JP3561344B2

JP3561344B2 - サーボ型速度・変位センサ

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Publication number: JP3561344B2
Application number: JP23700195A
Authority: JP
Inventors: 一登背戸
Original assignee: Oiles Corp
Current assignee: Oiles Corp
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1995-09-14
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2015-09-14
Also published as: JPH0979900A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重りの振動を動的に抑制しつつ振動を計測するサーボ型センサに係り、特に、速度と変位とが直接出力され、軽量小型かつ丈夫で、低周波でも作動するサーボ型速度・変位センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長大橋主塔、高層ビル、橋梁、弾性車体、配管系等の弾性構造物、宇宙構造物のような柔軟構造物の運動や振動を計測或いはフィードバック制御するために、構造物の速度や変位を検出することは不可欠である。
【０００３】
例えば、建設中の長大橋主塔は単独で立っているので強風に対して渦励振と呼ばれる揺れを起こす。完成された高層ビルにおいても同様なことが起こる。この揺れによって、作業時の危険性、居住不快感等を起こすところから、最近ではこれらの構造物のアクティブ振動制御技術が普及し始めた。また、高層ビルや橋梁は大地震に対して共振を起こし破壊にいたることがあるので、振動制御技術の導入が検討され始めている。アクティブ振動制御では状態フィードバック、もしくは出力フィードバックと言う方法が採られている。これは、振動制御対象の構造物の適切な複数箇所に取り付けた振動センサからの速度と変位情報に基づいて制御信号を作り、制振装置を制御する方法である。
【０００４】
この速度・変位信号を得るために、従来サーボ型加速度計が用いられてきた。これは直接には加速度信号を検出し、この加速度信号を一度積分して速度信号、二度積分して変位信号を得るものであるが、積分することによって加速度信号以外の信号も積分してしまう。例えば、加速度信号を増幅するアンプ類にはドリフト等の直流分があり、この直流分を積分してしまうと、本来の制御目的が達成できないことが起こるという問題があった。この問題を解決するために、速度信号を直接検出するサーボ型速度センサが開発され、この速度信号を一度だけ積分して変位信号を得る方法が採られるようになった。しかし、このサーボ型速度センサは、後に述べる本質的理由によって、小型化が難しく重量が１Ｋｇ以上と重くなり、また、衝撃に弱く取り付け方向も制約されると言う種々な問題があった。
【０００５】
最近では、大地震に対して橋梁や建物の破壊を防止するためにアクティブ振動制御技術の応用が検討され始めた。この際も速度と変位のセンサが不可欠であるが、衝撃に弱い従来のサーボ型速度センサでは使用できない。また、省エネルギの観点から乗用車の軽量化が求められているが、それに伴って車の振動が増加するために、思い切った軽量化が図れないのが現状である。車体が軽量化すれば弾性車体として取り扱い、アクティブ振動制御技術によってこの問題が解決できるのであるが、ここでも軽量・小型で衝撃に強く、しかも取り付け方向に制約を受けない速度・変位センサが必要であるが、現状ではそのようなセンサが無いために、この技術が実現できない。
【０００６】
近未来建設が予定されている宇宙構造物においても、居住性、地上との通信精度向上などの理由で振動制御が重要な課題とされているが、ここでも軽量・小型化されたセンサが命題である。
【０００７】
以上に述べたように、現在市販されているサーボ型加速度センサやサーボ型速度センサには種々な問題があり、アクティブ振動制御技術を発展させる上で大きな障害となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサーボ型速度センサの速度検出原理を図１１によって説明する。センサ本体１の測定面Ａ側からバネ定数ｋなる支持バネ２で支えられた質量ｍの重り３がセンサ本体１と重り３の間に挿入された電磁アクチュエータ５によって駆動されるようになっている。ここで、ｘは重り３の上下動変位、ｆｃはアクチュエータ５の駆動力である。センサ本体１と重り３の間の相対変位信号ｕ−ｘは、ギャップセンサ４によって検出され増幅アンプによってＫａだけ増幅され、コンデンサ（容量Ｃｆ）と抵抗器（抵抗Ｒｆ）から成る近似微分回路を通って出力電圧Ｅとなる。この信号がサーボアンプ６によってゲインＫｃで増幅され電磁アクチュエータ５を駆動する。この関係を信号伝達線図で表したものを図１２に示す。これより、測定面の変位信号ｕに対する出力電圧Ｅの関係を伝達関数として表すと次のようになる。ここに、ｓは微分演算子である。
【０００９】
【数１】

