JP5001810B2 - 可変剛性ばね、制振装置、及び構造物 - Google Patents

Description

本発明は、可変剛性ばね、制振装置、及び構造物に関する。

ライブハウスや多目的ホール等において大人数の観客が音楽に合わせて連続した跳躍運動を行った場合、又は、工場においてプレス機械等が連続稼動した場合に振動が発生する。この振動は、当該建物の周辺の建物に基礎や地盤を経由して伝播し、上下の振動を誘発して、不快な振動として感じられる。この不快な振動を解消するため、当該振動を打ち消す振動を強制的に発生させて制振を行う起振装置を振動発生源の周辺に設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の起振装置は、振動センサで計測された振動に基づいて、空気ばねの内圧を調整して固有振動数を変化させて制振を行っている。しかしながら、特許文献１の起振装置は、空気ばねの内圧を変えて、空気ばね全体の剛性を変化させていたため、エネルギーロスが大きかった。
特開平６−２００５３６

本発明は、エネルギーロスが小さく、振動体の制振が可能な可変剛性ばね、制振装置、及び構造物を得ることを目的とする。

本発明の請求項１に係る可変剛性ばねは、直列に配置された複数のコイルばねと、前記複数のコイルばねのうち少なくとも１つに設けられ、前記コイルばねの変位を阻止する変位阻止手段と、を有し、前記変位阻止手段は、前記コイルばねの両端部にそれぞれ取付けられた取付部材と、前記取付部材の他方に取付けられＭＲ流体を収容した収容部と、前記取付部材の一方に設けられ前記ＭＲ流体へ浸漬された凸部と、で構成された取付ユニットと、を備え、前記コイルばねに通電することで前記ＭＲ流体に磁界を作用させることを特徴としている。

上記構成によれば、変位阻止手段が、直列に配置された複数のコイルばねのうち、少なくとも１つのコイルばねの変位を阻止することで、複数のコイルばね全体のばね定数が変化し、即ち剛性を変化させることができる。これにより、従来のような、コイルばね全体の剛性を変化させるものと比べて、部分的な剛性変化で済むので、エネルギーロスが小さくなる。また、振動数が変化する振動体の振動数に応じて、可変剛性ばねの剛性を変化させることで、該振動体から伝播する振動を制振することができる。

また、コイルばねが磁界を発生して、取付ユニットの収容部のＭＲ流体に磁界を作用させる。収容部のＭＲ流体は、磁界が作用することにより、含有される粒状磁性体が集合してクラスターを形成するため、凸部の移動が阻止される。これにより、凸部が形成された取付部材が動かなくなる。このため、複数のコイルばねのうち、動かなくなった取付部材に取付けられたコイルばねの変位が阻止され、複数のコイルばね全体の剛性が変化する。このように、ＭＲ流体に磁界を作用させるだけで剛性を変化させることができるので、可変剛性ばねの剛性変化が容易となる。また、ＭＲ流体は、磁界の作用によって瞬時にクラスターを形成するため、短時間で複数のコイルばね全体の剛性を変化させることが可能となる。

本発明の請求項２に係る可変剛性ばねは、積み重ねられた複数の前記取付ユニットと、 前記コイルばねに選択的に通電して磁界を発生させる磁界選択発生手段と、を有することを特徴としている。

上記構成によれば、磁界選択発生手段が、積み重ねられた複数の取付ユニットのコイルばねのうち、剛性変化が必要とされる少なくとも１つのコイルばねを選択して通電し、磁界を発生させる。この磁界が収容部のＭＲ流体に作用することにより、選択された取付ユニットのコイルばねの変位が阻止され、複数のコイルばね全体の剛性が変化する。ここで、複数のコイルばね全体の剛性、すなわち、可変剛性ばねの剛性は、コイルばねの選択の組合せを変えるだけで複数種類に変化させることができるので、可変剛性ばねの剛性変化の自由度が増える。

本発明の請求項３に係る可変剛性ばねは、前記複数のコイルばねのばね定数が、それぞれ異なることを特徴としている。上記構成によれば、複数のコイルばねの異なるばね定数を組合せて、全体としてさらに多くのばね定数が設定可能となる。

本発明の請求項４に係る制振装置は、構造物に設けられ、上下方向に発生する該構造物の振動数と振幅を計測する計測手段と、前記構造物の柱又は杭に設けられ、前記構造物の振動を打ち消す上下方向の制振力を発生する制振手段と、前記計測手段で計測された構造物の振動数と振幅に基づいて前記制振力の大きさを制御する制御手段と、を有する制振装置において、前記制振手段が、上下方向に振動可能な加振部と、前記加振部と前記柱又は前記杭との間に設けられた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の可変剛性ばねと、を有し、前記制御手段が、前記振幅に基づいて前記加振部を振動させるとともに、前記振動数に基づいて前記可変剛性ばねの剛性を変化させることを特徴としている。

