建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置、及び、建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法
【課題】使い勝手の良い建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置等を実現する。
【解決手段】振動の加速度データを取得するための加速度センサと、該加速度センサにより取得された前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、求められた該速度データと該変位データとに基づいて、建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を、制御するコントローラと、を有することを特徴とする。
【解決手段】振動の加速度データを取得するための加速度センサと、該加速度センサにより取得された前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、求められた該速度データと該変位データとに基づいて、建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を、制御するコントローラと、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置、及び、建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を制御するコントローラを有する建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置は、既によく知られている。このような嫌振部分の制御装置としては、例えば、外力としての地震が入力されて振動する嫌振部分をアクティブ制御するコントローラを有する嫌振部分の制御装置の一例としての嫌振部分の制振装置を挙げることができる。そして、このような制御装置の中には、コントローラが、振動の速度データと変位データとに基づいて、外力が入力されて振動する嫌振部分を制御するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平７−１１２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来例に係る制御装置においては、振動の速度データを取得するための速度センサと振動の変位データを取得するための変位センサとが用意され、コントローラが、速度センサにより取得された前記速度データと変位センサにより取得された前記変位データとに基づいて、外力が入力されて振動する嫌振部分を制御していたが、このような長周期成分まで観測可能な高感度の速度センサや変位センサは設置時のバランス調整が難しく、常時バランス調整が必要であり、使い勝手が悪いという問題点が指摘されていた。更に速度センサや変位センサは観測原理に擬似的な方法を用いたものが多く、それらは真実の動きに対して周波数特性を持っており、その特性を使用者が自由に設定出来ないため、制御に用いる場合の問題点となっていた。そのため、使い勝手の良い制御装置が要請されていた。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、使い勝手の良い建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置及び建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置は、
振動の加速度データを取得するための加速度センサと、
該加速度センサにより取得された前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、
求められた該速度データと該変位データとに基づいて、建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を、制御するコントローラと、
を有することを特徴とする。
かかる場合には、使い勝手の良い建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置が実現される。
【０００７】
また、上記の嫌振部分の制御装置において、
前記ハイパスフィルタは３極以上のハイパスフィルタであることとしてもよい。
かかる場合には、変位データにＤＣ成分が残ってしまう問題が適切に解消される。
【０００８】
また、上記の嫌振部分の制御装置において、
前記３極以上のハイパスフィルタは、４極のハイパスフィルタであり、
該４極のハイパスフィルタは、カットオフ振動数が互いに同じである二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタであることとしてもよい。
かかる場合には、低い振動数成分のカットがより適切に行われることとなる。
【０００９】
また、上記の嫌振部分の制御装置において、
前記３極以上のハイパスフィルタは、４極のハイパスフィルタであり、
該４極のハイパスフィルタは、カットオフ振動数が互いに異なる二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタであることとしてもよい。
かかる場合には、変位データの加速度データとの位相ずれが実際の位相ずれと近いものとなり、嫌振部分の制御がより適切に行われることとなる。
【００１０】
次に、加速度センサが振動の加速度データを取得するステップと、
コントローラが、
前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、
求められた該速度データと該変位データとに基づいて、建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を、制御するステップと、
を有することを特徴とする建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法。
かかる場合には、使い勝手の良い建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法が実現される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、使い勝手の良い建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置等が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態に係る制御装置の一例としての制振装置１０の模式図である。
【図２】コントローラ４０等のブロック図である。
【図３】本実施の形態に係るハイパスフィルタの周波数特性を示した図である。
【図４】式（８）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【図５】式（９）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【図６】第二実施形態に係るハイパスフィルタの周波数特性を示した図である。
【図７】式（１１）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【図８】式（１２）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【図９】第三実施形態に係るハイパスフィルタの周波数特性を示した図である。
【図１０】式（１４）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【図１１】式（１５）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＝＝＝本実施の形態に係る制振装置１０について＝＝＝
＜＜＜制振装置１０の概略構成について＞＞＞
図１は、本実施の形態に係る制御装置の一例としての制振装置１０（なお、制振装置とは、広義の制振装置であり、所謂免震装置をも含む概念である）の模式図である。制振装置１０は、免震支承体２０と、ダンパ３２と、加速度センサ３４と、アクチュエータ３６と、コントローラ４０と、を備えている。
【００１４】
免震支承体２０は、建造物の中に設けられた嫌振部分（以下、単に、嫌振部分１００と呼ぶ）と床１１０との間に設置され、その上面に嫌振部分１００が載置されることにより嫌振部分１００を支持して、該嫌振部分１００の固有周期を本来の固有周期よりも長周期化するものである。本実施形態の免震支承体２０は、バネ支承体の一例としての積層ゴムであり、嫌振部分１００の直下に複数設置されている。複数の積層ゴムの各々は、比較的低剛性であり、地震動が発生したときに、水平方向において上面（嫌振部分１００の支持面）及び下面（床１１０との接地面）の各々の位置が互いにずれるように弾性変形しながら嫌振部分１００を支持する。なお、免震支承体２０については積層ゴムに限定されず、積層ゴム以外のバネ支承体、滑り支承体、ベアリング等を利用してもよい。
【００１５】
ダンパ３２は、水平方向に沿って伸縮自在であり、伸縮して嫌振部分１００に減衰力を付加する減衰力付与機構である。このダンパ３２は、床１１０上に固定され該床１１０と一体化された一体化部材１１２と嫌振部分１００との間に設けられ、水平方向一端部（すなわち、伸縮方向一端部）が一体化部材１１２に固定され、水平方向他端部（すなわち、伸縮方向他端部）が嫌振部分１００に固定されている。この本実施形態のダンパ３２は、オイルダンパであり、固有のダンパ特性（例えば、減衰係数）を有する所謂パッシブダンパである。なお、ダンパ３２は、オイルダンパに限定されるものではなく、伸縮して減衰力を発生するものであれば他のダンパ（例えば、粘性体ダンパや摩擦ダンパ）も利用可能である。
【００１６】
