JP2014126177A - 減衰装置、及び構造物の制振装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1のシリンダー10に進退動できるスリーブ40が配置され、スリーブ40にはボールナット42が取り付けられている。スリーブ40の進退動はボールねじ43で回転運動に変換され第2のシリンダー20内のフライホイール50、及び発電機回転軸33を回転させる。フライホイール50と第2のシリンダー20の内面と間に密閉領域46が形成され、磁気粘性流体49が封入されている。第2のシリンダー20の内周にはフライホイール50を磁気回路の一部として密閉領域46を横切る磁場Mを形成する磁場形成手段60が配置されており、発電機32が発電した電力を磁場形成手段60に供給する。
【選択図】図1
Description
特許文献1及び特許文献2には、ボールねじとボールナットとを使用して直線運動を回転運動に変換して、ケース内に配置したフライホイールを回転させるとともに、このフライホイールとケースとの間に例えば合成ゴム等の粘性体を配置したものが記載されている(段落0060、図6参照)。
このような制振装置によれば、ボールねじとボールナットとの組合せによって、微少な並進運動を増幅してフライホイールを高速で回転させて、このフライホイールの慣性モーメントと、フライホイールとケースとの間の粘性抵抗とを制振に利用することができる。
建造物が地震等によって振動した場合、ピストン214がシリンダー内を軸方向へ移動することにより磁気粘性流体211を付勢し、磁気粘性流体がバイパス管215内を流動する。この際、磁気粘性流体211の磁性体粒子が磁界形成手段216の磁界を受けて鎖状につながることにより磁気粘性流体211の流れに抵抗を生じさせて、前記振動を減衰させる。
このような制振装置210によれば、磁界形成手段である電磁石への電流を制御することにより、磁気粘性流体211による減衰特性を調整し、制振装置210の制振特性を変化させることができる。
また、特許文献3に記載の制振装置は、磁界形成手段である電磁石に電力を供給するための外部電源が必要である。しかし、災害や事故などにより外部電源を喪失した場合には磁界を形成することができないため、磁気粘性流体による振動の減衰を早める効果が著しく低下するという問題がある。
このとき、発電機が発電した電力を磁場形成手段の電磁石に供給することにより、磁場の大きさ、即ち磁気粘性流体による抵抗を調整できる。また、磁場は強磁性体であるフライホイールを磁気回路の一部として形成され、密閉領域を横切る。このため、密閉領域中の磁性粘性流体の磁性流体は、フライホイールと第2のシリンダーとの間で鎖状に連結し、この鎖状の磁性流体がフライホイールの回転によるせん断を受けフライホイールに粘性抵抗力を与える。
請求項4の発明は、前記磁場形成手段が、永久磁石を備えて構成されることを特徴とする。本発明によれば、電磁石に加える電流を制御することにより、磁気粘性流体の粘性を調整することができ、これによりフライホイールに加わる抵抗力の大きさを制御でき、減衰装置の減衰特性を、振動特性及び制振対象に最適なものとできるとともに、永久磁石で磁気粘性流体の磁性体粒子を常時鎖状としてその沈殿を防止することができる。
請求項6の発明は、前記密閉領域における前記第2のシリンダーの内壁と、前記フライホイールの外周面との間の寸法が、当該減衰装置の使用時における定常振動に起因するフライホイールの回転によって、封入された磁気粘性流体を沈殿させない程度に攪拌するのに適した寸法であることを特徴とする。本発明によれば、減衰装置を構造物に配置したとき、常時は構造物の定常振動によるフライホイールの回転で磁気粘性流体が沈殿せず、突然の加振に対しても減衰装置は所定の性能を発揮することができる。
請求項8の発明は、前記発電機が発電した電力を蓄電する蓄電池を備えたことを特徴とする。本発明によれば、磁場形成手段の磁力を調整するための電力を蓄電池からも供給するので、発電機の発電容量に関わらず迅速に振動を減衰できる。
請求項11の発明は、前記加速度計が、前記減衰装置に対応して配置され、前記制御手段が、前記各減衰装置の磁場形成手段を対応する加速度計の検出値に基づいて制御することを特徴とする。本発明によれば、制御装置は、各減衰装置に対応した加速度計の検出値に基づいて最適な制御を行うことができ、構造物の振動を効果的に減衰させることができる。
