JP2004052835A - Damper and structure equipped with damper - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギーを吸収して振動を軽減させるためのダンパーに関する。特に、摩擦力を利用してエネルギーを吸収するダンパーに関する。また、このようなダンパーを備えた構造物に関する。
【0002】
【背景技術】
二つの部材が相対的に振動する場合、この振動を減衰させる手段として、ダンパーが広く用いられている。
また、このようなダンパーとして、所望の減衰力を得るように制御可能なアクティブダンパーが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
通常、アクティブダンパーはアクチュエータを制御することによってダンパーの減衰力を制御しているため、停電時などにアクチュエータに電圧や電流の供給がストップすると、減衰力を制御することができなくなる。
しかし、このような停電時であっても、必要な減衰力を維持できるアクティブダンパーが求められている。
本発明は、電圧や電流の供給がストップしても、必要な減衰力を得ることができるダンパーを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための主たる発明は、第1部材と第2部材とを備え、前記第1部材と前記第2部材との間で働く摩擦抵抗力を利用して、両部材の相対的な振動を減衰させるダンパーであって、前記摩擦抵抗力が増大するように、力を付与する手段と、前記摩擦抵抗力が減少するように、力を発生するアクチュエータとを有することを特徴とする。
本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。
【0005】
【発明の実施の形態】
===本実施形態の概要===
本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。
第1部材と第2部材とを備え、前記第1部材と前記第2部材との間で働く摩擦抵抗力を利用して、両部材の相対的な振動を減衰させるダンパーであって、前記摩擦抵抗力が増大するように、力を付与する手段と、前記摩擦抵抗力が減少するように、力を発生するアクチュエータとを有することを特徴とするダンパー。このようなダンパーによれば、アクチュエータに供給される電圧や電流がストップしても、必要な減衰力を得ることができる。
【0006】
また、かかるダンパーであって、前記第1部材は、前記第2部材を挟む二つの板状部材を備え、前記アクチュエータは、前記二つの板状部材の間に設けられることが望ましい。このようなダンパーによれば、簡易な構成で、本発明の目的を達成することができる。
【0007】
また、かかるダンパーであって、前記アクチュエータは、圧電効果を利用して、力を発生することが望ましい。このようなダンパーによれば、アクチュエータへの電圧を制御することによって、第1部材と第2部材との間の摩擦抵抗力を制御することができる。
【0008】
また、かかるダンパーであって、前記手段は、前記第1部材を介して、前記アクチュエータを収縮させることが望ましい。このようなダンパーによれば、予め圧電素子を収縮させた状態で、圧電素子を利用することができる。
【0009】
また、かかるダンパーであって、前記アクチュエータを収縮させる方向の力を調整する調整手段を備えることが望ましい。このようなダンパーによれば、アクチュエータの初期状態を所望の状態に調整することができる。
【0010】
また、かかるダンパーであって、前記アクチュエータに電圧が印加されないときの摩擦抵抗力は、前記アクチュエータに電圧が印加されているときの摩擦抵抗力よりも大きいことが望ましい。このようなダンパーによれば、電圧や電流の供給がストップしても、必要な減衰力を得ることができる。
【0011】
また、かかるダンパーであって、前記手段は、バネの弾性変形を利用して、前記第1部材に力を付与することが望ましい。このようなダンパーによれば、簡易な構成で、本発明の目的を達成することができる。
【0012】
また、かかるダンパーであって、前記手段は、非線形に変形するバネを利用して、前記第1部材に力を付与することが望ましい。このようなダンパーによれば、第1部材に付与する力を安定させることができる。
【0013】
また、このようなダンパーを備えた構造物も本発明の範疇である。このような構造物によれば、地震の大小によらず、構造物の振動エネルギーを効果的に吸収し、振動を減衰させることができる。
【0014】
===ダンパーの構成===
<ダンパーの全体構成>
図1は、本実施形態のダンパーの説明図である。また、図2は、図1のダンパーを側方から見たときの図である。両図とも、説明のため、一部に断面図があり、一部に透視図がある。
【0015】
ダンパー1は、主として、第1部材10と、第2部材20と、締付け手段30と、調整手段40とを有する。そして、ダンパー1は、第1部材10と第2部材20の間で働く摩擦抵抗力を利用して、第1部材10と第2部材20との相対的な振動を減衰させる。
【0016】
第1部材10は、二つの板状部材として、第1摩擦板12と第2摩擦板14とを備えている。そして、第1摩擦板12及び第2摩擦板14は、それぞれ対向して設けられている。そして、第1摩擦板12は第1摩擦材121を有し、第2摩擦板14は第2摩擦材141を有している。この第1摩擦材121及び第2摩擦材141は、第2部材20との間で摩擦力を発生させるためのものであり(後述)、ブレーキ材としての機能を発揮する。第1摩擦材121及び第2摩擦材141は、それぞれ対向して設けられている。なお、第1摩擦材121及び第2摩擦材141は、必要に応じた摩擦係数μを有する材料を選択して、形成される。