加速度センサ３４は、振動の加速度データを取得するためのものである。本実施の形態においては、加速度センサ３４として、床１１０の振動の加速度データを取得するための第一加速度センサ３４ａと嫌振部分１００の振動の加速度データを取得するための第二加速度センサ３４ｂとが備えられている。
【００１７】
アクチュエータ３６は、床１１０と嫌振部分１００とにバネ部材３８を介して固定され、該嫌振部分１００の底部に対して制振力を付加して該嫌振部分１００の振動を制振する。このアクチュエータ３６は、水平方向に変位自在なロッドを備え、該ロッドを水平方向に沿って油圧駆動する（つまり、ロッドのストロークが変わるようにロッドを駆動する）。なお、バネ部材３８は、ロッドの先端部と嫌振部分１００との間に備えられている。
【００１８】
コントローラ４０は、外力（地震）が入力されて振動する嫌振部分１００を、アクチュエータ３６を介して制御する（すなわち、アクチュエータ３６のロッドのストロークを変えることにより嫌振部分１００を制御する）ためのものである。このコントローラ４０については、後に詳述する。
【００１９】
そして、上記構成を有する制振装置１０は、嫌振部分１００の振動をアクティブ制御により制振するが、当該制振装置１０におけるアクティブ制御においては、振動の速度データと変位データとに基づいて、嫌振部分１００が制御されることとなる。次項においては、このことについて詳細に説明する。
【００２０】
なお、建造物の中に設けられた嫌振部分（嫌振部分１００）としては、病院内の手術室、半導体等の精密部品工場内の製造室、建造物内の発電機室、建造物内のコンピュータールーム、建造物内の美術品等重要物の展示室、展示台、展示ケース等を挙げることができる。しかしながら、これらに限定されるものではない。
【００２１】
＜＜＜本実施の形態に係る制振装置１０におけるアクティブ制御について＞＞＞
ここでは、本実施の形態に係る制振装置１０におけるアクティブ制御について説明する（具体的には、振動の速度データと変位データとに基づいて、どのようにアクチュエータ３６のロッドのストロークを変えるかについて説明する）。
【００２２】
先ず、嫌振部分１００の運動方程式（ここでは、嫌振部分１００を多質点系モデルと捉えているため、行列による表現となっている）を床１１０に対する相対座標系で表すと、以下の式（１）となる。
【数１】
【００２３】
そして、これを、絶対座標系で嫌振部分１００の底部に制御力（アクティブ力）Ｆを加えた形で、絶対応答成分を用いた表記で表すと、以下の式（２）となる。
【数２】
【００２４】
ここで、制御力（アクティブ力）Ｆは、バネ部材３８のバネ剛性ｋｓ、アクチュエータ３６の変位量ｚ、免震層の相対変位ｘ１を用いて、以下の式（３）で表されるので、
【数３】
【００２５】
式（２）に式（３）を代入することにより、式（２）は以下の式（４）のように表される。
【数４】
【００２６】
そして、式（４）の右辺の外力項をゼロとするアクチュエータ３６の変位量ｚは、以下の式（５）のように表される。
【数５】
【００２７】
上記式（５）による制御は、床１１０の振動の速度データ（式（５）におけるｙの微分値に相当）と変位データ（式（５）におけるｙに相当）を取得して、嫌振部分１００に床１１０の振動の外力が入る前にそれを打ち消す制御であり、フィードフォワード制御と呼ばれる。しかしながら、床１１０の振動の速度データと変位データの取得誤差、係数ｋｏ、ｃｏ、ｋｓの誤差、油圧駆動によるアクチュエータ３６の特性等により、入力成分を完全に打ち消すことができない。そのため、当該フィードフォワード制御の誤差によって励起された絶対応答速度成分を取得して,それを即座に吸収する制御を行うことになる。この方法は制御結果を制御に用いることになるため、フィードバック制御と呼ばれる。特にこの絶対応答速度をフィードバック制御に用いた効果は、空中の絶対空間に設置されたダンパによる効果と同じであるため、一般的にスカイフックダンパとして呼ばれる。
【００２８】
入力遮断を目指す式（５）のフィードフォワード制御に、スカイフックダンパの効果を期待するフィードバック制御を併用する場合のアクチュエータ３６への指令は、以下の式（６）のようになる。
【数６】
【００２９】
本実施の形態に係る制振装置１０は、上述したフィードフォワード制御とフィードバック制御を併用し、式（６）に基づいてアクティブ制御を行う。すなわち、制振装置１０は、振動の速度データ（式（６）におけるｙの微分値及びｘ１の微分値に相当）と変位データ（式（６）におけるｙに相当）とに基づいて、アクチュエータ３６のロッドのストロークを変えることにより、嫌振部分１００をアクティブ制御する。
【００３０】
＜＜＜本実施の形態に係るコントローラ４０について＞＞＞
上述したとおり、アクティブ制御においては、地震が入力されて振動する嫌振部分１００が、振動の速度データと変位データとに基づいて制御される。このようなアクティブ制御について、典型的な例においては（例えば、従来の例においては）、振動の速度データを取得するための速度センサと振動の変位データを取得するための変位センサとが用意され、速度センサにより取得された速度データと変位センサにより取得された変位データとに基づいて嫌振部分の制御が実行される。
【００３１】
これに対し、本実施の形態においては、速度センサ及び変位センサのいずれもが用意されず、これらの代わりに加速度センサ３４のみが用意される。そして、コントローラ４０内で、加速度センサ３４により取得された加速度データに対して積分処理が行われて振動の速度データ及び変位データが求められ、求められた速度データと変位データとに基づいて、嫌振部分１００の制御が実行される。また、加速度データに対しては、前記積分処理のみならずハイパスフィルタによるフィルタ処理も行われる（加速度データに対しフィルタ処理を行ってから積分処理を行ってもよいし、積分処理を行ってからフィルタ処理を行ってもよいし、双方を同時に行ってもよい。本実施の形態においては、双方を同時に行う）。
【００３２】
以下、上記（主としてコントローラ４０の処理）について、図２を用いて詳細に説明する。図２は、コントローラ４０等のブロック図である。
【００３３】
コントローラ４０は、積分フィルタ処理部４２とアクティブ制御部４４とを備えている。
【００３４】
積分フィルタ処理部４２は、加速度センサ３４により取得された振動の加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って振動の速度データと変位データを求める部分である。なお、上述したとおり、本実施の形態においては、フィルタ処理及び積分処理を同時に行うため、当該処理を、便宜上、積分フィルタ処理と呼んでいる。
【００３５】
この積分フィルタ処理部４２は、第一積分フィルタ処理部４２ａと第二積分フィルタ処理部４２ｂを備えている。第一積分フィルタ処理部４２ａは、前述した第一加速度センサ３４ａにより取得された振動の加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って振動の速度データと変位データを求める部分であり、第二積分フィルタ処理部４２ｂは、前述した第二加速度センサ３４ｂにより取得された振動の加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って振動の速度データを求める部分である。本実施の形態においては、第一積分フィルタ処理部４２ａと第二積分フィルタ処理部４２ｂが、基本的に同じ処理を行う（ハイパスフィルタのフィルタ特性も、１階積分により速度データを算出することも、同じである）が、第一積分フィルタ処理部４２ａが２階積分により変位データを算出するのに対し、第二積分フィルタ処理部４２ｂは変位データを算出しない（何故ならば、前述した式（６）には、ｙとｙの微分値とｘ１の微分値が存在するがｘ１が存在しないため、嫌振部分１００の振動の加速度データを取得するための第二加速度センサ３４ｂにより取得された加速度データから変位データを算出する必要がないからである）。この点で、第一積分フィルタ処理部４２ａと第二積分フィルタ処理部４２ｂは異なっている。
【００３６】
また、単に積分処理を行うのではなく、ハイパスフィルタによるフィルタ処理も行う理由について説明すると、算出される速度データや変位データに誤差が生じないようにするためである。すなわち、加速度センサ３４は地震による振動とは無関係な低い振動数成分（電気的なノイズ等が原因となって発生するものである）を誤差成分として出力してしまい、仮にハイパスフィルタによるフィルタ処理が行われずに積分処理が行われるとすると、積分処理により前記誤差成分が累積して積分処理により算出された速度データや変位データに大きな誤差（つまり、本来の速度データや変位データとの偏差）が生じてしまう。そのため、地震による振動とは無関係な低い振動数成分をハイパスフィルタによるフィルタ処理によりカットすれば、算出される速度データや変位データに誤差が生じないようにすることが可能となる。
【００３７】
なお、本実施の形態においては、ハイパスフィルタとして２極のハイパスフィルタを用いる。当該２極のハイパスフィルタは、以下の式（７）の伝達関数により表される。
【数７】
【００３８】
また、当該フィルタ（伝達関数）の周波数特性を図３に示す。図３の上図が、横軸にとった振動数と縦軸にとった伝達率（ゲイン）との関係を示した図であり、図３の下図が、横軸にとった振動数と縦軸にとった位相との関係を示した図である。なお、横軸には、振動数として、無次元化された振動数が表されている。また、上図及び下図の各々において、４つの曲線が表されているが、これらの曲線は、それぞれ減衰比ｈを０．１、０．３．０．５、０．７としたときの周波数特性である。
【００３９】
そして、本実施の形態においては、想定される地震の振動数成分等の情報に基づいて、適宜、式（７）の伝達関数により表される２極のハイパスフィルタの減衰比ｈやカットオフ周波数ｗｏが調整されることとなる（すなわち、図３からも明らかなように、式（７）の伝達関数により表される２極のハイパスフィルタの周波数特性は、減衰比ｈやカットオフ振動数ｗｏが変更されると、変わることとなる）。
