JP2011027445A - 過減衰型加速度計及び地震計 - Google Patents

Abstract

【課題】高分解能であり、交流成分のみを出力可能な過減衰型加速度計及び地震計を提供する。
【解決手段】過減衰型加速度計１００において、ケースと、ケース内にバネ部材で支持される可動部と、ケース内に磁界を形成するマグネットと、マグネットにより形成された磁界内に設けられ、可動部の振動時に発生する起電力を発生する検出コイル７と、を有し、磁界内に設けられ、電流を流すことで可動部に駆動力を付与するフィードバックコイル８と、起電力検出部２０より発生する起電力を、ビット列のデジタル信号に変換する１ビットＡＤ変換器４５と、１ビットＡＤ変換器４５より出力されるビット列信号を所定の電流値に変換して、フィードバックコイル８に帰還させる１ビットＤＡ変換器７０と、を備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、過減衰型加速度計及び地震計に関する。

従来、地震動の観測や各種振動実験等の計測においては、加速度計を用いて振動計測がなされる。

この加速度計には、例えば、サーボ型と過減衰型の加速度計がある。サーボ型の加速度計とは、ケース内に配置された振り子の外力による変位量を検出して、振り子を静止状態に保つために、振り子を駆動させるコイルに上記変位量に比例した電流を流す際の電流量を測定することで加速度を計測する加速度計である。一方、過減衰型の加速度計とは、ケース内に配置されバネ部材で支持された可動部が振動することでコイルより発生する誘導起電力を検出し、速度フィードバック回路により検出される速度を帰還させて過減衰状態を形成し、その過減衰状態におけるケースの加速度を計測する加速度計である。
そして、上記加速度計は、精確で広域な周波数範囲における振動（加速度）を計測するために高分解能（低雑音）であることが望まれる。

そこで、サーボ型の加速度計として、振り子系と、該振り子系の変位を検出する変位変換手段と、該変位変換手段の出力をデジタル信号に変換して再度アナログ信号に変換するデジタル処理手段と、該デジタル処理手段により変換したアナログ信号を帰還する帰還手段と、該帰還手段の帰還電流により振り子系を静止状態に保つ駆動手段とを備え、デジタル処理手段よりデジタル信号を取り出し、外乱ノイズ等の影響が少ない高分解能、広ダイナミックレンジのデジタル出力を取り出すことができるものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。

つまり、特許文献1記載の発明によって、高分解能なサーボ型の加速度計が実現できる。

特許第３６５０７７８号

しかしながら、上記特許文献１記載の発明はサーボ型であるため、振り子を設置するケースが僅かでも傾斜していると、振り子に重力の分力が作用し、当該分力を打ち消すように電流が流れて直流成分の信号までも出力される。この直流成分の信号は、地震動等を計測する上では不必要とされるものなので（本来計測対象となる振動とは相違するので）、計測に際しては、フィルタを配置してこの直流成分を計測の都度除去し、必要な交流成分のみを取得するという手間が生じている。

本発明の課題は、高分解能であり、交流成分のみを出力可能な過減衰型加速度計及び地震計を提供することにある。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、ケースと、前記ケース内にバネ部材で支持される可動部と、前記ケース内に磁界を形成する磁界形成部と、前記磁界形成部により形成された磁界内の前記可動部に巻回されて設けられ、前記可動部の振動時に起電力を発生する検出コイルと、を有し、過減衰状態で前記検出コイルより発生する起電力に基づいて、前記ケースに与えられる外部振動の加速度を示すアナログ加速度信号を計測し、１ビットのビット列のデジタル信号で出力する過減衰型加速度計において、前記磁界内の前記可動部に巻回されて設けられ、電流を流すことで前記可動部に駆動力を付与するフィードバックコイルと、前記アナログ加速度信号を、１ビットＡＤ変換器によりビット列信号に変換するＡＤ変換手段と、前記ＡＤ変換手段により出力されるビット列信号に対して、１ビットＤＡ変換器により所定の電流値に変換して前記フィードバックコイルに帰還させる帰還手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の過減衰型加速度計において、前記アナログ加速度信号を所定の周波数帯域のみで積分する積分器を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の過減衰型加速度計において、前記ＡＤ変換手段により出力されるビット列信号に対して、高周波数成分を減衰させるローパスフィルタリング処理を行うことによりマルチビット化し、更に、デシメーション処理を行うデジタルフィルタを備える。

