JPH0457690A - Vibration absorber, driving device, load uniting element and multi-shaft mechanism - Google Patents

Vibration absorber, driving device, load uniting element and multi-shaft mechanism

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JPH0457690A
JPH0457690A JP16412490A JP16412490A JPH0457690A JP H0457690 A JPH0457690 A JP H0457690A JP 16412490 A JP16412490 A JP 16412490A JP 16412490 A JP16412490 A JP 16412490A JP H0457690 A JPH0457690 A JP H0457690A
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vibration
frequency
absorbing device
vibration absorbing
vibration absorber
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JP16412490A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshio Ogiso
敏夫 小木曽
Fujio Tajima
不二夫 田島
Akinobu Takemoto
明伸 竹本
Nobumoto Kezuka
毛塚 伸元
Masaru Kobayashi
勝 小林
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To simultaneously absorb the vibrations of a vibrating body in plural directions by providing the plural faces of the mounting base of a vibration absorber with cantilever-shaped high damping members. CONSTITUTION:One face of a mounting base 12 formed of a polyhedron, for instance a cubic body, is set on a vibrating body 11, and the one end of a cantilever-shaped high damping member( formed of rubber inserted between metallic plates 14a, 14b) is fixed to a mounting base crossing the single or plural directions of vibrations having a large amplitude at a right angle. A weight 16 is then provided at the other end or any position of the high damping member, and the natural frequency of its primary bending vibration is made to coincide with the resonance frequency or anti-resonance frequency of the vibration body 11.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアクチュエータより、直接、もしくは減速機を
介して駆動される負荷の高速・高精度動作を実現可能と
するための整定特性の改善とアクチュエータのサーボ特
性の安定化をアクチュエータ負荷の著しい増加なく行う
振動吸収装置とそれを装着した多軸機構に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention aims to improve the settling characteristics in order to realize high-speed and high-precision operation of a load driven by an actuator directly or through a reduction gear. The present invention relates to a vibration absorbing device that stabilizes the servo characteristics of an actuator without significantly increasing the actuator load, and a multi-axis mechanism equipped with the vibration absorbing device.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

アクチュエータ、例えば、電動機により、直接、もしく
は減速機を介して駆動される負荷の機械共振による電動
機サーボ系の不安定特性、及び、動作停止時の不安定挙
動を安定化する手段には、■ 電動機制御回路にフィル
タを挿入して駆動力指令の機械共振周波数におけるゲイ
ン低減を図る、 ■ 電動機・負荷結合体の共振周波数の振動モードにお
ける大振幅振動部に受動部・能動的振動吸収装置(動吸
振器)を設けることにより機械的に振動振幅を低減する
ことにより共振周波数におけるゲイン低減を図る、の二
つに大別できる。
Means for stabilizing unstable characteristics of the motor servo system due to mechanical resonance of a load driven by an actuator, for example, an electric motor directly or via a reduction gear, and unstable behavior when the operation is stopped include ■ electric motor A filter is inserted into the control circuit to reduce the gain at the mechanical resonance frequency of the driving force command. They can be roughly divided into two types: mechanically reducing the vibration amplitude by providing a device (with a filter) and reducing the gain at the resonant frequency.

前者の例は、特開昭60−39397号公報に記載され
ているように、共振周波数近傍のゲイン特性の逆特性を
もつノツチフィルタを駆動力指令生成部に設けることに
より、共振周波数における伝達ゲインの低減を図り、制
御ゲインの向上を図る。
The former example, as described in Japanese Unexamined Patent Publication No. 60-39397, provides a notch filter in the driving force command generation section that has an inverse gain characteristic to the gain characteristic near the resonant frequency, thereby increasing the transfer gain at the resonant frequency. The objective is to reduce the amount of noise and improve control gain.

また、後者の受動的振動吸収装置を用いた例は。Also, here is an example using the latter passive vibration absorption device.

日本機械学会論文集CIg第55巻516号(平成元年
8月)第2014頁〜第2021頁に記載のように、ゴ
ムとおもりを用いた片持ちはり形骨動的振動吸収装置の
例が述べられていた。また、実開平1−166087号
公報に記載のように、ロボットアームの先端に円柱形ゴ
ムとおもりを用いた受動的振動吸収装置を装着した装置
が述べられていた。
As described in the Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Volume 55, No. 516 (August 1989), Pages 2014 to 2021, there is an example of a cantilever-shaped bone dynamic vibration absorber using rubber and weights. It was stated. Further, as described in Japanese Utility Model Application Publication No. 1-166087, a device is described in which a passive vibration absorbing device using a cylindrical rubber and a weight is attached to the tip of a robot arm.

一方、能動的振動吸収装置を用いた例は、日本機械学会
講演論文集&890−26 (平成元年6月)第154
頁〜第155頁に記載のように、片持ちはりの制振のた
めに圧電素子をその側面に設け、はりの曲げ振動の運動
方程式に基づき圧電素子に電圧印加を行い、はりの曲げ
振動を能動的に抑制する方式が述べられていた。
On the other hand, an example using an active vibration absorbing device is the 154th Proceedings of the Japan Society of Mechanical Engineers & 890-26 (June 1989).
As described on pages 155 to 155, a piezoelectric element is installed on the side of the cantilever beam to suppress its vibration, and a voltage is applied to the piezoelectric element based on the equation of motion of the beam's bending vibration to suppress the beam's bending vibration. A method of active suppression was described.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上記第一の従来技術は、ゲイン低減効果に秀れているも
のの、ノツチフィルタ伝達特性G「が周波数領域(S領
域)で下式で与えられるため、ノツチフィルタの中心角
周波数ω。よりやや低い角周波数で約90°の位相遅れ
があり、ω。以」二の角周波数では180°位相進みが
あるものの、ω。以下の角周波数でサーボ系の開ループ
伝達特性の位相遅れが180°を越えてサーボ系が不安
定化してしまい、帯域幅が狭くなり、制御ゲインを上げ
られないという問題が生じる可能性があり、特に開ルー
プ伝達ゲインの高い低周波数域にある機械共振点に対し
て有効な対策とはならない問題がある。
Although the above-mentioned first conventional technology has an excellent gain reduction effect, since the notch filter transfer characteristic G' is given by the following formula in the frequency domain (S domain), it is slightly lower than the center angular frequency ω of the notch filter. There is a phase delay of about 90° at the angular frequency, ω.Although there is a 180° phase lead at the second angular frequency, ω. At the following angular frequencies, the phase delay of the open loop transfer characteristic of the servo system exceeds 180°, making the servo system unstable, narrowing the bandwidth, and causing problems such as not being able to increase the control gain. However, there is a problem in that it is not an effective countermeasure against mechanical resonance points particularly in the low frequency range where the open loop transfer gain is high.

また、第二の従来技術は、ステップモータでアーム状負
荷を旋回駆動する場合に、振動振幅の大きいアーム先端
にゴムと金属板とおもりからなる片持ちはり状受動的振
動吸収装置を設け、制振を図ったものがあるが、アーム
の先端におもりが設けられているため、モータの負荷イ
ナーシャの増大となり、高加減速動作を困難にするとい
う問題がある。また、実際の振動は旋回方向のみでなく
上、下方向、半径方向などの振動モードが重畳されたも
のとなるため、複数方向の制振が必要となる場合がある
が、本公知例ではこのような問題について言及されてい
ない問題がある。
In addition, the second conventional technology provides a cantilever-shaped passive vibration absorbing device made of rubber, a metal plate, and a weight at the tip of the arm, which has a large vibration amplitude, when rotating an arm-shaped load using a step motor. There are some types of motors that are designed to vibrate, but since a weight is provided at the tip of the arm, the load inertia of the motor increases, making high acceleration/deceleration operations difficult. In addition, since actual vibration is a superimposition of vibration modes such as not only in the turning direction but also in the upward, downward, and radial directions, damping in multiple directions may be necessary, but in this known example, There are some issues that are not mentioned.

また、第三の従来技術はロボットアームの残留振動を低
減するためにアーム先端にゴムとおもりよりなる受動的
振動吸収装置を設けたものであるが、アーム回転駆動モ
ータの負荷イナーシャの増大となり、ロボットアームの
高速動作を妨げる問題がある。
Furthermore, in the third conventional technology, a passive vibration absorption device made of rubber and a weight is provided at the tip of the arm in order to reduce the residual vibration of the robot arm, but this increases the load inertia of the arm rotation drive motor. There is a problem that prevents the robot arm from moving at high speed.

また、第四の従来技術は、片持ちはりの曲げ振動に着目
して運動方程式から振制所要力を演算しているが、通常
のロボットのように複数アームの多軸機構に適用するに
は、計算式が複雑となり演算量が膨大となるため制御系
のサンプル周期が長くなり、その応答性が劣化する問題
がある。
In addition, the fourth conventional technology focuses on the bending vibration of a cantilever beam and calculates the required vibration damping force from the equation of motion, but it cannot be applied to a multi-axis mechanism with multiple arms like a normal robot. However, since the calculation formula becomes complicated and the amount of calculation becomes enormous, the sample period of the control system becomes longer, and there is a problem that the responsiveness thereof deteriorates.

本発明の目的は、駆動装置の負荷イナーシャを著しく増
大させることなく、駆動装置・負荷結合体の各方向の効
果的な制振を行い、駆動装置のサーボ系の安定化を図り
、負荷先端作業部の高速・高精度位置決め動作を可能に
することにある。
The purpose of the present invention is to effectively suppress vibrations in each direction of the drive device/load combination without significantly increasing the load inertia of the drive device, to stabilize the servo system of the drive device, and to perform work at the tip of the load. The objective is to enable high-speed, high-precision positioning operations.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を講じ
た。すなわち、電動機の負荷イナーシャを著しく増大さ
せることなく効果的な制振を行うため、例えば、アーム
状負荷の制振を行う場合にはアーム端部に多面体、例え
ば、立方体形状の取付台を設け、取付台よりアーム根元
方向へ先端におもりの設けられた片持ちはり状の振動吸
収装置を設ける構成とした。
In order to achieve the above object, the present invention has taken the following measures. That is, in order to perform effective vibration damping without significantly increasing the load inertia of the motor, for example, when damping an arm-shaped load, a polyhedral, for example, a cubic mounting base is provided at the end of the arm. A vibration absorbing device in the form of a cantilever beam with a weight at the tip is provided from the mounting base toward the base of the arm.

〔作用〕[Effect]

このように構成されることから、本発明の振動吸収装置
及びその装着された駆動装置・負荷結合体によれば、次
の作用をする。
As configured in this manner, the vibration absorbing device and the drive device/load combination of the present invention have the following effects.

まず、第34図を用いて電動機の負荷イナーシャを著し
く増大させない振動吸収装置の配置について述べる。こ
こでは駆動装置として外筒回転子型の直接駆動電動機1
を用い、負荷として先端におもり4の設けられたアーム
3を考える。第34図はアーム3の大振動振幅部に先端
におもりの設けられた片持ちはり状振動吸収装置6を設
けた駆動装置・負荷結合体の斜視図を示している。
First, the arrangement of the vibration absorbing device that does not significantly increase the load inertia of the electric motor will be described using FIG. Here, an external cylinder rotor type direct drive electric motor 1 is used as a drive device.
Consider an arm 3 equipped with a weight 4 at its tip as a load. FIG. 34 shows a perspective view of a drive device/load combination in which a cantilever-shaped vibration absorbing device 6 with a weight at the tip is provided at a large vibration amplitude portion of the arm 3.

