JP2024057729A - 慣性質量ダンパー - Google Patents

Abstract

【課題】駆動スペースを削減することができるコンパクトな慣性質量ダンパーを提供する。
【解決手段】制振対象物１８に固定されたラック２０の並進方向の動きをピニオン２２の回転方向の動きに変換するラック＆ピニオン１０と、前記ピニオン２２と同軸に配置された歯車１２と、前記ピニオン２２の回転方向の付勢力を確保するために、前記ピニオン２２と前記歯車１２の間に設置された付勢部材１４と、前記歯車１２に噛み合わされるとともに回転軸３２に固定された駆動歯車３０と、前記回転軸３２に対して同軸に固定され、前記回転軸３２と一体に回転可能なホイール１６とを備えるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、慣性質量ダンパーに関するものである。

従来、建物の揺れを抑える装置として、同調質量ダンパー（ＴＭＤ：Ｔｕｎｅｄ ｍａｓｓ ｄａｍｐｅｒ）が広く用いられている。これは、建物に搭載した大質量の装置が動くことにより、設置対象となる建物の振動を抑える作用を発揮する。ＴＭＤは、搭載する質量が重くなるほど、高い制振効果が得られることが知られている（非特許文献１を参照）。しかし、大質量を搭載することは構造的に不利になるとともに、装置サイズの大型化による配置計画などの制約になるという課題がある。一方で、搭載する質量を小さくすると全体のサイズは小さくなるものの、必要な制振効果を得るためには搭載した質点が制御方向に大振幅で揺れる必要があり、制御方向に対して大きなクリアランスが要求され、配置計画などの制約になる。

実質量を用いたＴＭＤとしては、チューンドマスダンパーを用いた制振装置（例えば、特許文献１を参照）や防振構造（例えば、特許文献２を参照）が挙げられる。一方で、錘を回転させることで、見かけ上、大きな質量を生み出すことにより建物の振動を抑制するものとして、回転慣性質量ダンパー（例えば、特許文献３を参照）や制振装置（例えば、特許文献４を参照）などが挙げられる。なお、これらは一般に慣性質量ダンパーや回転慣性質量ダンパー等と呼ばれる。また、回転慣性質量ダンパーに並進方向に作用するバネを連結しダンパーの固有周期を建物の固有周期同調させることができる、同調型の回転慣性質量ダンパーに関する研究も行われている（例えば、非特許文献２を参照）。

「やさしくわかる建物振動制御」、日本建築学会、２０１４年 「同調粘性マスダンパーの有効性の検証と弾塑性構造物への適用性」、荒井達朗、油川健樹、五十子幸樹、堀則男、井上範夫、日本建築学会構造系論文集、７４巻６４５号、ｐｐ．１９９３－２００２、２００９年

特開２００７－４００３４号公報 特開２０２１－１３９４４７号公報 特開２０１７－２６０７４号公報 特開２０２２－９８３０５号公報

建物に幅広く採用されているＴＭＤは、装置そのものが駆動することにより制御力を発生させることから、駆動スペースを広く確保する必要がある。これを確認するために、本発明者は非特許文献１を参考にして作成した建物モデルを用いて解析を実施した。図６に、その解析結果を示す。これらは非特許文献１で用いられている例を再現したものであり、建物およびＴＭＤに初速度１０ｃｍ／ｓを与えた際の応答である。図６（１）は建物の変位であり、図６（２）はＴＭＤの変位である。この解析結果より、ＴＭＤを搭載することにより、建物の応答は急速に収束していることが確認される。これは、ＴＭＤがバネと質量から構成されることから、ＴＭＤそのものが固有周期を持ち、この固有周期を調節して建物の揺れの周期とそろえる（同調させる）ことにより、建物の振動を抑える働きによるものである。

