アクティブ制振方法及び装置
【課題】 入力削減機構による絶対応答が制振対象構造物の固有振動数より高い周波域で一定値に収束しないようにする。
【解決手段】 基礎４上の剛柱５の頂部に設けたブラケット６に、梃子７の上端部を支点となるピン８で揺動可能に連結する。梃子７の支点近くに、制振対象構造物ｍ１に設けたブラケット９をピン１０で揺動可能に連結する。梃子７の下端部に所要の質量ｍ２を取り付けて、入力削減機構を形成する。更に、基礎４上に設けたアクチュエータ１１により所要の質量ｍ２と一緒に梃子７を揺動させることができるようにする。地震発生時に基礎４の変位に伴って制振対象構造物ｍ１が揺れるときに、梃子７の作用により入力を削減すると共に振動の長周期化を図り、更に、アクチュエータ１１の制御力により所要の質量ｍ２と一緒に梃子７を揺動させて、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での入力削減特性を打ち消させる。
【解決手段】 基礎４上の剛柱５の頂部に設けたブラケット６に、梃子７の上端部を支点となるピン８で揺動可能に連結する。梃子７の支点近くに、制振対象構造物ｍ１に設けたブラケット９をピン１０で揺動可能に連結する。梃子７の下端部に所要の質量ｍ２を取り付けて、入力削減機構を形成する。更に、基礎４上に設けたアクチュエータ１１により所要の質量ｍ２と一緒に梃子７を揺動させることができるようにする。地震発生時に基礎４の変位に伴って制振対象構造物ｍ１が揺れるときに、梃子７の作用により入力を削減すると共に振動の長周期化を図り、更に、アクチュエータ１１の制御力により所要の質量ｍ２と一緒に梃子７を揺動させて、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での入力削減特性を打ち消させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブ型の制振装置に関するもので、特に、基礎からの変位強制を受ける構造物の入力を削減できる入力削減機構を活用して制振対象構造物の振動の抑制を図るアクティブ制振方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
構造物の免震を図るために、基礎からの変位強制を受ける構造物の入力を削減するための手法として、梃子作用を利用した入力削減機構が知られている。
【０００３】
この入力削減機構は、図７にその一例の概要を示す如く、基礎１に固定した支点２から張り出す梃子３の先端に所要の質量ｍ２を装着し、一方、上記梃子３における支点２に近い個所を、構造物ｍ１と剛に結合したものであり、上記構造物ｍ１が入力を受けると、梃子３が先端の質量ｍ２と一緒に振り子振動するようにしてある。
【０００４】
上記入力削減機構を免震や制振に適用する試みは古くから知られており、該入力削減機構を用いると、上記構造物ｍ１への入力が、梃子３の長手方向における支点２から構造物ｍ１側との接続個所までの距離をａ、上記梃子３の支点２から上記質量ｍ２までの距離をｂとするときの梃子比λ（λ＝ｂ／ａ）、及び、質量比μ（μ＝ｍ２／ｍ１）によって定まる（１＋μλ）／（１＋μλ２）倍に削減されるようになる入力削減特性が得られること、及び、構造物ｍ１の固有周期が、√（１＋μλ２）倍に長くなるという長周期特性が得られるという長所が知られている。
【０００５】
したがって、共振点で大きく励振されるような低減衰の構造物を制振対象となる構造物ｍ１として、その制振を図る場合に有効であるとされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】国枝正春，「構造物の防振設計と免震設計」，日本機械学会誌，昭和５１年４月，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．６８９，ｐ．３６０−３６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記図７に示した如き入力削減機能を適用して構造物の免震や制振を図る場合には、上記入力削減機構があるために、図８に一例を示すように、高周波域では絶対応答（振幅比）が一定値に収束してしまい、そのために、絶縁性能があまり期待できない欠点があることが判明してきた。
【０００８】
したがって、上記入力削減機構を、そのまま免震装置等の振動絶縁装置として適用することは難しいというのが実状である。
【０００９】
そこで、本発明は、上記入力削減機構の有する入力削減特性、及び、長周期特性を有効に活用して、制振対象構造物の共振ピークの低減、及び、制振対象構造物の固有周期の長周期化を図ることができ、且つ、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性も改善できて、該高周波域であっても絶対応答が一定値に収束することを未然に防止できるアクティブ制振方法及び装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心に揺動し且つ上記支点の近くに上記制振対象構造物を揺動可能に連結した梃子と、該梃子の先端部に取り付けた所要の質量とを備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記梃子の先端部の所要の質量が拡大された変位量で揺動できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより往復駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにするアクティブ制振方法とする。
【００１１】
又、請求項２に対応して、基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心として回転可能な所要の質量と、上記制振対象構造物の揺れに伴う基礎に対する相対変位を上記所要の質量の回転に変換する変換機構を備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記所要の質量が拡大された回転変位量で正逆転できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより正逆転駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにするアクティブ制振方法とする。
【００１２】
更に、請求項３に対応して、基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心に揺動し且つ上記支点の近くに上記制振対象構造物を揺動可能に連結した梃子と、該梃子の先端部に取り付けた所要の質量とを備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記梃子の先端部の所要の質量が拡大された変位量で揺動できるようにし、更に、上記所要の質量を往復駆動するためのアクチュエータを備えてなる構成を有するアクティブ制振装置とする。
【００１３】
更に又、請求項４に対応して、基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心として回転可能な所要の質量と、上記制振対象構造物の揺れに伴う基礎に対する相対変位を上記所要の質量の回転に変換する変換機構を備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記所要の質量が拡大された回転変位量で正逆転できるようにし、更に、上記所要の質量を正逆転駆動するためのアクチュエータを備えてなる構成を有するアクティブ制振装置とする。
【００１４】
又、上記構成において、所要の質量として、ボールねじ機構のねじ軸と、該ボールねじ機構を駆動するアクチュエータとしてのモータの回転子を用いるようにした構成とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心に揺動し且つ上記支点の近くに上記制振対象構造物を揺動可能に連結した梃子と、該梃子の先端部に取り付けた所要の質量とを備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記梃子の先端部の所要の質量が拡大された変位量で揺動できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより往復駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにするアクティブ制振方法及び装置としてあるので、パッシブ系の入力削減機構と同等以上の入力削減特性が得られると共に、パッシブ系の入力削減機構と同等の長周期特性を得ることができる。
