JP2015031551A

JP2015031551A - 物理量検出器

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Publication number: JP2015031551A
Application number: JP2013160050A
Authority: JP
Inventors: 勝吾白澤; Shogo Shirasawa
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-02-16
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: DE102014011517A1; JP6147604B2; US20150033859A1

Abstract

【課題】温度ドリフトを抑制して測定精度を向上させることが可能な物理量検出器を提供する。
【解決手段】振り子１０２に形成された第１可動電極１０２ａ、１０２ａと、一対の第１固定電極１０３ａ、１０３ａと、により形成される一対のコンデンサＣ１１、Ｃ１２からなる第１変位検出部１０３と、第１変位検出部１０３よりも下方に設けられ、振り子１０２に形成された第２可動電極１０２ｂ、１０２ｂと、一対の第２固定電極１０４ａ、１０４ａと、により形成される一対のコンデンサＣ１３、Ｃ１４からなる第２変位検出部１０４と、各コンデンサＣ１１、Ｃ１２の静電容量値の差分を検出する第１検波回路１０５と、各コンデンサＣ１３、Ｃ１４の静電容量値の差分を検出する第２検波回路１０６と、第１検波回路１０５及び当該第２検波回路１０６により検出された静電容量値の差分同士の差を演算する計装アンプ１０７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定体の変位、速度、加速度の物理量を検出する物理量検出器に関し、特に、静電容量差に基づいて物理量を検出する静電容量型の物理量検出器に関する。

従来、被測定体の変位、速度、加速度の物理量を検出する物理量検出器には様々なものが提供されており、例えば、地震動の観測や各種振動実験等の計測においては、静電容量差に基づいて物理量を検出する静電容量型の加速度計が用いられている。
上記の加速度計として、例えば、サーボ型の加速度計が知られている（例えば、特許文献１参照）。サーボ型の加速度計とは、本体ケース内に配置された振り子の外力による変位量を検出して、振り子を静止状態に保つために、振り子を駆動させるコイルに上記変位量に比例した電流を流す際の電流量を測定することで加速度を計測する加速度計である。

例えば、従来の加速度計２００は、図４に示すように、駆動部２０１と、振り子２０２と、変位検出部２０３と、検波回路２０４と、電流増幅回路２０５と、を備えて構成されている。
駆動部２０１は、一対の永久磁石２０１ａ、２０１ａと、２つの駆動コイル２０１ｂ、２０１ｂを備えて構成されている。駆動部２０１は、駆動コイル２０１ｂ、２０１ｂに電流を流すことにより電磁気力を発生させ、この電磁気力により振り子２０２を中立位置に復帰させる。

変位検出部２０３は、振り子２０２に形成された可動電極２０２ａ、２０２ａと、可動電極２０２ａ、２０２ａを挟んで設けられた一対の固定電極２０３ａ、２０３ａと、により形成される一対のコンデンサＣ２１、Ｃ２２を備えて構成され、一対の固定電極２０３ａ、２０３ａにより測定された静電容量の値を、検波回路２０４に出力する。
検波回路２０４は、変位検出部２０３の一対のコンデンサＣ２１、Ｃ２２の静電容量値の差分を検出することで、振り子２０２の加速度を検出し、電流増幅回路２０５に出力する。
電流増幅回路２０５は、検波回路２０４からの出力に基づいて、振り子２０２を中立位置に復帰させるための電磁気力を付与すべく、駆動部２０１の駆動コイル２０１ｂ、２０１ｂの電流量制御を行う。

上記従来の加速度計２００では、振り子２０２に加速度が加わって中立位置から変位すると、各コンデンサＣ２１、Ｃ２２の静電容量値の差分に基づいて、駆動部２０１の駆動コイル２０１ｂ、２０１ｂに電流を流し、振り子２０２を中立位置に戻す制御を行う。

