(57)【要約】【課題】振動を電圧として出力する振動センサを用い、高分解能の振動検出装置を提供すること。【解決手段】本装置は振動を検出し、振動エネルギーの変化を電圧の変化に変換して出力する振動センサ部１と、振動センサ部１から電圧の変化を入力され、当該電圧の変化を対応する発振周波数の変化に変換して信号波として出力する電圧制御発振器２とを備える。電圧制御発振器２は水晶発振子３１を用いたコルピッツ発振回路、および可変容量ダイオードＶＤ１、ＶＤ２を用いて構成されている。制御入力端子に制御電圧を供給すると、可変容量ダイオードＶＤ１、ＶＤ２の容量が制御電圧に応じた容量値となり、この容量値に応じた周波数で共振部が共振するので、電圧制御発振器２に電圧として入力された振動エネルギーの変化は、電圧制御発振器２における周波数の変化として変換される。【選択図】図２
2014020836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動を検出してその振動情報を外部に伝達する振動検出装置であって、
振動を検出し、当該振動加速度に応じた電圧を出力する振動センサ部と、
前記振動センサ部の出力側に制御入力端子が接続され、振動の加速度を発振周波数の変化分として検出するための電圧制御水晶発振器と、を備えたことを特徴とする振動検出装置。
【請求項２】
前記振動センサ部と前記電圧制御水晶発振器との間に、前記振動センサ部から出力された電圧を減衰する減衰回路部を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の振動検出装置。
【請求項３】
前記振動センサ部の出力電圧の範囲を複数に分割した分割範囲の各々に、互いに発振周波数が異なる複数の電圧制御発振器を割り当て、
前記出力電圧に応じて、前記振動センサ部の出力側を前記分割範囲に対応する電圧制御発振器に選択的に接続する第１の選択部と、
前記第１の選択部で選択された電圧制御発振器の発振周波数だけが取り出されるよう、電圧制御発振器の出力を選択するための第２の選択部と、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の振動検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界を用いて振動を検出する振動検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
橋の老朽化に伴って、橋の微振動を検出する要求が高まっている。橋は無人であることが多く、その微振動情報の伝達にはイーサネット（登録商標）や無線が提案されている。また、地震の予知や解析のために複数の観測地点において微震を観測することが要求されているが、観測地点の全てに観測用人員を配置することは現実的ではない。その他にも、地震以外にも、崩落の危険が大きい斜面など、微振動をモニタする要請が高まっている。
【０００３】
このような需要から、微振動を検出するセンサを用い、その情報を遠隔地からモニタするシステムが実用化されている。これらのシステムでは、微振動検出に磁界を基礎にした発電機能を有する振動検出部が用いられている。このセンサは振動の加速度を電圧に変換することができ、出力された電圧を解析することで微振動の状態を解析する方法が採用されている。
【０００４】
しかしながら、振動検出装置は、振動検出部の出力が電圧であるため、電圧値を高い分解能で検出して表示する機器として簡易なものが存在せず、結果として測定結果の表示の精度が低くなるという問題がある。
【０００５】
また、最近では通信技術の発達により、振動情報の伝達手段として、遠隔地との通信に、携帯電話網などの無線やイーサネットを用いた安価な通信機器を利用することが可能となったが、振動検出部と通信機器との間の接続を簡略化することは未だに困難であり、また接続部の機構自体も高価なものとなっている。このため構造が簡単で、費用も廉価である、通信機能を併設した振動検出装置が求められている。
【０００６】
