JP2012013126A - 制振装置および制振方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクティブ制御からパッシブ制御へのスムーズな切換により、対象構造物を効果的に保護する。
【解決手段】制振装置１２０は、対象構造物上を水平方向に移動自在に設けられた可動マス１５０と、可動マスを駆動するアクチュエータ１５２と、対象構造物と可動マスとの水平方向の相対変位を検出する相対変位検出部１５４と、対象構造物の振動の強さを検出する振動検出部１５６と、振動検出部で検出された振動の強さに応じて、相対変位検出部で検出される相対変位を許容される所定のストローク範囲内に抑え、かつ振動を抑制するように、アクチュエータを介して可動マスを駆動制御する駆動制御部１７０と、対象構造物の振動を受動的に抑制する緩衝機能部１６０と、振動検出部で検出された振動の強さが所定の閾値以上となると、駆動制御部の駆動制御を停止する制御切換部１７２とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、対象構造物に加わる振動を低減して対象構造物を効果的に保護する制振装置および制振方法に関する。

制振装置は、対象構造物に加わる風荷重や地震動の影響を低減し、対象構造物自体を極力振動させないように動作する装置である。また、制振装置は、エネルギーを外部から能動的に供給するアクティブ方式と、受動的なパッシブ方式とに大別される。以下では、アクティブ方式による制振制御をアクティブ制御と言い、パッシブ方式による制振制御をパッシブ制御と言う。

アクティブ制御では、例えば、対象構造物の頂部に滑動自在に設置された可動マスを、対象構造物の振動の強さに応じてアクチュエータで能動的に制御することで制振効果を得るのに対し、パッシブ制御では、同可動マスをバネ要素や減衰要素によって支持させ、可動マスが、力学的バランスによって対象構造物の振動に同調して、受動的に滑動することによって制振効果を得ている。また、アクティブ制御において、可動マスを許容ストローク範囲内で適切に駆動制御する技術も開示させている（例えば、特許文献１）。

対象構造物として例えば建築物を対象とした場合、建築物が日常受ける風揺れ等の微振動から暴風や大地震といった強振動に至る広いレンジの制振制御が望まれる。ここで、微振動から強振動まで幅広く制振効果を得るためには、パッシブ制御とアクティブ制御とを併用したハイブリッド方式の制振装置（ハイブリッド方式）を採用し、微振動に対してはアクティブ制御を実行し、強振動に対してはパッシブ制御で対応するアクティブ／パッシブの切り換え法を用いることが有効である（例えば、非特許文献１）。かかる技術では、強振動の検出に応じて制振制御方式をアクティブ制御からパッシブ制御に切り換えることで、アクティブ制御では保護できない振動に対しても対象構造物を適切に保護することができる。

特開２００７−２３９９４２号公報

渡壁守正、他６名、「塔状高層建物へ適用したアクティブ・パッシブ切換え型マスダンパの性能検証」日本建築学会技術報告集、第８号、１９９９年６月号、ｐ．６９−７２

しかし、一般に、アクティブ制御とパッシブ制御とは制振効果が大きく異なり、例えば、同じ振動の入力に対して、パッシブ制御における可動マスの変位はアクティブ制御において能動的に駆動される可動マスの変位に比べ格段に小さくなる。そのため、パッシブ制御の方が振動を打ち消す力が弱く制振効果が低い。したがって、アクティブ制御の高い制振効果によって極めて小さく抑えられていた対象構造物自体の揺れが、制振制御方式の切換後に急激かつ不連続に大きくなり、唐突な強振動に対して対象構造物内の人が慌ててしまったり、その慣性力により対象構造物内の積載物の安定性が損なわれるおそれがあった。

本発明は、このような課題に鑑み、アクティブ制御からパッシブ制御へのスムーズな切換により、対象構造物を効果的に保護することが可能な、制振装置および制振方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の制振装置は、対象構造物上を水平方向に移動自在に設けられた可動マスと、可動マスを駆動するアチュエータと、対象構造物と可動マスとの水平方向の相対変位を検出する相対変位検出部と、対象構造物の振動の強さを検出する振動検出部と、振動検出部で検出された振動の強さに応じて、相対変位検出部で検出される相対変位を許容される所定のストローク範囲内に抑え、かつ振動を抑制するように、アクチュエータを介して可動マスを駆動制御する駆動制御部と、対象構造物の振動を受動的に抑制する緩衝機能部と、振動検出部で検出された振動の強さが所定の閾値以上となると、駆動制御部の駆動制御を停止する制御切換部とを備えることを特徴とする。

