JP2000074780A

JP2000074780A - 振動／加振試験機

Info

Publication number: JP2000074780A
Application number: JP11045868A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Kubota; 友夫窪田; Eiji Uehara; 栄治上原; Fumihide Kamitsuma; 文英上妻
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2000-03-14
Anticipated expiration: 2019-02-24
Also published as: JP3908873B2

Abstract

(57)【要約】【課題】振動／加振試験機において摩擦に起因したス
テップ的な加速度波形の歪みを改善する。【解決手段】直線状に伸縮するアクチュエータを駆動
し、被試験体を任意の加振特性で加振する振動／加振試
験機において、アクチュエータの可動部に外乱吸収用の
錘部材１１を取り付ける。これにより、可動部の質量が
増加し、摩擦に起因したステップ的な加速度波形の歪み
を大幅に低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動／加振試験機に関
し、特に、直線状に伸縮するアクチュエータを駆動し、
被試験体を任意の加振特性で加振する振動／加振試験機
に関する。

【０００２】

【従来の技術】被試験体を任意の加振特性で加振し、そ
の耐震性能や耐久性を試験する振動／加振試験機（振動
試験機または加振試験機、以下、単に加振試験機とす
る）においては、加振波形の歪みを抑え、目標とする加
振波形が正しく再現されることが要求される。

【０００３】従来の加振波形の歪みの改善方法として
は、実開平５−１４８７９号に示されているように制御
系の変更により改善する方法、実開平４−１０４５５０
号や特公昭５６−７２３２６号に示されているように制
御入力に補正パルスを加算することで改善する方法が知
られている。

【０００４】このように、加振試験機の波形歪み改善方
法に関して色々な方法が提案されているが、これらは全
て制御入力の補正を行うことで波形歪みの改善を図って
いる点で共通している。

【０００５】

【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
このような従来の加振波形歪みの改善方法にあっては、
アクチュエータの摺動部等における摩擦に起因した波形
歪みを十分に改善することができなかった。

【０００６】図２４は従来の電気油圧式サーボ機構によ
る加振試験機の概略構成を示す。この加振試験機は、油
圧シリンダ３のシリンダロッド７を伸縮させ、取付用治
具９、１０の間に取り付けられた被試験体を加振するも
ので、油圧シリンダ３への油圧の供給を制御する油圧源
４、サーボ弁５及び電圧電流変換器６を備える。

【０００７】図２５はその線形モデルを示し、Ｋ１〜Ｋ
４は定数ゲインパラメータ、Ａはシリンダロッド７の受
圧面積、Ｍはシリンダロッド質量（ピストン、取付用治
具等を含む可動部の全質量）、ｓはラプラス演算子であ
る。また、サーボ弁５の動特性は今回の説明には直接関
係しないため、サーボ弁５のスプールは応答遅れなしと
仮定している。

【０００８】この加振試験機を正弦波加振したときの加
速度波形を図２６のに示す。ピストン摺動部等には摩
擦が作用しており、特に、ピストン行程端（死点）では
ピストン速度がゼロとなり静摩擦力が作用するため、加
速度波形はこのようにステップ的に大きく歪んでしま
う。この摩擦に起因した歪みはシリンダロッドが軽量化
されているときに特に顕著になる。この歪みを制御入力
によって完全にキャンセルするためには、制御入力によ
って加速度波形をステップ的に変化させることが必要で
ある。

【０００９】ここで図２５に示した線形モデルの制御入
力から加速度までの伝達特性を求めてみると図２７のよ
うになる。この図２７に示す伝達特性のゲイン線図は図
２８のようになり、高周波領域で遅れ特性となる。この
ため、制御入力にステップ状の信号を印加しても、図２
９に示すように加速度波形はステップ的な変化をするこ
とができない。

【００１０】このような理由から、制御入力の補正で
は、図２６ののように加速度波形が歪まされた後の収
束を速めることはできるものの、ステップ的な歪みａを
小さくすることはできず、加速度波形の歪みを十分に改
善することができなかった。

【００１１】本発明は、このような従来技術の問題点を
鑑みてなされたもので、制御入力の補正だけでは十分に
改善することができなかった摩擦によるステップ的な加
速度波形の歪みを改善することを目的とする。

【００１２】

【問題点を解決するための手段】第１の発明は、直線状
に伸縮するアクチュエータを駆動し、被試験体を任意の
加振特性で加振する振動／加振試験機において、アクチ
ュエータの可動部に外乱吸収用の錘部材を取り付けたこ
とを特徴とするものである。

【００１３】第２の発明は、第１の発明において、錘部
材を取り外し可能とし、アクチュエータの可動部質量を
可変にしたことを特徴とするものである。

【００１４】第３の発明は、第２の発明において、錘部
材を複数個備え、アクチュエータの可動部質量を可変に
したことを特徴とするものである。

【００１５】第４の発明は、第２または第３の発明にお
いて、アクチュエータの可動部質量に応じて設計された
複数の制御系を持ち、可動部質量に応じてそれらを選択
して使用可能な制御装置を備えたことを特徴とするもの
である。

【００１６】第５の発明は、第１から第４の発明におい
て、アクチュエータが上下に伸縮するロッドを備え、被
試験体取付用の治具をロッド上端に取り付け、錘部材を
前記治具とロッドとの間に取り付けたことを特徴とする
ものである。

【００１７】第６の発明は、第１から第４の発明におい
て、前記アクチュエータは上下に伸縮するロッドを備
え、被試験体取付用の治具をロッド上端に取り付け、錘
部材をロッド下端に取り付けたことを特徴とするもので
ある。

