JP7288841B2 - SENSOR SYSTEM AND VIBRATION ISOLATION DEVICE INCLUDING THE SENSOR SYSTEM - Google Patents
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本開示は、センサシステム、および該センサシステムを備える除振装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to a sensor system and a vibration isolator including the sensor system.
特許文献1に開示されているように、いわゆる導電型速度センサ(振動センサ)は、その検出用コイルの固有振動数よりも振動数が低い場合は加加速度を示す信号を出力し、固有振動数付近では加速度を示す信号を出力し、固有振動数よりも振動数が高い場合は速度を示す信号を出力するようになっている。
As disclosed in
特許文献2には、そうした導電型速度センサを応用したセンサシステムが開示されている。この特許文献2に開示されているセンサシステムは、導電型速度センサ(geophone)と、導電型速度センサから出力される信号が入力される信号処理部(filter chain)と、を備えている。
ここで、前記特許文献2に係る信号処理部は、導電型速度センサの出力信号に対して信号処理を施すことで、加速度を示す信号を出力する。同文献において例示されている固有振動数が6Hzであるのに対し、信号処理部は、0.1Hzから100Hzにわたり信号処理を実行する。
Here, the signal processing unit according to
すなわち、前記特許文献2に係る信号処理部は、固有振動数付近ばかりでなく、少なくとも、固有振動数より十分に低い場合と、十分に高い場合と、の双方について加速度を示す信号を出力するように構成されている。
That is, the signal processing unit according to
前記特許文献1に記載されているように、一般的な導電型速度センサは、固有振動数よりも振動数が低い場合は加加速度を示す信号を出力し、固有振動数よりも振動数が高い場合は速度を示す信号を出力する。
As described in
そのため、前記特許文献2に係る信号処理部は、加速度を示す信号を出力するために、少なくとも固有振動数よりも低い振動数については出力信号を積分し、固有振動数よりも高い振動数については出力信号を微分することになる。
Therefore, in order to output a signal indicating acceleration, the signal processing unit according to
本願発明者らは、前記特許文献2に開示されているセンサシステムを研究した結果、同文献に係る信号処理部を用いた場合、固有振動数付近で加速度が適切に出力されないことを新たに見出した。
As a result of researching the sensor system disclosed in
すなわち、前述のように、導電型速度センサは、固有振動数付近では加速度を示す信号を出力することになる。加速度を示す信号に対して微分または積分処理を施してしまっては、導電型速度センサに固有の周波数特性を反映した変換が行われないため、その固有振動数付近で誤差が生じてしまい不都合である。 That is, as described above, the conductive velocity sensor outputs a signal indicating acceleration near the natural frequency. If the signal indicating acceleration is subjected to differentiation or integration processing, conversion that reflects the frequency characteristics unique to the conductive speed sensor will not be performed, and an error will occur in the vicinity of the natural frequency, which is inconvenient. be.
そのため、前記特許文献2に開示されている構成では、固有振動数付近で生じた誤差を反映した結果、加速度を示す信号を出力しようとしたときに、固有振動数付近でゲインの盛り上がりが生じることに、本願発明者らは気付いた。
Therefore, in the configuration disclosed in
また、本願発明者らは、さらに研究を重ねた結果、前述の如きセンサシステムを用いて速度を示す信号を出力しようとしたときにも、共通の課題が存在することを見いだした。 As a result of further research, the inventors of the present application have found that there is a common problem when trying to output a signal indicating speed using the above-described sensor system.
すなわち、一般的な導電型速度センサを用いた場合、速度を示す信号を出力するためには、少なくとも固有振動数よりも低い振動数については、導電型速度センサの出力信号を2重積分することになる。 That is, when a general conductive speed sensor is used, in order to output a signal indicating speed, the output signal of the conductive speed sensor must be double-integrated at least for frequencies lower than the natural frequency. become.
この場合、固有振動数付近では、加速度を示す信号を出力に対して2重積分することになるため、加速度を示す信号を出力しようとしたときと同様に、やはり固有振動数付近でゲインの盛り上がりが生じることに、本願発明者らは気付いた。 In this case, near the natural frequency, the signal indicating the acceleration is double-integrated with respect to the output. The inventors of the present application have noticed that
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固有振動数を含んだ範囲内で、導電型速度センサの出力信号を特定の物理量に変換することにある。 The technology disclosed herein has been made in view of this point, and its purpose is to convert the output signal of a conductive speed sensor into a specific physical quantity within a range that includes the natural frequency. It is in.
本開示は、加速度を検出するためのセンサシステムに係る。このセンサシステムは、ケースと、該ケースに収容されかつ該ケースに対し相対変位する質量体と、該質量体を前記ケースに支持するダンパおよびバネと、を有する力学系としてモデル化され、前記ケースと前記質量体との間の相対速度に比例した信号を出力する導電型速度センサと、前記導電型速度センサから出力される信号を変換することで、前記ケースの加速度を示す信号を出力する信号処理部と、を備える。 The present disclosure relates to sensor systems for detecting acceleration. This sensor system is modeled as a dynamic system having a case, a mass housed in the case and relatively displaceable with respect to the case, and a damper and a spring supporting the mass on the case. a conductive speed sensor that outputs a signal proportional to the relative speed between the mass body and the mass, and a signal that outputs a signal indicating the acceleration of the case by converting the signal output from the conductive speed sensor and a processing unit.
前記信号処理部は、前記力学系の固有振動数よりも振動数が大きな信号を微分する微分回路と、前記固有振動数よりも振動数が小さな信号を積分する積分回路と、を直列に接続してなり、前記信号処理部はさらに、前記固有振動数におけるゲインを抑制するゲイン抑制回路を直列に接続してなる。 The signal processing unit has a differentiating circuit that differentiates a signal with a frequency higher than the natural frequency of the dynamic system and an integration circuit that integrates a signal with a lower frequency than the natural frequency, which are connected in series. In addition, the signal processing unit is further connected in series with a gain suppression circuit that suppresses the gain at the natural frequency.
本願発明者らが鋭意検討した結果、得られた知見によれば、ゲイン抑制回路によって固有振動数におけるゲインを抑制することで、固有振動数付近でのゲインの盛り上がりを取り除くことができる。これにより、固有振動数を含んだ比較的広い範囲(特に、導電型センサを加速度用のセンサとして用いる上で実用的な範囲)内で、導電型速度センサの出力信号をケースの加速度に変換することができる。そのケースを所定の検出対象(例えば、除振対象物)に取り付けることで、ケースを介して検出対象の加速度を検出することができるようになる。 According to the knowledge obtained as a result of intensive studies by the inventors of the present application, by suppressing the gain at the natural frequency by the gain suppressing circuit, it is possible to remove the rise in the gain near the natural frequency. As a result, the output signal of the conductive speed sensor is converted into the acceleration of the case within a relatively wide range including the natural frequency (especially the practical range when using the conductive sensor as an acceleration sensor). be able to. By attaching the case to a predetermined detection target (for example, a vibration isolation target), the acceleration of the detection target can be detected through the case.
また、前記微分回路の伝達関数F1(s)は、ラプラス演算子をsとし、位相進み時定数をT1とすると、
F1(s)=(1+T1s)/(1+αT1s) ただし、α<1 …(A)
により表され、前記積分回路の伝達関数F2(s)は、位相遅れ時定数をT2とすると、
F2(s)=β(1+T2s)/(1+βT2s) ただし、β>1 …(B)
により表され、前記固有振動数をω0とすると、前記位相進み時定数、前記位相遅れ時定数および前記固有振動数は、
(βT2)-1<ω0<(αT1)-1 …(C)
の関係を満足する、としてもよい。
Further, the transfer function F 1 (s) of the differentiating circuit is expressed as follows, where s is the Laplace operator and T 1 is the phase lead time constant:
F 1 (s)=(1+T 1 s)/(1+αT 1 s) where α<1 (A)
and the transfer function F 2 (s) of the integration circuit is given by
F 2 (s)=β(1+T 2 s)/(1+βT 2 s) where β>1 (B)
and the natural frequency is ω 0 , the phase lead time constant, the phase lag time constant and the natural frequency are:
(βT 2 ) −1 <ω 0 <(αT 1 ) −1 (C)
satisfies the relationship of
上記式(C)によれば、積分処理と微分処理とが実行される範囲内に収まるよう、固有振動数を設定することができる。 According to the above formula (C), the natural frequency can be set so as to fall within the range in which the integration process and the differentiation process are performed.
また、前記位相進み時定数、前記位相遅れ時定数および前記固有振動数は、
(β0.5T2)-1<ω0<(α0.5T1)-1 …(D)
の関係を満足する、としてもよい。
Further, the phase lead time constant, the phase lag time constant and the natural frequency are
(β 0.5 T 2 ) −1 <ω 0 <(α 0.5 T 1 ) −1 (D)
satisfies the relationship of
上記式(D)によれば、積分側の位相が最大に遅れる振動数(位相が極小値を迎える振動数)から、微分側の位相が最大に進む振動数(位相が極大値を迎える振動数)までの範囲内に、固有振動数を設定することができる。 According to the above formula (D), the frequency at which the phase on the integral side lags the most (the frequency at which the phase reaches its minimum value) is shifted to the frequency at which the phase on the differentiation side reaches its maximum value (the frequency at which the phase reaches its maximum value). ), the natural frequency can be set.
本開示は、絶対速度を検出するためのセンサシステムにも係る。このセンサシステムは、ケースと、該ケースに収容されかつ該ケースに対し相対変位する質量体と、該質量体を前記ケースに支持するダンパおよびバネと、を有する力学系としてモデル化され、前記ケースと前記質量体との間の相対速度に比例した信号を出力する導電型速度センサと、前記導電型速度センサから出力される信号を変換することで、前記ケースの絶対速度を示す信号を出力する信号処理部と、を備える。 The present disclosure also relates to a sensor system for detecting absolute velocity. This sensor system is modeled as a dynamic system having a case, a mass housed in the case and relatively displaceable with respect to the case, and a damper and a spring supporting the mass on the case. and a conductive speed sensor that outputs a signal proportional to the relative speed between the mass body and the mass body; and a signal that indicates the absolute speed of the case by converting the signal output from the conductive speed sensor. and a signal processing unit.
