JP5241210B2 - 免震構造体のプラグ用組成物、免震構造体用プラグ及び免震構造体 - Google Patents

Description

本発明は、免震構造体のプラグ用組成物、該組成物を用いた免震構造体用プラグ及び該プラグを用いた免震構造体に関し、特には、十分な減衰性能、変位追従性を有する上、繰り返し安定性にも優れたプラグを提供することが可能な免震構造体のプラグ用組成物に関するものである。

従来、ゴム等の粘弾性的性質を有する軟質板と鋼板等の硬質板とを交互に積層した免震構造体が、免震装置の支承等として使用されている。このような免震構造体の中には、例えば、軟質板と硬質板とからなる積層体の中心に中空部を形成し、該中空部の内部にプラグが圧入されたものがある。

上記プラグとしては、全体が鉛からなるプラグが使用されることが多く、積層体がせん断変形する際に、該プラグが塑性変形することで振動のエネルギーを吸収する。しかしながら、鉛は、環境負荷が大きく、また、廃却時等に要するコストが大きい。このため、鉛の代替材料を用いて、十分な減衰性能、変位追従性等を有するプラグを開発することが試みられている。

例えば、特開２００６−１７０２３３号には、鉛プラグに代えて、錫プラグ又は錫合金プラグを採用し、該プラグの外径と積層体の外径との比を特定の範囲に規定した免震構造体が提案されており、該免震構造体によれば、優れた免震効果が得られるとのことである。

特開２００６−１７０２３３号公報

しかしながら、本発明者が検討したところ、錫プラグや錫合金プラグを用いた免震構造体は、繰り返し安定性が十分とは言えず、性能面で改善の余地があることが分かった。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、十分な減衰性能、変位追従性を有する上、繰り返し安定性にも優れた免震構造体用プラグを提供することが可能な免震構造体のプラグ用組成物を提供することにある。また、本発明の他の目的は、かかる組成物を用いた免震構造体用プラグ及び該プラグを用いた免震構造体を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、軟質金属粉と鉄粉とを含有する組成物を免震構造体のプラグに使用することで、十分な減衰性能、変位追従性を有する上、繰り返し安定性にも優れた免震構造体が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明に従う免震構造体のプラグ用組成物は、軟質金属粉と、鉄粉とを含有し、前記鉄粉の含有量が50〜74体積％であることを特徴とする。ここで、軟質金属とは、変形し易く、展延性に富む金属のことを指し、金、銀、銅、スズ、鉛やそれらの合金等を指す。

本発明のプラグ用組成物においては、前記鉄粉の含有量が50〜74体積％である。これにより、変形時の鉄粉同士の摩擦が十分大きいため、十分な減衰効果が得られる上、耐久性も十分確保されている。

本発明のプラグ用組成物において、前記軟質金属粉としては、錫粉及び錫合金粉が好ましい。

また、本発明の免震構造体用プラグは、上記のプラグ用組成物から製造されたことを特徴とし、更に、本発明の免震構造体は、剛性を有する剛性板と弾性を有する弾性板とが交互に積層されてなり、該積層方向に延びる中空部を有する積層体と、該積層体の中空部に圧入されたプラグとを具え、該プラグが上記免震構造体用プラグであることを特徴とする。

本発明によれば、軟質金属粉と鉄粉とを含有し、前記鉄粉の含有量が50〜74体積％であり、十分な減衰性能、変位追従性を有する上、繰り返し安定性にも優れた免震構造体用プラグを作製することが可能な免震構造体のプラグ用組成物を提供することができる。また、かかる組成物を用いた、十分な減衰性能、変位追従性を有する上、繰り返し安定性にも優れた免震構造体用プラグ及び該プラグを用いた免震構造体を提供することができる。

＜プラグ用組成物＞
以下に、本発明のプラグ用組成物を詳細に説明する。本発明に従う免震構造体のプラグ用組成物は、軟質金属粉と、鉄粉とを含有し、前記鉄粉の含有量が50〜74体積％であることを特徴とし、必要に応じて、他の成分を含有してもよい。

