JP2004251666A

JP2004251666A - Servo type absolute displacement/velocity sensor

Info

Publication number: JP2004251666A
Application number: JP2003040168A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Sedo; 一登背戸
Original assignee: Oiles Industry Co Ltd
Current assignee: Oiles Industry Co Ltd
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-09-09

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact, lightweight, durable servo type absolute displacement/velocity sensor which directly outputs the absolute displacement and absolute velocity of an object of oscillation measurement, and measures oscillations from an extremely low frequency. <P>SOLUTION: In the servo type absolute displacement/velocity sensor, a sensor main body is installed to the oscillating object, and a weight is supported at the sensor main body via a support spring. A relative velocity detector for detecting the relative velocity of the sensor main body and the weight is mounted, and an electromagnetic actuator for suppressing the oscillations of the weight is provided. A servo circuit is constituted for feeding back a relative acceleration signal acquired by differentiating a relative velocity signal, the relative velocity signal, and a relative displacement signal acquired by integrating the relative velocity signal to the electromagnetic actuator. The relative velocity signal and the relative displacement signal when the oscillations of the weight is serve-controlled are outputted as the detected absolute velocity and detected absolute displacement of the object. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重りの振動を動的に抑制しつつ振動を計測するサーボ型センサに係り、特に、振動を測定する対象物の絶対変位と絶対速度が直接出力され、小型軽量かつ丈夫で、極低振動数から振動の測定を可能にするサーボ型絶対変位・速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長大橋主塔、高層ビル、橋梁、弾性車体、配管系等の弾性構造物、宇宙構造物のような柔軟構造物の運動や振動を計測或いはフィードバック制御するために、構造物の絶対変位や絶対速度を検出することは不可欠である。
【０００３】
例えば、建設中の長大橋主塔は単独で立っているので強風に対して渦励振と呼ばれる揺れを起こす。完成された高層ビルにおいても同様なことが起こる。この揺れによって、作業時の危険性、居住不快感等を起こすところから、最近ではこれらの構造物のアクティブ振動制御技術が普及し始めた。また、高層ビルや橋梁は大地震に対して共振を起こし破壊にいたることがあるので、振動制御技術の導入が検討され始めている。一方、最近３，４階建ての一般住宅が増加しているが、道路や鉄道で発生する地盤振動の卓越振動数とこれら建物の固有振動数とが接近、もしくは一致して起こる建物の揺れを防ぎ、居住性を良くするためにアクティブ振動制御技術が求められ始めた。アクティブ振動制御では状態フィードバック、もしくは出力フィードバックと言う方法が採られている。これは、振動制御対象の構造物の適切な複数箇所に取り付けた振動センサからの速度と変位情報に基づいて制御信号を作り、制振装置を制御する方法である。
【０００４】
この速度・変位信号を得るために、従来サーボ型加速度計が用いられてきた。これは直接には加速度信号を検出し、この加速度信号を一度積分して速度信号、二度積分して変位信号を得るものであるが、積分することによって加速度信号以外の信号も積分してしまう。例えば、加速度信号を増幅するアンプ類にはドリフト等の直流分があり、この直流分を積分してしまうと、本来の制御目的が達成できないことが起こるという問題があった。この問題を解決するために、速度信号を直接検出するサーボ型速度センサが開発され、この速度信号を一度だけ積分して変位信号を得る方法が採られるようになった。しかし、このサーボ型速度センサは、後に述べる本質的理由によって、小型化が難しく重量が１Ｋｇ以上と重くなり、また、衝撃に弱く取り付け方向も制約されると言う種々な問題があった。
【０００５】
最近では、大地震に対して橋梁や建物の破壊を防止するためにアクティブ振動制御技術の応用が検討され始めた。この際も速度と変位のセンサが不可欠であるが、衝撃に弱い従来のサーボ型速度センサでは使用できない。また、省エネルギの観点から乗用車の軽量化が求められているが、それに伴って車の振動が増加するために、思い切った軽量化が図れないのが現状である。車体が軽量化すれば弾性車体として取り扱い、アクティブ振動制御技術によってこの問題が解決できるのであるが、ここでも軽量・小型で衝撃に強く、しかも取り付け方向に制約を受けない速度・変位センサが必要となり、現状ではそのようなセンサが無いために、この技術が実現できない。
【０００６】
近未来建設が予定されている宇宙構造物においても、居住性、地上との通信精度向上などの理由で振動制御が重要な課題とされているが、ここでも軽量・小型化されたセンサが命題である。
【０００７】
以上に述べたように、現在市販されているサーボ型加速度センサやサーボ型速度センサには種々な問題があり、アクティブ振動制御技術を発展させる上で大きな障害となっている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０９−０７９９００号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサーボ型速度センサの速度検出原理を図８によって説明する。センサ本体１の測定面Ａ側からバネ定数ｋなる支持バネ２で支えられた質量ｍの重り３がセンサ本体１と重り３の間に挿入された電磁アクチュエータ５によって駆動されるようになっている。ここで、ｘは重り３の上下動変位、ｆｃはアクチュエータ５の駆動力である。センサ本体１と重り３の間の相対変位信号ｕ−ｘは、ギャップセンサ４によって検出され増幅アンプによってゲインＫａだけ増幅され、コンデンサ（容量Ｃｆ）と抵抗器（抵抗Ｒｆ）から成る近似微分回路を通って出力電圧Ｅとなる。この信号がサーボアンプ６によってゲインＫｃで増幅され電磁アクチュエータ５を駆動する。この関係を信号伝達線図で表したものを図９に示す。これより、測定面の変位信号ｕに対する出力電圧Ｅの関係を伝達関数として表すと次のようになる。ここに、ｓは微分演算子である。
【００１０】
【数１】

【００１１】
この伝達関数において、分子と分母の多項式の関係を周波数特性として模式的に現したものを図１０に示す。伝達関数ｓ^３が支配する領域は６０ｄＢ／ｄｅｃの勾配でゲインが増加し、ｓ^２が支配する領域では４０ｄＢ／ｄｅｃ、ｓが支配する領域では２０ｄＢ／ｄｅｃ、１が支配する領域で０ｄＢ／ｄｅｃになっている。この２０ｄＢ／ｄｅｃの領域が速度検出可能範囲である。この範囲が広いほど使用領域が広いことになる。これは分母のｓ^２の項が他の項よりも十分大きい場合に満たされる。そのことを仮定すれば次のような近似が成り立つ。
【００１２】
【数２】

