JP2009197826A - アクティブ防振装置およびアクティブ防振方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンなどの振動を効果的に低減する。
【解決手段】加振源を支持する本体１２を中間体弾性部材１４を介して中間体１３で支持し、本体１２と中間体１３との間にアクチュエータ１５を設け、加振源加速度計２１で計測した加振源加速度ａ１と本体加速度計２２で計測した本体加速度ａ２とから算出した加振力Ｆ１と、本体加速度ａ２と中間体加速度計２３で計測した中間体加速度ａ３とから算出した変位力Ｆ２とに基づいて、中間体１３の振動を打ち消すための制振力Ｆａを制振力算出部３３で算出し、この制振力Ｆａを発生させるための指令信号をアクチュエータ１５へ信号出力部３４から出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、防振技術に関し、特に発生する振動に応じてアクチュエータを制御することにより振動を低減するアクティブ防振技術に関する。

船舶では、搭載されているエンジンが加振源となって、船室や船外において振動や騒音が発生する。このため、エンジンで発生した振動がその支持構造である船体へ伝わらないよう、エンジンと船体との間に防振装置を設け、振動の伝播を低減する必要がある。
従来、加振源から支持構造への振動の伝播を低減するための防振装置の１つとして、アクティブ防振装置が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。アクティブ防振装置は、加振源と支持構造との間にアクチュエータを設け、加振源から検出した振動を打ち消す動きをアクチュエータに与えることにより、振動の伝播を低減している。

特開２００７−２４７８２２号公報

しかしながら、このような従来技術では、アクチュエータの制御則としてＰＩ制御というフィードバック制御を用いているため、制御点で振動が発生してからその振動を打ち消すための信号が出力されるまでに遅れが生じる。したがって、精密機器などのステージで発生する超低周波の振動については低減できるものの、繰り返し発生するエンジンなどの高速な振動については制御が追従せず、振動を効果的に低減することができないという問題点があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、エンジンなどの振動を効果的に低減できるアクティブ防振装置およびアクティブ防振方法を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかるアクティブ防振装置は、加振源を支持する本体と、中間体弾性部材を介して本体を支持する中間体と、本体と中間体との間に連結されて、入力された指令信号に応じた力を発生するアクチュエータと、加振源に取り付けられた加振源加速度計と、本体に取り付けられた本体加速度計と、中間体に取り付けられた中間体加速度計と、加振源加速度計で計測した加振源加速度と本体加速度計で計測した本体加速度とに基づいて、本体に加わる加振力を算出する加振力算出部と、本体加速度と中間体加速度計で計測した中間体加速度とに基づいて、中間体に加わる変位力を算出する変位力算出部と、加振力および変位力に基づいて、中間体の振動を打ち消すための制振力を算出する制振力算出部と、制振力を発生させるための指令信号をアクチュエータへ出力する信号出力部とを備えている。

この際、中間体と支持座とを連結する支持座弾性部材をさらに備えてもよい。

また、本発明にかかる他のアクティブ防振装置は、加振源を支持する本体と、中間体弾性部材を介して本体を支持するとともに、支持座弾性部材を介して支持座に支持された中間体と、中間体と支持座との間に連結されて、入力された指令信号に応じた力を発生するアクチュエータと、本体に取り付けられた本体加速度計と、中間体に取り付けられた中間体加速度計と、支持座に取り付けられた支持座加速度計と、本体加速度計で計測した本体加速度と中間体加速度計で計測した中間体加速度とに基づいて、中間体に加わる加振力を算出する加振力算出部と、中間体加速度と支持座加速度計で計測した支持座加速度とに基づいて、支持座に加わる変位力を算出する変位力算出部と、加振力および変位力に基づいて、支持座の振動を打ち消すための制振力を算出する制振力算出部と、制振力を発生させるための指令信号をアクチュエータへ出力する信号出力部とを備えている。

これらアクティブ防振装置において、制振力算出部に、入力されたフィルタ係数と加振力の時系列データとを演算処理することにより制振力を算出する適応フィルタ部と、加振力と所定の伝達関数とに基づいて、変位力のうち制振力に起因する制振変位力を推定する制振変位力推定部と、制振変位力と変位力とに基づきフィルタ係数を算出し適応フィルタ部へ出力するフィルタ係数算出部とを備えてもよい。

この際、フィルタ係数算出部で、算出したフィルタ係数を、適応フィルタ部における制振力の算出後に適応フィルタ部へ出力するようにしてもよい。

また、本発明にかかるアクティブ防振方法は、加振源を支持する本体と、中間体弾性部材を介して本体を支持するとともに支持座弾性部材を介して支持座に支持された中間体と、本体と中間体の間に連結されて、入力された指令信号に応じた力を発生するアクチュエータとを備えるアクティブ防振装置で用いられるアクティブ防振方法であって、加振源に取り付けられた加振源加速度計により加振源加速度を計測するステップと、本体に取り付けられた本体加速度計により本体加速度を計測するステップと、中間体に取り付けられた中間体加速度計により中間体加速度を計測するステップと、加振源加速度と本体加速度とに基づいて、本体に加わる加振力を算出する加振力算出ステップと、本体加速度と中間体加速度とに基づいて、中間体に加わる変位力を算出する変位力算出ステップと、加振力および変位力に基づいて、中間体の振動を打ち消すための制振力を算出する制振力算出ステップと、制振力を発生させるための指令信号をアクチュエータに対して出力する信号出力ステップとを備えている。

