(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物内に水平面上で移動可能に配置された質量体と、
前記質量体を駆動するための駆動力を発生する動力源と、
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動力源の駆動力を前記質量体へ伝達する駆動力伝達機構と、
与えられた動力源制御データにもとづいて前記動力源に発生させる駆動力を制御する動力源制御装置と、
前記クラッチの断接動作を制御するクラッチ制御装置と、
前記構造物の動きに係わる物理量を検出する第１のセンサと、
前記質量体の動きに係わる物理量を検出する第２のセンサと、
を備え、
前記クラッチ制御装置は、前記構造物の振動が十分に大きく前記第１のセンサの検出結果にもとづく信号が所定の基準を超えたときに、前記クラッチを切断状態から接続状態へ移行させるように制御を行い、
前記動力源制御装置は、前記第１および第２のセンサからの信号にもとづいて前記動力源を制御し、前記構造物の振動を抑制する制振装置において、
前記構造物の振動を抑制するための第１の制御データを、前記第１のセンサからの信号にもとづいて生成する第１の制御データ生成手段と、
前記第２のセンサからの信号が表す前記質量体の動きを、前記質量体に行わせるための制御データを生成する第２の制御データ生成手段と、
前記クラッチの接続動作に同期して、しだいに大きくなる重みを発生し、発生した重みを前記第１の制御データ生成手段が生成した前記第１の制御データに乗じる第１の重みづけ手段と、
前記クラッチの接続操作に同期して、しだいに小さくなる重みを発生し、発生した重みを前記第２の制御データ生成手段が生成した前記第２の制御データに乗じる第２の重みづけ手段と、
前記第１の重みづけ手段により重みが乗じられた前記第１の制御データと、前記第２の重みづけ手段により重みが乗じられた前記第２の制御データとを加算し、その結果を前記動力源制御装置に前記動力源制御データとして供給する加算手段と、
を備えたことを特徴とする制振装置。
【請求項２】
前記第１の重みづけ手段は、前記重みをコサイン関数を用いて発生する請求項１記載の制振装置。
【請求項３】
前記第２の重みづけ手段は、前記重みをコサイン関数を用いて発生する請求項１記載の制振装置。
【請求項４】
前記第１のセンサは前記構造物の変位、移動速度、加速度のうちの少なくとも１つを検出する請求項１記載の制振装置。
【請求項５】
前記第２のセンサは前記質量体の変位、移動速度、加速度のうちの少なくとも１つを検出する請求項１記載の制振装置。
【請求項６】
前記第１および第２の制御データ生成手段、前記第１および第２の重みづけ手段、ならびに前記加算手段はコンピュータによって構成されている請求項１記載の制振装置。
【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、特に質量体の駆動機構と動力源とを接続または切断するクラッチ機構を備えた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。
【０００３】
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。
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、このクラッチを備えた制振装置では、例えば地震が発生し、クラッチを接続状態にする場合、地震によって建物が振動し、従って質量体が運動している状態でクラッチを接続することになる。
しかし、このときサーボモータは地震発生により制振のための動作を開始しており、サーボモータは質量体とは全く対応しない動きをしている。
従って、その状態でクラッチが接続されると、クラッチには極めて強い衝撃が加わる。
このようなストレスは地震が発生するごとにクラッチに加わり、クラッチの寿命を大幅に短縮させる結果となる。
【０００５】
そこで本発明の目的は、動力源と質量体の駆動機構とを接続するとき、クラッチ機構に強い衝撃が加わらないようにした制振装置を提供することにある。
【０００６】
