JP2019509440A - アクティブ慣性ダンパシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

構造物（１１）の振動（Ｖ１、Ｖ２）を減衰させるためのアクティブ慣性ダンパシステム（１００）および方法。慣性質量部（２）は、共振周波数（ｆｎ）を有する質量−ばね系（２、３）を形成するためにばね手段（３）を介して支持フレーム（１）にて支持される。コントローラ（６）は、測定された振動（Ｖ１、Ｖ２）に応じて駆動力（Ｆｄ）を適応させるようにパワーアクチュエータ（４）を制御する構成とされている。コントローラ（６）は、構造物（１１）の測定された振動（Ｖ１、Ｖ２）のために周波数（ｆ）に応じて駆動力（Ｆｄ）の大きさ（Ｍ）を決定するフィルタ（Ｈ）を含む。フィルタ（Ｈ）は、質量−ばね系（２、３）自体の共振挙動を抑制するために、質量−ばね系（２、３）の共振周波数（ｆｎ）において駆動力（Ｆｄ）の大きさ（Ｍ）に反共振ディップを設ける構成とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造物の振動を減衰させるためのアクティブ慣性ダンパシステムおよび方法に関する。

例えば、米国特許第５８８４７３６号明細書には、建物などの構造物の振動を抑制するためのアクティブ振動抑制器が説明されている。従来のデバイスは、構造物に取り付けられたアクチュエータと、例えばアクチュエータにて移動する震動質量部に取り付けられたアクチュエータ伸縮可能ロッドとを有している。参考文献によれば、震動質量部は、アクチュエータがエネルギーを与えられるとき自由に移動でき、アクチュエータのみを介して床に取り付けられている。しかしながら、これは、必要とされるフレーム構造およびアクチュエータ力に高い要求を課すことがある。

例えば、米国特許第５８８４７３６号明細書には、制御される構造物に接続されたフレームと、フレームに動作可能に接続された少なくとも２つの反作用質量部とを含むアクティブ振動吸収装置が説明されている。反作用質量部のそれぞれは、前記フレームに対して独立して移動可能である。吸収装置は、構造物の振動を減衰させるために反作用質量部間の相対的な移動を制御するための力発生部材を有している。２つの反作用質量部を有する吸収装置は、従来の一つの反作用質量部を有する吸収装置に等しい振動減衰を生成するために、より少ない制御力しか必要としない。しかしながら、構造が複雑であり、様々な状況に適応させることが困難なことがある。

米国特許第５８８４７３６号明細書

様々な状況に依然として適応可能に構成することが容易な慣性ダンパを提供することが目的である。

本発明の第１形態は、構造物の振動を減衰させるためのアクティブ慣性ダンパシステムを提供する。支持フレームは、減衰されるべき構造物に取り付けられるように構成される。慣性質量部は、ある特定の共振周波数を有する質量−ばね系を形成するためにばね手段を介して支持フレームにて支持される。パワーアクチュエータは、慣性質量部と支持フレームとの間に可変駆動力を印加するように構成される。振動センサは、減衰されるべき構造物の振動を測定するように構成される。コントローラは、測定された振動に応じて駆動力を適応させるようにパワーアクチュエータを制御するように構成される。コントローラは、構造物の測定された振動を抑制するために周波数に応じて駆動力の大きさおよび／または位相を決定するフィルタを有する。

質量−ばね系の共振周波数において、駆動力の大きさに反共振ディップを設けるようにフィルタを構成することによって、共振周波数における質量−ばね系の望ましくない共振挙動を抑制できる。これにより、例えば、振動外乱のどの周波数にも特別に合わない質量−ばね系の共振周波数における望ましくない増幅が防止される。例えば、反共振ディップは、共振周波数において質量−ばね系の逆共振を設けるように慣性質量部の質量およびばね手段のばね定数に基づいてモデル化できる。例えば、駆動力は、質量−ばね系の共振周波数の少なくとも周囲の周波数範囲において、慣性質量部にて加えられる力を一定に保持する構成にできる。

１つまたは複数の所定の減衰周波数において駆動力の大きさに１つまたは複数の共振ピークを設けるようにフィルタを構成することによって、これらの周波数の振動は、質量−ばね系の特定の共振周波数への依存が少ないまたは全くない状態でより効果的に減衰される。質量−ばね系の共振周波数より上にコントローラ減衰周波数を設けることによって、ダンパは、減衰共振が質量−ばね系の共振周波数より下にある場合よりも効率的に動作できる。したがって、システムは、様々な状況に一層適応可能とできる。その上、フィルタは、別個の周波数での異なる発生源からの特定の外乱振動を対象とするように多数の（別個の）共振ピークを設けることができる。これは、共振周波数または共振周波数の近くでのみ効果的に減衰させるように調整され、さらなる除去周波数ではそれほど効果的でない従来の質量ダンパと対照的である。

質量−ばね系に比較的低い共振周波数を設けることによって、デバイスが振動を減衰できる周波数の範囲を増大でき、特に、範囲の下限を低くできる。これは、低周波モード、例えば、床振動にとって特に望ましい場合がある。例えば、質量−ばね系の共振周波数は、２５Ｈｚよりも低く、好ましくは１５Ｈｚよりも低く、例えば、１Ｈｚと１０Ｈｚとの間に構成される。質量−ばね系に比較的低い共振周波数を設けるために、慣性質量部を比較的大きくでき、および／またはばね定数を比較的低くできる。しかしながら、比較的弱いばねが比較的高い質量と組み合わせて用いられる場合、重力が、例えば平衡位置においてばねに過度の応力をもたらすことがあり、それによって、ばねが過度に作用し過ぎることがある。場合によっては、これは、構造の堅牢性に悪影響を及ぼすことがある。

