(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動を低減すべき対象の構造体にとりつける制振装置の設計方法であって、
対象の一部分の振動を検出する振動検出手段と、
対象の一部分にひずみを生じさせる振動発生手段と、
上記振動検出手段からの信号により、上記振動発生手段の駆動力を決定する制御信号を発生する制御手段とを備えた制振装置の設計方法において、
対象のひずみエネルギー分布を計測あるいは計算し、ひずみエネルギーの変化が急激な場所の範囲内で、最適化手法に基づいて上記振動検出手段および上記振動発生手段の設置位置決定を行う、ことを特徴とした制振装置の設計方法。
【請求項２】
請求項１の制振装置の設計方法において、
上記振動検出手段が、対象の一部分のひずみを検出するものであることを特徴とした制振装置の設計方法。
【請求項３】
請求項１または２の制振装置の設計方法において、
ひずみエネルギー変化が急激な範囲内で、ＰＳＯ法（粒子群最適化法）を用いて上記振動検出手段および上記振動発生手段の設置位置決定を行う、ことを特徴とした制振装置の設計方法。
【請求項４】
請求項１または２の制振装置の設計方法において、
ひずみエネルギー変化が急激な範囲内で、ＧＡ（遺伝的アルゴリズム）を用いて上記振動検出手段および上記振動発生手段の設置位置決定を行う、ことを特徴とした制振装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブ制振装置およびその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術の背景技術として、特開２００４−１１４８１９号公報が知られている。この公報には、「各振動モードにおける変位（歪）分布を把握し、圧電傾斜構造および設置位置の最適化を図ることで、平板に生じる各振動モード、即ち１次及び３次モードの両者に対して減衰効率を向上させること」が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１４８１９号公報
【特許文献２】国際公開番号ＷＯ２０１４／１９２０８８Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
振動による影響を排除すべき装置の振動を抑えること。
【０００５】
例えば、複数の記録装置を搭載する情報記憶装置を例にして、振動によって生じる情報記憶装置の性能低下につながる障害を説明する。ここでは一般的に用いられる記録装置としてＨＤＤ（ハードディスクドライブ）を搭載した記憶装置を用いて説明する。ＨＤＤは、内部のアクチュエータやディスクのスピンドルが稼働することによって、それ自体が振動を発生させる。この振動は、記憶装置の筺体を介して、記憶装置に取り付けられた、別の入出力をしていないＨＤＤに伝わり、入出力をしていないＨＤＤも振動する。この入出力をしていないＨＤＤからの振動が多重に重なり合って、入出力をしているＨＤＤに外部振動として伝わることにより、入出力をしているＨＤＤの動作に影響を与え、入出力の量に悪影響を及ぼしてしまう。また、装置を冷却するために、空気を強制的に循環させて放熱するためのファンを搭載していることが多い。この場合、ファンの動作によって生じる振動が記憶装置の筺体を介して、入出力をしているＨＤＤに外部振動として伝わるケースもある。
【０００６】
この他にも、極微小領域の画像を高精度に撮像する必要がある、電子顕微鏡などの計測機器や、超微細加工を行う製造機器など、振動によって装置の性能が低下するために、振動を排除すべき装置においては、振動を抑えることは重要な課題となる。この他にも構造体の振動は騒音の発生源となり、装置の付加価値を下げることがある。
【０００７】
振動を低減する手法としてはいくつか方法があるが、例えば特開２００６−１１４８１９号公報に開示されているような、対象の振動を検出し、その振動を抑制するような制御信号を発生させて、振動発生手段を駆動させて、振動を低減するような能動的（アクティブ）振動制御装置を適用する方法がある。以下、この装置をアクティブ制振装置と呼ぶ。このようなアクティブ制振装置は従来から広く用いられている、受動的（パッシブ）制振装置に比べて高い制振性能を持つことが知られている。一方で、アクティブ制振装置は設計が難しいため、適用対象に対して特別に設計する必要があり、制振装置としてのコストは高くなる。また適用対象に対してそれぞれ設計するということは、制振装置適用のための開発時間が多くかかるということであり、制御系の設計の難しさと合わせて、アクティブ制振装置適用の大きな障害となっている。
【０００８】
