JP2012067920A - 振動低減装置および振動低減方法 - Google Patents

振動低減装置および振動低減方法 Download PDF

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Abstract

【課題】制振対象の振動をより確実に低減すること。
【解決手段】弾性体23−1〜23−2と、弾性体23−1〜23−2を介して制振対象に支持される動マス22と、コントロールマス24と、動マス22とコントロールマス24とに結合される他の弾性体27と、動マス22とコントロールマス24とに結合されるアクチュエータ25とを備えている。このような振動低減装置は、アクチュエータ25を用いて動マス22に対してコントロールマス24を適切に運動させることにより、その制振対象に対して動マス22が振動する周波数・振幅を変動させることができ、その制振対象の振動をより確実に低減することができる。このような振動低減装置は、さらに、動マス22に対してコントロールマス24が固定されているときにも、その制振対象の所定の周波数の振動を低減することができる。
【選択図】図3

Description

本発明は、振動低減装置および振動低減方法に関し、特に、振動を低減するときに利用される振動低減装置および振動低減方法に関する。
機体の上に回転翼をもち、垂直の上昇・降下や前進後退・空中停止などが可能であるヘリコプターが知られている。そのヘリコプターは、その回転翼がN枚(Nは、自然数。)であるときに、その回転翼がN/Rev振動を発生し、さらに、そのヘリコプターが受ける風などの影響によるそのN/Rev振動と異なる他の振動が発生する。そのヘリコプターは、居住性が良いことが望まれ、そのヘリコプターの乗員に伝達される振動を低減することが望まれている。
米国特許出願公開第2006/0151272号明細書と文献「Results from the dynamically tailored airframe structures program」には、ピエゾ素子を用いたアクチュエータを用いて液体の錘を運動させることにより、振動を低減させる技術が開示されている。
米国特許出願公開第2006/0151272号明細書
M. R. Smith, R. J. Pascal, T. Lee, F. B. Stamps, M. C. van Schoor, B. P. Masters, C. Blaurock, E. F. Prechtl, J. P. Rodgers, D. J. Merkley, "Results from the dynamically tailored airframe structures program", American Helicopter Society 58th Annual Forum, 2002
本発明の課題は、制振対象の振動をより確実に低減する振動低減装置および振動低減方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、低減することができる振動の周波数をより広域化する振動低減装置および振動低減方法を提供することにある。
以下に、発明を実施するための形態・実施例で使用される符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を記載する。この符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態・実施例の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明による振動低減装置は、弾性体(23−1〜23−2)と、弾性体(23−1〜23−2)を介して制振対象(6、7)に支持される動マス(22)と、コントロールマス(24)と、動マス(22)に対してコントロールマス(24)を移動させるアクチュエータ(25)とを備えている。このような振動低減装置は、動マス(22)に対してコントロールマス(24)を適切に運動させることにより、制振対象(6、7)に対して動マス(22)が振動する周波数・振幅を変動させることができ、制振対象(6、7)の振動をより確実に低減することができる。このような振動低減装置は、さらに、動マス(22)に対してコントロールマス(24)が固定されているときにも、制振対象(6、7)の所定の周波数の振動を低減することができる。
アクチュエータ(25)は、動マス(22)に接合され、かつ、コントロールマス(24)に接合される圧電素子と、動マス(22)に対してコントロールマス(24)が移動するように、その圧電素子に電圧を印加するピエゾドライバー(18)とを備えていることが好ましい。
