JP2023129306A - 三方向成分速度検出機構 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を達成可能であり、かつ振動を三方向成分の速度として検出することができる三方向成分速度検出機構を提供することを目的とする。
【解決手段】支持体２０に吊支されている吊支部材２２と、支持体２０に固定されている固定要素２３と、吊支部材２２に固定されている可動要素２４と、一対の水平側センシング部材２５，２６と、を有し、水平方向の速度を検出する円錐振子式の検出部２と、吊支部材２２に取り付けられた固定子３０と、吊支部材２２にバネ部材３４を介して支持されており固定子３０に対して鉛直方向に相対移動する振動子３１と、一対の鉛直側センシング部材３２，３３ｂと、を有し、鉛直方向成分の速度を検出するバネ振子式の検出部３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、三方向成分の速度として検出するための検出機構に関する。

近年、例えば地震の到達を報知する緊急地震速報等に活用される地震予想の技術が目覚ましい発展を遂げている。このような、地震予想の精度や信頼度を高めるためには、地震、火山活動等の振動をいち早く検出することが肝要である。そこで、振動を検出するための検出機構のさらなる配備が進んでいる。

例えば、特許文献１に示される検出機構は、固定子と、バネ部材によって鉛直方向であるｚ軸方向に相対移動可能に固定子に吊支されている振動子と、固定子の内周面に固定されている磁石と、振動子に固定されているコイルを有する、バネ振子式の検出機構である。

これにより、地震発生時には、固定子は地震の揺れに伴ってｚ軸方向に相対移動する一方で、振動子はその場に留まった状態となる。このとき、コイルが磁石によって構成される磁力線を横切ることで生じる起電力を基に、ｚ軸方向成分の速度を検出することができる。なお、ｚ軸方向成分の速度を検出する検出機構においては、固定子の内周面にコイルが固定され、振動子に磁石が固定されているものもある。

また、特許文献２に示される検出機構は、有底円筒状の支持体と、支持体内に固定されているジンバルと、ジンバルにシャフトを介して吊支されている錘と、錘の下端に固定されている立方体状の可動電極と、支持体の内周面に固定されている４つの固定電極と、を有し、支持体側のシャフトの接続端部が錘を基点として、ｘ軸方向，ｙ軸方向に相対傾動可能に吊支されている円錐振子式の検出機構である。また、各固定電極は、一つの可動電極の側面に所定間隔をあけて対向配置されている。

これにより、地震発生時には、支持体は地震の揺れに伴ってｘ軸方向やｙ軸方向に相対傾動する一方で、錘はその場に留まった状態となる。このとき、ｘ軸上に対向配置されている可動電極と固定電極との相対距離の変動に伴って、可動電極から固定電極に向かって流れる高周波電流が変化する。これを基に、ｘ軸方向成分の速度を検出することができる。また、ｙ軸方向成分の速度についても同様に検出することができる。

特開平６－２３５６５６号公報（第２頁、第４図） 特開昭５２－１３７３７７号公報（第２，３頁、第１図）

特許文献１のような検出機構においては、地震、火山活動等による振動が作用した場合に、振動におけるｚ軸方向成分の速度を検出することができる。また、特許文献２のような検出機構においては、上述したような振動におけるｘ軸方向成分，ｙ軸方向成分それぞれの速度を検出することができる。

ところで、地震予想の精度や信頼度を高めるためには、地震、火山活動等による振動をｘ軸方向，ｙ軸方向，ｚ軸方向としての三方向成分の速度をそれぞれ知る必要がある。また、精度や信頼度をさらに高めるために、通過する車両の振動、風雨等の影響を防ぐべく、地下に掘削したボアホール内に設置することが好ましい。

そこで、ｚ軸方向成分の速度を検出する特許文献１のようなバネ振子式の検出機構と、ｘ軸方向成分，ｙ軸方向成分それぞれの速度を検出する特許文献２のような円錐振子式の検出機構を同じ耐圧容器の中に封入し地下に埋設することによって、外圧、地下水等による破損を防ぎつつ、同一地点に及んでいる振動を三方向成分の速度として検出することができる。

