(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量Ｍの質量要素、ばね定数Ｋのばね要素および粘性減衰係数Ｃの減衰要素を備えた制振対象である主系の上記質量要素の振動方向に沿って移動可能な質量ｍの質量要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿ってばね力を作用させるばね定数ｋのばね要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿って減衰力を作用させる粘性減衰係数ｃの減衰要素とを備えた付加系であるパッシブ形制振装置と、
このパッシブ形制振装置の上記ばね要素、減衰要素の上記質量ｍの質量要素に対する力の反力を受ける質量ｍ０の支持要素と、
この支持要素を介して上記パッシブ形制振装置と直列に配置されるとともに、この支持要素と上記主系の質量要素との間に介設され、上記反力に沿った方向に上記支持要素に対して力を作用させるアクチュエータと、上記主系の質量要素の変位を減少する動作をアクチュエータにさせる制御系とを備えたアクティブ形制振装置とを備え、
上記制御系は下記の式で規定される制御力ｕを出力するように上記アクチュエータを制御し、
0004031072.tif 000029
かつ、上記フィードバックゲインＫｐ、上記質量ｍ、及び上記ばね定数ｋを以下の式の関係を満たすように設定していることを特徴とする、ハイブリッド制振装置。
0004031072.tif 000030
【請求項２】
質量Ｍの質量要素、ばね定数Ｋのばね要素および粘性減衰係数Ｃの減衰要素を備えた制振対象である主系の上記質量要素の振動方向に沿って移動可能な質量ｍの質量要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿ってばね力を作用させるばね定数ｋのばね要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿って減衰力を作用させる粘性減衰係数ｃの減衰要素とを備えた付加系であるパッシブ形制振装置と、
このパッシブ形制振装置の上記ばね要素、減衰要素の上記質量ｍの質量要素に対する力の反力を受ける質量ｍ０の支持要素と、
この支持要素を介して上記パッシブ形制振装置と直列に配置されるとともに、この支持要素と上記主系の質量要素との間に介設され、上記反力に沿った方向に上記支持要素に対して力を作用させるアクチュエータと、上記主系の質量要素の変位を減少する動作をアクチュエータにさせる制御系とを備えたアクティブ形制振装置とを備え、
上記制御系は下記の式で規定される制御力ｕを出力するように上記アクチュエータを制御することを特徴とする、ハイブリッド制振装置。
0004031072.tif 000031
【請求項３】
質量Ｍの質量要素、ばね定数Ｋのばね要素および粘性減衰係数Ｃの減衰要素を備えた制振対象である主系の上記質量要素の振動方向に沿って移動可能な質量ｍの質量要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿ってばね力を作用させるばね定数ｋのばね要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿って減衰力を作用させる粘性減衰係数ｃの減衰要素とを備えた付加系であるパッシブ形制振装置と、
このパッシブ形制振装置の上記ばね要素、減衰要素の上記質量ｍの質量要素に対する力の反力を受ける質量ｍ０の支持要素と、
この支持要素を介して上記パッシブ形制振装置と直列に配置されるとともに、この支持要素と上記主系の質量要素との間に介設され、上記反力に沿った方向に上記支持要素に対して力を作用させるアクチュエータと、上記主系の質量要素の変位を減少する動作をアクチュエータにさせる制御系とを備えたアクティブ形制振装置とを備え、
上記制御系は下記の式で規定される制御力ｕを出力するように上記アクチュエータを制御することを特徴とする、ハイブリッド制振装置。
0004031072.tif 000032
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パッシブ形制振装置、さらに詳しくは動吸振器とアクティブ形制振装置とを組合わせたハイブリッド形制振装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビルの高層化に伴って、その安全性を考慮した耐震構造設計の重要性が増しつつある。また、例えばゴンドラ、車両、船舶、飛行機、人工衛星、ビルの床（エアロビクス体操による振動、機械振動等）に使用可能な小さなエネルギで大きな制振効果が得られる制振装置に対する需要も高まっている。このため、制振装置の研究開発は益々活発化してきている。
従来、制振装置として、動吸振器を含むパッシブ形制振装置やアクティブ形制振装置が知られているが、それぞれ問題を有している。即ち、パッシブ形の動吸振器はロバスト性が低いという問題があり、アクティブ形制振装置は大きなエネルギ消費を伴うという問題がある。
【０００３】
そこで、これらの問題を解消するために、パッシブ形の動吸振器の制振特性を利用することにより、アクティブ形制振装置の制振効果を小さなエネルギで得るようにしたハイブリッド形制振装置が提案されている。