【００１８】第７の発明は、第１から第４の発明におい
て、錘部材を被試験体取付用の治具として用いる構成と
したことを特徴とするものである。

【００１９】第８の発明は、第１の発明において、錘部
材を取り付ける代わりに、アクチュエータの可動部質量
を錘部材の質量分だけ増加させたことを特徴とするもの
である。

【００２０】第９の発明は、第８の発明において、アク
チュエータが伸縮するロッドを備え、このロッドの質量
を増加させることにより、アクチュエータの可動部質量
を錘部材の質量分だけ増加させたことを特徴とするもの
である。

【００２１】第１０の発明は、第８の発明において、ア
クチュエータがピストンを備えた液圧シリンダであり、
このピストンの質量を増加させることにより、アクチュ
エータの可動部質量を錘部材の質量分だけ増加させたこ
とを特徴とするものである。

【００２２】第１１の発明は、第８の発明において、ア
クチュエータの可動部に接続された回り止めを備え、こ
の回り止めの質量を増加させることにより、アクチュエ
ータの可動部質量を錘部材の質量分だけ増加させたこと
を特徴とするものである。

【００２３】第１２の発明は、第８の発明において、ア
クチュエータの可動部に接続されたセンサあるいはセン
サ取付用冶具を備え、これらセンサあるいはセンサ取付
用冶具の質量を増加させることにより、アクチュエータ
の可動部質量を錘部材の質量分だけ増加させたことを特
徴とするものである。

【００２４】第１３の発明は、第１から第４の発明にお
いて、アクチュエータが伸縮する中空のロッドを備え、
錘部材が前記中空のロッド内に挿入されることを特徴と
するものである。

【００２５】第１４の発明は、第１の発明において、錘
部材がリンクを介して前記アクチュエータの可動部に取
り付けられることを特徴とするものである。

【００２６】第１５の発明は、直線状に伸縮するアクチ
ュエータを駆動し、被試験体を任意の加振特性で加振す
る振動／加振試験機において、アクチュエータの可動部
と接続される被試験体の構成要素に外乱吸収用の錘部材
を取り付けたことを特徴とするものである。

【００２７】

【作用及び効果】第１の発明によると、アクチュエータ
の可動部質量を増加させたことにより、摩擦が加速度に
与える影響が小さくなる。これにより、摩擦に起因した
加振波形の歪みを大幅に低減し、加振波形の歪みを許容
範囲内に収めることができる。しかも、可動部の質量を
増加させたことによる応答性の低下は後述するように制
御系の変更により改善することができるため問題となら
ない。

【００２８】また、第２、第３の発明によると、試験機
の推力に余裕がない場合には錘部材を取り外して試験を
行うことができる。したがって、試験機の推力が足りる
範囲内で錘部材を取り付け、加振波形の歪みを低減する
ことができる。

【００２９】また、第４の発明によると、アクチュエー
タの可動部質量に応じて適切な制御系を使い分けること
ができる。これにより、可動部が軽いものに対して可動
部が重い状態で調整された制御系を用いてしまって制御
系が発振気味になったり、逆に、可動部を重くしたもの
に対して可動部が軽い状態で調整された制御系を用いて
しまって制御系が保守的になったりするのを防止するこ
とができる。

【００３０】また、第５、第６の発明によると、既存の
試験機に対しても錘部材を容易に取り付けることができ
るという利点がある。また、第６の発明では、錘部材の
質量がロッドの引張方向に作用するので、圧縮時に撓ん
だロッドを元の形状に戻す作用があり、アクチュエータ
の作動性が向上する。

【００３１】また、第７の発明によると、第１から第４
の発明と同様の作用効果を奏しつつ、試験機の構成を簡
略化できる。また、錘部材と被試験体取付用の治具とが
一体化されるので、錘部材の取り付け不良や脱落を確実
に防止することができる。

【００３２】また、第８の発明によっても、第１の発明
と同様に、摺動部摩擦等に起因する加振波形の歪みを大
幅に低減することができ、錘部材の取付不良や脱落を防
止することがきる。また、第９、第１０の発明によると
可動部重心が可動部中心付近に位置することになるの
で、前後左右方向の振れに対する安定性が向上する。

【００３３】また、第１１の発明によると、アクチュエ
ータの側面に錘部材を取り付けることができるので、ス
ペース等の制約から錘部材をアクチュエータの上にも下
にも取り付けられない試験機であっても、側面に余裕が
ありさえすれば錘部材を取り付けることができる。

【００３４】また、第１２の発明によると、アクチュエ
ータの可動部質量を容易に増加させることができ、スペ
ースやコスト等の面でも有利になる。

【００３５】また、第１３の発明によると、錘部材をロ
ッド内に取り付けることができるが、錘部材の取付位置
を調整することにより可動部の重心位置を自由に設定で
きるので、前後左右の振れに対する安定性を向上させる
ことができる。

【００３６】また、第１４の発明によると、錘部材の取
付位置を調整することにより、アクチュエータの可動部
質量を可変とした場合と同様の効果を得ることができ
る。また、アクチュエータの可動部近傍に錘部材を取り
付けるスペースがない場合であっても錘部材を取り付け
ることができる。

【００３７】また、第１５の発明によると、加振試験機
は従来構造のまま、加振試験機の可動部質量を重くした
場合と同様の効果が得られる。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき本発明の
実施形態を説明する。

【００３９】図１は本発明を適用した加振試験機の概略
構成を示す。この加振試験機は、地面１に設置された門
型フレーム２と、門型フレーム２に固定された油圧シリ
ンダ３と、油圧シリンダ３へ油圧を供給する油圧源４
と、油圧源４から油圧シリンダ３への油圧の供給を制御
するサーボ弁５とから構成される。図示しないコントロ
ーラからの制御信号が電圧電流変換器６を介してサーボ
弁５に入力され、油圧シリンダ３のシリンダロッド７の
伸縮量が制御される。ここで油圧シリンダ３は両ロッド
式であり、シリンダロッド７が上下に貫通している。

