JP2016003933A - Absolute displacement sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an absolute displacement sensor capable of lowering a characteristic frequency, even if a feedback gain is increased in relative acceleration, and detecting absolute displacement even in a long periodic vibration.SOLUTION: An absolute displacement sensor 1 includes: a mass body 2; a sensor housing 4 which supports the mass body 2 through a spring 3; detection means 5 for detecting relative speed during the displacement of the sensor housing 4 to the mass body 2; a low pass filter 8 which suppresses high frequency components higher than a characteristic frequency determined by the mass body 2 and the spring 3, and transmits low frequency components lower than the characteristic frequency; feedback control means 9 which suppresses and controls the absolute displacement of the mass body 2 by positively feeding back relative displacement outputted from the low pass filter 8 and negatively feeding back relative speed and relative acceleration; and phase delay compensation means 10 for performing tertiary phase delay compensation on the relative displacement obtained by integrating from the feedback control means 9 in a required frequency area.

Description

本発明は、地震又は風の渦励振による超高層ビルの振動等を観測したり振動制御するために必要な振動体(被検出体)の絶対変位を検出する絶対変位センサ、特に、周期10秒に至る長周期振動及び1メートルを超える大振幅振動の検出を可能にする長周期・大振幅振動検出用の絶対変位センサに関する。   The present invention relates to an absolute displacement sensor for detecting an absolute displacement of a vibrating body (detected body) necessary for observing or controlling vibrations of a skyscraper due to earthquake or wind vortex excitation, and in particular, a period of 10 seconds. The present invention relates to an absolute displacement sensor for detecting long-period and large-amplitude vibrations that enables detection of long-period vibrations up to 1 m and large-amplitude vibrations exceeding 1 meter.

2011年3月11日に発生した東日本大震災では岩手県、宮城県、福島県を中心に長周期大振幅振動の大地震が発生し、家屋の倒壊はもとより地震が誘発した大津波によって大被害をもたらし、多くの人命が失われた。都内では200メートル級の超高層ビルで1メートルを超える長周期・大振幅振動の揺れが10分を超える長時間でもたらされ、住民に多大な不安と被害をもたらした。近未来予測される東南海地震でも長周期・大振幅振動の巨大地震が懸念されている。その様な巨大地震による建物の被害を防ぐには、建物に制振技術を組み込む必要があるが、先ず建物の地震動を検出する手段、即ち、絶対変位センサが不可欠である。   In the Great East Japan Earthquake that occurred on March 11, 2011, major earthquakes with long-period large-amplitude vibration occurred mainly in Iwate, Miyagi, and Fukushima prefectures. And many lives were lost. In Tokyo, a 200-meter-class skyscraper caused a long-period, large-amplitude vibration that exceeded 1 meter in a long period of more than 10 minutes, causing tremendous anxiety and damage to the residents. Even the Tonankai earthquake predicted in the near future is concerned about a huge earthquake with long period and large amplitude oscillation. In order to prevent the damage of the building due to such a huge earthquake, it is necessary to incorporate a vibration control technique in the building. First, means for detecting the ground motion of the building, that is, an absolute displacement sensor is indispensable.

斯かる絶対変位センサは、風による渦励振によって長周期の振動が発生する超高層ビルを制御する場合にその超高層ビルの変位を検出するために、また、東日本大震災以来、最近の免震装置の性能向上と普及とは著しく、低層建物に止まらず中高層建物の免震にも免震装置が導入されているが、免震装置が導入された建物各層の地震動の監視を行うためにも、加えて、スカイフックダンピングやスカイフックスプリング技術等の除振技術を活用する場合に、除振台のアクティブ除振装置のフィードバック制御を行うためにも不可欠である。   Such an absolute displacement sensor is used to detect the displacement of a skyscraper when controlling a skyscraper that generates long-period vibrations due to vortex excitation by the wind. The seismic isolation device has been introduced not only in low-rise buildings but also in middle and high-rise buildings, but in order to monitor the earthquake motion in each layer of the building where the seismic isolation device was introduced, In addition, it is indispensable to perform feedback control of the active vibration isolation device of the vibration isolation table when utilizing vibration isolation technology such as skyhook damping and skyhook spring technology.

特開2009−41954号公報JP 2009-41954 A

ところで、絶対変位振動の検出には、従来では、サイズモ型変位センサが用いられており、このサイズモ型変位センサは、質量体と、質量体を検出面で支えるばねとを具備しており、質量体とばねとの固有振動数の振動で、検出面の振動と検出面に対する質量体の相対変位とが一致することを利用しており、斯かるサイズモ型変位センサの検出範囲は、固有振動数以上の振動数領域であるので、検出すべき振動数範囲を低振動数まで広げるには固有振動数を低下させる必要があるが、これには精々1Hz程度に固有振動数を低下させるのが限界であり、サイズモ型変位センサでは低振動数の振動の検出は不向きとされている。   By the way, a seismo type displacement sensor has been conventionally used for detection of absolute displacement vibration, and this seismo type displacement sensor includes a mass body and a spring that supports the mass body on a detection surface. The vibration of the natural frequency of the body and the spring makes use of the fact that the vibration of the detection surface matches the relative displacement of the mass body with respect to the detection surface. Since it is in the above frequency range, it is necessary to lower the natural frequency in order to expand the frequency range to be detected to a low frequency, but this is limited to reducing the natural frequency to about 1 Hz at most. Therefore, seismo type displacement sensors are not suitable for detecting vibrations at low frequencies.

一方、地震観測や建物の振動制御用センサとしてサイズモ型等の加速度センサ及び速度センサが用いられており、この加速度センサは、固有振動数以下の振動を検出でき、速度センサは、固有振動数付近の振動を検出でき、超高層ビルや長大吊橋の主塔の風による揺れの制御等に広く使用されているが、現在最も一般的な制御理論である線形2次形式最適制御理論(LQ最適制御理論)では、制御すべき制御変数は変位と速度とであるために、建物の振動制御には絶対変位と絶対速度との検出が不可欠となるが、加速度センサ及び速度センサでは、絶対変位を直接に検出することはできない。   On the other hand, seismo type acceleration sensors and speed sensors are used as sensors for seismic observation and building vibration control. This acceleration sensor can detect vibrations below the natural frequency, and the speed sensor is near the natural frequency. Can be detected, and is widely used to control the vibration of the main towers of high-rise buildings and long suspension bridges. However, the current most common control theory is linear quadratic optimal control theory (LQ optimal control). In theory, since the control variables to be controlled are displacement and speed, detection of absolute displacement and absolute speed is indispensable for building vibration control. However, acceleration sensors and speed sensors directly detect absolute displacement. Cannot be detected.

この絶対変位を直接に検出するために加速度センサの場合は、積分器を2段用いるが、斯かる積分器は、僅かな直流信号も積分されて、時間の経過とともに入力とは無関係に変動する積分信号、所謂、ドリフト信号を出力し、このドリフト信号で質量体を勝手に動かすことになって制御不能な状態にし、このドリフトのない積分器をもつセンサは、極めて高価となる。   In the case of an acceleration sensor to directly detect this absolute displacement, two stages of integrators are used. However, such an integrator also integrates a small DC signal and varies with the passage of time regardless of the input. An integrated signal, a so-called drift signal, is output and the mass body is moved by the drift signal to make it uncontrollable, and a sensor having an integrator without this drift becomes extremely expensive.

一方、速度センサは、積分器が1段で済むので、比較的ドリフトの影響を受け難いが、固有振動数を低くしなければならないので、質量体が大型となり、また弱いばねを使用しなければならないので、小型化が困難であり取り扱いが難しい。   On the other hand, since the speed sensor has only one stage of integration, it is relatively insensitive to drift, but the natural frequency must be lowered, so that the mass body becomes large and a weak spring must be used. Therefore, downsizing is difficult and handling is difficult.

斯かる問題を解決するために、質量体と筐体との間に配置された相対変位センサを用いる絶対変位・速度センサが提案されているが、この相対変位センサでの相対変位の検出にはギャップセンサやひずみゲージを用いる方法や、光信号を用いる方法が用いられているが、狭い空間で安定して相対変位信号を得ることが難しく、また絶対変位・速度センサ自体を高価にする一方、センサを設置する際、設置面に僅かでも傾けて取り付けると自重によって質量体の位置が変化するので、変位信号に偏りが生ずることになり、その偏りが相対変位の直流信号となって現れるので、それが制御信号に悪い影響をもたらし、絶対変位・速度センサを設置するごとにその直流分を取り除かなければならない。   In order to solve such a problem, an absolute displacement / velocity sensor using a relative displacement sensor disposed between the mass body and the housing has been proposed. A method using a gap sensor or a strain gauge or a method using an optical signal is used, but it is difficult to stably obtain a relative displacement signal in a narrow space, and the absolute displacement / speed sensor itself is expensive. When installing the sensor, if it is attached to the installation surface even if it is tilted slightly, the position of the mass body changes due to its own weight, so that the displacement signal will be biased, and that bias will appear as a relative displacement DC signal, This has a bad influence on the control signal, and every time an absolute displacement / speed sensor is installed, its DC component must be removed.

質量体と筐体との間に配置された相対変位センサに代えて相対速度センサを用いることにより、偏りが原因となる直流信号の発生を解決した絶対変位センサが特許文献1において提案されている。   Patent Document 1 proposes an absolute displacement sensor that solves the generation of a DC signal caused by bias by using a relative speed sensor instead of a relative displacement sensor disposed between a mass body and a housing. .

ところで、特許文献1において提案されている絶対変位センサでは、相対加速度のフィードバックゲインを大きくすることで固有振動数を低下させることができて、検出すべき振動数範囲を低振動数まで広げることができるが、この相対加速度のフィードバックゲインを大きくすると、質量体を支えるばねの高振動数領域で発生する分布定数系特有の分割振動が生じ、この分割振動による共振のために、固有振動数を低下させるには限界がある。   By the way, in the absolute displacement sensor proposed in Patent Document 1, the natural frequency can be lowered by increasing the feedback gain of the relative acceleration, and the frequency range to be detected can be expanded to a low frequency. However, when the feedback gain of this relative acceleration is increased, a split vibration peculiar to the distributed constant system that occurs in the high frequency region of the spring supporting the mass body is generated, and the natural frequency is reduced due to resonance caused by this split vibration. There is a limit to doing it.