特開２００４−２０５２８４号公報

しかしながら、上記従来の加速度計２００では、温度による影響を受けて温度ドリフトが発生するため、測定精度の低下が生じるという問題がある。

本発明は、温度ドリフトの影響を排除して測定精度を向上させることが可能な物理量検出器を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、
物理量検出器において、
一端が回動可能に支持された振り子の揺動方向の両面に形成された第１可動電極と、前記振り子を挟むように前記第１可動電極と対向して配置された一対の第１固定電極と、により形成される一対のコンデンサからなる第１変位検出部と、
前記第１変位検出部よりも下方に設けられ、前記振り子の揺動方向の両面に形成された第２可動電極と、前記振り子を挟むように前記第２可動電極と対向して配置された一対の第２固定電極と、により形成される一対のコンデンサからなる第２変位検出部と、
前記第１変位検出部の各コンデンサの静電容量値の差分を検出する第１検波回路と、
前記第２変位検出部の各コンデンサの静電容量値の差分を検出する第２検波回路と、
前記第１検波回路及び前記第２検波回路により検出された静電容量値の差分同士の差を算出する演算部と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の物理量検出器において、
磁界を形成する磁界形成部材と、
前記磁界形成部材により形成された磁界内に配置され、電流が流れることで発生する力により前記振り子を揺動させるテストコイルと、
前記テストコイルに電流を流した際の、前記第１検波回路及び前記第２検波回路からの出力のうち少なくとも一方が所定の閾値未満である場合に、エラーと判定するエラー判定部と、
前記エラー判定部により前記エラーと判定された場合に、当該エラー結果を出力する出力部と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１変位検出部の温度ドリフト成分から第２変位検出部の温度ドリフト成分を差し引くことにより温度ドリフトの影響を排除することができるので、測定精度を向上させることができる。

本発明に係る物理量検出器の全体構成を模式的に示した図である。本発明に係る物理量検出器の動作を示すフローチャートである。本発明に係る物理量検出器の動作確認処理を示すフローチャートである。従来技術に係る物理量検出器の全体構成を模式的に示す側面図及びブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態では、物理量検出器として加速度計１００を例示して説明する。

本実施形態に係る加速度計１００は、図１に示すように、駆動部１０１と、振り子１０２と、第１変位検出部１０３と、第２変位検出部１０４と、第１検波回路１０５と、第２検波回路１０６と、計装アンプ１０７と、電流増幅回路１０８と、エラー判定部１０９と、送信部１１０と、電流制御部１１１と、を備えて構成されている。また、加速度計１００は、ネットワークＮを介して表示装置１２０と接続されている。
なお、図１の駆動部１０１と振り子１０２の説明に当たり、図中に上下方向及び左右方向を示して説明する。

駆動部１０１は、振り子１０２と一体に形成されている。駆動部１０１は、振り子１０２の下端に配置され、左右方向に並んで設けられた一対の永久磁石１０１ａ、１０１ａと、各永久磁石１０１ａ、１０１ａを取り囲むように左右方向に沿った軸の周りに巻回された２つの駆動コイル１０１ｂ、１０１ｂと、同じく駆動コイル１０１ｂ、１０１ｂと同軸の周りに、駆動コイル１０１ｂ、１０１ｂの外面側に巻回された２つのテストコイル１０１ｃ、１０１ｃと、を備えて構成されている。
永久磁石１０１ａ、１０１ａにより形成された磁界内に、駆動コイル１０１ｂ、１０１ｂが設けられているので、電流増幅回路１０８により増幅された電流が駆動コイル１０１ｂ、１０１ｂに流れることにより、振り子１０２の揺動を打ち消す方向に電磁気力が発生する。そして、発生した電磁気力により、振り子１０２が中立位置に移動するようになっている。
また、永久磁石１０１ａ、１０１ａにより形成された磁界内に、テストコイル１０１ｃ、１０１ｃが設けられているので、電流制御部１１１により電流がテストコイル１０１ｃ、１０１ｃに流れることで発生する電磁気力により、振り子１０２を揺動させる。
即ち、永久磁石１０１ａ、１０１ａは、磁界を形成する磁界形成部材として機能する。

