(57)【要約】【課題】ばね質量系の中に配置される発電機からアクティブ制御に必要な電気エネルギーを効率よく回収することができる防振装置を提供する。【解決手段】本発明の防振装置は、ベース１と第一の質量体２との間に配置される第一のばね４と、ベース１及び第一の質量体の一方に連結されるねじ軸７、ベース１及び第一の質量体２の他方に連結されるナット８、及びねじ軸７とナット８との間に転がり運動可能に介在される複数の転動体１０を有し、ベース１に対する第一の質量体２の相対的な直線運動をねじ軸７又はナット８の回転運動に変換する転動体ねじ装置５と、転動体ねじ装置５のねじ軸７又はナット８の回転運動のエネルギーから電気を発電する発電機６と、発電機６が発電した電気エネルギーを蓄える電気エネルギー貯蔵手段と、電気エネルギー貯蔵手段が蓄えた電気エネルギーを利用して、第一の質量体２の振動をアクティブに制御するアクチュエータ１４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと第一の質量体との間に配置される第一のばねと、
前記ベース及び前記第一の質量体の一方に連結されるねじ軸、前記ベース及び前記第一の質量体の他方に連結されるナット、及び前記ねじ軸の外周面の転動体転走溝と前記ナットの内周面の負荷転動体転走溝との間に転がり運動可能に介在される複数の転動体を有し、前記ベースに対する前記第一の質量体の相対的な直線運動を前記ねじ軸又は前記ナットの回転運動に変換する転動体ねじ装置と、
前記転動体ねじ装置の前記ねじ軸又は前記ナットの回転運動のエネルギーから電気を発電する発電機と、
前記発電機が発電した電気エネルギーを蓄える電気エネルギー貯蔵手段と、
前記電気エネルギー貯蔵手段が蓄えた電気エネルギーを利用して、前記第一の質量体の振動をアクティブに制御するアクチュエータと、を備える防振装置。
【請求項２】
前記ベースと前記第一の質量体との間には、前記第一のばねと並列に、前記アクチュエータと第二のばねとが直列に配置され、
前記アクチュエータと前記第二のばねとの間には、第二の質量体が介在されることを特徴とする請求項１に記載の防振装置。
【請求項３】
前記第一の質量体には付加質量体が取り付けられ、
前記第一の質量体と前記付加質量体との間には、前記アクチュエータと第二のばねとが並列に配置されることを特徴とする請求項１に記載の防振装置。
【請求項４】
ベースと第一の質量体との間に第一のばねを配置したばね質量系のモデルの防振方法において、
前記ベース及び前記第一の質量体の一方に連結されるねじ軸、前記ベース及び前記第一の質量体の他方に連結されるナット、及び前記ねじ軸の転動体転走溝と前記ナットの負荷転動体転走溝との間に転がり運動可能に介在される複数の転動体を有する転動体ねじ装置を用いて、前記ベースに対する前記第一の質量体の相対的な直線運動を前記ねじ軸又は前記ナットの回転運動に変換し、
発電機が前記転動体ねじ装置の前記ねじ軸又は前記ナットの回転運動のエネルギーから電気を発電し、
前記発電機が発電した電気エネルギーを電気エネルギー貯蔵手段に蓄え、
前記電気エネルギー貯蔵手段に蓄えた電気エネルギーを利用して、アクチュエータが前記第一の質量体の振動をアクティブに制御する防振方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ばね質量系のモデルにおいて、ベースに外力が作用して生ずる質量体の振動をアクチュエータによってアクティブに制御する防振装置及び防振方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パッシブ制御法は、アクチュエータを用いずに質量体の振動をベースと質量体との間に配置されたばねとダンパのみによって制御する受動的な制振方法である。これに対し、アクティブ制御法は、アクチュエータを用いて質量体の振動をアクティブに制御する能動的な制振方法である。アクティブ制御法を用いることによって、従来のパッシブ制御法では実現できなかった優れた防振性能を得ることができる。
【０００３】
