JP2010002359A - サーボ型加速度計及び加速度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地球の重力加速度が常にかかっている状態で、微小振動加速度を正確に計測する。
【解決手段】質量体のハウジングに対する位置の変位に応じた電気信号を生成する変位検出部と、電気信号を増幅する増幅器と、増幅器の出力から直流信号成分を取り出して第１のフィードバック電流を生成するローパスフィルタと、増幅器の出力から所定の周波数以上の交流信号成分を取り出して第２のフィードバック電流を生成するハイパスフィルタと、それぞれ第１のフィードバック電流及び第２のフィードバック電流が供給されることにより生じる電磁気力により質量体を中立位置に戻す第一トルカコイル及び第二トルカコイルとを含む。微小振動加速度に対応する交流信号成分を含む第２のフィードバック電流を生成するので、第二読取抵抗の抵抗値を大きくすることができ、これにより微小振動加速度を正確に計測することができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、外部から加わった入力加速度により中立位置にある質量体の位置が変位したときに、その質量体をその中立位置に戻そうとする電流を発生させて、その電流を測定することによりその入力加速度を計測するサーボ型加速度計及び加速度計測装置に関する。

従来技術によるサーボ型加速度計について説明する。まず、図３を参照して、従来技術によるサーボ型加速度計の構造について説明する。
ハウジング１の一端にバネ２を介して質量体１０が取り付けられる。例えば、バネ２及び質量体１０はクオーツにより一体形成される。バネ２の部分は肉薄とされ弾性変形が可能とされている。質量体１０は、サーボ型加速度計に外部から加速度がかけられていない状態で、所定の中立位置に位置している。
質量体１０の両面に、トルカコイル１００が固定されている。質量体１０の両面の先端に、電極１０ａ，１０ｂが設けられている。

円柱状の永久磁石３は、ハウジング１に固定され、トルカコイル１００の内側に位置されている。
ハウジング１の質量体１０が取り付けられた端とは反対側の端に電極支持部４が取り付けられている。電極支持部４は、基部４ａと、基部４ａの両端から一方向に伸びる脚部４ｂ，４ｃとから成る。脚部４ｂ，４ｃは、質量体１０の先端を空隙を介して挟んでいる。脚部４ｂ，４ｃの内側にそれぞれ電極４ｄ，４ｅが設けられている。電極４ｄ，４ｅは、それぞれ質量体１０に設けられた電極１０ａ，１０ｂと対向する。
ハウジング１は、ケース５に覆われている。ケース５は、外部からの衝撃からハウジング１を保護する。

次に、図４を参照して、このサーボ型加速度計の動作について説明する。
サーボ型加速度計に外部から入力加速度がかかると、質量体１０は慣性によりその位置に留まろうとするが、ハウジング１はその入力加速度の影響を受けて変位する。これにより、質量体１０の、ハウジング１に対する位置は相対的に変化する。具体的には、ハウジング１を基準として見た場合、バネ２が弾性変形することにより質量体１０が傾動する。

変位検出部２０は、この質量体１０のハウジング１に対する位置の変位を検出して、その変位に応じた電気信号を出力する。この例では、変位検出部２０の発振回路２１が搬送波を生成して、ホイートストンブリッジ回路である静電容量検出回路２２に供給する。静電容量検出回路２２は、電極１０ａと電極４ｄの間の静電容量と、電極１０ｂと電極４ｅの間の静電容量との差に基づいて、搬送波を振幅変調する。変調された搬送波は、復調回路２３に送られる。復調回路２３は、変調された搬送波を復調して、質量体１０のハウジング１に対する位置の変位に応じた電気信号を生成する。例えば、質量体１０のハウジング１に対する位置の変位の大きさは、その電気信号の電圧の高さに対応させられる。生成された電気信号は、増幅器３０に送られる。

増幅器３０は、電気信号を増幅して、質量体１０を所定の中立位置に戻すためのフィードバック電流を生成する。生成されたフィードバック電流は、トルカコイル１００に供給される。
トルカコイル１００は、フィードバック電流が供給されることにより、永久磁石３の磁界との関係で生じる電磁気力により質量体１０を所定の中立位置に戻そうとする。このようにして、質量体１０は所定の中立位置に位置するようにフィードバック制御される。

このときトルカコイルに流れるフィードバック電流は、入力加速度による力と逆向きで大きさが等しい力を発生させている。したがって、フィードバック電流の向きと大きさが、入力加速度を示す。電圧で加速度を出力するには、読取抵抗を用いてフィードバック電流を電圧に変換することによりできる。すなわち、増幅器３０とトルカコイル１００との間に直列に読取抵抗１１０を電気的に接続して、その読取抵抗１１０の両端での電圧を検出することにより、加速度を得ることができる。以下、この両端での電圧を、加速度出力と言う。