この解析結果によれば、建物の最大変位は約５ｃｍであるのに対し、ＴＭＤの最大変位は約２５ｃｍであり、建物の変位に対して約５倍も揺れる。実際の高層建築物では頂部が強風や大地震時に数十センチ以上振動することがあることから、ＴＭＤが駆動するためには数メートル規模のスペースが必要とされることが想定される。さらに、ＴＭＤには実質量を用いることから、構造的にも不利になる欠点がある。

これに対し、重りを主軸周りに回転させることにより、見かけ上大きな質量効果を得る回転慣性質量ダンパー（例えば、特許文献３、４を参照）は、バネ要素と連結していないことから、取り付けた層の質量を見かけ上大きくすることのみにとどまり、建物の揺れの周期と同調させて低減させることはできない。一方、非特許文献２の装置は、回転慣性質量ダンパーにバネを連結することにより、ダンパーそのものに固有周期を持たせることが可能となった。その結果、装置を建物の固有周期に同調させることが可能となり、ＴＭＤと同様の働きを持たせることができるようになった。しかし、前述の通り、同調型のダンパーは、装置そのものが動くことで制御力を発揮することから、装置の駆動スペースを制御方向に大きく確保しなければならない問題があり、この問題は依然として解決されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、駆動スペースを削減することができるコンパクトな慣性質量ダンパーを提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る慣性質量ダンパーは、制振対象物に固定されたラックの並進方向の動きをピニオンの回転方向の動きに変換するラック＆ピニオンと、前記ピニオンと同軸に配置された歯車と、前記ピニオンの回転方向の付勢力を確保するために、前記ピニオンと前記歯車の間に設置された付勢部材と、前記歯車に噛み合わされるとともに回転軸に固定された駆動歯車と、前記回転軸に対して同軸に固定され、前記回転軸と一体に回転可能なホイールとを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の慣性質量ダンパーは、制振対象物に固定されたラックの並進方向の動きをピニオンの回転方向の動きに変換するラック＆ピニオンと、前記ピニオンと歯車機構を介して連結した第一歯車と、前記第一歯車と同軸に配置された第二歯車と、前記第一歯車の回転方向の付勢力を確保するために、前記第一歯車と前記第二歯車の間に設置された付勢部材と、前記第二歯車に噛み合わされるとともに回転軸に固定された駆動歯車と、前記回転軸に対して同軸に固定され、前記回転軸と一体に回転可能なホイールとを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の慣性質量ダンパーは、上述した発明において、前記歯車機構が、前記付勢部材の付勢力を増減調整するものであることを特徴とする。

また、本発明に係る他の慣性質量ダンパーは、上述した発明において、前記制振対象物の上部躯体の下面に配置されたリニアガイドと、前記制振対象物の下部躯体の上面に配置されたリニアガイドの間に配置され、前記ラックは、前記上部躯体の下面または前記下部躯体の上面に固定されることを特徴とする。

