JP2011047718A - Mass measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無重力環境でも使用可能な質量測定装置に関し、特に、精度の向上を図るものである。 The present invention relates to a mass measuring apparatus that can be used even in a weightless environment, and in particular, aims to improve accuracy.
現在、国際宇宙ステーションの建設も進み、宇宙において日常的に実験が行われる日も近い。宇宙環境は、無重力（厳密には微小重力）であるため、各種実験で試料の質量を測定する場合に、重力を利用する天秤のような装置は用いることができない。このように、重力質量が測定できない環境では、運動の法則「（質量）×（加速度）＝（力）」を利用して慣性質量が測定される。 Currently, the construction of the International Space Station is progressing, and it is almost time for experiments to be conducted in space on a daily basis. Since the space environment is weightless (strictly, microgravity), when measuring the mass of a sample in various experiments, a device such as a balance that uses gravity cannot be used. In this way, in an environment where the gravitational mass cannot be measured, the inertial mass is measured using the law of motion “(mass) × (acceleration) = (force)”.
本発明者等は、先に、慣性質量を測定する質量測定装置を下記非特許文献１等に提案している。
図６は、この装置の原理図を示している。
この装置は、ばね要素１５を介してベース２０に結合された支持台１０と、測定対象物１３を取り付けた測定対象物取付台１２と、測定対象物１３及び測定対象物取付台１２を振動するために支持台１０に取り付けたアクチュエータ１１と、支持台１０の振動を吸収するために支持台１０に取り付けたばね要素１６及び錘（吸振振動体）１４から成る非減衰形の動吸振器とを備えている。
The present inventors have previously proposed a mass measuring apparatus for measuring inertial mass in the following Non-Patent Document 1 and the like.
FIG. 6 shows a principle diagram of this apparatus.
This apparatus vibrates a support base 10 coupled to a base 20 via a spring element 15, a measurement object attachment base 12 to which a measurement object 13 is attached, a measurement object 13 and a measurement object attachment base 12. Therefore, an actuator 11 attached to the support base 10 and a non-damping type dynamic vibration absorber made up of a spring element 16 and a weight (vibration vibration body) 14 attached to the support base 10 to absorb the vibration of the support base 10 are provided. ing.
ここで、測定対象物１３の質量をｍu、測定対象物取付台１２の質量をｍb、支持台１０の質量をｍp、吸振振動体１４の質量（吸振質量）をｍa、ばね要素１６のばね定数をｋa、ばね要素１５のばね定数をｋp、振動体１４の上方変位をｘa、支持台１０の上方変位をｘp、測定対象物取付台１２の上方変位をｘbとし、また、アクチュエータ１１の駆動力をＦbｓｉｎωｔのように与えることとすると、この系の運動方程式は、次の（数１）（数２）（数３）のように表される。
定常解を求めるために ｘp＝Ｘpsinωt 、ｘa＝Ｘasinωt と置き、（数１）（数２）に代入すると、次式（数４）（数５）が得られる。
これらの方程式から、支持台１０の振幅Ｘpは、アクチュエータ１１による加振振動数ωが動吸振器の固有振動数ωa と一致するとき、Ｘp＝０になることが分かる。このとき、（数１）〜（数３）から（ｍb＋ｍu）の振動振幅Ｘbを求めると、次式（数９）のようになる。
（ｍb＋ｍu）Ｘb＝−ｍaＸa （数９）
ここで、ｍa及びｍbは既知であるから、Ｘa及びＸbを測定すれば、次式（数１０）から測定対象物の質量ｍuを求めることができる。
(M b + m u ) X b = −m a X a (Equation 9)
Here, since m a and m b are known, by measuring X a and X b , the mass m u of the measurement object can be obtained from the following equation (Equation 10).
実際の質量測定装置は、圧電素子で形成されたアクチュエータ１１と、圧電素子を駆動するアンプと、支持台１０、吸振振動体１４及び測定対象物取付台１２の位置を検出する変位センサと、変位センサで検知された信号の振幅を測定するＦＦＴアナライザとを備えている。
測定対象物１３の質量を測定する場合、アンプに動吸振器単体の固有振動数と等しい振動数を持つ正弦波を入力して圧電素子を駆動する。圧電素子は、駆動信号の周波数で伸縮し、それにより測定対象物１３及び測定対象物取付台１２が振動する。定常状態では、動吸振器の吸振振動体１４が、この振動を打ち消すように同周期・逆位相で振動する。そのため、支持台１０は、定常状態に達すると、振動しなくなる（実際には、後述するようにある程度振動は残留する）。定常状態に達した後、変位センサの検知信号から吸振振動体１４の振動振幅Ｘaと測定対象物取付台１２の振動振幅ＸbとをＦＦＴアナライザで測定し、測定結果を（数１０）に代入して測定対象物１２の質量ｍuを推定する。
An actual mass measuring apparatus includes an actuator 11 formed of a piezoelectric element, an amplifier that drives the piezoelectric element, a displacement sensor that detects the positions of the support base 10, the vibration-absorbing vibrator 14, and the measurement object mounting base 12, and a displacement And an FFT analyzer that measures the amplitude of the signal detected by the sensor.
When measuring the mass of the measuring object 13, a piezoelectric element is driven by inputting a sine wave having a frequency equal to the natural frequency of the dynamic vibration absorber alone to the amplifier. The piezoelectric element expands and contracts at the frequency of the drive signal, whereby the measurement object 13 and the measurement object mounting base 12 vibrate. In the steady state, the vibration-absorbing vibration body 14 of the dynamic vibration absorber vibrates at the same period and opposite phase so as to cancel this vibration. Therefore, when the support 10 reaches a steady state, the support 10 does not vibrate (actually, some vibration remains as described later). After reaching a steady state, from the detection signal of the displacement sensor and the vibration amplitude X a vibration absorbing vibration member 14 and the vibration amplitude X b of the measuring object mount 12 measured by FFT analyzer, the measurement result (the number 10) assignment to estimate the mass m u of the measuring object 12.
