JP5075961B2

JP5075961B2 - 水平免震テーブル装置

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Publication number: JP5075961B2
Application number: JP2010212815A
Authority: JP
Inventors: 絢一郎大亦
Original assignee: 絢一郎大亦
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: JP2012067840A

Description

本発明は、建築物の床上その他の位置に設置されテーブル上面に免震対象物を載せて使用され地震の際にはあらゆる水平方向の地震動からテーブルを免震し免震対象物の転倒や破損を回避するばね式水平免震テーブル装置に関する。

美術品，工芸品，医薬品棚，ボトルラック，一般陳列棚，コンピュータ関連機器，その他の精密機器などの免震対象物の転倒や損壊を防ぐために、種々のタイプの水平免震テーブル装置が提案され、そして提供されている。

模式的なばね式水平免震テーブル装置を図１０に示す。このばね式水平免震テーブル装置１は、基板２と、基板２上に位置され免震対象物（機器）３を載置する免震テーブル４と、基板２と免震テーブル４との間に介在して位置され地震動に対して免震テーブル４を免震させる複数のボール５と、基板２と免震テーブル４とを連携しているばね６及びダンパ７と、を備えてなる。
ばね６は、基板２の周壁２ａ内側面部と免震テーブル４の側面部４ａとを連携していて地震発生時には自身も振動を起こすことで、基板２と免震テーブル４の相対的な水平移動（横ずれ）の振動を許容し、地震収束後は基板２と免震テーブル４とを元の相対的な位置関係に復帰させる機能を果たすために採用される。ダンパ７は、ばね６のみでは得られない有効な減衰性能を得るために採用される。

図１０に示すばね式水平免震テーブル装置について、機器−免震テーブル系の固有周期をＴｎ〔秒〕、免震テーブル４の質量＋免震対象物３の質量をｍ、ばね６のばね定数をＫ、ダンパ７の減衰定数をｃとするとき、機器−免震テーブル系の減衰比ζは、（１）式となる。

そして、機器−免震テーブル系の減衰比ζが０．２程度より小さいときに、機器−免震テーブル系の固有周期Ｔｎは、近似的に（２）式で与えられる。

水平免震テーブル装置は、機器−免震テーブル系の固有周期を地震波の卓越成分よりも大きくなるように設計することで免震効果が得られる。一般に、地震加速度の卓越成分の周期はＴ＝０．２〜１．０〔秒〕程度のものが多いので、機器―免震テーブル系の固有周期をＴｎ＝２〜３〔秒〕程度に、又、減衰比をζ＝０．１〜０．２程度にそれぞれ設定すれば、周期が１秒以下の短周期成分が卓越成分である地震波に対して免震テーブルの加速度は地震加速度の１／５〜１／１０程度に低減し、大きな免震効果（加速度低減効果）が得られる。「卓越成分」とは、地震波は種々の周期成分を含んでいるが、その内の大きな周期成分のことを呼んでいる。

兵庫県南部地震（１９９５年）、中越地震（２００４年）、中越沖地震（２００７年）などの通常の地震波では、周期が１秒以下の短周期成分が卓越している。従って、従来の水平免震テーブル装置は、周期が１秒以下の短周期成分が卓越成分である地震波を対象として開発されてきた。

従来のばね式水平免震テーブル装置としては例えば特許文献１が提案されている。特許文献１中の、図４３（ニ）、（ホ）に開示されたばね式免震装置は、コイルばねをばね軸心が水平になるように備えかつばねに作用する力がばね軸心に一致して作用するように備えている。この構成では、ばねに作用する力とばねの変形との関係が直線となる線形ばねとなり、有効な減衰性能が得られない。このため、図４３（イ）、（ロ）に示すように、振動エネルギーを吸収する減衰機構である粘性ダンパ（あるいは摩擦ダンパ）を併設する必要がある。そこで、特許文献１の図１〜図４に開示しているばね式免震装置は、固定台と、免震台と、ボールとボールを挟む上下のお皿と、四方位置の複数のコイルばねとを備えている。ボールとボールを挟む上下のお皿は、地震時に基板と免震テーブルとの水平ずれを許す手段として、四方位置の複数のコイルばねは、地震収束時に基板と免震テーブルとを元の位置関係に復帰させる手段として、それぞれ採用されている。

特許文献１の図１〜図４に開示しているばね式免震装置では、コイルばねは、基板と免震テーブルとの間にばね軸心が垂直となるように備えられている。このように、基板と免震テーブルとにコイルばねの両端を連結すると、テーブル板の水平相対変位とテーブル板に作用する力（ばねによる復元力と、基板と脚部接触子間の摩擦力の和）の関係がヒステリシスループを描く非線形曲線となり、ばね自体が減衰力に関係することがわかる。すなわち、直立配置ばねは、水平方向の振動に対して非線形に撓み、引っ張り初期には弱く、水平方向のずれが大きくなるほど張力が非線形に強くなる。直立配置ばねは、通常の地震波で基板が揺れる範囲内ではばね免震台の固有振動数を下げる（すなわち固有周期を上げる）ことができ、それ以上の振動数の振動を遮断でき、地震の横揺れを緩和できる。