【００１３】
この仮定を満たす係数項は重りの質量ｍが支持バネのバネ定数ｋよりも十分に大きく、かつＣｆＲｆよりも十分に大きい条件を満たすことが必要である。そのために、重りの質量ｍを大きくすることと弱いバネ（バネ定数ｋが小さい）を使うことが必要条件となるのである。その結果、従来のサーボ型速度センサでは、軽量小型に作ることが不可能であり、衝撃に弱いことは避けられない。しかも弱いバネを使うことによって、取り付け位置や方向が水平面に制約され、斜めに取り付けることや垂直面に取り付けることが不可能となり、使用上の大きな制約と限定を受けることになっている。
【００１４】
以上のことから本発明で解決すべき課題を列挙すると次のようになる。
（１）軽量小型化する。
（２）衝撃に強い構造にする。
（３）取り付けの制約を受けないようにする。
（４）速度と変位を同時に測定できるようにする。
【００１５】
上記した課題は、特許文献１によりある程度解決された。しかし、低い振動数まで振動の絶対速度と絶対変位が測定できるようにするには，センサの固有振動数を低振動数に設定できなければならない。従来の技術ではこの問題が解決できなかったために，未だ数Ｈｚの振動が測定できる振動の絶対速度及び絶対変位測定用センサが世の中に存在していない。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、振動を測定する対象物の絶対変位と絶対速度が直接出力され、小型軽量かつ丈夫で、極低振動数から振動の測定を可能にするサーボ型絶対変位・速度センサを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の第１の発明は、振動する対象物にセンサ本体を設置し、このセンサ本体に支持バネを介して重りを支持すると共に、上記センサ本体と重りとの相対速度を検知する相対速度検知器を取り付け、この重りの振動を抑制するための電磁アクチュエータを設けると共に、上記相対速度信号を微分した相対加速度信号と上記相対速度信号と上記相対速度信号を積分した相対変位信号とを上記電磁アクチュエータに帰還するサーボ回路を構成し、上記重りの振動をサーボ制御しているときの上記相対速度信号及び上記相対変位信号を対象物の検出絶対速度及び検出絶対変位として出力するようにしたものである。
【００１８】
上記の手段によって，本発明のサーボ回路で相対変位信号を増幅して正帰還することによって作られるサーボバネ定数と、相対加速度信号を負帰還することによって作られるサーボ質量によって、理論上はセンサの固有振動数を零に近づけることができる。
【００１９】
上記サーボ回路は、上記相対加速度信号を負帰還し、上記相対変位信号を上記電磁アクチュエータに正帰還してもよい。
【００２０】
上記サーボ回路は、上記相対速度信号を増幅する出力用増幅器と、この増幅された相対速度信号を微分する微分回路と、この微分による相対加速度信号を増幅して負帰還する加速度帰還用増幅器と、上記増幅された相対速度信号を積分する積分回路と、この積分による相対変位信号を増幅して正帰還する変位帰還用増幅器と、これら帰還される相対加速度信号及び相対速度信号及び相対変位信号を加算して上記電磁アクチュエータに出力する加算器とからなってもよい。
【００２１】
上記相対速度検知器は、上記重りに取り付けられた速度検知用コイルと、上記センサ本体に取り付けられた永久磁石による磁気回路とからなり、上記速度検知用コイルが上記磁気回路内で振動するとき出力電圧が形成されてもよい。
【００２２】
また、第２の発明は、振動する対象物にセンサ本体を設置し、このセンサ本体に支持バネを介して重りを支持すると共に、上記センサ本体と重りとの相対変位を検知する相対変位検知器を取り付け、この重りの振動を抑制するための電磁アクチュエータを設けると共に、上記相対変位信号を微分した相対速度信号と上記相対変位信号と上記相対変位信号を２回微分した相対加速度信号とを上記電磁アクチュエータに帰還するサーボ回路を構成し、上記重りの振動をサーボ制御しているときの上記相対速度信号及び上記相対変位信号を対象物の検出絶対速度及び検出絶対変位として出力するようにしたものである。
【００２３】
上記相対変位検知器は、上記センサ本体に設けられ上記重りに臨む光源及び受光器からなり、上記重りの表面には変位に応じて光反射量を変化させるための反射面が形成されてもよい。
【００２４】
上記相対加速度信号を負帰還してもよい。
【００２５】
上記支持バネは、その振動方向に直交する面を有する板バネからなってもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態には２種類がある。１つは相対速度検知器を用いた形態で第１の発明に属する。他の１つは相対変位検知器を用いた形態で第２の発明に属する。
【００２７】
図１には、相対速度検知器を用いた形態を示す。図示されるように、本発明のサーボ型絶対変位・速度センサは、振動する対象物の測定面Ａに設置されるセンサ本体１と、このセンサ本体１の測定面Ａ側より立ち上げられた支持バネ２と、この支持バネ２で支持された重り３と、センサ本体１及び重り３間の相対速度を検知する相対速度検知器４と、センサ本体１に固定された磁気回路（図４参照）及び重り３に連結された電磁コイル（図４参照）を有し測定面Ａに垂直な方向に重り３を負荷として駆動する電磁アクチュエータ５と、相対速度検知器４で検知した相対速度信号及びその相対速度信号を微分した相対加速度信号及び上記相対速度信号を積分した相対変位信号を電磁アクチュエータ５に帰還するサーボ回路１０とからなる。
【００２８】
サーボ回路１０は、相対速度信号を利得Ｋａで増幅する速度出力用増幅器１１と、この増幅された相対速度信号を積分して相対変位信号を得る積分器１２と、上記増幅された相対速度信号を微分するべく容量Ｃｆの容量素子及び抵抗Ｒｆの抵抗素子からなる微分回路１３と、速度出力用増幅器１１で増幅された相対速度信号を利得Ｋｖで増幅して帰還する速度帰還用増幅器１４と、微分回路１３での微分による相対加速度信号を利得Ｋ_Ａで増幅して負帰還する加速度帰還用増幅器１５と、積分器１２での積分による相対変位信号を利得Ｋ_Ｄで増幅して正帰還する変位帰還用増幅器１６と、これら相対加速度信号及び相対速度信号及び相対変位信号を加算してその加算結果による駆動信号を電磁アクチュエータ５に出力する利得Ｋｆの加算器１７とからなる。
【００２９】
図２には、相対変位検知器８を用いた形態を示す。このサーボ型絶対変位・速度センサは、図１における相対変位検知器４を相対変位検知器８に置き換えたものであり、センサ本体１及び重り３間の相対変位を検知する相対変位検知器８にはギャップセンサ等を用いる。サーボ回路１０において、相対変位検知器８で検出された相対変位信号は第一段の微分回路１３によって微分され、相対速度信号となる。さらに、この相対速度信号が第二段の微分回路１３によって微分され、相対加速度信号となる。後の信号処理は図１の内容と同じである。
【００３０】
図２から運動方程式と回路方程式を導き、これらの方程式による特性を信号伝達線図として表したものを図３に示す。この特性から測定面変位ｕに対する出力変位信号ｅ_Ｄの伝達関数を表すと次式（３）のようになる。これについては、本発明者が学会で発表した文献（ＴｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄＶｅｌｏｃｉｔｙＳｅｎｓｏｒｆｏｒＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ）に詳細が示してある。図２から運動方程式と回路方程式を導いても、同じ結果が得られる。
【００３１】
【数３】