このハイブリッド形制振装置では、質量要素，ばね要素および減衰要素を備えたパッシブ形の動吸振器のばね要素および減衰要素と並列にアクティブ形制振装置のアクチュエータを配置して、付加質量である動吸振器の質量要素を直接に駆動するように形成されている(日本機械学会論文集(Ｃ編)57巻534号第136〜142頁 背戸  一登他、同第57巻534号第143〜148頁 谷田  宏次他、同59巻558号第144〜149頁 渡辺  亨他、同59巻559号第93〜98頁 背戸  一登他)。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したハイブリッド形制振装置は、パッシブ形の動吸振器のばねおよび減衰要素とアクティブ形制振装置のアクチュエータとを並列に配置して形成されている。このため、このアクチュエータの動特性が動吸振器の特性に影響を及ぼすこととなり、十分な制振効果をもたらすことができなかった。
例えば、モータとボールネジを用いたアクチュエータにより制振対象を駆動するようにした制振装置の場合、モータとボールネジの回転慣性が動吸振器の慣性に影響する他、モータやボールネジが機械的な抵抗や減衰要素を有しているため、動吸振器の特性がかなり変えられてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、上記アクチュエータに代えて、リニアモータを用いたアクチュエータの採用も検討されたが、費用が増大するという問題がある。
本発明は、斯る従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、付加系であるパッシブ形制振装置の制振特性を活用しつつ、アクティブ形制振装置のアクチュエータの機械的な抵抗や減衰要素がパッシブ形制振装置の制振特性に影響を与えず、小型でかつ小さなエネルギで制振対象に対する制振性能の向上を可能としたハイブリッド形制振装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、質量Ｍの質量要素、ばね定数Ｋのばね要素および粘性減衰係数Ｃの減衰要素を備えた制振対象である主系の上記質量要素の振動方向に沿って移動可能な質量ｍの質量要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿ってばね力を作用させるばね定数ｋのばね要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿って減衰力を作用させる粘性減衰係数ｃの減衰要素とを備えた付加系であるパッシブ形制振装置と、このパッシブ形制振装置の上記ばね要素、減衰要素の上記質量ｍの質量要素に対する力の反力を受ける質量ｍ０の支持要素と、この支持要素を介して上記パッシブ形制振装置と直列に配置されるとともに、この支持要素と上記主系の質量要素との間に介設され、上記反力に沿った方向に上記支持要素に対して力を作用させるアクチュエータと、上記主系の質量要素の変位を減少する動作をアクチュエータにさせる制御系とを備えたアクティブ形制振装置とを備え、上記制御系は下記の式で規定される制御力ｕを出力するように上記アクチュエータを制御し、
0004031072.tif 000002
かつ、上記フィードバックゲインＫｐ、上記質量ｍ、及び上記ばね定数ｋを以下の式の関係を満たすように設定していることを特徴とする、ハイブリッド制振装置である。
0004031072.tif 000003
【０００７】
また、第２発明は、質量Ｍの質量要素、ばね定数Ｋのばね要素および粘性減衰係数Ｃの減衰要素を備えた制振対象である主系の上記質量要素の振動方向に沿って移動可能な質量ｍの質量要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿ってばね力を作用させるばね定数ｋのばね要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿って減衰力を作用させる粘性減衰係数ｃの減衰要素とを備えた付加系であるパッシブ形制振装置と、
このパッシブ形制振装置の上記ばね要素、減衰要素の上記質量ｍの質量要素に対する力の反力を受ける質量ｍ０の支持要素と、
この支持要素を介して上記パッシブ形制振装置と直列に配置されるとともに、この支持要素と上記主系の質量要素との間に介設され、上記反力に沿った方向に上記支持要素に対して力を作用させるアクチュエータと、上記主系の質量要素の変位を減少する動作をアクチュエータにさせる制御系とを備えたアクティブ形制振装置とを備え、
上記制御系は下記の式で規定される制御力ｕを出力するように上記アクチュエータを制御することを特徴とする、ハイブリッド制振装置である。
0004031072.tif 000004
【０００８】
さらに、第３発明は、質量Ｍの質量要素、ばね定数Ｋのばね要素および粘性減衰係数Ｃの減衰要素を備えた制振対象である主系の上記質量要素の振動方向に沿って移動可能な質量ｍの質量要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿ってばね力を作用させるばね定数ｋのばね要素と、この質量ｍの質量要素に対して、その移動方向に沿って減衰力を作用させる粘性減衰係数ｃの減衰要素とを備えた付加系であるパッシブ形制振装置と、このパッシブ形制振装置の上記ばね要素、減衰要素の上記質量ｍの質量要素に対する力の反力を受ける質量ｍ０の支持要素と、この支持要素を介して上記パッシブ形制振装置と直列に配置されるとともに、この支持要素と上記主系の質量要素との間に介設され、上記反力に沿った方向に上記支持要素に対して力を作用させるアクチュエータと、上記主系の質量要素の変位を減少する動作をアクチュエータにさせる制御系とを備えたアクティブ形制振装置とを備え、上記制御系は下記の式で規定される制御力ｕを出力するように上記アクチュエータを制御することを特徴とする、ハイブリッド制振装置である。
