JP3561290B2 - 振動消去装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、振動消去装置に関するものである。機械構造の全体的振動を減らすことができる能動型振動消去装置についてはかなり可能性がある。このような装置を振動力を受ける支柱、管、高い柱に取り付けるか、埋設することによって、振動力を能動的に除去することができ。また機械類は、一般に、その支持構造へ伝わる過酷な振動を減らすために何らかの形式の受動型マウントの上に設置されている。そのような受動型マウントのベースの近くに取り付けた能動型振動消去装置を使用し、支持構造へ伝わるであろう振動を相殺することによって、機械類の総合性能をかなり改善することができる。
【０００２】
【従来の技術】
能動型振動消去法は、過去に、詳細には振動エネルギースペクトルがエンジン回転速度のごくわずかな高調波内にかなりの中身を有する一定速度で回転しているエンジンについて試みられた。この場合は、最も簡単に実施できる狭帯域の能動型消去法だけを使用することができる。試みられた消去法は、振動する質量を使用し、結果的に生じる狭帯域の機械的振動を抑制するものであった。しかし、これまでは、逆位相の運動量を要求方向に発生させるために、振動する質量を機械的に支持しなければならなかった。能動型振動消去装置の直線振動する質量が、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈａｒｔｅｒｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ， Ｊａｎｕａｒｙ １９８３，ｐａｇｅｓ ４１−４７（ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｐａｇｅ ４４ ａｎｄ Ｆｉｇ．１３ ） に記載されている。別の能動型振動消去装置が、英国特許第 １，６０１，０９６号および同第 ２，２２２，２７９号に開示されている。通例、質量の運動を正しい軸に拘束するため、何らかの形のダイヤフラムまたはスパイダが設けられる。実際には、そのような直線支持体、スパイダ、またはダイヤフラムは磨耗や疲労のため、信頼性のないことが判った。さらに、これらの支持体が衝撃荷重に容易に耐えることができないという、より重要な難点があった。これは、明らかになった信頼性の無さに加えて、そのアイデアの評価を落とすことになった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、非常に高い信頼性と耐衝撃性を有し、構造内の振動（機械的振動には一般に直線運動と角運動が含まれる）の直線運動量および（または）角運動量をできるだけ小さくする、すなわち消去することができる能動型振動消去装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁界によって構造から離して支持された静止位置をもつ質量、振動を感知する手段、および磁界を制御して質量を振動させ、その反作用によって逆位相の振動を構造に加える制御手段を備えた、構造の振動を低減する装置を提供する。
【０００５】
本発明は、さらに、磁界によって構造のそばに支持された補助質量、振動を感知する感知手段、および感知した振動に応じて磁界を変化させ、補助質量を振動させることにより、その反作用で逆位相の振動を構造に加える手段を備えた、構造の振動を低減する装置を提供する。
【０００６】
本発明は、さらに、少なくとも１つの平面内および（または）少なくとも１つの軸のまわりに構造に対し動くことができるように磁気浮揚によって支持された補助質量、振動で誘起された相対運動を感知する手段、力を加える手段、および感知手段の出力を受け取り、前記力を加える手段に前記補助質量に対し力を加えさせ、その反作用によって逆位相の力を与えて構造の振動を減らす制御手段を備え、少なくとも１つの平面内および（または）少なくとも１つの軸のまわりに振動を受ける構造に固定して取り付けられた、またはその一部をなす振動消去装置を提供する。
【０００７】
【実施例】