（２）更に、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域であっても、絶対応答（振幅比）がパッシブ系の入力削減機構のように一定値に収束することはないため、該高周波域での絶縁特性を改善することができて、入力削減機構がない場合、すなわち、単純な一自由度系と同等の振動特性を達成することが可能になる。
（３）基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心として回転可能な所要の質量と、上記制振対象構造物の揺れに伴う基礎に対する相対変位を上記所要の質量の回転に変換する変換機構を備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記所要の質量が拡大された回転変位量で正逆転できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより正逆転駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにするアクティブ制振方法及び装置とすることによっても、上記（１）（２）と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のアクティブ制振方法に用いる本発明のアクティブ制振装置の実施の一形態として、力学モデルを示す概略側面図である。
【図２】図１のアクティブ制振方法及び装置により、低周波域での入力削減特性を生かすと共に、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性の改善を図る場合の効果を示す、制振対象構造物の振幅比と周波数の相関を示すもので、（イ）は高周波域までを示す図、（ロ）は（イ）の低周波域を拡大して示す図である。
【図３】図１のアクティブ制振方法及び装置により、入力削減特性をあまり重視することなく、長周期特性のみを活用して入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を積極的に改善する場合の効果を示す、制振対象構造物の振幅比と周波数の相関を示すもので、（イ）は高周波域までを示す図、（ロ）は（イ）の低周波域を拡大して示す図である。
【図４】本発明の実施の他の形態を示す概略側面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ方向矢視図である。
【図６】本発明の実施の更に他の形態を示す概略側面図である。
【図７】入力削減機構の一例の概要を示す側面図である。
【図８】図７の入力削減機構を適用した構造物における振幅比と周波数との相関を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
【００１８】
図１乃至図３（イ）（ロ）は本発明のアクティブ制振方法及び装置の実施の一形態を示すもので、以下のようにしてある。
【００１９】
すなわち、本発明のアクティブ制振方法の実施に用いる本発明のアクティブ制振装置は、図１に力学モデルを示す如く、基礎４に、剛柱５を立設し、該剛柱５の上端部に一側に突出させて設けたブラケット６に、所要の長さ寸法を有する梃子７の上端部を、該梃子７の支点となるピン８を介して揺動可能に接続する。なお、上記基礎４は、地震発生時には地動により該基礎４自体に絶対変位ｘ０が生じるということを図示する便宜上、図１では、上記梃子７の揺動方向に沿う図上左右方向にコロを介して変位可能な状態で記載してある。
【００２０】
上記梃子７の長手方向における上記支点となるピン８に近い所要個所に、制振対象構造物ｍ１の天井や屋根等の下面に一体に設けたブラケット９を、ピン１０を介して揺動可能に接続する。
【００２１】
上記梃子７の下端部に、所要の質量ｍ２を取り付けて入力削減機構を形成する。
【００２２】
更に、上記基礎４上に、所要のアクチュエータ１１を、上記梃子の揺動方向に沿って配置すると共に、該アクチュエータ１１の両端部を、上記基礎４の所要個所と、上記所要の質量ｍ２にそれぞれ連結して、該アクチュエータ１１により、上記梃子７と一緒に上記所要の質量ｍ２を揺動させることができるようにする。
【００２３】
次に、以上の構成としてある本発明のアクティブ制振装置を用いた制振対象構造物ｍ１のアクティブ制振方法について説明する。
【００２４】
上記図１に示した本発明のアクティブ制振装置の力学モデルにて、地震発生時における基礎４の上記梃子７の揺動方向に沿う方向の変位をｘ０、基礎４に対する制振対象構造物ｍ１の上記梃子７の揺動方向に沿う方向の相対変位をｘ１とし、該制振対象構造物ｍ１の構造自体の復元力、たとえば、制振対象構造物ｍ１を支持する２本の柱の復元力に伴うばね定数をｋ１、減衰係数をｃ１とし、上記梃子７の支点となるピン８の位置から制振対象構造物ｍ１に設けたブラケット９とのピン１０を介した連結個所までの距離をａ、上記梃子７の支点となるピン８の位置から該梃子７の下端部に連結した上記所要の質量ｍ２までの距離をｂとし、更に、上記アクチュエータとしてのボールねじ機構１２による上記所要の質量ｍ２に対する制御力をｆｃとすると、上記本発明のアクティブ制振装置の運動方程式は、次式で記述される。なお、上記ｘ０、ｘ１、ｆｃはいずれも図上右方向を正としてある。
【数１】
【００２５】
上記式（１）を、質量比μ（μ＝ｍ２／ｍ１）と梃子比（アーム比）λ（λ＝ｂ／ａ）を用いて整理すると、
【数２】
となる。
【００２６】
ここで、アクティブ制御の目的は、制振対象構造物ｍ１の共振ピークの低減と、前記した入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁性能の改善である。このことに鑑みて、上記制振対象構造物ｍ１の共振ピークの低減をフィードバック制御、又、絶縁性能の改善をフィードフォワード制御によって実現させるものとする。
【００２７】
そこで、制御力ｆｃを次式のように書き、絶対応答フィードバック制御と地動加速度のフィードフォワード制御を施す。
【数３】
ここで、
【数４】
であり、前者はフィードバック制御力、後者はフィードフォワード制御力である。又、ｋｖ、ｋｄ及びｋｆｆは、それぞれ速度フィードバックゲイン、変位フィードバックゲイン及びフィードフォワードゲインである。なお、フィードバック制御は、変位の絶対量をフィードバックすることよって、共振ピークを低減させると共に、高周波域での絶縁性能が優れたスカイフック系とするものとしてある。
【００２８】
上記式（３）を式（２）に代入し、絶対変位の伝達関数を求めると、次式を得る。
【数５】
【００２９】
上記において、フィードバックゲインｋｖ及びｋｄは、ＬＱ制御理論等から求めることができるが、古典制御的な手法や、ダンパのみを想定した速度フィードバックのみ等、その算出方法は限定されない。一方、フィードフォワードゲインｋｆｆは、上記式（４）の分子におけるｓ２の項を消去する条件
【数６】
より、
【数７】
が得られる。
【００３０】
振動絶縁の改善に用いるフィードフォワード制御の適用には、二つの方法が考えられ、第１の方法は、低周波域での入力削減特性をできるだけ生かしつつ、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を改善する方法であり、第２の方法は、入力削減特性は殺し、長周期特性のみを生かして、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を積極的に改善する方法である。
【００３１】
上記した第１及び第２の各方法により数値計算した効果を、図２（イ）（ロ）と図３（イ）（ロ）に振幅比（入力に対する制振対象構造物ｍ１の振動）と周波数の相関としてそれぞれ示す。なお、図２（ロ）と図３（ロ）は、それぞれ、図２（イ）と図３（イ）の低周波域を拡大して示したものである。
【００３２】
計算の条件は、いずれも、制振対象構造物ｍ１の質量を２００００ｔｓ２／ｍ、梃子比λ＝３０、質量比μ＝１／１０００、減衰比ζ１＝０．０１であり、制振対象構造物ｍ１の固有振動数を０．２Ｈｚに設定してある。
