JP3899891B2

JP3899891B2 - 絶対速度・絶対変位検出方法及びその方法を用いた絶対速度・絶対変位センサ

Info

Publication number: JP3899891B2
Application number: JP2001325171A
Authority: JP
Inventors: 一登背戸; 勲石黒
Original assignee: Oiles Corp
Current assignee: Oiles Corp
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP2003130628A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工場、事業場、建設作業場で使われる金属加工機械、圧縮機に起因する振動、また地震、自動車走行に起因する地盤、路面振動等において、その振動体（被検出体）の絶対速度・絶対変位を検出する方法及びその方法を用いた絶対速度・絶対変位センサに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、工場、事業場、建設作業場で使われる金属加工機械、圧縮機に起因する振動、また地震、自動車走行に起因する地盤、路面振動等により事務所、事業ビル、集合住宅、一般住宅等の構造物において振動問題が生じている。斯かる一般住宅等の防振対策としては、アクティブ制御を用いたアクティブ動吸振器を用いることが考えられるが、理想的なアクティブ制御では振動を受けた場合の制御対象物、即ち振動体（被検出体）としての構造物の絶対変位及び絶対速度のうちの少なくとも一方を検出することが必要になり、その検出には、直接制御対象物に取付けるサイズモ系型変位センサ（以下、変位センサと言う）が適している。
【０００３】
しかし、土地の有効利用や建築技術の向上に伴って２階建から３階建の一般住宅等が増えてきている結果、斯かる構造物の固有振動数が低下してきている。変位センサの検出可能範囲はそれ自身の固有振動数以上であるため、変位センサ自身の固有振動数以下の固有振動数をもった構造物の絶対変位・絶対速度の検出は困難となる。変位センサの固有振動数を下げるには、変位センサ内の質量体の質量を大きくし、質量体を低い剛性をもって支持すればよいが、斯かる手段では変位センサの大型化を招来すると共に構造的に脆弱になる虞がある。また、検出可能振幅が小さい変位センサでは、その用途が限られてしまいあまり利便性がない。
【０００４】
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、質量体の持つ状態量（変位・速度・加速度）をフィードバックすることにより、構造的な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、検出可能振幅を広げることができ、而して、固有振動数が高い構造物及び小さい振幅で振動する場合は勿論のこと、固有振動数が低い構造物でも、また大きな振幅をもって振動する場合でも、その絶対速度・絶対変位を良好に検出することができる方法及びその方法を用いた絶対速度・絶対変位センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の態様の絶対速度・絶対変位検出方法は、所与のばね係数及び減数係数をもって被検出体に支持された質量体に対する当該被検出体の相対変位を検出する段階と、この検出した相対変位をポジティブに、検出した相対変位を二次微分することにより得られる相対加速度をネガティブに夫々フィードバックさせて、被検出体の絶対変位に起因する質量体の変位を制御する段階と、検出した相対変位から被検出体の絶対速度及び絶対変位のうちの少なくとも一方を得る段階とを具備している。
【０００７】
更に本発明の第一の態様の絶対速度・絶対変位検出方法では、その第二の態様のように、検出した相対変位を一次微分することにより得られる相対速度をネガティブ又はポジティブにフィードバックさせて質量体を変位させる段階を更に具備していてもよい。
【０００８】
なお、上記のいずれかの態様の本発明方法において、相対加速度をネガティブにフィードバックさせる際に位相補償を行う段階を具備していてもよい。
【０００９】
