JP3121528B2

JP3121528B2 - 振動検出装置および振動検出方法

Info

Publication number: JP3121528B2
Application number: JP07219342A
Authority: JP
Inventors: 山中　　浩; 龍雄酒井; 茂喜藤原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1995-08-28
Publication date: 2001-01-09
Anticipated expiration: 2015-08-28
Also published as: JPH0961232A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動を発生する振
動体の加振力を検出する振動検出装置および振動検出方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、振動を発生する振動体の加振
力を検出する装置として、加速度センサを用いたものが
知られている。加速度センサは、振動体とともに振動す
る基体と慣性によって位置保持される重りとを備え、基
体と重りとの相対的な位置関係に基づいて振動体の振動
を検出する構成を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、加速度セン
サでは、基体と重りとを弾性的に結合し、基体が振動し
ても重りを慣性によってほぼ定位置に止まらせているの
であるが、振動体の振動周期が長くなると重りも基体と
ともに振動して振動体の振動を検出するのが難しくな
る。さらに、振動体によっては振動がいろいろな方向に
生じるから、所望方向の加振力を正確に測定するのが難
しいという問題もある。

【０００４】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、振動体の振動をより正確に測定でき
るようにした振動検出装置および振動検出方法を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、振
動を発生する振動体の加振力を検出する振動検出装置で
あって、定位置に固定された支持フレームと、振動体を
保持する保持手段と、保持手段に結合され支持フレーム
に対して振動体より生じる加振力の作用方向に移動自在
な浮動体と、浮動体を支持フレームに対して非接触で支
持するとともに上記作用方向にのみ移動可能となるよう
に浮動体の移動方向を規制する支持手段と、支持フレー
ムの定位置に配置され上記作用方向における浮動体の位
置を検出する位置検出手段と、支持フレームの定位置に
配置され支持フレームと浮動体とを非接触に保った状態
で上記作用方向における外力を浮動体に作用させる力発
生手段と、位置検出手段による検出位置を定位置付近に
保つように力発生手段により発生する外力を振動体によ
り生じる加振力の抑制方向に制御する制御手段とを備
え、制御手段より力発生手段に与える操作量に基づいて
振動体の加振力を検出することを特徴とする。

【０００６】この構成によれば、振動体を保持した浮動
体を支持フレームに対して非接触で支持するから、振動
体の振動を摩擦によって損失させることなく正確に測定
することができる。しかも、支持手段は浮動体の移動方
向を規制するから振動の検出が不要な方向に浮動体が傾
くことがなく、浮動体の傾きによる測定誤差を防止する
ことができる。

【０００７】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、加振力が１自由度で作用する振動体に適用され、
支持手段は浮動体を１自由度に移動規制し、位置検出手
段は浮動体の自由度に応じて位置検出するとともに、力
発生手段は浮動体に１自由度の外力を作用させることを
特徴とする。請求項２の発明は請求項１の発明の望まし
い実施態様であり、振動体の振動に摩擦による減衰を生
じさせず、また浮動体の移動規制を行なうことで測定誤
差の発生を防止することができる。

【０００８】請求項３の発明では、複数自由度の振動を
発生する振動体の加振力を検出する振動検出装置であっ
て、定位置に固定された支持フレームと、振動体を保持
する保持手段と、保持手段に結合され支持フレームに対
して振動体より生じる加振力が作用するすべての方向に
移動自在な浮動体と、支持フレームの定位置に配置され
加振力が作用するすべての方向における浮動体の位置を
検出する位置検出手段と、支持フレームの定位置に配置
され支持フレームと浮動体とを非接触に保った状態で上
記作用方向における外力を浮動体に作用させる力発生手
段と、位置検出手段による検出位置を定位置付近に保つ
ように力発生手段により発生する外力を振動体により生
じる加振力の抑制方向に制御する制御手段とを備え、制
御手段より力発生手段に与える操作量に基づいて振動体
の加振力を検出することを特徴とする。請求項４の発明
では、互いに直交する３軸方向と各軸回りの回転との６
自由度の振動を発生する振動体の加振力を検出する振動
検出装置であって、定位置に固定された支持フレーム
と、振動体を保持する保持手段と、保持手段に結合され
支持フレームに対して振動体より生じる加振力が作用す
るすべての方向に移動自在な浮動体と、支持フレームの
定位置に配置され加振力が作用するすべての方向におけ
る浮動体の位置を検出する位置検出手段と、支持フレー
ムの定位置に配置され支持フレームと浮動体とを非接触
に保った状態で上記作用方向における外力を浮動体に作
用させる力発生手段と、位置検出手段による検出位置を
定位置付近に保つように力発生手段により発生する外力
を振動体により生じる加振力の抑制方向に制御する制御
手段とを備え、制御手段より力発生手段に与える操作量
に基づいて振動体の加振力を検出することを特徴とす
る。

【０００９】請求項３の発明の構成では、請求項１の発
明と同様に摩擦による損失がなく正確な測定が可能にな
る。とくに、請求項４の発明の構成では、１つの振動体
について許されるすべての方向に力を発生させることが
でき、またすべての方向の位置を検出することができる
から、浮動体の移動方向を規制する必要はなく、請求項
１の発明と同様に摩擦による損失がなく正確な測定が可
能になる。請求項５の発明では、請求項１ないし請求項
４の発明において、力発生手段は、直流電流値に応じて
磁性体よりなる浮動体との間で吸引力を作用させる電磁
石装置であることを特徴とする。

【００１０】この種の力発生手段は比較的大きい力を発
生させることができるから、振動体や浮動体の重量が大
きい場合に有効である。請求項６の発明では、請求項１
ないし請求項４の発明において、力発生手段は、永久磁
石と永久磁石により形成される磁路の一部が挿通される
空心コイルとを備えたリニアアクチュエータであって、
空心コイルに流す直流電流値に応じて空心コイルが永久
磁石に対して直進的に移動することを特徴とする。

【００１１】この種の力発生手段は、電磁石に比較する
と発生する力が小さいが、通電電流の変化によって往復
移動が可能になるから移動方向ごとに力発生手段を要す
るものに比較して省スペースであり、しかも通電電流と
出力される力との関係が線形であるから制御が容易にな
る。請求項７の発明では、請求項３または請求項４の発
明において、一部の力発生手段は、直流電流値に応じて
磁性体よりなる浮動体との間で吸引力を作用させる電磁
石装置であり、他の力発生手段は、永久磁石と永久磁石
により形成される磁路の一部が挿通される空心コイルと
を備えたリニアアクチュエータであって、空心コイルに
流す直流電流値に応じて空心コイルが永久磁石に対して
直進的に往復移動することを特徴とする。

【００１２】この構成では、電磁石装置とリニアアクチ
ュエータとを組み合わせて用いるから、荷重のかかる部
分では電磁石装置を用いるようにし、荷重のかからない
部分ではリニアアクチュエータを用いるようにすれば、
比較的小型でありながら重量の大きい振動体の測定が可
能になる。請求項８の発明では、請求項５または請求項
７の発明において、浮動体は磁性体よりなる板状体であ
って、電磁石装置は浮動体の厚み方向の両側に配置され
かつ浮動体の厚み方向に直交する一直線上で浮動体に対
する吸引力を作用させる一対の電磁石からなることを特
徴とする。

【００１３】この構成では浮動体に対しては両側の電磁
石が拮抗する吸引力を作用させるから、浮動体を高速に
移動させることができ、結果的に振動体が高周波で振動
する場合でも対応可能になる。請求項９の発明では、請
求項１ないし請求項４の発明において、保持手段は、振
動体を挟む定位置に対向して配置された一対の固定板
と、一方の固定板に保持され他方の固定板との距離が可
変であって上記他方の固定板との間に振動体を挟持する
可動板と、支持フレームに固定され可動板の上記他方の
固定板との距離を変化させるシリンダとから成ることを
特徴とする。

【００１４】この構成ではシリンダの駆動によって振動
体の保持装置への着脱が容易になり、複数の振動体を次
々に測定する際に作業効率が高くなる。請求項１０の発
明では、請求項１ないし請求項４の発明において、保持
手段は、振動体を挟む定位置に対向して配置された一対
の固定板と、一方の固定板に保持され他方の固定板との
距離が可変であって上記他方の固定板との間に振動体を
挟持する可動板と、支持フレームに固定され浮動体が所
定位置に移動したときに可動板を上記他方の固定板から
引き離して振動体の挟持を解除させる解除ピンとから成
ることを特徴とする。

