JP2005291314A - 制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な制振効果を得る。
【解決手段】 構造物１００上に設置され、この構造物１００の振動を減衰させる制振装置が、構造物１００の振動を減衰させる主ダンパー２０と、主ダンパー２０の振動を減衰させる副ダンパー３０と、副ダンパー３０に対して加振力を入力する加振手段を備える。主ダンパー２０は、流体２１が構造物１００上に設置されたタンク２２に空気室２３，２３を形成するように収容されて構成され、流体２１が振動することによって構造物１００の振動を減衰させるようにする。副ダンパー３０は、容積変化可能な伸縮部３１，３１がタンク２２に接続されて構成され、伸縮部３１，３１が容積変化することによって流体２１の振動を減衰させるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、構造物上に設置され、この構造物の振動を減衰させて制振するために用いられる制振装置に関するものである。

このような制振装置の一例として、例えば特許文献１に開示されているようなものが知られている。
この制振装置は、所定の質量を有する制振体が構造物上でバネによって支えられて移動可能に設けられて構成されたダンパーを備えており、制振体が振動することによって構造物の振動を減衰させるものである。また、この制振装置は、制振体に対して電磁誘導によって加振力を作用させるための加振手段を備えており、構造物が振動したときに、上記制振体が受動的（パッシブ）に振動して構造物の振動を減衰させるのではなく、上記制振体を加振手段によって能動的（アクティブ）に振動させて構造物の振動を減衰させるようになっている。
特開２００２−１３０３６２号（第１図）

しかしながら、上記のような制振装置では、１つのダンパーのみによって構造物の振動を直接減衰させるようにしたものであるため、たとえ加振手段を用いてアクティブに構造物の振動を減衰させるようにしたとしても、十分な制振効果を得ることができないのが現状であった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、十分な制振効果を得ることができる制振装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明による制振装置は、構造物上に設置され、この構造物の振動を減衰させる制振装置であって、前記構造物の振動を減衰させる主ダンパーと、前記主ダンパーの振動を減衰させる副ダンパーとを備えていることを特徴とするものである。

本発明の制振装置によれば、構造物が振動したときに、その振動を減衰させるための主ダンパーを備えているだけではなく、この主ダンパーの振動を減衰させるための副ダンパーを備えていることから、構造物の振動が効果的に抑制され、十分な制振効果を得ることが可能となる。
なお、本発明の制振装置は、このような主ダンパーと副ダンパーとを備えていることによって、受動的に構造物の振動を減衰させるパッシブタイプのものとされていたとしても十分な制振効果を得ることが可能ではあるが、本発明の制振装置が、前記主ダンパー及び前記副ダンパーのうちの少なくとも一方に対して加振力を入力する加振手段を備えていて、能動的に構造物の振動を減衰させるアクティブタイプのものとされていることが好ましい。
このような構成とすることによって、制振装置の小型化を図りつつも、小さい加振力でより大きな制振効果を得ることが可能となり、とくに、加振手段が副ダンパーに対して加振力を入力するようになっていれば、幅広い周波数の振動に対する追従性が高められ、さらなる制振効果の向上を図ることができる。

本発明の制振装置の具体的な一例として、前記主ダンパーは、流体が前記構造物上に設置されたタンクに空気室を形成するように収容されて構成されており、前記流体が振動することによって前記構造物の振動を減衰させ、前記副ダンパーは、容積変化可能な伸縮部が前記タンクに接続されて構成されており、前記伸縮部が容積変化することによって前記流体の振動を減衰させるようにした流体式のものが挙げられる。
このような構成とすることにより、後述する機械式の制振装置と比較したときに、制振体を構造物上で移動可能とするためのレールなどの摺動部が必要とならないため、摩耗によって疲労しやすい箇所がなくなり、装置寿命の延長を図ることができる。

また、前記伸縮部は、前記タンクに着脱可能に接続されていることが好ましい。
このような構成とすることにより、容積変化を繰り返すことで伸縮部に疲労が蓄積してしまった場合であっても、この疲労した伸縮部をタンクから取り外して新たな伸縮部をタンクに取り付けるだけで済み、制振装置全体を交換するようなことがない。

