JP6186272B2 - 振動抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、支持体に立設された構造物の振動を抑制するための振動抑制装置に関する。

従来、この種の振動抑制装置として、例えば本出願人がすでに出願し、特許された特許文献１に開示したものが知られている。この振動抑制装置は、回転マスを用いて振動を抑制するマスダンパを備えている。このマスダンパは、高層ビルなどの構造物と支持フレームとの間に設置され、構造物の振動に伴って発生する両者の間の相対変位を、回転マスの回転運動に変換することにより、構造物の振動を抑制するものである。具体的には、マスダンパは、一端部が構造物及び支持フレームの一方に連結されたねじ軸と、このねじ軸に多数のボールを介して螺合するナットと、ねじ軸の他端部を収容するとともにナットに回転自在に連結され、構造物及び支持フレームの他方に連結された内筒と、ナット及び内筒の外周を覆った状態に設けられ、ナットに回転滑り材を介して支持されるとともに内筒にベアリングを介して回転自在に支持された円筒状の回転マスとを有している。この回転マスと内筒の間には、シリコンオイルなどから成る粘性体が充填されている。

このように構成されたマスダンパでは、例えば地震時に、構造物と支持フレームの間に相対変位が発生すると、ねじ軸と内筒の相対的な直線運動が、ねじ軸に螺合するナット及び回転滑り材を介して、回転マスの回転運動に変換されることによって、回転マスが回転する。これにより、回転マスの回転慣性効果が得られ、回転マスの見かけの質量（等価質量）が実際の質量（実質量）に対して増幅されることにより、構造物の制振効果を得ることができる。また、回転マスと内筒の間に設けられた粘性体のせん断力によって、回転マスの回転速度に応じた粘性減衰効果を発揮させることにより、構造物の振動を速やかに収束させることができる。以上により、構造物の振動を適切に抑制することができる。なお、このマスダンパをモデル化すると、回転マスである回転慣性質量要素に、粘性体である粘性減衰要素が並列に接続された構成になる。

特許第５１８９２１３号公報

上記のようなマスダンパを、例えば基礎と、その上に積層ゴムなどのアイソレータを介して立設された構造物との間に、免震用として設置する場合、次のような問題がある。すなわち、マスダンパの両端部をそれぞれ、基礎及び構造物に直接連結する場合、基礎側及び構造物側の支持部材は通常、剛性が高く、このため、地震時には、高振動数を含む地動加速度がマスダンパに直接作用する。この場合、マスダンパには、回転マスによる回転慣性力、及び粘性体による粘性減衰力による過大なダンパ力が生じ、長周期系である構造物の絶対加速度応答が増大してしまう。すなわち、地動による高振動数領域の加速度成分が、大きな回転慣性質量を有するマスダンパを介して、基礎上の構造物に直接入力されるおそれがあり、それにより、適切な免震効果を得られないことがある。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、免震用として設置する場合でも、構造物の振動を適切に抑制することができる振動抑制装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、支持体に立設された構造物の振動を抑制するための振動抑制装置であって、回転マスを有し、支持体と構造物との間の相対変位を回転マスの回転運動に変換する慣性接続要素と、この慣性接続要素に直列に接続され、支持体及び構造物の一方に連結された粘性減衰要素と、を備えており、慣性接続要素は、一端部が支持体及び前記構造物の一方に連結されたねじ軸と、このねじ軸にボールを介して螺合し、ねじ軸の軸線方向への往復動を回転運動に変換するナットと、ねじ軸と同軸状に延び、一端部が支持体及び構造物の他方に連結されるとともに、他端部がナットに回転自在に連結され、ナットを介してねじ軸を支持するボールねじ支持体と、をさらに有し、回転マスは、ナット及びボールねじ支持体の外周を覆う筒状に形成されるとともに、ナット及びボールねじ支持体に対して回転自在に構成されており、粘性減衰要素は、ナットと回転マスの間に設けられた所定の作動流体を有していることを特徴とする。

この構成によれば、地震などにより、支持体と構造物との間の相対変位が発生すると、その相対変位による直線運動が、慣性接続要素の回転マスの回転運動に変換され、回転マスが回転する。この回転マスの回転慣性効果により、回転マスの等価質量が実質量に対して増幅されることによって、構造物の制振効果を効率よく得ることができる。また、粘性減衰要素が、回転マスを有する慣性接続要素に直列に接続された状態で、支持体及び構造物の一方に連結されているので、振動抑制装置が接続される支持体及び構造物の支持部材の剛性が比較的高い場合でも、慣性接続要素の回転慣性力による反力は、直列される粘性減衰要素による粘性減衰効果によって低減され、それにより、支持体や構造物への作用が抑制される。これにより、本発明の振動抑制装置を免震用として設置する場合でも、構造物の振動を適切に抑制することができる。

