JP2014201429A - 制振装置付きエレベータ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の振動モードを抑制する場合であっても、アクチュエータ、センサの個数を少なくシンプルな構成とし、乗りかごの振動を効果的に抑制する。【解決手段】制振装置付きエレベータにおいて、乗りかご１の左右、かつ重心位置を通る左右軸に設置されたガイドレール７０a、７０bと、乗りかご１の左右及び前後方向の振動を検出する複数個の加速度検出器７、８、９、１０、１１、１２と、加速度検出器の出力を基にアクチュエータ３０a、３０b、５０a、５０b、６０a、６０bを制御する第１制御器１３及び第２制御器１４と、を備え、第１制御器は前後方向の並進量、左右軸周りの回転量、垂直軸周りの回転量を制御し、記第２制御器は左右方向の並進量、前後軸周りの回転量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、ローラガイド装置に取り付けられたアクチュエータにより乗りかご振動を抑制するエレベータに関する。

エレベータは、乗りかごをガイドレールに沿って上下に昇降させ、ガイドレールに対して３方向からローラが接触するガイド装置が設置されている。ガイド装置は、乗りかごの上下左右、計４個設置され、ローラをガイドレールに押し付け、ローラが取り付けられているレバーに設置されたばねにより押し付け力を調整している。また、ばね力の調整により、ガイドレールの不整によって引き起こされる乗りかごの前後、左右方向の振動を抑制している。

また、構成を簡単にするために、ガイドレールを挟んで両側に設けられた２つのガイドローラのガイドレールに対する押圧力を１つのアクチュエータによって制御し、乗りかごの傾きを検出して、ローラのガイドレールへの押付力を変化させることが知られ、例えば特許文献１に記載されている。

さらに、かご室に変位自在に支持した可動錘を駆動して変位させることによりかご室の振動を減少させる制振装置において、制振しようとする振動の周波数を不必要に拡げることは、制振装置の大型化を招くばかりでなく、制振が必要な周波数帯における制振効率の低下をも招いてしまうので、かご室に設けた振動計測手段から得られる信号のうち、かご室を弾性支持している振動絶縁手段の低次固有周波数を含む周波数帯以外の周波数帯のゲインを低下させることが知られ、例えば特許文献２に記載されている。

さらに、乗りかごの振動を低減するアクチュエータを有するエレベータのガイド装置において、静的変位や動的変位が生じた場合でもアクチュエータの駆動力が適切に働き、十分な振動低減効果を得るため、ガイド装置にガイドレバー、ガイドレバーに固定されたアクチュエータ可動部を設け、磁石とコイルとを用い、昇降体が振動しているときに、コイルに電流を流してアクチュエータ可動部を駆動させることが知られ、例えば特許文献３に記載されている。

特開2006-131385号公報 特開2005-298071号公報 特開2001-122555号公報

エレベータの高速化、つまり乗りかごの走行速度が大きくになるにしたがい、ガイドレールの不整によって引き起こされる乗りかごの前後、左右方向の振動は大きくなっていくばかりでなく、低次の振動モードだけでなく、より高次の振動モードも抑制する必要があり、複数の振動モードに対する制振が必要となる。ところが、これら複数の振動モードは多くの場合、干渉してしまって一つの振動モードを抑制しようとすると他の振動モードは逆に励起してしまい制振効果を減じるということが発生する。

上記特許文献１に記載のものでは、アクチュエータの個数が少なく、低次の振動モードを抑制しようとしてアクチュエータを作動させると、その作動力によって他の高次の振動モードは逆に励起され、高速化されたエレベータでは制振能力に限界がある。
また、特許文献２に記載のものでは、高次の周波数帯のゲインを低下させるので、高速化に伴なう乗りかごの振動自体を抑制することすら困難となる。
さらに、特許文献３に記載のものでは、エレベータの高速化に伴う振動レベルの増大に対応するには有利であるが、特許文献１と同様に、複数の振動モードに対応することは考慮されていない。

