JPH09195581A - 構造物の制振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造物の風揺れ等の小さな加速度の振動に対
しても効果的に制振機能を発揮することのできる制振装
置を提供すること。 【解決手段】 制振装置２は、質量体４と、構造物に設
置され質量体４を移動可能に支持する基台２２と、質量
体４と基台２２とを連結するコイルバネ６及びダンパユ
ニット２６とで構成されている。更に、基台２２から質
量体４に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を質量体
４に作用させるリニアモータ１０と、その摩擦力の向き
を検出して検出結果を表す信号を発生するためのダミー
振動系４０及び速度センサ１６とを備えている。制御装
置１８が検出信号に基づいてリニアモータ１０を制御し
て、基台２２から質量体４に作用する摩擦力と同程度の
大きさの力をその摩擦力の向きと逆向きに質量体４に作
用させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高層建築物等の構
造物の振動を抑制する制振装置に関する。

【０００２】地震や風圧等の外力によって高層建築物等
の構造物に発生する振動を抑制するために、可動質量体
の運動を利用して制振作用を得るようにした制振装置が
用いられている。この種の制振装置は、可動質量体を積
極的に駆動するためのアクチュエータを備えていないも
の（パッシブマスダンパ）と、備えているもの（アクテ
ィブマスダンパないしハイブリッドマスダンパ）とに大
きく分けられる。

【０００３】パッシブマスダンパは、質量体を構造物上
に移動可能に支持すると共に、バネ及びダンパユニット
を介して質量体と構造部とを連結して振動系を構成し、
その振動系の固有振動数を構造物の固有振動数に同調さ
せたものである。パッシブマスダンパを備えた構造物で
は、構造物が振動すると、バネ及びダンパユニットを介
して振動が伝達されるために質量体が振動させられ、こ
の振動する質量体から逆にバネ及びダンパユニットを介
して構造物に作用する力によって構造物の振動が小さく
抑えられる。

【０００４】アクティブマスダンパは、質量体を構造物
上に移動可能に支持し、質量体と構造物との間に設けた
アクチュエータによって質量体を駆動して、その質量体
を構造物に対して相対運動させるようにしたものであ
る。アクティブマスダンパは構造物の振動を検出するセ
ンサを備えており、検出した振動に応じて適切にアクチ
ュエータを制御して質量体を振動させ、その際に質量体
からアクチュエータを介して構造物に作用する反作用力
によって構造物の振動が小さく抑えられる。ハイブリッ
ドマスダンパは、パッシブマスダンパの構成に更に、質
量体を駆動するアクチュエータを付加したものである。
アクティブマスダンパほどの大容量のアクチュエータを
必要とせず、アクチュエータの故障時にもある程度の制
振作用が保持されるという利点があるが、構造は最も複
雑である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】アクティブマスダンパ
やハイブリッドマスダンパでは、検出した構造物の振動
を抑制するために最適制御によって質量体を駆動するた
め、大きな制振効果が得られる。しかしながら、アクチ
ュエータ、センサ、コンピュータ等の制御装置、などの
多数のシステムを付加せねばならず、構造が複雑で故障
のおそれも高い。特に、アクチュエータに供給されてい
る電力が断たれると制振機能を喪失するため、地震発生
時に発生するおそれのある停電に備えて自家電源装置を
装備しておくため等に高コストにならざるを得ない。

【０００６】パッシブマスダンパでは、構造物の特定の
振動モードに対してしか効果を発揮しないが、デリケー
トな部分が存在しないため故障しにくい上に、電力を供
給する必要もなく、設置するだけで効果が期待できる。
ただしその振動特性が適切に調整されていないと、十分
な制振効果が期待できない。振動特性に影響を及ぼす要
因には、構造物との同調度合いやダンパユニットの減衰
の大きさ等があるが、質量体を移動可能に支持している
支持構造と質量体との間に作用する摩擦力もまた大きな
要因をなしている。一般に、質量体と支持機構との間の
摩擦係数は０．００３〜０．００７程度であり、従っ
て、質量体設置個所の振動による加速度が３〜７ｇａｌ
（ｃｍ／ｓｅｃ² ）程度であると、質量体は支持機構に
対して（従って構造物に対して）運動せず、そのためパ
ッシブマスダンパは機能しない。ところが、３〜７ｇａ
ｌ程度の大きさの加速度しか発生しない風揺れでも、そ
れによって構造物の居住性はかなり低下する。従って、
従来のパッシブマスダンパには、風揺れによる構造物の
居住性の低下を改善することができないという不具合が
あった。