【００４０】門型フレーム２から上方に平行に延びる２
本のアーム２ａ、２ｂの所定位置を結ぶクロスビーム８
を備え、シリンダロッド７の上端とクロスビーム８の下
面にはそれぞれ被試験体を取り付けるための取付用治具
９、１０が固定されている。図示しない被試験体の下部
を取付用治具９、上部を取付用治具１０にそれぞれ接続
し、シリンダロッド７を伸縮させれば被試験体に圧縮、
引張力が交互に作用し、被試験体が上下方向に加振され
る。

【００４１】このような構成のもと、本発明では、油圧
シリンダ３の可動部に外乱吸収用の錘部材１１を取り付
け、可動部の質量を増加させている。ここでは円盤状の
錘部材１１をシリンダロッド７と取付用治具９との間に
剛結合している。このような構造とすることにより、既
存の試験機に対しても錘部材１１を簡単に取り付けるこ
とができる。

【００４２】なお、錘部材１１の取り付け位置はこの位
置に限定されるものではなく、可動部であれば他の位置
であってもよい。例えば、図２に示すようにシリンダロ
ッド７の下端に取り付けてもよい。この場合、錘部材１
１の質量によりシリンダロッド７に引張方向の力が作用
するので、被試験体圧縮時の曲げ力によりシリンダロッ
ド７が垂直軸に対して偏心してもそれを元に戻す作用が
あり、シールなどへの負担が少なくなるという利点があ
る。

【００４３】また、錘部材１１と取付用治具１０とを一
体化した構成、すなわち、取付用治具１０をなくし、錘
部材１０を被試験体取付用の治具として用いる構成とし
てもよい。この場合、試験機の構成を簡略化できるとい
う利点に加え、錘部材１１の取り付け不良や脱落等を確
実に防止できるという利点もある。

【００４４】次に、作用について説明する。ここではま
ず、従来の制御系を変更する方法では摩擦によるステッ
プ的な加振波形歪みを改善できないことを示す。

【００４５】図３に示すブロック図は、図１あるいは図
２に示した加振試験機の線形モデルに制御系を加えたも
のである。図中のＫ１〜Ｋ４は定数ゲインパラメータ、
Ａはシリンダロッド７の受圧面積、Ｍはシリンダロッド
質量（ピストン、取付用治具等を含む可動部の全質
量）、ｓはラプラス演算子である。Ｃ１〜Ｃ４は任意の
コントローラであり、検出信号は油圧シリンダ３のシリ
ンダ室間の差圧と、シリンダロッド７の加速度、速度及
び変位とする。

【００４６】ここで図３に示したブロック図は、・外乱が加わる前の力ａは「差圧×Ａ」と等価なため、
差圧フィードバックで代表できる。・外乱が加わった後の力ｂは「加速度×Ｍ」と等価なた
め、加速度フィードバックで代表できる。・流量ｃは信号ｄ、ｅ、ｆの加減算で表すことができ、
ｄは「差圧×Ｋ３」と等価なため差圧フィードバックで
代表でき、ｅは「速度×Ｋ４」と等価なため速度フィー
ドバックで代表でき、ｆは「制御入力×Ｋ１」と等価で
あり、制御入力をフィードバックするということは、コ
ントローラＣ１〜Ｃ４の任意性より、これらコントロー
ラを予め調整しておくことで代表できる。・信号ｇは、「流量×Ｋ２」と等価なため、上記の説明
と同様に他の信号と同様に他の信号で代表できる。との
理由から電気油圧式サーボ機構に対する全ての制御系を
表すことができる。

【００４７】この図３において、摩擦による加速度波形
の歪みを評価するために、外乱（摩擦）から加速度まで
の伝達特性を求めると図４のようになる。ここで、図４
の特性においてコントローラＣ１〜Ｃ４を調整した場合
（制御系の変更した場合）の特性変化について説明す
る。

【００４８】図５は、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝０、Ｃ４＝正
の一定値とした場合の（以降、この特性を基準とす
る）に対して、Ｃ４を大きくした場合のと、小さくし
た場合のを示す。図６は基準のに対してＣ３を負の
一定値とした場合のと、正の一定値とした場合のを
示す。図７は基準のに対してＣ２を負の一定値とした
場合のと、正の一定値とした場合のを示す。図８は
基準のに対してＣ１を負の一定値とした場合のと、
正の一定値とした場合のを示す。

【００４９】これら図５〜図８に示すように、各検出信
号をフィードバックすることで、共振周波数、共振点の
減衰特性、共振周波数以下の低周波領域の特性を変える
ことができることがわかる。しかしながら、どの検出信
号をフィードバックしても、共振周波数より高周波の特
性は変えることができていない。これは、高周波領域の
特性が図４に示した伝達関数の分母分子の最高次数の係
数比によって決定されることによる。つまり、図４に示
したものではこの係数比が１／Ｍとなっており、コント
ローラＣ１〜Ｃ４を調整してもこの係数比は調整するこ
とができない。

【００５０】また、図５〜図８の例ではコントローラＣ
１〜Ｃ４が定数の場合について説明したが、コントロー
ラＣ１〜Ｃ４が任意の周波数特性を持っていると仮定し
ても、前述した係数比は調整することはできない。一般
的に周波数特性を持ったコントローラは以下のように記
述することができ（ａ、ｂは実数、ｎはゼロまたは正の
整数である）、

