JPH09291968A

JPH09291968A - 制振型アンテナ装置

Info

Publication number: JPH09291968A
Application number: JP10897196A
Authority: JP
Inventors: Toshinari Ono; 俊成小野; Takahiro Miyano; 孝広宮野; Yoshio Tsuchisaki; 良雄土崎; Yoshinobu Suganuma; 喜宣菅沼; Tomohito Nikaido; 智史二階堂
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1997-11-11

Abstract

(57)【要約】【課題】アンテナ性能に影響を及ぼすアンテナ装置の
振動を、小型軽量の制振装置を用いて抑制できるように
することである。【解決手段】アンテナ装置１のアンテナ部Ａの先端に
衝突ダンパ式の制振装置１０を設ける。この制振装置１
０に用いる制振用ウェイトは、通常の考え方なら鉄塔２
の重さも含めたアンテナ装置１の全体重量に対応する重
量にするが、この発明では、アンテナ部Ａのみの長さ、
重さに対応した重量とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、支持塔上にアン
テナ取付柱を設けてその柱に指向性のあるアンテナを取
付けたアンテナ装置、詳しくは、アンテナ取付柱の振動
を抑えて振動によるアンテナ性能の不安定化等を改善し
たアンテナ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】テレビ放送等に用いる大型アンテナ装置
は、風によってアンテナ及びこれを支えるアンテナ取付
柱が振動する。地震や大型車両、電車などの通過による
地盤の揺れも勿論振動の原因となるが、特に問題になる
のは風である。

【０００３】アンテナは、一般に、電波を送受信し易い
高所に設置するので風の影響を受け易い。この風の影響
は大きく、風速７ｍ／ｓｅｃ程度の風で振動が始まる。
高所では平均して地上より風速が大きく、この程度の風
は普通であり、風による振動が起こり易い。

【０００４】この振動は、アンテナ取付部や給電線接続
部の緩み、劣化、アンテナ取付柱の材料疲労を招くほ
か、アンテナ装置の性能にも大きな影響を及ぼす。

【０００５】図８にその一例を示す。図８（ａ）は、丘
或いは山頂上に設けたアンテナ装置１からサービスエリ
アに向けて電波を送り出すケースを想定している。ここ
で、アンテナの指向範囲が水平面に対して０．８６°〜
３．４３°までと考え、地上からのアンテナ高さを約３
００ｍとすると、電波が安定して届くエリアは、アンテ
ナの位置から水平方向に近距離点５ｋｍ〜遠距離点２０
ｋｍの範囲となる。

【０００６】このケースで、今、アンテナが振動したと
する。振動によるアンテナの傾きは、０．１°程度（２
０ｍのアンテナ頂上で２〜３ｃｍ程度の揺れ）は普通に
発生する。そこで、図８（ｂ）に図８（ａ）の正常位置
から０．１°傾いた例を示す。この場合、電波が安定し
て届くエリアは近距離点４．９ｋｍ、遠距離点１７．９
ｋｍに変わる。揺れが大きければアンテナの傾きは０．
１°を越え、従って、このケースでは特に遠距離点側の
サービスエリアが１〜２ｋｍ程度の範囲で電波強度変動
域となってしまう。

【０００７】これに対し、アンテナの傾きが仮に０．０
２°以内に抑えられたとしたら、サービスエリアの変動
は近距離点４．９８ｋｍ〜遠距離点１９．５ｋｍとな
り、電波不安定地帯は１／４〜１／５以下に減少する。

【０００８】これから判るように、アンテナ装置の制振
は極めて重要であるが、大型のアンテナ装置に制振策を
加えた例は過去には見られない。アンテナ装置に対して
は、周知の制振技術を採用し難いことが過去に実施され
ていない理由であろうと思われる。

【０００９】風による振動の原因は、周知の通り、アン
テナや取付柱に風が当るときに生じるカルマン渦であ
る。図１に示すように、アンテナ取付柱３に風が当ると
取付柱３の左右にカルマン渦Ｓが発生する。このカルマ
ン渦が左右均一ではなく、左右に交互に発生してその部
分の気圧が下がるためにアンテナ取付柱３が左右に引か
れて振動する。