第１変位検出部１０３は、一端が十字バネ１０２ｃにより回動可能に支持された振り子１０２の両面に形成された第１可動電極１０２ａ、１０２ａと、振り子１０２を挟むように第１可動電極１０２ａ、１０２ａと対向して配置された一対の第１固定電極１０３ａ、１０３ａと、により形成される一対のコンデンサＣ１１、Ｃ１２を備えて構成されている。第１変位検出部１０３は、一対のコンデンサＣ１１、Ｃ１２各々の静電容量の値を、第１検波回路１０５に出力する。
第２変位検出部１０４は、第１変位検出部１０３と同様の構成であり、第１変位検出部１０３よりも下方に形成されている。第２変位検出部１０４は、振り子１０２の両面に形成された第２可動電極１０２ｂ、１０２ｂと、一対の第１固定電極１０３ａ、１０３ａと同一の部材により構成された一対の第２固定電極１０４ａ、１０４ａと、により形成される一対のコンデンサＣ１３、Ｃ１４を備えて構成され、一対のコンデンサＣ１３、Ｃ１４各々の静電容量の値を、第２検波回路１０６に出力する。

第１検波回路１０５は、第１変位検出部１０３の一対のコンデンサＣ１１、Ｃ１２からの出力に基づいて、各コンデンサＣ１１、Ｃ１２の静電容量値の差分を検出することで振り子１０２の加速度を検出し、計装アンプ１０７に出力する。
第２検波回路１０６は、第１検波回路１０５と同一の部材により構成され、第２変位検出部１０４の一対のコンデンサＣ１３、Ｃ１４からの出力に基づいて、各コンデンサＣ１３、Ｃ１４の静電容量値の差分を検出することで振り子１０２の加速度を検出し、計装アンプ１０７に出力する。
なお、第１検波回路１０５及び第２検波回路１０６は、動作確認処理を行う場合（図３参照）、検出した静電容量値の差分を、計装アンプ１０７ではなくエラー判定部１０９に出力する。

計装アンプ（演算部）１０７は、第１検波回路１０５及び第２検波回路１０６からの出力に基づいて、第１検波回路１０５及び第２検波回路１０６により検出された静電容量値の差分同士の差を算出して、電流増幅回路１０８に出力する。
電流増幅回路１０８は、計装アンプ１０７からの出力に基づいて、振り子１０２を中立位置に復帰させるための電磁気力を付与すべく、駆動部１０１の駆動コイル１０１ｂ、１０１ｂに出力する電流量の制御を行う。

本実施形態に係る加速度計１００では、振り子１０２に加速度が加わって計測点の零位置である中立位置から変位すると、計装アンプ１０７により静電容量値の差分同士を差し引いた値に基づいて、駆動部１０１の駆動コイル１０１ｂ、１０１ｂに電流を流し、振り子１０２の揺動を打ち消す方向に電磁気力を発生させて、振り子１０２を中立位置に戻す制御を行う。

エラー判定部１０９は、各検波回路１０５、１０６からの出力をチェックして、エラーを検出したか否かを判定する。具体的には、エラー判定部１０９は、第１検波回路１０５からの出力Ｖｏｕｔ１が、所定の閾値未満であるか否かを判定する。また、エラー判定部１０９は、第２検波回路１０６からの出力Ｖｏｕｔ２が、所定の閾値未満であるか否かを判定する。ここで、所定の閾値とは、変位検出部及び検波回路が通常通り機能していれば測定されるはずの値のことである。即ち、出力Ｖｏｕｔ１が所定の閾値を下回っているような場合、第１変位検出部１０３及び第１検波回路１０５の少なくとも一方が有効に機能していないことを示している。同様に、出力Ｖｏｕｔ２が所定の閾値を下回っているような場合、第２変位検出部１０４及び第２検波回路１０６の少なくとも一方が有効に機能していないことを示している。
エラー判定部１０９は、エラーと判定した場合、即ち、検波回路１０５からの出力Ｖｏｕｔ１及び検波回路１０６からの出力Ｖｏｕｔ２の少なくとも一方が所定の閾値未満であると判定した場合は、エラー結果を送信部１１０に出力する。