この際、中間体と支持座とを支持座弾性部材で連結するステップをさらに備えてもよい。

また、本発明にかかる他のアクティブ防振ステップは、加振源を支持する本体と、中間体弾性部材を介して本体を支持するとともに支持座弾性部材を介して支持座に支持された中間体と、中間体と支持座との間に連結されて、入力された指令信号に応じた力を発生するアクチュエータとを備えるアクティブ防振装置で用いられるアクティブ防振方法であって、本体に取り付けられた本体加速度計により本体加速度を計測するステップと、中間体に取り付けられた中間体加速度計により中間体加速度を計測するステップと、支持座に取り付けられた支持座加速度計により支持座加速度を計測するステップと、本体加速度と中間体加速度とに基づいて、中間体に加わる加振力を算出する加振力算出ステップと、中間体加速度と支持座加速度とに基づいて、支持座に加わる変位力を算出する変位力算出ステップと、加振力および変位力に基づいて、支持座の振動を打ち消すための制振力を算出する制振力算出ステップと、制振力を発生させるための指令信号をアクチュエータに対して出力する信号出力ステップとを備えている。

これらアクティブ防振方法において、制振力算出ステップに、入力されたフィルタ係数と加振力の時系列データとを演算処理することにより制振力を算出する適応フィルタステップと、加振力と所定の伝達関数とに基づいて、変位力のうち制振力に起因する制振変位力を推定する制振変位力推定ステップと、制振変位力と変位力とに基づきフィルタ係数を算出し適応フィルタステップへ出力するフィルタ係数算出ステップとを備えてもよい。

この際、フィルタ係数算出ステップで、算出したフィルタ係数を、適応フィルタステップにおける制振力の算出後に適応フィルタステップへ出力するようにしてもよい。

本発明によれば、加振源で発生した振動を検出して、その振動が制御点である中間体へ伝播するのに合わせて、中間体でこれから発生する振動を打ち消すようにアクチュエータを制御でき、いわゆるフィードフォワード的な制御を行うことが可能となる。したがって、制御点での振動を検出してから、その振動を修正するための制御信号をアクチュエータへ出力するという、前述した引用文献の構成と比較して、制御の遅れを少なくすることができ、エンジンなどの高速な振動を効果的に低減することが可能となる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の構成を示すブロック図である。

このアクティブ防振装置１０は、加振源１１で発生した振動を加速度計により検出し、その検出結果から演算処理で得られた制振力をアクチュエータ１５で発生させることにより、支持座１７へ伝わる振動を抑制する装置である。アクティブ防振装置の具体的な適用例としては、船舶エンジンの防振がある。この際、船舶エンジンが加振源１１に相当し船体が支持座１７に相当する。

本実施の形態は、加振源を支持する本体１２を中間体弾性部材１４を介して中間体１３で支持し、本体１２と中間体１３との間にアクチュエータ１５を設け、加振源加速度計で計測した加振源加速度と本体加速度計で計測した本体加速度とから算出した加振力と、本体加速度と中間体加速度計で計測した中間体加速度とから算出した変位力とに基づいて、中間体１３の振動を打ち消すための制振力を算出し、この制振力を発生させるための指令信号をアクチュエータへ出力している。

次に、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の構成について詳細に説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の構成例を示す説明図である。
本実施の形態にかかるアクティブ防振装置１０は、主な構成として、本体１２、中間体１３、中間体弾性部材１４、アクチュエータ１５、支持座弾性部材１６、加振源加速度計２１、本体加速度計２２、中間体加速度計２３、およびコントローラ３０を含んでいる。

本体１２は、金属などからなり、加振源１１を支持する板状またはブロック状の支持部材である。中間体１３は、金属などからなり、中間体弾性部材１４およびアクチュエータ１５を介して本体１２を支持するとともに、支持座弾性部材１６を介して支持座１７に支持されている。
中間体弾性部材１４は、防振ゴムなどの弾性部材からなり、本体１２から中間体１３へ伝わる振動を減衰させる機能を有している。支持座弾性部材１６は、防振ゴムなどの弾性部材からなり、中間体１３から支持座１７へ伝わる振動を減衰させる機能を有している。
アクチュエータ１５は、圧電式などのアクチュエータからなり、入力された指令信号に応じた力を発生する機能を有している。

図２に示した構成例において、アクチュエータ１５は、その両端がそれぞれ本体１２と中間体１３とにネジで固定されている。また、中間体弾性部材１４は、本体１２に取り付けた箱状のブラケット１２Ａと中間体１３に取り付けられた箱状のブラケット１３Ａに、その両端がそれぞれネジで固定されている。これらブラケット１２Ａ，１３Ａは、アクチュエータ１５の長さが中間体弾性部材１４の長さより大きいために、取付調整用として用いているものであり、両者の長さが一致すれば、中間体弾性部材１４の両端をそれぞれ本体１２と中間体１３とにネジで直接固定してもよい。支持座弾性部材１６は、その両端がそれぞれ中間体１３と支持座１７とにネジで固定されている。

加振源加速度計２１は、加振源１１に取り付けられた一般的な加速度センサからなり、加振源１１で発生する加振源加速度ａ１を検出する機能を有している。加振源加速度ａ１としては、加振源１１に対してどこからも力が加わっていない加速度が望ましいことから、加振源加速度計２１は加振源１１の上面部など、本体１２から離れた位置に配置すればよい。
本体加速度計２２は、本体１２に取り付けられた一般的な加速度センサからなり、本体１２の振動を示す本体加速度ａ２を検出する機能を有している。
中間体加速度計２３は、中間体１３に取り付けられた一般的な加速度センサからなり、中間体１３の振動を示す中間体加速度ａ３を検出する機能を有している。

図２に示した構成例において、本体加速度計２２は、ブラケット１２Ａのうち中間体弾性部材１４の取付位置の近傍に固定されている。また、中間体加速度計２３は、中間体１３のうち支持座弾性部材１６の取付位置の近傍に固定されている。

コントローラ３０は、ＣＰＵとその周辺回路を有する演算処理装置からなり、主な機能部として、加振力算出部３１、変位力算出部３２、制振力算出部３３、および信号出力部３４を含んでいる。
加振力算出部３１は、加振源加速度計２１で計測した加振源加速度ａ１と本体加速度計２２で計測した本体加速度ａ２とに基づいて、本体１２に加わる加振力Ｆ１を算出する機能を有している。