上記構成によれば、構造物の振動を打ち消す（制振する）ときに、加振部の振動によって振幅が調整され、可変剛性ばねの剛性を変化させることによって振動数が調整されるので、簡易な構成で制振力の大きさを制御できる。また、可変剛性ばねを用いることにより、制振装置のエネルギーロスを小さくできる。

本発明の請求項５に係る構造物は、請求項４に記載の制振装置が、柱又は杭に設けられたことを特徴としている。上記構成によれば、集団で人が跳躍するなどして構造物に上下方向の振動が発生すると、制振装置が上下方向の振動数と振幅に基づいて柱又は杭に制振力を作用させる。これにより、振動発生源である構造物の上下方向の振動が集中する柱や杭で、自ら振動を打ち消すので、地盤を通じて周囲の構造物に振動が伝わることがなくなる。

本発明は、上記構成としたので、エネルギーロスが小さく、振動体の制振が可能となる。

本発明の可変剛性ばね、制振装置、及び構造物の第１実施形態を図面に基づき説明する。図１に示すように、地面２０上に建物１０が構築されている。建物１０は、地盤２２の鉛直方向にコンクリート等で構成される杭１２が形成され、杭１２上にＨ鋼からなる複数の柱１４と複数の梁１６が組み上げられ固定されることで構築される。また、建物１０には、最上階に大人数を収容するホール２４が設けられている。ホール２４の床部１８には、ホール２４で発生する振動の振幅及び周波数を計測する振動センサ２６が設けられている。

一方、ホール２４直下の複数の柱１４Ａの中央部１４Ｂには、ホール２４の床部１８で発生する振動（矢印Ａ）を打ち消す振動（矢印Ｂ）を発生させる制振装置１００が内包されている。また、ホール２４の下の階には、振動センサ２６で計測された振動の振幅及び周波数に基づいて、制振装置１００の振動を制御する制御装置３０が設けられている。制御装置３０と振動センサ２６は、通電可能なケーブル２８で接続され、制御装置３０と制振装置１００は、同様に通電可能なケーブル３２で接続されている。制御装置３０は、図示しない電源を内包しており、制御装置３０から外部に電力供給可能となっている。

図２（ａ）に示すように、柱１４Ａの中央部１４Ｂのフランジの間には、鋼板からなり水平方向に広がる天井壁１０４及び底壁１０６が溶接されている。また、中央部１４Ｂのウェブの両側には、天井壁１０４と底壁１０６で囲まれ、収納部１０７Ａ及び収納部１０７Ｂが形成されている。収納部１０７Ａ及び収納部１０７Ｂには、それぞれ制振装置１００が収容されている。なお、収納部１０７Ａ及び収納部１０７Ｂにおける制振装置１００は同様の構成のため、収納部１０７Ｂの制振装置１００については説明を省略する。

次に制振装置１００について説明する。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、制振装置１００は、振動を発生させる加振部１０８と、加振部１０８で発生した振動数を調整して天井壁１０４及び底壁１０６に伝達する振動調整部１１０とで構成されている。

加振部１０８は、底板１１８上にチャンネル型鋼１４０の２本を対向させ、隙間部１２１を形成して構成された支柱１２０と、支柱１２０の両側に立設された２本の補助支柱１２６と、中空筒状で支柱１２０に外挿される可動部１２２と、支柱１２０及び補助支柱１２６で支持される天板１１６とを備えている。

支柱１２０は、可動部１２２に取り囲まれ、可動部１２２から内側へ延びる支持部材１２８が、上下方向へ移動可能に隙間部１２１に位置している。さらに、支柱１２０を構成するチャンネル型鋼１４０の内側（ウェブ）には、複数の磁石１４２が鉛直方向に並べて固定されている。

支持部材１２８の中央には、図示しない芯金に通電可能なコイルが複数回巻き掛けられた電磁コイル１３０が固定され、磁石１４２と対向している。これにより、電磁コイル１３０と可動部１２２が一体で、支柱１２０の外周面に沿って移動可能となっている。電磁コイル１３０には、通電可能なケーブル１３２の一端が接続されている。ケーブル１３２の他端は図示しない電源に接続されており、ケーブル１３２への通電の制御は制御装置３０（図１参照）で制御されている。

可動部１２２の外面には、鋼板からなるウェイト１２４が、図示しないボルト及びナット等の固定手段で交換可能に固定されている。ウェイト１２４の重量を変えることで、可動部１２２の重量が変更可能となっている。