本発明の第一の態様の絶対速度・絶対変位センサは、所与のばね係数及び減数係数をもって被検出体に支持された質量体と、この質量体に対する被検出体の相対変位を検出する検出手段と、この検出した相対変位をポジティブに、検出した相対変位を二次微分することにより得られる相対加速度をネガティブに夫々フィードバックさせて、被検出体の絶対変位に起因する質量体の変位を制御するフィードバック制御手段とを具備しており、ここで、検出手段より検出した相対変位から被検出体の絶対速度及び絶対変位のうちの少なくとも一方を出力するように構成されている。
【００１１】
更に本発明の第一の態様の絶対速度・絶対変位センサでは、その第二の態様のように、フィードバック手段は、更に、検出した相対変位を一次微分することにより得られる相対速度をネガティブ又はポジティブにフィードバックさせて質量体を変位させるようになっていてもよい。
【００１２】
なお、上記のいずれかの態様の本発明絶対速度・絶対変位センサにおいて、本発明の他の態様では、相対加速度をネガティブにフィードバックさせる際に位相補償を行う位相補償手段を具備していてもよい。
【００１３】
また、上記いずれかの態様の絶対速度・絶対変位センサにおいて、フィードバック制御手段は、フィードバックにより被検出体に対して質量体を変位させるアクチュエータを具備している。
【００１４】
質量体に駆動力を付与するアクチュエータとしては、電磁アクチュエータを好ましい例として挙げることができるが、その他のアクチュエータであってもよい。
【００１５】
本発明は、変位センサ自体の固有振動数より高い周波数でなければ絶対速度・絶対変位の検出が困難であり、変位センサの有する固有振動数を下げることができれば、検出範囲を広げて低い周波数でも検出可能になるが、単に、質量体の質量を大きくして、質量体を支えるばねのばね係数を小さくして固有振動数を下げても、変位センサの大型化を招来すると共に構造的に脆弱になる虞があることに鑑みて、サーボ技術を用いて質量体の状態量をフィードバックさせることによって、固有振動数を下げるようにしたものである。即ち、検出した質量体の相対変位を微分して相対速度に変換して、更にこの相対速度を微分して相対加速度に変換し、そして、これらを必要に応じて増幅、加減算して、而してポジティブ又はネガティブにフィードバックさせて質量体を変位させるようにしたものである。
【００１６】
本発明における上記第一の態様の方法及びセンサでは、検出した相対変位をポジティブに、検出した相対変位を二次微分することにより得られる相対加速度をネガティブに夫々フィードバックさせて、被検出体の絶対変位に起因する質量体の変位を制御するために、後述するように固有振動数を下げることができ、而して、固有振動数が高い構造物は勿論のこと、固有振動数が低い構造物でもその絶対速度・絶対変位を良好に検出することができる。
【００１７】
また本発明における上記第二の態様の方法及びセンサでは、検出した相対変位を二次微分することにより得られる相対加速度をネガティブにフィードバックさせて、被検出体の絶対変位に起因する質量体の変位を制御するために、後述するように検出可能振幅を広げることができ、而して、小さい振幅で振動する場合は勿論のこと、大きな振幅をもって振動する場合でも、その絶対速度・絶対変位を良好に検出することができる。
【００１８】
以下、本発明及びその実施の形態を、図面に示す好ましい例に基づいて説明する。なお、本発明はこれらの例に何等限定されないのである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１において、本例の絶対速度・絶対変位センサ１は、被検出体としてのセンサハウジング２と、センサハウジング２にばね３のばね係数ｋ（Ｎ／ｓ）及び減衰器４の減数係数ｃ（Ｎｓ／ｍ）をもって支持された質量ｍ（ｋｇ）を有した質量体５と、質量体５に対するセンサハウジング２の相対変位ｕ−ｘ（ｍ）（ここで、ｘは、センサハウジング２の絶対変位ｕに起因する質量体５の絶対変位である）を電気的に検出する検出手段６と、検出した相対変位ｕ−ｘをポジティブに、検出した相対変位ｕ−ｘを一次微分することにより得られる相対速度ｖを本例ではネガティブに、検出した相対変位ｕ−ｘを二次微分することにより得られる相対加速度ａ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２の絶対変位ｕ（ｍ）に起因する質量体５の変位を制御するフィードバック制御手段７とを具備している。
【００２０】
検出手段６は、相対変位ｕ−ｘを相対変位増幅ゲイン（相対変位−電圧変換係数）Ｋａ（Ｖ／ｍ）でもって変位信号ｅＤ（Ｖ）（＝Ｋａ・（ｕ−ｘ））の電気信号を出力するようになっている。
