JP5337320B1 - 振動抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物の変位を伝達するためのケーブルを、変位の方向にかかわらず、緩みのない状態に保持することで、作動流体の流動による慣性効果を確保し、構造物の振動を十分に抑制できる振動抑制装置を提供する。
【解決手段】本発明による振動抑制装置は、建物Ｃの下梁ＢＬに設けられた一対のシリンダ８、８と、上梁ＢＵから反対方向に延びる一対のケーブル１０、１０と、各ケーブル１０の他端部がそれぞれ連結され、各シリンダ８内をケーブル１０側の第１油室１２と反対側の第２油室１３に区画する一対のピストン９、９と、下梁ＢＬと上梁ＢＵが相対的に変位したときに、一方のピストン９が、ケーブル１０で引っ張られることによりシリンダ１０内を移動し、このピストン９の移動に伴い、作動油ＨＦが、両第１油室１２、１２の間で第１バイパス通路６を通って流動し、両第２油室１３、１３の間で第２バイパス通路７を通って流動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造物を含む系内の第１部位と第２部位の間の相対的な変位を抑制することによって、構造物の振動を抑制する振動抑制装置に関する。

従来、この種の振動抑制装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この振動抑制装置は、構造物の梁の上下方向の振動を抑制するためのものであり、マスダンパと、マスダンパに梁の振動を伝達するためのケーブルと、ケーブルにテンションを付与するための付加ばねを備えている。ケーブルは、鋼材で構成され、梁の下側に沿って延び、梁の両端部に連結されている。マスダンパ及び付加ばねは、梁とケーブルの間に互いに並列に設けられている。この付加ばねでケーブルが下方に付勢されることにより、ケーブルにはテンションがあらかじめ付与されている（プレテンション）。マスダンパは、ボールねじ、回転マス及び粘性体を有する一般的なタイプのものである。

以上の構成の従来の振動抑制装置では、地震時などに梁が上下方向に振動すると、梁の振動が、ケーブルを介してマスダンパに伝達され、回転マスの回転運動に変換される。それにより、回転マスの回転慣性効果と粘性体の粘性減衰効果によって、梁の振動が抑制される。

特開２０１０−３８３１８号公報

上述した従来の振動抑制装置では、振動時に梁が下方に変位した（撓んだ）ときには、ケーブルがマスダンパを介して下方に押圧されることで、ケーブルのテンションが増大する。したがって、この場合には、ケーブルの剛性が発揮される結果、梁の振動をマスダンパに伝達し、その回転慣性効果を得ることができる。

一方、梁が上方に変位したときには、それに追従して、マスダンパ及び付加ばねが上方に移動することによって、ケーブルが緩み、付加ばねの移動量が限界値を超えたときに、ケーブルのテンションが消失する。この場合には、ケーブルの剛性が発揮されず、梁の振動がマスダンパに伝達されないため、その回転慣性効果を得ることができない。以上のように、従来の振動抑制装置では、梁が下方に変位したときのみ、回転マスの回転慣性効果が「片効き」の状態で発揮されるため、梁の振動を十分に抑制することができない。

このような不具合を回避するために、例えば、付加ばねとしてばね定数のより高いものを用いることが考えられる。しかし、その場合には、付加ばねと並列に配置されているマスダンパに梁の変位が伝達されにくくなり、回転マスの回転慣性効果が抑制される結果、やはり十分な制振効果を得ることができない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、構造物の変位を伝達するためのケーブルを、その変位の方向にかかわらず、緩みのない状態に保持でき、それにより、作動流体の流動による慣性効果を確保することによって、構造物の振動を十分に抑制することができる振動抑制装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、構造物を含む系内の第１部位と第２部位の間の相対的な変位を抑制することによって、構造物の振動を抑制する振動抑制装置であって、第１部位に設けられ、作動流体が充填された一対のシリンダと、一端部が第２部位に連結され、第２部位から互いに反対方向に延びる一対のケーブルと、一対のシリンダ内にそれぞれ摺動自在に設けられ、一対のケーブルの他端部がそれぞれ連結されるとともに、シリンダ内をケーブル側の第１流体室とケーブルと反対側の第２流体室に区画する一対のピストンと、を備え、第１部位と第２部位が相対的に変位したときに、変位の方向に応じて、一対のピストンの一方が、ケーブルで引っ張られることによりシリンダ内を移動するように構成され、一対のシリンダ内の第１流体室にそれぞれ接続され、一方のピストンがシリンダ内を移動するのに伴い、一方のピストンに対応する一方の第１流体室から他方の第１流体室に作動流体を流動させる第１バイパス通路と、一対のシリンダ内の第２流体室にそれぞれ接続され、一方のピストンがシリンダ内を移動するのに伴い、他方のピストンに対応する他方の第２流体室から一方の第２流体室に作動流体を流動させる第２バイパス通路と、をさらに備えることを特徴とする。

この振動抑制装置によれば、構造物を含む系内の第１部位と第２部位の間に、シリンダ、ピストン及びケーブルなどが一対で設けられている。各シリンダは、第１部位に設けられ、作動流体が充填されるとともに、その内部は、摺動自在のピストンによって、ケーブル側の第１流体室とその反対側の第２流体室に区画されている。一対のケーブルは、それぞれの一端部が第２部位に連結され、第２部位から互いに反対方向に延びるとともに、各他端部が各ピストンに連結されている。また、一対の第１流体室は第１バイパス通路を介して互いに連通し、一対の第２流体室は第２バイパス通路を介して互いに連通している。

以上の構成により、この振動抑制装置では、構造物の振動に伴って第１部位と第２部位が相対的に一方の方向に変位すると、その相対変位の方向に応じて、一方のピストンが一方のケーブルで引っ張られることにより、この相対変位がケーブルを介してピストンに伝達される。これにより、一方のピストンが第２部位側に移動するのに伴い、作動流体が、一方の第１流体室から流出し、第１バイパス通路を通って他方の第１流体室に流入する。