【００４０】
また、振動の速度データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（７）の伝達関数をｓで割った（１階積分した）ものとなるため、以下の式（８）により表され、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（７）の伝達関数をｓの２乗で割った（２階積分した）ものとなるため、以下の式（９）により表される。
【数８】
【数９】
【００４１】
また、式（８）の伝達関数の周波数特性と式（９）の伝達関数の周波数特性は、それぞれ図４及び図５に表された特性となる。
【００４２】
すなわち、図２のブロック図において、加速度データを入力、速度データを出力としたときの積分フィルタ処理部４２（第一積分フィルタ処理部４２ａ、第二積分フィルタ処理部４２ｂ）の伝達関数は式（８）により表され、その周波数特性は図４において描かれた曲線となる。同様に、図２のブロック図において、加速度データを入力、変位データを出力としたときの積分フィルタ処理部４２（第一積分フィルタ処理部４２ａ）の伝達関数は式（９）により表され、その周波数特性は図５において描かれた曲線となる。
【００４３】
アクティブ制御部４４は、積分フィルタ処理部４２により求められた速度データと変位データに基づいて、外力（地震）が入力されて振動する嫌振部分１００を制御する部分である。このアクティブ制御部４４は、既に説明したとおり、フィードフォワード制御とフィードバック制御を併用し、式（６）に基づいてアクティブ制御を行う。すなわち、アクティブ制御部４４は、第一積分フィルタ処理部４２ａ及び第二積分フィルタ処理部４２ｂにより求められた速度データ（式（６）におけるｙの微分値及びｘ１の微分値に相当）と第一積分フィルタ処理部４２ａにより求められた変位データ（式（６）におけるｙに相当）とに基づいて、アクチュエータ３６のロッドのストロークを変えることにより、嫌振部分１００をアクティブ制御する。
【００４４】
このように、本実施の形態に係る嫌振部分１００の制振装置１０は、振動の加速度データを取得するための加速度センサ３４と、該加速度センサ３４により取得された前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、求められた該速度データと該変位データとに基づいて、外力（地震）が入力されて振動する嫌振部分１００を制御するコントローラ４０と、を有している。そして、このことにより、使い勝手のよい制振装置１０を実現することが可能となる。
【００４５】
上記につき、本実施の形態に係る制振装置１０と比較例に係る制振装置とを比較しながら説明する。比較例に係る制振装置は、前述した典型的な例であり、コントローラが速度データと変位データとに基づいて外力（地震）が入力されて振動する嫌振部分を制御する点について、本実施の形態に係る制振装置１０と同様である。しかしながら、コントローラが速度データや変位データを求めるようなことは行わない。すなわち、比較例に係る制振装置においては、振動の速度データを取得するための速度センサと振動の変位データを取得するための変位センサとが用意され、速度センサにより取得された速度データと変位センサにより取得された変位データとに基づいて嫌振部分の制御が実行される。そして、このような比較例に係る制振装置は、以下で説明する問題点を内包していた。
【００４６】
すなわち、嫌振部分の制御装置（制振装置）用に使用可能な（また、使用されてきた）変位センサ及び速度センサは非常に高価であり、また、変位センサ及び速度センサという２つのセンサを用意しなければならないという問題もあった。さらに、２つのセンサを用意すれば、その分の（センサの台数分の）配線（コントローラからセンサまでの電気配線）を確保する必要があった。特に、制御の対象物が嫌振部分であるため、当該配線の長さは大変長くなり、センサの台数分の配線を確保することの問題点は非常に大きいものであった。このように、比較例に係る制振装置は、（コスト的な意味において）非常に使い勝手の悪いシステムであった。
【００４７】
また、嫌振部分の制御装置（制振装置）用に使用可能な（また、使用されてきた）変位センサ及び速度センサには、ハイパスフィルタが組み込まれており、地震による振動とは無関係な低い振動数成分を誤差成分として出力してしまうことが適切に防止されていたが、当該ハイパスフィルタの特性はブラックボックスであり、ユーザが知る術がなかった。さらに、ハイパスフィルタのパラメータ（減衰比ｈやカットオフ振動数ｗｏ）を調整することもできなかった。そのため、想定される地震の振動数成分等の情報に基づいて、最適なパラメータを備える変位センサ及び速度センサを選択したり、パラメータを最適値に変えたりすることができず、非常に使い勝手の悪いものであった。
【００４８】
これに対し、本実施の形態に係る制振装置１０においては、前記変位センサ及び前記速度センサの代わりに安価な加速度センサ３４が使用され、用意するセンサが一つで済む。そして、前述した配線の問題も顕著に軽減されることになる。このように、本実施の形態に係る制振装置１０は、（コスト的な意味において）非常に使い勝手の良いシステムとなる。
【００４９】
また、ハイパスフィルタによるフィルタ処理をコントローラ４０内で行うこととしたため、ハイパスフィルタのパラメータ（減衰比ｈやカットオフ振動数ｗｏ）を自由に調整することが可能となる。そのため、想定される地震の振動数成分等の情報に基づいて、パラメータを最適値に変えることが可能となり、非常に使い勝手の良いものとなる。
【００５０】
＝＝＝変形例に係る制振装置１０について＝＝＝
ここでは、前述した制振装置１０の変形例について、二つの例を挙げて説明する。以下、前述した制振装置１０を第一実施形態に係る制振装置１０、変形例に係る制振装置１０を第二実施形態に係る制振装置１０及び第三実施形態に係る制振装置１０とも呼ぶ。
【００５１】
第一実施形態に係る制振装置１０と変形例に係る制振装置１０との相違点は、コントローラ４０の積分フィルタ処理部４２におけるハイパスフィルタが異なる点にある。すなわち、第一実施形態に係るハイパスフィルタは２極のハイパスフィルタであったが、変形例に係るハイパスフィルタは４極のハイパスフィルタとなっている。以下、変形例に係るハイパスフィルタについて、具体的に、第二実施形態に係るハイパスフィルタ、第三実施形態に係るハイパスフィルタの順に説明する。
【００５２】
第二実施形態に係るハイパスフィルタ（４極のハイパスフィルタ）は、カットオフ振動数が互いに同じである二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタである。すなわち、当該４極のハイパスフィルタは、以下の式（１０）の伝達関数により表され、式（１０）の伝達関数の周波数特性は、図６に表された特性となる。
【数１０】
【００５３】
また、振動の速度データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（１０）の伝達関数をｓで割った（１階積分した）ものとなるため、以下の式（１１）により表され、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（１０）の伝達関数をｓの２乗で割った（２階積分した）ものとなるため、以下の式（１２）により表される。
【数１１】
【数１２】
【００５４】
また、式（１１）の伝達関数の周波数特性と式（１２）の伝達関数の周波数特性は、それぞれ図７及び図８に表された特性となる。
【００５５】
一方、第三実施形態に係るハイパスフィルタ（４極のハイパスフィルタ）は、カットオフ振動数が互いに異なる（本実施の形態においては、一方のカットオフ振動数が他方のカットオフ振動数の１０倍）二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタである。すなわち、当該４極のハイパスフィルタは、以下の式（１３）の伝達関数により表され、式（１３）の伝達関数の周波数特性は、図９に表された特性となる。
【数１３】
【００５６】
また、振動の速度データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（１３）の伝達関数をｓで割った（１階積分した）ものとなるため、以下の式（１４）により表され、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（１３）の伝達関数をｓの２乗で割った（２階積分した）ものとなるため、以下の式（１５）により表される。
【数１４】
【数１５】
【００５７】
また、式（１４）の伝達関数の周波数特性と式（１５）の伝達関数の周波数特性は、それぞれ図１０及び図１１に表された特性となる。
【００５８】
ここで、第一実施形態に係る２極のハイパスフィルタと変形例に係る４極のハイパスフィルタとを比較考察すると、後者は以下に説明する優位点を有している。
【００５９】
すなわち、第一実施形態に係る２極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられた場合に、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数の周波数特性は、前述したとおり、図５に示したようになるが、当該図の上図から分かるように、ＤＣ成分（振動数ゼロの成分）が適切に除去されない現象が発生することとなる（すなわち、図５の上図の横軸の値が０となったときの縦軸の値が０とならない）。加速度センサ３４により取得される加速度データにＤＣ成分が無ければ、当該２極のハイパスフィルタを用いても問題ないが、精度の高い加速度センサ３４ではＤＣ成分から測れる構造となっており、加速度センサ３４を置いた位置の僅かな傾斜でもＤＣ成分として現われることになる。更に、加速度センサ３４のアンプの電気的な原因でもＤＣ成分が発生する。そして、このように加速度データにＤＣ成分が存在すると、積分フィルタ処理部４２の出力である変位データにＤＣ成分が残ってしまう（なお、図４から分かるように、積分フィルタ処理部４２の出力である速度データにはＤＣ成分が残らない）。