本発明者は、鉛プラグの代替として錫プラグを検討したが、該錫プラグを用いた免震構造体は繰り返し安定性に改善の余地があることが分かった。そこで、更に検討を進め、種々の金属粉から圧縮成型によりプラグを作製し、該プラグを免震構造体に使用してみたが、大抵は、金属粉同士が擦れて割れてしまい、十分な耐久性を有するプラグが得られなかったり、繰り返し安定性に問題があった。しかしながら、かかる金属粉の中から、軟質金属粉と鉄粉とを選択し、その混合金属粉からプラグを作製することで、十分な耐久性、減衰特性、変位追従性等を有する上、繰り返し安定性にも優れ、鉛プラグと同等以上の性能を有する免震構造体用プラグが得られることを見出し、本発明に想到したものである。なお、軟質金属粉を含まないプラグ用組成物を使用すると、成型加工性が悪い上、鉄粉同士が擦れて割れてしまい、十分な耐久性を有するプラグが得られず、一方、鉄粉を含まないプラグ用組成物を使用すると、繰り返し安定性が不十分である。

本発明のプラグ用組成物に用いる軟質金属粉は、バインダーとして作用し、鉄粉同士が擦れて割れてしまうのを防止して、プラグの耐久性を向上させる効果を有する。なお、軟質金属粉は、プラグの変形時には、変形時の負荷によって塑性変形し易いため、プラグの変位追従性を向上させることができる。

本発明のプラグ用組成物に用いる軟質金属粉としては、錫（Ｓｎ）粉の他、Ｓｎ−Ｚｎ，Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｓｂ等の錫合金の粉体を使用することができる。これら軟質金属粉は、一種単独で使用してもよいし、二種以上を組み合わせて使用してもよい。また、使用する軟質金属粉は、成型加工性の観点から、融点が75〜500℃であることが好ましい。

本発明のプラグ用組成物において軟質金属粉の含有量は、26〜50体積％の範囲が好ましい。プラグ用組成物中の軟質金属粉の含有量が26体積％未満では、鉄粉同士の接触が増え、繰り返し耐久性が低下する。一方、プラグ用組成物中の軟質金属粉の含有量が50体積％を超えると、鉄粉の割合が減少して、鉄粉間の距離が広くなりすぎ、変形時の鉄粉同士の摩擦が小さくなるため、減衰性能が不十分である。

上記軟質金属粉は、プラグ用組成物をプラグに成型する際に、変形するため、その形状は、特に限定されない。なお、取り扱い性や入手容易性の観点からは、軟質金属粉の粒径は、1μm〜10 mmの範囲が好ましい。また、金属粉の状態でなくてもよく、塊状であっても液化させて鉄粉と混合して使用することが可能である。

一方、本発明のプラグ用組成物に用いる鉄粉は、プラグの減衰性能を主として担う材料であり、具体的には、鉄粉同士の摩擦及び鉄粉と軟質金属との摩擦により振動を減衰させる。なお、プラグ用組成物が鉄粉を含まない場合、プラグの減衰性能が大幅に低下して、十分な減衰性能、変位追従性等を得ることができない。

本発明のプラグ用組成物に用いる鉄粉は、安価である上、他の金属粉と対比して破壊強度が高く、また、鉄粉を主成分とする免震構造体用プラグは、固すぎることも脆すぎることもないため、優れた減衰性能を長期に渡って発揮することができる。なお、使用する鉄粉は、一部酸化されていてもよい。また、鉄粉としては、還元鉄粉、電解鉄粉、噴霧鉄粉、純鉄粉、鋳鉄粉等が挙げられるが、これらの中でも、還元鉄粉が好ましい。

