JP2015206381A - 回転マスダンパー - Google Patents

Abstract

【課題】
入力される振動の大きさの相違や、ストロークの往復行程の相違に応じてダンパー性能を任意に設定することができ、各種の免震構造や制振構造に対して柔軟に適応させることが可能な回転マスダンパーを提供する。
【解決手段】
粘性流体が充填されたシリンダを有するダンパー本体と、前記ダンパー本体に対して進退する可動ロッドと、前記シリンダ内を一対の圧力室に区画すると共に前記可動ロッドの進退に伴って当該シリンダ内を移動するピストンと、前記一対の圧力室の間で粘性流体を流動させると共に、前記シリンダ内におけるピストンの位置に応じて粘性流体の移動が制限される複数のバイパス通路と、少なくとも一つのバイパス通路に設けられて前記粘性流体の流動を回転運動に変換する運動変換機構と、この運動変換機構によって回転を与えられる付加錘と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地震動から建物を保護する免震構造又は制振構造に利用可能な回転マスダンパーに関する。

地震動から建物を保護する構造として、免震構造、制振構造が知られている。

前者の免震構造は、建物を地盤から分離して建物振動と地震動との共振を回避するアイソレータと、アイソレータを介して建物に伝達された地震動のエネルギを吸収するダンパーとから構成されている。前記ダンパーはアイソレータで支えられた建物と地盤との間に設けられ、アイソレータを介して建物に伝達された地震動のエネルギを吸収して、建物振動が早期に収束するように働く。

後者の制振構造では、建物の架構の内部にダンパーを組み込み、地震動に伴って建物が変形した際に、当該ダンパーが発揮する反力を建物の柱や梁に伝達することで、建物の変形を抑えると共に建物に伝達された地震動のエネルギの吸収を図っている。

これら免震構造又は制振構造には、例えば、特許文献１や特許文献２に開示される回転マスダンパーが利用可能である。回転マスダンパーは、建物振動を可動ロッドの軸方向変位として入力すると共に、かかる軸方向変位を付加錘の回転運動に変換し、当該付加錘の回転によって生じた回転慣性を反力として建物に作用させて、建物振動の低減を図っている。

前記付加錘を回転させると、当該付加錘のダンパー軸方向の見かけの質量（等価質量）は回転慣性質量効果によって最大で実際の質量（実質量）の数千倍まで増幅されるので、免震構造にこの回転マスダンパーを利用した場合、建物に対してこの等価質量を加えたのと同じ効果が得られ、アイソレータによる建物振動の長周期化に有利である。

また、制振構造においては、前記回転マスダンパーを弾性体と直列に接続して建物架構に組み込むことで、建物等の主振動系に対して付加振動系を構成することができる。前記付加錘の質量と前記弾性体のバネ定数を最適化すると、付加振動系の固有振動数が主振動系の固有振動数に対して同調し、それによって主振動系の制振を効率よく行うことができる。また、回転マスダンパーを用いてこのような付加振動系を構成する場合は、建物の各階層間に当該マスダンパーを接続する支持部材を前述の弾性体として利用することができるので、既存建物を改修する際に柱や梁を補強することなく回転マスダンパーを取り付け、大きな制振効果が得られるといった利点がある。

特開２０１０−１９３４７ 特開２０１１−１０６４９８

免震構造、制振構造のいずれにおいても、入力される振動の大きさとの関係で、回転マスダンパーが振動入力に対して発揮する反力、すなわちダンパー性能を任意の大きさに変化させたい場合がある。

例えば免震構造では、ダンパー性能を大きく設定した場合に、地盤に対する建物の剛性が高まることから、小さな地震動に対しては前記アイソレータが十分に機能せず、地震動に対する建物の応答加速度を低減させることが不能となってしまう。その反面、小さな地震動に対応してダンパー性能を設定すると、巨大地震の発生時にはアイソレータによる建物の変位が過大となってしまい、建物周囲の被害が懸念される他、建物の振動を早期に収束させることも不能なってしまう。

また、制振構造では、建物復元力が大きく発生している状態で、回転マスダンパーが大きな反力を建物に対して及ぼすと、柱や梁に対して大きな軸力や剪断力が作用してしまうことから、建物変位が増加していく過程ではダンパー性能を低減し、その反面、建物変位が振幅中央に向けて減少していく過程ではダンパー性能を高めに設定することが望ましい。

すなわち、回転マスダンパーを免震構造や制振構造に組み込み、その性能を最適化するためには、前記可動ロッドのストローク内の複数の領域に区分し、それぞれの領域ごとにダンパー性能に差を設けることが必要であり、また、前記可動ロッドの往復行程においても、発揮されるダンパー性能に差を設けることが必要であった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、入力される振動の大きさの相違や、ストロークの往復行程の相違に応じてダンパー性能を任意に設定することができ、各種の免震構造や制振構造に対して柔軟に適応させることが可能な回転マスダンパーを提供することにある。