特許文献１によれば、コイルばねは、ばね軸心が垂直となるように固定台と免震台とに取り付けられる場合と、斜めに取り付けられる場合とがある。いずれの場合でも、このように取り付けたコイルばねは、引っ張りの初期には水平方向の復元力（ばね力）が弱く、引っ張りが大きくなるに連れて復元力が増大する漸硬型の非線型復元力特性を示すので、固有振動数を地震波の下限周波数よりも下げることができる、としている。
また、コイルばねの上下成分によって生じる基板と脚部接触子間の摩擦力特性も、水平相対変位の増加とともに増大する漸硬型摩擦力特性を示す。従って、図１〜図４に開示しているばね式免震装置から、ばねに必要充分な大きさの減衰機能＝漸硬摩擦力特性を備えることができるならばダンパを併設することを必要としないことが理解される。

しかし、特許文献１によれば、図１〜図４に開示しているばね式免震装置について、非線形ばねの効果に関する計算では、充分なレベルに達していないので、ばね定数を下げるなどの更なる改善が必要である、としている。

また、特許文献１によれば、摩擦ダンパは、摩擦力が速度の逆方向に接触面圧に比例して働き、速度の大きさには依存しないので、速度反転時に急な抵抗力の変化が生じてすべりが拘束されたり滑ったりするスティックスリップが発生するから、ダンパとして好ましくないとしている。このため、図１２（イ）、（ロ）に開示しているばね式免震装置の如く、コイルばねを固定台と免震台との間の四方位置に備えることで空きスペースが生じる中央位置に、外形の大きい粘性ダンパを採用している。

特開２００６−３４２８８４号公報

上述した特許文献１で開示された水平免震テーブル装置は、周期が１秒以下の短周期成分が卓越成分である通常の地震波を対象として開発されたものであり、以下に述べる長周期地震波を対象として開発されたものではない。地震の長周期成分が問題になったのはごく最近のことであり、この長周期成分の問題に対応した、漸硬型復元力装置と漸硬型減衰装置を備えたシンプルな構造の免震システムは現時点では見あたらない。

周期が１秒以下の通常の地震波とは異なり、数秒から数十秒の長周期でゆっくりと揺れる長周期地震波を受けることがある。この長周期地震波によるゆっくりした揺れの周期が、機器―免震装置系の固有周期Ｔｎに近いと、免震装置が共振して、機器が地震動よりもさらに大きく揺れることになる。

固有周期Ｔｎが２秒となるように設計したばね式水平免震テーブル装置に、２秒程度の長周期卓越成分を含む地震波（例えば、１９６４年の新潟地震波）が作用すると、免震テーブルは共振を起こし、大きく振動することになる。これによって、免震テーブル上の免震対象物は転倒してしまう。同様に、免震テーブルの固有周期Ｔｎを５秒に設計したとしても、５秒程度の長周期卓越成分を含む地震波が作用すると、免震テーブルは共振を起こし大きく振動し、これによって、免震テーブル上の免震対象物は転倒してしまう。

この共振を抑制するためには、減衰比ζを大きくすることが必要である。そこで、長周期卓越成分を含む地震波が作用したときの免震テーブルの共振を抑えるためには大きな減衰機構（＝ダンパ）を併用すれば良いが、減衰を大きくすると、通常の地震波に対する免震効果が低下することになる。
従って、周期が１秒以下の短周期成分が卓越成分である通常の地震動に対しては小さな減衰を発生し、かつ長周期地震動を受けて免震対象物が大きく揺れようとするときには大きな減衰を発生する免震装置が必要となる。

通常の免震装置では、一般に減衰比は比較的小さくて、０．１〜０．２に設定されている。これに対し、長周期地震波を受けて共振する機器―免震装置系で振動を小さくするためには、大きな減衰力が必要である。長周期地震波の速度は非常に小さいので、粘性減衰の手法をもって上記減衰特性を得ることは現実には難しい。

そこで、本発明は、上記課題を解消するために案出されたものであり、通常周期の地震動に対しては小さな減衰を発生し、長周期の地震動を受けて免震対象物が大きく揺れようとするときには大きな減衰を発生して地震波の長周期成分にも対応することで、通常の地震時には高い免震効果を発揮しかつ長周期地震時には免震対象物の共振を有効に抑制し得る免震システム用復元力装置及び減衰装置を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のばね式水平免震テーブル装置は、基板と、免震対象物を載置するためのテーブル部及びテーブル部より垂下する脚部を有し脚部が下端に備えた接触子を介し基板上を摩擦移動可能に載置された免震テーブルと、斜めに張られて基板の上面と免震テーブルの下面とを連結し地震発生時に伸縮して基板と免震テーブルとの水平振動を許容し地震収束時には基板と免震テーブルとを元の位置関係に復帰させる複数のコイルばねとを備え、各コイルばねの少なくとも一端に対応する基板の上面又は免震テーブルの下面には、各コイルばねの一端を連結し，コイルばねの伸びが、短周期成分が卓越した通常の地震時に対応したコイルばねの最大伸び以下ではコイルばねの水平復元力特性をほぼ線形状態に維持し、かつ長周期地震動によって免震テーブルが共振し水平ずれが大きくなり最大伸びを超える領域ではコイルばねの水平復元力特性を非線形状態に高めるばね用漸硬型弾性支持体、を備えていることを特徴とする。

