以下、実施形態の制振装置および制振システムについて説明する。なお以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。
(第1の実施形態)
まず、実施形態の制振システム1の全体構成について説明する。なお、制振システム1の全体構成は、第1および第2の実施形態で共通である。
図1は、本実施形態の制振システム1の全体構成を示す図である。図1に示すように、制振システム1は、例えば、高層または超高層の建物(建造物)BLに設けられ、地震動の発生時など(以下、単に「振動発生時」と称する)に建物BLの揺れを抑制する。制振システム1は、例えば建物BLの長周期地震動対策として設けられるアクティブ制振システムである。本実施形態の制振システム1は、複数の制振装置11と、複数のセンサ12と、制御部13とを備えている。なお、制振装置11およびセンサ12は、それぞれ1つだけでもよい。なお、制振システム1は、高層の建物BLに限らず、低層(例えば3階から5階建)の建物BLに適用されてもよい。
制振装置11は、例えば建物BLの下層部(低層階)に配置される。制振装置11は、後述する回転型ダンパー23を含み、振動発生時に減衰力を作用させる。複数の制振装置11は、例えば建物BLの複数の階に分かれて配置される。なお、制振装置11の設置個所は、建物BLの下層部に限らず、任意の層でよい。
センサ(振動センサ)12は、建物BLの任意の層に配置され、建物BLの振動に関する情報を検出する。センサ12は、例えば建物BLの振動を加速度として検出する加速度センサであるが、これに限定されない。複数のセンサ12は、例えば建物BLの複数の階に分かれて配置される。複数のセンサ12は、建物BLの上層部(高層階)、中層部(中層階)、下層部(低層階)にそれぞれ設置されてもよい。
制御部13は、有線または無線を介して複数の制振装置11および複数のセンサ12と通信可能に接続される。制御部13は、センサ12からセンサ12の検出結果を取得する。そして、制御部13は、センサ12の検出結果に基づき、制振装置11に発生させる減衰力の大きさおよびタイミングを計算する。そして、制御部13は、計算により求められた減衰力の大きさおよびタイミングを示す情報に基づき、制振装置11を制御する。
制御部13は、例えば、制振システム1のプロセッサがプログラムを実行することで実現されるソフトウェア機能部である。ただし、制御部13は、LSI(Large Scale Integration)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)などのハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェア機能部とハードウェアとが協働することで実現されてもよい。
次に、本実施形態の制振装置11について説明する。
図2は、制振装置11が設置される建物BLの一部を示す図である。図2に示すように、建物BLは、例えば、建物BLの1フロアを形成する構造材の一部として、第1梁B1、第2梁B2、第1柱P1、第2柱P2、およびY形ブレースBrを有する。
第1梁B1は、略水平方向に延びており、制振装置11が設置されるフロアの床部Fの一部を形成している。第2梁B2は、第1梁B1と略平行に配置され、略水平方向に延びており、制振装置11が設置されるフロアの天井部Cの一部を形成している。第1柱P1および第2柱P2は、それぞれ略鉛直方向に延びており、第1梁B1と第2梁B2とに亘っている。制振装置11は、例えば、第1梁B1、第2梁B2、第1柱P1、および第2柱P2により囲まれる空間Sに配置される。
Y形ブレースBrは、第1ブレースBr1、第2ブレースBr2、および連結部Br3を有する。第1ブレースBr1の第1端部Br1aは、第2梁B2と第1柱P1との結合部に接続されている。第1ブレースBr1の第2端部Br1bは、第1端部Br1aに対して斜め下方に位置し、空間Sの水平方向の略中央部に位置する。同様に、第2ブレースBr2の第1端部Br2aは、第2梁B2と第2柱P2との結合部に接続されている。第2ブレースBr2の第2端部Br2bは、第1端部Br2aに対して斜め下方に位置し、空間Sの水平方向の略中央部に位置する。連結部(頂部)Br3は、第1ブレースBr1の第2端部Br1bと第2ブレースBr2の第2端部Br2bとを連結している。
図2に示すように、本実施形態では、制振装置11は、Y形ブレースBrの連結部Br3と、第2柱P2との間に設置されている。制振装置11は、Y形ブレースBrの連結部Br3と、第2柱P2とに対してそれぞれ固定される。本願でいう「XXに対して固定」とは、「XX」に対して直接に固定される場合に限らず、別の部材を介在させて間接的に固定される場合も含む。言い換えると、「XXに対して固定」とは、「XXに対して相対的に固定」を意味する。Y形ブレースBrは、「第1部材」の一例である。第2柱P2は、「第2部材」の一例である。Y形ブレースBrおよび第2柱P2は、振動発生時に相対変位(相対変形)する部材の組の一例である。なお、制振装置11が設けられる建物BLの構造は、上記例に限定されない。建物BLの構造の別の例は、後述される。
次に、本実施形態の制振装置11の構成について説明する。
図3は、本実施形態の制振装置11を示す断面図である。図3に示すように、制振装置11は、ケース21、固定部材22、回転型ダンパー23、固定機構24、伝達部25、およびアクチュエータ26を備えている。