【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、構造物内に水平面上で移動可能に配置された質量体と、前記質量体を駆動するための駆動力を発生する動力源と、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動力源の駆動力を前記質量体へ伝達する駆動力伝達機構と、与えられた動力源制御データにもとづいて前記動力源に発生させる駆動力を制御する動力源制御装置と、前記クラッチの断接動作を制御するクラッチ制御装置と、前記構造物の動きに係わる物理量を検出する第１のセンサと、前記質量体の動きに係わる物理量を検出する第２のセンサとを備え、前記クラッチ制御装置は、前記構造物の振動が十分に大きく前記第１のセンサの検出結果にもとづく信号が所定の基準を超えたときに、前記クラッチを切断状態から接続状態へ移行させるように制御を行い、前記動力源制御装置は、前記第１および第２のセンサからの信号にもとづいて前記動力源を制御し、前記構造物の振動を抑制する制振装置において、前記構造物の振動を抑制するための第１の制御データを、前記第１のセンサからの信号にもとづいて生成する第１の制御データ生成手段と、前記第２のセンサからの信号が表す前記質量体の動きを、前記質量体に行わせるための制御データを生成する第２の制御データ生成手段と、前記クラッチの接続動作に同期して、しだいに大きくなる重みを発生し、発生した重みを前記第１の制御データ生成手段が生成した前記第１の制御データに乗じる第１の重みづけ手段と、前記クラッチの接続操作に同期して、しだいに小さくなる重みを発生し、発生した重みを前記第２の制御データ生成手段が生成した前記第２の制御データに乗じる第２の重みづけ手段と、前記第１の重みづけ手段により重みが乗じられた前記第１の制御データと、前記第２の重みづけ手段により重みが乗じられた前記第２の制御データとを加算し、その結果を前記動力源制御装置に前記動力源制御データとして供給する加算手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明はまた、前記第１の重みづけ手段が、前記重みをコサイン関数を用いて発生することを特徴とする。
本発明はまた、前記第２の重みづけ手段が、前記重みをコサイン関数を用いて発生することを特徴とする。
本発明はまた、前記第１のセンサが前記構造物の変位、移動速度、加速度のうちの少なくとも１つを検出することを特徴とする。
本発明はまた、前記第２のセンサが前記質量体の変位、移動速度、加速度のうちの少なくとも１つを検出することを特徴とする。
本発明はまた、前記第１および第２の制御手段、前記第１および第２の重みづけ手段、ならびに前記加算手段がコンピュータによって構成されていることを特徴とする。
【０００８】
第１の制御手段は、構造物の振動を抑制するための第１の制御データを、第１のセンサからの信号にもとづいて生成し、第２の制御手段は、第２のセンサからの信号が表す質量体の動きを、質量体に行わせるための制御データを生成する。そして、第１の重みづけ手段は、クラッチ機構の接続操作に同期して、しだいに大きくなる重みを発生し、発生した重みを第１の制御手段が生成した第１の制御データに乗じ、第２の重みづけ手段は、クラッチ機構の接続操作に同期して、しだいに小さくなる重みを発生し、発生した重みを第２の制御手段が生成した第２の制御データに乗じる。
加算手段は、第１の重みづけ手段により重みが乗じられた第１の制御データと、第２の重みづけ手段により重みが乗じられた第２の制御データとを加算し、結果を動力源制御装置に制御データとして供給する。
【０００９】
【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２は本発明による制振装置の一例を示す模式平面図、図３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。
【００１０】
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、減速機２１、電磁クラッチ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、サーボモータ２０の出力軸は減速機２１に、そして減速機２１の出力軸はクラッチ２２にそれぞれ接続されている。
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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、建物の移動速度を検出するセンサ３２、および質量体８に取り付けられ、質量体８の移動速度を検出するセンサ３４からの信号を用いる。
【００１３】
図１は制御装置３０の構成を示す機能ブロック図である。