前記信号処理部は、前記力学系の固有振動数よりも振動数が小さな信号を2重積分する2重積分回路と、前記固有振動数におけるゲインを抑制するゲイン抑制回路と、を直列に接続してなる。 The signal processing unit has a double integration circuit that double integrates a signal having a frequency smaller than the natural frequency of the dynamic system and a gain suppression circuit that suppresses a gain at the natural frequency, which are connected in series. It becomes
本願発明者らが鋭意検討した結果、得られた知見によれば、ゲイン抑制回路によって固有振動数におけるゲインを抑制することで、固有振動数付近でのゲインの盛り上がりを取り除くことができる。これにより、固有振動数を含んだ比較的広い範囲(特に、導電型センサを速度用のセンサとして用いる上で実用的な範囲)内で、導電型速度センサの出力信号をケースの絶対速度に変換することができる。そのケースを所定の検出対象(例えば、除振対象物)に取り付けることで、ケースを介して検出対象の絶対速度を検出することができるようになる。 According to the knowledge obtained as a result of intensive studies by the inventors of the present application, by suppressing the gain at the natural frequency by the gain suppressing circuit, it is possible to remove the rise in the gain near the natural frequency. As a result, the output signal of the conductive speed sensor is converted to the absolute speed of the case within a relatively wide range including the natural frequency (especially the practical range for using the conductive sensor as a speed sensor). can do. By attaching the case to a predetermined detection target (for example, a vibration isolation target), the absolute velocity of the detection target can be detected through the case.
また、前記2重積分回路の伝達関数F3(s)は、位相遅れ時定数をT3とすると、
F3(s)={γ(1+T3s)/(1+γT3s)}2 ただし、γ>1 …(E)
により表され、
前記固有振動数をω0とすると、前記位相遅れ時定数および前記固有振動数は、
(γT3)-1<ω0 …(F)
の関係を満足する、としてもよい。
Also, the transfer function F 3 (s) of the double integration circuit is given by the following when the phase delay time constant is T 3
F 3 (s)={γ(1+T 3 s)/(1+γT 3 s)} 2 where γ>1 (E)
is represented by
Assuming that the natural frequency is ω 0 , the phase delay time constant and the natural frequency are
(γT 3 ) −1 < ω 0 (F)
satisfies the relationship of
上記式(F)によれば、固有振動数よりも振動数が小さな信号に対し、2重積分処理を実行することができる。 According to the above formula (F), it is possible to perform double integration processing on a signal whose frequency is smaller than the natural frequency.
また、前記位相遅れ時定数および前記固有振動数は、
(γ0.5T3)-1<ω0 …(G)
の関係を満足する、としてもよい。
Further, the phase delay time constant and the natural frequency are
(γ 0.5 T 3 ) −1 <ω 0 (G)
satisfies the relationship of
上記式(G)によれば、積分側の位相が最大に遅れる振動数(位相が極小値を迎える振動数)を上回る範囲内に、固有振動数を設定することができる。 According to the above formula (G), the natural frequency can be set within a range exceeding the frequency at which the phase on the integral side is delayed the most (the frequency at which the phase reaches its minimum value).
また、前記ゲイン抑制回路は、ノッチフィルタにより構成され、前記ノッチフィルタの伝達関数Fn(s)は、前記ノッチフィルタの減衰比をζ1,ζ2とすると、
Fn(s)=(s2+2ζ1ω0s+ω0
2)/(s2+2ζ2ω0s+ω0
2) ただし、ζ1<ζ2 …(H)
により表される、としてもよい。
Further, the gain suppression circuit is composed of a notch filter , and the transfer function F n (s) of the notch filter is given by
F n (s)=(s 2 +2ζ 1 ω 0 s+ω 0 2 )/(s 2 +2ζ 2 ω 0 s+ω 0 2 ) where ζ 1 <ζ 2 (H)
may be represented by
上記式(H)によれば、ゲイン抑制回路を適切に構成し、ひいては、ケースの加速度または絶対加速度を検出する上で有利になる。 Equation (H) above is advantageous in appropriately configuring the gain suppression circuit and thus in detecting the acceleration or absolute acceleration of the case.
また、前記導電型速度センサにおける正負の端子の間には、抵抗器が接続される、としてもよい。 A resistor may be connected between the positive and negative terminals of the conductive speed sensor.
本開示は、前記センサシステムを備えた除振装置にも関する。この除振装置は、前記センサシステムと、前記ケースが取り付けられ、該ケースと一体的に振動する除振対象物と、前記除振対象物に制御力または変位を付与するアクチュエータと、前記センサシステムから出力される信号に基づいて、前記除振対象物の振動を抑制するように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部と、を備える。 The present disclosure also relates to a vibration isolator comprising said sensor system. This vibration isolator includes the sensor system, a vibration isolation object to which the case is attached and which vibrates integrally with the case, an actuator for applying a control force or displacement to the vibration isolation object, and the sensor system. an actuator control unit configured to control the actuator so as to suppress vibration of the object to be vibration-isolated, based on a signal output from the .
以上説明したように、前記センサシステムおよび除振装置によれば、固有振動数を含んだ範囲内で、導電型速度センサの出力信号を特定の物理量に変換することができる。 As described above, according to the sensor system and the vibration isolator, the output signal of the conductive velocity sensor can be converted into a specific physical quantity within the range including the natural frequency.
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明は例示である。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described based on the drawings. Note that the following description is an example.
本明細書では、加速度を検出するためのセンサシステム100に係る第1実施形態と、絶対速度を検出するためのセンサシステム100’に係る第2実施形態と、について順番に説明をする。
In this specification, a first embodiment of a
〈第1実施形態〉
まず、第1実施形態について説明する。以下の説明において、「第1実施形態」を単に「本実施形態」と呼称する場合がある。
<First embodiment>
First, the first embodiment will be explained. In the following description, "first embodiment" may be simply referred to as "this embodiment".
(除振装置の全体構成)
図1は、第1実施形態に係る除振装置Aの構成を例示する図である。この除振装置Aは、半導体検査装置、電子顕微鏡および光学式計測装置等からなるデバイスDを搭載し、そのデバイスDを振動から絶縁するためのものである。
(Overall Configuration of Vibration Isolator)
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a vibration isolator A according to the first embodiment. This vibration isolator A is equipped with a device D comprising a semiconductor inspection device, an electron microscope, an optical measuring device, etc., and isolates the device D from vibration.
具体的に、除振装置Aは、デバイスDを搭載して振動から絶縁する除振台1と、除振台1における振動を検知する受振器2と、受振器2から出力される検知信号(出力信号)を変換することで、ケース21の加速度を示す信号を出力する加速度変換回路3と、加速度変換回路3から出力される信号に基づいて、除振装置Aにおけるアクチュエータ13を制御するコントローラ4と、を備えている。受振器2と加速度変換回路3とが後述のセンサシステム100を構成している。
Specifically, the vibration isolator A includes a vibration isolation table 1 mounted with a device D to isolate it from vibration, a
詳しくは、除振台1は、デバイスDが搭載される支持台10と、床面等からなる設置面Fに対して支持台10を支持する弾性体11およびダンパ12と、支持台10に制御力または変位を付与するアクチュエータ13と、を備えている。図1では省略したが、弾性体11、ダンパ12およびアクチュエータ13と、設置面Fと、の間に板状の基礎を設けてもよい。
Specifically, the vibration isolation table 1 includes a support table 10 on which the device D is mounted, an
このうち、支持台10は、矩形状の厚板として形成されており、いわゆる定盤をなす。支持台10の上面には、前述したデバイスDが載置される。これにより、支持台10とデバイスDとが実質的に一体的に振動することになる。よって、支持台10に生じる揺れを減衰または相殺することで、その支持台10に載置されるデバイスDを振動から絶縁することができる。支持台10は、本実施形態における「除振対象物」の例示である。
Among them, the
また、除振対象物としての支持台10には、後述のセンサシステム100をなす受振器2、具体的には、その受振器2のケース21が取り付けられる。これにより、本実施形態に係る支持台10は、ケース21とも一体的に振動することになる。
A
弾性体11は、設置面F上に配置されており、支持台10を下方から支持するように構成されている。本実施形態に係る弾性体11は、上下方向に弾性変形するバネ要素からなる。バネ要素からなる弾性体11は、支持台10上に載置されたデバイスDと、支持台10自身と、から荷重を受けて、そのバネ定数に応じて弾性変形する。
The
なお、図1では弾性体11を1つのみ図示したが、弾性体11を複数設けてもよい。弾性体11を複数設ける場合、例えば、支持台10の四隅を下方から支持するように配置することができる。
Although only one
ダンパ12は、設置面F上に配置されており、支持台10に対し下方から接続されるように構成されている。本実施形態に係るダンパ12は、上下方向に摺動しつつ伸縮する摺動部材からなる。摺動部材からなるダンパ12は、支持台10上に載置されたデバイスDと、支持台10自身と、が実質的に一体となって振動するときに、その減衰比に応じて振動を減衰させる。なお、ダンパ12として摺動部材を用いる構成は例示にすぎない。例えば、弾性体11として空気バネを用いた場合は、その空気バネに設けたオリフィスがダンパ12として機能することになる。
The
なお、図1ではダンパ12を1つのみ図示したが、弾性体11と同様に、ダンパ12を複数設けてもよい。ダンパ12を複数設ける場合、例えば、支持台10の四隅を下方から支持するように配置することができる。
