JP2013029136A

JP2013029136A - アクティブ防振装置

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Publication number: JP2013029136A
Application number: JP2011164491A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Yoshioka; 宏和吉岡; Yoshinori Takahashi; 良典高橋
Original assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Current assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2013-02-07

Abstract

【課題】本発明は、部品点数を削減しつつ、振動体の変位を低減することができるアクティブ防振装置を得ることを目的とする。
【解決手段】アクティブ防振装置１０は、支持部材１４と、弾性部材１６と、アクチュエータ１８と、加速度センサ２０と、制御手段２２とを備えている。アクチュエータ１８は支持部材１４と構造体４０とに連結され、構造体４０に反力を取って支持部材１４を振動方向（矢印Ｖ方向）に加振可能になっている。また、アクチュエータ１８には電気回路等で構成された制御手段２２が接続されている。制御手段２２は、支持部材１４の振動を打ち消すように、支持部材１４の加速度に応じて支持部材１４に対するアクチュエータ１８の制御力ｆ_ａをフィードバック制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクティブ防振装置に関する。

従来から、モータ、ポンプ、搬送装置等の設備機械（振動体）と構造体との間に設置され、振動体から構造体へ伝播される振動を低減するアクティブ防振装置が知られている（例えば、特許文献１，２）。特許文献１，２に開示されたアクティブ防振装置は、支持座弾性部材を介して支持座に支持された中間体と、中間体弾性部材を介して中間体に支持される共に加振源を支持する本体と、本体と中間体とに連結されたアクチュエータとを備え、中間体の振動を打ち消すようにアクチュエータによって本体を加振することにより、加振源から支持座に伝播される振動を低減している。

特開２００９−１９７８２６号公報特開２００９−１９７８２７号公報

しかしながら、特許文献１，２に開示されたアクティブ防振装置では、中間体、及び当該中間体を支持する支持座弾性部材が必要になるため、部品点数が増加する。また、振動体を支持する本体の制振が考慮されておらず、共振によって振動体の変位（振幅）が大きくなる可能性がある。

本発明は、上記の事実を考慮し、部品点数を削減しつつ、振動体の変位を低減することができるアクティブ防振装置を得ることを目的とする。

請求項１に記載のアクティブ防振装置は、振動体を支持する支持部材と、前記支持部材を前記振動体の振動方向に振動可能に構造体に支持させる弾性部材と、前記支持部材と前記構造体とに連結され、前記支持部材を加振するアクチュエータと、前記支持部材の加速度を検出する加速度センサと、前記加速度センサで検出された加速度に応じて、前記支持部材の振動を打ち消すように前記アクチュエータに前記支持部材を加振させる制御手段と、を備えている。

請求項１に係るアクティブ防振装置によれば、加速度センサで検出された支持部材の加速度に応じて、制御手段が支持部材の振動を打ち消すようにアクチュエータに支持部材を加振させる。これにより、支持部材の振動が低減される結果、振動体から支持部材及び弾性部材を介して構造体へ伝達される加振力が低減される。また、従来技術（例えば、特許文献１，２）のような中間体が不要になるため、部品点数を削減することができる。更に、前述したように支持部材の振動が低減されるため、当該支持部材によって支持された振動体の変位（振幅）が低減される。特に、固有振動数付近で支持部材の振動を低減することにより、共振による振動体の変位の増幅を低減することができる。

請求項２に記載のアクティブ防振装置は、請求項１に記載のアクティブ防振装置において、前記制御手段が、式（１）の伝達関数を用いて前記アクチュエータをフィードバック制御する。

請求項２に係るアクティブ防振装置によれば、制御手段が、式（１）に示す伝達関数（フィルタ）を介してアクチュエータをフィードバック制御する。これにより、アクチュエータを備えないパッシブ防振装置と比較して、固有振動数付近、及び固有振動数よりも高い振動数領域での振動体の加振力及び変位を低減することができる。

本発明は、上記の構成としたので、部品点数を削減しつつ、振動体の変位を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るアクティブ防振装置の振動モデルを示す説明図である。比較例に係るパッシブ防振装置の防振性能を示すグラフであり、（Ａ）は加振力の増幅倍率と振動数比との関係を示し、（Ｂ）は変位応答倍率と振動数比との関係を示している。比較例に係るアクティブ防振装置の防振性能を示すグラフであり、（Ａ）は加振力の増幅倍率と振動数比との関係を示し、（Ｂ）は変位応答倍率と振動数比との関係を示している。本発明の一実施形態に係るアクティブ防振装置の防振性能を示すグラフであり、（Ａ）は加振力の増幅倍率と振動数比との関係を示し、（Ｂ）は変位応答倍率と振動数比との関係を示している。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態に係るアクティブ防振装置について説明する。

