JP7089442B2

JP7089442B2 - ダンパ

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Publication number: JP7089442B2
Application number: JP2018164321A
Authority: JP
Inventors: 滋樹中南; 英範木田; 憲治今西; 裕野上; 泰隆野口; 亮介増井
Original assignee: Nippon Steel Corp; Aseismic Devices Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Aseismic Devices Co Ltd
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2022-06-22
Anticipated expiration: 2038-09-03
Also published as: JP2020037959A

Description

本発明は、構造物に設けられ、その振動を抑制するためのダンパに関し、特に永久磁石を用いて振動を抑制するダンパに関する。

従来のこの種のダンパとして、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。このダンパは、ボールねじ式のものであり、地震時などに相対変位する支持体及び被支持体にそれぞれ連結された主筒及び副筒と、主筒に回転自在に支持されたねじ軸と、副筒に回転不能に支持されるとともに、ねじ軸に螺合するボールナットを備える。また、ねじ軸の外周側に固定されたヒステリシス材（強磁性体）と、主筒の内周面に設けられ、ヒステリシス材に対向する複数の永久磁石を備えている。

このダンパでは、地震時などに支持体と被支持体が相対変位すると、その相対変位がねじ軸の回転運動に変換され、ねじ軸と一体のヒステリシス材が、対向する複数の永久磁石の磁界内を回転する際のヒステリシス損失によって、振動エネルギが減衰され、振動が抑制される。また、特許文献１には、ねじ軸にヨーク材をさらに設け、主筒の内周面に、ヨーク材に対向する環状の第２永久磁石をさらに設けることが開示されており、この構成により、ねじ軸の回転に伴ってヨーク材に発生する渦電流損失によって、振動エネルギがさらに減衰される。

特公平５－８６４９６号公報

上記の従来のダンパは、ボールねじ式のものであり、構造物の相対変位（直線運動）から回転運動への変換が、ボールナットとねじ軸との機械的な噛合いによって行われるため、得られる回転増幅率には限界がある。このため、上述したヒステリシス損失や渦電流損失による振動抑制効果を十分に得ようとすると、多量の永久磁石を用いることが必要になる。また、ボールねじ式の場合には、ボールナットとねじ軸の間に比較的大きなバックラッシュ（ガタ）が存在するため、振動の振幅がこのガタよりも小さい微小振幅領域では、振動による相対変位をねじ軸の回転運動に良好に変換できず、振動抑制効果を有効に得ることができない。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、多量の永久磁石を必要とすることなく、構造物の振動の振幅が小さい場合においても、永久磁石による高い減衰性能を確保し、良好な振動抑制効果を得ることができるダンパを提供することを目的とする。

こ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相対変位する第１部位と第２部位の間に設けられ、振動エネルギを減衰するダンパであって、作動流体が充填され、第１部位に連結されたシリンダと、シリンダ内に軸線方向に摺動自在に設けられ、シリンダ内を第１流体室と第２流体室に区画するとともに、第２部位に連結されたピストンと、ピストンをバイパスし、第１及び第２流体室に連通する連通路と、連通路に設けられ、連通路内の作動流体の流動を回転運動に変換する圧力モータと、圧力モータによって回転駆動されるロータと、ロータに対向する不動のステータと、ロータ及びステータの一方に設けられ、磁界内を回転するロータに、ロータの回転と反対方向の、渦電流によるローレンツ力を作用させるように構成された複数の永久磁石と、強磁性体で構成され、複数の永久磁石の磁界がロータに作用するのを許容する許容位置と阻止する阻止位置との間で移動可能なポールピースと、ダンパの動作状態を表す動作パラメータを検出する動作パラメータ検出手段と、ポールピースを、検出された動作パラメータに応じた、許容位置と阻止位置との間の位置に制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明のダンパは、構造物を含む系内の第１及び第２部位の間に設けられる。このダンパによれば、地震時などに振動エネルギが構造物に入力され、第１及び第２部位の間に相対変位が発生すると、この相対変位に応じた方向及びストロークで、ピストンがシリンダ内を摺動する。このピストンの移動に伴い、第１又は第２流体室内の作動流体がピストンで押し出され、連通路に流入する。この連通路内の作動流体の流動が、圧力モータにより回転運動に変換されることによって、ロータが回転駆動され、ロータによる回転慣性質量効果（慣性力）が発揮される。また、作動流体が連通路を流動する際の粘性抵抗によって粘性減衰効果（粘性力）が発揮される。

またこの場合、ロータは、複数の永久磁石の磁界内を回転する。これにより、ロータ及びステータの他方に渦電流（誘導電流）が発生すると同時に、この渦電流と永久磁石の磁界との相互作用によって、ロータの回転と反対方向のローレンツ力が発生する。そして、このローレンツ力がロータに抵抗力（制動力）として作用することで、減衰効果が発揮される。

上述したように、本発明のダンパでは、構造物の相対変位（直線運動）から回転運動への変換が、圧力モータにより作動流体を介して行われる。このため、従来のボールねじ式の場合と比較して、相対変位が小さい場合でも、ガタの影響をほとんど受けることなく、相対変位がロータの回転運動に良好に変換されるとともに、変換による回転増幅率が大きいことで、より大きなロータの回転速度が得られる。したがって、多量の永久磁石を必要とすることなく、構造物の振動の振幅が小さい場合においても、渦電流によるローレンツ力によって高い減衰性能を確保し、良好な振動抑制効果を得ることができる。