【００２１】
フィードバック制御手段７は、変位信号ｅＤを微分して速度信号ｅＶ（Ｖ）を出力する微分回路１５と、速度信号ｅＶを微分して加速度信号ｅＡ（Ｖ）を出力する微分回路１６と、変位信号ｅＤを変位フィードバックゲインＫＤ（Ａ／Ｖ）をもって電流信号ｉＤ（Ａ）に変換する変換器１７と、速度信号ｅＶを速度フィードバックゲイン−ＫＶ（Ａ／Ｖ）をもって電流信号−ｉＶに変換する変換器１８と、加速度信号ｅＡを加速度フィードバックゲイン−ＫＡ（Ａ／Ｖ）をもって電流信号−ｉＡに変換する変換器１９と、変換器１７、１８及び１９からの電流信号ｉＤ、−ｉＶ及び−ｉＡの加算電流をコイル駆動電流ｉｃ（Ａ）として作動する電磁アクチュエータ２０とを具備している。
【００２２】
微分回路１５及び１６の夫々は、静電容量Ｃｆ（Ｆ）をもったコンデンサ２５と、抵抗値Ｒｆ（Ω）をもった抵抗２６とからなる。
【００２３】
アクチュエータとしての電磁アクチュエータ２０は、入力されるコイル駆動電流ｉｃ（＝ｉＤ−ｉＶ−ｉＡ＝ＫＤ・ｅＤ−ＫＶ・ｅＶ−ＫＡ・ｅＡ）に対して力変換係数（電流−力変換係数）Ｋｆ（Ｎ／Ａ）をもってコイル駆動力ｆｃ（Ｎ）（＝Ｋｆ・ｉｃ）を発生して、このコイル駆動力ｆｃを質量体５に付与してセンサハウジング２に対して質量体５を変位させるようになっている。
【００２４】
以上の絶対速度・絶対変位センサ１において、被検出体としてのセンサハウジング２に絶対変位ｕが生じた場合の運動方程式は式１で表される。
【００２５】
【式１】

【００２６】
Ｍａｓｏｎの公式を用いると共に微分回路１５及び１６の伝達関数Ｇ（ｓ）（＝（Ｔ・ｓ）／（Ｔ・ｓ＋１）、但し、ｓ：複素演算子、Ｔ＝Ｃｆ・Ｒｆ）をｓが小さい範囲ではＴ・ｓ≪１となるためにＴ・ｓとして、式１の運動方程式に基づいてセンサハウジング２の絶対変位ｕと変位信号ｅＤとの間の伝達関数ｅＤ／ｕを求めると式２のようになる。
【００２７】
【式２】
ｅＤ／ｕ＝（ｍ・Ｋａ・ｓ^２）／｛（ｍ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）・ｓ^２＋（ｃ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ・ＫＶ）・ｓ＋（ｋ−Ｋａ・Ｋｆ・ＫＤ）｝
【００２８】
式２より、伝達関数ｅＤ／ｕの固有振動数ωｎ及び減衰比ζを求めると式３及び式４のようになる。
【００２９】
【式３】
ωｎ＝{（ｋ−Ｋａ・Ｋｆ・ＫＤ）／（ｍ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）}^１／２
【００３０】
【式４】
ζ＝（ｃ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ・ＫＶ）／｛（ｍ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）・（ｋ−Ｋａ・Ｋｆ・ＫＤ）｝^１／２
【００３１】
固有振動数ωｎ及び減衰比ζをもった伝達関数ｅＤ／ｕと周波数ω（＝２πｆ）との関係は図２のようになる。
【００３２】
また、絶対変位ｕと検出される相対変位ｕ−ｘとの間の伝達関数（ｕ−ｘ）／ｕを求めると式５のようになる。
【００３３】
【式５】
（ｕ−ｘ）／ｕ＝ｍ・ｓ^２／｛（ｍ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）・ｓ^２＋（ｃ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ・ＫＶ）・ｓ＋（ｋ−Ｋａ・Ｋｆ・ＫＤ）｝
【００３４】
絶対速度・絶対変位センサ１による絶対変位ｕの検出範囲は、固有振動数ωｎ以上であって、伝達関数（ｕ−ｘ）／ｕの大きさ（ゲイン）が一定となる領域である。したがって、式５において固有振動数ωｎ以上で影響を受ける項は、分子、分母ともにｓ^２の項となるので、固有振動数ωｎ以上での伝達関数（ｕ−ｘ）／ｕは、式６のようになる。
【００３５】
【式６】
（ｕ−ｘ）／ｕ＝ｍ／（ｍ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）
【００３６】
したがって、検出される相対変位ｕ−ｘは式７のようになる。
【００３７】
【式７】
ｕ−ｘ＝ｍ・ｕ／（ｍ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）
【００３８】