【００３２】
ここに、ｍは重りの質量、ｃは重り３に加わる減衰係数、ｋは支持バネのバネ定数、Ｔ＝ＲｆＣｆは微分回路の時定数である。また、ωｎは本センサの固有振動数、ζは本センサの減衰比、Ａは本センサの感度係数である。
【００３３】
【数４】

【００３４】
式（３）において、
【００３５】
【数５】

【００３６】
であれば，式（３）は式（８）のように簡略化される。
【００３７】
【数６】

【００３８】
この式（８）の意味するところは、本サーボ型絶対変位・速度センサで出力される変位信号ｅ_Ｄを測定すれば、測定面Ａの絶対変位ｕが分かると云うことである。
【００３９】
同様にして，測定面変位ｕに対する出力速度信号ｅ_Ｖの伝達関数を表すと次式（９）のようになる。
【００４０】
【数７】

【００４１】
この式（９）においても，式（７）の条件下で次のようになる。
【００４２】
【数８】

【００４３】
この式（１０）の意味するところも、本サーボ型絶対変位・速度センサで出力される速度信号ｅ_Ｖを測定すれば、測定面Ａの絶対速度ｕが分かると云うことである。
【００４４】
このようにして，式（７）の条件下、すなわちセンサの固有振動数より振動の測定対象の角振動数が大きい条件下では、振動の測定対象の絶対速度と絶対変位が測定できることが分かったが、問題となるのは低い振動数まで振動の絶対速度と絶対変位が測定できるようにするには、センサの固有振動数を低振動数に設定できなければならないと云うことである。従来の技術ではこの問題が解決できなかったために、未だ数Ｈｚの振動が測定できる振動の絶対速度と絶対変位測定用センサが世の中に存在していない。
【００４５】
この問題は、本センサの構成によって得られた式（４）と式（５）によって解決できる。すなわち、式（４）の分子項は支持バネのバネ定数とサーボ回路で作られたサーボバネ定数の差を示している。サーボバネ定数が負の符号を取るのは、相対変位信号を利得Ｋ_Ｄで増幅して正帰還した効果である。この利得Ｋ_Ｄを増加することによって分子項の左側項ｋに対し右側項の値を近付け、分子項を止めどなく小さくできる。また、式（５）の分母項は重りの質量にサーボ回路で作られたサーボ質量が加算されている。これは相対加速度信号を利得Ｋ_Ａで増幅して負帰還することによって得られた効果である。この利得Ｋ_Ａを増加することによって分母項も止めどなく大きくできる。このようにして，本発明のサーボ回路で作られたサーボバネ定数とサーボ質量によって、理論上はセンサの固有振動数を零に近づけることができる。このように、本発明のセンサでは重りの質量は小さくとも、またバネのバネ定数は低下させなくとも、サーボバネ定数とサーボ質量と呼ぶサーボ制御で作られた仮想の物理量によって固有振動数を下げることができるので、小型軽量で有りながらある程度強いバネが使えて、衝撃に強い構造が実現できる。また、式（５）はセンサの位相特性に関与する減衰比を表しており，この値は相対速度信号を利得Ｋ_Ｖで増幅して帰還することによって任意に調整できる。本センサでは、減衰比が小さ過ぎれば負帰還、大き過ぎれば正帰還に切り換えるような仕組みになっている。
【００４６】
本発明のセンサのもう一つの大きな特長は、上記相対加速度を負帰還することによって、振動する対象物の動きに対して支持バネで支持された重りの動きを抑制し、振動する対象物の絶対変位の測定範囲を大幅に広げることを可能にしたことである。このことを説明するために、上記信号伝達線図から測定面の振動振幅ｕに対するセンサ本体と重りの相対変位ｕ−ｘの伝達関数を導くと次式（１１）のようになる。
【００４７】
【数９】