【００３３】
図２（イ）（ロ）は、上記第１の方法に基き、共振点での入力削減機構をできるだけ生かすように、フィードフォワード制御はハイパスフィルタを通すことにより、高周波側のみに作用させるようにした場合の結果が実線で示してある。ここで、ハイパスフィルタには、一次のものを適用し、カットオフ周波数を０．５Ｈｚに設定するようにしてある。
【００３４】
比較として、図２（イ）（ロ）に、入力削減機構がない場合の結果を二点鎖線で、又、パッシブ系の入力削減機構が設けてある場合の結果が破線でそれぞれ示してある。なお、比較に用いたパッシブ系は、振り子先端部での減衰比ζ２を０．１に設定してある。
【００３５】
図２（イ）（ロ）の結果より、ピーク値が、入力削減機構がない場合、更には、パッシブ系の入力削減機構を設けた場合に比して低下していることから、本発明のアクティブ制振方法及び装置によれば、パッシブ系の入力削減機構と同等以上の入力削減特性が得られること、又、ピーク位置が、入力削減機構がない場合に比して、パッシブ系の入力削減機構を設けた場合と同様に低周波数側にシフトしていることから、本発明のアクティブ制振方法及び装置によれば、パッシブ系の入力削減機構と同等の長周期特性が得られることが判明した。
【００３６】
更に、高周波域であっても、絶対応答（振幅比）がパッシブ系の入力削減機構のように一定値に収束することはなく、入力削減機構がない場合により近くなっていることから、フィードフォワード制御によって入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域における絶縁効果が現れてきていることが分かる。
【００３７】
しかし、勾配はそれほど大きくない。これは、ハイパスフィルタの影響である。
【００３８】
図３（イ）（ロ）は、上記第２の方法に基き、入力削減特性は捨てて、フィードフォワード制御を低周波域から適用し、長周期特性のみを活用した場合の結果が実線で示してある。なお、ハイパスフィルタのカットオフ周波数は０．０１Ｈｚとしてある。
【００３９】
比較として、図３（イ）（ロ）に、入力削減機構がない場合の結果を二点鎖線で、又、パッシブ系の入力削減機構が設けてある場合の結果が破線でそれぞれ示してある。なお、比較に用いたパッシブ系は、図２（イ）（ロ）の場合と同様に、振り子先端部での減衰比ζ２を０．１に設定してある。
【００４０】
図３（イ）（ロ）の結果から、ピーク値が、入力削減機構がない場合、更には、パッシブ系の入力削減機構を設けた場合に比して低下していることから、この場合は、本発明のアクティブ制振方法及び装置により、パッシブ系の入力削減機構と同等以上の入力削減特性が得られること、又、ピーク位置が、入力削減機構がない場合に比して、パッシブ系の入力削減機構を設けた場合のように低周波数側にシフトしていることから、本発明のアクティブ制振方法及び装置により、パッシブ系の入力削減機構と同等の長周期特性が得られることが判明した。
【００４１】
更に、固有振動数は低く抑えながら、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域であっても、絶対応答（振幅比）がパッシブ系の入力削減機構のように一定値に収束することはなく、該高周波域での絶縁特性を大幅に改善することができて、入力削減機構がない場合、すなわち、単純な一自由度系と同等の振動特性を達成することが可能であることが分かる。
【００４２】
なお、実際の装置では、機構上、梃子比λには自ずから限界があり、大きく取れない可能性がある。したがって、このように梃子比λを大きく取れない場合は、上記第２の方法の方がより実用的になると推察される。
【００４３】
次いで、図４及び図５は本発明の実施の他の形態として、図１乃至図３（イ）（ロ）の実施の形態を具現化する場合の構成例を示すもので、以下のようにしてある。
【００４４】
すなわち、図１に示したと同様の構成において、所要のアクチュエータ１１を、駆動モータ１３と、その出力軸に連結したねじ軸１４と、該ねじ軸１４に螺合させたナット部材１５とを具備してなるアクチュエータとしてのボールねじ機構１２として、該ボールねじ機構１２を、基礎４上に、梃子７の揺動方向に沿って設置すると共に、ボールねじ機構１２の上記ナット部材１５に、上記所要の質量ｍ２を結合する。これにより、上記ボールねじ機構１２の駆動モータ１３による上記ねじ軸１４の正逆転駆動により上記ナット部材１５と一緒に上記所要の質量ｍ２をねじ軸１４の軸心方向に沿って往復移動させることができるようにしてある。
【００４５】
なお、上記梃子７の下端部に取り付けてある所要の質量ｍ２は、該梃子７の揺動に伴い高さ位置が変化するようになる。そのために、上記ボールねじ機構１２のナット部材１５と、上記所要の質量ｍ２との結合部には、両者の水平方向の相対変位は拘束する一方、上下方向の相対変位は許容できるようにしたガイド機構１６を備えるようにしてある。
【００４６】
具体的には、上記ガイド機構１６は、たとえば、上記ナット部材１５の上に上下方向に延びるガイドバー１７の下端部を取り付け、且つ該ガイドバー１７の上端部を、上記所要の質量ｍ２の下面側に設けたベアリング１９を備えた上下方向のガイド穴１８に嵌合させてなる構成としてある。又、上記梃子７の揺動に伴って上記所要の質量ｍ２のガイド穴１８の向きが傾かないようにするために、上記所要の質量ｍ２は、上記梃子７の下端部にピン２０を介して梃子７の揺動方向に沿って揺動可能に取り付けた構成としてある。これにより、上記ボールねじ機構１２におけるナット部材１５のねじ軸１４の軸心方向に沿う動きを、該ナット部材１５に取り付けたガイドバー１７より上記所要の質量ｍ２のガイド穴１８へ伝えることで、該所要の質量ｍ２を上記ナット部材１５と一緒にねじ軸１４の軸心方向へ往復移動させることができるようにしてあり、この際、上記ガイドバー１７の周りで上記ガイド穴１８が設けてある所要の質量ｍ２が上下方向にスライドすることで、該所要の質量ｍ２に高さ位置の変化を伴う揺動を行わせることができるようにしてある。
【００４７】
上記基礎４には、地震発生時等における該基礎４自体の絶対変位（揺れ）を地動加速度として検出するための加速度センサ２１を設ける。更に、上記制振対象構造物ｍ１に加速度センサ２２を設けて、該加速度センサ２２により、上記制振対象構造物ｍ１の絶対応答（基礎４の変位の影響を受けない空中の或る１点に対する相対変位）の加速度を検出することができるようにしてある。
【００４８】
更に又、上記各加速度センサ２１，２２から入力される加速度信号を基に、上記アクチュエータとしてのボールねじ機構１２の駆動モータ１３へ駆動指令を与える制御器２３を備えた構成としてある。したがって、上記制御器２３では、上記基礎４に設けた加速度センサ２１による検出信号を基に積分を行うことで、該基礎４が絶対変位する際の速度と変位ｘ０を算出できるようにしてあると共に、上記制振対象構造物ｍ１に設けた加速度センサ２２の加速度信号を基に積分を行うことで、制振対象構造物ｍ１の絶対応答の速度と変位を算出でき、更には、上記制振対象構造物ｍ１の絶対応答と、上記基礎４の絶対変位との変位の差から、該制振対象構造物ｍ１の上記基礎４に対する相対的な変位（応答）ｘ１を検出できるようにしてある。
【００４９】
その他の構成は図１に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。
【００５０】
以上の構成としてある本実施の形態のアクティブ制振装置を用いた制振対象構造物ｍ１のアクティブ制振方法について説明する。
【００５１】
ここで、上記図１に示した本発明のアクティブ制振装置の力学モデルの構成は、梃子７による入力削減機構のみを備えた形式としてあるが、本実施の形態のアクティブ制振装置では、所要の質量ｍ２を梃子７と共に揺動させるためのアクチュエータとして、駆動モータ１３によるねじ軸１４の回転駆動により上記所要の質量ｍ２に連結したナット部材１５を往復動させる形式のボールねじ機構１２を用いた構成としてあるために、該ボールねじ機構１２における上記ねじ軸１４のリードによっても入力削減機構の梃子比を稼ぐことができる。
【００５２】
したがって、本実施の形態のアクティブ制振装置の運動方程式は、入力削減機構の別の所要の質量となる上記ボールねじ機構１２におけるねじ軸１４と駆動モータ１３の回転子の慣性モーメントをｍ３ｉ３２、上記ねじ軸１４のリードをＬとすると、前記した式（１）の左辺の第一項の係数を、
