(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に固定された基台と、
前記基台上に、水平面に沿って移動可能に配設された質量体と、
前記質量体と前記基台との間に配設され、前記質量体と共に振動系を形成するバネと、
前記質量体を駆動するための駆動力を発生する電動機と、
断接可能なクラッチを含み該クラッチが接続状態のときに前記電動機の駆動力を前記質量体へ伝達する駆動力伝達機構と、
前記クラッチの断接動作を制御するクラッチ制御手段とを備え、
前記構造物の振動に応じて前記質量体を移動させ、前記構造物の振動を抑制する制振装置において、
前記クラッチ制御手段は、前記電動機の消費電力を測定する電力計と、前記電動機の温度を検出する温度センサとを含んでおり、
前記クラッチ制御手段は、前記電動機の消費電力が所定電力値を超え、且つ、前記電動機の温度が所定温度値を超えた状態となったときに、前記クラッチを接続状態から切断状態へ移行させ、
前記クラッチ制御手段は、前記電動機の温度が所定温度値以下に低下したときに、前記クラッチを切断状態から接続状態へ移行させる、
ことを特徴とする制振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は建物などの構造物の振動を抑制する制振装置に関し、特に建物の振動の大小に係わらず常に効果的に制振作用を発揮する制振装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地震や風圧などの外力によって建物などの構造物に発生する振動を抑制するために、可動質量体の運動を利用して制振作用を得るようにした制振装置が知られている。
この制振装置にはアクティブ・マス・ダンパと呼ばれるものと、パッシブ・マス・ダンパと呼ばれるものとがある。
前者のアクティブ・マス・ダンパでは、質量体を建物内で水平方向に移動可能に支持し、建物の振動に応じて質量体をサーボモータなどの動力源により移動して、建物の振動を抑えるようになっている。
これに対して、パッシブ・マス・ダンパは構造が簡単であり、バネを介して可動質量体を建物に取り付け、建物が振動したときバネに蓄えられるエネルギーにより建物の振動を抑制するしくみとなっている。
【０００３】
上記アクティブ・マス・ダンパの場合、構造がより複雑であるため種々のタイプのものが開発されている。
その１つにクラッチ機構を備えたものがある。
この制振装置では、質量体の駆動機構とサーボモータとがクラッチ機構を介して接続され、地震などが発生した場合のみ、クラッチ機構により駆動機構とサーボモータとを機械的に接続し、サーボモータの動力を駆動機構に伝達して、質量体を移動させる構成となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、アクティブ・マス・ダンパによって建物の振動を抑制しようとする場合、大きい振動に対しても十分な振動抑制効果を得ようとすると、質量体は極めて大きい速度で運動させなければならず、強力なモータが必要となる。また、質量体の移動距離も長くする必要がある。
しかし、発生頻度の低い大地震にも対応するために大型の設備を準備しておくことは不経済である。また、質量体の移動距離も建物の大きさにより制限され、常に十分な距離を確保できるとは限らない。
そこで従来は制振装置の動作を完全に停止させるか、あるいは制振効果をあえて低下させることにより、大地震などによる限度を越えた振動に対応していた。
【０００５】
前者の方法では、建物の振動が所定水準を越えたときは、質量体が建物に固定され、制振動作は一切停止される。従って、制振効果は得られないが、大きい振動に不適切に反応し、建物をかえって加振したり、設備を破損してしまうといった問題を回避できる。しかし、この方法では、強い地震などの場合には制振効果は一切得られない。
また後者の方法では、検出した建物の振動に対して質量体に与える運動量は、振動が大きい場合には、低く抑えられる。これにより、制振効果は低下するが、大きい振動の場合でも、建物を加振したり、設備を破損するといったことを防止できる。しかし、この方法では、建物の振動の程度を判断することが難しく、建物の振動を検出して振動の大きさを判断しようとしても、実際の地震では振動の振幅は複雑に変化するため、様々な振動に対して常に安定的に制振度の切り換えを行うことは極めて困難であった。
【０００６】
