JP4601581B2

JP4601581B2 - 減衰装置

Info

Publication number: JP4601581B2
Application number: JP2006151351A
Authority: JP
Inventors: 義仁渡邉
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2007321839A

Description

本発明は、振動が伝達される２つの構造体の間に配設されて、振動源たる一方の構造体から他方の構造体へ伝達される振動エネルギを減衰させるための減衰装置に係り、特に、一方の構造体から伝達された振動を回転運動のエネルギに変換し、この回転運動のエネルギを熱エネルギに変換して消費させるように構成した減衰装置の改良に関する。

この種の減衰装置としては、特開平１０−１８４７５７号公報や特開２００２−５２２９号公報に開示されるものが知られている。図７に示すように、この減衰装置は第１の構造体１００と第２の構造体１０１との間に設けられ、両者間に伝達される振動の減衰を行うものであり、前記第１の構造体１００に結合されるスクリューロッド１０６と、このスクリューロッド１０６を覆うようにして設けられると共に前記第２の構造体１０１に結合された固定外筒１０７とを具備している。前記スクリューロッド１０６には螺旋状のねじ溝が形成されており、このねじ溝には固定外筒１０７に対して回転自在に支承されたナット部材１０８が螺合している。すなわち、これらスクリューロッド１０６とナット部材１０８はボールねじを構成している。また、このナット部材１０８の外周面には円筒状のロータ１０９が直接固定されており、このロータ１０９の外周面は固定外筒１０７の内周面と対向して粘性流体の作用室１１０を形成している。

従って、このような構造の減衰装置１では、前記第２の構造体１０１が第１の構造体１００に対して振動すると、スクリューロッド１０６がナット部材１０８に対して進退すると共に、かかるナット部材１０８が固定外筒１０７に対して回転を生じ、ナット部材１０８に固定されたロータ１０９も固定外筒１０７に対して回転を生じる。ロータ１０９と固定外筒１０７との隙間は粘性流体の作用室１１０となっていることから、ロータ１０９が回転を生じると、作用室１１０内の粘性流体に対してロータ１０９の回転角速度に応じた剪断摩擦力が作用し、かかる粘性流体が発熱する。つまり、この減衰装置１では第２の構造体１０１と第１の構造体１００との間の振動エネルギが回転エネルギに変換され、更にその回転エネルギが熱エネルギに変換され、その結果として第２の構造体１０１の保有する振動エネルギの減衰が効果的に行われるようになっている。

この減衰装置の具体的使用例としては、例えば建築構造物の構造枠体において、かかる構造枠体の対向角部を連結する筋交いの如く配設する例が挙げられる。このような使用例では、地震などによって前記構造枠体に歪みが発生すると、前記減衰装置に軸方向の引っ張り力又は圧縮力が作用すると共に、前記スクリューロッドが固定外筒に対して進退し、前述した減衰効果が発揮されるようになっている。その結果、構造枠体の歪みエネルギが吸収され、建築構造物の揺れが有効に制振される。

また、他の使用例としては、地震対策としての免震装置と一緒に用いる例が挙げられる。免震装置は建築構造物とその基盤との間に設けられて、建築構造物を基盤の揺れから絶縁する目的で用いられており、地震等による振動エネルギが建築構造物に伝播したとしても、建築構造物が基盤の振動周期とは無関係にそれ独自の振動周期で揺れることができるようになっている。もっとも、免震装置は基盤の揺れと建物の揺れとを絶縁するものであるから、地震が収まった後にも建築構造物の揺れは残存してしまうことになる。このため、基盤と建建築構造物との間に前述した減衰装置を設けると、かかる減衰装置によって建築構造物の振動エネルギが吸収され、建築構造物の振動を早期に収束させることができる。
特開平１０−１８４７５７号公報特開２００２−５２２９号公報