コントロールマスは、動マスに固定される回転軸を中心に回転可能にその動マスに支持される。アクチュエータは、その回転軸を中心にコントロールマスを回転移動させることが好ましい。
本発明による振動低減装置は、制振対象(6、7)の加速度を測定する加速度センサ(11−1〜11−3、15−1〜15−n)と、その加速度に基づいてアクチュエータ(25)を制御する制御装置(17)とをさらに備えていることが好ましい。たとえば、アクチュエータ(25)は、コントロールマス(24)と動マス(22)とを合わせたトータルの慣性力が制振対象(6、7)の振動を低減する力になるように、制御される。
本発明による振動低減装置は、制振対象(6、7)が備えている回転体(3)が単位時間当たりに回転する回転数を測定する回転数センサ(12)をさらに備えている。このとき、制御装置(17)は、その回転数にさらに基づいてアクチュエータ(25)を制御することが好ましい。
本発明によるヘリコプターは、本発明による振動低減装置と、ブレードを回転させて推進力を生成する回転翼とを備えていることが好ましい。
本発明による振動低減方法は、弾性体(23−1〜23−2)と、弾性体(23−1〜23−2)を介して、制振対象(6、7)に支持される動マス(22)と、コントロールマス(24)と、動マス(22)に対してコントロールマス(24)を移動させるアクチュエータ(25)とを備えている振動低減装置を用いて実行される。本発明による振動低減方法は、制振対象(6、7)の加速度を測定するステップと、その加速度に基づいてアクチュエータ(25)を制御するステップとをさらに備えている。たとえば、アクチュエータ(25)は、コントロールマス(24)と動マス(22)とを合わせたトータルの慣性力が制振対象(6、7)の振動を低減する力になるように、制御される。このような振動低減方法によれば、動マス(22)に対してコントロールマス(24)を適切に運動させることにより、制振対象(6、7)に対して動マス(22)が振動する周波数を変動させることができ、制振対象(6、7)の振動のうち、より広い周波数領域の振動を低減することができる。このような振動低減方法によれば、さらに、動マス(22)に対してコントロールマス(24)が固定されているときにも、制振対象(6、7)の所定の周波数の振動を低減することができる。
本発明による振動低減方法は、制振対象(6、7)が備えている回転体(3)が単位時間当たりに回転する回転数を測定するステップをさらに備えている。このとき、その運動は、その回転数にさらに基づいて算出されることが好ましい。
本発明によるコンピュータプログラムは、本発明による振動低減方法をコンピュータ(17)に実行させることが好ましい。
本発明による振動低減装置および振動低減方法は、制振対象の振動をより確実に低減することができる。
図1は、本発明によるヘリコプターを示す図である。 図2は、本発明による振動低減装置を示すブロック図である。 図3は、振動絶縁リンク素子を示す断面図である。 図4は、振動絶縁リンク素子の他の状態を示す断面図である。 図5は、制御装置を示すブロック図である。
図面を参照して、本発明によるヘリコプターの実施の形態を記載する。そのヘリコプターは、図1に示されているように、ヘリコプター本体に振動低減装置が設けられている。そのヘリコプター本体は、主構造1とトランスミッション2とメインローターブレード3とキャビン5とを備えている。主構造1は、フレームとビームとから形成され、ヘリコプターの骨格を形成している。トランスミッション2は、主構造1に対してメインローターブレード3を回転可能に支持している。トランスミッション2は、さらに、主構造1に対してメインローターブレード3が所定の回転数で回転するように、図示されていない回転動力源からメインローターブレード3に回転動力を伝達する。メインローターブレード3は、翼が形成されている。その翼は、主構造1に対してメインローターブレード3が回転するときに、揚力を生成する。すなわち、メインローターブレード3は、主構造1に対して回転ことにより、そのヘリコプターの推進力を生成する。
キャビン5は、箱型に形成され、キャビン天井6と床下構造7と複数の座席8とを備えている。キャビン天井6は、キャビン5の上部に配置され、主構造1に支持されている。床下構造7は、キャビン5の下部に配置され、主構造1に支持されている。複数の座席8は、床下構造7に固定され、そのヘリコプターの乗員が着席することに利用される。
このとき、メインローターブレード3が回転することにより発生する振動は、トランスミッション2を介して主構造1に伝達され、主構造1からキャビン5に伝達され、キャビン5の座席8からその乗員に伝達される。
