JP5113671B2 - 動電型振動計 - Google Patents
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Description
振動子の固有振動数を低くするには、振動子の支持バネのバネ定数を低下させることや、振動子の質量を増加させることが有効である。
また、支持バネに代えて、自然周期を可変できる磁気バネ、例えば、ソレノイドコイル中の磁場軸に平行に円形棒磁石を挿入してバネポテンシャルを実現する機構等によって、弱い復元力を加え、長周期の垂直又は水平動を検出可能な地震計を実現する手法が知られている(例えば、特許文献2参照)。
さらに、振り子を磁気浮上機構で支持するとともに、弱いバネ機構としてX型ヒンジを用いて、X型ヒンジに対する振り子の錘の負荷をごく僅かとすることを可能にし、X型ヒンジを弱い板バネで構成できるものが知られている(例えば、特許文献3参照)。
ケースと、前記ケース内にバネ部材で支持される振動子と、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に設けられ、前記振動子の移動時に発生する起電力を検出する検出コイルと、を備えた動電型振動計において、
前記ケース内に設けられた固定電極と前記固定電極に対向して前記振動子に設けられた可動電極との間の静電容量変化量により前記振動子の変位を検出する変位検出部と、
前記磁界内に設けられ、電流を流すことで前記振動子に駆動力を付与する変位帰還コイルと、
前記変位検出部により検出された変位に基づく正帰還ゲインに応じた電流を前記変位帰還コイルに供給する正帰還手段と、を備えることを特徴とする。
前記磁界内に設けられ、電流を流すことで前記振動子に駆動力を付与する速度帰還コイルと、前記変位検出部により検出された変位を微分した速度に基づく負帰還ゲインに応じた電流を前記速度帰還コイルに供給する負帰還手段と、を備えることを特徴とする。
前記磁界内に設けられ、電流を流すことで前記振動子に駆動力を付与する補正コイルと、前記変位検出部により検出された変位を、完全積分器を介して積分した積分値に基づく負帰還ゲインに応じた電流を、前記補正コイルに供給することでオフセット補正を行うオフセット補正手段と、を備えることを特徴とする。
そのため、上記振動系における復元力F=kx(k:バネ定数、x:振動子の変位)とは逆方向(振動子の変位を励起する方向)に、振動子の変位に比例した力(例えば、所定の比例定数をAとして、−Axなる力)を帰還させることができるため、等価的にバネ定数がk−Aという小さな値となり、そのバネ定数の平方根に比例する値を持つ固有振動数を小さくすることができるので、周期を長周期化することが可能となる。
つまり、本発明にかかる動電型振動計は、従来の構造に比べて振動計の大型化等を伴うことなく、高精度に長周期の速度計測が可能な動電型振動計であるといえる。
図1は、本発明に係る動電型振動計100の検出部10の概略構成図であり、図2は、本発明に係る動電型振動計100の要部構成を示すブロック図であり、図3は、本発明に係る変位正帰還及び速度負帰還の帰還制御系の動作機構を示すブロック図である。
検出部10は、ケース1と、ケース1内に一端が固定されたバネ部材2と、バネ部材2の他端で支持され、外乱によって振動する振動子3と、ケース1内に固定され、ケース1に磁界を形成する磁界形成部としてのマグネット4と、振動子3と同心状に巻回された複数のコイルからなるコイル部5と、可動極板7bと固定極板7aから構成され、コンデンサとして機能するコンデンサギャップ7と、等を備えて構成される。
検出コイル5aは、振動子3と同心状に巻回されており、振動子3の振動時にマグネット4の形成する磁界により起電力を発生させ、後述の起電力検出部22によりその起電力を検出できるようになっている。
変位帰還コイル5bは、振動子3と同心状に巻回されており、後述の制御部20の正帰還制御部23により所定量の電流が流されると、その電流に応じた駆動力(電磁気力)を振動子3に付与することが出来る。
速度帰還コイル5cは、振動子3と同心状に巻回されており、後述の制御部20の負帰還制御部24により所定量の電流が流されると、その電流に応じた駆動力(電磁気力)を振動子3に付与することが出来る。
補正コイル5dは、振動子3と同心状に巻回されており、後述の制御部20のオフセット補正制御部25により所定量の電流が流されると、その電流に応じた駆動力(電磁気力)を振動子3に付与することが出来る。
テストコイル5eは、振動子3と同心状に巻回されており、予め定められた振動パターンの電流を流すことにより、振動子3が正常に稼動するか否かをテストすることができる。
具体的には、正帰還制御部23は、変位検出部21により検出された電圧値(変位信号)に基づいて、変位帰還ゲインA(正帰還ゲイン)に応じた電流が、コイル部5の変位帰還コイル5bに流れるようにサーボアンプを駆動制御し、振動子3に変位に応じた駆動力(電磁気力)を付与することが出来る。
具体的には、負帰還制御部24は、変位検出部21により検出された電圧値(変位信号)を、微分器を介して微分することにより速度信号に変換し、変換後の速度信号に基づいて、速度帰還ゲインC(負帰還ゲイン)に応じた電流が、コイル部5の速度帰還コイル5cに流れるようにサーボアンプを駆動制御し、振動子3に速度に応じた駆動力(電磁気力)を付与することが出来る。
具体的には、オフセット補正制御部25は、変位検出部21により検出された電圧値(変位信号)を、完全積分器(例えば、後述の図7の1/τs)を介して変換された値に基づいて、変位帰還感度K(負帰還ゲイン)に応じた電流が、コイル部5の補正コイル5dに流れるようにサーボアンプを駆動制御し、振動子3に変位に応じた駆動力(電磁気力)を付与することが出来る。
つまり、バネ部材2による復元力と逆方向に、変位に比例した力(変位を励起する力)を振動子3に及ぼしていることになるため、B3によって低固有振動数化(等価的なバネ定数の低下)を図ることが可能となる。
