JP6716163B2

JP6716163B2 - サーボ型振動検出器

Info

Publication number: JP6716163B2
Application number: JP2016127910A
Authority: JP
Inventors: 勝吾白澤
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-06-28
Also published as: JP2018004321A

Description

本発明は、サーボ型振動検出器に関し、特に温度補償機能を備えたサーボ型振動検出器に関する。

サーボ型振動検出器は、サーボ機構を利用して振動を検出する装置である（例えば特許文献１）。図７は、従来のサーボ型振動検出器１００の機能構成を示すブロック図である。サーボ型振動検出器１００は、板ばねなどの弾性部材（図示省略）によりケース５に支持され外乱振動によって変位する振子１０と、振子１０の変位量を検出する変位検出部２０と、振子１０を電磁力により変位させる駆動部３０と、駆動部３０を制御するサーボアンプ４０と、を備える。

変位検出部２０は、振子１０上に設けられ振子１０と共に振動する可動極板（図示省略）と、ケース５に固定され可動極板に対向して配置される固定極板（図示省略）と、を備え、振子１０が静止した状態においては、可動極板は固定極板から所定の距離だけ離間した零点位置に静止している。振子１０が振動して可動極板が変位した際、変位検出部２０は可動極板と固定極板との間の静電容量の変化を検出し、この静電容量の変化を電圧に変換して変位信号として出力する。

駆動部３０は、永久磁石（図示省略）と、永久磁石に対向して振子１０に配置されたボビンに巻かれたコイル３２と、を備え、コイル３２に電流を供給することによりコイル３２に電磁力を発生させ、これにより振子１０を変位させる。

サーボアンプ４０は、振子１０を零点位置に戻す電磁力を振子１０に付与するため、変位検出部２０から出力された変位信号に基づきコイル３２に供給する電流量の制御を行う。

サーボアンプ４０による電流量の制御は、振子１０の振動による変位と逆方向の電磁力を駆動部３０が発生し、振子１０を零点位置に戻すように行われる。この電磁力は振子１０に変位を生じさせた加速度とバランスしているため、コイル３２に流れた電流を測定することで、振動により振子１０に加えられた加速度を検出することができる。

サーボ型振動検出器１００は、実際には例えば図８に示すように構成される。

振子１０は、ケース５内に支持バネ１１により上下動可能に支持される。

変位検出部２０は、第１コンデンサ２０ａと第２コンデンサ２０ｂとを備える。第１コンデンサ２０ａは、振子１０上に設けられ振子１０と共に振動する可動極板２１ａと、可動極板２１ａと対向してケース５に固定された固定極板２２ａと、から形成されるコンデンサである。第２コンデンサ２０ｂは、振子１０を挟んで可動極板２１ａの反対側の振子１０上に設けられ振子１０と共に振動する可動極板２１ｂと、可動極板２１ｂと対向しケース５に固定された固定極板２２ｂと、から形成されるコンデンサである。振子１０は、振動が加わらない状態においては、可動極板２１ａと固定極板２２ａとの間、及び可動極板２１ｂと固定極板２２ｂとの間が、それぞれ所定の距離だけ離間した零点位置に静止している。変位検出部２０は、振子１０が振動により変位した際に、第１コンデンサ２０ａの静電容量値、及び第２コンデンサ２０ｂの静電容量値をそれぞれ検出し、静電容量値を電圧値に変換した上で両者の電圧値の差を振子１０の変位量を示す変位信号として出力する。すなわち、振子に振動が加わる前の第１コンデンサ２０ａの静電容量値及び第２コンデンサ２０ｂの静電容量値が共にＣ_０であるとし、仮に振子１０が上側に変位した場合、第１コンデンサ２０ａの静電容量値は、極板間の距離が狭まることによりΔＣ増加してＣ_０＋ΔＣとなる。一方、第２コンデンサ２０ｂの静電容量値は、極板間の距離が広がることによりΔＣ減少してＣ_０−ΔＣとなる。これらの静電容量値を電圧値に変換し、それぞれの電圧値をＶ（Ｃ_０＋ΔＣ）、Ｖ（Ｃ_０−ΔＣ）と称する。そして、Ｖ（Ｃ_０＋ΔＣ）からＶ（Ｃ_０−ΔＣ）を差し引くことで、（Ｃ_０＋ΔＣ）−（Ｃ_０−ΔＣ）＝２×ΔＣに比例した電圧が得られ、これを変位信号として出力する。

