JPH07207294A

JPH07207294A - 粘性ダンパ−および制御装置

Info

Publication number: JPH07207294A
Application number: JP657994A
Authority: JP
Inventors: Junji Furusho; 純次古荘; Akito Sano; 明人佐野; Shigeo Koga; 滋雄古賀; Akio Inoue; 昭夫井上
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1994-01-25
Filing date: 1994-01-25
Publication date: 1995-08-08

Abstract

(57)【要約】【目的】定常作動時には抵抗が少なく、停止時や異常
時の振動抑制や高精度位置決め等の精密制御に有効な粘
性ダンパ−を提供する。【構成】１〜１０ｓｅｃ^-1の剪断速度においての粘度
が、該剪断速度の１０倍の剪断速度における粘度より３
倍以上高い粘性流体を用いた粘性ダンパ−。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】定常作動時には抵抗が少なく、停
止時や異常時の振動抑制や高精度位置決め等の精密制御
に有効な粘性ダンパ−として、各種の産業機械、車両、
家庭電気機器、測定機器等の振動制御に利用される。

【０００２】

【従来の技術】工場機械類の振動騒音防止、エレクトロ
ニクス加工機器類の精密制御、産業用ロボット機器類の
高速化、車両の快適化、等あらゆる分野で振動の抑制が
要求され各種の吸振材料や吸振技術が実用されている。
振動系の振動エネルギが比較的小さな場合、それを粘性
により減衰させる粘性ダンパ−は代表的なものであり、
速度に比例した減衰力を粘性流体の粘性抵抗により吸収
し熱エネルギに変換して消散させる。この減衰効果を向
上させるためには粘度の高い粘性流体を使用することが
望ましいが、通常の作動時に大きな粘性抵抗が働き好ま
しくない。そのため、粘度の低い粘性流体を用い所定の
剪断速度で大きな粘性抵抗が発現するように設計したノ
ズルを設けるとともに空気バネ、金属バネ、吸振ゴムや
吸振ゲル等のエラストマ−等と組み合わせて用いる方法
が一般的に実用されている。自動車のエンジン振動を吸
収する流体封入型エンジン・マウントはその一つであ
り、吸振ゴム容器に封入された流体が狭いノズルを通し
て容器内外に出入りする際の流動抵抗により、吸振ゴム
とともに振動エネルギを熱エネルギに変換して吸収する
ものである。更にこの流体の流動抵抗を流速、即ち振動
の強さ、に合わせて変化するよう特殊なノズル構造にす
る方法や機械的にノズル構造を変化させる方法等多くの
方法が提案されその一部は実用化されているが、吸収で
きる振動が特定の周波数に限られるとか装置が複雑にな
り高価になるといった欠点がある。

【０００３】一方、流体自体の粘性抵抗を振動に合わせ
て変化させ振動を能動的に吸収する方法として、電気粘
性流体を用いる方法（代表例として特開昭５７−１８４
３４４号公報や特開昭６３−１７６８４４号公報）やチ
キソトロピック性をもつコロイド流体を用いる方法（日
本機械学会［Ｎｏ．９３０−４２］機械力学・計測制御
講演論文集（Ｖｏｌ．Ｂ）Ｐ．５４（１９９３）が提案
されている。

【０００４】

【発明が解決しょうとする問題点】流体自体の粘性抵抗
を振動に合わせて変化させる方法は幅広い周波数の振動
を能動的に吸収することができるが、上記の電気粘性流
体を用いる方法は高電圧を印加する装置や振動を検出す
るセンサが必要となり高価となる欠点を有している。一
方、後者のチキソトロピック流体を用いて振動を抑制す
る方法は、特別な付加エネルギや制御系を必要とせずに
振動特性を変化できるとされているがその効果が今一つ
明確でなく、またチキソトロピック流体が本質的に持つ
サスペンションの不安定性や大きなヒステリシスの問題
から繰り返しの性能に安定性がない。

