JP2012031617A - 振動制御装置および振動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】免震技術に圧電素子を用いたアクティブ制震装置を組み込み、建造物に掛かる交通振動・環境振動などの定常的な微振動から地震動まで広範囲の振動を制御する。
【解決手段】地震による振動を抑制する免震機構を有する建造物に適用される振動制御方法であって、振動を検出するステップＳ２と、前記検出された振動の変位が予め定められた閾値を超えていないかどうかを判断するステップＳ３と、前記判断の結果、前記変位が前記閾値を超えていない場合は、前記変位に対応する電圧を印加するステップＳ８と、前記印加された電圧に応じて伸長または収縮する圧電アクチュエータの伸長または収縮による変位を前記建造物に伝達することにより前記振動による前記建造物の変位を相殺するステップＳ９と、を少なくとも含む。
【選択図】図９

Description

本発明は、地震による振動を抑制する免震機構を有する建造物に適用される振動制御装置および振動制御方法に関する。

従来から、地震によって建造物が倒壊したり損傷したりすることを防止するために、免震機構が提案されている。例えば、特許文献１に開示されている免震構造は、所望の免震性を達成しつつ、地震以外の外力による建物の揺れを効果的に抑えることを目的として構成されている。すなわち、特許文献１記載の免震構造は、球状の支承体、その支承体を収納する収納部材、その収納部材の空間Ｖに充填された例えばチキソトロピ性を有する免震防錆油から構成されている。そして、収納部材が、下部部材内面と、上部部材内面とに支承体を当接させ、かつ密封状態で収納する。

また、特許文献２に開示されている風揺れ阻止機能付き転がり免震支承装置は、強風による免震建物の風揺れ阻止を、省スペースで実現することを目的として構成されている。すなわち、この風揺れ阻止機能付き転がり免震支承装置は、球体、上部構造部の側に備えられ球体を回転自在に保持する球体保持機構部、基礎に備えられ球体を転動自在に受ける球面状凹の受け皿から構成されている。そして、球体保持機構部に、受け皿の受け面から離間することで球体による転がり支承状態を形成する一方、受け皿の受け面に当接して風揺れ阻止状態を形成する風揺れ阻止機構部が備えられている。

また、特許文献３には、免震装置を備え、圧電素子を利用して発電を行なう構造物が開示されている。すなわち、特許文献３に開示されている建造物は、免震装置または制震装置、免震装置または制震装置に装着される発電装置から構成されている。この発電装置は、複数個の圧電素子と、各圧電素子を吊り下げる吊り下げ部とから構成される。そして、免震装置または制震装置の変形に伴って、吊り下げ部に吊り下げられた複数の圧電素子同士を互いに衝突させて発電を行なう。

特開２００５−２６４４７０号公報 特開２００６−１０４６８４号公報 特開２００８−２５９３５４号公報

近時、例えば、２０１０年にチリ・トルコで発生した地震による大きな被害を契機として、地震被害に対する危機感が高まっている。一方、鉄道・車両通行などの交通振動、工場など継続的な機械振動、風圧などの環境振動の微振動も振幅は極小であるが定常的に発生するため居室における不快な要素であり、対策が求められている。現行の建築基準法における耐震設計法の考え方は、中小地震のレベルでは損傷限界（使用継続）、大地震は安全限界（倒壊しない）というリスク担保に基づいている。品確法（住宅の品質確保の促進等に関する法律。住宅品質確保促進法ともいう。）の性能表示項目でも同様に、最低基準である基準法の規定に係数を掛けて等級を示す構造安定性である。ところが、居室に求められる快適性については言明されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、免震技術に圧電素子を用いたアクティブ制震装置を組み込み、建造物に掛かる交通振動・環境振動などの定常的な微振動から地震動まで広範囲の振動を制御することができる振動制御装置および振動制御方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の振動制御装置は、地震による振動を抑制する免震機構を有する建造物に適用される振動制御装置であって、振動を検出する振動センサと、前記検出された振動の変位が予め定められた閾値を超えていないかどうかを判断し、前記変位が前記閾値を超えていない場合は、前記変位に対応する電圧を印加する制御部と、前記印加された電圧に応じて伸長または収縮する圧電アクチュエータと、を備え、前記圧電アクチュエータの伸長または収縮による変位を前記建造物に伝達し、前記振動による前記建造物の変位を相殺することを特徴とする。

このように、振動の変位が閾値を超えていない場合は、制御部が変位に対応する電圧を出力して圧電アクチュエータに印加し、圧電アクチュエータが、印加された電圧に応じて伸長または収縮し、その圧電アクチュエータの伸長または収縮による変位を建造物に伝達して、振動による建造物の変位を相殺するので、鉄道・車両通行などの交通振動、工場など継続的な機械振動、風圧などの環境振動の微振動を抑制することが可能となる。また、圧電アクチュエータを用いるため、機械式アクチュエータ、エアアクチュエータ油圧アクチュエータ、磁力アクチュエータ等と比較して、即応性を高めることが可能となる。