振動吸収装置のおもり質量rnw、振動吸収装置取付部
質量rn’+ 、電動機重心からおもりまでの距離Q1
、電動機重心から振動吸収装置取付部までの距離Ql 
とすると、振動吸収装置のはり部分の質量はmw )m
i と比して小さいことから振動吸収装置を取り付ける
ことによる電動機の負荷イナーシャの増分ΔJは(2)
式で示される。
Weight mass rnw of the vibration absorber, mass rn'+ of the vibration absorber mounting part, distance Q1 from the center of gravity of the motor to the weight
, Distance Ql from the center of gravity of the motor to the mounting part of the vibration absorber
Then, the mass of the beam part of the vibration absorber is mw )m
Since it is smaller than i, the increment ΔJ of the motor's load inertia due to the installation of the vibration absorber is (2)
It is shown by the formula.

ΔJ=mwQw2+m1Q12       ・・・(
2)振動吸収装置ははりの長さQ、とすると、本発明の
駆動装置・負荷結合体は、振動吸収装置のおもりが取付
部からみて電動機重心方向に設けられているため、Qw
=Q+  Qbである。
ΔJ=mwQw2+m1Q12...(
2) Assuming that the length of the beam of the vibration absorber is Q, in the drive device/load combination of the present invention, since the weight of the vibration absorber is provided in the direction of the center of gravity of the electric motor when viewed from the mounting part, Qw
=Q+Qb.

第二の従来例の駆動装置・負荷結合体は、振動吸収装置
のおもりと取付部が電動機重心から等距離に設けられて
いるため、QIl=QIである。従って、本発明の駆動
装置・負荷結合体は、従来例と比べてmw同一の場合、
m−Qb (2111十〇Jの電動機負荷イナーシャの
低減を図ることができる。
In the drive device/load combination of the second conventional example, since the weight of the vibration absorber and the mounting portion are provided at the same distance from the center of gravity of the electric motor, QIl=QI. Therefore, when the drive device/load combination of the present invention has the same mw as the conventional example,
m-Qb (It is possible to reduce the motor load inertia by 2111100 J.

次に、振動吸収装置の振動低減作用についで第35図な
いし第43図を用いて説明する。第35図は第34図の
駆動装置・負荷結合体の振動吸収装置を含まない場合の
力学モデルを示し、第36図は第34図の駆動装置・負
荷結合体の力学モデルを示し、第37図は第34図の駆
動装置・負荷結合体の電動機速度制御部ブロック図を示
し、第38図は第35図の機構モデルのトルク速度伝達
特性を示し、第39図は第38図の伝達特性をもつ機構
に要求されるフィルタ特性を示し、第40図は速度検出
部の伝達特性を示し、第41図は振動吸収装置を用いな
い場合の第37図のA−8間伝達特性を示し、第42図
は振動吸収装置がある場合の機構モデルのトルク・速度
伝達特性を示し、第43図は振動吸収装置を用いた場合
の第37図のA−8間伝達特性を示す。
Next, the vibration reduction effect of the vibration absorbing device will be explained using FIGS. 35 to 43. 35 shows a dynamic model of the drive device/load combination shown in FIG. 34 without the vibration absorbing device, FIG. 36 shows a dynamic model of the drive device/load combination shown in FIG. 34, and FIG. The figure shows a block diagram of the motor speed control section of the drive device/load combination shown in Fig. 34, Fig. 38 shows the torque speed transmission characteristic of the mechanism model shown in Fig. 35, and Fig. 39 shows the transfer characteristic of Fig. 38. 40 shows the transmission characteristics of the speed detection section, and FIG. 41 shows the transmission characteristics between A and 8 in FIG. 37 when no vibration absorption device is used. FIG. 42 shows the torque/speed transmission characteristics of the mechanical model when a vibration absorber is used, and FIG. 43 shows the transmission characteristics between A and 8 in FIG. 37 when a vibration absorber is used.

第34図の駆動装置・負荷結合体は振動吸収装置無し、
有りの場合、第35図、第36図に示す力学モデルで表
現できる。また、電動機速度制御回路は第37図に示す
ブロック図で表現できる。
The drive device/load combination shown in Fig. 34 has no vibration absorption device.
If it exists, it can be expressed by the dynamic model shown in FIGS. 35 and 36. Further, the motor speed control circuit can be expressed by the block diagram shown in FIG. 37.

速度指令と速度出力の偏差を比例ゲイン倍したA点1〜
ルク指令のその特定周波数成分をフィルタで遮断し、機
構にトルク印加し、速度制御を行うものである。ここで
は、近年の趨勢であるアナログ速度検出器を用いず位置
検出パルスからアナログ速度変換を行い速度検出を行う
方式を示している。
A point 1 where the deviation between the speed command and speed output is multiplied by the proportional gain
The specific frequency component of the torque command is blocked by a filter, and torque is applied to the mechanism to control the speed. Here, a method is shown in which speed detection is performed by performing analog speed conversion from position detection pulses without using an analog speed detector, which is a trend in recent years.

速度制御比例ゲインKが大きいほど制御系はその応答周
波数を高めることができ、高速位置決め動作が可能にな
る。ここでは振動吸収装置無し、有りの場合につき、機
構、フィルタ速度検出部の伝達特性から各々の比例ゲイ
ンの限界を調べることにする。
The larger the speed control proportional gain K is, the higher the response frequency of the control system can be, allowing high-speed positioning operation. Here, we will investigate the limits of each proportional gain from the transmission characteristics of the mechanism and filter speed detection section, with and without a vibration absorber.

振動吸収装置無しの場合の力学モデル(第35図)につ
いて説明する。
The dynamic model (FIG. 35) without a vibration absorber will be explained.

電動機回転子イナーシャJr(kgm2)、おもり質量
m (kg)、電動機回転軸からみた等価ねじり剛性k
o (Nm/rad) 、電動機回転子角速度ω、(r
ad/S)、アーム先端の電動機回転軸からみた角速度
ωr’ (rad/ s )、電動機発生トルクT (
Nm)とし、粘性効果は微小のため無視すると(3)式
に示す運動方程式が成りたち、周波数領域(S領域)で
(4)式に示すトルク、速度(開ループ)伝達特性が得
られる。
Motor rotor inertia Jr (kgm2), weight mass m (kg), equivalent torsional rigidity k seen from the motor rotation axis
o (Nm/rad), motor rotor angular velocity ω, (r
ad/S), angular velocity ωr' (rad/s) seen from the motor rotation axis at the end of the arm, motor generated torque T (
If the viscosity effect is ignored because it is minute, the equation of motion shown in equation (3) is established, and the torque and speed (open loop) transmission characteristics shown in equation (4) are obtained in the frequency domain (S domain).

kθ S2+□ 粘性項を考慮すると(5)式の特性となる。kθ S2+□ When the viscosity term is taken into account, the characteristic is expressed by equation (5).

ここで、減衰比ξl、ξ2は微小である。Here, the damping ratios ξl and ξ2 are small.

本特性は第38図に示す特性であり、 反共振角周波数:ω^1=  kB/mQ”である。This characteristic is the characteristic shown in Fig. 38, Anti-resonance angular frequency: ω^1=kB/mQ”.

粘性効果が微小のため、共振点2反共振点におけるピー
クが鋭い。ここでは、指令値の応答周波数帯域における
S/N比を高めるため、(6)式に示す特性の低域通過
フィルタ(第39図の特性をもつ)を用いる。
Since the viscous effect is minute, the peak at the resonance point 2 anti-resonance point is sharp. Here, in order to increase the S/N ratio in the response frequency band of the command value, a low-pass filter having the characteristics shown in equation (6) (having the characteristics shown in FIG. 39) is used.

また、速度検出部はエンコーダ等位置検出器の位置検出
パルスをF/V変換器でアナログ変換する場合、(7)
式(第40図参照)に示す伝達特性を示し、著しい位相
遅れが生じる。(例えば、日本ロボット学会誌7巻3号
pp254−259図4参照。) G d (s )= s e−8L=・(7)ここでe
−3Lは速度検出部の位相遅れ特性を近似するむだ時間
要素である。
In addition, when the speed detection section converts the position detection pulse of the position detector such as the encoder into analog with the F/V converter, (7)
The transfer characteristic shown in the equation (see FIG. 40) is shown, and a significant phase delay occurs. (For example, see Figure 4 of the Journal of the Robotics Society of Japan, Vol. 7, No. 3, pp. 254-259.) G d (s) = s e-8L = (7) where e
-3L is a dead time element that approximates the phase delay characteristic of the speed detection section.

以上から第37図の駆動装置制御回路のA−8間伝達特
性は第41図に示すようになり、比例ゲ時のゲイン余裕
が比例ゲインにの設定可能な最大値となり、第41図に
図示した伝達特性のゲイン余裕が比例ゲインにの設定可
能最大値となる。
From the above, the transfer characteristic between A and 8 of the drive device control circuit in FIG. 37 becomes as shown in FIG. The gain margin of the transfer characteristic obtained is the maximum value that can be set for the proportional gain.

次に、振動吸収装置を取り付けた駆動装置・負荷結合体
についてその特性を述べる。第36図しこその力学モデ
ルを示した。振動吸収装置は等価的に付加慣性(イナー
シャJa、回転角速度ω、′)、ねじりばね(ばね定数
にθ、)でモデル化した。運転方程式、トルク・速度伝
達特性を(8) 、 (9)式に示した。
Next, we will describe the characteristics of the drive/load combination equipped with the vibration absorber. Figure 36 shows the dynamic model of Shikotsu. The vibration absorbing device was equivalently modeled using additional inertia (inertia Ja, rotational angular velocity ω,') and a torsion spring (spring constant θ). The operating equation and torque/speed transmission characteristics are shown in equations (8) and (9).

・・・(8) ここで k B / m (12= kθ、/ハ   −=(1
0)となるような振動吸収装置を用いると(9)式分母
はS”=  k6 /mQ”、  kθ(Jr+Ja+
mR2)/ J r m Q ”なる極をもち、(9)
式は(11)式のように簡略化され、 粘性項を付加すると(12)式のように示され5・・(
11) ここで、減衰比ξ3.ξ番)ξl、ξ2である。
...(8) Here, k B / m (12 = kθ, / H - = (1
0), the denominator of equation (9) is S"=k6/mQ", kθ(Jr+Ja+
mR2)/ J r m Q ”, (9)
The equation is simplified as equation (11), and when the viscosity term is added, it is expressed as equation (12), which becomes 5...(
11) Here, the damping ratio ξ3. ξ number) ξl and ξ2.

トルク・速度伝達特性は第42図のようになり。The torque/speed transmission characteristics are as shown in Figure 42.

反共振角周波数ω^z(=、r「7ジ’mQ”)、共振
角周波数ω、z(=にθ(Jr+ a+vIIQ”)/
JraaQ2)であり、振動吸収装置無しの場合(第3
8図)と比へて共振角周波数の若干の向、J:、 (J
 a< J r + m、 Q 2のため)と、共振倍
率の低減がみられる。共振倍率の低減により、第37図
A、B間の伝達特性は第43図に示す結果となり、ゲイ
ン余裕は第41図に示した場合と比べて著しく増大し、
比例ゲインを著しく高めることができる。以上から振動
吸収装置の高減衰性により、制御系の安定化、高応答周
波数化をはかる作用があることが明らかになった。また
、本発明の振動吸収装置は、片持ちはりにおもりを取り
付ける構成であるため、おもりの質量、取付は位置を可
変とすることにより、(8)式で示す固有振動数調整は
容易である。
Anti-resonant angular frequency ω^z (=, r "7ji'mQ"), resonant angular frequency ω, z (= to θ(Jr+a+vIIQ")/
JraaQ2) and without vibration absorber (3rd
8), the direction of the resonant angular frequency is slightly higher, J:, (J
a < J r + m, Q 2), and a reduction in the resonance magnification is observed. Due to the reduction in the resonance magnification, the transfer characteristics between A and B in FIG. 37 become as shown in FIG. 43, and the gain margin increases significantly compared to the case shown in FIG. 41.
The proportional gain can be significantly increased. From the above, it has become clear that the high damping properties of the vibration absorber have the effect of stabilizing the control system and increasing the response frequency. In addition, since the vibration absorbing device of the present invention has a configuration in which a weight is attached to a cantilever beam, the natural frequency adjustment shown by equation (8) can be easily performed by changing the mass and mounting position of the weight. .

