JP2007139485A - Pendulum type sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、地震や大型建造物(高層ビルや架橋など)で発生する低周波振動を高感度で検出できる振り子型センサに関し、特に前記低周波振動の周波数が1Hz〜12Hz範囲の超低周波振動を高感度、高精度で検出でき、小型軽量化が可能な振り子型センサに関する。 The present invention relates to a pendulum type sensor that can detect low-frequency vibration generated in an earthquake or a large building (such as a high-rise building or a bridge) with high sensitivity, and in particular, the low-frequency vibration has a frequency of 1 to 12 Hz. The present invention relates to a pendulum type sensor that can detect the sensor with high sensitivity and high accuracy and can be reduced in size and weight.
一般に、地震で発生する地震波の周波数や、前記地震波や台風時の強風などが原因で発生する前記大型建造物の振動周波数は、0.数Hzから十数Hz範囲の非常に低い周波数であることが知られている。 In general, the frequency of seismic waves generated by an earthquake and the vibration frequency of the large building caused by the seismic waves or strong winds during a typhoon are 0. It is known that the frequency is very low in the range of several Hz to several tens of Hz.
また、近年、地震や台風などの自然災害に対する防災意識が高まり、前記地震波や前記大型建造物の振動の情報をキャッチし、必要な防災情報を速やかに得られる高精度で実用性の高いシステムが求められているが、前記システムには小型軽量で高感度、高精度かつ実用性の高い振動センサが要望されている。 In recent years, awareness of disaster prevention against natural disasters such as earthquakes and typhoons has increased, and there is a highly accurate and highly practical system that can quickly acquire necessary disaster prevention information by catching information on the earthquake waves and vibrations of large buildings. There is a demand for a vibration sensor that is compact, lightweight, highly sensitive, highly accurate, and highly practical.
一方、振り子型センサは、筐体内に設置された錘体の質量分布による慣性モーメントや、前記錘体の重心位置と振り子体の回転軸中心との距離をLとすると、前記慣性モーメントや前記Lを適宜選定することで、前記振り子体の固有振動数を任意に設定できるため、前記固有振動数を前記0.数Hzから十数Hz範囲の低周波数にすれば、小型軽量で高感度、高精度かつ実用性の高い振動センサとなりうる可能性がある。 On the other hand, the pendulum type sensor has the moment of inertia due to the mass distribution of the weights installed in the casing, and the moment of inertia or L when the distance between the center of gravity of the weights and the rotation axis center of the pendulum is L. Can be arbitrarily set, the natural frequency of the pendulum body can be set arbitrarily. If the frequency is in the range of several Hz to several tens of Hz, there is a possibility that the vibration sensor can be small, light, highly sensitive, highly accurate, and highly practical.
従来、前記振り子体を用いた振り子型センサは、特許文献1や特許文献2に開示された車両などの移動体の傾斜角度を検出する傾斜センサとして開発されている。
従来の振り子型センサは、前記傾斜センサとして開発されているために、前記振り子体の回転感度を上げる発明は開示されているが、前記慣性モーメントと前記Lおよび前記振り子体の固有振動数を数0.数Hzから十数Hz範囲にする具体的な方法が明示されていない。特に前記地震波などで重要な1Hz〜12Hz範囲についても前記方法が明示されていない。 Since the conventional pendulum type sensor has been developed as the tilt sensor, an invention for increasing the rotational sensitivity of the pendulum body is disclosed. However, the inertia moment, the L and the natural frequency of the pendulum body are 0. A specific method for setting the frequency range from several Hz to several tens Hz is not clearly described. In particular, the method is not clearly shown in the 1 Hz to 12 Hz range which is important for the seismic wave or the like.
さらに、従来の振り子型センサの前記固有振動数を0.数Hzから十数Hz範囲の低周波にするには、特に前記地震波で重要な1Hz〜12Hz範囲にするには、前記Lを長くする必要があり、結果として前記振り子体が大きくなり、前記振り子センサ全体の小型軽量化が困難であるという課題がある。従って、前記地震波や前記大型建造物の振動の情報を得るための実用性の高い振動センサとしての応用が非常に難しい。 Further, the natural frequency of the conventional pendulum type sensor is set to 0. In order to obtain a low frequency in the range of several Hz to several tens of Hz, in particular, in order to obtain the important 1 Hz to 12 Hz range in the seismic wave, it is necessary to lengthen the L. As a result, the pendulum body becomes large, and the pendulum becomes large. There is a problem that it is difficult to reduce the size and weight of the entire sensor. Therefore, it is very difficult to apply the sensor as a highly practical vibration sensor for obtaining information on the seismic wave or the vibration of the large building.
本発明は、上記の課題を解決すべくなされたもので、前記振り子体の固有振動数を数0.数Hzから十数Hz範囲で、特に1Hz〜12Hz範囲で任意に設定でき、かつ前記振り子型センサの小型軽量化を実現し、実用性の高い振り子型センサを供給することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the natural frequency of the pendulum body is expressed by the following equation. An object of the present invention is to supply a highly practical pendulum type sensor that can be arbitrarily set in the range of several Hz to several tens of Hz, particularly in the range of 1 Hz to 12 Hz, and that can reduce the size and weight of the pendulum type sensor.
上記課題を解決すべく、本発明の振り子型センサは、少なくとも、筐体内に質量分布を有する錘体と、前記錘体の重心位置と回転軸中心とが設定された距離に設けられた振り子体と、該振り子体の回転位置あるいは角度を検知する手段とを備え、前記振り子体の回転位置あるいは角度を前記筐体および振り子体に設置された検出手段によって検知する振り子型センサであって、前記振り子体の固有振動数が1.0Hzから12Hzに設定され、
前記錘体の質量分布の平均質量分布等価半径をrとし、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離をLとすると、
r/L≧1 … (1)
更に望ましくは
r/L≧3 … (2)
である構成としている。
ここで前記平均質量分布等価半径rとは、質量分布を有する前記錘体の慣性モーメントと等価の慣性モーメントを有する円形状の錘体の半径rを意味する。
In order to solve the above-described problem, a pendulum sensor according to the present invention includes at least a weight body having a mass distribution in a housing, and a pendulum body provided at a distance in which a center of gravity position and a rotation axis center of the weight body are set. And a pendulum type sensor for detecting the rotation position or angle of the pendulum body by a detection means installed on the housing and the pendulum body, The natural frequency of the pendulum body is set from 1.0 Hz to 12 Hz,
If the average mass distribution equivalent radius of the mass distribution of the weight is r, and the distance between the center of gravity of the weight and the center of the rotation axis is L,
r / L ≧ 1 (1)
More desirably, r / L ≧ 3 (2)
It is set as the structure which is.
