(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象構造物に近接して配置され、前記対象構造物に生じた振動を制振する装置であって、
所定方向への変位が許容される振動体と前記振動体に駆動力を直接印加する駆動手段とを含む対策装置と、
前記対象構造物の振動を検知するセンサと、
前記センサにより検知された前記対象構造物の振動に基づいて、前記駆動手段の動作を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記対象構造物の前記振動から、強制振動成分と固有振動成分を抽出し、
前記強制振動成分に対応する、前記対策装置の駆動条件ａを設定し、
前記固有振動成分に対応する、前記対策装置の駆動条件ｂを設定し、
前記駆動条件ａと駆動条件ｂが加算された駆動条件ｃで、前記駆動手段を制御することを特徴とする制振装置。
【請求項２】
前記コントローラは、
モデル化された前記対策装置に対して、前記駆動条件ａと、抽出された前記強制振動成分と、を入力することで、前記対策装置に生じる応答をシミュレーションにより求め、
求められた前記応答に対応する前記駆動条件ａを設定することを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
【請求項３】
前記コントローラは、
モデル化された前記対策装置に対して、前記駆動条件ｂと、抽出された前記固有振動成分と、を加算して入力することで、前記対策装置に生じる応答をシミュレーションにより求め、
求められた前記応答に対応する前記駆動条件ｂを設定することを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制振装置に関し、特に、建築物、施設等に共振周波数とは異なる周波数の強制振動が発生した場合に有効な制振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物振動に対する制振装置のうち、固有振動に対する装置として、その方式、形式とも多様なものが提案されている。例えばＴＭＤ（Tuned Mass Damper）、それに制御力を加えるアクティブ装置が実用・製品化されている。
広く実用化されている構造物用制振装置は、対象構造の固有振動に同調して装置が振動することで、構造物振動特性における共振倍率を低減するのと等価な効果を生じる。一方、実用化されている構造物用制振装置は、固有振動数から外れた強制振動に対しては、効果を発揮しない。
【０００３】
そこで、たとえば特許文献１において、強制振動に対する制振装置が提案されている。
特許文献１は、振動源に近接して設置される制振装置が、振動センサ、位相抽出手段および周波数抽出手段を作動させると、振動センサにより検出された振動源の振動から、位相抽出手段および周波数抽出手段により、その振動の位相および周波数が抽出される。そして、制御装置の作動によって周波数および位相が調節されて加振機が作動させられる。加振機は振動系に取り付けられているので、加振機の作動により、その振動が振動系に伝達されて、質量要素が上下方向に振動させられることになる。
特許文献１は、振動源の振動周波数が、所定範囲に限られていることを前提に、振動系の共振周波数がその振動周波数の略範囲内に設定されているので、加振機の周波数が振動系の共振周波数に近づくと、振動系は大きく振動し、加振機の振動周波数に一致した大きな加振力(慣性力)を発生する。加振機の振動は振動源の振動の周波数と同一で、かつ、振動源の振動と振動系の振動が逆の位相になるよう調節するので、振動系は強大な加振力を振動源の振動とは逆の位相で設置面に加えることになる。その結果、加振機により発生する比較的小さな加振力により振動系を大きく振動させることで、大きな加振力を発生することが可能となり、振動源の振動が制振され、周辺に振動が伝播することが防止されることになる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２２１０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は、加振エネルギーを節約するために、強制振動数と同じ固有振動数を有する制振装置としている。したがって、対策装置駆動パワーは小さくて済むものの、位相制御は難しい。特許文献１が問題としている「縦ノリ」による足踏み振動（外乱）は、一定のリズムで行なわれるものでないため、力に対する応答の位相差が変化する。結果として、特許文献１の制振装置による振動系の加振力のうち、変動する外乱に追従しきれない部分は、制振効果として働かず、新たな加振力となり、固有振動成分の過渡応答を生じる。