また、上記の構成によれば、支持体と構造物との間の相対変位が発生すると、それらにそれぞれ連結されたねじ軸及びボールねじ支持体が、それらの軸線方向に沿って直線運動し、この直線運動が、ナットを介して、回転マスの回転運動に変換される。また、ナットと回転マスの間に設けられた所定の作動流体を有する粘性減衰要素により、その作動流体を利用して、粘性減衰効果を発揮させ、それにより、慣性接続要素の回転慣性力による反力の低減を効果的に行うことができる。その結果、慣性接続要素の回転慣性力による反力の支持体や構造物への作用を適切に抑制することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の振動抑制装置において、粘性減衰要素は、ナットと回転マスの間に作動流体を充填した状態に画成する作動流体充填室と、この作動流体充填室を軸線方向に互いに隣接する第１室及び第２室に仕切るように設けられ、ナット及び回転マスの一方に螺合しかつ他方に軸線方向に移動自在に係合し、ナットと回転マスが相対的に回転することによって、軸線方向に移動する可動体と、この可動体に設けられ、粘性減衰要素において所定の減衰係数を得るように調整するための調整弁と、をさらに有していることを特徴とする。

この構成によれば、ナットと回転マスの間に画成された作動流体充填室内に作動流体が充填され、この作動流体充填室が、可動体によって、軸線方向に互いに隣接する第１室及び第２室に仕切られている。また、この可動体は、ナット及び回転マスの一方に螺合しかつ他方に軸線方向に移動自在に係合している。支持体と構造物との間の相対変位によってナットが回転する場合、可動体がナットと一体に回転しかつ軸線方向に移動しない状態では、回転マスがナットと一体に回転する。また、ナットが回転マスに対して相対的に回転すると、可動体は、ナット又は回転マスと一体に回転しながら、軸線方向に沿って移動する。またこの場合、可動体の調整弁によって調整された、粘性減衰要素における所定の減衰係数に基づき、第１室と第２室の間の作動流体の移動速度に応じた粘性減衰効果を発揮させることができ、それにより、慣性接続要素の回転慣性力による反力の低減を適切に行うことができる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の振動抑制装置において、粘性減衰要素は、ナットの外周を覆った状態に設けられるとともに回転マスに連結され、内部に作動流体が充填されたギヤケースと、このギヤケース内においてナットの外周に設けられ、ギヤケースの内周面に摺接する駆動ギヤ部と、ギヤケース内において回転自在に設けられ、駆動ギヤ部に噛み合うとともにギヤケースの内周面に摺接する従動ギヤ部と、ギヤケースに設けられ、ナットの回転に伴う駆動ギヤ部及び従動ギヤ部の回転により、ギヤケースに対して作動流体を流出又は流入させるための第１出入口及び第２出入口と、これらの第１出入口と第２出入口をギヤケースの外部において接続し、作動流体が通流可能な作動流体通路と、この作動流体通路に設けられ、粘性減衰要素において所定の減衰係数を得るように調整するための調整弁と、をさらに有していることを特徴とする。

この構成によれば、ナットの外周を覆った状態に設けられたギヤケースが回転マスに連結され、そのギヤケース内に作動流体が充填されている。また、ギヤケース内には、ナットの外周に設けられた駆動ギヤ部、及びこの駆動ギヤ部に噛み合う従動ギヤ部が回転自在に設けられており、これらの駆動ギヤ部及び従動ギヤ部は、ギヤケースの内周面に摺接している。支持体と構造物との間の相対変位によってナットが回転する場合、そのナットとギヤケースが一体に回転している状態では、ギヤケースが連結された回転マスも、ナットと一体に回転する。また、ナットがギヤケースに対して相対的に回転すると、ナットの駆動ギヤ部及びこれに噛み合う従動ギヤ部が、作動流体を搬送するギヤポンプと同様に動作し、その作動流体を、第１出入口及び第２出入口の一方からギヤケースの外部、すなわち両出入口に接続された作動流体通路側に送り出す。またこの場合、作動流体通路の調整弁によって調整された、粘性減衰要素における所定の減衰係数に基づき、調整弁を通過する作動流体の移動速度に応じた粘性減衰効果を発揮させることができ、それにより、慣性接続要素の回転慣性力による反力の低減を適切に行うことができる。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の振動抑制装置において、粘性減衰要素は、ナットと回転マスの間に作動流体を充填した状態に画成する作動流体充填室と、この作動流体充填室内において、ナットの外周面に外側径方向に広がるように設けられ、ナットと一体に回転可能なナット側回転板と、作動流体充填室内において、回転マスの内周面に内側径方向に広がりかつナット側回転板と軸線方向に隙間を介して対向するように設けられ、回転マスと一体に回転可能な回転マス側回転板と、をさらに有していることを特徴とする。

