(57)【要約】【課題】装置の大型化に結びつくような要素の付加を必要とせずに、供試体反力の影響を補償することを可能とし、またそのような補償において回転方向の供試体反力の実時間的な補償も可能とする加振装置の提供。【解決手段】テーブル２と油圧加振機を備え、テーブルに保持させた供試体４を油圧加振機がテーブルを介して加振するようにされた加振装置について、テーブルから油圧加振機に付加される荷重を荷重算出部２３ａで算出するとともに、その荷重を相殺する補償信号１１３ａを信号算出部２４ａが生成し、その補償信号をサーボ信号１０５ａに加算して油圧加振機制御用のサーボ弁１４ａへ出力するようにしている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テーブルと加振機を備え、前記テーブルに保持させた供試体を前記加振機が前記テーブルを介して加振するようにされた加振装置において、
前記テーブルから前記加振機に付加される荷重を求め、当該荷重を相殺できるような加振力を発生させるように前記加振機を制御するようにしたことを特徴とする加振装置。
【請求項２】
前記加振機が油圧加振機であり、当該油圧加振機のピストンの加速度と速度、および前記油圧加振機のチャンバ内の作動油圧力から前記荷重を求めるようにされていることを特徴とする請求項１に記載の加振装置。
【請求項３】
前記油圧加振機への作動油の流量と方向を調整するサーボ弁の制御信号の入力段から前記油圧加振機が出力する加振力までの伝達関数の逆特性となる伝達関数が与えられた信号算出部を備えており、この信号算出部により前記荷重に基づいた補償信号を算出して前記サーボ弁に入力するようにされていることを特徴とする請求項２に記載の加振装置。
【請求項４】
前記信号算出部の伝達関数は、高周波数域の極や零点を除いたものとされていることを特徴とする請求項３に記載の加振装置。
【請求項５】
前記信号算出部の伝達関数は、極の数が零点の数より多いかもしくは同数となるようにされていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の加振装置。
【請求項６】
前記信号算出部は、比例ゲインを乗じて前記補償信号を算出するようにされていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の加振装置。
【請求項７】
前記加振機と前記テーブルの間に設置される荷重計測手段による計測で前記荷重を求めるようにされていることを特徴とする請求項１に記載の加振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験対象の構造物に所望の条件による振動を加えるのに用いられる加振装置に関し、特にテーブルに保持させた構造物を加振機がテーブルを介して加振するようにされた加振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加振装置は、試験対象の構造物（以下では供試体と呼ぶ）に所望の条件による振動を加える振動試験により、その供試体の振動応答を調べたり、耐震（耐振）性を検査したりするのに用いられる。こうした加振装置の代表的な１つとして、テーブルとこれに連結された加振機を備え、テーブルに保持させた供試体を加振機がテーブルを介して加振するようにされた加振装置がある。このような加振装置は、振動台と呼ばれ、その加振機には、油圧加振機を用いるのが通常である。
【０００３】
一般に、振動台タイプの加振装置を用いた振動試験では供試体の質量はテーブルの質量と同等もしくはそれ以上であり、供試体が共振する条件で加振する。すなわち、振動台の伝達特性（入力加速度に対するテーブル加速度の周波数特性）は供試体の振動特性によって大きく変化する。そのため、加振機をフィードバック制御するだけでは所望の伝達特性を実現することが難しく、非特許文献１に開示されるような入力補償制御により、個々の供試体に合わせてテーブルへの入力加速度波形の周波数特性を調整する必要がある。
【０００４】
また供試体の形状は多様であり、そのために加振機の軸上（加振方向）に供試体やテーブルなどの可動部分の重心が存在するように供試体を設置することが困難である。加振機の軸上に可動部重心がない状態であると、並進方向のみに加振する場合でも、回転方向に供試体が運動するピッチングという現象が現れる。したがって入力補償制御では、このピッチングについても補償するために回転方向の入力加速度波形も生成する必要がある。