上記構成のばね式水平免震テーブル装置によれば、線形ばねであるコイルばねの少なくとも一端を基板の上面又は免震テーブルの下面に設けたばね用漸硬型弾性支持体で係止すると、短周期成分が卓越した通常の地震時にはばね用漸硬型弾性支持体がコイルばねの張力を受けてコイルばねの係止点間の距離が線形に小さく変化するのでコイルばねが線形に張力変化する。この場合におけるコイルばねの張力は小さく抑えられるから、脚部の下端面と基板の上面との間の摩擦力も小さく抑えられる。従って、通常の地震時に基板に水平方向の振動が生じても免震テーブルは免震され、ほぼ静止状態を維持し、脚部の下端面と基板の上面との間の摩擦力により有効な減衰性能が得られる。
他方、長周期地震動によって免震テーブルが共振し水平ずれが大きくなる領域では、コイルばねの通常の地震時の最大伸びを超える負荷がばね用漸硬型弾性支持体に掛かり、ばね用漸硬型弾性支持体が非線形に張力変化するので、ばね用漸硬型弾性支持体のコイルばねに対する係止点の変化が非線形に小さくなるから、この負荷をコイルばねが負担する割合が非線形に高まることになり、コイルばねの張力が非線形に高まる。このため、長周期地震動時には脚部の下端面と基板の上面との間の摩擦力が非線形に大きくなり有効な減衰性能が得られ、地震エネルギーは摩擦による熱エネルギーに変化し免震テーブルは制動され共振が抑えられる。

斜めに張ったコイルばねによって漸硬型復元力特性と漸硬型摩擦力特性が得られるが、ばね用漸硬型弾性支持体は復元力と摩擦力の漸硬特性を一段と高める作用をするから、本発明は、通常周期の地震動に対しては小さな減衰を発生し、長周期の地震動を受けて免震対象物が大きく揺れようとするときには大きな減衰を発生して地震波の長周期成分にも対応することで、通常の地震時には高い免震効果を発揮しかつ長周期地震時には免震対象物の共振を有効に抑制し得るばね式水平免震テーブル装置を提供することができる。本発明は、摩擦ダンパや粘性ダンパを用いないでコイルばねをばね用漸硬型弾性支持体で支持することで該コイルばねを漸硬型ばねとしており、簡素で安価な構成を実現しながら、通常周期の地震動に対する免震機能と長周期の地震動に対する制動機能とを発揮しうる。

本発明の第１の実施形態に係るばね式水平免震テーブル装置を示す斜視図である。図１に示すばね式水平免震テーブル装置の一部断面した概略正面図である。図１に示すばね式水平免震テーブル装置の平面図である。図３の平面図においてIV−IV方向に見たやや詳細な縦断面図である。（ａ）〜（ｄ）コイルばねの両端を一対のばね用漸硬型弾性支持体４０で係止する場合に漸硬型が顕著になることを示すモデル解析図である。表１中のばね力上下成分と変位とで得られるポイントを結んで得られた変化曲線を表したグラフである。表１中のばね力水平成分と変位とで得られるポイントを結んで得られた変化曲線を表したグラフである。本願の免震テーブル装置を用いて実地震応答実験を行った結果を示すグラフである。本発明の第１の実施形態に係るばね式水平免震テーブル装置の体角線方向に沿った縦断面図である。従来の模式的なばね式水平免震テーブル装置を図１０である。

以下、本発明のばね式水平免震テーブル装置の実施形態について図面を参照して説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、この実施形態に係るばね式水平免震テーブル装置１００の斜視図を示す。このばね式水平免震テーブル装置１００は、建物内の適宜の平面スペースに固定設置される基板１０と、基板１０上に静置されるテーブル部２１および脚部２２を有する免震テーブル２０と、基板１０の上面とに免震テーブル２０のテーブル部２１の下面とを斜めに連繋する複数のコイルばね３０と、基板１０の上面又はテーブル部２１の下面に取付けられコイルばね３０の端部を係止する漸硬型弾性支持体４０とを備えてなる。
以下、各構成要素に付いて分説する。

図２は、この実施形態に係るばね式水平免震テーブル装置１００の一部を断面にした正面図を示し、図３は平面図を示す。基板１０は、適宜の剛性を有する材料より平面矩形状に形成された基材部１１と、基材部１１の上面に張られた防錆性，耐久性，摩擦摺動性が良好で強靭性を備えた材料例えばステンレス鋼板等からなる表面硬質パネル１２と、基材部１１の周縁部に立ち上がる周壁部１３と、周壁部１３の内面に張られた意匠性が高くかつ耐久性を備えた材料例えばウレタン等からなる緩衝材１４とを有してなる。

