JP2009257486A - Response control system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve an effective and proper passive-response-control system utilizing an electromagnetic-induction action. <P>SOLUTION: An additional vibration system added to a main vibration system is composed by a DC power generating mechanism (a DC motor 2), which is vibrated by vibration of the main vibration system and generates electromotive force by an electromagnetic-induction action, and an electric circuit 3 that controls resistance force F by controlling a current I flowing in the DC power generating mechanism. The electric circuit is configured from a coil, a capacitor, and a resistor. An inductance L of the coil, capacitance C of the capacitor, and a resistance value R of the resistor are determined by using coefficients K<SB>1</SB>, K<SB>2</SB>being characteristic values of the DC power generating mechanism. Consequently, it is possible to allow the additional vibration system to function as a damper mechanism provided with a spring element of equivalent spring rigidity k, an inertial-mass element of inertial mass ψ, and a damping element of a damping coefficient c. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は建物や機器架台等の振動系を対象とする応答制御システム、特に電磁誘導作用を利用したダンパー機構によって固有振動数帯域における共振特性の改善効果や特定振動数帯域における遮断効果が有効に得られる応答制御システムに関する。   The present invention provides a response control system for vibration systems such as buildings and equipment racks, and in particular, the effect of improving the resonance characteristics in the natural frequency band and the cutoff effect in the specific frequency band by a damper mechanism using electromagnetic induction. The present invention relates to an obtained response control system.

電磁誘導作用を利用したダンパー機構としては、特許文献1に示されるような発電制動型ダンパや、非特許文献1に示されるような発電式振動抑制装置が知られている。
実開昭62−13282号公報 砂子田、大竹、松岡、「発電式振動抑制装置に関する研究」、日本機械学会論文集、2005年8月
As a damper mechanism using an electromagnetic induction action, a power generation braking type damper as shown in Patent Document 1 and a power generation type vibration suppression apparatus as shown in Non-Patent Document 1 are known.
Japanese Utility Model Publication No. 62-13282 Sagoda, Otake, Matsuoka, "Research on Power Generation Vibration Suppressor", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, August 2005

特許文献1に示される発電制動型ダンパは、いわゆるLCR回路によって特定の周波数帯域においてダンパー効果を発揮させる(あるいは発揮させない)ものであるが、特許文献1にはその原理が概念的に記載されているに過ぎず、LCR回路の具体的な構成や周波数帯域の具体的な設定手法については何らの開示がない。
非特許文献1に示される発電式振動抑制装置は、特に宇宙空間での機器の微小振動の抑制を目的として、発電機の両端子間における負荷抵抗を変えることにより可変減衰力を発生させるものではあるが、これを付加しても振動系の固有振動数は変化するものではないので、これをそのまま建物等の構造物に適用しても十分な効果は得られないし、様々な振動系に対して広く適用できるものでもない。
以上のように、電磁誘導作用を利用した有効適切なダンパー機構やそれを利用した有効適切な応答制御システムについては、現時点では原理的な提案がなされているに過ぎず、実用化されるに至っていないのが実状である。
The dynamic braking damper shown in Patent Document 1 is one that exhibits (or does not exhibit) a damper effect in a specific frequency band by a so-called LCR circuit, but Patent Document 1 conceptually describes the principle thereof. However, there is no disclosure about a specific configuration of the LCR circuit and a specific setting method of the frequency band.
The power generation type vibration suppression device disclosed in Non-Patent Document 1 does not generate a variable damping force by changing the load resistance between both terminals of a generator, particularly for the purpose of suppressing minute vibrations of equipment in outer space. However, even if this is added, the natural frequency of the vibration system does not change, so even if it is applied to a structure such as a building as it is, a sufficient effect cannot be obtained. Nor is it widely applicable.
As described above, the effective and appropriate damper mechanism using the electromagnetic induction action and the effective and appropriate response control system using the electromagnetic induction action have only been proposed in principle at present, and have been put into practical use. There is no actual situation.

上記事情に鑑み、本発明は様々な振動系を対象としてその応答を電磁誘導作用を利用して効果的に制御することのできる有効適切な応答制御システムを実現することを目的としている。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to realize an effective and appropriate response control system capable of effectively controlling responses of various vibration systems using electromagnetic induction.

請求項1記載の発明は、相対振動する少なくとも2つの構造体からなる主振動系に対して付加振動系を設置し、主振動系の振動により付加振動系に生じる抵抗力Fを制動力として応答を制御するパッシブ型の応答制御システムであって、前記付加振動系を、主振動系の振動によって加振されることにより電磁誘導作用によって加振速度x・(・はxの上部に付く)に比例する起電力Eを生じる直流発電機構と、該直流発電機構に付設されて該直流発電機構に流れる電流値Iを制御することによって該電流値Iに比例して生じる抵抗力Fを制御する電気回路とにより構成し、かつ、前記電気回路をコイルとコンデンサーと抵抗器とから構成するとともに、前記コイルのインダクタンスL、前記コンデンサーのキャパシタンスC、前記抵抗器の抵抗値Rを、前記直流発電機構の特性値としての前記加振速度x・に対する前記起電力Eの比である係数K、および前記電流値Iに対する前記抵抗力Fの比である係数Kを用いてそれぞれ次式の関係により決定することにより、前記付加振動系を等価なバネ剛性kのバネ要素、慣性質量ψの慣性質量要素、減衰係数cの減衰要素を備えたダンパー機構として機能せしめることを特徴とする。

Figure 2009257486
According to the first aspect of the present invention, an additional vibration system is installed for the main vibration system composed of at least two structures that vibrate relatively, and the resistance force F generated in the additional vibration system due to the vibration of the main vibration system is used as a braking force. Is a passive type response control system for controlling the vibration, wherein the additional vibration system is vibrated by the vibration of the main vibration system so that the excitation speed x · (· is attached to the upper part of x) by electromagnetic induction action. A DC power generation mechanism that generates a proportional electromotive force E, and an electric current that is attached to the DC power generation mechanism and controls a resistance value F that is generated in proportion to the current value I by controlling the current value I flowing through the DC power generation mechanism. And the electric circuit is composed of a coil, a capacitor, and a resistor, and an inductance L of the coil, a capacitance C of the capacitor, and a resistor of the resistor. A value R, the coefficient K 2 wherein the ratio of the resistance force F for the coefficients K 1, and the current value I is the ratio of the electromotive force E with respect to vibration speed x · as characteristic value of the direct current power generating mechanism By using and determining the relationship according to the following equations, the additional vibration system can function as a damper mechanism having a spring element with an equivalent spring stiffness k, an inertial mass element with an inertial mass ψ, and a damping element with a damping coefficient c. It is characterized by.
Figure 2009257486

請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明の応答制御システムであって、前記付加振動系を主振動系の固有振動数帯域における共振特性を改善するためのチューンドマスダンパーとして機能せしめるべく、前記電気回路におけるコイルとコンデンサーとを直列接続し、かつ前記付加振動系の固有振動数を主振動系の固有振動数に同調させることを特徴とする応答制御システム。   The invention according to claim 2 is the response control system according to claim 1, wherein the additional vibration system is made to function as a tuned mass damper for improving the resonance characteristics in the natural frequency band of the main vibration system. A response control system characterized in that a coil and a capacitor in the electric circuit are connected in series and the natural frequency of the additional vibration system is tuned to the natural frequency of the main vibration system.

請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明の応答制御システムであって、前記付加振動系を主振動系の各次の固有振動数帯域における共振特性を改善するためのチューンドマスダンパーとして機能せしめるべく、前記電気回路におけるコイルとコンデンサーとを直列接続するとともに、その直列接続回路を各次の固有振動数帯域に対応させて複数並列接続し、かつ前記付加振動系の各次の固有振動数を主振動系の各次の固有振動数に同調させることを特徴とする。   A third aspect of the present invention is the response control system according to the second aspect of the present invention, wherein the additional vibration system is used as a tuned mass damper for improving resonance characteristics in each natural frequency band of the main vibration system. In order to make it function, a coil and a capacitor in the electric circuit are connected in series, and a plurality of the series connection circuits are connected in parallel corresponding to each natural frequency band, and each natural vibration of the additional vibration system is connected. The number is tuned to each natural frequency of the main vibration system.