請求項13の発明は、前記制御手段が、定期的に前記減衰装置の磁場形成手段を駆動して前記密閉領域に磁場を形成させることを特徴とする。本発明によれば、制御手段が磁気粘性流体の定期的に磁場形成手段を駆動するので、磁気粘性流体の磁性体粒子を鎖状としてその沈殿を防止することができる。
また、本発明に係る構造物の制振装置によれば、構造物に配置した減衰装置の減衰特性を当該構造物の特性や加振特性に応じてリアルタイムで調整することができ、構造物及び加振特性に適した制振を効果的に行うことができる。
減衰装置1は、第1のシリンダー10、第2のシリンダー20、及び第3のシリンダー30から構成されるケーシング35と、第1のシリンダー10内に配置されるスリーブ40と、第2のシリンダー20内に配置されるフライホイール50と、第2のシリンダー20内に配置される磁場形成手段60と、第3のシリンダー30内に配置される発電機32と、を概略備える。
第1のシリンダー10の軸方向貫通穴13内には、先端開口部11側から先端部を突出させた中空のスリーブ40が軸方向へ進退自在に配置される。スリーブ40は、第1のシリンダー10の軸方向貫通穴13内に回転不能かつ軸方向へ進退自在に支持されている。即ち、スリーブ40は、第1のシリンダー10内に配置されたブッシュ14により外周面を支持されることにより、第1のシリンダー10内を軸方向に進退動可能に支持されるとともに、キー15によって回転ができないように支持される。
ボールねじ43の他端部には、ボールねじ43と同軸に回転軸部材44が連結されている。回転軸部材44は、第2のシリンダー20内部に延長して設けられ、第2のシリンダー20の端部フランジ26(第1のシリンダーとの境界部)の内周に配置されたベアリング24によって回転可能に軸支される。
回転軸部材44には、フライホイール50の軸心部が固定されている。これにより、フライホイール50は、ボールねじ43の回転に伴って一体的に第2のシリンダー20内で回転する。フライホイール50は、鋼鉄などの強磁性体で構成されており、両端に端部小径部51、52を形成した円柱形状部材である。減衰装置1では、フライホイール50の慣性モーメントによりユニバーサルジョイント23と取付部材41との間に負荷される振動の減衰を行う。なお、図1中符号27は、フライホイール組み付け用のナットを示している。
また、第2のシリンダー20の内壁には、磁場形成手段60が配置される。磁場形成手段60は、第2のシリンダー20及びフライホイール50を磁気回路の一部として密閉領域46を横切る磁場Mを形成する電磁石である。減衰装置1では、この磁場Mにより密閉領域46内の磁気粘性流体49がフライホイール50に磁気粘性流体49のせん断による抵抗を付与するようにしている。
発電機32は、発電機回転軸33と一体に回転する複数の永久磁石を有する回転子(界磁)と、回転子の外周に非接触に設けられた複数のコイルを有し、回転子に対して同心状に配置された固定子(電機子)とを備える。
発電機32は、発電機回転軸33と一体に回転し、回転子に設けられた複数の永久磁石が回転することで、回転磁場を形成し、回転子の外周に非接触に設けられた複数のコイルを通過する磁束が回転子の回転に応じて変化するので、交流電力が発生する。
図示する発電機32は直流発電機(DCモータ)であり、発電した交流電力をダイオードブリッジによって全波整流し、コンデンサを用いて平滑化を行った直流電力を出力する。この直流電力は、磁場形成手段60に供給される。即ち、後述する磁場形成手段60のコイル61(図3参照)の一端に発電機32のプラス端子が接続され、他端に発電機32のグランド端子が接続される。
なお発電機32は、電機子を回転子とし、界磁を固定子としたものでもよい。
磁場形成手段60において、各コイル61は、各コイル61への通電時に隣接する磁場Mの向きが互いに一致するよう構成されるとともに、第2のシリンダー20及び磁場形成手段60を磁気回路の一部として磁力線が通過する。このため、磁場形成手段60で密閉領域46を横切る磁場Mを形成するに際して構成部材の点数を減じることができる。また磁力線は、密閉領域46以外は強磁性体から成る部材内を通るように構成されるので、密閉領域46を横切る磁場Mを高い効率で形成することができ、少ない電力消費量で強力な磁場を形成することができる。更に、この例では、第2のシリンダー20の内周面,即ち磁場形成手段60とフライホイール50の外周面とを接近して配置しているので、磁場Mをより効率的に密閉領域46内に形成できる。また、磁気粘性流体49による抵抗は、磁気粘性流体の層の厚さが小さいほど大きくなるので、フライホイール50により大きな抵抗を与えることができる。