また、特許文献１は、強制振動成分については、振動低減効果を発揮するが、同一の構造物に対して固有振動成分についても振動低減が求められる場合には、固有振動成分に対する対策装置が別途必要になり、２種類の対策装置を設置するスペース、コストが問題となる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、同一の構造物に対して、一台の装置で強制振動成分及び固有振動成分に対する制振機能を発揮する制振装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に言及するにあたり、図１に基づいて、構造物の固有振動に対する制振機構を説明する。
図１の上段に示すように構造物固有振動数の外乱が入力され、構造物固有振動数と同じ固有振動数を有する対策装置を設置した場合、外乱により構造物が揺らされる。この揺れは共振なので、９０°位相が遅れ、図１の中段に示すように、構造物応答変位は外乱に対して９０°遅れる。このとき、構造物応答変位に対して、構造物応答加速度は１８０°進む。構造物応答加速度がαのとき、構造物上に設置され、構造物が揺れることで揺らされる対策装置には、−ｍαの慣性力が作用している状態と考えることができる。ここで、ｍは対策装置可動振動体の質量である。
固有振動に対する対策装置は、構造物固有振動数と同じ固有振動数になるように調整されているので、−ｍαの力を受けた場合、対策装置の応答変位は、図１の下段に示すように、−ｍαに対して９０°遅れる。このとき対策装置応答変位に対して、対策装置応答加速度は１８０°進む。
対策装置は構造物応答に９０°遅れる形で動くので、構造物の減衰効果として働く。あるいは、考え方を変えると、対策装置の応答加速度によって生じる装置慣性力−ｍβ（ここで、βは対策装置応答加速度）が構造物に入力され、この、装置慣性力により外乱がキャンセルされる。
【０００７】
次に、図２の上段に示すように、構造物固有振動数以外の外乱が入力された場合、構造物は強制振動数と同じ振動数で揺らされる。この揺れは共振ではないので、図２の中段に示すように、構造物応答変位の位相遅れは９０°とはならない。そして、構造物の揺れに伴って対策装置が揺らされる。この揺れは共振なので、対策装置応答変位の位相は、構造物応答から９０°遅れる。
対策装置は構造物応答に９０°遅れる形で対策装置が動くので、構造物の減衰効果として働く。しかし、対策装置応答は固有振動数とは違う振動数であるため、減衰付与による応答低減効果はほとんどない。
【０００８】
以上に対する本発明の制振装置は、対象構造物に近接して配置され、前記対象構造物に生じた振動を制振するものであって、所定方向への変位が許容された振動体と前記振動体に駆動力を直接印加する駆動手段とを含む対策装置と、対象構造物の振動を検知するセンサと、センサにより検知された対象構造物の振動に基づいて、駆動手段の動作を制御するコントローラと、を備え、コントローラは、対象構造物の振動から、強制振動成分と固有振動成分を抽出し、強制振動成分に対応する、対策装置の駆動条件ａを設定し、固有振動成分に対応する、対策装置の駆動条件ｂを設定し、駆動条件ａと駆動条件ｂが加算された駆動条件ｃで、駆動手段を制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明の制振装置において、コントローラは、モデル化された対策装置に対して、駆動条件ａと、抽出された強制振動成分と、を入力することで、対策装置に生じる応答をシミュレーションにより求め、求められた応答に対応する駆動条件ａを設定することが好ましい。