JP2003150250A - 振動抑制装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広帯域の振動制御が可能であり、且つ容易に
コロケーションを成立させることができるようにするこ
と。 【解決手段】 所定のマスを有する円筒状の磁気回路
（磁石５、鉄板６）と、磁気回路と同軸上に設けられ、
磁気回路の振動を検出する振動検出用ボイスコイル９
と、ボイスコイル９の出力信号を増幅するパワーアンプ
１４と、磁気回路と同軸上に設けられ、パワーアンプ１
４の出力により磁気回路を振動検出用ボスコイル９の検
出振動とは逆位相・同振幅で加振するアクチュエータ用
ボイスコイル１０とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械加工装置を構
成している筐体やカバーに取り付けることで、振動や振
動が原因となる騒音を低減できるようにしたり、振動を
モニタリングすることにより加工装置の動作状態（加工
が旨く行えているかどうか）を推定できるようにしたり
する振動抑制装置に関し、特に、家電製品、例えば冷蔵
庫や洗濯機の平板振動制御、トラクターや建設機械のキ
ャビン振動騒音低減、パーツフィーダー、平板スピー
カ、微粉体等付着物除去装置等に適用される振動抑制装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】機械電気製品から発生する振動は製品価
値を損なうだけでなく、誤動作や破壊を引き起こす元凶
となる。高周波側の振動は制振ゴムの様な材料で低減が
可能であるが、低周波側の振動には効果が低く、一般的
に、この対策には能動的な制御手法を必要とする。

【０００３】能動的な振動抑制装置は、システム内にセ
ンサ機能、プロセッサ機能、及びアクチュエータ機能を
有し、振動制御対象物の振動に関する信号（センサ信
号）をある制御アルゴリズムに基づいてプロセッサが演
算を行い、その信号をアクチュエータに負荷することで
センサ信号が小さくなるようにするフィードフォーワー
ド型の制御装置が多い。この制御方法は、演算プロセッ
サとしてＤＳＰ（Digital Signal Processor）が主に用
いられ、外乱入力信号を取り出し、その信号の演算処理
も必要である。

【０００４】一方、フィードバック型の振動抑制装置は
上記のプロセッサや外乱信号処理を必要としないが、一
般に、制御信号が発散しないようにするために、特定の
振動モードのみの信号を抽出し（モードフィルタとい
う）、単一周波数のみでの振動制御を行う手法やセンサ
の感度方向とアクチュエータの発生力方向を同一軸にな
るようにセンサ、アクチュエータを配置する（コロケー
ションという）手法が採られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、振動構
造物に加わる外乱周波数が広帯域になれば、振動構造物
は様々な振動モードが励起され、これらモードが重畳し
た形で振動することとなり、単一モード抽出のみでは単
一の周波数振動しか制御できず、多くの振動が残ってし
まう問題がある。また、センサ、アクチュエータのコロ
ケーションの成立を意図する制御装置は、センサ設置と
アクチュエータの設置が別々でコロケーションを完全に
成立させるのが難しく、振動構造物にセンサやアクチュ
エータを設置するための構造変更や新たな治具の設定
等、スペース的な問題やコスト的な問題があった。

【０００６】本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑
みてなされたもので、その目的とするところは広帯域の
振動制御が可能であり、且つ容易にコロケーションを成
立させることができ及び簡易な振動抑制装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の振動抑制装置は、所定のマスを有する円筒状
の磁気回路と、該磁気回路と同軸上に設けられ、該磁気
回路の振動を検出する振動検出用ボイスコイルと、該ボ
イスコイルの出力信号を増幅するパワーアンプと、前記
磁気回路と同軸上に設けられ、該パワーアンプの出力に
より前記磁気回路を前記振動検出用ボイスコイルの検出
振動とは逆位相・同振幅で加振するアクチュエータ用ボ
イスコイルとを備えている。

【０００８】また本発明の振動抑制装置は、振動検出用
ボイスコイルの出力信号を積分する積分回路と、該積分
回路の出力信号を増幅する第２のパワーアンプとを備
え、アクチュエータ用ボイスコイルは該第２のパワーア
ンプによっても駆動されることを特徴とする。