しかしながら、ボアホールの穿孔は、その深度が深くなればなるほど経費が掛かるという問題があるため、少しでも浅くしたいという要望がある。加えて、精度よく一直線上に掘削することは困難であるため、耐圧容器が長ければ長いほどボアホールの歪みを許容するためにその半径を長くとる必要があることから、より経費が嵩む要因となっていた。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、小型化を達成可能であり、かつ振動を三方向成分の速度として検出することができる三方向成分速度検出機構を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の三方向成分速度検出機構は、
支持体に吊支されている吊支部材と、前記支持体に固定されている固定要素と、前記吊支部材に固定されている可動要素と、前記固定要素および前記可動要素に取り付けられた一対の水平側センシング部材と、を有し、水平方向の速度を検出する円錐振子式の検出部と、
前記吊支部材に取り付けられた固定子と、前記吊支部材にバネ部材を介して支持されており前記固定子に対して鉛直方向に相対移動する振動子と、前記固定子および前記振動子に取り付けられた一対の鉛直側センシング部材と、を有し、鉛直方向成分の速度を検出するバネ振子式の検出部と、を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、バネ振子式の検出部が、円錐振子式の検出部の錘として機能するため、地震、火山活動等の振動が及んだ場合に、円錐振子式の検出部において、固定要素に対する可動要素の相対移動に応じた水平方向成分であるｘ軸方向成分，ｙ軸方向成分の速度を検出し、バネ振子式の検出部において、固定子に対する振動子の相対移動に応じた鉛直方向成分であるｚ軸方向成分の速度を検出することができる。このように、振動を三方向成分の速度として検出可能であるばかりでなく、小型化を達成することができる。

前記可動要素は、前記固定子よりも上方に設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、吊支部材の支持体に接続されている端部から固定子までの距離が長くなり、固定子を錘として好適に使用できるため、三方向成分速度検出機構をより小型にすることができる。

前記バネ部材は、ダイヤフラムバネであることを特徴としている。
この特徴によれば、円錐振子式検出部の一部として機能する振動子を支持するバネ部材として好適である。

前記円錐振子式の検出部の回転中心が、前記振動子の重心とほぼ一致していることを特徴としている。
この特徴によれば、バネ振子の錘として機能する振動子の重心は三方向に対して不動となるため、意図しない鉛直方向成分の速度を検出することが防止されているばかりか、固定子および振動子より得られた値に対して、水平方向成分に由来する値を補正する処理を省略または簡略にすることができる。

前記吊支部材は、一本のシャフトであることを特徴としている。
この特徴によれば、吊支部材を簡素に構成することができる。

前記吊支部材の下端には、錘が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、円錐振子式の検出部の回転中心の高さ調整が容易となる。

前記錘は導体であって、前記錘の下方に前記円錐振子式の検出部の振動を減衰する磁石が配されていることを特徴としている。
この特徴によれば、磁気減衰により共振の発生を抑制することができる。

本発明の実施例１における三方向成分速度検出機構を一部破断して示す正面図である。 図１におけるＡ－Ａ断面図である。 （ａ）は可動要素における磁石の配置について説明するための正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ断面図である。 三方向成分速度検出機構のバネ振子式検出部を一部破断して示す正面図である。 バネ振子式検出部のダイヤフラムバネの図である。 ダイヤフラムバネのバネ定数の変化について示したグラフ図である。 振動発生の前後における三方向成分速度検出機構を比較して説明するための図であって、（ａ）は三方向成分速度検出機構に振動が作用していない状態を一部破断して示す正面図、（ｂ）は三方向成分速度検出機構に水平方向の振動が作用している状態を一部破断して示す正面図であり、（ｃ）は三方向成分速度検出機構に鉛直方向の振動が作用している状態を一部破断して示す正面図である。 実施例１の三方向成分速度検出機構に対するスイープ加振実験（鉛直方向）の結果を示すグラフである。 実施例１の三方向成分速度検出機構に対するスイープ加振実験（Ｎ－Ｓ方向）の結果を示すグラフである。 実施例１の三方向成分速度検出機構に対する打撃加振実験（鉛直方向）の結果を示すグラフである。 実施例１の三方向成分速度検出機構に対する打撃加振実験（Ｎ－Ｓ方向）の結果を示すグラフである。 実施例１の三方向成分速度検出機構に対する打撃加振実験（Ｎ－Ｓ方向）における周波数応答を示すグラフである。 本発明の実施例２における三方向成分速度検出機構を一部破断して示す正面図である。 実施例２の三方向成分速度検出機構に対する打撃加振実験（Ｎ－Ｓ方向）の結果を示すグラフである。 実施例２の三方向成分速度検出機構に対する打撃加振実験（Ｎ－Ｓ方向）における周波数応答を示すグラフである。

本発明に係る三方向成分速度検出機構を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る三方向成分速度検出機構につき、図１から図１２を参照して説明する。以下、図２の紙面下側を三方向成分速度検出機構の正面側（前方側）とし、正面側から見て前後方向をｘ軸方向、左右方向をｙ軸方向、上下方向をｚ軸方向として説明する。

図１に示されるように、三方向成分速度検出機構１は、周知の姿勢制御装置（図示略）と共に耐圧容器（図示略）に封入された後、ボアホールに埋設されて、地震、火山活動等が生じた場合に、その振動を三方向成分の速度として検出するためのものである。