ここで、このような流体式の制振装置が、前記主ダンパー及び前記副ダンパーのうちの少なくとも一方に対して加振力を入力する加振手段を備えている場合、この加振手段が、構造物の振動を効果的に減衰させるための加振力を入力するようにするための具体的な構成例としては、以下に示すようなものが挙げられる。
・本発明の制振装置が、前記構造物が振動するときの加速度を検出する加速度計と、前記流体が振動するときの圧力を検出する圧力計と、前記加速度計で検出された前記加速度と前記圧力計で検出された前記圧力とに基づいて前記加振力を演算し、この演算した加振力を前記加振手段が入力するように制御する制御器とを備える。

また、本発明の制振装置の他の具体的な一例として、前記主ダンパーは、主制振体が前記構造物上で主弾性体によって支えられて移動可能に設けられて構成されており、前記主制振体が振動することによって前記構造物の振動を減衰させ、前記副ダンパーは、副制振体が前記主制振体上で副弾性体によって支えられて移動可能に設けられて構成されており、前記副制振体が振動することによって前記主制振体の振動を減衰させるようにした機械式のものが挙げられる。

ここで、このような機械式の制振装置が、前記主ダンパー及び前記副ダンパーのうちの少なくとも一方に対して加振力を入力する加振手段を備えている場合、この加振手段が、構造物の振動を効果的に減衰させるための加振力を入力するようにするための具体的な構成例としては、以下に示すようなものが挙げられる。
・本発明の制振装置が、前記構造物が振動するときの加速度を検出する加速度計と、前記主制振体が振動するときの速度を検出する速度計と、前記加速度計で検出された前記加速度と前記速度計で検出された前記速度とに基づいて前記加振力を演算し、この演算した加振力を前記加振手段が入力するように制御する制御器とを備える。

まず、本発明の第１実施形態を添付した図１及び図２を参照しながら説明する。
本第１実施形態による制振装置１０は、図１に示すように、主ダンパー２０と副ダンパー３０とを備えたものであり、例えば船舶における居住区の屋上である構造部１００上に設置されることによって、この構造物１００の振動を減衰させて制振するものである。

主ダンパー２０は、例えば水などの液体である流体２１が、構造物１００上に設置されたＵ字管状のタンク２２に収容されて構成されている。タンク２２は、水平方向に延在させられた水平部２２Ａとこの水平部２２Ａの両端に一体に連結された鉛直部２２Ｂ，２２ＢとからなるＵ字管状とされたものであり、流体２１が水平部２２Ａ及び鉛直部２２Ｂ，２２Ｂの下方側部分に満たされていることにより、各鉛直部２２Ｂ，２２Ｂの上方側部分にそれぞれ空気室２３，２３が形成されている。なお、これら空気室２３，２３は、構造物１００の振動数に応じて、大気に開放された状態、密閉された状態、加圧された状態のいずれかに維持される。
このような主ダンパー２０は、構造物１００が振動したときに、流体２１がタンク２２の水平部２２Ａを水平方向に振動することによって、構造物１００の振動を減衰させるようになっている。

副ダンパー３０は、容積変化可能な管状をなす一対の伸縮部３１，３１が、タンク２２における水平部２２Ａの両端（水平部２２Ａと各鉛直部２２Ｂ，２２Ｂとの連結部分）に接続されて構成されている。伸縮部３１，３１は、水平方向に延在させられた例えば蛇腹構造を有する管状とされたものであり、タンク２２の内部に連通させられていることにより、各伸縮部３１，３１にも流体２１が収容されている。なお、これら伸縮部３１，３１は、フランジ構造（図１における破線部分）によって、タンク２２に着脱可能に接続されている。
このような副ダンパー３０は、タンク２２に収容された流体２１が振動したときに、同じくこの流体２１が収容された状態の伸縮部３１，３１が容積変化することによって、流体２１の振動を減衰させるようになっている。

