(57)【要約】【課題】重錘など減衰機構を密封状の構造とすることで、構成をシンプルとして省スペース化でき、腐食の心配を減少した構造物の制振装置を提供する。【解決手段】構造物３０に設置される密閉状容器１と、密閉状容器１内を第１の空間１１Ａと第２の空間１１Ｂとに仕切るよう密閉状容器内に移動自在に設けた重錘７と、重錘を移動方向に付勢する付勢体１２Ａ，１２Ｂを備えた。少なくとも一方の空間に連通して流体流量制御手段２０を設け、流体流量制御手段を制御することで減衰係数を調整自在に構成した。空間内の流体を、流体流量制御手段を介して流動できることにより、重錘の動きに応じて流体流量制御手段を制御することで、簡単な装置構成でありながら、流体の流動量を制御できて、最適減衰率を実現するように減衰特性を時々刻々と変化でき、省電力で実現できる。密閉状構造とすることで、制振装置の全体を小型化できて安価に構成でき、外気との接触を極力避けて、腐食環境下であっても腐食の心配がなくなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に設置される密閉状容器と、この密閉状容器内を第１の空間と第２の空間とに仕切るよう密閉状容器内に移動自在に設けられた重錘と、この重錘を移動方向に付勢する付勢体とを備え、少なくとも一方の空間に連通されて流体流量制御手段が設けられ、この流体流量制御手段を制御することで減衰係数を調整自在に構成したことを特徴とする構造物の制振装置。
【請求項２】
流体流量制御手段が、第１の空間と第２の空間との間に設けられるバイパス管と、このバイパス管の部分に設けられる可変バルブと、この可変バルブを制御する制御部とからなり、前記可変バルブを制御することで減衰係数を調整自在に構成したことを特徴とする請求項１記載の構造物の制振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば橋梁、煙突、建築物など、自然外乱および人工外乱による振動に晒される構造物の制振に使用される構造物の制振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
橋梁や、高層ビルなどの構造物には、振動を低減するための制振装置が設置されるのが一般的である。従来、この制振装置の１方式として同調質量ダンパー（Ｔｕｎｅｄ  Ｍａｓｓ  Ｄａｍｐｅｒ）がよく知られている。これは、構造物の揺れ周期と同調して揺れる重錘、ばねを構造物上に設置することで振動を低減しようというものであるが、機械的な摩擦や使用する減衰器により減衰率が非線形特性となり、常に最適な減衰を実現することが困難となる。
【０００３】
これに対し、構造物上の重錘に駆動モーターを直接接続し、この駆動モーターをコンピューターにより駆動制御することで、従来の同調質量ダンパーよりも、より積極的に構造物の揺れを制御するアクティブマスダンパー（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｓｓ  Ｄａｍｐｅｒ）が知られている。しかし、このアクティブマスダンパーは、重錘を駆動モーターで制御するため、電力消費が大きいうえ、コンピューターのトラブルや停電時に駆動モーターが作動しない場合は、制振装置としては全く機能しなくなる。さらに、比較的大型の駆動モーターを使用することで、コスト高になる。
【０００４】
そこで、可変減衰機構を同調質量ダンパーに付加することで、コンピューターのトラブル時や停電時でも、最低限同調質量ダンパーとして機能させることで装置の信頼性を高めたセミアクティブ同調質量ダンパー（制振装置）が開発されている（たとえば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平７−１１３４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記した従来の制振装置（セミアクティブ同調質量ダンパー）は、重錘、ばね、アクチュエータ（減衰器）などの機構が露出した形態で、構成が大掛かりであり、例えば、橋梁の桁内部や建物の床下など狭いスペースには設置が難しく、また腐食環境下では、外気との接触により腐食が発生し易いという問題があった。
【０００６】