【0017】
第2部材20は、第1摩擦板12及び第2摩擦板14との間に配置され、第1摩擦板12及び第2摩擦板14に挟まれている。第2部材20は、ステンレス板や第1摩擦材121及び第2摩擦材141との接触面にステンレス板が設けられたクラッド鋼等で形成される。第2部材20には、矩形の貫通穴20Hが形成されている。第2部材20の一方の面は第1摩擦材に接触し、他方の面は第2摩擦材に接触している。そして、第2部材20は、締付け手段30によって第1摩擦材121及び第2摩擦材141に挟みつけられており(後述)、第2部材20が第1部材10に対して相対的に振動すると、摩擦抵抗によって、振動エネルギーが熱エネルギーに変換される。そして、この摩擦抵抗によって、ダンパー1は振動を吸収(減衰)させているのである。
【0018】
締付け手段30は、第1部材が第2部材を締付ける方向(挟む方向)に力を付与し、摩擦抵抗力を増大するように第1部材に力を付与する。この締付け手段30は、ボルト32と、ナット34と、皿バネ36と、座金38Aと、座金38Bと座金38Cとを備えている。ボルト32とナット34は、皿バネ36を介して、第1部材によって第2部材を締付けている。ボルト32とナット34を締めていくと、第1部材は第2部材を締付けていくので、第1部材と第2部材との間(詳しくは、第1摩擦材121及び第2摩擦材141と第2部材との間)の摩擦抵抗力が高くなる。また、ボルト32とナット34を緩めていくと、第1部材は第2部材の締付けを緩めていくので、第1部材と第2部材との間(詳しくは、第1摩擦材121及び第2摩擦材141と第2部材との間)の摩擦抵抗力が低くなる。このようにボルト32とナット34の締付け量を調整することによって、皿バネ36に適切な予圧力(圧接力)を付加できる。皿バネ36の構成及び機能については、後述する。座金38Aは、ボルト32と皿バネ36との間に設けられている。座金38Bは、皿バネ36と第1摩擦板121との間に設けられている。また、座金38Cは、ナット34と第2摩擦板141との間に設けられている。
【0019】
調整手段40は、圧電素子42と、調整ネジ44と、中継板46とを備えている。圧電素子42は、第1部材が第2部材から離間する方向に第1部材に力を付与するアクチュエータとして機能する。圧電素子42は、電圧を印加すると変位を発生するピエゾ素子を利用したものであって、薄板状の複数のピエゾ素子を電極板でサンドイッチ状に挟んで積層することにより構成される。そして、ピエゾ素子の両端電極板に電圧を印加すると、各ピエゾ素子が逆圧電効果によって電極板方向に変位され、圧電素子42は各ピエゾ素子の変位を累積した変位量で変位する。また、ピエゾ素子に発生する変位は印加する電圧によって変化するので、圧電素子42は、電圧を制御することによって、変位が制御される。そして、圧電素子42は、第1摩擦板12と第2摩擦板14との間に設けられている。したがって、圧電素子42に電圧が印加されると、第1摩擦板12と第2摩擦板14とを離間させる方向に力が発生し、摩擦抵抗力が減少する。これにより、第1部材と第2部材との間(詳しくは、第1摩擦材121及び第2摩擦材141と第2部材との間)の摩擦抵抗力を制御することができる(後述)。そして、摩擦抵抗力を制御することによって、ダンパーの振動の吸収力(減衰力)を制御するのである。なお、本実施形態の構成では、締付け手段30のボルト32とナット34とを締めることによって、又は調整手段40を調整することによって、予め圧電素子を収縮させ、予め圧電素子に予圧力を付加することができる。そして、調整手段40によって、圧電素子42の初期状態を所望の状態に調整することができる。なお、調整ネジ44と中継板46については、後述する。
【0020】
<皿バネ>
図3は、皿バネを構成する皿バネ単体の断面図である。また、図4は、皿バネ単体のバネ特性の一例を示すグラフ図である。
【0021】
図3において、Sは皿バネ単体36Aの板厚、hは皿バネ単体の全たわみ量、Doは皿バネ単体の外形寸法、Diは皿バネの内径寸法を表す。本実施形態では、h/Sが1.3〜1.4である皿バネ単体36Aを使用することが望ましい。h/Sが1.3よりも小さい皿バネ単体36Aを使用すると、十分な変形量を確保することができないためである。また、h/Sが1.4よりも大きい皿バネ単体36Aを使用すると、逆方向に反る変形を発生するおそれがあるためである。
【0022】
図4において、縦軸は荷重Pを表し、横軸は皿バネ単体36Aのたわみ量σを表している。皿バネ単体36Aの荷重特性は、その形状に依存する。本実施形態の皿バネ単体36は、同図に示された通り、荷重−変位の関係が非線形となる領域Rを有している。そして、本実施形態の皿バネ単体36は、この非線形領域Rにおいて、使用されている。したがって、皿バネ単体36Aのたわみ量σが変化しても、その荷重Pの変動が小さい。すなわち、皿バネ36は、一定の予圧力(圧接力)を付加することができる。なお、本実施形態では、皿バネ単体36Aが非線型領域Rにおいて使用されるように、ボルト32とナット34とを調整している。
【0023】
具体的には、本実施形態の皿バネ単体36Aは、非線形領域Rで使用されるように、予圧力が15tに設定され、このときのたわみ量は約10mmに設定されている。このような皿バネ単体36Aに対して、たわみ量が±1mmの範囲で変動しても、荷重Pの変動は、約±1t(設定予圧力15tに対して約±7%の変動)に抑えることができる。仮に、例えば皿バネ単体36Aがたわみ量2.5mmに設定されていた場合(皿バネ単体36Aが線形領域で使用された場合)、たわみ量±1mmの変動に対する荷重Pの変動は、約±2.5t(設定予圧力約5tに対して約±50%の変動)にもなる。
