JP6472291B2 - 減衰装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動エネルギが伝達する二つの構造体の間に配置され、振動源となる一方の構造体から他方の構造体へと伝達される振動エネルギを減衰させるための減衰装置に関する。

この種の減衰装置としては、特許文献１に開示されているものが知られている。この減衰装置は例えば建築構造物の柱間に筋交いとして設けられ、一方の構造体に結合されるねじ軸と、他方の構造体に固定されるハウジングとを備えている。前記ハウジングの内部には円筒状の回転体が収容されており、この回転体には前記ねじ軸に螺合したボールねじナットが固定されている。また、前記回転体の外周面と前記ハウジングの内周面とが対向して形成される円筒状隙間は粘性流体の密閉空間となっている。

このように構成された減衰装置では、二つの構造体の間に作用する振動に伴って前記ねじ軸が前記ハウジングに対して軸方向へ進退すると、前記ねじ軸に螺合したボールねじナットが当該ねじ軸の軸方向運動を回転運動に変換し、このボールねじナットの回転運動に伴って前記回転体が前記ハウジングの内部で回転する。前記回転体の回転方向は前記ねじ軸の移動方向によって決定されることから、前記回転体は二つの構造体の間に作用する振動に応じて反転を繰り返すことになる。その際、前記回転体とハウジングとの間の密閉空間には粘性流体が充填されていることから、前記回転体が回転すると、回転体の回転角速度に応じた剪断抵抗力が粘性流体から当該回転体に作用し、この剪断抵抗力が前記回転体の回転方向と逆方向に作用することから、構造体間で伝達される振動エネルギが減衰されるようになっている。

一方、前記回転体が回転すると、密閉空間内の粘性流体は摩擦熱によってその体積が膨張し、当該密閉空間の内部圧力が過度に高まる可能性もあることから、特許文献１の減衰装置では粘性流体の圧力に応じて前記密閉空間の容積が変化するように構成されている。具体的には、前記回転体の外周面の周方向に沿って前記密閉空間に向けて開放された凹溝を形成すると共に、この凹溝にはゴム等の弾性体からなるリングを嵌めている。

前記回転体の回転に伴って前記密閉空間内の内部圧力が高まってくると、当該圧力に応じて前記弾性体リングが前記凹溝内で圧縮されるので、その分だけ密閉空間の容積が拡大することになる。すなわち、前記減衰装置では前記凹溝が粘性流体の熱膨張による体積増加を吸収するバッファ空間として機能としており、前記密閉空間の内部圧力の上昇に応じた大きさのバッファ空間が当該密閉空間と隣接して発生するように構成されている。

特許第４３８１５８９号公報

特許文献１の減衰装置では、粘性流体から前記回転体に作用する剪断抵抗力の大きさが減衰性能に直結しているので、安定した減衰性能を得るためには前記回転体と前記ハウジングとの隙間を厳密に管理することが重要である。しかし、前記凹溝内の弾性体リングが圧縮されると、当該凹溝の形成部位では前記回転体と前記ハウジングとの隙間の大きさが変化することから、それに伴って粘性流体に作用する剪断抵抗力の大きさも変化してしまい、減衰性能が不安定になり易いといった課題があった。

また、前記凹溝内に配置された弾性体リングには粘性流体の流動に伴う剪断抵抗力が直接作用することから、当該弾性リングが早期に劣化してしまう懸念もあった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、粘性流体の密閉空間に隣接して当該粘性流体の体積増加を吸収するバッファ空間を設けつつも、減衰性能を安定して発揮することが可能な減衰装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の減衰装置は、相対変位する二つの構造体のうちの一方に連結される固定筒と、前記固定筒に対して回転自在に配置されると共に当該固定筒との間に密閉空間を形成する円筒状のロータ部材と、前記他方の構造体に連結されたねじ軸と、前記ねじ軸に螺合して当該ねじ軸の往復動を前記ロータ部材の回転運動に変換するナット部材と、前記密閉空間内に充填された粘性流体と、前記密閉空間に面すると共に前記固定筒又は前記ロータ部材の周方向に沿って設けられた前記粘性流体のバッファ空間と、前記固定筒又は前記ロータ部材の周方向に沿って延びて前記密閉空間とバッファ空間を区画すると共に、前記密閉空間とバッファ空間を繋ぐ連通孔が設けられたカバー体と、前記バッファ空間内に配置されると共に前記密閉空間内に収容された粘性流体の圧力に応じて当該バッファ空間の容積を変更する弾性部材と、を備えている。