【００１５】この構成も請求項９の構成と同様に振動体
の保持装置への着脱が容易になり、測定時の作業効率が
よいものである。請求項１１の発明では、請求項１ない
し請求項４の発明において、振動体を除く浮動体の全体
の重心と振動体の重心とが一致するとともに、浮動体を
支持する系の弾性中心が浮動体の全体の重心と一致する
ことを特徴とする。

【００１６】この構成によれば、振動に連成が発生せず
振動の解析が容易になる。請求項１２の発明では、請求
項１ないし請求項４の発明において、浮動体に対する振
動体の保持位置を調節する重心調節手段を浮動体に設け
たことを特徴とする。この構成によれば、浮動体に対す
る振動体の重心位置を調節することができ、連成が生じ
ないような位置に振動体を位置させることによって、振
動の解析が容易になる。

【００１７】請求項１３の発明では、振動を発生する振
動体を含む浮動体を力の向きおよび大きさを調節するこ
とができる力発生手段により非接触で支持するととも
に、振動体の振動に伴う浮動体の位置の変位を位置検出
手段により検出し、位置検出手段により検出した位置の
変位を抑制する方向に力発生手段による力の向き及び大
きさを調節し、位置検出手段により検出した位置の変位
と力発生手段により発生させる力の向きおよび大きさと
の少なくとも一方に基づいて振動体の振動に関する情報
を検出することを特徴とする。

【００１８】すなわち、非接触で振動体を支持するから
摩擦による振動の損失が発生せず振動に関する情報を正
確に検出することができるとともに、振動体を非接触で
支持した状態であっても、位置検出手段で検出した位置
や力発生手段で発生する力の向きおよび大きさを用いて
振動体の振動に関する情報を間接的な手法で正確に検出
することができる。

【００１９】請求項１４の発明では、請求項１３の発明
において、位置検出手段により検出した位置の変位に基
づいて振動体の振動の周波数成分を分析することを特徴
とする。請求項１５の発明では、請求項１３の発明にお
いて、力発生手段により発生させる力の向きおよび大き
さに基づいて振動体の加振力を求めることを特徴とす
る。

【００２０】請求項１４、請求項１５の発明は請求項１
３の発明の望ましい実施態様であり、振動の周波数成分
や加振力を求めることができる。請求項１６の発明で
は、請求項１３の発明において、振動体とともに振動す
る部位に振動体の振動方向の加速度を検出する加速度セ
ンサを付加し、加速度センサの出力に基づいて振動体の
振動の周波数成分を分析することを特徴とする。

【００２１】このように加速度センサを付加したことに
よって、振動体の振動の周波数分析に関しては簡単な処
理になる。また、加速度センサは低周波成分の検出には
不都合があるが、位置検出手段の出力に基づく周波数分
析と併用することによって、より正確な周波数分析が可
能になる。請求項１７の発明では、請求項１３の発明に
おいて、力発生手段により発生する力の向きおよび大き
さを指示する操作量に対する位置検出手段により検出し
た位置の応答に基づいて振動体の加振力を推定する検出
器を備えることを特徴とする。

【００２２】この方法を採用すれば、検出器において加
振力を推定することができ、位置検出手段以外にはセン
サを用いることなく加振力を求めることができる。つま
り、位置検出手段としては非接触で微小な位置変位を高
速に検出することができるものが比較的安価に提供され
ているから、この種のセンサを用いて振動を求めること
により、低コストながらも正確に加振力を検出すること
ができる。

【００２３】請求項１８の発明では、請求項１３の発明
において、加振力に基づいて指令値を演算し、力発生手
段を制御する制御手段に該指令値を与えるインピーダン
ス設定器を備え、インピーダンス設定器に所定の機械イ
ンピーダンスを設定し、振動体を含む浮動体の動作が設
定した機械インピーダンスによって定まる動作になるよ
うに制御することを特徴とする。この方法では、機械イ
ンピーダンスの制御によって振動体の振動の抽出が容易
になる。つまり、振動体の振動を強調したり、他の振動
成分を抑制するなどの操作が容易に行えるのである。

【００２４】請求項１９の発明では、請求項１８の発明
において、振動体の振動を測定する期間において機械イ
ンピーダンスを変更することを特徴とする。この方法で
は、振動体の振動開始時と定常動作時とで機械インピー
ダンスを変更するなど振動の各状態において機械インピ
ーダンスを変更することによって、整定時間を短縮する
など所望の振動状態に迅速に移行させることが可能にな
るのである。

【００２５】請求項２０の発明では、請求項１８の発明
において、機械インピーダンスのうちの質量成分を振動
体の質量に一致させることを特徴とする。この方法で
は、機械インピーダンスの調節によって振動体以外の質
量成分を除去するから、振動体の固有の振動を正確に測
定することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】

（実施形態１）本実施形態では、振動体の加振力が１自
由度である例を示す。振動体２は、図１における上下方
向に振動する。このような振動体２は、たとえば内部に
加振器を備え、外部から加振器に給電することによって
加振力を発生する。

【００２７】この振動体２の加振力を検出する振動検出
装置１は、定位置に固定された支持フレーム１０を備
え、支持フレーム１０には支持手段としての空気軸受１
１が設けられている。空気軸受１１は中心線を上下方向
に一致させた筒状に形成され、筒内に空気を噴出する多
数の吹出口１１ａを備える。吹出口１１ａは空気軸受１
１の軸方向においては離間した複数箇所（図では２箇
所）に設けられ、軸方向の各箇所では周方向における複
数箇所に均等に設けられている。空気軸受１１の中には
浮動体１２が配置され、浮動体１２は中心線を空気軸受
１１の中心線と一致させるように空気軸受１１によって
非接触で支持される。また、浮動体１２の中心線が空気
軸受１１の中心線に対して傾かないように空気圧によっ
て移動規制され、浮動体１２は空気軸受１１の中心線方
向、すなわち図１の上下方向にのみ移動可能になってい
る。

【００２８】浮動体１２の図１における下部は空気軸受
１１の下端から突出し、この部分には保持装置１３が設
けられる。保持装置１３は、浮動体１２に対して固定さ
れた上下一対の固定板１３ａ，１３ｂと、上側の固定板
１３ａに対して押圧ばね１３ｃを介して結合された可動
板１３ｄとを備える。可動板１３ｄは浮動体１２に対し
て図１の上下方向に移動自在であって、押圧ばね１３ｃ
によって下側の固定板１３ｂに近付く向きに付勢されて
いる。したがって、下側の固定板１３ｂと可動板１３ｄ
との間に押圧ばね１３ｃの弾性力によって振動体２を挟
持することができる。ここに、押圧ばね１３ｃの弾性力
は、振動体２が振動する際に固定板１３ｂおよび可動板
１３ｄと振動体２とを密着した状態に保つことができる
程度に設定される。

【００２９】浮動体１２の図１における上部は空気軸受
１１から突出し、浮動体１２の上端には平板状のヘッダ
１２ａが一体に結合されている。ヘッダ１２ａは空気軸
受１１の内径よりも大きく、浮動体１２が下がるとヘッ
ダ１２ａが空気軸受１１の上面に当接することによって
浮動体１２が下方に脱落するのを防止している。ヘッダ
１２ａには支持フレーム１０に固定された位置検出手段
としての位置センサ１４が対向する。位置センサ１４は
図１における上下方向の距離に応じたアナログ出力を発
生する１次元位置センサであって、ここではヘッダ１２
ａとの距離を光学的に検出するものを用いている。すな
わち、レーザビームを対象物に照射し、反射光の位置を
ＰＳＤ（半導体位置センサ）により検出する周知のアク
ティブ形の位置センサを用いる。ただし、光学式の位置
センサに代えて、発振回路を構成する高周波発振コイル
とヘッダ１２ａとの距離に応じて高周波発振コイルのイ
ンピーダンス変化による発振出力の変化を検出するも
の、ヘッダ１２ａとの間の静電容量を検出するものも用
いてもよい。

