JP2020020464A - 渦電流式ダンパ - Google Patents

Abstract

【課題】ストローク端近傍における制動力を向上させる渦電流式ダンパを提供する。【解決手段】渦電流式ダンパ１は、ねじ軸２と、ボールナット３と、導電部材４と、磁石保持部材５と、複数の永久磁石６と、磁性流体収容部７と、を含む。ボールナット３は、ねじ軸２と噛み合う。円筒形状の導電部材４は、ボールナット３に固定される。磁石保持部材５は、導電部材４の内側に設けられ、ねじ軸２に固定される。複数の永久磁石６は、磁石保持部材５に固定され、導電部材４の円周方向に磁極の配置を交互に反転して配列され、導電部材４の内周面と隙間を空けて対向する。磁性流体収容部７は、導電部材４の外周面に設けられ、磁性流体を収容する。複数の永久磁石６は、ねじ軸２がストローク中央位置にあるときに磁性流体収容部７と対向せず、ねじ軸２がストローク中央位置から変位したときに磁性流体収容部７と対向する。【選択図】図２

Description

本発明は、渦電流式ダンパに関する。

地震等による振動から建築物を保護するために、建築物には制振装置が取り付けられる。制振装置は建築物に与えられた運動エネルギを熱エネルギ等の他のエネルギに変換することで、建築物の揺れを抑制する。このような制振装置として、渦電流式ダンパが知られている。

渦電流式ダンパはたとえば、特公平５−８６４９６号公報（特許文献１）に開示される。

特許文献１の渦電流式ダンパは、主筒に取り付けられた複数の永久磁石と、ねじ軸に接続されたヒステリシス材と、ねじ軸と噛み合うボールナットと、ボールナットに接続された副筒と、を備える。複数の永久磁石は、磁極の配置が交互に異なる。ヒステリシス材は、複数の永久磁石と対向し、相対回転可能である。この渦電流式ダンパに運動エネルギが与えられると、副筒及びボールナットが軸方向に往復移動し、ボールねじの作用によってヒステリシス材が回転する。これにより、ヒステリシス損が生じ、運動エネルギが消費される。また、ヒステリシス材に渦電流が発生するため、渦電流損により運動エネルギが消費される（制動力が得られる）、と特許文献１には記載されている。

しかしながら、特許文献１の渦電流式ダンパでは、ボールナットの往復移動の端（ストローク端）においてヒステリシス材の回転方向が切り替わる。そのため、ボールナットがストローク端に近づくにつれヒステリシス材の回転速度は低下し、発生する渦電流の強さが弱くなる。すなわち、特許文献１の渦電流式ダンパではその構造上、ボールナットのストローク端近傍において渦電流による制動力の低下が避けられない。

一方、建築物に取り付けられるダンパとしては、渦電流式ダンパ以外にも粘性流体を用いた流体式ダンパが知られている。流体式ダンパでもピストンが往復移動することで制動力が得られるため、ピストンのストローク端近傍で制動力は低下する。

この流体式ダンパのストローク端での制動力の低下を改善する発明が、国際公開第２００７／０９１３９９号（特許文献２）に開示されている。

特許文献２の流体式ダンパでは、シリンダ内に磁性流体が封入され、ピストンロッドが磁性部及び非磁性部から構成されている。ピストンロッドがストローク中央近傍にある場合は通常の流体式ダンパ同様に磁性流体の粘性抵抗で制動力を得る。一方、ピストンロッドがストローク端近傍に近づくと、ピストンロッドの磁性部が磁場発生装置（磁石等）に近づくことにより、磁気回路が形成される。この磁気回路の磁場により磁性流体の粘性抵抗が高まるため、ストローク端近傍における制動力を向上できる、と特許文献２には記載されている。

特公平５−８６４９６号公報 国際公開第２００７／０９１３９９号

しかしながら、特許文献２の発明は、流体式ダンパに関するものであり、渦電流式ダンパとは根本的に構造が異なる。そのため、特許文献２の技術を渦電流式ダンパに採用することは困難である。