しかし、従来の質量測定装置では、定常状態の支持台１０を観察すると、図７に示すように、振幅２０μｍ程度の微小振動が残留している。
この残留振動の原因として、次のことが考えられる。
従来の質量測定装置では、非減衰の動吸振器を用いているが、微小な抵抗を受けても減衰は発生するから、完全に非減衰の状態に保つことは困難である。
また、この質量測定装置では、アクチュエータ１１による振動を動吸振器の固有振動数に完全に同期させることが困難である。
この定常状態の残留振動は、測定精度を低下させる一因になる。
However, in the conventional mass measuring apparatus, when the support 10 in a steady state is observed, a minute vibration having an amplitude of about 20 μm remains as shown in FIG.
The following can be considered as the cause of this residual vibration.
In the conventional mass measuring apparatus, a non-attenuating dynamic vibration absorber is used. However, since attenuation occurs even when a minute resistance is applied, it is difficult to maintain a completely non-attenuating state.
Further, in this mass measuring device, it is difficult to completely synchronize the vibration caused by the actuator 11 with the natural frequency of the dynamic vibration absorber.
This steady-state residual vibration contributes to a decrease in measurement accuracy.
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、重力を利用せずに質量を計測できる、高精度な質量測定装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a highly accurate mass measuring apparatus capable of measuring mass without using gravity.
本発明は、調和外力を発生する振動発生手段を有し、被測定物の慣性質量を計測する質量測定装置であって、前記振動発生手段を取り付けた支持台と、前記支持台を基盤に支持するばね要素と、前記支持台の振動を抑制するために当該支持台に取り付けた、ばね要素、吸振振動体及びダンパーを有する減衰形動吸振器と、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して前記調和外力の位相が１８０°の位相差を保つように前記振動発生手段から発生する前記調和外力を制御するＰＬＬ（位相同期ループ：Phase Locked Loop）と、を備え、前記被測定物を、前記支持台または減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けることを特徴とする。
動吸振器を完全な非減衰の状態で使用することは困難であるため、この質量測定装置では、逆に、ばね要素と吸振振動体とダンパーとを有する減衰形動吸振器を使用している。減衰形動吸振器の吸振振動体の変位に関する周波数応答曲線は、減衰の値に依存しない点（定点）を通り、この定点では、外力と吸振振動体変位との位相差が１８０°になる。そのため、この質量測定装置では、減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して振動発生手段から発生する調和外力の位相が１８０°の位相差を保つようにＰＬＬで制御し、動吸振器系の定点を利用して質量測定を実行する。
The present invention is a mass measuring device having vibration generating means for generating a harmonic external force and measuring the inertial mass of a measurement object, and a support base to which the vibration generating means is attached, and a support base supported by the base. A damping element having a spring element, a vibration absorbing vibration body and a damper attached to the support base in order to suppress vibration of the support base, and a vibration absorbing vibration body of the damping dynamic vibration absorber. A PLL (Phase Locked Loop) that controls the harmonic external force generated from the vibration generating means so as to maintain a phase difference of 180 ° with respect to the displacement phase. The measurement object is attached to the vibration-absorbing vibration body of the support base or the damped dynamic vibration absorber.
Since it is difficult to use a dynamic vibration absorber in a completely non-damped state, this mass measuring device, on the contrary, uses a damped dynamic vibration absorber having a spring element, a vibration-absorbing vibration body, and a damper. . The frequency response curve related to the displacement of the vibration-absorbing vibration body of the damping dynamic vibration absorber passes through a point (fixed point) that does not depend on the attenuation value, and at this fixed point, the phase difference between the external force and the vibration-dissipating vibration body displacement is 180 °. For this reason, in this mass measuring apparatus, the dynamic vibration damping is controlled by the PLL so that the phase of the harmonic external force generated from the vibration generating means maintains a phase difference of 180 ° with respect to the displacement phase of the vibration-absorbing vibration body of the damping dynamic vibration absorber. Perform mass measurement using fixed points of the system.
また、本発明の質量測定装置では、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位を検出する変位センサを備える。 The mass measuring apparatus of the present invention further includes a displacement sensor that detects the displacement of the vibration-absorbing vibration body of the damping dynamic vibration absorber.
また、本発明の質量測定装置では、前記被測定物を前記支持台に取り付けた場合、前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の質量をｍa、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωt、前記調和外力をＦｅjωtとして、
ｍu＝−ｍaＸa（ｋp／Ｆ）−ｍp
により前記被測定物の質量を求めることができる。
In the mass measuring apparatus of the present invention, when the object to be measured is attached to the support base, the mass of the object to be measured is m u , the mass of the support base is m p , and the vibration absorption of the damped dynamic vibration absorber Assuming that the mass of the vibrating body is m a , the spring constant of the spring element that supports the support base is k p , the displacement of the vibration-absorbing vibrating body is X a e jωt , and the harmonic external force is Fe jωt ,
m u = −m a X a (k p / F) −m p
Thus, the mass of the object to be measured can be obtained.