請求項4記載の発明は、請求項1記載の発明の応答制御システムであって、前記付加振動系を主振動系の特定の振動数帯域に対する振動遮断機構として機能せしめるべく、前記電気回路におけるコイルとコンデンサーとを並列接続し、かつ前記付加振動系と前記主振動系の共振振動数を遮断振動数に同調させることを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention is the response control system according to the first aspect of the present invention, wherein the additional vibration system is a coil in the electric circuit so as to function as a vibration isolation mechanism for a specific frequency band of the main vibration system. And a capacitor are connected in parallel, and the resonance frequency of the additional vibration system and the main vibration system is tuned to the cutoff frequency.

請求項5記載の発明は、請求項4記載の発明の応答制御システムであって、前記付加振動系を主振動系の各次の振動数帯域に対する振動遮断機構として機能せしめるべく、前記電気回路におけるコイルとコンデンサーとを並列接続するとともに、その並列接続回路を各次の振動数帯域に対応させて複数直列接続し、かつ前記付加振動系と前記主振動系の各次の共振振動数を各次の遮断振動数に同調させることを特徴とする。   A fifth aspect of the present invention is the response control system according to the fourth aspect of the present invention, wherein the additional vibration system is used in the electric circuit to function as a vibration cutoff mechanism for each frequency band of the main vibration system. A coil and a capacitor are connected in parallel, and a plurality of parallel connection circuits corresponding to each frequency band are connected in series, and each resonance frequency of the additional vibration system and the main vibration system is set to each order. It is characterized by being tuned to the cut-off frequency.

請求項6記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の発明の応答制御システムであって、前記付加振動系における前記直流発電機構として、主振動系の振動により回転軸が回転せしめられて起電力を生じる直流モーターを用いることを特徴とする。   A sixth aspect of the present invention is the response control system according to any one of the first to fifth aspects of the present invention, wherein the rotating shaft is driven by the vibration of the main vibration system as the DC power generation mechanism in the additional vibration system. It is characterized by using a DC motor that is rotated to generate an electromotive force.

請求項7記載の発明は、請求項6記載の発明の応答制御システムであって、主振動系の振動を直流発電機構としての直流モーターに対して伝達するための伝達機構としてボールねじ機構を用い、該ボールねじ機構によって主振動系の振動を回転運動に変換して前記直流モーターの回転軸を回転させ、かつ該直流モーターに生じる抵抗力(トルク)を前記ボールねじ機構を介して主振動系に伝達することを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the response control system according to claim 6, wherein a ball screw mechanism is used as a transmission mechanism for transmitting the vibration of the main vibration system to a DC motor as a DC power generation mechanism. The ball screw mechanism converts the vibration of the main vibration system into a rotational motion to rotate the rotating shaft of the DC motor, and the resistance force (torque) generated in the DC motor is transferred to the main vibration system via the ball screw mechanism. It is characterized by transmitting to.

請求項8記載の発明は、請求項7記載の発明の応答制御システムであって、伝達機構としてのボールねじ機構と直流発電機構としての直流モーターとの間に増速機構を設置し、該増速機構により主振動系の振動を増速して前記直流モーターに伝達し、かつ該直流モーターの抵抗力を前記増速機構により拡大して主振動系に伝達することを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the response control system according to claim 7, wherein a speed increasing mechanism is installed between the ball screw mechanism as the transmission mechanism and the DC motor as the DC power generation mechanism, and the increase The vibration of the main vibration system is accelerated by a speed mechanism and transmitted to the DC motor, and the resistance force of the DC motor is expanded by the speed increase mechanism and transmitted to the main vibration system.

本発明の応答制御システムは、主振動系の振動によって加振されて電磁誘導作用により起電力を生じる直流発電機構を主体とする付加振動系を設置し、直流発電機構に流れる電流をLCR回路による電気回路によって制御してその抵抗力を制動力として振動を制御することにより、その付加振動系を等価なバネ要素と慣性質量要素と減衰要素を備えたダンパー機構として機能させることができる。
換言すると、直流発電機構を電気的に制御する電気回路における抵抗器、コイル、コンデンサーの容量を直流発電機構の特性に応じて適正に設定することのみで、機械振動の諸元である減衰係数、バネ剛性、慣性質量を設置したことと同じ効果が得られ、かつそれらの諸元を適正に設定することができることになる。
したがって本発明によれば、付加振動系をチューンドマスダンパー(TMD:動吸振器)として機能せしめて主振動系の共振特性を改善したり、あるいは付加振動系を振動遮断機構として機能せしめて特定周波数帯域における振動遮断特性を改善することができるし、LCR回路の構成によって1つのダンパー機構で高次(複数)モードの共振特性の改善や高次(複数)モードの振動遮断特性を得ることも可能である。
The response control system of the present invention is provided with an additional vibration system mainly composed of a DC power generation mechanism that is excited by vibration of the main vibration system and generates electromotive force by electromagnetic induction, and current flowing through the DC power generation mechanism is generated by an LCR circuit. By controlling the vibration using the resistance force as a braking force by controlling with an electric circuit, the additional vibration system can function as a damper mechanism having an equivalent spring element, inertial mass element, and damping element.
In other words, only by appropriately setting the capacity of the resistors, coils, and capacitors in the electric circuit that electrically controls the DC power generation mechanism according to the characteristics of the DC power generation mechanism, the damping coefficient that is the specification of the mechanical vibration, The same effects as the installation of spring rigidity and inertial mass can be obtained, and the specifications can be set appropriately.
Therefore, according to the present invention, the additional vibration system can function as a tuned mass damper (TMD: dynamic vibration absorber) to improve the resonance characteristics of the main vibration system, or the additional vibration system can function as a vibration isolating mechanism. The vibration isolation characteristics in the band can be improved, and it is possible to improve the higher-order (multiple) mode resonance characteristics and obtain higher-order (multiple) mode vibration isolation characteristics with a single damper mechanism by the configuration of the LCR circuit. It is.

また、本発明においては、付加振動系における電気回路は単なる電子部品により構成されるので、従来一般の各種の機械的なダンパーのように複雑かつ高精度の機械部品を必要とせず、当然に電気回路は可動部分がないから機械的に劣化したり損傷する懸念もないし、機構全体を十分に単純かつ簡略な構成とすることができる。
勿論、直流発電機構を電気回路により制御するといえどもあくまでパッシブな制御であって、電気回路の各諸元を設定すること以外は何らの制御や操作を必要とせず、当然に制御用あるいは操作用の電源を一切必要としない。
しかも、それらの電子部品としては高品質かつ信頼性に優れるものを安価にかつ容易に入手し得ることはもとより、たとえば可変抵抗器やバリコン(可変容量器)といった可変特性のものを自由に使用できることから、ダンパー機構としての特性や性能を自由にかつ幅広くコントロールすることが可能である。
In the present invention, since the electric circuit in the additional vibration system is composed of simple electronic parts, it does not require complicated and high-precision mechanical parts unlike various conventional mechanical dampers. Since the circuit has no moving parts, there is no fear of mechanical deterioration or damage, and the entire mechanism can be made sufficiently simple and simple.
Of course, even if the DC power generation mechanism is controlled by an electric circuit, it is passive control, and does not require any control or operation other than setting various specifications of the electric circuit. No power is required.
Moreover, these electronic components can be easily obtained at low cost and with high quality and reliability, and can be freely used with variable characteristics such as variable resistors and variable capacitors (variable capacitors). Therefore, it is possible to freely and widely control the characteristics and performance as a damper mechanism.

「本発明の基本原理」
まず、図1を参照して本発明の基本原理を説明する。
図1(a)において符号A、Bは互いに離接する方向に相対振動する構造体であり、符号1はそれら構造体A,Bからなる主振動系に対して付加される付加振動系としてのダンパー機構である。
"Basic principles of the present invention"
First, the basic principle of the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 1A, reference numerals A and B are structures that vibrate relative to each other, and reference numeral 1 denotes a damper as an additional vibration system that is added to the main vibration system composed of the structures A and B. Mechanism.

図示例のダンパー機構1は、構造体Aに対して固定された直流発電機構としての直流モーター2と、直流モーター2に付設された電気回路3と、直流モーター2に対して主振動系の振動(構造体A,B間に生じる相対振動)を伝達して回転軸を回転させるための伝達機構としてのボールねじ機構4とからなる。   The damper mechanism 1 in the illustrated example includes a DC motor 2 as a DC power generation mechanism fixed to the structure A, an electric circuit 3 attached to the DC motor 2, and vibration of the main vibration system with respect to the DC motor 2. It consists of a ball screw mechanism 4 as a transmission mechanism for transmitting (relative vibration generated between the structures A and B) and rotating the rotary shaft.

