JP2010512495A - 構造物の振動制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、各々が回転軸（１２、２２）の周りに回転可能に取り付けられた２つの質量体（１０、２０）と、各質量体（１０、２０）が循環回転運動するように設定する駆動部、構造物（３０）の運動または加速度を測定する少なくとも１つのセンサ（４０）と、制御部（５０）とを有する構造物の振動制御装置に関する。上記両回転軸は同じ方向に延びており、上記質量体が連結された回転軸（１２、２２）から、各質量体の重心が間隔（ｒ_１、ｒ_２）を空けて配置されている。上記制御部は、上記測定された構造物の運動または加速度に基づいて、少なくとも一方の質量体（１０、２０）の回転運動の回転角（φ_１、φ_２）、および、一方の質量体（１０）の回転軸（１２）と他方の質量体（２０）の回転軸（２２）との間の間隔のうち、少なくとも一方の変数を制御する。

Description

発明の詳細な説明

建築構造物、陸上および水上の乗り物、航空機、宇宙船、ならびに、他の機械、装置、機器（以下、構造物と称する）は、動的作用力によって振動を起こし、操作性、耐久性、ならびに、構造的および動作的安定性を損なう可能性がある。当該振動の可能性および影響は、構造設計の一環として分析すべきである。必要に応じて、適切な手段をとることによって振動を抑止もしくは制限すべきである。取り得る手段として挙げられるのが、構造物の補強であるが、補強には、より多くの材料、より重い重量、および、より高いコストを伴う。

振動を防止する付加的な力を構造物内に導入して振動の衝撃を低減する、受動型または能動型制御システムは、実用的かつ経済的な代替手段である。いわゆる能動型メカニカルダンパの場合、これらの付加的な力は、通常、補助質量の変化または加速によって生成される。上記対象とする制御動作に関して、補助質量の変化または加速は、操作変数である。該操作変数は、上記制御システムのパラメータ、測定された構造物の運動、および、場合によっては測定された環境条件によって計算および調節されねばならない（閉ループ制御）。これらの型式の制御システムは、地震発生地帯における高層ビルに既に使用されている（Housner, G.W.; Bergmann, L.A.; Caughey, T.K.; Chassiakos, A.G.; Claus, R.O.; Masri, S.F.; Skelton, R.E.; Soong, T.T.; Spencer, B.F.; Yao, J.T.P. "Structural Control: Past, Present, and Future", Journal of Engineering Mechanics, 9 (123), 1997, 897-971を参照のこと）。

振動防止装置上には設置する必要のあるものが多数あるため、設計結果を妨げることがある。一方では、制御システムによって生成される力は、時間および空間に関してできる限り調節可能であるべきである。他方では、操作上の安全性および建設コストの低減のために、設計原理はできる限り単純にすべきである。他の基準は、極端なロバスト性を有する閉ループ制御、および、最低限のエネルギー設備を含む。

ＷＯ２００５／１１６３４０Ａ１には、支持構造の振動減衰装置が記載されている。該振動減衰装置は、軸の両端上に配置された、枢動可能に取り付けられた１対の質量体を有する。支持構造の位置、および／または運動の測定値に応じて反応する制御ユニットの仕様に従って、駆動部が、軸に対して垂直な平面上において既定角度の周りに質量体を運動させる。これによって、旋回運動は特定の角度範囲に制限される。

ＷＯ２００６／０２９８５１Ａには、振動運動を減衰するための減衰装置が記載されている。この減衰装置では、１対の質量体が、回転可能に取り付けられた梁の両端に接続されるとともに、梁の回転軸または旋回軸の両側に配置される。梁の回転運動または旋回運動は、予め定められたものである可能性、あるいは、アクチュエータによって能動的に、または、ばねおよび／または減衰素子によって受動的に影響を受ける可能性がある。上記文献において、２つの質量体の相対的配置は、梁によって既定される。

日本国特許抄録０６１４７２５８Ａには、制振装置が記載されている。この制振装置は、第２歯車の外歯に噛み合う内歯歯車を備えている。第２歯車は、外側の歯車の半分の直径であり、縁部に錘が設置されている。第２歯車は、中心に配置されたレバーの操作によって、外側の歯車の内部を回転運動するようになっている。

日本国特許抄録２０００１２０７６４Ａには、制振装置が記載されている。この制振装置は２つの対向する回転可能な円盤が、偏心配置されたより小さい円盤を備えている。より小さい円盤が、偏心的に錘を支持する。より大きい円盤に対してより小さい円盤の角度位置を調節することによって、錘と回転軸との間の間隔が調節され得る。

