JP6789908B2

JP6789908B2 - 振動計

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Publication number: JP6789908B2
Application number: JP2017182012A
Authority: JP
Inventors: 宗高副島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: JP2019056652A

Description

本開示は、振動を検出可能な振動計に関する。

振動を検出可能な振動計が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１において開示されているように、振動計は、通常、加速度センサを含んで構成されている。特許文献２は、振動する構造物のクラックの検査のために、構造物に生じる加加速度（加速度の微分値、ジャーク）を検出する力学量センサを開示している。この力学量センサは、片持ち梁の自由端に配置されたジャイロセンサを含んで構成されている。

国際公開第２０１３／１５０７３１号特開２００１−３３４７７号公報

新たな原理の振動計が提供されることが望まれる。

本開示の一態様に係る振動計は、直交座標系ＸＹＺのＸ軸方向に振動する計測対象物に取り付けられる基部と、Ｙ軸回りの角速度を検出可能なジャイロセンサを含む回転体と、前記回転体のＹ軸回りの回転を伴って前記回転体の重心がＸＺ平面内で前記基部に対して相対移動するように前記回転体を保持している保持機構と、を有しており、前記保持機構は、前記回転体の重心が、所定の原点位置からＸ軸方向両側それぞれに位置するほどＺ軸方向正側へ位置し、Ｚ軸方向負側への引力を復元力としてＸ軸方向両側それぞれから前記原点位置に復帰するように前記回転体を保持している。

一例において、前記保持機構は、前記基部に固定的な、前記Ｚ軸方向正側に面する、Ｙ軸方向に見て凹状の支持面を有しており、前記回転体は、Ｙ軸方向に見て前記支持面上を転がることが可能な外周面を有している。

一例において、前記支持面は、Ｙ軸方向に見てＸ軸方向の両側ほどＸ軸に対する傾斜が大きくなるように湾曲している。

一例において、前記支持面は、Ｙ軸方向に見て円弧である。

一例において、前記回転体の外周面および前記支持面は、最大摩擦力以上の力で互いに摺動可能である。

一例において、前記保持機構は、Ｙ軸方向に見て前記基部に固定的な所定の支持位置回りに前記回転体が振れるように前記支持位置から前記回転体を垂下させている。

一例において、前記保持機構は、一端が前記支持位置にて前記支持位置回りに回転可能に支持され、他端に前記回転体が連結されている長尺部材を有している。

一例において、前記保持機構は、一端が前記支持位置にて支持され、他端に前記回転体が連結されている可撓性の長尺部材を有している。

一例において、前記引力は重力である。

上記の構成によれば、新たな原理で振動を検出することができる。

図１（ａ）は第１実施形態に係る振動計の要部構成を示す模式的な断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の振動計が含む回転体の要部構成を示す模式的な斜視図である。図２（ａ）は図１（ａ）の振動計のジャイロセンサの一例の要部構成を模式的に示す斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線における断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は図１（ｂ）の回転体の角速度に基づいて振動に係る物理量を算出する演算方法の一例を説明するための模式図である。図４（ａ）は第２実施形態に係る振動計の要部構成を示す模式的な断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の振動計の長尺部材の一例を示す模式図であり、図４（ｃ）は長尺部材の他の一例を示す模式図である。図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）および図５（ｄ）はそれぞれ変形例の要部構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して本開示に係る実施形態について説明する。なお、第２実施形態以降において、既に説明された実施形態の構成と共通または類似する構成について、既に説明された実施形態の構成に付した符号を用い、また、図示や説明を省略することがある。なお、既に説明された実施形態の構成と対応（類似）する構成については、既に説明された実施形態の構成と異なる符号を付した場合においても、特に断りがない点は、既に説明された実施形態の構成と同様である。

＜第１実施形態＞
（振動計の全体構成）
図１（ａ）は、本開示の第１実施形態に係る振動計１の要部構成を示す模式的な断面図である。

同図に付した直交座標系ＸＹＺは絶対座標系である。Ｚ軸方向は鉛直方向であり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向は水平方向である。なお、本実施形態の説明では、直交座標系ＸＹＺは、不図示の計測対象物（別の観点では、振動計１のうち計測対象物に固定される部分）に固定の座標系として捉えられてもよい。

振動計１は、不図示の計測対象物のＸ軸方向における振動を検出するセンサとして構成されている。計測対象物および計測対象の振動（現象）は、種々のものとされてよい。例えば、計測対象物およびその振動は、携帯型電子機器の意図しない振動または操作としての振動であってもよいし、建築物の地震による揺れまたは変形であってもよい。計測対象物および／または計測対象の振動に応じて、振動計１の大きさ等も適宜に設定されてよい。例えば、図１（ａ）の図示範囲の１辺の大きさは、１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下である。

振動計１が出力する物理量は、例えば、Ｘ軸方向における、変位、速度、加速度および／または加加速度である。振動計１は、このような物理量を逐次出力するだけであってもよいし、物理量の時系列データを生成して出力してもよい。また、振動計１は、前記のような出力に加えて、または代えて、時系列データから振幅、周波数および／または周期（波形毎の値および／または複数の波形の代表値）を算出して出力してもよい。各種の物理量の計測範囲および／または計測精度は適宜に設定されてよい。

振動計１は、計測対象物に取り付けられる基部３と、回転体５と、回転体５を基部３に対して相対移動可能に保持する保持機構７とを有している。回転体５は、例えば、Ｙ軸方向に見て円形の外周面を有している。一方、保持機構７は、基部３に固定された支持部材９を含んでおり、支持部材９は、Ｚ軸方向正側（鉛直上方）に面する支持面９ａを有している。回転体５は、支持面９ａに載置されている。なお、支持部材９（保持機構７）は、基部または基部の一部とみなされても構わない。