しかし、アクティブ制御法では、振動を抑制するためにアクチュエータを駆動する必要があり、そのためには外部から電気エネルギーを加えてやらなければならない。電気エネルギーを必要とする点が、アクティブ制御法の課題である。このアクティブ制御法の課題を解消するために、特許文献１には、アクティブ制御に必要な電気エネルギーを、系の中に配置されている発電機（エネルギー回生ダンパ）から供給する防振装置が記載されている。
【０００４】
この防振装置は、第一のばね質量系ｍ1−ｋ1の上に第二のばね質量系ｍ2−ｋ2を付加した二自由度系の防振装置である。第一のばね質量系ｍ1−ｋ1には、ばねｋ1と並列に第一の直流モータが配置される。第二のばね質量系ｍ2−ｋ2にも、ばねｋ2と並列に第二の直流モータが配置される。そして、第一のばね質量系ｍ1−ｋ1のばねｋ1に外乱を作用させると、第一のばね質量系ｍ1−ｋ1の質量ｍ1が振動する。質量ｍ1の振動に伴い、第一の直流モータが発電機（エネルギー回生ダンパ）として機能し、質量ｍ1の振動エネルギーから電気を発電する。第一の直流モータが発電した電気はコンデンサに蓄えられる。コンデンサに蓄えられた電気は、第二のばね質量系の第二の直流モータに供給される。第二の直流モータは、アクチュエータとして機能し、コンデンサの電圧を利用してアクティブに第一のばね質量系の質量ｍ1の振動を減衰させる。
【特許文献１】特許第３９４３６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の防振装置にあっては、第一の直流モータはリニアモータであり、可動子のストロークの速度に比例した電力を発電する。しかし、第一の直流モータの可動子は、第一の質量ｍ1の振動に追従して振動するだけであるから、可動子の振幅及び速度がいずれも小さいものとなってしまう。このため、第一の直流モータが発電する電気エネルギーが小さくなってしまう。第二の直流モータが第一のばね質量系の質量ｍ1の振動をアクティブに制御しても、質量ｍ1の振動を十分に減衰させるこができない。
【０００６】
そこで、本発明は、ばね質量系の中に配置される発電機からアクティブ制御に必要な電気エネルギーを効率よく回収することができる防振装置及び防振方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ベースと第一の質量体との間に配置される第一のばねと、前記ベース及び前記第一の質量体の一方に連結されるねじ軸、前記ベース及び前記第一の質量体の他方に連結されるナット、及び前記ねじ軸の外周面の転動体転走溝と前記ナットの内周面の負荷転動体転走溝との間に転がり運動可能に介在される複数の転動体を有し、前記ベースに対する前記第一の質量体の相対的な直線運動を前記ねじ軸又は前記ナットの回転運動に変換する転動体ねじ装置と、前記転動体ねじ装置の前記ねじ軸又は前記ナットの回転運動のエネルギーから電気を発電する発電機と、前記発電機が発電した電気エネルギーを蓄える電気エネルギー貯蔵手段と、前記電気エネルギー貯蔵手段が蓄えた電気エネルギーを利用して、前記第一の質量体の振動をアクティブに制御するアクチュエータと、を備える防振装置である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の防振装置において、前記ベースと前記第一の質量体との間には、前記第一のばねと並列に、前記アクチュエータと第二のばねとが直列に配置され、前記アクチュエータと前記第二のばねとの間には、第二の質量体が介在されることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の防振装置において、前記第一の質量体には付加質量体が取り付けられ、前記第一の質量体と前記付加質量体との間には、前記アクチュエータと第二のばねとが並列に配置されることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、ベースと第一の質量体との間に第一のばねを配置したばね質量系のモデルの防振方法において、前記ベース及び前記第一の質量体の一方に連結されるねじ軸、前記ベース及び前記第一の質量体の他方に連結されるナット、及び前記ねじ軸の転動体転走溝と前記ナットの負荷転動体転走溝との間に転がり運動可能に介在される複数の転動体を有する転動体ねじ装置を用いて、前記ベースに対する前記第一の質量体の相対的な直線運動を前記ねじ軸又は前記ナットの回転運動に変換し、発電機が前記転動体ねじ装置の前記ねじ軸又は前記ナットの回転運動のエネルギーから電気を発電し、前記発電機が発電した電気エネルギーを電気エネルギー貯蔵手段に蓄え、前記電気エネルギー貯蔵手段に蓄えた電気エネルギーを利用して、アクチュエータが前記第一の質量体の振動をアクティブに制御する防振方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明によれば、ベースと第一の質量体との間に転動体ねじ装置を介在させ、第一の質量体の振動をねじ軸又はナットの回転運動に変換している。