圧電体を用いたジャーク（加加速度）の測定方法
【課題】運動する物体のジャーク（加加速度）を測定するための簡易なセンサの測定方法を提供する。
【解決手段】被測定対象物にセンサを搭載し、被測定対象物が運動してセンサ内の圧電素子が自重または付加質量の慣性力により変形して発生する電荷を、圧延素子の電極間を短絡させて電流に変換することにより測定する。
【解決手段】被測定対象物にセンサを搭載し、被測定対象物が運動してセンサ内の圧電素子が自重または付加質量の慣性力により変形して発生する電荷を、圧延素子の電極間を短絡させて電流に変換することにより測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動する物体の加加速度すなわちジャークを測定するための測定技術に関するものである。ジャークの値を計測し、運動の制御に利用する分野としては、自動車やエレベータなどの乗り心地の制御、建築構造物の地震に対する振動制御、ロボットアームの運動やNC工作機械の切削工具の軌跡の制御などの分野がある。
【背景技術】
【０００２】
運動を制御するために利用するために、ジャークを計測したり計算したりする方法はこれまでに数例あるが、本質的に感度を上げることが困難であったり、変位センサなど他のセンサを必要として構造が複雑であったりするなどの問題があった。従来の技術には、加速度センサの出力をそのまま微分したりその微分信号から計算により推定したりするもの、電磁石を利用するもの、片持ち梁とジャイロ（角速度センサ）を利用するものなどがある。
【０００３】
加速度センサの出力を微分する場合には、信号に含まれた電気的ノイズが微分されるため、さらにそのノイズの影響が増大し、Ｓ／Ｎ比が非常に小さなものになってしまう。また、その微分した信号から推定する方法が紹介されているが、直接にジャークを測定しているものではないという問題と、さらに位相遅れを伴うという問題とがある。（例えば、非特許文献１参照）
【０００４】
電磁石を利用したセンサは、内部に振子を有し、その振子の変位を筐体に対して一定に保つようなフィードバック制御をかけているサーボ型センサであるため、変位センサを内蔵する必要があり、高価でしかも機構が複雑になってしまうという問題点がある。（例えば、非特許文献２参照）
【０００５】
片持ち梁とジャイロ（角速度センサ）を利用するセンサは、片持ち梁の先端にジャイロをつけて被測定対象物に載せ、被測定対象物が運動するとジャイロの質量による慣性力で片持ち梁がたわんでジャイロが傾き、その傾いた際の角速度をジャイロで測定するという方式を採用している。この場合、もともと片持ち梁先端の傾き自体が微小なため角速度の値も小さくなり、本質的かつ原理的にジャークセンサとしての感度を上げることができないという問題がある。さらにこのセンサの場合には、被測定対象物が回転運動するとジャークの値に無関係に出力に影響してしまうといった問題点もあり、回転運動を伴うような被測定対象物には使うことができない。（例えば、非特許文献３参照）
【０００６】
【非特許文献１】「”Real-time algorithms for estimating jerk signals fromnoisy acceleration data”, Shin-ichi Nakazawa, Tadashi Ishihara andHIkaru Inooka, Proceedings of the International Conference on Mechtronics andInformation Technology, p423-428, 2001」
【非特許文献２】「“加々速度センサを用いた振動制御の基礎検討”、土屋豪、山門誠、石井雅治、菅野正治、日本機械学会論文集（Ｃ編）、63巻、614号、p3432-3437、1997-10.」
【非特許文献３】「“振動ジャイロと片持ち梁を組み合わせたジャークセンサによる建築構造物の地震応答に含まれる不連続点の検出”、田村雅巳、山本鎮男、曽根彰、増田新、日本建築学会構造系論文集、517号、p53-60、1999-3.」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明では、上述のような従来のジャーク測定技術の問題、すなわち、変位センサなどの他のセンサを利用しなければならないという問題点、構造が複雑になってしまうという問題点、本質的に測定感度を上げられないという問題点、被測定対象物が回転運動する場合には正確に測定できないという問題点をそれぞれ克服する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のセンサは、被測定対象物に圧電素子を搭載して測定するサイズモ系のセンサである。一連の測定原理の考え方の流れは図１に示すとおりである。