ここで、絶対速度・絶対変位センサ１内の構造上等の要求により当該絶対速度・絶対変位センサ１により検出できる検出可能振幅（検出可能最大振幅）Ｈ（＝Ｍａｘ・（ｕ−ｘ））と、絶対速度・絶対変位センサ１により検出できるセンサハウジング２の検出可能振幅（検出可能最大振幅）Ｕ（＝Ｍａｘ・ｕ）との関係は式８となる。
【００３９】
【式８】
Ｈ＝ｍ・Ｕ／（ｍ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）
【００４０】
以上の絶対速度・絶対変位センサ１の解析より明らかであるように、式３において、相対変位フィードバックゲインＫＤを変えることによって、分子項の（ｋ−Ｋａ・Ｋｆ・ＫＤ）が変化し、ここで、Ｋａ、Ｋｆは正であるので、相対変位（ｕ−ｘ）のポジティブなフィードバックにより、（ｋ−Ｋａ・Ｋｆ・ＫＤ）は小さくなっている（なお、相対変位（ｕ−ｘ）のネガティブなフィードバックでは式３の分子項は（ｋ＋Ｋａ・Ｋｆ・ＫＤ）となる）。また、式３において、相対加速度フィードバックゲインＫＡを変えることによって、分母項の（ｍ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）が変化し、ここで、Ｋａ、Ｋｆ、Ｔは正であるので、相対加速度ａのネガティブのフィードバックにより、（ｍ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）は大きくなっている（なお、相対加速度ａのポジティブなフィードバックでは分母項は（ｍ−Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）となる）。したがって、絶対速度・絶対変位センサ１では、相対変位（ｕ−ｘ）がポジティブに、相対加速度ａがネガティブに夫々フィードバックされているために、構造的な欠陥を生じさせることなく固有振動数ωｎを下げることができる。
【００４１】
また、絶対速度・絶対変位センサ１では、式８から明らかであるように、相対加速度ａがネガティブにフィードバックされて、（Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ^２・ＫＡ）が正となるようになっているために、検出可能振幅Ｈが小さくても、センサハウジング２の大きな絶対変位ｕを検出することができる、換言すれば絶対速度・絶対変位センサ１の検出可能振幅Ｕを広げることができる。
【００４２】
更に、絶対速度・絶対変位センサ１では、相対速度ｖのフィードバックは減衰比ζのみに影響する。式４において、相対速度ｖのフィードバックゲインＫＶを変えることによって、分子項の（ｃ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ・ＫＶ）が変化する。ここで、Ｋａ、Ｋｆ、Ｔは正の係数であるので、上記のように、相対速度ｖをネガティブにフィードバックしているために、（ｃ＋Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ・ＫＶ）は大きくなって、減衰比ζも大きくなっている。なお、相対速度ｖをポジティブにフィードバックすると、式４の分子項は（ｃ−Ｋａ・Ｋｆ・Ｔ・ＫＶ）となり、相対速度ｖのポジティブなフィードバックで減衰比ζを小さくできる。
【００４３】
したがって、ばね係数ｋ及び減数係数ｃをもって被検出体としてのセンサハウジング２に支持された質量体５に対する当該センサハウジング２の相対変位ｕ−ｘを検出し、検出した相対変位ｕ−ｘをポジティブに、検出した相対変位ｕ−ｘを一次微分することにより得られる相対速度ｖをネガティブに、検出した相対変位ｕ−ｘを二次微分することにより得られる相対加速度ａ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２の絶対変位ｕに起因する質量体５の変位を制御する絶対速度・絶対変位検出方法を実施する絶対速度・絶対変位センサ１では、出力端子３１、３２及び３３の夫々からセンサハウジング２の検出された相対変位ｕ−ｘ、相対速度ｖ、相対加速度ａを実質的な絶対変位、絶対速度、絶対加速度として電気信号で出力させて得ることができる。
【００４４】
