(57)【要約】【課題】過大入力に対するフェールセーフ機能を備えた発電型ダンパーを実現する。【解決手段】振動系に生じる振動により加振されて起電力を生じる発電機構と、該起電力による電流を制御する電気回路１１とにより構成され、電気回路に流れる電流値に応じて発電機構に生じる抵抗力Ｆを制動力として制振効果を得る構成の発電型ダンパーであって、電気回路には、電流値が所定の制限値を超える起電力が生じた際に電流値を制限値に維持するための電流制限要素Ｄを設ける。発電機構として電磁誘導作用により起電力を生じる直流モーター２を用い、電気回路はコイルとコンデンサーと抵抗器の少なくともいずれか１つからなる。電流制限要素として定電流ダイオード１２からなる素子、あるいは定電流ダイオードの出力電流をパワートランジスタにより増幅する電流増幅回路により構成する。【選択図】図１
2010025163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動系に生じる振動により加振されて起電力を生じる発電機構と、該起電力による電流を制御する電気回路とにより構成され、前記電気回路に流れる電流値に応じて前記発電機構に生じる抵抗力を制動力として前記振動系に対する制振効果を得る構成の発電型ダンパーであって、
前記電気回路は電流値が所定の制限値を超える起電力が生じた際に電流値を制限値に維持する電流制限要素を有してなることを特徴とする発電型ダンパー。
【請求項２】
振動系に生じる振動により加振されて電磁誘導作用により起電力を生じる発電機構としての直流モーターと、該起電力による誘導電流を制御する電気回路とにより構成され、前記電気回路に流れる電流値に応じて前記発電機構に生じる抵抗力を制動力として前記振動系に対する制振効果を得る構成の発電型ダンパーであって、
前記電気回路はコイルとコンデンサーと抵抗器の少なくともいずれか１つを有し、かつ電流値が所定の制限値を超える起電力が生じた際に電流値を制限値に維持する電流制限要素を有してなることを特徴とする発電型ダンパー。
【請求項３】
請求項１または２記載の発電型ダンパーであって、
前記電流制限要素は、対の定電流ダイオードを逆向きで直列接続した構成とされて順逆双方向に同等の電流制限特性を有する素子からなることを特徴とする発電型ダンパー。
【請求項４】
請求項１または２記載の発電型ダンパーであって、
前記電流制限要素は、定電流ダイオードの出力電流をパワートランジスタにより増幅しかつ順逆双方向に同等の電流制限特性を有する電流増幅回路からなることを特徴とする発電型ダンパー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機構が加振されて生じる起電力を利用して制振効果を得る構成の発電型ダンパーに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の発電型ダンパーとしては電磁誘導作用を利用したものが公知であり、たとえば特許文献１に示される発電制動型ダンパや、非特許文献１に示される発電式振動抑制装置が知られている。
【特許文献１】実開昭６２−１３２８２号公報
【非特許文献１】砂子田、大竹、松岡、「発電式振動抑制装置に関する研究」、日本機械学会論文集、2005年8月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に示される発電制動型ダンパは、いわゆるＬＣＲ回路によって特定の周波数帯域においてダンパー効果を発揮させる（あるいは特定の周波数帯域以外においてダンパー効果を発揮させる）ものであるが、特許文献１にはその原理が概念的に記載されているに過ぎない。
非特許文献１に示される発電式振動抑制装置は、特に宇宙空間での機器の微小振動の抑制を目的として、発電機の両端子間における負荷抵抗を変えることにより可変減衰力を発生させるものではあるが、これをそのまま建物等の構造物に適用しても十分な効果は得られないし、様々な振動系に対して広く適用できるものでもない。
また、この種の発電型ダンパーは制振対象の振動系に生じる加振速度に比例した起電力を生じるものであり、したがって想定を超える過大な加振速度が作用した場合には誘導電流が過大となって電気系統に損傷を生じたり、制動力としての反力も過大となってダンパー自体や振動系への接合部の機械的な損傷を引き起こすことも想定される。