【０００５】
このような従来における入力補償制御は、供試体の振動特性が線形であることを前提としている。そのため、供試体を損傷させる耐震試験や非線形な特性を有する免震装置などを含む供試体の振動試験などのように供試体が非線形である場合に適用するのが難しいという問題があった。
【０００６】
こうした供試体の非線形問題を解決する技術として、特許文献１に開示される技術が知られている。特許文献１に開示の「振動台およびその制御方法」では、供試体からテーブルに作用する荷重（以下では供試体反力と呼ぶ）を計測し、これを相殺できるような加振力を加振機から出力する。その結果、供試体反力の影響を補償でき、これにより見かけ上で供試体を搭載していない振動台伝達特性が実現され、供試体が非線形であっても有効に入力補償制御を行うことが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ９７／１１３４４号公報
【非特許文献１】「大型高性能振動台機械装置」〔三菱重工技法Vol．20  No． 3(1983.5）〕
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように特許文献１に開示の技術は、供試体反力の影響を補償することで供試体が非線形である場合でも有効な入力補償制御を可能とする。しかし、特許文献１の技術では、供試体反力を計測する必要があり、その計測をより効果的に行うにはロードセルのような荷重計測手段をテーブルに設ける必要がある。そしてこの場合、実用的には、荷重計測手段と供試体の間に十分な剛性を有する第２のテーブルのような要素を設けることになる。このためテーブルが供試体以外に一定の負荷を負うことになり、結果として、試験可能な供試体の重量がそれだけ制限されることになる。つまり、試験可能な供試体の重量範囲を同じにするには、それだけ装置の大型化を招くことになるということである。
【０００９】
この装置の大型化問題について、特許文献１の技術では、ロードセルのような荷重計測手段をテーブルと加振機の間に設ける形態も可能とし、これにより装置の大型化の回避を可能としている。しかしこの形態の場合には、例えば回転方向の供試体反力（モーメント）の実時間的な補償が困難になるという問題がある。具体的にいうと、テーブルと加振機の間に設けられる荷重計測手段に負荷するテーブル慣性力を算出するには、テーブルの２次元平面内もしくは３次元空間内での運動を解析することになり、それには収束演算を必要とする。つまり計算量が多くて計算の累積誤差が生じる可能性の大きいテーブルの運動解析を必要とするということである。そしてこのために回転方向の供試体反力の実時間的な補償が困難になる。
【００１０】
本発明は、以上のような従来における事情を背景になされたものであり、装置の大型化に結びつくような要素の付加を必要とせずに、供試体反力の影響を補償することを可能とし、またそのような補償において回転方向の供試体反力の実時間的な補償も可能とする加振装置の提供を課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、上記課題を解決するために、テーブルと加振機を備え、前記テーブルに保持させた供試体を前記加振機が前記テーブルを介して加振するようにされた加振装置において、前記テーブルから前記加振機に付加される荷重を求め、当該荷重を相殺できるような加振力を発生させるように前記加振機を制御するようにしたことを特徴としている。
【００１２】
このようにテーブルから加振機に付加される荷重について補償を行うようにしたことにより、テーブルに設ける荷重計測手段のような装置の大型化に結びつく要素を付加せずとも供試体の影響を排除するための補償が可能となり、また荷重計測手段を設けてテーブルから加振機への荷重を計測するにしても、計算量が多くて計算の累積誤差が生じる可能性の大きいテーブルの運動解析のような計算を不要にでき、回転方向の供試体反力の実時間的な補償も可能となる。
【００１３】
上記のような加振装置については、前記加振機が油圧加振機である場合、当該油圧加振機のピストンの加速度と速度、および前記油圧加振機のチャンバ内の作動油圧力から前記荷重を求めるようにすることができる。このようにすることにより、供試体反力の補償について荷重計測手段のような新たな要素の付加を不要とすることができる。