ここで、制御装置３０（図１参照）からの指令で電磁コイル１３０に通電されると、電磁コイル１３０の周囲に磁界が発生し、この磁界と前述の磁石１４２の磁界との反発力によって可動部１２２が支柱１２０に沿って移動する。可動部１２２の移動方向は、電磁コイル１３０への通電方向によって変わり、制御装置３０が通電方向を適宜変更することで、可動部１２２が上下方向（矢印Ｆ方向）に移動するようになっている。可動部１２２の上下方向の移動により加振部１０８が振動し、加振力が発生する。

一方、振動調整部１１０は、所定のばね定数（固有の剛性）のスプリング１１２と、制御装置３０（図１参照）からの通電によってばね定数（剛性）が変化する可変剛性ばね４０とで構成されている。スプリング１１２及び可変剛性ばね４０の一端は、天井壁１０４又は底壁１０６に固定され、他端は天板１１６又は底板１１８に固定されている。

次に、可変剛性ばね４０について説明する。ここでは、天井壁１０４と天板１１６の間に配置された可変剛性ばね４０について説明するが、底壁１０６と底板１１８の間に配置された可変剛性ばね４０も同様の構成である。図３（ａ）に示すように、可変剛性ばね４０は、３つの取付ユニット４２、４４、４６と、制御装置３０（図１参照）内に設けられた選択通電ユニット４８とで構成されている。

取付ユニット４２は、略プレート状の下取付部材５４を有している。下取付部材５４の上面には、上部に開口部が形成された略円筒状の収容ケース５８が接着等により取付けられている。収容ケース５８内には、粒状磁性体Ｇが分散混入されたシリコンオイルからなるＭＲ（Magneto-Rheological）流体５６が収容されている。

ＭＲ流体５６は、磁界Ｍ（磁場）が作用していない通常時は粒状磁性体Ｇが分散されており、流動性のある液体となっているが、図３（ｂ）に示すように、発生した磁界Ｍが作用すると、粒状磁性体Ｇが集合してクラスターを形成し、降伏応力をもつ固体状になる。なお、図３（ｂ）では、取付ユニット４６におけるＭＲ流体５６への磁界Ｍの作用状態を示しているが、他の取付ユニット４２、４４についても同様である。

収容ケース５８には、金属製のコイルばね５０が外挿されており、コイルばね５０の下側端部が、下取付部材５４の上面に接着等により固定されている。また、コイルばね５０の上側端部は、収容ケース５８上に配置された略プレート状の上取付部材５２の下面に、接着等により固定されている。上取付部材５２の下面側で、コイルばね５０の内側には、収容ケース５８の開口部に挿入され、ＭＲ流体５６へ浸漬される凸部６０が設けられている。

このようにして、コイルばね５０の両端部にそれぞれ取付けられた上取付部材５２及び下取付部材５４と、上取付部材５２と下取付部材５４の間に設けられＭＲ流体５６を収容した収容ケース５８と、上取付部材５２に設けられＭＲ流体５６へ浸漬された凸部６０とで、取付ユニット４２が構成されている。

同様にして、取付ユニット４４は、コイルばね６２の両端部にそれぞれ取付けられた上取付部材６４及び下取付部材６６と、上取付部材６４と下取付部材６６の間に設けられＭＲ流体５６を収容した収容ケース６８と、上取付部材６４に設けられＭＲ流体５６へ浸漬された凸部７０とで構成されている。

また、取付ユニット４６は、コイルばね７２の両端部にそれぞれ取付けられた上取付部材７４及び下取付部材７６と、上取付部材７４と下取付部材７６の間に設けられＭＲ流体５６を収容した収容ケース７８と、上取付部材７４に設けられＭＲ流体５６へ浸漬された凸部８０とで構成されている。

ここで、下取付部材５４の下面略中央から下方へ向けて、凸部７０よりも小さい外径を有する突出部５４Ａが形成されており、上取付部材６４の上面略中央に突出部５４Ａの外径と略等しい内径を有する穴部６４Ａが形成されている。そして、突出部５４Ａが穴部６４Ａに嵌合されることにより、取付ユニット４２、４４が積み重ねられている。

同様に、下取付部材６６の下面略中央から下方へ向けて、凸部８０よりも小さい外径を有する突出部６６Ａが形成されており、上取付部材７４の上面略中央に突出部６６Ａの外径と略等しい内径を有する穴部７４Ａが形成されている。そして、突出部６６Ａが穴部７４Ａに嵌合されることにより、取付ユニット４４、４６が積み重ねられている。

上取付部材５２は、接着又はボルト、ナット等の締結による固定手段によって天井壁１０４に取付けられている。同様の固定手段によって、下取付部材５４と上取付部材６４、下取付部材６６と上取付部材７４、及び下取付部材７６と天板１１６が固定されている。このようにして、３つの取付ユニット４２、４４、及び４６が積み重ねられている。

