(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
履歴特性を有する免震層を介して地盤に支持される建物に用いられ、前記建物の位置が原点からずれた場合に前記建物の位置を原点に復帰させる原点復帰装置において、
前記建物の位置を検出する変位検出手段と、
前記建物を地盤に対して変位させる流体圧シリンダと、
前記流体圧シリンダへの流体圧の給排を切り換えるＯＮ／ＯＦＦ弁と、
前記建物の現在位置よりも原点に近い位置を前記建物の目標位置に設定する目標位置設定手段と、
前記目標位置に応じた指令値を設定する指令値設定手段と、
前記指令値と前記建物の現在位置との偏差の大きさに比例した時間、前記偏差を減少させる方向に流体圧シリンダを駆動する信号を前記ＯＮ／ＯＦＦ弁に出力するサーボ増幅手段と、を備え、
前記目標位置設定手段は、原点を超えて現在の建物の位置とは反対側に目標位置を設定することを特徴とする原点復帰装置。
【請求項２】
前記目標位置設定手段は、原点を超えて現在の建物の位置と反対側であって、かつ現在位置と原点との距離の略半分の位置を目標位置として設定することを特徴とする請求項１に記載の原点復帰装置。
【請求項３】
前記目標位置設定手段は、前記建物が原点を繰り返し通過するよう目標位置を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の原点復帰装置。
【請求項４】
前記指令値設定手段は、前記指令値が前記目標位置にシリンダ可能速度範囲内でランプ状に近づくように前記指令値を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の原点復帰装置。
【請求項５】
前記履歴特性を有する免震層が高減衰積層ゴムであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の原点復帰装置。
【請求項６】
前記ＯＮ／ＯＦＦ弁がソレノイド弁であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の原点復帰装置。
【請求項７】
前記サーボ増幅手段は、
前記指令値と前記建物の現在位置との偏差を演算する比較部と、
一次遅れフィードバックを持ち、不感帯とヒステリシス特性とを有するＯＮ／ＯＦＦ増幅器と、
で構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の原点復帰装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、免震装置を備えた建物において地震等により生じた建物の当初位置に対する位置ずれを修正するための原点復帰装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建物と地盤の間に高減衰積層ゴムを介装し、地震や強風時の建物の揺れを吸収することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとしている問題点】
ところで、上記免震構造の建物においては、地震等後、建物が当初位置からずれたままの状態で停止する場合がある。
【０００４】
これは、高減衰積層ゴムが履歴特性を有しており、外力を除荷した後も変形が残ってしまうからである。このような位置ずれは建物の強度等に影響を及ぼすほどのものではないが、外装がガラス張りのビル等ではその位置ずれに起因する僅かな歪が光の反射の乱れとなって表れてしまい、ビルの外観を損なう原因となる。
【０００５】
このような免震構造物の位置ずれを修正する方法としては、特開2000-257666に開示されているような油圧シリンダを免震層に設けておき、建物の位置ずれが発生した場合にはこの油圧シリンダを位置ずれが縮小される方向に駆動して修正する方法が考えられる。
【０００６】
しかしながら、上記履歴特性のため、建物を原点に復帰させるには何度も建物を往復運動させる必要があり、これを人がポテンショメータ等で建物の位置を計測しながら油圧シリンダを操作するとなると非常に手間がかかる。しかも上記履歴特性を十分に理解した上で操作する必要があり、操作には熟練を要する。また、通常そのような油圧シリンダは複数設けられるが、これらを人が操作する場合には操作ミスを起こしやすい。
【０００７】
