JP2014052044A

JP2014052044A - Ｍｒダンパー

Info

Publication number: JP2014052044A
Application number: JP2012197438A
Authority: JP
Inventors: Masami Nakano; 政身中野
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-03-20

Abstract

【課題】ＭＲ流体コンポジットを用いた有効適切な構造のＭＲダンパーを提供する。
【解決手段】軸方向変位を回転方向変位に変換する変位変換機構と、変位変換機構により駆動されるブレーキ機構２０を主体とする。ブレーキ機構は、変位変換機構により回転せしめられる回転円盤２２と、回転円盤に対して同軸状態でかつ回転円盤が相対回転可能な状態で積層されている固定円盤２４と、回転円盤と固定円盤との間に挟持されてそれらの間に生じる相対回転によってせん断力を生じるＭＲ流体コンポジット２５と、ＭＲ流体コンポジットに対して可変磁場を印加してそのせん断力を制御するためのコイル２６を具備する。変位変換機構を軸方向変位を拡大して回転方向変位に変換するボールねじ機構とすることが好適である。
【選択図】図２

Description

本発明はＭＲ流体を用いる可変減衰型のＭＲダンパー、特にＭＲ流体を多孔質材に含浸させてＭＲ流体コンポジットとして用いる形式のＭＲダンパーに関する。

建物の制振や免震に使用されるダンパーとしてはオイルダンパー等の粘性系ダンパーや鋼材ダンパー等の履歴ダンパーが代表的であるが、これらは軸方向に働く軸抵抗力によって建物の揺れを抑制する直動型のダンパーであり、大きなストロークに対応させるためには装置全体が大型化するという欠点がある。
また、この種のダンパーは減衰力を可変に構成することは不可能であるため、それを設置した建物が大地震や経年変化等により特性が大きく変化してしまうとそれ以降はダンパー性能を十分に発揮できなくなるので、改めて適切な減衰力のダンパーに交換する必要が生じる。

それに対し、設置後においても減衰力を変更し得る可変減衰型のダンパーとして、ＭＲ流体を用いるＭＲダンパーが知られている。
周知のように、ＭＲ流体（Magneto-Rheological流体）は、分散媒である一様なオイルの中に分散質としての強磁性体粒子を分散させた液体であって、磁界を受けていないときは一般的な油圧作動油と同様の液状を呈するが、外部から磁界を加えると強磁性体粒子が鎖状のクラスターを形成して見掛けの粘度が劇的に高まり、流動時に降伏応力を有する塑性流体の挙動を呈するものである。

そのようなＭＲ流体を用いた従来型のＭＲダンパーの一例として、非特許文献１に示されているものを図７に示す。
これは、シリンダ１内にピストン２を配し作動油３を充填した一種の直動型油圧ダンパーであるが、作動油３としてＭＲ流体を用いるとともにシリンダ１に作動油３のバイパス通路としてのオリフィス４を設け、オリフィス４の外側に磁界を印加するためのコイル５を設けた構造のものである。
これによれば、オリフィス４を通過するＭＲ流体に対してコイル５によって磁場を印加することによりそこでのＭＲ流体の粘性を変化させることが可能であるので、コイル５に供給する電流を調節することによってダンパー軸方向の抵抗力（すなわちダンパー性能としての減衰力）を可変とすることが可能である。

袖山博、他、高知能建築構造システムの開発に関する日米共同構造実験研究（その81 実免震建物用MRダンパーの基本特性）、構造B-2、日本建築学会大会学術講演梗概集、pp.909−910、2003.9

図７に示したＭＲダンパーは減衰力が可変である点ではそれが不可能な従来一般のダンパーに比べて有効なものではあるが、以下の点で改善の余地がある。
・基本構造が直動型の油圧ダンパーと同様であるばかりでなく、コイル５による磁場印加によって大きな抵抗力を得るためにはオリフィス４の長さを十分に長くする必要があり、またオリフィス４の周囲に磁場を形成するためのコイル５や磁気回路も複雑かつ大型大重量にならざるを得ず、したがってダンパーの小型軽量化を図ることが困難である。
・大きな抵抗力を得るためにはコイル５に大電流を流す必要があり、消費電力が大きくなるので省エネルギーの観点から好ましくない。
・ＭＲ流体を作動油３としてシリンダ１内に封入するため、使用するＭＲ流体の量が多く、かつ高度なシール技術を必要とするので、コストダウンが図り難い。