また、他方の第１流体室に流入した作動流体の圧力により、他方のピストンが第１部位側に移動する。これにより、他方のケーブルが引っ張られるとともに、作動流体が、他方の第２流体室から流出し、第２バイパス通路を通って一方の第２流体室に流入し、戻される。また、ピストン及びケーブルなどが一対で設けられているため、第１部位と第２部位が上記と逆の方向に変位したときには、ピストンの移動方向や作動流体の流動方向が逆になるだけで、上記と同じ動作が得られる。

以上のように、本発明の振動抑制装置によれば、構造物の振動に伴って第１部位と第２部位の間に相対変位が発生したときに、この相対変位が一方のケーブルを介して一方のピストンに伝達されるのに応じて、一対のピストンが連動して移動する。そして、この両ピストンの移動に伴い、作動流体が、一対の第１流体室の間で第１バイパス通路を介して流動すると同時に、一対の第２流体室の間で第２バイパス通路を介して流動する。したがって、このようなバイパス通路を介した作動流体の流動による慣性効果と作動流体の粘性減衰効果により、第１部位と第２部位との相対変位を抑制することによって、構造物の振動を抑制することができる。

また、第１バイパス通路を介した作動流体の流動と第２バイパス通路を介した作動流体の流動が、並行して同時に行われるので、作動流体の流動による、より大きな慣性効果を得ることができ、構造物の制振効果を向上させることができる。

また、一方のピストンが一方のケーブルで引っ張られ、移動するのに伴い、作動流体が他方の第１流体室に流入し、他方のピストンを移動させることにより、他方のケーブルは、移動した他方のピストンで引っ張られることによって、緩みのない状態に保持される。その結果、第１部位と第２部位との相対変位を、その方向にかかわらず、緩みのない状態に保持されたケーブルを介してピストンに伝達し、作動流体の流動による慣性効果と粘性減衰効果を確保でき、したがって、構造物の振動を十分に抑制することができる。

さらに、この振動抑制装置では、テンション状態に保持されるケーブルから成る弾性要素と、作動流体から成る慣性接続要素及び粘性要素が、直列に接続された関係になるので、これらの要素によって付加振動系を構成することができる。したがって、ケーブルの剛性（ばね定数）や、作動流体の密度及び粘度、シリンダの断面積、第１及び第２バイパス通路の通路面積などの諸元を適切に設定することによって、この付加振動系の固有振動数を構造物の所望の固有振動数に同調（共振）させることができ、それにより、構造物の振動エネルギを第１付加振動系で吸収することによって、構造物の振動をさらに良好に抑制することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の振動抑制装置において、一対のケーブルの各々と第２部位との間には、第１部位に設けられた第１滑車と、第２部位に設けられた第２滑車が配置されており、各ケーブルは、その中間の部分において、第１滑車及び第２滑車に巻き回されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１部位に第１滑車が、第２部位に第２滑車がそれぞれ設けられ、一対のケーブルの各々が、その中間の部分において、第１及び第２滑車に巻き回されているので、両滑車の一方は他方に対して動滑車として機能する。この動滑車機能により、第１部位と第２部位との相対変位が、増幅された状態でケーブルからピストンに伝達されることによって、ピストンの移動量及び作動流体の流動量が増大するので、構造物の制振効果をさらに高めることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の振動抑制装置において、回転自在の第１回転マスと、第１バイパス通路及び第２バイパス通路の少なくとも一方に設けられ、作動流体の流動を回転運動に変換し、第１回転マスを回転させる動力変換機構と、をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、第１及び第２バイパス通路を作動流体が流れるときに、それらの少なくとも一方に設けられた動力変換機構により、そのバイパス通路における作動流体の流動が回転運動に変換されることによって、第１回転マスが回転する。これにより、第１回転マスの回転慣性による慣性効果が付加されることによって、構造物の制振効果をさらに高めることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の振動抑制装置において、第１部位と第２部位の間に、一対のケーブルの各々及びそれに対応するピストンとそれぞれ並列に設けられ、第１部位及び第２部位にそれぞれ連結され、互いに直線的に移動可能な第１移動部材及び第２移動部材と、回転自在の第２回転マスとを有し、第１部位と第２部位が相対的に変位したときに、第１移動部材と第２移動部材との相対的な直線運動を第２回転マスの回転運動に変換する一対のマスダンパをさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、第１部位と第２部位の間に、第１及び第２移動部材と回転マスをそれぞれ有する一対のマスダンパが設けられている。第１部位と第２部位が相対的に変位すると、第１及び第２部位にそれぞれ連結された第１及び第２移動部材が相対的に直線運動し、この直線運動がマスダンパによって第２回転マスの回転運動に変換され、第２回転マスの回転慣性による慣性効果が付加されることによって、構造物の振動が抑制される。

また、マスダンパが、第１部位と第２部位の間にケーブル及びピストンと並列に設けられているので、ケーブル及び作動流体から成る付加振動系（以下「第１付加振動系」という）とは別個に、マスダンパを含む付加振動系（以下「第２付加振動系」という）を構成できる。したがって、第１付加振動系の諸元に加えて、第２付加振動系の第２回転マスの質量や径などの諸元を適切に設定することによって、第１及び第２付加振動系の組合わせ固有振動数をそれぞれ構造物の所望の固有振動数に同調させることができ、それにより、構造物の振動エネルギを第１及び第２付加振動系で吸収することによって、構造物の振動をさらに良好に抑制することができる。

