特許 6935510 制振装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6935510

(24)【登録日】2021年8月27日

(45)【発行日】2021年9月15日

(54)【発明の名称】制振装置

(51)【国際特許分類】

   F16F 15/027 20060101AFI20210906BHJP

   F16F 15/02 20060101ALI20210906BHJP

【ＦＩ】

   F16F15/027

   F16F15/02 C

   F16F15/02 A

【請求項の数】15

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2019-558251(P2019-558251)

(86)(22)【出願日】2018年12月5日

(86)【国際出願番号】JP2018044724

(87)【国際公開番号】WO2019111950

(87)【国際公開日】20190613

【審査請求日】2020年6月17日

(31)【優先権主張番号】PCT/JP2017/043710

(32)【優先日】2017年12月5日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100081961

【弁理士】

【氏名又は名称】木内 光春

(74)【代理人】

【識別番号】100112564

【弁理士】

【氏名又は名称】大熊 考一

(74)【代理人】

【識別番号】100163500

【弁理士】

【氏名又は名称】片桐 貞典

(74)【代理人】

【識別番号】230115598

【弁護士】

【氏名又は名称】木内 加奈子

(72)【発明者】

【氏名】石井 優治

(72)【発明者】

【氏名】丸山 裕

【審査官】 杉山 豊博

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−０６５０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２２９１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３４１８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２２１５７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／００７５８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０４−２０９２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０５−０４７２４６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０２６８３８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 実開平０４−０１７５３６（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｆ １５／０２７

Ｆ１６Ｆ １５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

制振対象物に取り付けられ、前記制振対象物と一つの振り子を形成する容器と、
前記容器内に封入され前記振り子の振動の軌道を変動させるように変形自在な磁性流体と、
電流を供給されることにより前記容器内に磁界を励起し、前記磁性流体を変形させる電磁石と、
制御信号を受け、前記電磁石へ電流を供給する電源部と、
前記制振対象物の変位及び速度を計測するセンサと、
前記センサの計測値に基づいて前記振り子の振動の軌道の切り替えタイミングで前記磁性流体を変形させるように前記電源部へ制御信号を送る制御部と、
を備えた制振装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記制振対象物の振動運動の軌道が、速度変位座標にてｘ＝ｋｖ（ｘ：変位、ｖ：速度、ｋ：定数）の関係式と交差すると、前記電源部へオンオフ信号を送るように構成した請求項１に記載の制振装置。

【請求項3】

前記制振対象物を回転自在な構造体に組み込み、
前記回転自在な構造体に前記容器を取り付けた請求項１又は２に記載の制振装置。

【請求項4】

前記回転自在な構造体として懸垂型高圧直流送電装置のサイリスタモジュールを設け、
前記サイリスタモジュールに前記容器を取り付けた請求項３に記載の制振装置。

【請求項5】

前記制振対象物を地面又は壁面に固定された構造体に組み込み、
前記構造体に前記容器を取り付けた請求項１又は２に記載の制振装置。

【請求項6】

前記制振対象物を海面又は空中に浮かぶ浮遊構造体に組み込み、
前記浮遊構造体に前記容器を取り付けた請求項１又は２に記載の制振装置。

【請求項7】

複数の前記制振対象物に対して前記制振対象物ごとに前記センサを設置し、
前記制御部は、前記各センサの計測値を組み合わせた結果に基づいて前記電源部へオンオフ信号を送るように構成した請求項１〜６のいずれかに記載の制振装置。

【請求項8】

前記容器は鉛直方向に延びる中空の筒状部材からなる請求項１〜７のいずれかに記載の制振装置。

【請求項9】

前記制振対象物に取り付けられた請求項１〜８のいずれかに記載の制振装置。

【請求項10】

前記磁性流体を溜める桶を設け、当該桶の上方へオフセットして設置した請求項１〜９のいずれかに記載の制振装置。

【請求項11】

前記桶は、前記電磁石が周囲に巻かれる容器の内壁の外径よりも大きい内径を有する請求項１０に記載の制振装置。

【請求項12】

水平方向に複数配置する請求項１〜１１のいずれかに記載の制振装置。

【請求項13】

垂直方向に複数配置する請求項１〜１２のいずれかに記載の制振装置。

【請求項14】

垂直方向に隣接して配置した制振装置では前記磁性流体が移動する内部空間の内径は同一である請求項１３に記載の制振装置。

【請求項15】

制振対象物に取り付けられ、前記制振対象物と一つの構造体を形成する容器と、
前記容器内に封入され前記構造体の揺動の軌道を変動させるように変形自在な磁性流体と、
電流を供給されることにより前記容器内に磁界を励起し、前記磁性流体を変形させる電磁石と、
制御信号を受け、前記電磁石へ電流を供給する電源部と、
前記制振対象物の変位及び速度を計測するセンサと、
前記センサの計測値に基づいて前記構造体の揺動の軌道の切り替えタイミングで前記磁性流体を変形させるように前記電源部へ制御信号を送る制御部と、
を備えた制振装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は制振装置に関する。

【背景技術】

【0002】

乗り心地の改善や騒音防止などを目的として、対象物の振動を抑制する制振装置が知られている。振動する対象物を制振対象物と呼ぶこととする。制振装置のタイプにはパッシブ型やアクティブ型などがある。パッシブ型の制振装置では、例えば、ばねやダンパを用いたものが代表的である。ダンパは粘性によって速度に比例した抵抗力が生じるので、制振対象物に生じた振動を効率良く抑制することが可能である。

