JP2002061708A - 構造物制振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造物の制振装置において振動エネルギ
の有効利用を図る 【解決手段】 構造物１に装着され当該構造物の振動エ
ネルギを電気エネルギに変換する圧電素子２と、この圧
電素子２に接続された共振回路３と、この共振回路３に
よって取出された電気エネルギを蓄電又は回生する蓄電
・回生回路６とを備えたことを特徴とする構造物制振装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械構造物あるい
は建築構造物の振動を抑制する構造物制振装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】機械構造物あるいは建築構造物に発生す
る振動は、その構造物が発揮すべき機能を阻害するのみ
ならず、その構造物に対して損傷を発生させる原因とも
なるので、振動の効果的な抑制は重要な技術として位置
付けられている。

【０００３】振動を抑制するための制振技術は、大別す
るとアクティブ制振技術とパッシブ制振技術に分類され
る。

【０００４】アクティブ制振技術は外部よりエネルギを
付加して振動を抑制するもので、その制振方法の例とし
ては、構造物にアクチュエータを設置し、そのアクチュ
エータを振動を打ち消すように駆動させることにより振
動の抑制を図る技術が知られている。この制振方法はコ
ンパクトな装置で実現でき、かつ優れた制振効果を期待
できるが、別途エネルギを付加することが必要であるこ
とからコストの低減が課題とされている。

【０００５】パッシブ制振技術は外部から特別にエネル
ギを付加することなく振動を抑制するもので、その例と
しては、ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）制振法が知られ
ている。図９のＴＭＤ制振法の原理図に示すように、本
制振法では構造物３１に付加重量、ばね、ダンパで構成
されるＴＭＤ３２を設置し、その動作によって振動の抑
制を図ろうとするものである。

【０００６】構造物３１が振動を起こしたとき、その振
動を起振力として付加重量も振動を生ずるが、ＴＭＤ３
２を構成する付加重量、ばね、ダンパからなる機械的な
共振系の作用で、付加重量が大きく振動することによっ
て構造物３１の振動を抑制（吸収）することができる。
従って、振動の抑制効果を高めるためには、各要素から
構成されるＴＭＤ３２の機械的共振周波数を、その構造
物の固有周波数に応じて適切な値になるように、ばね、
ダンパの特性を調整しておくことが重要である。

【０００７】本制振原理は、見方を変えれば、構造物３
１の振動エネルギの一部が付加重量の運動エネルギに変
換されダンパに吸収されるため振動が抑制されると考え
ることができる。この制振方法は、構成が単純で複雑な
制御などを必要としないため、信頼性の高いものである
が、構造物３１が大きくなればそれに従って、振動を吸
収するためのＴＭＤ３２の機構も大きなものとなるとい
う欠点があり、更に機械的な共振周波数を所定値に対応
するようにばね、ダンパを調整することが容易でないと
いう欠点をもつ。

【０００８】このようなＴＭＤ法の欠点を解決する別の
パッシブ制振法として、圧電素子とそれに接続された電
気回路であるシャント回路から構成される装置を用いた
Piezoelectric Shunt法（以下、圧電シャント法と称
す）と呼ばれる制振方法がある。この制振方法について
は、例えばN.W.Hagood and A.von Flotow,”Damping of
Structural Vibrations with Piezoelectric Materials
and Passive Electrical Networks,”Journal of Soun
d and Vibration,vol.146,no.2,pp.243-268,1991 に記
載されている。

【０００９】この基本原理は、構造物の振動エネルギを
圧電素子を用いて電気エネルギに変換し、更に共振回路
を構成したシャント回路中の電気抵抗でそのエネルギを
効率良く吸収することで振動抑制を図ろうとするもので
あり、ＴＭＤ制振法と比較して装置をコンパクトに構成
でき、さらにその調整も電気回路の特性を変更すること
になるため、ＴＭＤ法と比較して容易に行うことができ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図１０は圧電シャント
法を用いた制振装置の構成原理を示す図である。