【０００７】本発明は前記事情に鑑み案出されたもので
あって、本発明の目的は、従来のパッシブマスダンパに
付随していた、支持構造と質量体との間に作用する摩擦
力による制振性能の低下という問題を解消して、優れた
性能を持ち、また特に、例えば構造物の風揺れ等の小さ
な加速度の振動に対しても効果的に制振機能を発揮する
ことのできる制振装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、質量体と、構造物に設置され前記質量体を移
動可能に支持する支持手段と、前記質量体と前記支持手
段とを連結するバネ要素及びダンパ要素とを含んで構成
された構造物の制振装置において、前記支持手段から前
記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの力を前記
質量体に作用させるためのアクチュエータ手段と、前記
支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きを検出
し、検出結果を表す信号を発生する検出手段と、前記検
出信号に基づいて前記アクチュエータ手段を制御して、
前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度
の大きさの力を、前記支持手段から前記質量体に作用す
る摩擦力の向きと逆向きに前記質量体に作用させる制御
手段とを備えたことを特徴とする。

【０００９】本発明はまた、前記検出手段が、バネによ
り実質的に摩擦のない状態で支持された検出用質量体を
備えたダミー振動系と、この検出用質量体の変位または
速度を検出するセンサとで構成されており、前記ダミー
振動系は、前記構造物の振動により前記検出用質量体が
前記質量体と同位相で振動するように構成されているこ
とを特徴とする。本発明はまた、前記検出手段が、バネ
により実質的に摩擦のない状態で支持された検出用質量
体を備えたダミー振動系と、この検出用質量体の変位ま
たは速度を検出するセンサとで構成されており、前記ダ
ミー振動系の振動特性を前記質量体の振動系の振動特性
と揃えてあることを特徴とする。本発明はまた、前記ア
クチュエータ手段がリニアモータで構成されていること
を特徴とする。本発明はまた、高層建築物の最上階また
はその近傍に設置されていることを特徴とする。

【００１０】本発明によれば、支持手段から質量体に作
用する摩擦力の向きが検出手段によって検出され、その
検出結果を表す信号が発生される。この信号に基づいて
制御手段がアクチュエータ手段を制御することによっ
て、支持手段から質量体に作用する摩擦力と同程度の大
きさの力が、その摩擦力と逆向きに質量体に作用する。
このアクチュエータ手段から質量体に作用する力が、支
持手段から質量体に作用する摩擦力の影響を実質的に打
消すため、制振装置の振動特性が理想的なものとなり、
また特に、小さな加速度の振動に対しても制振装置が反
応できるようになり、例えば構造物の風揺れ等の振動も
有効に抑制される。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施例について説明
する。図１は本発明による構造物の制振装置の一例を示
す概略側面図である。この制振装置２は構造物の一水平
方向における振動を抑制するためのものであり、質量体
４、質量体４に連結されたコイルバネ６、ダンパユニッ
ト２６、車輪８、リニアモータ１０、リニアモータ１０
の制御装置１８などにより構成されている。

【００１２】この制振装置２は、高層建築物などの構造
物の例えば最上階に設置されており、最上階の床２０上
には基台２２が配設され、その両端部には一対の反力壁
２４が立設されている。これらの反力壁２４の間には２
つの反力壁２４を結ぶ方向、すなわち矢印Ａの方向に一
対の平行なレール（図示せず）が敷設されており、質量
体４はそのレール上に車輪８を介して移動可能に支持さ
れている。従って、質量体４は構造物が振動したとき、
一対の反力壁２４の間を往復運動できるようになってい
る。

【００１３】質量体４の形状は本実施例では直方体であ
り、反力壁２４に対向する両端面は、それぞれコイルバ
ネ６およびダンパユニット２６により対向する反力壁２
４に連結されている。そして、質量体４、コイルバネ
６、ならびにダンパユニット２６により形成される振動
系の固有振動周波数は、構造物の固有振動周波数にほぼ
一致するようにコイルバネ６のバネ定数および質量体４
の重量が設定されている。