直流発電機構としての直流モータ2ーは、特許文献1や非特許文献1に示される発電機と同様に回転軸が回転させられることによって電磁誘導作用によって発電機として機能し、その際には内蔵コイルの両端子間に起電力(電圧)が生じてその起電力に応じた電流が流れるものである。
この場合、直流モーター2に生じる起電力は回転軸の回転速度に比例するものであり、したがってその起電力はボールねじ機構4を介して直流モーター2に伝達される主振動系の加振速度x・に比例するものとなる。
なお、加振速度は本来は図1(a)に示すようにxの上部に・が付く記号で表すべきものであるが、本文中では便宜的に上記のようにx・として表すこととする。このことは請求項1での記載および他の記号についても同様とする。
The direct current motor 2 as a direct current power generation mechanism functions as a power generator by electromagnetic induction by rotating a rotating shaft in the same manner as the power generators shown in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, and is built in that case. An electromotive force (voltage) is generated between both terminals of the coil, and a current corresponding to the electromotive force flows.
In this case, the electromotive force generated in the DC motor 2 is proportional to the rotational speed of the rotating shaft, and therefore, the electromotive force is transmitted to the DC motor 2 via the ball screw mechanism 4. It will be proportional to ・.
Note that the excitation speed should be represented by a symbol with a mark at the top of x as shown in FIG. 1 (a), but in the text, it is represented as x. For convenience. . The same applies to the description in claim 1 and other symbols.

ボールねじ機構4はボールねじ軸5とボールナット6からなる周知の機構である。ボールねじ軸5は、その一端部が軸受け7により回転自在に支持されて構造体Aを貫通し直流モーター2の回転軸に連結されており、他端部は構造体Bに形成されている貫通孔内に緩挿状態で配置されている。ボールナット6はそのボールねじ軸5に螺合した状態で構造体Bに固定されている。
したがってこのボールねじ機構4は、構造体A,B間に互いに離接する方向の相対振動が生じた際には、ボールナット6がボールねじ軸5に対して軸方向に変位し、それによりボールねじ軸5が強制的に回転せしめられてそれに連結されている直流モーター2の回転軸が回転せしめられるようになっている。つまり、ボールねじ機構4は主振動系の振動を回転運動に変換して直流モーター2に伝達するものであり、それにより直流モーター2の回転軸を強制回転させて発電機として機能せしめて起電力を生じさせるものである。
なお、ボールねじ軸5と直流モーター2との間にたとえば遊星歯車を用いた増速ギア等による適宜の増速機構を設置することにより、主振動系の振動を増速して直流モーター2に伝達するようにしても良い。
The ball screw mechanism 4 is a known mechanism including a ball screw shaft 5 and a ball nut 6. One end of the ball screw shaft 5 is rotatably supported by a bearing 7, passes through the structure A and is connected to the rotating shaft of the DC motor 2, and the other end penetrates the structure B. It is arranged in the hole in a loosely inserted state. The ball nut 6 is fixed to the structure B in a state of being screwed to the ball screw shaft 5.
Therefore, in the ball screw mechanism 4, when relative vibration in a direction in which the structures A and B are separated from each other is generated, the ball nut 6 is displaced in the axial direction with respect to the ball screw shaft 5, whereby the ball screw The shaft 5 is forcibly rotated, and the rotating shaft of the DC motor 2 connected thereto is rotated. In other words, the ball screw mechanism 4 converts the vibration of the main vibration system into a rotational motion and transmits it to the DC motor 2, thereby forcibly rotating the rotating shaft of the DC motor 2 to function as a generator to generate an electromotive force. It will cause.
In addition, by installing an appropriate speed increasing mechanism such as a speed increasing gear using a planetary gear between the ball screw shaft 5 and the DC motor 2, the vibration of the main vibration system is increased and the DC motor 2 is increased. It may be communicated.

電気回路3はコイルとコンデンサーと抵抗器とが直列接続されたいわゆるLCR直列回路であって、直流モーター2に起電力が生じることによって両端子間に流れる電流Iを制御することによりこの直流モーター2が生じる抵抗力Fつまりは主振動系に対する制動力を制御するものである。   The electric circuit 3 is a so-called LCR series circuit in which a coil, a capacitor, and a resistor are connected in series, and the direct current motor 2 is controlled by controlling a current I flowing between both terminals when an electromotive force is generated in the direct current motor 2. Is the resistance force F that causes the braking force, that is, the braking force for the main vibration system.

図1(b)は、以上の構成からなるダンパー機構1としての付加振動系の基本的な機能(作用)の説明図である。
すなわち、主振動系の振動によりダンパー機構1(付加振動系)に軸方向変位が生じると、ボールねじ機構4を介して直流モーター2の回転軸が回転せしめられ、電磁誘導作用により直流モーター2が発電機として機能して起電力(電圧)が生じる。
その起電力による生じる電流値IはLCR回路からなる電気回路3(モーター負荷回路)により制御され、電流値Iに応じたトルクがダンパー反力(抵抗力F)としてボールねじ機構4を介して主振動系に伝達され、その抵抗力Fが制動力として作用してダンパー変位(主振動系の振動)に対する制動効果が得られるのである。
FIG. 1B is an explanatory diagram of the basic function (action) of the additional vibration system as the damper mechanism 1 having the above-described configuration.
That is, when an axial displacement occurs in the damper mechanism 1 (additional vibration system) due to the vibration of the main vibration system, the rotating shaft of the DC motor 2 is rotated via the ball screw mechanism 4, and the DC motor 2 is moved by electromagnetic induction. An electromotive force (voltage) is generated by functioning as a generator.
A current value I generated by the electromotive force is controlled by an electric circuit 3 (motor load circuit) including an LCR circuit, and a torque corresponding to the current value I is mainly transmitted via a ball screw mechanism 4 as a damper reaction force (resistance force F). This is transmitted to the vibration system, and the resistance force F acts as a braking force to obtain a braking effect against the damper displacement (vibration of the main vibration system).

以上の基本原理を踏まえて、本発明では上記の付加振動系における電気回路3の各要素の諸元、すなわちコイルのインダクタンスL、コンデンサーのキャパシタンスC、抵抗器の抵抗値Rを、直流発電機構としての直流モーター2の特性に応じて適正に設定することにより、直流発電機構(直流モーター2)と伝達機構(ボールねじ機構4)と電気回路3(LCR直列回路)とにより構成される付加振動系を、図1(c)に示すような機械振動モデルと等価なダンパー機構、つまり、バネ要素と慣性質量要素と減衰要素を備えたダンパー機構として機能させるものであり、本発明の応答制御システムはそのようなダンパー機構としての付加振動系を主振動系に付加することによって主振動系の応答を有効に制御し得るものである。   Based on the above basic principle, in the present invention, the specifications of each element of the electric circuit 3 in the additional vibration system, that is, the inductance L of the coil, the capacitance C of the capacitor, and the resistance value R of the resistor are used as a DC power generation mechanism. By appropriately setting according to the characteristics of the direct current motor 2, an additional vibration system constituted by a direct current power generation mechanism (direct current motor 2), a transmission mechanism (ball screw mechanism 4), and an electric circuit 3 (LCR series circuit) Is operated as a damper mechanism equivalent to a mechanical vibration model as shown in FIG. 1C, that is, a damper mechanism including a spring element, an inertial mass element, and a damping element. The response of the main vibration system can be effectively controlled by adding the additional vibration system as such a damper mechanism to the main vibration system.