このような本発明の減衰装置では、粘性流体を充填した密閉空間とこの密閉空間に面するバッファ空間との間がカバー体によって区画されており、かかるカバー体には前記密閉空間とバッファ空間とを繋ぐ連通孔が設けられているので、当該密閉空間の内部圧力が高まると、その圧力は前記バッファ空間内の弾性部材に作用し、当該バッファ空間の容積が変化することになる。

このとき、前記密閉空間とバッファ空間とは前記カバー体によって区画されていることから、前記弾性部材が変形してバッファ空間の容積が変化したとしても、密閉空間を形成する固定筒とロータ部材との隙間の大きさが変化することはなく、この減衰装置が発揮する減衰性能を安定化させることが可能となる。

また、前記カバー体によって区画されたバッファ空間の内部には剪断抵抗力が作用しないので、かかるバッファ空間内に配置された弾性部材が早期に劣化してしまうこともなく、安定した減衰性能を長期にわたって継続して発揮することが可能となる。

本発明の減衰装置の第一実施形態を示す正面半断面図である。 固定筒に設けられたバッファ空間の断面であり、ロータ部材が停止している際の状態を示す拡大図である。 固定筒に設けられたバッファ空間の断面であり、ロータ部材が回転している際の状態を示す拡大図である。

以下、添付図面に沿って本発明の減衰装置を詳細に説明する。

図１は本発明を適用した減衰装置の一例を示す斜視図である。この減衰装置１は、例えば、ビルディング、塔、橋梁等の構造物を含む系内の別々の部位に固定される第一連結部１０と第二連結部１１とを備えている。構造物を含む系とは、当該構造物が固定された基礎地盤を含む意であり、例えば構造物の内部に減衰装置が配置されている場合の外、前記第一連結部１０は構造物に、第二連結部１１は基礎地盤に固定される場合を含む。

前記構造物が振動すると、当該構造物を含む系の別々の部位に固定された前記第一連結部１０と第二連結部１１との間には一軸方向の相対変位が生じることになり、本発明の減衰装置はこの相対変位をねじ軸及びナット部材からなるねじ変換機構によって回転運動に変換し、装置内に密封された粘性流体に作用する剪断抵抗力を利用して振動エネルギを減衰する。

この減衰装置１は、中空部を有して円筒状に形成された固定筒２と、この固定筒２の中空部に対して挿入されたねじ軸３と、多数のボールを介してこのねじ軸３に螺合するナット部材４と、前記固定筒２に対して回転自在に支承されると共に前記ナット部材４が結合された円筒状の軸受ハウジング５と、この軸受ハウジング５に固定された円筒状のフライホイール６と、前記固定筒２に対して回転自在に支承されると共に前記フライホイール６に対して結合されたロータ部材８とを備えている。

前記固定筒２はボールジョイント２０を介して前記第一連結部１０に結合される一方、前記ねじ軸３はその一端がボールジョイント３０を介して前記第二連結部１１に結合されている。前記ボールジョイント２０は前記第一構造体に対する前記固定筒２の中心軸の角度変位を吸収する一方、前記固定筒２の中心軸周りの回転は係止するように構成されている。但し、前記固定筒２に対して所定以上の大きさの回転トルクが作用した場合には、前記ボールジョンイント２０が前記第一構造体に対する前記固定筒２の回転を許容するようになっている。また、前記ねじ軸３と前記第二構造体を連結するボールジョイント３０も同様に機能する。

前記固定筒２と前記軸受ハウジング５との間には軸受が設けられており、前記軸受ハウジング５は前記固定筒２に対して回転自在に支承されている。また、前記軸受ハウジング５の軸方向の一端には前記ナット部材４が固定されており、かかるナット部材４が回転すると、軸受ハウジング５がナット部材４と共に前記固定筒２に対して回転を生じるように構成されている。

