JPH07209322A

JPH07209322A - 微小振動・加速度検知センサ

Info

Publication number: JPH07209322A
Application number: JP6006580A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Kawasaki; 秀一川崎
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-01-25
Filing date: 1994-01-25
Publication date: 1995-08-11

Abstract

(57)【要約】【目的】微小重力環境において、メテオロイド／デブ
リの衝突等に原因する振動の位置・程度の検知・把握及
び対応策の設定を可能とする。【構成】微小重力環境にある振動体１にマトリクス状
に振動センサ２を配置し、振動データを収集し、コンピ
ュータ５に供給する。コンピュータ５は振動のスペクト
ルを分析し、ニューラルネット部で分析されたスペクト
ルに基づいて振動源を特定し、ファジィ制御部で有害振
動を低減するようにアクチュエータ６を駆動し、振動を
低減する。コンピュータ５はアクチュエータ６を駆動し
た結果を取り込み、この結果をニューラルネット部及び
ファジィ制御部で学習し、次回の振動発生時に備える。
振動センサ２は、微小重力空間に浮遊配置された反射体
と、反射体にエネルギーを照射する出力器と、反射エネ
ルギーを受信し、反射エネルギーの動きから振動体の振
動の性質を測定する受信器を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は宇宙ステーション、人
工衛星、宇宙航行機、地上の微小重力環境システム等の
微小重力環境において使用される機器の微小重力環境を
破壊する振動を検知する、例えば人工衛星の姿勢制御、
メテオロイド（流星体、 meteoroid）やデブリ（debri
s）等の物体との衝突、衝突位置や衝突の程度を検出す
る微小振動・加速度検知センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、宇宙ステーション、スペースシャ
トル等の宇宙ミッションを用いて各種の実験や通信サー
ビスが提供されている。この宇宙ミッションの最重要課
題の１つとして、微小重力（μ−Ｇ：例えば、１×１０
5 Ｇ以下）環境の確保があげられる。

【０００３】しかし、このような微小重力環境は種々の
原因で発生する振動等により破壊される。例えば、宇宙
ステーションへのメテオロイドやデブリの衝突により、
簡単に破壊されてしまう。

【０００４】又、このようなメテオロイドやデブリによ
る衝突等における、振動エネルギー、振動数、振幅等、
任意の振動、衛星等の加速度を超微小レベルまで正確に
検知するセンサは存在しない。レーザ・ジャイロ等も電
力・マスを要し、検知能力に限界がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、μ−
Ｇ環境下での各種振動・加速度を把握する手法はいまだ
確立されていないのが実情である。例えば、従来の振動
（加速度）センサは、ピエゾセンサ、レーザジャイロ
等、スプリング及びダンパー等の固有のダンピング特性
を持つ物質により支持される振動子の動きを計測するこ
とにより、振動（加速度）を計測する。しかし、このよ
うなセンサは検知振動の周波数等に制限を持つと共に微
小重力環境では正確に振動・加速度を検出できないとい
う問題がある。

【０００６】又、この種の問題は、地上或いは航空機等
に設けられた微小重力環境システムにおいても同様であ
る。この発明は前記実情に鑑みてなされたもので、微小
重力環境下での微小振動振動・加速度、例えば宇宙ステ
ーション等への物体の衝突、衝突位置、衝突の程度等を
正確に検出し得る微小振動・加速度検知センサを提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】又、この発明に係る第１
の微小振動・加速度検知センサは、微小重力空間（周囲
は真空、又は任意のガス等）に浮遊して配置され、レー
ザ光、各周波数の光、電磁波、音波等の所定のエネルギ
ーを既知の特性により反射する任意面体（１面〜∞面
（＝球））の反射体と、振動体（宇宙ステーション構造
物等）に固定され、前記反射体に向けて前記所定のエネ
ルギーを照射する出力手段と、前記振動体に固定され、
前記反射体からの反射エネルギーを受信し、前記反射エ
ネルギーの動きから前記振動体の微小振動・加速度（加
速度、振幅、周波数等）を検出する検出手段とを具備す
ることを特徴とし、更に、前記検出手段は、前記反射体
に予め設けられた文字、記号等の印を読み取ることによ
り、又はレーザ／光等の干渉縞を利用して前記振動体の
微小振動・加速度を検出する。尚、前記反射体は、任意
のガス、液体、固体、金属等により支持される場合も含
む。

【０００８】又、この発明に係る第２の微小振動・加速
度検知センサは、微小重力環境下での振動を連続的に検
出する振動センサであって、微小重力空間に浮遊して配
設され、その特性が既知の透過屈折体と、この透過屈折
体の一方の側に配設され、振動の被検体である構造体に
固定され、光線を照射する照射手段と、この照射手段に
対向して前記透過屈折体の他方側に配設され、前記構造
体に固定され、前記照射手段が照射した光線を前記透過
屈折体を介して受光する受光手段とを具備することを特
徴とし、前記透過屈折体に予め設けられた文字、記号等
の印を読み取ることにより、又はレーザ／光等の干渉縞
を利用して前記振動体の微小振動・加速度を検出する。
但し、透過屈折体とは、レンズやプリズムを含む。尚、
前記透過屈折体は、任意のガス、液体、固体、金属等に
より支持される場合も含む。

【０００９】更に、前記第１及び第２の微小振動・加速
度検知センサは、前記反射体又は前記透過屈折体を電磁
誘導により位置決め制御を行なう制御手段を具備するこ
とを特徴とする。