本発明は、前記諸点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、相対加速度のフィードバックゲインを大きくしても、ばねの高振動数領域で発生する分布定数系特有の分割振動に影響されないで、固有振動数を低下させることができ、而して、例えば、周期10秒に至る長周期振動でも絶対変位を検出し得る絶対変位センサを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned points, and the object of the present invention is to divide vibrations peculiar to a distributed constant system generated in a high frequency region of a spring even if the feedback gain of relative acceleration is increased. It is an object of the present invention to provide an absolute displacement sensor that can reduce the natural frequency without being influenced by the above-described phenomenon, and can detect the absolute displacement even with a long-period vibration of, for example, a period of 10 seconds.

本発明による絶対変位センサは、質量体と、この質量体をばねを介して弾性的に一の方向に変位自在に支持する被検出体と、質量体に対する被検出体の一の方向の変位における相対速度を検出する検出手段と、質量体及びばねで決定される固有振動数よりも高い高振動数成分を抑制する一方、固有振動数よりも低い低振動数成分を通過させる伝達特性を有すると共にこの伝達特性をもって検出手段から入力された相対速度を出力に伝達する低振動数成分通過手段と、低振動数成分通過手段から出力された相対速度を積分して得られた相対変位をポジティブに、当該相対速度及び当該相対速度を一次微分して得られた相対加速度の夫々をネガティブに夫々フィードバックさせて、被検出体の一の方向の絶対変位に起因する質量体の一の方向の絶対変位を抑制制御するフィードバック制御手段とを具備しており、フィードバック制御手段において積分して得られた相対変位を被検出体の一の方向の絶対変位として出力するようになっている。   An absolute displacement sensor according to the present invention includes a mass body, a detected body that elastically displaces the mass body via a spring, and a displacement in one direction of the detected body with respect to the mass body. The detection means for detecting the relative speed, and a transmission characteristic for passing a low frequency component lower than the natural frequency while suppressing a high frequency component higher than the natural frequency determined by the mass body and the spring. With this transfer characteristic, the low frequency component passing means that transmits the relative speed input from the detecting means to the output, and the relative displacement obtained by integrating the relative speed output from the low frequency component passing means are positive, The relative velocity and the relative acceleration obtained by first-order differentiation of the relative velocity are fed back negatively, respectively, so that the absolute displacement of the detected mass in one direction is eliminated. Displacement has and a feedback control means for inhibiting control, and outputs as one direction of the absolute displacement of the detection object relative displacement obtained by the integration in the feedback control means.

本発明によれば、フィードバックループ内に、質量体及びばねで決定される固有振動数よりも高い高振動数成分を抑制する一方、当該固有振動数よりも低い低振動数成分を通過させる伝達特性を有すると共にこの伝達特性をもって検出手段から入力された相対速度を出力に伝達する低振動数成分通過手段が配されているために、高振動数領域ではばね要素と質量要素とが無限に分布する分布定数系の弾性体と見做し得るばねに起因する高振動数成分を抑制できる結果、ばねの高振動数領域で発生する分布定数系特有の高次の固有振動数での質量体の振動に影響されないで、相対加速度のフィードバックゲインを大きくして、固有振動数を低下させことができ、而して、例えば、周期10秒に至る長周期振動でも一の方向の絶対変位を検出し得る。   According to the present invention, in the feedback loop, a transfer characteristic that suppresses a high frequency component higher than the natural frequency determined by the mass body and the spring while allowing a low frequency component lower than the natural frequency to pass therethrough. And the low frequency component passing means for transmitting the relative speed input from the detection means to the output with this transmission characteristic is arranged, so that the spring element and the mass element are distributed infinitely in the high frequency range. As a result of suppressing the high frequency component caused by the spring that can be regarded as an elastic body of a distributed parameter system, the vibration of the mass body at the higher natural frequency specific to the distributed parameter system generated in the high frequency region of the spring The natural frequency can be reduced by increasing the feedback gain of the relative acceleration without being influenced by the absolute acceleration. For example, even in the case of a long-period vibration of a period of 10 seconds, an absolute displacement in one direction can be detected. .

本発明の好ましい例では、低振動数成分通過手段は、質量体の一の方向の変位でのばねに起因して発生する高次の固有振動数の質量体の振動を抑制する伝達特性を有している。   In a preferred example of the present invention, the low frequency component passing means has a transmission characteristic that suppresses the vibration of the mass body having a higher order natural frequency generated due to the spring in the displacement in one direction of the mass body. doing.

本発明では、低振動数成分通過手段は、伝達関数G(s)=(R/R)・{1/(1+R・C・s)}(ここで、R及びRは夫々電気抵抗値、Cは静電容量値、sは微分演算子)をもった電気回路を有していてもよく、この場合、伝達関数G(s)=(R/R)・{1/(1+R・C・s)}をもった電気回路は、質量体の固有振動数以上のカットオフ振動数f=1/(2πR・C)を有していてもよく、ここで、カットオフ振動数f=1/(2πR・C)は、検出する被検出体の一の方向の絶対変位の振動数領域の上限の値をしていてもよい。 In the present invention, the low frequency component passing means includes the transfer function G P (s) = (R f / R) · {1 / (1 + R f · C · s)} (where R f and R are electric An electric circuit having a resistance value, C is a capacitance value, and s is a differential operator). In this case, the transfer function G P (s) = (R f / R) · {1 / The electrical circuit having (1 + R f · C · s)} may have a cutoff frequency f = 1 / (2πR f · C) equal to or higher than the natural frequency of the mass body, where the cut The off frequency f = 1 / (2πR f · C) may be the upper limit value of the frequency region of the absolute displacement in one direction of the detected object to be detected.

本発明の好ましい例では、フィードバック制御手段は、高振動数成分が抑制されていると共にポジティブにフィードバックされた相対変位、高振動数成分が抑制されていると共にネガティブにフィードバックされた相対速度及び当該高振動数成分が抑制された相対速度を一次微分して得られ且つネガティブにフィードバックされた相対加速度に基づいて、質量体を被検出体に付加される変位の方向に関して変位させるアクチュエータを具備している。   In a preferable example of the present invention, the feedback control means includes a relative displacement in which the high frequency component is suppressed and positively fed back, a relative speed in which the high frequency component is suppressed and negatively fed back, and the high frequency. An actuator is provided for displacing the mass body with respect to the direction of displacement applied to the detected object based on the relative acceleration obtained by first-order differentiation of the relative velocity with suppressed frequency components and fed back negatively. .

本発明によれば、相対加速度のフィードバックゲインを大きくしても、ばねの高振動数領域で発生する分布定数系特有の分割振動に影響されないで、固有振動数を低下させことができ、而して、例えば、周期10秒に至る長周期振動でも絶対変位を検出し得る絶対変位センサを提供することができる。   According to the present invention, even if the feedback gain of the relative acceleration is increased, the natural frequency can be lowered without being affected by the divided vibration unique to the distributed constant system generated in the high frequency region of the spring. Thus, for example, it is possible to provide an absolute displacement sensor that can detect an absolute displacement even with a long-period vibration having a period of 10 seconds.

即ち、本発明によれば、質量体を支持しているばねで発生する無数の高次振動数を抑制する低振動数成分通過手段、所謂、ローパスフィルタの導入によって、質量体の持つ状態量(変位・速度・加速度)を安定にフィードバックすることにより、構造的欠陥を生じさせることなく固有振動数を下げることができ、しかも検出可能振幅を大幅に広げることができる。   That is, according to the present invention, by introducing a low frequency component passing means that suppresses an infinite number of higher-order frequencies generated by a spring supporting the mass body, a so-called low-pass filter, the state quantity of the mass body ( By stably feeding back (displacement, velocity, acceleration), the natural frequency can be lowered without causing structural defects, and the detectable amplitude can be greatly increased.

図1は、本発明の実施の形態の好ましい一例の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a preferred example of an embodiment of the present invention. 図2は、図1に示す例のセンサハウジング、質量体、検出手段及びアクチュエータの詳細説明図である。FIG. 2 is a detailed explanatory view of the sensor housing, the mass body, the detection means, and the actuator of the example shown in FIG. 図3は、図1に示す例のローパスフィルタの詳細説明図である。FIG. 3 is a detailed explanatory diagram of the low-pass filter of the example shown in FIG. 図4は、図3に示すローパスフィルタの振動数応答特性の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of the frequency response characteristics of the low-pass filter shown in FIG. 図5は、図1に示す例の位相遅れ補償手段の詳細説明図である。FIG. 5 is a detailed explanatory diagram of the phase lag compensation means of the example shown in FIG. 図6は、図5に示す例の位相遅れ補償手段の振動数応答特性の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of the frequency response characteristics of the phase lag compensation means of the example shown in FIG. 図7は、図1に示す例のローパスフィルタの効果の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of the effect of the low-pass filter of the example shown in FIG. 図8は、図1に示す例の加速度・速度・変位フィードバック無しの振動数応答特性(曲線142)、加速度・速度・変位フィードバックを施した時の振動数応答特性(曲線141)、加速度・速度・変位フィードバックに加えて2次の位相遅れ補償を施した時の振動数応答特性(曲線144)、加速度・速度・変位フィードバックに加えて3次の位相遅れ補償を施した時の振動数応答特性(曲線145)の4種類の振動数応答特性の説明図である。FIG. 8 shows frequency response characteristics (curve 142) without acceleration / velocity / displacement feedback in the example shown in FIG. 1, frequency response characteristics (curve 141) when acceleration / velocity / displacement feedback is applied, and acceleration / velocity.・ Frequency response characteristics when second-order phase delay compensation is applied in addition to displacement feedback (curve 144), and frequency response characteristics when third-order phase delay compensation is performed in addition to acceleration, velocity, and displacement feedback It is explanatory drawing of four types of frequency response characteristics of (curve 145). 図9は、図1に示す例の2次の位相遅れ補償回路の振動数応答特性(曲線143)と3次の位相遅れ補償手段の振動数応答特性(曲線146)との比較説明図である。FIG. 9 is a comparative explanatory diagram of the frequency response characteristic (curve 143) of the second-order phase lag compensation circuit of the example shown in FIG. 1 and the frequency response characteristic (curve 146) of the third-order phase lag compensation means. . 図10は、図1に示す例の1次の位相遅れ補償回路の振動数応答特性の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of frequency response characteristics of the first-order phase lag compensation circuit of the example shown in FIG.

次に、本発明の実施の形態の例を、図に示す例に基づいて更に詳細に説明する。尚、本発明は、これら例に何等限定されないのである。   Next, an example of an embodiment of the present invention will be described in more detail based on an example shown in the figure. The present invention is not limited to these examples.