変位力算出部３２は、本体加速度計２２で計測した本体加速度ａ２と中間体加速度計２３で計測した中間体加速度ａ３とに基づいて、中間体１３に加わる変位力Ｆ２を算出する機能を有している。
制振力算出部３３は、加振力算出部３１で算出した加振力Ｆ１と変位力算出部３２で算出した変位力Ｆ２とに基づいて、中間体１３の振動を打ち消すための制振力Ｆａを算出する機能を有している。
信号出力部３４は、制振力算出部３３で算出された制振力Ｆａを発生させるための指令信号３４Ａをアクチュエータ１５へ出力する機能を有している。

［第１の実施の形態の動作］
次に、図３〜図５を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の動作について説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の各部で発生する力を示す説明図である。図４は、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の制御ブロック図である。図５は、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の防振制御処理を示すフローチャートである。以下では、加振源１１から支持座１７へ伝播する上下振動を抑制する場合について説明する。

加振源１１から本体１２に伝わる加振力Ｆ１は、加振源加速度計２１で計測した加振源加速度ａ１、本体加速度計２２で計測した本体加速度ａ２、加振源１１の質量ｍ１、および本体１２の質量ｍ２から、次の式（１）で算出される。この際、ｍ１は、加振源１１や加振源加速度計２１などの加振源１１と同様に振動するすべての構成要素を含み、ｍ２は、本体１２や本体加速度計２２などの本体１２と同様に振動するすべての構成要素を含む。
Ｆ１＝ｍ２×ａ２−ｍ１×ａ１ …（１）

中間体１３に加わる変位力Ｆ２は、本体加速度計２２で計測した本体加速度ａ２、中間体加速度計２３で計測した中間体加速度ａ３、本体１２の質量ｍ２、および中間体１３の質量ｍ３から、次の式（２）で算出される。この際、ｍ３は、中間体１３や中間体加速度計２３などの中間体１３と同様に振動するすべての構成要素を含む。
Ｆ２＝ｍ３×ａ３−ｍ２×ａ２ …（２）

ここで、中間体１３に加わる変位力Ｆ２は、本体１２に加わる加振力Ｆ１の影響と、アクチュエータ１５で発生する制振力Ｆａの影響を受ける。したがって、加振力Ｆ１に起因して中間体弾性部材１４から中間体１３へ伝わる力を加振変位力Ｆ２ｐと定義し、制振力Ｆａに起因してアクチュエータ１５から中間体１３へ伝わる力を制振変位力Ｆ２ｃと定義した場合、変位力Ｆ２は、次の式（３）で表現できる。
Ｆ２＝Ｆ２ｐ＋Ｆ２ｃ …（３）

この際、中間体弾性部材１４の伝達係数をＰ（）とした場合、加振力Ｆ１に起因して中間体弾性部材１４から中間体１３へ伝わる加振変位力Ｆ２ｐは次の式（４）で表される。
Ｆ２ｐ＝Ｐ（Ｆ１） …（４）
また、アクチュエータ１５の伝達係数をＣ（）とした場合、制振力Ｆａに起因してアクチュエータ１５から中間体１３へ伝わる制振変位力Ｆ２ｃは次の式（５）で表される。
Ｆ２ｃ＝Ｃ（Ｆａ） …（５）

以上のことから、変位力Ｆ２は、加振変位力Ｆ２ｐと制振変位力Ｆ２ｃの誤差に相当していることがわかる。この誤差がゼロになるように制振力Ｆａを制御すれば、変位力Ｆ２が打ち消されて中間体１３の振動はゼロとなり、加振源１１で発生した振動が防振されたことになる。
ここで、加振変位力Ｆ２ｐと制振変位力Ｆ２ｃは実際に計測不可能であることから、コントローラ３０の制振力算出部３３では、計測した加速度から算出可能な加振力Ｆ１と変位力Ｆ２とに基づいて制振力Ｆａを算出している。

制振力算出部３３における制振力Ｆａの算出方法の１つとして、図４に示すような、適応フィルタを用いる方法がある。適応フィルタは、入力されたフィルタ係数と入力信号の時系列データとを演算処理することにより、任意の伝達関数と同様のはたらきをするものである。
本実施の形態では、制振力算出部３３に、適応フィルタ部３３Ａ、制振変位力推定部３３Ｂ、およびフィルタ係数算出部３３Ｃを含んでいる。

適応フィルタ部３３Ａは、入力されたフィルタ係数と入力された加振力Ｆ１の時系列データとを演算処理することにより制振力Ｆａを算出する機能を有している。
制振変位力推定部３３Ｂは、予め設定したアクチュエータ１５の伝達係数Ｃと同等の伝達関数Ｃ＾に基づいて、入力された加振力Ｆ１から制振変位力Ｆ２ｃの推定値である推定制振変位力Ｆ２ｃ’を算出する機能を有している
フィルタ係数算出部３３Ｃは、入力された推定制振変位力Ｆ２ｃ’と入力された変位力Ｆ２とから、最小二乗法によりフィルタ係数を算出し適応フィルタへ出力する機能を有している。

次に、図５を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の防振制御処理について説明する。
図１の構成において、加振源１１で発生した振動は、加振源１１が固定されている本体１２に伝播し、本体１２の振動は、中間体弾性部材１４を介して中間体１３へ伝播する。中間体弾性部材１４は、バネ機能と緩衝機能とで表現でき、本体１２の振動のうち、高周波成分についてはバネ機能と緩衝機能で減衰するものの、低周波成分についてはあまり減衰することなく中間体１３へ伝播する。また、アクチュエータ１５に対して防振制御が行われておらず任意のストロークに固定されている場合、本体１２の振動は、アクチュエータ１５から、高周波成分および低周波成分とも減衰することなく中間体１３へ伝播する。

この後、中間体１３の振動は、支持座弾性部材１６を介して支持座１７へ伝播することになる。支持座弾性部材１６は、中間体弾性部材１４と同様にバネ機能と緩衝機能とで表現でき、中間体１３の振動のうち、高周波成分についてはバネ機能と緩衝機能で減衰するものの、低周波成分についてはあまり減衰することなく支持座１７へ伝播する。これにより、加振源１１で発生した振動が支持座１７へ伝播することになる。したがって、船舶エンジンに適用した場合、船室や船外において振動や騒音が発生することになる。