請求項４に記載の発明は、地震計において、請求項１〜３の何れか１項に記載の過減衰型加速度計を用いて構成したことを特徴とする。

本発明は、過減衰型の加速度計であるため（検出コイルとケースとの相対速度を検出する機構であるため）、サーボ型と異なり直流成分の信号は出力されない（交流成分のみ出力される）。また、本発明によると、いわゆるΔΣ変調がなされている。つまり、１ビットＡＤ変換器から出力される信号に含まれる、量子化雑音の振動スペクトルは、低周波数領域において減少し、高周波数領域において増加するため、地震動の計測等において必要とされる低周波数領域における分解能が向上する。また、ＡＤ変換手段により加速度をビット列のデジタル信号として出力することができるので、当該加速度計から地震計等の計測機器への信号伝送時に、雑音の混入や信号の減衰を好適に回避することが出来る。さらに、出力が１ビットのビット列であることから、上記信号伝送時に多ビットのように複数の信号伝送路を必要としないため、信号伝送が簡易である。
したがって、本発明は、高分解能であり、交流成分のみを出力可能な過減衰型加速度計及び地震計であるといえる。

本発明に係る地震計の概略構成図である。 本発明に係る過減衰型加速度計の振動系の概略構成図である。 本発明に係る過減衰型加速度計の加速度検出構造を説明するための模式図である。 本発明に係る過減衰型加速度計の加速度検出構造を説明するための制御ブロック図である。 本発明に係る信号伝達関数及び雑音伝達関数の振動数特性（絶対値出力［Ｖ］）と偏角（角度）を表す図であり、（Ａ）は信号伝達関数を、（Ｂ）は雑音伝達関数を示す。 本発明に係る過減衰型加速度計を用いた振動検出の数値シミュレーション結果を表す図であり、（Ａ）が正弦波信号入力時の出力信号の大きさを示し、（Ｂ）がＦＦＴ演算の結果を示す。

以下、図を参照して、本発明に係る過減衰型加速度計及び地震計について、詳細に説明する。

本実施形態における地震計１０００は、例えば、図１に示すように、地震動を検出する検出部１５０と、検出部１５０より検出された地震動に所定の処理を施して地震波形として表示出力する波形処理部２５０と、を含んで構成される。

検出部１５０は、例えば、ＸＹＺ軸方向各々に配置された過減衰型加速度計１００と、当該過減衰型加速度計１００より検出される地震動を波形処理部２５０に出力するためのインターフェース１１０と、を含んで構成される。

過減衰型加速度計１００は、例えば、図２〜図３に示すように、振動系１と、起電力検出部２０と、積分器３０と、１ビットＡＤ変換器４５（ＡＤ変換手段）と、制御部６０と、１ビットＤＡ変換器７０（帰還手段）と、を含む。そして、この過減衰型加速度計１００は、地震動等の外部振動に応じて振動系１に生ずる誘導起電力を検出し、当該起電力に比例した量を振動系１にフィードバックさせて過減衰状態とし、この過減衰型加速度計１００に与えられる外部振動の加速度を計測する加速度計である。

振動系１は、例えば、図２に示すように、ケース２と、可動部３と、検出コイル７と、フィードバックコイル８と、バネ部材４と、減衰器５と、マグネット６及びマグネット９（磁界形成部）と、を含んで構成される。

ケース２は、過減衰型加速度計１００の筐体部分である。

可動部３は、例えば、ケース２内部に設けられ、左端部に検出コイル７と、右端部にフィードバックコイル８と、をそれぞれ巻回するコイルボビンであり、バネ部材４と減衰器５によって支持され、外部振動に応じて左右方向に振動する。

