JP2018025222A - 免震機構 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト且つ低コストを実現できる合理的な復元ばね装置を備えた免震機構を提供する。【解決手段】免震対象物２と固定端１の間に介装されて、免震対象物２を滑動可能に免震支持する免震支持部３と、固定端１と免震対象物２に接続して設けられ、免震対象物２の過大変位を抑えるとともに、変位した免震対象物２を原位置に復元させるための復元ばね機構Ｂとを備える。復元ばね機構Ｂが、免震対象物２側と固定端１側のいずれか一方に固定して設けられるばね本体ケース１２と、ばね本体ケース１２に収納されたぜんまい４の内外周端部４ａ、４ｂがＯ１軸廻りに回転することで引き出されて免震対象物２側と固定端１側の他方に固定される一対の索体１０、１１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、免震機構に関する。

従来、地震が発生した際に精密機器などの免震対象物の被害を低減する手段として、鋼板と滑り材を重ね、その上に載せることにより免震対象物に振動が伝わることを抑止する滑り免震が知られている。この免震機構は、例えば、構成がシンプルで、床段差も小さく、安価に施工できるという長所を有する反面、地震後に大きな残留変位や回転角（鉛直軸まわりの回転）を生じてしまう場合もあり、元の位置に復元できないという点が地震後に継続使用する際の障害となっていた。

これに対し、免震対象物の相対変位や残留変位を小さくする方法として、移動拘束するストッパーを設けたり（例えば、特許文献１参照）、例えば、特許文献１、特許文献２に開示されるように予引張ばねを併用したりする方法が提案、実用化されている。

しかしながら、移動拘束するストッパーを設けて免震対象物の相対変位や残留変位を小さくする方法においては、ストッパー衝突時に大きな加速度を生じてしまうという問題があった。

また、予引張ばねを併用するなどして免震対象物の相対変位や残留変位を小さくする方法においては、バネ剛性によって短周期化して免震性能が低下する問題があった。

さらに、予引張ばねを使用する場合、予引張力を摩擦抵抗力以上に設定すれば残留変位をなくせることが知られているが、この予引張力を大きくすることはすべり出し荷重を増すことになり、摩擦抵抗力（ひいては摩擦係数μ）を増加させた場合と同様に加速度が増大してしまう。

すなわち、一般的にはすべり面より上部にある免震対象物の全重量Ｗ（質量ＭとするとＷ＝Ｍｇ、ｇは重力加速度）、摩擦面の摩擦係数μとしたとき、ばねの予引張力Ｆ_０は式（１）を満足する（残留変位をなくせる）範囲で小さく設定される。このとき、免震対象物の変位０の加速度は、μｇ→（μＭｇ＋Ｆ_０）／Ｍと（１＋Ｆ_０／μＭｇ）倍に増大する。

また、特許文献２に開示されるような免震機構ではばねの長さが大きくなるという問題がある。さらに、一般的なコイルばねを用いた予引張ばねの場合、ストローク（免震層変位）の３〜５倍程度のばね長さが必要で、引張りのみに抵抗するために例えば２台１組で使用する。これにより、多大な設置スペースが必要になる。

これに対し、復元ばねに「定荷重ばね」を用い、ワイヤーで引張力を付与する仕組みを採用することにより、ばね長さをストローク（免震層変位）以下にする特許文献３がある。

特開２００１−１０８０１３号公報 特開平０９−１７０３５５号公報 特開２０１３−０６４４１８号公報

しかしながら、復元ばねに「定荷重ばね」を用い、ワイヤーで引張り力を付与する仕組みを採用して構成した場合においても、定荷重ばねを引張りのみ抵抗させているため、高価な定荷重ばねを２台１組で使用しなくてはならず、優れた性能が得られるものの高コストになるという問題があった。