送信部（出力部）１１０は、エラー判定部１０９からの出力に基づいて、エラー結果を表示装置１２０に出力する。
表示装置１２０は、例えば、ＬＣＤなどにより構成されている。表示装置１２０は、送信部１１０からの出力に基づいて、エラー結果を報知するための画面等を表する。
電流制御部１１１は、動作確認処理を行う場合（図３参照）に、テストコイル１０１ｃ、１０１ｃに出力する電流量の制御を行う。

次に、本実施形態に係る加速度計１００の動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。
まず、第１変位検出部１０３及び第２変位検出部１０４により検出された静電容量値に基づいて、第１検波回路１０５及び第２検波回路１０６は、静電容量値の差分を検出する（ステップＳ１）。具体的には、第１検波回路１０５が、第１変位検出部１０３の一対の第１固定電極１０３ａ、１０３ａ（一対のコンデンサＣ１１、Ｃ１２）により測定された静電容量値の差分を検出する。また、第２検波回路１０６が、第２変位検出部１０４の一対の第２固定電極１０４ａ、１０４ａ（一対のコンデンサＣ１３、Ｃ１４）により測定された静電容量値の差分を検出する。ここで、コンデンサＣ１１とコンデンサＣ１２との静電容量値の差分をΔＣ_Ａとすると、ΔＣ_Ａは、数式（１）で算出することができる。同様に、コンデンサＣ１３とコンデンサＣ１４との静電容量値の差分をΔＣ_Ｂとすると、ΔＣ_Ｂは、数式（２）で算出することができる。

なお、数式１及び数式２において、εは真空の誘電率（８．８５４×１０^−１２［Ｆ／ｍ］）、ｄ_０は初期状態でのギャップ長、Δｄ_ＡはコンデンサＣ１１のギャップ長の変化分（コンデンサＣ１１における第１固定電極１０３ａと振り子１０２との距離）、Δｄ_ＢはコンデンサＣ１３のギャップ長の変化分（コンデンサＣ１３における第２固定電極１０４ａと振り子１０２との距離）を示している。

次に、計装アンプ１０７は、静電容量値の差分同士を差し引きする（ステップＳ２）。具体的には、計装アンプ１０７が、第１検波回路１０５により検出された静電容量値の差分（数式（１）参照）と、第２検波回路１０６により検出された静電容量値の差分（数式（２）参照）と、を差し引きする（数式（３）参照）。

次に、電流増幅回路１０８は、電流量を制御する（ステップＳ３）。具体的には、電流増幅回路１０８が、ステップＳ２で静電容量値の差分同士を差し引いた値に基づいて、振り子１０２を中立位置に復帰させるための電磁気力を付与すべく、駆動部１０１の駆動コイル１０１ｂ、１０１ｂに出力する電流量を制御する。

なお、本実施形態では、変位検出部及び検波回路を２組備えているので、変位検出部及び検波回路の組み合わせの一方に不具合が生じたような場合でも、加速度を計測することができる。このため、本実施形態では、変位検出部及び検波回路の組み合わせが通常通り機能しているか否かを判定する機能（動作確認機能）を備えるようにしている。以下に、本実施形態に係る加速度計１００の動作確認処理について、図３のフローチャートを参照して説明する。
まず、電流制御部１１１は、テストコイル１０１ｃ、１０１ｃに電流を流す（ステップＳ１１）。具体的には、電流制御部１１１は、テストコイル１０１ｃ、１０１ｃに、所定の電流を流す。テストコイル１０１ｃ、１０１ｃに電流が流れると電磁気力が発生し、この電磁気力により振り子１０２を揺動させる。このとき、駆動部１０１の駆動コイル１０１ｂ、１０１ｂには、電流を流さないようにしている。

次に、第１検波回路１０５及び第２検波回路１０６は、静電容量値の差分を検出する（ステップＳ１２）。具体的には、第１検波回路１０５が、第１変位検出部１０３の一対の第１固定電極１０３ａ、１０３ａにより測定された静電容量値の差分を検出する（数式（１）参照）。また、第２検波回路１０６が、第２変位検出部１０４の一対の第２固定電極１０４ａ、１０４ａにより測定された静電容量値の差分を検出する（数式（２）参照）。第１検波回路１０５及び第２検波回路１０６によりそれぞれ測定された静電容量値の差分は、エラー判定部１０９に出力される。

