(57)【要約】【課題】  磁力支持天秤装置の原理を磁力支持式振動測定装置に適用して、変位や傾斜等の３次元的振動そのものを、成分分解によって上下方向と水平方向の振動として別々に測定することなく、直接的に測定することができる振動計測方法及び装置を提供する。【解決手段】  磁石を搭載し、且つ磁力支持機構２０に備わる磁気コイル２１〜３０に通電することにより生じる磁気力との磁気的相互作用によって浮揚支持されている物体１０は、磁力支持機構２０が例えば地震の振動に曝されて振動するとき、例えば、不動点として作用する等、振動特性と磁力支持機構２０の支持特性とに関連する運動をする。物体１０の磁力支持機構２０に対する相対変位を計測するとともに、磁力支持機構の支持特性を考慮することで、磁力支持機構２０に作用する３次元的振動そのものを成分分解することなく、直接に計測することができる。【選択図】  図１
2005195330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石を搭載した物体を磁力支持機構に設けられた磁気コイルに通電することで生じる磁気力によって浮揚支持し、前記磁力支持機構に対する前記物体の相対変位又は前記磁気コイルに関する制御量変化を計測することによって前記磁力支持機構に生じる振動を計測することから成る磁力支持式振動計測方法。
【請求項２】
前記物体の質量を大きくすると共に前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を小さくすることによって、前記物体を不動点として作用させることから成る請求項１に記載の磁力支持式振動計測方法。
【請求項３】
前記物体の質量を小さくすると共に前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を大きくすることによって、前記物体に作用する前記磁気力の変動量に基づいて前記磁力支持機構に生じる前記振動の加速度を計測することから成る請求項１に記載の磁力支持式振動計測方法。
【請求項４】
前記磁力支持機構に対する前記物体の前記相対変位に起因する前記物体の周囲における磁場の変化を無くするように、前記磁気コイルに流される電流を制御することから成る請求項１に記載の磁力支持式振動計測方法。
【請求項５】
前記磁力支持機構に生じる前記振動は、慣性空間について直交座標系を構成する３軸の並進変位と２軸回り回転変位とを含む３次元変位であることから成る請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁力支持式振動計測方法。
【請求項６】
磁石を搭載した物体、前記物体を浮揚支持するため通電することにより磁気力を生じさせる磁気コイルを有する磁力支持機構、及び前記物体の前記磁力支持機構に対する相対変位又は前記磁気コイルに関する制御量変化を検出する検出手段を備え、前記検出手段によって前記物体の前記相対変位又は前記制御量変化を計測することによって前記磁力支持機構に生じる振動を計測することから成る磁力支持式振動計測装置。
【請求項７】
前記物体の質量を大きくすると共に前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を小さくすることによって、前記物体を不動点として作用させることから成る請求項６に記載の磁力支持式振動計測装置。
【請求項８】
前記物体の質量を小さくすると共に前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を大きくすることによって、前記物体に作用する前記磁気力の変動量に基づいて前記磁力支持機構に生じる前記振動の加速度を計測することから成る請求項６に記載の磁力支持式振動計測装置。
【請求項９】
前記磁力支持機構に対する前記物体の前記相対変位に起因する前記物体の周囲における磁場の変化を無くするように、前記磁気コイルに流される電流を制御する制御装置を備えていることから成る請求項６に記載の磁力支持式振動計測装置。
【請求項１０】
前記磁力支持機構に生じる前記振動は、慣性空間について直交座標系を構成する３軸の並進変位と２軸回り回転変位とを含む３次元変位であることから成る請求項６〜９のいずれか１項に記載の磁力支持式振動計測装置。
【請求項１１】