所定の閾値は、駆動制御部が実行する、相対変位検出部で検出される相対変位を許容される所定のストローク範囲内に抑える制御による周波数応答のピーク値が、緩衝機能部による周波数応答のピーク値以上となる振動の強さであってもよい。

上記課題を解決するために、対象構造物上を水平方向に移動自在に設けられた可動マスと、可動マスを駆動するアクチュエータと、対象構造物と可動マスとの水平方向の相対変位を検出する相対変位検出部と、対象構造物の振動の強さを検出する振動検出部と、対象構造物の振動を受動的に抑制する緩衝機能部とを用いて、対象構造物を制振する、本発明の制振方法は、振動検出部で検出された振動の強さに応じて、相対変位検出部で検出される相対変位を許容される所定のストローク範囲内に抑え、かつ振動を抑制するように、アクチュエータを介して可動マスを駆動制御し、振動検出部で検出された振動の強さが所定の閾値以上となると、駆動制御部の駆動制御を停止することを特徴とする。

本発明によれば、アクティブ制御からパッシブ制御へのスムーズな切換により、対象構造物を効果的に保護することが可能となる。

制振システムの概略的な構成を説明するための説明図である。 アクティブ制御とパッシブ制御の一般的な動作を説明するための説明図である。 制振装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。 制振装置の外観を示す斜視図である。 駆動制御部の動作を説明するための制御ブロック図である。 アクティブ制御に可変ゲイン制御を採用した場合の等価減衰を説明するための説明図である。 可変ゲイン制御を適用した場合の制振性能の変化を説明するための説明図である。 アクティブ制御からパッシブ制御への切り換えを説明するための説明図である。 制振方法の処理の流れを示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（制振システム１００）
図１は、制振システム１００の概略的な構成を説明するための説明図である。制振システム１００は、図１に示すように、振動を制御する対象である対象構造物１１０と、対象構造物１１０に加わる風荷重や地震動の影響を低減するための制振装置１２０とを含んで構成される。

対象構造物１１０は、地面１３０に立設し、地震動に対して対象構造物１１０自体の固有振動に従って振動する。また、その側面に風荷重を受けた場合にも、対象構造物１１０は、地面１３０を固定点とする片持ち分布荷重によって撓むこととなる。制振装置１２０は、対象構造物１１０の頂部に設置され、水平方向に移動（滑動）する可動マスを用いて（マスダンパ形式）、対象構造物１１０に加わる振動を低減し、対象構造物１１０自体を極力振動させないように制御する。また、本実施形態の制振装置１２０は、アクティブ制御とパッシブ制御を併用する所謂ハイブリッド方式の制振装置である。

図２は、アクティブ制御とパッシブ制御の一般的な動作を説明するための説明図である。図２における横軸は対象構造物１１０に加わる外乱の大きさ、縦軸は対象構造物１１０の等価減衰を示している。ここで、外乱は、風荷重や地震動であり、仮に制振制御が為されていないとすると、外乱が大きいほど対象構造物１１０が揺れることとなる。等価減衰は、対象構造物１１０そのものが有する減衰性能に制振装置による制振性能を加えたものを減衰性能として表したものである。したがって、等価減衰が大きいほど、対象構造物１１０に加わる風荷重や地震動の影響を小さくすることができ、対象構造物１１０の揺れが小さくなる。

風荷重や地震動等により対象構造物１１０に外乱が加わると、その影響で対象構造物１１０自体も振動するが、制振装置は、外乱が小さな間、アクティブ制御に基づいて能動的に可動マスを水平移動して対象構造物１１０の振動を低減する。従来のアクティブ制御では、図２に示すように、外乱の大きさに拘わらず一定の等価減衰ＥＤａを得ることができるので、外乱を効果的に抑制することができ、外乱の大きさに拘わらず対象構造物１１０自体はほとんど揺れず、対象構造物１１０上にいる居住者や作業者への影響は小さかった。

