JP2019152288A

JP2019152288A - 浮き基礎

Info

Publication number: JP2019152288A
Application number: JP2018038667A
Authority: JP
Inventors: 祥江小槻; Yoshie Kotsuki
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2018-03-05
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2038-03-05
Also published as: JP7133947B2

Abstract

【課題】制御対象振動数を設置後でも容易に変更／調整でき、加振振動数が変動する場合に対しても効果的に振動低減性能を発揮できる浮き基礎を提供する。【解決手段】制振対象の浮き基礎本体と、浮き基礎本体を支持するためのばね要素、減衰要素、慣性質量機構４’とを備えてなる浮き基礎であって、浮き基礎本体の振動を検知する振動検知手段と、振動検知手段の検知結果を受けた制御手段１３の動作指令に応じて慣性質量機構４’の慣性質量値を調整制御する振動低減特性可変機構５とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、防振床などの浮き基礎に関する。

例えば、ライブハウスやコンサートホールで観客が音楽に合わせて動くタテノリに起因する振動によって周囲の建物が揺れたり、輪転機などの鉛直振動を生じる機器の振動が周囲に伝播するなど、床上で生じる加振力によって振動が周囲に伝わり、振動問題を起こすケースがある。

従来、このような振動問題に対応する技術として、ばね部材を介して加振源を支持してなる浮き基礎（防振架台や防振床などを含む）が知られている。

ここで、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、浮き基礎１においては、地盤Ｇに伝わる反力を加振力に対して１／１０程度に低減しようとする場合に加振振動数の１／３〜１／５程度の固有振動数を設定する必要がある。

一方、この固有振動数の設定は制御対象振動数が十数Ｈｚ〜数十Ｈｚの高振動数であれば問題ないが、比較的低振動数を制御対象とする場合には固有振動数の小さい柔らかい浮き基礎が必要になる。例えば、図８（ｂ）に示すように、コンサート時のタテノリによる振動は２〜４Ｈｚ程度であり、２Ｈｚの振動による加振力を１／１０程度に低減しようとすると、固有振動数が０．５７Ｈｚ以下の浮き基礎が必要となる。

このような非常に小さな固有振動数の浮き基礎を採用した場合には、上載荷重による過大な沈み込みや床が柔らかく動くことによる歩行時の不快感等の別途不都合を招くおそれがある。

また、剛性の高いばねを用いて０．５７Ｈｚ以下の浮き基礎を実現することも考えられるが、この場合には大きな質量が必要になり、浮き基礎が大型化するとともに高コスト化、施設全体の大型化などの不都合が生じる。

これに対し、図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、浮き基礎を支持するばね部材と並列に慣性質量ダンパーを付加することにより、浮き基礎の固有振動数を小さくし過ぎることなく制御対象の振動数帯域においてより高い防振性能を発揮する技術手法が提案、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

また、同様の原理を用いたものとして回転慣性質量を用いて制御対象に対する振動を遮断する技術手法（振動遮断接続機構）も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

上記のような技術は、慣性質量値の設定により制御対象振動数（遮断振動数）を調整し、目的とする振動数域で高い振動低減効果を得ることができる。

ちなみに、制御対象振動数は、浮き基礎のばね剛性と慣性質量からなる固有振動数であるので、制御対象振動数をｆ_{ｃｎｔ．、}ばね剛性をｋとすると、必要慣性質量ｍ_ｄは以下の式（１）で求めることができる。

例えば、図９（ｂ）に示すように、固有振動数１．０Ｈｚの浮き基礎において、振動数比（＝加振振動数/固有振動数）２．５の振動を低減したい場合、基礎質量に対する慣性質量の比が０．１６となる慣性質量ダンパーを付加することで、振動数比２．５（この場合２．５Ｈｚ）の応答を大きく低減することができ、その周辺振動数域の応答も１／１０程度に低減することが可能となる。

特開２００８−８２５４１号公報特開平０９−１７７８７５号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に示された上記従来の浮き基礎においては、慣性質量があらかじめ慣性質量ダンパーに設定した値となる。このため、設置後に制御対象振動数を変えることは難しく、例えばコンサートでのタテノリ動作のように卓越する振動数が曲調によって変化し、制御対象とする振動数が変動するような場合などに対し、十分な振動低減性能が得られないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑み、制御対象振動数を設置後でも容易に変更／調整でき、加振振動数が変動する場合に対しても効果的に振動低減性能を発揮できる浮き基礎を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明に係る浮き基礎は、制振対象の浮き基礎本体と、前記浮き基礎本体を支持するためのばね要素、減衰要素、慣性質量機構とを備えてなる浮き基礎であって、前記浮き基礎本体の振動を検知する振動検知手段と、前記振動検知手段の検知結果を受けた制御手段の動作指令に応じて前記慣性質量機構の慣性質量値を調整制御する振動低減特性可変機構とを備えることを特徴とする。

