(57)【要約】【課題】揺動体近傍に取り付けることができ、しかも揺動体が低振幅でも十分な制振効果を得られる制振器を提供する。【解決手段】  振り子運動の支点Oから揺動体２の質量中心に向かって延びる直線上を進退移動可能に支持された質量体３と、その質量体３を進退移動させるためのアクチュエータ４と、前記揺動体２の角変位の値が正から負又は負から正に変わる近傍で前記質量体３が支点Oからの離遠移動を始め、角速度の値が正から負又は負から正に変わる近傍で前記質量体３が支点Oへの接近移動を始めるように、前記アクチュエータ４を制御する制御部５と、を備えるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
揺動体の振り子運動を抑制するためのものであって、
前記振り子運動の支点から揺動体の質量中心に向かって延びる直線上を進退移動可能に支持された質量体と、
その質量体を進退移動させるためのアクチュエータと、
前記揺動体が最下点を通過するとき、すなわち、揺動体の角変位の値が正から負又は負から正に変わる近傍で前記質量体が支点からの離遠移動を行い、揺動体が最高点に達するとき、すなわち、角速度の値が正から負又は負から正に変わる近傍で前記質量体が支点への接近移動を行うように、前記アクチュエータを制御する制御部と、を備えている制振器。
【請求項２】
前記制御部が、前記揺動体の角速度が概略ゼロのときに前記質量体に支点への接近移動を行わせ、前記揺動体の変位角が概略ゼロのときに前記質量体に支点からの離遠移動を行わせるものである請求項１記載の制振器。
【請求項３】
前記接近移動時にアクチュエータが質量体に仕事をし、前記離遠移動時に質量体がアクチュエータに仕事をしてそのエネルギを消費するように構成している請求項１又は２記載の制振器。
【請求項４】
支点を中心に振り子運動可能に支持された揺動体と、
前記振り子運動の支点から揺動体の質量中心に向かって延びる直線上を進退移動可能に支持された質量体と、
その質量体を進退移動させるためのアクチュエータと、
前記揺動体の角変位の値が正から負又は負から正に変わる近傍で前記質量体が支点からの離遠移動を行い、角速度の値が正から負又は負から正に変わる近傍で前記質量体が支点への接近移動を行うように、前記アクチュエータを制御する制御部と、を備えている制振システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振り子運動をするゴンドラやリフト、クレーンの吊り荷等の揺動体に取り付けられる制振器等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ゴンドラやクレーンの吊り荷のように索条によって支持された索動搬器は、風等の外力を受けると容易に遥動（振り子運動）するという短所がある。そこで、この遥動を抑制すべく、種々の制振器が今までに考えだされている。
【０００３】
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、外力を加えられたときに揺動体とは異なる周期で振り子運動する質量体を有し、揺動体と質量体との間で生じる円周方向の相対運動の際にエネルギを消散させて制振する仕組みになっている。
【０００４】
ところで従前の動吸振器は、質量体が揺動体の下方に突出する構造であったが、本発明者は、質量体を揺動体よりも上方に取り付けるという画期的な動制振器を開発し（特許文献１）、権利化を経た現在、索動搬器に用いられて実用化に至っている。上方であれば、もともとロープが存在する空間にさらに質量体を配せばよいのだから、余分なスペースを大きく必要とせず、その質量体が既存の設備（駅や支柱等）に干渉することも可及的に防止できる。
【特許文献１】特開平６−２８０９３４
【特許文献２】特開２００６−２５８１４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、この種の動吸振器では、揺動体から質量体を離間させる、すなわち揺動体の上方又は下方に質量体を突出させることが必要で、その点において質量体の配置位置に制限がある。この原理では、揺動体と質量体との遥動半径の差が大きいほど制振効果が高く、質量体と揺動体を近づけてほぼ同位置に取り付けたのでは制振効果を得られないためである。
【０００６】
一方、本発明者は、コリオリ力を利用して振動エネルギを吸収するという従来とは全く異なった発想によって、制振効果が質量体と揺動体との半径方向の離間距離に依存しない制振器を提案している（特許文献２）。この制振器によれば、質量体と揺動体を近づけて配置することができる。
【０００７】
ところが、この方式で質量体をパッシブ動作させると、揺動体２の振幅が小さい場合に制振機能が低下するという問題点が新たに生じる。これに対して発明者は質量体をアクティブ制御することを、この特許文献２で若干言及しているが、実際にどのように制御すれば十分な制振効果を得られるのかといったことにまでは想到していない。
【０００８】
そこで、本発明は、それら問題を一挙に解決すべく図ったものであって、質量体を揺動体近傍に取り付けることができるなど、質量体の取付位置の制限が少なく、しかも揺動体の振幅が小さくとも十分な制振効果を得ることができる制振器を提供することをその所期課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明に係る制振器は、揺動体の振り子運動を抑制するためのものであって、前記振り子運動の支点から揺動体の質量中心に向かって延びる直線上を進退移動可能に支持された質量体と、その質量体を進退移動させるためのアクチュエータと、前記揺動体の角変位の値が正から負又は負から正に変わる近傍で前記質量体が支点からの離遠移動を行い、角速度の値が正から負又は負から正に変わる近傍で前記質量体が支点への接近移動を行うように、前記アクチュエータを制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。
