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We present the design and analysis of a new type of MEMS inertia switch with a tunable threshold, which can passively sense angular acceleration. The designs have a big proof mass for inducing rotation due to the angular impacts and also flexible cantilever beams to tune the acceleration threshold. The proposed designs were simulated using COMSOL Multiphysics, analytically modeled, and numerically integrated using MATLAB. The results showed that the acceleration can be tuned from 0 rad/s$^2$ to 65,000 rad/s$^2$ based on the used electrostatic voltage. The designs experience less than 10% overshot for shock durations higher than 20 ms. The rise time was less than 10 ms for all designs when the applied shock duration was less than 30 ms. The designs’ tunabilities were studied and characteristic angular acceleration versus tuning voltage graphs were developed for each design. The tuning voltage varied between the designs where the maximum pull-in voltage was 179 V in Design 2 and the minimum pull-in voltage was 59 V in Design 4.

In this thesis work construction of the angular acceleration signal of a 2-DOF gimbal platform and use of this signal for improving the stabilization performance is aimed. This topic can be divided into two subtopics, first being the construction of angular acceleration and the second being the use of this information in a way to improve system performance. Both problems should be tackled in order to get satisfactory results. The most important output of this work is defined as the demonstration of the improvements obtained both theoretically and on experimental setup. Although the system to be studied is a two axis gimbal platform, the results obtained can be applied to other servo control problems. It is possible to define different performance criteria for a servo control problem and different techniques will be addressed with different control objectives. For this thesis work, the performance criterion is defined as the stabilization performance of the platform. As a result, disturbance rejection characteristics of the controller emerges as the main topic and methods for rejecting these disturbances such as the friction torques and externally applied moments are focused on throughout the studies. As expected, remarkable improvement is achieved as a result of the use of acceleration feedback.

Este trabalho realiza uma investigação sobre técnicas experimentais para a determinação de Funções de Resposta em Freqüência (FRFs) angulares com aplicações em estruturas do tipo viga. Estas FRFs são definidas considerando-se como variável de saída o movimento angular (deslocamento, velocidade ou aceleração) exibido pela estrutura sob estudo quando a mesma é excitada por uma força linear ou um momento puro. Dada a grande dificuldade em se aplicar um momento puro à estrutura sob estudo, este trabalho utiliza como forma de excitação apenas esforços lineares que podem ser aplicados através de técnicas usuais de excitação em análise modal, tais como o excitador eletrodinâmico e o martelo impulsivo. Portanto as FRFs obtidas descrevem relações de saída e entrada do tipo Angular/Linear. Uma das técnicas utilizadas na determinação das FRFs angulares consiste na excitação de uma estrutura com um excitador eletrodinâmico e utilização de um corpo rígido na forma de um bloco T que é montado sobre a estrutura sob estudo. Dois acelerômetros lineares devem ser montados sobre o bloco T e a partir das duas acelerações lineares medidas buscam-se estimar um sinal proporcional à aceleração angular da estrutura no ponto de conexão. Outra técnica utiliza uma formulação via diferenças finitas, onde dois ou três acelerômetros (de acordo com a formulação de diferenças finitas utilizada) igualmente espaçados são montados diretamente sobre a estrutura sob estudo e são usados para se derivar à aceleração angular. Os resultados obtidos a partir destas técnicas são comparados com resultados obtidos a partir da utilização de um acelerômetro angular piezelétrico recentemente disponível no mercado. Também foram desenvolvidos modelos analíticos e computacionais via método dos elementos finitos a fim de se gerar subsídios adicionais para a análise dos resultados. Foram feitas várias constatações e dentre elas destacam-se resultados onde as FRFs angulares/lineares resultantes podem sofrer alterações significativas dependendo de como os dados experimentais são processados. / The present work aims to perform an investigation on experimental techniques for the determination of angular Frequency Response Functions (FRFs) in Modal Testing. Angular FRFs are those where the output variable is given by angular displacement, velocity or acceleration, whereas the input is given in terms of linear or angular quantities (a pure moment). Since the application of a pure moment as an excitation source still remains as a challenge, this work is focused in studying techniques to estimate angular/linear types of angular FRFs. One of these techniques consists of exciting the structure with a shaker and using a rigid T-block to measure the linear accelerations and then calculating the angular FRFs from these linear accelerations. Another technique employs finite differences formulations to get the angular motions. This technique uses the closely spaced accelerometers mounted directly to the structure under test, where at least two (according to the finite difference formula employed) accelerometers are used. The translational measurements are gathered and finite difference formulas are used to derive the necessary angular quantities. Additional tests are performed with an angular piezoelectric accelerometer recently available in the market in order to provide a comparison basis for the results obtained using the two techniques. The results are also compared whit theoretical models developed using analytical and Finite Element Formulations. Among all results obtained, it was understood that depending on the level of angular vibrations exhibited by the structure, and how the signals are processed, the resulting angular FRFs can suffer some significant changes