本発明の浮き基礎によれば、慣性質量機構の慣性質量値、ひいては制御対象振動数を設置後でも容易に変更／調整でき、例えば、無作為に時々刻々と変化する振動に対しても十分な振動低減性能を付与することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る浮き基礎の回転慣性質量ダンパー（慣性質量機構）、振動低減特性可変機構を示す図である。本発明の他の実施形態に係る浮き基礎の回転慣性質量ダンパー（慣性質量機構）、振動低減特性可変機構を示す図である。本発明の他の実施形態に係る浮き基礎の回転慣性質量ダンパー（慣性質量機構）、振動低減特性可変機構を示す図である。本発明の他の実施形態に係る浮き基礎の回転慣性質量ダンパー（慣性質量機構）、振動低減特性可変機構を示す図である。本発明の他の実施形態に係る浮き基礎の回転慣性質量ダンパー（慣性質量機構）、振動低減特性可変機構を示す図である。回転中心距離と慣性質量値の変化率との関係を示す図である。慣性質量比と浮き基礎の反力応答倍率との関係を示す図である。従来の浮き基礎を示す図である。回転慣性質量ダンパー（慣性質量機構）を備えた浮き基礎を示す図である。従来の回転慣性質量ダンパー（慣性質量機構）を示す図である。

以下、図１から図７（及び図９、図１０）を参照し、本発明の一実施形態に係る浮き基礎について説明する。

本実施形態の浮き基礎は、慣性質量を用いた浮き基礎であり、且つその慣性質量値（制振対象振動数）を容易に変動できる振動低減特性可変機構を備え、より効果的な振動低減性能を発揮できるように構成されている。

具体的に、本実施形態の浮き基礎Ａは、図９（ａ）に示した浮き基礎と同様、浮き基礎本体１をばね部材（ばね剛性／ばね要素）２と、オイルダンパーなどの減衰（減衰要素）３と、回転慣性質量ダンパー（回転慣性質量Ｍ／慣性質量機構）４とで地盤Ｇ（床等を含む）に接続支持して構成されている。

ここで、図９（ａ）の浮き基礎１に具備される従来の回転慣性質量ダンパー４は、例えば、図１０に示すように、ボールねじ４ａと、ボールねじ４ａに螺着したボールナット４ｂと、ボールナット４ｂにガイド板４ｄを介して固定した回転錘４ｅからなる慣性質量装置、および浮き基礎本体１に繋がる連結部材４ｆと、地盤Ｇにつながる固定用ハウジング４ｃを備えて構成されている。

この回転慣性質量ダンパー４は、ダンパー両端（連結部材４ｆ、固定用ハウジング４ｃ端部）に相対変位が生じると、ボールねじ４ａが軸線Ｏ１方向に動き、ボールナット４ｂが回転する。そして、ボールナット４ｂに接続した回転錘４ｅが回転することで慣性抵抗力が生じ、浮き基礎本体１（制振対象）の振動を低減させる。

これに対し、本実施形態の慣性質量ダンパー４’は、図１に示すように、振動低減特性可変機構５を備え、回転錘６の回転中心距離ｒを変更して慣性質量値（制振対象振動数）を調整できるように構成されている。

具体的に、本実施形態の慣性質量ダンパー４’（振動低減特性可変機構５）は、まず、一方（左側）の回転錘片６ａ、他方（右側）回転錘片６ｂに回転錘６を二分割するとともに、一方の回転錘片６ａと他方の回転錘片６ｂにそれぞれ、ガイド板スライド孔７と雌ネジ孔８とを設けて構成されている。そして、本実施形態の振動低減特性可変機構５は、一方の回転錘片６ａと他方の回転錘片６ｂの雌ネジ孔８にそれぞれ両端部の雄ネジを螺着して軸線Ｏ２をボールねじ４ａ及びボールナット４ｂの軸線Ｏ１と直交する水平方向に向けて設けられた位置調整ネジ（左右ネジ）９とを備えている。なお、一方の回転錘片６ａと他方の回転錘片６ｂをそれぞれ、任意の水平位置で自動的あるいはリモート操作でガイド板４ｄに固定／解放（着脱）する着脱手段１０を備えていてもよい。

このように構成した慣性質量ダンパー４’／振動低減特性可変機構５においては、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）に示すように、位置調整ネジ９を軸線Ｏ２周りの一方向、他方向にそれぞれ回転させると、一方の回転錘片６ａと他方の回転錘片６ｂが同時に且つ同変位量で（同期し）、ガイド板４ｄに沿って水平方向に進退し、一方の回転錘片６ａと他方の回転錘片６ｂを自在にボールねじ４ａ及びボールナット４ｂの軸線Ｏ１中心の左右に離間、近接させることができる。