また、第２付加振動系が構造物の固有振動数に同調した状態で振動しているときには、マスダンパの第１及び第２移動部材が相対的に大きく変位する。したがって、第１部位と第２部位との間のケーブル以外の部分の剛性が小さい場合には、その部分の変形を抑制しながら、第１部位と第２部位との相対変位を、その変位ロスが小さな状態で、ケーブルに伝達でき、それにより、第１付加振動系による制振効果を有効に得ることができる。

本発明の第１実施形態による振動抑制装置を、これを適用した建物の一部とともに概略的に示す正面図である。 図１の振動抑制装置の左半部の下側部分を拡大して示す正面図である。 第１実施形態による振動抑制装置の振動モデルを示す図である。 振動抑制装置の第１変形例を示す図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 第１変形例による振動抑制装置の振動モデルを示す図である。 振動抑制装置の第２変形例を示す、図５と同様の断面図である。 第２変形例による振動抑制装置の振動モデルを示す図である。 本発明の第２実施形態による振動抑制装置の構成を、これを適用した鉄塔とともに概略的に示す正面図である。 図９の振動抑制装置に用いられるマスダンパの断面図である。 第２実施形態による振動抑制装置のモデル図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１及び図２は、本発明の第１実施形態による振動抑制装置１を示している。この振動抑制装置１は、ビルなどの高層の建物Ｃの内部に設けられ、その水平方向の層間変位を抑制することによって、建物Ｃの振動を抑制するものであり、上下の梁ＢＵ、ＢＬと左右の柱ＰＬ、ＰＲによって取り囲まれた空間（以下「設置空間」という）Ｓに配置されている。

具体的には、振動抑制装置１は、支持部材２、慣性質量ダンパ３、２つの第１滑車４、４及び第２滑車５、５と、一対のケーブル１０、１０を備えており、これらの構成要素は、設置空間Ｓ内に左右対称に配置されている。

支持部材２は、例えばＨ形鋼で構成されたブレース状のものであり、左右の斜め材２ａ、２ａの上端部が、左右の柱ＰＬ、ＰＲと上梁ＢＵとの接合部にそれぞれ連結されている。斜め材２ａ、２ａは、下梁ＢＬの付近まで延び、それらの下端部が互いに連結され、ケーブル連結部２ｂになっている。以上の構成により、建物Ｃの上梁ＢＵの部分（上層）の変位が、支持部材２によって取り出される。

慣性質量ダンパ３は、第１バイパス通路６、第２バイパス通路７、左右一対のシリンダ８、８及びピストン９、９を備えている。シリンダ８は、円筒状のものであり、その端壁の部分において、下梁ＢＬと各柱Ｐとの接合部付近に設けられたシリンダ取付部材１１に一体に取り付けられ、設置空間Ｓの内方に向かって水平に延びている。また、シリンダ８には作動油ＨＦが充填されている。

ピストン９は、円板状のピストン本体９ａとロッド９ｂを一体に有し、ピストン本体９ａを介してシリンダ８内に左右方向に摺動自在に設けられている。また、シリンダ８の内部空間は、ピストン本体９ａによって、設置空間Ｓの中央側の第１油室１２と、それと反対側の第２油室１３に区画されている。ロッド９ｂは、ピストン本体９ａの中心から設置空間Ｓの中央側に水平に延び、シリンダ８の端壁を液密状態で貫通し、その外部に突出している。

第１バイパス通路６は、左右の第１油室１２、１２に接続され、両者を連通している。一方、第２バイパス通路７は、左右の第２油室１３、１３に接続され、両者を連通している。

図２に示すように、ピストン本体９ａには、これを貫通する２つの孔が形成されており、これらの孔にそれぞれ、第１リリーフ弁１４と第２リリーフ弁１５が設けられている。第１リリーフ弁１４は、弁体と、これを閉弁側に付勢するばね（いずれも図示せず）で構成されており、第１油室１２内の作動油ＨＦの圧力が所定値に達したときに開弁し、第１及び第２油室１２、１３を互いに連通させる。第２リリーフ弁１５は、第１リリーフ弁１４と同様に構成され、逆向きに配置されており、第２油室１３内の作動油ＨＦの圧力が所定値に達したときに開弁し、第１及び第２油室１２、１３を互いに連通させる。

ケーブル１０の一端部は、シリンダ８から突出したピストン９のロッド９ｂに連結され、他端部は、支持部材２のケーブル連結部２ｂの側面に連結されている。また、下梁ＢＬには、例えばＨ形鋼で構成された左右２つの滑車取付部材１６、１６が立設され、ケーブル連結部２ｂに対向している。前記第１滑車４は滑車取付部材１６に、第２滑車５はケーブル連結部２ｂに、互いに対向するように設けられている。ケーブル１０は、その中間の部分において、第１滑車４及び第２滑車５に折り返された状態で巻き回され、両端部においてピストン９のロッド９ｂと支持部材２のケーブル連結部２ｂに連結されることにより、緩みのない状態で張られている。

次に、上述した構成の振動抑制装置１の動作を説明する。建物Ｃが静止している状態では、振動抑制装置１は、図１に示す中立状態にあり、左右のピストン９、９及びケーブル１０、１０などは中立位置に位置し、各ケーブル１０は緩みのない状態になっている。この状態から、地震時などに建物Ｃが振動するのに伴い、上梁ＢＵと下梁ＢＬが左右方向に相対的に変位すると、この層間変位は、上梁ＢＵ付近に連結された支持部材２と、下梁ＢＬ付近に設けられたシリンダ８、８との間の変位として現れる。

例えば、上梁ＢＵが下梁ＢＬに対して図１の右方に変位したときには、支持部材２のケーブル連結部２ｂが右方に移動することによって、ケーブル連結部２ｂに連結された左側のケーブル１０が右方に引っ張られることにより、左側のピストン９が中立位置から右方に移動する。このピストン９の移動に伴い、左側の第１油室１２から作動油ＨＦが流出し、この作動油ＨＦは、第１バイパス通路６を通って右側の第１油室１２に流入する。