【0003】

アクティブ型の制振装置は、制振対象物に取り付けたマス(付加重量)に、制振対象物の運動とは逆位相の運動をさせる装置である。アクティブ型の制振装置では、マスの位相を調整することで制振対象物の振動を増大させることも可能である。そのため、アクティブ型の制振装置は、対象物の振動を増大させる加振装置としての機能を持つこともできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

特開２００６-３４９０５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

パッシブ型の制振装置は、電力を使用しないので、停電時でも安定して制振性能を発揮することができる。しかし、ダンパと周囲を接続する必要があり、構造上の制約を受ける。また、地震時のように制振装置の設置面が揺れた場合には、周囲との接続部分から揺れが制振対象物に伝わってしまうため、制振性能の低下を招いた。

【0006】

一方、アクティブ型の制振装置では、ダンパのように周囲と接続する要素が不要である。そのため、構造的な制約を受けることがなく、且つ周囲からの揺れも伝わらないという利点がある。しかし、制振対象物の運動を解析する解析部や、解析結果に応じてマスを駆動させる駆動部などが必要となり、制御手法が複雑になる。したがって、アクティブ型の制振装置はコストが高いという問題点がある。

【0007】

本実施形態は、上記の不具合を解決するために提案されたものであり、磁性流体の変形を利用して制振対象物の慣性モーメントを変動させることで制振対象物の振動の抑制または増大が可能な制振装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決するために、本実施形態は、下記の構成要素（１）〜（６）を備えている。
（１）制振対象物に取り付けられ、前記制振対象物と一つの振り子を形成する容器。
（２）前記容器内に封入され前記振り子の振動の軌道を変動させるように変形自在な磁性流体。
（３）電流を供給されることにより前記容器内に磁界を励起し、前記磁性流体を変形させる電磁石。
（４）制御信号を受け、前記電磁石へ電流を供給する電源部。
（５）前記制振対象物の変位及び速度を計測するセンサ。
（６）前記センサの計測値に基づいて前記振り子の振動の軌道の切り替えタイミングで前記磁性流体を変形させるように前記電源部へ制御信号を送る制御部。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施形態の構成を示す模式図（磁性流体が初期状態）

【図2】第１の実施形態の構成を示す模式図（磁性流体が変形した状態）

【図3】磁性流体変形前の速度変位座標系における自由振動の軌道を示すグラフ

【図4】磁性流体変形後の速度変位座標系における自由振動の軌道を示すグラフ

【図5】自由振動の軌道の切り替えタイミングを示すグラフ

【図6】自由振動の軌道を切り替えた場合のグラフ

【図7】第１の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図8】第１の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図9】第１の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図10】第２の実施形態の構成を示す模式図

【図11】第２の実施形態の構成を示す模式図

【図12】第２の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図13】第３の実施形態の構成を示す模式図

【図14】第３の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図15】第３の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図16】第３の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図17】第３の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図18】磁性流体を電磁石に入れたときの模式図

【図19】磁性流体を励磁したときの模式図

【図20】電磁石を桶から上方へオフセットしたときの模式図(磁性流体が初期状態)

【図21】磁性流体を励磁したときの模式図(磁性流体が変形途上の状態)

【図22】磁性流体を励磁したときの模式図(磁性流体が変形した状態)

【図23】シミュレーションの説明図

【図24】シミュレーション結果（磁性流体に作用する力）を示すグラフ

【図25】シミュレーション結果（試験との比較）を示すグラフ

【図26】シミュレーション結果（条件変更）を示すグラフ

【図27】第４の実施形態の構成を示す模式図(磁性流体が初期状態)

【図28】第４の実施形態の構成を示す模式図(磁性流体が変形した状態)

【図29】第４の実施形態の実験結果を示すグラフ

【図30】制振制御をかけた区間での切り替え信号の拡大図

【図31】第４の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図32】第４の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図33】第４の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図34】第４の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図35】第４の実施形態の変形例の構成を示す模式図

【図36】他の実施形態の構成を示す模式図

【図37】他の実施形態の構成を示す模式図

【図38】他の実施形態の構成を示す模式図

【図39】他の実施形態の構成を示す模式図

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、第２の実施形態以降の実施形態において、第１の実施形態に示した構成要素と同一のものに関しては同一符号を付して説明は省略する。

【0011】

(第１の実施形態)
(構成)
図１及び図２に示すように、制振対象物１は、天井２の単一の支点から回転自在に吊り下げられた１本の振り子構造体３を介して懸垂された球体である。第１の実施形態は、制振対象物１の振動を抑制する制振装置９である。

【0012】

制振装置９には、容器４が設けられている。容器４は、振り子構造体３の中央に取り付けられている。容器４は鉛直方向に延びる中空の円筒状部材からなる。容器４内の中空部には磁性流体５が封入されている。容器４の側面には電磁石６が巻かれている。電磁石６は、励起した磁界により磁性流体５を変形させる部材である。

【0013】

磁性流体５は、電磁石６が励起した磁界により、容器４の内壁面に沿って鉛直方向に変形する。図１に示した変形前の磁性流体５は、容器４内の底部から容器４の高さの１/４程度まで、容器４内の下部に溜められている。一方、図２に示した変形後の磁性流体５は、電磁石６から励起した磁界を受け、上端部が天井２側に延びて細長い状態となる。

【0014】

磁性流体５がこのように変形することで制振対象物１の重心が上下方向に変わるようになっている。すなわち、変形前の磁性流体５は容器４の下部に溜まっているため、制振対象物１の重心は低い状態にある。変形後の磁性流体５は細長く上方に延びるため、制振対象物１の重心は高い状態となる。