そのため、この種の発電型ダンパーはその有用性が認められつつも未だ実用化されるに至っていないのが実状である。
【０００４】
上記事情に鑑み、本発明は優れた制振効果が得られるばかりでなく、特に過大入力に対するフェールセーフ機能も備えた有効適切な発電型ダンパーを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明は、振動系に生じる振動により加振されて起電力を生じる発電機構と、該起電力による電流を制御する電気回路とにより構成され、前記電気回路に流れる電流値に応じて前記発電機構に生じる抵抗力を制動力として前記振動系に対する制振効果を得る構成の発電型ダンパーであって、前記電気回路は電流値が所定の制限値を超える起電力が生じた際に電流値を制限値に維持する電流制限要素を有してなることを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明は、振動系に生じる振動により加振されて電磁誘導作用により起電力を生じる発電機構としての直流モーターと、該起電力による誘導電流を制御する電気回路とにより構成され、前記電気回路に流れる電流値に応じて前記発電機構に生じる抵抗力を制動力として前記振動系に対する制振効果を得る構成の発電型ダンパーであって、前記電気回路はコイルとコンデンサーと抵抗器の少なくともいずれか１つを有し、かつ電流値が所定の制限値を超える起電力が生じた際に電流値を制限値に維持する電流制限要素を有してなることを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明の発電型ダンパーであって、前記電流制限要素は、対の定電流ダイオードを逆向きで直列接続した構成とされて順逆双方向に同等の電流制限特性を有する素子からなることを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発明の発電型ダンパーであって、前記電流制限要素は、定電流ダイオードの出力電流をパワートランジスタにより増幅しかつ順逆双方向に同等の電流制限特性を有する電流増幅回路からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発電型ダンパーによれば、発電機構が加振されて起電力が生じ、それにより電気回路に流れる電流に応じた反力が発電機構に生じ、その反力が制動力となって制振効果が得られる。
そして、電気回路に設けた電流制限要素により電流値が所定の制限値に制限されることによりそれがフェールセーフ機構として機能し、電気部品に過大電流による損傷が生じることが防止されるとともに、発電機構による反力が過大になることが制限されてダンパーを構成している機械部品や振動系に対する接合部に過大な応力が生じることが防止され、それらの破損を未然に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の発電型ダンパーの実施形態を説明するに先立ち、まず、本実施形態の発電型ダンパーの基本構成と基本原理について図５を参照して説明する。
図５（ａ）において符号Ａ、Ｂは互いに離接する方向に相対振動する構造体であり、符号１はそれら構造体Ａ，Ｂからなる振動系に対して設置されている発電型ダンパーである。
その発電型ダンパー１は、構造体Ａに対して固定された発電機構としての直流モーター２と、直流モーター２に付設された電気回路３と、直流モーター２に対して振動系の振動（構造体Ａ，Ｂ間に生じる相対振動）を伝達して回転軸を回転させるための伝達機構としてのボールねじ機構４とからなる。
【００１１】
発電機構としての直流モーター２は、特許文献１や非特許文献１に示される発電機と同様に回転軸が回転させられることによって電磁誘導作用によって発電機として機能し、その際には内蔵コイルの両端子間に起電力（電圧）が生じてその起電力に応じた誘導電流が電気回路３に流れるものである。
この場合、直流モーター２に生じる起電力は回転軸の回転速度に比例するものであり、したがってその起電力はボールねじ機構４を介して直流モーター２に伝達される振動系の加振速度ｘ・に比例するものとなる。（なお、加振速度は本来は図中に示すようにｘの上部に・が付く記号で表すべきものであるが、本文中では便宜的に上記のようにｘ・として表すこととする。）
【００１２】