上記公報に示された内容では、アクティブ制振のアクチュエータとして圧電素子を用いる。制振対象の振動モードにおけるひずみ分布を取得し、ひずみ分布と合致した圧電特性分布を有する圧電体を形成することで、その振動モードの減衰率を向上させて制振する技術が開示されている。このように圧電素子をアクチュエータとして用いて制振する場合は、制振対象の当該部分に振動モードにおいて生じる変形を打ち消すような変形を生じさせる必要があるため、ひずみ分布に応じて圧電素子の特性を変えることで、アクティブ制振の効果を向上させている。しかしこの方法では、制振対象に応じて圧電素子自体を開発する必要があり、その成型プロセス等を考慮すれば、適用までの開発期間が長いものとなってしまうという問題点がある。これはアクティブ制振装置の低コスト化や開発期間短縮の観点では不利となり、アクティブ制振装置適用の大きな障害となりえる。また制振対象のひずみ分布を取得して、そこに圧電アクチュエータを設置するといっても、ひずみが大きい部分はある面積を持った範囲となり、その中でどこに、どの方向で設置すればよいかという点に関しては記述もなく、また一般的にも明らかにされていない。
【０００９】
これに対して、ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０６４８３２号公報に示すアクティブ制振器では、「振動を低減すべき対象の構造体にとりつける制振装置であって、対象の一部分のひずみを検出する複数の同一の振動検出手段と、対象の、異なる場所である一部分にひずみを生じさせる複数の同一の振動発生手段と、上記振動検出手段からの信号により、上記振動発生手段の駆動力を決定する制御信号を発生する制御手段を有」する構成としている。この構成では、振動を検出する振動検出手段と対象振動を低減させる駆動力を発生する振動発生手段、すなわちアクチュエータを、対象物の任意の位置に設置することができ、その振動を抑える上でもっと効率的な位置に配置することができる。アクティブ制振装置を設計するにあたり、既定の振動検出手段（センサ）や振動発生手段(アクチュエータ)を用いることとし、これらを効率的に動作させることのできる設置位置を少ない労力で特定することができれば、制振器の設計に要する工数（コスト、時間）を大幅に低減できる。
【００１０】
また、文献１に示されている、ＨＤＤの磁気ヘッドアクチュエータに圧電素子アクチュエータを搭載して振動特性を改善する技術では、対象（ヘッドアクチュエータ）の有限要素モデルを作成し、これに対して圧電素子アクチュエータの配置と制御系の最適化設計を同時に計算することで、設計を完了する。このようにすることで、既に用意された圧電素子アクチュエータを用いて対象の振動モードのゲインを低減する効果を得ることができることが示されている。この方法ではアクチュエータ等の設置位置の効果を定量的に評価できる一方で、計算機シミュレーションが必須となり、モデルの作成から計算自体までの工数、時間が必要となる。さらに制振対象が複雑な構造であったり、大型のものであれば、このような工数はさらに増大する。
【００１１】
そこで、本発明は、振動による影響を低減したい装置に対して付加される、低コストで高い制振性能を有する制振装置を効率的に短時間で設計する手法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【００１３】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、振動を低減すべき対象の構造体にとりつける制振装置の設計方法であって、対象の一部分の振動を検出する振動検出手段と、対象の一部分にひずみを生じさせる振動発生手段と、上記振動検出手段からの信号により、上記振動発生手段の駆動力を決定する制御信号を発生する制御手段とを備えた制振装置の設計方法において、対象のひずみエネルギー分布を計測あるいは計算し、ひずみエネルギーの変化が急激な場所の範囲内で、最適化手法に基づいて上記振動検出手段および上記振動発生手段の設置位置決定を行う、ことを特徴とした制振装置の設計方法を提供することである。
【発明の効果】
【００１４】
従来、個別の装置に合わせて特別に設計されるアクティブ制振装置においては、対象に合わせた構成や制御方法を検討して設計するため、設計に時間がかかり、また専門的知識を要する設計者が必要となる。これにより制振装置のコストは高くなる。さらには、実物の対象装置の振動特性は設計時に仮定したものと異なることもあり得る。これに対して本発明では、ほぼ同一規格によって形状や性質を揃えた振動検出手段を複数備えることで、対象の振動状態をより良く計測することができ、一方で振動発生手段も同一規格によって、形状や性能を揃えることにより、対象の特性に応じて振動発生手段の数と配置を事前に決めることで、効率的に対象の振動を低減できる駆動力を発生することができる。ひずみエネルギーの変化が大きい範囲内に限定して、最適化手法に基づく振動発生手段の配置を求める計算を行う、複雑な構造であったり、大型の構造であっても計算する範囲が小さいことから、計算時間を大幅に短縮することができる。また最適化計算によって定量的に振動発生手段の位置の良し悪しを評価することができるので、設計時に最良の位置でなくとも、他の設計条件とのトレードオフを考慮することで設計の自由度が上がり、対象製品の全体性能のバランスをとることが可能になる。