駆動部３０は、永久磁石３１と、永久磁石３１に対向して振子１０に配置されたボビンに巻かれたコイル３２と、を備え、コイル３２に供給された電流によりコイル３２に電磁力を発生させて振子１０を変位させる。

サーボアンプ４０は、振子１０を零点位置に戻す電磁力を振子１０に付与するため、変位検出部２０から出力された変位信号に基づき、コイル３２に供給する電流量の制御を行う。

特開２００５−１０１４５号公報

サーボ型振動検出器は、支持バネなどの特性が周囲の温度変化により変化し、これにより極板間の静電容量の検出に誤差が生じて出力に温度ドリフトが発生しやすい。また、この出力の変動には熱ヒステリシスが生じる。

本発明の目的は、周囲の温度変化による測定誤差の発生を抑制可能なサーボ型振動検出器を提供することにある。

本発明のサーボ型振動検出器は、ケースと、弾性部材によりケースに支持され外乱振動によって変位する振子と、振子に設けられた可動極板と当該可動極板に対向してケースに固定された固定極板とを備え当該可動極板と当該固定極板との間の静電容量の変化に基づき振子の零点位置からの変位量を検出する変位検出部と、供給された電流により生じる電磁力により振子を変位させる駆動部と、変位検出部で検出された振子の零点位置からの変位量に基づき振子を零点位置に戻す向きの電磁力を生じさせる電流を駆動部に供給するサーボアンプと、を備えるサーボ型振動検出器であって、固定極板は振子を挟み込むように且つ一部が対向するように２枚設けられ、２枚の固定極板の対向部分が形成するコンデンサを構成要素とする微分回路と、所定の温度変化により微分回路のコンデンサの静電容量が変化する範囲で最大の静電容量の時のカットオフ周波数以下の周波数の搬送波を微分回路に入力する搬送波源と、微分回路の出力の包絡線電圧と基準温度における包絡線電圧との差に基づき導出した温度補正電流を駆動部に供給する演算部と、を更に備え、駆動部がサーボアンプから供給される電流と演算部から供給される温度補正電流とにより振子を零点位置に戻すことを特徴とする。

周辺温度の変化により、変位検出部において検出される固定極板と可動極板との間の静電容量が変動する。サーボ型振動検出器は、振動時に変位検出部が検出した静電容量の変動量から振子の変位量を検出するため、周辺温度が変化すると振子の変位量の検出に誤差が生じる。そして、誤差のある変位量に基づき駆動部に電流が供給されることになるため、この電流量から把握される振動の加速度に誤差が生じる。本発明の構成では、変位検出部を構成する固定極板を微分回路が共有しているため、温度変化による静電容量への影響が変位検出部と微分回路とに概ね同様な傾向で生じる。微分回路においては、固定極板間の静電容量の温度変化がゲインの変化として現れるため、微分回路からの出力に基づき演算部において温度補正電流量を求め、これをサーボアンプからの出力電流とともに駆動部に供給する。これにより、振子の変位を制御して、振子を零点位置に戻すとともに静電容量の温度変動分を相殺することができる。そのため、変位検出部では温度変化の影響が排除された静電容量の変動量が検出されるため、出力される変位信号の温度ドリフトの発生を抑制することができる。そしてこれにより、駆動部に適正な電流を供給することができ、この電流値を測定することで振動により振子に加えられた加速度を精度高く検出することができる。

本発明のサーボ型振動検出器の構成を示すブロック図である。本発明のサーボ型振動検出器の具体的構成例を示す図である。微分回路の一般的な構成例を示す図である。微分回路の周波数−ゲイン特性の一例を示す図である。静電容量が変化した場合の微分回路の周波数−ゲイン特性の一例を示す図である。変位検出部の出力の温度変化と演算部の出力の温度変化との相関の一例を示す図である。従来のサーボ型振動検出器の構成を示すブロック図である。従来のサーボ型振動検出器の具体的構成例を示す図である。