ケース21は、第1梁B1によって形成される床部Fの上に設置される。ケース21は、箱状に形成され、回転型ダンパー23の一部、固定機構24の第2固定部52、伝達部25、およびアクチュエータ26を収容している。ケース21は、回転型ダンパー23が通される開口部21aを有する。なお、ケース21は、必須の構成要素ではなく、省略されてもよい。
固定部材(取付部材、連結部材)22は、ケース21と第2柱P2との間に設けられている。固定部材22は、第2柱P2(例えば、第2柱P2の脚部)に対して固定され、振動発生時に第2柱P2(例えば、第2柱P2の脚部)と一体に変位する。固定部材22には、ケース21、固定機構24の第2固定部52、およびアクチュエータ26が固定される。言い換えると、固定部材22は、ケース21、固定機構24の第2固定部52、およびアクチュエータ26を第2柱P2(例えば、第2柱P2の脚部)に対して固定している。なお、固定部材22は、ケース21、固定機構24の第2固定部52、およびアクチュエータ26を、第2柱P2に代えて、または第2柱P2に加えて、床部Fに固定してもよい。また、固定部材22は、必須の構成要素ではなく、省略されてもよい。この場合、固定機構24の第2固定部52およびアクチュエータ26は、直接、またはケース21や別の部材を介して第2柱P2および床部Fの少なくとも一方に固定されてもよい。また、本実施形態の制振装置11は、図3に示される配置例に代えて、図3において左右が逆に配置されてもよい。すなわち、回転型ダンパー23の外筒31が固定機構24の第2固定部52によって例えばY形ブレースBrの連結部Br3に固定され、一方で、回転型ダンパー23の軸部材36が固定機構24の第1固定部51によって固定部材22に固定されてもよい。また、この場合、固定機構24の第1固定部51は、固定部材22に固定されることに代えて、直接、または別の部材を介して第2柱P2および床部Fの少なくとも一方に回転型ダンパー23の軸部材36を固定してもよい。
回転型ダンパー23は、Y形ブレースBrの連結部Br3と、固定部材22との間に配置されている。ここで、回転型ダンパー23の「軸方向Z」および「径方向R」を定義する。軸方向Zは、回転型ダンパー23の後述する軸部材36の軸方向(長手方向)である。径方向Rは、軸方向Zとは略直交する方向であり、例えば軸部材36から放射状に離れる方向である。また、以下の説明における「回転」とは、軸方向Zに延びた中心線周りの回転を意味する。
本実施形態では、回転型ダンパー23は、軸方向Zを略水平にして配置されている。回転型ダンパー23は、ケース21に設けられた開口部21aを通じて、ケース21の内部からケース21の外部に突出している。詳しく述べると、回転型ダンパー23の外筒31は、軸方向Zの両端部として、第1端部31aと、第2端部31bとを有する。第1端部31aは、ケース21の外部において、Y形ブレースBrの連結部Br3とケース21の外面との間に位置する。一方で、第2端部31bは、第1端部31aとは反対側に位置し、ケース21の内部に収容されている。
図4は、回転型ダンパー23を示す断面図である。図4に示すように、回転型ダンパー23は、外筒31、回転体(内筒)32、第1軸受33、第2軸受34、粘性体35、軸部材36、変換部37、および接続部38を有する。
外筒31は、円筒状に形成されている。外筒31は、回転型ダンパー23の外形の大部分を形成している。本実施形態では、外筒31は、軸方向Zにおいて比較的大きな長さを有する。
回転体32は、外筒31の内側に収容されている。本実施形態の回転体32は、筒状に形成されており、軸部材36が軸方向Zに進退可能な空間を内部に有する。回転体32の軸方向Zの一端部は、第1軸受33によって回転可能に支持されている。回転体32の軸方向Zの他端部は、例えば接続部38を介して第2軸受34によって回転可能に支持されている。このため、回転体32は、外筒31の内側で外筒31に対して回転可能である。
粘性体35は、外筒31の内周面と回転体32の外周面との間に収容されている。粘性体35は、例えば、オイルのような液体であるが、これに限定されない。粘性体35は、外筒31に対して回転体32が回転する場合に、流動抵抗に基づく減衰力を外筒31と回転体32との間に作用させる。粘性体35は、例えば、外筒31に対する回転体32の回転速度に応じた減衰力を外筒31と回転体32との間に作用させる。すなわち、外筒31と回転体32との間に作用する減衰力は、外筒31に対する回転体32の回転速度が大きい場合に大きくなる。一方で、外筒31と回転体32との間に作用する減衰力は、外筒31に対する回転体32の回転速度が小さい場合に小さくなる。
軸部材36は、外筒31の第1端部31aにおいて、外筒31の内部から外筒31の外部に突出している。軸部材36は、軸方向Zに沿って外筒31の内部から外筒31の外部に突出している。軸部材36は、外筒31および回転体32に対して軸方向Zに進退可能(移動可能)である。軸部材36の外周面には、断面略半円状のボール転動溝(ねじ溝)36aが螺旋状に形成されている。本実施形態の軸部材36は、ボールねじ機構Mのねじ軸として機能する。軸部材36は、回転体32を回転させる外力が入力される軸部材の一例である。
変換部37は、軸部材36の軸方向Zの直線移動を、回転体32の回転移動に変換する変換機構である。言い換えると、本実施形態では、軸部材36と変換部37とによりボールねじ機構Mが実現されている。変換部37は、例えば、ボールナット41と、複数の軸受42とを有する。ボールナット41および複数の軸受42は、外筒31に収容されている。
