特許 6261952 加速度・速度検出器及び加速度・速度検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6261952

(24)【登録日】2017年12月22日

(45)【発行日】2018年1月17日

(54)【発明の名称】加速度・速度検出器及び加速度・速度検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/13 20060101AFI20180104BHJP

   G01H 11/02 20060101ALI20180104BHJP

   G01P 15/125 20060101ALI20180104BHJP

【ＦＩ】

   G01P15/13 C

   G01H11/02 C

   G01P15/125 V

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-227886(P2013-227886)

(22)【出願日】2013年11月1日

(65)【公開番号】特開2015-87340(P2015-87340A)

(43)【公開日】2015年5月7日

【審査請求日】2016年10月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】黒田 泰介

(72)【発明者】

【氏名】藤井 敬英

【審査官】 續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０１０１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０６４０９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−００４５２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３５０４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１５３４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２６６６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１２１５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３３６７９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｐ １５／１３

Ｇ０１Ｈ １１／０２

Ｇ０１Ｐ １５／１２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加速度・速度検出器であって、
ばねを介してケースに支持されたおもりと、
前記ケースに対する前記おもりの変位を電気信号に変換する変位検出部と、
前記電気信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部の出力に基づいて帰還電流を生成する帰還回路と、
前記帰還電流に基づいて前記おもりに電磁気力を作用させる駆動部と、
出力信号を出力する出力部と
を具備し、
前記駆動部は、
第１駆動コイルと、
第２駆動コイルと
を備え、
前記帰還回路は、
前記増幅部の出力に基づいて前記第１駆動コイルを流れる変位帰還電流を生成する変位帰還回路と、
前記増幅部の出力に基づいて前記第２駆動コイルを流れる速度帰還電流を生成する速度帰還回路と
を備え、
前記速度帰還回路は微分回路を備え、
前記出力部は、前記変位帰還電流と前記速度帰還電流の和電流に基づいて前記出力信号を出力し、
前記出力信号の振動数が閾値振動数より高い場合、前記出力信号は速度情報を示し、
前記出力信号の振動数が前記閾値振動数より低い場合、前記出力信号は加速度情報を示し、
前記閾値振動数をｆ_Ｔ、前記加速度・速度検出器の、検出された単位加速度当たりの出力電圧である加速度感度をａ、前記加速度・速度検出器の、検出された単位速度当たりの出力電圧である速度感度をｖとすると、下記式：
ａ＝ｖ／（２πｆ_Ｔ）
が成立する
加速度・速度検出器。

【請求項2】

前記増幅部の出力端子に接続された第１ノードと、
前記出力部に接続された第２ノードと
を更に具備し、
前記第１駆動コイルの一の端子は前記変位帰還回路を介して前記第１ノードに接続され、
前記第１駆動コイルの他の端子は前記第２ノードに接続され、
前記第２駆動コイルの一の端子は前記速度帰還回路を介して前記第１ノードに接続され、
前記第２駆動コイルの他の端子は前記第２ノードに接続される
請求項１に記載の加速度・速度検出器。

【請求項3】

ばねを介してケースに支持されたおもりの前記ケースに対する変位を電気信号に変換する工程と、
前記電気信号に基づいて前記おもりに電磁気力を作用させる工程と、
出力信号を生成する工程と
を具備し、
前記電磁気力は、
第１駆動コイルが発生する第１電磁気力と、
第２駆動コイルが発生する第２電磁気力と
を含み、
前記おもりに前記電磁気力を作用させる工程は、
前記電気信号を増幅して増幅信号を生成する工程と、
前記増幅信号に基づいて、前記第１駆動コイルを流れる変位帰還電流を生成する工程と、
前記増幅信号の微分に基づいて、前記第２駆動コイルを流れる速度帰還電流を生成する工程と
を含み、
前記出力信号を生成する工程は、
前記変位帰還電流と前記速度帰還電流の和電流を生成する工程と、
前記和電流に基づいて前記出力信号を生成する工程と
を含み、
前記出力信号の振動数を判定する工程と、
前記出力信号の振動数が閾値振動数より高い場合に前記出力信号から速度情報を抽出する工程と、
前記出力信号の振動数が前記閾値振動数より低い場合に前記出力信号から加速度情報を抽出する工程と
を含み、
前記閾値振動数をｆ_Ｔ、検出された単位加速度当たりの出力電圧である加速度感度をａ、検出された単位速度当たりの出力電圧である速度感度をｖとすると、下記式：
ａ＝ｖ／（２πｆ_Ｔ）
が成立する
加速度・速度検出方法。