本発明のプラグ用組成物において鉄粉の含有量は、50〜74体積％の範囲である。プラグ用組成物中の鉄粉の含有量が50体積％未満では、鉄粉間の距離が広すぎ、変形時の鉄粉同士の摩擦が小さくなるため、減衰性能が不十分である。一方、プラグ用組成物中の鉄粉の含有量が74体積％を超えると、鉄粉同士の接触が増え、繰り返し耐久性が低下する上、プラグ用組成物からプラグを成形する際に、プラグ用組成物から空気を十分に除くことが難しく、プラグの体積が理想体積（空気の混入が無い場合の体積）より大幅に大きくなり、プラグの減衰性能が低下する。

上記鉄粉の粒径は、0.1μm〜2 mmの範囲が好ましく、1μm〜150μmの範囲が更に好ましい。鉄粉の粒径が0.1μm未満では、取り扱いが困難であり、一方、鉄粉の粒径が2 mmを超えると、鉄粉同士の摩擦が減少して減衰効果が低下する傾向がある。なお、鉄粉の粒径が1μm以上であれば、取り扱いが容易であり、鉄粉の粒径が150μm以下であれば、プラグの減衰性能が十分に高い。

また、上記鉄粉の形状は、不定形であることが好ましい。ここで、不定形とは、球状などの１種類の形状のみではなく、凹凸を有するものや突起を有するものなど、種々の形態を有する形状が混在していることを意味する。バルクを粉砕することなどによって得られる鉄粉の形状は当然に不定形であるが、球状鉄粉を用いた場合と比較したところ、不定形の鉄粉を用いた方が良好な減衰効果が得られた。これは、不定形の鉄粉を使用すると、鉄粉同士、鉄粉−軟質金属間の摩擦の際に引っ掛かり効果のようなものが生じ、球状のもの等を使用した場合と比較して摩擦が大きくなって、減衰性能が良好になるためであると考えられる。

本発明のプラグ用組成物は、軟質金属粉と、鉄粉とを用いる以外特に制限はなく、例えば、公知のミキサーを用いて、鉄粉と軟質金属粉とを混合することで製造できる。

＜免震構造体用プラグ＞
本発明の免震構造体用プラグは、上述したプラグ用組成物から製造されたことを特徴とし、十分な減衰性能、変位追従性を有する上、繰り返し安定性にも優れる。なお、本発明の免震構造体用プラグは、上記プラグ用組成物を用いて、例えば、下記（１）又は（２）のようにして製造することができる。

（１）上記のようにして調製したプラグ用組成物をミキサーから取り出して、成型装置に移し、圧力をかけることによって、プラグへとプレス加工する。この工程で使用するプレス機としては、当該技術分野において通常使用されているものを採用することができる。また、プレス加工の条件も、特に限定されるものではなく、当該技術分野において通常に用いられている条件を適宜改変してプラグの成型に適した条件を設定することができる。例えば、プレス加工の条件としては、プレス温度は常温〜150℃の範囲が好ましく、成形圧力は0.7 t/cm²以上が好ましい。

また、（２）上記のようにして調製したプラグ用組成物をミキサーから取り出して、モールドに移し、軟質金属粉の溶融温度以上且つ鉄粉の溶融温度未満の温度に加熱して、成型することでも、プラグを作製することができる。

＜免震構造体＞
本発明の免震構造体は、剛性を有する剛性板と弾性を有する弾性板とが交互に積層されてなり、該積層方向に延びる中空部を有する積層体と、該積層体の中空部に圧入されたプラグとを具え、該プラグが上述の免震構造体用プラグであることを特徴とし、減衰性能、変位追従性が高く、繰り返し安定性に優れる。以下に、図を参照しながら本発明の免震構造体を詳細に説明する。

図１に示す免震構造体１は、剛性を有する剛性板２と弾性を有する弾性板３とが交互に積層されてなり、該積層方向（鉛直方向）に延びる円筒状の中空部を中心部に有する積層体４と、該積層体４の中空部に圧入されたプラグ５と、積層体４及びプラグ５の両端（上端及び下端）に固定されたフランジ板６とを具え、積層体４の外周面が被覆材７で覆われている。