さらに、高速化に伴い条件が悪化していく中で、従来と同等の制振性能を維持しようとする場合、抑制すべき振動モードの個数以上のセンサ、アクチュエータを設置することが必要となる。しかし、その場合、システムの制御装置はセンサ個数×アクチュエータ個数の次元をもつ複雑な制御装置となり、現地での調整等が困難である。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、超高速エレベータであり、複数の振動モードを抑制する場合であってもシンプルな構成とし、乗りかごの振動を効果的に抑制することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、昇降路内の鉛直方向に設けられた一対のガイドレールと、該ガイドレールに沿って昇降する乗りかごと、前記乗りかごの振動を検出する加速度検出器と、該加速度検出器の出力により前記乗りかごの振動を抑制するアクチュエータと、を有する制振装置付きエレベータにおいて、前記乗りかごの左右、かつ重心位置を通る左右軸近傍に設置された前記ガイドレールと、前記乗りかごの左右及び前後方向の振動を検出する複数個の前記加速度検出器と、前記加速度検出器の出力を基に前記アクチュエータを制御する第１制御器と及び第２制御器と、を備え、前記第１制御器は前後方向の並進量、左右軸周りの回転量、垂直軸周りの回転量を制御し、前記第２制御器は左右方向の並進量、前後軸周りの回転量を制御するものである。

本発明によれば、乗りかごの左右及び前後方向の振動を検出する複数個の加速度検出器と、を備え、第１制御器で前後方向の並進量、左右軸周りの回転量、垂直軸周りの回転量を制御し、第２制御器で左右方向の並進量、前後軸周りの回転量を制御するので、低次の振動モードだけでなく、より高次の振動モードも抑制する必要がある超高速エレベータであっても、シンプルな構成にすることができる。したがって、仮に現場にて制御装置の調整塔が必要となった場合でも、より簡単に行うことが可能となる。

本発明による一実施の形態を示す全体構成図。 図１における一実施の形態における座標軸。 一実施の形態におけるガイド装置を示す側面図。 一実施の形態における乗りかごの下から見た平面図。 一実施の形態における乗りかごの下から見た平面図。 一実施の形態における乗りかごの振動モードを示す斜視図。 一実施の形態における制御システムのブロック図。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。
エレベータの走行中における乗りかごの振動には、上下方向と横方向（＝前後方向及び左右方向）の振動がある。上下方向の振動は、主に回転系の不整によって引き起こされる。横方向の振動は、ガイドレールの曲がりや段差の不整による強制変位がガイド装置に作用すること、また、つり合い重りや隣接するエレベータとすれ違う際の風力が乗りかごに作用すること等によって引き起こされる。

エレベータの走行速度が増加していくとレール不整によって励起される振動エネルギが増加すると共に、並進運動となる低次の振動モードのみならず、回転運動となる高次の振動モードが励起され、無視できなくなる。振動としては、前後、左右方向の並進と各軸周りの３つの回転、計５つの運動があり、これらの組み合わせで複数の振動モードを抑制する必要がある。
また、つり合い重りや隣接エレベータとのすれ違い時に受ける風力も走行速度の増加に伴って大きくなる。このようにエレベータの高速化が進むにつれて乗りかご振動に対する低減能力を向上させていく必要がある。通常は、ガイドレールの据付精度向上や風力を低減する乗りかご形状などの対策がとられるが、それだけでは困難であり、乗りかご振動を能動的に制御しなくてはならない。

さらに、設置されているアクチュエータの個数が抑制すべき振動モードの個数がより少ない場合、ある振動モードを抑制しようとしてアクチュエータを作動させると、その作動力によって他の振動モードは逆に励起されてしまう、という干渉現象が発生し、制振能力に限界が生じる。抑制すべき振動モードと同数以上のアクチュエータとすれば良いが、アクチュエータの個数が増大するに従い、それに指令を出す制御装置が複雑化していき、全てを満足するような解が無く、収束させることが困難となり、抑制が十分行えなかったり、最終的な調整が掛かったり、して極めて困難となる。

図１は、全体システムの構成図を示し、図２に示すように乗りかごの前後方向をx方向、左右方向をy方向、上下方向をz方向、前後軸をx軸、左右軸をｙ軸、垂直軸をｚ軸とする。
エレベータの乗りかご１はかご枠１aとかご室１bとを有し、かご枠１aには上下左右にガイド装置３、４、５、６が設置されており、ガイド装置３、４、５、６は、昇降路に設置された図示されていないガイドレールに当接しており、乗りかご１はガイドレールに沿って昇降する。通常、ガイド装置３、４、５、６及びガイドレールは乗りかご１の左右、かつ乗りかご１の重心位置を略通る左右軸に設置されている。また、ガイドレールは一つが４〜５ｍの長さであり、縦方向に連結して据え付ける。そのため、ガイドレールの接続点において段差や曲がりが生じる。乗りかご１の昇降時には、段差や曲がりが強制変位としてガイド装置３、４、５、６を介して乗りかごに作用して横振動を発生させる。