図1から図9において、本例の絶対変位センサ1は、質量m(kg)を有した質量体2と、ばね係数k(N/m)及び減衰係数c(N・sec/m)(secは、秒)をもってばね3を介して質量体2を弾性的に一の方向Hに変位自在に支持する被検出体としてのセンサハウジング4と、質量体2に対するセンサハウジング4の方向Hの変位における相対速度v(=v−v)(m/sec)(ここで、v(m/sec)は、センサハウジング4の方向Hの絶対速度v(m/sec)に起因する質量体2の方向Hの絶対速度である)を電気的に検出する検出手段5と、質量体2及びばね3で決定される固有振動数ω/2πよりも高い高振動数成分を抑制する一方、固有振動数ω/2πよりも低い低振動数成分を通過させる伝達特性(伝達関数=GP(s))を有すると共にこの伝達特性をもって検出手段5から入力端6を介して入力された相対速度vとしての相対速度電圧信号er(V)を出力端7に相対速度vLpとしての相対速度電圧信号ev(V)を出力して伝達する低振動数成分通過手段としてのローパスフィルタ8と、出力端7を介してローパスフィルタ8から出力された相対速度vLpの相対速度電圧信号eVを積分して得られた相対変位(u−x)としての相対変位電圧信号eD(V)をポジティブに、相対速度vLpとしての相対速度電圧信号eV及び相対速度vLpとしての相対速度電圧信号eVを一次微分して得られた相対加速度a(m/sec)としての相対加速度電圧信号eA(V)の夫々をネガティブに夫々フィードバックさせて、センサハウジング4の方向Hの絶対変位uに起因する質量体2の絶対変位xを抑制制御するフィードバック制御手段9と、フィードバック制御手段9からの積分して得られた相対変位(u−x)の電気信号eに所要の振動数領域で3次の位相遅れ補償を施す位相遅れ補償手段10とを具備している。 1 to 9, an absolute displacement sensor 1 of this example includes a mass body 2 having a mass m (kg), a spring coefficient k (N / m), and a damping coefficient c (N · sec / m) (sec. In the direction H of the sensor housing 4 with respect to the mass body 2, and a sensor housing 4 as a detected body that elastically supports the mass body 2 movably in one direction H via the spring 3 in seconds. the relative velocity v (= v U -v X) (m / sec) ( wherein, v X (m / sec), the mass body attributable to the absolute velocity v U direction H of the sensor housing 4 (m / sec) 2 which suppresses high frequency components higher than the natural frequency ω n / 2π determined by the mass body 2 and the spring 3, Den passing a low frequency component lower than the natural frequency omega n / 2 [pi Characteristics (transfer function = GP (s)) the relative velocity voltage signal e r (V) relative to the output terminal 7 from the detection means 5 has a transfer characteristic as the relative velocity v which is input through the input terminal 6 and having a a low-pass filter 8 as a low frequency component passing means for outputting to transmit the relative velocity voltage signal ev (V) as the speed v Lp, the relative velocity v Lp output from the low pass filter 8 via the output 7 relative displacement obtained by integrating the relative velocity voltage signal eV the (u-x) relative displacement voltage signal as e D (V) to the positive, the relative velocity voltage as the relative velocity v Lp signal eV and the relative velocity v Lp Each of the relative acceleration voltage signals eA (V) as the relative acceleration a (m / sec 2 ) obtained by first-order differentiation of the relative velocity voltage signal eV is negatively fed back. The feedback control means 9 for suppressing and controlling the absolute displacement x of the mass body 2 caused by the absolute displacement u in the direction H of the sensor housing 4 and the relative displacement (ux) obtained by integrating from the feedback control means 9 And a phase lag compensation means 10 for performing third-order phase lag compensation in the required frequency range on the electric signal e D of (1 ).

質量体2は、同心に配された一対の円筒状部21及び22と、一対の円筒状部21及び22の夫々に一体形成されて同心に配された一対の円盤状部23及び24と、一対の円盤状部23及び24を相互に連結する軸部材25とを具備している。   The mass body 2 includes a pair of cylindrical portions 21 and 22 arranged concentrically, a pair of disk-like portions 23 and 24 formed integrally with each of the pair of cylindrical portions 21 and 22, and A shaft member 25 that connects the pair of disk-like portions 23 and 24 to each other is provided.

センサハウジング4は、中空本体部材31と、中空本体部材31の両端面に取付けられた蓋部材32及び33と、中空本体部材31の内周面の両端に嵌着された円環状取付具34及び35とを具備しており、質量体2は、円盤状部23及び24においてばね3を介して円環状取付具34及び35に取付けられて、ばね3の弾性変形で方向Hに振動できるように、センサハウジング4に方向Hに変位自在に支持されている。   The sensor housing 4 includes a hollow main body member 31, lid members 32 and 33 attached to both end surfaces of the hollow main body member 31, an annular attachment 34 fitted to both ends of the inner peripheral surface of the hollow main body member 31, and 35, and the mass body 2 is attached to the annular attachments 34 and 35 via the spring 3 in the disk-like portions 23 and 24 so that the mass 2 can vibrate in the direction H by elastic deformation of the spring 3. The sensor housing 4 is supported so as to be displaceable in the direction H.

ばね定数k(N/m)をもったばね3は、円盤状部23及び24の夫々の周りに蜘蛛の巣状(円環状)のばね部37及び38からなり、ばね部37は、円盤状部23の周りの120度の等角度間隔で、一端では、円環状取付具34の内周面に、他端では、円盤状部23の外周面に夫々固着されており、ばね部38は、ばね部37と同様に、円盤状部24の周りの120度の等角度間隔で、一端では、円環状取付具35の内周面に、他端では、円盤状部24の外周面に夫々固着されており、ばね部37及び38からなるばね3は、方向Hに大変形できるようになっている。   A spring 3 having a spring constant k (N / m) is formed of spider web-like (annular) spring portions 37 and 38 around the disc-like portions 23 and 24, and the spring portion 37 is a disc-like portion. At the same angular interval of 120 degrees around 23, one end is fixed to the inner peripheral surface of the annular fixture 34, and the other end is fixed to the outer peripheral surface of the disk-shaped portion 23. Similarly to the portion 37, at an equal angular interval of 120 degrees around the disk-shaped portion 24, one end is fixed to the inner peripheral surface of the annular fixture 35, and the other end is fixed to the outer peripheral surface of the disk-shaped portion 24. The spring 3 composed of the spring portions 37 and 38 can be largely deformed in the direction H.

検出手段5は、円筒状部21に巻かれたコイル41と、磁気回路形成手段42とを具備しており、磁気回路形成手段42は、中空本体部材31の内周面に固着された円環状の永久磁石43と、中空本体部材31の内周面に固着されていると共に円環状の磁性材からなる一方の磁気回路形成部材44と、磁気回路形成部材44と協働して方向Hにおいて永久磁石83を挟んでおり、且つ、円筒状部21及びコイル41が方向Hに変位自在に配される円筒状空間45を磁気回路形成部材44と協働して形成していると共に軸部材25が方向Hに変位自在に貫通した磁性材からなる他方の磁気回路形成部材46と、コイル41からの相対速度vを示す電流信号iを増幅度(電流−電圧変換係数=変換フィードバックゲイン)K(V/A)をもって相対速度vとしての相対速度電圧信号e(V)に変換する増幅器47とを具備しており、コイル41は、センサハウジング4に対する円筒状部21の方向Hの変位に伴う方向Hの変位で、センサハウジング4に対する質量体2の方向Hの変位における相対速度vを、円筒状空間45での永久磁石43からの磁束を横切ることによって電気的に検出して、出力端子48に生じるこの電気的な検出結果の相対速度電気信号e(V)を増幅器47を介して入力端6に出力するようになっており、コイル41による永久磁石43の磁束の電気的な検出における渦電流損が減衰係数cに寄与している。 The detecting means 5 includes a coil 41 wound around the cylindrical portion 21 and a magnetic circuit forming means 42, and the magnetic circuit forming means 42 is an annular shape fixed to the inner peripheral surface of the hollow body member 31. Permanent magnet 43, one magnetic circuit forming member 44 that is fixed to the inner peripheral surface of the hollow body member 31 and made of an annular magnetic material, and in cooperation with the magnetic circuit forming member 44 is permanent in the direction H. A cylindrical space 45 that sandwiches the magnet 83 and in which the cylindrical portion 21 and the coil 41 are arranged to be displaceable in the direction H is formed in cooperation with the magnetic circuit forming member 44 and the shaft member 25 is Amplification degree (current-voltage conversion coefficient = conversion feedback gain) K a (the current signal i indicating the relative velocity v from the other magnetic circuit forming member 46 made of a magnetic material penetrating through the direction H in a freely displaceable manner and the coil 41) V / A) And comprises an amplifier 47 for converting the relative velocity v r as the relative velocity voltage signal e r (V), the coil 41 is displaced in the direction H due to the displacement of the direction H of the cylindrical portion 21 relative to the sensor housing 4 Thus, the relative velocity v in the displacement in the direction H of the mass body 2 with respect to the sensor housing 4 is electrically detected by traversing the magnetic flux from the permanent magnet 43 in the cylindrical space 45, and this electricity generated at the output terminal 48 is detected. specific detection result of the relative speed electric signal e r (V) is adapted to output to the input terminal 6 via the amplifier 47, the eddy current loss in the electrical detection of the magnetic flux of the permanent magnet 43 of the coil 41 is This contributes to the damping coefficient c.

高振動数領域ではばね要素と質量要素とが無限に分布する分布定数系の弾性体と見做し得るばね部37及び38に起因する固有振動数ω/2πよりも高い高振動数成分を抑制するローパスフィルタ8は、演算増幅器51と、一方では、入力端6に、他方では、演算増幅器51の反転入力端に夫々接続されている共に抵抗値Rf1(Ω)を有した入力抵抗52と、一方では、演算増幅器51の反転入力端に、他方では、演算増幅器51の出力端に夫々接続されている共に抵抗値Rf2(Ω)及び静電容量値C(F)を有した帰還抵抗53及び帰還キャパシタ54とを具備しており、増幅器47からの相対速度電圧信号e(V)を相対速度電圧信号e(V)として出力するローパスフィルタ8は、カットオフ振動数f=1/(2π・Rf2・C)を有する伝達関数G(s)=e/e=(Rf2/Rf1)・{1/(1+Rf2・Cf2・s)}をもった電気回路を有している。 In the high frequency region, a high frequency component higher than the natural frequency ω n / 2π due to the spring portions 37 and 38 that can be regarded as an elastic body of a distributed constant system in which the spring elements and the mass elements are distributed infinitely. The suppression low-pass filter 8 is connected to the operational amplifier 51, on the one hand, to the input terminal 6 and on the other hand to the inverting input terminal of the operational amplifier 51, and has an input resistance 52 having a resistance value R f1 (Ω). On the one hand, the resistance value R f2 (Ω) and the capacitance value C f (F) are connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 51 and on the other hand to the output terminal of the operational amplifier 51, respectively. and comprising a feedback resistor 53 and feedback capacitor 54, a low pass filter 8 for outputting the relative speed voltage signal e r from the amplifier 47 and (V) as the relative velocity voltage signal e V (V), the cut-off frequency f c = 1 / (2 An electric circuit having a transfer function GP (s) = e V / er = (R f2 / R f1 ) · {1 / (1 + R f2 · C f2 · s)} having π · R f2 · C f ) have.