しかし、この従来の減衰装置では、スクリューロッドの軸方向への進退に伴って固定外筒内でロータが回転すると、これら固定外筒とロータとの隙間に封入された粘性流体の剪断力に起因して、前記固定外筒に回転トルクが作用することになる。このため、固定外筒は前記回転トルクに抗して第２の構造体に固定する必要があった。その一方、建築構造物に作用する振動が前記減衰装置に軸方向力として効率的に作用するためには、かかる減衰装置の固定外筒及びスクリューロッドを構造体に固定支点として結合するのではなく、回転支点として結合する必要がある。

このことから、前記固定外筒及びスクリューロッドは所謂クレビスと称されるＵリンクを用いて第１の構造体又は第２の構造体に結合されている。このＵリンクは、固定部に一対のフランジを立設すると共に、これらフランジの間には例えば固定外筒の端部に形成したフランジを挿入し、３枚のフランジに対してリンクピンを貫通させて固定することにより、かかるリンクピンを中心として固定外筒が揺動運動を成し得るように構成したものである。

このＵリンクを用いた場合、固定外筒に作用する回転トルクはＵリンクによって負荷されることになるが、最終的にはＵリンクを支持する構造体が回転トルクを負荷する必要がある。従って、構造体の剛性が高い場合には問題とならないが、構造体の剛性が低い場合には、減衰装置を取り付けるために構造体の補強が必要になってしまう。近年では、木造住宅にも地震対策として制振装置、免震装置が普及し始めているが、木造住宅では減衰装置を結合する柱や梁の剛性が鉄骨、鉄筋コンクリートの建築構造物ほどには高くないので、減衰装置を取り付けるために住宅の強度そのものを強化する必要があり、建築費が嵩んでしまうといった問題点があった。

また、Ｕリンクを用いて減衰装置を構造体に固定すると、減衰装置はＵリンクのリンクピンの周囲に関して回転自在ではあるが、かかる回転方向以外には揺動することができず、例えば減衰装置を取り付ける２本の柱が正対せずにずれている場合などには、減衰装置の取付け作業が困難になるといった問題点もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、スクリューロッドの進退に伴って固定外筒に作用する回転トルクを該固定外筒が結合される構造体に伝達することなく打ち消すことが可能であり、スクリューロッド及び固定外筒の構造体に対する結合構造の自由度を高め、施工の容易な減衰装置を提供することにある。

本発明の減衰装置は第１の構造体と第２の構造体との間に配置され、これら構造体の間における相対運動を減衰させるものである。この減衰装置は、前記第１の構造体に結合される固定外筒と、一端が前記第２の構造体に結合されて軸方向に進退すると共に外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたスクリューロッドと、前記固定外筒の中空部内に収容されると共に該固定外筒に対して回転自在に支承され、固定外筒の内周面と所定の隙間を介して対向して減衰力の作用室を形成する一方、前記スクリューロッドに螺合するロータと、前記作用室に封入された粘性流体とを備えている。また、スクリューロッドの周囲における前記固定外筒の回転を係止するため、前記スクリューロッドと共に第２の構造体に固定される周り止め部材を備えている。

このような減衰装置によれば、ロータの回転に伴って作用室内の粘性流体に周方向の剪断力が作用し、かかる剪断力に起因して固定外筒に回転トルクが作用したとしても、前記周り止め部材がスクリューロッドの周囲における固定外筒の回転を係止しているため、かかる周り止め部材が前記回転トルクを負荷することになる。このため、固定外筒を第１の構造体に固定するに当たり、かかる固定外筒に作用する回転トルクを考慮する必要はなく、第１の構造体を補強することなく本発明の減衰装置を使用することが可能となる。

また、構造体に対する減衰装置の取付けに当たり、前述の如く回転トルクを考慮する必要がないので、固定外筒及びスクリューロッドを第１の構造体又は第２の構造体に結合する際に、球面ジョイントを使用することも可能となり、第１の構造体及び第２の構造体における減衰装置の取付け面が正対せずにずれを生じている場合であっても、容易に減衰装置を取り付けることが可能となる。