図１〜図３に示すように、振動消去装置は、振動源９から振動を受ける装置８に固定して取り付けることができる、またはその一部をなすフレーム１０を有する。フレーム１０は、大きな半球１１ａと小さい半球１１ｂから成るフランジ付き中空非強磁性球形殻１１を有する。各半球に付いているフランジ１１ｃの孔１１ｄにボルト（図示せず）を通して、２つの半球１１ａ，１１ｂを互いに、かつフレーム１０または振動を受ける装置に結合することができる。球形殻１１は３対（図には、２対だけを示す）の半径方向駆動電磁石１２を支持している。各対の電磁石は、殻１１の球形内部の３つの直交する直径の１の各端に１個づつ配置されている。殻１１の内部に形成された球形空間の中に、中空鋼球１４の形の防振体が置かれている。球１４は接合線１４ｃに沿って互いに結合された２個の半球１４ａ，１４ｂから成っている。電磁石１２は、球１４が球形空間と実質上同心で静止状態にあるとき、磁気浮揚によって球１４を支える役目を果たす。図１の平面と直交する直径上に、１対の電磁石（図示せず）が配置されていることは理解されるであろう。
【０００８】
同様に、球形殻１１の表面に、３対（図には、２対だけを示す）の接線方向駆動電磁石１６が等間隔に配置されている。
【０００９】
各対の半径方向駆動電磁石１２の少なくとも１つに、近接センサ１８（図２および図３には示してない）が設置されており、接線方向駆動電磁石１６の少なくとも１つに、光センサ２０（図２および図３には示してない）が設置されている。
【００１０】
近接センサ１８は、制御手段２２（図２）を介して、球１４を無接触で支持し、球形空間と実質上同心で、すなわちどの方向にも運動させずに、その静止状態に保持する磁界を半径方向駆動電磁石１２に発生させることによって、球１４の磁気浮揚状態を制御する役目を果たす。同様に、光センサ２０は球表面のマーキング２３と共同して制御手段２２へ出力を与える。制御手段２２はその出力を受け取り、静止状態において、球１４が確実にどの軸のまわりにも回転しないように、接線方向駆動電磁石１６を駆動する。
【００１１】
振動を消去すべき装置が移動プラットフォームたとえばボートのエンジンに取り付けられていれば、球１４の静止状態がその殻１１に対し動かないことであることは理解されるであろう。そのような低周波数の運動を補償する駆動は単に相対的静止位置を維持する役目を果たすだけである。
【００１２】
たとえば、ボートの運動の周波数は一般に１Ｈｚ以下である。これを最大プラットフォーム非振動周波数とすれば、制御回路内で識別を行って、１Ｈｚ以下の運動に対しては球１４がその殻１１に対し動かないようにし、１Ｈｚ以上の運動または回転の周波数については殻１１内で球１４の振動が生じるようにすることができる。
【００１３】
近接センサ１８と光センサ２０は第１および第２感知手段を構成する。フレーム１０の少なくとも１つの平面内の振動が、フレーム１０が固定して取り付けられた装置または構造によって与えられる場合は、第１感知手段（１個またはそれ以上の近接センサ１８）が近接センサに対する球１４の近接の変化を感知する。感知された近接の変化は、フィードバックループを介して、１個またはそれ以上の半径方向駆動電磁石１２が近接の変化を相殺する方向に球１４に磁力を加えて球を動かすために使用される。同様に、フレーム１０の少なくとも１つの軸のまわりに振動が生じると、第２感知手段（１個またはそれ以上の光センサ２０）が、光センサ２０および殻１１に対する球１４の方位の変化を感知する。感知された方位の変化は、フィードバックループを介して、１個またはそれ以上の接線方向駆動電磁石１６が方位の変化を相殺する方向に球１４を回転させる磁力を加えるために使用される、すなわち感知した構造の振動の方向および（または）方位に一致する方向および（または）方位に球１４を振動させるために使用される。加えられた磁力の反作用は、振動を消去する方向に逆位相の運動量を構造に与える。
【００１４】
近接センサ１８と半径方向駆動電磁石１２が球１４の正しい運動を生じさせることが可能になる前に、装置に加えられた衝撃によって球１４が１個またはそれ以上の電磁石１２に当たり損傷するのを防止するために、少なくとも半径方向駆動電磁石１２に、たとえば合成ゴムの衝撃吸収面２４が付いている。（図１および図２参照）。
【００１５】
使用の際、殻１１はフランジ１１ｃの孔１１ｄに通されたボルトでフレーム１０に取り付けられ、フレーム１０は振動を受ける装置にボルト締めされる。振動はどの方向および（または）どの軸のまわりのどの角度であってもよい。球形空間内の球１４を矯正運動を生じさせるために、近接センサ１８と光センサ２０は、制御手段２２を介して、半径方向駆動電磁石１２および（または）接線方向駆動電磁石１６へ電流を送り、最初に球１４とフレーム１０の殻１１（および電磁石）間の相対運動を除去する（または、できるだけ小さくする）のに貢献する仕方で球１４を振動させる。球１４に加えられた力の反作用は、フレーム１０（およびフレーム１０が固定して取り付けられた構造）の振動を減らす、すなわち消去する役目を果たす。従って、振動を消去する場合、最終的なねらいは、駆動電磁石１２，１６の作用の下で、フレーム１０（およびフレーム１０が固定して取り付けられた構造）を静止状態に保ち、かつ球１４を振動させることである。