前記磁力支持機構を回転振動する対象物に取り付けることにより、前記磁力支持機構に生じる静的又は動的な傾斜計として適用されていることから成る請求項６〜９のいずれか１項に記載の磁力支持式振動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、物体を磁力支持する磁力支持天秤装置の原理を応用して、物体を磁力支持する磁力支持機構自体の位置や姿勢についての変位・速度・加速度を測定することを可能にする磁力支持式振動計測方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械や構造物のような対象物の振動を計測する振動計の一形態として、ばね支持された重りで不動点を形成し、その不動点と周囲の動きとの相対変位を計測することで対象物の変位等を計測する変位計が挙げられる。変位計は、対象物が重りとばねで定められる装置の固有振動数よりも大きな振動数で振動する場合の計測に適しており、重りの質量を大きくしばねを柔らかいばねで構成することで、装置の固有振動数を小さく設定することが可能である。地殻の揺れを計測する地震計は、この形式の振動計（サイズモ式）であり、慣性の大きい物体をばねを介して支持体に振り子状に支持しておき、地震波が支持体に伝播してきたときに、支持体は地震の振動で変位するが物体の変位を極力少なくして慣性不動点を形成することで、地震による振動を支持体と慣性不動点との間の相対的な変位として計測している。地震の振動数を考慮して物体を支持するばねのばね定数を小さくする（柔らかいばねとする）ことで、地震振動が支持体を介して物体に伝達されるのを遮断している。一方、振動計の別の形態として、重りの質量を小さくしばねを硬いばねで構成することで、装置の固有振動数を対象物の振動数よりも大きく設定するものがある。この場合、重りの周囲との相対変位は対象物の振動の加速度に比例する量となり、加速度計としての振動計が得られる。加速度を積分することで速度を、更に積分することで変位を算出することができる。
【０００３】
長周期の垂直又は水平動を検出可能な地震計として、平行な磁場中に配置された永久磁石を有する振り子を用いた無定位回転型振動検出器が提案されている（特許文献１参照）。この無定位回転型振動検出器によれば、平行磁場内に、永久磁石を回転可能に配置し、永久磁石に働く重力による回転モーメントを、平行磁場によって永久磁石に働く磁力による回転モーメントで打ち消している。このように構成することにより、ばねを用いることなく、重力による振り子の回転モーメントを打ち消し、回転モーメントが振り子に働かない無定位にできる範囲を広くし、自然周期を長くすることが図られている。
【特許文献１】特開２００２−３５７６６５号公報（段落［００１５］、［００２６］〜［００２８］、図１〜図３）
【０００４】
しかしながら、従来の地震計は上下方向と水平方向の振動を別々に測定しており、測定データの解析において、地震波は、それら個別に測定した振動波を単純な合成として捉えている。個別の測定機器の干渉（重複計測、測定欠損、位相差等）は無視されているので、ベクトルとしての地震波の計測が十分・完全であるとは言い難い。現在のところ、地震による地表面の３次元的振動そのものを成分分解することなく直接的に測定できる地震計は存在していない。また、地震計は慣性物体をばねで支持している構成を有しており、ばねの特性が経時変化や周囲環境で変動する可能性があるので、ばねの設定を頻繁に調整する必要がある。
【０００５】
物体を運動可能に支持する装置として、風洞試験に用いる模型の磁力支持天秤装置がある。機体の空力的な特性を模型で得るための測定部において模型を支持体で支持することが一般的に行われてきたが、支持体自体が模型表面における空気流れに影響を及ぼすので、試験結果をそのまま模型の空力特性として採用することができない。そこで、風洞試験においては、模型を磁力で支持する磁力支持天秤装置が考案されている。模型を磁力支持することによって支持体が不要となるので、支持体が存在することに起因した模型への空力的な影響が取り除かれ、理想的な風洞試験を行うことができる。
【０００６】
磁力支持天秤装置によれば、航空機やスペースシャトルのような宇宙往復機の開発・設計に際して不可欠な、気流が機体に及ぼす影響が時間を追う毎に変化する動的特性を正確に知ることができる。動的特性が求められる場合としては、例えば、突風や気流の乱れ等のように気流の流れが変化する場合、気流の密度や温度等の特性自体が変化する場合、或いは操舵によって気流に対して航空機の姿勢が変更される場合等がある。このような状況の変化に応じて模型に作用する揚力、抗力、モーメント等の動的に変化する力を知ることで、実機の位置・姿勢角に応じた動的特性を知ることができ、そうした実機の動的特性は、航空機の翼や胴体等の外形形状、構造強度、エンジン特性、或いは操舵装置等の開発・設計に資することができる。