これにより、回転錘６の回転中心距離ｒを変更して慣性質量値（制振対象振動数）を自在に調整することができる。

一方、振動低減特性可変機構５は、図２、図３に示すように、一方の回転錘片６ａと他方の回転錘片６ｂが二本の位置調整ネジ９を螺着して接続され、位置調整ネジ９が軸線Ｏ２周りに回転すると水平方向に進退移動するように構成してもよい。さらに、この場合、二本の位置調整ネジ９は、例えば、各々中央に平歯車１１の従動歯車１１ａが固定され、これら従動歯車１１ａがステッピングモーター１２の回転軸に同軸上に接続した平歯車１１の駆動歯車１１ｂと噛合して設けられている。さらに、電動のステッピングモーター１２は、浮き基礎本体１の振動（加速度など）を検知する振動検知手段（不図示）の検知結果を受けた制御手段（コントローラ）１３からパルス信号が送られ、このパルス信号に応じて駆動するように構成されている。

この振動低減特性可変機構５においては、浮き基礎本体１の振動を検知する振動検知手段の検知結果を受けた制御手段１３から送られたパルス信号に応じてステッピングモーター１２が駆動するため、駆動歯車１１ｂ、ひいては従動歯車１１ａの回転角度と回転速度を正確に制御でき、細かな位置決めが可能になる。また、ステッピングモーター１２に通電していれば停止時に位置を保持する保持力もある。

ステッピングモーター１２が駆動すると、接続した平歯車１１が回転して位置調整ネジ９が回り、従動歯車１１ａの回転量に応じて一方の回転錘片６ａと他方の回転錘片６ｂをそれぞれ正確に進退移動させることができる。このとき、ステッピングモーター１２の制御により、回転錘６（一方の回転錘片６ａと他方の回転錘片６ｂ）の移動量を制御し、所定の慣性質量となる位置に回転錘を移動させることができ、ステッピングモーター１２の保持力によりその位置を保持することができる。このため、着脱手段１０を不要にすることができる。

なお、ステッピングモーター１２は、モーター固定治具１５でガイド板４ｄに固定されており、ダンパー作動時は、ボールナット４ｂ、ガイド板４ｄ、回転錘６、ステッピングモーター１２が一体で回転するように設けられている。

さらに、図３に示すように、ステッピングモーター１２への給電にスリップリング１６を用いることが好ましい。

スリップリング１６は、回転体に配置された金属製のリング１６ａとブラシ１６ｂを介して電力や信号を伝達するコネクタである（例えば、株式会社東測「スリップリング」参照）。これにより、ステッピングモーター１２に直接ケーブルを接続した場合のように、ダンパー４’に軸方向変位が生じて回転錘が回転するとともにケーブルがダンパー４’にからまるような不都合が生じない。

また、スリップリング１６のリング１６ａをボールナット４ｂとガイド板４ｄをつなぐ回転軸４ｇに固定し、ブラシ１６ｂは固定用ハウジング４ｃや床などに固定すればよい。

なお、図４に示すように、回転錘６とともに回転するステッピングモーター１２への給電にワイヤレス給電を用いてもよい。この場合には、ワイヤレス給電システム１７の出力部１７ａはモータードライバ１８と接続して、床などに固定すればよい。

また、ワイヤレス給電システム１７の伝送部１７ｂは、例えば、ステッピングモーター１２と接続し、ダンパー４’のガイド板４ｄから伸びている接続金物１９に固定する。出力部１７ａから伝送部１７ｂに非接触の状態で電気の供給が可能であり、これにより、ステッピングモーター１２を駆動させることができる。また、ワイヤレス給電システム１７の出力部１７ａと伝送部１７ｂをともにダンパー４’のボールねじ４ａの軸線Ｏ１上に配置すれば、回転錘６が回転しても位置が変わることはなく、ダンパー作動時を含め、常に給電することが可能になる。なお、この場合、ケーブル２０はダンパー４’が作動しても不動である床に固定した出力部１７ａへ接続するだけであるので、ダンパー４’へのからみつきは生じない。

さらに、振動低減特性可変機構５は、例えば、図５に示すように、一方の回転錘片６ａと他方の回転錘片６ｂにそれぞれ、ラック２１を固定し、二本のラック２１の間にピニオン２２を噛み合わせて構成してもよい。この場合には、ピニオン２２にステッピングモーター１２を接続し、ステッピングモーター１２が駆動するとピニオン２２が回転してラック２１が動き、ラック２１に接続した一方の回転錘片６ａと他方の回転錘片６ｂがそれぞれ、上記の本実施形態の振動低減特性可変機構５と同様にガイド板４ｄに沿って進退移動する。