【００１０】
この伝達関数において、分子と分母の多項式の関係を周波数特性として模式的に現したものを図１３に示す。伝達関数ｓ^３が支配する領域は６０ｄＢ／ｄｅｃの勾配でゲインが増加し、ｓ^２が支配する領域では４０ｄＢ／ｄｅｃ、ｓが支配する領域では２０ｄＢ／ｄｅｃ、１が支配する領域で０ｄＢ／ｄｅｃになっている。この２０ｄＢ／ｄｅｃの領域が速度検出可能範囲である。この範囲が広いほど使用領域が広いことになる。これは分母のｓ^２の項が他の項よりも十分大きい場合に満たされる。そのことを仮定すれば次のような近似が成り立つ。
【００１１】
【数２】

【００１２】
この仮定を満たす係数項は重りの質量ｍが支持バネのバネ定数ｋよりも十分に大きく、かつＣｆＲｆよりも十分に大きい条件を満たすことが必要である。そのために、重りの質量ｍを大きくすることと弱いバネ（バネ定数ｋが小さい）を使うことが必要条件となるのである。その結果、従来のサーボ型速度センサでは、軽量小型に作ることが不可能であり、衝撃に弱いことは避けられない。しかも弱いバネを使うことによって、取り付け位置や方向が水平面に制約され、斜めに取り付けることや垂直面に取り付けることが不可能となり、使用上の大きな制約と限定を受けることになっている。
【００１３】
以上のことから本発明で解決すべき課題を列挙すると次のようになる。
【００１４】
（１）軽量小型化する。
【００１５】
（２）衝撃に強い構造にする。
【００１６】
（３）取り付けの制約を受けないようにする。
【００１７】
（４）速度と変位を同時に測定できるようにする。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、速度と変位とが直接出力され、軽量小型かつ丈夫で、低周波でも作動するサーボ型速度・変位センサを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、振動する対象物にセンサ本体を設置し、このセンサ本体に支持バネを介して重りを振動自在に支持させると共にこの重りの相対変位を検知する検知器を取り付け、この重りの振動を抑制するための電磁アクチュエータを設けると共に、上記変位信号を微分した速度信号と上記変位信号とを上記電磁アクチュエータに帰還するサーボ回路を構成し、上記重りの振動をサーボ制御しているときの上記速度信号及び上記変位信号を対象物の検出速度及び検出変位として出力するようにしたものである。
【００２０】
上記サーボ回路は、上記変位信号を上記電磁アクチュエータに正帰還してもよい。
【００２１】
上記サーボ回路は、上記変位信号を増幅する出力用増幅器と、この増幅された変位信号を微分する微分回路と、この微分による速度信号を増幅して帰還する速度帰還用増幅器と、上記増幅された変位信号をさらに増幅して帰還する変位帰還用増幅器と、この帰還される変位信号を正入力し上記帰還される速度信号を負入力して加算し上記電磁アクチュエータに出力する加算器とからなってもよい。
【００２２】
上記支持バネは、その振動方向に直交する面を有する板バネからなってもよい。
【００２３】
上記検知器は、上記センサ本体に設けられ振動方向に直交して上記重りに臨む光源及び受光器からなり、上記重りの表面には変位に応じて光反射量が変化する指標が形成されてもよい。
【００２４】
上記検知器は、上記センサ本体に設けられその振動方向より上記重りに臨む光源と、上記重りに設けられ上記光源に対向される受光器とからなってもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１に示されるように、本発明のサーボ型速度・変位センサは、振動する対象物の測定面Ａに設置されるセンサ本体１と、このセンサ本体１の測定面Ａ側より立ち上げられた支持バネ２と、この支持バネ２に接続された重り３と、センサ本体１及び重り３間の相対変位を検知する検知器４と、センサ本体１に固定された磁気コア及び重り３に連結された電磁コイルを有し測定面Ａに垂直な方向に重り３を負荷として駆動する電磁アクチュエータ５と、変位信号を微分した速度信号と変位信号とを電磁アクチュエータ５に帰還するサーボ回路１１とからなる。
【００２６】
サーボ回路１１は、変位信号を利得Ｋａで増幅する変位出力用増幅器１２と、この増幅された変位信号を微分するべく容量Ｃｆの容量素子及び抵抗Ｒｆの抵抗素子からなる微分回路１３と、この微分による速度信号を利得Ｋｃで増幅して帰還する速度帰還用増幅器１４と、増幅された変位信号をさらに利得Ｋｐで増幅して帰還する変位帰還用増幅器１５と、この帰還される変位信号を正入力し、上記帰還される速度信号を負入力して加算し、その加算結果による駆動信号を電磁アクチュエータ５に出力する加算器１６とからなる。
【００２７】
本発明のサーボ回路１１では、相対変位ｕ−ｘに比例する電圧ｅ_Ｃを正帰還して電磁アクチュエータ５を駆動するようになっている。即ち、変位信号がゲイン定数Ｋｐだけ増幅して正帰還され、速度信号がＫｃだけ増幅して負帰還されて電磁アクチュエータ５を駆動している。なお、この速度信号の負帰還の役割はこのセンサの共振周波数で起こる共振ピークを押さえることにある。その目的でＫｃの値を適当に定めてやればよい。
【００２８】
これを図１２に対応して信号伝達線図で現したものが図２である。これから測定面変位ｕに対する出力信号Ｅの伝達関数を再び表すと次のようになる。
【００２９】
【数３】

