(57)【要約】【課題】設置姿勢に影響されず、より精度よく上下方向の加速度を測定可能なサーボ型加速度計を提供する。【解決手段】本体ケース１内に支持バネ３ａにより上下動可能に支持された振子３の中立位置からの変位を、静電容量変化量により検出する変位検出部４と、この静電容量変化量に基づいて、前記振子を移動させる駆動コイル２ｂに電流を流して前記振子を前記中立位置に復帰させる駆動制御部（例えば、駆動部２、サーボアンプ５）と、を備え、前記駆動コイルに流した電流値により前記振子に加えられた加速度を計測するサーボ型加速度計１０において、前記本体ケースに設けられ、前記本体ケースの傾斜角度を計測する傾斜計測部６と、前記傾斜計測部により計測された傾斜角度に基づいて、前記振子の加速度を補正する加速度補正部７と、を備えた。【選択図】  図１
2004205284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体ケース内に支持バネにより上下動可能に支持された振子と、前記振子の中立位置からの変位を、前記本体ケースに設けられた固定電極と前記振子に設けられた可動電極との間の静電容量変化量により検出する変位検出部と、前記変位検出部により検出された静電容量変化量に基づいて、前記振子を移動させる駆動コイルに電流を流して前記振子を前記中立位置に復帰させる駆動制御部と、を備え、前記駆動コイルに流した電流値により前記振子に加えられた加速度を計測するサーボ型加速度計において、
前記本体ケースに設けられ、前記本体ケースの傾斜角度を計測する傾斜計測部と、
前記傾斜計測部により計測された傾斜角度に基づいて、前記振子の加速度を補正する加速度補正部と、
を備えることを特徴とするサーボ型加速度計。
【請求項２】
請求項１記載のサーボ型加速度計において、
前記支持バネを非線形バネとしたことを特徴とするサーボ型加速度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボ型加速度計に関し、特に、上下方向の加速度をより高精度に測定するサーボ型加速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、図３に示すように、サーボ型加速度計１００は、本体ケース１０１内に設けられた駆動部１０２と、振子１０３と、変位検出部１０４及びサーボアンプ１０５などにより構成されている。
【０００３】
駆動部１０２は、本体ケース１０１に固着された永久磁石１０２ａと、振子１０３に巻回されて、永久磁石１０２ａに対向して配置された駆動コイル１０２ｂと、からなり、駆動コイル１０２ｂに電流を流すことにより駆動コイル１０２ｂに電磁気力を発生させ、これによりこの駆動コイル１０２ｂに取り付けられた振子１０３が移動するようになっている。
【０００４】
また、振子１０３と永久磁石１０２ａの間に、支持ばね１０６とダンパー１０７とが並列に設けられている。
変位検出部１０４は、振子１０３に取り付けられた可動極板１０４ａと本体ケース１０１側の固定極板１０４ａとの間で形成されたコンデンサＣの静電容量の変化を測定することにより、振子１０３の変位を検出し、サーボアンプ１０５に出力する構成となっている。
サーボアンプ１０５は、変位検出部１０４の出力を入力して、振子１０３を中立位置に復帰させるための電磁気力を付与するため、駆動部１０２の駆動コイル１０２ｂの電流量制御を行う。
【０００５】
上記のように構成されたサーボ型加速度計１００では、振子１０３に加速度が加わって中立位置からずれると、変位検出部１０４はこのずれ量を静電容量変化量により検出し、この静電容量変化量に基づいてサーボアンプ１０５が駆動部１０２の駆動コイル１０２ｂに電流を流して、振子１０３を中立位置に戻す制御を行う。
そして、駆動コイル１０２ｂに流れた電流を測定することで、振子１０３に加えられた加速度を検出することが出来る（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１５３４７９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記サーボ型加速度計は、例えば、地震計として地中に埋設されて用いられることがある。地中では、地殻変動によりサーボ型加速度計の姿勢が変わってしまうことがある。サーボ型加速度計の姿勢が変わると固有振動数が高くなり、計測される加速度の精度に影響を与えてしまうという問題点があった。
【０００８】
本発明の課題は、設置姿勢に影響されず、より精度よく上下方向の加速度を測定可能なサーボ型加速度計を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、