0004031072.tif 000005
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、制振対象である主系１に第１発明の第１の実施形態に係るハイブリッド形制振装置２を適用した場合の解析モデルを示している。
主系１は、質量Ｍの質量要素１１とばね定数Ｋのばね要素１２と粘性減衰係数Ｃの減衰要素１３とからなっており、質量要素１１は横方向に移動可能に支持されている。一方、ハイブリッド形制振装置２はパッシブ形制振装置Ｐ、さらに詳しくは動吸振器（ＴＭＤ）とアクティブ形制振装置Ａとを支持要素Ｓを介して横方向に直列に配置して形成されている。
パッシブ形制振装置Ｐは、質量要素１１の振動方向に沿って移動可能な質量ｍの質量要素２１と、質量要素２１に対して、その移動方向に沿ってばね力を作用させるばね定数ｋのばね要素２２と、質量要素２１に対して、その移動方向に沿って減衰力を作用させる粘性減衰係数ｃの減衰要素２３とからなっている。
【００１０】
支持要素Ｓは、質量ｍｏで、ばね要素２２、減衰要素２３の質量要素２１に対する力の反力を受けるように設けられている。
アクティブ形制振装置Ａは、支持要素Ｓを介してパッシブ形制振装置Ｐと直列に配置されるとともに、支持要素Ｓと質量要素１１との間に介設され、上記反力に沿った方向に支持要素Ｓに対して力を作用させるアクチュエータ２４と、質量要素１１の変位を最小にするのに最適な動作をアクチュエータ２４にさせる制御系２５とを備えている。具体的には、制御系２５は、質量要素１１，２１、および支持要素Ｓの振動状態、例えば加速度を検出する第１，第２，第３検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３と、第１，第２，第３検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３から信号を受け、アクチュエータ２４を作動させる制御器２６とからなっている。
【００１１】
制御器２６は、例えば第１，第２，第３検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３からアナログ信号を直接受け、これらをディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器ａと、このＡ／Ｄ変換器ａからの信号に基づいて以下に説明するように演算を行う演算器ｂと、この演算器ｂからのディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器ｃと、このＤ／Ａ変換器ｃからの信号に基づいてアクチュエータ２４に対して駆動信号を出力するアクチュエータドライバｄとからなっている。
アクチュエータ２４としては、例えばモータ＋ボールねじ、圧電素子、空圧シリンダ、油圧シリンダ、リニアモータが好適である。
【００１２】
この解析モデルの運動方程式は以下のように表すことができる。
【数１】
0004031072.tif 000006
【００１３】
以下、アクチュエータ２４が位置制御方式（最適同調型制御方式）に基づき制御される場合と、反共振強化形制御方式に基づき制御される場合について説明する。
なお、位置制御方式を採用する場合、上述した第２検出手段ｓ２、第３検出手段ｓ３およびこれらに関係する制御回路を省略してもよい。
Ｉ．位置制御方式
アクチュエータ２４とパッシブ形制振装置Ｐとの間の支持要素Ｓの質量ｍ０を零(ｍ０＝０)とし、アクチュエータ２４による支持要素Ｓの変位ｘ３を次式で示される比例関係(比例定数：ＫＰ)が保たれるように制御器２６による制御を行う場合を考える。
【数２】
0004031072.tif 000007
この場合、演算器ｂで、第１検出手段ｓ１からのアナログ信号がＡ／Ｄ変換されたディジタル信号をＫＰ倍してＤ／Ａ変換器ｃに出力される。
このように制御することにより、三自由度系のハイブリッド形制振装置の解析モデルは二自由度系の解析モデルとして取り扱うことが可能となる。
【００１４】
コンプライアンス
直列形のハイブリッド形制振装置２のコンプライアンスは以下の伝達関数により表される。
【数３】
0004031072.tif 000008
式(５)中の関数ＧＯ(ｓ)，ｇ１(ｓ)，ｇ２(ｓ)は、以下のように定義される。
【数４】
0004031072.tif 000009
【００１５】
式(５)で表されるコンプランアンス関数は、系の等価質量比がＫｐμであり、その係数がゲインのＫｐに等しいことを示している。この制御がパッシブ形制振装置Ｐの実質的な質量を単純に増大させることとなっており、よりコンパクトな形状で、制振機構の構成が実現可能となる。また、Ｋｐの値が大きければ大きい程、単純に制振特性は改善される。それ故に、パッシブ形制振装置Ｐは、パッシブ形制振装置Ｐに対するいくつかの設計則により最適調整される。ここでは、基本的な概念を示すために、制振装置の最適調整に最も一般的な定点理論を用いる。
【００１６】
Ｋｐの値を、例えば１，２，３とした場合の主系のコンプライアンスを図２に示す。パッシブ形の制振装置Ｐのばね要素２２、減衰要素２３の各パラメータは、次の式(９)，(１０)により、Ｋｐの各値に対して最適設定が行われている。
【数５】
0004031072.tif 000010
ここで、以下のようにパラメータの値が設定されている；Ｍ＝1，Ｃ＝0.01，Ｋ＝1，ｍ＝0.01。この場合、無次元量については、ζ１＝5.0×10−３，μ＝0.01となる。
上述した単なる比例制御では、反共振周波数でのノッチは深くなるが、共振周波数での振幅は大きくなる。
【００１７】