また、本第１実施形態では、副ダンパー３０に対して加振力を入力するための加振手段として、後述する制御器４３によって制御される一対のアクチュエータ４０，４０が設けられている。アクチュエータ４０，４０は、副ダンパー３０を構成する一対の伸縮部３１，３１の端面に対して加振力を作用させ、かつ、この加振力の反力を構造物１００（構造物１００に固定設置された支柱１０１，１０１）に対して作用させるように配置されている。
このような一対のアクチュエータ４０，４０は、制御器４３によって演算された加振力を副ダンパー３０の伸縮部３１，３１に対して作用させ、これら伸縮部３１，３１を容積変化させることにより、アクティブに流体２１を振動させて構造物１００の振動を減衰させるようになっている。

さらに、本第１実施形態では、構造物１００が振動するときの加速度を検出するための加速度計４１が構造物１００上に設置されるように設けられ、流体２１が振動するときの圧力を検出するための圧力計４２がタンク２２内における一方の伸縮部３１の接続部に設置されるように設けられており、これら加速度計４１及び圧力計４２は、制御器４３に接続されている。とくに、圧力計４２は、積分回路を介して制御器４３に接続されている。

制御器４３は、構造物１００が振動したときに（例えば、７Ｈｚ（構造物１００の固有振動数）、１ｔｏｎの振動が起振力として構造物１００に印加されたときに）、加速度計４１で検出された構造物１００の加速度ａと圧力計４２で検出された流体２１の圧力ｐとに基づき、上記加速度ａ（図３（ａ）参照）にゲインＫａを掛けて得られた状態量Ｋａ＊ａ（図３（ｂ）参照）と、上記圧力ｐから求められる流体２１の速度ｖ（図３（ｃ）参照）を積分してからゲインＫｖを掛けて得られた状態量Ｋｖ＊ｖ（図３（ｄ）参照）とを加算した状態量Ｋａ＊ａ＋Ｋｖ＊ｖ（図３（ｅ）参照）、つまり、加振手段としてのアクチュエータ４０，４０が副ダンパー３０の伸縮部３１，３１に対して作用させるべき加振力を演算する。

そして、制御器４３は、演算した加振力を加振手段である一対のアクチュエータ４０，４０が副ダンパー３０の一対の伸縮部３１，３１に対して作用させるように、各アクチュエータ４０，４０を制御する。
その結果、一対のアクチュエータ４０，４０が、図４（ａ）に示すような出力とされる加振力を、副ダンパー３０の一対の伸縮部３１，３１に対して作用させて、これら一対の伸縮部３１，３１をアクティブに容積変化（振動）させることにより、構造物１００の振動を減衰させて制振するので、この構造物１００が振動するときの加速度が図４（ｂ）に示すようになる。

ここで、上記のような構成とされた制振装置１０は、図２のようなモデル図として示され、その運動方程式は、以下の式（１）において、Ｆ_１＝ｆ−ｕ、Ｆ_２＝０、Ｆ_３＝ｕ、となる。

以上説明したような本第１実施形態の制振装置１０では、構造物１００が振動したときに、その振動を減衰させるための主ダンパー２０を備えているだけではなく、この主ダンパー２０の振動を減衰させるための副ダンパー３０を備えていることから、構造物１００の振動が効果的に抑制され、十分な制振効果を得ることが可能となっている。

また、このような主ダンパー２０と副ダンパー３０とを備えた本第１実施形態による制振装置１０が、副ダンパー３０に対して加振力を入力するための加振手段を備えていて、能動的に構造物１００の振動を減衰させるアクティブタイプのものとされていることから、制振装置１０の小型化を図りつつも、小さい加振力で従来より大きな制振効果を得ることができるのに加え、構造物１００に生じる振動の幅広い周波数に対する追従性を高めることができる。

ここで、図５（ａ）に、本第１実施形態の制振装置１０を用いてアクティブに構造物１００を制振したときの構造物１００の振動の加速度を示し、図５（ｂ）に、本第１実施形態の制振装置１０を用いてパッシブに構造物１００を制振したとき（加振手段を使用しないとき）の構造物１００の振動の加速度を示し、図５（ｃ）に、制振装置１０を用いないときの構造物１００の振動の加速度を示す。
図５に示されるように、本第１実施形態の制振装置１０は、構造物１００の振動をパッシブに減衰させたときでも、十分な制振効果を得ることができ、とくに、構造物１００の振動をアクティブに減衰させたときには、とくに優れた制振効果を得ることができているのが分かる。