以下、電気回路3の諸元の設定手法について詳細に説明する。
直流モーター2に生じる起電力Eは加振速度x・に比例するから、その起電力Eは係数Kを用いて次式で表される。
ここで、係数Kは加振速度x・に対する起電力Eの比を表す比例定数(単位:V・s/m)であるが、これは直流モーター2とボールねじ機構4とによる機構の特性値(増速機構を設ける場合にはその特性も含む)として一義的に定まる定数である。

Figure 2009257486
Hereinafter, the method for setting the specifications of the electric circuit 3 will be described in detail.
Since the electromotive force E generated in the DC motor 2 is proportional to the excitation speed x ·, the electromotive force E is expressed by the following equation using the coefficient K 1 .
Here, the coefficient K 1 is a proportionality constant (unit: V · s / m) representing the ratio of the electromotive force E to the excitation speed x ·, which is a characteristic of the mechanism by the DC motor 2 and the ball screw mechanism 4. It is a constant that is uniquely determined as a value (including the characteristics of a speed increasing mechanism when it is provided).
Figure 2009257486

コイルとコンデンサーと抵抗器とを直列接続した電気回路においては、起電力E(電圧)と電流値Iとは次式の関係にある。

Figure 2009257486
In an electric circuit in which a coil, a capacitor, and a resistor are connected in series, the electromotive force E (voltage) and the current value I are in the relationship of the following expression.
Figure 2009257486

主振動系の振動、すなわち付加振動系への加振が正弦波加振によりなされるとして、加振による変位xおよび電流値Iを x=x0eiωt、I=I0eiωt とおくと、次式が成り立つ。

Figure 2009257486
Assuming that the vibration of the main vibration system, that is, the vibration to the additional vibration system is performed by sinusoidal vibration, the displacement x and the current value I due to vibration are set as x = x 0 e iωt and I = I 0 e iωt. The following equation holds.
Figure 2009257486

一方、直流モーター2が生じる抵抗力Fは、電流から生じる磁力に起因する抵抗力に関する係数Kを用いて次式で表される。ここで係数Kは電流値Iに対する抵抗力Fの比を表す比例定数(単位:N/A)であり、これは直流モーター2のトルク定数に比例するものであり、上記の係数Kと同様に直流モーター2とボールねじ機構4(および増速機構)とによる機構の特性値として一義的に定まる定数である。

Figure 2009257486
On the other hand, the resistance force F DC motor 2 occurs is expressed by the following equation using the coefficient K 2 relating to resistance force caused by the magnetic force generated from the current. Here factor K 2 is a proportional constant (unit: N / A) representing the ratio of the resistance force F for the current value I is, this is proportional to the torque constant of the DC motor 2, the coefficient of the K 1 and Similarly, it is a constant that is uniquely determined as a characteristic value of the mechanism by the DC motor 2 and the ball screw mechanism 4 (and the speed increasing mechanism).
Figure 2009257486

上式は、その最終項から、変位xに比例する反力を生じるダンパーと、速度x・=iωx に比例するダンパーと、加速度x‥=−ω2x に比例するダンパーとを直列配置したものと等価であることを示すものである。
すなわち、この付加振動系は、図1(c)に示すように、コイルのインダクタンスLに反比例するバネ剛性kを有するバネ要素と、抵抗器の抵抗値Rに反比例する減衰係数cを有する粘性減衰ダンパーと、コンデンサーのキャパシタンスCに比例する慣性質量ψを有する慣性質量ダンパーを備えたダンパー機構として機能するものである。
換言すれば、コイルのインダクタンスL、コンデンサーのキャパシタンスC、抵抗器の抵抗値Rを、直流モーター2とボールねじ機構4(および増速機構)の特性値として定まる上記の係数K、Kを用いてそれぞれ次式の関係により決定することにより、付加振動系をバネ剛性kのバネ要素、慣性質量ψの慣性質量要素、減衰係数cの減衰要素を備えたダンパー機構として機能せしめることができることになる。

Figure 2009257486
The above equation are those that the last term, the damper generates reaction force proportional to the displacement x, the damper is proportional to the velocity x · = iωx, was a damper which is proportional to the acceleration x ‥ = -ω 2 x arranged in series Is equivalent to.
That is, as shown in FIG. 1C, this additional vibration system has a viscous damping having a spring element having a spring stiffness k inversely proportional to the coil inductance L and a damping coefficient c inversely proportional to the resistance value R of the resistor. It functions as a damper mechanism including a damper and an inertial mass damper having an inertial mass ψ proportional to the capacitance C of the capacitor.
In other words, the above-described coefficients K 1 and K 2 that determine the inductance L of the coil, the capacitance C of the capacitor, and the resistance value R of the resistor as the characteristic values of the DC motor 2 and the ball screw mechanism 4 (and the speed increasing mechanism) are By using and determining by the relationship of the following equations, the additional vibration system can be made to function as a damper mechanism having a spring element with spring stiffness k, an inertia mass element with inertia mass ψ, and a damping element with damping coefficient c. Become.
Figure 2009257486

このように、本発明においては、電気回路3を構成するコイル、コンデンサー、抵抗器の各諸元L,C,Rが、それぞれ機械的な振動モデルを構成する各要素の諸元k,ψ,cに対応するものである。
このことは、慣性質量のないコンデンサーが質量効果を生み、粘性減衰をもたない抵抗器が減衰効果を生み、バネ剛性をもたないコイルが剛性を生むことを意味する。
そして、それら各要素を自由に組み合わせることで、機械装置としての実態のない単なる電気回路3を直流モーター2(直流発電機構)に接続するだけで、主振動系に対する優れた応答制御効果が得られる機構を構成できることになる。
As described above, in the present invention, the specifications L, C, and R of the coil, capacitor, and resistor constituting the electric circuit 3 are the specifications k, ψ, This corresponds to c.
This means that a capacitor without inertia mass produces a mass effect, a resistor without viscous damping produces a damping effect, and a coil without spring stiffness produces rigidity.
Then, by freely combining these elements, an excellent response control effect for the main vibration system can be obtained by simply connecting the electric circuit 3 having no actual state as a mechanical device to the DC motor 2 (DC power generation mechanism). The mechanism can be configured.

たとえば、上記の電気回路3からコイルを省略した場合には、L→0 によりk→∞ となり、これはバネを設けないことと等価である。また、抵抗を省略した場合には、R→0から c→∞ となり、これは粘性減衰ダンパーを設けないことと等価である。さらに、コンデンサーを省略した場合には、C→0 から ψ→0 となり、これは慣性質量ダンパーを設けないことと等価である。逆に、コイルのみ、抵抗のみ、コンデンサーのみをそれぞれ単独で設ける場合には、それらの各電気的要素がそれぞれバネ、減衰、慣性質量ダンパーという機械的要素に対応してそれらを単独に設けることと等価である。当然ながら、それらの全てを省略した場合には変位の生じない剛体で接続した(付加振動系=ダンパー機構を設置しない)ことと等価となる。
このように、電気回路図におけるコイル、コンデンサー、抵抗を、対応するバネ、慣性質量、粘性減衰に置換して同じ配列にした機械振動モデルと等価になる。
For example, when the coil is omitted from the electric circuit 3, L → 0 and k → ∞, which is equivalent to not providing a spring. Further, when the resistance is omitted, R → 0 is changed to c → ∞, which is equivalent to not providing a viscous damping damper. Further, when the capacitor is omitted, C → 0 is changed to ψ → 0, which is equivalent to not providing an inertia mass damper. Conversely, when only a coil, only a resistor, and only a capacitor are provided independently, each of those electrical elements must be provided independently corresponding to mechanical elements such as a spring, a damping, and an inertial mass damper, respectively. Is equivalent. Of course, when all of them are omitted, it is equivalent to connecting with a rigid body that does not cause displacement (additional vibration system = no damper mechanism is installed).
In this way, it becomes equivalent to a mechanical vibration model in which the coils, capacitors, and resistors in the electric circuit diagram are replaced with corresponding springs, inertial masses, and viscous damping so as to have the same arrangement.

以上で説明したように、本発明の応答制御システムは直流発電機構とLCR電気回路とによって慣性質量と減衰とバネを直列配置したダンパー機構を構成できるものであり、以下にこれを建物等の構造体を対象とする応答制御機構として適用する場合の具体的な実施形態を説明する。   As described above, the response control system of the present invention can constitute a damper mechanism in which an inertial mass, damping, and a spring are arranged in series by a DC power generation mechanism and an LCR electric circuit. A specific embodiment when applied as a response control mechanism for a body will be described.