そこで、ポテンショメータ等の相対変位検出器の値をフィードバックし、サーボ弁を用いて位置ずれを自動修正することも考えられるが、サーボ弁を使用した場合、電源が遮断されたときにサーボ弁が一方に動いて装置が暴走してしまう問題や、サーボ弁の故障の原因となるコンタミナント対策が大変になる等の問題があり、建物に使用するには不向きである。
【０００８】
本発明は、上記技術的課題を鑑みてなされたものであり、履歴特性を有する免震層を介して支持される建物の位置が地震等によりずれた場合に、そのずれを精度良くかつ低コストで修正する原点復帰装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、履歴特性を有する免震層を介して地盤に支持される建物に用いられ、前記建物の位置が原点からずれた場合に前記建物の位置を原点に復帰させる原点復帰装置において、前記建物の位置を検出する変位検出手段と、前記建物を地盤に対して変位させる流体圧シリンダと、前記流体圧シリンダへの流体圧の給排を切り換えるＯＮ／ＯＦＦ弁と、前記建物の現在位置よりも原点に近い位置を前記建物の目標位置に設定する目標位置設定手段と、前記目標位置に応じた指令値を設定する指令値設定手段と、前記指令値と前記建物の現在位置との偏差の大きさに比例した時間、前記偏差を減少させる方向に流体圧シリンダを駆動する信号を前記ＯＮ／ＯＦＦ弁に出力するサーボ増幅手段と、を備え、前記目標位置設定手段は、原点を超えて現在の建物の位置とは反対側に目標位置を設定するものである。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、目標位置設定手段が、原点を超えて現在の建物の位置と反対側であって、かつ現在位置と原点との距離の略半分の位置を目標位置として設定することを特徴とするものである。
【００１１】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記建物が原点を繰り返し通過するよう目標位置を設定することを特徴とするものである。
【００１２】
第４の発明は、第１から第３の発明において、指令値設定手段が、前記指令値が前記目標位置にシリンダ可能速度範囲内でランプ状に近づくように前記指令値を設定することを特徴とするものである。
【００１３】
第５の発明は、第１から第４の発明において、履歴特性を有する免震層が高減衰積層ゴムであることを特徴とするものである。
【００１４】
第６の発明は、第１から第５の発明において、ＯＮ／ＯＦＦ弁がソレノイド弁であることを特徴とするものである。
【００１５】
第７の発明は、第１から第６の発明において、サーボ増幅手段を、前記指令値と前記建物の現在位置との偏差を演算する比較部と、一次遅れフィードバックを持し、不感帯とヒステリシス特性とを有するＯＮ／ＯＦＦ増幅器とで構成したことを特徴とするものである。
【００１７】
【作用及び効果】
免震層の履歴特性により建物が地震等後に当初位置からずれたまま停止した場合、これを元の位置に復帰させる必要が生じる。本発明に係る原点復帰装置は、流体圧シリンダを用いて建物を原点に復帰させるのであるが、この流体圧シリンダの変位を制御するサーボ系を、流体圧シリンダへの流体圧の給排を切り換えるＯＮ／ＯＦＦ弁と、コントローラからの指令値と建物の現在位置との偏差の大きさに比例した時間、その偏差を減少させる方向に流体圧シリンダを駆動する信号をＯＮ／ＯＦＦ弁に出力するサーボ増幅手段とで構成する。これにより、ＯＮ／ＯＦＦ動作のバルブでありながらコントローラからの指令値に従って流体圧シリンダを駆動することができ、建物を目標とする位置まで変位させることができる。また、上記履歴特性を有する高減衰積層ゴムのずれ（建物のずれ）を効果的に減少させるには、原点を超えて現在の建物の位置とは反対側に目標位置を設定し、その目標位置となるように建物を変位させればよい（第１の発明）。
【００１８】
好ましくは、原点を超えて現在の建物の位置と反対側であって、かつ現在の位置と原点との距離の略半分の位置を目標位置として設定する（第２の発明）。さらに、原点を繰り返し通過するように建物を往復変位させれば、上記免震層の履歴特性を考慮して建物を原点に復帰させることができる（第３の発明）。また、上記指令値を目標とする位置にシリンダ可能速度範囲内でランプ状に近づくように設定すれば、各シリンダの動作タイミングに多少のずれが生じても問題がなくなり、複数の流体圧シリンダを同調を取りながら動かすことができる（第４の発明）。
