JP4587483B2

JP4587483B2 - 免震装置

Info

Publication number: JP4587483B2
Application number: JP2006063420A
Authority: JP
Inventors: 健一川口; 啓一阿部; 純一郎阿部; 眞一横山; 朝康田口
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2026-03-08
Also published as: JP2007239892A

Description

本発明は、被支持体側と支持体側との間に設置する免震装置に関する。より詳しくは、被支持体側と支持体側との相対的な位置関係を元の位置関係に復帰させる原点復帰機能を備えた免震装置に関する。

従来から、球体や、ローラ、車輪などの転動体を使用する転がり系の支承方式を採用した免震装置は広く知られている。これらの転がり系の支承方式を採用した免震装置は、被支持体側と支持体側との間の絶縁性に優れているものの、正確な軌道を維持したり円滑な原点復帰機構を確保するための構造が複雑になり、延いてはコスト高の要因になるといった基本的な問題があった。そこで、これらの問題を解決するため、平板状の案内レールを用い、その案内レールに離間させて形成した両側の案内支持縁部によって転動体を支持案内するように構成するとともに、その両側の案内支持縁部相互間の間隔が中央部より両外端部へ向けて徐々に小さくなるように形成することにより、直線的な軌道と原点復帰機能を実現した免震装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００５−４８８３７号公報

ところで、上記従来技術は、案内レールに形成した両側の案内支持縁部相互間の間隔が中央部より両外端部へ向けて徐々に小さくなるように形成するという簡素な構成により、正確な軌道と円滑な原点復帰機構を確保し得る点で優れたものであるが、転動体の位置によって案内支持縁部との当接位置が転動軸方向に変位するため、例えば転動体が球体の場合には、図１３の（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、球体と案内レールとの当接部における接触角が、案内レールの中央部と両外端部ではθａからθｂに変動し、それに伴って接触圧も変動するという技術的問題があった。また、転動体の回転半径も転動体の位置によって変動し、案内レールの中央部の方が両外端部より回転半径が小さくなり、同じ距離を移動する間の回転率が高くなるという技術的問題もあった。そして、それらの転動体の位置に基づく接触圧や回転率の変動は、被支持体側と支持体側との相対的な位置関係、すなわち免震装置による相対的な移動量によって免震性能が変動する要因にもなっていた。なお、上述のように転動体の位置によって案内支持縁部との当接位置が転動軸方向に変位すると、図示のように当接部相互間の間隔が拡縮されることから、その当接部相互間の間隔の最大値を当然球体の径を超えない範囲内に設定しなければならないとの制約を受け、延いては高さ方向の総変位量にも影響を及すという転動機構上の制約があった。

本発明は、以上のような従来の技術的状況に鑑み、転動体として球体を採用した場合に生じる球体の位置に基づく案内レール側との接触圧の変動や回転率の変動を改善し、被支持体側と支持体側との相対的な位置関係に関わらずほぼ一定の免震性能が得られ、動作的にも強度的にもより安定した免震装置を提供することを目的とする。

本発明では、前記課題を解決するため、互いに離間して配設した一定の傾斜角からなる対向した傾斜面を備え、それらの傾斜面相互間の間隔が中央部より両外端部へ向けて徐々に小さくなるように構成した案内レールと、該案内レールのそれぞれの傾斜面に対して内側から当接し、それら当接部相互間の間隔を一定にして転動する球体とを備えるとの技術手段を採用した。この球体が前記傾斜面に当接しながら中央部から外端部側へ転動する際に生じる該球体自体の高さ方向の変位により復帰機能が付与される。