【請求項4】

加速度・速度検出器が出力信号を生成する工程と、
前記出力信号の振動数を判定する工程と、
前記出力信号の振動数が閾値振動数より高い場合に前記出力信号から速度情報を抽出する工程と、
前記出力信号の振動数が前記閾値振動数より低い場合に前記出力信号から加速度情報を抽出する工程と
を具備し、
前記加速度・速度検出器は、
ばねを介してケースに支持されたおもりと、
前記ケースに対する前記おもりの変位を電気信号に変換する変位検出部と、
前記電気信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部の出力に基づいて帰還電流を生成する帰還回路と、
前記帰還電流に基づいて前記おもりに電磁気力を作用させる駆動部と
を備え、
前記駆動部は、
第１駆動コイルと、
第２駆動コイルと
を備え、
前記帰還回路は、
前記増幅部の出力に基づいて前記第１駆動コイルを流れる変位帰還電流を生成する変位帰還回路と、
前記増幅部の出力に基づいて前記第２駆動コイルを流れる速度帰還電流を生成する速度帰還回路と
を備え、
前記速度帰還回路は微分回路を備え、
前記出力信号を生成する工程は、
前記変位帰還電流と前記速度帰還電流の和電流を生成する工程と、
前記和電流に基づいて前記出力信号を生成する工程と
を含み、
前記閾値振動数をｆ_Ｔ、前記加速度・速度検出器の、検出された単位加速度当たりの出力電圧である加速度感度をａ、前記加速度・速度検出器の、検出された単位速度当たりの出力電圧である速度感度をｖとすると、下記式：
ａ＝ｖ／（２πｆ_Ｔ）
が成立する
加速度・速度検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は加速度・速度検出器及び加速度・速度検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、速度と加速度の検出が可能なサーボ型振動検出器を開示している。サーボ型振動検出器は、ケースと、ケース内に設けられた駆動部と、ケースにばねを介して移動可能に設けられた振子と、振子の変位を検出する変位検出部と、変位検出部で振子の零位置からの変位が検出されたとき振子を零位置に戻す電磁気力を駆動部に生じさせる電流を供給可能なサーボアンプとを備える。サーボ型振動検出器は、変位検出部で検出された振子の変位に基づいて設定された変位フィードバック量及び速度フィードバック量を駆動部を介して加速度の入力側の比較器に変位フィードバック及び速度フィードバックとしてフィードバックさせるフィードバック回路を備える。

【0003】

フィードバック回路は、変位フィードバックと速度フィードバックとを互いに独立して行うべく、独立した２系統の回路で構成されている。独立した２系統のフィードバック回路を構成すべく、第１駆動コイルを備えた第１駆動部と、第２駆動コイルを備えた第２駆動部と、第１駆動部に対応する第１変位検出部と、第２駆動部に対応する第２変位検出部と、第１駆動部に対応する第１サーボアンプと、第２駆動部に対応する第２サーボアンプとが設けられている。第１駆動コイルの通電量から振動速度が検出でき、第２駆動コイルの通電量から振子に加えられた加速度の検出ができる。サーボ型振動検出器は、第１駆動コイルの通電量に対応する第１出力電圧を出力する速度出力部と、第２駆動コイルの通電量に対応する第２出力電圧を出力する加速度出力部を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３７７３０７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載のサーボ型振動検出器では、変位検出部、サーボアンプ、及び出力部がそれぞれ２つずつ設けられているため、機器構成が複雑化するという問題点があった。