【0024】
皿バネ単体36Aの向きを互い違いに直列に重ね合わせると、重ね枚数に応じて、たわみ量を調整することができる。すなわち、皿バネ単体36Aを直列に、2枚重ねると2倍のたわみ量になり、3枚重ねると3倍のたわみ量になる。本実施形態の皿バネ36は、2枚の皿バネ単体26Aを背中合わせに突き合わせた状態で用いられている。
【0025】
また、皿バネ36を並列に並べると、並べた皿バネの個数に応じて、反発力を調整することができる。すなわち、皿バネ36を並列に、2個並べると2倍の反発力になり、3個並べると3倍の反発力になる。本実施形態では、1個の皿バネ36を使用しているが、これに限られるものではない。
【0026】
<印加電圧と摩擦力の関係>
図5は、圧電素子への印加電圧とダンパーの摩擦抵抗力との関係を示すグラフ図である。本実施形態では、同図に示す通り、右下がりのグラフとなっている。また、図6は、摩擦板12(又は摩擦板14)に対する力の説明図である。同図において、P0は摩擦板12が第2部材を締付ける力であり、P1はボルト32とナット34が皿バネ36を介して付与する予圧力(締付け手段30が第1部材10に付与する予圧力)であり、P2は圧電素子42に働く軸力である。以下の説明において、P20は圧電素子42に電圧を印加していないときの圧電素子42の軸力であり、P21は圧電素子42に最大電圧を印加したときの圧電素子42の軸力である。本実施形態では、摩擦材と圧電素子が並列に構成された関係にあるので、締付け手段から付与される力は、摩擦材と圧電素子に分散されている。
【0027】
ここで、本実施形態のダンパーの構成では、1つの締付け手段に対して2つの圧電素子42が設けられているので、次式の関係が成り立つ(図6を参照)。 P0 = P1 − P2×2
そして、摩擦材と第2部材との間の摩擦係数をμとし、圧電素子に電圧を印加しないときに第1摩擦材121(又は第2摩擦材)と第2部材20との間に発生する摩擦抵抗力F0は、次式のようになる。
F0 = μP0 = μ(P1 − P20×2)
次に、圧電素子に最大電圧を印加して、圧電素子に軸力P21が働くと、このときに第1摩擦材121(又は第2摩擦材141)と第2部材との間に発生する摩擦抵抗力F1は、次式のようになる。
F1 = μP0 = μ(P1 − P21×2)
但し、P20<P21である。したがって、圧電素子42に電圧を印加しないときの摩擦抵抗力F0の方が、圧電素子42に電圧を印加したときの摩擦抵抗力F1よりも、大きい。そして、圧電素子42に電圧を印加しないときに、摩擦抵抗力F0は、最大値となっている。これは、本実施形態では、圧電素子42が第1摩擦板12と第2摩擦板14との間に設けられているためである。したがって、圧電素子42に電圧を印加すると、第1摩擦板12と第2摩擦板14とが離間する方向に力が発生するため、摩擦板が第2部材を締付ける力が減少するので、ダンパー1の摩擦抵抗力が減少するのである。つまり、印加電圧と摩擦抵抗力との関係は、右下がりのグラフとなる。
【0028】
本ダンパーにおける初期摩擦抵抗力F0(印加電圧ゼロ時の摩擦力)の設定方法を示す。本ダンパーを設置した構造物が受けると想定される最大地震時に、停電や摩擦力調整機構の故障が発生し、パッシブ型ダンパーとして機能した場合(摩擦力がF0で固定された場合)でも、構造物に大きな損傷が発生しない程度の摩擦減衰力が得られるよう初期摩擦抵抗力F0の値を設定する。こうすることによって、大地震時に、停電あるいは摩擦力を調整する機構に障害が発生した場合でも、必要な摩擦抵抗力が得られ、構造物の健全性が守られる。中小地震時には、摩擦力調整機構により、ダンパーの摩擦抵抗力を初期摩擦力F0よりも小さくして、ダンパー部に相対変形を生じさせ、振動エネルギーを吸収する。中小地震時に、停電や摩擦力調整機構の故障が発生した場合には、ダンパー部に相対変形を生じず、従って、振動エネルギーを吸収できない可能性があるが、地震レベルが小さいため、構造物に損傷が発生することはない。
【0029】
本実施形態の様に第1摩擦材12と第2摩擦材14との間に圧電素子を設けるようなダンパー構成ではなく、図15に示すように、圧電素子によって摩擦材を滑り板に押し付け摩擦力を発生させるダンパーの場合、印可電圧と摩擦抵抗力の関係は図7のように右上がりのグラフになる(つまり、圧電素子に電圧を印加したときの摩擦抵抗力F1の方が、圧電素子に電圧を印加しないときの摩擦抵抗力F0よりも、大きい)。ここで、大地震時に停電や摩擦力を増大させる機構に障害が発生した場合でも、ダンパーを設置する構造物が損傷しないよう摩擦抵抗力F0を大きく設定すると、中小地震時又は強風時等にダンパー部に相対変形が生じず、振動エネルギーを吸収できない(ダンパーが効かない)。逆に、中小地震時又は強風時等にダンパーが効くよう摩擦抵抗力F0を小さい値に設定すると、大地震時に停電あるいは摩擦力を増大させる機構に障害が発生した場合、必要な摩擦抵抗力が得られず、構造物に損傷が生じる可能性がある。
【0030】
本実施形態のダンパーの構成によれば、圧電素子に電圧を印加していないときに摩擦抵抗力が最大となる(図5参照)。したがって、停電などによって圧電素子に電圧を印加できなくなった場合であっても、必要な摩擦抵抗力を得ることができる。
【0031】
<調整方法>
本実施形態のダンパーの調整方法について説明する。
最初に、この調整方法を行う前に、図1及び図2に示されるように、ダンパー1を構成する。これにより、特に、圧電素子42は、第2部材20を挟む摩擦板12と摩擦板14との間に位置するように構成される。また、皿バネ36は、ボルト32と第1摩擦板12との間に位置するように構成される。
