JPH1151968A - 振動センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バネのスチフネスを小さくすると、機械的強
度が低下し、運搬設置時等において取り扱いが困難にな
る。 【解決手段】 バネ２と質量体３を備える振動センサに
おいて、質量体３にバネ２のスチフネスと、磁石８，８
が磁性部材７に対して及ぼす吸引力による磁気的な負の
スチフネスを作用させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、質量とバネで構成
する振動センサにおいて、バネの機械的強度を低下させ
ることなく共振周波数を低くした振動センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のサーボ加速度センサは、図５に示
す構造をしており、バネ１０１によってケース１００に
支持された質量体１０２が、外から加わる加速度によっ
て矢印Ａ方向に変位する。質量体１０２のケース１００
に対する変位をケース１００に固定される位置検出器１
０３で検出し、これを電気信号に変換してサーボアンプ
１０４によって増幅する。

【０００３】増幅された電気信号は、質量体１０２に取
り付けられるコイル１０５を電流ｉとなって流れる。こ
の電流ｉにより、ケース１００に取り付けられる磁気回
路１０６との相互作用で電磁力が発生して質量体１０２
に作用する。この力は、加わる振動加速度と向きが逆で
大きさがほぼ等しいため、二つの力がバランスして質量
体１０２は殆ど動かなくなる。このときの電流ｉは、加
わった加速度に比例しているので、コイル１０５に直列
に挿入されたサーボ抵抗ＲＬの両端電圧も加速度に比例
したものとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、振動数が１〔Ｈ
ｚ〕以下で、レベルが１×１０^-6〔Ｇ〕以下の低周波微
振動、例えば、微弱地震を精度よく測定できる振動セン
サが求められている。図５に示すサーボ加速度センサ
は、振動数が１〔Ｈｚ〕以上で、しかもレベルが１×１
０^-6〔Ｇ〕以上であれば、比較的精度よく測定できるも
のの、振動数が１〔Ｈｚ〕以下であり、レベルが１×１
０^-6〔Ｇ〕以下の低周波微振動を測定することは不可能
であった。

【０００５】この問題を解決するために、バネ１０１の
スチフネスを小さくして、バネ−質量系の共振周波数を
低くすることも考えられるが、スチフネスを小さくする
と、機械的強度が低下し、運搬設置時等において取り扱
いが困難になるという新たな問題が発生することが予想
される。

【０００６】本発明は、従来の技術が有するこのような
問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、バネのスチフネスを小さくすることなく、即ち
バネの機械的強度を低下させることなく、バネと質量か
らなる振動系の共振周波数を低くできる振動センサを提
供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく請
求項１の発明は、バネと質量体を備える振動センサにお
いて、前記質量体に負のスチフネスを作用させたもの
で、バネの機械的強度を低下させることなく共振周波数
を低くするようにした。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１記載の振動セ
ンサにおいて、サーボ加速度センサに適用したもので、
負帰還量を増大して自己ノイズレベルを低く抑えるよう
にした。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る
サーボ加速度センサの構成図、図２は同じくオープンル
ープでの伝達特性図、図３は同じく自己ノイズ特性図で
ある。

【００１０】本発明に係るサーボ加速度センサは、図１
に示すように、ケース１、ケース１の内面にバネ２によ
って支持された質量体３、ケース１の内面に固定した磁
気回路４、磁気回路４の空隙ＡＧ内に位置して質量体３
の端面に固定したコイル５、質量体３の変位を検出する
ケース１に固定した変位検出器６、質量体３の側面に固
定した磁性部材７、磁性部材７を挟むようにしてケース
１の内面に固定した一対の磁石８，８、変位検出器６の
出力信号と基準電圧との差分を増幅してコイル５に電流
ｉを供給するサーボアンプ９、コイル５に直列接続した
サーボ抵抗ＲＬからなる。

【００１１】変位検出器６は、レーザダイオード１０、
レーザダイオード１０を駆動する電源１１、レーザダイ
オード１０が発する光を検知するフォトダイオード１
２、レーザダイオード１０が発する光を質量体３の変位
量に応じて焦点位置を変化させる質量体３の側面に固定
したレンズ１３からなる。従って、フォトダイオード１
２に入射するレーザダイオード１０からの光量は、レン
ズ１３により質量体３の変位量に応じて変化することに
なり、フォトダイオード１２の受光量から質量体３の変
位量を検出することができる。なお、一対の磁石８，８
は、対向する面が同一の極性（Ｓ極又はＮ極）となるよ
うに着磁してある。

【００１２】以上のように構成したサーボ加速度センサ
の動作について説明する。加速度がサーボ加速度センサ
に加わると質量体３がケース１に対して変位する。する
と、質量体３の側面に磁性部材７を固定し、磁性部材７
を挟むようにしてケース１の内面に一対の磁石８，８を
固定しているので、質量体３にはバネ２のスチフネス
と、磁石８，８が磁性部材７に対して及ぼす吸引力によ
る磁気的な負のスチフネスが作用する。

【００１３】この場合、２つの磁石８，８と磁性部材７
との間にそれぞれ作用する吸引力は、磁石８，８の着磁
量又は磁石８，８と磁性部材７とのそれぞれの距離を調
整することにより、質量体３が変位しない状態で大きさ
が同一で逆方向になるようにしている。従って、これら
の磁石８，８によって質量体３の位置がどちらか一方に
偏ることはない。

【００１４】負のスチフネスについて説明すると、バネ
２のスチフネスは質量体３の変位量に応じて、質量体３
を元の位置に戻そうとして作用するが、磁性部材７が磁
石８，８のいずれかに接近すると、接近した一方の磁石
８の吸引力がより大きくなり、接近をさらに促すような
力が作用する。元の位置に復元させようとするバネ２の
スチフネスとは逆方向であるので、磁気的な負のスチフ
ネスと呼ばれている。

