JP2021076234A

JP2021076234A - 動吸振器

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Publication number: JP2021076234A
Application number: JP2019205639A
Authority: JP
Inventors: 近藤　英二; Eiji Kondo; 英二近藤
Original assignee: Kagoshima University NUC
Current assignee: Kagoshima University NUC
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-13
Also published as: JP7352281B2

Abstract

【課題】簡便な構造で、振動系の固有振動数及び減衰比を、制振対象の固有振動数及び減衰比に容易に合わせることができる動吸振器を提供する。【解決手段】基台２は、制振対象１０に固定されている。平行板バネ３は、基台２に支持されている。錘体４は、平行板バネ３の弾性力により基台２に対してｘ軸方向に振動可能に支持されている。変位センサ５は、基台２に対する錘体４の相対変位に相当する変位電圧信号を検出する。アクチュエータ６は、電磁力により、基台２に対して錘体４をｘ軸方向に相対変位させる。コントローラ７は、変位センサ５で検出された変位電圧信号に基づいて、比例ゲインｋｐ及び微分ゲインｋｄを変更可能な比例微分動作を行ってアクチュエータ６を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、動吸振器に関する。

動吸振器は、構造物（制振対象）に取り付けられた錘を含む振動系を振動させることで、構造物に生じる振動を抑制する装置である（例えば、特許文献１参照）。動吸振器では、振動系の固有振動数及び減衰比を、制振対象の固有振動数及び減衰比に合わせる必要がある。動吸振器は、パッシブ型と、セミアクティブ型と、アクティブ型とに大別される。パッシブ型の動吸振器では、振動系の機械構造を変更して振動系の固有振動数と減衰比とをチューニングすることが多い。また、アクティブ型の動吸振器は、振動系の固有振動数及び減衰比を、電磁力などにより制振対象の固有振動数及び減衰比に適応して自動的にチューニングしている。アクティブ型の動吸振動器は制振対象の固有振動数及び減衰をチューニングすることなく制振することができるが、その制御系は、複雑な構造を有している。

特開２００４−１６２９０５号公報

上述のように、パッシブ型の動吸振器では、振動系の機械構造を決めてしまうと、振動系の固有振動数及び減衰比を変更することができない。これに対して、アクティブ型の動吸振器は、錘の固有振動数及び減衰比をチューニングすることなく制振対象の振動を低減できる複雑な制御系等が必要となる。

本発明は、上記実情の下になされたものであり、簡便な構造で、振動系の固有振動数及び減衰比を、制振対象の固有振動数及び減衰比に容易に合わせることができる動吸振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の動吸振器は、
制振対象に固定された基台と、
前記基台に支持された弾性体と、
前記弾性体の弾性力により一方向に振動可能に支持される錘体と、
前記基台に対する前記錘体の相対変位に相当する変位電圧信号を検出する変位センサと、
電磁力により、前記基台に対して前記錘体を前記一方向に相対変位させるアクチュエータと、
前記変位センサで検出された変位電圧信号に基づいて、比例ゲイン及び微分ゲインを調整可能な比例微分制御を行って前記アクチュエータを駆動制御するコントローラと、
を備える。

この場合、外部機器から入力した制御電圧信号に基づいて、前記比例ゲイン及び前記微分ゲインを調整可能な第１の調整部を備える、
こととしてもよい。

また、操作入力信号に基づいて、前記比例ゲイン及び前記微分ゲインを調整可能な第２の調整部を備える、
こととしてもよい。

前記弾性体のばね定数及び減衰係数が、
前記錘体及び前記弾性体で構成される振動系の固有振動数及び減衰比の最小値と合致するように、設定されている、
こととしてもよい。

