JP2008050921A - 制振動・免震・加振動構造体と制振化制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の制振動・免震・加振動構造体と制振化制御システムは、三次元と、さらに多次元の地殻振動入力（地震波）に対する構造物の振動吸収と印加振動機構である制振動・免震・加振動構造体と制振化制御システムを課題としている。
【解決手段】 地殻面に設定した人工地盤面と建設地盤面と向かい合った上下間隔の空間に傾斜を持たせて制振動・免震・加振動構造体を配置し、伸縮自在なリンク構造体を三本以上の複数本使い、人工地盤面が地震により振動や衝撃を受けた場合、二面間の変移に応じ、リンク構造体の長さを自在に操り、リンク構造体に生ずるスラスト力を同一方向の力を検出する為に配置したロ−ドセルセンサが検出する。
【選択図】図１

Description

本発明の制振動・免震・加振動構造体と制振化制御システムは、三次元（Ｘ−Ｙおよびθ＝平面狭角度範囲の回転）と、さらに多次元（正確には五次元：Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ＝平面回転角および傾斜角）の地殻振動入力（地震波）に対する構造物の振動吸収と印加振動機構である制振動・免震・加振動構造体と制振化制御システムである。

とくに制振化制御システムは二つの方式を採用しており、低コストで追従性能が高く簡単なシステムであるアナログ式サ−ボ方式と、ソフトウェアによる計算処理の指令に従って運転され、生産性、信頼性が格段に向上し、アナログ式制御に比し、運動性能は劣るが情報化による信頼性の向上が同時に実現できるデジタル式制御があげられている。

近年、経済発展に伴うインフラ整備による建設密度が濃くなるとともに、不安定な建築構造物の危険も増大し、又、ペンシルビルや戸建てを初めとする多くの構造物を地震災害から守るため、今日緊急に防災に対する対応を余儀なくされており、すでに柔構造方式ばかりか、各種の防災方式が提案され、新しい建築物に応用されているものが多くなってきたが、多くのシステムはゴム弾性構造体によるものを除き、待機運転時は常に電力消費を伴い運転状態を維持するシステムが多くみられるものである。

これらの中でも、油圧式では常時エネルギ−を連続消費させなければならず、たとえば油の加圧、循環による等を必要としており、建築寿命２５年ないし５０年の期間で考えた場合、何時発生するか分からない事象であるため、電力の消費を十分に検証する余地があり、また、運悪く地震に遭遇したとしても、繰り返し生ずるものでもないことから、これら被害防除に対する費用はできるだけ低コストが望ましいことは言うまでもない。

一方、加振動機能は、従来から広い用途応用があり、構造試験や車両を初めとする移動体など多種多様の運送手段の振動、衝撃や防振対策の研究に必要となっている。従来、加振動試験機は油圧又は回転機を利用した一次元方式を基本とした多軸の組み合わせによって複雑な機構で多次元の加振機が製作されていた。
特開２００３−２６７０２３（車両用制振走行システム）におけるネジ採用の高さ調整動力機構がある。

地震振動に対する制振、免震制御を考慮するとき、地震波は低い周波数成分でエネルギ−が大きいために、本発明の速度応答性が地震波より速く完全に追従する性能を具備していれば、機構自身の操作に伴う建設地盤面に設置した構造部分の慣性と摩擦エネルギ−以外は理論上必要としない、その上、制御方法の選択が適切であれば、待機時電力を最小にすることが可能であり、このことは何時ともしれない地震発生の緊急時に無停電電源の余力確保が容易である。また、電池電源の利用も可能になり、構造体が簡潔であり、他の制振システムでは不可能な発振動作によってシステムの異常を確認ができるから、保守、動作確認などの手間が少なく信頼性を長期間にわたり持続できる。加振動システムとして実用化の場合では、建物などの上部搭載質量に応じた大きさと必要な振幅の発振エネルギ−を必要とするので制御のための出力容量を考慮しなければならない。一般に機械的良度を基準に１以上（駆動力が速度運動質量の１０％に相当する駆動力と定義）で設計し、数値が大きいほど追従性が向上するが、制振、免震装置のみのシステムであれば０．３程度で十分な対応ができる。

油圧式制御に於いて、常に加圧する油のためのポンプは常時運転しなければならず、制御方法によっては余裕をもった容量を確保するために多くの費用と大量のエネルギ−の無駄が生じているが、電動式制御においては、制御方法を適切に選択することによって必要時のみの電力が利用できる利点があるため、本発明では電動式を採用することにし、構造が簡単で信頼性のある制振動・免震・加振動構造体の開発と制振化制御システムを課題としている、但し災害時に商用電力の供給が確保できるかどうかは分からない。

制振化制御システムは、デジタル式制御では追従性能がアナログ方式に比し劣るが、情報化により総合的に見て信頼性の向上では実現できる、性能の向上のための装置の実現は難しく、高度の数学的解析と高速度の情報処理が欠かせないが、この原理構造形式にそった検出器と操作部が一体となすことによりそこから得られる力に基づいた検出信号は円周に沿って配置する全方位構造であるため振動方位成分を三辺が独立して合成しＡ／Ｄ変換後比例した大きさのデジタル式制御出力を対応する各辺の機構に与えれば比較的簡単に、防振、免震装置を製作できることになっている。