本発明の目的は、ストローク端近傍における制動力を向上させる渦電流式ダンパを提供することである。

本発明の渦電流式ダンパは、ねじ軸と、ボールナットと、導電部材と、磁石保持部材と、複数の永久磁石と、磁性流体収容部と、を含む。ボールナットは、ねじ軸と噛み合う。円筒形状の導電部材は、ボールナットに固定される。磁石保持部材は、導電部材の内側に設けられ、ねじ軸に固定される。複数の永久磁石は、磁石保持部材に固定され、導電部材の円周方向に磁極の配置を交互に反転して配列され、導電部材の内周面と隙間を空けて対向する。磁性流体収容部は、導電部材の外周面に設けられ、磁性流体を収容する。複数の永久磁石は、ねじ軸がストローク中央位置にあるときに磁性流体収容部と対向せず、ねじ軸がストローク中央位置から変位したときに磁性流体収容部と対向する。

本発明の渦電流式ダンパによれば、ストローク端近傍における制動力を向上させることができる。

図１は、第１実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。 図２は、図１の一部拡大図である。 図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線での断面図である。 図４は、図３の一部拡大図である。 図５は、第１実施形態の渦電流式ダンパの磁気回路を示す模式図である。 図６は、図１に示す状態からねじ軸がストローク端近傍まで変位した渦電流式ダンパの断面図である。 図７は、第２実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。

（１）本実施形態の渦電流式ダンパは、ねじ軸と、ボールナットと、導電部材と、磁石保持部材と、複数の永久磁石と、磁性流体収容部と、を含む。ボールナットは、ねじ軸と噛み合う。円筒形状の導電部材は、ボールナットに固定される。磁石保持部材は、導電部材の内側に設けられ、ねじ軸に固定される。複数の永久磁石は、磁石保持部材に固定され、導電部材の円周方向に磁極の配置を交互に反転して配列され、導電部材の内周面と隙間を空けて対向する。磁性流体収容部は、導電部材の外周面に設けられ、磁性流体を収容する。複数の永久磁石は、ねじ軸がストローク中央位置にあるときに磁性流体収容部と対向せず、ねじ軸がストローク中央位置から変位したときに磁性流体収容部と対向する。

このような上記（１）の渦電流式ダンパによれば、振動によりねじ軸が変位し、導電部材が回転すると、導電部材に渦電流が発生する。渦電流により生じる反磁界によって導電部材の回転が妨げられ、振動を減衰させる制動力が得られる。また、渦電流式ダンパでは、建物の振動に同期してねじ軸が往復運動（ストローク）する。そのため、ねじ軸の変位が大きくなる（ストローク端に近づく）に従いねじ軸の軸方向の速度は低下し、永久磁石の回転速度も低下する。永久磁石の回転速度が低下すると渦電流による制動力は低下する。そこで、本実施形態の渦電流式ダンパでは、ねじ軸が変位した際に永久磁石を磁性流体収容部と対向させる。この際永久磁石が形成する磁場の影響を受け、磁性流体収容部内の磁性流体の粘性抵抗が高くなり、磁性流体と接する導電部材の回転が妨げられる。これにより、ストローク端近傍において渦電流による制動力が低下しても、磁性流体の粘性による制動力が増大するため、渦電流式ダンパ全体として高い制動力を発揮できる。

上記（１）の渦電流式ダンパは、次の（２）又は（３）の構成とすることができる。

（２）上記（１）の渦電流式ダンパにおいて、磁性流体収容部は、第１磁性流体収容部と、第１磁性流体収容部に対して、導電部材の軸方向に複数の永久磁石の長さ以上の間隔を空けて設けられた第２磁性流体収容部と、を含む。この場合、複数の永久磁石は、ねじ軸がストローク中央位置にあるときに第１磁性流体収容部と第２磁性流体収容部との間隔に対応する位置にある。

