JPH0617705B2

JPH0617705B2 - 動的耐振装置

Info

Publication number: JPH0617705B2
Application number: JP60257539A
Authority: JP
Inventors: リドルサンダーコツクジヨン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-11-15
Filing date: 1985-11-15
Publication date: 1994-03-09
Anticipated expiration: 2009-03-09
Also published as: DE3540431C2; DE3540431A1; US4615504A; JPS61119835A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は物体への振動の影響を軽減または除去する装
置に関する。

〔発明の背景〕

ある種の精密機械や科学器機は外部振動に対して非常に
敏感である。一般に、機械またはその支持部のある部分
に機械的共振を起す高周波振動と、機械の基本構体の無
共振歪を起す低周波振動の２つの明らかな効果があり、
通常、一般に振動数が100〜1000Hzの前者の効果は薄い
ゴムパッド上に装置を取付けるという簡単な方法で効果
的に除去されるが、一般に２〜25Hzの振動数の構造物振
動により引き起こされる後者の効果を除去することは非
常に難しく、このため巧妙で受動的な耐振構造がいくつ
か開発されている。この発明のねらいもこの低周波振動
にある。

振動を隔離する最も簡単な方法はバネ常数入のバネ上に
隔離すべき装置（または台）を取付けることである。受
動系のエネルギー吸収を増すために、緩衝バネ装置や複
式バネ装置が使用されており、このような受動装置は相
当の効果をあげることができるが、装置または基台が若
干変位することになる。

第1a図に示すように、バネ常数入のバネに支持された質
量Ｍより成る受動構体の場合を考えると、問題は支持面
の変位y₂に応ずる質量Ｍの垂直変位y₁である。y₂が角振
動数ω、振幅a₂の高調波変位なら、応動変位y₁もまた振
幅a₁の高調波であり、y₁＝ａ_１ｅ^ｉωｔで示される。こ
ゝでｉはである。また次式が成り立つ。

式(1)の右辺の分母の括弧内は高振動数で大きく、従っ
てa₁は小さくなる。即ち、高振動数の隔離が良いが、で与えられる振動数w₀において、振幅a₁は無限になるた
め、実際の装置では何等かの制動を加えなければならな
い。制動係数を有する第1b図の制動系では、振幅で粘性力Ｆが作用する。制動系の応答は次式で与えられ
る。

振幅a₁はここでは複雑（即ち移相されている）である
が、共振点での振幅は次式のようになる。

実際には、制動係数の選択は低共振点の振幅（式３）と充分高い振動数の隔
離との妥協による。式２はが低共振振幅に要求される高い値のとき振幅a₁/a₂が１
になり、即ち振動振幅が減衰しないことを示す。バネ系
を複雑にするほど高振動数の隔離を良くすることができ
るが、共振点で生ずる振幅の問題は残る。

受動装置の欠点のいくつかを克服するために、種々の動
的耐振装置が開発されているが、一般にこれらの装置
は、振動を検出して拮抗力を生成することにより振動を
起す力を相殺するようになっている。このような動的装
置は特殊な構造的共振（即ち上記共振状態の比較的高い
振動数）を除くために使用されて来たが、このような装
置では、補正力が電磁線輪や圧縮ガス変換器を使用して
生成されている。

〔発明の概要〕

物体の基準面に対する振動を低減する動的耐振装置はブ
ラケットのような手段により物体に取付けられた加速度
計を含み、その加速度計に質量体が結合され、その加速
度計がその質量体の軸方向の加速度に応じてそれに対応
する出力を発生するようになっている。さらにその装置
は取付手段と基準面との間に結合されて検出された質量
体の加速度に拮抗する軸方向の力を発生する変換器を有
する。

〔推奨実施例の詳細な説明〕

第２図において、振動の影響を受けない台または科学器
械のような物体100がゴム製ブロック102に支持され、そ
のゴムブロック102が金属支台104に支持され、さらにそ
の支台は物体100が置かれた室の床面のような基準面106
上に置かれている。

物体100には動的耐振装置10が結合され、その物体の振
動の効果に拮抗するようになっている。即ち、ブラケッ
ト12がボルトその他の手段により物体に固定されている
が、このブラケット12は物体と一体とすることもでき
る。ブラケット12は任意の形状をとることができるが、
第１図には片脚14が物体100から突出したほぼＬ字型の
ものとして示されている。脚部14の上面には、例えば１
Kgの鐘状金属片の質量体18を支持する加速度計16が配置
されている。この加速度計は質量体18の加速度を表わす
電気出力信号を発生し、この信号は後述のように帰還ル
ープに供給されて電気機械変換器を制御する。

