JP2006194386A - 振動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が簡素で、安価に製造でき、所要の減衰力を容易に設定できるとともに取り扱いおよびメンテナンスを容易とした振動制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 台板３に弾性支持され、外乱により振動するマス５と、台板３およびマス５に分離して取り付けられた永久磁石１９と電磁石２１とで構成され、マス５を振動に対向して駆動する電磁アクチュエータ１１と、を備える上下アクティブ制振装置１において、永久磁石１９の近傍に位置し、かつ電磁石２１が備えられた台板３あるいはマス５に取り付けられた導電体１３を備えてなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、弾性支持されたマスをアクチュエータによって能動的に動かして構造物の振動を制御する振動制御装置に関するものである。

橋梁、歩道橋および高架道路等の長大な構造体では、上下方向の振動が発生するので、上下振動対策用の制振装置が用いられている。
従来、この制振装置としては、弾性支持させたマスを減衰させつつ自由に振動させるパッシブタイプのものが用いられていた。しかし、このパッシブタイプの制振装置では、所要の制振効果を得るためには、多数設置する必要があったので、１台の価格は安価でも全体としては高価な振動対策となっていた。

近年、マスにアクチュエータを付加し、このアクチュエータによってマスを能動的に動かし制振効果を向上させ、設置台数を低減させる試みが行われている。
この制振装置には、例えば特許文献１に示されるものが提案されている。これは、アクチュエータとして永久磁石と電磁石とから構成された電磁アクチュエータによってマスを能動的に動かして振動を制御するものである。
そして、電磁石の電流制御回路中に共振回路と充電回路とを設け、振動時に電磁アクチュエータで発生する起電力を回生電流として回収し系外に送電することで減衰力を発生させる機能を備えている。

特開平１０−２７４２８０号公報（段落［００１０］〜［００１７］，及び図１）

しかしながら、特許文献１に示されるものは、電磁石のアクチュエータ機能用の電流制御回路に、付加的に用途の異なる回生電流用の共振回路および充電回路を備えているので、回路および制御が設計を含めて難しく、取り扱いおよびメンテナンスが難しいという問題があった。
また、回生電流は、電磁アクチュエータの動きに対して副次的に発生するものであるので、所用の減衰力に対して正確に一致させることが難しく、本来の性能を発揮できないという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、構造が簡素で、安価に製造でき、所要の減衰力を容易に設定できるとともに取り扱いおよびメンテナンスを容易とした振動制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる振動制御装置は、固定部に弾性支持され、外乱により振動するマスと、前記固定部および前記マスに分離して取り付けられた永久磁石と電磁石とで構成され、前記マスを振動に対向して駆動する電磁アクチュエータと、を備える振動制御装置において、前記永久磁石の近傍に位置し、かつ前記電磁石が備えられた前記固定部あるいは前記マスに取り付けられた導電体を備えてなることを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石の近傍に位置し、電磁石が備えられた固定部あるいはマスに取り付けられた導電体を備えているので、外乱によりマスが振動すると、電磁石および導電体は永久磁石に対してその近傍位置で相対的に変位することになる。このため、導電体は永久磁石が発生する磁界の中を相対的に移動することになるので、導電体に誘導起電力が作用してうず電流が発生する。このうず電流により導電体は、ジュール熱を発生して温度が上昇して放熱するので、エネルギーが消費され、マスの振動に対する減衰効果を発揮することができる。このように、導電体を付加するだけで電磁アクチュエータの永久磁石を活用して減衰効果を発揮できるので、別途独立の減衰部材を設ける必要がなく、振動制御装置の構造を簡素化できる。

また、このうず電流は、導電体の材質による誘電率が決まれば、その体積によって変化するので、導電体の体積を適宜な大きさに調整することによって所要の減衰力を容易に設定することができる。
さらに、電磁アクチュエータは、減衰を考慮しなくてよいので、従来の減衰を考慮した振動制御装置に比べて簡易な制御機構でよく、装置を安価とでき、かつ取り扱いおよびメンテナンスを容易とすることができる。

また、本発明にかかる振動制御装置は、前記マスの振動方向を直線状に制限するガイド部材を備えていることを特徴とする。

このように、マスの振動方向を直線状に制限するガイド部材を備えているので、永久磁石と導電体との間隔を小さくできる。したがって、誘導起電力が大きく作用するので、所要の減衰を得るのに導電体を小さくすることができる。

