JP5831734B2 - 慣性質量ダンパー - Google Patents

Description

本発明は、建物等の構造物を対象とする免震システムや制振システムにおける構成要素として適用して好適な慣性質量ダンパーに関する。

この種の免震システムや制振システムに慣性質量ダンパーを適用したものが提案されている（たとえば特許文献１〜３参照）。
慣性質量ダンパーは小質量の回転錘によって桁違いに大きな慣性質量が得られるものであり、ダンパーに作用する相対加速度に比例した反力が得られる特徴を有していることから、上記各システムのように慣性質量ダンパーに対して付加バネを直列に接続することによって高振動数域での応答を低減したり、ＴＭＤのように共振特性を大幅に改善できるシステムを構築できることから、今後の普及が期待されている。

そのようなシステムにおいては慣性質量ダンパーに対して付加バネを直列に接続するための具体的な構造としては、慣性質量ダンパーに対して直列配置される構造部材（曲げ柱、ブレース、板材等）の曲げ剛性や軸剛性を付加バネとして利用するか、あるいは慣性質量ダンパーにコイルバネや皿バネ等の格別のバネ部材を直列に接続することになるが、前者の場合は適切なバネ剛性を有しつつ所望の耐力とストロークを確保できるような構造部材を設定することは容易ではないことから、実際上は後者の手法が現実的である。

その場合、付加バネとしては各種のバネ部材が採用可能であるが、コンパクトで大きな耐荷重性能を持つ皿バネが好適に採用可能であると考えられ、特に複数の皿バネを直列あるいは並列に組み合わせて皿バネ群として用いれば変形性能や耐荷重を増すことができることから、最も一般的なコイルバネを用いる場合よりもコンパクトでローコストに所定の性能が得られるメリットがある。

但し、皿バネ単体では圧縮力にしか対応できないので、圧縮力のみならず引張力にも対応できる付加バネとして機能させるためには、圧縮力に対応するための皿バネ群と引張力に対応するための皿バネ群を組み合わせた構成とする必要がある
図６はその一例を示すもので、シリンダー１内に両方向に変位可能なピストン２を配設し、（ａ）に示すような皿バネ３を（ｂ）に示すようにピストン２の両側にそれぞれ多数（図示例では８枚づつ）直列に重ねた２組の皿バネ群３Ａとして収容した構成としたものである。
このようなバネ部材では、ピストン２に連結したロッド４とシリンダー１の一端に設けたクレビス５との間に生じる圧縮力に対しては、一方（図示例ではピストン２の右側）の皿バネ群３Ａ全体をピストン２により一方向（図示例では右方）に押圧して弾性的に圧縮することで対応し、引張力に対しては他方（同、左側）の皿バネ群３Ａ全体をピストン２により逆方向（同、左方）に押圧して弾性的に圧縮させることで対応することができる。

特開２００８−１０１７６９号公報 特開２００９−１８０３４６号公報 特開２００９−２９３６９１号公報

いずれにしても、慣性質量ダンパーに対して付加バネとしてのバネ部材を構造的に直列に接続するためには、図７に模式的に示すように慣性質量ダンパー６とバネ部材７の一端どうしをクレビス８を介して接続し、それらの他端をそれぞれクレビス９を介して対象構造物の所定位置に対して堅固に接続することが通常である。

しかし、図７（ａ）に示す構造で慣性質量ダンパー６とバネ部材７とを接続して対象構造物に設置した場合、各接続点がいずれもピン接合の形態で接続されるため全体として３ピン構造となり、そのため（ｂ）に示すように自重で撓んでしまったり、圧縮時に座屈するように変形して直線性を維持できなくなることも想定され、その場合には設計時のバネ定数や耐力、ストロークを維持できなくなって所望の性能を発揮できず、システムとしての信頼性を損なってしまう懸念もある。

また、上述したように付加バネとして皿バネ３を利用すること自体は好適ではあるものの、図６に示したように２組の皿バネ群３Ａを備えたバネ部材７ではその全長がかなり大きくなるので、この種のシステムに好適に適用し得るような小形のバネ部材が求められているという事情もある。