そして、発電機がねじ軸又はナットの回転運動のエネルギーから電気を発電する。発電機はねじ軸又はナットの回転運動の速度に比例した電気エネルギーを出力する。第一の質量体の振動をねじ軸又はナットの回転運動に変換することで、第一の質量体の振動の速度を大きくすることができる。したがって、アクティブ制御に必要な電気エネルギーを効率よく回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
添付図面に基づいて本発明の第一の実施形態の防振装置を詳細に説明する。図１は、防振装置のモデルを示す。防振装置は、ベース１に外乱として振動が加えられたとき、第一の質量体２の振動を制振することを目的とする。ベース１に加えられる振動は、力加振又は変位外乱である。
【００１３】
ベース１と第一の質量体２との間には、第一のばね４が配置される。ベース１と第一の質量体２との間には、第一のばね４と並列に、第一の質量体２の振動エネルギーを利用して発電するエネルギー回生ダンパ３が配置される。エネルギー回生ダンパ３は、転動体ねじ装置であるボールねじ５と、回転形のブラシレスモータ６と、から構成される。
【００１４】
ボールねじ５は、ベース１に回転可能に連結されるねじ軸７と、第一の質量体２にブラケット９を介して連結されるナット８と、ねじ軸７とナット８との間に介在される多数のボールと、を備える。ねじ軸７は、ベース１に対してその軸線の周りを回転できるように、かつ軸線の方向に移動できないように連結される。ナット８は、第一の質量体２に対して回転できないように、かつその軸線の方向に移動できるようにブラケット９に連結される。ボールねじ５は、ベース１に対する第一の質量体２の相対的な直線運動をねじ軸７の回転運動に変換する。
【００１５】
図２はボールねじ５の詳細図を示す。ねじ軸７の外周面には、所定のリードを有する螺旋状のボール転走溝７ａが形成される。ナット８の内周面には、ねじ軸７のボール転走溝７ａに対向する負荷ボール転走溝８ａが形成される。ねじ軸７のボール転走溝７ａとナット８の負荷ボール転走溝８ａとの間には、転がり運動可能に多数のボール１０が介在される。ねじ軸７とナット８との間を転がるボール１０が循環できるように、ナット８にはリターンパイプ１１が取り付けられる。リターンパイプ１１は、ナット８の負荷ボール転走溝８ａの一端と数巻き離れた他端とを接続する。ナット８に対してねじ軸７が相対的に回転すると、多数のボール１０がねじ軸７の周囲を公転する。ナット８の負荷ボール転走溝８ａの一端まで転がったボール１０は、リターンパイプ１１内に掬い上げられ、数巻き手前の負荷ボール転走溝８ａの他端に戻される。
【００１６】
ねじ軸７とナット８との間に転がり運動可能にボール１０を介在させることで、ボールねじ５の摩擦抵抗を低減できる。このため、ナット８の直線運動を効率よくねじ軸７の回転運動に変換することができる。また、ねじ軸７の回転速度はボールねじ５のリードによって調整することができる。発電機であるブラシレスモータ６が発電する電流は、ねじ軸７の回転速度に比例する。ボールねじ５のリードを調整することで、アクチュエータが動作するのに必要な電流を発電することができるようになる。
【００１７】
図１に示されるブラシレスモータ６は、界磁に永久磁石を使用する永久磁石同期モータである。ブラシレスとするために永久磁石が回転する。回転子である永久磁石の周囲は、固定子である三相コイルで囲まれる。永久磁石はねじ軸７に連結されている。ねじ軸７が回転すると、ねじ軸７の回転速度に比例して誘導電圧を発生させる。ブラシレスモータ６が発電した電気エネルギーはコンデンサ２４（図４参照）に蓄えられる。