基部３がＸ軸方向に振動するとき（Ｘ軸方向の加速度を生じるとき）、基部３から見ると、回転体５は、Ｘ軸方向における慣性力を受ける。その結果、二点鎖線で示すように、回転体５は、支持面９ａ上を転がりながら基部３に対してＸ軸方向において相対移動（振動）する。すなわち、回転体５のＹ軸回りの回転を伴って回転体５の重心（例えば概ね中心）がＸＺ平面内において基部３に対して相対移動する。従って、回転体５のＹ軸回りの角速度を計測することによって、基部３（計測対象物）のＸ軸方向における振動を検出することができる。

（基部）
基部３は、計測対象物に対して固定的な部位であれば良く、その材料、形状および機能は種々設定されてよい。また、基部３の語は、計測対象物に対して固定的な部位の全体を指してもよいし、一部を指してもよい。基部３が計測対象物に固定されるという場合、基部３は、直接に計測対象物に固定されていてもよいし、他の部材を介して間接的に計測対象物に固定されていてもよい。なお、基部３は、基本的には計測対象物に対して固定されるが、計測対象物に対して多少の遊びの範囲内で移動可能とされてもよい。

図１（ａ）では、基部３として、基板状の部材を例示している。この基板状の部材は、例えば、振動計１のパッケージまたは筐体の一部であってもよいし、パッケージまたは筐体内部に配置された部材であってもよい。また、この基板状の部材は、例えば、単に計測対象物に対する固定および／または保持機構７の支持に供される構造的な部材であってもよいし、後述する制御部の少なくとも一部を構成する回路基板であってもよい。

（回転体）
回転体５は、支持面９ａ上を転がることができればよく、その形状および材料等は適宜に設定されてよい。例えば、回転体５は、上記のようにＹ軸方向に見て円形である。ただし、回転体５は、Ｙ軸方向に見て、外周面の一部にのみ円弧を有する形状であってもよい。すなわち、回転体５は、図示の例のように１回転以上転がることが可能に構成されていてもよいし、図示の例とは異なり１回転未満転がることが可能に構成されていてもよい。また、回転体５の外周面の、回転体５が転がることを可能とする面は、Ｙ軸方向に見て円または円弧に限らず、例えば、楕円または楕円の一部であってもよい。また、回転体５の半径は、支持面９ａの長さに対して、回転体５が１回転以上回転可能に比較的小さくてもよいし、これよりも大きくてもよい。

基部３がＸ軸方向に加速度を生じると、基部３から見て、回転体５は、基部３の移動方向とは逆方向の慣性力を受け、基部３に対してＸ軸方向へ相対移動しようとする。このとき、回転体５が支持面９ａを転がるためには、回転体５の外周面の支持面９ａに対する滑りを規制する抵抗力が必要である。この抵抗力は適宜に得られてよい。

例えば、上記の抵抗力として、主として、回転体５の外周面と支持面９ａとの間の静止摩擦力が利用されてよい。また、例えば、特に図示しないが、ラックアンドピニオンのように、回転体５の外周面および支持面９ａに互いに噛み合う複数の歯を形成してもよい。

回転体５の外周面と支持面９ａとの間の抵抗力として静止摩擦力を利用する場合、回転体５が受ける慣性力のうちの、回転体５の外周面と支持面９ａとが接する位置の接線方向における成分が最大摩擦力以上になると、回転体５の外周面は支持面９ａを摺動する。一方、回転体５の外周面および支持面９ａをラックアンドピニオンのように構成した場合においては、そのような摺動は生じない。従って、静止摩擦力を利用する構成は、換言すれば、回転体５の外周面および支持面９ａが最大摩擦力以上の力で摺動可能な構成である。

回転体５の外周面と支持面９ａとの間の抵抗力として静止摩擦力を利用する場合において、静止摩擦係数および／または運動摩擦係数は適宜に設定されてよい。換言すれば、回転体５の外周面および／または支持面９ａの材質、粗さおよび／または乾燥の度合いは適宜に設定されてよい。

回転体５は、Ｘ軸回りまたはＺ軸回りに回転可能であってもよいし、回転不可能であってもよい。別の観点では、例えば、回転体５は、球形であってもよいし、Ｙ軸方向を軸方向とする円柱状であってもよい。以下では、Ｘ軸回りおよびＺ軸回りに回転不可能な態様を例に取る。また、回転体５のＸＺ断面の形状および寸法は、Ｙ軸方向において一定であってもよいし、一定でなくてもよい。

（保持機構）
保持機構７の支持面９ａは、Ｙ軸方向に見て凹状に形成されている。従って、例えば、回転体５は、支持面９ａの最下点を原点位置として、重力によって原点位置に復帰する。より具体的には、例えば、支持面９ａは、Ｙ軸方向に見てＸ軸方向の両側ほどＸ軸に対する傾斜が大きくなるように湾曲している。さらに詳細には、支持面９ａは、例えば、Ｙ軸方向に見て円弧である。この円弧の半径および中心角は適宜に設定されてよい。支持面９ａのＸＺ断面の形状および寸法は、例えば、Ｙ軸方向において一定である。

支持部材９は、支持面９ａを有していればよく、例えば、図示の例のように一定の厚さの板状の部材であってもよいし、直方体等の厚さのある形状の上面に凹部を形成した部材（図５（ａ）の支持部材３０１参照）であってもよい。また、支持部材９は、例えば、同一材料から一体形成されていてもよいし、複数部材から構成されていてもよいし、支持面９ａとなる表面に摩擦係数を調整するためのコーティングが施されて構成されていてもよい。支持部材９の基部３に対する固定方法は適宜に選択されてよく、例えば、接合材またはねじによって固定されていてもよいし、溶着などにより直接に接合されていてもよいし、両者が一体的に形成されることによって固定されていてもよい。

