JP2011144892A

JP2011144892A - 制振装置

Info

Publication number: JP2011144892A
Application number: JP2010006960A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Suzuki; 重信鈴木; Yuji Kobayashi; 裕二小林
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】減衰機構によって吸収された質量体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換して電気資源として有効活用することができる制振装置を提供することを目的とする。
【解決手段】制振対象物と分離して配設された質量体２と、質量体２を制振対象物Ｘに対して相対変位可能に支持する支持機構３と、質量体２と制振対象物Ｘとの相対変位を減衰させる減衰機構４と、を備える制振装置１において、減衰機構４には、質量体２に固定された第一固定部４０と、制振構造物Ｘに固定された第二固定部４１と、第一固定部４０と第二固定部４１との間に介装された減衰体４２と、が備えられ、減衰体４２が、質量体２と制振対象物Ｘとの相対変位に伴い伸縮変形する可撓性を有する誘電性基体と、誘電性基体の両面にそれぞれ積層された一対の電極と、を備え、誘電性基体の伸縮変形によって一対の電極から電気エネルギーが発生する発電性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マスダンパー型の制振装置に関する。

この種の制振装置として、従来、例えば下記特許文献１に記載されているような、制振対象物と分離して配設された質量体と、その質量体を制振対象物に対して相対的に変位可能に支持する支持機構と、質量体と制振対象物との相対変位を減衰させる減衰機構と、を備えるＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー）が提供されている。この制振装置（ＴＭＤ）は、主に高層ビルやタワー型等の構造物に設置される装置であり、風荷重による振動を抑えるのに効果的である。上記した質量体としては、例えば水槽等の屋上設置物や鋼材等があり、また、上記した支持装置としては、例えば積層ゴムやコイルバネなどがあり、また、上記した減衰機構としては、例えばオイルダンパーや粘弾性体ダンパーなどがある。

上記した制振装置（ＴＭＤ）によれば、制振対象物への入力振動に応答して質量体が慣性によって振動する。このとき、質量体の振動の周期と入力振動の周期とが一致すると、質量体による慣性質量効果によって制振対象物への入力振動エネルギーが吸収され、制振対象物の応答振動を低減させることができる。また、上記した減衰機構によって質量体の振動エネルギーを吸収して質量体の振動を減衰させることができる。

特開平４−８３０７０号公報

ところで、近年のエネルギー問題を鑑みて、上記した減衰機構によって吸収される振動エネルギーを有効活用する要望がある。特に、上記した制振装置では、主に風荷重による構造物の振動を抑える働きがあり、日常的に質量体が振動しているため、その振動エネルギーの有効活用を図る意義は大きい。

本発明は、上記した要望に応えるものであり、地震動や風荷重による入力振動に対する制振対象物の応答振動を低減させると共に、減衰機構によって吸収された質量体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換して電気資源として有効活用することができる制振装置を提供することを目的としている。

本発明に係る制振装置は、制振対象物と分離して配設された質量体と、該質量体を前記制振対象物に対して相対変位可能に支持する支持機構と、前記質量体と前記制振対象物との相対変位を減衰させる減衰機構と、を備える制振装置において、前記減衰機構には、前記質量体に固定された第一固定部と、前記制振構造物に固定された第二固定部と、前記第一固定部と前記第二固定部との間に介装された減衰体と、が備えられており、該減衰体が、前記質量体と前記制振対象物との相対変位に伴い伸縮変形する可撓性を有する誘電性基体と、該誘電性基体の両面にそれぞれ積層された一対の電極と、を備え、前記誘電性基体の伸縮変形によって前記一対の電極から電気エネルギーが発生する発電性を有していることを特徴としている。

このような特徴により、地震動や風荷重等による振動が制振対象物に入力されると、その入力振動に応答して質量体が相対的に振動する。このとき、質量体の振動の周期と入力振動の周期とが一致すると、質量体による慣性質量効果によって制振対象物への入力振動エネルギーが吸収される。