振動センサの例として特許文献１には、ケース内に固定され永久磁石により磁化された鉄芯、当該鉄芯が挿入されたボビンとボビンに巻回されたコイルからなり、ケース内に吊り線で吊り下げられた可動ヨーク、及び前記永久磁石と共に磁気回路を構成する固定ヨークを底部に有する振動センサが開示されている。当該振動センサは振動により可動ヨークが変位することによりコイルの中心を通る磁束が変化し、コイルに振動に応じた電圧が発生することにより振動の大きさを検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１９７３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は振動エネルギーを高い分解能で測定することができる振動検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、振動を検出してその振動情報を外部に伝達する振動検出装置であって、
振動を検出してその振動情報を外部に伝達する振動検出装置であって、
振動を検出し、当該振動加速度に応じた電圧を出力する振動検出部と、
前記振動検出部の出力側に制御入力端子が接続され、振動の加速度を発振周波数の変化分として検出するための電圧制御水晶発振器と、を備えたことを特徴とする。  
本発明の振動検出装置はまた、
前記振動検出部と前記電圧制御水晶発振器との間に、前記振動検出部から出力された電圧を減衰する減衰回路部を備えていてもよく、また、
前記振動検出部の出力電圧の範囲を複数に分割した分割範囲の各々に、互いに発振周波数が異なる複数の電圧制御発振器を割り当て、
前記出力電圧に応じて、前記振動検出部の出力側を前記分割範囲に対応する電圧制御発振器に選択的に接続する第１の選択部と、
前記第１の選択部で選択された電圧制御発振器の発振周波数だけが取り出されるよう、電圧制御発振器の出力を選択するための第２の選択部と、を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、振動エネルギーを電圧で出力するセンサ部を用いた振動検出装置において、振動検出部の出力電圧を電圧制御発振器に制御電圧として入力し、これにより振動のエネルギーを発振周波数として捉えるようにしているので、振動エネルギーを高分解能で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る振動検出装置における振動センサ部の構造を簡単に示した模式図である。
【図２】本発明に係る振動検出装置の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図３】振動センサ部における発振周波数の時間的推移の一例を模式的に示したグラフである。
【図４】本発明に係る振動検出装置の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図５】本発明に係る振動検出装置の第２の実施の形態の一部を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る振動検出装置に用いられる振動センサ部１の構成図である。  
振動センサ部１は、図１のように地面Ｇに固定されたケース６０に対して支柱６５で固定されたマグネット６２と、ケース６０内にコイル６３を保持したボビン６１及びボビン６１を支持する板バネ６４から成る。このケース６０に振動を与えると、マグネット６２はケース６０の動きに従って振動するが、コイル６３は板バネ６４に支持されたボビン６１内にあるため振動しない。このため、マグネット６２とコイル６３は相対的に振動するので、ファラデーの電磁誘導の法則によりコイル６３に誘電起電力が発生する。この発生した電力の大きさを測定することで、振動エネルギー、例えば振動の加速度の大きさを測定できる仕組みになっている。
【００１３】
図２は、本発明に係る振動検出装置の第１の実施形態を示す構成図である。  
振動検出部の後段には、電圧制御発振器２が設けられ、振動センサ部１の出力端は、減衰回路部３及び加算部７を介して電圧制御発振器２の制御入力端子Ｐに接続されている。減衰回路部３は例えば振動センサ部１の出力電圧レベルを１／１０に減衰するように構成されている。電圧制御発振器２はこの例では水晶発振子３１を用いたコルピッツ発振回路を用いて構成されている。コルピッツ発振回路は、水晶振動子３１を含む共振部、増幅部を成すトランジスタ３２、及びトランジスタ３２により増幅された高周波信号が水晶振動子３１に正帰還する帰還部を備えており、共振部は、供給電圧に応じて容量が変わる電圧可変容量素子例えば可変容量ダイオードＶＤ１、ＶＤ２を含んでいる。２１〜２４はコンデンサ、２５はインダクタ、２７、２８は抵抗である。
【００１４】
