JP3174137B2 - 構造物の制振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高層ビルやタワー等の
構造物の制振装置に係り、特にジャイロ機構を用いて構
造物に発生する水平振動及び捩じれ振動を低減する制振
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】構造物に対して風や地震等の外力が作用
して生じる振動を制御する装置としては、従来、例えば
特開平３−８１４７６号公報等に記載されているジャイ
ロ機構の原理を利用したものが知られている。この装置
は、所定の早さで高速回転する回転体の回転軸をフレー
ムが軸支し、そのフレームを、上記回転体の回転軸に直
交し且つ水平方向の軸線を支持軸として該支持軸周りに
回転可能に，左右一対の支持台を介して構造物に固定さ
れてなる制振用ジャイロ装置を使用したものである。

【０００３】この制振装置では、例えば構造物の水平振
動を制振制御するときには、予め上記構造の制振用ジャ
イロ装置を、回転体が水平面内において高速回転させた
状態にして構造物に設置しておき、支持軸の方向をＸ軸
とすると、Ｘ軸方向から入力される外力によって構造物
ならびに回転体に所定の角速度の回転変形が生じると、
この角速度ベクトルと直交する水平方向，即ちＹ軸方向
（Ｘ軸周り）に所定のモーメントが発生する。このモー
メントによって、回転体に対してＸ軸周り，即ち支持軸
周りに所定の角速度の回転動（歳差運動）を生じて、そ
の角速度と直交する水平方向，即ちＹ軸周りに、上記角
速度に比例した制振モーメントを、上記構造物に生じて
いる回転変形の逆方向へ発生させ、その制振モーメント
を左右一対の支持台を介して構造物に入力して、構造物
に生じている回転変形を低減する。

【０００４】この制振モーメントは、振動によって構造
物に対して正逆繰り返される回転変形に追従して発生
し、もって構造物に入力した水平方向の振動を低減す
る。なお、上記支持軸周りに発生する角速度は、構造物
の回転変形による角速度に応じて決まる受動的な変数で
あるから上記発生する制振モーメントの大きさは限定さ
れ、構造物に大きな外力が作用したときにはそれに対応
するだけの大きさの制振モーメントを発生することがで
きないことがあるが、本願発明者は、例えば特願平２−
２８３６１６号に記載されているように、回転動駆動手
段である駆動モータ等によって上記支持軸周りの角速度
を増幅することによって上記制振モーメントの値を大き
くする方法も開示している。

【０００５】そして、上記制振用ジャイロ装置を２機，
使用して水平方向の制振と共に捩じれ方向の振動も制振
する場合には、回転体を水平面から所定角度だけ傾け
て、上記制振用ジャイロ装置の回転体の歳差運動によっ
て発生する制振モーメントを、構造物に対して支持台を
介して鉛直方向の力（偶力）として作用する制振力と、
構造物に捩じれ動を入力する水平力（捩じれモーメン
ト）に分力して上記水平方向の振動及び捩じれ動を同時
に低減していた。

【０００６】または、構造物の捩じれ振動の制振制御に
対しては、回転体が鉛直面内で高速回転する別の制振用
ジャイロ装置を別に構造物へ設置して、構造物に発生し
ている捩じれモーメントによって回転体が上記と同様に
歳差運動を行い、その歳差運動の角速度に比例した制振
用の捩じれモーメントが発生し、構造物の捩じれ振動を
低減している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の制振装置では、少なくとも２台の制振用ジャイロ装
置を設置する必要があるので大きな専有空間を必要とす
るという問題がある。また、前者の制振装置にあって
は、一つの制振用ジャイロ装置によって発生するモーメ
ントを、水平振動及び捩じれ振動の両振動を制御をする
２つの制振力に分力して使用しているので、ねじれ振動
を制振しようとすると水平振動の制振力を小さくせざる
を得ないという問題がある。

【０００８】また、捩じれ振動の振動数に見合った傾斜
角に絶えず回転体を動かす（回転する）必要があるが、
該回転体が所望の傾斜角度になるように，回転体を軸支
している重量の重いフレーム及び回転体を動かす必要が
あり、捩じれ振動の振動数が高い場合には該回転体の傾
斜制御が困難となる可能性があるという問題もある。本
発明は、上記のような問題点に着目してなされたもの
で、一台の制振用ジャイロで水平方向の制振力を低下さ
せることなく捩じれ振動の制振ができる構造物の制振装
置を目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の構造物の制振装置は、高速回転する回転体
の回転軸をフレームが軸支し、そのフレームを，上記回
転軸に直交し且つ水平な支持軸の周りに回転可能に支持
してなる制振用ジャイロ装置を構造物に設置して、上記
回転体に支持軸周りの歳差運動を生じさせ、その歳差運
動の角速度に比例して発生する制振モーメントによって
構造物の振動を低減する制振装置において、上記フレー
ムに本体を剛的に固定されると共に、所定押圧力で上記
回転体に押し付け可能な摩擦体を備える制動装置を設け
たことを特徴としている。