ボールねじ機構４はボールねじ軸５とボールナット６からなる周知の機構である。ボールねじ軸５は、その一端部が軸受け７により回転自在に支持されて構造体Ａを貫通し直流モーター２の回転軸に連結され、他端部は構造体Ｂに形成されている貫通孔内に緩挿状態で配置され、ボールナット６はボールねじ軸５に螺合した状態で構造体Ｂに固定されている。
したがってこのボールねじ機構４は、構造体Ａ，Ｂ間に互いに離接する方向の相対振動が生じた際には、ボールナット６がボールねじ軸５に対して軸方向に変位し、それによりボールねじ軸５が強制的に回転せしめられてそれに連結されている直流モーター２の回転軸が回転せしめられるようになっている。つまり、ボールねじ機構４は振動系の振動を回転運動に変換して直流モーター２に伝達するものであり、それにより直流モーター２の回転軸を強制回転させて発電機として機能せしめて起電力を生じさせるものである。
なお、ボールねじ軸５と直流モーター２との間にたとえば遊星歯車を用いた増速ギア等による適宜の増速機構を設置することにより、振動系の振動を増速して直流モーター２に伝達するようにしても良い。
【００１３】
電気回路３はコイルとコンデンサーと抵抗器とが直列接続されたいわゆるＬＣＲ直列回路であって、直流モーター２に起電力が生じることによって両端子間に流れる誘導電流がこの電気回路３により制御され、それにより直流モーター２が生じる反力つまりは振動系に対して制動力として作用する抵抗力Ｆが制御されるものである。
この場合、振動系の振動が正弦波であるとすると電気回路３に流れる電流は（ｃ）に示すような交流となり、それによりこの発電型ダンパー１に生じる反力（抵抗力Ｆ）と変位との関係は（ｄ）に示すようになる。
【００１４】
そして、上記の発電型ダンパーは、（ｂ）に示すように、コイルのインダクタンスＬに反比例するバネ剛性ｋを有するバネ要素と、抵抗器の抵抗値Ｒに反比例する減衰係数ｃを有する減衰要素と、コンデンサーのキャパシタンスＣに比例する慣性質量ψを有する慣性質量要素を備えたダンパーと等価の特性を有するものである。
換言すれば、電気回路３を構成しているコイルのインダクタンスＬ、コンデンサーのキャパシタンスＣ、抵抗器の抵抗値Ｒを、直流モーター２とボールねじ機構４の特性値として定まる係数αを用いてそれぞれ図中の関係により決定することにより、この発電型ダンパーはバネ剛性ｋのバネ要素、慣性質量ψの慣性質量要素、減衰係数ｃの減衰要素を備えたダンパーとして機能するものとなる。
このことは、慣性質量のないコンデンサーが質量効果を生み、粘性減衰をもたない抵抗器が減衰効果を生み、バネ剛性をもたないコイルが剛性を生むことを意味し、それらの電気的な要素を組み合わせただけの電気回路３を直流モーター２に接続するだけで優れた制振効果が得られるダンパー機構を構成できることになる。
【００１５】
ところで、上記の発電型ダンパー１は加振速度ｘ・に比例する電流が生じ、それにより加振速度ｘ・に比例する反力（抵抗力Ｆ）を生じるものであることから、優れた制振効果が得られる反面、地震時に想定を超える過大な加振速度ｘ・が生じた場合には電気回路３に流れる電流が過大になって各電気部品が損傷してしまうことが想定される。また、その場合にはダンパー反力も過大になるので、ボールねじ機構４自体や構造体Ａ，Ｂに対する接合部に対して過大な応力が生じて破損を生じることも想定される。
そこで本実施形態では、上記の発電型ダンパー１における電気回路３に簡単な改良を加えることによって過大な加振速度ｘ・に対するフェールセーフ機能を付加することとし、それにより上記のような損傷を未然に回避するようにしたものである。
以下、本実施形態の発電型ダンパー１０について図１〜図２を参照して説明するが、これは図５に示した発電型ダンパー１を基本とするものであるので、両者に共通の構成要素については同一符号を付してある。
【００１６】
図１（ａ）に示す本実施形態の発電型ダンパー１０においては、その電気回路１１の構成が図５（ａ）に示した発電型ダンパー１における電気回路３と異なるものである。
すなわち、本実施形態の発電型ダンパー１０における電気回路１１は、基本的には上記のものと同様にコイルとコンデンサーと抵抗器とが直列接続されたいわゆるＬＣＲ直列回路ではあるが、それに加えてさらに電流制限要素Ｄが直列に接続された構成とされている。
