特開 2024-40005 振動低減装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024040005

(43)【公開日】2024-03-25

(54)【発明の名称】振動低減装置

(51)【国際特許分類】

   F16F 15/02 20060101AFI20240315BHJP

   F16F 7/00 20060101ALI20240315BHJP

【ＦＩ】

F16F15/02 A

F16F7/00 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022144801

(22)【出願日】2022-09-12

(71)【出願人】

【識別番号】000004651

【氏名又は名称】日本信号株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000752

【氏名又は名称】弁理士法人朝日特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小川 千隼

(72)【発明者】

【氏名】湯浅 誉之

【テーマコード（参考）】

3J048

3J066

【Ｆターム（参考）】

3J048AA01

3J048BD01

3J048CB01

3J048CB24

3J048DA01

3J048EA07

3J066AA26

3J066BA01

3J066BB01

3J066BC03

3J066BD05

(57)【要約】

【課題】輸送対象の状態により共振周波数が変化する場合であっても輸送対象の振動を抑制する。
【解決手段】緩衝材１６、及び調整機１７は、対象物２と支持材３との間に配置される。緩衝材１６は、与えられた熱、環境の温度に応じて硬度が可逆的に変化するハイドロゲル等の温度応答性高分子を含む。調整機１７は、緩衝材１６の環境を調整することにより、緩衝材１６の硬度を調整する。対象物振動センサ１８１は、対象物２の１以上の箇所に取付けられ、対象物２が受ける振動を計測する。制御部１１は、対象物振動センサ１８１から対象物２の振動状態を示す振動データを取得し、この振動状態に応じて、対象物２が支持材３から受ける振動を低減させるように調整機１７を制御する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物と該対象物を支持する支持材との間に配置され、環境に応答して弾性率を可逆的に変化させる緩衝材と、
前記対象物が前記支持材から受ける振動を低減させるように前記緩衝材の環境を調整する調整機と、を有する振動低減装置。

【請求項2】

前記緩衝材は温度応答性高分子を含み、
前記調整機は、前記環境のうち、前記緩衝材の温度を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の振動低減装置。

【請求項3】

前記調整機は、前記弾性率を前記対象物、及び前記支持材の形状に基づいて予め算出された共振周波数に対応する範囲の所定弾性率にして前記振動を低減させるように前記環境を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の振動低減装置。

【請求項4】

前記対象物が前記支持材から受ける振動を感知するセンサを有し、
前記調整機は、前記センサにより感知された前記振動を低減させるように前記環境を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の振動低減装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動低減装置の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

精密機器は、例えば、輸送時等に振動を受けて故障し易いものが多い。比較的重量のある精密機器を防振するための技術として、例えば、特許文献１、２等が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－３７０３９号公報

【特許文献2】特開２０１５－２１５７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１、２に記載された技術は、機械的構造の工夫により、特定の振動を減衰させる構造を有する。しかし、これらの技術は、例えば、輸送時の状態により共振周波数が変化するような場合には対応できないことがある。

【0005】

本発明の目的の一つは、輸送対象の状態により共振周波数が変化する場合であっても輸送対象の振動を抑制することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、対象物と該対象物を支持する支持材との間に配置され、環境に応答して弾性率を可逆的に変化させる緩衝材と、前記対象物が前記支持材から受ける振動を低減させるように前記緩衝材の環境を調整する調整機と、を有する振動低減装置、を第１の態様として提供する。

【0007】

第１の態様の振動低減装置によれば、輸送対象の状態により共振周波数が変化する場合であっても輸送対象の振動を抑制することができる。

【0008】

第１の態様の振動低減装置において、前記緩衝材は温度応答性高分子を含み、前記調整機は、前記環境のうち、前記緩衝材の温度を調整することを特徴とする、という構成が第２の態様として採用されてもよい。

【0009】

第２の態様の振動低減装置によれば、温度を調整することで、共振周波数が変化しても輸送対象の振動を抑制することができる。

【0010】

第１の態様の振動低減装置において、前記調整機は、前記弾性率を前記対象物、及び前記支持材の形状に基づいて予め算出された共振周波数に対応する範囲の所定弾性率にして前記振動を低減させるように前記環境を調整することを特徴とする、という構成が第３の態様として採用されてもよい。

【0011】

第３の態様の振動低減装置によれば、緩衝材の環境は、対象物、及び支持材の形状に基づいて予め調整される。

【0012】

第１の態様の振動低減装置において、前記対象物が前記支持材から受ける振動を感知するセンサを有し、前記調整機は、前記センサにより感知された前記振動を低減させるように前記環境を調整することを特徴とする、という構成が第４の態様として採用されてもよい。

