JP5043726B2 - Servo vibration meter - Google Patents
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Description
本発明は地震や建物の揺れ等の振動を測定するために、振動速度信号を出力するサーボ型の振動計に関する。 The present invention relates to a servo-type vibrometer that outputs a vibration speed signal in order to measure vibrations such as earthquakes and shaking of buildings.
従来、この種のサーボ型振動計としては、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。
Conventionally, as this type of servo vibrometer, for example, the one described in
この特許文献1で記載されたサーボ型振動計を図13に示す。このサーボ型振動計1は、振子2を備えており、振子2に作用した振動変位が変位検出器3によって電気信号に変換され、この変位出力がアンプ4を介して駆動部5へと供給されるようになっている。振子2は、支持バネ6によって支持されると共にその一部に減衰器7が接続される。
FIG. 13 shows the servo vibrometer described in
振子2に作用した振動は変位検出器3によって、その振子2の変位が電気信号として検出され、これがアンプ4を介して出力されると同時に、アンプ4からの電気信号は、微分回路8を経て駆動部5に帰還されて、駆動部5では、振子2の変位の微分出力の大きさに対応した復元力が働き、振子2が元の位置に戻される力が発生される。
The vibration acting on the
この振子2の運動方程式は、次式で与えられる。
The equation of motion of the
ここで、右辺は振子2に働く外力の総和であって、右辺第1項は減衰器7の制動力、第2項は支持バネ6の復元力、第3項は駆動部5による復元力であり、第4項は振動加速度による慣性力であり、xは振子2の変位、yは振動計1の変位、mは振子2の質量、kは支持バネ6のバネ定数、Dは減衰器7の定数、Aはアンプ4のゲイン、A’は微分回路8及び駆動部5によるゲインである。
Here, the right side is the sum of the external forces acting on the
上式を書き直すと、 Rewriting the above formula,
しかしながら、上記従来の構成では、広い周波数帯域で速度信号を検出しようとすると、アンプ4のゲインを高くする必要がある。しかしながら、高い周波数に対しては、感度が低くなるため、これを補うために、サーボループのアンプ4のゲインを一層大きくすると、大きな振動入力に対して帰還信号が飽和してしまうので、ダイナミックレンジが制限され大きな速度を検出することができない、という問題がある。
However, in the conventional configuration described above, it is necessary to increase the gain of the
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、その目的は、広い帯域で高感度な振動速度信号が得られ、ダイナミックレンジを広げることができるサーボ型振動計を提供することである。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a servo-type vibrometer that can obtain a vibration speed signal with high sensitivity in a wide band and can expand a dynamic range.
上記目的を達成するために本発明の請求項1記載の発明は、基台と、基台に対して弾性部材によって支持されて振動可能となった振り子と、基台と振り子との間の相対変位を検出するピックアップと、相対変位が発生した振り子を中立点の方へ戻す力を発生するトルカと、前記ピックアップからの出力信号が入力されて前記トルカへの帰還信号を出力すると共に振動速度信号を出力する信号処理部と、を有するサーボ型振動計において、
前記信号処理部は、
前記ピックアップからの出力信号を周波数によって高域信号と低域信号とに弁別する弁別手段と、
前記弁別手段からの高域信号を増幅して前記帰還信号とする第1増幅手段と、
前記弁別手段からの高域信号を積分して前記振動速度信号とする積分手段と、
前記弁別手段からの低域信号を微分して前記帰還信号とする微分手段と、
前記弁別手段からの低域信号を増幅して前記振動速度信号とする第2増幅手段と、
を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
The signal processing unit
Discriminating means for discriminating an output signal from the pickup into a high frequency signal and a low frequency signal according to a frequency;
First amplifying means for amplifying a high-frequency signal from the discriminating means to be the feedback signal;
Integrating means for integrating the high frequency signal from the discriminating means into the vibration speed signal;
Differentiating means for differentiating the low-frequency signal from the discriminating means into the feedback signal;
A second amplifying means for amplifying a low-frequency signal from the discriminating means into the vibration speed signal;
It is characterized by having.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の前記弁別手段が、ハイパスフィルタと、ローパスフィルタとで構成されることを特徴とする。
The invention according to
請求項3記載の発明は、請求項2記載のものにおいて、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数と、ローパスフィルタのカットオフ周波数とがほぼ同じであることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the cutoff frequency of the high-pass filter and the cutoff frequency of the low-pass filter are substantially the same.