【００１５】
また、振動発生手段だけではなく、振動検出手段の配置も上記の最適化手法による背理シミュレーションによって決定することができる。振動検出手段（センサ）として、加速度を検出するセンサを用いた場合には、その設置位置における変形量から加速度を計算してシミュレーションすることができる。さらには振動検出手段として、ひずみを検出するセンサを用いた場合には、制振する振動モードのひずみが大きい範囲を指定して、同様に最適化手法によるシミュレーションを行うことで振動検出手段の設置位置を決定することができ、この場合でも検討範囲が狭いことによる計算時間の短縮を図ることができてより好適である。
【００１６】
また、配置を決定するための最適化手法としては、一般に用いられる手法が考えられる。例えばＧＡ（遺伝的アルゴリズム、Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて配置を探索することができ、広く用いられている手法のため、計算の収束性を改善することなどが可能である。また最適化手法としてＰＳＯ法（粒子群最適化法、Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｗａｒｍ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）を用いて配置を探索する場合には、ＧＡ法に比べて計算時間が短くなり、より短時間で振動発生手段の配置を決定することができる。この他にも最適化手法を適用することができるが、いずれの場合でも探索すべき範囲が狭いほど計算量が減少して必要な時間が短くなるので、ひずみエネルギー分布に基づいた範囲設定が有効となる。ＧＡについては、計測と制御，第32巻，第1号，1993年1月
「特集  遺伝的アルゴリズム」に、ＰＳＯ法については、ＩＥＩＣＥＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ Ｒｅｖｉｅｗ（電子情報通信学会） Vol.5 No.2、2011年８月「粒子群最適化と非線形システム」などの論文に詳しい。
【００１７】
以上により従来設計が難しく、適用障壁が高いアクティブ制振装置を安価で簡便な設計によって導入することができ、振動問題が生じた装置に対して迅速に対処することができ、性能を保障して対象装置の付加価値を高めることができる。
【００１８】
上に記した以外の課題、構成及び効果の詳細は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１を示す構成図である。
【図２】実施例１の動作を示す模式図である。
【図３】実施例１における設計手順を示すフローチャートである。
【図４】実施例２における最適化手法を示すフローチャートである。
【図５（ａ）】実施例２における制御系構成を示すブロック図である。
【図５（ｂ）】実施例２における制御系構成を示すブロック図である。
【図６】本発明における解析範囲を示す模式図である。
【図７】本発明と従来手法の比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下実施例の説明では、振動を低減すべき対象を情報記憶装置として、例えばＲＡＩＤ装置を用いて説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、実施例１を示す図である。図１は、対象となる記憶装置２に本発明のアクティブ制振装置１を搭載した例である。記憶装置２の筺体側面の構造板６に圧電センサ３ａ、３ｂが貼り付けられている。また、構造板６の他の部分には板状圧電アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃが貼り付けられており、圧電センサ３ａ、３ｂおよび圧電アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃはコントローラ５と結線されている。記憶装置２の構造板６の振動を低減するしくみについて、図２を用いて説明する。図２は構造板６が曲げ振動を生じた場合を簡略化して描いたものである。この図の点線は記憶装置２の元の形状を表す。記憶装置２が振動することにより、実線で示す変形が生じ、構造板６が曲がることにより、圧電センサ３ａ、３ｂは構造板６の変形につれて変形し、ひずみ量に応じた電圧出力７を出力する。これがコントローラ５への入力となる。コントローラ５において、この対象となる振動数においてこの電圧出力７が零になるように、図５に示すフィードバック回路が形成されており、これによって圧電アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃに制御出力８が送られる。制御出力８に応じて圧電アクチュエータ４ａ〜４ｃはひずみを発生させ、構造板６に対して振動を抑制するように変形する。これにより構造板６に生じる振動を低減させる。
