JP2008190617A - アクティブ制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、アクティブ制振装置に関し、簡易な構成で微振動を素早く抑制し、コストのかからないアクティブ制振装置を提供することが課題である。
【解決手段】制振対象物２に固定して取り付けられるピエゾアクチュエータ３と、制振対象物に固着される加速度センサー４と、前記ピエゾアクチュエータ及び前記加速度センサーにそれぞれ電気的に接続され前記制振対象物で発生した振動によって起こされる加速度センサーの信号に応じて前記ピエゾアクチュエータにフィードバックして制御された出力電圧を印可する圧電アンプ５とで構成されているアクティブ制振装置１とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、オフィス，クリーンルーム等を有する半導体工場若しくはバイオ関連施設や、病院若しくは介護施設等の床等における微振動をアクティブに制振するアクティブ制振装置に関するものである。

近年、梁の長大化等により、半導体工場や精密機械工場、病院における床振動が人に与える悪影響に関する問題がクローズアップされている。従来は、梁の剛性若しくは床剛性などのパッシブ制振の受動要素を用いた制振装置が実用化されている。例えば、制振用の重りとこの重りを弾性的に支持するバネ材とこれらを上下方向に移動自在に支持する框体とからなる床制振装置が知られている（特許文献１参照）。

また、前記床制振を効率的に且つ安全に、信頼性に優れた制振方法としてアクティブ制振方法が知られており、例えば、制御対象に取り付けられる基盤と、該基盤に立設された支柱と、この支柱に支持される駆動コイルと、この駆動コイルが挿入され前記支柱に上下動自在に設けられた錘となるダンパ本体と、このダンパ本体に設けられこのダンパ本体を励磁する励磁コイルと、ダンパ本体を前記基盤に弾性的に支持する付勢する部材と、前記駆動コイルに制御力を入力するコントローラとを備えたアクティブ制振装置が知られている（特許文献２参照）。
特開平１０−３１７５０５号公報 特開２００１−３１７５８４号公報

しかし、従来のパッシブ制振装置では、床の挙動に応じて最適な値にチューニングされていないと、十分な性能が期待できないおそれがある。また、従来のアクティブ制振装置では、経済的にコストが嵩み、周辺装置も含めると大掛かりなシステムを構築しなければならない。更に、ピエゾアクチュエータを利用したアクティブ制振装置の開発については、アクティブ制御コントローラやハードの設計に高度な技術と高い費用とが必要となる。本発明に係るアクティブ制振装置は、このような課題を解決して高い制振性能を発揮して、人が不快に感じる微小な床振動を効果的に低減するために提案されたものである。

本発明に係るアクティブ制振装置の上記課題を解決して目的を達成する要旨は、制振対象物に固定して取り付けられるピエゾアクチュエータと、制振対象物に固着される加速度センサーと、前記ピエゾアクチュエータ及び前記加速度センサーにそれぞれ電気的に接続され前記制振対象物で発生した振動によって起こされる加速度センサーの信号に応じて前記ピエゾアクチュエータにフィードバックして制御された出力電圧を印可する圧電アンプとで構成されていることである。

前記ピエゾアクチュエータは、制振対象物の床を支持する梁に所要間隔で離間させて立設した剛性ブロック間に、当該ピエゾアクチュエータの軸心方向に圧縮力のみが負荷された状態で架設されていること、；
前記ピエゾアクチュエータの軸心方向に、予圧ジャッキが介装されてピエゾアクチュエータが剛性ブロック間に架設されていること、；
前記ピエゾアクチュエータと剛性ブロックとの接触部分には、当該ピエゾアクチュエータに軸心方向にのみ圧縮力が作用するように、半球とこの半球に接触する断面Ｖ型の凹溝とが設けられていること、；
を含むものである。

本発明に係るアクティブ制振装置によれば、ピエゾアクチュエータと、加速度センサーと、圧電アンプとの、部品点数の少ない簡易なシステム構成で、一般の事務所建築や半導体工場，バイオ関連施設、若しくは病院等における、振動に対して要求性能が高い建物の床振動を効果的に低減することができる。従来のパッシブ制振装置のような手間の掛かるチューニングを必要としないので、制振性能が安定していて信頼性が高まる。
また、アクティブ制振において必要だった制御用コントローラや複雑な制御ソフトの開発も必要なく、極めて廉価に構成することができる。部品点数も少ないので、部品管理が容易であると共に、対象物に対する設置工数も短期で済むという優れた効果を奏するものである。