しかし、外乱が大きくなると、アクティブ制御による可動マスの変位が大きくなりすぎて、可動マスが許容される所定のストローク範囲（以下、単に許容ストローク範囲と言う。）を超えてしまい、制振機能が果たせなくなる可能性があるので、外乱の大きさが図２に示す任意の切換点に達すると、アクティブ制御が切られ、パッシブ制御のみで制振制御が為される。パッシブ制御では、力学的なバランスにより可動マスが受動的に移動するだけなので、図２において両矢印で示したように、等価減衰ＥＤｐが格段に小さくなり、振動の力を相殺できなくなって対象構造物１１０が揺れてしまう。

そうすると、アクティブ制御の高い制振効果によって非常に小さく抑えられていた対象構造物１１０自体の揺れが、アクティブ制御からパッシブ制御への切換後に急激かつ不連続に大きくなり、唐突な強振動に対して対象構造物１１０内に存在する居住者や作業者が慌ててしまったり、その慣性力により絶対的な位置でほぼ静止していた対象構造物１１０内の積載物の安定性が損なわれるおそれがあった。

このような従来のハイブリット式の制振制御では、上述した切換点に外乱が到達しない範囲、即ちアクティブ制御が有効な範囲における制振性能が高く保たれることとなるが、アクティブ制御による等価減衰ＥＤａを維持しようとすると、外乱が比較的小さいうちに許容ストローク範囲の限界に達してしまうため、切換点自体を大きくとる（図２中、切換点を右側にずらす）ことができず、外乱が切換点を超え易くなり、上述した急激かつ不連続な振動が頻繁に生じ得る。

そこで、本実施形態の制振装置１２０は、アクティブ制御とパッシブ制御とを併用するハイブリッド方式において、アクティブ制御からパッシブ制御へのスムーズな切換により、対象構造物１１０を効果的に保護することを目的とする。以下、このような目的を実現可能な制振装置１２０の詳細な構成を説明する。

（制振装置１２０）
図３は、制振装置１２０の概略的な構成を示した機能ブロック図であり、図４は、制振装置１２０の外観を示す斜視図である。ここでは、説明の便宜のため、図３の如く、１軸の制振制御のみに言及してその構造を説明するが、図４の如く水平面における２軸以上の制振制御を一体的に実現する場合であっても、１軸に関する制振制御をそれぞれ独立して適用することができるのは言うまでもない。

制振装置１２０は、図３および図４に示すように、可動マス１５０と、アクチュエータ１５２と、相対変位検出部１５４と、振動検出部１５６と、機械リミッタ１５８と、緩衝機能部１６０（１６０ａ、１６０ｂ）と、中央制御部１６２とを含んで構成される。

可動マス１５０は、所要質量の錘で形成され、移動（滑動）方向に敷設されたガイドレール１８０にリニアベアリング１８２を介してガイドレール１８０上を移動自在に載置される。また、可動マス１５０の構成は、これに限らず、ガイドレール１８０を所要の曲率半径の円弧状に形成したり、可動マス１５０の底面を所要の曲率半径の円弧状またはＶ字状に形成して対象構造物１１０上に配設した２つの支持ローラ上に揺動自在に載置したり、可動マス１５０を所要の支持フレームより吊り下げる構成として、振り子のように単弦振動させたりすることでも、可動マス１５０を揺動することができる。

アクチュエータ１５２は、例えば電動モータで構成され、ボールネジ１８４を介して可動マス１５０を駆動する。また、アクチュエータ１５２として、電動モータの変わりに油圧シリンダ等、様々な動力を用いることができる。そして、アクチュエータ１５２は、中央制御部１６２の制御指令に応じ、対象構造物１１０の揺れに対して９０度の位相遅れで可動マス１５０を水平方向に駆動し、可動マス１５０の慣性力を対象構造物１１０に作用させて対象構造物１１０自体の振動を抑える。また、ボールネジ１８４のネジ軸端部には、電磁弁により可動マス１５０の水平方向の移動を制動する電磁ブレーキ１８６も設けられている。