制御装置３０はマイクロコンピュータ３０２、Ａ／Ｄ変換器３０４、３０６、Ｄ／Ａ変換器３０８、モータ制御装置３１０、ならびにクラッチ制御装置３１２を備えている。
モータ制御装置３１０は、マイクロコンピュータ３０２からＤ／Ａ変換器３０８を通じてサーボモータ２０を制御するための電圧が与えられると、モータ２０に電力を供給し、与えられた電圧によって決まる回転方向および回転速度で、サーボモータ２０を回転させる。
クラッチ制御装置３１２は、マイクロコンピュータ３０２からハイレベルの電圧が与えられたとき電磁クラッチ２２に通電して接続状態とし、一方、ローレベルの電圧が与えられた場合にはクラッチ２２に通電せず、切断状態とする。
【００１４】
マイクロコンピュータ３０２は、ＣＰＵ、ＣＰＵを動作させるためのプログラムが格納されたＲＯＭ、ならびにＲＡＭなどにより構成されており、図１の各機能を実現している。
クラッチ制御データ生成手段３０２ｆは、Ａ／Ｄ変換器３０４からの信号が所定のレベルより大きいとき、ハイレベルの電圧を出力してクラッチ制御装置３１２に、クラッチ２２を接続状態とさせ、一方、Ａ／Ｄ変換器３０４からの信号が所定のレベルより小さいときは、ローレベルの電圧を出力してクラッチ２２を切断状態とさせる。
【００１５】
第１の制御データ生成手段３０２ａは、Ａ／Ｄ変換器３０４からの信号にもとづいて所定の演算処理を行い、建物の振動を抑制するために制御装置３１０に与える制御電圧を算出する。
一方、第２の制御データ生成手段３０２ｂは、Ａ／Ｄ変換器３０６からの信号が表す質量体８の運動を、質量体８に行わせるための制御電圧を算出する。
【００１６】
第１の重みづけ手段３０２ｃは、クラッチ制御データ生成手段３０２ｆがクラッチ２２を接続させるための信号を出力したとき、時間の経過とともにしだいに大きくなる重みを発生し、それを第１の制御データ生成手段３０２ａが算出した制御電圧に乗じる。
第２の重みづけ手段３０２ｄは、クラッチ制御データ生成手段３０２ｆがクラッチ２２を接続させるための信号を出力したとき、時間の経過とともにしだいに小さくなる重みを発生し、それを第２の制御データ生成手段３０２ｂが算出した制御電圧に乗じる。
加算手段３０２ｅは、第１および第２の重みづけ手段３０２ｃ、３０２ｄにより重みが乗じられた上記２つの制御電圧を加算し、その値を表すデジタル信号を生成してＤ／Ａ変換器３０８に出力する。
なお、制御装置３０と、サーボモータ２０、クラッチ２２、ならびにセンサ３２、３４とを接続するケーブルは図２、図３では省略されている。
【００１７】
このように構成された制振装置２により、建物の振動は次のようにして抑制される。
例えば地震が発生し、建物が振動すると、センサ３２は建物の振動を検出し、検出結果を表す信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器３０４はこの信号をデジタル信号に変換して出力する。
【００１８】
クラッチ制御データ生成手段３０２ｆは、Ａ／Ｄ変換器３０４の出力信号が所定の水準を越えているか否かを調べる。
ここで上記地震による建物の振動が十分に大きく、Ａ／Ｄ変換器３０４の出力信号が上記所定の水準を越えているとすると、クラッチ制御データ生成手段３０２ｆはハイレベルの電圧をクラッチ制御装置３１２に出力する。
その結果、クラッチ制御装置３１２は電磁クラッチ２２に通電し、クラッチ２２を接続させ、即ち、切断状態から接続状態へ移行させる。
これにより、サーボモータ２０の出力軸は減速機２１およびクラッチ２２を介してピニオン２４に接続され、モータ２０の回転によりピニオン２４が回転し、質量体８は移動することになる。
ただし、クラッチ２２には動作遅れがあるため、通電されても直ぐには完全な接続状態とはならず、短時間ではあるが、クラッチ２２の特性によって決まる所定の時間が経過した後、完全な接続状態となる。この間、クラッチ２２はいわゆる半クラッチの状態にある。
【００１９】
一方、制御データ生成手段３０２ａは、Ａ／Ｄ変換器３０４から信号を受け取り、その信号にもとづいて所定の演算処理を行い、建物の振動を抑制するために制御装置３１０に与える制御電圧ＶＦを算出する。
第１の重みづけ手段３０２ｃは、クラッチ制御データ生成手段３０２ｆがクラッチ２２を接続させるための信号を出力したタイミングに同期して、時間の経過とともにしだいに大きくなる重みを発生し、それを第１の制御データ生成手段３０２ａが算出した制御電圧に乗じる。
第１の重みづけ手段３０２ｃは、具体的には上記重みＷＦをコサイン関数を用いた次式によって算出する。
【００２０】
