされている。

横方向の剛性を改良するために、各レエグは、できるだ
け小さい湾曲を与えられ、本発明が適用される特別のジ
オホンの構造を考慮して、できるだけ真直ぐにされる。
かくして、各レエグは、ジオホンスプリングが平らな時
に円弧の形に形成された内縁を持ち、円弧の半径は、ジ
オホンスプリングの中心から、レエグが内側リングと交
わる接合点における内側リングの内縁までの距離の少な
くとも1.25倍である。

本発明のジオホンスプリングは、以前に使用された結果
として起きるジオホンスプリングのスプリアス周波数
が、自然周波数より少なくとも40倍になるというほど
に、増大された横方向剛性を持つという利点がある。高
い周波数側における利用可能な明瞭なバンド幅のこの増
大が、ジオホンスプリングの直線性を妥協することな
く、達成される。

本発明は、添付図面を参照して、以下に詳述される。

第１図に言及すると、３本のレエグ３によつて連結され
た外側リング１及び内側リング２からなる典型的な先行
技術のジオホンスプリングが、示される。第１図に見る
ことができるように、先行技術のジオホンスプリングの
レエグ３は、過度の湾曲を示す。もし、横方向湾曲の能
力が大きいならば、そのときは、湾曲したビームが実質
的に真直ぐなビームよりも容易に曲がることは、容易に
考えられる。それ故に、湾曲したビームは、横方向の追
従性を増大し、見せかけの周波数を減少する。このこと
は、希望されない。

ジオホンスプリングは、ベリリウム銅合金のようなスプ
リング材料から、適当な工程、例えば、スプリング形状
の圧断、適当な材料の薄いデイスクの採用及びレエグと
リングとの間のスロツトの食刻、その他、によつて形成
されることができる。ジオホンスプリングは、それか
ら、レエグ３が、内側リング２からの上向きの曲がりと
外側リング１からの下向きの曲がりとに永久的に固定さ
れるように、前成形される。すなわち、外側リング１
は、内側リング２の平面の上方に位置をずらされる。

ジオホンスプリングが、ジオホンの中に装備されたと
き、ジオホンスプリングによつて懸垂された質量は、外
側リングを、内側リングの平面に向けて後ろ下方に押さ
うとする。外側リングが、下方に押されたとき、内側リ
ング及び外側リングは、外側リングの下向きの位置移動
を可能にするため、お互いに関して少し回転しなければ
ならない。この回転が、内側及び外側のリングと各レエ
グとの間の角度 関係を変える。

質量の下向きの力は、主として、ジオホンスプリングに
おける復元力によつて影響を及ぼされる。復元力Ａは、
レエグが外側リングの降下に反対して及ぼす力である。
第３図に示されているように、復元力Ａは、外側リング
の下向きの位置移動Ｄに関して、Ｏによつて指摘される
ジオホンスプリングの扁平な位置の回りの限られた距離
の中で、線形である。

第２（ａ）図は、質量が外側リング１に下向きの圧力を
及ぼす以前に上から見た時の、前成形されたジオホンス
プリングの外側リング１、レエグ３及び内側リング２の
平面的な関係を示す略図である。

第２（ｂ）図は、質量が外側リング１に下向きの力を及
ぼしたときに起きる変化を示す。質量が懸垂される前の
角度αは、質量が懸垂された後の角度α′より小さい。
これに比べて、懸垂前の角度βは、懸垂後の角度β′よ
り大きい。

復元力Ｂは、レエグが、内側及び外側のリングとの角度
関係を、質量が外側のリングの下向きの位置移動を引き
起こした時より前に存在した関係と同じ関係に、戻そう
として及ぼす力である。復元力Ｂは、外側リングの下向
きの位置移動力に関して、非線形である。第４図は、こ
の非直線性の復元力Ｂを示す。

第５図は、復元力Ａ及びＢの組み合わせである合力Ｃを
示す。力Ａと力Ｂとの組み合わせである合力Ｃは、ジオ
ホンスプリングの扁平な位置Ｏの上方または下方に向け
た短い距離の位置移動に対しては、実質的に線形であ
る。力Ｂの強さまたは振幅は、距離Ｘと、それ故に、合
力Ｃの線形性とを決定する。距離Ｘが、長ければ長いほ
ど、ジオホンは、それだけ大きい地球表面の運動の振幅
を、伝達することができ、また、かくして、それだけ大
きいジオホンの動的範囲を伝達することができる。