また、渦電流によるローレンツ力は、構造物におけるダンパの使用環境では、粘性体の粘性抵抗と異なり、温度依存性や繰り返し依存性が小さい。したがって、長周期地震動の発生時のように大きな振動エネルギが構造物に繰り返し入力される場合においても、温度上昇や振動の繰り返しによる影響をほとんど受けることなく、所要の減衰性能を維持することができる。
さらに、この構成によれば、強磁性体で構成されたポールピースが、複数の永久磁石の磁界がロータに作用するのを許容する許容位置と阻止する阻止位置との間に、移動可能に設けられている。また、ダンパの動作状態を表す動作パラメータが検出され、ポールピースは、検出された動作パラメータに応じた、許容位置と阻止位置の間の位置に制御される。これにより、ダンパの実際の動作状態に応じて、渦電流によるローレンツ力の発生の有無及び大きさを制御することによって、所望の減衰性能を得ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のダンパにおいて、ロータ及びステータの他方に設けられ、渦電流が流れるコイルと、コイルを流れる渦電流による電気エネルギを蓄電するコンデンサと、をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、ロータの回転に伴って発生する渦電流がコイルに流れるとともに、その渦電流による電気エネルギがコンデンサに蓄電される。このように、構造物の振動に伴って発生する、渦電流による電気エネルギを回生し、ダンパに関連する電気デバイス、例えばセンサやアクチュエータの電源として有効に活用することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のダンパにおいて、動作パラメータ検出手段は、動作パラメータとして作動流体の圧力を検出し、検出された作動流体の圧力が所定の上限圧を超えたときに、ポールピースを阻止位置に駆動することを特徴とする。

作動流体の圧力は、ダンパの軸力（ダンパに作用する軸方向の荷重）を反映する。この構成によれば、検出された作動流体の圧力が所定圧を超えたときに、ポールピースが阻止位置に駆動される。これにより、ダンパの軸力が過大になると推定されるタイミングで、ローレンツ力の発生を阻止することによって、ダンパの軸力制限を適切に行うことができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載のダンパにおいて、第１部位とシリンダの間、及び第２部位とピストンの間の一方に、ダンパの振動周期を調整するためのばね要素をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、ダンパのロータから成る慣性質量要素とばね要素が互いに直列に接続された関係になるので、ばね要素のばね定数を適宜、設定することによって、ダンパの振動周期、例えば固有振動数を調整することができる。

また、前記目的を達成するために、請求項５に係る発明は、構造物を含む系内の相対変位する第１部位と第２部位の間に設けられ、振動エネルギを減衰するダンパであって、作動流体が充填され、第１部位に連結されたシリンダと、シリンダ内に軸線方向に摺動自在に設けられ、シリンダ内を第１流体室と第２流体室に区画するとともに、第２部位に連結されたピストンと、ピストンをバイパスし、第１及び第２流体室に連通する連通路と、連通路に設けられ、連通路内の作動流体の流動を回転運動に変換する圧力モータと、圧力モータによって回転駆動されるロータと、ロータに対向する不動のステータと、ロータ及びステータの一方に設けられ、磁界内を回転するロータに、ロータの回転と反対方向の、渦電流によるローレンツ力を作用させるように構成された複数の永久磁石と、ロータを回転駆動するための電動モータと、ダンパの動作状態を表す動作パラメータを検出する動作パラメータ検出手段と、検出された動作パラメータに応じて、電動モータを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、ダンパの動作状態を表す、検出された動作パラメータに応じ、電動モータを介して、ロータの回転をアクティブ制御する。これにより、ダンパの実際の動作状態に応じて、例えばロータの回転速度を制御し、渦電流によるローレンツ力の大きさを制御することによって、所望の減衰性能を得ることができる。

本発明の第１実施形態によるダンパを一部、切り欠いて示す縦断面図である。図１のダンパの要部、特にケーシングを破断した状態で、その内部に配置されたフライホイール及び複数の永久磁石を示す部分拡大断面図である。図１のダンパにおける、フライホイールに対する（ａ）複数の永久磁石の配置と（ｂ）永久磁石の磁極の配置を示す図である。図１のダンパを制振建物に適用した例を概略的に示す図である。図１のダンパの動作を説明するための図である。図３と異なる、フライホイールに対する（ａ）複数の永久磁石の配置と（ｂ）永久磁石の磁極の配置を示す図である。永久磁石をケーシング側に配置した例を概略的に示す図である。本発明の第２実施形態によるダンパを概略的に示す図である。本発明の第３実施形態によるダンパを、ポールピースの停止状態において示す図である。図９のダンパを、ポールピースの作動状態において示す図である。ポールピースを制御する制御装置を示すブロック図である。ポールピースを用いた減衰制御処理を示すフローチャートである。本発明の第４実施形態によるダンパを概略的に示す図である。図１３の弾性材を示す図である。本発明の第５実施形態によるダンパを概略的に示す図である。電動モータを制御するモータ制御処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。図１及び図２は、第１実施形態によるダンパ１を示す。