制御入力端子Ｐに制御電圧を供給すると、可変容量ダイオードＶＤ１、ＶＤ２の容量が制御電圧に応じた容量値となり、この容量値に応じた共振周波数で共振部が共振し、この共振周波数の交流信号がトランジスタ３２の例えばエミッタから出力される。即ち、電圧制御発振器２は、制御電圧に応じて発振周波数が変化し、この例では制御電圧の増加に伴い発振周波数が高くなる。加算部７では減衰回路部３からの電圧と基準電圧とが加算され、加算値が制御端子Ｐに供給される。基準電圧は、制御電圧と発振周波数との関係が直線となる領域において、制御電圧の最小値に対応する大きさに設定されている。従って振動センサ部１からの電圧が０であるときは、発振周波数は制御電圧の最小値に対応する値となる。
【００１５】
トランジスタ３２の出力側には、増幅回路１５、変調回路１６および送信回路１７が接続されている。送信回路１７から出力された信号は、例えば遠隔地にある受信局１０で受信される。受信局１０は受信回路１０１、復調回路１０２及び信号処理部１０３からなり、信号処理部１０３は表示部１０４に接続される。
【００１６】
次にこの実施の形態の作用と効果について説明する。今、振動センサ部１が振動していないときには、減衰回路部３からの電圧は０であるから、制御入力端子Ｐには基準電圧が入力され、電圧制御発振器２は基準電圧に応じた周波数、例えば７３ＭＨｚで発振する。そして振動センサ部１が固定されている環境が振動すると、この振動の加速度の大きさに応じた分だけ制御電圧が大きくなり、その増加分だけ制御電圧が大きくなり、発振周波数が高くなる。電圧制御発振器２におけるトランジスタ３２からのエミッタからの交流信号は、増幅回路１５を介して変調回路１６へと入力され、ここでキャリア信号と混合されて、送信回路１７から無線で受信局１０に伝達される。この際の変調方式としてはＳＳＢやスペクトラム拡散などが用いられる。受信局１０では、受信波を復調して電圧制御発振器２の発振周波数を取り出し、予め求めておいた発振周波数と振動の加速度との関係データと、前記発振周波数とに基づいて、振動の加速度を求める。電圧制御発振器２においては、制御電圧に応じて可変容量ダイオードＶＤ１、ＶＤ２の容量値が変化するので、減衰回路部３から送られる電圧の範囲は可変容量ダイオードＶＤ１、ＶＤ２との容量値と電圧とが直線関係となる大きさに収まっていることが望ましい。
【００１７】
前記電圧の範囲が前記直線関係となる大きさに収まっていない場合は、例えば受信局側で、可変容量ダイオードＶＤ１、ＶＤ２の容量値と電圧との関係を示すアルゴリズムを作成し、このアルゴリズムに基づいて制御電圧と発振周波数との関係、つまり振動の加速度と発振周波数との関係を求めることが出来る。図３に振動センサ部１が時刻ｔ１から振動し始めたときにおける発振周波数の時間的推移の一例を模式的に示している。発振周波数は、制御電圧が基準電圧であるときは周波数ｆ０となっているが、振動センサ部１が振動すると、発振周波数が振動に応じて変化する。図３において発振周波数のピーク値が振動の加速度に対応し、発振周波数の変化のサイクルはセンサの振動数に対応する。
【００１８】
上述実施形態によれば、振動エネルギーを電圧で出力する振動センサ部を用いた振動検出装置において、振動検出部の出力電圧を電圧制御発振器に制御電圧として入力している。これにより振動エネルギーの変化を発振周波数の変化として捉えるようにしているので、振動エネルギーの変化を高分解能で検出することができる。
【００１９】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施形態は、電圧制御発振器２を１個用いた場合に、振動センサ部１の出力電圧を減衰して得られた電圧の範囲が当該電圧制御発振器２の制御電圧の範囲と対応しない場合の対応策の一つの形態である。振動センサ部１の出力電圧の範囲を複数、例えば３つに分割すると共に、これら分割された３つの電圧の範囲の各々に３つの電圧制御発振器２を割り当てる。そして前記出力電圧の範囲に応じて、つまり振動センサ部１の出力電圧が属する分割領域に応じて、３つの電圧制御発振器２の中から対応する電圧制御発振器が選択される。この場合、３つの電圧制御発振器２における可変範囲が互いに異なるように設定し、振動センサ部１からの出力電圧の入力により、制御電圧が基準電圧であるときの発振周波数の変化分を検出すると共に、発振周波数を検出していずれの電圧制御発振器２からの発振周波数であるかについても把握することにより、振動センサ部１の出力電圧の大きさ、即ち振動の加速度が分かる。
【００２０】