また、質量体と制振対象物との相対変位に伴い減衰機構の減衰体が伸縮変形することで、質量体の振動エネルギーが吸収されて質量体の振動が減衰する。このとき、減衰体の伸張変形に伴い減衰体の誘電性基体の表面積が拡大すると共に誘電性基体の厚さが薄くなって一対の電極間の距離が狭くなる。これにより、一対の電極上に、誘電性基体の表面積の大きさに比例した電荷が出現する。続いて、伸張変形した減衰体が収縮して元の形状に戻ると、誘電性基体の表面積が縮小するとともに一対の電極間の距離が拡がる。その結果、誘電性基体上の電荷の間隔が狭くなると共にそれらの電荷が押し出され、電気エネルギーとして放出される。

また、本発明に係る制振装置は、前記一対の電極に電気的に接続された蓄電池設備が備えられていることが好ましい。
これにより、減衰体において発生した上記した電気エネルギーが蓄電池設備に蓄電される。

本発明に係る制振装置によれば、質量体による慣性質量効果によって制振対象物への入力振動エネルギーが吸収されるので、制振対象物の応答振動を低減させることができる。
また、質量体と制振対象物との相対変位に伴う減衰体の伸張変形によって当該減衰体から電気エネルギーが発生するので、減衰機構によって吸収された質量体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換して電気資源として有効活用することができる。

本発明の実施の形態を説明するための制振装置の側面図である。本発明の実施の形態を説明するための減衰機構の破断斜視図である。本発明の実施の形態を説明するための減衰機構の拡大断面図である。本発明の変形例を説明するための減衰機構の破断斜視図である。

以下、本発明に係る制振装置の実施の形態について、図面に基いて説明する。

図１に示すように、制振装置１は、制振対象物Ｘに入力された振動エネルギーを質量体２の慣性質量効果によって吸収するマスダンパー型の制振装置である。この制振装置１の概略構成としては、制振対象物Ｘと分離して配設された質量体２と、質量体２を制振対象物Ｘに対して相対的に水平方向に変位可能に支持する支持機構３と、質量体２と制振対象物Ｘとの相対変位を減衰させる減衰機構４と、を備えている。なお、上記した制振対象物Ｘは、高層ビルやタワー等の構造物である。

質量体２は、制振対象物Ｘの振動を慣性質量効果によって吸収することが可能な程度の重量を持つものであり、例えば、金属やコンクリート塊等からなる錘を質量体２として設けてもよく、或いは、重量のある機器や設備などを質量体２としてもよく、或いは、水等を貯留する貯水タンクを質量体２としてもよい。また、質量体２は、制振対象物Ｘの屋上の他に、制振対象物Ｘの中間層などにも配置することが可能である。

支持機構３は、複数の多段積層体３０からなるばね要素であり、質量体２と制振対象物Ｘとの間に介装されている。詳しく説明すると、上記した多段積層体３０は、水平方向にせん断変形可能な複数の積層体３１が安定板３２を介して複数段に積層された構成からなり、各段にそれぞれ複数の積層体３１が配設されている。積層体３１は、ゴム等からなる軟質板と鋼板等からなる硬質板を交互に複数積層させた積層構造の柱状体であり、鉛直剛性が高くて鉛直方向に沈みにくく、且つ水平剛性が低くて水平方向にせん断変形しやすくなっている。

減衰機構４は、弾性変形可能な減衰体４２を伸縮させることでエネルギーを吸収するダンパーであり、質量体２と制振対象物Ｘとの間に介装されている。詳しく説明すると、図１、図２に示すように、減衰機構４には、質量体２に固定された第一固定部４０と、制振対象物Ｘに固定された第二固定部４１と、第一固定部４０と第二固定部４１との間に介装された減衰体４２と、が備えられている。

第一固定部４０は、質量体２の下面から垂下された略円柱形状の柱状部である。第二固定部４１は、制振対象物Ｘに立設された円筒形状の周壁部であり、この第二固定部４１の内側に、上記した第一固定部４０の先端部（下端部）が挿入されている。上記した第一固定部４０及び第二固定部４１は鉛直方向に延在する中心軸線Ｏを共通軸にして同軸上に配設されており、第一固定部４０は第二固定部４１の中心部分に配設されている。