【００１８】
図３に示されるように、ブラシレスモータ６には可変抵抗１２が接続される。ブラシレスモータ６に可変抵抗１２を接続したとき、ブラシレスモータ６は減衰力を発生する。ブラシレスモータ６が発する減衰力を説明する。上述したように、ブラシレスモータ６は、ねじ軸７の回転速度Ｖに比例した誘導電圧ｅを出力する。このときの比例定数をＰとおくと、ｅ＝Ｐ・Ｖになる。可変抵抗１２が接続される回路には、電圧ｅが発生するので、電流ｅ／Ｒが流れる。このため、ブラシレスモータ６の三相コイルは電流Ｐ・Ｐ・Ｖ／Ｒを出力する。これが減衰力となる。ブラシレスモータ６は減衰係数Ｐ・Ｐ／Ｒのダンパとして機能することになる。可変抵抗１２の抵抗値Ｒを変化させれば、ブラシレスモータ６の減衰力を調整することができる。
【００１９】
図１に示されるように、ベース１と第一の質量体２との間には、第一のばね４と並列にアクチュエータ１４及び第二のばね１６が配置される。アクチュエータ１４と第二のばね１６は直列に配置され、これらの間には第二の質量体１５が介在される。アクチュエータ１４は、リニアＤＣモータからなり、コンデンサ２４が蓄えた電気エネルギーを利用して、第一の質量体２の振動をアクティブに制御する。アクチュエータ１４には、リニアＤＣモータの替わりに、ボイスコイルモータ、レシプロモータ、空気圧アクチュエータ、油圧アクチュエータ等を用いることができる。
【００２０】
例えば、防振装置で除去すべき外乱には、ベース１に加えられる地動外乱以外に第一の質量体２に加えられる直動外乱がある。前者の外乱を除去するには低剛性のばねが適していて、後者の直動外乱を除去するのには高剛性のばねが適している。ベース１と第一の質量体２との間に直列にアクチュエータ１４及び第二のばね１６を配置することで、地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対して高い剛性を確保することができる。
【００２１】
以下にこの原理を説明する。図１に示されるように、ばね特性ｋ2，ｋ3を持つ二つのばねを直列に配置し、さらにこれにばね特性ｋ1を持つばねを並列に接続して一つの合成ばねを作ると、合成ばねKcのばね特性は数式１で求められる。
（数式１）
ｋc＝{ｋ2・ｋ3／（ｋ2＋ｋ3）}＋ｋ1
【００２２】
したがって、ｋ2＝−ｋ3という関係を満たすようにすれば、ｋ1の値によらず、合成ばねのｋc＝∞となる。すなわち、負のばね特性を持つアクチュエータ１４と正のばね特性を持つ第二のばね１６とを直列に接続することで、直動外乱に対する剛性を無限大にすることができ、高い制振性能を発揮することができる。
【００２３】
図４は、防振装置の回路図を示す。ブラシレスモータ６が出力する三相交流電流は、ダイオードからなる整流器２１によって直流電流に変換される。直流電流は可変抵抗１２によって大きさが調整された後、コンデンサ２４に蓄えられる。ブラシレスモータ６から三相交流電流を出力することで、ブラシレスモータ６が発電した交流電流を直流電流に効率よく変換することができる。
【００２４】
整流器２１とコンデンサ２４を接続する回路には、リレースイッチ２５が配置される。ブラシレスモータ６が発電する電圧Ｅ1がコンデンサ２４に蓄えられた電圧Ｅcよりも低いときは、コンデンサ２４からブラシレスモータ６に電流が逆流する。電流の逆流を防止するため、このときはリレースイッチ２５が電気回路からコンデンサ２４を外す（図５（Ａ）参照）。ブラシレスモータ６には可変抵抗１２のみが接続されることになるので、ブラシレスモータ６は通常のダンパとして機能する。
【００２５】
一方、ブラシレスモータ６が発電した電圧Ｅ1がコンデンサ２４に蓄えられた電圧Ｅcよりも高いときは、リレースイッチ２５がコンデンサ２４に接続され、ブラシレスモータ６が発電した電流Ｅ1がコンデンサ２４に蓄えられる（図５（Ｂ）参照）。
【００２６】