また、本発明の質量測定装置では、前記被測定物を前記支持台に取り付けた場合、前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記調和外力の角周波数をωとして、
ｍu＝−（ｋp／ω2）−ｍp
により前記被測定物の質量を求めることもできる。
Further, the mass measuring device of the present invention, when attaching the object to be measured on the support base, for supporting the mass of the object to be measured m u, wherein the support base of the mass m p, the support base foundation Assuming that the spring constant of the spring element is k p and the angular frequency of the harmonic external force is ω,
m u = − (k p / ω 2 ) −m p
Thus, the mass of the object to be measured can also be obtained.
また、本発明の質量測定装置では、前記被測定物を前記減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けた場合、前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記吸振振動体の質量をｍa、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωt、前記調和外力をＦｅjωtとして、
ｍu＝−（ｍp／Ｘa）（Ｆ／ｋp）−ｍa
により前記被測定物の質量を求めることができる。
In the mass measuring apparatus of the present invention, when the object to be measured is attached to the vibration-absorbing vibration body of the damped dynamic vibration absorber, the mass of the object to be measured is m u , the mass of the support base is m p , The mass of the vibration oscillating body is m a , the spring constant of the spring element that supports the support base is k p , the displacement of the vibration oscillating body is X a e jωt , and the harmonic external force is Fe jωt ,
m u = − (m p / X a ) (F / k p ) −m a
Thus, the mass of the object to be measured can be obtained.
また、本発明の質量測定装置は、前記振動発生手段を取り付けた支持台と、前記支持台に取り付けた前記振動発生手段の他端に結合した加振振動体と、前記支持台を基盤に支持するばね要素と、前記支持台の振動を抑制するために当該支持台に取り付けた、ばね要素、吸振振動体及びダンパーを有する減衰形動吸振器と、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して前記加振振動体の変位位相が１８０°の位相差を保つように前記振動発生手段から発生する前記調和外力を制御するＰＬＬと、を設け、前記被測定物を、前記加振振動体または減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けるように構成することができる。
この質量測定装置は、減衰形動吸振器の作用によって、支持台の振動が抑制されるので、支持台から基盤に伝達する振動は小さい。そのため、宇宙構造物の中で質量測定を行っても、周囲の構造物に伝わる振動は小さい。
Further, the mass measuring device of the present invention includes a support base to which the vibration generating means is attached, a vibrating vibrator coupled to the other end of the vibration generating means attached to the support base, and a support base that supports the support base. A damping element having a spring element, a vibration absorbing vibration body and a damper attached to the support base in order to suppress vibration of the support base, and a vibration absorbing vibration body of the damping dynamic vibration absorber. A PLL for controlling the harmonic external force generated from the vibration generating means so that the displacement phase of the vibrating vibrator maintains a phase difference of 180 ° with respect to the displacement phase. It can be configured to be attached to a vibration-absorbing vibration body or a vibration-absorbing vibration body of a damped dynamic vibration absorber.
In this mass measuring apparatus, since the vibration of the support base is suppressed by the action of the damped dynamic vibration absorber, the vibration transmitted from the support base to the base is small. Therefore, even if mass measurement is performed in a space structure, vibration transmitted to surrounding structures is small.
この質量測定装置では、前記加振振動体及び吸振振動体の変位をそれぞれ検出する変位センサを設ける。 In this mass measuring device, a displacement sensor is provided for detecting the displacements of the excitation vibration body and the vibration absorption body.
この質量測定装置において、前記被測定物を前記加振振動体に取り付けた場合、前記被測定物の質量をｍu、前記加振振動体の質量をｍb、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の質量をｍa、前記加振振動体の変位をＸbｅjωt、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωtとして、
ｍu＝−ｍa（Ｘa／Ｘb）−ｍb
により前記被測定物の質量を求めることができる。
In this mass measurement device, the case where the object to be measured attached to the vibrating vibrating body mass m u of the object to be measured, the mass m b of vibration vibrator, vibration absorbing of the damping Katachido Absorber Assuming that the mass of the vibrating body is m a , the displacement of the vibrating vibrator is X b e jωt , and the displacement of the vibration-absorbing vibrator is X a e jωt ,
m u = −m a (X a / X b ) −m b
Thus, the mass of the object to be measured can be obtained.
また、この質量測定装置において、前記被測定物を前記減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けた場合、前記被測定物の質量をｍu、前記加振振動体の質量をｍb、前記吸振振動体の質量をｍa、前記加振振動体の変位をＸbｅjωt、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωtとして、
ｍu＝−ｍb（Ｘb／Ｘa）−ｍa
により前記被測定物の質量を求めることができる。
Further, in the mass measuring unit, when said measured object mounted on the vibration absorbing vibration of the damping Katachido absorber, mass m u of the object to be measured, mass m b of the excitation vibration body, the Assuming that the mass of the vibration-absorbing vibrator is m a , the displacement of the vibration-vibrating body is X b e jωt , and the displacement of the vibration-absorbing vibrator is X a e jωt ,
m u = −m b (X b / X a ) −m a
Thus, the mass of the object to be measured can be obtained.
本発明の質量測定装置は、被測定物の慣性質量を高精度に求めることができる。 The mass measuring apparatus of the present invention can determine the inertial mass of the object to be measured with high accuracy.
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る質量測定装置の構成を示している。
この装置は、ばね要素３１によりベース２０に支持された支持台３０と、支持台３０に振動を与えるアクチュエータ５０と、支持台３０の振動を抑制するために支持台３０に取り付けた“ばね要素４１、ダンパー４２及び吸振振動体４０”から成る減衰形動吸振器と、吸振振動体４０の変位を検出する変位センサ５１と、制御信号を受けてアクチュエータ５０を駆動する電圧増幅器（アンプ）６４と、変位センサ５１の検出信号に基づいてアンプ６４を制御するＰＬＬ（位相同期ループ：Phase Locked Loop）とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a configuration of a mass measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
This apparatus includes a support base 30 supported by a base 20 by a spring element 31, an actuator 50 that vibrates the support base 30, and a “spring element 41 attached to the support base 30 to suppress the vibration of the support base 30. A damped dynamic vibration absorber comprising a damper 42 and a vibration-absorbing vibration body 40 ″, a displacement sensor 51 for detecting the displacement of the vibration-absorbing vibration body 40, a voltage amplifier (amplifier) 64 for driving the actuator 50 in response to a control signal, A PLL (Phase Locked Loop) that controls the amplifier 64 based on the detection signal of the displacement sensor 51 is provided.