このダンパ１は、歯車モータ式のものであり、シリンダ２と、シリンダ２内に摺動自在に設けられたピストン３と、ピストン３をバイパスし、シリンダ２内に連通する連通路４と、連通路４に配置された歯車モータ５と、歯車モータ５の回転軸６に一体に連結されたフライホイール７と、フライホイール７に設けられた複数の永久磁石８と、フライホイール７及び複数の永久磁石８を収容するケーシング９などを備えている。

これらの構成要素２～９は、基本的に、シリンダ２の軸線方向（図１及び図２の左右方向）において、シリンダ２の中心に対して互いに対称（左右対称）に配置されている。

シリンダ２は、円筒状の周壁２ａと、周壁２ａの左右の端部に設けられた円板状の第１及び第２端壁２ｂ、２ｃを一体に有し、これらの３つの壁２ａ～２ｃによって、シリンダ２内に空間が画成されている。また、第１端壁２ｂには、外方に突出する中空状のロッド収容部２ｆが同心状に一体に設けられ、その端部には、自在継手を介して、第１取付具ＦＬ１が設けられている。

ピストン３は、シリンダ２内に軸線方向に摺動自在に設けられており、シリンダ２内を、図１の左側の第１流体室２ｄと右側の第２流体室２ｅに区画している。これらの第１及び第２流体室２ｄ、２ｅと連通路４には、作動流体ＨＦが充填されている。作動流体ＨＦは、適度な粘性を有する通常の作動油などで構成されている。

また、ピストン３には、ピストンロッド１０が同心状に一体に設けられている。ピストンロッド１０は、ピストン３の両側に延びており、第１及び第２端壁２ｂ、２ｃの各ロッド案内孔２ｇをシールを介して液密に貫通した状態で、外方に延びている。ピストンロッド１０の一端部は、シリンダ２のロッド収容部２ｆに収容され、他端部には、自在継手を介して、第２取付具ＦＬ２が設けられている。

また、ピストン３には、軸線方向に貫通する第１連通孔３ａ及び第２連通孔３ｂが形成されている。第１及び第２連通孔３ａ、３ｂには、第１リリーフ弁１１及び第２リリーフ弁１２が、それぞれ設けられている。第１及び第２リリーフ弁１１、１２は、互いに同じ構成を有し、常閉弁として構成されており、弁体と、弁体を閉弁方向に付勢するばねを有する。

第１リリーフ弁１１は、第１流体室２ｄ内の作動流体ＨＦの圧力が第１所定圧に達するまで、第１連通孔３ａを閉鎖し、第１所定圧に達したときに、第１連通孔３ａを開放する。これにより、第１流体室２ｄ内の圧力が、第１連通孔３ａを介して第２流体室２ｅ側に逃がされ、第１所定圧以下に制限される。同様に、第２リリーフ弁１２は、第２流体室２ｅ内の圧力が第１所定圧に達するまで、第２連通孔３ｂを閉鎖し、第１所定圧に達したときに、第２連通孔３ｂを開放する。これにより、第２流体室２ｅ内の圧力が、第２連通孔３ｂを介して第１流体室２ｄ側に逃がされ、第１所定圧以下に制限される。

連通路４は、シリンダ２の周壁２ａの両端部に形成された連通口２ｈ、２ｈを介して、第１及び第２流体室２ｄ、２ｅにそれぞれ連通している。

歯車モータ５は、連通路４に配置されており、連通路４内の作動流体ＨＦの流動を回転運動に変換し、回転軸６から出力するものである。歯車モータ５は、内接式のものであり、ハウジング１４と、ハウジング１４に収容された回転自在のギヤ１５と、上記回転軸６を有する。なお、歯車モータ５として外接式のものを用いてもよい。

図２に示すように、ハウジング１４は、連通路４と一体に設けられ、これに連通している。また、ハウジング１４の上面にはフランジ１７が一体に設けられ、フランジ１７にケーシング９が一体に取り付けられている。ギヤ１５は、スパーギヤで構成されており、ハウジング１４に導入された作動流体ＨＦの圧力によって、鉛直軸線回りに回転する。

回転軸６は、ギヤ１５と同軸状に一体に設けられ、上方に延びており、ハウジング１４、フランジ１７及びケーシング９のそれぞれの中央の孔を、シール１８で密閉された状態で貫通し、これらに回転自在に支持されている。また、回転軸６の上端部には、ケーシング９を押さえるための押え材１９が取り付けられている。

フライホイール７は、例えば鋼材などの強磁性体で構成され、円板状に形成されており、回転軸６に同軸状に一体に設けられている。

図２及び図３（ａ）に示すように、永久磁石８は、フライホイール７の上面及び下面の外周部の同じ位置に、それぞれ複数個、背中合わせに設けられており、周方向に等間隔に配置されている。また、図３（ｂ）に示すように、永久磁石８の磁極は、フライホイール７の主面と直交する方向（上下方向）に配置され、磁極の向きは、上面内又は下面内の隣り合う各２つの永久磁石８、８の間で交互に異なるように、また、上面及び下面の互いに背中合わせの２つの永久磁石８、８の間で互いに異なるように設定されている。