また、ピエゾアクチュエータは、制振対象物の床を支持する梁に所要間隔で離間させて立設した剛性ブロック間に、当該ピエゾアクチュエータの軸心方向に圧縮力のみが負荷された状態で架設されているので、ピエゾアクチュエータの取付が可能となり、その伸長により強いトルクが発生して剛性ブロックに力が効率的に伝達する。
ピエゾアクチュエータの軸心方向に、予圧ジャッキが介装されてピエゾアクチュエータが剛性ブロック間に架設されているので、このピエゾアクチュエータに圧縮力を容易に付与することができる。
ピエゾアクチュエータと剛性ブロックとの接触部分には、当該ピエゾアクチュエータに軸心方向にのみ圧縮力が作用するように、半球とこの半球に接触する断面Ｖ型の凹溝とが設けられているので、前記半球によって自動調心されて、ピエゾアクチュエータの設置が容易となって工期が短縮される。

本発明に係るアクティブ制振装置１の構成は、図１に示すように、建物の床等の制振対象物２に固定して取り付けられるピエゾアクチュエータ３と、制振対象物２に固着される加速度センサー４と、圧電アンプリファイヤ（以下、アンプ）５と、これらに給電する電源装置６とから、概ね構成されている。

前記ピエゾアクチュエータ３及び前記加速度センサー４は、前記圧電アンプ５にそれぞれ電気的に接続されている。前記制振対象物２で発生した振動によって起こされる加速度センサー４の信号に応じて制御電圧指令として前記圧電アンプ５で増幅され、それにより増幅された制御電圧がピエゾドライバ５ａ（圧電アンプに組み込まれている）を介して前記ピエゾアクチュエータ３にフィードバックされ印可される。

前記ピエゾアクチュエータ３は、図２に示すように、制振対象物の床を支持する梁（Ｈ型鋼、Ｉ型鋼）２に所要間隔で離間させて立設した剛性ブロック２ａ，２ｂ間に、当該ピエゾアクチュエータ３の軸心方向に圧縮力のみが負荷された状態で架設されている。このピエゾアクチュエータ３は、ピエゾ圧電効果を応用した位置決め素子であり、エネルギ変換効率の良いセラミック素子による積層型のピエゾアクチュエータである。また、この積層型ピエゾアクチュエータは、偏った力や剪断応力、張力には構造的に弱いので、軸力のみ作用するように設置するものである。

このように、積層型のピエゾアクチュエータ３は、引っ張りが作用するのを避けるために、圧力が掛かった状態で使用するので、予め、その軸心方向に、予圧ジャッキ７を介装させて、設置の際に容易に予圧を負荷することができるようにする。

前記ピエゾアクチュエータ３と剛性ブロック２ａとの接触部分には、当該ピエゾアクチュエータ３に軸心方向にのみ圧縮力が作用するように、真鍮製の位置決め用金具８，９を用意し、自動調心となるように、例えば鋼製の半球１０と、この半球１０に接触する断面Ｖ型の凹溝８ａ，９ａとが設けられている。

このような構成のアクティブ制振装置１の設置には、前記架設用の剛性ブロック２ａ，２ｂを梁２に用意する。既存の梁２に剛性ブロックが備わっていない場合には、溶接等の固着方法により、所要の間隔で離間させ、互いに対向面が平行になるようにして、剛性ブロック２ａ，２ｂを固着する。

前記剛性ブロック２ａ，２ｂ間に、位置決め用金具８，９とピエゾアクチュエータ３とを差し入れ、予圧ジャッキ７を前記位置決め用金具９と剛性ブロック２ｂとの間に介装させ、この予圧ジャッキ７のロッド７ａを伸長させて、全体を剛性ブロック２ａ，２ｂ間に架設し固定する。この設置作業を更に容易にするために、前記位置決め用金具８，９と、ピエゾアクチュエータ３と予圧ジャッキ７本体部を載置する載せ台（図２中で破線で示す）１１を形成しておいて、設置の際には、前記予圧ジャッキ７のロッド７ａを伸長させるようにすれば、作業者が一人でも設置することが可能である。

前記ピエゾアクチュエータ３の設置が完了すれば、前記加速度センサー４を梁２に貼着し、前記ピエゾアクチュエータ３と加速度センサー４とを圧電アンプ５へ電気的に接続し、この圧電アンプ５を電源装置６に接続しておけば、アクティブ制振装置１の設置が完了する。なお、この取り付けの手順は、変更可能であり、この手順に限定されるものではない。

前記アクティブ制振装置１は、図３乃至図４に示すように、振動に対する要求性能が高い床を支持する小梁２の長手方向に沿って、必要に応じて、複数個のピエゾアクチュエータ３が取り付けられる。そして、外乱によって前記加速度センサー４がそれを感知して、その信号を圧電アンプ５に送り、その外乱に見合った出力電圧が当該圧電アンプ５からピエゾドライバ５ａを介して制御電圧としてピエゾアクチュエータ３に印可される。

これにより床などに加わる微小な振動に対して、床揺れの応答を低減する。ピエゾアクチュエータ３は高速の応答性により位置決めされ、伸縮するので、衝撃振動のような外乱に対しても有効に作用する。また、ピエゾアクチュエータ３は、約５トン程度の荷重まで耐えられるものであり、且つ、アクチュエータの中でも上記のように最も早い応答性をもつので、微振動の制振には十分である。