電流制限要素Ｄは、（ｃ）に示すように電気回路３に流れる電流Ｉが所定の制限値Ｉ0を超えないように制限（ピークカット）するものであり、そのように電流制限されることによりこの発電型ダンパー１０が生じる反力（抵抗力Ｆ）も（ｄ）に示すように所定の制限値Ｆ0を超えないように制御され、したがって制限値Ｉ0を超える過大電流による電気的な損傷や過大反力による機械的な損傷をいずれも回避し得るものとなっている。
なお、電流制限要素Ｄは、過大電流に対しては電流値が制限値Ｉ0を超えないように制限しつつその制限値Ｉ0に維持するものであって、ヒューズのように過大電流により電流を遮断してしまうものではない（電流を遮断してしまうと抵抗力も喪失してしまうからダンパーとして機能し得ないことは言うまでもない）。
【００１７】
そのような電流制限要素Ｄとしては過大電流を制限できるものであれば良いが、特に定電流ダイオード（ＣＲＤ）１２が好適に採用可能である。
周知のように、一般にダイオードは順方向（アノードからカソード）には電流が充分に流れるが、逆方向（カソードからアノード）へは電流が流れ難い特性を有する素子であって、一般にはそのような特性を利用した整流素子として広く用いられているものであるが、本実施形態において用いる定電流ダイオード１２は、たとえば図２に示す特性図において原点より右上の順方向特性領域（破線で囲んで示した領域：一般のダイオードにおいては逆方向特性領域に相当）においては電圧の大きさに拘わらずほぼ一定の電流が流れ、原点より左下の逆方向特性領域（一般のダイオードにおいては順方向特性領域に相当：縦軸を圧縮し横軸を拡大して示してある）では低電圧で大電流が流れるという特性を有するものである。
【００１８】
但し、そのような特性の定電流ダイオード１２は定電流特性が一方向（順方向）にしか生じないから交流にはそのまま適用することができず、そのため本実施形態では図１（ａ）に示しているように対の定電流ダイオード１２を逆向きにして直列に接続する（カソードどうしを接続する）ことによって双方向に均等の定電流特性を有する交流素子としており、そのような素子を電流制限要素Ｄとして電気回路３に組み込むことにより（ｃ）に示したような交流に対する双方向の電流制限特性（ピークカット）が得られるものである。
【００１９】
なお、現時点で市販されている汎用の定電流ダイオードは定格電流が最大でも１８mA程度の小容量であるので、建物等の制震を目的とする場合のように大電流が必要とされる場合には定電流ダイオードを必要数だけ並列接続して大電流の制限電流が得られるようにすれば良い。
【００２０】
あるいは、大電流を必要とする場合には、図３に示すように電流制限要素Ｄを定電流ダイオード１２とパワートランジスタ１３による電流増幅回路により構成することもできる。
これは、小容量の定電流ダイオード１２の出力電流を電流増幅器としてのパワートランジスタ１３により増幅するようにしたもので、対の定電流ダイオード１２によりそれぞれ得られる各方向の制限電流を特性の揃った対のＰＮＰ型トランジスタとＮＰＮ型トランジスタによりそれぞれ増幅することによって、大電流に対する双方向の電流制限特性を持たせることができるものである。
但し、電流制限要素Ｄをそのような電流増幅回路により構成する場合、１ボルト以下の低電圧領域では電流が殆ど流れない不感帯域が生じるので、直流モーター２（発電機構）に充分な起電力が生じない微小振幅領域では充分な制振効果が得られず、したがってこのような電流増幅回路による電流制限要素は微小振幅を対象とするダンパーには不適であるが、地震時における建物等の大振幅を対象とする制震ダンパーには好適に採用可能である。
なお、定電流ダイオードではなく定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）を用いて電流制限要素を構成することも考えられなくはないが、低電圧時の立ち上がり特性が悪いことから好ましくなく現実的ではない。
【００２１】
本実施形態の発電型ダンパー１０は、基本的には図５に示した発電型ダンパー１と同様に、発電機構としての直流モーター２に抵抗、コイル、コンデンサーからなる電気回路３（ＬＣＲ回路）を接続したものであるので、図１（ｂ）に示すように機械振動で用いる減衰係数ｃ、バネ剛性ｋ、慣性質量ψを設置したダンパーとして機能するものであり、このことは図５に示した基本構成のものと全く同様である。