一方、アクチュエータ１５に対して図５の防振制御を行った場合、まず、加振源加速度計２１、本体加速度計２２、および中間体加速度計２３において、加振源加速度ａ１、本体加速度ａ２、および中間体加速度ａ３が計測され（ステップ１００）、コントローラ３０に取り込まれる。この際、加振源加速度計２１、本体加速度計２２、および中間体加速度計２３からのアナログ計測信号は、コントローラ３０のセンサ入力インターフェース（図示せず）により所定間隔でサンプリングされてＡ／Ｄ変換された後、加振力算出部３１および変位力算出部３２へ入力される。なお、これら加速度については、加振源加速度計２１、本体加速度計２２、および中間体加速度計２３からデジタル計測データでコントローラ３０へ出力してもよい。

次に、加振力算出部３１は、加振源加速度ａ１、本体加速度ａ２、質量ｍ１、および質量ｍ２から、前述した式（１）を用いて本体１２に加わる加振力Ｆ１を算出する（ステップ１０１）。
また、変位力算出部３２は、本体加速度ａ２、中間体加速度ａ３、質量ｍ２、および質量ｍ３から、前述した式（２）を用いて中間体１３に加わる変位力Ｆ２を算出する（ステップ１０２）。

続いて、制振力算出部３３の適応フィルタ部３３Ａは、フィルタ係数算出部３３Ｃから入力されたフィルタ係数と加振力算出部３１で算出した加振力Ｆ１の時系列データとを演算処理することにより制振力Ｆａを算出する（ステップ１０３）。
信号出力部３４は、制振力算出部３３で算出された制振力Ｆａを入力とし、この制振力Ｆａを発生させるための指令信号３４Ａをアクチュエータ１５へ出力する（ステップ１０４）。

これにより、前述した式（３）に示したように、アクチュエータ１５で発生した制振力Ｆａが制振変位力Ｆ２ｃとなって中間体１３へ伝わり、この制振変位力Ｆ２ｃが、加振力Ｆ１に起因して中間体弾性部材１４から中間体１３へ伝わった加振変位力Ｆ２ｐを打ち消すことになる。図６は、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の動作を示す信号波形図である。いずれの信号も、横軸は時間を示し、縦軸は力の大きさを示している。

このため、結果として中間体１３に加わる変位力Ｆ２が減衰する。この際、アクチュエータ１５やコントローラ３０の応答性能にもよるが、変位力Ｆ２のうち高周波成分について大きな減衰は得られず中間体１３へ伝わるものの、低周波成分について大きな減衰が得られる。図７は、本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の動作を示すシミュレーション結果であり、横軸は時間を示し、縦軸は中間体の変位量を示している。ここでは、加振力として±２００Ｎ：１００Ｈｚ、±１１０Ｎ：４０Ｈｚ、±５０Ｎ：１０Ｈｚを合成したものを用いている。防振制御を行わない場合の変位量７１が約１８００μｍであるのに比較して、防振制御を行った場合の変位量７２が約３４０μｍであり、中間体の変位量が１／５以上大きく減衰していることがわる。

この後、中間体１３の振動は、支持座弾性部材１６を介して支持座１７へ伝播することになる。このとき、支持座弾性部材１６は、中間体弾性部材１４と同様にバネ機能と緩衝機能とで表現でき、中間体１３の振動のうち、高周波成分についてはバネ機能と緩衝機能で減衰する。また、低周波成分については前述のようにしてアクチュエータ１５で大きな減衰が得られている。これにより、加振源１１で発生した振動のうち、その低周波成分がアクチュエータ１５で減衰されるとともに、その高周波成分が支持座弾性部材１６で減衰されることになる。したがって、船舶エンジンに適用した場合、船室や船外における振動や騒音の発生を低減することが可能となる。

また、コントローラ３０の制振力算出部３３では、図５のステップ１０４の後、制振変位力推定部３３Ｂにより、予め設定したアクチュエータ１５の伝達係数Ｃと同等の伝達関数Ｃ＾に基づいて、入力された加振力Ｆ１から制振変位力Ｆ２ｃの推定値である推定制振変位力Ｆ２ｃ’を算出する（ステップ１０５）。

この後、フィルタ係数算出部３３Ｃは、制振変位力推定部３３Ｂで算出した推定制振変位力Ｆ２ｃ’と変位力算出部３２で算出した変位力Ｆ２とから、最小二乗法によりフィルタ係数を算出し（ステップ１０６）、適応フィルタ部３３Ａへ設定する（ステップ１０７）。これにより、次回処理のための新たなフィルタ係数が適応フィルタ部３３Ａへ設定される。

コントローラ３０は、加振源加速度ａ１、本体加速度ａ２、および中間体加速度ａ３を計測してサンプリングする指定間隔ごとに、前述したステップ１００〜１０７の処理を繰り替えし実行する。これにより、所定間隔ごとにアクチュエータ１５で発生させる制振力Ｆａが調整されるとともに、制振力Ｆａの算出に用いるフィルタ係数が更新される。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、加振源を支持する本体１２を中間体弾性部材１４を介して中間体１３で支持し、本体１２と中間体１３との間にアクチュエータ１５を設け、加振源加速度計２１で計測した加振源加速度ａ１と本体加速度計２２で計測した本体加速度ａ２とから算出した加振力Ｆ１と、本体加速度ａ２と中間体加速度計２３で計測した中間体加速度ａ３とから算出した変位力Ｆ２とに基づいて、中間体１３の振動を打ち消すための制振力Ｆａを制振力算出部３３で算出し、この制振力Ｆａを発生させるための指令信号をアクチュエータ１５へ信号出力部３４から出力している。

