(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、基台に対して弾性部材によって支持されて振動可能となった振り子と、基台と振り子との間の相対変位を検出するピックアップと、相対変位が発生した振り子を中立点の方へ戻す力を発生するトルカと、前記ピックアップからの出力信号が入力されて前記トルカへの帰還信号を出力すると共に振動速度信号を出力する信号処理部と、を有するサーボ型振動計において、
前記信号処理部は、
前記ピックアップからの出力信号を周波数によって高域信号と低域信号とに弁別する弁別手段と、
前記弁別手段からの高域信号を増幅して前記帰還信号とする第１増幅手段と、
前記弁別手段からの高域信号を積分して前記振動速度信号とする積分手段と、
前記弁別手段からの低域信号を微分して前記帰還信号とする微分手段と、
前記弁別手段からの低域信号を増幅して前記振動速度信号とする第２増幅手段と、
を有することを特徴とするサーボ型振動計。
【請求項２】
前記弁別手段は、ハイパスフィルタと、ローパスフィルタとで構成されることを特徴とする請求項１記載のサーボ型振動計。
【請求項３】
前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数と、ローパスフィルタのカットオフ周波数とがほぼ同じであることを特徴とする請求項２記載のサーボ型振動計。
【請求項４】
前記信号処理部は、トルカへの帰還信号を振動加速度信号として出力することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のサーボ型振動計。
【請求項５】
前記信号処理部は、前記ピックアップからの出力信号の直流成分を取り出すローパスフィルタをさらに備え、該ローパスフィルタからの出力を、前記帰還信号に加算することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のサーボ型振動計。
【請求項６】
前記信号処理部は、前記ローパスフィルタからの出力を、直流加速度信号として出力することを特徴とする請求項５記載のサーボ型振動計。
【請求項７】
前記弁別手段は、前記第１増幅手段と前記微分手段とに接続される第１信号弁別ユニットと、前記積分手段と前記第２増幅手段とに接続される第２信号弁別ユニットと、から成ることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のサーボ型振動計。
【請求項８】
前記信号処理部は、さらに、前記第１増幅手段と前記微分手段とのそれぞれの出力を加算する第１の加算手段と、前記積分手段と前記第２増幅手段とのそれぞれの出力を加算する第２の加算手段と、を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のサーボ型振動計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地震や建物の揺れ等の振動を測定するために、振動速度信号を出力するサーボ型の振動計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のサーボ型振動計としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。
【０００３】
この特許文献１で記載されたサーボ型振動計を図１３に示す。このサーボ型振動計１は、振子２を備えており、振子２に作用した振動変位が変位検出器３によって電気信号に変換され、この変位出力がアンプ４を介して駆動部５へと供給されるようになっている。振子２は、支持バネ６によって支持されると共にその一部に減衰器７が接続される。
【０００４】
振子２に作用した振動は変位検出器３によって、その振子２の変位が電気信号として検出され、これがアンプ４を介して出力されると同時に、アンプ４からの電気信号は、微分回路８を経て駆動部５に帰還されて、駆動部５では、振子２の変位の微分出力の大きさに対応した復元力が働き、振子２が元の位置に戻される力が発生される。
【０００５】
この振子２の運動方程式は、次式で与えられる。
【０００６】
【数１】
0005043726.tif 000002
【０００７】
ここで、右辺は振子２に働く外力の総和であって、右辺第１項は減衰器７の制動力、第２項は支持バネ６の復元力、第３項は駆動部５による復元力であり、第４項は振動加速度による慣性力であり、xは振子２の変位、yは振動計１の変位、mは振子２の質量、kは支持バネ６のバネ定数、Dは減衰器７の定数、Aはアンプ４のゲイン、A’は微分回路８及び駆動部５によるゲインである。
【０００８】
上式を書き直すと、
【０００９】
【数２】
0005043726.tif 000003
となる。ここで、左辺第２項のアンプ４のゲインAを大きく設定すると、上式は、近似的に
【００１０】
【数３】
0005043726.tif 000004