図１には、一実施形態に係るアクティブ防振装置１０及び振動体３０で構成された振動系の振動モデル１２が示されている。このアクティブ防振装置１０は、設備機械等の振動を発生する振動体（振動源）３０から当該振動体３０が設置される床スラブ等の構造体４０へ伝達される振動を低減するものである。即ち、アクティブ防振装置１０は、床スラブ等の構造体から振動を嫌う精密機械等へ伝達される振動を低減するアクティブ除振装置とは異なるものである。なお、図１に示される矢印Ｖは、振動体３０の振動方向を示している。

アクティブ防振装置１０は、支持部材１４と、弾性部材１６と、アクチュエータ１８と、加速度センサ２０と、制御手段（制御部）２２とを備えている。支持部材１４は振動体３０を支持すると共に振動体３０に質量を付加する質量体（マス）として機能するものであり、弾性部材１６を介して構造体４０に支持されている。

弾性部材１６は、例えばコイルばね、天然ゴム、合成ゴム、シリコン等の弾性体で構成され、伸縮方向を振動体３０の振動方向（矢印Ｖ方向）にして支持部材１４と構造体４０との間に配置されている。この弾性部材１６によって支持部材１４が振動体３０の振動方向に振動可能に支持されている。これらの振動体３０、支持部材１４、及び弾性部材１６によって１自由度１質点系の振動系が構成されている。なお、図１には、弾性部材１６のバネ定数ｋ及び減衰係数ｃが模式的に示されている。

支持部材１４と構造体４０との間には、アクチュエータ１８が設けられている。アクチュエータ１８は支持部材１４と構造体４０とに連結され、構造体４０に反力を取って支持部材１４を振動方向（矢印Ｖ方向）に加振可能になっている。このアクチュエータ１８には、フィードバック回路を有する電気回路等で構成された制御手段２２が接続されている。制御手段２２は、支持部材１４の振動を打ち消すように、即ち、支持部材１４から構造体４０へ伝達される加振力ｆ_ｂを打ち消すように支持部材１４の加速度（振動加速度）に応じてアクチュエータ１８の加振力（以下、「制御力ｆ_ａ」という）をフィードバック制御するものである。

具体的には、制御手段２２には支持部材１４の加速度を検出する加速度センサ２０が接続されている。加速度センサ２０は支持部材１４に取り付けられており、検出した支持部材１４の加速度（加速度情報）を制御手段２２に出力するようになっている。この加速度に基づいて、制御手段２２が支持部材１４から弾性部材１６を介して構造体４０へ伝達される加振力ｆ_ｂと逆位相の制御力ｆ_ａを算出すると共に、算出された制御力ｆ_ａでアクチュエータ１８に支持部材１４を加振させる制御信号を生成し、アクチュエータ１８に出力する。この制御信号に基づいて、アクチュエータ１８が制御力ｆ_ａで支持部材１４を加振することにより、支持部材１４から構造体４０へ伝達される加振力ｆ_ｂが打ち消されるようになっている。即ち、制御手段２２は、支持部材１４の加速度が大きくなったときに、その加速度に比例して制御力ｆ_ａが大きくなるようにアクチュエータ１８を制御し、支持部材１４の加速度が小さくなったときに、その加速度に比例して制御力ｆ_ａが小さくなるようにアクチュエータ１８を制御する。

なお、アクチュエータ１８としては、例えば、リニアモータ、ピエゾアクチュエータ、サーボモータ等を用いることができる。また、加速度センサ２０は、支持部材１４の加速度を検出できれば良く、支持部材１４と一体に振動する振動体３０に取り付けても良い。

ここで、振動体３０の加振力をｆ_０、構造体４０へ伝達される伝達加振力をｆ、振動体３０の質量と支持部材１４の質量との合計値をｍ、振動体３０の振動方向（矢印Ｖ方向）の変位（振幅）をｘとすると、振動モデル１２の運動方程式は下記式（ａ）及び式（ｂ）で表される。

