JP2009020057A - 振動検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】同一位置で複数の計測対象を好適に検出することができる振動検出器を提供することにある。
【解決手段】切換部２４によりサーボアンプ２１による制御がＯＮに切り換えられている場合、電流値検出部２２により、フォースコイル２ｂに流した電流値を検出することに基づきコイルボビン３の加速度を計測するとともに、切換部２４によりサーボアンプ２１による制御がＯＦＦに切り換えられている場合、誘導起電力検出部２３により、発電コイル４に誘起された誘導起電力を検出し、当該検出された誘導起電力に基づきコイルボビン３の速度を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動検出器に関する。

従来、振動、地震計測を行う検出器は、計測対象（変位、速度、加速度等）に応じて、変位計、速度計、加速度計等が使われている。

特に、地震計では、コイルとマグネットで構成された動電型速度計（特許文献１参照）又はサーボ型加速度計（特許文献２参照）が主に使われている。
特開２００３−４２８３３号公報 特開２００５−１０１４５号公報

しかしながら、計測対象が速度及び加速度等複数ある場合、振動検出器は、例えば、上記特許文献１記載の速度計及び上記特許文献２記載の加速度計それぞれの専用スペースを必要とするため、計測位置に差（距離）が生じてしまい、厳密には速度及び加速度を同一位置において計測することができない。特に、地震計の場合には、３方向（N-S,E-W,U-D）分の検出器を取り付ける必要があり、同一位置での複数の計測対象の計測を正確に行うことができない。
また、上記特許文献２記載の加速度計により計測された加速度から積分を行うことにより速度を算出することによって、同一位置・同一時刻での複数の計測対象の計測が可能となるが、積分に伴い累積誤差が生じ正確な速度を計測することができないという問題がある。

本発明の課題は、同一位置で複数の計測対象を好適に検出することができる振動検出器を提供することにある。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
本体ケース内に支持バネにより往復移動可能に支持された振子と、
前記振子の中立位置からの変位を、前記本体ケース内に設けられた固定電極と前記振子に設けられた可動電極との間の静電容量変化量により検出する変位検出部と、
前記変位検出部により検出された静電容量変化量に基づいて、前記振子を移動させるフォースコイルに電流を流して前記振子を前記中立位置に復帰させる駆動制御部と、
前記フォースコイルに流した電流値を検出する電流値検出手段と、
前記振子に巻回された発電コイルと、
前記発電コイルに誘起された誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段と、
前記駆動制御部のＯＮ／ＯＦＦ切換を行う切換手段と、
を備え、
前記切換手段により前記駆動制御部による制御がＯＮに切り換えられている場合、前記電流値検出手段により前記フォースコイルに流した電流値を検出するとともに、前記切換手段により前記駆動制御部による制御がＯＦＦに切り換えられている場合、前記誘導起電力検出手段により、前記発電コイルに誘起された誘導起電力を検出することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の振動検出器において、
前記切換手段は、所定時間毎に前記駆動制御部のＯＮ／ＯＦＦ切換を行うことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、切換手段により駆動制御部による制御がＯＮに切り換えられている場合、電流値検出手段により、フォースコイルに流した電流値を検出することに基づき振子の加速度を計測することができるとともに、切換手段により駆動制御部による制御がＯＦＦに切り換えられている場合、誘導起電力検出手段により、発電コイルに誘起された誘導起電力を検出し、当該検出された誘導起電力に基づき振子の速度を計測することができる。
従って、駆動制御部のＯＮ／ＯＦＦ切換を行うことにより、一の振動検出器で振子の加速度及び速度を計測することができることとなり、同一位置での複数の計測対象を好適に検出することができる
また、振動検出器の機構を単純化することで、省スペース化を図るとともに、コストの削減を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、切換手段によって、所定時間毎に駆動制御部のＯＮ／ＯＦＦ切換を行うことができる。
従って、所定時間毎に複数の計測対象を同一位置でより好適に検出することができる。
また、特に高周波数による高速切換を行うことにより、あたかも同一位置・同一時刻で複数の計測対象を計測したかのように計測を行うことが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明である振動検出器の最良の形態について詳細に説明する。図１は、振動検出器１００の要部構成を示す図である。

図１に示すように、振動検出器１００は、振動検出部１０と、制御部２０とを備えている。振動検出部１０は、本体ケース１と、駆動部２と、外乱振動によって変位する振子としてのコイルボビン３と、コイルボビン３に巻回された発電コイル４と、コイルボビン３の振動を検出する変位検出部５と、を備え、制御部２０は、駆動部２を制御するサーボアンプ２１と、電流値検出部２２と、誘導起電力検出部２３と、切換部２４などから構成されている。