【数８】
のように置き換えればよく、
【数９】
とおくと、前記した式（２）に代わって、
【数１０】
となる。
【００５３】
上記式（７）に前記した式（３）を代入すると、
【数１１】
となり、したがって、
【数１２】
となる。
【００５４】
上記式（８）をラプラス変換すると、
【数１３】
となる。
【００５５】
ここで、上記式（９）における左辺の｛ ｝内における第２項の係数をａ１、第３項の係数をａ０とし、右辺の｛ ｝内における、第１項の係数をｂ２、第２項の係数をｂ１、第３項の係数をｂ０とおくと、絶対変位の伝達関数は、以下のようになる。
【数１４】
ここで、
【数１５】
であるから、
【数１６】
となる。
【００５６】
上記式（１０）で、フィードフォワードゲインｋｆｆは、分子のｓ２の項を消去する条件
【数１７】
より、
【数１８】
となる。
【００５７】
よって、本実施の形態においても、上記実施の形態と同様にして、振動絶縁の改善に用いるフィードフォワード制御として、低周波域での入力削減特性をできるだけ生かしつつ、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を改善する第１の方法を適用することで、該高周波域の絶縁効果を得ることができ、又、入力削減特性は殺し、長周期特性のみを生かして、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を積極的に改善する第２の方法を適用することにより、固有振振動数は低く抑えながら、該高周波域での絶縁特性を大幅に改善する効果を得ることができる。
【００５８】
次いで、図６は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、以下のようにしてある。
【００５９】
すなわち、上記各実施の形態の本発明のアクティブ制振装置の構成は、いわゆる梃子７による入力削減機構を採用した形式の構成例を示したものであるが、図４及び図５の実施の形態で述べたように、アクチュエータとしてボールねじ機構１２を用いる場合は、該ボールねじ機構１２のねじ軸１４のリードによって梃子比を稼ぐことができることに着目して、本実施の形態のアクティブ制振装置は、ボールねじ機構１２のねじ軸１４のリードによって梃子比を稼ぐようにした形式の入力削減機構のみを備えてなる形式としたものである。
【００６０】
具体的には、図６に示すように、制振対象構造物ｍ１における天井や屋根等の下面における所要間隔を隔てた２個所に、互いに対向する斜め下方向に延びる斜材２４ａ、２４ｂの上端部をそれぞれ取り付けると共に、該各斜材２４ａと２４ｂの下端部同士を、連結部材２５を介して連結する。
【００６１】
更に、上記連結部材２５の下方となる基礎４上に、図４に示したと同様のボールねじ機構１２を、上記各斜材２４ａ，２４ｂが配置された鉛直面に沿わせて設置し、且つ該ボールねじ機構１２のナット部材１５の上側に、上記連結部材２５を一体に取り付けた構成とする。これにより、上記制振対象構造物ｍ１の基礎４に対する相対変位に伴い、制振対象構造物ｍ１に２本の斜材２４ａ，２４ｂと、上記連結部材２５を介して連結されたボールねじ機構１２のナット部材が上記制振対象構造物ｍ１と一緒に変位すると、該ボールねじ機構１２のねじ軸１４と駆動モータ１３の回転子が回転させられるようになる入力削減機構を形成するようにしてあると同時に、上記駆動モータ１３により、該駆動モータの回転子と上記ねじ軸１４を一体に回転駆動できるようにしてある。
【００６２】
その他、図４に示したものと同一のものには同一符号が付してある。
【００６３】
以上の構成としてある本実施の形態のアクティブ制振装置の運動方程式は、次式のようになる。なお、上記ボールねじ機構１２におけるねじ軸１４と駆動モータ１３の回転子の慣性モーメントをｍ３ｉ３２、上記ねじ軸１４のリードをＬとしてある。
【数１９】
【００６４】
上記式（１１）を、
【数２０】
を用いて変形すると、
【数２１】
となる。
【００６５】
したがって、本実施の形態のアクティブ制振装置によれば、制振対象構造物ｍ１に対する入力は、｛１／（１＋μｓλｓ２）｝倍に削減されるようになる。
【００６６】
上記式（１２）に前記した式（３）の制御力を施すと、
【数２２】
【００６７】
よって、
【数２３】
であるから、絶対変位の伝達関数は次式のようになる。
【数２４】
となる。
【００６８】
フィードフォワードゲインは、上記式（１３）のｓ２の項が０になる条件として、
【数２５】
となる。
【００６９】
したがって、本実施の形態においても、上記各実施の形態と同様にして、振動絶縁の改善に用いるフィードフォワード制御として、低周波域での入力削減特性をできるだけ生かしつつ、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を改善する第１の方法を適用することにより、該高周波域の絶縁効果を得ることができ、又、入力削減特性は殺し、長周期特性のみを生かして、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を積極的に改善する第２の方法を適用することにより、固有振振動数は低く抑えながら、該高周波域での絶縁特性を大幅に改善する効果を得ることができる。
【００７０】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、図１乃至図３（イ）（ロ）の実施の形態におけるアクチュエータ１１は、所要の質量ｍ２と共に梃子７を揺動させることができるようにしてあれば、任意のアクチュエータ１１を用いるようにしてよい。
【００７１】
入力削減機構としては、上記した運動方程式として式（２）又は式（７）又は式（１２）のいずれかが成立する範囲内で、構成を適宜変更してもよい。
【００７２】
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００７３】
４ 基礎
７ 梃子
８ ピン（支点）
１１ アクチュエータ
１２ ボールねじ機構
１３ 駆動モータ
１４ ねじ軸
ｍ１ 制振対象構造物
ｍ２ 所要の質量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブ型の制振装置に関するもので、特に、基礎からの変位強制を受ける構造物の入力を削減できる入力削減機構を活用して制振対象構造物の振動の抑制を図るアクティブ制振方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
構造物の免震を図るために、基礎からの変位強制を受ける構造物の入力を削減するための手法として、梃子作用を利用した入力削減機構が知られている。
【０００３】
この入力削減機構は、図７にその一例の概要を示す如く、基礎１に固定した支点２から張り出す梃子３の先端に所要の質量ｍ２を装着し、一方、上記梃子３における支点２に近い個所を、構造物ｍ１と剛に結合したものであり、上記構造物ｍ１が入力を受けると、梃子３が先端の質量ｍ２と一緒に振り子振動するようにしてある。
【０００４】
上記入力削減機構を免震や制振に適用する試みは古くから知られており、該入力削減機構を用いると、上記構造物ｍ１への入力が、梃子３の長手方向における支点２から構造物ｍ１側との接続個所までの距離をａ、上記梃子３の支点２から上記質量ｍ２までの距離をｂとするときの梃子比λ（λ＝ｂ／ａ）、及び、質量比μ（μ＝ｍ２／ｍ１）によって定まる（１＋μλ）／（１＋μλ２）倍に削減されるようになる入力削減特性が得られること、及び、構造物ｍ１の固有周期が、√（１＋μλ２）倍に長くなるという長周期特性が得られるという長所が知られている。
【０００５】
したがって、共振点で大きく励振されるような低減衰の構造物を制振対象となる構造物ｍ１として、その制振を図る場合に有効であるとされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】国枝正春，「構造物の防振設計と免震設計」，日本機械学会誌，昭和５１年４月，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．６８９，ｐ．３６０−３６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記図７に示した如き入力削減機能を適用して構造物の免震や制振を図る場合には、上記入力削減機構があるために、図８に一例を示すように、高周波域では絶対応答（振幅比）が一定値に収束してしまい、そのために、絶縁性能があまり期待できない欠点があることが判明してきた。