また、本発明の制振装置において、コントローラは、モデル化された対策装置に対して、駆動条件ｂと、抽出された固有振動成分と、を加算して入力することで、対策装置に生じる応答をシミュレーションにより求め、求められた応答に対応する駆動条件ｂを設定することがより好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、強制振動成分に対応する駆動条件ａ、固有振動成分に対応する駆動条件ｂを設定し、駆動条件ａと駆動条件ｂが加算された駆動条件ｃで、対策装置の駆動手段を制御するので、同一の構造物に対して、一台の装置で強制振動成分及び固有振動成分の両者を考慮した制振機能を発揮することができる。
また、本発明の制振装置において、駆動条件ａで駆動手段を駆動したときの対策装置の強制振動成分による応答のシミュレーション結果、さらには駆動条件ｂで駆動手段を駆動したときの対策装置の固有振動成分による応答のシミュレーション結果をも考慮して、駆動条件ａ、駆動条件ｂを設定することにより、より精度の高い制振効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付する図３〜図８に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態に係る制振装置１０は、外乱として強制振動が加わる対象構造物（例えば、ドーム球場、コンサートホール）に近接して配置されるものであり、図３に示すように対策装置２０と、コントローラ３０と、対象構造物振動センサ４０ａと、対策装置振動センサ４０ｂとを備えている。なお、本実施の形態において、外乱としての強制振動の周波数は既知であり、かつ一定なものとする。「縦ノリ」の場合、その周波数は２〜３Ｈｚである。
対策装置２０は、所定の質量を有する振動体２１と、振動体２１の可動方向を規定する板ばね２２とを振動系の構成要素として有している。各板ばね２２は、その一端部が、設置面Ａ上に設置された断面コ字状の架台２３に固定される。また、各板ばね２２は、他端部が、振動体２１の上下両端部に固定されている。したがって、振動体２１は、図３に矢印で示すように上下（鉛直）方向には変位可能であるが、左右（水平）方向の変位は規制される。なお、板ばね２２の枚数を変更することにより、対策装置２０の固有振動数を調整することができる。
【００１２】
架台２３と振動体２１の間には、アクチュエータ２５が配置されている。アクチュエータ２５は、コントローラ３０からの指令により、振動体２１を上下方向に駆動する。アクチュエータ２５は、振動体２１を上下方向に駆動するものであれば形態は問われないが、例えば、電磁コイルと永久磁石の組合せからなるＶＣＭ（Voice Coil Motor）を用いることができる。
架台２３と振動体２１の間には、コイルばね２４が配置されている。このコイルばね２４は、振動体２１の重量により圧縮されることにより、振動体２１を支持している。そして、振動体２１が上下方向に変位すると、その変位量に応じた力を振動体２１に加えるようになっている。
【００１３】
図４に示すように、コントローラ３０は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）器３１と、強制振動対策コントローラ３２と、固有振動対策コントローラ３３とを含んでいる。高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform,ＦＦＴ）とは、周知のように、離散フーリエ変換(Discrete Fourier Transform,ＤＦＴ)を計算機上で高速に計算するアルゴリズムである。
コントローラ３０は、対象構造物に設置された対象構造物振動センサ４０から、対象構造物の変位、速度を含む振動情報を入手する。この振動情報は、対策装置２０の振動による振動情報を含んでいる。
コントローラ３０は、対象構造物振動センサ４０から取得した振動情報を、ＦＦＴ処理することにより、強制振動成分と固有振動成分に分離し、かつ抽出することができる。ここで、強制振動成分については、応答振幅が最も大きい周波数を抽出する。この強制振動成分を、本発明では、主要な強制振動成分と定義する。