【0013】

第４の態様の振動低減装置によれば、センサにより感知された振動を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る振動低減装置１の適用対象を示す図。

【図2】振動低減装置１の配置の例を示す図。

【図3】振動低減装置１の構成の例を示すブロック図。

【図4】形状ＤＢ１２１の構成の例を示す図。

【図5】姿勢ＤＢ１２２の構成の例を示す図。

【図6】弾性率対応表１２３の構成の例を示す図。

【図7】振動低減装置１の動作の流れの例を示すフロー図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

＜実施形態＞
＜振動低減装置の適用対象の構成＞
以下、図において、各構成が配置される空間をｘｙｚ右手系座標空間として表す。また、図に示す座標記号のうち、円の中に点を描いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表す。空間においてｘ軸に沿う方向をｘ軸方向という。また、ｘ軸方向のうち、ｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい、ｘ成分が減少する方向を－ｘ方向という。ｙ、ｚ成分についても、ｘ成分と同様に定義される。

【0016】

図１は、本発明の実施形態に係る振動低減装置１の適用対象を示す図である。振動低減装置１は、その少なくとも一部が対象物２と支持材３との間に配置され、対象物２が支持材３から受ける振動を低減させる。

【0017】

対象物２は、例えば、塗装、点検、修理、部品交換、洗浄、伐採等、各種の高所作業を行うロボットである。このロボットである対象物２は、例えば、鉄道事業者に利用され、線路上の高所にある構造物に対する作業を自動、又は半自動で行う。

【0018】

支持材３は、対象物２を支持する部材であり、例えばブームである。ここでブームとは、クレーンなどの腕に相当する構成部品であり、荷を吊る際に、起伏、伸縮、旋回等の機能を用い、作業半径、高さ等を確保するものである。

【0019】

トラック４は、支持材３が設置された輸送車両である。トラック４は、例えば、道路と軌道との両方を走ることができる軌陸車両である。

【0020】

図１において－ｚ方向は下向き、つまり、重力の方向であり、＋ｘ方向はトラック４の右方向である。また、図１において＋ｙ方向はトラック４の進行方向（前方）である。

【0021】

図１に示す通り、対象物２は、支持材３の先端に設置されている。対象物２は、精密機器であるロボット本体のほか、ロボットを制御する制御装置、及び、ロボットを駆動させる電力を供給するバッテリー等を備えるため、例えば、３００キログラム以上の重量を有する場合がある。この重量物である対象物２は、作業時に比べて輸送時に大きな振動を受け易い。

【0022】

＜振動低減装置の構成＞
図２は、振動低減装置１の配置の例を示す図である。図３は、振動低減装置１の構成の例を示すブロック図である。図２、及び図３に示す振動低減装置１は、制御部１１、記憶部１２、緩衝材１６、調整機１７、及びセンサ１８を有する。このうち制御部１１と、記憶部１２、調整機１７、及びセンサ１８とは、例えば、バスで接続されている。

【0023】

なお、振動低減装置１は、その他の構成として、ユーザの操作を受付ける操作部、ユーザに情報を表示する表示部、を有してもよい。また、振動低減装置１は、支持材３をコントロールする操作盤、トラック４のコックピットに内蔵された制御装置等の外部機器と通信する通信部等を有してもよい。

【0024】

緩衝材１６、及び調整機１７は、対象物２と支持材３との間に配置される。これらは、例えば図２に示す通り、下から上に向かって支持材３→緩衝材１６→調整機１７→対象物２の順序で並んでいる。なお、これらの順序は、上述したものに限定されない。

【0025】

緩衝材１６は、硬度を変化させることが可能な材料であり、例えば、与えられた熱、環境の温度に応じて硬度が可逆的に変化するハイドロゲル等の温度応答性高分子を含む。つまり、この緩衝材１６は、温度応答性高分子を含む緩衝材の例である。この緩衝材１６は、例えば、素材の混合率により、４０℃から１００℃の範囲で硬度が調整されるように設計される。この緩衝材１６は、例えば、低温では柔らかいゴム状となり、高温になるほど、硬いガラス状に変化する。そして、この緩衝材１６は、高温において硬いガラス状に変化した後、再び低温にするとゴム状に戻り、これを繰り返すことができる。この緩衝材１６については、例えば、ポリアクリル酸と酢酸カルシウムから作製される既知の高分子ゲル（“極限相分離ハイドロゲル”北海道大学 ソフト＆ウェットマター研究室 インターネット＜http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g2/thermo-stiffening.html＞ 令和４年９月１２日検索）が採用可能である。なお、緩衝材１６は、環境の温度に応じて硬度が可逆的に変化する材料であればよく、例えば、高温になるほど柔らかくなり、低温になるほど硬くなる材料でもよい。

