JP2014126177A5

JP2014126177A5 -

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Publication number: JP2014126177A5
Application number: JP2012285165A
Authority: JP
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2032-12-27

Description

また、減衰装置として、磁気粘性流体（ＭＲ流体）の粘性や摩擦を減衰に利用したものが提案されている。特許文献３には、磁気粘性流体を使用した減衰装置が記載されている。図１３は従来の減衰装置の概略構成を示す断面図である。減衰装置２１０は、磁気粘性流体２１１を満たしたシリンダー２１２と、シリンダー２１２内に挿通されて軸方向へ進退自在に支持されたピストンロッド２１３と、ピストンロッド２１３の中間部適所に固定されシリンダー２１２内を仕切るピストン２１４と、シリンダー２１２の下部に設けられたバイパス管２１５と、バイパス管２１５の軸方向に沿って配置された電磁石等の磁界形成手段２１６と、を備える。シリンダー２１２の端部とピストンロッド２１３の端部には夫々取付部２１２ａ、２１３ａが設けられ、各取付部は例えば建造物の異なった部位に取り付けられる。
建造物が地震等によって振動した場合、ピストン２１４がシリンダー内を軸方向へ移動することにより磁気粘性流体２１１を付勢し、磁気粘性流体がバイパス管２１５内を流動する。この際、磁気粘性流体２１１の磁性体粒子が磁界形成手段２１６の磁界を受けて鎖状につながることにより磁気粘性流体２１１の流れに抵抗を生じさせて、前記振動を減衰させる。
このような減衰装置２１０によれば、磁界形成手段である電磁石への電流を制御することにより、磁気粘性流体２１１による減衰特性を調整し、減衰装置２１０の減衰特性を変化させることができる。

しかしながら、上述した特許文献１及び特許文献２に記載の制振装置は、加振源からの振動力の伝達と共振振幅とを回転モーメント及び粘性抵抗で抑制し、生じた振動の減衰を早めることができるものの、その減衰特性は一定である。このため、このような制振装置は、多様な振動特性を有する地震や、複雑な構造物の挙動に柔軟に対応して、効果的な減衰特性を発揮することが難しい。
また、特許文献３に記載の減衰装置は、磁界形成手段である電磁石に電力を供給するための外部電源が必要である。しかし、災害や事故などにより外部電源を喪失した場合には磁界を形成することができないため、磁気粘性流体による振動の減衰を早める効果が著しく低下するという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、小型でかつ加えられた振動をフライホイールの慣性モーメントと、磁気粘性流体による調整可能な抵抗力とで減衰でき、更に外部電源が存在しなくても磁気粘性流体がその機能を発揮できる減衰装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、先端に先端開口部を有しかつ他端に連通開口部を有した軸方向貫通穴を備えた第１のシリンダー、及び前記連通開口部に一端の開口部を連通させた状態で該第１のシリンダーの他端部に同一軸心状に固定されかつ他端が閉塞された中空の第２のシリンダーを備えたケーシングと、前記第１のシリンダーの前記先端開口部内に嵌合して前記軸方向貫通穴に回転不能かつ軸方向へ進退自在に支持された中空のスリーブと、前記スリーブ内に固定されたボールナットと、該ボールナットの雌螺子部と螺合するボールねじと、強磁性体材料で形成され、前記第２のシリンダーの中空内部に回転自在に配置されるとともに、前記ボールねじと同軸に固定されて回転駆動されるフライホイールと、前記第２のシリンダー内壁と前記フライホイール外周との隙間に密閉領域を形成するシール部材と、前記第２のシリンダー内壁に配置され、前記フライホイールを磁気回路の一部として前記密閉領域を横切る磁場を形成する電磁石を備えた磁場形成手段と、前記密閉領域内に封入される磁気粘性流体と、前記電磁石に電力を供給する商用電源と、前記フライホイールと一体回転する界磁又は電機子からなる回転子、及び該回転子と同心状に配置された電機子又は界磁からなる固定子を有する発電機と、を備え、前記商用電源が停止した場合に前記発電機が発電した電力を該電磁石に供給することを特徴とする減衰装置である。