【0015】

電磁石６には、電磁石６に電流を供給する電源部７が電気的に接続されている。電磁石６は、電源部７から供給された電流によって通電状態となると、磁界を励起する。電源部７には制御部である演算器８が電気的に接続されている。演算器８は制振装置９の制御部である。演算器８には、計測部８ａと、演算部８ｂと、送信部８ｃとが設けられている。

【0016】

演算器８の送信部８ｃは電源部７に対し制御信号としてオンオフ信号を送信する。演算器８からオン信号を受け取った電源部７はスイッチオンとなり、電磁石６に電流を供給する。演算器８からオフ信号を受け取った電源部７はスイッチオフとなり、電磁石６への電流供給を停止する。

【0017】

制振対象物１、振り子構造体３、容器４、磁性流体５及び電磁石６は、全体として１つの振り子を形成する振り子構造となっている。そこで、これらの構成要素をまとめて、振り子１０(点線にて図示)と総称する。制振対象物１の下端部には、振り子１０の変位及び速度を計測するセンサ１１が取り付けられている。センサ１１は例えば加速度計でも良いし、変位計・近接センサでも良い。センサ１１は最低１個で良く、計測した信号を積分・微分演算することによって速度と変位量を計測する。

【0018】

センサ１１には演算器８が接続されている。センサ１１は、振り子１０(厳密には制振対象物１)の変位、速度を検出して、演算器８に送信する。演算器８には、計測部８ａと、演算部８ｂと、送信部８ｃとが設けられている。このうち、計測部８ａは、センサ１１より送信された振り子１０の変位及び速度を基にして、振り子１０の軌道を計測する部分である。

【0019】

演算部８ｂは、計測部８ａが計測したデータに基づいて自由振動の軌道切り替えタイミングを演算する部分である。演算部８ｂが求める軌道切り替えタイミングは、振り子１０における自由振動の軌道が、自由振動の速度変位座標にてｘ＝ｋｖ（ｘ:変位、ｖ:速度、ｋ:定数）と交差するタイミングである。送信部８ｃは、既に述べたように、演算部８ｂの演算結果に基づいて電源部７に対し、制御信号であるオンオフ信号を送信する部分である。

【0020】

(作用)
以上の構成を有する制振装置９が、制振対象物１を含む振り子１０の振動を、効率良く抑制あるいは増大させるためには、制振対象物１の重心を振り子１０の半径方向に移動させて、振り子１０の慣性モーメントを変動させ、自由振動の軌道を切り替えることが有効である。これは、ブランコを例にして、ブランコの漕ぎ手の重心の移動タイミングを考えれば、直観的に理解しやすい。

【0021】

すなわち、速度が最大の最下点で漕ぎ手は膝を曲げて重心を下げる。変位が最大となる両端では膝を伸ばして重心を上げる。タイミング良くこれらの運動を繰り返すことにより、ブランコを加振し、振幅を大きくすることができる。タイミングを反対にし、最下点で膝を伸ばし、両端で膝を曲げることにより、ブランコを制振し、振幅を小さくすることができる。膝の曲げ伸ばしは重心を移動させ、慣性モーメントを変化させている。

【0022】

ここで、振り子１０の自由振動の軌道切り替えについて、図３〜図６を用いて説明する。図３、図４、図６では振り子１０の自由振動を実線で示している。振り子１０の速度及び変位は、速度変位座標（Ｘ軸：速度、Ｙ軸：変位）において、楕円軌道を描きながら原点に向けて収束する。

【0023】

このとき、自由振動の変位が短時間で小さくなれば、効率良く振動抑制が達成されたことになる(前述のブランコの例で言えば、急速に停止させることになる)。反対に、自由振動の変位が短時間で大きなれば、効率良く振動増大が達成されたことになる(前述のブランコの例で言えば、さらに大きく漕ぐことになる)。

【0024】

図３は、磁性流体５を変形させる前の（電源部７はスイッチオフ、電磁石６は非通電状態）、振り子１０の自由振動の軌道例である。変形前の磁性流体５は容器４の下部に溜まっているため、容器４の重心は低い状態にあり、振り子１０の慣性モーメントは大きい。したがって、図３に示すように、振り子１０は縦長の楕円軌道を描きながら原点に向けて収束する。

【0025】

図４は、磁性流体５を変形させた後の（電源部７はスイッチオン、電磁石６は通電状態）、振り子１０の自由振動の軌道例である。変形後の磁性流体５は上方に向かって細長くなり、容器４の重心は振り子１０の半径中心方向(図１、図２の上方)に移動する。したがって、振り子１０の慣性モーメントは小さくなる。

【0026】

そのため、図４に示すように、振り子１０は円形に近い楕円軌道(図３の楕円軌道と比べれば横長の楕円軌道)を描きながら原点に向けて収束する。

【0027】

図５に点線で示したｘ＝ｋｖ（ｘ:変位、ｖ:速度、ｋ:定数ｋ=ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４）は、図３と図４に示した振り子１０の自由振動の軌道を切り替えるタイミングを現したものである。ｋ=ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４は任意の値である。振り子１０の自由振動の軌道の切り替えタイミングは、計測部８ａが計測したセンサ１１の計測値に基づいて、演算部８ｂにて演算される。

【0028】

演算器８の演算部８ｂが求めた演算結果に基づいて、自由振動の軌道と関係式ｘ＝ｋｖと交差するタイミングで、演算器８の送信部８ｃが電源部７にオンオフ信号を送信する。これらの制御信号を受けた電源部７はスイッチを切り替えて、電磁石６の通電状態を変化させる。その結果、磁性流体５が変形して容器４の重心が移動し、振り子１０の慣性モーメントが変動する。