１つまたは複数の主要ばねが荷重されていない場合の慣性質量部の位置で予荷重された二次側ばねを用いて質量を支持することによって、主要ばねへの重力の影響を限定でき、慣性質量部の位置を少なくとも部分的に回復できる。例えば、慣性質量部は、１つまたは複数の板ばねを介して支持フレームから浮かされるが、慣性質量部は、１つまたは複数の板ばねが荷重されていない場合の慣性質量部の位置で予荷重されている１つまたは複数の圧縮ばねにてさらに支持される。支持ばねが予荷重される場合、支持ばねは、重力の結果としての板ばねの過剰な偏りおよび／または応力を防止しながら比較的低いばね定数を有する比較的弱い板ばねの使用を可能にするために、慣性質量部への重力を少なくとも部分的に抑制して１つまたは複数の板ばねの張力を緩和できることが理解できる。ばね定数が低いほど、質量は自由に浮いているように振る舞うことになるが、複雑な構造にする必要はない。

フィルタは、様々な周波数でプログラムできるので、様々な周波数を減衰させるように容易に構成できる。これは、好ましくは多数のダンパデバイスが構造物の振動を制御するために用いられるシステムを可能にできる。例えば、各ダンパデバイスは、それぞれの支持フレーム、慣性質量部、ばね手段、およびパワーアクチュエータを有する。センサは、それぞれのダンパデバイスの近くに配置でき、ダンパデバイスの制御は、集約化できる。したがって、本ダンパデバイスは、さらにモジュール式とし、例えば、各デバイスは、（プログラマブル）フィルタおよび／または制御のみしか異ならない同じ構造を有することができる。

１つまたは複数のダンパデバイスを建物の床に直接接続することによって、部屋全体の振動を減衰できる。これは、単一のダンパデバイスを用いて各テーブルを減衰させるよりも有利となる。代替的または付加的に、１つまたは複数のダンパデバイスを機械支持フレームに接続できる。機械支持フレームは、振動の影響を受けやすい機械を支持できる。例えば、アクティブ慣性ダンパシステムは、振動の影響を受けやすい機械の利益のために用いられ、例えば、普通なら振動の影響を受けやすい機械に影響を与える外乱振動を防止または緩和する。振動の影響を受けやすい機械は、機械支持フレーム上に配置できる。振動の影響を受けやすい機械は、振動の影響を受けやすい機械と機械支持フレームとの間に配設された脚で支持できる。機械脚のこれらの位置にまたはその近くにアクティブ慣性ダンパシステムの振動センサを配置することによって、機械は最小の振動を感じることができる。振動の影響を受けやすい機械の下方の機械支持フレームの底部に１つまたは複数のダンパデバイスを取り付けることによって、減衰を脚の極めて近くで起こすことができる。

高い剛性の機械支持フレームまたは剛体ペデスタルを設けることによって、すなわち建物の床と少なくとも同じ高さの剛性で床に接続することによって、ペデスタルの上の機械にて引き起こされる振動の影響は、例えば床から振動的に切り離されたテーブルと比較して少なくできる。同時に、本アクティブ慣性ダンパシステムは、床および／またはテーブルの残りの振動を効果的に相殺できる。そのような構成の一般的な使用は、非常に安定したベース（例えば、高速移動ステージをもつ機械）を必要とし、振動問題がある特定の周波数域（例えば、３０〜５０Ｈｚ）のみにある場合の機械のためのものである。

さらなる利点は、構造物の振動を減衰させる方法に関する本発明の形態にて達成できる。例えば、減衰デバイスは、減衰されるべき構造物に取り付けられ、慣性質量部は、共振周波数を有する質量−ばね系を形成するためにばね手段を介して支持フレームにて支持される。パワーアクチュエータは、慣性質量部と支持フレームとの間に可変駆動力を印加する。この方法は、減衰されるべき構造物の振動を測定するステップと、構造物の測定された振動の周波数に応じて駆動力の大きさおよび位相を決定するフィルタを用い、測定された振動に応じて駆動力を適応させるように減衰デバイスを制御するステップとを含む。好ましくは、フィルタは、質量−ばね系自体の共振挙動を抑制するために、質量−ばね系の共振周波数において駆動力の大きさに反共振ディップを設ける。好ましくは、フィルタは、質量−ばね系の共振挙動の最小の影響で所定の減衰周波数の構造物の振動を減衰させるために、質量−ばね系の共振周波数より上にある１つまたは複数の所定の減衰周波数において駆動力の大きさに１つまたは複数の共振ピークを設ける。

本発明の装置、システム、および方法のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面から一層よく理解できる。