【００６０】
これに対し、変形例に係る４極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられた場合には、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数の周波数特性は、図８（第二実施形態）、図１１（第三実施形態）に示したようになり、ＤＣ成分が適切に除去されない現象は発生しない（図８の上図、図１１の上図においては、左側の部分において、曲線が左下がりになっている点を参照）。そのため、加速度データにＤＣ成分が存在したとしても、積分フィルタ処理部４２の出力である変位データにＤＣ成分が残ってしまうことはなく、上述した問題が適切に解消されることとなる。なお、変形例に係るハイパスフィルタは４極のハイパスフィルタであったが、ハイパスフィルタが３極以上のハイパスフィルタであれば、当該３極以上のハイパスフィルタの伝達関数をｓの２乗で割った周波数特性、すなわち、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数の周波数特性は、ＤＣ成分を適切に除去する特性となる（すなわち、振動数−伝達率特性の左側の部分において、曲線が左下がりになる）。そのため、ハイパスフィルタが３極以上のハイパスフィルタの場合には、ＤＣ成分を適切に除去する効果を発揮することとなる。
【００６１】
また、第二実施形態に係る４極のハイパスフィルタと第三実施形態に係る４極のハイパスフィルタとを比較考察すると、後者は以下に説明する優位点を有している。
【００６２】
すなわち、振動の加速度と振動の変位の間の位相の実際の位相ずれは１８０度であるが、図８の下図及び図１１の下図に示されるように、無次元振動数が１０以上である振動の場合には、第二、第三実施形態のいずれにおいても、積分フィルタ処理部４２が出力する変位データの加速度データとの位相ずれは、前記実際の位相ずれ（１８０度）とほぼ同様となる（すなわち、積分フィルタ処理部４２はほぼ正しく位相をずらして変位データを出力する）。
一方で、無次元振動数が１０以上である振動よりも少し低い振動数を持つ振動（例えば、無次元振動数が１である振動）の場合には、積分フィルタ処理部４２が出力する変位データの加速度データとの位相ずれは、前記実際の位相ずれ（１８０度）とは相違することとなる。すなわち、第二実施形態においては、積分フィルタ処理部４２が出力する変位データの加速度データとの位相ずれは、前記実際の位相ずれ（１８０度）から１８０度分相違することとなり（図８の下図において、無次元振動数が１のときに位相が０度であることが、このことを示している）、また、第三実施形態においては、積分フィルタ処理部４２が出力する変位データの加速度データとの位相ずれは、前記実際の位相ずれ（１８０度）から９０度分相違することとなる（図１１の下図において、無次元振動数が１のときに位相が９０度であることが、このことを示している）。
【００６３】
そして、上記のとおり、第三実施形態に係る４極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられる場合には、第二実施形態に係る４極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられる場合よりも、無次元振動数が１０以上である振動よりも少し低い振動数を持つ振動について、積分フィルタ処理部４２が出力する変位データの加速度データとの位相ずれが実際の位相ずれと近いものとなる。そのため、４極のハイパスフィルタをカットオフ振動数が互いに異なる二つの２極のハイパスフィルタを直列に用いたフィルタとした場合には、嫌振部分１００のコントローラ４０による制御がより適切に行われることとなる（１８０度分の相違となると好ましい制御力と逆方向に力が作用し、嫌振部分１００の応答を増幅させることになるが、９０度分の相違程度であれば、その増幅を極めて小さく抑えることが可能となる）。
【００６４】
また、第二実施形態に係る４極のハイパスフィルタと第三実施形態に係る４極のハイパスフィルタとを比較考察すると、前者は以下に説明する優位点を有している。
【００６５】
すなわち、第三実施形態に係る４極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられた場合に、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数の周波数特性は、図１１に示したようになるが、当該図の上図から分かるように、無次元振動数が０．１から１の間で伝達率があまり変わらないという現象が生ずる。これに対し、第二実施形態に係る４極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられた場合に、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数の周波数特性は、図８に示したようになり、当該図の上図から分かるように、無次元振動数が０．１から１の間で伝達率が左下がりの曲線となる。すなわち、４極のハイパスフィルタをカットオフ振動数が互いに同じである二つの２極のハイパスフィルタを直列に用いたフィルタとした場合には、低い振動数成分のカットがより適切に行われることとなる。
【００６６】
＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
以上、上記実施の形態に基づき本発明に係る嫌振部分の制御装置等を説明したが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【００６７】
また、上記においては、嫌振部分１００の制御例として嫌振部分１００をアクティブ制御する例を挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、嫌振部分１００をセミアクティブ制御する例にも本発明を適用可能である。
【００６８】
また、上記においては、絶対座標系に基づいてアクティブ制御する例を挙げて説明したが、これに限定されるものではない。絶対座標系から相対座標系への変換は簡易に行えるため、例えば、相対座標系に基づいてアクティブ制御する例（アクティブ動吸振器の制御等）にも、本発明を適用可能である。
【００６９】
また、上記においては、アナログのハイパスフィルタを用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、デジタル・コントローラを用いる場合、式（１３）〜（１５）をｚ変換した形のデジタルハイパスフィルタの形で用いることが出来る。
【００７０】
また、式（１３）〜（１５）の加速度、速度、変位の出力の相互の関連性が保証された状態方程式を用いると、
【００７１】
【００７２】
の形で表される。これをデジタル系で扱う場合、これらをｚ変換した離散系の状態方程式は、
【００７３】
として表され、観測加速度をＡ／Ｄ変換した値（ｙ（ｋ）の二階微分値）と１ステップ前の状態量Ｘ（ｋ−１）用いて現在の状態量Ｘ（ｋ）が求められる。この状態量を用いて、観測加速度（ｙ（ｋ）の二階微分値）に対する式（１３）〜（１５）で定義する変位と速度、加速度の出力は、次の出力方程式を用いて、
【００７４】
【００７５】
として求められる。かかる場合には、例えば、図２において、加速度センサ３４と積分フィルタ処理部４２との間にＡ／Ｄ変換器が、アクティブ制御部４４とアクチュエータ３６との間にＤ／Ａ変換器が設けられることとなる。
【符号の説明】
【００７６】
１０ 制振装置、２０ 免震支承体、３２ ダンパ、
３４ 加速度センサ、３４ａ 第一加速度センサ、３４ｂ 第二加速度センサ、
３６ アクチュエータ、３８ バネ部材、
４０ コントローラ、４２ 積分フィルタ処理部、
４２ａ 第一積分フィルタ処理部、４２ｂ 第二積分フィルタ処理部、
４４ アクティブ制御部、
１００ 嫌振部分、１１０ 床、１１２ 一体化部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置、及び、建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を制御するコントローラを有する建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置は、既によく知られている。このような嫌振部分の制御装置としては、例えば、外力としての地震が入力されて振動する嫌振部分をアクティブ制御するコントローラを有する嫌振部分の制御装置の一例としての嫌振部分の制振装置を挙げることができる。そして、このような制御装置の中には、コントローラが、振動の速度データと変位データとに基づいて、外力が入力されて振動する嫌振部分を制御するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平７−１１２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来例に係る制御装置においては、振動の速度データを取得するための速度センサと振動の変位データを取得するための変位センサとが用意され、コントローラが、速度センサにより取得された前記速度データと変位センサにより取得された前記変位データとに基づいて、外力が入力されて振動する嫌振部分を制御していたが、このような長周期成分まで観測可能な高感度の速度センサや変位センサは設置時のバランス調整が難しく、常時バランス調整が必要であり、使い勝手が悪いという問題点が指摘されていた。更に速度センサや変位センサは観測原理に擬似的な方法を用いたものが多く、それらは真実の動きに対して周波数特性を持っており、その特性を使用者が自由に設定出来ないため、制御に用いる場合の問題点となっていた。そのため、使い勝手の良い制御装置が要請されていた。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、使い勝手の良い建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置及び建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置は、