そこで本発明の目的は、建物の振動の大小に係わらず常に効果的に制振作用を発揮するようにした制振装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、構造物に固定された基台と、前記基台上に、水平面に沿って移動可能に配設された質量体と、前記質量体と前記基台との間に配設され、前記質量体と共に振動系を形成するバネと、前記質量体を駆動するための駆動力を発生する電動機と、断接可能なクラッチを含み該クラッチが接続状態のときに前記電動機の駆動力を前記質量体へ伝達する駆動力伝達機構と、前記クラッチの断接動作を制御するクラッチ制御手段とを備え、前記構造物の振動に応じて前記質量体を移動させ、前記構造物の振動を抑制する制振装置において、前記クラッチ制御手段は、前記電動機の消費電力を測定する電力計と、前記電動機の温度を検出する温度センサとを含んでおり、前記クラッチ制御手段は、前記電動機の消費電力が所定電力値を超え、且つ、前記電動機の温度が所定温度値を超えた状態となったときに、前記クラッチを接続状態から切断状態へ移行させ、前記クラッチ制御手段は、前記電動機の温度が所定温度値以下に低下したときに、前記クラッチを切断状態から接続状態へ移行させることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例について説明する。
図１は本発明による制振装置の一例を示す模式平面図、図２は模式側面図である。
この制振装置２は、建物の一水平方向における振動を抑制するためのものである。
基台４は建物の例えば最上階の床６上に固定されている。
直方体形状の質量体８はこの基台４上にガイドレール１０および車輪１２を介して、Ｘ方向に移動可能に支持されている。
基台４の両端部には反力受け１４、１６が配設され、これらの反力受け１４、１６と、各反力受けに臨む質量体８の側面とはコイルバネ１８によってそれぞれ連結されている。
【００１１】
質量体８の上には、質量体８を移動させるための手段として、サーボモータ２０、クラッチ２２、ピニオン・ラック機構を構成するピニオン２４およびラック２６、ならびにビーム２８が設けられている。
ビーム２８はＸ方向に延在し、質量体８の上面中央に支持され、その両端部は反力受け１４、１６上に固定されている。
サーボモータ２０は、その出力軸がビーム２８に直交するようにして質量体８の上面に固定され、クラッチ２２はこのモータ２０の出力軸に接続されている。ビーム２８の上にはラック２６が配設され、これに係合するピニオン２４はクラッチ２２の出力軸に連結されている。
【００１２】
モータ２０が回転すると、クラッチ２２が接続状態のとき、ピニオン２４が回転し、ラック２６、従ってビーム２８には、ビーム２８をＸ方向に移動させようとする力が働く。
しかしビーム２８は反力受け１４、１６に固定されているので、結果的に、質量体８がＸ方向に移動することになる。
【００１３】
建物の所定位置にはマイクロコンピュータを含む制御装置３０が配置されている。
この制御装置３０は、サーボモータ２０およびクラッチ２２の制御を行い、その制御には、建物各部に取り付けられた振動センサ（図示せず）、制御装置３０が内蔵する電力計３０ａ、ならびにモータ２０に取り付けられた温度センサ２０ａからの信号を用いる。
なお、制御装置３０と、サーボモータ２０、クラッチ２２、上記振動センサ、ならびに温度センサ２０ａとはそれぞれ図示しない所定のケーブルにより接続されている。
【００１４】
これら電力計３０ａおよび温度センサ２０ａは共にサーボモータ２０に加わる負荷の大きさを検出する手段として機能する。
すなわち、サーボモータ２０によって質量体８に与えられる運動量は、建物の振動が強いほど大きくなる。従って建物の振動が強いほどモータ２０の負荷は大きくなり、モータ２０が消費する電力も大きくなる。
つまり、モータ２０が消費する電力は、モータ２０に加わる負荷の大きさを表す指標となる。また、サーボモータ２０の負荷が重く、大きい電力が消費されると、モータ２０の温度は上昇する。
従って、モータ２０の温度もモータ２０の負荷の大きさを表す指標となる。
【００１５】
このように構成された制振装置２により、建物の振動はアクティブ・マス・ダンパの方式（以下、アクティブ・モードという）によって、次のように抑制される。
例えば地震が発生し、建物が振動すると、上記振動センサは建物の振動を検出し、検出結果を表す信号を出力する。
制御装置３０はこの信号を受け取ると、その大きさにもとづいて適切な電力をサーボモータ２０に供給し、サーボモータ２０を回転させる。その際、モータ２０の回転方向は、建物の振動方向に応じて必要な方向に切り換える。
【００１６】