【００１１】本制振装置は圧電素子３３と、それと電気
的に接続されたシャント回路３４で構成され、前記シャ
ント回路３４にはコイル３５と電気抵抗３６が直列に接
続された構成である。

【００１２】圧電素子は機械エネルギと電気エネルギを
相互に変換することができる素子であり、圧電素子に圧
力（歪）を加えると電圧が発生（ピエゾ圧電効果）し、
逆に圧電素子に電圧をかけると歪が発生（ピエゾ逆圧電
効果）する性質をもつ。

【００１３】図１０において、圧電素子３３に圧力３７
が加えられると、ピエゾ圧電効果によって電圧が発生す
る。このとき、圧電素子３３が保有する固有容量３８と
コイル３５と電気抵抗３６でＬＣＲ共振回路が構成され
るため、コイル３６または抵抗３７で電気的共振周波数
を適切に調整することによって大きな共振電流３９を取
出すことができる。

【００１４】圧電シャント法では構造物の振動エネルギ
を電気エネルギに変換しているが、このようにして取出
された共振電流３９は電気抵抗３６において熱エネルギ
に変換されるものの、その熱は放散されているだけであ
り、有効に利用されているとはいえない。

【００１５】本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み
てなされたもので、圧電シャント法において電気抵抗で
熱として放散されていた電気エネルギを蓄電、回生して
利用する構造物制振装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】（１） 上記課題を解消
するために、本発明に係る構造物制振装置は、構造物に
装着され当該構造物の振動エネルギを電気エネルギに変
換する圧電素子と、この圧電素子に接続された共振回路
と、この共振回路によって取出された電気エネルギを蓄
電又は回生する蓄電・回生回路とで構成されている。

【００１７】本発明の構成による制振装置は制振機能と
共に振動エネルギを電気エネルギに変換して蓄電・回生
する機能を備えているため、多様な用途について蓄積し
たエネルギを有効に活用することが可能である。

【００１８】（２） 本発明は（１）記載の構造物制振
装置において、前記圧電素子は複数の圧電素子を並列に
接続したものである。

【００１９】このように構成することにより共振回路を
コンパクト化することができ、低コストの装置でエネル
ギの利用が可能となる。

【００２０】（３） また、本発明は（１）または
（２）記載の構造物制振装置において、前記共振回路が
第１のコイルと電気抵抗で構成され、かつ、この第１の
コイルが変圧器の１次巻き線を形成し、前記蓄電・回生
回路は、第２のコイルと整流器と蓄電池とで構成され、
かつ、この第２のコイルが前記変圧器の２次巻き線を形
成したものである。

【００２１】以上のように構成された制振装置において
は、振動エネルギが変動している場合でも電気エネルギ
を蓄電することができる。

【００２２】（４） 更に、本発明は（３）記載の構造
物制振装置において、前記蓄電池は、複数台設置され、
各々の蓄電池ごとに蓄電用回路と回生用回路に切替える
切替部を備えたものである。

【００２３】本発明の構成によれば、振動エネルギの発
生状況が変動している場合でも、安定して電気エネルギ
の蓄電と回生を続けることが可能となる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。図１は本発明に係る制振装置
の第１の実施の形態を示す構成図である。

【００２５】構造物１には圧電素子２が装着されている
が、その取り付け方は、構造物１の振動に対して圧電素
子２には曲げモーメントが作用するように配されてい
る。そして前記圧電素子２にはシャント回路３が接続さ
れ、さらにそのシャント回路３は外部機器６と接続して
いる。

【００２６】このシャント回路３には、共振回路４と蓄
電・回生回路５が備わっており、共振回路４はその共振
周波数を構造物の固有振動数近傍に設定することで効率
良く電気エネルギを取出して制振効果を高める働きをす
るもので、蓄電・回生回路５は取出された電気エネルギ
を外部機器６に供給するために蓄電又は回生する働きを
行う。