（２）また、本発明の振動制御装置において、前記制御部は、前記変位が前記閾値を超えた場合は電圧を印加しないことを特徴とする。

このように、振動の変位が閾値を超えた場合は電圧を印加しないので、地震動のように変位の大きな振動を受けたときには、圧電アクチュエータに過度な負担がかかることを防止すると共に、免震機構によって地震動を抑制することが可能となる。

（３）また、本発明の振動制御装置において、前記圧電アクチュエータにかかる引張応力または剪断応力を吸収するサスペンション機構を備えることを特徴とする。

このように、圧電アクチュエータにかかる引張応力または剪断応力を吸収するサスペンション機構を備えるので、圧電アクチュエータが破損することを回避すると共に、適切に駆動させることが可能となる。

（４）また、本発明の振動制御方法は、地震による振動を抑制する免震機構を有する建造物に適用される振動制御方法であって、振動を検出するステップと、前記検出された振動の変位が予め定められた閾値を超えていないかどうかを判断するステップと、前記判断の結果、前記変位が前記閾値を超えていない場合は、前記変位に対応する電圧を印加するステップと、前記印加された電圧に応じて伸長または収縮する圧電アクチュエータの伸長または収縮による変位を前記建造物に伝達するステップと、前記振動による前記建造物の変位を相殺するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする。

このように、振動の変位が閾値を超えていない場合は、変位に対応する電圧を印加して圧電アクチュエータに印加し、圧電アクチュエータが、印加された電圧に応じて伸長または収縮し、その圧電アクチュエータの伸長または収縮による変位を建造物に伝達して、振動による建造物の変位を相殺するので、鉄道・車両通行などの交通振動、工場など継続的な機械振動、風圧などの環境振動などの微振動を抑制することが可能となる。また、圧電アクチュエータを用いるため、即応性を高めることが可能となる。

（５）また、本発明の振動制御方法において、前記判断の結果、前記変位が前記閾値を超えた場合は電圧を印加せず、前記免震機構によって振動を抑制することを特徴とする。

このように、振動の変位が閾値を超えた場合は電圧を印加しないので、地震動のように変位の大きな振動を受けたときには、圧電アクチュエータに過度な負担がかかることを防止すると共に、免震機構によって地震動を抑制することが可能となる。

本発明によれば、振動の変位が閾値を超えていない場合は、変位に対応する電圧を印加し、圧電アクチュエータが、印加された電圧に応じて伸長または収縮し、その圧電アクチュエータの伸長または収縮による変位を建造物に伝達して、振動による建造物の変位を相殺するので、鉄道・車両通行などの交通振動、工場など継続的な機械振動、風圧などの環境振動の微振動を抑制することが可能となる。また、圧電アクチュエータを用いるため、即応性を高めることが可能となる。

本実施形態の概念を示す図である。 本実施形態に係る振動制御装置を備える建造物の概略を示す図である。 振動制御装置としての風揺れ固定装置の模式図である。 振動制御装置としての転がり支承の模式図である。 圧電アクチュエータとしての圧電素子の形状を示す図である。 圧電素子の基本構造を示す図である。 圧電アクチュエータを制御するための構成を示す図である。 圧電アクチュエータの制御フローを模式的に示す図である。 圧電アクチュエータの制御フローを模式的に示す図である。 圧電アクチュエータの制御フローを模式的に示す図である。 本実施形態に係る振動制御装置の動作を示すフローチャートである。

本発明の実施形態は、建造物にかかる振動において、鉄道・車両通行などの交通振動、工場など継続的な機械振動、風圧などの環境振動を含む微振動と、地震動とを選択的に制御する。微振動については、圧電アクチュエータを用い、建造物に入力された振動エネルギーを、電気エネルギーに変換し、電力を放出もしくは蓄電し、エネルギー変換することで振動を低減する。一方、地震動については、免震機構の振動制御装置を用いる。このように、本実施形態に係る振動制御装置は、異なった２種類の機構を組み合わせて構成されている。なお、本発明において、地震動の制御は、免震装置のスペックによるが、どの規模まで制御可能であるかについては、特に限定されない。また、免震装置は、p波、s波のような実体波には効くが、減衰しにくい長周期の表面波の場合は増幅させる（スロッシング）可能性があるため、本発明では、中低層までの建造物を想定している。