【００１０】
制振効果をより高めるためには、前記揺動体の角速度が概略ゼロのときに前記質量体に支点への接近移動を行わせ、前記揺動体の変位角が概略ゼロのときに前記質量体に支点からの離遠移動を行わせるように構成しておくことが望ましい。このように矩形波的に質量体を駆動することで、正弦波的に質量体を駆動する場合に比べ、２割から３割増しの制振効果を得ることができる。
【００１１】
揺動体の振動エネルギを消費し制振するための好ましい態様としては、前記接近移動時にアクチュエータが質量体に仕事をし、前記離遠移動時に質量体がアクチュエータに仕事をしてそのエネルギをアクチュエータで消費するように構成しているものが挙げられる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように構成した本発明によれば、コリオリの法則によって、質量体の進退運動が揺動体の振り子運動を抑制する方向に作用するので制振効果を得ることができる。しかも、質量体をアクティブに制御していることから、低振幅領域でもその制振効果は十分なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の一実施形態につき、図面を参照して説明する。
【００１４】
クレーンの吊荷の揺れ低減に関しては、これまでクレーンを操縦する運転士の腕に頼ってきたが、この実施形態における制振システムは、だれが運転しても吊荷の揺れ低減を行えるように図ったものである。
【００１５】
まずシステム構成について説明する。
図１は、そのモデルとして使用した制振システムの全体構成を模式的に示したものである。同図中、符号８はクレーンのアームとして擬制した支柱であり、その先端部（上端部）には振り子の支点Ｏとなる水平軸６が設けてある。また、その水平軸６には、クレーンのワイヤーロープとして擬制した棒状部材が回転可能に取り付けてあり、さらにその棒状部材７の下端には、クレーンの吊荷として擬制した揺動体２を配設している。
【００１６】
そしてこの揺動体２に初期外力を加えることで振り子運動させることができるが、この実施形態では、その振り子運動を抑制するための制振器１を設けている。
【００１７】
この制振器１は、前記支点Ｏ及び揺動体２の質量中心を通る直線上を進退移動可能に構成した質量体３と、その質量体３を進退移動させるためのアクチュエータ４と、前記揺動体２の位置、動きを検知するための検知手段（図示しない）と、前記アクチュエータ４を制御する制御部５とを備えているものである。以下に各部を説明する。
【００１８】
質量体３は、いわゆる錘であり、前記棒状部材７に外嵌して進退移動するように構成されている。この質量体３の重さは、どの程度の制振効果を要求するかで定めればよいが、一般的には重いほど制振効果は高い（後述する）。
【００１９】
アクチュエータ４は、例えばここでは、プーリ４１と、そのプーリ４１を正逆回転駆動するモータ４２と、プーリ４１から延出して前記質量体３に取り付けられるワイヤ４３とからなるものである。プーリ４１及びモータ４２は前記支柱８の上端に配設されており、前記プーリ４１でワイヤ４３を繰り出すか巻き取ることにより、質量体３を進退移動させることができる。
【００２０】
検知手段（図示しない）としては、揺動体２の位置を検知する位置センサと、その角速度を検知する角速度センサとの２種類を設けている。これらセンサは、適宜の場所に設けられ、位置センサは、少なくとも揺動体２が中立位置にあるか否か、または中立位置近傍にあるか否かを検知し、角速度センサは、少なくとも角速度が０であるか否か、または角速度が０近傍であるか否かを検知する機能を具備する。
【００２１】
制御部５は、例えばＣＰＵやメモリあるいはその周辺の電気回路によって構成されたもので、メモリに記憶させたプログラムによってＣＰＵ等が作動し、前記各センサの出力信号値に応じて前記アクチュエータ４（モータ４２）に駆動信号を出力し、質量体３の動作をアクティブに制御する。
【００２２】
次にその制御則について、この系の運動方程式を説明しながら、詳述する。
【００２３】
まず、運動方程式についてであるが、図２に示すように、剛体棒とみなした前記棒状部材７の全長をＬ、揺動体２の質量をｍ１、質量体３の質量をｍ２として考える。また、質量体３は、支点Ｏから距離ｌの位置に取り付けられ、その変位をｕ、揺動体２の中立位置からの角変位をθとする。さらに、棒状部材７の質量をｍ３、支点Ｏに関する慣性モーメントをＩ、支点ＯＯから揺動体２と質量体３の質量中心までの距離をそれぞれｌ１、ｌ２と定義する。揺動体２の振り子運動に関する系である主系の減衰係数をｃ１とすると、運動方程式は次の式で表される。
{ m1l12 + m2(l-u)2 + I}θ''+ c1θ' - 2m2(l-u)u'θ'
+ {m1gl1 + m2g(l-u) + m3gl2}sinθ = 0    ・・・（１）
ここで、'は時間での１回微分d/dt、 ''は時間での2回微分d2/dt2である。
【００２４】