また、本実施の形態では、制振力算出部３３において、入力されたフィルタ係数と加振力の時系列データとを演算処理することにより制振力Ｆａを適応フィルタ部３３Ａで算出し、加振力Ｆ１と所定の伝達関数とに基づいて、変位力Ｆ２のうち制振力に起因する制振変位力Ｆ２ｃを制振変位力推定部３３Ｂにより推定し、推定した制振変位力Ｆ２ｃ’と変位力Ｆ２とに基づきフィルタ係数算出部３３Ｃでフィルタ係数を算出し適応フィルタ部３３Ａへ出力している。

このため、加振源１１で発生した振動を検出して、その振動が制御点である中間体１３へ伝播するのに合わせて、中間体１３でこれから発生する振動を打ち消すようにアクチュエータ１５を制御でき、いわゆるフィードフォワード的な制御を行うことが可能となる。
したがって、制御点での振動を検出してから、その振動を修正するための制御信号をアクチュエータへ出力するという、前述した引用文献の構成と比較して、制御の遅れを少なくすることができ、エンジンなどの高速な振動を効果的に低減することが可能となる。

また、本実施の形態では、加振力Ｆ１と変位力Ｆ２とに基づきフィルタ係数が更新されため、経年変化で特性が変わりやすい弾性部材などの伝達関数を用いる必要がなくなる。このため、系の特性変化がある場合でも、防振性能の低下を抑制することができ、系の特性変化に対応するための伝達関数の修正など、メンテナンスに要する作業負担さらにはコスト負担を大幅に軽減することが可能となる。

また、本実施の形態では、フィルタ係数が用意されていれば加振力Ｆ１から制振力Ｆａを算出できることから、制振力Ｆａの算出処理とフィルタ係数の算出処理とを独立して実行することができる。このため、フィルタ係数の算出処理に時間がかかる場合には、算出したフィルタ係数を、適応フィルタ部における制振力の算出後に適応フィルタ部へ出力し、新たなフィルタ係数を次回の制振力Ｆａ算出に用いることにより、防振処理をより高速することが可能となる。

また、本実施の形態では、中間体１３と支持座１７とを連結する支持座弾性部材１６をさらに設けてもよい。これにより、加振源１１で発生した振動のうち、その低周波成分がアクチュエータ１５で減衰されるとともに、その高周波成分が支持座弾性部材１６で減衰されることになり、低周波成分から高周波成分まで、広い範囲で加振源１１からの振動を減衰させることが可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、図８を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置について説明する。図８は、本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の構成を示すブロック図であり、図１と同じまたは同等部分には同一符号を付してある。

第１の実施の形態では、本体１２と中間体１３との間にアクチュエータ１５を設け、加振力Ｆ１と変位力Ｆ２とに基づいて、中間体１３の振動を打ち消すための制振力Ｆａを算出し、これに応じた指令信号をアクチュエータ１５へ出力する場合を例として説明した。本実施の形態では、中間体１３と支持座１７との間にアクチュエータ１５を設け、中間体１３に加わる加振力Ｆ１と、支持座１７に加わる変位力Ｆ２とに基づいて、支持座１７の振動を打ち消すための制振力Ｆａを算出し、これに応じた指令信号をアクチュエータ１５へ出力する場合について説明する。

本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、アクチュエータ１５が中間体１３と支持座１７との間に設けられている。また、加振源１１の加振源加速度計２１が省かれ、支持座１７の支持座加速度ａ４を計測する支持座加速度計２４が新たに追加されている。
また、本体加速度計２２で計測される本体加速度をａ２とし、中間体加速度計２３で計測される中間体加速度をａ３とし、支持座加速度計２４で計測される支持座加速度をａ４とし、コントローラ３０では、これら本体加速度ａ２と中間体加速度ａ３とから加振力算出部３１により加振力Ｆ１を算出し、中間体加速度ａ３と支持座加速度ａ４とから変位力算出部３２により変位力Ｆ２を算出している。
本実施の形態にかかるアクティブ防振装置のうち、その他の構成については、前述した第１の実施の形態と同等であり、ここでの詳細な説明は省略する。

［第２の実施の形態の動作］
次に、図９〜図１１を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の動作について説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の各部で発生する力を示す説明図である。図１０は、本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の制御ブロック図である。図１１は、本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の防振制御処理を示すフローチャートである。以下では、加振源１１から支持座１７へ伝播する上下振動を抑制する場合について説明する。

加振源１１から本体１２および中間体弾性部材１４を介して中間体１３に伝わる加振力Ｆ１は、本体加速度計２２で計測した本体加速度ａ２、中間体加速度計２３で計測した中間体加速度ａ３、加振源１１および本体１２を合わせた質量ｍ１＋ｍ２、および中間体１３の質量ｍ３から、次の式（６）で算出される。この際、ｍ１は、加振源１１や加振源加速度計２１などの加振源１１と同様に振動するすべての構成要素を含み、ｍ２は、本体１２や本体加速度計２２などの本体１２と同様に振動するすべての構成要素を含む。またｍ３は、中間体１３や中間体加速度計２３などの中間体１３と同様に振動するすべての構成要素を含む。
Ｆ１＝ｍ３×ａ３−（ｍ１＋ｍ２）×ａ２ …（６）

支持座１７に加わる変位力Ｆ２は、中間体加速度計２３で計測した中間体加速度ａ３、支持座加速度計２４で計測した支持座加速度ａ４、中間体１３の質量ｍ３、および支持座１７の質量ｍ４から、次の式（７）で算出される。この際、ｍ４は、支持座１７や支持座加速度計２４などの支持座１７と同様に振動するすべての構成要素を含む。
Ｆ２＝ｍ４×ａ４−ｍ３×ａ３ …（７）

ここで、支持座１７に加わる変位力Ｆ２は、中間体１３に加わる加振力Ｆ１の影響と、アクチュエータ１５で発生する制振力Ｆａの影響を受ける。したがって、加振力Ｆ１に起因して支持座弾性部材１６から支持座１７へ伝わる力を加振変位力Ｆ２ｐと定義し、制振力Ｆａに起因してアクチュエータ１５から支持座１７へ伝わる力を制振変位力Ｆ２ｃと定義した場合、変位力Ｆ２は、前述した式（３）で表現できる。

