(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量体と、
構造物に設置され前記質量体を移動可能に支持する支持手段と、
前記質量体と前記支持手段とを連結するバネ要素及びダンパ要素と、
を含んで構成された構造物の制振装置において、
前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を前記質量体に作用させるためのアクチュエータ手段と、
前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きを検出し、検出結果を表す信号を発生する検出手段と、
前記検出信号に基づいて前記アクチュエータ手段を制御して、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きと逆向きに前記質量体に作用させる制御手段とを備え、
前記検出手段が、バネにより実質的に摩擦のない状態で支持された検出用質量体を備えたダミー振動系と、この検出用質量体の変位または速度を検出するセンサとで構成されており、前記ダミー振動系は、前記構造物の振動により前記検出用質量体が前記質量体と同位相で振動するように構成されている、
ことを特徴とする構造物の制振装置。
【請求項２】
質量体と、
構造物に設置され前記質量体を移動可能に支持する支持手段と、
前記質量体と前記支持手段とを連結するバネ要素及びダンパ要素と、
を含んで構成された構造物の制振装置において、
前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を前記質量体に作用させるためのアクチュエータ手段と、
前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きを検出し、検出結果を表す信号を発生する検出手段と、
前記検出信号に基づいて前記アクチュエータ手段を制御して、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きと逆向きに前記質量体に作用させる制御手段とを備え、
前記検出手段が、バネにより実質的に摩擦のない状態で支持された検出用質量体を備えたダミー振動系と、この検出用質量体の変位または速度を検出するセンサとで構成されており、前記ダミー振動系の振動特性を前記質量体の振動系の振動特性と揃えてある、
ことを特徴とする構造物の制振装置。
【請求項３】
前記アクチュエータ手段がリニアモータで構成されている請求項１又は２記載の構造物の制振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高層建築物等の構造物の振動を抑制する制振装置に関する。
【０００２】
地震や風圧等の外力によって高層建築物等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用いられている。
この種の制振装置は、可動質量体を積極的に駆動するためのアクチュエータを備えていないもの（パッシブマスダンパ）と、備えているもの（アクティブマスダンパないしハイブリッドマスダンパ）とに大きく分けられる。
【０００３】
パッシブマスダンパは、質量体を構造物上に移動可能に支持すると共に、バネ及びダンパユニットを介して質量体と構造部とを連結して振動系を構成し、その振動系の固有振動数を構造物の固有振動数に同調させたものである。
パッシブマスダンパを備えた構造物では、構造物が振動すると、バネ及びダンパユニットを介して振動が伝達されるために質量体が振動させられ、この振動する質量体から逆にバネ及びダンパユニットを介して構造物に作用する力によって構造物の振動が小さく抑えられる。
【０００４】
アクティブマスダンパは、質量体を構造物上に移動可能に支持し、質量体と構造物との間に設けたアクチュエータによって質量体を駆動して、その質量体を構造物に対して相対運動させるようにしたものである。
アクティブマスダンパは構造物の振動を検出するセンサを備えており、検出した振動に応じて適切にアクチュエータを制御して質量体を振動させ、その際に質量体からアクチュエータを介して構造物に作用する反作用力によって構造物の振動が小さく抑えられる。
ハイブリッドマスダンパは、パッシブマスダンパの構成に更に、質量体を駆動するアクチュエータを付加したものである。
アクティブマスダンパほどの大容量のアクチュエータを必要とせず、アクチュエータの故障時にもある程度の制振作用が保持されるという利点があるが、構造は最も複雑である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