例えば、入力抵抗52の抵抗値Rf1=1kΩ、帰還抵抗53の抵抗値Rf2=1kΩ及び帰還キャパシタ54の静電容量値C=10μF並びにカットオフ振動数f=1.59Hzを有したローパスフィルタ8における伝達関数G(s)の振動数応答特性(ボーデ線図)は、図4の曲線55のようになるが、斯かるカットオフ振動数f=1/(2π・Rf2・C)は、高すぎると分割振動数の抑制ができない一方、低すぎるとフィードバックループの安定性に支障をきたし、好ましくは、質量体2及びばね3で決定される固有振動数ω/2π以上であって、絶対変位センサ1で検出しようとする振動数領域の上限、言い換えると、検出しようとするセンサハウジング4の方向Hの絶対変位uの振動数領域の上限の値に設定する。 For example, the resistance value R f1 = 1 k [Omega input resistor 52, having a capacitance value C f = 10uF and cutoff frequency f c = 1.59 Hz of the resistance value R f2 = 1 k [Omega and the feedback capacitor 54 of the feedback resistor 53 The frequency response characteristic (Bode diagram) of the transfer function G P (s) in the low-pass filter 8 is as shown by a curve 55 in FIG. 4, and such cutoff frequency f c = 1 / (2π · R f2 If C f ) is too high, the divided frequency cannot be suppressed, but if it is too low, the stability of the feedback loop is hindered. Preferably, the natural frequency ω n / determined by the mass body 2 and the spring 3 is reduced. The upper limit of the frequency region to be detected by the absolute displacement sensor 1 is 2π or more, in other words, the upper limit value of the frequency region of the absolute displacement u in the direction H of the sensor housing 4 to be detected. To.

フィードバック制御手段9は、ローパスフィルタ8からの相対速度電圧信号eを積分して相対変位(u−x)としての相対変位電圧信号eを出力する積分回路61と、ローパスフィルタ8からの相対速度電圧信号eを一次微分して相対加速度aとしての相対加速度電圧信号eを出力する微分回路62と、ローパスフィルタ8からの相対速度電圧信号eを積分して得られた相対変位電圧信号eに変位フィードバックゲインKを乗算して電圧信号K・e(V)を出力する乗算器63と、ローパスフィルタ8からの相対速度電圧信号eに速度フィードバックゲインKを乗算して電圧信号K・e(V)を出力する乗算器64と、ローパスフィルタ8からの微分回路62を介した相対加速度電圧信号eに加速度フィードバックゲインKを乗算して電圧信号K・e(V)を出力する乗算器65と、乗算器63、64及び65からの電圧信号K・e、K・e及びK・eを加減算して加減算電圧信号e(=K・e−K・e−K・e)を出力する加減算器66と、加減算電圧信号eを変換フィードバックゲインK(A/V)をもって電流信号fに変換する変換器67と、変換器67からの電流信号fをコイル駆動電流として作動する電磁アクチュエータ68とを具備している。 Feedback control means 9 includes an integration circuit 61 which outputs a relative displacement voltage signal e D as integrating the relative displacement of the relative velocity voltage signal e v from the low-pass filter 8 (u-x), relative to the low-pass filter 8 a differentiating circuit 62 which outputs a relative acceleration voltage signal e a as the relative acceleration a velocity voltage signal e V primary differentiation on the relative displacement voltage obtained by integrating the relative velocity voltage signal e v from the low-pass filter 8 a multiplier 63 which outputs a voltage signal by multiplying the displacement feedback gain K D to the signal e D K D · e D ( V), multiplied by the velocity feedback gain K V the relative velocity voltage signal e v from the low-pass filter 8 Then, a multiplier 64 that outputs a voltage signal K V · e v (V) and an acceleration to a relative acceleration voltage signal e A through a differentiation circuit 62 from the low-pass filter 8 A multiplier 65 that multiplies the feedback gain K A and outputs a voltage signal K A · e A (V), and voltage signals K D · e D , K V · e v, and K from the multipliers 63, 64, and 65 subtractor 66 for outputting by subtracting the a · e a subtraction voltage signal e C (= K D · e D -K V · e v -K a · e a), converting the feedback gain subtraction voltage signal e C a converter 67 which converts the current signal f c with K f a (a / V), which comprises an electromagnetic actuator 68 for actuating the current signal f c from the converter 67 as a coil drive current.

積分回路61は、抵抗値R(Ω)をもった抵抗71と、静電容量値C(F)をもったキャパシタ72とからなり、微分回路62は、静電容量値C(F)をもったキャパシタ73と、抵抗値R(Ω)をもった抵抗74とからなる。 The integrating circuit 61 includes a resistor 71 having a resistance value R D (Ω) and a capacitor 72 having a capacitance value C D (F), and the differentiating circuit 62 includes a capacitance value C A (F ) And a resistor 74 having a resistance value R A (Ω).

高振動数成分が抑制されていると共にポジティブにフィードバックされた相対変位(u−x)に相当する電圧信号K・e、高振動数成分が抑制されていると共にネガティブにフィードバックされた相対速度vに相当する電圧信号−K及び同じく高振動数成分が抑制された相対速度vを一次微分して得られ且つネガティブにフィードバックされた相対加速度aに相当する電圧信号−K・eに基づいて、方向Hに関して質量体2をセンサハウジング4に対して変位させるアクチュエータとしての電磁アクチュエータ68は、円筒状部22に巻かれたコイル81と、磁気回路形成手段82とを具備しており、磁気回路形成手段82は、中空本体部材31の内周面に固着された円環状の永久磁石83と、中空本体部材31の内周面に固着されていると共に円環状の磁性材からなる一方の磁気回路形成部材84と、磁気回路形成部材84と協働して方向Hにおいて永久磁石83を挟んでおり、且つ、円筒状部22及びコイル81が方向Hに変位自在に配される円筒状空間85を磁気回路形成部材84と協働して形成していると共に軸部材25が方向Hに変位自在に貫通した磁性材からなる他方の磁気回路形成部材86とを具備しており、入力端子87に入力される電流信号fに基づいてコイル81に流される電流(A)で方向Hに電磁力である駆動力F(N)を発生させ、駆動力Fをセンサハウジング4に対して円筒状部22に相対的に付与してセンサハウジング4に対して相対的に質量体2を方向Hに変位させるようになっており、変換フィードバックゲインKには、電流信号fに対する駆動力Fへの変換ゲインが含まれているものとする。 Voltage signal K D · e D corresponding to the relative displacement (ux) fed back positively while the high frequency component is suppressed, and the relative speed fed back negatively while the high frequency component is suppressed The voltage signal −K A · e corresponding to the relative acceleration a obtained by first-order differentiation of the voltage signal −K V e V corresponding to v and the relative velocity v in which the high frequency component is also suppressed is negatively fed back. The electromagnetic actuator 68 as an actuator for displacing the mass body 2 with respect to the sensor housing 4 with respect to the direction H based on A includes a coil 81 wound around the cylindrical portion 22 and a magnetic circuit forming means 82. The magnetic circuit forming means 82 includes an annular permanent magnet 83 fixed to the inner peripheral surface of the hollow body member 31, and the inner periphery of the hollow body member 31. The magnetic circuit forming member 84 made of an annular magnetic material and the permanent magnet 83 in the direction H in cooperation with the magnetic circuit forming member 84, and the cylindrical portion 22 and A cylindrical space 85 in which the coil 81 is displaceably displaceable in the direction H is formed in cooperation with the magnetic circuit forming member 84 and the shaft member 25 is formed of a magnetic material penetrating displaceably in the direction H. and comprising a magnetic circuit forming member 86, the driving force F (N) is an electromagnetic force in the direction H by a current flowing in the coil 81 (a) based on the current signal f c which is input to the input terminal 87 And generating a driving force F relative to the sensor housing 4 relative to the cylindrical portion 22 to displace the mass body 2 relative to the sensor housing 4 in the direction H. the gain K f , It is assumed to include the conversion gain of the driving force F with respect to the current signal f c.

以上の検出手段5及び電磁アクチュエータ68を有している場合、質量体2の質量mは、一対の円筒状部21及び22、一対の円盤状部23及び24、コイル41及び81並びに軸部材25の夫々の質量の合計となり、減衰係数c(N・sec/m)は、ばね3自体の弾性変形における熱損失とコイル41による永久磁石43の磁束の電気的な検出における渦電流損と、コイル81によるセンサハウジング4に対する相対的な質量体2の方向Hの変位における渦電流損とに基づいて決定される。   In the case of having the detection means 5 and the electromagnetic actuator 68 described above, the mass m of the mass body 2 is such that the pair of cylindrical portions 21 and 22, the pair of disk-like portions 23 and 24, the coils 41 and 81, and the shaft member 25. The damping coefficient c (N · sec / m) is the sum of the mass of each of the eddy current loss in the elastic detection of the spring 3 itself, the eddy current loss in the electrical detection of the magnetic flux of the permanent magnet 43 by the coil 41, and the coil. 81 based on the eddy current loss in the displacement of the mass body 2 in the direction H relative to the sensor housing 4.

3次の位相遅れ補償を施す位相遅れ補償手段10は、2次の位相遅れ補償回路91と、1次の位相遅れ補償回路92との組み合わせからなる。   The phase delay compensation means 10 for performing the third-order phase delay compensation comprises a combination of a second-order phase delay compensation circuit 91 and a first-order phase delay compensation circuit 92.