ケーシング９は、導電材料、例えば鋼材などで構成されており、図２に示すように、底材９ａと蓋材９ｂを備える。底材９ａは、円板状の下壁９ｃと、その外周部から上方に延びる周壁９ｄで構成されており、歯車モータ５のハウジング１４と一体のフランジ１７にねじ（図示せず）で固定されている。蓋材９ｂは、円板状の上壁９ｅを有し、外周部において底材９ａの周壁９ｄにねじ止めされている。

以上の構成により、ケーシング９は、ハウジング１４にフランジ１７を介して回転不能に固定されるとともに、それらの上壁９ｅ及び下壁９ｃが、フライホイール７の上面及び下面に設けられた複数の永久磁石８にそれぞれ対向している。また、ケーシング９は、フライホイール７及び複数の永久磁石８を収容するとともに、回転軸６との間がシール１８で密封されていることで、複数の永久磁石８による磁気が外部に漏れ出るのを防止するシールドの機能を果たす。

図４は、以上の構成のダンパ１を制振建物に適用した例を示す。この例では、構造物Ｂ（建物）の上下の梁ＢＵ、ＢＬ及び左右の柱ＰＬ、ＰＲで構成される門型フレームに、Ｖ型ブレースＢＲが設けられている。ダンパ１は、下梁ＢＬ及び左柱ＰＬの角部とＶ型ブレースＢＲとの間に、第１及び第２取付具ＦＬ１、ＦＬ２を介して、水平に取り付けられている。なお、構造物Ｂへのダンパ１の連結方法として、他の適当な方法を採用してもよいことはもちろんである。

次に、上述した構成のダンパ１の動作について説明する。構造物Ｂの振動が発生していないときには、ダンパ１は、図１に示す初期状態にあり、ピストン３は、シリンダ２の内部空間の軸線方向の中心である中立位置に位置している。

この初期状態から、地震時などに構造物Ｂが振動するのに伴い、上下の梁ＢＵ、ＢＬの間に水平方向の相対変位が発生すると、この相対変位に応じた方向及びストロークで、ピストン３がシリンダ２内を移動する。このピストン３の移動に伴い、第１又は第２流体室２ｄ、２ｅ内の作動流体ＨＦがピストン３で押し出され、連通路４に流入する。この連通路４内の作動流体ＨＦの流動が、歯車モータ５により回転運動に変換されることによって、回転軸６と一体のフライホイール７が回転駆動され、フライホイール７による回転慣性質量効果（慣性力）が発揮される。また、作動流ＨＦが連通路４を流動する際の粘性抵抗によって粘性減衰効果（粘性力）が発揮される。

また、このフライホイール７と一体に、複数の永久磁石８が回転する。これにより、導電材料で構成されたケーシング９が、複数の永久磁石８の磁界内を相対的に回転する。これにより、図５に示すように、ケーシング９の上壁９ｅ及び下壁９ｃに渦電流（誘導電流）が発生すると同時に、この渦電流と永久磁石８の磁界との相互作用によって、フライホイール７の回転と反対方向にローレンツ力が発生する。そして、このローレンツ力がフライホイール７に抵抗力（制動力）として作用することで、減衰効果が発揮される。

また、このダンパ１によれば、構造物Ｂの相対変位（直線運動）から回転運動への変換が、歯車モータ５により作動流体ＨＦを介して行われる。このため、従来のボールねじ式の場合と比較して、相対変位が小さい場合でも、ガタの影響をほとんど受けることなく、フライホイール７が良好に回転するとともに、変換による回転増幅率が大きいことで、より大きな回転速度が得られる。したがって、多量の永久磁石８を必要とすることなく、構造物Ｂの振動の振幅が小さい場合においても、渦電流によるローレンツ力によって高い減衰性能を確保でき、良好な振動抑制効果を得ることができる。

ここで、本実施形態のダンパ１のような歯車モータ式ダンパの回転増幅率（軸方向変位に対する外周変位の倍率）について、ボールねじ式ダンパの場合と比較して説明する。歯車モータ式ダンパの回転増幅率Ｓｇとボールねじ式ダンパの回転増幅率Ｓｂは、それぞれ次式（１）及び（２）で表される。
Ｓｇ＝２πｒ・Ａｐ／Ｖｍ・・・（１）
Ｓｂ＝２πｒ／Ｌｄ・・・（２）
ここで、ｒはロータの外半径（歯車モータ式：フライホイール７の半径、ボールねじ式：内筒の半径）、Ａｐはピストン３の受圧面積、Ｖｍは歯車モータ５の押しのけ容積、Ｌｄはボールねじのリードをそれぞれ表す。

また、比較のために、両ダンパともに１０００ｋＮ程度の反力を生じるサイズを想定し、それらの諸元を、ｒ＝１５０（ｍｍ）、ＡＰ＝５５１８５（ｍｍ²）（シリンダ内径：２８０ｍｍ、ピストンロッド径：９０ｍｍ）、Ｖｍ＝２７４００（ｍｍ³／ｒｅｖ）、Ｌｄ＝２０（ｍｍ）とすると、式（１）及び（２）から、Ｓｇ＝１８９７倍、Ｓｂ＝４７倍が得られる。このように、歯車モータ式ダンパの場合には、ボールねじ式ダンパと比較して、非常に高い回転増幅率が得られることが分かる。

