(57)【要約】【課題】重力を利用せずに質量を計測できる、高精度な質量測定装置を提供する。【解決手段】調和外力を発生するアクチュエータ５０を有し、被測定物の慣性質量を計測する質量測定装置であって、アクチュエータ５０を取り付けた支持台３０と、支持台３０を基盤２０に支持するばね要素３１と、支持台３０の振動を抑制するために支持台３０に取り付けた減衰形動吸振器４０、４１、４２と、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の変位位相に対して調和外力の位相が１８０°の位相差を保つようにアクチュエータ５０から発生する調和外力を制御するＰＬＬ６１、６２、６３とを備える。被測定物は、支持台３０または減衰形動吸振器の吸振振動体４０に取り付ける。動吸振器系の定点を利用して質量測定を行っており、被測定物の慣性質量を高精度に求めることができる。【選択図】図１
2011047718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
調和外力を発生する振動発生手段を有し、被測定物の慣性質量を計測する質量測定装置であって、
前記振動発生手段を取り付けた支持台と、
前記支持台を基盤に支持するばね要素と、
前記支持台の振動を抑制するために当該支持台に取り付けた、ばね要素、吸振振動体及びダンパーを有する減衰形動吸振器と、
前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して前記調和外力の位相が１８０°の位相差を保つように前記振動発生手段から発生する前記調和外力を制御するＰＬＬと、
を備え、前記被測定物を、前記支持台または減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けることを特徴とする質量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の質量測定装置であって、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位を検出する変位センサを備えることを特徴とする質量測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の質量測定装置であって、前記被測定物が前記支持台に取り付けられ、
前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の質量をｍa、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωt、前記調和外力をＦｅjωtとするとき、
ｍu＝−ｍaＸa（ｋp／Ｆ）−ｍp
により前記被測定物の質量を求めることを特徴とする質量測定装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の質量測定装置であって、前記被測定物が前記支持台に取り付けられ、
前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記調和外力の角周波数をωとするとき、
ｍu＝−（ｋp／ω2）−ｍp
により前記被測定物の質量を求めることを特徴とする質量測定装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の質量測定装置であって、前記被測定物が前記減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けられ、
前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の質量をｍa、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωt、前記調和外力をＦｅjωtとするとき、
ｍu＝−（ｍp／Ｘa）（Ｆ／ｋp）−ｍa
により前記被測定物の質量を求めることを特徴とする質量測定装置。
【請求項６】
調和外力を発生する振動発生手段を有し、被測定物の慣性質量を計測する質量測定装置であって、
前記振動発生手段を取り付けた支持台と、
前記支持台に取り付けた前記振動発生手段の他端に結合した加振振動体と、
前記支持台を基盤に支持するばね要素と、
前記支持台の振動を抑制するために当該支持台に取り付けた、ばね要素、吸振振動体及びダンパーを有する減衰形動吸振器と、
前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して前記加振振動体の変位位相が１８０°の位相差を保つように前記振動発生手段から発生する前記調和外力を制御するＰＬＬと、
を備え、前記被測定物を、前記加振振動体または減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けることを特徴とする質量測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の質量測定装置であって、前記加振振動体及び吸振振動体の変位をそれぞれ検出する変位センサを備えることを特徴とする質量測定装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の質量測定装置であって、前記被測定物が前記加振振動体に取り付けられ、