ここで、コイルばね５０のばね定数をＫ１、コイルばね６２のばね定数をＫ２、コイルばね７２のばね定数をＫ３、可変剛性ばね４０のばね定数をＫとする。また、単純モデルとして、可変剛性ばね４０は、コイルばね５０、６２、７２が直列に連結されているものとする。このとき、１／Ｋ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３となる。なお、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は同じ値であってもよく、また異なる値であってもよいが、ここでは異なる値にしている。これは、各ばね定数を異なる値とした場合、可変剛性ばね４０のばね定数Ｋの設定可能なパターン数が増えるためである。

コイルばね５０の上側端部はケーブル８２Ａの一端に接続され、下側端部はケーブル８２Ｂの一端に接続されている。ケーブル８２Ａ及びケーブル８２Ｂの他端は、選択通電ユニット４８に接続されている。同様に、コイルばね６２の上側端部はケーブル８４Ａの一端に接続され、下側端部はケーブル８４Ｂの一端に接続されている。ケーブル８４Ａ及びケーブル８４Ｂの他端は、選択通電ユニット４８に接続されている。同様に、コイルばね７２の上側端部はケーブル８６Ａの一端に接続され、下側端部はケーブル８６Ｂの一端に接続されている。ケーブル８６Ａ及びケーブル８６Ｂの他端は、選択通電ユニット４８に接続されている。

選択通電ユニット４８は、振動センサ２６（図１参照）で計測された振動の周波数に基づいて、制御装置３０が可変剛性ばね４０のばね定数Ｋを選択すると、選択されたばね定数Ｋに基づいて、コイルばね５０、６２、７２の少なくとも１つに通電するようになっている。一方、コイルばね５０、６２、７２の少なくとも１つに通電されると、可変剛性ばね４０のばね定数Ｋが変化する。これにより、可変剛性ばね４０の剛性が変化し、振動調整部１１０の剛性が変化して、前述の加振部１０８（図２参照）で発生する振動数が変化するようになっている。

次に、本発明の第１実施形態の作用について説明する。

図１及び図２に示すように、ホール２４でコンサート等が行われ、演奏曲の音のリズムに合わせて集団で人が跳躍すると、建物１０の床部１８が上下方向に振動する。床部１８で発生した振動波Ａ（振幅ａ、周期Ｔ１、振動数１／Ｔ１とする）は、柱１４Ａに集中して伝播する。振動センサ２６は、この振動波Ａの振幅ａ、周期Ｔ１、及び振動数１／Ｔ１を計測し、制御装置３０にデータを送信する。

続いて、制御装置３０が、振動波Ａと１／２周期ずれている振動波Ｂ（振幅ａ、振動数１／Ｔ１）の振動を発生させるように電磁コイル１３０に通電し、磁界を発生させて加振部１０８が上下に振動する。加振部１０８の振動は、スプリング１１２及び可変剛性ばね４０からなる振動調整部１１０の剛性（ばね定数）により振動数が調整される。なお、可変剛性ばね４０のばね定数Ｋは、最初の曲の演奏が行われる前に、予め予測される振動数に合わせて設定されているものとする。

柱１４Ａに伝播した振動波Ａは、加振部１０８で発生し、振動調整部１１０で振動数が調整された振動波Ｂの制振力によって打ち消されるので、中央部１４Ｂより下方に伝播する振動がほぼなくなる。なお、振動センサ２６で微弱な振動が測定される場合には、制御装置３０が、電磁コイル１３０への通電を調整して適宜フィードバック制御を行うことで、振動波Ａが制振される。

次に、ホール２４における振動波の振動数及び振幅が変わるときの制振について説明する。図１及び図５に示すように、ホール２４において、例えばコンサートが行われ、１番目の曲に合わせて集団で人が跳躍し、そのとき発生した振動波を打ち消すための振動波がグラフＣ（振幅ｂ、周期Ｔ２、振動数１／Ｔ２）だったとする。ここで、１番目の曲が終了し、２番目の曲が開始され、再び曲に合わせて集団で人が跳躍して、グラフＡの振動波（振幅ａ、周期Ｔ１、振動数１／Ｔ１）が発生したとする。

制御装置３０は、振動センサ２６から送信されるデータ（振幅ａ、周期Ｔ１、振動数１／Ｔ１）に基づいて、電磁コイル１３０（図２ｂ参照）への通電量及び通電方向を変更し、グラフＡの振動波と１／２周期ずらすとともに、グラフＣの振動波の振幅をｂからａに調整する（矢印Ｙ）。

また、図３、図４（ｃ）、及び図５に示すように、制御装置３０は、グラフＣの振動波の振動数を１／Ｔ２から１／Ｔ１に調整する（矢印Ｘ）ため、可変剛性ばね４０における取付ユニット４２、４４、４６のうち、どの取付ユニットの剛性を変化させればよいかを選択する。

