JP2940009B2

JP2940009B2 - 振動検出器

Info

Publication number: JP2940009B2
Application number: JP22648189A
Authority: JP
Inventors: 晟河本
Original assignee: Shimazu Seisakusho KK
Current assignee: Shimazu Seisakusho KK
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1989-08-31
Publication date: 1999-08-25
Anticipated expiration: 2014-08-25
Also published as: JPH0389123A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は上下方向の振動を検出する振動検出器に関
し、特に低い周波数領域の振動を検出するのに適した振
動検出器に関する。

＜従来の技術＞振動検出器としては、従来、加速度計を用いる方式の
ものや、あるいはばねで吊るした慣性質量用の錘り等
の、固定部に対する変位や速度を計測する方式のものが
ある。

加速度計方式にはストレインゲージ式のものや電磁サ
ーボ式のもの等がある。

第８図に従来の電磁サーボ式の加速度検出型振動検出
器のサーボ系の構成図を示す。ケースに対する錘りの変
位検出値を増幅器81を介してPID制御器82に導き、そのP
ID出力で電磁力発生装置のフォースコイル83に流す電流
を決定し、これによって発生する電磁力で錘りのケース
に対する位置を一定に保つように制御する。そして、そ
の錘りを一定位置に保つに要するフィードバック量、つ
まりフォースコイル83に流れる電流を測定抵抗84で電圧
に変換することによって、加速度の計測出力を得てい
る。この電磁サーボ式の加速度検出型振動検出器では、
その測定原理により、測定上限の周波数は系の固有振動
数となる関係上、系の固有振動数はできるだけ高くして
いる。

第９図に従来の変位計測式の振動検出器の基本的構造
を示す。

ケース91に一端が支承されたばね定数の小さいばね92
によって慣性質量たる錘り93が支持され、その錘り93と
ケース91との相対的変位が変位センサ94によって検出さ
れる。系の固有振動数の近辺での共振現象を抑制するた
め、ダンパ95が設けられている。

このような構造において、ケース91を測定すべき振動
物に取り付けておくと、錘り93は、柔らかなばね92で支
持されているために一定の高さに静止し、ケース91との
間に相対的な変位が生ずる。変位センサ94はこの相対的
変位を検出するので、そのセンサ出力が被測定体の振動
振幅を現すことになる。

＜発明が解決しようとする課題＞ところで、加速度計方式においては、低周波の微小振
動を計測する場合、加速度は振動数の２乗に比例するた
めに感度が低下し、1Hz以下で、かつ、微小振動の計測
は極めて困難である。

このような低周波の微小振動の計測には変位計測式の
ものが適しているが、この方式のものでは、速度計測方
式のものも含めて、系の固有振動数が測定する振動数よ
りも低い必要がある。

すなわち、測定すべき振動数が系の固有振動数よりも
低くなると、錘り93がケース91と一体的に動くようにな
り、ゲインが低下してくる。具体的には、錘り93の質量
Ｍ（kg）とばね92のばね定数をＫ（N/m）によって定ま
る固有振動数f₀ より高い周波数で使用する必要がある。なお、δは質量
Ｍによる撓み（cm）である。

従って、より低い周波数の振動の計測を可能とするた
めには、f₀をより低くする必要があるが、そのためには
ばね定数Ｋを小さくしなければならず、上下方向の振動
を検出するものではばね92が長大なものとなり、装置の
大型化は避けられなないとともに、それが故に実用上固
有振動数をあまり下げることはできない。また、ばね92
を長くすることは零点ドリフトの原因ともなる。

本発明の目的は、従来の変位計測方式の振動検出器の
ように装置を大型化することなく、かつ、慣性用質量を
支持するばねを用いることなく、極めて低い周波数領域
までの振動を検出することのできる振動検出器を提供す
ることにある。