前記周り止め部材としてはスクリューロッドに対する固定外筒の回転を係止し得るものであれば、如何なる構造であっても差し支えない。例えば、前記周り止め部材を固定外筒の外周面に重なる筒状に形成すると共に、この筒状の周り止め部材をスクリューロッドと共に第１の構造体に結合する構造が考えられる。このような構造によれば、固定外筒と周り止め部材を回転トルクの作用方向に関して噛み合わせることにより、スクリューロッドに対する固定外筒の回転を係止することが可能となる。また、周り止め部材を筒状に形成することにより、かかる周り止め部材が固定外筒に対して進退するスクリューロッドの周囲を覆う構造となるので、スクリューロッドに汚れが付着するのを防止することも可能となる。

固定外筒と周り止め部材を回転トルクの作用方向に関して噛み合わせる具体的な構造としては、固定外筒の外周面にスプライン溝を設け、このスプライン溝に嵌合する凸部を周り止め部材に形成することが考えられる。しかし、固定外筒と周り止め部材との間の摩擦抵抗を排除して、固定外筒に対するスクリューロッドの進退運動を円滑化するといった観点からすれば、固定外筒の外周面及び周り止め部材の内周面には互いに対向する位置にボールの転動溝を形成すると共に、これら転動溝の間にボールを配列し、固定外筒と周り止め部材との間でボールスプラインを構成するのが好ましい。

以下、添付図面を用いて本発明の減衰装置を詳細に説明する。

図１は本発明を適用した減衰装置の一例を示すものである。この減衰装置１は第１の構造体と第２の構造体との間に存在する相対的な振動を減衰させ、かかる振動を早期に収束させるものであって、例えば図２に示されるように、建築構造物９０の各構造枠９１の対向角の間に配置されて使用される。

この減衰装置１は、中空部を有して筒状に形成された固定外筒１０と、この固定外筒１０の中空部内に収容されると共に該固定外筒１０に対して回転自在に支承されたロータと、これら固定外筒１０及びロータを貫通すると共に該ロータが螺合したスクリューロッド３０と、このスクリューロッド３０を覆うように筒状に形成されると共に一部が前記固定外筒の外周面と重なるように設けられた周り止め部材５０とを備えている。

前記スクリューロッド３０の一端はフランジ軸継手３２を介してＵリンク６０に固定されており、このＵリンク６０が前記構造枠９１の一方の隅角部に固定される。フランジ軸継手３２とスクリューロッド３０の間には平行キー３３が挿入されており、フランジ軸継手３２に対するスクリューロッド３０の回転止めがなされている。前記フランジ軸継手３２には前記周り止め部材５０も固定されており、かかる周り止め部材５０がスクリューロッド３０の周囲で回転を生じないようになっている。また、前記固定外筒１０の一端もＵリンク７０に固定されており、このＵリンク７０は前記構造枠９１の他方の隅角部に固定される。

図３は、前記固定外筒１０とロータ４０の組み合わせ構造の一例を示すものである。前記固定外筒１０は、筒状に形成された外筒本体１１と、この外筒本体１１の軸方向の両端面に固定される一対のエンドプレート１２，１３とから構成されている。外筒本体１１の内周面は、前記ロータ２０の外周面と所定の隙間を介して対向するスリーブ部１４と、このスリーブ部１４に対して軸方向へ隣接して設けられた一対のロータ支持部１５，１６とから構成されており、一対のロータ支持部１５，１６には前記ロータ２０の回転を支承するための一対の回転ベアリング１７，１８が嵌合している。これらの回転ベアリング１７，１８は前記エンドプレート１２，１３を外筒本体１１に対してボルトを用いて固定することで、前記外筒本体１１のロータ支持部１５，１６に固定されるようになっている。