2次の位相遅れ補償回路91は、抵抗値R(Ω)、R(Ω)及びR(Ω)を夫々有した入力抵抗101、102及び103、抵抗値R(Ω)を有した帰還抵抗104、静電容量値C(F)を有した帰還キャパシタ105並びに演算増幅器106からなると共に入力抵抗101、102及び103を介して入力される電気信号を加算して積分する積分回路107と、抵抗値R(Ω)を有した入力抵抗108、抵抗値R(Ω)を有した帰還抵抗109、静電容量値C(F)を有した帰還キャパシタ110及び演算増幅器111からなると共に入力抵抗108を介して入力される電気信号を積分する積分回路112と、抵抗値R(Ω)を有した入力抵抗113、抵抗値R(Ω)を有した帰還抵抗114及び演算増幅器115からなると共に入力抵抗113を介して入力される電気信号を反転する符号反転回路116と、抵抗値R(Ω)を有した入力抵抗117、抵抗値R10(Ω)を有した帰還抵抗118及び演算増幅器119からなると共に入力抵抗117を介して入力される電気信号を反転する符号反転回路120と、抵抗値R11(Ω)、抵抗値R12(Ω)及び抵抗値R13(Ω)を夫々有した入力抵抗121、122及び123、抵抗値R14(Ω)を有した帰還抵抗124並びに演算増幅器125からなると共に入力抵抗121、122及び123を介して入力される電気信号を加算する加算回路126とを具備しており、1次の位相遅れ補償回路92は、抵抗値R15(Ω)を有する入力抵抗127、抵抗値R17(Ω)を有する帰還抵抗128、抵抗値R16(Ω)を有する帰還抵抗129及び帰還抵抗129に直列接続されていると共に静電容量値Cを有する帰還キャパシタ130並びに演算増幅器131を具備しており、積分回路107には、入力抵抗101を介して相対変位電圧信号eが、入力抵抗102を介して符号反転回路120の出力電圧信号が、そして、入力抵抗103を介して積分回路107自体の出力電圧信号が夫々入力されており、積分回路112には、入力抵抗108を介して積分回路107の出力電圧信号が入力されており、符号反転回路116には、入力抵抗113を介して積分回路107の出力電圧信号が入力されており、符号反転回路120には、入力抵抗117を介して積分回路112の出力電圧信号が入力されており、加算回路126には、入力抵抗121を介して相対変位電圧信号eが、入力抵抗122を介して積分回路112の出力電圧信号が、そして、入力抵抗123を介して符号反転回路116の出力電圧信号が夫々入力されており、1次の位相遅れ補償回路92には、入力抵抗127を介して加算回路126の出力電圧信号が入力されており、1次の位相遅れ補償回路92の出力端135に、相対変位電圧信号eに式(1)で示す伝達関数Glag3(s)をもって3次の位相遅れ補償が施された相対変位電圧信号eOUTが出力されるようになっている。 The second-order phase delay compensation circuit 91 has input resistors 101, 102, and 103 having resistance values R 1 (Ω), R 2 (Ω), and R 3 (Ω), respectively, and a resistance value R 4 (Ω). Feedback circuit 104, feedback capacitor 105 having capacitance value C 1 (F), and operational amplifier 106, and an integration circuit that adds and integrates electric signals input through input resistors 101, 102, and 103. 107, an input resistor 108 having a resistance value R 5 (Ω), a feedback resistor 109 having a resistance value R 6 (Ω), a feedback capacitor 110 having an electrostatic capacitance value C 2 (F), and an operational amplifier 111 And an integration circuit 112 for integrating an electric signal input via the input resistor 108, an input resistor 113 having a resistance value R 7 (Ω), a feedback resistor 114 having a resistance value R 8 (Ω), and Operational amplifier Electric signal input via an input resistor 113 and sign inversion circuit 116 inverts the with of 15, the resistance value R 9 input resistor 117 having a (Omega), a feedback resistor having the resistance value R 10 (Ω) 118, an operational amplifier 119, and a sign inversion circuit 120 for inverting an electric signal input via the input resistor 117, a resistance value R 11 (Ω), a resistance value R 12 (Ω), and a resistance value R 13 (Ω ), Input resistors 121, 122, and 123, a feedback resistor 124 having a resistance value R 14 (Ω), and an operational amplifier 125, and an electric signal input through the input resistors 121, 122, and 123 is added. The first-order phase lag compensation circuit 92 includes an input resistor 127 having a resistance value R 15 (Ω) and a feedback having a resistance value R 17 (Ω). The integrating circuit 107 includes a resistor 128, a feedback resistor 129 having a resistance value R 16 (Ω), a feedback capacitor 130 having a capacitance value C 3 and an operational amplifier 131 connected in series to the feedback resistor 129. Includes a relative displacement voltage signal e D via the input resistor 101, an output voltage signal of the sign inverting circuit 120 via the input resistor 102, and an output voltage signal of the integrating circuit 107 itself via the input resistor 103. The output voltage signal of the integrating circuit 107 is input to the integrating circuit 112 via the input resistor 108, and the output voltage of the integrating circuit 107 is input to the sign inverting circuit 116 via the input resistor 113. The signal is input, and the output voltage signal of the integration circuit 112 is input to the sign inversion circuit 120 via the input resistor 117, and the addition circuit The 26, the relative displacement voltage signal e D via an input resistor 121, the output voltage signal of the integrating circuit 112 via an input resistor 122, and the output voltage signal of the sign inversion circuit 116 via the input resistor 123 The output voltage signal of the adder circuit 126 is input to the primary phase delay compensation circuit 92 via the input resistor 127, and the output terminal 135 of the primary phase delay compensation circuit 92 is input to the primary phase delay compensation circuit 92. A relative displacement voltage signal e OUT in which third-order phase delay compensation is applied to the relative displacement voltage signal e D with the transfer function G lag3 (s) represented by the equation (1) is output.

Figure 2016003933
Figure 2016003933

式(1)において、(s+2ζωs+ω )/(s+2ζωs+ω )(但し、ω>ω)が2次の位相遅れ補償回路91の伝達関数であり、{s+(1/T)}/[s+{1/(α・T)}]が1次の位相遅れ補償回路92の伝達関数であり、ω、ω、ζ、ζ、α及びTと、図5における抵抗値RからR17及び静電容量値CからCとの関係は、C=1、C=1、R=ω 、R=2ζω、R14/R11=1、R14/R12=ω −ω 、R14/R13=2ζω−2ζω、R=R、R10/R=1/10、T=R16、α=(R17+R15)/R15であり、R及びRは、これ以外の抵抗値R等と比較して充分に大きく、無視し得る。 In equation (1), (s 2 + 2ζ 2 ω 2 s + ω 2 2 ) / (s 2 + 2ζ 1 ω 1 s + ω 1 2 ) (where ω 2 > ω 1 ) is the transfer function of the second-order phase delay compensation circuit 91 {S + (1 / T)} / [s + {1 / (α · T)}] is a transfer function of the first-order phase delay compensation circuit 92, and ω 1 , ω 2 , ζ 1 , ζ 2 , Α and T, and the resistance values R 1 to R 17 and the capacitance values C 1 to C 3 in FIG. 5 are C 1 R 1 = 1, C 2 R 5 = 1, R 2 = ω 1. 2, R 3 = 2ζ 1 ω 1, R 14 / R 11 = 1, R 14 / R 12 = ω 2 2 -ω 1 2, R 14 / R 13 = 2 ω 2 - 1 ω 1, R 7 = R 8, R 10 / R 9 = 1/10, T = R 16 C 3, α = (R 17 + R 15) is / R 15, R 4 and R 6, other resistor Sufficiently large as compared with R 1 and the like, negligible.

例えば、ω=0.05×2π(rad/sec)、ζ=0.8、ω=0.23×2π(rad/sec)、ζ=0.45、T=1(sec)及びα=4であると、位相遅れ補償手段10の伝達関数Glag3(s)の振動数応答特性は、図6の曲線136のようになる。 For example, ω 1 = 0.05 × 2π (rad / sec), ζ 1 = 0.8, ω 2 = 0.23 × 2π (rad / sec), ζ 2 = 0.45, T = 1 (sec) When α = 4, the frequency response characteristic of the transfer function G lag3 (s) of the phase lag compensation means 10 is as shown by a curve 136 in FIG.

以上の絶対変位センサ1では、相対変位電圧信号e、相対速度電圧信号e及び相対加速度電圧信号eの全てが負帰還されるとすると、被検出体としてのセンサハウジング4の絶対変位uに対する相対変位電圧信号eの伝達関数e/uは次式(2)となる。 In the absolute displacement sensor 1 described above, if all of the relative displacement voltage signal e D , the relative velocity voltage signal e V and the relative acceleration voltage signal e A are negatively fed back, the absolute displacement u of the sensor housing 4 as the detection object is detected. The transfer function e / u of the relative displacement voltage signal e D with respect to is given by the following equation (2).

Figure 2016003933
Figure 2016003933

式(2)において、係数a、a、a、a及びaは、次式(3)から(7)で表される。 In the equation (2), the coefficients a 0 , a 1 , a 2 , a 3 and a 4 are expressed by the following equations (3) to (7).

Figure 2016003933
Figure 2016003933

ここで、T(=C)は、積分回路61の時定数、T(=C)は、微分回路62の時定数である。 Here, T D (= C D R D ) is a time constant of the integrating circuit 61, and T A (= C A R A ) is a time constant of the differentiating circuit 62.

積分回路61の伝達関数G(s)は、G(s)=1/(T・s+1)となり、Tが大きければTs≫1であるから、伝達関数G(s)は、G(s)=1/(T・s)となり、微分回路62の伝達関数G(s)は、G(s)=T・s/(T・s+1)となり、sが小さい範囲では、Ts≪1であるから、伝達関数G(s)は、G(s)=T・sとなる。 The transfer function G D (s) of the integration circuit 61 is G D (s) = 1 / (T D · s + 1). If T D is large, T D s >> 1, so the transfer function G D (s) is the transfer function G a (s) of G D (s) = 1 / (T D · s) , and the differentiating circuit 62, G a (s) = T a · s / (T a · s + 1) , and the Since T A s << 1 in a range where s is small, the transfer function G A (s) is G A (s) = T A · s.

そうすると、式(2)の絶対変位uに対する相対変位電圧信号eの伝達関数e/uは次式(8)となる。 Then, the transfer function e D / u of the relative displacement voltage signal e D with respect to the absolute displacement u in Expression (2) is expressed by the following Expression (8).

Figure 2016003933
Figure 2016003933

式(8)より、式(9)の係数K、固有角振動数ω及び減衰比ζは、次式(10)、(11)及び(12)となる。 From the equation (8), the coefficient K, the natural angular frequency ω n and the damping ratio ζ of the equation (9) are expressed by the following equations (10), (11), and (12).

Figure 2016003933
Figure 2016003933

相対変位電圧信号eのみが正帰還されるとすると、変位フィードバックゲインKの符号が負に転じるので、固有角振動数ω及び減衰比ζは、次式(13)及び(14)となる。 If only the relative displacement voltage signal e D is positively fed back, the sign of the displacement feedback gain K D turns negative, so that the natural angular frequency ω n and the damping ratio ζ are expressed by the following equations (13) and (14): Become.

