JP2544985B2 - 構造物の振動抑制装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、構造物に外力が作用した際に生ずる構造
物の振動を抑制する構造物の振動抑制装置に係り、特
に、広範囲の振動に対して長期間に亙って有効な振動抑
制効果を発揮し得る構造物の振動抑制装置に関するもの
である。

「従来の技術」 近年、地震や強風等の外力が作用した際に生ずる構造
物の振動を積極的に抑制しようとする試みが為されてい
る。このような目的を達成するために、現状において提
案されている振動抑制装置は、一般に能動的方式（アク
ティブ）によるものと受動的方式（パッシブ）によるも
のとに分類できる。

能動的方式は、構造物に作用する外力を検出して、こ
の外力による構造物の振動を打ち消すような振動を能動
的に構造物に与えるようなものである。従って、莫大
なエネルギーを必要とすること、装置が大がかりなも
のとなり広大な床スペースを必要とすること、非常に
高価な機械設備になること、安全性に不安があるこ
と、などの問題点があり、実用化にはなお時間を要する
ものと思われる。

一方、受動的方式は、構造物に外力が作用して振動し
た際に、この振動を利用して構造物にその振動を打ち消
すような振動を受動的に構造物に与えるようなものであ
る。この受動的方式は、その一部がすでに実用化され、
風及び中小地震を対象として構造物の振動抑制効果が実
証されている。受動的方式は、外部からのエネルギー
を殆ど必要としないこと、狭い床スペース上において
も設置可能であること、装置の価格が比較的安いこ
と、安全対策が比較的容易であること、など前記能動
的方式に比べて、現状では幾多の利点を持っている。こ
のため、今後の趨勢は受動的方式が主流となり、この受
動的方式を基本として広範囲な外力に対応しうる最適制
御化（セミアクティブ化）が進められるものと見られ
る。

受動的方式の代表的な例としての受動的慣性質量方式
（Tuned Mass Damper）は、構造物の所定位置（通常は
上部）に取り付けられた振り子の錘の振動を、構造物の
振動に共振させることによって両者間に90゜の位相差を
生ぜしめ、振り子の慣性効果によって構造物の振動を抑
制する原理に基づいている。

第５図は、前記受動的慣性質量方式に基づく振動抑制
装置を設置する前と後とにおける、構造物の振幅特性を
示す図である。振動抑制装置を設置する前においては、
構造物が外力に共振した時（第５図の横軸の値が１の地
点）、同図の破線に示すようにその振幅は非常に大きく
なる。一方、振動抑制装置を設置すると、同図の実線に
示すように共振時の振幅は大幅に減少する。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、前記従来の受動的慣性質量方式に基づく振
動抑制装置では、その振動抑制効果を最大限に発揮する
ためには、前記振り子の固有周期を常時構造物の振動周
期に一致させた状態を維持しなければならない。この構
造物の振動周期は、風による振動や地震動後期において
は構造物の固有周期に一致する。しかしながら、実際に
は、振り子の固有周期を構造物の固有周期に完全に一致
させることは極めて困難であり、特に、構造物の固有周
期自体が重量や剛性の経年変化によって変動する性質の
ものである以上、振り子の固有周期を一致させることは
尚更困難である。

この発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、振
動抑制装置の振動部の振動を常時構造物の現実の振動に
対して90゜の位相遅れとすることで、広範囲の振動に対
して長期間に亙って有効な振動抑制効果を発揮し得る、
構造物の振動抑制装置を提供することを目的としてい
る。

「課題を解決するための手段」 そこでこの発明は、構造物の所定の位置に配設され、
慣性質量体と、該慣性質量体を前記構造物の振動周期と
同一の振動周期で振動自在に支持する支持手段とからな
る振動抑制装置において、前記支持手段に、前記慣性質
量体の振動の位相を補正するためのリニアモーターから
なる位相補正手段と、前記構造物の現実の振動と前記慣
性質量体の現実の振動とをそれぞれ測定して、両者の位
相差が90゜となるように前記位相補正手段による振動の
位相補正を制御する制御手段とを設けたような構造物の
振動抑制装置を構成することで、前記課題を解決せんと
している。