駆動部２は、本体ケース１に固着されたマグネット（永久磁石）２ａと、コイルボビン３に巻回されたフォースコイル２ｂと、駆動部２が正常に駆動するか否かをテストするためのテストコイル２ｃとを備えている。駆動部２は、図１に示すように、マグネット２ａの凹部にフォースコイル２ｂを巻回したコイルボビン３が挿入されるように構成されており、フォースコイル２ｂに電流を流すことにより、コイルボビン３を移動させる電磁気力を発生させる。

コイルボビン３は、一端が本体ケース１に固定された支持バネ３ａにより、図１中において上下動可能に支持されている。
支持バネ３ａは、例えば、ダイヤフラムにより構成されている。

発電コイル４は、フォースコイル２ｂ及びテストコイル２ｃと並列にコイルボビン３に巻回されている。

変位検出部５は、コンデンサとして機能するコイルボビン３の上端に取り付けられた可動極板５ａと、可動極板５ａの上面に対向配置され、本体ケース１に設けられた固定極板５ｂとを備え、この可動極板５ａ及び固定極板５ｂ間の電気容量の変化量を計測することによって、コイルボビン３の変位を検出し、検出した変位信号をサーボアンプ２１に出力する。

サーボアンプ２１は、例えば、図２に示すように、変位検出部５により検出された変位信号を増幅する増幅器２１ａと、フィードバック制御回路２１ｂなどを備えている。サーボアンプ２１は、変位検出部５から出力された変位信号に基づいて、駆動部２と変位検出部５とを整合すべくフォースコイル２ｂに出力する電流量の制御を行う。
上述の構成において、コイルボビン３に振動が与えられ、コイルボビン３が計測点の零位置である中立位置からずれると、変位検出部５がこのずれ量を検出し、その信号を受けてサーボアンプ２１は駆動部２のフォースコイル２ｂに電流を流すように作動する。
これにより、サーボアンプ２１は、駆動制御部として機能する。

電流値検出部２２は、フォースコイル２ｂに流れた電流の検出を行う。
なお、この電流は、コイルボビン３のずれと逆方向の力（電磁気力）を発生し、コイルボビン３を中立位置に戻すように作用する。この電磁気力はコイルボビン３にずれを起こした加速度と均衡しているため、この電流値を計測することにより、コイルボビン３に加えられた加速度を検出することができる。
これにより、電流値検出部２２は、電流値検出手段として機能する。

誘導起電力検出部２３は、例えば、図２に示すように、電圧増幅器２３ａと、電圧検出回路２３ｂと、コイルボビン３に与えられた振動を抑制するための減衰回路２３ｃなどを備えており、発電コイル４に接続された出力端子（図示省略）を介して、発電コイル４に誘起される誘導起電力が検出されるようになっている。これにより、発電コイル４に誘起される誘導起電力を計測することができる。
これにより、誘導起電力検出部２３は、誘導起電力検出手段として機能する。

上述の構成において、コイルボビン３に振動が与えられると、コイルボビン３は図１中の上下方向に弾性的に変位する。すると、コイルボビン３に巻回された発電コイル４が磁場の磁力線の方向に対して略垂直な方向に変位する。これにより、発電コイル４を構成する導線中の電荷には、コイルボビン３の速度に応じたローレンツ力が作用する。従って、発電コイル４には、コイルボビン３の動きに応じた誘導起電力が発生する。発電コイル４に誘起される誘導起電力は次の式（１）で表される。

Ｅ＝Ｂ×Ｌ×Ｖ×sinθ・・・（１）
式（１）において、Ｅは発電コイル４に誘起される誘導起電力を表し、Ｂはマグネット２ａによって発生される磁場の磁束密度を表し、Ｌは発電コイル４を構成する導線の長さ即ちコイル長を表し、Ｖは発電コイル４とマグネット２ａとの相対速度を表し、θは発電コイル４が相対変位する方向とマグネット２ａによって発生される磁場の磁力線の方向との間の角度を示す。なお、マグネット２ａが固着されていて、発電コイル４が変位するので、相対速度Ｖは、発電コイル４の変位速度と等価である。このため、コイルボビン３に加えられた速度を検出することができる。

切換部２４は、サーボアンプ２１によりフォースコイル２ｂに電流を出力する制御のＯＮ／ＯＦＦ切換を行う。
具体的には、図２に示すように、切換部２４であるスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２が「ＯＮ」の状態においては、サーボアンプ２１によりフォースコイル２ｂに電流を出力する制御を行い、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２が「ＯＦＦ」の状態にあるときは、サーボアンプ２１によるフォースコイル２ｂへの電流の出力は行わず、発電コイル４に誘起された誘導起電力を検出し、当該検出された誘導起電力に基づきコイルボビン３の速度を計測する制御を行う。
また、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２は、所定時間毎にＯＮ／ＯＦＦ切換を行うように構成され、高周波数（例えば、３ｋＨｚ）による高速切換を行う。
これにより、切換部２４は、切換手段として機能する。