三方向成分速度検出機構１は、ｘ軸方向成分，ｙ軸方向成分の速度を検出するための円錐振子式検出部２と、ｚ軸方向成分の速度を検出するためのバネ振子式検出部３と、から主に構成されている。

まず、円錐振子式検出部２について説明する。図１，２を主に参照し、円錐振子式検出部２は、４側面開放された直方体状のフレーム２０（支持体）と、フレーム２０の天井パネル２０ａに固定されているユニバーサルジョイント２１と、ユニバーサルジョイント２１に連結されているシャフト２２（吊支部材）と、フレーム２０の側端部に固定されている４つの固定要素２３と、シャフト２２の軸方向中央部に固定されている可動要素２４と、固定要素２３に固定されているコイル２５（水平側センシング部材の一方）と、可動要素２４に固定されている４つの磁石体２６（水平側センシング部材の他方）と、シャフト２２の軸方向中央部における可動要素２４よりも下方に固定されているバネ振子式検出部３と、シャフト２２の下端に固定されている錘２７から構成されている。なお、磁石体２６については、明確に示すべく、図１～３においてドット柄を付している。これは、後述する磁石３２（図４参照）についても同様である。

フレーム２０は、上方側に配置される天井パネル２０ａと、下方側に配置される床パネル２０ｃが、上下方向に延びる４本の縦杆２０ｂによって連結されることで構成されている。

ユニバーサルジョイント２１は、フレーム２０の天井パネル２０ａに固定される固定部２１ａに対して、シャフト２２が連結される可動部２１ｂが、ｘ軸方向の回転軸２１ｘと、十字状の回動連結部（図示略）と、ｙ軸方向の回転軸２１ｙを介して連結されている。詳しくは、ｘ軸方向の回転軸２１ｘは、可動部２１ｂと回動連結部を軸支しており、ｙ軸方向の回転軸２１ｙは、回動連結部と固定部２１ａを軸支している。

これにより、可動部２１ｂは、固定部２１ａに対して、ｘ軸回り、ｙ軸回りにそれぞれ回動可能となっている。そのため、シャフト２２は、円錐振子軸として旋回動作することが可能となっている。なお、ユニバーサルジョイントの構成は適宜変更されてもよい。また、可動部２１ｂは、シャフト２２と一体に形成されていてもよい。

図２に示されるように、固定要素２３は、フレーム２０における隣り合う一対の縦杆２０ｂ，２０ｂに架設されている。また、固定要素２３のフレーム２０中央側の端面には、ボビンに巻線が巻き付けられて形成されたコイル２５が固定されている。

可動要素２４は、立方体状に形成されており、各側部には磁石体２６を嵌合・固定するための十字状の溝が形成されている。

磁石体２６は、三方向成分速度検出機構１に振動が作用していない状態において、対向配置されるコイル２５に対して所定寸法離間した状態で配置されている。このときの固定要素２３に対する可動要素２４の相対位置を、可動要素２４の初期位置とする。

図３に示されるように、磁石体２６は、５つの磁石２６ａ～２６ｅの集合体であり、中心の磁石２６ａはＳ極が可動要素２４側に配置され、中心の磁石２６ａの上下左右に配置される４つの磁石２６ｂ～２６ｅは、Ｎ極が中心の磁石２６ａ側に配置されている。すなわち、磁石体２６は、ハルバッハ配列された５つの磁石２６ａ～２６ｅによって構成されている。これにより、磁石体２６のコイル２５側に磁界が集中されて磁力が高められていることから、磁石体２６がコイル２５に離接することにより起電力が生じやすくなるため、振動検出の感度が高められている。

図２に戻って、ｘ軸方向に配置されるコイル２５，２５には、導線Ｃ１とシャント抵抗が接続されている。また、ｙ軸方向に配置されるコイル２５，２５には、導線Ｃ２とシャント抵抗が接続されている。図示しない制御装置は、導線Ｃ１，Ｃ２を流れる電流、その流れ方向等から、振動のｘ軸方向成分，ｙ軸方向成分の速度を検出することができる。

ここで、図１，図４，図５を主に参照して、バネ振子式検出部３について説明する。バネ振子式検出部３は、シャフト２２に固定されている固定子３０と、複数（本実施例では上方に４枚、下方に４枚）のダイヤフラムバネ３４を介してシャフト２２に支持されている振動子３１と、固定子３０に固定されている磁石３２（鉛直側センシング部材の一方）と、振動子３１に固定されているコイル部材３３と、から構成されている。

固定子３０は、シャフト２２に外嵌されて固定され、磁石３２を保持するためのホルダ３０ａと、ホルダ３０ａに保持されているヨーク３０ｂを備えている。

振動子３１は、内径側段付き円筒状に形成されており、上端部と下端部には、それぞれのコイル３３ｂ，３３ｂが対向配置された状態で２つのコイル部材３３，３３が、固定されている。