なお、上記の例では微分回路１５及び１６をコンデンサ２５と抵抗２６とで構成したが、本発明はこれに限定されず、例えばコンデンサ２５及び抵抗２６に加えて演算増幅器を更に用いて又はコンデンサ２５及び抵抗２６に代えて遅延器と差動増幅器とを用いて微分回路１５及び１６を構成してもよく、また、コンデンサ２５と抵抗２６とからなる微分回路１５及び１６の近似の微分による高域での位相進みを補償するために、相対加速度ａをネガティブにフィードバックさせる際に位相補償を行う位相補償手段をフィードバック制御手段７に設けて、相対加速度ａをネガティブにフィードバックさせる際に位相補償を行うようにしてもよい。更に、電磁アクチュエータ２０に代えてその他のアクチュエータを用いて構成してもよいのは勿論である。
【００４５】
更に絶対速度・絶対変位センサ１では、被検出体としてセンサハウジング２を例示したが、斯かるセンサハウジング２が例えば事務所、事業ビル、集合住宅、一般住宅等の構造物の床、基礎等に設置される場合には、絶対速度・絶対変位センサ１は、結局、斯かる構造物の床、基礎等の絶対速度・絶対変位を検出することになるのであるが、センサハウジング２に代えて、被検出体を構造物の床、基礎等として、この床、基礎等に質量体５を所与のばね係数及び減数係数をもって支持して絶対速度・絶対変位センサを構成してもよい。また、上記の例では、出力端子３１、３２及び３３の夫々から絶対変位、絶対速度、絶対加速度を電気信号をもって得るようにしたが、これに代えて、質量体５に直接に又は機械的てこを介してペン等を取付けて機械的信号として絶対変位、絶対速度、絶対加速度を得るようにしても、更には、レーザ光等の光信号をもって好ましくは光てこを介して絶対変位、絶対速度、絶対加速度を得るようにしてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、質量体の持つ状態量（変位・速度・加速度）をフィードバックすることにより、構造的な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、検出可能振幅を広げることができ、而して、固有振動数が高い構造物及び小さい振幅で振動する場合は勿論のこと、固有振動数が低い構造物でも、また大きな振幅をもって振動する場合でも、その絶対速度・絶対変位を良好に検出することができる方法及びその方法を用いた絶対速度・絶対変位センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の好ましい一例の説明図である。
【図２】図１に示す例の動作説明図である。
【符号の説明】
１絶対速度・絶対変位センサ
２センサハウジング
３ばね
４減衰器
５質量体
６検出手段
７フィードバック制御手段

Claims

所与のばね係数及び減数係数をもって被検出体に支持された質量体に対する当該被検出体の相対変位を検出し、この検出した相対変位をポジティブに、検出した相対変位を二次微分することにより得られる相対加速度をネガティブに夫々フィードバックさせて、被検出体の絶対変位に起因する質量体の変位を制御し、検出した相対変位から被検出体の絶対速度及び絶対変位のうちの少なくとも一方を得る絶対速度・絶対変位検出方法。
検出した相対変位を一次微分することにより得られる相対速度をネガティブ又はポジティブにフィードバックさせて、被検出体の絶対変位に起因する質量体の変位を制御する請求項１に記載の絶対速度・絶対変位検出方法。
相対加速度をネガティブにフィードバックさせる際に位相補償を行う請求項１又は２に記載の絶対速度・絶対変位検出方法。
所与のばね係数及び減数係数をもって被検出体に支持された質量体と、この質量体に対する被検出体の相対変位を検出する検出手段と、この検出した相対変位をポジティブに、検出した相対変位を二次微分することにより得られる相対加速度をネガティブに夫々フィードバックさせて、被検出体の絶対変位に起因する質量体の変位を制御するフィードバック制御手段とを具備しており、検出手段より検出した相対変位から被検出体の絶対速度及び絶対変位のうちの少なくとも一方を出力するようにした絶対速度・絶対変位センサ。
フィードバック制御手段は、更に、検出した相対変位を一次微分することにより得られる相対速度をネガティブ又はポジティブにフィードバックさせて、被検出体の絶対変位に起因する質量体の変位を制御するようになっている請求項４に記載の絶対速度・絶対変位センサ。
フィードバック制御手段は、相対加速度をネガティブにフィードバックさせる際に位相補償を行う位相補償手段を具備している請求項４又は５に記載の絶対速度・絶対変位センサ。
フィードバック制御手段は、フィードバックにより被検出体に対して質量体を変位させるアクチュエータを具備している請求項４から６のいずれか一項に記載の絶対速度・絶対変位センサ。