JP4391417B2 - 地震が生成したｐ波を検出し、応答制御信号を生成するセンサ装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は、差し迫った地震を検出する装置と方法を対象とし、より詳細には、一般の地震振動と、地震の前兆として識別することができる振動とを区別する改良型の検出器と方法を対象とする。

毎年、世界中の地震を原因として数千人の生命が失われ、直接的に、また付随する被害の余波から間接的に、数十億ドルの構造物が被害を受けている。地震事象及びそれによって引き起こされる関連する被害や損失は、近年、頻度と大きさの点で増大している。例えば、サンフランシスコ湾岸地域の各部を破壊した１９８９年のロマプリータ地震では、被害の多くは、地震に襲われた後のシステム障害によって引き起こされた。実際の地震による直接的な被害と併せて、ほんの一例であるが、ガス管の破壊とそれに続くガス火災、電気火災、さらには貯水施設が利用できなかったことの結果としてかなりの資産が失われた。多くの場合、緊急車両は、建築物への構造的被害の結果、車庫のドアや門が壊れ、その後ろで動けなくなったために、こうした危機に対応することができなかった。

地震のマグニチュードはＲｉｃｈｔｅｒスケール値によって測定される。Ｒｉｃｈｔｅｒスケールは、Ｃｈａｒｌｅｓ Ｆ．Ｒｉｃｈｅｒによって１９３５年に発表され、地震マグニチュードを定量化する数値的尺度である。地震マグニチュードは通常、局所的マグニチュードを指すが、より大規模な地震では、しばしば表面波マグニチュードを指す（現在では、大規模な地震には一般にモーメント・マグニチュードが割り当てられる。モーメント・マグニチュードは同様にスケーリングされるが、地震モーメントに基づき、地震のエネルギーのより良好な尺度である）。Ｒｉｃｈｅｒスケールは対数関数であるので、非常に小さい地震（微小地震）は負のマグニチュードを有することがある。このスケールは理論的には上限を有さないが、地殻中の材料の強度が与えられた場合の実際の上限は、局所的マグニチュード又は表面波マグニチュードでは９よりわずかに小さい（モーメント・マグニチュードでは１０よりわずかに小さい）。

地震が発生したとき、Ｐ（縦）波、Ｓ（せん断）波、Ｒ（レイリー）波という３組の波が震源から発生することが知られている（Ｓ波、せん断バルク波に加えて、せん断表面波であるラブ波も存在する。ラブ波の速度はＳ波とＲ波の中間である）。Ｐ波は非破壊的であり、人間には知覚できないが、主に、破壊的なＳ波及びＲ波よりも高速に伝わる上下動波である。より具体的には、Ｐ波は圧縮実体波であり、粒子動きは波の伝播方向に平行である。その速度は、地殻では５．５から７．２ｋｍ／秒であり、上部マントルでは７．８から８．５ｋｍ／秒である。Ｐ波はＳ波よりも約２倍高速に伝わるので、より早く到着する。地震の震源からの距離が長くなるほど、Ｐ波とＳ波の到着の時間差が大きくなる。例えば、北アメリカの西岸では、Ｐ波の移動速度は毎秒約６．２マイル（１０．０ｋｍ）である。したがって、地震が深さ約１０マイル（１６ｋｍ）で発生し、震央が検出器から約５０マイル（８０．５ｋｍ）の距離にあった場合、８秒間の警報が可能となる。もちろん、地震がかなり深く、マグニチュードの点で大きく、離れている場合、警報時間がさらに長くなる。震源からの距離に応じて、１から２５秒程度の典型的警報が可能である。

一般的に言えば、Ｐ波は約５ヘルツ（Ｈｚ）の固有振動数を有し、Ｓ波はＰ波よりもかなり低い振動数を有する。Ｓ波はＰ波よりもかなり振幅が大きく、したがって建造物の破壊に主に関係する波である。上記で示したように、Ｐ波は通常、Ｓ波と比較して震源から所与の場所により高速に伝わる。したがって、Ｐ波の検出により、震央から離れた所与の位置で、Ｓ波の差し迫った到来を前もって警報することができる。

地震検出での主な困難の１つは、タイルＰ波を検出することに伴う時間因子に関するものである。理解するであろうが、Ｐ波を可能な限り早く検出することができれば、上記で示したように、地層によって伝わる主要な破壊波であるＳ波の到来によって引き起こされる潜在的な人間の負傷を回避するために、建築物又はエリアからの避難などのための時間が得られる。

Ｐ波（非破壊的縦地震波）を検出することによって破壊的地震の事前の警報を与えるデバイスとシステムが、「Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｎｇ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」という名称の米国特許第５７６０６９６号と、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｉｍｐｅｎｄｉｎｇ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ」という名称の米国特許第６３５６２０４号で開示されている。高性能検知技術に基づいて、こうしたデバイスはアラームを鳴らすことができ、かつ／又は自動システム応答（ＡＳＲ）を活動化することができ、それによって生命の損失及び財産の被害を最小限に抑える。

この従来技術はまた、Ｐ波を、その後に続くＳ波の前兆として測定する様々な検出器及び他の構成を含む。しかし、既存の構成を使用すると、高いコストを招くことなく地震の震央から離れたところでＰ波を検出することは困難であった。別の問題は、無関係の局所的振動又はその他の振動数による計器での干渉のために、実際の地震から偽アラームを分けることが困難なことが多い。Ｐ波と、地震に無関係の通常の日常的な地面や建築物の微動とを区別することができる検出器を提供することが望ましい。具体的には、建物に取り付けられた検出器は、建築物の関数である建築物の固有振動数と、Ｐ波を示す振動数とを区別することができるべきである。このことは、振動データを格納し、頻繁に生じる振動数とＰ波の範囲内の定期的には発生しない振動数とを区別するようにプログラムされた情報処理装置によって実施することができる。