【００３０】ところで、浮動体１２は力発生手段として
のリニアアクチュエータ１５に結合されている。リニア
アクチュエータ１５は、略Ｅ形に形成されたヨーク１５
ａの両側片の内側面にそれぞれ永久磁石１５ｂを備え、
ヨーク１５ａの中央片が空心コイル１５ｃに挿通された
構成を有する。リニアアクチュエータ１５は空気軸受１
１の外側に配置され、空気軸受１１の壁面に形成された
スリット（図示せず）を通して空心コイル１５ｃと浮動
体１２とが一対のアーム１５ｄにより一体に結合され
る。ここに、空心コイル１５ｃは図１の上下方向に移動
自在に配置され、通電電流に応じて上下方向の位置が決
まるように構成されている。つまり、リニアアクチュエ
ータ１５に操作量として与える空心コイル１５ｃへの直
流電流の電流値に応じて浮動体１２の上下方向の位置が
決定される。

【００３１】リニアアクチュエータ１５に与える直流電
流の電流値は、位置センサ１４の出力に基づいて制御手
段２０により決定される。制御手段２０は、マイクロコ
ンピュータよりなり、位置センサ１４の出力がＡ／Ｄ変
換器２１を介してデジタル値として入力され、位置セン
サ１４の出力に基づいて操作量を決定すると、その操作
量をＤ／Ａ変換器２２でアナログ量に変換した後に電流
ドライバ２３を介してリニアアクチュエータ１５の空心
コイル１５ｃに与える。制御手段２０では、位置センサ
１４で検出されたヘッダ１２ａとの距離を一定に保つよ
うにＰＩＤ制御を行なって操作量を決定する。ここで、
操作量の決定には、要求される応答性に応じてＰＩＤ制
御以外にもＨ∞制御などの制御方法を用いることができ
るのはいうまでもない。このようにして、浮動体１２が
振動体２の振動に応じて移動せず定位置を保つようにリ
ニアアクチュエータ１５への操作量が制御される。リニ
アアクチュエータ１５への操作量をこのように決定すれ
ば、振動体２の加振力がリニアアクチュエータの操作量
に反映されるから、演算部２４において制御手段２０の
出力に対して後述の変換演算を施せば振動体２の加振力
を求めることができる。ただし、振動体２の振動を抑制
する方向に操作量が発生するから、振動体２の加振力と
操作量とは互いに位相が逆になる。

【００３２】ところで、初期状態ではリニアアクチュエ
ータ１５の空心コイル１５ｃに通電されていないから、
空気軸受１１の上端面とヘッダ１２ａとの距離ｄは０に
なっている。振動体２の加振力を測定するに際しては、
まず空気軸受１１に通気して浮動体１２の中心線を空気
軸受１１の中心線に一致させる。また、制御手段２０に
適宜の位置指令値（目標値）を与えることにより、ヘッ
ダ１２ａを空気軸受１１の上端面から一定距離ｄだけ浮
上させる。この距離ｄは、振動体２の上下方向の振幅よ
りも大きく、かつ振動体２の振動によってヘッダ１２ａ
が位置センサ１４に接触しない範囲で設定される。

【００３３】その後、保持装置１３の固定板１３ｂと可
動板１３ｄとの間に振動体２を挟持させ、振動体２に対
して外部から給電するなどして振動体２を振動させる。
振動体２は必ずしも外部から給電するものに限らず、振
動体２の中に電源を内蔵したものを用いてもよい。ここ
において、浮動体１２は空気軸受１１によって支持フレ
ーム１０に対して非接触となるように保持され、またリ
ニアアクチュエータ１５においてもヨーク１５ｂと空心
コイル１５ｃとは非接触であるから、結果的に浮動体１
２は実質的な摩擦力が作用することなく上下方向に移動
することができることになる。

【００３４】上述したように、振動体２を振動させて
も、浮動体１２は定位置に保たれるから、制御手段２０
から発生する操作量は振動体２の加振力に対応し、この
操作量をデジタル値のまま演算部２４に入力し所要の変
換を施すと振動体２から発生する加振力を求めることが
できる。つまり、操作量はリニアアクチュエータ１５へ
の電流値を決定し、リニアアクチュエータ１５により発
生する力は入力電流値に比例定数（電流−力変換係数と
いう）を乗じることによって求めることができるから、
操作量に適宜の比例定数を乗じることによりリニアアク
チュエータ１５で発生する力、つまり振動体２の加振力
を求めることができる。また、上述のように浮動体１２
は他部材に対して非接触で上下に移動するから摩擦力が
作用することによる誤差がなく、振動体２の加振力を誤
差なく正確に測定することができる。振動体２の加振力
の測定後には振動体２への給電を停止して振動を停止さ
せ、振動体２を保持装置１３から外す。また、リニアア
クチュエータ１５への通電を停止してヘッダ１５ｄを空
気軸受１１の上端面に当接する位置まで下降させる。

【００３５】さらに、本実施形態では、振動体２を振動
させても浮動体１２が定位置に保たれる程度にリニアア
クチュエータ１５により生じる磁力（つまり、支持フレ
ーム１０に対して浮動体１２を復元要素を介して結合し
ていることになるから、そのスティフネス）を大きく設
定しているが、振動体２の振動に伴って浮動体１２が振
動する程度にスティフネスを小さく設定することも可能
である。この場合には、位置センサ１４の出力をフーリ
エ変換すれば、振動体２の周波数分析が可能である。

【００３６】上述した実施形態においては力発生手段と
してリニアアクチュエータ１５を用いているが、振動体
２や浮動体１２の重量が大きい場合には次の実施形態２
で用いる電磁石装置のように、浮動体１２に対して吸引
力を作用させる一対の電磁石を浮動体を挟んで配置した
ものを力発生手段として用いてもよい。その場合には、
操作量と電磁石装置への電流量との関係は非線形になる
から、理論式や近似式を用いて振動体２の加振力を求め
る。

【００３７】（実施形態２）実施形態１では、加振力が
１自由度の振動体２に関する例を示したが、本実施形態
では振動体２の振動が６自由度（すなわち、互いに直交
する３方向の移動と各方向を軸とする３方向の回転があ
る）である場合について例示する。振動体２の振動が６
自由度であるから、振動検出装置１もすべての方向の振
動を検出することが要求される。そこで、本実施形態で
は、図２および図３に示すように、浮動体１２として磁
性体よりなる円板状のものを用い、浮動体１２の一面の
中央部に保持装置１３を設けている。浮動体１２の周部
の３箇所には浮動体１２を挟んで上下に配置された各一
対の電磁石１６ａ，１６ｂからなる力発生手段としての
３基の電磁石装置１６が配置される。また、浮動体１２
の下面における周部の３箇所には電磁石１６ｂとは異な
る部位で力発生手段としての３基のリニアアクチュエー
タ１５が配置される。

【００３８】電磁石装置１６は、上下の電磁石１６ａ，
１６ｂによって浮動体１２に吸引力を作用させ、両電磁
石１６ａ，１６ｂの吸引力を拮抗させることによって浮
動体１２の上下方向の位置を制御する。したがって、電
磁石装置１６によって浮動体１２は上下方向の移動と水
平面に対する傾きとが制御されることになる。また、リ
ニアアクチュエータ１５は、実施形態１に示したものと
同様のものであって、空心コイル１５ｃが浮動体１２の
下面に固着されている。ここで、リニアアクチュエータ
１５のヨーク１５ａの中央片と空心コイル１５ｃとの間
には若干の隙間があり、この隙間の範囲で浮動体１２の
径方向への移動も許されている。したがって、リニアア
クチュエータ１５によって浮動体１２は水平面内での回
転と移動とが制御されることになる。要するに、上下方
向をＺ軸方向、水平面をＸＹ平面とすれば、３基の電磁
石装置１６と３基のリニアアクチュエータ１５とによっ
て、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向への移動と各軸回りの
回転とが制御可能になるのである。

【００３９】浮動体１２の位置は６個の位置せンサ１４
ａ，１４ｂにより検出される。各位置センサ１４ａ，１
４ｂは、各電磁石装置１６と各リニアアクチュエータ１
５とにより制御される浮動体１２の位置を検出できる１
次元位置センサであって、浮動体１２の上面側で周方向
の３箇所に２個１組として配置される。つまり、３個の
位置センサ１４ａは浮動体１２との間の上下方向の距離
を検出し、残りの３個の位置センサ１４ｂは浮動体１２
の上面に各位置センサ１４ｂに対応するように立設され
た検知板１２ｂとの間の浮動体１２の周方向における距
離を検出する。したがって、３個の位置センサ１４ａの
出力を総合すれば、Ｚ軸方向の移動量とＸ軸回りおよび
Ｙ軸回りの回転量とを検出することができ、３個の位置
センサ１４ｂの出力を総合すれば、Ｘ軸方向およびＹ軸
方向の移動量とＺ軸回りの回転量とを検出することがで
きる。