【０００５】本発明は上記のような電気粘性流体やチキ
ソトロピック流体を用いたもののもつ欠点がない粘性ダ
ンパ−およびそれを用いた位置決め制御装置を提案する
ものである。

【０００６】

【問題を解決するための手段】本発明者らは、実際上問
題となり従来の方法では吸収が難しい振動吸収は如何な
る場合かを調査した結果、始動時や停止時、低速作動時
に問題が多く、これらは振動周波数が比較的低く剪断速
度の低い領域の振動に多いことに気づいた。そこで、低
い剪断速度領域では粘度が高く、定常作動に相当する高
い剪断速度領域では低い粘度を示す粘性流体を粘性ダン
パ−に使用すれば上記の問題を解決可能との仮説を立て
た。しかしながら、通常の粘性流体は一般に剪断速度の
上昇とともに粘度低下の傾向を示すもののその低下率は
小さく、また比較的大きな低下率を示すものであっても
低い剪断速度領域では低下しない。

【０００７】本発明者らは種々の粘性流体について粘度
の剪断速度特性を検討した結果、電気粘性流体として利
用されてきたもののうち、ある種の粘性流体が電圧を印
加しなくともその特性を発現することを見つけ、この粘
性流体を用いると通常作動時には抵抗が少なく、かつ優
れた振動減衰効果が得られることを実証した。さらにこ
の流体自体の粘性抵抗が、剪断速度（流速）の高い領域
では小さく、また低い領域では大きい粘性流体、特に低
い剪断速度領域でニュ−トン流動を呈する流体をダンパ
−に応用することにより、本発明を達成した。

【０００８】即ち本発明は、１〜１０ｓｅｃ^-1の剪断速
度においての粘度が、該剪断速度の１０倍の剪断速度に
おける粘度より３倍以上高い粘性流体を用いた粘性ダン
パ−にある。本発明に言う粘性ダンパーとは、振動エネ
ルギを粘性流体の粘性抵抗により減衰させ熱エネルギに
変換して消散させるもので、粘性抵抗を得る方法として
は、可動部と固定部あるいは可動部と可動部の間隙に介
在させた粘性流体に剪断をかける方式、ノズルやスリッ
トの間に粘性流体を通過さる方式、あるいは粘性流体の
中に振動する可動部を浸漬する方式等多くの方式が挙げ
られる。本発明はいずれの方式にも適応することができ
る。

【０００９】本発明に使用される粘性流体は、始動時や
停止時に対応する低剪断速度の領域である１０ｓｅｃ^-1
以下での粘度が通常作動時に対応する剪断速度である１
００ｓｅｃ^-1以上での粘度に比べて十分に大きく、具体
的には、１〜１０ｓｅｃ^-1の剪断速度においての粘度
が、該剪断速度の１０倍の剪断速度における粘度より３
倍以上高いものである。本発明ではこの粘度の比が重要
であり、粘度の絶対値は振動減衰の効果に特に重要では
ないが、絶対値の大きなものの方が粘性ダンパ−をコン
パクトにすることができる。この粘度差が３倍未満の粘
性流体であると、低い剪断速度領域での粘度が不十分で
あるため、制御を精度良く行うことができない。なお、
ここで言う粘度とは、平行平板型の回転粘度計を用い、
平板間距離を０．５ｍｍとして所定の剪断速度でダンパ
ーとして使用する温度で測定した値である。