アクティブ慣性ダンパシステムの一実施形態を概略的に示す図である。 制御フィルタの一実施形態のボード線図である。 質量−ばね系のモデル化された共振ピークのボード線図である。 図３Ａの共振を補償するためのフィルタの対応する共振ディップのボード線図である。 ダンパデバイスの一実施形態を概略的に示す図である。 図４Ａと同様の実施形態を概略的に示し、予荷重された支持ばねを含む図である。 ダンパデバイスの一実施形態の斜視図を概略的に示す図である。 ダンパデバイスの一実施形態の写真を概略的に示す図である。 建物の床に取り付けられた多数のダンパデバイスを含むシステムの一実施形態を概略的に示す図である。 機械支持フレームに取り付けられた多数のダンパデバイスを含むシステムの一実施形態を概略的に示す図である。 制振のない建物の振動のシミュレーションを概略的に示す図である。 ３つのダンパデバイスによる制振のある建物の振動のシミュレーションを概略的に示す図である。 制御フィルタと、例示の振動レベルへの制御フィルタの対応する効果に関する実施形態の様々なボード図である。 制御フィルタと、例示の振動レベルへの制御フィルタの対応する効果に関する実施形態の様々なボード図である。 制御フィルタと、例示の振動レベルへの制御フィルタの対応する効果に関する実施形態の様々なボード図である。 制御フィルタと、例示の振動レベルへの制御フィルタの対応する効果に関する実施形態の様々なボード図である。

いくつかの例では、よく知られているデバイスおよび方法の詳細な説明は、本システムおよび方法の説明を不明瞭にしないために省略される。特定の実施形態を説明するために用いられる用語は、本発明を限定するものではない。本明細書で用いる「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単数形は、文脈が明確にそうでないと示さない限り、複数形も含む意図である。「および／または」という用語は、関連する列記された項目のうちの１つまたは複数のありとあらゆる組合せを含む。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、記述された特徴の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴の存在または追加を排除しないことが理解される。方法の特定のステップが別のステップの後に続くと言及される場合は、特に指定がない限り、それは前記他のステップに直接続いてもよく、または特定のステップが実行される前に１つまたは複数の中間ステップが実行されてもよいことをさらに理解できる。同様に、構造物または構成要素間の接続が説明される場合、この接続は、特に指定がない限り、直接確立されていてもよく、または中間構造体もしくは構成要素を介して確立されていてもよいことを理解できる。

本発明は、本発明の実施形態を示す添付図面を参照してより完全に以下に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現でき、本明細書に記載の実施形態に限定されるように解釈されるべきでない。例示的な実施形態の説明は、明細書の説明全体の一部と見なすことができる添付図面に関連して解釈されるように意図される。図面において、システム、構成要素、層、および領域の絶対サイズおよび相対サイズは、明瞭にするために誇張されることがある。実施形態は、本発明のほぼ理想化された実施形態および中間構造体の概略図および／または断面図を参照して説明することがある。説明および図面において、同様の番号は、全体を通して同様の構成要素を参照する。相対的用語ならびにその派生語は、そのとき説明または論じられている図面に示されている方向を指すものと解釈される。これらの相対的用語は、説明の便宜のためのものであり、特に指定がない限り、システムが特定の方向で構成または動作されることを必要としない。

図１は、構造物１１の振動Ｖ１、Ｖ２を減衰させるためのアクティブ慣性ダンパシステム１００の一実施形態を概略的に示す。

一実施形態において、システム１００は、減衰されるべき構造物１１に取り付けられるように構成された支持フレーム１を有する。例えば、フレーム１は、減衰されるべき構造物１１に、ねじなどの取付手段１ａにて取り付けられる。さらに、他の取付手段、例えば接着剤または樹脂を用いることができる。さらに、ダンパデバイス１０は、取り付けられることなしに、例えばゴム脚などの規定された接触点を用いて減衰されるべき構造物１１に接触していてもよい。

一実施形態において、システム１００は、共振周波数ｆｎを有する質量−ばね系２、３を形成するために、ばね手段３を介して支持された慣性質量部２を含む。好ましくは、慣性質量部２は、支持フレーム１にて支持される。原理的に、ばね手段３は、任意のタイプのばね要素またはばね要素の組合せ、例えば板ばね、圧縮ばねなどを含むことができる。

一実施形態において、システム１００は、慣性質量部２と支持フレーム１との間に可変駆動力Ｆｄを印加するように構成されたパワーアクチュエータ４を有する。パワーアクチュエータ４は、支持フレーム１と慣性質量部２との間に可変かつ制御可能な駆動力Ｆｄをもたらすことができる任意のデバイスとできる。

一実施形態において、システム１００は、減衰されるべき構造物１１の振動Ｖ１、Ｖ２を測定するように構成された振動センサ５を有する。振動センサ５は、振動Ｖ１、Ｖ２を測定できる任意のデバイスとできる。例えば、速度センサおよび／または加速度センサを用いることができる。

一実施形態において、システム１００は、測定された振動Ｖ１、Ｖ２に応じて駆動力Ｆｄを適応させるようにパワーアクチュエータ４を制御するように構成されたコントローラ６を有する。例えば、コントローラ６は、駆動力Ｆｄの大きさまたは位相を決定できるパワーアクチュエータ４への制御信号Ｃを送る構成とされている。一般に、コントローラ６は、構造物１１、例えば建物の床または機械支持フレームの測定された振動Ｖｘ（例えば、Ｖ１またはＶ２）の振幅を最小にするように駆動力Ｆｄの振幅、周波数、および／または位相を適応させる構成とされている。例えば、コントローラ６は、慣性質量部２を床振動Ｖｘの主周波数で振動させるように駆動力Ｆｄの周波数を適応させる構成とされている。例えば、コントローラ６は、床振動を相殺するために慣性質量部２を床振動Ｖｘと比べて位相外れで振動させるように駆動力Ｆｄの位相を適応させる構成とされている。例えば、コントローラ６は、構造物１１の測定された振動Ｖ１、Ｖ２の周波数ｆに応じて駆動力Ｆｄの大きさＭおよび／または位相Φを決定するフィルタＨを有する。