【００１０】このカルマン渦による振動に対して考えら
れる策は次の４つがある。

【００１１】（１）構造材の強度向上、支線等による補
強を行って支持塔、アンテナ、アンテナ取付柱の剛性を
高め、装置全体の固有振動数を大きくして、カルマン渦
の振動と共振しないようにする。

【００１２】（２）ストローハル数を変化させるか、構
造物の長さを長くしてカルマン渦の振動数を小さくす
る。

【００１３】（３）図２のように、渦よけの螺旋状の突
起物（ひれ、リブ等）２３を取付けてカルマン渦の効果
を低減する。

【００１４】（４）制振装置を用いて振動を減衰させ
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上記（１）の方法は、
アンテナ装置の大型化、重量増、高価格化が避けられな
い。

【００１６】また、（２）の方法は、アンテナ取付柱の
断面形状を変えても（実際にはアンテナの性能面への影
響があるので形状変更は難しい）、ストローハル数は僅
か（０．１〜０．２程度）しか変わらないため、カルマ
ン渦の振動数を大きく下げようとすれば構造物を長くす
る手法を選ばざるを得ない。この場合、カルマン渦の振
動数を１／１０にするなら構造物の長さをほぼ１０倍に
する必要がある。従って、いずれにせよ非現実的であ
り、実際には役に立たない。

【００１７】さらに、（３）の方法は、架空送電線の風
音防止や橋梁の手摺、煙突などで実績のある方法である
が、アンテナ装置の場合、アンテナが邪魔になるので、
アンテナ取付柱に対して螺旋の突起物を付けるのは非常
に難しい。また、取付け可能であっても加工が面倒であ
り、コストも高くつく。

【００１８】また、（４）の方法は、近年、高層ビル等
の制振に対して脚光を浴びている方法である。この方法
に利用される制振装置は、大別するとアクティブ型、パ
ッシブ型の２つがある。

【００１９】パッシブ型の制振装置は、制振用ウェイト
が構造物の揺れに対し、位相ずれをもって運動し、振動
エネルギーを打ち消して振動を減衰させるものが多い。
この型式の制振装置は、アクティブ型のものに比べて簡
素で安価であるが、これをアンテナ装置にそのまま利用
すると制振装置が非現実的な重量になる。

【００２０】支持塔としてよく用いられるのは鉄塔であ
る。この鉄塔を含めたアンテナ装置の重量が３５ｔある
と仮定してこのときのパッシブ型制振装置における制振
用ウェイトの必要重量を求める。振動は鉄塔にも起こ
り、一方、制振用ウェイトの重量は振動を止めたい構造
物の重量にほぼ比例するので、ウェイトは３５ｔの重量
に対応するものでなければならず、その重量は約３００
ｋｇにもなる。この場合、他の部品も含めると、制振装
置の重量は優に４００ｋｇを超えてしまう。

【００２１】この大重量の制振装置を鉄塔上に持ち上げ
て据え付ける手間は大変なものになるし、作業の危険性
も増す。また、アンテナ取付柱の強度向上、取付具の補
強等も必要になり、コストにも少なからず影響が出る。

【００２２】そこで、この発明は、経済負担、施工の手
間等が少なくて済む小型の制振装置で効果的に振動を抑
制できるようにして指向性をもつアンテナ装置の性能を
安定させることを課題としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、少なくとも支持塔と、支持塔
上のアンテナ取付柱と、そのアンテナ取付柱に取付けら
れたアンテナを含み、前記アンテナが垂直面内で指向性
を持つアンテナ装置において、前記アンテナ取付柱を含
む支持塔上のアンテナ部の長さと重さに対応した制振能
力を持つ制振装置を具備させたのである。

【００２４】ここで用いる制振装置は、パッシブ型、中
でも、特開平５−２６３８６９号公報に開示されている
ような衝突ダンパ式のものが簡素かつ安価で好ましい。

【００２５】その衝突式ダンパの制振用ウェイトの重量
は、アンテナを含むアンテナ取付柱全体の等価振動エネ
ルギーを求めてそれに対応するように決定するとよい。
これについては、実施形態の項で詳しく述べるが、アン
テナを含むアンテナ取付柱全体を高さ方向に区分して、
各区分域の振動エネルギーから計算する方法が簡便であ
る。