【００１４】
また上記のような加振装置については、前記油圧加振機への作動油の流量と方向を調整するサーボ弁の制御信号の入力段から前記油圧加振機が出力する加振力までの伝達関数の逆特性となる伝達関数が与えられた信号算出部を設け、この信号算出部により前記荷重に基づいた補償信号を算出して前記サーボ弁に入力するようにすることができる。このようにすることにより、より効果的な補償が行えるようになる。
【００１５】
また上記のような加振装置については、前記信号算出部の伝達関数を、高周波数域の極や零点を除いたものとしたり、極の数が零点の数より多いかもしくは同数となるようにしたりすることができる。
【００１６】
また上記のような加振装置については、前記信号算出部が比例ゲインを乗じて前記補償信号を算出するようにすることができる。
【００１７】
また上記のような加振装置については、前記加振機と前記テーブルの間に設置される荷重計測手段による計測で前記荷重を求めるようにすることもできる。このようにすることにより、油圧加振機におけるピストンの加速度や速度の計測誤差などの影響を避けることができ、また補償に際しての計算量を低減することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のような本発明によれば、装置の大型化に結びつくような要素の付加を必要とせずに、供試体反力の影響を補償することを可能とし、またそのような補償において回転方向の供試体反力の実時間的な補償も可能とする加振装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１に、第１の実施形態による加振装置の構成を模式化して示す。本実施形態の加振装置１は、２次元振動台タイプの多自由度加振装置であり、平面的なテーブル２を備えるとともに、このテーブル２に連結された複数の油圧加振機３を備え、テーブル２に載せることで保持させた供試体４を油圧加振機３がテーブルを介して加振することで振動試験を行えるようにされている。
【００２０】
油圧加振機３には、テーブル２を垂直方向に加振する４台の油圧加振機３ａ〜３ｄと、テーブル２を水平方向に加振する１台の油圧加振機３ｅがある。これらの油圧加振機３ａ〜３ｅは、それぞれ一端を基礎５に連結され、他端を継手６ａ〜６ｅによりテーブル２に連結されている。基礎５への油圧加振機３の連結は、すべての自由度は拘束されさた状態でなされ、継手６ａ〜６ｅによるテーブル２への油圧加振機３の連結は、油圧加振機３からの加振方向成分の力のみがテーブル２に伝達するようにしてなされている。なお、図１には４台の垂直方向用の油圧加振機３ａ〜３ｄのうちの油圧加振機３ａと３ｂだけが示され、油圧加振機３ｃと３ｄについては図示が省略されている。
【００２１】
図２に、加振装置１の制御系の構成とそこにおける信号の流れを示す。制御系には目標とする所望の加速度波形が入力される。その目標加速度波形である目標加速度信号は、水平方向成分１０１ｈ、垂直方向成分１０１ｖ、回転方向成分１０１ｒの３成分で構成され、座標変換器１１に入力する。座標変換器１１は、目標加速度信号の入力を受けて、油圧加振機３ａ〜３ｅそれぞれの加振方向成分に座標変換された指令加速度信号１０２ａ〜１０２ｅを出力する。これらの指令加速度信号１０２ａ〜１０２ｅは、対応する油圧加振機３ａ〜３ｅごとの制御系に入力することになるが、それ以降は油圧加振機３ａ〜３ｅのそれぞれについて共通である。したがって以下では、油圧加振機３ａを例にして説明するが、その説明は、説明中で用いられる符号の添え字ａをｂ〜ｅに置き換えることで、油圧加振機３ｂ〜３ｅにもそのまま適用される。
【００２２】
積分器１２ａは指令加速度信号１０２ａを入力とし、これを２回積分した指令変位信号１０３ａを出力する。このとき、積分前の値や1回積分した値のそれぞれにゲインを乗じたものを加えたり、低周波成分を除去して積分したりするようにしてもよい。サーボコントローラ１３ａは指令変位信号１０３ａと応答変位信号１０４ａを入力とし、これら両信号の偏差にゲインを乗じたサーボ信号１０５ａを出力する。このとき、前記偏差の積分値や微分値にそれぞれゲインを乗じたものをサーボ信号１０５ａに加えるようにしてもよい。また、応答加速度信号１０６ａと差圧信号１０７ａを入力とし、これらの信号のそれぞれにバンドパスフィルタを作用させてからゲインを乗じたものをサーボ信号１０５ａに加えるようにしてもよく、本実施形態ではそのようにしている。
