JP2000249186A

JP2000249186A - 無指向吸振器

Info

Publication number: JP2000249186A
Application number: JP11056861A
Authority: JP
Inventors: Masami Masuda; 正美桝田; Koji Miyaguchi; 孝司宮口
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2000-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】これまでの吸振器は主振動系の振動方向ごと
に個別の振動系を付加しなけばならず多自由度系の制振
対策が必要な場合には、吸振器をいくつか組み合わせる
方法が取られていたが、傾斜した場合や、振動の方向が
変化する場合などは十分な効果を発揮できなかった。【解決手段】筐体内部にある錘体を該錘体より比重の
高い粘性流体中で浮遊させることにより、多方向に対し
て、粘性流体のスクイーズ効果を十分に発揮できる吸振
器を開発した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】機械・機器などの装置類や、
建築物や橋梁などの構造物に生ずる振動の制振効果を図
る吸振器に関し、とくに多自由度方向への振動抑制を目
的とした吸振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】吸振器は振動を吸収する手段として、こ
れまでにも広く使用されている。その原理は、振動して
いる振動系の主振動体に、新たに振動質量、弾性要素及
び減衰要素によりなる付加振動系を追加することによ
り、振動系の主振動体の共振周波数近傍における振動振
幅を減少させるものである。この主振動系と付加振動系
からなる系を２自由度２次系の振動系とみなすと、運動
方程式は数１及び数２で表される。

【０００３】

【数１】

【０００４】

【数２】

【０００５】ここで、ｍ₁，ｍ₂ ：主振動系および付加振動系の振動質量（ｋｇ）ｘ₁，ｘ₂ ：主振動系および付加振動系の変位（ｍ）ｄｘ₁／ｄｔ，ｄｘ₂／ｄｔ：主振動系および付加振動系の速度（ｍ／ｓ）ｄ²ｘ₁／ｄｔ²，ｄ²ｘ₂／ｄｔ²：主振動系および付加振動系の加速度（ｍ／ｓ² ）ｂ₁₂：付加振動系の減衰係数ｃ₁，ｃ₁₂：主振動系及び付加振動系の弾性係数 ω：強制振動周波数Ｐ／ｃ₁：主質量の静的たわみ

【０００６】付加される吸振器は、下記の３つに大別で
きる。すなわち振動質量、弾性要素により構成されるも
の（ｃ₁₂ ≒０の場合）、振動質量、弾性要素および減
衰要素により構成されるもの、3)振動質量、減衰要素に
より構成されるもの（ｂ₁₂≒０の場合）であり、それぞ
れ吸振効果に差異がある。

【０００７】これまで、このような主振動系の振動方向
ごとに一つの付加振動系を付加して、吸振効果をもたせ
ており、例えば、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸といった３軸方向の
振動を抑えるには、各軸方向毎に１種、合計３種の付加
振動系を付加するといったことが一般的に行われてい
た。

【０００８】これに対し、ばねの無い吸振器はランチェ
スタ吸振器と呼ばれ、中ぐり棒やフライス盤の振動を除
去する目的等に用いられ、その構造から２方向の広い振
動周波数帯域にわたって吸振効果を発揮することが多
い。図１にランチェスタ吸振器の構造を示すが、この吸
振器には円筒または直方体形状の中空の空間があり、当
該空間内に微小な間隙をもって重錘体が収納されてお
り、両者間の微小間隙に充填された粘性流体あるいは両
者間の固体摩擦により、減衰効果をもたせている。

【０００９】しかしこの吸振器では、粘性流体のスクィ
ーズ効果あるいは固体摩擦効果を、３軸方向に等しく作
用させることができず、３軸方向に等しく吸振効果を発
揮することはできない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】５軸制御工作機械の加
工ヘッドやショベルカーのアーム部、ロボットアーム、
パラレルメカニズムのテーブルや工具ヘッドなどのよう
に、多自由度系の振動対策が必要な場合には、上記のよ
うな理由から、従来方式のランチェスタ吸振器では十分
な吸振効果は期待できない。