【００２２】
圧電センサ３ａ、３ｂのように、この例では２つのセンサを用いているが、対象とする振動の数が多いほど、すなわち記憶装置２において対処しなくてはいけない振動モードの数が多い場合には、圧電センサ３の数を増やすことで複数の振動を検出することができるので好ましい。なぜなら振動モードによって、どの部位が大きく振動するかは異なるため、従来の様にひとつのセンサでこれを検出しようとしても、センサの位置によって検出しにくい振動モードが存在してしまうからである。さらに本例の記憶装置２のように概略箱型の筺体である場合には、振動モードは複雑な様相を呈する（図２は説明のため簡略化して描いている）。したがって、ひとつの構成部品である構造板６に限らず、他の構成部品にも圧電センサ３を貼り付けることが望ましい。
【００２３】
同様に、振動を低減させるように構造板６を変形させる役目を持つ圧電アクチュエータ４に関しても、対象となる振動モードに対して構造板６に変形を生じさせるほど大きな駆動力を得るためには、より大きな面積の板状圧電素子を用いることが望ましい。しかし
大面積の板状圧電素子を貼る場所を確保するのが難しい場合がある、という問題があり、また大面積の圧電素子は製造上の難度からコストが高くなる。そこで本発明の装置では、板状圧電アクチュエータ４を、同一規格によって形状や性能を揃えており、これを複数用いることで、全体としての駆動力を確保するとともに、対象の特性に応じて振動発生手段の数と配置を事前に決めることで、効率的に対象の振動を低減できる駆動力を発生することができる。
【００２４】
ここでは振動検出手段として圧電センサを用いているが、他の振動検出手段、例えば加速度を検出するセンサや変位、速度を検出するセンサなどを用いることができる。
【００２５】
図３は本発明のアクティブ制振装置１の設計手順を示すフローチャートである。制御対象となる記憶装置２の振動特性を把握するために、振動試験によって制振したい固有モードを含む対象の固有振動数と固有モードを計測する。次に対象の記憶装置２を有限要素法（ＦＥＭ）によりモデル化し，モード解析を用いて低次元化された固有モードのマトリクスからなる状態空間システムを記述する。ここで有限要素解析モデルが実記の記憶装置２の振動特性を正確に表すことができると信じることができる場合は、最初の振動試験による実機の特性把握は行わなくてもよい。例えば対象の記憶装置が継続的に開発されていて、これより前の機種において振動特性を把握しており、有限要素解析でそれを十分表現できている場合などである。次に，低次元化モデルに対して設計される制御系において，制振性能を最大化する最適化問題を定義し，遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いてアクチュエータ配置の最適化を行う。ＧＡ法については例えば「特集  遺伝的アルゴリズム」“計測と制御”，第32巻，第1号，1993年1月のような文献に詳しい。この際に有限要素解析において算出されたひずみエネルギー分布に応じて、アクチュエータ４ａ〜４ｃの配置できる範囲を限定し、その範囲内で最適位置の探索を行う。最後に最適化されたシステムに対し，Ｈ∞制御系設計手法に基づいた制御系を構成し，シミュレーションにより振動抑制効果，ロバスト性の評価を行う。
【００２６】
このように本発明では、アクティブ制振装置１の性能を決定する要因となるアクチュエータ配置を、ひずみエネルギーの変化が大きい範囲内に限定して、最適化手法に基づいて計算を行う、これによって記憶装置１のような複雑な構造の場合でも、あるいは別の大型の構造であっても計算する範囲が小さいことから、計算時間を大幅に短縮することができる。また最適化計算によって定量的に振動発生手段の位置の良し悪しを評価することができるので、設計時に最良の位置でなくとも、他の設計条件とのトレードオフを考慮することで設計の自由度が上がり、対象製品の全体性能のバランスをとることが可能になる。単にひずみエネルギーの大きい部分や、ひずみエネルギー変化の大きい部分にアクチュエータを配置する手法では、実際にはある面積を持つ部分の全てをカバーするようにアクチュエータの大きさを変えることは、コストや設計・製作期間の観点から望ましくない。本実施例のような既定の大きさのアクチュエータ４を複数用いる場合でも、上記の範囲内のどこにどの方向で設置するかで性能が影響されてしまうので、最良の性能を引き出せているかを確認するためには、様々なケースを実験することになり大きく工数がかかってしまう。
【００２７】
本実施例により、従来のアクティブ制振装置に比べて設計に要する時間を短縮し、簡便な設計を可能とすることができる。また振動問題に広く用いられているパッシブな制振要素（免振ゴムなど）や制振装置に比べて、高い制振性能を有しているにも関わらず、コストや設計工数の観点で導入が難しいアクティブ制振装置を、広く様々な機器に適用が可能となることは、本実施例を参考に明らかとなるであろう。
【実施例２】
【００２８】