本発明の回転マスダンパーは、粘性流体が充填されたシリンダを有するダンパー本体と、前記ダンパー本体に対して進退する可動ロッドと、前記シリンダ内を一対の圧力室に区画すると共に前記可動ロッドの進退に伴って当該シリンダ内を移動するピストンと、前記一対の圧力室の間で粘性流体を流動させると共に、前記シリンダ内におけるピストンの位置に応じて粘性流体の移動が制限される複数のバイパス通路と、少なくとも一つのバイパス通路に設けられて前記粘性流体の流動を回転運動に変換する運動変換機構と、この運動変換機構によって回転を与えられる付加錘と、を備えている。

本発明によれば、ピストンによって区画された一対の圧力室が複数のバイパス通路で接続されており、前記ピストンが可動ロッドの進退に伴ってシリンダ内を移動すると、これらバイパス通路内を粘性流体が流動することになる。また、少なくとも一つのバイパス通路には付加錘を回転させる動力変換機構が設けられていることから、前記ピストンがシリンダ内を移動すると、前記付加錘が回転慣性質量要素として作用することになる。すなわち、本願発明のダンパーでは、粘性流体の粘性抵抗による反力と付加錘の発揮する回転慣性による反力が可動ロッドの進退に対して作用することになる。

そして、複数のバイパス通路は前記シリンダ内におけるピストンの位置に応じて粘性流体の流動が制限されることから、粘性抵抗による反力と回転慣性による反力もピストンの移動位置に応じて変化することになる。すなわち、シリンダに対する各バイパス通路の接続位置と、このバイパス通路の流路断面積を任意に設定することで、ピストンの位置や、ピストンの往路行程と復路行程の違いに応じてこれら二種類の反力の大きさを変化させ、また、その割合を変化させることができ、建物に対して作用する地震動の大きさに応じてダンパーの性能を容易に切り換えることが可能となる。

また、本発明のダンパーでは、シリンダ内のピストン位置に応じて複数のバイパス通路における粘性流体の流動を制限し、その結果としてダンパー性能を切り換えているので、かかるダンパー性能を受動的に切り換える構成は簡易なものとなり、ダンパーそのものの小型化や製造コストの低減化も達成することが可能である。

本発明の回転マスダンパーの概要を説明する模式図であり、ピストンが区間Ａ内を移動する状態を示している。 本発明の回転マスダンパーの概要を説明する模式図であり、ピストンが区間Ｂ内を移動する状態を示している。 本発明を適用した回転マスダンパーの第一実施形態を示す概略図である。 第一実施形態に係る回転マスダンパーのシステム図である。 第一実施形態に係る回転マスダンパーを適用可能な免震構造の一例を示す概略図である。 本発明を適用した回転マスダンパーの第二実施形態を示す概略図である。 本発明を適用した回転マスダンパーの第三実施形態を示す概略図である。 第三実施形態に係る回転マスダンパーを適用可能な制振構造の一例を示す概略図である。 制振構造建物の荷重変形特性の一例を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明を適用した回転マスダンパーについて詳細に説明する。

図１は本発明の回転マスダンパーの概要を説明する模式図である。

本発明の回転マスダンパーは、内部にシリンダ１を有するダンパー本体２と、このダンパー本体２に対して進退する可動ロッド３と、この可動ロッド３の進退に応じて前記シリンダ１内を往復動するピストン４とを有している。この回転マスダンパーを例えば免震構造に適用するのであれば、前記ダンパー本体２及び可動ロッド３は、一方を建物基礎に、他方を建物に固定し、アイソレータの働きによって生じた建物基礎と建物との間の変位を前記可動ロッド３に対して入力する。また、この回転マスダンパーを制振構造に適用するのであれば、ダンパー本体２及び可動ロッド３のそれぞれを建物の別々の部位に固定し、地震動等によって生じるそれら部位間の変位を前記可動ロッド３に対して入力する。

尚、前記ダンパー本体２と前記可動ロッド３はクレビスやボールジョイントを介して建物基礎や建物に固定する必要があるが、図１は模式図のためにその点は省略して描いてある。

前記ダンパー本体２に内蔵されたシリンダ１は前記ピストン４によって一対の圧力室１ａ，１ｂに区画されており、各圧力室１ａ，１ｂにはオイル等の粘性流体が充填されている。また、前記ダンパー本体２には複数のバイパス通路５が設けられており、各バイパス通路５は前記ピストン４の移動に伴って前記粘性流体を一方の圧力室１ａから他方の圧力室１ｂに流動させるようになっている。図１に示す回転マスダンパーでは第一のバイパス通路（以下、「第一通路」という）５ａと第二のバイパス通路（以下、「第二通路」という）５ｂの２系統が設けられているが、バイパス通路５の本数はこれに限られるものではない。

従って、シリンダ１内のピストン４の移動に伴って粘性流体が一対の圧力室１ａ，１ｂの間を移動し、その際に粘性流体の粘性抵抗に基づく反力がピストン４の移動に対して作用する。この点は従来のオイルダンパーと同じである。