【００１０】前記の粘性流体のうち、１０ｓｅｃ^-1以下
の剪断速度領域でニュートン流動を示す粘性流体である
と、ク−ロン摩擦が起こりにくいためさらに好ましいと
言える。本発明に言うニュ−トン流動を示す流体とは、
剪断速度に比例した剪断応力を示す流体であり、電圧を
印加した際の粘度が下式を満足する流体である。 τ＝η（Ｄ−Ｄ₀）ⁿ＋Ｃ式（１）ここで、τは剪断応力［Ｐａ］、ηは見かけの粘性率
［Ｐａ・ｓｅｃ］、Ｄは剪断速度［ｓｅｃ^-1］、Ｄ₀は
遅延値［ｓｅｃ^-1］、ｎは係数［正の実数］、またＣは
降伏応力［Ｐａ］であり、ｎ、ＣおよびＤ₀は、０.８
≦ｎ≦１.５、より好ましくは、０.９≦ｎ≦１.２、０
≦Ｃ≦３００、より好ましくは、０≦Ｃ≦１００、０≦
Ｄ₀≦５である。見かけの粘性率ηはできるだけ大きい
ことが望ましく、例えば１以上であれば本発明に有効に
用いることができる。降伏応力Ｃは１００以下、できれ
ば零に近いものが好ましい。遅延値Ｄ₀は印加電圧が低
いとやや大きくなる傾向があるが、低い方が好ましい。
また、式（１）で剪断速度ＤがＤ₀より低い領域におい
てはＤ−Ｄ₀は零と見なす。

【００１１】なお、上記の式（１）は、剪断速度が０〜
１０ｓｅｃ^-1の領域で成立すればよい。本発明に使用さ
れる粘性流体として、シロキサン、オキシアルキレン、
オキシパーフルオロアルキレン等のフレキシブルな分子
鎖に複数個の液晶性基を結合させたサ−モトロピック高
分子液晶、ポリ（γベンジルＬグルタメート）のジメチ
ルホルムアミド溶液やヒドロキシプロピルセルロースの
水溶液、スチレン／エチレンオキシド両親媒性ブロック
共重合体のエチルベンゼン溶液、等のライオトロピック
液晶、ポリイソブチレンのデカリン溶液やポリメタアク
リル酸メチルのピリジン溶液、酢酸セルロ−スのジオキ
サン溶液等の高分子化合物の濃厚溶液等が挙げられる。
中でもサ−モトロピック高分子液晶は好ましく、複数個
の液晶性基をシリコ−ン等の屈曲性分子鎖に結合した高
分子液晶は、本発明に述べる剪断速度領域で綺麗なニュ
−トン流動を示すことから特に好ましい。この高分子液
晶については特開平５−３２９８８号公報にその代表例
が具体的に記載されている１また従来のディスプレー等
に利用されているコレステリック液晶、ネマチック液
晶、スメクチック液晶、等の液晶性化合物の多くもニュ
−トン流動を示す本発明の粘性流体として用いることが
できる。上記のような化合物からなる粘性流体は均一で
あり、粒子を分散させたサスペンションやコロイドでな
いことから、粒子沈降や粒子摩耗等の問題もなく好まし
い。

【００１２】以下、本発明のニュ−トン流動を示す粘性
流体を使用する利点を、微粒子を媒体に分散させたサス
ペンジョンやコロイドのようなビンガム流動を示す流体
を本発明のダンパーに利用した場合と比較することによ
りさらに詳しく述べる。即ち、一般に位置、速度、力等
の制御装置は、可動部分と固定部分から構成されるが、
可動部分（伝達系）の弾性に基づく振動の他に、静摩擦
と動摩擦の境界領域である極めて低い速度、例えば停止
する直前では、動摩擦と静摩擦の摩擦抵抗の切り替わり
に基づく負荷の変動のために可動部分の速度は不安定と
なり、いわゆるブレやスティックスリップを生じ易い。
ビンガム流動を示す流体は低い剪断速度の領域でク−ロ
ン摩擦を発生すると言う本質的な特性を有するため、こ
の流体を制御装置に用いた場合にはブレやスティックス
リップによる不安定性は一層大きな問題となる。一方、
ニュ−トン流動を示す粘性流体を用いた場合には、この
ようなク−ロン摩擦の問題は極めて小さく好ましい。