請求項4記載の発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の前記信号処理部が、トルカへの帰還信号を振動加速度信号として出力することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the signal processing unit according to any one of the first to third aspects outputs a feedback signal to ToruCa as a vibration acceleration signal.
請求項5記載の発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の前記信号処理部が、前記ピックアップからの出力信号の直流成分を取り出すローパスフィルタをさらに備え、該ローパスフィルタからの出力を、前記帰還信号に加算することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, the signal processing unit according to any one of the first to fourth aspects further includes a low-pass filter that extracts a DC component of an output signal from the pickup, and an output from the low-pass filter. Is added to the feedback signal.
請求項6記載の発明は、請求項5記載の前記信号処理部が、前記ローパスフィルタからの出力を、直流加速度信号として出力することを特徴とする。 The invention according to claim 6 is characterized in that the signal processing unit according to claim 5 outputs the output from the low-pass filter as a DC acceleration signal.
請求項7記載の発明は、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の前記弁別手段が、前記第1増幅手段と前記微分手段とに接続される第1信号弁別ユニットと、前記積分手段と前記第2増幅手段とに接続される第2信号弁別ユニットと、から成ることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, the discriminating means according to any one of the first to sixth aspects includes a first signal discriminating unit connected to the first amplifying means and the differentiating means, and the integrating means. And a second signal discrimination unit connected to the second amplification means.
請求項8記載の発明は、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の前記信号処理部が、さらに、前記第1増幅手段と前記微分手段とのそれぞれの出力を加算する第1の加算手段と、前記積分手段と前記第2増幅手段とのそれぞれの出力を加算する第2の加算手段と、を備えることを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、入力振動の周波数に応じて高域信号と低域信号に弁別して、それぞれに適した構成をとることによって、それぞれの帯域で有利な構成とすることができて、相対的に雑音成分の影響が少なく、正しい振動速度信号が得られ、結果として高域と低域を合わせた全帯域で高感度な振動速度信号が得られる。 According to the present invention, a high frequency signal and a low frequency signal are discriminated according to the frequency of the input vibration, and an appropriate configuration can be obtained for each band. Therefore, a correct vibration speed signal can be obtained with little influence of noise components, and as a result, a high-sensitivity vibration speed signal can be obtained in all bands including the high and low frequencies.
低域では高感度な速度信号を微分手段で微分し、高域では高感度な加速度信号を第1増幅手段で増幅して帰還信号を作るので、サーボループのゲインの制限が緩和され、大きなダイナミックレンジを得ることができる。 In the low frequency range, the high-sensitivity speed signal is differentiated by the differentiation means. In the high frequency range, the high-sensitivity acceleration signal is amplified by the first amplification means to create a feedback signal. You can get a range.