【００１４】
図５に、ＦＦＴ処理を行った結果の事例を示す。図５において、周波数ｆ１が主要な強制振動成分、ｆ２が固有振動成分に対応している。ｆ２（固有振動成分）は、対象構造部について予め求められている既知の情報である。図５に示すように、主要な強制振動成分について応答振幅がＡ１（ｍ）、応答位相がＢ１（ｄｅｇ）であること、固有振動成分について応答振幅がＡ２（ｍ）、応答位相がＢ２（ｄｅｇ）であることを、ＦＦＴ処理により抽出することができる。
【００１５】
図４において、強制振動対策コントローラ３２は、ＦＦＴ処理で得られた主要強制振動成分に基づいて、対策装置２０に対する制御指令を生成する。また、固有振動対策コントローラ３３は、固有振動成分に基づいて、対策装置２０に対する制御指令を生成する。コントローラ３０は、強制振動対策コントローラ３２で生成された制御指令と固有振動対策コントローラ３３で生成された制御指令を加算し、アクチュエータ２５の駆動力として出力する。
【００１６】
次に、図６を参照して、制振装置１０の動作手順を説明する。
例えば、コンサートにおいて縦ノリが生じた場合、コントローラ３０は、対象構造物振動センサ４０が計測した対象構造物の応答（振動情報）を取得する（Ｓ１０１）。コントローラ３０のＦＦＴ器３１は、取得した振動情報をＦＦＴ処理することにより、周波数分析を行なう（Ｓ１０３）。この結果は、例えば図５に示した通りである。
コントローラ３０は、ＦＦＴ処理の結果を参照して、主要な強制振動成分と固有振動成分を分離する（Ｓ１０５）。主要な強制振動成分は強制振動対策コントローラ３２に送られ、固有振動成分は固有振動対策コントローラ３３に送られる。
【００１７】
強制振動対策コントローラ３２は、主要な強制振動成分について、例えば、周波数ｆ１（Ｈｚ）で、振幅がＡ１（ｍ）、位相がＢ１（ｄｅｇ）であることを特定する（Ｓ１０７）。強制振動対策コントローラ３２は、この主要な強制振動成分から、外乱を逆算により求める。外乱とは、例えば前述したように、「縦ノリ」による足踏み振動をいう。外乱を逆算により求めるために、強制振動対策コントローラ３２は、例えば図７に示す形態のテーブルを所持している。図７に示すテーブルは、対象構造物の振動周波数ごとの振幅比（ｍ／Ｎ）、位相差（ｄｅｇ）を記述したものである。例えば、周波数ｆ１のとき、外乱１Ｎ入力のときの応答が、ａ１（ｍ）であり、かつ外乱よりもｂ１（ｄｅｇ）だけ位相がずれていることを意味している。対象構造物の振動周波数ごとの振幅比（ｍ／Ｎ）、位相差（ｄｅｇ）は、対象構造物に対して予め計算により求めておき、強制振動対策コントローラ３２のメモリ装置に記憶させておけばよい。
【００１８】
強制振動対策コントローラ３２は、主要な強制振動成分（周波数：ｆ１（Ｈｚ）、振幅：Ａ１（ｍ）、位相：Ｂ１（ｄｅｇ））を特定した後、前述したテーブルを参照することにより、外乱を逆算して求める（Ｓ１０９）。主要な強制振動成分が、周波数：ｆ１（Ｈｚ）、振幅：Ａ１（ｍ）、位相：Ｂ１（ｄｅｇ）の場合、外乱振幅、位相は、各々、Ａ１／ａ１（Ｎ）、Ｂ１−ｂ１（ｄｅｇ）として求められる。
次に、強制振動対策コントローラ３２は、逆算することにより求められた外乱を打ち消すための対策力を設定する（Ｓ１１１）。この対策力は、外乱振幅と同じ振幅で、かつ位相が１８０°ずれている振動として設定される。つまり、対策力は、周波数：ｆ１（Ｈｚ）、振幅：β＊Ａ１／ａ１（Ｎ）、位相：Ｂ１−ｂ１−１８０（ｄｅｇ）に設定される。なお、βは任意の係数であり、０．０〜１．０の範囲で設定される。１．０は外乱を完全に打ち消す対策力を与え、０．０は対策力を与えないことを意味する。しかし、通常は、βを１．０とすると制御の安定性の問題が生じ、また、大きなモーターパワーが必要となるため、１．０未満の値で設定される。
【００１９】
以上で決定された対策力で対策装置２０が駆動されたものとすると、実際の対策力を算定するためには、対策装置２０の駆動による振動を考慮する必要がある。