この選択は、例えば、前述の可変剛性ばね４０のばね定数Ｋの関係式１／Ｋ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３における右辺の３つの項のいずれかを、削除又は削除せずにばね定数Ｋを求め、このばね定数Ｋを用いて周期Ｔを演算し、求まったＴがＴ１に最も近い値となるときに、どの取付ユニットの項を削除したかによって行うことができる。ここでは、取付ユニット４２の剛性を変化させて、可変剛性ばね４０の剛性を変化させることが選択されたものとする。変化後の可変剛性ばね４０のばね定数をＫ´とすると、１／Ｋ´＝１／Ｋ２＋１／Ｋ３である。

取付ユニット４２の選択により、制御装置３０は、選択通電ユニット４８を作動させてコイルばね５０に通電する。コイルばね５０では、選択通電ユニット４８からの通電量及びコイルばね５０の巻き数に応じた磁界Ｍが発生する。収容ケース５８内部のＭＲ流体５６は、磁界Ｍが作用することにより、粒状磁性体Ｇがクラスターを形成し、固体状となる。これにより、上取付部材５２の凸部６０の変位が阻止され、上取付部材５２及び下取付部材５４に取付けられているコイルばね５０の変位が阻止される。

ここで、図４（ａ）は、コイルばね５０、６２、７２の変位が阻止されていない状態を示しており、図４（ｂ）は、コイルばね５０の変位が阻止された状態を示している。図４（ａ）では、コイルばね５０、６２、７２の変位が阻止されていないため、各取付部材間の間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３は可変である。一方、図４（ｂ）では、コイルばね５０の変位のみが阻止されているため、間隔ｄ１は固定で、間隔ｄ２、ｄ３が可変となっている。

このように、可変剛性ばね４０のばね定数がＫ´に変化したことにより、図２、図４（ｃ）、及び図５において、振動調整部１１０の剛性が変化し、加振部１０８の振動数が調整される。これにより、加振部１０８において、グラフＢの振動波（振幅ａ、振動数１／Ｔ１、周期Ｔ１／２遅れ）が発生し、グラフＢの振動波の制振力によってグラフＡの振動波が打ち消される。

以上説明したように、変位阻止手段としての取付ユニット４２、４４、４６、及び選択通電ユニット４８によって、直列に配置された複数のコイルばね５０、６２、７２のうち、少なくとも１つのコイルばねの変位を阻止することで、複数のコイルばね５０、６２、７２全体のばね定数が変化し、可変剛性ばね４０の剛性を変化させることができる。これにより、従来の空気ばねのような、ばね部材全体の剛性を変化させるものと比べて、部分的な剛性変化で済むので、エネルギーロスが小さくなる。また、振動数が変化するホール２４（床部１８）の振動数に応じて、可変剛性ばね４０の剛性を変化させることで、ホール２４から地盤２２へ伝播する振動を制振することができる。

さらに、ＭＲ流体５６に磁界Ｍを作用させるだけで可変剛性ばね４０の剛性を変化させることができるので、可変剛性ばね４０の剛性変化が容易となる。また、ＭＲ流体５６は、磁界Ｍの作用によって粒状磁性体Ｇが瞬時にクラスターを形成するため、短時間で可変剛性ばね４０の剛性を変化させることが可能となる。

また、コイルばね５０、６２、７２によって磁界を発生させるため、磁界を発生する手段を別に設ける必要がなくなり、可変剛性ばね４０の小型化が可能となる。

また、複数のコイルばね５０、６２、７２全体の剛性、すなわち可変剛性ばね４０の剛性は、各コイルばねの選択の組合せを変えるだけで複数種類に変化させることができるので、可変剛性ばね４０の剛性変化の自由度が向上する。

また、制振装置１００は、建物１０の振動を打ち消す（制振する）ときに、加振部１０８の振動によって振幅が調整され、可変剛性ばね４０の剛性を変化させることによって振動数が調整されるので、簡易な構成で制振力の大きさを制御できる。また、可変剛性ばね４０を用いることにより、制振装置１００のエネルギーロスを小さくできる。

また、集団で人が跳躍するなどして建物１０に上下方向の振動が発生すると、制振装置１００が上下方向の振動数と振幅に基づいて柱１４又は杭１２に制振力を作用させる。これにより、振動発生源である建物１０では、上下方向の振動が集中する柱１４で自ら振動を打ち消すので、地盤２２を通じて周囲の建物に振動が伝わることがなくなる。なお、制振装置１００を杭１２に設ければ、杭１２についても制振を行える。