そこで本発明の請求項１記載の発明は、重錘など減衰機構を密封状の構造とすることで、構成をシンプルとして省スペース化し得るとともに、腐食の心配を減少し得る構造物の制振装置を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した目的を達成するために、本発明の請求項１記載の構造物の制振装置は、構造物に設置される密閉状容器と、この密閉状容器内を第１の空間と第２の空間とに仕切るよう密閉状容器内に移動自在に設けられた重錘と、この重錘を移動方向に付勢する付勢体とを備え、少なくとも一方の空間に連通されて流体流量制御手段が設けられ、この流体流量制御手段を制御することで減衰係数を調整自在に構成したことを特徴としたものである。
【０００８】
したがって請求項１の発明によると、構造物、ならびに一体状の密閉状容器に振幅（振動）が作用したとき、振幅の方向とは反対側の付勢体を圧縮させる状態で、重錘に対して密閉状容器が移動することになり、その際、重錘は遅れぎみに振幅の方向に振幅（振動）するとともに構造物との相対速度に起因する減衰力を生じることになる。さらに、構造物と重錘の振動はほぼ同調するように調整されていることから、構造物と重錘はほぼ連成して振動するようになる。上記の減衰力はこの連成振動を抑制するような効果を発揮することから、結果的に構造物本体の振動抑制にも寄与することになる。このとき、圧縮（縮小）または拡張（拡大）される空間内の流体は、流体流量制御手段を介して流動し得る。
【０００９】
これにより、重錘の動きに応じて流体流量制御手段を制御することで、簡単な装置構成でありながら、流体の流動量を制御して、最適減衰率を実現するように減衰特性を時々刻々と変化させ得る。すなわち、重錘の振幅が小さい場合には流体流量制御手段における流動量を増加することで付加減衰を小さくし得、振幅が大きい場合には流体流量制御手段における流動量を減少することで付加減衰を大きくし得る。また、密閉状容器内に重錘と付勢体とを収納した密閉状構造とすることで、制振装置の全体を小型化（コンパクト化）し得るとともに、外気との接触を極力避けることになって、腐食環境下であっても腐食の心配がなくなる。
【００１０】
また本発明の請求項２記載の構造物の制振装置は、上記した請求項１記載の構成において、流体流量制御手段が、第１の空間と第２の空間との間に設けられるバイパス管と、このバイパス管の部分に設けられる可変バルブと、この可変バルブを制御する制御部とからなり、前記可変バルブを制御することで減衰係数を調整自在に構成したことを特徴としたものである。
【００１１】
したがって請求項２の発明によると、密閉状容器側に振幅（振動）が作用したとき、振幅の方向とは反対側の空間を圧縮（縮小）することになり、これにより空間内の流体がパイパス管を介して、振幅の方向で拡張（拡大）される空間に流入することになる。これにより、重錘の動きに応じて制御部により可変バルブを開閉制御することで、パイパス管を介しての流体の流動量を制御して、最適減衰率を実現するように減衰特性を時々刻々と変化させ得る。すなわち、重錘の振幅が小さい場合には可変バルブを開けることで付加減衰を小さくし得、振幅が大きい場合には可変バルブを閉めることで付加減衰を大きくし得る。さらに、可変バルブを制御部により制御することで、簡単な装置構成でありながら、時々刻々と任意の開度を実現し得るとともに、省電力で実現し得る。
【発明の効果】
【００１２】
上記した本発明の請求項１によると、構造物、ならびに一体状の密閉状容器に振幅（振動）が作用したとき、振幅の方向とは反対側の付勢体を圧縮させる状態で、重錘に対して密閉状容器が移動することになり、その際、重錘は遅れぎみに振幅の方向に振幅（振動）するとともに構造物との相対速度に起因する減衰力を生じることになる。さらに、構造物と重錘の振動はほぼ同調するように調整されていることから、構造物と重錘はほぼ連成して振動する。上記の減衰力はこの連成振動を抑制するような効果を発揮することから、結果的に構造物本体の振動抑制にも寄与できる。このとき、このとき、圧縮（縮小）または拡張（拡大）される空間内の流体は、流体流量制御手段を介して流動できる。これにより、重錘の動きに応じて流体流量制御手段を制御することで、簡単な装置構成でありながら、流体の流動量を制御できて、最適減衰率を実現するように減衰特性を時々刻々と変化できるとともに、省電力で実現できる。すなわち、重錘の振幅が小さい場合には流体流量制御手段における流動量を増加することで付加減衰を小さくでき、振幅が大きい場合には流体流量制御手段における流動量を減少することで付加減衰を大きくできる。