本発明に係る慣性質量ダンパーによれば、制振対象物に固定されたラックの並進方向の動きをピニオンの回転方向の動きに変換するラック＆ピニオンと、前記ピニオンと同軸に配置された歯車と、前記ピニオンの回転方向の付勢力を確保するために、前記ピニオンと前記歯車の間に設置された付勢部材と、前記歯車に噛み合わされるとともに回転軸に固定された駆動歯車と、前記回転軸に対して同軸に固定され、前記回転軸と一体に回転可能なホイールとを備えるので、駆動スペースを削減することができる。これにより、コンパクトな慣性質量ダンパーを提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の慣性質量ダンパーによれば、制振対象物に固定されたラックの並進方向の動きをピニオンの回転方向の動きに変換するラック＆ピニオンと、前記ピニオンと歯車機構を介して連結した第一歯車と、前記第一歯車と同軸に配置された第二歯車と、前記第一歯車の回転方向の付勢力を確保するために、前記第一歯車と前記第二歯車の間に設置された付勢部材と、前記第二歯車に噛み合わされるとともに回転軸に固定された駆動歯車と、前記回転軸に対して同軸に固定され、前記回転軸と一体に回転可能なホイールとを備えるので、駆動スペースを削減することができる。これにより、コンパクトな慣性質量ダンパーを提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の慣性質量ダンパーによれば、前記歯車機構が、前記付勢部材の付勢力を増減調整するものであるので、付勢部材の付勢力を容易に調整することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の慣性質量ダンパーによれば、前記制振対象物の上部躯体の下面に配置されたリニアガイドと、前記制振対象物の下部躯体の上面に配置されたリニアガイドの間に配置され、前記ラックは、前記上部躯体の下面または前記下部躯体の上面に固定されるので、免震建物の免震層などに適用することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る慣性質量ダンパーの実施の形態１を示す平面図である。 図２は、本発明に係る慣性質量ダンパーの実施の形態２を示す平面図である。 図３は、本発明に係る慣性質量ダンパーの実施の形態３を示す側断面図である。 図４（１）は図３のＡ－Ａ線に沿った断面図、図４（２）は図３のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。 図５は、本発明に係る慣性質量ダンパーの配置例を示した平面図である。 図６は、従来の応答変位の時間波形を示す図であり、（１）は建物の応答、（２）はＴＭＤの応答である。

本発明は、回転方向に効力を発揮する付勢部材（ねじりバネ）を併用することで、並進方向の変形を回転方向の変形に変換するものである。これにより、コンパクト型の慣性質量ダンパーを実現し、ＴＭＤのスペースを大幅に削減することができる。

以下に、本発明に係る慣性質量ダンパーの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１について説明する。
図１（１）に示すように、本実施の形態１に係る慣性質量ダンパー１００は、本発明の基本形であり、ラック＆ピニオン１０と、歯車１２と、ねじりバネ１４と、ホイール１６とを備える。

ラック＆ピニオン１０は、建物１８（制振対象物）に固定されたラック２０と、ラック２０に噛み合ったピニオン２２とからなり、ラック２０の並進方向の動きをピニオン２２の回転方向の動きに変換する。ピニオン２２の軸２４は、図示しない玉軸受を介して支持部材２６に回転自在に固定されている。ラック＆ピニオン１０を用いることで、地震によって変形する建物１８の並進方向の変位を回転方向の変位に変換することが可能である。

歯車１２は、ピニオン２２と同軸かつ平行に配置されるものである。歯車１２の軸２８は、図示しない玉軸受を介して支持部材２６に回転自在に固定されており、ピニオン２２の軸２４とは縁が切られている。歯車１２の直径は、ピニオン２２の直径と同一に構成しているが、本発明はこれに限るものではない。歯車１２は、隣接する歯車３０（駆動歯車）に噛み合わされている。歯車３０は、回転軸３２に固定される。歯車３０の直径は、歯車１２の直径よりも小さく、歯車３０の歯数は、歯車１２の歯数よりも少ない。回転軸３２は、歯車１２およびピニオン２２の回転軸線Ｃと平行に配置され、回転軸３２の一端は、支持部材２６に対して回転自在に固定される。

ねじりバネ１４は、ピニオン２２の回転方向の付勢力を確保するためのコイル状の付勢部材であり、ピニオン２２と歯車１２の間に設置される。ねじりバネ１４の中心軸線は、ピニオン２２および歯車１２の回転軸線Ｃと一致している。ねじりバネ１４の一端はピニオン２２の軸方向の端面２２Ａに固定され、他端は歯車１２の軸方向の端面１２Ａに固定される。なお、本発明の付勢部材は、ねじりバネに限るものではなく、ピニオン２２の回転方向の付勢力を確保可能であればいかなる部材でもよい。

ホイール１６は、回転軸３２の他端側に対して同軸に固定され、回転軸３２と一体に回転可能な質量体である。回転軸３２を介してホイール１６を回転させることにより、見かけ上大きな質量を発生させることが可能である。