【0032】
次に、締付け手段30の締付け力を調整する。詳しくいうと、皿バネ36の皿バネ単体36Aが前述の非線型領域Rで使用されるように(図4参照)、ボルト32とナット34の締付け力を調整する。これにより、皿バネ36は、一定の予圧力を付与することができる。
【0033】
次に、調整手段40の調整を行う。詳しくいうと、圧電素子42に働く初期の軸力が、0.4×P21〜0.6P21になるように、調整ネジ44を調整する(P21は、圧電素子に最大電圧を印加したときに圧電素子に働く軸力である)。なお、圧電素子42に働く初期の軸力は、0.45×P21〜0.55×P21程度が望ましく、最大発生力P21の半分程度がより好ましい(つまり、圧電素子に電圧を印加しないときの軸力P20は、P21の半分程度になる)。これにより、圧電素子42に対して、予め圧電素子42を収縮させ、予め圧電素子42に予圧力を付加することができる。そして、予め圧電素子42に予圧力を付加させているので、圧電素子42に電圧を印加すると、圧電素子42は、第1摩擦板12と第2摩擦板14とを離間させる方向に力を発生する。
【0034】
なお、調整ネジ44の調整は、圧電素子42から出力される電圧を検出し、その検出結果に基づいて行う。すなわち、圧電素子42は、ピエゾ素子の圧電効果によって、負荷される力(この場合、予圧力)に応じた電圧を出力する。そして、圧電素子42が出力する電圧が所定値になるように調整ネジ44を調整すれば、圧電素子42には、所定の予圧力が付与された状態になるのである。本実施形態における調整ネジ44の調整は、調整ネジ44及び圧電素子42と直列に挿入した荷重計の出力結果又は圧電素子の高さ測定結果に基づいて行う。
【0035】
図8は、本実施形態の調整手段40の説明図である。圧電素子42と調整ネジ44との間に中継板46が設けられている。中継板46は、同図に示された通り、直方体で構成されている。そして、第2摩擦板14には、中継板46を挿入できる矩形の穴14Hが空いている。中継板46は穴14Hに嵌めこまれているので、調整ネジが調整のため回転しても、中継板46の回転を抑えることができる。これにより、圧電素子42が捩れることを、抑えることができる。さらに、調整ネジ44の先端は、同図に示された通り、テーパが施され、細くなっている。これにより調整ネジ44から中継板46に回転力が伝達されることを、抑えることができる。
【0036】
本実施形態のダンパー1は、皿バネ36からの予圧力を、摩擦板12(又は摩擦板14)と圧電素子42に分散していると考えることができる。そして、皿バネ36の予圧力は、上記の通り、第1摩擦板12と第2摩擦板14との間の変位が変動しても、ほぼ一定になる(図4参照)。一方、圧電素子42の発生力を制御すれば、摩擦抵抗力を制御できるので、ダンパーの振動吸収力を制御することができる。
【0037】
===ダンパーを使用した建築物===
<構成>
図9は、上記のダンパーを使用した建築物(建築物の架構)100の説明図である。また、図10は、図9のダンパーユニット110の構成の説明図である。
【0038】
同図において、建築物100は、主として、柱112と、上梁114Aと、下梁114Bとを有する(なお、114Bが床である場合もある)。また、上梁114Aと下梁114Bとの間に、ブレース116Aとブレース116Bが設けられている。このブレース116は、架構を補強する機能を有し、上梁114Aと下梁114Bとの間の相対的な振動を抑制するための軸力が働く。
【0039】
地震時には、上梁114Aと下梁114Bとの相対的な振動が問題となる。本実施形態では、ダンパーユニット110に用いられるダンパー1の圧電素子42の電圧を制御することによって、ダンパーユニット110の振動吸収特性を制御し、大規模な地震から中小規模の地震まで幅広く、制振効果を得ることができる。
【0040】
また、建築物に用いられるダンパーユニットは、停電時であっても、必要な制振効果を得ることが望ましい。本実施形態のダンパーユニット110は、圧電素子42に電圧が印加されないときであっても必要な摩擦抵抗力を得ることができるので、停電時でも必要な制振効果を得ることができる。
【0041】
<センサ・制御など>
図9において、120は、本実施形態のダンパーユニットに用いられる制御系である。この制御系120は、コントローラ122と、振動検出器124A及び振動検出器124Bとを有する。
【0042】
コントローラ120は、振動検出器124A及び124Bの検出値に基づいて、ダンパーユニット110を制御する。特に、コントローラ120は、振動検出器124A及び124Bの検出値に基づいて、1次の振動モードに関するデータを算出する。そして、この1次の振動モードを抑制するように、ダンパーユニット110の摩擦抵抗力を制御する。
【0043】
振動検出器124Aは、上梁114Aの加速度を検出する。また、振動検出器124Bは、下梁114Bの加速度を検出する。なお、振動検出器114は、変位又は速度を検出するものであっても良い。
【0044】
なお、本実施形態では、停電などにより制御系が機能しなくなったとしても、ダンパーユニット110は、必要な摩擦抵抗力を発生することができる。
【0045】
===その他の実施形態について===
以上、一実施形態に基づき、本発明に係るダンパー等を説明したが、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。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言うまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に係るダンパー等に含まれるものである。