【０００８】
したがって、上記入力削減機構を、そのまま免震装置等の振動絶縁装置として適用することは難しいというのが実状である。
【０００９】
そこで、本発明は、上記入力削減機構の有する入力削減特性、及び、長周期特性を有効に活用して、制振対象構造物の共振ピークの低減、及び、制振対象構造物の固有周期の長周期化を図ることができ、且つ、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性も改善できて、該高周波域であっても絶対応答が一定値に収束することを未然に防止できるアクティブ制振方法及び装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心に揺動し且つ上記支点の近くに上記制振対象構造物を揺動可能に連結した梃子と、該梃子の先端部に取り付けた所要の質量とを備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記梃子の先端部の所要の質量が拡大された変位量で揺動できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより往復駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにするアクティブ制振方法とする。
【００１１】
又、請求項２に対応して、基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心として回転可能な所要の質量と、上記制振対象構造物の揺れに伴う基礎に対する相対変位を上記所要の質量の回転に変換する変換機構を備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記所要の質量が拡大された回転変位量で正逆転できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより正逆転駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにするアクティブ制振方法とする。
【００１２】
更に、請求項３に対応して、基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心に揺動し且つ上記支点の近くに上記制振対象構造物を揺動可能に連結した梃子と、該梃子の先端部に取り付けた所要の質量とを備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記梃子の先端部の所要の質量が拡大された変位量で揺動できるようにし、更に、上記所要の質量を往復駆動するためのアクチュエータを備えてなる構成を有するアクティブ制振装置とする。
【００１３】
更に又、請求項４に対応して、基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心として回転可能な所要の質量と、上記制振対象構造物の揺れに伴う基礎に対する相対変位を上記所要の質量の回転に変換する変換機構を備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記所要の質量が拡大された回転変位量で正逆転できるようにし、更に、上記所要の質量を正逆転駆動するためのアクチュエータを備えてなる構成を有するアクティブ制振装置とする。
【００１４】
又、上記構成において、所要の質量として、ボールねじ機構のねじ軸と、該ボールねじ機構を駆動するアクチュエータとしてのモータの回転子を用いるようにした構成とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心に揺動し且つ上記支点の近くに上記制振対象構造物を揺動可能に連結した梃子と、該梃子の先端部に取り付けた所要の質量とを備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記梃子の先端部の所要の質量が拡大された変位量で揺動できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより往復駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにするアクティブ制振方法及び装置としてあるので、パッシブ系の入力削減機構と同等以上の入力削減特性が得られると共に、パッシブ系の入力削減機構と同等の長周期特性を得ることができる。
（２）更に、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域であっても、絶対応答（振幅比）がパッシブ系の入力削減機構のように一定値に収束することはないため、該高周波域での絶縁特性を改善することができて、入力削減機構がない場合、すなわち、単純な一自由度系と同等の振動特性を達成することが可能になる。
（３）基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心として回転可能な所要の質量と、上記制振対象構造物の揺れに伴う基礎に対する相対変位を上記所要の質量の回転に変換する変換機構を備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記所要の質量が拡大された回転変位量で正逆転できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより正逆転駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにするアクティブ制振方法及び装置とすることによっても、上記（１）（２）と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のアクティブ制振方法に用いる本発明のアクティブ制振装置の実施の一形態として、力学モデルを示す概略側面図である。
【図２】図１のアクティブ制振方法及び装置により、低周波域での入力削減特性を生かすと共に、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性の改善を図る場合の効果を示す、制振対象構造物の振幅比と周波数の相関を示すもので、（イ）は高周波域までを示す図、（ロ）は（イ）の低周波域を拡大して示す図である。
【図３】図１のアクティブ制振方法及び装置により、入力削減特性をあまり重視することなく、長周期特性のみを活用して入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を積極的に改善する場合の効果を示す、制振対象構造物の振幅比と周波数の相関を示すもので、（イ）は高周波域までを示す図、（ロ）は（イ）の低周波域を拡大して示す図である。
【図４】本発明の実施の他の形態を示す概略側面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ方向矢視図である。
【図６】本発明の実施の更に他の形態を示す概略側面図である。
【図７】入力削減機構の一例の概要を示す側面図である。
【図８】図７の入力削減機構を適用した構造物における振幅比と周波数との相関を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
【００１８】
図１乃至図３（イ）（ロ）は本発明のアクティブ制振方法及び装置の実施の一形態を示すもので、以下のようにしてある。
【００１９】
すなわち、本発明のアクティブ制振方法の実施に用いる本発明のアクティブ制振装置は、図１に力学モデルを示す如く、基礎４に、剛柱５を立設し、該剛柱５の上端部に一側に突出させて設けたブラケット６に、所要の長さ寸法を有する梃子７の上端部を、該梃子７の支点となるピン８を介して揺動可能に接続する。なお、上記基礎４は、地震発生時には地動により該基礎４自体に絶対変位ｘ０が生じるということを図示する便宜上、図１では、上記梃子７の揺動方向に沿う図上左右方向にコロを介して変位可能な状態で記載してある。
【００２０】