一実施形態において、支持フレーム１、慣性質量部２、ばね手段３、およびパワーアクチュエータ４は、本明細書ではダンパデバイス１０として参照されている単一ユニットに含まれる。図示の実施形態において、振動センサ５は、コントローラ６を介してパワーアクチュエータ４に結合される別個のデバイスである。代替的に、振動センサ５および／またはコントローラ６は、ダンパデバイス１０に一体化もできる。振動センサ５を別個のデバイスとして保持すると、ある場所で測定された振動を別の場所で減衰できる利点を提供できる。しかしながら、通常、振動センサ５は、ダンパデバイス１０の近くに配置される。コントローラ６を別個のデバイスとして保持すると、多数のダンパデバイス１０（図示せず）を中央コントローラで制御できるという利点を有する。中央コントローラの使用は、いくつかの減衰デバイスおよび／またはセンサの使用を可能にでき、床領域全体または他の構造物に、より効果的な振動相殺をもたらすことができる。

一実施形態において、フィルタＨは、質量−ばね系２、３の共振挙動を抑制するために、質量−ばね系２、３の共振周波数ｆｎにおいて駆動力Ｆｄの大きさＭに反共振ディップを設けるように構成された推定量フィルタＨ_ｉｎｖを有する。別のまたはさらなる実施形態では、フィルタＨは、質量−ばね系２、３の共振挙動の最小の影響で所定の減衰周波数ｆ１、ｆ２の構造体１１の振動を減衰させるために、好ましくは、質量−ばね系２、３の共振周波数ｆｎより上の１つまたは複数の所定の減衰周波数ｆ１、ｆ２において駆動力Ｆｄの大きさＭに１つまたは複数の共振ピークを設けるように構成された減衰フィルタＨ_Ｓを有する。

いくつかの実施形態において、フィルタＨは、拡張された範囲の所定の減衰周波数に亘って駆動力Ｆｄの大きさＭを増加させる構成とされている、例えば大きさは、１０、２０、５０、１００、またはさらに１０００Ｈｚを超える範囲に亘って５、１０、２０、またはさらに３０ｄＢを超える。抑制されるべき振動に応じて、フィルタＨは、個々の決定された振動をカバーするために多数の比較的狭いピークを、または一連の周波数にわたる振動をカバーするために広いピーク／連続的バンドを有している。

別またはさらなる実施形態において、フィルタＨは、構造体１１の測定された振動Ｖ１、Ｖ２の周波数ｆに応じて駆動力Ｆｄの位相Φを決定する構成とされている。フィルタＨは、一体化されてもよく、またはさらなる構成要素に分離されてもよい。フィルタＨは、減衰周波数ｆ１、ｆ２への一層の柔軟性のためにプログラマブルであることが好ましい。その代替的または付加的に、フィルタ機能は、ハードウェア構成部品にて部分的または全面的に提供される。

図２は、例えば図１を参照して説明した組合フィルタＨ_Ｓ＊Ｈ_ｉｎｖの一実施形態のボード線図を示す。

例えば、フィルタＨ_Ｓ＊Ｈ_ｉｎｖは、主に周波数ｆ１およびｆ２にて測定された振動を相殺するように駆動力Ｆｄの大きさＭおよび相Φを決定する構成とされている。一実施形態において、フィルタＨ_Ｓ＊Ｈ_ｉｎｖは、それぞれが質量−ばね系２、３の共振周波数ｆｎより上のそれぞれの所定の減衰周波数ｆ１、ｆ２において駆動力Ｆｄの大きさＭに少なくとも２つの別個の共振ピークを設ける構成とされている。例えば、質量−ばね系２、３の共振周波数ｆｎは、２５Ｈｚよりも低く、好ましくは１５Ｈｚよりも低く、例えば１０Ｈｚである。

一実施形態において、フィルタＨ_Ｓ＊Ｈ_ｉｎｖの減衰周波数ｆ１、ｆ２は、質量−ばね系２、３の共振周波数ｆｎよりも少なくとも１０％高く、好ましくは少なくとも２５％高く、より好ましくは少なくとも５０％高い。例えば、フィルタＨ_Ｓの共振ピークは、質量−ばね系２、３の共振周波数ｆｎの２倍と１００倍との間の周波数にある。一実施形態において、所定の減衰周波数ｆ１、ｆ２は、少なくとも１０Ｈｚ、少なくとも２０Ｈｚ、少なくとも３０Ｈｚ、またはそれを超えるほど離れている。

さらに、他のフィルタが存在してもよい。例えば、フィルタＨは、低周波、例えば１０Ｈｚ未満の駆動力Ｆｄを減少させるために高域通過フィルタを有することができる。例えば、フィルタＨは、例えば１００Ｈｚ以上、または例えば３００Ｈｚを超える高周波におけるノイズ増幅を減少させるために低域通過フィルタを有することができる。例えば、フィルタＨは、特定の外乱周波数での減衰を増加させるためにノッチフィラーを有することができる。例えば、フィルタＨは、コントローラ６の堅牢性および安定性を改善するために位相遅れまたは位相進みフィルタを有することができる。例えば、フィルタのうちの１つまたは複数は、以下のようにパラメータを決めることができる。

図３Ａは、例えば、図１に示した質量−ばね系の周波数ｆｎにおけるモデル化された共振ピークのボード線図を示す。図３Ｂは、図３Ａの共振を補償するためのフィルタの対応する共振ディップのボード線図を示す。