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明によるサーボ型振動計10の実施形態を示す全体図である。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall view showing an embodiment of a
サーボ型振動計10は、全体として、機構部12と電気回路部14から成る。
The
機構部12は、基台20に弾性部材としてのヒンジ22を介して連結された振り子24と、トルカ26と、振り子24の変位を検出するピックアップ28とから成る。トルカ26は、マグネット30と振り子24に結合されたトルカコイル32とから成る。ピックアップ28は、例えば、光学的に振り子24の変位を検出する発光器と受光器とから構成することができる。
The
振り子24に振動入力が加えられて基台20に対して相対変位すると、この変位はピックアップ28によって光学的に光量として検出されてこの光量が電圧に変換される。ピックアップ28からの電圧信号は電気回路部14へと入力される。
When vibration input is applied to the
電気回路部14は、信号処理部34と、出力抵抗36と、を有する。電気回路部14からピックアップ28で検出された振り子24の相対変位がゼロとなって振り子24が中立位置へと戻るような電流がトルカコイル32及び出力抵抗36へと流れるようになっている。
The
この機構部12で構成される振り子の運動方程式を考えると次のようになる。
Considering the equation of motion of the pendulum composed of this
sをラプラス変数とした場合、振り子の振動系S(s)は、 When s is a Laplace variable, the pendulum vibration system S (s) is
図2は、本発明のサーボ型振動計10のブロック図を表す。
FIG. 2 shows a block diagram of the
図2中、Kpはピックアップ28のゲインである。信号処理部34は、ピックアップ28からの出力信号を高域信号と低域信号とに弁別する弁別手段としての、第1信号弁別ユニット40及び第2信号弁別ユニット42を有している。各信号弁別ユニットには一つの入力端40a、42aと二つの出力端40b、40c、42b、42cとが設けられ、入力端40a、42aには、前記ピックアップ28からの電圧信号が入力される。
In FIG. 2, K p is the gain of the
図3は、各信号弁別ユニット40、42の具体的なブロック図である。各信号弁別ユニット40、42は、ハイパスフィルタ44とローパスフィルタ46とから成り、これによって、ピックアップ28の出力信号を周波数によって高域信号と低域信号に弁別出力する。ハイパスフィルタ44とローパスフィルタ46のカットオフ周波数はほぼ同じとするとよい。
FIG. 3 is a specific block diagram of each
第1信号弁別ユニット40から高域信号が出力される出力端40bには、該高域信号を所定のゲインG1で増幅する通常の第1アンプ(第1増幅手段)50が接続され、第1信号弁別ユニット40から低域信号が出力される出力端40cには、該低域信号を微分してゲインG2で増幅する微分アンプ52(微分手段)が接続される。
A normal first amplifier (first amplifying means) 50 for amplifying the high frequency signal with a predetermined gain G1 is connected to the
第2信号弁別ユニット42から高域信号が出力される出力端42bには、該高域信号を積分して所定のゲインA1で増幅する積分アンプ(積分手段)54が接続され、第2信号弁別ユニット42から低域信号が出力される出力端42cには、該低域信号をゲインA2で増幅する第2アンプ56(第2増幅手段)が接続される。
The output terminal 42b of the high frequency signal from the second
第1アンプ50と微分アンプ52のそれぞれの出力は、第1の加算点60(加算手段)で加算されて、帰還ループ62に接続される。帰還ループ62には、ゲインG4で増幅する帰還アンプ64が設けられる。ここで、帰還アンプ64はトルカ26を含めたものである。
The outputs of the
積分アンプ54と第2アンプ56のそれぞれの出力は、第2の加算点68(加算手段)で加算されて、振動速度信号出力端70となる。また、第1の加算点60からの信号は、振動加速度信号出力端72となる。
The outputs of the integrating
以上のように構成されるサーボ型振動計10の作用を説明する。
The operation of the
今、振動入力のうちの高周波成分を考えると、振動系S(s)の振り子24の変位を検出するピックアップ28からの高周波信号は、第1信号弁別ユニット40のハイパスフィルタを通過し、第1アンプ50を通って帰還される。また、第2信号弁別ユニット42のハイパスフィルタを通過し、積分アンプ54を通って、振動速度信号出力端70に出力される。つまり、図2のブロック図で表されるサーボ型振動計は、図4に示すブロック図と等価となる。
Considering the high-frequency component of the vibration input now, the high-frequency signal from the
ここで、図4の運動方程式は次のようになる。 Here, the equation of motion of FIG. 4 is as follows.