前記被測定物の質量をｍu、前記加振振動体の質量をｍb、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の質量をｍa、前記加振振動体の変位をＸbｅjωt、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωtとするとき、
ｍu＝−ｍa（Ｘa／Ｘb）−ｍb
により前記被測定物の質量を求めることを特徴とする質量測定装置。
【請求項９】
請求項６または７に記載の質量測定装置であって、前記被測定物が前記減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けられ、
前記被測定物の質量をｍu、前記加振振動体の質量をｍb、前記吸振振動体の質量をｍa、前記加振振動体の変位をＸbｅjωt、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωtとするとき、
ｍu＝−ｍb（Ｘb／Ｘa）−ｍa
により前記被測定物の質量を求めることを特徴とする質量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無重力環境でも使用可能な質量測定装置に関し、特に、精度の向上を図るものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、国際宇宙ステーションの建設も進み、宇宙において日常的に実験が行われる日も近い。宇宙環境は、無重力（厳密には微小重力）であるため、各種実験で試料の質量を測定する場合に、重力を利用する天秤のような装置は用いることができない。このように、重力質量が測定できない環境では、運動の法則「（質量）×（加速度）＝（力）」を利用して慣性質量が測定される。
【０００３】
本発明者等は、先に、慣性質量を測定する質量測定装置を下記非特許文献１等に提案している。
図６は、この装置の原理図を示している。
この装置は、ばね要素１５を介してベース２０に結合された支持台１０と、測定対象物１３を取り付けた測定対象物取付台１２と、測定対象物１３及び測定対象物取付台１２を振動するために支持台１０に取り付けたアクチュエータ１１と、支持台１０の振動を吸収するために支持台１０に取り付けたばね要素１６及び錘（吸振振動体）１４から成る非減衰形の動吸振器とを備えている。
【０００４】
ここで、測定対象物１３の質量をｍu、測定対象物取付台１２の質量をｍb、支持台１０の質量をｍp、吸振振動体１４の質量（吸振質量）をｍa、ばね要素１６のばね定数をｋa、ばね要素１５のばね定数をｋp、振動体１４の上方変位をｘa、支持台１０の上方変位をｘp、測定対象物取付台１２の上方変位をｘbとし、また、アクチュエータ１１の駆動力をＦbｓｉｎωｔのように与えることとすると、この系の運動方程式は、次の（数１）（数２）（数３）のように表される。
【数１】
2011047718.tif 000003
【数２】
2011047718.tif 000004
【数３】
2011047718.tif 000005
【０００５】
定常解を求めるために ｘp＝Ｘpsinωt 、ｘa＝Ｘasinωt と置き、（数１）（数２）に代入すると、次式（数４）（数５）が得られる。
【数４】
2011047718.tif 000006
【数５】
2011047718.tif 000007
ここで、
【数６】
2011047718.tif 000008
【数７】
2011047718.tif 000009
【数８】
2011047718.tif 000010
としている。
【０００６】
これらの方程式から、支持台１０の振幅Ｘpは、アクチュエータ１１による加振振動数ωが動吸振器の固有振動数ωa と一致するとき、Ｘp＝０になることが分かる。このとき、（数１）〜（数３）から（ｍb＋ｍu）の振動振幅Ｘbを求めると、次式（数９）のようになる。
（ｍb＋ｍu）Ｘb＝−ｍaＸa                      （数９）
ここで、ｍa及びｍbは既知であるから、Ｘa及びＸbを測定すれば、次式（数１０）から測定対象物の質量ｍuを求めることができる。
【数１０】
2011047718.tif 000011
【０００７】
実際の質量測定装置は、圧電素子で形成されたアクチュエータ１１と、圧電素子を駆動するアンプと、支持台１０、吸振振動体１４及び測定対象物取付台１２の位置を検出する変位センサと、変位センサで検知された信号の振幅を測定するＦＦＴアナライザとを備えている。
測定対象物１３の質量を測定する場合、アンプに動吸振器単体の固有振動数と等しい振動数を持つ正弦波を入力して圧電素子を駆動する。圧電素子は、駆動信号の周波数で伸縮し、それにより測定対象物１３及び測定対象物取付台１２が振動する。定常状態では、動吸振器の吸振振動体１４が、この振動を打ち消すように同周期・逆位相で振動する。そのため、支持台１０は、定常状態に達すると、振動しなくなる（実際には、後述するようにある程度振動は残留する）。定常状態に達した後、変位センサの検知信号から吸振振動体１４の振動振幅Ｘaと測定対象物取付台１２の振動振幅ＸbとをＦＦＴアナライザで測定し、測定結果を（数１０）に代入して測定対象物１２の質量ｍuを推定する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】水野，佐藤，石野：非減衰形動吸振器を利用した振動式質量測定装置の開発，日本機械学会論文集（Ｃ編），68巻，665号 (2002)，37．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来の質量測定装置では、定常状態の支持台１０を観察すると、図７に示すように、振幅２０μｍ程度の微小振動が残留している。