また、本第１実施形態による制振装置１０は、例えば船舶における居住区の屋上部である構造部１００上に設置されて用いられることから、制振対象となる構造物１００の振動数が５〜１０Ｈｚとなって例えば地震の場合（１〜２Ｈｚ）と比べて高いため、制振装置１０の小型化につながっている。

さらに、本第１実施形態による制振装置１０は、流体２１を用いて構造物１００の振動を減衰させる流体式のものとされていることから、機械式の制振装置のように、制振体を構造物１００上で移動可能にするレールなどの摺動部が存在せず、摩耗によって疲労しやすい部分がないので、装置寿命の延長を図ることができる。
このとき、制振装置１０の副ダンパー３０を構成している伸縮部３１，３１が、タンク２２に対して着脱可能とされていることから、容積変化を繰り返すことで伸縮部３１，３１に疲労が蓄積した場合であっても、これらの疲労した伸縮部３１，３１を新たなものに取り替えるだけで済み、制振装置１０全体を交換するような必要がない。

加えて、本第１実施形態による制振装置１０は、構造物１００が振動するときの加速度を検出する加速度計４１と、流体２１が振動するときの圧力を検出する圧力計４２と、これら加速度計４１及び圧力計４２で検出された２つの情報に基づいて加振手段であるアクチュエータ４０，４０が副ダンパー３０に入力するべき加振力を演算する制御器４０とを備えていることから、構造物１００のアクティブな制振をより確実なものとすることができる。

次に、本発明の第２実施形態を添付した図６及び図７を参照しながら説明するが、上述した第１実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。
本第２実施形態による制振装置１０は、第１実施形態と同様の構成をなすものであるが、副ダンパー３０ではなく主ダンパー２０に対して加振力を入力するための加振手段として、制御器４３によって制御される一対のアクチュエータ４０，４０が設けられている。アクチュエータ４０，４０は、タンク２２の各鉛直部２２Ｂ，２２Ｂ内に存在する流体２１の液面に載置された蓋部材２４，２４に対して加振力を作用させ、かつ、この加振力の反力を構造物１００に対して作用させる（図示略）ように配置されている。

このような一対のアクチュエータ４０，４０は、制御器４３によって演算された加振力を主ダンパー２０の蓋部材２４，２４に対して作用させることにより、これら蓋部材２４，２４が液面に載置された状態となっている流体２１をアクティブに振動させて構造物１００の振動を減衰させるようになっている。
ここで、上記のような構成とされた制振装置１０は、図７のようなモデル図として示され、その運動方程式は、上記の式（１）において、Ｆ_１＝ｆ−ｕ、Ｆ_２＝ｕ、Ｆ_３＝０、となる。
この第２実施形態による制振装置１０では、上述した第１実施形態と類似の構成を採用した部分については同様の効果を得ることが可能となっている。

次に、本発明の第３実施形態を添付した図８を参照しながら説明するが、上述した第１〜２実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。
本第３実施形態による制振装置１０において、主ダンパー２０は、所定の質量を有する剛体である主制振体２６が、例えばレールなどの主摺動部２７を介して構造物１００上に載置されるとともに、この主制振体２６の両端部のそれぞれが主弾性体としての主バネ２８，２８によって支えられることにより、水平方向に移動（振動）可能に設けられて構成されている。主弾性体としての一対の主バネ２８，２８は、それらの片側端部が主制振体２６に対して接続されるとともに、残りの片側端部が構造物１００（構造物１００に固定設置された支柱１０１，１０１）に対して接続されることにより、主制振体２６を支えている。
このような主ダンパー２０は、構造物１００が振動したときに、主制振体２６が構造物１００上で水平方向に振動することによって、構造物１００の振動を減衰させるようになっている。

副ダンパー３０は、主制振体２６よりも小さい所定の質量を有する剛体である副制振体３３が、例えばレールなどの副摺動部３４を介して主制振体２６上に載置されるとともに、この副制振体３３の片側端部が副弾性体としての副バネ３５によって支えられることにより、水平方向に移動（振動）可能に設けられて構成されている。副弾性体としての副バネ２８は、その片側端部が副制振体３３に対して接続されるとともに、残りの片側端部が構造物１００（構造物１００に固定設置された支柱１０１）に対して接続されることにより、副制振体３３を支えている。
このような副ダンパー３０は、主制振体２６が振動したときに、副制振体３３が主制振体２６上で水平方向に振動することによって、主制振体２６の振動を減衰させるようになっている。