日本国特許抄録０２０９６０６４Ａには、高層ビルにおける振動制御装置が記載されている。この振動制御装置は、２つの質量を有しており、各質量が、アームによって装置に回転可能に取り付けられている。質量体を逆方向に回転させながら、回転アームの長さを制御するための方策がとられている。

本発明の課題は、構造物の振動制御装置を提供し、周知の装置の場合よりも調和のとれた、優れた方法で従来の要件を満たすことにある。

上記課題は、請求項１の特徴を有する構造物の振動制御装置によって解決される。好適な実施形態については、従属項が対象としている。

本発明に係る構造物の振動制御装置は、下記の構成を有する。
・２つの質量体
上記質量体の各々が回転軸の周りに回転可能に取り付けられており、両回転軸が同じ方向に延びており、上記質量体が連結された回転軸から、各質量体の重心が間隔を空けて配置されている。
・各質量体が循環回転運動するように設定する駆動部
・構造物の運動または加速度を測定する少なくとも１つのセンサ、および
・上記測定された構造物の運動または加速度に基づいて、少なくとも一方の質量体の回転運動の回転角、および、一方の質量体の回転軸と他方の質量体の回転軸との間の間隔のうち、少なくとも一方の変数を制御する制御部。

名称「二重不平衡ロータ（double unbalance rotor）」は、造語であり、本文において本発明に係る振動制御装置を表すために使用される。

各質量体は、質量体の重心と、質量体が連結された回転軸との間の間隔によって生じる不平衡状態を作り出す。両回転軸は同じ方向、すなわち、平行に延びる。両回転軸は、互いに離れて配置され得るか、または、間隔を空けずに、すなわち、合致して配置され得る。各質量体の回転方向は、初期段階においては任意である。両方の質量体が循環回転運動を行う。求心力により、各質量体が不平衡状態を作り出すことによって、その回転軸上に一時的な変動力が生じる。

振動制御装置によって引き出される、２つの回転する質量体によって生成される結果としての力は、装置構成によって決まる。特に重要なのは、２つの質量の大きさ、２つの質量体の回転速度、（同一値の速度を有する）２つの回転運動間の位相関係、および、一方の質量体の回転軸と他方の質量体の回転軸との間の間隔である。上述の影響を及ぼす変数は、基本的に固定的または変動的であり得る。請求項１に記載の適用可能な変数のうちの少なくとも１つを、本発明に従って制御することによって、結果としての力の目標とする影響が達成される。これにより、装置に接続された構造物の振動を制御、すなわち、特に抑制することができる。適切な制御によって、回転軸方向に作用するトルク（すなわち、軸方向に運動するトルク）、および、回転軸の方向に対して垂直に作用する力の両方が生成される。そのモーメントおよび力の作用における時間を通じての変化は、上述の影響を及ぼす変数によって決まり、本発明に係る装置および制御部の構成による多数の方法において予め定められている。２つの質量体の循環回転運動によって、さらに、回転速度が一定であるとき、周期力およびトルクが生成され得る。このとき、駆動部は、２つの質量体の回転運動の維持のみを行えばよい。したがって、本発明に係る振動制御装置は、特にエネルギー効率がよい。回転速度が一定ではない場合、非周期モーメントおよび力の作用が達成され得る。

本発明の好ましい実施形態において、環境状態を測定するセンサが設けられている。上記環境状態とは、風速、または、例えば地震の場合などは地動加速度であり得る。複数のセンサを使用することができ、必要に応じて、異なる環境状態を測定することができる。装置の制御を行うために当該環境状態を考慮に入れることによって、効果的な装置の使用が可能となる。例えば装置は、特定の風速を超えたときのみ動作し得る。

本発明の好ましい実施形態において、２つの質量体の回転速度は、高レベルに同一である。これによって、装置が、２つの回転する質量体間に一定の位相関係を伴って動作することができる。調和力またはモーメント作用は、２つの質量体の統合回転速度によって達成される。

本発明の他の好ましい実施形態において、２つの質量体が同一質量である。２つの質量体を適切に配置することによって、回転する質量体の両方が、特に単純な方法によって同レベルの不均一に達する。特に、適切な制御によって、一方の質量体に作用する力の個々の成分が、他方の質量体に作用する力の対応する成分によって補正され得るので、結果的に力、力の成分、および／またはトルクが生じることなく、装置の容易な操作が可能となる。

本発明の他の好ましい実施形態において、質量体が連結された回転軸と質量体との間隔は、両質量体共に同一である。ここで、質量体とそれらの各回転軸との間隔は、固定のものであり得るか、または、可変のものであり得る。同一の質量の質量体を組み合わせること、および、２つの質量体とそれらが連結された回転軸との間の間隔を同一にすることによって、各質量体が同じレベルの不均一を達成する。