相対変位検出部１５４は、対象構造物１１０と可動マス１５０との水平方向の相対変位（相対距離）を検出する。可動マス１５０の駆動手段として、上述したように本実施形態では、がたが生じにくいボールネジ１８４が用いられており、アクチュエータ１５２の回転量を検出するためのエンコーダをそのまま相対変位検出部１５４として利用することができる。

また、ここでは、相対変位検出部１５４として、アクチュエータ１５２の回転軸に設けられたエンコーダを利用する例を述べたが、かかる場合に限られず、対象構造物１１０と可動マス１５０とのレーザ反射時間を検出するレーザ変位計、対象構造物１１０と可動マス１５０との速度や加速度を導出するための速度計または加速度計等、対象構造物１１０と可動マス１５０との相対変位を導出可能な様々な機器を用いることができる。ここで、速度計や加速度計を用いる場合、相対変位検出部１５４は、対象構造物１１０および可動マス１５０からそれぞれの速度や加速度を個別に取得し、１回または２回積分することで互いの絶対変位を求め、その差分により相対変位を導出する。

振動検出部１５６は、可動マス１５０の移動方向に検出軸を合わせて対象構造物１１０に固定された、速度計または加速時計等で構成され、振動の強さ（対象構造物１１０の水平方向の速度や加速度、または、速度や加速度を１回または２回積分した相対変位）を検出する。また、上述した相対変位検出部１５４として速度計または加速度計が用いられる場合、その速度計または加速度計を当該振動検出部１５６として機能させることもできる。また、水平方向の絶対位置を、ＧＰＳ（Global Positioning System）を用いて導出したり、上記速度計や加速時計のオフセットを排除するための参照値としてＧＰＳの出力を利用したりすることも可能である。

機械リミッタ１５８は、例えば、油圧緩衝器等で構成され、可動マス１５０の許容ストローク範囲を超えた移動を機械的に制限する。また、中央制御部１６２では、相対変位検出部１５４から相対変位を得ているので、上記機械リミッタ１５８に加えて、または機械リミッタ１５８に代えて、後述する変位制御系の指令値を固定することで、可動マス１５０の許容ストローク範囲を超えた移動をソフト的に制限するソフトリミッタを設けることもできる。

緩衝機能部１６０は、例えば、バネ（弾性体）１６０ａ、ダンパ（ショックアブソーバ）１６０ｂ、対象構造物１１０自体の減衰構造等で構成され、特にパッシブ制御において（厳密にはアクティブ制御時においても）、対象構造物１１０の振動を受動的に抑制する。

例えば、バネ１６０ａは、対象構造物１１０と可動マス１５０とに狭装され、当該バネ１６０ａと可動マス１５０とによる新たな振動系を付加して対象構造物１１０の振動を抑制する。新たな振動系とは、対象構造物１１０と固有振動数を等しくして、なお力が働く方向が逆位相となる振動系である。したがって、バネ１６０ａは、対象構造物１１０が受ける外乱と逆位相の弾性力を対象構造物１１０に与えることができ、ひいては、対象構造物１１０の振動を抑制することができる。また、バネ１６０ａは、移動した可動マス１５０を、その弾性力により長い時定数で許容ストローク範囲の中央に戻す機能も有し、可動マス１５０が許容スロトーク範囲を超えてパッシブ制御が機能しなくなる事態を回避することも可能となる。

また、ダンパ１６０ｂは、バネ１６０ａ同様、対象構造物１１０と可動マス１５０とに狭装され、パッシブ制御において、対象構造物１１０が受ける振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動を減衰する。

中央制御部１６２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、制振装置１２０全体を管理および制御する。また、本実施形態において、中央制御部１６２は、駆動制御部１７０、制御切換部１７２としても機能する。

駆動制御部１７０は、変位指令生成部２００と、変位制御部２０２とからなり、振動検出部１５６で検出された振動の強さ（ここでは、対象構造物１１０の加速度）と相対変位検出部１５４で検出された相対変位とに応じて、対象構造物１１０の振動を抑制するように、アクチュエータ１５２を介して可動マス１５０を駆動制御する。