また、本第３実施形態では、副ダンパー３０に対して加振力を入力するための加振手段として、後述する制御器４３によって制御されるアクチュエータ４０が設けられている。アクチュエータ４０は、副ダンパー３０を構成する副制振体３３において副バネ３５が接続されていない片側端部に対して加振力を作用させ、かつ、この加振力の反力を構造物１００（構造物１００に固定設置された支柱１０１）に対して作用させるように配置されている。
このようなアクチュエータ４０は、制御器４３によって演算された加振力を副ダンパー３０の副制振体３３に対して作用させ、この副制振体３３を振動させることにより、アクティブに副制振体３３を振動させて構造物１００の振動を減衰させるようになっている。

さらに、本第３実施形態では、構造物１００が振動するときの加速度を検出するための加速度計４１が構造物１００上に設置されるように設けられ、主制振体２６が振動するときの速度を検出するための速度計４４が主制振体２６上に設置されるように設けられており、これら加速度計４１及び速度計４４は、制御器４３に接続されている。とくに、速度計４４は、積分回路を介して制御器４３に接続されている。

制御器４３は、構造物１００が振動したときに、加速度計４１で検出された構造物１００の加速度と速度計４４で検出された主制振体２６の速度とに基づき、上記加速度にゲインを掛けて得られた状態量と、上記速度を積分してからゲインを掛けて得られた状態量とを加算した状態量、つまり、加振手段としてのアクチュエータ４０が副ダンパー３０の副制振体３３に対して作用させるべき加振力を演算する。

そして、制御器４３は、演算した加振力を加振手段であるアクチュエータ４０が副ダンパー３０の副制振体３３に対して作用させるように、アクチュエータ４０を制御する。
その結果、アクチュエータ４０が、所定の加振力を副ダンパー３０の副制振体３３に対して作用させて、この副制振体３３をアクティブに振動させることにより、構造物１００の振動を減衰させて制振する。

ここで、上記のような構成とされた制振装置１０は、第１実施形態と同じく図２のようなモデル図として示され、その運動方程式は、上記の式（１）において、Ｆ_１＝ｆ−ｕ、Ｆ_２＝０、Ｆ_３＝ｕ、となる。
この第３実施形態による制振装置１０では、上述した第１〜２実施形態と類似の構成を採用した部分については同様の効果を得ることが可能となっている。

次に、本発明の第４実施形態を添付した図９を参照しながら説明するが、上述した第１〜３実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。
本第４実施形態による制振装置１０は、第３実施形態と同様の構成をなすものであるが、副ダンパー３０ではなく主ダンパー２０に対して加振力を入力するための加振手段として、制御器４３によって制御されるアクチュエータ４０が設けられている。そのため、主ダンパー２０は、主制振体２６の片側端部が主弾性体としての主バネ２８によって支えられ、副ダンパー３０は、副制振体３３の両端部のそれぞれが副弾性体としての副バネ３５，３５によって支えられている。アクチュエータ４０は、主ダンパー２０を構成する主制振体２６において主バネ２８が接続されていない片側端部に対して加振力を作用させ、かつ、この加振力の反力を構造物１００（構造物１００に固定設置された支柱１０１）に対して作用させるように配置されている。

このようなアクチュエータ４０は、制御器４３によって演算された加振力を主ダンパー２０の主制振体２６に対して作用させ、この主制振体２６を振動させることにより、アクティブに主制振体２６を振動させて構造物１００の振動を減衰させるようになっている。
ここで、上記のような構成とされた制振装置１０は、図７のようなモデル図として示され、その運動方程式は、上記の式（１）において、Ｆ_１＝ｆ−ｕ、Ｆ_２＝ｕ、Ｆ_３＝０、となる。
この第４実施形態による制振装置１０は、上述した第１〜３実施形態と類似の構成を採用した部分については、同様の効果を得ることが可能となる。