図１〜図４に示すように、免震テーブル２０は、適宜の剛性を有する材料より矩形に形成され水平に維持される上面に免震対象物（不図示）を載置するテーブル部２１と、テーブル部２１の下面四隅より垂下する四本の脚部２２と、各脚部２２の下端に付設された全方向へ摩擦抵抗を伴って円滑に移動可能である接触子２３とを有してなる。

図１、図２、図４に示すように、接触子２３については、詳細な構造を図示していないが、例えばフリー回転ベアリング、あるいは高い滑り性を有するフッ素樹脂製球体等を採用することができる。免震テーブル２０は、４本の脚部２２が接触子２３を介して基板１０を構成する表面硬質パネル１２上に立脚され、地震発生時には、接触子２３が、表面硬質パネル１２に対し摩擦を伴って相対移動可能である。接触子２３は、通常の地震動に対してはコイルばね３０の張力が弱いので小さなダンパ機能を有し、長周期地震動による共振時に対してはコイルばね３０の張力が強くなるので大きなダンパ機能を有する。

図３に示すように、基板１０とテーブル部２１は、この例ではそれぞれ矩形に形成されていて、基板１０の方がテーブル部２１よりも大きく、かつテーブル部２１の中心を基板１０の中心と一致させた同心載置状態で、四本の脚部２２の端から基板１０の周壁部１３内面までの間隔が所要寸法となるように設定されている。該所要寸法とは、通常周期の地震が発生することを想定し、この地震動によって生じる基板１０と何れかの脚部２２との最接近時に、該脚部２２と緩衝材１４とが非接触状態が保たれるための、四本の脚部２２の端から基板１０の周壁部１３内面までの間隔をいう。これによって、通常周期の地震が発生した時に免震テーブル２０の脚部２２が基板１０の周壁部１３内面の緩衝材１４に接触することを回避して免震を保証していると共に、長周期地震の発生時に免震テーブルが共振し水平ずれが大きくなる場合に、免震テーブル２０の脚部２２が基板１０の周壁部１３内面の緩衝材１４に接触し該緩衝材１４がばね及び摩擦ダンパとして機能する構成とされている。

図１、図３に示すように、ばね用漸硬型弾性支持体４０は、この例では、テーブル部２１下面の各脚部２２の内側の対角線上の四位置及び基板１０の上面中央部の対角線上の四位置に、計８個がそれぞれ設けられている。下部中央部の一つのばね用漸硬型弾性支持体４０と、これに対応する上部四隅の一つのばね用漸硬型弾性支持体４０とがコイルばね３０の両端を係止するように斜め方向上下に対応している。

図４に示すように、ばね用漸硬型弾性支持体４０は、ピン軸４１と漸硬型弾性支持体本体４２とを備えてなる。ピン軸４１は、基端に球体部４１ａを有し該球体部４１ａが分割形の球面軸受４３により抱持されかつ基板１０上面又はテーブル部２１下面に対し球面対偶するように取り付けられ，揺動端に開設されたばね係止孔４１ｂでコイルばね３０を係止する。漸硬型弾性支持体本体４２は、所要硬質のゴム製で厚肉な略半球殻形に形成されかつ略半球の中心に設けられた中心孔４２ａにピン軸４１をその揺動端より通してフランジ部に付設された固定手段４４により基部端面が基板１０上面又はテーブル部２１下面に固着されてなる。固定手段４４は、モールド型の取付金具４４ａと、押え金具４４ｂと、タッピンねじ４４ｃとを備えてなる。漸硬型弾性支持体本体４２は、中心孔４２ａの孔面でピン軸４１に密着しほぼ垂直に弾持されている。

コイルばね３０は、初期張力を与えられて両端が上下一対のピン軸４１，４１の揺動端に設けられたばね係止孔４１ｂに通され折り曲げられて係止されている。コイルばね３０の初期張力は、コイルばね３０が垂直状態になるときに、遊びがなく張られている状態であればよい。

〔ばね用漸硬型弾性支持体の機能〕
図５（ａ）〜（ｄ）は、コイルばね３０の両端を一対のばね用漸硬型弾性支持体４０で係止する場合に漸硬型が顕著になることのモデル解析図である。すなわち、コイルばね３０を斜めに張りかつ初期張力を与えて係止する場合には、コイルばね３０が漸硬型になるが、さらに該コイルばね３０の両端を一対のばね用漸硬型弾性支持体４０で係止する場合には、漸硬型が一層顕著になる。このことのモデル解析を図５(ａ)〜（ｄ）を用いて説明する。

