JP5805694B2 - 振動低減・減衰デバイス - Google Patents

Description

本発明は主として水平方向の微振動を除振する減衰デバイスに関するもので、従来の技術にはない新しい概念の振動低減・減衰デバイスを提供するものである。

地震等によって建物等の構造物に作用する水平方向の加振力を低減するために、構造物を弾性体（ゴム）と硬質板を上下方向に交互に積層した免振デバイスで支持することが行われている（特許文献１）。
又、この免震デバイスには、弾性体とされるゴム体だけでなく、揺れに伴う振動を抑えるため鉛等を内蔵し、これらの部材の複合的な作用で地震の揺れを低減し、建物等の構造物側に地震の揺れを伝達し難くする技術もある。

しかるに、この種の免震技術にあっては、弾性体のせん断変形に伴って水平方向に広い可動域が必要であり、被免震構造物に対して比較的大きな免震デバイスとなってしまうという欠点があった。即ち、被免震・免振構造物である機器類、機械類に適用できる最適な免振デバイスがなかったのが現状である。

阪神大震災、東日本大震災で多くの機械、機器類がダメージを受け、今後予想される地震からこれら機械・機器類を守るニーズが極めて高まっている。更には、光学系を有する精密機器類、輸送機械、建設機械等挙動・姿勢により水平方向の振動の除去のニーズなども同様に高まっており、一定の変位で、地震波、機械振動、微振動など水平方向の振動低減機能と減衰・緩衝機能を併せ持つ、経済的で効果的で、適用しやすい免震・免振デバイスが広い分野で求められている。

特開２００１−１４０９７７

本発明は上記の欠点を改善せんとするものであり、地震波、機械振動、微振動等の水平方向の振動入力に対して、どのような荷重に対しても適用できるように、弾性支持を使わない構造で実現しようとしたものであり、特に、水平方向の可動に対して減衰・緩衝機能を有するダンパを組み合わせて、一定の可動範囲でリミットが掛かる構造を組み合わせた免震デバイスを提供するものである。

本発明の振動低減・減衰デバイスの基本構成は、被免震・免振構造体（以下、問題のない限り被免震構造体という）に対し、水平方向の滑り機構と、その変位を適切にリミットする減衰・緩衝ダンパ機構を組み合わせたことを特徴とするものである。

そして、具体的な構成としては、以下の構成を採用するものである。即ち、被免震構造体と基体構造物の間に装着された滑り構造体と、基体構造物に装着され、この滑り構造体の水平方向の周囲を取り囲む筒体と、筒体内にこの滑り構造体の周囲を取り囲み、水平方向の二次元面内で自在に変位し得る減衰・緩衝ダンパを配したことを特徴とする振動低減・減衰デバイスに係るものである。前記減衰・緩衝ダンパとして、好適には高分子系のチューブの中にエラストマを内包(充填)したものが良いが、水平方向の変位を大きく取らなくても良い場合には、用いられる減衰・緩衝ダンパは内部損失の高い高分子エラストマを用いても良い。

以上の構成によりもたらされる効果は、水平方向の変位があるところまでは滑り構造体の作用にて免震或いは免振し、一方、減衰・緩衝ダンパの作用にて一定の可動範囲内にて変位にリミットが係る構造としたものである。このため、本発明のデバイスによれば、被免震構造体に対して最適の大きさの振動低減・減衰デバイスを提供できることとなったものである。

図１は本発明の振動低減・減衰デバイスの基本形態の平面図である。 図２は図１のAOA線での断面図である。 図３は図１の具体例を示す振動低減・減衰デバイスのAOB線での断面図である。 図４(１)はチューブの中にゲル状のエラストマを内包した減衰・緩衝ダンパの拡大断面図である。 図４(２)はチューブの中にゲル状のエラストマを内包した減衰・緩衝ダンパの拡大断面図である。 図５は本発明の振動低減・減衰デバイスの特性を示すグラフである。 図６(１)はブチル系ゴムを用いた減衰・緩衝ダンパの拡大断面図である。 図６(２)はブチル系ゴムを用いた減衰・緩衝ダンパの拡大断面図である。