【0006】

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、簡易な機器構成で加速度と速度の検出が可能な加速度・速度検出器及び加速度・速度検出方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の観点による加速度・速度検出器は、ばねを介してケースに支持されたおもりと、前記ケースに対する前記おもりの変位を電気信号に変換する変位検出部と、前記電気信号を増幅する増幅部と、前記増幅部の出力に基づいて帰還電流を生成する帰還回路と、前記帰還電流に基づいて前記おもりに電磁気力を作用させる駆動部と、出力信号を出力する出力部とを具備する。前記駆動部は、第１駆動コイルと、第２駆動コイルとを備える。前記帰還回路は、前記増幅部の出力に基づいて前記第１駆動コイルを流れる変位帰還電流を生成する変位帰還回路と、前記増幅部の出力に基づいて前記第２駆動コイルを流れる速度帰還電流を生成する速度帰還回路とを備える。前記速度帰還回路は微分回路を備える。前記出力部は、前記変位帰還電流と前記速度帰還電流の和電流に基づいて前記出力信号を出力する。

【0008】

本発明の第１の観点による加速度・速度検出器は、前記増幅部の出力端子に接続された第１ノードと、前記出力部に接続された第２ノードとを更に具備することが好ましい。前記第１駆動コイルの一の端子は前記変位帰還回路を介して前記第１ノードに接続される。前記第１駆動コイルの他の端子は前記第２ノードに接続される。前記第２駆動コイルの一の端子は前記速度帰還回路を介して前記第１ノードに接続される。前記第２駆動コイルの他の端子は前記第２ノードに接続される。

【0009】

本発明の第１の観点による加速度・速度検出器において、前記出力信号の振動数が閾値振動数より高い場合に前記出力信号は速度情報を示し、前記出力信号の振動数が前記閾値振動数より低い場合に前記出力信号は加速度情報を示すことが好ましい。

【0010】

本発明の第１の観点による加速度・速度検出器において、前記閾値振動数をｆ_Ｔ、前記加速度・速度検出器の加速度感度をａ、前記加速度・速度検出器の速度感度をｖとすると、下記式：
ａ＝ｖ／（２πｆ_Ｔ）
が成立することが好ましい。

【0011】

本発明の第２の観点による加速度・速度検出方法は、ばねを介してケースに支持されたおもりの前記ケースに対する変位を電気信号に変換する工程と、前記電気信号に基づいて前記おもりに電磁気力を作用させる工程と、出力信号を生成する工程とを具備する。前記電磁気力は、第１駆動コイルが発生する第１電磁気力と、第２駆動コイルが発生する第２電磁気力とを含む。前記おもりに前記電磁気力を作用させる工程は、前記電気信号を増幅して増幅信号を生成する工程と、前記増幅信号に基づいて、前記第１駆動コイルを流れる変位帰還電流を生成する工程と、前記増幅信号の微分に基づいて、前記第２駆動コイルを流れる速度帰還電流を生成する工程とを含む。前記出力信号を生成する工程は、前記変位帰還電流と前記速度帰還電流の和電流を生成する工程と、前記和電流に基づいて前記出力信号を生成する工程とを含む。

【0012】

本発明の第２の観点による加速度・速度検出方法は、前記出力信号の振動数を判定する工程と、前記出力信号の振動数が閾値振動数より高い場合に前記出力信号から速度情報を抽出する工程と、前記出力信号の振動数が前記閾値振動数より低い場合に前記出力信号から加速度情報を抽出する工程とを更に具備することが好ましい。