（回転体のジャイロセンサ）
図１（ｂ）は、回転体５の要部構成を示す模式的な斜視図である。

回転体５は、例えば、ジャイロセンサ１１を含んで構成されている。回転体５は、例えば、特に図示しないが、チップ化された（パッケージングされた）ジャイロセンサと、ジャイロセンサが実装される回路基板と、当該回路基板（およびジャイロセンサ）が内部に固定され、支持面９ａを転がる外周面を有する外郭部材とを含んで構成されていてもよいし、ジャイロセンサのパッケージが支持面９ａを転がる外周面を有するように構成されていてもよい。前記外郭部材も広い意味ではジャイロセンサのパッケージであり、回転体５はジャイロセンサそのものであると捉えられてもよい。

ジャイロセンサ１１の形式は適宜なものとされてよい。例えば、ジャイロセンサは、機械式、流体式、光学式または量子式のものであってよい。機械式は、振動式または回転式であってよい。振動式において、振動子の形状および振動態様、駆動方式（逆圧電効果、静電引力または電磁力等）、ならびに検出方式（圧電効果、静電容量またはピエゾ抵抗効果等）は適宜に設定されてよい。

図２（ａ）は、ジャイロセンサ１１の一例の要部構成を模式的に示す斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線における断面図である。

なお、同図および図１（ｂ）等において付した小文字の直交座標系ｘｙｚは、ジャイロセンサ１１に固定されている。ｙ軸は、直交座標系ＸＹＺのＹ軸に平行である。直交座標系ｘｙｚは、直交座標系ＸＹＺに対してｙ軸（Ｙ軸）回りに回転可能な相対座標系である。

ここでは、ジャイロセンサ１１として、圧電体１３（例えば水晶）の表面に励振電極１５Ａおよび１５Ｂならびに検出電極１７Ａおよび１７Ｂを設けた振動式のものを例に取る。なお、以下では、１５Ａ、１５Ｂ、１７Ａおよび１７ＢのＡおよびＢを省略することがある。

励振電極１５から圧電体１３に交流電圧を印加することにより圧電体１３を振動させてている状態で、圧電体１３が回転されると、圧電体１３は、励振による振動の方向と、回転軸とに直交する方向においてコリオリの力によって振動する。そして、このコリオリの力に起因する圧電体１３の変形に応じて生じる電気信号（例えば電圧または電荷）を検出電極１７によって取り出すことにより、圧電体１３の角速度を検出することができる。

角速度が大きいほど、コリオリの力は大きくなり、ひいては、圧電体１３の変形量は大きくなる。従って、例えば、検出された信号の電圧（別の観点では振幅）に基づいて角速度の大きさが検出される。また、例えば、励振電極１５により印加した電圧と検出電極１７により検出された信号との位相差に基づいて回転の向きが特定される。

このような圧電振動式のジャイロセンサ１１において、圧電体１３の形状および振動態様は適宜に設定されてよく、例えば、以下のようなものを挙げることができる。圧電体１３は、基部１９と、基部１９から延び出る１以上の駆動腕２１と、基部１９から延び出る１以上の検出腕２３とを有している。駆動腕２１には複数の励振電極１５が設けられている。検出腕２３には複数の検出電極１７が設けられている。

励振されている駆動腕２１にコリオリの力が作用して駆動腕２１が振動し、このコリオリの力による振動が検出腕２３に伝わり検出腕２３が振動する。および／または、駆動腕２１の励振による振動が検出腕２３に伝わり検出腕２３が振動し、この振動している検出腕２３にコリオリの力が作用して検出腕２３が振動する。

１以上の駆動腕２１および１以上の検出腕２３の本数および配置、ならびに励振電極１５および検出電極１７の配置は適宜に設定されてよい。別の観点では、駆動腕２１の励振による振動方向、検出腕２３のコリオリの力による振動方向、駆動腕２１から検出腕２３への振動の伝わり方（励振による振動および／またはコリオリの力による振動のいずれが伝わるか等）、および角速度が検出される軸の向きは適宜に設定されてよい。

図２（ａ）では、ｙ軸方向に延びる１本の駆動腕２１および１本の検出腕２３が設けられる、いわゆる音叉型のジャイロセンサ１１を例示している。このジャイロセンサ１１では、圧電体１３の分極軸（例えば水晶の電気軸）はｘ軸方向に平行である。駆動腕２１は、励振電極１５Ａと励振電極１５Ｂとの間に交流電圧が印加されることによってｘ軸方向に振動する。この振動は、検出腕２３に伝わり検出腕２３はｘ軸方向に振動する。そして、ｙ軸回りに圧電体１３が回転すると、ｚ軸方向にコリオリの力が作用して、検出腕２３がｚ軸方向に振動する。

（制御部）
図２（ｂ）に示すように、振動計１は、ジャイロセンサ１１に駆動信号を入力するとともに、ジャイロセンサ１１からの検出信号に基づく、計測対象物のＸ軸方向における振動に係る物理量（既述）を示す信号を出力する制御部２５を有している。

より具体的には、制御部２５は、例えば、励振電極１５に電圧を印加する駆動部２７と、検出電極１７から電気信号を検出する検出部２９と、検出された角速度に基づいて計測対象物のＸ軸方向における振動に係る物理量を算出する演算部３１とを有している。

駆動部２７は、例えば、発振回路や増幅器を含んで構成されており、所定の周波数の交流電圧を励振電極１５Ａと励振電極１５Ｂとの間に印加する。なお、周波数は、駆動部２７内にて予め定められていてもよいし、演算部３１から指定されてもよい。

検出部２９は、例えば、増幅器や検波回路を含んで構成されており、検出電極１７Ａと検出電極１７Ｂとの電位差を交流電圧からなる検出信号として検出する。検出部２９は、例えば、検出信号の振幅により角速度の大きさを特定し、検出信号と印加電圧との位相差により回転の向きを特定し、その特定した情報を含む信号を演算部３１に出力する。

演算部３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび外部記憶装置を含んで構成されており、検出部２９から入力された信号に含まれる角速度に基づいて、計測対象物のＸ軸方向における振動に係る物理量を算出する。