この構成によれば、ナットと回転マスの間に画成された作動流体充填室内に作動流体が充填され、この作動流体充填室内において、ナットと一体に回転可能で、その外周面に外側径方向に広がるように設けられたナット側回転板と、回転マスと一体に回転可能で、その内周面に内側径方向に広がるように設けられた回転マス側回転板とが、軸線方向に隙間を介して対向している。上記の作動流体として、非常に粘度が高いものなどを用いる場合、支持体と構造物との間の相対変位によってナットが回転し、その回転速度が比較的遅いときには、ナット側回転板と回転マス側回転板がほぼ一体に回転する。つまり、この場合には、回転マスがナットとほぼ一体に回転する。また、例えば、作動流体として、種々の粘性減衰特性を有するものから適宜、採用することにより、その作動流体のせん断力抵抗による粘性減衰効果を発揮させながら、前述した請求項２及び３と同様に、慣性接続要素の回転慣性力による反力の低減を適切に行うことができる。

本発明の一実施形態による振動抑制装置を含む免震装置を、これを適用した構造物とともに概略的に示す図である。 （ａ）は第１実施形態のマスダンパの縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。 第１実施形態のマスダンパをモデル化して示す図である。 可動体の移動速度と、マスダンパの軸線方向に作用する荷重との関係を示す図である。 （ａ）は第１実施形態の変形例のマスダンパの縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。 （ａ）は第２実施形態のマスダンパの縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。 （ａ）は第３実施形態のマスダンパの縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。 （ａ）は、第１実施形態のマスダンパに、緩衝バネとしての支持部材を直列に接続したモデル、（ｂ）は、回転マスを有する慣性接続要素と粘性減衰要素が並列に接続された従来のマスダンパに、緩衝バネとしての支持部材を直列に接続したモデルを示す図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、図８の実施例と比較例のモデルについて、加振振動数に対し、ダンパ力に直接関係のあるバネ部応答変位倍率、等価ケルビンモデルに置換したときの等価減衰係数及び等価剛性を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による振動抑制装置としてのマスダンパを含む免震装置を、これを適用した構造物とともに概略的に示している。同図に示すように、この免震装置１は、地面に固定された基礎２（支持体）と、この基礎２上に立設された高層ビルなどの構造物３との間に設けられている。具体的には、免震装置１は、複数（図１では２つのみ図示）の積層ゴム４と、複数（図１では１つのみ図示）のマスダンパ５とで構成されている。

積層ゴム４は、基礎２上に固定されるとともに構造物３の底面に固定され、構造物３を下方から支持している。一方、マスダンパ５は、その両端部が、基礎２上に突設された支持部材２ａ、及び構造物３の下面に突設された支持部材３ａにそれぞれ連結されている。

図２は、第１実施形態のマスダンパ５を示している。このマスダンパ５は、内筒１１（ボールねじ支持体）、ボールねじ１２、回転マス１３及び制限・減衰機構１４を備えている。内筒１１は、鋼材から成り、一端部（図２（ａ）の左端部）が開口し、他端部（図２（ａ）の右端部）が閉じた円筒状に形成されている。また、この内筒１１の他端部は、マスダンパ５の反力によっては回転しない程度の摩擦を有する自在継手１５ａを介して、第１フランジ１５に回転自在にかつ移動不能に取り付けられている。

ボールねじ１２は、ねじ軸１２ａと、このねじ軸１２ａに多数のボール１２ｂを介して螺合するナット１２ｃを有しており、内筒１１と同軸状でかつ直列に配置されている。ねじ軸１２ａは、所定長さを有しており、その一端部が内筒１１の開口に収容されている。また、このねじ軸１２ａの他端部は、マスダンパ５の反力によっては回転しない程度の摩擦を有する自在継手１６ａを介して、第２フランジ１６に回転自在にかつ移動不能に取り付けられている。ナット１２ｃは、内筒１１側の端部がクロスローラベアリング１７を介して内筒１１に嵌合しており、それにより、内筒１１に回転自在に支持されている。

回転マス１３は、比重が比較的大きな材料（例えば鉄）から成り、肉厚の円筒状に形成されている。また、回転マス１３は、内筒１１及びボールねじ１２の外側に同軸状に配置され、両者１１、１２を覆っている。回転マス１３の第１フランジ１５側の端部は、ラジアルベアリング１８を介して、内筒１１に嵌合しており、したがって、回転マス１３は、内筒１１に対し、回転自在になっている。

