(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制振対象物に固定されて所定方向に配列され永久磁石からなる固定部磁石列と、前記制振対象物に対して前記所定方向に相対的に運動可能に配置された可動質量と、前記可動質量に固定され、隙間を介して前記固定部磁石列に対向して前記所定方向に配列され永久磁石からなる可動部磁石列と、を有し、前記可動部磁石列と前記固定部磁石列が一定の隙間を保持して前記所定方向に相対移動するときに前記所定方向に磁気復元力が作用する磁気ばね制振装置において、
前記固定部磁石列又は可動部磁石列の外側に隣接し磁極が異なるように配列された複数の電磁石により構成されており、
前記電磁石に供給される電流を制御することによって前記磁気復元力特性を代表するばね定数を制御する制御手段を有すること、
を特徴とする磁気ばね制振装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気ばね制振装置において、
前記制振対象物および可動質量の前記所定方向の振動を検出する振動検出センサと、
前記振動検出センサの出力を比較して、前記磁気復元力特性を代表するばね定数が最適に近づくような前記電磁石に供給する電磁石電流の目標値を求め、電磁石電流を前記目標値に近づけるべく制御する手段と、
を有することを特徴とする磁気ばね制振装置。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気ばね制振装置において、
前記振動検出センサの出力信号から、前記制振対象物および可動質量の各振動の位相差および振動数差を抽出する抽出手段と、
前記位相差および振動数差と前記磁気ばね定数の関係から、前記電磁石電流の目標値を求める演算手段と、
を有すること、を特徴とする磁気ばね制振装置。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気ばね制振装置において、前記制振対象物は回転機械であって、
前記回転機械の回転数を検出する検出手段を有し、
前記制御手段は、前記磁気ばね定数および前記可動質量とから決定される付加質量系の固有振動数を前記回転数に近づけるように、前記電磁石に供給される電流を制御するものであること、
を特徴とする磁気ばね制振装置。
【請求項５】
請求項１に記載の磁気ばね制振装置において、
前記固定部磁石列と前記可動部磁石列との間に挟まれ、前記制振対象物に支持された導体板と、
この導体板と前記可動部磁石列との間の距離を調節する導体板位置調節手段と、
を有すること、を特徴とする磁気ばね制振装置。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気ばね制振装置において、
前記導体板距離調節手段は、前記磁気復元力のばね定数に対応して決められる適当な磁気減衰比に近い磁気減衰比が得られるように制御されること、
を特徴とする磁気ばね制振装置。
【請求項７】
請求項５に記載の磁気ばね制振装置において、
前記導体板位置調節手段は、モータによって回転駆動されるボールねじにより前記導体板を直動するものであること、
を特徴とする磁気ばね制振装置。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気ばね制振装置において、
前記固定部磁石列は前記可動質量を反対側から挟む２箇所に配置され、前記可動部磁石列は、前記固定部磁石列に対向する２箇所に配置され、
前記導体板は前記２箇所の固定部磁石列と可動部磁石列に挟まれた２箇所に配置され、
前記ボールねじは、軸方向に互いに結合された右ねじ部と左ねじ部とを有し、前記ボールねじを回転することによって、前記２箇所の導体板を同時に駆動できるように構成されていること、
を特徴とする磁気ばね制振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は構造物や回転機械などの振動を抑制する磁気ばね制振装置に係り、特に、制振対象の振動変化に追従して、好適な制振性能が得られる磁気ばね制振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、付加質量をばね要素と減衰要素を介して構造物や回転機械などの制振対象物に取り付けた種々の磁気ばね制振装置（動吸振器）が提案されている（たとえば特開平９−２８７６３３号公報参照）。この動吸振器は、たとえば図９および図１０に示すように、制振対象物１に取り付けられた固定部磁石列２と、制振対象物１に対して水平方向に相対運動可能な可動質量３と、この可動質量３に取り付けられ、固定部磁石列２に対向して設けられた可動部磁石列４とを有する。
【０００３】