Este trabalho realiza uma investigação sobre técnicas experimentais para a determinação de Funções de Resposta em Freqüência (FRFs) angulares com aplicações em estruturas do tipo viga. Estas FRFs são definidas considerando-se como variável de saída o movimento angular (deslocamento, velocidade ou aceleração) exibido pela estrutura sob estudo quando a mesma é excitada por uma força linear ou um momento puro. Dada a grande dificuldade em se aplicar um momento puro à estrutura sob estudo, este trabalho utiliza como forma de excitação apenas esforços lineares que podem ser aplicados através de técnicas usuais de excitação em análise modal, tais como o excitador eletrodinâmico e o martelo impulsivo. Portanto as FRFs obtidas descrevem relações de saída e entrada do tipo Angular/Linear. Uma das técnicas utilizadas na determinação das FRFs angulares consiste na excitação de uma estrutura com um excitador eletrodinâmico e utilização de um corpo rígido na forma de um bloco T que é montado sobre a estrutura sob estudo. Dois acelerômetros lineares devem ser montados sobre o bloco T e a partir das duas acelerações lineares medidas buscam-se estimar um sinal proporcional à aceleração angular da estrutura no ponto de conexão. Outra técnica utiliza uma formulação via diferenças finitas, onde dois ou três acelerômetros (de acordo com a formulação de diferenças finitas utilizada) igualmente espaçados são montados diretamente sobre a estrutura sob estudo e são usados para se derivar à aceleração angular. Os resultados obtidos a partir destas técnicas são comparados com resultados obtidos a partir da utilização de um acelerômetro angular piezelétrico recentemente disponível no mercado. Também foram desenvolvidos modelos analíticos e computacionais via método dos elementos finitos a fim de se gerar subsídios adicionais para a análise dos resultados. Foram feitas várias constatações e dentre elas destacam-se resultados onde as FRFs angulares/lineares resultantes podem sofrer alterações significativas dependendo de como os dados experimentais são processados. / The present work aims to perform an investigation on experimental techniques for the determination of angular Frequency Response Functions (FRFs) in Modal Testing. Angular FRFs are those where the output variable is given by angular displacement, velocity or acceleration, whereas the input is given in terms of linear or angular quantities (a pure moment). Since the application of a pure moment as an excitation source still remains as a challenge, this work is focused in studying techniques to estimate angular/linear types of angular FRFs. One of these techniques consists of exciting the structure with a shaker and using a rigid T-block to measure the linear accelerations and then calculating the angular FRFs from these linear accelerations. Another technique employs finite differences formulations to get the angular motions. This technique uses the closely spaced accelerometers mounted directly to the structure under test, where at least two (according to the finite difference formula employed) accelerometers are used. The translational measurements are gathered and finite difference formulas are used to derive the necessary angular quantities. Additional tests are performed with an angular piezoelectric accelerometer recently available in the market in order to provide a comparison basis for the results obtained using the two techniques. The results are also compared whit theoretical models developed using analytical and Finite Element Formulations. Among all results obtained, it was understood that depending on the level of angular vibrations exhibited by the structure, and how the signals are processed, the resulting angular FRFs can suffer some significant changes

近年，IoTに基づく「つながる工場」に関する技術開発が着目され，日本の次世代の製造業を支えるために，新しい研究開発が求められている．特に機械加工の現場では，異常検知や適応制御のために加工現象を精確かつリアルタイムにモニタできる技術が必要とされている．そこで，マシニングセンタなどの工作機械において，回転工具の加工中に多チャンネルで各種の物理量を切削点近傍にてモニタ可能な無線多機能ホルダを開発し，様々な工具，加工方法を対象にその有効性を示した． / Currently, a smart monitoring technology has been attracting particular attention in the factory automation fields regarding the Internet of things (IoT). Particularly in the machining site, the technology of monitoring the processing phenomenon in precision and real-time is required for abnormality detection or adaptive control. Then, we developed a novel tool holder equipped with a wireless communication function to monitor the tool temperature and vibrating accelerations near the cutting point during a tool rotating operation, and we showed effectiveness for various tools and processing method. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University