本発明の振動低減・減衰デバイスは、水平方向の滑り機構とその変位を適切にリミットする減衰・緩衝ダンパ機構を組み合わせたものであり、更に言えば、被免震構造体と基体構造物の間に滑り構造体が装着され、基体構造物にはこの滑り構造体の水平方向の周囲を取り囲む筒体を配置し、この筒体内面と滑り構造体の間に滑り構造体の周囲を取り囲んで好ましくは、高分子系のチューブの中にエラストマを内包した減衰・緩衝ダンパを配したことを特徴とする振動低減・減衰デバイスに係るものである。

滑り構造体の一例としては、摩擦の小さい摺動性の良いエンジニアリングプラスチックがそのまま利用でき、或いは、金属をコアとし、その上下面に摩擦の小さい摺動性の良いエンジニアリングプラスチックを配した構造体である。そして、ここに用いられるエンジニアリングプラスチックとしては、ポリアセタール（POM）、ポリテトラフルオロエチレン（PIFE）、ポリエステル、ウレタンなどが代表例である。

尚、滑り構造体の側面に減衰・緩衝ダンパが接触するが、必ずしも垂直面に接する構造だけではなく、傾斜面をもって接触させたり、外側に膨らんだ構成や場合によっては内側に凹んだ面構成を採用することが可能である。

一方、筒体の内面も又上記した滑り構造体の側面と同様に種々の形状を取ることが可能である。
これらの減衰・緩衝ダンパと接触する面は、例えば左右に方向には垂直面であるが、前後方向にはやや外側に膨らんだ面を構成し、異方性を目的とした変形も可能である。

減衰・緩衝ダンパを構成する好適例としては、高分子系のチューブは可とう性を有するものであり、具体的にはシリコーンチューブが挙げられる。そして、この高分子系のチューブ内に内包（充填）されるエラストマはアスカC硬度３０度以下、針入度７０〜２８０、ちょう度５０〜１２０のゲル状のエラストマが好んで用いられる。具体例としては、ウレタン系、アクリル系、スチレン系、オレフィン系エラストマ等が挙げられる。

尚、地震波以外で機械振動や微振動等の水平方向の変位を大きくしなくても良いような場合には、滑り構造体を取り囲む減衰・緩衝ダンパは、シュアA硬度３０〜５０程度の内部損失の高い高分子エラストマであっても良く、かかる例としては、ブチル系やNR／SBR系高分子材料、ウレタン系、ポリエチレン系などの発泡材料等が挙げられる。

上記の減衰・緩衝ダンパは、滑り構造体を取り囲むいわゆるドーナッツ状の形状をしているが、断面は必ずしも円形である必要はなく、その求められる性能によって当初から楕円形、矩形、半円形等としておくことが可能であり、部分的に断面形状を変化させておくこともできる。

このように構成した減衰・緩衝ダンパは、水平方向の二次元面内で自在に変位し得るものであり、水平方向の荷重（水平変位）に対しある範囲までは抵抗を小さくし、そしてある水平変位に近づくと「たわみ−荷重曲線」が徐々に立ち上がり水平変位にリミットが掛かる構造としたものである。これによって、水平変位が比較的大きくなってしまう従来の免震装置のようなゴムの弾性力に頼らない、変位を適切にリミットする減衰・緩衝ダンパ機構を取り入れた構造となったものである。

尚、本発明の振動低減・減衰デバイスにおいて、鉛直方向の振動絶縁構造を組み合わされば、三次元の振動低減デバイスも実現可能であることはいうまでもない。

さて、図１は本発明の振動低減・減衰デバイスの基本形態の平面図、図２は図１のAOA線での断面図、図３は被免震構造体を取り付けるための取り付け台及び基体構造物に取り付けるためのチャンネルを加えたAOB線での断面図である。

符号１は円筒状の滑り構造体であり、この例では金属コア２に対し、上下に摩擦の小さい摺動性の良いエンジニアリングプラスチックプレート３、４が接着された構造である。そして、その中央に図示しない被免震構造体を取り付けるための軸（ボルト）５が装着されている。この軸５には座金６がはめ込まれ、更に被免震構造体を取り付ける取り付け台７が軸５にはめ込まれてナット８にて固定される例である。尚、この例では後述する減衰・緩衝ダンパと接触する側面を垂直に形成した例である。

そして、この滑り構造体１の水平方向の周囲を取り囲む金属製でカップ状の筒体９を配置し、金属製の底プレート１０をもって筒体９を封鎖した構造である。これにより、滑り構造体１はこの底プレート１０面を水平方向に滑ることになる。尚、符号１１はカップ状の筒体９に備えた補強プレートであり、この例では、前記したエンジニアリングプラスチックプレート３、４が底プレート１０及び補強プレート１１に接触して水平方向に滑ることとなる。尚、この例にあって、AOAの寸法は１２８ｍｍ、AOBの寸法は１５５mm、滑り構造体１の水平方向の直径は５０mm、筒体９の直径は８０ｍｍで、側面は垂直に形成されている。

従って、この例では滑り構造体１の垂直面と筒体９の垂直面との間には夫々１２〜１３ｍｍの隙間ができている。そして、この筒体９の内面と滑り構造体１の水平方向の隙間に、かかる滑り構造体１の周囲を取り囲んで減衰・緩衝ダンパ２０を配したものである。この減衰・緩衝ダンパ２０は、この例では図４に示すようなシリコーン等の可とう性の高分子系のチューブ２１の中に、アスカC硬度３０度以下、針入度７０〜２８０、ちょう度５０〜１２０のゲル状のエラストマ２２を内包したものである。

そして、振動低減・減衰デバイスは図３のように基体構造物に取り付けるためのチャンネル１２に装着されるものであり、この例はバネ材１３を介してボルト１４及びナット１５をもって装着されたものである。尚、バネ材１３を介して装着されることにより、バネ材１３は鉛直方向の振動絶縁構造の役割も期待されるもので、係る構造とすることにより水平方向のみならず、三次元の振動低減デバイスとしても効果が期待されるものである。

さて、図４は減衰・緩衝ダンパ２０を特に取り出した断面図であり、図４（１）は水平方向に負荷がかかっていない状態であり、図４（２）は水平方向に負荷のかかった状態の断面図である。前者にあって、減衰・緩衝ダンパ２０の変位可能分だけ水平方向に変位可能な状態である。即ち、図４（１）は水平方向に負荷がかかっていない静止状態の拡大断面図であり、図４（２）は変位状態の拡大断面図である。このようにダンパ２０の変位状態にあっては、ダンパ２０が変位方向で筒体９の内面に接触してチューブ２１に内包されたエラストマ２２が大きく変形して減衰力をもたらすこととなる。

即ち、図５のグラフにて示すように水平方向の荷重（水平変位）に対しある範囲までは抵抗を小さくし、そしてある水平変位、言い換えれば許容変位に近づくと水平変位にリミットが掛かる構造としたものである。このことは、内包された特殊ゲルのエラストマ２２の効果で水平変位が与えられた当初はほとんど抵抗力を発生せずにしばらく変位し、チューブ２１が筒体９の内面に接触して押され始めると急激に変位が抑えられ、この例では約８０００Nで水平変位が１３ｍｍに抑えられるように設計されたものである。

尚、振動低減デバイスの水平方向の可動変位及びその変位特性は、減衰・緩衝ダンパ２０が滑り構造体１と筒体９との間に挟まれつつ変形することによってもたらされるが、相互に対向する面の形状によっても異なるものであり、図示したものは滑り構造体１と筒体９とを平行な対面(垂直面)としたが、両者又は一方の面に凹みや傾斜をつけておくことによって特性を変化させることが可能である。更に、一方の形状を楕円形状等としても特性を変化させることが可能である。勿論、減衰・緩衝ダンパ２０を構成するチューブ２１の断面形状を円形以外とすることもある程度の効果がある。

図５中、矢印ａ線は荷重を上げていった場合の特性であり、矢印ｂ線は荷重を下げていった場合の特性を示すものであり、本発明で使用する減衰・緩衝ダンパ２０は内部損失の高い材料を用いたために係るループを描くもので、本発明はこの特性を高度に利用し、振動低減デバイス中に組み込んだものであるといえる。