このため、予引張ばねに「定荷重ばね」より安価な部品を用いつつ、コンパクトで合理的な復元ばね装置が強く求められていた。

本発明は、上記事情に鑑み、コンパクト且つ低コストを実現できる合理的な復元ばね装置を備えた免震機構を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の免震機構は、免震対象物と固定端の間に介装されて、前記免震対象物を滑動可能に免震支持する免震支持部と、前記固定端と前記免震対象物に接続して設けられ、前記免震対象物の過大変位を抑えるとともに、変位した前記免震対象物を原位置に復元させるための復元ばね機構とを備えており、前記復元ばね機構が、前記免震対象物側と前記固定端側の一方に固定して設けられるばね本体ケースと、ばね本体ケースに収納されたぜんまいの内外周端部が回転することで引き出され前記免震対象物側と前記固定端側の他方に固定される一対の索体とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の免震機構においては、前記復元ばね機構が、前記ぜんまいと互いの回動軸を同軸上に配しつつ前記ぜんまいの一端部側を固定して配設される芯材と、前記ぜんまい及び前記芯材と互いの回動軸を同軸上に配しつつ前記ぜんまいを収容するように配設されるとともに、前記ぜんまいの他端部側を固定して配設される外筒と、互いの回動軸を同軸上に配して前記芯材に固設され、一方の索体が巻き回される一方のプーリーと、互いの回動軸を同軸上に配して前記外筒に固設され、他方の索体が巻き回される他方のプーリーとを備え、前記一対の索体をそれぞれ前記プーリーから引き出すと前記ぜんまいが巻かれるように構成されていることが望ましい。

さらに、本発明の免震機構においては、前記復元ばね機構が、前記ぜんまいを収容する本体ケースを備え、前記本体ケースに設けられた一対の挿通孔にそれぞれ挿通し、前記本体ケースの外部に導出された前記一対の索体にそれぞれ取り付けられ、前記ぜんまいの付勢力による前記索体の戻りを前記本体ケースに当接して規制するストッパーを備えていることがより望ましい。

また、本発明の免震機構においては、前記一方のプーリーと前記他方のプーリーのプーリー径が同径であることがさらに望ましい。

さらに、本発明の免震機構においては、前記ストッパーの前記索体への取付位置が調節可能とされていることが望ましい。

本発明の免震機構は、安価なぜんまいを採用し、高価な定荷重ばねに類似した復元力特性をもつ復元ばね機構（復元ばね装置、ばね部材）を実現することができる。また、ぜんまいを採用すると、巻き取りドラムを複数要する定荷重ばねに比べ、１つだけで構成することができるため、コンパクト化が可能になり、設置スペースを小さくすることが可能になる。

また、変位の正負にかかわらず、同じ引張り反力を生じる復元ばね機構（復元ばね装置）となるため、従来、少なくとも２台必要だった装置が１台で済み、設置台数を半減することができる。この点からも、低コスト化、設置スペースの省スペース化を図ることが可能になる。

よって、本発明の免震機構によれば、コンパクト且つ低コストを実現できる合理的な復元ばね機構（復元ばね装置）を備えた免震機構を実現、提供することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る免震機構、復元ばね機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る復元ばね機構を示す図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が（ａ）のＸ１−Ｘ１線矢視図の側面図である。 本発明の一実施形態に係る復元ばね機構を示す図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が（ａ）のＸ１−Ｘ１線矢視図の側面図である。 本発明の一実施形態に係る復元ばね機構を示す図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が（ａ）のＸ１−Ｘ１線矢視図の側面図である。 本発明の一実施形態に係る復元ばね機構の作動状況の説明で用いた図である。 本発明の一実施形態に係る免震機構におけるぜんまいのトルクとばねの復元力の関係の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る免震機構、復元ばね機構の復元力特性の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る免震機構、復元ばね機構の復元力特性の一例を示す図である。

以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係る免震機構について説明する。

本実施形態は、例えば固定端に対して水平変位可能に免震対象物を免震支持する機構に関するものである。ここで、固定端は、免震対象物が地表に設置される建物等の構造物の場合は実質的に地面もしくは免震下部構造の床面（免震装置の直下に位置して免震装置を設置する床面）であり、建物内に設置される機器等である場合には実質的にその設置面の床面である。

また、固定端１に対して免震対象物２を免震支持する免震機構Ａは、免震対象物が建物等の構造物である場合には免震装置（積層ゴムや滑り支承等）によるものであり、免震対象物が機器等の場合には免震架台や防振架台の類（摩擦係数の小さいリニアレールや滑り支承や転がり支承と復元バネにより構成されているものが一般的である）によるものである（図１参照）。

なお、本実施形態では、以下、免震対象物２が免震架台や防振架台などの架台であるものとして説明を行う。

本実施形態の免震機構Ａは、図１に示すように、例えば摺動摩擦を有する滑り支承を想定し、互いに重ねて設けられ、免震対象物２の架台を免震支持するための滑り材３ａと鋼板３ｂからなる免震支持部３を備えている。すなわち、免震対象物２の架台と固定端１の間に滑り材３ａと鋼板３ｂからなる免震支持部３を介装することにより免震対象物２の架台を水平方向に滑動可能に免震支持するように構成されている。