本発明の他の好ましい実施形態によると、２つの質量体が連結された回転軸間の間隔は、調節可能である。２つの回転軸間の間隔を調節することによって、生成されたトルクの振幅が調節できる。ここで、トルクの調節機能は、必要であり得る、付加的に生成されたあらゆる力から独立している。

本発明の他の好ましい実施形態によると、２つの質量体の少なくとも一方が、２つの部分質量体を備えており、それら２つの部分的質量体は、回転軸の方向に互いに間隔を空けて配置されている。１つの質量体を形成する２つの部分質量体は、好ましくは同一の大きさであるとともに、常に一方向性であり得る。特に、２つの循環部分質量体間の分割されていない質量体は、共通の回転軸上に配置され得るので、この共通の回転軸に対して垂直な軸の周りに不要なモーメントが生じることはない。

本発明の他の好ましい実施形態において、２つの質量体の回転運動間の位相関係は、機械的結合によって調節され得る。これによって、２つの質量体間の位相関係の制御が簡略化される。特に、歯車機構を用いることができ、この歯車機構を用いることにより、２つの環状質量体間の位相差を予め決定できる。

本発明の他の好ましい実施形態によると、２つの質量体の回転運動は、反対方向に進む。２つの質量体が反対方向に回転する場合、調和力が作用し得る方向は、運動の軌道におけるこれらの地点によって規定され得る。これらの地点において、２つの質量体の角度位置が対応する。この方向は、２つの回転運動間の位相関係を予め定めることによって決定され得る。

本発明の他の好ましい実施形態によると、両質量体の回転軸は合致する。この場合、トルクは発生しない。したがって、１つの力の作用のみが得られる。

本発明の他の好ましい実施形態において、両質量体の回転運動は同じ方向に向かう。好ましくは、２つの回転運動間の位相角は常に１８０°である。すなわち、２つの質量体が常に互いに対向する。これによって、同時の力の作用が発生することなく、モーメントを回転軸の方向に生成することができる。

本発明の他の好ましい実施形態において、第１装置に第２装置が組み合わせられる。ここで、第１装置および第２装置の回転軸が同じ方向に延びる。したがって、４つの回転軸が平行に延びている。ここで、回転軸は互いに間隔を空けて配置され得るか、または、合致し得る。２つの装置を組み合わせる結果、回転軸方向に力およびモーメントを同時に発生させるための数多くの選択肢が提供される。個々の装置の構成によって、力およびモーメントの振動数、振幅、および、方向が、特に容易に調節され得るかどうかが決まる。これによって、個々の装置の構成が簡素化され得る、および／または、必要な制御コストが低減され得る。

本発明の他の好ましい実施形態によると、第１装置および第２装置における２つの質量体の回転速度は、数値上同一である。そして、２つの装置の力およびモーメントの作用は、常に同じ振動数を有する調和力およびモーメントをもたらす。

本発明の他の好ましい実施形態において、２つの装置は互いに間隔を空けて配置されている。好ましくは、２つの装置間の間隔は調節可能である。この間隔によって、２つの装置の両方に生成されたモーメントの振幅を調節することができる。

本発明の他の好ましい実施形態において、２つの装置における質量体の回転軸が合致する。換言すれば、２つの装置間の間隔がゼロである。したがって、４つの回転軸の全てが、同一直線上に配置されている。これによって、特に小型の構成が可能となるとともに、あらゆる所望の振幅を有する調和力、および、回転軸に対して垂直なあらゆる方向に向かう調和力を生成することが可能となる。２つの装置の個々の位相角を事前に設定しておくことによって、力の振幅および方向を特に容易に調節することができる。

本発明の他の好ましい実施形態において、それぞれ２つの装置を備えた２つの装置を、好適に組み合わせられる。

本発明の他の好ましい実施形態によると、制御部がフィードバック制御部として構成される。該制御部は、構造物の加速運動を制御するために、少なくとも１つのセンサの測定値に基づいて操作変数を決定し、制御のための制御コマンドを生成する。これは、制御コマンドが、測定値の経時変化に従って、かつ、振動を抑制または制限する制御タスクと一致して、常に調節されていることを意味する。このタイプのフィードバック制御を用いることによって、閉ループ制御が形成される。該閉ループ制御は、構造物の不要な運動または振動を特に効果的に抑制する。

本発明の他の好ましい実施形態において、複数の装置が構造物上に配置されている。これによって、特に、例えば橋などの大型の構造物に対して効果的な振動制御が達成され得る。好ましくは、個々の装置の制御または調整が統合される。しかし、装置を単独に、すなわち、互いに独立して制御または調整することも可能であり、好適であり得る。

加えて、少なくとも１つの質量体と、その質量体が連結された回転軸との間の間隔が動作中に変動可能かつ制御可能であり、さらに、制御部が測定された運動または加速度に基づいて、この間隔を制御することができるように、方策を取り得る。