【００１３】
また、密閉状容器内に重錘と付勢体とを収納した密閉状構造とすることで、制振装置の全体を小型化（コンパクト化）できて安価に構成できるとともに、外気との接触を極力避けることができて、腐食環境下であっても腐食の心配がなくなり、腐食などに伴うメンテナンスの必要性を極力回避できる。しかもコンパクトに構成できることで、限定された狭い空間にも容易に設置することができる。さらに制振装置は、流体流量制御手段が万が一破損しても、あるいは停電しても、同調質量ダンパーとしての機能を保持することができて、万が一の故障に対するフェールセーフ機能を有することとなる。
【００１４】
また上記した本発明の請求項２によると、密閉状容器側に振幅（振動）が作用したとき、空間内の流体がパイパス管を介して、振幅の方向で拡張（拡大）される空間に流入することになる。これにより、重錘の動きに応じて制御部により可変バルブを開閉制御することで、パイパス管を介しての流体の流動量を制御でき、最適減衰率を実現するように減衰特性を時々刻々と変化できる。すなわち、重錘の振幅が小さい場合には可変バルブを開けることで付加減衰を小さくでき、振幅が大きい場合には可変バルブを閉めることで付加減衰を大きくできる。さらに、可変バルブを制御部により制御することで、簡単な装置構成でありながら、時々刻々と任意の開度を実現できるとともに、省電力で実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［実施の形態１］
以下に、本発明の実施の形態１を図１〜図６に基づいて説明する。
図１において、密閉状容器１は、チューブ体２と、このチューブ体２の両端に当接された一対のヘッドカバー体３とによりシリンダ本体状に構成され、その際に両ヘッドカバー体３間に複数のタイロット４が設けられることで密閉状の形状維持がなされている。前記密閉状容器１内には、その外端がヘッドカバー体３に嵌合される状態で一対の端ガイド軸５が設けられ、そして端ガイド軸５の内端間に嵌合されて中央ガイド軸６が設けられている。
【００１６】
さらに密閉状容器１内には、一対の分割体からなる重錘７が設けられ、これら重錘７は、その外面側に調整用重錘８が当接された状態で複数のリーマボルト９により一体化されている。その際に重錘７はリング状であって、前記中央ガイド軸６にボールスプライン１０を介して外嵌されることで、密閉状容器１の長さ方向で移動自在に設けられている。また、重錘７の外径はチューブ体２の内径よりもやや小さめに形成され、これにより重錘７の外周面はチューブ体２の内周面に摺接自在とされ、以て重錘７により密閉状容器１内が第１の空間１１Ａと第２の空間１１Ｂとに仕切られるととも、密閉状容器１と重錘７のみで空気ダンパーが構成される。
【００１７】
そして端ガイド軸５や中央ガイド軸６に外嵌されて、両ヘッドカバー体３と重錘７との間には、それぞれ圧縮ばね（付勢体の一例）１２Ａ，１２Ｂが設けられ、これら圧縮ばね１２Ａ，１２Ｂは重錘７を移動方向に付勢するように構成されている。なお、重錘７の外面側にはそれぞれ複数のストッパー１３が設けられ、これらストッパー１３は前記端ガイド軸５の内端面に当接可能に構成されている。
【００１８】
少なくとも一方の空間に連通されて流体流量制御手段２０が設けられ、この流体流量制御手段２０を制御することで減衰係数を調整自在に構成されている。ここで流体流量制御手段２０は、第１の空間１１Ａと第２の空間１１Ｂとの間に設けられるバイパス管２１と、このバイパス管２１の部分に設けられる開閉自在なコントロールバルブ（可変バルブの一例）２２と、このコントロールバルブ２２を制御するコンピュータ（制御部の一例）２５などから構成されている。
【００１９】
すなわち、前記両ヘッドカバー体３には、前記第１の空間１１Ａまたは第２の空間１１Ｂに連通された連通路２３がそれぞれ凹入状に形成され、これら連通路２３に連通されて、両ヘッドカバー体３にはそれぞれ接続体２４が設けられている。前記バイパス管２１はチューブ体２の外側に配置され、その一端は一方の接続体２４に接続されるとともに、他端は、前記コントロールバルブ２２を介して他方の接続体２４に接続されている。そしてコンピュータ２５からの制御信号２５ａにより前記コントロールバルブ２２を開閉制御することで、減衰係数を調整自在に構成されている。
【００２０】
前記両ヘッドカバー体３にはそれぞれ取付脚２６が設けられ、これら取付脚２６を介して、密閉状容器１を構造物３０側に設置（取り付け）自在に構成されている。