【０００９】さらに、本発明の振動抑制装置は所定のマ
スを有する円筒状の磁気回路と、該磁気回路と同軸上に
設けられ、該磁気回路の振動により渦電流を発生するア
ルミ管とを備えている。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の前記課題は、振動構造物
上に設置するマスを、振動に対し逆位相・同振幅で加振
することによる振動相殺で効果的に解決できる。図１に
示す２自由度粘性減衰系モデルを用いてこの原理を説明
する。図中、ｍ１は振動構造物のマスを示し、ｍ２は振
動抑制装置のマスを表している。本発明は、ｍ２の動作
（ｍ１に対する相対速度）をセンシングして、ｍ２にセ
ンサ信号をフィードバックすることで力を発生させ、ｍ
１の動作（振動）を抑制しようとするものである。

【００１１】運動方程式は以下のようになる。

【００１２】

【数１】

【００１３】速度フィードバック回路について考える。

【００１４】図２に示すようにシステムの伝達関数をＧ
１とすると、速度フィードバック成分は、αｓ（αは係
数）とおける。この閉ループ系の一巡伝達関数を求め
る、特性方程式を示すと式（３）となる。

【００１５】

【数２】

【００１６】式（３）に示される回路が安定であるため
には、次の条件を満たす必要がある。 ア）係数が全て正であること。 イ）ラウス数列が全て正であること。

【００１７】ここで、 ア）ｍ、ｃ、ｋ、αは全て正であるため、条件を満足し
ている。 イ）ラウス数列をまとめると下表のようになる。

【００１８】

【数３】

【００１９】ここで、

【００２０】

【数４】

【００２１】

【数５】

【００２２】Ｒをパラメータとし、横軸にβ、縦軸に固
有振動数比（＝ω２／ω１）をとり、グラフ化すると次
のようになる。

【００２３】βは任意に変更が可能であるため、フィー
ドバック回路が不安定にならないような調整が可能であ
る。

【００２４】次に、ｍによる制振によるｍ１の振幅倍率
について考える。Ａ１（物体ｍ１の振幅）及び振幅倍率

【００２５】

【数６】

【００２６】横軸ω２／ω１ 縦軸α／ｃ 図３は、振動構造物の固有振動数が、動電型振動抑制装
置の固有振動周波数（ボイスコイルのｆ０に相当するも
の）と比べて大きければ、フィードバックゲインの安定
限界はあるものの、磁気回路とボイスコイルの相対速度
をフィードバック制御することが可能であることを示し
ている。図では、動電型振動抑制装置の磁気回路（マ
ス）の質量が増すとフィードバックゲインの安定限界が
低くなることを示している。

【００２７】また、導体状で磁石を動かすことにより磁
界を変化させ、導体に渦電流と磁界との相対運動が妨げ
られる現象は良く知られている。この原理を利用するこ
とにより、電源不要の受動型振動抑制装置とすることも
できる。

【００２８】［実施例１］以下、図面を参照しつつ本発
明に係る振動抑制装置の実施例を詳細に説明する。

【００２９】図４において、１は振動構造物であり、こ
の振動構造物１上には本発明に係る振動抑制装置２が、
機械的取付や接着剤によって固定されている。

【００３０】振動抑制装置２は円筒パイプ３とその円筒
パイプ３の両端を塞ぐ２個のアルミニウム製蓋体４１、
４２とを備えている。

【００３１】円筒パイプ３内には円柱状芯部２５とこの
芯部２５の周りに張出形成された円状板部２６が設けら
れ、この円状板部２６の表裏面にはリング状の磁石５が
同軸上に配置され、その上下部にはリング状鉄板６が磁
石５を挟むように配置され、この鉄板６は磁石５と協働
して、磁気回路を構成する。

【００３２】蓋体４１の内側には円筒パイプ３と同軸上
に大径リング溝４１Ａと小径リング溝４１Ｂとが形成さ
れている。大径リング溝４１Ａには円筒状の磁芯７が嵌
合されており、この磁芯７にはボイスコイル９が巻き付
けられている。小径リング溝４１Ｂ内には圧縮バネ１１
の座としてその一端が位置決めされており、この圧縮バ
ネ１１の他端部は円柱状芯部２５に弾接している。