図4の伝達関数G(s)は The transfer function G (s) in Fig. 4 is
ω3よりも小さい周波数では、(4)式において、振り子の変位θの項が支配的になるから、振り子の変位が振動入力の加速度に比例することを利用する。即ち、 At a frequency smaller than ω 3 , since the term of the pendulum displacement θ becomes dominant in the equation (4), the fact that the pendulum displacement is proportional to the acceleration of the vibration input is used. That is,
よって、ピックアップ28からの出力信号を積分した積分アンプ54からの出力が、振動速度信号として第1の加算点60に供給される。また、第1アンプ50からの出力が振動加速度信号として第2の加算点68に供給される。
Therefore, the output from the integrating
次に、振動入力のうちの低周波成分を考えると、振動系S(s)の振り子24の変位を検出するピックアップ28からの低周波信号は、第1信号弁別ユニット40のローパスフィルタを通過し、微分アンプ52を通って帰還される。また、第2信号弁別ユニット42のローパスフィルタを通過し、第2アンプ56を通って、振動速度信号出力端70に出力される。つまり、図2のブロック図で表されるサーボ型振動計は、図6に示すブロック図と等価となる。
Next, considering the low frequency component of the vibration input, the low frequency signal from the
ここで、図6の運動方程式は次のようになる。 Here, the equation of motion of FIG. 6 is as follows.
図6の伝達関数G(s)は The transfer function G (s) in FIG.
この場合、固有周波数近傍では、振り子の速度項が支配的になるから、振り子の速度が振動入力の加速度に比例し、つまり、振り子の変位が振動入力の速度に比例することを利用する。(9)式より、固有周波数近傍でしか速度信号に比例しなかったものが、固有周波数を中心としてダンピングされた分だけ帯域が拡大(例えば範囲がω1からω4まで)する。この伝達関数G(s)のゲインと周波数の関係を図7に示す。 In this case, since the speed term of the pendulum becomes dominant near the natural frequency, the fact that the pendulum speed is proportional to the acceleration of the vibration input, that is, the displacement of the pendulum is proportional to the speed of the vibration input is used. From equation (9), the band that is proportional to the velocity signal only in the vicinity of the natural frequency is expanded by the amount damped around the natural frequency (for example, the range is from ω 1 to ω 4 ). The relationship between the gain and frequency of this transfer function G (s) is shown in FIG.
よって、ピックアップ28からの出力信号を増幅した第2アンプ56からの出力が、振動速度信号として第1の加算点60に供給される。また、微分アンプ52からの出力が振動加速度信号として第2の加算点68に供給される。
Therefore, the output from the
以上のようにして、第1の加算点60及び第2の加算点68でそれぞれ加算することによって、高域信号と低域信号の合成信号となり、出力端70から振動速度信号が出力され、出力端72から振動加速度信号が出力される。
As described above, by adding at the first addition point 60 and the
信号弁別ユニットのハイパスフィルタとローパスフィルタのカットオフ周波数をω2、図7の低域のカットオフ周波数をω1、図5の高域のカットオフ周波数をω3とすると、第1の加算点60の入力は図8となる。横軸は周波数で縦軸は振動加速度信号のゲインである。 Highpass and 2 the cutoff frequency omega of the low-pass filter signal discrimination unit, omega 1 the cut-off frequency of the low frequency of FIG. 7, the cutoff frequency of the high band of Figure 5 when the omega 3, a first summing point The input of 60 is shown in FIG. The horizontal axis is the frequency, and the vertical axis is the gain of the vibration acceleration signal.
第1の加算点60の出力はその合成信号となり図9となる。横軸は周波数で縦軸は振動加速度信号のゲインである。第2の加算点68でもまったく同じとなり、その場合、図8及び図9の縦軸は振動速度のゲインとなる。
The output of the first addition point 60 is the combined signal as shown in FIG. The horizontal axis is the frequency, and the vertical axis is the gain of the vibration acceleration signal. The same applies to the
信号弁別ユニットのハイパスフィルタ44とローパスフィルタ46のカットオフ周波数ω2は、加速度と速度の変位量が同じω=1が理想的であるが、実際の振動系の固有周波数ω0やサーボアンプの実現可能なゲイン範囲を参考にして決定するとよい。 The cutoff frequency ω 2 of the high-pass filter 44 and the low-pass filter 46 of the signal discrimination unit is ideally ω = 1 where the displacement amount of acceleration and velocity is the same, but the natural frequency ω 0 of the actual vibration system and the servo amplifier It should be determined with reference to the realizable gain range.
この実施形態では次の効果が得られる。 In this embodiment, the following effects can be obtained.