駆動部２７、検出部２９および演算部３１それぞれは、ＩＣ（Integrated Circuit）によって構成されてよい。この場合において、これらは、個別に１つのＩＣによって構成されていてもよいし、２以上まとめて１つのＩＣによって構成されていてもよい。

駆動部２７、検出部２９および演算部３１それぞれは、回転体５に設けられていてもよいし、基部３に設けられていてもよいし、回転体５および基部３の双方に対して移動可能に設けられていてもよい（絶対座標系において設けられていてもよい）。また、これらは、互いに固定的に設けられていてもよいし、計測対象物の振動に伴って互いに相対移動するように設けられていてもよい。例えば、駆動部２７および検出部２９は、回転体５に設けられている。また、演算部３１は、基部３に設けられている。

駆動部２７、検出部２９および演算部３１が互いに相対移動する場合、その信号の送受は適宜な方法によってなされてよい。例えば、可撓性のケーブルを介して信号の送受がなされてもよいし、無線信号の送受がなされてもよい。回転体５と基部３との間で可撓性のケーブルを用いる場合においては、ケーブルの捩れを解消するために、スリップリングのような回転コネクタが用いられてもよい。

なお、一般に、センサの語は、計測対象の物理量を電気信号に変換する部分のみを指す場合と、当該部分と、電気信号に対する増幅、演算または制御等を行う部分との組み合わせを指す場合とがある。本実施形態の説明では、振動計１は、後者として説明されている。ただし、図１（ａ）に示した機械的な部分（制御部２５を除いた部分）によって振動計が定義されてもよい。

また、本実施形態の説明では、ジャイロセンサ１１は、角速度を電気信号に変換する部分として説明されているが、駆動部２７および検出部２９を含んでジャイロセンサが定義されてもよい。

（演算の例）
図３（ａ）および図３（ｂ）は、回転体５の角速度に基づいて基部３のＸ軸方向における振動に係る物理量を算出する演算方法の一例を説明するための模式図である。以下に説明する演算の一部または全部が演算部３１によって実行されてよい。

図３（ａ）において、図１（ｂ）との符号の比較から理解されるように、中心Ｃ２は、回転体５の中心を示し、半径ｒは、回転体５の半径を示している。回転体５の角速度がωであるとすると、基部３から見た回転体５の外周面の接線方向における速度ｖは、ｖ＝ｒωによって算出可能である。

図３（ｂ）において、図１（ａ）との符号の比較から理解されるように、中心Ｃ１は、支持面９ａが成す円弧の中心を示し、半径Ｒは支持面９ａの曲率半径を示している。この図に示すように、回転体５と支持面９ａの接点は、原点位置Ｐ０（支持面９ａの最下点）から離れた位置Ｐ１にあるものとする。原点位置Ｐ０から位置Ｐ１までの中心Ｃ１回りの角度をθとする。

このとき、角度θは、例えば、上述の速度ｖの積分から得られる距離ｓを用いて、θ＝ｓ／Ｒによって算出可能である。なお、速度ｖと角度θとは符号（正負）が逆（逆回り）である。また、速度ｖのうちＸ軸に平行な成分（速度ｖ_ｘ）は、例えば、ｖ_ｘ＝ｖ×ｃｏｓθによって算出できる。

回転体５が絶対座標系に対してＸ軸方向において移動していないと仮定すれば、速度ｖ_ｘは、基部３のＸ軸方向における絶対座標系に対する速度である。このようにして、計測対象物のＸ軸方向の振動に係る物理量である速度ｖ_ｘが算出される。

計測対象物のＸ軸方向における変位ｓ_ｘは、例えば、速度ｖ_ｘの積分によって得ることができる。また、上述のように距離ｓが求められている場合には、ｓ×ｓｉｎθによって算出することもできる。計測対象物のＸ軸方向における加速度ａ_ｘは、例えば、速度ｖ_ｘの微分によって得ることができる。

なお、上記の演算方法の例は、種々の仮定のもとに成り立つ最も簡便なものである。振動計１に要求される精度によっては、理論または実験等に基づいて、上記の演算に適宜な補正のための演算が加えられてもよい。

例えば、ジャイロセンサ１１によって検出される回転体５の角速度は、回転体５の中心Ｃ２回りの角速度と、回転体５の中心Ｃ１回りの角速度とを足し合わせたものである。一方、図３（ａ）を参照して説明した演算は、回転体５の中心Ｃ１回りの角速度を考慮していない。回転体５の半径ｒが支持面９ａの半径Ｒに対してさほど小さくなく、中心Ｃ１回りの角速度を無視できない場合においては、当該角速度の影響を差し引く補正がなされてよい。

また、例えば、回転体５に作用する重力は、支持面９ａに直交する方向の分力と、支持面９ａの接線方向の分力とに分けられる。接線方向の分力は、回転体５を原点位置Ｐ０に復帰させる力として作用する。従って、基部３から見た回転体５のＸ軸方向の加速度は、重力加速度の接線方向の分力のうちＸ軸方向の成分と、慣性力によるＸ軸方向の加速度との和になる。この影響を除去する補正がなされてもよい。

また、例えば、上記の演算では、回転体５が絶対座標系に対してＸ軸方向において移動していないと仮定している。実際には、回転体５は、基部３からＸ軸方向の力を受けてＸ軸方向において移動する。この影響を除去する補正がなされてもよい。

以上のとおり、振動計１は、基部３、回転体５および保持機構７を有している。基部３は、直交座標系ＸＹＺの（少なくとも）Ｘ軸方向に振動する不図示の計測対象物に取り付けられる。回転体５は、Ｙ軸回りの角速度を検出可能なジャイロセンサ１１を含んでいる。保持機構７は、回転体５のＹ軸回りの回転を伴って回転体５の重心（Ｃ２）がＸＺ平面内で基部３に対する相対移動するように回転体５を保持している。また、保持機構７は、回転体５の重心が、原点位置Ｐ０からＸ軸方向両側それぞれに位置するほどＺ軸方向正側へ位置し、Ｚ軸方向負側への引力を復元力としてＸ軸方向両側それぞれから原点位置Ｐ０に復帰するように回転体５を保持している。