【００１６】
第１および第２感知手段は、振動の比較的低い周波数を消去する（または減らす）ことができる。振動のより高い周波数では、追加または代替感知手段を使用することが好ましい。これらの追加または代替感知手段は、フレーム１０に取り付けて直接その振動を感知することもできるし、球１４に取り付けて電磁石１２，１６によって与えられた振動を測定することもできるし、その両方を行うこともできる。加速度計たとえば圧電素子は上記の追加または代替感知手段として使用できる。
【００１７】
追加または代替感知手段を殻１１または振動している装置に取り付けて、フレーム１０が取り付けられた装置の振動を直接に、応答時間と異なり実時間で、測定する場合には、電磁石１２および（または）１６を駆動して球１４を振動させ、その結果フレーム１０の運動をできるだけ小さくする、もしくは防止することができる。また、たいていの振動は周期性を有し、識別可能な周波数で反復するので、予測駆動も可能である。
【００１８】
図１に示すように、球１４に与えられた振動を測定するため球１４の内部に加速度計２６が設置されている。加速度計２６は出力を球１４内に配置されたボックス２８へ送る。ボックス２８には電子回路たとえばＡ／Ｄ変換器、マルチプレクサ、および光電変換器が入っており、加速度計２６からの信号は球１４から、たとえば１本の光ファイバ３０（図２および図３には図示せず）を通して提供される。光ファイバ３０は、球１４を支持せず、しかも球の運動に対する減衰効果をできるだけ小さくするため十分な柔軟性を有する。光ファイバ３０の代わりに細い電線を使用してもよいが、減衰効果をできるだけ小さくしなければならず、また球１４を支持してはならない。
【００１９】
光ファイバ３０を通して送られた加速度計２６の出力は球１４の振動を指示するため分析することができる。理論上、球１４の振動は振動消去装置の振動および振動消去装置が固定して取り付けられた装置の振動を直接表している。従って、追加または代替感知手段を上に示唆したようにフレーム１０に取り付けた場合には、加速度計２６は電磁石１２，１６に矯正駆動を加えるための比較手段に成る。近接センサ１８の出力と光センサ２０の出力を制御手段２２において監視する場合には、それらの出力と加速度計２６の出力および電磁石１２，１６の制御に作られたフィードバックループとを比較し、振動を消去する際のヒステリシスをできるだけ小さくするように、振動消去装置を調整することができる。
【００２０】
代わりに、一定周波数または広帯域の振動を消去する、またはできるだけ小さくするように、振動消去装置を調整することができる。
【００２１】
本発明の振動消去装置の重要な２つの特徴は、（ｉ）磨耗する可動部品がないので、システムの信頼性が非常に高いことと、（ｉｉ）システムが非常に大きな直線衝撃に耐えれることである（衝撃により、最悪の場合は球が電磁石に衝突するが、この衝撃は薄い合成ゴムの被覆物２４を使用することで弱めることができる。）。
【００２２】
球の運動を全周波数帯域（たとえば、 ０ 〜 ５００ Ｈｚ またはそれ以上）にわたって正確に感知するために、図１に示すように、加速度計２６が球１４の表面の近くに取り付けられ、３つの相互に直交する軸の両端に配置されている。仮にこれらの軸に１，２，３の番号を付ければ、軸１，２，３の両端にある加速度計の方位は軸２，３，１に平行である。これらの加速度計の出力を積分すれば、球１４の瞬間直線速度および角速度のすべての成分を求めることができる。この配列法は、より高い周波数において正確な測定結果を与えるであろう。より低い周波数における誤差の累積を避けるために、外部位置センサ１８と外部方位センサ２０が必要である。これにより、制御装置は確実に球１４の中心の平均位置と、正しく位置決めされた球１４の平均方位を正確に維持することができる。さらに、適当なディジタル信号処理によって、適当な相補クロスオーバーフィルタのほかに、近接センサ１８、方位センサ２０、および加速度計２６を使用して全周波数帯域にわたって直線および角加速度の最も正確な測定結果を得ることができる。より低い一定の限界値たとえば１Ｈｚ 以下の周波数はプラットフォームの運動として分析され、殻に対し球を静止状態に維持するため、電磁石を介して駆動が加えられる。これに対し、このより低い限界値より高い周波数は消去すべき振動として分析される。
