JPH0371061A - サーボ加速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、振子の変位量を検出し、この検出変位量に応
じた電流を振子に取り付けられたコイルに流すことによ
り、振子に加わる力に平衡する力を発生させるサーボ回
路を備えたサーボ加速度計に関するものである。

〔従来の技術〕

先ず、この種のサーボ加速度計の動作原理を、第３図に
示すブロック線図を参照して説明する。

同図において、１はマス、２は振子、３は変位検出器、
４はザーボアンブ、５はＶ／Ｉ変換器、６はトルカコイ
ルである。トルカコイル６の発生ずる力Ｆ２は、サーボ
加速度計に入力される加速度αが零の時、Ｆ２−０とな
るように調整されている。振子２に働く力は、振子２０
質量ｍに作用する加速度αによる力Ｆｌ　と、Ｉ・ルカ
コイル６の発生する力Ｆ２の差分値となるので、 Ｆ＝Ｆ＋　　　Ｆｚ　＝、ｍαＦ２　　・・ｉｌｌとな
る。

振子２の運動方程式は、 として立てられる。

ここで、Ｄ：発電ブレーキ定数、に：フレクチャーのハ
ネ定数である。

上記（２）式をラプラス変換すると、 して証明される。すなわち、第３図において、加速度α
と電流ｉとの間の伝達関数Ｇは、として、振子２の伝達
関数が求まる。

振子２の位置変位量Ｘは、変位検出器３　（変換定数Ａ
ｏ）によって、電圧■。に変換される。そして、この電
圧■。がサーボアンプ４でＡ１倍に増幅されてＶｌとさ
れ、この電圧ＶｌがＶ／Ｔ変換回路５（変換定数Ａ２）
で電？Ｍ　ｉに変換される。

この電流ｉは、トルカコイル６に供給され、変換定数Ａ
３で力Ｆ２に変換される。すなわち、Ｆ−Ｆ２となるよ
うに負帰還をかけることにより、すなわち力Ｆ、に平衡
する力Ｆ２を発生させることにより、振子２にはｘ−０
となるように定点サーボがかかるものとなる。

ここで、電流ｉは加速度αに比例するため、この電流ｉ
の値に基づき、入力加速度を検出できるものとなる。

電流ｉが加速度αに比例することは次のように・　・°
　・（４） となる。ｔ−■のとき、Ｓ−０となるので、ここで、Ｋ
＝Ｏとしたときの（５）式は、Ｇｏ　　−・　・　・（
６） ３ となり、ｍとＡ３は定数であるので、電流ｉが加速度α
に比例するものとなる。

第４図に上述の原理に基づくサーボ加速度計のメカ構造
を示す。

図において、振子１２は人力加速度方向に振動できるよ
うにフレクチャー１１で支持されており、振子１２の両
側部にはコイル１４−１および１４−２が取り付けられ
ている。そして、この振子１２を挾んで、マグネット１
３−１と１３−２とが対向配置されている。すなわち、
マグネット１３−１．’　１３２とコイル１４−１　１
４−２とでトルカコイル１７が構成されており、振子１
２と共にコイル１４−１゜１４−２がマグネット１３４
．１３−２の作る磁界中を運動することになるので、振
子１２の位置変位ｉｌｘに応じた適当な電流ｉをコイル
１４−１，１４２に流すことにより、入力加速度αに対
する力のバランスを保つことができるものとなる。

振子１２には、その下端部にスリット板１２−２を固着
したうえ、そのスリット板１２−２にスリン）’１２−
１が開設されており、このスリット１２−１と２分割フ
ォトダイオード１５．ＬＥＤ１６とにより変位検出機構
１８が構成され、この変位検出機構１８によって振子１
２の位置検出を行うものとしている。第５図は変位検出
機構１８の要部を示す平面断面図であり、第６図は第５
図におけるＡ方向矢視図である。すなわち、変位検出機
構１８の零点において、スリット１２−１をｉｊｌ過す
るＬＥＤ１６の光が、２分割フォトダイオード１５のフ
ォトダイオード１５Ａおよび１５Ｂに等分に入射される
ようになっている。このような状態から、スリット１２
−■が図示（第５図）矢印方向へ移動すると、フォトダ
イオード１５Ａおよび１５Ｂでの入射光量に差が生しる
。つまり、フォトダイオード１５Ａへの入射光量とフォ
トダイオード１５Ｂへの入射光量との差分が、振子１２
の位置変位量Ｘとその変位方向を示すことになり、この
入射光量の差分を出力電圧Ｖ。として得るものとすれば
、位置変位量Ｘと出力電圧Ｖｏとの理想特性は第７図に
示すものとして得ることができる。、。