尚、天然ゴムにて代表される線形材料を使用した場合には、水平変位・撓み特性はほぼ直線状態に変化するが、本発明の振動低減デバイスは、ある水平変位まではほぼ荷重がかからず、所望の水平変位あたりから急激に抵抗を上げて変位を阻止しようとする機能を持っている点が全く異なるものである。

図６は減衰・緩衝ダンパ２０としてブチル系ゴム２３を使用した例であり、滑り構造体１を取り囲む環状の減衰・緩衝ダンパ２０を用いたものである。図６（１）は水平方向に負荷がかかっていない静止状態の拡大断面図であり、図６（２）は変位状態の拡大断面図である。かかるブチル系ゴムも前記した特殊ゲルのエラストマを用いた減衰・緩衝ダンパと同様の効果があり、主として各種機械の免振に供されることとなる。

本発明は以上の通りであり、各種産業機械・機器、事務機器、家電製品、美術品、精密機器、輸送機器など機械・機器類の地震或いは大きな水平方向の振動から保護する分野、半導体露光装置や電子顕微鏡など光学系を有する水平方向の微振動を除振する分野、更には美術品、精密機器、鮮魚などの水平方向の振動抑制分野などに適用可能であり、その重要性はますます高くなる。

１ 滑り構造体
２ 金属コア
３、４ 摩擦の小さい摺動性の良いエンジニアリングプラスチックプレート
５ 軸
６ 座金
７ 取り付け台
８ ナット
９ 筒体
１０ 底プレート
１１ 補強プレート
１２ チャンネル
１３ バネ材
１４ ボルト
１５ ナット
２０ 減衰・緩衝ダンパ
２１ 可とう性の高分子系のチューブ
２２ ゲル状のエラストマ
２３ ブチル系ゴム

Claims (9)

1. 基体構造物に装着される筒体と、
   前記筒体によって水平方向を取り囲まれ、水平方向に移動可能とされた滑り構造体と、
   前記滑り構造材に装着されると共に、前記筒体の上面に形成された開口部から筒軸方向の外側へ延出されて被免震構造体が取り付けられる軸と、
   前記筒体の内周面と前記滑り構造体の外周面に接触していると共に、水平方向の二次元面内で変形可能とされた高分子系のチューブに内包されたゲル状エラストマと、
   を備えた振動低減・減衰デバイス。
2. 前記筒体の前記開口部の周縁部の下面に設けられると共に、前記滑り構造体の上面と当接する補強プレートと、
   前記筒体の下端部を封鎖すると共に、上面が前記滑り構造体の下面と当接する底プレートと、
   を備え、前記滑り構造体が前記補強プレートと前記底プレートとの間を水平方向に移動可能とされた、請求項１に記載の振動低減・減衰デバイス。
3. 前記滑り構造体の上面と前記滑り構造体の下面とが摩擦の小さい摺動性の良いエンジニアリングプラスチックである請求項１又は２に記載の振動低減・減衰デバイス。
4. 前記滑り構造体は、それ自体がエンジニアリングプラスチックである請求項１〜３何れか１項に記載の振動低減・減衰デバイス。
5. 前記滑り構造体は、金属をコアとし、その上面及び下面に摩擦の小さい摺動性の良いエンジニアリングプラスチックを配した構造体である請求項１〜３何れか１項に記載の振動低減・減衰デバイス。
6. 前記エンジニアリングプラスチックがポリアセタール（POM）、ポリテトラフルオロエチレン（PIFE）、ポリエステル、ウレタンである請求項３〜５何れか１項に記載の振動低減・減衰デバイス。
7. 前記高分子系のチューブがシリコーンチューブである請求項１〜６何れか１項に記載の振動低減・減衰デバイス。
8. 前記エラストマは、アスカC硬度３０度以下、針入度７０〜２８０、ちょう度５０〜１２０である請求項１〜７何れか１項に記載の振動低減・減衰デバイス。
9. 前記エラストマは、ウレタン系、アクリル系、スチレン系、オレフィン系ゲル状エラストマである請求項８に記載の振動低減・減衰デバイス。