【００１０】

【作用】構造物に設置された一つの制振用ジャイロ装置
において、水平面で高速回転する回転体に対して支持軸
周りに回転させる所定のトルクを入力すると、回転体
は、そのトルクに比例する，支持軸を回転軸とした所定
の角速度の回転動（歳差運動）を生じて、支持軸方向に
対してその歳差運動の角速度に比例した制振モーメント
Ｍを発生する。

【００１１】この制振モーメントＭは下記式で表され
る。 Ｍ＝Ω・Ｉ・ω ここで、Ω ：回転体の支持軸周りの角速度 Ｉ ：回転体の回転軸周りの質量回転慣性モーメント ω ：回転体の回転角速度 この制振モーメントＭは、構造物に対して鉛直方向の力
（偶力）として作用し、構造物に入力された振動による
該構造物の回転変形を低減する制振力となり水平方向の
振動を制振する。

【００１２】また、制動装置を駆動して摩擦体を回転体
に所定の押圧力で押し付けると、回転体と摩擦体との間
に摩擦力が生じ、その摩擦力によってる回転体からの反
力である鉛直軸周りの回転トルクが摩擦体に入力され
る。上記回転トルクは、制動装置からフレームに伝達さ
れ、そのフレームの支持軸から構造物にそれぞれ互いに
反対方向の水平力，即ち捩じれモーメントとして入力さ
れる。

【００１３】これを利用して、構造物に発生している捩
じれ振動に合わせて該捩じれ振動と反対方向の捩じれモ
ーメントを発生させるように、制動装置の摩擦体を回転
体に対して押し付けたり離したりして所定の大きさの捩
じれモーメントを構造物に入力することで、構造物に入
力された振動による変形を繰り返し相殺して構造物に発
生している捩じれ振動を低減する。

【００１４】なお、上記摩擦体を回転体に押し付ける
と、そのままでは、該回転体の回転数が低下するので、
摩擦体の押し付けに応じて、回転体への駆動力を大きく
して所定の回転数に維持させるとよい。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
まず構成を説明すると、図１及び図２に示されるよう
に、円盤形状の回転体１が水平に配置され、該回転体１
の中心部に軸を鉛直方向に向けた回転軸２が配設されて
いる。その回転軸２の上下両端側は、該回転体１を囲う
ように配設されているフレーム３の上下方向の中心軸上
にそれぞれ回転可能に図示しない軸受を介して軸支され
ている。

【００１６】その回転体１の回転軸２に直交し且つ回転
体１と同一平面上で水平な方向な一方向を支持軸Ｘとし
て、上記フレーム３の側部には、一対の支持ビーム４
が、それぞれ支持軸Ｘ方向に延びて設けられている。こ
の支持ビーム４は、それぞれ構造物６に固定された支持
台５に図示しない軸受を介して回転可能に支持され、も
って回転体１はフレーム３及び支持ビーム４を介して支
持軸Ｘ周りに回転可能になっていると共に、一対の支持
台５によって構造物に固定されている。

【００１７】上記回転体１の回転軸２の下端部には、回
転体１を高速に回転駆動する回転体駆動手段である回転
体駆動モータ１０が連結し、その回転体駆動モータ１０
は回転体１を一定の回転角速度で高速に回転駆動する。
また、上記支持ビーム４の一端部には、回転体１を支持
軸Ｘ周りに回転駆動する回転動駆動手段である電動モー
タ１１に連結している。その電動モータ１１は、コント
ローラ１４に接続されて、該コントローラ１４から供給
される指令により支持ビーム２を所定のトルクで回転駆
動し、回転体１を支持軸Ｘ周りに上記トルクに応じた所
定の角速度Ωで回転動（歳差運動）させるようになって
いる。

【００１８】また、支持ビーム４の他端部には、回転体
１の水平面に対する傾斜角度を検出する角度検出手段と
して、例えば回転計１２を取り付けてあり、その回転計
１２は、コントローラ１４に接続されて、検出した回転
体１の傾斜角に応じた信号を常時コントローラ１４に供
給している。また、フレーム３の上部中央内面から上記
回転軸２と同軸に該回転軸２よりも内径が大きい円筒体
８が下方に向けて突設している。その円筒体８の下端開
口部には内向きフランジが設けられている。