【数１】
ＷＦ  ＝  −０．５×ＣＯＳ（ｔ／Ｔｄ×π）＋０．５
ここで、ｔは時間、Ｔｄはクラッチ２２が完全に接続されるまでに要する時間である。
この重みＷＦをグラフで示すと図４の（Ａ）のようになる。横軸は時間を表し、縦軸は重みの値を示している。
重みＷＦがこのように変化する結果、第１の制御データ生成手段３０２ａが算出生成した制御電圧ＶＦは、図４の（Ｃ）に示すように、クラッチ制御データ生成手段３０２ｆがハイレベルの電圧を出力した時点ｔ０においては零であり、その後しだいに振幅が大きくなり、クラッチ２２が完全に接続される時点ｔ１以降では、本来の制振効果を得るために必要な振幅となる。
【００２１】
一方、地震の発生により建物が振動すると質量体８も振動するので、センサ３４はそれを検出して質量体８の移動速度を表す信号を出力する。
Ａ／Ｄ変換器３０６はその信号をデジタル信号に変換して第２の制御データ生成手段３０２ｂに供給する。
そして、第２の制御データ生成手段３０２ｂは、Ａ／Ｄ変換器３０６からの信号が表す質量体８の運動を、質量体８に行わせるための制御電圧を算出する。具体的には、第２の制御データ生成手段３０２ｂは次式により制御電圧ＶＳを求める。
【００２２】
【数２】
ｒｉ  ＝  ６０・Ｒ・δｄ／（π×Ｄｐ）
ＶＳ  ＝  ＲＧ・ｒｉ
ここで、ｒｉはクラッチ２２のモータ側クラッチ部材の回転速度（ｒｐｍ）、Ｒは減速機２１の減速比、δｐは負荷質量応答速度（ｍ／ｓ）、Ｄｐはピニオン２４の直径（ｍｍ）、ＲＧは制御電圧１Ｖ当たりのモータ２０の回転数（ｒｐｍ）である。
【００２３】
第２の重みづけ手段３０２ｄは、クラッチ制御データ生成手段３１２がクラッチ２２を接続させるための信号を出力したタイミングｔ０に同期して、時間の経過とともにしだいに小さくなる重みを発生し、それを第２の制御データ生成手段３０２ｂが算出した上記制御電圧に乗じる。
第２の重みづけ手段３０２ｄは、具体的には上記重みＷＳをコサイン関数を用いた次式によって算出する。
【００２４】
【数３】
ＷＳ  ＝  ０．５×ＣＯＳ（ｔ／Ｔｄ×π）＋０．５
ここで、ｔは時間、Ｔｄはクラッチ２２が完全に接続されるまでに要する時間である。
この重みをグラフで示すと図４の（Ｂ）のようになる。
重みＷＳがこのように変化する結果、第２の制御データ生成手段３０２ｂが算出生成した制御電圧ＶＳは、図４の（Ｅ）に示すように、クラッチ制御データ生成手段３０２ｆがハイレベルの電圧を出力する時点ｔ０以前においてはそのままであり、その後しだいに振幅が小さくなり、クラッチ２２が完全に接続される時点ｔ１以降では、零となる。
【００２５】
加算手段３０２ｅは、これら重みづけ後の制御電圧ＶＦ、ＶＳを加算し、加算結果を表すデジタル信号を生成してＤ／Ａ変換器３０８に出力する。
制御電圧ＶＦ、ＶＳの加算結果は図４の（Ｆ）に示すようなものとなる。
Ｄ／Ａ変換器３０８はこの信号をアナログ信号に変換してモータ制御装置３１０に出力し、モータ制御装置３１０は与えられたアナログ信号の電圧にもとづき、サーボモータ２０の回転方向および回転速度を制御する。
【００２６】
ここで、第２の制御データ生成手段３０２ｂが生成した制御電圧は使用せず、第１の制御データ生成手段３０２ａが生成した制御電圧ＶＦだけを用い、そして重みづけも行わなかったとすると、クラッチ２２の接続が行われると同時に、図４の（Ｇ）に示すような最初から振幅の大きい制御電圧ＶＦが、Ｄ／Ａ変換の後、モータ制御装置３１０に供給されることになる。
従って、クラッチ２２のモータ側のクラッチ部材はモータ２０によって駆動され、直ちに上記制御電圧に応じた回転運動を行う。
一方、クラッチ２２の質量体側のクラッチ部材は、クラッチが接続される前は、建物の振動による質量体８の運動に応じた回転運動をしており、クラッチ接続操作直後の両クラッチ部材の回転運動は全く異なったものとなる。従って、両ク
ラッチ部材が接続されるとき、両者には極めて大きい衝撃が加わることになる。
【００２７】
しかし、本実施例の制振装置では、図４の（Ｆ）に示したような制御電圧が、Ｄ／Ａ変換の後、モータ制御装置３１０に供給されるので、クラッチ接続操作直後、すなわち時点ｔ０の直後では、制御電圧はそのときの質量体８の運動を、質量体８に行わせるようなものとなっており、上記両クラッチ部材の運動はほとんど一致している。
制御電圧はその後、クラッチが完全に接続される状態（時点ｔ１に対応）に近づくにつれ、しだいに本来の制振作用を得るための電圧に移行し、モータ側のクラッチ部材は、もう一方のクラッチ部材に力を及ぼしつつ、徐々にもう一方のクラッチ部材と異なる運動をするようになる。