また、ＭＲ流体は長時間静置したままであると、分散媒であるオイル内において分散質である強磁性体粒子が次第に沈降して終には沈澱してしまう現象が生じる場合があるので、上記の従来型のＭＲダンパーにおいてもそれに起因して所望の粘性調整機能や可変特性が得られないことが懸念され、その点で長期的には必ずしも十分な信頼性を有するものではない。

なお、上記のようなＭＲ流体における強磁性体粒子沈降の問題は、ＭＲ流体を単に流体としてそのまま用いるのではなく、ＭＲ流体をたとえばスポンジや不織布等の多孔質材に含浸させてＭＲ流体コンポジットとして（つまりＭＲ流体と多孔質材との複合材として）用いることで解決し得ることが知られている。
したがってＭＲ流体を用いるＭＲダンパーにおいても、図７に示した従来型のもののようにＭＲ流体を単なる作動油３としてそのまま使用するのではなく、多孔質材に含浸させてＭＲ流体コンポジットとして使用することが可能であれば、ダンパーとしての性能や信頼性を向上させることが可能であると考えられる。
しかし、ＭＲ流体コンポジットをダンパーの構成要素として用いるようなことは困難であって、現時点ではそれを可能とする有効適切かつ現実的な手段は提供されていないのが実状である。

上記事情に鑑み、本発明はＭＲ流体コンポジットを用いた有効適切な構造のＭＲダンパーを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、磁場の印加により降伏せん断力を制御可能なＭＲ流体を多孔質材に含浸させたＭＲ流体コンポジットを用いて、該ＭＲ流体コンポジットに生じるせん断力を制御することにより減衰力を可変に構成してなるＭＲダンパーであって、軸方向変位を回転方向変位に変換する変位変換機構と、該変位変換機構により駆動されるブレーキ機構を主体として構成され、前記ブレーキ機構は、前記変位変換機構により回転せしめられる回転円盤と、該回転円盤に対して同軸状態でかつ前記回転円盤が相対回転可能な状態で積層されている固定円盤と、前記回転円盤と前記固定円盤との間に挟持されてそれら回転円盤と固定円盤との間に生じる相対回転によってせん断力を生じるＭＲ流体コンポジットと、前記ＭＲ流体コンポジットに対して可変磁場を印加することにより該ＭＲ流体コンポジットのせん断力を制御するコイルを具備してなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のＭＲダンパーであって、前記変位変換機構は、軸方向変位を拡大して回転方向変位に変換するボールねじ機構であることを特徴とする。

本発明のＭＲダンパーは、ＭＲ流体を多孔質材に含浸させたＭＲ流体コンポジットとして使用しているので、ＭＲ流体を単に流体のままで用いる場合のように強磁性体粒子の沈降による性能劣化の懸念はなく、長期にわたってダンパー性能と信頼性を確保することができる。
また、ＭＲ流体コンポジットを回転円盤とそれに積層した固定円盤との間に介装した構成のブレーキ機構をダンパー抵抗力発生源としているため、シリンダ内にＭＲ流体を封入するタイプの従来のＭＲダンパーに比較して、ＭＲ流体の使用量がはるかに少なく、かつＭＲ流体を封入するための高度なシール技術も必要とはしないので、大幅なコストダウンが図り易い。

また、ＭＲ流体コンポジットを回転円盤とそれに積層した固定円盤との間に介装した構成の回転型のブレーキ機構として、そのブレーキ機構を変位変換機構により駆動するようにしているので、ダンパー両端間の軸方向変位が変位変換機構により回転円盤の回転方向変位に変換されたうえでＭＲ流体コンポジットを利用したブレーキに伝達され、それによりＭＲ流体コンポジットブレーキの回転方向の抵抗力が変位変換機構によりダンパー軸方向の抵抗力となって減衰力が得られる。

特に、変位変換機構をボールねじ機構とすれば、ダンパー両端間の軸方向変位がボールねじ機構により回転円盤の回転方向変位に拡大されて変換されたうえでブレーキ機構に伝達され、それによりブレーキ機構の回転方向の抵抗力がボールねじ機構により拡大されてダンパー軸方向の抵抗力となって大きな減衰力が得られる。しかも、そのような回転方向変位の拡大機能によってダンパー軸方向変位が微小な領域からＭＲダンパーとしての可変減衰力の性能を十分発揮でき、かつダンパー両端に作用する速度が小さくても回転円盤が高速回転するのでＭＲ流体コンポジットに作用する速度も大きくなり、大きな抵抗力が得られる。