上記事情に鑑み、本発明は付加バネを一体に組み込むことによってそれ自体で優れた性能を確保し得る有効適切な慣性質量ダンパーを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、互いに離接する方向に相対振動する二部材間に介装されて該二部材間の相対振動を制御する慣性質量ダンパーであって、前記二部材の一方に対して接続される外装シリンダー内に、ダンパー本体と付加バネとが直列に接続されて一体に組み込まれて、前記付加バネが前記二部材の他方に対して接続され、前記ダンパー本体は、前記外装シリンダー内において軸方向に変位可能かつ回転不能に支持されたボールネジ軸と、該ボールネジ軸に螺着されて前記外装シリンダー内において回転可能かつ軸方向に変位不能に保持されたボールナットと、該ボールナットの回転により回転せしめられる回転錘とを有してなり、前記付加バネは、前記外装シリンダーの軸方向に伸縮可能な状態で前記ボールネジ軸に対して連結されてなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の慣性質量ダンパーであって、前記付加バネは、複数の皿バネが前記外装シリンダーの軸方向に積層された皿バネ群を有し、該皿バネ群の全体が前記外装シリンダーの軸方向に相対変位可能な状態で弾性的に伸縮可能に組み込まれたバネ部材からなることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の慣性質量ダンパーであって、前記付加バネとしてのバネ部材は、前記二部材の他方に対して接続される端部シリンダー要素と、該端部シリンダー要素に対して先端部が軸方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素と、該ロッド要素の先端部に組み付けられて前記端部シリンダー要素内に収容された皿バネ群により構成されていて、前記ロッド要素の基端部に対して前記ダンパー本体のボールネジ軸が接続され、複数枚の皿バネが直列および／または並列に重ねられてなる１組の前記皿バネ群の両端側にそれぞれ押板が配設され、前記ロッド要素の先端部が前記皿バネ群の全体に対して軸方向に相対変位可能に挿通せしめられているとともに、該ロッド要素には前記各押板の外側の位置にそれぞれストッパーが設けられていて、該ストッパーの間において前記皿バネ群の全体が前記ロッド要素の軸方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられ、前記各押板がそれぞれ前記端部シリンダー要素の両端部に設けられた蓋体の内側に配置され、かつ前記ロッド要素の前記端部シリンダー要素に対する軸方向相対変位により各押板が各蓋体の内面に対して押圧されて該ロッド要素の軸方向内側に変位可能な状態で、前記皿バネ群の全体が前記端部シリンダー要素内に収容されて保持されてなることを特徴とする。

本発明によれば、それ自体が慣性質量ダンパーとして機能するダンパー本体と付加バネとを外装シリンダー内に収容してその内部においてそれらを直列に接続したので、この慣性質量ダンパーの両端を対象構造物に対してピン接合すれば良く、したがって両端だけで安定に保持することが可能であって自重により撓んだり圧縮時に座屈するような変形を生じることがない。
また、従来のように慣性質量ダンパーと付加バネとを接続する場合に比べて全体の所要長さを短縮し得てコンパクト化を実現できるし、対象構造物に対する設置作業も容易となり、製作コストを削減することも可能である。

特に、付加バネとして皿バネによるバネ部材を用いれば、十分な小形化と低価格化を実現できるし、その場合において１組の皿バネ群により圧縮と引張の双方に対応する構成とすれば全体の所要長さを十分に削減し得る。

本発明の実施形態である慣性質量ダンパーの概略構成を示す図である。 同、付加バネとしてのバネ部材の構成例とその挙動の説明図である。 同、バネ部材における皿バネ群の構成例を示す図である。 同、慣性質量ダンパー全体の挙動の説明図である。 同、慣性質量ダンパーの変形例を示す図である。 従来の皿バネによる付加バネの一例を示す図である。 従来の慣性質量ダンパーと付加バネの接続例を示す図である。

本発明の慣性質量ダンパー１０の一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態の慣性質量ダンパー１０は、それ自体が従来一般の慣性質量ダンパーと同様に機能するダンパー本体２０と、それに接続される付加バネとしてのバネ部材３０を外装シリンダー１１内に一体に組み込んだことを主眼とする。

外装シリンダー１１は、所定長さの高軸剛性かつ高曲げ剛性の中空円筒体であって、その一端（図では左端）がクレビス１２を介して対象構造物の所定位置に接続されるものである。

外装シリンダー１１内の一端側（図では左端側）には、ボールネジ軸２１とボールナット２２と回転錘２３とにより構成されたダンパー本体２０が組み込まれている。
ボールネジ軸２１は、ほぼその中心位置に円板状の回転防止板２４が固定され、その回転防止板２４は外装シリンダー１１に対してキー２５により軸方向に変位可能かつ回転不能に支持されており、したがってボールネジ軸２１自体が外装シリンダー１１内において軸方向に変位可能かつ回転不能に支持されている。
ボールナット２２は上記のボールネジ軸２１に螺着されて外装シリンダー１１内においてベアリング２６により回転可能かつ軸方向に変位不能に保持されており、そのボールナット２２に対して円筒状の回転錘２３が一体に組み付けられている。