【００２３】
ここで、応答変位信号１０４ａは、油圧加振機３ａのピストン１６ａの変位を検出して得られる信号であり、応答加速度信号１０６ａは、油圧加振機３ａのピストン１６ａの加速度を検出して得られる信号であり、差圧信号１０７ａは、油圧加振機３ａのシリンダ１５ａの内部をピストン１６ａが仕切ることで構成される２つのチャンバ１７ａ、１８ａ（図３）における作動油の圧力の差である差圧（作動油差圧）を検出して得られる信号である。また、サーボコントローラ１３ａのゲインは油圧加振機３ａ単体が所望の特性を発揮できるように調整されているものとする。
【００２４】
図３に示すのは、油圧加振機３ａの模式化した構造である。サーボ弁１４ａは、油圧源３０とチャンバ１７ａ、１８ａの間の作動油の流路に設けられており、その流路における作動油の流量と方向をサーボ信号１０５ａと後述の補償信号１１３ａに基づいて制御する。ピストン１６ａは、チャンバ１７ａ、１８ａにおける作動油差圧にピストンの受圧面積を乗じたものとして与えられる加振力１０８ａで駆動される。この駆動によるピストン１６ａの運動は、継手６ａを介してテーブル２に伝達される。その結果、供試体４は振動し、それに伴って供試体４からテーブル２に作用する荷重である供試体反力１０９をテーブル２に負荷する。そして供試体反力１０９とテーブル慣性力は、継手６ａを介してピストン１６ａに伝達される。ここで、ピストン１６ａはシリンダ１５ａに対して相対運動する。そのため、シリンダ１５ａの内部を二分するピストン１６ａのランド部１９ａとシリンダ１５ａの間には空隙があり、その空隙を通じて２つのチャンバ１７ａ、１８ａの間を作動油１１０ａが差圧に応じた流量で移動する。また、ピストン１６ａのロッド部２０ａとシリンダ１５ａの間には作動油のシール部材や軸受２１ａがある。そのため、ピストン１６ａの速度に応じた粘性抵抗を生じ、粘性抵抗力１１１ａを伴う。
【００２５】
以上が油圧加振機３ａについての制御系の基本的な構成であり、こうした基本構成に加えて、補償手段である補償器２２ａによる補償がなされる。補償器２２ａは、荷重算出部２３ａと信号算出部２４ａを備えている。
【００２６】
荷重算出部２３ａは、ピストン１６ａの加速度と速度それぞれの信号である応答加速度信号１０６ａと応答速度信号１１２ａ、それに差圧信号１０７ａを入力とし、振動試験中にテーブル２から油圧加振機３ａへ負荷する荷重を下記に（１）式として示すピストンの運動方程式に基づいて算出する。
【００２７】
ｆLa＝ｍaαa＋Ｃfaｖa−Ａaｐa                  （１）
この（１）式は、油圧加振機３ａの負荷荷重ｆLa についてのものであり、一般的には下記の（２）式となる。
【００２８】
ｆL＝ｍα＋Ｃfｖ−Ａｐ （２）
ただし、ｆL は油圧加振機の負荷荷重、ｍはピストンの質量、αはピストンの加速度、Ｃfはピストンの粘性抵抗係数、ｖはピストンの速度、Ａはピストンの受圧面積、ｐは作動油差圧である。
【００２９】
信号算出部２４ａは、サーボ弁１４ａの入力段から加振力１０８ａまでの伝達関数の逆特性の伝達関数を有し、荷重算出部２３ａが算出する荷重ｆLを相殺するための補償信号１１３ａを出力する。この補償信号１１３ａは、サーボ信号１０５ａとともにサーボ弁１４ａへ入力される。ここで、信号算出部２４ａの伝達関数は、前記の逆特性そのままでなく、高周波域に存在する極や零点を除いた伝達関数であってもよく、またローパスフィルタを付加してプロパーな伝達関数としてもよく、さらに比例ゲインを乗じて出力を増幅、もしくは減衰するようにしてもよい。
【００３０】
以上のように加振装置１では、テーブル２から油圧加振機３への負荷荷重ｆLを求め、この荷重ｆLを相殺する補償を行うようにしている。このため加振装置１によれば、装置の大型化に結びつくような要素を付加せずとも、供試体反力の影響を補償することが可能とる。また計算量が多くて計算の累積誤差が生じる可能性の大きいテーブル２の運動解析を行わずとも供試体反力の影響を補償でき、したがって回転方向の供試体反力についても実時間的な補償が可能となる。
【００３１】