被測定対象物が運動すると、圧電素子自身の質量または圧電素子に付加した錘などの質量による慣性力で圧電素子が微小変形し、圧電効果によって慣性力に比例した電荷が発生する。慣性力は加速度に比例するため、その電荷量は加速度に比例している。圧電素子の電極両端を導線で短絡させておくと、発生した電荷は導線内を流れて電流が発生する。電流は電荷の時間微分であるため、結果として電流はジャークに比例した値となる。この電流を計測することによってジャークを測定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧電体の変形をそのまま李世しているため、内部に変位センサなどの他のセンサを使わずに、簡易で廉価な構造で、本質的に低感度であるというような問題もなく、さらに被測定対象物の回転の影響なくジャークを測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明のセンサの構造として種々の形態をとることができるが、その数例を図２から図８に示す。図２から図６はバイモルフ型圧電素子のたわみ変形を利用したタイプのものであり、図７と図８はそれぞれ圧電素子の伸縮変形およびせん断変形を利用したタイプのものである。図５と図６は同じものを平面図と側断面図として描いている。図２、図４、図５、図６では圧電素子とシム材の自重による慣性力を利用し、図３、図７、図８では付加質量の慣性力を利用する。いずれの場合も被測定対象物に搭載するタイプのサイズモ系のセンサである。圧電素子の直接変形を利用しているため、計測のためのフィードバック制御が必要なく、構造で廉価に構成できる。たわみの角度を利用せず、圧電素子の変形そのものを利用しているため、シム材と圧電素子の寸法を変更することによって要求される応答帯域に応じて簡単にセンサ感度を設計することができる。
【００１１】
図２から図６のタイプのセンサには圧電素子をシム材の金属薄板の両面に圧電素子を設けているが、シム材の片面のみに圧電素子を設けるいわゆるユニモルフタイプにしてもよい。
【００１２】
電流の検出はどのように測定してもよく、被測定対象物のジャークの変化に対応できだけの応答速度を有するものであれば、市販の電流系を用いて検出することも可能であるが、検出の一例を図９に示す。図９は電流検出用に短絡導線を利用する場合の例を示している。短絡回路に電流検出用の抵抗器Rを挿入して、抵抗器の両端電圧VJを測定すれば、電流地IはI＝VJ／Rとして対応させることができる。
【実施例】
【００１３】
図２に示したような自重たわみ変形型片持ち短冊構造のセンサを実際に製作し、加振器によりセンサを正弦波加振し、入力したジャークに対する本ジャークセンサの出力の応答を測定した。加振変位を変位センサで測定し、そのときの変位振幅と振動数から基準となるジャーク信号の振幅を算出し、変位の位相から＋２７０°進んだ値をジャークの基準位相として算出した。電流の計測には図９に示した抵抗器を挿入して検出する方法を採用した。挿入した抵抗器は10Ωとした。図１０に入力ジャークの振幅を一定にして正弦波加振した際の本ジャークセンサの振幅の周波数応答を、図１１に位相の周波数応答を示す。入力したジャークの振幅は500、2200、4000ｍ／ｓ２でそれぞれ一定にした。図１０をみると、入力するジャークの振幅が一定であれば駆動周波数が100Hzから150Hzの範囲では一定であることがわかる。また図１１の位相特性をみると、同周波数範囲においては位相遅れがなく出力されていることがわかる。
【００１４】
図２に示した構造のセンサを正弦波加振により入力したジャークの振幅を変化させ、ジャークに対するジャークセンサの出力電圧を測定した結果を図１２に示す。この結果から、本ジャークセンサはジャークに比例した振幅を出力することがわかる、以上により、本発明が簡易な構造のジャークセンサとして実現できることが実験により実証された。
【００１５】
さらに図２とは別の構造のセンサについても実際に特性を測定した。図４に示したような自重たわみ変形型両持ち短冊構造のセンサについて同様に実際に製作し、加振器によりセンサを正弦波加振し、入力したジャークに対する本ジャークセンサの出力の応答を測定した。ジャークセンサを固定している両端変位を２本の変位センサで測定し、それら２つの平均値から加振変位を出した。２本の変位センサで計測していることを利用し，加振時に傾きが生じていないことも確認しつつ測定を進めた。基準となるジャーク信号の定め方や電流の計測方法などはすべて図２のセンサに対する測定ときと同様にした。図１３、図１４がそれぞれ振幅と位相の周波数応答である。図１３をみると、入力するジャークの振幅が一定であれば駆動周波数が200Hzから300Hzの範囲ではほぼ一定であることがわかる。図４の両端固定構造の場合、図２の構造よりも剛性が上がり振動しにくくるため測定可能な周波数帯域狭くなってしまうが、傾向としては同じ結果が見られる。図１４の位相特性をみると、同周波数範囲においてやはり位相遅れがなく出力されていることがわかる。すなわちジャークセンサの構造が変わっても原理的に同様の特性が得られることがわかる。