ボールナット41は、軸部材36が挿通される挿通穴41hを有する。挿通穴41hを規定するボールナット41の内周面には、断面略半円状のボール転動溝(ねじ溝)41aが螺旋状に形成されている。ボールナット41のボール転動溝41aは、軸部材36のボール転動溝36aと向かい合う。ボールナット41のボール転動溝41aと、軸部材36のボール転動溝36aとの間には、複数のボール43が転動可能に配置される。また、ボールナット41は、ボール転動溝36a,41aを転動したボール43を変換部37の内部で循環させる無限循環路41bを有する。
複数の軸受42は、外筒31に対してボールナット41を回転可能に支持する。また、複数の軸受42は、外筒31に対してボールナット41の軸方向Zおよび径方向Rの位置を保持する。これにより、軸部材36が軸方向Zに移動した場合、複数のボール43がボール転動溝36a,41aに沿って転動することでボールナット41が回転し、軸部材36の直線移動がボールナット41の回転移動に変換される。
接続部38は、外筒31の内側において回転体32とボールナット41との間に設けられ、回転体32とボールナット41とを接続している。これにより、ボールナット41が回転する場合、ボールナット41と一体に回転体32が回転する。このため、軸部材36を軸方向Zに移動させる外力が軸部材36に入力された場合、軸部材36が軸方向Zに移動し、外筒31に対して回転体32が回転する。例えば、回転体32は、軸部材36の進退に応じて、第1方向と、第1方向とは反対の第2方向で回転する。
ただし、回転型ダンパー23の構成は、上記例に限定されない。回転型ダンパー23は、外筒31に対する回転体32の回転に減衰特性を有するものであればよい。例えば、回転型ダンパー23は、オイルダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー、鋼材ダンパー、または摩擦ダンパーなどのいずれでもよい。
次に、図3に戻り、固定機構24、伝達部25、およびアクチュエータ26について説明する。固定機構24は、回転型ダンパー23を建物BLに対して固定する。固定機構24は、第1固定部51と、第2固定部52とを含む。
第1固定部51は、外筒31から突出した軸部材36の端部に取り付けられる。第1固定部51は、軸部材36の前記端部を、Y形ブレースBrの連結部Br3に対して固定する。言い換えると、第1固定部51は、Y形ブレースBrの連結部Br3に対して軸部材36の軸方向Zの位置(相対位置)を固定する。これにより、振動発生時にY形ブレースBrの連結部Br3が軸方向Zに変位する場合、回転型ダンパー23の軸部材36は、Y形ブレースBrの連結部Br3と一体に軸方向Zに変位する。例えば、回転型ダンパー23の軸部材36は、第1固定部51によって、Y形ブレースBrの連結部Br3に対して回転しないように固定されている。
第2固定部52は、回転型ダンパー23の外筒31の第2端部31bと固定部材22との間に設けられている。第2固定部52は、回転型ダンパー23の外筒31を、固定部材22に固定する。言い換えると、第2固定部52は、回転型ダンパー23の外筒31を、固定部材22を介して例えば建物BLの第2柱P2の脚部に固定する。すなわち、第2固定部52は、第2柱P2の脚部に対して外筒31の軸方向Zの位置(相対位置)を固定する。これにより、振動発生時に第2柱P2が軸方向Zに変位する場合、回転型ダンパー23の外筒31は、第2柱P2の脚部と一体に軸方向Zに変位する。ただし、本実施形態の構成は、上記例に限定されない。例えば、第2固定部52は、直接、または固定部材22やケース21などを介して床部Fに固定されてもよい。この場合、回転型ダンパー23の外筒31は、第2柱P2と一体に変位することに代えて、床部Fと一体に変位してもよい。また、別の例として、回転型ダンパー23の外筒31は、第2柱P2や床部Fとは異なる部材と一体に変位してもよい。
本実施形態の第2固定部52は、第2柱P2に対して回転型ダンパー23の外筒31を回転可能に支持する。詳しく述べると、第2固定部52は、支持軸56と、回転支持機構57とを有する。
支持軸56は、回転型ダンパー23の外筒31の第2端部31bに固定され、外筒31と一体に回転可能である。支持軸56は、軸方向Zに沿って、外筒31の第2端部31bから固定部材22に向けて延びている。支持軸56のなかで固定部材22の近くに位置する端部は、支持軸56の直径が大きくなった拡径部56aを有する。
回転支持機構57は、固定部材22に固定されている。回転支持機構57は、軸受57aと、ホルダ57bとを有する。軸受57aは、支持軸56の拡径部56aを回転可能に支持する。すなわち、軸受57aは、固定部材22に対して(すなわち第2柱P2に対して)支持軸56および外筒31を回転可能に支持する。ホルダ57bは、箱状に形成され、拡径部56aおよび軸受57aを収容する。ホルダ57bは、軸方向Zから拡径部56aに面する部分を有し、固定部材22に対する(すなわち第2柱P2に対する)拡径部56aの軸方向Zの位置を保持する。
以上のような構成により、第2固定部52は、第2柱P2(例えば、第2柱P2の脚部)に対して外筒31の軸方向Zの位置を固定するとともに、第2柱P2に対して外筒31を回転可能に支持する。言い換えると、外筒31は、第2固定部52によって、建物BL、ケース21、およびアクチュエータ26に対して回転可能に支持されている。