従って、計測対象物の並進運動がジャイロセンサ１１の回転運動に変換されることになり、ジャイロセンサ１１によって計測対象物の振動を検出することができる。その結果、例えば、加速度センサによって振動を検出する場合に比較して、ＳＮ比を向上させ、微小振動を検出することができる。また、例えば、回転体５を原点位置Ｐ０に復帰させることにより、振動開始の振動計１の状態を一定にすることができ、ひいては、検出精度を向上させたり、常にＸ軸方向両側の変位を検出可能にしたりすることができる。また、例えば、復元力を引力によって得ることから、ばね等の復元力を生じるための弾性部材は不要であり、弾性部材の経年変化によって検出精度が低下するおそれが低減される。

また、本実施形態では、保持機構７は、基部３に固定的な、Ｚ軸方向正側に面する、Ｙ軸方向に見て凹状の支持面９ａを有している。回転体５は、Ｙ軸方向に見て支持面９ａ上を転がることが可能な外周面を有している。

従って、回転体５が慣性力によって支持面９ａ上を転がることにより、基部３のＸ軸方向の移動が回転体５の回転に変換される。この構成では、例えば、例えば、回転体５の半径ｒ等を調整することによって、ジャイロセンサ１１の回転量と、基部３に対するジャイロセンサ１１のＸ軸方向における移動量との比を調整して、Ｘ軸方向の振動に係る検出精度を調整することができる。また、例えば、支持面９ａを凹状にするだけで、回転体５を原点位置Ｐ０に復帰させることができる。別の観点では、例えば、回転体５が支持面９ａの外側へ移動するおそれを低減できる。また、例えば、回転体５の質量および支持面９ａの曲率等を適宜に調整することによって回転体５が支持面９ａ上を往復する固有振動数を調整し、所望の周波数帯について感度を向上させることができる。

また、本実施形態では、支持面９ａは、Ｙ軸方向に見てＸ軸方向の両側ほどＸ軸に対する傾斜が大きくなるように湾曲している。

従って、例えば、原点位置Ｐ０付近においては、支持面９ａの傾斜角が小さいことから、検出精度を高くしやすい。別の観点では、支持面９ａとＸ軸とが平行であると仮定する演算が可能になり、演算を簡素化できる。その一方で、Ｘ軸方向の両側においては、回転体５が支持面９ａの外側へ移動するおそれをより確実に低減できる。また、Ｘ軸方向両側に行くほど傾斜が大きくなるから、回転体５のＸ軸方向両側への速度および／または加速度を徐々に減じることができ、回転体５が支持面９ａの外側の部位（不図示）に衝突するおそれを低減できる。

また、本実施形態では、支持面９ａは、Ｙ軸方向に見て円弧である。

従って、角度θを算出する演算の説明からも理解されるように、三角関数等の円弧に係る数式を利用することができ、ジャイロセンサ１１の角速度からＸ軸方向における振動に係る物理量を算出する演算を簡単化することができる。

また、本実施形態では、回転体５の外周面および支持面９ａは、最大摩擦力以上の力で互いに摺動可能である。

従って、例えば、基部３に大きな加速度が加えられた場合においては、回転体５は、支持面９ａ上を摺動する。このとき回転体５の外周面は、支持面９ａから運動摩擦力を受け、これにより回転体５は回転する。一般に、運動摩擦係数は静止摩擦係数に比較して小さいから、回転体５の角速度は、比較的小さくなり、および／または摺動前に比較して不連続に低下する。従って、例えば、摩擦係数を適宜に設定したり、および／または適宜なフィルタリングの演算を行うことによって、所定の周波数範囲の振動のみを検出することができる。

＜第２実施形態＞
（振動計の全体構成）
図４（ａ）は、本開示の第２実施形態に係る振動計２０１の要部構成を示す模式的な断面図である。

振動計２０１は、第１実施形態と同様に、基部３のＸ軸方向における並進運動をジャイロセンサ１１（回転体２０５）のＹ軸回りの回転運動に変換することによって、不図示の計測対象物のＸ軸方向における振動を検出する。ただし、振動計２０１は、並進運動を回転運動に変換するための具体的な構成が第１実施形態と異なっている。具体的には、以下のとおりである。

振動計２０１は、不図示の計測対象物に固定される基部３と、ジャイロセンサ１１を含む回転体２０５と、回転体２０５を保持する保持機構２０７とを含んでいる。保持機構２０７は、Ｙ軸に平行な回転軸Ａ１回りに振れる振り子を回転体２０５と構成する部材を含んでいる。なお、ここでいう回転軸Ａ１は、回転中心を示す概念的な軸であり、軸状部材のことではない。

基部３がＸ軸方向に振動するとき、基部３から見ると、回転体２０５は、Ｘ軸方向における慣性力を受ける。その結果、二点鎖線で示すように、回転体２０５を錘とする振り子は、基部３に対して回転軸Ａ１回りに振動する。すなわち、回転体２０５は、回転体２０５のＹ軸回りの回転を伴って、基部３に対してＸＺ平面において相対移動する。従って、回転体２０５のＹ軸回りの角速度を計測することによって、基部３（計測対象物）のＸ軸方向における振動を検出することができる。

（基部およびジャイロセンサ）
基部３およびジャイロセンサ１１については、第１実施形態の説明において述べたとおりである。

（回転体）
回転体２０５は、振り子の錘として機能すればよい。従って、その形状および材料は種々のものとされてよい。図４（ａ）では円形の回転体２０５が例示されているが、円形である必要はない。回転体２０５の質量は、振り子の固有周期を任意のものにするように設定されてよい。固有周期は、適宜に設定されてよいが、例えば、検出したい振動の周波数帯に含まれるように（例えば前記周波数帯の中央に位置するように）設定される。回転体２０５の寸法は、例えば、上記の質量の設定に基づいて設定されてよい。