また、渦電流によるローレンツ力は、構造物Ｂにおけるダンパ１の使用環境では、粘性体の粘性抵抗と異なり、温度依存性や繰り返し依存性が小さい。したがって、長周期地震動の発生時のように大きな振動エネルギが構造物に繰り返し入力される場合においても、温度上昇や振動の繰り返しによる影響をほとんど受けることなく、所要の減衰性能を維持することができる。

なお、上記のダンパ１では、複数の永久磁石８は、フライホイール７の外周部に周方向に配置されている（図３（ａ））が、これに代えて、図６（ａ）に示すように、フライホイール７に径方向に配置してもよい。この構成においても、フライホイール７の回転に伴い、ケーシング９が永久磁石８の磁界内を相対的に回転することで、ローレンツ力が発生するので、同様の減衰効果を得ることができる。ただし、図３（ａ）の周方向配置の方が、永久磁石８の周速度が高いため、より大きなローレンツ力及び減衰効果を効率良く得ることができる。

また、上記のダンパ１では、永久磁石８の磁極は、フライホイール７の主面に対して直角の方向に配置されている（図３（ｂ））が、これに代えて、図６（ｂ）に示すように、フライホイール７の主面に対して平行に配置してもよい。この構成においても、フライホイール７の回転に伴い、ケーシング９が永久磁石８の磁界内を相対的に回転し、ローレンツ力が発生するので、同様の減衰効果を得ることができる。

また、図７に示すように、複数の永久磁石８をケーシング９側に配置してもよい。この場合、ケーシング９は、永久磁石８を保持する磁石保持部材として用いられ、鋼材などの強磁性体で構成されるのに対し、フライホイール７は、永久磁石８が設けられない導電部材として用いられ、鋼材などの導電材料で構成される。この構成によれば、導電部材であるフライホイール７が、ケーシング９に設けられた永久磁石８の磁界内を回転することにより、フライホイール７に、渦電流と永久磁石８の磁界との相互作用によるローレンツ力が発生し、抵抗力（制動力）として作用することによって、同様の減衰効果を発揮させることができる。

図８は、本発明の第２実施形態によるダンパ２１を示す。このダンパ２１は、図１に示した第１実施形態のダンパ１と同様、フライホイール７の上面及び下面に複数の永久磁石８が設けられ、フライホイール７を磁石保持部材として用い、ケーシング９を導電部材として用いるとともに、ケーシング９に蓄電用のコイル２２とコンデンサ２３を設けたものである。

具体的には、ケーシング９の上壁９ｅ及び下壁９ｃにそれぞれ、複数のコイル２２と１つのコンデンサ２３が設けられており、フライホイール７の回転に伴ってケーシング９に発生した渦電流が各コイル２２に流れるように構成されている。また、これらのコイル２２はコンデンサ２３に接続されており、コイル２２を流れる渦電流による電気エネルギがコンデンサ２３に蓄電される。コンデンサ２３は、ダンパ２１に関連する後述する各種のセンサなどの電気デバイス（図示せず）に接続され、蓄電した電力を供給する。

以上のように、本実施形態のダンパ２１によれば、構造物Ｂの振動に伴ってケーシング９に発生した渦電流による電気エネルギを、コイル２２及びコンデンサ２３によって回生し、ダンパ２１の電気デバイスの電源として有効に活用することができる。

次に、図９～図１２を参照しながら、本発明の第３実施形態によるダンパ４１について説明する。このダンパ４１は、ケーシング９を磁石保持部材として、その下壁９ｃの上面に複数の永久磁石８を周方向に配置し、フライホイール７を導電部材とするとともに、渦電流によるローレンツ力を制御するための制御装置４２を付加したものである。

図１１に示すように、この制御装置４２は、複数のポールピース４３と、ポールピース４３を駆動するアクチュエータ４４と、アクチュエータ４４を制御するＥＣＵ（電子制御ユニット）４５などを備えている。

ポールピース４３は、強磁性体で構成されており、図９及び図１０に示すように、ケーシング９に設けられた永久磁石８とフライホイール７との間に、永久磁石８と同数、設けられ、周方向に等間隔に配置されている。これらのポールピース４３は、周方向に移動自在に構成された、リング状の非磁性体から成る保持部材４６に一体に取り付けられており、この保持部材４６にアクチュエータ４４が連結されている。

アクチュエータ４４は、例えばステッピングモータで構成されており、アクチュエータ４４への出力パルス数ＮＰをＥＣＵ４５で制御することにより、保持部材４６を介して、複数のポールピース４３の周方向の位置（角度）が制御される。

具体的には、この出力パルス数ＮＰが０のときには、図９に示すように、各ポールピース４３は、隣り合う２つの永久磁石８、８をまたぐ位置（以下「阻止位置」という）に位置する。この状態では、同図（ａ）に示すように、１つのポールピース４３と２つの永久磁石８、８によって磁力線の閉回路が形成されるため、永久磁石８の磁界はフライホイール７に作用しない。その結果、フライホイール７が回転しても、渦電流によるローレンツ力の発生が阻止され、それによる減衰効果は発揮されない。