この残留振動の原因として、次のことが考えられる。
従来の質量測定装置では、非減衰の動吸振器を用いているが、微小な抵抗を受けても減衰は発生するから、完全に非減衰の状態に保つことは困難である。
また、この質量測定装置では、アクチュエータ１１による振動を動吸振器の固有振動数に完全に同期させることが困難である。
この定常状態の残留振動は、測定精度を低下させる一因になる。
【００１０】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、重力を利用せずに質量を計測できる、高精度な質量測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、調和外力を発生する振動発生手段を有し、被測定物の慣性質量を計測する質量測定装置であって、前記振動発生手段を取り付けた支持台と、前記支持台を基盤に支持するばね要素と、前記支持台の振動を抑制するために当該支持台に取り付けた、ばね要素、吸振振動体及びダンパーを有する減衰形動吸振器と、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して前記調和外力の位相が１８０°の位相差を保つように前記振動発生手段から発生する前記調和外力を制御するＰＬＬ（位相同期ループ：Phase Locked Loop）と、を備え、前記被測定物を、前記支持台または減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けることを特徴とする。
動吸振器を完全な非減衰の状態で使用することは困難であるため、この質量測定装置では、逆に、ばね要素と吸振振動体とダンパーとを有する減衰形動吸振器を使用している。減衰形動吸振器の吸振振動体の変位に関する周波数応答曲線は、減衰の値に依存しない点（定点）を通り、この定点では、外力と吸振振動体変位との位相差が１８０°になる。そのため、この質量測定装置では、減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して振動発生手段から発生する調和外力の位相が１８０°の位相差を保つようにＰＬＬで制御し、動吸振器系の定点を利用して質量測定を実行する。
【００１２】
また、本発明の質量測定装置では、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位を検出する変位センサを備える。
【００１３】
また、本発明の質量測定装置では、前記被測定物を前記支持台に取り付けた場合、前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の質量をｍa、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωt、前記調和外力をＦｅjωtとして、
ｍu＝−ｍaＸa（ｋp／Ｆ）−ｍp
により前記被測定物の質量を求めることができる。
【００１４】
また、本発明の質量測定装置では、前記被測定物を前記支持台に取り付けた場合、前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記調和外力の角周波数をωとして、
ｍu＝−（ｋp／ω2）−ｍp
により前記被測定物の質量を求めることもできる。
【００１５】
また、本発明の質量測定装置では、前記被測定物を前記減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けた場合、前記被測定物の質量をｍu、前記支持台の質量をｍp、前記吸振振動体の質量をｍa、前記支持台を基盤に支持するばね要素のばね定数をｋp、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωt、前記調和外力をＦｅjωtとして、
ｍu＝−（ｍp／Ｘa）（Ｆ／ｋp）−ｍa
により前記被測定物の質量を求めることができる。
【００１６】
また、本発明の質量測定装置は、前記振動発生手段を取り付けた支持台と、前記支持台に取り付けた前記振動発生手段の他端に結合した加振振動体と、前記支持台を基盤に支持するばね要素と、前記支持台の振動を抑制するために当該支持台に取り付けた、ばね要素、吸振振動体及びダンパーを有する減衰形動吸振器と、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して前記加振振動体の変位位相が１８０°の位相差を保つように前記振動発生手段から発生する前記調和外力を制御するＰＬＬと、を設け、前記被測定物を、前記加振振動体または減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けるように構成することができる。