本発明の制振動・免震・加振動構造体と制振化制御システムの詳細を図面に従って説明すると、図１は制振動・免震・加振動構造体の概要図であって、地殻１面に設定した人工地盤面７があり十分な質量を持つ別の建設地盤面８と向かい合った上下間隔５２（図３、図４）の空間の両面間に傾斜を持たせて設置しており、制御により図２（制御回路のブロック図）および、図４（変位状態を示す図）に示す伸縮自在なリンク構造体１９を三本以上の複数本使い、上空からみた場合における三角形以上の多角形の線面に沿って図６に示す閉回路で設置し、人工地盤面７が地震により振動や衝撃を受けた場合、二面間の変位に応じ、リンク構造体１９の長さを自在に操り、建設地盤面８が静止するように制御を行う図１中の制振動・免震・加振動構造体３９の要素と、制振動・免震・加振動構造体３９においてリンク構造体１９に生ずるスラスト力を同一方向の力を検出する為に配置したロ−ドセルセンサ４が検出し、このロ−ドセルセンサ４が普段の荷重の状態である振動衝撃の受信以前の平衡値を求めるためのリンク構造体１９の伸縮動作をサ−ボアンプ２により単純に平衡値を追従する自動制御操作をすることによって、個々のリンク構造体１９に対する複雑な変位の計算を行うことなく、目的とする制振・免震制御を行うことができ、前記リンク構造体１９にかかるスラスト力を求め、他に求める加工された信号を重ね合わせて前後左右上下および変位角、傾斜角などの多次元運動を起動するためのリンク構造体１９の伸縮量を制御し、鉄道車両においては台車回転軸の代用、重心移動ならびに従来の緩衝装置と置き換えるなど、低コスト化する制振化制御システムである。尚、両対面の面積が大きい場合は構造体単位を複数システムを並列に設置しても各要素は独立して機能するため個々の自動制御装置はそれぞれ他の構造体の動きを考慮する必要はない。

制振動・免震・加振動構造体３９の主たる部分のリンク構造体１９の操作機構について説明すると、送りネジ２０はリンク構造体１９内のベアリング１３で固持され、サ−ボモ−タ３は建設地盤面８内のベアリング１２に固持され、自在継ぎ手５は、地殻１面に設定した人工地盤面７内のベアリング１４に固持され、先ずは下部から人工地盤面７の部分に固定された自在継ぎ手５は面に対し回転でき、自在継ぎ手５にはロ−ドセル４の下部端が固定され、ロ−ドセルセンサ４から出力されるセンサ出力１５は図２に示すセンサ用増幅器１７左側の入力端子に接続している。

人工地盤面７上に取り付けられている圧力波を検出するＰ波検出器６は、制振動・免震・加振動構造体３９を機能させるために、地震の本震動到達以前にいち早く電源を投入させる検出器であり、ロ−ドセルセンサ４上部端は平バネ１１の一端に固定し、平バネ１１の上部端はリンク構造体１９に吊り金具２３と共に係止具１０で係止し、リンク構造体１９の下部となり、上部端である送りネジ２０はフレキシブルジョイント９に接続され、フレキシブルジョイント９は建設地盤面８を軸受けとし、サ−ボモ−タ３で変位量を回転駆動により調節するようになっている。

図１を例にして説明すると、対応が二次元＋θについてであり、人工地盤面７と建設地盤面８の間隔は摺り板を挟んで一定に保たれる。免震構造と直接関係ない部分であるが、図１に於いてリンク構造体１９の自重を考え、吊り金具２３によって吊り上げて無重力を作っている。制御方式の選択にあたり地震発生の初期を検出する場合はＰ波検出器６を人工地盤面７上に取り付けるものである。平バネ１１は制御動作に特別の関係なく、機械的に連結させるためのものであり、衝撃振動に対しての機械的に脆弱なロ−ドセルセンサ４を守るための緩衝装置の働きをさせている。

図２は一つのリンクに対する制御回路のブロック図であって、地殻変動により発生した力信号２２を入力し、帰還回路を含むリンク構造体１９の送りネジ２０を駆動させ、ロ−ドセルセンサ４に連携し、センサ用増幅器１７を介してサ−ボアンプ２とシキイ値設定器１８に連携し、シキイ値設定器１８とＰ波検出器６から出力される信号は、論理和回路２４を介しスイッチ出力「有・無効」の切換えをスイッチ出力切換え２１によりサ−ボアンプ２に送出されてサ−ボアンプ２の動作をスタ−トさせ、サ−ボモ−タ３を介してリンク構造体１９へ還流する負帰還回路構成としている。