次に、多方向の制振を可能にする振動吸収装置の構造と
動作原理を第44図を用いて説明する。
Next, the structure and operating principle of a vibration absorbing device that enables damping in multiple directions will be explained using FIG. 44.

第44図は矢印7a、7bの二方向に振動する振動体に
取付台12を取り付け、取付台の二面に先端におもり1
6の設けられた片持ちはり状高減衰部材を設けたもので
あり、おもり16の振動により高減衰部材根元で発生す
る並列力、回転モーメントが取付台を介して振動体に伝
達され、各方向の制振作用を発生する。ここで、高減衰
部材は、例えば金属板14a、14bに介挿されたゴム
15により構成されており、ばね定数には主として金属
板14a、14bで定まり、粘性定数Cは主としてゴム
15で定まる。
In Fig. 44, a mounting base 12 is attached to a vibrating body that vibrates in two directions indicated by arrows 7a and 7b, and a weight 1 is attached to the tip on two sides of the mounting base.
6 is provided, and the parallel force and rotational moment generated at the base of the high damping member by the vibration of the weight 16 are transmitted to the vibrating body via the mounting base, and generates a vibration damping effect. Here, the high damping member is constituted by, for example, a rubber 15 inserted between metal plates 14a and 14b, and the spring constant is mainly determined by the metal plates 14a and 14b, and the viscosity constant C is mainly determined by the rubber 15.

次に、圧電体を用いた高性能の振動吸収装置を演算を行
うことなく実現する振動吸収装置の構成及び駆動方法を
第45図ないし第54図を用いて説明する。第45図は
圧電体を用いた振動吸収装置の斜視図を示し、第46図
は圧電体の構成を示し、第47図は第46図の圧電体の
両端力作用時の等価回路を示し、第48図は第46図の
圧電体のインピーダンスの周波数特性を示し、第49図
は第45図の振動吸収装置の力学モデルを示し、第50
図は第49図の振動吸収装置の等価回路を示し、第51
−図は第45図の振動吸収装置の駆動回路を示し、第5
2図は第51図の駆動回路駆動時の圧電体電流の時間変
化を示し、第53図は第45図の振動吸収装置装着時の
第34図の駆動装置・負荷結合体の機構伝達特性を示し
、第54図は第45図の振動吸収装置装着時の第34図
の駆動装置・負荷結合体を第37図の駆動回路により駆
動時のA−B聞伝達特性を示している。
Next, the configuration and driving method of a vibration absorbing device that realizes a high-performance vibration absorbing device using a piezoelectric material without performing calculations will be explained using FIGS. 45 to 54. FIG. 45 shows a perspective view of a vibration absorbing device using a piezoelectric body, FIG. 46 shows the structure of the piezoelectric body, and FIG. 47 shows an equivalent circuit when force is applied at both ends of the piezoelectric body in FIG. 46, Fig. 48 shows the frequency characteristics of the impedance of the piezoelectric material shown in Fig. 46, Fig. 49 shows the mechanical model of the vibration absorbing device shown in Fig. 45, and Fig.
The figure shows an equivalent circuit of the vibration absorbing device of Fig. 49, and
- The figure shows the drive circuit of the vibration absorber of Fig. 45, and
Fig. 2 shows the temporal change in the piezoelectric current when the drive circuit shown in Fig. 51 is driven, and Fig. 53 shows the mechanism transmission characteristics of the drive device/load combination shown in Fig. 34 when the vibration absorber shown in Fig. 45 is installed. 54 shows the A-B transmission characteristic when the drive device/load combination shown in FIG. 34 is driven by the drive circuit shown in FIG. 37 when the vibration absorbing device shown in FIG. 45 is installed.

第45図に示す振動吸収装置は、振動体に取り付けられ
た取付台12に圧電体17を介して先端におもり16の
設けられているはり18が結合されている。ここでは、
圧電体17に中空穴が設けられており、取付台12.は
り18とポル1へ締結されている例を示しているが、圧
電体17は接着されていてもよい。振動体11は矢印7
の方向に振動し、この振動を低減することが本振動吸収
装置の目的である。まず、第46図ないし第48図を用
いて圧電体の構造及び特性について説明する。
In the vibration absorbing device shown in FIG. 45, a beam 18 having a weight 16 at its tip is coupled to a mounting base 12 attached to a vibrating body via a piezoelectric body 17. here,
A hollow hole is provided in the piezoelectric body 17, and the mounting base 12. Although an example is shown in which the piezoelectric body 17 is fastened to the beam 18 and the pole 1, the piezoelectric body 17 may be bonded. Vibrating body 11 is indicated by arrow 7
The purpose of this vibration absorbing device is to reduce this vibration. First, the structure and characteristics of the piezoelectric body will be explained using FIGS. 46 to 48.

圧電体17の構成は、第46図に示すように、変形方向
(矢印37)に分極された(分極方向矢印36)圧電セ
ラミック薄板35に対向電極34a。
As shown in FIG. 46, the piezoelectric body 17 has a piezoelectric ceramic thin plate 35 polarized (polarization direction arrow 36) in the deformation direction (arrow 37) and a counter electrode 34a.

34bが設けられ、電極間に電圧を印加することにより
、分極方向に変形(逆圧電効果)し、分極方向に力を印
加することにより電極間に起電力が発生(圧電効果)す
る。歪εと印加電圧E (V/m)の間にはく10)式
の関係が成り立つ。
34b is provided, and by applying a voltage between the electrodes, it is deformed in the polarization direction (inverse piezoelectric effect), and by applying a force in the polarization direction, an electromotive force is generated between the electrodes (piezoelectric effect). The relationship shown in equation 10) holds between the strain ε and the applied voltage E (V/m).

ε=dsaE            ・・・(lO)
daa(m/V)は圧電セラミックの厚み方向圧電定数
である。電界E (=V/l、V:印加電圧。
ε=dsaE...(lO)
daa (m/V) is the piezoelectric constant in the thickness direction of the piezoelectric ceramic. Electric field E (=V/l, V: applied voltage.

t:電極間距離)を大きくすることにより歪を大きくで
きるが、■大、を小とすることには絶縁耐圧、製造技術
の点で限界があることから、第46図に示すように分極
方向の異なる圧電セラミック薄板を多層積層する圧電体
がよく用いられる。この場合1層数nとすると歪量は(
U)式で示され暦数に比例する大きい変位δが同一の印
加電圧が得られる。
The strain can be increased by increasing t (distance between electrodes), but there is a limit in terms of dielectric strength and manufacturing technology in reducing . Piezoelectric bodies are often used that are made by laminating multiple layers of piezoelectric ceramic thin plates with different values. In this case, if the number of layers per layer is n, the amount of strain is (
U) The same applied voltage can be obtained with a large displacement δ proportional to the calendar number.

■ δ= d as −” n t = n d gaV 
      −(11)を 圧電体の電気・機械結合系の特性を表現する圧電方程式
をもとに「固体振動軸の基礎」オーム社(昭57)、p
p138−142に記載のように等価回路モデルを求め
ると第47図に示すように。
■ δ= d as −” nt = nd gaV
- (11) is based on the piezoelectric equation that expresses the characteristics of the electric-mechanical coupling system of piezoelectric bodies, ``Basics of Solid Vibration Axis'', Ohmsha (1982), p.
When the equivalent circuit model is obtained as described on pages 138-142, it is as shown in FIG. 47.

電気機械結合系として示される。ここで、φ (N/V
)は電気機械結合特性を示す定数で力定数と呼ばれ、圧
電体の周波数依存性のある等価ばね定数k、等価集中質
量mは(12)式で示される。
Shown as an electromechanically coupled system. Here, φ (N/V
) is a constant indicating electromechanical coupling characteristics and is called a force constant, and the frequency-dependent equivalent spring constant k and equivalent concentrated mass m of the piezoelectric body are shown by equation (12).

・・・(12) ここで h=nt、 η””ω/uフ]Z oD= 5
 A r p :密度、Ca8D:縦弾性定数、ω:角
周波数、A;電極面積I F1+ F z +端面作用
外力である。
...(12) Here h=nt, η””ω/u]Z oD= 5
A r p : density, Ca8D: longitudinal elastic constant, ω: angular frequency, A: electrode area I F1+ F z + external force acting on the end surface.

ここで電圧印加時の電気機械結合部における印加電圧■
9発生力F、電流i2両端振動速度ul。
Here, the applied voltage at the electromechanical coupling part when voltage is applied■
9 Generated force F, current i2 vibration speed ul at both ends.

62とすると(13)式が成り立つ。62, equation (13) holds true.

F=φV、ui+uz=i/φ   ・(13)電気エ
ネルギ入力側端子A、B間の電気的インピーダンスの周
波数特性は第48図に示すようになり、共振周波数では
電気インピーダンスが最小となり最大電流が流れ、電気
的に純抵抗となり。
F=φV, ui+uz=i/φ (13) The frequency characteristics of the electrical impedance between the electrical energy input terminals A and B are as shown in Figure 48, and at the resonant frequency, the electrical impedance is minimum and the maximum current is The current flows and becomes electrically pure resistance.

(13)式により大きい振動速度で振動する。It vibrates at a high vibration speed according to equation (13).

次に、以上述べた圧電体を第45図に示す振動吸収装置
に装着し、振動吸収装置を第34図に示す駆動装置・負
荷結合体に適用した場合のモデルと駆動方法について第
49図ないし第54図を用いて説明する。第34図に示
す駆動装置は回転型であるが、圧電体軸線上で扱うと、
力学モデルは第49図のように示される。本振動吸収装
置は駆動装置・負荷結合体の特定周波数の振動を低減す
ることが目的であるため、駆動装置、圧電体、はり+お
もりを各々−自由度モデルで表現した。このモデルを等
価回路で表現すると第50図のように示される。駆動装
置に印加される加振力は、機械系開放端子に加えられる
力Fとして示されており、電気系へ(振動)電流jが流
入し、圧電体の等価コンデンサ要素に充電され、式(1
4)に示す起電力Voが発生する。これから、圧電体に
流れ込む振動電流を打ち消す逆位相電流を圧電体側から
流せば、振動を低減することができる。
Next, Figures 49 to 49 show a model and driving method when the piezoelectric body described above is attached to the vibration absorber shown in Figure 45, and the vibration absorber is applied to the drive device/load combination shown in Figure 34. This will be explained using FIG. 54. The drive device shown in FIG. 34 is a rotating type, but when handled on the piezoelectric body axis,
The dynamic model is shown as shown in FIG. Since the purpose of this vibration absorbing device is to reduce the vibration of a specific frequency of the drive device/load combination, the drive device, piezoelectric body, and beam + weight were each expressed as a -degree-of-freedom model. This model is expressed as an equivalent circuit as shown in FIG. The excitation force applied to the drive device is shown as a force F applied to the open terminal of the mechanical system, and a (vibrating) current j flows into the electrical system, charging the equivalent capacitor element of the piezoelectric body, and the equation ( 1
The electromotive force Vo shown in 4) is generated. From now on, if an anti-phase current that cancels the oscillating current flowing into the piezoelectric body is caused to flow from the piezoelectric body side, vibration can be reduced.