【００１９】
上記履歴特性を有する免震層としては中心に鉛プラグを有する高減衰積層ゴムがある（第５の発明）。高減衰積層ゴムは鉛プラグのせん断力を利用して建物の振動を減衰させるものであるが、その鉛プラグの変形特性により履歴特性を有している。また、上記ＯＮ／ＯＦＦバルブとしてはソレノイド弁があげられる（第６の発明）。このようなソレノイド弁を用いることにより装置コストを下げることができるだけでなく、電源遮断時の暴走を防止し、コンタミナント対策が比較的容易になる等の利点がある。
【００２０】
ソレノイド弁をサーボ的に使用するためのサーボ増幅手段は、指令値と建物の現在位置との偏差を演算する比較器と、一次遅れフィードバックを持つ、不感帯、ヒステリシス特性を有するＯＮ／ＯＦＦ増幅器とで構成することができる（第７の発明）。これにより、ほぼ指令値と検出信号との差に比例した時間だけその偏差を減少させる方向のソレノイドを周期的にＯＮとし、偏差を減少させる方向に流体圧シリンダを駆動することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１（ａ）は本発明に係る原点復帰装置を備えた免震構造の建物を示した概略図である。建物１００は複数の高減衰積層ゴム１０１（免震層）を介して地盤１０２に支持されている。このような高減衰積層ゴム１０１を介して建物を支持することにより、地震や強風時、建物１００が地盤１０２に対して変位（横揺れ）しても、積層ゴムがバネとして機能して揺れが緩和されるとともに、鉛プラグがダンパとして機能して揺れの減衰が早められ、揺れは効果的に抑えられる。
【００２４】
しかしながら、高減衰積層ゴム１０１が外力を除荷しても変位がゼロにならないため、地震等の後、建物が当初位置（以下、適宜「原点」という。）からずれた位置で停止する場合がある。図２は、高減衰積層ゴムに作用する力の振幅が徐々に増大していった場合の外力と変位の関係を示したものであるが、これに示されるように外力を除荷しても変位はゼロにはならず、建物は履歴曲線と変位軸とが交わる位置に停止する。
【００２５】
このような残留変位は建物本来の強度、性能を維持するという点からすれば問題のないレベルであるものの、外装が全面ガラス張りのビル等においてはそれによって生じる僅かな歪が太陽光の不均一な反射として現れてしまい、ビルの外観を損なう原因となる。
【００２６】
そこで、位置ずれを元に戻すことが必要となってくるが、この建物にはこのような地震等による位置ずれを修正するための原点復帰装置が設けられている。以下、この原点復帰装置について説明する。
【００２７】
図１（ｂ）は免震層に設けられる原点復帰装置を構成する油圧シリンダの配置を示したものである。
【００２８】
これら油圧シリンダ１１は、一端（例えばロッド側）が建物側に、他端（例えばシリンダ側）が地盤側に接続され、地震等によって建物が当初位置からずれてしまった場合に建物を当初位置に復帰させるためのものである。この例ではＸ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ２本の油圧シリンダが設けられているが、油圧シリンダの本数はその性能、建物の総重量、建物を動かす際の摩擦、コスト等を考慮して適切な本数とされる。
【００２９】
図３は原点復帰装置の具体的な構成を示し、上記４つのシリンダのうち１つのシリンダについての構成のみを代表的に示したものである。
【００３０】
原点復帰装置は、これに示されるように、シリンダアッセンブリ１、シリンダアッセンブリ１に油圧の給排を行う油圧ユニット２、サーボ増幅器３、変位検出器４、コントローラ５により構成される。変位検出器４は例えばポテンショメータであり、当初位置からの建物の変位（地盤に対する相対変位）に応じた電圧を出力する。
【００３１】
シリンダアッセンブリ１は、油圧シリンダ１１と、絞り弁１２ａ、１２ｂと、ソレノイド弁（ＯＮ／ＯＦＦ弁）１３とで構成され、ソレノイド弁１３を切り換えることにより、油圧シリンダ１１を図中左あるいは右方向に駆動する状態、あるいはロック状態とすることができる。例えば、ソレノイド弁１３を図中左側の切換位置に切り換えると油圧ユニット２からロッド側油室１１ａに油圧が供給されるとともに、ピストン側油室１１ｂがドレーンされ、ピストン１１ｃ及びピストンロッド１１ｄ、さらにはそれに連結される建物が図中右方向に駆動される。