以下に、上記した実施の形態１における作用を説明する。
【００２１】
図１おいて、構造物３０、ならびに一体状の密閉状容器１に振幅（振動）Ａ−Ｂが作用したとき、振幅Ａ−Ｂの方向とは反対側の圧縮ばね１２Ｂ，１２Ａを圧縮させる状態で、重錘７に対して密閉状容器１が移動されることになり、その際に、重錘７が遅れぎみに振幅Ａ−Ｂの方向に振幅（振動）するとともに構造物３０との相対速度に起因する減衰力を生じることになる。さらに、構造物３０と重錘７の振動はほぼ同調するように調整されていることから、構造物３０と重錘７はほぼ連成して振動するようになる。上記の減衰力はこの連成振動を抑制するような効果を発揮することから、結果的に構造物３０の振動抑制にも寄与することになる。このとき、振幅Ａ−Ｂの方向とは反対側の空間１１Ｂ，１１Ａも圧縮（縮小）されることになり、これにより空間１１Ｂ，１１Ａ内の空気がパイパス管２１などを介して流れａ−ｂて、振幅Ａ−Ｂの方向で拡張（拡大）される空間１１Ａ，１１Ｂに流入することになる。
【００２２】
したがって、重錘７の動きに応じてコンピュータ２５からの制御信号２５ａによりコントロールバルブ２２を開閉制御することで、パイパス管２１などを介しての空気の流動量を制御して、最適減衰率を実現するように減衰特性を時々刻々と変化させ得る。すなわち、重錘７の振幅が小さい場合にはコントロールバルブ２２を開けることで付加減衰を小さくし得、振幅が大きい場合にはコントロールバルブ２２を閉めることで付加減衰を大きくし得る。
【００２３】
上述したように、密閉状容器１内に重錘７と圧縮ばね１２Ａ，１２Ｂとを収納することで、制振装置の全体を小型化（コンパクト化）して安価に構成し得るとともに、外気との接触を極力避けることになって、腐食などに伴うメンテナンスの必要性を極力回避し得る。さらに制振装置は、コントロールバルブ２２をコンピュータ２５により制御することで、簡単な装置構成でありながら、時々刻々と任意の開度を実現し得るとともに、省電力で実現し得る。また、コントロールバルブ２２が万が一破損しても、あるいは停電しても、同調質量ダンパーとしての機能を保持することができて、万が一の故障に対するフェールセーフ機能を有することとなる。
【００２４】
さらにコンパクトに構成し得ることで、図２に示すように、構造物３０の一例である橋梁における箱桁橋内部など、限定された狭い空間にも容易に設置することが可能となる。なお、図２の制振装置は図１で示された装置と機構は同じであるが、図１は水平振動を対象としたものに対し、図２は制振装置を鉛直方向に立てることで、鉛直振動（垂直振動）を対象としており、このような鉛直振動にも対応可能である。
【００２５】
以下に、上記した実施の形態１における振動制御方法について記述する。
図３に振幅と減衰の関係図（概念図）を示す。図中には摩擦減衰による非線形減衰と最適減衰の関係（概念図）を示す。
【００２６】
従来の同調質量ダンパーでは、装置駆動部の摩擦減衰の影響により、減衰に振幅依存性が生じることになり、通常の減衰器（オイルダンパー、空気ダンパー、磁気ダンパーなど）を用いた場合、斜線に示すように、摩擦減衰による非線形性の影響を回避することができない。一方、本発明の制振装置による可変減衰機能を利用することにより、最適減衰率を実現するように重錘７の動きに応じて減衰特性を時々刻々と変化させ得る。具体的には、重錘７の振幅が小さい場合にはコントロールバルブ２２を開けて付加減衰を小さくし、振幅が大きい場合にはコントロールバルブ２２を閉めて付加減衰を大きくすることで、摩擦減衰による非線形性を回避することができる。
【００２７】
また、外乱に応じて最適減衰の理論値も変化するが、同様に可変減衰機能を利用することで、外乱に応じた最適減衰を実現することができる。この最適減衰を実現する制御概念を図４に示す。なお、図４（後述する図５）において、３２は重錘側加速度計、３３は構造物側加速度計を示し、またТＭＤは同調質量ダンパーの略称である。図４に示すように、バイパス開度、すなわちコントロールバルブ２２の開度を、コンピュータ２５の演算に基づく制御により任意に可変することで、あらかじめ想定した最適減衰力を実現することができる。
【００２８】
さらに、図５に示すように、構造物３０の本体や同調質量ダンパー（重錘７）の応答量（応答速度や応答変位）を状態量として、制御則（最適制御理論、スライディングモード制御など）により制御力を算定し、その制御力を模擬するように（たとえば、クリップドオプティマル則の適用）コントロールバルブ２２の開度を可変させることでも振動制御を行うことができる。