なお、上述した各実施形態では、副ダンパー３０あるいは主ダンパー２０に対して加振力を入力するための加振手段が、この加振力の反力を構造物１００に対して入力する（図２、図７）ようになっているが、これに限定されることはなく、例えば、副ダンパー３０に対して加振力を入力するとともにその反力を主ダンパー２０に対して入力するような加振手段を設けることもできる（この場合、上記の式（１）において、Ｆ_１＝ｆ、Ｆ_２＝−ｕ、Ｆ_３＝ｕ、となる）。

本発明の第１実施形態による制振装置を示す概略説明図である。 図１に示す制振装置のモデル図である。 制御器中の時系列波形を示したグラフである。 アクチュエータ出力及び構造物加速度の時系列波形を示したグラフである。 構造物加速度応答を示したグラフである。 本発明の第２実施形態による制振装置を示す概略説明図である。 図６に示す制振装置のモデル図である。 本発明の第３実施形態による制振装置を示す概略説明図である。 本発明の第４実施形態による制振装置を示す概略説明図である。

符号の説明

１０ 制振装置
２０ 主ダンパー
２１ 流体
２２ タンク
２３ 空気室
２６ 主制振体
２８ 主バネ（主弾性体）
３０ 副ダンパー
３１ 伸縮部
３３ 副制振体
３５ 副バネ（副弾性体）
４０ アクチュエータ（加振手段）
４１ 加速度計
４２ 圧力計
４３ 制御器
４４ 速度計
１００ 構造物

Claims (11)

1. 構造物上に設置され、この構造物の振動を減衰させる制振装置であって、
   前記構造物の振動を減衰させる主ダンパーと、
   前記主ダンパーの振動を減衰させる副ダンパーとを備えていることを特徴とする制振装置。
2. 請求項１に記載の制振装置において、
   前記主ダンパー及び前記副ダンパーのうちの少なくとも一方に対して加振力を入力する加振手段を備えていることを特徴とする制振装置。
3. 請求項１に記載の制振装置において、
   前記主ダンパーは、流体が前記構造物上に設置されたタンクに空気室を形成するように収容されて構成されており、前記流体が振動することによって前記構造物の振動を減衰させることを特徴とする制振装置。
4. 請求項３に記載の制振装置において、
   前記副ダンパーは、容積変化可能な伸縮部が前記タンクに接続されて構成されており、前記伸縮部が容積変化することによって前記流体の振動を減衰させることを特徴とする制振装置。
5. 請求項４に記載の制振装置において、
   前記伸縮部は、前記タンクに着脱可能に接続されていることを特徴とする制振装置。
6. 請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の制振装置において、
   前記主ダンパー及び前記副ダンパーのうちの少なくとも一方に対して加振力を入力する加振手段を備えていることを特徴とする制振装置。
7. 請求項６に記載の制振装置において、
   前記構造物が振動するときの加速度を検出する加速度計と、
   前記流体が振動するときの圧力を検出する圧力計と、
   前記加速度計で検出された前記加速度と前記圧力計で検出された前記圧力とに基づいて前記加振力を演算し、この演算した加振力を前記加振手段が入力するように制御する制御器とを備えていることを特徴とする制振装置。
8. 請求項１に記載の制振装置において、
   前記主ダンパーは、主制振体が前記構造物上で主弾性体によって支えられて移動可能に設けられて構成されており、前記主制振体が振動することによって前記構造物の振動を減衰させることを特徴とする制振装置。
9. 請求項８に記載の制振装置において、
   前記副ダンパーは、副制振体が前記主制振体上で副弾性体によって支えられて移動可能に設けられて構成されており、前記副制振体が振動することによって前記主制振体の振動を減衰させることを特徴とする制振装置。
10. 請求項８または請求項９に記載の制振装置において、
    前記主ダンパー及び前記副ダンパーのうちの少なくとも一方に対して加振力を入力する加振手段を備えていることを特徴とする制振装置。
11. 請求項１０に記載の制振装置において、
    前記構造物が振動するときの加速度を検出する加速度計と、
    前記主制振体が振動するときの速度を検出する速度計と、
    前記加速度計で検出された前記加速度と前記速度計で検出された前記速度とに基づいて前記加振力を演算し、この演算した加振力を前記加振手段が入力するように制御する制御器とを備えていることを特徴とする制振装置。

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