一実施形態において、本明細書で説明するフィルタは、共振周波数ｆｎにおいて質量−ばね系の逆共振を設けるように慣性質量部の質量およびばね手段のばね定数に基づいてモデル化された反共振ディップを有する。例えば、フィルタは、質量−ばね系の共振周波数ｆｎでの大きさを減少させるためにノッチフィルタを有する。

共振周波数より下の周波数では、ばね剛性のために、減衰されるべき構造物、例えば床において、最後にはアクチュエータ力が小さくなることに留意されたい。理論に拘束されないが、これは以下の方程式から理解できる。

・慣性質量の運動方程式は次の数１となる。

ここで、「ｍ」は慣性質量部であり、ｘ_ｍは質量の位置であり（ダブルドットは加速度を意味する）、ｘ_ｆは床（減衰されるべき他の構造物）の位置であり、「ｋ」は（組み合わされたばね）の定数であり、Ｆは印加される（アクチュエータ）力である。

・床上の力（Ｆ_{ｆｌｏｏｒ}）は次の数２のものに等しい。

・ｍの運動方程式によれば、次の数３となる。

・合わせて、これは次の数４という結果になる。

・共振より下の周波数では、アクチュエータ力の大部分は、ばね力ｋΔｘに打ち勝つために必要とされる。

・他方、共振より上の高周波では、ばね力ｋΔｘは無視でき、アクチュエータ力の大部分は効果的に質量ｍの加速をもたらす。

図４Ａは、ダンパデバイス１０の一実施形態を概略的に示す。図４Ｂは、図４Ａと同様の実施形態を概略的に示すが、予荷重された支持ばね３ｃ、３ｄを有する。

一実施形態において、パワーアクチュエータ４は、電源（図示せず）にて電力を供給されるコイル４ｂと、コイル４ｂの巻線の内側にある移動可能な磁石４ｃとを有する。例えば、磁石４ｃは慣性質量部２に接続され、コイル４ｂはアクチュエータフレーム４ａを介して支持フレーム１に接続され、または逆も同様である。

一実施形態において、慣性質量部２は、１つまたは複数の主要ばね３ａ、３ｂと、１つまたは複数の支持ばね３ｃ、３ｄと、を介して支持フレーム１にて支持され、１つまたは複数の支持ばね３ｃ、３ｄは、１つまたは複数の主要ばね３ａ、３ｂが荷重されていない場合の慣性質量部２の質量位置で予荷重されている。例えば、慣性質量部２は、１つまたは複数の板ばね３ａ、３ｂを介して支持フレーム１から浮上され、慣性質量部２は、１つまたは複数の板ばね３ａ、３ｂが荷重されていない場合の慣性質量部２の質量位置で予荷重されている１つまたは複数の圧縮ばね３ｃ、３ｄにてさらに支持されている。

別またはさらなる実施形態において、支持ばね３ｃ、３ｄは、重力の結果としての板ばねの過剰な偏りおよび／または応力を防止しながら比較的小さいばね定数を有する比較的弱い板ばねの使用を可能にするために、慣性質量部２への重力を少なくとも部分的に抑制して１つまたは複数の板ばね３ａ、３ｂの張力を緩和させるように予荷重されている。別またはさらなる実施形態において、１つまたは複数の主要ばね３ａ、３ｂは、組み合わされた第１ばね定数Ｋ１を有し、予荷重される支持ばね３ｃ、３ｄは、第２ばね定数Ｋ２を有し、第２ばね定数Ｋ２は、第１ばね定数Ｋ１の半分未満、好ましくは１０分の１未満である。別またはさらなる実施形態では、１つまたは複数の予荷重された支持ばね３ｃ、３ｄは、慣性質量部２の静止位置において、１つまたは複数の板ばね３ａ、３ｂと比べて平衡位置から少なくとも２倍離れている。

図５Ａは、ダンパデバイス１０の一実施形態の斜視図を概略的に示す。図５Ｂは、別個の振動センサ５を含むダンパデバイス１０の一実施形態の写真を概略的に示す。

一実施形態において、支持フレーム１は、減衰されるべき構造物に接続できる底板１ｃを含む。別またはさらなる実施形態において、支持フレーム１は、底板１ｃの上に支持ブロック１ａを有し、底板１ｃと支持ブロック１ａとの間に支持脚１ｂがあり、支持ブロック１ａはばね手段３を介して慣性質量部２を支える構成とされ、支持フレーム１は、慣性質量部２の振動を可能にする構成とされている。当然に、他の構成を想定できる。

一実施形態において、システム１００は、慣性質量部２の加速度を測定する構成の加速度センサ７を有する。別またはさらなる実施形態において、コントローラ（図示せず）は、測定された加速度に基づいて駆動力を適応させる構成とされている。例えば、コントローラ６は、例えば力＝質量＊加速度という関係式を用いて、測定された加速度に基づいて慣性質量部２にて加えられる力を計算する構成とされている。別またはさらなる実施形態において、コントローラは、質量−ばね系２、３の共振周波数ｆｎの少なくとも周囲の周波数範囲において、慣性質量部２にて加えられる力を一定に保持するように駆動力を適応させる構成とされている。一実施形態において、加速度センサ７は、図１に記載のフィルタＨ_ｉｎｖの代わりに用いられてもよい。しかしながら、フィルタＨ_ｉｎｖは、加速度センサ７の付加的なハードウェアを必要としないため好ましいことがある。その上、加速度ループオーバーシュートからの遅延および性能劣化がないので、より高速の制御を可能にできる。