「第1実施形態:TMDとしての適用(1)」
図2(a)に示すように、支持構造体に対してバネ剛性ksを介して構造体が相対振動する状態で支持されている主振動系に対し、上記のダンパー機構を付加振動系として設置する。
そして、付加振動系の固有振動数f0および減衰定数h0を次式の関係により決定し、付加振動系の固有振動数f0を構造体の固有振動数f1に同調させることにより、付加振動系はTMD(チューンドマスダンパー:動吸振器)として機能し、構造体の固有振動数帯域での共振特性を大幅に改善することができる。

Figure 2009257486
“First Embodiment: Application as TMD (1)”
As shown in FIG. 2A, the above damper mechanism is installed as an additional vibration system for the main vibration system supported in a state where the structure is relatively vibrated via the spring rigidity ks with respect to the support structure. To do.
Then, the natural frequency f 0 and the damping constant h 0 of the additional vibration system are determined by the relationship of the following equation, and the natural frequency f 0 of the additional vibration system is tuned to the natural frequency f 1 of the structure. The vibration system functions as a TMD (tuned mass damper: dynamic vibration absorber), and can greatly improve the resonance characteristics of the structure in the natural frequency band.
Figure 2009257486

具体的な設計例として、直流モーターの仕様を電圧24V、出力40W、内部抵抗1.7Ωとし、その回転軸に増速ギア比5倍の増速機構(遊星減速機)を介して、ボールねじ(リード5mm)のボールねじ機構を接続した場合の例を示す。
この場合、直流モータの特性としての係数Kは K=0.074×(2π/0.005)×5=465V・s/m、係数Kは K=(0.074/0.94)×(2π/0.005)×5=495N/Aである。
構造体の質量m=10ton、構造体のバネ剛性ks=99kN/cm、減衰定数h=0.01とする。
構造体の固有振動数f1=5Hzであり、したがって付加振動系のダンパー機構の固有振動数f0=f1=5Hz、ω0=2πf0=31.4rad/sである。
コンデンサーのキャパシタンスC=4.35mFとすると、それに等価な慣性質量ψ=CK1K2=1001N・s2/m となる。
直流モーターの内部抵抗を含む回路の電気抵抗R=3.0Ωとすると、それに等価な減衰係数c=(1/R)K1K2=76700N・s/m=767N/kineとなり、慣性質量に対する等価減衰係数h0=1.22となる。
コイルのインダクタンスL=230mHとすると、それに等価なばね剛性k=(1/L)K1K2=10kN/cmとなる。
As a specific design example, the DC motor has a voltage of 24V, an output of 40W, an internal resistance of 1.7Ω, and a ball screw (planetary reducer) via a speed increasing mechanism (planetary speed reducer) with a speed increasing gear ratio of 5 times. An example of connecting a ball screw mechanism of 5mm lead) is shown.
In this case, the coefficient K 1 as a characteristic of the DC motor is K 1 = 0.074 × (2π / 0.005) × 5 = 465 V · s / m, and the coefficient K 2 is K 2 = (0.074 / 0.94) × (2π / 0.005) X5 = 495 N / A.
The mass m of the structure is 10 tons, the spring stiffness of the structure is ks = 99 kN / cm, and the damping constant h is 0.01.
The natural frequency f 1 of the structure is 5 Hz. Therefore, the natural frequency f 0 = f 1 = 5 Hz of the damper mechanism of the additional vibration system and ω 0 = 2πf 0 = 31.4 rad / s.
If the capacitance C of the capacitor is 4.35 mF, the equivalent inertial mass ψ = CK 1 K 2 = 1001 N · s 2 / m.
If the electrical resistance of the circuit including the internal resistance of the DC motor is R = 3.0Ω, the equivalent damping coefficient c = (1 / R) K 1 K 2 = 76700 N · s / m = 767 N / kine, equivalent to the inertial mass The attenuation coefficient h 0 is 1.22.
If the inductance L of the coil is 230 mH, the equivalent spring stiffness k = (1 / L) K 1 K 2 = 10 kN / cm.

上記のダンパー機構を設置した場合の応答倍率(加振振幅に対する応答振幅の比)を図2(b)に示す。上記のようなダンパー機構(図中では本発明ダンパーとして示している)を設置することにより、通常のTMD機構を設置した場合と同様に共振時の応答特性を大幅に改善(最大応答値を91%低減)でき、大きな応答制御効果を発揮することが分かる。   FIG. 2B shows the response magnification (ratio of response amplitude to excitation amplitude) when the above-described damper mechanism is installed. By installing the damper mechanism as described above (shown as the damper of the present invention in the figure), the response characteristic at the time of resonance is greatly improved as in the case of installing the normal TMD mechanism (the maximum response value is 91). %), And it can be seen that a large response control effect is exhibited.

なお、上記の設計例における各諸元は、市販されている一般的な直流モーター、ボールねじ機構、増速機構、電子部品のみで構成できるものであり、したがってTMDとして優れた機能を有する小型軽量のダンパー機構を容易にかつ安価に実現できるものである。
特に電子部品としては高品質かつ信頼性に優れるものを安価にかつ容易に入手し得ることはもとより、たとえば可変抵抗器やバリコン(可変容量器)といった可変特性のものを採用すれば、ダンパー機構としての特性や性能を自由にかつ幅広くコントロールすることが可能である。すなわち、本実施形態のようにTMDとして機能させる場合における固有振動数の同調作業はコンデンサー容量を可変にすることで容易に行うことができるし、最適な減衰を付与するための調整も可変抵抗器により容易に行うことができる。勿論、それらの調整はダンパー設置時のみならず設置後の適宜の時期やメンテナンス時にも行うことができるし、必要に応じて再調整や変更も自由に行うことができる。
In addition, each specification in the above design example can be configured only by a commercially available general DC motor, a ball screw mechanism, a speed increasing mechanism, and an electronic component, and thus, a compact and lightweight having an excellent function as a TMD. The damper mechanism can be easily and inexpensively realized.
In particular, high-quality and highly reliable electronic components can be obtained at low cost and easily. For example, by adopting variable characteristics such as variable resistors and variable capacitors (variable capacitors), the damper mechanism It is possible to freely and widely control the characteristics and performance. That is, the tuning operation of the natural frequency in the case of functioning as a TMD as in the present embodiment can be easily performed by making the capacitor capacity variable, and the adjustment for giving the optimum attenuation is also a variable resistor. Can be easily performed. Of course, those adjustments can be performed not only at the time of installing the damper but also at an appropriate time after the installation and at the time of maintenance, and readjustment and change can be freely performed as necessary.

「第2実施形態:TMDとしての適用(2)」
上記の第1実施形態において直列接続しているコイルとコンデンサーとを図3(a)に示すように複数並列接続することにより、1台のダンパー機構により1次だけでなく高次の固有振動数における共振特性も同時に抑制できるTMDとすることができる。
具体的には、付加振動系の各次の固有振動数fi(iは次数。i=1,2,‥)と各次の減衰定数h0iを、共振特性を改善したい振動数に同調させるべく、次式により決定する。fiの設定について等号としないのは減衰効果によりfiをやや高振動数側にして同調させることが有利であるからである。

Figure 2009257486
“Second Embodiment: Application as TMD (2)”
By connecting a plurality of coils and capacitors connected in series in the first embodiment in parallel as shown in FIG. 3A, not only the first order but also the higher order natural frequencies are obtained by one damper mechanism. The TMD can also suppress the resonance characteristics at the same time.
Specifically, the natural frequency f i of each order of the additional vibration system (i is the order. I = 1, 2,...) And the damping coefficient h 0i of each order are tuned to the frequency for which the resonance characteristics are desired to be improved. Therefore, it is determined by the following equation. The reason why the setting of f i is not equal is that it is advantageous to tune f i to a slightly higher frequency side by the damping effect.
Figure 2009257486

その場合の具体例として、図3(a)に示すように3層構造の主振動系を対象としてその最下層にダンパー機構を設置した場合の例を以下に示す。
構造体の水平固有振動数は、1次:2.2Hz、2次:6.3Hz、3次:9.0Hzであり、1次に対する構造減衰はh=0.02とする。
3次モードの影響は小さいので無視して1次モードと2次モードのみを対象として制御することとし、直流モーターについての係数α=K1K2=2.3kNΩ/kineとする。
ψ1=10tonとし、したがってC1=ψ1/α=44mFとする。k1’=25kN/cmとし、したがってL1=α/k1’=92mHとする。R=0.5Ωとする。ψ2=10tonとし、したがってC2=ψ2/α=44mFとする。k2’=390kN/cmとし、したがってL2=α/k2’=5.9mHとする。
なお、抵抗Rについては(a)に示すようにLC直列回路を並列したものに対して直列に1つだけ設置すれば良いが、あるいは(b)に示すように各LC直列回路のそれぞれに対して抵抗Rを各コンデンサーに並列に設置しても良い。
As a specific example in that case, an example in which a damper mechanism is installed in the lowermost layer as shown in FIG.
The horizontal natural frequency of the structure is first order: 2.2 Hz, second order: 6.3 Hz, third order: 9.0 Hz, and the structural damping for the first order is h = 0.02.
Since the influence of the tertiary mode is small, the control is performed only for the primary mode and the secondary mode, and the coefficient α = K 1 K 2 = 2.3 kNΩ / kine for the DC motor is set.
ψ 1 = 10 tons, so C 1 = ψ 1 / α = 44 mF. k 1 ′ = 25 kN / cm, and therefore L 1 = α / k 1 ′ = 92 mH. R = 0.5Ω. ψ 2 = 10 tons, so C 2 = ψ 2 / α = 44 mF. k 2 ′ = 390 kN / cm, and therefore L 2 = α / k 2 ′ = 5.9 mH.
As for the resistance R, only one LC series circuit may be installed in series with respect to the parallel LC series circuit as shown in (a). Alternatively, as shown in (b), each resistor is connected to each LC series circuit. A resistor R may be installed in parallel with each capacitor.