【００１３】本発明の粘性ダンパ−は、速度、特に速度
の安定化にも応用することができる。例えば、回転体の
回転速度を高速域に上げていく際、一般にある回転速度
で共振現象を発生させるが、本発明の粘性ダンパ−を使
用することによって、この共振を効果的に抑えることが
可能となる。また更に、一般には極めて低い速度、例え
ば１０ｍｍ／分、を精度よくムラのない一定速度に制御
することは難しいが、本発明の粘性ダンパ−を使用する
と可能となる。更にこの際、粘性ダンパーにニュ−トン
流動を示す粘性流体を用いると、ニュートン流動の特性
から、例えば、ある設定の速度で運動している際、速度
が設定値よりも速くなるとその分抑制力が大きくなり、
また遅くなるとその分抑制力が小さくなり、速度（加速
度）を設定値に保持しようとする、いわゆる自己調整機
能が発現することから、速度制御にも好ましく使用でき
る。

【００１４】

【作用】本発明の作用を粘性ダンパーを位置決め制御に
用いた場合を例に述べる。例えば、移動する物体に外力
を加えて停止させる際、停止に必要な減衰力は一般に物
体の速度に比例する。この速度に比例した減衰力で物体
を停止させていくことによって、スム−ズかつ安定に目
標位置に停止させることができる。ニュ−トン流動すな
わち剪断応力が剪断速度に比例する粘性流体を用いた場
合、これに必要な速度に比例した減衰力を自動的に得る
ことができる。そのためニュ−トン流動を示す粘性流体
を粘性ダンパ−に用いた位置決め制御では、迅速で高精
度の制御が可能となる。特に、フィードバック制御によ
り位置決め制御を行なう場合、前述のブレやスティック
スリップが大きな問題となるが、本発明のニュ−トン流
動を示す粘性流体を用いた粘性ダンパ−の使用は極めて
有効である。

【００１５】以下、実施例をもって本発明を具体的に説
明する。

【００１６】

【実施例】

【００１７】

【実施例１、２及び比較例１】図１は粘性ダンパ−を具
備した位置決め制御装置（ロボットア−ムの関節部を始
めとする多くのメカトロニクス機器に適応が可能）をモ
デル的に示したものである。ロボットア−ム４は減速器
２の出力側シャフト３に取り付けられ、サ−ボモ−タ−
１によって駆動され円運動をする。シャフト３には更に
上端部に下部フランジ５と上部フランジ７の一対のフラ
ンジからなる粘性流体を用いた粘性ダンパ−が取り付け
られている。シャフト３に固定された下部フランジ５の
上面には幅広いリング状の平らな溝が彫られている。一
方、シャフト３にはベアリング８を介してフランジ７も
取り付けられている。これら一対のフランジの平行でか
つ一定の間隔（１．０ｍｍ）の空間には、粘性流体６が
封入されいる。上部フランジ７は剛体フレ−ム９に固定
されている。ロボットア−ム４の駆動はサ−ボモ−タ１
に取り付けられたロ−タリエンコ−ダと制御器（図示さ
れず）で制御される。

【００１８】粘性流体に、実施例１として側鎖型液晶シ
リコ−ン化合物を用いた場合、実施例２としてポリイソ
ブチレンのドデカン溶液を用いた場合、比較例１として
粘性流体を用いず空にした場合の、各々のロボットア−
ムの停止目標位置の近傍からの停止状況を比較したとこ
ろ、実施例１および２は共に１秒以内に１０^-3ｒａｄ以
下の偏差で目標位置に停止したが、比較例１の場合には
約２秒で停止したものの１０^-3ｒａｄの偏差を伴った。
図２に実施例１および比較例１の場合の停止状況を示し
た。

【００１９】使用した粘性流体の組成を下記に、またそ
れらの粘度挙動を表１に示した。なお、停止状況の評価
および粘度測定は、実施例１および比較例１は６０℃
で、実施例２は３０℃で行なった。（実施例１）側鎖型液晶シリコ−ン：化学式１に示す構
造の化合物をジメチルシリコーン（２０ｃｓｔ）３０重
量％で希釈したもの