圧電材料については、その結晶構造から印加時の積層素子の変位は長さ方向に一方向となる。かかる力の方向を水平垂直各方向に分解して振動制御する免震システムの各装置へ組み込むことによって、圧電アクチュエータによる水平垂直の微振動制御も実現した。なお、曲げにかかる力は、免震装置の転がり支承で受け伝達しないこととする。圧電アクチュエータを構成する圧電材料は、振動により材料に歪みが生じると、圧電効果により生じた電圧が負性容量回路に入力し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することで変位量を制御する。

また、圧電材料は、振動により、材料に歪みが生じると、圧電効果により生じた電圧が負性容量回路に入力される。そして、加速度を制御し、モータ、ダンパ、マスフロコントローラ等を利用することで振動を制御する。この圧電材料は、圧電素子と銅版で積層され、圧電素子は負性容量回路に接続される。さらに、圧電材料は、大型積層素子もしくは小型積層アクチュエータ素子が連結されたものであってもよい。負性容量回路は、圧電材料の伸縮変形を電気的に増減することが可能である。

さらに、本実施形態に係る振動制御装置は、発生した電気エネルギーを蓄える蓄電装置を備えても良い。また、本実施形態に係る振動制御装置の動力は、微振動により蓄電された電力を使用するほか、電池を搭載しないＲＦＩＤ（「パッシブ型」）を用いて電波のエネルギーを利用することによって、無電源で履歴を追う事も可能である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の概念を示す図である。建造物１は、地震による振動を抑制する免震機構２を有する。この免震機構２により、地震動のような大きな振動が建造物に伝達しても、建造物が倒壊したり損傷したりすることを防ぐことができる。また、建造物１は、振動制御装置３を備えている。振動制御装置３は、鉄道・車両通行などの交通振動、工場など継続的な機械振動、風圧などの環境振動を含む微振動を抑制する機能を果たす。

図２は、本実施形態に係る振動制御装置を備える建造物の概略を示す図である。建造物１は、基礎部１ａの上に建造されており、振動制御装置３ａおよび３ｂを備えている。振動制御装置３ａは、圧電アクチュエータが組み込まれた風揺れ固定装置として機能する。また、振動制御装置３ｂは、圧電アクチュエータが組み込まれた転がり支承として機能する。すなわち、建造物１としての免震住宅の風揺れ固定装置と転がり支承を利用し、転がり支承には鉛直方向に変位する圧電アクチュエータ、風揺れ固定装置には水平方向に変位する圧電アクチュエータが組み込まれている。

なお、図２中、Ｘ−Ｘ’同一線上にある一方が引張荷重を受ける場合は、圧電アクチュエータに印加される電気信号を遮断し、もう一方の圧縮に依存させる。これにより、圧縮に比較して引張に弱い圧電アクチュエータが破損しないようにしている。

図３は、振動制御装置としての風揺れ固定装置の模式図である。振動制御装置３ａとしての風揺れ固定装置３ｃは、圧電アクチュエータ３ｄ、サスペンション３ｅを備えている。そしてサスペンション３ｅは、建造物架台１ｂに接続されている。また、振動センサが圧電アクチュエータ３ｄの近傍に設けられている。

図４は、振動制御装置としての転がり支承の模式図である。振動制御装置３ｂとしての転がり支承３ｆは、サスペンション３ｇを介して構造物架台１ｃを支持している。そして、圧電アクチュエータ３ｈがサスペンション３ｇと並行に構造物架台１ｃを支持している。また、振動センサが圧電アクチュエータ３ｈの近傍に設けられている。

図５は、圧電アクチュエータとしての圧電素子の形状を示す図であり、図６は、圧電素子の基本構造を示す図である。本実施形態に係る圧電素子は、図５に示すように、縦が５ｃｍ、横が５ｃｍ、高さが１０ｃｍである。断面積は２５ｃｍ^２となり、１層当たりの厚さは１ｍｍである。従って、この圧電素子は、１００層である。

図７は、圧電アクチュエータを制御するための構成を示す図である。振動センサが検出した変位に基づいて、位置指示値が制御部としてのコントローラ１００に入力される。コントローラ１００では、ＰＩＤ制御を行なうＰＩＤ制御部１０１、ディジタル／アナログ変換を行なうＤ／Ａ変換部１０２、圧電アクチュエータを駆動するアンプ１０３を介して、圧電アクチュエータ１０４を駆動する。圧電アクチュエータ１０４による変位を、静電容量センサ１０５で検出し、アナログ／ディジタル変換を行なうＡ／Ｄ変換部１０６を介して、フィードバックさせる。

図８Ａ〜図８Ｃは、圧電アクチュエータの制御フローを模式的に示す図である。図８Ａは、フィードバック制御を行なう場合のフローを示し、図８Ｂは、フォワード制御を行なう場合のフローを示し、図８Ｃは、フォワードフィードバック制御を行なう場合のフローを示している。いずれも、従来から知られている制御手法であり、本実施形態は、これらを使い分けて制御を行なう。