【0013】

本発明の第３の観点による加速度・速度検出方法は、加速度・速度検出器が出力信号を生成する工程と、前記出力信号の振動数を判定する工程と、前記出力信号の振動数が閾値振動数より高い場合に前記出力信号から速度情報を抽出する工程と、前記出力信号の振動数が前記閾値振動数より低い場合に前記出力信号から加速度情報を抽出する工程とを具備する。前記加速度・速度検出器は、ばねを介してケースに支持されたおもりと、前記ケースに対する前記おもりの変位を電気信号に変換する変位検出部と、前記電気信号を増幅する増幅部と、前記増幅部の出力に基づいて帰還電流を生成する帰還回路と、前記帰還電流に基づいて前記おもりに電磁気力を作用させる駆動部とを備える。前記駆動部は、第１駆動コイルと、第２駆動コイルとを備える。前記帰還回路は、前記増幅部の出力に基づいて前記第１駆動コイルを流れる変位帰還電流を生成する変位帰還回路と、前記増幅部の出力に基づいて前記第２駆動コイルを流れる速度帰還電流を生成する速度帰還回路とを備える。前記速度帰還回路は微分回路を備える。

【0014】

前記出力信号を生成する工程は、前記変位帰還電流と前記速度帰還電流の和電流を生成する工程と、前記和電流に基づいて前記出力信号を生成する工程とを含む。前記閾値振動数をｆ_Ｔ、前記加速度・速度検出器の加速度感度をａ、前記加速度・速度検出器の速度感度をｖとすると、下記式：
ａ＝ｖ／（２πｆ_Ｔ）
が成立する。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、簡易な機器構成で加速度と速度の検出が可能な加速度・速度検出器及び加速度・速度検出方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施の形態１にかかる加速度・速度検出器の概略構成図である。

【図2】実施の形態１にかかる加速度・速度検出器のブロック線図である。

【図3】実施の形態１にかかる加速度・速度検出器の振動数特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１にかかる加速度・速度検出器１は、振動検出器、特に地震計の用途に好適である。

【0018】

図１は、実施の形態１にかかる加速度・速度検出器１の概略構成図である。図１を参照して、加速度・速度検出器１の構成を説明する。加速度・速度検出器１は、サーボ型加速度・速度検出器として構成される。加速度・速度検出器１は、ケース１０と、駆動部２０と、可動部３０と、変位検出部４０と、増幅部５０と、帰還回路６０と、負荷抵抗６５と、出力部６６と、ノード７１〜７３を備える。

【0019】

可動部３０は、おもり３５と、ばね３６と、ダンパー３７を備える。おもり３５は、ケース１０内に移動可能に設けられる。おもり３５は、ばね３６及びダンパー３７を介してケース１０に支持される。ばね３６及びダンパー３７は並列に設けられている。ばね３６は、おもり３５を付勢する。ダンパー３７は、おもり３５の速度を減衰する。駆動部２０は、ケース１０に設けられた駆動コイル２１及び２２と、おもり３５に設けられたマグネット２５を備える。マグネット２５は、例えば永久磁石である。

【0020】

変位検出部４０は、おもり３５に設けられた可動極板４５と、ケース１０に設けられた固定極板４６を備える。変位検出部４０は、可動極板４５及び固定極板４６が形成するコンデンサの静電容量に基づいて、ケース１０に対するおもり３５の変位を検出する。変位検出部４０は、ケース１０に対するおもり３５の変位を電気信号に変換する。変位検出部４０の出力端子は、増幅部５０の入力端子に接続される。

【0021】

増幅部５０は、例えば、サーボアンプである。増幅部５０は、変位検出部４０が出力した電気信号を増幅して増幅信号を生成する。増幅部５０の出力端子はノード７１に接続される。帰還回路６０は、変位帰還回路６１と、速度帰還回路６２を備える。速度帰還回路６２は、微分回路６２ａを備える。ノード７１は、変位帰還回路６１を介して駆動コイル２１の一の端子に接続され、速度帰還回路６２を介して駆動コイル２２の一の端子に接続される。帰還回路６０は、増幅部５０が出力した増幅信号に基づいて帰還電流を生成する。駆動部２０は、帰還電流に基づいておもり３５に電磁気力を作用させる。