請求項１記載の発明は、例えば、図１に示すように、本体ケース１内に支持バネ３ａにより上下動可能に支持された振子３と、前記振子の中立位置からの変位を、前記本体ケースに設けられた固定電極４ｂと前記振子に設けられた可動電極４ａとの間の静電容量変化量により検出する変位検出部４と、前記変位検出部により検出された静電容量変化量に基づいて、前記振子を移動させる駆動コイル２ｂに電流を流して前記振子を前記中立位置に復帰させる駆動制御部（例えば、駆動部２、サーボアンプ５）と、を備え、前記駆動コイルに流した電流値により前記振子に加えられた加速度を計測するサーボ型加速度計１０において、
前記本体ケースに設けられ、前記本体ケースの傾斜角度を計測する傾斜計測部６と、
前記傾斜計測部により計測された傾斜角度に基づいて、前記振子の加速度を補正する加速度補正部７と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項１記載の発明によれば、傾斜計測部により、本体ケースの傾斜角度が計測され、この計測された傾斜角度に基づいて振子に加わる加速度が補正されるので、駆動コイルに流れた電流から、傾斜成分の影響を排除することができることとなって、より精度良く加速度を測定することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のサーボ型加速度計において、
前記支持バネを非線形バネとしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、非線形バネを用いることで、低バネ定数としても静たわみ量を少なくすることができることとなって、高感度且つ小型のサーボ型加速度計を提供することができる。
即ち、振子を支持する支持バネを非線形バネとしたことにより、サーボ型加速度計の加速度データにおける傾斜成分の影響が線形バネに比べて顕著になるが、傾斜成分の補正ができるため、傾斜による測定精度の低下を防止することができるので、高感度且つ小型の加速度計を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１及び図２を参照して、本発明を適用したサーボ型加速度計の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１はサーボ型加速度計の要部構成を模式的に示した図である。
図１に示すサーボ型加速度計１０は、本体ケース１の内部に、駆動部２と、振子３と、変位検出部４と、サーボアンプ５と、傾斜計測部６と、加速度補正部７、移動機構部８と、移動制御部９と、信号出力部１１などを備えて構成されている。
【００１５】
駆動部２は、本体ケース１に固着されたマグネット（永久磁石）２ａと、マグネット２ａの凹部に挿入される振子３の足部３１に巻回された駆動コイル２ｂとから構成されており、駆動コイル２ｂに電流を流すことにより、振子３を移動させる電磁気力を発生する。
【００１６】
振子３は、一端が本体ケース１或いは壁部１ａに固定された支持バネ３ａにより上下動可能に支持されている。
支持バネ３ａは、例えば、非線形のダイヤフラムバネにより構成されている。ここで、例えば、図２に示すように、非線形のダイヤフラムバネ▲１▼は、振子３の荷重（Ｗ）による静たわみ領域において同等のばね定数をもつ線形バネ▲２▼のものに比べて、振子３の荷重（Ｗ）による静たわみ量（ｘ１）を小さくすることができる。
【００１７】
変位検出部４は、コンデンサとして機能する振子３の上端に取り付けられた可動極板４ａとケース本体１側に設けられた固定極板４ｂとを有し、この両極板４ａ、４ｂ間の電気容量の変化量を測定することによって、振子３の変位を検出し、検出した変位をサーボアンプ５に出力する。
【００１８】
サーボアンプ５は、変位検出部４からの出力を入力して、駆動部２と変位検出部４とを整合すべく駆動コイル２ｂに出力する電流量の制御を行う。
上述の構成において、振子３に加速度が加わって、振子３が計測点の零位置である中立位置からずれると、変位検出部４がこのずれ量を検出し、その信号を受けてサーボアンプ５は駆動部２の駆動コイル２ｂに電流を流すように作動する。
【００１９】
この電流は、振子３のずれと逆方向の力（電磁気力）を発生し、振子３を中立位置に戻すように作用する。この電磁気力は振子３にずれを起こした加速度とバランスしているため、この電流を測定することにより、振子３に加えられた加速度を検出することができる。
【００２０】
傾斜計測部６は、本体ケース１の内部に取り付けられた本体６１と、この本体６１の内部上端に、互いに直交する方向（例えば、南北方向と東西方向）に水平振子６２を回動させる振子回動部６３を備えている。