本発明について、７つの図において示された実施形態を用いてさらに詳述する。
図１は、本発明に係る二重不平衡ロータの概略図である（基本原理）。
図２は、本発明の他の実施形態を示す概略図であり、質量体が反対方向に回転することを示す（変形例１ａ）。
図３は、本発明の他の実施形態を示す概略図であり、質量体が反対方向に回転するとともに、回転軸が合致することを示す（変形例１ｂ）。
図４は、本発明の他の実施形態を示す概略図であり、１つの質量体が２つの部分的質量体によって形成されることを示す（変形例１ｃ）。
図５は、本発明の他の実施形態を示す概略図であり、質量体が同じ方向に回転することを示す（変形例２ａ）。
図６は、本発明の他の実施形態を示す概略図であり、二重不平衡ロータを２つ組み合わせることを示す（変形例３）。
図７は、本発明の他の実施形態を示す概略図であり、二重不平衡ロータを２つ組み合せ、かつ、合致する回転軸を示し、４つの不平衡質量のうちの３つが、それぞれ、２つの同じ大きさの部分質量に交換されることを示す（変形例４ｃ）。

二重不平衡ロータの２つの質量体の各々は、１つの不平衡質量によって構成されている。回転軸に連結された不平衡質量体をロータと称する。二重不平衡ロータおよびその実施形態は、それらの有効性に関して説明される。そのため、基本的な機械原理および簡単な機械図の利用に制限される。技術認識の選択肢は豊富にあり、本明細書においては個々を検証しない。

二重不平衡ロータは、回転する不平衡質量１０（ｍ_１）または２０（ｍ_２）を有する、同一構成の２つのロータを備える（図１）。２つのロータの軸１２、２２は、平行に、かつ、互いに間隔を空けて配置されている。不平衡質量１０、２０は、回転速度ω_１またはω_２にて回転する。閉ループ制御の枠組み内において、回転速度ω_１およびω_２、２つの不平衡質量１０、２０の回転角間の位相関係θ、２つの回転軸間の間隔、２つの不平衡質量１０、２０の半径ｒ_１またはｒ_２、ならびに、２つの不平衡状態の大きさ、が制御変数として変化し得る。制御変数の観点からフィードバック制御によって選択または調節され得る他のパラメータは、２つのロータの回転方向である。このとき、同方向の回転、または逆方向の回転が可能である。制御変数は、構造物３０の運動の測定値に基づき計算され、さらに、必要に応じて、閉ループ制御のコンテクスト内の環境条件に基づいて計算され、サーボモータ、油圧調節装置、または、他のタイプのアクチュエータによって調節される。２つのロータ上で調節される制御変数の調節は、機械的補助装置を用いて部分的に実施され得る。特定の実施形態において、個々の制御変数は、定数として予め設定され得るか、または、設定関係であり得る。特に、２つの回転速度は、同一値であり得るので、｜ω_１｜＝｜ω_２｜＝ωが適用される。二重不平衡ロータは、構造物３０に固定される。有効性を上げるため、または、特別な効果を得るために、同一または異なる実施形態において複数の装置を用いることができる。該装置の動作は、組織的にまたは独立的に実施される。

上述の装置を単一ユニットまたは複合ユニットとして用いることによって、程度の差はあるが、調和力または非調和力が、いずれかの所望の方向、振動数、および振幅において生成され得るとともに、構造物３０の中に導入され得る。単一ユニットの装置の場合、これらの力は、回転軸１２、２２に対して垂直な平面における２つの垂直配置された力Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、および、回転軸１２、２２の方向における（すなわち、回転軸１２、２２の周りの）モーメントＭからなる。上記段落に記載された制御変数を適切に選択することによって、これら３つの力が別々または同時に生成され得る。３つの力が同時に生成されるとき、影響を受ける力の振幅またはサイズ比率は、広範囲に及んで調節され得る。振動数ω／２πの調和力が、一定の回転速度ω下で生成される。

下記において、図１に示された記号を用いる。これらの記号は、下記の意味を有する。すなわち、φ_１は、基準角度位置（図１において、２つの回転軸１２、２２を結ぶ直線に対して垂直な方向）に対する第１質量体の回転運動の回転角である。φ_２は、同様の基準角度位置に対する第２質量体の回転運動の回転角である。２つの回転角間の関係は、必要な場合、集合θによって表され、ここでは、位相角とする。ω_１およびω_２は、２つの回転運動の角速度を示す。角速度ω＝｜ω_１｜＝｜ω_２｜が同一値であり、時間に対して一定であるとき、下記の関係が適用される。すなわち、同一方向の回転に関して、φ_１＝ωｔ；φ_２＝ωｔ+θ、または、逆方向の回転に関して、φ_１＝ωｔ；φ_２＝−ωｔ+θである。同一方向に回転する場合、φ_２−φ_１＝θが適用され、このとき、また、θは通常の技術用語における位相角を表す。逆方向に回転する場合、φ_２−φ_１＝−２ωｔ+θが適用され、このとき、ここで位相角として選択されるθの意味は、通常の技術用語の持つ意味から外れる。