上記梃子７の長手方向における上記支点となるピン８に近い所要個所に、制振対象構造物ｍ１の天井や屋根等の下面に一体に設けたブラケット９を、ピン１０を介して揺動可能に接続する。
【００２１】
上記梃子７の下端部に、所要の質量ｍ２を取り付けて入力削減機構を形成する。
【００２２】
更に、上記基礎４上に、所要のアクチュエータ１１を、上記梃子の揺動方向に沿って配置すると共に、該アクチュエータ１１の両端部を、上記基礎４の所要個所と、上記所要の質量ｍ２にそれぞれ連結して、該アクチュエータ１１により、上記梃子７と一緒に上記所要の質量ｍ２を揺動させることができるようにする。
【００２３】
次に、以上の構成としてある本発明のアクティブ制振装置を用いた制振対象構造物ｍ１のアクティブ制振方法について説明する。
【００２４】
上記図１に示した本発明のアクティブ制振装置の力学モデルにて、地震発生時における基礎４の上記梃子７の揺動方向に沿う方向の変位をｘ０、基礎４に対する制振対象構造物ｍ１の上記梃子７の揺動方向に沿う方向の相対変位をｘ１とし、該制振対象構造物ｍ１の構造自体の復元力、たとえば、制振対象構造物ｍ１を支持する２本の柱の復元力に伴うばね定数をｋ１、減衰係数をｃ１とし、上記梃子７の支点となるピン８の位置から制振対象構造物ｍ１に設けたブラケット９とのピン１０を介した連結個所までの距離をａ、上記梃子７の支点となるピン８の位置から該梃子７の下端部に連結した上記所要の質量ｍ２までの距離をｂとし、更に、上記アクチュエータとしてのボールねじ機構１２による上記所要の質量ｍ２に対する制御力をｆｃとすると、上記本発明のアクティブ制振装置の運動方程式は、次式で記述される。なお、上記ｘ０、ｘ１、ｆｃはいずれも図上右方向を正としてある。
【数１】
【００２５】
上記式（１）を、質量比μ（μ＝ｍ２／ｍ１）と梃子比（アーム比）λ（λ＝ｂ／ａ）を用いて整理すると、
【数２】
となる。
【００２６】
ここで、アクティブ制御の目的は、制振対象構造物ｍ１の共振ピークの低減と、前記した入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁性能の改善である。このことに鑑みて、上記制振対象構造物ｍ１の共振ピークの低減をフィードバック制御、又、絶縁性能の改善をフィードフォワード制御によって実現させるものとする。
【００２７】
そこで、制御力ｆｃを次式のように書き、絶対応答フィードバック制御と地動加速度のフィードフォワード制御を施す。
【数３】
ここで、
【数４】
であり、前者はフィードバック制御力、後者はフィードフォワード制御力である。又、ｋｖ、ｋｄ及びｋｆｆは、それぞれ速度フィードバックゲイン、変位フィードバックゲイン及びフィードフォワードゲインである。なお、フィードバック制御は、変位の絶対量をフィードバックすることよって、共振ピークを低減させると共に、高周波域での絶縁性能が優れたスカイフック系とするものとしてある。
【００２８】
上記式（３）を式（２）に代入し、絶対変位の伝達関数を求めると、次式を得る。
【数５】
【００２９】
上記において、フィードバックゲインｋｖ及びｋｄは、ＬＱ制御理論等から求めることができるが、古典制御的な手法や、ダンパのみを想定した速度フィードバックのみ等、その算出方法は限定されない。一方、フィードフォワードゲインｋｆｆは、上記式（４）の分子におけるｓ２の項を消去する条件
【数６】
より、
【数７】
が得られる。
【００３０】
振動絶縁の改善に用いるフィードフォワード制御の適用には、二つの方法が考えられ、第１の方法は、低周波域での入力削減特性をできるだけ生かしつつ、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を改善する方法であり、第２の方法は、入力削減特性は殺し、長周期特性のみを生かして、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を積極的に改善する方法である。
【００３１】
上記した第１及び第２の各方法により数値計算した効果を、図２（イ）（ロ）と図３（イ）（ロ）に振幅比（入力に対する制振対象構造物ｍ１の振動）と周波数の相関としてそれぞれ示す。なお、図２（ロ）と図３（ロ）は、それぞれ、図２（イ）と図３（イ）の低周波域を拡大して示したものである。
【００３２】
計算の条件は、いずれも、制振対象構造物ｍ１の質量を２００００ｔｓ２／ｍ、梃子比λ＝３０、質量比μ＝１／１０００、減衰比ζ１＝０．０１であり、制振対象構造物ｍ１の固有振動数を０．２Ｈｚに設定してある。
【００３３】
図２（イ）（ロ）は、上記第１の方法に基き、共振点での入力削減機構をできるだけ生かすように、フィードフォワード制御はハイパスフィルタを通すことにより、高周波側のみに作用させるようにした場合の結果が実線で示してある。ここで、ハイパスフィルタには、一次のものを適用し、カットオフ周波数を０．５Ｈｚに設定するようにしてある。
【００３４】
比較として、図２（イ）（ロ）に、入力削減機構がない場合の結果を二点鎖線で、又、パッシブ系の入力削減機構が設けてある場合の結果が破線でそれぞれ示してある。なお、比較に用いたパッシブ系は、振り子先端部での減衰比ζ２を０．１に設定してある。
【００３５】
図２（イ）（ロ）の結果より、ピーク値が、入力削減機構がない場合、更には、パッシブ系の入力削減機構を設けた場合に比して低下していることから、本発明のアクティブ制振方法及び装置によれば、パッシブ系の入力削減機構と同等以上の入力削減特性が得られること、又、ピーク位置が、入力削減機構がない場合に比して、パッシブ系の入力削減機構を設けた場合と同様に低周波数側にシフトしていることから、本発明のアクティブ制振方法及び装置によれば、パッシブ系の入力削減機構と同等の長周期特性が得られることが判明した。
【００３６】
更に、高周波域であっても、絶対応答（振幅比）がパッシブ系の入力削減機構のように一定値に収束することはなく、入力削減機構がない場合により近くなっていることから、フィードフォワード制御によって入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域における絶縁効果が現れてきていることが分かる。
【００３７】
しかし、勾配はそれほど大きくない。これは、ハイパスフィルタの影響である。
【００３８】
図３（イ）（ロ）は、上記第２の方法に基き、入力削減特性は捨てて、フィードフォワード制御を低周波域から適用し、長周期特性のみを活用した場合の結果が実線で示してある。なお、ハイパスフィルタのカットオフ周波数は０．０１Ｈｚとしてある。
【００３９】
比較として、図３（イ）（ロ）に、入力削減機構がない場合の結果を二点鎖線で、又、パッシブ系の入力削減機構が設けてある場合の結果が破線でそれぞれ示してある。なお、比較に用いたパッシブ系は、図２（イ）（ロ）の場合と同様に、振り子先端部での減衰比ζ２を０．１に設定してある。
【００４０】
図３（イ）（ロ）の結果から、ピーク値が、入力削減機構がない場合、更には、パッシブ系の入力削減機構を設けた場合に比して低下していることから、この場合は、本発明のアクティブ制振方法及び装置により、パッシブ系の入力削減機構と同等以上の入力削減特性が得られること、又、ピーク位置が、入力削減機構がない場合に比して、パッシブ系の入力削減機構を設けた場合のように低周波数側にシフトしていることから、本発明のアクティブ制振方法及び装置により、パッシブ系の入力削減機構と同等の長周期特性が得られることが判明した。
【００４１】
更に、固有振動数は低く抑えながら、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域であっても、絶対応答（振幅比）がパッシブ系の入力削減機構のように一定値に収束することはなく、該高周波域での絶縁特性を大幅に改善することができて、入力削減機構がない場合、すなわち、単純な一自由度系と同等の振動特性を達成することが可能であることが分かる。
【００４２】
なお、実際の装置では、機構上、梃子比λには自ずから限界があり、大きく取れない可能性がある。したがって、このように梃子比λを大きく取れない場合は、上記第２の方法の方がより実用的になると推察される。
【００４３】
次いで、図４及び図５は本発明の実施の他の形態として、図１乃至図３（イ）（ロ）の実施の形態を具現化する場合の構成例を示すもので、以下のようにしてある。
【００４４】