免震動作においてはロ−ドセル荷重値を常に「ゼロ」とする制御であり、荷重値が引っ張り力によって信号を出力するとき、リンク構造体１９の送りネジ２０は力を緩める方向に作用し、釣り合うまで伸長する。完全に入力振幅（地震波）に追従した場合では、建設地盤面側の質量は負帰還増幅器の制御特性上（増幅器のゲインは極大と考えれば）無限大となり、建設地盤面８上の建設物体は静止状態になり、あたかも地殻地盤は独立して振動するがごとき状態となり、この場合、免震機構を操作する電力のみで搭載質量に無関係となる。動作起動とその方法に付いてみると、人工地盤面７と建設地盤面８は相関しているから、建設地盤面８からの振動入力に対しても制御が働くため、免震としては正しい目的の機能ではなく、異常時以外は建設地盤面８は静止していなければならないために起動操作が必要になっている。

異常時以外は、回路機能は停止状態であり、平バネ１１のたわみ量以外、固定状態になっており、起動操作では２種類の手段が考えられる、しきい値設定器１８（図２）に予め設定したしきい値に対し、地震振幅量がこの値を超えたとき回路が起動し、サ−ボモ−タ３の動作を始める。他に地震発生によっていち早く到来する圧力波（Ｐ波）をＰ波検出器６で検知して起動の開始をする方法など、また確実な起動を目的とするため、論理和回路２４を増設し、両者を組み合わせた方法などを採用する。設定値検出においては、平バネ１１の機能が重要で、ある大きさの振幅までは機構部分の剛性に対しての緩衝装置として平バネ１１が吸収している。

図３は、リンク構造体が平等または不平等変化の場合における不等辺変化の場合の移動状態図で、平面の他、立体変化（Ｚ）を追加して変位を求める構造となっている。円周方向に組み立てた六角形からなるパラレルリンク機構に似た多角形免震構造体で、この動力部としての運動機構と方位分力分解センサを図７，８，９の組み合わせにより直下地震用にも対応できるから高性能の防振、免震制御ができ、横軸の０度と角度３６０度の位置は円周上では同じ点で、人工地盤面７と建設地盤面８との間で人工地盤面側固定点Ｉ３３と建設地盤面側固定点Ｉ３４との間にリンク構造体Ｉ２７、人工地盤面側固定点ＩＩ３７と建設地盤面側固定点Ｉ３４との間にリンク構造体ＩＩ２６、人工地盤面側固定点ＩＩ３７と建設地盤面側固定点ＩＩ３６との間にリンク構造体ＩＩＩ２８、人工地盤面側固定点ＩＩＩ３２と建設地盤面側固定点ＩＩ３６との間にリンク構造体ＩＶ２９、人工地盤面側固定点ＩＩＩ３２と建設地盤面側固定点ＩＩＩ３５との間にリンク構造体Ｖ２５が配設されるようになっている。

直線的運動機構は、大きな力を必要とするから、一般に空気式又は油圧式リンク構造体１９が使われている。基本的に二位置の力発生機構であり、前者は運動の途中で空気を、後者は油の供給を止めた位置で停止するが、正確な位置の制御は難しく、精度を必要とする場合、目標へ正しく停止させることはできない、これを実現するためにはリンク構造体１９の現在位置を測定し、部分的負帰還（ＮＦＢ）制御を採用し、充分大きなエネルギ−を使い目標とする位置への補正をする。デジタル制御方式に於いては、ＮＦＢと対比されるオ−プン制御で行うことができ、位置情報はパルスモ−タ固有の歩進角と正確な送りネジ２０のみで目標の位置へ停止させることができる。

図４は変位状態を示す図で、建設地盤面８と人工地盤面７間に、斜め線Ｉ４１、斜め線ＩＩ４２、斜め線ＩＩＩ４３が表現され、右端には、斜め線が伸長又は短縮された場合も記載している。リンク構造体１９が伸長した場合、人工地盤面７の人工地盤面側固定点Ｉ３３、人工地盤面側固定点ＩＩ３７、人工地盤面側固定点ＩＩＩ３２に対し、建設地盤面側固定点Ｉ３４、建設地盤面側固定点ＩＩ３６、建設地盤面側固定点ＩＩＩ３５は、建設地盤面８に対し、右方に移動し、短小になればその逆で左方に移動する。念のため左右方向の機械的な移動を禁止した場合、前記説明と異なり、人工地盤面７と建設地盤面８間は、広く又は狭く変化する。

図５は二次元プラス側面移動図、図６は図５に対応する二次元プラス平面移動図で、図４の変位状態を示す図による表現形式を実際の円周方向にまとめたものであって、初期即ち地震到来以前に於いては基本円と移動円の位置は重なっているが、人工地盤面７は地震波によって移動を始めると各リンク構造体１９は制御動作により力をゼロとする自動追従するからそれぞれの瞬間で長さを変えて平衡することになり、図６の如く上空から眺めた場合に地殻に連携して動く人工地盤面７を例として左上３０度２５ｍｍ移動した様子を示し、Ｘ，Ｙ全方向の動きに対応できることが分かる。

三角形構造を基本にした移動方向と距離の分解機構を検出器としてリンク構造体１９にかかる力の初期値を設定して、零位法を使って追従する制御装置からなる制振、免震機構の原理であり、基礎「地殻」の部分に設置する下部の人工地盤面７と建設物が乗っている上部の建設地盤面８と、それらをつなぐリンク操作部であって、極めて単純な構造であるため信頼性の向上と省エネルギ−を低コストで実現できることになった。