(8)で示した、振動体と振動吸収装置の固有振動数が
一致している電気的2機械的共振点で駆動されている場
合、第50図のED間の等価コンデンサCi と並列部
の電気的インピーダンスZeは(15)式で示され、(
16)式の関係が成りたつため純抵抗となる。
When driven at the two electrical and mechanical resonance points where the natural frequencies of the vibrating body and vibration absorbing device match, as shown in (8), the equivalent capacitor Ci between ED and the parallel section in Fig. 50 Electrical impedance Ze is expressed by equation (15), and (
Since the relationship in equation 16) holds true, it becomes a pure resistance.

jωCa   φ2 jωC4φ2 ここで、Z m”は第50図の機械系の機械インピーダ
ンスであり(17)式で示される。
jωCa φ2 jωC4φ2 Here, Z m'' is the mechanical impedance of the mechanical system in FIG. 50 and is expressed by equation (17).

ここで、第51図に示すように抵抗Rより十分大きい抵
抗R′ を介してA−8間を短絡すると等価コンデンサ
C4に充電されていた電荷が第52図の電流Iで示す制
振電流((18)式)としてA・B間開放時と反対方向
に流れる。
Here, if A-8 is short-circuited via a resistor R' that is sufficiently larger than the resistor R as shown in FIG. Equation (18)) flows in the opposite direction to when A and B are open.

ここで、R’  (>R)なる抵抗を介して短絡したの
は、放電電流が第50図で端子Eから端子A方向でなく
大部分端子C方向に放電させるためである。従って、(
18)式におけるC a Rなる時定数Tdの例えば二
倍の周期で放電することにより、振動電流iの95%の
逆位相電流Iを放電させることができ、次に3 T a
の周期でA−B端子間を開放することによりl max
の95%の充電をさせることができる。従って、圧電体
の両端子A、B間に抵抗R′を介して高耐圧FET39
と接続し、パルス発生器38から、例えば、3T、:ハ
イレベル、3Ti:ローレベルの6T−周期の矩形パル
スを送ることにより第52図に示すように、圧電体電流
が減衰し、振動速度(i/φ)が減衰し制振される。第
52図において、振動電流iと逆位相の包絡線をもつ制
振電流工を流すことが、上記の充放電駆動方法により実
現できる。このような圧電型の振動吸収装置を第34図
に示す駆動装置・負荷結合体に適用すると、機構伝達特
性Gはゴムを用いた振動吸収装置を用いた第42図から
第53図に示すように改善され、第37図のA・B聞伝
達特性は第54図に示す結果となり、ゲイン余裕が大き
くなり、第37図の比例ゲインKを大きくとることがで
きる。従って、圧電体を用いた振動吸収装置の駆動方法
を用いることにより演算を行うことなく高性能の振動低
減が可能になり、駆動装置・負荷結合体の高速位置決め
動作が可能になる。
Here, the short circuit is made through the resistor R'(>R) because the discharge current is mostly discharged from the terminal E in the direction of the terminal C rather than in the direction of the terminal A in FIG. 50. Therefore, (
By discharging at a period twice the time constant Td of C a R in equation 18), it is possible to discharge an anti-phase current I that is 95% of the oscillating current i, and then 3 T a
By opening terminals A and B at a period of l max
can be charged to 95%. Therefore, a high voltage FET 39 is connected between both terminals A and B of the piezoelectric body through a resistor R'.
As shown in FIG. 52, the piezoelectric current is attenuated and the vibration speed is decreased by connecting the pulse generator 38 to a 6T-period rectangular pulse with, for example, 3T: high level and 3Ti: low level. (i/φ) is attenuated and vibrations are suppressed. In FIG. 52, it is possible to flow a damping current having an envelope having an opposite phase to the oscillating current i by the above-described charging/discharging driving method. When such a piezoelectric type vibration absorbing device is applied to the drive device/load combination shown in Fig. 34, the mechanism transmission characteristic G becomes as shown in Figs. 42 to 53 using a vibration absorbing device using rubber. The A/B transfer characteristic shown in FIG. 37 becomes the result shown in FIG. 54, the gain margin becomes large, and the proportional gain K shown in FIG. 37 can be increased. Therefore, by using a driving method of a vibration absorbing device using a piezoelectric body, high-performance vibration reduction is possible without performing calculations, and high-speed positioning of the driving device/load combination becomes possible.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の第一の実施例を第2図ないし第15図及
び第44図、第45図、第51図、第52図を用いて説
明する1本実施例は、特に低減衰特性をもつ駆動装置・
負荷結合体の振動低減をはかるのに有用な本発明の振動
吸収装置の構成について述べる。
The first embodiment of the present invention will be explained below with reference to FIGS. 2 to 15 and FIGS. 44, 45, 51, and 52. This embodiment has particularly low attenuation characteristics. Drive device with
The configuration of the vibration absorbing device of the present invention, which is useful for reducing vibration of a load combination, will be described.

第2図は本発明の振動吸収装置の斜視図、第3図は第2
図の説明図、第4図は第3図の高減衰部材除去体の説明
図、第5図は第3図の取付部の説明図、第6図ないし第
8図は第3図ないし第5図の振動吸収装置の曲げ一次固
有振動数と振動吸収装置の寸法等パラメータとの関係図
、第9図、第1O図は第4図、第3図の装置の打撃加振
時減衰特性図、第11図はバイモルフ形圧電素子を用い
て構成した振動吸収装置の説明図、第12図は第11図
の振動吸収装置の簡易力学モデル図、第13図は第11
図の振動吸収装置の電気機械結合系としての構成を示す
等価回路モデル図、第14図は第13図の等価回路モデ
ルの電気系端子A。
Fig. 2 is a perspective view of the vibration absorbing device of the present invention, and Fig. 3 is a perspective view of the vibration absorbing device of the present invention.
Figure 4 is an explanatory diagram of the high damping member removed body of Figure 3, Figure 5 is an explanatory diagram of the mounting part of Figure 3, and Figures 6 to 8 are diagrams of Figures 3 to 5. The relationship diagram between the bending primary natural frequency of the vibration absorbing device and parameters such as dimensions of the vibration absorbing device shown in the figure, Figures 9 and 10 are diagrams of the damping characteristics during impact excitation of the device shown in Figures 4 and 3, Fig. 11 is an explanatory diagram of a vibration absorbing device constructed using a bimorph type piezoelectric element, Fig. 12 is a simplified mechanical model diagram of the vibration absorbing device of Fig. 11, and Fig.
An equivalent circuit model diagram showing the configuration of the vibration absorbing device shown in the figure as an electromechanical coupling system, and FIG. 14 is an electrical system terminal A of the equivalent circuit model of FIG. 13.

B間開放時の電気系等価機械系置換時の機械系モデル図
、第15図は三方向振動吸収装置の斜視図、第44図は
二方向振動吸収装置の斜視図、第45図は厚み振動圧電
素子を用いた振動吸収装置の斜視図、第51図は圧電式
振動吸収装置の駆動回路図、第52図は圧電式振動吸収
装置の駆動原理説明図を示している。
Mechanical system model diagram when electrical system equivalent mechanical system is replaced when B is open, Figure 15 is a perspective view of the three-way vibration absorber, Figure 44 is a perspective view of the two-way vibration absorber, and Figure 45 is the thickness vibration. FIG. 51 is a perspective view of a vibration absorbing device using a piezoelectric element, FIG. 51 is a drive circuit diagram of the piezoelectric vibration absorbing device, and FIG. 52 is a diagram illustrating the driving principle of the piezoelectric vibration absorbing device.

まず、第2図ないし第10図を用いて片持ちはり形振動
吸収装置の基本構成及び特性例を述べる。
First, the basic configuration and characteristic examples of a cantilever beam type vibration absorbing device will be described using FIGS. 2 to 10.

まず第2図を用いて本振動吸収装置の基本構成を説明す
る。振動体11に装着された多面体よりなる取付台12
に金属板14a、1.4bがシム金属板13を介して結
合されている。金属板14a。
First, the basic configuration of the present vibration absorbing device will be explained using FIG. A mounting base 12 made of a polyhedron attached to the vibrating body 11
Metal plates 14a and 1.4b are connected to each other via a shim metal plate 13. Metal plate 14a.

14b間にはゴム板等により構成された高減衰部材15
が介挿されており、金属板14a、14−b両側にはお
もり16a、1.6bがボルト締結されて設けられてい
る。本振動吸収装置は第二の従来例で示されている片持
ちはり形振動吸収装置と比へて、(])多面体からなる
取付台に金属板が取り付けられているため、複数面に金
属板設置が可能であり、(2)おもり16a、16bが
互いにねし締結連結されているため、ゴム等高減衰部材
設置に接着剤を用いる必要が無い、という利点がある。
A high damping member 15 made of a rubber plate or the like is provided between the parts 14b and 14b.
are inserted, and weights 16a and 1.6b are bolted to both sides of the metal plates 14a and 14-b. Compared to the cantilever type vibration absorber shown in the second conventional example, this vibration absorber has a metal plate attached to a mounting base made of a polyhedron. (2) Since the weights 16a and 16b are screw-fastened to each other, there is an advantage that there is no need to use an adhesive to install a high damping member such as rubber.

また、おもり16はざぐり穴とねし穴が設けられており
、おもりの連結を容易としている。本振動吸収装置は矢
印7方向の曲げ剛性が他方向の剛性より著しく低いこと
を利用して矢印7方向の曲げ一次固有振動数を振動体1
1の共振周波数と一致させることにより振動体11の振
動の低減を図ることができる。次に本振動吸収装置の特
性について述べる。第3図において、金属板厚さ2t+
 、高減衰部材、シム金属板厚さt2.金属板張り出し
距離Qo、金属板幅b、おもり(重電w)取付距離Qで
ある。比較のために、高減衰部材、シム板の無い場合(
第4図)、取付台のみの場合(第5図)につき、固有振
動特性、及び、減衰特性を調べた。金属板、シム板とし
てリン青銅板を、高減衰部材としてブチルゴム(硬度5
5.Nさ5rIIn)を用いた場合の固有振動数と各形
状パラメータの関係を第6図ないし第8図に示した。図
中、高減衰部材あり(第3図)を実線で、高減衰部材無
しく第4図)を破線で、取付台のみ(第5図)を−点鎖
線で示した。第6図に0.55kgおもりが張り出し部
中央に設けられた場合の固有振動数と金属板板厚の関係
を示した。金属板板厚小の場合は高減衰部材剛性が金属
板剛性と比して著しく小さくはないため、高減衰部材設
置時には剛性向上による固有振動数の向上がみられるが
、金属板板厚5I[111以上では高減衰部材剛性が金
属板剛性と比して著しく小さいため、高減衰部材の有無
による固有振動数の差異は殆んど無い。また、取付台(
第5図)固有振動数(取付ボルトせん断剛性等による)
が低い場合1図示(2t1≧8++!11)のように金
属板板厚を増加させても振動吸収Vi[の固有振動数が
増加しなくなる。取付台を高剛性化することにより、金
属板板厚8m以上で振動吸収装置の固有振動数をより高
くすることが可能である。第7図に本振動吸収装置の固
有振動数とおもり取付位置の関係を示したが、おもりを
取付台近くに配置することにより、固有振動数が高くな
る傾向を示している。第8図に本振動吸収装置の固有振
動数とおもり重量の関係を示したが、おもり重量を大き
くすることにより固有振動数が低下する傾向を示してい
る。これから、本振動吸収装置は、金属板板厚、高減衰
部材厚が一定の場合でもおもり重量、おもり取付位置を
変えることにより固有振動数調整を行うことができる。
Further, the weight 16 is provided with a counterbore hole and a counterbore hole to facilitate connection of the weight. This vibration absorber uses the fact that the bending stiffness in the direction of arrow 7 is significantly lower than the stiffness in other directions to adjust the primary natural frequency of bending in the direction of arrow 7 to the vibration body 1.
By matching the resonant frequency of 1, the vibration of the vibrating body 11 can be reduced. Next, the characteristics of this vibration absorbing device will be described. In Figure 3, the metal plate thickness is 2t+
, high damping member, shim metal plate thickness t2. The metal plate protrusion distance Qo, the metal plate width b, and the weight (heavy electric w) attachment distance Q. For comparison, the case without high damping member and shim plate (
The natural vibration characteristics and damping characteristics were investigated for the case of only the mounting base (Fig. 4) and the case of the mounting base (Fig. 5). Phosphor bronze plate was used as the metal plate and shim plate, and butyl rubber (hardness 5) was used as the high damping member.
5. The relationship between the natural frequency and each shape parameter when N5rIIn) is used is shown in FIGS. 6 to 8. In the figure, the case with the high damping member (Fig. 3) is shown by a solid line, the case without the high damping member (Fig. 4) is shown by a broken line, and only the mounting base (Fig. 5) is shown by a dashed line. Figure 6 shows the relationship between the natural frequency and the thickness of the metal plate when a 0.55 kg weight is provided at the center of the overhang. When the metal plate thickness is small, the stiffness of the high damping member is not significantly smaller than the rigidity of the metal plate, so when installing the high damping member, an improvement in the natural frequency due to the increase in rigidity can be seen, but when the metal plate thickness is 5I [ At 111 or more, the rigidity of the high damping member is significantly smaller than the rigidity of the metal plate, so there is almost no difference in the natural frequency depending on the presence or absence of the high damping member. In addition, the mounting base (
Figure 5) Natural frequency (depending on mounting bolt shear rigidity, etc.)
When is low, as shown in Figure 1 (2t1≧8++!11), even if the thickness of the metal plate is increased, the natural frequency of vibration absorption Vi[ does not increase. By increasing the rigidity of the mounting base, it is possible to further increase the natural frequency of the vibration absorbing device when the metal plate thickness is 8 m or more. FIG. 7 shows the relationship between the natural frequency of the present vibration absorbing device and the mounting position of the weight, and it shows that the natural frequency tends to increase by arranging the weight near the mounting base. FIG. 8 shows the relationship between the natural frequency of the present vibration absorbing device and the weight of the weight, and it shows that the natural frequency tends to decrease as the weight of the weight increases. From this, the present vibration absorbing device can adjust the natural frequency by changing the weight of the weight and the mounting position of the weight even when the thickness of the metal plate and the thickness of the high damping member are constant.