【００１０】又、この発明に係る第３の微小振動・加速
度検知センサは、真空空間又は、ガス、液体、固体、金
属等の既知の特性を有する物質により成る空間に配置さ
れ、既知の特性に基づいた所定の信号応答性を有する複
数の浮遊体（反射／透過屈折体）と、被検体に固定さ
れ、前記浮遊体に対し、予め定められた周波数の信号を
送出する信号送出手段と、前記被検体に固定され、前記
信号送出手段により送出された信号に対する前記浮遊体
の応答信号に基づいて前記被検体の定常運動を検出する
と共に、前記被検体の異常運動を検出する検出手段と、
この検出手段により検出された前記被検体の定常運動に
基づいて前記浮遊体を所定範囲の空間に保持するよう、
電磁誘導を用いてアクティブ制振及び位置決めを行なう
保持手段とを具備することを特徴とする。

【００１１】更にこの発明において、前記検出手段は、
前記反射／透過屈折体に設けられた文字、記号等の印を
読み取ることにより、又はレーザ／光等の干渉縞を利用
することにより前記被検体の微小振動・加速度を検出す
る。

【００１２】又、この発明に係る微小振動・加速度検知
センサを適用した微小振動・加速度検知システムは、微
小重力環境下に置かれた振動体（宇宙ステーション等）
にライン状、マトリクス状等に配置された複数の振動セ
ンサと、前記振動センサにより検出された振動データを
収集し、振動スペクトルを分析する分析手段と、前記分
析手段により分析された振動スペクトルに基づいて振動
源を特定するニューラルネットワーク部と、前記振動体
に配置されたアクチュエータと、前記振動センサにより
検出された振動のエネルギーと前記ニューラルネット部
により特定された振動源に応じて、有害振動を低減する
ように前記アクチュエータを駆動制御し、及び／又は、
振動要因を削除するファジィ制御部とを具備することを
特徴とする。

【００１３】

【作用】前記構成の第１の微小振動・加速度検知センサ
は、任意面体の反射体を無重力環境、又は既知の特性を
有する物質中に浮かせた無振動状態とする。そして、出
力手段がこの反射体にエネルギーを照射する。出力手段
と受信手段は振動体と共に振動するが、反射体は振動し
ない。従って、受信手段により、エネルギーの振れを測
定することにより、微小の加速度／振幅／重力等を検知
できる。反射体は無支持の為、検知振動の性質（加速
度、振幅、周波数等）の測定範囲に制限を受けない。
尚、前記反射体には予め文字、記号等の印が施されてお
り、この印を読み取ることにより微小振動・加速度が検
知されるか、又はレーザ／光等の干渉縞に基づいて検知
される。

【００１４】又、前記構成の第２の微小振動・加速度検
知センサは、照射手段と受光手段は構造体に固定されて
いるため、構造体が振動する場合、構造体と共に振動す
るが、透過屈折体は微小重力空間（真空）、又は既知の
特性を有する物質中に浮遊しているために振動しない。

【００１５】前記照射手段により照射される光線は透過
屈折体に入射し、この透過屈折体の有する曲面形状、多
面体形状、又は平面と曲面を組み合わせた形状等に応じ
て屈折・収束して透過し、受光手段により受光される。
前記構造体が振動している場合、前述したように透過屈
折体は静止しているため、受光手段の受光面における受
光位置は、構造体の振動と透過屈折体の特性に対応した
状態で前記構造体が静止している場合の受光位置から変
位する。

【００１６】前記受光手段の受光面における光線の受光
位置はコンピュータに入力される。このコンピュータ
は、既知である透過屈折体の形状等により定まる特性を
用い、光線の受光位置から構造体の振動の加速度、振
幅、周波数等を算出し、出力する。尚、前記透過屈折体
には予め文字、記号等の印が施されており、この印を読
み取ることにより微小振動・加速度が検知されるか、又
はレーザ／光等の干渉縞に基づいて検知される。これに
より、微小重力環境下において、構造体の微小な振動を
も検出することができる。

【００１７】又、前記第１及び第２の微小重力振動セン
サを複数個組み合わせることにより、１つのセンサがキ
ャリブレーション時でも連続して振動・加速度の検知が
可能となる。

【００１８】又、前記反射体や透過屈折体を、任意のガ
ス、液体、固体、金属等により支持することにより、前
記微小振動・加速度センサを地上においても適用可能と
することができる。

【００１９】尚、アクティブ制御による静止手段は、前
述した反射体や透過屈折体を無重力空間に静止させる。
これにより、反射体や透過屈折体を反射又は透過し、受
信手段又は受光手段により受信／受光されるエネルギー
や光線の受信位置／受光位置の変位範囲を所定の範囲内
に抑えることができる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。この発明の一実施例に係る宇宙ステーションを
図１に示す。図１に示されるように宇宙ステーション１
の機体の外周面及び船内には、所定の間隔でマトリック
ス状に多数の振動センサ（３次元加速度センサ）２が貼
着されている。

【００２１】各振動センサ２は、メテオロイドの衝突等
の要因により生起される宇宙ステーション１の機体の振
動を検知するもので、検出した振動のデータは同軸ケー
ブル、ツイストケーブル若しくは光ファイバー等からな
る伝送路３を介して、ＤＩＵ（Data Interface Unit ）
サンプリングユニット４に集められ、このＤＩＵサンプ
リングユニット４を介してコンピュータ５に供給され
る。