つまり、設定された対策力（振幅：β＊Ａ１／ａ１（Ｎ）、位相：Ｂ１−ｂ１−１８０（ｄｅｇ））と、Ｓ１０５で分離、抽出された主要な強制振動成分とを加算してシミュレーションが行なわれる（Ｓ１１３）。加算される主要な強制振動成分は、ｆ１（Ｈｚ）の場合のＡ１、Ｂ１とすることができる。ただし、周波数をｆ１（Ｈｚ）に固定することなく、強制振動成分の対象周波数帯域を全て含んでもよい。たとえば、外乱として２〜３Hzの周波数帯域が卓越する場合、その範囲内での外乱変動に対応した振幅、位相とすることができる。例えばコンサートホールの外乱などでは、人が加振源となっているため、その周波数は変動するものである。楽曲の周波数に応じた変動と、人の動作のばらつきによる。そのため、ある程度の外乱周波数範囲を仮定し、対応できるようにすることが好ましい。
結果として、対策装置２０を模擬した対策装置モデルに入力すべき力は、対策装置２０の設置基部が動くことによる慣性力入力と、対策装置２０自らが制御力として加えた力と、の合計である。
例えば、周波数が２．５Ｈｚの一定外乱が発生していたとする。この場合、この外乱を打ち消すように、対策装置２０が同振幅、逆位相の対策力を発生すれば、対象構造物の動きは止まる。しかし、一定外乱は継続しているので、構造物応答の動きが止まっても、対策力の付与を継続する必要がある。そこで、対象構造物応答だけではなく、自らが発生している対策力の影響を考慮して、Ｓ１１３のシミュレーションにより本来の外乱を推定し、一定外乱に合わせて、一定の対策力を発生させる。
【００２０】
一方、固有振動成分に基づいて、固有振動対策コントローラ３３は、固有振動成分に対する対策力を設定する（Ｓ１１５）。
本実施の形態では、この対策力をスカイフック制御により特定する。スカイフック制御とは、絶対座標系にある仮想の壁と対象構造物の間にダンパ（スカイフックダンパ）を取り付ければ、対象構造物絶対加速度応答値を小さくできるため、そのスカイフックダンパの減衰力を実際に地盤と対象構造物の間に取り付けるダンパで再現する制御方法である。
本実施の形態の場合、対策装置２０の振動体２１の質量ｍと、振動体２１の絶対加速度αの積ｍαがダンパ力となる。そのために必要な、対策装置２０のアクチュエータ２５の対策力（駆動力）を設定する。
例えば、必要な減衰特性を与える減衰係数Ｃ１（Ｎ・ｓ/ｍ）が設定されている場合、固有振動成分に対する対策力は、振幅：Ａ２/Ｃ１（Ｎ）、位相：Ｂ２−ｂ２−１８０°で与えられる。
【００２１】
以上のようにして、主要な強制振動成分に対する対策力、固有振動成分に対する対策力が設定されたなら、これらを加算する（Ｓ１１７）。主要な強制振動成分に対する対策力が振幅：β＊Ａ１／ａ１（Ｎ）、位相：Ｂ１−ｂ１−１８０（ｄｅｇ）であり、固有振動成分に対する対策力が振幅：γ＊Ａ２／Ｃ１（Ｎ）、位相：γ＊Ｂ２−ｂ２−１８０（ｄｅｇ）であるから、対策装置２０のアクチュエータ２５に対して入力される対策力は、上記の合計値に設定される。
【００２２】
以上のようにして、本実施の形態による制振装置１０は、主要な強制振動成分と固有振動成分を分離、抽出し、主要な強制振動成分に対応する対策力と固有振動成分に対応する対策力を各々設定したのちにこれらを加算して最終的な対策力を決定している。したがって、制振装置１０によれば、一台の装置で、かつ主要な強制振動成分と固有振動成分を分離、抽出し、各々の成分に対応する対策力を各々設定したのちにこれらを加算する制御ロジックを設けることにより、強制振動成分と固有振動成分の両者に対する制振対策を行うことができるので、制振装置１０の設置スペースを節約し、また設置コストの上昇を抑えることができる。
【００２３】
制振装置１０は、アクチュエータ２５の力を振動体２１に直接伝達する形態の対策装置２０を使用している。したがって、主要な強制振動成分に対応する対策力と固有振動成分に対応する対策力を加算した対策力に対して、対策装置２０が制振機能を発揮することができる。これに対して、特許文献１に開示された回転質量体を用いた加振方式では、上記の２種類の対策力を加算した対策力に追従した制振機能を発揮することができない。なお、本発明に適用できる対策装置２０は、板ばね２２で振動体２１を支持する形態に限定されず、力を振動体に直接伝達する形態の対策装置であればよい。例えば、特許文献２の第１図に示された装置、あるいは特許文献３の図１に示された装置を、本発明の対策装置として適用することができる。