最適レギュレータ
フィードバック制御の一般手法の一つに最適レギュレータを用いる手法がある。上述した位置制御方式の改善においてもこの手法を適用することは有効な場合があるが、それは最適同調形制御の場合に限られる。
上述した解析モデルを最適レギュレータ問題の対象として考えると、以下の通りとなる。
【００１８】
この場合、
【数６】
0004031072.tif 000011
とすると、解析モデルの状態方程式は以下のようになる。
【００１９】
【数７】
0004031072.tif 000012
【００２０】
状態変数の重み行列Ｑは主系変位ｘ１のみに重みを付けて、次のように表される。
【数８】
0004031072.tif 000013
この場合、評価関数は、次のように表される。
【数９】
0004031072.tif 000014
以上から、Riccati方程式
【数１０】
0004031072.tif 000015
を解いて、正定対称解Ｐを求めると、制御力ｕとして最適レギュレータには、次式が適用される。
【数１１】
0004031072.tif 000016
【００２１】
この最適同調形の場合、制御器２６では、第１，第２，第３検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３からの信号を受け、状態量ｘ１，ｘ２，ｘ３，dｘ１/dt，dｘ２/dt，dｘ３/dt（ｔ：時間）に変換し、これに最適レギュレータで求めたゲインｋ１，〜，ｋ６を掛けて作り出したディジタル信号をＤ／Ａ変換器ｃにてアナログ信号に変換し、アクチュエータドライバｄを介してアクチュエータ２４への制御信号の出力が行われる。
図３は、この場合の周波数比とコンプライアンスとの関係を図３に示し、全般にコンプライアンスを低下させることが可能なことを示している。
【００２２】
次に反共振強化形制御方式について説明する。
ＩＩ．反共振強化形制御方式
パッシブ形の反共振形制振装置Ｐは、基本共振周波数での定常状態の振幅を小さくする。しかしながら、使用可能な付加質量の制限、不可避的な制振装置の駆動摩擦のために、反共振周波数でのノッチは必ずしも十分深いとは言えない。さらに、たとえ励振が意図する周波数の正弦関数であっても、このパッシブ形制振装置Ｐは、貧弱な過渡応答を引き起こす。また、他の周波数で大きな共振応答を呈する。
【００２３】
ハイブリッド化による反共振強化形制御方式の目的は、これらの問題を解決することにある。一方、並列形のハイブリッド形制振装置の場合、アクチュエータがパッシブ形の制振装置に並列させてあるため、アクチュエータ内での機械的ロスがパッシブ形の制振装置を減衰させ、制振装置の反共振特性に影響を与えるという問題が生じる。
そこで、最適レギュレータについて検討するために、状態方程式モデルを考える。
【００２４】
周波数依存評価関数
従来の最適レギュレータの設計方式は、最適同調形制御方式において全般にコンプライアンスを低下させることができて有効である。しかし、パッシブ形制振装置Ｐの反共振特性を強化する設計を考えた場合、従来の最適レギュレータの設計方式では反共振点が消えてしまう。このため、反共振点の近傍で主系変位ｘ１の重みを増す後置フィルタを用いて周波数成形評価関数を導入することにより、反共振を強化することを考える。即ち、式(１９)のうちＱを周波数成形されるように選択し、一方、ｒは周波数に依存しないように保つこととする。Ｐarsevalの等式を用いて式(２０)を以下のように変形する。
【数１２】
0004031072.tif 000017
【００２５】
また、重み行列に関しては、以下の通りとする。
【数１３】
0004031072.tif 000018
ここで、出力重みＬ(s)は後置フィルタに変換され、ωｐとζｐはそれぞれ後置フィルタの角共振周波数と減衰比である。
【００２６】
次に、次式で示される新しい関数Ｗ(ｊω)を導入する。
【数１４】
0004031072.tif 000019
式(２２)は次のように表される。
【数１５】
0004031072.tif 000020
式(２７)を時間領域の関数に変換すると次式のようになる。
【数１６】
0004031072.tif 000021
【００２７】
関数ｗを状態方程式で表すと、以下のようになる。
【数１７】
0004031072.tif 000022
【００２８】
さらに、これらの後置フィルタの特性を組み入れた拡大系の状態方程式は以下のようになる。
【数１８】
0004031072.tif 000023
【００２９】
拡大系の導入により、任意の最適レギュレータ問題として取り扱いが可能となる。このときの制御力ｕは以下のようになる。
【数１９】
0004031072.tif 000024
Ｐは、下に示す拡大系のＲiccati方程式の解である。
【数２０】
0004031072.tif 000025
さらに、重み行列Ｑは、以下に示すように一般性を失わずに選定することが可能である。
【数２１】
0004031072.tif 000026
なお、この場合、制御器２６では、後置フィルタが組み込まれて、拡大モデルが形成され、第１，第２，第３検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３からの信号に基づき、拡大系の状態量が算出され、これと周波数依存評価関数を用いて求めたフィードバックゲインｋ１〜ｋ８とを掛け合わせて作り出したディジタル信号をＤ／Ａ変換器ｃにてアナログ信号に変換し、アクチュエータドライバｄを介してアクチュエータ２４への制御信号の出力が行われる。
【００３０】