【００２９】
図６は、スライディングモード制御則による数値シミュレーションを示したものである。図６に示すように、同調質量ダンパーに可変減衰機能を付加したセミアクティブ同調質量ダンパーとすることで、従来の同調質量ダンパーよりも大きな制振効果を発揮することができる。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２を図７に基づいて説明する。
【００３０】
この実施の形態２では、空気ダンパーを用いる形式で、バイパス管を設けることなく可変バルブを設置している。すなわち、他方のヘッドカバー体３にコントロールバルブ２２が直接に設置され、このコントロールバルブ２２は、連通路２３を介して第２の空間１１Ｂに連通されている。
【００３１】
これにより、コンパクトな制振装置を実現することが可能となり、さらにコントロールバルブ２２をコンピュータ２５により制御することで、時々刻々と任意の開度を実現し得る。ただし、この場合、密閉状容器１内と外気との間で空気の出入があるので、密閉状容器１内の腐食に対しては、多少不利となる場合がある。なお、コントロールバルブ２２が、連通路２３を介して第１の空間１１Ａに連通された形式であってもよい。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３を図８に基づいて説明する。
【００３２】
この実施の形態３は実施の形態１の変形であって、磁気粘性流体２８が、両空間１１Ａ，１１Ｂからバイパス管２１内に満たされている。この場合、バイパス管２１の部分には、可変バルブの代わりに可変磁界体２９が設けられ、この可変磁界体２９の磁界をコンピュータ２５により制御することで、時々刻々と任意の磁界に可変し得、以て可変減衰機能を実現することができる。
【００３３】
なお、実施の形態３の変形例としては、両空間１１Ａ，１１Ｂからバイパス管２１内に電気粘性流体が満たされた形式も可能である。この場合、コンピュータ２５の制御により印加電圧を可変とすることで、可変減衰機能を実現することができる。
【００３４】
上記した各実施の形態では、付勢体としてコイル状の圧縮ばね１２Ａ，１２Ｂが使用されているが、これは引張りばねや板ばねなどであってもよい。
上記した実施の形態では、一対の分割体からなる重錘７が使用されているが、これは３個以上の分割体からなる重錘や、１個の重錘が使用される形式などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１を示し、構造物の制振装置の一部切り欠き正面図である。
【図２】同制振装置を橋梁に設置した状態での説明図である。
【図３】同可変減衰機能の概念図である。
【図４】同構造物の制振装置における可変バルブによる最適減衰を実現するための制御説明図である。
【図５】同構造物の制振装置における制御理論を用いたセミアクティブコントロールの制御説明図である。
【図６】同構造物の制振装置における制振効果の数値シミュレーション図である。
【図７】本発明の実施の形態２を示し、構造物の制振装置の一部切り欠き正面図である。
【図８】本発明の実施の形態３を示し、構造物の制振装置の概略正面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    密閉状容器
２    チューブ体
３    ヘッドカバー体
５    端ガイド軸
６    中央ガイド軸
７    重錘
１０    ボールスプライン
１１Ａ  第１の空間
１１Ｂ  第２の空間
１２Ａ  圧縮ばね（付勢体）
１２Ｂ  圧縮ばね（付勢体）
２０    流体流量制御手段
２１    バイパス管
２２    コントロールバルブ（可変バルブ）
２３    連通路
２４    接続体
２５    コンピュータ（制御部）
２５ａ  制御信号
２８    磁気粘性流体
２９    可変磁界体
３０    構造物
３２    重錘側加速度計
３３    構造物側加速度計
Ａ−Ｂ  振幅方向
ａ−ｂ  空気流れ方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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