上記の場合の応答倍率を、図3(c)に示す。この図から1次モードだけでなく2次モードにおいても共振特性が改善されていることが分かる。
従来のTMDによることでも同様の機能をもたせることは可能であるが、その場合には各々の対象振動数に対応した質量とバネから構成される複数のTMDを並列する必要があった。それに対し本実施形態では、電気回路の設定のみで1台のダンパーにより複数の振動数に対応したTMD機構を実現でき、したがって従来のTMDによる場合に比べてローコストで同等ないしそれ以上の効果が得られ、設置台数やスペースも少なくて済む利点がある。
The response magnification in the above case is shown in FIG. From this figure, it can be seen that the resonance characteristics are improved not only in the primary mode but also in the secondary mode.
Although it is possible to provide the same function by using conventional TMD, in that case, it is necessary to parallel a plurality of TMDs composed of a mass and a spring corresponding to each target frequency. On the other hand, in the present embodiment, a TMD mechanism corresponding to a plurality of vibration frequencies can be realized by a single damper only by setting an electric circuit, and therefore, an effect equivalent to or higher than that obtained by a conventional TMD can be obtained at a lower cost. There is an advantage that the number of installations and space can be reduced.

以上で説明したように、本発明はTMDとして機能させることができるものであるが、そのためには電気回路におけるコイルとコンデンサーとを直列接続することが前提である。
それに加えて、本発明ではコイルとコンデンサーとを並列接続することも可能であり、その場合にはTMDとしてではなく特定の振動数帯域における振動遮断効果を得るための振動遮断機構として適用することも可能であり、以下、図4を参照してそれについて説明する。
図4(a)に示すようにコイルとコンデンサーとを並列接続した場合にも、その付加振動系は(b)に示すように、コイルのインダクタンスLに反比例するバネ剛性kを有するバネ要素と、抵抗器の抵抗値Rに反比例する減衰係数cを有する粘性減衰ダンパーと、コンデンサーのキャパシタンスCに比例する慣性質量ψを有する慣性質量ダンパーを備えたダンパー機構として機能するものであるが、この場合における直流モーターによる抵抗力Fは次式となる。式中のα=Kである。

Figure 2009257486
As described above, the present invention can function as a TMD. For that purpose, it is premised on that a coil and a capacitor in an electric circuit are connected in series.
In addition, in the present invention, it is also possible to connect a coil and a capacitor in parallel, and in that case, it can be applied not as a TMD but as a vibration isolation mechanism for obtaining a vibration isolation effect in a specific frequency band. This is possible and will be described below with reference to FIG.
Even when the coil and the capacitor are connected in parallel as shown in FIG. 4A, the additional vibration system has a spring element having a spring stiffness k that is inversely proportional to the inductance L of the coil, as shown in FIG. In this case, it functions as a damper mechanism having a viscous damping damper having a damping coefficient c inversely proportional to the resistance value R of the resistor and an inertial mass damper having an inertial mass ψ proportional to the capacitance C of the capacitor. The resistance force F by the direct current motor is as follows. In the formula, α = K 1 K 2 .
Figure 2009257486

この抵抗力Fは、ω2=k/ψ なる関係で決定される振動数において加振速度x・によらず抵抗力F=0となってダンパーがないのと等価になり、したがってこのダンパーのみで構造物を支持すればその振動数帯域で振動を遮断できることになる。
以下、そのような振動遮断機構として適用する場合の具体的な実施形態について説明する。
This resistance force F is equivalent to a resistance force F = 0 and no damper at a frequency determined by the relationship of ω 2 = k / ψ, regardless of the excitation speed x ·. If the structure is supported, vibration can be cut off in the frequency band.
Hereinafter, a specific embodiment when applied as such a vibration isolation mechanism will be described.

「第3実施形態:振動遮断機構としての適用(1)」
図5に示すように、コイルとコンデンサーとを並列接続したLC並列回路によるダンパー機構を付加振動系として構造体剛性k1と並列に設置し、主振動系と付加振動系の遮断振動数f0および付加振動系の減衰定数h0を次式により決定する。

Figure 2009257486
“Third Embodiment: Application as Vibration Isolation Mechanism (1)”
As shown in FIG. 5, a damper mechanism by an LC parallel circuit in which a coil and a capacitor are connected in parallel is installed as an additional vibration system in parallel with the structure rigidity k 1, and the cutoff frequency f 0 of the main vibration system and the additional vibration system is set. The damping constant h 0 of the additional vibration system is determined by the following equation.
Figure 2009257486

具体的な設計例として、主振動系の固有振動数f1=5Hzの場合、直流モーターによる係数α=K1K2=2.3kNΩ/kine、遮断振動数f0=2f1=10Hzとする。
コンデンサーのキャパシタンスC=21.8mFとすると、それに等価な慣性質量ψ=5tonとなる。コイルのインダクタンスL=23mHとすると、それに等価なばね剛性k=100kN/cmとなる。抵抗値R=0.35Ωとすると、それに等価な減衰係数c=6.6KN/kineとなる。
等価減衰係数h0=2.0とし、構造減衰はh=0.01とする。
As a specific design example, when the natural frequency f 1 of the main vibration system is 5 Hz, the coefficient α = K 1 K 2 = 2.3 kNΩ / kine by the DC motor and the cutoff frequency f 0 = 2f 1 = 10 Hz.
If the capacitance C of the capacitor is 21.8 mF, the equivalent inertial mass ψ = 5 tons. Assuming that the coil inductance L is 23 mH, the equivalent spring stiffness k is 100 kN / cm. If the resistance value R = 0.35Ω, the equivalent attenuation coefficient c = 6.6 KN / kine.
The equivalent damping coefficient h 0 = 2.0 and the structural damping is h = 0.01.

上記の場合における応答倍率(加振速度y・に対する応答速度x・の比)を図5(b)に示す。この図から遮断振動数帯域での応答制御効果が得られることがわかる。
なお、この応答倍率は固定端から加振したときの加振振幅に対する構造体振幅の比であるが、Maxwelの相反定理から(c)に示すように構造体を加振したときの加振力に対する固定端反力の比F/Pも同じとなる。
FIG. 5B shows the response magnification (ratio of the response speed x · to the excitation speed y ·) in the above case. From this figure, it can be seen that a response control effect in the cutoff frequency band can be obtained.
This response magnification is the ratio of the structure amplitude to the excitation amplitude when the vibration is applied from the fixed end. From the Maxwel reciprocity theorem, the excitation force when the structure is vibrated as shown in (c). The ratio F / P of the fixed-end reaction force with respect to is also the same.