と表すことができ、振子２の変位量xは、振動計１の空間に対する変位yの速度に比例することになる。こうして、アンプ４からの出力を速度信号として得ることができる。
【００１１】
【特許文献１】実公平６−２８６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来の構成では、広い周波数帯域で速度信号を検出しようとすると、アンプ４のゲインを高くする必要がある。しかしながら、高い周波数に対しては、感度が低くなるため、これを補うために、サーボループのアンプ４のゲインを一層大きくすると、大きな振動入力に対して帰還信号が飽和してしまうので、ダイナミックレンジが制限され大きな速度を検出することができない、という問題がある。
【００１３】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、その目的は、広い帯域で高感度な振動速度信号が得られ、ダイナミックレンジを広げることができるサーボ型振動計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明の請求項１記載の発明は、基台と、基台に対して弾性部材によって支持されて振動可能となった振り子と、基台と振り子との間の相対変位を検出するピックアップと、相対変位が発生した振り子を中立点の方へ戻す力を発生するトルカと、前記ピックアップからの出力信号が入力されて前記トルカへの帰還信号を出力すると共に振動速度信号を出力する信号処理部と、を有するサーボ型振動計において、
前記信号処理部は、
前記ピックアップからの出力信号を周波数によって高域信号と低域信号とに弁別する弁別手段と、
前記弁別手段からの高域信号を増幅して前記帰還信号とする第１増幅手段と、
前記弁別手段からの高域信号を積分して前記振動速度信号とする積分手段と、
前記弁別手段からの低域信号を微分して前記帰還信号とする微分手段と、
前記弁別手段からの低域信号を増幅して前記振動速度信号とする第２増幅手段と、
を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の前記弁別手段が、ハイパスフィルタと、ローパスフィルタとで構成されることを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数と、ローパスフィルタのカットオフ周波数とがほぼ同じであることを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の前記信号処理部が、トルカへの帰還信号を振動加速度信号として出力することを特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の前記信号処理部が、前記ピックアップからの出力信号の直流成分を取り出すローパスフィルタをさらに備え、該ローパスフィルタからの出力を、前記帰還信号に加算することを特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の前記信号処理部が、前記ローパスフィルタからの出力を、直流加速度信号として出力することを特徴とする。
【００２０】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の前記弁別手段が、前記第１増幅手段と前記微分手段とに接続される第１信号弁別ユニットと、前記積分手段と前記第２増幅手段とに接続される第２信号弁別ユニットと、から成ることを特徴とする。
【００２１】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の前記信号処理部が、さらに、前記第１増幅手段と前記微分手段とのそれぞれの出力を加算する第１の加算手段と、前記積分手段と前記第２増幅手段とのそれぞれの出力を加算する第２の加算手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、入力振動の周波数に応じて高域信号と低域信号に弁別して、それぞれに適した構成をとることによって、それぞれの帯域で有利な構成とすることができて、相対的に雑音成分の影響が少なく、正しい振動速度信号が得られ、結果として高域と低域を合わせた全帯域で高感度な振動速度信号が得られる。
【００２３】
低域では高感度な速度信号を微分手段で微分し、高域では高感度な加速度信号を第１増幅手段で増幅して帰還信号を作るので、サーボループのゲインの制限が緩和され、大きなダイナミックレンジを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明によるサーボ型振動計１０の実施形態を示す全体図である。
【００２５】
サーボ型振動計１０は、全体として、機構部１２と電気回路部１４から成る。
【００２６】
機構部１２は、基台２０に弾性部材としてのヒンジ２２を介して連結された振り子２４と、トルカ２６と、振り子２４の変位を検出するピックアップ２８とから成る。トルカ２６は、マグネット３０と振り子２４に結合されたトルカコイル３２とから成る。ピックアップ２８は、例えば、光学的に振り子２４の変位を検出する発光器と受光器とから構成することができる。