第３図に示すように、加速度計16はブラケットの脚部14
上に置かれた低い支持ブロック34を含み、この支持ブロ
ックの上面の中心位置から側面の一方（第２図参照）に
貫通する開孔36を有する。この支持ブロック34上にはガ
ラスのような熱的絶縁材料の第１の部材38が配置されて
いる。この絶縁部材38には支持ブロック34の上面の開孔
36に整合する開孔39がある。第１の絶縁部材38上には、
その第１の絶縁部材38と支持ブロック34の開孔に整合す
る開孔41を有する鋼製のスラストブロック40が配置さ
れ、これらの開孔には一端はスラストブロック40に電気
的に接続された第１の導線42が貫通している。

スラストブロック40上には圧電変換器44が置かれてい
る。この変換器44は軸方向に分極された銀被覆圧電円板
である。耐振装置10の最低機械的共振点は、適当な利得
を帰還ループに与え得るように10KHz以上でなければな
らない。このためには圧電材料44は曲げ方式（バイモル
フ装置）では柔軟すぎるので圧縮方式で使用する必要が
ある。スラストブロック40に接する円板44の銀被覆底面
は、環状部46においてその銀が除かれ、銀の中央円板部
48を環状部50が包囲する形にされている。環状部46は銀
被覆の中央部48が開孔41の上にあってスラストブロック
40に電気的に接触しないように設けられている。中央の
銀被覆膜48には第２の導線52の一端が接続され、円環状
銀被膜部50はスラストブロック40に電気的に接触してい
る。圧電変換器44の他方の主面は部材38と同様であるが
開孔のない第２の熱的絶縁部材54に接し、このガラス製
ブロック54の他方の面上に上部支持ブロック56が乗って
いる。第２図の判るように、質量体18はこの上部支持ブ
ロック56の上に載置され、加速度計16の各成分と共に軸
32を中心に配置されている。

代表的な圧電材料はピロ電気性のため、絶縁材料38、54
は圧電変換器44を熱絶縁して圧電材料内の温度変動によ
り発生し得る疑似電圧を減少させる。しかしこの装置は
さらに温度補償されている。すなわち、装置周辺に何等
かの温度変化があれば、圧電円板44の２つの主面に大き
さ等しく極性反対の電荷を、領域48と50には等しい電荷
を発生して、出力信号の正味変化を生じなくする。

第２図に戻り、電気機械変換器20は脚部14の下面に結合
され加速度計16から供給された電気信号に応じてブラケ
ット12に力を誘起する。例えばこの電気変換器のある型
式のものは下向きのコーン21を有し、脚部14の下面に固
定された拡声器であるが、電磁線輪や空気シリンダのよ
うな他の型式の変換器も使用することができる。変換器
20は下からブロック22で支持されており、このブロック
は拡声器の場合、そのボイスコイルに密着してコーンの
中央に接着されている。ブロック22の拡声器と反対側の
面には、磁性材料から成る半球24の平坦面が取付けられ
ている。半球の曲面は基準面106上の円環28およびその
中に配置された磁石30より成る支持構体26に接してい
る。磁石30は詳細に後述する方法で円環28に摩擦結合さ
れ、半球24に磁気接触している。耐振装置10の各成分は
半球24と磁石30との接触点を通る軸32を中心に配置され
ている。第２図の装置10の向きにおいては、軸32が基準
面106に直角な垂直方向に延びている。

質量体18の振動に応答する加速度計16からの出力信号は
修正信号として電気機械変換器20へ帰還される前に、第
４図と同様の電気回路によって処理される。基本処理は
若干高い振動数と低い振動数の減衰を伴う積分である。
加速度計16からの導線42、52は回路の入力端子INと接地
点に接続されている。圧電素子44はキャパシタンス(C)
であるから、回路は並列抵抗(R)を備えて直流状態を画
定する必要がある。この素子が応答する最低周波数1/RC
は補償すべき振動の最低周波数成分よりも低く選ばねば
ならない。抵抗Ｒは平均自乗雑音電圧を生じる。こゝで、である。Ｃ≒1nFの代表値に対して、雑音電圧は役４μ
ｖ程度である。質量体18は、測定すべき最小加速度によ
りこの制限雑音値よりも大きい信号が得られるように充
分大きくしなければならない。