図６では図４の変位状態を示す図を円周方向に配置して、人工地盤面側固定点Ｉ３３をゼロ角度として建設地盤面側固定点ＩＩＩ３５が角度ゼロに重なるように戻る場合、即ち、各々の斜め線Ｉ４１、斜め線ＩＩ４２、斜め線ＩＩＩ４３は角度１２０度間隔で作図した場合、図６の基本円、１００φの円内に表現される。建設地盤面側固定点Ｉ３４、建設地盤面側固定点ＩＩ３６、建設地盤面側固定点ＩＩＩ３５、それぞれが図示されており、人工地盤面７に人工地盤面側固定点Ｉ３３、人工地盤面側固定点ＩＩ３７、人工地盤面側固定点ＩＩＩ３２が図示され、横軸の０度と角度３６０度の位置は円周上では同じ点となっている。高さと表示した上下間隔５２は、構造体の組み立て空間となっており、高さ一定の条件で平面的（Ｘ，Ｙ）に駆動する構造となっている。頂点の記号は建設地盤面８に端点Ａ４０（図４）が固定されている。

図６において両地盤の中心が同軸上にある場合、リンク三辺の長さは平面上それぞれ８６．６ｍｍで、実際の長さでは地盤面間の空隙に取り付ける角度により定まる。平面計算では斜め上方に２５ｍｍ移動したときの人工地盤面側固定点Ｉ３２と建設地盤面側固定点Ｉ３５間を変位する斜め線Ｉ４１のデ−タは１０９ｍｍとなり、２２．４ｍｍ伸長し、角度は元の角度の建設地盤面側固定点Ｉ３５より−６．７度（反時計回り）に回転したことを示す、また、斜め線ＩＩ４２はそれぞれ建設地盤面８移動デ−タの８９．８ｍｍ、３．２ｍｍ伸長し、角度は元の角より＋１６度、斜め線ＩＩＩ４３は６６．１ｍｍ，２０．５ｍｍ縮小し元の角度より−１１度変化する。但し実際の制御条件に於いては当然ながら距離、角度などの計算は一切不要で自動制御システムが働き、常にロ−ドセルは力、ゼロの条件を求めて動作が行われる。また、広面積の場合、システムを複数台設置した場合ではそれぞれがお互いに干渉することなく機能を発揮できる。

三辺とも全てのリンク構造体長が同じように変化した場合の結果は、回転する動作となって現れる。図中の小円Ｉ５５，小円ＩＩ５６，小円ＩＩＩ５７はＸ−Ｙ、全周方向に人工地盤面が移動する様を表現し直径は移動の大きさを表している。

図５の地盤面間隔を仮に辺の長さと同じ８６．６ｍｍとすれば、リンク構造体の長さは一辺の√２倍の長さになっており、人工地盤面７、建設地盤面８間を亘っていることになる。

多次元作動について説明をすると、図７は四次元作動機構の側面図、図８は四次元作動機構の上面図、図９は四次元作動機構の側面円周展開図で、多角形制御への発展と側面展開図を示し、それぞれのリンク構造体１９が定められた指令によって変化するとき多次元の変化を表現する。二次元「Ｘ−Ｙ−θ」方式においては建設物体の重量は建設地盤面８における水平移動動作となる平行に動く支持台上に乗っている前提があり、重量は支持台が受け持っていた。本方式では上下動を可能とする直下型地震に対応できる制御動作であるため、リンク構造体１９が搭載物体の全ての重量を受け持つ、したがって多角形を採用するほどリンク構造体１９が数を増し、一個あたりの受け持つ重量が小さくなる。さらに多角形に配置することで複雑な地殻の変化に対応できる。上下２つの面の人工地盤面７または建設地盤面８いずれか一方を円周方向で機械的に分割し、切断した面それぞれを円周方向を連結したとき分割された小面は自在なスネ−ク運動に発展し建築物の構造の支柱、支持部分に自在にひねりを加えることができるようになるから地殻の不規則な変化に対する建物全体のひずみ耐力試験の調査などが可能である。

図７は四次元作動機構の側面図で、図３の不等辺変化の場合の移動状態図における展開を本来の円周方向に組み立て表現したもので、図６の基本三角形を２組、６０度回転して重ね合わせた形式となっている。半径が５０の場合Ｚ方向の高さが２８．８６７５では、初期状態で３０度の角度で設置される。矢印の意味は底面から上面に向かう取り付け状態の場合上向きに表現している。図８は四次元作動機構の上面図で、リンク構造体１９が６本、六角形の配置がなされている。

図９は四次元作動機構の側面円周展開図で、１個のリンク構造体１９は角度６０度で跨がって人工地盤面７から建設地盤面８に向かって三角形の基点位置に、三角形基本線Ｉ４９、三角形基本線ＩＩ５０、三角形基本線ＩＩＩ５１の基本線が三個配列され、人工地盤面７と建設地盤面８との上下間隔５２が一定間隔で固定されているとき、リンク構造体が伸長すると上下間隔５２間の相対的動作は対面に対し回転運動として現れるが、さらに３個、追加増設し設置した場合、図示のごとき、互いが倒れあった形状、形態になる。