【００２７】
振り子２４に振動入力が加えられて基台２０に対して相対変位すると、この変位はピックアップ２８によって光学的に光量として検出されてこの光量が電圧に変換される。ピックアップ２８からの電圧信号は電気回路部１４へと入力される。
【００２８】
電気回路部１４は、信号処理部３４と、出力抵抗３６と、を有する。電気回路部１４からピックアップ２８で検出された振り子２４の相対変位がゼロとなって振り子２４が中立位置へと戻るような電流がトルカコイル３２及び出力抵抗３６へと流れるようになっている。
【００２９】
この機構部１２で構成される振り子の運動方程式を考えると次のようになる。
【００３０】
【数４】
0005043726.tif 000005
ここで、振り子２４の変位である角度をθ、振り子のペンデュロシィティをP、慣性モーメントをJ、ヒンジのバネ定数をk、粘性減衰定数をc、振動入力をFとしている。
【００３１】
sをラプラス変数とした場合、振り子の振動系S(s)は、
【００３２】
【数５】
0005043726.tif 000006
と表される。この振動系の固有周波数ω0は
【００３３】
【数６】
0005043726.tif 000007
である。
【００３４】
図２は、本発明のサーボ型振動計１０のブロック図を表す。
【００３５】
図２中、Kpはピックアップ２８のゲインである。信号処理部３４は、ピックアップ２８からの出力信号を高域信号と低域信号とに弁別する弁別手段としての、第１信号弁別ユニット４０及び第２信号弁別ユニット４２を有している。各信号弁別ユニットには一つの入力端４０ａ、４２ａと二つの出力端４０ｂ、４０ｃ、４２ｂ、４２ｃとが設けられ、入力端４０ａ、４２ａには、前記ピックアップ２８からの電圧信号が入力される。
【００３６】
図３は、各信号弁別ユニット４０、４２の具体的なブロック図である。各信号弁別ユニット４０、４２は、ハイパスフィルタ４４とローパスフィルタ４６とから成り、これによって、ピックアップ２８の出力信号を周波数によって高域信号と低域信号に弁別出力する。ハイパスフィルタ４４とローパスフィルタ４６のカットオフ周波数はほぼ同じとするとよい。
【００３７】
第１信号弁別ユニット４０から高域信号が出力される出力端４０ｂには、該高域信号を所定のゲインG1で増幅する通常の第１アンプ（第１増幅手段）５０が接続され、第１信号弁別ユニット４０から低域信号が出力される出力端４０ｃには、該低域信号を微分してゲインG2で増幅する微分アンプ５２(微分手段)が接続される。
【００３８】
第２信号弁別ユニット４２から高域信号が出力される出力端４２ｂには、該高域信号を積分して所定のゲインA1で増幅する積分アンプ（積分手段）５４が接続され、第２信号弁別ユニット４２から低域信号が出力される出力端４２ｃには、該低域信号をゲインA2で増幅する第２アンプ５６(第２増幅手段)が接続される。
【００３９】
第１アンプ５０と微分アンプ５２のそれぞれの出力は、第１の加算点６０（加算手段）で加算されて、帰還ループ６２に接続される。帰還ループ６２には、ゲインG4で増幅する帰還アンプ６４が設けられる。ここで、帰還アンプ６４はトルカ２６を含めたものである。
【００４０】
積分アンプ５４と第２アンプ５６のそれぞれの出力は、第２の加算点６８（加算手段）で加算されて、振動速度信号出力端７０となる。また、第１の加算点６０からの信号は、振動加速度信号出力端７２となる。
【００４１】
以上のように構成されるサーボ型振動計１０の作用を説明する。
【００４２】
今、振動入力のうちの高周波成分を考えると、振動系S(s)の振り子２４の変位を検出するピックアップ２８からの高周波信号は、第１信号弁別ユニット４０のハイパスフィルタを通過し、第１アンプ５０を通って帰還される。また、第２信号弁別ユニット４２のハイパスフィルタを通過し、積分アンプ５４を通って、振動速度信号出力端７０に出力される。つまり、図２のブロック図で表されるサーボ型振動計は、図４に示すブロック図と等価となる。
【００４３】
ここで、図４の運動方程式は次のようになる。
【００４４】
【数７】
0005043726.tif 000008
【００４５】
図４の伝達関数G(s)は
【００４６】
【数８】
0005043726.tif 000009
で表される。サーボ型としたことでこの振動系の固有周波数ω3は
【００４７】
【数９】
0005043726.tif 000010
となり、サーボ型にする前に比べて固有周波数が大きくなり、この分だけ帯域を広くすることができる。この伝達関数G(s)のゲインと周波数の関係を図５に示す。
【００４８】
ω3よりも小さい周波数では、（４）式において、振り子の変位θの項が支配的になるから、振り子の変位が振動入力の加速度に比例することを利用する。即ち、
【００４９】
【数１０】
0005043726.tif 000011