＜課題を解決するための手段＞上記の目的を達成するための構成を、第１図に示す基
本構造図を参照しつつ説明すると、本発明は、支持部ａ
と、その支持部ａに対して変位自在の慣性用質量部ｂ
と、その慣性用質量部ｂの変位方向を上下に規制するガ
イド機構ｃと、支持部ａに対する慣性用質量部ｂの変位
を検出する変位センサｄと、慣性用質量部ｂに電磁力を
作用させる電磁力発生手段ｅと、変位センサｄによる検
出値を入力するPID制御手段ｆとを備え、PID制御手段ｆ
の出力で電磁力発生手段ｅに供給する電流を制御し、慣
性用質量部ｂを重力の加速度に抗して持ち上げて支持部
ａに対する位置を所定位置にコントロールするよう動作
するサーボ系を構成する。そして、その系の固有振動数
を被測定振動数よりも低く設定した状態で、変位センサ
ｄによる検出値を振動計測出力として取り出すよう構成
したこと、さらに、上記変位センサによる検出値に基づ
いて、上記支持部による復元力に抗して上記慣性用質量
部をコントロールする正帰還ループの制御系を構成した
ことによって特徴付けられる。

＜作用＞支持部ａと慣性用質量部ｂとの相対変位を無くするよ
うにサーボ系を動作させ、かつ、そのループゲインを低
くして系の固有振動数を低くした状態で、その系の固有
振動数よりも高い周波数の振動を支持部ａに加えると、
電磁力発生手段ｅの電磁力は慣性質量部ｂに対して、第
９図に示したばね92の復元力の錘り93に対する働きと同
等に作用し、慣性質量部ｂは支持部ａに対して外部振動
に応じた周波数および振幅で相対振動する。

この状態で変位センサｄの出力を取り出せば、その出
力は測定しようとする外部振動を現すことになる。すな
わち、第９図に示した従来の変位計測方式の振動検出器
のばね92を電磁力発生手段に置き換えた形の変位計測方
式の振動検出器が得られ、しかも、そのばね定数、換言
すれば系の固有振動数は、サーボ系のループゲインによ
って決定されることになり、例えばPID制御手段ｆの比
例ゲインを小さくして低ゲインのサーボ系を構成し、そ
の分積分時間を長くして慣性質量部ｂを持ち上げるに充
分な最大電磁力を発生できるように設定すれば、第９図
の構成からばね92を除去して、もって所期の目的を達成
した変位計測方式の振動検出器が得られる。

そして、上記変位センサによる検出値に基づいて、上
記支持部による復元力に抗して上記慣性用質量部をコン
トロールする正帰還ループの制御系を構成したことによ
って、慣性用質量部を確実に所定位置にコントロールす
ることができることになり、これにより、1Hz以下の低
い周波数の振動を確実に検出することができる。

＜実施例＞第２図は本発明実施例の構成図で、（ａ）は正面図と
サーボ系の構成を示すブロック図とを併記した図、
（ｂ）は平面図を示し、慣性用質量部のガイド機構とし
て平行ガイド機構を用いた場合の例を示している。

慣性用質量部２は、平行ガイド機構３によって支持部
１に上下方向に変位自在に連結されている。

平行ガイド機構３はロバーバル機構とも称される機構
であって、両端部にそれぞれ弾性支点部Ｅが形成された
互いに平行な２本のはり3a,3bで慣性用質量部２と支持
部１を連結した機構で、慣性質量部２はこの機構によっ
てその変位方向が図中上下方向に規制されている。

支持部１と慣性用質量部２間には、電磁力発生装置４
が配設されており、この両者間に電磁力を作用させるこ
とができる。

すなわち、電磁力発生手段４は、ヨーク4a、永久磁石
4bおよびポールピース4cからなる磁気回路が形成する静
磁場空間にフォースコイル4dを可動に配設したもので、
フォースコイル4dに流れる電流に応じた電磁力を発生す
ることができる。そして、この電磁力発生装置４の磁気
回路側が支持部１に、フォースコイル4dが慣性用質量部
２に固着され、フォースコイル4dに電流を流すことによ
って生ずる電磁力が支持部１と慣性用質量部２間に作用
するわけである。

慣性用質量部２の支持部１に対する変位は、非接触式
の変位センサ５によって検出され、その変位センサ５の
出力は増幅器６に導かれた後、当該振動検出器の振動計
測値として外部に出力されるとともに、PID制御器７に
入力されている。