リンク構造体１９を、三個、前者の辺６０度の隙間に追加し、平面から見た場合、全体が六角形に配置される場合、円周方向を側面で展開すると、前者の立ち上がり角と対称になるような設定で三角形をなし付加したリンクの角度は逆向きに取り付けられる。即ち６個のリンク構造体１９が図３「不等辺変化の場合の移動状態図」に示すごとくジグザクに上下間隔５２間に実装されたことになる。今、追加したリンク構造体１９が一斉に伸長すると追加したリンク構造体１９は負の回転力が発生し、以前の回転力は打ち消しあって上下間隔５２はＺ方向に上下間隔が伸長する。これとは別にリンク構造体１９が縮小した場合は上下間隔５２の間隔が狭くなる。

免震構造体の多次元（四次元以上の運動）におけるＸ、Ｙプラスθ＋Ｚ＋傾斜運動について詳細に説明すると、図３に於ける２つの間隔に固定（高さ、傾斜方向の変移動作の場合もある。）した相対する人工地盤面７と建設地盤面８を挟んで、同一形式６組を基本とするリンク構造体Ｉ２７とリンク構造体ＩＶ２９、リンク構造体ＩＩ２６とリンク構造体Ｖ２５、リンク構造体ＩＩＩ２８とリンク構造体ＶＩ３０があり、それぞれのリンク構造体は、直線上に伸縮する構造を持ち、力の大きさを求めるロ−ドセルセンサ４を固定点との間に挿入し、２つの端点Ａ４０、端点Ｂ４５の距離間隔が変化するリンク構造体の機構となっている。図に示すように端点Ａ４０を建設地盤面８に固定した場合、もう一方の端点Ｂ４５は人工地盤面７に位置固定する。リンク構造体の端面は、必要な範囲内で自由に首を振る構造となっている。

人工地盤面７に３つの人工地盤面側固定点Ｉ３３、人工地盤面側固定点ＩＩ３７、人工地盤面側固定点ＩＩＩ３２を１２０度の間隔に固定し、建設地盤面８接合点の３カ所である建設地盤面側固定点Ｉ３４、建設地盤面側固定点ＩＩ３６、建設地盤面側固定点ＩＩＩ３５の位置は人工地盤面側固定点の中間点に固定するが、人工地盤面側固定点と建設地盤面側固定点は狭角度範囲内で復元力を持って自由に回動出来る機構を持っている。建設地盤面８へリンク構造体の端点Ａ４０を建設地盤面側固定点Ｉ３４へ、人工地盤面側固定点Ｉ３３より１８０度にて固定する。即ちリンク構造体は角度に於いて人工地盤面側固定点Ｉ３３と建設地盤面側固定点Ｉ３４に跨がって角度６０度で固定されている。

残り四本のリンク構造体も三角形を構成するため６０度ずつ順送りに固定しているが、多角形でも差支えないものである。この発明の特徴として取り付け方法により円周どの方向の力成分も一本のリンク構造体の直線方向の力として分解できることにある。各々の辺のリンク構造体の直線方向に加わる力を検出するロ−ドセンサが取り付けてあり、力の大きさを求めている。

六本のリンク構造体の端点Ａ４０、端点Ｂ４５に跨ったリンクの全ての長さが等しければ人工地盤面７、建設地盤面８の中心位置は重なる。固定点である人工地盤面側固定点Ｉ３３／建設地盤面側固定点ＩＩ３６、人工地盤面側固定点Ｉ３３／建設地盤面側固定点Ｉ３４、人工地盤面側固定点ＩＩ３７／建設地盤面側固定点Ｉ３４、人工地盤面側固定点ＩＩ３７／建設地盤面側固定点ＩＩ３６、人工地盤面側固定点ＩＩＩ３２／建設地盤面側固定点ＩＩ３６、人工地盤面側固定点ＩＩＩ３２／建設地盤面側固定点ＩＩ３５は、説明では三組の三角形であるが、単位を増やしても差支えない。人工地盤面７、上空より見た建設地盤面８の六角形の中心と建設地盤面８中心が普段は重なっている。この六角形の中心が別々に移動するときの建設地盤面８が元位置となり、基準となって、個々のリンク構造体は長さが変動し、さらにシステムを複数に展開、実装してもお互いが干渉することはなく、個々に対応する構造体を必要な分、実装することができる。

四次元平面図においては、三角形の内角の和は１８０度であるから三角形が六個辺を共通とした六角形では公式が成り立つためには、一辺の長さの変化は二面間の高さに変化がない場合、必ず他方の二辺の長さと角度に影響するはずである。逆にリンク構造体の長さを適切に変えてやれば、人工地盤面７と建設地盤面８の位置は元位置から相対的に移動することになっており、六角形の中点は人工地盤面７に対し、任意の位置に移動できることになっている。