すなわち、図１に示したと同様の構成において、所要のアクチュエータ１１を、駆動モータ１３と、その出力軸に連結したねじ軸１４と、該ねじ軸１４に螺合させたナット部材１５とを具備してなるアクチュエータとしてのボールねじ機構１２として、該ボールねじ機構１２を、基礎４上に、梃子７の揺動方向に沿って設置すると共に、ボールねじ機構１２の上記ナット部材１５に、上記所要の質量ｍ２を結合する。これにより、上記ボールねじ機構１２の駆動モータ１３による上記ねじ軸１４の正逆転駆動により上記ナット部材１５と一緒に上記所要の質量ｍ２をねじ軸１４の軸心方向に沿って往復移動させることができるようにしてある。
【００４５】
なお、上記梃子７の下端部に取り付けてある所要の質量ｍ２は、該梃子７の揺動に伴い高さ位置が変化するようになる。そのために、上記ボールねじ機構１２のナット部材１５と、上記所要の質量ｍ２との結合部には、両者の水平方向の相対変位は拘束する一方、上下方向の相対変位は許容できるようにしたガイド機構１６を備えるようにしてある。
【００４６】
具体的には、上記ガイド機構１６は、たとえば、上記ナット部材１５の上に上下方向に延びるガイドバー１７の下端部を取り付け、且つ該ガイドバー１７の上端部を、上記所要の質量ｍ２の下面側に設けたベアリング１９を備えた上下方向のガイド穴１８に嵌合させてなる構成としてある。又、上記梃子７の揺動に伴って上記所要の質量ｍ２のガイド穴１８の向きが傾かないようにするために、上記所要の質量ｍ２は、上記梃子７の下端部にピン２０を介して梃子７の揺動方向に沿って揺動可能に取り付けた構成としてある。これにより、上記ボールねじ機構１２におけるナット部材１５のねじ軸１４の軸心方向に沿う動きを、該ナット部材１５に取り付けたガイドバー１７より上記所要の質量ｍ２のガイド穴１８へ伝えることで、該所要の質量ｍ２を上記ナット部材１５と一緒にねじ軸１４の軸心方向へ往復移動させることができるようにしてあり、この際、上記ガイドバー１７の周りで上記ガイド穴１８が設けてある所要の質量ｍ２が上下方向にスライドすることで、該所要の質量ｍ２に高さ位置の変化を伴う揺動を行わせることができるようにしてある。
【００４７】
上記基礎４には、地震発生時等における該基礎４自体の絶対変位（揺れ）を地動加速度として検出するための加速度センサ２１を設ける。更に、上記制振対象構造物ｍ１に加速度センサ２２を設けて、該加速度センサ２２により、上記制振対象構造物ｍ１の絶対応答（基礎４の変位の影響を受けない空中の或る１点に対する相対変位）の加速度を検出することができるようにしてある。
【００４８】
更に又、上記各加速度センサ２１，２２から入力される加速度信号を基に、上記アクチュエータとしてのボールねじ機構１２の駆動モータ１３へ駆動指令を与える制御器２３を備えた構成としてある。したがって、上記制御器２３では、上記基礎４に設けた加速度センサ２１による検出信号を基に積分を行うことで、該基礎４が絶対変位する際の速度と変位ｘ０を算出できるようにしてあると共に、上記制振対象構造物ｍ１に設けた加速度センサ２２の加速度信号を基に積分を行うことで、制振対象構造物ｍ１の絶対応答の速度と変位を算出でき、更には、上記制振対象構造物ｍ１の絶対応答と、上記基礎４の絶対変位との変位の差から、該制振対象構造物ｍ１の上記基礎４に対する相対的な変位（応答）ｘ１を検出できるようにしてある。
【００４９】
その他の構成は図１に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。
【００５０】
以上の構成としてある本実施の形態のアクティブ制振装置を用いた制振対象構造物ｍ１のアクティブ制振方法について説明する。
【００５１】
ここで、上記図１に示した本発明のアクティブ制振装置の力学モデルの構成は、梃子７による入力削減機構のみを備えた形式としてあるが、本実施の形態のアクティブ制振装置では、所要の質量ｍ２を梃子７と共に揺動させるためのアクチュエータとして、駆動モータ１３によるねじ軸１４の回転駆動により上記所要の質量ｍ２に連結したナット部材１５を往復動させる形式のボールねじ機構１２を用いた構成としてあるために、該ボールねじ機構１２における上記ねじ軸１４のリードによっても入力削減機構の梃子比を稼ぐことができる。
【００５２】
したがって、本実施の形態のアクティブ制振装置の運動方程式は、入力削減機構の別の所要の質量となる上記ボールねじ機構１２におけるねじ軸１４と駆動モータ１３の回転子の慣性モーメントをｍ３ｉ３２、上記ねじ軸１４のリードをＬとすると、前記した式（１）の左辺の第一項の係数を、
【数８】
のように置き換えればよく、
【数９】
とおくと、前記した式（２）に代わって、
【数１０】
となる。
【００５３】
上記式（７）に前記した式（３）を代入すると、
【数１１】
となり、したがって、
【数１２】
となる。
【００５４】
上記式（８）をラプラス変換すると、
【数１３】
となる。
【００５５】
ここで、上記式（９）における左辺の｛ ｝内における第２項の係数をａ１、第３項の係数をａ０とし、右辺の｛ ｝内における、第１項の係数をｂ２、第２項の係数をｂ１、第３項の係数をｂ０とおくと、絶対変位の伝達関数は、以下のようになる。
【数１４】
ここで、
【数１５】
であるから、
【数１６】
となる。
【００５６】
上記式（１０）で、フィードフォワードゲインｋｆｆは、分子のｓ２の項を消去する条件
【数１７】
より、
【数１８】
となる。
【００５７】
よって、本実施の形態においても、上記実施の形態と同様にして、振動絶縁の改善に用いるフィードフォワード制御として、低周波域での入力削減特性をできるだけ生かしつつ、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を改善する第１の方法を適用することで、該高周波域の絶縁効果を得ることができ、又、入力削減特性は殺し、長周期特性のみを生かして、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を積極的に改善する第２の方法を適用することにより、固有振振動数は低く抑えながら、該高周波域での絶縁特性を大幅に改善する効果を得ることができる。
【００５８】
次いで、図６は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、以下のようにしてある。
【００５９】
すなわち、上記各実施の形態の本発明のアクティブ制振装置の構成は、いわゆる梃子７による入力削減機構を採用した形式の構成例を示したものであるが、図４及び図５の実施の形態で述べたように、アクチュエータとしてボールねじ機構１２を用いる場合は、該ボールねじ機構１２のねじ軸１４のリードによって梃子比を稼ぐことができることに着目して、本実施の形態のアクティブ制振装置は、ボールねじ機構１２のねじ軸１４のリードによって梃子比を稼ぐようにした形式の入力削減機構のみを備えてなる形式としたものである。
【００６０】
具体的には、図６に示すように、制振対象構造物ｍ１における天井や屋根等の下面における所要間隔を隔てた２個所に、互いに対向する斜め下方向に延びる斜材２４ａ、２４ｂの上端部をそれぞれ取り付けると共に、該各斜材２４ａと２４ｂの下端部同士を、連結部材２５を介して連結する。
【００６１】
更に、上記連結部材２５の下方となる基礎４上に、図４に示したと同様のボールねじ機構１２を、上記各斜材２４ａ，２４ｂが配置された鉛直面に沿わせて設置し、且つ該ボールねじ機構１２のナット部材１５の上側に、上記連結部材２５を一体に取り付けた構成とする。これにより、上記制振対象構造物ｍ１の基礎４に対する相対変位に伴い、制振対象構造物ｍ１に２本の斜材２４ａ，２４ｂと、上記連結部材２５を介して連結されたボールねじ機構１２のナット部材が上記制振対象構造物ｍ１と一緒に変位すると、該ボールねじ機構１２のねじ軸１４と駆動モータ１３の回転子が回転させられるようになる入力削減機構を形成するようにしてあると同時に、上記駆動モータ１３により、該駆動モータの回転子と上記ねじ軸１４を一体に回転駆動できるようにしてある。
【００６２】
その他、図４に示したものと同一のものには同一符号が付してある。
【００６３】
以上の構成としてある本実施の形態のアクティブ制振装置の運動方程式は、次式のようになる。なお、上記ボールねじ機構１２におけるねじ軸１４と駆動モータ１３の回転子の慣性モーメントをｍ３ｉ３２、上記ねじ軸１４のリードをＬとしてある。
【数１９】
【００６４】
上記式（１１）を、