Although only one
アクチュエータ13は、設置面F上に配置されており、支持台10に対して下方から接続されるように構成されている。本実施形態に係るアクチュエータ13は、除振対象物としての支持台10に制御力を付与するリニアモータからなる。リニアモータからなるアクチュエータ13は、コントローラ4から出力される信号に基づいて、支持台10に対して制御力を与える。
The
(制御系に関連した構成)
以下、除振装置Aの全体構成に続いて、センサシステム100に関連した構成について説明する。図2は、第1実施形態に係るセンサシステム100の構成を例示する概略図であり、図3は、受振器2の周波数特性を例示する図である。また、図4は、位相進み補償器32および位相遅れ補償器33の振動数特性を例示する図であり、図5は、ゲイン抑制回路34の振動数特性を例示する図である。
(Configuration related to control system)
Following the overall configuration of the vibration isolator A, the configuration related to the
前述のように、本実施形態に係るセンサシステム100は、所定の検出対象(本実施形態では支持台10)に取り付けられる受振器2と、受振器2の検出信号が入力される加速度変換回路3と、を備えている。加速度変換回路3は、受振器2の検出信号を加速度に変換し、これをコントローラ4に入力する。なお、加速度変換回路3は、本実施形態における「信号処理部」の例示である。また、コントローラ4は、本実施形態における「アクチュエータ制御部」の例示である。
As described above, the
受振器2は、いわゆるジオフォンであり、導電型速度センサからなる。この受振器2は、検出対象の動きを検出し、その動きを電圧に変換して出力することができる。
The
より詳細には、受振器2は、ケース21と、このケース21に収容されかつ該ケース21に対し相対変位する質量体22と、該質量体22をケース21に支持する(特に、相対変位可能に支持する)ダンパ23およびバネ24と、を有する力学系としてモデル化される。ダンパ23およびバネ24は、例えば、質量体22をケース21に支持するための板バネを用いて構成することができる。そうしてモデル化される受振器2は、後述のように、ケース21と質量体22との間の相対速度に比例した信号を出力する。
More specifically, the
すなわち、導電型速度センサとして構成される受振器2は、通常、ケース21および質量体22のうちの一方に設けられるコイル25と、ケース21および質量体22のうちの他方に設けられる磁石26と、をさらに備えることになる。
That is, the
特に、本実施形態に係る受振器2は、略筒状のケース21の内底面に固定され、該ケース21の長手方向に沿ってN極とS極が並んで配置された磁石26と、質量体22の外周面に巻き付けられ、該質量体22と一体的に変位するコイル25と、を備えた構成とされており、ケース21に対して質量体22が相対変位したときに、磁石26におけるN極とS極との並び方向に沿って、コイル25が往復移動するようになっている。そうしてコイル25が往復移動すると、コイル25の内周側を磁石26が相対的に変位することとなり、電磁誘導によって誘導起電力が生じることになる。受振器2は、その誘導起電力に対応した電圧を検出信号として出力する。
In particular, the
ここで、受振器2が検出信号を出力するための端子は、例えば、図2に示すように正負2つの端子としてもよい。その場合、2つの端子のうちの一方を接地し、他方を加速度変換回路3に接続してもよいし、2つの端子を両方とも加速度変換回路3に接続し、いわゆる差動入力としもよい。
Here, the terminals for the
また、図2に例示するように、受振器2に設けた正負の端子の間には、抵抗器27を接続することができる。この場合、受振器2から出力される検出信号が抵抗器27を流れることによって、電磁力が発生する。この電磁力によって、ケース21に対する質量体22の相対変位を減衰させることができる。通常、受振器2をモデル化したときの減衰比ζは、ダンパ23を構成する板バネ等の物理的な特性から決定されるものの、実際には、コイル25を流れる電流による減衰も影響する。
Moreover, as illustrated in FIG. 2, a
本実施形態のように、受振器2に抵抗器27を設けることで、コイル25の内部抵抗に、抵抗器27の影響を加味することができる。そのことで、減衰比ζを所望の値に調整することができる。なお、抵抗器27を設けること自体は、必須ではない。
By providing the
なお、受振器2に抵抗器27を接続した場合、このコイル25の内部抵抗と、抵抗器27と、の間で分圧されるため、検出信号を示す電圧は減少することになる。
When the
ここで、誘導起電力をεとし、磁石26による磁束密度をBとし、コイル25のコイル長をlとし、コイル25の相対速度をvrとすると、以下の式が成立する。
Let ε be the induced electromotive force, B be the magnetic flux density of the
ε=Blvr …(1) ε= Blvr (1)
このように、受振器2は、磁石26に対するコイル25の相対速度、すなわち、ケース21と質量体22との間の相対速度に比例した検出信号を出力することになる。
Thus, the
一方、受振器2を力学系としてモデル化することで、ケース21と質量体22との間の相対速度と、ケース21自身の加速度と、を関連付けることができる。よって、コイル25の相対速度を介することで、受振器2において生成される誘導起電力と、ケース21自身の加速度と、の関係を得ることができる。そうして得られる関係を用いることで、受振器2から出力される検出信号に基づいて、ケース21自身の加速度が得られるようになる。
On the other hand, by modeling the
具体的に、質量体22の質量をmとし、ダンパ23の減衰係数をcとし、バネ24のバネ定数をkとし、ケース21の変位をxcとし、質量体22の変位をxmとし、ケース21に対する質量体22の相対変位をxr(=xm-xc)とすると、質量体22の運動方程式として、下式(2)が成立する。
Specifically, the mass of the
mxm”+cxr’+kxr=0 …(2) mxm ''+ cxr '+ kxr =0 (2)
式(2)において、ダブルプライムは時間についての2階微分を示し、シングルプライムは時間についての1階微分を示す。 In equation (2), the double prime indicates the second derivative with respect to time, and the single prime indicates the first derivative with respect to time.
式(2)においてxm=xr+xcを代入し、ラプラス変換して整理すると、下式(3)が得られる。 By substituting xm = xr + xc in equation (2) and arranging by Laplace transform, the following equation (3) is obtained.
Xr=[(cs+k)・(ms2+cs+k)-1-1]・Xc
=-ms2・(ms2+cs+k)-1・Xc …(3)
X r =[(cs+k)·(ms 2 +cs+k) −1 −1]·X c
=-ms 2 (ms 2 +cs+k) -1 X c (3)
式(3)において、sはラプラス演算子であり、Xcはxcのラプラス変換であり、Xrはxrのラプラス変換である。さらに、力学系の固有振動数をω0とし、減衰比をζとすると、上式(3)から下式(4)-(6)が得られる。 In equation (3), s is the Laplace operator, Xc is the Laplace transform of xc , and Xr is the Laplace transform of xr . Furthermore, when the natural frequency of the dynamic system is ω0 and the damping ratio is ζ, the following equations (4) to (6) are obtained from the above equation (3).
Xr=-s2・(s2+2ζω0s+ω0
2)-1・Xc …(4)
ω0=(k/m)0.5 …(5)
ζ=c/[2・(mk)0.5] …(6)
X r =−s 2 ·(s 2 +2ζω 0 s+ω 0 2 ) −1 ·X c (4)
ω 0 = (k/m) 0.5 (5)
ζ=c/[2·(mk) 0.5 ] (6)
なお、前述のように、減衰比を示すζは、ダンパ23を構成する板バネ等の力学的な特性に、抵抗器27に起因した電気的な特性を加味した大きさとなる。抵抗器27を設けたことで、減衰比は、大きくなっている。
As described above, ζ, which indicates the damping ratio, is a magnitude that takes into consideration the mechanical characteristics of the plate springs and the like that constitute the
ここで、磁石26に対するコイル25の相対速度は、ケース21に対する質量体22の相対速度に等しいことから、式(1)におけるvrは、式(2)におけるxrの時間微分に等しいといえる。よって、vrのラプラス変換をVrとし、誘導起電力を示すεのラプラス変換をEとすると、式(1)と式(4)から、下式(7)が得られる。
Here, since the relative velocity of the
E=BlVr
=-Bls3・(s2+2ζω0s+w0
2)-1・Xc …(7)
E= BlVr
=−Bls 3 ·(s 2 +2ζω 0 s+w 0 2 ) −1 ·X c (7)
ここで、s空間におけるケース21自身の絶対速度をA1とし、加速度をA2とし、加加速度をA3とすると、式(7)から下式(8)-(10)が得られる。
Here, when the absolute velocity of the
E=-Bls2・(s2+2ζω0s+ω0
2)-1A1 …(8)
=-Bls・(s2+2ζω0s+ω0
2)-1A2 …(9)
=-Bl(s2+2ζω0s+ω0
2)-1A3 …(10)
E=−Bls 2 ·(s 2 +2ζω 0 s+ω 0 2 ) −1 A 1 (8)
=-Bls (s 2 +2ζω 0 s+ω 0 2 ) −1 A 2 (9)
=−Bl(s 2 +2ζω 0 s+ω 0 2 ) −1 A 3 (10)
力学系の振動数をω(=-is)とすると、式(8)-(10)の各々に基づいて、下式(11)-(13)が得られる。 Assuming that the frequency of the dynamic system is ω(=-is), the following equations (11)-(13) are obtained based on each of equations (8)-(10).
E/A1=-Bl ω≫ω0 …(11)
E/A2=-Bl/(2ζω0) ω~ω0 …(12)
E/A3=-Bl/ω0
2 ω≪ω0 …(13)
E/A 1 =−Bl ω>>ω 0 (11)
E/A 2 =-Bl/(2ζω 0 ) ω ~ ω 0 (12)
E/A 3 =−Bl/ω 0 2 ω<ω 0 (13)
例えば式(11)は、振動数が固有振動数よりも十分に大きい場合に、ケース21自身の絶対速度に対する、検出信号(誘導起電力)の比の値が一定になることを意味している(図3の上図を参照)。この場合、その比率を予め算出しておくことで、受振器2から出力される検出信号に基づいて、ケース21自身の絶対速度を検出することができる。
For example, formula (11) means that the ratio of the detected signal (induced electromotive force) to the absolute velocity of the
また、式(12)は、振動数が固有振動数付近の場合に、ケース21自身の加速度に対する、検出信号の比の値が一定になることを意味している(図3の中央図を参照)。この場合、受振器2から出力される検出信号に基づいて、ケース21自身の加速度を検出することができる。また、式(12)から明らかなように、固有振動数におけるゲインの大きさは、減衰比の大きさに反比例する。よって、前述のように受振器2に抵抗器27を設けたことで、減衰比を増幅することができ、ひいては固有振動数におけるゲインの大きさを抑制することができる。また、単にゲインの大きさを抑制するばかりでなく、固有振動数付近でのゲインの傾きを緩やかに変化させることもできる。
In addition, equation (12) means that the ratio of the detection signal to the acceleration of the
また、式(13)は、振動数が固有振動数よりも十分に小さい場合に、ケース21自身の加加速度に対する、検出信号の比の値が一定になることを意味している(図3の下図を参照)。この場合、受振器2から出力される検出信号に基づいて、ケース21自身の加加速度を検出することができる。
Further, equation (13) means that the ratio of the detection signal to the jerk of the
このように、導電型速度センサとして構成される受振器2は、力学系の振動数と固有振動数との大小関係に応じて、ケース21自身の絶対速度を検出したり、加速度を検出したり、加加速度を検出したりすることができる。
In this way, the
ここで、本願発明者らは、前述の如き特性を有する受振器2を用いながらも、固有振動数を含んだ広い範囲内で加速度を検出するような構成を模索した。しかし、式(9)の関数形から明らかなように、加速度に対する誘電起電力の比の値は、振動数が固有振動数から離れた場合は一定にならない。
Here, the inventors of the present application have searched for a configuration that detects acceleration within a wide range including the natural frequency while using the
すなわち、加速度に対する誘電起電力の比の値は、固有振動数を極大値とした曲線を描くため、振動数が固有振動数よりも小さい場合は振動数の増加に従って単調に増加する一方、振動数が固有振動数よりも大きい場合は振動数の増加に従って単調に減少することになる。 That is, the value of the ratio of the dielectric electromotive force to the acceleration draws a curve with the natural frequency as the maximum value. is greater than the natural frequency, it will monotonically decrease as the frequency increases.