図９は、本実施形態に係る振動制御装置の動作を示すフローチャートである。まず、振動による入力信号が入力されると（ステップＳ１）、コントローラ１００は、加速度・変位を測定し（ステップＳ２）、最大振幅が、所定のμｍ以下であるかどうかを判断する（ステップＳ３）。最大振幅が、所定のμｍ以下でない場合は、電圧の印加を行なわず（ステップＳ４）、ステップＳ１に遷移する。すなわち、最大振幅が、所定のμｍ以下でないということは、地震動のような大きい変位が発生した場合である。このような場合は、電気信号を遮断し、圧電アクチュエータへ過大な負担がかからないようにする。具体的に、制御許容条件は、鉛直方向においては、最大振動振幅１００μｍ、積載重量７５０ｋｇ／箇所までとする。水平方向においては、最大振動振幅１００μｍ、最大振幅加速度７３．５ｃｍ／ｓ^２（標準的な戸建住宅の重量を１０ｔとした場合）までとする。

一方、ステップＳ３において、最大振幅が所定のμｍ以下である場合は、その振幅を測定し（ステップＳ５）、変位に応じた電圧を測定する（ステップＳ６）。そして、温度補正を行なって（ステップＳ）、圧電アクチュエータに対して電圧を印加する（ステップＳ８）。ここで、圧電アクチュエータに組み込まれたコントローラ１００は、図８Ａ〜図８ＣのいずれかのフローによりＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を行ない、ディジタル信号をアナログ信号に変換し、圧電アクチュエータ１０４を駆動するのに必要な電圧をアンプ１０３より出力し、圧電アクチュエータ１０４へ印加する。圧電アクチュエータ１０４が伸縮することで、水平垂直各方向にマイナス変位を与える。
そして、印加された電圧に応じて圧電アクチュエータが変位し、これにより、微振動が相殺される。

これにより、振動による変位を低減することとなる。１．５ｋＶ印加時の圧電アクチュエータの性能は、例えば、製造実現性を考慮した断面積２５ｃｍ^２×素子長の１００ｍｍ（１ｍｍ／層×１００層）の素子で、最大変位量１００μｍ、最大発生力７３．５ｋＮとする。

また、圧電アクチュエータ１０４にとって、しばしば弱点となるせん断力については、サスペンションにて補完する。また、引張荷重も同様であり、図２においてＸ−Ｘ’同一線上にある一方が引張荷重を受ける場合は電気信号を遮断し、もう一方の圧縮に依存させる。

１ 建造物
１ａ 基礎部
１ｂ 建造物架台
１ｃ 構造物架台
２ 免震機構
３ 振動制御装置
３ｃ 風揺れ固定装置
３ｄ 圧電アクチュエータ
３ｅ サスペンション
３ｆ 転がり支承
３ｇ サスペンション
３ｈ 圧電アクチュエータ
１００ コントローラ
１０１ ＰＩＤ制御部
１０２ Ｄ／Ａ変換部
１０３ アンプ
１０４ 圧電アクチュエータ
１０５ 静電容量センサ
１０６ Ａ／Ｄ変換部

Claims (5)

1. 地震による振動を抑制する免震機構を有する建造物に適用される振動制御装置であって、
   振動を検出する振動センサと、
   前記検出された振動の変位が予め定められた閾値を超えていないかどうかを判断し、前記変位が前記閾値を超えていない場合は、前記変位に対応する電圧を印加する制御部と、
   前記印加された電圧に応じて伸長または収縮する圧電アクチュエータと、を備え、
   前記圧電アクチュエータの伸長または収縮による変位を前記建造物に伝達し、前記振動による前記建造物の変位を相殺することを特徴とする振動制御装置。
2. 前記制御部は、前記変位が前記閾値を超えた場合は電圧を印加しないことを特徴とする請求項１記載の振動制御装置。
3. 前記圧電アクチュエータにかかる引張応力または剪断応力を吸収するサスペンション機構を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の振動制御装置。
4. 地震による振動を抑制する免震機構を有する建造物に適用される振動制御方法であって、
   振動を検出するステップと、
   前記検出された振動の変位が予め定められた閾値を超えていないかどうかを判断するステップと、
   前記判断の結果、前記変位が前記閾値を超えていない場合は、前記変位に対応する電圧を印加するステップと、
   前記印加された電圧に応じて伸長または収縮する圧電アクチュエータの伸長または収縮による変位を前記建造物に伝達するステップと、
   前記振動による前記建造物の変位を相殺するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする振動制御方法。
5. 前記判断の結果、前記変位が前記閾値を超えた場合は電圧を印加せず、前記免震機構によって振動を抑制することを特徴とする請求項４記載の振動制御方法。
   
   

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