この分野で特許された当技術分野の典型は、Ｗｉｎｄｉｓｃｈの米国特許第４６８９９９７号である。この参考文献は、サポートに取り付けられた垂直ばねバーブ（barb）を主に利用する検出器を提供している。カップラがバーブの他端で支持され、このカップラは、コイルばねを介してバーブ及びカップラと同心に配置された重りに接続される。スプリング構成部品及び重り構成部品は、検出すべき微震及び他の振動の振動数に対応する固有共振振動数を有するように選択される。地震振動数を検出するとアラームを爆発的に引き起こすスイッチング回路が設けられる。Ｗｉｎｄｉｓｃｈは、微震を検出する集積回路機構を提供しておらず、ばね／重りシステムの形の機械的構成を利用している。周知のように、このようなシステムは、装置が地震振動数を検出することができる地点を変更する可能性がある温度変動の影響を受けやすく、しばしばデリケートであり、したがって大きな容量内に設置することが困難であり、又は費用がかかる。さらに、Ｗｉｎｄｉｓｃｈの構成は、単純な無関係の振動と地震カリバ振動数とを区別するシステムを提供するようには思われない。

Ｃａｉｌｌａｔ等は、米国特許第５１０１１９５で識別型地震検出器を提供している。この構成は、一端に所定の重りを有するカンチレバー・デバイスを有する電気機械的組合せを利用する。ビームの動き中、Ｐ波とＳ波の検出に有用な電気信号が生成される。従来技術の前述の検出器と同様に、この参考文献で提供される構成は、地震カリバ波と、交通振動、建築物の機械的振動、航空機振動などの結果として生じる単なる無関係の振動との比較が行われないという点で実用性が限られている。

１９９１年３月１９日にＯｒｌｉｎｓｋｙ等に発行された米国特許第５００１４６６号は、その他の変形態様の中でもとりわけ、導電性液体スイッチ手段を利用する地震検出器を提供している。

しかし、Ｐ波を正確に測定し、様々なタイプのアナンシエータ及びアクチュエータを駆動するのに使用することができる信号を生成するのに、非常に正確で比較的安価な検出器が依然として必要である。

簡潔には、本発明の現在のところ好ましい実施態様は、カンチレバー・モードで慣性監視デバイスとして機能する１から３個の直交するように配置されたミニチュア圧電センサが取り付けられたプリント回路板と、圧電センサによって生成された出力を増幅し、フィルタリングする複数の増幅／フィルタリング回路と、増幅信号に応答して、光学的及び可聴的アナンシエータ及びデバイス駆動システムを駆動するのに使用することができる出力信号を生成するように動作する中央演算処理装置とを含む。センサは、金属化層間に挟まれた薄い圧電フィルムによって形成され、ＰＣボードに一方の縁が取り付けられた小型のポリエステルの矩形シートによって担持される。小さい重りをカンチレバーの端部付近に取り付け、システムの慣性検知能力を向上させている。

本発明の利点はとりわけ、ほとんど電力を消費しない小型検出器を含むことである。

本発明の別の利点は、複数の場所に妥当な費用で配置することができる比較的低コストのセンサを提供することである。

本発明のさらに別の利点は、地震に関係する縦波（Ｐ波）動きの非常に正確な検出を実現し、差し迫った地震到来の通知専用のシステムの一部として、遠隔地に送信することができる出力を生成することである。

本発明の上記及びその他の目的は、図面のいくつかの図に示した好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後に当業者には明らかとなるであろう。

図１では、本発明による検出器アセンブリが１０で示されている。この検出器アセンブリは、Ｘ・Ｙ水平軸、Ｚ垂直軸に沿う方向又はそれらの任意の組合せを含む空間内の任意の方向の、デバイスの地震に関係した縦波（Ｐ波）動きに関して、カンチレバー・モードで慣性監視装置としてそれぞれ機能する１から３個の柔軟な薄膜圧電センサ要素を含む。複数のセンサ要素が単一センサ・モジュールの構成要素として使用される場合、いくつかの要素の受感軸が互いに直交するように配置され、かつ、各要素の支持は、単一プリント回路板への取付けにより共にしっかりと固定されるか、又は同一の物理的構造（すなわち荷重支持壁）に取り付けられた単一取付けセンサをそれぞれ有する別々のプリント回路板により共にしっかりと固定され、それによってユニットとして動き、地震の動き検出の２つ又は３つの別々の軸を提供する。

図１に示すように、検出器アセンブリは、ボードに固定された様々なデバイス構成要素間で電気信号を導通する複数の信号トレース１４が形成された主プリント回路（ＰＣ）板１２を含む。矢先が２つある矢印２２、２４、２６で示す、直交する３つの方向Ｘ、Ｙ、Ｚの動きを検知するようにそれぞれ向けられる圧電センサ・サブアセンブリ１６、１８、２０がボード上に取り付けられている。サブアセンブリ１６はボード１２に直接取り付けられるが、サブアセンブリ１８、２０は２次ボード３０、２８に取り付けられる。２次ボード３０、２８は主ボード１２に固定され、はんだ付け又は適切な機械的相互接続によってトレース１４にオーミック接続される、３２で示すような信号トレースを同様に有することに留意されたい。