【００５１】

【数１】この式を図４に示す伝達関数においてコントローラＣ１
に適用すると、

【００５２】

【数２】となり分母分子の最高次数はｎ＋３次となる。しかしな
がら、それらの係数比は結局、

【００５３】

【数３】となり、コントローラに任意の周波数特性を持たせたと
してもやはりこの係数比は変えることはできない。ここ
ではコントローラＣ１に周波数特性を持たせた場合につ
いて示したが、コントローラＣ２〜Ｃ４に適用してみて
もこの係数比は変えることができないことを同様な計算
により確認できる。

【００５４】このように、外乱から加速度までの特性に
おいて、高周波領域の特性を制御系の調整では変えるこ
とができない。言い換えるならば、この高周波領域の特
性がその伝達特性の分母分子の最高次数の係数比１／Ｍ
で決定されるため、高周波領域の特性は可動部質量Ｍを
変更することによってはじめて変えることができるとい
える。

【００５５】このような考えに基づき、本発明ではアク
チュエータ可動部に錘部材１１を取り付け、可動部質量
Ｍを増加させている。ここで可動部質量Ｍを変化させた
場合の特性変化を図９に示す。図９のは、Ｃ１＝Ｃ２
＝Ｃ３＝０、Ｃ４＝正の一定値とした場合の基準波形
に対して、可動部の質量Ｍを大きくした場合を示し、
は可動部の質量Ｍを小さくした場合を示す。このよう
に、可動部の質量Ｍを変えることにより、制御系の変更
では変えることのできなかった高周波領域の特性を変え
ることができる。

【００５６】これを時間応答で評価すると、図１０の
に示すようになる。このように可動部の質量Ｍを大きく
することにより、摩擦によるステップ的な歪みａをｂに
小さくすることができ、加速度波形歪みを大幅に改善す
ることができる。

【００５７】なお、図５〜図９は特性変化を見やすくす
るため、共振点のダンピングはかなり悪い状態で記述し
ており、図１０は記述上簡単のためダンピングをよくし
た場合の波形を示しているが、摩擦によってステップ的
に歪まされる部分は共振点のダンピングによらず同じで
ある。

【００５８】ところで、アクチュエータ可動部に錘部材
１１を取り付け、可動部の質量を増加させると、加速度
波形の歪みを大幅に改善させるという効果があるが、可
動部の質量を増加させるとそれに伴い、（ａ）応答性の
悪化、（ｂ）試験機の必要推力の増大といった問題が生
じる。以下、これらの点について述べる。

【００５９】（ａ）応答性の悪化まず、可動部質量の増加に伴い応答性が悪化するという
問題について述べる。

【００６０】アクチュエータの可動部質量を変更した場
合の図９（外乱から加速度までの特性）に対応する目標
追従性（応答性）を図１１に示す。この図に示すよう
に、アクチュエータの可動部質量を大きくしてもバンド
幅（約１０Ｈｚ弱まで）の帯域においては、応答性はほ
とんど悪化しないことがわかる。通常、共振周波数はバ
ンド幅（応答できる最高周波数）に比べてより高周波領
域側に設定されているため、共振周波数がバンド幅の周
波数帯域内に入らない程度の質量増加ならば応答性悪化
は実用上問題とならない。

【００６１】また、可動部の質量増加が大きく、共振周
波数がバンド幅の周波数帯域内に入ったとしても、図５
〜図８に示したようにコントローラＣ１〜Ｃ４を調整す
ることによって低周波領域の特性は十分改善することが
できる（図５〜図８は外乱（入力）から加速度（出力）
の特性であるが、各コントローラによって調整できる周
波数帯域は、入力と出力をどこに取るかに関わらず同じ
である）。

【００６２】図１２のはアクチュエータの可動部質量
を大きくしすぎたため、共振点が図１１に示すバンド幅
（約１０Ｈｚ弱まで）の帯域に入ってしまった例を示
す。このような場合には、図６で示したように速度のマ
イナーフィードバックで共振周波数を高く設定し、図７
で示したように加速度のマイナーフィードバックで共振
点のダンピングを調整し、さらに図５で示したように変
位のフィードバックゲインを調整すればよい。これによ
り、図１２のに示すように目標値追従性を向上させる
ことができる。なお、図１２のでは、共振点のダンピ
ングを加速度フィードバックによって向上させているた
め、共振点のピークは確認できないようになっている。

【００６３】このように、制御系の変更によって応答性
は改善できるため、アクチュエータの可動部質量を大き
くしたことによる応答性の悪化は実用上問題とならな
い。

【００６４】（ｂ）試験機の必要推力の増大次に、可動部の質量を大きくすることにより、アクチュ
エータに要求される推力が大きくなるという問題につい
て説明する。

【００６５】通常、試験機では様々な加振条件で試験が
行われるが、これらの加振条件から必要となる最大推力
を計算することができる（変位の目標値を２回微分して
加速度を計算し、それに可動部の質量をかければ試験機
単体で必要となる推力を計算できるので、これに被試験
体からの反力を足せば良い）ため、これらの加振で必要
となる最大推力と試験機の最大推力とを比較し、試験機
の推力にどれだけ余裕があるかを計算することができ
る。

【００６６】このとき、加振で必要となる最大推力に対
して試験機の推力が十分大きい場合はかなりの自由度を
もって追加する錘部材の質量を決定することができる
が、摩擦による加速度波形のステップ的な歪を十分に低
減させたい場合は、最低でも可動部質量を２倍程度にす
る必要がある。また、摩擦や油の内部漏れによる推力ロ
スを考慮して、錘部材を追加することで加振で必要とな
る最大推力が試験機の最大推力の９０％を超えないよう
に錘部材の質量を決定するなどと、試験機の推力に余裕
を持たせせることも必要となる。