「第4実施形態:振動遮断機構としての適用(2)」
上記第3実施形態におけるLC並列回路をさらに直列接続することにより、複数の遮断振動数をもつダンパーとなる。
すなわち、図6(a)に示すように、LC並列回路を各次の遮断振動数に対応させて複数直列接続し、かつ付加振動系および主振動系の各次の遮断振動数pfiと、付加減衰系の各次の減衰定数h0iを、次式の関係により決定する。

Figure 2009257486
“Fourth Embodiment: Application as Vibration Isolation Mechanism (2)”
By further connecting the LC parallel circuit in the third embodiment in series, a damper having a plurality of cutoff frequencies is obtained.
That is, as shown in FIG. 6 (a), a plurality of LC parallel circuits are connected in series corresponding to the respective cutoff frequencies, and the respective cutoff frequencies pf i of the additional vibration system and the main vibration system, Each order attenuation constant h 0i of the additional attenuation system is determined by the relationship of the following equation.
Figure 2009257486

各LC並列回路の諸元を図示例のように設定した場合の応答倍率を図6(b)に示す。
主振動系の固有振動数f1=5Hzの場合において、主振動系における構造体剛性k1 を無視(k1=0)した場合、L1、C1の設定によりpf1=7.1Hz(ξ1=pf1/f1=1.42)を1次遮断振動数として設定し、L2、C2の設定によりpf2=12.71Hz(ξ2=pf2/f1=2.54)を2次遮断振動数として設定することにより、図中の破線で示すようにそれら1次遮断振動数および2次遮断振動数の双方において振動遮断効果が得られることが分かる。
従来においてこのように2つの振動数で振動遮断特性を持たせるためには、2層の遮断層を直列に設けるしかなかったが、本発明によれば電気回路の設定のみで1台のダンパーによりそれを実現することができ、たとえば免震層に設置して建物の固有1次振動数と機器の固有振動数の両方を遮断するといったことが可能となる。また、当然ながらLC並列回路を3つ以上設けて3つ以上の振動モードに対応することも可能である。
FIG. 6B shows the response magnification when the specifications of each LC parallel circuit are set as in the illustrated example.
In the case of natural frequency f 1 = 5 Hz of the main vibration system, the case of ignoring the structure stiffness k 1 in the main vibration system (k 1 = 0), the setting of L 1, C 1 pf 1 = 7.1Hz (ξ 1 = pf 1 / f 1 = 1.42) is set as the primary cutoff frequency, and pf 2 = 12.71 Hz (ξ 2 = pf 2 / f 1 = 2.54) is set as the secondary cutoff frequency according to the L 2 and C 2 settings. By setting as a number, it can be seen that a vibration cutoff effect can be obtained at both the primary cutoff frequency and the secondary cutoff frequency as indicated by the broken line in the figure.
Conventionally, in order to provide vibration isolation characteristics at two frequencies in this manner, two layers of cutoff layers must be provided in series. However, according to the present invention, only one electrical circuit is set and a single damper is used. For example, it can be installed in a seismic isolation layer to block both the natural primary frequency of the building and the natural frequency of the equipment. Of course, it is possible to provide three or more LC parallel circuits to cope with three or more vibration modes.

なお、構造体剛性k1を考慮する場合には遮断振動数の設定は複雑になるが、図中の実線で示すように構造体剛性k1を無視した場合に比べて遮断振動数が若干シフトし、上記の1次遮断振動数および2次遮断振動数においてダンパーなしの場合と同じ応答になって、それよりもやや大きい振動数において遮断特性が得られる。 Although made of the setting of cut-off frequency is complicated when considering the structure rigidity k 1, cut-off frequency is shifted somewhat compared to the case of ignoring the structure rigidity k 1 as shown by the solid line in FIG. In addition, the above-described primary cutoff frequency and secondary cutoff frequency have the same response as that without a damper, and a cutoff characteristic can be obtained at a slightly higher frequency.

以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば、たとえば以下に列挙するような様々な設計的変更や応用が可能である。   The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs as listed below, for example, are included within the scope of the present invention. Changes and applications are possible.

上記各実施形態は建物等の構造物を対象としてその共振特性の改善や振動遮断を目的とする制御システムとしたが、本発明はそれに限らず、たとえば振動機器や防振架台等も含めて様々な振動系を対象とする様々な目的の制御システムとして広く適用できることは当然であるし、上下方向のみならず水平方向の振動に対しても同様に適用できることはいうまでもない。   Each of the above embodiments is a control system for the purpose of improving the resonance characteristics and isolating vibration of a structure such as a building. Needless to say, the present invention can be widely applied as a control system for various purposes for various vibration systems, and can be applied to vibrations in the horizontal direction as well as the vertical direction.

上記実施形態では直流発電機構として直流モーターを使用したが、それに限るものではなく、電磁誘導作用により発電してその抵抗力を振動制御のための制動力として利用できるものであれば良い。
なお、直流発電機構として直流モーターを使用する場合においては、整流子の数が多く、速度一定時(加速度ゼロ時)の電圧変動が小さいタイプのものを用いることが好ましい。速度一定時に電圧変動が生じると、コンデンサーに電流が流れてコイルの磁力により抵抗力が生じてしまうことから、慣性質量ダンパーとしての特性が上述した等価モデルからずれてしまうことが想定され、好ましくない。
In the above embodiment, a DC motor is used as the DC power generation mechanism. However, the present invention is not limited to this, and any DC power generator may be used as long as it can generate electric power by electromagnetic induction and use the resistance force as a braking force for vibration control.
When a DC motor is used as the DC power generation mechanism, it is preferable to use a type having a large number of commutators and a small voltage fluctuation when the speed is constant (when acceleration is zero). When voltage fluctuation occurs at a constant speed, current flows through the capacitor and resistance is generated by the magnetic force of the coil. Therefore, it is assumed that the characteristics as an inertial mass damper may deviate from the equivalent model described above, which is not preferable. .

上記実施形態では主振動系の振動をダンパー機構に伝達し、かつダンパー機構の抵抗力(制動力)を主構造体に伝達するための伝達機構としてボールねじ機構を採用したが、伝達機構としては必ずしもボールねじ機構に限るものではなく同様に機能するものであれば他の形式の伝達機構の採用も可能である。さらには、制御対象の振動系の諸元や制御目的、要求される制御量、直流発電機構の構成等、の諸条件によっては、伝達機構を省略して主振動系の振動を直流発電機構に対して直接的に伝達し、かつその抵抗力を直流発電機構から主振動系に対して直接的に伝達することも不可能ではない。
また、上記実施形態のように直流発電機構と伝達機構との間に増速機構を設けることが好ましく、それにより直流発電機構の発電効率を向上させることができ、かつ大きな抵抗力を主振動系に伝達できるが、増速機構も必須ではなく不要であれば省略しても良い。
いずれにしても、伝達機構や増速機構を設ける場合にあっては、電気回路の諸元の決定に際しては直流発電機構の特性のみならず伝達機構や増速機構の特性も考慮した係数K,Kを用いれば良い。
In the above embodiment, the ball screw mechanism is used as a transmission mechanism for transmitting the vibration of the main vibration system to the damper mechanism and transmitting the resistance force (braking force) of the damper mechanism to the main structure. The transmission mechanism is not necessarily limited to the ball screw mechanism, and other types of transmission mechanisms may be employed as long as they function similarly. Furthermore, depending on various conditions such as the specifications of the vibration system to be controlled, the control purpose, the required control amount, the configuration of the DC power generation mechanism, etc., the transmission mechanism is omitted and the vibration of the main vibration system is transferred to the DC power generation mechanism. However, it is not impossible to transmit the resistance directly to the main vibration system from the DC power generation mechanism.
Further, it is preferable to provide a speed increasing mechanism between the DC power generation mechanism and the transmission mechanism as in the above embodiment, whereby the power generation efficiency of the DC power generation mechanism can be improved, and a large resistance force can be applied to the main vibration system. However, the speed increasing mechanism is not essential and may be omitted if unnecessary.
In any case, when the transmission mechanism and the speed increasing mechanism are provided, the coefficient K 1 considering not only the characteristics of the DC power generation mechanism but also the characteristics of the transmission mechanism and the speed increasing mechanism when determining the specifications of the electric circuit. , K 2 may be used.

なお、上記実施形態では直流発電機構の内部抵抗や内部インダクタンスについての説明は省略したが、内部抵抗についてはその値により付加振動系の減衰が変化するので、LCR回路の抵抗Rに加算して評価することが望ましい。また内部インダクタンスについては、構造物の振動で対象とする20Hz以下の振動においては付加振動系のバネ剛性に殆ど影響しないので無視しても差し支えない。   In the above embodiment, description of the internal resistance and internal inductance of the DC power generation mechanism is omitted. However, since the attenuation of the additional vibration system changes depending on the value of the internal resistance, the evaluation is performed by adding to the resistance R of the LCR circuit. It is desirable to do. The internal inductance is negligible because it hardly affects the spring stiffness of the additional vibration system when the vibration is 20 Hz or less, which is the target of the vibration of the structure.