である。ここで、ｙは振動計の変位である。
【００５０】
よって、ピックアップ２８からの出力信号を積分した積分アンプ５４からの出力が、振動速度信号として第１の加算点６０に供給される。また、第１アンプ５０からの出力が振動加速度信号として第２の加算点６８に供給される。
【００５１】
次に、振動入力のうちの低周波成分を考えると、振動系S(s)の振り子２４の変位を検出するピックアップ２８からの低周波信号は、第１信号弁別ユニット４０のローパスフィルタを通過し、微分アンプ５２を通って帰還される。また、第２信号弁別ユニット４２のローパスフィルタを通過し、第２アンプ５６を通って、振動速度信号出力端７０に出力される。つまり、図２のブロック図で表されるサーボ型振動計は、図６に示すブロック図と等価となる。
【００５２】
ここで、図６の運動方程式は次のようになる。
【００５３】
【数１１】
0005043726.tif 000012
【００５４】
図６の伝達関数G(s)は
【００５５】
【数１２】
0005043726.tif 000013
で表される。この系の固有周波数は変化しないが、減衰係数比ζが元々の振動系の減衰係数比ζ0と比べて大きくなり、ダンピングされる。
【００５６】
【数１３】
0005043726.tif 000014
【００５７】
この場合、固有周波数近傍では、振り子の速度項が支配的になるから、振り子の速度が振動入力の加速度に比例し、つまり、振り子の変位が振動入力の速度に比例することを利用する。（９）式より、固有周波数近傍でしか速度信号に比例しなかったものが、固有周波数を中心としてダンピングされた分だけ帯域が拡大（例えば範囲がω1からω4まで）する。この伝達関数G(s)のゲインと周波数の関係を図７に示す。
【００５８】
よって、ピックアップ２８からの出力信号を増幅した第２アンプ５６からの出力が、振動速度信号として第１の加算点６０に供給される。また、微分アンプ５２からの出力が振動加速度信号として第２の加算点６８に供給される。
【００５９】
以上のようにして、第１の加算点６０及び第２の加算点６８でそれぞれ加算することによって、高域信号と低域信号の合成信号となり、出力端７０から振動速度信号が出力され、出力端７２から振動加速度信号が出力される。
【００６０】
信号弁別ユニットのハイパスフィルタとローパスフィルタのカットオフ周波数をω2、図７の低域のカットオフ周波数をω1、図５の高域のカットオフ周波数をω3とすると、第１の加算点６０の入力は図８となる。横軸は周波数で縦軸は振動加速度信号のゲインである。
【００６１】
第１の加算点６０の出力はその合成信号となり図９となる。横軸は周波数で縦軸は振動加速度信号のゲインである。第２の加算点６８でもまったく同じとなり、その場合、図８及び図９の縦軸は振動速度のゲインとなる。
【００６２】
信号弁別ユニットのハイパスフィルタ４４とローパスフィルタ４６のカットオフ周波数ω2は、加速度と速度の変位量が同じω＝１が理想的であるが、実際の振動系の固有周波数ω0やサーボアンプの実現可能なゲイン範囲を参考にして決定するとよい。
【００６３】
この実施形態では次の効果が得られる。
【００６４】
ピックアップで検出する変位が振動入力の加速度に比例する場合、周波数が高いほど変位が大きくなるのでより感度が大きい。高域信号に対しては、図４に示す構成となっているので、加速度を高い感度で検出することができ、それを積分することで正しい速度信号が得られる。
【００６５】
一方、低域信号に対しては、図４に示す構成では、感度が低いために雑音成分が多く、積分アンプ５４でピックアップ２８からの信号を積分して速度信号を得ようとした場合、雑音成分も積分されて正しい速度信号を得るのが困難となってしまう。
【００６６】
しかしながら、低域信号に対しては図６に示す構成となっており、ピックアップで検出する変位を振動入力の速度に比例させることで、高感度に振動速度信号を得ることができる。
【００６７】
こうして、入力振動の周波数に応じて高域信号と低域信号に弁別して、それぞれに適した構成をとることによって、それぞれの帯域で有利な構成とすることができて、相対的に雑音成分の影響が少なく、正しい振動速度信号が得られ、結果として高域と低域を合わせた全帯域で高感度な振動速度信号が得られる。
【００６８】
低域では高感度な速度信号を微分し、高域では高感度な加速度信号を用いて帰還信号を作るので、サーボループのゲインの制限が緩和され、大きなダイナミックレンジを得ることができる。
【００６９】
図１０は、本発明のサーボ型振動計の第２実施形態を示すブロック図である。前実施形態と同じ部材は同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００７０】
この例では、信号処理部３４は、１つの信号弁別ユニット４８を有している。この信号弁別ユニット４８には一つの入力端４８ａと二つの出力端４８ｂ、４８ｃとが設けられ、入力端４８ａには、前記ピックアップ２８からの電圧信号が入力される。信号弁別ユニット４８から高域信号が出力される出力端４８ｂには、第１アンプ５０と積分アンプ５４とが接続され、信号弁別ユニット４８から低域信号が出力される出力端４８ｃには微分アンプ５２と第２アンプ５６とが接続される。