PID制御器７の出力はパワーアンプ８に導入され、パ
ワーアンプ８はその入力の大きさに応じた電流を磁力発
生装置４のフォースコイル4dに供給する。これにより、
慣性質量部２の支持部１に対する位置を制御量としたサ
ーボ機構が形成され、慣性用質量部２が支持部１に対し
て所定位置を保つように制御される。

さて、この本発明実施例において特に重要な点は、PI
D制御器７による制御定数のうち、比例ゲインＰを0.1
（10％）以下に、積分時間Ｉを１秒以上に、また、微分
時間Ｄを0.2秒以下に設定して、系の固有振動数f₀を2.5
Hz以下にした点にある。

そして、この設定において、パワーアンプ８の能力
は、PID出力が飽和するまでに慣性用質量部２およびそ
れに固着されたフォースコイル4dの合計質量Ｍを持ち上
げ得るように設計する。すなわち、系の固有振動数f₀が
2.5Hz以下ということは、系のゲインは非常に低い状態
に設定することになるが、PID制御器７の積分動作によ
り、電源投入後ある一定の時間が経過すれば、PID出力
が増加してきて、質量Ｍはゆっくりと持ち上げられ、変
位センサ５の中央部で静止することになる。この状態で
振動計測が可能となる。

この点の動作を第３図に実線で示す。同図において
（ａ）は変位センサ５の出力の計時的変化を、（ｂ）は
PID出力と発生電磁力の計時的変化を示している。

電源の投入直後は慣性用質量部２およびフォースコイ
ル4dの合成質量Ｍは下限位置にあり、Ｐ動作による力で
は弱すぎて質量Ｍは持ち上がらない。この状態ではPID
入力は最大入力値を保っているので、Ｉ動作により時間
経過とともにPID出力は増大していき、時間t₂に達する
とＰとＩの合計出力によって質量Ｍが持ち上がり始め
る。この時点でＤ動作が働いて動きを制限する向きの力
を与え、発振を防止する。そして、t₂後少し時間が経過
した時点で質量Ｍは所定位置、つまり中立点に達し、PI
D入力は０となってバランス状態となり、振動計測可能
の状態となるわけである。

そして、この状態では、非常に低いゲイン、換言すれ
ば極めて小さいばね定数のばねで質量Ｍを支えたのと等
価になり、固有振動数f₀が低く、その固有振動数f₀より
も高い周波数領域の振動変位に付いての測定が可能とな
る。

ここで、電源投入後に測定可能状態となるまでの時間
を短縮する方法として、電源投入後一時的に積分時間を
短縮するか、あるいは増幅器６のゲインを上げることが
考えられる。これは、PID制御器７あるいは増幅器６
に、積分時間あるいはゲインの切り換えスイッチを設け
ることによって実現できる。

第３図鎖線はPID制御器７の積分時間を切り換えるよ
うにした場合の動作を示し、電源投入時には積分時間を
短くすることによって例えば図中t₁で示される時刻にPI
D出力が安定状態となり、短時間で測定可能な状態とな
る。そして、このt₁以後にスイッチを操作して積分時間
を長くすることによって直ちに振動を測定することがで
きる。

例えば、比例ゲインＰを５％、出力80％で質量Ｍが持
ち上がるように設計して、積分時間Ｉを３秒と0.3秒に
切り換え可能にしておく場合、Ｉが３秒のままでは約３
×80/5＝48秒で安定状態に到達するのに対し、Ｉを0.3
秒に切り換えると、0.3×80/5＝4.8秒で安定状態に到達
する。なお、このとき変位センサ５のスケールを±0.3c
mとすれば、系の固有振動数f₀は1.8Hz程度となる。

ところで、以上の実施例において、慣性用質量部２は
平行ガイド機構４によって支承され、従ってわずかでは
あるがそのはり3a,3bの弾性支点Ｅ‥‥Ｅのばね定数Ｋ
が系に関与することになる。このばね定数Ｋによる系の
固有振動数の上昇を防止するため、第４図に等価的に示
すように、PID制御手段41および第１の電磁力発生手段4
2を備えた負帰還ループに加え、変位センサ５の出力を
正帰還するループを追加することが効果的である。