また、振動モデル１２の伝達関数（防振性能）は下記式（１）で表される。この式（１）から分かるように、制御手段２２によるフィードバック制御では、補正フィルタとしてＣＴＲＬ（ｓ）を用いている。

ただし、
ｆ（ｓ）：支持部材から構造体へ伝達される加振力（伝達加振力）
ｆ_０（ｓ）：振動体の加振力
ｓ：複素円振動数（＝虚数ｉ×振動体の円振動数ω）
ｍ：支持部材及び振動体の質量
ｃ：弾性部材の減衰係数
ｋ：弾性部材のバネ定数
である。

また、振動体３０の単位加振力ｆ_０当たりの変位量ｘは下記式（２）で表される。

次に、比較例と対比しながら本実施形態に係るアクティブ防振装置の作用及び効果について説明する。

図２（Ａ）には、比較例として、アクチュエータ１８を備えない従来のパッシブ防振装置（図示省略）における振動体３０の加振力の増幅倍率と振動数比との関係を表すグラフ７０が示されており、図２（Ｂ）には、同パッシブ防振装置における振動体３０の変位応答倍率と振動数比との関係を表すグラフ７２が示されている。なお、ここでいう振動数比とは、振動体３０及びパッシブ防振装置で構成された１自由度の振動系の固有振動数に対する振動体３０の振動数（加振振動数）の比であり、振動数比１が共振点を表している。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）から分かるように、従来のパッシブ防振装置は、振動数比が１よりも高い高振動数領域（図中の防振領域）において振動体３０の加振力の増幅倍率及び変位応答倍率を低減するものであるが、振動数比１付近において共振により構造体４０へ伝達される伝達加振力ｆ（加振力の増幅倍率）及び振動体３０の変位ｘ（変位応答倍率）が増幅されてしまう。更に、従来のパッシブ防振装置では、高振動数領域（防振領域）において防振性能を発揮するために一般に減衰が小さく設定される。そのため、共振により振動体３０の振動（変位ｘ）が増幅されると、その振動が停止するまでに時間がかかるという問題があった。

また、他の比較例として、図３（Ａ）には、アクチュエータ１８のフィードバック制御に一般的なスカイフックダンパ理論を用いたアクティブ防振装置における振動体３０の加振力の増幅倍率と振動数比との関係を示すグラフ８０が示されている。また、図３（Ｂ）には、上記アクティブ防振装置における振動体３０の変位応答倍率と振動数比との関係を示すグラフ８２が示されている。なお、このアクティブ防振装置では、減衰定数が５％、アクティブ付加減衰が１００％に設定されている。また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）には、比較例として前述した従来のパッシブ防振装置のグラフ７０，７２がそれぞれ示されている。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）から分かるように、一般的なスカイフックダンパ理論を用いたフィードバック制御を行った場合、振動数比１付近において、構造体４０へ伝達される伝達加振力ｆ（加振力の増幅倍率）及び振動体３０の変位ｘ（変位応答倍率）の増幅が抑制されるものの、振動数比が１よりも高い高振動数領域（図２（Ａ）の防振領域）において、構造体４０へ伝達される伝達加振力ｆがパッシブ防振装置に比べて増加してしまい、防振装置本来の防振性能が低下してしまう。このようなスカイフックダンパ理論を用いたフィードバック制御は、一般に従来のアクティブ除振装置におけるアクチュエータの制御に用いられているが、前述したように高振動数領域において構造体４０へ伝達される伝達加振力ｆが増加してしまうため、このようなアクティブ除振装置におけるアクチュエータをパッシブ防振装置にそのまま転用することはできない。なお、ここでいうアクティブ除振装置とは、前述したように構造体から振動を嫌う精密機械等へ伝達される振動を低減するものである。

一方、図４（Ａ）には、本実施形態に係るアクティブ防振装置１０における振動体３０の加振力の増幅倍率と振動数比との関係を表すグラフ５０が示されており、図４（Ｂ）には、振動体３０の変位応答倍率と振動数比との関係を表すグラフ５２が示されている。なお、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）には、比較例として前述した従来のパッシブ防振装置のグラフ７０，７２がそれぞれ示されている。