一方、出力パルス数ＮＰが所定の最大値ＮＭＡＸに設定されると、各ポールピース４３は、周方向に所定角度、移動することで、図１０に示すように、１つの永久磁石８の真上に対向する位置（以下「許容位置」という）に位置する。この状態では、同図（ａ）に示すように、永久磁石８の磁界がポールピース４３を通ってフライホイール７に作用する。その結果、フライホイール７が回転すると、渦電流による最大のローレンツ力が発生し、それによる最大限の減衰効果が発揮される。

また、出力パルス数ＮＰが値０と最大値ＮＭＡＸの間に設定されると、図示しないが、ポールピース４３が許容位置と阻止位置の間に位置し、その位置に応じた大きさのローレンツ力が発生することによって、中間の大きさの減衰効果が発揮される。

図１１に示すように、ＥＣＵ４５には、第１及び第２加速度センサ５１、５２、圧力センサ５３が接続されている。第１及び第２加速度センサ５１、５２は、例えば半導体式のものであり、構造物Ｂの上梁ＢＵ及び下梁ＢＬにそれぞれ設けられている（図４参照）。第１及び第２加速度センサ５１、５２は、上梁ＢＵの振動による水平方向の加速度（以下「上梁加速度」という）ＡＢＵ、及び下梁ＢＬの振動による水平方向の加速度（以下「下梁加速度」という）ＡＢＬをそれぞれ検出し、それらの検出信号をＥＣＵ４５に出力する。また、圧力センサ５３は、連通路４内の作動流体ＨＦの圧力（以下「流体圧」という）ＰＨＦを検出し、その検出信号をＥＣＵ４５に出力する。

ＥＣＵ４５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェースなどを有するマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ４５は、上記のセンサ５１～５３の検出信号に応じ、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、図１２に示す減衰制御処理を実行する。本処理は、所定時間ごとに繰り返し実行される。

本処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、検出された流体圧ＰＨＦが所定の上限圧ＰＬＭＴよりも大きいか否かを判別する。この答えがＮＯで、流体ＰＨＦが上限圧ＰＬＭＴ以下のときには、ステップ２に進み、上梁ＢＵと下梁ＢＬの間の水平方向の相対変位ＲＤを算出する。

この相対変位ＲＤの算出は、例えば次のように行われる。まず、検出された上梁加速度ＡＢＵを積分することで、上梁速度ＶＢＵ（絶対速度）を算出し、この上梁速度ＶＢＵをさらに積分することで、上梁変位ＤＢＵ（絶対変位）を算出する。同様に、検出された下梁加速度ＡＢＬを積分することで、下梁速度ＶＢＬを算出し、この下梁速度ＶＢＬをさらに積分することで、下梁変位ＤＢＬを算出する。そして、上梁変位ＤＢＵと下梁変位ＤＢＬとの差の絶対値｜ＤＢＵ－ＤＢＬ｜を、上梁ＢＵと下梁ＢＬの間の相対変位ＲＤとして算出する。

次に、ステップ３において、算出した相対変位ＲＤが第１所定変位ＲＤＲＥＦ１よりも大きいか否かを判別する。この答えがＮＯのときには、アクチュエータ４４への出力パルス数ＮＰを、相対変位ＲＤに応じた、値０と最大値ＮＭＡＸの間の値に設定し（ステップ４）、本処理を終了する。これにより、ポールピース４３が許容位置と阻止位置の間に位置し、その位置に応じた大きさのローレンツ力が発生することによって、中間の大きさの減衰効果が発揮される。

前記ステップ３の答えがＹＥＳで、相対変位ＲＤが所定変位ＲＤＲＥＦを超えたときには、大きな地震動の発生などにより、構造物Ｂに大きな相対変位が発生しているとして、出力パルス数ＮＰを最大値ＮＭＡＸに設定し（ステップ５）、本処理を終了する。これにより、各ポールピース４３が図１０に示す許容位置に位置することで、渦電流による最大のローレンツ力が発生し、それによる最大限の減衰効果が発揮される。

一方、前記ステップ１の答えがＹＥＳで、流体圧ＰＨＦが上限圧ＰＬＭＴを超えたときには、ダンパ４１の軸力が過大になっているおそれがあるとして、出力パルス数ＮＰを０に設定し（ステップ６）、本処理を終了する。これにより、各ポールピース４３が図９に示す阻止位置に位置し、ローレンツ力の発生が阻止されるので、ダンパ４１の軸力が過大になると推定されるタイミングで、軸力制限を適切に行うことができる。

次に、図１３及び図１４を参照しながら、本発明の第４実施形態によるダンパ６１について説明する。このダンパ６１は、図１に示す第１実施形態のダンパ１に対し、その第２取付具ＦＬ２の部分に弾性材７１を付加したものである。

弾性材７１は、図１４に示すようなゴムユニットで構成されており、第１部材７２、第２部材７３及びゴム板７４を有する。第１部材７２は、第１フランジ７２ａと、第１フランジ７２ａから第２部材７３側に向かって延びる挿入板７２ｂを一体に有する。第２部材７３は、第２フランジ７３ａと、第２フランジ７３ａから第１部材７２側に向かって挿入板７２ｂと平行に延びる、２枚のリブ付きの取付板７３ｂ、７３ｂを一体に有する。