【０００７】
風洞模型のための磁力支持天秤装置は、模型の内部に設けられる磁石と相互作用する磁気力を生じさせるためにコイルを備えており、風洞試験において模型の周りを流れる気流が模型に作用する揚力、抗力、ピッチング（縦揺れ）モーメント等の静的又は動的な空力特性を、コイルに流す電流の大きさに置き換えて測定している。こうした空気力とコイル電流の大きさとの関係を調べて予めマップ、関数、表等の対応関係を用意しておくことにより、コイル電流を測定することで模型に作用する空力特性を知ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、地震等の外部の事象に起因して磁力支持天秤装置が振動するときに、模型は、その振動の影響によって、模型の特性に応じた挙動を示すことが考えられる。そこで、風洞試験において物体を磁力支持天秤装置によって周囲から切り離して支持していることに着目して、地震等によるどのような方向の振動も直接的に測定することを可能とする点で解決すべき課題がある。
【０００９】
この発明の目的は、この性質を利用して、磁力支持天秤装置の原理を磁力支持式振動測定装置に適用して、変位や傾斜等の３次元的振動そのものを、成分分解によって上下方向と水平方向の振動として別々に測定することなく、直接的に測定することができる振動計測方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、この発明による磁力支持式振動計測方法は、磁石を搭載した物体を磁力支持機構に設けられた磁気コイルに通電することで生じる磁気力によって浮揚支持し、前記磁力支持機構に対する前記物体の相対変位又は前記磁気コイルに関する制御量変化を計測することによって前記磁力支持機構に生じる振動を計測することから成っている。
【００１１】
また、この発明による磁力支持式振動計測装置は、磁石を搭載した物体、前記物体を浮揚支持するため通電することにより磁気力を生じさせる磁気コイルを有する磁力支持機構、及び前記物体の前記磁力支持機構に対する相対変位又は前記磁気コイルに関する制御量変化を検出する検出手段を備え、前記検出手段によって前記物体の前記相対変位又は前記制御量変化を計測することによって前記磁力支持機構に生じる振動を計測することから成っている。
【００１２】
この磁力支持式振動計測方法及び磁力支持式振動計測装置によれば、磁石を搭載した物体は、磁力支持機構に備わる磁気コイルに通電することにより生じる磁気力との磁気的相互作用によって浮揚支持される。その状態で、磁力支持機構が例えば地震の振動に曝されて振動するとき、浮揚支持されている物体は不動点として作用する、或いは振動の加速度に比例する量で振動する等、振動特性と磁力支持機構の支持特性とに関連する運動をするので、磁力支持機構から見た物体の相対変位又は磁気コイルに関する制御量変化を（装置においては検出手段で）計測するとともに、磁力支持機構の支持特性を考慮することで、磁力支持機構に作用する振動を計測することができる。この場合、磁力支持機構に対する物体の相対変位又は磁気コイルに関する制御量変化を計測することによって磁力支持機構に生じる振動を計測するので、３次元的振動そのものを、成分分解によって上下方向と水平方向の振動として別々に測定することなく、直接的に測定することができる。
【００１３】
この磁力支持式振動計測方法及び磁力支持式振動計測装置において、前記物体の質量を大きくして前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を小さくすることによって前記物体を不動点として作用させることができる。物体の質量が十分大きく且つ振動の変位が十分小さい場合には、磁力支持機構の振動に関わらず物体は不動点として作用し、磁力支持機構の振動に伴う物体の周囲の磁場の変化が少なくなる。その結果、磁力支持機構から計測される物体の相対振動は、磁力支持機構の振動の符号を反対にした振動となる。
【００１４】
この磁力支持式振動計測方法及び磁力支持式振動計測装置において、前記物体の質量を小さくすると共に前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を大きくすることによって、前記物体に作用する前記磁気力の変動量に基づいて前記磁力支持機構に生じる前記振動の加速度を計測することができる。物体の質量を小さくし且つ磁力支持機構に対する磁気力支持によるばね拘束性を高くするときは、物体の磁力支持機構に対する相対加速度を、物体の質量と磁気力変動量から求まる加速度相当量に対して無視できるので、加速度相当量を磁力支持機構の慣性系に対する加速度として直接に計測することができる。この磁気力変動量を計測する磁力支持式振動計測は、外部振動の加速度に比例した量を計測する加速度計として用いていることに相当する。