【0046】
<摩擦材について>
前述の実施形態では、摩擦材は、摩擦板に設けられていたので、第1部材側に設けられていた。しかし、摩擦材を設ける位置は、これに限られるものではない。例えば、第2部材側に摩擦材を設けても良い。
【0047】
<ボルトについて1>
前述の実施形態では、ダンパー1は、締付け手段30にボルトとナットを使用していた。しかし、これに限られるものではない。要するに、締付け手段は、第2部材を挟むように第1部材に予圧力を付与できるものであれば良い。
【0048】
<ボルトについて2>
前述の実施形態では、ダンパー1は、1つの締付け手段を備えていた。しかし、締付け手段の数は、これに限られるものではない。例えば、一つのダンパーに対して、複数の締付け手段を備えていても良い。
【0049】
<皿バネについて>
前述の実施形態では、ダンパー1は、締付け手段30に皿バネを使用していた。しかし、これに限られるものではない。例えば、コイルバネなどのように、反発力を発生するものであれば良い。
【0050】
<圧電素子について>
前述の実施形態では、ダンパー1は、調整手段40圧電素子を使用していた。しかし、これに限られるものではない。例えば、油圧シリンダなどのように、駆動力を発生させるアクチュエータであれば良い。
【0051】
<ダンパーユニットについて1>
前述の実施形態では、一つのダンパーユニット110は、複数のダンパー1を備えていた。しかし、これに限られるものではない。例えば、一つのダンパーユニットが、一つのダンパーしか備えてなくても良い。
【0052】
また、前述の実施形態では、ダンパーユニット110のダンパー1は、それぞれ個別に摩擦材や圧電素子などを備えていた。しかし、複数のダンパーを備える場合、ダンパーが個別に構成要素をそれぞれ備えている必要はない。例えば、隣り合うダンパー同士で、摩擦材や圧電素子などを共用しても良い。
【0053】
<ダンパーユニットについて2>
前述の実施形態では、ダンパーユニット110は、上梁に接合されたブレースと、下梁に接合されたブレースとの間に設けられていた。しかし、ダンパーユニット110が設けられる位置は、これに限られるものではない。
例えば、図11に示す通り、ダンパーユニット110は、ブレース116と上梁114A(又は下梁114B)との間に設けられても良い。
【0054】
<ダンパーユニットについて3>
前述の実施形態では、一組のブレースと上梁(又は下梁)の間にダンパーユニットが設けられていた。しかし、ダンパーユニットは、ブレースに介して設けられるものに限られない。
例えば、図12に示す通り、壁117と上梁114A(又は下梁114B)との間に設けられても良い。
【0055】
<ダンパーユニットについて4>
図11及び図12に示す実施形態では、一組のブレース又は一つの壁に対して、一つのダンパーユニットが設けられていた。しかし、ダンパーユニットの数は、これに限られるものではない。
例えば、図13に示す通り、一組のブレースに対して、複数のダンパーユニットを設けても良い。または、例えば、図14に示す通り、一つの壁に対して、複数のダンパーユニットを設けても良い。
【0056】
【発明の効果】
本発明のダンパーによれば、ダンパーの摩擦力を制御することによって、地震の大小によらず構造物の振動エネルギーを効果的に吸収し、振動を減衰させることができる。さらには、たとえ大地震時にアクチュエータに供給される電圧や電流がストップしても、初期設定摩擦力により必要な減衰力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本実施形態のダンパーの説明図である。
【図2】図2は、図1のダンパーを側方から見たときの図である。
【図3】皿バネ単体の断面図である。
【図4】皿バネ単体のバネ特性の一例を示すグラフ図である。
【図5】圧電素子への印加電圧とダンパーの摩擦抵抗力との関係を示すグラフ図である(本実施形態)。
【図6】摩擦板に働く力の説明図である。
【図7】参考例における、圧電素子への印加電圧とダンパーの摩擦抵抗力との関係を示すグラフ図である。
【図8】本実施形態の調整手段40の説明図である。
【図9】本実施形態の建築物(建築物の架構)の説明図である。
【図10】本実施形態のダンパーユニットの構成の説明図である。
【図11】他の実施形態のダンパーユニットの説明図である。
【図12】他の実施形態のダンパーユニットの説明図である。
【図13】他の実施形態のダンパーユニットの説明図である。
【図14】他の実施形態のダンパーユニットの説明図である。
【図15】参考例のダンパーの説明図である。
【符号の説明】
1 ダンパー
10 第1部材
12 第1摩擦板
121 第1摩擦材
14 第2摩擦板
141 第2摩擦材
20 第2部材
30 締付け手段
32 ボルト
34 ナット
36 皿バネ
36A 皿バネ単体
38 座金
40 調整手段
42 圧電素子
44 調整ネジ
46 中継板
100 建築物(建築物の架構)
110 ダンパーユニット
112 柱
114A 上梁
114B 下梁(床)
116 ブレース[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a damper for absorbing energy to reduce vibration. In particular, it relates to a damper that absorbs energy using frictional force. Further, the present invention relates to a structure provided with such a damper.