【００２２】コンピュータ５は、各振動センサ２が送出
するデータに基づき、微小重力（μ−Ｇ）の破壊の程
度、要因を検出する。更に、コンピュータ５は検出され
た振動を相殺するために、機体に設けられたアクチュエ
ータ６を選定し、駆動する。必要に応じて、コンピュー
タ５は要因（振動発生源）の削除或いは要因の低減も行
なう。コンピュータ５はアクチュエータ６を駆動した結
果及び要因の削除又は低減の結果を振動センサ２からの
連続的な振動検知により把握する。

【００２３】コンピュータ５による一連のシステム解析
のフローを図２に示す。図２のブロック（ａ）にて、各
種規準、例えば、図４に示すＮＡＳＡ（米国航空宇宙
局）の規定に基づいて、振動の初期閾値を振動センサ２
毎に設定する。

【００２４】次に、ブロック（ｃ）に示すクルーの作
業、各種モ−タの駆動、スペースシャトルの接合、メテ
オロイドやデブリの衝突等の有害振動発生要因により生
じる振動を、振動センサ２で検知し、スペクトル分布を
求める。次に、作成されたスペクトル分布と初期閾値を
ブロック（ｂ）に示されるように重ね合わせ、合成デー
タを得る。

【００２５】ブロック（ｂ）で生成された合成データ
は、ブロック（ｄ）で示すメモリに蓄える。ブロック
（ｅ）は検出した振動スペクトルと初期閾値を比較する
等して振動の主要因を抽出する。具体的には、合成デー
タのうち、突出部のスペクトルを検出し、各スペクトル
を有する振動の主要因を特定する。このブロック（ｅ）
は、ソフトウエア的に構成されたニューラルネットワー
クにより構成される。

【００２６】ブロック（ｅ）で求められた主要因による
振動を低減する為、ブロック（ｆ）にて、有害振動を相
殺するために有効なアクチュエータ６の選択及び選択さ
れたアクチュエータ６の制御量を算出する。又、アクチ
ュエータ６の駆動のみでは有害振動を所定レベル以下に
低減できない場合、要因となっているクルーの運動や機
器の運転を調整する指令を出す。

【００２７】ブロック（ｆ）での算出に基づいて、ブロ
ック（ｇ）がアクチュエータの選択、制御量の調整、有
害振動の要因となっている機器の運転制御の指令、要因
となっているクルーの運動や機器の運転を調整する指令
を出力する。このブロック（ｇ）はファジーロジックに
より構築される。

【００２８】ブロック（ｇ）の指令に基づいて、ブロッ
ク（ｈ）にて実際にアクチュエータ６に制御信号を送
り、アクチュエータ６を制御する。又、ブロック（ｇ）
は、ミッション・スケジュールデータを元にフィードフ
ォワード制御で、予定されたスケジュールに従って発生
すると予想される振動を減少するように、アクチュエー
タ６を選択して制御する。又、必要な警報を出力する。

【００２９】これらの一連の制御の結果は、ブロック
（ｆ）及びブロック（ｇ）に相当するソフトウェアをも
う１度通して分析し、ブロック（ｄ）にデータとして蓄
積する。即ち、アクチュエータ６を駆動した後、再び機
体の振動を振動センサ２で検出し、振動要因を検出し、
有害振動を相殺するために有効なアクチュエータ６の選
択及び制御量を算出等を行い、更に、アクチュエータの
選択、制御量の調整、有害振動の要因となっている機器
の運転制御の指令等を出力し、これをブロック（ｄ）に
データとして保存する。

【００３０】ブロック（ｄ）に蓄積されたデータと、初
期閾値及び要因を比較することにより、次回各要因によ
り発生する有害振動に対し更に効果的な制御を行なう
様、ブロック（ｆ）で設定される補償動作（制御量等）
を再設定する。即ち、学習させる。又、メテオロイドや
デブリの衝突による振動については、特殊振動として分
類し、データとして蓄積すると共に宇宙ステーション、
スペースシャトルのクルー、又は、地上へ指令する。

【００３１】図３は、このシステムのソフトウェアのフ
ローと構成を示す。図３において、Ａ部はデータ入力部
分を示し、振動センサ２による振動データの検出及びミ
ッションスケジュール（スペースシャトルの運行予定、
ドッキングの等）、モータ等のシステム内の振動源の状
況を示すデータを入力し、チェック及び整理する。

【００３２】Ｂ部はニューラルネットワーク・ルーチン
であり、スペクトル解析、振動モード解析を行い、要因
の分類、閾値カーブの作成を行う。又、Ｂ部は後述する
Ｃ部よりフィードバックされたデータを検討し及び新し
い閾値カーブを作成（計算）し、そのデータを記憶装置
に記憶させる。

【００３３】Ｃ部は、ファジィ推論ルーチンであり、Ｂ
部のニューラルネットワーク部の要因分析及び閾値カー
ブに基づいて、警報又はアクチュエータの稼働の度合を
判断すると共にそのデータを保存する。更に、Ｃ部で
は、判断結果に基づいて、振動要因源の運転を調整し
（例えば、モータやポンプの回転を下げ）、及び／又
は、アクティブ制御用のアクチュエータの制御量を設定
し、更に、警報を発令する。又、Ｃ部では、Ａ部で入力
したミッション・スケジュールデータを元にフィードフ
ォワード制御で、予定されたスケジュールに従って発生
すると予想される振動を減少するように、アクチュエー
タ６等を制御する。