したがってこのダンパー本体２０は、後述するようにボールネジ軸２１がバネ部材３０を介して外装シリンダー１１に対して（つまりボールナット２２に対して）軸方向に変位せしめられた際には、ボールナット２２および回転錘２３が回転せしめられて大きな慣性質量が得られるものであり、それを利用して従来システムと同様に優れた制振効果や免震効果を発揮するものである。
勿論、このダンパー本体２０は、従来一般の慣性質量ダンパーと同様に、ボールネジのリードや回転錘２３の質量・寸法・形状等を調整することで慣性質量を自由に設定することができるものである。
なお、回転錘２３をボールナット２２に対して適宜の摩擦材（図示せず）を介して相対回転可能に装着して過負荷時には回転錘２３をボールナット２１に対してスリップさせる構成とすれば、この慣性質量ダンパー１０に過負荷防止機能を持たせることができる。

外装シリンダー１１内の他端側（右端側）には上記のバネ部材３０が軸方向に相対変位可能に組み込まれ、このバネ部材３０に対して上記のボールネジ軸２１が接続され、これによりそれ自体が慣性質量ダンパーとして機能するダンパー本体２０と付加バネとして機能するバネ部材３０とが構造的に直列に接続されている。

本実施形態におけるバネ部材３０の構成およびその挙動を図２に示す。
本実施形態のバネ部材３０は、端部シリンダー要素３１（以下では単に端部シリンダー３１と略す）と、その端部シリンダー３１に対して軸方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素３２（以下では単にロッド３２と略す）と、ロッド３２の先端部に組み付けられて端部シリンダー３１内に収容されているバネ要素３３により構成されている。

端部シリンダー３１は、外装シリンダー１１の他端側からその内部に挿入されてキー３４（図１参照）を介して外装シリンダー１１に対して軸方向に変位可能（つまり外装シリンダー１１に対して出没可能）かつ相対回転不能な状態で組み付けられており、その基端がクレビス３５を介して対象構造物の所定位置に接続されるものである。

ロッド３２はその基端（図示左端）に上記のボールネジ軸２１が接続されているとともに、その先端部（図示右端部）に組み付けられているバネ要素３３を端部シリンダー３１内に収容し保持することにより、対象構造物の振動（外装シリンダー１１の軸方向に沿う振動）を端部シリンダー３１、バネ要素３３を介してボールネジ軸２１に対して伝達してダンパー本体２０を作動させるものである。

バネ要素３３は、複数枚（図示例では８枚）の皿バネ４０が直列に重ねられた１組の皿バネ群４０Ａを主体とするもので、これ自体で圧縮と引張の双方に対応できるものである。
すなわち、本実施形態におけるバネ要素３３は、皿バネ群４０Ａの両端側に押板４１（４１ａ、４１ｂ）がそれぞれ配設されていて、そのバネ要素３３の全体に対してロッド３２が軸方向に相対変位可能に挿通せしめられており、かつロッド３２には各押板４１の外側の位置にそれぞれストッパー４２（４２ａ、４２ｂ）としての加力ボルトが螺着されていて、それらストッパー４２の間においてバネ要素３３の全体がロッド３２の軸方向両側に弾性的に伸縮可能かつその全体が弾性的に変位可能な状態で組み付けられている。

そして、このバネ要素３３の全体が端部シリンダー３１内に収容された状態では、図２（ａ）に示すように、皿バネ群４０Ａ全体の弾性付勢力によってその両側の各押板４１（４１ａ、４１ｂ）がそれぞれ端部シリンダー３１の両端部に固定されている環状の各蓋体４３（４３ａ、４３ｂ）の内面に対して押圧されるようになっており、その状態でバネ要素３３は端部シリンダー３１内に安定に持されている。
なお、押板４１の外面には硬質ゴム等の緩衝材４４が取り付けられていて、押板４１とストッパー４２および蓋体４３とが接触した際に騒音が発生することが防止されるようになっている。