この動吸振器の可動部磁石列４では、厚さ方向（鉛直方向）に磁化した多数の可動部磁石５が所定の間隔で水平面内に縦横に２次元的に配列されており、バックヨーク６を介して可動質量３に固定されている。これらの可動部磁石５の隣接する磁石同士は互いに異なる磁極を持っている。
【０００４】
一方、これと対向する制振対象物１には、固定部磁石７とバックヨーク８からなる固定部磁石列２が固定されている。固定部磁石列２は、可動部磁石列４と同一形状、同一位置とした上で、対向する部分が異なる磁極を持つように構成されている。
【０００５】
ここで可動部磁石列４と固定部磁石列２の間の隙間９は、受け座４１、４２を介して剛球４３を挟み込むことにより一定に保たれている。この隙間９には導体板１０が配置されている。
【０００６】
このような構成で、可動質量３が平衡状態から動き、対向している可動部磁石５と固定部磁石７が水平方向にずれた場合、互いに異なる磁極を持つため、吸引力が働くとともに、隣接する同一磁極に近づくことにより反発力が働く。これらはいずれも２次元方向の移動に対して可動質量３の移動量を元に戻す復元力として作用する。
【０００７】
さらに導体板１０を通過する磁束は、可動質量３の移動、すなわち可動部磁石５の移動に伴い、導体板１０と相対運動することとなり、導体板１０に発生する渦電流損による磁気減衰力として作用する。
【０００８】
このように磁気力を利用して復元力と減衰力が同時に得られる磁気ばね・ダンパ要素を構成して動吸振器に適用することにより、動吸振器の小型化が可能となっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例の磁気ばね・ダンパ要素を用いた動吸振器では、磁気ばね定数（復元力と変位の比）が一定に保たれているため、制振対象物に動吸振器を設置した後に、温度などの環境条件の変化、あるいは機械などでは運転条件の変化に伴い、制振対象物の固有振動数が変化した場合、動吸振器の最適調整状態が崩れることによる制振効果の低下を防ぐことが困難であった。
【００１０】
また回転機械など振動源を持つ対象物の定常振動を抑制するために、磁気ばね要素と可動質量からなる付加質量系の固有振動数を、制振対象物の振動数に一致させることにより、反共振を利用して対象物の振動を抑制する制振装置においても、制振装置を設置した後、振動源の振動数変化があると追従できないため、制振効果の低下を防ぐことが困難であった。
【００１１】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、制振装置を設置した後でも制振対象物の振動特性変化に追従して、制振装置のばね定数を調整できる磁気ばね制振装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであって、請求項１に記載の発明は、制振対象物に固定されて所定方向に配列され永久磁石からなる固定部磁石列と、前記制振対象物に対して前記所定方向に相対的に運動可能に配置された可動質量と、前記可動質量に固定され、隙間を介して前記固定部磁石列に対向して前記所定方向に配列され永久磁石からなる可動部磁石列と、を有し、前記可動部磁石列と前記固定部磁石列が一定の隙間を保持して前記所定方向に相対移動するときに前記所定方向に磁気復元力が作用する磁気ばね制振装置において、前記固定部磁石列又は可動部磁石列の外側に隣接し磁極が異なるように配列された複数の電磁石により構成されており、前記電磁石に供給される電流を制御することによって前記磁気復元力特性を代表するばね定数を制御する制御手段を有すること、を特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気ばね制振装置において、前記制振対象物および可動質量の前記所定方向の振動を検出する振動検出センサと、前記振動検出センサの出力を比較して、前記磁気復元力特性を代表するばね定数が最適に近づくような前記電磁石に供給する電磁石電流の目標値を求め、電磁石電流を前記目標値に近づけるべく制御する手段と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の磁気ばね制振装置において、前記振動検出センサの出力信号から、前記制振対象物および可動質量の各振動の位相差および振動数差を抽出する抽出手段と、前記位相差および振動数差と前記磁気ばね定数の関係から、前記電磁石電流の目標値を求める演算手段と、を有すること、を特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の磁気ばね制振装置において、前記制振対象物は回転機械であって、前記回転機械の回転数を検出する検出手段を有し、前記制御手段は、前記磁気ばね定数および前記可動質量とから決定される付加質量系の固有振動数を前記回転数に近づけるように、前記電磁石に供給される電流を制御するものであること、を特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の磁気ばね制振装置において、前記固定部磁石列と前記可動部磁石列との間に挟まれ、前記制振対象物に支持された導体板と、この導体板と前記可動部磁石列との間の距離を調節する導体板位置調節手段と、を有すること、を特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の磁気ばね制振装置において、前記導体板距離調節手段は、前記磁気復元力のばね定数に対応して決められる適当な磁気減衰比に近い磁気減衰比が得られるように制御されること、を特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の磁気ばね制振装置において、前記導体板位置調節手段は、モータによって回転駆動されるボールねじにより前記導体板を直動するものであること、を特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の磁気ばね制振装置において、前記固定部磁石列は前記可動質量を反対側から挟む２箇所に配置され、前記可動部磁石列は、前記固定部磁石列に対向する２箇所に配置され、前記導体板は前記２箇所の固定部磁石列と可動部磁石列に挟まれた２箇所に配置され、前記ボールねじは、軸方向に互いに結合された右ねじ部と左ねじ部とを有し、前記ボールねじを回転することによって、前記２箇所の導体板を同時に駆動できるように構成されていること、を特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る磁気ばね制振装置の実施の形態を図１ないし図８を参照しながら説明する。ここで、従来技術と、または相互に同一または類似の部分には同じ符号を付して、重複説明は省略する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
本発明に係る磁気ばね制振装置の第１の実施の形態を図１ないし図４を参照して説明する。図１に示すように、この磁気ばね制振装置は、制振対象物１に対して強固に固定された制振装置本体５０と、制振対象物１および可動質量３におのおの取り付けられた振動検出センサ１２および１３と、可動質量３に設置された電磁石１４に制御電流を供給する制御装置１５とを有する。制振装置本体５０は、制振対象物１に剛に結合された外容器１１に固定される２対の固定部磁石列２および可動質量３に固定される可動部磁石列４とその一部を成す電磁石１４を有する。
【００２２】
二つの可動部磁石列４は、可動質量３の上面と下面に、厚さ方向に磁化した可動部磁石５を所定の間隔をおいて隣接する磁石同士が互いに異なる磁極を持つように縦横に多数配列し、バックヨーク６を介して固定したものと、可動部磁石５に隣接して電磁石１４を所定の間隔をおいて隣接する磁極が異なるように多数配列したことにより構成している。
【００２３】
制振対象物１に剛に結合された外容器１１には、固定部磁石７とバックヨーク８からなる固定部磁石列２が、可動質量３の上面と下面に配置された可動部磁石列４と同一形状、同一位置とした上、対向する部分が異なる磁極を持つように固定されており、一定の隙間９を介して対向することにより磁気ばね要素を構成している。本実施の形態では可動質量３の上下両側に２組の磁気ばね要素が配置されていることになる。
【００２４】
制御装置１５は、制振対象物１および可動質量３におのおの取り付けられた振動検出センサ１２および１３からの信号を受けて、可動部磁石列４の一部をなす電磁石１４に供給する制御電流を決定する演算部を備えている。制御装置１５での演算内容等については、図３等を参照して後述する。
【００２５】
このように構成された本実施の形態の磁気ばね制振装置においては、制振対象物１の振動特性変化に応じて、磁気ばね要素を構成する可動部磁石列５と固定部磁石列９の間に作用する磁気力が自動調整できることとなる。すなわち、磁気復元力特性を代表するばね定数を制御することができる。したがって、制振装置を設置した後でも制振対象物１の振動特性変化に追従して、制振装置本体５０の磁気ばね定数が自動調整でき、制振対象物１の振動を常に効果的に抑制することができる。
【００２６】
図２は、本発明の磁気ばね制振装置において、永久磁石と電磁石の組合せにより磁気ばね定数を自動調整する概念を説明するものであり、可動質量３の変位（横軸）と磁気復元力（縦軸）の関係を示している。従来の永久磁石同士の異磁極が対向した磁気ばね要素による磁気ばね定数（ＰＰ）に対して、永久磁石と電磁石が対向する部位を付加することで、電磁石に印加する電流を調整することにより、永久磁石と電磁石で異磁極が対向する場合（ＰＥ＋）には（ＰＰ）を大きくする方向に作用し、永久磁石と電磁石で同磁極が対向する場合（ＰＥ−）には（ＰＰ）を小さくする方向に作用することになる。