一方、前記ロータ２０は、前記固定外筒１０の中空部内に収容されると共に、前述の回転ベアリング１７，１８によってその回転を支承された回転内筒２１と、この回転内筒２１の軸方向の一端にブラケット２２を介して固定されたナット部材４０とから構成されており、前記回転内筒２１の内周面とスクリューロッド３０の外周面との間には隙間が形成される一方、前記ナット部材４０が前記スクリューロッド３０の外周面に螺合している。前記回転内筒２１は外筒本体１１のスリーブ部１４と対向するジャーナル部２４を有しており、外筒本体１１のスリーブ部１４と回転内筒２１のジャーナル部２４とが対向することにより、これらの間に粘性流体の作用室２が形成されるようになっている。この作用室２には粘性流体が充填されている。前記外筒本体１１のスリーブ部１４にはプラグ２３が取り付けられており、かかるプラグ２３を介して前記作用室２へ任意の粘度の粘性流体を充填することができる。また、前記ジャーナル部２４の軸方向の両端にはリング状のシール部材２５，２５が嵌められており、作用室２内に封入された粘性流体が漏れだすのを防止している。尚、図中の符号１９は前記シール部材２５を抑えるスペーサリングである。

図４は前記スクリューロッド３０とナット部材４０との組み合わせを示す斜視図である。スクリューロッド３０の外周面には螺旋状のボール転動溝３１が形成されており、ナット部材４０は前記ボール転動溝３１を転動する多数のボール３を介してスクリューロッド３０に螺合している。また、ナット部材４０は前記スクリューロッド３０が挿通される貫通孔を有して円筒状に形成されると共に、前記スクリューロッド３０のボール転動溝３１を転動したボール３を循環させるための無限循環路が設けられている。すなわち、これらナット部材４０とスクリューロッド３０はボールスクリューを構成している。

そして、このナット部材４０の外周面にはフランジ部４１が設けられており、図３に示すように、かかるフランジ部４１に挿通された固定ボルト４２を前記ブラケット２２に締結することで、ナット部材４０の回転がブラケット２２を介して前記回転内筒２１に伝達されるようになっている。前記ブラケット２２は回転内筒２１の軸方向の端面にボルトで締結されており、固定外筒１０を構成するエンドプレート１３から軸方向へ突出している。また、ナット部材４０のフランジ部４１は固定外筒１０から突出したブラケット２２の端部に対して固定されている。従って、ナット部材４０は前記固定外筒１０の内部には収容されておらず、固定ボルト４２の締結を解除することで、容易に固定外筒１０及び回転内筒２１の組立体をスクリューロッド３０から抜き取ることができるようになっている。

従って、地震等によって図１に示す建築構造物９０が揺れ、構造枠９１が繰り返し変形すると、この減衰装置１に対して軸方向の引っ張り力又は圧縮力が繰り返し作用し、固定外筒１０に対するスクリューロッド３０の軸方向への進退運動が生じる。この進退運動はナット部材４０の回転運動に変換され、ナット部材４０を含むロータ２０が固定外筒の中空部内でスクリューロッドの周囲を回転することになる。ロータ２０が固定外筒１０に対して回転を生じると、前記作用室２に存在する粘性流体に対して剪断力が作用し、回転内筒２１の運動エネルギが粘性流体の熱エネルギに変換されて消費され、回転内筒２１の運動エネルギが減衰される。これにより、構造枠の変形を抑えて建築構造物９０の揺れを強制的に減衰させることができるようになっている。

スクリューロッド３０の軸方向に沿った進退運動をナット部材４０の回転運動に変換しているので、かかるナット部材４０にはスクリューロッド３０の軸方向に沿った外力が作用している。このため、ロータ２０の回転を支承する一対の回転ベアリング１７，１８のうち、ナット部材４０に近接した側の回転ベアリング１８にはラジアル荷重とスラスト荷重を等分に負荷することが可能なクロスローラ軸受が採用され、ナット部材４０から回転内筒に対して作用するスラスト荷重、すなわちスクリューロッド３０の軸方向に作用する外力を十分に負荷し得るように構成されている。