上記のねじりバネ１４と質量を備えた構成により、回転方向の変位に対して効力を発揮する同調マスダンパーを実現することが可能となる。ダンパーが動くスペースを並進方向ではなく、回転方向で確保することが可能となるので、大幅な省スペース化が可能となる。さらに、回転慣性質量は、後述のように、ホイール１６を回転させて、見かけ上大きな質量を発生させることから、従来のＴＭＤと比較して実質量を低減することができ、構造上も有利になる。

ねじりバネ１４と、回転慣性質量の諸元については、振動を遮断、あるいは低減したい周波数（ターゲット周波数）になるようにチューニングしたものとする。これにより、特に、定常応答時のターゲット周波数の振動を低減することが可能となる。

上記構成の動作および作用について説明する。
建物１８に振動が発生すると、ラック＆ピニオン１０により、建物１８の並進方向の動きが回転方向に変わり、これがピニオン２２を回転させる。ピニオン２２は、歯車１２の軸２８とは縁が切られている。ピニオン２２の回転に伴い、ねじりバネ１４に回転方向の変位が発生する。ねじりバネ１４にトルクが発生し、歯車１２に回転変位が生じる。歯車１２が回転すると、歯車１２よりも歯数が少ない歯車３０が回転し、歯車３０と一体的に回転軸３２が回転する。この回転軸３２の回転に伴い、回転軸３２に固着されているホイール１６が回転する。なお、ホイール１６はねじりバネ１４を介して建物１８とつながっているため、従来のＴＭＤと同様に、建物の自由度とは独立した付加自由度となる。

ホイール１６が回転することにより、見かけの質量は、実質量よりも大きくなる。その倍増率γはホイール１６を回転させる歯車３０の直径（Ｌ）、および、ホイール１６の直径（Ｄ）により計算され、以下の式で与えられる。

γ＝π^２Ｄ^２／（２Ｌ^２）

言い換えれば、歯車３０とホイール１６の直径が回転の増幅率に関連する。なお、歯車１２は、図の例では、軸２８との縁は切られていないが、縁が切られるものであっても差し支えはない。

また、設置箇所の都合上、図１（１）のようにラック＆ピニオン１０と、ねじりバネ１４付きの歯車１２を隣接できない場合は、図１（２）の変形例に示すように、歯車３４を含ませることで、場所の調節が可能となる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
ねじりバネ１４の形状や材質によっては、回転方向に変化できる角度の上限を超えることで材料が塑性化する可能性がある。本実施の形態２は、その対策として、複数の歯車と組み合わせることにより、ねじりバネ１４の回転量を調節することも可能としたものである。

図２に示すように、本実施の形態２に係る慣性質量ダンパー２００は、ラック＆ピニオン３６と、歯車機構３８と、歯車１２と、ねじりバネ１４と、ホイール１６とを備える。

ラック＆ピニオン３６は、建物１８（制振対象物）に固定されたラック４０の並進方向の動きをピニオン４２の回転方向の動きに変換するものである。ピニオン４２は、軸４４の一端側に固定される。

歯車機構３８は、歯車４６と、歯車４８と、歯車５０とを有する。歯車４６は、軸４４の他端側に固定される。軸４４の他端側は、玉軸受５２を介して支持部材２６に回転自在に固定される。歯車４６は、歯車４８に噛み合っている。歯車４８の軸５４は、玉軸受５６を介して支持部材２６に回転自在に固定される。歯車４８は、歯車５０に噛み合っている。歯車５０の軸５８は、玉軸受６０を介して支持部材２６に回転自在に固定される。歯車５０は、上記の実施の形態１のピニオン２２に相当するものであり、歯車５０の軸方向の端面５０Ａに、ねじりバネ１４の一端が固定される。