一実施形態において、支持フレーム１は、パワーアクチュエータ（図示せず）から熱を奪うためにヒートシンクを形成する。別またはさらなる実施形態において、支持フレーム１は、支持フレーム１から熱を奪うために、アクティブ冷却器８、例えばファンを有する。したがって、より強力なパワーアクチュエータを用いることができ、または減衰デバイスを温度変動のより多い環境で用いることができる。

図６Ａは、建物の床１１に取り付けられた多数のダンパデバイス１０ａ、１０ｂを含むシステム１００の一実施形態を概略的に示す。例えば、各ダンパデバイス１０ａ、１０ｂは、それぞれの支持フレーム１、慣性質量部２、ばね手段３、およびパワーアクチュエータ４を有する。

図６Ｂは、機械支持フレーム１２に取り付けられた多数のダンパデバイス１０ａ、１０ｂを含むシステム１００の一実施形態を概略的に示す。別またはさらなる実施形態において、多数のダンパデバイス１０ａ、１０ｂは、例えば単一デバイスに一体化された中央コントローラ６にて制御される。別またはさらなる実施形態において、システム１００は、多数の振動センサ５ａ、５ｂを有する。別またはさらなる実施形態において、多数の振動センサ５ａ、５ｂは、同様に中央コントローラ６に接続される。例えば、アクティブ慣性ダンパシステムの１つまたは複数の支持フレームは、振動の影響を受けやすい機械１３を支持するための機械支持フレーム１２に接続される。例えば、アクティブ慣性ダンパシステム１００は、通常は機械１３に影響を与える振動を減衰させるために用いられる。一実施形態において、振動の影響を受けやすい機械１３は、機械脚１３ａ、１３ｂにて支持されて機械支持フレーム１２上に載置されている。別またはさらなる実施形態において、アクティブ慣性ダンパシステム１００の振動センサ５ａ、５ｂは、機械脚１３ａ、１３ｂにおける振動を減衰させるために機械脚１３ａ、１３ｂの位置に取り付けられている。例えば、振動センサ５ａ、５ｂは、それぞれの機械脚から１０ｃｍ以内、またはより近く、例えば５ｃｍ以内、もしくはさらに１ｃｍ以内に取り付けられている。一実施形態において、多数のダンパデバイス１０ａ、１０ｂは、振動の影響を受けやすい機械１３の下方の機械支持フレーム１２の底部に取り付けられている。一実施形態において、機械支持フレーム１２は、建物の床１１上に載置され、機械支持フレーム１２は建物の床よりも高い剛性を有する。

図７Ａは、制振のない建物の床の振動のシミュレーションを概略的に示す。例えば、マップは、建物の床の様々な場所の振動の強度を示す。図７Ｂは、さらなるシミュレーションを概略的に示すが、床は、白いドットと、７Ｎ（ニュートン）、７Ｎ、および９Ｎのそれぞれの力とにて示されるように配置された３つのダンパデバイスにて減衰される。

本発明の一形態は、構造物の振動を減衰させる方法を提供する。一実施形態で、この方法は、減衰されるべき構造物に取り付けられた支持フレーム、共振周波数を有する質量−ばね系を形成するためにばね手段を介して支持フレームにて支持された慣性質量部、および慣性質量部と支持フレームとの間に可変駆動力を印加するように構成されたパワーアクチュエータを有する減衰デバイスを用意するステップを有する。別またはさらなる実施形態で、この方法は、減衰されるべき構造物の振動を測定するステップと、構造物の測定された振動の周波数に応じて駆動力の大きさを決定する本明細書で説明するフィルタを用い、測定された振動に応じて駆動力を適応させるように減衰デバイスを制御するステップとを有する。例えば、減衰デバイスの支持フレームは、建物の床の振動を相殺するために建物の床に直接取り付けられる。例えば、多数の減衰デバイスは、減衰されるべき構造物の異なる位置に取り付けられる。

一実施形態によれば、デバイスを減衰させる減衰デバイスを設置する場所を決定する手順は、以下のステップのうちの１つまたは複数を有する。
１）目的とする床領域全体の床振動を測定し、仕様と比較するステップ。
２）減衰させる必要のある支配的振動数を決定するステップ。
３）床領域の中央に１つの減衰デバイスを設置し、一般に１ｍから１．５ｍ離れたその領域におけるいくつかの場所への１つの力からの床速度伝達関数に対するダンパデバイス力を測定するステップ。代替的または追加的に、これはモーダルハンマーと床センサとにて行うこともできる。
ａ）支配的振動周波数の近くに際立った共振があるか。一般に、周波数が高いほどモード密度が高いため、より多くのアクチュエータが求められる。
ｂ）床振動を仕様まで低減するために必要となる減衰デバイスの数および減衰デバイスの位置を動的モデルにて決定する。
ｉ）１つの力から１つの速度へのデータに基づいてオフラインでコントローラを調整する。
ｉｉ）他のチャネルへの影響を決定するためにシーケンシャルループシェイピングを用いる。すべての領域点の速度への外乱の影響が仕様内の値をもたらしたか。
ｉｉｉ）必要に応じて、第２のループや第３のループなどを調整する。
ｃ）減衰デバイスごとに力を決定する。
４）設計および配置
ａ）必要に応じて減衰デバイス力を拡大縮小する。
ｂ）減衰デバイスおよびコントローラ（例えば、キャビネット）の数を定める。
５）設計された場所に減衰デバイスを設置し、ステップ１を繰り返す。

