JP2019157947A - マスダンパ - Google Patents

Abstract

【課題】慣性質量要素と減衰要素が直列に接続され、この減衰要素が、温度依存性や繰り返し依存性が小さく、かつ速度に依存する減衰特性を有するとともに、マスダンパの軸力を適切に制限できるマスダンパを提供する。【解決手段】本発明によるマスダンパ１Ａは、一端部が構造物３を含む系内の第１部位に連結されるねじ軸１１ａにボール１１ｂを介して螺合するナット１１ｃと、一端部が第２部位に連結され、ナット１１ｃを回転自在に支持する内筒１２と、ナット１１ｃ及び内筒１２の外周を覆うように配置された回転マス１３と、を備え、ナット１１ｃ及び回転マス１３の一方は強磁性体で構成され、他方は導電材料で構成されており、ナット１１ｃ及び回転マス１３の前記一方に周方向に沿って配置され、磁界内を回転するナット１１ｃに、その回転と反対方向の、渦電流によるローレンツ力を発生させる複数の永久磁石１５を強磁性体側に備える。【選択図】図２

Description

本発明は、構造物などの振動を抑制するのに用いられるマスダンパに関する。

従来のマスダンパとして、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。このマスダンパは、慣性質量要素に粘性要素を直列に接続したものであり、構造物を含む系内の相対変位する第１部位と第２部位の間に設けられる。慣性質量要素は、一端部が第１部位に連結されたねじ軸と、ねじ軸にボールを介して螺合する回転自在のナットと、一端部が第２部位に連結され、ナットを回転自在に支持する内筒と、内筒に回転自在に支持された回転マスなどで構成されている。一方、粘性要素は、ナットと回転マスとの間の流体室に充填された粘性体と、流体室を第１室と第２室に仕切るとともに、ナットと回転マスとの相対回転に伴って流体室内を軸線方向に移動するように構成された可動体と、可動体に設けられた調整弁及びリリーフ弁などで構成されている。

このマスダンパでは、地震時などに第１及び第２部位の間に相対変位が発生すると、ねじ軸の直線運動がナットの回転運動に変換され、回転マスが回転することによって、回転慣性効果が発揮され、構造物の振動が抑制される。また、ナットと回転マスとの相対回転が生じると、可動体が流体室内を移動することによって、粘性体が調整弁を介して第１室と第２室の間を流れる。これにより、調整弁に設定された減衰係数に基づき、粘性体の移動速度に応じた粘性減衰効果が発揮される。

さらに、可動体の移動に伴い、第１室及び第２室の一方の圧力が上昇し、それに伴い、回転マスの回転慣性力及び粘性体の粘性抵抗（減衰力）も増大する。そして、上昇した圧力が所定圧力に達したときに、リリーフ弁が開弁する。これにより、この圧力が低下することによって、回転マスの回転慣性力及び粘性体の粘性抵抗のそれ以上の増大が抑制され、マスダンパの軸力（マスダンパに作用する軸方向の荷重）が制限される。

また、マスダンパの軸力を制限する従来の軸力制限機構として、例えば特許文献２に開示されたものが知られている。この軸力制限機構は、機械式のものであり、ボールねじのナットの外周面に当接する摩擦材と、回転マスにねじ込まれた締め付けボルトと、摩擦材と締め付けボルトの間に配置され、摩擦材をナット側に付勢する皿ばねなどを備えている。この構成では、マスダンパの軸力が、皿ばねのばね定数や締め付けボルトの締め付け度合などで定まる所定値に達すると、摩擦材とナットの間に滑りが発生することによって、回転マスの回転が抑制され、マスダンパの軸力が制限される。