【００２７】図２は、第１の実施の形態において使用さ
れる、圧電素子２とシャント回路３からなる電気回路を
示す回路図である。

【００２８】本実施の形態では、共振回路４がコイル１
０と電気抵抗１１で構成され、かつ、コイル１０が変圧
器１２の１次巻き線を形成し、蓄電・回生回路５がコイ
ル１０ａと整流器１３と蓄電池１４で構成され、かつ、
コイル１０ａが変圧器１２の２次巻き線を形成してい
る。ここで、変圧器１２を用いた理由は共振回路４と蓄
電・回生回路５を電気的に絶縁分離し、互いに影響を及
ぼさないようにするためである。

【００２９】次に本回路の動作を図を参照して説明す
る。

【００３０】構造物１の振動によって、圧電素子２には
繰り返して曲げ応力が働き、圧電素子２には圧縮力と引
っ張り力が繰り返して作用することとなる結果、圧電素
子２には構造物１の振動周期で変化する交流電圧が発生
する。圧電素子２で発生した電圧は前述の共振回路によ
って共振電流を生じるが、この共振電流は変圧器１２の
１次巻き線であるコイル１０を流れるため、変圧器１２
の働きによってその２次巻き線であるコイル１０ａに２
次負荷電流を生じさせる。

【００３１】しかしながら、このようにして変圧器１２
で誘起された２次負荷電流は交流であり、そのままでは
蓄電池１４に入力しても蓄電は行われない。従って、整
流器１３を通して例えば正極のみの電流に変換した後
で、蓄電池１４に入力する。更に、整流器１３を用いる
ことにより、変圧器１２で誘起された電圧が、蓄電池１
４の電圧よりも低い場合において蓄電されたエネルギが
放電されることを防止することができる。

【００３２】尚、図２においては、整流器１３は単相ブ
リッジ整流回路を用いた全波整流を使用した構成を記載
したが、これに限定されるものではなく各種の整流器を
用いて構成してもよい。また、蓄電池１４はエネルギを
蓄える機能を持つものであれば、鉛電池、アルカリ電池
などの化学的作用によるものでも、電気的なもの、例え
ばキャパシタを用いて電荷を蓄えることで蓄電するタイ
プのものであっても良い。

【００３３】図３は本発明に係る制振装置の第２の実施
の形態を示す構成図である。

【００３４】本実施の形態では、圧電素子２が構造物２
１によって圧縮力のみを受けるように構成している点に
おいて第１の実施の形態と異なる。

【００３５】図３において、構造物２１はその一部に押
付部材２２を有しており、その押付部材２２と基礎２５
の間にスペーサ２３、圧電素子２及び受け座２４が積載
されて組込まれている。ここで、スペーサ２３は例えば
ジャッキのようなものであって、圧電素子２と押付部材
２２に圧力（初期圧縮力）を加えることによって圧電素
子２を保持固定する働きを行う。

【００３６】図４は、このように構成された制振装置に
おいて、構造物２１に上下の振動が作用した場合に圧電
素子２に働く力を模式的に示す図である。構造物２１の
力は押付部材２２を介して圧電素子２に伝えられるが、
圧電素子２にはスペーサ２３によって初期圧縮力が加え
られているため、圧電素子２に働く力は初期圧縮力を中
心として変動する圧縮力のみである。しかしながら、圧
電素子２の出力電圧は初期圧縮力が付加された状態を基
準（電圧＝０）として、構造物２１の振動周期で変化す
る交流電圧を生ずるため、本構成の制振装置にあっても
前述の第１の実施の形態と同様の信号が出力されること
となる。

【００３７】図５は、本発明の第２の実施の形態におい
て使用される圧電素子２と、シャント回路３からなる電
気回路示す構成図である。

【００３８】本実施の形態では、共振回路４がコイル１
０と電気抵抗１１で構成され、かつ、コイル１０が変圧
器１２の１次巻き線を形成し、蓄電・回生回路５がコイ
ル１０ａと整流器１３ａと蓄電池１４で構成され、か
つ、コイル１０ａが変圧器１２の２次巻き線を形成して
いる。