横振動を能動的に抑制すべくガイド装置にはアクチュエータが取り付けられている。そのガイド装置の構成の一例を図３に示す。

ガイドレール７０ａ、７０ｂに当接するローラa３４a、ローラb３４b、ローラc３４cはそれぞれレバー３５a、３５b、３５cに取り付けられており、レバー３５a、３５b、３５cは支点３６a、３６b、３６cを中心にて回転できるようになっている。

レバーにはそれぞればね３３a、３３b、３３cが付勢されており、ガイドレールの曲がりや段差によって作用する力を吸収する。Y方向からはローラa３４aが、x方向にはローラb３４b、ローラc３４cがガイドレールを挟み込むように当接している。ローラa３４aのガイドレールへの押し付け力は、ばね３３aの長さによって決まるが、ばね長さはモータ３０aがボールねじ３１aを介して連結された可動体３２aを移動することによって制御される。

ローラb３４b、ローラc３４cのガイドレールへの押し付け力は、アクチュエータとなるモータ３０bがボールねじ３１bを介して連結された可動体３２bを駆動することにより制御あるいは調整される。x方向は、ローラb３４bとローラc３４cが可動体３２bに固定されているロッド３７で連結されているため、一つのモータ３０bで２つのローラｂ３４ｂ、ローラc３４の押し付け力を制御できる。

図示した機構とは異なり、それぞれのローラの押し付け力をそれぞれのモータによって調整するガイド装置を用いても良く、アクチュエータとして電磁石などを用いても良い。

図４に乗りかごの下側から見たガイドレールとガイド装置の各ローラ、アクチュエータの位置関係を示した概略図を示す。ガイドレール７０a、７０bは乗りかごに対してy方向に昇降路内に設置されている。ローラ５４a、５４b、５４cは、ガイドレール７０aに対して3方向から当接している。同様にローラ６４a、６４b、６４cはガイドレール７０bに対しても3方向から当接している。

x方向に関しては、ローラb５４b、ローラc５４cの押し付け力がアクチュエータとなるモータ５０bにより調整され、ローラb６４b、ローラc６４cの押し付け力がモータ６０bにより調整される。y方向のローラa５４aの押し付け力はモータ５０aにより調整される。y方向の押し付け力はモータ５０aのみで行う構成としているが、ローラa６４aにもモータを取り付けて調整してもよい。乗りかご１に対して下側に設置されたガイド装置では６個のローラの押し付け力を3個のモータで調整しても良い。

上側のガイド装置も同様であり、上下で計6個のモータでガイドレールへの押し付け力を調整して乗りかご１の振動低減を図る。また、それぞれのローラの押し付け力をそれぞれに取り付けたモータによって調整する構成とても良く、この場合１２個のモータあるいはアクチュエータが必要となる。

図１はガイド装置に取り付けられたアクチュエータとなるモータに制御指令を出すまでのブロック図を示している。
乗りかご１に設置されたx方向の加速度検出器は７、８、１０、１２、y方向の加速度検出器は９、１１からの信号は２つの制御器１３、１４に入力され、その情報を基に乗りかご１の振動を抑制するための制御指令を出す。第１制御器１３は乗りかご１のx方向の振動に関わる振動を抑制するためのものであり、第２制御器１４は乗りかご１のy方向に関わる振動を抑制するためのものである。

図６は、乗りかご１に対するx方向、y方向に関する振動による５つの運動方向を示し、乗り心地に影響を与えるのは低周波の範囲であるので、この５つの運動方向の振動を抑制すれば十分である。乗りかご１の各振動モードは上記方向の運動の組み合わせとなるが、乗り心地に影響を与えるような低い周波数範囲では各振動モードは各運動方向とほぼ一致する。

乗りかご１の振動モードは、x方向では、1次モードが並進７１a、続いて固有振動数が高くなって２次モードがz軸周りの回転７１b、3次モードがy軸周りの回転７１cとなる。また、y方向では、1次モードが並進７２a、２次モードがx軸周りの回転７２bとなる。

これら複数の振動モードを同時に制御しようとする場合、センサとしての加速度検出器、アクチュエータとしてのモータの個数が抑制すべき振動モードの個数より少ない場合、制振性能を上げていくには限界がある。つまり、各振動モード間には位相のずれがあり、この位相のずれによってある振動モードを抑制しようとモータを駆動すると別の振動モードに対して干渉し、その振動を増大させる側にその駆動力が作用するからである。