ここで、前記位相補正手段は前記慣性質量体の２方向
に沿う振動の位相補正をすることが好ましい。また、前
記位相補正手段は前記慣性体の振動を制動する機能を有
していることが好ましい。この場合、前記制御手段は前
記慣性質量体の振幅が許容範囲以上となった段階で位相
補正手段の制動力を強めることがより好ましい。

「作用」 この発明の概略構成を示す第３図を参照して、この発
明の作用について説明する。

第３図に示すように、慣性質量体１は、その下方に位
置するバネ部３により、水平方向に振動自在な状態で構
造物２上に配置されている。この慣性質量体１の振動周
期は、構造物２の振動周期と一致されている。また、こ
の慣性質量体１の側方には、この慣性質量体１の水平方
向に沿う振動の位相を補正するリニアモーター（位相補
正手段）が設けられている。このリニアモーター４は、
前記慣性質量体１の側部から略水平方向に延在されて突
設された二次導体５と、この二次導体５を上下から所定
間隔を置いて挾む形態で配置された一次コイル６、６と
から構成されている。なお、この一次コイル６は、櫛歯
状に形成された一次鉄心７と、この一次鉄心７の前記二
次導体５に向かう側に配設された一次巻線８とから構成
されている。

一方、前記慣性質量体１及び構造物２には、これら慣
性質量体１の水平方向の変位x₂と構造物２の水平方向の
変位x₁を測定するセンサー（振動計）９、10が付設され
ていると共に、これらセンサー９、10の変位を増幅する
増幅器11、12が設けられている。そして、これら増幅さ
れた慣性質量体１及び構造物２の変位に基づいて、位相
差計算手段13により、これら変位の位相差が計算され、
この位相差に比例した電流が前記リニアモーター４の一
次巻線８に印加される。

例えば、これら変位x₁、x₂の結果が例えば第４図に示
すようなものであったと仮定する。まず、第４図の符号
ａに示すように、慣性質量体１の変位の位相が基準とな
る変位（第４図の点線）、すなわち最適状態の位相より
遅れていれば、これを進めるべくリニアモーター４によ
って慣性質量体１を加振する。反対に、第４図の符号ｂ
に示すように、慣性質量体１の変位の位相が基準となる
変位の位相より進んでいれば、これを遅れさせるべくリ
ニアモーター４によって慣性質量体１に制動力を加え
る。このようにして、慣性質量体１を制動したり、ある
いは加振したりしてその振動の位相を補正して、構造物
２と慣性質量体１の位相を最適状態に維持することで、
絶えず最適な振動抑制効果を得ることができる。

「実施例」 以下、この発明の実施例について図面を参照して説明
する。

第１図ないし第２図は、この発明の第１実施例である
構造物の振動抑制装置を示す図である。図において、符
号20全体で示されるものは、この発明の第１実施例であ
る構造物の振動抑制装置（以下、単に「振動抑制装置」
と称する）であり、この振動抑制装置20は、建築物（構
造物）21の屋上付近の床面Ｆ上に取付板22を介して設け
られている。

この振動抑制装置20は、正方形の四隅に配置された４
個の水平変形部23、23、…により下方から支持された質
量体24と、この質量体24の振動の位相補正を行うリニア
モーター25とから概略構成されている。

前記水平変形部23は、三角形の頂点付近に配置された
積層ゴムまたは防振ゴム26、…が平面視三角形板状のス
タビライザー27、…を挾んで多層に積層されて構成され
ている。この積層ゴム26は、例えば鋼板とシート状のゴ
ムとが多層に積層され、その上下に取付板が設けられた
ような構成であり、水平方向の荷重に対する変位が許容
され、かつ、垂直方向の荷重に対する変位が拘束される
ものである。これにより、質量体24は水平面上の任意の
方向に振動自在とされている。