次に、エラー判定部１０９は、各検波回路１０５、１０６からの出力をチェックして、エラーを検出したか否かを判定する（ステップＳ１３）。具体的には、エラー判定部１０９は、第１検波回路１０５からの出力Ｖｏｕｔ１が、所定の閾値未満であるか否かを判定する。また、エラー判定部１０９は、第２検波回路１０６からの出力Ｖｏｕｔ２が、所定の閾値未満であるか否かを判定する。
エラー判定部１０９は、エラーを検出した場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、即ち、第１検波回路１０５からの出力Ｖｏｕｔ１及び第２検波回路１０６からの出力Ｖｏｕｔ２の少なくとも一方が所定の閾値以下であると判定した場合は、次のステップＳ１４へと移行する。一方、エラー判定部１０９は、エラーを検出しなかった場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、即ち、各検波回路１０５、１０６からの出力Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２が所定の閾値以上であると判定した場合は、当該動作確認処理を終了する。

次に、送信部１１０は、エラー結果を報知する（ステップＳ１４）。具体的には、送信部１１０は、エラー判定部１０９からの出力に基づいて、エラー結果を報知するための画面、即ち、ステップＳ１３でエラーが検出された出力（出力Ｖｏｕｔ１、出力Ｖｏｕｔ２）が、エラーであることを示す画面を生成し、表示装置１２０に表示させる。そして、エラーが検出された出力に係る変位検出部及び検波回路の動作を停止し、当該動作確認処理を終了する。

以上のように、本実施形態に係る加速度計１００は、一端が回動可能に支持された振り子１０２の揺動方向の両面に形成された第１可動電極１０２ａ、１０２ａと、振り子１０２を挟むように対向して配置された一対の第１固定電極１０３ａ、１０３ａと、により形成される一対のコンデンサＣ１１、Ｃ１２からなる第１変位検出部１０３と、第１変位検出部１０３よりも下方に設けられ、振り子１０２の両面に形成された第２可動電極１０２ｂ、１０２ｂと、振り子１０２を挟むように対向して配置された一対の第２固定電極１０４ａ、１０４ａと、により形成される一対のコンデンサＣ１３、Ｃ１４からなる第２変位検出部１０４と、第１変位検出部１０３の一対のコンデンサＣ１１、Ｃ１２の静電容量値の差分を検出する第１検波回路１０５と、第２変位検出部１０４の一対のコンデンサＣ１３、Ｃ１４の静電容量値の差分を検出する第２検波回路１０６と、第１検波回路１０５及び当該第２検波回路１０６により検出された静電容量値の差分同士の差を算出する計装アンプ（演算部）１０７と、を備える。
従って、本実施形態に係る加速度計１００によれば、第１変位検出部１０３の温度ドリフト成分から第２変位検出部１０４の温度ドリフト成分を差し引くことにより温度ドリフトの影響を排除することができるので、測定精度を向上させることができる。また、第１検波回路１０５及び第２検波回路１０６により検出された静電容量値の差分同士を差し引きすることにより、計測時の外来的な振動や１／ｆノイズを低減させることができるので、測定精度を向上させることができる。

また、本実施形態に係る加速度計１００は、磁界を形成する永久磁石１０１ａ、１０１ａと、永久磁石１０１ａ、１０１ａにより形成された磁界内に配置され、電流が流れることで発生する力により振り子１０２を揺動させるテストコイル１０１ｃ、１０１ｃと、テストコイル１０１ｃ、１０１ｃに電流を流した際の、第１検波回路１０５及び第２検波回路１０６からの出力のうち少なくとも一方が所定の閾値未満である場合に、エラーと判定するエラー判定部１０９と、エラー判定部１０９によりエラーと判定された場合に、当該エラー結果を出力する送信部（出力部）１１０と、を備える。
従って、本実施形態に係る加速度計１００によれば、変位検出部及び検波回路の組み合わせの一方に不具合が生じたような場合に、オペレータにエラーを報知することができるので、迅速な復旧作業を促すことができる。また、エラーが生じた出力を特定することができるので、当該エラーが生じた出力に係る変位検出部及び検波回路の動作を停止させて、他方の出力のみを利用して加速度を計測することができる。