このように、本実施の形態２では、ラック＆ピニオン３６のピニオン４２にねじりバネ１４を直接連結するのではなく、中間に歯車（歯車機構３８）を複数挟むことでギア比を調整し、ねじりバネ１４の回転量を増幅することを可能としている。例えば、水平変位量が極めて小さい場合に、増幅することによって、ねじりバネ１４に十分な回転量を与えるようにすることもできる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。
図３および図４に示すように、本実施の形態３に係る慣性質量ダンパー３００は、上記の実施の形態１において各歯車を鉛直方向に配置したものである。図４においては、各歯車の歯の図示を省略している。動作メカニズムは上記の実施の形態１と同じである。図の例では、免震建物の免震層や、床免震構造の免震部分に配置することを想定している。

慣性質量ダンパー３００は、免震建物の上部構造物６２（上部躯体）の下面に配置された２条のリニアガイド６４と、下部構造物６６（下部躯体）の上面に配置された２条のリニアガイド６８の間の免震層に配置される。下側のリニアガイド６８と上側のリニアガイド６４は、上から見て直交するように配置され、免震建物が水平２方向に変位することに対応している。各リニアガイド６４、６８には、２つのスライダ７０、７２がリニアガイド６４、６８の軸方向に間隔をあけて設けられている。各スライダ７０、７２は、リニアガイド６４、６８に沿ってそれぞれ移動可能である。

慣性質量ダンパー３００は、略箱状の支持部材２６を備えている。この支持部材２６の上面は上側のスライダ７０の下面に固定され、支持部材２６の下面は下側のスライダ７２の上面に固定されている。支持部材２６の下面の一端側には、長孔７４が開けられている。長孔７４には、ラック＆ピニオン１０のラック２０が下側のリニアガイド６８と平行に配置されている。ラック２０の下側は、下部構造物６６の上面に固定され、ラック２０の上側部分は支持部材２６内部のピニオン２２と噛み合っている。

支持部材２６内部には、歯車１２、３０、ねじりバネ１４、回転軸３２の一部が配置される。回転軸３２の一端側は、支持部材２６内部の張出部材７６に固定され、回転軸３２の他端側は、支持部材２６の図示しない孔を貫通して外側に突出している。回転軸３２の他端には、ホイール１６が設けられる。歯車１２の軸２８は、玉軸受２９に対して回転自在に固定される。歯車１２、３０、ねじりバネ１４、回転軸３２、ホイール１６の具体的構成については、上記の実施の形態１と同様であるので、詳細な説明を省略する。

下側のリニアガイド６８の設置方向に建物が変位する場合は、下部構造物６６（ラック２０）とピニオン２２の間に変位が発生し、歯車１２および歯車３０が回転する。本実施の形態３では、図１と同じように、ホイール１６が回転することによって付加質量が発生する。

本実施の形態３の慣性質量ダンパー３００は、水平の１方向にだけ効果を発揮する。免震層に配置する場合は、図５に示すように、積層ゴム７８に加え、慣性質量ダンパー３００を梁８０の長手方向に有効なように配置することが考えられる。なお、全ての梁８０に慣性質量ダンパー３００を配置する必要はなく、必要な性能を発揮できれば、少ない箇所に配置することも可能であり、また、１つの梁８０に複数の慣性質量ダンパー３００を配置することも可能である。

なお、本実施の形態３では、上記の実施の形態１の構成を利用する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、上記の実施の形態２などの構成を採用してもよい。このようにしても上記と同様の作用効果を奏することができる。

以上説明したように、本発明に係る慣性質量ダンパーによれば、制振対象物に固定されたラックの並進方向の動きをピニオンの回転方向の動きに変換するラック＆ピニオンと、前記ピニオンと同軸に配置された歯車と、前記ピニオンの回転方向の付勢力を確保するために、前記ピニオンと前記歯車の間に設置された付勢部材と、前記歯車に噛み合わされるとともに回転軸に固定された駆動歯車と、前記回転軸に対して同軸に固定され、前記回転軸と一体に回転可能なホイールとを備えるので、駆動スペースを削減することができる。これにより、コンパクトな慣性質量ダンパーを提供することができる。