また、第１油室１２に流入した作動油ＨＦの圧力により、右側のピストン９が右方に移動する。これにより、右側のケーブル１０は、ピストン９で右方に引っ張られることにより、緩みのない状態に保たれる。さらに、このピストン９の右方への移動に伴い、右側の第２油室１３から作動油ＨＦが流出し、この作動油ＨＦは、第２バイパス通路７を通って左側の第２油室１３に流入する。

また、上梁ＢＵが下梁ＢＬに対して左方に変位したときには、ピストン９、９が上記とは逆に左方に移動し、第１及び第２バイパス通路６、７における作動油ＨＦの流動方向が逆になるだけで、上記と同じ動作が得られる。

以上のように、本実施形態の振動抑制装置１によれば、建物Ｃの振動に伴って下梁ＢＬと上梁ＢＵの間に層間変位が発生したときに、この層間変位が一方のケーブル１０を介して一方のピストン９に伝達され、ピストン９が移動するのに伴い、作動油ＨＦが、一方の第１油室１２から第１バイパス通路６を通って他方の第１油室１２に流れるとともに、他方の第２油室１３から第２バイパス通路７を通って一方の第２油室１３に流れる。したがって、このような作動油ＨＦの流動による慣性効果と作動油ＨＦの粘性減衰効果により、層間変位を抑制することによって、建物Ｃの振動を抑制することができる。

また、第１バイパス通路６を介した作動油ＨＦの流動と第２バイパス通路７を介した作動油ＨＦの流動が、並行して同時に行われるので、作動油ＨＦの流動による、より大きな慣性効果を得ることができ、建物Ｃの制振効果を向上させることができる。

また、一方のピストン９が一方のケーブル１０で引っ張られ、移動するのに伴い、作動油ＨＦが他方の第１油室１２に流入することによって、他方のピストン９が一方のピストン９と反対方向に移動し、他方のケーブル１０を引っ張るので、他方のケーブル１０は、緩みのない状態に保持される。その結果、層間変位を、その方向にかかわらず、緩みのない状態に保持されたケーブル１０を介してピストン９に伝達し、作動油ＨＦを流動させることができ、それにより、建物Ｃの制振効果をさらに向上させることができる。

さらに、各ケーブル１０が巻き回される第１滑車４及び第２滑車５は、下梁ＢＬに立設された滑車取付部材１６と、支持部材２のケーブル連結部２ｂに、それぞれ設けられており、両滑車４、５の一方が他方に対して動滑車として機能する。したがって、層間変位は、第１及び第２滑車４、５におけるケーブル１０の折返し数に等しい倍数で増幅された状態で、ケーブル１０からピストン９に伝達され、それに応じてピストン９の移動量及び作動油ＨＦの流動量が増大するので、建物Ｃの制振効果をさらに高めることができる。

また、第１油室１２又は第２油室１３の作動油ＨＦの圧力が所定値に達したときに、ピストン９に設けられた第１リリーフ弁１４又は第２リリーフ弁１５が開弁し、両油室１２、１３を連通させることによって、作動油ＨＦの圧力を油室１２、１３の一方から他方に逃がす。これにより、作動油ＨＦによる慣性効果及び粘性減衰力を制限することによって、ケーブル１０に弾性限界を超える過大な引張荷重が作用するなどの、振動抑制装置１の過負荷状態を防止することができる。

以上の構成の振動抑制装置１をモデル化すると、図３のように表される。すなわち、振動抑制装置１では、上梁ＢＵと下梁ＢＬの間に、支持部材２及びテンション状態に保持されるケーブル１０から成る弾性要素と、作動油ＨＦから成る慣性接続要素及び粘性要素が、直列に設けられているので、これらの要素によって付加振動系が構成される。したがって、支持部材２及びケーブル１０の剛性や、作動油ＨＦの密度及び粘度、シリンダ８の断面積、第１及び第２バイパス通路６、７の通路面積などの諸元を適切に設定することによって、この付加振動系の固有振動数を建物Ｃの所望の固有振動数、例えば１次の固有振動数に同調させることができ、それにより、建物Ｃの振動を適切に抑制することができる。

図４及び図５は、振動抑制装置１の第１変形例を示す。この第１変形例は、第１バイパス通路６及び第２バイパス通路７の途中に、回転慣性による慣性効果を付与するための歯車ポンプ２１及び第１回転マス２７をそれぞれ設けたものである。なお、両図では、第１バイパス通路６の構成のみが示され、第２バイパス通路７のものについては省略されている。

両図に示すように、歯車ポンプ２１は、ケーシング２２と、ケーシング２２に収容された第１ギヤ２３及び第２ギヤ２４を有している。ケーシング２２は、第１バイパス通路６よりも大きな流路面積を有しており、互いに対向する２つの出入口２２ａ、２２ａを介して、第１バイパス通路６に連通している。

また、第１ギヤ２３は、スパーギヤで構成され、第１回転軸２５に一体に設けられている。第１回転軸２５は、第１バイパス通路６に直交する方向に水平に延び、ケーシング２２に回転自在に支持され、ケーシング２２の外部に若干、突出している。第２ギヤ２４は、第１ギヤ２３と同様、スパーギヤで構成され、第２回転軸２６に一体に設けられており、第１ギヤ２３と噛み合っている。第２回転軸２６は、第１回転軸２５と平行に延び、ケーシング２２に回転自在に支持されている。また、第１及び第２ギヤ２３、２４の互いの噛合い部分は、ケーシング２２の出入口２２ａ、２２ａに臨んでいる。

第１回転マス２７は、比重の比較的大きな材料、例えば鉄から成る円板で構成されている。また、第１回転マス２７は、第１回転軸２５に同心状に固定されており、第１ギヤ２３及び第１回転軸２５と一体に回転する。