【００１１】このため、従来技術によれば各軸方向の制
振が可能な吸振器を複数個組み合わせる、あるいは上記
装置類において、機能上振動が多少あっても、許容され
る軸方向には、振対策をせず、問題となる軸方向のみ制
振対策を施す、といった方策が採られており、３軸方向
に等しく吸振効果を得るための適切な吸振器が存在しな
かった。このため、吸振器がある規定位置では制振可能
であっても、傾斜したときには制振機能が働かないなど
の問題があった。

【００１２】本発明の目的は、上述した課題に対して、
３軸方向のいずれの方向に対しても相等の減衰効果を発
揮できる無指向性の吸振器を提供することにある。ま
た、共振周波数が多少変動した場合であっても、制振効
果が維持されることも必要である。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、数１及び２
においてｃ₁₂ ≒０とした、付加弾性要素のない付加振
動系を持つ吸振器、いわゆるランチェスタ吸振器を応用
している。すなわち該ランチェスタ吸振器において、付
加振動質量および付加減衰要素が、いずれの振動方向に
対しても相等の値を持つようにし、これにより上記した
従来技術の欠点を解決している。

【００１４】

【発明の実施の形態】最初に、本発明の原理について述
べる。

【００１５】数１及び２におけるｃ₁₂ ≒０としたラン
チェスタ吸振器を主振動系に付加したとき、該主振動系
の振幅が最小値をとるための、付加減衰要素の最適な減
衰係数ｂ₁₂は、数３で与えられる。ここで、ω_nは主振
動系の固有角振動数とする。

【００１６】

【数３】

【００１７】主振動系における振動質量の３軸方向の並
進振動に対して、いずれも数３で与えられる最適な減衰
係数ｂ₁₂に、同じような制振効果をもたせるには、ラン
チェスタ吸振器における付加振動質量および付加減衰要
素が、各軸方向に対して等しくその吸振効果を発揮しな
ければならない。なお本発明では、回転方向の振動は制
振対象としない。つぎに本発明の吸振器の一実施例につ
いて述べる。

【００１８】本発明の実施例を図２に、またその分解図
を図3に示すが、両図において、椀形状をした筺体８と
筺体１０は、中心を通る断面で２分割された１／２の凹
球面形状をもち、この筐体８の合わせ面には凹球面形状
と同心の凸インロウ17、筐体１０の合わせ面には、凹球
面形状と同心の凹インロウ18、およびその外周にＯリン
グ溝20が設けられており、双方のインロウ１７と１８が
嵌合したとき、共通の中心をもち、ほぼ完全な凹球面を
構成するとともに、Ｏリング溝に挿入されたＯリングに
より、構成された凹球面の内部の気密が確保されるよう
にできている。この筐体８と筐体１０とで構成された凹
球面の内部には、該凹球面よりわずかに小さな直径をも
ち、比重の大きな金属製の球状錘体12が収納されてお
り、前記筺体Ａと筐体Ｂとは、複数のボルト9にて締結
・固定されている。

【００１９】このように球状錘体12、筐体８及び筐体１
０が組み立てられた後、これら３者間で形成される間隙
１１１に、筐体８の上方にある注入孔13より液体金属が
凹球面の底部より高さＨまで注入され、そののち潤滑油
が注入されて、注入孔１３及び空気孔１４はボルト6及
びボルト7により封印される。

【００２０】ここで、球状錘体の半径をＲ、球状錘体の
比重ρ_b、液体金属の比重をρ_m、ρ _bとρ_m比をρ_b/ρ_m
＝α（＜１）とし、潤滑油の重量の重量を無視すると、
上述の高さＨが数４を満足するＨの値をとるとき、間隙
１１１を満たした液体金属の中に球状錘体が浮遊する。