コイル部材３３は、側面視皿状かつ中央部が軸方向に貫通しているボビン３３ａに巻線が巻き付けられてコイル３３ｂ（鉛直側センシング部材の他方）が形成されている。

コイル３３ｂは、磁石３２とヨーク３０ｂの間の隙間に挿入されており、三方向成分速度検出機構１に振動が作用していない状態において、固定子３０のヨーク３０ｂに対して所定寸法離間した状態で配置されている。このときの振動子３１に対する固定子３０の相対位置を、固定子３０の初期位置とする。

これにより、磁石３２とヨーク３０ｂのまわりに発生する磁界においてコイル３３ｂを貫く磁束が変化する方向にコイル３３ｂが相対移動することにより、コイル３３ｂ内に起電力が生じる。

ｚ軸方向に配置されているコイル３３ｂ，３３ｂには、導線Ｃ３とシャント抵抗が接続されている。図示しない制御装置は、導線Ｃ３を流れる電流、その流れ方向等から、振動のｚ軸方向成分の速度を検出することができる。

図５に示されるように、ダイヤフラムバネ３４は、薄板円環状の内板部３４ａと、内板部３４ａの外径端に屈曲して橋絡された薄板形状の複数（図５においては３本）の連結部３４ｂと、連結部３４ｂが外径側に屈曲して橋絡された薄板円環状の外板部３４ｃから主に構成されている。また、内板部３４ａはシャフト２２に固定されており、外板部３４ｃは振動子３１に固定されている。

また、内板部３４ａと外板部３４ｃとは略平行となっており、ダイヤフラムバネ３４は軸方向の荷重を受けることで、連結部３４ｂの屈曲度合いが小さくなってバネ長が短くなるように、すなわち内板部３４ａと外板部３４ｃとの軸方向距離が近づくように変形可能となっている。一方で、内板部３４ａと外板部３４ｃとは、径方向距離が変位しにくく、かつ相対傾動しにくくなっている。

これらにより、振動子３１は、複数（本実施例では上方に４枚、下方に４枚）のダイヤフラムバネ３４を介してシャフト２２に支持されていることから、固定子３０に対してｚ軸方向への相対移動は可能となっている一方で、ｘ軸方向およびｙ軸方向への相対移動および相対傾動が規制されている。これにより、振動子３１は、周知のリニアガイドを省略してｚ軸方向にのみ相対運動が可能となっている。

図６に示されるように、ダイヤフラムバネ３４は、内板部３４ａと、外板部３４ｃが同一平面上に配置されている状態、すなわちダイヤフラムバネ３４が平坦になっている状態（図４参照）では、バネ定数が非常に小さくなり、かつバネ長に対して非線形なバネ特性となっている。このダイヤフラムバネ３４を組み込むことで、振動子３１の固有振動数を１Ｈｚ程度に設定している。

これらにより、ダイヤフラムバネ３４は、円錐振子式検出部２の一部として機能する振動子３１を支持するバネ部材として好適である。

図７に示されるように、錘２７はシャフト２２の下端に取り付けられている。振動子３１の重心３１Ｇとシャフト２２の回転中心、すなわち円錐振子式検出部２の回転中心２Ｒの位置は一致している。このように、シャフト２２の下端に錘２７を設けることにより、円錐振子式検出部２の回転中心２Ｒの高さ調整が容易となっている。

次に、地震が発生した場合の三方向成分速度検出機構１の動作について、図７を用いて説明する。

図７（ａ）（ｂ）を参照して、三方向成分速度検出機構１に対してｙ軸方向に振動が作用した場合において、三方向成分速度検出機構１は初期位置よりｙ軸方向に移動する一方で、振動子３１の重心３１Ｇはその場（初期位置）に留まる。

これにより、ユニバーサルジョイント２１は、その固定部２１ａがフレーム２０と共に初期位置よりｙ軸方向に移動する。その一方で、円錐振子式検出部２の回転中心２Ｒが振動子３１の重心３１Ｇにほぼ一致されているため、シャフト２２は当該回転中心２Ｒを起点としてわずかに時計回りに回動（以下、傾動ともいう）する。このとき、ユニバーサルジョイント２１における可動部２１ｂは固定部２１ａと共にｙ軸方向に相対移動しつつｘ軸方向の回転軸２１ｘ回りに回動する。

このシャフト２２の傾動に伴って、可動要素２４も初期位置よりｙ軸方向に移動、かつ傾動することにより、ｙ軸方向に配置されている各コイル２５，２５との相対位置が変化する。