モータ２０が回転すると、その回転力は、常時は接続状態にあるクラッチ２２を通じてピニオン２４に伝達され、ピニオン２４が回転して、ラック２６、従ってビーム２８には、ビーム２８をＸ方向に移動させようとする力が働く。
ここで、ビーム２８は反力受け１４、１６に固定されているので、ビーム２８は移動せず、結果的に、質量体８がＸ方向に移動することになる。
そして、制御装置３０による制御のもと、質量体８は建物の振動に応じて運動し、建物の振動が抑制される。
【００１７】
次に、特に本発明に係わる、建物の振動が極めて大きい場合の動作について説明する。
図３の（Ａ）は建物の振動の一例を示すグラフである。横軸は時間であり、縦軸は振動の振幅を表している。
時刻ｔ０で例えば地震のため建物の振動が始まり、振動が続いた後、時刻ｔ１で振幅は極めて大きくなり、その状態は時刻ｔ２まで継続している。その後は通常規模の振動に戻り、時刻ｔ３以降振動はなくなっている。
【００１８】
建物がこのように振動した場合、本実施例の制振装置では、概ね時刻ｔ０〜ｔ１の期間、および概ねｔ２〜ｔ３の期間では、上述のように質量体８をサーボモータ２０によって運動させて制振を行う（アクティブ・モード）。
しかし、時刻ｔ１〜ｔ２の期間では建物の振動が極めて大きく、サーボモータ２０の容量の点で、質量体８を振動に追従して運動させ、制振を行うことは不可能であるため、クラッチ２２を切断状態とし、パッシブ・マス・ダンパの方式（以下、パッシブ・モードという）で制振を行う。
【００１９】
そして、クラッチ２２をどの時点で切断し、またどの時点で接続状態に復帰させるかは、次のようにして決める。
図３の（Ｂ）は、建物が図３の（Ａ）のように振動したとき、サーボモータ２０が消費する電力の水準を示したものである。
時刻ｔ０で振動が始まると同時に、モータ２０の消費電力も上昇し、時刻ｔ１で振動が大きくなると、消費電力は急激に増大する。
一方、図３の（Ｃ）に示すように、サーボモータ２０の温度も、消費電力と同じように、時刻ｔ０で振動が始まると同時に上昇し、時刻ｔ１で振動が大きくなると、温度は急激に高くなっている。
【００２０】
制御装置３０は、クラッチ制御手段として動作し、電力計３０ａによってサーボモータ２０の消費電力を監視し、また温度センサ２０ａからの信号により、モータ２０の温度を監視している。
そして、消費電力および温度の両方が、それぞれのスレッシュホールドＷｔｈ、Ｔｔｈｈを越えた状態となったとき（時点ｔ１’）、アクティブ・モードによる制振は不可能と判定し、クラッチ２２に所定の制御信号を出力して、クラッチ２２を切断状態とする。
これにより、モータ２０とピニオン２４とは分離され、質量体８は自由に移動できる状態となって、質量体８とコイルバネ１８とによるパッシブ・モードでの制振が行われる。
【００２１】
制御装置３０はその後も、サーボモータ２０の消費電力および温度を監視するが、モータ２０の温度が、スレッシュホールドＴｔｈｈより低いＴｔｈｌを下回った場合には、所定の制御信号を出力してクラッチ２２を再度接続状態とする。図３の（Ｂ）に示されているように、モータ２０の消費電力は、クラッチ２２が切断された時点ｔ１’以降、モータ２０は空転状態となって負荷が軽くなるため、急速に低下し、スレッシュホールドＷｔｈを下回る。
一方、サーボモータ２０の温度は、図３の（Ｃ）に示されているように、時点ｔ１’以降、モータの消費電力が急速に低下しても、温度慣性のため、急激には低下せず、除々に低下して、時点ｔ２’においてスレッシュホールドＴｔｈｌを下回る。従って、制御装置３０はこの時点ｔ２’でクラッチ２２を接続する。
【００２２】
時点ｔ２’は、異常に強い振動が終了する時点ｔ２に近接しているので、強い振動がほぼ終了するタイミングで、アクティブ・モードによる制振が再度開始されることになる。
時点ｔ２は強い振動がどれだけ継続するかによって変化するので、時点ｔ２と、モータの温度がスレッシュホールドＴｔｈｌを下回る時点ｔ２’とは必ずしも常に近接しているとは限らない。
そのため、例えば強い振動の継続時間がさらに長い場合には、強い振動が終了しないうちにアクティブ・モードによる制振が開始されることになる。
しかし、その場合には、振動が強いため、サーボモータ２０の消費電力は大きく、またモータの温度も急上昇するので、直ちにクラッチ２２に対して切断制御が行われ、再度パッシブ・モードによる制振が行われることになる。
そして、強い振動が収まり、モータ２０の温度がスレッシュホールドＴｔｈｌを下回った時点で、クラッチ２２が接続されると、モータの消費電力は低く、またモータ温度もスレッシュホールドを越えないので、クラッチの接続状態は維持され、アクティブ・モードで制振が行われる。