図５（ｄ）は、本実施形態に該当し、変化形の図５(ｂ)に示すモデルと、図５(ｃ)に示すモデルとの中間に位置する。図５（ｄ）に示すモデルについての直接解析が難しいので、このモデル解析では、図５(ａ)に示す基本モデルから、変化形の図５(ｂ)に示すモデルと、図５(ｃ)に示すモデルの各寸法変化や傾き角度、ばねの伸び等から特性を明らかにし、変化形の図５(ｄ)に示すモデルの特性について推測するものとする。

図５(ａ)は、基板１０に球面対偶を有するように連結された下側のピン軸４１とテーブル部２１に球面対偶を有するように連結された上側のピン軸４１とが一垂直線上の下位置と上位置にある基本モデルを示す。
図５(ｂ)は、図５(ａ)の状態から地震による基板１０の振動により下側のピン軸４１が左方向へ移動して、下側のピン軸４１と静止している上側のピン軸４１とが水平方向に寸法ｕだけずれ、かつ下側のピン軸４１の取付端と上側のピン軸４１の取付端とを結ぶ直線上に重なるように、下側のピン軸４１及び上側のピン軸４１が傾いているモデルを示す。
図５(ｃ)は、図５(ａ)の状態から地震による基板１０の振動により下側のピン軸４１が左方向へ移動して、下側のピン軸４１と静止している上側のピン軸４１とが水平方向に寸法ｕだけずれ、かつ下側のピン軸４１及び上側のピン軸４１をそれぞれ図示しない支持部材で垂直状態に支持した状態のモデルを示す。
図５(ｄ)は、図５(ａ)の状態から地震による基板１０の振動により下側のピン軸４１が左方向へ移動して、下側のピン軸４１と静止している上側のピン軸４１とが水平方向に寸法ｕだけずれ、かつ下側のピン軸４１及び上側のピン軸４１をそれぞれ漸硬型弾性支持体本体４２で弾持した状態のモデルを示す。

図５(ａ)の基本モデルの基板１０とテーブル部２１との距離（高さ寸法）をＨ、ピン軸４１の長さをａとする。コイルばね３０の長さはＬ_０は、Ｌ_０＝Ｈ-２ａとなる。
なお、寸法Ｈとａは、他のモデルでも同一である。

〔図５(ｂ)のモデルの場合〕
(1)コイルばね３０の長さをＬ₁は、
（２ａ＋Ｌ_１）^２＝Ｈ^２＋ｕ^２ …の式と、Ｈ＝（２ａ＋Ｌ_１）cosα …の式とから、（３）式となる。

(2)コイルばね３０の角度をαとしたときcosαとsinαは、
（２ａ＋Ｌ_１）sinα＝ｕより導かれる、sinα＝ｕ／（２ａ＋Ｌ_１）＝ｕcosα／Ｈ …の式と、
またsinα^２＋cosα^２＝１より導かれる、{(ｕ／Ｈ)^２＋１}cosα^２＝１ …の式とから、（４）式となる。

(3)コイルばね３０の伸びδ_１は、（６）式となる。

(4)コイルばね３０のばね力上下成分Ｆ_１は、ばね定数をＫとすると、（７）式となる。

(5)コイルばね３０のばね力水平成分Ｐ_１は、（８）式となる。

〔図５(ｃ)のモデルの場合〕
(1)コイルばね３０の長さをＬ₂は、
Ｌ₂ ^２＝（Ｈ−２ａ）^２＋ｕ^２ …の式と、Ｌ₂cosβ＝Ｌ_０ …の式とから、（９）式となる。

(2)コイルばね３０の角度をβとしたときcosβ，sinβは、
Ｈ＝２ａ＋Ｌ_１＝２ａ＋Ｌ₂cosβ …の式と、Ｌ₂cosβ＝ｕ …の式とから、（１０），（１１）式となる。

(3)コイルばね３０の伸びδ₂は、（１２）式となる。

(4)コイルばね３０のばね力上下成分Ｆ_２は、（１３）式となる。

(5)コイルばね３０のばね力水平成分Ｐ_２は、（１４）式となる。

〔図５(ｂ)のモデルと図５(ｃ)のモデルに付いての数値計算例〕
Ｈ＝０．６ｍ、Ｌ_０＝０．５ｍ、ａ＝０．０５ｍ、Ｋ＝１７４Ｎ／ｍとしたとき、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｐ_１、Ｐ_２は、それぞれ（１５）式〜（１８）式のようになる。

となる。そこで、（１５）式〜（１８）式中の、それぞれのｕの値を０ｍ、０．０５ｍ、０．１ｍ、０．１５ｍ、０．２ｍ、０．２５ｍの６種類として、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｐ_１、Ｐ_２の値を求めたところ、表１の如き結果が得られた。

なお、表１中の

の式は、（１５）式と（１７）式及び（１６）式と（１８）式中の部分式を示す。

図６に示すグラフは、縦軸にばね力上下成分（単位：Ｎ）を目盛り、横軸にテーブル部２１の相対変位（ｕ（単位：ｍ））を目盛り、表１中のばね力上下成分Ｆ_１と変位ｕとで得られるポイントを結んで得られた変化曲線ｕ−Ｆ_１、及び表１中のばね力上下成分Ｆ_２と変位ｕとで得られるポイントを結んで得られた変化曲線ｕ−Ｆ_２とを表したグラフである。