さらに、磁場を可変にするためのコイルや磁気回路を回転円盤の周囲に設けたブレーキ機構としているので、従来型のＭＲダンパーにおけるオリフィスに比べてブレーキ機構をコンパクトかつ簡略に構成でき、ダンパー全体の小型化、軽量化を図ることができる。また、磁気回路の設計も従来型のＭＲダンパーに比べて容易かつ合理的に行うことが可能であり、従来よりも省電力でダンパー抵抗力を可変にすることができる。

本発明の実施形態であるＭＲダンパーを示すもので、全体概略構成を示す外観図（一部を破断して内部を示す図）である。同、その要部であるブレーキ機構の概略構成を示す図（図１におけるII部の断面図）である。同、ＭＲ流体コンポジットの概念図である。同、ＭＲ流体コンポジットにおける磁場とせん断力の関係を示す図である。同、電流変化時のダンパー軸力の変化を示す図である。同、各諸元についての説明図である。従来型のＭＲダンパーの一例を示す図である。

本発明のＭＲダンパーの実施形態について図１〜図６を参照して説明する。
本実施形態のＭＲダンパーは建物に対して制振装置あるいは免震装置として設置されるもので、基本的には両端間に入力される軸力によって軸方向に変位して減衰力を得る形式のものであるが、本実施形態のＭＲダンパーは変位変換機構としてのボールねじ機構１０と、そのボールねじ機構１０により駆動されるブレーキ機構２０を主体として構成され、かつそのブレーキ機構２０をＭＲ流体コンポジット２５の降伏せん断力を制御する構成としたことを主眼とする。

具体的には、図１に示すように、全体の外殻をなす主フレーム１５の内側に、ボールねじ軸１１とボールナット１２からなるボールねじ機構１０を組み込んで、ボールねじ軸１１を主フレーム１５に対してリニアスライダー機構１６を介して軸方向変位可能かつ回転不能に支持するとともに、そのボールねじ軸１１に螺着されているボールナット１２を主フレーム１５に対して軸方向変位不能かつ回転可能に支持している。

そして、主フレーム１５の一端（図１において上端）とその他端側のボールねじ軸１１の一端（図１において下端）をそれぞれ建物に対して接続することにより、それら接続点の間において離接する方向（図１においては上下方向）の変位が生じた際にはこのＭＲダンパーに軸力が入力され、その際にはボールねじ軸１１が主フレーム１５に対して軸方向に変位してボールナット１２が回転し、これにより軸方向変位がボールナット１２の回転方向変位に変換されてブレーキ機構２０に伝達されることになる。

ブレーキ機構２０は、その概略構成を図２に模式的に示すように、上記のボールナット１２に対して内側円筒体２１を介して接続されてボールナット１２とともに回転する回転円盤２２と、上記の主フレーム１５に対して外側円筒体２３を介して接続されて回転不能に設置されているとともに上記の回転円盤２２に対して同軸状態で積層されている固定円盤２４と、それら回転円盤２２と固定円盤２４との間に挟持されているＭＲ流体コンポジット２５と、ＭＲ流体コンポジット２５に対して可変磁場を印加するためのコイル２６とを具備して構成され、そのコイル２６への通電電流は可変とされている。

回転円盤２２および固定円盤２４はいずれもボールねじ軸１１の軸芯を中心とする環状の形状とされたもので、外側円筒体２３の内側に５枚の固定円盤２４が間隔をおいて固定され、それら５枚の固定円盤２４の間に４枚の回転円盤２２がそれぞれ固定円盤２４に対して接触することなく相対回転可能な状態で積層されている。

ＭＲ流体コンポジット２５は、上述したようにＭＲ流体をスポンジや不織布等の多孔質材に含浸させたもので、ＭＲ流体を作動油等として単独で用いる場合には懸念される強磁性体粒子の沈降を有効に防止できるものである。
すなわち、ＭＲ流体コンポジット２５は、図３にその構造を拡大して模式的に示しているように、磁場印加により形成される強磁性体粒子によるクラスターが多孔質材の繊維に支えられることによりＭＲ流体単体の場合よりも高いＭＲ効果を発揮するものであり、しかも単なるＭＲ流体の場合と同様にコイル２６に通電する直流電流を制御してＭＲ流体コンポジット２５に対して印加する磁場を変化させることにより、印加磁束密度が増加するにつれてＭＲ流体コンポジット２５に生じるせん断力を増加させることができるものである。