よって、単に比の値を求めるだけでは、加速度を得るには不都合である。 Therefore, simply obtaining the value of the ratio is inconvenient for obtaining the acceleration.
そこで、固有振動数よりも低い振動数については受振器2の検出信号を積分し、固有振動数よりも高い振動数については受振器2の検出信号を微分することが考えられる。
Therefore, it is conceivable to integrate the detection signal of the
しかしながら、前述のように、受振器2は、固有振動数付近では加速度を示す信号を出力することになる。加速度を示す信号に対して微分または積分処理を施してしまっては、受振器2に固有の周波数特性を反映した変換が行われないため、その固有振動数付近で誤差が生じてしまい不都合である。
However, as described above, the
固有振動数付近で生じた誤差を反映した結果、加速度を示す信号を出力しようとしたときに、固有振動数付近でゲインの盛り上がりが生じることに、本願発明者らは気付いた(図6の実線も参照)。すなわち、微分処理と積分処理だけでは、両処理の境界となる固有振動数付近で加速度を得ることができない。 The inventors of the present application have noticed that the gain rises near the natural frequency when outputting a signal indicating acceleration as a result of reflecting the error that occurred near the natural frequency (the solid line in FIG. 6). see also). In other words, it is not possible to obtain the acceleration near the natural frequency, which is the boundary between the two processes, only by the differentiation process and the integration process.
本願発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、固有振動数を含んだ範囲内でケース21の加速度が得られるような加速度変換回路3を新たに創作するに至った。
As a result of extensive studies, the inventors of the present application newly created an
具体的に、本実施形態における信号処理部としての加速度変換回路3は、受振器2から出力される検出信号を変換することで、ケース21の加速度を示す信号を出力する。この加速度変換回路3は、力学系の固有振動数よりも振動数が大きな信号を微分する位相進み補償器32と、固有振動数よりも振動数が小さな信号を積分する位相遅れ補償器33と、を接続してなる。
Specifically, the
すなわち、固有振動数に対して高域側または低域側に離れた振動数においては、ケース21自身の加速度が得られることになる。これにより、固有振動数に対して高域側または低域側に離れた振動数においては、受振器2を加速度センサとして用いることができるようになる。
In other words, the acceleration of the
一方、振動数が固有振動数付近にある場合、前述の如きゲインの盛り上がりが懸念される。そこで、加速度変換回路3はさらに、固有振動数におけるゲインを抑制するゲイン抑制回路34を直列に接続してなる。これにより、固有振動数付近でのゲインの盛り上がりを取り除き、固有振動数付近の振動数においても受振器2を加速度センサとして用いることができるようになる。
On the other hand, when the frequency is near the natural frequency, there is concern about the increase in gain as described above. Therefore, the
以下、加速度変換回路3の具体的な構成について、順番に説明する。
A specific configuration of the
図2に示すように、加速度変換回路3は、受振器2の検出信号を増幅する増幅器31と、増幅器31によって増幅された検出信号が入力される位相進み補償器32と、位相進み補償器32を通過した検出信号が入力される位相遅れ補償器33と、位相遅れ補償器33を通過した検出信号が入力されるゲイン抑制回路34と、その検出信号に含まれるオフセット電圧を相殺するための電圧を発生するオフセット回路35と、を有している。
As shown in FIG. 2, the
このうち、位相進み補償器32は、増幅器31によって増幅された検出信号に微分処理を施す。詳しくは、位相進み補償器32は、増幅器31によって増幅された検出信号における一定の周波数範囲に対して微分処理を施す。位相進み補償器32は、本実施形態における「微分回路」の例示である。
Among them, the
さらに詳しくは、位相進み補償器32の伝達関数F1(s)は、ラプラス演算子をsとし、位相進み時定数をT1とすると、
F1(s)=(1+T1s)/(1+αT1s) ただし、α<1 …(14)
により表すことができる。この場合、位相進み補償の折れ点振動数は、低域側から順に、(T1)-1および(αT1)-1になる。これにより、図4の上段に例示したように、(T1)-1から(αT1)-1までの帯域内にある信号を微分することができる。この帯域外にある信号は、実質的に微分されない。また、位相進み補償において位相が最大に進む振動数(位相が極大値を迎える振動数)は、(α0.5T1)-1となる。なお、実際の位相進み補償器32では、伝達関数F1(s)は、折れ点振動数において折れ曲がらず(鈍角を形成せず)に、若干緩やかにカーブする。
More specifically, the transfer function F 1 (s) of the
F 1 (s)=(1+T 1 s)/(1+αT 1 s) where α<1 (14)
can be represented by In this case, the breakpoint frequencies of phase lead compensation are (T 1 ) −1 and (αT 1 ) −1 in order from the low frequency side. As a result, the signal within the band from (T 1 ) −1 to (αT 1 ) −1 can be differentiated, as illustrated in the upper part of FIG. Signals outside this band are not substantially differentiated. Further, the frequency at which the phase advances to the maximum in phase advance compensation (the frequency at which the phase reaches its maximum value) is (α 0.5 T 1 ) −1 . In the actual
また、位相遅れ補償器33は、位相進み補償器32によって微分された検出信号に積分処理を施す。詳しくは、位相遅れ補償器33は、位相進み補償器32によって微分された検出信号における一定の周波数範囲に対して積分処理を施す。位相遅れ補償器33は、本実施形態における「積分回路」の例示である。
Also, the
さらに詳しくは、位相遅れ補償器33の伝達関数F2(s)は、位相遅れ時定数をT2とすると、
F2(s)=β(1+T2s)/(1+βT2s) ただし、β>1 …(15)
により表すことができる。この場合、位相遅れ補償の折れ点振動数は、低域側から順に、(βT2)-1および(T2)-1になる。これにより、図4の中段に例示したように、(βT2)-1から(T2)-1までの帯域内にある信号を積分することができる。この帯域外にある信号は、実質的に積分されない。また、位相遅れ補償において位相が最大に遅れる振動数(位相が極小値を迎える振動数)は、(β0.5T2)-1となる。なお、実際の位相遅れ補償器33では、伝達関数F2(s)は、折れ点振動数において折れ曲がらず(鈍角を形成せず)に、若干緩やかにカーブする。
More specifically, the transfer function F 2 (s) of the
F 2 (s)=β(1+T 2 s)/(1+βT 2 s) where β>1 (15)
can be represented by In this case, the breakpoint frequencies of phase delay compensation are (βT 2 ) −1 and (T 2 ) −1 in order from the low frequency side. As a result, signals within the band from (βT 2 ) −1 to (T 2 ) −1 can be integrated, as illustrated in the middle of FIG. Signals outside this band are substantially not integrated. Further, the frequency at which the phase is delayed to the maximum in phase delay compensation (the frequency at which the phase reaches a minimum value) is (β 0.5 T 2 ) −1 . In the actual
また、位相進み補償器32が固有振動数よりも振動数が大きな信号を微分するとともに、位相遅れ補償器33が固有振動数よりも振動数が小さな信号を積分するためには、図4の下段に例示したように、位相進み時定数、位相遅れ時定数および固有振動数は、
(βT2)-1<ω0<(αT1)-1 …(16)
の関係を満足することが要求される。特に本実施形態に係る位相進み時定数、位相遅れ時定数および固有振動数は、
(β0.5T2)-1<ω0<(α0.5T1)-1 …(17)
の関係を満足するように設定されている。
In addition, in order for the phase lead compensator 32 to differentiate a signal with a higher frequency than the natural frequency and for the
(βT 2 ) −1 <ω 0 <(αT 1 ) −1 (16)
It is required to satisfy the relationship of In particular, the phase lead time constant, phase lag time constant and natural frequency according to this embodiment are
(β 0.5 T 2 ) −1 <ω 0 <(α 0.5 T 1 ) −1 (17)
is set to satisfy the relationship of
また、ゲイン抑制回路34は、ノッチフィルタにより構成される。このノッチフィルタの伝達関数Fn(s)は、ノッチフィルタの減衰比をζ1,ζ2とすると、
Fn(s)=(s2+2ζ1ω0s+ω0
2)/(s2+2ζ2ω0s+ω0
2) ただし、ζ1<ζ2 …(18)
によって表すことができる。
Also, the
F n (s)=(s 2 +2ζ 1 ω 0 s+ω 0 2 )/(s 2 +2ζ 2 ω 0 s+ω 0 2 ) where ζ 1 <ζ 2 (18)
can be represented by
ノッチフィルタの減衰比ζ1,ζ2は、受振器2から出力されて位相進み補償器32、位相遅れ補償器33およびゲイン抑制回路34を通過した信号のゲインが、振動数の増減に対して略一定となるように設定される。
The damping ratios ζ 1 and ζ 2 of the notch filters are such that the gain of the signal output from the
好ましくは、ノッチフィルタとしてのゲイン抑制回路34の半値幅は、位相進み補償器32および位相遅れ補償器33がそれぞれ微分処理および積分処理を施す帯域よりも狭い。すなわち、ゲイン抑制回路34の半値幅を2Δωとすると、図5に例示したように、
(βT2)-1<ω0-Δω<ω0<ω0+Δω<(αT1)-1 …(19)
の関係を満足することが好ましい。
Preferably, the half width of
(βT 2 ) −1 <ω 0 −Δω<ω 0 <ω 0 +Δω<(αT 1 ) −1 (19)