構造物３０に導入される力は、振動制御としての役割を果たし、そして、閉ループ制御のコンテクスト内において、決定されるべき制御変数である。制御効率を高めるためには、周期的または非周期的な非調和力の向上が望ましい。これらの制御変数は、様々な回転速度ω（ｔ）によって生成され得る。略鋸歯形状の力の数列は、一定の回転速度ωによって生成され得るものであり、該回転速度に、調和項目Δω ｓｉｎ ωｔが付加される。下記の見解は、より単純に示すために、一定の回転速度を有する動作について言及しているが、様々な回転速度を有する動作についても、常に可能であり、本発明の対象である。

図２には、上述した単一ユニットの装置が図示されている。図２の実施形態（変形例１ａ）において、不平衡質量１０、２０は、いずれも同じ大きさ（ｍ_１＝ｍ_２＝ｍ）であり、逆方向に回転する。上記運動は、数式φ_１＝ωｔ；φ_２＝−ωｔ+θによって示される（図２〜７は、図１に示された閉ループ制御素子、例えば、センサ４０およびＥＤＶ５０などを示していないが、これらの素子は存在するものとする）。不平衡質量１０、２０の２つの会合点は、ロータの角度位置が一致する不平衡質量１０、２０の２つの位置であり、直線６０（ｇ）上にある。直線６０（ｇ）は、２つの回転軸１２、２２を結ぶ直線の垂線に対し、特定の角度γ＝θ／２にある。したがって、この角度は、位相角θを介して調節可能である。このように、ｇの方向に調和力Ｆが生成され得るとともに、回転軸１２、２２の方向に調和モーメントＭが生成され得る。振動数が維持されるとき、半径ｒ_１、ｒ_２を変えることによって力の振幅が調節され得る。このとき、より単純なパラメータｒ_１＝ｒ_２が通常可能である。ｇが２つの回転軸１２、２２を結ぶ直線に対して垂直になるように、γを調節する場合（γ＝０）、そして、ｒ_１＝ｒ_２である場合、１つの調和力Ｆのみがｇ方向に発生する。したがって、２つの回転軸１２、２２間の間隔の大きさは、何の効果も有していない。そのため、可能な限り小型の構成を達成するために、この間隔はゼロにまで低減され得る。すなわち、２つの軸が合致するように配置され得る。

上記装置の作用のメカニズムは、直線６０（ｇ）の所望の方向を選択することによって拡張され得る（変形例１ｂ、図３；関数φ_１＝ωｔ；φ_１＝−ωｔ+θが適用される）。上記とともに、回転軸の周りにモーメントが同時発生することなく、上記方向に調和力が生成され得る。位相角θを予め設定することによって、力の方向を調節できる。回転軸に対して垂直な軸の周りに不要なモーメントを避けるため、回転軸１２，２２の方向に置き換えをすることなく、不平衡質量１０、２０の一方を、同じ大きさで、常に一方向に作用する２つの部分質量で表すことにより、２つの質量の重心が配列され得る。部分質量２０ａ、２０ｂは、他方の不平衡質量１０の両側（回転軸１２、２２の方向）に配置されるとともに、不平衡質量１０に対して同一の間隔で配置される（変形例１ｃ、図４；同様に、関数φ_１＝ωｔ；φ_２＝−ωｔ+θが適用される）。不平衡質量１０、２０の回転角、および、必要な場合は部分不平衡質量２０ａ、２０ｂの回転角は、例えば歯車機構などの機械結合によって好適に調節される。これは、本明細書において記載された全ての実施形態に適用される。

上記装置の他の実施形態において、図５に係る単一ユニット（変形例２ａ）では、同じ大きさの不平衡質量１０、２０が、同じ方向に同じ半径ｒにて回転する。位相シフトは、θ＝１８０°になる。すなわち、２つの不平衡質量１０、２０が常に互いに対向する。この場合の運動は、式φ_１＝ωｔ；φ_２＝−ωｔ+１８０°ので表される。これによって、調和モーメントＭが、回転軸１２、２２の方向に生成する。そのモーメントの振幅は、２つの回転軸１２、２２間の間隔を変更することによって調節され得る。または、そのモーメントの振幅は、上述のように、２つの不平衡質量１０、２０の半径ｒを同時かつ均一に変更することによって調節され得る。不平衡質量１０、２０の一方が、同じ大きさで、常に一方向に作用する２つの部分質量２０ａ、２０ｂによって示される（変形例２ｂ、図４に従ったものであるが、間隔ａが異なる）場合、そしてまた、小さい値ａ〜ａ＝０は、回転軸に対して垂直な軸の周りの不要なモーメントを処理せずに、調節され得る。このようにして、モーメントＭを、閉ループ制御の過程で一時的にのみ必要となり得る、振幅値ゼロまで下げることができる。不平衡質量の回転角は、歯車機構によって好適に調節され得る。