【００１５】
この磁力支持式振動計測方法及び磁力支持式振動計測装置において、前記磁力支持機構に対する前記模型の前記相対変位に起因する前記模型の周囲における磁場の変化を無くするように、前記磁気コイルに流される電流を制御する（装置においては、そうした制御装置を備える）ことができる。磁力支持機構は、本来、不安定なシステムであるので、模型の動きを検出手段で検出して模型が不安定な挙動を示さないようにフィードバック制御を行っており、更にフィードバック制御に加えて軸間干渉の軽減も図られている。しかしながら、磁力支持機構をそれに働く振動の計測に用いる場合、模型が磁力支持機構に対して変位したときに、詳細に見れば新たな場所での模型周りの磁場が変化しているので、変化した磁場に起因して模型に新たな磁気力が作用し、模型に付加的な運動が発生するおそれがある。模型に付加的な運動が発生すると、振動による相対変位が正確に計測できなくなり、誤った測定結果を生じる。そこで、磁力支持機構に作用する振動によって模型が磁力支持機構に対して相対変位を生じても、磁力支持機構に振動が作用しなかった場合と同様に模型の周りにおける磁場が変化しないように、磁気コイルに流される電流を制御する。このような電流制御によって、真の外部変動を高精度にリアルタイムで計測することができる。
【００１６】
この磁力支持式振動計測方法及び磁力支持式振動計測装置において、前記磁力支持機構に生じる前記振動は、慣性空間について直交座標系を構成する３軸の並進変位と２軸回り回転変位とを含む３次元変位である。磁力支持機構が例えば地震の振動に曝されて慣性空間内で変位すると、完全に浮揚支持される模型と磁力支持機構との相対位置・角度が変化する。その相対変位は、慣性座標のｘ，ｙ，ｚから成る３軸の並進変位と、３軸（ピッチ軸、ヨー軸及びロール軸）回りの回転変位である。いずれの変位も模型と磁力支持機構との相対変位又は制御量変化として電気的信号の形で計測することができる。
【００１７】
上記磁力支持式振動計測装置は、前記磁力支持機構を回転振動する対象物に取り付けることにより、前記磁力支持機構に生じる静的又は動的な傾斜を計測する傾斜計として適用することができる。磁力支持式振動計測装置は回転変位をも計測可能であるので、磁力支持式振動計測装置を回転振動する対象物に取り付けることにより、傾斜計として磁力支持機構に生じる静的又は動的な傾斜を計測することができる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明による磁力支持式振動計測方法又はその装置は上記のように構成されており、慣性物体は支持体に依存することなく磁気的に浮揚支持されているので、一つの磁力支持機構だけで振動や傾斜等の３次元的変位そのものを成分分解することなく直接的に測定することができる。また、例えば、地震計として適用するときには、地震波を３次元波面として捉えることが可能になり、断層測定、地殻の研究等、多方面にわたる調査・研究の進展に資する計測器として用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付した図面に基づいて、この発明による磁力支持式振動測定方法及び装置の実施例を説明する。図１は、この発明による磁力支持式振動測定装置の概要を示す斜視図であり、図２は磁力支持式振動測定装置に用いることができる制御ブロックの一例を示すブロック図である。図１に示す磁力支持式振動測定装置１は、風洞試験に用いる模型の磁力支持天秤装置の原理を応用して構成されており、物体１０を磁力支持する磁力支持機構２０自体の位置や姿勢についての振動（変位や傾斜、速度又は加速度）を測定することを可能にするものである。
【００２０】
図１を参照して、磁力支持式振動測定装置の概要を説明する。図１は磁力支持機構を備えた磁力支持式振動測定装置、及び磁力支持機構に付設される計測系と制御系の概要を示す斜視図である。図１に示す磁力支持式振動測定装置１は、アルミ等の非磁性材料で所望の形状に成形されている物体１０を磁気の力で浮揚支持するために磁力支持機構２０を備えている。物体１０の内部には、磁化された物質、超伝導コイルのような電流を流し続けるコイル、或いは永久磁石等から成る強力な円柱状の磁石体が搭載される。物体１０の磁石体にはその周りに配置したコイルに通電することにより生じた外部磁場との磁気作用によって磁気力が生じる。磁力支持式振動測定装置１に振動が作用していない場合、この磁気力によって、物体１０を重力に抗して磁気的に浮上支持させることができる。
