JP6493755B2 - 可変剛性装置及びこれを備えた制振構造物 - Google Patents

Description

本発明は、変位に依存して弾性係数（剛性）が変化する可変剛性装置及びこれを備えた制振構造物に関する。

長周期地震動などが作用して共振が生じると、構造物に大きな応答が発生する。このため、従来、マンションやオフィスビルなどの建物（構造物）では、建物内に制振ダンパーを設置し、この制振ダンパーで地震時に作用した地震エネルギー（振動エネルギー）を吸収・減衰させ、建物の応答を低減させるようにしている。また、このような制振ダンパーには、鋼材等の降伏耐力やすべり材の摩擦抵抗を利用した履歴系ダンパー、粘性体の粘性抵抗を利用したオイルダンパーなどの粘性系ダンパー、粘弾性体のせん断抵抗を利用した粘弾性系ダンパーが多用されている。

ここで、図２５は周期的な外力を受ける建物についてのシミュレーション結果（共振曲線）であり、横軸は固有周期に対する入力波（正弦波）の振動数の比率、縦軸は動的解析結果の変位を、静的に荷重１を加えたときの変位で基準化した動的応答倍率を示している。また、図中の３つの曲線のうち、中央の曲線は、構造物の諸元をｍ（質量）＝１、ｋ（剛性）＝１、ｃ（減衰係数）＝０．０４（減衰ｈ＝ｃ／（２√（ｍｋ）＝０．０２に相当）とした基本モデルのシミュレーション結果を示している。基本モデルの左側の曲線は、基本モデルに対して質量を増やした場合（ｍ＝４）、右側の曲線は剛性を増やした場合（ｋ＝９）の結果を示している。

この図２５から、線形範囲では共振すると大きな動的応答倍率になることが確認された。これに対し、制振ダンパーを増やし減衰ｈを増やせばピークを抑えることが可能である。しかしながら、共振点のピークが１／（２ｈ）で決まるため、非常に多くの制振ダンパーを設置・増設することが必要になり、現実的には設置スペースなどの関係で共振現象を回避できるほどに減衰を増やすことが難しいケースも多い。

一方、建物の地震時応答を低減させるための他の手段として、ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）と称する制振装置を建物の頂部側（屋上など）に設置することも提案、実用化されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

具体的に、ＴＭＤは、建物の１次固有周期と同調させた付加質量が建物の振動と逆方向に振動することにより、建物に作用した地震エネルギーをＴＭＤ側に移動させ、建物の応答を低減させることができる。

また、免震装置を設置し、建物などの構造物の１次固有周期を長周期側にずらすことによって応答を低減する手法も多用されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−１８３２３号公報 特開２０１１−２２０５１１号公報 特開２０１０−０７０９０９号公報

しかしながら、ＴＭＤを制振装置として建物の屋上などに設置して共振を抑えるためには、建物全体の１％程度の付加質量が必要になり、広いスペースを屋上に確保する必要があるなどの制約も多い。
さらに、２方向で異なる固有周期を有する建物に適用する場合には、各方向で異なる同調周期を有するＴＭＤが必要になるなどのデメリットもある。