【００３４】このような構成によれば、ニューラルネッ
トワーク部及びファジィ部を構成するソフトウェアの学
習・予測機能により、このシステムの地上での開発時
に、検証できない宇宙環境についても、宇宙へ打ち上げ
後のデータ集積を経験値として、システムに応用でき、
システム性能が宇宙空間で向上する。又、地上又は航空
機等に設置された微小重力環境システムにおいても、微
小重力環境を破壊する有害振動の発生原因を特定し、低
減することができる。

【００３５】次に、前記実施例において使用される振動
センサの第１例の構成及び動作をを図５及び図６を用い
て具体的に説明する。この実施例にかかる振動セン２サ
は、任意面体（１面〜∞面（球）、但しこの実施例にお
いては６面体）の反射体１０と、反射体１０に光を照射
するレーザ照射器１１と、反射体１０で反射されたレー
ザ光を受光するレーザ受光器１２、更に、反射鏡１０を
保持するための支持機構１３から構成される。レーザ照
射器１１、レーザ受光器１２、及び支持機構１３は宇宙
ステーション１の機体に固定されている。又、反射体１
０の全ての角部には反射体角部保護材４６が設けられて
いる。

【００３６】図５は、反射鏡１０を支持機構１３にて固
定した状態を示す。尚、複数個以上のレーザ照射器１１
を設ける場合、照射するレーザ光の周波数、波長（色）
は、異なるように設定可能とし、受光器１２による読み
取りの誤りを無くす。

【００３７】図６は、この振動センサ２の微小重力環境
下での稼働状態を示す。支持機構１３は反射体１０を無
重量空間に浮かせた状態、又はガス、液体、固体等によ
り支持された状態とする。

【００３８】但し、電磁界、電磁波によるアクティブ制
振、即ち、反射体又は透過屈折体に金属片、セラミック
等の誘磁体を設置し、高指向性磁射器により位置決めを
行なう。又、ガスを封入する場合、誘磁体／磁射器の
他、アクティブ制振（スピーカー、マイク）機能等によ
り、初期段階、又は継続的、又は断続的に反射体１０を
所定の範囲内に動かし或いは振動を停止させるようにし
てもよい。このように、反射鏡１０のガス内固有振動又
は回転による検知波のずれを抑制しつつ、検出信号をフ
ィルタにかけることにより、反射体１０の三次元位置制
御を行いつつ振動を検出することが可能である。尚、ア
クティブ制振等は、稼働（使用）状態と不稼働状態を選
択できるようにしてもよい。

【００３９】図６において、レーザ照射器１１により照
射されたレーザ光は反射体１０により反射され、レーザ
受光器１２に受光される。尚、照射器１１から反射鏡１
０を介して受光器１２に至るまでの間に他の反射鏡を一
枚以上設置し、光の経路を延長し、振動の検出能力を向
上させることもできる。レーザ受光器１２は受信光に基
づき、受信レーザの振動の振幅、周波数等を検知する。

【００４０】レーザ受信器１２により検知された振動デ
ータは、コンピュータ５に送信され、解析され、前述の
アクチュエータ６の制御等に使用される。又、前記反射
体１０に文字、記号等の印を予め設け、コンピュータ５
において、この印を読み取ることにより宇宙ステーショ
ン１の微小振動・加速度を検出することができる。

【００４１】次に、この実施例における振動センサ２の
第２例の構成及び動作を図７及び図８を用いて説明す
る。この振動センサ２は、前述したように、宇宙ステー
ション１等の構造体に所定の間隔でマトリクス状に多数
配設されている。そして、ＤＩＵサンプリングユニット
４を介してコンピュータ５に接続され、構造体の振動測
定結果をコンピュータ５に送る。

【００４２】図７（ａ）に示されるように、振動センサ
２の第２例は、レーザ照射器２１、このレーザ照射器２
１に対向するように設けられたレーザ受光器２２、この
レーザ受光器２２と前記レーザ照射器２１との間に設け
られ、所定の材質よりなる透過媒体、即ち、レンズ２０
ａ、及びこのレンズ２０ａを保持するための支持機構２
３とにより構成される。

【００４３】レーザ照射器２１、レーザ受光器２２、及
び支持機構２３は、構造体に固定され、レーザ受光器２
２には電荷結合素子（ＣＣＤ）等が適用される。又、レ
ンズ２０ａは所定の曲率を有する曲面形状のレンズであ
る。

【００４４】このような振動センサ２は、微小重力環境
において構造体の振動を測定する場合、レンズ２０ａを
支持する支持機構２３が外される。ここで、この振動セ
ンサ２の稼働状態を図７（ｂ）に示す。レンズ２０ａ
は、周囲の空間が微小重力空間であるため支持機構２３
が外されても空間に浮遊した状態となる。尚、同図に示
されるように、レンズ２０ａには、端部を保護するため
に保護材４７が各所に設けられている。

【００４５】このような状態でレーザ照射器２１よりレ
ーザ光が照射された場合、レーザ光は、レンズ２０ａに
入射し、レンズ２０ａの曲面形状及び材質により決定さ
れる特性に応じて屈折・収束した後に透過する。レンズ
２０ａを透過したレーザ光は、レーザ受光器２２によっ
て受光される。レーザ受光器２２は、受光したレーザ光
に応じた受光データを出力する。この受光データは、前
記図１に示される伝送路３、即ち、同軸ケーブル、ツイ
ストケーブル、もしくは光フアィバー等を介してＤＩＵ
サンプリングユニット４に集められ、コンピュータ５に
送られる。