前記コントローラは、アナログ回路で構成されている、
こととしてもよい。

本発明によれば、比例ゲイン及び微分ゲインとを調整可能な比例微分制御を行うコントローラにより、錘体を中心とする振動系の振動を制御する。比例微分制御は、比例要素と微分要素のみから成る簡単な制御系であり、その制御系の比例ゲイン及び微分ゲインを変更するだけで、振動系の固有振動数及び減衰比を増減させて、制振対象の固有振動数及び減衰比に合わせることができるようになる。この結果、簡便な構造で、振動系の固有振動数及び減衰比を、制振対象の固有振動数及び減衰比に容易に合わせることができる。

本発明の実施の形態に係る動吸振器の構成を示すブロック図である。動吸振器の振動系の構成を示す模式図である。外部機器から入力される制御電圧信号と比例ゲインとの関係の一例を示すグラフである。外部機器から入力される制御電圧信号と微分ゲインとの関係の一例を示すグラフである。図４の制御電圧信号と微分ゲインとの関係を直線近似した場合の切片の変化の一例を示すグラフである。操作パネルのダイヤル値と比例ゲインとの関係の一例を示すグラフである。操作パネルのダイヤル値と微分ゲインとの関係の一例を示すグラフである。比例ゲインと固有振動数との関係の一例を示すグラフである。制御電圧信号と減衰比との関係の一例を示すグラフである。ダイヤル値と固有振動数との関係の一例を示すグラフである。ダイヤル値と減衰比との関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。全図において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号が付されている。

図１に示すように、本実施の形態に係る動吸振器１は、基台２と、弾性体としての平行板バネ３と、錘体４と、変位センサ５と、アクチュエータ６と、コントローラ７と、を備える。

基台２は、振動する構造物（制振対象）１０に固定されている。基台２は、例えば、金属等で形成された直方体の枠状のフレームである。

図２に示すように、平行板バネ３としては、一対のものが設けられている。平行板バネ３は、錘体４を挟んで互いに平行に配置されている。平行板バネ３は、ｙ軸方向に延びる板状のバネであり、ｘ軸方向を厚み方向としている。平行板バネ３は、ｙ軸方向の中央に固定部３ａが設けられている。固定部３ａは、基台２に固定されている。したがって、平行板バネ３は、ｙ軸方向中央部で、基台２に支持されている。平行板バネ３は、例えば金属等で形成された弾性体であり、その厚み方向であるｘ軸方向に弾性変形する。なお、平行板バネ３のばね定数及び減衰係数は、動吸振器１の固有振動数及び減衰比の最小値と合致するように設定されている。

錘体４は、金属等で形成された略直方体状の物体である。錘体４は、制振対象１０に生じる振動を抑制することが可能な大きさの質量を有している。錘体４は、平行板バネ３のｙ軸方向の両端部に固定されている。錘体４は、平行板バネ３の弾性力により基台２に対してｘ軸方向に振動可能に支持されている。

変位センサ５は、平行板バネ３に生じるひずみを検出するひずみゲージであり、そのひずみの大きさに相当する電圧を出力する。平行板バネ３のひずみは、基台２と錘体４との間でｘ軸方向に生じる相対変位によって生じる。すなわち、変位センサ５は、基台２に対する錘体４の相対変位に相当する変位電圧信号を検出する。

アクチュエータ６は、電磁力により、基台２に対して錘体４をｘ軸方向に相対変位させる。アクチュエータ６は、固定子６ａと、可動子６ｂとを備える。固定子６ａは、Ｎ極Ｓ極がｘ軸方向に並んだ永久磁石であり、基台２に固定されている。一方、可動子６ｂは、可動コイルであり、錘体４に固定されている。固定子６ａと可動子６ｂとは、わずかな隙間を空けて向かい合っており、可動子６ｂに電圧が印加されると、可動子６ｂにｘ軸方向に進む推進力が生まれる。その推進力により、錘体４をｘ軸方向にばね力と減衰力とを発生させることができる。

コントローラ７は、変位センサ５で検出された変位電圧信号に基づいて、比例ゲインｋ_ｐ及び微分ゲインｋ_ｄを変更可能な比例微分制御（比例積分動作）を行ってアクチュエータ６を駆動制御する。比例積分制御（動作）とは、入力した信号を比例ゲインｋ_ｐで乗算した信号と、入力した信号の微分を微分ゲインｋ_ｄで乗算した信号を加算した信号を出力する動作（制御）である。