また、円錐振子式検出部２は、２軸の回転軸２１ｘ，２１ｙを有するユニバーサルジョイント２１によって、旋回運動可能である一方でシャフト２２自身が軸回りに回動することが規制されている。そのため、可動要素２４における一の磁石体２６と、この磁石体２６に対向配置されるコイル２５とのｘ方向、ｙ方向の対応関係を担保することができる。

また、上述したように、円錐振子式検出部２の回転中心２Ｒ（不動点）は振動子３１の重心３１Ｇに一致しているとともに、振動子３１は複数のダイヤフラムバネ３４によってシャフト２２に対する相対的な傾動が規制されている。そのため、シャフト２２が傾動すると、振動子３１は、自身の重心３１Ｇを基点として傾動する。このとき重心３１Ｇは回転中心２Ｒと同じ位置にあることから、振動子３１に遠心力が生じないまたは限りなく小さいため、意図せず振動子３１がｚ軸方向に相対運動することが防止されている。

また、振動が収まった場合、図示しない姿勢制御装置によって三方向成分速度検出機構１の姿勢が制御された場合において、シャフト２２は、重力による復元モーメントにより、初期位置に復帰する。このシャフト２２の復帰に伴って、可動要素２４も初期位置に復帰する。上記した説明は、ｘ軸方向についても同様である。

図７（ａ）（ｃ）に示されるように、三方向成分速度検出機構１に対してｚ軸方向に振動が作用した場合において、三方向成分速度検出機構１は初期位置よりｚ軸方向に移動する一方で、ダイヤフラムバネ３４によって吊支される振動子３１はその場（初期位置）に留まる。

これにより、ユニバーサルジョイント２１は、その固定部２１ａがフレーム２０と共に初期位置よりｚ軸方向に移動する。この固定部２１ａと共に可動部２１ｂは初期位置よりｚ軸方向に移動する。そのため、シャフト２２もダイヤフラムバネ３４を弾性変形させながら初期位置よりｚ軸方向に移動する。

このシャフト２２の移動に伴って、固定子３０も初期位置より移動することにより、ｚ軸方向に配置されている各コイル３３ｂ，３３ｂとの相対位置が変化する。

また、振動が収まった場合、図示しない姿勢制御装置によって三方向成分速度検出機構１の姿勢が制御された場合において、シャフト２２は、ダイヤフラムバネ３４の付勢力により、円錐振子式検出部２の回転中心２Ｒが振動子３１の重心３１Ｇと一致するように復帰する。このシャフト２２の復帰に伴って、固定子３０も初期位置に復帰する。

このように、円錐振子式検出部２は、シャフト２２が円錐振子式検出部２の回転中心２Ｒを起点として傾動し、可動要素２４がｘ軸方向，ｙ軸方向それぞれに移動することで水平２方向の速度を検出可能に構成されているサイズモ変位計の原理を用いた検出部である。また、バネ振子式検出部３は、ダイヤフラムバネ３４の弾性力に支持された固定子３０がｚ軸方向に移動することで垂直方向の速度を可能に構成されているサイズモ変位計の原理を用いた検出部である。

次に、三方向成分速度検出機構１の性能評価実験について説明する。今回の性能評価実験では、スイープ加振実験と、打撃加振実験を行った。

［スイープ加振実験］
スイープ加振実験では、松平式振動試験機の加振台の上に三方向成分速度検出機構１（以降、試作機Ｐ１（Prototype1）ともいう）を固定し、加振振動数を変更しながら試作機Ｐ１をＮ－Ｓ方向（ｘ軸方向）、Ｅ－Ｗ方向（ｙ軸方向）および鉛直方向（ｚ軸方向）にそれぞれ加振した。加振振動数は、０．８Ｈｚから５０Ｈｚまでの範囲で変動させており、加振台の振幅は片振幅０．４ｍｍである。加振時の円錐振子式検出部２やバネ振子式検出部３の出力信号（電圧）を測定し、後述する感度によって速度に変換している。

比較のため、加速度ピックアップを加振台に設置して加速度信号を測定し、さらに積分して速度信号に変換して参照値（Reference）としている。試作機Ｐ１の円錐振子式検出部２やバネ振子式検出部３の感度はこの参照値を基に求めることができ、同定した結果はＮ－Ｓ方向が３．４６Ｖ／（ｍ／ｓ）、Ｅ－Ｗ方向が３．４８Ｖ／（ｍ／ｓ）、鉛直方向が２６．９Ｖ／（ｍ／ｓ）であった。

図８は鉛直方向に加振したときの鉛直方向の応答結果であり、図９はＮ－Ｓ方向に加振したときのＮ－Ｓ方向の応答結果である（Ｅ－Ｗ方向の結果は省略する）。図中の横軸は加振振動数であり、縦軸は出力された速度信号の振幅を示す。試作機Ｐ１の結果では、ほぼ参照値と同等の結果が得られているものの、３４Ｈｚ付近からは参照値との誤差が拡大している。この傾向は、Ｅ－Ｗ方向の結果にも現れていた。