減衰体４２は、第一固定部４０と第二固定部４１との間に全周に亘って形成された平面視円環状の板状部材であり、上記した中心軸線Ｏに対して垂直に配設されている。この減衰体４２の内縁は、上記した第一固定部４０の外周面に固定されており、減衰体４２の外縁は、上記した第二固定部４１の内周面に固定されている。

上記した減衰体４２は、電極間に誘電体が挟まれたコンデンサーと同様な構造であり、その概略構成としては、図３に示すように、第一固定部４０（質量体２）と第二固定部４１（制振対象物Ｘ）との相対的な水平変位に伴い弾性的に伸縮変形する可撓性を有するシート状の誘電性基体４３と、その誘電性基体４３の両面にそれぞれ積層された一対の電極４４、４５と、を備えたサンドイッチ構造を成している。

誘電性基体４３は、電歪ポリマーからなる伸縮可能な板部であり、板面方向に伸張すると板厚方向に縮小し、板面方向に収縮すると板厚方向に拡大する。具体的には、誘電性基体４３は、例えばアクリルやウレタン、シリコンなどの弾性変形可能な誘電エラストマーからなる誘電体膜である。

電極４４、４５は、誘電性基体４３の両面全体を被覆する導電性膜である。この電極４４、４５は、可撓性を有する柔軟な電極であり、誘電性基体４３の伸縮に追従して伸縮変形可能である。具体的には、電極４４、４５は、例えば導電性グリスや、ポリマー材料等に炭素粉末を混合したものからなる。

また、上記した減衰体４２は、制振対象物Ｘに設置された蓄電池設備５に電気的に接続されている。詳しく説明すると、図３に示すように、上記した電極４４、４５は、それぞれ配線４６を介して蓄電池設備５に電気的に接続されている。この蓄電池設備５は、例えばナトリウム硫黄電池、リチウムイオン電池、鉛電池、ニッケル水素電池等の公知の二次電池からなる。なお、蓄電池設備５は、常用及び非常用（防災用）の何れの蓄電設備であってもよい。また、この蓄電池設備５に蓄電された電力を電源として上記した一対の電極４４、４５に初期電荷が付与されてもよく、或いは、蓄電池設備５とは別の電源から一対の電極４４、４５に初期電荷が付与されてもよい。

次に、上記した構成の制振装置１の作用について説明する。

地震動や風荷重等による横振動が制振対象物Ｘに入力されると、質量体２が慣性によって制振対象物Ｘに対して相対的に水平方向に変位するため、入力振動に応答して質量体２が振動する。このとき、質量体２の振動の周期と入力振動の周期とが一致すると、質量体２による慣性質量効果によって制振対象物Ｘへの入力振動エネルギーが吸収される。

また、質量体２と制振対象物Ｘとの相対変位に伴い減衰機構４の減衰体４２が弾性的に伸縮変形する。すなわち、質量体２に固定された第一固定部４０が、制振対象物Ｘに固定された第二固定部４１に対して水平方向の一方側に相対変位すると、減衰体４２の他方側（第一固定部４０の変位方向の反対側）の部分が引張られて弾性的に伸張する。これにより、質量体２の振動エネルギーが吸収されて質量体２の振動が減衰する。

このとき、減衰体４２のうちの伸張変形した部分においては、その伸張変形に伴い誘電性基体４３の表面積が拡大すると共に誘電性基体４３の厚さが薄くなって一対の電極４４、４５間の距離が狭くなる。これにより、一対の電極４４、４５上に、誘電性基体４３の表面積の大きさに比例した電荷が出現する。続いて、質量体２の往復動によって、減衰体４２のうちの伸張変形した部分が収縮して元の形状に戻ると、その部分における誘電性基体４３の表面積が縮小するとともに一対の電極４４、４５間の距離が拡がる。その結果、誘電性基体４３上の電荷の間隔が狭くなると共にそれらの電荷が押し出され、電気エネルギーとして放出される。そして、この電気エネルギーは、配線４６を介して蓄電池設備５に送電されて蓄電池設備５に蓄電される。そして、この蓄電池設備５に蓄電された電気エネルギーは、常用或いは非常用の電力として使用される。

上記した制振装置１によれば、質量体２による慣性質量効果によって制振対象物Ｘへの入力振動エネルギーが吸収されるので、制振対象物Ｘの応答振動を低減させることができる。