【数２０】
を用いて変形すると、
【数２１】
となる。
【００６５】
したがって、本実施の形態のアクティブ制振装置によれば、制振対象構造物ｍ１に対する入力は、｛１／（１＋μｓλｓ２）｝倍に削減されるようになる。
【００６６】
上記式（１２）に前記した式（３）の制御力を施すと、
【数２２】
【００６７】
よって、
【数２３】
であるから、絶対変位の伝達関数は次式のようになる。
【数２４】
となる。
【００６８】
フィードフォワードゲインは、上記式（１３）のｓ２の項が０になる条件として、
【数２５】
となる。
【００６９】
したがって、本実施の形態においても、上記各実施の形態と同様にして、振動絶縁の改善に用いるフィードフォワード制御として、低周波域での入力削減特性をできるだけ生かしつつ、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を改善する第１の方法を適用することにより、該高周波域の絶縁効果を得ることができ、又、入力削減特性は殺し、長周期特性のみを生かして、入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域での絶縁特性を積極的に改善する第２の方法を適用することにより、固有振振動数は低く抑えながら、該高周波域での絶縁特性を大幅に改善する効果を得ることができる。
【００７０】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、図１乃至図３（イ）（ロ）の実施の形態におけるアクチュエータ１１は、所要の質量ｍ２と共に梃子７を揺動させることができるようにしてあれば、任意のアクチュエータ１１を用いるようにしてよい。
【００７１】
入力削減機構としては、上記した運動方程式として式（２）又は式（７）又は式（１２）のいずれかが成立する範囲内で、構成を適宜変更してもよい。
【００７２】
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００７３】
４ 基礎
７ 梃子
８ ピン（支点）
１１ アクチュエータ
１２ ボールねじ機構
１３ 駆動モータ
１４ ねじ軸
ｍ１ 制振対象構造物
ｍ２ 所要の質量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心に揺動し且つ上記支点の近くに上記制振対象構造物を揺動可能に連結した梃子と、該梃子の先端部に取り付けた所要の質量とを備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記梃子の先端部の所要の質量が拡大された変位量で揺動できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより往復駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにすることを特徴とするアクティブ制振方法。
【請求項２】
基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心として回転可能な所要の質量と、上記制振対象構造物の揺れに伴う基礎に対する相対変位を上記所要の質量の回転に変換する変換機構を備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記所要の質量が拡大された回転変位量で正逆転できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより正逆転駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにすることを特徴とするアクティブ制振方法。
【請求項３】
基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心に揺動し且つ上記支点の近くに上記制振対象構造物を揺動可能に連結した梃子と、該梃子の先端部に取り付けた所要の質量とを備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記梃子の先端部の所要の質量が拡大された変位量で揺動できるようにし、更に、上記所要の質量を往復駆動するためのアクチュエータを備えてなる構成を有することを特徴とするアクティブ制振装置。
【請求項４】
基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心として回転可能な所要の質量と、上記制振対象構造物の揺れに伴う基礎に対する相対変位を上記所要の質量の回転に変換する変換機構を備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記所要の質量が拡大された回転変位量で正逆転できるようにし、更に、上記所要の質量を正逆転駆動するためのアクチュエータを備えてなる構成を有することを特徴とするアクティブ制振装置。
【請求項５】
所要の質量として、ボールねじ機構のねじ軸と、該ボールねじ機構を駆動するアクチュエータとしてのモータの回転子を用いるようにした請求項４記載のアクティブ制振装置。
【請求項１】
基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心に揺動し且つ上記支点の近くに上記制振対象構造物を揺動可能に連結した梃子と、該梃子の先端部に取り付けた所要の質量とを備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記梃子の先端部の所要の質量が拡大された変位量で揺動できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより往復駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにすることを特徴とするアクティブ制振方法。
【請求項２】
基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心として回転可能な所要の質量と、上記制振対象構造物の揺れに伴う基礎に対する相対変位を上記所要の質量の回転に変換する変換機構を備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記所要の質量が拡大された回転変位量で正逆転できるようにした入力削減機構を備え、且つ上記所要の質量を、アクチュエータにより正逆転駆動させて、上記入力削減機構が有する制振対象構造物の固有振動数より高い周波域の入力削減特性を打ち消すようにすることを特徴とするアクティブ制振方法。
【請求項３】
基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心に揺動し且つ上記支点の近くに上記制振対象構造物を揺動可能に連結した梃子と、該梃子の先端部に取り付けた所要の質量とを備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記梃子の先端部の所要の質量が拡大された変位量で揺動できるようにし、更に、上記所要の質量を往復駆動するためのアクチュエータを備えてなる構成を有することを特徴とするアクティブ制振装置。
【請求項４】
基礎と該基礎からの変位強制を受ける制振対象構造物との間に、基礎側に固定された支点を中心として回転可能な所要の質量と、上記制振対象構造物の揺れに伴う基礎に対する相対変位を上記所要の質量の回転に変換する変換機構を備えて、上記基礎と制振対象構造物との相対変位により上記所要の質量が拡大された回転変位量で正逆転できるようにし、更に、上記所要の質量を正逆転駆動するためのアクチュエータを備えてなる構成を有することを特徴とするアクティブ制振装置。
【請求項５】
所要の質量として、ボールねじ機構のねじ軸と、該ボールねじ機構を駆動するアクチュエータとしてのモータの回転子を用いるようにした請求項４記載のアクティブ制振装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２５５２６１（Ｐ２０１０−２５５２６１Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０５７０４（Ｐ２００９−１０５７０４）
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]