振動の加速度データを取得するための加速度センサと、
該加速度センサにより取得された前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、
求められた該速度データと該変位データとに基づいて、建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を、制御するコントローラと、
を有することを特徴とする。
かかる場合には、使い勝手の良い建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置が実現される。
【０００７】
また、上記の嫌振部分の制御装置において、
前記ハイパスフィルタは３極以上のハイパスフィルタであることとしてもよい。
かかる場合には、変位データにＤＣ成分が残ってしまう問題が適切に解消される。
【０００８】
また、上記の嫌振部分の制御装置において、
前記３極以上のハイパスフィルタは、４極のハイパスフィルタであり、
該４極のハイパスフィルタは、カットオフ振動数が互いに同じである二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタであることとしてもよい。
かかる場合には、低い振動数成分のカットがより適切に行われることとなる。
【０００９】
また、上記の嫌振部分の制御装置において、
前記３極以上のハイパスフィルタは、４極のハイパスフィルタであり、
該４極のハイパスフィルタは、カットオフ振動数が互いに異なる二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタであることとしてもよい。
かかる場合には、変位データの加速度データとの位相ずれが実際の位相ずれと近いものとなり、嫌振部分の制御がより適切に行われることとなる。
【００１０】
次に、加速度センサが振動の加速度データを取得するステップと、
コントローラが、
前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、
求められた該速度データと該変位データとに基づいて、建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を、制御するステップと、
を有することを特徴とする建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法。
かかる場合には、使い勝手の良い建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法が実現される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、使い勝手の良い建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置等が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態に係る制御装置の一例としての制振装置１０の模式図である。
【図２】コントローラ４０等のブロック図である。
【図３】本実施の形態に係るハイパスフィルタの周波数特性を示した図である。
【図４】式（８）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【図５】式（９）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【図６】第二実施形態に係るハイパスフィルタの周波数特性を示した図である。
【図７】式（１１）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【図８】式（１２）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【図９】第三実施形態に係るハイパスフィルタの周波数特性を示した図である。
【図１０】式（１４）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【図１１】式（１５）の伝達関数の周波数特性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＝＝＝本実施の形態に係る制振装置１０について＝＝＝
＜＜＜制振装置１０の概略構成について＞＞＞
図１は、本実施の形態に係る制御装置の一例としての制振装置１０（なお、制振装置とは、広義の制振装置であり、所謂免震装置をも含む概念である）の模式図である。制振装置１０は、免震支承体２０と、ダンパ３２と、加速度センサ３４と、アクチュエータ３６と、コントローラ４０と、を備えている。
【００１４】
免震支承体２０は、建造物の中に設けられた嫌振部分（以下、単に、嫌振部分１００と呼ぶ）と床１１０との間に設置され、その上面に嫌振部分１００が載置されることにより嫌振部分１００を支持して、該嫌振部分１００の固有周期を本来の固有周期よりも長周期化するものである。本実施形態の免震支承体２０は、バネ支承体の一例としての積層ゴムであり、嫌振部分１００の直下に複数設置されている。複数の積層ゴムの各々は、比較的低剛性であり、地震動が発生したときに、水平方向において上面（嫌振部分１００の支持面）及び下面（床１１０との接地面）の各々の位置が互いにずれるように弾性変形しながら嫌振部分１００を支持する。なお、免震支承体２０については積層ゴムに限定されず、積層ゴム以外のバネ支承体、滑り支承体、ベアリング等を利用してもよい。
【００１５】
ダンパ３２は、水平方向に沿って伸縮自在であり、伸縮して嫌振部分１００に減衰力を付加する減衰力付与機構である。このダンパ３２は、床１１０上に固定され該床１１０と一体化された一体化部材１１２と嫌振部分１００との間に設けられ、水平方向一端部（すなわち、伸縮方向一端部）が一体化部材１１２に固定され、水平方向他端部（すなわち、伸縮方向他端部）が嫌振部分１００に固定されている。この本実施形態のダンパ３２は、オイルダンパであり、固有のダンパ特性（例えば、減衰係数）を有する所謂パッシブダンパである。なお、ダンパ３２は、オイルダンパに限定されるものではなく、伸縮して減衰力を発生するものであれば他のダンパ（例えば、粘性体ダンパや摩擦ダンパ）も利用可能である。
【００１６】
加速度センサ３４は、振動の加速度データを取得するためのものである。本実施の形態においては、加速度センサ３４として、床１１０の振動の加速度データを取得するための第一加速度センサ３４ａと嫌振部分１００の振動の加速度データを取得するための第二加速度センサ３４ｂとが備えられている。
【００１７】
アクチュエータ３６は、床１１０と嫌振部分１００とにバネ部材３８を介して固定され、該嫌振部分１００の底部に対して制振力を付加して該嫌振部分１００の振動を制振する。このアクチュエータ３６は、水平方向に変位自在なロッドを備え、該ロッドを水平方向に沿って油圧駆動する（つまり、ロッドのストロークが変わるようにロッドを駆動する）。なお、バネ部材３８は、ロッドの先端部と嫌振部分１００との間に備えられている。
【００１８】
コントローラ４０は、外力（地震）が入力されて振動する嫌振部分１００を、アクチュエータ３６を介して制御する（すなわち、アクチュエータ３６のロッドのストロークを変えることにより嫌振部分１００を制御する）ためのものである。このコントローラ４０については、後に詳述する。
【００１９】
そして、上記構成を有する制振装置１０は、嫌振部分１００の振動をアクティブ制御により制振するが、当該制振装置１０におけるアクティブ制御においては、振動の速度データと変位データとに基づいて、嫌振部分１００が制御されることとなる。次項においては、このことについて詳細に説明する。
【００２０】
なお、建造物の中に設けられた嫌振部分（嫌振部分１００）としては、病院内の手術室、半導体等の精密部品工場内の製造室、建造物内の発電機室、建造物内のコンピュータールーム、建造物内の美術品等重要物の展示室、展示台、展示ケース等を挙げることができる。しかしながら、これらに限定されるものではない。
【００２１】
＜＜＜本実施の形態に係る制振装置１０におけるアクティブ制御について＞＞＞
ここでは、本実施の形態に係る制振装置１０におけるアクティブ制御について説明する（具体的には、振動の速度データと変位データとに基づいて、どのようにアクチュエータ３６のロッドのストロークを変えるかについて説明する）。
【００２２】
先ず、嫌振部分１００の運動方程式（ここでは、嫌振部分１００を多質点系モデルと捉えているため、行列による表現となっている）を床１１０に対する相対座標系で表すと、以下の式（１）となる。
【数１】
【００２３】
そして、これを、絶対座標系で嫌振部分１００の底部に制御力（アクティブ力）Ｆを加えた形で、絶対応答成分を用いた表記で表すと、以下の式（２）となる。
【数２】
【００２４】
ここで、制御力（アクティブ力）Ｆは、バネ部材３８のバネ剛性ｋｓ、アクチュエータ３６の変位量ｚ、免震層の相対変位ｘ１を用いて、以下の式（３）で表されるので、
【数３】
【００２５】
式（２）に式（３）を代入することにより、式（２）は以下の式（４）のように表される。
【数４】
【００２６】
そして、式（４）の右辺の外力項をゼロとするアクチュエータ３６の変位量ｚは、以下の式（５）のように表される。
【数５】
【００２７】