図４はこのような例を示しており、減衰回路部３の後段側は３つの分岐ライン８１〜８３に分岐され、各分岐ライン８１〜８３には、図５に示すように減衰回路部３からの出力電圧の大きさに応じて分岐ライン８１〜８３を選択するためのスイッチ部であるリレー接点５１〜５３が夫々設けられている。今説明を容易にするため、減衰回路部３からの出力電圧の範囲を０〜３Ｖとし、３つの電圧制御発振器４１〜４３の周波数可変域が１．００ＭＨｚ〜１．０５ＭＨｚ、１．１０ＭＨｚ〜１．１５ＭＨｚ、１．２０ＭＨｚ〜１．２５ＭＨｚであり、いずれの電圧制御発振器４１〜４３についても制御電圧が１〜２Ｖの間で可変出来るものとする。また分岐ライン８２、８３におけるリレー接点５２、５３の入力側には夫々第１の加算部９２、９３が設けられ、夫々負のバイアス電圧である例えばＶ２０（−１Ｖ）及びＶ３０（−２Ｖ）が入力されているものとする。後述するように減衰回路部３の出力電圧の範囲が０〜１Ｖ、１Ｖ〜２Ｖ、２Ｖ〜３Ｖのときに夫々リレー接点５１、５２、５３が選択的に閉じるので、各分岐ライン８１〜８３からは夫々０〜１Ｖの電圧が後段側に出力されることになる。符号５で示す鎖線で囲んだ部分は分岐ライン８１〜８３を選択するための第１の選択部であり、当該説明では、第１の加算部９２、９３についても便宜上選択部５の中に記載してある。
【００２１】
選択部５の後段側の分岐ライン８１〜８３には夫々第２の加算部７１〜７３が設けられ、各加算部７１〜７３には、制御電圧の範囲の下限値（制御電圧と発振周波数とが直線関係になる制御電圧の下限値）である１Ｖが加算されるようになっている。図５のリレー接点５１、５２及び５３は、夫々リレー回路部５０１、５０２及び５０３により駆動され、リレー回路部５０１、５０２及び５０３は、論理「１」が入力されるとリレー接点５１、５２及び５３を閉じ、論理「０」が入力されるとリレー接点５１、５２及び５３を開くように構成されている。
【００２２】
リレー回路部の入力側には、減衰回路部３の出力電圧に応じて、駆動するリレー回路部を選択するための論理回路群が設けられている。ウインドウズコンパレータ（以下単に「コンパレータ」という）１０１、１０２及び１０３は、参照電圧が夫々０Ｖ〜１Ｖ、１Ｖ〜２Ｖ及び２Ｖ〜３Ｖに設定されている。減衰回路部３の出力電圧が０Ｖ〜１Ｖのときにコンパレータ１０１の出力のみが論理「１」になった場合には、アンド回路３０１の出力が「１」になり、オア回路４０１から論理「１」が出力されてリレー回路部５０１が駆動されてリレー接点５１が閉じる。
【００２３】
またヒステリシスによりコンパレータ１０１、１０２の出力がいずれも論理「１」になった場合には、アンド回路３０２の出力が「１」になり、オア回路４０１から論理「１」が出力されてリレー回路部５０１が駆動されてリレー接点５１が閉じる。
【００２４】
減衰回路部３の出力電圧が２Ｖ〜３Ｖのときにコンパレータ１０２の出力のみが論理「１」になった場合には、アンド回路３０３の出力が「１」になり、リレー回路部５０２が駆動されてリレー接点が閉じる。またヒステリシスによりコンパレータ１０２、１０３の出力がいずれも論理「１」になった場合には、アンド回路３０４の出力が「１」になり、リレー回路部５０２が駆動されてリレー接点５２が閉じる。更に減衰回路部３の出力電圧が３Ｖ〜４Ｖのときにコンパレータ１０３の出力のみが論理「１」になった場合には、アンド回路３０４の出力が「１」になり、リレー回路部５０３が駆動されてリレー接点５３が閉じる。
【００２５】
また、変調回路の後段には第２の選択部５ａが設けられている。第２の選択部５ａは、３つの電圧制御発振器４１〜４３のいずれかの出力を選択するものであり、第１の選択部５により選択した電圧制御発振器４１（４２、４３）を選択するように構成されている。具体的には変調回路１６と送信回路１７との間にリレー接点５４〜５６が設けられ、これらリレー接点５４〜５６が夫々５０１〜５０３の出力により夫々リレー接点５１〜５３と同じタイミングで開閉するように構成されている。従って第１の選択部５と第２の選択部５ａとにより、振動センサ部１の出力電圧に応じて電圧制御発振器４１〜４３のいずれかが選択されて、選択された電圧制御発振器４１（４２、４３）の発振周波数が、振動センサ部１の出力電圧に応じて変化し、当該電圧制御発振器４１（４２、４３）の出力が選択されて送信部１７ａ（１７ｂ、１７ｃ）を介して送信されることになる。
【００２６】