アクティブマスダンパやハイブリッドマスダンパでは、検出した構造物の振動を抑制するために最適制御によって質量体を駆動するため、大きな制振効果が得られる。
しかしながら、アクチュエータ、センサ、コンピュータ等の制御装置、などの多数のシステムを付加せねばならず、構造が複雑で故障のおそれも高い。
特に、アクチュエータに供給されている電力が断たれると制振機能を喪失するため、地震発生時に発生するおそれのある停電に備えて自家電源装置を装備しておくため等に高コストにならざるを得ない。
【０００６】
パッシブマスダンパでは、構造物の特定の振動モードに対してしか効果を発揮しないが、デリケートな部分が存在しないため故障しにくい上に、電力を供給する必要もなく、設置するだけで効果が期待できる。
ただしその振動特性が適切に調整されていないと、十分な制振効果が期待できない。
振動特性に影響を及ぼす要因には、構造物との同調度合いやダンパユニットの減衰の大きさ等があるが、質量体を移動可能に支持している支持構造と質量体との間に作用する摩擦力もまた大きな要因をなしている。
一般に、質量体と支持機構との間の摩擦係数は０．００３〜０．００７程度であり、従って、質量体設置個所の振動による加速度が３〜７ｇａｌ（ｃｍ／ｓｅｃ2 ）程度であると、質量体は支持機構に対して（従って構造物に対して）運動せず、そのためパッシブマスダンパは機能しない。
ところが、３〜７ｇａｌ程度の大きさの加速度しか発生しない風揺れでも、それによって構造物の居住性はかなり低下する。
従って、従来のパッシブマスダンパには、風揺れによる構造物の居住性の低下を改善することができないという不具合があった。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、従来のパッシブマスダンパに付随していた、支持構造と質量体との間に作用する摩擦力による制振性能の低下という問題を解消して、優れた性能を持ち、また特に、例えば構造物の風揺れ等の小さな加速度の振動に対しても効果的に制振機能を発揮することのできる制振装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、質量体と、構造物に設置され前記質量体を移動可能に支持する支持手段と、前記質量体と前記支持手段とを連結するバネ要素及びダンパ要素とを含んで構成された構造物の制振装置において、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を前記質量体に作用させるためのアクチュエータ手段と、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きを検出し、検出結果を表す信号を発生する検出手段と、前記検出信号に基づいて前記アクチュエータ手段を制御して、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きと逆向きに前記質量体に作用させる制御手段とを備え、前記検出手段が、バネにより実質的に摩擦のない状態で支持された検出用質量体を備えたダミー振動系と、この検出用質量体の変位または速度を検出するセンサとで構成されており、前記ダミー振動系は、前記構造物の振動により前記検出用質量体が前記質量体と同位相で振動するように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明はまた、質量体と、構造物に設置され前記質量体を移動可能に支持する支持手段と、前記質量体と前記支持手段とを連結するバネ要素及びダンパ要素とを含んで構成された構造物の制振装置において、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を前記質量体に作用させるためのアクチュエータ手段と、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きを検出し、検出結果を表す信号を発生する検出手段と、前記検出信号に基づいて前記アクチュエータ手段を制御して、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きと逆向きに前記質量体に作用させる制御手段とを備え、前記検出手段が、バネにより実質的に摩擦のない状態で支持された検出用質量体を備えたダミー振動系と、この検出用質量体の変位または速度を検出するセンサとで構成されており、前記ダミー振動系の振動特性を前記質量体の振動系の振動特性と揃えてあることを特徴とする。
本発明はまた、前記アクチュエータ手段がリニアモータで構成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、支持手段から質量体に作用する摩擦力の向きが検出手段によって検出され、その検出結果を表す信号が発生される。