また、前記ダンパー本体２に設けられた複数のバイパス通路５のうち、少なくともその一つには当該バイパス通路５内の粘性流体の流動に起因して回転運動を発生する運動変換機構６が設けられている。この運動変換機構６としては、例えば歯車モータ、アキシャルピストンモータ等の油圧モータを用いることができる。また、この運動変換機構６の出力軸には慣性質量要素としての付加錘７が取り付けられており、バイパス通路５内での粘性流体の流動に伴って前記運動変換機構６の出力軸が回転すると、前記付加錘７に回転運動が与えられる。

地震動によって建物が振動し、その振動変位が前記ダンパー本体２と可動ロッド３に対して入力されると、前記ピストン４は前記シリンダ１内を往復動することになり、それに伴って生じる粘性流体の流動によって、前記付加錘７は回転方向の逆転を繰り返しながら回転運動を行う。すなわち、前記付加錘７には回転角速度の正負が逐次逆転する振動運動が与えられる。

一方、各バイパス通路５は前記ピストン４の移動に伴い粘性流体を一方の圧力室１ａと他方の圧力室１ｂとの間で流動させるが、その流動量は前記シリンダ１内における前記ピストン４の位置に応じて制限される。すなわち、各バイパス通路５が前記シリンダ１と連通している位置は、シリンダ１内におけるピストン４の移動方向に沿ってバイパス通路毎に異なっている。例えば図１では、前記第二通路５ｂはピストン４の移動範囲の最も外側でシリンダ１と通じているが、前記第一通路５ａは第二通路５ｂよりもピストン４の移動範囲の中央寄りでシリンダ１に通じている。また、前記第二通路５ｂが前記シリンダ１と連通している位置は前記ピストン４の移動範囲の中央から等距離に位置している。

図１において前記第一通路５ａの両端が前記シリンダ１に接続されている位置の内側を区間Ａ、この区間Ａの外側で前記第二通路５ｂの両端が前記シリンダ１に接続されている位置の内側を区間Ｂとする。例えば図１に示すように、前記ピストン４が区間Ａ内を紙面左方向へ移動している際は、前記圧力室１ａ内の粘性流体は第一通路５ａ及び第二通路５ｂの双方を通じて他方の圧力室１ｂへ流動する。一方、前記ピストン４が区間Ａ内を紙面右方向へ移動する場合は、前記圧力室１ｂ内の粘性流体が第一通路５ａ及び第二通路５ｂの双方を通じて他方の圧力室１ａへ流動する。

しかし、図２に示すように、前記ピストン４がそのまま移動を続けて区間Ｂに進行すると、前記シリンダ１と接続された第一通路５ａの両端はいずれもピストン４の位置よりも紙面右方向に存在し、圧力室１ｂに通じることになるので、ピストン４がそのまま区間Ｂ内を移動し続けても、第一通路５ａ内における粘性流体の流動は制限され、圧力室１ａ内の粘性流体は第二通路５ｂのみを通じて圧力室１ｂに流動する。この点は前記ピストン４が区間Ｂ内を区間Ａ方向へ戻る場合も同じであるが、第二通路５ｂ内における粘性流体の流動方向は逆になる。また、前記ピストン４がシリンダ１の両端に設けられた一対の区間Ｂのいずれに存在する場合も、粘性流体は第二通路５ｂのみを通じて一対の圧力室１ａ，１ｂの間を流動する。

従って、ピストン４が区間Ａ内を移動している最中（図１の状態）は、粘性流体が第一通路５ａ及び第二通路５ｂの双方を流動し、第一通路５ａに設けられた運動変換機構６の働きにより、前記付加錘７が回転することになる。すなわち、ピストン４が区間Ａを移動する際は、当該ピストン４の移動に対して粘性流体の流動に伴う粘性抵抗が反力として作用する他、付加錘７の回転に起因して発生する等価質量に見合った大きさの反力が作用する。一方、ピストン４が区間Ｂ内を移動している最中（図２に示す状態）は、粘性流体が第二通路５ｂのみを流動するので、前記運動変換機構６は付加錘７の回転に対してトルクを作用させない。このことから、当該ピストン４の移動に対しては粘性抵抗に基づく反力のみが作用する。

このように本発明の回転マスダンパーによれば、シリンダ１に設けられた複数のバイパス通路５では当該シリンダ１内におけるピストン４の位置に応じて粘性流体の流動が選択的に制限されるので、各バイパス通路５とシリンダ１との接続位置や、バイパス通路５の断面積を適宜調整することにより、前記付加錘７が発生する回転慣性質量効果の大きさを前記可動ロッド３に入力される振動の大きさに応じて任意に調整することが可能となる。また、前記バイパス通路５の設け方によって、シリンダ１内におけるピストン４の往路行程と復路行程とで付加錘７の回転量を変化させることもでき、この点においても付加錘７の発揮する回転慣性質量効果の大きさを任意に設定することが可能である。

従って、本発明によれば、回転マスダンパーを免震構造や制振構造などの用途に応じて最適にチューニングすることが可能となり、建物等に作用する振動を効果的に低減させることができる。