［打撃加振実験］
打撃加振実験では、ゴム脚で支持されたアルミ平板の上に試作機Ｐ１を設置し、水平方向と鉛直方向の連成振動が発生するように斜めの方向からアルミ平板を打撃して、振動応答を測定した。比較のため、回転中心付近のフレーム２０側面に加速度ピックアップを設置して参照値を求めた。

図１０が鉛直方向、図１１がＮ－Ｓ方向の時刻歴応答結果であり、それぞれ、試作機Ｐ１の結果と参照値を示している。打撃直後の試作機Ｐ１と参照値の結果を比較すると、水平方向、鉛直方向共に周期は概ね一致した。これらの実験結果から、本実施例の三方向成分速度検出機構１は振動を三方向成分の速度として検出できることが明らかとなった。

以上説明したように、三方向成分速度検出機構１は、バネ振子式検出部３が、円錐振子式検出部２の錘として機能するため、地震、火山活動等の振動が及んだ場合に、円錐振子式検出部２において、固定要素２３に対する可動要素２４の相対移動に応じた水平方向成分であるｘ軸方向成分，ｙ軸方向成分それぞれの速度を検出し、バネ振子式検出部３において、固定子３０に対する振動子３１の相対移動に応じた鉛直方向成分であるｚ軸方向成分の速度を検出することができる。すなわち、振動を三方向成分の速度として検出可能である。

また、三方向成分速度検出機構１は、バネ振子式検出部３が、円錐振子式検出部２の錘として機能するため、小型化を達成することができる。

また、固定子３０は、可動要素２４よりも下方側に配置されており、ユニバーサルジョイント２１の可動部２１ｂから固定子３０までの距離が長くなることで、固定子３０までのモーメントアームが長くなる。これにより、固定子３０を錘として好適に使用できるため、三方向成分速度検出機構１をより小型にすることができる。

また、円錐振子式検出部２の回転中心２Ｒである不動点が、振動子３１の重心３１Ｇとほぼ一致していることにより、バネ振子の錘としての振動子３１の重心３１Ｇは三方向に対して不動となるため、意図しない鉛直方向成分の速度を検出することが防止されているばかりか、固定子３０および振動子３１より得られた値に対して、水平方向成分に由来する値を補正する処理を省略または簡略にすることができる。

また、吊支部材は、一本のシャフト２２であるため、複数の部材を組み合わせる構成と比較して強度設計が容易であることから、振動が作用した場合に、しなりが生じにくい吊支部材を簡素に構成することができる。

また、三方向成分速度検出機構１は、一つの姿勢制御装置だけで姿勢制御が可能であることから、小さな耐圧容器を採用することができる。これに対して、２つ以上の検出機構を耐圧容器に封入するにあたっては、それぞれの検出機構毎に姿勢制御装置が必要となることから、必然的に大きな耐圧容器が必要となってくる。

また、シャフト２２を旋回可能にフレーム２０に連結する連結部材は、ユニバーサルジョイント２１であるため、例えばバネ、ゴム等の弾性部材を連結部材として用いた構成と比較して、円錐振子式検出部２の固有振動数の設定が容易となっている。

次に、実施例２に係る三方向成分速度検出機構につき、図１３～１５を参照して説明する。なお、前記実施例１に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

本実施例２の三方向成分速度検出機構１０１は、前記実施例１の三方向成分速度検出機構１に対する打撃加振実験（水平方向）において得られた実測値と参照値の間で生じていた差異を軽減すべく、前記実施例１の三方向成分速度検出機構１（試作機Ｐ１）に改良を施したものである。

まず、実測値と参照値の間で生じていた差異について説明する。前記実施例１の試作機Ｐ１に対する打撃加振実験において、図１０に示される鉛直方向の結果では、打撃直後で振幅に差違が見られるが、これは参照値用のセンサと試作機Ｐ１の測定点の差が原因と考えられる。一方、図１１に示されるＮ－Ｓ方向の結果では、参照値が減衰して振幅が小さくなっても、試作機Ｐ１では微小振動が継続している。そこで、この微小振動の原因調査を行った。

Ｎ－Ｓ方向の打撃加振実験における発生振動数を調べた結果、図１２に示すＮ－Ｓ方向の周波数応答結果のように、試作機Ｐ１の速度波形には３１Ｈｚと３３Ｈｚの成分が含まれていた。

フレーム２０に吊支されている振り子２８（ユニバーサルジョイント２１、シャフト２２、可動要素２４、バネ振子式検出部３、錘２７）におけるシャフト２２の上端部、可動要素２４、シャフト２２の中央部、バネ振子式検出部３、錘２７を個別に水平方向に打撃する打撃試験を行ったところ、打撃加振実験と同様に３１Ｈｚと３３Ｈｚの成分でピークが見られた。