【００４６】振動センサ２の稼働状態において、前記構
造体が振動する場合、レーザ照射器２１は構造体と共に
振動する。しかし、レンズ２０ａは空間に浮遊し、静止
状態にあるため、レーザ受光器２２におけるレーザ光受
光位置は、構造体の振動とレンズ２０ａの形状等により
決定される特性に対応して変化する。

【００４７】レーザ受光器２２の受光面におけるレーザ
光の受光位置の変化は、図７（ｂ）に示されるようにＹ
軸方向の変位量をＹ1 、Ｚ軸方向の変位量をＺ1 、又Ｘ
軸方向の変位量をＸ1 とする。但し、Ｘ1 は受光面にお
ける像の面積の変量β−αを距離に換算して求められ
る。

【００４８】これらレーザ受光器２２によって測定され
た変位量Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 は、ＤＩＵサンプリングユニ
ット４を介してコンピュータ５に送られる。コンピュー
タ５は、これらの変位量Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 と既知である
レンズ２０ａの特性を用い、構造体の振動の加速度、振
幅、周波数等を求め、これを表示装置（図示せず）に表
示したり、アクチュエータ６を制御することにより振動
制御を実行する。

【００４９】前述した振動センサ２の第２例では、レー
ザ光を透過する媒体としてレンズ２０ａを用いて説明し
たがレンズ２０ａの代わりに任意面数を有する（任意面
体）プリズムを用いることもできる。レーザを透過する
媒体としてプリズムを用いた振動センサ２の第２例の稼
働状態を図８に示す。図８に示されるレーザ照射器２１
及びレーザ受光器２２は、前述したレンズ２０ａを用い
た時と同様に構造体に固定されている。又、図８には示
されていないが、不稼働時にはプリズム２０ｂは、支持
機構２３によって構造体に固定されている。又、プリズ
ム２０ｂには、角部を保護するため、透過屈折体角部保
護材４７が全ての角部に設けられている。

【００５０】振動センサ２の稼働時において、レーザ照
射器２１より照射されたレーザ光は、プリズム２０ｂに
入射し、プリズム２０ｂの任意面体形状及び材質により
決定される特性に応じて屈折・収束した後に透過してレ
ーザ受光器２２によって受光される。レーザ受光器２２
は、受光したレーザ光に応じた受光データを出力する。
この受光データは、前記図１に示される伝送路３を介し
てＤＩＵサンプリングユニット４に集められ、コンピュ
ータ５に送られる。

【００５１】振動センサ２の稼働状態において、前記構
造体が振動する場合、レーザ照射器２１は構造体と共に
振動する。しかし、プリズム２０ｂは空間に浮遊し、静
止状態にあるため、レーザ受光器２２におけるレーザ光
受光位置は、構造体の振動とプリズム２０ｂの面体形状
等により決定される特性に対応して変化する。

【００５２】レーザ受光器２２の受光面におけるレーザ
光の受光位置の変化は、図８に示されるようにＹ軸方向
の変位量をＹ1 、Ｚ軸方向の変位量をＺ1 、又Ｘ軸方向
の変位量をＸ1 とする。これらの変位量及び変位量の算
出方法は、前述したレンズ２０ａを用いた場合と同様で
ある。

【００５３】これらレーザ受光器２２によって測定され
た変位量Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 は、ＤＩＵサンプリングユニ
ット４を介してコンピュータ５に送られる。コンピュー
タ５は、これらの変位量Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 と既知である
プリズム２０ｂの特性を用い、構造体の振動の加速度、
振幅、周波数等を求め、これを表示装置（図示せず）に
表示したり、アクチュエータ６を制御することにより振
動制御を実行する。

【００５４】このような微小重力振動センサにより、微
小重力環境下の構造体の微小な運動を検出することがで
きる。尚、この前述した振動センサ２の第２例は、レー
ザ光を用いた振動センサであるが、レーザ照射器２１及
びレーザ受光器２２を任意周波数の光、電磁波、又は音
波等を発信／受信する発信器及び受信器を用い、レンズ
２０ａ又はプリズム２０ｂを前述した波を屈折・収束さ
せ、透過するものを用いることにより、任意周波数の
光、電磁波、又は音波等を用いた振動センサとすること
も可能である。

【００５５】又、複数個以上のレーザ照射器を設ける場
合、照射するレーザ光の周波数、波長（色）を異なるよ
う設定可能とし、レーザ受光器２２の読み取り誤りを無
くすようにしても良い。

【００５６】又、前記レンズ２０ａ又はプリズム２０ｂ
に文字、記号等の印を予め設け、この印を受信したレー
ザ光から読み取ることにより被検体の微小振動・加速度
を測定しても良い。

【００５７】又、電磁界、電磁波又は音響法（スピーカ
ー、マイク）機能等により、初期段階、又は継続的、又
は断続的にレンズ２０ａ又はプリズム２０ｂを所定の範
囲内に動かし或いは振動を停止させるアクティブ制振を
用いてもよい。このように、レンズ２０ａ又はプリズム
２０ｂのガス内固有振動又は回転による検知波のずれを
抑制しつつ、検出信号をフィルタにかけることにより、
レンズ２０ａ又はプリズム２０ｂの三次元位置制御を行
いつつ振動を検出することが可能である。ここで、アク
ティブ制振等は、稼働（使用）状態と不稼働（不使用）
状態を選択できるようにしてもよい。