【００２１】
磁力支持機構２０は、風洞試験に用いられる磁気支持天秤装置の磁気コイルや磁気回路をそのまま転用した構成を有している。物体１０に力を作用させるための磁場は、磁気支持コイルとしてのコイル２２〜２５とコイル２６〜２９とから成る二つの磁気回路、及びその外側に配置された同じく磁気支持コイルとしてのコイル２１，３０によって発生される。磁気回路の各コイル２２〜２９に流れる電流を調節することにより、磁気回路内のｙ−ｚ面内での磁場の強さと方向及びそれらのｘ軸方向の変化率を連続的に変化させることができる。また、コイル２１，３０に流れる電流を調節することによりｘ軸方向磁場の強さのｘ軸方向で見た変化率を制御することができ、都合６軸の制御が可能である。即ち、磁気回路のコイル２２〜２９は、物体１０に働く揚力、横力と縦揺れモーメント、偏揺れモーメント、横揺れモーメントとに対抗する磁気力を与える揚力用コイル、横力用コイルとして機能し、コイル２１，３０は、物体１０にｘ軸方向に流体流れがあるとしたときに物体１０に働く抗力に対抗する磁気力を与える抗力用コイルとして機能している。なお、コイル２１，３０は、風洞試験用のものを転用したために気流を流れを許容する空芯コイルの形態を採っているが、振動変位の計測には空芯でない通常の電磁石であってよい。
【００２２】
磁力支持式振動測定装置１には、物体１０とコイル２１〜３０の他に、各コイルを駆動する電源系、磁力支持機構２０に対する物体１０の位置と姿勢とを計測する計測系、及び物体１０の位置と姿勢とを制御する制御系が組み込まれている。図１に示すように、計測系であるセンサ（カメラ）３３が検出した物体１０の磁力支持機構２０に対する相対的な位置姿勢変位に関する計測データは、パーソナルコンピュータ等の計算機３４に送信され、計算機３４での演算結果がアンプ３５によって増幅した後、各コイル２１〜３０に、上記相対的な変位を解消させるに必要な制御された指令電流として供給される。この指令電流を測定することによって、物体１０に作用している磁気力も推定することができる。
【００２３】
磁力支持機構２０は、本質的に不安定なシステムであるので、常に、フィードバック制御が行われている。即ち、指令電流によって物体１０に磁力が作用し、その結果、出力として物体１０の状態変数である位置・姿勢角に変化が表れる。物体１０の位置・姿勢角は、計測系であるセンサ３３によって検出され、検出値に応じて制御装置である計算機３４が指令電流を出力することで、フィードバック制御が行なわれている。
【００２４】
従来の制御において用いられる座標系は、図１に示すように、風洞測定部中心を原点とし、流れの上流方向をｘ軸（逆抗力方向）、鉛直上方（揚力方向）をｚ軸、これらの軸と右手系を作る軸をｙ軸と定め、ｘ軸回りのロール角、ｙ軸回りのピッチ角、ｚ軸回りのヨー角をそれぞれ、φ，θ，ψとしている。これらの軸方向の磁気力及び軸回りのモーメントを作用させるために、表１に示すようにコイルを組み合わせている。表１に記載したコイル番号は、図７に示すコイルに付した番号に対応している。
【表１】
2005195330.tif 000003
【００２５】
慣性系における磁力支持機構２０の位置をｒａ（ベクトル量）、慣性系における浮揚物体１０の位置をｒｂ（ベクトル量）、磁力支持機構２０に備わるセンサ３３で計測した浮揚物体１０の位置（センサ３３で計測した測定値）をｒｃ、物体１０の質量をｍ、物体１０に作用している磁気力をＦｍ、物体１０に作用している重力をＦｇとすると、
物体１０と磁力支持機構２０との位置関係は、次の式（１）で表される。
【数１】
2005195330.tif 000004
物体１０運動方程式は、次の式（２）で表される。
【数２】
2005195330.tif 000005
式（２）の十分に長い期間で平均を取れば、重力の変化はないとすることができるので、次の式（３）が得られる。ここで、上部の横棒は平均操作を施した結果を示す。
【数３】
2005195330.tif 000006
式（１）〜（３）から、次の式（４）が得られる。
【数４】
2005195330.tif 000007
ここで、ｒｃとＦｍ等は、計測又は評価可能な量であるから、地震を計測する場合、結局、式（４）の左辺である慣性系に対する磁力支持機構２０の位置ｒａの変化として、地震の振動を測定することができる。