【0026】

なお、ここでいう硬度は、材料の硬さを示す物理量であって、その材料の弾性率に換算可能な物理量である。

【0027】

調整機１７は、緩衝材１６の環境を調整することにより、緩衝材１６の硬度を調整する。調整機１７は、緩衝材１６が上述した熱に応じて硬度が変化するハイドロゲルである場合、例えば、この緩衝材１６に熱を与えるヒーターである。この場合、この調整機１７は、環境のうち、緩衝材の温度を調整する調整機の例である。

【0028】

なお、緩衝材１６、及び調整機１７の組合せは、上述したものに限らない。例えば、緩衝材１６は、受けた光に応じて硬度を可逆的に変化させる材料であってもよい。この場合、調整機１７は、緩衝材１６が受ける光量を調整する機器であればよい。要するに、緩衝材１６は、熱、光等の環境に応答して弾性率を可逆的に変化させるものであればよい。また、調整機１７は、緩衝材１６の弾性率を可逆的に変化させる環境を調整するものであればよい。

【0029】

したがって、この緩衝材１６は、対象物とこの対象物を支持する支持材との間に配置され、環境に応答して弾性率を可逆的に変化させる緩衝材の例である。

【0030】

センサ１８は、対象物振動センサ１８１、支持材振動センサ１８２、対象物温度センサ１８３、支持材温度センサ１８４を有する。

【0031】

対象物振動センサ１８１は、対象物２の１以上の箇所に取付けられ、対象物２が受ける振動を計測する。この対象物振動センサ１８１は、対象物が支持材から受ける振動を感知するセンサの例である。支持材振動センサ１８２は、支持材３の１以上の箇所に取付けられ、支持材３が受ける振動を計測する。これらの振動センサは、例えば、加速度センサである。

【0032】

対象物温度センサ１８３は、対象物２の１以上の箇所に取付けられ、対象物２の温度を計測する。支持材温度センサ１８４は、支持材３の１以上の箇所に取付けられ、支持材３の温度を計測する。

【0033】

これら温度センサは、例えば、熱電対、バイメタル、サーミスタ等を用いて取付けられた箇所の温度を計測する。また、これらの温度センサは、非接触で、計測対象の箇所の温度を計測する放射温度計であってもよい。この場合、温度センサの取付け位置は計測対象でなくてもよい。

【0034】

制御部１１は、記憶部１２からプログラムを読出して実行することにより振動低減装置１を制御する。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。また、制御部１１は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）であってもよいし、ＦＰＧＡを含んでもよい。また、このプロセッサは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、又は他のプログラマブル論理デバイスを有し、これらによって制御を行ってもよい。

【0035】

この制御部１１は、センサ１８から対象物２、又は支持材３の振動状態を示す振動データを取得し、この振動状態に応じて、対象物２が支持材３から受ける振動を低減させるように調整機１７を制御する。この場合、この調整機１７は、センサにより感知された対象物が支持材から受ける振動を低減させるように緩衝材の環境を調整する調整機、の例である。

【0036】

例えば、この制御部１１は、対象物２及び支持材３の振動状態が、比較的、低周波の加速度が大きい場合、硬度が上がるように調整機１７によって緩衝材１６の温度を上げる。一方、この制御部１１は、対象物２及び支持材３の振動状態が、比較的、高周波の加速度が大きい場合、硬度が下がるように調整機１７によって緩衝材１６の温度を下げる。

【0037】

この制御の結果、緩衝材１６の弾性率は、支持材３から受ける対象物２の振動を低減させるように変化する。つまり、この制御部１１に制御される調整機１７は、対象物が支持材から受ける振動を低減させるように緩衝材の環境を調整する調整機の例である。

【0038】

記憶部１２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ソリッドステートドライブ、ハードディスクドライブ等を有し、コンピュータプログラム（以下、単にプログラムという）を記憶する。