【００２７】
電磁石に供給する制御電流の向きと大きさを、制振対象物１の振動特性変化に応じて調整することで、磁気復元力特性を代表するばね定数が自動調整でき、制振対象物１の振動を常に効果的に抑制することができる。
【００２８】
図３は、制御装置１５（図１）を具体化して示すものである。制振対象物１に取り付けられた振動検出センサ１２と可動質量３に取り付けられた振動検出センサ１３からの検出信号を受けて、位相差検出部１７において制振対象物１と可動質量３の位相差を検出するとともに、振動数差検出部１８において制振対象物１と可動質量３の振動数および振動数差を検出する。その上で、制御量演算部１９においてこの位相差および振動数差を基に磁気ばね定数の最適ばね定数からのずれ量を算出するとともに、磁気ばね定数と電磁石１４に印加する電流の関係から制御量を決定し、制御量演算部１９から電磁石１４の電源部に制御信号を送る構成となっている。
なお、図示されていないが、制御装置１５は、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器および周波数フィルタも備えている。
【００２９】
この構成によれば、制振対象物１と可動質量３の位相差および振動数差に応じて、磁気ばね要素を構成する可動部磁石列２と固定部磁石列４の間に作用する磁気復元力すなわち磁気ばね定数が自動調整できることとなる。したがって、制振装置を設置した後でも制振対象物１の振動特性変化に追従して、制振装置の磁気復元力特性を代表するばね定数が自動調整でき、制振対象物１の振動を常に効果的に抑制することができる。
【００３０】
図４は、可動質量３の支持構造を具体的に示す。すなわち、可動質量３にベアリング３３を固定し、外容器１１に固定された受け座３４を設け、ベアリング３３は受け座３４に転がり接触する構成としている。前述のように、外容器１１は制振対象物１に固定されている。このような構成により、可動質量３の上下移動は拘束され、２次元平面（水平面）内での自由な移動が可能である。
【００３１】
なお、図４の構成とは逆に、外容器１１にベアリングを固定し、可動質量３に受け座を固定して、それらベアリングと受け座の間で転がり接触する構成とすることも可能である（図示せず）。
【００３２】
また、図４の支持構造は、可動質量３の可動方向を水平面内にするものであるが、本発明としては、可動質量３の移動方向すなわち磁石の配列の方向は、水平に限定されるものではなく、任意の方向とすることができる。
また、磁石５、７、１４の配列は、１次元的でもよいし、図１０に示すように２次元的でもよい。
【００３３】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明に係る磁気ばね制振装置の第２の実施の形態の磁気ばね制振装置を示す。この磁気ばね制振装置では、外容器１１の上下に固定された固定部磁石列２の一部が電磁石１６で構成され、可動部３に固定された可動部磁石列４はすべて永久磁石で構成されている。
【００３４】
この実施の形態でも、制御装置１５によって電磁石１６に供給される電流を制御することにより、第１の実施の形態と同様に、制振対象物１の振動特性変化に応じて、磁気ばね要素を構成する可動部磁石列４と固定部磁石列２の間に作用する磁気力を自動調整することができる。
【００３５】
なお、変形例として、固定部磁石列２と可動部磁石列４の両方のそれぞれ一部として電磁石を採用すること（第１の実施の形態と第２の実施の形態の組合せ）も可能である（図示せず）。さらに、固定部磁石列２と可動部磁石列４のすべての磁石を電磁石として、その一部あるいはすべてに対する供給電流を制御装置１５で制御することも可能である。
【００３６】
［第３の実施の形態］
図６は、本発明に係る磁気ばね制振装置の第３の実施の形態の磁気ばね制振装置を示す。この実施の形態は、第１の実施の形態（図１等）の変形例であって、制振対象物１が回転機械の場合に適用できるものである。この場合は、制振対象物（回転機械）１の回転数を検出するための回転数検出器２０が設けられている。そして、磁気ばね要素と可動質量からなる付加質量系の固有振動数を、回転機器の回転数に一致させるように電磁石１４の電流を制御する。
【００３７】
これにより、反共振を利用して回転機器の振動を抑制することができる。すなわち、回転数検出器２０の信号を受けて、制御量演算部２１において回転数と同期する磁気ばね定数を算出するとともに、磁気ばね定数と電磁石１４に印加する電流の関係から制御量を決定し、制御量演算部２１から電磁石１４の電源部に制御信号を送る構成となっている。
【００３８】