以上を適用した数値解析の結果を図４に示す。図において拡大系のコンプライアンス曲線は反共振点近傍でコンプライアンスはさらに低下しており、共振点も平滑化されている。ここで、数値シミュレーションのパラメータとして、Ｍ＝１,Ｋ＝１,Ｃ＝０．０１,m＝１／２０,m０＝１／２０００を用いた。無次元化量はそれぞれ、Ωn＝１,μ＝１／２０,μ２＝１００となる。また、制御力の重みは係数はr＝１とした。付加系の固有振動数ωnは主系の固有振動数Ωnに一致させ、減衰比ζ２は極めて小さくとり、５．０×１０−３としている。
なお、後置フィルタの共振周波数と減衰比はそれぞれωp＝１,ζp＝０．０１に設定してある。また、重み行列の選定に際しては、系の可制御性・可観測性を考慮して、対角要素を十分に小さい非負の数値として、ここでは、１．０×１０−４としている。
【００３１】
ここで、直列形のハイブリッド形動吸振器の比較対象として同様に後置フィルタを用いた周波数依存評価関数による並列形動吸振器をとりあげる。重み行列Ｑ，ｒの設定に際してはｒ＝１と固定しておいて反共振点近傍での特性が同じとなるようにＱを設定した。図５にその結果を示す。ただし、直列形の重み係数をＱp＝１００としている。
並列形と比較した場合、直列形は特性を同じくした反共振周波数近傍を除いて、ほぼ周波数全域においてコンプライアンス曲線が優れたものとなっている。パワースペクトル密度をＳ０＝１．０とする白色雑音を励振力とした場合には、並列形の動吸振器ではrms値（Ｅ[x２１]）１／２が1.3052となるのに対し、直列形では1.0305まで抑えられ、直列形では過渡応答特性の改善も期待される。
【００３２】
過渡応答
直列形配置及び並列形配置の時間応答は、反共振周波数ωｎにて次式で示すように正弦波であると仮定して数値シミュレーションされる。
【数２２】
0004031072.tif 000027
制御器は重みr＝０．０１として設計されている。
図６は、主系１の変位ｘ１を示している。その過渡応答は、受動的な場合に比して大幅に改善されている。
【００３３】
図７は、アクチュエータ２４の相対変位ｘｒを示しており、直列形配置の場合はｘｒ＝ｘ２−ｘ３、並列形配置の場合はｘｒ＝ｘ３−ｘ１の値を示している。この直列形配置の場合の相対変位は並列形配置の場合の相対変位より非常に小さい。このことは、直列形配置の主な利点である。
図８は、アクチュエータの制御力要請を示している。この並列形配置の制御力の要請は直列形配置より小さく、特に定常状態においてそうである。直列形配置の場合は、外乱とほぼ同じ制御力を要請している。この直列形配置の最大制御力要請は、上記定常状態のものと比して、それ程大きくない。
【００３４】
エネルギ評価
この制御則による制振をおこなった場合のアクチュエータで消費されるエネルギ消費率を制御力と主系・付加系の相対速度の積ｕ(dｘ３／dt−dｘ１／dt)(ｔ：時間)の二乗積分値として評価する。
周波数応答
励振力を反共振周波数Ωnのsin波とした場合の直列形、並列形の時間応答の数値シミュレーションを行う。
評価関数として、次式を用いた結果を図９に示す。
【数２３】
0004031072.tif 000028
【００３５】
ここで、定常応答に入ってからの傾きは単位時間当たりの仕事量を示している。定常応答において両制御方式に差異は見られないが、過渡応答に関してはエネルギ消費、主系の収束の両面で直列形は並列形よりも優れていることがわかる。両制御方式の特性としては並列形が制御力が抑えられて、相対速度が大きくなっているのに対して、直列形の場合は対称的に制御力は大きくなるが相対速度が抑えられている。その結果、過渡応答における直列形の総仕事量が少なく抑えられている。
なお、図１では、主系１を振動の解析モデルとして取り扱うために、質量要素１１、ばね要素１２、減衰要素１３から構成されているように示してあるが、実際の構造物はこれらの各要素が一体的に含まれている。即ち、質量Ｍ、ばね定数Ｋ、粘性減衰係数Ｃは制振対象の振動モードを単純化して取り出したモデルに過ぎない。
この点に関しては、以下の各実施形態の説明においても同様である。
【００３６】
図１０は、第１発明の第２の実施形態に係るハイブリッド形制振装置２Ａを縦方向に振動する主系１Ａに適用した場合の解析モデルを示し、この図１０に示す解析モデルにおいて、図１に解析モデルと互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
このハイブリッド形制振装置２Ａは、図１に示すハイブリッド形制振装置２とは力学的には等価であり、このハイブリッド形制振装置２についての上記記述は、ハイブリッド形制振装置２Ａにも当てはまる。
【００３７】
図１１は、第２発明に係るハイブリッド形制振装置２Ｂを示し、このハイブリッド形制振装置２Ｂは、図１０に示す装置とは、アクチュエータ２４に並列にばね定数ｋｏのばね要素３１を設けた点を除き他は実質的に同一であり、互いに対応する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
図１０に示す装置の場合、付加系、支持要素Ｓの質量を支えるために常時アクチュエータ２４を駆動させておく必要があるのに対して、この図１１に示すハイブリッド形制振装置２Ｂの場合、ばね要素３１を設けることにより、常時アクチュエータ２４を駆動させておく必要がなくなり、消費エネルギを小さくすることができる。
【００３８】
本願発明は、上述した形式の装置に限定されるものでなく、以下に記述する振り子形構造物に適用される装置をも含んでいる。
図１２は、制振対象である主系１Ｂに第３発明の第１の実施形態に係るハイブリッド形制振装置２Ｃを適用した場合の解析モデルを示したものである。