ＰＬＬは、変位センサ５１の検出信号の位相とアンプ６４の制御信号の位相とを比較する位相比較器６１と、位相比較器６１の出力から不要信号成分を除去するループフィルタ６２と、入力電圧に応じてアンプ６４に出力する制御信号の周波数を制御する電圧制御発振器６３とを備えている。また、アクチュエータ５０は、例えば、アンプ６４から入力する駆動電圧に比例した力を発生するボイスコイルモータから成る。
質量を測定する被測定物は、後述するように、支持台３０または吸振振動体４０に取り付ける。
The PLL includes a phase comparator 61 that compares the phase of the detection signal of the displacement sensor 51 with the phase of the control signal of the amplifier 64, a loop filter 62 that removes unnecessary signal components from the output of the phase comparator 61, and an input voltage. Accordingly, a voltage controlled oscillator 63 for controlling the frequency of the control signal output to the amplifier 64 is provided. The actuator 50 is formed of a voice coil motor that generates a force proportional to the drive voltage input from the amplifier 64, for example.
An object to be measured whose mass is to be measured is attached to the support base 30 or the vibration-absorbing vibrator 40 as described later.
この系は、次のように動作する。
アンプ６４から正弦波形の駆動電圧が供給されたアクチュエータ５０は、調和外力を発生し、支持台３０が振動する。支持台３０が振動すると、この振動を抑える方向に減衰形動吸振器が振動し、吸振振動体４０の振動が変位センサ５１によって検出される。ＰＬＬの電圧制御発振器６３は、位相比較器６１の比較結果に基づいて、変位センサ５１の検出信号の位相と１８０°の位相差を持つ正弦波形電圧をアンプ６４に出力し、アンプ６４は、この正弦波形電圧を増幅してアクチュエータ５０を駆動する。
そのため、この系の吸振振動体４０は、定常状態において、正弦波形電圧と逆位相で振動する。
This system operates as follows.
The actuator 50 to which the sine waveform drive voltage is supplied from the amplifier 64 generates a harmonic external force, and the support base 30 vibrates. When the support base 30 vibrates, the damping dynamic vibration absorber vibrates in a direction to suppress the vibration, and the vibration of the vibration-absorbing vibration body 40 is detected by the displacement sensor 51. Based on the comparison result of the phase comparator 61, the voltage-controlled oscillator 63 of the PLL outputs a sine waveform voltage having a phase difference of 180 ° from the phase of the detection signal of the displacement sensor 51 to the amplifier 64. The amplifier 64 The actuator 50 is driven by amplifying the sinusoidal waveform voltage.
Therefore, the vibration-absorbing vibrator 40 of this system vibrates in a phase opposite to the sinusoidal waveform voltage in a steady state.
ここで、この系の運動について解析する。
図２に示すように、減衰形動吸振器のばね要素４１のばね定数をｋa、ダンパー４２の減衰の値をｃa、吸振振動体４０の質量をｍa、支持台３０の質量をｍp、支持台３０を支持するばね要素３１のばね定数をｋp、吸振振動体４０の上方変位をｘa、支持台３０の上方変位をｘp、アクチュエータ５０の駆動力をｆ（ｔ）とする。
この系の運動方程式は、次の（数１１）（数１２）のように表される。
As shown in FIG. 2, the spring constant k a of the spring element 41 of the damping Katachido vibration absorber, the value of the attenuation c a damper 42, the mass of the vibration absorbing vibrator 40 m a, the mass of the support table 30 m p , the spring constant of the spring element 31 supporting the support base 30 is k p , the upward displacement of the vibration-absorbing vibrator 40 is x a , the upward displacement of the support base 30 is x p , and the driving force of the actuator 50 is f (t). To do.
The equation of motion of this system is expressed as the following (Equation 11) (Equation 12).
この系の定常応答を求めるために（数１７）のような解を仮定する。
ここで、ｆ（ｔ）の角周波数ωと支持台３０の系（支持台３０＋ばね要素３１）の自然角周波数（固有振動数）ωpとが次式（数２０）のように一致したとする。
Here, it is assumed that the angular frequency ω of f (t) and the natural angular frequency (natural frequency) ω p of the system of the support base 30 (support base 30 + spring element 31) coincide as shown in the following expression (Expression 20). To do.
このとき、（数１８）（数１９）から、次式（数２１）が得られる。
また、（数２１）は、ｆ（ｔ）と吸振振動体４０の上方変位との位相差が１８０°に成ることを示している（状態Ｂ）。
これは、（数２０）を満たすとき、減衰形動吸振器の周波数応答曲線の定点に位置していることを示している。
At this time, the following equation (Equation 21) is obtained from (Equation 18) and (Equation 19).
Further, (Equation 21) indicates that the phase difference between f (t) and the upward displacement of the vibration-absorbing vibrator 40 is 180 ° (state B).
This indicates that when (Equation 20) is satisfied, it is located at a fixed point of the frequency response curve of the damped dynamic vibration absorber.