Here, the average mass distribution equivalent radius r means a radius r of a circular weight body having an inertia moment equivalent to the inertia moment of the weight body having a mass distribution.
また、本発明の振り子型センサは、前記平均質量分布等価半径rが0.5mmから10mmの範囲であることを、更に望ましくは1.0mmから7.0mmの範囲である構成としている。 In the pendulum type sensor of the present invention, the average mass distribution equivalent radius r is in the range of 0.5 mm to 10 mm, and more preferably in the range of 1.0 mm to 7.0 mm.
また、本発明の振り子型センサは、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離Lが0.1mmから3.3mmの範囲であることを、更に望ましくは0.2mmから2.0mmの範囲である構成としている。 In the pendulum type sensor of the present invention, it is preferable that the distance L between the center of gravity of the weight body and the center of the rotation axis is in the range of 0.1 mm to 3.3 mm, more preferably 0.2 mm to 2.0 mm. The configuration is a range.
また、本発明の振り子型センサは、前記錘体と前記振り子体が同一部材からなり、かつ前記回転軸中心が前記錘体内に備えられている構成としている。 In the pendulum sensor of the present invention, the weight body and the pendulum body are made of the same member, and the center of the rotation axis is provided in the weight body.
また、本発明の振り子型センサは、前記錘体は平板状でかつ円形状、多角形状、楕円形状あるいはこれらに近似した形状である構成としている。 In the pendulum type sensor according to the present invention, the weight body is flat and has a circular shape, a polygonal shape, an elliptical shape, or a shape similar to these.
また、本発明の振り子型センサは、前記検出手段を、前記錘体に設けた磁束発生手段と、該磁束の変化を検出する磁気センサで構成している。 In the pendulum type sensor according to the present invention, the detection means includes a magnetic flux generation means provided on the weight body and a magnetic sensor that detects a change in the magnetic flux.
また、本発明の振り子型センサは、前記磁束発生手段が前記錘体の全部あるいは一部の永久磁石であり、前記磁気センサは少なくとも一つ以上のホール素子で構成している。 In the pendulum type sensor according to the present invention, the magnetic flux generating means is a permanent magnet of the whole or a part of the weight body, and the magnetic sensor is composed of at least one hall element.
また、本発明の振り子型センサは、前記一部の永久磁石が一つあるいは複数個設けられ、その厚さおよび密度が前記錘体にほぼ等しい構成としている。 In the pendulum type sensor of the present invention, one or a plurality of the partial permanent magnets are provided, and the thickness and density thereof are substantially equal to the weight body.
また、本発明の振り子型センサは、複数個設けられた前記永久磁石は、前記回転軸と前記重心位置とを結ぶ直線に対し対称に設置されている構成としている。 In the pendulum type sensor of the present invention, a plurality of the permanent magnets are arranged symmetrically with respect to a straight line connecting the rotating shaft and the position of the center of gravity.
また、本発明の振り子型センサは、前記錘体の密度との異なる密度を有する一つあるいは複数の前記永久磁石が設けられ、前記錘体の重心位置と前記回転軸中心との距離をrdとし、その平均した質量分布等価半径をLdとすると、
rd/Ld≧1 … (3)
更に望ましくは
rd/Ld≫3 … (4)
である構成としている。
In the pendulum type sensor of the present invention, one or a plurality of the permanent magnets having a density different from the density of the weight body is provided, and a distance between the center of gravity of the weight body and the center of the rotation axis is rd. When the average mass distribution equivalent radius is Ld,
rd / Ld ≧ 1 (3)
More desirably, rd / Ld >> 3 (4)
It is set as the structure which is.
本発明の振り子型センサによれば、少なくとも、筐体内に質量分布を有する錘体と、前記錘体の重心位置と回転軸中心とが設定された距離に設けられた振り子体と、該振り子体の回転位置あるいは角度を検知する手段とを備え、前記振り子体の回転位置あるいは角度を前記筐体および振り子体に設置された検出手段によって検知する振り子型センサであって、前記振り子体の固有振動数が1.0Hzから12Hzに設定され、
前記錘体の質量分布の平均質量分布等価半径をrとし、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離をLとすると、
r/L≧1 … (1)
更に望ましくは
r/L≧3 … (2)
とすることにより、前記錘体の慣性モーメントによる前記振り子体の固有振動数の低減効果が大きくなり、1.0Hzから12Hz範囲の非常に低い固有振動数の設計が容易に行える。(1)式および特に(2)式から明らかなように、前記振り子体の長さは前記錘体の長さと同等近くになり、前記振り子の長さを大きくすることなく、すなわち振り子型センサを小型化したまま、前記固有振動数の低周波化が可能である。さらに地震波などの固有振動数f0が5Hz以下の非常に低い周波数の領域では(2)式が有効で、非常に低い固有振動数を有しながら、前記振り子型センサの小型軽量化が達成できる。
According to the pendulum type sensor of the present invention, at least a weight body having a mass distribution in the housing, a pendulum body provided at a distance in which a gravity center position and a rotation axis center of the weight body are set, and the pendulum body Means for detecting the rotational position or angle of the pendulum body, and detecting the rotational position or angle of the pendulum body by means of detection means installed on the housing and the pendulum body, wherein the natural vibration of the pendulum body The number is set from 1.0 Hz to 12 Hz,
If the average mass distribution equivalent radius of the mass distribution of the weight is r, and the distance between the center of gravity of the weight and the center of the rotation axis is L,
r / L ≧ 1 (1)
More desirably, r / L ≧ 3 (2)
By doing so, the effect of reducing the natural frequency of the pendulum body by the moment of inertia of the weight body is increased, and the design of a very low natural frequency in the range of 1.0 Hz to 12 Hz can be easily performed. As apparent from the formula (1) and in particular, the formula (2), the length of the pendulum body is almost the same as the length of the weight body, that is, without increasing the length of the pendulum, It is possible to reduce the natural frequency while reducing the size. Furthermore, in a very low frequency region where the natural frequency f 0 such as a seismic wave is 5 Hz or less, the formula (2) is effective, and the pendulum type sensor can be reduced in size and weight while having a very low natural frequency. .