制限・減衰機構１４は、マスダンパ５における回転運動への変換動作を制限するとともに、粘性減衰効果を発揮させるものである。この制限・減衰機構１４は、ボールねじ１２のナット１２ｃと回転マス１３との間に、所定の作動流体（例えばシリコンオイル）を充填した状態に画成する作動流体充填室２１と、この作動流体充填室２１をマスダンパ５の軸線方向（図２（ａ）の左右方向）に互いに隣接する第１室２１ａ及び第２室２１ｂに仕切るように設けられ、軸線方向に移動可能な可動体２２と、この可動体２２に設けられた複数（本実施形態ではそれぞれ２つ）の調整弁２３及びリリーフ弁２４とを有している。

作動流体充填室２１は、ナット１２ｃの軸線方向の両端部にそれぞれ位置する、シール機能を有する２つのベアリング２５、２５を備えている。これらのベアリング２５、２５によって、回転マス１３がナット１２ｃに回転自在に支持されるとともに、作動流体充填室２１がシールされている。

可動体２２は、ナット１２ｃの外径とほぼ同じ内径、及び回転マス１３の内径とほぼ同じ外径を有するドーナツ状に形成され、軸線方向に所定の厚さを有している。また、可動体２２の内周部には、ナット１２ｃの外周面に形成された雄ねじ部２６に螺合する雌ねじ部（図示せず）が形成されている。さらに、図２（ｂ）に示すように、可動体２２の外周部には、外方に開放するコ字状の係合凹部２２ａが、所定角度（本実施形態では９０度）ごとに複数（本実施形態では４つ）形成されており、これらの係合凹部２２ａが、回転マス１３の内周面に形成された複数のガイド凸部１３ａにそれぞれ摺動自在に係合している。これらのガイド凸部１３ａは、作動流体充填室２１内において、軸線方向に沿って延び、周方向に所定角度（本実施形態では９０度）ごとに内方に突出している。したがって、これらのガイド凸部１３ａに係合凹部２２ａを介して摺動自在に係合する可動体２２は、回転マス１３に対し、一体に回転するとともに軸線方向に移動自在になっている。

また、可動体２２には、複数（本実施形態ではそれぞれ２つずつ）の調整弁２３及びリリーフ弁２４が設けられている。調整弁２３は、マスダンパ５において、所定の減衰係数を得られるように調整するためのものである。具体的には、調整弁２３は、作動流体充填室２１の第１室２１ａと第２室２１ｂとを連通するとともに、可動体２２の軸線方向の移動に伴い、その移動速度に応じた量の作動流体を、第１室２１ａ及び第２室２１ｂの一方から他方に移動させるように構成されている。一方、リリーフ弁２４は、常時は閉鎖しており、可動体２２の軸線方向の移動に伴い、作動流体充填室２１の第１室２１ａ及び第２室２１ｂの一方の圧力が所定値に達したときに開弁し、それにより、第１室２１ａ及び第２室２１ｂの一方から他方への作動流体の移動を許容するように構成されている。

図３は、マスダンパ５をモデル化して示している。同図に示すように、マスダンパ５は、前記回転マス１３を有する慣性接続要素１０と、前記制限・減衰機構１４を有する粘性減衰要素２０とが、互いに直列に接続されたものと同等である。したがって、このマスダンパ５では、回転マス１３の回転慣性効果及び制限・減衰機構１４の粘性減衰効果によって、構造物３の振動が以下のようにして抑制される。

すなわち、マスダンパ５では、地震などにより、基礎２と構造物３との間の相対変位が発生すると、それらにそれぞれ連結された内筒１１及びねじ軸１２ａが、それらの軸線方向に沿って直線運動し、その直線運動が、回転するナット１２ｃを介して、回転マス１３の回転運動に変換される。回転マス１３が回転すると、その回転慣性効果により、回転マス１３の等価質量が実質量に対して増幅されることによって、回転マスの実質量に対して非常に大きな回転マス１３による反力（回転慣性力）が発生し、それにより、構造物３の振動が抑制される。

また、制限・減衰機構１４における可動体２２は、次のように動作する。すなわち、基礎２と構造物３との間の相対変位によって、マスダンパ５のナット１２ｃが回転する場合、回転マス１３がナット１２ｃと一体に回転するときには、可動体２２は、軸線方向に移動することなく、回転マス１３及びナット１２ｃと一体に回転する。