なお、本発明の可変剛性ばねの第１実施形態の他の実施例として、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような構成を用いてもよい。図６（ａ）に示す可変剛性ばね１５０は、複数の取付ユニット１５２を積み重ねて構成されている。取付ユニット１５２は、コイルばね５０の両端部にそれぞれ取付けられた上取付部材１５４及び下取付部材１５６と、コイルばね５０の外周面から外側の位置で、上取付部材１５４と下取付部材１５６の間に設けられ、ＭＲ流体５６を収容した収容ケース１５８と、上取付部材１５４に設けられＭＲ流体５６へ浸漬された凸部１６０とで構成されている。

ここで、コイルばね５０に図示しない制御装置から通電され、磁界Ｍが発生すると、磁界Ｍの作用により粒状磁性体Ｇがクラスターを形成し、ＭＲ流体５６が固体状となって、コイルばね５０の変位が阻止される。これにより、可変剛性ばね１５０の剛性を変化させることができる。

一方、図６（ｂ）に示すように、コイルばね５０のみに電源を含む通電ユニット１６２を接続して、１つのコイルばね５０のみの剛性を変化させてもよく、また、図６（ｃ）に示すように、コイルばね５０、６２に電源を含む通電ユニット１６２、１６４をそれぞれ接続して、２つのコイルばね５０、６２の剛性を変化させ、残りの１つのコイルばね７２の剛性をそのままにしてもよい。本実施形態のようにコイルばねが３つの場合は、剛性を変化させるコイルばねの組合せは７通りある。

次に、本発明の可変剛性ばね、制振装置、及び構造物の第２実施形態を図面に基づき説明する。なお、前述した第１実施形態と基本的に同一のものには、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。

図７に示すように、柱１４の中央部１４Ｂ（図２参照）の天井壁１０４と、制振装置１００（図２参照）の天板１１６の間に、可変剛性ばね１７０が取付けられている。可変剛性ばね１７０は、前述の制振装置１００の可変剛性ばね４０を置き換えたものである。可変剛性ばね１７０は、取付ユニット１７２を３つ積み重ねて構成されている。

取付ユニット１７２は、コイルばね５０の両端部にそれぞれ取付けられた上部板材１７４及び下部板材１７６と、コイルばね５０の上端外周面に巻き方向に沿って取付けられた鉄等の磁性体からなる磁性部材１７８と、磁性部材１７８の外側で該磁性部材１７８と対向配置され、ケーブル１８２を介して制御装置３０によって通電が行われて、磁界を発生する電磁石１８０とで構成されている。

次に、本発明の第２実施形態の作用について説明する。

ホール２４（図１参照）においてコンサートが行われ、１番目の曲が終了し、２番目の曲が開始され、再び曲に合わせて集団で人が跳躍して振動波が発生したとする。制御装置３０は、振動センサ２６（図１参照）から送信される振動のデータに基づいて、電磁コイル１３０（図２ｂ参照）への通電量及び通電方向を変更し、振動波の振幅を調整する。

また、制御装置３０は、可変剛性ばね１７０全体で必要とされるばね定数Ｋを求めて、３つの取付ユニット１７２のうち、どの取付ユニットの剛性を変化させればよいかを選択する。ここでは、同じ３つの取付ユニット１７２を積み重ねているので、３つの取付ユニット１７２の変位を阻止しない場合には、１／Ｋ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ１＋１／Ｋ１＝３／Ｋ１であり、１つの取付ユニット１７２の変位を阻止する場合は１／Ｋ＝２／Ｋ１、２つの取付ユニット１７２の変位を阻止する場合は１／Ｋ＝１／Ｋ１となる。なお、ばね定数が異なる３つの取付ユニットを用いてもよい。

続いて、制御装置３０によって選択された取付ユニット１７２と対向する電磁石１８０に、制御装置３０から通電され、磁界が発生する。発生した磁界は、コイルばね５０に取付けられた磁性部材１７８に作用して、電磁石１８０と対向する位置に磁性部材１７８をロックする。これにより、コイルばね５０は上下方向の変位が阻止され、選択された取付ユニット１７２のばね定数が変化する。

選択された取付ユニット１７２のばね定数が変化した制振装置１００では、加振部１０８の振動数が調整され、柱１４の中央部１４Ｂに伝播する振動が制振される。このように、変位阻止手段として、磁性部材１７８と電磁石１８０を用いて、コイルばね５０の変位を阻止してもよい。

次に、本発明の可変剛性ばねの第３実施形態を図面に基づき説明する。なお、前述した第１実施形態と基本的に同一のものには、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、車両の一例である車２００の一部に可変剛性ばね２１２を用いた状態を示している。図８（ａ）に示すように、車２００は、本体としての車体２０２を有している。車体２０２の底面側には、車軸２０４が設けられており、車軸２０４の両端には、タイヤ２０６が回転可能に取付けられている。また、車軸２０４の端部近傍には、略直方体状の台座２０８が設けられており、台座２０８の上面には、サスペンション部２１０が取付けられている。