加えて、本実施形態の発電型ダンパー１０では、電気回路１１に電流制限要素Ｄを付加してそこに流れる電流を制限値Ｉ0に制限することにより、その制限値Ｉ0に比例する摩擦力Ｆ0の摩擦要素を備えたダンパーと等価になる。この場合、比例定数としての図中のβは、αと同様に直流モーター２とボールねじ機構４の特性値として定まる係数である。
したがって、本実施形態の発電型ダンパー１０では電気回路１１を構成する各電気部品に過大電流が流れてそれらが損傷することが防止され、かつダンパー反力が過大になることが制限（頭打ちとなる）されてボールねじ機構４自体やボールねじ機構４と構造体Ａ，Ｂとの接合部に過大応力が生じて破損してしまうことが未然に防止されるから、この種のダンパーに必要とされる有効なフェールセーフ機構を実現し得たものである。
【００２２】
そして、本実施形態の発電型ダンパー１０における電気回路１１は、抵抗、コイル、コンデンサー、定電流ダイオード、あるいはパワートランジスタといった汎用の電子部品のみで構成可能であるので、従来一般の各種の機械的なダンパーのように複雑かつ高精度の機械部品を必要とせず、当然に電気回路は可動部分がないから機械的に劣化したり損傷する懸念もないし、ダンパー全体を十分に単純で簡略かつ安価な構成とすることができる。
また、発電機構を電気回路により制御するといえどもあくまでパッシブな制御であって、電気回路の各諸元を設定すること以外は何らの制御や操作を必要とせず、当然に制御用あるいは操作用の電源（商用電源やバッテリー）を一切必要としない。
しかも、それらの電子部品としては高品質かつ信頼性に優れるものを安価にかつ容易に入手し得ることはもとより、たとえば可変抵抗器やバリコン（可変容量器）といった可変特性のものを自由に使用できることから、ダンパーとしての特性や性能を自由にかつ幅広くコントロールすることが可能である。
【００２３】
なお、上記実施形態では、電気回路を構成しているコンデンサー、抵抗、コイル、電流制限要素の全てを直列に接続したが、あるいは図４に示すようにコンデンサーとコイルとを並列に接続し、それに対して抵抗と電流制限要素を直列に接続することでも良く、それによっても同様の効果が得られる。
勿論、電気回路の構成は上記の例示に限るものではなく、電流を所定の制限値Ｉ0に制限するための電流制限要素を備える限りにおいて電気回路の構成は任意である。たとえば上記実施形態ではコンデンサー、抵抗、コイルの全てを備えたＬＣＲ回路としたが、必ずしもそれらの全てを備えることはなく少なくともいずれか１つを備えれば良く、コイルを省略（バネを省略することと等価）したり、抵抗を省略（粘性減衰を省略することと等価）したり、コンデンサーを省略（慣性質量を省略することと等価）する等、所望のダンパー特性が得られるように任意の電気回路を構成すれば良い。
【００２４】
さらに、上記実施形態の発電型ダンパーは、発電機構として電磁誘導作用により起電力を生じる直流モーター２を用いるものとしたが、本発明は電磁誘導作用を利用する発電型ダンパーに適用するのみならず、発電機構として圧電素子を用いてその圧電効果を利用して制振効果を得る形式の発電型ダンパーにも適用することができ、その場合も圧電素子に流れる過大電流を定電流ダイオード等の電流制限要素を有する電気回路によって制限することによって同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態である発電型ダンパーを示す図である。
【図２】同発電型ダンパーにおける電流制限要素としての素子である定電流ダイオードの特性図である。
【図３】同発電型ダンパーにおける電流制限要素を定電流ダイオードとパワートランジスタによる増幅回路により構成する場合の例を示す図である
【図４】同発電型ダンパーにおける電気回路の他の構成例を示す図である。
【図５】同発電型ダンパーの基本構成と基本原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２６】
Ａ，Ｂ  構造体
Ｄ  電流制限要素
１０  発電型ダンパー
２  直流モーター（発電機構）
４  ボールねじ機構（伝達機構）
５  ボールねじ軸
６  ボールナット
７  軸受け
１１  電気回路
１２  定電流ダイオード
１３  パワートランジスタ
【図１】
2010025163.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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