（３）上記（１）の渦電流式ダンパにおいて、複数の永久磁石は、第１永久磁石列と、第１永久磁石列に対して、導電部材の軸方向に磁性流体収容部の長さ以上の間隔を空けて設けられた第２永久磁石列と、を含む。この場合、磁性流体収容部は、ねじ軸がストローク中央位置にあるときに第１永久磁石列と第２永久磁石列との間隔に対応する位置にある。

以下、図面を参照して、本実施形態の渦電流式ダンパについて説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。渦電流式ダンパ１は、ねじ軸２と、ボールナット３と、導電部材４と、磁石保持部材５と、複数の永久磁石６と、磁性流体収容部７と、を含む。以下、各構成について詳述する。

［ねじ軸］
図２は、図１の一部拡大図である。ねじ軸２は、直線状に延びる部材であり、建物に取り付けられた取付具２１に固定される。建物が揺れるとその振動は、取付具２１を介してねじ軸２に伝達され、ねじ軸２が軸方向に変位し、振動に同期して往復運動（ストローク）する。図１及び図２では、ねじ軸２がストローク中央位置にある状態を示す。ストローク中央位置とは、ねじ軸２の軸方向に沿った往復移動範囲の中央を意味する。渦電流式ダンパ１は、ねじ軸２をストローク中央位置にして、建物に取り付けられる。ねじ軸２の外周面にはねじ部が形成されている。

［ボールナット］
ボールナット３は、ねじ軸２とボールねじを構成し、ねじ軸２が軸方向に変位するとボールナット３は回転する。すなわち、ボールナット３はねじ軸２の並進運動を回転運動に変換する。

ボールナット３は、貫通孔と、フランジ部とを含む。貫通孔にはねじ軸２が通され、貫通孔の内周面には、ねじ軸２のねじ部と噛み合うねじ部が形成されている。フランジ部は、軸方向から見て、中空の円板形状である。

［導電部材］
導電部材４の一方の端部は、ボールナット３のフランジ部に固定される。したがって、ボールナット３が回転すると、それに伴って導電部材４も回転する。導電部材４の他方の端部は、スラスト軸受１１を介して取付具２２に取り付けられる。したがって、導電部材４が回転しても取付具２２は回転しない。

導電部材４は円筒形状であり、内部（円筒の内部空間）にはボールナット３の一部、ねじ軸２の一部、磁石保持部材５及び永久磁石６が収容される。導電部材４の内部にボールナット３等を収容することで渦電流式ダンパを小型にすることができる。永久磁石６が形成する磁場によって渦電流を発生させるため、導電部材４の材質は鋼等の導電性を有する材料である。

［磁石保持部材］
磁石保持部材５は、導電部材４の内部に設けられ、ねじ軸２に固定される。したがって、ねじ軸２がその軸方向に変位することに伴い、磁石保持部材５もねじ軸２の軸方向に変位する。

磁石保持部材５は、複数の永久磁石６を保持する。永久磁石６からの磁束を外部に漏れにくくするため、磁石保持部材５の材質は炭素鋼、鋳鉄等の磁性体であるのが好ましい。この場合、磁石保持部材５はヨークとしての役割を果たす。磁石保持部材５は断面形状が円形の外周面を含む。

［永久磁石］
図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線での断面図である。複数の永久磁石６は、磁石保持部材５の外周面に固定される。複数の永久磁石６は、磁石保持部材５の円周方向（すなわち導電部材４の円周方向）に配列され、隣接する２つの永久磁石６の間には隙間が設けられる。

複数の永久磁石６は、導電部材４の径方向において導電部材４の内周面と隙間を空けて対向する。隙間の大きさは、永久磁石６からの磁束を導電部材４に効率的に到達させるため、可能な限り小さいほうが好ましい。また、各永久磁石６と導電部材４の内周面との距離は一定であるのが好ましい。

図４は、図３の一部拡大図である。複数の永久磁石６は、導電部材４の円周方向に磁極の配置を交互に反転して配列される。別の言葉で言えば、導電部材４の円周方向において隣接する永久磁石６同士は互いに磁極の配置が反転する。なお、図４では、永久磁石６の磁極の配置が導電部材４の径方向である場合を示すが、磁極の配置はこれに限られず、導電部材４の軸方向（すなわちねじ軸２の軸方向）であってもよい。