また、回転体２０５は、回転体５と同様に、例えば、チップ化された（パッケージングされた）ジャイロセンサと、ジャイロセンサが実装される回路基板と、当該回路基板（およびジャイロセンサ）が内部に固定された外郭部材とを含んで構成されていてもよいし、ジャイロセンサのパッケージが回転体２０５の外面を構成するように構成されていてもよい。前記外郭部材も広い意味ではジャイロセンサのパッケージであり、回転体２０５はジャイロセンサそのものであると捉えられてもよい。

（保持機構）
保持機構２０７は、例えば、支持部２０９と、支持部２０９に吊り下げられ、その下端に回転体２０５が連結されている長尺部材２１０とを有している。なお、支持部２０９は、基部または基部の一部とみなされても構わない。

支持部２０９は、基部３から見て長尺部材２１０を吊り下げることができる構成である限り、その形状、寸法および材料は適宜に設定されてよい。図示の例では、第１実施形態で説明した基板状の部材からなる基部３に被せられる箱状の部材によって支持部２０９が構成されている。この他、支持部２０９は、例えば、フレーム状であってもよい。また、基部３を構成する基板状の部材に長尺部材２１０が吊り下げられ、当該基板状の部材が支持部として機能しても構わない。

長尺部材２１０は、回転軸Ａ１から回転体２０５までの長さが横断面（長手方向に直交する断面）における最大径に比較して十分に長い形状であり、例えば、前者は、後者に対して２倍以上、５倍以上または１０倍以上である。長尺部材２１０が細くなるほど、および／または軽くなるほど、長尺部材２１０および回転体２０５全体の重心を回転軸Ａ１から離すことができ、実際の回転体２０５の回転半径に重心の回転半径を近づけることができる。その結果、例えば、固有振動数を低く設定したいときも小型化することができる。

（長尺部材の第１の例）
図４（ｂ）は、長尺部材２１０の一例としての長尺部材２５１を示す模式図である。

長尺部材２５１は、剛体として扱える材料および寸法によって構成されている。例えば、長尺部材２５１は、金属、比較的硬質の樹脂または木材によって構成されており、また、その横断面（長手方向に直交する断面）は、直交する２軸方向それぞれにある程度の長さを有している。

別の観点では、長尺部材２５１の最大の撓み変形量、または振動計２０１において加速度の検出範囲の最大値として想定されている加速度が振動計２０１に加えられたときの長尺部材２５１の撓み変形量（以下、想定されている変形量）は、絶対的に、または振動計２０１において想定されている回転体２０５の最大の回転角度（最下点にあるときからの変化量。以下、同じ。）に比較して、十分に小さい。例えば、最大の撓み変形量によって回転体２０５に生じる回転角度は、４５°以下、３０°以下もしくは１０°以下、または想定されている最大の回転角度の１／２以下、１／３以下もしくは１／１０以下である。また、例えば、想定されている変形量によって回転体２０５に生じる回転角度は、例えば、１０°以下もしくは１°以下、または想定されている最大の回転角度の１／１０以下もしくは１／１００以下である。

長尺部材２５１の上端は、回転軸Ａ１の位置において支持部２０９によって回転可能に支持されている。これにより、長尺部材２５１および回転体２０５からなる振り子は、回転軸Ａ１回りに揺動可能となっている。この軸支の方法は適宜なものとされてよい。例えば、図示の例のように、支持部２０９に設けられた軸部２０９ａが長尺部材２５１の上端に設けられた孔に挿通されてもよいし、図示の例とは逆に、長尺部材２５１の上端に設けられた軸部が支持部２０９に設けられた孔に挿通されてもよいし、ボールジョイントのような構成が採用されてもよい。

軸支部分は、ＸＺ平面内等において遊びが無くてもよいし、遊びがあってもよく（図示の例）、遊びがある場合にその大きさは適宜に設定されてよい。Ｘ軸方向における遊びは、例えば、振動計２０１において要求されているＸ軸方向の変位の検出精度よりも小さくてもよいし、大きくてもよい。遊びが存在すると、例えば、高い周波数の振動は、遊びによって吸収されて振り子を振れさせる作用を生じない。その結果、例えば、必要な周波数の振動のみを検出することができる。

なお、長尺部材２５１は、回転軸Ａ１回りに回転体２０５と一体的に回転するから、回転体の一部として捉えられてよい。別の観点では、保持機構の、回転体とともに振り子を構成する部材は、必ずしも回転体との区別が明確でなくてもよい。

（長尺部材の第２の例）
図４（ｃ）は、長尺部材２１０の他の例としての長尺部材２５３を示す模式図である。

長尺部材２５３は、可撓性の材料によって構成されている。図４（ｃ）では、長尺部材２１０が可撓性であることを示すために、回転体２０５が持ち上げられて長尺部材２５３が撓んでいる状態を二点鎖線で示している。なお、可撓性は、長手方向に直交する少なくとも１方向（長尺部材２５３がＺ軸に平行な状態を基準として少なくともＸ軸方向）にあればよい。長尺部材２５３は、例えば、比較的軟質な樹脂または繊維からなる線状の部材である。また、例えば、長尺部材２５３は、Ｚ軸に平行な状態で厚さ方向がＸ軸方向とされる薄型の形状であってもよい。

別の観点では、長尺部材２５３は、例えば、破損、永久変形または塑性変形を伴わずに、大きな角度で、かつ小さい曲率で曲げることが可能である。例えば、長尺部材２５３は、その全長の１／５以下、１／１０以下または１／２０以下の長さにおいて、Ｚ軸に平行な状態を基準としてＸ軸方向の両側に９０°曲げることができる。