検出コイル７は、可動部３の左端部に巻回されたコイルであり、可動部３の振動時にマグネット６及びマグネット９の形成する磁界により、外部振動による起電力を発生する。そして、当該起電力は、検出コイル７に接続された出力端子（図示省略）を介して後述の起電力検出部２０にて検出される。
フィードバックコイル８は、可動部３の右端部に巻回されたコイルであり、後述の１ビットＤＡ変換器７０を介して電流が流れると、その電流に応じた駆動力（電磁気力）を可動部３に付与することが出来る。
なお、検出コイル７とフィードバックコイル８とは、互いに可動部３の端部に設けられているため、可動部３の振動により一体的に振動するが、電気回路的には互いに絶縁状態となるように配置されている。

バネ部材４は、例えば、一端がケース２の壁面に固定され、他端が可動部３に接続され、減衰器５とともに可動部３を支持する板バネ等である。そして、バネ部材４は、可動部３の振動に応じて、所定のバネ定数と変位より導出される復元力を可動部３に付与する。
減衰器５は、一端がケース２の壁面に固定され、他端が可動部３に接続され、バネ部材４とともに可動部３を支持する吸振器である。そして、減衰器５は、可動部３の振動に応じて、所定の減衰定数と速度の積より導出される減衰力を可動部３に付与する。

マグネット６及びマグネット９は、例えば、ケース２の内部に配置された永久磁石で形成され、ケース２内に磁界を形成している。

起電力検出部２０は、例えば、図３に示すように、電圧増幅器や電圧検出回路等を含んで構成されており、検出コイル７に発生する起電力が電圧信号として検出されるようになっている。そして、起電力検出部２０にて検出された電圧信号は積分器３０へ出力される。

積分器３０は、例えば、アナログ信号の積分を行う積分回路等で構成され、起電力検出部２０より出力される電圧信号を所定の周波数帯域のみで積分する。
ここで、所定の周波数帯域とは、過減衰型加速度計１００で計測すべき範囲に応じて適宜調整が可能な帯域である。例えば、０．０５Ｈｚから１００Ｈｚまで計測が可能なように調整することや、０．０１Ｈｚから１０００Ｈｚまで計測が可能なように調整すること等、ユーザの必要性に応じて広い周波数帯域での調整を行うことが出来る。
そして、当該帯域にて積分することでノイズシェーピング効果が生じ、出力値の雑音の更なる低減が期待できる。
なお、過減衰型加速度計１００は、積分器３０を設けなくとも（ノイズシェーピング効果は期待できないが、）加速度計として機能するため、起電力検出部２０より出力される電圧信号を、直接コンパレータ４０に入力する構成にしても勿論よい。

１ビットＡＤ変換器４５は、例えば、コンパレータ４０と、ラッチ部５０と、を備えて構成され、アナログ信号の入力をビット列のデジタル信号に変換して出力する。
コンパレータ４０は、例えば、入力値と予め定められた値の大小関係を比較して、入力値が大きい場合に１を、小さい場合に０を出力する回路である。
ラッチ部５０は、例えば、制御部６０より入力されるクロック信号Ｓに同期して動作し、入力された情報を1ビット単位で記憶することのできる回路である。
そして、ラッチ部５０によりラッチした０又は１の値からなる１ビットデジタル信号は、フィードバック用に１ビットＤＡ変換器７０に入力され、加速度計測用に制御部６０に入力される。

制御部６０は、例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によるデジタルフィルタ６２を含んで構成され、所定の動作を行うための予め設定された動作条件に基づく各部の動作制御や、ラッチ部５０にてラッチした1ビットデジタル信号に基づく加速度計測を行う機能を有する。また、制御部６０は、ラッチ部５０にクロック信号（サンプリングクロック）Ｓを出力して、ラッチ部５０をクロック信号Ｓに同期して動作させる。

デジタルフィルタ６２は、ラッチ部５０より入力された１ビットデジタル信号を、高域ノイズを削除しマルチビット化するローパスフィルタ機能と、設定したサンプリングレートに応じてデシメーション処理を行うことで低サンプリングレート化する機能と、を備えたフィルタである。