センサ・サブアセンブリ１６、１８、２０内にはそれぞれ、カンチレバー式に支持するとともに、アセンブリが取り付けられるボードに関連するセンサ要素を電気的に接続するように、関連するボードに取り付けた一対のコネクタ・ピン３６を有する薄膜カンチレバー式圧電センサ要素３４がある。本発明によれば、各センサ要素に含まれる圧電薄膜は、厚さ約２８μｍ、長さ約１６ｍｍ、幅１２ｍｍであり、以下でより詳細に説明する積層センサの能動部分を形成する。こうした寸法と使用する材料の種類の厳密な値に重要性はそれほどない。すなわち、Ｐ波動き対信号応答を当該の振動数帯内で可能な限りフラットに保ち、かつ（センサ材料の弾性特性によって引き起こされる）信号リンギングを検出帯内で最小に保つと共に、感度を最大にする（すなわちＳＮ比を増大させる）ために小さい重りと組み合わされたときに生じる因子の平衡や相互作用ほどには重要でない。本明細書で説明するのと同様の市販のセンサ要素は、ペンシルバニア州ノリスタウンのＭｅａｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ， Ｉｎｃ．によって作成されるＬＤＴＭ型センサ、及びより新型のＬＤＴＣ型センサを含む。本発明によれば、一定の小さい重り３８がカンチレバー装着センサ要素の端部付近に取り付けられ、装置の加速度すなわち慣性の検知能力が向上する。センサ構造自体のより一層の詳細を、本明細書の以下の部分で論じる。各圧電センサは小型の気密プラスチック・ハウジングに封入されることに留意されたい。この小型の気密プラスチック・ハウジングは、地震の動きを検知するのに必要な動きを可能にすると共に、普通なら実際の地震関係の動き読取り値に悪影響を与え、それに干渉する可能性のある信号ノイズを生成する可能性のある気温と低強度気動変動の両方からセンサを分離する。

圧電センサによって生成される電気出力信号を信号トレース１４を介して受け取る複数のバッファ増幅器４０と、アナログ低域フィルタ及び高域フィルタを含む複数の増幅器／フィルタ・ユニット４２もボード１２に取り付けられる。ユニット４２から出力される信号は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）４４に入力され、中央演算処理装置（ＣＰＵ）４４は信号を処理し、適切な振幅のＰ波を検知した場合、可聴アナンシエータ４６、又は視覚アナンシエータ４８、及び／又は１つ又は複数の外部アクチュエータをライン５０を介して駆動する出力信号を生成する。センサ及び信号処理アセンブリは、破線５２で示すように、ボード１２に固定された適切なハウジング内に含まれる。

次に図面の図２を参照すると、図１の３４に示すタイプの圧電センサの詳細が示されている。上記で示唆したように、センサは、金属化（コンプライアント銀インク又はスパッタリングしたニッケル銅合金）層６２、６４の間に挟まれた圧電材料の薄膜６０（通常は厚さ２８μｍ又は５２μｍ）から構成される。こうした３つの層が、絶縁プラスチック（ウレタン）被覆６６、６８の間に配置される。センサは非常に柔軟であるので、曲げモードで使用するように意図されるとき、圧電薄膜を含むこれらのいくつかの材料の層を何らかのタイプの補強材に固定しなければならない。したがって、このいくつかの層が、長さ約２５ｍｍ及び約幅１６ｍｍである０．００２５インチ（１２５μｍ）ポリエステル・シート又は層６９に貼り合わされる。この層により、カンチレバー式構造が強化され、その結果、静止時には、柔軟な積層センサは、支持ピン６５、６７の部分によって決定される平面内にある。また圧電薄膜がこのとき、曲げひずみを受けることに加えて新しい積層板の中立軸からずらして配置されるので、また、薄膜は積層板が変形するときにわずかな伸びと圧縮も受け、したがって圧電材料がポリエステル層６９に貼り合わされない場合に耐える単純な曲げひずみを受ける薄膜と比べてずっと高い電圧出力を発生させる。下側の金属化層６２が延長部６３を含み、上側の金属化層６４が延長部６１を含むことに留意されたい。積層延長部６１、６３を通すように打ち込まれ、圧着されるソルダ・タブ７０を有するコネクタ・ピン６５、６７によって金属化層６２、６４への電気的接続が行われる。ピンと金属化層との間の良好なオーム接続を保証するために、通常は圧着後タブにはんだが加えられる。センサの反対側では、一対の円筒形の１．２ｇおもり７２が、それぞれ、積層板を通る単一の０．１ｇｍリベット７４によって積層板の頂部と底部に固定される。組み合わせたおもりの質量中心は、積層板の突合せ端７６から約２１ｍｍのところに位置する。

したがって、ボードへのピン６５〜６７の硬い取付部材によってＰＣボードに取り付けられたセンサ・アセンブリによれば、リベット７４の軸方向（すなわち積層板の平面に垂直な方向）のボードの動きによってカンチレバー式積層板が曲げられ、それによって圧電材料に圧力がかかり、ピン６５〜６７の両端間に、誘導されたひずみに比例する電位が発生することを理解されよう。

図面の図３では、図１に示す３つの軸の１つに沿う動きに応答するセンサ回路を示す単純化した概略図が提示されている。微量の（ピコクーロンの範囲の）電荷と、圧電センサの屈曲によって生成され電圧に変換される非常に小さい（マイクロアンペアの）電流により、回路の検知部分は、少なくとも１００メグオームの非常に高い入力インピーダンスを有する増幅器／バッファと、非常に高い値のバイアス抵抗器の使用を必要とする。前述のように、本発明は、極めて高いインピーダンスの演算増幅器への入力と直列の柔軟な圧電センサと、グランドに接続された非常に大きい抵抗を使用する。圧電センサ自体は、抵抗器と共に、アナログ高域（〜０．５Ｈｚ以上）フィルタとして働き、コーナ振動数（−３ｄＢ地点）が、可能な地震縦波振動数の下限（約０．５Ｈｚ）となる。