【００３３】蓋体４２の内側にも円筒パイプ３と同軸上
に大径リング溝４２Ａと小径リング溝４２Ｂとが形成さ
れている。大径リング溝４２Ａには円筒状の磁芯８が嵌
合されており、この磁芯８にはボイスコイル１０が巻き
付けられている。小径リング溝４２Ｂ内には圧縮バネ１
２の一端が位置決めされており、この圧縮バネ１２の他
端部は円柱状芯部２５に弾接している。

【００３４】これにより、磁気回路無負荷状態での位置
安定性及び磁気回路を１軸方向に動かす為の弾性が得ら
れることとなる。

【００３５】ボイスコイル９は磁気回路の動きを検知す
るものであり、このボイスコイル９の出力はリード線１
３を通ってパワーアンプ１４で反転増幅されボイスコイ
ル１０に供給される。ボイスコイル１０はアクチュエー
タとしての機能を果たし、受信した信号に従って磁気回
路を検出時とは逆方向に作動させる力を与える。

【００３６】振動構造物１が振動すると、動電型振動抑
制装置２内の磁気回路が振動を始め、ボイスコイル９の
磁気回路に相対速度が生ずる。この相対速度に比例した
起電力（電圧信号；フレミング右手の法則に従う）が、
図４の上部に設置したボイスコイル９に生じる。この信
号をパワーアンプ１４で増幅し、パワーアンプ１４とイ
ンピーダンスマッチングを行った図下部のボイスコイル
１０にプラスマイナスの向きを考慮して印加すると、磁
気回路の振動をうち消す様に動作し（フレミング左手の
法則により、ｆ＝Ｂｉｌの力が作用する）、動電型振動
抑制装置２が取り付けられた振動構造物の振動が減衰す
る。この制御系は、速度フィードバックとなっているた
め、系にダンピング（減衰）を効果的に与えることがで
きる。センサ信号は速度のみならず、ボイスコイルから
得られる速度信号を積分することで変位信号が得られる
ため、この信号をフィードバックする変位フィードバッ
ク（系の剛性を上げることによって振動を低減する）も
可能であり、速度フィードバックと変位フィードバック
を併用することもできる。

【００３７】なお、本装置は主要部分は以下のように構
成した。 （１） 磁気回路：磁気回路を構成する為の磁石とし
て、発生磁力の大きいネオジウム磁石（外径３９φ×内
径１９φ×厚み７ｍｍ）を２個用いた。ネオジウム磁石
を挟み込む鉄系の材料として、Ｓ４１Ｃを用いた。この
材料は３ピースからなり、土台に２つのネオジウム磁石
は外向きがＮ極となるように取り付け、その上下にやは
り同じＳ４１Ｃ材を取り付けた。磁気回路のギャップは
小さいほど磁力が大きくなり都合がよいが、ボイスコイ
ルに使用するコイル径や設置精度を考慮し、ギャップは
３ｍｍとした。磁石を取り付けた磁気回路の大きさは、
外径４１ｍｍ、高さ２９ｍｍ、質量２４０ｇである。こ
の２４０ｇが振動を制御するためのマスとして動作す
る。 （２）ボイスコイル：磁芯としてポリカーボネイトパイ
プ（外径１８φ内径１６φ）を用いた。エナメル線を巻
き付けるために、パイプ端部から約１ｍｍの位置から長
手方向に約１０ｍｍの位置までパイプの外径を機械加工
（旋盤）により深さ０．５ｍｍ程度削りこんで溝を作っ
た。巻き付けるエナメル線は直径が０．１６ｍｍであ
り、パイプに２重に巻き付けた。このときのエナメル線
の抵抗値は約８Ωであった。 （３）弾性体：センサ感度を上げるためには、バネ定数
の小さなバネを使用することが望ましい。そこで、バネ
定数が０．１kgｆ／ｍｍの圧縮バネを用いた。バネは磁
気回路及び蓋に掘られた溝に挿入し、接着剤により固定
した。バネ定数は測定される対象物の固有振動周波数の
大きさによって調整するのが望ましい。今回、上下方向
に圧縮バネを用いているが、ダイヤフラムバネの様な形
状のバネを用いることにより、水平方向の振動制御にも
対応ができる。 （４） 蓋：磁気回路の磁気の影響を避けるため、アル
ミ合金で作成した。蓋の大きさは直径４８ｍｍ、厚み５
ｍｍで、圧縮バネ、ボイスコイル、ケーシングを所定の
位置に固定するための溝を掘っている。蓋はボイスコイ
ルの反力を受けるので剛性が高いことが望ましい。 （５）ケーシング：磁気回路、圧縮バネ、ボイスコイル
取付の調整ができるよう、透明な樹脂（アクリル）を用
いた。アクリルパイプは外径４８φ、内径４４φ、長さ
５５ｍｍであり、アルミ蓋との接合には接着剤を用い
た。