この際、支持座弾性部材１６の伝達係数をＰ（）とした場合、加振力Ｆ１に起因して支持座弾性部材１６から支持座１７へ伝わる加振変位力Ｆ２ｐは前述した式（４）で表される。
また、アクチュエータ１５の伝達係数をＣ（）とした場合、制振力Ｆａに起因してアクチュエータ１５から支持座１７へ伝わる制振変位力Ｆ２ｃは前述した式（５）で表される。

以上のことから、変位力Ｆ２は、加振変位力Ｆ２ｐと制振変位力Ｆ２ｃの誤差に相当していることがわかる。この誤差がゼロになるように制振力Ｆａを制御すれば、変位力Ｆ２が打ち消されて支持座１７の振動はゼロとなり、加振源１１で発生した振動が防振されたことになる。
ここで、加振変位力Ｆ２ｐと制振変位力Ｆ２ｃは実際に計測不可能であることから、コントローラ３０の制振力算出部３３では、計測した加速度から算出可能な加振力Ｆ１と変位力Ｆ２とから制振力Ｆａを算出している。なお、制振力算出部３３の処理動作については、第１の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。

次に、図１１を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の防振制御処理について説明する。
図８の構成において、加振源１１で発生した振動は、加振源が固定されている本体１２から中間体弾性部材１４を介して中間体１３へ伝播する。このとき、中間体弾性部材１４は、バネ機能と緩衝機能とで表現でき、本体１２の振動のうち、高周波成分についてはバネ機能と緩衝機能で減衰するものの、低周波成分についてはあまり減衰することなく中間体１３へ伝播する。

この後、中間体１３の振動は、支持座弾性部材１６を介して支持座１７へ伝播する。このとき、支持座弾性部材１６は、中間体弾性部材１４と同様にバネ機能と緩衝機能とで表現でき、中間体１３の振動のうち、高周波成分についてはバネ機能と緩衝機能で減衰するものの、低周波成分についてはあまり減衰することなく支持座１７へ伝播する。また、アクチュエータ１５に対して防振制御が行われておらず任意のストロークに固定されている場合、中間体１３の振動は、アクチュエータ１５から、高周波成分および低周波成分とも減衰することなく支持座１７へ伝播する。これにより、加振源１１で発生した振動が支持座１７へ伝播することになる。したがって、船舶エンジンに適用した場合、船室や船外において振動や騒音が発生することになる。

一方、アクチュエータ１５に対して図１１の防振制御が行われている場合、まず、本体加速度計２２、および中間体加速度計２３、および支持座加速度計２４において、本体加速度ａ２、中間体加速度ａ３、および支持座加速度ａ４が計測され（ステップ２００）、コントローラ３０に取り込まれる。この際、本体加速度計２２、および中間体加速度計２３、および支持座加速度計２４からのアナログ計測信号は、コントローラ３０のセンサ入力インターフェース（図示せず）により所定間隔でサンプリングされてＡ／Ｄ変換された後、加振力算出部３１および変位力算出部３２へ入力される。なお、本体加速度計２２、および中間体加速度計２３、および支持座加速度計２４からデジタル計測データでコントローラ３０へ出力してもよい。

次に、加振力算出部３１は、本体加速度ａ２、中間体加速度ａ３、質量ｍ１、質量ｍ２、および質量ｍ３から、前述した式（６）を用いて中間体１３に加わる加振力Ｆ１を算出する（ステップ２０１）。
また、変位力算出部３２は、中間体加速度ａ３、支持座加速度ａ４、質量ｍ３、および質量ｍ４から、前述した式（７）を用いて支持座１７に加わる変位力Ｆ２を算出する（ステップ２０２）。

続いて、制振力算出部３３の適応フィルタ部３３Ａは、フィルタ係数算出部３３Ｃから入力されたフィルタ係数と加振力算出部３１で算出した加振力Ｆ１の時系列データとを演算処理することにより制振力Ｆａを算出する（ステップ２０３）。
信号出力部３４は、制振力算出部３３で算出された制振力Ｆａを入力とし、この制振力Ｆａを発生させるための指令信号３４Ａをアクチュエータ１５へ出力する（ステップ２０４）。

これにより、アクチュエータ１５で発生した制振力Ｆａが制振変位力Ｆ２ｃとなって支持座１７へ伝わり、前述した式（３）に示したように、加振力Ｆ１が支持座弾性部材１６を介して支持座１７へ伝わった加振変位力Ｆ２ｐを打ち消すことになる。このため、結果として支持座１７に加わる変位力Ｆ２が減衰する。この際、アクチュエータ１５やコントローラ３０の応答性能にもよるが、変位力Ｆ２のうち低周波成分について大きな減衰が得られる。
これにより、加振源１１で発生した振動のうち、その高周波成分が支持座弾性部材１６で減衰されるとともに、その低周波成分がアクチュエータ１５で減衰されることになる。したがって、船舶エンジンに適用した場合、船室や船外における振動や騒音の発生を低減することが可能となる。

また、コントローラ３０の制振力算出部３３では、図１１のステップ２０４の後、制振変位力推定部３３Ｂにより、予め設定したアクチュエータ１５の伝達係数Ｃと同等の伝達関数Ｃ＾に基づいて、入力された加振力Ｆ１から制振変位力Ｆ２ｃの推定値である推定制振変位力Ｆ２ｃ’を算出する（ステップ２０５）。

この後、フィルタ係数算出部３３Ｃは、制振変位力推定部３３Ｂで算出した推定制振変位力Ｆ２ｃ’と変位力算出部３２で算出した変位力Ｆ２とから、最小二乗法によりフィルタ係数を算出し（ステップ２０６）、適応フィルタ部３３Ａへ設定する（ステップ２０７）。これにより、次回処理のための新たなフィルタ係数が適応フィルタ部３３Ａへ設定される。