図３の概略的回路では、１０メグオームを越える抵抗値を有する非常に高い値のバイアス抵抗器Ｒ１の両端間に接続されたＸセンサ１６が示されている。センサから抵抗器を通じて流れる電流は、増幅器／バッファ４０に入力する比例電圧を供給する。次いで、４１で発生する出力信号がさらに増幅され、アナログ低域（０〜１５Ｈｚ）及び高域（〜０．５Ｈｚ以上）フィルタ４２を使用してフィルタされ、次いで４３でＣＰＵ３４の３つの入力端子の１つに入力され、ＣＰＵ３４で、以下で説明するようにリアル・タイムにサンプリング及び処理される。

ＣＰＵ４４は単極性電源を使用するが、動きセンサからの入力を交流（ＡＣ）リアル・タイム信号として読み取る。測定を可能な限り正確に行い、また入力範囲にわたって分解能を最大にするため、ＣＰＵは、長期間にわたって検出器入力を監視する。このデータより、ＣＰＵは、入力信号の動かない部分から何らかの動きを分離し、平均信号値を計算し、後の検出器読取りのためにそれをリアル・タイム更新ＡＣ零点オフセットとして設定する。この零点は、経時的に、温度変動、電池電圧降下などの非常に低い振動数電圧オフセット変動を補償するようにリアル・タイムに更新される。

押ボタン、コンピュータ・ソフトウェア・インターフェース、及び／又はリモート・プログラミング手段などの単純な手段が入力のために４５で設けられ、調節可能地表加速度及びパワー・スペクトル密度出力トリガ・レベル、及び差し迫った地震の存在（又は不存在）を判定するのにシステムによって使用される判定内部デジタル信号処理フィルタ値の変更が可能となる。この入力により、（ａ）製造業者試験中にデバイスの厳密なチューニングが可能となり、（ｂ）顧客の要求及び／又は様々な地理的位置及び地震帯に対処するようにトリガリング・レベルのカスタマイズが容易になる。

普通ならＣＰＵの内部アナログ−デジタル変換器分解能に影響を及ぼすことになる経時的な電池電圧降下とは無関係に信号振幅精度を維持するために、デバイスは電圧基準を必要とする。好ましい実施形態のＣＰＵは、赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）５４を安価な電圧基準として使用するが、その他のより標準化された電圧基準を代用することもできる。基準の値は、使用するダイオードのタイプ／色に依存する。この場合、標準赤色ダイオードは基準電圧約１．５Ｖを供給する。この基準電圧がＣＰＵのアナログ−デジタル入力を較正するのに使用される。また、ＬＥＤは回路に対する視覚的「ＯＮ標識」としても働き、ユニットの感度を設定するためのプログラミング・フィードバック・ソースとしても働く。回路は、ＬＥＤ５４と直列の抵抗器Ｒ２と、ＬＥＤ５４と並列の小型コンデンサＣとを含む。ＬＥＤに電力を供給したとき、コンデンサＣはＬＥＤの固有電圧降下まで充電される。次いでＣＰＵ出力が、非常に短い期間（すなわち、コンデンサの両端間の電圧が放電することができるまで）入力にフリップされ、ＬＥＤ／コンデンサ対の両端間の電圧から基準測定が行われる。この固定電圧基準は、普通ならＣＰＵの内部アナログ−デジタル変換器分解能に影響を及ぼすことになる経時的な電池電圧降下とは無関係に信号振幅精度を維持するのに必要である。

次に図４を参照する。図４は、システムがパワーアップされ、システム・ソフトウェアがブートされ、常駐することを許可され、着信する増幅され部分的にフィルタされた信号に対してリアル・タイム・デジタル信号処理が実施された後の、各直交チャネルに対してＣＰＵによって実行される様々な処理ステップを示す流れ図である。上記で指摘したように、この処理は、８０で示す自動リアル・タイム・オフセット零点設定と、複数次の低域デジタル・フィルタリング（８２）と、数秒前の着信読取り値の進行和を維持し、数秒の無信号活動の後に和を０に減らすデジタル積分（８４）とを含む。リアル・タイム自動オフセット零点設定は、継続的に長期間（＞１０秒）にわたって信号を平均し、進行平均を零点に取ることによって実施される。

次いで、８６で示すように、デジタル処理された信号が２つの異なるモード（又はその２つの組合せ）でリアル・タイムに試験され、地震Ｐ波が検知されたかどうかが確認される。第１モードは、地表加速度（すなわち着信信号）がソフトウェア・プログラムによって設定可能な所定のレベルより上に上昇したかどうかを判定する。第２モードは、短い時間ウィンドウ（例えば数秒）内の着信処理信号のパワー・スペクトル密度（ＰＳＤ）が、ソフトウェアにより選択可能な所与のトリガ値より上に上昇するかどうかを判定する。

着信処理信号のパワー・スペクトル密度（ＰＳＤ）が、選択した時間ウィンドウ内で、事前選択されるが容易に再プログラム可能なトリガ値より上に上昇した場合、又は地表加速度（ＧＡ）が所定であるが容易に再プログラム可能なレベルより上に上昇した場合、又はＰＳＤとＧＡのその他の何らかの組合せが、システムのリアル・タイム地震活動計算アルゴリズムで決定される、Ｐ波の存在を示す所定のレベルに達する場合、８８で示すように、出力が生成されて、視覚アラーム（ＬＥＤ）、音声アラームが活動化され、かつ／又は他の適切なデバイスが制御される。