【００６７】また、加振で必要となる最大推力に対して
試験機の推力が十分大きくない場合、可動部の質量を増
加させると試験機の推力が不足してしまうため、可動部
の質量をほとんど増加することができない。また、可動
部の質量を増加させなければ加振で必要となる最大推力
を小さく抑えることができるが、今度は「質量Ｍ×加速
度ａ＝力Ｆ＋外乱Ｗ」の式より、加振で必要となる推力
Ｆが小さい場合、外乱Ｗが加振で必要となる推力Ｆに対
して相対的に大きくなり、加速度ａに現れる外乱の影響
が大きくなってしまう。

【００６８】そこで、このように加振で必要となる最大
推力に対して試験機の推力が十分に大きくない場合に
は、錘部材１１を脱着可能とし、試験機の推力が足りる
範囲で錘部材１１を取り付けるようにすればよい。

【００６９】これにより、試験機の推力に余裕がない場
合でも、加速度波形の歪みが大きく現れる加振条件（加
振で必要となる推力が小さい場合）において、試験機の
推力の許容範囲内で錘部材１１を取り付けることがで
き、加速度波形の歪みを十分に低減させることができ
る。

【００７０】以下、図１に示した加振試験機において錘
部材１１を取り外し可能にし、可動部の質量を２種類に
変更可能にした例を示す。なお、それぞれの加振条件で
必要となる推力の右側に括弧内に記述してある数値は、
１［Ｎ］の大きさの外乱が加速度波形歪みに及ぼす影響
である。

【００７１】

【表１】上記の例では、試験機の推力が１０［Ｎ］であり、従来
構造では加振条件１で必要となる推力が８［Ｎ］、加振
条件２で必要となる推力が４［Ｎ］であり、両加振条件
において試験機の推力は十分である。

【００７２】しかしながら、本発明を適用し、錘部材１
１を可動部に取り付け、可動部質量が従来の２倍（Ｍ→
２Ｍ）になると、加振で必要となる推力もそのまま２倍
となるため、加振条件１では試験機の推力が不足してし
まう。

【００７３】そこで、このように推力が不足するような
場合には錘部材１１を取り外し、従来構造のまま加振す
るようにする。これにより加振に必要な推力を８［Ｎ］
に抑えることができる。もともと外乱の影響が現れにく
い加振条件１では、錘部材１１を取り外しても外乱の影
響は（１／８）と現れにくい。このように試験機の推力
に余裕がないときは、試験機の推力確保を優先的に実施
すればよい。

【００７４】一方、推力に余裕のある加振条件２では錘
部材を取り付けて加振する。これにより、従来構造では
加振条件２で（１／４）と非常に外乱の影響が現れやす
くなっているのに対し、錘部材１１を取り付けたことに
より外乱の影響を（１／８）に抑えることができる。

【００７５】なお、上記の例では錘部材１１を取り付け
るか外すかによってアクチュエータの可動部質量は２種
類であるが、さらに錘部材１１を分割または追加して可
動部質量を何種類かに変更可能としてもよい。これによ
り、加振で必要となる推力に応じて可動部質量を変更
し、試験機の推力を有効に使用しながら、より多くの加
振条件において加速度波形の歪みを効率よく低減させる
ことができる。以下にアクチュエータの可動部質量を２
種類に変更可能にした場合と４種類に変更可能にした場
合を示す。

【００７６】

【表２】このように、アクチュエータの可動部質量を２種類に変
更可能とした場合よりも４種類に変更可能とした場合の
方が、より多くの加振条件において外乱の影響を低減で
きることがわかる。これにより、試験機の推力が加振で
必要となる推力に対して十分大きくない場合において
も、アクチュエータの可動部質量を変更可能とすること
で、加振機の推力が足りる範囲内で加速度波形の歪みを
改善することができる。

【００７７】なお、表１、表２に示した例は、本発明の
有効性を分かり易く説明するための一例であり、本発明
が適用可能な範囲を限定するものではない。

【００７８】また、錘部材１０と取付用治具１１とを一
体化した構成においてアクチュエータの可動部質量を変
更するには、質量の異なる取付用治具兼錘部材を複数個
用意しておき、加振条件に応じてこの取付用治具兼錘部
材を交換するようにすればよい。

【００７９】ところで、表１、表２に示したようにアク
チュエータの可動部質量を何種類かに変更可能とした場
合、図９からもわかるように、アクチュエータの可動部
質量に応じて共振点のダンピングが変化する。そのた
め、アクチュエータの可動部が軽い状態で制御系を調整
してからアクチュエータの可動部を重くすると、制御系
は保守的（共振点のダンピングがよくなるため、ゲイン
をもっと上げることができる状態）になってしまう。逆
に、アクチュエータの可動部が重い状態で制御系を調整
してからアクチュエータの可動部を軽くすると、制御系
は発振気味（共振点のダンピングが悪化するため、ゲイ
ンを下げなければならない状態）になってしまう。

【００８０】このように、一つの制御系で複数の可動部
質量に対応するには限界があり、アクチュエータの可動
部質量を変更可能とした場合には、それらアクチュエー
タの可動部質量に応じて制御系も変更する必要がある。

【００８１】そこで、可動部質量を可変とした場合に
は、アクチュエータの可動部質量に応じて調整された複
数の制御系を予め用意しておき、取り付ける錘部材１１
の数に応じて制御系を切り換えるようにする。例えば、
図１３に示すように、錘部材１１を３個用意し、可動部
質量を４種類に変更可能とした場合は、錘部材１１が０
〜３個のときにそれぞれ最適となるように設計された４
種類のコントローラを用意しておき、取り付ける錘部材
１１の数に応じてコントローラを切り換えるようにすれ
ばよい。