【００４８】
再び式（７）を用いて近似を行うと、
【００４９】
【数１０】

【００５０】
となり、相対加速度利得Ｋ_Ａの増加によって式（１２）は１よりも十分に小さくなることが分かる。このことは重りの可動範囲が小さくても大きな振動振幅を測ることができることになり，センサの小型化が可能になることを示している。例えば、（ｕ−ｘ）／ｕ＝０．１では１の可動範囲で１０倍の振幅が測れることになり、大幅なセンサの小型化が可能になる。
【００５１】
本発明を具体化した実施形態の一例を図４に示す。この例では，測定面Ａは水平方向に振動する対象物の振動を測定するために設置する。測定面Ａ上にセンサ本体１が設けられ、そのセンサ本体１の上部から吊り下げられた平行板状バネ２０の下部に、電磁アクチュエータの電磁コイル２１と相対速度センサの電磁コイル２３が取り付けられている。これら電磁コイル２１及び電磁コイル２３の質量を合わせたものが重り３１の質量ｍとなる。磁気回路２２は電磁アクチュエータの駆動用に設けられ、磁気回路２４は相対速度検知器４として出力電圧を得るために設けられている。この構造を簡略化するために、電磁アクチュエータの電磁コイル２１の外側に相対速度センサの電磁コイル２３を重ねて巻いてもよい。この実施形態では、平行板状バネ２０はプラスチック製であり、この平行板状バネ２０のバネ定数は平行板状バネ２０の上下端の切り込みをの深さを変えることによって変えることができる。別の実施形態として、平行板状バネ２０は燐青銅板でもよい。
【００５２】
本発明を具体化した実施形態の別の例を図５に示す。図４が相対速度検出用検知器４を用いているのに対して、この例では、相対変位を検知する相対変位検知器８を用いている。この相対変位検知器８は、センサ本体１に設けられ、重り３２としての電磁コイル２１に取り付けられ振動方向に直交した反射面を有する反射板２５と、この反射板２５の反射面に対して振動方向から臨む光源２７及び受光器２６とからなり、反射板２５が光源２７に近づくと受光器２６の電圧が高まり、反射板２５が光源２７から遠ざかると受光器２６の電圧が下がる。反射板２５を挟んで両側に置いた２組の光源２７及び受光器２６で得られた電圧を差動増幅することによって線形性の改善を図っている。この相対速度検知器８はインダクタンスの変化などを利用したギャップセンサを用いてもよい。
【００５３】
図６に、図５の実施形態によって試作したサーボ型絶対変位・速度センサによって得られた周波数応答の実測値を示す。元のセンサ（サーボをかけない状態のこと）の固有振動数が９Ｈｚにあり、この場合は２０Ｈｚ以上で絶対変位が測定可能である。本発明ではサーボ回路により重り３１の振動を制御したことにより、固有振動数は２Ｈｚに低下しており、絶対変位の測定範囲が３Ｈｚから４０Ｈｚまでに低周波振動数側に広げられていることが分る。さらに、ゲインは１０ｄＢ低下しており、重り３１の可動範囲で３倍以上の振動振幅の測定が可能であることが分る。
【００５４】
図７に、図４の実施形態によって試作したサーボ型絶対変位・速度センサによって得られた周波数応答の実測値を示す。この場合は、元のセンサの固有振動数が６Ｈｚにあり、１５Ｈｚ以上で絶対変位が測定可能である。本発明のサーボ回路により重り３２を制御したことにより、固有振動数は２Ｈｚに低下しており、絶対変位の測定範囲が３Ｈｚから４０Ｈｚまでに低周波振動数側に広げられており、さらに改善が図られていることが分る。また、この場合もゲインは１０ｄＢ低下しており、重り３２の可動範囲で３倍以上の振動振幅の測定が可能であることが分る。
【００５５】
なお、特許文献１との相違は、以下のようになっている。
【００５６】
（１）サーボ回路に相対加速度の負帰還を加えたこと。
【００５７】
（２）上記相対加速度の負帰還によってセンサの固有振動数がより極低振動数に設定できるようになったこと。
【００５８】
（３）固有振動数がより極低振動数に設定されたことにより、重りの振動が抑制され、測定する対象物の測定振幅範囲が拡大できるようになったこと。
【００５９】
（４）上記（３）の結果、より小型のセンサが実現できること。
【００６０】
（５）相対加速度の負帰還方法を具体化する２つの検知器が実現されたこと。
【００６１】
（６）１つの検知器は、センサ本体と重りとの間の相対速度を検知する検知器であり、その相対速度を微分する微分回路を設けたこと。
【００６２】
（７）上記（６）により、堅牢なセンサが構成できるようになったこと。
【００６３】
（８）１つの検知器は、センサ本体と重りとの間の相対変位を検知する検知器であり、その相対変位を２度微分する微分回路を設けたこと。
【００６４】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
（１）振動を測定する対象物の絶対変位と絶対速度が直接出力される。
（２）極低振動数から振動の測定を可能にする。
（３）絶対加速度帰還の効果によって測定する対象物の測定振幅範囲が拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すサーボ型絶対変位・速度センサの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すサーボ型絶対変位・速度センサの構成図である。
【図３】図１及び図２のサーボ型絶対変位・速度センサの信号伝達線図である。
【図４】本発明の一実施形態を示すサーボ型絶対変位・速度センサの構成図である。
【図５】本発明の一実施形態を示すサーボ型絶対変位・速度センサの構成図である。
【図６】図５のサーボ型絶対変位・速度センサの周波数応答の測定結果を示す周波数対位相特性及び周波数対利得特性図である。
【図７】図５のサーボ型絶対変位・速度センサの周波数応答の測定結果を示す周波数対位相特性及び周波数対利得特性図である。
【図８】従来のサーボ型速度センサの構成図である。
【図９】図８のサーボ型速度センサの信号伝達線図である。
【図１０】図８のサーボ型速度センサの周波数対利得特性図である。
【符号の説明】
１センサ本体
２，２０支持バネ
３，３１，３２重り
４相対速度検知器
５電磁アクチュエータ
８相対変位検出器
１０サーボ回路
１１速度出力用増幅器
１２積分器
１３微分回路
１４速度帰還用増幅器
１５加速度帰還用増幅器
１６変位帰還用増幅器
１７加算器
２１，２３電磁コイル
２２，２４磁気回路
２５反射板
２６受光器
２７光源[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a servo-type sensor that measures vibration while dynamically suppressing vibration of a weight, and in particular, an absolute displacement and an absolute velocity of an object whose vibration is to be measured are directly output, and are small, lightweight, and durable. The present invention relates to a servo type absolute displacement / velocity sensor capable of measuring vibration from a low frequency.
[0002]
[Prior art]
In order to measure or feedback control the motion and vibration of flexible structures such as long towers, high-rise buildings, bridges, elastic bodies, elastic structures such as piping systems, and space structures, etc. Detecting speed is essential.
[0003]
For example, the main tower of a long bridge under construction is standing alone, causing a tremor called vortex excitation in response to strong winds. The same happens with completed high-rise buildings. Recently, active vibration control technology for these structures has begun to spread because the shaking causes danger during work, discomfort in living, and the like. In addition, high-rise buildings and bridges may be destroyed by resonance due to a large earthquake, and the introduction of vibration control technology is being considered. On the other hand, the number of ordinary houses with three or four floors has been increasing recently. However, the predominant frequency of ground vibration generated on roads and railroads and the natural frequency of these buildings approach or coincide with each other. Active vibration control technology has begun to be demanded in order to prevent this and improve comfort. In active vibration control, a method called state feedback or output feedback is adopted. This is a method of controlling a vibration damping device by generating a control signal based on speed and displacement information from vibration sensors attached to a plurality of appropriate locations on a structure to be controlled.