ところで、地球の重力加速度等の一定の加速度が常にかかっている状態で、上述のサーボ型加速度計により微小振動加速度を計測するには、以下の２つの方法がある。
（１）Ｖ＝ＩＲというオームの法則に基づき、読取抵抗の抵抗値Ｒを大きくして、電圧Ｖで表現される加速度出力を大きくする。
（２）加速度出力から、一定の加速度に対応する電圧を除去した後に、１００倍程度に増幅して、微小振動加速度を計測する。
なお、図３及び図４に記載されたサーボ型加速度計及び加速度計測装置とは完全には一致しないが、出願時におけるサーボ型加速度計及び加速度計測装置の技術水準を示すために、下記の特許文献１から４をこの発明に関連する文献公知発明として挙げる。
実開平２−３６１２４号公報 特開平１１−１５３４７９号公報 特開２００５−１０１４５号公報 実開昭６３−１５０３７７号公報

上記（１）に記載された方法においては、重力加速度等の一定の加速度で加速度出力が飽和しないようにするため、読取抵抗の抵抗値Ｒを十分に大きくすることはできない。例えば、サーボ型加速度計の電源電圧が１５Ｖで、重力加速度の出力電圧が５Ｖで使用されるサーボ型加速度計の場合、抵抗値Ｒは、わずか３倍までしか大きくできない。したがって、微小振動加速度を正確に計測するために、上記（１）に記載された方法を用いることはできないという問題がある。

上記（２）に記載された方法によれば、増幅度が１００倍程度と大きいため、増幅の際に生じるノイズが、その増幅度の分だけ大きくなる。このため、増幅された信号に、微小振動加速度の計測に無視することができない程大きなノイズが乗ってしまう。したがって、上記（２）に記載された方法では、微小振動加速度を正確に計測することができないという問題がある。

この発明は、上述の問題を鑑みて、地球の重力加速度等の一定の加速度が常にかかっている状態で、微小振動加速度をより正確に計測することを目的とする。

この発明によるサーボ型加速度計は、ハウジングにバネを介して支持された質量体のハウジングに対する位置の変位を検出して、その変位に応じた電気信号を生成する変位検出部と、電気信号を増幅する増幅器と、増幅器の出力信号から、直流信号成分を取り出して、第１のフィードバック電流を生成するローパスフィルタと、増幅器の出力信号から、所定の周波数以上の交流信号成分を取り出して、第２のフィードバック電流を生成するハイパスフィルタと、第１のフィードバック電流が供給されることにより生じる電磁気力により質量体を中立位置に戻す第一トルカコイルと、第２のフィードバック電流が供給されることにより生じる電磁気力により質量体を中立位置に戻す第二トルカコイルとを含む。

この発明による加速度計測装置は、上述のサーボ型加速度計と、第一トルカコイルに直列に接続された第一読取抵抗と、第二トルカコイルに直列に接続された第二読取抵抗と、第一読取抵抗の両端の電圧及び／又は第二読取抵抗の両端の電圧を測定することにより、サーボ型加速度計にかかった加速度を計測する加速度計測部とを含む。

この発明によるサーボ型加速度計は、地球の重力加速度等の一定の加速度に対応する直流信号成分を含む第１のフィードバック電流を生成するローパスフィルタと、微小振動加速度に対応する交流信号成分を含む第２のフィードバック電流を生成するハイパスフィルタとを備えることにより、第２のフィードバック電流の読取抵抗の抵抗値を大きくすることができ、これにより微小振動加速度をより正確に計測することができる。

［サーボ型加速度計］
この発明によるサーボ型加速度計の一実施例について説明する。まず、図１を参照して、サーボ型加速度計の構造について説明する。図１では、図３と対応する部分には同一符号を付けている。
ハウジング１の一端にバネ２を介して質量体１０が取り付けられる。例えば、バネ２及び質量体１０はクオーツにより一体形成される。バネ２の部分は肉薄とされ弾性変形が可能とされている。質量体１０は、サーボ型加速度計に外部から加速度がかけられていない状態で、所定の中立位置に位置している。