【００４０】位置センサ１４ａ，１４ｂの出力に基づい
て力発生手段である電磁石装置１６およびリニアアクチ
ュエータ１５への操作量を制御するのは実施形態１と同
様であって、保持装置１４により振動体２を保持した状
態で浮動体１２が振動によって移動せず定位置に保たれ
るように電磁石装置１６およびリニアアクチュエータ１
５の操作量が制御手段２０（図１参照）によって求めら
れる。制御手段２０はＰＩＤ制御を行なっているが、必
要に応じて他の制御が採用される。ここにおいて、本実
施形態では振動体２の振動は６自由度であり、単一の振
動体２によるすべての方向の振動が許されているから、
浮動体１２の移動方向を規制する手段は設けていない。

【００４１】いま、説明を簡単にするために、３個のリ
ニアアクチュエータ１５のみを制御する場合を示す。３
個のリニアアクチュエータ１５は図４のように、周方向
において等間隔に配置される。また、ＸＹ平面内での移
動とＺ軸回りの回転との制御が可能であって、各リニア
アクチュエータ１５により反時計回り方向に力が発生
し、その力の大きさがそれぞれＦａ，Ｆｂ，Ｆｃである
ものとする。このとき、Ｘ軸方向の力成分は、−Ｆａ＋
（Ｆｂ＋Ｆｃ）× cos６０°になり、Ｙ軸方向の力成分
は、（−Ｆｂ＋Ｆｃ）× cos３０°になる。また、浮動
体１２の中心の回りのトルクは（Ｆａ＋Ｆｂ＋Ｆｃ）×
ｒ（ただし、ｒはリニアアクチュエータ１５の中心線と
浮動体１２の中心との距離、つまりリニアアクチュエー
タ１５を配置している円周の半径）になる。したがっ
て、振動体２の振動時に浮動体１２を停止するように制
御していれば、リニアアクチュエータ１５から発生する
力に基づいてＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸回りでの振動体
２の加振力を求めることができるのである。さらに、こ
れらの総和を求めることによって振動体２の全体の加振
力を求めることができる。また、各リニアアクチュエー
タ１５により発生する力Ｆの大きさは、通電電流をＩと
すればＦ＝ｋ×Ｉであり、電流−力変換係数ｋをあらか
じめ求めておけば、通電電流Ｉから容易に求めることが
できる。

【００４２】一方、実施形態１と同様に、振動体２の振
動に伴って浮動体１２が振動するように振動体２を支持
する力を弱くしておけば、位置センサ１４ａ，１４ｂの
出力にフーリエ変換を施すことによって振動の周波数分
析が可能になる。いま、説明を簡略化するために、図５
に示すように、浮動体１２のＸＹ平面内での位置とＺ軸
回りの位置とを検出する位置センサ１４ａ，１４ｂの出
力に基づいて周波数分析を行なうものとする。また、本
実施形態では位置センサ１４ｂは検知板１２ｂとの距離
を測定するものであり、互いに交差する方向での位置検
出を行なっているが、リニアアクチュエータ１５と同様
に角度補正を行なうことができるから、説明を簡単にす
るために同方向の位置検出を行なうものとする。

【００４３】しかして、図５のように位置センサ１４
ａ，１４ｂを配置しているときには、Ｘ軸方向の位置は
位置センサ１４ｂの検出値Ｘ１，Ｘ２の平均値（Ｘ１＋
Ｘ２）／２であり、Ｙ軸方向の位置は位置センサ１４ａ
の検出値Ｙになる。また、回転角度θは tan^-1（（Ｘ２
−Ｘ１）／Ｌｘ）になる。ただし、Ｌｘは位置センサ１
４ｂの間の距離である。

【００４４】ところで、保持装置１３は、図６に示すよ
うに、実施形態１と同様に一対の固定板１３ａ，１３ｂ
と可動板１３ｄと押圧ばね１３ｃとを備えるほか、可動
板１３ｄを固定板１３ｂから引き離す向きに移動させる
ベルクランク１３ｅを備える。つまり、可動板１３ｄは
固定板１３ａを貫通するガイド１３ｆを備え、ガイド１
３ｆにベルクランク１３ｅの一端部が軸着されるととも
に、ベルクランク１３ｅの屈曲部が固定板１３ａより突
出する軸受アーム１３ｇに軸着されている。ベルクラン
ク１３ｅの他端部は浮動体１２の外周縁よりも外側まで
延長され、この他端部の下方の定位置にはシリンダが１
７が配置される。シリンダ１７は上方に突出してベルク
ランク１３ｅの上記他端部を上方に押し上げることがで
きるプランジャ１７ａを備え、図６（ｂ）のようにプラ
ンジャ１７ａが突出した状態ではベルクランク１３ｅに
よって可動板１３ｄが固定板１３ｂから引き離されるよ
うになっている。つまり、図６（ｂ）のようにプランジ
ャ１７ａを突出させた状態で振動体２を保持装置１３に
装着し、図６（ａ）のようにプンランジャ１７ａを後退
させれば振動体２を保持することができ、逆に振動体２
を保持した状態から図６（ｂ）のようにプランジャ１７
ａを突出させれば振動体２を保持装置１３から容易に外
すことができる。

【００４５】図示していないが、振動体２の重量が大き
く加振力も大きい場合には、リニアアクチュエータ１５
に代えて電磁石装置１６を用いることによりすべての力
発生手段を電磁石装置１６とすればよく、振動体２の重
量が小さく加振力も小さい場合には、電磁石装置１６に
代えてリニアアクチュエータ１５を用いることによりす
べての力発生手段をリニアアクチュエータ１５とするこ
とが可能である。すべての力発生手段を電磁石装置１６
とすれば浮動体１２に大きな力を作用させて浮動体１２
の位置を迅速に制御することができ、またすべての力発
生手段を双方向に直進駆動が可能なリニアアクチュエー
タとすれば吸引力のみを発生させる電磁石装置１６を用
いる場合に比較すると小型化することができ、しかも入
力電流に対して生じる磁力が線形であるから制御が容易
になる。

【００４６】本実施形態において、３個のリニアアクチ
ュエータ１５を用いているが、図７のように、Ｘ軸方向
とＹ軸方向との力を発生する各２個ずつ合計４個のリニ
アアクチュエータ１５を用いることも可能であって、こ
の場合のＸ軸方向の力、Ｙ軸方向の力、Ｚ軸回りのトル
クはそれぞれ次のようになり、乗算が少なくなる結果、
演算が容易になる。すなわち、図７に示す力Ｆａ，Ｆ
ｂ，Ｆｃ，Ｆｄが発生すれば、各力はそれぞれ、−Ｆａ
＋Ｆｃ、−Ｆｂ＋Ｆｄ、（Ｆａ＋Ｆｂ＋Ｆｃ＋Ｆｄ）×
ｒになる。

【００４７】（実施形態３）本実施形態は、実施形態２
のものにおいて保持装置１３を異なる構成としたもので
あって、図８のようにシリンダ１７に代えて支持フレー
ム１０に解除ピン１８を立設してある。解除ピン１８
は、浮動体１２が振動体２の加振力の測定位置（図８に
Ａで示す位置）まで浮上しているときにはベルクランク
１３ｅに接触せず、振動体２の加振力の測定を行なわな
い位置（図８にＢで示す位置）まで下降するとベルクラ
ンク１３ｅに当接して浮動体１２に対してベルクランク
１３ｅの一端部を相対的に持ち上げる。つまり、浮動体
１２が電磁石装置１６によって浮上していない状態で、
上記Ｂ位置まで浮動体１２を下降させるようにしておけ
ば、本実施形態の動作を実現することができる。他の構
成および動作は実施形態２と同様である。

【００４８】ここに、実施形態２を採用すれば、浮動体
１２を浮上させたままでシリンダ１７の駆動よって振動
体２の着脱が行なえるから複数個の振動体２について次
々に加振力を検出する場合に作業効率がよいが、実施形
態３を採用すれば作業効率の点では実施形態２に劣るも
ののシリンダ１７が不要であって構成が簡単であるとい
う利点が得られる。したがって、作業効率とコストとの
どちらを優先するかに応じて実施形態２と実施形態３と
のいずれかを採用することができる。