請求項２の発明は、先端に先端開口部を有しかつ他端に連通開口部を有した軸方向貫通穴を備えた第１のシリンダー、及び前記連通開口部に一端の開口部を連通させた状態で該第１のシリンダーの他端部に同一軸心状に固定されかつ他端が閉塞された中空の第２のシリンダーを備えたケーシングと、前記第１のシリンダーの前記先端開口部内に嵌合して前記軸方向貫通穴に回転不能かつ軸方向へ進退自在に支持された中空のスリーブと、前記スリーブ内に固定されたボールねじと、該ボールねじの雄螺子部と螺合するボールナットと、強磁性体材料で形成され、前記第２のシリンダーの中空内部に回転自在に配置されるとともに、前記ボールナットと同軸に固定されて回転駆動されるフライホイールと、前記第２のシリンダー内壁と前記フライホイール外周との隙間に密閉領域を形成するシール部材と、前記第２のシリンダー内壁に配置され、前記フライホイールを磁気回路の一部として前記密閉領域を横切る磁場を形成する電磁石を備えた磁場形成手段と、前記密閉領域内に封入される磁気粘性流体と、前記電磁石に電力を供給する商用電源と、前記フライホイールと一体回転する界磁又は電機子からなる回転子、及び該回転子と同心状に配置された電機子又は界磁からなる固定子を有する発電機と、を備え、前記商用電源が停止した場合に前記発電機が発電した電力を該電磁石に供給することを特徴とする減衰装置である。

請求項１及び請求項２に記載の減衰装置では、加振に起因するスリーブの直線運動は、ボールナット及びボールねじで回転運動に変換され、フライホイールを高速に回転させる。この回転運動を利用して発電機により発電する。また、フライホイール外周と第２のシリンダー内壁との間の密閉領域に配置された磁気粘性流体は、磁場形成手段がフライホイールを磁気回路の一部として密閉領域を横切るように形成した磁場で粘性を備える。このため、減衰装置は、振動をフライホイールの慣性モーメントと、磁気粘性流体でフライホイールに加えられる粘性抵抗により減衰する。
このとき、発電機が発電した電力を磁場形成手段の電磁石に供給することにより、磁場の大きさ、即ち磁気粘性流体による抵抗を調整できる。また、磁場は強磁性体であるフライホイールを磁気回路の一部として形成され、密閉領域を横切る。このため、密閉領域中の磁気粘性流体の磁性体粒子は、フライホイールと第２のシリンダーとの間で鎖状に連結し、この鎖状の磁性体粒子がフライホイールの回転によるせん断を受けフライホイールに粘性抵抗力を与える。

請求項１０の発明は、前記建築物の構造部材に配置され、構造部材の振動の状態を検知する加速度計を備え、前記制御手段が、前記加速度計の検出値に基づいて前記磁場形成手段を制御することを特徴とする。本発明によれば、制御手段は、加速度計が検出した構造部材の振動を減衰させるのに最適な減衰力を発揮するよう減衰装置の磁場形成手段を制御し、構造物の振動を効果的に減衰させることができる。
請求項１１の発明は、前記加速度計が、前記減衰装置に対応して配置され、前記制御手段が、前記各減衰装置の磁場形成手段を対応する加速度計の検出値に基づいて制御することを特徴とする。本発明によれば、制御手段は、各減衰装置に対応した加速度計の検出値に基づいて最適な制御を行うことができ、構造物の振動を効果的に減衰させることができる。

本発明に係る減衰装置によれば、小型でかつ外部から加えられた振動をフライホイールの慣性モーメントと、磁気粘性流体による調整可能な抵抗力とで所望の特性で減衰でき、更に外部電源が存在しなくても磁気粘性流体が所定の機能を発揮する。
また、本発明に係る構造物の制振装置によれば、構造物に配置した減衰装置の減衰特性を当該構造物の特性や加振特性に応じてリアルタイムで調整することができ、構造物及び加振特性に適した制振を効果的に行うことができる。