また、本発明に係る他の慣性質量ダンパーによれば、制振対象物に固定されたラックの並進方向の動きをピニオンの回転方向の動きに変換するラック＆ピニオンと、前記ピニオンと歯車機構を介して連結した第一歯車と、前記第一歯車と同軸に配置された第二歯車と、前記第一歯車の回転方向の付勢力を確保するために、前記第一歯車と前記第二歯車の間に設置された付勢部材と、前記第二歯車に噛み合わされるとともに回転軸に固定された駆動歯車と、前記回転軸に対して同軸に固定され、前記回転軸と一体に回転可能なホイールとを備えるので、駆動スペースを削減することができる。これにより、コンパクトな慣性質量ダンパーを提供することができる。

また、本発明に係る他の慣性質量ダンパーによれば、前記歯車機構が、前記付勢部材の付勢力を増減調整するものであるので、付勢部材の付勢力を容易に調整することができる。

また、本発明に係る他の慣性質量ダンパーによれば、前記制振対象物の上部躯体の下面に配置されたリニアガイドと、前記制振対象物の下部躯体の上面に配置されたリニアガイドの間に配置され、前記ラックは、前記上部躯体の下面または前記下部躯体の上面に固定されるので、免震建物の免震層などに適用することができる。

なお、２０１５年９月の国連サミットにおいて採択された１７の国際目標として「持続可能な開発目標（Sustainable Development Goals：ＳＤＧｓ）」がある。本実施の形態に係る慣性質量ダンパーは、このＳＤＧｓの１７の目標のうち、例えば「１１．住み続けられるまちづくりを」の目標などの達成に貢献し得る。

以上のように、本発明に係る慣性質量ダンパーは、建物の制振に有用であり、特に、駆動スペースを大幅に削減するのに適している。

１０，３６ ラック＆ピニオン
１２，３４，４６，４８，５０ 歯車
１２Ａ，２２Ａ，５０Ａ 端面
１４ ねじりバネ（付勢部材）
１６ ホイール
１８ 建物（制振対象物）
２０，４０ ラック
２２，４２ ピニオン
２４，２８，４４，５４ 軸
２６ 支持部材
３０ 歯車（駆動歯車）
３２ 回転軸
３８ 歯車機構
５２，５６，６０ 玉軸受
１００～３００ 慣性質量ダンパー
Ｃ 回転軸線

Claims (4)

1. 制振対象物に固定されたラックの並進方向の動きをピニオンの回転方向の動きに変換するラック＆ピニオンと、前記ピニオンと同軸に配置された歯車と、前記ピニオンの回転方向の付勢力を確保するために、前記ピニオンと前記歯車の間に設置された付勢部材と、前記歯車に噛み合わされるとともに回転軸に固定された駆動歯車と、前記回転軸に対して同軸に固定され、前記回転軸と一体に回転可能なホイールとを備えることを特徴とする慣性質量ダンパー。
2. 制振対象物に固定されたラックの並進方向の動きをピニオンの回転方向の動きに変換するラック＆ピニオンと、前記ピニオンと歯車機構を介して連結した第一歯車と、前記第一歯車と同軸に配置された第二歯車と、前記第一歯車の回転方向の付勢力を確保するために、前記第一歯車と前記第二歯車の間に設置された付勢部材と、前記第二歯車に噛み合わされるとともに回転軸に固定された駆動歯車と、前記回転軸に対して同軸に固定され、前記回転軸と一体に回転可能なホイールとを備えることを特徴とする慣性質量ダンパー。
3. 前記歯車機構が、前記付勢部材の付勢力を増減調整するものであることを特徴とする請求項２に記載の慣性質量ダンパー。
4. 前記制振対象物の上部躯体の下面に配置されたリニアガイドと、前記制振対象物の下部躯体の上面に配置されたリニアガイドの間に配置され、前記ラックは、前記上部躯体の下面または前記下部躯体の上面に固定されることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の慣性質量ダンパー。

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