主系１Ｂは、支点Ｏを中心として揺動可能な状態に保たれた質量Ｍの質量要素４１を備えている。この質量要素４１が、例えばゴンドラの場合は、図１２に示すように支点Ｏを中心として揺動するリンク４２により吊持されている。但し、質量要素４１が支点Ｏを中心として揺動可能に保たれている場合は、仮想的に考えるだけであって、必ずしも現実の部材として存在する必要はない。したがって、支点Ｏは仮想的な点の場合も含まれる。一方、この質量要素４１の重心と支点Ｏとを結ぶ直線上の点を中心として揺動可能に設けられた質量ｍの質量要素４３と、この質量要素４３に対して、その揺動方向に力を作用させるばね定数ｋのばね要素４４および粘性減衰係数ｃの減衰要素４５を備え、主系１Ｂの重心よりも上方にて、この主系１Ｂに対して制振力を付与するように付加系であるパッシブ形制振装置Ｐ、さらに詳しくは動吸振器が設けられている。
【００３９】
また、このパッシブ形制振装置Ｐのばね要素４４、減衰要素４５の質量要素４３に対する力の反力を受ける質量ｍｏの支持要素Ｓが設けられている。
さらに、この支持要素Ｓを介して、上記パッシブ形制振装置Ｐと直列にアクチュエータ４６が配置されている。このアクチュエータ４６は、支持要素Ｓと質量要素４１との間に介在し、支持要素Ｓに対して上記反力に沿った方向に力を作用させる。そして、このアクチュエータ４６と、主系１Ｂの質量要素４１の変位を最小にするのに最適な動作をさせる制御系４７とによりアクティブ形制振装置Ａが形成されている。
制御系４７は、ここに示す例の場合は、上記同様、質量要素４１、質量要素４３および、支持要素Ｓのそれぞれの振動状態、例えば加速度を検出する第１，第２，第３検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３と、第１，第２，第３検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３からの信号を受けてアクチュエータ４６を作動させる上記制御器２６と同様の制御器４７とからなっている。
【００４０】
図１３は、主系１Ｂに第３発明の第２の実施形態に係るハイブリッド形制振装置２Ｄを適用した場合の解析モデルを示し、図１２に示すものと共通する部分については同一番号が付してある。
この例の場合、質量要素４３は、主系１Ｂの重心、即ち質量要素４１の重心と支点Ｏとを結ぶ直線上で支点Ｏよりも上方の点Ｏ１を中心として揺動可能に保たれている。
図１４は、主系１Ｂに第３発明の第３の実施形態に係るハイブリッド形制振装置２Ｅを適用した場合の解析モデルを示し、図１２に示すものと共通する部分については同一番号が付してある。
この例の場合、質量要素４３は、主系１Ｂの重心、即ち質量要素４１の重心と支点Ｏとを結ぶ直線上で支点Ｏよりも下方の点Ｏ１を中心として揺動可能に、かつ垂直な方向から角度(９０°−α）だけ傾斜させた状態を初期状態として設けられている。即ち、図１４に示すパッシブ形制振装置Ｐは、傾斜形振り子構造を有している。
【００４１】
図１５は、主系１Ｂに第３発明の第４の実施形態に係るハイブリッド形制振装置２Ｆを適用した場合の解析モデルを示し、図１２に示すものと共通する部分については同一番号が付してある。
この例の場合、質量要素４３は、主系１Ｂの重心、即ち質量要素４１の重心と支点Ｏとを結ぶ直線上で支点Ｏよりも下方の点Ｏ１を中心として揺動可能に保たれている。なお、この例の場合、パッシブ形制振装置Ｐは、点Ｏ１の上方にて質量要素４３を揺動させる倒立形振り子構造を有している。
このように、第３発明のように構成することにより、上記各発明と同様に、付加系であるパッシブ形制振装置の制振特性を活用しつつ、アクティブ形制振装置のアクチュエータの機械的な抵抗や減衰要素がパッシブ形制振装置の制振特性に影響を与えず、小型でかつ小さなエネルギで制振対象に対する制振性能を向上させ得るようになっている。
【００４２】
図１６は、制振対象である主系１Ｂに第４発明に係るハイブリッド形制振装置２Ｇを適用した場合の解析モデルを示し、図１２に示すものと共通する部分については同一番号が付してある。
この例の場合、主系１Ｂの重心と支点Ｏとを結ぶ直線に対して直角方向に移動可能に支持された質量ｍｏの支持要素Ｓ上の点Ｏ１を中心として揺動可能に質量ｍの質量要素４３が支持されている。また、この質量要素４３の揺動運動に対してばね作用，減衰作用を及ぼすばね定数ｋのばね要素４４，粘性減衰係数ｃの減衰要素４５とを備え、質量要素４３が重力を受けることにより主系１Ｂに対してばね作用を及ぼし、主系１Ｂの重心よりも上方にて、この主系１Ｂに対して制振力を付与するように倒立振り子形のパッシブ形制振装置Ｐが形成されている。
さらに、支持要素Ｓは、アクティブ形制振装置Ａのアクチュエータ４６により上記直線に対して直角方向に作動させられる。
【００４３】
図１７は、制振対象である主系１Ｂに第５発明に係るハイブリッド形制振装置２Ｈを適用した場合の解析モデルを示し、図１２に示すものと共通する部分については同一番号が付してある。
この例の場合、主系１Ｂの重心と支点とを結ぶ直線に対して直角方向に移動可能に支持された質量ｍｏの支持要素Ｓ上に円弧形状の軌道５１と、この軌道５１に沿って、かつこの軌道に対して相対的に、かつ減衰作用を伴って移動可能に支持された質量ｍの質量要素５２とが設けられている。例えば、質量要素５２を軌道５１に沿って移動させるための質量要素５２の一部をなすローラ５３の軸の部分に減衰要素５４を介在させることにより上記減衰作用を生じさせることができる。また、質量要素５２は軌道５１上にて重力の作用を受けることによりばね作用を生じる。そして、軌道５１、質量要素５２および減衰要素５４によりパッシブ形制振装置Ｐが形成されている。