It is preferable to satisfy the relationship of
また一般に、増幅器31のゲインが高いことと、検出信号が位相進み補償器32、位相遅れ補償器33およびゲイン抑制回路34を通過したことと、に起因して、オフセット電圧が生じてしまう虞がある。それを解決するためには、例えばハイパスフィルタを設けることが考えられるが、ハイパスフィルタは、そのカットオフ周波数以下の周波数で位相が進んでしまうため、制御の安定化という観点からは望ましくない。そこで、ゲイン抑制回路34から出力される検出信号におけるオフセット電圧を、オフセット回路35において発生した直流電圧によって相殺する。これにより、制御の安定化を図りつつ、オフセット電圧の影響を避けることができる。
Also, in general, there is a possibility that an offset voltage will be generated due to the fact that the gain of the
センサシステム100における加速度変換回路3から出力される検出信号は、固有振動数を含んだ相対的に広い範囲内でケース21の加速度を示す。この検出信号は、アクチュエータ制御部としてのコントローラ4に入力される。コントローラ4は、センサシステム100から出力される検出信号に基づいて、除振対象物としての支持台10の振動を抑制するように、アクチュエータ13を制御する。
A detection signal output from the
以下、コントローラ4の具体的な構成について、順番に説明する。
A specific configuration of the
図2に示すように、本実施形態に係るコントローラ4は、加速度変換回路3から出力される信号を増幅する増幅器41と、増幅器41によって増幅された信号をディジタル信号に変換するA/Dコンバータ42と、A/Dコンバータ42によって変換された信号が入力される積分器43と、積分器43によって処理された信号に基づいてアクチュエータ13のフィードバック操作量を決定するゲイン乗算器44と、ディジタル信号として決定されたフィードバック操作量を再びアナログ信号に変換するD/Aコンバータ45と、D/Aコンバータ45によって変換されたフィードバック操作量を増幅する増幅器46と、を有している。
As shown in FIG. 2, the
詳しくは、A/Dコンバータ42は、いわゆるアナログディジタル変換器であって、増幅器41によって増幅された検出信号に対してサンプリング処理を実行することにより、その検出信号をディジタル信号に変換する。
Specifically, the A/
また、積分器43とゲイン乗算器44は、支持台10の加速度を示す検出信号を積分した上でゲインGcを乗じることで、フィードバック操作量を示すディジタル信号を生成する。
Also, the
D/Aコンバータ45は、いわゆるディジタルアナログ変換器であって、積分器43とゲイン乗算器44により生成されたフィードバック操作量を処理することで、これをアナログ信号に変換する。
The D/
コントローラ4は、そうしてアナログ信号に変換されたフィードバック操作量をアクチュエータ13に入力し、アクチュエータ13を作動させる。これにより、アクチュエータ13は、フィードバック操作量に見合う制御力を支持台10に付与することになる。そうして付与される制御力は、支持台10の絶対速度に比例したものとなり、除振装置Aにおけるスカイフックダンパとして機能することになる。これにより、支持台10の振動を抑制することができる。
The
(センサシステムの具体例)
図6は、位相進み補償器32および位相遅れ補償器33から出力される信号の加速度に対する振動数特性を例示する図であり、図7は、位相進み補償器32および位相遅れ補償器33からゲイン抑制回路34を介して出力される信号の加速度に対する振動数特性を例示する図である。ここで、図6および図7におけるω0は、受振器2の固有振動数を指す。
(Specific example of sensor system)
FIG. 6 is a diagram illustrating acceleration-frequency characteristics of signals output from the
図6は、受振器2の検出信号に対し、位相進み補償器32および位相遅れ補償器33が与える影響を例示している。ここで、図6の2点鎖線に示すように、フィルタリング前の検出信号(位相進み補償器32および位相遅れ補償器33を通過させる前の検出信号)の周波数特性は、図3の中央図と同様に、固有振動数で極大となる山なりのカーブを描く。
FIG. 6 illustrates the effects of the
一方、図6の破線に示すように、位相進み補償器32と位相遅れ補償器33からなるアナログフィルタの周波数特性は、伝達関数F1(s)と伝達関数F2(s)の関数形に従って、固有振動数で極小となる谷状のカーブを描く。
On the other hand, as shown by the dashed line in FIG. 6, the frequency characteristic of the analog filter composed of the
また、図6に示す例では、位相遅れ補償における低域側の折れ点振動数(=(βT2)-1)よりも振動数が小さい場合(図例では、振動数の大きさが固有振動数ω0の1%程度の場合)と、位相進み補償における高域側の折れ点振動数(=(αT1)-1)よりも振動数が大きい場合(図例では、振動数の大きさが固有振動数ω0の100倍程度の場合)とにおいて、アナログフィルタの周波数特性が振動数の増減に対して略一定となる。 In the example shown in FIG. 6, when the frequency is smaller than the breakpoint frequency (=(βT 2 ) −1 ) on the low-frequency side in phase delay compensation (in the example shown in the figure, the magnitude of the frequency is the natural vibration ω 0 ), and when the frequency is greater than the breakpoint frequency (=(αT 1 ) −1 ) on the high-frequency side in phase lead compensation (in the example shown in the figure, the frequency is is about 100 times the natural frequency ω0 ), the frequency characteristic of the analog filter becomes substantially constant with respect to the increase and decrease of the frequency.
また、図6に示す例では、位相進み時定数、位相遅れ時定数および固有振動数は、
(T1)-1=(T2)-1=ω0 …(20)
の関係を満足するように設定されている。このように設定することで、位相遅れ補償における高域側の折れ点振動数(=(T2)-1)と、位相進み補償における低域側の折れ点振動数(=(T1)-1)と、固有振動数(=ω0)とが一致することになる。
Also, in the example shown in FIG. 6, the phase lead time constant, the phase lag time constant and the natural frequency are
(T 1 ) −1 =(T 2 ) −1 =ω 0 (20)
is set to satisfy the relationship of By setting in this way, the breakpoint frequency (=(T 2 ) −1 ) on the high side in phase delay compensation and the breakpoint frequency (=(T 1 ) −1 ) on the low side in phase lead compensation 1 ) and the natural frequency (=ω 0 ) match.
そして、受振器2から出力されて位相進み補償器32および位相遅れ補償器33を通過した検出信号は、図6の実線に示すように、固有振動数ω0に対して低域側および高域側に離れた振動数においては、その振動数の増減に対して略一定の直線となる。この場合、位相進み補償器32および位相遅れ補償器33を通過した検出信号と、受振器2におけるケース21、ひいては、そのケース21が取り付けられる支持台10の加速度と、の比率が一定となり、受振器2を加速度センサとして用いることができるようになる。
Then, the detection signal output from the
しかしながら、位相進み補償器32および位相遅れ補償器33を通過した検出信号には、固有振動数付近の振動数でゲインに盛り上がりが生じてしまう。この場合、受振器2を加速度センサとして用いることはできない。既に説明したように、ゲインの盛り上がりに係る課題は、ノッチフィルタとして構成されたゲイン抑制回路34によって解決することができる。
However, in the detection signal that has passed through the
図7は、受振器2の検出信号に対し、位相進み補償器32、位相遅れ補償器33およびゲイン抑制回路34が与える影響を例示している。具体的に、図7において相対的に幅が狭い2点鎖線に示すように、ゲイン抑制回路34の周波数特性は、固有振動数付近におけるゲインを抑制するように、固有振動数で極小となる谷状のカーブを描く。
FIG. 7 illustrates the effects of the
受振器2の検出信号が、位相進み補償器32および位相遅れ補償器33に加えてさらにゲイン抑制回路34を通過することで、固有振動数付近でのゲインの盛り上がりが取り除かれる。ゲイン抑制回路34から出力される信号は、図7の実線に示すように、固有振動数を含んだ比較的広い帯域において、振動数の増減に対して略一定の直線となる。これにより、固有振動数を含んだ範囲内で、受振器2を加速度センサとして用いることができるようになる。
By passing the detection signal of the
(第1実施形態に係るセンサシステムの効果)
以上説明したように、ゲイン抑制回路34によって固有振動数におけるゲインを抑制することで、図7に示すように、固有振動数付近でのゲインの盛り上がりを取り除くことができる。これにより、固有振動数を含んだ比較的広い範囲内で、受振器2の出力信号をケース21の加速度に変換することができる。そのケース21を所定の検出対象(例えば、除振対象物)に取り付けることで、ケース21を介して検出対象の加速度を検出することができるようになる。
(Effect of the sensor system according to the first embodiment)
As described above, by suppressing the gain at the natural frequency by the
また、本実施形態では、受振器2に抵抗器27を設けることで、固有振動数におけるゲインの大きさ(特に、図3の中央図における極大値の大きさ)を抑制するとともに、固有振動数付近でのゲインの傾きを緩やかに変化させるように構成されている。このように構成することで、質量体22の運動に減衰を加えることができ、比較的大きな振動が生じたときに質量体22とケース21との衝突を抑制することができる。
In addition, in this embodiment, by providing the
また、ゲインの傾きを緩やかに変化させたことで、受振器2における出力の大きさを抑制することができる。これにより、固有振動数付近の振動が入力されたときに、出力が過度に大きくならない。そのことで、電気回路を保護する上で有利になる。
In addition, by gently changing the slope of the gain, the magnitude of the output from the
〈第2実施形態〉
次に、第2実施形態について説明する。以下の説明において、「第2実施形態」を単に「本実施形態」と呼称する場合がある。なお、第1実施形態と共通の構成については、適宜、説明を省略する。
<Second embodiment>
Next, a second embodiment will be described. In the following description, "second embodiment" may be simply referred to as "this embodiment". It should be noted that the description of the configuration common to the first embodiment will be omitted as appropriate.