従って、前段増幅器A1は圧電変換器44に結合された1000
MΩの入力インピーダンスを有し、可変利得相互コンダ
クタンス演算増幅器A2は入力を前段増幅器A1の出力に結
合され、出力を積分器A3に結合されている。積分器の入
力の信号は所定限度（通常１Hz）より高い周波数の信号
だけを通過させる濾波器R1、C1により濾波される。積分
時定数C₂R₂はほぼ１またはそれより大きくなければなら
ない。

積分器A3の出力は直列抵抗R3を介して出力増幅器A4の入
力に接続され、増幅器A4の入力は抵抗R4並びにコンデン
サC5と抵抗R5の直列回路を介して接地されている。抵抗
R3、R4、R5及びコンデンサC5は約200Hz以上の高周波減衰
を行う分周器チェーンを形成し、高周波発振が始まる前
に帰還ループに高い利得が使用されるようにする。増幅
器A4の出力は変換器20に接続されている。

出力段A4は極めて高い電力変換効率を与える切換式増幅
器である。この段は30ワットまで取出せるが、（物体へ
の最大加速度が20Hzで約10cm/sec²である実験室内で
は）通常状態で必要な電力は１ワット以下で充分であ
り、全電力を要するのは通常（例えば手による接触で）
支持された物体100に直接供給される力に対する絶縁の
場合だけである。平均電力と最大電力との間に大きな差
があるので、装置10の電源として再充電可能な蓄電池お
よび平均消費を補うのに充分な電力を提供する細流充電
器を使うと便利である。

動的振動隔離装置と受動振動隔離装置との間には２つの
非常に重要且つ基本的な相違がある。式(2)から（上記
のように）隔離が受動装置にとって効果的であるなら
ば、は大きすぎてはいけないことが判るが、式(4)は動的装
置では減衰期間を任意に大きく（k₁を大きく）して減衰
が増大と共に隔離を改善することもできることを示して
いる。この相違は、受動の場合には減衰が質量体と基準
面106との相対速度に比例するのに反し、動的の場合に
は減衰が絶対速度に比例するために生じる。絶対速度は
仮想慣性面に対する速度として考えられる。即ち、動的
装置の高い減衰は慣性基準面に強く結合していることに
等価のため、隔離が良い程結合は強くなる。

この相違から、受動的に支持された質量体はその支持体
上に浮動し、動的に支持された質量体は本質的に固定さ
れることが明白である。この相違は外力が直接支持され
た質量体に（例えば、手による接触、電線、ポンプライ
ン等により）供給されるとき明らかになる。受動装置で
は振動数ω>>ω₀で質量体に供給される力F＝Ｆ_０ｅ
^ｉωｔの発生する加速度d²y₁/dt²＝Ｆ／Ｍは支持系によ
って減衰されないが、動的装置では支持された物体に直
接供給される力が常に支持装置を介して入る力に等しい
ため、補償されている。

質量体18(m)は圧電変換供給44により支持されているの
で、変換器に生ずる電圧Ｖは質量体の絶対加速度（d²y₁
/dt²）に比例する。この電圧は積分されて電流Ｉ〜∫Ｖ
dtを発生し、これが電気機械変換器20に力k₂Iを発生す
る。こゝでk₂は定数である。従って装置10の運動を示す
式は次の通りである。

上式においてこゝでk₁は積分器の利得により決定される定数である。
従って、この式から駆動振幅y₂＝d₂e^iωtに対する応答振幅a₁は
簡単に次式で示される。

従って、振幅a₁はk₁（利得）の増大と共に減少する。

第２図に示すように装置を設計すると、第４図の回路の
出力が電気機械変換器20内に質量体18内の振動力即ち物
体100のそれに逆向きの力を発生する。変換器20に生成
される力および加速度16により測定される質量体18の加
速度成分はともに共通軸32の方向にあり、その力は支持
面106とブラケット12との間で作用しなければならない
ので、変換器のブラケット12と反対側の端が、共通軸32
の方向に固定され、この方向に直角な方向に自由なよう
に表面106に結合される必要がある。半球24はこの横方
向のコンプライアンスを提供する。半球24は支持ブロッ
ク22の横変位中に磁石30上で動揺して拡声器のボイスコ
イルを回転させるようになるが、その横変位が過度の間
は磁石30上で滑動して拡声器への損傷を防ぐ。