特開２０１５−１２４８２０号公報 特許第５１８９２１３号公報

特許文献１のマスダンパにおいて粘性要素を構成する粘性体の粘性抵抗は、温度の上昇に伴って低下する温度依存性や、振動が繰り返し作用するのに伴って低下する繰り返し依存性を有する。このため、近年、特に懸念されている長周期地震動が発生したような場合には、大きな振動エネルギがマスダンパに繰り返し入力され、粘性体で吸収される結果、粘性体の温度が大きく上昇し、粘性抵抗が著しく低下するおそれがある。また、粘性体の粘性抵抗は、圧力に応じて変化する圧力依存性を有する。このため、粘性抵抗を調整するための調整弁などが必要になるとともに、その設定を詳細に行うことが必要になる。また、大きな粘性抵抗を確保するためには、粘性体のせん断面積を大きくすることが必要であり、粘性体の実装部分が大型化するという問題もある。

また、特許文献２に記載される軸力制限機構は、摩擦材を用いているため、マスダンパに大きな振動エネルギが繰り返し入力された場合には、摩擦材の発熱によって摩擦抵抗が低下する結果、マスダンパの軸力制限を良好に行えないおそれがある。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、慣性質量要素と減衰要素が直列に接続され、この減衰要素が、温度依存性や繰り返し依存性が小さく、かつ速度に依存する減衰特性を有するとともに、マスダンパの軸力を適切に制限することができるマスダンパを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、構造物を含む系内の相対変位する第１部位と第２部位の間に設けられ、振動エネルギを減衰するマスダンパであって、一端部が第１部位に連結されるねじ軸、及びねじ軸にボールを介して螺合するナットを有するボールねじと、一端部が第２部位に連結され、ねじ軸と同軸状に延びるとともに、ナットを回転自在に支持する内筒と、ナット及び内筒の外周を覆うように配置され、ナット及び内筒に対して回転自在の筒状の回転マスと、を備え、ナット及び回転マスの一方は強磁性体で構成され、ナット及び回転マスの他方は導電材料で構成されており、ナット及び回転マスの前記一方に周方向に沿って配置され、磁界内を回転するナットに、ナットの回転と反対方向の、渦電流によるローレンツ力を発生させるように構成された複数の永久磁石を強磁性体側に備えることを特徴とする。

この構成によれば、地震時などに振動エネルギが構造物に入力され、第１及び第２部位の間に相対変位が発生すると、第１部位に連結されたねじ軸の相対的な直線運動が、ねじ軸に螺合するナットの回転運動に変換されることによって、ナットが永久磁石の磁界内を回転する。これにより、ナットに渦電流（誘導電流）が発生すると同時に、この渦電流と永久磁石の磁界との相互作用によってローレンツ力が発生する。

この渦電流によるローレンツ力（以下、適宜「ローレンツ力」という）は、ナットには、その回転方向と反対方向の抵抗力（制動力）として作用し、それにより、減衰効果が発揮される。一方、上記のローレンツ力は、回転マスには、ナットの回転方向と同じ方向の駆動力として作用する。これにより、回転マスが駆動され、回転することによって、回転マスの等価質量が実質量に対して増幅され、非常に大きな反力（回転慣性力）として作用する回転慣性効果が発揮され、構造物の振動が抑制される。以上の関係から、このマスダンパは、永久磁石から成る減衰要素に回転マスから成る慣性質量要素が直列に接続された構成になる。

また、このローレンツ力は、構造物におけるマスダンパの使用環境では、粘性要素の粘性抵抗と異なり、温度依存性や繰り返し依存性が小さい。したがって、長周期地震動の発生時のように大きな振動エネルギが構造物に繰り返し入力される場合においても、温度や振動エネルギの入力の繰り返しの影響を受けることなく、回転マスの回転慣性効果と永久磁石による減衰効果を安定して発揮させることができ、それにより、マスダンパの所要の振動抑制性能を確保することができる。

さらに、ローレンツ力は、粘性要素の粘性抵抗と同様、速度に依存する減衰特性（傾向）を示す。このため、ローレンツ力を粘性抵抗と同様に取り扱うことができ、例えば、粘性抵抗に代わるローレンツ力の設計を、速度をパラメータとして適切かつ容易に行うことができる。