【００３９】本電気回路の構成では、図２記載の回路の
構成と比較して整流器１３の形式が異なっているが、こ
れは本実施の形態においては、回路構成を簡略化するた
め半波整流器を用いた回路で構成したものであって、第
１の実施の形態と同じく全波整流器を用いて構成するこ
とは可能である。従って、以降の実施の形態に示す回路
構成においては整流器は半波整流器を用いるが、本発明
はこれに限定されるものではなく全波整流回路を用いて
構成しても良い。

【００４０】次に、本発明に係る制振装置の第３の実施
の形態を説明するに、ここではその要部のみを説明す
る。

【００４１】図６は、本発明に係る圧電素子２とシャン
ト回路３からなる電気回路を示す構成図である。本実施
の形態では、構造物または構造物の部材に設置された、
ほぼ同じ位相で振動する複数の圧電素子２を並列に接続
し、シャント回路３に入力したものである。

【００４２】電気回路で共振回路を構成する場合、共振
回路のコイルのインダクタンスをＬ，圧電素子のキャパ
シタンスをＣとすると、その共振回路の共振周波数はＬ
×Ｃ（インダクタンスＬとキャパシタンスＣの積）の平
方根に反比例する。従って、構造物が振動する場合のよ
うな比較的に低い共振周波数を有する物体を対象として
共振回路を構成するときは、Ｌ×Ｃを大きくすること即
ち、大きなＬまたは大きなＣが回路に必要とされる。

【００４３】一般に、インダクタンスについてはＬが大
きくなれば、それに応じてコイルの外形寸法も大きなも
のとなるため装置が大型化することになり、コストの増
大を招く。一方、キャパシタンスＣを大きくすることは
本シャント回路の構成では圧電素子の固有容量を大きく
することを意味するが、これは圧電素子２を複数並列に
接続することにより容易に実現することが可能である。

【００４４】従って、圧電素子２を並列に接続する構成
とすることにより、装置を大型化することなくコスト低
減に大きな効果をもつ。さらに、圧電素子を並列入力化
することは、複数の圧電素子２で構造物１を分担して支
持する構成とできるため、１個の圧電素子にかかる負荷
荷重を低減することになり、特別な仕様・構造の圧電素
子を用いる必要がなく、制振装置のコスト低減につなげ
ることができる。

【００４５】次に、本発明に係る制振装置の第４の実施
の形態を説明するに、ここではその要部のみを説明す
る。

【００４６】図７は、本発明に係る圧電素子２、シャン
ト回路３及び外部機器６の構成を示す図である。本実施
の形態では、図５に示すシャント回路の構成に加えて、
切替部１５を備え、蓄電する回路と回生する回路を切替
えて使用するように構成している。

【００４７】切替部１５には蓄電池１４ａと蓄電池１４
ｂが設けられ、切替部１５はこれらの蓄電池の接続を切
替える働きを行う。この切替方法によれば、一つの切替
パターンでは、蓄電池１４ａを共振回路からの電流を受
けて蓄電する回路に使用し、蓄電池１４ｂを外部機器６
に接続された回路に使用するが、他の切替パターンで
は、これとは逆に蓄電池１４ｂを共振回路からの電流を
受けて蓄電する回路に使用し、蓄電池１４ａを外部機器
６に接続された回路に使用する。

【００４８】このように構成された発明によれば、振動
エネルギの発生が変動した状況であっても、蓄電池への
エネルギの供給は継続され、出力機器には常に蓄電池の
エネルギが供給されるため、安定したエネルギを利用す
ることができる。

【００４９】次に、本発明に係る制振装置の第５の実施
の形態を説明するに、ここではその要部のみを説明す
る。

【００５０】図８は、本発明に係る圧電素子２、シャン
ト回路３及び外部機器６の構成を示す図である。本実施
の形態では、蓄電池を用いずに共振回路内において回生
機能のみを実現するように構成している。

【００５１】圧電素子２には、コイル１０、可変電気抵
抗１１ａ、外部機器６が接続されており、外部機器６の
種類よってその内部電気抵抗１１ｂが大きく異なる場合
でも可変電気抵抗１１ａを調整することで、最適な共振
回路を実現できるように構成している。