[0002]
[Background Art]
When two members vibrate relatively, a damper is widely used as a means for damping the vibration.
Also, as such a damper, an active damper that can be controlled to obtain a desired damping force is known.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Usually, since the active damper controls the damping force of the damper by controlling the actuator, the damping force cannot be controlled when the supply of the voltage or the current to the actuator is stopped at the time of a power failure or the like.
However, there is a need for an active damper that can maintain a necessary damping force even during such a power failure.
An object of the present invention is to provide a damper that can obtain a necessary damping force even when supply of voltage or current is stopped.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
A main invention for achieving the above object includes a first member and a second member, and uses a frictional resistance force acting between the first member and the second member to make a relative relationship between the two members. A damper for attenuating vibration, comprising: means for applying a force so as to increase the frictional resistance; and an actuator for generating a force so as to decrease the frictional resistance.
Other features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0005]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
=== Overview of this embodiment ===
At least the following matters will be made clear by the description in the present specification and the accompanying drawings.
A damper comprising a first member and a second member, wherein the damper attenuates relative vibration between the two members by utilizing a frictional resistance force acting between the first member and the second member. A damper comprising: means for applying a force so as to increase the resistance; and an actuator for generating a force so as to reduce the frictional resistance. According to such a damper, a necessary damping force can be obtained even if the voltage or current supplied to the actuator is stopped.
[0006]
In the damper, it is preferable that the first member includes two plate members sandwiching the second member, and the actuator is provided between the two plate members. According to such a damper, the object of the present invention can be achieved with a simple configuration.
[0007]
In the above damper, it is preferable that the actuator generates a force using a piezoelectric effect. According to such a damper, by controlling the voltage to the actuator, the frictional resistance between the first member and the second member can be controlled.
[0008]
In this damper, it is preferable that the means causes the actuator to contract through the first member. According to such a damper, the piezoelectric element can be used in a state where the piezoelectric element is contracted in advance.
[0009]
In addition, it is preferable that the damper includes an adjusting unit that adjusts a force in a direction to contract the actuator. According to such a damper, the initial state of the actuator can be adjusted to a desired state.
[0010]
In this damper, it is preferable that a frictional resistance when no voltage is applied to the actuator is larger than a frictional resistance when a voltage is applied to the actuator. According to such a damper, a necessary damping force can be obtained even when the supply of the voltage or the current is stopped.
[0011]
In the above damper, it is preferable that the means applies a force to the first member using elastic deformation of a spring. According to such a damper, the object of the present invention can be achieved with a simple configuration.
[0012]
In this damper, it is preferable that the means applies a force to the first member by using a spring that deforms nonlinearly. According to such a damper, the force applied to the first member can be stabilized.
[0013]
Further, a structure provided with such a damper is also within the scope of the present invention. According to such a structure, the vibration energy of the structure can be effectively absorbed and the vibration can be attenuated regardless of the magnitude of the earthquake.
[0014]
=== Damper configuration ===
<Overall configuration of damper>
FIG. 1 is an explanatory diagram of the damper of the present embodiment. FIG. 2 is a diagram when the damper of FIG. 1 is viewed from the side. In both figures, a cross-sectional view is partially used and a perspective view is partially used for description.
[0015]
The damper 1 mainly includes a
[0016]
The
[0017]
The
[0018]
The fastening means 30 applies a force in a direction in which the first member fastens the second member (a direction in which the second member is sandwiched), and applies a force to the first member so as to increase the frictional resistance. The fastening means 30 includes a
[0019]
The adjusting
[0020]
<Belleville spring>
FIG. 3 is a cross-sectional view of a disc spring alone constituting the disc spring. FIG. 4 is a graph showing an example of the spring characteristics of the disc spring alone.