本発明によれば、横方向の曲がりを制限するために、レ
エグは、実質的に真直ぐに、あるいは、もし弓形である
ならば、ジオホンの構造を考慮に入れて、できるだけま
っ直ぐに設計される。

（実施例） 第６図に、好ましいジオホンスプリングの形状が、平面
図で示される。ジオホンスプリング４は、８本のレエグ
７によつて内側リング６に連結された外側リング５を含
む。ジオホンスプリング４のこれらの部分は、適当な手
段、例えば食刻によつて、指定された部分８をデイスク
から取り除くことによつて形成される。レエグ７は、各
々、外側リング５との接合点10から内側リング６との接
合点11まで延びながら、ジオホンスプリング４の中心９
の回りに曲げられる。３本のレエグ７は、実質的に長さ
が等しく、実質的にお互いに等距離に配置される。

力Ｂの影響を小さくするために、各レエグ７は、その幅
が、各接合点10及び11から各レエグ７の中央12まで幾ら
か中細りになり、そのために、接合点10及び11の巾が中
央12の巾よりよりも広い。中細りの量によつて、レエグ
７は、横方向に曲げられることができる。レエグ７の横
方向の湾曲は、非線形の復元力Ｂの若干を吸収し、かく
して、ジオホンの出力信号の非線形性を減少する。

第６図に言及すると、ジオホンスプリングは、ジオホン
スプリングが前成形される前、すなわち扁平であつたと
きに、各レエグ７の内縁が円弧の形に形成されており、
また、この円弧の半径は、ジオホンスプリング４の中心
９から、接合点11におけるレエグ７の内縁までの距離の
少なくとも1.25倍であるように、作られている。

非線形の復元力Ｂは、また、別の方法によつて小さくさ
れる。第７図に示す前成形されたジオホンスプリングに
言及すると、長いレエグ７が、等しい量の前成形に対し
て、外側リング５及び内側リング６の平面と小さい角度
を挟んで対する。外側リング５及び内側リング６とレエ
グ７との間の角度関係が小さければ小さい程、力Ｂの大
きさは小さい。それ故に、ジオホンスプリングが成形さ
れるべきデイスクの特定の寸法が、与えられると、レエ
グ７は、力Ｂを小さくするために、できるだけ長く造ら
れている。

本発明についての前述の記載は、主要な部分において、
特許法の必要条件に従い、また説明及び図示の目的によ
る特に好ましい具体例に向けられた。しかしながら、多
くの修正及び変更が、本発明の範囲及び精神から離れる
ことなく実施できることは、この技術における熟練者に
とつて明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、先行技術のジオホンスプリングを示す平面図
であり、第2a図及び第2b図は、ジオホンスプリングの一
部を示す略図の平面図である。第３図は、ジオホンスプ
リングにおける主要の線形の復元力を示す線図であり、
第４図は、ジオホンスプリングにおける主要な非線形の
復元力を示す線図であり、第５図は、線形の復元力と非
線形の復元力との合力を示す線図である。第６図は、本
発明のジオホンスプリングの平面図であり、第７図は、
前成形された状態における第６図のジオホンスプリング
を示す斜視図である。 １……外側リング ２……内側リング ３……レエグ ４……ジオホンスプリング ５……外側リング ６……内側リング ７……レエグ ９……中心 10……接合点 11……接合点

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁界の中にコイルを懸垂してジオホンに使
   用されるために、１枚のデイスクから形成され、外側リ
   ング５、内側リング６、及び、おのおの外側リング５と
   の接合点10から内側リング６との接合点11まで延びる３
   本のレエグ７からなり、各レエグ７が、予め決められた
   模様に前記デイスクの部分を取り除くことによつて形成
   されるようにしたジオスプリング４において、各レエグ
   ７は、ジオスプリング４が平らな時に円弧の形に形成さ
   れた内縁を持ち、前記円弧の半径が、ジオホンスプリン
   グ４の中心９から、内側リング６とレエグ７との接合点
   11における内側リング６の内縁までの距離の少なくとも
   1.25倍であること、ジオホンスプリング４の中心９から
   各レエグ７の内縁までの距離が、各レエグ７と外側リン
   グ５との接合点10から各レエグ７の中央12まで連続的に
   減少すること、及び、各レエグ７は、接合点10、11の巾
   が中央12の巾より広いことを特徴としたジオホンスプリ
   ング。