【００１６】
図４のセンサについても正弦波加振時の、ジャークの振幅に対するジャークセンサの出力電圧の振幅の比を測定した結果を図１４に示す。この結果から，図２の構造のセンサと同様に図４の構造のセンサであっても、本ジャークセンサはジャークに比例した振幅を出力することがわかる。以上により、本発明が簡易な構造のジャークセンサとして実現できること、およびセンサの構造を変えても同様の結果が得られ、測定原理の有効性および正当性が実験により実証された。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】測定原理の考え方の流れ
【図２】自重たわみ変形型片持ち短冊構造のセンサ例の側面図
【図３】付加質量たわみ変形型片持ち短冊構造のセンサ例の側面図
【図４】自重たわみ変形型両持ち短冊構造のセンサ例の側面図
【図５】自重たわみ変形型円盤構造のセンサ例の平面図
【図６】自重たわみ変形型円盤構造のセンサ例の側断面図（図５のB-B断面）
【図７】付加質量伸縮変形型構造のセンサ例の側面図
【図８】付加質量せん断変形型構造のセンサ例の側面図
【図９】電流検出方法の一例（抵抗器を用いた場合）
【図１０】本発明によるジャークセンサ一例（図２の構造）の振幅の周波数応答
【図１１】本発明によるジャークセンサ一例（図２の構造）の位相の周波数応答
【図１２】本発明によるジャークセンサ（図２の構造）に与えたジャークの振幅とセンサ出力振幅の関係
【図１３】本発明によるジャークセンサ一例（図４の構造）の振幅の周波数応答
【図１４】本発明によるジャークセンサ一例（図４の構造）の位相の周波数応答
【図１５】本発明によるジャークセンサ（図４の構造）に与えたジャークの振幅とセンサ出力振幅の関係
【符号の説明】
【００１８】
１・・・シム材（金属薄板）
２・・・圧電素子電極
３・・・圧電素子
４・・・電流計、電流測定装置
５・・・導線
６・・・運動する被測定物
７・・・慣性力発生用付加質量
８・・・筐体
９・・・電流検出用抵抗器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動する物体の加加速度すなわちジャークを測定するための測定技術に関するものである。ジャークの値を計測し、運動の制御に利用する分野としては、自動車やエレベータなどの乗り心地の制御、建築構造物の地震に対する振動制御、ロボットアームの運動やNC工作機械の切削工具の軌跡の制御などの分野がある。
【背景技術】
【０００２】
運動を制御するために利用するために、ジャークを計測したり計算したりする方法はこれまでに数例あるが、本質的に感度を上げることが困難であったり、変位センサなど他のセンサを必要として構造が複雑であったりするなどの問題があった。従来の技術には、加速度センサの出力をそのまま微分したりその微分信号から計算により推定したりするもの、電磁石を利用するもの、片持ち梁とジャイロ（角速度センサ）を利用するものなどがある。
【０００３】
加速度センサの出力を微分する場合には、信号に含まれた電気的ノイズが微分されるため、さらにそのノイズの影響が増大し、Ｓ／Ｎ比が非常に小さなものになってしまう。また、その微分した信号から推定する方法が紹介されているが、直接にジャークを測定しているものではないという問題と、さらに位相遅れを伴うという問題とがある。（例えば、非特許文献１参照）
【０００４】
電磁石を利用したセンサは、内部に振子を有し、その振子の変位を筐体に対して一定に保つようなフィードバック制御をかけているサーボ型センサであるため、変位センサを内蔵する必要があり、高価でしかも機構が複雑になってしまうという問題点がある。（例えば、非特許文献２参照）
【０００５】
片持ち梁とジャイロ（角速度センサ）を利用するセンサは、片持ち梁の先端にジャイロをつけて被測定対象物に載せ、被測定対象物が運動するとジャイロの質量による慣性力で片持ち梁がたわんでジャイロが傾き、その傾いた際の角速度をジャイロで測定するという方式を採用している。この場合、もともと片持ち梁先端の傾き自体が微小なため角速度の値も小さくなり、本質的かつ原理的にジャークセンサとしての感度を上げることができないという問題がある。さらにこのセンサの場合には、被測定対象物が回転運動するとジャークの値に無関係に出力に影響してしまうといった問題点もあり、回転運動を伴うような被測定対象物には使うことができない。（例えば、非特許文献３参照）
【０００６】