更に、前記平均質量分布等価半径rを0.5mmから10mmの範囲とすることにより、更に望ましくは1.0mmから7.0mmの範囲とすることにより、前記1.0Hzから12Hz範囲の固有振動数を持つ振り子体の全長を20mm以下、特に(2)式の条件では前記振り子体の全長を10mm以下に設定でき、前記振り子型センサ全体を非常に小型にできる。 Furthermore, by setting the average mass distribution equivalent radius r in the range of 0.5 mm to 10 mm, more preferably in the range of 1.0 mm to 7.0 mm, the natural frequency in the range of 1.0 Hz to 12 Hz. The total length of the pendulum body can be set to 20 mm or less, and in particular, the total length of the pendulum body can be set to 10 mm or less under the condition of the formula (2).
更に、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離Lを0.1mmから3.3mmの範囲とすることにより、更に望ましくは0.2mmから2.0mmの範囲とすることにより、前記1.0Hzから12Hz範囲の固有振動数を持つ振り子体の全長を20mm以下、特に(2)式の条件では前記振り子体の全長を10mm以下に設定でき、前記振り子型センサ全体を非常に小型にできる。 Further, by setting the distance L between the center of gravity of the weight body and the center of the rotation axis in the range of 0.1 mm to 3.3 mm, more preferably in the range of 0.2 mm to 2.0 mm. The total length of the pendulum body having a natural frequency in the range of 0.0 Hz to 12 Hz can be set to 20 mm or less, and in particular, the total length of the pendulum body can be set to 10 mm or less under the condition of formula (2), and the entire pendulum type sensor can be made very small. .
更に、前記錘体と前記振り子体が同一部材からなり、かつ前記回転軸中心が前記錘体内に備えられていることにより、前記錘体と振り子体を同一部品で形成することができるため、前記振り子体の構造の複雑化を防ぎ、全長をより短くでき前記振り子型センサの小型化が可能となるうえに、前記rおよび前記Lの加工精度の向上も容易となり、設定した前記振り子体の固有振動数を高精度に設定できる。かつ部品点数の削減であり前記振り子センサのコスト削減も達成できる。 Further, since the weight body and the pendulum body are made of the same member and the center of the rotation axis is provided in the weight body, the weight body and the pendulum body can be formed of the same part. The structure of the pendulum body is prevented from becoming complicated, the overall length can be shortened, the size of the pendulum sensor can be reduced, and the processing accuracy of the r and the L can be easily improved. The frequency can be set with high accuracy. In addition, the number of parts can be reduced and the cost of the pendulum sensor can be reduced.
更に、前記錘体は平板状でかつ円形状、多角形状、楕円形状あるいはこれらに近似した形状とすことにより、同じ質量を持つ前記錘体の中で質量分布による慣性モーメントの最大値(真円の場合)あるいはほぼ前記最大値に近い値が得られるため、同一の前記固有振動数を設定した前記錘体の中で、前記振り子体の全長の最短化ができ前記振り子型センサの小型軽量化が容易となる、換言すると、前記振り子体の長さを変えずに、すなわち前記振り子型センサを大きくすることなく前記固有振動数の低減化が容易となる。 Further, the weight is flat, circular, polygonal, elliptical, or a shape approximate to these, so that the maximum moment of inertia due to mass distribution (roundness) in the weights having the same mass. Or a value close to the maximum value can be obtained, so that the total length of the pendulum body can be shortened in the weight set with the same natural frequency, and the pendulum sensor can be reduced in size and weight. In other words, the natural frequency can be easily reduced without changing the length of the pendulum body, that is, without increasing the size of the pendulum sensor.
更に、前記検出手段は、前記錘体に設けた磁束発生手段と、該磁束の変化を検出する磁気センサとすることにより、原理的に前記振り子体と前記磁気センサの距離を可能な限り近接することができため、前記振り子型センサの小型に大きく寄与する。さらに、該磁束の変化を検出する手段では前記距離が短いほど検出感度が向上する利点も有する。 Furthermore, the detecting means is a magnetic flux generating means provided on the weight body and a magnetic sensor for detecting a change in the magnetic flux, so that in principle the distance between the pendulum body and the magnetic sensor is as close as possible. Therefore, it greatly contributes to the miniaturization of the pendulum type sensor. Further, the means for detecting the change in magnetic flux has an advantage that the detection sensitivity is improved as the distance is shorter.
また、前記磁束発生手段は前記錘体の全部あるいは一部に設けた永久磁石であり、前記磁気センサは少なくとも一つ以上のホール素子とすることにより、前記錘体の磁気発生手段に電磁石などの機構が不要となり、また前記ホール素子は薄膜素子化などにより小型化が容易な点を生かし、前記振り子型センサの小型化に大きく寄与することができる。さらに前記ホール素子による検出では、前記振り子体の速度や加速度に依存せず、その回転位置あるいは角度を正確に測定することができ、したがって、前記振り子体の振動周波数や前記角度の振幅も正確に測定することも可能となる。 Further, the magnetic flux generating means is a permanent magnet provided on all or part of the weight body, and the magnetic sensor includes at least one hall element, so that the magnetism generating means of the weight body includes an electromagnet or the like. A mechanism is not necessary, and the Hall element can make a significant contribution to miniaturization of the pendulum type sensor by taking advantage of the fact that it can be easily miniaturized by making it a thin film element or the like. Furthermore, the detection by the Hall element can accurately measure the rotational position or angle of the pendulum body without depending on the speed and acceleration of the pendulum body. Therefore, the vibration frequency of the pendulum body and the amplitude of the angle can also be accurately measured. It is also possible to measure.