エレベータ昇降速度を高速化するに連れて制振性能をより向上させなくてはならず、そのためには上記理由により、センサ、アクチュエータの個数を多くしなければならない。また、個数を多くすると、対応する制御装置も複雑化し、その規模も大きく、センサ個数×アクチュエータ個数と成らざるを得ない。そのため、図１では制御装置をより単純化するために振動の方向によって制御装置の分割を図っている。

ガイドレールは、乗りかご１の重心位置をほぼ通る位置に設置されているので、ガイド装置からの乗りかご１への力の作用はx方向とy方向での干渉が少ないので、加速度検出器の配置もx方向とy方向とで干渉が少なくなるように、つまり、y方向用の加速度検出器９、１１を乗りかご１の重量によるｚ軸回りのモーメントの影響を受けないようにすればx方向の振動情報のy方向への干渉を抑えることができ、制御装置をそれぞれの方向で分割して制振性能を向上できる。

そして、x方向用のセンサの個数をns1、アクチュエータの個数をna1とし、y方向のセンサの個数をns2、アクチュエータの個数をna2とすると、全センサの個数ns、全アクチュエータの個数naは以下のようになる。
ns1+ns2=ns
na1+na2=na
１つの制御器で構成しようとするとそのサイズは、
（ns1＋ns2）×（na1＋na2）
制御装置をx方向とy方向の制御器で分割した場合の制御装置のサイズは、
na1×ns1＋na2×ns2
となり、分割しない場合より、そのサイズは、
na1×ns2＋na2×ns1だけ小さくでき、よりシンプルな構成となる。

図１において、x方向とy方向の振動情報の干渉を抑える加速度検出器の配置について説明する。乗りかごの重心周りの運動をそれぞれx_c、y_c、θx、θy、θzとし、乗りかご重心からの加速度検出器までの距離を(x_s、y_s、z_s)とすると、
x方向、y方向の加速度検出器の出力α_s、βsは以下のようになる。

x方向の加速度検出器の位置での加速度α_sは、x方向並進加速度α_c、z軸周り角加速度γz、y軸周り角加速度γy、が入っていてy軸方向の並進加速度の項が無く、x方向用の加速度の干渉はない。したがって、x方向用の加速度検出器の位置はy方向、ｚ方向の位置とも乗りかごの重心位置、重心を通る前後軸よりずれて配置されていれば、つまり、y_s、z_sがゼロでなければ、1次モードの並進７１a、続いて固有振動数が高くなって２次モードのz軸周りの回転７１b、3次モードのy軸周りの回転７１cの情報がα_sに含まれるため観測が可能となる。ただし、各回転の影響が現れやすいようにy_s、z_sが大きい位置、すなわち図１に示すように乗りかごの左右端部及び上下端部にx方向用の加速度検出器７、８、１０、１２を設置することが良い。

y方向の加速度検出器の位置での加速度βsは、x_sとx方向の情報であるz軸周りの角加速度γ_zの積となる項があるため干渉が起こっている。しかし、干渉を小さくするためにはx_sを小さくすれば良く、y方向用の加速度検出器は９、１１をx方向での乗りかごの重心位置近傍、つまり、x方向での乗りかごの重心を通るy軸の近傍に設置すれば良い。通常乗りかごのｘ方向の重心位置はほぼ中心に位置しているのでy方向用の加速度検出器は９、１１をx方向の中心位置近傍に設置する。これにより、x方向、y方向での情報の干渉を抑えることが可能となる。

図４はガイドレールが乗りかご１の重心を通る位置に設置されている場合の図で、ｙ方向の加速度検出器１１がガイドレールのある位置に設置すればx_s=0となる位置に設置されることになる。図５はガイドレールが乗りかご１の重心からx_sだけずれた位置に設置された場合の図で、ｙ方向の加速度検出器１１をガイドレールのある位置に設置すると乗りかご重心からずれた位置に設置することになる。ただし、x_sが十分に小さければ、つまり、重心位置を通る左右軸近傍に設置すれば、その影響は無視できる。

式１のように加速度検出器には各運動の情報が含まれていて可観測性が成り立っているので、オブザーバ等を使えば制御可能ではあるが、制振性能の劣化を招く可能性があるのでセンサ情報から直接各運動情報を取り出すことが望ましい。そのためには振動モードに対応した運動情報の個数のセンサが必要であり、設置位置は、x、y、z方向でそれぞれ違う位置となるようにする必要がある。