ゴム板７４は、柔性を有する軟質のゴムで構成され、取付板７３ｂ、７３ｂの各内面に取り付けられており、第１部材７２の挿入板７２ｂは、ゴム板７４、７４の間に挿入され、挟持されている。そして、ダンパ６１は、その第２取付具ＦＬ２に弾性材７１の第１フランジ７２ａがねじ止めされるとともに、第２フランジ７３ａを介して構造物Ｂに連結される。

以上のように、本実施形態のダンパ６１によれば、フライホイール７から成る慣性質量要素と弾性材７１から成るばね要素が、互いに直列に接続された関係にある。したがって、弾性材７１のばね定数を適宜、設定することによって、ダンパ６１の振動周期、例えば固有振動数を調整することができる。

次に、図１５及び図１６を参照しながら、本発明の第５実施形態によるダンパ８１について説明する。このダンパ８１は、図１に示す第１実施形態のダンパ１に対し、歯車モータ５の回転軸６と一体の第２フライホイール８２と、この第２フライホイール８２を回転駆動する電動モータ８３などを付加したものである。

第２フライホイール８２は、ケーシング９から上方に突出した回転軸６の部分に同軸状に設けられ、回転軸６と一体に回転する。また、第２フライホイール８２の外周面にはギヤ部８２ａが形成されている。一方、電動モータ８３は、シリンダ２の外周部に設置され、その出力軸８３ａが鉛直上方に延びており、出力軸８３ａに一体に設けられたギヤ８３ｂが、第２フライホイール８２のギヤ部８２ａに噛み合っている。

図１６は、電動モータ８３を制御するためのモータ制御処理を示す。本処理は、ＥＣＵ４５により、所定時間ごとに繰り返し実行される。

本処理では、まずステップ１１において、上梁ＢＵと下梁ＢＬの間の水平方向の相対速度ＲＶを算出する。この相対速度ＲＶの算出は、例えば、検出された上梁加速度ＡＢＵ及び下梁加速度ＡＢＬをそれぞれ積分することで、上梁速度ＶＢＵ及び下梁速度ＶＢＬ（それぞれ絶対速度）を算出するとともに、上梁速度ＶＢＵから下梁速度ＶＢＬを減算することによって行われる。すなわち、相対速度ＲＶは、ＲＶ＝ＶＢＵ－ＶＢＬで表され、上梁ＢＵと下梁ＢＬとの相対変位の方向に応じた正負を有する。

次に、ステップ１２において、上梁ＢＵと下梁ＢＬの間の水平方向の相対変位ＲＤを算出する。この相対変位ＲＤは、例えば、図１２のステップ２と同様、上梁速度ＶＢＵ及び下梁速度ＶＢＬをそれぞれ積分することで、上梁変位ＤＢＵ及び下梁変位ＤＢＬ（それぞれ絶対変位）を算出するとともに、上梁変位ＤＢＵと下梁変位ＤＢＬとの差の絶対値｜ＤＢＵ－ＤＢＬ｜として算出される。

次に、算出された相対変位ＲＤが第２所定変位ＲＤＲＥＦ２よりも大きいか否かを判別する（ステップ１３）。この答えがＮＯのときには、構造物Ｂに発生している相対変位が小さいとして、電動モータ８３の目標回転速度ＶＭＯＴを０に設定し（ステップ１４）、本処理を終了する。この設定により、電動モータ８３は停止状態に制御される。

一方、上記ステップ１３の答えがＹＥＳのときには、電動モータ８３の目標回転速度ＶＭＯＴを、ステップ１１で算出された相対速度ＲＶに応じて設定し（ステップ１５）、本処理を終了する。前述したように、相対速度ＲＶは、上梁ＢＵと下梁ＢＬとの相対変位の方向に応じた正負を有しており、この場合において、目標回転速度ＶＭＯＴは、例えば、この相対変位を抑制する方向に、相対速度ＲＶが大きいほどより大きくなるように設定される。

以上のように、本実施形態のダンパ８１によれば、構造物Ｂの実際の相対変位に応じ、電動モータ８３を介してフライホイール７の回転速度をアクティブ制御し、渦電流によるローレンツ力の大きさを制御することによって、所望の減衰性能を得ることができる。

なお、本発明は、説明した第１～第５実施形態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。まず、各実施形態では、圧力モータとして、歯車モータを用いているが、連通路４内の作動流体ＨＦの流動を回転運動に変換することが可能である限り、他の形式の圧力モータ、例えばピストンモータやベーンモータ、ねじモータなどを用いてもよいことは、もちろんである。また、複数の永久磁石８及びポールピース４３などの数や配置については、実施形態において説明したものの他、適宜、増減及び変更することが可能である。

また、それぞれの実施形態における構成を適宜、互いに組み合わせることが可能である。例えば、第２実施形態のダンパ２１におけるコイル２２及びコンデンサ２３の構成と、第４実施形態のダンパ６１における弾性材７１の構成を組み合わせてもよいことは、もちろんである。また、弾性材７１の構成は例示であり、フライホイール７などの慣性接続要素と直列に接続されるばね要素である限り、任意の構成を採用できる。また、弾性材７１を、ダンパ６１の第２取付具ＦＬ２側に代えて、第１取付具ＦＬ１側に設けてもよいことはもちろんである。