【００４９】（実施形態４）実施形態２、３として示し
たものは力発生手段を６基設けており、各力発生手段は
浮動体１２に対して複数個の復元要素を介して結合され
ていることになる。このように、加振力を発生する振動
体２と浮動体１２との間に複数個の復元要素が存在する
と浮動体１２の運動に連成が生じることがある。連成が
生じると振動解析が難しくなり、振動検出に要する作業
量が多くなるという問題が生じる。そこで、本実施形態
では、振動体２を含む浮動体１２に結合されたすべての
部材の重心と、系の弾性中心とを一致させることによっ
て連成が生じないように調節する手段を設け、振動解析
を容易にし、もって少ない作業量で加振力の大きさおよ
び方向を正確に求めることができるようにしているので
ある。また、弾性中心の位置を調節することができるよ
うに、制御手段２０は機械インピーダンスを制御する。
機械インピーダンスを制御する方法については後述す
る。

【００５０】連成を生じさせずに振動体２の加振力を求
めることができるようにするために、本実施形態では保
持装置１３による振動体２の保持位置の微調整を可能に
してある。つまり、図９および図１０のように、保持装
置１３として固定板１３ｂに螺合するねじ部２１ａを備
えた第１調節板２１と、固定板１３ａ，１３ｂに直交す
るように浮動体１２の上面に立設した補助板１３ｈに螺
合するねじ部２２ａを備えた第２調節板２２と、浮動体
１２に螺合するねじ部２３ａを備えた第３調節板２３と
を付加している。第１調節板２１と第２調節板２２と第
３調節板２３とは、それぞれ振動体２の異なる面に当接
可能であって、力発生手段の配置位置を基準にしたＸ軸
方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向における振動体２の保持位置
の調節を可能にしている。第１調節板２１と第２調節板
２２と第３調節板２３との各ねじ部２１ａ，２２ａ，２
３ａにはナット２１ｂ，２２ｂ，２３ｂが螺合し、ナッ
ト２１ｂ，２２ｂ，２３ｂを固定板１３ｂ、補助板１３
ｈ、浮動体１２に当接するように締めつけることによっ
て、ねじ部２１ａ，２２ａ，２３ａが回らないようにし
て第１調節板２１と第２調節板２２と第３調節板２３と
を定位置に固定できるようにしてある。

【００５１】第１調節板２１と第２調節板２２と第３調
節板２３とによる振動体２の位置調節は、以下の手順で
行なう。まず、振動体２を保持装置１３に取り付ける前
に振動体２を除く系の重心を弾性中心に一致させる。こ
のために、まず振動体２を保持しない状態で浮動体１２
を定位置に浮上させる。この位置は制御手段２０（図１
参照）に与えられる位置指令値によって設定され、力発
生手段と浮動体１２との間の弾性係数（６×６のスティ
フネスマトリクス）が決まる。

【００５２】次に、浮上した浮動体１２に対して、図示
していない手段を用いてＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向
の直進力をそれぞれ作用させる。このときに、位置セン
サ１４ａ，１４ｂの出力を検出し、Ｘ軸回り、Ｙ軸回
り、Ｚ軸回りでの回転が生じているときには、重心位置
が弾性中心に一致していないことを意味するから、この
ような回転変位が減少するように制御手段２０によりス
ティフネスマトリクスの各要素を変更することによって
弾性中心を移動させる。この操作によって振動体２が存
在しない状態での重心位置と弾性中心とを一致させるこ
とができる。

【００５３】その後、浮動体１２に振動体２を保持し、
振動体２が存在しない場合と同様にＸ軸方向、Ｙ軸方
向，Ｚ軸方向の直進力をそれぞれ作用させ、Ｘ軸回り、
Ｙ軸回り、Ｚ軸回りでの回転が生じるか否かを確認す
る。回転が生じているときには、第１調節板２１と第２
調節板２２と第３調節板２３との位置を調節することに
よって振動体２の位置を調節し、振動体２の重心位置を
系の弾性中心の位置に一致させる。

【００５４】以上のようにして振動体２を含む浮動体１
２に結合されたすべての部材の重心と系の弾性中心とを
一致させることができる。このように調節された状態で
は、浮動体１２の運動に連成が生じることがなく、ステ
ィフネスマトリクスが対角行列になるのであって振動解
析が容易になる。つまり、振動解析が容易になることに
よって加振力の方向および大きさを簡単な処理で正確に
求めることができるのである。

【００５５】（実施形態５）上述した各実施形態では、
力発生手段としてのリニアアクチュエータ１５ないし電
磁石装置１６により発生した力に基づいて振動体２の加
振力を求め、位置センサ１４、１４ａ，１４ｂにより検
出した浮動体１２の位置に基づいて振動体２の振動の周
波数分析を行なっているが、本実施形態では浮動体１２
に加速度センサを付加し、加速度センサの出力を合わせ
て用いることによって周波数分析を行なうとともに、加
振力を求めることを可能にしている。

【００５６】すなわち、振動体２の振動方向の加速度を
検出することができる加速度センサを浮動体１２に設け
る。この加速度センサの出力は振動体２の加振力による
浮動体１２の振動に一致するから、加速度センサの出力
をフーリエ変換することによって加振力を周波数分析す
ることが可能になる。加速度センサは必要に応じていろ
いろな方向の加振力を検出するように配置すればよい。

【００５７】また、加速度センサを設けておけば、浮動
体１２が振動する場合でも振動体２の加振力を求めるこ
とができる。つまり、振動体２を含む浮動体１２の全体
の質量をＭ、加速度センサにより検出される加速度を
ａ、振動体２による加振力をＦｅ、リニアアクチュエー
タ１５ないし電磁石装置１６により発生する力をＦｇと
すれば、Ｆｅ＋Ｆｇ＝ａ×Ｍの関係式が成立するから、
力発生手段であるリニアアクチュエータ１５ないし電磁
石装置１６に与える操作量に基づいて力Ｆｇを求め、加
速度センサの出力を求めると、既知の質量を適用して加
振力Ｆｅを求めることができる。ただし、加速度センサ
を併用する場合には、加速度センサの周波数応答を考慮
する必要がある。他の構成および動作は実施形態１ない
し実施形態５に準じる。

【００５８】（実施形態６）実施形態１ないし実施形態
４においては、浮動体１２が振動しないように力発生手
段（リニアアクチュエータ１５や電磁石装置１６）によ
り保持した状態で、振動体２の加振力を求めていた。こ
れに対して、本実施形態では、振動体２を含む浮動体１
２の全体の質量Ｍをあらかじめ求め、力発生手段により
生じる力と浮動体１２の移動との関係を表すモデルを設
定しておくことによって、位置センサ１４，１４ａ，１
４ｂにより検出した浮動体１２の位置を２階微分して求
めた加速度ａと、力発生手段に与える操作量から求めた
駆動力ｆとに基づいて振動体２の加振力を求めるように
してある。

【００５９】つまり、上記モデルが決定されていれば、
位置センサ１４，１４ａ，１４ｂの出力の２階微分によ
る加速度ａと浮動体１２の全体の質量Ｍとから、浮動体
１２に作用している力が求められる。ここで、浮動体１
２に作用する力は、力発生手段による駆動力ｆと振動体
２の加振力Ｆとの合成力であり、力発生手段により生じ
る駆動力ｆは操作量によって決定されるから、浮動体１
２に作用する力のうち駆動力ｆの成分を除去すれば、振
動体２の加振力の推定値Ｆ′を求めることができる。

【００６０】いま、アクチュエータ１５を力発生手段に
用いる場合について考えると、アクチュエータ１５は入
力電流と出力される駆動力ｆとの関係が線形であるか
ら、図１１に示すように、制御手段２０に設けた検出器
Ｂにおいて、操作量ｉ（電流値）に電流−力変換係数ｋ
を乗じることによって駆動力ｆを求める変換部３１を設
ける。また、浮動体１２に作用する力を求めるために、
振動検出装置１の位置センサ１４（１４ｂ）により検出
された変位ｘを２階微分して加速度ａを求め浮動体１２
の質量Ｍと乗算する力演算部３２を設ける。変換部３１
および力演算部３２の出力は、それぞれ雑音成分を除去
するためにローパスフィルタ３３，３４を通され、求め
られた出力値は減算器３５に入力される。上述のよう
に、浮動体１２に作用する全体の力は加振力と駆動力ｆ
との合成力であるから、減算器３５では力演算部３２の
出力から駆動量ｆを減算することによって振動体２の加
振力の推定値Ｆ′を求めることができるのである。