一方、選択した時間ウィンドウ内で、地表加速度レベルが所定のレベルより上に上昇せず、着信処理信号のパワー・スペクトル密度値及び／又はＧＡとＰＳＤの組合せが事前選択したトリガ・レベルより上に上昇しない場合、出力は生成されず、線９２で示すように、システムはリセットされ、処理シーケンスは現在着信する信号に対して再始動する。

この組合せ式Ｐ波検出方法は、世界中のより広い様々な地理的領域（特に非常に低振動数の低振幅のＰ波を有する地帯）で様々なタイプの地震を感知することに関して、以前の方法よりもずっと良好である。さらに、この方法は、いずれかの方法が単独で行うことができるよりも早期のＰ波検出（すなわちより長い警報時間）の可能性を提供する。

上記で指摘したように、潜在的に危険な地震によるＰ波信号を検知したとＣＰＵが判定すると、ＣＰＵは、直接配線され、赤外線制御され、ａｍ又はｆｍ（又は変調された）電波によってワイヤレスにリンクされ、又はイーサネット、電話、携帯電話、既存の建物配線、又はインターネットを介して接続された、先に触れた音声／視覚アラーム、さらには多種多様なその他の緊急応答警報、安全／保護デバイス又はシステム（このシステムの他の独立設置を含む）、及び／又は自動化装置シャットダウン又はデータ・バックアップなどの様々な出力のうち１つ又は複数を起動する。加えて、地震縦波（Ｐ波）に関係する動きの検出時に、直ちに１つ又は複数のデジタル又はアナログ事前録音音声メッセージ、あるいはそのような音声メッセージを起動する符号化又は非符号化信号をデバイスに送信させ、スピーカを介して直接に、インターコム、公共アドレス・システム、又は増幅スピーカ・モジュールへの接続を介して、電話、携帯電話、ａｍ又はｆｍ電波放送を介して、あるいは任意のタイプの直接配線又はワイヤレス・オーディオ・伝送システムによって再生することができる。加えて、有効なＰ波を検出した後、システムの自動化応答機能を使用して、１つ又は複数のガス及び／又は水道遮断弁を閉じること、及び／又は他のタイプの気体、液体、又は化学物質フロー・バルブ又は制御機構の開閉を起動することができる。

あるいは、地震縦波に関係する動きの検出時に、物体、人々、動物などが地震中にそれ自体で落下し、又は他の落下材料にぶつかり、又は押しつぶされることによって被害に遭い、又は傷つく可能性を低減する目的で、デバイスを使用して、そのような物体、人々、動物などの動き及び／又はそれらへの潜在的被害を制限するように意図された、アームまたその他の保持機構、及び／又は障壁、シールド、又はその他の保護機構又はデバイスを直接的又は間接的に制御することができる。同様に、地震縦波に関係する動きの検出時に、デバイスは、限定はしないが自動ドア又は車庫ドアの開閉、ロック、又はロック解除機構、バックアップ発電器の開始、車両エンジンを始動させるワイヤレス信号の送信（寒冷地で有用である）を含む制御機構を操作することができ、電子的又は磁気的に格納されたデータの記録又はバックアップを起動することができる。

偽トリガリング・イベントを回避するために、図５の１００で示すようなステーションでセンサ・システムを使用することができる。このシステムは、監視する建築物の適切に分離された位置に設置された２つ以上の検出器ユニット又はセンサ・モジュール１０を含み、その出力がコントローラ９８に供給される。コントローラは、検出器１０から受信した検出出力を比較し、出力が、地震Ｐ波によって引き起こされた可能性が高いものなどであるかどうか、トラック通過又はドア閉じなどの何らかの局所的外乱によって引き起こされた可能性が高いかどうかを判定する。例えば、局所的外乱は、検出器の両方ではなく一方を起動する可能性がより高く、地震は、両方の検出器を同時に起動する可能性がより高い。したがって、両方の検出器モジュールから受信した同時かつ等しい信号に応答して、コントローラ９８は出力信号を発生し、次いでその出力信号を使用して、所望のアラーム又はその他の制御動作を駆動することができる。恐らくは危険である差し迫った地震の動きの検出時に、コントローラ９８は、内部レコーダ９９を起動して、そのような動きを検出する前の短い間隔に始まり、恐らくは危険である動きの初期検出のおよそ１、２分後に終了する期間中に検出したすべての測定した地震活動を記録する。この地震活動記録は、内部的に、物理的に保護された不揮発性メモリに格納され、その不揮発性メモリから地震活動記録を後に取り出して、システムの厳密な位置での活動の厳密なレベルが検証される。外部記録方法がシステムに接続されない場合、又は施設全体、コンピュータ、さらにはすべてを破壊する非常に損害の大きい地震の場合、この内部記録は、飛行機事故の場合の飛行機のブラック・ボックスと同様に振る舞う。