また、第３実施形態における減衰制御処理の内容、及び第５実施形態におけるモータ制御処理の内容は、あくまで例示であり、適宜、変更することが可能である。例えば、減衰制御処理では、動作パラメータとして、検出された上梁加速度ＡＢＵ、下梁加速度ＡＢＬ及び流体圧ＰＨＦを用いているが、これらに加えて又は代えて、ダンパの動作状態を表す他の適当なパラメータ、例えば作動流体ＨＦの温度などを用いてもよい。

また、減衰制御処理では、ポールピース４３の制御を、上下の梁ＢＵ、ＢＬ間の相対変位ＲＤに応じて行っているが、これに代えて、地震の大きさを表す他の適当なパラメータ、例えば上下の梁ＢＵ、ＢＬのそれぞれの加速度や速度に応じて行ってもよい。さらに、減衰制御処理及びモータ制御処理では、それぞれポールピース４３の位置及び電動モータ８３の目標回転速度ＴＭＯＴを基本的に無段階に制御しているが、段階的に制御してもよい。

また、実施形態は、ダンパ１などを構造物Ｂの制震装置として用いた例であるが、免震装置として用いてもよい。その他、ダンパの細部の構成を、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することが可能である。

１第１実施形態のダンパ
２シリンダ
２ｄ第１流体室
２ｅ第２流体室
３ピストン
４連通路
５歯車モータ（圧力モータ）
７フライホイール（ロータ）
８永久磁石
９ケーシンング（ステータ）
２１第２実施形態のダンパ
２２コイル
２３コンデンサ
４１第３実施形態のダンパ
４３ポールピース
４５ＥＣＵ（制御手段）
５１第１加速度センサ（動作パラメータ検出手段）
５２第２加速度センサ（動作パラメータ検出手段）
５３圧力センサ（動作パラメータ検出手段）
６１第４実施形態のダンパ
７１弾性材（ばね要素）
８１第５実施形態のダンパ
８３電動モータ
Ｂ構造物
ＨＦ作動流体
ＡＢＵ上梁加速度（動作パラメータ）
ＡＢＬ下梁加速度（動作パラメータ）
ＰＨＦ流体圧（作動流体の圧力、動作パラメータ）
ＰＬＭＴ上限圧

Claims

構造物を含む系内の相対変位する第１部位と第２部位の間に設けられ、振動エネルギを減衰するダンパであって、
作動流体が充填され、前記第１部位に連結されたシリンダと、
当該シリンダ内に軸線方向に摺動自在に設けられ、前記シリンダ内を第１流体室と第２流体室に区画するとともに、前記第２部位に連結されたピストンと、
前記ピストンをバイパスし、前記第１及び第２流体室に連通する連通路と、
当該連通路に設けられ、当該連通路内の作動流体の流動を回転運動に変換する圧力モータと、
当該圧力モータによって回転駆動されるロータと、
当該ロータに対向する不動のステータと、
前記ロータ及び前記ステータの一方に設けられ、磁界内を回転する前記ロータに、当該ロータの回転と反対方向の、渦電流によるローレンツ力を作用させるように構成された複数の永久磁石と、
強磁性体で構成され、前記複数の永久磁石の磁界が前記ロータに作用するのを許容する許容位置と阻止する阻止位置との間で移動可能なポールピースと、
当該ダンパの動作状態を表す動作パラメータを検出する動作パラメータ検出手段と、
前記ポールピースを、前記検出された動作パラメータに応じた、前記許容位置と前記阻止位置との間の位置に制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするダンパ。
前記ロータ及び前記ステータの他方に設けられ、前記渦電流が流れるコイルと、
当該コイルを流れる渦電流による電気エネルギを蓄電するコンデンサと、をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のダンパ。
前記動作パラメータ検出手段は、前記動作パラメータとして作動流体の圧力を検出し、
前記制御手段は、前記検出された作動流体の圧力が所定の上限圧を超えたときに、前記ポールピースを阻止位置に駆動することを特徴とする、請求項１又は２に記載のダンパ。
前記第１部位と前記シリンダの間、及び前記第２部位と前記ピストンの間の一方に、当該ダンパの振動周期を調整するためのばね要素をさらに備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のダンパ。
構造物を含む系内の相対変位する第１部位と第２部位の間に設けられ、振動エネルギを減衰するダンパであって、
作動流体が充填され、前記第１部位に連結されたシリンダと、
当該シリンダ内に軸線方向に摺動自在に設けられ、前記シリンダ内を第１流体室と第２流体室に区画するとともに、前記第２部位に連結されたピストンと、
前記ピストンをバイパスし、前記第１及び第２流体室に連通する連通路と、
当該連通路に設けられ、当該連通路内の作動流体の流動を回転運動に変換する圧力モータと、
当該圧力モータによって回転駆動されるロータと、
当該ロータに対向する不動のステータと、
前記ロータ及び前記ステータの一方に設けられ、磁界内を回転する前記ロータに、当該ロータの回転と反対方向の、渦電流によるローレンツ力を作用させるように構成された複数の永久磁石と、
前記ロータを回転駆動するための電動モータと、
当該ダンパの動作状態を表す動作パラメータを検出する動作パラメータ検出手段と、
当該検出された動作パラメータに応じて、前記電動モータを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするダンパ。