JP4416134B2 - コリオリ力を利用した回転制御機構 - Google Patents

Description

この発明は、船舶等の回転運動をする制御対象物に取り付けられて、その制御対象物の回転制御を行う回転制御機構に関するものである。

従来、構造物の回転運動による振動を抑制すべく、種々の吸振器が今までに考えだされている。

そのうちの一つとして、動吸振器（Dynamic Dumper 又はDynamic Absorber）と称されるものが知られている。この動吸振器は、ゴンドラのような揺動体（制御対象物）に対し移動可能に設けた質量要素を有し、制御対象物が揺れ出すと、その質量要素が制御対象物に対し相対移動し、それら相対移動の際にエネルギを消散させて吸振する仕組みになっている。動吸振器は、外部からの動力なしで作動させる構成が可能であり、ゴンドラのように外部電力供給が難しいものに特に好適である。

そして、この種の動吸振器では、振り子運動する制御対象物に対し質量要素を相対移動させるのだから、当然のことながら、質量要素の移動軌跡を、制御対象物の揺れ方向（円周方向）と合致させつつ、質量要素と揺動体とが相対移動するような構成にしている。

ところで、従来の制振理論では、動吸振器は振幅の大きな所に取り付けられるのが常識であった。そのため例えばゴンドラなどの索道搬器では、動吸振器を搬器下部に取り付けることを試みていたが、制振効果は殆ど無かった。
これに対して、本発明者は、このような構成での制振効果は、ゴンドラのような剛体振子とみなせるものにおいて、質量要素と揺動体における振動の中心（単振子の場合、重心と一致し、剛体振子の場合、通常は重心よりやや下方になる）との距離の２乗に比例し、質量要素を揺動体における振動の中心に取り付けると制振効果を得ることができないことを理論的に見いだした。また、制御対象物よりも上方に取り付け可能な画期的な動吸振器を開発し（特許文献１）、権利化を経た現在では、索道搬器に用いられて実用化に至っている。

しかしながら、上記動吸振器は、索道搬器には好適に用いることができるが、船などでは，振動の中心から充分な距離のあるところに，動吸振器を設置することができず、十分な制振効果を得ることができないという問題がある。また、充分な制振効果を得るためには、制御対象物より外方に動吸振器が大きく突出する形となり、外部の他の構造物に干渉するといった問題が出てくる。さらに、静的な傾きによる動吸振器の重心の移動が生じるという問題もある。
特開平６−２８０９３４

そこで、本発明は、制御対象物の回転運動における径方向に質量要素の運動方向を設定し、コリオリ力を利用して回転制御をするという、従来とは全く異なった発想によって、制御対象物の回転抑制効果又は回転促進効果が得られ、しかも外部動力を必ずしも必要としない回転制御機構を提供することをその所期課題としたものである。

すなわち、本発明に係る回転制御機構は、制御対象物の回転運動の回転軸を挟んで左右対称となるように配置される２つの質量要素と、前記２つの質量要素それぞれを前記回転軸に対して、径方向に沿って進退移動可能に案内する案内機構とを備え、前記質量要素を径方向に移動させることにより生じるコリオリ力によって、前記制御対象物の回転の状態を制御するものであることを特徴とする。

このようなものであれば、質量要素を径方向に移動させることにより生じるコリオリ力を用いて、制御対象物の回転態様を制御することができる。したがって、質量要素の進退移動により、制御対象物の回転運動を促進することもできるし、回転運動を抑制することもできるようになる。

外部動力を必要としない前記案内機構の一つとしては、弾性体を少なくとも利用して構成したものを挙げることができる。具体的には、弾性体によって、制御対象物の回転中心とそれぞれの質量要素とを連結することが考えられる。

さらに、前記案内機構が、減衰器をさらに備えたものであることが望ましい。このようなものであると、制御対象物の回転エネルギが質量要素に流入して、その径方向の進退運動エネルギとなり、そのエネルギが減衰器で吸収されるため、回転運動のエネルギが結果的に減少して制振作用が得られる。