図４は、可動体２２の移動速度Ｖと、マスダンパ５の軸線方向に作用する荷重Ｆとの関係を示しており、グラフの勾配Ｃ１、Ｃ２が可動体２２における減衰係数を表している。ナット１２ｃが、回転マス１３に対して相対的に回転するときには、可動体２２は、回転マス１３と一体に回転しながら、相対回転量に応じて、軸線方向に移動する。この場合、可動体２２の調整弁２３による減衰係数Ｃ１に基づき、作動流体充填室２１の第１室２１ａと第２室２１ｂの間を、調整弁２３を介して流れる作動流体の移動速度に応じた粘性減衰効果が発揮される。加えて、軸線方向への可動体２２の移動により、第１室２１ａ及び第２室２１ｂの一方の圧力が上昇する。これに伴い、マスダンパ５において、回転マス１３の回転慣性力及び作動流体による減衰力も次第に大きくなる。

そして、第１室２１ａ及び第２室２１ｂの一方の上昇した圧力が所定値に達したとき、すなわち、マスダンパ５の軸線方向に作用する荷重Ｆが所定の制限荷重Ｆ１に達したときに、リリーフ弁２４が開弁する。これにより、第１室２１ａ及び第２室２１ｂの一方から他方に作動流体が流れ、作動流体充填室２１の全体が、所定値よりも低い一定の圧力になる。その結果、可動体２２における減数係数Ｃ１が、減衰係数Ｃ２に低下する。そして、回転マス１３の回転慣性力及び作動流体による減衰力のそれ以上の増大が抑制され、マスダンパ５における軸力を適切に制限することができる。

また、この場合、回転マス１３の回転慣性力による反力は、制限・減衰機構１４による粘性減衰効果によって低減され、それにより、基礎２や構造物３への作用が抑制される。これにより、マスダンパ５を備えた免震装置１により、構造物３の振動を適切に抑制することができる。

図５は、上述した第１実施形態のマスダンパ５の変形例を示している。この変形例のマスダンパ５Ａは、マスダンパ５に対し、制限・減衰機構１４における可動体２２とナット１２ｃ及び回転マス１３との係合関係のみが異なっており、その他の構成部分については、マスダンパ５と同様である。したがって、以下の説明では、マスダンパ５と同じ構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略するものとする。

図５に示すように、このマスダンパ５Ａの制限・減衰機構１４は、作動流体充填室２１と、この作動流体充填室２１を第１室２１ａ及び第２室２１ｂに仕切るように設けられ、軸線方向に移動可能な可動体２２Ａと、この可動体２２Ａに設けられた複数の調整弁２３及びリリーフ弁２４とを有している。

可動体２２Ａは、前記可動体２２と同様のサイズを有するドーナツ状に形成されている。また、可動体２２Ａの外周部には、回転マス１３の内周面に形成された雌ねじ部１３ｂに螺合する雄ねじ部（図示せず）が形成されている。さらに、図５（ｂ）に示すように、可動体２２Ａの内周部には、内方に開放するコ字状の係合凹部２２ｂが、所定角度（本実施形態では９０度）ごとに複数（本実施形態では４つ）形成されており、これらの係合凹部２２ｂが、ナット１２ｃの外周面に形成された複数のガイド凸部１２ｄにそれぞれ摺動自在に係合している。これらのガイド凸部１２ｄは、作動流体充填室２１内において、軸線方向に沿って延び、周方向に所定角度（本実施形態では９０度）ごとに外方に突出している。したがって、これらのガイド凸部１２ｄに係合凹部２２ｂを介して摺動自在に係合する可動体２２Ａは、ナット１２ｃに対し、一体に回転するとともに軸線方向に移動自在になっている。

このように構成されたマスダンパ５Ａも、前述したマスダンパ５と同様の作用、効果、すなわち、マスダンパ５Ａにおける軸力を適切に制限することができるとともに、回転マス１３の回転慣性力による反力が基礎２や構造物３に作用するのを抑制しながら、構造物３の振動を適切に抑制することができる。

次に、図６を参照しながら、本発明の第２実施形態による振動抑制装置としてのマスダンパについて説明する。なお、このマスダンパ６は、前述した第１実施形態のマスダンパ５に対し、制限・減衰機構１４の構成のみが異なっており、その他の構成部分については、マスダンパ５と同様である。したがって、以下の説明では、マスダンパ５と同じ構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略するものとする。

図６に示すように、このマスダンパ６は、前記マスダンパ５の制限・減衰機構１４と同様の機能を有する制限・減衰機構３１を備えている。この制限・減衰機構３１は、ナット１２ｃの外周を覆った状態に設けられるとともに、回転マス１３の内周面に複数（図６（ｂ）では２つ）の連結部３２ｃを介して連結され、内部に所定の作動流体（例えばシリコンオイル）が充填されたギヤケース３２と、このギヤケース３２内においてナット１２ｃの外周に設けられた駆動ギヤ部３３と、ギヤケース３２内において回転自在に設けられ、駆動ギヤ部３３に噛み合う従動ギヤ部３４と、ギヤケース３２に対して作動流体を流出又は流入させるための第１出入口３２ａと第２出入口３２ｂを、ギヤケース３２の外部において接続し、作動流体が通流可能な作動流体通路３５と、この作動流体通路３５に設けられ、前記調整弁２３及びリリーフ弁２４と同様の機能（調整機能及びリリーフ機能）を有する調整・リリーフ弁３６とを備えている。