上記構成のもとに、このバネ部材３０は、図２（ａ）に示す状態で静的に外装シリンダー１１内の端部に位置している状態から、対象構造物に振動が生じて（ｂ）に示すように端部シリンダー３１が外装シリンダー１１に対して押し込まれるような圧縮力が作用した際には、ロッド３２が端部シリンダー３１に対して押し込まれる方向に相対変位し、それにより一方のストッパー４２ｂによって押板４１ｂが端部シリンダー３１内に押し込まれて皿バネ群４０Ａの全体が図示右方向に変位するとともに、押板４１ａが蓋体４３ａに対して押圧され、これによりバネ要素３３全体が弾性的に圧縮される。
逆に、（ｃ）に示すように端部シリンダー３１が外装シリンダー１１から引き抜かれるような引張力が作用した際には、ロッド３２が端部シリンダー３１から抜き出る方向に相対変位し、それにより他方のストッパー４２ａによって押板４１ａが端部シリンダー３１内に引き込まれて皿バネ群４０Ａの全体が図示左方向に変位するとともに、押板４１ｂが蓋体４３ｂに対して押圧され、これによりバネ要素３３全体が弾性的に圧縮される。

このように、本実施形態のバネ部材３０によれば、圧縮時および引張時のいずれにおいても１組の皿バネ群３Ａが圧縮されて圧縮力および引張力の双方に対応可能であるから、図６に示した従来のバネ部材のように２組の皿バネ群を必要とせず、したがって従来と同等のバネ剛性を持つものであっても皿バネ４０の所要枚数を半減できるし、バネ部材３０全体としての所要長さも半減でき、その結果、構成の十分な簡略化と小形化およびローコスト化を実現し得るものである。

勿論、皿バネ４０単体としてのバネ剛性やそれらの枚数、積層パターンを調整することで任意の変形性能や耐力に幅広く対応できるから、皿バネ４０の枚数や配列パターンは皿バネ群４０Ａ全体として所望のバネ剛性が得られるように、たとえば図３に示すような様々なパターンで任意に設計すれば良い。
その場合、皿バネ４０を同じ向きに重ねる並列配列とすれば耐力（荷重）を増大させることができ、逆向きに重ねる直列配列とすれば変形性能を増大させることができるから、バネ部材３０全体として所定の荷重に必要な枚数を並列とし、所定の変形に必要な枚数を直列にすれば良い。

本実施形態の慣性質量ダンパー１０は、上記構成のバネ部材３０を付加バネとして用いて外装シリンダー１１内に組み込み、そのバネ部材３０を外装シリンダー１１内においてダンパー本体２０に対して接続した構成により、図４（ａ）に示すように圧縮力を受けた際にはバネ部材３０が外装シリンダー１１内に押し込まれるように変位しつつダンパー本体２０を作動せしめてボールナット２２および回転錘２３を一方向に回転せしめ、図４（ｂ）に示すように引張力を受けた際にはバネ部材３０が外装シリンダー１１から引き出されるように変位しつつダンパー本体２０を作動せしめてボールナット２２および回転錘２３を逆方向に回転せしめるから、いずれの場合もダンパー本体２０を有効に作動せしめて所望の特性を得ることができる。

そして、本実施形態の慣性質量ダンパー１０はそれ自体の両端を対象構造物に対してクレビス１２，３５を介してピン接合すれば良く、図７に示した従来例のように慣性質量ダンパー６とバネ部材７とが３ピン構造で接続されることがないから、両端だけで安定に保持することが可能であるし、自重により撓んだり圧縮時に座屈するような変形を生じることがないばかりか、外装シリンダー１１に対して軸方向の荷重が作用するだけで曲げやトルクを生じることもなく、これが接続される本体構造に対してトルク負荷が生じることもない。
勿論、従来のように個別の慣性質量ダンパー６とバネ部材７とを接続する場合に比べて全体の所要長さを短縮し得てコンパクト化を実現できるし、対象構造物に対する設置作業も容易となり、安価な皿バネ４０を用いることと相俟って製作コストを十分に削減することも可能である。

以上で本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は好適な一例であって本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内でたとえば以下に列挙するような適宜の設計的変形や応用が可能である。

上記実施形態では皿バネ群４０Ａからなるバネ要素３３の全体を端部シリンダー３１内に収容し、その端部シリンダー３１を外装シリンダー１１に対して出没自在に組み込む構成としたが、要は皿バネ群４０Ａの全体を軸方向両側に変位可能に保持することで圧縮と引張に双方に作用するように構成すれば良いのであって、そのためにはたとえば図５に示すように両側の蓋体４３ａ、４３ｂどうしをボルト５０（鎖線で示す）により連結することとして、蓋体４３ｂに設けた貫通孔にボルト５０を通してナット５１で固定し、蓋体４３ａに対してはボルト５０をタップネジで固定することで、そのボルト５０を上記の端部シリンダー（端部シリンダー要素）３１に代わる要素として機能せしめるように変更しても同様に機能するものとなる。
なお、図５に示す変形例では、上記の変更の他に、上記実施形態における回転防止板２４とストッパー４２ｂとを一体化し、端部シリンダー１１の先端面と蓋体４３ａとを一体化している。

上記実施形態のように付加バネとしては１組の皿バネ群４０Ａにより圧縮時と引張時の双方に対応する構成のバネ部材３０を用いることが最適ではあるが、それに限るものではなく、図６に示した圧縮用と引張用の２組の皿バネ群３Ａからなるバネ部材を用いることも可能である。但し、その場合は付加バネとしての所要寸法が長くなるので、外装シリンダー１１内に収容できることが条件となる。

さらには、付加バネとして皿バネ４０を用いることに限るものでもなく、外装シリンダー１１内に収容でき、かつ圧縮と引張の双方において同等のバネ剛性を呈するものであれば、コイルバネや板バネも含めて任意のバネ要素を採用することも妨げるものではない。

さらになお、本発明の慣性質量ダンパーは、外装シリンダー内に付加バネを一体に組み込むことに加えて、オイルダンパー等の適宜の減衰要素を外装シリンダー内に組み込むことも考えられる。また、クレビス１２，３５をボールジョイントにしても良い。

１０ 慣性質量ダンパー
１１ 外装シリンダー
１２ クレビス
２０ ダンパー本体
２１ ボールネジ軸
２２ ボールナット
２３ 回転錘
２４ 回転防止板
２５ キー
２６ ベアリング
３０ バネ部材（付加バネ）
３１ 端部シリンダー（端部シリンダー要素）
３２ ロッド（ロッド要素）
３３ バネ要素
３４ キー
３５ クレビス
４０ 皿バネ
４０Ａ 皿バネ群
４１（４１ａ、４１ｂ） 押板
４２（４２ａ、４２ｂ） ストッパー
４３（４３ａ、４３ｂ） 蓋体
４４ 緩衝材
５０ ボルト（端部シリンダー要素）
５１ ナット

Claims (3)

1. 互いに離接する方向に相対振動する二部材間に介装されて該二部材間の相対振動を制御する慣性質量ダンパーであって、
   前記二部材の一方に対して接続される外装シリンダー内に、ダンパー本体と付加バネとが直列に接続されて一体に組み込まれて、前記付加バネが前記二部材の他方に対して接続され、
   前記ダンパー本体は、前記外装シリンダー内において軸方向に変位可能かつ回転不能に支持されたボールネジ軸と、該ボールネジ軸に螺着されて前記外装シリンダー内において回転可能かつ軸方向に変位不能に保持されたボールナットと、該ボールナットの回転により回転せしめられる回転錘とを有してなり、
   前記付加バネは、前記外装シリンダーの軸方向に伸縮可能な状態で前記ボールネジ軸に対して連結されてなることを特徴とする慣性質量ダンパー。
2. 請求項１記載の慣性質量ダンパーであって、
   前記付加バネは、複数の皿バネが前記外装シリンダーの軸方向に積層された皿バネ群を有し、該皿バネ群の全体が前記外装シリンダーの軸方向に相対変位可能な状態で弾性的に伸縮可能に組み込まれたバネ部材からなることを特徴とする慣性質量ダンパー。
3. 請求項２記載の慣性質量ダンパーであって、
   前記付加バネとしてのバネ部材は、前記二部材の他方に対して接続される端部シリンダー要素と、該端部シリンダー要素に対して先端部が軸方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素と、該ロッド要素の先端部に組み付けられて前記端部シリンダー要素内に収容された皿バネ群により構成されていて、前記ロッド要素の基端部に対して前記ダンパー本体のボールネジ軸が接続され、
   複数枚の皿バネが直列および／または並列に重ねられてなる１組の前記皿バネ群の両端側にそれぞれ押板が配設され、
   前記ロッド要素の先端部が前記皿バネ群の全体に対して軸方向に相対変位可能に挿通せしめられているとともに、該ロッド要素には前記各押板の外側の位置にそれぞれストッパーが設けられていて、該ストッパーの間において前記皿バネ群の全体が前記ロッド要素の軸方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられ、
   前記各押板がそれぞれ前記端部シリンダー要素の両端部に設けられた蓋体の内側に配置され、かつ前記ロッド要素の前記端部シリンダー要素に対する軸方向相対変位により各押板が各蓋体の内面に対して押圧されて該ロッド要素の軸方向内側に変位可能な状態で、前記皿バネ群の全体が前記端部シリンダー要素内に収容されて保持されてなることを特徴とする慣性質量ダンパー。

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