図８Ａ〜図８Ｄは、制御フィルタと、例示の振動レベルへの制御フィルタの対応する効果に関する実施形態の様々なボード図を示す。各図の左上側は、周波数の関数としての駆動力の大きさを示す。左下側は対応する位相を示す。右上側は、フィルタの相殺がオンおよびオフでの振動レベルの例を示す。右下側は、相殺の大きさを示す。

図示する実施形態によるフィルタは、質量−ばね系の共振周波数における反共振ディップと、この周波数より上での著しく増加した減衰の大きさとを有する。図８Ａの実施形態では、フィルタは２つの共振ピークを有する。図８Ｂの実施形態では、フィルタは４つの共振ピークを有する。図８Ｂの実施形態では、フィルタは周波数の範囲Ｒに亘って多くの共振ピークを有する。図８Ｂの実施形態では、フィルタは質量−ばね系の共振周波数より上の範囲Ｒの任意の周波数を減衰させる帯域を形成する非常に広い共振ピークを有する。

これらの図は、垂直方向の振動を制御するように構成されたダンパデバイスを示すが、ダンパデバイスは、水平方向の振動、または水平方向と垂直方向との組合せの振動を制御する構成ともできる。例えば、慣性質量部およびばね手段は、水平方向に部分的または完全に振動する構成にできる。代替的または付加的に、ダンパデバイスの支持フレームは、減衰されるべき構造物の水平面、例えば機械支持フレームの面に対してある角度で接続されていてもよい。代替的または付加的に、ダンパデバイスは、異なる方向に振動するように構成された多数の慣性質量部を有することができる。さらに、多数の（別個または一体化された）センサを用いて、異なる方向の振動を検出できる。

明瞭で簡潔な説明とすることから、特徴は、同じまたは別個の実施形態の一部として本明細書にて説明しているが、本発明の範囲は、説明された特徴のすべてまたは一部の組合せを有する実施形態を含むと理解できる。例えば、実施形態は、アクティブ慣性ダンパシステムの特定の構成について示したが、さらに同様の機能および結果を達成するために、本発明の利益を有する当業者にて異なる方法が想定される。例えば、機械構成要素および／または電気構成要素は、１つまたは複数の代替構成要素に組み合わされたり分割されたりしてもよい。説明され図示された実施形態の様々な要素は、構造物の望ましくない振動を減衰させることなどのいくつかの利点を提供する。当然ながら、設計および利点を見いだし整合させる際に一層さらなる改善を提供するために、上述の実施形態またはプロセスのうちのあるものを１つまたは複数の他の実施形態またはプロセスと組み合わせることができることが理解できる。本発明は、過敏な機械の利益のために振動を減衰させることに特別の利点を提供し、一般に振動制御が求められる用途に適用できることが理解できる。

最後に、上述の記載は、本システムおよび／または方法の単なる例示であることが意図されており、添付の特許請求の範囲を特定の実施形態または実施形態の組み合せに限定するものと解釈すべきでない。したがって、本明細書および図面は、例示的な方法として考慮されるべきであり、添付の特許請求の範囲を限定することは意図されていない。添付の特許請求の範囲を解釈する際に、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は、所定の請求項に列記されたもの以外の他の要素または動作の存在を排除せず、要素に先行する「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」という単語は、複数のそのような要素の存在を排除せず、特許請求の範囲の参照符号は特許請求の範囲を限定せず、いくつかの「手段」は、同じまたは異なる項目または実施される構造もしくは機能にて表すことができ、特に別記しない限り、開示したデバイスまたはその一部分のいずれも一緒に組み合わせたり、さらなる部分に分離させたりできることが理解できる。いくつかの措置が相互に異なる請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの措置の組合せを有利に用いることができないことを示していない。特に、特許請求の範囲のすべての効果のある組合せは、本質的に開示されていると考えられる。

Claims (15)