制御対象物の回転エネルギを好適に吸収するためには、前記弾性体が、前記質量要素の進退移動周期を前記制御対象物の回転周期の１／２として、前記質量要素を前記制御対象物と共振させるものであることが望ましい。これによると、共振現象により質量要素の振動が大きくなり、制振効果を大きくすることができる。

外部動力を用いた前記案内機構の一つとしては、制御対象物の角度や加速度等に係る動きを検出し、その動きに応じて質量要素をアクチュエータで進退駆動して運動エネルギを注入又は吸収する能動型のものを挙げることができる。

質量要素を回転中心に対して左右対称に設けているが、制御対象物が回転運動した際に重力により同一方向に力を受ける。これにより、質量要素が一方に偏ってしまいアンバランスが生じてしまう。この問題を解決するためには、前記２つの質量要素に重力による変位が生じないようにする重力変位防止機構を備えていることが望ましい。

前記重力変位防止機構の具体的な実施の態様としては、前記２つの質量要素の外側に設けられた２つの滑車と、当該滑車を介してそれぞれの質量要素を繋げている連結部材とから構成されていることが望ましい。

本発明を適用してその効果が特に顕著になる態様としては、前記制御対象物が、例えば船舶などの水上又は海上に浮いている構造物、クレーンの吊り荷、橋梁、又宇宙船や人工衛星、或いはエンジンのクランクシャフト等を挙げることができる。

以上のように構成した本発明によれば、質量要素を径方向に移動させることにより生じるコリオリ力を用いて、必ずしも外部動力を必要とせずに、制御対象物の回転運動を抑制又は促進すること、及び回転振動を減衰又は増幅することができるようになる。

次に、本発明の回転制御機構２を用いた吸振器２０の一実施形態につき、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る吸振器２０は、図１に示すように、海上に浮かべられた船舶１の内部に設けられ、船舶１のローリング（横揺れ）による振動を抑制するものである。

吸振器２０は、２つの質量要素２１と、その質量要素２１を進退移動可能に案内する案内機構２２と、２つの質量要素２１に重力による変位が生じないようにする重力変位防止機構２３とを備えている。

各部を説明する。

質量要素２１は、いわゆる錘であり、制御対象物である船舶１の回転中心Ｃを挟んで配置される。より具体的には、２つの質量要素２１は、同じ質量であり、左右対称に配置され、２つの質量要素２１の重心を結んだ線上に回転中心Ｃが位置するように配置している。そして、船舶１が回転運動することにより、ローリングによる遠心力が働く。それらが揺れ（回転運動）によって増減するので、質量要素２１は半径方向に運動する。それによって、コリオリ力が回転運動とは逆方向に発生し、揺れを抑える。その回転周期が質量要素２１とバネ２２２からなる１自由度振動系の固有振動数と一致すれば共振現象で質量要素２１の振動が大きくなり、コリオリ力が大きくなり、制振力は大きくなる。

制振効果は、質量要素２１の質量にほぼ比例するので、できるだけ重い方がよく、質量要素２１を支持する構造物の性能等の制限からその重さは定められる。そして、後述するが、質量要素２１の重さを決めたあと、制振効果をよく発揮できるように、例えば固有振動数が船舶１の回転運動の振動数の２倍になるバネ定数ｋを設定する。その際、必要に応じて質量要素２１の重さの微調整を行う場合もある。

案内機構２２は、横に（回転運動の径方向に沿って伸びるように水平に）船舶１の内部に取り付けられ、回転中心Ｃに対して質量要素２１が、径方向に進退移動可能に案内するものである。本実施形態では、回転中心Ｃに設けた固定軸２２１と、当該固定軸２２１及びそれぞれの質量要素２１の間に介在させた弾性体２２２を有したものである。