【００４４】
さらに、支持要素Ｓを上記直線に対して直角方向に作動をアクチュエータ５５と、このアクチュエータ５５を制御する制御系５６とからなるアクティブ形制振装置Ａが設けられている。制御系５６は、質量要素４１，５２、および支持要素Ｓのそれぞれの振動状態、例えば加速度を検出する第１，第２，第３，検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３と、第１，第２，第３検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３からの信号を受けてアクチュエータ４６を作動させる上記制御器２６と同様の制御器５７とからなっている。
【００４５】
図１８は、制振対象である主系１Ｂに第６発明に係るハイブリッド形制振装置２Ｉを適用した場合の解析モデルを示し、図１２に示すものと共通する部分については同一番号が付してある。
この例の場合、主系１Ｂの重心と支点Ｏとを結ぶ直線に対して直角方向に移動可能に支持された質量ｍｏの支持要素Ｓ上に、この支持要素Ｓに対して相対的に、かつ減衰作用を伴って移動可能に、この支持要素Ｓに質量ｍの円弧形状の質量要素６１が支持されている。図示する例の場合、支持要素Ｓには減衰要素６２を軸部に組み込んだローラ６３が設けられており、質量要素６１はこのローラ６３上に配置されている。また、質量要素６１は支持要素Ｓ上にて重力の作用を受けることにより、支持要素Ｓと相互に作用してばね作用を生じる。そして、質量要素６１、支持要素Ｓ、減衰要素６２によりパッシブ形制振装置Ｐが形成されている。
【００４６】
一方、支持要素Ｓ、この支持要素Ｓを上記直線に対して直角方向に作動させるアクチュエータ６４と、このアクチュエータ６４を制御する制御系６５とからなるアクティブ形制振装置Ａが設けられている。この制御系６５は、質量要素４１，６１および支持要素Ｓのそれぞれの振動状態、例えば加速度を検出する第１，第２，第３検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３と、第１，第２，第３検出手段ｓ１，ｓ２，ｓ３からの信号を受けてアクチュエータ６４を作動させる上記制御器２６と同様の制御器６６とからなっている。
【００４７】
なお、上述した各実施形態において、振り子形で、かつ質量要素を吊持したタイプのものにあっては、図面にはばね要素を明示してあるが、実際には、質量要素と重力との相互作用によりばね作用が生じる故、ばねそのものは必ずしも必要とするものではない。
図１９〜２２は、第７発明の第１〜第４実施形態に係るハイブリッド形制振装置２Ｊ，２Ｋ，２Ｌ，２Ｍを示し、図１に示す主系１に図１３以下に示したパッシブ形制振装置を適用したものである。
したがって、上記各図に示すハイブリッド形制振装置と実質的に同一の部分については、同一番号を付して説明を省略する。
図１９において、付加系の揺動中心部に減衰要素４５を設けた例を示してあるが、質量要素４３とアクチュエータ４６との間であれば減衰要素４５の位置は、図示する例に限定するものではない。
【００４８】
図２３，２４は、第８発明の第１，第２実施形態に係るハイブリッド形制振装置２Ｎ，２Ｏを示し、図１３，１４に示す振り子形のパッシブ形制振装置の質量要素４３の揺動中心Ｏ１を図１６で示す支持要素Ｓ上に設けたものである。
したがって、上記各図に示すハイブリッド形制振装置と実質的に同一の部分については、同一番号を付して説明を省略する。
図２３において、付加系の揺動中心部に減衰要素４５を設けた例を示してあるが、質量要素４３とアクチュエータ４６との間であれば減衰要素４５の位置は、図示する例に限定するものではない。
【００４９】
なお、反共振形制御の場合、減衰要素の粘性減衰係数は零か限りなくそれに近いのが望ましく、本願各発明での減衰要素の粘性減衰係数ｃは零の場合も含めて記載されている。
そして、第４〜第８発明のように構成することにより、第１発明の場合と同様に、付加系であるパッシブ形制振装置の制振特性を活用しつつ、アクティブ形制振装置のアクチュエータの機械的な抵抗や減衰要素がパッシブ形制振装置の制振特性に影響を与えず、小型でかつ小さなエネルギで制振対象に対する制振性能を向上させ得るようになっている。
なお、本願各発明においてアクチュエータの特性によって、制振装置の状態量が増える場合、例えばアクチュエータが一時遅れ特性を有する場合、制御器にて斯る特性を考慮した補正を行うことが必要となる。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本願各発明によれば、パッシブ形制振装置、さらに詳しくは動吸振器に、実質的に直列にアクティブ形制振装置のアクチュエータを配置して形成されている。
このため、付加系であるパッシブ形制振装置の制振特性を活用しつつ、アクティブ形制振装置のアクチュエータの機械的な抵抗や減衰要素がパッシブ形制振装置の制振特性に影響を与えず、小型でかつ小さなエネルギで制振対象に対する制振性能の向上が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１発明の第１の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図２】  図１に示すハイブリッド形制振装置の比例定数Ｋｐをパラメータとして周波数とコンプライアンスとの関係を示す図である。
【図３】  図１に示すハイブリッド形制振装置に最適レギュレータを適用した場合における周波数比とコンプライアンスとの関係を示す図である。