図３は、Ｘaに関する減衰形動吸振器の周波数応答曲線を示し、図４は、ｆ（ｔ）と吸振振動体４０の上方変位との位相差に関する減衰形動吸振器の周波数応答曲線を示している。これらの図が示しているように、減衰ｃaの大きさにより曲線の形状は異なるが、減衰ｃaの値に依存せずに曲線が通過する点（丸印）が存在し、この点が定点と呼ばれている。
この質量測定装置では、動吸振器系の定点を利用して質量測定を行っている。そのためには、（数２０）の条件を満たす必要があるが、（数２０）の条件を満たすとき、前述するように、前記（状態Ｂ）が成立するため、この質量測定装置では、ＰＬＬを利用して前記（状態Ｂ）を保ち、定点を確保している。
即ち、アクチュエータ５０の調和外力（またはそれと比例する信号）と、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の上方変位との位相を比較し、それがちょうど１８０°の位相差を持つように、調和外力を生成するアクチュエータ５０の駆動周波数ωを調整している。
FIG. 3 shows the frequency response curve of the damped dynamic vibration absorber with respect to X a , and FIG. 4 shows the frequency response curve of the damped dynamic vibration absorber with respect to the phase difference between f (t) and the upward displacement of the vibration damped vibrator 40. Show. As these figures show, although different from the shape of the curve depending on the magnitude of the damping c a, that passes curve without depending on the value of the attenuation c a (circle) is present, this point It is called a fixed point.
In this mass measuring apparatus, mass measurement is performed using a fixed point of a dynamic vibration absorber system. For that purpose, it is necessary to satisfy the condition of (Equation 20). However, when the condition of (Equation 20) is satisfied, as described above, since (State B) is established, in this mass measuring apparatus, the PLL is The above (state B) is maintained by using and a fixed point is secured.
That is, the phase of the harmonic external force of the actuator 50 (or a signal proportional thereto) is compared with the upward displacement of the vibration-absorbing vibration body 40 of the damped dynamic vibration absorber, and the harmonic force is adjusted so that it has a phase difference of exactly 180 °. The drive frequency ω of the actuator 50 that generates the external force is adjusted.
質量を測定する被測定物の質量をｍuとし、この被測定物を減衰形動吸振器の吸振振動体４０に取り付けたとすると、（数２１）から次式（数２２）が成立する。
（ｍa＋ｍu）＝−（ｍp／Ｘa）（Ｆ／ｋp）
ｍu＝−（ｍp／Ｘa）（Ｆ／ｋp）−ｍa （数２２）
従って、ｍp、ｋp、ｍa及び調和外力の振幅Ｆを予め定めておけば、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の振動振幅Ｘaを測定することにより、被測定物の質量ｍuを推定することができる。
The mass of the measured object to measure the mass and m u, assuming that attach the object to be measured Absorber vibrator 40 of the damping Katachido vibration absorber, the following equation (Equation 22) is established from equation (21).
(M a + m u ) = − (m p / X a ) (F / k p )
m u = − (m p / X a ) (F / k p ) −m a (Equation 22)
Accordingly, if m p , k p , m a and the amplitude F of the harmonic external force are determined in advance, the mass m of the object to be measured can be obtained by measuring the vibration amplitude X a of the vibration absorbing body 40 of the damping dynamic vibration absorber. u can be estimated.
また、被測定物を支持台３０に取り付けた場合は、（数２１）から次式（数２３）が成立する。
（ｍp＋ｍu）＝−ｍaＸa（ｋp／Ｆ）
ｍu＝−ｍaＸa（ｋp／Ｆ）−ｍp （数２３）
そのため、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の振動振幅Ｘaを測定することにより、被測定物の質量ｍuを推定することができる。
When the object to be measured is attached to the support base 30, the following equation (Equation 23) is established from (Equation 21).
(M p + m u ) = − m a X a (k p / F)
m u = −m a X a (k p / F) −m p (Equation 23)
Therefore, by measuring the vibration amplitude X a vibration absorbing vibrator 40 of the damping Katachido vibration absorber, it is possible to estimate the mass m u of the object to be measured.
また、被測定物を支持台３０に取り付けた場合は、（数２０）から次式（数２４）が成立する。
（ｍp＋ｍu）＝−（ｋp／ω2）
ｍu＝−（ｋp／ω2）−ｍp （数２４）
そのため、調和外力の角周波数ωから被測定物の質量ｍuを推定することもできる。
When the object to be measured is attached to the support base 30, the following equation (Equation 24) is established from (Equation 20).
(M p + m u ) = − (k p / ω 2 )
m u = − (k p / ω 2 ) −m p (Equation 24)
Therefore, the mass m u of the object to be measured can be estimated from the angular frequency ω of the harmonic external force.
このように、この質量測定装置は、減衰形動吸振器の定点を利用して質量測定を行っており、そのために、振動発生手段（アクチュエータ）の発生する調和外力の位相が、減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して１８０°の位相差を持つようにＰＬＬで制御している。ＰＬＬは、誤差が１０-6のオーダであり、極めて高精度である。そのため、この質量測定装置は、質量を高精度に計測することができる。 As described above, this mass measuring apparatus performs mass measurement using the fixed point of the damped dynamic vibration absorber, and for this reason, the phase of the harmonic external force generated by the vibration generating means (actuator) is It is controlled by the PLL so that it has a phase difference of 180 ° with respect to the displacement phase of the vibration-absorbing vibrating body of the container. The PLL has an error on the order of 10 −6 and is extremely accurate. Therefore, this mass measuring device can measure mass with high accuracy.