【００８２】これにより、アクチュエータの可動部質量
に応じた制御系をその都度選択することができ、制御系
が保守的になったり、発振気味になったりすることを防
止し、最適な制御が可能になる。

【００８３】制御系が古くから用いられている変位ルー
プのＰＩＤ制御、さらにはＰ制御のみのような場合に
は、アクチュエータの可動部質量に応じてその都度ゲイ
ンを調整してもあまりその調整に時間がかからないた
め、このように複数の制御系を予め用意しておくことの
利点はそれ程大きくない。しかしながら、加速度波形歪
みを低減するのに錘部材１１の追加以外に制御系でも対
応する場合には、変位ループ以外の検出信号を有効に利
用する必要がある（図５〜７からも、外乱から加速度の
伝達特性を調整するのに変位以外の検出信号をフィード
バックする有効性が十分理解できる）。そのため、アク
チュエータの可動部質量に応じて調整すべき制御系のゲ
インが多くなり、さらに図３に示した各コントローラＣ
１〜Ｃ４に周波数特性を持たせているような場合には、
現場で制御系を調整するの事実上不可能になる。

【００８４】このようなことから、アクチュエータの可
動部質量及び制御系を変更して加速度波形歪みを低減
し、さらにアクチュエータの可動部質量を可変とするよ
うな場合には、予めアクチュエータの可動部質量に応じ
て調整された制御系を用意しておき、これらの制御系を
選択できるようにしておくことは非常に有効な手段とな
る。

【００８５】なお、図１３に示した例では、アクチュエ
ータの可動部質量を４種類に変更可能とし、制御系もそ
れに対応させて４種類用意するとしたが、このようにア
クチュエータの可動部質量を何種類にも変更可能とする
と、それぞれに対応した制御系を調整するのに手間がか
かる。また、制御装置においてこれらの制御系（コント
ローラのゲインなど）を格納しておく際のメモリ使用量
も大きくなってしまう。

【００８６】そのため、このような場合は、アクチュエ
ータの可動部質量の変更種類よりも少ない制御系を用意
し、一つの制御系を複数の可動部質量に対して用いるよ
うにしてもよい。例えば、アクチュエータの可動部質量
が１ｋｇ〜１０ｋｇまで１ｋｇ毎に１０段階に調整可能
な場合、１ｋｇ段階毎に調整された１０段階の制御系を
用意するのではなく、アクチュエータの可動部質量に対
して２ｋｇ毎に調整された５段階の制御系を用意するよ
うにしてもよい。このようにすることで、錘部材１１の
可動部に空の容器を接続し、液体を入れない状態から満
タンに入れた状態まで調整することで可動部の質量を無
段階に変更可能にした場合等にも対応することができ
る。

【００８７】また、アクチュエータの可動部質量に応じ
て予め調整された制御系を選択して使用するとき、制御
装置に制御系のゲイン、その他パラメータの調整器を設
け、加振条件や負荷条件に応じて、あるいは一つの制御
系で複数のアクチュエータの可動部質量に対してコント
ロールするときは、アクチュエータの可動部質量に応じ
て制御系を微調整できるようにしてもよい。これによ
り、制御系調整の自由度が増し、制御系が常に最適な状
態でコントロールできるようになる。

【００８８】以上、電気油圧式サーボ機構による加振試
験機を例に挙げて本発明の実施の形態について説明した
が、電気油圧式ではなく電気機械式のサーボ機構（電動
ボールネジ式サーボ機構）による加振試験機であって
も、アクチュエータの可動部への伝達機構が異なるだけ
であり、本発明をそのまま適用することができる。

【００８９】また、図１４に示すように、流量制御弁
（サーボ弁）を使用せず、電気油圧式サーボ機構の部分
を油圧ポンプ１３、モータ１２等からなる構成とした電
動油圧式アクチュエータの加振試験機であっても本発明
を適用可能である。なお、図１４では流量制御弁に代わ
る部分のみを簡略化して記述しているが、実際は油タン
ク、アキュムレータ、チェック弁など他の構成要素も併
用されるのが一般的である。さらに、電動油圧式アクチ
ュエータの構造は油圧ポンプの吐出量を可変としたもの
など、これ以外にも多くの構成がある。

【００９０】また、図１５に示すような振動試験機にも
同様に本発明を適用することができる。図１５に示した
ものは、アクチュエータの可動部質量を増加させるため
に油圧シリンダ３のシリンダロッド７先端に接続された
振動台１４に錘部材１１を剛結合させている。振動台１
４と錘部材１１の摩擦が十分大きく、それらが一体とな
って駆動される場合はそれらを剛結合させる必要はな
い。また、被試験体の振動台１４から振動が伝達される
部分に錘部材１１を取り付ける構成としても同様の効果
が得られる。

【００９１】また、上記実施形態では、錘部材を取り付
けることによってアクチュエータの可動部質量を増加さ
せているが、錘部材を取り付ける代わりに、可動部の構
成要素の質量を増加させることにより可動部質量を増加
させるようにしてもよい。例えば、図１６、図１７に示
す加振試験機では、油圧シリンダ３のシリンダロッド７
の径を太くすることにより、あるいはピストン１５を軸
方向に厚くすることにより可動部質量を錘部材相当分だ
け増加させている。

【００９２】このような構成としても、錘部材をシリン
ダロッドに取り付けた場合と同様に加振波形の歪みを大
幅に低減することができ、加振波形の歪みを許容範囲内
に収めることができる。特に、錘部材をシリンダロッド
に取り付ける方法に比べ、可動部の重心が可動部の中心
付近に位置することになるので、前後左右方向の振れに
対する安定性が向上するといった効果が得られる。ま
た、錘部材の取付不良や脱落も防止することができる。