その振動低減装置は、複数の機体加速度センサ11−1〜11−3とメインロータ回転数線センサ12と複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−n(n=1,2,3,4,…)と複数の機体加速度センサ15−1〜15−nとを備えている。機体加速度センサ11−1〜11−3は、床下構造7のうちの複数の座席8がそれぞれ固定される複数の位置にそれぞれ固定されている。複数の機体加速度センサ11−1〜11−3の各機体加速度センサ11−j(j=1,2,3)は、床下構造7のうちの機体加速度センサ11−jが固定されている部分の加速度を計測する。
メインロータ回転数線センサ12は、主構造1に対してメインローターブレード3が単位時間当たりに回転する回転数を計測する。
複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nは、それぞれ、キャビン天井6または床下構造7に固定されている。
機体加速度センサ15−1〜15−nは、キャビン天井6または床下構造7のうちの複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nがそれぞれ固定される複数の位置にそれぞれ固定されている。複数の機体加速度センサ15−1〜15−nの各機体加速度センサ15−i(i=1,2,3,…,n)は、キャビン天井6または床下構造7のうちの振動絶縁リンク素子14−iが固定されている部分の加速度を計測する。
図2は、その振動低減装置を示している。その振動低減装置は、さらに、入力装置16と制御装置17とピエゾドライバー18とを備えている。入力装置16は、コクピットに配置され、ユーザに操作されることにより情報を生成し、その情報を制御装置17に出力する。たとえば、入力装置16は、ユーザに操作されることにより制御ONまたは制御OFFのうちから一方のモードを選択し、その選択されたモードを制御装置17に出力する。ピエゾドライバー18は、制御装置17に制御されることにより、複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nに所定の電気信号を出力する。
制御装置17は、コンピュータであり、図示されていないCPUと記憶装置とリムーバルメモリドライブとインターフェースとを備えている。そのCPUは、制御装置17にインストールされるコンピュータプログラムを実行して、その記憶装置とインターフェースとを制御する。その記憶装置は、そのコンピュータプログラムを記録し、そのCPUにより生成される情報を一時的に記録する。そのリムーバルメモリドライブは、記録媒体が挿入されたときに、その記録媒体に記録されているデータを読み出すことに利用される。そのリムーバルメモリドライブは、さらに、コンピュータプログラムが記録されている記録媒体が挿入されたときに、そのコンピュータプログラムを制御装置17にインストールするときに利用される。その記録媒体としては、フラッシュメモリ、磁気ディスク(フレキシブルディスク、ハードディスク)、光ディスク(CD、DVD)、光磁気ディスクが例示される。そのインターフェースは、制御装置17に接続される外部機器により生成される情報をそのCPUに出力し、そのCPUにより生成された情報をその外部機器に出力する。その外部機器は、複数の機体加速度センサ11−1〜11−3と複数の機体加速度センサ15−1〜15−nとメインロータ回転数線センサ12と入力装置16とピエゾドライバー18とを含んでいる。
図3は、複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nを示している。複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nの各振動絶縁リンク素子14−iは、フレーム21と動マス22とスプリング23−1〜23−2とコントロールマス24とピエゾアクチュエータ25とを備えている。フレーム21は、キャビン天井6または床下構造7に固定されている。動マス22は、フレーム21に対して平行移動可能にフレーム21に支持されている。動マス22の質量としては、20kgが例示される。スプリング23−1は、弾性体から形成され、動マス22が平行移動可能である方向に平行にフレーム21に対して動マス22に弾性力を印加している。スプリング23−2は、弾性体から形成され、スプリング23−1により印加される弾性力の方向の反対方向の弾性力を動マス22に印加している。
コントロールマス24は、動マス22の質量の4割程度の質量の部材から形成され、平行移動可能に動マス22に支持されている。コントロールマス24が平行移動可能である方向は、動マス22が移動可能である方向に平行である。ピエゾアクチュエータ25は、一端が動マス22に対して固定され、他端がコントロールマス24に固定されている。ピエゾアクチュエータ25は、スプリング27を備えている。スプリング27は、弾性体から形成されている。スプリング27は、ピエゾアクチュエータ25が圧縮されるように、弾性力をコントロールマス24に印加している。ピエゾアクチュエータ25は、ピエゾドライバー18から印加される電気信号に基づいて、コントロールマス24を平行移動させる。