［磁性流体収容部］
図２を参照して、磁性流体収容部７は、第１磁性流体収容部７Ａと、第２磁性流体収容部７Ｂとを含む。第１磁性流体収容部７Ａと第２磁性流体収容部７Ｂとは、構造が同じである。したがって、以下では、特に断りのない限り第１磁性流体収容部７Ａについて説明し、単に「磁性流体収容部７」と言う。

磁性流体収容部７は、導電部材４の外周面上に設けられ、その内部に密閉空間を有する。この密閉空間には磁性流体が収容される。磁性流体は特に限定されず、周知のものを用いてよい。

具体的には、磁性流体収容部７は、導電部材４の外周面、カバー１２の内面及び２つのシール部材１３で構成される。

カバー１２は、導電部材４及びボールナット３を収容する。カバー１２の一方の端は、ボールナット３にスラスト軸受１１及びラジアル軸受１４を介して取り付けられ、カバー１２の他方の端は、ラジアル軸受１４を介して導電部材４に支持され、建物に取り付けられた取付具２２に固定される。したがって、ボールナット３が回転しても、カバー１２は回転しない。

シール部材１３は、リング形状であり、導電部材４の外周面とカバー１２の内面との間を隙間なく埋める。これにより、磁性流体が外部に漏れることを抑制できる。また、シール部材１３は軸受としての機能を有し、導電部材４の回転を許容する。シール部材１３はたとえば、内部にばねを有するオイルシール等である。

図３を参照して、磁性流体収容部７は、導電部材４の外周面上に導電部材４の円周方向全域にわたって設けられる。

図２を参照して、磁性流体収容部７の配置について説明する。第１磁性流体収容部７Ａは導電部材４の一方の端部近傍の外周面上に設けられ、第２磁性流体収容部７Ｂは導電部材４の他方の端部近傍の外周面上に設けられる。第２磁性流体収容部７Ｂは、第１磁性流体収容部７Ａに対して導電部材４の軸方向に、複数の永久磁石６の長さ以上の間隔を空けて設けられる。複数の永久磁石６の長さとは、導電部材４の軸方向に沿った永久磁石６の長さを意味する。

ねじ軸２がストローク中央位置にあるとき、複数の永久磁石６は、第１磁性流体収容部７Ａと第２磁性流体収容部７Ｂとの間隔に対応する位置にある。すなわち、複数の永久磁石６は、ねじ軸２がストローク中央位置にあるときに第１磁性流体収容部７Ａ及び第２磁性流体収容部７Ｂと対向しない。複数の永久磁石６は、ねじ軸２がストローク中央位置から変位したときに第１磁性流体収容部７Ａ又は第２磁性流体収容部７Ｂと対向する。なお、「対向」とは、対象物同士を導電部材４の径方向に投影したときに両者が重複していることを意味する。

複数の永久磁石６が磁性流体収容部７と対向するためのねじ軸２の変位量は特に限定されず、必要な制動力等を考慮して適宜設定されればよい。たとえば、ねじ軸２がストローク中央位置から僅かに変位したときに、永久磁石６が磁性流体収容部７と対向するように構成してもよい。その他にもたとえば、ねじ軸２がストローク中央位置からある程度変位したときに、永久磁石６が磁性流体収容部７と対向するように構成してもよい。

［渦電流式ダンパの制動力］
このような構成の第１実施形態の渦電流式ダンパの制動力について説明する。第１実施形態の渦電流式ダンパの制動力としては、渦電流による制動力と、磁性流体の粘性による制動力との２つがある。

［渦電流による制動力］
まず、渦電流による制動力について説明する。

図５は、第１実施形態の渦電流式ダンパの磁気回路を示す模式図である。複数の永久磁石６は、隣接する永久磁石同士で磁極が反転している。そのため、ある永久磁石６のＮ極から出た磁束は、磁石保持部材５を通り、隣接する永久磁石６のＳ極に到達する。この永久磁石６のＮ極から出た磁束は、導電部材４を通り、永久磁石６のＳ極に到達する。すなわち、隣接する２つの永久磁石６、磁石保持部材５及び導電部材４によって磁気回路が形成される。