従って、減衰装置1に加えられる振動は、フライホイール50の慣性モーメントと、フライホイール50の回転に対する磁気粘性流体の抵抗により効果的に減衰される。フライホイール50の磁気粘性流体による抵抗は、磁場形成手段60のコイル61に印加される電流の変化に応じて変化する。本実施形態では、減衰装置1に加えられる振動が大きいほど発電機32が発電する電力が大きくなり、コイル61に印加される電流が大きくなるので、振動の大きさに応じた減衰力を得ることができる。
なお、発電機32が発電する電力量の増大に伴うコイル61の焼損を防止するために、発電機32とコイル61との間に過電流保護装置としての定電流回路を配置してもよい。
また、磁場形成手段60のコイル61に供給する電流の大きさは、発電機32の発電容量(発電能力)によっても変えることができる。従って、発電機32の発電容量に基づいて、磁気粘性流体49に作用する磁場の強さを変化させ、フライホイール50が受けるせん断流れの抵抗力を任意に設定して減衰力を調整することができる。
さらに、大きな減衰力を得るためにコイル61の数を増やした場合も、それに応じた発電容量の発電機32を選定する必要がある。磁場の形成に必要な電力と発電機32の発電容量との関係については、使用条件によって異なるので、実験などにより求める。
本実施形態に係る減衰装置71は、第1の実施形態に係る減衰装置1におけるボールナット42とボールねじ43の位置を逆にしたものである。そして、ボールナット42、ボールねじ43の位置の変化に伴う取付部材の形状等を第1の実施形態例と変更している他は第1の実施形態例と同じ構造を備える。
即ち、減衰装置71は、第1のシリンダー10と第2のシリンダー20と第3のシリンダー30とからなるケーシング35を備え、第1のシリンダー10内にスリーブ40を軸方向へ進退自在に配置している。また、スリーブ40の第2のシリンダー20側にはボールねじ43の一端部をスリーブ40と同軸に固定し、ボールねじ43の雄螺子部をボールナット42の雌螺子部内に螺合し、更にボールナット42を第2のシリンダー20内に配置されたフライホイール50の中心部に同軸状に固定している。また、第3のシリンダー30内に発電機32を配置し、発電機回転軸33をフライホイール50の中心部に同軸状に連結している。
第2のシリンダー20内周には、磁場形成手段60を配置するとともに、密閉領域46内には磁気粘性流体49を封入している。磁場形成手段60の各コイルには、発電機32が発電した電力を供給する。
第2の実施形態に係る減衰装置71は、ボールナット42とボールねじ43の位置を交換しただけであるので、第1の実施形態に係る減衰装置1と同じ作用及び効果を有する。
制御手段82は、発電機32が発電する電力量に基づいて、減衰装置81の磁場形成手段60に印加する電流を調整して減衰状態を制御する。例えば、発電機32による発電量が所定のしきい値以上の場合には、発電量に応じた電力を磁場形成手段60に供給し、発電量が所定のしきい値未満の場合には磁場形成手段60に電力を供給しない構成とすることができる。
このように制御手段82が、磁場形成手段60のコイルに印加する電流を変更することによってフライホイール50の磁気粘性流体による抵抗を調整できるので、減衰装置1の減衰特性を所望のものに設定できる。
制御手段82は、図7に示すように、発電機32が発電する電圧値に応じてON/OFFするコンパレータと、コンパレータがONしたときにONし、コンパレータがOFFしたときにOFFする第1スイッチ素子84及び第2スイッチ素子85と、を備える。なお、符号86、87は、逆流防止用のダイオードである。第1スイッチ素子84は、発電機32からの電力をコイル61に供給するか否かを決定するスイッチであり、第2スイッチ素子85は、蓄電池92からの電力をコイル61に供給するか否かを決定するスイッチである。