図１に戻り、動吸振器１は、ストレインアンプ１１と、電流アンプ１２と、をさらに備える。ストレインアンプ１１は、変位センサ５で検出された錘体４の変位に相当する電圧を入力電圧ｅ_ｂｉに増幅する。コントローラ７は、入力電圧ｅ_ｂｉに基づいて、比例積分制御を行って、出力電圧ｅ_ｂｏを出力する。

電流アンプ１２は、出力電圧ｅ_ｂｏを、電圧ｅに増幅して、アクチュエータ６の可動子６ｂに印加する。可動子６ｂには、電圧ｅに対応する電流ｉが流れ、アクチュエータ６を駆動する。

なお、このコントローラ７は、アナログ回路で構成されている。コントローラ７をアナログ回路で構成することにより、むだ時間を小さくすることができる。

動吸振器１は、外部機器３０と接続されている。外部機器３０は、比例ゲインｋ_ｐ及び微分ゲインｋ_ｄを調整する制御電圧信号Ｖ_ｐ，Ｖ_ｄを出力する。コントローラ７は、制御電圧信号Ｖ_ｐの増減に応じて比例ゲインｋ_ｐを調整し、微分ゲインｋ_ｄの制御電圧信号Ｖ_ｄの増減に応じて微分ゲインｋ_ｄを調整する調整部７ａを有している。本実施の形態では、調整部７ａが第１の調整部に対応する。

コントローラ７は、操作パネル８及び調整部７ｂを備えている。操作パネル８には、ダイヤル８ａ，８ｂが設けられている。調整部７ｂは、ダイヤル８ａのダイヤル値Ｄ_ｐに応じた操作入力信号に基づいて比例ゲインｋ_ｐを調整し、ダイヤル８ｂのダイヤル値Ｄ_ｄに応じた操作入力信号に基づいて微分ゲインｋ_ｄを調整する。本実施の形態では、調整部７ｂが第２の調整部に対応する。

なお、本実施の形態では、平行板バネ３、錘体４及びアクチュエータ６を振動系ともいう。図１及び図２では、振動系の部分を斜線で示している。動吸振器１の振動系の運動方程式は以下のようになる。

ここで、ｘは、錘体４の変位であり、ｍは、錘体４の質量である。また、ｃは、減衰係数であり、ｋは、ばね定数である。また、ｆ_ｃはアクチュエータ６の電磁力であり、ｆ_ｖは制振対象１０に加えられる強制外力であり、Ｋ_ｃは力係数であり、ｉは可動子（可動コイル）６ｂに流れる電流である。

一方、可動子（可動コイル）６ｂの電気回路の支配方程式は以下のようになる。

ここで、ｉは可動子（可動コイル）６ｂに流れる電流であり、Ｒは可動子（可動コイル）６ｂの抵抗である。Ｌは可動子（可動コイル）６ｂのインダクタンスであり、Ｋ_ｅは可動子（可動コイル）６ｂの逆起電力係数であり、ｅは可動子（可動コイル）６ｂの電圧である。

式（２）においてインダクタンスＬを十分小さいとして無視すれば、式（３）が得られる。

ここで、電流アンプ１２を介した場合、電流アンプ１２の入力電圧（コントローラ７の出力電圧）をｅ_ｂｏとし、電流アンプ１２の出力電圧をｅとし、電流アンプ１２のゲインをＫ_ｉとすれば、アクチュエータ６の電磁力ｆ_ｃは次式で表される。

よって、式（３）を式（１）に代入すれば、動吸振器１の振動系の運動方程式が得られる。

ここで、比例微分制御系のコントローラ７の周波数応答関数について考える。コントローラ７の入力電圧をｅ_ｂｉとし、出力電圧をｅ_ｂｏとし、比例ゲインをｋ_ｐとし、微分ゲインをｋ_ｄとすると、入力電圧ｅ_ｂｉと、出力電圧ｅ_ｂｏとの関係は、次式のようになる。