図４に示されるように、コンデンサ２４とアクチュエータ１４を接続する回路には、抵抗器２６が並列に配置されると共に、リレースイッチ２５が配置される。また、この回路には、アクチュエータ１４を制御する制御器２７が配置される。制御器２７は、センサが検出した第一の質量体２及び第二の質量体１５の変位、速度又は加速度に基づいて、アクチュエータ１４が出力する力（電圧）を決定する。具体的には、図６に示されるように、第二の質量体１５が第一の質量体２とは逆位相で振動するようにアクチュエータ１４が出す力を決定する。第二の質量体１５を第一の質量体２とは逆位相で振動させることにより、第一の質量体２の振動を制振することが可能になる。
【００２７】
制御器２７が算出したアクチュエータ１４の力が、アクチュエータ１４をダンパとして機能させたときに出すことができる減衰力の範囲内にあるとき、リレースイッチ２５は、アクチュエータ１４に抵抗器２６を接続し、アクチュエータ１４をダンパとして機能させる（図５（Ａ）参照）。抵抗器に可変抵抗器を用い、抵抗の値を変化させることによってダンパの粘性を変えてもよい。
【００２８】
制御器２７が算出したアクチュエータ１４の力が、アクチュエータ１４をダンパとして機能させたときに出すことができる減衰力の範囲を超えたとき、リレースイッチ２５は、アクチュエータ１４にコンデンサ２４を接続し、コンデンサ２４の蓄えた電圧を利用して、アクチュエータ１４をアクティブに制御する（図５（Ｃ）参照）。ただし、アクチュエータ１４の誘導電圧Ｅ2がコンデンサ２４の電圧Ｅcよりも大きいときは、アクチュエータ１４からコンデンサ２４に電流が逆流してしまう。このときは、アクチュエータ１４をダンパとして機能させるために、リレースイッチ２５がアクチュエータ１４からコンデンサ２４を切り離し、抵抗器２６に切り替える（図５（Ｂ）参照）。
【００２９】
図７は、本発明の第二の実施形態の防振装置のモデル図を示す。この第二の実施形態の防振装置においては、第一の質量体２、第一のばね４及びエネルギー回生ダンパ３から構成される主振動系に副振動系としてダイナミックダンパが取り付けられる。すなわち、第一の質量体２には、付加質量体３１が取り付けられる。第一の質量体２と付加質量体３１との間には、アクチュエータ３２と第二のばね３３とが並列に配置される。ベース１と第一の質量体２との間に配置される第一のばね４、及びエネルギー回生ダンパ３の構成は上記第一の実施形態の防振装置のモデルと同一である。
【００３０】
この第二の実施形態の防振装置においても、エネルギー回生ダンパ３が発電した電気エネルギーはコンデンサに蓄えられる。アクチュエータ３２はコンデンサが蓄えた電気エネルギーを利用して、第一の質量体２の振動をアクティブに制御する。第一の質量体２及び付加質量体３１の変位はセンサによって検出される。制御器は、センサの出力信号に基づいて、付加質量体３１が第一の質量体２の振動とは逆の位相で振動するようにアクチュエータ３２を制御する。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更可能である。例えば、ベースと第一の質量体との間、第一の質量体と第二の質量体との間、又は第一の質量体と付加質量体との間には、パッシブ制御を行うダンパを配置してもよい。
【００３２】
転動体ねじ装置には、ボールねじの替わりに転動体にローラを用いたローラねじを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第一の実施形態の防振装置のモデル図
【図２】ボールねじの斜視図
【図３】ブラシレスモータに可変抵抗を接続した回路図
【図４】上記防振装置の回路図
【図５】リレースイッチの動作を示す回路図
【図６】第二の質量体を第一の質量体とは逆位相で振動させた状態を示す概念図
【図７】本発明の第二の実施形態の防振装置のモデル図
【符号の説明】
【００３４】
１…ベース，２…第一の質量体，３…エネルギー回生ダンパ，５…ボールねじ（転動体ねじ装置），６…ブラシレスモータ（発電機），７…ねじ軸，７ａ…ボール転走溝（転動体転走溝），８…ナット，８ａ…負荷ボール転走溝（負荷転動体転走溝），１０…ボール（転動体），１４…アクチュエータ，１５…第二の質量体，２１…整流器，２４…コンデンサ，２７…制御器，３１…付加質量体，３２…アクチュエータ
【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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