以上、本発明に係る実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、上記実施形態では、変位検出部を２組（第１変位検出部１０３及び第２変位検出部１０４）備えるようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、変位検出部を２組備える代わりに、従来技術の変位検出部２０３を２つに分割するようにしてもよい。この場合、新たに検波回路を１つ追加することにより、上記実施形態と同様、変位検出部及び検波回路を２組備えることが可能となる。

また、上記実施形態では、動作確認処理を行うために、テストコイル１０１ｃ、１０１ｃやエラー判定部１０９、表示装置１２０等を備えるようにしているが、これに限定されるものではない。即ち、動作確認処理は本発明に必須の機能ではないため、テストコイル１０１ｃ、１０１ｃやエラー判定部１０９、送信部１１０、電流制御部１１１、表示装置１２０等を備えないようにすることも可能である。

また、上記実施形態では、送信部１１０の出力先として表示装置１２０を例示して説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、音声を出力可能なスピーカ等を備えるようにして、表示装置１２０に表示させる代わりに、当該スピーカから、エラーが検出された旨を音声出力させるようにしてもよい。或いは、表示装置１２０に表示させると同時に、スピーカから音声出力させるようにしてもよい。また、加速度計１００が、オペレータが視認できる環境に設置されているのであれば、加速度計１００に表示部を設けるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、物理量検出器として加速度計１００を例示して説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、加速度計１００の代わりに、変位計、速度計の物理量を検出する装置に適用することも可能である。

その他、加速度計１００を構成する各装置の細部構成及び各装置の細部動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

１００加速度計（物理量検出器）
１０１駆動部
１０１ａ永久磁石（磁界形成部材）
１０１ｂ駆動コイル
１０１ｃテストコイル
１０２振り子
１０２ａ第１可動電極
１０２ｂ第２可動電極
１０２ｃ十字バネ
１０３第１変位検出部
１０３ａ第１固定電極
Ｃ１１、Ｃ１２コンデンサ
１０４第２変位検出部
１０４ａ第２固定電極
Ｃ１３、Ｃ１４コンデンサ
１０５第１検波回路
１０６第２検波回路
１０７計装アンプ（減算部）
１０８電流増幅回路
１０９エラー判定部
１１０送信部（出力部）
１１１電流制御部
１２０表示装置

Claims

一端が回動可能に支持された振り子の揺動方向の両面に形成された第１可動電極と、前記振り子を挟むように前記第１可動電極と対向して配置された一対の第１固定電極と、により形成される一対のコンデンサからなる第１変位検出部と、
前記第１変位検出部よりも下方に設けられ、前記振り子の揺動方向の両面に形成された第２可動電極と、前記振り子を挟むように前記第２可動電極と対向して配置された一対の第２固定電極と、により形成される一対のコンデンサからなる第２変位検出部と、
前記第１変位検出部の各コンデンサの静電容量値の差分を検出する第１検波回路と、
前記第２変位検出部の各コンデンサの静電容量値の差分を検出する第２検波回路と、
前記第１検波回路及び前記第２検波回路により検出された静電容量値の差分同士の差を算出する演算部と、
を備えることを特徴とする物理量検出器。
磁界を形成する磁界形成部材と、
前記磁界形成部材により形成された磁界内に配置され、電流が流れることで発生する力により前記振り子を揺動させるテストコイルと、
前記テストコイルに電流を流した際の、前記第１検波回路及び前記第２検波回路からの出力のうち少なくとも一方が所定の閾値未満である場合に、エラーと判定するエラー判定部と、
前記エラー判定部により前記エラーと判定された場合に、当該エラー結果を出力する出力部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の物理量検出器。