で、スリット１２−１とフォトダイオード１５Ａ１５Ｂ
の寸法関係を考察するに、Ｌｓ（スリット１２−１の幅
）−Ｕｄ（フォトダイオード１５Ａ。

１５Ｂの各受光面幅）の条件下で、最大の検出範囲と最
大の出力電圧■。を示すものとなる。

なお、振子１２の位置変位量Ｘの検出方法としては、上
述の２分割フォトダイオードによる方法の他、差動トラ
ンスによる方法、静電容量の変化による方法もある。し
かし、差動トランスによる方法、静電容量の変化による
方法は、インビーダンス計測によって変位量を検出する
ものであるので、発振回路を必要とし、２分割フ第１・
ダイオドによる方法と比較して、小型化、低価格化を促
進するうえて不利となる。すなわち、２分割フォトダイ
オードによる方法によれば、位置変位量Ｘ出力電圧■。

の利１：）が大きく、かつ構成が簡単であるため、コス
Ｉ・と性能の両面から見て有利である。

第８図は、第４図に示したメカ構造に対し構築される電
気回路図であり、ＬＥＩ）１６ばその光量を定める抵抗
Ｒ１を介して電源に接続されている。

フォトダイオード↓５Ａ、、１５Ｂば高入力ＯＰアンプ
２１−１．　２１．−２を介して差動接続されており、
その差動出力がＯｌ）アンプ２１−３により増幅される
ものとなっ°ζいる。ずなわち、このＯＰアンプ２１−
３の増幅出力を変位検出凹路２１の出力電圧Ｖｏとし、
応答性改善のために挿入された位相補償回路２２．サー
ボアンプ２３を経由して電圧■としたうえ、この電圧Ｖ
ｌを１〜ルカコイル〕７のコイル］、　４．−Ｌ　　１
４−２に印加するものとしている。

したがって、コイル１４．−１．、　１４−２に電流ｉ
が流れ、変位したスリンｌ−１２−１を零点に戻ず力Ｆ
２をトルカコイル１７が発生し、加速度によって振子１
２に加わる力と平衡する。そして、このときの電流ｉが
電流検出回路２４において検出され、ＯＰアンプ２４−
１の出力として現れるため、このＯＰアンプ２４−１の
出力に基づき、人力加速度を検出することができるもの
となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来のサーボ加速度計による
と、前記（５）式および（６）式から明らかなように、
ＫとＡ。Ａ、Ａ、Ａ３との比でその精度が決定されるか
ら、精度を高めるためには、ハネ定数Ｋが極めて小さく
なるようにフレクチャー１１を薄＜シ、かつ−軸しか自
由度を持たないような構造とする必要がある。このため
、加工および組め立てが困難となり、製品状態でもその
取り扱いには慎重さを要する。

また、第７図において、サーボ系で利用する検出範囲は
、Ｌ　ｓ　／　２〜−Ｉ−ｓ　／　２までの範囲であす
、振子１２がこの範囲を超えて変位してしまった場合、
正帰還がかかり、振子〕２は片側に振り切った状態とな
ってしまう。

このとき（振子１２が片側に振り切れたとき）、フレク
チャー１１の弾性領域を超えて歪を生しる場合が多く、
これを防止する目的上、ストソバ（図示せず〉が振子１
２の両側に設置される。そして、このストノバは、一般
に市販されている２分割フォトダイオード１５のＬ　（
１寸法がＩ　ｍ　ｍ　ｆ、（ので、０．５　ｍｍ〜−０
，５ｍ、ｍの幅で振７−１２が振動するように、両側か
ら調整する必要がある。

一方、振子１２ば、その組み付は状態で、その支点の鉛
直方向に変位検出機構１８の零点があるように設計され
る。ここで、ハネ定数Ｋが零でなかった場合を考えると
く製品の性能仕様とコスＩ・との妥協点で精度を決定し
ており、したがってに＝０ではない）、フレクチャー１
１の初期的な歪や組み付は時に生した歪によって、振子
１２が変位検出機構１８の零点に位置するとは限らない
。

すなわち、 ■フレクチャー１１に歪が生しており、振子Ｊ２が変位
検出機構１８の検出範囲内に位置していた場合は、ハネ
定数Ｋが零でないため、フレクチャー１１による反力に
よる分だけ加速度計出力にオフセントを生しる。

■フレクチャー１１に歪が生じており、振子１２が変位
検出機構１８の検出範囲外に位置している場合は、先に
説明したように、振子１２が片側に振り切ってしまう。

なお、組み付は公差が大きい場合、２分割フォトダイオ
ード１５の位置を微小に調整する機構が必要となる。こ
の調整は、電源をオンする前に行うか、帰還ループを開
放にして行うかの２ｉｆｆｉりが考えられるが、何れの
場合でも微小な調整作業となり、コストア・ノブが避け
られない。また、重要機能部品である２分割フォトダイ
オード】５の位置を調整するため、サーボ加速度計とし
ての信頼性を低下させてしまう。なお、変位検出機構１
８の検出範囲を広くするためには、２分割フォトダイオ
ード１５のアンプサイズを大きくする以外に０ 方法がないので、やはりコストアンプとなってしまう。