(除振装置の全体構成)
図8は、第2実施形態に係る除振装置A’の構成を例示する図である。この除振装置A’は、第1実施形態と同様に、デバイスDを振動から絶縁するためのものである。
(Overall Configuration of Vibration Isolator)
FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of a vibration isolator A' according to the second embodiment. This vibration isolator A' is for isolating the device D from vibrations, as in the first embodiment.
除振台1は、デバイスDが搭載される支持台10と、支持台10を支持する弾性体11およびダンパ12と、支持台10に制御力または変位力を付与するアクチュエータ13と、を備えている。
The vibration isolation table 1 includes a support table 10 on which the device D is mounted, an
このうち、除振対象物としての支持台10には、第2実施形態におけるセンサシステム100’をなす受振器2、具体的には、その受振器2のケース21が取り付けられる。これにより、本実施形態に係る支持台10は、デバイスDおよびケース21と一体的に振動することになる。
Of these, the
また、第2実施形態に係るアクチュエータ13は、第1実施形態と同様に、支持台10に制御力を付与するリニアモータからなる。リニアモータからなるアクチュエータ13は、コントローラ4’から出力される信号に基づいて、支持台10に対して制御力を与える。
Further, the
(制御系に関連した構成)
除振装置A’の全体構成に続いて、センサシステム100’に関連した構成について説明する。図9は、第2実施形態に係るセンサシステム100’の構成を例示する概略図である。
(Configuration related to control system)
Following the overall configuration of the vibration isolator A', the configuration related to the sensor system 100' will be described. FIG. 9 is a schematic diagram illustrating the configuration of a sensor system 100' according to the second embodiment.
具体的に、第2実施形態に係るセンサシステム100’は、所定の検出対象(本実施形態では、支持台10)に取り付けられる受振器2と、受振器2の検出信号を変換するように構成された速度変換回路3’と、を有しており、検出対象の絶対速度を検出するように構成されている。
Specifically, the sensor system 100' according to the second embodiment is configured to convert the detection signal of the
受振器2の構成は、第1実施形態と同様である。例えば、前述の式(11)に示すように、振動数が固有振動数よりも十分に大きい場合には、受振器2から出力される検出信号に基づいて、ケース21自身の絶対速度を検出することができる。また、第1実施形態と同様に、受振器2に設けた正負の端子の間には、抵抗器27を接続することができる。
The configuration of the
ここで、本願発明者らは、前述の如き特性を有する受振器2を用いながらも、固有振動数を含んだ広い範囲内で絶対速度を検出するような構成を模索した。しかし、式(8)の関数形から明らかなように、絶対速度に対する誘電起電力の比の値は、振動数が固有振動数よりも小さい場合は一定にならない。
Here, the inventors of the present application have searched for a configuration that detects the absolute velocity within a wide range including the natural frequency while using the
すなわち、絶対速度に対する誘電起電力の比の値は、振動数が固有振動数よりも大きい場合は振動数の増加に従って略一定になるものの、振動数が固有振動数よりも小さい場合は振動数の増加に従って単調に増加することになる。 In other words, the value of the ratio of the dielectric electromotive force to the absolute velocity becomes almost constant as the frequency increases when the frequency is greater than the natural frequency, but when the frequency is smaller than the natural frequency, It increases monotonously as it increases.
よって、単に比の値を求めるだけでは、絶対速度を得るには不都合である。 Therefore, simply obtaining the value of the ratio is inconvenient for obtaining the absolute velocity.
そこで、固有振動数よりも低い振動数については、受振器2の検出信号を2重積分することが考えられる。
Therefore, it is conceivable to double-integrate the detection signal of the
しかしながら、前述のように、受振器2は、固有振動数付近では加速度を示す信号を出力することになる。加速度を示す信号に対して2重積分処理を施してしまっては、受振器2に固有の周波数特性を反映した変換が行われないため、その固有振動数付近で誤差が生じてしまい不都合である。
However, as described above, the
固有振動数付近で生じた誤差を反映した結果、絶対速度を示す信号を出力しようとしたときに、固有振動数付近でゲインの盛り上がりが生じることに、本願発明者らは気付いた(図10の実線も参照)。すなわち、2重積分処理だけでは、同処理の境界となる固有振動数付近で絶対速度を得ることができない。 The inventors of the present application have noticed that, as a result of reflecting the error that occurred near the natural frequency, when trying to output a signal indicating the absolute velocity, the gain rises near the natural frequency (see FIG. 10). See also solid line). That is, the absolute velocity cannot be obtained in the vicinity of the natural frequency, which is the boundary of the process, only by the double integration process.
本願発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、固有振動数を含んだ範囲内でケース21の絶対速度が得られるような速度変換回路3’を新たに創作するに至った。
As a result of extensive studies, the inventors of the present application newly created a velocity conversion circuit 3' that can obtain the absolute velocity of the
具体的に、本実施形態における信号処理部としての速度変換回路3’は、受振器2から出力される検出信号を変換することで、ケース21の絶対速度を示す信号を出力する。この速度変換回路3’は、力学系の固有振動数よりも振動数が小さな信号を2重積分する2重積分回路33’と、その固有振動数におけるゲインを抑制するゲイン抑制回路34’と、を直列に接続してなる。
Specifically, the
このうち、2重積分回路33’は、受振器2から出力される検出信号(具体的には、後述の増幅回路31’によって増幅された検出信号)に2重積分処理を施す。詳しくは、2重積分回路33’は、検出信号における一定の周波数範囲に対して2重積分の特性を発揮する2段式の位相遅れ補償器からなる。 Among them, the double integration circuit 33' performs double integration processing on the detection signal output from the geophone 2 (specifically, the detection signal amplified by the amplification circuit 31' described later). Specifically, the double integrator circuit 33' consists of a two-stage phase lag compensator that exhibits double integration characteristics for a given frequency range in the detected signal.
さらに詳しくは、2重積分回路33’の伝達関数F3(s)は、位相遅れ時定数をT3とすると、
F3(s)={γ(1+T3s)/(1+γT3s)}2 ただし、γ>1 …(21)
により表すことができる。この場合、2重積分の折れ点振動数は、低域側から順に、(γT3)-1および(T3)-1になる。これにより、(γT3)-1から(T3)-1までの帯域内にある信号を2重積分することができる。この帯域外にある信号は、実質的に積分されない。また、2重積分において位相が最大に遅れる振動数(位相が極小値を迎える振動数)は、(γ0.5T3)-1となる。なお、実際の2重積分回路33’では、伝達関数F3(s)は、折れ点振動数において折れ曲がらずに、若干緩やかにカーブする。
More specifically, the transfer function F 3 (s) of the
F 3 (s)={γ(1+T 3 s)/(1+γT 3 s)} 2 where γ>1 (21)
can be represented by In this case, the breakpoint frequencies of double integration are (γT 3 ) −1 and (T 3 ) −1 in order from the low frequency side. This allows double integration of signals within the band from (γT 3 ) −1 to (T 3 ) −1 . Signals outside this band are substantially not integrated. Further, the frequency at which the phase lags the most in the double integration (the frequency at which the phase reaches its minimum value) is (γ 0.5 T 3 ) −1 . In the actual double integrator circuit 33', the transfer function F3 (s) does not bend at the break point frequency, but rather gently curves.
また、固有振動数よりも振動数が小さな信号を2重積分回路33’が積分するためには、位相遅れ時定数および固有振動数は、
(γT3)-1<ω0 …(22)
の関係を満足することが要求される。特に本実施形態に係る位相遅れ時定数および固有振動数は、
(γ0.5T3)-1<ω0 …(23)
の関係を満足するように設定されている。
Also, in order for the double integration circuit 33' to integrate a signal whose frequency is smaller than the natural frequency, the phase delay time constant and the natural frequency must be
(γT 3 ) −1 <ω 0 (22)
It is required to satisfy the relationship of In particular, the phase lag time constant and natural frequency according to this embodiment are
(γ 0.5 T 3 ) −1 <ω 0 (23)
is set to satisfy the relationship of
また、ゲイン抑制回路34’は、ノッチフィルタにより構成される。このノッチフィルタの伝達関数Fn(s)は、ノッチフィルタの減衰比をζ1,ζ2とすると、前述した第1実施形態と同様に、
Fn(s)=(s2+2ζ1ω0s+ω0
2)/(s2+2ζ2ω0s+ω0
2) ただし、ζ1<ζ2 …(24)
によって表すことができる。
Also, the gain suppression circuit 34' is configured by a notch filter. The transfer function F n (s) of this notch filter is given by
F n (s)=(s 2 +2ζ 1 ω 0 s+ω 0 2 )/(s 2 +2ζ 2 ω 0 s+ω 0 2 ) where ζ 1 <ζ 2 (24)
can be represented by
ノッチフィルタの減衰比ζ1,ζ2は、受振器2から出力されて2重積分回路33’およびゲイン抑制回路34’を通過した信号のゲインが、振動数の増減に対して略一定となるように設定される。
The damping ratios ζ 1 and ζ 2 of the notch filters are such that the gain of the signal output from the
式(8)で表される検出信号に対して式(21)で表される伝達関数F3(s)を乗算した上で、さらに式(24)で表される伝達関数Fn(s)を乗算することで、固有振動数付近でのゲインの盛り上がりを取り除くことができる。これにより、固有振動数付近の振動数においてもなお、受振器2を速度センサとして用いることができるようになる。
After multiplying the detection signal represented by equation (8) by the transfer function F 3 (s) represented by equation (21), the transfer function F n (s) represented by equation (24) By multiplying by , it is possible to remove the rise in the gain near the natural frequency. This allows the
以下、第2実施形態に係る除振装置A’における制御系の具体的な構成について、詳細に説明をする。 A specific configuration of the control system in the vibration isolator A' according to the second embodiment will be described in detail below.