以下では第２の実施形態について説明する。図４に、第２の実施形態による加振装置の制御系における信号の流れを示す。本実施形態の加振装置は、装置構成において第１の実施形態の加振装置１と基本的に同様であり、また制御系の構成について第１の実施形態の加振装置１における制御系と基本的に同様である。相違している点は、図１の油圧加振機３ａ〜３ｅそれぞれとテーブル２との間に荷重計測手段としてロードセル３１（３１ａ〜３１ｅ）を設け、これらロードセル３１による計測で（２）式の荷重ｆLを直接的に求めることができるようにしたこと、およびこれに伴って第１の実施形態における荷重算出部２３ａを省略した構成の補償器２２ａ´を設けていることである。この他の構成については第１の実施形態における加振装置１と同様なので、共通する要素については、図２と同一の符号を付し、上での説明を援用する。
【００３２】
このように油圧加振機３とテーブル２の間に設けるロードセル３１による計測で荷重ｆLを直接的に求める本実施形態は、ピストン１６ａの加速度や速度の計測誤差、ピストン１６ａの粘性抵抗係数の同定誤差などの影響を避けることができ、また制御系における計算量を低減することができるという利点がある。こうした本実施形態と第１の実施形態は、油圧加振機３からテーブル２への加振力の伝達にロードセル３１のような要素が介在することがなく、制御性に優れるという第１の実施形態における利点と、上記のような第２の上記における利点を勘案して選択されることになる。
【００３３】
以下では第３の実施形態について説明する。図５に、第３の実施形態による加振装置の構成を模式化して示す。本実施形態の加振装置４１は、供試体４を下向きに保持させることができるようにしたテーブル４２を備えるとともに、油圧加振機４３ａ〜４３ｃを備え、さらに門形のフレーム４４を備えている。油圧加振機４３ａ、４３ｂは、垂直方向加振用であり、門形フレーム４４に下向きで固定され、油圧加振機４３ｃは、水平方向加振用であり、門形フレーム４４に横向きで固定されている。また油圧加振機４３ａ〜４３ｃは、それぞれリンク４５ａ〜４５ｃと継手４６ａ、４６ｂを介してテーブル４２に連結されている。
【００３４】
こうした加振装置４１の制御系は、第１の実施形態におけるそれと同様な構成とすることができるので、その説明は省略する。
【００３５】
以上、本発明を実施するためのいくつかの形態について説明したが、これらは代表的な例に過ぎず、本発明は、その趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。例えば第１の実施形態の加振装置１は静圧継手式の振動台であったが、例えばリンク式やスイングアクチュエータ式の振動台についても本発明を適用することができる。リンク式振動台とする場合には、継手６ａ〜６ｅをリンクに置き換え、そのリンクには両端に回転ジョイントを持つリンクを用いればよい。一方、スイングアクチュエータ式振動台とする場合には、油圧加振機３ａ〜３ｅと基礎５の連結点におけるに回転方向の自由度を非拘束とし、継手６ａ〜６ｅを回転ジョイントに置き換えればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１の実施形態による加振装置の構成を模式化して示す図である。
【図２】図１の加振装置における制御系の構成とそこにおける信号の流れを示す図である。
【図３】図１の加振装置における油圧加振機の構造を模式化して示す図である。
【図４】第２の実施形態よる加振装置における制御系の構成とそこにおける信号の流れを示す図である。
【図５】第３の実施形態による加振装置の構成を模式化して示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１、４１    加振装置
２、４２    テーブル
３ａ、３ｂ、３ｅ、４３ａ〜４３ｃ    油圧加振機（加振機）
４    供試体
１４ａ    サーボ弁
１６ａ    ピストン
１７ａ、１８ａ    チャンバ
２４ａ    信号算出部
３１ａ    ロードセル（荷重計測手段）
１１３ａ    補償信号
【図１】
2008151521.tif 000003
【図２】
2008151521.tif 000004
【図３】
2008151521.tif 000005
【図４】
2008151521.tif 000006
【図５】
2008151521.tif 000007