スリーブ４０の先端（図中左方）には、本減衰装置１を設置する構造物等に接続するための取付部材４１が固着される。また、スリーブ４０の他端部（同右方）の内部にはボールナット４２が固着され、ボールナット４２には、その雌螺子部と螺合するボールねじ４３が挿通されている。ボールねじ４３とボールナット４２は、減衰装置１を設置した構造物等から加わる振動、衝撃によって、第１のシリンダー１０とスリーブ４０とが相対的に軸方向移動した時に、この直進運動を高い効率でボールねじ４３の回転運動に変換する機能を有する。
ボールねじ４３の他端部には、ボールねじ４３と同軸に回転軸部材４４が連結されている。回転軸部材４４は、第２のシリンダー２０内部に延長して設けられ、第２のシリンダー２０の端部フランジ２６（第１のシリンダー１０との境界部）の内周に配置されたベアリング２４によって回転可能に軸支される。
回転軸部材４４には、フライホイール５０の軸心部が固定されている。これにより、フライホイール５０は、ボールねじ４３の回転に伴って一体的に第２のシリンダー２０内で回転する。フライホイール５０は、鋼鉄などの強磁性体で構成されており、両端に端部小径部５１、５２を形成した円柱形状部材である。減衰装置１では、フライホイール５０の慣性モーメントによりユニバーサルジョイント２３と取付部材４１との間に負荷される振動の減衰を行う。なお、図１中符号２７は、フライホイール５０の組み付け用のナットを示している。

また、第２のシリンダー２０の内壁とフライホイール５０の外周との隙間には、密閉領域４６が形成される。密閉領域４６は、フライホイール５０の端部小径部５１、５２と第２のシリンダー２０との間にシール部材４７、４８を配置して形成される。即ち、一方のシール部材４７は、第２のシリンダー２０内部に設けた内フランジ部２８の内周とフライホイール５０の端部小径部５１との間に配置され、他のシール部材４８は蓋部材２２とフライホイール５０の他の端部小径部５２との間に配置される。また、密閉領域４６を形成する第２のシリンダー２０の内周壁と、フライホイール５０の外周壁とは可能な限り近接するよう構成される。このため、密閉領域４６の容積は小さいものとなる。なお、シール部材４８及び端部小径部５２により、第２のシリンダー２０は、端部（図中右側）において閉塞された状態となっている。

次に磁場形成手段６０について説明する。図３は実施形態に係る減衰装置の要部を拡大して示す断面図である。磁場形成手段６０は、第２のシリンダー２０の内周に配置された複数、例えば４つ並設されたコイル６１と、各コイル６１の両端に夫々配置され、磁力線を誘導するフェライト材等のヨーク部材６２と、コイル６１の内径側、かつヨーク部材６２の間に配置され、磁力線が通過できない例えばステンレススチール製の非磁性部材６３と、ヨーク部材６２と非磁性部材６３との間で磁気粘性流体をシールするシール部材６４とを備えている。
磁場形成手段６０において、各コイル６１は、各コイル６１への通電時に隣接する磁場Ｍの向きが互いに一致するよう構成されるとともに、第２のシリンダー２０及び磁場形成手段６０を磁気回路の一部として磁力線が通過する。このため、磁場形成手段６０で密閉領域４６を横切る磁場Ｍを形成するに際して構成部材の点数を減じることができる。また磁力線は、密閉領域４６以外は強磁性体から成る部材内を通るように構成されるので、密閉領域４６を横切る磁場Ｍを高い効率で形成することができ、少ない電力消費量で強力な磁場を形成することができる。更に、この例では、第２のシリンダー２０の内周面、即ち磁場形成手段６０とフライホイール５０の外周面とを接近して配置しているので、磁場Ｍをより効率的に密閉領域４６内に形成できる。また、磁気粘性流体４９による抵抗は、磁気粘性流体４９の層の厚さが小さいほど大きくなるので、フライホイール５０により大きな抵抗を与えることができる。