図8に示すように、本実施形態に係る除振装置A’は、受振器2から出力される検知信号(出力信号)を変換することで、ケース21の絶対速度を示す信号を出力する速度変換回路3’と、速度変換回路3’から出力される信号に基づいて、除振装置A’におけるアクチュエータ13を制御するコントローラ4’と、を備えている。
As shown in FIG. 8, the vibration isolator A' according to the present embodiment converts the detection signal (output signal) output from the
図9に示すように、速度変換回路3’は、受振器2の検出信号を増幅する増幅器31’と、増幅器31’によって増幅された検出信号が入力される前述の2重積分回路33’と、2重積分回路33’を通過した検出信号が入力される前述のゲイン抑制回路34’と、その検出信号に含まれるオフセット電圧を相殺するための電圧を発生するオフセット回路35’と、を有している。
As shown in FIG. 9, the velocity conversion circuit 3' includes an amplifier 31' for amplifying the detection signal of the
センサシステム100’における速度変換回路3’から出力される検出信号は、固有振動数を含んだ相対的に広い範囲内でケース21の絶対速度を示す。この検出信号は、アクチュエータ制御部としてのコントローラ4’に入力される。コントローラ4’は、センサシステム100’から出力される検出信号に基づいて、除振対象物としての支持台10の振動を抑制するように、アクチュエータ13を制御する。
A detection signal output from the speed conversion circuit 3' in the sensor system 100' indicates the absolute speed of the
具体的に、第2実施形態に係るコントローラ4’は、図9に示すように、速度変換回路3’から出力される検出信号を増幅する増幅器41’と、増幅器41’によって増幅された検出信号をディジタル信号に変換するA/Dコンバータ42’と、A/Dコンバータ42’によって変換された信号に基づいてアクチュエータ13のフィードバック操作量を決定するゲイン乗算器44’と、ディジタル信号として決定されたフィードバック操作量を再びアナログ信号に変換するD/Aコンバータ45’と、D/Aコンバータ45’によって変換されたフィードバック操作量を増幅する増幅器46’と、を有している。
Specifically, as shown in FIG. 9, the controller 4' according to the second embodiment includes an amplifier 41' that amplifies the detection signal output from the speed conversion circuit 3', and into a digital signal, a gain multiplier 44' that determines the feedback operation amount of the
このうち、ゲイン乗算器44’は、支持台10の絶対速度を示す検出信号にゲインGcを乗じることで、フィードバック操作量を示すディジタル信号を生成する。
Among them, the gain multiplier 44' multiplies the detection signal indicating the absolute velocity of the
コントローラ4’は、D/Aコンバータ45’によってアナログ信号に変換されたフィードバック操作量をアクチュエータ13に入力し、そのアクチュエータ13を作動させる。これにより、アクチュエータ13は、フィードバック操作量に見合う制御力を支持台10に付与することになる。そうして付与される制御力は、支持台10の絶対速度に比例したものとなり、除振装置A’におけるスカイフックダンパとして機能することになる。これにより、支持台10の振動を抑制することができる。
The
(センサシステムの具体例)
図10は、2重積分回路33’から出力される信号の絶対速度に対する振動数特性を例示する図であり、図11は、2重積分回路33’からゲイン抑制回路34’を介して出力される信号の絶対速度に対する振動数特性を例示する図である。ここで、図10および図11におけるω0は、受振器2の固有振動数を指す。
(Specific example of sensor system)
FIG. 10 is a diagram illustrating the frequency characteristic of the signal output from the double integration circuit 33' with respect to the absolute velocity, and FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating frequency characteristics of a signal with respect to absolute velocity; Here, ω 0 in FIGS. 10 and 11 refers to the natural frequency of
図10は、受振器2の検出信号に対し、2重積分回路33’が与える影響を例示している。ここで、図10の2点鎖線に示すように、フィルタリング前の検出信号(2重積分回路33’を通過させる前の検出信号)の周波数特性は、図3の上図と同様に、固有振動数ω0よりも振動数が小さくなるに従い単調に減少し、かつ、固有振動数ω0よりも振動数が大きい場合は略一定となる。
FIG. 10 illustrates the influence of the double integration circuit 33' on the detection signal of the
一方、図10の破線に示すように、2重積分回路33’からなるアナログフィルタの周波数特性は、伝達関数F3(s)の関数形に従って、固有振動数ω0よりも振動数が小さくなるに従い単調に増加し、かつ、固有振動数ω0よりも振動数が大きい場合は略一定となる。 On the other hand, as shown by the dashed line in FIG. 10, the frequency characteristic of the analog filter composed of the double integration circuit 33' has a frequency lower than the natural frequency ω 0 in accordance with the functional form of the transfer function F 3 (s). , and becomes substantially constant when the natural frequency ω is greater than 0 .
また、2重積分における低域側の折れ点振動数(=(γT3)-1)よりも振動数が小さい場合(図例では、振動数の大きさが固有振動数ω0の1%程度の場合)には、アナログフィルタの周波数特性は、振動数の増減に対して略一定となる。 In addition, when the frequency is smaller than the breakpoint frequency (=(γT 3 ) −1 ) on the low-frequency side in the double integral (in the figure, the magnitude of the frequency is about 1% of the natural frequency ω 0 ), the frequency characteristic of the analog filter is substantially constant with respect to the increase and decrease of the frequency.
また、図10に示す例では、位相遅れ時定数および固有振動数は、
(T3)-1=ω0 …(25)
の関係を満足するように設定されている。このように設定することで、2重積分における高域側の折れ点振動数(=(T3)-1)と、固有振動数(=ω0)とが一致することになる。
Also, in the example shown in FIG. 10, the phase delay time constant and the natural frequency are
(T 3 ) −1 =ω 0 (25)
is set to satisfy the relationship of By setting in this way, the breakpoint frequency (=(T 3 ) −1 ) on the high-frequency side in the double integration and the natural frequency (=ω 0 ) match.
そして、受振器2から出力されて2重積分回路33’を通過した検出信号は、図10の実線に示すように、固有振動数ω0に対して低域側および高域側に離れた振動数においては、その振動数の増減に対して略一定の直線となる。この場合、2重積分回路33’を通過した検出信号と、受振器2におけるケース21、ひいては、そのケース21が取り付けられる支持台10の速度と、の比率が一定となり、受振器2を速度センサとして用いることができるようになる。
Then, the detection signal output from the
しかしながら、2重積分回路33’を通過した検出信号には、固有振動数ω0付近の振動数でゲインに盛り上がりが生じてしまう。この場合、受振器2を速度センサとして用いることはできない。既に説明したように、ゲインの盛り上がりに係る課題は、ノッチフィルタとして構成されたゲイン抑制回路34’によって解決することができる。
However, in the detection signal that has passed through the double integration circuit 33', the gain rises at frequencies near the natural frequency ω0 . In this case, the
図11は、受振器2の検出信号に対し、2重積分回路33’およびゲイン抑制回路34’が与える影響を例示している。具体的に、図11において相対的に幅が狭い2点鎖線に示すように、ゲイン抑制回路34’の周波数特性は、固有振動数ω0付近におけるゲインを抑制するように、固有振動数ω0で極小となる谷状のカーブを描く。
FIG. 11 illustrates the effects of the
受振器2の検出信号が、2重積分回路33’に加えてさらにゲイン抑制回路34’を通過することで、固有振動数ω0付近でのゲインの盛り上がりが取り除かれる。ゲイン抑制回路34’から出力される信号は、図11の実線に示すように、固有振動数を含んだ比較的広い帯域において、振動数の増減に対して略一定の直線となる。これにより、固有振動数を含んだ範囲内で、受振器2を速度センサとして用いることができるようになる。
By passing the detection signal of the
(第2実施形態に係るセンサシステムの効果)
以上説明したように、ゲイン抑制回路34’によって固有振動数におけるゲインを抑制することで、図11に示すように、固有振動数付近でのゲインの盛り上がりを取り除くことができる。これにより、固有振動数を含んだ比較的広い範囲内で、受振器2の出力信号をケース21の絶対速度に変換することができる。そのケース21を所定の検出対象(例えば、除振対象物)に取り付けることで、ケース21を介して検出対象の絶対速度を検出することができるようになる。
(Effect of the sensor system according to the second embodiment)
As described above, by suppressing the gain at the natural frequency by the gain suppressing circuit 34', it is possible to remove the rise in the gain near the natural frequency as shown in FIG. Thereby, the output signal of the
また、本実施形態では、受振器2に抵抗器27を設けることで、固有振動数におけるゲインの大きさ(特に、図3の中央図における極大値の大きさ)を抑制するとともに、固有振動数付近でのゲインの傾きを緩やかに変化させるように構成されている。このように構成することで、質量体22の運動に減衰を加えることができ、比較的大きな振動が生じたときに質量体22とケース21との衝突を抑制することができる。
In addition, in this embodiment, by providing the
また、ゲインの傾きを緩やかに変化させたことで、受振器2における出力の大きさを抑制することができる。これにより、固有振動数付近の振動が入力されたときに、出力が過度に大きくならない。そのことで、電気回路を保護する上で有利になる。
In addition, by gently changing the slope of the gain, the magnitude of the output from the
《他の実施形態》
前記第1および第2実施形態では、リニアモータからなるアクチュエータ13が例示されていたが、アクチュエータ13の構成は、これに限定されない。例えば、圧電素子からなるアクチュエータを用いてもよい。この場合、圧電素子からなるアクチュエータは、除振対象物に変位を付与する(除振対象物を変位させる)ことで、その除振対象物の振動を抑制することができる。この場合、アクチュエータに対し、ゴム等の弾性体を直列に接続することができる。アクチュエータに対して弾性体を直列に接続することで、除振対象物に付与される変位を力に変換し、変換された力を除振対象物に付与することができるようになる。
<<Other embodiments>>
In the first and second embodiments, the
また、第1実施形態においては、リニアモータに代えて、空気バネからなるアクチュエータ13を用いてもよい。その場合、コントローラ4は、空気バネのサーボ弁を制御することになる。その空気バネではフィードバック操作量が積分されることになる。そのため、空気バネからなるアクチュエータ13を用いた場合は、第1実施形態においても、積分器43は不要となる。
Also, in the first embodiment, the
また、前記第1および第2実施形態では、導電型速度センサの一例として、ケース21に支持される磁石26と、質量体22と一体的に変位するコイル25と、を備えた受振器2を開示したが、受振器2の構成は、これに限定されない。例えば、ケース21にコイル25を固定するとともに、質量体22と一体的に磁石26が移動するように構成した受振器2を用いてもよい。
Further, in the first and second embodiments, the
また、前記第1実施形態では、微分回路としての位相進み補償器32、積分回路としての位相遅れ補償器33、および、ノッチフィルタとして構成されたゲイン抑制回路34の順番で接続された回路構成を例示したが、各回路を接続する順番は、自由に変更することができる。同様に、第2実施形態においても、各回路を接続する順番を変更することができる。