スプリング23−1〜23−2の弾性力は、コントロールマス24が動マス22に対して固定されているときに、フレーム21に対して動マス22が振動する周波数がN/rev振動の周波数に一致するように、設計されている。そのN/rev振動は、メインローターブレード3が回転することにより発生する振動である。すなわち、そのN/rev振動の周波数は、メインローターブレード3の回転数の平均とメインローターブレード3のブレードの枚数との積に一致する。
図4は、コントロールマス24が動マス22に対して運動したときの振動絶縁リンク素子14−iの状態を示している。動マス22は、コントロールマス24が動マス22に対して運動したときに、コントロールマス24の反動により、フレーム21に対して平行移動する力が印加される。このため、動マス22は、動マス22に対してコントロールマス24を適切に運動させることにより、コントロールマス24が動マス22に対して固定されているときに動マス22が振動する周波数と異なる周波数で振動させることができる。その周波数の変動としては、3%が例示される。動マス22は、動マス22に対してコントロールマス24を適切に運動させることにより、さらに、コントロールマス24が動マス22に対して固定されているときに動マス22が振動する振幅と異なる振幅で振動させることができる。
制御装置17にインストールされるコンピュータプログラムは、制御装置17に複数の機能を実現させるための複数のコンピュータプログラムから形成されている。その複数の機能は、図5に示されているように、計測値収集部31と運動算出部32と制御部33とを含んでいる。
計測値収集部31は、複数の機体加速度センサ11−1〜11−3と複数の機体加速度センサ15−1〜15−nとメインロータ回転数線センサ12とから計測値を収集する。その計測値は、複数の機体加速度センサ11−1〜11−3によりそれぞれ計測された複数の加速度と、複数の機体加速度センサ15−1〜15−nによりそれぞれ計測された複数の加速度と、メインロータ回転数線センサ12により計測された回転数とを含んでいる。
運動算出部32は、計測値収集部31により収集された計測値に基づいて、複数の慣性力を算出する。その複数の慣性力は、複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nに対応している。その複数の慣性力のうちの振動絶縁リンク素子14−iに対応する慣性力は、振動絶縁リンク素子14−iのコントロールマス24と動マス22とがその慣性力をフレーム21に印加したときにキャビン5の振動が低減するように、算出される。運動算出部32は、さらに、その算出された複数の慣性力に基づいて複数のコントロールマス運動を算出する。その複数のコントロールマス運動は、複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nに対応している。その複数のコントロールマス運動のうちの振動絶縁リンク素子14−iに対応するコントロールマス運動は、振動絶縁リンク素子14−iの動マス22に対してコントロールマス24が移動する運動を示し、コントロールマス24により実行されることにより、動マス22とコントロールマス24とがその算出された慣性力をフレーム21に印加するように、算出される。
制御部33は、運動算出部32により算出された複数のコントロールマス運動に基づいてピエゾドライバー18を制御する。このとき、ピエゾドライバー18は、複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nのコントロールマス24が運動算出部32により算出された複数のコントロールマス運動をそれぞれ実行するように、複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nのピエゾアクチュエータ25に複数の電気信号をそれぞれ供給する。
このような振動低減装置は、本発明によるヘリコプターを新規に製造するときに、設置される。また、既存のヘリコプターは、このような振動低減装置が設置されることにより、本発明によるヘリコプターに改造されることもできる。