【００２６】なお、この発明のアンテナ装置に用いる制
振装置は、アンテナ取付柱の振動をセンサで検出し、そ
のセンサの出力信号に基づいて制振のための運動を外部
の加振装置から強制的に加えるアクティブ型のものでも
よい。この方式のものは、パッシブ型のものに比べると
高価で大がかりになるが、一方で、色々な鉄塔やアンテ
ナの組合せに対し、制振パラメータを変更するだけで対
応できる利点がある。

【００２７】

【作用】発明者等は、鉄塔を含むアンテナ装置の振動
は、アンテナとアンテナ取付柱から成るアンテナ部の長
さと重量に大きく支配されると云う重大な事実を見出
し、この発明を完成するに至った。

【００２８】図３のアンテナ装置についてアンテナ部の
固有振動数を求め、実際に観測したアンテナ先端部の振
動数及び計算で求めたカルマン渦の振動数を比較したと
ころ、これ等はいずれも１〜２Ｈｚ程度であり、ほぼ一
致した。これに対し、鉄塔部の固有振動数は４〜５Ｈｚ
であって、実際の振動数及びカルマン渦の振動数から大
きくかけ離れていた。鉄塔部は鋼材をすじかい状に組合
わせてあるので剛性が高く、そのために固有振動数が大
きくなっている。

【００２９】アンテナ装置の振動は、風による共振現象
であるので、共振するはずのない鉄塔部が振動するのは
アンテナ部のせいであり、それに引かれて鉄塔部も振動
していたのである。

【００３０】このことから、アンテナ部のみの重量に対
応して制振用ウェイト重量を決めればアンテナ部の振動
が止まり、それによって鉄塔部の振動も止まると考え
た。

【００３１】制振装置の制振用ウェイトの重量を、鉄塔
も含めたアンテナ装置全体の重量に基づいて決定する
と、鉄塔が３０ｔ、アンテナ部が５ｔのケースではウェ
イト重量が先に述べたようにほぼ３００ｋｇにもなる
が、アンテナ部のみの重量５ｔに対応するウェイト重量
は１／６の約５０ｋｇでよい。これにより、前述の課題
が総て解決し、振動の少ない、安定した性能のアンテナ
装置が実現する。

【００３２】

【発明の実施の形態】図３に、この発明のアンテナ装置
の実施形態を示す。このアンテナ装置１は、図３（ａ）
に示すように、鉄塔２上に角形のアンテナ取付柱３を立
て、その柱の４面に指向性のあるアンテナ４を取付けて
いる。鉄塔２にもパラボラアンテナ５等が取付けられて
いるが、これ等は必須のものではない。６は航空障害
灯、７は避雷針である。

【００３３】このアンテナ装置１は、鉄塔部Ｂの高さが
約３５ｍ、重さ約３０ｔ、アンテナ部Ａの高さが約２０
ｍ、重さ約５ｔである。このアンテナ装置１のアンテナ
取付柱３の先端に制振装置１０が設けられている。

【００３４】その制振装置１０として、ここでは、パッ
シブ型の衝突ダンパ式のものを用いている。図４に、そ
の装置１０を拡大して示す。この制振装置１０は、円筒
形の収納容器１１内に鋼球１２と円盤状の制振用ウェイ
ト１３を交互に多段に重ねて収納した構造になってい
る。鋼球１２は広く敷き詰められている。また、制振用
ウェイト１３は、収納容器１１の内面に張った当り板
（図示省略）との間に適度のクリアランスをもって納め
られている。この装置を用いると、アンテナ取付柱３が
揺れたとき、制振用ウェイトが慣性により元の位置に残
ろうとするので収納容器１１との相対変位が起こってウ
ェイト１３が容器内壁の当り板に衝突する。このウェイ
ト１３の衝突運動とアンテナの振動周期はほぼ等しく、
位相がずれているため、振動エネルギーがウェイトの運
動エネルギーにより減殺されて振動が抑制される。