【0039】

また、図３に示す記憶部１２は、形状ＤＢ１２１、姿勢ＤＢ１２２、及び弾性率対応表１２３を記憶する。これらは制御部１１が処理を実行する際に用いられる。

【0040】

＜形状ＤＢの構成＞
図４は、形状ＤＢ１２１の構成の例を示す図である。形状ＤＢ１２１は、構造物の種別ごとに、その型番、及びその形状を記憶するデータベースである。この形状ＤＢ１２１において、種別の欄は、対象物２、又は支持材３のいずれであるかを示す種別である。型番の欄は、対応する対象物２、又は支持材３の型を識別する識別情報である。形状の欄は、対応する対象物２、又は支持材３の形状を示すデータであり、例えば、輪郭、重心等を示す３Ｄデータである。形状ＤＢ１２１によれば、対象物２、及び支持材３のそれぞれの型番に応じて、その形状が特定される。

【0041】

＜姿勢ＤＢの構成＞
図５は、姿勢ＤＢ１２２の構成の例を示す図である。姿勢ＤＢ１２２は、支持材３に対する対象物２の姿勢を示す姿勢情報と、支持材３に対してその姿勢を維持している対象物２に固有の共振周波数と、を対応付けて記憶するデータベースである。

【0042】

姿勢ＤＢ１２２における姿勢情報は、例えば、図５に示す通り、「取付位置」及び「角度」等の組合せで表される。ここで「取付位置」は、例えば、対象物２が支持材３に取付けられた位置を示す。また「角度」は、例えば、対象物２の揺動する部材同士がなす角を示す。

【0043】

姿勢ＤＢ１２２における共振周波数は、例えば、図５に示す通り、左右、前後、上下等の方向ごとに記憶される。姿勢ＤＢ１２２によれば、支持材３に対する対象物２の姿勢から、その姿勢を維持している対象物２に固有の共振周波数が特定される。

【0044】

＜弾性率対応表の構成＞
図６は、弾性率対応表１２３の構成の例を示す図である。弾性率対応表１２３は、対象物２と、その対象物２を支持する支持材３との間に配置された緩衝材１６が、その対象物２がその支持材３から受ける振動を低減させるときの弾性率を、対象物に固有の共振周波数ごとに対応付けて記憶する表である。弾性率対応表１２３によれば、対象物２の共振周波数から、その対象物２の振動を低減させる緩衝材１６の弾性率が特定される。

【0045】

＜振動試験＞
また、記憶部１２は、振動試験の解析結果を記憶してもよい。この振動試験は、輸送時のトラック４に振動センサを設置して、上下、左右、前後の各方向について共振周波数を解析する試験である。

【0046】

振動試験の結果は例えば、横軸が、輸送時のトラック４に生じる振動の周波数［Ｈｚ］、縦軸が、輸送時のトラック４のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）［Ｇ^２／Ｈｚ］をそれぞれ示すグラフで表される。

【0047】

例えば、振動試験の結果、輸送時のトラック４の共振周波数は、概ね１００Ｈｚ以下であることがわかっている場合、振動低減装置１は、緩衝材１６の周囲環境（この場合、温度）を調整して、その弾性率を変化させ、トラック４に搭載された支持材３に対する対象物２の共振周波数を１００Ｈｚ以上にずらすことで、対象物２が支持材３から受ける振動を低減させることができる。また、輸送時のトラック４の共振周波数は、上下、左右、前後の各方向で異なる。そこで、振動低減装置１は、上下、左右、前後の方向ごとに対応する緩衝材１６の環境を、その方向の共振周波数に応じて調整する。

【0048】

なお、この振動試験は、実際の物理試験ではなく、予め特定されている対象物２、及び支持材３の形状に基づくシミュレーションによって行ってもよい。この場合、調整機１７は、緩衝材１６の弾性率が、このシミュレーションにより算出された共振周波数に対応する範囲の弾性率になるように緩衝材１６の環境を調整すればよい。つまり、この調整機１７は、緩衝材の弾性率を対象物、及び支持材の形状に基づいて予め算出された共振周波数に対応する範囲の所定弾性率にして対象物が受ける振動を低減させるように緩衝材の環境を調整する調整機の例である。

【0049】

＜振動低減装置の動作＞
図７は、振動低減装置１の動作の流れの例を示すフロー図である。振動低減装置１の制御部１１は、トラック４のエンジンが始動したか否かを判断する（ステップＳ１０１）。

【0050】

この制御部１１は、例えば、上述した図示しない通信部を介して、トラック４の制御装置と通信し、エンジンの始動状況を示すデータを取得することでこの判断を行ってもよい。また、この制御部１１は、例えば、図示しない回転数計により計測されたカムシャフトの回転数等に基づいて、この判断を行ってもよい。

【0051】

エンジンが始動していない、と判断する間（ステップＳ１０１；ＮＯ）、制御部１１は、この判断を続ける。一方、エンジンが始動した、と判断すると（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）、制御部１１は、トラック４が走行を開始したか否かを判断する（ステップＳ１０２）。