【非特許文献１】「”Real-time algorithms for estimating jerk signals fromnoisy acceleration data”, Shin-ichi Nakazawa, Tadashi Ishihara andHIkaru Inooka, Proceedings of the International Conference on Mechtronics andInformation Technology, p423-428, 2001」
【非特許文献２】「“加々速度センサを用いた振動制御の基礎検討”、土屋豪、山門誠、石井雅治、菅野正治、日本機械学会論文集（Ｃ編）、63巻、614号、p3432-3437、1997-10.」
【非特許文献３】「“振動ジャイロと片持ち梁を組み合わせたジャークセンサによる建築構造物の地震応答に含まれる不連続点の検出”、田村雅巳、山本鎮男、曽根彰、増田新、日本建築学会構造系論文集、517号、p53-60、1999-3.」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明では、上述のような従来のジャーク測定技術の問題、すなわち、変位センサなどの他のセンサを利用しなければならないという問題点、構造が複雑になってしまうという問題点、本質的に測定感度を上げられないという問題点、被測定対象物が回転運動する場合には正確に測定できないという問題点をそれぞれ克服する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のセンサは、被測定対象物に圧電素子を搭載して測定するサイズモ系のセンサである。一連の測定原理の考え方の流れは図１に示すとおりである。被測定対象物が運動すると、圧電素子自身の質量または圧電素子に付加した錘などの質量による慣性力で圧電素子が微小変形し、圧電効果によって慣性力に比例した電荷が発生する。慣性力は加速度に比例するため、その電荷量は加速度に比例している。圧電素子の電極両端を導線で短絡させておくと、発生した電荷は導線内を流れて電流が発生する。電流は電荷の時間微分であるため、結果として電流はジャークに比例した値となる。この電流を計測することによってジャークを測定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧電体の変形をそのまま李世しているため、内部に変位センサなどの他のセンサを使わずに、簡易で廉価な構造で、本質的に低感度であるというような問題もなく、さらに被測定対象物の回転の影響なくジャークを測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明のセンサの構造として種々の形態をとることができるが、その数例を図２から図８に示す。図２から図６はバイモルフ型圧電素子のたわみ変形を利用したタイプのものであり、図７と図８はそれぞれ圧電素子の伸縮変形およびせん断変形を利用したタイプのものである。図５と図６は同じものを平面図と側断面図として描いている。図２、図４、図５、図６では圧電素子とシム材の自重による慣性力を利用し、図３、図７、図８では付加質量の慣性力を利用する。いずれの場合も被測定対象物に搭載するタイプのサイズモ系のセンサである。圧電素子の直接変形を利用しているため、計測のためのフィードバック制御が必要なく、構造で廉価に構成できる。たわみの角度を利用せず、圧電素子の変形そのものを利用しているため、シム材と圧電素子の寸法を変更することによって要求される応答帯域に応じて簡単にセンサ感度を設計することができる。
【００１１】
図２から図６のタイプのセンサには圧電素子をシム材の金属薄板の両面に圧電素子を設けているが、シム材の片面のみに圧電素子を設けるいわゆるユニモルフタイプにしてもよい。
【００１２】
電流の検出はどのように測定してもよく、被測定対象物のジャークの変化に対応できだけの応答速度を有するものであれば、市販の電流系を用いて検出することも可能であるが、検出の一例を図９に示す。図９は電流検出用に短絡導線を利用する場合の例を示している。短絡回路に電流検出用の抵抗器Rを挿入して、抵抗器の両端電圧VJを測定すれば、電流地IはI＝VJ／Rとして対応させることができる。
【実施例】
【００１３】
図２に示したような自重たわみ変形型片持ち短冊構造のセンサを実際に製作し、加振器によりセンサを正弦波加振し、入力したジャークに対する本ジャークセンサの出力の応答を測定した。加振変位を変位センサで測定し、そのときの変位振幅と振動数から基準となるジャーク信号の振幅を算出し、変位の位相から＋２７０°進んだ値をジャークの基準位相として算出した。電流の計測には図９に示した抵抗器を挿入して検出する方法を採用した。挿入した抵抗器は10Ωとした。図１０に入力ジャークの振幅を一定にして正弦波加振した際の本ジャークセンサの振幅の周波数応答を、図１１に位相の周波数応答を示す。入力したジャークの振幅は500、2200、4000ｍ／ｓ２でそれぞれ一定にした。図１０をみると、入力するジャークの振幅が一定であれば駆動周波数が100Hzから150Hzの範囲では一定であることがわかる。また図１１の位相特性をみると、同周波数範囲においては位相遅れがなく出力されていることがわかる。