本発明による振動低減方法の実施の形態は、このような振動低減装置により実行される。制御装置17は、複数の機体加速度センサ11−1〜11−3と複数の機体加速度センサ15−1〜15−nとメインロータ回転数線センサ12とから計測値を収集する。その計測値は、複数の機体加速度センサ11−1〜11−3によりそれぞれ計測された複数の加速度と、複数の機体加速度センサ15−1〜15−nによりそれぞれ計測された複数の加速度と、メインロータ回転数線センサ12により計測された回転数とを含んでいる。
制御装置17は、その収集された計測値に基づいて、複数の動マス運動を算出する。その複数の動マス運動は、複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nに対応している。その複数の動マス運動のうちの振動絶縁リンク素子14−iに対応する動マス運動は、振動絶縁リンク素子14−iの動マス22により実行されることにより、キャビン5の振動が低減するように、算出される。制御装置17は、さらに、その算出された複数の動マス運動に基づいて複数のコントロールマス運動を算出する。その複数のコントロールマス運動は、複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nに対応している。その複数のコントロールマス運動のうちの振動絶縁リンク素子14−iに対応するコントロールマス運動は、振動絶縁リンク素子14−iの動マス22に対してコントロールマス24が移動する運動を示し、コントロールマス24により実行されることにより、動マス22がその算出された動マス運動を実行するように、算出される。
制御装置17は、入力装置16により制御OFFが選択されているときに、ピエゾドライバー18がピエゾアクチュエータ25に電気信号を印加しないようにピエゾドライバー18を制御する。
制御装置17は、入力装置16により制御ONが選択されているときに、その算出された複数のコントロールマス運動に基づいてピエゾドライバー18を制御する。このとき、ピエゾドライバー18は、制御装置17により制御されることにより、複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nのコントロールマス24がその算出された複数のコントロールマス運動をそれぞれ実行するように、複数の振動絶縁リンク素子14−1〜14−nのピエゾアクチュエータ25に複数の電気信号をそれぞれ供給する。
各振動絶縁リンク素子14−iのピエゾアクチュエータ25は、ピエゾドライバー18から電気信号が印加されたときに、その算出されたコントロールマス運動をコントロールマス24が実行するように、動マス22に対してコントロールマス24を平行移動させる。動マス22は、コントロールマス24が運動することにより生成される慣性力により、フレーム21に対して運動する。キャビン5のうちの振動絶縁リンク素子14−iが固定されている部分は、動マス22が運動することにより生成される慣性力により、振動が低減する。
メインローターブレード3は、メインローターブレード3が受ける風等に影響され、回転数が変動する。このような振動低減方法によれば、動マス22は、動マス22に対してコントロールマス24を適切に運動させることにより、様々な周波数で振動させることができる。このような振動低減方法によれば、メインローターブレード3の回転数が変動することによりキャビン5の振動の周波数が変動した場合でも、動マス22に対してコントロールマス24を適切に運動させることにより、キャビン5の振動をより確実に低減することができる。
このような振動低減装置は、故障等により機能しなくなったときでも、すなわち、動マス22に対してコントロールマス24が固定されているときでも、動マス22が所定の周波数で振動することができる。その結果、このような振動低減装置は、故障等により機能しなくなったときでも、その振動をより確実に低減することができる。
なお、ピエゾアクチュエータ25は、コントロールマス24を運動させる他のアクチュエータに置換されることができる。そのアクチュエータとしては、印加される磁界に基づいて変形する超磁歪素子を備えるアクチュエータが例示される。このようなアクチュエータが適用された振動低減装置は、既述の実施の形態における振動低減装置と同様にして、振動をより確実に低減することができる。
なお、ピエゾアクチュエータ25は、機構を介してコントロールマス24を移動させることもできる。そのような機構としては、リンク機構、てこが例示される。このような機構が適用された複数の振動絶縁リンク素子は、ピエゾアコントロールマス24の可動範囲をアクチュエータ25の可動範囲より大きくすることができ、好ましい。
なお、コントロールマス24は、平行移動と異なる移動をすることができる他のコントロールマスに置換されることもできる。そのコントロールマスとしては、動マス22が移動する方向の成分を含む回転移動可能に支持されるコントロールマスが例示される。このようなコントロールマスが適用された振動低減装置は、既述の実施の形態における振動低減装置と同様にして、振動をより確実に低減することができる。