式（１）より主系には円周方向の制振力として第２項の主系減衰c1θ'、第３項のコリオリ力2m2u'θ'が働いている。いま、質量体３をアクティブに制御するので、主系に働く制振力であるc1θ'と2m2u'θ'は、ともに主系の角速度θ'に比例して働くことになり、制振効果には振幅依存性はないと言える。また同様に質量体３の配設位置にも依存しないことがわかる。
【００２５】
次に制御部５による質量体３の制御則について説明する。
ここでは、揺動体２の近傍、すなわち揺動体２が中立位置を通過する近傍で前記質量体３が支点Ｏからの離遠移動を始め、角速度の値が正から負又は負から正に変わる近傍で前記質量体３が支点Ｏへの接近移動を始めるように制御している。
【００２６】
しかして、質量体３のより具体的な動かし方としては種々考えられるが、制振効果を考えるとできるだけ矩形波に近い態様で動かす、言い換えればできるだけ矩形波的に動かすことが好ましい（図３参照）。具体的には、角変位の値が正から負又は負から正に変わる時点で、できるだけ早く質量体３を支点Ｏから遠ざけて所定の最遠点に到達させ、角速度の値が正から負又は負から正に変わる時点でできるだけ早く質量体３を支点Ｏに近づけて所定の最近点に到達させることが望ましいのである。
【００２７】
このことは、質量体３を正弦波的に動かしたとき（図４右参照）の主系になす仕事量Ｗ１と、矩形波的に動かしたとき（図４左参照）の仕事量Ｗ２と比を計算すれば明らかである。計算結果は途中を省くが、
Ｗ２／Ｗ１＝４／π
となるので、矩形波的に動かした方がコリオリ力の主系になす仕事は４／π倍だけ大きくなる。つまりエネルギ吸収が大きいと言える。
【００２８】
なお、この実施形態では、前記接近移動時にアクチュエータ４が質量体３に仕事をし、前記離遠移動時に質量体３がアクチュエータ４に仕事をしてそのエネルギをアクチュエータ４で消費するように構成している。
【００２９】
最後に制振効果について数値計算結果と実験データを用いて説明する。なお、ここでは質量体３を矩形波的に動かしている。
【００３０】
質量体３をアクティブに動かすときの制振効果とｌ、ｕ、ｍ２／ｍ１の値の関係を数値計算により検討した。質量体の中立位置であるｌ、ストロークである、ｕ及び質量体３の揺動体２に対する質量比であるｍ２／ｍ１が大きいほど減衰比、すなわち制振効果高いことが、数値計算結果を示す図５の中グラフ及び右グラフからわかる。また、同図左グラフから、ｌ／ｌ１の値によって制振効果に大きな影響がでないこともわかる。これは質量体３の揺動体２に対する配設位置の自由度が高いことを示している。
【００３１】
実験結果（自由応答と周波数応答との測定結果）は、図６に示すとおりである。各諸元は、ｍ１＝２．２ｋｇ、ｍ２＝０．５０ｋｇ、ｍ３＝０．４０ｋｇ、ｌ１＝０．９０ｍ、ｌ２＝０．４０ｍ、ｌ＝０．６０ｍ、Ｉ＝０．００９７ｋｇ・ｍ２である。自由応答と周波数応答との測定結果を図に示す。実験からも質量体３をアクティブに動かすことによる制振効果を確認できる。
【００３２】
したがって、このように構成した本実施形態によれば、質量体３の進退運動が揺動体２の振り子運動を抑制する方向に作用するので制振効果を得ることができ、しかも、質量体３をアクティブに制御していることから、低振幅領域でもその制振効果は十分なものとなる。
【００３３】
また、質量体３の取付位置によって制振効果が大きく変わることはないため、質量体３を揺動体２の近傍に設置するなど、その配設位置の自由度が大きく向上する。
【００３４】
特に、揺動体２が吊荷などのように、その質量が都度変わり、主系の固有振動数が変動する場合でも、この制振器１は、揺動体２の動きを検知して質量体３をアクティブに制御しているので、常に最適な制振を行うことが可能である。
【００３５】
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、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。
【００３６】
制振器１の個数は１つに限られず複数個でも構わないし、クレーンの吊荷に限られず、ゴンドラ等の索動搬器、船舶やシャンデリアなど、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上記同様の効果を得ることができる。
【００３７】
さらに、本発明によれば、平面振子のみならず、支点Ｏにおいて揺動体２がボールジョイントなどによって支持され、回転軸の方向の異なる種々の振り子運動が可能なように構成されている立体振子の場合でも、そのあらゆる方向の振り子運動を、単一の制振器１で抑制することが可能である。
【００３８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態における制振システム全体を示す概略図。
【図２】同実施形態における運動方程式を導くための模式図。
【図３】同実施形態における質量体の主系上での動作を示す動作説明図。
【図４】同実施形態における質量体の時系列動作を示す動作説明図。
【図５】質量体の動作ストローク及び質量と、制振効果（減衰比）との関係を示す数値計算結果グラフ。
【図６】同実施形態における制振効果の実験結果を示す実験結果グラフ。
【符号の説明】
【００４０】
１・・・制振器
２・・・揺動体
３・・・質量体
４・・・アクチュエータ
５・・・制御部
Ｏ・・・支点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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