ギヤケース３２は、ナット１２ｃの駆動ギヤ部３３、及び従動ギヤ部３４を覆う所定形状に形成され、これらの駆動ギヤ部３３及び従動ギヤ部３４がギヤケース３２の内周面に摺接している。また、ギヤケース３２の周壁には、両ギヤ部３３及び３４の噛み合い部分の両側に、前記第１出入口３２ａ及び第２出入口３２ｂが形成されている。したがって、これらのギヤケース３２、駆動ギヤ部３３及び従動ギヤ部３４などにより、いわばギヤポンプと同様の機構が構成されている。また、作動流体通路３５は、両端部がギヤケース３２の第１出入口３２ａ及び第２出入口３２ｂにそれぞれ連結されており、途中に前記調整・リリーフ弁３６が設けられている。そして、これらの作動流体通路３５及び調整・リリーフ弁３６は、ナット１２と回転マス１３の間のスペースにおいて、ギヤケース３２と一体に回転可能になっている。

このように構成された制限・減衰機構３１を備えたマスダンパ６では、第１実施形態のマスダンパ５と同様に、前記免震装置１に適用された場合、基礎２と構造物３との間の相対変位の発生によって、ナット１２ｃが回転すると、そのナット１２ｃとギヤケース３２が一体に回転している状態では、ギヤケース３２が連結された回転マス１３も、ナット１２ｃと一体に回転する。また、ナット１２ｃがギヤケース３２に対して相対的に回転すると、ナット１２ｃの駆動ギヤ部３３及び従動ギヤ部３４が、ギヤケース３２内の作動流体を搬送するギヤポンプと同様に動作し、その作動流体を、第１出入口３２ａ及び第２出入口３２ｂの一方からギヤケース３２の外部、すなわち作動流体通路３５側に送り出す。

この場合、調整・リリーフ弁３６の調整機能による減衰係数に基づき、調整・リリーフ弁３６を通過する作動流体の移動速度に応じた粘性減衰効果が発揮される。加えて、ギヤケース３２から作動流体通路３５への作動流体の流出量が次第に多くなることにより、調整・リリーフ弁３６の両側、すなわち作動流体通路３５の第１出入口３２ａ側及び第２出入口３２ｂ側の一方の圧力が上昇する。これに伴い、マスダンパ６において、回転マス１３の回転慣性力及び作動流体による減衰力も次第に大きくなる。

そして、作動流体通路３５の第１出入口３２ａ側及び第２出入口３２ｂ側の一方の圧力が所定値に達したとき、すなわち、マスダンパ６の軸線方向に作用する荷重が所定の制限荷重に達したときに、調整・リリーフ弁３６のリリーフ機能（開弁）により、ギヤケース３２内の作動流体が作動流体通路３５を介して循環するように流れる。これにより、ギヤケース３２内及び作動流体通路３５内の圧力が、所定値よりも低い一定の圧力になり、減衰係数も低下する。そして、回転マス１３の回転慣性力及び作動流体による減衰力のそれ以上の増大が抑制され、マスダンパ６における軸力を適切に制限することができる。

また、この場合、回転マス１３の回転慣性力による反力は、制限・減衰機構３１による粘性減衰効果によって低減され、それにより、基礎２や構造物３への作用が抑制される。これにより、第１実施形態のマスダンパ５と同様、構造物３の振動を適切に抑制することができる。

次に、図７を参照しながら、本発明の第３実施形態による振動抑制装置としてのマスダンパについて説明する。なお、このマスダンパ７は、前述した第１実施形態のマスダンパ５に対し、制限・減衰機構１４の構成のみが異なっており、その他の構成部分については、マスダンパ５と同様である。したがって、以下の説明では、前述した第２実施形態と同様、マスダンパ５と同じ構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略するものとする。

図７に示すように、このマスダンパ７は、前記マスダンパ５の制限・減衰機構１４と同様の機能を有する制限・減衰機構４１を備えている。この制限・減衰機構４１は、ナット１２ｃと回転マス１３との間に、所定の作動流体を充填した状態に画成する作動流体充填室４２と、この作動流体充填室４２内において、ナット１２ｃ及び回転マス１３とそれぞれ一体に回転可能な複数のナット側回転板４３及び回転マス側回転板４４とを有している。ナット側回転板４３は、ナット１２ｃの外周面に外側径方向に広がるように設けられ、軸線方向に互いに間隔を隔てて配置されている。一方、回転マス側回転板４４は、回転マス１３の内周面に内側径方向に広がりかつナット側回転板４３と軸線方向に隙間を介して対向するように設けられている。