【００２６】
上記式（４）において、磁気力変動量に対して物体１０の質量ｍが非常に大きい場合には、右辺第２項を第１項に対して無視することができる。左辺で示される慣性系における磁力支持機構２０の位置の変動は、即ち、地震による振動であるが、このとき、その振動変位は右辺第１項として残る量、即ち、センサ３３で計測した物体１０の位置変化の反対符号として得ることができる。この状態は、物体１０の慣性が非常に大きくて実質的に不動点を形成していることに相当する。物体１０が不動点を形成するとすれば、振動する磁力支持機構２０から見た物体１０の動きは、磁力支持機構２０の振動を直接観測（ただし、振動方向について符号反転）することになることと符丁が一致する。風洞試験における磁気支持天秤装置では、模型の重さが重いと共に模型を空間に磁気的に固定する仮想上のばねのばね定数が小さい場合が多く、振動を測定するに転用するに際しては、この仮想上のばね定数が小さいことが有利である。
【００２７】
一方、上記式（４）において、磁気力変動量に対して物体１０の質量ｍが非常に小さい場合には、右辺第１項が第２項に対して無視することができる場合があり得る。このとき、右辺第２項で表される量は、左辺で示される慣性系における磁力支持機構２０の位置の２回微分であるから、地震の加速度を表している。計測可能な磁気力の平均値からの変化量として、地震の加速度を測定することができる。
【００２８】
磁力支持式振動測定装置１において通常の地震計の機能を得るには、上記のように物体１０の質量ｍや物体１０を支持し続けるための磁気力変動量について、この両極端な場合となるように条件を設定することになる。更に、磁力支持式振動測定装置１においては、センサ３３の出力と磁気力との両方を計測できるので、上記両極端な条件の中間的な条件の場合でも、正確に地震波を計測できる。
【００２９】
地震等の外部振動を高精度で測定するには、その外部振動に起因する物体１０と磁力支持機構２０との相対変位によって物体１０の周りの磁場の変化を考慮する必要がある。磁場の変化は物体１０に新たな磁気力を作用させて、物体１０に付加的な運動を惹起させる。そうした磁場の変化を取り除くためには、本発明者らによって発明され且つ先に特許出願として出願された発明である風洞装置等において模型を磁気力で浮揚支持する「磁力支持模型の軸間干渉軽減制御方法及び装置（特願２００３−１４９９６９）」の技術が適用可能である。即ち、相互干渉する二つの軸（回転軸も含む）について、一方の軸方向の変位に起因して生じる他方の軸方向の変位に関する干渉量を予め評価しておき、他方の軸についての指令電流を一方の軸方向の変位と前記干渉量の評価に基づいて定められる修正電流で修正する技術が応用される。
【００３０】
図２には、図１に示す磁力支持式振動測定装置に用いることができる制御ブロック図の一例が示されている。磁力支持機構２０の制御システムは、本来、不安定であるため、物体１０の位置・姿勢角についてフィードバック制御が図２に示される制御システムで行われている。即ち、現在値（状態変数）としての位置・姿勢角Ｙ（ｘ，ｙ，ｚ，φ，θ，ψ）に基づく信号と、目標値設定器２における位置・姿勢角の各目標値Ｒとの偏差Ｅが伝達関数Ｋを持つＰＩ制御器（比例積分コントローラ）３に入力されて制御量が計算される。計算された制御量は、更にバイアス付与器４によるバイアス電流Ｂが付加された後、Ｄ／Ａ変換やアンプ増幅を適宜受けた後、指令信号Ｕとして、磁力支持機構２０のコイル２１〜３０（図１参照）から成り且つ伝達関数Ｇｃを持つコイル系（磁力支持機構２０）に供給される。バイアス電流Ｂは、物体１０が重力と釣り合うために必要な電流値である。磁力支持機構２０が生成する磁場は、磁石体との相互作用によるコイル磁気力として物体１０に作用する。地震等の外部振動がシステムに作用した場合、物体１０には、磁力支持機構２０から見て相対的に地震波（加振力）ｄが作用するが、制御システムにおいては、地震波はノイズ源５として捉えて処理される。
【００３１】