本発明に係るアクティブ制振装置１は全体としてコンパクトに構成されるので、床下にわずかな隙間が有れば容易に設置することができる。そして、図５（Ａ），（Ｂ）乃至図７に、このアクティブ制振装置１による制御の有無による、加速度，フーリエ振幅の制振の様子を示す。この実験は、図５（Ａ）に示すように、ＳＳ４００Ｈ形鋼（Ｈ１００×１００×６×８）にピエゾアクチュエータ（寸法：２５×２５×２０ ｍｍ）を取付け、端部の起振器により正弦波加振時での外乱を発生させて、それによる梁の振動の揺れが、いかに低減されるかを実験するものである。また、図５（Ｂ）にその実験の概略的なブロックチャートを示す。

前記起振器によって起こされる外乱による、その近傍に設置した第１の加速度計における波形を図６（Ａ）に示す。そして、前記起振器の外乱が伝わった場合に、非制振状態（０〜１０秒）と制振状態（１０秒以後）における第２の加速度計の波形を図６（Ｂ）に示す。また、図７に非制振時及び制振時での記録波形のフーリエスペクトル結果を示す。このように、梁の第１次振動数（人体に不快感を与える）において、明確な効果が表れていおり、周波数領域での制振性能が確認できる。

本発明の他の実施例に係るアクティブ制振装置１ａとして、図８に示すように、床にバネ１３を介して吊持された錘１２によるパッシブ型制振装置に、ＭＲ（磁気粘性流体）ダンパ１４とピエゾアクチュエータ３とを追加して構成したものである。この様なアクティブ制振装置１ａにより、床に加わる振動により、前記ピエゾアクチュエータ３に制御電圧が印可されて力を発生し、床揺れと反対方向にバネマスを強制加振し、ＭＲダンパ１４の減衰力と組み合わさって、床揺れ応答を低減するものである。このように構成することで、パッシブ型制振装置をアクテイブ型制振装置に変換することが容易にできるものである。

本発明に係るアクティブ制振装置１の概略構成を示す説明図である。 同本発明のアクティブ制振装置１における、ピエゾアクチュエータ３の架設の様子を示す詳細な一部断面にした正面図である。 建物の床を支持する梁の様子を示す説明図である。 同小梁２に本発明のアクティブ制振装置１を複数箇所に取り付ける様子を示す側断面図（Ａ）と、正面図（Ｂ）である。 アクティブ制振装置１を使用したての実験の様子を示す説明図（Ａ）と、そのブロックチャート図（Ｂ）とである。 起振器の外乱による第１の加速度計の波形を示す波形図（Ａ）と、非制振と制振とにおける第２の加速度計の波形図（Ｂ）とである。 第２の加速度計の周波数分析を示す曲線図である。 本発明の他の実施例に係るアクティブ制振装置１ａの平面図（Ａ）と、正面視した縦断面図（Ｂ）と、原理図（Ｃ）とである。

符号の説明

１ アクティブ制振装置、
２ 制振対象物、
２ａ，２ｂ 剛性ブロック、
３ ピエゾアクチュエータ、
４ 加速度センサー、
５ 圧電アンプ、 ５ａ ピエゾドライバ、
６ 電源装置、
７ 予圧ジャッキ、 ７ａ ロッド、
８，９ 位置決め用金具、
８ａ，９ａ 凹溝、
１０ 半球
１１ 載せ台、
１２ 錘、
１３ バネ、
１４ ＭＲ（磁気粘性流体）ダンパ。

Claims (4)

1. 制振対象物に固定して取り付けられるピエゾアクチュエータと、
   制振対象物に固着される加速度センサーと、
   前記ピエゾアクチュエータ及び前記加速度センサーにそれぞれ電気的に接続され前記制振対象物で発生した振動によって起こされる加速度センサーの信号に応じて前記ピエゾアクチュエータにフィードバックして制御された出力電圧を印可する圧電アンプとで構成されていること、
   を特徴とするアクティブ制振装置。
2. ピエゾアクチュエータは、制振対象物の床を支持する梁に所要間隔で離間させて立設した剛性ブロック間に、当該ピエゾアクチュエータの軸心方向に圧縮力のみが負荷された状態で架設されていること、
   を特徴とする請求項１に記載のアクティブ制振装置。
3. ピエゾアクチュエータの軸心方向に、予圧ジャッキが介装されてピエゾアクチュエータが剛性ブロック間に架設されていること、
   を特徴とする請求項２に記載のアクティブ制振装置。
4. ピエゾアクチュエータと剛性ブロックとの接触部分には、当該ピエゾアクチュエータに軸心方向にのみ圧縮力が作用するように、半球とこの半球に接触する断面Ｖ型の凹溝とが設けられていること、
   を特徴とする請求項２乃至３のいずれかに記載のアクティブ制振装置。

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