JP7219626B2

JP7219626B2 - 制振システム

Info

Publication number: JP7219626B2
Application number: JP2019024264A
Authority: JP
Inventors: 弘明龍神; 理人石川; 征義小宮山
Original assignee: Maeda Corp
Current assignee: Maeda Corp
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2023-02-08
Anticipated expiration: 2039-02-14
Also published as: JP2020133676A

Description

本発明は制振システムに関し、特にパッシブ型の制振システムであるＴＭＤ（Tuned Mass Dumper）の改良に関する。

ＴＭＤは質量、バネ及び減衰器から構成されており、これを床などの制振対象に取り付けることにより振動低減を図るものである。ＡＭＤ（Active Mass Dumper）とは異なり、大電力を必要としない利点がある。ここで、ＴＭＤにおいて良好な振動低減性能を実現するため、質量の大きさ、バネ定数、減衰係数を適切に選択することにより、ＴＭＤの固有振動周期が制振対象の固有振動周期に合わせられる。下記特許文献１では、互いにダンパに接続される２本のアームと、この先端に取り付けられ互いにバネに接続される２つの振り子状の振動体とを有するＴＭＤにおいて、各振動体の固有振動周期を、アームの長さ、バネの取付位置、アームの傾斜角度により調整することが開示されている。

特開２００２－０４８１９１号公報

しかし、建設施工の現場において、床などの制振対象は設計値と同一の固有振動周期を実際に有するとは限らず、現場においてＴＭＤの固有振動周期を微調整し、それを制振対象の実際の固有振動周期に合わせる作業が望ましい。また、経年による制振対象の特性変化によってＴＭＤの固有振動周期の施工後の微調整が望ましい場合もある。

しかしながら、従来のＴＭＤでは、質量の大きさやバネ定数はもちろん、減衰係数も容易に微調整することができないという問題がある。例えば、上記特許文献１に記載されたＴＭＤの固有振動周期を微調整するには、アームの長さ、バネの取付位置、又はアームの傾斜角度を少しずつ変更しなければならず、このような微調整を現場で行うのは困難である。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、設置された現場において容易に固有振動周期の微調整が可能なパッシブ型の制振システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る制振システムは、一端が制振対象に固定されるバネと、前記バネの他端に固定される質量部と、前記バネの伸縮動作に応じて相対位置を変化させる磁石及びコイルを備え、前記バネの伸縮動作に応じて発電する電磁ダンパと、前記コイルに接続され、前記電磁ダンパによる誘導起電力を消費する可変抵抗器と、を含む。

また、本発明の一態様に係る制振システムでは、前記磁石は前記質量部に固定され、前記コイルは前記制振対象に固定される。

また、本発明の一態様に係る制振システムでは前記電磁ダンパを複数含み、前記可変抵抗器は複数の前記電磁ダンパと直列に接続される。

また、本発明の一態様に係る制振システムでは、前記バネは支持台を介して前記一端が前記制振対象に固定され、前記支持台の内部には前記可変抵抗器が収容される。

本発明によれば、容易に固有振動周期の微調整が可能となる。

本発明の実施形態に係る制振システムの設置状態を示す図である。本発明の実施形態に係る制振システムの内部構造を示す断面図である。本発明の実施形態に係る制振システムの電磁ダンパの内部構造を示す一部断面図である。本発明の実施形態に係る制振システムの回路構成を示す回路図である。本発明の実施形態に係る制振システムの動作を示す図である。

以下に、本発明の実施形態（以下、本実施形態ともいう）について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

図１は本実施形態に係る制振システム１の設置状態を示す図である。制振システム１は、例えば一体型の制振装置１００により実現される。制振装置１００は制振対象に固定される。図１に示す例では、制振装置１００は、建物の床を構成する床部材１０１上に固定される。なお、建物は複数の柱１０２及び梁による架構体を備えており、床部材１０１は、例えば廊下などでは複数の柱１０２の間において架構体に支持されている。