【００２１】

【数４】

【００２２】因みに、Ｒ＝５０ｍｍ、ρ_b＝７．８、ρ_m
＝１３．６とすると、Ｈ＝５４．９ｍｍとなる。

【００２３】なお、所望の減衰効果を得ることのできる
適切な間隙の値は、以下のようにして決まる。

【００２４】微小な間隙に粘性流体が満たされ、この微
小間隙が急激に変化しようとするとき、スクイーズ効果
と呼ばれる大きな抵抗を示し、振動時には吸振機能をも
たらす。粘性流体により満たされた２枚の対向する平行
円板間が近接ないし離反するときに、該平行円板の法線
方向に作用する力Ｆは、スクイーズ効果により数５で与
えられる。

【００２５】

【数５】

【００２６】ここで、 η：流体の粘度（ｋｇ／ｍ・ｓ）Ｄ：円板の直径（ｍ）ｅ：間隙（ｍ） du/dt：円板の法線方向に近接ないし離反するときの速
度（ｍ／ｓ）

【００２７】数５において、力Fは速度du/dtに比例する
ことから、右辺のｄｕ／ｄｔの係数は減衰係数に相当す
るので、数3と数５を対比することにより、数６が得ら
れる。

【００２８】

【数６】

【００２９】この数６において、制振対象の固有振動数
ω_n近傍において、球状錘体の質量（すなわち付加振動
質量）ｍ₂を主振動質量ｍ₁の１/２〜１/３とし、間隙
ｅ、流体の粘度η、球状錘体の直径Ｄ（＝２Ｒ）を決定
するとよい。とくに、比重の大きな材質を球状錘体に用
いることにより、体積が小さく制振効果の大きな吸振器
が得られる。しかし、結果的には、球状錘体に用いられ
る材質の比重に比し、等しいか或いはより大きな比重の
流体を間隙に満たす必要があり、上述したように、液体
金属や、アマルガム等の液体金属の化合物、あるいは磁
性流体などに、流体の種類が限定される。

【００３０】なお、球状錘体に比し比重の大きな流体を
使用すると、間隙の上方部に流体が満たされない空隙
（すなわち上述高さＨより上方の間隙部分）が存在する
が、この空隙には、比重が小さく該流体とは反応および
溶解しない粘性流体を満たすことにより、吸振器の減衰
特性をさらに高めることができる。

【００３１】このように、球状錘体と筐体との間隙に流
体を充填し、該球状錘体を浮遊させることにより、方向
性のない吸振特性を得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】図5はパラレルメカニズムに該吸振器の
取りつけた一実施例であり、図4は上述した吸振器を、
振動物体の振動の腹近傍に取り付けたときの振動挙動を
示す。図4の縦軸は剛性の逆数（コンプライアンス）を
示す。図４より、吸振器を取り付けることにより、制振
効果の大きな周波数特性が得られていることが分かる。

【００３３】この吸振器は振動物体の任意の位置に取り
付け可能であり、吸振性能が等方的であるため、ロボッ
トハンドやマニュピレータ、クレーン、土木機械等に取
り付けることにより、振動を除去するのに有効である。

【００３４】以上、主振動系質量が３軸方向にほぼ類似
の振動挙動をとるとして、方向性のない吸振器の実施例
を述べた。しかし現実の振動物体は、このような指向性
のない振動挙動よりも、むしろ指向性に富んだ振動挙動
を示すことも多い。

【００３５】次に本発明のもう一つの実施例を、図6を
用いて、説明する。

【００３６】筐体31の内部には、直方体状空間を有し、
この直方体状空間の外周部には矩形状Ｏリング溝27が加
工されている。該筐体内部に僅かに小さい直方体状の鉄
製錘体32が収納されており、両者で形成される微小間隙
には、液体金属が鉄製錘体の高さの５７％（＝鉄の比重
／液体金属の比重）まで充填され、その上の間隙には潤
滑油29が充填された後、その上方から平板33で覆い、該
平板と筐体31とはボルト26にて結合されることで、該錘
体を浮遊させている。ここで、間隙の寸法や付加振動質
量となる錘体の寸法などは、前述したと同様の設計手法
により決定される。すなわち、３軸方向に対して、付加
振動質量を変えることはできないが、各軸の振動方向の
間隙の寸法、およびこの間隙を構成する対向面積を変え
ることで、各軸方向の振動モードに適した吸振効果を得
ることができる。