【００９３】なお、ここではシリンダロッド７あるいは
ピストン１５を大きくすることにより可動部質量を増加
させているが、それらの材質を、より比重の大きな材質
に変更する等により可動部質量を増加させても良い。

【００９４】また、一般に、油圧シリンダを用いる加振
試験機には、シリンダロッドの回転を防止する回り止め
機構が可動部に剛体結合されているが、この回り止め機
構の構成要素の質量を錘部材相当分だけ重くすることに
より、あるいは、回り止め機構に錘部材を取り付けるこ
とにより可動部質量を増加させてもよい。この場合も錘
部材をシリンダロッドに取り付けたのと同様の効果が得
られる。例えば、図１８に示す加振試験機では、取付用
冶具９に剛体結合されている回り止め機構１６に錘部材
１１を取り付けることで可動部質量を増加させている。

【００９５】回り止め機構はアクチュエータの側面に取
り付けられていることが多いので、スペースなどの制約
から錘部材をアクチュエータの上にも下にも取り付けら
れない場合に有効である。

【００９６】また、加振試験機には、変位センサ、速度
センサ、加速度センサ、荷重センサなどさまざまなセン
サが取り付けられているが、可動部に剛体結合されてい
るセンサまたはセンサ取付用冶具の質量を錘部材の質量
分だけ増加させる構成、あるいは、センサまたはセンサ
取付用冶具に錘部材を剛体結合させる構成でも、錘部材
をシリンダロッドに取り付けた場合と同じ効果が得られ
る。

【００９７】例えば、図１９に示す加振試験機では、シ
リンダロッド７下端に変位センサ１９の取付用冶具１８
が剛体結合されているが、このセンサ取付用冶具１８の
質量を錘部材の質量分だけ増加させることで、図２に示
したシリンダロッド下端に錘部材を取り付けた場合と同
じ効果が得られる。

【００９８】センサの取付方法によっては、新たに錘部
材を取り付けるより、センサ取付用冶具自体を大きなも
のにして重くしたり、センサの取付用冶具に錘部材を取
り付けたほうが製作上簡単で、スペースやコストを低減
できるというメリットがある。

【００９９】また、錘部材をアクチュエータ可動部に取
り付ける場合であっても、その取付位置は可動部構成要
素の外側である必要は無く、例えば、図２０に示す加振
試験機のように、シリンダロッド７を中空円筒構造と
し、錘部材１１をシリンダロッド７内の任意の位置で固
定できるようにしてもよい。

【０１００】この場合、錘部材を可動構成要素の外側か
ら取り付ける方法に比べ、可動部の重心位置を自由に設
定できるため、前後左右方向の横振れに対する安定性を
向上させることができる。

【０１０１】なお、図２０に示す加振試験機では錘部材
１１を３個挿入しているが、錘部材の挿入個数を変えた
り、質量の異なる錘部材を幾つか用意しておくことで加
振試験機の可動部質量を容易に変更できるので、試験機
の推力が十分でない場合には錘部材の質量を減らして対
応することができる。

【０１０２】また、錘部材はリンク等を介して可動部に
接続される構成であってもよい。例えば、図２１に示す
加振試験機では、シリンダロッド７下端にレバー２０を
介して錘部材１１が取り付けられている。この例では、
レバー２０の支点２１を固定（回転方向には自由）する
とともに、シリンダロッド７下端とレバー２０の接続部
２２をスライド可能な構成とし、シリンダロッド７の伸
縮に合わせて錘部材１１が上下するようにしている。な
お、リンダロッド７とレバー２０の接続部分を固定（回
転方向には自由）する場合は、レバー２０の支点２１を
スライドできる構成とすればよい。

【０１０３】このような構成とした場合、レバー２０に
接続された錘部材１１の取付位置を調整することによ
り、図１３に示した加振試験機の可動部質量を任意に可
変とした場合と同様の効果が得られる。すなわち、錘部
材１１を支点２１寄りに取り付ければ錘部材１１を軽く
したのと同じ効果が得られ、支点２１から離して取り付
ければ錘部材１１を重くしたのと同じ効果が得られる。
これにより、試験機の推力が不足する場合には錘部材１
１を支点２１寄りに取り付け、試験機の推力を確保し、
試験機の推力に余裕がある場合には錘部材を支点２１か
ら離して取り付け、加振波形ひずみをさらに改善するこ
とができる。

【０１０４】なお、以上述べた実施形態では、すべてア
クチュエータの可動部質量を増加させることで加振波形
のひずみを改善しているが、可動部に剛体結合される被
試験体の構成要素の質量を錘部材の質量分だけあらかじ
め重くしておくことにより、あるいは、その構成要素に
錘部材を取り付けることにより被試験体の一部を重くし
ても、可動部質量を増加させた場合と同様の効果が得ら
れる。

【０１０５】例えば、被試験体がバネの場合は、図２
２、図２３（ａ）に示すようにバネ２３と錘部材１１が
一体となったものを被試験体として試験を行えば良く、
また、被試験体がダンパーの場合は、図２３（ｂ）ある
いは（ｃ）に示すように、ダンパー２４の構成要素う
ち、アクチュエータの可動部に剛体結合される部分（こ
こでは、アウターチューブ２４ａ）に錘部材１１を取り
付けて試験を行えばよい。

【０１０６】このような構成とすることにより、加振試
験機を従来構造のまま使用しても、加振試験機の可動部
質量を重くした場合と同様の効果を得ることができ、加
振試験機を改造することなくアクチュエータの摩擦等に
よる加振波形への影響を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加振試験機の概略構成を示した図
である。