図５は、駆動制御部１７０の動作を説明するための制御ブロック図である。特に図５（ａ）では、変位指令生成部２００と変位制御部２０２とを含む駆動制御部１７０全体の制御ブロック図を、図５（ｂ）では、変位指令生成部２００に着目した制御ブロック図を示している。まず、変位指令生成部２００は、相対変位の指令値Ｄｃｏを生成し、変位制御部２０２は、その指令値Ｄｃｏに基づいて変位制御を行い、アクチュエータにトルク指令値Ｆｃを出力する。また、変位指令生成部２００や変位制御部２０２は、相対変位検出部１５４からフィードバックされる相対変位Ｄｒを取得する。

まず、変位指令生成部２００は、図５（ｂ）の如く、振動検出部１５６によって検出された対象構造物１１０の加速度Ａｒと、相対変位検出部１５４によって検出された相対変位Ｄｒそれぞれにおいて、対象構造物１１０の加速度を積分した速度および２回積分した変位ならびに相対変位を微分した相対速度にそれぞれ定数を乗じて加算することで、制振特性を与える相対変位の指令値Ｄｃｏを生成する。

変位制御部２０２による変位制御系では、アウターループ（変位制御ループ）において、変位指令生成部２００で生成された相対変位の指令値Ｄｃｏと相対変位検出部１５４が検出した相対変位Ｄｒ（フィードバック）との差分に比例ゲインを乗じて可動マス１５０へ指令すべき相対速度の指令値Ｖｃが生成され、さらに、インナーループ（速度制御ループ）では、その相対速度の指令値Ｖｃと相対変位検出部１５４の微分値Ｖｒ（フィードバック）との差分にＰＩＤによる適切なゲインを乗じることでアクチュエータ１５２へのトルク指令値Ｆｃ（力指令値）を生成する。アクチュエータ１５２は、かかるトルク指令値Ｆｃを受けて可動マス１５０を駆動する。

本実施形態の制御系には９０度遅れの位相制御が適用される。例えば、対象構造物１１０に振動が加わり、対象構造物１１０が固有振動数で揺れる場合には、加わる力に対して対象構造物１１０の絶対変位が理論上９０度遅れる。そこで、制御系全体として対象構造物１１０の揺れに対し９０度の位相遅れで速やかに水平移動することにより、可動マス１５０の慣性力を対象構造物１１０に作用させて対象構造物１１０自体の揺れを抑制することが可能となる。このようなアクティブ制御によって十分な制振効果を得ることができる。

また、従来の制振装置では、力学的観点から運動方程式を用いているために可動マス１５０（アクチュエータ１５２）に対する制御系が、トルク等、力の作用（力制御）によって実行されていた。本実施形態では、まず、力制御の代わりに上述した変位制御を用いることで、可動マス１５０の水平位置を把握しつつ、制振効果を得ることができるので、可動マス１５０の許容ストローク範囲を変位制御系の中で制限することが可能となる。したがって、地震等により振動が大きくなった場合においても、可動マス１５０の機械リミッタ１５８への衝突を回避しつつ、十分な制振効果を得ることができる。

ところで、本実施形態のように制振装置１２０を対象構造物１１０の頂部に設置する場合には、制振装置１２０における可動マス１５０の質量が大きいほど、また、可動マス１５０を水平方向に大きく移動させるほど、より大きな制振効果を得ることができる。したがって、十分に大きい制振性能を得るためには、設定された許容ストローク範囲内で駆動範囲を最大限確保することが重要である。

しかし、図２を用いて説明したように、外乱が大きくなると、アクティブ制御による可動マス１５０の相対変位が大きくなりすぎて、許容ストローク範囲を超えた相対変位が必要になる。そのため、従来の制振装置では、単純に、外乱が任意の切換点以上の大きさになったことをもってアクティブ制御をパッシブ制御に切り換えていた。本実施形態では、アクティブ制御からパッシブ制御に切り換わる前段階において以下に示す可変ゲイン制御を実現することで、対象構造物１１０を効果的に保護する。

図５に戻って、変位指令生成部２００における可変ゲイン制御部２０４は、可動マス１５０が許容ストローク範囲内に収まるように相対変位の指令値Ｄｃを調整する。具体的に、可変ゲイン制御部２０４は、相対変位Ｄｒを許容される所定のストローク範囲内に抑えるべく１．０以下のゲイン値ｋを適宜選定し、対象構造物１１０の加速度を積分した速度および２回積分した変位ならびに相対変位を微分した相対速度にそれぞれ定数を乗じて加算した指令値Ｄｃｏに、選定されたゲイン値ｋを乗算して（Ｄｃ＝ｋ×Ｄｃｏ）、実際の指令値Ｄｃを導出する。可変ゲイン制御部２０４は、例えば、加算された指令値Ｄｃｏの平均値やピーク値を導出または予測し、その変動に応じて適切なタイミングで適切なゲイン値を選定する。