長尺部材２５３の上端は、回転軸Ａ１付近において、支持部２０９（軸部２０９ａ）に支持されている。この支持は、例えば、長尺部材２５３が支持部２０９に固定される（回転不可能に支持される）ことによってなされてよい。この場合、長尺部材２５３および回転体２０５からなる振り子は、長尺部材２５３の上端における変形によって当該変形部分回りに回転（振動）する。ただし、支持部２０９による長尺部材２５３の支持は、図４（ｂ）の長尺部材２５１と同様に、回転可能に支持されるものであってもよい。

なお、可撓性の長尺部材２５３の変形によって回転体２０５の回転が実現される場合、その回転軸は、厳密には、長尺部材２５３の上端の変形部分付近となるが、便宜上、図４（ｃ）のように、回転軸Ａ１または長尺部材２５３を支持している部分（軸部２０９ａ）に位置するものとして表現することがある。

（演算の例）
図４（ａ）に示すように、回転軸Ａ１から回転体２０５の重心までの距離をｒ２とする。この場合、図３（ａ）からも理解されるように、回転体２０５の接線方向の速度ｖは、ジャイロセンサ１１によって検出される角速度ωを用いてｖ＝ｒ２×ωにより計算できる。

また、回転体２０５の原点位置Ｐ０からの角度θ２は、角速度ωの積分によって得られる。そして、図３（ｂ）からも理解されるように、速度ｖのうちＸ軸に平行な成分（速度ｖ_ｘ）は、例えば、ｖ_ｘ＝ｖ×ｃｏｓθによって算出できる。ただし、第１実施形態とは異なり、ωおよびθの正負の符号は同一である。

第１実施形態と同様に、回転体２０５が絶対座標系に対してＸ軸方向において移動していないと仮定すれば、速度ｖ_ｘは、基部３のＸ軸方向における絶対座標系に対する速度である。このようにして、計測対象物のＸ軸方向の振動に係る物理量である速度ｖ_ｘが算出される。

計測対象物のＸ軸方向における変位ｓ_ｘまたは加速度ａ_ｘは、例えば、第１実施形態と同様に速度ｖ_ｘの積分または微分によって算出されてよい。また、第１実施形態と同様に、重力の影響を除去する補正、および／または回転体２０５の絶対座標系に対するＸ軸方向の移動の影響を除去する補正等の適宜な補正が行われてよい。

以上のとおり、本実施形態においても、振動計２０１は、基部３と、ジャイロセンサ１１を含む回転体２０５と、回転体２０５がＹ軸回りの回転を伴ってＸＺ平面内で基部３に対して相対移動するように回転体２０５を保持している保持機構２０７とを有している。保持機構２０７は、回転体２０５が、所定の原点位置Ｐ０からＸ軸方向両側それぞれに位置するほどＺ軸方向正側へ位置し、Ｚ軸方向負側への引力を復元力としてＸ軸方向両側それぞれから原点位置Ｐ０に復帰するように回転体２０５を保持している。

従って、第１実施形態と同様の効果が奏される。例えば、計測対象物の並進運動がジャイロセンサ１１の回転運動に変換されることになり、ジャイロセンサ１１によって計測対象物の振動を検出することができる。その結果、例えば、加速度センサによって振動を検出する場合に比較して、ＳＮ比を向上させ、微小振動を検出することができる。

また、本実施形態では、保持機構２０７は、Ｙ軸方向に見て基部３に固定的な所定の支持位置（軸部２０９ａ）回りに回転体２０５が振れるように支持位置から回転体２０５を垂下させている。換言すれば、振り子が構成されている。

従って、回転体２０５が慣性力によって揺動することにより、基部３のＸ軸方向の移動が回転体２０５の回転に変換される。この構成では、例えば、回転軸Ａ１から回転体２０５の重心までの長さ（半径ｒ２）を調整することによって、ジャイロセンサ１１の回転量と、基部３に対するジャイロセンサ１１のＸ軸方向における移動量との比を調整して、Ｘ軸方向の振動に係る検出精度を調整することができる。また、長尺部材２１０によって、回転体２０５が基部３に対してＸ軸方向において際限なく相対移動するおそれも低減される。また、例えば、回転体２０５の質量および長尺部材２１０の長さ等を適宜に調整することによって振り子の固有振動数を調整し、所望の周波数帯について感度を向上させることができる。

また、本実施形態では、保持機構２０７は、一端が支持位置（軸部２０９ａ）にて支持位置回りに回転可能に基部３に支持され、他端に回転体２０５（ジャイロセンサ１１）が連結されている長尺部材２５１を有していてもよい。

この場合、例えば、長尺部材２５１を剛体によって構成して、回転体２０５の移動を概ね円周上に規制することができる。その結果、例えば、可撓性の長尺部材２５３を用いる場合に比較して、回転体２０５に予期しない動きが生じるおそれが低減される。これにより、例えば、計算を簡素化したり、回転体２０５の周囲（例えば天井）への衝突が抑制されたりする。

また、本実施形態では、保持機構２０７は、一端が支持位置（軸部２０９ａ）にて基部３に支持され、一端とは反対側に位置する他端に回転体２０５（ジャイロセンサ１１）が連結されている可撓性の長尺部材２５３を有していてもよい。

この場合、例えば、高い周波数の振動が生じた場合、長尺部材２５３の変形によって回転体２０５の回転が抑制される。その結果、例えば、必要な周波数の振動のみを検出することができる。

（変形例）
以下、種々の変形例について説明する。

図５（ａ）に示すように、第１実施形態に関して、回転体５は、支持面３０１ａからの離反を規制するための構成を有していてもよい。図示の例では、規制部材３０３は、支持面３０１ａと概ね平行な規制面３０３ａを有している。回転体５の上方への移動は、規制面３０３ａに対する当接によって規制される。

なお、規制面３０３ａは、例えば、摩擦係数が小さい材料で構成されたり、または不図示の複数のローラーが設けられたりすることにより、回転体５の支持面３０１ａを転がる回転を阻害しないようにされている。および／または、規制面３０３ａと支持面３０１ａとの距離を回転体５の直径よりも大きくし、回転体５の支持面３０１ａを転がる回転を阻害しないようにしてもよい。また、特に図示しないが、回転体５に小径の軸部を紙面貫通方向に突出させ、当該軸部を支持面３０１ａに沿って案内したりしてもよい。