図４は各種のＭＲ流体コンポジット（多孔質材として不織布およびポリウレタンフォームを用いたもの）を対象として、印加磁場とせん断力の関係を求めた実験結果を示すものである。この図４から磁場が大きくなるにつれてせん断力が増大し、しかも殆どのＭＲ流体コンポジットではＭＲ流体を単独で用いる場合に比べて大きなせん断力が得られることが分かる。

本実施形態においては、ＭＲ流体コンポジット２５として、厚さ0.5mmの不織布（浪華絹綿社製：商品名TRF-50H）にＭＲ流体（Lord社製：商品名MRF-132DG）を十分量含浸させたものを用い、そのＭＲ流体コンポジット２５を回転円盤２２および固定円盤２４と同様の環状の円盤状に形成して、５枚の回転円盤２２と４枚の固定円盤２４の間に８枚のＭＲ流体コンポジット２５をそれぞれ挟み込んだものとしている。
これにより、回転円盤２２と固定円盤２４との間に相対回転が生じると、ＭＲ流体コンポジット２５にせん断力が生じてそれによる減衰力が発揮され、かつそのＭＲ流体コンポジット２５のせん断力はコイル２６に通電する電流値の調節により磁場を可変に印加することで制御可能とされている。

このようなＭＲ流体コンポジット２５によるせん断力は摩擦ダンパーの場合とほぼ同じような特性をもち、ＭＲ流体コンポジット２５が所定のせん断変形を生じるまでは弾性変形によって歪とともに応力が増大していき、それを超えて降伏せん断力に達した以降は固定円盤２４や回転円盤２２との界面において滑りを生じて応力がほぼ一定の塑性変形を生じることになる。

図５は本発明のＭＲダンパーの試作品（設計減衰力20ｋN、制振対象振動の振幅x_a＝50mm、振動周波数f＝0.025Hzを想定）におけるコイルへの印加電流値とダンパー軸力（減衰力）との関係を示す。
この場合、電流値を0〜0.6Aの範囲で大きくするにつれて減衰力が増加していき、電流値が0.5A（その場合の消費電力は約15w）とすることで約20kNの減衰力が得られることが確認できた。

なお、本実施形態のＭＲダンパーの設計に際しては各諸元を以下の手法により求めることができる（図６参照）。
ＭＲダンパーとしての減衰力（抵抗力）Fは、ＭＲ流体コンポジット２５のせん断力F_MRと、回転円盤２２による慣性質量効果F_nとの和として次式で求められる。

上式におけるＭＲ流体コンポジット２５のせん断力F_MRは、回転方向のトルクT_MRとボールねじのリードL_dにより求められ、トルクT_MRは回転円盤２２の枚数n（したがって本実施形態ではＭＲ流体コンポジット２５の枚数は2nとなる）、ＭＲ流体コンポジット２５のせん断応力S、１枚当たりの面積A、外径R_c、内径r_cに基づき，次式で求められる。

また、回転円盤２２の慣性質量効果F_nは、回転円盤２２の慣性質量Ψと円盤加速度ａにより求められ、慣性質量Ψは慣性モーメントI_sに基づき次式で求められる。

なお、本実施形態におけるボールねじ機構１０は、ダンパー両端間の軸方向変位を拡大して回転円盤２２の回転方向のせん断変位に変換する変位拡大機構としても機能するものであり、回転円盤２２の外周部における回転変位x_θは、ダンパー両端間の変位xに対して次式により拡大される。

上記のＭＲダンパーによれば、以下の効果が得られる。
(1)ＭＲ流体を多孔質材に含浸させたＭＲ流体コンポジット２５として使用しているので、ＭＲ流体を単に流体のままで用いる従来型のＭＲダンパーのように強磁性体粒子の沈降による性能劣化の懸念はなく、長期にわたってダンパー性能と信頼性を確保することができる。
また、ＭＲ流体コンポジットを回転円盤とそれに積層した固定円盤との間に介装した構成のブレーキ機構をダンパー抵抗力発生源としているため、シリンダ内にＭＲ流体を封入するタイプの従来のＭＲダンパーに比較して、ＭＲ流体の使用量がはるかに少なく、かつＭＲ流体を封入するための高度なシール技術も必要とはしないので、大幅なコストダウンを図ることができる。