Figure 2016003933
Figure 2016003933

これらの式(13)及び(14)より、固有角振動数ωは、加速度フィードバックゲインKと変位フィードバックゲインKとに関係し、加速度フィードバックゲインKを負に大きくすれば固有角振動数ωを低下させることができ、これによって質量体2の質量mを増加させることができる。また、変位フィードバックゲインKを正に大きくすれば、固有角振動数ωの低下も可能であるが、フィードバックループを不安定にする方向に移行させるため、これには限界がある。 From these equations (13) and (14), the natural angular frequency ω n is related to the acceleration feedback gain K A and the displacement feedback gain K D, and if the acceleration feedback gain K A is increased negatively, the natural angular vibration is obtained. The number ω n can be reduced, and thereby the mass m of the mass body 2 can be increased. Also, if positively increase the displacement feedback gain K D, is a possible reduction in the natural angular frequency omega n, for transferring the direction of destabilizing feedback loop, this is limited.

そこで、式(2)の分母がsを変数とするn次の多項式(P(s)=a+an−1+an−2+an−3+・・・an−1s+a)で与えられたとき、安定か不安定かを代数的に解くラウスの安定判別法によって、加速度フィードバックゲインKを増加させる限界を、加速度フィードバックゲインKと速度フィードバックゲインKとを負に、変位フィードバックゲインKを正に夫々設定して、求める。 Therefore, the denominator of equation (2) is an n-order polynomial (P (s) = a 0 s n + a 1 s n-1 + a 2 s n-2 + a 3 s n-3 +... a n−1 s + a n ), the limit of increasing the acceleration feedback gain K A by the Rous's stability determination method that algebraically solves whether it is stable or unstable is defined as the acceleration feedback gain K A and the speed feedback gain. negatively and K V, positively respectively set displacement feedback gain K V, determined.

式(1)の分母の変数sの多項式のラウス表を式(15)に示す。   Expression (15) shows a Rous table of the polynomial of the variable s in the denominator of Expression (1).

Figure 2016003933
Figure 2016003933

斯かるラウスの安定判別法によれば,一列目のa,a,A,A,aの符号が,全て同符号であればフィードバックループは安定であるが,a,aは、正符号を取るので,a,A,Aは、全て正符号を取らねばならない。式(15)に式(2)の分母の係数を代入すると、式(16)から(19)となる。 According to such Rous's stability discrimination method, if the signs of a 0 , a 1 , A 3 , A 4 , a 4 in the first row are all the same sign, the feedback loop is stable, but a 0 , a Since 4 takes a positive sign, all of a 1 , A 3 , and A 4 must take a positive sign. Substituting the denominator coefficients of equation (2) into equation (15) yields equations (16) through (19).

Figure 2016003933
Figure 2016003933

これにより、a,Aが全て正符号を取るには、変位フィードバックゲインKの値を加速度フィードバックゲインK及び速度フィードバックゲインKの値以下にすることで実現できることになる。Aについても同様である。 Thus, all of a 1 and A 3 can have a positive sign by making the value of the displacement feedback gain K D equal to or less than the values of the acceleration feedback gain K A and the speed feedback gain K V. The same is true for A 4.

結論として、絶対変位センサ1では、相対加速度aの加速度フィードバックゲインKは、フィードバックループを不安定にすることはなく、固有角振動数ωを低下させるには、この値を大きくすることで可能となる。 In conclusion, in the absolute displacement sensor 1, the acceleration feedback gain K A of the relative acceleration ap does not destabilize the feedback loop, and this value must be increased to reduce the natural angular frequency ω n. Is possible.

また、絶対変位センサ1では、相対変位(u−x)と絶対変位uとの比は、式(20)となり、振動の検出の領域は、固有角振動数ω以上であるから、相対変位(u−x)と絶対変位uとの比は、式(21)となり、相対加速度aの加速度フィードバックゲインKを大きくすることによって、式(21)の値は小さくなり、相対変位(u−x)が小さくても、大変位振幅の検出が可能になる。 Further, in the absolute displacement sensor 1, the ratio between the relative displacement (ux) and the absolute displacement u is expressed by the equation (20), and the vibration detection area is equal to or greater than the natural angular frequency ω n. the ratio of the (u-x) and the absolute displacement u is by increasing expression (21), and the acceleration feedback gain K a of the relative acceleration a p, decreases the value of the expression (21), relative displacement (u Even if -x) is small, it is possible to detect a large displacement amplitude.

Figure 2016003933
Figure 2016003933

ところで、絶対変位センサ1では、原理的には、相対加速度aの加速度フィードバックゲインKはフィードバックループを不安定にすることはないので、相対加速度aの加速度フィードバックゲインKを大きく定めることで、固有角振動数ωを低下させることが可能であるが、質量体2を支持しているばね3は、実質的にはばね要素と質量要素とが無限に分布する分布定数系の弾性体と見做し得るので、厳密には固有角振動数ωよりも無数の高次固有角振動数ωを有していることになり、この無数の高次固有角振動数ωに基づいて、例えば、質量m=25.2×10−3(kg)、ばね係数k=30.1(N/m)、減衰係数c=0.87(N・sec/m)、変換フィードバックゲインK=35、変位フィードバックゲインK=0、速度フィードバックゲインK=0、加速度フィードバックゲインK=0、積分回路61の時定数T(sec)=3.3、微分回路62の時定数T(sec)=0.001、入力抵抗52の抵抗値Rf1=1kΩ、帰還抵抗53の抵抗値Rf2=1kΩ及び帰還キャパシタ54の静電容量値C=0μFの場合(ローパスフィルタ8の機能なしで、フィードバックなしの場合)に、式(2)の絶対変位uに対する相対変位電圧信号eの伝達関数e/uは、図7の曲線137で示すように、位相が90度となる振動数を固有角振動数ωと定義すれば、固有振動数ω/2π=5.5Hzよりも高い振動数領域の240Hz、380Hz及び480Hz付近で分割振動(共振ピーク)138、即ち、高振動数で無数の固有振動(分割共振現象)が発生する。 Incidentally, in the absolute displacement sensor 1, in principle, since the acceleration feedback gain K A of the relative acceleration a p does not destabilize the feedback loop, to define a large acceleration feedback gain K A of the relative acceleration a p Thus, the natural angular frequency ω n can be reduced, but the spring 3 supporting the mass body 2 is substantially a distributed constant system in which the spring elements and the mass elements are distributed infinitely. Strictly speaking, it has an infinite number of higher-order natural angular frequencies ω n than the natural angular frequency ω n , and this innumerable higher-order natural angular frequency ω n Based on, for example, mass m = 25.2 × 10 −3 (kg), spring coefficient k = 30.1 (N / m), damping coefficient c = 0.87 (N · sec / m), conversion feedback gain K a = 35, displacement feedback C gain K D = 0, velocity feedback gain K V = 0, acceleration feedback gain K A = 0, time constant T D (sec) of integrating circuit 61 = 3.3, time constant T A (sec) of differentiating circuit 62 0.001, the resistance value R f1 = 1 k [Omega input resistor 52, without the function of the resistance R f2 = 1 k [Omega and when the capacitance value C f = 0μF the feedback capacitor 54 (low-pass filter 8 of the feedback resistor 53, feedback In the case of no), the transfer function e D / u of the relative displacement voltage signal e D with respect to the absolute displacement u in the equation (2) has a characteristic frequency with a phase of 90 degrees as shown by the curve 137 in FIG. If defined as the angular frequency ω n , the divided vibration (resonance peak) 138 in the vicinity of 240 Hz, 380 Hz, and 480 Hz in the frequency range higher than the natural frequency ω n /2π=5.5 Hz, that is, high An infinite number of natural vibrations (divided resonance phenomenon) occur.

絶対変位センサ1において、式(2)は、ばね3を単純な弾性体とした伝達関数e/uであるが、相対加速度aの加速度フィードバックゲインKを大きくしていくと、固有振動数ω/2π=5.5Hzよりも高い振動数領域での分割振動138も大きくなり、フィードバックループで発振に至る虞がある結果、固有角振動数ωを低下するために相対加速度aの加速度フィードバックゲインKを大きくすることには限界があり、分割振動138を抑制しなければ相対加速度aの加速度フィードバックゲインKを大きくすることができないが、例えば、静電容量値C=0μFに代えて、静電容量値C=10μFの帰還キャパシタ54にして図4の周波数応答特性の曲線55で示されるカットオフ振動数fc=1.59Hzをもった伝達関数G(s)=e/eLr=(R/R)・{1/(1+R・C・s)}のローパスフィルタ8にすることにより、式(2)の絶対変位uに対する相対変位電圧信号eの伝達関数e/uは、フィードバックなしの場合、図7の曲線139で示すように、固有振動数ω/2π=5.5Hz以上の分割振動138を抑制でき、ばね3の高振動数領域で発生する分布定数系特有の高次の固有角振動数での質量体2の振動に影響されないで、分割振動138による発振現象を回避でき、相対加速度aの加速度フィードバックゲインKを大きくして、固有角振動数ωを低下させことができ、而して、例えば、周期10秒に至る長周期振動でも方向Hの絶対変位uを検出し得る。 In the absolute displacement sensor 1, the expression (2) is a transfer function e D / u using the spring 3 as a simple elastic body, but when the acceleration feedback gain K A of the relative acceleration ap is increased, the natural vibration is obtained. The divided vibration 138 in the frequency region higher than the number ω n /2π=5.5 Hz is also increased, and there is a possibility of oscillation in the feedback loop. As a result, the relative acceleration a p is decreased in order to reduce the natural angular frequency ω n. of to increase the acceleration feedback gain K a is limited, it is not possible to increase the acceleration feedback gain K a of the relative acceleration a p unless suppressed divided vibration 138, for example, the capacitance value C f Instead of = 0 μF, the feedback capacitor 54 having a capacitance value C f = 10 μF is used, and the cut-off frequency fc = 1.5 shown by the curve 55 of the frequency response characteristic of FIG. By using a low-pass filter 8 with a transfer function G p (s) = e V / e Lr = (R f / R) · {1 / (1 + R f · C · s)} having 9 Hz, the expression (2) When there is no feedback, the transfer function e D / u of the relative displacement voltage signal e D with respect to the absolute displacement u is a divided vibration having a natural frequency ω n /2π=5.5 Hz or more as shown by a curve 139 in FIG. 138 can be suppressed, and the oscillation phenomenon caused by the divided vibration 138 can be avoided without being influenced by the vibration of the mass body 2 at the high-order natural angular frequency specific to the distributed constant system generated in the high frequency region of the spring 3. by increasing the acceleration feedback gain K a of the acceleration a p, it is possible to lower the natural angular frequency omega n, then Thus, for example, detect the absolute displacement u of the direction H in the long-period oscillations leading to cycle 10 seconds Can do.