尚、図１は本発明の概念を示すものであり、前述したように、バイパス通路５の本数や各バイパス通路５がシリンダ１と接続される位置は、使用用途に応じて適宜設計変更することができる。また、前記運動変換機構６を設けるバイパス通路５は適宜選択することができ、前記運動変換機構６によって回転が与えられる付加錘７の質量及び回転体の径も適宜設計変更することができる。更に、前記運動変換機構６及び付加錘７を設けるバイパス通路５は１本に限られるものではなく、複数本のバイパス通路５に対して前記運動変換機構６及び付加錘７をそれぞれ設けても良い。この場合、バイパス通路５ごとに前記付加錘７の質量及び回転体の径を異なったものとしても良い。

図３は本発明の第一実施形態に係る回転マスダンパーを示す概略図である。

この第一実施形態は免震構造に最適化できる回転マスダンパーを提案するものである。この第一実施形態の回転マスダンパーは、粘性流体が充填されたシリンダ１０を内蔵するダンパー本体２０と、ダンパー本体２０に対して進退する可動ロッド３０と、前記シリンダ１０を一対の圧力室１０ａ，１０ｂに区画すると共に前記可動ロッド３０に取り付けられたピストン４０と、前記シリンダ１０に接続されて一対の圧力室１０ａ，１０ｂの間で粘性流体を流動させるバイパス通路としての第一通路５０ａ及び第二通路５０ｂとを備えている。

また、前記第二通路５０ｂには当該通路内での粘性流体の流動に応じて回転運動を生成する運動変換手段としての油圧モータ６０が設けられ、かかる油圧モータ６０の出力軸には回転慣性質量としての付加錘が取り付けられている。このため、前記第二通路５０ｂ内を粘性流体が流動すると、その流動方向に応じた方向へ前記付加錘が回転する。尚、図３では付加錘は描かれておらず、また、前記油圧モータ６０としては歯車モータが描かれている。

前記ダンパー本体２０は長手方向の一端にボールジョイント２１を有しており、このボールジョイント２１を介して建物または建物基礎等に結合される。また、前記可動ロッド３０は前記ダンパー本体２０から突出した端部にボールジョイント３１を有しており、このボールジョイント３１を介して建物等に結合される。

前記油圧モータ６０が設けられた前記第二通路５０ｂは前記シリンダ１０内におけるピストン４０の移動範囲の両端において当該シリンダ１０と連通している。一方、第一通路５０ａは、前記第二通路５０ｂよりもピストン４０の移動範囲の中央寄りでシリンダ１０に連通しており、また、その連通位置はピストン４０の移動範囲の中央から等距離に位置している。尚、図３において、前記第一通路５０ａの両端が前記シリンダ１０に接続されている位置の内側を区間Ｘ、この区間Ｘの外側で前記第二通路５０ｂの両端が前記シリンダ１０に接続されている位置の内側を区間Ｙ１，Ｙ２とする。

一方、前記ピストン４０には当該ピストン４０で区画された一対の圧力室１０ａ，１０ｂを連通する一対の貫通穴が設けられており、これら貫通穴のそれぞれには互いに逆向きにリリーフ弁４１が設けられている。このリリーフ弁４１はいずれか一方の圧力室１０ａ又は１０ｂの内圧が設定値以上に高まった場合にのみ開かれる。このため、一方の圧力室の内圧が高まって前記ピストン４０を介して可動ロッド３０に過大な反力が作用しそうになると、前記リリーフ弁４１が開いて当該圧力室の内圧が低下し、可動ロッド３０に過大な反力が作用しないようになっている。すなわち、前記貫通穴及びリリーフ弁４１は可動ロッド３０に作用する軸力を頭打ちにする軸力制限機構として機能している。

図４はこの第一実施形態の回転マスダンパーを簡略化して表したシステム図である。前記ピストン４０がシリンダ１０内を移動すると、前記第一通路５０ａ及び第二通路５０ｂでは粘性流体の流動が生じるので、ダンパー本体２０と可動ロッド３０との間に入力される変位に対しては常に粘性抵抗が作用することになる。システム図ではこの点をダッシュポッド５０として描いてある。また、粘性流体が第二通路５０ｂを流動すると、油圧モータ６０が作動して付加錘が回転して回転慣性質量が発生するので、システム図ではダッシュポッド５０と並列に前記付加錘を置換した回転慣性質量要素７０が描いてある。更に、前記リリーフ弁４１が開放されると、可動ロッド３０に作用する反力、つまり粘性流体の粘性抵抗による反力と付加錘の発揮する回転慣性による反力との合力が頭打ちになるので、システム図では軸力制限機構７１が回転慣性質量要素７０及びダッシュポッド５０と直列に配置されている。

このシステム図から把握されるように、第一実施形態の回転マスダンパーではダンパー本体２０に対する可動ロッド３０の進退に対して、常に粘性抵抗に基づく反力が作用する他、回転慣性質量要素７０の回転による回転慣性の反力が作用することになる。但し、これら反力の大きさはシリンダ１０内におけるピストン４０の位置に応じて変化する。