さらに、フォトダイオードの出力インピーダンスは一般
に大きいので、第８図に示したような回路構成を必要と
し、またＢｉ−ＭＯ３人力ｏｐアンプ等の高入力インピ
ーダンスのアンプ２１−１゜２Ｉ−２を使用し、かつ信
号線のリーク対策が必要であったため、高価格となる問
題があった。

また、変位検出機構１８の光源１６としてＬＥＤを利用
しているが、ＬＥＤの輝度は温度特性を有し、かつ輝度
の劣化を生しる。この輝度変化は、２分割フォトダイオ
ード１５での入射光量を変化させるから、変位検出回路
２１の出力電圧の利得が変動する。従って、サーボ加速
度計の開放利得を変化させるから、輝度変化の補正回路
が必要となる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はこのような課題を解決するためになされたもの
で、振子の変位量を検出しこの検出変位量に応じた電流
を振子に取り付けられたコイルに流すことにより振子に
加わる力に平衡する力を発生させるサーボ回路を備えた
サーボ加速度計において、振子の位置をこの振子に設け
られたスリツトを通過する通過光の照射位置に応じた抵
抗値として検出するフォトポテンショメータと、このフ
ォトポテンショメータの検出々力と可変可能に設定され
る設定出力との差を振子の検出変位量として出力する変
位検出回路とを備えたものである。

〔作用〕

したがってこの発明によれば、フォトポテンショメータ
の抵抗値変化として振子の位置が検出され、このフォト
ポテンショメータの検出々力と可変可能に設定される設
定出力との差が振子の検出変位量とされ、この検出変位
量に応じた電流がコイルに流されるものとなる。

〔実施例〕

以下、本発明に係るサーボ加速度計を詳細に説明する。

第１図はこのサーボ加速度計の一実施例を示す回路構成
図である。同図において、第８図と同一１ ２ 符号は同一あるいは同等構成要素を示しその説明は省略
する。このサーボ加速度計の従来のものと異なる点は、
変位検出回路２１゛の構成にある。

すなわち、従来のサーボ加速度計においては、その変位
検出機構１８に２分割フォトダイオード１５を使用して
いたが、本実施例のサーボ加速度計においてはフォトポ
テンショメーク２０を使用している。第２図はこのフォ
トポテンショメータ２０の概略的な構造を示す平面図で
あり、セラミソク基板（図示せず）の上に図の如く導体
２０−１゜光導電体（ＣｄＳ、Ｃｄ５ｅ）２０−２およ
び金属皮膜抵抗２０−３が印刷されている。光導電体２
０２は、周囲が暗い場合は高抵抗を有するが、光が照射
されると抵抗値が低下する性質をもつ。従って、スリン
ｌ−１２−１を通過した通過光が光導電体２０−２に照
射されると、その照射された部分の抵抗が局部的に低下
し、導体２０−１と金属皮膜抵抗２０−３とを電気的に
短絡し、その通過光の照射位置に応じた抵抗値すなわち
電圧値となって、導体２０−１に接続された電極２０ｂ
より導出されるものとなる。すなわち、光導電体２０−
２における光の照射位置という機械的寸法で、電極２０
ａ、２０ｃを介して金属皮膜抵抗２０−３に印加された
電圧が分圧され、この分圧電圧が電極２０ｂより導出さ
れるものとなる。そして、この電極２０ｂより導出され
る電圧がＯＰアンプ２１−３の反転入力端へ与えられる
一方、オフセ・２ト調整ポテンショメータ２１−４によ
る調整電圧が設定電圧として、ＯＰアンプ２１−３の非
反転入力端へ与えられるものとなっている。

このように構成されたサーボ加速度計にあっては、組み
立てを完了した状態で水平に置き、オフセント調整ポテ
ンショメータ２１−４をその中点近傍の基準位置に設定
した状態で電源をオンとすると、オフセント調整ポテン
ショメータ２１−４による設定電圧とフォトポテンショ
メータ２０の出力電圧（電極２０ｂより導出される電圧
）が一致した点で、定点サーボがかかり振子１２が停止
する。