【００５８】更に、レーザ照射器２１からレンズ２０ａ
又はプリズム２０ｂを介してレーザ受光器２２に至るま
での間に他の反レンズ又はプリズムを任意数設置し、光
の経路を延長し、振動の検出能力を向上させることもで
きる。

【００５９】次に、この実施例における振動センサ２の
第３例の構成及び動作を図９〜図１１を用いて説明す
る。この振動センサ２の不稼働状態を図９に示す。振動
センサ２は、宇宙ステーション１に固定された筐体７内
に任意面体（１面〜∞面（球））の反射体３０（３０
ａ，３０ｂ）と、この反射体３０に光を照射するレーザ
照射器３１（３１ａ，３０ｂ）と、反射体３０で反射さ
れたレーザ光を受光するレーザ受光器３２（３２ａ，３
２ｂ）、支持機構３３（３３ａ，３３ｂ）、支持機構駆
動装置３４（３４ａ，３４ｂ）、支持機構駆動コントロ
ーラ３５（３５ａ，３５ｂ）、レーザ照射器電源コント
ローラ３６、レーザ受光データサンプリングユニット３
７、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）３８、メモリ
３９、電源及びパワーコントローラ４０、反射体制振用
波動プロジェクタ４１、反射体アクティブ制振用コント
ローラ４２、データ伝送バス４３、コマンドバス４４、
及び電源バス４５を備える。又、図９に示されるように
筐体７内には、２組の振動検出機構が設けられている。
但し、以降の説明を簡略化するためにこの２つの振動検
出機構を区別せずに説明する。

【００６０】レーザ受光器３２は反射体３０で反射され
たレーザ光を受光する。支持機構３３は反射体３０を保
持する。支持機構駆動装置３４は支持機構３３を駆動す
る。支持機構駆動コントローラ３５は支持機構駆動装置
３４を制御する。レーザ照射器電源コントローラ３６は
各レーザ照射器３１に供給する電力量、照射するレーザ
光の周波数等を制御する。レーザ受光データサンプリン
グユニット３７は、各レーザ照射器３１からのレーザ光
が反射体３０により反射され、レーザ受光器３２により
受光されたレーザ光に関するデータ（例えば、軌跡、速
度）等を処理（サンプリング）し、ＣＰＵ３８に結果デ
ータを送出する。ＣＰＵ３８はこのセンサ全体の制御を
司る。メモリ３９はＣＰＵ３８の動作プログラム等を記
憶すると共に作業領域として機能する。コマンドバス４
４はＣＰＵ３８に接続され、ＣＰＵ３８と宇宙ステーシ
ョン１のコンピュータ５との間でコマンドを転送する。
データ伝送バス４３はＣＰＵ３８に接続され、３次元加
速度、振幅、周期等のデータをＣＰＵ３８から宇宙ステ
ーション１のコンピュータ５ににＤＩＵ４を介して転送
する。

【００６１】電源及びパワーコントローラ４０は電源バ
ス４５を介して、宇宙ステーション１から供給される電
力を用いて、筐体７内の各部に電力を供給する。反射体
アクティブ制振用波動プロジェクタ４１は反射体アクテ
ィブ制振用コントローラ４２の制御の下、例えば、反射
体３０の振動と逆相の振動エネルギーを射出して反射体
３０の振動を減少したり、反射体３０を所定の範囲内に
動かしたりする。

【００６２】レーザ照射器３１、レーザ受光器３２、支
持機構３３、支持機構駆動装置３４、支持機構駆動コン
トローラ３５、レーザ照射器電源コントローラ３６、レ
ーザ受光データサンプリングユニット３７、ＣＰＵ３
８、メモリ３９、データ伝送バス４３、電源及びパワー
コントローラ４０、電源バス４５、反射体制振用波動プ
ロジェクタ４１、反射体アクティブ制御用コントローラ
４２は、筐体７に固定されている。一方、反射体３０は
支持機構３３により支持される。

【００６３】又、複数個以上のレーザ照射器３１を設け
る場合、照射するレーザ光の周波数、波長、又は色を異
なるように設定できるようにすることにより、レーザ受
光器３２の読み取り誤りを無くす。

【００６４】この振動センサ２の微小重力環境下での稼
働状態を図１０に示す。図１０において図示は省略され
ているが、支持機構３３は、支持機構駆動装置３４によ
り静かにレーザ受光器３２の内面に引き寄せられる。こ
れにより支持機構３３は反射体３０より離れ、反射体３
０は無重力空間に浮いた状態となる。この時、反射体３
０の周囲は真空でも、任意のガスでも良く、反射体３０
は無支持／無振動状態になる。

【００６５】但し、ガスを封入し、アクティブ制振（ス
ピーカー、マイク）機能等により、初期段階、又は継続
的、又は断続的に反射体１０を所定の範囲内に動かし或
いは振動を停止させるようにしてもよい。このように、
反射体３０のガス内固有振動又は回転による検知波のず
れを抑制しつつ、検出信号をフィルタにかけることによ
り、反射体３０の三次元位置制御を行いつつ振動を検出
することが可能である。尚、アクティブ制振等は、稼働
（使用）状態と不稼働状態を選択できるようにしてもよ
い。