この減衰装置１において、両端の取付部材４１とユニバーサルジョイント２３とに振動が加わると、この振動の直線運動成分（ボールねじ４３の軸方向に沿った運動成分）は、ボールナット４２とボールねじ４３で効率良く回転運動に変換されてフライホイール５０及び発電機回転軸３３を回転させる。この回転運動により発電機３２が発電した直流電力は、磁場形成手段６０のコイル６１に供給される。即ち、磁場形成手段６０に必要な電力の全てを発電機３２が発電した電力によって賄う。磁場形成手段６０のコイル６１に電流が流れると、密閉領域４６内の磁気粘性流体４９を磁場Ｍが横切って磁気粘性流体４９の磁性体粒子が磁場形成手段６０とフライホイール５０との間でつながり、フライホイール５０の回転で磁性体粒子の鎖がせん断され、フライホイール５０に抵抗を与える。
従って、減衰装置１に加えられる振動は、フライホイール５０の慣性モーメントと、フライホイール５０の回転に対する磁気粘性流体の抵抗により効果的に減衰される。フライホイール５０の磁気粘性流体による抵抗は、磁場形成手段６０のコイル６１に印加される電流の変化に応じて変化する。本実施形態では、減衰装置１に加えられる振動が大きいほど発電機３２が発電する電力が大きくなり、コイル６１に印加される電流が大きくなるので、振動の大きさに応じた減衰力を得ることができる。

このように発電機３２を、磁場形成手段６０を構成する電磁石の電源に利用することで、外部電源を必要とせずに磁場を発生させ、磁気粘性流体４９に粘性を付与することができる。従って、減衰装置１の加振中は、磁気粘性流体４９による振動の減衰を早める効果を維持することができる。このように、シンプルな構成で効率よく振動を減衰させることができる。
なお、発電機３２が発電する電力量の増大に伴うコイル６１の焼損を防止するために、発電機３２とコイル６１との間に過電流保護装置としての定電流回路を配置してもよい。
また、磁場形成手段６０のコイル６１に供給する電流の大きさは、発電機３２の発電容量（発電能力）によっても変えることができる。従って、発電機３２の発電容量に基づいて、磁気粘性流体４９に作用する磁場の強さを変化させ、フライホイール５０が受けるせん断流れの抵抗力を任意に設定して減衰力を調整することができる。
さらに、大きな減衰力を得るためにコイル６１の数を増やした場合も、それに応じた発電容量の発電機３２を選定する必要がある。磁場の形成に必要な電力と発電機３２の発電容量との関係については、使用条件によって異なるので、実験などにより求める。

なお、減衰装置１において、密閉領域４６における第２のシリンダー２０の内壁に配置した磁場形成手段６０とフライホイール５０の外周面との間の寸法は、減衰装置１の使用時における定常振動に起因するフライホイール５０の回転によって、封入された磁気粘性流体４９を沈殿が生じない程度に攪拌するのに十分な程度に小さい寸法であることが望ましい。例えば減衰装置１を建築物などの構造物に使用するときには、建築物に常時加わる車両の通行振動で減衰装置１のフライホイール５０が微小回転する。フライホイール５０の微小回転で密閉領域４６内の磁気粘性流体４９が攪拌され、沈殿していた磁性体粒子がベースオイルに混ざり、磁気粘性流体４９の性能を発揮できるようになる。フライホイール５０と磁場形成手段６０との間隔寸法は、実際に使用する建物などの条件により異なるので、実験などにより定める。