図７に示すグラフは、縦軸にばね力水平成分（単位：Ｎ）を目盛り、横軸にテーブル部２１の相対変位（ｕ（単位：ｍ））を目盛り、表１中のばね力水平成分Ｐ_１と変位ｕとで得られるポイントを結んで得られた変化曲線ｕ−Ｐ_１、及び表１中のばね力水平成分Ｐ_２と変位ｕとで得られるポイントを結んで得られた変化曲線ｕ−Ｐ_２とを表したグラフである。

〔モデルに対する考察〕
上記のモデル解析によれば、ばね力上下成分Ｆ_１，Ｆ_２に摩擦係数を掛ければ摩擦力となる。この摩擦力は、接触子２３と表面硬質パネル１２との摺動ポイントに作用する。ばね力上下成分Ｆ_１，Ｆ_２は、共に漸硬型となるが、Ｆ_２の方がＦ_１よりも漸硬性が高い。またばね力水平成分Ｐ_１，Ｐ_２は、共に漸硬型となるが、Ｐ_２の方がＰ_１よりも漸硬性が高い。従って、ばね力でピン軸４１が揺動しないように、ピン軸４１を固定する構成の方がばね力でピン軸４１が揺動する構成よりも漸硬性が高い。
本実施形態で採用しているばね用漸硬型弾性支持体４０は、ばね力でピン軸４１が揺動しにくいように支持しているが、ゴム製で厚肉な略半球殻形に形成されているものであり、ｕが小さいときは線系に撓む柔らかい状態でピン軸４１を倒れないように支持し、ｕが大きくなるほど非線形で硬くなってピン軸４１を倒れないように支持する働きをする。それゆえ、ばね用漸硬型弾性支持体４０の変形状況は、ｕが小さいときには、Ｆ_１，Ｐ_１の状態に近く、ｕが大きくなるとＦ_２，Ｐ_２の状態に近づく。従って、ばね用漸硬型弾性支持体４０を用いることによる復元力と摩擦力の漸硬性の効果は、図５（ｃ）の場合よりも図５（ｄ）の場合の方が大きくなる。

〔実施形態の作用効果〕
複数のコイルばね３０は、斜めに張られて基板１０の上面と免震テーブル２０の下面とを連結し地震発生時に伸縮して基板１０と免震テーブル２０との水平振動を許容し地震収束時には基板１０と免震テーブル２０とを元の位置関係に復帰させる。

線形ばねであるコイルばね３０の下端及び上端を基板１０の上面又は免震テーブル２０の下面に設けたばね用漸硬型弾性支持体４０で係止すると、短周期成分が卓越した通常の地震時にはばね用漸硬型弾性支持体４０がコイルばね３０の張力を受けてコイルばね３０の係止点間の距離が小さく変化するのでコイルばね３０がほぼ線形に張力変化する。この場合におけるコイルばね３０の張力は小さく抑えられるから、脚部２２の下端面と基板１０の上面との間の復元力及び摩擦力も小さく抑えられる。従って、通常の地震時に基板１０に水平方向の振動が生じても免震テーブル２０は免震され、ほぼ静止状態を維持し、脚部２２の下端面と基板１０の上面との間の摩擦力により有効な減衰性能が得られる。

他方、長周期地震動によって免震テーブル２０が共振し水平ずれが大きくなる領域では、コイルばね３０の通常の地震時の最大伸びを超える負荷がばね用漸硬型弾性支持体４０に掛かり、ばね用漸硬型弾性支持体４０が漸硬的に非線形に張力変化するので、ばね用漸硬型弾性支持体４０のコイルばね３０に対する係止点の変化が非線形に小さくなるから、この負荷をコイルばね３０が負担する割合が非線形に高まることになり、コイルばね３０の張力が非線形に高まる。このため、長周期地震動には脚部２２の下端面と基板１０の上面との間の摩擦力が非線形に大きくなり有効な減衰性能が得られ、地震エネルギーは摩擦による熱エネルギーに変化し免震テーブル２０は制動される。ばね用漸硬型弾性支持体４０は、初期張力を与えて取り付けるコイルばね３０と強調して長周期地震動に対する制震機能が大きい。地震応答実験及びシミュレーションによれば、本免震テーブル装置を用いると、通常の地震波が作用したときの最大応答加速度を、最大入力加速度に比べて１／６〜１／３程度に低減させることができる。