【００６６】レーザ照射器３１により照射されたレーザ
光は、反射体３０により反射され、レーザ受光器３２に
よって受光される。尚、照射器８から反射体３０を介
し、レーザ受光器３２に至るまでの間に、他の反射鏡を
任意数以上配設することにより、光の経路を長く取り、
振動の検知能力を向上させることができる。又、反射体
３０に文字、記号等の印を予め設け、この印をコンピュ
ータ５によって読み取ることにより宇宙ステーション１
の微小振動・加速度を測定するようにしてもよい。

【００６７】レーザ受光器３２は、受光したレーザ光の
振幅、周波数等を検出する。宇宙ステーション１等の構
造体が振動した場合、レーザ受光器３２は、振動の振
幅、周波数等を検出し、これをコンピュータ５に送出す
る。検出されたデータは、コンピュータによって解析さ
れ、前述のアクチュエータ６の制御等に使用される。

【００６８】振動センサ２の第３例の機能構成を図１１
に示す。図１１に示されるようにＣＰＵ３８は、レーザ
照射コントローラ３８１、スケジューリング手段３８
２、支持コマンド発生部３８３、及び反射体運動演算部
３８４により構成される。以下にＣＰＵ３８の動作を説
明する。

【００６９】ＣＰＵ３８は、検出開始コマンドをコマン
ドバス４４を介して受け取る。この検出開始コマンド
は、スケジューリング手段３８２において受信コマンド
が所定の条件（時間条件等）を満たしているかを判断さ
れる。受信コマンドが所定の条件を満足している場合、
支持コマンド発生部３８３に送られる。支持コマンド発
生部３８３は、コマンドの受信に基づいて支持機構駆動
コントローラ３５に支持解除のコマンドを送る。支持機
構駆動コントローラ３５は、支持解除のコマンドに応じ
て支持解除速度、タイミング等を算出する。支持機構駆
動装置３４は、算出されたデータに基づいて反射体３０
の支持を解除し、反射体３０を無重力空間に浮遊させ
る。

【００７０】このような状態において、スケジューリン
グ手段３８２より、カリブレーションのためのレーザ照
射を指示するデータがレーザ照射コントローラ３８１に
送出される。レーザ照射コントローラ３８１は、レーザ
照射器３１の選定等の具体的方法・条件を確定し、これ
をレーザ照射器電源コントローラ３６に指示する。レー
ザ照射器電源コントローラ３６は、指示に基づいて各レ
ーザ照射器３１に対して波長及び電源供給等を割り当て
る。カリブレーションの際、全てのレーザ照射器３１か
ら反射体３０にレーザが照射される。

【００７１】反射体３０により反射されたレーザは、レ
ーザ受光器３２よって受光される。レーザ受光器３２
は、受光したレーザ光のデータをレーザ受光データサン
プリングユニット３７に送出する。レーザ受光データサ
ンプリングユニット３７は、データの単純計算を実行
し、各波長毎、即ち、色毎の振動方向特性を算出した
り、所定の座標変換等を行ない、結果データを反射体運
動演算部３８４に出力する。

【００７２】反射体運動演算部３８４は、入力したデー
タを用いて反射体３０の位置、速度、加速度、振幅、周
期等を求める。これら反射体の運動に関するデータは、
反射体アクティブ制振用コントローラ４２に送られる。
反射体アクティブ制振用コントローラ４２は、反射体３
０を所定の空間内に位置させるように反射体の運動と逆
の波動を希薄ガス中に形成する。

【００７３】ここで用いられる波動プロジェクタ４１
は、一般的には低周波スピーカが適用される。しかし、
その他にも高周波音波発信器等のガスに波動を与えるこ
とのできる手段を適用しても良い。

【００７４】前述したように反射体３０の運動を静止、
或いは一定の範囲内の振動状態に抑制した定常状態にお
いて、反射体３０の運動データは、メモリ３９に格納さ
れ、後のフィルタ処理に用いられる。このような処理動
作によりカリブレーションが行なわれる。

【００７５】次に振動計測の処理動作について説明す
る。振動計測の場合、レーザ照射器３１は、カリブレー
ション実行時から継続してレーザ光出力状態にある。こ
のため前述したように、反射体運動演算部３８４は反射
体３０の運動に関するデータを処理する。一方、反射体
運動演算部３８４は、メモリ３９より定常状態における
反射体３０の運動に関するデータを取り込み、現時点で
の反射体３０の運動データから定常状態における運動デ
ータを差し引くことにより、振動センサ２の振動を求め
る。求められたデータは、データ伝送バス５９を用いて
所定の器機に伝送される。

【００７６】この振動センサ２の第３例では、レーザ光
をレーザ照射器３１から照射し、反射体３０により反射
されたレーザ光をレーザ受光器３２によって受光するシ
ステムに関する説明をしたが、これに限定されず、各周
波数の光（可視光、非可視光）、電磁波、音波等の任意
のエネルギーを使用しても良い。

【００７７】又、前述した第３例のように複数の振動検
出機構を設けることにより、ある反射体／透過屈折体が
キャリブレーション中であっても、他の振動検出機構を
用いて振動検知作業を継続して行なうことができる。

【００７８】又、前述した振動センサ２の第３例では反
射体３０を適用したが、これに限定されず、振動センサ
２の前記第２例で適用した透過屈折体（レンズ、プリズ
ム等）を用いても良い。