上記式（５）による制御は、床１１０の振動の速度データ（式（５）におけるｙの微分値に相当）と変位データ（式（５）におけるｙに相当）を取得して、嫌振部分１００に床１１０の振動の外力が入る前にそれを打ち消す制御であり、フィードフォワード制御と呼ばれる。しかしながら、床１１０の振動の速度データと変位データの取得誤差、係数ｋｏ、ｃｏ、ｋｓの誤差、油圧駆動によるアクチュエータ３６の特性等により、入力成分を完全に打ち消すことができない。そのため、当該フィードフォワード制御の誤差によって励起された絶対応答速度成分を取得して,それを即座に吸収する制御を行うことになる。この方法は制御結果を制御に用いることになるため、フィードバック制御と呼ばれる。特にこの絶対応答速度をフィードバック制御に用いた効果は、空中の絶対空間に設置されたダンパによる効果と同じであるため、一般的にスカイフックダンパとして呼ばれる。
【００２８】
入力遮断を目指す式（５）のフィードフォワード制御に、スカイフックダンパの効果を期待するフィードバック制御を併用する場合のアクチュエータ３６への指令は、以下の式（６）のようになる。
【数６】
【００２９】
本実施の形態に係る制振装置１０は、上述したフィードフォワード制御とフィードバック制御を併用し、式（６）に基づいてアクティブ制御を行う。すなわち、制振装置１０は、振動の速度データ（式（６）におけるｙの微分値及びｘ１の微分値に相当）と変位データ（式（６）におけるｙに相当）とに基づいて、アクチュエータ３６のロッドのストロークを変えることにより、嫌振部分１００をアクティブ制御する。
【００３０】
＜＜＜本実施の形態に係るコントローラ４０について＞＞＞
上述したとおり、アクティブ制御においては、地震が入力されて振動する嫌振部分１００が、振動の速度データと変位データとに基づいて制御される。このようなアクティブ制御について、典型的な例においては（例えば、従来の例においては）、振動の速度データを取得するための速度センサと振動の変位データを取得するための変位センサとが用意され、速度センサにより取得された速度データと変位センサにより取得された変位データとに基づいて嫌振部分の制御が実行される。
【００３１】
これに対し、本実施の形態においては、速度センサ及び変位センサのいずれもが用意されず、これらの代わりに加速度センサ３４のみが用意される。そして、コントローラ４０内で、加速度センサ３４により取得された加速度データに対して積分処理が行われて振動の速度データ及び変位データが求められ、求められた速度データと変位データとに基づいて、嫌振部分１００の制御が実行される。また、加速度データに対しては、前記積分処理のみならずハイパスフィルタによるフィルタ処理も行われる（加速度データに対しフィルタ処理を行ってから積分処理を行ってもよいし、積分処理を行ってからフィルタ処理を行ってもよいし、双方を同時に行ってもよい。本実施の形態においては、双方を同時に行う）。
【００３２】
以下、上記（主としてコントローラ４０の処理）について、図２を用いて詳細に説明する。図２は、コントローラ４０等のブロック図である。
【００３３】
コントローラ４０は、積分フィルタ処理部４２とアクティブ制御部４４とを備えている。
【００３４】
積分フィルタ処理部４２は、加速度センサ３４により取得された振動の加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って振動の速度データと変位データを求める部分である。なお、上述したとおり、本実施の形態においては、フィルタ処理及び積分処理を同時に行うため、当該処理を、便宜上、積分フィルタ処理と呼んでいる。
【００３５】
この積分フィルタ処理部４２は、第一積分フィルタ処理部４２ａと第二積分フィルタ処理部４２ｂを備えている。第一積分フィルタ処理部４２ａは、前述した第一加速度センサ３４ａにより取得された振動の加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って振動の速度データと変位データを求める部分であり、第二積分フィルタ処理部４２ｂは、前述した第二加速度センサ３４ｂにより取得された振動の加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って振動の速度データを求める部分である。本実施の形態においては、第一積分フィルタ処理部４２ａと第二積分フィルタ処理部４２ｂが、基本的に同じ処理を行う（ハイパスフィルタのフィルタ特性も、１階積分により速度データを算出することも、同じである）が、第一積分フィルタ処理部４２ａが２階積分により変位データを算出するのに対し、第二積分フィルタ処理部４２ｂは変位データを算出しない（何故ならば、前述した式（６）には、ｙとｙの微分値とｘ１の微分値が存在するがｘ１が存在しないため、嫌振部分１００の振動の加速度データを取得するための第二加速度センサ３４ｂにより取得された加速度データから変位データを算出する必要がないからである）。この点で、第一積分フィルタ処理部４２ａと第二積分フィルタ処理部４２ｂは異なっている。
【００３６】
また、単に積分処理を行うのではなく、ハイパスフィルタによるフィルタ処理も行う理由について説明すると、算出される速度データや変位データに誤差が生じないようにするためである。すなわち、加速度センサ３４は地震による振動とは無関係な低い振動数成分（電気的なノイズ等が原因となって発生するものである）を誤差成分として出力してしまい、仮にハイパスフィルタによるフィルタ処理が行われずに積分処理が行われるとすると、積分処理により前記誤差成分が累積して積分処理により算出された速度データや変位データに大きな誤差（つまり、本来の速度データや変位データとの偏差）が生じてしまう。そのため、地震による振動とは無関係な低い振動数成分をハイパスフィルタによるフィルタ処理によりカットすれば、算出される速度データや変位データに誤差が生じないようにすることが可能となる。
【００３７】
なお、本実施の形態においては、ハイパスフィルタとして２極のハイパスフィルタを用いる。当該２極のハイパスフィルタは、以下の式（７）の伝達関数により表される。
【数７】
【００３８】
また、当該フィルタ（伝達関数）の周波数特性を図３に示す。図３の上図が、横軸にとった振動数と縦軸にとった伝達率（ゲイン）との関係を示した図であり、図３の下図が、横軸にとった振動数と縦軸にとった位相との関係を示した図である。なお、横軸には、振動数として、無次元化された振動数が表されている。また、上図及び下図の各々において、４つの曲線が表されているが、これらの曲線は、それぞれ減衰比ｈを０．１、０．３．０．５、０．７としたときの周波数特性である。
【００３９】
そして、本実施の形態においては、想定される地震の振動数成分等の情報に基づいて、適宜、式（７）の伝達関数により表される２極のハイパスフィルタの減衰比ｈやカットオフ周波数ｗｏが調整されることとなる（すなわち、図３からも明らかなように、式（７）の伝達関数により表される２極のハイパスフィルタの周波数特性は、減衰比ｈやカットオフ振動数ｗｏが変更されると、変わることとなる）。
【００４０】
また、振動の速度データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（７）の伝達関数をｓで割った（１階積分した）ものとなるため、以下の式（８）により表され、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（７）の伝達関数をｓの２乗で割った（２階積分した）ものとなるため、以下の式（９）により表される。
【数８】
【数９】
【００４１】
また、式（８）の伝達関数の周波数特性と式（９）の伝達関数の周波数特性は、それぞれ図４及び図５に表された特性となる。
【００４２】
すなわち、図２のブロック図において、加速度データを入力、速度データを出力としたときの積分フィルタ処理部４２（第一積分フィルタ処理部４２ａ、第二積分フィルタ処理部４２ｂ）の伝達関数は式（８）により表され、その周波数特性は図４において描かれた曲線となる。同様に、図２のブロック図において、加速度データを入力、変位データを出力としたときの積分フィルタ処理部４２（第一積分フィルタ処理部４２ａ）の伝達関数は式（９）により表され、その周波数特性は図５において描かれた曲線となる。
【００４３】
アクティブ制御部４４は、積分フィルタ処理部４２により求められた速度データと変位データに基づいて、外力（地震）が入力されて振動する嫌振部分１００を制御する部分である。このアクティブ制御部４４は、既に説明したとおり、フィードフォワード制御とフィードバック制御を併用し、式（６）に基づいてアクティブ制御を行う。すなわち、アクティブ制御部４４は、第一積分フィルタ処理部４２ａ及び第二積分フィルタ処理部４２ｂにより求められた速度データ（式（６）におけるｙの微分値及びｘ１の微分値に相当）と第一積分フィルタ処理部４２ａにより求められた変位データ（式（６）におけるｙに相当）とに基づいて、アクチュエータ３６のロッドのストロークを変えることにより、嫌振部分１００をアクティブ制御する。
【００４４】
このように、本実施の形態に係る嫌振部分１００の制振装置１０は、振動の加速度データを取得するための加速度センサ３４と、該加速度センサ３４により取得された前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、求められた該速度データと該変位データとに基づいて、外力（地震）が入力されて振動する嫌振部分１００を制御するコントローラ４０と、を有している。そして、このことにより、使い勝手のよい制振装置１０を実現することが可能となる。
【００４５】
上記につき、本実施の形態に係る制振装置１０と比較例に係る制振装置とを比較しながら説明する。比較例に係る制振装置は、前述した典型的な例であり、コントローラが速度データと変位データとに基づいて外力（地震）が入力されて振動する嫌振部分を制御する点について、本実施の形態に係る制振装置１０と同様である。しかしながら、コントローラが速度データや変位データを求めるようなことは行わない。すなわち、比較例に係る制振装置においては、振動の速度データを取得するための速度センサと振動の変位データを取得するための変位センサとが用意され、速度センサにより取得された速度データと変位センサにより取得された変位データとに基づいて嫌振部分の制御が実行される。そして、このような比較例に係る制振装置は、以下で説明する問題点を内包していた。