【００６１】力発生手段に電磁石装置１６を用いるとき
には駆動力ｆは電流−力変換係数ｋを乗じるだけでは求
めることができないが、上述のように理論式や近似式を
適用することで求めることができる。本実施形態は、実
施形態１のように振動体２の振動が１自由度である場合
だけではなく、実施形態２ないし実施形態４のように６
自由度である場合にも拡張することができる。ただし、
その場合には各力発生手段により生じる力の方向と系の
座標軸の方向とが異なるから、座標系を一致させるため
に力を座標変換する。この種の座標変換は一般的なもの
であり、各座標軸方向の直進力と各座標軸回りの回転力
とをそれぞれｆｘ′，ｆｙ′，ｆｚ′，ｆｘθ′，ｆｙ
θ′，ｆｚθ′とし、各力発生手段により生じる駆動力
をそれぞれｆ₁，ｆ₂，ｆ₃，ｆ₄，ｆ ₅，ｆ₆とすれ
ば、座標変換行列は６×６のマトリクスになり、数１の
ように表すことができる。

【００６２】

【数１】

【００６３】また、振動体２を含む浮動体１２に関する
イナーシャマトリクス（慣性行列）は上記モデルの設定
によって既知であるから、位置センサ１４ａ，１４ｂの
出力の２階微分により求めた加速度ａ₁，ａ₂，ａ₃，
ａ₄，ａ₅，ａ₆により、振動体２の各成分の加振力ｆ
ｘ，ｆｙ，ｆｚ，ｆｘθ，ｆｙθ，ｆｚθは、数２の関
係式で表される。

【００６４】

【数２】

【００６５】一例として、実施形態２の振動検出装置１
においてリニアアクチュエータ１５のみを用いるものと
し、本実施形態の技術を適用した場合を想定すると、数
３のようにして加振力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚθを求めること
ができる。

【００６６】

【数３】

【００６７】数３においてＬＰＦ（ｓ）はローパスフィ
ルタ３３，３４の特性を示し、ｋ₁〜ｋ₃は各リニアア
クチュエータ１５の電流−力変換係数、ｉａ〜ｉｃは各
リニアアクチュエータ１５への通電電流、Ｍは振動体２
などを含む浮動体１２の全体の質量、Ｉは振動体２など
を含む浮動体１２の全体の慣性モーメント、Ｘ１，Ｘ
２，Ｌｘ，ｒは、図４、図５に示したものと同様であ
る。

【００６８】以上説明したように本実施形態では力発生
手段と浮動体１２とのモデルを設定し、このモデルを用
いることにより、加振力を推定するのである。この構成
によれば、浮動体１２が振動していても加振力を求める
ことができる。（実施形態７）本実施形態は、実施形態６の検出器Ｂに
加えて、制御手段２０において機械インピーダンスを制
御する方式を採用している。つまり、検出器Ｂにおいて
検出した加振力に基づいて浮動体１２の動作を、設定し
た機械インピーダンスによって定まる動作になるように
制御するのである。この動作のために、図１２のよう
に、インピーダンス設定器Ｃを備え、検出器Ｂで求めた
加振力に基づいて機械インピーダンス（質量、粘性、剛
性）を設定し、制御手段２０におけるコントローラＤに
指令値として与える。

【００６９】インピーダンス設定器Ｃは、図１３に示す
ように、仮想的な質量Ｍｖ、粘性係数Ｄｖ、ばね定数Ｋ
ｖを設定でき、数４の演算を行なうように構成されてい
る。数４では位置指令値Ｘ(s) が求められる。

【００７０】

【数４】

【００７１】つまり、インピーダンス設定器Ｃは、質量
Ｍｖ、粘性係数Ｄｖ、ばね定数Ｋｖをそれぞれ設定する
３個の乗算器４１〜４３を備え、粘性係数Ｄｖ、ばね定
数Ｋｖを設定する乗算器４２，４３の出力は加算器４４
で加算され、さらに加算結果は検出器Ｂより出力された
加振力ｆから減算器４５で減算される。減算結果は、乗
算器４１に入力されて質量Ｍｖの逆数が乗算される（質
量Ｍｖで除算される）。つまり、入力された力を質量Ｍ
ｖで除算するから、乗算器４１の出力は加速度であって
加速度指令値として用いられる。また、乗算器４１の出
力は積分器４６で積分され、速度指令値として用いられ
る。また、乗算器４２においては速度指令値に粘性係数
Ｄｖを乗算する。さらに、速度指令値は積分器４７にお
いて積分され、位置指令値Ｘ(s) として用いられる。位
置指令値は乗算器４３においてばね定数Ｋｖと乗算され
る。

【００７２】このように、インピーダンス設定器Ｃを用
いることによって、設定した機械インピーダンスに応じ
て浮動体１２の動きを制御することができる。たとえ
ば、浮動体１２の応答を制御することができるのであっ
て、粘性や剛性を制御することにより加振力に対する浮
動体１２の振幅を調節することができ、結果的に加振力
の検出精度を調節することが可能になる。また、振動体
２の定常状態の振動検出を行なう場合に、振動を開始し
た直後と定常状態との機械インピーダンスを変えること
によって整定時間を短縮することができる。さらに、イ
ンピーダンス設定器Ｃにおいて振動体２の質量と等しく
質量を設定すれば、浮動体１２の質量に影響されること
なく振動を検出することができる。

【００７３】本実施形態において、質量Ｍｖ、粘性係数
Ｄｖ、ばね定数Ｋｖは、振動体２の振動が複数の自由度
を持つときにはマトリクスとして設定すればよく、たと
えば６自由度であれば６×６のマトリクス（イナーシャ
マトリクス（慣性行列）、ダンピングマトリクス（粘性
行列）、スティフネスマトリクス（剛性行列））を用い
ればよい。

【００７４】

【発明の効果】請求項１の発明は、振動を発生する振動
体の加振力を検出する振動検出装置であって、定位置に
固定された支持フレームと、振動体を保持する保持手段
と、保持手段に結合され支持フレームに対して振動体よ
り生じる加振力の作用方向に移動自在な浮動体と、浮動
体を支持フレームに対して非接触で支持するとともに上
記作用方向にのみ移動可能となるように浮動体の移動方
向を規制する支持手段と、支持フレームの定位置に配置
され上記作用方向における浮動体の位置を検出する位置
検出手段と、支持フレームの定位置に配置され支持フレ
ームと浮動体とを非接触に保った状態で上記作用方向に
おける外力を浮動体に作用させる力発生手段と、位置検
出手段による検出位置を定位置付近に保つように力発生
手段により発生する外力を振動体により生じる加振力の
抑制方向に制御する制御手段とを備え、制御手段より力
発生手段に与える操作量に基づいて振動体の加振力を検
出するものであり、振動体を保持した浮動体を支持フレ
ームに対して非接触で支持するから、振動体の振動を摩
擦によって損失させることなく正確に測定することがで
きるという利点がある。しかも、支持手段は浮動体の移
動方向を規制するから振動の検出が不要な方向に浮動体
が傾くことがなく、浮動体の傾きによる測定誤差を防止
することができるという利点がある。

【００７５】請求項２の発明は、加振力が１自由度で作
用する振動体に適用され、支持手段は浮動体を１自由度
に移動規制し、位置検出手段は浮動体の自由度に応じて
位置検出するとともに、力発生手段は浮動体に１自由度
の外力を作用させるものであり、振動体の振動に摩擦に
よる減衰を生じさせず、また浮動体の移動規制を行なう
ことで測定誤差の発生を防止することができるという利
点がある。