また、測定した結果から求めた３１Ｈｚにおける振り子２８のモードと、３３Ｈｚにおける振り子２８のモードを比較した結果、バネ振子式検出部３に対する打撃点において位相が変化していることが判明した。これは、バネ振子式検出部３が共振して同位相と逆位相のモードが出ていると考えられる。

ここで、前記実施例１にて説明したように、バネ振子式検出部３はその錘である振動子３１を支えるダイヤフラムバネ３４がリニアガイドの役割も担っている。しかし、本来想定されていない横方向の振動が加わることで共振している可能性があることが判明した。前記実施例１におけるスイープ加振実験結果で３４Ｈｚ付近から誤差が大きくなったことも踏まえると、打撃により自由振動が励起され、バネ振子式検出部３の固有振動数である３１～３３Ｈｚ付近で共振することで、円錐振子式検出部２にも影響が出たと考えられる。

これらの結果を踏まえ、発明者らは水平方向の振動対策として減衰機構に着眼し検討を行ったところ、後述するように良好な結果が得られた。

図１３に示されるように、本実施例２の三方向成分速度検出機構１０１には、フレーム２０に吊支されているユニバーサルジョイント２１、シャフト２２、可動要素２４、バネ振子式検出部３および錘２７から構成されている振り子２８の振動を抑えるための磁気減衰機構４が設けられている。磁気減衰機構４は、磁石体４０と、錘２７から構成されている。

磁石体４０は、３つのアルミ製の溝形鋼に３つずつ磁石をはめ込んで構成されている。また、磁石体４０を構成する９つの磁石はハルバッハ配列されている。

磁石体４０は、その上面視中心がシャフト２２の軸心に位置合わせされた水平位置、かつ真鍮製の円盤である錘２７に非接触状態を保ちながらもその下面２７ａにできるだけ近接された高さ位置にて、エポキシ系接着剤を用いて床パネル２０ｃに固定されている。なお、磁石体４０を床パネル２０ｃに固定する固定方法については溶着であってもよく、ねじ止めであってもよく、磁着であってもよく適宜変更されてもよい。

次に、三方向成分速度検出機構１の性能評価実験について説明する。今回の性能評価実験では、自由振動実験と、打撃加振実験を行った。

［自由振動実験］
自由振動実験を行い、前記実施例１の試作機Ｐ１の減衰比と、本実施例２の三方向成分速度検出機構１０１（以降、試作機Ｐ２（Prototype2）ともいう）の減衰比を調べた。減衰機構のない試作機Ｐ１の減衰比は０．０８、磁気減衰を追加した試作機Ｐ２の減衰比は０．４となった。このことから、磁気減衰機構４により振り子２８の振動が減衰されていることが確認できた。

［打撃加振実験］
前記実施例１の打撃加振実験と同様に、本実施例２の試作機Ｐ２に対して打撃加振実験を行った。図１４がＮ－Ｓ方向の時刻歴応答結果であり、図１５がＮ－Ｓ方向の周波数応答結果である。図１１と図１４を比較すると、本実施例２の試作機Ｐ２は、前記実施例１の試作機Ｐ１において参照値が減衰してもなお継続していた微小振動が軽減していることが確認できた。

また、図１２と図１５を比較すると、本実施例２の試作機Ｐ２の速度波形では前記実施例１の試作機Ｐ１の速度波形のような３１Ｈｚと３３Ｈｚの成分が含まれておらず、ほぼ参照値と同等の結果が得られた。

以上により、本実施例２の三方向成分速度検出機構１０１は、磁気減衰機構４による磁気減衰によりバネ振子式検出部３の共振を抑制して、円錐振子式検出部２に対する影響を低減できることが確認できた。

また、磁気減衰機構４は、非接触式の構造であることから、円錐振子式検出部２やバネ振子式検出部３への影響が少ない。

また、本実施例の磁気減衰機構４は、円錐振子式検出部２の錘２７を利用して構成されていることから、別途導体を設ける構成と比較して、構成をコンパクトにすることができる。

また、磁気減衰機構４は円錐振子式検出部２を利用しており、言い換えるとバネ振子式検出部３に空間を設けそこに減衰機構を配置するような構成ではないことから、バネ振子式検出部３をコンパクトに構成できる。

また、錘２７は、円錐振子式検出部２の回転中心２Ｒから離れた位置に配置されており、振れたときの振れ量が大きいことから、減衰を確実に得ることができる。

さらに、錘２７は、バネ振子式検出部３と磁石体４０の間に配置され、磁石体４０からバネ振子式検出部３までの距離が長いことから、磁石体４０の磁力がバネ振子式検出部３に影響することが防止されている。同様に、固定要素２３や可動要素２４にも磁石体４０の磁力が影響することが防止されていることは言うまでもない。