[0021]
In FIG. 3, S represents the plate thickness of the
[0022]
In FIG. 4, the vertical axis represents the load P, and the horizontal axis represents the deflection σ of the
[0023]
Specifically, the preload is set to 15 t and the amount of deflection at this time is set to about 10 mm in the
[0024]
When the directions of the disc springs 36A are alternately superimposed in series, the amount of deflection can be adjusted according to the number of superposed springs. That is, when two disc springs 36A are stacked in series, the amount of deflection is doubled, and when three pieces are stacked, the amount of deflection is tripled. The
[0025]
When the disc springs 36 are arranged in parallel, the repulsive force can be adjusted according to the number of the arranged disc springs. In other words, arranging two disc springs 36 in parallel results in a double repulsion force, and arranging three disc springs 36 results in a triple repulsion force. In the present embodiment, one
[0026]
<Relationship between applied voltage and frictional force>
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the voltage applied to the piezoelectric element and the frictional resistance of the damper. In the present embodiment, as shown in FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram of a force on the friction plate 12 (or the friction plate 14). In the drawing, P0 is the force by which the
[0027]
Here, in the configuration of the damper of the present embodiment, since two
The friction coefficient between the friction material and the second member is represented by μ, and the friction coefficient is generated between the first friction material 121 (or the second friction material) and the
F0 = μP0 = μ (P1−P20 × 2)
Next, when a maximum voltage is applied to the piezoelectric element and an axial force P21 acts on the piezoelectric element, friction generated between the first friction material 121 (or the second friction material 141) and the second member at this time. The resistance F1 is expressed by the following equation.
F1 = μP0 = μ (P1−P21 × 2)
However, P20 <P21. Therefore, the frictional resistance F0 when no voltage is applied to the
[0028]
The setting method of the initial frictional resistance F0 (frictional force when the applied voltage is zero) in the present damper will be described. Even if the structure equipped with this damper is expected to receive a maximum earthquake and a power failure or failure of the frictional force adjustment mechanism occurs and it functions as a passive type damper (when the frictional force is fixed at F0), the structure The value of the initial frictional resistance F0 is set so as to obtain a friction damping force that does not cause significant damage to the object. In this way, even if a power failure or a failure occurs in the mechanism for adjusting the frictional force during a large earthquake, the necessary frictional resistance can be obtained, and the soundness of the structure can be maintained. At the time of a small or medium-sized earthquake, the frictional resistance of the damper is made smaller than the initial frictional force F0 by the frictional force adjusting mechanism to cause relative deformation in the damper portion and absorb vibration energy. In the event of a power failure or failure of the frictional force adjustment mechanism during a small or medium-sized earthquake, relative deformation does not occur in the damper part, and there is a possibility that vibration energy cannot be absorbed. No damage occurs.
[0029]
Instead of a damper configuration in which a piezoelectric element is provided between the
[0030]
According to the configuration of the damper of the present embodiment, the frictional resistance is maximized when no voltage is applied to the piezoelectric element (see FIG. 5). Therefore, even when a voltage cannot be applied to the piezoelectric element due to a power failure or the like, a necessary frictional resistance can be obtained.
[0031]
<Adjustment method>
A method of adjusting the damper according to the present embodiment will be described.
First, before performing this adjustment method, the damper 1 is configured as shown in FIGS. Thereby, in particular, the
[0032]
Next, the tightening force of the tightening means 30 is adjusted. Specifically, the tightening force of the
[0033]
Next, the adjusting means 40 is adjusted. More specifically, the
[0034]
The adjustment of the
[0035]
FIG. 8 is an explanatory diagram of the adjusting means 40 of the present embodiment. A
[0036]
In the damper 1 of the present embodiment, it can be considered that the preload from the
[0037]
=== Building using damper ===
<Structure>
FIG. 9 is an explanatory view of a building (frame of a building) 100 using the above damper. FIG. 10 is an explanatory diagram of the configuration of the
[0038]
In the figure, a
[0039]
During an earthquake, relative vibration between the
[0040]
Further, it is desirable that the damper unit used for the building obtain a necessary vibration damping effect even during a power outage. The
[0041]
<Sensor, control, etc.>
In FIG. 9, reference numeral 120 denotes a control system used for the damper unit of the present embodiment. The control system 120 has a
[0042]
The controller 120 controls the
[0043]
The vibration detector 124A detects the acceleration of the
[0044]
In this embodiment, even if the control system stops functioning due to a power failure or the like, the
[0045]
=== About Other Embodiments ===
As described above, the damper and the like according to the present invention are described based on one embodiment. is not. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit thereof, and it goes without saying that the present invention includes its equivalents. In particular, even the embodiments described below are included in the damper and the like according to the present invention.
[0046]
<About friction material>
In the above-described embodiment, since the friction material is provided on the friction plate, it is provided on the first member side. However, the position where the friction material is provided is not limited to this. For example, a friction material may be provided on the second member side.
[0047]
<About bolt 1>
In the above-described embodiment, the damper 1 uses a bolt and a nut for the fastening means 30. However, it is not limited to this. In short, any fastening means may be used as long as it can apply a preload to the first member so as to sandwich the second member.