【0022】

ノード７２は、駆動コイル２１の他の端子及び駆動コイル２２の他の端子に接続される。ノード７２はノード７３に接続される。ノード７３は、負荷抵抗６５を介して接地されている。出力部６６はノード７３に接続される。出力部６６は、出力信号を出力する。

【0023】

ここで、記号ｍは、おもり３５の質量を表す。記号ｋは、ばね３６のばね定数を表す。記号λは、ダンパー３７の減衰係数を表す。記号Ａｃは、変位検出部４０の変位・電圧変換定数を表す。記号Ａｓは、増幅部５０のゲインを表す。記号Ｂｌ１は、駆動コイル２１に対応する力係数を表す。記号Ｂｌ２は、駆動コイル２２に対応する力係数を表す。記号Ｒは、負荷抵抗６５の抵抗値を表す。

【0024】

図２は、加速度・速度検出器１のブロック線図である。図２を参照して、加速度・速度検出器１の動作を説明する。記号αは、加速度・速度検出器１の入力加速度を表す。このとき、おもり３５に慣性力ｍαが作用する。おもり３５に作用する力は、可動部３０の特性（ｍｓ^２＋λｓ＋ｋ）により、ケース１０に対するおもり３５の変位ｙに変換される。ここで、記号ｓは複素数演算子である。変位検出部４０は、変位・電圧変換定数Ａｃに基づいて変位ｙを変位検出電圧ｅ_Ｃに変換する。増幅部５０は、ゲインＡｓに基づいて変位検出電圧ｅ_Ｃを増幅して増幅電圧ｅ_Ｓを生成する。

【0025】

変位帰還回路６１は、増幅部５０が出力した増幅電圧ｅ_Ｓに基づいて、駆動コイル２１を流れる変位帰還電流ｉ１を生成する。ここで、変位帰還回路６１の伝達関数がＧ１で表される。駆動コイル２１は、変位帰還電流ｉ１に基づいて電磁気力Ｆ１を発生する。電磁気力Ｆ１は、おもり３５を平衡位置に戻すようにおもり３５に作用する。

【0026】

速度帰還回路６２は、増幅部５０が出力した増幅電圧ｅ_Ｓの微分に基づいて、駆動コイル２２を流れる速度帰還電流ｉ２を生成する。ここで、速度帰還回路６２の伝達関数がＧ２で表される。伝達関数Ｇ２は、微分回路６２ａの微分特性を含んでいる。駆動コイル２２は、速度帰還電流ｉ２に基づいて電磁気力Ｆ２を発生する。電磁気力Ｆ２は、ケース１０に対するおもり３５の相対速度を減衰するようにおもり３５に作用する。

【0027】

ノード７２は、変位帰還電流ｉ１と速度帰還電流ｉ２の和電流を生成する。負荷抵抗６５は、和電流に基づいて出力電圧ｅ_０を生成する。出力部６６は、出力電圧ｅ_０を出力する。ここで、変位帰還電流ｉ１、速度帰還電流ｉ２、負荷抵抗６５の抵抗値Ｒ、及び出力電圧ｅ_０について、以下の式（１）が成立する。
ｅ_０＝（ｉ１＋ｉ２）Ｒ・・・（１）