更に、前記永久磁石は一つあるいは複数個設けられ、その厚さおよび密度が前記錘体にほぼ等しくすることにより、前記錘体が均一の材質と等価となることで、前記固有振動数の設計精度を高めることができる上に、設定した前記固有振動数を変えることなく、振り子型センサが大型化するのを防ぐことが可能となる。 Furthermore, one or a plurality of the permanent magnets are provided, and the thickness and density of the permanent magnets are substantially equal to the weight body, so that the weight body is equivalent to a uniform material, so that the natural frequency can be designed. In addition to improving the accuracy, it is possible to prevent the pendulum sensor from becoming large without changing the set natural frequency.
更に、複数個設けられた前記永久磁石は、前記回転軸と前記重心位置とを結ぶ直線に対し対称に設置することにより、複数個設けられた前記永久磁石から形成される磁束分布は前記直線に線対称あるいは前記直線上の一点を中心とした点対称となるため、前記磁束分布の中心も常に前記直線上にあり、前記筐体内の前記磁気センサや前記ホール素子を任意の位置に設定しても、前記振り子体の回転位置あるいは角度を正確に測定できる。したがって、前記磁気センサや前記ホール素子を振り子型センサが最も小型化できる位置に配置することが可能となり、前記振り子型センサを小型軽量化することに有効である。 Further, a plurality of the permanent magnets are installed symmetrically with respect to a straight line connecting the rotation axis and the position of the center of gravity, so that a magnetic flux distribution formed from the plurality of permanent magnets is in the straight line. Since it is line symmetric or point symmetric about one point on the straight line, the center of the magnetic flux distribution is always on the straight line, and the magnetic sensor and the Hall element in the casing are set at arbitrary positions. In addition, the rotational position or angle of the pendulum body can be accurately measured. Therefore, the magnetic sensor and the Hall element can be arranged at a position where the pendulum type sensor can be most miniaturized, which is effective for reducing the size and weight of the pendulum type sensor.
また、前記錘体の密度と異なる密度を有する一つあるいは複数の前記永久磁石を設ける場合、前記錘体の重心位置と前記回転軸中心との距離をrdとし、その平均した質量分布等価半径をLdとすると、
rd/Ld≧1 … (3)
更に望ましくは
rd/Ld≫3 … (4)
とすることにより、前記錘体の密度と前記永久磁石の密度が異なっても、慣性モーメントによる前記振り子体の固有振動数の低減効果が大きくなり、1.0Hzから12Hz範囲の非常に低い固有振動数の設計が容認に行える。さらに(3)式および特に(4)式から明らかなように、前記振り子体の長さは前記錘体の長さと同等近くになり、前記振り子の長さを大きくすることなく、すなわち振り子型センサを小型化したまま、前記固有振動数の低周波化が可能である。
Further, when one or a plurality of the permanent magnets having a density different from the density of the weight body is provided, the distance between the center of gravity of the weight body and the center of the rotation axis is rd, and the average mass distribution equivalent radius is Let Ld be
rd / Ld ≧ 1 (3)
More desirably, rd / Ld >> 3 (4)
Thus, even if the density of the weight body and the density of the permanent magnet are different, the effect of reducing the natural frequency of the pendulum body due to the moment of inertia becomes large, and the natural vibration is very low in the range of 1.0 Hz to 12 Hz. A number of designs can be accepted. Further, as apparent from the formula (3) and particularly the formula (4), the length of the pendulum body is almost equal to the length of the weight body, that is, without increasing the length of the pendulum, that is, a pendulum type sensor. It is possible to reduce the natural frequency while reducing the size.
図1は本発明に係る振り子型センサの概略正面断面図を示している。
また、図2は図1における概略側面断面図を示している。
FIG. 1 is a schematic front sectional view of a pendulum type sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic side sectional view of FIG.
図1および2において、振り子型センサ1は、筐体接合部51により接合された二つの部品からなる筐体2に、錘体3が該錘体3の回転軸中心4で回転自由に、回転軸53と回転軸受け55とで挟持されている。さらに、前記錘体3は重心位置5を中心とした平均質量分布等価半径r7である質量分布を持ち、前記重心位置5と回転軸中心4との距離L6の位置に設置され、全体として振り子体8として構成している。ここで、平均質量分布等価半径rとは質量分布を有する前記錘体3の慣性モーメントと等価の慣性モーメントを有する円板状の錘体の半径を意味する。なお、図1および2の実施例では前記錘体3が正円板であり、前記平均質量分布等価半径r7が前記錘体3の半径である。
1 and 2, a
更に、前記筐体2と振り子体8には前記振り子体8の回転位置あるいは角度を検出する手段9(例えば、永久磁石9a、ホール素子9b)が備えられ、前記振り子体8の回転位置あるいは角度を検出する構成としてある。
Further, the
ここで、前記振り子体8の固有振動数f0が、地震や大型建造物(高層ビルや架橋など)で主に発生する1.0Hzから12Hzに設定され、前記平均質量分布等価半径r7と、前記重心位置5と回転軸中心4との距離L6とは
r/L≧1 … (1)
更に望ましくは
r/L≧3 … (2)
となるように構成している。
図1及び2の実施例では、地震波の検出を主な目的として、前記固有振動数f0を3.03Hz(設計値)、実測値では約3.0Hzに設定し、
前記平均質量分布等価半径r7が4mm、前記重心位置5と回転軸中心4との距離L6が0.3mmの構成としている。
よって、r/L≒13.3となっている。
Here, the natural frequency f 0 of the
More desirably, r / L ≧ 3 (2)
It is comprised so that.
1 and 2, for the purpose of detecting seismic waves, the natural frequency f 0 is set to 3.03 Hz (design value), and the measured value is set to about 3.0 Hz.
The average mass distribution equivalent radius r7 is 4 mm, and the distance L6 between the center of
Therefore, r / L≈13.3.