コントローラ９８は、マルチ・センサ・システムの任意の所与のセンサ・モジュールで検知した動き間の伝播遅延と、同一のシステムの、第１センサから離れて位置する別のセンサで現れる同様の動き間の時間間隔とをリアル・タイムで計算する。このリアル・タイム監視伝播遅延は極めて有用な情報であり、地震活動と、（偽システム・トリガリングを低減するために）無関係の局所的に生成された振動ノイズとを区別するのに使用することができ、かつシステムが地震（すなわち地表）の動きと、爆発又は嵐の突風の間に生成されるものなどの強力な気動とを区別するのにも使用することができる。これにより、システムが、対テロリズム安全システムとして使用される信頼性の高い爆発検出器としても働くことが可能となる。さらに、３個以上の３軸センサ・モジュールが互いに十分な距離で取り付けられ、検知される活動の伝播遅延が各センサ間で監視されるとき、システムは、伝播遅延及び垂直／水平地震活動比を使用して高度な計算を実施することができ、ある程度の精度で地震の方向及びその震源の深さ又は地表面下の震源地点をリアル・タイムで判定することができる。

ステーション１００の位置から離れた位置にある検出器ステーション１１０、１２０内の他のセンサ・システムも、破線１４０で一般的に示される適切な信号伝送又は通信媒体又はネットワークによって互いに、かつ中央監視端末１３０にリンクさせることができ、その結果、特定のステーションでのトリガリング・イベントを各ステーションに直ちに通知することができ、各ステーションは、恐らくは接近する地震事象を受ける前に適切な措置を取ることができる。同様に、いくつかのステーションの検出出力を、後の分析のために中央監視端末１３０でリアル・タイムに記録することができる。

あるいは、地震縦波に関係する動きの検出時に、イーサネット及び／又はインターネット接続を介して本発明のデバイスを使用して、地震事象に関する情報及び／又はデータを有するＥメール又はその他の電子通信を自動的に送ることができ、本明細書で述べたＰ波起動自動化デバイス応答目的のいずれかのために、イーサネット、インターネット、電話、携帯電話、又はその他のワイヤレス伝送方法を介して他の遠隔地システムと直接通信することができ、かつ／又は監視デバイスのネットワークを作成することができ、それが共に働いて、地震事象のリアル・タイムの位置と方向を計算することができ、著しい地震活動をまだ検出していないネットワーク内の監視ノードに対する音声通知及び自動化デバイス作動のための追加の初期警報時間を提供する。

特定の例では、本発明による、特定の施設用に適切に較正されたデバイスを、４．８〜５．０Ｒｉｃｈｔｅｒレベルの検出時に単にセキュリティ及び保守人員に警報し、５．５〜６．０レベルの検出時にバックアップ発電器をオンにし、レベル７．０＋地震の検出時に重要なプロセスをシャットダウンするようにプログラムすることができる。この構成の背後の理由は、初期の警報及び準備機能は初期の配置に対して不利な面を有さないが、例えば再始動するのがより困難でありコストがかかる複雑な製造工程の中断又はシャットダウンは、深刻な被害の潜在性が本当に存在するレベルでのみ開始しなければならないということである。こうした出力、及びそれが起動される様々なレベルは、保護される施設とデバイス製造業者の両方のエンジニアリング・チームの共同作業によって決定される。

上述のように、本発明による装置は、地動レベルを常に監視し、検出した任意の動きのパワー・スペクトル密度をリアル・タイムに計算し、地表加速度とＰＳＤを共に所定の有効なＰ波トリガ・レベルに対して比較する。（ａ）Ｐ波のマグニチュードは一般に、差し迫った地震のマグニチュードと何らかの対応を示し、（ｂ）Ｐ波を検出したとみなすのが早いほど、地震のより危険なせん断波やレイリー波が到来する前の警報時間及び自動化デバイス活動化時間が長くなり、（ｃ）一部のタイプの初期警報及び自動的に活動化されるデバイスは、起動することがより重要であり、偽又は低レベル地震トリガリングの場合にコストが低く又は他の影響が低いので、安全を最大にすると共にシステムのすべての出力の完全なトリガリングに関連するコストを低減するために、異なるタイプの出力を異なるＰ波活動レベルで個々に起動できることが望ましい。このような実装の一例は病院であり、低レベルＰ波トリガ・レベルが病院スタッフに対する音声メッセージ警報だけを活動化するが、中程度又は高いＰ波活動レベルは、ガス弁及び水流弁の遮断も起動させ、恐らくはバックアップ発電器を始動させ、コンピュータ・システム・データ・バックアップ・デバイスを活動化させる。記載のシステムは、１つ又は複数のセンサ上の様々な地震活動レベル、あるデバイスを起動すること（地震事象後に消防署のドアを閉じることなど）に関連する時間遅延、システムの他の出力の活動化／非活動化状態、及び／又はインターネット又はその他の通信リンクを介して相互接続される同じタイプの他のリモート・システムから受信したデータを含む変数に関する完全にソフトウェア定義の論理トリガリング式に基づく独立及び／又は依存出力トリガリングを可能にする。

Ｘ・Ｙ水平軸、Ｚ垂直軸、又はそれらの任意の組合せを含む空間内の任意の方向の検知点での空気中の音響又は衝撃波に応答して変化したときの重りの動き、屈曲、又は物理的ひずみを監視するために、デバイス内部又は外部に位置する１つ又は複数の可動の、柔軟な、又は物理的にひずみ可能な重りの慣性を利用する単一のカンチレバー式圧電センサ・モジュールを使用するデバイスに関連して本発明を説明したが、上述の実施形態に対する様々な修正形態を作成できること、及び別法として開示の監視方法は、限定はしないが、感光性又は赤外線センサ、圧力センサ、磁気又はホール効果センサ、様々な抵抗センサ（任意の様々なポテンシオメータを含む）、様々なキャパシタンス・センサ、及び様々なインダクタンス・センサを含む多種多様な他のタイプのセンサのいずれかをアナログ又はデジタル・モードあるいはそれらの組合せで使用して実施することもできることを当業者は理解されよう。したがって、本開示が広く解釈されること、及び添付の特許請求の範囲が本発明の真の精神及び範囲内に含まれるすべてのそのような代替方法及び修正形態を包含するように解釈されることが意図される。