光学的なセンサ３３（図１参照）が、物体１０の現在値としての位置・姿勢角Ｙを検出する。検出された位置・姿勢角Ｙにはノイズ混入があるため、ノイズ除去用に６０Ｈｚ程度の適当なカットオフ周波数を持ち、伝達関数Ｈｎで表されるノイズカットフィルタ１１にかけられる。センサ３３は、ＣＣＤセンサのような電荷の蓄積に要する時間として検出から出力までに６ミリ秒程度の遅延時間（むだ時間）Ｌがある（その伝達関数Ｈｓ）ため、検出された物体１０の位置・姿勢角の情報は実際にその瞬間の位置・姿勢角とは異なる。また計算機３４はコイル電流やコイル電圧といったコイル２１〜３０に供すべき指令電流Ｕの計算に時間を要するため、力を作用させようとする瞬間には物体１０の位置・姿勢角は更に変動している。そのため伝達関数Ｈｐ（ｓ）で表される二重位相進み器１２が、これらの時間遅れを補償するのに用いられている。二重位相進み要素１２を経るときの位相の二重進みが、システムの安定性に重要な役割を果たしている。偏差Ｅは、この補償された位置・姿勢角信号と目標値Ｒとの差で計算される。このように、磁力支持機構２０は、検出された物体１０の位置・姿勢角Ｙに基づいて、物体１０の位置・姿勢角についてのフィードバック制御を行っている。振動の更なる高精度測定を行う場合には、磁場のフィードバック制御を行うために、図示の位置に、磁場補正用の回路要素として伝達関数Ｋを持つ補助制御系１３が配設される。
【００３２】
コイル系である磁力支持機構２０においては、物体１０の振動に基づく相対位置はセンサ３３で検出されるが、磁気力の制御量変化としても計測可能である。磁気力の制御量は、具体的には、式（４）における磁気力Ｆｍのことであり、磁気力Ｆｍを定めるコイル電流は、図１と上記表１に基づいて計測可能である。図２の制御ブロック図では、磁気力の制御量は磁力支持機構２０の直前の指令信号Ｕに基づいて定められる。地震波の評価は、式（４）に基づいて行うことができる。既存の地震計が水平方向と垂直方向とに成分分解して測定していたのに対して、磁力支持式振動測定装置１によれば振動を空間的な一つの振動として捉えることができる。また、水平・垂直の２方向に機械的に分離していたことによる不確定な誤差の侵入を回避することができる。地表面の傾斜変化や水平内方向変化等の角度変化も、例えば、火山活動による地殻変動で観測されるものであるが、本磁力支持式振動測定装置１によれば、こうした傾斜や角度変化も物体１０の姿勢角変化として測定することができる。この場合、物体１０については質量ｍの代わりに慣性モーメントを、また運動方程式は、慣性モーメントに角加速度を乗じたものが磁気力のモーメントに釣り合う式となるが、式の処理等は、加速度−磁気力の場合と同様である。
【００３３】
振動計を、不動点を形成する振動計か或いは加速度計として用いるかは、重り（質点）を支持するばねの硬さに依存する。このばねの硬さは、磁力支持式振動測定装置１においては、ＰＩ制御器３の伝達関数に現れる比例定数部分Ｋｐに相当する。比例定数部分Ｋｐは、物体１０の設定位置からのずれ量に比例した磁気力（結局はコイル電流）を発生して、物体１０の変位位置を元に戻す制御をする係数である。比例定数部分Ｋｐを調整することで、磁力支持式振動測定装置１の作動態様を変更することができる。また、加速度計の場合には、式（４）のＦｍを大きくすることに相当するので、比例定数を大きくすることに対応している。このように、空気力評価の天秤技術を適用すれば、磁気力（磁気力によるモーメント）を作用させなかった場合の物体１０の仮想的な運動、即ち、真の外部変位を高精度にリアルタイムに推定することができる。
【００３４】
図３〜図５に基づいて、磁力支持機構に振動を付加したときの測定結果を示す。風洞試験に用いる磁力支持天秤装置がそのまま磁力支持式変位測定装置の磁力支持機構に利用されている。風洞試験中に測定が行われたので、測定結果には物体１０への空気流れの影響が含まれている。図３〜図５は、実際に空気流れを作った低温風洞内に磁力支持機構２０を配設し、磁力支持機構２０の内部に物体１０を置き、磁力支持機構２０に３次元振動を印加したときの検出データを示している。
【００３５】
図３は、横軸に周波数を、縦軸に大きさをそれぞれ対数表示したグラフであり、この例では、周波数４０Ｈｚに鋭いピークを持つＸ軸方向の振動を検出したときの例を示している。図４は、同様に、Ｙ軸方向の振動を検出したときの例を示している。Ｙ軸方向の振動検出感度は、約１００００倍近い値である。通常の地震計はＹ軸方向の感度は１０万倍〜１００万倍であるところ、それに比較すると低倍率であるが、実用上は差し支えない。図５は、同様に、Ｚ軸方向の振動を検出したときの例を示している。
【００３６】
Ｙ軸方向の振動１とすると、Ｘ軸方向の振動の大きさは１／１０、Ｚ軸方向の振動の大きさは１／１００程度と推定することができる。低温風洞は上下が拘束されているので、振動が抑えられている。また、共通して見られる低周波数領域での振動は、気流の効果、及び制御と空気力との干渉によるものと推定される。
【００３７】