【００２０】

【化１】

【００２１】（実施例２）ポリイソブチレン溶液：ポリ
イソブチレン（分子量：約１００万）をデカリンに１３
重量％の濃度で溶解したもの

【００２２】

【実施例３、４及び比較例２】図３に粘性ダンパ−を具
備したエア−サ−ボシリンダ−型の位置決め制御装置の
モデル図を示す。空気圧で駆動するサ−ボシリンダ−部
分と粘性流体を用いたダンパ−部分が一つのシャフト１
と一つのシリンダ−外筒１４で連結した構造をなしてい
る。シリンダ−部分には空気の供給口１１と排出口１２
にそれぞれサ−ボバルブ（図面には記載されず）が取り
付けられ、ピストン１３の左右の空気圧の差によりシャ
フト１の駆動が制御されている。ダンパ−部分は二重円
筒構造になっている。また、シリンダ−内筒１５の両端
部にはスリット１６が空けられており、ピストン１３の
左右の粘性流体６が二重円筒の間隙を通して移動できる
構造になっている。シャフト１の動きは位置センサ−１
０によって計測され、その信号が制御装置（図面には記
載されず）に送られている。

【００２３】粘性流体に、実施例３として側鎖型液晶性
シリコ−ン化合物を、実施例４としてヒドロキシエチル
セルロ−ス（ＨＥセルロ−ス）の水溶液を用い、また比
較例２としては粘性流体を全く用いないで空にして、各
々６０℃、２５℃、６０℃の温度において一定の速度
（５０ｃｍ／秒）で駆動させたシャフトを、所定の位置
に停止させるようにサ−ボバルブの制御条件を設定し停
止状況を調べた。その結果、目標停止位置に対して実施
例３は０．５秒内に約２０μｍの誤差、実施例４は約２
秒後に約５０μｍの誤差で停止したが、また比較例２は
３秒でも安定せず２００μｍの誤差を伴って停止した。

【００２４】なお、実施例３の粘性流体は上記実施例１
と同じものであり、実施例４の粘性流体は下記の組成で
あり、表１にその粘度挙動を示す。（実施例４）ＨＥセルロ−ス水溶液：ヒドロキシエチル
セルロ−ス（東京化成（株）、Ｈ０３９２）の２重量％
の水溶液

【００２５】

【表１】

【００２６】

【発明の効果】この発明の粘性ダンパー及び制御装置を
使用すると、定常作動時には抵抗が少なく、始動時、停
止時、低速運転時等の振動抑制や高精度位置決め等の精
密制御が可能になる。有効な粘性ダンパ−として、各種
の産業機械、車両、家庭電気機器、測定機器等の振動制
御に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】モデル的に表した実施例１のロボットア−ムの
駆動装置の図である。

【図２】実施例１及び比較例１のア−ムの停止過程の挙
動を示す図である。

【図３】モデル的に表した実施例２のサ−ボシリンダ−
の図を示す。

【符号の説明】

１：サ−ボモ−タ− ２：減速器３：シャフト４：ロボットア−ム５：下部フランジ６：粘性流体７：上部フランジ８：ベアリング９：剛体フレ−ム１０：位置センサ− １１：供給口１２：排気口１３：ピストン１４：シリンダ外筒１５：シリンダ内筒１６：スリット２１：上部支持金具２２：下部支持金具２３：ゴム製カップ２４：ダイヤフラム２５：仕切板２６：オリフィス２７：上面開口部２８：下面開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ１０Ｎ 40:06 40:08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１〜１０ｓｅｃ^-1の剪断速度においての
粘度が、該剪断速度の１０倍の剪断速度における粘度よ
り３倍以上高い粘性流体を用いた粘性ダンパ−。
【請求項２】１０ｓｅｃ^-1の剪断速度での粘度が１０
０ｓｅｃ^-1の剪断速度での粘度の３倍以上の粘性流体を
用いた請求項１の粘性ダンパ−。
【請求項３】粘性流体が１０ｓｅｃ^-1以下の剪断速度
領域でニュ−トン流動を呈するものである請求項１の粘
性ダンパ−。
【請求項４】一つの分子鎖に２つ以上の液晶性基が結
合した液晶性物質からなる請求項１の粘性流体を用いた
粘性ダンパ−。
【請求項５】請求項１または２の粘性ダンパ−を用い
た位置決め制御装置。