この信号に基づいて制御手段がアクチュエータ手段を制御することによって、支持手段から質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力が、その摩擦力と逆向きに質量体に作用する。
このアクチュエータ手段から質量体に作用する力が、支持手段から質量体に作用する摩擦力の影響を実質的に打消すため、制振装置の振動特性が理想的なものとなり、また特に、小さな加速度の振動に対しても制振装置が反応できるようになり、例えば構造物の風揺れ等の振動も有効に抑制される。
【００１１】
【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１は本発明による構造物の制振装置の一例を示す概略側面図である。
この制振装置２は構造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り、質量体４、質量体４に連結されたコイルバネ６、ダンパユニット２６、車輪８、リニアモータ１０、リニアモータ１０の制御装置１８などにより構成されている。
【００１２】
この制振装置２は、高層建築物などの構造物の例えば最上階に設置されており、最上階の床２０上には基台２２が配設され、その両端部には一対の反力壁２４が立設されている。
これらの反力壁２４の間には２つの反力壁２４を結ぶ方向、すなわち矢印Ａの方向に一対の平行なレール（図示せず）が敷設されており、質量体４はそのレール上に車輪８を介して移動可能に支持されている。
従って、質量体４は構造物が振動したとき、一対の反力壁２４の間を往復運動できるようになっている。
【００１３】
質量体４の形状は本実施例では直方体であり、反力壁２４に対向する両端面は、それぞれコイルバネ６およびダンパユニット２６により対向する反力壁２４に連結されている。
そして、質量体４、コイルバネ６、ならびにダンパユニット２６により形成される振動系の固有振動周波数は、構造物の固有振動周波数にほぼ一致するようにコイルバネ６のバネ定数および質量体４の重量が設定されている。
【００１４】
リニアモータ１０はカラム１０Ａとステータ１０Ｂとにより構成されている。
ステータ１０Ｂは質量体４に固定され、一方、カラム１０Ａは、ステータ１０Ｂとの間に適切な隙間を保って、２つの反力壁２４の間に両端部を反力壁２４に固定して質量体４の移動方向に延設されている。
ステータ１０Ｂには三相交流巻線（図示せず）が施されており、この巻線に三相交流電圧を印加することによりステータ１０Ｂはカラム１０Ａに対して、質量体４と共に移動する。
【００１５】
基台２２上には更に、基台２２から質量体４に作用する摩擦力（より詳しくは基台２２に取付けられた前述のレールから質量体４に取付けられた車輪８に作用する摩擦力）の向きを検出するための検出装置３０が取付けられている。
この検出装置３０は、構造物が振動したときに、質量体４と同位相で振動する検出用質量体１２を備えたダミー振動系４０と、この検出用質量体１２の速度を検出する速度センサ１６とで構成されている。
検出用質量体１２は、板バネ１４によって基台２２上に支持されており、板バネ１４は基台２２上に鉛直に配置され、一端が基台２２に固定され、他端が検出用質量体１２に連結されている。この支持構造によれば、検出用質量体１２は、板バネ１４により実質的に摩擦のない状態で支持され、構造物の振動方向と同じ水平方向に振動することとなる。
この検出用質量体１２と板バネ１４とから成るダミー振動系４０の固有振動数は、前述の質量体４及びコイルバネ６から成る制振装置本体の振動系の固有振動数と略々一致するように、その検出用質量体１２の質量及び板バネ１４のバネ定数が設定されている。
【００１６】
即ち、質量体４の振動系（制振装置本体の振動系）の振動特性と、ダミー振動系４０の振動特性とを揃えて、質量体４と、検出用質量体１２とが、常に同位相で振動するように（従って常に互いに同じ方向に運動するように）してある。更に厳密には、質量体４に摩擦力が実質的に作用しない場合にそのような状態となるように、それら振動系の振動特性を揃えてある。
質量体４は車輪８により支持されているため、この質量体４に対しては、その運動方向ないしは運動しようとする方向と逆向きの摩擦力が（車輪８を介して）作用する。一方、検出用質量体１２は単に板バネ１４により支持されているため、摩擦力が作用しないのである。
【００１７】
上述の速度センサ１６は、検出用質量体１２の速度を検出して、検出結果を表す応答信号を発生する。ただしここでは、速度の大きさは利用せず、単に運動の方向を利用するだけである。
この応答信号の極性は、検出用質量体１２が図１の右方へ運動しているときには正になり、逆に左方へ運動しているときには負になるようにしてある。この応答信号は制御装置１８へ入力している。
制御装置１８は、この速度センサ１６からの応答信号の極性の正負に応じて、三相交流電源とリニアモータ１０との接続を切換えて、リニアモータ１０の駆動方向を変化させる指令信号を、リニアモータ１０へ送出する。
これによって、応答信号の極性が正のときにはリニアモータ１０が質量体４を図１の右方へ駆動し、負のときにはリニアモータ１０が質量体４を図１の左方へ駆動するようしてある。
【００１８】
この制御装置１８は、リニアモータ１０の駆動方向だけを制御して変化させるものであり、その駆動力の大きさは制御しない。それゆえ制御装置１８は、アクティブマスダンパやハイブリッドマスダンパに使用されているような複雑なものではなく、構造が簡明で低コストのものとすることができる。
リニアモータ１０が質量体４を駆動する駆動力の大きさは、基台２２から質量体４に作用する摩擦力（より詳しくは基台２２に取付けられた前述のレールから質量体４に取付けられた車輪８に作用する摩擦力）の大きさと同程度にし、本実施例ではそれより僅かに大きくなるようにしてある。
【００１９】
速度センサ１６は、検出用質量１２の運動方向が検出できればよく、運動速度の大きさを検出する必要はないため、アクティブマスダンパやハイブリッドマスダンパに使用されているセンサのように精度を要求されず、簡明な構成の安価なものを使用することができる。
更に、速度センサ１６の代わりに変位センサを使用し、そのセンサの変位を表す出力信号を電子回路で処理することによっても、検出用質量１２の運動方向を検出することができる。
そのために必要な電子回路は当業者には容易に設計できるものであるため詳述しないが、高精度の微分回路を使用する必要はなく、単にセンサの出力信号が増加しているか減少しているかを判断するだけの簡明で安価な回路とすることができる。
【００２０】
次に、以上のように構成された制振装置２の動作について説明する。
制振装置２が設置された構造物が地震や風圧によって矢印Ａの振動方向に振動すると、質量体４は、慣性力のために、基台２２に対して相対的に矢印Ａの振動方向に運動する。
質量体４に力Ｆを作用させ、その力Ｆの大きさを緩やかに変化させたときの、その力Ｆの大きさと、質量体４の基台２２に対する相対的変位Δとの間の関係を図２に示した（これは、リニアモータ１０を機能させていない場合の関係を示したものである）。
この関係は、図２に点線で示した比例関係となるのが理想であるが、実際には基台２２から質量体４に作用する摩擦力ｆのために、図２に実線で示したようなヒステリシス特性を呈する。
従来の制振装置では、この摩擦抵抗のために、制振特性が低下すると共に、小加速度の振動に対しては制振装置が機能せず、構造物の風揺れを抑制できないという不都合を生じていた。
【００２１】
これに対して本発明に係る制振装置２では、前述の構成によりこの摩擦抵抗力を打ち消し、この摩擦抵抗力に起因する不都合を払拭している。
すなわち、その振動特性を質量体４の振動系の振動特性に揃え、ただし実質的に摩擦力が作用しないように構成したダミー振動系４０から、検出用質量１２の運動方向を表す検出信号を取り出し、その検出信号に従ってリニアモータ１０の駆動方向を制御して、このリニアモータ１０が、質量体４に作用している摩擦力と大きさが略々等しく向きが逆の駆動力を質量体４に加えるようにしている。
これによって摩擦力の影響が実質的に打消され、質量体４の振動系は、摩擦力が作用していないときと同じ理想的な振動特性を持つことができ、また、小加速度の振動に対しても制振装置２が機能するため、構造物の風揺れのような振動も効果的に抑制することができる。
【００２２】
図３は、速度センサ１６からの出力信号と、リニアモータ１０が質量体４に加える駆動力との関係を示した波形図である。
図３の（Ａ）は速度センサ１６からの出力信号を示し、図３の（Ｂ）はリニアモータ１０が質量体４に加える駆動力、すなわち推力を示している。
図から分かるように、リニアモータ１０が質量体４に加える駆動力の大きさは一定であり（摩擦力ｆよりやや大きい）、その向きが速度センサ１６からの出力信号の極性に応じて切換わっている。
【００２３】
従って、この構造物の制振装置２では、例えば風によって構造物が振動し、そのとき構造物の最上階の応答加速度が３〜７ｇａｌ程度の弱いものであっても、質量体４は摩擦力ｆの影響を受けることなく構造物の振動に応じて反力壁２４の間を往復運動し、制振効果を発揮する。