弾性体２２２は例えばバネであり、そのバネ定数ｋを、質量要素２１の進退移動の固有振動数が、船舶１の回転運動の振動数の２倍となるように設定している。また、左右に設けた質量要素２１が、回転中心Ｃに対して左右対称となるように、さらに、制振効果を大きくするために、可及的に外側に位置するようにしている。

重力変位防止機構２３は、２つの質量要素２１に重力が働くことにより、同方向に移動することを防止するものであり、２つの質量要素２１の外側に設けられた２つの滑車２３１と、当該滑車２３１を介してそれぞれの質量要素２１を繋げている連結部材２３２とから構成されている。そして、連結部材２３２は、２つの質量要素をほぼ弛み無く連結するものであり、それぞれの質量要素２１の変位量が同一になるようにしている。

ここで、遠心力は外側に働くので、質量要素２１は左右対称に進退移動をする。一方、傾きによって発生する重力の増減は同じ方向に作用するので、質量要素２１は同じ方向に移動する。しかし、重力変位防止機構２３によって、滑車２３１を介して２つの質量要素２１が連動するようにしているので、同方向の動きは生じない。よって、遠心力によって生じるコリオリ力のみを利用することができる。

このような構成の吸振器２の動作について、以下に説明する。

水面に対してまっすぐに浮いている船舶１に対して、何らかの力が働いて片舷（船の片側、図では左）に傾いて、船舶１が回転振動を始めたとする。このとき、質量要素２１は、図２に示すように、遠心力が働いて径方向外側に移動する。このとき、船舶１の回転方向とは逆方向にコリオリ力が生じる。これによって、船舶１の回転エネルギが打ち消されて、船舶１は制振される。

このように構成した本実施形態によれば、質量要素２１が径方向に移動することにより生じるコリオリ力によって、船舶１の回転を止める方向のモーメントを発生させているので、船舶１の回転運動を抑制することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、図３に示すように、案内機構２２に減衰器２２３を設けても良い。減衰器２２３は、例えばダッシュポットであるが、その他に、発電器を回して電力消費させるようにしたものや、永久磁石を非磁性金属上で移動させ渦電流を発生させて減衰作用を営むように構成したものなど、要は、質量要素２１の進退移動速度に比例した抵抗力を発生し、その抵抗力によってエネルギを消散又は他の用途に送出するようにしたものであればよい。

また、前記実施形態では、回転制御機構２を吸振器２０に用いて、船舶１のローリングによる回転振動を抑制するものであったが、船舶１の縦揺れ（ピッチング）等による回転振動を抑制するようにしても良い。

この他にも、回転をする制御対象物１に用いた場合には、その回転数の時間変動を抑制することができる。例えば、捩り振動をしながら回転する捩り振動体（例えばエンジンのクランクシャフト等）に用いて、捩り振動を抑制するようにしても良い。また、定速回転しているシャフトに用いて、回転変動成分のみを抑制するようにしても良い。さらに、図４に示すように、吊り橋などの橋梁の捩れ振動を抑制するようにして良い。この場合、例えば橋梁を構成するボックス桁の内部に配置することが考えられる。加えて、クレーンの吊り荷など、外部からしっかりとした支持ができない回転揺動するものに本発明を適用しても、上記同様の効果を得ることができる。

さらに例えば、前記実施形態では、質量要素２１を受動素子のみによって進退させていたがこの方式であると、運搬物の重量が変わるなど、制御対象物１の質量が変動して回転運動の周期が変わるような場合に、質量要素２１の進退周期とのマッチングが図れずに制振効果が十分得られなくなる場合も考えられる。そのため例えば角度センサや加速度センサなどによって制御対象物の動き（回転運動の角度等）を検出することにより、モータなどのアクチュエータによって質量要素２１をアクティブに制御し、回転運動とマッチングさせて進退させ、回転運動のエネルギを効率的に吸収できるようにしてもよい（能動型）。例えば回転運動で上昇していくときにアクチュエータに仕事をさせる、すなわち質量要素２１を径方向に沿って引き上げ、下降していくときに質量要素２１がアクチュエータに仕事をしてアクチュエータ側でそのエネルギを消費するようにすればよい。アクチュエータには回転モータ、リニアモータ、油圧ポンプ／モータなど、種々のものが使用可能である。