この質量測定装置は、減衰形動吸振器の作用によって、支持台の振動が抑制されるので、支持台から基盤に伝達する振動は小さい。そのため、宇宙構造物の中で質量測定を行っても、周囲の構造物に伝わる振動は小さい。
【００１７】
この質量測定装置では、前記加振振動体及び吸振振動体の変位をそれぞれ検出する変位センサを設ける。
【００１８】
この質量測定装置において、前記被測定物を前記加振振動体に取り付けた場合、前記被測定物の質量をｍu、前記加振振動体の質量をｍb、前記減衰形動吸振器の吸振振動体の質量をｍa、前記加振振動体の変位をＸbｅjωt、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωtとして、
ｍu＝−ｍa（Ｘa／Ｘb）−ｍb
により前記被測定物の質量を求めることができる。
【００１９】
また、この質量測定装置において、前記被測定物を前記減衰形動吸振器の吸振振動体に取り付けた場合、前記被測定物の質量をｍu、前記加振振動体の質量をｍb、前記吸振振動体の質量をｍa、前記加振振動体の変位をＸbｅjωt、前記吸振振動体の変位をＸaｅjωtとして、
ｍu＝−ｍb（Ｘb／Ｘa）−ｍa
により前記被測定物の質量を求めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の質量測定装置は、被測定物の慣性質量を高精度に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る質量測定装置の構成を示す図
【図２】図1の装置の原理図
【図３】減衰形動吸振器の周波数特性を示す図（その１）
【図４】減衰形動吸振器の周波数特性を示す図（その２）
【図５】本発明の第２の実施形態に係る質量測定装置の構成を示す図
【図６】従来の質量測定装置の構成を示す図
【図７】従来の質量測定装置の残留振動を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る質量測定装置の構成を示している。
この装置は、ばね要素３１によりベース２０に支持された支持台３０と、支持台３０に振動を与えるアクチュエータ５０と、支持台３０の振動を抑制するために支持台３０に取り付けた“ばね要素４１、ダンパー４２及び吸振振動体４０”から成る減衰形動吸振器と、吸振振動体４０の変位を検出する変位センサ５１と、制御信号を受けてアクチュエータ５０を駆動する電圧増幅器（アンプ）６４と、変位センサ５１の検出信号に基づいてアンプ６４を制御するＰＬＬ（位相同期ループ：Phase Locked Loop）とを備えている。
【００２３】
ＰＬＬは、変位センサ５１の検出信号の位相とアンプ６４の制御信号の位相とを比較する位相比較器６１と、位相比較器６１の出力から不要信号成分を除去するループフィルタ６２と、入力電圧に応じてアンプ６４に出力する制御信号の周波数を制御する電圧制御発振器６３とを備えている。また、アクチュエータ５０は、例えば、アンプ６４から入力する駆動電圧に比例した力を発生するボイスコイルモータから成る。
質量を測定する被測定物は、後述するように、支持台３０または吸振振動体４０に取り付ける。
【００２４】
この系は、次のように動作する。
アンプ６４から正弦波形の駆動電圧が供給されたアクチュエータ５０は、調和外力を発生し、支持台３０が振動する。支持台３０が振動すると、この振動を抑える方向に減衰形動吸振器が振動し、吸振振動体４０の振動が変位センサ５１によって検出される。ＰＬＬの電圧制御発振器６３は、位相比較器６１の比較結果に基づいて、変位センサ５１の検出信号の位相と１８０°の位相差を持つ正弦波形電圧をアンプ６４に出力し、アンプ６４は、この正弦波形電圧を増幅してアクチュエータ５０を駆動する。
そのため、この系の吸振振動体４０は、定常状態において、正弦波形電圧と逆位相で振動する。
【００２５】
ここで、この系の運動について解析する。
図２に示すように、減衰形動吸振器のばね要素４１のばね定数をｋa、ダンパー４２の減衰の値をｃa、吸振振動体４０の質量をｍa、支持台３０の質量をｍp、支持台３０を支持するばね要素３１のばね定数をｋp、吸振振動体４０の上方変位をｘa、支持台３０の上方変位をｘp、アクチュエータ５０の駆動力をｆ（ｔ）とする。
この系の運動方程式は、次の（数１１）（数１２）のように表される。
【数１１】
2011047718.tif 000012
【数１２】
2011047718.tif 000013
（数１１）（数１２）から次式（数１３）（数１４）のような伝達関数が得られる。
【数１３】
2011047718.tif 000014
【数１４】
2011047718.tif 000015
ここで、
【数１５】
2011047718.tif 000016
【数１６】
2011047718.tif 000017
としている。
【００２６】
この系の定常応答を求めるために（数１７）のような解を仮定する。
【数１７】
2011047718.tif 000018
このとき、ｘp（ｔ）及びｘa（ｔ）の複素振幅は、次式（数１８）（数１９）のように求められる。
【数１８】
2011047718.tif 000019
【数１９】
2011047718.tif 000020