ここでは、変位制御部２０２によって変位制御が為されていることを前提に、その変位制御の指令値の絶対値の変動に応じて、制御の強さ（ゲイン）を適応的に調節し、その指令値自体を制限することで、相対変位を許容ストローク範囲内に収めつつ、高い制振効果を得ることが可能となる。

図６は、アクティブ制御に可変ゲイン制御を採用した場合の等価減衰を説明するための説明図である。図６における横軸は対象構造物１１０に加わる外乱の大きさ、縦軸は対象構造物１１０の等価減衰を示している。風荷重や地震動により対象構造物１１０に外乱が加わると、対象構造物１１０は振動するが、上述したように、制振装置１２０によるアクティブ制御によって、能動的に可動マス１５０が水平移動され、対象構造物１１０の振動が抑制される。ここでは、さらに、可変ゲイン制御を用いているので、外乱が大きくなり所定値を超えると、所定の傾斜２１０を伴って等価減衰が低下する。したがって、制振性能自体は低下することとなる。

図７は、可変ゲイン制御を適用した場合の制振性能の変化を説明するための説明図である。図７は、対象構造物１１０の周波数応答を示し、横軸は周波数を、縦軸は対象構造物１１０の振幅を示している。上述したように可変ゲイン制御によって相対変位の指令値Ｄｃを抑制しているので、外乱が大きくなるに連れて、図６に示す所定の傾斜２１０を伴って等価減衰が低下し、制振性能が低下して、図７の周波数応答においても白抜き矢印で示すように振幅が大きくなる。即ち、制振時における対象構造物１１０自体の揺れも外乱に応じて大きくなる。

そして、アクティブ制御の許容ストロークが、パッシブ制御のそれよりも小さい場合には、可変ゲイン制御を用いたアクティブ制御を継続すると、加算された指令値Ｄｃｏも増大し続け、ゲイン値ｋが小さくなって、ついにはほぼ０となってしまい、加算された指令値Ｄｃｏの値によっては、可動マス１５０の指令値Ｄｃが０となる、即ち、対象構造物１１０に固定された（制振効果が無くなる）状態となることがある。このように可動マス１５０が固定された場合の等価減衰は、パッシブ制御の等価減衰より低いこととなるため、ある程度外乱が大きくなるとアクティブ制御を継続するより、パッシブ制御に切り換えるのが望ましいということになる。

制御切換部１７２は、振動検出部１５６で検出された振動の強さ（外乱の大きさ）が所定の閾値以上となると、アクティブ制御をパッシブ制御に切り換えるべく、駆動制御部１７０の駆動制御を停止（切断）する。かかる駆動制御部１７０の駆動制御の停止は、例えば、パッシブ制御においては負荷となってしまうボールネジ１８４を可動マス１５０から機械的に切り離すことで実行される。

図８は、アクティブ制御からパッシブ制御への切り換えを説明するための説明図である。図８（ａ）における横軸は対象構造物１１０に加わる外乱の大きさ、縦軸は対象構造物１１０の等価減衰を示している。風荷重や地震動により対象構造物１１０による外乱が大きくなると、可変ゲイン制御の作用によりアクティブ制御の等価減衰が低くなるので、制御切換部１７２は、外乱が所定の閾値に達すると、アクティブ制御をパッシブ制御に切り換える。

ここでは、可変ゲイン制御により、等価減衰が低下した位置から、パッシブ制御に切り換わるので、制御方式切換による等価減衰の差分が、図２に示した単純切換に比べ格段に小さくなり、制御方式切換前後の対象構造物１１０の揺れの差が小さくなる。対象構造物１１０上にいる居住者や作業者に着目すると、従来では、制御方式の切換点ぎりぎりまでほぼ揺れを感じず、切換点を境に、いきなり大きな揺れを感じていたところ、本実施形態の制振装置１２０では、外乱が小さい時点から次第に揺れを感じ、その切換点においても、急激かつ不連続な揺れを感じることなく、徐々に大きくなる揺れに備えることができる。こうして、居住者等における制御方式切換による違和感や恐怖感を回避できる。