次に、本実施形態の慣性質量ダンパー４’を用いた浮き基礎Ａの作用効果、すなわち、慣性質量値を変動させ、制御対象振動数を変更することについて説明を行う。

回転錘６（４ｅ）を持つ慣性質量ダンパー４’（４）の慣性質量ｍ_ｄは、例えば、下記の式（２）、式（３）を用いて算出できる。

ここで、αは単位回転角に対するダンパー軸方向の変位（ｃｍ／ｒａｄ）、Ｉ_ｘは回転錘の断面二次モーメント、Ａは回転錘の断面積である。

図６は、各回転錘片６ａ、６ｂが半径１００ｍｍの半円型であると仮定した場合の回転中心距離ｒと慣性質量値の変化率の関係を示している。なお、この図において、慣性質量の変化率は、回転中心距離ｒ＝５０ｍｍの時の慣性質量値を基準とし、それに対する比率で表している。そして、この図に示す通り、回転中心距離ｒを３０〜８０ｍｍで変化させると、慣性質量値は０．５〜２．０倍程度に変化することがわかる。

そして、図７に示すように、固有振動数１．０Ｈｚの浮き基礎Ａにおいて、慣性質量比を０．０７〜０．２５（０．１２５を基準に約０．５〜２．０倍)まで変化させると、制御対象振動数を２．０〜３．８Ｈｚ程度まで変動させることができる。

これにより、コンサートホールでのタテノリによる振動数が２〜４Ｈｚ程度と言われているので、この振動数域において曲調に合わせた効果的な振動低減が可能と言える。

また、本実施形態の慣性質量ダンパー４’を用いた浮き基礎Ａにおいては、浮き基礎（浮き基礎本体１）上に加速度計などの振動検知手段を設置して加振中の振動を計測し、この検知結果を制御手段１３に送って制御対象振動数を変動、制御することで、実測値に対応した慣性質量値に即時にチューニングすることができる。

また、慣性質量値の調整を容易に自動的に、あるいはリモートで行えるため、実際に振動が生じている最中に値を変更することが可能である。

よって、本実施形態の浮き基礎Ａによれば、実振動をモニタし、その卓越振動数に制御対象振動数を合わせるように調整することができ、確実に高い振動低減効果を得ることができる。

また、例えばコンサートにおける曲調の違いによる調整等、きめ細かな振動制御対応が可能になる。

さらに、振動が生じている最中に自動的あるいはリモートで調整が可能なため、実際の卓越振動数を計測しながら慣性質量値を調整し、実振動に対応した確実な振動低減効果を得ることができる。また、制御手段１３はダンパー設置位置から離れた場所に設けることができるため、例えば、ダンパー設置フロア（浮き基礎本体設置位置）にいかなくても、慣性質量を変更することが可能である。

さらに、慣性質量ダンパー４’の数が多くても、ステッピングモーター１２の制御により一斉に（同期して）調整を行うことができ、信頼性の高い振動低減制御を行うことができる。

さらに、電気による制御は、モーター駆動によるギアの回転のみという単純な機構であるので、複雑な制御プログラムを必要としない。

また、万一、慣性質量値の調整に不具合が生じても、振動の低減率は低くなるが、一定の振動低減効果は得られるという利点もある。

さらに、精密機器、高振動機器等の機械の基礎として使用する場合に、機器の振動特性の変化にもすぐに対応できる。

以上、本発明に係る浮き基礎の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１浮き基礎本体
２ばね要素
３減衰要素
４従来の回転慣性質量ダンパー（慣性質量機構）
４’ 回転慣性質量ダンパー（慣性質量機構）
４ａボールねじ
４ｂボールナット
４ｃ固定用ハウジング
４ｄガイド板
４ｅ従来の回転錘
４ｆ連結部材
４ｇ回転軸
５振動低減特性可変機構
６回転錘
６ａ一方の回転錘片
６ｂ他方の回転錘片
７ガイド板スライド孔
８雌ネジ孔
９位置調整ネジ
１０着脱手段
１１平歯車
１１ａ従動歯車
１１ｂ駆動歯車
１２ステッピングモーター
１３制御手段
１５モーター固定治具
１６スリップリング
１６ａリング
１６ｂブラシ
１７ワイヤレス給電システム
１７ａ出力部
１７ｂ伝送部
１８モータードライバ
１９接続金物
２０ケーブル
２１ラック
２２ピニオン
Ａ浮き基礎
Ｏ１ボールねじの軸線
Ｏ２位置調整ネジの軸線

Claims

制振対象の浮き基礎本体と、前記浮き基礎本体を支持するためのばね要素、減衰要素、慣性質量機構とを備えてなる浮き基礎であって、
前記浮き基礎本体の振動を検知する振動検知手段と、
前記振動検知手段の検知結果を受けた制御手段の動作指令に応じて前記慣性質量機構の慣性質量値を調整制御する振動低減特性可変機構とを備えることを特徴とする浮き基礎。