【００１５】なお、負のスチフネスについては、日本音
響学会編「音響用語辞典」第３版５１６ページ（コロナ
社）、又は電気通信学会編「電気音響振動学」第１４版
１１７ページ（コロナ社）に詳しい記載があるので、こ
こでは詳細な説明を省略する。

【００１６】このように磁気的な負のスチフネスが作用
するので、サーボ加速度センサのオープンループ状態に
おけるバネと質量からなる振動系の共振周波数は、質量
体３の質量と、バネ２のスチフネスと磁気的な負のスチ
フネスの和で決定される。即ち、角共振周波数ωと質量
体３の質量ｍとバネ２のスチフネスＳｓと磁気的な負の
スチフネス（−Ｓｍ）の関係は、次のように表すことが
できる。

【００１７】

【数１】

【００１８】但しＳｓ＋（−Ｓｍ）＞０である。このこ
とは、バネ２の機械的な強度を低下させることなく、バ
ネと質量からなる振動系の共振周波数を低くできること
を意味する。

【００１９】図２は、磁気的な負のスチフネスを作用さ
せた場合と、そうでない場合の、サーボ加速度センサの
オープンループの伝達特性を示す。即ち、曲線ａは磁気
的な負のスチフネスを作用させていないときの伝達特性
を示し、共振周波数が２０〔Ｈｚ〕、平坦部分の感度が
６５〔ｄＢ〕である。曲線ｂは磁気的な負のスチフネス
を作用させたときの伝達特性を示し、共振周波数が１
〔Ｈｚ〕、平坦部分の感度が１１５〔ｄＢ〕である。

【００２０】このように、磁気的な負のスチフネスを作
用させると、作用させないものと比較して大幅に感度が
向上するので、磁気的な負のスチフネスを作用させない
サーボ加速度センサに比べ、大きな負帰還をかけること
が可能となり、その分、自己ノイズレベルを低減させる
ことができる。

【００２１】図３は、自己ノイズ特性を示し、曲線Ａは
磁気的な負のスチフネスを作用させていないときのサー
ボ加速度センサの自己ノイズであり、曲線Ｂは磁気的な
負のスチフネスを作用させたときのサーボ加速度センサ
の自己ノイズである。このように自己ノイズを低減させ
たことにより、低周波領域の微弱な振動を極めて高精度
に測定することが可能となった。

【００２２】なお、上述の実施の形態においては、本発
明をサーボ加速度センサに適用した場合について説明し
たが、本発明はこれに限らず、バネと質量からなる振動
系を備える振動センサの全てに適用できる。例えば、動
電型の変位センサに適用すれば、バネの強度を低下させ
ることなく測定下限周波数を下げることが可能になる。
また、動電型の速度センサに適用した場合にも同様の作
用効果を奏するようにできる。

【００２３】また、上述の実施の形態においては、質量
体３に磁気的な負のスチフネスを作用させるにあたり、
質量体３に固定した磁性部材７を挟むように一対の磁石
８，８を配したが、負のスチフネスを作用させるのであ
れば、図４に示すように、他の磁石配置、他の磁気回路
で構成してもよいことはいうまでもない。なお、図４で
はバネと質量からなる振動系以外の構成は省略して図示
している。

【００２４】図４（ａ）では、質量体２０に一対の磁性
部材２１，２１を固定し、この一対の磁性部材２１，２
１の間に磁性部材でなる磁気シールド部２３をケース２
５の内壁に固定している。更に、一対の磁性部材２１，
２１を挟むようにして一対の磁石２２，２２をケース２
０の内壁に固定している。磁気シールド部２３は一対の
磁石２２，２２が互いに干渉しあうのを防止するための
ものである。

【００２５】図４（ｂ）では、質量体３０に１つの磁性
部材３１を固定し、この磁性部材３１を挟んで一対の磁
石３２，３２をケース３５の内面に固定している。着磁
方向は、図１に示す方向と異なり、磁石３２，３２の対
向する面が異なる極性になるようにしている。

【００２６】更に、上述の実施の形態においては、負の
スチフネスを作用させるにあたり、磁気力を用いたが、
本発明は、これに限らず、静電力を用いてもよいことは
いうまでもない。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、バネと質量体からなる振動系を備えた振動センサ
において、質量体にバネのスチフネスの他に負のスチフ
ネスを作用させる構成としたので、バネの強度を弱める
ことなく共振周波数を低下させることができる。

【００２８】請求項２の発明によれば、サーボ加速度セ
ンサにおいて、質量体にバネのスチフネスの他に負のス
チフネスを作用させる構成としたので、自己ノイズを低
減でき、低周波領域の微弱な振動を高精度に測定でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るサーボ加速度センサの構成図

【図２】本発明に係るサーボ加速度センサのオープンル
ープでの伝達特性図

【図３】本発明に係るサーボ加速度センサの自己ノイズ
特性図

【図４】他の実施の形態を示す構成図

【図５】従来のサーボ加速度センサの構成図

【符号の説明】

１，２５，３５…ケース、２…バネ、３，２０，３０…
質量体、４…磁気回路、５…コイル、６…変位検出器、
７，２１，３１…磁性部材、８，２２，３２…磁石、９
…サーボアンプ、１０…レーザダイオード、１１…電
源、１２…フォトダイオード、１３…レンズ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バネと質量体を備える振動センサにおい
   て、前記質量体に負のスチフネスを作用させたことを特
   徴とする振動センサ。
2. 【請求項２】 サーボ加速度センサに適用した請求項１
   記載の振動センサ。