【0029】

上記の手法に従い、制振を目的とした自由振動の軌道切り替えを行った場合を、図６に示す。振り子１０の慣性モーメントを小さくするタイミングは、振り子１０の自由振動の軌道が関係式ｘ＝ｋｖと交差するときである。つまり、振り子１０の自由振動の軌道が関係式ｘ＝ｋｖと交差したタイミングで、演算器８の送信部８ｃが電源部７にオン信号を送信する。オン信号を受けた電源部７はスイッチオンとなり、電磁石６に電流を供給する。その結果、磁性流体５は細長く変形して、容器４の重心は半径中心方向(図１、図２の上方)に移動する。これにより、振り子１０の慣性モーメントは小さくなる。

【0030】

また、振り子１０の自由振動の軌道が次のｘ＝ｋｖを交差した時、演算器８の送信部８ｃは電源部７にオフ信号を送信する。オフ信号を受けた電源部７はスイッチオフとなり、電磁石６への電流供給を停止する。電磁石６の電流を止めると、電磁石６から磁界が励起されなくなり、細長い状態にあった磁性流体５の変形は消滅する。つまり、磁性流体５は通電する前の状態に戻り、容器４の重心は半径周縁方向(図１、図２の下方)に移動して、振り子１０の慣性モーメントは変形前と同じになる。このように、電磁石６への通電をＯＦＦにして磁性流体５を変形前の状態に戻せば、容器４の重心は低い位置に戻り、振り子１０の慣性モーメントも元に戻る。

【0031】

図６のグラフから明らかなように、慣性モーメントの変動によって自由振動の軌道切り替えを行うことで、振り子１０の自由振動の軌道が、原点に向かって急速に収束していき、振動を短時間で減衰させることができる。したがって、第１の実施形態では、図３及び図４と比べて、振り子１０の自由振動を効率良く抑えることができる。

【0032】

なお、図５におけるｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４を変化させることで、自由振動の軌道を切り替えるタイミングを変更すれば、振り子１０の自由振動を効率良く増幅することも可能である。また、振り子１０の慣性モーメントの変動は連続的である必要はなく、断続的であっても構わない。

【0033】

(効果)
第１の実施形態は、制振対象物１に取り付けた容器４内に磁性流体５を封入し、磁性流体５の周囲に電磁石６を設置する。電磁石６には電源部７を接続し、電源部７には演算器８を接続する。

【0034】

演算器８は、センサ１１が計測した制振対象物１の変位及び速度に基づいて、振り子１０の自由振動の軌道の切り替えタイミングを演算し、電源部７へ制御信号を送る。制御信号を受けた電源部７は、電磁石６への通電制御を行うため、電磁石６により励起された磁界の有無によって磁性流体５が変形し、容器４の重心が移動する。その結果、振り子１０の慣性モーメントが変動して、制振対象物１の振動の抑制あるいは増大が可能になる。

【0035】

第１の実施形態において、振り子１０の慣性モーメントを変動させる構成要素は、容器４に封入した磁性流体５を変形させる電磁石６と、その制御系である電源部７及び演算器８だけである。したがって、制振対象物１につけるマスを駆動させるモータなどは不要であり、駆動部が故障する心配が無い。その結果、モータのメンテナンスや調整を省くことができ、構成を簡略化することができ、且つ振動の抑制及び増大を実施する際の信頼性が向上する。

【0036】

また、第１の実施形態では、モータなどの駆動部を不要としたことで、低メンテナンスコストが見込める。さらに、電磁石６の通電制御は、電源部７における単純なオンオフ制御のスイッチングで良い。したがって、電源部７を制御する演算器８の構成もシンプルで済み、複雑な制御手法も必要ない。その結果、電源部７及び演算器８に要するコストは、一般的なアクティブ型の制振装置のコストよりも大幅に低減し、経済的にも極めて有利である。

【0037】

(第１の実施形態の変形例)
図１及び図２に示した振り子構造体３は１本であるが、その本数は問わない。また、制振対象物１の構造も、自由振動が行われる限りは問わない。例えば、上記の第１の実施形態では単振り子構造であったが、図７〜図９に示す実施形態は、２個の制振対象物１、１３に対する制振装置１２に適用して二重の振り子構造をとっている。これらの実施形態では、第１の実施形態の構成に加えて、制振対象物１３と振り子構造体１４を接続している。他の構成は第１の実施形態と同じである。

【0038】

図７〜図９に示す実施形態はそれぞれ、磁性流体５を封入した容器４の設置位置が異なる。図７に示す実施形態では容器４が下段の振り子に設置され、図８に示す実施形態では容器４が上段の振り子に設置され、図９に示す実施形態では容器４が上段と下段の両方の振り子に設置されている。

【0039】

以上の実施形態でも前記第１の実施形態と同様、関係式ｘ＝ｋｖにおいて任意のｋ=ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４で磁性流体５を変形させることにより、二重の振り子構造の慣性モーメントを変動させることができる。したがって、制振対象物１、１３の振動を抑制あるいは増大させることが可能である。

【0040】

そのため、前記第１の実施形態と同じく、制振効果及び加振効果を確保しつつ、信頼性及び経済性の向上に寄与することができる。このような実施形態からも明らかなように、制振対象物１が振り子構造に含まれる場合は、制振対象物１、１３の振動の抑制及び増大を効率良く実現させることができる。すなわち、制振対象物１の重心を移動させるように磁性流体５を変形させる本実施形態は、振り子構造に含まれる制振対象物１の制振装置９として、好適である。