サスペンション部２１０は、タイヤ２０６の上下運動に対して適当な剛性を有する弾性要素としての可変剛性ばね２１２と、適度の振動減衰要素としてのショックアブソーバ２１４とで構成されている。なお、可変剛性ばね２１２及びショックアブソーバ２１４の上端は、それぞれ車体２０２側へ図示しないボルト等により取付けられている。

図８（ｂ）に示すように、可変剛性ばね２１２は、３つ積み重ねられた取付ユニット２１３と、選択通電ユニット２３０とで構成されている。取付ユニット２１３は、コイルばね２１６の両端部にそれぞれ取付けられた上部板材２１８及び下部板材２２０と、上部板材２１８と下部板材２２０の間に設けられＭＲ流体５６を収容した収容ケース２２２と、上部板材２１８の下面に突設されＭＲ流体５６へ浸漬された凸部２２４とで構成されている。

各取付ユニット２１３の連結部では、上部板材２１８と下部板材２２０が、図示しないボルト、ナット等の締結手段によって固定されている。一方、コイルばね２１６の上側端部はケーブル２２６Ａの一端に接続され、コイルばね２１６の下側端部はケーブル２２６Ｂの一端に接続されている。ケーブル２２６Ａ及びケーブル２２６Ｂの他端は、選択通電ユニット２３０に接続されている。

選択通電ユニット２３０は、車体２０２（図８（ａ）参照）に取付けられた図示しない振動センサで計測された振動の周波数に基づいて、可変剛性ばね２１２のばね定数Ｋを選択するようになっている。また、選択通電ユニット２３０は、選択された可変剛性ばね２１２のばね定数Ｋに基づいて、３つの取付ユニット２１３のうち、少なくとも１つのコイルばね２１６に通電するようになっている。

選択通電ユニット２３０によって、３つのコイルばね２１６の少なくとも１つに通電されると、可変剛性ばね２１２のばね定数Ｋが変化する。これにより、可変剛性ばね２１２の剛性が変化し、車体２０２（図８（ａ）参照）で発生する振動の振動数が変化するようになっている。

次に、本発明の第３実施形態の作用について説明する。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、車２００が、例えば、凹凸が比較的多い一般道を走行すると、車体２０２に取付けられた図示しない振動センサで振動の周波数が計測される。ここで、選択通電ユニット２３０が、この振動の周波数に基づいて振動を打ち消すために、可変剛性ばね２１２のばね定数Ｋを選択すると共に、選択されたばね定数Ｋとなるように、３つの取付ユニット２１３のうち、少なくとも１つのコイルばね２１６に通電する。

通電されたコイルばね２１６では、選択通電ユニット２３０からの通電量及びコイルばね２１６の巻き数に応じた磁界が発生する。収容ケース２２２内のＭＲ流体５６は、磁界が作用することにより、粒状磁性体がクラスターを形成して固体状となる。これにより、上部板材２１８の凸部２２４の変位が阻止され、コイルばね２１６の変位が阻止される。

コイルばね２１６の変位が阻止されることにより、可変剛性ばね２１２のばね定数Ｋが変化して剛性が変化し、サスペンション部２１０において適度な剛性を有するようになる。また、サスペンション部２１０では、ショックアブソーバ２１４によって、適度の振動減衰が行われる。このように、サスペンション部２１０が適度な剛性を有し、且つサスペンション部２１０で適度の振動減衰が行われるので、タイヤ２０６の上下運動による振動に対して適度な制振が行われ、車２００内の乗務員に快適な乗り心地を与えることが可能となる。また、適度な剛性、振動減衰によって、車２００の操縦安定性が増す。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されない。振動センサ２６は、柱１４の際であればどこに設けてもよい。制振装置１００は、建物１０の構造に応じて杭１２の上部又は上端部に設けてもよい。加振部１０８は、収納部１０７Ａ、１０７Ｂのいずれか一方に設けてもよい。振動調整部１１０は、３箇所全て可変剛性ばね４０で構成してもよい。

スプリング１１２及び可変剛性ばね４０の並列配置される個数は、単数、複数いずれであってもよい。積み重ねられるコイルばね及び取付ユニットの数は、３つに限定されず、２つ以上の複数であってもよく、また、スプリング１１２を用いる場合には、１つであってもよい。