そのため、このB2とB3で形成されるループの伝達関数G1(s)は次式(4)のように表される。
つまり、振動子3に接続されたダンパ(図示省略)による吸振力とは逆方向に、速度に比例した力(振動を励起する力)を振動子3に及ぼしていることになるため、B4によって、B3がもたらす低固有振動数化による特性低下の改善を図っている。
そのため、このB2とB3とB4で形成されるループの伝達関数G2(s)は次式(5)のように表される。
そして、この状態から、所定の変位帰還ゲインA=0.0001898の下に変位正帰還を行うことにより、図5に示すように、等価的な固有振動数ωmは0.0671Hzにまで低下していることがわかる。
さらに、この状態から、所定の速度帰還ゲインC=0.002の下に速度負帰還を行うことにより、等価的な固有振動数ωm(=0.0671Hz)のゲインから−3dBまでを有意な帯域と仮定すると、図6に示すように、図5に比べ、ゲイン自体は低下しているが、低域側、高域側ともに、有意な帯域は伸張していることが分かる。
つまり、変位正帰還を行うことにより、等価的な固有振動数(等価的なバネ定数)を低下させることができるので、振動観測における長周期化を実現することが出来る。さらに、変位正帰還とともに速度負帰還を行うことにより、感度(ゲイン)自体は若干低下することとなるが、等価的な固有振動数が有意となる帯域(振動観測が可能な帯域)を大きく伸張することが可能となる。
そのため、例えば、図7に示すようなオフセット補正による帰還制御系を用いることが考えられるが、図7に示されるように、上記制御系においては傾斜角θを入力値としているため、B11からB13で構成されるような帰還制御系の動作機構を用いることで、オフセット補正を実行するとともに、傾斜角の計測も可能となる(傾斜計としての機能も副次的に備えている)。
B12では、点P2に作用する力を、上述の変位正帰還及び速度負帰還を付与した帰還制御系により導出される、等価的なバネ定数kmで除して、変位検出感度β[V/m]を乗じて変位を取得し、その変位に時定数をτ[sec]とする完全積分器を介して積分して、電圧値e1を出力している。
B13では、オフセット補正の変位帰還感度をK[N/A]として、電圧値e1を補正コイル5dの抵抗(コイル抵抗値R[Ω])で除した電流に応じた力を点P2に負帰還している。
そのため、B11からB13で形成される傾斜計としての伝達関数H3(s)は次式(8)のように表される。
したがって、動電型振動計100の振動系における復元力とは逆方向(振動子3の変位を励起する方向)に、変位検出部21により検出された変位に基づく駆動力が帰還するように制御されるため、等価的にバネ定数が小さな値となり、そのバネ定数の平方根に比例する値を持つ固有振動数を小さくすることができるので、振動子3の振動周期を長周期化することが可能となる。
つまり、振動計の大型化等を伴うことなく、高精度に長周期の速度計測が可能な動電型振動計であるといえる。
つまり、上述の変位正帰還に加えて、速度負帰還を行うことにより、動電型振動計100の速度計測における出力特性(感度)自体は、変位正帰還のみを行った場合に比べて若干低下することとなるが、等価的な固有振動数が有意となる帯域(振動観測が可能な帯域)を大きく伸張することが可能となる。
つまり、動電型振動計100を水平/鉛直方向に設置する場合、設置時に動電型振動計100が傾斜し、重力の影響によって振動子3の中立位置にずれが生じたとしても、オフセット補正を行うことで、もとの中立位置に引き戻すことが出来るので、水平動観測における水平だし、又は、垂直動観測における重力影響の相殺、を実現することが出来る。さらに、オフセット補正の帰還制御系において、入力値を傾斜角とするため、動電型振動計100は傾斜計としても使用することが出来る。
2 バネ部材
3 振動子
4 マグネット(磁界形成部)
5 コイル部
5a 検出コイル
5b 変位帰還コイル
5c 速度帰還コイル
5d 補正コイル
7 コンデンサギャップ
10 検出部
20 制御部
21 変位検出部
23 正帰還制御部(正帰還手段)
24 負帰還制御部(負帰還手段)
25 オフセット補正制御部(オフセット補正手段)
100 動電型振動計
Claims (3)
- ケースと、前記ケース内にバネ部材で支持される振動子と、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に設けられ、前記振動子の移動時に発生する起電力を検出する検出コイルと、を備えた動電型振動計において、
前記ケース内に設けられた固定電極と前記固定電極に対向して前記振動子に設けられた可動電極との間の静電容量変化量により前記振動子の変位を検出する変位検出部と、
前記磁界内に設けられ、電流を流すことで前記振動子に駆動力を付与する変位帰還コイルと、
前記変位検出部により検出された変位に基づく正帰還ゲインに応じた電流を前記変位帰還コイルに供給する正帰還手段と、
を備えることを特徴とする動電型振動計。 - 請求項1記載の動電型振動計において、
前記磁界内に設けられ、電流を流すことで前記振動子に駆動力を付与する速度帰還コイルと、
前記変位検出部により検出された変位を微分した速度に基づく負帰還ゲインに応じた電流を前記速度帰還コイルに供給する負帰還手段と、
を備えることを特徴とする動電型振動計。 - 請求項1又は2に記載の動電型振動計において、
前記磁界内に設けられ、電流を流すことで前記振動子に駆動力を付与する補正コイルと、前記変位検出部により検出された変位を、完全積分器を介して積分した積分値に基づく負帰還ゲインに応じた電流を、前記補正コイルに供給することでオフセット補正を行うオフセット補正手段と、
を備えることを特徴とする動電型振動計。
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