振子回動部６３は、本体６１の内側に固定された第１の軸６３ａと、この第１の軸６３ａに、上部が第１の軸６３ａの軸芯を支点として回動自在に支持された回動部材６４と、回動部材６４の下部に、第１の軸６３ａから離間して設けられ、第１の軸６３ａに対して、平面視で直交する第２の軸（図示省略）と、を備え、回動部材６４は、第１の軸６３ａに十字ばね（図示省略）によって支持されている。
【００２１】
第２の軸（図示省略）には、水平振子６２の上端が、第２の軸（図示省略）の軸芯を支点として支持され、十字ばね６５によって支持されている。
そして、この振子回動部６３によって、本体６１が第１の軸６３ａを中心とした方向に傾斜した場合に、水平振子６２が第１の軸６３ａを中心として傾斜し、また、本体６１が第２の軸（図示省略）を中心とした方向に傾斜した場合には、回動部材６４が傾斜することにより水平振子６２が第２の軸（図示省略）を中心として傾斜する。
【００２２】
また、水平振子６２の両側部には、それぞれポールピース６６ａを含む対向磁極６６、６６が装着され、同対向磁極６６、６６のポールピース６６ａ、６６ａを取り囲んで磁極間の磁束を横切るように、本体６１の内側壁から突出する電磁コイル６７、６７が設けられている。
この電磁コイル６７、６７と対向磁極６６、６６とにより、水平振子６２の第１の軸６３ａ方向の揺動に対応するフォースモータ（図示省略）が構成され、同様に水平振子６２の第２の軸６３ｂ方向の揺動に対応するフォースモータ（図示省略）も設けられている。
【００２３】
更に、水平振子６２の突起部６２ａと、この突起部６２ａを挟むように対向配置された東西一対の電極６８、６８、南北一対の電極（図示省略）とにより変位検出用コンデンサＣが構成されており、同コンデンサＣの電気容量の変化に応じ、水平振子６２の左右及び前後の揺動による突起部６２ａの変位が検出されるようになっている。
そして、水平振子６２に傾斜が生じた際に、コンデンサＣで検出された水平振子６２の変位を打ち消すようにフォースモータの電磁コイル６７、６７に電流を流す制御部６９と、この制御部６９により電磁コイル６７、６７に流された電流の強さに基づき傾斜角度を求める傾斜算出部７０とが設けられている。
【００２４】
傾斜算出部７０は、電流の強さから内部に備えた電気抵抗器（図示省略）を介して求められる電圧によって傾斜角度を算出するとともに、算出した傾斜角度を加速度補正部７に出力する。
加速度補正部７は、傾斜算出部７０により算出された傾斜角度データに基づいて、駆動コイル２ｂに流れる電流値から算出した加速度の補正を行う。
【００２５】
具体的には、本体ケース１が鉛直方向から角度θ分傾斜すると、振子３の荷重Ｗ（Ｎ）は、
【数１】
2004205284.tif 000003
になる。ここで、ｍ：振子質量（ｋｇ）、ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ2）、θ：傾斜角度、である。
また、支持バネ３ａと振子質量ｍで決まる振子系の固有振動数ｆn（Ｈｚ）は、
【数２】
2004205284.tif 000004
になる。ここで、ｋ：バネ定数（Ｎ／ｍ）、である。
【００２６】
従って、この振子系の固有振動数ｆnは、振子の傾斜により変わるので、計測される加速度の値も変化するが、傾斜算出部７０で算出された傾斜角度分が補正されるので、より正確な加速度を算出することができる。
【００２７】
移動機構部８は、固定電極４ｂを上下方向に移動させるものであって、例えば、一端が固定電極４ｂの上面に軸を中心に回動自在に固定されたネジ軸８１と、本体ケース２に設けられ、このネジ軸８１と螺合するネジ穴８２と、ネジ軸８１を回転駆動させるモータ８３などにより構成されている。そして、モータ８３が駆動することによりネジ軸８１が回転して、固定電極４ｂを上下に移動させることができるようになっている。
【００２８】
移動制御部９は、振子質量が中立位置時に検出される駆動コイル２ｂに流れる電流値の入力により、この入力された電流値が所定値よりも大きくなった場合に、移動機構部８のモータ８３を駆動させて固定電極４ｂを所定量（例えば、駆動コイル２ｂからの電流値が零となる位置）だけ移動させる。
即ち、支持バネ３ａがクリープ変形すると、支持バネ３ａの静たわみ位置が下方に下がるが、サーボアンプ５と駆動部２により、支持バネ３ａを元の中立位置に戻そうとするため、電流が駆動コイル２ｂに流れる。この電流値が所定値を超えた場合に、移動制御部９は、移動機構部８のモータ８３を駆動させることにより固定電極４ｂを移動させて、中立位置を変更する。
これにより、支持バネ３ａがクリープ変形しても、それに対応して固定電極４ｂの位置を移動させることができることとなって、非線形バネを使用して、より高感度且つ小型化が可能なサーボ型加速度計１０を提供することができる。