【0028】

図３は、加速度・速度検出器１の振動数特性を示すグラフである。縦軸は加速度・速度検出器１の出力信号としての出力電圧ｅ_０、横軸は振動数である。加速度・速度検出器１の振動数特性が実線で示されている。また、比較のために、速度帰還がない場合の振動数特性が破線で示されている。加速度・速度検出器１は、変位帰還及び速度帰還を同時に掛けることにより、加速度計測範囲と速度計測範囲を併せ持っている。換言すると、出力電圧ｅ_０の振動数が閾値振動数ｆ_Ｔより高い場合に出力電圧ｅ_０は速度情報を示し、出力電圧ｅ_０の振動数が閾値振動数ｆ_Ｔより低い場合に出力電圧ｅ_０は加速度情報を示す。具体的には、出力電圧ｅ_０は、閾値振動数ｆ_Ｔより低い周波数範囲では加速度に比例し、閾値振動数ｆ_Ｔより高い周波数範囲では速度に比例する。

【0029】

したがって、出力電圧ｅ_０の振動数を判定し、出力電圧ｅ_０の振動数が閾値振動数ｆ_Ｔより高い場合に出力電圧ｅ_０から速度情報を抽出し、出力電圧ｅ_０の振動数が閾値振動数ｆ_Ｔより低い場合に出力電圧ｅ_０から加速度情報を抽出する。加速度・速度検出器１は、加速度と速度の両方を検出することができる。ここで、出力電圧ｅ_０を情報として記録媒体に記録し、記録された情報に基づいて出力電圧ｅ_０の振動数の判定、速度情報の抽出、及び加速度情報の抽出を実行してもよい。

【0030】

尚、加速度・速度検出器１の加速度感度ａ、速度感度ｖ、及び閾値振動数ｆ_Ｔの間に以下の式（２）の関係が成立する。
ａ＝ｖ／（２πｆ_Ｔ）・・・（２）
加速度・速度検出器１は加速度感度ａ及び速度感度ｖが予め確認（調整）してあるため、加速度感度ａ及び速度感度ｖの値から閾値振動数ｆ_Ｔを求めることができる。例えば、加速度感度ａが１５９１．５ Ｖ／（ｍ／ｓ^２）、速度感度ｖが２００ Ｖ／（ｍ／ｓ）の場合、閾値振動数ｆ_Ｔは０．０２ Ｈｚである。

【0031】

上述したように、加速度・速度検出器１では、変位検出部４０、増幅部５０、及び出力部６６がそれぞれ１つずつしか設けられていない。したがって、本実施の形態によれば、簡易な機器構成で加速度と速度の検出が可能な加速度・速度検出器及び加速度・速度検出方法が提供される。更に、本実施の形態によれば、組込み機器の小型化、消費電力の削減、及び部品点数の削減が実現される。部品点数が削減されるため、組み立て工数が削減され、低価格化が実現される。

【0032】

動電型速度検出器では固有振動数より低振動数域の速度計測ができないが、本実施の形態によれば、速度計測範囲が固有振動数より低振動数域側に拡大され、検出範囲が広帯域化される。

【0033】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、加速度・速度検出器１は、おもり３５がケース１０に対して直線移動する直動型でもよく、おもり３５がケース１０に対して回転移動する搖動型であってもよい。駆動コイル２１及び２２がケース１０側にマグネット２５がおもり３５側に設けられてもよく、駆動コイル２１及び２２がおもり３５側にマグネット２５がケース１０側に設けられてもよい。

【符号の説明】

【0034】

１…加速度・速度検出器
１０…ケース
２０…駆動部
２１、２２…駆動コイル
３５…おもり
３６…ばね
４０…変位検出部
５０…増幅部
６０…帰還回路
６１…変位帰還回路
６２…速度帰還回路
６２ａ…微分回路
６６…出力部
７１〜７３…ノード
ｙ…変位
ｅ_Ｃ…変位検出電圧
ｅ_Ｓ…増幅電圧
ｅ_０…出力電圧
Ｆ１、Ｆ２…電磁気力
ｉ１…変位帰還電流
ｉ２…速度帰還電流
ｆ_Ｔ…閾値振動数
ａ…加速度感度
ｖ…速度感度

【図1】

【図2】

【図3】