この積層ゴム26、…の規模及び積層数は、前記質量体
24を含めた系の固有振動周期が建築物21の一次の固有振
動周期と等しくなるように設定されている。なお、この
積層ゴム26は、ゴムの固体（鋼板との積層を成さない）
だけによる防振ゴムによって代替されることがある。

また、前記質量体24は、例えば鋼板、鉛、コンクリー
ト等から構成され、質量体24全体としての重量が、通
常、建築物21の総重量の1/150〜1/600の範囲となるよう
に、その材質、規模等が設定されている。すなわち、あ
まり軽すぎては建築物21の振動を有効に抑制できず、一
方、あまり重くすることは建築構造上限界がある。

さらに、この実施例のリニアモーター25には、いわゆ
る二方向形リニアモーターが用いられており、このリニ
アモーター25は、前記取付板22の中央部に載置された一
次コイル28と、前記質量体24の下面中央部から突設さ
れ、この一次コイル28上方に微小距離離間された状態で
配設された二次導体29とから構成されている。前記一次
コイル28は、上面に溝が格子状に刻設された一次鉄心30
と、この一次鉄心30の溝内に配設された一次巻線31とか
ら構成されている。より詳細には、この一次巻線31は、
一方向（第２図に示すｘ方向）に沿って配設されたｘ方
向巻線31aと、これに直交する方向（第２図に示すｙ方
向）に沿って配設されたｙ方向巻線31bとから構成され
ている。さらに、前記二次導体29の下面、すなわち前記
一次コイル28に相対向する面には、一次鉄心30の溝に対
応する溝が格子状に刻設されている。従って、これらｘ
方向巻線31a及びｙ方向巻線31bにそれぞれ所定の励磁電
流を供給することで、二次元的な進行磁界を発生させ、
ｘ、ｙ二方向の任意の力Fx、Fyをそれぞれ独立に発生さ
せることができる。

さらに、この実施例の振動抑制装置20には、第２図に
示すｘ、ｙ方向に沿う前記質量体24の水平方向の変位と
建築物21の水平方向の変位を測定するセンサー（振動
計、図示略）が付設されていると共に、これらセンサー
の変位を増幅する増幅器（図示略）が設けられている。
そして、これら増幅された質量体24及び建築物21の変位
に基づいて、位相差計算手段（図示略）により、これら
変位の位相差が計算され、この位相差に比例した電流が
前記リニアモーター25の一次巻線31に印加される。

次に、第１図ないし第２図を参照して、この発明の第
１実施例である振動抑制装置10の作用について説明す
る。

振動抑制装置20が屋上付近に設置された建築物21に強
風や地震等の外力が作用すると、質量体24はこの建築物
21に対してある周期遅れで振動を開始する。

この際、センサーは質量体24及び建築物21の変位を検
出し、これらの変位は増幅器を介して位相差計算手段に
入力される。位相差計算手段は、これらの変位の位相差
を計算し、質量体24の変位の位相が基準となる位相、す
なわち建築物21より90゜遅れた位相より遅れていれば、
これを進めるべくリニアモーター25の一次巻線31に励磁
電流を供給し、このリニアモーター25によって質量体24
を加振する。反対に、質量体24の変位の位相が基準とな
る位相より進んでいれば、これを遅れさせるべくリニア
モーター25の一次巻線31に励磁電流を供給し、このリニ
アモーター25によって質量体24に制動力を与える。この
ようにして、慣性質量体１を二次元的に制動したり、あ
るいは加振したりしてその振動の位相を補正し、建築物
21と質量体24の位相を最適状態に維持することで、建築
物21の振動が質量体24の振動で打ち消され、最適な建築
物21の振動抑制が絶えず行われる。