これは、振動体の機差等による固有振動数のばらつきに
対処することを容易にする利点がある。次に、第4図、
第3図のおもり打撃加振(図中白矢印)時のおもり加速
度の時間変化を第9図、第10図に示した。これから、
高減衰部材無し時には減衰比ξ:0.065であったも
のが、高減衰部材有り時には、減衰比ε=0.221 
 となり著しく高減衰化される。
This has the advantage of making it easier to deal with variations in the natural frequency due to machine differences in the vibrating body. Next, Figure 4,
Figures 9 and 10 show the time change in the weight acceleration when the weight is struck and excited (white arrow in the figure) in Figure 3. from now,
When there is no high damping member, the damping ratio ξ: 0.065, but when there is a high damping member, the damping ratio ε = 0.221
This results in significantly higher attenuation.

減衰効果を更に高めるため、高減衰部材としてバイモル
フ形圧電素子を用いた場合の例を第11図に示した。バ
イモルフ形圧電素子は弾性体18の両面に白矢印(19
a、19b)方向に分極された圧電素子17a、17b
が貼り合わされた構成となっており、取付台12との結
合部には穴が空けられており、ボルト締結されている。
In order to further enhance the damping effect, FIG. 11 shows an example in which a bimorph piezoelectric element is used as the high damping member. The bimorph piezoelectric element has white arrows (19) on both sides of the elastic body 18.
a, 19b) piezoelectric elements 17a, 17b polarized in directions
are pasted together, and a hole is made at the joint with the mounting base 12, and the mounting base 12 is fastened with bolts.

バイモルフ形圧電素子には、おもり16が絶縁層(図示
せず)を介して第2図と同様に設置されており、圧電素
子17a、17bは曲げ振動時に同一極性の電圧を発生
するように図示の極性及び電極端子構成となっている。
A weight 16 is installed in the bimorph type piezoelectric element through an insulating layer (not shown) in the same manner as shown in FIG. The polarity and electrode terminal configuration are as follows.

第11図のバイモルフ形圧電素子を用いて構成される振
動吸収装置の力学モデルを第12図に示した。圧電素子
ばばね定数にの両端に質量をもつモデルとして示される
ことから、その質量におもり、取付台等価質量の付加さ
れた第12図のモデルで示される。横振動するバイモル
フ形圧電素子の等価回路モデルは第13図のように示さ
れ、振動体の振動作用力F (= F e”’)により
、電極端子間に発生する電圧を第51図に示す回路で開
放・短絡することにより、第52図に示すような振動電
流iと逆位相の制振電流工を圧電素子に印加することに
より著しい振動減衰効果を持たせる。第13図の等価回
路モデルの電気系を等価機械系モデルに書き換えると第
14図のようになる。振動作用力Fにより圧電素子に流
れる振動電流iは(19)式で示される。
FIG. 12 shows a mechanical model of a vibration absorbing device constructed using the bimorph piezoelectric element shown in FIG. 11. Since the piezoelectric element is shown as a model with mass at both ends of the spring constant, it is shown as a model in FIG. 12 in which a weight and a mounting base equivalent mass are added to that mass. The equivalent circuit model of a transversely vibrating bimorph piezoelectric element is shown in Figure 13, and the voltage generated between the electrode terminals due to the vibration acting force F (= F e''') of the vibrating body is shown in Figure 51. By opening and shorting the circuit, a vibration damping current with a phase opposite to the vibration current i as shown in Fig. 52 is applied to the piezoelectric element, thereby producing a significant vibration damping effect.The equivalent circuit model shown in Fig. 13 When the electrical system is rewritten into an equivalent mechanical system model, it becomes as shown in Fig. 14.The oscillating current i flowing through the piezoelectric element due to the oscillating force F is expressed by equation (19).

i =(ら1−62)φ         ・・・(1
9)F        Zs ・・・(20) ここで、 表  1 Zs’=:4mMである。
i = (ra1-62)φ...(1
9) F Zs...(20) Here, Table 1 Zs'=: 4mM.

このような振動吸収装置の構成とすることにより、能動
的な振動吸収が可能になるため、第52図に示すように
急速に振動の低減を図ることが可能になる。第51図の
回路で圧電素子両端子を断続的に開放・短絡する周期は
、圧電素子の静電容量Ca、抵抗Rから定まる時間定τ
(=CdR)の二倍以上であれば振動電流の95%以上
の制振電流振幅とすることができ、十分な制振効果をう
ることができる。Cm、R値の特性例を表1に示した。
By configuring the vibration absorbing device as described above, active vibration absorption becomes possible, so that vibration can be rapidly reduced as shown in FIG. 52. In the circuit shown in Fig. 51, the period for intermittently opening and shorting both terminals of the piezoelectric element is a time constant τ determined from the capacitance Ca and resistance R of the piezoelectric element.
(=CdR), the damping current amplitude can be 95% or more of the vibration current, and a sufficient damping effect can be obtained. Table 1 shows examples of characteristics of Cm and R values.

これから、3で=4.29μs となり、233kHz
の周波数で電極間をオン・オフすることにより、充分な
充放電が可能であることを示しており、第52図で高々
100 Hz以下の振動に対しては、はぼ振動電流iと
逆位相な制振電流1を発生させることができ、振動体の
急速な振動減衰を可能にする。このように高減衰部材と
してバイモルフ形圧電素子を用いた場合を示したが、第
45図に示すように金属板18と取付台12の間に厚み
振動形圧電素子17を設けることによっても実現できる
。また、多面体よりなる取付台12の複数面に片持ちは
りを設置することにより、二方向振動吸収装置(第44
図)、三方向振動吸収装置(第15図)を実現すること
ができる。通常振動体11は共振周波数において、複数
方向に振動すねモードで大振幅振動することが多いため
、複数方向振動吸収装置を装着することにより、振動体
の効果的な制振が可能になる。
From this, 3 = 4.29μs, 233kHz
This shows that sufficient charging and discharging is possible by turning on and off the electrodes at a frequency of It is possible to generate a vibration damping current 1, which enables rapid vibration damping of the vibrating body. In this way, the case where a bimorph type piezoelectric element is used as a high damping member is shown, but it can also be realized by providing a thickness vibrating type piezoelectric element 17 between the metal plate 18 and the mounting base 12 as shown in FIG. . In addition, by installing cantilever beams on multiple sides of the mounting base 12 made of a polyhedron, a two-way vibration absorption device (the 44th
), a three-way vibration absorbing device (FIG. 15) can be realized. Normally, the vibrating body 11 often vibrates with large amplitude in a vibration shank mode in multiple directions at the resonance frequency, so by installing a multi-directional vibration absorbing device, it becomes possible to effectively damp the vibration of the vibrating body.

次に、本発明の第二の実施例につき、第1図。Next, FIG. 1 shows a second embodiment of the present invention.

第16図ないし第29図及び第37図を用いて説明する
。本実施例は本発明の第一の実施例で述べた振動吸収装
置が装着された駆動装置・負荷結合体の構造及び駆動装
置のサーボ特性について述べる。第1図は、本発明の振
動吸収装置を装着した一軸アーム装置の斜視図、第16
図は一軸アーム装置の斜視図、第17図は直接駆動回転
形電動機の縦断面図、第18図ないし第20図は各々第
37図に示す制御回路を第16図の一軸アーム装置の電
動機速度制御に適用した場合のC−B聞伝達特性図、A
−B聞伝達特性、A−C間伝達特性図、第21図は第1
6図に示す一軸アーム装置の一次共振周波数fxrにお
ける振動モード図、第22図、第23図は第16図に示
す一軸アーム装置への振動吸収装置の装着構成図、第2
4図、第25図は、第22図もしくは第23図の一軸ア
ーム装置において、振動吸収装置固有振動数が一軸アー
ム装置共振周波数f1r、反共振周波数fl^と一致す
る場合のサーボ系A −F3間(第37図)伝達特性図
、第26図ないし第29図は第16図に示す一軸アーム
装置への複数振動吸収装置取付構成図、第37図は駆動
装置速度制御ブロック図を示している。
This will be explained using FIG. 16 to FIG. 29 and FIG. 37. This embodiment describes the structure of a drive device/load combination body equipped with the vibration absorbing device described in the first embodiment of the present invention, and the servo characteristics of the drive device. FIG. 1 is a perspective view of a uniaxial arm device equipped with the vibration absorbing device of the present invention;
17 is a vertical cross-sectional view of a direct drive rotary electric motor, and FIGS. 18 to 20 each show the control circuit shown in FIG. 37, and the motor speed of the uniaxial arm device shown in FIG. 16. C-B transfer characteristic diagram when applied to control, A
-B transfer characteristic, A-C transfer characteristic diagram, Figure 21 is 1
6 is a vibration mode diagram at the primary resonance frequency fxr of the uniaxial arm device shown in FIG.
4 and 25 show the servo system A-F3 when the natural frequency of the vibration absorbing device matches the uniaxial arm device resonance frequency f1r and anti-resonance frequency fl^ in the uniaxial arm device shown in FIG. 22 or 23. Figures 26 to 29 are configuration diagrams showing the installation of multiple vibration absorbers to the single-axis arm device shown in Figure 16, and Figure 37 is a drive device speed control block diagram. .