この構成によれば、回転機器の回転振動を抑制する場合、回転数変動に追従して、制振装置の磁気ばね定数を自動調整することができ、回転機械の振動を常に効果的に抑制することができる。
【００３９】
なお、ここでは第１の実施の形態の変形例として説明したが、第２の実施の形態（図５等）の変形例として、制振対象物１が回転機械の場合に適用することも、同様に可能である。
【００４０】
［第４の実施の形態］
図７は、本発明に係る磁気ばね制振装置の第４の実施の形態の磁気ばね制振装置を示す。この実施の形態は、第１の実施の形態（図１等）の変形例であって、導体板１０の配置・駆動機構等を加えたものである。可動部磁石５と固定部磁石７の間の隙間９に配置された導体板１０は、右ねじ部２２と左ねじ部２３を連結して一体構造としたボールねじ軸２４と、各々ボール保持器２５を介して結合しており、ボールねじ軸２４は制御信号を受けて回転するモータ２６より減速器２７を介して駆動される構成となっている。
【００４１】
ボールねじ軸２４は、外容器１１に設置された回転軸受２８において支持されている。さらに導体板１１は支持部材２９に固定されたスライド軸受３０を介して、外容器１１に固定されたレール３１と連結している。制御装置３２では、磁気ばね定数を自動調整するために電磁石１４に送る制御信号とともに、最適ばね定数に対応した最適減衰比を算出し、隙間９における導体板１０の隙間厚さ方向の設置位置と磁気減衰比の関係から、導体板１０の最適位置を決定し、ボールねじ軸２４を駆動するモータ２６に制御信号を送るものである。
【００４２】
この実施の形態によれば、制振対象物１の振動特性変化に追従して、制振装置の磁気ばね定数を自動調整した上で、導体板１０の円滑な上下移動を可能としたことで磁気減衰比も最適状態に自動調整でき、制振対象物１の振動をさらに効果的に抑制することができる。
【００４３】
図８は、可動部磁石５と固定部磁石７の間の隙間９を一定とし、隙間９に配置した導体板１０と可動部磁石５との距離ｄをパラメータとして種々に変えた場合の減衰比を、横軸を入力加速度として示す。隙間９を９．８ｍｍで一定として、実験および解析により求めた値を示す。ここでは、ｄが小さくなるに従い、磁気減衰比が大きくなるようすが確認できる。
【００４４】
以上説明した第４の実施の形態では、第１の実施の形態（図１）の変形例として、これに導体板の配置・駆動機構を適用する構成を示した。第２の実施の形態（図５）、第３の実施の形態（図６）についても同様に、これらの変形例として、導体板の配置・駆動機構を適用することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の磁気ばね制振装置によれば、制振装置を設置した後に制振対象物の振動特性が変化しても、その変化に追従して制振対象物の振動を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気ばね制振装置の第１の実施の形態の模式的縦断面図。
【図２】本発明により磁気ばね定数を自動調整する概念の説明図であって、磁気ばね制振装置の復元力と変位の関係を表すグラフ。
【図３】図１に示す磁気ばね制振装置における制御装置をより詳細に示す模式的縦断面図。
【図４】図１に示す磁気ばね制振装置におけるベアリングと受け座の具体例の模式的縦断面図。
【図５】本発明に係る磁気ばね制振装置の第２の実施の形態の模式的縦断面図。
【図６】本発明に係る磁気ばね制振装置の第３の実施の形態の模式的縦断面図。
【図７】本発明に係る磁気ばね制振装置の第４の実施の形態の模式的縦断面図。
【図８】導体板の位置をパラメータとして磁気減衰比と入力加速度の関係を表すグラフ。
【図９】従来の磁気ばね・ダンパ要素を用いた制振装置の模式的縦断面図。
【図１０】図９のＡ−Ａ線矢視水平断面図。
【符号の説明】
１…制振対象物、２…固定部磁石列、３…可動質量、４…可動部磁石列、５…可動部磁石、６…バックヨーク、７…固定部磁石、８…バックヨーク、９…隙間、１０…導体板、１１…外容器、１２…振動検出センサ、１３…振動検出センサ、１４…電磁石、１５…制御装置、１６…電磁石、１７…位相差検出部、１８…振動数差検出部、１９…制御量演算部、２０…回転数検出器、２１…制御量演算部、２２…右ねじ部、２３…左ねじ部、２４…ボールねじ軸、２５…ボール保持器、２６…モータ、２７…減速器、２８…回転軸受、２９…支持部材、３０…スライド軸受、３１…レール、３２…制御装置、３３…ベアリング、３４…受け座、４１…受け座、４２…受け座、４３…剛球、５０…制振装置本体。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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