【００３０】
この式（３）と図１２に基づく前述の式（１）との比較で明らかなように、各ｓの係数項はｋが式（４）の等価バネ定数Ｋに取り変わっている。
【００３１】
【数４】

【００３２】
このように変位信号の正帰還によって等価バネ定数Ｋをバネ定数ｋより減少させる効果が生まれるのである。このことが本発明の大きな特長である。すなわち、正帰還定数を変えることによってＫａＫｐＫｆをとめどなくｋの値に近づけることにより、重りの質量ｍを小さく保ったままでｓ^２の係数項を止めどなく大きくすることが可能となり、式（２）よりも厳密に次の式が成立する。これは出力電圧Ｅの測定によって測定面Ａの速度ｄｕ／ｄｔが測定できることを示している。
【００３３】
【数５】

【００３４】
かくて、構造的な剛性は強く保ったままで、小型軽量でありながら極低周波数から高周波数まで測定が可能な速度センサが得られることになり、従来の速度センサが持っていた課題が一気に解決されるのである。
【００３５】
次に、変位信号を同時に測定する方法について述べる。測定面の変位信号ｕに対する相対変位の電圧出力ｅ_Ｃの伝達関数を表すと次のようになる。
【００３６】
【数６】

【００３７】
この式も同様にｓ^２が支配する領域では次の式で近似される。これはｅ_Ｃの測定によって測定面Ａの変位ｕが求まることを示している。このように、図１に示すｅ_ＣとＥの端子の信号を測定することにより速度信号と変位信号とを同時に測定できる。
【００３８】
【数７】