【００３５】図５は、アクティブ型制振装置の一例であ
る。図５（ａ）の１４は、図５（ｂ）に示すように、ア
ンテナ取付柱３上に取付けるウェイト、１５、１６はＸ
（水平）方向及びＹ（垂直）方向の振動を各々検出する
加速度センサ、１７はＡ／Ｄ変換器、１８はマイクロコ
ンピュータ、１９はウェイトの駆動装置、２０はＸ方向
制御装置、２１はＹ方向制御装置、２２は制御用端末機
である。この制振装置は、加速度センサ１５、１６で
Ｘ、Ｙ方向の振動を検出し、制御装置２０、２１でセン
サの出力信号に対応するように駆動装置１９を動作さ
せ、ウェイト１４を運動させてアンテナ部の振動エネル
ギーを打ち消す。駆動装置１９としては、磁力、油圧、
気圧駆動等、アンテナ取付柱の重量や規模に応じて選択
すればよい。ウェイト１４をアンテナ部の振動に対し位
相をずらして磁力等で振動させればアンテナ部の振動が
止まる。従って、この方式の制振装置でもアンテナ性能
の安定化が図れるが、これは、多様な設計のアンテナ装
置に対して制振パラメータを変更するだけで対応できる
利点があるものの、パッシブ型のものに比べて高価で大
がかりになるので、経済効果が重視される場合には向か
ない。

【００３６】以下に、図３のアンテナ装置の詳細につい
て述べる。アンテナ装置１のアンテナ先端の振動数を観
測したところ、風速７ｍ／ｓｅｃで振動が始まり、最大
風速１０ｍ／ｓｅｃの条件下で実振動数約１．２Ｈｚの
データを得た。

【００３７】また、カルマン渦の振動数Ｎを次式で求め
た。

【００３８】Ｎ＝Ｓｕ／Ｌ …… （１）ここにＳ：ストローハル数ｕ：風速Ｌ：代表長さ図１のアンテナ取付柱３は、断面が正方形であるので、
ストローハル数は、Ｓ＝０．１２５となる。代表長さＬ
は、上部のアンテナ取付柱３が約０．６ｍ角、下部のア
ンテナ取付柱が約０．７ｍ角であるので、それぞれ、一
辺の長さをとって０．６ｍ、０．７ｍとした。

【００３９】風速ｕは、先に述べた７〜１０ｍ／ｓｅｃ
を用いて（１）式で計算した結果、カルマン渦振動数Ｎ
について表１の値が得られた。

【００４０】

【表１】

【００４１】次に、図１のアンテナ装置をモデル化して
コンピュータシミュレーションによりアンテナ部Ａと鉄
塔部Ｂの固有振動数を解析した。その結果、アンテナ部
Ａの１次振動数は約１．２Ｈｚ、２次振動数は約３．７
Ｈｚ、鉄塔部Ｂのみの１次振動数は約４．６Ｈｚであっ
た。このコンピュータシミュレーションの解析結果は、
一部実測した値とよく一致しており、誤差は１０％以下
であった。

【００４２】以上のデータを照合すると、風速７ｍ／ｓ
ｅｃ程度の風がある場合にはアンテナ装置がカルマン渦
と共振することが判る。

【００４３】ここで、風速が７ｍ／ｓｅｃ以上になる
と、式（１）から求まるカルマン渦の振動数が大きくな
ってアンテナ部及び鉄塔部の固有振動数からかけ離れる
が、一旦振動が起こると、いわゆるロッキング現象が起
こってある程度風速が変化してもカルマン渦の振動数は
変化しないため、振動が持続されてしまう。

【００４４】この振動を抑制するために、図１のアンテ
ナ装置１について、先ずアンテナ部全体の等価振動エネ
ルギーを求めた。

【００４５】振動エネルギーＥは、振動する物体の質量
をｍ、変位量をｘとしてＥ＝１／２ｍ（Ｃ・ｘ）² ……（２）の式で求まる。Ｃは、物体の振動数を含む比例定数であ
る。