この時、トルカコイル１７は変位検出機構１８゛の零点
に対しての振子１２のずれをキャンセルす３ ４ ベく力を発生しているので、このトルカコイル１７に流
れる電流を零とするようにオフセンｌ−調整ボテンショ
メータ２１−４による設定電圧を調整すれば、振子１２
の機械的零点が決定されるものとなり、フォトポテンシ
ョメータ２０の出力電圧とオフセソト調整ポテンショメ
ータ２１−４により調整された設定電圧との差が振子１
２の検出変位量とされ、この検出変位量に応じた出力電
圧Ｖ。が変位検出回路２１゛より出力されるものとなる
。

すなわち、本実施例によるサーボ加速度計によれば、 ■フレクチャー１１のハネ定数Ｋが零でない、■フレク
チャー１１の歪がある、 ■振子１２は組み付は状態で鉛直方向にずれがある、 という場合でも、 ｆａ）電気的に振子１２の機械的零点調整が可能である
。

（ｂ）調整工程が簡素化する。

（Ｃ１変位検出機構１８゛の位置調整機構が不要となり
信頼性が向上する。

また、バネ定数には製品の性能使用の範囲内で零でない
有限な値が許されるので、 （ｄｌフレクチャー１１の機械的強度が向上でき、製品
の対衝撃性が向上する。

（ｅ）フレクチャー１１の加工および絹み付は時の取り
扱いが簡単となる。

（ｆ）フレクチャー１１のコスＩ・ダウンを促進できる
。

また、フォトポテンショメータ２０により広範囲にわた
ってリニアな振子１２の変位検出が可能であるので、 （ｇ＋検出範囲逸脱による振子工２の振り切れ現象がな
い。

（ｈ）フレクチャー１１の弾性領域内でスＩ・ソバを設
定すればよい。

（ｉ１ストソバの調整が不要である。

（ｊ）ｌみ立て完了後、すぐに通電可能であり、調整作
業が簡単となる。

また、変位検出回路２１゛の回路構成が単純化するので
、 ５ ６ （ｋ＋コストダウンを促進できる。

（１）信頼性が向上する。

さらに、フォトポテンショメータ２０の出力インピーダ
ンスが比較的低いので、 （ｍ＋汎用バイポーラＯＰアンプが使用可能となる。

また、フォトポテンショメータ２ｏの動作原理から明ら
かなように、変位検出回路２１゛の利得はＬＢＤｌ、６
の輝度変化に無関係であるので、ＬＢＤｌ６の輝度が変
化してもサーボ加速度計の開放利得に影響しないから、 （ｎ）開放利得が安定しており、設計余裕度が向上する
。

（０）輝度変化補償回路が不要となる。

〔発明の効果〕

以上説明したことから明らかなように本発明によるサー
ボ加速度計によると、フォＩ・ポテンショメータの抵抗
値変化として振子の位置が検出され、このフォトポテン
ショメータの検出々力と可変可能に設定される設定出力
との差が振子の検出変位量とされ、この検出変位量に応
じた電流がコイルに流されるものとなるので、設定出力
の調整により振子の機械的零点を電気的に決定すること
ができるようになる等、従来のサーボ加速度計において
問題となっていた各種問題を一挙に解消し得る効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るサーボ加速度計の一実施例を示す
回路構成図、第２図はこのサーボ加速度計に使用するフ
ォトポテンショメータの概略的な構造を示す平面図、第
３図はサーボ加速度計の動作原理を説明するためのブロ
ソク線図、第４図は従来のサーボ加速度計のメカ構造を
示す断面斜視図、第５図はこのザーボ加速度割における
変位検出ａ構の要部を示す平面断面図、第６図は第５図
におけるＡ方向矢視図、第７図はこのサーボ加速度計に
おいてその位置変位量Ｘと出力電圧Ｖ。との理想特性を
示す図、第８図はこのサーボ加速度計の回路構成図であ
る。 １２・・・振子、１２−■・・・スリツト、１３１１３
−２・・・マグネツト、１４．−１．　１４−２・７ ８ ・・コイル、１７・・・トルカコイル、１６・・・ＬＥ
Ｄ、１８”・・・・変位検出機構、２ｏ・・フォトポテ
ンショメータ、２１゛　・・・変位検出回路、２１−４
・・・オフセフ１〜調整ボテンシＥｌメータ、２１−３
　・・・ｏｐアンプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 振子の変位量を検出しこの検出変位量に応じた電流を前
   記振子に取り付けられたコイルに流すことにより前記振
   子に加わる力に平衡する力を発生させるサーボ回路を備
   えたサーボ加速度計において、前記振子の位置をこの振
   子に設けられたスリットを通過する通過光の照射位置に
   応じた抵抗値として検出するフォトポテンショメータと
   、このフォトポテンショメータの検出々力と可変可能に
   設定される設定出力との差を前記振子の検出変位量とし
   て出力する変位検出回路とを備えてなるサーボ加速度計
   。