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る質量測定装置の構成を示している。
この装置は、ばね要素３１によりベース２０に支持された支持台３０と、支持台３０に固定されたアクチュエータ５０と、アクチュエータ５０の他端に結合された加振振動体５２と、加振振動体５２の変位を検出する変位センサ５３と、アクチュエータ５０を駆動するアンプ６４と、支持台３０の振動を抑制するために支持台３０に取り付けた“ばね要素４１、ダンパー４２及び吸振振動体４０”から成る減衰形動吸振器と、吸振振動体４０の変位を検出する変位センサ５１と、加振振動体５２の変位位相が減衰形動吸振器の吸振振動体４０の変位位相に対して１８０°の位相差を保つようにアクチュエータ５０から発生される調和外力を制御するＰＬＬとを備えている。ＰＬＬは、変位センサ５１の検出信号の位相と変位センサ５３の検出信号の位相とを比較する位相比較器６１と、位相比較器６１の出力から不要信号成分を除去するループフィルタ６２と、入力電圧に応じてアンプ６４に出力する正弦波形電圧の周波数を制御する電圧制御発振器６３とを備えている。
質量を測定する被測定物は、加振振動体５２または吸振振動体４０に取り付ける。
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows a configuration of a mass measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
This apparatus includes a support base 30 supported on a base 20 by a spring element 31, an actuator 50 fixed to the support base 30, a vibration vibrating body 52 coupled to the other end of the actuator 50, and a vibration vibration body. From the displacement sensor 53 for detecting the displacement of 52, the amplifier 64 for driving the actuator 50, and the "spring element 41, damper 42 and vibration-absorbing vibrator 40" attached to the support base 30 to suppress the vibration of the support base 30. The displacement type vibration absorber, the displacement sensor 51 for detecting the displacement of the vibration absorption body 40, and the displacement phase of the vibration vibration body 52 are 180 ° with respect to the displacement phase of the vibration absorption body 40 of the attenuation type vibration vibration absorber. And a PLL for controlling the harmonic external force generated from the actuator 50 so as to maintain the phase difference. The PLL includes a phase comparator 61 that compares the phase of the detection signal of the displacement sensor 51 with the phase of the detection signal of the displacement sensor 53, a loop filter 62 that removes unnecessary signal components from the output of the phase comparator 61, and an input voltage. And a voltage controlled oscillator 63 for controlling the frequency of the sinusoidal waveform voltage output to the amplifier 64.
The object to be measured for mass is attached to the vibration vibrator 52 or the vibration vibration body 40.
この系は、次のように動作する。
アンプ６４から正弦波形の駆動電圧が供給されたアクチュエータ５０は、調和外力を発生し、支持台３０及び加振振動体５２が振動する。加振振動体５２の振動は、変位センサ５３によって検出される。また、支持台３０が振動すると、この振動を抑制するように減衰形動吸振器の吸振振動体４０が振動し、吸振振動体４０の振動が変位センサ５１によって検出される。ＰＬＬの位相比較器６１は、変位センサ５３及び変位センサ５１の検出信号の位相差を検出し、電圧制御発振器６３は、位相比較器６１の比較結果に基づいて、変位センサ５１の検出信号の位相と１８０°の位相差を持つ正弦波形電圧をアンプ６４に出力し、アンプ６４は、この正弦波形電圧を増幅してアクチュエータ５０を駆動する。
そのため、この系では、支持台３０を境にして、吸振振動体４０と加振振動体５２とが、同期して反対方向に動き、定常状態では、吸振振動体４０と加振振動体５２とが、同調して逆位相で振動する。
This system operates as follows.
The actuator 50 to which the drive voltage having a sine waveform is supplied from the amplifier 64 generates a harmonic external force, and the support base 30 and the vibrating vibrator 52 vibrate. The vibration of the vibrating vibrator 52 is detected by the displacement sensor 53. Further, when the support base 30 vibrates, the vibration-absorbing vibration body 40 of the damped dynamic vibration absorber vibrates so as to suppress this vibration, and the vibration of the vibration-absorbing vibration body 40 is detected by the displacement sensor 51. The phase comparator 61 of the PLL detects the phase difference between the detection signals of the displacement sensor 53 and the displacement sensor 51, and the voltage control oscillator 63 determines the phase of the detection signal of the displacement sensor 51 based on the comparison result of the phase comparator 61. And a sine waveform voltage having a phase difference of 180 ° to the amplifier 64, and the amplifier 64 amplifies the sine waveform voltage to drive the actuator 50.
Therefore, in this system, the vibration-absorbing vibration body 40 and the vibration vibration body 52 are synchronously moved in opposite directions with the support base 30 as a boundary, and in a steady state, the vibration-absorption vibration body 40 and the vibration vibration body 52 are But oscillate in antiphase.
この質量測定装置も、第１の実施形態と同様に、減衰形動吸振器の定点を利用して質量測定を行っており、そのために、振動発生手段（アクチュエータ）の発生する調和外力の位相が、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の変位位相に対して１８０°の位相差を持つようにＰＬＬで制御している。 Similarly to the first embodiment, this mass measuring apparatus also performs mass measurement using a fixed point of the damped dynamic vibration absorber, and for this reason, the phase of the harmonic external force generated by the vibration generating means (actuator) is The PLL controls the phase difference of 180 ° with respect to the displacement phase of the vibration-absorbing vibration body 40 of the damping dynamic vibration absorber.
この系の運動方程式について説明する。
加振振動体５２の質量をｍb、加振振動体５２の上方変位をｘbとすると、加振振動体５２に関する運動方程式が次式（数２５）のように表される。
When the mass of the vibrating vibrator 52 is m b and the upward displacement of the vibrating vibrator 52 is x b , the equation of motion related to the vibrating vibrator 52 is expressed by the following equation (Equation 25).