又、同時に二辺又は三辺が伸長又は縮小変化する同じ方向にリンク構造体の長さが変化すれば、上下の面に対し、側面から見たとき一定角度をもって装着しているから建設地盤面８は人工地盤面７に対し、回転、傾斜運動として自在に変化することになる。つまり平面上からみた三角形の内角の和は平面上必ず１８０度でなければならないからで、これは３６０度に亘る傾斜角制御を含む高さ制御を加えた多次元以上の制御へ展開が可能となっている。三角形は内角の和は１８０度と定まっているから他方の辺及び角度変化を考えなくてもよい場合は残りの関数は冗長の要素である。この機構の制御システムでは制御装置の簡略化の他にこの要素を機械的誤差の修正などに利用して位置精度の向上のために活用することになっている。

ここでは図６（二次元プラス平面移動図）における具体的な構造と制御理論について説明すると、人工地盤面７「地殻」が静止状態では建設地盤面８と人工地盤面７は図６に見るように三角形をなし、図５（二次元プラス側面移動図）では、それぞれの辺に於けるリンク構造体は建設地盤面８と人工地盤面７との間に側面から見て対角をなして実装するものである。平面上に於いて一辺は直径１００θの場合、辺の長さは√３／２から８６．６となっている。地盤面の位置が変化し、右Ｘ方向に２５変化した場合、それぞれの辺は次のように変化する。第一の辺の角度の変化は、ａｒｃＴａｎ［８６．６／２］／７５＋２５＝２３．４°、元の辺からの変化は、３０−２３．４＝＋６．６°であり、又リンクの長さ変化は三角形の底辺、７５＋２５＝１００、∴１００／ｃｏｓ２３．４°＝１０８．９となっている。

同様に第二の辺は元の角度より＋１０．９°、長さは短縮し６６．２となり、第三の辺は元の角度より−１６．１°（反時計回転）、長さは伸長し、９０．１となる。また、実際は人工地盤面７と建設地盤面８との間に跨がって取り付けている結果、ななめ角度相当分を考慮して変位量を増加方向で補正する。リンク構造体は地震変位の検出用に変位計を採用する場合のほか、変位入力により生じるベクトル力（方向と力）を利用しても結果は同じであり、同じ様に免震制御用リンクの変位出力と考えてもよい。リンク構造体は建設地盤面８と人工地盤面７とにおける水平方向の相対的変化が制御の結果生じるものとしている。

側面への展開時に於いて、図４（変位状態を示す図）を参照して説明すると、三角形の頂点に接する円の頂点の一カ所を「縦」Ｚ軸で切り開き展開した側面図は、人工地盤面７と建設地盤面８との間に三辺（リンク構造体に相当した長さ）が一定の間隔である角度を持って、同一方向を倒立にて接している。この倒立角度は、リンク構造体の変位量により自由に変化するが、仮に取り付け面に対し、４５度とすれば、三角形の一辺の変位を求めた数値に等しくするには、√２倍の変化が必要である。建設地盤面８と人工地盤面７との間が一定の場合、辺の伸長により倒れ、傾き方向へ建設地盤面８に対し、人工地盤面７は平行に移動（実際ではリンク構造体が円周上に装着されているので、回転運動になるが）し、又、建設地盤面８と人工地盤面７との間がＺ軸方向に自由に変化する条件の下では、建設地盤面８に対し、人工地盤面７の相対距離が狭まったり広がったりの変化を伴っている。上記の数値は、デジタル処理の場合の計算値を求めたものであり、将来ソフトウェアの処理により低コストで高速追従性をもったシステムとなって、世界の様々な免震対応の分野で貢献できる。振動方向の検出入力信号は、二次元のときは単純であり、検出器の信号を解析して方向の処理を前もって行い、その数値にしたがってリンク構造体の長さの制御出力計算を行い出力するようになっている。

制震、免震制御をアナログ式のサ−ボ方式で行う場合は、地殻移動によって生じた三辺に生ずる力の三分布をロ−ドセルセンサ４で検知した後、増幅器によって十分のエネルギ−をリンク構造体、変位駆動用モ−タ（動力部）に供給し、各検出器のロ−ドセルセンサ４に対して発生する力は振動入力加速度に比例し、建設地盤面８上の搭載建築物の質量に比例する。加速度が大きく質量が大きいほどロ−ドセルセンサ４が検出する力は大きい。即ち、この大きさは制御出力と比例関係にあり、大きな制振制御用検出信号（追従速度を増す）となる。

四次元以上の作動方式を図７（四次元作動機構の側面図）、図８（四次元作動機構の上面図）、図９（四次元作動機構の側面円周展開図）で説明すると、中心軸が上下に変化したり、位置移動することはそれぞれのリンク構造体長が変化したものである。直径１００ｍｍの円周上に跨ってリンク構造体があるとき、それぞれの辺の長さは平面上で半径値、等しく５０である。円の中に中心を基準にして三角形は６個あり、内角は６０度である。上部の建設地盤面８に対し、下部に位置する人工地盤面７が１２．５ｍｍ平行移動したときの三辺は取り付け面の高さ一定の条件ではそれぞれの計算結果は、平面計算上で辺▲６▼は長さ５０が三角形基本線Ｉ４９の頂点を基準に１１．１５増加し、辺▲３▼は頂点ＩＩＩを基準に１．５５伸び、中心がｘ０、ｙ１２．５へ移動し、角度は辺▲６▼が−３．３度変化する。又辺▲３▼は１４．０４度へ変位する。建設地盤面８と人工地盤面７との上下間隔３８を２８．８６７５にとれば初期取付角度は３０度になる。