すなわち、ばね用漸硬型弾性支持体４０は、各コイルばね３０の少なくとも一端に対応する基板１０の上面又は免震テーブル２０の下面に設けられ各コイルばね３０の一端を連結し，コイルばね３０の伸びが、短周期成分が卓越した通常の地震時に対応したコイルばね３０の最大伸び以下ではコイルばね３０の張力を小さく線形に高め、かつ長周期地震動によって免震テーブル２０が共振し水平ずれが大きくなり最大伸びを超える領域ではコイルばね３０の張力を大きく非線形に高める。免震テーブル２０の脚部２２の下端の接触子２３と基板１０の上面は通常の地震時に小さな摩擦を伴って自由移動し、長周期地震動で基板１０が相対的に大きく移動する（ｕが大きくなる）ときには、ばね力上下成分が大きくなり大きな摩擦を伴って制動するダンパ機能を果たす。それと共に、コイルばね張力の水平成分（すなわち復元力）も漸硬的に変化するので、固有周期が変化し、共振状態を脱することになる。
基板１０の周壁部１３の内面の緩衝材１４は、通常の地震時には脚部２２に接触しないので免震が確保され、長周期地震動によって免震テーブル２０が共振し水平ずれが大きくなると脚部２２に接触し制動するダンパ機能及び漸硬ばね機能を果たす。

基板１０の周壁部１３の内面に取り付ける緩衝材１４には、ウレタンフォームや粘弾性材のようなばねと減衰性を有する材料を用いるので、脚部２２が緩衝材に接触した後は、免震テーブルに作用する復元力と減衰力は大きく増加し、漸硬性の効果が一段と高まる。

図８に示すグラフは、本願の免震テーブル装置を用いて実地震応答実験を行った結果を示すものである。実験に用いた地震波は、短周期成分が卓越したImperial Valley地震（１９４０年）のEl Centro NS成分と兵庫県南部地震（１９９５年）神戸海洋気象台ＮＳ成分である。両地震波を図１の基板１０に対し水平方向に入力しテーブル部２１の応答加速度を測定した。このグラフに示す結果によれば、最大応答加速度を、最大入力加速度に比べて１／６〜１／３程度に低減させることができる。

〔第２の実施形態〕
図９は、この実施形態に係るばね式水平免震テーブル装置１００Ａの図４に対応した縦断面図を示す。このばね式水平免震テーブル装置１００Ａも、第１の実施形態と同様に、基板１０及び免震テーブル２０のテーブル部２１が矩形に形成され、テーブル部２１の四隅が四つの脚部２２で支持され、テーブル部２１下面の各脚部の内側の対角線上の四位置及び基板の上面中央部の対角線上の四位置にばね用漸硬型弾性支持体４０Ａがそれぞれ設けられ、下部中央部の一つと上部四隅の一つとが斜め方向上下に対応している各一対のばね用漸硬型弾性支持体４０Ａにコイルばね３０が初期張力を与えられて両端を係止されてなる。

この実施形態と第１の実施形態との相違は、各コイルばね３０の両端を支持するばね用漸硬型弾性支持体４０Ａの相違のみである。この実施形態のばね用漸硬型弾性支持体４０Ａは、ピン軸付ダイヤフラム４５と、漸硬型弾性支持体本体４６とを備えてなる。

ピン軸付ダイヤフラム４５は、ダイヤフラム部４５ａが可撓性を有すると共に該ダイヤフラム部４５ａの中央より外方に一体に突出するピン軸部４５ｂを有し、ピン軸部４５ｂの先端にコイルばね３０の一端を係止するばね係止部４５ｃを有する。ばね用漸硬型弾性支持体４０Ａは、いずれも可撓性を有するピン軸付ダイヤフラム４５と漸硬型弾性支持体本体４６との組み合わせ構造であり、コイルばね３０から受ける張力が小さいときには略線系に変形し、張力が大きくなると非線形に増大する。

漸硬型弾性支持体本体４６は、ゴム製で略短リング状に形成されフランジ部４６ａに付設された固定手段４７により基部端面が基板１０の上面及び免震テーブル２０の下面に固定されている。

固定手段４７は、モールド型の取付金具４７ａと、押え金具４７ｂと、タッピンねじ４７ｃとを備えてなる。漸硬型弾性支持体本体４６は、ピン軸付ダイヤフラム４５のフランジ部４５ｄを内筒面にモールドし傾斜しないように弾持している。

この実施形態のばね用漸硬型弾性支持体４０Ａは、第１の実施形態のばね用漸硬型弾性支持体４０と同様に、コイルばね３０の伸びを、短周期成分が卓越した通常の地震時に対応したコイルばね３０の最大伸び以下ではコイルばね３０の張力を線形に高める機能を有し、かつ長周期地震動によって免震テーブル２０が共振し水平ずれが大きくなり最大伸びを超える領域ではコイルばね３０の張力を非線形に高める機能を有する。