よって、この実施例によれば、建築物21の変位の位相
に対して質量体24の変位が常に90゜の位相遅れとなるよ
うに質量体24の位相を補正しているので、振動抑制装置
20により常時最適かつ最大限の振動抑制効果を得ること
ができる。しかも、この振動抑制効果は建築物の重量や
剛性の経年変化によらず一定である。

なお、この実施例において、質量体24の水平変位が過
大になった場合は、リニアモーター25により充分な制動
を与えることで、安全装置（フェイルセーフ装置）とし
ての機能も果たすことができる。

なお、この発明の構造物の振動抑制装置は、その細部
が前記実施例に限定されず、種々の変形例が可能であ
る。一例として、前記実施例では二方向形リニアモータ
ーを用いていたが、通常の一方向形リニアモーターを用
いてもよいことは勿論である。この場合、二次元的な振
動抑制を行うならば、互いに移動方向が直交するように
リニアモーターを組にして配置すればよい。

「発明の効果」 以上詳細に説明したように、この発明によれば、構造
物の所定の位置に配設され、慣性質量体と、該慣性質量
体を前記構造物の振動周期と同一の振動周期で振動自在
に支持する支持手段とからなる振動抑制装置において、
前記支持手段に、前記慣性質量体の振動の位相を補正す
るためのリニアモーターからなる位相補正手段と、前記
構造物の現実の振動と前記慣性質量体の現実の振動とを
それぞれ測定して、両者の位相差が90゜となるように前
記位相補正手段による振動の位相補正を制御する制御手
段とを設けたような構造物の振動抑制装置を構成したの
で、振動抑制装置により常時最適かつ最大限の振動抑制
効果を得ることができる。また、位相補正手段としてリ
ニアモーターを用いる構成となっているので、このリニ
アモーターに代えて単なるモーターを用いた場合に比較
して、減速機、ギア、ピニオン・ラック等の伝達機構が
不要となり、したがって、構造を簡略化することができ
るとともに、駆動ロスのない効率のよい作動を得ること
が可能となる。しかも、この振動抑制効果は建築物の重
量や剛性の経年変化によらず一定である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第２図はこの発明の第１実施例である構造
物の振動抑制装置を示す図であり、第１図はその全体構
成を示す正面図、第２図は質量体を除いた状態を示す平
面図、第３図はこの発明の作用を説明するための図、第
４図は慣性質量体と構造物との変位の関係を示す図、第
５図は振動抑制装置を設置する前と後とにおける構造物
の振幅特性を示す図である。 ９、10……センサー、11、12……計算手段、13……位相
差計算手段（以上、制御手段）、20……振動抑制装置、
21……建築物（構造物）、22……水平変形部、24……質
量体、25……リニアモーター（位相補正手段）。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】構造物の所定の位置に配設され、慣性質量
   体と、該慣性質量体を前記構造物の振動周期と同一の振
   動周期で振動自在に支持する支持手段とからなる振動抑
   制装置であって、前記支持手段は、前記慣性質量体の振
   動の位相を補正するためのリニアモーターからなる位相
   補正手段と、前記構造物の現実の振動と前記慣性質量体
   の現実の振動とをそれぞれ測定して、両者の位相差が90
   ゜となるように前記位相補正手段による慣性質量体の振
   動の位相補正を制御する制御手段とを備えていることを
   特徴とする構造物の振動抑制装置。
2. 【請求項２】前記位相補正手段は前記慣性質量体の２方
   向に沿う振動の位相補正をすることを特徴とする請求項
   １記載の構造物の振動抑制装置。
3. 【請求項３】前記位相補正手段は前記慣性体の振動を制
   動する機能を有していることを特徴とする請求項１記載
   の構造物の振動抑制装置。
4. 【請求項４】前記制御手段は前記慣性質量体の振幅が許
   容範囲以上となった段階で前記位相補正手段の制動力を
   強めることを特徴とする請求項３記載の構造物の振動抑
   制装置。