図１は、サーボ型振動検出器１の構成を示すブロック図であり、図２は具体的構成例である。なお、図７、８に示した従来のサーボ型振動検出器１００と同じ構成要素には同じ符号を付している。

サーボ型振動検出器１は、ケース５、振子１０、変位検出部２０、駆動部３０、サーボアンプ４０、微分回路５０、搬送波源６０、包絡線検波回路７０、及び演算部８０を備える。

振子１０は、弾性部材１１によりケース５に支持され外乱振動によって変位する。

変位検出部２０は、第１コンデンサ２０ａと第２コンデンサ２０ｂとを備える。第１コンデンサ２０ａは、振子１０上に設けられ振子１０と共に振動する可動極板２１ａと、可動極板２１ａに対向してケース５に固定された固定極板２２ａと、から形成されるコンデンサである。第２コンデンサ２０ｂは、振子１０を挟んで可動極板２１ａの反対側の振子１０上に設けられ振子１０と共に振動する可動極板２１ｂと、可動極板２１ｂと対向し、かつ、固定極板２２ａと対向してケース５に固定された固定極板２２ｂと、から形成されるコンデンサである。すなわち、２枚の固定極板２２ａ、２２ｂは振子１０を挟み込むように且つ一部が対向するように設けられる。振子１０は、振動が加わらない状態においては、可動極板２１ａと固定極板２２ａとの間、及び可動極板２１ｂと固定極板２２ｂとの間が、それぞれ所定の距離だけ離間した零点位置に静止している。変位検出部２０は、振子１０が振動により変位した際に、第１コンデンサ２０ａの静電容量値、及び第２コンデンサ２０ｂの静電容量値をそれぞれ検出し、静電容量値を電圧値に変換した上で両者の電圧値の差を振子１０の変位量を示す変位信号として出力する。すなわち、振子に振動が加わる前の第１コンデンサ２０ａの静電容量値及び第２コンデンサ２０ｂの静電容量値が共にＣ_０であるとし、仮に振子１０が上側に変位した場合、第１コンデンサ２０ａの静電容量値は、極板間の距離が狭まることによりΔＣ増加してＣ_０＋ΔＣとなる。一方、第２コンデンサ２０ｂの静電容量値は、極板間の距離が広がることによりΔＣ減少してＣ_０−ΔＣとなる。これらの静電容量値を電圧値に変換し、それぞれの電圧値をＶ（Ｃ_０＋ΔＣ）、Ｖ（Ｃ_０−ΔＣ）と称する。そして、Ｖ（Ｃ_０＋ΔＣ）からＶ（Ｃ_０−ΔＣ）を差し引くことで、（Ｃ_０＋ΔＣ）−（Ｃ_０−ΔＣ）＝２×ΔＣに比例した電圧が得られ、これを変位信号として出力する。

サーボアンプ４０は、振子１０を零点位置に戻す向きの電磁力を振子１０に付与するため、変位検出部２０から出力された変位信号に基づき、コイル３２に供給する電流量の制御を行う。

微分回路５０は、例えばオペアンプ、抵抗器、及びコンデンサから構成される、出力が入力の導関数になるよう設計された電気回路である。本発明では、固定極板２２ａと固定極板２２ｂの対向部分が形成するコンデンサ５１が微分回路５０のコンデンサを構成する。

搬送波源６０は、微分回路５０に搬送波、例えば所定の周波数ｆcw（例えば４５０Ｈｚ）の交流波を入力する。

包絡線検波回路７０は、微分回路５０の出力波形の包絡線を検波する。

演算部８０は、例えば計装アンプであり、微分回路５０の出力の包絡線電圧と予め設定した基準温度における包絡線電圧との差から温度補正量を算出する。基準温度は、例えばサーボ型振動検出器１を通常使用する温度に設定する。

微分回路５０においては、周辺温度の変化によるコンデンサ５１の静電容量Ｃ_ｒの変化がゲインの変化として比例的に現れる。図３は微分回路５０の一般的な構成例であり、図４は微分回路５０への入力信号の周波数とゲインとの関係の一例を示す模式図である。微分回路は、交流波を入力したとき、カットオフ周波数ｆc（＝１／２πＲＣ_ｒ）以下の周波数の入力信号に対しては周波数が低くなるにつれ一定の傾きでゲインが小さくなる微分器として機能し、カットオフ周波数ｆc以上の周波数の入力信号に対してはゲインがＲf／Ｒのハイパスフィルタ（交流増幅器）として機能する。