なお、動マス22は、平行移動と異なる移動をすることができる他の動マスに置換されることもできる。その動マスとしては、フレーム21に回転移動可能に支持される動マスが例示される。このような動マスが適用された振動低減装置は、既述の実施の形態における振動低減装置と同様にして、振動をより確実に低減することができる。
なお、その振動低減装置は、複数の機体加速度センサ11−1〜11−3と複数の機体加速度センサ15−1〜15−nとにより計測された加速度のみに基づいて、その乗客に伝達される振動を十分に低減することができるようなコントロールマス24の運動を算出することができるときに、メインロータ回転数線センサ12を省略することもできる。
なお、そのヘリコプターは、その乗客に伝達される振動を十分に低減することができるときに、その振動低減装置で1個だけ設置することもできる。
このような振動低減装置は、ヘリコプター以外の機器の振動を低減することに利用されることもできる。その機器としては、自動車、洗濯機が例示される。
1 :主構造
2 :トランスミッション
3 :メインローターブレード
5 :キャビン
6 :キャビン天井
7 :床下構造
8 :座席
11−1〜11−3:複数の機体加速度センサ
12:メインロータ回転数線センサ
14−1〜14−n:複数の振動絶縁リンク素子
15−1〜15−n:複数の機体加速度センサ
16:入力装置
17:制御装置
18:ピエゾドライバー
21:フレーム
22:動マス
23−1〜23−2:スプリング
24:コントロールマス
25:ピエゾアクチュエータ
27:スプリング
31:計測値収集部
32:運動算出部
33:制御部

Claims (8)

  1. 弾性体と、
    前記弾性体を介して制振対象に支持される動マスと、
    コントロールマスと、
    前記動マスと前記コントロールマスとに結合される他の弾性体と、
    前記動マスと前記コントロールマスとに結合されるアクチュエータとを具備し、
    前記アクチュエータは、
    前記コントロールマスを移動させる圧電素子と、
    前記動マスに対して前記コントロールマスが移動するように、前記圧電素子に電圧を印加するピエゾドライバーとを備える
    振動低減装置。
  2. 請求項1において、
    前記コントロールマスは、前記動マスに固定される回転軸を中心に回転可能に前記動マスに支持され、
    前記アクチュエータは、前記回転軸を中心に前記コントロールマスを回転移動させる
    振動低減装置。
  3. 請求項1〜請求項2のいずれかにおいて、
    前記制振対象の加速度を測定する加速度センサと、
    前記加速度に基づいて前記アクチュエータを制御する制御装置
    とをさらに具備する振動低減装置。
  4. 請求項3において、
    前記制振対象が備える回転体が単位時間当たりに回転する回転数を測定する回転数センサをさらに具備し、
    前記制御装置は、前記回転数にさらに基づいて前記アクチュエータを制御する
    振動低減装置。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれかに記載される振動低減装置と、
    ブレードを回転させて推進力を生成する回転翼
    とを具備するヘリコプター。
  6. 弾性体と、
    前記弾性体を介して、制振対象に支持される動マスと、
    コントロールマスと、
    前記動マスと前記コントロールマスとに結合される他の弾性体と、
    前記動マスと前記コントロールマスとに結合されるアクチュエータとを備え、
    前記アクチュエータは、
    前記コントロールマスを移動させる圧電素子と、
    前記動マスに対して前記コントロールマスが移動するように、前記圧電素子に電圧を印加するピエゾドライバーとを備える
    振動低減装置
    を用いて実行される振動低減方法であり、
    前記制振対象の加速度を測定するステップと、
    前記加速度に基づいて前記アクチュエータを制御するステップ
    とをさらに具備する振動低減方法。
  7. 請求項6において、
    前記制振対象が備える回転体が単位時間当たりに回転する回転数を測定するステップをさらに具備し、
    前記アクチュエータは、前記回転数にさらに基づいて制御される
    振動低減方法。
  8. 請求項6または請求項7のいずれかに記載される振動低減方法をコンピュータに実行させる
    コンピュータプログラム。
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