Further, in the first embodiment, the circuit configuration is such that the
また、前記第1実施形態では、コントローラ4内にA/Dコンバータ42が配置されていたが、A/Dコンバータ42を接続する場所も、自由に変更することができる。例えば、加速度変換回路3内において、増幅器31と位相進み補償器32との間にA/Dコンバータ42を配置してもよい。このように配置した場合、位相進み補償器32、位相遅れ補償器33、および、ゲイン抑制回路34は、それぞれ、ディジタル信号を処理することになる。すなわち、信号処理部としての加速度変換回路3は、アナログ信号のみならず、ディジタル信号を出力することもできる。同様に、第2実施形態においても、A/Dコンバータ42’を接続する場所を変更することができる。
Also, in the first embodiment, the A/
また、前記第1実施形態に係るセンサシステム100が検出する加速度の方向は、特に限定されない。前記第1実施形態のように上下方向の振動を抑制する場合、センサシステム100は、上下方向の加速度を検出することが好ましい。これに代えて、水平方向の振動を抑制する場合、センサシステム100は、水平方向の加速度を検出することが好ましい。後者の場合、受振器2は水平方向に向けて設定され、水平方向に沿って制御力を発生することになる。受振器2を水平方向に向けた場合、アクチュエータ13も水平方向に沿って設置される。併せて、上下方向の弾性体11およびダンパ12は、それぞれ、水平方向にも弾性力および減衰力を発揮する。第2実施形態に係るセンサシステム100’が検出する絶対速度の方向についても同様である。
Further, the direction of acceleration detected by the
A,A’ 除振装置
1 除振台
10 支持台(除振対象物)
13 アクチュエータ
2 受振器(導電型速度センサ)
21 ケース
22 質量体
23 ダンパ
24 バネ
25 コイル
26 磁石
3 加速度変換回路(信号処理部)
3’ 速度変換回路(信号処理部)
32 位相進み補償器(微分回路)
33 位相遅れ補償器(積分回路)
33’ 2重積分回路
34,34’ ゲイン抑制回路
4,4’ コントローラ
100,100’ センサシステム
A, A'
13
21
3' speed conversion circuit (signal processing unit)
32 phase lead compensator (differential circuit)
33 phase lag compensator (integrator circuit)
33'
Claims (9)
ケースと、該ケースに収容されかつ該ケースに対し相対変位する質量体と、該質量体を前記ケースに支持するダンパおよびバネと、を有する力学系としてモデル化され、前記ケースと前記質量体との間の相対速度に比例した信号を出力する導電型速度センサと、
前記導電型速度センサから出力される信号を変換することで、前記ケースの加速度を示す信号を出力する信号処理部と、を備え、
前記信号処理部は、
前記力学系の固有振動数よりも振動数が大きな信号を微分する微分回路と、
前記固有振動数よりも振動数が小さな信号を積分する積分回路と、を直列に接続してなり、
前記信号処理部はさらに、前記固有振動数におけるゲインを抑制するゲイン抑制回路を直列に接続してなる
ことを特徴とするセンサシステム。 A sensor system for detecting acceleration, comprising:
It is modeled as a dynamic system having a case, a mass housed in the case and relatively displaceable with respect to the case, and a damper and a spring that support the mass on the case. a conductive speed sensor that outputs a signal proportional to the relative speed between
a signal processing unit that outputs a signal indicating the acceleration of the case by converting the signal output from the conductive speed sensor,
The signal processing unit is
a differentiating circuit that differentiates a signal having a frequency higher than the natural frequency of the dynamic system;
and an integrating circuit that integrates a signal having a frequency smaller than the natural frequency, and
The sensor system, wherein the signal processing unit is further connected in series with a gain suppression circuit for suppressing gain at the natural frequency.
前記微分回路の伝達関数F1(s)は、ラプラス演算子をsとし、位相進み時定数をT1とすると、
F1(s)=(1+T1s)/(1+αT1s) ただし、α<1 …(A)
により表され、
前記積分回路の伝達関数F2(s)は、位相遅れ時定数をT2とすると、
F2(s)=β(1+T2s)/(1+βT2s) ただし、β>1 …(B)
により表され、
前記固有振動数をω0とすると、前記位相進み時定数、前記位相遅れ時定数および前記固有振動数は、
(βT2)-1<ω0<(αT1)-1 …(C)
の関係を満足する
ことを特徴とするセンサシステム。 The sensor system of claim 1, wherein
The transfer function F 1 (s) of the differentiation circuit is given by the Laplace operator as s and the phase lead time constant as T 1 :
F 1 (s)=(1+T 1 s)/(1+αT 1 s) where α<1 (A)
is represented by
The transfer function F 2 (s) of the integration circuit is given by the following when the phase delay time constant is T 2
F 2 (s)=β(1+T 2 s)/(1+βT 2 s) where β>1 (B)
is represented by
Assuming that the natural frequency is ω0 , the phase lead time constant, the phase lag time constant and the natural frequency are
(βT 2 ) −1 <ω 0 <(αT 1 ) −1 (C)
A sensor system characterized by satisfying the relationship of
前記位相進み時定数、前記位相遅れ時定数および前記固有振動数は、
(β0.5T2)-1<ω0<(α0.5T1)-1 …(D)
の関係を満足する
ことを特徴とするセンサシステム。 In the sensor system according to claim 2,
The phase lead time constant, the phase lag time constant and the natural frequency are
(β 0.5 T 2 ) −1 <ω 0 <(α 0.5 T 1 ) −1 (D)
A sensor system characterized by satisfying the relationship of
ケースと、該ケースに収容されかつ該ケースに対し相対変位する質量体と、該質量体を前記ケースに支持するダンパおよびバネと、を有する力学系としてモデル化され、前記ケースと前記質量体との間の相対速度に比例した信号を出力する導電型速度センサと、
前記導電型速度センサから出力される信号を変換することで、前記ケースの絶対速度を示す信号を出力する信号処理部と、を備え、
前記信号処理部は、
前記力学系の固有振動数よりも振動数が小さな信号を2重積分する2重積分回路と、
前記固有振動数におけるゲインを抑制するゲイン抑制回路と、を直列に接続してなる
ことを特徴とするセンサシステム。 A sensor system for detecting absolute velocity, comprising:
It is modeled as a dynamic system having a case, a mass housed in the case and relatively displaceable with respect to the case, and a damper and a spring that support the mass on the case. a conductive speed sensor that outputs a signal proportional to the relative speed between
a signal processing unit that outputs a signal indicating the absolute speed of the case by converting a signal output from the conductive speed sensor,
The signal processing unit is
a double integration circuit that double integrates a signal having a frequency smaller than the natural frequency of the dynamic system;
and a gain suppression circuit that suppresses the gain at the natural frequency, and a sensor system connected in series.
前記2重積分回路の伝達関数F3(s)は、位相遅れ時定数をT3とすると、
F3(s)={γ(1+T3s)/(1+γT3s)}2 ただし、γ>1 …(E)
により表され、
前記固有振動数をω0とすると、前記位相遅れ時定数および前記固有振動数は、
(γT3)-1<ω0 …(F)
の関係を満足する
ことを特徴とするセンサシステム。 In the sensor system according to claim 4,
The transfer function F 3 (s) of the double integration circuit is given by the following when the phase delay time constant is T 3
F 3 (s)={γ(1+T 3 s)/(1+γT 3 s)} 2 where γ>1 (E)
is represented by
Assuming that the natural frequency is ω 0 , the phase delay time constant and the natural frequency are
(γT 3 ) −1 < ω 0 (F)
A sensor system characterized by satisfying the relationship of
前記位相遅れ時定数および前記固有振動数は、
(γ0.5T3)-1<ω0 …(G)
の関係を満足する
ことを特徴とするセンサシステム。 In the sensor system according to claim 5,
The phase delay time constant and the natural frequency are
(γ 0.5 T 3 ) −1 <ω 0 (G)
A sensor system characterized by satisfying the relationship of
前記ゲイン抑制回路は、ノッチフィルタにより構成され、
前記ノッチフィルタの伝達関数Fn(s)は、前記ノッチフィルタの減衰比をζ1,ζ2とすると、
Fn(s)=(s2+2ζ1ω0s+ω0 2)/(s2+2ζ2ω0s+ω0 2) ただし、ζ1<ζ2 …(H)
により表される
ことを特徴とするセンサシステム。 In the sensor system according to any one of claims 1 to 6,
The gain suppression circuit is configured by a notch filter,
The transfer function F n (s) of the notch filter is given by
F n (s)=(s 2 +2ζ 1 ω 0 s+ω 0 2 )/(s 2 +2ζ 2 ω 0 s+ω 0 2 ) where ζ 1 <ζ 2 (H)
A sensor system characterized by being represented by:
前記導電型速度センサにおける正負の端子の間には、抵抗器が接続される
ことを特徴とするセンサシステム。 In the sensor system according to any one of claims 1 to 7,
A sensor system, wherein a resistor is connected between positive and negative terminals of the conductive speed sensor.
前記ケースが取り付けられ、該ケースと一体的に振動する除振対象物と、
前記除振対象物に制御力または変位を付与するアクチュエータと、
前記センサシステムから出力される信号に基づいて、前記除振対象物の振動を抑制するように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部と、を備える
ことを特徴とする除振装置。
a sensor system according to any one of claims 1 to 8;
a vibration isolating object to which the case is attached and which vibrates integrally with the case;
an actuator that applies a control force or displacement to the object to be isolated;
and an actuator control section that controls the actuator so as to suppress vibration of the object to be vibration-isolated based on a signal output from the sensor system.
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