質量を測定する被測定物の質量をｍuとし、この被測定物を減衰形動吸振器の吸振振動体４０に取り付けたとすると、（数２８）から次式（数２９）が成立する。
（ｍa＋ｍu）＝−ｍb（Ｘb／Ｘa）
ｍu＝−ｍb（Ｘb／Ｘa）−ｍa （数２９）
従って、ｍb及びｍaを予め定めておけば、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の振動振幅Ｘa及び加振振動体５２の振動振幅Ｘbを測定することにより、被測定物の質量ｍuを推定することができる。
The mass of the measured object to measure the mass and m u, assuming that attach the object to be measured Absorber vibrator 40 of the damping Katachido vibration absorber, the following equation (Equation 29) is established from equation (28).
(M a + m u ) = − m b (X b / X a )
m u = −m b (X b / X a ) −m a (Equation 29)
Therefore, if m b and m a are determined in advance, the vibration amplitude X a of the vibration-absorbing vibration body 40 and the vibration amplitude X b of the vibration-vibration body 52 of the damped dynamic vibration absorber are measured. The mass m u can be estimated.
また、被測定物を加振振動体５２に取り付けた場合は、（数２８）から次式（数３０）が成立する。
（ｍb＋ｍu）＝−ｍa（Ｘa／Ｘb）
ｍu＝−ｍa（Ｘa／Ｘb）−ｍb （数３０）
従って、ｍb及びｍaを予め定めておけば、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の振動振幅Ｘa及び加振振動体５２の振動振幅Ｘbを測定することにより、被測定物の質量ｍuを推定することができる。
Further, when the object to be measured is attached to the vibrating vibrator 52, the following equation (Equation 30) is established from (Equation 28).
(M b + m u ) = − m a (X a / X b )
m u = −m a (X a / X b ) −m b (Equation 30)
Therefore, if m b and m a are determined in advance, the vibration amplitude X a of the vibration-absorbing vibration body 40 and the vibration amplitude X b of the vibration-vibration body 52 of the damped dynamic vibration absorber are measured. The mass m u can be estimated.
この質量測定装置は、減衰形動吸振器の作用によって支持台３０から基盤２０に伝わる振動が抑制されるため、宇宙構造物の中で質量測定を行う場合でも、周囲の構造物に伝わる振動は小さい。宇宙構造物は、自重を支える必要が無く、また、打上げコストを削減するために、極限まで軽量化されているから、周囲の構造物への振動の伝搬は避ける必要がある。従って、この質量測定装置は、宇宙での実験に極めて有利な特質を備えている。 In this mass measuring apparatus, since vibrations transmitted from the support base 30 to the base 20 are suppressed by the action of the damped dynamic vibration absorber, even when mass measurement is performed in a space structure, vibrations transmitted to surrounding structures are not affected. small. The space structure does not need to support its own weight, and in order to reduce the launch cost, it is lightened to the utmost limit. Therefore, it is necessary to avoid the propagation of vibrations to surrounding structures. Therefore, this mass measuring device has characteristics that are extremely advantageous for experiments in space.
なお、本発明の質量測定装置は、無重力環境だけでなく、振動が発生している揺動環境や、移動体の内部など、天秤の使用が困難な環境での質量測定に利用可能であり、また、高精度を要するバイオ・医用工学での計測などにも使用できる。 The mass measuring device of the present invention can be used for mass measurement in an environment where it is difficult to use a balance, such as a swinging environment in which vibration is generated as well as a moving body, as well as a zero-gravity environment. It can also be used for measurements in biotechnology and medical engineering that require high accuracy.
本発明の質量測定装置は、高精度の質量計測が可能であり、無重力環境や揺動環境、移動体内部など、天秤が使用できない環境、あるいは、高精度の質量計測が必要な各分野で広く利用することができる。 The mass measuring device of the present invention is capable of high-accuracy mass measurement, and is widely used in environments where a balance cannot be used, such as a zero-gravity environment, rocking environment, or inside a moving body, or in various fields where high-accuracy mass measurement is required. Can be used.
１０ 支持台
１１ アクチュエータ
１２ 測定対象物取付台
１３ 測定対象物
１４ 錘（振動体）
１５ ばね要素
１６ ばね要素
２０ ベース
３０ 支持台
３１ ばね要素
４０ 吸振振動体
４１ ばね要素
４２ ダンパー
５０ アクチュエータ
５１ 変位センサ
５２ 加振振動体
５３ 変位センサ
６１ 位相比較器
６２ ループフィルタ
６３ 電圧制御発振器
６５ 電圧増幅器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Support stand 11 Actuator 12 Measuring object mounting base 13 Measuring object 14 Weight (vibrating body)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Spring element 16 Spring element 20 Base 30 Support base 31 Spring element 40 Vibration-absorbing vibration body 41 Spring element 42 Damper 50 Actuator 51 Displacement sensor 52 Excitation vibration body 53 Displacement sensor 61 Phase comparator 62 Loop filter 63 Voltage control oscillator 65 Voltage amplifier
Claims (9)
前記振動発生手段を取り付けた支持台と、
前記支持台を基盤に支持するばね要素と、
前記支持台の振動を抑制するために当該支持台に取り付けた、ばね要素、吸振振動体及びダンパーを有する減衰形動吸振器と、
前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して前記調和外力の位相が１８０°の位相差を保つように前記振動発生手段から発生する前記調和外力を制御するＰＬＬと、
を備え、前記被測定物を、前記支持台または減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けることを特徴とする質量測定装置。 A mass measuring device having a vibration generating means for generating a harmonic external force and measuring an inertial mass of a measurement object,
A support base to which the vibration generating means is attached;
A spring element for supporting the support on the base;
A damping type dynamic vibration absorber having a spring element, a vibration-absorbing vibration body, and a damper attached to the support base in order to suppress vibration of the support base;
A PLL for controlling the harmonic external force generated from the vibration generating means so that the phase of the harmonic external force maintains a phase difference of 180 ° with respect to the displacement phase of the vibration-absorbing vibration body of the damping dynamic vibration absorber;
A mass measuring apparatus comprising: the object to be measured attached to a vibration-absorbing vibration body of the support base or a damped dynamic vibration absorber.