【0041】

(第２の実施形態)
(構成)
第２の実施形態について、図１０及び図１１を参照して説明する。上記第１の実施形態は振り子構造に適用したが、振り子構造を持たない構造体に対しても適用可能である。第２の実施形態は、地面又は壁面に固定された一般的な構造体に対して適用した制振装置である。図１０に示す構造体１５ｂは、地面又は壁面に固定された直方体状の構造体１５(点線で示す)が、地震や外力等により変形した状態を示している。つまり、構造体１５は所定の範囲に揺動する制振対象物である。

【0042】

図１１に示すように、第２の実施形態に係る制振装置１８は、磁性流体５を封入した容器４が構造体１５の内部の中央に備え付けられている。磁性流体５は、電磁石６から励起された磁界により変形することで、構造体１５の慣性モーメントを変動させるように構成されている。センサ１１は、構造体１５の上面部の中央に取り付けられている。センサ１１は構造体１５の揺動を検出して、演算器８に送信する。

【0043】

演算器８は、センサ１１より送信された構造体１５の揺動に関するデータを基にして、構造体１５の揺動運動の軌道の切り替えタイミングを演算し、電源部７に制御信号としてオンオフ信号を送信する。演算器８が求める構造体１５の軌道の切り替えタイミングは、構造体１５における揺動運動の軌道が、当該運動の速度変位座標にてｘ＝ｋｖ（ｘ:変位、ｖ:速度、ｋ:定数）と交差するタイミングとする。他の構成は上記第１の実施形態と同一である。

【0044】

(作用と効果)
第２の実施形態でも前記第１の実施形態と同様、上記関係式中のｋ=ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４で、磁性流体５を変形させることによって、構造体１５の慣性モーメントを変動させることができ、構造体１５の振動を抑制あるいは増大させることができる。したがって、前記第１の実施形態と同じく、構造体１５に対する制振効果及び加振効果を確保すると共に、信頼性及び経済性の向上を図ることが可能である。

【0045】

(第２の実施形態の変形例)
なお、図１１では、容器４は構造体１５の中央に設置したが、構造体１５のいかなる場所に設置しても、磁性流体５の変形により構造体の慣性モーメントを変動させることができれば、構造体１５の振動の抑制効果及び増大効果は得られる。したがって、構造体１５における容器４の設置場所や設置個数は限定されない。

【0046】

図１１に示した第２の実施形態では地面又は壁面に固定された構造体１５に適用したが、図１２に示す実施形態のように、海面に浮かばせた浮遊構造体１６に適用してもよい。海面１７に浮かばせた浮遊構造体１６として例えば、強風時の姿勢制御が重視される洋上風車などがある。

【0047】

以上の実施形態でも前記第２の実施形態と同様、任意のｋ=ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４で磁性流体５を変形させることにより、浮遊構造体１６の慣性モーメントを変動させて、その振動を抑制あるいは増大させることが可能である。このような実施形態によれば、接続の構造を簡易化できる。なお、一般的な構造体としては、質量を有し、且つ回転・揺動する構造体であれば、構造体がいかなる状態で存在しても形態を問わず、例えば空中に浮かぶ浮遊構造体であってもよい。

【0048】

(第３の実施形態)
(構成)
図１３は、懸垂型高圧直流送電装置（HVDC：High Voltage Direct Current Transmission）の模式図である。懸垂型高圧直流送電装置では、天井２から多数のサイリスタモジュール２２が懸垂構造体２１を介して吊り下げられており、最下層にシールド２３を備えている。懸垂構造体２１とサイリスタモジュール２２、シールド２３、天井２の接続部は、回転フリーとなるように構成されており、サイリスタモジュール２２及びシールド２３は回転自在に設けられている。

【0049】

図１３に示すように、第３の実施形態に係る制振装置２４は、懸垂型高圧直流送電装置の各サイリスタモジュール２２の上面中央並びにシールド２３に取り付けられている。すなわち、サイリスタモジュール２２及びシールド２３が制振対象物である。制振装置２４の構造は、基本的に第１の実施形態と同等であり、図１３において、サイリスタモジュール２２並びにシールド２３上に立てられている部分が、図１などに示した容器４に相当する。

【0050】

第３の実施形態に係る制振装置２４は、磁性流体５が電磁石６から励起された磁界により変形することで、サイリスタモジュール２２及びシールド２３の慣性モーメントを変動させるように構成されている。演算器８は、センサ１１より送信されたサイリスタモジュール２２及びシールド２３の振動に関するデータを基にして、サイリスタモジュール２２及びシールド２３の振り子運動の軌道の切り替えタイミングを演算し、電源部７に制御信号としてオンオフ信号を送信する。

【0051】

演算器８が求めるサイリスタモジュール２２及びシールド２３の軌道の切り替えタイミングは、サイリスタモジュール２２及びシールド２３における振り子運動の軌道が、当該運動の速度変位座標にてｘ＝ｋｖ（ｘ:変位、ｖ:速度、ｋ:定数）と交差するタイミングとする。他の構成は上記第１の実施形態と同一である。

【0052】

なお、上記第１の実施形態ではセンサ１１から演算器８への回路を構成したが、懸垂型高圧直流送電装置の各サイリスタモジュール２２及びシールド２３における振動が、どこでも同程度と考えられる場合には、全ての制振装置２４に対してセンサ１１を設置する必要がなく、用途に応じて制振装置２４からセンサ１１を省いても構わない。