また、前記クロスローラ軸受１８はブラケット２２を回転内筒２１に対して固定することで、その内輪が該回転内筒２１に固定されており、前記ブラケット２２はクロスローラ軸受１８の押え板としても機能している。

図５は軸方向に垂直な固定外筒の断面を示すものである。前記外筒本体１１のスリーブ部１４と回転内筒２１のジャーナル部２４との間には作用室が形成され、この作用室には動粘度が１０万〜５０万ｍｍ² ／ｓ（２５℃）程度のシリコーンオイルが封入されている。このため、スクリューロッド３０の進退に伴って回転内筒２１が外筒本体１１の内側で繰り返し反転すると、作用室２に満たされた粘性流体に周方向の剪断力が作用し、この剪断力が回転トルクとなって外筒本体１１、すなわち固定外筒１０に作用する。このことから、この減衰装置１において減衰効果を確実に発揮させるためには、ロータ２０のみがスクリューシャフト３０の周囲で回転し、固定外筒１０はスクリューシャフト３０の周囲で回転することなく固定されていることが重要である。

以上の観点から、図１に示す減衰装置１では筒状に形成された周り止め部材５０が固定外筒１０と相まってボールスプラインを構成しており、固定外筒１０に作用する回転トルクを前記周り止め部材５０が受け止め、スクリューシャフト３０の周囲における固定外筒１０の回転を係止している。具体的には、前記固定外筒１０の外周面に軸方向に沿ったボールの転動溝１０ａを形成する一方、前記周り止め部材５０の内周面には固定外筒１０の転動溝１０ａと対向する位置にボールの転動溝５０ａを形成し、これら両転動溝１０ａ，５０ａの間に複数のボール６を配列した。各転動溝１０ａ，５０ａはその断面をゴシックアーチ状に形成し、固定外筒１０に作用する回転トルクの方向が逆転した場合でも、かかる回転トルクを負荷できるように構成した。また、ボール６はボールケージ６ａに配列された状態で固定外筒１０と周り止め部材５０の間に介装されている。

図１に示す例では固定外筒１０に対して１８０°の位相差を与えて２条の転動溝１０ａを形成したが、かかる転動溝１０ａの条数は適宜変更して差し支えない。また、固定外筒１０の転動溝１０ａは切削加工によって形成しても、あるいは塑性加工によって形成しても差し支えない。

更に、前記周り止め部材５０としては、固定外筒１０に作用する回転トルクを確実に負荷することができるものであれば、その材質や加工方法などを適宜選択して差し支えない。例えば、鋼板に塑性加工で転動溝５０ａを形成した後、かかる鋼板を筒状に成形して周り止め部材５０とすることができる。また、押し出し成形等によって筒状に形成された部材の内周面に対して転動溝５０ａを研削加工によって形成することも可能である。

そして、以上のように構成された本発明の減衰装置によれば、周り止め部材５０と固定外筒１０とが相まってボールスプラインを構成し、固定外筒１０に対するスクリューロッド３０の進退を許容しつつ、スクリューロッド３０に対する固定外筒１０の回転を係止しているので、減衰効果の発揮に伴って固定外筒１０に回転トルクが作用したとしても、かかる回転トルクがＵリンク７０を介して構造体、例えば図２に示す構造枠９１に伝達されるのを防止することが可能となる。このため、減衰装置１が結合される構造体の剛性を検討するに当たり、前記した回転トルクの伝達を考慮する必要はなく、木造家屋であっても本発明の減衰装置１を容易に適用することが可能となる。

また、前記周り止め部材５０は筒状に形成され、スクリューロッド３０が固定されたフランジ軸継手３２に固定されると共に、前記固定外筒５０の外周面に重ねて設けられているので、かかる周り止め部材５０は固定外筒１０から露出したスクリューロッド３０のカバー体としても機能している。従って、周り止め部材５０を設けた本発明の減衰装置１では、スクリューロッド３０に汚れが付着し、堆積するのを可及的に防止することが可能となる。