一方、本実施形態の免震機構Ａにおいては、地震などの外乱によって水平変位した免震対象物２に対し、外乱がおさまった後に残留変位が生じないようにするための復元ばね機構（復元ばね装置）Ｂを備えている。

そして、本実施形態の復元ばね機構Ｂは、図１及び図２に示すように、予引張バネと同様の復元特性を持たせるために、主な構成要素としてぜんまい４を備えている。このぜんまい４（外径Ｄ、内径ｄ）は、芯材（巻芯）５に内周端部４ａを固定し、ぜんまい４を収容するように設けられ、芯材５と互いの回動軸Ｏ１を一致させて相対回動可能に設けられた外筒６に外周端部４ｂを固定して設けられている。本実施形態では、これらぜんまい４と芯材５と外筒６を備えてぜんまいユニット７が構成されている。
ちなみに、一般的なぜんまいは、このぜんまいユニット７の外筒６または芯材５の片方を固定し、他方を回転させる形式となっている。

さらに、本実施形態のぜんまいユニット７には、図１及び図３（図２）に示すように、芯材５と外筒６のぞれぞれに、ワイヤー巻取り用の一対のプーリー８、９が一体に設けられている。芯材５に固設される一方のプーリー８と、外筒６に固設される他方のプーリー９は、プーリー径が同径とされ、ぜんまい４及び外筒６の両外側（前記回動軸Ｏ１方向の両外側）に配されるとともに、ぜんまい４及び外筒６と互いの回動軸Ｏ１を同軸上に配して設けられている。

また、これら一対のプーリー８、９にはそれぞれ、ワイヤー（索体）１０、１１が一端を固定して巻き回されている。これらワイヤー１０、１１は、その引き出し方向が、プーリー８、９が回転してぜんまい４を巻く（トルクが蓄積される）方向となるように巻き回されている。

そして、このように構成したぜんまいユニット７は、図１及び図４（図２、図３、図５（ｂ））に示すように、本体ケース（ばね本体ケース）１２に収容されている。このとき、ぜんまいユニット７は、本体ケース１２の互いに対向する一対の一側面に芯材５の両端を回転自在に軸支させ、水平方向に回転軸Ｏ１方向を向けて配設されている。また、図５（ｂ）にあるように本体ケース１２の互いに対向する一対の他側面にそれぞれ貫通形成された挿通孔１６を通じて一対のワイヤー１０、１１がそれぞれ本体ケース１２の外部に延設／導出されている。すなわち、本体ケース１２から外部に延設されたワイヤー１０、１１を引き出すことにより、ぜんまい４からワイヤー１０、１１にばね力を作用させ、引張力を付与することができる。

また、本実施形態の復元ばね機構Ｂにおいては、本体ケース１２の外側に配されたワイヤー１０、１１にゴムボールなどのストッパー１３、１４がその位置を調節可能に取り付けられ、このストッパー１３、１４が本体ケース１２の側面に当接することで、ワイヤー１０、１１の張力、ぜんまい４の可動を制御できるように構成されている。すなわち、本体ケース１２でストッパー反力を処理するように、且つワイヤー引出し量（ストッパー取付位置）を調節することで予引張力を任意に設定できるように構成されている。

なお、本実施形態では、芯材５がその両端側を本体ケース１２の穴内に挿通させて軸支され、回転摺動するものとしているが、転がり軸受けを介して接合、軸支するようにしてもよい。この場合には回転摩擦抵抗を好適に低減することができる。

また、本実施形態の免震機構Ａは、図１に示すように、エンボス鋼板やテフロン（登録商標）等の滑り材３ａを介して滑動自在に免震対象物２の架台が固定端１の床の設置面上に載置され、この免震対象物２の架台に復元ばね機構Ｂのぜんまい４を取り付けるとともに、一対のワイヤー１０、１１の他端１０ａ、１１ａ側を固定端１の床に接続して構成されている。なお、滑り材３ａは表面処理鋼板やステンレス板などの当接板に当接して配設され、免震対象物２は当接板（鋼板３ｂ）の板面内で滑動するように支持されている。