質量体１０の両面に、第一トルカコイル６０及び第二トルカコイル７０が固定されている。この例では、第一トルカコイル６０及び第二トルカコイル７０のそれぞれは、同一の軸を中心として円筒状に巻かれている。そして、第一トルカコイル６０及び第二トルカコイル７０は二段重ねになって質量体１０の両面に固定されている。質量体１０の両面の先端に、電極１０ａ，１０ｂが設けられている。
円柱状の永久磁石３は、ハウジング１に固定され、第一トルカコイル６０及び第二トルカコイル７０の内側に位置されている。

ハウジング１の質量体１０が取り付けられた端とは反対側の端に電極支持部４が取り付けられている。電極支持部４は、基部４ａと、基部４ａの両端から一方向に伸びる脚部４ｂ，４ｃとから成る。脚部４ｂ，４ｃは、質量体１０の先端を空隙を介して挟んでいる。脚部４ｂ，４ｃの内側にそれぞれ電極４ｄ，４ｅが設けられている。電極４ｄ，４ｅは、それぞれ質量体１０に設けられた電極１０ａ，１０ｂと対向する。
ハウジング１は、ケース５に覆われている。ケース５は、外部からの衝撃からハウジング１を保護する。

次に、図２を参照して、この発明によるサーボ型加速度計の動作について説明する。
サーボ型加速度計に外部から入力加速度がかかると、質量体１０は慣性によりその位置に留まろうとするが、ハウジング１はその入力加速度の影響を受けて変位する。これにより、質量体１０の、ハウジング１に対する位置は相対的に変化する。具体的には、ハウジング１を基準として見た場合、バネ２が弾性変形することにより質量体１０が傾動する。

変位検出部２０は、この質量体１０のハウジング１に対する位置の変位を検出して、その変位に応じた電気信号を出力する。この例では、変位検出部２０の発振回路２１が搬送波を生成して、ホイートストンブリッジ回路である静電容量検出回路２２に供給する。静電容量検出回路２２は、電極１０ａと電極４ｄの間の静電容量と、電極１０ｂと電極４ｅの間の静電容量との差に基づいて、搬送波を振幅変調する。変調された搬送波は、復調回路２３に送られる。復調回路２３は、変調された搬送波を復調して、質量体１０のハウジング１に対する位置の変位に応じた電気信号を生成する。例えば、質量体１０のハウジング１に対する位置の変位の大きさは、その電気信号の電圧の高さに対応させられる。生成された電気信号は、増幅器３０に送られる。

増幅器３０は、電気信号を増幅する。増幅器３０の出力信号は、ローパスフィルタ４０及びハイパスフィルタ５０とに送られる。
ローパスフィルタ４０は、増幅器３０の出力信号から、重力加速度等の一定の加速度に対応する直流信号成分を取り出して、この直流信号成分を含む第１のフィードバック電流を生成する。ローパスフィルタ４０の遮断周波数は、例えば、０．１６Ｈｚである。ローパスフィルタ４０の出力である第１のフィードバック電流は、第一トルカコイル６０に供給される。

ハイパスフィルタ５０は、増幅器３０の出力信号から、微小振動加速度に対応する所定の周波数以上の交流信号成分を取り出して、この交流信号成分を含む第２のフィードバック電流を生成する。ハイパスフィルタ５０の出力である第２のフィードバック電流は、第二トルカコイル７０に供給される。ハイパスフィルタ５０の遮断周波数は、計測しようとする微小振動加速度の周波数帯域を通過させる周波数とする。ローパスフィルタ４０の周波数帯域とハイパスフィルタ５０の周波数帯域とで、サーボ型加速度計の計測周波数帯域を満足するようにし、ローパスフィルタ４０の遮断周波数とハイパスフィルタ５０の遮断周波数とが同じ周波数であることが望ましい。

第１のフィードバック電流及び第２のフィードバック電流は、質量体１０を所定の中立位置に戻すための電流である。特に、第１のフィードバック電流は、重力加速度等の一定の加速度に対応する直流信号成分を含むため、重量加速度等の一定の加速度についての、質量体１０を所定の中立位置に戻すための電流と言うことができる。また、第２のフィードバック電流は、微小振動加速度に対応する交流信号成分を含むため、微小振動加速度についての、質量体１０を所定の中立位置に戻すための電流と言うことができる。

第一トルカコイル６０は、ローパスフィルタ４０で生成された第１のフィードバック電流が供給されることにより、永久磁石３の磁界との関係で生じる電磁気力により質量体１０を所定の中立位置に戻そうとする。
第二トルカコイル７０は、ハイパスフィルタ５０で生成された第２のフィードバック電流が供給されることにより、永久磁石３の磁界との関係で生じる電磁気力により質量体１０を所定の中立位置に戻そうとする。
このようにして、質量体１０は所定の中立位置に位置するようにフィードバック制御される。