前記ピストン４０が区間Ｘ内で紙面左右方向へ移動するときは、前記第一通路５０ａ及び第二通路５０ｂの双方がピストン４０を跨ぐようにして当該ピストン４０の両側の圧力室１０ａ，１０ｂを繋いでいることから、粘性流体が第一通路５０ａと第二通路５０ｂとの双方を流動し、第二通路５０ｂにおける粘性流体の流量に応じて前記回転慣性質量要素７０が回転する。一方、前記ピストン４０が区間Ｙ１を図３の紙面左方向、すなわち区間Ｘから離れる方向へ移動するときは、第一通路５０ａはその両端がピストン４０の移動方向の後方に位置する圧力室１０ｂのみに通じており、当該第一通路５０ａでは粘性流体の流動は殆どない。このため、ピストン４０が区間Ｙ１を紙面左方向へ移動すると、当該ピストン４０の移動方向の前方に位置する圧力室１０ａ内の粘性流体は、第二通路５０ｂのみを通じて圧力室１０ｂに流動することになる。この点はピストン４０が区間Ｙ２を紙面右方向へ移動する場合も同じである。但し、その場合は粘性流体が第二通路５０ｂのみを通じて圧力室１０ｂから圧力室１０ａに流動することになる。すなわち、シリンダ１０内におけるピストン４０の移動量が同じであっても、ピストン４０が区間Ｙ１又は区間Ｙ２を移動する際は、区間Ｘを移動する場合に比べて、第二通路５０ｂを通過する粘性流体の流量は飛躍的に増大し、それに伴って回転慣性質量要素７０の発揮する回転慣性質量効果も飛躍的に増幅される。

従って、この第一実施形態の回転マスダンパーでは、シリンダ１０内におけるピストン４０の移動範囲の中央付近（区間Ｘ）では回転慣性質量効果と粘性減衰効果は小さいが、両端付近（区間Ｙ１，Ｙ２）においては、特に回転慣性質量効果が飛躍的に大きくなり、ピストン４０の移動範囲の中央付近（区間Ｘ）と両端付近（区間Ｙ１，Ｙ２）を比較した場合に、前者に比べて後者の回転慣性質量効果を著しく大きく設定することができる。

図５は建物の免震構造の一例を示すものである。この免震構造は、建物基礎Ｂと建物Ｓとの間に設けられたピットＳ１に設置されて当該建物を支えるアイソレータ８と、建物基礎Ｂから建物Ｓに伝達された振動エネルギを吸収して当該建物Ｓの振動を収束させるダンパー９とから構成されている。前記アイソレータ８は建物基礎Ｂから建物Ｓを分離して、建物Ｓの破壊に繋がる可能性の高い短周期の振動が建物基礎Ｂから当該建物Ｓに伝達されるのを抑制し、建物Ｓが長周期で振動することを可能にしている。このアイソレータ８としては、積層ゴムや転がり軸受等が使用可能である。前述の第一実施形態の回転マスダンパーはこの免震構造のダンパー９として最適化することが可能である。

建物基礎Ｂから建物Ｓに伝達される振動エネルギが小さい中小地震では、前記ダンパー９の性能を過大に設定してしまうと、建物基礎Ｂに対する建物Ｓの剛性が高まって前記アイソレータ８が十分に機能を発揮することかできず、当該アイソレータ８によって建物基礎Ｂと建物Ｓを分離している免震構造の意義が失われてしまう。一方、大きな振動エネルギを有する巨大地震に対しては、前記ダンパー９の性能が不足すると、アイソレータ８による建物Ｓの変位が過大となり、建物Ｓが周囲の構築物と緩衝して被害の発生が懸念される他、建物Ｓの振動を短時間で収束させることができず、建物Ｓの内部における人的及び物的被害の発生が懸念される。

この免震構造のダンパー９として前記第一実施形態の回転マスダンパーを採用した場合、当該回転マスダンパーはピストン４０の移動範囲の中央付近ではダンパー諸元である回転慣性質量効果と粘性減衰効果が小さいので、振幅が小さな中小地震に対してはアイソレータ８を十分に機能させることが可能である。その一方、前記第一実施形態の回転マスダンパーはピストン４０の移動範囲の両端付近では、特にダンパー諸元である回転慣性質量効果が大きくなるので、振幅の大きな巨大地震に対しては建物Ｓの震動に対してダンパー９の反力を十分に作用させることができ、建物基礎Ｂに対する建物Ｓの過大な変位を抑えることができる他、地震の終了後にも建物Ｓに残存する振動エネルギを早期に吸収し、当該建物Ｓの振動を収束させることができる。

また、第一実施形態の回転マスダンパーではピストン４０の移動範囲の両端付近において大きな回転慣性質量効果が生じ、回転慣性質量要素７０の等価質量が飛躍的に増大することになる。このため、巨大地震の際には著しく増大した回転慣性質量要素７０の等価質量が建物Ｓの質量に加わって、アイソレータ８によって支えられた建物Ｓの固有周期をその分だけ長周期化することが可能となり、過大な地震動エネルギによる建物Ｓの被害を軽減することができる。