周辺温度の変化により静電容量Ｃ_ｒが増減した場合、カットオフ周波数ｆcが変化する。すなわち、基準温度における静電容量Ｃ_ｒの値がＣ_r0であるとき、図５に示すように、温度変化によりＣ_ｒの値がＣ_r1（＜Ｃ_r0）となった場合にはカットオフ周波数ｆcが基準温度の時より高くなり、Ｃ_r2（＞Ｃ_r0）となった場合にはカットオフ周波数ｆcが基準温度の時より低くなる。そして、周波数とゲインとの関係を、周波数軸を対数スケールで、ゲイン軸をデシベルスケールで見たとき、いずれの場合についてもカットオフ周波数ｆc以下の周波数においては周波数が低くなるにつれ同様な傾きでゲインが小さくなる。そのため、微分回路に入力する搬送波の周波数ｆcwを、所定の温度変化により静電容量Ｃ_ｒの値が変化する範囲で最大の静電容量の時のカットオフ周波数ｆcs以下に設定することで、温度変化による静電容量Ｃ_ｒの値の変化が、微分回路のゲインの変化（図５のΔＶ_１、ΔＶ_２）として比例的に現れ、出力信号の振幅に反映される。

そして、本発明の構成では変位検出部２０を構成する固定極板２２ａを微分回路５０が共有しているため、温度変化による静電容量への影響が変位検出部２０と微分回路５０とに図６に示すように概ね同様な傾向で現れる。そのため、微分回路５０からの出力に基づき演算部８０において温度補正電流量を求め、これをサーボアンプ４０からの出力電流とともに駆動部３０に供給する。これにより、振子１０の変位を制御して、振子１０を零点位置に戻すとともに静電容量の温度変動分を相殺することができる。そのため、変位検出部２０では温度変化の影響が排除された静電容量の変動量が検出されるため、出力される変位信号の温度ドリフトの発生を抑制することができる。そしてこれにより、駆動部３０に適正な電流を供給することができ、この電流値を測定することで振動により振子１０に加えられた加速度を精度高く検出することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。例えば、図２に示す具体的構成はこの限りではなく、可動極板を固定極板が挟み込む構成になっていれば、その他の構成であっても構わない。

１、１００サーボ型振動検出器
５ケース１０振子２０変位検出部
２０ａ第１コンデンサ２０ｂ第２コンデンサ
２１ａ、２１ｂ可動極板２２ａ、２２ｂ固定極板
３０駆動部３１永久磁石３２コイル
４０サーボアンプ５０微分回路５１コンデンサ
６０搬送波源７０包絡線検波回路８０演算部
９１第１検波回路９２第２検波回路９３加算部

Claims

ケースと、
弾性部材により前記ケースに支持され、外乱振動によって変位する振子と、
前記振子に設けられた可動極板と、前記可動極板に対向して前記ケースに固定された固定極板と、を備え、前記可動極板と前記固定極板との間の静電容量の変化に基づき、前記振子の零点位置からの変位量を検出する変位検出部と、
供給された電流により生じる電磁力により前記振子を変位させる駆動部と、
前記変位検出部で検出された前記振子の零点位置からの変位量に基づき、前記振子を零点位置に戻す向きの電磁力を生じさせる電流を前記駆動部に供給するサーボアンプと、
を備えるサーボ型振動検出器において、
前記固定極板は、前記振子を挟み込むように、かつ一部が対向するように、２枚設けられ、
２枚の前記固定極板の対向部分が形成するコンデンサを構成要素とする微分回路と、
所定の温度変化により前記コンデンサの静電容量が変化する範囲で最大の静電容量の時のカットオフ周波数以下の周波数の搬送波を前記微分回路に入力する搬送波源と、
前記微分回路の出力の包絡線電圧と基準温度における包絡線電圧との差に基づき導出した温度補正電流を前記駆動部に供給する演算部と、
を更に備え、
前記駆動部が、前記サーボアンプから供給される電流と前記演算部から供給される温度補正電流とにより前記振子を零点位置に戻す
ことを特徴とするサーボ型振動検出器。