図６は、本発明を適用した減衰装置の他の例を示すものである。同図に示す減衰装置では、前記スクリューロッド３０の一端がフランジ軸継手３２を介して球面ジョイント６１に固定されており、この球面ジョイント６１が前記構造枠９１の一方の隅角部に固定される。また、前記固定外筒１０の一端も球面ジョイント７１に固定されており、この球面ジョイント７１は前記構造枠９１の他方の隅角部に固定される。その他の構成は、図１に示した減衰装置と同一である。

既に説明したように、本発明の減衰装置１によれば、周り止め部材５０と固定外筒１０とが相まってボールスプラインを構成しているので、減衰効果の発揮に伴って固定外筒１０に回転トルクが作用したとしても、かかる回転トルクは前記周り止め部材５０によって負荷され、前記固定外筒１０から球面ジョイント７１へ回転トルクが伝達されることはない。また、同様にして、スクリューロッド３０側のフランジ軸継手３２に対して回転トルクが作用することもない。このため、減衰装置１と構造枠９１を結合するジョイントとしては、全方位へ屈曲可能な球面ジョイント６１，７１を使用することが可能となる。減衰装置１を構造枠９１と結合するに当たって球面ジョイント６１，７１を使用すれば、固定外筒１０を結合する構造枠９１とスクリューロッド３０を結合する構造枠９１とが互いに正対せずにずれを生じている場合であっても、容易に前記減衰装置１を取り付けることが可能となり、減衰装置を現場で建築構造物に施工する際に非常に便利である。

このように本発明の減衰装置は、これを構造枠等の建築構造物と結合するに際し、Ｕリンク、球面ジョイントあるいはその他の結合手段を適宜選択して使用することが可能であり、減衰装置の施工現場に適した結合手段を使用することで、かかる施工を容易に行うことができる。すなわち、本発明の減衰装置を建築構造物等と結合する手段は、前述したＵリンク、球面ジョイントに限られるものではない。

本発明を適用した減衰装置の一例を示す斜視図である。図１に示す減衰装置を建築構造物の構造枠に適用した例を示す概略図である。固定外筒とロータの組み合わせ構造の一例を示す断面図である。スクリューロッドとナット部材との組み合わせを示す斜視図図１のＶ−Ｖ線断面図である。本発明を適用した減衰装置の他の例を示す斜視図である。従来の減衰装置の一例を示す正面断面図である。

符号の説明

１…減衰装置、２…作用室、１０…固定外筒、２０…ロータ、３０…スクリューロッド、４０…ナット部材、５０…周り止め部材

Claims

第１の構造体と第２の構造体との間に配置され、これら構造体の間における相対運動を減衰させるための減衰装置であって、
前記第１の構造体に結合される固定外筒と、一端が前記第２の構造体に結合されて軸方向に進退すると共に外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたスクリューロッドと、前記固定外筒の中空部内に収容されると共に該固定外筒に対して回転自在に支承され、固定外筒の内周面と所定の隙間を介して対向して減衰力の作用室を形成する一方、前記スクリューロッドに螺合するロータと、前記作用室に封入された粘性流体と、前記スクリューロッドと共に第２の構造体に固定され、このスクリューロッドの周囲における前記固定外筒の回転を係止する周り止め部材とから構成されることを特徴とする減衰装置。
前記周り止め部材は固定外筒の外周面に重なる筒状に形成され、前記ロータから突出したスクリューロッドを覆うカバー体として構成されていることを特徴とする請求項１記載の減衰装置。
前記固定外筒の外周面及び前記周り止め部材の内周面には互いに対向する位置にボールの転動溝が形成され、これら転動溝の間に複数のボールが配列されていることを特徴とする請求項２記載の減衰装置。
前記スクリューロッド及び周り止め部材は球面ジョイントを介して第２の構造体に結合される一方、前記固定外筒も球面ジョイントを介して第１の構造体に結合されていることを特徴とする請求項１記載の減衰装置。