図８（ａ）を用いて説明したように、アクティブ制御に可変ゲイン制御を用いることで、アクティブ制御の等価減衰がパッシブ制御の等価減衰と等しくなる等点が存在することとなる。かかる等点は、例えば、図８（ｂ）に示す周波数応答において、アクティブ制御の周波数応答における振幅のピーク値が大きくなり、パッシブ制御の周波数応答における振幅のピーク値以上となる切換点に相当する。したがって、上述した所定の閾値は、駆動制御部１７０がアクティブ制御における周波数応答のピーク値が、パッシブ制御による周波数応答のピーク値以上となる振動の強さとするのが望ましい。このような所定の閾値は、予め定めておくことができるが、対象構造物１１０の改修等によるパッシブ制御の制振性能の変動に応じて定期的に変更したり、振動のスケールに応じて変更したりすることができる。

こうすることで、制御方式の切り換えに対して等価減衰がシームレスに推移し、対象構造物１１０上にいる居住者や作業者は、急激かつ不連続な揺れを全く感じることなく、徐々に大きくなる揺れに備えることができる。また、アクティブ制御においても、外乱が大きくなるに連れて等価減衰を下げているので許容ストローク範囲に至ることはなく、図２と比較して、より大きな外乱に至るまでアクティブ制御を十分に機能させることが可能となる。こうして、微小振動から大地震までの幅広い振動を低減して、対象構造物１１０を効果的に保護することができる。

また、かかる制振方式の切換は、大地震のような場合においては、瞬時に実行するのが望ましいが、風荷重や地震動等による不規則性を考慮した場合、数秒間の平均値をとってその平均値が所定値となってはじめて実行されるとしてもよい。こうして、振動が瞬間的にのみ大きくなった場合であっても、制御切換部１７２が敏感に反応しなくなるので、制振効果の高いアクティブ制御を維持することが可能となる。

（制振方法）
次に、上述した制振装置１２０を用いた制振方法について説明する。図９は、制振方法の処理の流れを示すフローチャートである。制振装置１２０では、初期状態として、アクティブ制御が為され、駆動制御部１７０の変位指令生成部２００によって、振動検出部１５６で検出された振動の強さに応じて可動マス１５０の相対変位が許容ストローク範囲内に抑えられ、変位指令生成部２００と変位制御部２０２とによって対象構造物１１０の振動が抑制されている。

具体的に、変位指令生成部２００は、振動検出部１５６によって検出された対象構造物１１０の加速度Ａｒと、相対変位検出部１５４によって検出された相対変位Ｄｒとを取得し（Ｓ３００）、対象構造物１１０の加速度を積分した速度および２回積分した変位ならびに相対変位を微分した相対速度にそれぞれ定数を乗じて加算することで仮の相対変位の指令値Ｄｒｏを生成する（Ｓ３０２）。さらに、変位指令生成部２００は、可変ゲイン制御部２０４を通じて、相対変位Ｄｒを許容される所定のストローク範囲内に抑えるべく１．０以下のゲイン値ｋを適宜選定し、仮の指令値Ｄｃｏに、選定されたゲイン値ｋを乗算して（Ｄｃ＝ｋ×Ｄｃｏ）、実際の指令値Ｄｃを導出する（Ｓ３０４）。

変位制御部２０２は、アウターループ（変位制御ループ）において、変位指令生成部２００で生成された相対変位の指令値Ｄｃｏと相対変位検出部１５４が検出した相対変位Ｄｒ（フィードバック）との差分に比例ゲインを乗じて可動マス１５０へ指令すべき相対速度の指令値Ｖｃを生成し（Ｓ３０６）、さらに、インナーループ（速度制御ループ）では、その相対速度の指令値Ｖｃと相対変位検出部１５４の微分値Ｖｒ（フィードバック）との差分にＰＩＤによる適切なゲインを乗じることでアクチュエータ１５２へのトルク指令値Ｆｃ（力指令値）を生成する（Ｓ３０８）。アクチュエータ１５２は、かかるトルク指令Ｆｃ値を受けて可動マス１５０を駆動する（Ｓ３１０）。