フライホイール５０の軸方向両端外周と第２のシリンダー２０との間に夫々ベアリング７２、７３、及びシール部材７４、７５を配置して、フライホイール５０を第２のシリンダー２０によって回転自在に保持するとともに、第２のシリンダー２０内壁とフライホイール５０外周との間に密閉領域４６を形成している。なお、第２のシリンダー２０の他端部は蓋部材２２で閉塞されている。
第２のシリンダー２０の内周には、磁場形成手段６０を配置するとともに、密閉領域４６内には磁気粘性流体４９を封入している。磁場形成手段６０の各コイルには、発電機３２が発電した電力を供給する。
第２の実施形態に係る減衰装置７１は、ボールナット４２とボールねじ４３の位置を交換しただけであるので、第１の実施形態に係る減衰装置１と同じ作用及び効果を有する。

次に第３の実施の形態に係る減衰装置について説明する。図５は第３の実施形態に係る減衰装置の断面図である。減衰装置８１は、発電機３２と磁場形成手段６０との間に制御手段８２を備えた他は、第１の実施形態例に係るものと同じ構成を備える。
制御手段８２は、発電機３２が発電する電力量に基づいて、減衰装置８１の磁場形成手段６０に印加する電流を調整して減衰状態を制御する。例えば、発電機３２による発電量が所定のしきい値以上の場合には、発電量に応じた電力を磁場形成手段６０に供給し、発電量が所定のしきい値未満の場合には磁場形成手段６０に電力を供給しない構成とすることができる。
このように制御手段８２が、磁場形成手段６０のコイルに印加する電流を変更することによってフライホイール５０の磁気粘性流体による抵抗を調整できるので、減衰装置８１の減衰特性を所望のものに設定できる。

次に第５の実施形態に係る減衰装置について説明する。図８は第５の実施形態に係る減衰装置の断面図である。減衰装置１０１は、磁場形成手段１０２を永久磁石１０３とコイル１０４とから構成したものであり、他の構造は、上述した第１の実施形態例と同じである。減衰装置１０１において、磁場形成手段１０２を構成する永久磁石１０３はリング状であり、コイル１０４の内側に配置される。永久磁石１０３は、常時密閉領域４６を横切る磁場を常時形成する。このため磁気粘性流体の磁性体粒子が鎖状となり、その沈殿を防止できる。また、減衰装置１０１では、コイル１０４に流す電流を調整することにより磁場形成手段１０２全体での磁場Ｍの強さを調整し、フライホイール５０に加わる粘性抵抗を調整することができる。このため、制振対象に最適な制振特性を得ることができる。
図８は、永久磁石１０３とコイル１０４とを、フライホイール５０の回転軸の方向に並べた例であるが、永久磁石１０３とコイル１０４とをフライホイール５０の径方向に並べて配置することで、永久磁石１０３の磁束をコイル１０４が発生させる磁束が強めるように、又は弱めるように（相殺するように）配置しても良い。

１…減衰装置、１０…シリンダー、１１…先端開口部、１２…連通開口部、１３…軸方向貫通穴、１４…ブッシュ、１５…キー、２０…シリンダー、２１…開口部、２２…蓋部材、２３…ユニバーサルジョイント、２４…ベアリング、２６…端部フランジ、２７…ナット、２８…内フランジ部、２９…連通開口部、３０…シリンダー、３１…開口部、３２…発電機、３３…発電機回転軸、３５…ケーシング、４０…スリーブ、４１…取付部材、４２…ボールナット、４４…回転軸部材、４６…密閉領域、４７、４８…シール部材、４９…磁気粘性流体、５０…フライホイール、５１、５２…端部小径部、６０…磁場形成手段、６１…コイル、６２…ヨーク部材、６３…非磁性部材、６４…シール部材、７１…減衰装置、７２…ベアリング、７４…シール部材、８１…減衰装置、８２…制御手段、８３…コンパレータ、８４…第１スイッチ素子、８５…第２スイッチ素子、８６、８７…ダイオード、９１…減衰装置、９２…蓄電池、１０１…減衰装置、１０２…磁場形成手段、１０３…永久磁石、１０４…コイル、１１１、１１２、１１３…減衰装置、１２１…制御手段、１３１、１３２、１３３、１３４…加速度計、１４０…建築物、１４１…地盤、１４２、１４３、１４４…構造部材、１４５…連結部材、１６１、１６２、１６３…減衰装置、１７０…建築物、１７１…地盤、１７２、１７３、１７４…構造部材、１８１、１８２、１８３…減衰装置、１８４…建築物、１８５、１８６、１８７…構造部材、１８８…建築物、１８９、１９０、１９１…構造部材、２００…建物、２０１…減衰装置、２０２、２０３…積層ゴムアイソレータ、２０４…地盤、２０５…構造部材、２１０…減衰装置、２１１…磁気粘性流体、２１２…シリンダー、２１２ａ…取付部、２１３…ピストンロッド、２１３ａ…取付部、２１４…ピストン、２１５…バイパス管、２１６…磁界形成手段