本発明によれば、構造が簡素で、安価に製造できる。また、所要の減衰力を容易に設定できる。さらに、取り扱いおよびメンテナンスを容易に行える。

以下、本発明の一実施形態にかかる上下アクティブ制振装置（振動制御装置）１について、図１を用いて説明する。
図１は、上下アクティブ制振装置１の全体概略構成を示す断面図である。
上下アクティブ制振装置１には、台板（固定部）３と、マス５と、マス５を弾性支持するコイルバネ７と、マス５を上下方向に案内するガイド（ガイド部材）９と、マス５を駆動する電磁アクチュエータ１１と、導電体１３と、が備えられている。
台板３は、長方形をした鋼板で、例えば、歩道橋、高架道路の通路面下面の桁１５に固定されて取り付けられる。

マス５は、略直方体形状をした鋼製のおもりである。マス５は、台板３との間に介装されたコイルバネ７によって台板３に対して移動できるように弾性的に支持されている。
コイルバネ７は、複数備えられており、マス５の重量と関連してマス５の固有振動数を決定するものであり、所要のバネ定数となるように寸法および本数が選定される。
ガイド９は、台板３に立設され、上端部がマス５の側面に向けて折れ曲がったL字形の鋼製の支柱１５と、支柱１５のマス５の側面に面する部分に回転自在に取り付けられたロール１７とから構成されている。
ガイド９は、マス５の各側面に対して複数設けられており、それぞれロール１７がマス５の側面に当接してマス５の移動方向を上下方向（鉛直方向）に限定するように構成されている。

電磁アクチュエータ１１には、永久磁石１９と、電磁石２１と、が備えられている。永久磁石１９は、円筒形状をしており、マス５の下面中央部に設けられた略円筒状の空洞部２３の内側に固定して取り付けられている。
電磁石２１は、永久磁石１９の内側に略同一軸線中心を有するように設けられた鉄芯２５と、鉄芯２５の周囲に巻かれたコイル２７とで構成されている。鉄芯２５は、その下端が台板３の上面中央部に固定された支持台２９の上面に固定して取り付けられている。
コイル２７には、直流電流装置３１から直流電流が供給されるように構成されている。
この直流電流の供給方向および強さを調節することによって、コイル２７が発生する磁場の方向、強度等を調節することができる。このコイル２７が発生する磁場によって永久磁石の磁場との間で牽引あるいは反発を生じ、固定側であるコイル２７に対して永久磁石１９を、すなわち、マス５を移動させることができるように構成されている。

マス５の上面には、マス５の上下方向の加速度を検知するマス加速度計３５が設置されている。台板３の上面には、台板３、すなわち構造物である桁１５の上下方向の加速度を検出する構造物加速度計３７が設置されている。
アンプ３３は、マス加速度計３５および構造物加速度計３７からの加速度信号から制御力を演算して制御信号を直流電流装置３１へ伝送するように構成されている。そして、直流電流装置３１は、この制御信号に応じてコイル２７へ供給される直流電流の強度および方向を調節する。

導電体１３は、例えば銅で形成され、内周面が永久磁石１９の外周から間隔を空ける円筒形状をし、台板３の上面中央部に固定して取り付けられている。導電体１３は、その上部が永久磁石１９の下部と重なるような高さとされている。
導電体１３の体積は、所要の減衰率が得られる大きさとされている。

以上、説明した本実施形態にかかる上下アクティブ制振装置１の動作について作用・効果を含めて説明する。
高架道路の通路面を自動車が走行すると、通路面が上下動し、これによって上下振動波が発生する。この上下振動が桁１５を経由して台板３に伝播する。この伝播された上下振動によって台板３は上下に移動する。これに伴いマス５は、コイルバネ７で構成されるバネ系によって定められた固有振動数で略逆周期でガイド１５に案内されて上下に振動しようとする。
一方、直流電流装置３１からコイル２７に直流電流を供給すると、コイル２７による磁場が形成され、このコイル２７が発生する磁場によって永久磁石１９の磁場との間で牽引あるいは反発を生じ、固定側であるコイル２７に対して永久磁石１９を、すなわち、マス５を移動させる。

この時、アンプ３３は構造物加速度計３７からの台板３の上下動の加速度と、マス加速度計３５からのマス５の上下動加速度の入力を受け、マス５が台板３の上下振動の周期と逆方向に動くような制御信号を直流電流装置３１に送る。これにより、マス５は、台板３のどのような上下振動であってもその周期および振幅に合わせて逆方向に駆動されることができるので、高い振動低減効果を発揮することができる。
このため、パッシブタイプの制振装置に比べて設置台数を大幅に、例えば約四分の一に低減することができる。したがって、安価な振動対策となる。

