１．はじめに
地震計(jì)測(cè)などの低周波數(shù)域での低レベル振動(dòng)を計(jì)測(cè)する振動(dòng)センサとしては圧電セラミックを使用した圧電式の加速度計(jì)やサーボ式の加速度計(jì)が多く使用されています。特に、サーボ式の加速度計(jì)は圧電式とは動(dòng)作原理が異なり、低雑音にＤＣ加速度まで測(cè)定できるのが大きな特徴です。今回、新たにサーボ式の加速度計(jì)LS-10Cよりも性能を向上させたLS-40Cをラインナップしましたので紹介いたします。
２．LS-40Cの特長(zhǎng)と用途
リオンのサーボ式の加速計(jì)としては、従來(lái)からL(zhǎng)S-10Cがあります。LS-10Cは、感度が0.3V/m/s2、DC～100Hzの周波數(shù)範(fàn)囲でフラットであり、10-5m/s2の分解能を持っています。特に、圧電式の加速度センサと比較すると1Hz以下の周波數(shù)で性能が非常に優(yōu)れています。従って、地震観測(cè)あるいは、建築、土木における大型構(gòu)造物の振動(dòng)計(jì)測(cè)や制御を目的とする計(jì)測(cè)には適しています。しかし、半導(dǎo)體産業(yè)などにおける除振臺(tái)の制御を行うための微振動(dòng)計(jì)測(cè)では、LS-10Cよりもさらに低レベルの振動(dòng)計(jì)測(cè)を必要としています。 LS-40Cでは、感度が0.5V/m/s2、周波數(shù)範(fàn)囲はLS-10Cと同等、ノイズレベルはLS-10Cに対して1/6(10-6 m/s2の分解能)に減らしていますので、より低レベルの振動(dòng)計(jì)測(cè)が可能になっています。（図２,３） また、LS-40CはLS-10Cに比べて消費(fèi)電流などの電気的な特性が若干異なっていますが、その點(diǎn)を注意すれば外形はまったく同じなので単純に置換えることよって性能の向上を図ることが出來(lái)ます。
３．サーボ式加速度計(jì)の構(gòu)成
サーボ式加速度計(jì)（LS-40CとLS-10C共に共通）は図４に示すように振り子、振り子位置検出器、振り子に電気力を作用させるアクチュエーター、裝値全體を制御する電器回路の四つの部分で構(gòu)成されています。 外部からの加速度が作用する部分は振り子です。重りとバネによる振り子はバネの片端がケースに固定されていて、加速度が加わるとケースに対して変位します。振り子は重りの質(zhì)量は概ね１g程度ですが、バネが非常に柔らかいため共振周波數(shù)は非常に低くなっており、僅かな加速度でも振り子は大きく変位します。振り子のケースに対する変位は、振り子の共振周波數(shù)よりも低い周波數(shù)域では加わる加速に比例しています。振り子位置検出器は振り子のケースに対する位置変位を検出するセンサです。
振り子位置検出器はコンデンサ式、光學(xué)式等の方式がありますが、LS-40C/10Cでは獨(dú)自の光學(xué)式を採(cǎi)用しています。これについては次項(xiàng)で説明します。 アクチュエーターは振り子に取り付けられるコイルとケースに取り付けられる磁気回路で構(gòu)成されています。この構(gòu)成はマグネットとコイルを使用した動(dòng)電型スピーカーのようなもので、コイルに電流を流して振り子に電磁力を作用させるために使用されます。電気回路は振り子位置検出器で得られた電気信號(hào)を増幅してアクチュエーターのコイルに電流を流すために使用されます。
４．サーボ式加速度計(jì)の動(dòng)作原理
アクチュエーターを構(gòu)成しているコイルは振り子に取り付けられているためコイルに電流を流すとコイルと磁気回路間に電磁力が発生して、振り子は元の位置からずれますが、もし電流が流れるのと同時(shí)に電磁力と大きさが同じで方向が逆向きの加速度が加わると、二つの力は打ち消されるので振り子は動(dòng)かなくなります。逆に、振り子に加速度が加わった時(shí)に、コイルに加速度に応じた電流を流してあげれば振り子を靜止?fàn)顟B(tài)に保つことができます。すなわち外來(lái)の加速度の大きさや方向が変わった場(chǎng)合等にコイルに流す電流の大きさと方向を加速度に応じて変化させれば振り子を靜止?fàn)顟B(tài)にすることができます。 サーボ式加速度計(jì)では、振り子位置検出器が取り付けられていて、振り子の位置変位を検出しているため、振り子の位置変位に比例した*適の電流を自動(dòng)的に流して振り子を靜止?fàn)顟B(tài)に保つことができます。振り子の靜止?fàn)顟B(tài)への自動(dòng)制御は、電気回路のフィードバック動(dòng)作によって行われます。このように、サーボ式加速度計(jì)は、バネが固くなって振り子がケースと一體になって動(dòng)作しています。この固くなったバネはサーボ動(dòng)作の電磁力で 発生したものです。 以上のことから、サーボ式加速度計(jì)では、外來(lái)の加速度にバランスして振り子を靜止?fàn)顟B(tài)にするための電流が加速度に比例しているので、コイルを流れる電流を測(cè)定すると加速度が分かります。
５．LS-40C/10Cの振り子位置検出器
振り子位置検出器の性能はサーボ式加速度計(jì)のノイズ等の性能を大きく支配します。サーボ式加速度計(jì)の*も一般的振り子位置検出器はコンデンサ方式ですが、LS-40C/10Cは従來(lái)のものとは異なった光學(xué)方式を採(cǎi)用しています。この光學(xué)式振り子位置検出器はレーザーダイオード、２素子の分割型フォトダイオード、レンズを使用していて、コンデンサ方式よりも正確に振り子の位置を検出することができます。
構(gòu)造を図５に示します。レーザーダイオードと２素子分割型フォトダイオードが振り子を挾んでケースの対向する位置に取り付けられています。振り子にはレンズが取り付けられていて、レーザー光を２素子分割型フォトダイオードにフォーカスさせます。振り子に加速度が加わらない場(chǎng)合には振り子がセンターの位置にあるため、フォトダイオードの真ん中に光が入射し、二つの受光部は等量の光を受けます。加速度が加わって振り子が変位した場(chǎng)合にはフォーカススポットの位置がずれるので、二つの受光部の一方は 入射光量が増加し、他方は減少します。このため二つの受光部の光量差から振り子の位置が分かります。（図６）この方式が振り子の位置を従來(lái)方式よりも精度良く検出できるのは、レーザーダイオードを用いているためフォーカススポットの徑が非常に小さく、位置検出の分解能が優(yōu)れているためです。
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