まず、第16図を用いて本実施例の説明中で振動吸収装
置装着の効果について述へる駆動装置・負荷結合体の構
成について述べる。ベース2に駆動装置の一例として本
実施例で用いる直接駆動回転形電動機1の固定子1bが
結合されており、回転子1aには先端に負荷4の設けら
れたアーム3が結合されており、回転子1aの下部には
衝撃部材9の結合された衝撃部材取付部材5が溶接等に
より一体化されている。ベース2にはストッパ10が結
合されており、第300°程度の限定された動作範囲内
でアームが回転動作を行うようにオーバラン動作を行っ
た時はオーバランセンサ(図示せず)によりオーバラン
検出を行い、更に行き過ぎ動作を行った時、衝突部材9
とストッパ10が当接し、動作を強制停止させる。第1
6図における直接駆動回転形電動機1の構造を第17図
を用いて説明する。電動機固定子1b、回転子1aは一
対の軸受で支持されており、電動機固定子1bには磁性
材料よりなる極21にコイルが巻回されており、電動機
回転子1a内周には永久磁石20が設けられており、コ
イルに通電することにより電動機固定子・回転子間に磁
気回路が形成され、フレミングの左手の法則により、電
動機回転子1aが電動機固定子1bに対して相対回転(
方向矢印8)する力が発生する。第16図に示す一軸ア
ーム装置の電動機1を第37図の電動機制御回路により
駆動する場合のサーボ特性につき第18図ないし第21
図を用いて説明する。第37図において速度検出部特性
G−は第40図で示されるとする。第37図に示す電動
機制御回路においで、機構伝達特性Gを知ることにより
、機構の共振特性を知ることができるが、本−軸アーム
装置ではアナログ速度検出器は用いず位置検出パルスを
周波数・電圧変換(F/V変換)することにより速度検
出する構成となっているため、C・B間伝達特性G ”
 G 4を検出することにより機構特性を調べることに
した。第18図はその特性を示しており、 flr、 
farの二個の共振周波数が測定周波数範囲内にあられ
れている。位相が180°以下となる周波数Jcは、j
■くfc〈f2.であるため、二次共振ピークはノツチ
フィルタにより遮断し、全体のS/N比を高めるために
帯域周波数T −1の低域通過フィルタ作用をあわせ持
つフィルタ(特性図第20図)を第37図回路における
フィルタ特性ブロックOFとして用いると、A−B聞伝
達特性GFGG−は、第19図に示すようになり、位相
−180°となる周波数fCにおけるゲイン余裕は図示
のように示される。
First, with reference to FIG. 16, the structure of the drive device/load combination will be described, with reference to the effect of mounting the vibration absorber in the description of this embodiment. A stator 1b of a direct drive rotary electric motor 1 used in this embodiment as an example of a drive device is coupled to the base 2, and an arm 3 having a load 4 at its tip is coupled to the rotor 1a. An impact member mounting member 5 to which an impact member 9 is connected is integrated with the lower part of the rotor 1a by welding or the like. A stopper 10 is coupled to the base 2, and an overrun sensor (not shown) detects the overrun when the arm performs an overrun operation within a limited movement range of approximately 300 degrees. When the collision member 9
The stopper 10 comes into contact with the stopper 10 to forcibly stop the operation. 1st
The structure of the direct drive rotary electric motor 1 shown in FIG. 6 will be explained using FIG. 17. The motor stator 1b and rotor 1a are supported by a pair of bearings, and the motor stator 1b has a coil wound around a pole 21 made of a magnetic material, and a permanent magnet 20 is wound around the inner circumference of the motor rotor 1a. A magnetic circuit is formed between the motor stator and rotor by energizing the coil, and according to Fleming's left hand rule, the motor rotor 1a rotates relative to the motor stator 1b (
A force is generated in the direction arrow 8). 18 to 21 show the servo characteristics when the motor 1 of the single-axis arm device shown in FIG. 16 is driven by the motor control circuit shown in FIG. 37.
This will be explained using figures. In FIG. 37, it is assumed that the speed detection section characteristic G- is shown in FIG. In the motor control circuit shown in Fig. 37, the resonance characteristics of the mechanism can be known by knowing the mechanism transfer characteristic G. However, in this shaft arm device, an analog speed detector is not used and the position detection pulse is Since the configuration detects speed by converting voltage (F/V conversion), the transfer characteristic between C and B
We decided to investigate the mechanistic properties by detecting G4. Figure 18 shows its characteristics, flr,
Two resonant frequencies far are within the measurement frequency range. The frequency Jc at which the phase is 180° or less is j
■ku fc〈f2. Therefore, the secondary resonance peak is blocked by a notch filter, and in order to increase the overall S/N ratio, a filter (characteristic diagram Figure 20) that also has a low-pass filter effect with a band frequency of T -1 is used. When used as a filter characteristic block OF in the circuit shown in the figure, the AB transfer characteristic GFGG- becomes as shown in FIG. 19, and the gain margin at the frequency fC where the phase is -180° is shown as shown in the figure.

このゲイン余裕は第37図に示す速度制御回路における
比例ゲインに設定可能最大値を示しており、この値を大
きくとることにより一軸アーム装置の指令に対する高速
追従動作が実現可能となる。しかるに第19図ではこの
ゲイン余裕は周波数flrにおける共振ピークにより狭
められておりあまり大きい値となっていない問題がある
。そこで、軸アーム装置の一次共振を振動吸収装置を用
いて機械的に低減することを考える。第21図は一次共
振周波数flrにおける一軸アーム装置の回転方向の振
動モードを示している。一次共振周波数において、電動
機はアーム支持部材の倒れを伴う回転方向振動を起こし
ている。また、第18図、第19図の特性を示す位置検
出器は、第17図に示すように、電動機下部に設けられ
ていることから、電動機下部の衝突部材取付部材に振動
吸収装置を装着することを検討する。第22図、第23
図は、衝突部材取付部材に半径方向、上、下方向に振動
吸収装置長手方向が一致するように電動機回転方向振動
吸収装置を設けたものである。第24図は第22図もし
くは、第23図の振動吸収装置固有振動数を一軸アーム
装置の一次共振周波数f lr、一次反共振周波数と一
致させた時の第37図のA・8間の伝達特性を示したも
のである。図中破線は振動吸収装置無し時の特性を示し
ている。これから、振動吸収装置はその固有振動数を共
振周波数、もしくは、反共振周波数と一致させることに
より共振倍率低減と位相変化をなめらかにする作用があ
り、特に、共振周波数と一致させた場合(第24図)は
振動吸収装置無しの場合(第19図)と比して著しいゲ
イン余裕の増大が可能になる。ちなみに、D−Dモータ
を用いて700III11のアーム(先端6kg負荷)
に第2図の振動吸収装置を用いて試験したところ、第2
2図の構成では6clB(二倍)、第23図構成では、
4dB(1,4;倍)のゲイン余裕増大効果がみられた
。また、第11図、第45図に示した圧電形振動吸収装
置を用いることにより、共振周波数における共振倍率を
著しく低減することが可能になり、更に、ゲイン余裕の
増大(比例制御ゲインの増大)を図ることが可能となり
、高速位置決め動作が可能になる。
This gain margin indicates the maximum value that can be set for the proportional gain in the speed control circuit shown in FIG. 37, and by increasing this value, it becomes possible to realize high-speed follow-up operation to the command of the uniaxial arm device. However, in FIG. 19, there is a problem that this gain margin is narrowed by the resonance peak at frequency flr and does not have a very large value. Therefore, we will consider mechanically reducing the primary resonance of the shaft arm device using a vibration absorber. FIG. 21 shows the vibration mode in the rotational direction of the uniaxial arm device at the primary resonance frequency flr. At the primary resonance frequency, the electric motor causes rotational direction vibration accompanied by the fall of the arm support member. Furthermore, since the position detector exhibiting the characteristics shown in FIGS. 18 and 19 is provided at the bottom of the electric motor as shown in FIG. 17, a vibration absorbing device is attached to the collision member mounting member at the bottom of the electric motor. I will consider that. Figures 22 and 23
The figure shows a motor rotation direction vibration absorbing device provided on a collision member mounting member so that the longitudinal direction of the vibration absorbing device coincides with the radial direction, upward direction, and downward direction. Figure 24 shows the transmission between A and 8 in Figure 37 when the natural frequency of the vibration absorbing device in Figure 22 or Figure 23 is matched with the primary resonance frequency f lr and the primary anti-resonance frequency of the uniaxial arm device. It shows the characteristics. The broken line in the figure shows the characteristics without the vibration absorber. From now on, the vibration absorbing device has the effect of reducing the resonance magnification and smoothing the phase change by matching its natural frequency with the resonant frequency or anti-resonant frequency, especially when the natural frequency is matched with the resonant frequency (24th (Fig. 19) makes it possible to significantly increase the gain margin compared to the case without a vibration absorber (Fig. 19). By the way, a 700III11 arm (6 kg load at the tip) using a D-D motor
When tested using the vibration absorbing device shown in Figure 2, the second
6clB (double) in the configuration shown in Figure 2, and 6clB (double) in the configuration shown in Figure 23.
A gain margin increase effect of 4 dB (1,4; times) was observed. Furthermore, by using the piezoelectric vibration absorbers shown in Figs. 11 and 45, it is possible to significantly reduce the resonance magnification at the resonant frequency, and furthermore, increase the gain margin (increase in proportional control gain). This makes it possible to achieve high-speed positioning operations.

また、反共振周波数が速度制御系帯域幅(はぼ、低域通
過フィルタ遮断周波数T−1と一致)以下にある場合、
速度制御系閉ループ特性におけるゲインの落ち込み(閉
ループ特性における位相の著しい遅れ)がおこり、位置
制御系帯域幅を狭める問題が生じるが、反共振周波数と
固有振動数の一致する振動吸収装置を設けることにより
、位置制御系帯域幅の拡大を図ることが可能になる。こ
の問題については第三の実施例の説明において、実例を
挙げて説明する。
In addition, if the anti-resonance frequency is below the speed control system bandwidth (matching the low-pass filter cut-off frequency T-1),
This causes a drop in the gain in the closed-loop characteristics of the speed control system (a significant delay in the phase in the closed-loop characteristics), which causes the problem of narrowing the bandwidth of the position control system. , it becomes possible to expand the position control system bandwidth. This problem will be explained using an example in the description of the third embodiment.

次に、複数の振動吸収装置を用いて制振を図る例を第2
6図ないし第29図を用いて説明する。
Next, a second example of damping vibration using multiple vibration absorbers will be explained.
This will be explained using FIGS. 6 to 29.