(2)回転円盤２２とそれに積層した固定円盤２４との間にＭＲ流体コンポジット２５を介装した構成のブレーキ機構２０を用いているので、従来型のＭＲダンパーの場合に比べてコイルや磁気回路をコンパクトかつ簡略化でき、したがってダンパー全体の小型化、軽量化を図ることができる。また、磁気回路の設計も従来型のＭＲダンパーに比べて容易かつ合理的に行うことが可能であるし、従来よりも省電力でダンパー抵抗力を可変にできる。

（3）変位変換機構としてのボールねじ機構１０を用いてブレーキ機構２０を駆動するとともに、そのブレーキ機構２０はダンパー両端間の軸方向変位を回転円盤２２の回転方向変位に拡大して変換する構成であるので、ダンパー軸方向の抵抗力がボールねじ機構１０により拡大されてせん断方向（回転円盤２２の回転方向）の抵抗力となり、大きな減衰力が得られる。
また、ボールねじ機構１０を用いて変位と抵抗力を拡大することから、ダンパー軸方向変位が微小な領域からＭＲダンパーとしての可変減衰力の性能を十分に発揮できるし、ダンパー両端に作用する速度が小さくても回転円盤２２が高速回転するのでＭＲ流体コンポジット２５に作用する速度も大きくなって大きな抵抗力が得られる。

（4）従来型のＭＲダンパーのような単純な直動型のダンパーではないので、従来型の同等性能のＭＲダンパーに比べてダンパー全体をコンパクトにでき、設置スペースを大幅に低減したうえで大ストロークを実現できる。
たとえば、図５に特性を示した上述の試作品では、最大全長800mm程度、幅240mm程度のコンパクトな大きさでありながら、ストローク±100mm、電流値0.5Aにおいて減衰力20kNの性能を確保することが可能である。

(5)コイル２６への電流を可変にすることでダンパーとしての減衰力を可変とできることから、これを設置した建物の特性が変化（建物の用途変更、増改築による振動特性の変化等）した場合や、特性の異なる地震動に対しても、わずかな電力で建物応答の低減を有効に行うことができる。

以上で本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例であって本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、ボールねじ機構１０やブレーキ機構２０の具体的な構成、特に回転円盤２２や固定円盤２４の形状や寸法、それらの積層枚数、ＭＲ流体コンポジット２５の仕様その他の諸元については、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜の設計的変更や応用が可能であることはいうまでもない。
なお、上記実施形態では変位変換機構をボールねじ機構１０として構成したが、変位変換機構としては軸方向変位を回転方向変位に変換してブレーキ機構２０を駆動可能なものであれば良く、その限りにおいて変位変換機構としてはたとえばラックピニオン機構等の他の機構も同様に採用可能であり、それによっても同様の効果が得られる。

１０ボールねじ機構（変位変換機構）
１１ボールねじ軸
１２ボールナット
１５主フレーム
１６リニアスライダー機構
２０ブレーキ機構
２１内側円筒体
２２回転円盤
２３外側円筒体
２４固定円盤
２５ＭＲ流体コンポジット
２６コイル

Claims

磁場の印加により降伏せん断力を制御可能なＭＲ流体を多孔質材に含浸させたＭＲ流体コンポジットを用いて、該ＭＲ流体コンポジットに生じるせん断力を制御することにより減衰力を可変に構成してなるＭＲダンパーであって、
軸方向変位を回転方向変位に変換する変位変換機構と、該変位変換機構により駆動されるブレーキ機構を主体として構成され、
前記ブレーキ機構は、前記変位変換機構により回転せしめられる回転円盤と、該回転円盤に対して同軸状態でかつ前記回転円盤が相対回転可能な状態で積層されている固定円盤と、前記回転円盤と前記固定円盤との間に挟持されてそれら回転円盤と固定円盤との間に生じる相対回転によってせん断力を生じるＭＲ流体コンポジットと、前記ＭＲ流体コンポジットに対して可変磁場を印加することにより該ＭＲ流体コンポジットのせん断力を制御するコイルを具備してなることを特徴とするＭＲダンパー。
請求項１記載のＭＲダンパーであって、
前記変位変換機構は、軸方向変位を拡大して回転方向変位に変換するボールねじ機構であることを特徴とするＭＲダンパー。