図５（ａ）に示すように、支持面３０１ａは、直線部分を含んでいてもよい。別の観点では、支持面３０１ａは、Ｘ軸方向両側ほど傾斜が大きくなる形状でなくてもよい。この場合、例えば、実施形態とは異なり、中心Ｃ１回りの角速度（角度θ（図３（ｂ））の微分値）がジャイロセンサ１１の角速度に及ぼす影響を考慮する必要性が減じられる。なお、実施形態は、このような変形例に比較して、例えば、既に述べたように、Ｘ軸方向両側において回転体５の移動を規制する効果を奏する。

図５（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向両側ほど傾斜が大きくなるように湾曲している支持面３０５ａは、円弧でなくてもよい。図示の例では、支持面３０５ａは、Ｘ軸方向両側ほど曲率が大きくなっている。この場合、原点位置Ｐ０付近の精度を向上させつつ、Ｘ軸方向の両側において回転体５の移動を規制することができる。なお、実施形態は、このような変形例に比較して、例えば、既に述べたように、曲率が一定であるので種々の演算が容易である。

図５（ｃ）に示すように、第２実施形態に関して、ジャイロセンサ１１は、振り子の錘の位置（回転軸Ａ１よりも下方）に位置していなくてもよい。図示の例では、回転体３０７は、ジャイロセンサ１１の他、錘３０９および長尺部材３１１を有している。長尺部材３１１は、例えば、剛体からなり、上端が軸部２０９ａに回転可能に支持され、下端に錘３０９が連結されている。そして、ジャイロセンサ１１は、長尺部材３１１の上端に固定されている。このような構成においても、第２実施形態と同様に、計測対象物のＸ軸方向における並進運動をジャイロセンサ１１の回転運動に変換することができる。この他、特に図示しないが、ジャイロセンサ１１は、回転軸Ａ１よりも上方に位置していてもよいし、回転軸Ａ１と回転体の重心とを結ぶ線上に位置していなくてもよい。

また、特に図示しないが、支持位置（軸部２０９ａ）と回転体とを連結する部分（実施形態では長尺部材２１０）を幅広にしたり、円形または多角形の回転体が直接に支持位置（軸部２０９ａ）に支持されているように見える構成にしたりして、一般的にいう振り子とは類似しない形状の振り子が構成されてもよい。この場合であっても、回転する部分（振り子）の重心が支持位置（軸部２０９ａ）よりも下方に位置するように支持されていれば（回転する部分が垂下されていれば）、振り子としてモデル化することができる。

図５（ｄ）に示すように、引力は重力でなくてもよい。例えば、引力は、磁力であってもよい。図示の例では、回転体３１３に対してＺ軸方向負側に磁石３１５を配置し、回転体３１３（錘）を金属によって構成している。磁石３１５は、永久磁石でもよいし、電磁石でもよい。このような構成によれば、例えば、重力が存在しない場所においても計測対象の振動を検出することができる。換言すれば、Ｚ軸方向は鉛直方向でなくてもよい。

本発明は、以上の実施形態または変形例に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

第２実施形態では、長尺部材が剛体からなる場合および長尺部材が可撓性を有する場合について説明したが、長尺部材は、両者の間の部材であってもよい。例えば、長尺部材は、弾性を有していてもよい。この長尺部材は、例えば、図４（ｂ）の例と同様に、回転軸回りに回転可能に支持される。

なお、本開示において、Ｚ軸方向負側への引力を復元力として回転体が原点位置に復帰するという場合、引力が原点位置への復帰に支配的であるものとする。換言すれば、必ずしも復元力の全てが引力である必要はない。例えば、引力は、復元力の５０％以上または９０％以上を担っていればよい。

１…振動計、３…基部、５…回転体、７…保持機構、１１…ジャイロセンサ。

Claims

直交座標系ＸＹＺのＸ軸方向に振動する計測対象物に取り付けられる基部と、
Ｙ軸回りの角速度を検出可能なジャイロセンサを含む回転体と、
前記回転体のＹ軸回りの回転を伴って前記回転体の重心がＸＺ平面内で前記基部に対して相対移動するように前記回転体を保持している保持機構と、
を有しており、
前記保持機構は、前記回転体の重心が、所定の原点位置からＸ軸方向両側それぞれに位置するほどＺ軸方向正側へ位置し、Ｚ軸方向負側への引力を復元力としてＸ軸方向両側それぞれから前記原点位置に復帰するように前記回転体を保持している
振動計。
前記保持機構は、前記基部に固定的な、前記Ｚ軸方向正側に面する、Ｙ軸方向に見て凹状の支持面を有しており、
前記回転体は、Ｙ軸方向に見て前記支持面上を転がることが可能な外周面を有している
請求項１に記載の振動計。
前記支持面は、Ｙ軸方向に見てＸ軸方向の両側ほどＸ軸に対する傾斜が大きくなるように湾曲している
請求項２に記載の振動計。
前記支持面は、Ｙ軸方向に見て円弧である
請求項３に記載の振動計。
前記回転体の外周面および前記支持面は、最大摩擦力以上の力で互いに摺動可能である
請求項２〜４のいずれか１項に記載の振動計。
前記保持機構は、Ｙ軸方向に見て前記基部に固定的な所定の支持位置回りに前記回転体が振れるように前記支持位置から前記回転体を垂下させている
請求項１に記載の振動計。
前記保持機構は、一端が前記支持位置にて前記支持位置回りに回転可能に支持され、他端に前記回転体が連結されている長尺部材を有している
請求項６に記載の振動計。
前記保持機構は、一端が前記支持位置にて支持され、他端に前記回転体が連結されている可撓性の長尺部材を有している
請求項６に記載の振動計。
前記引力は重力である
請求項１〜８に記載の振動計。