そして、制御切換部１７２は、振動検出部１５６で検出された振動の強さが所定の閾値以上であるか否か判定し（Ｓ３１２）、所定の閾値未満であれば（Ｓ３１２におけるＮＯ）、また、情報取得ステップＳ３００からを繰り返し、可変ゲイン制御を伴うアクティブ制御を継続する。したがって、振動が大きくなるに連れ、図８に示したように、等価減衰が緩やかに低下し、可動マス１５０が許容ストローク範囲内で有効に機能するものの、対象構造物１１０の揺れは少しずつ大きくなる。

上記の振動判定ステップＳ３１２において、振動の強さが所定の閾値以上であると判定されると、即ち、アクティブ制御の等価減衰がパッシブ制御の等価減衰より劣ると、（Ｓ３１２におけるＹＥＳ）、制御切換部１７２は、アクティブ制御をパッシブ制御に切り換えるべく、駆動制御部１７０の駆動制御を停止する（Ｓ３１４）。

上記の制振方法によっても、アクティブ制御からパッシブ制御へのスムーズな切換により、対象構造物１１０を効果的に保護することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態において、対象構造物１１０として建築物を例に挙げて説明したが、対象構造物１１０は建築物に限らず、例えば、海洋構造物等、水平方向の振動を受け得る様々な物を対象とすることができる。建築物が地震等の影響を受けることは少ないが、例えば、海洋構造物は、水面に浮いているだけなので、波や風の影響により大きな振動を受ける機会が多い。したがって、このようなアクティブ制御とパッシブ制御の切換が実行される機会も多く、本実施形態のようなアクティブ制御からパッシブ制御へのスムーズな切換により、対象構造物１１０を効果的に保護することが可能となる。

なお、本明細書の制振方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、対象構造物に加わる振動を低減して対象構造物を効果的に保護する制振装置および制振方法に利用することができる。

１１０ …対象構造物
１２０ …制振装置
１５０ …可動マス
１５２ …アクチュエータ
１５４ …相対変位検出部
１５６ …振動検出部
１６０ …緩衝機能部
１７０ …駆動制御部
１７２ …制御切換部

Claims (3)

1. 対象構造物上を水平方向に移動自在に設けられた可動マスと、
   前記可動マスを駆動するアチュエータと、
   前記対象構造物と前記可動マスとの水平方向の相対変位を検出する相対変位検出部と、
   前記対象構造物の振動の強さを検出する振動検出部と、
   前記振動検出部で検出された振動の強さに応じて、前記相対変位検出部で検出される相対変位を許容される所定のストローク範囲内に抑え、かつ前記振動を抑制するように、前記アクチュエータを介して前記可動マスを駆動制御する駆動制御部と、
   前記対象構造物の振動を受動的に抑制する緩衝機能部と、
   前記振動検出部で検出された振動の強さが所定の閾値以上となると、前記駆動制御部の駆動制御を停止する制御切換部と、
   を備えることを特徴とする制振装置。
2. 前記所定の閾値は、前記駆動制御部が実行する、前記相対変位検出部で検出される相対変位を前記許容される所定のストローク範囲内に抑える制御による周波数応答のピーク値が、前記緩衝機能部による周波数応答のピーク値以上となる振動の強さであることを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
3. 対象構造物上を水平方向に移動自在に設けられた可動マスと、該可動マスを駆動するアクチュエータと、該対象構造物と該可動マスとの水平方向の相対変位を検出する相対変位検出部と、該対象構造物の振動の強さを検出する振動検出部と、該対象構造物の振動を受動的に抑制する緩衝機能部とを用いて、該対象構造物を制振する制振方法であって、
   前記振動検出部で検出された振動の強さに応じて、前記相対変位検出部で検出される相対変位を許容される所定のストローク範囲内に抑え、かつ前記振動を抑制するように、前記アクチュエータを介して前記可動マスを駆動制御し、
   前記振動検出部で検出された振動の強さが所定の閾値以上となると、前記駆動制御部の駆動制御を停止することを特徴とする制振方法。

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