【００３９】
以上のように、本発明によって従来の速度センサが有していた課題は全て解決される。
【００４０】
図３は、本発明の速度・変位センサと従来の速度センサとシミュレーションによって比較したものである。横軸は周波数、縦軸は位相と利得である。本発明はＫｐ＝７５による太線、従来技術は本発明の変位信号の正帰還を小さくしたもので代用し、Ｋｐ＝１による細線で示す。従来技術では、ｍとｋから成る固有振動数が２０Ｈｚに設定されていれば、速度の測定範囲の下限は３０Ｈｚ付近にあるが、本発明の正帰還を用いると固有振動数は５Ｈｚに下げられ、測定できる下限周波数は７Ｈｚ付近にまで広げられている。このように本発明により、測定振動数範囲が低周波数側に広げられる。勿論、さらに正帰還を掛ければ、さらに測定周波数の下限を低くすることができる。
【００４１】
図４（ａ）〜図４（ｅ）には１１Ｈｚから８００Ｈｚまでの正弦波信号を測定面に与えた時の電圧出力Ｅの測定結果をシミュレーションによって示す。各図とも、横軸が時間、縦軸が変位と速度である。各周波数で速度信号の位相が進んでおり、振幅も周波数に比例して増加し、速度信号を得ていることを示す。
【００４２】
本発明を具体化した実施形態の一例を図５に示す。銅などの導体で作られた重り３は、センサ本体１の垂直壁から張り出し測定面Ａにほぼ平行な平行板バネ２ａで支持されている。この重り３には駆動コイル５１が巻かれており、これが永久磁石５２で作られた磁場内を測定面Ａに対して垂直に動くようになっている。測定面Ａと重り３の間の相対変位は、平行板バネ２ａの表面に張られたひずみゲージ４ａで検出され、変位出力用増幅器１２を通して変位信号として取り出される。また、この信号は微分回路１３を経て速度信号に変換される。変位信号は変位帰還用増幅器１５でＫｐだけ増幅され、速度信号は速度帰還用増幅器１４でＫｃ増幅される。それぞれの信号は正と負号をつけて加算器１６で合成され、制御電流となって駆動コイル５１に導かれる。このＫｐは、式（４）に示した等価バネ定数を適当な値に小さくするように選ぶ。また、Ｋｃの値も共振ピークを押さえるように適当な値に選ぶ。
【００４３】
なお、この実施例では相対変位をひずみゲージ２ａで検出しているが、光センサや渦電流センサなどの非接触センサで置き換えてもよい。
【００４４】
図５の実施形態によって得られた周波数応答を図６（ａ）、図６（ｂ）に示す。これは、センサ本体１を加振台に取り付け、ランダム加振を行い、加振台変位に対する速度信号を測定してＦＦＴ解析装置で解析した結果である。横軸は周波数、縦軸は位相と利得である。ノーマル６１，６２はセンサ単体、即ちサーボ制御を停止した場合の特性を示し、フィードバック６３，６４はサーボ制御を行った場合の特性を示す。センサ単体では２０Ｈｚにあった固有振動数が変位の正フィードバックによって１０Ｈｚに下げられていることが判る。そして、この正帰還によって、このセンサで１１Ｈｚから２００Ｈｚの範囲で速度が検出できることが判る。なお、１００Ｈｚ以上で見られる周波数の乱れは平行板バネの高次モードにおける共振であって、本質的な問題ではない。相対変位の測定に用いたひずみゲージに変えて、光センサなどの相対変位を直接測定する方式に置き換えることによってこの問題は無くすることができる。また、このような方式にすれば、さらに変位フードバックを大きく掛けることも容易であり、固有振動数をさらに低周波数に下げることも容易である。
【００４５】
さらに、光サーボ系で用いられている光サーボアクチュエータの構造を取り入れれば１Ｈｚ以下の低周波数から１ＫＨｚ以上の高周波数まで測定可能なサーボ型速度・変位センサも実現可能である。
【００４６】
図７（ａ）〜図７（ｃ）は正弦波信号を加振器に与えて測定された速度信号の事例である。各図とも横軸が時間、縦軸が変位（入力）と速度（出力）である。２５Ｈｚ，５０Ｈｚ，８０Ｈｚと加振周波数を増加するにつれて、加振器の変位信号よりも速度信号の位相が９０度進んでおり、また周波数の増加に伴って出力の振幅が増加しており、明らかに速度信号が測定されていることが判る。
【００４７】
図５のサーボ型速度・変位センサは、支持バネを弱くする必要がなく、しかも板バネとしたので、センサ本体１の取り付け方向は自由であり、重り３の質量も２０ｇと極めて軽量にできている。勿論、光サーボアクチュエータ並に小型軽量化する事も可能である。
【００４８】
次に、他の実施形態を説明する。
【００４９】
図８に示されるように、サーボ型速度・変位センサのセンサ本体１は平板状に形成されている。支持バネ２は、センサ本体１上に固定されたＬ字状部材８１の水平腕部８２を中空にすることによって形成された平行板バネである。重り３は水平腕部８２の先端に収容されている。検知器４は、センサ本体１に設けられ振動方向に直交して水平腕部８２の端面８３に臨む光源４ｂ及び受光器４ｃからなり、水平腕部８２の端面８３には変位に応じて光反射量が変化する指標８４が形成されている。この例では、指標８４は端面８３よりも光反射率の低い、例えば黒塗装による三角形のものであり、底辺から頂点にかけて光反射量が直線的に増加する構成である。検知器４は、この光反射量から変位を知ることができる。検知器４と指標８４とは２組設けられており、三角形を互いに逆さにすることによって相補的な動作を得て検知精度を高めるようになっている。２つの検知器４から相対変位信号を取り出すために差動増幅器８５が設けられている。電磁アクチュエータ５を構成する永久磁石８６は水平腕部８２の側面に設けられ、これに対する電磁コイル８７はセンサ本体１上に起立させたコイル支持板８８に取り付けられている。
【００５０】
また、検知器４の異なる構成は、図９に示されるように、光源４ｄがセンサ本体１の図示されない支持体によって支持されており、振動方向より水平腕部８２に臨んでいる。この重りは水平腕部８２内部に収容されている。これに対する受光器４ｅは、水平腕部８２表面に設けられ光源４ｄに対向される。光源４ｄ及び受光器４ｅは、上下２組設けられている。サーボ型速度・変位センサのその他の各部は図８と同様である。
【００５１】
図９の検知器４の動作は、図１０（ａ）に示されるように、水平腕部８２が振動することによって光源４ｄ及び受光器４ｅ間の距離が変化し、光量又は周波数の変化から変位が取り出される。
【００５２】
また、図１０（ａ）に示されるように、電磁アクチュエータ５は、水平腕部８２の両側で、それぞれ永久磁石８６の振動を電磁コイル８７の磁場で拘束するようになっている。
【００５３】
また、図１０（ｂ）に示されるように、支持バネ２は、水平腕部８２に設けられた中空部９１の両端を拡大することによって、支点に近い狭窄部９２と重り３に近い狭窄部９３とを有している。これらの狭窄部９２，９３は剛性が弱く、狭窄部９２，９３間は比較的剛性が強くなっているため、振動時には狭窄部９２，９３が屈曲し、重り３のある水平腕部８２の先端がセンサ本体１との平行を保ちつつ距離を変化させることができる。
【００５４】
また、図１０（ｂ）にあっては、センサ本体１とＬ字状部材８１（支持バネ２）とが一体になっている。従って、一体成型が可能となり部材点数が少なくできる。そして、中空部９１の大きさを変えるだけで任意のバネ定数が実現できる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００５６】
（１）重りを支えるバネの剛性をサーボ制御で低下させることにより、極低周波数から高周波数まで速度と変位の信号の測定範囲を拡張させることができる。
【００５７】
（２）重りを支えるバネの剛性をサーボ制御で低下させることで固有振動数が低下することを活用して、バネの剛性を衝撃に耐える値に保ちながら重りの質量を軽くすることによって軽量化・小形化を図ることができる。
【００５８】
（３）重りを支える支持バネを平行板バネ構造にすることによって、振動方向に直交する方向の強度を増し、取り付け方向の制約を無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すサーボ型速度・変位センサの構成図である。
【図２】図１のサーボ型速度・変位センサの信号伝達線図である。
【図３】本発明及び従来技術の周波数特性を示す特性図である。
【図４】本発明のサーボ型速度・変位センサの測定結果を示す波形図である。
【図５】本発明を具体化した実施形態によるサーボ型速度・変位センサの構成図である。
【図６】図５のサーボ型速度・変位センサによる周波数応答を示す特性図である。
【図７】図５のサーボ型速度・変位センサの測定結果を示す波形図である。
【図８】本発明の他の実施形態によるサーボ型速度・変位センサの構成図である。
【図９】本発明の他の実施形態によるサーボ型速度・変位センサの構成図である。
【図１０】図９のサーボ型速度・変位センサの正面図及び側面図である。
【図１１】従来のサーボ型速度センサの構成図である。
【図１２】図１１のサーボ型速度センサの信号伝達線図である。
【図１３】従来のサーボ型速度センサの周波数特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１センサ本体
２支持バネ
３重り
４検知器
５電磁アクチュエータ
１１サーボ回路
１２出力用増幅器
１３微分回路
１４速度帰還用増幅器
１５変位帰還用増幅器
１６加算器