すなわち、この第一実施形態の回転マスダンパーは前記第一通路５０ａ及び油圧モータ６０を備えた第二通路５０ｂのシリンダ１０に対する配置が免震構造のダンパーに最適である。

図６は本発明の回転マスダンパーの第二実施形態を示すものである。

この第二実施形態の回転マスダンパーでは、前述の第一実施形態の回転マスダンパーに対して、バイパス通路としての第三通路５０ｃを更に設けたものである。これ以外の点は第一実施形態と変更がないので、図６中に第一実施形態と同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

前記第三通路５０ｃは前記第一通路５０ａよりもピストン４０の移動範囲の中央寄りでシリンダ１０に接続されている。すなわち、この第二実施形態においては、図６に示すように、前記第一通路によって区画された前記区間Ｘの内側に、更に前記第三通路５０ｃの両端が前記シリンダ１０に接続されている位置で区画された区間Ｚが設けられることになる。尚、この第二実施形態の回転マスダンパーを簡略化して表したシステム図は前述の第一実施形態のシステム図と同じである。

そして、この第二実施形態の回転マスダンパーによれば、前記ピストン４０が区間Ｚ内を移動するときは、粘性流体が第一通路５０ａ、第二通路５０ｂ、第三通路５０ｃの総てを流動し、第二通路５０ｂにおける粘性流体の流量に応じて前記回転慣性質量要素７０が回転する。また、前記ピストン４０が区間Ｘ内を移動するときは、第三通路５０ｃでは粘性流体の流動が殆どないので、粘性流体は第一通路５０ａと第二通路５０ｂとの双方のみを流動し、このときの第二通路５０ｂにおける粘性流体の流量に応じて前記回転慣性質量要素７０が回転する。更に、前記ピストン４０が区間Ｙ内を移動するときは、粘性流体は第二通路５０ｂのみを流動し、前記回転慣性質量要素７０の回転に寄与する粘性流体の流量は最大となる。

従って、この第二実施形態の回転マスダンパーによれば、ピストン４０がその移動範囲の中央に位置する区間Ｚから移動範囲の両端に位置する区間Ｙに向けて進行するにつれ、前記第二通路５０ｂを流動する粘性流体の流量が増大し、前記回転慣性質量要素７０が発揮する回転慣性質量効果も増大することになる。すなわち、図６示す回転マスダンパーも振幅の小さな振動に対してはダンパー反力（回転慣性質量効果及び粘性減衰効果）を抑制し、振幅の大きな振動に対してはダンパー反力を飛躍的に高めることができ、図５に示した免震構造のダンパー９として最適化することができる。

前述の第一実施形態及び第二実施形態の回転マスダンパーにおいては、シリンダ１０に対する前記第一通路５０ａ、第三通路５０ｃの各接続口に対して、これら通路５０ａ，５０ｃを閉塞する弁を設けても良い。これら弁は前記ピストン４０がシリンダ１０の中央位置から端部方向へ最初に通過した際に前記接続口を閉塞し、それ以降はピストン４０が再び通過しても閉塞を継続する。このような弁を設ければ、前記可動ロッド３０に対して振動が入力され、それに伴って前記ピストン４０が区間Ｘから区間Ｙに一度でも進入すると、前記第一通路５０ａ及び第三通路５０ｃが塞がったままの状態となる。

このため、ピストン４０が区間Ｘと区間Ｙとの間を繰り返し移動したとしても、第二通路５０ｂに対する粘性流体の流量は変化することがなく、回転慣性質量要素７０にはピストン４０の移動量に応じた回転が与えられることになる。これにより、ピストン４０がシリンダ１０の両端に位置する区間Ｙも含めた範囲で往復動する大地震の際には、付加錘による回転慣性質量要素７０の回転は常に最大となり、大きな振動低減効果を発揮することが可能となる。

図７は本発明の回転マスダンパーの第三実施形態を示すものである。
この第三実施形態は制振構造に最適化できる回転マスダンパーを提案するものである。この回転マスダンパーは基本的な構成において前述の第一実施形態の回転マスダンパーと同じであり、複数のバイパス通路を有している。但し、シリンダに対する各バイパス通路の接続位置が第一実施形態のものと異なっている。従って、以下ではバイパス通路の構成について説明し、その他の構成については図７中に第一実施形態と同一符号を付して。その詳細な説明は省略する。

この第三実施形態において、シリンダには前記バイパス通路としての第一通路５１ａ及び第二通路５１ｂが設けられている。前記第一通路５１ａは前記シリンダ１０内におけるピストン４０の移動範囲の両端において当該シリンダ１０と接続されている。また、前記第一通路５１ａには当該通路内での粘性流体の流動に応じて回転運動を生成する運動変換手段としての油圧モータ６０が設けられ、かかる油圧モータ６０の出力軸には回転慣性質量としての付加錘が取り付けられている。このため、前記第一通路５１ａ内を粘性流体が流動すると、その流動方向に応じた方向へ前記付加錘が回転する。従って、この第三実施形態の第一通路５１ａは前述の第一実施形態の第二通路５０ｂと同じ構成を有している。尚、図７では付加錘は描かれておらず、また、前記油圧モータ６０としては歯車モータが描かれている。