また、絶対変位センサ1では、式(21)においてh≦1/500になるように加速度フィードバックゲインKを設定すれば、質量体2の変位±1mmでセンサハウジング4の全変位1000mm以上の大変位の検出が可能となり、例えば、質量体2の質量m=25.2×10−3(kg)、ばね定数k=30.1(N/m)、減衰係数c=0.87(N・sec/m)、変換フィードバックゲインK=35、変位フィードバックゲインK=0.5、速度フィードバックゲインK=0.75、変換フィードバックゲインK(A/V)=0.6、積分回路61の時定数T=3.3(sec)、微分回路62の時定数T=0.001(sec)、入力抵抗52の抵抗値Rf1=1kΩ、帰還抵抗53の抵抗値Rf2=1kΩ及び帰還キャパシタ54の静電容量値C=10μFでの、加速度フィードバックゲインKをK=550にした場合であって位相遅れ補償手段10を設けないe=eOUTの場合には、図8の曲線141となり、図8の曲線142で示される加速度フィードバックゲインK=0、速度フィードバックゲインK=0及び変位フィードバックゲインK=0にした場合(フィーバックなしの場合)であって位相遅れ補償手段10を設けないe=eOUTの場合と比較して、固有振動数ω/2π=5.5Hzから0.23Hzにできると共に固有振動数ω/2π=0.23Hz以上で、固有振動数ω/2π=5.5Hzでのセンサハウジング4の変位に対して、−55dB=1/570に圧縮でき、従って、絶対変位センサ1では、質量体2の変位をセンサハウジング4の全変位に対して、−55dB=1/570に圧縮でき、斯かる圧縮効果は、固有振動数ω/2π=0.23Hzよりも十分に高いカットオフ振動数f、例えばカットオフ振動数f=1.59Hzをもったローパスフィルタ8を有している場合においても同様に得ることができる。 Further, in the absolute displacement sensor 1, by setting the acceleration feedback gain K A such that h ≦ 1/500 In the formula (21), very over total displacement 1000mm of the sensor housing 4 in displacement ± 1mm of the mass 2 Position can be detected. For example, the mass m of the mass body 2 = 25.2 × 10 −3 (kg), the spring constant k = 30.1 (N / m), the damping coefficient c = 0.87 (N · sec / m), conversion feedback gain K a = 35, displacement feedback gain K D = 0.5, speed feedback gain K V = 0.75, conversion feedback gain K f (A / V) = 0.6, integration circuit 61 time constant T D = 3.3 (sec), differentiation circuit 62 time constant T A = 0.001 (sec), input resistance 52 resistance value R f1 = 1 kΩ, feedback resistance 53 resistance value R f2 = 1 When the acceleration feedback gain K A is set to K A = 550 at kΩ and the capacitance value C f = 10 μF of the feedback capacitor 54 and the phase delay compensation means 10 is not provided, e D = e OUT 8 when the acceleration feedback gain K A = 0, the speed feedback gain K A = 0, and the displacement feedback gain K D = 0 shown by the curve 142 in FIG. 8 (when there is no feedback). Compared with the case of e D = e OUT where the phase delay compensation means 10 is not provided, the natural frequency ω n /2π=5.5 Hz to 0.23 Hz and the natural frequency ω n / 2π = 0. above 23 Hz, to the sensor housing 4 of the displacement at the natural frequency ω n /2π=5.5Hz, it can be compressed to -55 dB = 1/570, therefore, the absolute In position sensor 1, the displacement of the mass member 2 relative to the total displacement of the sensor housing 4, can be compressed to -55 dB = 1/570, such compression effect than natural frequency ω n /2π=0.23Hz The same can be obtained when the low-pass filter 8 has a sufficiently high cutoff frequency f c , for example, the cutoff frequency f c = 1.59 Hz.

このように絶対変位センサ1では、一例では、質量体2の変位をセンサハウジング4の全変位に対して−55dB=1/570に圧縮できるのであるが、式(2)又は式(20)の伝達関数をもったフィードバックループでは、固有振動数ω/2πが0.23Hzであり、位相も固有振動数ω/2π=0.23Hzで90度進んでおり、振動数0.1Hzでは位相の進み角が180度を超えており、固有振動数ω/2π以下の振動数では270度に向けてさらに進むが、絶対変位センサ1では、例えば、式(1)における2次の位相遅れ補償回路91の伝達関数(s+2ζωs+ω )/(s+2ζωs+ω )において固有角振動数ω及び減衰比ζを、フィードバックループの固有角振動数ω及び減衰比ζの値と同一にして、フィードバックループの固有角振動数ω及び減衰比ζと相殺させて、絶対変位uに対する2次の位相遅れ補償回路91の出力電気信号eD1の伝達関数eD1/uが式(22)で表されるようにすると、当該2次の位相遅れ補償回路91の伝達関数(s+2ζωs+ω )/(s+2ζωs+ω )を、例えば、図9の曲線143で示される振動数応答特性にして、式(22)の伝達関数eD1/uを、図8の曲線144で示されるように、0.075Hz程度の固有振動数ω/2πをもった振動数応答特性にすることができる。 Thus, in the absolute displacement sensor 1, in one example, the displacement of the mass body 2 can be compressed to −55 dB = 1/570 with respect to the total displacement of the sensor housing 4, but the equation (2) or (20) In the feedback loop having the transfer function, the natural frequency ω n / 2π is 0.23 Hz, and the phase is also advanced by 90 degrees at the natural frequency ω n /2π=0.23 Hz. In the absolute displacement sensor 1, for example, the second-order phase lag in the equation (1) is further advanced toward 270 degrees at a frequency of less than the natural frequency ω n / 2π. In the transfer function (s 2 + 2ζ 2 ω 2 s + ω 2 2 ) / (s 2 + 2ζ 1 ω 1 s + ω 1 2 ) of the compensation circuit 91, the natural angular frequency ω 2 and the damping ratio ζ 2 are expressed as the natural angular frequency of the feedback loop. ω n and reduced In the same value of the ratio zeta, by offsetting the natural angular frequency omega n and damping ratio of the feedback loop zeta, the output electrical signal e D1 of secondary phase delay with respect to the absolute displacement u compensating circuit 91 transfer function e D1 When / u is expressed by the equation (22), the transfer function (s 2 + 2ζ 2 ω 2 s + ω 2 2 ) / (s 2 + 2ζ 1 ω 1 s + ω 1 2 ) of the second-order phase lag compensation circuit 91 9 is a frequency response characteristic indicated by a curve 143 in FIG. 9, and the transfer function e D1 / u in the equation (22) is a natural vibration of about 0.075 Hz as indicated by a curve 144 in FIG. A frequency response characteristic having a number ω n / 2π can be obtained.

Figure 2016003933
Figure 2016003933

新たな伝達関数eD1/uが式(1)の伝達関数Glag3(s)の(s+2ζωs+ω )で定まるようにした絶対変位センサ1でも、位相が90度となる固有振動数ω/2πを0.075Hz程度にしか低下できなく、しかも、実際にはコイル81のインダクタンス等が含まれる結果、厳密には式(22)の分母はsに関して4次式となって極低振動数領域で位相が270度まで進むのであるが、斯かる位相の進みを相殺して、目標とする超低振動数の固有振動数ω/2πを得ることができるように、即ち、例えば、絶対変位uに対する相対変位電圧信号eOUTの伝達関数eOUT/uにおいて固有振動数ω/2πが0.060Hzに低下されていると共に振動数0.1Hzで進み位相が45度に抑えられた図8に示す曲線145となるように、伝達関数Glag3(s)において図9の曲線146(図6の曲線136と同じ)の振動応答特性をもった位相遅れ補償手段10となる1次の位相遅れ補償回路92の伝達関数{s+(1/T)}/[s+{1/(α・T)}]におけるα及びTが決定されており、こうして決定されたα及びTをもった1次の位相遅れ補償回路92の振動応答特性は、例えば、図10に示す曲線147となる。 Even in the absolute displacement sensor 1 in which the new transfer function e D1 / u is determined by (s 2 + 2ζ 1 ω 1 s + ω 1 2 ) of the transfer function G lag3 (s) of the formula (1), the phase becomes 90 degrees. The natural frequency ω n / 2π can only be reduced to about 0.075 Hz. In addition, as a result of actually including the inductance of the coil 81 and the like, strictly speaking, the denominator of the equation (22) is a quartic equation with respect to s. The phase advances up to 270 degrees in the extremely low frequency region, so that such a phase advance can be offset and the target natural frequency ω n / 2π of the ultra-low frequency can be obtained. That is, for example, in the transfer function e OUT / u of the relative displacement voltage signal e OUT with respect to the absolute displacement u, the natural frequency ω n / 2π is reduced to 0.060 Hz, and the leading phase is 45 degrees at the frequency of 0.1 Hz. Figure held down The first-order phase that becomes the phase delay compensation means 10 having the vibration response characteristic of the curve 146 of FIG. 9 (same as the curve 136 of FIG. 6) in the transfer function G lag3 (s) so that the curve 145 shown in FIG. Α and T in the transfer function {s + (1 / T)} / [s + {1 / (α · T)}] of the delay compensation circuit 92 have been determined, and the first order having α and T thus determined. The vibration response characteristic of the phase lag compensation circuit 92 is, for example, a curve 147 shown in FIG.

このように絶対変位センサ1では、図9の曲線146で示される振動応答特性をもった位相遅れ補償手段10により、図8の曲線145の周波数応答特性をもった絶対変位センサ1が得られる結果、固有振動数ω/2πを0.060Hzに低下でき、0.1Hzで位相も45度の進みに止めることができ、周期T=10秒の超低振動数の検出が可能となる。即ち、絶対変位センサ1では、被検出体としてのセンサハウジング4の絶対変位uを検出する検出範囲での位相の進みが限りなく零となるように、2次の位相遅れ補償回路91に加えて1次の位相遅れ補償回路92を有した位相遅れ補償手段10により、相対変位(u−x)の電気信号eに、フィードバックループの固有振動数ωn/2πを含む所要の振動数領域で3次の位相遅れ補償を施している。 As described above, in the absolute displacement sensor 1, the absolute displacement sensor 1 having the frequency response characteristic of the curve 145 in FIG. 8 is obtained by the phase delay compensation means 10 having the vibration response characteristic indicated by the curve 146 in FIG. The natural frequency ω n / 2π can be reduced to 0.060 Hz, and the phase can be stopped at 45 ° at 0.1 Hz, and an extremely low frequency with a period T = 10 seconds can be detected. That is, in the absolute displacement sensor 1, in addition to the second-order phase delay compensation circuit 91, the phase advance in the detection range for detecting the absolute displacement u of the sensor housing 4 as the detected object becomes zero as much as possible. the phase lag compensation means 10 having a first-order phase lag compensation circuit 92, into an electric signal e D relative displacement (u-x), at the required frequency region including the natural frequency omega n / 2 [pi feedback loop Third-order phase delay compensation is performed.