１ビットＤＡ変換器７０は、ラッチ部５０によりラッチした０又は1の値からなる１ビットデジタル信号を所定の電流値からなるアナログ信号に変換する。そして、上記アナログ信号に基づく電流がフィードバックコイル８に出力され、フィードバックコイル８が駆動される。ここで、上記所定の電流値は、可動部３とケース２との相対速度に比例して発生した誘導起電力の電圧に応じて、可動部３がケース２に対して過減衰状態となるように設定される値であり、過減衰型加速度計１００の大きさや消費電流とのバランス等を考慮して、±数ｍＡから１００ｍＡの範囲で設定されるのが好ましい。

インターフェース１１０は、例えば、所定の通信ケーブル等を介して波形処理部２５０のインターフェース２１０と接続され、過減衰型加速度計１００より出力される地震動（デジタル信号）を、波形処理部２５０に出力する。

波形処理部２５０は、例えば、制御部２００と、インターフェース２１０と、波形記録部２２０と、時刻管理部２３０と、表示部２４０と、を含んで構成される。

制御部２００は、 例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ），ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等を含んで構成され、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムをＣＰＵが実行されることにより、波形処理部２５０の各構成の動作全般を制御する。ここで、制御部２００の行う処理として、例えば、検出部１５０より出力される地震動を表示部２４０にて地震波形として表示する所定の形式に変換する処理がある。
波形記録部２２０は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等のデータ記録装置で構成され、上記制御部２００にて変換処理された地震波形を時刻管理部２３０で管理される時刻とともに記録する。
時刻管理部２３０は、例えば、検出部１５０にて検出される地震動の検出時刻等を計時し管理する。
表示部２４０は、例えば、モニタ装置等で構成され、波形記録部２２０にて記録される地震波形を表示画面上に表示させる。

（フィードバック制御構造）
次に、図４の制御ブロック図を用いて、過減衰型加速度計１００によるフィードバック制御について説明する。

まず、ケース２に与えられる外部振動による絶対変位をｙとし、地震動等の外部振動によりケース２が絶対加速度ｙ_２の振動を行ったものとする（ここで、ｙ_２は絶対変位ｙの２階の時間微分を示し、以下、ｘ，ｙの右下に添え字が付されたものは、当該添え字の階数におけるｘ，ｙの時間微分を指すものとする）。
この時、起電力検出部２０により検出され、検出コイル７に誘起される誘導起電力Ｅ［Ｖ］は、磁束密度をＢ［Ｔ］、検出コイル７のコイル長をＬ［ｍ］、可動部３のケース２に対する相対変位をｘ（相対速度ｘ_１）とすると、Ｅ＝ＢＬｘ_１で表される。
また、相対変位ｘ（相対加速度ｘ_２）と、絶対変位ｙ（絶対加速度ｙ_２）との間には、可動部３に接続された減衰器５のダンピング係数をζ、可動部３の固有振動数をω_ｎとすると、次の式（１）の関係が成り立つ。

そのため、図４に示すように、起電力検出部２０を表す起電力検出ブロック２０ａの伝達関数Ｈ（ｓ）を式（２）のように表現し、誘導起電力Ｅ［Ｖ］を検出することによってケース２に与えられる外部振動の絶対加速度ｙ_２を導出することが出来る。

次いで、積分器３０を表す積分ブロック３０ａ（Ｇ：ゲイン，τ：積分器３０により積分する所定の周波数帯域によって定まる時定数）と、コンパレータ４０を表すコンパレータブロック４０ａと、ラッチ部５０を表すラッチブロック５０ａと、により上記導出された絶対加速度ｙ_２をΔΣ変調して１ビットの量子化された速度ｕを出力し、１ビットＤＡ変換器７０を表す１ビットＤＡ変換ブロック７０ａ（Ａ：フィードバックゲイン）により、当該出力に比例した値を点Ｐ１にフィードバックさせる。