【００７９】

【発明の効果】以上詳記したようにこの発明によれば、
微小重力環境を実現する、宇宙システム、スペースシャ
トル、人工衛星、航空機等への物体の衝突や振動・加速
度を検出し、それによる振動を低減し、微小重力環境シ
ステムにおける最重要課題の１つである微小重力環境の
維持が可能になる。又、人工衛星の場合、低電力で、正
確な姿勢制御が可能となる。

【００８０】又、システムのソフトウェアによる学習・
予測機能により、このシステムの地上での開発時に、検
証できない宇宙環境についても、宇宙へ打ち上げ後のデ
ータ集積を経験値として、システムに応用できる。従っ
て、システムの性能が宇宙空間で独自に向上する。

【００８１】又、この発明の微小振動・加速度センサに
よれば、微小重力環境下で振動・加速度を正確に測定で
きる。又、反射鏡、反射体、及び透過屈折体は、無支持
の為、検知振動の性質（加速度、振幅、周波数等）の測
定範囲に制限を受けない。更に、この発明の微小振動・
加速度センサは、複数個の反射体又は透過屈折体が配設
されているため、ある反射体又は透過屈折体がキャリブ
レーション中であっても他の反射体又は透過屈折体を使
用することにより検知動作を維持することができるの
で、微小振動・加速度を連続して検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はこの発明の一実施例に係る微小振動・
加速度検知センサを適用した宇宙ステーションを示す正
面図。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。

【図２】この実施例にかかるデータ処理の機能の流れを
示すフロー図。

【図３】図２に示されるデータ処理を実現するシステム
・ソフトウェアのフロー図。

【図４】初期閾値の例を示す図。

【図５】この実施例にかかる振動センサの第１例の反射
体を固定した状態を示す図。

【図６】この実施例にかかる振動センサの第１例の稼働
状態を示す図。

【図７】この実施例にかかる振動センサの第２例を示す
図で、（ａ）はレンズを固定した状態を示す図であり、
（ｂ）は稼働状態を示す図。

【図８】この実施例にかかる振動センサの第２例におい
て、透過屈折体にプリズムを適用した場合の稼働状態を
示す図。

【図９】この実施例にかかる振動センサの第３例を示す
図で、反射体を固定した状態を示す図。

【図１０】この実施例にかかる振動センサの第３例の稼
働状態を示す図。

【図１１】この実施例にかかる振動センサの第３例の機
能構成を示すブロック図。

【符号の説明】１…宇宙ステーション、２…振動センサ、３…伝送路、
４…ＤＩＵサンプリングユニット、５…コンピュータ、
６…アクチュエータ、７…センサ筺体、１０…反射体、
１１…レーザ照射器、１２…レーザ受光器、１３…支持
機構、２０ａ…レンズ、２０ｂ…プリズム、２１…レー
ザ照射器、２２…レーザ受光器、２３…支持機構、３０
…反射体、３１…レーザ照射器、３２…レーザ受光器、
３３…支持機構、３４…支持機構駆動装置、３５…支持
機構駆動コントローラ、３６…レーザ照射器電源コント
ローラ、３７…レーザ受光データサンプリングユニッ
ト、３８…ＣＰＵ、３９…メモリ、４０…電源及びパワ
ーコントローラ、４１…波動プロジェクタ、４２…反射
体アクティブ制振用コントローラ、４３…データ転送バ
ス、４４…コマンドバス、４５…電源バス、４６…反射
体角部保護材、４７…透過屈折体角部保護材、３８１…
レーザ照射コントローラ、３８２…スケジューリング手
段、３８３…支持コマンド発生部、３８４…反射体運動
演算部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ１０Ｋ 11/178

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の空間に配置され、レーザ光、各周
波数の光、電磁波、音波等の所定のエネルギーを既知の
特性により反射及び透過し、文字、記号等の所定の印が
設けられた複数個の反射体及び透過屈折体と、被検体である振動体に固定され、前記反射体及び透過屈
折体に向けて所定のエネルギーを照射する出力手段と、前記振動体に固定され、前記反射体及び透過屈折体から
の反射及び透過エネルギーを受け取り、この反射及び透
過エネルギーから前記所定の印を読み取ることにより前
記振動体の微小振動・加速度を検出する検出手段とを具
備することを特徴とする微小振動・加速度検知センサ。
【請求項２】所定の空間に配置され、レーザ光、各周
波数の光、電磁波、音波等の所定のエネルギーを既知の
特性により反射及び透過する複数個の反射体及び透過屈
折体と、被検体である振動体に固定され、前記反射体及び透過屈
折体に向けて所定のエネルギーを照射する出力手段と、前記振動体に固定され、前記反射体及び透過屈折体から
の反射及び透過エネルギーを受け取り、この反射及び透
過エネルギーから読み取られる干渉縞に基づいて前記振
動体の微小振動・加速度を検出する検出手段とを具備す
ることを特徴とする微小振動・加速度検知センサ。
【請求項３】前記反射体及び透過屈折体は、前記所定
の空間が真空であるか、ガス、液体、固体、金属等の既
知の特性を有する物質により成ることにより空間に保持
され、前記反射体及び透過屈折体を電磁誘導によりアクティブ
制振及び位置決めを行なう手段を具備することを特徴と
する請求項１及び２記載の微小振動・加速度検知セン
サ。
【請求項４】前記微小振動・加速度検知センサを宇宙
／地上併用、地上用のいずれかに適用する場合、前記反
射体及び透過屈折体は、所定の特性を有するガス、液
体、固体、金属等の物質により支持されることを特徴と
する請求項１及び２記載の微小振動・加速度検知セン
サ。