本発明による３軸Ｐ波検出器を概略的に示す斜視図である。 図１に示すタイプの圧電センサの詳細を示す平面図である。 図１の検出器の１つの処理チャネルの主な構成要素を概略的に示す回路図である。 図１の実施形態に示すＣＰＵの動作を示す流れ図である。 偽信号拒絶機能を有する複数の検出器、複数のステーション・システムでの本発明の使用を示す一般化ブロック図である。

Claims (28)

1. 地震で生成されたＰ波を検出する装置であって、
   地震力による動きを受ける支持構造に取り付けられるハウジングと、
   前記ハウジングに固定され、前記支持構造が受ける動きに比例する電気信号を生成するように動作可能なセンサ手段と、
   前記電気信号に応答して、約０．５から１５Ｈｚの範囲内の振動数を有する信号を増幅して通過させるように動作可能な信号増幅及びフィルタリング手段と、
   この信号増幅及びフィルタリング手段を通過した信号をサンプリングし、サンプリングされた前記信号を約１０秒よりも長い連続する期間にわたって平均した平均値を零点オフセットとして設定する自動リアル・タイム・オフセット零点設定機能を実施するとともに、前記信号が数秒間なかったときには前記信号の平均値を「ゼロ」値にし、（ａ）前記信号の平均が所定のレベルより上に上昇し、かつ／又は（ｂ）サンプリングされた前記信号の所定の時間窓内の積分和が所定のトリガ値よりも上に上昇した場合にＰ波を検出したと判定し、前記信号の平均および／又は前記積分和に応じた出力信号を生成する信号処理手段と
   を備える装置。
2. 前記センサ手段が、前記ハウジングにしっかりと固定された基部端と、支持されていない末端とを有する薄膜のカンチレバー式の圧電センサ要素を含む請求項１に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
3. 前記センサ要素が、前記末端に固定された所定の質量の重りを有する請求項２に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
4. 前記センサ手段が、対応する複数の相互に直交する交差面の１つに垂直な方向の動きに応答して、前記動きと等しい電気信号を生成するようにそれぞれ動作可能な複数のセンサ要素を含む請求項１に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
5. 前記各センサ要素が、前記ハウジングにしっかりと固定された基部端と、支持されていない末端とを有する薄膜のカンチレバー式の圧電構造を含む請求項４に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
6. 前記各センサ要素が、末端に固定された所定の質量の重りを有する請求項５に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
7. 前記ハウジングが、前記センサ手段、前記信号増幅及びフィルタリング手段、前記信号処理手段を相互接続する電気的配線を含むプリント回路板を含む請求項５に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
8. 前記各センサ要素が気密エンクロージャ内に封入される請求項７に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
9. 監視する建築物が受ける、地震で生成されたＰ波を検出する装置であって、
   前記監視する建築物に取り付けられ、前記建築物が受ける動きに比例する電気信号を生成するセンサ手段と、
   複数次の低域デジタル・フィルタリングによって、前記電気信号に応答して、約０．５から１５Ｈｚの範囲内の振動数を有する信号を通過させるように動作可能な信号増幅及びフィルタリング手段と、
   前記通過信号に対してリアル・タイム・デジタル信号処理を実施する信号処理手段とを備え、
   前記信号処理手段の処理は、
   前記信号増幅及びフィルタリング手段を通過した信号をサンプリングし、サンプリングされた前記信号を所定の期間にわたって平均した平均値を零点オフセットとして設定するリアル・タイム・オフセット零点設定処理と、
   先の数秒間にサンプリングされた前記信号をデジタル積分してその和を保持する処理と、
   前記信号が数秒間なかったときには前記デジタル積分により求めた前記信号の和を「ゼロ」値にする
   ことを特徴とする装置。
10. 前記リアル・タイム・オフセット零点設定が、約１０秒よりも長い期間にわたって前記通過信号を反復的に平均した平均値を零点として取ることによって実施される請求項９に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
11. 前記処理手段は、さらに、検出したＰ波が第１Ｒｉｃｈｔｅｒスケール範囲内に含まれるマグニチュードを有する場合に第１信号を生成し、検出したＰ波が第２Ｒｉｃｈｔｅｒスケール範囲内に含まれるマグニチュードを有する場合に第２信号を生成する請求項１０に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
12. 前記センサ手段が、前記ハウジングにしっかりと固定された基部端と、支持されていない末端とを有する薄膜のカンチレバー式の圧電センサ要素を含む請求項１１に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
13. 前記センサ要素が、前記末端に固定された所定の質量の重りを有する請求項１２に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
14. 前記センサ手段が、対応する複数の相互に直交する交差面の１つに垂直な方向の動きに応答して、前記動きと等しい電気信号を生成するようにそれぞれ動作可能な複数のセンサ要素を含む請求項９に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
15. 前記各センサ要素が、前記ハウジングにしっかりと固定された基部端と、支持されていない末端とを有する薄膜のカンチレバー式の圧電構造を含む請求項１４に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
16. 前記各センサ要素が、その末端に固定された所定の質量の重り部材を有する請求項１５に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