コントローラ３０は、本体加速度ａ２、中間体加速度ａ３、および支持座加速度ａ４を計測してサンプリングする指定間隔ごとに、前述したステップ２００〜２０７の処理を繰り替えし実行する。これにより、所定間隔ごとにアクチュエータ１５で発生させる制振力Ｆａが調整されるとともに、制振力Ｆａの算出に用いるフィルタ係数が更新される。

［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、加振源１１を支持する本体１２を中間体弾性部材１４を介して中間体１３で支持するとともに、支持座弾性部材１６を介してこの中間体１３を支持座１７で支持し、中間体１３と支持座１７との間にアクチュエータ１５を設け、本体加速度計２２で計測した本体加速度ａ２と中間体加速度計２３で計測した中間体加速度ａ３とから算出した加振力Ｆ１と、中間体加速度ａ３と支持座加速度計２４で計測した支持座加速度ａ４とから算出した変位力Ｆ２とに基づいて、支持座１７の振動を打ち消すための制振力Ｆａを制振力算出部３３で算出し、この制振力Ｆａを発生させるための指令信号をアクチュエータ１５へ信号出力部３４から出力している。

また、本実施の形態では、制振力算出部３３において、入力されたフィルタ係数と加振力の時系列データとを演算処理することにより制振力Ｆａを適応フィルタ部３３Ａで算出し、加振力Ｆ１と所定の伝達関数とに基づいて、変位力Ｆ２のうち制振力Ｆａに起因する制振変位力Ｆ２ｃを制振変位力推定部３３Ｂにより推定し、推定した制振変位力Ｆ２ｃ’と変位力Ｆ２とに基づきフィルタ係数算出部３３Ｃでフィルタ係数を算出し適応フィルタ部３３Ａへ出力している。

このため、本体１２に加えられた振動を検出して、その振動が制御点である支持座１７へ伝播するのに合わせて、支持座１７でこれから発生する振動を打ち消すようにアクチュエータ１５を制御でき、いわゆるフィードフォワード的な制御を行うことが可能となる。
したがって、制御点での振動を検出してから、その振動を修正するための制御信号をアクチュエータへ出力するという、前述した引用文献の構成と比較して、制御の遅れを少なくすることができ、エンジンなどの高速な振動を効果的に低減することが可能となる。

また、本実施の形態では、加振力Ｆ１と変位力Ｆ２とに基づきフィルタ係数が更新されため、経年変化で特性が変わりやすい弾性部材などの伝達関数を用いる必要がなくなる。このため、系の特性変化がある場合でも、防振性能の低下を抑制することができ、系の特性変化に対応するための伝達関数の修正など、メンテナンスに要する作業負担さらにはコスト負担を大幅に軽減することが可能となる。

また、本実施の形態では、フィルタ係数が用意されていれば加振力Ｆ１から制振力Ｆａを算出できることから、制振力Ｆａの算出処理とフィルタ係数の算出処理とを独立して実行することができる。このため、フィルタ係数の算出処理に時間がかかる場合には、算出したフィルタ係数を、適応フィルタ部における制振力の算出後に適応フィルタ部へ出力し、新たなフィルタ係数を次回の制振力Ｆａ算出に用いることにより、防振処理をより高速することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
以上の各実施の形態では、１つの加振源に対して１つのアクティブ防振装置１０を設けた場合を例として説明したが、これに限定されるものではなく、複数の加振源に対して複数のアクティブ防振装置１０を用いてもよい。例えば、加振源１１を支持する本体１２の四隅に、それぞれ１つずつアクティブ防振装置１０を設け、これらを独立して動作させてもよい。また、これらアクティブ防振装置１０のうち、コントローラ３０を１つに共通化してもよく、設備コストを大幅に削減できる。

また、各実施の形態では、加振源１１から支持座１７へ伝播する上下振動を抑制する場合を例として説明したが、これに限定されるものではなく、振動を抑制する任意の方向にアクチュエータ１５、中間体弾性部材１４、支持座弾性部材１６を配置すれば、横方向や斜め方向などの他の方向についても適用することができる。また、加振源１１による２次元的、あるいは３次元的な方向の振動を抑制する場合には、これら次元方向ごとにアクティブ防振装置を設けて動作させればよい。

本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の構成例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の各部で発生する力を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の制御ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の防振制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の動作を示す信号波形図である。 本発明の第１の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の動作を示すシミュレーション結果である。 本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の各部で発生する力を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の制御ブロック図である。 本発明の第２の実施の形態にかかるアクティブ防振装置の防振制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…アクティブ防振装置、１１…加振源、１２…本体、１３…中間体、１４…中間体弾性部材、１５…アクチュエータ、１６…支持座弾性部材、１７…支持座、２１…加振源加速度計、２２…本体加速度計、２３…中間体加速度計、２４…支持座加速度計、３０…コントローラ、３１…加振力算出部、３２…変位力算出部、３３…制振力算出部、３３Ａ…適応フィルタ部、３３Ｂ…制振変位力推定部、３３Ｃ…フィルタ係数算出部、３４…信号出力部、ａ１…加振源加速度、ａ２…本体加速度、ａ３…中間体加速度、ａ４…支持座加速度、Ｆ１…加振力、Ｆ２…変位力、Ｆ２ｃ…制振変位力、Ｆ２ｃ’…推定制振変位力、Ｆ２ｐ…加振変位力、Ｆａ…制振力、ｍ１〜ｍ４…質量、Ｃ，Ｃ＾，Ｐ…伝達関数。

Claims (10)