本発明によれば、次の効果を得ることができる。
（１）両側の傾斜面の傾斜角を一定に構成したので、軌道上における球体と傾斜面との接触角や接触圧がほぼ一定に保持される。これにより、球体の位置に関わらずほぼ一定の免震性能が得られ、球体のより円滑で安定した転動動作が可能になる。また、球体の位置に関わらず接触圧がほぼ一定に保持されることから、案内レールや球体の設計及び製造を含めて強度管理が容易であり、より簡便かつ的確に所期の免震性能を実現及び維持することができる。
（２）両側の傾斜面の傾斜角を一定に構成したので、軌道上における球体と傾斜面との接触角や球体の転動軸周りの回転半径がほぼ一定に保持される。これにより、従来技術に伴った回転率の変動が改善されることから、この点からも、球体の位置に関わらず安定した円滑な転動動作が得られ、より安定した免震動作を得ることができる。
（３）本発明の球体は、常に案内レールのそれぞれの傾斜面に対する当接部相互間の間隔を一定にして転動するものであり、前記従来技術のように転動位置によって当接位置が転動軸方向に変位して当接部相互間の間隔を拡縮するようなことはないので、その当接部相互間の間隔の最大値が球体の径によって制約され、延いては高さ方向の総変位量にも影響するという、前記従来の転動機構上の制約を受けることはない。

本発明に係る免震装置は、支持体側である地盤等の下部構造物側と被支持体側である躯体等の上部構造物側との間に設置して各種の建造物用の免震装置として広く適用することが可能である。場合に応じ、躯体の中間に設置することも可能である。さらに、例えばコンピュータ室のように既存あるいは新設の建造物の一室の床部の下方に設置して、当該室内のハードウェア機器等を保護する場合や、既存あるいは新設の建造物の内部に設置する展示物支持用の上部構造物と床部との間に設置して、美術品等の当該展示物を保護する場合などにも広く適用することが可能である。前記転動体としては球体を採用するが、その大きさに関しては場合に応じて適宜の選定が可能である。また、案内レールに互いに離間させて対向設置される球体の支持案内面としての傾斜面に関しては、共に一定の傾斜角から形成され、その一定の傾斜角を維持しながら、それらの傾斜面相互間の間隔が中央部より両外端部へ向けて徐々に小さくなるように構成されたものであれば足りる。その傾斜面相互間の間隔を変化させるために採用する転動方向に沿った傾斜面の具体的な形状に関しては、直線的に変化させることにより前記間隔を変化させるものが、軌道上における球体と傾斜面との接触角を常に一定に保持させることから望ましいが、特段、これに限定されるわけではなく、緩やかな曲線により変化させたものであってもよい。なお、案内レールの傾斜面の具体的な角度に関しては、上部構造物の質量や球体の軌道上の高低差すなわち原点復帰機能の強弱、球体の径と傾斜面相互間の間隔との比率などを勘案して適宜選定することができる。また、案内レールと球体との上下関係に関する制約はなく、どちらが上でも下でも適用が可能である。

図１は本発明に係る免震装置の要部を示した概略斜視図である。図中１は案内レールであり、２はその案内レール１により支持案内される転動体としての球体である。本形態の案内レール１では、２つに分割されたレール部３，４から構成した場合を示したが、レール部３，４が互いに底面部側で連続的につながっている一体的な形態のものでもよい。案内レール１を構成するレール部３，４には、球体２の案内支持面としての傾斜面５，６が、それぞれ一定の傾斜角θを維持しながら球体２の転動方向に沿ってそれらの傾斜面５，６相互間の間隔が中央部より両外端部へ向けて徐々に小さくなるように直線的に変化するように形成されている。なお、ここでいう傾斜角θとは、球体２が転動する案内レール１の軸線方向に対して垂直な断面においてそれぞれ傾斜面５，６により形成される角度である。