【００３７】この場合、吸振器に指向性を持たせるこ
とができ、吸振器の取り付ける個所が回転しないかある
いは回転運動が制限された装置、例えば工作機械などに
用いると、効果的な振動抑制ができる。

【００３８】本発明は、付加振動質量が上述したような
球状あるいは直方体形状に限定されるものではなく、立
方体や正多面体、あるいは結晶構造様の１２面体、１４
面体などの異形状であっても、その効果を失うものでは
ない。また、間隙を構成する対向面の一部に溝状の逃げ
を設けて、減衰に効果的な対向面積を減らすことによ
り、この方向の減衰効果を低減させた指向性のある吸振
器を作ることも可能である。

【００３９】また、このような筐体の内部を精度よく加
工するには、コストがかさむことが多い。このため、錘
体よりわずかに大きな寸法の中子を、モールド樹脂で満
たした筐体の内部に押し付け、モールド樹脂を硬化させ
ることにより、筐体内部に凹球面形状あるいはその他の
錘体の反転形状を簡易に微小空間をもって形成でき、上
記と同様の制振効果を得ることができる。

【００４０】また本発明は、筐体を制振対象物体に固定
しているが、球状錘体を固定し、筐体を付加質量とみな
しても、本発明の効果を失うものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】中ぐり棒中の従来型ランチェスタ吸振器

【図２】無指向吸振器の構造

【図３】無指向吸振器の分解図

【図４】無指向吸振器の効果

【図５】パラレルメカニズムに取りつけた無指向吸振器

【図６】直方体指向性吸振器

【符号の説明】

１中ぐりバイト２中ぐり棒３微小間隙４円柱錘体５ふた６ボルト７ボルト８筐体９ボルト１０筐体１１液体金属１１１間隙１２球状錘体１３注入孔１４空気孔１５キリ穴１６ねじ穴１７凸インロウ１８凹インロウ１９Ｏリング２０Ｏリング溝２１凹球面２２ボルト２３無指向吸振器２４テーブル２５屈曲型パラレルメカニズム２６ボルト２７Ｏリング溝２８Ｏリング２９潤滑油３０液体金属３１筐体３２鉄製錘体３３平板整理番号Ｐ００００１Ｈ１１−３化学式等を記載した書面明細書

【数１】

【数２】

【数３】

【数４】

【数５】

【数６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮口孝司新潟県新潟市鐙西１丁目11番１号新潟県工業技術総合研究所内Ｆターム(参考） 2D059 AA05 GG12 3J048 AD07 BE03 BF09 BF11 DA06 DA10 EA13 EA38

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筺体と、その内部にほぼ一様の微小空隙を
もって収納された錘体と、該微小空隙の一部ないし全て
に、流体が充填され、該錘体を浮遊できるよにしたこと
を特徴とする吸振器。
【請求項２】前記流体のうちの一つの比重が、該錘体の
比重よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の吸
振器。
【請求項３】前記錘体が、球や正多面体、直方体のごと
くに、直交する３軸に対して軸対称形状をしていること
を特徴とする請求項１ないし２に記載の吸振器。
【請求項４】前記筐体が、鋳造やモールドなどのレプリ
カ技法により製作されたことを特徴とする請求項１から
３に記載の吸振器とその製法。
【請求項５】請求項４に記載の無指向吸振器において、
前記筺体ないし錘体のいずれか一方が固定された工作機
械、土木機械、自動車などの装置類ないし構造物。