以上より、速度ｕは、信号伝達関数をＳｉｇｎａｌ（ｓ，Ｚ）、雑音伝達関数をＮｏｉｓｅ（ｓ，Ｚ）、量子化雑音をｑとすると、ｕ＝Ｓｉｇｎａｌ（ｓ，Ｚ）×ｙ_２＋Ｎｏｉｓｅ（ｓ，Ｚ）×ｑと表現される。つまり、速度ｕを検出することで絶対加速度ｙ_２に比例した出力が取得できる。

（ΔΣ変調による出力特性）
次に、ΔΣ変調された速度ｕの出力が、高分解能特性を有している（雑音が従来よりも低減される）ことを示す。

ここで、ζ＝０．７０７、ω_ｎ＝１０π［ｒａｄ／ｓ］、Ｂ＝０．３５［Ｔ］、Ｌ＝２００［ｍ］、Ｇ＝１、Ａ＝７．０７とした場合の、信号伝達関数Ｓｉｇｎａｌ（ｓ，Ｚ）の振動数特性（絶対値出力［Ｖ］）と偏角（角度）を図５（Ａ）に、雑音伝達関数Ｎｏｉｓｅ（ｓ，Ｚ）の振動数特性（絶対値出力［Ｖ］）と偏角（角度）を図５（Ｂ）に示す。

ここで、地震動等の振動計測において有用な周波数領域を１００［Ｈｚ］以下の領域とすると、図５（Ａ）に示されるように、当該領域における絶対値出力［Ｖ］は同じ値を示しており、加速度入力に対する応答が一定になっているため、当該領域において過減衰型加速度計１００が加速度計として機能するといえる。
一方、図５（Ｂ）に示されるように、低周波数領域（５［Ｈｚ］以下の領域）においては、絶対値出力が２×１０^−６［Ｖ］となり、十分に雑音を抑えることが可能となっている。そして、高周波数領域（５［Ｈｚ］以上の領域）では、周波数の増加につれて絶対値出力が大きな値を示す。但し、上記有用な周波数領域（１００［Ｈｚ］以下の領域）においては、１００［Ｈｚ］の時点においても絶対値出力が８×１０^−４［Ｖ］であり、従来比１０００分の１程度の十分小さな雑音に抑えることができる。そのため、上記有用な周波数領域において、式（4）のΔΣ変調された速度ｕの出力は、ノイズシェーピング効果により高分解能特性を有するといえる。

また、図６（Ａ）に示す１［Ｈｚ］の正弦波信号の入力時の出力波形をシミュレーション計算した結果であり、この出力をＦＦＴ解析した結果（周波数［Ｈｚ］に対する出力信号（速度ｕ）の絶対値［Ｖ］）を図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）に示されるように、ノイズシェーピング効果が十分に発揮された結果、量子化雑音の影響は数百Ｈｚ以上に現れ、本発明の過減衰型加速度計及び地震計の計測範囲である１００Ｈｚ以下においては、量子化雑音の影響はほとんど現れないという極めて顕著な効果が得られる。そのため、本発明の過減衰型加速度計及び地震計は、その計測範囲において量子化雑音の影響をほとんど受けることなく、好適な高分解能を達成可能である。