微小振動加速度に対応する交流信号成分を含む第２のフィードバック電流は、地球の重力加速度等の一定の加速度に対応する直流信号成分を含む第１のフィードバック電流に比べて電流値が小さいため、第二読取抵抗９０の抵抗値は、第一読取抵抗８０の抵抗値及び図４の読取抵抗１１０の抵抗値より大きくすることができるのである。したがって、微小振動加速度を従来よりも正確に計測することができる。

［加速度計測装置］
この発明による加速度計測装置は、上述のサーボ型加速度計と、ローパスフィルタ４０と第一トルカコイル６０との間に直列に電気的に接続される第一読取抵抗８０と、ハイパスフィルタ５０と第二トルカコイル７０との間に直列に電気的に接続される第二読取抵抗９０と、第一読取抵抗８０の両端の電圧及び／又は第二読取抵抗９０の両端の電圧を測定して、その測定結果を用いてサーボ型加速度計にかかった加速度を計測する加速度計測部１２０とを含む。図２に、第一読取抵抗８０、第二読取抵抗９０及び加速度計測部１２０を破線で示す。

例えば、加速度計測部１２０が、第二読取抵抗９０の両端の電圧を計測することにより、サーボ型加速度計にかかる微小振動加速度を計測することができる。
また、加速度計測部１２０が第一読取抵抗８０の両端の電圧を計測することにより、サーボ型加速度計にかかる地球の重力加速度を計測して、サーボ型加速度計の姿勢及びサーボ型加速度計が取り付けられた被測定対象物の姿勢を検出することができる。
さらに、加速度計測部１２０が第一読取抵抗８０の両端の電圧及び第二読取抵抗９０の両端の電圧をそれぞれ計測して、それらの電圧を用いて、サーボ型加速度計にかかる実際の入力加速度を計測することができる。

［変形例等］
上記の例では、第一トルカコイル６０及び第二トルカコイル７０は、二段重ねになって質量体１０の各面に固定されていたが、第一トルカコイル６０、第二トルカコイル７０の位置は問わない。例えば、第一トルカコイル６０の外側に第二トルカコイルが位置するようにして、第一トルカコイル６０と第二トルカコイルの両方を直接質量体１０に固定してもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

この発明によるサーボ型加速度計及び加速度計測装置の一実施例の機能ブロック図。 この発明によるサーボ型加速度計の模式図。 従来技術によるサーボ型加速度計の機能ブロック図。 従来技術によるサーボ型加速度計の模式図。

符号の説明

１ ハウジング
２ バネ
３ 永久磁石
４ 電極支持部
４ａ 基部
４ｂ，４ｃ 脚部
４ｄ，４ｅ 電極
５ ケース
１０ 質量体
１０ａ，１０ｂ 電極
２０ 変位検出部
３０ 増幅器
４０ ローパスフィルタ
５０ ハイパスフィルタ
６０ 第一トルカコイル
７０ 第二トルカコイル
８０ 第一読取抵抗
９０ 第二読取抵抗
１２０ 加速度計測部

Claims (3)

1. ハウジングにバネを介して支持された質量体の上記ハウジングに対する位置の変位を検出して、その変位に応じた電気信号を生成する変位検出部と、
   上記電気信号を増幅する増幅器と、
   上記増幅器の出力信号から、直流信号成分を取り出して、第１のフィードバック電流を生成するローパスフィルタと、
   上記増幅器の出力信号から、所定の周波数以上の交流信号成分を取り出して、第２のフィードバック電流を生成するハイパスフィルタと、
   上記第１のフィードバック電流が供給されることにより生じる電磁気力により上記質量体を上記中立位置に戻す第一トルカコイルと、
   上記第２のフィードバック電流が供給されることにより生じる電磁気力により上記質量体を上記中立位置に戻す第二トルカコイルと、
   を含むことを特徴とするサーボ型加速度計。
2. 請求項１に記載のサーボ型加速度計と、
   上記第一トルカコイルに直列に接続された第一読取抵抗と、
   上記第二トルカコイルに直列に接続された第二読取抵抗と、
   上記第一読取抵抗の両端の電圧及び／又は上記第二読取抵抗の両端の電圧を計測することにより、上記サーボ型加速度計にかかった加速度を計測する加速度計測部と、
   を含むことを特徴とする加速度計測装置。
3. 請求項２に記載の加速度計測装置において、
   上記第二読取抵抗の抵抗値は、上記第一読取抵抗の抵抗値よりも大きい、
   ことを特徴とする加速度計測装置。

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