実施例２におけるアクティブ制振装置１の設計手順を述べる。全体の設計手順は図３に示すフローチャートと同じである。本実施例ではアクチュエータ配置の最適化に別の最適化手法を用いている。制振対象である記憶装置１について有限要素法で作成したモデルを用いてアクチュエータ配置の最適化を行う点は同じである。最適化には粒子群最適化法（Particle swarm optimization, PSO）を用いる．ＰＳＯ法では複数の初期パラメータを作成し，各パラメータの評価値を求め，最大の評価を得ているパラメータに徐々に近づくことで最適化を行う．この際，パラメータの更新に乱数要素を取り入れることで，広域的に探索を行う．図４にＰＳＯ法のフローチャートを示す． 本実施例では，設計パラメータにアクチュエータの配置とコントローラ設計の際の制御量重み行列を採用し，統合的に最適化を行う．主に次の２段階の設計作業を行う。
（１）制御系設計
アクチュエータ配置最適化のため，シミュレーションで用いる制御系を構成する．まず，有限要素モデルから状態方程式を作成する．ただし，計算負荷軽減のため，一部のモードのみを採用し、モデルを低次元化して検討を行う．例えば制振対象周波数より低い周波数から高い周波数の範囲内にある主要な固有もードに限定する、といった方法である。
本研究では，Ｈ∞制御理論を用いてコントローラの設計を行い、制御系を構成する．図５（ａ）に本制御系のブロック線図を示し、図５（ｂ）に一般化制御対象G(s)の詳細を示す．ここで，y1, y2,w,u,はそれぞれ制御量，観測出力，外乱，制御入力であり，観測出力y2には加速度センサの出力を用いる．また，制御量y1は次式で定義される．
【００２９】
【数１】
0006421059.tif 000002
ここで，z1は評価応答を示し，観測出力と同一の物理量を用いるものとする．Q,Rはそれぞれ評価応答，制御入力に対する重み行列であり，これらを任意に調節することによって制御性能と制御エネルギーを調整する．W1〜W3はそれぞれ評価応答，制御入力，観測出力に対する周波数重みであり，今回は全て静的ゲインを定義するものとする．
上述のシステムに対し，H∞制御理論に従いコントローラを設計する．本研究ではH∞制御問題を以下のように定義する．
【００３０】
【数２】
0006421059.tif 000003
ここで，Tｙ1ｗは外乱wから制御量y1までの伝達関数である．このようなシステムを用いて制御系を構成し，各アクチュエータ配置での制御性能を評価することで最適化を行う．
（２）最適化計算
本実施例では，アクチュエータの座標および方向（圧電アクチュエータならば伸縮する方向）に加え，制御量重み行列Q,Rも設計変数に採用し，制御器も含め統合的に最適化を行う．ただし，アクチュエータ配置は図６の最適化計算範囲９に限定する。これは有限要素解析によるひずみエネルギー分布からひずみエネルギー変化の大きい部位を選び選定したものである。このとき，最適化の評価関数には評価応答のH∞ノルムを採用し，評価関数の最小化を図る．各設計変数を変動させて外乱から評価応答までのH∞ノルムが最小となる解の探索を行うことで，制御性能の高いアクチュエータ配置を探索しつつ，制御量重み行列も同時に最適化する．
本実施例のようにＰＳＯ法（粒子群最適化法）を用いて配置を探索する場合には、ＧＡ法を用いる場合に比べて計算時間が短くなり、より短時間で振動発生手段の配置を決定することができる。
【００３１】
図７に対象物の振動問題が生じた場合の、従来のアクティブ制振装置の設計方法と本実施例における設計方法を示す。図７からわかるように従来のアクティブ制振装置の設計においては、対象物の振動特性把握、モデル化、センサ、アクチュエータの選定あるいは設計、その設置位置の検討、制御系の設計といった流れになり、場合によっては前の過程に戻る場合も含めて相応の時間がかかるが、本実施例ではセンサ・アクチュエータの画一化によって迅速な設計が可能である。これによって設計に要する工数やコストを大幅に低減可能である。
【００３２】
なお、本発明は上記した実施例１、２に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例１、２は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１  アクティブ制振装置
２  記憶装置
３  圧電センサ
４  板状圧電アクチュエータ
５  コントローラ
６  構造板
７  電圧出力
８  制御信号
９  最適化計算範囲
【図１】
0006421059.tif 000004
【図２】
0006421059.tif 000005
【図３】
0006421059.tif 000006
【図４】
0006421059.tif 000007
【図５（ａ）】
0006421059.tif 000008
【図５（ｂ）】
0006421059.tif 000009
【図６】
0006421059.tif 000010
【図７】
0006421059.tif 000011