また、質量体２と制振対象物Ｘとの相対変位に伴う減衰体４２の伸張変形によって当該減衰体４２から電気エネルギーが発生するので、減衰機構４によって吸収された質量体２の振動エネルギーを電気エネルギーに変換して電気資源として有効活用することができる。
しかも、減衰体４２から発生する電気エネルギーが蓄電池設備５に蓄電され、その蓄電池設備５から適宜電力が供給されるので、安定した電力供給を行うことができる。

以上、本発明に係る制振装置の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記した実施の形態における制振装置１は、パッシブ制御のマスダンパー（ＴＭＤ）であるが、本発明は、アクティブ制御のマスダンパー（ＡＭＤ）であってもよく、或いは、セミアクティブ制御のマスダンパー（ＡＴＭＤ）であってもよい。

また、上記した実施の形態では、円環板状の減衰体４２が第一固定部４０と第二固定部４１との間に介装されているが、本発明の減衰体は他の構成にすることも可能であり、例えば、図４（ａ）に示すように、複数の減衰体４２を中心軸線Ｏ方向に間隔をあけて並設することも可能であり、或いは、図４（ｂ）に示すように、第一固定部４０と第二固定部４１との間に架設された帯状の減衰体１４２であってもよく、その帯状の減衰体１４２を周方向に間欠的に配設した構成であってもよい。

また、上記した実施の形態では、多段積層体３０からなる支持機構３が備えられているが、本発明は、他の構成の支持機構を用いることも可能であり、例えば、コイルスプリング状のばねからなる支持機構であってもよい。
さらに、本発明は、支持機構として回転可能な吊持アームが備えられ、その吊持アームに質量体が吊持された振り子型のマスダンパーであってもよい。

また、上記した実施の形態では、支持機構３及び減衰機構４が、それぞれ質量体２と制振対象物Ｘとの間に介装されているが、本発明は、減衰機構４が、質量体２と支持機構３との間に介装されていてもよく、或いは、質量体２と制振対象物Ｘとの間に介装されていてもよい。

また、上記した実施の形態における制振装置１は、水平方向の入力振動に対して制振性能を発揮する横型の制振装置であり、例えば高層ビルやタワー等のように横揺れが生じる制振対象物Ｘに設置されるものであるが、本発明は、質量体が制振対象物に対して鉛直方向に相対変位し、鉛直方向の入力振動に対して制振性能を発揮する縦型の制振装置であってもよく、この縦型の制振装置は、例えば橋梁や高架などのような縦揺れが生じる制振対象物に対して設置される。

また、上記した実施の形態では、質量体２と蓄電池設備５とがそれぞれ別々に備えられているが、本発明は、蓄電池設備５を質量体として使用することも可能である。
さらに、本発明は、蓄電池設備５を省略することも可能であり、減衰体４２の電極４４、４５と電気機器とを接続して減衰体４２から電気機器に電力を直接供給する構成であってもよい。

その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１制振装置
２質量体
３支持機構
４減衰機構
５蓄電池設備
４０第一固定部
４１第二固定部
４２減衰体
４３誘電性基体
４４、４５電極
１４２減衰体
Ｘ制振対象物

Claims

制振対象物と分離して配設された質量体と、該質量体を前記制振対象物に対して相対変位可能に支持する支持機構と、前記質量体と前記制振対象物との相対変位を減衰させる減衰機構と、を備える制振装置において、
前記減衰機構には、前記質量体に固定された第一固定部と、前記制振構造物に固定された第二固定部と、前記第一固定部と前記第二固定部との間に介装された減衰体と、が備えられており、
該減衰体が、前記質量体と前記制振対象物との相対変位に伴い伸縮変形する可撓性を有する誘電性基体と、該誘電性基体の両面にそれぞれ積層された一対の電極と、を備え、前記誘電性基体の伸縮変形によって前記一対の電極から電気エネルギーが発生する発電性を有していることを特徴とする制振装置。
請求項１に記載の制振装置において、
前記一対の電極に電気的に接続された蓄電池設備が備えられていることを特徴とする制振装置。