また、上述したように、本実施形態の制振装置11は、図3に示される配置例に代えて、図3において左右が逆に配置されてもよい。この場合、回転型ダンパー23の外筒31は、第2固定部52によってY形ブレースBrの連結部Br3に対して固定されてもよい。これにより、振動発生時にY形ブレースBrの連結部Br3が軸方向Zに変位する場合、回転型ダンパー23の外筒31は、Y形ブレースBrの連結部Br3と一体に軸方向Zに変位する。例えば、第2固定部52は、Y形ブレースBrの連結部Br3に対して外筒31を回転可能に支持する。アクチュエータ26やケース21は、Y形ブレースBrに固定され、Y形ブレースBrによって支持されてもよい。一方で、回転型ダンパー23の軸部材36は、第1固定部51によって、直接、または固定部材22や別の部材を介して第2柱P2に固定されてもよい。すなわち、第1固定部51は、第2柱P2の脚部に対して軸部材36の軸方向Zの位置(相対位置)を固定してもよい。これにより、振動発生時に第2柱P2が軸方向Zに変位する場合、回転型ダンパー23の軸部材36は、第2柱P2の脚部と一体に軸方向Zに変位する。ただし、本実施形態の構成は、上記例に限定されない。例えば、第1固定部51は、直接、または固定部材22や別部材などを介して床部Fに固定されてもよい。この場合、回転型ダンパー23の軸部材36は、第2柱P2と一体に変位することに代えて、床部Fと一体に変位してもよい。また、別の例として、回転型ダンパー23の軸部材36は、第2柱P2や床部Fとは異なる部材と一体に変位してもよい。
次に、伝達部25について説明する。
伝達部25は、アクチュエータ26と回転型ダンパー23の外筒31との間に設けられ、アクチュエータ26からの動力を回転型ダンパー23の外筒31に伝える。伝達部25は、例えば、外筒31の外周面に設けられたギアである。伝達部25は、例えば、外筒31の外周面に沿う環状に形成され、外筒31の外周面の全周に亘って設けられている。なお、伝達部25は、アクチュエータ26からの動力を回転型ダンパー23の外筒31に伝えることができる部材であれば、構成や取付位置などは限定されない。伝達部25は、外筒31とは別体に形成されて外筒31に取り付けられていてもよく、外筒31と一体に成形されていてもよい。また、伝達部25は、ギアに限定されず、高摩擦部材(例えばゴム部材)などでもよい。
アクチュエータ26は、回転型ダンパー23の外部に設けられている。アクチュエータ26は、例えば電動アクチュエータであり、モータ(駆動源)61、減速機62、およびギア63を有する。減速機62は、モータ61に接続されており、モータ61から動力が伝達される。ギア63は、減速機62に接続されており、減速機62から動力が伝達される。ギア63は、回転型ダンパー23の外筒31に設けられた伝達部25に係合している。モータ61は、減速機62を介してギア63を回転させることで、伝達部25に動力(回転トルク)を作用させる。なお、減速機62は、必須の構成要素ではなく、省略されてもよい。この場合、モータ61が直接にギア63に接続されてもよい。
アクチュエータ26は、伝達部25に動力を作用させることで、伝達部25を介して回転型ダンパー23の外筒31に動力(回転トルク)を直接に作用させる。これにより、アクチュエータ26は、建物BLに対して回転型ダンパー23の外筒31を回転させる。なお、「回転型ダンパーの外筒に動力を直接に作用させる」とは、回転型ダンパー23の軸部材36を介さずに、回転型ダンパー23の外筒31に動力を作用させる(軸部材36を介さずに外筒31を回転させる)ことを意味する。言い換えると、「回転型ダンパーの外筒に動力を直接に作用させる」とは、外筒31に対する軸部材36の位置や移動速度(回転体32の回転速度)とは関係なく、外筒31を外部から強制的に回転させることを意味する。
アクチュエータ26は、建物BLに対して外筒31を回転させることで、回転型ダンパー23の回転体32に対して外筒31を回転させる。これにより、アクチュエータ26は、外筒31と回転体32との間の相対回転速度を変化させ、外筒31と回転体32との間に作用する減衰力の大きさや発生タイミングを変化させることで、制振装置11の減衰特性を変化させる。
例えば、アクチュエータ26は、軸部材36に入力された外力(例えば、Y形ブレースBrと第2柱P2の脚部(または床部F)との間の相対変位により軸部材36に作用する力)によって軸部材36が移動し、外筒31に対して回転体32が第1方向に回転する場合に、回転体32に対して外筒31を前記第1方向とは反対の第2方向に回転させる動力を出力することができる。アクチュエータ26は、第1方向に回転する回転体32に対してその反対方向に外筒31を回転させることで、制振装置11の減衰力を高めることができる。
また、アクチュエータ26は、軸部材36に入力された外力によって軸部材36が移動し、外筒31に対して回転体32が第1方向に回転する場合に、回転体32に対して外筒31を前記第1方向と同じ方向に回転させる動力を出力することができる。アクチュエータ26は、第1方向に回転する回転体32に対して同じ方向に外筒31を回転させることで、制振装置11の減衰力を小さくするまたはゼロにすることができる。