本発明の基本原理(電気回路がLC直列回路の場合)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the basic principle (when an electric circuit is a LC series circuit) of this invention. 同、第1実施形態を示す図である。It is a figure which shows 1st Embodiment. 同、第2実施形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment same as the above. 本発明の基本原理(電気回路がLC並列回路の場合)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the basic principle (when an electric circuit is LC parallel circuit) of this invention. 同、第3実施形態を示す図である。It is a figure which shows 3rd Embodiment same as the above. 同、第4実施形態を示す図である。It is a figure which shows 4th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

A,B 構造体(主振動系)
1 ダンパー機構(付加振動系)
2 直流モーター(直流発電機構)
3 電気回路
4 ボールねじ機構(伝達機構)
5 ボールねじ軸
6 ボールナット
7 軸受け
A, B structure (main vibration system)
1 Damper mechanism (additional vibration system)
2 DC motor (DC power generation mechanism)
3 Electric circuit 4 Ball screw mechanism (transmission mechanism)
5 Ball screw shaft 6 Ball nut 7 Bearing

Claims (8)

相対振動する少なくとも2つの構造体からなる主振動系に対して付加振動系を設置し、主振動系の振動により付加振動系に生じる抵抗力Fを制動力として応答を制御するパッシブ型の応答制御システムであって、
前記付加振動系を、主振動系の振動によって加振されることにより電磁誘導作用によって加振速度x・(・はxの上部に付く)に比例する起電力Eを生じる直流発電機構と、該直流発電機構に付設されて該直流発電機構に流れる電流値Iを制御することによって該電流値Iに比例して生じる抵抗力Fを制御する電気回路とにより構成し、
かつ、前記電気回路をコイルとコンデンサーと抵抗器とから構成するとともに、前記コイルのインダクタンスL、前記コンデンサーのキャパシタンスC、前記抵抗器の抵抗値Rを、前記直流発電機構の特性値としての前記加振速度x・に対する前記起電力Eの比である係数K、および前記電流値Iに対する前記抵抗力Fの比である係数Kを用いてそれぞれ次式の関係により決定することにより、前記付加振動系を等価なバネ剛性kのバネ要素、慣性質量ψの慣性質量要素、減衰係数cの減衰要素を備えたダンパー機構として機能せしめることを特徴とする応答制御システム。
Figure 2009257486
Passive response control in which an additional vibration system is installed for the main vibration system composed of at least two structures that vibrate relatively, and the response is controlled using the resistance force F generated in the additional vibration system due to the vibration of the main vibration system as a braking force. A system,
A DC power generation mechanism that generates an electromotive force E proportional to an excitation speed x · (• is attached to the upper portion of x) by electromagnetic induction by exciting the additional vibration system by vibration of a main vibration system; An electric circuit that is attached to the DC power generation mechanism and controls the resistance value F generated in proportion to the current value I by controlling the current value I flowing through the DC power generation mechanism;
The electric circuit is composed of a coil, a capacitor, and a resistor, and an inductance L of the coil, a capacitance C of the capacitor, and a resistance value R of the resistor are added as characteristic values of the DC power generation mechanism. By adding the coefficient K 1 that is the ratio of the electromotive force E to the vibration velocity x · and the coefficient K 2 that is the ratio of the resistance force F to the current value I, respectively, A response control system that causes a vibration system to function as a damper mechanism having a spring element having an equivalent spring stiffness k, an inertial mass element having an inertial mass ψ, and a damping element having a damping coefficient c.
Figure 2009257486
請求項1記載の応答制御システムであって、
前記付加振動系を主振動系の固有振動数帯域における共振特性を改善するためのチューンドマスダンパーとして機能せしめるべく、前記電気回路におけるコイルとコンデンサーとを直列接続し、かつ前記付加振動系の固有振動数を主振動系の固有振動数に同調させることを特徴とする応答制御システム。
The response control system according to claim 1,
In order to make the additional vibration system function as a tuned mass damper for improving the resonance characteristics in the natural frequency band of the main vibration system, a coil and a capacitor in the electric circuit are connected in series, and the natural vibration of the additional vibration system A response control system that tunes the number to the natural frequency of the main vibration system.
請求項2記載の応答制御システムであって、
前記付加振動系を主振動系の各次の固有振動数帯域における共振特性を改善するためのチューンドマスダンパーとして機能せしめるべく、前記電気回路におけるコイルとコンデンサーとを直列接続するとともに、その直列接続回路を各次の固有振動数帯域に対応させて複数並列接続し、かつ前記付加振動系の各次の固有振動数を主振動系の各次の固有振動数に同調させることを特徴とする応答制御システム。
The response control system according to claim 2,
In order to make the additional vibration system function as a tuned mass damper for improving the resonance characteristics in the respective natural frequency bands of the main vibration system, the coil and the capacitor in the electric circuit are connected in series, and the series connection circuit thereof In response to the natural frequency band of each order, and the natural frequency of each order of the additional vibration system is tuned to the natural frequency of each order of the main vibration system. system.
請求項1記載の応答制御システムであって、
前記付加振動系を主振動系の特定の振動数帯域に対する振動遮断機構として機能せしめるべく、前記電気回路におけるコイルとコンデンサーとを並列接続し、かつ前記付加振動系と前記主振動系の共振振動数を遮断振動数に同調させることを特徴とする応答制御システム。
The response control system according to claim 1,
In order to make the additional vibration system function as a vibration cutoff mechanism for a specific frequency band of the main vibration system, a coil and a capacitor in the electric circuit are connected in parallel, and the additional vibration system and the resonance frequency of the main vibration system A response control system characterized by tuned to the cutoff frequency.
請求項4記載の応答制御システムであって、
前記付加振動系を主振動系の各次の振動数帯域に対する振動遮断機構として機能せしめるべく、前記電気回路におけるコイルとコンデンサーとを並列接続するとともに、その並列接続回路を各次の振動数帯域に対応させて複数直列接続し、かつ前記付加振動系と前記主振動系の各次の共振振動数を各次の遮断振動数に同調させることを特徴とする応答制御システム。
The response control system according to claim 4,
In order to make the additional vibration system function as a vibration isolation mechanism for each frequency band of the main vibration system, the coil and the capacitor in the electric circuit are connected in parallel, and the parallel connection circuit is set to each frequency band. A response control system, wherein a plurality of series connections are made in correspondence with each other, and each resonance frequency of the additional vibration system and the main vibration system is tuned to each cutoff frequency.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の応答制御システムであって、
前記付加振動系における前記直流発電機構として、主振動系の振動により回転軸が回転せしめられて起電力を生じる直流モーターを用いることを特徴とする応答制御システム。
The response control system according to any one of claims 1 to 5,
A response control system using a DC motor that generates an electromotive force by rotating a rotating shaft by vibration of a main vibration system as the DC power generation mechanism in the additional vibration system.
請求項6記載の応答制御システムであって、
主振動系の振動を直流発電機構としての直流モーターに対して伝達するための伝達機構としてボールねじ機構を用い、該ボールねじ機構によって主振動系の振動を回転運動に変換して前記直流モーターの回転軸を回転させ、かつ該直流モーターに生じる抵抗力を前記ボールねじ機構を介して主振動系に伝達することを特徴とする応答制御システム。
The response control system according to claim 6,
A ball screw mechanism is used as a transmission mechanism for transmitting the vibration of the main vibration system to the DC motor as the DC power generation mechanism, and the ball screw mechanism converts the vibration of the main vibration system into a rotational motion to A response control system characterized by rotating a rotating shaft and transmitting a resistance force generated in the DC motor to a main vibration system via the ball screw mechanism.
請求項7記載の応答制御システムであって、
伝達機構としてのボールねじ機構と直流発電機構としての直流モーターとの間に増速機構を設置し、該増速機構により主振動系の振動を増速して前記直流モーターに伝達し、かつ該直流モーターの抵抗力を前記増速機構により拡大して主振動系に伝達することを特徴とする応答制御システム。
The response control system according to claim 7, comprising:
A speed increasing mechanism is installed between the ball screw mechanism as the transmission mechanism and the direct current motor as the direct current power generation mechanism, and the speed increasing mechanism accelerates the vibration of the main vibration system and transmits it to the direct current motor. A response control system, wherein a resistance force of a DC motor is expanded by the speed increasing mechanism and transmitted to a main vibration system.
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