また、この制限・減衰機構４１の作動流体充填室４２に充填される作動流体としては、マスダンパ７に要求される減衰特性に応じて、種々の流体を採用することが可能であり、例えば、非常に粘度が高いものを用いることも可能である。この場合には、前記免震装置１に適用されたときのマスダンパ７は、次のように動作する。

すなわち、基礎２と構造物３との間の相対変位の発生によって、ナット１２ｃが回転すると、その回転速度が比較的遅いときには、ナット側回転板４３と回転マス側回転板４４がほぼ一体に回転する。つまり、この場合には、回転マス１３がナット１２ｃとほぼ一体に回転する。また、マスダンパ７の軸線方向に作用する荷重が所定の制限荷重に達することなどにより、ナット１２ｃの回転速度が比較的高いときには、ナット１２ｃが回転マス１３に対して相対的に回転する。これにより、基礎２と構造物３の間の相対変位から回転マス１３の回転運動への変換が制限されるので、このマスダンパ７によっても、前述したマスダンパ５及び６と同様に、マスダンパ７における軸力を適切に制限することができる。

また、この場合、回転マス１３の回転慣性力による反力は、制限・減衰機構４１の作動流体のせん断力抵抗による粘性減衰効果によって低減され、それにより、基礎２や構造物３への作用が抑制される。これにより、第１及び第２実施形態のマスダンパ５、６と同様、構造物３の振動を適切に抑制することができる。

ここで、図８及び図９を参照して、本発明の第１実施形態のマスダンパ５と、前述した従来のマスダンパとの振動解析の結果について簡単に説明する。図８（ａ）は、第１実施形態のマスダンパ５に、緩衝バネとしての支持部材を直列に接続したモデル（実施例）を示しており、一方、同図（ｂ）は、回転マスを有する慣性接続要素と粘性減衰要素が並列に接続された従来のマスダンパに、緩衝バネとしての支持部材を直列に接続したモデル（従来例）を示している。

図９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、加振振動数ωに対し、ダンパ力Ｐに直接関係のあるバネ部応答変位倍率（｜ｘｋ／ｘ｜）、等価ケルビンモデルに置換したときの等価減衰係数Ｃｅｑ及び等価剛性Ｋｅｑを示している。なお、入力諸元としては、等価質量ｍｄ＝１００（ｔｏｎ）、バネ部の剛性ｋｂ＝１００００（ｋＮ／ｍ）及び減衰係数Ｃｄ＝５００（ｋＮｓ／ｍ）とした。

図９に示す振動解析の結果より、次のことが分かる。すなわち、バネ部剛性ｋｂと等価質量ｍｄから算出される付加振動系固有振動数ω＝√（ｋｂ／ｍｄ）が免震建物の固有振動数よりも大きい場合、従来例では、付加振動系の卓越する高振動数の固有振動数成分（特に付加振動系固有振動数ω＝√（ｋｂ／ｍｄ）近傍）のダンパ力が、マスダンパを介して免震建物に直接伝達する。このため、免震建物の応答加速度が大きくなる。これに対し、実施例では、従来例より免震建物に直接伝達するダンパ力は小さく、免震建物の応答加速度が大きくなることはない。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、本発明の振動抑制装置としてのマスダンパ５を、基礎２と構造物３の間に設置し、免震装置として用いているが、これに限らず、構造物３の層間などに設置し、制振装置として用いてもよい。また、各実施形態では、制限・減衰機構１４、３１及び４１に用いられる作動流体として、シリコンオイルを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各マスダンパに要求される特性などに応じて、他の種々の作動流体（例えばビンガム流体、ダイラタント流体）を使用してもよい。

また、例えば、地震動の大きさに応じて、マスダンパにおける粘性減衰性能が可変になるように構成してもよい。この場合には、地震動のレベルごとに設定される設計クライテリアを対象としてきめ細かく設計することが可能になる。具体的には、中小地震時の応答加速度を低減しつつ、巨大地震時の過大な免震層変位を抑制するように、マスダンパを設計することが可能になる。

また、実施形態で示したマスダンパ５、５Ａ、６及び７の細部の構成などは、あくまで例示であり、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することができる。