地震振動検出部について説明すると、変位量を変換するための信号検出器としてセンサを選択するもので、この場合、ロ−ドセルセンサを使用している。ロ−ドセルセンサ４を使用した制振用信号を検出するシステムとして、ロ−ドセルセンサ４は力の検出用であり、自身の変位量は些少で、ほとんどの移動量を免震機構のリンクの変位を受け持つ、地震変移を受け取った結果、建造した物体のもつ重量、即ち、慣性量に比例した力の信号が発生する。制御回路は変位の微分量信号を受け取ったことに相当している。また地震振幅の平均値がゼロに戻らない量の変位であった場合、建設地盤面位置は元の位置に復帰しない。これは制御回路が積分器として働くためであって、加速度を平均した結果は、常にゼロにならない場合がある。この場合は初期位置をゼロとした信号を別に設けるバネの復元力を利用する機器の設置でロ−ドセルセンサ４に加え、出力偏差を作り出し元の位置を回復できる。

図６（二次元プラス平面移動図）には「Ｘ、Ｙ、θ」が自在に変化する可能性を表現しているが、各三角形の頂点は移動方向と振幅の大きさを円の作図としてＳ１円ベクトル５３、Ｓ２円ベクトル５４、Ｓ２円ベクトル５８で表現できることになっている。これら制振のための三角形は取り付け面の高さが一定に実装した場合、三角関数により定まり、二つの要素、即ち、二辺の長さとその狭角又は一辺の長さと二角が決まれば、すべての平行移動のための要素が決まるものである。

実際に機構では、建設地盤面８と人工地盤面７との上下間隔５２において、二つの要素でリンク構造体の移動距離が定まり、一方、平行移動を固定した場合は、高さの変化を求める制御ができる。

発振振動を建設地盤面に加える場合は、ロ−ドセル出力信号に加算し、振動振幅量の電気信号を与えることで加振動を発振することができる。

図１０はリンク制御システムの「一要素あたりのブロックダイアグラム」で、地震振動によって発生した振動入力（Ｆ）３１は力平衡制御のための直列に配置したロ−ドセルセンサ（Ｓ１）４によって物理量を電気信号（ｅ１）に変える。第１加算点４６は物理量の加算回路であり、結果をロ−ドセルセンサ４に力の大きさと方向を与えている。第２加算点１３０はロ−ドセルセンサ４によって与えられる電気信号（ｅ１）と人為的にリンク機構の発振駆動を行うための加振用電気信号（ｅ２）３８の印加点を示す、これら二つの信号は保守のための指示以外、同時に実行することはない。結果の出力は電力増幅装置（μ）４７の入力となり、電力増幅の後、サ−ボモ−タを含む機械的駆動部（Ｋ）４８への制御出力としている。この出力結果はリンクの伸縮操作のためのサ−ボモ−タに与え、初めの第１加算点４６に物理量である物理信号５９として還流する一巡回路である。
制御回路の表現式は Ｃはリンク機構を駆動するための制御信号である。
Ｃ＝μ（ｅ１＋ｅ２）／１＋Ｋ
但しＫはμ（ｅ１＋ｅ２）＊Ｍ／ｔ−１ ；ｔ−１は、時間の経過を示し、
；Ｍは建設地盤面質量を表している。

本発明においては、制振動・免震・加振動構造体３９と制振化制御システムを採用することにより、従来の油圧式制御においては、常に加圧しなければならず、そのために油ポンプを常時運転しなければならず、制御方法によっては余裕をもつ容量を確保するため、多くの費用と大量のエネルギ−の無駄が生じるという欠点があったが、電動制御方式を適切に選択することによって必要時のみの電力が利用できる利点が生じた。

また、リンク構造体１９の自重吊り金具２３によって無重力を作っているため、衝撃振動に弱いロ−ドセルセンサ４を守るための緩衝装置の働きをさせている。

さらに、３６０度に亘る傾斜角制御を含む高さ制御を加えた多次元以上の制御へ展開が可能となっており、三角形は内角の和は１８０度と定まっているから他方の辺及び角度変化を考えなくてもよい場合は残りの関数は冗長の要素である。この機構の制御システムでは制御装置の簡略化の他にこの要素を機械的誤差の修正などに利用して位置精度の向上のために活用することができるようになっている。

本発明ではデジタル処理の場合の計算値を求めたものであり、将来ソフトウェアの処理により低コストで高速追従性をもったシステムとなって、世界の様々な免震対応の分野で貢献でき、振動方向の検出入力信号は、二次元のときは単純であり、検出器の信号を解析して方向の処理を前もって行い、その数値にしたがってリンク構造体の長さの制御出力計算を行い出力することができるようになっている。