図４（Ａ）から分かるように、従来のパッシブ防振装置では、振動数比が倍になるごとに振動体３０の加振力の増幅倍率の低下率が約１／４（約１２ｄＢ／Ｏｃｔ）に留まるに対し、本実施形態に係るアクティブ防振装置１０では、振動数比が倍になるごとに振動体３０の加振力の増幅倍率の低下率が約１／１２（約２４ｄＢ／Ｏｃｔ）となっており、構造体４０へ伝達される伝達加振力ｆの低減効果が飛躍的に向上している。即ち、本実施形態に係るアクティブ防振装置１０では、防振装置本来の機能である高振動数領域（図２（Ａ）における防振領域）において、従来のパッシブ防振装置よりも防振性能が飛躍的に向上する。更に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）から分かるように、振動数比１付近において、共振により構造体４０へ伝達される伝達加振力ｆ（加振力の増幅倍率）及び振動体３０の変位ｘ（変位応答倍率）の増幅が抑制されている。

このように本実施形態に係るアクティブ防振装置１０は、前述した伝達関数（式（１）参照）を用いたフィードバック制御を行うことにより、高振動数領域において防振装置本来の防振性能を向上しつつ、振動数比１付近において構造体４０へ伝達される伝達加振力ｆ及び振動体３０の変位ｘの増幅を抑制することができる。また、本実施形態に係るアクティブ防振装置１０は、共振による振動体３０の変位ｘの増幅を抑制することができるため、モータやポンプ等の振動体３０に留まらず、振動を発生する一方で振動を嫌う振動体３０（例えば、高い搬送精度が要求される搬送装置等）にも適用することができる。

また、従来技術（例えば、特許文献１，２）のような中間体が不要になるため、部品点数を削減することができる。従って、アクティブ防振装置１０の製造コストを削減することができる。

更に、アクティブ防振装置１０では、振動体３０の加振力ｆ_０を小さくすることができるため、弾性部材１６のバネ定数ｋ、及び振動体３０に付加する支持部材１４の質量を小さくしつつ、図１に示す振動モデル１２の固有振動数を下げることができる。これにより、防振領域（固有振動数よりも振動数が高い振動数領域）を広げることができるため、振動体３０が広い振動数領域で大きな加振力を発生する場合であっても、その加振力（振動）を効率的に低減することができる。更に、前述したように支持部材１４の質量を小さくすることができるため、アクティブ防振装置１０が設置される構造体４０等の補強が低減される。従って、コスト削減を図ることができる。

なお、上記実施形態では、一例として式（１）に示す補正フィルタＣＴＲＬ（ｓ）を用いてアクチュエータ１８をフィードバック制御したが、必要に応じて補正フィルタＣＴＲＬ（ｓ）に変更を加えても良い。

また、上記実施形態では、床スラブ等の構造体４０の上に振動体３０を設置した場合を例に説明したが、例えば、床スラブ等の構造体４０の下面に振動体３０が取り付けられる場合は、アクティブ防振装置１０を介して構造体４０の下面に振動体３０を取り付けることも可能である。この場合、例えば、支持部材１４によって構造体４０の下面に振動体３０を吊り下げた状態で支持すれば良い。

更に、上記実施形態では、振動体３０が上下方向に振動する場合を例に説明したが、例えば、振動体３０が水平方向に振動する場合は、振動体３０を支持する支持部材１４の振動方向が水平方向になるようにアクティブ防振装置１０を設置すれば良い。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

１０アクティブ防振装置
１４支持部材
１６弾性部材
１８アクチュエータ
２０加速度センサ
２２制御手段
３０振動体
４０構造体

Claims

振動体を支持する支持部材と、
前記支持部材を前記振動体の振動方向に振動可能に構造体に支持させる弾性部材と、
前記支持部材と前記構造体とに連結され、前記支持部材を加振するアクチュエータと、
前記支持部材の加速度を検出する加速度センサと、
前記加速度センサで検出された加速度に応じて、前記支持部材の振動を打ち消すように前記アクチュエータに前記支持部材を加振させる制御手段と、
を備えるアクティブ防振装置。
前記制御手段が、式（１）の伝達関数を用いて前記アクチュエータをフィードバック制御する請求項１に記載のアクティブ防振装置。

ただし、
ｆ（ｓ）：支持部材から構造体へ伝達される加振力
ｆ_０（ｓ）：振動体の加振力
ｓ：複素円振動数（＝虚数ｉ×振動体の円振動数ω）
ｍ：支持部材及び振動体の質量
ｃ：弾性部材の減衰係数
ｋ：弾性部材のバネ定数
である。