【００４６】
すなわち、嫌振部分の制御装置（制振装置）用に使用可能な（また、使用されてきた）変位センサ及び速度センサは非常に高価であり、また、変位センサ及び速度センサという２つのセンサを用意しなければならないという問題もあった。さらに、２つのセンサを用意すれば、その分の（センサの台数分の）配線（コントローラからセンサまでの電気配線）を確保する必要があった。特に、制御の対象物が嫌振部分であるため、当該配線の長さは大変長くなり、センサの台数分の配線を確保することの問題点は非常に大きいものであった。このように、比較例に係る制振装置は、（コスト的な意味において）非常に使い勝手の悪いシステムであった。
【００４７】
また、嫌振部分の制御装置（制振装置）用に使用可能な（また、使用されてきた）変位センサ及び速度センサには、ハイパスフィルタが組み込まれており、地震による振動とは無関係な低い振動数成分を誤差成分として出力してしまうことが適切に防止されていたが、当該ハイパスフィルタの特性はブラックボックスであり、ユーザが知る術がなかった。さらに、ハイパスフィルタのパラメータ（減衰比ｈやカットオフ振動数ｗｏ）を調整することもできなかった。そのため、想定される地震の振動数成分等の情報に基づいて、最適なパラメータを備える変位センサ及び速度センサを選択したり、パラメータを最適値に変えたりすることができず、非常に使い勝手の悪いものであった。
【００４８】
これに対し、本実施の形態に係る制振装置１０においては、前記変位センサ及び前記速度センサの代わりに安価な加速度センサ３４が使用され、用意するセンサが一つで済む。そして、前述した配線の問題も顕著に軽減されることになる。このように、本実施の形態に係る制振装置１０は、（コスト的な意味において）非常に使い勝手の良いシステムとなる。
【００４９】
また、ハイパスフィルタによるフィルタ処理をコントローラ４０内で行うこととしたため、ハイパスフィルタのパラメータ（減衰比ｈやカットオフ振動数ｗｏ）を自由に調整することが可能となる。そのため、想定される地震の振動数成分等の情報に基づいて、パラメータを最適値に変えることが可能となり、非常に使い勝手の良いものとなる。
【００５０】
＝＝＝変形例に係る制振装置１０について＝＝＝
ここでは、前述した制振装置１０の変形例について、二つの例を挙げて説明する。以下、前述した制振装置１０を第一実施形態に係る制振装置１０、変形例に係る制振装置１０を第二実施形態に係る制振装置１０及び第三実施形態に係る制振装置１０とも呼ぶ。
【００５１】
第一実施形態に係る制振装置１０と変形例に係る制振装置１０との相違点は、コントローラ４０の積分フィルタ処理部４２におけるハイパスフィルタが異なる点にある。すなわち、第一実施形態に係るハイパスフィルタは２極のハイパスフィルタであったが、変形例に係るハイパスフィルタは４極のハイパスフィルタとなっている。以下、変形例に係るハイパスフィルタについて、具体的に、第二実施形態に係るハイパスフィルタ、第三実施形態に係るハイパスフィルタの順に説明する。
【００５２】
第二実施形態に係るハイパスフィルタ（４極のハイパスフィルタ）は、カットオフ振動数が互いに同じである二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタである。すなわち、当該４極のハイパスフィルタは、以下の式（１０）の伝達関数により表され、式（１０）の伝達関数の周波数特性は、図６に表された特性となる。
【数１０】
【００５３】
また、振動の速度データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（１０）の伝達関数をｓで割った（１階積分した）ものとなるため、以下の式（１１）により表され、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（１０）の伝達関数をｓの２乗で割った（２階積分した）ものとなるため、以下の式（１２）により表される。
【数１１】
【数１２】
【００５４】
また、式（１１）の伝達関数の周波数特性と式（１２）の伝達関数の周波数特性は、それぞれ図７及び図８に表された特性となる。
【００５５】
一方、第三実施形態に係るハイパスフィルタ（４極のハイパスフィルタ）は、カットオフ振動数が互いに異なる（本実施の形態においては、一方のカットオフ振動数が他方のカットオフ振動数の１０倍）二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタである。すなわち、当該４極のハイパスフィルタは、以下の式（１３）の伝達関数により表され、式（１３）の伝達関数の周波数特性は、図９に表された特性となる。
【数１３】
【００５６】
また、振動の速度データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（１３）の伝達関数をｓで割った（１階積分した）ものとなるため、以下の式（１４）により表され、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数は、式（１３）の伝達関数をｓの２乗で割った（２階積分した）ものとなるため、以下の式（１５）により表される。
【数１４】
【数１５】
【００５７】
また、式（１４）の伝達関数の周波数特性と式（１５）の伝達関数の周波数特性は、それぞれ図１０及び図１１に表された特性となる。
【００５８】
ここで、第一実施形態に係る２極のハイパスフィルタと変形例に係る４極のハイパスフィルタとを比較考察すると、後者は以下に説明する優位点を有している。
【００５９】
すなわち、第一実施形態に係る２極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられた場合に、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数の周波数特性は、前述したとおり、図５に示したようになるが、当該図の上図から分かるように、ＤＣ成分（振動数ゼロの成分）が適切に除去されない現象が発生することとなる（すなわち、図５の上図の横軸の値が０となったときの縦軸の値が０とならない）。加速度センサ３４により取得される加速度データにＤＣ成分が無ければ、当該２極のハイパスフィルタを用いても問題ないが、精度の高い加速度センサ３４ではＤＣ成分から測れる構造となっており、加速度センサ３４を置いた位置の僅かな傾斜でもＤＣ成分として現われることになる。更に、加速度センサ３４のアンプの電気的な原因でもＤＣ成分が発生する。そして、このように加速度データにＤＣ成分が存在すると、積分フィルタ処理部４２の出力である変位データにＤＣ成分が残ってしまう（なお、図４から分かるように、積分フィルタ処理部４２の出力である速度データにはＤＣ成分が残らない）。
【００６０】
これに対し、変形例に係る４極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられた場合には、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数の周波数特性は、図８（第二実施形態）、図１１（第三実施形態）に示したようになり、ＤＣ成分が適切に除去されない現象は発生しない（図８の上図、図１１の上図においては、左側の部分において、曲線が左下がりになっている点を参照）。そのため、加速度データにＤＣ成分が存在したとしても、積分フィルタ処理部４２の出力である変位データにＤＣ成分が残ってしまうことはなく、上述した問題が適切に解消されることとなる。なお、変形例に係るハイパスフィルタは４極のハイパスフィルタであったが、ハイパスフィルタが３極以上のハイパスフィルタであれば、当該３極以上のハイパスフィルタの伝達関数をｓの２乗で割った周波数特性、すなわち、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数の周波数特性は、ＤＣ成分を適切に除去する特性となる（すなわち、振動数−伝達率特性の左側の部分において、曲線が左下がりになる）。そのため、ハイパスフィルタが３極以上のハイパスフィルタの場合には、ＤＣ成分を適切に除去する効果を発揮することとなる。
【００６１】
また、第二実施形態に係る４極のハイパスフィルタと第三実施形態に係る４極のハイパスフィルタとを比較考察すると、後者は以下に説明する優位点を有している。
【００６２】
すなわち、振動の加速度と振動の変位の間の位相の実際の位相ずれは１８０度であるが、図８の下図及び図１１の下図に示されるように、無次元振動数が１０以上である振動の場合には、第二、第三実施形態のいずれにおいても、積分フィルタ処理部４２が出力する変位データの加速度データとの位相ずれは、前記実際の位相ずれ（１８０度）とほぼ同様となる（すなわち、積分フィルタ処理部４２はほぼ正しく位相をずらして変位データを出力する）。
一方で、無次元振動数が１０以上である振動よりも少し低い振動数を持つ振動（例えば、無次元振動数が１である振動）の場合には、積分フィルタ処理部４２が出力する変位データの加速度データとの位相ずれは、前記実際の位相ずれ（１８０度）とは相違することとなる。すなわち、第二実施形態においては、積分フィルタ処理部４２が出力する変位データの加速度データとの位相ずれは、前記実際の位相ずれ（１８０度）から１８０度分相違することとなり（図８の下図において、無次元振動数が１のときに位相が０度であることが、このことを示している）、また、第三実施形態においては、積分フィルタ処理部４２が出力する変位データの加速度データとの位相ずれは、前記実際の位相ずれ（１８０度）から９０度分相違することとなる（図１１の下図において、無次元振動数が１のときに位相が９０度であることが、このことを示している）。