従って、位相遅れ補償手段10を介してフィードバック制御手段9において積分して得られた相対変位u−xをセンサハウジング4の方向Hの絶対変位xとして出力するようになっている絶対変位センサ1では、フィードバック制御手段9によって相対変位u−xを圧縮でき、質量体2の方向Hの変位xでのばね3に起因して発生する高次の固有振動数の質量体2の振動をローパスフィルタ8で抑制でき、しかも、フィードバック制御手段9の固有振動数ωn/2πを3次の位相遅れ補償手段10によって低下できて検出範囲を0.1Hz以下の極低振動数まで拡張できる結果、センサハウジング4と質量体2との方向Hの相対変位u−xが±1mmであっても、±570mmの方向Hの変位uを検出でき、また、10秒の長周期振動以上の検出が可能となり、従って、方向Hの相対変位u−xが±1mmしかできない小型の本絶対変位センサ1によっても、全振幅1メートル以上で10秒以上の長周期・大振幅振動の変位が検出できることになる。 Therefore, in the absolute displacement sensor 1 configured to output the relative displacement ux obtained by integration in the feedback control means 9 via the phase delay compensation means 10 as the absolute displacement x in the direction H of the sensor housing 4. The relative displacement ux can be compressed by the feedback control means 9, and the vibration of the mass body 2 having a higher natural frequency caused by the spring 3 at the displacement x in the direction H of the mass body 2 can be reduced by the low-pass filter 8. As a result, the natural frequency ω n / 2π of the feedback control means 9 can be reduced by the third-order phase lag compensation means 10 and the detection range can be expanded to an extremely low frequency of 0.1 Hz or less. Even if the relative displacement ux in the direction H between the mass 4 and the mass body 2 is ± 1 mm, the displacement u in the direction H of ± 570 mm can be detected, and more than 10 seconds of long-period vibration is detected. Therefore, even with this small absolute displacement sensor 1 that can only have a relative displacement ux in the direction H of ± 1 mm, it is possible to detect a displacement of a long period and large amplitude vibration of 10 seconds or more with a total amplitude of 1 meter or more. become.

以上の絶対変位センサ1では、位相遅れ補償手段10を介してフィードバック制御手段9において積分して得られた相対変位(uーx)を被検出体としてのセンサハウジング4の方向Hの絶対変位uとして出力するようになっているが、本発明では、これに代えて、例えば、絶対変位センサ1は、フィードバック制御手段10において積分して得られた相対変位(u−x)自体を被検出体としてのハウジング4の方向Hの絶対変位として出力するようになっていてもよい。   In the absolute displacement sensor 1 described above, the absolute displacement u in the direction H of the sensor housing 4 as a detected object is obtained by using the relative displacement (ux) obtained by integrating the feedback control means 9 via the phase delay compensation means 10. However, in the present invention, instead of this, for example, the absolute displacement sensor 1 uses the relative displacement (ux) itself obtained by integrating the feedback control means 10 as the detected object. The absolute displacement in the direction H of the housing 4 may be output.

加えて、絶対変位センサ1では、ローパスフィルタ8、フィードバック制御手段9及び位相遅れ補償手段10を、抵抗、キャパシタ、演算増幅器等を用いた電気回路で構成したが、本発明の絶対変位センサは、斯かる電気回路で構成したものに限定されず、例えば、ローパスフィルタ8、フィードバック制御手段9及び位相遅れ補償手段10を、プログラムを用いたコンピュータで具体化してもよい。   In addition, in the absolute displacement sensor 1, the low-pass filter 8, the feedback control unit 9, and the phase lag compensation unit 10 are configured by an electric circuit using a resistor, a capacitor, an operational amplifier, and the like. For example, the low-pass filter 8, the feedback control means 9, and the phase delay compensation means 10 may be embodied by a computer using a program.

1 絶対変位センサ
2 質量体
3 ばね
4 センサハウジング
5 検出手段
6 入力端
7 出力端
8 ローパスフィルタ
9 フィードバック制御手段
10 位相遅れ補償手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Absolute displacement sensor 2 Mass body 3 Spring 4 Sensor housing 5 Detection means 6 Input end 7 Output end 8 Low pass filter 9 Feedback control means 10 Phase delay compensation means

Claims (6)

質量体と、この質量体をばねを介して弾性的に一の方向に変位自在に支持する被検出体と、質量体に対する被検出体の一の方向の変位における相対速度を検出する検出手段と、質量体及びばねで決定される固有振動数よりも高い高振動数成分を抑制する一方、固有振動数よりも低い低振動数成分を通過させる伝達特性を有すると共にこの伝達特性をもって検出手段から入力された相対速度を出力に伝達する低振動数成分通過手段と、低振動数成分通過手段から出力された相対速度を積分して得られた相対変位をポジティブに、当該相対速度及び当該相対速度を一次微分して得られた相対加速度の夫々をネガティブに夫々フィードバックさせて、被検出体の一の方向の絶対変位に起因する質量体の一の方向の絶対変位を抑制制御するフィードバック制御手段とを具備しており、フィードバック制御手段において積分して得られた相対変位を被検出体の一の方向の絶対変位として出力するようになっている絶対変位センサ。   A mass body, a detected body that elastically supports the mass body via a spring so as to be freely displaceable in one direction, and a detection means that detects a relative speed of the detected body relative to the mass body in one direction. The high frequency component higher than the natural frequency determined by the mass body and the spring is suppressed, while the low frequency component lower than the natural frequency is allowed to pass and the transfer characteristic is input from the detection means. The low frequency component passing means for transmitting the relative speed to the output and the relative displacement obtained by integrating the relative speed output from the low frequency component passing means are positive, and the relative speed and the relative speed are Feeders that control the absolute displacement in one direction of the mass body caused by the absolute displacement in one direction of the detected object by negatively feeding back each of the relative accelerations obtained by the first differentiation. It has and a click control means, absolute displacement sensor which is a relative displacement obtained by the integration in the feedback control means is outputted as the absolute displacement of one direction of the object to be detected. 低振動数成分通過手段は、質量体の一の方向の変位でのばねに起因して発生する高次の固有振動数での質量体の振動を抑制する伝達特性を有している請求項1に記載の絶対変位センサ。   2. The low frequency component passing means has a transmission characteristic for suppressing vibration of the mass body at a high-order natural frequency generated due to a spring in a displacement in one direction of the mass body. Absolute displacement sensor described in 1. 低振動数成分通過手段は、伝達関数G(s)=(R/R)・{1/(1+R・C・s)}(ここで、R及びRは夫々電気抵抗値、Cは静電容量値、sは微分演算子)をもった電気回路を有する請求項1又は2に記載の絶対変位センサ。 The low frequency component passing means has a transfer function G P (s) = (R f / R) · {1 / (1 + R f · C · s)} (where R f and R are electric resistance values, C 3. An absolute displacement sensor according to claim 1, further comprising an electric circuit having a capacitance value and s being a differential operator. 伝達関数G(s)=(R/R)・{1/(1+R・C・s)}をもった電気回路は、質量体の固有振動数以上のカットオフ振動数f=1/(2πR・C)を有する請求項3に記載の絶対変位センサ。 An electric circuit having a transfer function G P (s) = (R f / R) · {1 / (1 + R f · C · s)} has a cutoff frequency f = 1 / greater than the natural frequency of the mass body. The absolute displacement sensor according to claim 3, having (2πR f · C). カットオフ振動数f=1/(2πR・C)は、検出する被検出体の一の方向の絶対変位の振動数領域の上限の値を有する請求項4に記載の絶対変位センサ。 5. The absolute displacement sensor according to claim 4, wherein the cutoff frequency f = 1 / (2πR f · C) has an upper limit value in a frequency region of absolute displacement in one direction of the detected object to be detected. フィードバック制御手段は、高振動数成分が抑制されていると共にポジティブにフィードバックされた相対変位、高振動数成分が抑制されていると共にネガティブにフィードバックされた相対速度及び当該高振動数成分が抑制された相対速度を一次微分して得られ且つネガティブにフィードバックされた相対加速度に基づいて、質量体を被検出体に付加される変位の方向に関して変位させるアクチュエータを具備している請求項1から5のいずれか一項に記載の絶対変位センサ。   In the feedback control means, the high frequency component is suppressed, the relative displacement fed back positively, the high frequency component is suppressed, the relative speed fed back negatively, and the high frequency component are suppressed. 6. The actuator according to claim 1, further comprising an actuator for displacing the mass body with respect to a direction of displacement applied to the detected object based on a relative acceleration obtained by first-order differentiation of the relative velocity and fed back negatively. An absolute displacement sensor according to claim 1.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108267073A (en) * 2018-04-20 2018-07-10 中国地震局工程力学研究所 A kind of low-frequency vibration displacement sensor and its detection method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11148815A (en) * 1997-11-14 1999-06-02 Yaskawa Electric Corp Displacement servo sensor
JP2004251666A (en) * 2003-02-18 2004-09-09 Kazuto Sedo Servo type absolute displacement/velocity sensor
JP2008190943A (en) * 2007-02-02 2008-08-21 Kazuto Sedo Absolute displacement-speed measuring sensor
JP2009041954A (en) * 2007-08-06 2009-02-26 Kazuto Sedo Absolute displacement detection method and absolute displacement sensor using the method
US20120247213A1 (en) * 2011-03-31 2012-10-04 Zumberge Mark A Optical seismometer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11148815A (en) * 1997-11-14 1999-06-02 Yaskawa Electric Corp Displacement servo sensor
JP2004251666A (en) * 2003-02-18 2004-09-09 Kazuto Sedo Servo type absolute displacement/velocity sensor
JP2008190943A (en) * 2007-02-02 2008-08-21 Kazuto Sedo Absolute displacement-speed measuring sensor
JP2009041954A (en) * 2007-08-06 2009-02-26 Kazuto Sedo Absolute displacement detection method and absolute displacement sensor using the method
US20120247213A1 (en) * 2011-03-31 2012-10-04 Zumberge Mark A Optical seismometer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108267073A (en) * 2018-04-20 2018-07-10 中国地震局工程力学研究所 A kind of low-frequency vibration displacement sensor and its detection method
CN108267073B (en) * 2018-04-20 2023-11-24 中国地震局工程力学研究所 Low-frequency vibration displacement sensor and detection method thereof

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