磁石自体は床に固定するか、または第２図に示すように
力が大き過ぎるとき必ず共通軸32に沿って滑動し得る摩
擦結合で保持して、物体に印加される過度の力による装
置が損傷するのを妨げばよい。明らかにこの磁石30と支
持輪28との摩擦力は半球24と磁石30との磁気結合力より
小さくなければならないが、変換器20により発生される
最大の力よりも大きくなければならない。半球24、磁石
30および支持輪28の組合わせは基準面106と変換器20と
の間で完全に自動整列結合を形成する。

第２図の装置10は軸32の方向にだけ力を減衰させるが、
第５図に示すような３次元構体100′では運動の自由度
が６である（平行移動の自由度が３で回転の自由度が
３）から、振動隔離のためには少くとも６台の耐振装置
10が必要であるが、得られる補正力を増すためにそれ以
上を使用することもある。

第５図に示す便利な装置には８個の装置が含まれてい
る。基台のような物体100′がゴムと鋼製の支柱102′、
104′によって４隅で支持され、その一方の側面の点20
1、202に矢印で示す垂直方向の隔離を行うため２個の耐
振装置10が第２図と同様な方法で取付けられ、その反対
側の側面の点203、204の位置にも同様に２個の装置10が
垂直に取付けられている。さらに、４側面の中心点211
〜214にも４個の耐振装置10が取付けられ、水平方向の
矢印で示すように水平振動を隔離するようになってい
る。水平に作用する装置ではブラケット12その他の装置
の部品が第２図の向きから90度回転していることは明ら
かである。水平装置では磁石30を保持する摩擦結合を面
106上の円環28の支持体が要求されるように適当に変更
する必要がある。

この８台の装置を物体100′に取付けると、あらゆる直
線および回転振動力が各加速度計で検出され、対応する
変換器に適正な拮抗力が発生される。

【図面の簡単な説明】

第1a図および第1b図は従来技術の受動型耐振装置の略
図、第２図はこの発明による一例装置の部分断面側面
図、第３図は第２図の装置の加速度計の拡大図、第４図
はこの発明の装置の制御に使用される電気回路の配線
図、第５図は自由度６の減振を行うため第２図の装置を
複数個結合した装置の斜視図である。 10…動的耐振装置、12…ブラケット、16…加速度計、18
…質量体、20…変換器、32…軸、100…物体、106…基準
面、211、212、213…物体上の点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−97341（ＪＰ，Ａ) 特公昭56−41855（ＪＰ，Ｂ１) 特公昭58−33123（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許2964272（ＵＳ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基準面に対する物体の振動を低減する動的
耐振装置に於て、前記物体に取付けられたブラケットと、前記ブラケットに結合された加速度計と、前記加速度計によって支持された質量体とを含み、前記
加速度計は圧電変換器と、前記ブラケットに支持された
第１の熱的絶縁部材と、前記第１の熱的絶縁部材に接触
し且つ支持された第１面及び前記圧電変換器に接触する
第２面を有する導電性スラストブロックと、前記圧電変
換器に接触し、前記質量体を支持する第２の熱的絶縁部
材とを有し、前記加速度計は該質量体の前記基準面に垂
直な軸方向の加速度を検出して該加速度に対応する出力
信号を発生し、更に前記ブラケットと前記基準面との間に前記軸方向を中心
に配置結合され、質量体の検出された加速度を減少する
力を発生する手段とを含み、該手段が前記加速度に対応
する出力信号に応答して検出された加速度を減少する力
を発生する電気機械変換器と、該電気機械変換器により
発生された力を分離して前記軸方向の力成分のみにする
手段とを有し、更に物体と基準面との間に延在する物体
支持を含み、該支持が物体と基準面との間に弾性材料ブ
ロックを有する動的振動装置。
【請求項２】前記力を分離する手段が、半球表面を有し、前記変換器から離れた該半球表面に該
変換器を突合せるブロックと、前記基準面上で、前記ブロックの半球表面に接触する支
持構体とを有する特許請求の範囲（１）に記載の動的振
動装置。
【請求項３】半球表面をもつブロックの一部が磁性材料
より成り、支持構体が前記半球表面に接触する磁石を有する特許請
求の範囲（２）に記載の動的振動装置。
【請求項４】支持構体が支持体を含み、前記磁石は該支
持体と摩擦接触をして磁石が前記軸に平行に該支持体に
対して移動することが出来る特許請求の範囲（３）に記
載の動的振動装置。