【００１４】リニアモータ１０はカラム１０Ａとステー
タ１０Ｂとにより構成されている。ステータ１０Ｂは質
量体４に固定され、一方、カラム１０Ａは、ステータ１
０Ｂとの間に適切な隙間を保って、２つの反力壁２４の
間に両端部を反力壁２４に固定して質量体４の移動方向
に延設されている。ステータ１０Ｂには三相交流巻線
（図示せず）が施されており、この巻線に三相交流電圧
を印加することによりステータ１０Ｂはカラム１０Ａに
対して、質量体４と共に移動する。

【００１５】基台２２上には更に、基台２２から質量体
４に作用する摩擦力（より詳しくは基台２２に取付けら
れた前述のレールから質量体４に取付けられた車輪８に
作用する摩擦力）の向きを検出するための検出装置３０
が取付けられている。この検出装置３０は、構造物が振
動したときに、質量体４と同位相で振動する検出用質量
体１２を備えたダミー振動系４０と、この検出用質量体
１２の速度を検出する速度センサ１６とで構成されてい
る。検出用質量体１２は、板バネ１４によって基台２２
上に支持されており、板バネ１４は基台２２上に鉛直に
配置され、一端が基台２２に固定され、他端が検出用質
量体１２に連結されている。この支持構造によれば、検
出用質量体１２は、板バネ１４により実質的に摩擦のな
い状態で支持され、構造物の振動方向と同じ水平方向に
振動することとなる。この検出用質量体１２と板バネ１
４とから成るダミー振動系４０の固有振動数は、前述の
質量体４及びコイルバネ６から成る制振装置本体の振動
系の固有振動数と略々一致するように、その検出用質量
体１２の質量及び板バネ１４のバネ定数が設定されてい
る。

【００１６】即ち、質量体４の振動系（制振装置本体の
振動系）の振動特性と、ダミー振動系４０の振動特性と
を揃えて、質量体４と、検出用質量体１２とが、常に同
位相で振動するように（従って常に互いに同じ方向に運
動するように）してある。更に厳密には、質量体４に摩
擦力が実質的に作用しない場合にそのような状態となる
ように、それら振動系の振動特性を揃えてある。質量体
４は車輪８により支持されているため、この質量体４に
対しては、その運動方向ないしは運動しようとする方向
と逆向きの摩擦力が（車輪８を介して）作用する。一
方、検出用質量体１２は単に板バネ１４により支持され
ているため、摩擦力が作用しないのである。

【００１７】上述の速度センサ１６は、検出用質量体１
２の速度を検出して、検出結果を表す応答信号を発生す
る。ただしここでは、速度の大きさは利用せず、単に運
動の方向を利用するだけである。この応答信号の極性
は、検出用質量体１２が図１の右方へ運動しているとき
には正になり、逆に左方へ運動しているときには負にな
るようにしてある。この応答信号は制御装置１８へ入力
している。制御装置１８は、この速度センサ１６からの
応答信号の極性の正負に応じて、三相交流電源とリニア
モータ１０との接続を切換えて、リニアモータ１０の駆
動方向を変化させる指令信号を、リニアモータ１０へ送
出する。これによって、応答信号の極性が正のときには
リニアモータ１０が質量体４を図１の右方へ駆動し、負
のときにはリニアモータ１０が質量体４を図１の左方へ
駆動するようしてある。

【００１８】この制御装置１８は、リニアモータ１０の
駆動方向だけを制御して変化させるものであり、その駆
動力の大きさは制御しない。それゆえ制御装置１８は、
アクティブマスダンパやハイブリッドマスダンパに使用
されているような複雑なものではなく、構造が簡明で低
コストのものとすることができる。リニアモータ１０が
質量体４を駆動する駆動力の大きさは、基台２２から質
量体４に作用する摩擦力（より詳しくは基台２２に取付
けられた前述のレールから質量体４に取付けられた車輪
８に作用する摩擦力）の大きさと同程度にし、本実施例
ではそれより僅かに大きくなるようにしてある。

【００１９】速度センサ１６は、検出用質量１２の運動
方向が検出できればよく、運動速度の大きさを検出する
必要はないため、アクティブマスダンパやハイブリッド
マスダンパに使用されているセンサのように精度を要求
されず、簡明な構成の安価なものを使用することができ
る。更に、速度センサ１６の代わりに変位センサを使用
し、そのセンサの変位を表す出力信号を電子回路で処理
することによっても、検出用質量１２の運動方向を検出
することができる。そのために必要な電子回路は当業者
には容易に設計できるものであるため詳述しないが、高
精度の微分回路を使用する必要はなく、単にセンサの出
力信号が増加しているか減少しているかを判断するだけ
の簡明で安価な回路とすることができる。