図６及び図７には、磁力支持式振動測定装置が実際に測定した地震振動の一例が示されている。図６（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれこの発明による磁力支持式振動測定装置がｘ，ｙ，ｚの３軸について実際に地震振動を測定した測定結果の一例を示すグラフである。ｘ軸は東西方向を示し、ｙ軸は南北方向を示し、ｚ軸は鉛直方向を示す。また、図中、（イ）は地震時のデータを、（ロ）は地震でない時のデータを示す。この測定結果から、この地震振動はｘ軸方向の振動が他の軸方向の振動と比較して強い地震であったことが判る。図７は、この地震振動においてｙ軸（南北）方向の地震振動成分のスペクトル解析結果を示すグラフである。図７においても、（イ）は地震時のデータを、（ロ）は地震でない時のデータを示す。図７からは、１〜１０Ｈｚの振動周波数が主要な周波数であったことが判る。図８は、磁力支持式振動測定装置が測定した図６に示す振動の地震を、専用の地震計が測定した測定結果の一例である。この地震は、２００３年１０月１５日１６時３０分に、北緯３５．６度、東経１４０．１度、深さ８０ｋｍを震源とするマグニチュード５．０の地震である。上部の地震波形は南北方向の振動を、中央の地震波形は東西方向の振動を、そして下部の地震波形は上下方向の振動をそれぞれ表している。いずれも横軸は時間（秒）を、縦軸は対応する方向の加速度（単位、ガル）を表している。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明については、上記のように地震計を例に採って説明したが、本発明による変位計はこれに限ることなく、加速度計、振動計、傾斜計等の位置や角度の変位を計測する如何なる用途にも適用可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明による磁力支持式変位測定装置の概要を示す斜視図である。
【図２】図１に示す磁力支持式振動測定装置に用いることができる制御ブロック図の一例を示すブロック図である。
【図３】この発明による磁力支持式測定装置の磁力支持機構に振動を付加したときのＸ軸方向の測定結果を示すグラフである。
【図４】図３に対応したＹ軸方向の測定結果を示すグラフである。
【図５】図３に対応したＺ軸方向の測定結果を示すグラフである。
【図６】この発明による磁力支持式振動測定装置が直交３軸について実際に地震振動を測定した測定結果の一例を示すグラフである。
【図７】この地震振動において南北方向の地震振動成分のスペクトル解析結果を示すグラフである。
【図８】磁力支持式振動測定装置が測定した図６に示す地震の振動を専用の地震計が測定した測定結果の一例である。
【符号の説明】
【００４０】
１  磁力支持式振動測定装置          ２  目標設定器
３  ＰＩ制御器                      ４  バイアス付与器
１０  物体
１１  ノイズカットフィルタ          １２  二重位相進み器
１３  補助制御系
２０  磁力支持機構
２２〜２５，２６〜２９コイル        ２１，３０  空芯コイル
３３  センサ              ３４  計算機            ３５  アンプ
ｘ，ｙ，ｚ  直交位置座標
φロール角            θピッチ角            ψヨー角
ｒａ（ベクトル量）  慣性系における磁力支持機構２０の位置
ｒｂ（ベクトル量）  慣性系における浮揚物体１０の位置
ｒｃ  センサ３３で計測した浮揚物体１０の位置
ｍ  物体１０の質量
Ｆｍ  物体１０に作用している磁気力    Ｆｇ  物体１０に作用している重力
Ｙ  位置・姿勢角                Ｒ  目標値                Ｅ  偏差
Ｂ  バイアス電流                Ｕ  指令信号              ｄ  地震波（加振力）  Ｇｃ  磁力支持機構２０（コイル系）の伝達関数
Ｈｎ  ノイズカットフィルタの伝達関数      Ｈｓ  センサ３３の伝達関数  
Ｈｐ  二重位相進み器１２の伝達関数        Ｋ    補助制御系１３の伝達関数
【図１】
2005195330.tif 000008
【図２】
2005195330.tif 000009
【図３】
2005195330.tif 000010
【図４】
2005195330.tif 000011
【図５】
2005195330.tif 000012
【図６】
2005195330.tif 000013
【図７】
2005195330.tif 000014
【図８】
2005195330.tif 000015