第26図は一軸アーム装置の衝突部材取付部材に二ヶの
電動機回転方向振動吸収装置を設けた装置を示している
。各振動吸収装置の固有振動数を一軸アーム装置の反共
振周波数f1^、共振周波数frrと一致させることに
より、第37図のA′B間の伝達特性が第27図のよう
になり、反共振点、共振点両方の共振倍率を低減させる
ことが可能となっている。また、複数の共振点がある場
合、各共振点と合致する振動吸収装置を用いることによ
り、振動低減効果が増大する。また、単一共振周波数と
合致する振動吸収装置を複数個設けることによって、共
振周波数における共振倍率を低減し、制御系のゲイン余
裕を増大させることが可能になる。また、第28図、第
1図のように振動吸収装置をそのおもりが取付台より電
動機重心近くとなるように配置することにより、電動機
の負荷イナーシャを著しく増大させることなく効果的な
制振が可能になる。第29図は複数方向の振動を低減す
るように二方向振動吸収装@(上下方向2回転方向)を
電動機の上部に設けた。このような構成とすることによ
り、複数方向に大振幅振動する共振を抑えることが可能
になる。
FIG. 26 shows a device in which two motor rotational direction vibration absorbers are provided on the collision member mounting member of the uniaxial arm device. By matching the natural frequency of each vibration absorbing device with the anti-resonant frequency f1^ and the resonant frequency frr of the uniaxial arm device, the transfer characteristic between A'B in Fig. 37 becomes as shown in Fig. 27, and the anti-resonant It is possible to reduce the resonance magnification of both the resonance point and the resonance point. Furthermore, when there are multiple resonance points, the vibration reduction effect is increased by using a vibration absorber that matches each resonance point. Further, by providing a plurality of vibration absorbers that match a single resonant frequency, it is possible to reduce the resonance magnification at the resonant frequency and increase the gain margin of the control system. In addition, by arranging the vibration absorbing device so that its weight is closer to the center of gravity of the motor than the mounting base, as shown in Fig. 28 and Fig. 1, effective vibration damping can be achieved without significantly increasing the load inertia of the motor. It becomes possible. In FIG. 29, a two-way vibration absorber @ (two rotational directions in the vertical direction) is provided on the top of the electric motor so as to reduce vibrations in multiple directions. With such a configuration, it is possible to suppress resonance that causes large-amplitude vibrations in multiple directions.

次に、本発明の第三の実施例を第30図ないし第33図
を用いて説明する6本実施例は、第一の実施例で述べた
振動吸収装置を複数の駆動装置により駆動される多軸機
構に適用した例として水平釜関節形直接駆動ロボットに
ついて述べる。第30図は水平釜関節形直接駆動ロボッ
トの斜視図。
Next, a third embodiment of the present invention will be explained using FIGS. 30 to 33. In this sixth embodiment, the vibration absorbing device described in the first embodiment is driven by a plurality of drive devices. As an example of application to a multi-axis mechanism, we will discuss a horizontal hook-jointed direct drive robot. FIG. 30 is a perspective view of a horizontal hook joint type direct drive robot.

第31図は本振動吸振装置無し時の−軸用直接駆動電動
機の第37図におけるA −B伝達特性図、第32図は
本振動吸収装置ありの時の一軸用直接駆動電動機のA−
8間の伝達特性図、第33図は本振動吸収装置がある時
の一軸用直接駆動電動機のD−8間の伝達特性図を示す
。まず、本ロボットの構成について、第30図を用いて
説明する。
Fig. 31 is an A-B transfer characteristic diagram in Fig. 37 of the -axis direct drive motor without this vibration absorption device, and Fig. 32 is the A-B transfer characteristic diagram of the single axis direct drive motor with this vibration absorption device.
FIG. 33 shows a transfer characteristic diagram between D and 8 of the single-shaft direct drive motor when this vibration absorbing device is installed. First, the configuration of this robot will be explained using FIG. 30.

本ロボットは、第一アーム24と、第二アーム26をそ
れぞれ直接駆動電動機23と25により直接駆動する構
成で、手首軸(スプライン軸)28は、上、下軸駆動電
動機30の回転動力をベルト(図示せず)を介してボー
ルねし軸27に伝達し、それと螺合するボールねじナツ
トと結合されているブラケット33と共に上、下方向へ
駆動し、更に、手首回転軸駆動電動機31により減速機
32、ベルト(図示せず)を介して回転駆動する構成と
なっている。スプライン軸28はブラケット33に対し
て回転自由に支持されており、その下端に工具29が取
り付けられており、工具29は、例えば、負荷体の着脱
動作を行い、ロボットの−、二軸及び上、下軸駆動電動
機23,25゜30により工具29の位置決め動作を行
い、手首回転軸駆動電動機31により工具29の姿勢決
め動作を行うことにより所望の負荷体移載作業を実現す
ることが可能となる。この移載動作は高速動作が要求さ
れ、特に、水平面内での位れ決め動作に関与するー、二
軸用直接駆動電動機23.25の高速動作が要求される
。それを実現するには第37図に示す電動機駆動回路で
、比例制御ゲインを高くとることが不可欠であり、A−
B聞伝達特性におけるゲイン余裕の増大が不可欠である
。まず、第30図に示すロボットにおいて振動吸収装置
を装着しない場合の一軸用直接駆動電動機のA・8間伝
達特性を第31図に示した。これから、ゲイン余裕を定
めているのは二次共振だが、速度制御系帯域幅設定値(
低域通過フィルタ遮断周波数T−1とほぼ同一)以下に
一次の反共振、共振があり、第37図D−B間の閉ルー
プ速度伝達特性をみると第33図破線に示すように著し
い谷と山がみられ、速度制御系帯域幅は谷の周波数in
sで制約されている。そこで、下記の原則に沿って振動
吸収装置を設けることにした。すなわち、(1)速度制
御系帯域幅以下の共振周波数、反共振周波数の固有振動
数を有する振動吸収装置を設置、 (2)速度制御系帯域幅以上でノツチフィルタを用いる
ことにより充分な速度比例制御ゲインが得られない共振
周波数の固有振動数をもつ振動吸収装置を設置 この原則に沿うと、第31図の周波数fl^+f1rg
f2.r+f3r対応の振動吸収装置を設ける必要があ
る。図示はしないが、各次数の共振は下記振動モートを
示す。
This robot has a configuration in which the first arm 24 and the second arm 26 are directly driven by direct drive motors 23 and 25, respectively, and the wrist shaft (spline shaft) 28 transfers the rotational power of the upper and lower shaft drive motors 30 to the belt. (not shown) to the ball screw shaft 27, and is driven upward and downward together with the bracket 33 connected to the ball screw nut screwed thereto, and further decelerated by the wrist rotation shaft drive electric motor 31. The machine 32 is configured to be rotationally driven via a belt (not shown). The spline shaft 28 is rotatably supported by the bracket 33, and a tool 29 is attached to its lower end. By positioning the tool 29 using the lower shaft drive motors 23 and 25° 30 and positioning the tool 29 using the wrist rotation shaft drive motor 31, it is possible to realize the desired load transfer operation. Become. This transfer operation requires high-speed operation, and in particular requires high-speed operation of the two-axis direct drive motors 23, 25, which are involved in positioning operations in the horizontal plane. To achieve this, it is essential to have a high proportional control gain in the motor drive circuit shown in Figure 37.
It is essential to increase the gain margin in the B-band transfer characteristic. First, FIG. 31 shows the transmission characteristics between A and 8 of the single-axis direct drive motor in the robot shown in FIG. 30 without a vibration absorbing device. From now on, it is the secondary resonance that determines the gain margin, but the speed control system bandwidth setting value (
There is first-order anti-resonance and resonance below the low-pass filter cut-off frequency T-1 (almost the same as the low-pass filter cut-off frequency T-1), and when looking at the closed loop speed transfer characteristic between D and B in Figure 37, there is a significant valley and a significant valley as shown by the broken line in Figure 33. A peak is seen, and the speed control system bandwidth is at the valley frequency in
It is constrained by s. Therefore, we decided to install a vibration absorption device based on the following principles. In other words, (1) installing a vibration absorber with a natural frequency of resonance frequency and anti-resonance frequency that is below the speed control system bandwidth; (2) achieving sufficient speed proportionality by using a notch filter above the speed control system bandwidth; Installing a vibration absorber with a natural frequency of the resonant frequency where no control gain can be obtained If this principle is followed, the frequency fl^ + f1rg in Figure 31
f2. It is necessary to provide a vibration absorption device compatible with r+f3r. Although not shown, each order of resonance indicates the following vibration mode.

(1)一次:第一アームの曲げ f IAI f 5r
(2)二次二二軸電動機の倒れ fzr(3)三次ニー
軸電動機上部の旋回 fsrそこで、一次モード対応の
振動吸収装置6a。
(1) Primary: Bending of the first arm f IAI f 5r
(2) Falling of the secondary knee-shaft motor fzr (3) Turning of the upper part of the tertiary knee-shaft motor fsr Therefore, the vibration absorbing device 6a corresponding to the primary mode is provided.

6bを一軸電動機部に設け、二次モード対応の振動吸収
装置6dを二軸電動機上部に設け、三次モード対応の振
動吸収装置6Cを一軸電動機」二部に設けた。その結果
、−軸用直接駆動電動機のA・8間伝達特性は第32図
のようになり、振動吸収装置無しの場合(第31図)と
比してゲイン余裕の著しい増大、第33図における速度
閉ループ伝達特性における帯域幅fB2のfnlと比し
ての著しい向上がみられ、速度制御系(第37図)の比
例制御ゲインの著しい向上による高速動作の実現が可能
になることがわかった。
A vibration absorber 6b corresponding to the second-order mode was provided on the upper part of the two-axis motor, and a vibration absorber 6C corresponding to the third-order mode was provided on the second part of the single-axis motor. As a result, the transfer characteristics between A and 8 of the direct drive motor for the negative axis are as shown in Figure 32, and the gain margin is significantly increased compared to the case without a vibration absorber (Figure 31), and as shown in Figure 33. It was found that the bandwidth fB2 in the speed closed-loop transfer characteristic was significantly improved compared to fnl, and it was found that high-speed operation could be achieved by significantly improving the proportional control gain of the speed control system (FIG. 37).

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明は、以上説明したように構成されているので以下
に記載されるような効果を奏する。
Since the present invention is configured as described above, it produces the effects described below.

(1)振動吸収装置の取付台よりおもり駆動装置重心近
くに配置することにより、駆動装置の負荷イナーシャを
著しく増大させることなく効果的な振動吸収を行うこと
ができる。
(1) By arranging the weight drive device closer to the center of gravity than the mounting base of the vibration absorption device, effective vibration absorption can be performed without significantly increasing the load inertia of the drive device.

(2)振動吸収装置を取付台の複数面に片持ちはり状高
減衰部材を設けて構成することにより、振動体の複数方
向の振動吸収を同時に行うことができる。
(2) By configuring the vibration absorbing device by providing cantilever-like high-damping members on multiple sides of the mounting base, vibration absorption of the vibrating body in multiple directions can be performed simultaneously.

(3)振動吸収装置の高減衰部材を圧電素子を用いて構
成し、その時定数の二倍以上の周期でその端子間を断続
的に開放・大抵抗を介して短終することにより、速やか
に振動吸収を行うことができる。
(3) By configuring the high damping member of the vibration absorbing device using a piezoelectric element, and by intermittently opening and closing the terminals through a large resistance at a cycle that is more than twice the time constant, Can perform vibration absorption.