本発明の第１実施形態に係る制振装置が設けられた建物の全体図である。 （ａ）本発明の第１実施形態に係る制振装置の斜視図である。（ｂ）本発明の第１実施形態に係る制振装置の断面図である。 （ａ）本発明の第１実施形態に係る可変剛性ばねの断面図である。（ｂ）本発明の第１実施形態に係る取付ユニットにおける磁界の発生状態を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）本発明の第１実施形態に係る各取付ユニットに通電したときのコ イルばねのロック状態を示す模式図及び断面図である。 本発明の第１実施形態に係る制振装置による制振状態を振動波を用いて示した模式図である。 本発明の第１実施形態に係る可変剛性ばねの他の実施例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る可変剛性ばねの模式図である。 （ａ）本発明の第３実施形態に係る可変剛性ばねを設けた車両の部分図である。（ｂ）本発明の第３実施形態に係る可変剛性ばねの断面図である。

符号の説明

１０ 建物（構造物）
１２ 杭（杭）
１４ 柱（柱）
２６ 振動センサ（計測手段）
３０ 制御装置（制御手段）
４０ 可変剛性ばね（可変剛性ばね）
４２ 取付ユニット（取付ユニット、変位阻止手段）
４４ 取付ユニット（取付ユニット、変位阻止手段）
４６ 取付ユニット（取付ユニット、変位阻止手段）
４８ 選択通電ユニット（磁界選択発生手段、変位阻止手段）
５０ コイルばね
５２ 上取付部材（取付部材、変位阻止手段）
５４ 下取付部材（取付部材、変位阻止手段）
５６ ＭＲ流体（ＭＲ流体）
５８ 収容ケース（収容部、変位阻止手段）
６０ 凸部（凸部、変位阻止手段）
６２ コイルばね
６４ 上取付部材（取付部材、変位阻止手段）
６６ 下取付部材（取付部材、変位阻止手段）
６８ 収容ケース（収容部、変位阻止手段）
７０ 凸部（凸部、変位阻止手段）
７２ コイルばね
７４ 上取付部材（取付部材、変位阻止手段）
７６ 下取付部材（取付部材、変位阻止手段）
７８ 収容ケース（収容部、変位阻止手段）
８０ 凸部（凸部、変位阻止手段）
１００ 制振装置（制振装置）
１０８ 加振部（制振手段、加振部）
１１０ 振動調整部（制振手段）
１５０ 可変剛性ばね（可変剛性ばね）
１５８ 収容ケース（収容部、変位阻止手段）
１６０ 凸部（凸部、変位阻止手段）
１７０ 可変剛性ばね（可変剛性ばね）
１７４ 上部板材（取付部材、変位阻止手段）
１７６ 下部板材（取付部材、変位阻止手段）
１７８ 磁性部材（変位阻止手段）
１８０ 電磁石（変位阻止手段）
２１２ 可変剛性ばね（可変剛性ばね）
２１３ 取付ユニット（取付ユニット、変位阻止手段）
２１６ コイルばね
２１８ 上部板材（取付部材、変位阻止手段）
２２０ 下部板材（取付部材、変位阻止手段）
２２２ 収容ケース（収容部、変位阻止手段）
２２４ 凸部（凸部、変位阻止手段）
２３０ 選択通電ユニット（磁界選択発生手段、変位阻止手段）
Ｍ 磁界（磁界）

Claims (5)

1. 直列に配置された複数のコイルばねと、
   前記複数のコイルばねのうち少なくとも１つに設けられ、前記コイルばねの変位を阻止する変位阻止手段と、
   を有し、
   前記変位阻止手段は、
   前記コイルばねの両端部にそれぞれ取付けられた取付部材と、前記取付部材の他方に取付けられＭＲ流体を収容した収容部と、前記取付部材の一方に設けられ前記ＭＲ流体へ浸漬された凸部と、で構成された取付ユニットと、を備え、
   前記コイルばねに通電することで前記ＭＲ流体に磁界を作用させることを特徴とする可変剛性ばね。
2. 積み重ねられた複数の前記取付ユニットと、
   前記コイルばねに選択的に通電して磁界を発生させる磁界選択発生手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の可変剛性ばね。
3. 前記複数のコイルばねのばね定数が、それぞれ異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変剛性ばね。
4. 構造物に設けられ、上下方向に発生する該構造物の振動数と振幅を計測する計測手段と、前記構造物の柱又は杭に設けられ、前記構造物の振動を打ち消す上下方向の制振力を発生する制振手段と、前記計測手段で計測された構造物の振動数と振幅に基づいて前記制振力の大きさを制御する制御手段と、を有する制振装置において、
   前記制振手段が、
   上下方向に振動可能な加振部と、
   前記加振部と前記柱又は前記杭との間に設けられた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の可変剛性ばねと、を有し、
   前記制御手段が、前記振幅に基づいて前記加振部を振動させるとともに、前記振動数に基づいて前記可変剛性ばねの剛性を変化させることを特徴とする制振装置。
5. 請求項４に記載の制振装置が、柱又は杭に設けられたことを特徴とする構造物。