また、上述したように、ローレンツ力は、温度や振動エネルギの入力の繰り返しの影響を受けることなく、安定的に得られるとともに、その値が大きいほど、回転マスの回転慣性力はより大きくなる。したがって、ローレンツ力を構造物の相対変位などに応じて適宜、制限することによって、回転マスの回転慣性力の増大を抑制し、マスダンパの軸力を適切に制限することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のマスダンパにおいて、渦電流によるローレンツ力は、ナットと回転マスとの相対速度が所定速度以上のときに、一定の所定値に設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、ナットと回転マスとの相対速度が所定速度以上になったときに、渦電流によるローレンツ力が一定の所定値に制限されることによって、回転マスの回転慣性力の増大を抑制し、マスダンパの軸力を適切に制限することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のマスダンパにおいて、回転マスと内筒との間の間隙に充填された粘性体をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、回転マスが回転するのに伴い、回転マスと回転しない内筒との間に充填された粘性体の粘性抵抗（せん断抵抗）によって、回転マスの回転速度に応じた粘性減衰効果が発揮され、それにより、マスダンパの振動抑制性能をさらにに高めることができる。この場合、粘性体から成る粘性要素は、回転マスから成る慣性質量要素に並列に接続された関係になる。

本発明の実施形態によるマスダンパを含む免震装置を構造物に設置した例を概略的に示す図である。 マスダンパの縦断面図である。 図２のＸ−Ｘ線に沿う、一部を省略した断面図である。 マスダンパの動作を説明するための図である。 永久磁石によるローレンツ力の設定例を示す図である。 粘性抵抗及びローレンツ力の速度に応じた特性を示す図である。 マスダンパをモデル化して示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、実施形態によるマスダンパ１を、積層ゴム支承２とともに、建物などの構造物３に免震装置として設置した例を示す。積層ゴム支承２は、複数個（２つのみ図示）設けられており、構造物３と基礎４の間に固定され、構造物３を支持している。マスダンパ１は、複数個（１つのみ図示）設けられており、その両端部において、構造物３から下方に突設された支持部材５ａと、基礎４から上方に突設された支持部材５ｂとの間に、設置される。

図２に示すように、マスダンパ１は、ボールねじ１１、内筒１２、回転マス１３、粘性体１４及び永久磁石１５などで構成されている。

ボールねじ１１は、ねじ軸１１ａと、ねじ軸１１ａに多数のボール１１ｂを介して螺合するナット１１ｃを有する。ねじ軸１１ａは、外端部において、自在継手１７ａを介して、第１フランジ１７に移動不能に連結され、内端部は、ナット１１ｃから突出し、内筒１２の内部に延びている。ナット１１ｃは、導電材料（例えば鋼材）で構成され、内端部において、クロスローラベアリング２１を介して内筒１２に嵌合し、回転自在に支持されている。

内筒１２は、鋼材で構成され、ナット１１ｃと同軸状に配置されており、外端部において、自在継手１８ａを介して、第２フランジ１８に移動不能に連結されている。

回転マス１３は、比重が比較的大きな強磁性体（例えば鋼材）で構成され、肉厚の円筒状に形成されている。回転マス１３は、ボールねじ１１及び内筒１２の外側に同軸状に配置されており、両端部において軸受け２２、２２を介し、ナット１１ｃ及び内筒１２に回転自在に支持されている。

粘性体１４は、内筒１２と回転マス１３との間の間隙Ｇに、シール２３、２３を介して液密状態で充填されている。粘性体１４は、所定の粘度を有する粘性材、例えばシリコンオイルで構成されている。

図３に示すように、永久磁石１５は、ナット１１ｃと回転マス１３の間、例えば回転マス１３の内周面に複数個（この例では１８個）、周方向に等間隔に配置されており、ナット１１ｃに対向している。また、複数の永久磁石１５の極性は、隣り合う各２つの間で互いに異なるように配置されている（図４参照）。

以上の構成のマスダンパ１は、例えば図１の構造物３及び基礎４に設けられた支持部材５ａ、５ｂに、第１及び第２フランジ１７、１８を介して連結され、設置される。この状態で、地震などの発生により、構造物３と基礎４の間に相対変位が発生すると、それらに連結された内筒１２に対するねじ軸１１ａの直線運動がナット１１ｃの回転運動に変換され、ナット１１ｃが永久磁石１５の磁界内を回転する。

これに伴い、図４に示すように、ナット１１ｃに渦電流（誘導電流）が発生するとともに、この渦電流と永久磁石１５の磁界との相互作用によって、ローレンツ力が発生する。この渦電流によるローレンツ力（以下、適宜「ローレンツ力」という）は、ナット１１ｃには、その回転方向（矢印Ａ方向）と反対方向の抵抗力（制動力）として作用し、それにより、減衰効果が発揮される。

一方、上記のローレンツ力は、回転マス１３には、ナット１１ｃの回転方向と同じ方向の駆動力として作用する。これにより、回転マス１３が駆動され、回転することによって、回転マス１３の等価質量が実質量に対して増幅され、非常に大きな反力（回転慣性力）として作用する回転慣性効果が発揮され、構造物３の振動が抑制される。

また、回転マス１３の回転に伴い、回転マス１３と回転しない内筒１２との間に充填された粘性体１４の粘性抵抗（せん断抵抗）によって、振動エネルギが吸収され、熱変換されることで、回転マス１３の回転速度に応じた粘性減衰効果が発揮される。

前述したように、渦電流によるローレンツ力は、構造物におけるマスダンパの地震時を含む使用環境（例えば最高温度：１００〜１５０℃、累積変位：５０ｍ程度）では、粘性抵抗と異なり、温度依存性や繰り返し依存性が小さい。したがって、長周期地震動の発生時のように大きな振動エネルギが構造物に繰り返し入力される場合においても、温度や振動エネルギの入力の繰り返しの影響を受けることなく、回転マス１３の回転慣性効果と永久磁石１５による減衰効果を安定して発揮させることができる。

また、図５は、速度Ｖに対する、粘性体１４の粘性抵抗ＦＶ及び渦電流によるローレンツ力ＦＬの一般的な関係を示す。同図から理解されるように、ローレンツ力ＦＬは、一般に、粘性抵抗ＦＶと同様、速度Ｖに依存する減衰特性（傾向）を示すため、粘性抵抗ＦＶと同様に取り扱うことができる。例えば、粘性抵抗ＦＶに代わるローレンツ力ＦＬの設計を、速度Ｖをパラメータとして適切かつ容易に行うことができる。なお、ローレンツ力ＦＬの大きさ及び特性は、永久磁石１５の数、配置やナット１１ｃとの隙間の大きさなどによって変更することも可能である。

本実施形態では、ローレンツ力ＦＬは、図６に示すように設定されている。具体的には、ローレンツ力ＦＬは、ナット１１ｃと回転マス１３との相対速度ＶＲが所定速度Ｖ１以上のときに、所定値Ｆ１の付近でほぼ一定になり（飽和し）、それ以上、増加しないように設定されている。また、永久磁石１５に、互いに並列の回転マス１３及び粘性体１４が直列に接続されるという接続関係から、回転マス１３の回転慣性力及び粘性体１４の粘性抵抗は、ローレンツ力ＦＬに依存し、ローレンツ力ＦＬが大きいほど、より大きくなる。したがって、ローレンツ力ＦＬを上記のように設定することにより、ローレンツ力ＦＬが飽和するのに応じて、回転マス１３の回転慣性力及び粘性体１４の粘性抵抗の増大を抑制でき、それにより、マスダンパ１の軸力を制限することができる。すなわち、この場合には、永久磁石１５を軸力制限機構として用いることができ、永久磁石１５は軸力制限要素を構成する。