ここで、前記振り子体8の全長は、前記錘体3の直径すなわち前記平均質量分布等価半径r7の2倍の長さに、前記重心位置5と回転軸中心4との距離L6を加えた長さ2×r+Lで与えられるが、前記重心位置5と回転軸中心4との距離L6が0.3mmであるため、前記振り子体8の全長は4mm×2+0.3mm=8.3mmであり、前記錘体3の直径、4mm×2=8mmにほぼ近似した長さである。したがって、前記前記振り子体8の回転位置あるいは角度を検出する手段9を含めても、前記振り子型センサ1全体が縦横10mm×10mmの大きさの振り子型センサが可能となった。
Here, the total length of the
上記振り子型センサ1の大きさは、固有振動数f0=3Hz前後の他の振り子型センサや振動センサと比較し、非常に小型軽量である。
The size of the
本発明の構成原理を図3〜5を用いて詳しく説明する。
ここで、図3〜5は慣性質量を有する錘体3と振り子体8と前記振り子体8の固有振動数f0との関係を説明する図である。
The configuration principle of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
Here, FIGS. 3 to 5 are diagrams for explaining the relationship among the
まず、図3は一般的な振り子の動作を説明するものである。平均質量分布等価半径r7を有する錘体3は、回転軸中心4へ錘体支持部品57によって前記錘体3の重心位置5と回転軸中心4と距離L6で支持されていて、全体として振り子体8を構成している。前記振り子体8は前記回転軸中心4の鉛直線59を中心に回転方向61に沿って振り子振動を行う。
ここで、前記錘体3は厚さが均一な板状で、また、前記錘体支持部品57は紐や棒状で質量がほぼ無視できるものとする。
First, FIG. 3 explains the operation of a general pendulum. The
Here, it is assumed that the
図3に示した振り子体8の固有周期Tは、一般に、
T=2π×√{(L2+r2/2)/(g×L)} … (5)
の(5)式で与えられる。ここで、gは重力加速度(≒9.8m/sec2)である。
したがって、前記振り子体8の固有振動数f0は、
f0=1/T
の関係と(5)式より、
f0=1/{(2π×√{(L2+r2/2)/(g×L)} … (6)
の(6)式で与えられる。
The natural period T of the
T = 2π × √ {(L 2 +
(5). Here, g is a gravitational acceleration (≈9.8 m / sec 2 ).
Therefore, the natural frequency f 0 of the
f 0 = 1 / T
From the relationship of (5) and
f 0 = 1 / {(2π × √ {(
(6).
また、図4に示す振り子体8は、図3で示した振り子体8と同じ構成であるが、錘体3の平均質量分布半径r7=0mm、完全な質点の場合を示し、その周期Tおよび固有振動数f0は(5)および(6)式により、
T0=2π×√(L/g) … (7)
f0=1/(2π×√(L/g) … (8)
で与えられ、振り子体8の周期Tおよび固有振動数f0として最も広く知られている式である。
Further, the
T 0 = 2π × √ (L / g) ... (7)
f 0 = 1 / (2π × √ (L / g) (8)
And is the most widely known equation as the period T and the natural frequency f 0 of the
ここで、(5)〜(8)式をみると、前記地震波や大型建造物で主に発生する12Hz以下の固有振動数f0を有する、特に数Hzの振り子体8を実現しようとすると、前記錘体3の重心位置と回転中心4と距離Lが長くなってしまい、小型軽量化が非常に困難である。例えば、前記実施の最良の形態で説明した前記固有振動数f0=3Hzの例では、前記(8)式で示した錘体3が質点である場合は前記Lは27.5mmほどになり、したがって振り子型センサは30数mm〜40mm以上になり、一般の電子機器に搭載するには非常に大型で実用性に乏しく、小型軽量化が強く望まれる。
Here, looking at the equations (5) to (8), when trying to realize the
そこで、本発明者らは、前記(5)式および(6)式を見直し、あらためて前記錘体3の重心位置と回転中心4と前記平均質量分布等価半径r7および振り子体8の長さについて詳しく検討を行った。
Therefore, the present inventors have reexamined the expressions (5) and (6), and revisited the position of the center of gravity of the
図5に検討した振り子体8の動作および構成を説明する。
錘体3は図3および4で説明した振り子体8と同様に、平均質量分布等価半径r7を有し、前記錘体3の重心位置5と回転中位置4との距離L6で前記回転中心4に回転自由に支持され、全体として振り子体8を構成している。
図5の振り子体8の特徴は、図3および4の振り子体とは異なり、
r≧Lの領域になっている点である。
The operation and configuration of the
The
The feature of the
This is a point where r ≧ L.
前記振り子体8の特徴は、前記錘体3の重心位置5と回転中位置4との距離L6を非常に短くあるいは前記錘体3の前記平均質量分布等価半径r7を非常に大きくすることで、前記(6)式で示した、前記錘体3の慣性モーメントによる固有振動数f0の低減効果を最大限利用するものである。同時に図5から明らかなように、前記錘体3の重心位置5と回転中位置4との距離L6が非常に短くなり前記平均質量分布等価半径r7内に含まれるため、振り子体8全体の長さを大きくすることなく、固有振動数f0を下げることが実現することができ、振り子型センサ1の小型化に極めて有効である。
The feature of the
ここで、前記(6)式を用い図5で示した振り子体8の前記錘体3の重心位置と回転中心4との距離L6と前記平均質量分布等価半径r7をパラメータにし前記固有振動数f0を求めた結果を、図6の表に示す。該表において、行パラメータが平均質量分布等価半径r7で、列パラメータが錘体3の重心位置と回転中心4との距離L6とし、固有振動数f0を求めた。前記平均質量分布等価半径r7は0.5mmから10mmの範囲で、前記錘体3の重心位置と回転中心4と距離L6は0.1mmから3.3mmの範囲である。
Here, using the equation (6), the distance L6 between the center of gravity of the
前記表から、上記した前記平均質量分布等価半径r7と錘体3の重心位置と回転中心4と距離L6の各パラメータ範囲では、多くの前記パラメータ内で前記固有振動数f0が前記地震波や大型建造物で主に発生する12Hz以下の固有振動数f0内に入っており、特に地震波の主な振動周波数である5Hz以下の周波数の場合は前記パラメータ範囲内に入っている。さらに、r/L値について見ると、前記r/L値が大きいほど固有振動数f0が低減することを示している。
From the table, the above-mentioned In each parameter range of the average mass distribution equivalent radius r7 and the
ここで、前記表の結果より、前記振り子体8を小型化すると同時に固有振動数f0を効果的に低減することも含め検討すると、
まず、前記平均質量分布等価半径r7が0.5mmから10mmの範囲では、r/L≧1を満たす錘体3の重心位置と回転中心4との距離L6を0.1mmから3.3mmの範囲で適宜設定することにより、前記表から明らかなように前記固有振動数f0を1Hzから12Hz範囲に設定することが可能である。ここで、前記表より、同一の固有振動数f0は、複数の前記行列パラメータ組み合わせで得られることが分かる。