以上説明したような制振装置11によれば、アクチュエータ26によって回転型ダンパー23の外筒31を回転させることで、制振装置11の減衰特性を動的に変化させ、建物BLの振動をより効果的に減衰させることができる。例えば、制振装置11は、建物BLの振動に応じてアクチュエータ26の出力(モータ61の回転速度など)を変化させることで、回転型ダンパー23の外筒31の回転状態を変化させ、建物BLの振動をより効果的に抑制することができる。
次に、本実施形態の制振システム1の作用について説明する。
本実施形態の制振システム1では、センサ12は、振動発生時に、建物BLの振動に関する情報を検出する。制御部13は、センサ12により検出された検出結果(振動データ)に基づき、制振装置11のアクチュエータ26を制御し、回転型ダンパー23の外筒31を回転させる。
詳しく述べると、例えば、制御部13は、センサ12の検出結果と、建物BLの設計情報とに基づき、振動によって建物BLに作用する負担度を導出する。「負担度」は、例えば、建物BLの構造材(例えば、第1梁B1、第2梁B2、第1柱P1、および第2柱P2)の最大許容応力(限界応力)に対して実際に建物BLの構造材に生じる応力の大きさ(例えば、最大層間変形時の応力の大きさ)である。「建物の設計情報」は、建物BLの構造材の太さや結合関係などである。
また、制御部13は、回転型ダンパー23の設計情報(出力特性)と建物BLの設計情報とに基づき、アクチュエータ26によって回転型ダンパー23の外筒31を回転させることによって建物BLに追加で加わる負担(応力)の大きさを導出する。そして、制御部13は、振動により建物BLに作用する負担度、アクチュエータ26によって外筒31を回転させることにより建物BLに追加で加わる負担度、および制振装置11の動作効率などを総合的に考慮して、アクチュエータ26によって回転させる外筒31の回転量、回転速度、および回転のタイミングなどを導出する。そして、制御部13は、導出された外筒31の回転量、回転速度、および回転のタイミングなどの情報に基づき、アクチュエータ26の動作を制御して外筒31を回転させる。
これにより、制振システム1は、振動発生時に、Y形ブレースBrの連結部Br3と第2柱P2の脚部(または床部F)との間の相対変位に基づき回転型ダンパー23の軸部材36が移動することで回転体32が回転することに加え、アクチュエータ26によって外筒31を追加で回転させることで、回転型ダンパー23の外筒31と回転体32との間に作用する減衰力の大きさや発生タイミングを調整することができる。これにより、制振システム1は、アクティブ方式の制振作用を奏し、パッシブ制振よりも効果的な制振を行うことが可能となる。
以下、制振システム1におけるいくつかの制御例について説明する。
図5は、回転型ダンパー23の相対回転速度の時刻歴を示す図である。また、図6は、図5に示された回転型ダンパー23の相対回転速度の時刻歴に対応して発生する回転型ダンパー23の減衰力を示す図である。ここで、「相対回転速度」とは、外筒31に対する回転体32の回転速度を意味する。また、図5および図6において、波形a,bは、建物BLの構造材(例えばY形ブレースBrと第2柱P2の脚部)の相対変位による軸部材36の移動に基づく回転型ダンパー23の相対回転速度を示す。一方で、波形ACT−a,ACT−bは、建物BLの構造材の相対変位による軸部材36の移動による回転体32の回転と、アクチュエータ26により外筒31を直接に回転させることによる外筒31の回転とを合わせた回転型ダンパー23の相対回転速度を示す。
まず、図5中の(a)の場合について説明する。
図5中の(a)は、アクチュエータ26を動作させない場合(アクチュエータ26による外筒31の回転量がゼロの場合)を示す。この場合、回転型ダンパー23は、パッシブ方式の回転型ダンパーとして機能する。図中の波形aは、相対的に小さな振動が入力された場合の回転型ダンパー23の相対回転速度の時刻歴を示す。一方で、図中の波形bは、相対的に大きな振動が入力された場合の回転型ダンパー23の相対回転速度の時刻歴を示す。波形a,bとして示すように、回転型ダンパー23がパッシブ方式の回転型ダンパーとして機能する場合、回転型ダンパー23の相対回転速度は、例えば、建物BLの構造材の相対変位による軸部材36の移動に応じたサインカーブ状の波形に沿って変化する。
図6中の(a)は、図5中の(a)の時刻歴に対応する回転型ダンパー23の減衰力を示す図である。図6中の(a)に示すように、回転型ダンパー23は、建物BLの構造材の相対変位速度(回転型ダンパー23の軸部材36に移動速度)が大きくなればなるほど、大きな減衰力を発生させる。
次に、図5中の(b)の場合について説明する。
図5中の(b)は、アクチュエータ26によって外筒31が回転される場合の一例を示す。なお、図5中の(b)は、建物BLに生じる応力が建物BLの構造材の最大許容応力に対して余裕がある場合(例えば、建物BLに生じる応力が所定の閾値未満の場合)を示す。この場合、アクチュエータ26は、回転型ダンパー23の外筒31を、軸部材36の移動に基づく回転体32の回転方向とは反対向きに回転させる。例えば、アクチュエータ26は、アクティブに制御しなければ波形aとなる回転型ダンパー23の相対回転速度を、波形ACT−aとなるように外筒31を回転させる。
図6中の(b)は、図5中の(b)の時刻歴に対応する回転型ダンパー23の減衰力を示す図である。図6中の(b)に示すように、制振装置11は、アクティブに制御しなければ破線aとなる回転型ダンパー23の減衰力を、実線ACT−aとなるように大きくすることができる。これにより、建物BLの揺れを早期に収めることができる。
次に、図5中の(c)の場合について説明する。