【００５２】このように構成された発明では、蓄電機能
を設けていないため低コストの装置によってエネルギを
回生することができる。

【００５３】尚、本発明に係る制振装置は以下のような
多種類の形態で使用することが可能である。

【００５４】例えば、構造物が橋梁、高層建築物などで
は、その橋梁を通行する自動車、列車などの交通によっ
て振動を生じ、また、風圧の影響によっても振動を生じ
る。本発明の制振装置を適用することで、振動の低減を
図ると共にその振動によって発生する電気エネルギを蓄
電池に蓄えておき、橋梁等の付属設備である照明、情報
表示器などの電源の一部として活用すればエネルギの有
効活用を図ることができる。

【００５５】また、地震などの際には、その地震によっ
て励起される構造物の振動エネルギを本発明装置により
電気エネルギに変換して利用し警報を発するようにすれ
ば、制振装置による構造物の安全確保と併せて居住者の
安全確保を図るように構成することができる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば種
々の効果を生ずる。

【００５７】本発明は、制振機能と共に蓄電・回生機能
を備えているため、多様な用途にエネルギの有効活用を
図ることができる。

【００５８】また、蓄電・回生回路は圧電素子の設置方
法に応じた各種の形態で構成しているため目的に合致し
た制振装置を実現することができる。

【００５９】さらに、圧電素子を並列に組合せて使用す
ることにより、構造物のような低い共振周波数の振動を
利用する際にも低コストの装置でエネルギを取出すこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る制振装置の第１の実施の形態を示
す構成図。

【図２】本発明に係る制振装置の第１の実施の形態にお
いて使用される電気回路の構成図。

【図３】本発明に係る制振装置の第２の実施の形態を示
す構成図。

【図４】本発明に係る制振装置の第２の実施の形態にお
いて圧電素子に働く力を示す図。

【図５】本発明に係る制振装置の第２の実施の形態を示
す電気回路の構成図。

【図６】本発明に係る制振装置の第３の実施の形態を示
す電気回路の構成図。

【図７】本発明に係る制振装置の第４の実施の形態を示
す電気回路の構成図。

【図８】本発明に係る制振装置の第５の実施の形態を示
す電気回路の構成図。

【図９】ＴＭＤ制振法の原理を示す図。

【図１０】圧電シャント法を用いた制振装置の原理を示
す構成図

【符号の説明】

１…構造物 ２…圧電素子 ３…シャント回路 ４…共振回路 ５…蓄電・回生回路 ６…外部機器 １０…コイル １１…抵抗 １２…変圧器 １３…整流器 １３ａ…整流器 １４…蓄電池 １５…切替部 ２１…構造物 ２２…押付部材 ２３…スペーサ ２４…受け座 ２５…基礎 ３１…構造物 ３２…ＴＭＤ ３３…圧電素子 ３４…シャント回路 ３５…コイル ３６…抵抗 ３７…圧力 ３８…固有容量 ３９…共振電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 匡平 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 3J048 AA04 AC07 EA07 EA38

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物に装着され当該構造物の振動エネ
   ルギを電気エネルギに変換する圧電素子と、 この圧電素子に接続された共振回路と、 この共振回路によって取出された電気エネルギを蓄電又
   は回生する蓄電・回生回路とを備えたことを特徴とする
   構造物制振装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の構造物制振装置におい
   て、 前記圧電素子は複数の圧電素子を並列に接続したことを
   特徴とする構造物制振装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の構造物制
   振装置において、 前記共振回路は、第１のコイルと電気抵抗とで構成さ
   れ、かつ、この第１のコイルが変圧器の１次巻き線を形
   成し、 前記蓄電・回生回路は、第２のコイルと整流器と蓄電池
   とで構成され、かつ、この第２のコイルが前記変圧器の
   ２次巻き線を形成したものであることを特徴とする構造
   物制振装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の構造物制振装置におい
   て、 前記蓄電池は、複数台設置され、各々の蓄電池ごとに蓄
   電用回路と回生用回路に切替える切替部を備えたことを
   特徴とする構造物制振装置。