上式をラプラス変換すれば、コントローラ７の伝達関数は、以下のようになる。

この周波数応答関数は次式で表される。

この周波数応答関数から、コントローラ７におけるゲインと位相差は次式のようになる。

ここで、むだ時間Ｌを考慮すると伝達関数は以下のようになる。

よって、むだ時間Ｌを考慮した周波数応答関数は次式で表される。

この周波数応答関数から、コントローラ７におけるむだ時間Ｌを考慮したゲインと位相差は次式のようになる。

ここで、コントローラ７のむだ時間Ｌを考慮すれば次式が得られる。

ここで、ストレインアンプ（動ひずみアンプ）１１のゲインをＫ_ｓとし、出力電圧をｅ_ｂｉとし、錘体４の変位をｘとすれば、

であるから、出力電圧ｅ_ｂｏは、次式のようになる。

ここで、

とすれば、

が得られる。ここで、ωＬ≪１と仮定すれば、次式が得られる。

上式を式（６）’に代入すれば、次の式（７）が得られる。

よって、式（７）を式（４）に代入すれば、コントローラ７の比例ゲインｋ_ｐと微分ゲインｋ_ｄを用いたときの錘体４の運動方程式として式（８）が得られる。ここで、各ゲインＫ_ｐ，Ｋ_ｄ，Ｋ_ｓと制御電圧Ｖ_ｐ，Ｖ_ｄとの関係は例えば次式のようになる（図３〜図５参照）

むだ時間Ｌを考慮した場合の運動方程式から求めた固有振動数ｆ_ｎ、減衰比ζの計算式は以下のようになる。

上述の式のように、振動系の固有振動数ｆ_ｎ及び減衰比ζは、比例ゲインｋ_ｐ及び微分ゲインｋ_ｄを変更することにより、増減させることができる。本実施の形態では、外部機器３０から入力された比例ゲインｋ_ｐの制御電圧信号Ｖ_ｐに基づいて、比例ゲインｋ_ｐを変更可能であり、外部機器３０から入力された微分ゲインｋ_ｄの制御電圧信号Ｖ_ｄに基づいて、比例ゲインｋ_ｐを変更可能である。この場合には、動吸振器１は、セミアクティブ型の動吸振器として動作する。また、本実施の形態では、ダイヤル８ａのダイヤル値Ｄ_ｐに応じて比例ゲインｋ_ｐを変更可能であり、ダイヤル８ｂのダイヤル値Ｄ_ｄに応じて、微分ゲインｋ_ｄを変更可能である。

図３は、外部機器３０から入力される制御電圧信号Ｖ_ｐと比例ゲインｋ_ｐとの関係が示されている。また、図４には、外部機器３０から入力される制御電圧信号Ｖ_ｄと微分ゲインｋ_ｄとの関係が示されている。図３に示すように、比例ゲインｋ_ｐは、制御電圧信号Ｖ_ｄの大きさによらず、制御電圧信号Ｖ_ｐに比例して増加している。これに対し、図４に示すように、微分ゲインｋ_ｄも、制御電圧信号Ｖ_ｄに対して直線的に増加しているが、切片の大きさ、すなわちＶ_ｄが０Ｖでのｋ_ｄ（ｋ_ｄ０）は、制御電圧信号Ｖ_ｄの大きさに対して大きく変化している。図５には、図４に示すｋ_ｄの切片ｋ_ｄ０の特性が示されている。切片ｋ_ｄ０は、制御電圧信号Ｖ_ｐに対し、ほぼ直線的に増加している。