【図４】  直列ハイブリッド形制振装置，パッシブ形制振装置における周波数比とコンプライアンスとの関係を示す図である。
【図５】  直列ハイブリッド形制振装置，並列ハイブリッド形制振装置，アクティブ形制振装置における周波数比とコンプライアンスとの関係を示す図である。
【図６】  直列ハイブリッド形制振装置と並列ハイブリッド形制振装置の主系の質量要素の時間応答特性を示す図である。
【図７】  直列ハイブリッド形制振装置と並列ハイブリッド形制振装置のアクチュエータの相対変位の時間応答特性を示す図である。
【図８】  直列ハイブリッド形制振装置と並列ハイブリッド形制振装置の制御力要請を示す図である。
【図９】  直列ハイブリッド形制振装置と並列ハイブリッド形制振装置の仕事の時間推移を表す図である。
【図１０】  第１発明の第２の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図１１】  第２発明に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図１２】  第３発明の第１の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図１３】  第３発明の第２の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図１４】  第３発明の第３の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図１５】  第３発明の第４の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図１６】  第４発明に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図１７】  第５発明に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図１８】  第６発明に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図１９】  第７発明の第１の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図２０】  第７発明の第２の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図２１】  第７発明の第３の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図２２】  第７発明の第４の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図２３】  第８発明の第１の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【図２４】  第８発明に第２の実施形態に係るハイブリッド形制振装置の解析モデルを示す図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ  主系      ２，２Ａ〜２Ｏ  ハイブリッド形制振装置
１１  質量要素            １２  ばね要素
１３  減衰要素            ２１  質量要素
２２  ばね要素            ２３  減衰要素
２４  アクチュエータ      ２５  制御系
３１  ばね要素            ４１  質量要素
４３  質量要素            ４４  ばね要素
４５  減衰要素            ４６  アクチュエータ
４７  制御系              ５１  軌道
５２  質量要素            ５４  減衰要素
５５  アクチュエータ      ５６  制御系
６１  支持要素            ６２  減衰要素
６４  アクチュエータ      ６５  制御系
Ｐ  パッシブ形制御装置
Ａ  アクティブ形制御装置
Ｓ  支持要素
Ｏ  支点
Ｏ１  点
【図１】
0004031072.tif 000033
【図２】
0004031072.tif 000034
【図３】
0004031072.tif 000035
【図４】
0004031072.tif 000036
【図５】
0004031072.tif 000037
【図６】
0004031072.tif 000038
【図７】
0004031072.tif 000039
【図８】
0004031072.tif 000040
【図９】
0004031072.tif 000041
【図１０】
0004031072.tif 000042
【図１１】
0004031072.tif 000043
【図１２】
0004031072.tif 000044
【図１３】
0004031072.tif 000045
【図１４】
0004031072.tif 000046
【図１５】
0004031072.tif 000047
【図１６】
0004031072.tif 000048
【図１７】
0004031072.tif 000049
【図１８】
0004031072.tif 000050
【図１９】
0004031072.tif 000051
【図２０】
0004031072.tif 000052
【図２１】
0004031072.tif 000053
【図２２】
0004031072.tif 000054
【図２３】
0004031072.tif 000055
【図２４】
0004031072.tif 000056