【0053】

(作用と効果)
第３の実施形態でも前記第１及び第２の実施形態と同様、上記関係式中のｋ=ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４で、磁性流体５を変形させることによって、各サイリスタモジュール２２及びシールド２３の慣性モーメントを変動させることができ、各サイリスタモジュール２２及びシールド２３の振動を抑制あるいは増大させることができる。したがって、前記第１及び第２の実施形態と同じく、制振対象物である各サイリスタモジュール２２及びシールド２３の回転を抑制することが可能となり、且つ信頼性及び経済性の向上を図ることが可能である。

【0054】

(第３の実施形態の変形例)
図１３ではサイリスタモジュール２２を５段とし、各段に２個のサイリスタモジュール２２が取り付けられる構成を示したが、第３の実施形態の効果は、上記に説明したような構造であれば、効果が現れる。そのため、サイリスタモジュール２２の個数は制振の観点では何個でも問わない。

【0055】

すなわち、図１３に示した実施形態では、各サイリスタモジュール２２に対して１個の制振装置２４を備えたが、制振装置２４の個数は十分な効果が表れれば、いくつでも構わない。例えば、図１４のように下段のサイリスタモジュール２２及びシールド２３に制振装置２４を多数設置するようにしてもよい。このとき、上段のサイリスタモジュール２２には制振装置２４を設置しない構成としてもよい。各制振装置２４のアースは設置されたサイリスタモジュール２２に対して接続される。

【0056】

図１５に示した実施形態では、各段のサイリスタモジュール２２に制振装置２４を設置せず、複数段にわたる大型化した制振装置２５を１つ、シールド２３上に取り付けている。大型化した制振装置２５を取り付けるメリットは、大きな振動低減効果が得られる点にある。したがって、大規模な地震が生じた場合でも、許容範囲内にシールド２３の振幅をとどめることができる。

【0057】

なお、図１５の制振装置２５はシールド２３の中央に１つ取り付けたが、その個数や設置場所は任意で構わない。例えば、図１６のようにシールド２３の左右に各本ずつ、合計２本の制振装置２５を設置しても構わない。

【0058】

また、図１４に示した実施形態と図１に示した実施形態とを組み合わせて、図１７のような構成をとっても構わない。図１７に示した実施形態では、下段のサイリスタモジュール２２及びシールド２３に制振装置２４を多数設置すると共に、大型化した制振装置２５をシールド２３上に取り付けている。なお、上段のサイリスタモジュール２２には制振装置２４を設置していない。

【0059】

以上の複数の実施形態からも明らかなように、制振対象物が懸垂構造に含まれる場合、制振対象物であるサイリスタモジュール２２及びシールド２３の配置構成に関係なく、制振対象物の振動の抑制及び増大を効率良く実現させることができる。すなわち、本実施形態は、懸垂型高圧直流送電装置に対する制振装置２４、２５として特に好適である。

【0060】

(第４の実施形態)
図１８〜図３４を用いて、第４の実施形態及びその変形例について説明する。上記の実施形態では、磁性流体５が上方に行くに従い細長くなるように変形しているが、磁性流体５が容器４の内壁４０の内側を上方に向かって円筒状のまま変形するようにしてもよい。以下、このような実施形態について説明する。まず、磁性流体５の変形について説明する。

【0061】

図１８に示す装置は、電磁石６を巻いた内壁４０の内側に、磁性流体５を封入したものである。磁性流体５が電磁石６から外へ出なければ、内壁４０は無くてもよい。また内壁４０の天板はあってもなくてもよい。図１８に示す装置に、電源部７を電磁石６に電気的に接続したものが図１９に示す装置である。電源部７より直流電流を一定値以上流すと、図１９に示すように、磁性流体５は内壁４０の内面に沿って変形する。

【0062】

図２０に示す装置は、図１９に示した装置を桶３０から上方へオフセットして設置したものである。桶３０のオフセットの仕方は問わない。桶３０は磁性流体５を溜める機器であって、電磁石６が周囲に巻かれる容器の外径よりも大きい内径を有している。桶３０は、磁性流体５の漏れが生じなければ、形状を問わない。図２０に示す装置では、内壁４０の底面と天板はあってはならない。

【0063】

図２１は、電源部７より直流電流を一定値以上流した時の磁性流体５の変形を示したものである。前記の図１９に示した装置では、磁性流体５は内壁４０の内面に沿って変形したが、図２１及び図２２に示した装置では、これとは異なり、磁性流体５は、内壁４０によって囲まれた空間の内部に充填されるように円筒形状に変形する。

【0064】

図２３に示すように、磁性流体５が励磁された電磁石６内を通過したとする。この時の磁性流体５が受ける電磁力と重力の和をシミュレーションしたものを図２４に示す。図２４では横軸が電磁石６内の磁性流体５の位置である。磁性流体５が受ける力は電磁石６の下部では電磁力の影響が強く正であり、位置が高くなるにつれ重力の影響が大きくなり、負に転じる。

【0065】

上記のように磁性流体５に作用する力を予測することにより、電磁石６内での磁性流体５の位置を推定することが可能となる。図２５は、図２０に示した装置の実験結果とシミュレーション結果１を比較したグラフである。このグラフに示すように、実験結果とシミュレーション結果はよく一致しており、磁性流体５の挙動を正確に予測できていることが分かる。