前記ねじ軸３及びナット部材４は所謂ボールねじを構成しており、前記ねじ軸３と前記ナット部材４との間で並進運動と回転運動を相互に変換することが可能となっている。従って、前記ねじ軸３に対して軸方向の並進運動を与えると、前記ナット部材４が前記ねじ軸３の周囲で回転運動を生じることになる。前記ねじ軸３の軸端は第二構造体としての基礎に固定されることから、地震等によって当該ねじ軸３が軸方向へ並進運動を生じると、これに応じてナット部材４がねじ軸３の周囲を回転し、この回転が前記軸受ハウジング５に伝達される。

前記軸受ハウジング５の外側には円筒状のフライホイール６が設けられている。このフライホイール６は前記軸受ハウジング５に固定されており、前記ナット部材４及び前記軸受ハウジング５と一体で回転するように構成されている。また、前記軸受ハウジング５が固定筒２に対して自由に回転し得ることから、前記フライホイール６は前記固定筒２に対しても自由に回転することが可能である。

一方、前記固定筒２の周囲には前記ロータ部材８が設けられている。このロータ部材８は回転軸受を介して固定筒２の外周面に支承されると共に、エンドプレート６０を介して前記フライホイール６に結合されており、前記フライホイール６の回転に伴って前記固定筒２の周囲を回転するように構成されている。

前記ロータ部材８の内周面は固定筒２の外周面とわずかな隙間を介して対向しており、かかる隙間は粘性流体の密閉空間となっている。このため、ロータ部材８が回転すると、前記密閉空間に充填された粘性流体に対して剪断抵抗力が作用し、ロータ部材８の回転運動のエネルギ、ひいてはフライホイール６０の回転運動のエネルギが減衰されるようになっている。

前記固定筒２の外周面には前記粘性流体の熱膨張による体積増加を吸収するバッファ空間９が設けられている。このバッファ空間９は前記粘性流体の密閉空間に面して設けられており、周方向に間隔をおいて設けられた複数の連通孔９０を介して前記密閉空間と繋がっている。

図２は前記バッファ空間９の断面を示す拡大図である。前記固定筒２の外周面には周方向に沿って環状溝９１が設けられており、この環状溝９１の内部が前記バッファ空間９として機能している。また、前記環状溝９１は前記連通孔９０が設けられたカバー体９２によって塞がれている。前記カバー体９２は金属製の薄板材から形成されており、前記固定筒２を外側から包むようにして前記環状溝９１を塞ぎ、前記固定筒２に対してねじ止めされている。尚、前記カバー体９２が前記固定筒２の外周面に突出することがないよう、前記環状溝９１の両脇には当該カバー体９２を収容する段部が設けられている。

前記環状溝９１にはベルト状の弾性部材９３が嵌め込まれており、前記カバー体９２はこの弾性部材９３を粘性流体の密閉空間に対して被覆している。前記弾性部材９３の断面形状は前記環状溝９１の断面形状に略合致している。すなわち、前記弾性部材９３は前記環状溝９１を隙間なく埋めている。前記弾性部材９３としては、外部の圧力に応じて容易に変形するものが好ましく、例えばフッ素ゴムスポンジ等を利用することができる。但し、スポンジのように多孔性材料を用いるのであれば、粘性流体が滲み込むことがないよう、独立気泡型の多孔性材料を用いることが好ましい。

前記カバー体９２には複数の連通孔９０が設けられているので、前記固定筒２と前記ロータ部材８との間に存在する隙間、すなわち粘性流体の密閉空間（図２の符号１００の領域）において、当該粘性流体に作用する圧力が上昇すると、当該圧力は前記連通孔９０を介して前記チャネル９１内の弾性部材９３に作用することになる。このため、前記密閉空間１００の内圧が上昇すると、図３に示すように前記弾性部材９３が当該圧力によって押し縮められ、前記密閉空間１００内の粘性流体が前記バッファ空間９に入り込むことになる。

一方、前記密閉空間１００の内圧が低下すると、前記弾性部材９３は元の形状に復元しようとするので、前記密閉空間１００内の粘性流体は当該弾性部材９３によって前記バッファ空間９から押し出されることになる。すなわち、前記バッファ空間９は前記密閉空間１００内の粘性流体の圧力に応じてその容積が変化し、粘性流体を適宜収容し、あるいは吐き出すことになる。