【００７６】請求項３の発明は、複数自由度の振動を発
生する振動体の加振力を検出する振動検出装置であっ
て、定位置に固定された支持フレームと、振動体を保持
する保持手段と、保持手段に結合され支持フレームに対
して振動体より生じる加振力が作用するすべての方向に
移動自在な浮動体と、支持フレームの定位置に配置され
加振力が作用するすべての方向における浮動体の位置を
検出する位置検出手段と、支持フレームの定位置に配置
され支持フレームと浮動体とを非接触に保った状態で上
記作用方向における外力を浮動体に作用させる力発生手
段と、位置検出手段による検出位置を定位置付近に保つ
ように力発生手段により発生する外力を振動体により生
じる加振力の抑制方向に制御する制御手段とを備え、制
御手段より力発生手段に与える操作量に基づいて振動体
の加振力を検出するものであり、請求項１の発明と同様
に摩擦による損失がなく正確な測定が可能になるという
利点がある。請求項４の発明は、互いに直交する３軸方
向と各軸回りの回転との６自由度の振動を発生する振動
体の加振力を検出する振動検出装置であって、定位置に
固定された支持フレームと、振動体を保持する保持手段
と、保持手段に結合され支持フレームに対して振動体よ
り生じる加振力が作用するすべての方向に移動自在な浮
動体と、支持フレームの定位置に配置され加振力が作用
するすべての方向における浮動体の位置を検出する位置
検出手段と、支持フレームの定位置に配置され支持フレ
ームと浮動体とを非接触に保った状態で上記作用方向に
おける外力を浮動体に作用させる力発生手段と、位置検
出手段による検出位置を定位置付近に保つように力発生
手段により発生する外力を振動体により生じる加振力の
抑制方向に制御する制御手段とを備え、制御手段より力
発生手段に与える操作量に基づいて振動体の加振力を検
出するものであり、１つの振動体について許されるすべ
ての方向に力を発生させることができ、またすべての方
向の位置を検出することができるから、浮動体の移動方
向を規制する必要はなく、請求項１の発明と同様に摩擦
による損失がなく正確な測定が可能になるという利点が
ある。

【００７７】請求項５の発明では、力発生手段は、直流
電流値に応じて磁性体よりなる浮動体との間で吸引力を
作用させる電磁石装置であり、比較的大きい力を発生さ
せることができるから、振動体や浮動体の重量が大きい
場合に有効である。請求項６の発明では、力発生手段
は、永久磁石と永久磁石により形成される磁路の一部が
挿通される空心コイルとを備えたリニアアクチュエータ
であって、空心コイルに流す直流電流値に応じて空心コ
イルが永久磁石に対して直進的に移動するのであり、電
磁石に比較すると発生する力が小さいが、通電電流の変
化によって往復移動が可能になるから移動方向ごとに力
発生手段を要するものに比較して省スペースであり、し
かも通電電流と出力される力との関係が線形であるから
制御が容易になるという利点がある。

【００７８】請求項７の発明では、一部の力発生手段
は、直流電流値に応じて磁性体よりなる浮動体との間で
吸引力を作用させる電磁石装置であり、他の力発生手段
は、永久磁石と永久磁石により形成される磁路の一部が
挿通される空心コイルとを備えたリニアアクチュエータ
であって、空心コイルに流す直流電流値に応じて空心コ
イルが永久磁石に対して直進的に往復移動するのであ
り、電磁石装置とリニアアクチュエータとを組み合わせ
て用いるから、荷重のかかる部分では電磁石装置を用い
るようにし、荷重のかからない部分ではリニアアクチュ
エータを用いるようにすれば、比較的小型でありながら
重量の大きい振動体の測定が可能になるという利点があ
る。

【００７９】請求項８の発明では、浮動体は磁性体より
なる板状体であって、電磁石装置は浮動体の厚み方向の
両側に配置されかつ浮動体の厚み方向に直交する一直線
上で浮動体に対する吸引力を作用させる一対の電磁石か
らなるのであり、浮動体に対しては両側の電磁石が拮抗
する吸引力を作用させるから、浮動体を高速に移動させ
ることができ、結果的に振動体が高周波で振動する場合
でも対応可能になるという利点がある。

【００８０】請求項９の発明では、保持手段は、振動体
を挟む定位置に対向して配置された一対の固定板と、一
方の固定板に保持され他方の固定板との距離が可変であ
って上記他方の固定板との間に振動体を挟持する可動板
と、支持フレームに固定され可動板の上記他方の固定板
との距離を変化させるシリンダとから成り、シリンダの
駆動によって振動体の保持装置への着脱が容易になり、
複数の振動体を次々に測定する際に作業効率が高くなる
という利点がある。

【００８１】請求項１０の発明では、保持手段は、振動
体を挟む定位置に対向して配置された一対の固定板と、
一方の固定板に保持され他方の固定板との距離が可変で
あって上記他方の固定板との間に振動体を挟持する可動
板と、支持フレームに固定され浮動体が所定位置に移動
したときに可動板を上記他方の固定板から引き離して振
動体の挟持を解除させる解除ピンとから成り、振動体の
保持装置への着脱が容易になって、測定時の作業効率が
よいという利点がある。

【００８２】請求項１１の発明では、振動体を除く浮動
体の全体の重心と振動体の重心とが一致するとともに、
浮動体を支持する系の弾性中心が浮動体の全体の重心と
一致するので、振動に連成が発生せず振動の解析が容易
になる。請求項１２の発明では、浮動体に対する振動体
の保持位置を調節する重心調節手段を浮動体に設けてい
るので、浮動体に対する振動体の重心位置を調節するこ
とができ、連成が生じないような位置に振動体を位置さ
せることによって、振動の解析が容易になる。

【００８３】請求項１３の発明では、振動を発生する振
動体を含む浮動体を力の向きおよび大きさを調節するこ
とができる力発生手段により非接触で支持するととも
に、振動体の振動に伴う浮動体の位置の変位を位置検出
手段により検出し、位置検出手段により検出した位置の
変位を抑制する方向に力発生手段による力の向き及び大
きさを調節し、位置検出手段により検出した位置の変位
と力発生手段により発生させる力の向きおよび大きさと
の少なくとも一方に基づいて振動体の振動に関する情報
を検出するので、非接触で振動体を支持するから摩擦に
よる振動の損失が発生せず振動に関する情報を正確に検
出することができるとともに、振動体を非接触で支持し
た状態であっても、位置検出手段で検出した位置や力発
生手段で発生する力の向きおよび大きさを用いて振動体
の振動に関する情報を間接的な手法で正確に検出するこ
とができるという効果がある。

【００８４】請求項１４の発明では、位置検出手段によ
り検出した位置の変位に基づいて振動体の振動の周波数
成分を分析し、請求項１５の発明では、力発生手段によ
り発生させる力の向きおよび大きさに基づいて振動体の
加振力を求めるのであって、振動の周波数成分や加振力
を求めることができる。請求項１６の発明では、振動体
とともに振動する部位に振動体の振動方向の加速度を検
出する加速度センサを付加し、加速度センサの出力に基
づいて振動体の振動の周波数成分を分析するので、加速
度センサを付加したことによって、振動体の振動の周波
数分析に関しては簡単な処理になる。また、加速度セン
サは低周波成分の検出には不都合があるが、位置検出手
段の出力に基づく周波数分析と併用することによって、
より正確な周波数分析が可能になる。

【００８５】請求項１７の発明では、力発生手段により
発生する力の向きおよび大きさを指示する操作量に対す
る位置検出手段により検出した位置の応答に基づいて振
動体の加振力を推定する検出器を備えから、検出器にお
いて加振力を推定することができ、位置検出手段以外に
はセンサを用いることなく加振力を求めることができ
る。つまり、位置検出手段としては非接触で微小な位置
変位を高速に検出することができるものが比較的安価に
提供されているから、この種のセンサを用いて振動を求
めることにより、低コストながらも正確に加振力を検出
することができるという利点がある。

【００８６】請求項１８の発明では、請求項１３の発明
において、加振力に基づいて指令値を演算し、力発生手
段を制御する制御手段に該指令値を与えるインピーダン
ス設定器を備え、インピーダンス設定器に所定の機械イ
ンピーダンスを設定し、振動体を含む浮動体の動作が設
定した機械インピーダンスによって定まる動作になるよ
うに制御するから、機械インピーダンスの制御によって
振動体の振動の抽出が容易になる。つまり、振動体の振
動を強調したり、他の振動成分を抑制するなどの操作が
容易に行なえるという利点がある。請求項１９の発明で
は、振動体の振動を測定する期間において機械インピー
ダンスを変更するから、振動体の振動開始時と定常動作
時とで機械インピーダンスを変更するなど振動の各状態
において機械インピーダンスを変更することによって、
整定時間を短縮するなど所望の振動状態に迅速に移行さ
せることが可能になるという利点がある。

【００８７】請求項２０の発明では、機械インピーダン
スのうちの質量成分を振動体の質量に一致させるもので
あり、機械インピーダンスの調節によって振動体以外の
質量成分を除去するから、振動体の固有の振動を正確に
測定することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１を示す概略構成図である。