[0004]
Conventionally, a servo type accelerometer has been used to obtain the speed / displacement signal. In this method, an acceleration signal is directly detected, and the acceleration signal is integrated once to obtain a velocity signal and twice to obtain a displacement signal. However, by integrating, signals other than the acceleration signal are also integrated. . For example, amplifiers for amplifying an acceleration signal have a DC component such as drift, and there is a problem that if the DC component is integrated, the original control purpose cannot be achieved. In order to solve this problem, a servo type speed sensor for directly detecting a speed signal has been developed, and a method of integrating the speed signal only once to obtain a displacement signal has been adopted. However, the servo type speed sensor has various problems that it is difficult to reduce the size, the weight is as large as 1 kg or more, and the mounting direction is limited due to the impact because of the essential reasons described later.
[0005]
Recently, the application of active vibration control technology to prevent the destruction of bridges and buildings in the event of a large earthquake has begun. In this case, a speed and displacement sensor is indispensable, but cannot be used with a conventional servo-type speed sensor that is vulnerable to impact. Further, from the viewpoint of energy saving, passenger cars are required to be reduced in weight. However, the vibration of the vehicle increases with the demand, and at present, drastic weight reduction cannot be achieved. If the body becomes lighter, it can be treated as an elastic body, and this problem can be solved by active vibration control technology.However, here too, a speed / displacement sensor that is lightweight, small, strong against impact, and not restricted by the mounting direction is required. At present, this technology cannot be realized because there is no such sensor.
[0006]
Vibration control is also an important issue in space structures that are scheduled to be constructed in the near future, for reasons such as improved livability and communication accuracy with the ground, but here too, lightweight and miniaturized sensors are propositions. It is.
[0007]
As described above, there are various problems with currently available servo-type acceleration sensors and servo-type speed sensors, which are major obstacles in developing active vibration control technology.
[0008]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-079900
[Problems to be solved by the invention]
The principle of speed detection of a conventional servo type speed sensor will be described with reference to FIG. A weight 3 having a mass m supported by a support spring 2 having a spring constant k from the measurement surface A side of the sensor body 1 is driven by an electromagnetic actuator 5 inserted between the sensor body 1 and the weight 3. . Here, x is the vertical movement displacement of the weight 3, and fc is the driving force of the actuator 5. The relative displacement signal u-x between the sensor body 1 and the weight 3 is detected by the gap sensor 4 and amplified by the gain Ka by the amplification amplifier, and an approximate differential circuit including a capacitor (capacitance Cf) and a resistor (resistance Rf) is formed. And the output voltage E. This signal is amplified by the gain Kc by the servo amplifier 6 to drive the electromagnetic actuator 5. FIG. 9 shows this relationship in a signal transmission diagram. Thus, the relationship between the output voltage E and the displacement signal u of the measurement surface is expressed as a transfer function as follows. Here, s is a differential operator.
[0010]
(Equation 1)