１ 免震装置
２ 基礎（支持体）
２ａ 基礎側の支持部材
３ 構造物
３ａ 構造物側の支持部材
４ 積層ゴム
５ 第１実施形態のマスダンパ
５Ａ 第１実施形態の変形例のマスダンパ
６ 第２実施形態のマスダンパ
７ 第３実施形態のマスダンパ
１０ 慣性接続要素
１１ 内筒（ボールねじ支持体）
１２ ボールねじ
１２ａ ねじ軸
１２ｂ ボール
１２ｃ ナット
１３ 回転マス
１４ 制限・減衰機構
２０ 粘性減衰要素
２１ 作動流体充填室
２１ａ 第１室
２１ｂ 第２室
２２ 可動体
２２Ａ 変形例の可動体
２３ 調整弁
２４ リリーフ弁
３１ 第２実施形態のマスダンパの制限・減衰機構
３２ ギヤケース
３２ａ 第１出入口
３２ｂ 第２出入口
３３ 駆動ギヤ部
３４ 従動ギヤ部
３５ 作動流体通路
３６ 調整・リリーフ弁
４１ 第３実施形態のマスダンパの制限・減衰機構
４２ 作動流体充填室
４３ ナット側回転板
４４ 回転マス側回転板

Claims (4)

1. 支持体に立設された構造物の振動を抑制するための振動抑制装置であって、
   回転マスを有し、前記支持体と前記構造物との間の相対変位を前記回転マスの回転運動に変換する慣性接続要素と、
   この慣性接続要素に直列に接続され、前記支持体及び前記構造物の一方に連結された粘性減衰要素と、
   を備えており、
   前記慣性接続要素は、
   一端部が前記支持体及び前記構造物の一方に連結されたねじ軸と、
   このねじ軸にボールを介して螺合し、当該ねじ軸の軸線方向への往復動を回転運動に変換するナットと、
   前記ねじ軸と同軸状に延び、一端部が前記支持体及び前記構造物の他方に連結されるとともに、他端部が前記ナットに回転自在に連結され、当該ナットを介して前記ねじ軸を支持するボールねじ支持体と、をさらに有し、
   前記回転マスは、前記ナット及び前記ボールねじ支持体の外周を覆う筒状に形成されるとともに、当該ナット及び当該ボールねじ支持体に対して回転自在に構成されており、
   前記粘性減衰要素は、前記ナットと前記回転マスの間に設けられた所定の作動流体を有していることを特徴とする振動抑制装置。
2. 前記粘性減衰要素は、
   前記ナットと前記回転マスの間に前記作動流体を充填した状態に画成する作動流体充填室と、
   この作動流体充填室を前記軸線方向に互いに隣接する第１室及び第２室に仕切るように設けられ、前記ナット及び前記回転マスの一方に螺合しかつ他方に前記軸線方向に移動自在に係合し、前記ナットと前記回転マスが相対的に回転することによって、前記軸線方向に移動する可動体と、
   この可動体に設けられ、当該粘性減衰要素において所定の減衰係数を得るように調整するための調整弁と、
   をさらに有していることを特徴とする請求項１に記載の振動抑制装置。
3. 前記粘性減衰要素は、
   前記ナットの外周を覆った状態に設けられるとともに前記回転マスに連結され、内部に前記作動流体が充填されたギヤケースと、
   このギヤケース内において前記ナットの外周に設けられ、当該ギヤケースの内周面に摺接する駆動ギヤ部と、
   前記ギヤケース内において回転自在に設けられ、前記駆動ギヤ部に噛み合うとともに前記ギヤケースの内周面に摺接する従動ギヤ部と、
   前記ギヤケースに設けられ、前記ナットの回転に伴う前記駆動ギヤ部及び前記従動ギヤ部の回転により、前記ギヤケースに対して前記作動流体を流出又は流入させるための第１出入口及び第２出入口と、
   これらの第１出入口と第２出入口を前記ギヤケースの外部において接続し、前記作動流体が通流可能な作動流体通路と、
   この作動流体通路に設けられ、当該粘性減衰要素において所定の減衰係数を得るように調整するための調整弁と、
   をさらに有していることを特徴とする請求項１に記載の振動抑制装置。
4. 前記粘性減衰要素は、
   前記ナットと前記回転マスの間に前記作動流体を充填した状態に画成する作動流体充填室と、
   この作動流体充填室内において、前記ナットの外周面に外側径方向に広がるように設けられ、当該ナットと一体に回転可能なナット側回転板と、
   前記作動流体充填室内において、前記回転マスの内周面に内側径方向に広がりかつ前記ナット側回転板と前記軸線方向に隙間を介して対向するように設けられ、当該回転マスと一体に回転可能な回転マス側回転板と、
   をさらに有していることを特徴とする請求項１に記載の振動抑制装置。

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