図5中の(c)は、アクチュエータ26によって外筒31が回転される場合の別の一例を示す。なお、図5中の(c)は、建物BLの層間変位が大きく、建物BLに生じる応力が建物BLの構造材の最大許容応力に近い場合(例えば、建物BLに生じる応力が前記閾値以上の場合)を示す。この場合、アクチュエータ26は、軸部材36の移動に基づく回転型ダンパー23の相対回転速度の位相(波形a)とは異なる位相で、外筒31を回転させる。すなわち、アクチュエータ26は、アクティブに制御しなければ波形aとなる回転型ダンパー23の相対回転速度を、波形ACT−bとなるように外筒31を回転させる。これにより、制振装置11は、回転型ダンパー23にエネルギーが蓄えられたかのように振る舞う減衰力を回転型ダンパー23によって発生させることができる。
図6中の(c)は、図5中の(c)の時刻歴に対応する回転型ダンパー23の減衰力を示す図である。図6中の(c)に示すように、制振装置11は、アクティブに制御しなければ破線bとなる回転型ダンパー23の減衰力を、破線bの1/2周期で相対変形が増加する一方向の振動時には、回転型ダンパー23の相対回転速度を減少させることで回転型ダンパー23の減衰力を減少させ、一方で、最大変形から外れた建物BLの構造材の応力減少時には、回転型ダンパー23の相対回転速度を増加させることで回転型ダンパー23の減衰力を増加させる。また、制振装置11は、残りの1/2周期で相対変形が増加する他方向の振動時には、回転型ダンパー23の相対回転速度を減少させることで回転型ダンパー23の減衰力を減少させ、一方で、最大変形から外れた建物BLの構造材の応力減少時には、回転型ダンパー23の相対回転速度を増加させることで回転型ダンパー23の減衰力を増加させる。これにより、図6(c)に示すように、減衰力の大きさおよび発生タイミングと建物BLの層間変位との関係を変化させることができる。これにより、建物BLの構造材に作用する応力を最大許容応力範囲内に抑制しつつ、建物BLの揺れを効率的に収めることができる。
以上のような構成によれば、減衰力の大きさを容易に制御可能な制振装置11および制振システム1を提供することができる。すなわち、本実施形態では、制振装置11は、回転型ダンパー23と、回転型ダンパー23の軸部材36を介さずに回転型ダンパー23の回転体32に対して外筒31を回転させるアクチュエータ26とを備える。このような構成によれば、アクチュエータ26によって外筒31を回転させることで、外筒31と回転体32との間の相対回転速度を増減することができる。これにより、回転型ダンパー23の減衰力の大きさを容易に増減することが可能になる。
また本構成によれば、建物BLの構造材の相対変位による軸部材36の移動が回転体32の回転に作用する一方で、アクチュエータ26の動力は、外筒31に直接に作用する。このため、建物BLの構造材の相対変位による影響と、アクチュエータ26の動作による影響とが軸部材36の移動速度および回転体32の回転速度に複合的に影響し合わない。このため、本実施形態の制振装置11によれば、減衰力の大きさを容易に調整することができる。
ここで、図7は、参考例の制振装置111を示す。図7に示すように、本参考例の制振装置111は、直動式の制振ダンパー121と、制振ダンパー121の軸方向Zにおいて制振ダンパー121と直列に配置されて制振ダンパー121の軸部材36に接続されたボールねじ機構122と、ボールねじ機構122を駆動することで制振ダンパー121の軸部材36を移動させるアクチュエータ123とを備える。アクチュエータ123は、ボールねじ機構122を駆動して制振ダンパー121の軸部材36を移動させることで制振ダンパー121をアクティブに制御し、制振ダンパー121の減衰力を増減する。このような構成によっても、減衰力の大きさを制御可能であり、優れた制振効果を奏することができる。
ただし、本実施形態の制振装置11によれば、上記参考例の制振装置111に対して、さらに複数の優れた利点がある。まず、1つ目の利点として、上記参考例の制振装置111では、アクチュエータ123の回転トルクを直線運動に変換するための機構(ボールねじ機構122)を制振ダンパー121と軸方向Zに直列配置するため、軸方向Zにおける制振装置111の設置スペース(全長)が大きくなり、また動力の伝達効率が低下する場合がある。一方で、本実施形態の制振装置11によれば、アクチュエータ26の回転トルクを直線運動に変換する機構が不要になる。このため、軸方向Zにおける制振装置11の設置スペースを小さくすることができる。また、アクチュエータ26の回転トルクを回転型ダンパー23の外筒31に直接伝達させることで、動力の伝達ロスを抑制することができる。
また、2つ目の利点として、上記参考例の制振装置111では、振動発生後に制振ダンパーの位置の調整が必要になる場合がある。すなわち、図7中の(a)に示すように、制振ダンパー121には可動範囲がある。制振ダンパー121の基準位置は、振動発生前には、可動範囲の中央付近に位置する必要がある。しかしながら、図7中の(b)に示すように、振動が生じると、制振ダンパー121の基準位置が可動範囲の一端側に偏った状態で建物BLの揺れが収まり制振ダンパー121が停止する可能性がある。この状態から再び地震動などにより建物BLが揺れると、制振ダンパー121の可動限界を超えて制振ダンパー121内で部品の衝突や破損など不具合が生じる可能性がある。そのため、上記参考例の制振装置111では、これら不具合を回避するために、建物BLの揺れが収まった後に制振ダンパー121の基準位置を可動範囲の中央付近に復元させる機能を追加する必要がある。