(4)駆動装置・負荷結合体の振動吸収を本振動吸収装
置を用いて行う場合に、駆動装置速度制御帯域幅以下の
共振・反共振周波数、及び帯域幅以上でノツチフィルタ
で遮断できない共振周波数と一致する固有振動数の振動
吸収装置を振動モードの大振幅位置に設けることにより
、駆動装置・負荷結合体の速度比例制御ゲインの向上、
速度制御系帯域幅の拡大が可能になり、その高速動作が
可能になる。
(4) When using this vibration absorption device to absorb vibrations of the drive device/load combination, resonance/anti-resonance frequencies below the drive device speed control bandwidth, and resonance frequencies above the bandwidth that cannot be blocked by a notch filter. By installing a vibration absorber with a natural frequency that matches the vibration mode at the large amplitude position of the vibration mode, it is possible to improve the speed proportional control gain of the drive device/load combination.
It becomes possible to expand the speed control system bandwidth and enable high-speed operation.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例の振動吸収装置の装着された
駆動装置・負荷結合体の斜視図、第2図は本発明の振動
吸収装置の斜視図、第3図は第2図の説明図、第4図は
第3図の振動吸収装置において高減衰部材無しの場合の
説明図、第5図は取付台の説明図、第6図ないし第8図
は振動吸収装置の固有振動数と形状パラメータの関係図
、第9図、第10図は第4図、第3図の装置の減衰特性
図、第11図はバイモルフ形圧電素子を用いた振動吸収
装置の説明図、第12図は第11図の振動吸収装置の簡
易力学説明図、第13図は第11図の振動吸収装置の等
価回路モデル図、第14図は第13図の等価回路モデル
の等価機械系モデル図、第15図は本発明の三方向振動
吸収装置の斜視図、第16図は駆動装置・負荷結合体構
造例を示す斜視図、第17図は第16図の駆動装置の縦
断面図。 第18図ないし第20図は第16図の駆動装置・負荷結
合体の駆動装置駆動に第37図の回路を用いた場合のC
−8間、A−8間、A−C間伝達特性図、第21図は第
16図の駆動装置・負荷結合体の共振周波数flrにお
ける振動モード図、第22図、第23図は第16図の駆
動装置・負荷結合体に単一振動吸収装置設置の側面図、
第24図。 第25図は、第22図もしくは第23図において各々振
動吸収装置の固有振動数が一次共振周波数、一次反共振
周波数一致時の駆動装置駆動回路である第37図のA−
B間伝達特性図、第26図は第16図の駆動装置・負荷
結合体にその一次共振周波数、一次反共振周波数と一致
する二ヶの振動吸収装置設置時の側面図、第27図は第
26図の駆動装置・負荷結合体の駆動装置駆動回路であ
る第37図のA−B間伝達特性図、第28図は第16図
の駆動装置・負荷結合体に、おもりが取付台より駆動装
置重心近くに設けられた複数の振動吸収装置設置時の側
面図、第29図は第16図の駆動装置・負荷結合体に二
方向振動吸収装置設置時の側面図、第30図は水平釜関
節形直接駆動ロボットの斜視図、第31図は第30図の
ロボツ]〜において振動吸収装誼無時の一軸直接駆動電
動機の駆動回路である第37図であるA−B間伝達特性
図、第32図は第30図のロボットの一軸直接駆動電動
機の駆動回路である第37図A−B間伝達特性図、第3
3図は第30図のロボットの一軸直接駆動電動機の駆動
回路である第27図D−B間伝達特性図、第34図は簡
易−軸アーム装置の斜視図、第35図は第34図におい
て振動吸収装置無時の力学モデル図、第36図は第34
図の力学モデル図、第37図は第34図の電動機制御回
路ブロック図、第38図は第37図における振動吸収装
置無時の一軸アーム装置の機構伝達関数Gの周波数特性
図、第39図は第37図におけるフィルタ伝達関数OF
の周波数特性図、第40図は第37図における速度検出
部伝達関数Gdの周波数特性図。 第′?!:41図は振動吸収装置無時−軸アーム装置の
電動機駆動回路である第37図A−B間伝達関数の周波
数特性図、第42図は振動吸収装置有り時の一軸アーム
装置の機構伝達関数Gの周波数特性図、第43図は振動
吸収装置あり時の一軸アーム装置の電動機駆動回路であ
る第37図A−B聞伝達関数の周波数特性図、第44図
は二方向振動吸収装置の斜視図、第45図は厚み振動形
圧電素子を用いて振動吸収装置の斜視図、第46図は厚
み振動形圧電素子の斜視図、第47図は厚み振動形圧電
素子の力学モデル図及び等価回路モデル図、第48図は
厚み振動形圧電素子のインピーダンスの周波数特性図、
第49図は駆動装置に圧電形振動吸収装置装着時の力学
モデル図、第50図は第49図の等価回路モデル図、第
51図は圧電形振動吸収装置駆動回路図、第52図は第
45図の圧電形振動吸収装置の動作原理説明図、第53
図は第45図の圧電形振動吸収装置設置時の第34図の
一軸アーム装置の機構伝達関数の周波数特性図、第54
図は第45図の圧電形振動吸収装置設置時の第34図の
一軸アーム装置における電動機駆動回路第37図のA−
B間伝達特性図である。 1・・・直接駆動電動機、2・・・ベース、3・・アー
ム、4・負荷、5・・衝突部材取付部材、6・・・振動
吸収装置、7・・・振動吸収装置制振方向、8・・電動
機回転方向、9・・・衝突部材、10・・・ストッパ、
11第3図 Y4図 〆2 #14目 第22図 Aσ間仏を枡往 ギ23囚 A・CM仏を特性 (キ、lll埴数 (Ha Cr2−仕り虻やシ→生 (#1史]周〃良讐り (Hz) A・σ聞伝を特性 Ac11&Il健脩性 第30図 #34困 第35図 第3乙図 寮40図 第41 図 f、4sEJ 11so口 f45図 第54−図
FIG. 1 is a perspective view of a drive device/load combination body equipped with a vibration absorbing device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of a vibration absorbing device of the present invention, and FIG. 3 is a perspective view of the vibration absorbing device of the present invention. Explanatory diagram, Figure 4 is an explanatory diagram of the vibration absorber shown in Figure 3 without the high damping member, Figure 5 is an explanatory diagram of the mounting base, and Figures 6 to 8 are the natural frequencies of the vibration absorber. Figures 9 and 10 are diagrams of the damping characteristics of the devices shown in Figures 4 and 3. Figure 11 is an explanatory diagram of a vibration absorption device using a bimorph piezoelectric element. Figure 12 is a simplified mechanical explanatory diagram of the vibration absorbing device in FIG. 11, FIG. 13 is an equivalent circuit model diagram of the vibration absorbing device in FIG. 11, and FIG. 14 is an equivalent mechanical system model diagram of the equivalent circuit model in FIG. 13. 15 is a perspective view of the three-way vibration absorbing device of the present invention, FIG. 16 is a perspective view showing an example of the structure of a drive device/load combination, and FIG. 17 is a longitudinal sectional view of the drive device of FIG. 16. Figures 18 to 20 show C when the circuit shown in Figure 37 is used to drive the drive unit/load combination shown in Figure 16.
-8, A-8, and A-C transfer characteristic diagrams. Figure 21 is a vibration mode diagram at the resonant frequency flr of the drive device/load combination of Figure 16. Figures 22 and 23 are A side view of a single vibration absorber installed in the drive/load combination shown in the figure.
Figure 24. FIG. 25 shows the drive circuit A- in FIG. 37 when the natural frequencies of the vibration absorbers match the primary resonant frequency and the primary anti-resonant frequency in FIG. 22 or 23, respectively.
B transmission characteristic diagram, Figure 26 is a side view when two vibration absorbers whose primary resonance frequency and primary anti-resonance frequency match the drive device/load combination shown in Figure 16 are installed, and Figure 27 is a side view of the drive device/load combination shown in Figure 16. Figure 37 is a transfer characteristic diagram between A and B, which is the driver drive circuit for the drive unit/load combination shown in Figure 26, and Figure 28 is a diagram showing the transmission characteristic between A and B, which is the drive circuit for the drive unit/load combination shown in Figure 16, and the weight is driven from the mount in the drive/load combination shown in Figure 16. A side view when multiple vibration absorbers are installed near the center of gravity of the device, Figure 29 is a side view when a two-way vibration absorber is installed on the drive device/load combination shown in Figure 16, and Figure 30 is a side view of the horizontal pot. FIG. 31 is a perspective view of the articulated direct drive robot; FIG. 37 is a drive circuit of the uniaxial direct drive motor without vibration absorption equipment; Fig. 32 shows the drive circuit of the single-axis direct drive motor of the robot shown in Fig. 30;
3 is a diagram showing the transfer characteristics between D and B in FIG. 27, which is the drive circuit for the single-axis direct drive motor of the robot shown in FIG. 30, FIG. 34 is a perspective view of the simple axis arm device, and FIG. Dynamic model diagram without vibration absorber, Figure 36 is Figure 34
Figure 37 is the motor control circuit block diagram in Figure 34, Figure 38 is the frequency characteristic diagram of the mechanical transfer function G of the uniaxial arm device without the vibration absorber in Figure 37, Figure 39 is the mechanical model diagram in Figure 37. is the filter transfer function OF in FIG.
FIG. 40 is a frequency characteristic diagram of the speed detection section transfer function Gd in FIG. 37. No. ′? ! : Figure 41 is the frequency characteristic diagram of the transfer function between A and B in Figure 37, which is the electric motor drive circuit of the axis arm device when there is no vibration absorber, and Figure 42 is the mechanical transfer function of the single axis arm device when the vibration absorber is installed. Figure 43 is a frequency characteristic diagram of the A-B transfer function, Figure 43 is a motor drive circuit for a single-axis arm device with a vibration absorber, and Figure 44 is a perspective view of the two-way vibration absorber. Figure 45 is a perspective view of a vibration absorbing device using a thickness vibration type piezoelectric element, Figure 46 is a perspective view of a thickness vibration type piezoelectric element, and Figure 47 is a dynamic model diagram and equivalent circuit of a thickness vibration type piezoelectric element. Model diagram, Figure 48 is a frequency characteristic diagram of impedance of a thickness vibrating piezoelectric element,
Fig. 49 is a dynamic model diagram when the piezoelectric vibration absorber is attached to the drive device, Fig. 50 is an equivalent circuit model diagram of Fig. 49, Fig. 51 is a piezoelectric vibration absorber drive circuit diagram, and Fig. 52 is a diagram of the piezoelectric vibration absorber drive circuit. Diagram explaining the operating principle of the piezoelectric vibration absorber in Fig. 45, No. 53
The figure shows the frequency characteristic diagram of the mechanism transfer function of the uniaxial arm device in Fig. 34 when the piezoelectric vibration absorber shown in Fig. 45 is installed, and the frequency characteristic diagram shown in Fig. 54.
The diagram shows the motor drive circuit in the uniaxial arm device shown in Fig. 34 when the piezoelectric vibration absorber shown in Fig. 45 is installed.
FIG. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Direct drive electric motor, 2... Base, 3... Arm, 4... Load, 5... Collision member mounting member, 6... Vibration absorber, 7... Vibration absorber damping direction, 8... Electric motor rotation direction, 9... Collision member, 10... Stopper,
11 Figure 3 Y4 Figure 〆2 #14 Eye Figure 22 Aσ inter-Buddha Masu Ogi 23 Prisoner A・CM Buddha characteristic (Ki, lll Hani number (Ha Cr2-Shirihagiyashi → Life (#1 history) Zhou〃Good Rebellion (Hz) Characteristics of A・σ Listening Ac11 & Il Healthiness Figure 30 #34 Trouble Figure 35 Figure 3 Otsu Figure Dormitory 40 Figure 41 Figure f, 4sEJ 11so Mouth f45 Figure 54-Figure

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、振動体の振動を抑制するため、前記振動体の大振幅
振動部に結合される振動吸収装置において、 多面体例えば立方体よりなる取付台の一面を前記振動体
に設置し、単数もしくは複数の大振幅振動方向と直交す
る前記取付台面に片持ちはり形高減衰部材の一端を固定
し、前記高減衰部材の他端もしくは任意の位置におもり
を設け、その一次の曲げ振動固有周波数を振動体の共振
周波数もしくは反共振周波数と一致させることを特徴と
する振動吸収装置。
[Claims] 1. In order to suppress vibrations of a vibrating body, in a vibration absorbing device coupled to a large-amplitude vibrating part of the vibrating body, one side of a mounting base made of a polyhedron, for example, a cube, is installed on the vibrating body. , one end of the cantilever-shaped high-damping member is fixed to the mounting surface perpendicular to one or more large-amplitude vibration directions, and a weight is provided at the other end of the high-damping member or at an arbitrary position, and the primary bending vibration of the high-damping member is fixed. A vibration absorbing device characterized by matching a natural frequency with a resonant frequency or an anti-resonant frequency of a vibrating body.
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