積層体４を構成する剛性板２と弾性板３とは、例えば、加硫接着により、あるいは接着剤により強固に貼り合わされている。なお、加硫接着においては、剛性板２と未加硫ゴム組成物とを積層してから加硫を行い、未加硫ゴム組成物の加硫物が弾性板３となる。ここで、剛性板２としては、鋼板等の金属板、セラミックス板、ＦＲＰ等の強化プラスチックス板等を使用することができる。一方、弾性板３としては、加硫ゴム製の板等を使用することができる。また、本発明の免震構造体を構成する積層体は、被覆材７で覆われていなくてもよいが、積層体４の外周面が被覆材７で覆われている場合、積層体４に外部から雨や光が届かなくなり、酸素やオゾン、紫外線による積層体４の劣化を防止できる。なお、被覆材７としては、弾性板３と同様な材料、例えば、加硫ゴム等を使用できる。

積層体４は、振動により水平方向のせん断力を受けた際には、せん断変形して、振動のエネルギーを吸収する。また、積層体４は、剛性板２と弾性板３とが交互に積層されてなるため、積層方向（鉛直方向）に荷重が作用しても、圧縮が抑制されている。

上記免震構造体１は、積層体４の中空部にプラグ５が圧入されており、振動により水平方向のせん断力を受けた際には、積層体４と共にプラグ５がせん断変形して、振動のエネルギーを効果的に吸収して、振動を速やかに減衰することができる。ここで、本発明の免震構造体は、プラグ５として、軟質金属粉と鉄粉とを含有する組成物から製造したプラグが用いられているため、十分な減衰性能、変位追従性を有する上、繰り返し安定性にも優れる。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１〜３）
ミキサーを用いて、鉄粉と、錫粉又は錫合金粉とを表１に示す配合で混合してプラグ用組成物を調製した。次に、該プラグ用組成物を温度100℃、圧力1.3 ton/cm²でプレス加工して直径45 mmで円柱状の免震構造体用プラグを作製した。

（比較例１）
ミキサーを用いて、鉄粉とアルミ粉とを混合してプラグ用組成物を調製した。次に、該プラグ用組成物を実施例１〜３と同様にプレス加工して免震構造体用プラグを作製した。

（比較例２）
鉄粉を実施例１〜３と同様にプレス加工して免震構造体用プラグを作製した。

（比較例３及び４）
免震構造体用プラグとして、アルミ製又は鉄製の円柱を準備した。

＜評価＞
中央に円筒状の中空部を有し、外径が225 mmで、剛性を有する剛性板［鉄板］と弾性を有する弾性板［加硫ゴム（Ｇ'＝0.4 MPa）］とが交互に積層されてなる積層体の中空部に、上記免震構造体用プラグを圧入して、図１に示す構造の免震構造体を作製した。なお、プラグの体積は、積層体の中空部の体積の1.01倍とした。上記免震構造体用プラグに対して、下記の方法で減衰性能、追従性、繰り返し安定性及び成形加工性を評価した。結果を表１に示す。

（減衰性能）
上記免震構造体に対し、動的試験機を用いて鉛直方向に基準面圧をかけた状態で水平方向に加振して規定変位のせん断変形を生じさせた。なお、加振変位は、積層体の総厚さを100％として、歪50〜250％とし、加振周波数は0.33 Hzとし、垂直面圧は10 MPaとした。図２に、水平方向の変形変位（δ）と免震構造体の水平方向荷重（Ｑ）との関係を示す。図２中のヒステリシス曲線で囲まれた領域の面積ΔＷが広くなるほど、振動のエネルギーを多く吸収できることを意味する。ここでは、簡便のため、歪200％における切片荷重Ｑ_d（変位０における水平荷重値）でプラグの減衰性能を評価した。なお、切片荷重Ｑ_dは、ヒステリシス曲線が縦軸と交差する点での荷重Ｑ_d1、Ｑ_d2を用いて、下記式：
Ｑ_d＝（Ｑ_d1＋Ｑ_d2）／２
から計算した。Ｑ_dが大きくなる程、ヒステリシス曲線で囲まれた領域の面積が広くなり、減衰性能が優れることを示す。