一方で、本実施形態の制振装置11によれば、回転型ダンパー23の外筒31の軸方向Zの位置は、建物BLに対して固定されている。このため、建物BLの変形がそのまま回転型ダンパー23の軸部材36の伸縮量となり、揺れが収まり建物BLの変形が元に戻ることによって、回転型ダンパー23の軸部材36の伸縮量も自然とゼロに戻る。このため、回転型ダンパー23の基準位置を原点に戻す機能を追加する必要が無くなる。これにより、制振装置11の低コスト化などを図ることができる。
また、本実施形態では、回転型ダンパー23は、本制振装置11に専用のダンパーである必要はなく、汎用的な回転型ダンパーでよい。このような汎用ダンパーを用いることで、必要な性能(必要な減衰力)を満たす制振装置11を容易に提供することができる。
本実施形態では、制振装置11は、回転型ダンパー23の外筒31に設けられた伝達部25を備える。アクチュエータ26は、伝達部25に動力を作用させることで外筒31を回転させる。このような構成によれば、アクチュエータ26は、確実に、且つ、精度良く外筒31を回転させることができる。これにより、制振装置11の減衰力の大きさの調整がさらに容易になる。
本実施形態では、伝達部25は、外筒31の外周面に設けられている。このような構成によれば、アクチュエータ26は、比較的大きな回転トルクを外筒31に作用させやすい。これにより、制振装置11の減衰力の大きさの調整がさらに容易になる。
本実施形態では、制振装置11は、建物BLの第1部材(例えば、Y形ブレースBr)に対して回転型ダンパー23の軸部材36の軸方向Zの位置を固定する第1固定部51と、建物BLの第2部材(例えば、第2柱P2)に対して回転型ダンパー23の外筒31の軸方向Zの位置を固定する第2固定部52とを備える。このような構成によれば、建物BLの構造材の相対変位に応じて外筒31に対して軸部材36が確実に進退する。これにより、建物BLの構造材の相対変位に応じた減衰力を確実に発生させることができる。
本実施形態では、第2固定部52は、建物BLの第2部材に対して回転型ダンパー23の外筒31を回転可能に支持する。このような構成によれば、外筒31に対して軸部材36を確実に進退させる構造において、建物BLに対して外筒31が回転可能になる。これにより、アクチュエータ26によって外筒31を回転させ、制振装置11の減衰力の大きさを調整することができる。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。本実施形態では、回転型ダンパー23Aが軸方向Zに移動可能な軸部材36に代えて回転可能な軸部材36Aを有した点と、ラックピニオン機構72が設けられた点などで第1の実施形態とは異なる。なお、以下に説明する以外の構成は、第1の実施形態と同様である。
図8は、本実施形態の制振装置11Aを示す部分断面図である。図9は、図8中に示された制振装置11AのF9−F9線に沿う断面図である。図9に示すように、本実施形態では、例えば2つのY形ブレースBrA,BrBが互いに略平行に配置されている。なお、2つのY形ブレースBrA,BrBを区別しない場合には、単に「Y形ブレースBr」と称する。
図8および図9に示すように、制振装置11Aは、ケース21、固定部材22、回転型ダンパー23A、伝達部25、アクチュエータ26、メインシャフト71、およびラックピニオン機構72を備えている。なお、本実施形態では、第1梁B1は、「第1部材」の一例である。上記2つのY形ブレースBrのうち1つ以上のY形ブレースBrは、「第2部材」の一例である。第1梁B1およびY形ブレースBrは、振動発生時に相対変位(相対変形)する部材の組の一例である。なお、アクチュエータ26の減速機62は、必須の構成要素ではなく、省略されてもよい。この場合、モータ61が直接にギア63に接続されてもよい。
ケース21は、固定部材22の上に設置される。ケース21は、アクチュエータ26を収容している。本実施形態では、ケース21は、固定部材22によってY形ブレースBrBに固定されている。なお、ケース21は、必須の構成要素ではなく、省略されてもよい。
固定部材22は、ケース21の下方に設けられている。固定部材22は、ケース21およびアクチュエータ26をY形ブレースBrBに連結している。
回転型ダンパー23Aは、Y形ブレースBrAの連結部Br3と、Y形ブレースBrBの連結部Br3との間の空間に配置されている。本実施形態の回転型ダンパー23Aは、第1の実施形態の回転型ダンパー23とは異なり、軸方向Zに移動可能な軸部材36を有しない。本実施形態の回転型ダンパー23Aは、外筒31、回転体32、粘性体35、および軸部材(ギアシャフト)36Aを有する。本実施形態では、外筒31および回転体32は、軸方向Zの厚さが比較的薄い。
本実施形態では、回転体32は、軸部材36Aの外周面に固定されており、外筒31の内側で軸部材36Aと一体に回転可能である。外筒31と回転体32との間には、粘性体35が収容されている。これにより、外筒31に対する回転体32の回転には、減衰力が作用する。