図６（変形例３）に係る他の実施形態においては、図２（変形例１ａ）と同タイプの装置が２つ配置されている。この２つの装置は、両装置が、個々に間隔を空けて配置されている。両装置の不平衡質量１０、２０または７０、８０は、数値上は同じ速度で回転する。２つの装置内の位相角は、それぞれ、各装置が常に１つの調和力のみを生成し、モーメントを生成しない（θ_１＝θ_２＝０）ように調節される。したがって、２つの直線６０、６２（ｇ_１、ｇ_２）および、力の方向は、互いに平行であり、連結された２つの回転軸１２、２２、または７２、８２を結ぶ直線に対して垂直である（γ_１＝γ_２＝０）。２つの装置は、ｇ_１、ｇ_２に対して垂直な或る間隔ｂを有する。このようにして、ｇ_１、ｇ_２の方向における調和力Ｆ、ならびに、回転軸１２、２２、７２、８２の方向における同じ振動数を有する調和モーメントＭが、同時に生成され得る。調和力および調和モーメントの振幅、ならびに、これら２つの力間の位相角は、不平衡質量（１０、２０または７０、８０）の半径、両装置の不平衡質量１０、２０および７０、８０の回転角間の位相角Θ、および、両装置の間隔ｂを変更することによって、調節され得る。２つの装置の半径ｒ_１、ｒ_２は互いに独立しており、通常、各装置の２つの半径は、同一に調節されている。

他の実施形態（変形例４ａ、図示せず）は、変形例３（図６）に従う二重装置に対応する。間隔ｂはゼロが選択される。このようにして、モーメントＭが発生することなく、調和力Ｆを生成できる。両装置の不平衡質量の回転角間の位相角Θを変えることによって、調和力の振幅を特に容易に調節できる。不平衡質量の半径を変えることは、調和力の振幅の調整にはもはや必要ではない。調和力Ｆは、連結された２つの回転軸を結ぶ直線に対して垂直に働く（ａ≠０の場合）。２つの軸が常に装置と合致するように配置される場合（ａ＝０）、４つの軸全てが同一直線上に配置され得る（変形例４ｂ、図示せず）。上記配置により、一方で、小型の構成が可能となり、他方で、回転軸に対して垂直な所望の方向に調和力を生成することができる。２つの装置の位相角θ_１およびθ_２を予め設定しておくことによって、調和力の方向が調節され得る。このとき、両方の装置に関して同じ位相角が調節されるべきである（θ_１＝θ_２）。上述の場合、位相角Θを変えることによって、調和力Ｆの振幅が調節され得る。回転軸１２、２２、７２、８２に対して垂直な軸の周りのモーメントの発生を避けるため、回転軸の方向に置き換えをすることなく、常に、４つの不平衡質量のうちの３つを、同じ大きさで、常に一方向に作用する２つの部分質量２０ａ、２０ｂ、７０ａ、７０ｂ、８０ａ、８０ｂとして表すことにより、全ての不平衡質量の重心が配列され得る。部分質量２０ａ、２０ｂ、７０ａ、７０ｂ、８０ａ、８０ｂは、分割されていないの不平衡質量１０（変形例４ｃ、図７に示す）の両側（回転軸の方向）に、等間隔に配置されている。

他の実施形態（変形例５、図示せず）において、変形例４ａ、４ｂまたは４ｃに従った同じタイプの２つの装置が、同様に組み合わされ、変形例１ａに由来する変形例３のように使用される。このようにして、一方で、回転軸に対して垂直な調和力、および、同じ振動数の調和モーメントＭを回転軸方向に生成できる。不平衡質量の半径を変える代わりに、調和力および調和モーメントの振幅および位相角を調節するための変形例３（図６）において必要とされるように、変形例４ａ、４ｂまたは４ｃの２つの装置の位相角Θ_１、Θ_２が変更される。