図２及び図３は本発明に係る免震装置の基本的な動作原理を説明するための説明図であり、図２は案内レール１の中央付近における球体２とレール部３，４に形成された傾斜面５，６との当接状態を示したものであり、図３は案内レール１の両外端部における球体２とレール部３，４に形成された傾斜面５，６との当接状態を示したものである。ここで、図２に示すように、案内レール１の中央付近における球体２との当接状態において、球体２の転動方向に対して垂直な断面で見ると、図４や図５で示すように球体２の中心Ｃからレールの設置方向の角度φ（球体２の転動方向と案内レール１の転動面に沿う方向とがなす角度φ）分だけずれた見かけ上の中心Ｃ′（断面上の中心Ｃ′）と傾斜面５，６の当接点を含む断面で表される。そして、この断面上の中心Ｃ′から重力（鉛直）方向に下ろした垂線と、その中心Ｃ′から傾斜面５，６の当接点を結ぶ線とがなす角度はレール部３，４の傾斜角θと同じになる。以上のことから、上部構造物からの荷重Ｗによって傾斜面５，６に生じる接触圧Ｐａは、球体２の中心Ｃからその球体２の当接部に向けて働くことから次の式により算出することができる。

さらに、球体２と傾斜面５との当接部及び球体２と傾斜面６との当接部相互間の間隔Ｌａは、上記内容から次の式により算出することができる（ｒは球体２の半径）。

同様に、図３に示すように、案内レール１の両外端部における当接状態において、球体２の転動方向に対して垂直な断面で見ると、球体２の中心Ｃからレールの設置方向の角度φ（球体２の転動方向と案内レール１の転動面に沿う方向とがなす角度φ）分だけずれた見かけ上の中心Ｃ″（断面上の中心Ｃ″）と傾斜面５，６の当接点を含む断面で表される。そして、この断面上の中心Ｃ″から重力（鉛直）方向に下ろした垂線と、その中心Ｃ″から傾斜面５，６の当接点を結ぶ線とがなす角度はレール部３，４の傾斜角θと同じであることからして、上部構造物からの荷重Ｗによって球体２の中心Ｃから傾斜面５，６の当接部に生じる接触圧Ｐｂと、球体２と傾斜面５との当接部及び球体２と傾斜部６との当接部相互間の間隔Ｌｂは次の式により算出することができる（ｒは球体２の半径）。

しかして、上述の図２に示した案内レール１の中央付近における球体２とレール部３，４に形成された傾斜面５，６との当接状態と、図３に示した案内レール１の両外端部における球体２とレール部３，４に形成された傾斜面５，６との当接状態とを比較すれば、接触角θ及びレール部３，４の設置方向の角度φが一定であることから、接触圧ＰａとＰｂ及び当接部相互間の間隔ＬａとＬｂは変化しないことが明らかである。すなわち、本発明に係る免震装置における案内レール１の傾斜面５，６は、その案内レール１の全長において適宜設定された一定の接触角θに形成されているので、球体２の位置に関わらず、傾斜面５，６と球体２との当接部における接触圧Ｐ及び当接部相互間の間隔Ｌは、常に一定であり変化はしない。また、当接部相互間の間隔Ｌａ，Ｌｂが常に一定していることから、球体２の転動軸を中心とする回転半径も常に一定で変化しないので、球体２の位置に関わらず、球体２の回転率は常に一定になる。なお、案内レール１の中央における傾斜面５，６と球体２との当接状態においては、その当接部が４点になるため、上部構造物からの荷重Ｗに基づく接触圧Ｐはこの一瞬だけ半分になるが、球体２の全体の動きから見ると非常に僅かな時間に過ぎず、免震性能上の問題はない。因みに、案内レール１の中央付近における球体２と傾斜面５，６との当接状態を示した図２中の球体２の中心Ｃ′の高さと、案内レール１の両外端部における球体２と傾斜面５，６との当接状態を示した図３中の球体２の中心Ｃ″の高さとの差分が、中央部から両外端部まで転動した場合に生じる球体２自体の高さ方向の変位に相当し、これにより復帰機能が付与されることになる。