〔その他の実施形態〕
本発明は、上記第１、第２の実施形態に限定されるものではない。基板１０や免震テーブル２０のテーブル部２１は矩形に限定されるものでなく、円形、三角形などでもよい。テーブル部２１を支える脚部２２は４本に限定されるものではない。例えば、テーブル部２１の下面中央より１本の脚部が垂下し、該脚部の下端が例えば基板に近接するＨ型フレームの中央に固定され、Ｈ型フレームの四隅にフリー回転自在なベアリングあるいは高滑り性を有する半球体等の接触子を備えてもよい。コイルばね３０は、斜めに張られる必要があるが、４本のコイルばねの下端がテーブル部２１の下面中央部に集中し、４本のコイルばねの下端が基板の周縁部に分散して張られた形態(実施形態のコイルばね３０の斜め方向の張り方が天地逆になった形態）でもよい。コイルばねは、４本に限定されるものではない。本発明は、コイルばねにダンパを併用したものではない。ばね用漸硬型弾性支持体は、ダンパではなく、コイルばねが通常の地震動に対しては線系に張力変化し長周期地震動に対しては漸硬的に非線形に張力変化する機能を保有させる働きを備えている構造であればよい。

１００，１００Ａ…ばね式水平免震テーブル装置、
１０…基板、
１３…周壁部、
２０…免震テーブル、
２１…テーブル部、
２２…脚部、
２３…接触子、
３０…コイルばね、
４０，４０Ａ…ばね用漸硬型弾性支持体、
４１…ピン軸、
４１ａ…球体部４２ａ…中心孔、
４２…漸硬型弾性支持体本体、
４３…球面軸受、
４５…ピン軸付ダイヤフラム、
４５ａ…ダイヤフラム部、
４５ｃ…ばね係止部、
４５ｄ…フランジ部、
４６…漸硬型弾性支持体本体、
４６ａ…フランジ部、

Claims

基板と、
免震対象物を載置するためのテーブル部及び該テーブル部より垂下する脚部を有し該脚部が下端に備えた接触子を介し前記基板上を摩擦移動可能に載置された免震テーブルと、
斜めに張られて前記基板の上面と前記免震テーブルの下面とを連結し地震発生時に伸縮して前記基板と前記免震テーブルとの水平振動を許容し地震収束時には前記基板と前記免震テーブルとを元の位置関係に復帰させる複数のコイルばねとを備え、
前記各コイルばねの少なくとも一端に対応する前記基板の上面又は前記免震テーブルの下面には、前記各コイルばねの一端を連結し，前記コイルばねの伸びが、短周期成分が卓越した通常の地震時に対応した前記コイルばねの最大伸び以下ではコイルばねの水平復元力特性をほぼ線形状態に維持し、かつ長周期地震動によって免震テーブルが共振し水平ずれが大きくなり前記最大伸びを超える領域ではコイルばねの水平復元力特性及び摩擦力特性を非線形状態に高めるばね用漸硬型弾性支持体、を備えていることを特徴とするばね式水平免震テーブル装置。
請求項１に記載のばね式水平免震テーブル装置において、
前記ばね用漸硬型弾性支持体は、
ゴム製で略半球殻形に形成され基部端面を前記基板の上面又は前記免震テーブルの下面あるいはそれらの両面に固定された漸硬型弾性支持体本体と、
前記漸硬型弾性支持体本体の内部において前記基板の上面又は前記免震テーブルの下面に球面対偶となるように連結され前記漸硬型弾性支持体本体の略中央に設けられた中心孔に通され該漸硬型弾性支持体本体によって支持され先端に前記コイルばねの一端を係止するばね係止部を有し剛性を有するピン軸と、
を備えてなることを特徴とするばね式水平免震テーブル装置。
請求項１に記載のばね式水平免震テーブル装置において、
前記ばね用漸硬型弾性支持体は、
ゴム製で略短リング状に形成され基部端面を前記基板の上面又は前記免震テーブルの下面あるいはそれらの両面に固定された漸硬型弾性支持体本体と、
可撓性金属材料よりダイヤフラム部が形成され該ダイヤフラム部の中央より外方に一体に突出し先端に前記コイルばねの一端を係止するばね係止部を有するピン軸部が形成され前記ダイヤフラム部のフランジ部が前記漸硬型弾性支持体本体の内周面より内部に侵入し該漸硬型弾性支持体本体に支持されたピン軸付ダイヤフラムと、
を備えてなることを特徴とするばね式水平免震テーブル装置。
請求項１乃至３のいずれか一に記載のばね式水平免震テーブル装置において、
前記免震テーブルは前記テーブル部が矩形に形成され該テーブル部の四隅が四つの前記脚部で支持されてなり、前記ばね用漸硬型弾性支持体が、前記テーブル部下面の各脚部の内側の対角線上の四位置及び前記基板の上面中央部の対角線上の四位置にそれぞれ設けられ、下部中央部の一つと上部四隅の一つとが斜め方向上下に対応している各一対のばね用漸硬型弾性支持体に前記コイルばねが初期張力を与えられて両端を係止されてなる、ことを特徴とするばね式水平免震テーブル装置。
請求項１乃至４のいずれか一に記載のばね式水平免震テーブル装置において、
前記基板は、周縁部より立ち上がり前記脚部を取り囲む周壁部を有し該周壁部に内面には緩衝材が設けられている、ことを特徴とするばね式水平免震テーブル装置。