【００４６】ここでは、設計の容易化のためにアンテナ
取付柱３を、図６のように、重量が離散的に配置された
質点系と見なし、鉄塔２の天端位置から適当な長さＺｉ
でアンテナ取付柱３を高さ方向に複数に区分して各区分
域の質量（重量）ｍｉ、固有振動数で１次振動を起こし
たときの変位量ｘｉ（このｘｉは頂部振幅値を１．０と
して計算）から、各区分域の振動エネルギーを求め、そ
れを合計してアンテナ部全体の等価振動エネルギーとし
た。

【００４７】つまり、アンテナ部全体の等価振動エネル
ギーＥ_Tは、（３）式のようになる。

【００４８】Ｅ_T＝Σ１／２ｍ_i・（Ｃ・ｘ_i）²……（３）ここでΣはすべてのｉについて和を取る事を示す。ｉ
は、正の整数で、アンテナを含むアンテナ取付柱３を、
高さ方向に区分した時の各区分の位置を示す添字であ
る。

【００４９】等価振動質量をＷとすると、Ｗをアンテナ
取付柱の所定位置、例えばｉ＝ｎの位置においた時、ｎ
位置での変位ｘ_nを用いて、Ｗの振動エネルギーＥ
_Wは、Ｅ_W＝１／２Ｗ・（Ｃ・ｘ_n）² ……（４）と計算される。

【００５０】さらに、Ｅ_W＝Ｅ_T ……（５）としてＷを計算すれば、Ｗは、ｎ位置での振動エネルギ
ーを代表するもの、すなわちｎ位置での等価振動質量で
ある。

【００５１】振動を打消すための制振用ウェイトは、後
に述べるようにＷとの比率で求められ、Ｗはなるべく小
さい方が都合がよい。このため、Ｗは振動の大きい頂上
付近で計算するのが普通である。頂上での変位位置を１
として規格化した数値を用いるとｘ_n＝１となるので、
式（３）〜（５）より、Ｗ＝Σｍ_i・ｘ_i ² ……（６）としてＷを求めることが出来る。

【００５２】その結果、重量が約５ｔ、長さが約２０ｍ
のアンテナ部Ａの等価振動質量は、Ｗ＝１６３５ｋｇと
なった。

【００５３】制振用ウェイトの質量Ｗ_Dは次の式で求め
る事が出来る。

【００５４】Ｗ_D＝（Δ／δ_R）＊Ｒ＊Ｗ ……（７）ここで各文字の意味する所は次のとおりである。

【００５５】Δ：目的の構造物の振動を防止するために
必要とする対数減衰率 δ_R：等価振動質量Ｗに対し、制振用ウェイト質量Ｗ＊
Ｒをもつ制振装置を適用した時の対数減衰率Ｒ：１以下の数値で衝突ダンパ方式の制振装置では１／
１０〜１／１００程度のオーダの数値が用いられる。

【００５６】なお、対数減衰率の意味する所は、図７に
示すとおりで、減衰振動において、第ｉ番目の振動とそ
の次（第ｉ＋１番目）の振動の振幅の比Ｙ_i／Ｙ_i+1を
示しており、振動の減衰する早さを示す数値である。

【００５７】衝突ダンパ方式の制振装置では、Ｒ≒０．
０６程度で、δ_R≒０．０５〜０．０７程度と言われて
いる。また、Δは０．０３程度は必要と予想されるの
で、Ｗ_D＝（０．０３／０．０６）×０．０６×１６３５＝
４９ｋｇとなる。

【００５８】なお、図４の制振用ウェイト１３の実際の
重量は、収納容器１１の寸法や容器とウェイト間のクリ
アランスの大きさの関係から５１ｋｇを少し超えるもの
になった。

【００５９】以上により、アンテナの振動を制振なしの
場合に比べて少なくとも１／２以下に抑えることが可能
であり、図８における電波強度変動地帯を１／４〜１／
５程度に減少させることができる。