【００７１】
このような構成によっても、第１実施形態と同様の作用・効果が得られる。
【００７２】
図１１は、本発明のサーボ型振動計の第３実施形態を示すブロック図である。前実施形態と同じ部材は同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００７３】
この例では、第１実施形態の構成において、信号処理部３４がさらに直流帰還ユニット８０を有している。この直流帰還ユニット８０は、ピックアップ２８からの電圧信号が入力されるローパスフィルタ８２と、積分アンプ８４とから成る。また、直流帰還ユニット８０からの信号は、直流加速度信号出力端７４となる。
【００７４】
この直流帰還ユニット８０はピックアップ出力から直流成分だけを抜き出して積分し、これを帰還するものである。直流帰還ユニット８０からの出力は第１の加算点６０に加えられる。こうすることで振り子２４が傾斜したとしても振り子２４の位置が正しくピックアップのゼロ点に拘束される。直流帰還ユニット８０からの出力は直流加速度に比例しているので、出力端７４から直流加速度信号が出力される。
【００７５】
第１の加算点６０の入力は図１２となる。横軸は周波数で縦軸は加速度信号のゲインである。直流帰還ユニット８０のローパスフィルタ８２のカットオフ周波数は、図７及び図９の低域のカットオフ周波数ω1と同等か、または小さくするとよい。
【００７６】
第１及び第２実施形態では、帰還信号に振動成分しか含まれていないので、振動成分以外の入力によって、振り子の位置が不定になる可能性がある。しかしながら、第３実施形態によれば、帰還信号に直流成分を含めることで、振り子２４の位置が正しくピックアップのゼロ点に拘束される。また、直流加速度信号出力端７４から出力される信号は、直流加速度に比例するので、この直流加速度を取り出すことによって、振動計の姿勢の変化を検出することができる。従って、振動計が初期の姿勢から傾斜して振り子の検出軸がずれたとしても、直流加速度信号出力端７４からの信号によって傾斜を検出することで、正しい検出軸における速度信号に、演算により変換・校正をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明によるサーボ型振動計の実施形態を示す全体図である。
【図２】本発明のサーボ型振動計の第１実施形態を表すブロック図である。
【図３】信号弁別ユニットの詳細ブロック図である。
【図４】高周波の振動入力に対する本発明のサーボ型振動計の等価ブロック図である。
【図５】図４の伝達関数G(s)のゲインと周波数の関係を表すグラフである。
【図６】低周波の振動入力に対する本発明のサーボ型振動計の等価ブロック図である。
【図７】図６の伝達関数G(s)のゲインと周波数の関係を表すグラフである。
【図８】第１の加算点で加算する前の信号の周波数帯域を表すグラフである。
【図９】第１の加算点で合成した信号の周波数帯域を表すグラフである。
【図１０】本発明のサーボ型振動計の第２実施形態を表すブロック図である。
【図１１】本発明のサーボ型振動計の第３実施形態を表すブロック図である。
【図１２】図１１において第１の加算点で加算する前の信号の周波数帯域を表すグラフである。
【図１３】従来のサーボ型振動計の構成例である。
【符号の説明】
【００７８】
１０  サーボ型振動計
２０  基台
２２  ヒンジ（弾性部材）
２４  振り子
２６  トルカ
２８  ピックアップ
３４  信号処理部
４０  第１信号弁別ユニット（弁別手段）
４２  第２信号弁別ユニット（弁別手段）
４８  信号弁別ユニット（弁別手段）
４４  ハイパスフィルタ
４６  ローパスフィルタ
５０  第１アンプ（第１増幅手段）
５２  微分アンプ（微分手段）
５４  積分アンプ（積分手段）
５６  第２アンプ（第２増幅手段）
６０  第１の加算点（加算手段）
６８  第２の加算点（加算手段）
８２  ローパスフィルタ
【図１】
0005043726.tif 000015
【図２】
0005043726.tif 000016
【図３】
0005043726.tif 000017
【図４】
0005043726.tif 000018
【図５】
0005043726.tif 000019
【図６】
0005043726.tif 000020
【図７】
0005043726.tif 000021
【図８】
0005043726.tif 000022
【図９】
0005043726.tif 000023
【図１０】
0005043726.tif 000024
【図１１】
0005043726.tif 000025
【図１２】
0005043726.tif 000026
【図１３】
0005043726.tif 000027