1. 加振源を支持する本体と、
   中間体弾性部材を介して前記本体を支持する中間体と、
   前記本体と前記中間体との間に連結されて、入力された指令信号に応じた力を発生するアクチュエータと、
   前記加振源に取り付けられた加振源加速度計と、
   前記本体に取り付けられた本体加速度計と、
   前記中間体に取り付けられた中間体加速度計と、
   前記加振源加速度計で計測した加振源加速度と前記本体加速度計で計測した本体加速度とに基づいて、前記本体に加わる加振力を算出する加振力算出部と、
   前記本体加速度と前記中間体加速度計で計測した中間体加速度とに基づいて、前記中間体に加わる変位力を算出する変位力算出部と、
   前記加振力および前記変位力に基づいて、前記中間体の振動を打ち消すための制振力を算出する制振力算出部と、
   前記制振力を発生させるための指令信号を前記アクチュエータへ出力する信号出力部と
   を備えることを特徴とするアクティブ防振装置。
2. 請求項１に記載のアクティブ防振装置において、
   前記中間体と支持座とを連結する支持座弾性部材をさらに備えることを特徴とするアクティブ防振装置。
3. 加振源を支持する本体と、
   中間体弾性部材を介して前記本体を支持するとともに、支持座弾性部材を介して支持座に支持された中間体と、
   前記中間体と前記支持座との間に連結されて、入力された指令信号に応じた力を発生するアクチュエータと、
   前記本体に取り付けられた本体加速度計と、
   前記中間体に取り付けられた中間体加速度計と、
   前記支持座に取り付けられた支持座加速度計と、
   前記本体加速度計で計測した本体加速度と前記中間体加速度計で計測した中間体加速度とに基づいて、前記中間体に加わる加振力を算出する加振力算出部と、
   前記中間体加速度と前記支持座加速度計で計測した支持座加速度とに基づいて、前記支持座に加わる変位力を算出する変位力算出部と、
   前記加振力および前記変位力に基づいて、前記支持座の振動を打ち消すための制振力を算出する制振力算出部と、
   前記制振力を発生させるための指令信号を前記アクチュエータへ出力する信号出力部と
   を備えることを特徴とするアクティブ防振装置。
4. 請求項１−３のいずれか１つに記載のアクティブ防振装置において、
   前記制振力算出部は、
   入力されたフィルタ係数と前記加振力の時系列データとを演算処理することにより前記制振力を算出する適応フィルタ部と、
   前記加振力と所定の伝達関数とに基づいて、前記変位力のうち前記制振力に起因する制振変位力を推定する制振変位力推定部と、
   前記制振変位力と前記変位力とに基づき前記フィルタ係数を算出し前記適応フィルタ部へ出力するフィルタ係数算出部と
   を備えることを特徴とするアクティブ防振装置。
5. 請求項４に記載のアクティブ防振装置において、
   前記フィルタ係数算出部は、算出した前記フィルタ係数を、前記適応フィルタ部における前記制振力の算出後に前記適応フィルタ部へ出力することを特徴とするアクティブ防振装置。
6. 加振源を支持する本体と、中間体弾性部材を介して前記本体を支持するとともに支持座弾性部材を介して支持座に支持された中間体と、前記本体と前記中間体の間に連結されて、入力された指令信号に応じた力を発生するアクチュエータとを備えるアクティブ防振装置で用いられるアクティブ防振方法であって、
   前記加振源に取り付けられた加振源加速度計により加振源加速度を計測するステップと、
   前記本体に取り付けられた本体加速度計により本体加速度を計測するステップと、
   前記中間体に取り付けられた中間体加速度計により中間体加速度を計測するステップと、
   前記加振源加速度と前記本体加速度とに基づいて、前記本体に加わる加振力を算出する加振力算出ステップと、
   前記本体加速度と前記中間体加速度とに基づいて、前記中間体に加わる変位力を算出する変位力算出ステップと、
   前記加振力および前記変位力に基づいて、前記中間体の振動を打ち消すための制振力を算出する制振力算出ステップと、
   前記制振力を発生させるための指令信号を前記アクチュエータに対して出力する信号出力ステップと
   を備えることを特徴とするアクティブ防振方法。
7. 請求項６に記載のアクティブ防振方法において、
   前記中間体と支持座とを支持座弾性部材で連結するステップをさらに備えることを特徴とするアクティブ防振方法。
8. 加振源を支持する本体と、中間体弾性部材を介して前記本体を支持するとともに支持座弾性部材を介して支持座に支持された中間体と、前記中間体と前記支持座との間に連結されて、入力された指令信号に応じた力を発生するアクチュエータとを備えるアクティブ防振装置で用いられるアクティブ防振方法であって、
   前記本体に取り付けられた本体加速度計により本体加速度を計測するステップと、
   前記中間体に取り付けられた中間体加速度計により中間体加速度を計測するステップと、
   前記支持座に取り付けられた支持座加速度計により支持座加速度を計測するステップと、
   前記本体加速度と前記中間体加速度とに基づいて、前記中間体に加わる加振力を算出する加振力算出ステップと、
   前記中間体加速度と前記支持座加速度とに基づいて、前記支持座に加わる変位力を算出する変位力算出ステップと、
   前記加振力および前記変位力に基づいて、前記支持座の振動を打ち消すための制振力を算出する制振力算出ステップと、
   前記制振力を発生させるための指令信号を前記アクチュエータに対して出力する信号出力ステップと
   を備えることを特徴とするアクティブ防振方法。
9. 請求項６−８のいずれか１つに記載のアクティブ防振方法において、
   前記制振力算出ステップは、
   入力されたフィルタ係数と前記加振力の時系列データとを演算処理することにより前記制振力を算出する適応フィルタステップと、
   前記加振力と所定の伝達関数とに基づいて、前記変位力のうち前記制振力に起因する制振変位力を推定する制振変位力推定ステップと、
   前記制振変位力と前記変位力とに基づき前記フィルタ係数を算出し前記適応フィルタステップへ出力するフィルタ係数算出ステップと
   を備えることを特徴とするアクティブ防振方法。
10. 請求項９に記載のアクティブ防振方法において、
    前記フィルタ係数算出ステップは、算出した前記フィルタ係数を、前記適応フィルタステップにおける前記制振力の算出後に前記適応フィルタステップへ出力することを特徴とするアクティブ防振方法。

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