（追従性）
積層体がせん断変形した際に、プラグがその変形に追従できるか否かを評価し、プラグが変形に追従できる場合を○（良好）、追従できない場合を×（不良）とした。

（繰り返し安定性）
予備試験として、50％、100％、150％、200％、250％歪の各３サイクルずつ、せん断変形を実施した。次に、せん断変形を100％歪（１）、200％歪、100％歪（２）の順に各３サイクルずつかけたとき、Ｑ_d（100％歪（２）の３サイクル目）／Ｑ_d（100％歪（１）の３サイクル目）が0.5以上の場合を○（良好）、0.5未満の場合を×（不良）とした。

（成形加工性）
プラグ用組成物をプレス加工して免震構造体用プラグを作製する際の加工性を評価し、加工性が良好な場合を○、加工性が悪い場合を×とした。

*1 鉄粉, 粒径＝40μm, 不定形還元鉄粉
*2 錫粉, 融点＝449℃, 粒径＝40μm
*3 錫合金粉Ａ, Ｓｎ−Ｚｎ, Ｓｎ＝92質量％, Ｚｎ＝8質量％, 融点＝199℃, 粒径＝40μm
*4 錫合金粉Ｂ, Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ, Ｓｎ＝96.5質量％, Ｃｕ＝0.5質量％, Ａｇ＝3質量％, 融点＝218℃, 粒径＝40μm
*5 アルミ粉, 融点＝660℃

表１の実施例１〜３から、軟質金属粉と鉄粉とを含有するプラグ用組成物から作製したプラグを用いることで、免震構造体の減衰性能を十分に確保できる上、変位追従性、繰り返し安定性、成型加工性も良好であることが分かる。

一方、比較例１から、非軟質金属粉と、鉄粉とを含有するプラグ用組成物は、成型加工性が悪いことが分かる。

また、比較例２から、鉄粉のみから作製したプラグを用いた場合、繰り返し安定性及び成型加工性が悪いことが分かる。これは、鉄粉同士が擦れあって壊れてしまうためであると考えられる。従って、この結果から、鉄粉の間に、軟質金属が介在している必要があることが分かる。

また、比較例３及び４から、プラグとしてアルミ製又は鉄製の円柱を用いた場合、追従性及び繰り返し安定性が悪いことが分かる。

本発明の免震構造体の一例の断面図である。 プラグを使用した免震構造体における、水平方向の変形変位（δ）と水平方向荷重（Ｑ）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 免震構造体
２ 剛性板
３ 弾性板
４ 積層体
５ プラグ
６ フランジ板
７ 被覆材

Claims (4)

1. 軟質金属粉と、鉄粉とを含有し、前記鉄粉の含有量が50〜74体積％であることを特徴とする免震構造体のプラグ用組成物。
2. 前記軟質金属粉が錫粉又は錫合金粉であることを特徴とする請求項１に記載の免震構造体のプラグ用組成物。
3. 請求項１又は２に記載の免震構造体のプラグ用組成物を、成型装置にて圧力をかけてプレス加工することにより、又はモールドにて前記軟質金属粉の溶融温度以上且つ前記鉄粉の溶融温度未満の温度に加熱して成型することにより製造された免震構造体用プラグ。
4. 剛性を有する剛性板と弾性を有する弾性板とが交互に積層されてなり、該積層方向に延びる中空部を有する積層体と、該積層体の中空部に圧入されたプラグとを具える免震構造体において、
   前記プラグが請求項３に記載の免震構造体用プラグであることを特徴とする免震構造体。

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