【００２０】次に、以上のように構成された制振装置２
の動作について説明する。制振装置２が設置された構造
物が地震や風圧によって矢印Ａの振動方向に振動する
と、質量体４は、慣性力のために、基台２２に対して相
対的に矢印Ａの振動方向に運動する。質量体４に力Ｆを
作用させ、その力Ｆの大きさを緩やかに変化させたとき
の、その力Ｆの大きさと、質量体４の基台２２に対する
相対的変位Δとの間の関係を図２に示した（これは、リ
ニアモータ１０を機能させていない場合の関係を示した
ものである）。この関係は、図２に点線で示した比例関
係となるのが理想であるが、実際には基台２２から質量
体４に作用する摩擦力ｆのために、図２に実線で示した
ようなヒステリシス特性を呈する。従来の制振装置で
は、この摩擦抵抗のために、制振特性が低下すると共
に、小加速度の振動に対しては制振装置が機能せず、構
造物の風揺れを抑制できないという不都合を生じてい
た。

【００２１】これに対して本発明に係る制振装置２で
は、前述の構成によりこの摩擦抵抗力を打ち消し、この
摩擦抵抗力に起因する不都合を払拭している。すなわ
ち、その振動特性を質量体４の振動系の振動特性に揃
え、ただし実質的に摩擦力が作用しないように構成した
ダミー振動系４０から、検出用質量１２の運動方向を表
す検出信号を取り出し、その検出信号に従ってリニアモ
ータ１０の駆動方向を制御して、このリニアモータ１０
が、質量体４に作用している摩擦力と大きさが略々等し
く向きが逆の駆動力を質量体４に加えるようにしてい
る。これによって摩擦力の影響が実質的に打消され、質
量体４の振動系は、摩擦力が作用していないときと同じ
理想的な振動特性を持つことができ、また、小加速度の
振動に対しても制振装置２が機能するため、構造物の風
揺れのような振動も効果的に抑制することができる。

【００２２】図３は、速度センサ１６からの出力信号
と、リニアモータ１０が質量体４に加える駆動力との関
係を示した波形図である。図３の（Ａ）は速度センサ１
６からの出力信号を示し、図３の（Ｂ）はリニアモータ
１０が質量体４に加える駆動力、すなわち推力を示して
いる。図から分かるように、リニアモータ１０が質量体
４に加える駆動力の大きさは一定であり（摩擦力ｆより
やや大きい）、その向きが速度センサ１６からの出力信
号の極性に応じて切換わっている。

【００２３】従って、この構造物の制振装置２では、例
えば風によって構造物が振動し、そのとき構造物の最上
階の応答加速度が３〜７ｇａｌ程度の弱いものであって
も、質量体４は摩擦力ｆの影響を受けることなく構造物
の振動に応じて反力壁２４の間を往復運動し、制振効果
を発揮する。また、この構造物の制振装置２では、従来
のアクティブマスダンパのような強力な駆動手段駆動手
段を制御するための大規模な制御装置、駆動手段にエネ
ルギを供給する大がかりな例えば電気設備、そして構造
物および質量体の変位や動きを検出するための高精度の
センサは不要であるため、装置は低コストで製作でき、
また、設置スペースは狭くて済み、さらに、保守が容易
であることも含めランニングコストが低い。そして、車
輪８に作用する摩擦力を打ち消す程度にしか質量体４を
駆動しないので、リニアモータ１０、速度センサ１６、
制振装置１８等が万一故障した場合でも、アクティブマ
スダンパの場合のようにその故障が重大な結果を招くと
いうおそれもない。