次に、上記構成からなる本実施形態の復元ばね機構Ｂ、免震機構Ａによる復元力の発生メカニズムについて説明する。

まず、初期状態について説明する。
図５（ａ）に示すように、初期状態では、ぜんまい４を数回巻き上げてストッパー１３、１４で固定し、ぜんまい４に蓄積したトルクによって一対のワイヤー１０、１１のストッパー１３、１４までの間に予引張力Ｆ_０が作用するようにする。また、ストッパー１３、１４から先（他端側）は一対のワイヤー１０、１１ともに引張力が作用せず、弛んだ状態となっている。

図５（ｂ）に示すように、初期状態からワイヤー取付端（他端１０ａ、１１ａ側）が右に移動すると、他方のワイヤー１１のストッパー１４が本体ケース１２から離間し、他方のワイヤー１１に引張力Ｆ≧Ｆ_０が作用する。これと同時に、一方のワイヤー１０のストッパー１３から本体ケース１２に圧縮力Ｆが作用する。このとき、一方のワイヤー１０のストッパー１３から先の部分は弛んだ状態となる。

一方、図５（ｃ）に示すように、初期状態からワイヤー取付端（他端１０ａ、１１ａ側）が左に移動すると、一方のワイヤー１０のストッパー１３が本体ケース１２から離間し、一方のワイヤー１０に引張力Ｆ≧Ｆ_０が作用する。これと同時に、他方のワイヤー１１のストッパー１４から本体ケース１２に圧縮力Ｆが作用する。このとき、他方のワイヤー１１のストッパー１４から先の部分は弛んだ状態となる。

次に、ぜんまい４のトルクとばねの復元力について説明する。

ここでは、ぜんまい４を利用した復元ばね機構Ｂの実大試験体を試作し、外筒６を固定（回転拘束）し、一方のワイヤー１０を引き出す加力実験を行った結果について説明する。

はじめに、この加力実験では、ぜんまい４として板厚０．８ｍｍ、有効長９０００ｍｍ、材質ＳＵＳ３０１−ＥＨのものを使用し、静的加力した。引出しワイヤー径は２ｍｍ、プーリー径は４０ｍｍとした。ストッパー設置後（初期状態）でのプーリー８、９のワイヤー巻きは１段とした。

例えば、芯材中心からワイヤー芯までの寸法はｒ_０＝（４０＋２）／２＝２１ｍｍとなり、ぜんまい４のトルクＴとばね部材の反力（引張力）Ｆとの関係はＦ＝Ｔ／ｒ_０となる。また、ぜんまい４の巻回数ｎとばね部材の変位ｕ（ワイヤーの引き出し量）との関係はｕ＝２πｎｒ_０となる。

ここで、芯材中心からワイヤー芯までの寸法ｒ_０＝２１ｍｍとし、ぜんまい４を１０．５回巻いてストッパー１３、１４に固定すると、例えば、トルク２１００ｋｇｆ・ｍｍで、ばね反力１００ｋｇｆの図６のＡ点となる。

さらにストロー４００ｍｍとすると、相当する巻回数増分は３．０３となり、巻回数１３．５３のＢ点に至る。

その後、変形を減少していくとぜんまいに対して巻き戻しトルクとなり、推移してＣ点、Ｄ点に至る。

巻上げトルクより小さいことは、ばね部材の反力が除荷時にやや減少することを意味している。このため、図６の領域Ｒを履歴面積としてもつことになる。

この「トルクと巻回数の関係」を上式から「ばね部材の反力と変位の関係」にすると、図７が得られ、この図から、変位の増加に伴い僅かに反力も増加するが、概ね反力が一定の定荷重ばね同等の特性となることが分かる。

また、摩擦係数μ=０．１のすべり免震に重量Ｗ＝５ｔｏｎｆの免震対象物２を載せ、復元ばねとして１台のぜんまい４を用いると、図８に示す復元力特性が得られる。これは、Ｆ_０≧０．１μＷを満足し、この条件を満足することによって残留変位をほぼなくせることを意味する（特願２０１１−２０１８７３、特開２０１３−０６４４１８、特許第５７７７０６１参照）。なお、実施する際には捩れを防止するため複数の復元ばねを用いるが、ここでは復元力特性の概要を簡便に説明できるよう復元ばねを１台としている。

したがって、本実施形態の免震機構Ａにおいては、安価なぜんまい４を採用することにより、高価な定荷重ばねに類似した復元力特性をもつ復元ばね機構Ｂが実現できる。また、巻き取りドラムが複数の定荷重ばねに比べ、１つだけのぜんまい４の方がコンパクトになるので、設置スペースを小さくすることが可能になる。