[0011]
FIG. 10 schematically shows the relationship between the numerator and the denominator polynomial in the transfer function as frequency characteristics. In the region where the transfer function s ³ is dominant, the gain increases at a gradient of 60 dB / dec, in the region where s ² is dominant, 40 dB / dec, in the region where s is dominant, 20 dB / dec, and in the region where 1 is dominant, 0 dB / dec. It has become. This area of 20 dB / dec is the speed detectable range. The wider the range, the wider the use area. This is satisfied if s ² term in the denominator is sufficiently larger than the other terms. Assuming that, the following approximation holds.
[0012]
(Equation 2)

[0013]
The coefficient term satisfying this assumption needs to satisfy the condition that the mass m of the weight is sufficiently larger than the spring constant k of the support spring and sufficiently larger than CfRf. Therefore, it is necessary to increase the mass m of the weight and to use a weak spring (small spring constant k). As a result, it is impossible to make the conventional servo type speed sensor lightweight and small, and it is inevitable that it is vulnerable to impact. In addition, by using a weak spring, the mounting position and direction are restricted to a horizontal plane, so that it is impossible to mount diagonally or to a vertical plane, which imposes great restrictions and limitations on use.
[0014]
From the above, problems to be solved by the present invention are enumerated as follows.
(1) Lightweight and compact.
(2) Make the structure resistant to impact.
(3) Avoid mounting restrictions.
(4) Speed and displacement can be measured simultaneously.
[0015]
The above-mentioned problem has been solved to some extent by Patent Document 1. However, in order to be able to measure the absolute velocity and absolute displacement of the vibration up to a low frequency, the natural frequency of the sensor must be set to a low frequency. Since this problem could not be solved by the conventional technique, there is no sensor for measuring the absolute velocity and absolute displacement of vibration capable of measuring vibration of several Hz.
[0016]
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problem, and to output a absolute displacement and an absolute velocity of an object for which vibration is to be measured directly, to obtain a servo that is small, lightweight and durable and capable of measuring vibration from an extremely low frequency. An object of the present invention is to provide a mold absolute displacement / speed sensor.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first invention of the present invention is to provide a sensor main body on a vibrating object, supporting a weight on the sensor main body via a support spring, and a relative position between the sensor main body and the weight. A relative speed detector for detecting the speed is attached, and an electromagnetic actuator for suppressing the vibration of the weight is provided, and a relative acceleration signal obtained by differentiating the relative speed signal, a relative speed signal, and a relative value obtained by integrating the relative speed signal are obtained. Forming a servo circuit that feeds back the displacement signal to the electromagnetic actuator, and outputs the relative speed signal and the relative displacement signal when the vibration of the weight is servo-controlled as a detected absolute speed and a detected absolute displacement of the object. It is intended to be.
[0018]
By means of the above means, the servo spring constant created by amplifying the relative displacement signal in the servo circuit of the present invention and feeding it back positively, and the servo mass created by feeding back the relative acceleration signal negatively, theoretically, the sensor unique to the sensor. The frequency can approach zero.
[0019]
The servo circuit may negatively feedback the relative acceleration signal and positively feedback the relative displacement signal to the electromagnetic actuator.
[0020]
The servo circuit includes an output amplifier for amplifying the relative speed signal, a differentiating circuit for differentiating the amplified relative speed signal, an acceleration feedback amplifier for amplifying the relative acceleration signal by the differentiation and negatively feeding back, An integrating circuit for integrating the amplified relative velocity signal; a displacement feedback amplifier for amplifying and positively feeding back the relative displacement signal resulting from the integration; and adding the fed back relative acceleration signal, relative velocity signal, and relative displacement signal And an adder for outputting to the electromagnetic actuator.
[0021]
The relative speed detector includes a speed detection coil attached to the weight, and a magnetic circuit formed by a permanent magnet attached to the sensor body, and outputs when the speed detection coil vibrates in the magnetic circuit. A voltage may be formed.
[0022]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a relative displacement detector for installing a sensor body on a vibrating object, supporting a weight on the sensor body via a support spring, and detecting a relative displacement between the sensor body and the weight. And an electromagnetic actuator for suppressing the vibration of the weight is provided, and the relative velocity signal obtained by differentiating the relative displacement signal, the relative displacement signal, and the relative acceleration signal obtained by differentiating the relative displacement signal twice are used as the electromagnetic actuator. A servo circuit that feeds back to the actuator is configured to output the relative speed signal and the relative displacement signal when the weight vibration is servo-controlled as a detected absolute speed and a detected absolute displacement of the object. is there.
[0023]
The relative displacement detector may include a light source and a light receiver provided on the sensor body and facing the weight, and a surface of the weight may have a reflection surface for changing a light reflection amount according to a displacement. .
[0024]
The relative acceleration signal may be negatively fed back.
[0025]
The support spring may be a leaf spring having a surface orthogonal to the vibration direction.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
There are two types of embodiments of the present invention. One belongs to the first invention in a form using a relative speed detector. Another one belongs to the second invention in a form using a relative displacement detector.
[0027]
FIG. 1 shows an embodiment using a relative speed detector. As shown in the figure, a servo type absolute displacement / speed sensor according to the present invention includes a sensor body 1 installed on a measurement surface A of a vibrating object, and a support body raised from the measurement surface A side of the sensor body 1. A spring 2, a weight 3 supported by the support spring 2, a relative speed detector 4 for detecting a relative speed between the sensor body 1 and the weight 3, and a magnetic circuit fixed to the sensor body 1 (see FIG. 4). An electromagnetic actuator 5 having an electromagnetic coil (see FIG. 4) connected to the weight 3 and driving the weight 3 as a load in a direction perpendicular to the measurement surface A; a relative speed signal detected by the relative speed detector 4; The servo circuit 10 feeds back a relative acceleration signal obtained by differentiating the relative speed signal and a relative displacement signal obtained by integrating the relative speed signal to the electromagnetic actuator 5.
[0028]
The servo circuit 10 includes a speed output amplifier 11 for amplifying the relative speed signal with a gain Ka, an integrator 12 for integrating the amplified relative speed signal to obtain a relative displacement signal, and a A differentiating circuit 13 including a capacitance element having a capacitance Cf and a resistance element having a resistance Rf for differentiating; a speed feedback amplifier 14 for amplifying the relative speed signal amplified by the speed output amplifier 11 with a gain Kv and feeding back the differential signal; an acceleration feedback amplifier 15 to the negative feedback is amplified by the gain K _a of the relative acceleration signal by differentiating in circuit 13, integrating the relative displacement signal amplified and displaced back to positive feedback with a gain K _D and by operation by the integrator 12 Amplifier 16 and an adder of gain Kf for adding the relative acceleration signal, the relative speed signal, and the relative displacement signal, and outputting a drive signal based on the addition result to the electromagnetic actuator 5. Consisting of 7.
[0029]
FIG. 2 shows an embodiment using the relative displacement detector 8. This servo type absolute displacement / velocity sensor is obtained by replacing the relative displacement detector 4 in FIG. 1 with a relative displacement detector 8, and the relative displacement detector 8 for detecting the relative displacement between the sensor body 1 and the weight 3 is used. Uses a gap sensor or the like. In the servo circuit 10, the relative displacement signal detected by the relative displacement detector 8 is differentiated by a first-stage differentiating circuit 13 to become a relative speed signal. Further, the relative speed signal is differentiated by the second-stage differentiating circuit 13 to become a relative acceleration signal. Subsequent signal processing is the same as in FIG.
[0030]
FIG. 3 shows the equations of motion and circuit equations derived from FIG. 2, and the characteristics of these equations are represented as a signal transmission diagram. From this characteristic, the transfer function of the output displacement signal e _{D with} respect to the measurement surface displacement u is expressed by the following equation (3). This is described in detail in a document (The Development of a Displacement and Velocity Sensor for Vibration Control) published by the inventor at an academic conference. The same result can be obtained by deriving the equation of motion and the circuit equation from FIG.
[0031]
[Equation 3]

[0032]
Here, m is the mass of the weight, c is the damping coefficient applied to the weight 3, k is the spring constant of the support spring, and T = RfCf is the time constant of the differentiating circuit. Ωn is the natural frequency of the present sensor, ζ is the damping ratio of the present sensor, and A is the sensitivity coefficient of the present sensor.
[0033]
(Equation 4)

[0034]
In equation (3),
[0035]
(Equation 5)

[0036]
Then, equation (3) is simplified as equation (8).
[0037]
(Equation 6)