【0066】

図２６は電磁石６に流す電流を調節し、励磁される磁界の分布を変化させたときの磁性流体５の挙動を、シミュレーション結果２として追加したグラフである。シミュレーション結果２では、起ち上がりの速度がシミュレーション結果１より早くなっており、目標値に達する時間が短くなっていることが分かる。以上のことから、図２０〜図２２に示した制振装置で目標の変形量と、変形のスピードを得るための機器の設計は可能である。

【0067】

(構成)
第４の実施形態の構成について図２７〜図３１を用いて説明する。第４の実施形態は、図２０〜図２２に示した装置を、制振装置として適用したものである。第４の実施形態は、天井２の単一の支点から回転自在に吊り下げられた１本の振り子構造体３を介して懸垂された球体を制振対象物１とし、この制振対象物１の振動を抑制する制振装置９である。

【0068】

第４の実施形態には桶３０が設けられている。第４の実施形態において、桶３０以外の基本的な構成は前記第１の実施形態の構成と同様である。そのため、同一部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。第４の実施形態では、制振対象物１、振り子構造体３、磁性流体５、電磁石６及び桶３０が、全体として１つの振り子を形成する振り子構造となっている。桶３０は、電磁石６の外径よりも大きい内径を有している。第４の実施形態では、桶３０を含めて制振対象物１に取り付けられた部分（第１の実施形態で言えば容器４）が、制振装置９となっている。

【0069】

（作用）
第４の実施形態の制振装置９でも、先にも述べたように、ブランコを例にして、ブランコの漕ぎ手の重心の移動タイミングを考えると、振り子軌道の中心を過ぎた直後で、速度が最大になった漕ぎ手は膝を曲げて重心を下げる。振り子軌道の両端で、変位が最大となった直後では膝を伸ばして重心を上げる。タイミング良くこれらの運動を繰り返すことにより、ブランコを加振し、振幅を大きくすることができる。

【0070】

タイミングを反対にし、振り子軌道の中心を過ぎた直後で膝を伸ばし、振り子軌道の両端で、変位が最大となった直後で膝を曲げることにより、ブランコを制振し、振幅を小さくすることができる。膝の曲げ伸ばしは重心を移動させ、慣性モーメントを変化させている（振り子１０の自由振動の軌道切り替えについては、第１の実施形態における段落００２２〜００３２を参照）。

【0071】

（効果）
本発明に係る実施形態の制振手法では、連動方程式において慣性項を変化させている。これに対して、一般的なアクティブ制振手法では、運動方程式の外力項を変化させており、作用が異なる。外力項を変化させる場合、運動している方向と逆方向にタイミングよく力をかけ、相殺させる必要があり、正確な制御を要する。また２方向以上の振動を抑制するために２個以上のアクチュエータを取り付けることが一般的であり、機構が複雑になる。

【0072】

そこで、本発明の実施形態では、磁性流体５の変形を径方向に生じさせることにより、１つのアクチュエータで慣性項を変化させている。例えば、図２７及び図２８に示した実施形態では、桶３０に満たされて桶３０の内径であった磁性流体５が、内壁４０によって囲まれた空間の内部に充填されることで円筒形状に変形して径方向に小さくなる。すなわち、本発明の実施形態においては、運動方程式の外力項を変化させるのではなく、運動方程式において慣性項を変化させている。このように慣性項を変動させることで、様々な方向の振動を抑制できるというメリットが得られる。

【0073】

第４の実施形態は、制振対象物１に取り付けた制振装置９に磁性流体５を封入し、磁性流体５の周囲に電磁石６を設置する。電磁石６には電源部７を接続し、電源部７には演算器８を接続する。演算器８の動作については、上記第１の実施形態と同様である。第４の実施形態において、振り子１０の慣性モーメントを変動させる構成要素は、制振装置９に封入した磁性流体５を変形させる電磁石６と、桶３０と、制御系である電源部７及び演算器８である。したがって、制振対象物１につけるマスを駆動させるモータなどは不要であり、駆動部が故障する心配が無い。その結果、モータのメンテナンスや調整を省くことができ、構成を簡略化することができ、且つ振動の抑制及び増大を実施する際の信頼性が向上する。

【0074】

また、第４の実施形態では、第１の実施形態と同様、モータなどの駆動部を不要としたことで、低メンテナンスコストが見込める。さらに、電磁石６の通電制御は、電源部７における単純なオンオフ制御のスイッチングで良い。したがって、電源部７を制御する演算器８の構成もシンプルで済み、複雑な制御手法も必要ない。その結果、電源部７及び演算器８に要するコストは、一般的なアクティブ型の制振装置のコストよりも大幅に低減し、経済的にも極めて有利である。

【0075】

第４の実施形態の試験装置を製作し、性能を評価した結果の一例を図２９に示す。製作した試験装置は、図２７及び図２８に示す装置の天井２が可動部になっており、振り子１０を強制加振する。図２９は振り子１０の変位応答と、電源部７から入力される切り替え信号の波形を示すグラフでである。天井２の強制加振を開始すると振り子１０の変位応答は増幅する。天井２での強制加振を続けながら切り替え信号を入力し、制振制御をかけた区間では、振り子１０の変位応答は減衰し、一定値に収束する。制振制御をかけた区間での切り替え信号の拡大図を図３０に示す。

【0076】

第４の実施形態では演算器８が前記の図５に示した切り替えのタイミングに従って指令を出し、その後、制振制御を解除した区間では変位応答は再び増幅する。天井２での振り子１０の強制加振を解除した後は振り子１０の変位応答は減衰に転じ、振幅が０になる。以上から制振制御区間では振り子１０の変位応答を減衰させており、本発明の実施形態が制振装置として有効に作用していることを示している。