従って、クラッチの接続過程でクラッチ部材には衝撃が加わることはなく、クラッチ接続時の衝撃によりクラッチの寿命が短縮するという問題は発生しない。
【００２８】
なお、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、上述しような効果が得られる。
【００２９】
また、上記動作の説明では、地震発生時にクラッチ２２を接続する場合を例に説明したが、本実施例の制振装置をパッシブ・マス・ダンパとして動作させていて、次にアクティブ・マス・ダンパとして動作させるように切り換える場合にも本発明は有効である。
すなわち、上記制振装置は、質量体８がコイルバネ１８によって基台４に連結されているので、建物の振動が極めて大きい場合などには、クラッチ２２を切断して、パッシブ・マス・ダンパとして制振作用を発揮するようにできる。この場合、建物の振動が弱まり、アクティブ・マス・ダンパとして動作させるように切り換えるときは、クラッチ２２を再度接続することになる。その際にも本制振装置では上述のようにして、クラッチ２２は衝撃が加わらないように接続できる。
【００３０】
また、上記実施例ではセンサ３２、３４はそれぞれ建物および質量体の移動速度を検出するとしたが、これらのセンサとして、建物および質量体の変位や加速度を検出するものを用いることもできる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の制振装置では、第１の制御データ生成手段は、構造物の振動を抑制するための第１の制御データを、第１のセンサからの信号にもとづいて生成し、第２の制御データ生成手段は、第２のセンサからの信号が表す質量体の動きを、質量体に行わせるための制御データを生成する。
そして、第１の重みづけ手段は、クラッチの接続操作に同期して、しだいに大きくなる重みを発生し、発生した重みを第１の制御データ生成手段が生成した第１の制御データに乗じ、第２の重みづけ手段は、クラッチの接続動作に同期して、しだいに小さくなる重みを発生し、発生した重みを第２の制御データ生成手段が生成した第２の制御データに乗じる。
加算手段は、第１の重みづけ手段により重みが乗じられた第１の制御データと、第２の重みづけ手段により重みが乗じられた第２の制御データとを加算し、その結果を動力源制御装置に動力源制御データとして供給する。
【００３２】
従って、本発明の制振装置では、クラッチ機構の接続動作を開始した時点では、動力源制御装置に供給される制御データは、その時の質量体の運動を、質量体に行わせるようなものとなっており、従ってクラッチ機構において接続される両クラッチ部材の運動はほとんど一致している。
制御データはその後、クラッチが完全に接続される状態に近づくにつれ、しだいに本来の制振作用を得るための制御データに移行し、動力源側のクラッチ部材は、もう一方のクラッチ部材に力を及ぼしつつ、徐々にもう一方のクラッチ部材と異なる運動をするようになる。
従って、クラッチ機構の接続過程でクラッチ部材には衝撃が加わることはなく、クラッチ接続時の衝撃によりクラッチの寿命が短縮するという問題は発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制振装置の一例を構成する制御装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の制振装置の一例を示す模式平面図である。
【図３】図２の制振装置を示す模式側面図である。
【図４】図１の制御装置の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
２  制振装置
４  基台
８  質量体
１８  コイルバネ
２０  サーボモータ
２１  減速機
２２  電磁クラッチ
２４  ピニオン
２６  ラック
２８  ビーム
３０  制御装置
３２、３４  センサ
３０２  マイクロコンピュータ
３０２ａ、３０２ｂ  制御データ生成手段
３０２ｃ、３０２ｄ  重みづけ手段
３０２ｅ  加算手段
３０２ｆ  クラッチ制御データ生成手段
３０４、３０６  Ａ／Ｄ変換器
３０８  Ｄ／Ａ変換器
３１０  モータ制御装置
３１２  クラッチ制御装置
【図１】
0003599135.tif 000002
【図２】
0003599135.tif 000003
【図３】
0003599135.tif 000004
【図４】
0003599135.tif 000005