ピックアップで検出する変位が振動入力の加速度に比例する場合、周波数が高いほど変位が大きくなるのでより感度が大きい。高域信号に対しては、図4に示す構成となっているので、加速度を高い感度で検出することができ、それを積分することで正しい速度信号が得られる。 When the displacement detected by the pickup is proportional to the acceleration of the vibration input, the higher the frequency, the greater the displacement, so the sensitivity is greater. Since the configuration shown in FIG. 4 is applied to the high frequency signal, the acceleration can be detected with high sensitivity, and a correct velocity signal can be obtained by integrating it.
一方、低域信号に対しては、図4に示す構成では、感度が低いために雑音成分が多く、積分アンプ54でピックアップ28からの信号を積分して速度信号を得ようとした場合、雑音成分も積分されて正しい速度信号を得るのが困難となってしまう。
On the other hand, for the low-frequency signal, the configuration shown in FIG. 4 has a high noise component due to low sensitivity, and when integrating the signal from the
しかしながら、低域信号に対しては図6に示す構成となっており、ピックアップで検出する変位を振動入力の速度に比例させることで、高感度に振動速度信号を得ることができる。 However, the low-frequency signal has the configuration shown in FIG. 6, and the vibration speed signal can be obtained with high sensitivity by making the displacement detected by the pickup proportional to the speed of the vibration input.
こうして、入力振動の周波数に応じて高域信号と低域信号に弁別して、それぞれに適した構成をとることによって、それぞれの帯域で有利な構成とすることができて、相対的に雑音成分の影響が少なく、正しい振動速度信号が得られ、結果として高域と低域を合わせた全帯域で高感度な振動速度信号が得られる。 In this way, the high frequency signal and the low frequency signal are discriminated according to the frequency of the input vibration, and by adopting a configuration suitable for each, it is possible to obtain an advantageous configuration in each band, and relatively reduce the noise component. The correct vibration speed signal is obtained with little influence, and as a result, a high-sensitivity vibration speed signal is obtained in the entire band including the high and low frequencies.
低域では高感度な速度信号を微分し、高域では高感度な加速度信号を用いて帰還信号を作るので、サーボループのゲインの制限が緩和され、大きなダイナミックレンジを得ることができる。 Since the high-speed velocity signal is differentiated in the low frequency range and the feedback signal is generated using the high-sensitivity acceleration signal in the high frequency range, the limitation of the servo loop gain is relaxed and a large dynamic range can be obtained.
図10は、本発明のサーボ型振動計の第2実施形態を示すブロック図である。前実施形態と同じ部材は同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。 FIG. 10 is a block diagram showing a second embodiment of the servo vibrometer of the present invention. The same members as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
この例では、信号処理部34は、1つの信号弁別ユニット48を有している。この信号弁別ユニット48には一つの入力端48aと二つの出力端48b、48cとが設けられ、入力端48aには、前記ピックアップ28からの電圧信号が入力される。信号弁別ユニット48から高域信号が出力される出力端48bには、第1アンプ50と積分アンプ54とが接続され、信号弁別ユニット48から低域信号が出力される出力端48cには微分アンプ52と第2アンプ56とが接続される。
In this example, the
このような構成によっても、第1実施形態と同様の作用・効果が得られる。 Even with such a configuration, the same operations and effects as in the first embodiment can be obtained.