以上の構成により、この第１変形例では、建物Ｃの振動時に下梁ＢＬと上梁ＢＵの間に層間変位が発生するのに伴い、作動油ＨＦが第１及び第２バイパス通路６、７を流動する際に、ケーシング２２に流入した作動油ＨＦによって第１及び第２ギヤ２３、２４が回転駆動され、第１ギヤ２３と一体の第１回転マス２７が回転する。このように、作動油ＨＦの流動を歯車ポンプ２１で回転運動に変換し、第１回転マス２７を回転させることによって、第１実施形態による作動油ＨＦの慣性効果及び粘性減衰効果に、第１回転マス２７の回転慣性による慣性効果が付加されるので、建物Ｃの制振効果をさらに高めることができる。

以上の構成の第１変形例による振動抑制装置をモデル化すると、図６のように表される。すなわち、この振動抑制装置では、第１実施形態の振動抑制装置１に対し、第１回転マス２７から成る慣性接続要素が作動油ＨＦから成る慣性接続要素に並列に付加された関係になる。

したがって、この第１変形例の場合、付加振動系の固有振動数を定める諸元には、第１実施形態の場合の前述した諸元に加えて、歯車ポンプ２１の容積効率や第１回転マス２７の質量や径などが含まれる。したがって、これらの諸元を適切に設定することによって、この付加振動系の固有振動数を建物Ｃの所望の固有振動数に同調させることができる。

図７は、振動抑制装置１の第２変形例を示す。この第２変形例は、上述した第１変形例の第１回転マス２７に対して、第２回転マス３１をさらに付加したものである。なお、図７では、図４及び図５に示した第１変形例と同じ構成要素については、同じ符号を付している。

同図に示すように、前述した第１回転軸２５は、第１回転マス２７を越えてケーシング２２と反対側に延びており、その先端部に、粘弾性ゴム３２を介して、第２回転マス３１が同心状に設けられている。第２回転マス３１は、第１回転マス２７と同様、例えば鉄から成る円板で構成されており、その径は第１回転マス２７よりも小さい。また、粘弾性ゴム３２は、粘性及び弾性の双方を有している。

以上の構成により、この第２変形例では、建物Ｃの振動時に下梁ＢＬと上梁ＢＵの間に層間変位が発生するのに伴い、第１回転軸２５及び第１回転マス２７が回転すると、第１回転軸２５の回転が粘弾性ゴム３２を介して第２回転マス３１に伝達される。これにより、第２回転マス３１が回転することによって、第２回転マス３１の回転慣性による慣性効果がさらに付加されるので、建物Ｃの制振効果をさらに高めることができる。

以上の構成の第２変形例による振動抑制装置をモデル化すると、図８のように表される。すなわち、この振動抑制装置では、第２回転マス３１から成る慣性接続要素と粘弾性ゴム３２から成る弾性要素及び粘性要素が直列に接続されるとともに、これらの要素が、第１変形例の振動抑制装置の作動油ＨＦ及び第１回転マス２７などから成る要素に、並列に接続された関係になる。

以上の関係から、この振動抑制装置では、付加振動系として、第１変形例による作動油ＨＦ及び第１回転マス２７などから成る第１付加振動系と、第２回転マス３１などから成る第２付加振動系が、互いに別個に存在することになる。

したがって、第１及び第２付加振動系の諸元を適切に設定することによって、例えば、第１及び第２付加振動系の一方の組合わせ固有振動数が建物Ｃの１次の固有振動数に同調し、他方の組合わせ固有振動数が建物Ｃの２次の固有振動数に同調するように、多重同調させることができ、ひいては、建物Ｃの１次及び２次モードによる振動を適切に抑制することができる。この場合、第１付加振動系の諸元は、第１変形例の場合について前述したとおりであり、第２付加振動系の諸元には、第２回転マス３１の質量や径、粘弾性ゴム３２のばね定数及び粘度などが含まれる。

なお、第１及び第２付加振動系によって同調させる建物Ｃの固有振動数は、１次及び２次の固有振動数に限らず、他の任意の固有振動数でもよい。あるいは、第１及び第２付加振動系の固有振動数をいずれも、建物Ｃの同じ１つの固有振動数に多重同調させてもよい。

また、第１及び第２変形例では、歯車ポンプ２１及び第１回転マス２７を第１及び第２バイパス通路６、７の両方に設けているが、これらのいずれか一方のみに設けてもよい。

あるいは、第１油室１２と第１バイパス通路６をつなぐ配管、及び第２油室１３と第２バイパス通路７をつなぐ配管の一方をたすき掛け状に配置することによって、作動油ＨＦが第１及び第２バイパス通路６、７を互いに同じ方向に流動するようにするとともに、両バイパス通路６、７に共通の１組の歯車ポンプ２１及び第１回転マス２７のみを設け、両バイパス通路６、７を流動する作動油ＨＦによって作動させるようにしてもよい。

さらに、第１実施形態では、作動油ＨＦの流動を第１回転マス２７の回転に変換する機構として、歯車ポンプ２１を有する歯車ポンプ機構を用いているが、これに代えて、作動油ＨＦの流動によって回転するスクリュー羽根を有するスクリュー機構を用いてもよい。この場合には、スクリュー羽根の角度などを変えることによって、作動油ＨＦの慣性効果を調整することが可能である。また、第１実施形態では、振動抑制装置１を、建物Ｃの下梁ＢＬとそのすぐ上側の上梁ＢＵとの間に設置し、２層間の層間変位を抑制しているが、３層以上の間の層間変位を抑制してもよいことはもちろんである。あるいは、第２滑車５が設けられた支持部材２を省略し、第２滑車５を左右の柱ＰＬ、ＰＲと上梁ＢＵとの接合部に直接、設け、第５滑車５から第１滑車４にケーブル１０を延ばすようにしてもよい。