【００３２】
サーボ増幅器３は、比較器３１と、ＯＮ／ＯＦＦ増幅器３２とで構成される。比較器３１はコントローラ５からの指令値ｘCと変位検出器４の検出信号ｘとを比較し、その偏差に応じた電圧をＯＮ／ＯＦＦ増幅器３２に出力する。
【００３３】
ＯＮ／ＯＦＦ増幅器３２は、図４に示すように、入力電圧ゲイン３２ａ、一次遅れフィードバック部３２ｂを持つリレー部３２ｃとで構成される。リレー部３２ｃは図５に示すような不感帯とヒステリシス特性を有しており、不感帯幅を小さくすることによりＯＮ／ＯＦＦの精度を上げることができ、ヒステリシス幅により制御系の等価比例帯が決まる。なお、入力電圧ゲイン３２ａを１以上に上げることにより等価的に不感帯幅を下げることができる。
【００３４】
この様な構成により、入力電圧が設定された不感帯を超えると、設定されたヒステリシス幅と増幅器内一次遅れフィードバックの働きにより、ほぼ指令値と検出信号のとの差（偏差）に比例した時間だけその偏差を減少させる方向のソレノイドが周期的にＯＮを繰り返し、偏差を減少させる方向に油圧シリンダ１１が駆動される。そして、偏差が不感帯幅に収まるとソレノイドがＯＦＦとなって油圧シリンダ１１はロック状態となり、油圧シリンダ１１はその変位を保つ。
【００３５】
このように、上記原点復帰装置においては、これら比較器３１とＯＮ／ＯＦＦ増幅器３２との組み合わせにより、ソレノイド弁１３をサーボ的に使用することができ、指令値に従って油圧シリンダ１１を駆動することができる。
【００３６】
また、建物の位置ずれを修正する際、コントローラ５は油圧シリンダ１１の目標変位ｘTを設定し、それに応じた指令値ｘCをサーボ増幅器３に出力するが、このとき、サーボ増幅器３への指令値ｘCは、上記複数の油圧シリンダが同調するように各油圧シリンダ可能速度の範囲内で目標変位ｘTまでランプ状に変化するように設定され、さらに、各油圧シリンダが同じタイミングで動き始め、同じタイミングでそれぞれの目標位置に到達するように設定される。
【００３７】
このように指令値ｘCをランプ状に変化させるのは、仮にサーボ増幅器３への指令値ｘCを目標変位ｘTまでステップ状に変化させると、ある油圧シリンダの作動が遅れた場合に他の油圧シリンダに過大な負荷がかかってしまうからである。指令値ｘCをランプ状に変化させれば、各油圧シリンダの作動タイミングに多少のずれがあっても、特定の油圧シリンダに大きな負荷がかかってしまうのを回避できる。
【００３８】
さらに、コントローラ５は、高減衰積層ゴム１０１の履歴特性を考慮し、建物１００が往復変位し原点を繰り返し通過するように目標位置ｘTを設定する。具体的には、目標位置ｘTは、建物１００が原点を繰り返し通過するように、かつ原点と目標位置との距離が次第に小さくなるように設定される。例えば、図６に示すように、位置ずれの修正開始時における建物１００の位置をｘ0とすると、目標位置ｘTは−ｘ0／２、ｘ0／４、−ｘ0／８、・・・というように建物１００が目標とする位置に到達するごとに順次に切り換えられる。そして、建物１００の原点からのずれが所定値以下となったとき、あるいは油圧シリンダ１１の駆動回数が所定回数に達したときに復帰処理を終了する。
【００３９】
図７は原点復帰処理の内容を示したフローチャートである。
【００４０】
これによると、まず、ステップＳ１では変位検出器４によって検出された地震後の建物の位置ｘ0が読み込まれ、ステップＳ２ではこの位置ｘ0に基づき目標位置ｘTが設定される。目標位置ｘTは図６に示すように位置ｘ0からみて原点を超えた反対側であって、原点と位置ｘ0との距離の半分の位置（−ｘ0／２）に設定される。
【００４１】
そして、ステップＳ３では、コントローラ５からサーボ増幅器３へ指示される信号（指令値ｘC）が油圧シリンダ１１が追従可能な速度であるシリンダ可能速度範囲内の一定速度で建物１００が目標位置ｘTに近づくように設定され、指令値ｘCに従い油圧シリンダ１１が駆動される。
【００４２】