以上のように構成された減衰装置では、第一構造体と第二構造体との間に作用する振動に伴って前記ねじ軸３が軸方向に進退すると、当該ねじ軸３に螺合するナット部材４が当該ねじ軸３の周囲を回転し、その回転が軸受ハウジング５に伝達される。前記ナット部材４の回転が軸受ハウジング５を介してフライホイール６に伝達されると、その回転は更にロータ部材８に伝達されることになる。

前記ねじ軸３が軸方向へ往復運動を生じると、前記ナット部材４は加速・減速を行いながら前記フライホイール６と一緒に反転を繰り返すが、前記フライホイール６は大きな慣性質量効果を生じ、かかる慣性質量効果は常に前記ねじ軸３の軸方向への加速・減速を妨げるように作用する。これにより、構造物に作用する振動を抑制することが可能となる。

また、前記フライホイール６と一緒に前記ロータ部材８が回転すると、前記固定筒２と前記ロータ部材８との隙間に充填された粘性流体に対して剪断抵抗力が作用し、前記ロータ部材８の回転運動のエネルギが粘性流体の熱エネルギに変換されて消費される。これによっても、構造物に作用する振動エネルギが減衰される。

前記ロータ部材８が回転すると、前記密閉空間内の粘性流体が剪断抵抗力の影響で熱膨張することから、当該密閉空間の内圧が上昇し、図３に示すように、粘性流体は前記弾性部材９３を押し退けながら前記カバー体９２の連通孔９０を通じてバッファ空間９に入り込む。これにより、バッファ空間９の容積は前記密閉空間の内圧に応じて変化することになる。

しかし、前記バッファ空間９は前記密閉空間１００に対して前記カバー体９２で仕切られていることから、前記弾性部材９３が変形してバッファ空間９の容積が変化したとしても、当該バッファ空間９の形成部位における前記固定体２と前記ロータ部材８との隙間の大きさは何ら変化することがない。このため、前記密閉空間１００において粘性流体に作用する剪断抵抗力の大きさが変化することは殆どなく、この減衰装置が発揮する減衰性能を安定化させることができる。

また、前記バッファ空間９は前記密閉空間１００に対して前記カバー体９２によって塞がれているので、前記ロータ部材８が回転しても、バッファ空間９の内部にまで剪断抵抗力が作用することはない。このため、前記バッファ空間９の内部に配置された弾性部材９３が剪断抵抗力の影響を受けて早期に劣化してしまうことがなく、安定した減衰性能を長期にわたって継続して発揮することが可能となる。

１…減衰装置、２…固定筒、３…ねじ軸、４…ナット部材、６…フライホイール、８…ロータ部材、９…バッファ空間、９０…連通孔、９２…カバー体、９３…弾性部材

Claims (4)

1. 相対変位する二つの構造体のうちの一方に連結される固定筒と、
   前記固定筒に対して回転自在に配置されると共に当該固定筒との間に密閉空間を形成する円筒状のロータ部材と、
   前記他方の構造体に連結されたねじ軸と、
   前記ねじ軸に螺合して当該ねじ軸の往復動を前記ロータ部材の回転運動に変換するナット部材と、
   前記密閉空間内に充填された粘性流体と、
   前記密閉空間に面すると共に前記固定筒又は前記ロータ部材の周方向に沿って設けられた前記粘性流体のバッファ空間と、
   前記固定筒又は前記ロータ部材の周方向に沿って延びて前記密閉空間とバッファ空間を区画すると共に、前記密閉空間とバッファ空間を繋ぐ連通孔が設けられたカバー体と、
   前記密閉空間内に収容された粘性流体の圧力に応じて前記バッファ空間の容積を変更する弾性部材と、を備えていることを特徴とする減衰装置。
2. 前記弾性部材は前記ロータ部材が停止した状態では前記バッファ空間から前記粘性流体を押し出して、前記カバー体に接していることを特徴とする請求項１記載の減衰装置。
3. 前記弾性部材は独立気泡型の多孔性材料から形成されていることを特徴とする請求項２記載の減衰装置。
4. 前記ロータ部材は前記固定筒を収容する中空部を有し、前記ロータ部材の内周面と固定筒の外周面との間に環状の密閉空間が形成されると共に、
   前記固定筒の外周面には周方向に沿って前記バッファ空間となる環状溝が設けられていることを特徴とする請求項３記載の減衰装置。
   

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