図９は、本発明の第２実施形態による振動抑制装置５１を示している。この振動抑制装置５１は、構造物としての鉄塔Ｔの水平方向の変位を抑制することによって、鉄塔Ｔの振動（揺動）を抑制するものであり、鉄塔ＴとアウトフレームＯＦの間に配置されている。

鉄塔Ｔは、地盤に設けられた基礎Ｆに立設されている。アウトフレームＯＦは、Ｈ形鋼などの部材を用いた柱及び梁で構成されるラーメン構造であり、基礎Ｆに立設され、鉄塔Ｔを取り囲むように配置されている。なお、以下の説明では、振動抑制装置５１の構成要素のうち、第１実施形態の振動抑制装置１と共通のものについては、同じ符号を付し、詳細な説明を適宜、省略するものとする。

振動抑制装置５１は、振動抑制装置１と同様、慣性質量ダンパ３、２つの第１滑車４、４及び第２滑車５、５と、一対のケーブル１０、１０を備えており、これらの構成要素は、鉄塔Ｔを中心として左右対称に配置されている。

慣性質量ダンパ３は、第１バイパス通路６、第２バイパス通路７、左右一対のシリンダ８、８及びピストン９、９を備えている。シリンダ８は、アウトフレームＯＦの左右の下端部にそれぞれ固定され、上下方向に延びており、内部に作動油ＨＦ（図示せず）が充填されている。各ピストン９は、ピストン本体９ａを介してシリンダ８内に上下方向に摺動自在に設けられており、シリンダ８の内部は、ピストン本体９ａによって、上側の第１油室１２と下側の第２油室１３に区画されている。

第１バイパス通路６は、左右の第１油室１２、１２に接続され、両者を連通し、水平に延びるとともに、第２バイパス通路７は、左右の第２油室１３、１３に接続され、両者を連通し、水平に延びている。また、図示しないが、各ピストン９のピストン本体９ａには、第１実施形態と同様、第１リリーフ弁１４及び第２リリーフ弁１５が設けられている。

ピストン９のロッド９ｂは、ピストン本体９ａの中心から上方に延び、シリンダ８の外部に突出しており、この突出部に各ケーブル１０の下端部が連結されている。また、アウトフレームＯＦの屋上の左右の端部には、第１滑車４、４がそれぞれ設けられ、それに対向する鉄塔Ｔの左右の外側部には、第２滑車５、５がそれぞれ設けられている。各ケーブル１０は、ピストン９のロッド９ｂとの連結部からアウトフレームＯＦの外側部に沿って上方に延び、第１滑車４及び第２滑車５に折り返された状態で巻き回され、その端部において鉄塔Ｔの外側部に連結されている。

以上の構成によれば、地震時などに鉄塔Ｔが揺動するのに伴い、第１実施形態の振動抑制装置１と基本的に同じ動作が得られる。具体的には、鉄塔Ｔの上層部が図９に示す中立位置から例えば右方に変位すると、その変位は、第１滑車４及び第２滑車５による動滑車機能により増幅された状態で、左側のケーブル１０から左側のピストン９に伝達される。これにより、ピストン９がケーブル１０で引っ張られ、上方に移動するのに伴い、作動油ＨＦが、左側の第１油室１２から第１バイパス通路６を通って右側の第１油室１２に流入する。

また、右側の第１油室１２に流入した作動油ＨＦの圧力により、右側のピストン９が下方に移動するのに伴い、右側のケーブル１０が、ピストン９で下方に引っ張られ、緩みのない状態に保持されるとともに、作動油ＨＦが、右側の第２油室１３から第２バイパス通路７を通って左側の第２油室１３に流入する。また、上記とは逆に鉄塔Ｔが図９の左方に変位したときには、上記とは左右逆で、同じ動作が得られる。

以上のように、本実施形態においても、第１実施形態の振動抑制装置１と同様の効果を得ることができる。すなわち、鉄塔Ｔの揺動に伴ってその上層部が横方向に変位したときに、慣性質量ダンパ３の第１バイパス通路６及び第２バイパス通路７を作動油ＨＦが流動することにより、この作動油ＨＦの流動による慣性効果と粘性減衰効果によって、鉄塔Ｔの上層部の変位を抑制し、鉄塔Ｔの揺動を抑制することができる。

また、一方のピストン９が一方のケーブル１０で引っ張られ、移動するのに伴い、他方のケーブル１０が、他方のピストン９で引っ張られることで、緩みのない状態に保持される。その結果、鉄塔Ｔの変位を、その方向にかかわらず、ケーブル１０を介してピストン９に伝達し、作動油ＨＦを流動させることができ、それにより、鉄塔Ｔの制振効果をさらに向上させることができる。

さらに、第１滑車４及び第２滑車５による動滑車機能により、鉄塔Ｔの変位が増幅された状態でケーブル１０からピストン９に伝達され、それに応じてピストン９の移動量及び作動油ＨＦの流動量が増大するので、鉄塔Ｔの制振効果をさらに高めることができる。また、慣性質量ダンパ３が鉄塔Ｔの最下層部に配置されるので、そのメンテナンスを容易に行うことができる。

振動抑制装置５１はさらに、左右一対のマスダンパ５２、５２を備えている。これらのマスダンパ５２、５２は、鉄塔Ｔの左右の側部とアウトフレームＯＦの最上部との間にそれぞれ設けられ、鉄塔Ｔを中心として左右対称に配置されている。各マスダンパ５２の構成は、本発明者が提案した特願２０１２−２７９９８２号に開示されたものと同じであるので、以下、図１０を参照しながら簡単に説明する。

同図に示すように、マスダンパ５２は、内筒６１、ボールねじ６２及び回転マス６３を有している。内筒６１は、鋼材などで構成され、一端部が開口した円筒状のものであり、他端部は、第１フランジ６５に取り付けられている。