床部材１０１に固定される制振装置１００は、床部材１０１が振動した際に、内部に含まれる質量部が床部材１０１の振動を打ち消すように振動することで、床部材１０１の振動低減を図るものである。床部材１０１は、その材料、構造、並びに形状に起因した固有振動周期を有している。良好な振動低減性能を実現するため、制振装置１００の固有振動周期（より具体的には、制振装置１００に含まれる質量部が振動する際の固有振動周期）は、床部材１０１の固有振動周期と同一に調整することが望ましい。以下に説明するように、制振装置１００は、特に電磁ダンパ５０及び可変抵抗器６０を有することで、それが設置された現場において容易に固有振動周期の微調整を行えるように設計されている。

図２は制振装置１００の内部構造を示す断面図である。同図に示すように、制振装置１００は、平板状の基部１１と下方が開放した箱状のカバー１２とを含む。この基部１１とカバー１２とにより構成される空間内に、バネ２０，２０、連結部材３０、付加ウェイト４０、電磁ダンパ５０，５０、及び可変抵抗器６０が収容されている。バネ２０，２０は同一形状で同一のバネ定数を有する。電磁ダンパ５０，５０も同一形状で同一の減衰係数を有する減衰器である。ここで減衰器として採用した電磁ダンパ５０，５０は、円筒状をなすとともに軸方向に伸縮可能であり、伸縮に伴って内部に備えられているコイルから誘導起電力を生じるものである。

基部１１は例えば金属製の板であり、基部１１の縁部には複数の穴１３が形成されており、これらの穴１３を利用して、図示しないボルトなどの締着手段により基部１１は制振対象（例えば、床部材１０１）の上に強固に固定される。

なお、本実施形態では、制振装置１００は２つのバネ２０と２つの電磁ダンパ５０とを含むが、バネ２０及び電磁ダンパ５０はそれぞれ１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。また、バネ２０の数と電磁ダンパ５０の数は一致しなくてもよく、例えば制振装置１００は２つのバネ２０と１つの電磁ダンパ５０を含んで構成されてもよい。本実施形態では、２つのバネ２０と２つの電磁ダンパ５０は、左右方向に沿って電磁ダンパ５０、バネ２０、バネ２０、電磁ダンパ５０の順に一列に並んでおり、バネ２０，２０の間に位置する基準面Ｐ１に対して２つのバネ２０は対称に配置されており、２つの電磁ダンパ５０も基準面Ｐ１に対して対称に配置されている。このように対称配置することで、下方から振動が加えられた場合に、該振動をバランスよく吸収することができる。

基部１１の中央には箱状の支持台８０が固定されており、バネ２０，２０の下端はこの上面に固定されている。一方、電磁ダンパ５０，５０の下端は基部１１の左右両端に直接固定されている。バネ２０，２０は電磁ダンパ５０，５０より短く、支持台８０の上に配置することにより、バネ２０，２０及び電磁ダンパ５０，５０の高さが揃うようになっている。バネ２０，２０の各上端と電磁ダンパ５０，５０の各上端とは、連結部材３０により連結されている。ここで、連結部材３０は、バネ２０，２０及び電磁ダンパ５０，５０の配列方向に沿って伸びている板状又は棒状に形成されている。支持台８０の内部には後述するように可変抵抗器６０が収容されており、これにより制振装置１００の小型化を図っている。

連結部材３０には、バネ２０，２０に荷重を加えるための質量部の一部として付加ウェイト４０が固定されており、この付加ウェイト４０の重量を適切に選択することにより、制振装置１００の固有振動周期を制振対象の固有振動周期に概略合わせることができる。ここで、付加ウェイト４０は、連結部材３０の中央且つ下面に取り付けられており、バネ２０，２０の間に配置されている。こうすることで、制振装置１００の大きさを上下方向で小型にすることができる。