【００１４】
図２に示した構造のセンサを正弦波加振により入力したジャークの振幅を変化させ、ジャークに対するジャークセンサの出力電圧を測定した結果を図１２に示す。この結果から、本ジャークセンサはジャークに比例した振幅を出力することがわかる、以上により、本発明が簡易な構造のジャークセンサとして実現できることが実験により実証された。
【００１５】
さらに図２とは別の構造のセンサについても実際に特性を測定した。図４に示したような自重たわみ変形型両持ち短冊構造のセンサについて同様に実際に製作し、加振器によりセンサを正弦波加振し、入力したジャークに対する本ジャークセンサの出力の応答を測定した。ジャークセンサを固定している両端変位を２本の変位センサで測定し、それら２つの平均値から加振変位を出した。２本の変位センサで計測していることを利用し，加振時に傾きが生じていないことも確認しつつ測定を進めた。基準となるジャーク信号の定め方や電流の計測方法などはすべて図２のセンサに対する測定ときと同様にした。図１３、図１４がそれぞれ振幅と位相の周波数応答である。図１３をみると、入力するジャークの振幅が一定であれば駆動周波数が200Hzから300Hzの範囲ではほぼ一定であることがわかる。図４の両端固定構造の場合、図２の構造よりも剛性が上がり振動しにくくるため測定可能な周波数帯域狭くなってしまうが、傾向としては同じ結果が見られる。図１４の位相特性をみると、同周波数範囲においてやはり位相遅れがなく出力されていることがわかる。すなわちジャークセンサの構造が変わっても原理的に同様の特性が得られることがわかる。
【００１６】
図４のセンサについても正弦波加振時の、ジャークの振幅に対するジャークセンサの出力電圧の振幅の比を測定した結果を図１４に示す。この結果から，図２の構造のセンサと同様に図４の構造のセンサであっても、本ジャークセンサはジャークに比例した振幅を出力することがわかる。以上により、本発明が簡易な構造のジャークセンサとして実現できること、およびセンサの構造を変えても同様の結果が得られ、測定原理の有効性および正当性が実験により実証された。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】測定原理の考え方の流れ
【図２】自重たわみ変形型片持ち短冊構造のセンサ例の側面図
【図３】付加質量たわみ変形型片持ち短冊構造のセンサ例の側面図
【図４】自重たわみ変形型両持ち短冊構造のセンサ例の側面図
【図５】自重たわみ変形型円盤構造のセンサ例の平面図
【図６】自重たわみ変形型円盤構造のセンサ例の側断面図（図５のB-B断面）
【図７】付加質量伸縮変形型構造のセンサ例の側面図
【図８】付加質量せん断変形型構造のセンサ例の側面図
【図９】電流検出方法の一例（抵抗器を用いた場合）
【図１０】本発明によるジャークセンサ一例（図２の構造）の振幅の周波数応答
【図１１】本発明によるジャークセンサ一例（図２の構造）の位相の周波数応答
【図１２】本発明によるジャークセンサ（図２の構造）に与えたジャークの振幅とセンサ出力振幅の関係
【図１３】本発明によるジャークセンサ一例（図４の構造）の振幅の周波数応答
【図１４】本発明によるジャークセンサ一例（図４の構造）の位相の周波数応答
【図１５】本発明によるジャークセンサ（図４の構造）に与えたジャークの振幅とセンサ出力振幅の関係
【符号の説明】
【００１８】
１・・・シム材（金属薄板）
２・・・圧電素子電極
３・・・圧電素子
４・・・電流計、電流測定装置
５・・・導線
６・・・運動する被測定物
７・・・慣性力発生用付加質量
８・・・筐体
９・・・電流検出用抵抗器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子に発生する電荷を電流として検出することにより、ジャークが測定できる測定方法。
【請求項１】
圧電素子に発生する電荷を電流として検出することにより、ジャークが測定できる測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００６−２３２８７（Ｐ２００６−２３２８７Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５６７２６（Ｐ２００５−１５６７２６）
【出願日】平成１７年５月３０日（２００５．５．３０）
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月３０日（２００５．５．３０）
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
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