また、ボールねじ６２は、ねじ軸６２ａと、ねじ軸６２ａに多数のボール６２ｂを介して螺合するナット６２ｃを有している。ねじ軸６２ａの一端部は、内筒６１の開口に収容され、他端部は、第２フランジ６６に取り付けられている。また、ナット６２ｃは、軸受６７を介して、内筒６１に回転自在に支持されている。

回転マス６３は、比重の大きな材料、例えば鉄で構成され、円筒状に形成されている。また、回転マス６３は、内筒６１及びボールねじ６２の外側にこれらを覆うように設けられ、軸受６８を介して、内筒６１に回転自在に支持されている。回転マス６３と内筒６１の間の空間は、一対のリング状のシール材６９、６９で密閉されており、この空間にはシリコンオイルで構成された粘性体７０が充填されている。

以上のように構成されたマスダンパ５２では、内筒６１とねじ軸６２ａの間に相対変位が発生すると、その直線運動がボールねじ６２で回転運動に変換された状態で、回転マス６３に伝達されることによって、回転マス６３が回転する。なお、同図中の符号６４は、マスダンパ５２の軸線方向に作用する軸荷重を制限することによって、マスダンパ５２の回転変換動作を制限するための制限機構である。

以上の構成のマスダンパ５２は、その第１及び第２フランジ６５、６６が、アウトフレームＯＦの最上部とこれに対向する鉄塔Ｔの部位にそれぞれボルトなどで固定された状態で、取り付けられている。

以上の構成によれば、鉄塔Ｔの揺動に伴い、その上層部が図９の左右方向に変位すると、マスダンパ５２の内筒６１とねじ軸６２ａが相対的に変位し、その直線運動が回転マス６３の回転運動に変換され、回転マス６３の回転慣性による慣性効果と粘性体７０の粘性減衰効果が付加されることによって、鉄塔Ｔの振動が抑制される。

また、以上の構成の振動抑制装置５１をモデル化すると、図１１のように表される。すなわち、振動抑制装置５１では、鉄塔Ｔの上層部と鉄塔Ｔの最下層部である基礎Ｆとの間に、アウトフレームＯＦ及びケーブル１０から成る弾性要素と、慣性質量ダンパ３の作動油ＨＦから成る慣性接続要素及び粘性要素が、直列に接続されるとともに、マスダンパ５２の回転マス６３から成る慣性接続要素と粘性体７０から成る粘性要素が、ケーブル１０及び作動油ＨＦなどから成る要素に並列に接続された関係になる。

以上の関係から、この振動抑制装置５１では、付加振動系として、ケーブル１０及び作動油ＨＦなどから成る第１付加振動系と、アウトフレームＯＦ及び回転マス６３などから成る第２付加振動系が、互いに別個に存在することになる。

したがって、第１及び第２付加振動系の諸元を適切に設定することによって、例えば、第１及び第２付加振動系の一方の組合わせ固有振動数が鉄塔Ｔの１次の固有振動数に同調し、他方の組合わせ固有振動数が鉄塔Ｔの２次の固有振動数に同調するように、多重同調させることができ、鉄塔Ｔの１次及び２次モードによる振動を適切に抑制することができる。この場合、第１付加振動系の諸元は、第１変形例の場合について前述したとおりであり、第２付加振動系の諸元には、回転マス６３の質量や径、粘性体７０の粘度などが含まれる。

また、第２付加振動系が鉄塔Ｔの固有振動数に同調した状態で振動しているときには、マスダンパ５２の内筒６１とねじ軸６２ａが相対的に大きく変位する。したがって、アウトフレームＯＦの剛性が小さい場合には、その変形を抑制しながら、第１部位と第２部位との相対変位を、その変位ロスが小さな状態で、ケーブルに伝達でき、それにより、第１付加振動系による制振効果を有効に得ることができる。

なお、本発明は、これまでに説明した第１実施形態とその第１及び第２変形例や第２実施形態（以下、総称して「実施形態」という）に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、建物Ｃなどの構造物の静止状態において、ケーブル１０を、特にテンションを付与することなく、緩みのない状態で設置しているが、ケーブル１０に積極的にあらかじめテンションを付与してもよい（プレテンション）。このプレテンションにより、慣性質量ダンパ３の作動時にケーブル１０をテンション状態に確実に保持でき、作動油ＨＦの流動による慣性効果及び粘性減衰効果を確実に得ることができる。

また、慣性質量ダンパ３の内部、例えば一対のピストン９のピストン本体９ａとロッド９ｂとの間に、それぞれ付加ばねを設けてもよい。この場合、付加ばねはケーブル１０と直列に連結されるので、両付加ばねのばね定数ｋ１、ｋ２を含めて付加振動系の諸元を設定することによって、その固有振動数を調整できる。また、付加ばねのばね定数ｋ１、ｋ２は、互いに同じ値でもよく、又は異なる値に設定してもよい。後者の場合には、構造物などが一方の方向に変位するときと、他方の方向に変位するときとで、互いに異なる付加振動系の固有振動数を得ることができる。

さらに、一対の付加ばねに圧縮の予荷重を導入してもよい。この場合には、ピストン９の移動量が予荷重による圧縮量に達するまでは、両付加ばねの反力が作用するため、付加ばね全体のばね定数ｋは、両付加ばねのばね定数ｋ１、ｋ２の和（＝ｋ１＋ｋ２）になる。これに対し、ピストン９の移動量が予荷重による圧縮量に達した後には、ケーブル１０によって引っ張られる側の一方の付加ばねの予荷重が消失し、他方の付加ばねの反力だけが作用するようになるため、付加ばね全体のばね定数ｋは、その付加ばねのばね定数ｋ１又はｋ２になる。