【００３８】また、１次元構造物として代表的な図５に
示すような片持ちはりを振動制御対象とした。片持ちは
り２０には、長さ５００ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚み３ｍｍ
のアルミ合金製フラットバーを使用し、長さ５００ｍｍ
のうち１００ｍｍ部分をバイス１９により固定し、長さ
４００ｍｍの片持ちはりとした。片持ちはり固定部近傍
に、長さ４０ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚み１ｍｍのＰＴ（圧
電セラミックス）をはり２０の表面（上面）と裏面（下
面）の同位置にエポキシ樹脂により接着して、はりを振
動させるための外部入力素子とした。はりの自由端部に
は変位センサ（渦電流式ギャップセンサ）２１を配置す
ることにより、自由端部おける振動変位を観測すること
ができる。

【００３９】周波数特性分析器２２から、一定電圧で周
波数をスイープできる出力端子があり、ここからの出力
をＰＺＴが駆動するためのピエゾドライブ（高速電力増
幅器）２３に入力することで電圧増幅し、電圧増幅され
た信号がはり上下面に取り付けられたＰＺＴに印加され
る。ＰＺＴは周波数加振されることにより、伸縮し、Ｐ
ＺＴが取り付けられているはり２０に振動モーメント力
が作用し、はり２０が振動を起こす。その振動の大きさ
は、はりの自由端に設置された変位センサ２１によって
測定される。周波数特性分析器２２では、入力した周波
数信号と変位センサ２１の出力信号との比（ゲイン）や
位相特性（伝達関数）が分析される。

【００４０】動電型振動抑制装置２の制御効果を測定す
るために、はり２０のみの伝達関数の結果、動電型信号
制御装置２をはり２０に設置して制御を行わなかった場
合における伝達関数の結果、制御を行った場合における
伝達関数の結果を比較した。この結果を図７に示す。た
だし、動電型振動抑制装置２は、はり２０の固定部から
１１０ｍｍの位置にその中心が一致するように設置し
た。

【００４１】図７は本発明の動電型振動抑制装置による
振動制御効果を示すもので、横軸：周波数と縦軸：ゲイ
ンとの関係を示しており、横軸の周波数軸は対数表示し
ている。図７に示される曲線のピークは、はり２０或い
ははり２０と動電型振動抑制装置２を含めたシステムの
固有振動周波数を示している。はり２０単独の場合のピ
ークは１０００Ｈｚまでの周波数に５つ認められてお
り、周波数の低い側から１次振動モードにおける固有振
動周波数、２次、３次、４次、５次と続く。はり２０に
動電型振動抑制装置２を設置した際、１次の固有振動周
波数付近のピークが３つに分かれている。これは動電型
振動抑制装置２の固有振動周波数がはり２０の固有振動
周波数に非常に近い値になっているためであり、３つの
ピークのうち、最も左側のピークがはり２０の固有振動
周波数、その右のピークが動電型振動抑制装置２の固有
振動周波数であると推測できる。

【００４２】動電型振動抑制装置２により速度フィード
バック制御を行った場合、１次の固有振動周波数におけ
るピークは数ｄＢ低減と効果が小さいものの、２次では
３０ｄＢ、３次では２０ｄＢ（いずれも制御有り無しの
比較）の振動抑制効果が得られている。４次以降は効果
が低いが、これは動電型振動抑制装置２のセンサ感度に
よるものである。

【００４３】これをはり２０単独の場合と比較すると、
１次で１０ｄＢ、２次で４０ｄＢ、３次で３０ｄＢ、４
次で３０ｄＢの効果があり、比較的剛性の小さな構造物
には振動抑制効果があることがわかる。