他の実施形態（変形例６、図示せず）において、上述の装置は、単一ユニットまたは複合ユニットとしてあらゆる方法にて組み合わせられるか、あるいは、異なるタイプおよび振動数の力が各時点で生成される変形例１〜５のうちの１つまたはいくつかを組み合わせられる。変形例１（１つの力のみを発生させ、モーメントを発生させないように調節される、図２に図示された変形例１ａ、または、１Ｃの変形例１ｂ）と変形例２とを組み合わせることによって、例えば、調和力および調和モーメントが互いに独立して、すなわち、様々な方法にて常に調節可能な振幅、振動数、および位相関係とともに、生成され得る。両装置は、共通の閉ループ制御に統合され得る、または、互いに独立して、個別の閉ループ制御に統合され得る。後者の単独動作の選択により、フィードバック制御タスクが単純化される。調和力を生成するための閉ループ制御は、例えば、測定変化に限定されており、調和モーメントを生成するための閉ループは、測定回転に限定される。当該実施形態は、抑制されるべき複数の振動モードが、異なる振動数にて同時に発生したとき、好適である。このとき、異なる実施形態において各振動モードのために複数の装置を組み合わせることができる。

他の実施形態（変形例７、図示せず）では、単一ユニットまたは複合ユニット、あるいは、変形例１〜６のうちの１つまたはいくつかとしての上記装置は、構造物に固定的かつ取り外し可能に接続された容器内に収容される。種々の構成、動作条件および耐性条件に適合するため、そして、他の構造物において再利用するため、容器を変更できることが好ましい。相対的に大きな不平衡質量が使用される用途（建物および構造物、水上車両）のために、２０´または４０´標準容器が、容器として設けられ得る。上記容器の結果得られるさらなる利点は、簡易かつ経済的なアセンブリ、および物流（運搬、保管）である。様々な容器を使用することができる。すなわち、様々な容器内に収容された装置の動作が調節され得る、または、独立して実施され得る。

建築構造物、陸上または水上車両、航空機、宇宙船、または、他の機械、装置、および、機器における振動を制御するために、単一または複合ユニットとして記載された装置、または、変形例１〜７のうちの１つまたは複数における上記装置を使用することができる。建築産業において想定される用途は、地震、風、または交通によって生じる振動の抑制または制限であり、したがって、構造的安定性、耐久性、および、操作性を確保するものである。一例として、航空機の動作によって誘発されることによって生じる長大橋の構造的安定性に対するリスクを含む。該航空機によって、建設中および最終状態の条件下にて発生し得る曲げねじれ振動が発生し得る。カンチレバー工法を用いて建設された、大型の張出しを有する橋は、垂直方向に生じる振動、横方向に生じる振動、またはねじれ振動を受けることがあり、該振動が構造的安定性または建設工程を損なうことがある。大型の張出しは、特に建設中の斜張橋に存在し、突風を受ける。建設産業における他の例は、地震または風によって生じ得る高層ビルおよびタワーにおける水平振動またはねじれ振動を制限することである。

上述の例において生じる並進振動は、変形例１、３または４による装置によって好適に抑制され得る。上記装置およびそれらの部品は、生成された力が並進方向に対して平行に働くとともに、並進振動を抑制するように揃えられ、そして、位相角が同じように調節される。変形例２、３または５に従った装置によって、ねじれ振動を好適に抑制することができる。装置およびその部品は、下記のように揃えられる。すなわち、生成されたモーメントがねじれ振動を抑制し、橋における回転軸が橋の長手方向に配列され、高層ビルまたはタワーにおいて、それらは垂直に配列される。そして、必要な場合は、位相角が、作用力を同時に発生させないように調節される。並進振動とねじれ振動との組み合せの場合、変形例１、３、５または６に係る装置は、単独あるいは変形例２または４との組み合せにおいて有効である。生成された力およびモーメントの振幅、振動数および位相は、測定された構造物の運動、および、場合により、測定された環境条件（例えば地震による敷地および敷地の環境における地動加速度）に基づいて、閉ループ制御のコンテクスト内で計算および調節される。最も単純な場合（純粋な並進運動またはねじれ運動のときの調和振動）、生成された力は抑制されるべき振動の速度に対して反対の位相にある。建設中の建物に関して、変形例７と組み合わせて、上述の用途を好適に実施することができる。

本発明に係る二重不平衡ロータの概略図である（基本原理）。 本発明の他の実施形態を示す概略図であり、質量体が反対方向に回転することを示す（変形例１ａ）。 本発明の他の実施形態を示す概略図であり、質量体が反対方向に回転するとともに、回転軸が合致することを示す（変形例１ｂ）。 本発明の他の実施形態を示す概略図であり、１つの質量体が２つの部分的質量体によって形成されることを示す（変形例１ｃ）。 本発明の他の実施形態を示す概略図であり、質量体が同じ方向に回転することを示す（変形例２ａ）。 本発明の他の実施形態を示す概略図であり、二重不平衡ロータを２つ組み合わせることを示す。 本発明の他の実施形態を示す概略図であり、二重不平衡ロータを２つ組み合せ、かつ、合致する回転軸を示し、４つの不平衡質量のうちの３つが、それぞれ、２つの同じ大きさの部分質量に交換されることを示す（変形例４ｃ）。