【００１９】また、上記回転体１の上方に制動装置の摩
擦体７が配置されている。その摩擦体７は、下面が回転
体１の上面と係合可能な形状を有する円板部７ａとその
円板部７ａの中央部から上方に延びている円柱部７ｂと
からなり、その摩擦体７の上下方向中央部に回転軸２よ
りも径が大きい貫通穴が開設されていて、その貫通穴に
回転軸２が遊挿しているように、回転軸２と同軸に上記
摩擦体７が配設されている。

【００２０】その摩擦体７の円柱部７ｂ上端部にはボス
が形成されていて、そのボスの外周部と上記円筒内周面
との間に、複数の上下に向かう滑りキー及びキー溝の組
みが形成され、その滑りキーによって摩擦体７は、下
方，即ち回転軸２に沿った方向にのみ往復移動可能にな
っている。その摩擦体７の上端面には、該摩擦体７を上
下方向に移動させる摩擦体駆動アクチュエータ９が接続
され、該摩擦体駆動アクチュエータ９はフレーム３上部
に剛的に固定されている。

【００２１】ここで、上記円筒体８，摩擦体７，及び摩
擦体駆動アクチュエータ９によって制動装置が構成され
ている。また、制振用ジャイロ装置の支持軸Ｘ方向に直
交し，且つ制振用ジャイロ装置の回転体１の回転軸２を
中心とした対称位置には、振動検出手段を形成する一対
の速度計１３がそれぞれ構造物６に設置されている。そ
の一対の速度計１３は、コントローラ１４に接続されて
いて、振動による構造物６の移動速度を検出して該移動
速度に応じた信号をそれぞれコントローラ１４に供給し
ている。

【００２２】コントローラ１４は、上記一対の速度計１
３から入力した信号によって、その時点での構造物６に
発生している水平方向の振動及び上下方向を軸とした捩
じれ振動を算出する。そして、上記水平方向の振動を相
殺する水平方向の曲げモーメントを発生させるために、
下記（１）式より制振用ジャイロ装置の回転体１に発生
させる角速度Ωを求め、その角速度Ωに応じた回転トル
クを発生する駆動振動を電動モータ１１に供給すると共
に、上記捩じれ振動を相殺するだけの捩じれモーメント
が発生可能なだけの回転体１と摩擦体７間の摩擦力を求
め、更に該摩擦力を発生する押圧力Ｆを求めて、その押
圧力Ｆに応じた駆動信号を摩擦体駆動アクチュエータ９
に供給するようになっている。

【００２３】Ｍ_H ＝Ｉ・ω・Ω ・・・（１） ここで、ωは制振用ジャイロ装置の回転体１の回転軸２
周りの角速度を表し、Ｉは回転体１の質量回転慣性モー
メントを表している。上記のような構造物の制振装置に
おいては、通常時，即ち風や地震等によって所定以上の
外力が構造物６に入力されていない状態では、角度検出
手段である回転計１２から入力される両回転体１の傾斜
角が零になるように電動モータ１１を介して回転体１を
ゆっくりと回転動させて回転体１を水平状態に維持させ
ておく。

【００２４】上記状態で、構造物６に風や地震等によっ
て所定以上の外力が入力すると、その外力によって、構
造物６に支持軸Ｘ方向への水平振動及び上下方向を軸と
した捩じれ振動が生じる。すると、振動制御装置が設置
してある位置での構造物６の移動速度が１対の速度計１
３によって計測されてコントローラ１４に供給される。

【００２５】コントローラ１４は、１対の速度計１３か
ら入力した信号をもとに構造物６に発生しているその時
点での水平方向の移動速度，及び捩じれ速度を求める。
次に、コントローラ１４は、上記求めた曲げ振動（若し
くは変位・変形），及び捩じれ振動（若しくは変位・変
形）を相殺する反対方向への水平方向の制振モーメン
ト，及び捩じれ方向の捩じれモーメントを算出して、そ
の値をもとに制振用ジャイロ装置の回転体１に発生させ
る角速度Ω，及び摩擦体７の回転体１への押圧力Ｆを計
算する。

【００２６】ここで上記式における回転体１の質量回転
慣性モーメントＩ_, 及び回転角速度ωは予め決定されて
いる値である。次に、コントローラ１４は、上記求めた
夫々の角速度Ωに対応するトルク，及び押圧力Ｆに応じ
た各駆動信号を電動モータ１１及び摩擦体駆動アクチュ
エータ９へ別々に供給する。