次に、図２を用いて、振動検出器１００による加速度及び速度の検出方法について説明する。図２は、フィードバック制御系の動作機構を示すブロック図である。

図２に示すように、切換部２４のスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２が「ＯＦＦ」の状態において、コイルボビン３に振動が与えられると、コイルボビン３は弾性的に変位し、コイルボビン３に巻回された発電コイル４が磁場の磁力線の方向に対して略垂直な方向に振動する。これにより、発電コイル４を構成する導線中の電荷には、コイルボビン３の速度に応じたローレンツ力が作用し、発電コイル４には、コイルボビン３の動きに応じた誘導起電力が発生する。このとき、発電コイル４により発生された誘導起電力は、電圧増幅器２３ａにより増幅され、電圧検出回路２３ｂによりかかる誘導起電力を計測することによって、速度を検出する。

一方、切換部２４のスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２が「ＯＮ」の状態において、コイルボビン３に振動が与えられると、コイルボビン３は弾性的に変位し、コイルボビン３に設けられた可動極板５ａが変位する。これにより、変位検出部５は、変位に応じて可動極板５ａと固定極板５ｂ間の静電容量の変化を検出して、この静電容量の変化を電圧に変換し、変位信号としてサーボアンプ２１に出力する。すると、サーボアンプ２１内のフィードバック制御回路２１ｂがフィードバック信号を生成し、フィードバック信号を駆動制御部に出力する。駆動制御部はフィードバック信号に応じた電流を駆動部２のフォースコイル２ｂに供給し、コイルボビン３を中立位置に戻す制御を行う。このとき、電流値検出部２２によって、フォースコイル２ｂに供給された電流の値を計測することによって、加速度を検出する。

本発明に係る振動検出器１００によれば、切換部２４によりサーボアンプ２１による制御がＯＮに切り換えられている場合、電流値検出部２２により、フォースコイル２ｂに流した電流値を検出することに基づきコイルボビン３の加速度を計測することができるとともに、切換部２４によりサーボアンプ２１による制御がＯＦＦに切り換えられている場合、誘導起電力検出部２３により、発電コイル４に誘起された誘導起電力を検出し、当該検出された誘導起電力に基づきコイルボビン３の速度を計測することができる。
従って、サーボアンプ２１のＯＮ／ＯＦＦ切換を行うことにより、一の振動検出器１００でコイルボビン３の加速度及び速度を計測することができることとなり、同一位置での複数の計測対象を好適に検出することができる。
また、振動検出器１００の機構を単純化することで、省スペース化を図るとともに、コストの削減を図ることができる。
さらに、切換部２４によって、所定時間毎にサーボアンプ２１のＯＮ／ＯＦＦ切換を行うことができる。
従って、所定時間毎に複数の計測対象を同一位置でより好適に検出することができる。
また、特に高周波数（例えば、３ｋＨｚ）による高速切換を行うことにより、あたかも同一位置・同一時刻で複数の計測対象を計測したかのように計測を行うことが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、切換部２４は、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２を切り換えるタイミングをユーザ所望のタイミングに設定することができる設計であっても良い。その他、本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲内で自由に変更、改良が可能である。

本発明に係る振動検出器の要部構成を示す図である。 本発明に係る振動検出器のフィードバック制御系の動作機構を示すブロック図である。

符号の説明

１００ 振動検出器
１０ 振動検出部
１ 本体ケース
２ 駆動部
２ａ マグネット
２ｂ フォースコイル
３ コイルボビン（振子）
３ａ 支持バネ
４ 発電コイル
５ 変位検出部
２０ 制御部
２１ サーボアンプ（駆動制御部）
２２ 電流値検出部（電流値検出手段）
２３ 誘導起電力検出部（誘導起電力検出手段）
２４ 切換部（切換手段）

Claims (2)

1. 本体ケース内に支持バネにより往復移動可能に支持された振子と、
   前記振子の中立位置からの変位を、前記本体ケース内に設けられた固定電極と前記振子に設けられた可動電極との間の静電容量変化量により検出する変位検出部と、
   前記変位検出部により検出された静電容量変化量に基づいて、前記振子を移動させるフォースコイルに電流を流して前記振子を前記中立位置に復帰させる駆動制御部と、
   前記フォースコイルに流した電流値を検出する電流値検出手段と、
   前記振子に巻回された発電コイルと、
   前記発電コイルに誘起された誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段と、
   前記駆動制御部のＯＮ／ＯＦＦ切換を行う切換手段と、
   を備え、
   前記切換手段により前記駆動制御部による制御がＯＮに切り換えられている場合、前記電流値検出手段により前記フォースコイルに流した電流値を検出するとともに、前記切換手段により前記駆動制御部による制御がＯＦＦに切り換えられている場合、前記誘導起電力検出手段により、前記発電コイルに誘起された誘導起電力を検出することを特徴とする振動検出器。
2. 前記切換手段は、所定時間毎に前記駆動制御部のＯＮ／ＯＦＦ切換を行うことを特徴とする請求項１に記載の振動検出器。

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