【0077】

（第４の実施形態の変形例）
図３１〜図３５に示す実施形態は、上記第４の実施形態の変形例である。図３１〜図３３に示す各実施形態は、上記第１の実施形態の変形例である各実施形態（図７〜図９）に対応するものである。図３４に示す各実施形態は、上記第２の実施形態（図１１）に対応するものである。図３５に示す各実施形態は、上記第２の実施形態の変形例である実施形態（図１２）に対応するものである。これらの変形例においても、桶３０を備え、桶３０を含めて制振対象物１に取り付けられた部分（第１及び第２の実施形態で言えば容器４）が、制振装置９となっている。

【0078】

(他の実施形態)
本発明のいくつかの複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【0079】

制振対象物における容器あるいは制振装置の設置場所は適宜変更可能である。例えば、図３６に示す実施形態は、桶３０の中に、図２０に示す装置を水平方向（図では左右方向）に２個並べて配置した制振装置２６、２６である。図３６に示す実施形態では、電磁石６の高さを低くして、磁性流体５が変形を終えるまでにかかる時間を短くしている。この場合、電磁石６の低背化により装置のコンパクト化が実現できる反面、慣性の変化量は小さくなる。

【0080】

そこで図３６に示す実施形態では、制振装置２６を２個設置することで、低下した慣性の変化量を補うことができる。これにより、高い周波数での制振が可能になる。このように、目的に応じて、図２０に示した制振装置の個数を適宜設計し、最適なシステムを構築することが可能である。

【0081】

図３７及び図３８に示す実施形態は、桶３０の中に、図２０に示す装置を垂直方向（図では上下方向）に２個重ねて配置した制振装置２７Ａ、２７Ｂである。下側の制振装置２７Ａにおける内壁を４０ａ、電磁石を６ａとし、上側の制振装置２７Ｂにおける内壁を４０ｂ、電磁石を６ｂとする。

【0082】

制振装置２７Ａ、２７Ｂにおいて磁性流体５が移動する内部空間の内径は同一とする。制振装置２７Ａ、２７Ｂの内部空間の径方向は、磁性流体５の移動方向と直交する。このような実施形態では、タイミングよく、上下の電磁石６ａ、６ｂに電流を流すことで、磁性流体５が変形して、磁性流体５が下側の制振装置２７Ａにある状態（図３７）と、磁性流体５が上側の制振装置２７Ｂにある状態（図３８）とを高速に繰り返すことができる。

【0083】

前述した図２０〜図２２に示した装置では、磁性流体５が変形する時に、磁性流体５が内壁４０の下端部から内壁４０の内側へと吸い込まれるような流れ（図２１の白抜きの矢印参照）が発生する。ここで、磁性流体５は、径の広い桶３０から径の狭い内壁４０の内側へと流れ込むので、磁性流体５に対する粘性抵抗が大きくなる。そのため、磁性流体５の変形にかかる時間が長くなり、制振できる周波数の帯域が制限される可能性がある。

【0084】

一方、図３７及び図３８に示す実施形態では、上下に配置した制振装置２７Ａ、２７Ｂにおいて、磁性流体５が移動する内部空間の内径は同一としている。そのため、内壁４０ａ、４ｂの内側を上下動する磁性流体５はスムーズに流れることができ、粘性抵抗は生じ難い。従って、制振装置２７Ａ、２７Ｂでは、磁性流体５の変形にかかる時間が短くなり、図２０〜図２２に示した装置よりも制振できる周波数の帯域を高くすることができる。

【0085】

図３７及び図３８に示す実施形態では、制振の必要が無い時は通電状態を切り、桶３０に磁性流体５を保管する。例えば、地震が発生し制振が必要になったときには、初めに電磁石６ａに通電し、磁性流体５を桶３０から、下側の制振装置２７Ａの内部に移動させる。その後、電磁石６ｂを通電し、電磁石６ａと電磁石６ｂとの間で磁性流体５を繰り返し往復させる。これにより、優れた制振性を発揮することが可能である。

【0086】

図３９に示した実施形態は、図３７及び図３８に示した制振装置２７Ａ、２７Ｂの径の一部を大きくした制振装置２８Ａ、２８Ｂを備えている。下側の制振装置２８Ａでは、電磁石６ａの下端部付近の径を大きくして、断面が逆Ｔ字状となるように電磁石６ａを構成する。また、上側の制振装置２８Ｂでは、電磁石６ｂの上端部付近の径を大きくして断面がＴ字状となるように電磁石６ｂを構成する。上下方向に２個重ねて配置した制振装置２８Ａ、２８Ｂにおいて、互いに接する部分の内部空間の内径は同一である。

【0087】

このように、上下に配置された制振装置２８Ａ、２８Ｂの内径の端部を広げることにより、磁性流体５による重心の移動量を大きくすることができ、より大きな対象物を制振できるようになる。図３６〜図３９に示した装置の例を組み合わせて、上記の第１〜第３の実施形態に適用することにより、目的に応じたシステムを設計することもできる。

【符号の説明】

【0088】

１、１３ 制振対象物
２、１２ 天井
３、１４ 振り子構造体
４ 容器
５ 磁性流体
６ 電磁石
７ 電流制御部
８ 演算器
９、１８、２４、２５、２６、２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂ 制振装置
１０ 振り子
１１ センサ
１５ 構造体
１６ 浮遊構造体
１７ 海面
２１ 懸垂構造体
２２ サイリスタモジュール
２３ シールド
２６ 海底
３０ 桶
４０ 内壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】