【００２９】
信号出力部１１は、移動制御部９の制御によって固定電極４ｂが移動した際の移動開始時及び移動終了時に各々信号を、図示しない記録部へ出力させる。
記録部（図示省略）は、信号出力部１１から出力された信号を加速度データと対応付けて記憶する。
【００３０】
次に、上記構成のサーボ型加速度計１０における傾斜補正動作について説明する。
まず、傾斜計測部６は、本体に取り付けられた水平振子６２が中立位置から変位すると、中央位置に戻そうとして、フォースコイル（図示省略）に電流を流す。このフォースコイル（図示省略）に流れた電流値から傾斜算出部７０により傾斜角度が算出され、算出された傾斜角度が加速度補正部７に出力される。加速度補正部７では、入力された傾斜角度分を補正して加速度を算出する。
【００３１】
次に、上記構成のサーボ型加速度計１０における可動極板４ａの中立位置補正動作について説明する。
まず、移動制御部７は、振子３が静たわみ位置に位置する時に駆動コイル２ｂに流れる電流値が所定値を超えたか否か判断し、超えたと判断した場合には、移動機構部６のモータ６３に駆動信号を出力すると同時に、信号出力部１１に移動開始信号を出力させる。すると、モータ６３は、回転駆動してネジ軸６１が回転し、固定電極４ｂが下方に移動する。そして、固定電極４ｂの移動に伴い可動極板４ａの中立位置も下方に移動し、駆動コイル２ｂに流れる電流値が減少する。そして、電流値が所定値となった場合には、移動制御部７は、移動機構部６のモータ６３に駆動停止信号を出力すると同時に、信号出力部１１に移動終了信号を出力させる。
【００３２】
以上説明した本発明に係るサーボ型加速度計１０によれば、傾斜計測部６により、本体ケース１の傾斜角度が計測され、この計測された傾斜角度に基づいて振子３に加わる加速度が補正されるので、駆動コイル２ｂに流れた電流から、傾斜成分の影響を排除することができることとなって、より精度の高い加速度を測定することができる。
【００３３】
また、支持バネ３ａとして非線形バネを用いることで、低バネ定数としても静たわみ量を少なくすることができることとなって、高感度且つ小型のサーボ型加速度計を提供することができる。
ここで、振子３を支持する支持バネ３ａを非線形バネとしたことにより、サーボ型加速度計１０の加速度データにおける傾斜成分の影響が線形バネに比べて顕著になるが、傾斜成分の補正ができるため、傾斜による測定精度の低下を防止することができるので、高感度且つ小型の加速度計を提供することができる。
【００３４】
なお、上記説明したサーボ型加速度計１０は、上記構成のものに限るものではなく、同様の作用効果を奏する範囲内で適宜変更してよい。
支持バネ３ａは、非線形バネでなく、線形バネを用いても良い。
移動機構部８は、ネジ軸８１を駆動して固定極板４ｂを移動するものに限らず、例えば、リフト機構により移動させてもよく、固定極板４ｂを精度良く移動できる機構であればどのようなものであってもよい。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、傾斜計測部により、本体ケースの傾斜角度が計測され、この計測された傾斜角度に基づいて振子に加わる加速度が補正されるので、駆動コイルに流れた電流から、傾斜成分の影響を排除することができることとなって、より精度の高い加速度を測定することができる。
【００３６】
請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、非線形バネを用いることで、低バネ定数としても静たわみ量を少なくすることができることとなって、高感度且つ小型のサーボ型加速度計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るサーボ型加速度計の断面図及び主要構成のブロック図を模式的に示した図である。
【図２】線形バネと非線形バネのバネ特性を説明するための図である。
【図３】従来のサーボ型加速度計の断面図及び配線図を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１      本体ケース
２      駆動部（駆動制御部）
２ｂ    駆動コイル
３      振子
３ａ    支持バネ
４      変位検出部
４ａ    可動極板
４ｂ    固定極板
５      サーボアンプ（駆動制御部）
６      傾斜計測部
７      加速度補正部
１０      サーボ型加速度計
６１      ネジ軸
６２      ネジ穴
６３      モータ
【図１】
2004205284.tif 000005
【図２】
2004205284.tif 000006
【図３】
2004205284.tif 000007