図６には、コントローラ７のダイヤル値Ｄ_ｐと比例ゲインｋ_ｐとの関係が示され、図７には、ダイヤル値Ｄ_ｄと微分ゲインｋ_ｄとの関係が示されている。図６に示すように、比例ゲインｋ_ｐは、ダイヤル値Ｄ_ｄの大きさによらず、ダイヤル値Ｄ_ｐに対し、ほぼ直線的に増加している。また、図７に示すように、微分ゲインｋ_ｄも、ダイヤル値Ｄ_ｄの大きさによらず、ダイヤル値Ｄ_ｄに対してほぼ直線的に増加している。

また、図８には、外部機器３０から入力される制御電圧信号Ｖ_ｐと動吸振器１の固有振動数ｆ_ｎとの関係が示され、図９には、外部機器３０から入力される制御電圧信号Ｖ_ｄと減衰比ζとの関係が示されている。ここで、図８中の符号は実測値を示している。また、実線は、理論モデルから予測された計算上の特性曲線を示しており、破線は、実測値に基づいて計算により算出された特性曲線を示している。図８に示すように、固有振動数ｆ_ｎは、制御電圧信号Ｖ_ｄの大きさによらず、制御電圧信号Ｖ_ｐの増加に対し、約１５Ｈｚから４０Ｈｚまで単調に増加しており、固有振動数ｆ_ｎは、制御電圧信号Ｖ_ｐのみによってチューニングが可能である。また、図９に示すように、減衰比ζは、制御電圧信号Ｖ_ｄに対してほぼ直線的に増加しているが、切片の大きさ、すなわちＶ_ｄが０Ｖでの減衰比ζはＶ_ｐにより大きく変化しており、計算値によるチューニングは可能である。

図１０には、ダイヤル値Ｄ_ｐと動吸振器１の固有振動数ｆ_ｎとの関係が示されており、図１１には、ダイヤル値Ｄ_ｄと減衰比ζとの関係が示されている。ここで、図１０中の○は実測値を示しており、また、実線は、理論モデルから予測された計算上の特性曲線を示しており、破線は、実測値に基づいて計算により算出された特性曲線を示している。図１０に示すように、固有振動数ｆ_ｎは、ダイヤル値Ｄ_ｄの大きさによらず、ダイヤル値Ｄ_ｐの増加に対し、約１５Ｈｚから４０Ｈｚまで単調に増加しており、ダイヤル値Ｄ_ｐのみによって固有振動数ｆ_ｎのチューニングが可能である。図１０中に実線、破線で示す特性曲線を見れば、Ｄ_ｐが０に近いところでは実測値との差が見られるが、それ以外のダイヤル値Ｄ_ｐに対しては実測値とほぼ一致しており、計算値によりチューニングが可能である。

また、図１１に示すように、減衰比ζは、ダイヤル値Ｄ_ｄに対してほぼ直線的に変化しているが、切片の大きさ、すなわちダイヤル値Ｄ_ｄが０の場合、減衰比ζはダイヤル値Ｄ_ｐにより大きく変化している。なお、図１１中、ダイヤル値Ｄ_ｐが２から１０までにおいて、ダイヤル値Ｄ_ｄが２以下では計測値と実測値との差が見られるが、その他のダイヤル値Ｄ_ｄではほぼ実測値と一致しており、計測値によるチューニングが可能である。

本実施の形態に係る動吸振器１では、振動系の固有振動数ｆ_ｎが制振対象１０の固有振動数と一致し、また減衰比が最適値になるように、外部機器３０の制御電圧信号Ｖ_ｐ，Ｖ_ｄで調整されるか、ダイヤル８ａ，８ｂのダイヤル値Ｄ_ｐ，Ｄ_ｄで調整される。調整後は、制振対象１０の振動に合わせて動吸振器１の振動系が振動し、制振対象１０の振動を抑制することができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、比例ゲインｋ_ｐ及び微分ゲインｋ_ｄとを調整可能な比例微分制御を行うコントローラ７により、錘体４を中心とする振動系の振動を制御する。比例積分制御は、比例要素と微分要素のみから構成される簡単な構成の制御系であり、その制御系の比例ゲインｋ_ｐ及び微分ゲインｋ_ｄを変更するだけで、振動系の固有振動数ｆ_ｎ及び減衰比ζを増減させて、制振対象１０の固有振動数及び減衰比に合わせることができるようになる。この結果、簡便な構造で、振動系の固有振動数ｆ_ｎ及び減衰比ζを、制振対象１０の固有振動数に容易に合わせることができる。