バネ２０，２０は、例えばコイルバネであり、制振対象の振動に応じて伸縮する。バネ２０，２０は、連結部材３０及び支持台８０により上下が固定されている。具体的には、支持台８０の上面にはバネ固定具２１Ｕ，２１Ｕが固定されており、連結部材３０の下面における対応位置にはバネ固定具２１Ｔ，２１Ｔが固定されている。バネ固定具２１Ｕ，２１Ｕの上面には突起が形成され、バネ固定具２１Ｔ，２１Ｔの下面にも突起が形成され、これらの突起のバネ２０，２０の上下端が嵌っている。

電磁ダンパ５０，５０は、基部１１に固定されるコイル部５４と、該コイル部５４に対して相対的に上下動する可動磁石部５２とを含んでいる。図３は電磁ダンパ５０の内部構造を示す一部断面図である。可動磁石部５２は概略中空円筒状をなし、その上端に設けられた固定部５２ａを介して連結部材３０にボルト等で固定されている。一方、コイル部５４は上下方向に延伸するよう配置されたコイル５４ａを備えている。コイル５４ａは、上下方向を向くよう配置された図示しないコイル軸の周囲に巻線が巻かれてなる。コイル部５４の下端には平板状の固定部５４ｃが設けられており、この固定部５４ｃがボルト等で基部１１に固定されている。複数の磁石５２ｃ，５２ｃの間には上下方向に延伸するガイド軸５２ｄが設けられている。

コイル５４ａは可動磁石部５２の内部に挿入されていて、コイル５４ａの側面に対向するようにして、可動磁石部５２の内部には複数の磁石５２ｃ，５２ｃが設けられている。磁石５２ｃ，５２ｃは、例えばＮ極又はＳ極がコイル５４ａの側面を向くようにして配置され、生じる磁束がコイル５４ａを貫くようになっている。また、磁石５２ｃ，５２ｃの周囲には円筒状のウェイト５２ｂが配置されている。ウェイト５２ｂもバネ２０，２０に対して荷重を加える質量部の一部を構成する。コイル部５４はガイド軸５２ｄが挿通される被ガイド部５４ｂを備えており、コイル５４ａはガイド軸５２ｄにより案内されて、磁石５２ｃ及びウェイト５２ｂとの間の空隙を保ちながら相対的に上下動可能である。電磁ダンパ５０は、バネ２０，２０の伸縮に応じて、コイル部５４と可動磁石部５２とが相対位置を変化させる。これにより、コイル５４ａを貫く磁束Ｍの量が変化し、誘導電流を生じる。

電磁ダンパ５０，５０の各コイル５４ａは、支持台８０内に収容された可変抵抗器６０と配線７０により接続されている。図４は制振システム１の回路構成を示す回路図であり、電磁ダンパ５０，５０及び可変抵抗器６０の接続例を示す。同図において、各電磁ダンパ５０の横に付された矢印はバネ２０，２０の伸長時（又は圧縮時）に生じる誘導電流ｉの向きを示している。この接続例では、バネ２０，２０の伸長時（又は圧縮時）において高電位となる一方のコイル５４ａの端子と、低電位となる他方のコイル５４ａの端子とが接続されるとともに、残る端子間は可変抵抗器６０を介して接続される。こうして、可変抵抗器６０は電磁ダンパ５０，５０の各コイル５４ａと直列接続される。

電磁ダンパ５０，５０において電磁誘導によって生じた誘導起電力により、可変抵抗器６０にはジュール熱が発生する。上述のようにバネ２０，２０の上端には、電磁ダンパ５０，５０内のウェイト５２ｂ、磁石５２ｃ、連結部材３０、付加ウェイト４０などの質量部が固定されており、制振対象から加えられた運動エネルギーは、バネ２０，２０の弾性エネルギー、質量部の運動エネルギー、質量部の位置エネルギーなどに変化するが、そのうち一部は電磁ダンパ５０，５０において電気エネルギーに変換され、該電気エネルギーの一部は可変抵抗器６０において熱エネルギーに変換される。これにより電気エネルギーの一部は消費される。可変抵抗器６０の抵抗値は例えばつまみなどにより容易に微調整ができるようになっており、電気エネルギーから熱エネルギーに変換する割合、すなわち電磁ダンパ５０，５０の減衰率を微調整できる。また、上記のように１つの可変抵抗器６０が電磁ダンパ５０，５０に対して直列に接続されているので、可変抵抗器６０の調整により、電磁ダンパ５０，５０の減衰率の調整を一度にできる。