Ｇp（ｊω）は、（数１３）のＧp（ｓ）のｓにｊωを代入したものであり、Ｇa（ｊω）は、（数１４）のＧa（ｓ）のｓにｊωを代入したものである。
ここで、ｆ（ｔ）の角周波数ωと支持台３０の系（支持台３０＋ばね要素３１）の自然角周波数（固有振動数）ωpとが次式（数２０）のように一致したとする。
【数２０】
2011047718.tif 000021
【００２７】
このとき、（数１８）（数１９）から、次式（数２１）が得られる。
【数２１】
2011047718.tif 000022
この（数２１）は、減衰ｃaの値に依らずに成立する（状態Ａ）。
また、（数２１）は、ｆ（ｔ）と吸振振動体４０の上方変位との位相差が１８０°に成ることを示している（状態Ｂ）。
これは、（数２０）を満たすとき、減衰形動吸振器の周波数応答曲線の定点に位置していることを示している。
【００２８】
図３は、Ｘaに関する減衰形動吸振器の周波数応答曲線を示し、図４は、ｆ（ｔ）と吸振振動体４０の上方変位との位相差に関する減衰形動吸振器の周波数応答曲線を示している。これらの図が示しているように、減衰ｃaの大きさにより曲線の形状は異なるが、減衰ｃaの値に依存せずに曲線が通過する点（丸印）が存在し、この点が定点と呼ばれている。
この質量測定装置では、動吸振器系の定点を利用して質量測定を行っている。そのためには、（数２０）の条件を満たす必要があるが、（数２０）の条件を満たすとき、前述するように、前記（状態Ｂ）が成立するため、この質量測定装置では、ＰＬＬを利用して前記（状態Ｂ）を保ち、定点を確保している。
即ち、アクチュエータ５０の調和外力（またはそれと比例する信号）と、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の上方変位との位相を比較し、それがちょうど１８０°の位相差を持つように、調和外力を生成するアクチュエータ５０の駆動周波数ωを調整している。
【００２９】
質量を測定する被測定物の質量をｍuとし、この被測定物を減衰形動吸振器の吸振振動体４０に取り付けたとすると、（数２１）から次式（数２２）が成立する。
（ｍa＋ｍu）＝−（ｍp／Ｘa）（Ｆ／ｋp）
ｍu＝−（ｍp／Ｘa）（Ｆ／ｋp）−ｍa                      （数２２）
従って、ｍp、ｋp、ｍa及び調和外力の振幅Ｆを予め定めておけば、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の振動振幅Ｘaを測定することにより、被測定物の質量ｍuを推定することができる。
【００３０】
また、被測定物を支持台３０に取り付けた場合は、（数２１）から次式（数２３）が成立する。
（ｍp＋ｍu）＝−ｍaＸa（ｋp／Ｆ）
ｍu＝−ｍaＸa（ｋp／Ｆ）−ｍp                          （数２３）
そのため、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の振動振幅Ｘaを測定することにより、被測定物の質量ｍuを推定することができる。
【００３１】
また、被測定物を支持台３０に取り付けた場合は、（数２０）から次式（数２４）が成立する。
（ｍp＋ｍu）＝−（ｋp／ω2）
ｍu＝−（ｋp／ω2）−ｍp                              （数２４）
そのため、調和外力の角周波数ωから被測定物の質量ｍuを推定することもできる。
【００３２】
このように、この質量測定装置は、減衰形動吸振器の定点を利用して質量測定を行っており、そのために、振動発生手段（アクチュエータ）の発生する調和外力の位相が、減衰形動吸振器の吸振振動体の変位位相に対して１８０°の位相差を持つようにＰＬＬで制御している。ＰＬＬは、誤差が１０-6のオーダであり、極めて高精度である。そのため、この質量測定装置は、質量を高精度に計測することができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る質量測定装置の構成を示している。
この装置は、ばね要素３１によりベース２０に支持された支持台３０と、支持台３０に固定されたアクチュエータ５０と、アクチュエータ５０の他端に結合された加振振動体５２と、加振振動体５２の変位を検出する変位センサ５３と、アクチュエータ５０を駆動するアンプ６４と、支持台３０の振動を抑制するために支持台３０に取り付けた“ばね要素４１、ダンパー４２及び吸振振動体４０”から成る減衰形動吸振器と、吸振振動体４０の変位を検出する変位センサ５１と、加振振動体５２の変位位相が減衰形動吸振器の吸振振動体４０の変位位相に対して１８０°の位相差を保つようにアクチュエータ５０から発生される調和外力を制御するＰＬＬとを備えている。ＰＬＬは、変位センサ５１の検出信号の位相と変位センサ５３の検出信号の位相とを比較する位相比較器６１と、位相比較器６１の出力から不要信号成分を除去するループフィルタ６２と、入力電圧に応じてアンプ６４に出力する正弦波形電圧の周波数を制御する電圧制御発振器６３とを備えている。
質量を測定する被測定物は、加振振動体５２または吸振振動体４０に取り付ける。
【００３４】
この系は、次のように動作する。