また、この構造物の制振装置２では、従来のアクティブマスダンパのような強力な駆動手段駆動手段を制御するための大規模な制御装置、駆動手段にエネルギを供給する大がかりな例えば電気設備、そして構造物および質量体の変位や動きを検出するための高精度のセンサは不要であるため、装置は低コストで製作でき、また、設置スペースは狭くて済み、さらに、保守が容易であることも含めランニングコストが低い。
そして、車輪８に作用する摩擦力を打ち消す程度にしか質量体４を駆動しないので、リニアモータ１０、速度センサ１６、制振装置１８等が万一故障した場合でも、アクティブマスダンパの場合のようにその故障が重大な結果を招くというおそれもない。
【００２４】
また、質量体４の駆動手段として本実施例ではリニアモータ１０を用いたが、リニアモータ１０の代りに通常の回転式の電動モータや、あるいは油圧モータ、油圧シリンダなどを用いてもよい。
さらに、上記実施例では検出用の質量体１２の動きを速度センサ１６により検出したが、速度センサの代りに変位センサを用いても検出用の質量体１２の移動方向を知ることができ、必要な情報を得ることができる。
また、上記実施例では質量体４は１次元的に移動する構造としたが、図１において矢印Ａと平面上で直交する方向にも質量体４が移動できる構造とし、その方向においても検出用の質量体１２の動きを検出して質量体４に対して摩擦力を打ち消すための力を加え、２次元的に微弱振動に対する制振効果が得られるようにすることも無論可能である。
また、上記実施例では、リニアモータ１０が質量体４に加える駆動力の大きさは摩擦力ｆを若干上回る程度としたが、この駆動力は摩擦力ｆより若干小さいものであっても、図２に実線で示したようなヒステリシス特性は緩和され、点線で示した特性に近づくので、弱い振動に対する制振効果を改善することが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による構造物の制振動装置では、質量体と、構造物に設置され前記質量体を移動可能に支持する支持手段と、前記質量体と前記支持手段とを連結するバネ要素及びダンパ要素とを含んで構成された構造物の制振装置において、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を前記質量体に作用させるためのアクチュエータ手段と、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きを検出し、検出結果を表す信号を発生する検出手段と、前記検出信号に基づいて前記アクチュエータ手段を制御して、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きと逆向きに前記質量体に作用させる制御手段とを備える。そして、前記検出手段が、バネにより実質的に摩擦のない状態で支持された検出用質量体を備えたダミー振動系と、この検出用質量体の変位または速度を検出するセンサとで構成されており、前記ダミー振動系は、前記構造物の振動により前記検出用質量体が前記質量体と同位相で振動するように構成されている。ないしは、前記検出手段が、バネにより実質的に摩擦のない状態で支持された検出用質量体を備えたダミー振動系と、この検出用質量体の変位または速度を検出するセンサとで構成されており、前記ダミー振動系の振動特性を前記質量体の振動系の振動特性と揃えてある。
【００２６】
従って、従来のアクティブマスダンパのような強力な駆動手段、駆動手段を制御するための大規模な制御装置、駆動手段にエネルギを供給する大がかりな例えば電気設備、そして構造物および質量体の変位や動きを検出するための高精度のセンサは不要であるため、装置は低コストで製作でき、また、設置スペースは狭くて済み、さらに、保守が容易であることも含めランニングコストが低い。
そして、支持手段における摩擦力を打ち消す程度にしか質量体を駆動しないので、万一誤動作によって適切な方向に力が加えられなかったとしても安全上の問題は発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による構造物の制振装置の一例を示す概略側面図である。
【図２】図１の構造物の制振装置における質量体に作用する力と質量体の変位との関係を示すグラフである。
【図３】（Ａ）は図１の構造物の制振装置における速度センサの出力信号を示す波形図、（Ｂ）はリニアモータが第１の質量体に加える力を示す波形図である。
【符号の説明】
２  制振装置
４、１２  質量体
６  コイルバネ
１０  リニアモータ
８  車輪
１４  板バネ
１６  速度センサ
１８  制御装置
２０  床
２２  基台
２４  反力壁
２６  ダンパユニット
３０  検出装置
４０  ダミー振動系
【図１】
0003741227.tif 000002
【図２】
0003741227.tif 000003
【図３】
0003741227.tif 000004