制御手段82は、発電機32が発電した電力が所定のしきい値未満の場合にはコンパレータ83がOFFしているので、第1スイッチ素子84及び第2スイッチ素子85がOFF状態となり、発電機32が発電した全ての電力がダイオード87を介して蓄電池92に供給される。また、発電機32が発電した電力が所定のしきい値以上の場合にはコンパレータ83がONするので、第1スイッチ素子84がONし、発電機32が発電した電力を磁場形成手段60のコイル61へ供給する。さらにコンパレータ83のONにより第2スイッチ素子85がONし、蓄電池92の電力を磁場形成手段60のコイル61へ供給する。
例えば減衰装置91を建築物などの構造物に使用した場合、建築物に常時加わる車両の通行振動でフライホイール50が微小回転する。このような場合には、必ずしも磁場形成手段60に電流を印加して制震する必要はないから、発電機32が発電した全ての電力を蓄電池92に供給しても構わない。
他方、建築物に大きな振動が加わった場合には、迅速に振動を減衰させる必要がある。このような場合、フライホイール50の回転により発電機32が発電した電力のみでは、制震に十分な電流を磁場形成手段60に印加することができない虞がある。このような場合には、蓄電池92を放電させることで、発電機32の発電容量を超えた電力を磁場形成手段60に印加することができ、迅速に振動を減衰させることができる。
図は、永久磁石103とコイル104とを、フライホイール50の回転軸の方向に並べた例であるが、永久磁石103とコイル104とをフライホイール50の径方向に並べて配置することで、永久磁石103の磁束をコイル104が発生させる磁束が強めるように、又は弱めるように(相殺するように)配置しても良い。
この実施形態に係る構造物の制振装置は、地盤141、構造部材142、143に減衰装置111、112、113の一端を接続し、減衰装置111、112、113の他端を連結部材145、146、147、148、149、150に接続している。また、地盤141、構造部材142、143、144に加速度計131、132、133、134を配置し、加速度計131、132、133、134の検出値に基づいて制御手段121が減衰装置111、112、113の磁場形成手段に印加する電流を調整して減衰状態を制御する。
更に、制御手段121には、第4の実施形態に示した蓄電池を接続した構成としてもよい。また、制御手段121には商用電源を接続し、商用電源が正常なときには商用電源から制御手段121に電力を供給し、商用電源が停止したときには減衰装置111、112、113の発電機が発電した電力及び蓄電池が放電する電力を制御手段121に供給するようにしてもよい。
なお、減衰装置や加速度計をどのように建築物に配置するかは、適宜変更することができる。図10乃至図12は構造物の制振装置における減衰装置の取付例を示す模式図である。なお、各例では、各減衰値装置は、前記例と同様に、建築物に配置した加速度計の検出値に基づいて制御手段で制御される。
また、図11に示す例では、減衰装置181、182、183により、建築物184の各フロアの構造部材185、186、187と、建築物188の各フロアの構造部材189、190、191をそれぞれ連結している。
更に、図12に示す例は、建物200の免震構造に減衰装置201を使用したものである。この例では、構造物の制振装置として建物200と地盤204との間に積層ゴムアイソレータ202、203を配置し、地盤204と建物200の最下層を構成する構造部材205との間に減衰装置201を配置している。
また、本発明では、実施形態例の制御手段が、定期的に磁場形成手段を駆動して減衰装置の密閉領域に磁場を形成させることができる。これにより、磁場形成手段を駆動させ磁気粘性流体の磁性体粒子を鎖状としてその沈殿を防止することができ、突発的に加えられる地震振動に対して制振装置がその制振性能を発揮できる。
Claims (13)
- 先端に先端開口部を有しかつ他端に連通開口部を有した軸方向貫通穴を備えた第1のシリンダー、及び前記連通開口部に一端の開口部を連通させた状態で該第1のシリンダーの他端部に同一軸心状に固定されかつ他端が閉塞された中空の第2のシリンダーを備えたケーシングと、
前記第1のシリンダーの前記先端開口部内に嵌合して前記軸方向貫通穴に回転不能かつ軸方向へ進退自在に支持された中空のスリーブと、
前記スリーブ内に固定されたボールナットと、
該ボールナットの雌螺子部と螺合するボールねじと、
強磁性体材料で形成され、前記第2のシリンダーの中空内部に回転自在に配置されるとともに、前記ボールねじと同軸に固定されて回転駆動されるフライホイールと、