【００６０】さらに本願の別の実施方法について説明す
る。上の（３）式において、変位ｘ_iを計算する場合、
アンテナ及びアンテナ取付柱の部分のみに注目してｘ_n
を計算すればよいのであるが、より高精度の制振設計を
行いたい場合には、鉄塔部の変位成分をｘ_nの中に含め
てもよい。通常鉄塔部の振動による変位成分は、アンテ
ナ及びアンテナ取付柱による振動の変位成分に比べて十
分小さく、等価振動質量に大きな影響を与える事はな
い。しかし、微小成分としてｘ_iの中に鉄塔変位まで考
慮する事により、制振用ウェイトのわずかな増加によ
り、より効果的な制振を行う事も出来る。なお、鉄塔変
位を考慮する場合でも固有振動数は、アンテナ及びアン
テナ取付柱部分にもとづくものを考えればよく、基本的
にアンテナ部の振動がもとになっている事実に変わりは
ない。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のアンテ
ナ装置は、アンテナ部のみの長さ、重さに対応した制振
能力を付与するので、制振装置が小型軽量のものでよ
く、施工の困難化や極端なコストアップを回避できる。

【００６２】また、アンテナ部の振動を抑えることで鉄
塔の振動も抑制されるので、振動によるアンテナの傾き
が小さく、アンテナ性能が安定する。

【００６３】さらに、勿論のことであるが、振動による
材料疲労や、接続部のゆるみ等を防止する効果もある。

【００６４】なお、パッシブ型の衝突ダンパ式制振装置
を用いるものは、制振装置が簡単かつ安価であるので、
経済効果が特に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】カルマン渦の発生状況を模式化して示す平面図

【図２】カルマン渦による振動対策の一例を示す図

【図３】（ａ）この発明のアンテナ装置の実施形態の正
面図（ｂ）図３（ａ）のアンテナ先端部の拡大図

【図４】図３のアンテナ装置に用いた制振装置の拡大断
面図

【図５】（ａ）アクティブ型制振装置の一例の回路図（ｂ）同上の回路におけるウェイトとセンサのアンテナ
装置に対する取付例を示す図

【図６】等価振動エネルギーの求め方に関する解説図

【図７】対数減衰率の定義を表す図

【図８】（ａ）送信用指向性アンテナによるサービスエ
リアを表す線図（ｂ）同上のアンテナが０．１°傾いたときのサービス
エリアの変動状態を示す図

【符号の説明】

１アンテナ装置Ａアンテナ部Ｂ鉄塔部２鉄塔３アンテナ取付柱４指向性の有るアンテナ１０制振装置１１収納容器１２鋼球１３制振用ウェイト１４ウェイト１５、１６加速度センサ１７Ａ／Ｄ変換器１８マイクロコンピュータ１９駆動装置２０、２１制御装置２３制御用端末機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菅沼喜宣大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者二階堂智史大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも支持塔と、支持塔上のアンテ
ナ取付柱と、そのアンテナ取付柱に取付けられたアンテ
ナを含み、前記アンテナが垂直面内で指向性を持つアン
テナ装置において、前記アンテナ取付柱を含む支持塔上
のアンテナ部の長さと重さに対応した制振能力を持つ制
振装置を具備することを特徴とする制振型アンテナ装
置。
【請求項２】前記制振装置として、衝突ダンパ式のも
のを用いた請求項１記載の制振型アンテナ装置。
【請求項３】制振装置に含まれる制振用ウェイトの重
量を、アンテナ取付柱を含むアンテナ部全体の等価振動
質量に基づいて決定してある請求項２記載の制振型アン
テナ装置。
【請求項４】アンテナ取付柱を含むアンテナ部全体の
等価振動エネルギーを求めるに当り、アンテナ取付柱を
含むアンテナ部全体を高さ方向に複数に区分し、各区分
域の質量と、各区分域が固有振動で振動するときの各区
分域の変位量から算出した振動エネルギーを合計したも
のを全振動エネルギーとし、等価振動質量と、その等価振動質量を置く位置での変位
量から算出される振動エネルギーが、前記全振動エネル
ギーと一致するように、等価振動質量が定められている
ことを特徴とする請求項３記載の制振型アンテナ装置。
【請求項５】前記制振装置として、アンテナ取付柱の
振動をセンサで検出し、そのセンサの出力信号に基づい
て制振のための運動を外部の加振装置から強制的に加え
るアクティブ型のものを用いた請求項１記載の制振型ア
ンテナ装置。