1. 構造物（１１）の振動（Ｖ１、Ｖ２）を減衰させるためのアクティブ慣性ダンパシステム（１００）であって、
   − 減衰されるべき前記構造物（１１）に取り付けられるように構成された支持フレーム（１）と、
   − 共振周波数（ｆｎ）を有する質量−ばね系（２、３）を形成するためにばね手段（３）を介して前記支持フレーム（１）にて支持される慣性質量部（２）と、
   − 前記慣性質量部（２）と前記支持フレーム（１）との間に可変駆動力（Ｆｄ）を加えるように構成されたパワーアクチュエータ（４）と、
   − 減衰されるべき前記構造物（１１）の振動（Ｖ１、Ｖ２）を測定するように構成された振動センサ（５）と、
   − 前記測定された振動（Ｖ１、Ｖ２）に応じて前記駆動力（Ｆｄ）を適応させるように前記パワーアクチュエータ（４）を制御するように構成されたコントローラ（６）であり、前記コントローラ（６）は、前記構造物（１１）の前記測定された振動（Ｖ１、Ｖ２）を抑制するために周波数（ｆ）に応じて前記駆動力（Ｆｄ）の大きさ（Ｍ）を決定するフィルタ（Ｈ）を有し、前記フィルタ（Ｈ）は、前記質量−ばね系（２、３）自体の共振挙動を抑制するために、前記質量−ばね系（２、３）の前記共振周波数（ｆｎ）において前記駆動力（Ｆｄ）の前記大きさ（Ｍ）に反共振ディップを設けるようにさらに構成されているコントローラ（６）と、
   を含むシステム（１００）。
2. 前記フィルタ（Ｈ）は、前記質量−ばね系（２、３）の前記共振周波数（ｆｎ）より上の１つまたは複数の所定の減衰周波数（ｆ１、ｆ２）において前記駆動力（Ｆｄ）の前記大きさ（Ｍ）に１つまたは複数の共振ピークを設けるように構成されている請求項１に記載のシステム。
3. 前記フィルタ（Ｈ）は、前記質量−ばね系（２、３）の前記共振周波数（ｆｎ）より上の所定の減衰周波数の範囲（Ｒ）にわたり前記駆動力（Ｆｄ）の大きさ（Ｍ）を増加させるように構成されている請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記反共振ディップは、前記共振周波数（ｆｎ）において前記質量−ばね系（２、３）の逆共振を設けるように前記慣性質量部（２）の質量および前記ばね手段（３）のばね定数に基づいてモデル化されている請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記フィルタ（Ｈ）は、それぞれが前記質量−ばね系（２、３）の前記共振周波数（ｆｎ）より上のそれぞれの所定の減衰周波数（ｆ１、ｆ２）において前記駆動力（Ｆｄ）の前記大きさ（Ｍ）に少なくとも２つの別個の共振ピークを設けるように構成されている請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記質量−ばね系（２、３）の前記共振周波数（ｆｎ）は、２５Ｈｚより低い請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記フィルタの前記減衰周波数（ｆ１、ｆ２）は、前記質量−ばね系（２、３）の前記共振周波数（ｆｎ）より少なくとも２５％高い請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記所定の減衰周波数は、少なくとも１０Ｈｚ離される請求項２に記載のシステム。
9. 前記慣性質量部（２）は、１つまたは複数の主要ばね（３ａ、３ｂ）と、前記１つまたは複数の主要ばね（３ａ、３ｂ）が荷重されていない場合の前記慣性質量部（２）の位置で予荷重されている１つまたは複数の支持ばね（３ｃ、３ｄ）とを介して前記支持フレーム（１）にて支持され、前記支持ばね（３ｃ、３ｄ）は、前記慣性質量部（２）の重力を少なくとも部分的に抑制して前記１つまたは複数の板ばね（３ａ、３ｂ）の張力を緩和させるように予荷重されている請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記システム（１００）は、多数のダンパデバイス（１０ａ、１０ｂ）を含み、各ダンパデバイスは、それぞれの支持フレーム（１）、慣性質量部（２）、ばね手段（３）、およびパワーアクチュエータ（４）を含み、前記多数のダンパデバイス（１０ａ、１０ｂ）は、中央コントローラ（６）にて制御される請求項１から９のいずれかに記載のシステム。
11. 前記支持フレーム（１）は、建物の床（１１）に接続される請求項１から１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記アクティブ慣性ダンパシステム（１００）の前記支持フレーム（１）は、振動の影響を受けやすい機械（１３）を支持するために機械支持フレーム（１２）に接続され、前記振動の影響を受けやすい機械（１３）は、機械脚（１３ａ、１３ｂ）にて支持されて前記機械支持フレーム（１２）上に載置され、前記アクティブ慣性ダンパシステム（１００）の振動センサ（５ａ、５ｂ）は、前記機械脚（１３ａ、１３ｂ）における振動を減衰させるために前記機械脚（１３ａ、１３ｂ）の位置に設けられている請求項１から１１のいずれかに記載のシステム。
13. １つまたは複数のダンパデバイス（１０ａ、１０ｂ）は、前記振動の影響を受けやすい機械（１３）の下方の機械支持フレーム（１２）および支持フレーム（１）の底部に取り付けられる請求項１から１２のいずれかに記載のシステム。
14. 前記機械支持フレームは、建物の床上に載置され、前記機械支持フレーム（１２）は、前記建物の床より高い剛性を有している請求項１から１３のいずれかに記載のシステム。
15. 構造物（１１）の振動（Ｖ１、Ｖ２）を減衰させる方法であって、
    − 減衰されるべき前記構造物（１１）に取り付けられた支持フレーム（１）、共振周波数（ｆｎ）を有する質量−ばね系（２、３）を形成するためにばね手段（３）を介して前記支持フレーム（１）にて支持された慣性質量部（２）、および前記慣性質量部（２）と前記支持フレーム（１）との間に可変駆動力（Ｆｄ）を印加するように構成されたパワーアクチュエータ（４）を含む減衰デバイス（１０）を用意するステップと、
    − 減衰されるべき前記構造物（１１）の振動（Ｖ１、Ｖ２）を測定するステップと、
    − 前記構造物（１１）の前記測定された振動（Ｖ１、Ｖ２）を抑制するために周波数（ｆ）に応じて前記駆動力（Ｆｄ）の大きさ（Ｍ）を決定するフィルタ（Ｈ）を用い、前記測定された振動（Ｖ１、Ｖ２）に応じて前記駆動力（Ｆｄ）を適応させるように前記減衰デバイス（１０）を制御するステップであり、前記フィルタ（Ｈ）が、前記質量−ばね系（２、３）自体の共振挙動を抑制するために、前記質量−ばね系（２、３）の前記共振周波数（ｆｎ）において前記駆動力（Ｆｄ）の前記大きさ（Ｍ）に反共振ディップをさらに設けるステップと、
    を含む、方法。