上記実施の形態によれば、固有振動数ｆ_ｎは比例ゲインｋ_ｐを調整するだけでチューニング可能であり、減衰比ζは比例ゲインｋ_ｐ調整後に微分ゲインｋ_ｄを調整するだけでチューニング可能となるので、極めて容易に、固有振動数ｆ_ｎ及び減衰比ζを調整することができる。

本実施の形態に係る動吸振器１は、操作パネル８のダイヤル８ａ，８ｂによって固有振動数ｆ_ｎ及び減衰比ζを調整する場合には、パッシブ型の動吸振器１として動作し、外部機器３０からの制御電圧信号Ｖ_ｐ，Ｖ_ｄによって固有振動数ｆ_ｎ及び減衰比ζを調整する場合には、セミアクティブ型の動吸振器１として動作させることができる。

また、本実施の形態に係る動吸振器１によれば、電磁力のアクチュエータ６と平行板バネ３とを併用することにより、アクチュエータ６による位置制御を容易にすることができる。また、平行板バネ３の固有振動数及び減衰比を、動吸振器１の最小の固有振動数及び減衰係数に合致させることにより、アクチュエータ６の消費電力を低減することができる。

また、本実施の形態に係る動吸振器１によれば、振動系の構造をスライド型とすることで、装置全体を小型化することができる。

なお、上記実施の形態では、アクチュエータ６において永久磁石を固定子６ａとし、可動コイルを可動子６ｂとしたが、本発明はこれには限られない。固定子６ａが電磁コイルで、可動子６ｂが永久磁石であってもよいし、両方電磁コイルであってもよい。また、アクチュエータ６としてボイスコイルモータを用いるようにしてもよい。

平行板バネ３は、錘体４をｘ軸方向（一軸方向）に安定して振動させることができる。しかしながら、本発明は、平行板バネ３には限られず、錘体４を一軸方向に振動させる別の弾性体を用いるようにしてもよい。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本発明は、工作機械又は建築物等の構造物の振動を抑制するのに適用することができる。

１動吸振器、２基台、３平行板バネ、３ａ固定部、４錘体、５変位センサ、６アクチュエータ、６ａ固定子、６ｂ可動子、７コントローラ、７ａ，７ｂ調整部、８操作パネル、８ａ，８ｂダイヤル、１０制振対象、１１ストレインアンプ、１２電流アンプ、３０外部機器

Claims

制振対象に固定された基台と、
前記基台に支持された弾性体と、
前記弾性体の弾性力により一方向に振動可能に支持される錘体と、
前記基台に対する前記錘体の相対変位に相当する変位電圧信号を検出する変位センサと、
電磁力により、前記基台に対して前記錘体を前記一方向に相対変位させるアクチュエータと、
前記変位センサで検出された変位電圧信号に基づいて、比例ゲイン及び微分ゲインを調整可能な比例微分制御を行って前記アクチュエータを駆動するコントローラと、
を備える動吸振器。
外部機器から入力した制御電圧信号に基づいて、前記比例ゲイン及び前記微分ゲインを調整可能な第１の調整部を備える、
請求項１に記載の動吸振器。
操作入力信号に基づいて、前記比例ゲイン及び前記微分ゲインを調整可能な第２の調整部を備える、
請求項１又は２に記載の動吸振器。
前記弾性体のばね定数及び減衰係数が、
前記錘体及び前記弾性体で構成される振動系の固有振動数及び減衰比の最小値と合致するように、設定されている、
請求項１から３のいずれか一項に記載の動吸振器。
前記コントローラは、アナログ回路で構成されている、
請求項１から４のいずれか一項に記載の動吸振器。