【００２３】
外部位置センサ１８は、すべて従来技術において知られている多くの形式のうちどれを使用してもよい。センサ２０による方位の検出はより困難であるが、光学式コーディング法によって達成することができるであろう。光学式コーディング法は、一定の場所を通過する球１４上のパターン２３の動きを観察することによって方向と全体の角運動を追跡することができる。代わりに、球１４の表面が磁性的に均一でなければ、ホール効果装置または線型微分トランスフォーマーを使用して球の回転を感知することができる。低い周波数の制御には、これらのセンサ１８，２０は必要なすべての情報を提供できるであろうが、より高い周波数の制御には、球１４内、および（または）フレーム１０上に取り付けた加速度計がはるかに正確である。
【００２４】
運動している球から加速度計出力の取出しは、必ずしも光ファイバケーブル３０によって行う必要はない。加速度計の情報を外部制御手段２２へ送信する非接触送信手法が幾つかある。これらの手法はすべて球１４内で利用できる一定の電力を必要とする。この電力は適当な電磁カップリング法による非接触伝送によって利用することができる。
【００２５】
上に述べた振動消去装置に対する、より簡単であるが、より制限的な代案は、停止具（図示せず）たとえば電磁石１２，１６の側面に当たる数個のラグ（図示せず）を球１４上に設けることによって、球１４の最大角変位を制限することである。この構成の場合は、球１４と外部制御手段２２の間を非常にゆるく結合する１本の光ファイバを通して、加速度計からの出力を多重送信することができるであろう。もし必要ならば、球を装置上の電源へ接続する２本の細い可撓電線を通して、球１４へ電力を供給することもできる。球１４に対するこれらの接続が、完成した振動消去装置の最も信頼性の低い部分になるかもしれない可能性をできるだけ少なくするために、かなりの注意が必要であろう。
【００２６】
理論上、３個の半径方向駆動電磁石１２と３個の接線方向駆動電磁石１６が必要である。球形空間の表面にある３個の電磁石１２または１６は、適当なセンサと共に球１４の運動を検出し、矯正駆動を球１４に加えることができる。しかし、電磁駆動は非線形駆動であり、制御手段２２によって遂行される制御において、電磁石によって加えるべき駆動を計算することが難しい。
【００２７】
また、各電磁石を２通りの方法のどちらか一方、または両方で励磁し、球１４に直線駆動、または回転駆動、または直線駆動と回転駆動の両方を与えることができるように、半径方向駆動磁石と接線方向駆動磁石を組み合わせて使用することができる。
【００２８】
より簡単な、よりコンパクトな構造の装置の場合、球１４は中実の強磁性体である。従って、そのサイズは同じ重量でかなり小さくすることができる。外部センサ１８，２０，２６を使用して、構造と（または）フレーム１０の振動、および磁石１２，１６に加える駆動が決定される。もしこのやり方で振動を相殺しすぎれば、外部センサは、その結果生じた振動を感知することによって自己補正する。
【００２９】
別の実施例の場合、球１４は対称であるが、中空球に対するインサートまたは内部リブによって生じた不均一な強磁性表面性質を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による振動消去装置の略図である。
【図２】本発明による振動消去装置の断面図である。
【図３】図２の装置の部分切除斜視図である。
【符号の説明】
８ 振動を受ける装置
９ 振動源
１０ フレーム
１１ 中空球形殻
１１ａ 大きな半球
１１ｂ 小さい半球
１１ｃ フランジ
１１ｄ 孔
１２ 半径方向駆動電磁石
１４ 中空球
１４ａ，１４ｂ 半球
１４ｃ 接合線
１６ 半径方向駆動電磁石
１８ 近接センサ
２０ 光センサ
２２ 制御手段
２３ 球表面のマーキング
２４ 衝撃吸収面
２６ 加速度計
２８ ボックス
３０ 光ファイバ

Claims (17)

1. 振動を受ける構造体（１０）に取り付けられるほぼ球形のハウジング（１１）と、ハウジング（１１）内に自由に位置決めされたほぼ球形の補助質量（１４）と、ハウジング（１１）内において補助質量を３つの直線自由度で運動させる磁気浮揚手段（１２）と、構造体（１０）の直線振動を感知する振動感知手段（１８）と、振動感知手段（１８）によって感知された直線振動に応答して磁気浮揚手段（１２）を動作させるように構成された制御手段（２２）とから成る振動消去装置であって、