17. 前記センサ手段、前記信号増幅及びフィルタリング手段、前記信号処理手段を相互接続する電気的配線を含むプリント回路板をさらに含む請求項１５に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
18. 前記各センサ要素が気密エンクロージャ内に封入される請求項１７に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
19. 地震で生成されたＰ波を検出する方法であって、
    地震の動きを検出し、対応する動き信号を生成するステップと、
    前記動き信号を増幅及びフィルタし、約０．５から１５Ｈｚの範囲内の振動数を有する 信号を通過させるステップと、
    約１０秒よりも長い連続する期間にわたって前記信号を平均した平均値を零点オフセットとして設定する自動リアル・タイム・オフセット零点設定機能を実施し、
    この信号増幅及びフィルタリング手段を通過した信号をサンプリングし、サンプリングされた前記信号を約１０秒よりも長い連続する期間にわたって平均した平均値を零点オフセットとして設定する自動リアル・タイム・オフセット零点設定機能を実施するとともに、前記信号が数秒間なかったときには前記信号の平均値を「ゼロ」値にするステップと、
    （ａ）前記信号の平均が所定のレベルより上に上昇し、かつ／又は（ｂ）前記信号の所定の時間窓内の積分和が所定のトリガ値よりも上に上昇した場合にＰ波を検出したと判定し、前記信号の平均および／又は前記積分和に等しい出力信号を生成するステップとを含む方法。
20. 前記処理手段が、検出したＰ波が第１Ｒｉｃｈｔｅｒスケール範囲内に含まれるマグニチュードを有する場合に第１信号を生成し、検出したＰ波が第２Ｒｉｃｈｔｅｒスケール範囲内に含まれるマグニチュードを有する場合に第２信号を生成する請求項１９に記載の地震で生成されたＰ波を検出する方法。
21. 前記信号処理手段が、差し迫った地震の存在を判定するために使用される前記地表加速度及びパワー・スペクトル密度出力トリガ・レベル、並びに前記内部デジタル信号処理フィルタ値の変更を可能にするユーザ・インターフェースを含む請求項１に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
22. 前記信号処理手段が、差し迫った地震の存在を判定するために使用される前記地表加速度及びパワー・スペクトル密度出力トリガ・レベル、並びに前記内部デジタル信号処理フィルタ値の変更を可能にするユーザ・インターフェースを含む請求項９に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
23. 前記信号増幅及びフィルタリング手段は、
    複数次の低域デジタル・フィルタを含むことを特徴とする
    請求項１に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
24. 前記信号処理手段が、検出したＰ波が第１Ｒｉｃｈｔｅｒスケール範囲内に含まれるマグニチュードを有する場合に第１信号を生成し、検出したＰ波が第２Ｒｉｃｈｔｅｒスケール範囲内に含まれるマグニチュードを有する場合に第２信号を生成する請求項２３に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
25. 前記信号処理手段が、
    地震の動きを検出して、対応する動き信号を生成し、
    前記動き信号を増幅及びフィルタし、約０．５から１５Ｈｚの範囲内の振動数を有する信号を通過させ、
    約１０秒よりも長い連続する期間にわたって前記信号を平均することによってリアル・タイム・オフセット零点設定機能を実施し、平均した信号の進行平均を零点として取り、数秒の無信号の後に、平均した信号を「ゼロ」値に降下させ、
    （ａ）平均した信号が所定のレベルより上に上昇し、かつ／又は（ｂ）積分和が所定の時間ウィンドウ内の所定のトリガ値よりも上に上昇した場合にＰ波を検出したと判定し、前記積分和に等しい出力信号を生成することによって動作する請求項９に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
26. 前記信号処理手段が、検出したＰ波が第１Ｒｉｃｈｔｅｒスケール範囲内に含まれるマグニチュードを有する場合に第１信号を生成し、検出したＰ波が第２Ｒｉｃｈｔｅｒスケール範囲内に含まれるマグニチュードを有する場合に第２信号を生成する請求項１に記載の地震で生成されたＰ波を検出する装置。
27. 互いに離れた位置にそれぞれ配置され、少なくとも１つのタイプの通信媒体によって通信可能に互いに接続される複数のＰ波検出ステーションを備える地震検出システムであって、
    前記各ステーションが、離れた配置で建築物に取り付けられる一対のＰ波検出器と、前記検出器によって発生する検出信号に応答して、前記検出器がＰ波を検出すると同時に検出信号を生成する場合にアラーム信号を生成するように動作可能なコントローラとを含み、
    前記各検出器は、
    地震力による動きを受ける支持構造に取り付けられるハウジングと、
    前記ハウジングに固定され、前記支持構造が受ける動きに比例する電気信号を生成するように動作可能なセンサ手段と、
    前記電気信号に応答して、約０．５から１５Ｈｚの範囲内の振動数を有する信号を増幅して通過させるように動作可能な信号増幅及びフィルタリング手段と、
    この信号増幅及びフィルタリング手段を通過した信号をサンプリングし、サンプリングされた前記信号を約１０秒よりも長い連続する期間にわたって平均した平均値を零点オフセットとして設定する自動リアル・タイム・オフセット零点設定機能を実施するとともに、前記信号が数秒間なかったときには前記信号の平均値を「ゼロ」値にし、（ａ）前記信号の平均が所定のレベルより上に上昇し、かつ／又は（ｂ）サンプリングされた前記信号の所定の時間窓内の積分和が所定のトリガ値よりも上に上昇した場合にＰ波を検出したと判定し、前記信号の平均および／又は前記積分和に応じた出力信号を生成する信号処理手段とを含む地震検出システム。
28. 前記検出ステーションに通信可能に結合され、前記検出ステーションによって生成された検出信号及び／又はアラーム信号を記録するように動作可能な監視端末をさらに備える請求項２７に記載の地震検出システム。

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