Claims

先端に先端開口部を有しかつ他端に連通開口部を有した軸方向貫通穴を備えた第１のシリンダー、及び前記連通開口部に一端の開口部を連通させた状態で該第１のシリンダーの他端部に同一軸心状に固定されかつ他端が閉塞された中空の第２のシリンダーを備えたケーシングと、
前記第１のシリンダーの前記先端開口部内に嵌合して前記軸方向貫通穴に回転不能かつ軸方向へ進退自在に支持された中空のスリーブと、
前記スリーブ内に固定されたボールナットと、
該ボールナットの雌螺子部と螺合するボールねじと、
強磁性体材料で形成され、前記第２のシリンダーの中空内部に回転自在に配置されるとともに、前記ボールねじと同軸に固定されて回転駆動されるフライホイールと、
前記第２のシリンダー内壁と前記フライホイール外周との隙間に密閉領域を形成するシール部材と、
前記第２のシリンダー内壁に配置され、前記フライホイールを磁気回路の一部として前記密閉領域を横切る磁場を形成する電磁石を備えた磁場形成手段と、
前記密閉領域内に封入される磁気粘性流体と、
前記電磁石に電力を供給する商用電源と、
前記フライホイールと一体回転する界磁又は電機子からなる回転子、及び該回転子と同心状に配置された電機子又は界磁からなる固定子を有する発電機と、を備え、
前記商用電源が停止した場合に前記発電機が発電した電力を該電磁石に供給することを特徴とする減衰装置。
先端に先端開口部を有しかつ他端に連通開口部を有した軸方向貫通穴を備えた第１のシリンダー、及び前記連通開口部に一端の開口部を連通させた状態で該第１のシリンダーの他端部に同一軸心状に固定されかつ他端が閉塞された中空の第２のシリンダーを備えたケーシングと、
前記第１のシリンダーの前記先端開口部内に嵌合して前記軸方向貫通穴に回転不能かつ軸方向へ進退自在に支持された中空のスリーブと、
前記スリーブ内に固定されたボールねじと、
該ボールねじの雄螺子部と螺合するボールナットと、
強磁性体材料で形成され、前記第２のシリンダーの中空内部に回転自在に配置されるとともに、前記ボールナットと同軸に固定されて回転駆動されるフライホイールと、
前記第２のシリンダー内壁と前記フライホイール外周との隙間に密閉領域を形成するシール部材と、
前記第２のシリンダー内壁に配置され、前記フライホイールを磁気回路の一部として前記密閉領域を横切る磁場を形成する電磁石を備えた磁場形成手段と、
前記密閉領域内に封入される磁気粘性流体と、
前記電磁石に電力を供給する商用電源と、
前記フライホイールと一体回転する界磁又は電機子からなる回転子、及び該回転子と同心状に配置された電機子又は界磁からなる固定子を有する発電機と、を備え、
前記商用電源が停止した場合に前記発電機が発電した電力を該電磁石に供給することを特徴とする減衰装置。