軸部材36Aは、軸方向Zにおいて、外筒31の内部から外筒31の外部に突出している。本実施形態では、軸部材36Aの軸方向Zの位置は、固定されている。軸部材36Aには、後述するラックピニオン機構72のピニオンギア82が取り付けられる。軸部材36Aは、ピニオンギア82が回転する場合に、ピニオンギア82と一体に回転する。軸部材36Aは、回転体32を回転させる外力が入力される軸部材の一例である。また、軸部材36Aは、メインシャフト71が挿通可能なように中空状に形成されている。メインシャフト71の外周面と、軸部材36Aの内周面との間には、軸受73が設けられている。軸部材36Aおよびピニオンギア82は、軸受73を介してメインシャフト71によって支持され、メインシャフト71を回転中心として回転可能である。
メインシャフト71は、軸部材36Aの内側に通されることで、回転型ダンパー23Aを貫通している。さらに、メインシャフト71は、ピニオンギア82の挿通穴82aに通されることで、ピニオンギア82を貫通している。メインシャフト71は、Y形ブレースBrAの連結部Br3とY形ブレースBrBの連結部Br3とに亘って延びており、Y形ブレースBrAの連結部Br3とY形ブレースBrBの連結部Br3とに接続されて支持されている。これにより、メインシャフト71は、Y形ブレースBrAの連結部Br3とY形ブレースBrBの連結部Br3とによって支持されている。
ラックピニオン機構72は、回転型ダンパー23AとY形ブレースBrAとの間に位置する。ラックピニオン機構72は、ラックギア81と、ピニオンギア82とを有する。
ラックギア81は、第1梁B1によって形成される床部Fの上に設置される。ラックギア81は、第1梁B1に対して固定されており、振動発生時に第1梁B1と一体に変位する。ラックギア81は、軸方向Zとは略直交する方向X(以下、ラックギア延伸方向Xと称する場合がある)に延びており、ラックギア延伸方向Xに並ぶ複数の歯を有する。
ピニオンギア82は、ラックギア81の上方に設けられており、ラックギア81に係合している。ピニオンギア82は、軸部材36Aおよび軸受73を介してメインシャフト71によって支持されている。このため、ピニオンギア82は、振動発生時にY形ブレースBrと一体に変位する。ピニオンギア82は、ラックギア延伸方向Xにおいてラックギア81がピニオンギア82に対して相対的に移動した場合に、回転する。ピニオンギア82が回転すると、軸部材36Aおよび回転体32がピニオンギア82と一体に回転する。
本実施形態の制振装置11Aは、第1の実施形態と同様に、アクチュエータ26の動力によって回転型ダンパー23Aの外筒31を直接回転させることで、回転型ダンパー23Aをアクティブに制御することができる。すなわち、本実施形態の制振装置11Aにも、第1の実施形態で説明された種々の制御(例えば全ての制御)が適用可能である。また、制振装置11Aは、アクチュエータ26が停止された状態では、振動発生時にピニオンギア82がラックギア81上を回転することで、パッシブ方式の回転型ダンパーとして機能を発揮することもできる。
以上のような構成によれば、第1の実施形態と同様に、減衰力の大きさを容易に制御可能な制振装置11Aおよび制振システム1を提供することができる。また、本実施形態では、制振装置11Aは、ラックピニオン機構72を備える。軸部材36Aは、回転体32に固定されて回転体32と一体に回転可能である。ラックピニオン機構72は、建物BLに対して固定されるラックギア81と、ラックギア81に係合するとともに軸部材36Aに取り付けられたピニオンギア82とを含む。このような構成によれば、例えば軸方向Zに薄いタイプの回転型ダンパー23Aによって、減衰力の大きさを容易に制御可能な制振装置11Aおよび制振システム1を実現することができる。
ただし、本実施形態の構成は、上記例に限定されない。例えば、上記構成に代えて、メインシャフト71およびアクチュエータ26などが例えば床部Fや第1柱P1、または第2柱P2に支持されてもよい。この場合、ピニオンギア82は、軸部材36A、軸受73、およびメインシャフト71を介して床部Fや第1柱P1、または第2柱P2に支持され、床部Fや第1柱P1、または第2柱P2の変位に応じて変位する。一方で、ラックギア81は、Y形ブレースBrに支持されてもよい。この場合、ラックギア81は、Y形ブレースBrの変位に応じて変位する。
以上、第1および第2の実施形態の制振装置11,11Aおよび制振システム1について説明した。ただし、実施形態の構成は、上記例に限定されない。例えば、制振装置11,11Aが介設される建物BLの複数の構造材は、Y形ブレースBrと柱P2、または第1梁B1とY形ブレースBrなどに限定されない。第1および第2の実施形態において、制振装置11,11Aが介設される建物BLの第1部材および第2部材は、片ブレースや、X形ブレース、V形ブレースなどの他の形態のブレースでもよく、各種の形式のブレースが混在していてもよい。また、制振装置11,11Aが介設される建物BLの第1部材および第2部材は、第1梁B1、第2梁、第1柱P1、および第2柱P2のような建物BLの構造材でもよく、その他の部材でもよい。
第1および第2の実施形態の制振システム1を建物BLに導入することにより、建物BLの振動を容易にアクティブに制御でき、パッシブ方式の制振に比べて少ない回転型ダンパーで効率的な制振を行うことができる。また、本制振システム1は、新設の建物BLだけでなく、既存建物BLにも導入が容易であり、既存の回転型ダンパーをアクティブ制振用として使用することができる。
また、制振システム1の制御部13による制御は、適宜フィードバックや学習による最適化を図るものであってもよい。また、建物BLの揺れは、地震動に限らず、風による振動なども含まれる。