【図２】錘部材の取り付け位置を変えた実施例を示した
図である。

【図３】加振試験機の線形モデルに制御系を加えたブロ
ック図である。

【図４】外乱（摩擦）から加速度までの伝達特性を示し
たブロック図である。

【図５】コントローラＣ４を変化させた場合の特性変化
を示した図である。

【図６】コントローラＣ３を変化させた場合の特性変化
を示した図である。

【図７】コントローラＣ２を変化させた場合の特性変化
を示した図である。

【図８】コントローラＣ１を変化させた場合の特性変化
を示した図である。

【図９】可動部質量を変化させた場合の特性変化を示し
た図である。

【図１０】可動部質量を変化させた場合の加速度波形を
示した図である。

【図１１】可動部質量を変更した場合の目標値追従性を
示した図である。

【図１２】制御系の変更による目標値追従性の改善効果
を示した図である。

【図１３】本発明の別の実施形態を示した図である。

【図１４】本発明のさらに別の実施形態を示した図であ
る。

【図１５】本発明のさらに別の実施形態を示した図であ
る。

【図１６】本発明のさらに別の実施形態を示した図であ
る。

【図１７】本発明のさらに別の実施形態を示した図であ
る。

【図１８】本発明のさらに別の実施形態を示した図であ
る。

【図１９】本発明のさらに別の実施形態を示した図であ
る。

【図２０】本発明のさらに別の実施形態を示した図であ
る。

【図２１】本発明のさらに別の実施形態を示した図であ
る。

【図２２】本発明のさらに別の実施形態を示した図であ
る。

【図２３】被試験体への錘部材の取付例を示した図であ
る。

【図２４】従来の加振試験機の概略構成を示した図であ
る。

【図２５】その線形モデルを示したブロック図である。

【図２６】従来の加振試験機を正弦波加振したときの加
速度波形を示した図である。

【図２７】制御入力から加速度までの伝達特性を示した
ブロック図である。

【図２８】そのゲイン線図である。

【図２９】ステップの信号を印加したときの加速度波形
を示した図である。

【符号の説明】

３油圧シリンダ４油圧源５サーボ弁７シリンダロッド９取付用治具１０取付用治具１１錘部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上妻文英東京都港区浜松町二丁目４番１号世界貿易センタービルカヤバ工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直線状に伸縮するアクチュエータを駆動
し、被試験体を任意の加振特性で加振する振動／加振試
験機において、アクチュエータの可動部に外乱吸収用の
錘部材を取り付けたことを特徴とする振動／加振試験
機。
【請求項２】前記錘部材を取り外し可能とし、前記アク
チュエータの可動部質量を可変にしたことを特徴とする
請求項１に記載の振動／加振試験機。
【請求項３】前記錘部材を複数個備え、前記アクチュエ
ータの可動部質量を可変にしたことを特徴とする請求項
２に記載の振動／加振試験機。
【請求項４】前記アクチュエータの可動部質量に応じて
設計された複数の制御系を持ち、可動部質量に応じてそ
れらを選択して使用可能な制御装置を備えたことを特徴
とする請求項２または３に記載の振動／加振試験機。
【請求項５】前記アクチュエータは上下に伸縮するロッ
ドを備え、被試験体取付用の治具をロッド上端に取り付け、前記錘
部材を前記治具とロッドとの間に取り付けたことを特徴
とする請求項１から４のいずれか一つに記載の振動／加
振試験機。
【請求項６】前記アクチュエータは上下に伸縮するロッ
ドを備え、被試験体取付用の治具をロッド上端に取り付け、前記錘
部材をロッド下端に取り付けたことを特徴とする請求項
１から４のいずれか一つに記載の振動／加振試験機。
【請求項７】前記錘部材を被試験体取付用の治具として
用いる構成としたことを特徴とする請求項１から４のい
ずれかひとつに記載の振動／加振試験機。
【請求項８】前記錘部材を取り付ける代わりに、前記ア
クチュエータの可動部質量を前記錘部材の質量分だけ増
加させたことを特徴とする請求項１に記載の振動／加振
試験機。
【請求項９】前記アクチュエータは伸縮するロッドを備
え、ロッドの質量を増加させることにより、前記アクチュエ
ータの可動部質量を前記錘部材の質量分だけ増加させた
ことを特徴とする請求項８に記載の振動／加振試験機。
【請求項１０】前記アクチュエータはピストンを備えた
液圧シリンダであり、ピストンの質量を増加させることにより、前記アクチュ
エータの可動部質量を前記錘部材の質量分だけ増加させ
たことを特徴とする請求項８に記載の振動／加振試験
機。
【請求項１１】前記アクチュエータの可動部に接続され
た回り止めを備え、回り止めの質量を増加させることにより、前記アクチュ
エータの可動部質量を前記錘部材の質量分だけ増加させ
たことを特徴とする請求項８に記載の振動／加振試験
機。
【請求項１２】前記アクチュエータの可動部に接続され
たセンサあるいはセンサ取付用冶具を備え、センサあるいはセンサ取付用冶具の質量を増加させるこ
とにより、前記アクチュエータの可動部質量を前記錘部
材の質量分だけ増加させたことを特徴とする請求項８に
記載の振動／加振試験機。
【請求項１３】前記アクチュエータは伸縮する中空のロ
ッドを備え、前記錘部材は前記中空のロッド内に挿入されることを特
徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載の振動
／加振試験機。
【請求項１４】前記錘部材はリンクを介して前記アクチ
ュエータの可動部に取り付けられることを特徴とする請
求項１に記載の振動／加振試験機。
【請求項１５】直線状に伸縮するアクチュエータを駆動
し、被試験体を任意の加振特性で加振する振動／加振試
験機において、前記アクチュエータの可動部と接続され
る前記被試験体の構成要素に外乱吸収用の錘部材を取り
付けたことを特徴とする振動／加振試験機。