図11は、本発明のサーボ型振動計の第3実施形態を示すブロック図である。前実施形態と同じ部材は同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。 FIG. 11 is a block diagram showing a third embodiment of the servo vibrometer of the present invention. The same members as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
この例では、第1実施形態の構成において、信号処理部34がさらに直流帰還ユニット80を有している。この直流帰還ユニット80は、ピックアップ28からの電圧信号が入力されるローパスフィルタ82と、積分アンプ84とから成る。また、直流帰還ユニット80からの信号は、直流加速度信号出力端74となる。
In this example, in the configuration of the first embodiment, the
この直流帰還ユニット80はピックアップ出力から直流成分だけを抜き出して積分し、これを帰還するものである。直流帰還ユニット80からの出力は第1の加算点60に加えられる。こうすることで振り子24が傾斜したとしても振り子24の位置が正しくピックアップのゼロ点に拘束される。直流帰還ユニット80からの出力は直流加速度に比例しているので、出力端74から直流加速度信号が出力される。
This
第1の加算点60の入力は図12となる。横軸は周波数で縦軸は加速度信号のゲインである。直流帰還ユニット80のローパスフィルタ82のカットオフ周波数は、図7及び図9の低域のカットオフ周波数ω1と同等か、または小さくするとよい。
The input of the first addition point 60 is as shown in FIG. The horizontal axis is the frequency, and the vertical axis is the gain of the acceleration signal. The cut-off frequency of the low-
第1及び第2実施形態では、帰還信号に振動成分しか含まれていないので、振動成分以外の入力によって、振り子の位置が不定になる可能性がある。しかしながら、第3実施形態によれば、帰還信号に直流成分を含めることで、振り子24の位置が正しくピックアップのゼロ点に拘束される。また、直流加速度信号出力端74から出力される信号は、直流加速度に比例するので、この直流加速度を取り出すことによって、振動計の姿勢の変化を検出することができる。従って、振動計が初期の姿勢から傾斜して振り子の検出軸がずれたとしても、直流加速度信号出力端74からの信号によって傾斜を検出することで、正しい検出軸における速度信号に、演算により変換・校正をすることができる。
In the first and second embodiments, since only the vibration component is included in the feedback signal, the position of the pendulum may become indefinite due to an input other than the vibration component. However, according to the third embodiment, the position of the
10 サーボ型振動計
20 基台
22 ヒンジ(弾性部材)
24 振り子
26 トルカ
28 ピックアップ
34 信号処理部
40 第1信号弁別ユニット(弁別手段)
42 第2信号弁別ユニット(弁別手段)
48 信号弁別ユニット(弁別手段)
44 ハイパスフィルタ
46 ローパスフィルタ
50 第1アンプ(第1増幅手段)
52 微分アンプ(微分手段)
54 積分アンプ(積分手段)
56 第2アンプ(第2増幅手段)
60 第1の加算点(加算手段)
68 第2の加算点(加算手段)
82 ローパスフィルタ
10 Servo-
24
42 Second signal discrimination unit (discrimination means)
48 Signal discrimination unit (discrimination means)
44 High-pass filter 46 Low-
52 Differential amplifier (differential means)
54 Integration amplifier (integration means)
56 Second amplifier (second amplification means)
60 First addition point (addition means)
68 Second addition point (addition means)
82 Low-pass filter
Claims (8)
前記信号処理部は、
前記ピックアップからの出力信号を周波数によって高域信号と低域信号とに弁別する弁別手段と、
前記弁別手段からの高域信号を増幅して前記帰還信号とする第1増幅手段と、
前記弁別手段からの高域信号を積分して前記振動速度信号とする積分手段と、
前記弁別手段からの低域信号を微分して前記帰還信号とする微分手段と、
前記弁別手段からの低域信号を増幅して前記振動速度信号とする第2増幅手段と、
を有することを特徴とするサーボ型振動計。 The base, the pendulum supported by the elastic member with respect to the base and capable of vibrating, the pickup for detecting the relative displacement between the base and the pendulum, and the pendulum with the relative displacement at the neutral point In a servo vibrometer having a torquer that generates a force to return to, and a signal processing unit that outputs an output signal from the pickup and outputs a feedback signal to the torquer and outputs a vibration speed signal,
The signal processing unit
Discriminating means for discriminating an output signal from the pickup into a high frequency signal and a low frequency signal according to a frequency;
First amplifying means for amplifying a high-frequency signal from the discriminating means to be the feedback signal;
Integrating means for integrating the high frequency signal from the discriminating means into the vibration speed signal;
Differentiating means for differentiating the low-frequency signal from the discriminating means into the feedback signal;
A second amplifying means for amplifying a low-frequency signal from the discriminating means into the vibration speed signal;
Servo-type vibrometer characterized by comprising:
Priority Applications (1)
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JP2008067097A JP5043726B2 (en) | 2008-03-17 | 2008-03-17 | Servo vibration meter |
Applications Claiming Priority (1)
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