   振動感知手段（１８、２０）が、構造体（１０）の回転振動も感知するように構成され、かつ、制御手段（２２）が、振動感知手段（２０）によって検出された回転振動に応答して、ハウジング（１１）内において補助質量（１４）を３つの回転自由度で回転させるように接線方向磁気駆動手段（１６）を動作させ、それによって構造体（１０）の振動を打ち消すように構成されていることを特徴とする振動消去装置。
2. 前記振動感知手段（１８、２０）が、直線振動を感知する第１振動感知手段（１８）と、回転振動を感知する第２振動感知手段（２０）とから成ることを特徴とする請求項１に記載の振動消去装置。
3. 前記第１振動感知手段（１８）が、構造体（１０）に取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の振動消去装置。
4. 前記第２振動感知手段（２０）が、ハウジング（１１）に取り付けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の振動消去装置。
5. 前記第１振動感知手段（１８）が、ハウジング（１１）に対する補助質量（１４）の接近を感知する近接センサから成ることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の振動消去装置。
6. 前記第２振動感知手段（２０）が、ハウジング（１１）に対する補助質量（１４）の角度位置を感知するように構成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の振動消去装置。
7. 前記第２振動感知手段（２０）が、ハウジング（１１）に対する補助質量（１４）上のマーキング（２３）の位置を感知するフォトセンサであることを特徴とする請求項６に記載の振動消去装置。
8. 前記第２振動感知手段（２０）が、加速度計を含むことを特徴とする請求項６に記載の振動消去装置。
9. 前記第１振動感知手段（１８）が、加速度計を含むことを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の振動消去装置。
10. 補助質量（１４）に加えられた振動を測定するために、加速度計（２６）が補助質量（１４）に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の振動消去装置。
11. 出力ボックス（２８）が、補助質量（１４）内に配置され、前記加速度計（２６）と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の振動消去装置。
12. 光ファイバ接続手段（３０）が、前記出力ボックス（２８）を制御手段（２２）に接続していることを特徴とする請求項１１に記載の振動消去装置。
13. 前記磁気浮揚手段（１２）が、少なくとも３対の半径方向駆動浮揚手段（１２）から成り、各対の半径方向駆動浮揚手段が、他の２対の半径方向駆動浮揚手段に対して直交して配置され、前記接線方向磁気駆動手段（１６）が、少なくとも３対の接線方向駆動浮揚手段（１６）から成り、各対の接線方向駆動浮揚手段が、他の２対の接線方向駆動浮揚手段に対して直交して配置されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の振動消去装置。
14. 前記ハウジング（１１）が、２つの部分（１１ａ、１１ｂ）から成り、各部分は、半球から成り、且つ、その２つの部分（１１ａ、１１ｂ）の寸法は等しくないことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の振動消去装置。
15. 前記球形ハウジング（１１）の２つの部分（１１ａ、１１ｂ）の各々は、フランジ（１１ｃ）を有し、そのフランジによって、ハウジングが構造体（１０）に固定されていることを特徴とする請求項１４に記載の振動消去装置。
16. 衝撃吸収手段（２４）が磁気浮揚手段（１２）に固定されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の振動消去装置。
17. ラグが補助質量（１４）に取り付けられ、且つ、衝撃停止具がハウジング（１１）に取り付けられ、球形質量（１４）とハウジング（１１）との間の相対的角運動を制限することを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の振動消去装置。

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