【００２３】
このように本実施例の制振装置では、サーボモータ２０の負荷の状態が、モータの消費電力および温度によって監視され、所定の水準より負荷が重くなった場合には、クラッチ２２を切り離してパッシブ・モードで制振が行われる。
従って、モータ２０の能力で対応できる範囲の振動に対してはアクティブ・モードによる十分な制振効果が得られ、さらに、モータ２０の能力で対応できない強い振動に対してはパッシブ・モードにより、アクティブ・モードの場合よりは劣るが、良好な制振効果が得られる。
【００２４】
そして、上述のように建物が極めて強く振動し、サーボモータ２０の能力を上回る過負荷の状態でモータが駆動されるような場合には、クラッチ２２が切断され、モータ２０は無負荷となるので、モータの破損を回避することができる。
また、サーボモータ２０の能力を上回る状態で質量体８を駆動すると、建物の振動に追従して質量体８を運動させることができず、かえって建物を加振してしまうといったことも起り得る。しかし、本実施例の制振装置では、そのような場合にはパッシブ・モードに切り替えられるので、建物の加振など不適切な制振動作は一切行われない。
【００２５】
さらに、建物の振動の大きさを速度センサなどによって直接検出してクラッチを制御するのではなく、サーボモータ２０の負荷状態によりクラッチを制御するので、アクティブ・モードとパッシブ・モードとの切り換えを極めて安定的に行うことができる。
【００２６】
なお、市販のサーボモータおよびその駆動装置のなかには、サーボモータの温度を検出し、その値が所定値を越えた場合には、自動的にモータの運転を停止するようになっているものがある。
このようなサーボモータおよび駆動装置を用いる場合には、あくまでも制御装置３０が常にサーボモータの制御を行えるようにするため、温度のスレッシュホールドＴｔｈｈを上記温度の所定値より低くく設定することが望ましい。
そうすることにより、駆動装置の運転停止機能が作動する前にクラッチ２２が切断され、モータ２０は無負荷となってモータの温度は下降に転じるので、モータ２０は常に制御装置３０の制御下で動作する。
【００２７】
また、建物が強く振動した場合、単にサーボモータ２０への電力の供給を停止するだけでもある程度のパッシブ・モードによる制振効果を得ることは可能である。しかし、その場合には、モータ２０が負荷となってしまうため、パッシブ・マス・ダンパとしての能力が低下し、従って制振効果も低下する。
【００２８】
本実施例の制振装置は、一方向の振動に対して制振効果を有するものとしたが、基台４上に、Ｘ方向と直交するＹ方向に延設したレールを設け、その上に所定の車輪を介して上記レール１０を配置する構成とし、また必要な駆動系などを設けて質量体８をＹ方向にも移動できるようにすれば、平面上の任意の方向での制振効果を得ることができる。このような構成においても、本発明はもちろん有効であり、上述したような効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の制振装置では、電動機の消費電力が所定電力値を超え、且つ、電動機の温度が所定温度値を超えた状態となったときに、電動機の駆動力を質量体へ伝達する駆動力伝達機構のクラッチを接続状態から切断状態へ移行させ、また、電動機の温度が所定温度値以下に低下したときに、そのクラッチを切断状態から接続状態へ移行させるようにした。
【００３０】
そして、本発明の制振装置は、クラッチが接続状態にあるときには、アクティブ・マス・ダンパとして動作し、十分な制振作用を発揮し、一方、クラッチが切断状態にあるときには、パッシブ・マス・ダンパとして動作し、能力は若干低下するが、良好な制振作用を生む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制振装置の一例を示す模式平面図である。
【図２】図１の制振装置を示す模式側面図である。
【図３】図１の制振装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
２  制振装置
４  基台
６  床
８  質量体
１０  ガイドレール
１２  車輪
１４、１６  反力受け
１８  コイルバネ
２０  サーボモータ
２０ａ  温度センサ
２２  クラッチ
２４  ピニオン
２６  ラック
２８  ビーム
３０  制御装置
３０ａ  電力計
【図１】
0003599134.tif 000002
【図２】
0003599134.tif 000003
【図３】
0003599134.tif 000004