一方、前記第二通路５１ｂは前記シリンダ１０に対して一対設けられている。それぞれの第二通路５１ｂは前記シリンダ１０内におけるピストン４０の移動範囲の中央を挟んで、且つ、当該中央を跨ぐことなく設けられており、ピストン４０が当該移動範囲の中央に位置している状態では、前記ピストン４０によって区画されたいずれか一方の圧力室１１ａ又は１１ｂにのみ通じている。すなわち、ピストン４０の移動範囲の中央付近には前記第二通路５１ｂが存在しない領域が設けられている。また、各第二通路５１ｂの内部には逆止弁５２が設けられており、粘性流体はこの第二通路５１ｂ内を一方向へのみ流動する。よって、この第二通路５１ｂは粘性流体の入口と出口が定まっており、かかる入口は前記ピストン４０の移動範囲の端部において当該シリンダ１０と接続されている。更に、各第二通路５１ｂにおける粘性流体の流路の断面積は、前記第一通路５１ａにおける流路の断面積に比べて十分に大きく設定されている。この第三実施形態の回転マスダンパーを簡略化して表したシステム図は前述の第一実施形態のシステム図と同じである。尚、図７において、一対の第二通路５１ｂによって挟まれたシリンダ１０の中央領域を区間α、この区間αの外側で各第二通路５１ｂが設けられている領域を区間βとする。

前記ピストン４０が区間α内で移動するときは、前記第二通路５１ｂは一対の圧力室１１ａ，１１ｂの双方には連通しておらず、前記第一通路５１ａのみがピストン４０を跨ぐようにして当該ピストン４０の両側の圧力室１１ａ，１１ｂを繋いでいる。このため、ピストン４０が区間αを移動する際は粘性流体が第一通路５１ａのみを通じて圧力室１１ａと圧力室１１ｂとの間を流動し、第一通路５１ａにおける粘性流体の流量に応じて前記回転慣性質量要素７０が回転する。

一方、前記ピストン４０が区間αから区間βに進入すると、前記第二通路５１ｂは前記ピストンによって区画された圧力室１１ａ，１１ｂを繋ぐことになる。第二通路５１ｂにおける粘性流体の入口は前述のように前記シリンダ１０の端部に対応して設けられているので、前記ピストン４０が区間βをシリンダ１０の端部に接近するように進むと、粘性流体は前記第一通路５１ａ及び第二通路５１ｂの双方に流入して、圧力室１１ａから圧力室１１ｂへ流動することになる。但し、前記第二通路５１ｂの流路の断面積は第一通路５１ａのそれに比べて十分に大きく設定しているので、粘性流体の流動に対して作用する抵抗は第一通路５１ａに比べて第二通路５１ｂが小さくなる。このため、ピストン４０が区間βをシリンダ１０の端部に向けて進行する間は、粘性流体が第一通路５１ａよりも第二通路５１ｂに流入し易くなり、第一通路５１ａに流入する粘性流体の流量はピストン４０が区間αを進行するときの流量よりも極端に少なくなる。その結果、油圧モータ６０の回転が抑えられ、ピストン４０が区間βをシリンダ１０の端部に向けて進行する間は、回転慣性質量要素７０が発揮する回転慣性質量効果も小さくなる。

また、ピストン４０が区間βをシリンダ１０の中央に向けて戻る際には、前記第二通路５１ｂに設けられた逆止弁５２の作用によって、粘性流体は第二通路５１ｂを通過して圧力室１１ｂから圧力室１１ａに流動することができず、第一通路５１ａのみを通過して圧力室１１ｂから圧力室１１ａに流動する。このため、ピストン４０が区間βをシリンダ１０の中央に向けて戻る際には、当該ピストン４０が区間αを移動する場合と同量の粘性流体が油圧モータ６０を通過して、付加錘が回転することになる。

すなわち、この第三実施形態の回転マスダンパーでは、ピストン４０が区間βをシリンダ１０の端部に向けて往復動する際に、往路行程では付加錘の発揮する回転慣性が抑えられ、復路行程では付加錘が大きな回転慣性を発揮することになり、ピストンの往路行程と復路行程とで回転慣性による回転慣性質量効果を異ならせることが可能となっている。

図８は建物の制振構造の一例を示す概略図である。同図は建物の各階層Ｓ１，Ｓ２に対して制振構造が設けられた場合を示している。各階層Ｓ１，Ｓ２には建物の荷重を支えるための架構を構成する柱８０と梁８１が設けられている。例えば階層Ｓ１に着目した場合、階上の梁８１ａからはブレース８２が延びており、ブレース８２の先端と階下の梁８１ｂとの間にはダンパー９０が設けられている。地震動によって建物が水平方向へ左右に揺すられると、建物の層間に変形が生じ、階層Ｓ１では階上の梁８１ａと階下の梁８１ｂとの間に紙面左右方向の変位が生じる。この変位はダンパーに対して入力され、当該ダンパーが変位に対する反力をブレースに及ぼすことにより、建物の振動を早期に収束させることができる。前述の第三実施形態の回転マスダンパーはこの制振構造のダンパー９０として最適化することが可能である。