図５は制振システム１の動作を示す図であり、経過時間Ｔと質量部の振幅Ａとの関係を示す。同図において、Ｗ１は電磁ダンパ５０の減衰率がＦ１であるときの質量部の振動波形を示し、Ｗ２は電磁ダンパ５０の減衰率がＦ２（Ｆ２＞Ｆ１）であるときの質量部の振動波形を示す。同図に示すように、減衰率が大きい場合の振動波形Ｗ２は、減衰率が小さい場合の振動波形Ｗ１を時間軸方向に略縮小したものになる。このため、減衰率が大きい場合の振動周期ΔＴ２は、減衰率が小さい場合の振動周期ΔＴ１よりも短くなる。バネ２０，２０のバネ定数、質量部の大きさ、可変抵抗器６０の抵抗値（電磁ダンパ５０，５０の減衰率に対応する。）は、床部材１０１などの制振対象の固有振動周期と制振装置１００の固有振動周期とが極力一致するように予め選択されているが、本制振装置１００では可変抵抗器６０の抵抗値を変更することにより、設置後であって現場において固有振動周期（質量部の振動周期）を容易に微調整できる。

以上説明したように、本実施形態に係る制振装置１００では、その設置の現場において、作業者は可変抵抗器６０の抵抗値を調整することにより、容易に制振装置１００の固有振動周期の微調整を行うことが可能である。また、制振装置１００では、２つの電磁ダンパ５０が１つの可変抵抗器６０に接続されているため、１つの可変抵抗器６０の調整で２つの電磁ダンパ５０の調整を同時に行えるという利点がある。

なお、本実施形態においては、制振システム１が１つの制振装置１００により実現される例について示したが、制振システム１はこれに限られるものではない。例えば、可変抵抗器６０は、制振装置１００の外部に配置される外付けの機器としてもよい。また、制振対象は床部材１０１に限らず、制振システム１は固有振動周期を有する全ての制振対象に適用可能である。

１制振システム、１００制振装置、１０１床部材、１０２柱、１１基部、１２カバー、１３穴、２０バネ、２１Ｕ，２１Ｔバネ固定具、３０連結部材、４０付加ウェイト、５０電磁ダンパ、５３ｃ磁石、５４ａコイル、６０可変抵抗器、７０配線、８０支持台、ｉ誘導電流、Ｔ経過時間、Ａ質量部の振幅、Ｗ１，Ｗ２振動波形、Ｆ１，Ｆ２減衰率、ΔＴ１，ΔＴ２固有振動周期。

Claims

一端が制振対象に固定されるバネと、
前記バネの他端に固定される質量部と、
前記バネの伸縮動作に応じて相対位置を変化させる磁石及びコイルを備え、前記バネの伸縮動作に応じて発電する複数の電磁ダンパと、
前記コイルに接続され、前記複数の電磁ダンパによる誘導起電力を消費する可変抵抗器と、
を含み、
前記可変抵抗器は、前記複数の電磁ダンパと直列に接続される、
ことを特徴とする制振システム。
請求項１に記載の制振システムにおいて、
前記磁石は前記質量部に固定され、前記コイルは前記制振対象に固定される、
ことを特徴とする制振システム。
請求項１又は２に記載の制振システムにおいて、
前記バネは支持台を介して前記一端が前記制振対象に固定され、
前記支持台の内部には前記可変抵抗器が収容される、
ことを特徴とする制振システム。