以上の構成及び動作から、マスダンパ１は、図７のようにモデル化される。すなわち、ローレンツ力を発生させる永久磁石１５から成る減衰要素（軸力制限要素）に、互いに並列関係にある（ａ）回転マス１３から成る慣性質量要素、及び（ｂ）粘性体１４から成る粘性要素が、直列に接続されるとともに、上記の減衰要素に、マスダンパ１の内部剛性や構造物３の支持部材５ａ、５ｂなどから成るばね要素が直列に接続されたモデルになる。

したがって、マスダンパ１が接続される構造物３及び基礎４や支持部材５ａ、５ｂの剛性が比較的高い場合でも、回転マス１３の回転慣性力による反力は、これに直列に接続された永久磁石１５による減衰効果によって低減された状態で、構造物３及び基礎４に作用する。これにより、マスダンパ１を免震装置として用いた場合でも、構造物３の振動を適切に抑制することができる。また、マスダンパ１の軸力が大きくなった場合には、永久磁石１５による軸力制限効果によって、マスダンパ１の軸力を適切に制限することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、第１実施形態では、永久磁石１５を回転マス１３側に配置し、ナット１１ｃを相手部材（永久磁石が設けられず、ローレンツ力が発生する部材）としているが、この関係を逆にし、永久磁石１５をナット１１ｃ側に配置し、回転マス１３を相手部材としてもよい。

また、実施形態では、回転マス１３の相手部材であるナット１１ｃを構成する導電材料として、強磁性体である鋼材を例示しているが、強磁性体以外の導電材料、例えばフェライト系ステンレス鋼などの弱磁性体や、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス又は銅合金などの非磁性体を用いることが可能である。

また、実施形態では、内筒１２と回転マス１３の間に粘性体１４を配置しているが、この粘性体１４は省略してもよい。あるいは、粘性体１４を永久磁石に置き換えてもよく、それにより、粘性体１４の粘性減衰効果に代えて、温度や振動の繰り返しに依存しない永久磁石による減衰効果を得ることができる。また、実施形態に示した永久磁石１５の数はあくまで例示であり、適宜、増減される。

また、実施形態は、マスダンパ１を構造物の免震装置として用いた例であるが、制震装置として用いてもよい。その他、細部の構成を、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することが可能である。

１ マスダンパ
３ 構造物
５ａ 支持部材（第１部位）
５ｂ 支持部材（第２部位）
１１ ボールねじ
１１ａ ねじ軸
１１ｂ ボール
１１ｃ ナット
１２ 内筒
１３ 回転マス
１４ 粘性体
１５ 永久磁石

Claims (3)

1. 構造物を含む系内の相対変位する第１部位と第２部位の間に設けられ、振動エネルギを減衰するマスダンパであって、
   一端部が前記第１部位に連結されるねじ軸、及び当該ねじ軸にボールを介して螺合するナットを有するボールねじと、
   一端部が前記第２部位に連結され、前記ねじ軸と同軸状に延びるとともに、前記ナットを回転自在に支持する内筒と、
   前記ナット及び前記内筒の外周を覆うように配置され、前記ナット及び前記内筒に対して回転自在の筒状の回転マスと、を備え、
   前記ナット及び前記回転マスの一方は強磁性体で構成され、前記ナット及び前記回転マスの他方は導電材料で構成されており、
   前記ナット及び前記回転マスの前記一方に周方向に沿って配置され、磁界内を回転する前記ナットに、当該ナットの回転と反対方向の、渦電流によるローレンツ力を発生させるように構成された複数の永久磁石を強磁性体側に備えることを特徴とするマスダンパ。
2. 前記渦電流によるローレンツ力は、前記ナットと前記回転マスとの相対速度が所定速度以上のときに、一定の所定値に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載のマスダンパ。
3. 前記回転マスと前記内筒との間の間隙に充填された粘性体をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のマスダンパ。

Images