ところで、台板３とマス５とが相互に振動すると、両者の間隔が変動することになる。台板３とマス５との間隔が変動すると、導電体１３は、永久磁石１９が発生する磁界の中を移動することになる。銅製の導電体１３が磁界の中を移動すると、導電体１３に誘導起電力が作用してうず電流が発生する。このうず電流によって導電体１３には、その抵抗に応じたジュール熱が発生し、温度が上昇するので、エネルギーが消費される。このように、移動するエネルギーを熱という形で吸収するので、減衰効果を発揮することができる。
このように、導電体１３を付加するだけで電磁アクチュエータ１１の永久磁石１９を活用して減衰効果を発揮できるので、別途独立の減衰部材を設ける必要がなく、振動制御装置１の構造を簡素化することができる。

また、このうず電流は、導電体１３を形成する銅の誘電率が解っているので、その体積によって決定される。したがって、導電体１３の体積を適宜な大きさに調整することによって所要の減衰力を容易に設定することができる。
さらに、導電体１３が必要な減衰を行うので、電磁アクチュエータ１１は、減衰を考慮しないでよい。このため、従来の減衰のために副次的な回生電流を得るような複雑な回路が不要となるので、制御回路は、例えばアナログ回路のような簡易なものでよい。したがって、振動制御装置１はアクティブタイプであるにも拘わらず安価とでき、かつ取り扱いおよびメンテナンスを容易とすることができる。

また、さらに、マス５はガイド１５によって上下方向に案内されているので、水平方向にはほとんど動かない。このため、導電体１３の内周面は、永久磁石１９の外周面に接近して設置することができる。
このようにすると、永久磁石１９による誘導起電力が大きく作用するので、所要の減衰を得るのに導電体１３を小さくすることができる。

なお、本実施形態では、導電体１３の上部が永久磁石１９の下部と重なるような位置関係とされているが、例えば、図２に示されるように、導電体１３を支持台２９の上に取り付け、永久磁石１９の略全高と重なるように設置してもよい。
このようにすると、永久磁石１９による誘導起電力が一層大きく作用するので、所要の減衰を得るのに導電体１３をより小さくすることができる。

また、本実施形態では、電磁アクチュエータ１１は、永久磁石１９をマス５に電磁石２１を台板３に取り付けているが、図３に示されるように、永久磁石１９を台板３に固定された支持台２９に取り付け、電磁石のコイル２７をマス５に取付けるようにしてもよい。
この場合、導電体１３は、永久磁石１９の内部空間に挿入されるように配置し、上端部がマス５に固定されるように取り付けることになる。

また、本実施形態では、上下振動に対する振動制御に適用しているが、これは上下振動に限定されるものではなく、水平振動でも適用できるし、適用場所に応じては任意の方向への振動対策に活用できるものである。

さらに、本実施形態では、歩道橋や高架道路に適用したとして説明しているが、これ以外に、例えば、高層ビル、タワー、橋梁、建築物、機械構造等種々の場所で適用できる。
また、建築物としては、部分的な振動源、例えば、エアロビのスタジオ、体育館のフロア等に対しても適用できる。
これらに適用する場合には、それぞれ発生する振動に合わせてバネ定数、減衰率等を調整しておくとよい。

本発明の一実施形態にかかる上下アクティブ制振装置の全体概略構成を示す断面図である。 本発明の電磁アクチュエータ部分の別の実施形態を示す部分断面図である。 本発明の電磁アクチュエータ部分のさらに別の実施形態を示す部分断面である。

符号の説明

１ 上下アクティブ制振装置
３ 台板
５ マス
９ ガイド
１１ 電磁アクチュエータ
１３ 導電体
１９ 永久磁石
２１ 電磁石

Claims (2)

1. 固定部に弾性支持され、外乱により振動するマスと、
   前記固定部および前記マスに分離して取り付けられた永久磁石と電磁石とで構成され、前記マスを振動に対向して駆動する電磁アクチュエータと、を備える振動制御装置において、
   前記永久磁石の近傍に位置し、かつ前記電磁石が備えられた前記固定部あるいは前記マスに取り付けられた導電体を備えてなることを特徴とする振動制御装置。
2. 前記マスの振動方向を直線状に制限するガイド部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の振動制御装置。
   

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