【0052】

この制御部１１は、例えば、上述した図示しない通信部を介して、トラック４の制御装置と通信し、トラック４の走行状況を示すデータを取得することでこの判断を行ってもよい。また、この制御部１１は、例えば、図示しないスピードメーターにより計測された速度等に基づいて、この判断を行ってもよい。

【0053】

トラック４が走行を開始していない、と判断する間（ステップＳ１０２；ＮＯ）、制御部１１は、この判断を続ける。

【0054】

トラック４が走行を開始した、と判断すると（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、制御部１１は、センサ１８から、計測値を取得し（ステップＳ１０３）、この計測値のうち、振動計測値が閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０４）。この振動計測値は、例えば、対象物振動センサ１８１によって計測された対象物２の振動を示す加速度、又は、支持材振動センサ１８２によって計測された支持材３の振動を示す加速度である。

【0055】

振動計測値が閾値以上でない、と判断すると（ステップＳ１０４；ＮＯ）、制御部１１は、処理をステップＳ１０９に進める。

【0056】

一方、振動計測値が閾値以上である、と判断すると（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）、制御部１１は、この振動計測値から、対象物２、又は支持材３の共振周波数を推定する（ステップＳ１０５）。

【0057】

また、制御部１１は、センサ１８から、ステップＳ１０３で取得した計測値のうち、対象物２、又は支持材３の温度を特定し、これらの温度が上限値未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０６）。

【0058】

これらの温度が上限値未満である、と判断する場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）、制御部１１は、推定した共振周波数に対応する弾性率を参照し、緩衝材１６が対象物２の振動をより低減させるように、現在の設定温度を調整し（ステップＳ１０７）、その後、処理をステップＳ１０９に進める

【0059】

例えば、緩衝材１６の弾性率を上昇させた方が対象物２の振動が低減する場合、制御部１１は、調整機１７を制御して緩衝材１６の設定温度を、上述した弾性率に応じて決まる値だけ上昇させる。

【0060】

一方、上述したこれらの温度が上限値未満ではない（つまり、上限値以上である）、と判断する場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）、制御部１１は、振動に異常がある旨を警告し（ステップＳ１０８）、処理をステップＳ１０９に進める。

【0061】

ステップＳ１０９において、制御部１１は、トラック４が走行を終了したか否かを判断する（ステップＳ１０９）。トラック４が走行を終了していない、と判断する場合（ステップＳ１０９；ＮＯ）、制御部１１は、処理をステップＳ１０３に戻す。

【0062】

一方、トラック４が走行を終了した、と判断する場合（ステップＳ１０９；ＹＥＳ）、制御部１１は、トラック４の制御装置に指示を出して、エンジンを停止させ（ステップＳ１１０）、処理を終了する。

【0063】

以上、説明した処理を実行することにより、振動低減装置１は、支持材３に支持されている対象物２の輸送時に、対象物２、又は支持材３が受ける振動周波数をセンサ１８により計測するので、振動周波数の変化に応じて対象物２が受ける振動を低減させることができる。

【0064】

また、予め振動試験によりトラック４等の共振周波数を解析しておき、この共振周波数を避けるように緩衝材１６の環境を調整することにより、振動低減装置１は、対象物２が受ける振動を低減させることができる。

【0065】

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさ及び配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。したがって、本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

【0066】

＜変形例＞
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例は組み合わされてもよい。

【0067】

＜１＞
上述した実施形態において、センサ１８は、対象物２が支持材３から受ける振動を感知する対象物振動センサ１８１を有していたが、対象物２が支持材３から受ける振動は、他の計測値、又は予め記憶部１２に記憶された構造物の形状等に基づいて推測されてもよい。制御部１１は、推測されたこの振動が低減するように調整機１７により緩衝材１６の環境を調整させればよい。

【0068】

＜２＞
上述した振動低減装置１の制御部１１、及び記憶部１２による実現する機能の少なくとも一部は、振動低減装置１の図示しない通信部により制御部１１と通信可能に接続された外部装置により実現されてもよい。

【符号の説明】

【0069】

１…振動低減装置、１１…制御部、１２…記憶部、１２１…形状ＤＢ、１２２…姿勢ＤＢ、１２３…弾性率対応表、１６…緩衝材、１７…調整機、１８…センサ、１８１…対象物振動センサ、１８２…支持材振動センサ、１８３…対象物温度センサ、１８４…支持材温度センサ、２…対象物、３…支持材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】