Here, from the results of the table and including consider reducing the natural frequency f 0 and at the same time to miniaturize the
First, when the average mass distribution equivalent radius r7 is in the range of 0.5 mm to 10 mm, the distance L6 between the center of gravity of the
更に、前記r/L≧1では前記回転軸中心4が前記錘体3内にあり、前記錘体3の慣性モーメントによる固有振動数f0の低減効果を有効に利用することが可能であり、前記複数の行列パラメータの組み合わせ内で、前記振り子体8の長さ(=2×r+L)を最も短くできる前記組み合わせを選択することで、前記1Hzから12Hz範囲の前記固有振動数f0を、前記振り子体8の長さが最大でも約20mm以内で形成でき、前記振り子型センサ1の小型軽量化に大きく寄与できる。
Further, when r / L ≧ 1, the
更に望ましくは、r/L≧3とすることで、慣性モーメントによる前記効果をより有効に利用し、前記1Hzから12Hzの固有振動数f0を、前記表の前記複数の行列パラメータの組み合わせ内で、前記振り子体8の長さを最も短くできる前記組み合わせを選択することで、特に前記地震波の主な振動周波数である5Hz以下の固有振動数f0を有する振り子体8であっても、前記振り子体8の長さを最大でも十数mm以下にすることが可能で、前記振り子型センサ1の小型軽量化により大きく寄与できる。
More preferably, by making r / L ≧ 3, the effect due to the moment of inertia is used more effectively, and the natural frequency f 0 from 1 Hz to 12 Hz is within the combination of the matrix parameters in the table. By selecting the combination that can shorten the length of the
また、前記平均質量分布等価半径r7を1.0mmから7mmの範囲とし、r/L≧1の範囲を満たす錘体3の重心位置と回転中心4との距離L6を0.2mmから2mmの範囲とし、前記振り子体8の長さを最も短くできる前記行列パラメータの組み合わせを選択することで、前記表より、1Hzから12Hzの範囲の前記固有振動数f0を、前記振り子体8の長さを数mmから十数mm以内で達成でき、前記振り子型センサ1を十数mm角以下の小型軽量なサイズで形成できる。
The average mass distribution equivalent radius r7 is in the range of 1.0 mm to 7 mm, and the distance L6 between the center of gravity of the
更に望ましくは、前記平均質量分布等価半径r7を1.0mmから7mmの範囲とし、r/L≧3の範囲を満たす錘体3の重心位置と回転中心4との距離L6を0.2mmから2mmの範囲とし、前記振り子体8の長さを最も短くできる前記行列パラメータの組み合わせを選択することで、前記表より、1Hzから12Hzの範囲の前記固有振動数f0を、前記振り子体8の長さをほぼ数mm以内で達成でき、前記振り子型センサ1が10mm角以下のサイズで可能となり、極めて小型軽量化した前記振り子型センサ1ができる。
More preferably, the average mass distribution equivalent radius r7 is in the range of 1.0 mm to 7 mm, and the distance L6 between the center of gravity of the
図1および2で述べた本発明の実施例において、3Hzの極めて低い固有振動数f0を有していても、振り子型センサ1全体を10mm角程度に小型軽量化が達成できる。
In the embodiment of the present invention described with reference to FIGS. 1 and 2, the
更に、上記構成原理によって、図1および2に記載された本発明に係る前記振り子体8は、前記錘体3と回転中心4と重心位置5および前記錘体3の重心位置と回転中心4との距離L6は、前記錘体3内に設置され、前記振り子体8を錘体3と同一部材で構成することができる。したがって、前記振り子体8の構造の複雑化を防ぎ、全長をより短くでき前記振り子型センサ1の小型化が可能となるうえに、前記錘体3の重心位置と回転中心4との距離L6および前記平均質量分布等価半径r7の加工精度の向上も容易となり、設定した前記振り子体8の固有振動数f0を高精度に設定できる。かつ部品点数の削減であり前記振り子型センサ1のコスト削減も達成できる
1 and 2, the
また、図7および図8に本発明に係る振り子型センサ1の他の実施例の概略正面断面図を示す。図7は錘体3の形状が楕円板に近い形状の実施例で、図8は錘体3の形状が八角形板の形状の実施例である。図7および図8に示した振り子型センサ1の基本構成は、図1の実施例の前記振り子体型センサ1と同じであるが、各々の前記錘体8は形状が正円ではないため、図7および図8の点線で示された平均質量分布等価半径r7をそれぞれ有する。
図7の実施例では、前記振り子体8の回転防止ための回転ストッパー63が設置されている。
7 and 8 show schematic front sectional views of other embodiments of the
In the embodiment of FIG. 7, a
前記図7および図8の実施例のそれぞれの振り子体1の固有振動数f0も、前記図1の実施例と同じく3Hzに設定した。また、前記錘体3の重心位置と回転中心4との距離L6も同様に0.3mm、平均質量分布等価半径rも4mmとした。
ぞれぞれの図から明らかなように、前記錘体3を前記楕円板に近い形状や、八角形板などの形状にしても、図1の実施例の正円形状の場合と長さがほとんど変わらず、前記振り子センサ全体の大きさも、縦横が約10mm角で厚さが3mmと、ほとんど同じに設計することが可能となる。
The natural frequency f 0 of each
As is apparent from the respective drawings, even if the
したがって、前記錘体3を平板状でかつ円形状、多角形状、楕円形状あるいはこれらに近似した形状とすことにより、同じ質量を持つ前記錘体3の中で質量分布による慣性モーメントの最大値(正円の場合)あるいはほぼ前記最大値に近い値が得られるため、同一の前記固有振動数f0を設定した前記錘体3の中で、前記振り子体8の全長を短くでき前記振り子型センサ1の小型軽量化が容易となる、換言すると、前記振り子体8の長さを変えずに、すなわち前記振り子型センサ1を大きくすることなく前記固有振動数f0の低減化が容易となる。
Therefore, by making the
更に、図9に本発明に係る振り子型センサ1の他の実施例の概略正面断面図を示す。図9の実施例も基本構成は前記図1の実施例と同じで、振り子体8の回転位置あるいは角度を検出する手段は、錘体3内に設けられた永久磁石11からなる磁気発生手段12と、ホール素子13からなる磁気センサ14で構成されている。また、本実施例では前記磁気発生手段12および磁気センサ14はそれぞれ一つとしたが、前記錘体3は全体が永久磁石11からなる磁気発生手段12であっても良い。
Furthermore, FIG. 9 shows a schematic front sectional view of another embodiment of the
前記実施例で明らかなように、前記振り子体8の回転位置あるいは角度を検出する手段として、磁気発生手段12と磁気センサ14を用いると、原理的に前記振り子体8と前記磁気センサ14の距離を可能な限り近接することができため、前記振り子型センサの小型に大きく寄与する。さらに、該磁束の変化を検出する手段では前記距離が短いほど検出感度が向上する利点も有する。また、前記手段が、前記図1と図7および図8で示した本発明の実施例においても有効なことは明らかである。