また、一対のワイヤー１０、１１のプーリー径が同じなので、双方のプーリー８、９から延伸するワイヤー１０、１１の引張力（反力）を同じにすることができる。すなわち、ぜんまい４のトルクＴが双方のプーリー８、９に作用し、プーリー中心からワイヤー芯までの距離ｒ_０とワイヤー反力Ｆを乗じたトルクで処理されるため、双方のプーリー８、９から延伸するワイヤー１０、１１の引張力を同じにすることができる。

さらに、一方のワイヤー１０を引き出した際の反力がＦのとき、他方のワイヤー１１のストッパー１４にも反力Ｆが作用し、復元ばね本体で処理されることから、いわゆる予引張ばねと同じ作用効果を得ることができる。これは、勿論他方のワイヤー１１を引き出した際も同様である。

また、変位の正負にかかわらず、同じ引張り反力を生じるばね部材（復元ばね機構Ｂ）となるため、従来の引張りばね部材だと２台必要だった装置が１台ですみ、設置台数が半減しコストダウン、設置スペースの省スペース化を図ることが可能になる。

以上、本発明に係る免震機構の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、免震対象物２側にぜんまい４、固定端１側にワイヤー１０、１１の他端１０ａ、１１ａ側を接続するものとして説明を行ったが、固定端１側にぜんまい４、免震対象物２側にワイヤー１０、１１の他端１０ａ、１１ａ側を接続して構成しても勿論構わない。

１ 固定端（床）
２ 免震対象物（架台）
３ 免震支持部
３ａ 滑り材
３ｂ 鋼板
４ ぜんまい
４ａ 一端側
４ｂ 他端側
５ 芯材
６ 外筒
７ ぜんまいユニット
８ プーリー
９ プーリー
１０ ワイヤー（索体）
１０ａ 他端
１１ ワイヤー（索体）
１１ａ 他端
１２ 本体ケース（ばね本体ケース）
１３ ストッパー
１４ ストッパー
１６ 挿通孔
Ａ 免震機構
Ｂ 復元ばね機構
Ｏ１ 回動軸

Claims (5)

1. 免震対象物と固定端の間に介装されて、前記免震対象物を滑動可能に免震支持する免震支持部と、
   前記固定端と前記免震対象物に接続して設けられ、前記免震対象物の過大変位を抑えるとともに、変位した前記免震対象物を原位置に復元させるための復元ばね機構とを備えており、
   前記復元ばね機構が、前記免震対象物側と前記固定端側の一方に固定して設けられるばね本体ケースと、前記ばね本体ケースに収納されたぜんまいの内外周端部が回転することで引き出され前記免震対象物側と前記固定端側の他方に固定される一対の索体とを備えていることを特徴とする免震機構。
2. 請求項１記載の免震機構において、
   前記復元ばね機構が、前記ぜんまいと互いの回動軸を同軸上に配しつつ前記ぜんまいの一端部側を固定して配設される芯材と、前記ぜんまい及び前記芯材と互いの回動軸を同軸上に配しつつ前記ぜんまいを収容するように配設されるとともに、前記ぜんまいの他端部側を固定して配設される外筒と、互いの回動軸を同軸上に配して前記芯材に固設され、一方の索体が巻き回される一方のプーリーと、互いの回動軸を同軸上に配して前記外筒に固設され、他方の索体が巻き回される他方のプーリーとを備え、
   前記一対の索体をそれぞれ前記プーリーから引き出すと前記ぜんまいが巻かれるように構成されていることを特徴とする免震機構。
3. 請求項１または請求項２に記載の免震機構において、
   前記復元ばね機構が、前記ぜんまいを収容する本体ケースを備え、
   前記本体ケースに設けられた一対の挿通孔にそれぞれ挿通し、前記本体ケースの外部に導出された前記一対の索体にそれぞれ取り付けられ、前記ぜんまいの付勢力による前記索体の戻りを前記本体ケースに当接して規制するストッパーを備えていることを特徴とする免震機構。
4. 請求項２または請求項３に記載の免震機構において、
   前記一方のプーリーと前記他方のプーリーのプーリー径が同径であることを特徴とする免震機構。
5. 請求項３または請求項４に記載の免震機構において、
   前記ストッパーの前記索体への取付位置が調節可能とされていることを特徴とする免震機構。

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