図９は制振構造建物を水平方向に繰り返し揺らした場合の、荷重変形特性の一例を示すグラフであり、横軸は建物の水平方向への変位量を、縦軸は建物に生じる復元力を示している。このグラフから把握されるように、建物の復元力は水平方向への変位量が大きくなるほど増加する傾向にあり、最大変位量が与えられた際に最大の復元力が生じている。このため、地震動に伴って建物が水平方向へ振動し、当該建物の変位量が増大している最中（グラフの第１象限と第３象限）は、建物の架構を構成する柱と梁に対して大きな軸力と剪断力が作用していることになる。従って、グラフの第１象限と第３象限の状態において、ダンパー９０が大きな反力をブレース８２に対して与えると、建物の柱８０と梁８１に対して一層大きな軸力と剪断力が作用することになり、巨大地震の発生時には建物が損傷してしまうことも考えられる。

この制振構造のダンパー９０として前記第三実施形態の回転マスダンパーを採用した場合、当該回転マスダンパーはピストン４０がシリンダ１０の中央位置から両端に向けて進む際には付加錘の発揮する回転慣性を抑え、ピストン４０がシリンダ１０の両端から中央位置に復帰する際には付加錘に大きな回転慣性を発揮させているので、図９のグラフに重ね合わせると、第１象限と第３象限でダンパー反力（回転慣性質量効果及び粘性減衰効果）が抑制され、第２象限と第４象限で大きなダンパー反力が得られるようになっている。すなわち、この第三実施形態の回転マスダンパーは制振構造のダンパーとして最適であり、巨大地震の発生時に、ダンパー反力によって建物が損傷してしまう可能性を低減しつつ、建物の挙動に応じて大きな振動減衰効果を発揮して、当該建物の振動を効果的に抑制することが可能である。

１…シリンダ、１ａ，１ｂ…圧力室、２…ダンパー本体、３…可動ロッド、４…ピストン、５…バイパス通路、６…運動変換機構、７…付加錘

Claims (9)

1. 粘性流体が充填されたシリンダを有するダンパー本体と、
   前記ダンパー本体に対して進退する可動ロッドと、
   前記シリンダ内を一対の圧力室に区画すると共に前記可動ロッドの進退に伴って当該シリンダ内を移動するピストンと、
   前記一対の圧力室の間で粘性流体を流動させると共に、前記シリンダ内におけるピストンの移動位置に応じて粘性流体の移動が制限される複数のバイパス通路と、
   少なくとも一つのバイパス通路に設けられて前記粘性流体の流動を回転運動に変換する運動変換機構と、
   この運動変換機構によって回転を与えられる付加錘と、を備えたことを特徴とする回転マスダンパー。
2. 各バイパス通路が前記シリンダと連通する位置は、前記シリンダ内における前記ピストンの移動方向に沿ってバイパス通路毎に異なっていることを特徴とする請求項１記載の回転マスダンパー。
3. 前記複数のバイパス通路のうちの一つは前記ピストンの移動方向における前記シリンダの両端で当該シリンダに連通し、前記運動変換機構は当該バイパス通路に設けられていることを特徴とする請求項２記載の回転マスダンパー。
4. 前記ピストンが前記シリンダ内における移動範囲の中央から当該シリンダの端部に向けて進行するにつれ、前記運動変換機構が設けられたバイパス通路を流動する粘性流体の流量が増加することを特徴とする請求項３記載の回転マスダンパー。
5. 前記複数のバイパス通路のうちの一つは、前記運動変換機構が設けられたバイパス通路よりも前記ピストンの移動範囲の中央寄りで前記シリンダに連通し、その連通位置は前記ピストンの移動範囲の中央から等距離に位置していることを特徴とする請求項４記載の回転マスダンパー。
6. 前記運動変換機構が設けられたバイパス通路以外のバイパス通路には、前記ピストンの通過に伴って当該バイパス通路を閉塞する弁が設けられていることを特徴とする請求項５記載の回転マスダンパー。
7. 前記ピストンが前記シリンダ内における移動範囲の中央から当該シリンダの端部に向けて進行する往路行程に比べ、前記シリンダの端部から移動範囲の中央に戻る復路行程の方が、前記運動変換機構が設けられたバイパス通路を流動する粘性流体の流量が増加することを特徴とする請求項３記載の回転マスダンパー。
8. 一対のバイパス通路が、前記運動変換機構が設けられたバイパス通路とは別に、前記シリンダにおける前記ピストンの移動範囲の中央を挟んで設けられ、
   これら一対のバイパス通路のそれぞれには、前記ピストンの復路行程の際に当該バイパス通路を閉塞する逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項７記載の回転マスダンパー。
9. 前記逆止弁が設けられたバイパス通路の流路断面積は、前記運動変換手段が設けられたバイパス通路の流路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項８記載の回転マスダンパー。

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