前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の質量をｍa、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωt、前記調和外力をＦｅjωtとするとき、
ｍu＝−ｍaＸa（ｋp／Ｆ）−ｍp
により前記被測定物の質量を求めることを特徴とする質量測定装置。 The mass measuring device according to claim 1 or 2, wherein the object to be measured is attached to the support base,
The mass of the object to be measured is m u , the mass of the support base is m p , the mass of the vibration-absorbing vibration body of the damped dynamic vibration absorber is m a , and the spring constant of the spring element that supports the support base on the basis is k p , when the displacement of the vibration-absorbing vibrator is X a e jωt and the harmonic external force is Fe jωt ,
m u = −m a X a (k p / F) −m p
A mass measuring device for obtaining the mass of the object to be measured by
前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記調和外力の角周波数をωとするとき、
ｍu＝−（ｋp／ω2）−ｍp
により前記被測定物の質量を求めることを特徴とする質量測定装置。 The mass measuring device according to claim 1 or 2, wherein the object to be measured is attached to the support base,
When the mass of the object to be measured is m u , the mass of the support base is m p , the spring constant of the spring element supporting the support base is k p , and the angular frequency of the harmonic external force is ω,
m u = − (k p / ω 2 ) −m p
A mass measuring device for obtaining the mass of the object to be measured by
前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の質量をｍa、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωt、前記調和外力をＦｅjωtとするとき、
ｍu＝−（ｍp／Ｘa）（Ｆ／ｋp）−ｍa
により前記被測定物の質量を求めることを特徴とする質量測定装置。 The mass measuring apparatus according to claim 1 or 2, wherein the object to be measured is attached to a vibration-absorbing vibration body of the damped dynamic vibration absorber,
The mass of the object to be measured is m u , the mass of the support base is m p , the mass of the vibration-absorbing vibration body of the damped dynamic vibration absorber is m a , and the spring constant of the spring element that supports the support base on the basis is k p , when the displacement of the vibration-absorbing vibrator is X a e jωt and the harmonic external force is Fe jωt ,
m u = − (m p / X a ) (F / k p ) −m a
A mass measuring device for obtaining the mass of the object to be measured by
前記振動発生手段を取り付けた支持台と、
前記支持台に取り付けた前記振動発生手段の他端に結合した加振振動体と、
前記支持台を基盤に支持するばね要素と、
前記支持台の振動を抑制するために当該支持台に取り付けた、ばね要素、吸振振動体及びダンパーを有する減衰形動吸振器と、
前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して前記加振振動体の変位位相が１８０°の位相差を保つように前記振動発生手段から発生する前記調和外力を制御するＰＬＬと、
を備え、前記被測定物を、前記加振振動体または減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けることを特徴とする質量測定装置。 A mass measuring device having a vibration generating means for generating a harmonic external force and measuring an inertial mass of a measurement object,
A support base to which the vibration generating means is attached;
A vibrating vibrator coupled to the other end of the vibration generating means attached to the support;
A spring element for supporting the support on the base;
A damping type dynamic vibration absorber having a spring element, a vibration-absorbing vibration body, and a damper attached to the support base in order to suppress vibration of the support base;
A PLL for controlling the harmonic external force generated from the vibration generating means so that the displacement phase of the vibration vibrating body maintains a phase difference of 180 ° with respect to the displacement phase of the vibration damping vibration body of the damping dynamic vibration absorber;
A mass measuring apparatus comprising: the vibration measuring body or the vibration-absorbing vibration body of the damped dynamic vibration absorber.
前記被測定物の質量をｍu、前記加振振動体の質量をｍb、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の質量をｍa、前記加振振動体の変位をＸbｅjωt、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωtとするとき、
ｍu＝−ｍa（Ｘa／Ｘb）−ｍb
により前記被測定物の質量を求めることを特徴とする質量測定装置。 The mass measuring device according to claim 6 or 7, wherein the object to be measured is attached to the vibrating vibrator.
The mass m u of the object to be measured, mass m b of the excitation vibration body, the damping Katachido Absorbers mass m a vibration absorbing vibration member, the displacement of the vibration vibrator X b e j? T, When the displacement of the vibration-absorbing vibrator is X a e jωt ,
m u = −m a (X a / X b ) −m b
A mass measuring device for obtaining the mass of the object to be measured by
前記被測定物の質量をｍu、前記加振振動体の質量をｍb、前記吸振振動体の質量をｍa、前記加振振動体の変位をＸbｅjωt、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωtとするとき、
ｍu＝−ｍb（Ｘb／Ｘa）−ｍa
により前記被測定物の質量を求めることを特徴とする質量測定装置。 The mass measuring device according to claim 6 or 7, wherein the object to be measured is attached to a vibration-absorbing vibration body of the damped dynamic vibration absorber,
Mass m u of the object to be measured, the vibration mass m b of the vibrator, the vibration absorbing mass m a of the vibrator, the vibrator vibrating body displaces X b e j? T, the displacement of the vibration absorbing vibrator Is X a e jωt ,
m u = −m b (X b / X a ) −m a
A mass measuring device for obtaining the mass of the object to be measured by
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