[0048]
<About bolt 2>
In the above-described embodiment, the damper 1 has one fastening unit. However, the number of fastening means is not limited to this. For example, a plurality of tightening means may be provided for one damper.
[0049]
<About disc springs>
In the above-described embodiment, the damper 1 uses a disc spring for the fastening means 30. However, it is not limited to this. For example, any device that generates a repulsive force, such as a coil spring, may be used.
[0050]
<About piezoelectric elements>
In the above-described embodiment, the damper 1 uses the piezoelectric element of the adjusting means 40. However, it is not limited to this. For example, any actuator that generates a driving force, such as a hydraulic cylinder, may be used.
[0051]
<About the damper unit 1>
In the above-described embodiment, one
[0052]
Further, in the above-described embodiment, the dampers 1 of the
[0053]
<About the damper unit 2>
In the above-described embodiment, the
For example, as shown in FIG. 11, the
[0054]
<About the damper unit 3>
In the above-described embodiment, the damper unit is provided between the pair of braces and the upper beam (or the lower beam). However, the damper unit is not limited to the one provided via the brace.
For example, as shown in FIG. 12, it may be provided between the
[0055]
<About the damper unit 4>
In the embodiment shown in FIGS. 11 and 12, one damper unit is provided for one set of braces or one wall. However, the number of damper units is not limited to this.
For example, as shown in FIG. 13, a plurality of damper units may be provided for one set of braces. Alternatively, for example, as shown in FIG. 14, a plurality of damper units may be provided for one wall.
[0056]
【The invention's effect】
According to the damper of the present invention, by controlling the frictional force of the damper, it is possible to effectively absorb the vibration energy of the structure regardless of the magnitude of the earthquake and to attenuate the vibration. Furthermore, even if the voltage or current supplied to the actuator is stopped during a large earthquake, a necessary damping force can be obtained by the initially set frictional force.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a damper according to the present embodiment.
FIG. 2 is a diagram when the damper of FIG. 1 is viewed from a side.
FIG. 3 is a sectional view of a disc spring alone.
FIG. 4 is a graph illustrating an example of a spring characteristic of a disc spring alone.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the voltage applied to the piezoelectric element and the frictional resistance of the damper (this embodiment).
FIG. 6 is an explanatory diagram of a force acting on a friction plate.
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a voltage applied to a piezoelectric element and a frictional resistance of a damper in a reference example.
FIG. 8 is an explanatory diagram of an adjusting
FIG. 9 is an explanatory diagram of a building (frame of a building) of the present embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a configuration of a damper unit of the present embodiment.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a damper unit according to another embodiment.
FIG. 12 is an explanatory diagram of a damper unit according to another embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram of a damper unit according to another embodiment.
FIG. 14 is an explanatory view of a damper unit of another embodiment.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a damper of a reference example.
[Explanation of symbols]
1 Damper
10 First member
12 First friction plate
121 1st friction material
14 Second friction plate
141 second friction material
20 Second member
30 Tightening means
32 volts
34 nuts
36 Belleville spring
36A Disc spring only
38 Washer
40 Adjusting means
42 Piezoelectric element
44 Adjustment screw
46 Relay board
100 building (framework of building)
110 damper unit
112 pillar
114A Upper beam
114B Lower beam (floor)
116 Brace
Claims (9)
前記摩擦抵抗力が増大するように、力を付与する手段と、
前記摩擦抵抗力が減少するように、力を発生するアクチュエータと
を有することを特徴とするダンパー。A damper comprising a first member and a second member, wherein the damper attenuates relative vibration between the two members by using a frictional resistance force acting between the first member and the second member,
Means for applying a force such that the frictional resistance increases,
An actuator for generating a force so as to reduce the frictional resistance.
前記第1部材は、前記第2部材を挟む二つの板状部材を備え、
前記アクチュエータは、前記二つの板状部材の間に設けられる。The damper according to claim 1, wherein
The first member includes two plate members sandwiching the second member,
The actuator is provided between the two plate members.
前記アクチュエータは、圧電効果を利用して、力を発生する。The damper according to claim 1 or 2,
The actuator generates a force using a piezoelectric effect.
前記手段は、前記第1部材を介して、前記アクチュエータを収縮させる。The damper according to claim 3, wherein
The means causes the actuator to contract through the first member.
前記アクチュエータを収縮させる方向の力を調整する調整手段を備える。The damper according to claim 4, wherein
And adjusting means for adjusting a force in a direction for contracting the actuator.
前記アクチュエータに電圧が印加されないときの摩擦抵抗力は、前記アクチュエータに電圧が印加されているときの摩擦抵抗力よりも大きい。It is a damper according to any one of claims 1 to 5,
The frictional resistance when no voltage is applied to the actuator is greater than the frictional resistance when a voltage is applied to the actuator.
前記手段は、バネの弾性変形を利用して、前記第1部材に力を付与する。The damper according to any one of claims 1 to 6,
The means applies a force to the first member using elastic deformation of a spring.
前記手段は、非線形に変形するバネを利用して、前記第1部材に力を付与する。The damper according to claim 7, wherein
The means applies a force to the first member using a non-linearly deforming spring.
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2002
- 2002-07-17 JP JP2002208250A patent/JP2004052835A/en active Pending
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