制振動・免震・加振動構造体の概要図 制御回路のブロック図 不等辺変化の場合の移動状態図 変位状態を示す図 二次元プラス側面移動図 二次元プラス平面移動図 四次元作動機構の側面図 四次元作動機構の上面図 四次元作動機構の側面円周展開図 １要素あたりのブロックダイアグラム

符号の説明

１：地 殻 ２：サ−ボアンプ ３：サ−ボモ−タ
４：ロ−ドセルセンサ ５：自在継ぎ手 ６：Ｐ波検出器
７：人工地盤面 ８：建設地盤面 ９：フレキシブルジョイント
１０：係 止 具 １１：平バネ １２：ベアリング
１３：ベアリング １４：ベアリング １５：センサ出力
１６：制御出力 １７：センサ用増幅器 １８：シキイ値設定器
１９：リンク構造体 ２０：送りネジ ２１：スイッチ出力切換え
２２：力 信 号 ２３：吊り金具 ２４：論理和回路
２５：リンク構造体Ｖ ２６：リンク構造体ＩＩ ２７：リンク構造体Ｉ
２８：リンク構造体ＩＩＩ ２９：リンク構造体ＩＶ ３０：リンク構造体ＶＩ
３１：振動入力 ３２：人工地盤面側固定点ＩＩＩ
３３：人工地盤面側固定点Ｉ ３４：建設地盤面側固定点Ｉ
３５：建設地盤面側固定点ＩＩＩ ３６：建設地盤面側固定点ＩＩ
３７：人工地盤面側固定点ＩＩ ３８：加振用電気信号
３９：制振動・免震・加振動構造体 ４０：端点Ａ
４１：斜め線Ｉ ４２：斜め線ＩＩ ４３：斜め線ＩＩＩ
４５：端点Ｂ ４６：第１加算点 ４７：電力増幅装置
４８：機械的駆動部 ４９：三角形基本線Ｉ ５０：三角形基本線ＩＩ
５１：三角形基本線ＩＩＩ ５２：上下間隔 ５３：Ｓ１円ベクトル
５４：Ｓ２円ベクトル ５５：小円Ｉ ５６：小円ＩＩ
５７：小円ＩＩＩ ５８：Ｓ３円ベクトル ５９：物理信号
６０：基 本 円 ６１：移 動 円 １３０：第２加算点

Claims (2)

1. 地殻面に設定した人工地盤面と十分な質量を持つ別の建設地盤面と向かい合った上下間隔の空間の両面間に、傾斜を持たせて制振動・免震・加振動構造体を設置し、制御により伸縮自在なリンク構造体を三本以上の複数本使い、上空からみた場合における三角形以上の多角形の線面に沿って閉回路で設置し、人工地盤面が地震により振動や衝撃を受けた場合、二面間の変位に応じ、リンク構造体の長さを自在に操り、建設地盤面が静止するように制御を行う要素と、制振動・免震・加振動構造体において、リンク構造体に生ずるスラスト力を同一方向の力を検出する為に配置したロ−ドセルセンサを設け、ロ−ドセルセンサ上部端は平バネの一端に固定し、平バネの上部端はリンク構造体に吊り金具と共に係止具で係止し、リンク構造体の下部となり、上部端である送りネジはフレキシブルジョイントに接続され、フレキシブルジョイントは建設地盤面を軸受けとし、サ−ボモ−タで変位量を回転駆動により調節するように構成し、振動衝撃の受信以前の平衡値を求めるためのリンク構造体、操作機構についてみると、送りネジはリンク構造体内のベアリングで固持され、サ−ボモ−タは建設地盤面内のベアリングに固持され、自在継ぎ手は、地殻面に設定した人工地盤面内のベアリングに固持され、下部から人工地盤面の部分に固定された自在継ぎ手は面に対し回転でき、自在継ぎ手にはロ−ドセルの下部端が固定され、ロ−ドセルセンサから出力されるセンサ出力はセンサ用増幅器左側の入力端子に接続されており、三次元とさらに多次元の地殻振動入力（地震波）に対する構造物の振動吸収と印加振動機構の制振動・免震・加振動構造体。
2. 地殻面に設定した人工地盤面があり、十分な質量を持つ別の建設地盤面と向かい合った上下間隔の空間の両面間に傾斜を持たせて制振動・免震・加振動構造体を設置し、該構造体により伸縮自在なリンク構造体を三本以上の複数本使い、上空からみた場合における三角形以上の多角形の線面に沿って閉回路で設置し、人工地盤面が地震により振動や衝撃を受けた場合、二面間の変位に応じ、リンク構造体の長さを自在に操り、建設地盤面が静止するように制御を行う制振化制御システムにおいて、リンク構造体に生ずるスラスト力を同軸上に配置したロ−ドセルセンサが検出し、このロ−ドセルセンサが普段の荷重の状態を求めるためのリンクの伸縮動作をサ−ボアンプにより単純に平衡値を追従する自動制御操作をすることによって、個々のリンクに対する複雑な変位の計算を行うことなく制振化制御できる制振化制御システム。

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