以下に、上述の本発明の基本的構成を適用して具体化した実施例に関して説明する。図６〜図８は本発明の第１実施例を示したものであり、図６はその正面図、図７は平面図、図８はＡ−Ａ断面図である。図示のように、本実施例に係る免震装置１３は、中間に平板状の中間部材１４を挟んで、下方に前記案内レール１と同様の基本的構成からなる下部案内レール１５〜１８を配設し、上方に同様の構成からなり上下を逆転した上部案内レール１９〜２２を前記下部案内レール１５〜１８と直交する方向に配設したものである。そして、それらの案内レール１５〜２２の傾斜面間にそれぞれ１個ずつの球体２３を係合させた状態で中間部材１４との間に介在させることにより、上部構造物２４と下部構造物２５との間のいかなる方向の相対的移動に対しても免震動作が得られるように構成している。すなわち、上部構造物２４と下部構造物２５との間の紙面左右方向の相対的移動に対しては下部案内レール１５〜１８と球体２３と中間部材１４との組合わせにより、また紙面前後方向の相対的移動に対しては上部案内レール１９〜２２と球体２３と中間部材１４との組合わせによりそれぞれ対応し、それらの案内レール１５〜２２と各球体２３と中間部材１４との組合わせによっていかなる方向の相対的移動に対しても免震動作が得られるように構成されている。

図９及び図１０は本発明の第２実施例を示したものであり、図９はその正面図、図１０は平面図である。図示のように、本実施例に係る免震装置２６は、中間に平板状の中間部材２７を挟んで、下方に前記案内レール１や案内レール７と同様の基本的構成からなる下部案内レール２８と同様の構成からなり上下を逆転した上部案内レール２９とそれらの傾斜面間に係合された球体３０との組合わせからなり、それぞれ免震装置として機能し得る免震ユニット３１〜３４を配設するとともに、上方に同様の構成からなる免震ユニット３５〜３８を前記免震ユニット３１〜３４と直交する方向に配設することにより、前記第１実施例と同様に上部構造物２４と下部構造物２５との間のいかなる方向の相対的移動に対しても免震動作が得られるように構成している。

図１１及び図１２は本発明の第３実施例を示したものであり、図１１はその正面図、図１２は平面図である。本実施例は、前記第２実施例の変形例である。図示のように、本実施例に係る免震装置３９では、中間部材として十字状の平板からなる中間部材４０を採用し、その中間部材４０を挟んで、上下に前記免震ユニットと同様の下部案内レール２８と上部案内レール２９とそれらの傾斜面間に係合された球体３０との組合わせからなる免震ユニット４１，４２と、免震ユニット４３，４４とを前記中間部材４０の形状に合わせて十字状に配設することにより、上部構造物２４と下部構造物２５との間のいかなる方向の相対的移動に対しても免震動作が得られるように構成している。

本発明に係る免震装置の要部を示した概略斜視図である。本発明に係る免震装置の基本的な動作原理を説明するための説明図である。同免震装置の基本的な動作原理を説明するための説明図である。本発明に係る免震装置の案内レールと球体との当接状態を説明するための概略斜視図である。同免震装置の案内レールと球体との当接状態を説明するための説明図である。本発明の第１実施例を示した正面図である。同実施例を示した平面図である。図６のＡ−Ａ断面図である。本発明の第２実施例を示した正面図である。同実施例を示した平面図である。本発明の第３実施例を示した正面図である。同実施例を示した平面図である。従来技術における球体と案内レールとの当接状態を示した説明図である。

符号の説明

１…案内レール、２…球体、３，４…レール部、５，６…傾斜面、１３…免震装置、１４…中間部材、１５〜１８…下部案内レール、１９〜２２…上部案内レール、２３…球体、２４…上部構造物、２５…下部構造物、２６…免震装置、２７…中間部材、２８…下部案内レール、２９…上部案内レール、３０…球体、３１〜３８…免震ユニット、３９…免震装置、４０…中間部材、４１〜４４…免震ユニット

Claims

互いに離間して配設した一定の傾斜角からなる対向した傾斜面を備え、それらの傾斜面相互間の間隔が中央部より両外端部へ向けて徐々に小さくなるように構成した案内レールと、該案内レールのそれぞれの傾斜面に対して内側から当接し、それら当接部相互間の間隔を一定にして転動する球体とを備えたことを特徴とする免震装置。