【００６３】
そして、上記のとおり、第三実施形態に係る４極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられる場合には、第二実施形態に係る４極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられる場合よりも、無次元振動数が１０以上である振動よりも少し低い振動数を持つ振動について、積分フィルタ処理部４２が出力する変位データの加速度データとの位相ずれが実際の位相ずれと近いものとなる。そのため、４極のハイパスフィルタをカットオフ振動数が互いに異なる二つの２極のハイパスフィルタを直列に用いたフィルタとした場合には、嫌振部分１００のコントローラ４０による制御がより適切に行われることとなる（１８０度分の相違となると好ましい制御力と逆方向に力が作用し、嫌振部分１００の応答を増幅させることになるが、９０度分の相違程度であれば、その増幅を極めて小さく抑えることが可能となる）。
【００６４】
また、第二実施形態に係る４極のハイパスフィルタと第三実施形態に係る４極のハイパスフィルタとを比較考察すると、前者は以下に説明する優位点を有している。
【００６５】
すなわち、第三実施形態に係る４極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられた場合に、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数の周波数特性は、図１１に示したようになるが、当該図の上図から分かるように、無次元振動数が０．１から１の間で伝達率があまり変わらないという現象が生ずる。これに対し、第二実施形態に係る４極のハイパスフィルタが積分フィルタ処理部４２に用いられた場合に、振動の変位データの振動の加速度データに対する伝達関数の周波数特性は、図８に示したようになり、当該図の上図から分かるように、無次元振動数が０．１から１の間で伝達率が左下がりの曲線となる。すなわち、４極のハイパスフィルタをカットオフ振動数が互いに同じである二つの２極のハイパスフィルタを直列に用いたフィルタとした場合には、低い振動数成分のカットがより適切に行われることとなる。
【００６６】
＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
以上、上記実施の形態に基づき本発明に係る嫌振部分の制御装置等を説明したが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【００６７】
また、上記においては、嫌振部分１００の制御例として嫌振部分１００をアクティブ制御する例を挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、嫌振部分１００をセミアクティブ制御する例にも本発明を適用可能である。
【００６８】
また、上記においては、絶対座標系に基づいてアクティブ制御する例を挙げて説明したが、これに限定されるものではない。絶対座標系から相対座標系への変換は簡易に行えるため、例えば、相対座標系に基づいてアクティブ制御する例（アクティブ動吸振器の制御等）にも、本発明を適用可能である。
【００６９】
また、上記においては、アナログのハイパスフィルタを用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、デジタル・コントローラを用いる場合、式（１３）〜（１５）をｚ変換した形のデジタルハイパスフィルタの形で用いることが出来る。
【００７０】
また、式（１３）〜（１５）の加速度、速度、変位の出力の相互の関連性が保証された状態方程式を用いると、
【００７１】
【００７２】
の形で表される。これをデジタル系で扱う場合、これらをｚ変換した離散系の状態方程式は、
【００７３】
として表され、観測加速度をＡ／Ｄ変換した値（ｙ（ｋ）の二階微分値）と１ステップ前の状態量Ｘ（ｋ−１）用いて現在の状態量Ｘ（ｋ）が求められる。この状態量を用いて、観測加速度（ｙ（ｋ）の二階微分値）に対する式（１３）〜（１５）で定義する変位と速度、加速度の出力は、次の出力方程式を用いて、
【００７４】
【００７５】
として求められる。かかる場合には、例えば、図２において、加速度センサ３４と積分フィルタ処理部４２との間にＡ／Ｄ変換器が、アクティブ制御部４４とアクチュエータ３６との間にＤ／Ａ変換器が設けられることとなる。
【符号の説明】
【００７６】
１０ 制振装置、２０ 免震支承体、３２ ダンパ、
３４ 加速度センサ、３４ａ 第一加速度センサ、３４ｂ 第二加速度センサ、
３６ アクチュエータ、３８ バネ部材、
４０ コントローラ、４２ 積分フィルタ処理部、
４２ａ 第一積分フィルタ処理部、４２ｂ 第二積分フィルタ処理部、
４４ アクティブ制御部、
１００ 嫌振部分、１１０ 床、１１２ 一体化部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動の加速度データを取得するための加速度センサと、
該加速度センサにより取得された前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、
求められた該速度データと該変位データとに基づいて、建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を、制御するコントローラと、
を有することを特徴とする建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の制御装置において、
前記ハイパスフィルタは３極以上のハイパスフィルタであることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の制御装置において、
前記３極以上のハイパスフィルタは、４極のハイパスフィルタであり、
該４極のハイパスフィルタは、カットオフ振動数が互いに同じである二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタであることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項２に記載の制御装置において、
前記３極以上のハイパスフィルタは、４極のハイパスフィルタであり、
該４極のハイパスフィルタは、カットオフ振動数が互いに異なる二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタであることを特徴とする制御装置。
【請求項５】
加速度センサが振動の加速度データを取得するステップと、
コントローラが、
前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、
求められた該速度データと該変位データとに基づいて、建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を、制御するステップと、
を有することを特徴とする建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法。
【請求項１】
振動の加速度データを取得するための加速度センサと、
該加速度センサにより取得された前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、
求められた該速度データと該変位データとに基づいて、建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を、制御するコントローラと、
を有することを特徴とする建造物の中に設けられた嫌振部分の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の制御装置において、
前記ハイパスフィルタは３極以上のハイパスフィルタであることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の制御装置において、
前記３極以上のハイパスフィルタは、４極のハイパスフィルタであり、
該４極のハイパスフィルタは、カットオフ振動数が互いに同じである二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタであることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項２に記載の制御装置において、
前記３極以上のハイパスフィルタは、４極のハイパスフィルタであり、
該４極のハイパスフィルタは、カットオフ振動数が互いに異なる二つの２極のハイパスフィルタを、直列に用いたフィルタであることを特徴とする制御装置。
【請求項５】
加速度センサが振動の加速度データを取得するステップと、
コントローラが、
前記加速度データに対してハイパスフィルタによるフィルタ処理及び積分処理を行って前記振動の速度データと変位データを求め、
求められた該速度データと該変位データとに基づいて、建造物の中に設けられた、外力が入力されて振動する嫌振部分を、制御するステップと、
を有することを特徴とする建造物の中に設けられた嫌振部分の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−３６９１３（Ｐ２０１２−３６９１３Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７４６５３（Ｐ２０１０−１７４６５３）
【出願日】平成２２年８月３日（２０１０．８．３）
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３日（２０１０．８．３）
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【Ｆターム（参考）】
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