【００４４】さらに、複数の振動モードが重畳した、広
域周波数加振における過渡応答を測定した結果を図８に
示す。図８は、図５と同じ装置において片持ちはり２０
の固定端から５０ｍｍ離れた点をインパクトハンマーに
より衝撃加振した場合の自由端における振動変位の時間
波形である。電動型振動抑制装置２を取り付け、制御が
無い場合（ａ）と、制御を行った場合（ｂ）の時間波形
を比較した。インパクトハンマーの加振力は同じにして
いる。図より制御を行うことにより、５倍程度の振動抑
制スピードがあることが分かる。

【００４５】図６に示すシステムは、機械構造物等の筐
体２４に本発明による動電型振動抑制装置２を取り付け
た例を示す。使用方法として、動電型振動制御器２のマ
ス（磁気回路）が仮死点以上に変位する振動（ｆ０に相
当）を与えて、センサ出力信号を計測することで、構造
物の固有振動周波数を測定することができる。即ち、構
造物の静止状態でのヘルスモニタリングを行うことがで
きる。さらにセンサ機能だけを用いれば構造物の稼働状
態におけるヘルスモニタリングを行うことができる。

【００４６】加えて、パーツフィーダー、平板スピーカ
ーとしての機能も有している。 ［実施例２］図４に示す振動抑制装置におけるボイスコ
イル９、１０の代わりにアルミ管（外径φ１８、内径φ
１６）２７、２８を用いる。振動構造物１が振動する
と、圧縮バネを伝わり、振動抑制器内の磁気回路が振動
を始める。ここで、磁気回路とアルミ管２７、２８との
間に相対運動が生じる。するとアルミ管２７に渦電流が
発生し、アルミ管２７、２８と磁気回路とは相対運動を
妨げる力が発生することによって、振動構造物１の振動
が抑制される。

【００４７】１０はその効果を示すもので、図７と同じ
条件で測定されている。図は振動抑制装置の効果を明確
にするため、片持ちはり単体（無垢片持ちはり）による
ものと、動電型振動抑制装置を片持ちはりにセットして
制御を行わないもの、この振動抑制装置を片持ちはりに
せっとしたものの３種類の特性を比較した。その他の測
定条件は上記の通りである。

【００４８】なお、本実施例ではアルミ缶を２個設けて
いるが、これは１個でも良いものである。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、広
帯域の振動制御が可能であり、且つ容易にコロケーショ
ンを成立させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る振動抑制装置の原理を示す概念
図。

【図２】 本発明に係る伝達関数を示すブロック図。

【図３】 速度フィードバックの安定限界曲線図。

【図４】 本発明に係る振動抑制装置の断面図。

【図５】 本発明に係る振動抑制装置の第１実施態様を
示す断面図。

【図６】 本発明に係る振動抑制装置の第２実施態様を
示す断面図。

【図７】 アルミ板の振動特性曲線図。

【図８】 衝撃加振を加えた場合の振動時間応答曲線図
（（ａ）…制御なし、（ｂ）…制御あり）。

【図９】 本発明の他の実施例に係る振動抑制装置の断
面図。

【図１０】 図９に示す振動抑制装置の特性図。

【符号の説明】

２ 動電型振動抑制装置 ５ 磁石 ６ リング状鉄板 ９、１０ ボイスコイル １１、１２ 圧縮バネ １３、１７ リード線 １４、１６ パワーアンプ １５ 積分回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定のマスを有する円筒状の磁気回路
   と、 該磁気回路と同軸上に設けられ、該磁気回路の振動を検
   出する振動検出用ボイスコイルと、 該ボイスコイルの出力信号を増幅するパワーアンプと、 前記磁気回路と同軸上に設けられ、該パワーアンプの出
   力により前記磁気回路を前記振動検出用ボイスコイルの
   検出振動とは逆位相・同振幅で加振するアクチュエータ
   用ボイスコイルと、を備えている振動抑制装置。
2. 【請求項２】 振動検出用ボイスコイルの出力信号を積
   分する積分回路と、 該積分回路の出力信号を増幅する第２のパワーアンプ
   と、を備え、アクチュエータ用ボイスコイルは該第２の
   パワーアンプによっても駆動されることを特徴とする請
   求項１記載の振動抑制装置。
3. 【請求項３】 所定のマスを有する円筒状の磁気回路
   と、 該磁気回路と同軸上に設けられ、該磁気回路の振動によ
   り渦電流を発生するアルミ管と、を備えている振動抑制
   装置。