渦電流式ダンパに振動が加えられ導電部材４が回転すると、導電部材４の内周面を通過する磁束が変化し、これにより導電部材４に渦電流が発生する。渦電流が発生すると、新たな磁束（反磁界）が生じる。この反磁界は、導電部材４の回転を妨げる（すなわちボールナット３の回転を妨げる）方向に働く。ボールナット３の回転が妨げられると、ねじ軸２の軸方向への運動も妨げられ、振動が減衰する。これが渦電流による制動力となる。

［磁性流体の粘性による制動力］
次に、磁性流体の粘性による制動力について説明する。

図３を参照して、渦電流式ダンパに振動が加えられ導電部材４が回転すると、導電部材４の外周面は磁性流体と接しているため、導電部材４は粘性抵抗を受ける。この粘性抵抗は、導電部材４の回転を妨げる方向に働く。これが、磁性流体の粘性による制動力となる。

このように、第１実施形態の渦電流式ダンパは、渦電流による制動力を主たる制動力としつつ、磁性流体の粘性による制動力も合わせて持つ。しかしながら、渦電流による制動力は、常に一定ではなく、ストローク中央位置からのねじ軸２の変位（ねじ軸２の軸方向の速度）に応じて変動する。

ストローク中のねじ軸２の軸方向の速度を見ると、図２に示されるようにねじ軸２がストローク中央位置を通過するとき、ねじ軸２の軸方向の速度は最大となる。ねじ軸２の軸方向の速度とボールナット３の回転速度（すなわち導電部材４の回転速度）とは比例関係にあるため、ストローク中央位置では導電部材４の回転速度も最大となる。つまり、ストローク中央位置では導電部材４に強い渦電流が発生し、十分な制動力が得られる。

しかしながら、ねじ軸２がストローク中央位置から変位すると、ねじ軸２の軸方向の速度はねじ軸２がストローク端に近づくにつれ低下し、ストローク端では０となる。そのため、ねじ軸２がストローク端近傍にあるとき、渦電流式ダンパの制動力はストローク中央位置の場合と比べて低下する。

図６は、図１に示す状態からねじ軸がストローク端近傍まで変位した渦電流式ダンパの断面図である。第１実施形態の渦電流式ダンパでは、ねじ軸２がストローク端近傍に差し掛かると、永久磁石６が磁性流体収容部７と対向するようになる。永久磁石６が磁性流体収容部７と対向すると、磁性流体収容部７内の磁性流体の粘度が永久磁石６による磁場の影響を受け増加する。その結果、導電部材４が磁性流体から受ける粘性抵抗が大きくなり、磁性流体の粘性による制動力が増加する。すなわち、第１実施形態の渦電流式ダンパによれば、ストローク端近傍において渦電流による制動力が弱まっても、磁性流体の粘性による制動力が高まるため、渦電流式ダンパ全体として高い制動力を発揮できる。

なお、上述したように、ねじ軸２がストローク中央位置にあるときは渦電流による制動力が十分に得られるため、永久磁石６と磁性流体収容部７とを対向させる必要はない。また、ねじ軸２がストローク中央位置にあるときにも永久磁石６と磁性流体収容部７とが対向すると、ねじ軸２の最大速度が低下し、渦電流による制動力が低下する。そのため、第１実施形態の渦電流式ダンパでは、ねじ軸２がストローク中央位置にあるときには、永久磁石６と磁性流体収容部７とは対向しないこととしている。

以上、第１実施形態の渦電流式ダンパについて説明した。しかしながら、本発明の渦電流式ダンパは、上述の第１実施形態に限られず、次のような実施形態とすることもできる。

［第２実施形態］
第２実施形態の渦電流式ダンパについて説明する。上述の第１実施形態では磁性流体収容部が２箇所設けられていたが、第２実施形態の渦電流式ダンパでは導電部材の周方向に配列された複数の永久磁石が２箇所設けられる点で第１実施形態と相違する。以下の説明では、第１実施形態と異なる構成についてのみ説明し、同一の構成については説明を省略する。