As is apparent from the above embodiment, when the magnetism generating means 12 and the
さらに、前記磁束発生手段12に前記永久磁石11を、また、前記磁気センサ14にホール素子13を用いることで、前記錘体3内の磁気発生手段に電磁石などの機構が不要となり、また前記ホール素子13は真空蒸着法やスパッタリング法などで形成したインジウムアンチモン(InSb)薄膜などによる薄膜素子化が可能で、したがってホール素子13の小型化は極めて容易であり、この点を生かし前記振り子型センサ14の小型化に大きく寄与することができる。さらに前記ホール素子13による検出では、電磁誘導型等のセンサ方式と異なり、前記振り子体8の速度や加速度に依存せず、その回転位置あるいは角度を正確に測定することができ、したがって、前記振り子体8の振動数や前記角度の振幅も正確に測定することも可能となる。本手段も前記図1と図7および図8で示した本発明の実施例においても有効なことは明らかである。
Further, by using the permanent magnet 11 for the magnetic flux generating means 12 and the Hall element 13 for the
前記図9の本発明の実施例も前記効果により、図1の実施例と同様に、固有振動数f0を3Hz、前記平均質量分布等価半径rd7を4mm、前記重心位置5と回転軸中心4との距離Ld6を0.3mmとし、前記振り子型センサ1全体が縦横10mm×10mmの大きさの設計が可能となった。
9, the natural frequency f 0 is 3 Hz, the average mass distribution
また、前記図9の本発明の実施例では、前記錘体3には厚さ0.4mmの真鍮板、密度が8.5g/cm3、を用い、前記永久磁石11には厚さ0.4mmで直径1.8mmのサマリウムコバルト磁石円板、密度が8.4g/cm3を用いた。前記永久磁石11の厚さと密度をほぼ前記錘体3と同じにすることで、前記錘体3が均一の材質と等価となり、前記固有振動数f0の設計精度を高めることができると同時に、設定した前記固有振動数f0を変えることなく、前記振り子型センサ1が大型化するのを防ぐことが可能となる。本実施例では、前記固有振動数f0を3Hzに設定し、前記振り子型センサ全体の大きさを変化させずに、前記サマリウムコバルト磁石円板の直径を5mmから25mmまで変化させた場合、前記固有振動数f0の設計精度は3Hz±0.2Hz範囲に入り、小型の振り子型センサとしては非常に高い設計精度を示した。本手段も前記図1と図7および図8で示した本発明の実施例においても有効なことは明らかである。
Further, in the embodiment of the present invention shown in FIG. 9, a brass plate having a thickness of 0.4 mm and a density of 8.5 g / cm 3 are used for the weight 3 , and a thickness of 0. A samarium cobalt magnet disk having a diameter of 4 mm and a diameter of 1.8 mm and a density of 8.4 g / cm 3 were used. Said By substantially the same as the
更に、図10に本発明に掛かる振り子型センサの他の実施例を示す。図10に示した実施例も図9の実施例と同様の構成であるが、磁気発生手段12として3個の永久磁石11が錘体3に設置されている。前記3個の永久磁石11は重心位置5と回転中心4を結ぶ直線15に対し、対称に配置されている。本実施例においても、固有振動数f0を3Hz、前記平均質量分布等価半径rd7を4mm、前記重心位置5と回転軸中心4との距離Ld6を0.3mmとした。
FIG. 10 shows another embodiment of the pendulum type sensor according to the present invention. The embodiment shown in FIG. 10 has the same configuration as that of the embodiment of FIG. 9, but three permanent magnets 11 are installed on the
前記3個の永久磁石11は、前記重心位置5と回転軸中心4を結ぶ直線15に対し対称に設置されていることにより、形成される磁束分布は前記重心位置5と回転軸中心4を結ぶ直線15に対し対称になる。したがって、前記筐体2内の前記磁気センサ14や前記ホール素子13を任意の位置に設定しても、前記振り子体8の回転位置あるいは角度を正確に測定できる。よって、前記磁気センサ14や前記ホール素子13を振り子型センサ1が最も小型化できる位置に配置することが可能となり、前記振り子型センサ1を小型軽量化することに有効であり、本実施例においても、前記振り子型センサ1全体が縦横10mm×10mmの大きさの設計が可能となっている。本手段も前記図1と図7と図8および図9で示した本発明の実施例においても有効なことは明らかである。
The three permanent magnets 11 are disposed symmetrically with respect to a
また、図1の実施例のように偶数個の永久磁石11が前記重心位置5と回転軸中心4を結ぶ直線15に対し対称に配置されて、かつ、前記永久磁石11の極性が異方性で配置されているい場合の磁束分布密度は、前記重心位置5と回転軸中心4を結ぶ直線15の一点を中心とした点対称形になるが、対称性を利用するので効果は前記線対称と同じである。
Further, as in the embodiment of FIG. 1, an even number of permanent magnets 11 are arranged symmetrically with respect to a
ここで、本発明者らは、図9および図10の本発明の実施例において、前記錘体3の密度と異なる密度を有する永久磁石11を用い場合の検討を行った。
Here, the present inventors examined the case where the permanent magnet 11 having a density different from the density of the
前記密度の異なる永久磁石11を含む錘体3の重心位置5と前記回転軸中心4との距離をLdとし、前記密度の異なる永久磁石11を含む錘体3の質量分布等価半径をrdとすると、前記質量分布等価半径rdを適宜設計することで、基本動作は図1の実施例の動作と同様であり、同様の効果が期待できることは明らかである。
If the distance between the center of
図9の本発明の実施例において、前記錘体3には密度が1.4g/cm3のプラスチック材を、永久磁石11には密度が6.8g/cm3でのボンド磁石を用い、前記振り子体8の固有振動数f0が、1.0Hzから12Hzに設定され、
rd/Ld≧1 … (3)
更に望ましくは
rd/Ld≫3 … (4)
の構成となる前記振り子センサ1の試作を行った。前記固有振動数f0を3Hzにした場合、前記ボンド磁石からなる永久磁石11を最適配置することで、前記振り子型センサ1の大きさを縦横12mm角にすることができた。この時、前記質量分布等価半径rd=4mmで前記密度の異なる永久磁石12を含む錘体3の重心位置5と前記回転軸中心4との距離をLd=0.3mmで、rd/Ld≒13.3であり、前記図1の実施例で説明したと同様の効果が得られた。したがって、前記前記錘体3の密度と前記永久磁石11の密度が異なっても、図1の本発明の実施例と同じく、慣性モーメントによる前記振り子体8の固有振動数f0の低減効果が大きくなり、1.0Hzから12Hz範囲の非常に低い固有振動数f0の設計が容認に行えるうえに、さらに前記(5)式および特に(6)式から明らかなように、が前記振り子体8の長さは前記錘体3の長さと同等近くになり、前記振り子の長さを大きくすることなく、すなわち振り子型センサ1を小型化したまま、前記固有振動数の低周波化が可能となった。