以上のように、本発明に係る地震計１０００は、過減衰型加速度計１００を用いて構成されており、ケース２と、ケース２内にバネ部材４で支持される可動部３と、ケース２内に磁界を形成するマグネット６及びマグネット９と、マグネット６及びマグネット９により形成された磁界内の可動部３に巻回されて設けられ、可動部３の振動時に起電力を発生する検出コイル７と、を有し、磁界内の可動部３に巻回されて設けられ、電流を流すことで可動部３に駆動力を付与するフィードバックコイル８と、起電力検出部２０より検出される誘導起電力を、１ビットのビット列信号に変換する１ビットＡＤ変換器４５（コンパレータ４０及びラッチ部５０）と、１ビットＡＤ変換器４５により出力されるビット列信号を所定の電流値に変換して、フィードバックコイル８に帰還させる１ビットＤＡ変換器７０と、を備える。
つまり、過減衰型加速度計１００は過減衰型の加速度計を用いているため、サーボ型の加速度計と異なり直流成分の信号は出力されない（交流成分のみ出力される）。また、本発明は、１ビットＡＤ変換器４５によるＡＤ変換手段と、１ビットＤＡ変換器７０による帰還手段と、を含んで構成されるため、いわゆるΔΣ変調がなされている。つまり、１ビットＡＤ変換器４５から出力される信号に含まれる、量子化雑音の振動スペクトルは、いわゆるノイズシェーピング効果により、低周波数領域において減少し、高周波数領域において増加するため、地震動等の振動計測において有用な周波数領域（１００［Ｈｚ］以下の領域）における分解能が向上するので、計測可能な周波数領域が広くなる。また、１ビットＡＤ変換器４５により加速度を１ビットのビット列のデジタル信号として出力することができるので、過減衰型加速度計１００から波形処理部２５０への信号伝送時に、雑音の混入や信号の減衰を好適に回避することが出来る。さらに、出力が１ビットのビット列であることから、上記信号伝送時に多ビットのように複数の信号伝送路を必要としないため、信号伝送が簡易である。
したがって、本発明は、高分解能であり、交流成分のみを出力可能な過減衰型加速度計及び地震計であるといえる。

また、過減衰型加速度計１００は、１ビットＡＤ変換器４５により出力されるビット列信号に対して、高周波数成分を減衰させるローパスフィルタリング処理を行うことによりマルチビット化し、更に、デシメーション処理を行うデジタルフィルタ６２を備える。
つまり、デジタルフィルタ６２により、１ビットＡＤ変換器４５により出力されるビット列信号を、高域ノイズを削除しマルチビット化するローパスフィルタ機能と、設定したサンプリングレートに応じてデシメーション処理を行うことで低サンプリングレート化する機能と、が実現される。
また、デジタルフィルタ６２により、デシメーション処理を行い低サンプリングレート化する事で、その後の計算量を抑える事が出来るので、現在市販されているＤＳＰでもリアルタイムに計算処理が可能となり、部品コストの低減に効果がある。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良く、例えば、更に高次のΔΣループを構成しても良い。

１ 振動系
２ ケース
３ 可動部
４ バネ部材
６，９ マグネット（磁界形成部）
７ 検出コイル
８ フィードバックコイル
３０ 積分器
４５ １ビットＡＤ変換器（ＡＤ変換手段）
６０ 制御部
６２ デジタルフィルタ
７０ １ビットＤＡ変換器（帰還手段）
１００ 過減衰型加速度計
１０００ 地震計

Claims (4)

1. ケースと、前記ケース内にバネ部材で支持される可動部と、前記ケース内に磁界を形成する磁界形成部と、前記磁界形成部により形成された磁界内の前記可動部に巻回されて設けられ、前記可動部の振動時に起電力を発生する検出コイルと、を有し、過減衰状態で前記検出コイルより発生する起電力に基づいて、前記ケースに与えられる外部振動の加速度を示すアナログ加速度信号を計測し、１ビットのビット列のデジタル信号で出力する過減衰型加速度計において、
   前記磁界内の前記可動部に巻回されて設けられ、電流を流すことで前記可動部に駆動力を付与するフィードバックコイルと、
   前記アナログ加速度信号を、１ビットＡＤ変換器によりビット列信号に変換するＡＤ変換手段と、
   前記ＡＤ変換手段により出力されるビット列信号に対して、１ビットＤＡ変換器により所定の電流値に変換して前記フィードバックコイルに帰還させる帰還手段と、
   を備えることを特徴とする過減衰型加速度計。
2. 請求項１に記載の過減衰型加速度計において、
   前記アナログ加速度信号を所定の周波数帯域のみで積分する積分器を備えることを特徴とする過減衰型加速度計。
3. 請求項１又は２に記載の過減衰型加速度計において、
   前記ＡＤ変換手段により出力されるビット列信号に対して、高周波数成分を減衰させるローパスフィルタリング処理を行うことによりマルチビット化し、更に、デシメーション処理を行うデジタルフィルタを備えることを特徴とする過減衰型加速度計。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の過減衰型加速度計を用いて構成したことを特徴とする地震計。

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