［永久磁石］
図７は、第２実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。複数の永久磁石６は、第１永久磁石列６Ａと、第２永久磁石列６Ｂとを含む。

第１永久磁石列６Ａでは、複数の永久磁石６が導電部材４の円周方向に磁極の配置を交互に反転して配列される。第２永久磁石列６Ｂも同様である。

第１永久磁石列６Ａ及び第２永久磁石列６Ｂの配置について説明する。第２永久磁石列６Ｂは、第１永久磁石列６Ａに対して、導電部材４の軸方向に磁性流体収容部７の長さ以上の間隔を空けて設けられる。磁性流体収容部７の長さとは、導電部材４の軸方向に沿った磁性流体収容部７の長さを意味する。

［磁性流体収容部］
磁性流体収容部７は、導電部材４の軸方向中央近傍に１箇所設けられる。ねじ軸２がストローク中央位置にあるとき、磁性流体収容部７は、第１永久磁石列６Ａと第２永久磁石列６Ｂとの間隔に対応する位置にある。すなわち、ねじ軸２がストローク中央位置にあるとき、第１永久磁石列６Ａ及び第２永久磁石列６Ｂは、磁性流体収容部７と導電部材４の径方向において対向しない。

このような第２実施形態の渦電流式ダンパでも第１実施形態と同様に、ねじ軸２がストローク中央位置にあるときには導電部材４に強い渦電流が発生し、十分な制動力が得られる。ねじ軸２がストローク端近傍に差し掛かったときには磁性流体の粘度（粘性抵抗）が増加し、磁性流体による制動力を高めることができる。

以上、本実施形態の渦電流式ダンパについて説明した。その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の渦電流式ダンパは、建造物の制振装置及び免震装置に有用である。

１：渦電流式ダンパ
２：ねじ軸
３：ボールナット
４：導電部材
５：磁石保持部材
６：永久磁石
７：磁性流体収容部
１２：カバー
１３：シール部材
２１：取付具
２２：取付具

Claims (3)

1. ねじ軸と、
   前記ねじ軸と噛み合うボールナットと、
   前記ボールナットに固定された円筒形状の導電部材と、
   前記導電部材の内側に設けられ、前記ねじ軸に固定された磁石保持部材と、
   前記磁石保持部材に固定され、前記導電部材の円周方向に磁極の配置を交互に反転して配列され、前記導電部材の内周面と隙間を空けて対向する複数の永久磁石と、
   前記導電部材の外周面に設けられ、磁性流体を収容する磁性流体収容部と、を備え、
   前記複数の永久磁石は、前記ねじ軸がストローク中央位置にあるときに前記磁性流体収容部と対向せず、前記ねじ軸が前記ストローク中央位置から変位したときに前記磁性流体収容部と対向する、渦電流式ダンパ。
2. 請求項１に記載の渦電流式ダンパであって、
   前記磁性流体収容部は、
   第１磁性流体収容部と、
   前記第１磁性流体収容部に対して、前記導電部材の軸方向に前記複数の永久磁石の長さ以上の間隔を空けて設けられた第２磁性流体収容部と、を含み、
   前記複数の永久磁石は、前記ねじ軸がストローク中央位置にあるときに前記第１磁性流体収容部と前記第２磁性流体収容部との間隔に対応する位置にある、渦電流式ダンパ。
3. 請求項１に記載の渦電流式ダンパであって、
   前記複数の永久磁石は、
   第１永久磁石列と、
   前記第１永久磁石列に対して、前記導電部材の軸方向に前記磁性流体収容部の長さ以上の間隔を空けて設けられた第２永久磁石列と、を含み、
   前記磁性流体収容部は、前記ねじ軸がストローク中央位置にあるときに前記第１永久磁石列と前記第２永久磁石列との間隔に対応する位置にある、渦電流式ダンパ。