前記第2のシリンダー内壁と前記フライホイール外周との隙間に密閉領域を形成するシール部材と、
前記第2のシリンダー内壁に配置され、前記フライホイールを磁気回路の一部として前記密閉領域を横切る磁場を形成する電磁石を備えた磁場形成手段と、
前記密閉領域内に封入される磁気粘性流体と、
前記フライホイールと一体回転する界磁又は電機子からなる回転子、及び該回転子と同心状に配置された電機子又は界磁からなる固定子を有する発電機と、を備え、
前記発電機が発電した電力を該電磁石に供給することを特徴とする減衰装置。 - 先端に先端開口部を有しかつ他端に連通開口部を有した軸方向貫通穴を備えた第1のシリンダー、及び前記連通開口部に一端の開口部を連通させた状態で該第1のシリンダーの他端部に同一軸心状に固定されかつ他端が閉塞された中空の第2のシリンダーを備えたケーシングと、
前記第1のシリンダーの前記先端開口部内に嵌合して前記軸方向貫通穴に回転不能かつ軸方向へ進退自在に支持された中空のスリーブと、
前記スリーブ内に固定されたボールねじと、
該ボールねじの雄螺子部と螺合するボールナットと、
強磁性体材料で形成され、前記第2のシリンダーの中空内部に回転自在に配置されるとともに、前記ボールナットと同軸に固定されて回転駆動されるフライホイールと、
前記第2のシリンダー内壁と前記フライホイール外周との隙間に密閉領域を形成するシール部材と、
前記第2のシリンダー内壁に配置され前記フライホイールを磁気回路の一部として前記密閉領域を横切る磁場を形成する電磁石を備えた磁場形成手段と、
前記密閉領域内に封入される磁気粘性流体と、
前記フライホイールと一体回転する界磁又は電機子からなる回転子、及び該回転子と同心状に配置された電機子又は界磁からなる固定子を有する発電機と、を備え、
前記発電機が発電した電力を該電磁石に供給することを特徴とする減衰装置。 - 前記第2シリンダーの他端部及び前記スリーブに、それぞれ外部部材に連結される連結部を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の減衰装置。
- 前記磁場形成手段が、永久磁石を備えていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の減衰装置。
- 前記磁場形成手段が、前記第2のシリンダーを磁気回路の一部として、前記密閉領域を横切る磁場を形成することを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の減衰装置。
- 前記密閉領域における前記第2のシリンダーの内壁と、前記フライホイールの外周面との間の寸法が、当該減衰装置の使用時における定常振動に起因するフライホイールの回転によって、封入された磁気粘性流体を沈殿させない程度に攪拌するのに適した寸法であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の減衰装置。
- 前記磁場形成手段の磁力を調整する制御手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の減衰装置。
- 前記発電機が発電した電力を蓄電する蓄電池を備えたことを特徴とする請求項7に記載の減衰装置。
- 構造物の構造部材の間に取り付けられた請求項1乃至6の何れか一項に記載の減衰装置と、該減衰装置の磁場形成手段の磁力を調整する制御手段と、を備えたことを特徴とする構造物の制振装置。
- 前記構造物の振動の状態を検知する加速度計を備え、
前記制御手段が、前記加速度計の検出値に基づいて前記磁場形成手段を制御することを特徴とする請求項9に記載の構造物の制振装置。 - 前記加速度計が、前記減衰装置に対応して配置され、
前記制御手段が、前記各減衰装置の磁場形成手段を対応する加速度計の検出値に基づいて制御することを特徴とする請求項10に記載の構造物の制振装置。 - 前記制御手段が、外部の地震情報に基づいて前記減衰装置を制御することを特徴とする請求項9に記載の構造物の制振装置。
- 前記制御手段が、定期的に前記減衰装置の磁場形成手段を駆動して前記密閉領域に磁場を形成させることを特徴とする請求項9乃至12の何れか一項に記載の構造物の制振装置。
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