図１にセンサである加速度検出器の配置の一例を示している。x方向用の加速度検出器は７、８、１０、１２である。式１よりx方向では３つの運動情報が必要であるから加速度検出器は3個以上必要であり、その配置はx、y、z方向でそれぞれ違う位置となるようになっている。y方向用の加速度検出器は９、１１であり、式１においてx_sθzの項はy方向用の加速度検出器は９、１１をx方向の中心位置近傍に設置していることより、無視できるので、２つの運動情報が必要であり、加速度検出器も2個とし、x方向にはほぼ中心位置近傍にあり、y方向、z方向はそれぞれ違う位置に配置している。

以上の加速度検出器の配置の基に第１制御器１３、第２制御器１４はそれぞれアクチュエータに制御指令１５、１６を出力する。
図７はy方向の第２制御器１４の構成の一例を示し、加速度検出器９、１１の情報を用い、それに混入したノイズを除去するためのローパスフィルタ８０a、８０b、各加速度検出器情報から各アクチュエータへの指令を計算する制御器１４a、１４b、１４c、１４d、その信号がアクチュエータの限界以上の数値となることを防止するリミッタ８１a、８１bを有し、アクチュエータ４０a、４０bに制御指令を出す。センサ数２、アクチュエータ数２のため、制御装置のサイズは４となり、制御器４つから構成される。各制御器は、制御系設計理論を用いて、例えばPID、LQG、H∞、μ等の制御器で構成すれば良い。

１ 乗りかご、 １a かご枠、 １ｂ かご室
３、４、５、６ ガイド装置
７、８、９、１０、１１、１２ 加速度検出器（センサ）
１３ 第１制御器、１４ 第２制御器
１５、１６ 制御指令
３０a、３０b、５０a、５０b、６０a、６０b モータ（アクチュエータ）
３１a、３１b ボールねじ
３２a、３２b 可動体
３３a、３３b、３３c ばね
３４a、５４a、６４a ローラa
３４b、５４b、６４b ローラｂ
３４c、５４c、６４c ローラc
３５a、３５b、３５c レバー
３６a、３６b、３６c 支点
３７ ロッド
７０a、７０b ガイドレール
７１a、７１b、７１c、７２a、７２b 振動モード
８０a、８０b ローパスフィルタ
８１a、８１b リミッタ

Claims (5)

1. 昇降路内の鉛直方向に設けられた一対のガイドレールと、該ガイドレールに沿って昇降する乗りかごと、前記乗りかごの振動を検出する加速度検出器と、該加速度検出器の出力により前記乗りかごの振動を抑制するアクチュエータと、を有する制振装置付きエレベータにおいて、
   前記乗りかごの左右、かつ重心位置を通る左右軸近傍に設置された前記ガイドレールと、
   前記乗りかごの左右及び前後方向の振動を検出する複数個の前記加速度検出器と、
   前記加速度検出器の出力を基に前記アクチュエータを制御する第１制御器と及び第２制御器と、を備え、
   前記第１制御器は前後方向の並進量、左右軸周りの回転量、垂直軸周りの回転量を制御し、前記第２制御器は左右方向の並進量、前後軸周りの回転量を制御することを特徴とする制振装置付きエレベータ。
2. 請求項１に記載の制振装置付きエレベータにおいて、前記乗りかごには上下左右にガイド装置が設置され、該ガイド装置は、前記ガイドレールに左右方向から当接するローラaと、前後方向に前記ガイドレールを挟み込むように当接するローラb及びローラcと、を有し、前記アクチュエータはモータとされ、前記モータにより前記ローラの前記ガイドレールへの押付力が制御されて前記乗りかごの振動が抑制されることを特徴とする制振装置付きエレベータ。
3. 請求項１に記載の制振装置付きエレベータにおいて、前記乗りかごの前後方向の加速度を検出し、前記乗りかごの重心を通る前後軸よりずれて配置されたx方向用の前記加速度検出器と、前記乗りかごの左右方向の加速度を検出し、前後方向での前記乗りかごの重心を通る左右軸の近傍に配置されているy方向の加速度検出器と、を備えていることを特徴とする制振装置付きエレベータ。
4. 請求項２又は３に記載の制振装置付きエレベータにおいて、x方向用の前記加速度検出器は、前記乗りかごの左右端部及び上下端部に設置されていることを特徴とする制振装置付きエレベータ。
5. 請求項２又は３に記載の制振装置付きエレベータにおいて、y方向用の前記加速度検出器は、前記乗りかごの右端部の上端部及び左端部の下端部、あるいは左端部の上端部及び右端部の下端部に設置されていることを特徴とする制振装置付きエレベータ。