ステップＳ４では油圧シリンダ１１への油圧供給を一時的に中止してフリーの状態とし、建物１００の現在位置ｘを再度検出する。油圧シリンダ１１をフリーの状態としてから位置を検出するのは、油圧シリンダ１１から建物１００に作用する力を除荷すると建物１００が高減衰積層ゴム１０１の履歴特性によって元の位置の方向にある程度戻ってしまうからである。そして、ステップＳ５では現在位置ｘと原点との距離が所定量ｘTH（例えばｘTH＝５ｍｍ）よりも小さくなったかが判断され、所定量ｘTHよりも小さくなっていない場合はステップＳ２に戻って復帰処理を継続し、小さくなっている場合は復帰処理を終了する。
【００４３】
したがって、建物の原点からのずれ量が所定量ｘTHよりも小さくなるまでステップＳ２、Ｓ３が繰り返し実行されるが、ステップＳ２において設定される２回目以降の目標位置ｘTはｘ0／４、−ｘ0／８、・・・と反転的に次第に小さくなるように設定され、これに基づき油圧シリンダ１１が駆動される。
【００４４】
なお、ここでは目標位置ｘTの絶対値が前回目標位置の絶対値の１／２となるように設定しているが、目標位置ｘTの絶対値の減少度合いは高減衰積層ゴム１０１の履歴特性の強さに応じて変更しても良い。また、建物の原点からのずれ量が所定量よりも小さくなったときに復帰処理を終了するが、ステップＳ２、Ｓ３を所定回数（例えば３回）繰り返したときに復帰処理を終了するようにしても良い。
【００４５】
以上説明したように、本発明による原点復帰装置においては、ＯＮ／ＯＦＦ増幅器でサーボ系を構成したことにより、ＯＮ／ＯＦＦ動作のソレノイド弁でありながらコントローラからの指令値に従って油圧シリンダを駆動することができ、建物を目標とする位置まで変位させることができる。
【００４６】
また、指令値を各油圧シリンダが追従可能なランプ状の信号としたことにより同調を取りながら複数の油圧シリンダを動かすことができる。複数の油圧シリンダを同調させて駆動する場合は同調が狂うと特定の油圧シリンダに過大な負荷がかかり同調制御ができなくなるが、ランプ状の信号とすることによりそのような問題を回避できる。
【００４７】
さらに、原点を通過するように繰り返し建物を往復変位させるようにしたことにより、履歴特性を有する免震層を有する建物であっても原点に復帰させることができる。
【００４８】
また、サーボ弁ではなくソレノイド弁を用いてサーボ系を構成したことにより、コンタミナントの対策は通常の油圧回路程度でよく、サーボ弁に要求されるようなコンタミナント対策は不要である。また、原点復帰装置も建物同様にメンテナンスコストの低減が要求されるが、メンテナンスが容易なソレノイド弁を用いたことによりメンテナンスコストを低減することができる。さらに、停電、電気系統の故障等により電源が電気的又は物理的に遮断されても、ソレノイド弁にて油圧シリンダへの油圧の給排がブロックされるので、サーボ弁を用いた場合のような暴走の危険は少なくなる。
【００４９】
なお、免震装置には建物の揺れを抑える減衰機能を持たせる必要があり、上記例では高減衰積層ゴム内の鉛のせん断力を利用して減衰機能を実現しているが、油圧シリンダ１１のシリンダポート間を必要に応じて固定絞りを介して連通可能にすれば本シリンダをダンパとして用いることもできる。さらに、免震系の固有振動数を下げると風により建物が動いてしまうことがあるが、そのような場合はソレノイド弁１３を操作して油圧シリンダをロック状態とすれば、油圧シリンダ１１を風のときのロックシリンダとして用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る原点復帰装置を備えた建物の概略図である。
【図２】高減衰積層ゴムの履歴特性を示した図である。
【図３】原点復帰装置の全体構成図である。
【図４】その制御ブロック図である。
【図５】ＯＮ／ＯＦＦ増幅器のリレー部のＯＮ／ＯＦＦ特性を示した特性図である。
【図６】目標位置の設定方法を説明するための図である。
【図７】原点復帰処理の内容を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１  シリンダアッセンブリ
２  油圧ユニット
３  サーボ増幅器
４  変位検出器（ポテンショメータ）
５  コントローラ
１１  油圧シリンダ
１３  ソレノイド弁（ＯＮ／ＯＦＦ弁）
１００  建物
１０１  高減衰積層ゴム（免震層）
１０２  地盤
【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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