【００２７】電動モータ１１は、上記供給された駆動信
号に見合うトルクで支持ビーム４を回転駆動し、フレー
ム３を介して各回転体１が上記トルクに応じた角速度Ω
で回転動（歳差運動）する。この歳差運動によって両制
振用ジャイロ装置に与えられた角速度Ωに応じたモーメ
ントが支持軸Ｘ方向に発生し、各制振用ジャイロ装置の
支持台５を介して構造物６に対して鉛直方向の力（偶
力）が入力される。

【００２８】また、目的とした押圧力Ｆで摩擦体７が回
転体１に押し付けられ、押圧力Ｆに比例した摩擦力によ
って，反力である回転トルクが回転体１から摩擦体７に
入力される。該摩擦体７に入力された回転トルクは、円
柱部７ｂ上部にキーによって締結されている円筒体８を
介してフレーム３に入力され、そのフレーム３を介して
構造物６へ１対の支持台５から水平方向の力（偶力）と
して入力される。

【００２９】これによって、構造物６に入力された外力
によるその時点での曲げモーメント及び捩じれモーメン
トを低減する。上記処理を振動によって構造物６に生じ
ている回転変形に応じて発生する正逆両方向の変形モー
メントに対して、所定以下の振動になるまで上記処理が
繰り返されるることで、構造物６に入力された振動を低
減する。

【００３０】なお、上記実施例においては、電動モータ
１１によって直接支持ビーム４を回転させて回転体１を
支持軸Ｘ周りに回転させているが、回転動駆動手段とし
てはこれに限られるものではなく、各フレーム３外周の
中心軸線，即ち回転軸２と同一平面上の下方の構造物６
上に駆動モータを取り付け、この駆動モータとフレーム
３との間に互いに噛み合うギヤを設けて、該駆動モータ
の回転駆動によってフレーム３を回転させることで、回
転体１を支持軸Ｘ周りに回転駆動させる等，他の公知の
手段を適用しても構わない。なお、上記構成の回転動駆
動手段を採用すると、各制振用ジャイロ装置の支持軸Ｘ
周りへ所望のトルクを与えるのに必要な力が上記実施例
よりも小さくなる。

【００３１】また、上記実施例では、構造物６の振動を
測定する振動検出手段として１対の速度計１３を使用し
たが、これに限るものではなく加速度計や変位計などを
使用してもよいし、平行方向の振動は上記速度計１３で
計測し捩じれ動は捩じれ計で計測する等，他の公知のセ
ンサの組み合わせを使用してもよい。また、回転動駆動
手段として、支持軸Ｘに直接トルクを与えるものとして
電動モータ１１を使用しているが、これに限られるもの
ではなく、油圧機構など他の機構を使用してもよい。

【００３２】また、上記実施例においては、回転体１の
上面に摩擦体７を上から押圧する構造になっているが、
回転体１の下面に摩擦体７を下から押圧する構造でもよ
いし、回転体１の上下面を摩擦体７で挟み込むように押
圧する構造であっても構わない。なお、摩擦体７を回転
体１に押し付けることで、そのままでは回転体１に制動
がかかり回転体１の回転数が低下するが、制動に見合う
回転駆動に回転体駆動モータ１の駆動力を増加して回転
体１の回転数ωを一定に維持させるように制御するとよ
い。

【００３３】勿論、上記回転数を一定にする制御をせず
に回転体１の回転数ωの変化も考慮して回転体１に入力
する角速度Ωを計算するようにしてもい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の構造
物の制振装置では、一つの制振用ジャイロ装置だけで、
水平方向の振動への制振力を低下させることなく捩じれ
方向の振動の制振制御も同時に実施可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例の構造物の制振装置を示す
側面図である。

【図２】本発明に係る実施例の制振装置の構造物への設
置を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 回転体 ２ 回転軸 ３ フレーム ４ 支持ビーム ５ 支持台 ６ 構造物 ７ 摩擦体 ８ 筒体 ９ 摩擦体駆動アクチュエータ １０ 回転体駆動モータ １１ 電動モータ １３ 速度計 １４ コントローラ Ｆ 押圧力 Ω 角速度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−244001（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−122377（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−292466（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E04H 9/02 F16F 15/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高速回転する回転体の回転軸をフレーム
   が軸支し、そのフレームを，上記回転軸に直交し且つ水
   平な支持軸の周りに回転可能に支持してなる制振用ジャ
   イロ装置を構造物に設置して、上記回転体に支持軸周り
   の歳差運動を生じさせ、その歳差運動の角速度に比例し
   て発生する制振モーメントによって構造物の振動を低減
   する制振装置において、本体が上記フレームに剛的に固
   定されると共に、所定押圧力で上記回転体に押し付け可
   能な摩擦体を備える制動装置を設けたことを特徴とする
   構造物の制振装置。