また、モータなどのアクチュエータによって質量要素２１をアクティブに制御し、回転運動とマッチングさせて進退させ、制御対象物１に回転エネルギを効率的に注入するようにしてもよい。このようなものであれば、例えば人工衛星や宇宙船などの回転体の姿勢制御を好適に行うことが可能となる。

上記に加えて、質量要素２１の重さを可変にすることが考えられる。つまり、質量要素２１が、例えば水を収容することができるものであり、その収容する水量を調節する。回転制御機構２を取り付ける制御対象物１の特性、用途又は状況に応じて、収容する水の量を変更する。このようなものであれば、例えば橋梁に用いた場合には、必要なときに水を足したり、減らしたりして、橋梁の振動を抑制するため最適な重さに調節することができる。また、収容する水量を調節すれば良いので、種々の制御対象物に柔軟に対応でき、しかも製造の標準化を図ることができるようになる。

吸振器２の配置位置や個数などは適宜設定可能である。また、前記実施形態では弾性体が固定軸２２１に接続され、質量要素２１の支点が回転中心Ｃとなるようにしているが、この他にも、２つの質量要素２１が回転中心Ｃに対して左右対称に位置すればよいので、図５に示すように、それぞれの質量要素２１の支点を回転中心Ｃから左右対称に偏心させても良い。

その他、本発明は前述した実施形態や変形例の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態における船舶及び吸振器を示す模式的構造図。 同実施形態における吸振器を示す模式的構造図。 その他の実施形態に係る回転制御機構を示す模式的構造図。 橋梁に用いた場合の実施形態を示す模式的構造図。 さらにその他の実施形態に係る回転制御機構を示す模式的構造図。

符号の説明

１ ・・・制御対象物（船舶）
Ｃ ・・・回転中心
２ ・・・回転制御機構
２１ ・・・質量要素
２２ ・・・案内機構
２２２・・・弾性体（バネ）
２２３・・・減衰器（ダッシュポット）
２３ ・・・重力変位防止機構
２３１・・・滑車
２３２・・・連結部材

Claims (7)

1. 制御対象物の回転運動の回転軸を挟んで左右対称となるように配置される２つの質量要素と、
   前記２つの質量要素それぞれを前記回転軸に対して、径方向に沿って進退移動可能に案内する案内機構とを備え、
   前記質量要素を径方向に移動させることにより生じるコリオリ力によって、前記制御対象物の回転の状態を制御するものである回転制御機構。
2. 前記案内機構が、前記回転軸に設けた固定軸と、当該固定軸及び前記２つの質量要素それぞれの間に介在させた弾性体とを有する請求項１記載の回転制御機構。
3. 前記案内機構が、減衰器をさらに備えたものである請求項２記載の回転制御機構。
4. 前記弾性体が、前記質量要素の進退移動周期を前記制御対象物の回転周期の１／２として、前記質量要素を前記制御対象物と共振させるものである請求項２又は３記載の回転制御機構。
5. 前記案内機構が、制御対象物の角度や加速度等に係る動きを検出し、その動きに応じて質量要素をアクチュエータで進退駆動して回転エネルギを注入又は吸収する能動型のものである請求項１記載の回転制御機構。
6. 前記２つの質量要素に重力による変位が生じないようにする重力変位防止機構を備えている請求項１、２、３、４又は５記載の回転制御機構。
7. 前記重力変位防止機構が、前記２つの質量要素の外側に設けられた２つの滑車と、当該滑車を介してそれぞれの質量要素を繋げている連結部材とから構成されている請求項６記載の回転制御機構。