すなわち、ばね定数Ｋによる復元力を阻止する向きに
質量Ｍの変位に応じた電磁力を発生する第２の電磁力発
生手段43を設けるわけで、これによって系全体としての
復元力は弱まり、系のばね定数はが小さくなる結果、系
の固有振動数の上昇を防止できることになる。この場
合、正帰還ループのゲインを調整するボリューム44を設
けることによって、固有振動数を調整することも可能と
なる。

このような構成は、実際には特に電磁力発生装置を２
個設ける必要はなく、第５図にその主要部の構成を示す
ように、１個の電磁力発生装置51に、２個のフォースコ
イル52および53を設け、それぞれを負帰還および正帰還
ループ内に組み込めばよい。

あるいは、第６図に回路構成図を示すように、１個の
フォースコイル61を備えた１個の電磁力発生装置に、負
帰還ループと正帰還ループによる電流を合成した電流を
流すように構成することによっても、同様な効果が得ら
れる。

なお、本発明は、慣性用質量部の変位を規制するガイ
ド機構として、第２図に示した平行ガイド機構のほか、
例えばレバー機構を採用することができる。第７図にそ
の例を示す。

この例では、支持部71に弾性支点73で一端が支持され
たレバー型の慣性質量部72を備えている。慣性質量部72
に電磁力を作用させる電磁力発生装置74および慣性質量
部72の支持部71に対する変位を検出する変位センサ75
や、サーボ系については第２図に示した例と同様であ
り、その説明を省略するが、この構成でも第２図の構成
と同等の作用効果が得られることは言うまでもない。

＜発明の効果＞以上説明したように、本発明によれば、変位計測方式
の振動検出器でありながら、その慣性用質量を支えるば
ねを不要としたので、小型化とコストダウンを達成でき
るとともに、装置を大型にすることなく、従来の変位計
測方式の振動検出器では実質的に不可能であった上下方
向の低周波領域の振動の検出が可能となった。

また、PID定数を可変とすれば、目的に応じて測定下
限周波数を容易に変更することができる。このことは、
目的周波数のみの振動の計測が可能であるということで
あって、ばねを用いた従来の振動検出器では、ばねの変
更を必要とし、実用上は不可能であったことと考え併せ
ると、その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構造図、第２図は本発明実施例の
構成図、第３図はその動作説明図、第４図は本発明の他
の実施例の構成の概念説明図、第５図はその具体的構成
の主要部の説明図、第６図は第４図の構成を実現する他
の具体的構成の説明図、第７図は本発明の更に他の実施
例の構造発明図、第８図は従来の電磁サーボ式の加速度
計測方式の振動検出器の回路構成図、第９図は従来の変
位計測方式の振動検出器の基本的構成図である。１……支持部２……慣性用質量部３……平行ガイド機構４……電磁力発生装置５……変位センサ６……増幅器７……PID制御器８……パワーアンプ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】支持部と、その支持部に対して変位自在の
慣性用質量部と、その慣性用質量部の変位方向を上下に
規制するガイド機構と、上記支持部に対する上記慣性用
質量部の変位を検出する変位センサと、上記慣性用質量
部に電磁力を作用させる電磁力発生手段と、上記変位セ
ンサによる検出値を入力するPID制御手段とを備え、そ
のPID制御手段の出力で上記電磁力発生手段に供給する
電流を制御し、上記慣性用質量部を重力の加速度に抗し
て持ち上げて上記支持部に対して所定位置にコントロー
ルする負帰還ループのサーボ系を構成するとともに、上
記変位センサによる検出値に基づいて、上記支持部によ
る復元力に抗して上記慣性用質量部をコントロールする
正帰還ループの制御系を構成し、振動系の固有振動数を
被測定振動数よりも低く設定した状態で、上記変位セン
サによる検出値を振動計測出力として取り出すように構
成したことを特徴とする振動検出器。