アンプ６４から正弦波形の駆動電圧が供給されたアクチュエータ５０は、調和外力を発生し、支持台３０及び加振振動体５２が振動する。加振振動体５２の振動は、変位センサ５３によって検出される。また、支持台３０が振動すると、この振動を抑制するように減衰形動吸振器の吸振振動体４０が振動し、吸振振動体４０の振動が変位センサ５１によって検出される。ＰＬＬの位相比較器６１は、変位センサ５３及び変位センサ５１の検出信号の位相差を検出し、電圧制御発振器６３は、位相比較器６１の比較結果に基づいて、変位センサ５１の検出信号の位相と１８０°の位相差を持つ正弦波形電圧をアンプ６４に出力し、アンプ６４は、この正弦波形電圧を増幅してアクチュエータ５０を駆動する。
そのため、この系では、支持台３０を境にして、吸振振動体４０と加振振動体５２とが、同期して反対方向に動き、定常状態では、吸振振動体４０と加振振動体５２とが、同調して逆位相で振動する。
【００３５】
この質量測定装置も、第１の実施形態と同様に、減衰形動吸振器の定点を利用して質量測定を行っており、そのために、振動発生手段（アクチュエータ）の発生する調和外力の位相が、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の変位位相に対して１８０°の位相差を持つようにＰＬＬで制御している。
【００３６】
この系の運動方程式について説明する。
加振振動体５２の質量をｍb、加振振動体５２の上方変位をｘbとすると、加振振動体５２に関する運動方程式が次式（数２５）のように表される。
【数２５】
2011047718.tif 000023
ここで、ｆ（ｔ）は、アクチュエータ５０が発生する力を表している。定常応答を求めるために、（数２６）のような解を仮定する。
【数２６】
2011047718.tif 000024
（数２５）から、ｘbの複素振幅は、（数２７）のように求められる。
【数２７】
2011047718.tif 000025
（数２０）（数２１）（数２７）から、次式（数２８）が得られる。
【数２８】
2011047718.tif 000026
【００３７】
質量を測定する被測定物の質量をｍuとし、この被測定物を減衰形動吸振器の吸振振動体４０に取り付けたとすると、（数２８）から次式（数２９）が成立する。
（ｍa＋ｍu）＝−ｍb（Ｘb／Ｘa）
ｍu＝−ｍb（Ｘb／Ｘa）−ｍa                              （数２９）
従って、ｍb及びｍaを予め定めておけば、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の振動振幅Ｘa及び加振振動体５２の振動振幅Ｘbを測定することにより、被測定物の質量ｍuを推定することができる。
【００３８】
また、被測定物を加振振動体５２に取り付けた場合は、（数２８）から次式（数３０）が成立する。
（ｍb＋ｍu）＝−ｍa（Ｘa／Ｘb）
ｍu＝−ｍa（Ｘa／Ｘb）−ｍb                              （数３０）
従って、ｍb及びｍaを予め定めておけば、減衰形動吸振器の吸振振動体４０の振動振幅Ｘa及び加振振動体５２の振動振幅Ｘbを測定することにより、被測定物の質量ｍuを推定することができる。
【００３９】
この質量測定装置は、減衰形動吸振器の作用によって支持台３０から基盤２０に伝わる振動が抑制されるため、宇宙構造物の中で質量測定を行う場合でも、周囲の構造物に伝わる振動は小さい。宇宙構造物は、自重を支える必要が無く、また、打上げコストを削減するために、極限まで軽量化されているから、周囲の構造物への振動の伝搬は避ける必要がある。従って、この質量測定装置は、宇宙での実験に極めて有利な特質を備えている。
【００４０】
なお、本発明の質量測定装置は、無重力環境だけでなく、振動が発生している揺動環境や、移動体の内部など、天秤の使用が困難な環境での質量測定に利用可能であり、また、高精度を要するバイオ・医用工学での計測などにも使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の質量測定装置は、高精度の質量計測が可能であり、無重力環境や揺動環境、移動体内部など、天秤が使用できない環境、あるいは、高精度の質量計測が必要な各分野で広く利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０    支持台
１１    アクチュエータ
１２    測定対象物取付台
１３    測定対象物
１４    錘（振動体）
１５    ばね要素
１６    ばね要素
２０    ベース
３０    支持台
３１    ばね要素
４０    吸振振動体
４１    ばね要素
４２    ダンパー
５０    アクチュエータ
５１    変位センサ
５２    加振振動体
５３    変位センサ
６１    位相比較器
６２    ループフィルタ
６３    電圧制御発振器
６５    電圧増幅器
【図１】
2011047718.tif 000027
【図２】
2011047718.tif 000028
【図３】
2011047718.tif 000029
【図４】
2011047718.tif 000030
【図５】
2011047718.tif 000031
【図６】
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【図７】
2011047718.tif 000033