Claims (27)

1. 各々が回転軸（１２、２２）の周りに回転可能に取り付けられた２つの質量体（１０、２０）と、
   各質量体（１０、２０）が循環回転運動するように設定する駆動部と、
   構造物（３０）の運動または加速度を測定する少なくとも１つのセンサ（４０）と、
   制御部（５０）とを有しており、
   上記両回転軸が同じ方向に延びており、上記質量体が連結された回転軸（１２、２２）から、各質量体の重心が間隔（ｒ_１、ｒ_２）を空けて配置されており、
   上記制御部は、上記測定された構造物の運動または加速度に基づいて、少なくとも一方の質量体（１０、２０）の回転運動の回転角（φ_１、φ_２）、および、一方の質量体（１０）の回転軸（１２）と他方の質量体（２０）の回転軸（２２）との間の間隔のうち、少なくとも一方の変数を制御する、構造物（３０）の振動制御装置。
2. 環境条件を測定するセンサを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 上記２つの質量体（１０、２０）の回転速度（ω_１、ω_２）が、数値上同一であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 上記２つの質量体（１０、２０）が、同一質量であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 上記質量体（１０、２０）が連結された回転軸（１２、２２）と質量体との間隔（ｒ_１、ｒ_２）が、両質量体（１０、２０）共に同一であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 上記２つの質量体（１０、２０）が連結された回転軸（１２、２２）間の間隔（ａ）が、調節可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 上記２つの質量体（１０、２０）の少なくとも一方が、上記回転軸（１２、２２）の方向に、互いに間隔を空けて配置される部分質量体（２０ａ、２０ｂ）を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 上記２つの質量体（１０、２０または１０、２０ａ、２０ｂ）の回転運動間の位相関係が、機械結合によって調節可能であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 上記２つの質量体（１０、２０）の回転運動が、反対方向に進むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 両質量体（１０、２０）の回転軸（１２、２２）が、合致することを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 両質量体（１０、２０）の回転運動が、同じ方向に向かうことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
12. 上記２つの回転運動間の位相角が、常に１８０°であることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 第１装置と第２装置とが組み合わせられており、
    第１装置および第２装置が、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置であり、
    第１装置および第２装置の回転軸（１２、２２、７２、８２）が、同じ方向に延びていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 上記第１装置における２つの質量体（１０、２０）の回転速度（ω）と、上記第２装置における２つの質量体（７０、８０）の回転速度（ω）とが、数値上同一であることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 上記２つの装置間に、間隔（ｂ）を有することを特徴とする請求項１３または１４に記載の装置。
16. 上記２つの装置間の間隔（ｂ）が、調節可能であることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 上記２つの装置間の間隔（ｂ）が、ゼロになっていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の装置。
18. 両装置における質量体（１０、２０、７０、８０）の回転軸（１２、２２、７２、８２）が、合致することを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 上記４つの質量体（１０、２０、７０、８０）のうちの３つが、同じ大きさで、常に一方向に作用する２つの部分質量体（２０ａ、２０ｂ；７０ａ、７０ｂ；８０ａ、８０ｂ）を備えており、
    該部分質量体が、上記回転軸（１２、２２）の方向に配置されるとともに、分割されていない質量体（１０）から常に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の第１装置と第２装置とが組み合わせられており、
    第１装置および第２装置の回転軸（１２、２２、７２、８２）が、同じ方向に延びていることを特徴とする請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の装置。
21. 上記質量体（１０、２０、７０、８０、または、１０、２０ａ、２０ｂ、７０ａ、７０ｂ、８０ａ、８０ｂ）の回転運動間の位相関係が、機械結合によって調節可能であることを特徴とする請求項１３〜２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 上記制御部（５０）は、少なくとも１つのセンサの測定値に基づいて、上記装置の制御コマンドを生成する、フィードバック制御部として構築されることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 上記装置が、構造物に固定的かつ取り外し可能に接続された容器内に収容されることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の装置。
24. 上記装置が複数、構造物（３０）上に配置されることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１項に記載の装置。
25. 上記個別の装置の制御またはフィードバック制御が、統合されることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
26. 上記個別の装置の制御またはフィードバック制御が、互いに独立していることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
27. 上記制御部（５０）は、上記測定された運動または加速度に基づいて、上記質量体が連結された回転軸と、少なくとも１つの質量体との間隔を制御することを特徴とする請求項１〜２６のいずれか１項に記載の装置。

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