なお、本実施の形態では、振動体２１が上下（鉛直）方向に変位する例を示したが、本発明はこれに限らず、水平方向に変位する振動体を有する対策装置はもちろん、任意の方向であって、かつ振動方向と一致する方向に変位する振動体を有する対策装置に適用することができる。
【００２４】
【特許文献２】特開平２−２９６９７５号公報
【特許文献３】特開平６−２８８１１９号公報
【００２５】
以上では、固有振動成分に対する対策力の設定にスカイフック制御を適用した例について説明したが、本発明は、これに限らず、公知のＬＱ制御を適用して固有振動成分に対する対策力の設定を行うことができる。以下、この例について、図８を参照して説明する。なお、図８において、図６と同一の処理については、図６と同一の符号（Ｓ１０１〜Ｓ１１３，Ｓ１１７）を付している。
【００２６】
ＬＱ制御の場合、固有振動成分に対する対策力は、制御力を与えるゲインＫｉに対して、状態量ｘiを用いて求める。ここで、Ｋｉは、対象構造物と対策装置の連成系として、必要減衰定数を与えるパラメータとして得られる定数であり、事前に決めるものである。この定数（ゲイン）により、対策力Ｆ＝−ΣＫｉ×xiとして得られるとするのが、ＬＱ制御理論である。このゲイン値は、要求される振動低減効果等を勘案しながら、数値解析により求められるものである。
ＬＱ制御では、対象構造物と対策装置２０のそれぞれの状態量（たとえば変位・速度）を用いて制御力を求めるが、固有振動成分に対するＬＱ制御ゲインの場合、固有振動成分の外乱とその対策力の影響が考慮され、安定して作動するようになっている。反対に、制御力として合わせて対策装置２０に適用される強制振動対策力は、ＬＱ制御にとっては、外乱であり、不安定化の一因となる。そこで、外乱となる強制振動対策力を除いた対策装置２０の応答を特定したいが、実際には合計された対策力が作用した対策装置２０の応答しか対策装置振動センサ４０ｂにより計測できないため、Ｓ１１７のシミュレーションにより固有振動成分による応答を推定する。Ｓ１１７のシミュレーションでは、対策装置２０に入力される力として、対象構造物が動くことにより対策装置２０に作用する慣性力と、固有振動成分に対するＬＱ制御により求めた対策力の合力を対策装置モデルに与える。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】固有振動数の外乱が構造物に入力されたときの、減衰効果を説明するための図である。
【図２】強制振動数の外乱が構造物に入力されたときの、減衰効果を説明するための図である。
【図３】本実施形態に係る制振装置の構成概略を示す図である。
【図４】本実施形態に係る制振装置の制御概要を示す図である。
【図５】センサで検知された振動をＦＦＴ処理した結果の一例を示す図である。
【図６】本実施形態に係るコントローラの処理手順を示すフローチャートであり、固有振動成分に対応する駆動条件をスカイフック制御で設定する例を示している。
【図７】コントローラが保持する、対象構造物の振動周波数ごとの振幅比、位相差を記述するテーブルの一例を示す図である。
【図８】本実施形態に係るコントローラの処理手順を示すフローチャートであり、固有振動成分に対応する駆動条件をＬＱ制御で設定する例を示している。る。
【符号の説明】
【００２８】
１０…制振装置、２０…対策装置、２１…振動体、２５…アクチュエータ、３０…コントローラ、
３１…高速フーリエ変換器、３２…強制振動対策コントローラ、３３…固有振動対策コントローラ、
４０ａ…対象構造物振動センサ、４０ｂ…対策装置振動センサ
【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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