また、磁気減衰機構４は、振り子２８自体の振動を抑えるため、例えばシャフト２２で発生する共振についても軽減できると考えられる。このことから、磁気減衰機構４は、本実施例２の三方向成分速度検出機構１０１における各系の共振を抑制することができるため、円錐振子式検出部２やバネ振子式検出部３による速度の検出精度を向上させることができる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内における追加や変更があっても、本発明に含まれる。

例えば、前記実施例１，２では、三方向成分速度検出機構１は、周知の姿勢制御装置（図示略）と共に耐圧容器に封入された後、ボアホールに埋設されている構成として説明したが、これに限られず、例えば耐圧容器を保持体とし、保持体とユニバーサルジョイントとの間に姿勢制御装置を配置するような構成としてもよく、その構成は適宜変更されてもよい。

また、前記実施例１，２では、シャフト２２を旋回可能にフレーム２０に連結する連結部材は、ユニバーサルジョイント２１である構成として説明したが、これに限られず、バネ、ゴム等の弾性部材であってもよく、適宜変更されてもよい。

また、前記実施例１，２では、吊支部材は、一本のシャフト２２である構成として説明したが、これに限られず、複数の部材から構成されていてもよい。

また、前記実施例１，２では、シャフト２２にダイヤフラムバネ３４を介して吊支されている振動子３１の中央に固定子３０が配置されている構成として説明したが、これに限られず、例えば上方側のシャフトと、下方側のシャフトを、有底円筒状の固定子によって接続し、その中央にバネ部材を介して振動子が吊支されている構成としてもよい。

また、前記実施例１，２では、支持体は、４側面開放された直方体状のフレーム２０である構成として説明したが、これに限られず、耐圧容器であってもよく、円筒状，多角形柱状等の外観であってもよく、その構成は適宜変更されてもよい。

また、前記実施例１，２では、水平側センシング部材は、コイル２５と磁石体２６である構成として説明したが、所定間隔離間して配置された一対の電極であり、離間寸法に応じて一方側の電極から他方側の電極に通電される電流が変化することを利用して速度を検出する構成であってもよく、速度を検出可能な構成であれば適宜変更されてもよい。これは鉛直側センシング部材についても同様である。

また、前記実施例１，２において、ダイヤフラムバネ３４は、バネ長に対して非線形なバネ特性となっているとして説明したが、これに限られず、バネ長に対して線形なバネ特性であってもよい。

１ 三方向成分速度検出機構
２ 円錐振子式検出部
２Ｒ 円錐振子式検出部の回転中心、不動点
３ バネ振子式検出部
２０ フレーム（支持体）
２２ シャフト（吊支部材）
２３ 固定要素
２４ 可動要素
２５ コイル（水平側センシング部材の一方）
２６ 磁石体（水平側センシング部材の他方）
２７ 錘（導体）
３０ 固定子
３１ 振動子
３１Ｇ 重心
３２ 磁石（鉛直側センシング部材の一方）
３３ｂ コイル（鉛直側センシング部材の他方）
３４ ダイヤフラムバネ（弾性部材，バネ部材）
４ 磁気減衰機構
４０ 磁石体
Ｃ１ 導線
Ｃ２ 導線
Ｃ３ 導線

Claims (7)

1. 支持体に吊支されている吊支部材と、前記支持体に固定されている固定要素と、前記吊支部材に固定されている可動要素と、前記固定要素および前記可動要素に取り付けられた一対の水平側センシング部材と、を有し、水平方向の速度を検出する円錐振子式の検出部と、
   前記吊支部材に取り付けられた固定子と、前記吊支部材にバネ部材を介して支持されており前記固定子に対して鉛直方向に相対移動する振動子と、前記固定子および前記振動子に取り付けられた一対の鉛直側センシング部材と、を有し、鉛直方向成分の速度を検出するバネ振子式の検出部と、を備えることを特徴とする三方向成分速度検出機構。
2. 前記可動要素は、前記固定子よりも上方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の三方向成分速度検出機構。
3. 前記バネ部材は、ダイヤフラムバネであることを特徴とする請求項１に記載の三方向成分速度検出機構。
4. 前記円錐振子式の検出部の回転中心が、前記振動子の重心とほぼ一致していることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の三方向成分速度検出機構。
5. 前記吊支部材は、一本のシャフトであることを特徴とする請求項１に記載の三方向成分速度検出機構。
6. 前記吊支部材の下端には、錘が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の三方向成分速度検出機構。
7. 前記錘は導体であって、前記錘の下方に前記円錐振子式の検出部の振動を減衰する磁石が配されていることを特徴とする請求項６に記載の三方向成分速度検出機構。

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