Claims

振動する対象物にセンサ本体を設置し、このセンサ本体に支持バネを介して重りを振動自在に支持させると共にこの重りの相対変位を検知する検知器を取り付け、この重りの振動を抑制するための電磁アクチュエータを設けると共に、上記変位信号を微分した速度信号と上記変位信号とを上記電磁アクチュエータに帰還するサーボ回路を構成し、上記重りの振動をサーボ制御しているときの上記速度信号及び上記変位信号を対象物の検出速度及び検出変位として出力するようにしたことを特徴とするサーボ型速度・変位センサ。
上記サーボ回路は、上記変位信号を上記電磁アクチュエータに正帰還することを特徴とする請求項１記載のサーボ型速度・変位センサ。
上記サーボ回路は、上記変位信号を増幅する出力用増幅器と、この増幅された変位信号を微分する微分回路と、この微分による速度信号を増幅して帰還する速度帰還用増幅器と、上記増幅された変位信号をさらに増幅して帰還する変位帰還用増幅器と、この帰還される変位信号を正入力し上記帰還される速度信号を負入力して加算し上記電磁アクチュエータに出力する加算器とからなることを特徴とする請求項１又は２記載のサーボ型速度・変位センサ。
上記支持バネは、その振動方向に直交する面を有する板バネからなることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のサーボ型速度・変位センサ。
上記検知器は、上記センサ本体に設けられ振動方向に直交して上記重りに臨む光源及び受光器からなり、上記重りの表面には変位に応じて光反射量が変化する指標が形成されることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載のサーボ型速度・変位センサ。
上記検知器は、上記センサ本体に設けられその振動方向より上記重りに臨む光源と、上記重りに設けられ上記光源に対向される受光器とからなることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載のサーボ型速度・変位センサ。