[0038]
The meaning of this formula (8), by measuring the displacement signal e _D that is output by the servo-type absolute displacement and velocity sensors is to say the absolute displacement u of the measurement surface A can be seen.
[0039]
Similarly, so the following equation to represent the transfer function of the output speed signal e _V with respect to the measurement surface displacement u (9).
[0040]
(Equation 7)

[0041]
Equation (9) is also as follows under the condition of equation (7).
[0042]
(Equation 8)

[0043]
The meaning of this equation (10) also, by measuring the speed signal e _V outputted by the servo-type absolute displacement and velocity sensors is to say the absolute velocity u of the measuring surface A can be seen.
[0044]
In this way, it was found that under the condition of equation (7), that is, under the condition that the angular frequency of the vibration measurement target is larger than the natural frequency of the sensor, the absolute velocity and the absolute displacement of the vibration measurement target can be measured. However, the problem is that the natural frequency of the sensor must be set to a low frequency so that the absolute velocity and absolute displacement of the vibration can be measured at a low frequency. Since this problem could not be solved by conventional techniques, there is no sensor for measuring the absolute velocity and absolute displacement of vibration capable of measuring vibration of several Hz.
[0045]
This problem can be solved by Expressions (4) and (5) obtained by the configuration of the present sensor. That is, the numerator of the equation (4) indicates the difference between the spring constant of the support spring and the servo spring constant created by the servo circuit. The Sabobane constant takes a negative sign, a positive feedback to effect amplifies the relative displacement signal with a gain K _D. Close to the value of the right term to the left term k of numerator term by increasing the gain K _D, the numerator term can be reduced endlessly. In the denominator term of equation (5), the mass of the weight is added to the servo mass generated by the servo circuit. This is an effect obtained by negative feedback amplifies the relative acceleration signal with a gain K _A. Denominator by increasing the gain K _A may increase endlessly. In this manner, the natural frequency of the sensor can theoretically be made close to zero by the servo spring constant and the servo mass created by the servo circuit of the present invention. Thus, in the sensor of the present invention, even if the mass of the weight is small and the spring constant of the spring is not reduced, the natural frequency is reduced by the virtual physical quantity created by the servo control called the servo spring constant and the servo mass. This makes it possible to use a relatively strong spring while being small and lightweight, and to realize a structure resistant to impact. Further, Equation (5) represents the damping ratio which is involved in the phase characteristics of the sensor, this value can be adjusted arbitrarily by feedback amplifies the relative speed signal with a gain K _V. In this sensor, the mechanism is configured to switch to negative feedback if the attenuation ratio is too small, and to switch to positive feedback if the attenuation ratio is too large.
[0046]
Another great feature of the sensor of the present invention is that by negatively feeding back the relative acceleration, the movement of the weight supported by the support spring is suppressed with respect to the movement of the oscillating object. This is to make it possible to greatly expand the measurement range of the displacement. In order to explain this, the transfer function of the relative displacement ux of the sensor body and the weight with respect to the vibration amplitude u of the measurement surface is derived from the above signal transmission diagram as shown in the following equation (11).
[0047]
(Equation 9)

[0048]
When approximation is again performed using Expression (7),
[0049]
(Equation 10)

[0050]
It can be seen that Expression (12) becomes sufficiently smaller than 1 due to an increase in the relative acceleration gain K _A. This means that a large vibration amplitude can be measured even if the movable range of the weight is small, indicating that the sensor can be downsized. For example, when (ux) /u=0.1, a 10-fold amplitude can be measured in a movable range of 1, and the size of the sensor can be significantly reduced.
[0051]
FIG. 4 shows an example of an embodiment embodying the present invention. In this example, the measurement plane A is installed to measure the vibration of the object vibrating in the horizontal direction. A sensor body 1 is provided on a measurement surface A, and an electromagnetic coil 21 of an electromagnetic actuator and an electromagnetic coil 23 of a relative speed sensor are attached to a lower portion of a parallel plate spring 20 suspended from an upper portion of the sensor body 1. I have. The sum of the masses of the electromagnetic coil 21 and the electromagnetic coil 23 is the mass m of the weight 31. The magnetic circuit 22 is provided for driving the electromagnetic actuator, and the magnetic circuit 24 is provided as the relative speed detector 4 for obtaining an output voltage. In order to simplify this structure, the electromagnetic coil 23 of the relative speed sensor may be wound around the electromagnetic coil 21 of the electromagnetic actuator. In this embodiment, the parallel plate spring 20 is made of plastic, and the spring constant of the parallel plate spring 20 can be changed by changing the depth of the cut at the upper and lower ends of the parallel plate spring 20. In another embodiment, the parallel plate spring 20 may be a phosphor bronze plate.
[0052]
Another example of an embodiment embodying the present invention is shown in FIG. While FIG. 4 uses the relative speed detection detector 4, in this example, a relative displacement detector 8 for detecting relative displacement is used. The relative displacement detector 8 is provided on the sensor body 1 and is attached to the electromagnetic coil 21 as the weight 32 and has a reflecting plate 25 having a reflecting surface orthogonal to the vibration direction. The light source 27 and the light receiver 26 face each other. When the reflector 25 approaches the light source 27, the voltage of the light receiver 26 increases, and when the reflector 25 moves away from the light source 27, the voltage of the light receiver 26 decreases. The linearity is improved by differentially amplifying the voltages obtained by the two sets of light sources 27 and light receivers 26 placed on both sides of the reflector 25. The relative speed detector 8 may use a gap sensor utilizing a change in inductance or the like.
[0053]
FIG. 6 shows actual measured values of the frequency response obtained by the servo type absolute displacement / speed sensor prototyped according to the embodiment of FIG. The natural frequency of the original sensor (in a state where no servo is applied) is 9 Hz, and in this case, the absolute displacement can be measured at 20 Hz or more. In the present invention, by controlling the vibration of the weight 31 by the servo circuit, the natural frequency is reduced to 2 Hz, and the measurement range of the absolute displacement is extended to the low frequency frequency side from 3 Hz to 40 Hz. I understand. Further, the gain is reduced by 10 dB, and it can be seen that the vibration amplitude can be measured three times or more in the movable range of the weight 31.
[0054]
FIG. 7 shows measured values of the frequency response obtained by the servo type absolute displacement / speed sensor prototyped according to the embodiment of FIG. In this case, the natural frequency of the original sensor is at 6 Hz, and the absolute displacement can be measured at 15 Hz or more. By controlling the weight 32 by the servo circuit of the present invention, the natural frequency has been reduced to 2 Hz, and the measurement range of the absolute displacement has been expanded from 3 Hz to 40 Hz toward the low frequency frequency side, and further improvements have been made. You can see that it is planned. Also in this case, the gain is reduced by 10 dB, and it can be seen that the vibration amplitude can be measured three times or more in the movable range of the weight 32.
[0055]
The differences from Patent Document 1 are as follows.
[0056]
(1) Negative feedback of relative acceleration is added to the servo circuit.
[0057]
(2) The natural frequency of the sensor can be set to an extremely low frequency by the negative feedback of the relative acceleration.
[0058]
(3) Since the natural frequency is set to an extremely low frequency, the vibration of the weight is suppressed, and the measurement amplitude range of the object to be measured can be expanded.
[0059]
(4) As a result of the above (3), a smaller sensor can be realized.
[0060]
(5) Two detectors that implement the method of negative feedback of the relative acceleration have been realized.
[0061]
(6) One detector is a detector for detecting a relative speed between the sensor main body and the weight, and a differentiating circuit for differentiating the relative speed is provided.
[0062]
(7) According to (6), a robust sensor can be configured.
[0063]
(8) One detector is a detector for detecting a relative displacement between the sensor body and the weight, and a differentiating circuit for differentiating the relative displacement twice is provided.
[0064]
【The invention's effect】
The present invention exhibits the following excellent effects.
(1) The absolute displacement and absolute velocity of the object whose vibration is to be measured are directly output.
(2) Vibration can be measured from an extremely low frequency.
(3) The measurement amplitude range of the object to be measured can be expanded by the effect of the absolute acceleration feedback.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a servo type absolute displacement / speed sensor showing one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a servo type absolute displacement / speed sensor showing one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a signal transmission diagram of the servo type absolute displacement / speed sensor of FIGS. 1 and 2;
FIG. 4 is a configuration diagram of a servo type absolute displacement / speed sensor showing one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a servo type absolute displacement / speed sensor showing an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing frequency versus phase characteristics and frequency versus gain characteristics showing measurement results of the frequency response of the servo type absolute displacement / speed sensor of FIG. 5;
7 is a diagram showing frequency versus phase characteristics and frequency versus gain characteristics showing measurement results of the frequency response of the servo type absolute displacement / speed sensor shown in FIG. 5;
FIG. 8 is a configuration diagram of a conventional servo type speed sensor.
FIG. 9 is a signal transmission diagram of the servo type speed sensor of FIG. 8;
FIG. 10 is a graph showing frequency versus gain characteristics of the servo type speed sensor shown in FIG. 8;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor

main body

2, 20

Support spring

3, 31, 32 Weight 4 Relative speed detector 5 Electromagnetic actuator 8 Relative displacement detector 10 Servo circuit 11 Speed output amplifier 12 Integrator 13 Differentiator circuit 14 Speed feedback amplifier 15 Acceleration feedback Amplifier 16 Displacement feedback amplifier 17

Adders

21 and 23 Electromagnetic coils 22 and 24 Magnetic circuit 25 Reflector 26 Light receiver 27 Light source

Claims

A sensor main body is installed on a vibrating object, a weight is supported on the sensor main body via a support spring, and a relative speed detector for detecting a relative speed between the sensor main body and the weight is attached. Along with providing an electromagnetic actuator for suppressing, a relative acceleration signal obtained by differentiating the relative speed signal and a relative displacement signal obtained by integrating the relative speed signal and the relative speed signal constitute a servo circuit that feeds back to the electromagnetic actuator, A servo type absolute displacement / speed sensor, wherein the relative speed signal and the relative displacement signal when the weight vibration is servo-controlled are output as a detected absolute speed and a detected absolute displacement of the object. .

2. The servo type speed / displacement sensor according to claim 1, wherein the servo circuit negatively feeds back the relative acceleration signal and positively feeds back the relative displacement signal to the electromagnetic actuator.

The servo circuit includes an output amplifier for amplifying the relative speed signal, a differentiating circuit for differentiating the amplified relative speed signal, an acceleration feedback amplifier for amplifying the relative acceleration signal by the differentiation and negatively feeding back, An integrating circuit for integrating the amplified relative velocity signal; a displacement feedback amplifier for amplifying and positively feeding back the relative displacement signal resulting from the integration; and adding the fed back relative acceleration signal, relative velocity signal, and relative displacement signal 3. The servo type absolute displacement / speed sensor according to claim 1, further comprising an adder that outputs the result to the electromagnetic actuator.

The relative speed detector includes a speed detection coil attached to the weight, and a magnetic circuit formed by a permanent magnet attached to the sensor body, and outputs when the speed detection coil vibrates in the magnetic circuit. 4. The servo type absolute displacement / speed sensor according to claim 1, wherein a voltage is formed.

A sensor main body is installed on a vibrating object, a weight is supported on the sensor main body via a support spring, and a relative displacement detector for detecting a relative displacement between the sensor main body and the weight is attached. A servo circuit is provided for providing an electromagnetic actuator for suppressing the vibration and for feeding back a relative velocity signal obtained by differentiating the relative displacement signal, a relative acceleration signal obtained by differentiating the relative displacement signal and the relative displacement signal twice to the electromagnetic actuator. And outputting the relative velocity signal and the relative displacement signal when the vibration of the weight is servo-controlled as a detected absolute velocity and a detected absolute displacement of the object. Speed sensor.

The relative displacement detector includes a light source and a light receiving device provided on the sensor body and facing the weight, and a reflection surface for changing a light reflection amount according to the displacement is formed on a surface of the weight. The servo type absolute displacement / speed sensor according to claim 5, wherein:

7. The servo type speed / displacement sensor according to claim 5, wherein the relative acceleration signal is negatively fed back.

The servo type absolute displacement / speed sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the support spring comprises a leaf spring having a surface orthogonal to the vibration direction.