【００２４】また、質量体４の駆動手段として本実施例
ではリニアモータ１０を用いたが、リニアモータ１０の
代りに通常の回転式の電動モータや、あるいは油圧モー
タ、油圧シリンダなどを用いてもよい。さらに、上記実
施例では検出用の質量体１２の動きを速度センサ１６に
より検出したが、速度センサの代りに変位センサを用い
ても検出用の質量体１２の移動方向を知ることができ、
必要な情報を得ることができる。また、上記実施例では
質量体４は１次元的に移動する構造としたが、図１にお
いて矢印Ａと平面上で直交する方向にも質量体４が移動
できる構造とし、その方向においても検出用の質量体１
２の動きを検出して質量体４に対して摩擦力を打ち消す
ための力を加え、２次元的に微弱振動に対する制振効果
が得られるようにすることも無論可能である。また、上
記実施例では、リニアモータ１０が質量体４に加える駆
動力の大きさは摩擦力ｆを若干上回る程度としたが、こ
の駆動力は摩擦力ｆより若干小さいものであっても、図
２に実線で示したようなヒステリシス特性は緩和され、
点線で示した特性に近づくので、弱い振動に対する制振
効果を改善することが可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明による構造物
の制振動装置では、質量体と、構造物に設置され前記質
量体を移動可能に支持する支持手段と、前記質量体と前
記支持手段とを連結するバネ要素及びダンパ要素とを含
んで構成された構造物の制振装置において、前記支持手
段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度の大きさの
力を前記質量体に作用させるためのアクチュエータ手段
と、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向
きを検出し、検出結果を表す信号を発生する検出手段
と、前記検出信号に基づいて前記アクチュエータ手段を
制御して、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦
力と同程度の大きさの力を、前記支持手段から前記質量
体に作用する摩擦力の向きと逆向きに前記質量体に作用
させる制御手段とを備える。

【００２６】従って、従来のアクティブマスダンパのよ
うな強力な駆動手段、駆動手段を制御するための大規模
な制御装置、駆動手段にエネルギを供給する大がかりな
例えば電気設備、そして構造物および質量体の変位や動
きを検出するための高精度のセンサは不要であるため、
装置は低コストで製作でき、また、設置スペースは狭く
て済み、さらに、保守が容易であることも含めランニン
グコストが低い。そして、支持手段における摩擦力を打
ち消す程度にしか質量体を駆動しないので、万一誤動作
によって適切な方向に力が加えられなかったとしても安
全上の問題は発生しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による構造物の制振装置の一例を示す概
略側面図である。

【図２】図１の構造物の制振装置における質量体に作用
する力と質量体の変位との関係を示すグラフである。

【図３】（Ａ）は図１の構造物の制振装置における速度
センサの出力信号を示す波形図、（Ｂ）はリニアモータ
が第１の質量体に加える力を示す波形図である。

【符号の説明】

２ 制振装置 ４、１２ 質量体 ６ コイルバネ １０ リニアモータ ８ 車輪 １４ 板バネ １６ 速度センサ １８ 制御装置 ２０ 床 ２２ 基台 ２４ 反力壁 ２６ ダンパユニット ３０ 検出装置 ４０ ダミー振動系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安▲達▼ 邦洋 東京都渋谷区千駄ヶ谷四丁目６番15号 株 式会社フジタ内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量体と、 構造物に設置され前記質量体を移動可能に支持する支持
   手段と、 前記質量体と前記支持手段とを連結するバネ要素及びダ
   ンパ要素と、 を含んで構成された構造物の制振装置において、 前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と同程度
   の大きさの力を前記質量体に作用させるためのアクチュ
   エータ手段と、 前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力の向きを
   検出し、検出結果を表す信号を発生する検出手段と、 前記検出信号に基づいて前記アクチュエータ手段を制御
   して、前記支持手段から前記質量体に作用する摩擦力と
   同程度の大きさの力を、前記支持手段から前記質量体に
   作用する摩擦力の向きと逆向きに前記質量体に作用させ
   る制御手段と、 を備えたことを特徴とする構造物の制振装置。
2. 【請求項２】 前記検出手段が、バネにより実質的に摩
   擦のない状態で支持された検出用質量体を備えたダミー
   振動系と、この検出用質量体の変位または速度を検出す
   るセンサとで構成されており、前記ダミー振動系は、前
   記構造物の振動により前記検出用質量体が前記質量体と
   同位相で振動するように構成されている請求項１記載の
   構造物の制振装置。
3. 【請求項３】 前記検出手段が、バネにより実質的に摩
   擦のない状態で支持された検出用質量体を備えたダミー
   振動系と、この検出用質量体の変位または速度を検出す
   るセンサとで構成されており、前記ダミー振動系の振動
   特性を前記質量体の振動系の振動特性と揃えてある請求
   項１記載の構造物の制振装置。
4. 【請求項４】 前記アクチュエータ手段がリニアモータ
   で構成されている請求項１記載の構造物の制振装置。
5. 【請求項５】 高層建築物の最上階またはその近傍に設
   置されていることを特徴とする請求項１記載の構造物の
   制振装置。