In the embodiment of the present invention of FIG. 9, the
rd / Ld ≧ 1 (3)
More desirably, rd / Ld >> 3 (4)
A trial manufacture of the
上記説明した全ての本発明の実施例で、前記振り子体8の回転位置あるいは角度を検出する手段9としては、磁気発生手段12と磁気センサ14を用いたが、光学素子と光学センサを用い手法や静電容量で検出する手段あるいは磁気エンコーダを用いた手法なども適用できることは明らかである。
In all the embodiments of the present invention described above, as the
以上、説明したように本発明によれば、振り子体の固有振動数を数0.数Hzから十数Hz範囲で、特に1Hz〜12Hz範囲で任意に設定でき、かつ前記振り子型センサの小型軽量化を実現し、実用性の高い振り子型センサを供給することができ、その工業的価値は非常に高い。 As described above, according to the present invention, the natural frequency of the pendulum body is expressed by the following equation. It can be set arbitrarily in the range of several Hz to several tens Hz, particularly in the range of 1 Hz to 12 Hz, and the pendulum type sensor can be reduced in size and weight, and a highly practical pendulum type sensor can be supplied. The value is very high.
本発明の振り子型センサは、従来にない非常に小型軽量で数Hzの超低周波の固有振動数を実現したもので、高感度の振動振動センサや傾斜センサあるいは加速度センサなどへの幅広い応用が可能であることは明らかである。 The pendulum type sensor according to the present invention is an unprecedented very small and light and has a natural frequency of ultra-low frequency of several Hz, and has a wide range of applications to highly sensitive vibration sensors, tilt sensors, acceleration sensors, etc. Obviously it is possible.
1 振り子型センサ
2 筐体
3 錘体
4 回転中心軸
5 重心位置
6 錘体の重心位置と回転軸中心との距離 L
7 平均質量分布等価半径 r
8 振り子体
9 回転位置あるいは角度を検出する手段
9a 回転位置あるいは角度を検出する手段
9b 回転位置あるいは角度を検出する手段
11 永久磁石
12 磁束発生手段
13 ホール素子
14 磁気センサ
15 重心位置と回転軸中心を結ぶ直線
51 筐体接合部
53 回転軸
55 回転軸受け
57 錘体支持部品
59 鉛直線
61 回転方向
63 回転ストッパー
DESCRIPTION OF
7 Average mass distribution equivalent radius r
8
Claims (10)
前記錘体の質量分布の平均質量分布等価半径をrとし、前記錘体の重心位置と回転軸中心との距離をLとすると、
r/L≧1 … (1)
更に望ましくは
r/L≧3 … (2)
であることを特徴とする振り子型センサ。
ここで前記平均質量分布等価半径rとは、質量分布を有する前記錘体の慣性モーメントと等価の慣性モーメントを有する円形状の錘体の半径rを意味する。 At least a weight body having a mass distribution in the housing, a pendulum body provided at a set distance between the center of gravity and the center of rotation of the weight body, and means for detecting the rotational position or angle of the pendulum body; A pendulum sensor that detects the rotational position or angle of the pendulum body by means of detection means installed on the housing and the pendulum body, wherein the natural frequency of the pendulum body is set to 1.0 Hz to 12 Hz. ,
If the average mass distribution equivalent radius of the mass distribution of the weight is r, and the distance between the center of gravity of the weight and the center of the rotation axis is L,
r / L ≧ 1 (1)
More desirably, r / L ≧ 3 (2)
A pendulum type sensor characterized by
Here, the average mass distribution equivalent radius r means a radius r of a circular weight body having an inertia moment equivalent to the inertia moment of the weight body having a mass distribution.
rd/Ld≧1 … (3)
更に望ましくは
rd/Ld≫3 … (4)
であることを特徴とする請求項7または9記載の振り子型センサ。 One or a plurality of the permanent magnets having a density different from the density of the weight body is provided, the distance between the center of gravity of the weight body and the center of the rotation axis is rd, and the average mass distribution equivalent radius is Ld Then,
rd / Ld ≧ 1 (3)
More desirably, rd / Ld >> 3 (4)
The pendulum type sensor according to claim 7 or 9, characterized in that
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012173229A (en) * | 2011-02-24 | 2012-09-10 | Asahi Denso Co Ltd | Boarding means inclination sensor |
CN112284342A (en) * | 2020-09-25 | 2021-01-29 | 南京信息职业技术学院 | Annular reed flattening type inclination angle tester and testing method |
-
2005
- 2005-11-16 JP JP2005331229A patent/JP2007139485A/en active Pending
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