JPH0389123A - 振動検出器 - 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ＰＩＤ１１１′４３１１器
８２に導き、そのＰＩＤ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９
２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９
１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、ＩＨｚ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（Ｃ１ｌ）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、ｆｏ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
を検出するものでばばね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すと、
その慣性用質量部す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すの変位を検
出する変位センサｄと、慣性用質量部すに電磁力を作用
させる電磁力発生手段ｅと、変位センサｄによる検出値
を人力するＰＩＤ制御手段手段を備え、ＰＩＤ制御手段
手段出力で電磁力発生手段ｅに供給する電流を制御し、
慣性用質量部す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
成したことによって、特徴付けられる。

く作用〉 支持部ａと慣性用質量部す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すに対して、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、慣性質量部すは支持部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ＰＩＤＩＤ制御手段
化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すを持ち上げるに
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。

〈実施例〉 第２図は本発明実施例の構成国で、（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、０））
は平面図を示し、慣性用ｆ置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−パ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、電磁力発生装置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Ｓ量とした
サーボ機構が形成され、慣性用ｉｔ量置部が支持部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
、微分時間りを０．２秒以下に設定して、系の固有振動
数ｒ０を２．５Ｈｚ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２．５＆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、Ｐ
ＩＤ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ＰＩ
Ｄ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の合計質量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ＰＩ
Ｄ入力は最大入力値を保っているので、■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ＩＭ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
て時点で質ｉＭ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−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
ＰＩＤ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ｔｌ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ｉｔＭが
持ち上がるように設計して、積分時間■を３秒と０．３
秒に切り換え可能にしておく場合、■が３秒のままでは
約３Ｘ８０１５＝４８秒で安定状態に到達するのに対し
、■を０．３秒に切り換えると、０．３ｘ８０１５＝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±０．３ｃｎ＋とすれば、系の固有振
動数ｆ０は１．８抛程度となる。

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４ａ、４ｂ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４２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台底した電流を
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＠御器 ８・・・・パワーアンプ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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とともに、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
   、上記変位センサによる検出値を振動計測出力として取
   り出すよう構成してなる振動検出器。