このように、一対の付加ばねに予荷重を付与することによって、構造物（建物Ｃ又は鉄塔Ｔ）の変位に対する両付加ばねから成る弾性要素の剛性の特性として、バイリニアな特性を得ることができる。したがって、例えば、振動による構造物の変位が大きくなるのに伴って振動抑制装置１や５１の反力が過大にならないうちに、この弾性要素の剛性がより小さな値（ｋ１又はｋ２）に切り替わるようにすることが可能になる。それにより、付加振動系の固有振動数を構造物の固有振動数と異ならせることで、振動抑制装置１や５１の反力の過大化を防止することができる。

また、振動による構造物の変位が比較的小さいときには、両付加ばねから成る弾性要素の剛性としてより大きな値（ｋ１＋ｋ２）を得ることが可能になる。それにより、例えば風力により構造物が振動した場合であって、それによる構造物の変位が比較的小さいときでも、構造物の変位を、付加ばねの弾性変形により吸収されるのを抑制しながら、作動油ＨＦや第１回転マス２７などに適切に伝達でき、ひいては、構造物の振動を適切に抑制することができる。さらに、構造物の変位が大きいときと、小さいときとで、異なる付加振動系の固有振動数を得ることができるので、それによる多重同調を行うことも可能である。

また、実施形態では、本発明の作動流体として、作動油ＨＦを用いているが、粘性を有する他の適当な流体を用いてもよい。さらに、実施形態では、構造物の左右に、第１滑車４及び第２滑車５を１個ずつ設けているが、その設置数及びケーブル１０の折返し数を増やしてもよい。それにより、ケーブル１０からピストン９に伝達される構造物の変位の増幅倍率を高めるとともに、ケーブル１０の剛性を調整することができる。

さらに、実施形態では、振動抑制装置１や５１を、建物Ｃの層間や鉄塔Ｔと基礎Ｆの間に設置し、いわゆる制振装置として用いているが、構造物とこれを支持する支持体との間に設置し、いわゆる免震構造の振動抑制装置として用いてもよい。あるいは、第１変形例に示したような歯車ポンプ機構を用い、構造物の変位に応じて歯車ポンプをモータで駆動し、作動流体を強制的に流動させることによって、風揺れなどに対する建物内の居住性を改善するためのアクティブダンパとして用いてもよい。

また、実施形態は、本発明を建物Ｃや鉄塔Ｔに適用した例であるが、本発明による振動抑制装置は、他の適当な構造物、例えば橋梁などにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

Ｃ 建物（構造物）
ＢＬ 下梁（第１部位）
ＢＵ 上梁（第２部位）
ＨＦ 作動油（作動流体）
１ 振動抑制装置
３ 慣性質量ダンパ
４ 第１滑車
５ 第２滑車
６ 第１バイパス通路
７ 第２バイパス通路
８ シリンダ
９ ピストン
１０ ケーブル
１２ 第１油室（第１流体室）
１３ 第２油室（第２流体室）
２１ 歯車ポンプ（動力変換機構）
２７ 第１回転マス
Ｔ 鉄塔（構造物、第２部位）
Ｆ 基礎（第１部位）
５１ 振動抑制装置
５２ マスダンパ
６１ 内筒（第１移動部材）
６２ａ ねじ軸（第２移動部材）
６３ 回転マス（第２回転マス）

Claims (4)

1. 構造物を含む系内の第１部位と第２部位の間の相対的な変位を抑制することによって、当該構造物の振動を抑制する振動抑制装置であって、
   前記第１部位に設けられ、作動流体が充填された一対のシリンダと、
   一端部が前記第２部位に連結され、当該第２部位から互いに反対方向に延びる一対のケーブルと、
   前記一対のシリンダ内にそれぞれ摺動自在に設けられ、前記一対のケーブルの他端部がそれぞれ連結されるとともに、前記シリンダ内を前記ケーブル側の第１流体室と当該ケーブルと反対側の第２流体室に区画する一対のピストンと、を備え、
   前記第１部位と前記第２部位が相対的に変位したときに、当該変位の方向に応じて、前記一対のピストンの一方が、前記ケーブルで引っ張られることにより前記シリンダ内を移動するように構成され、
   前記一対のシリンダ内の前記第１流体室にそれぞれ接続され、前記一方のピストンが前記シリンダ内を移動するのに伴い、前記一方のピストンに対応する一方の前記第１流体室から他方の前記第１流体室に作動流体を流動させる第１バイパス通路と、
   前記一対のシリンダ内の前記第２流体室にそれぞれ接続され、前記一方のピストンが前記シリンダ内を移動するのに伴い、他方の前記ピストンに対応する他方の前記第２流体室から一方の前記第２流体室に作動流体を流動させる第２バイパス通路と、をさらに備えることを特徴とする振動抑制装置。
2. 前記一対のケーブルの各々と前記第２部位との間には、前記第１部位に設けられた第１滑車と、前記第２部位に設けられた第２滑車が配置されており、
   前記各ケーブルが前記第１滑車及び前記第２滑車に巻き回されていることを特徴とする、請求項１に記載の振動抑制装置。
3. 回転自在の第１回転マスと、
   前記第１バイパス通路及び前記第２バイパス通路の少なくとも一方に設けられ、作動流体の流動を回転運動に変換し、前記第１回転マスを回転させる動力変換機構と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の振動抑制装置。
4. 前記第１部位と前記第２部位の間に、前記一対のケーブルの各々及びそれに対応する前記ピストンとそれぞれ並列に設けられ、
   前記第１部位及び前記第２部位にそれぞれ連結され、互いに直線的に移動可能な第１移動部材及び第２移動部材と、回転自在の第２回転マスとを有し、
   前記第１部位と前記第２部位が相対的に変位したときに、前記第１移動部材と前記第２移動部材との相対的な直線運動を前記第２回転マスの回転運動に変換する一対のマスダンパをさらに備えることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の振動抑制装置。

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