第２の実施形態の作用について説明する。振動センサ部１が振動していないときには振動センサ部１の出力が０であるから、第１の選択部及び第２の選択部の選択作用により、即ちリレー接点５１、５４が閉じ、リレー接点５２、５３、５５、５６が開いていることにより、電圧制御発振器４１が選択されて、電圧制御発振器４１からの発振周波数が受信局１０に送信される。
【００２７】
そして振動センサ部１が振動して、その出力電圧が振動の加速度に対応した値である例えば５Ｖになると、減衰回路部３の出力電圧が０．５Ｖとなり、電圧制御発振器４１が選択されてその発振周波数が受信局１０に送信される。受信局１０では発振周波数の増加分に応じて第１の実施形態と同様にして振動の加速度が求められる。  
また減衰回路部３の入力電圧が例えば１５Ｖとなったときには、減衰回路部３からの出力電圧が１．５Ｖとなり、第１の加算部９２にて１Ｖ分差し引かれる。そして得られた０．５Ｖと基準電圧１Ｖとが第２の加算部７２にて加算され、加算値である１．５Ｖが制御入力端子Ｐ２に入力される。また第１の選択部のリレー接点５２と第２の選択部のリレー接点５５とが閉じると共に、電圧制御発振器４２は１．５Ｖの制御電圧に対応する周波数で発振し、その発振周波数が受信局１０に送信される。  
また振動センサ部１の出力電圧が２５Ｖとなったときには、電圧制御発振器４３が選択され、同様にして１．５Ｖ（２．５Ｖ−２Ｖ＋１Ｖ）の制御電圧が電圧制御発振器４３に入力される。
【００２８】
既述のように電圧制御発振器４１〜４３は互いに周波数域が異なることから、予め受信局１０で受信する周波数と振動センサ部１の出力電圧との対応関係を把握しておくことにより、振動センサ部１の出力電圧を高い分解能で検出することができる。具体的には例えば電圧制御発振器４１〜４３毎に、振動センサ部１の出力電圧における各分割領域の２点の出力電圧と発振周波数との関係を把握することにより、例えば出力電圧と発振周波数との直線関係が求まり、この直線の式に基づいて、結果として振動センサ部１の振動の加速度が求まる。
【００２９】
このような実施形態によれば、振動センサ部１の出力電圧の範囲が広い場合であっても、一般的な電圧制御発振器２などを用いて対応することができる。
【００３０】
上述してきた実施形態において、第１の実施形態を例にとると、振動センサ部１の発生電圧は一般的に０〜５０Ｖであるので、電圧制御発振器が破壊されないように、電圧制御発振器２への入力電圧を減衰回路部３などを用いて低下させる必要がある。簡便のため、低下の度合いを１／１０とすると、電圧は０〜５Ｖまで低下する。これが電圧制御発振器２の制御電圧となる。
【００３１】
ここで、電圧制御発振器の出力周波数と電圧制御発振器の制御電圧とは直線関係（比例関係）にある。  
例えば発振周波数が３８ＭＨｚである電圧制御発振器では、１０−２Ｖの電圧の変化に対し周波数変化は３８Ｈｚ（１ｐｐｍ）、１０−３Ｖの電圧の変化に対し周波数変化は３．８Ｈｚ（０．１ｐｐｍ）、１０−４Ｖの電圧の変化に対し周波数変化は０．３８Ｈｚ（０．０１ｐｐｍ）、１０−５Ｖの電圧の変化に対し周波数変化は０．０３８Ｈｚ（１ｐｐｂ）となり、周波数表示は１０−３Ｈｚまで行うことができる。更にまた、１０−７Ｖの電圧の変化に対し周波数変化は０．０１ｐｐｂとなり、現状の周波数表示機器では１０−５Ｈｚまで周波数表示を行うことができる。  
一方電圧検出器の電圧表示分解能は通常１ｍＶである。よって電圧制御発振器の検出分解能はこれより格段に高いということができる。
【００３２】
なお、上述してきた各実施の形態及び実施例において、変換された信号波を外部に伝達する手段は無線に限らず、イーサネットやインターネット網などによっても実現できる。
【００３３】
以上において本発明は、振動の検出に限らず、風速の測定、流体の流量測定などにも応用することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１            振動センサ部
２            電圧制御発振器
５            選択部
１５          増幅回路
１６          変調回路
１７          送信回路
３１          水晶発振子
ＶＤ１、ＶＤ２                  可変容量ダイオード
【図１】
2014020836.tif 000003
【図２】
2014020836.tif 000004
【図３】
2014020836.tif 000005
【図４】
2014020836.tif 000006
【図５】
2014020836.tif 000007