【図２】実施形態２を示す一部切欠した斜視図図であ
る。

【図３】実施形態２を示す支持フレームを除く平面図で
ある。

【図４】実施形態２の動作説明図である。

【図５】実施形態２の動作説明図である。

【図６】実施形態２における保持装置の動作説明図であ
る。

【図７】実施形態２の他の配置例の動作説明図である。

【図８】実施形態３における保持装置の動作説明図であ
る。

【図９】実施形態４を示す支持フレームを除く平面図で
ある。

【図１０】実施形態４を示す要部側面図である。

【図１１】実施形態６を示す要部ブロック図である。

【図１２】実施形態７を示すブロック図である。

【図１３】実施形態７を示す要部ブロック図である。

【符号の説明】１振動検出装置２振動体１０支持フレーム１１空気軸受１２浮動体１３保持装置１４位置センサ１５リニアアクチュエータ１６電磁石装置２０制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−103286（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01H 15/00 G01H 11/00 G01H 17/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】振動を発生する振動体の加振力を検出す
る振動検出装置であって、定位置に固定された支持フレ
ームと、振動体を保持する保持手段と、保持手段に結合
され支持フレームに対して振動体より生じる加振力の作
用方向に移動自在な浮動体と、浮動体を支持フレームに
対して非接触で支持するとともに上記作用方向にのみ移
動可能となるように浮動体の移動方向を規制する支持手
段と、支持フレームの定位置に配置され上記作用方向に
おける浮動体の位置を検出する位置検出手段と、支持フ
レームの定位置に配置され支持フレームと浮動体とを非
接触に保った状態で上記作用方向における外力を浮動体
に作用させる力発生手段と、位置検出手段による検出位
置を定位置付近に保つように力発生手段により発生する
外力を振動体により生じる加振力の抑制方向に制御する
制御手段とを備え、制御手段より力発生手段に与える操
作量に基づいて振動体の加振力を検出することを特徴と
する振動検出装置。
【請求項２】加振力が１自由度で作用する振動体に適
用され、支持手段は浮動体を１自由度に移動規制し、位
置検出手段は浮動体の自由度に応じて位置検出するとと
もに、力発生手段は浮動体に１自由度の外力を作用させ
ることを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項３】複数自由度の振動を発生する振動体の加
振力を検出する振動検出装置であって、定位置に固定さ
れた支持フレームと、振動体を保持する保持手段と、保
持手段に結合され支持フレームに対して振動体より生じ
る加振力が作用するすべての方向に移動自在な浮動体
と、支持フレームの定位置に配置され加振力が作用する
すべての方向における浮動体の位置を検出する位置検出
手段と、支持フレームの定位置に配置され支持フレーム
と浮動体とを非接触に保った状態で上記作用方向におけ
る外力を浮動体に作用させる力発生手段と、位置検出手
段による検出位置を定位置付近に保つように力発生手段
により発生する外力を振動体により生じる加振力の抑制
方向に制御する制御手段とを備え、制御手段より力発生
手段に与える操作量に基づいて振動体の加振力を検出す
ることを特徴とする振動検出装置。
【請求項４】互いに直交する３軸方向と各軸回りの回
転との６自由度の振動を発生する振動体の加振力を検出
する振動検出装置であって、定位置に固定された支持フ
レームと、振動体を保持する保持手段と、保持手段に結
合され支持フレームに対して振動体より生じる加振力が
作用するすべての方向に移動自在な浮動体と、支持フレ
ームの定位置に配置され加振力が作用するすべての方向
における浮動体の位置を検出する位置検出手段と、支持
フレームの定位置に配置され支持フレームと浮動体とを
非接触に保った状態で上記作用方向における外力を浮動
体に作用させる力発生手段と、位置検出手段による検出
位置を定位置付近に保つように力発生手段により発生す
る外力を振動体により生じる加振力の抑制方向に制御す
る制御手段とを備え、制御手段より力発生手段に与える
操作量に基づいて振動体の加振力を検出することを特徴
とする振動検出装置。
【請求項５】力発生手段は、直流電流値に応じて磁性
体よりなる浮動体との間で吸引力を作用させる電磁石装
置であることを特徴とする請求項１ないし請求項４記載
の振動検出装置。
【請求項６】力発生手段は、永久磁石と永久磁石によ
り形成される磁路の一部が挿通される空心コイルとを備
えたリニアアクチュエータであって、空心コイルに流す
直流電流値に応じて空心コイルが永久磁石に対して直進
的に移動することを特徴とする請求項１ないし請求項４
記載の振動検出装置。
【請求項７】一部の力発生手段は、直流電流値に応じ
て磁性体よりなる浮動体との間で吸引力を作用させる電
磁石装置であり、他の力発生手段は、永久磁石と永久磁
石により形成される磁路の一部が挿通される空心コイル
とを備えたリニアアクチュエータであって、空心コイル
に流す直流電流値に応じて空心コイルが永久磁石に対し
て直進的に移動することを特徴とする請求項３または請
求項４記載の振動検出装置。
【請求項８】浮動体は磁性体よりなる板状体であっ
て、電磁石装置は浮動体の厚み方向の両側に配置されか
つ浮動体の厚み方向に直交する一直線上で浮動体に対す
る吸引力を作用させる一対の電磁石からなることを特徴
とする請求項５または請求項７記載の振動検出装置。
【請求項９】保持手段は、振動体を挟む定位置に対向
して配置された一対の固定板と、一方の固定板に保持さ
れ他方の固定板との距離が可変であって上記他方の固定
板との間に振動体を挟持する可動板と、支持フレームに
固定され可動板の上記他方の固定板との距離を変化させ
るシリンダとから成ることを特徴とする請求項１ないし
請求項４記載の振動検出装置。
【請求項１０】保持手段は、振動体を挟む定位置に対
向して配置された一対の固定板と、一方の固定板に保持
され他方の固定板との距離が可変であって上記他方の固
定板との間に振動体を挟持する可動板と、支持フレーム
に固定され浮動体が所定位置に移動したときに可動板を
上記他方の固定板から引き離して振動体の挟持を解除さ
せる解除ピンとから成ることを特徴とする請求項１ない
し請求項４記載の振動検出装置。
【請求項１１】振動体を除く浮動体の全体の重心と振
動体の重心とが一致するとともに、浮動体を支持する系
の弾性中心が浮動体の全体の重心と一致することを特徴
とする請求項１ないし請求項４記載の振動検出装置。
【請求項１２】浮動体に対する振動体の保持位置を調
節する重心調節手段を浮動体に設けたことを特徴とする
請求項１ないし請求項４記載の振動検出装置。
【請求項１３】振動を発生する振動体を含む浮動体を
力の向きおよび大きさを調節することができる力発生手
段により非接触で支持するとともに、振動体の振動に伴
う浮動体の位置の変位を位置検出手段により検出し、位
置検出手段により検出した位置の変位を抑制する方向に
力発生手段による力の向き及び大きさを調節し、位置検
出手段により検出した位置の変位と力発生手段により発
生させる力の向きおよび大きさとの少なくとも一方に基
づいて振動体の振動に関する情報を検出することを特徴
とする振動検出方法。
【請求項１４】位置検出手段により検出した位置の変
位に基づいて振動体の振動の周波数成分を分析すること
を特徴とする請求項１３記載の振動検出方法。
【請求項１５】力発生手段により発生させる力の向き
および大きさに基づいて振動体の加振力を求めることを
特徴とする請求項１３記載の振動検出方法。
【請求項１６】振動体とともに振動する部位に振動体
の振動方向の加速度を検出する加速度センサを付加し、
加速度センサの出力に基づいて振動体の振動の周波数成
分を分析することを特徴とする請求項１３記載の振動検
出方法。
【請求項１７】力発生手段により発生する力の向きお
よび大きさを指示する操作量に対する位置検出手段によ
り検出した位置の応答に基づいて振動体の加振力を推定
する検出器を備えることを特徴とする請求項１３記載の
振動検出方法。
【請求項１８】加振力に基づいて指令値を演算し、力
発生手段を制御する制御手段に該指令値を与えるインピ
ーダンス設定器を備え、インピーダンス設定器に所定の
機械インピーダンスを設定し、振動体を含む浮動体の動
作が設定した機械インピーダンスによって定まる動作に
なるように制御することを特徴とする請求項１３記載の
振動検出方法。
【請求項１９】振動体の振動を測定する期間において
機械インピーダンスを変更することを特徴とする請求項
１８記載の振動検出方法。
【請求項２０】機械インピーダンスのうちの質量成分
を振動体の質量に一致させることを特徴とする請求項１
８記載の振動検出方法。