また、免震構造物においては、軟弱地盤上や盆地など、地震時に長周期成分波が長時間継続するような場合の共振に対する検討も必要になる。

本発明は、上記事情に鑑み、周期的な振動エネルギーの入力による共振現象を効果的に回避することを可能にする可変剛性装置及びこれを備えた制振構造物を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の可変剛性装置は、直線運動を回転運動に変換する立体カム機構を備え、該立体カム機構によって変位と弾性係数の関係が非線形性を有する可変剛性装置であって、剛性調節機構と、硬化型剛性機構と、を備え、前記剛性調節機構は、中心軸線を装置の軸線と同軸上に配して設けられたねじ軸と、該ねじ軸の一端側に螺着して配設された第１回転体と、前記ねじ軸の他端側に螺着して配設された第２回転体と、を備え、振動エネルギーが作用することによって生じる構造物の変位に応じて前記ねじ軸が軸線方向に進退移動すると、該ねじ軸の進退に応じて前記第１回転体および前記第２回転体が軸線周りに回転可能に構成され、前記剛性調節機構は、前記第１回転体の回転運動を軸線方向に沿う直線運動に変換する一方の非線形特性調節機構と、前記第２回転体の回転運動を軸線方向に沿う直線運動に変換する他方の非線形特性調節機構と、を備え、前記一方の非線形特性調節機構および前記他方の非線形特性調節機構は、前記立体カム機構であり、円筒カムおよび従動体を備え、前記第１回転体および前記第２回転体は、それぞれ前記円筒カムを兼ねており、前記第１回転体および前記第２回転体の外周面にカム溝が形成され、前記従動体は、略円筒状に形成され、リニアスライダーによって軸線方向に沿って進退自在に支持され、前記円筒カムを内包するようにして同軸上に設けられ、かつ、前記円筒カムの前記カム溝に係合され、前記従動体は、前記第１回転体および前記第２回転体が軸線周りに回転すると前記軸線方向に進退可能に構成され、前記硬化型剛性機構は、複数の皿バネを積層配置して構成され、前記ねじ軸の一端側と他端側の間の中央部に円盤状の押圧治具が設けられ、前記押圧治具と前記一方の非線形特性調節機構の前記従動体との間に、第一群の皿バネ体が設けられ、前記押圧治具と前記他方の非線形特性調節機構の前記従動体との間に、第二群の皿バネ体が設けられ、前記ねじ軸が軸線方向に進退移動すると、前記ねじ軸と一体化した前記押圧治具も軸線方向に動き、移動した方向の皿バネ体を圧縮することで反力を得るように構成され、前記押圧治具と前記従動体との間隔が、前記ねじ軸の軸線方向の変位量に応じて変化することで剛性が変化するように構成されていることを特徴とする。

本発明の制振構造物は、上記の可変剛性装置を備えた制振構造物であって、前記制振構造物の剛性は、主構造の剛性と具備された前記可変剛性装置の剛性との和であり、前記制振構造物の変位に応じて生じるねじ軸の変位により前記可変剛性装置の剛性が変わることで変化するように構成されていることを特徴とする。

本発明の可変剛性装置及び制振構造物によれば、周期的な地震エネルギーなどの振動エネルギーが入力された際に変位に応じて弾性係数が変化し、可変剛性装置の剛性を調節することができる。このため、この可変剛性装置を構造物（耐震構造物）に付加することで、周期的な振動エネルギーが入力された際に制振構造物の固有周期を変化させることが可能になる。これにより、共振現象を効果的に回避することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る制振構造物のモデルを示す図である。 本発明の一実施形態に係る制振構造物の共振曲線の一例を示す図であり、図３のタイプ１の共振曲線を示す図である。 強非線形剛性要素と非線形回転慣性要素の質量変動分の変位依存の設定例を示す図である。 図３のタイプ２の共振曲線を示す図である。 図３のタイプ３の共振曲線を示す図である。 Ｄｕｆｆｉｎｇ方程式の共振曲線を示す図である。 本発明の一実施形態に係る第一例の非線形回転慣性要素（非線形回転慣性質量装置）を示す図であり、可変慣性質量体が回動して開いた状態を示す図である。 図７のＸ１−Ｘ１線矢視図である。 本発明の一実施形態に係る第一例の非線形回転慣性要素（非線形回転慣性質量装置）を示す図であり、可変慣性質量体が閉じた状態を示す図である。 図９のＸ１−Ｘ１線矢視図である。 本発明の一実施形態に係る第一例の非線形回転慣性要素の立体カム機構（直線運動変換機構）のカム溝の形状を示す図である。 回転慣性質量の変動分と軸方向変位の関係を示す図である。 可変回転慣性質量の変動分とリニアスライダーの水平方向変位の関係を示す図である。 図３のタイプ１に対応した非線形回転慣性要素のカム溝の形状を示す図である。 図３のタイプ２、３に対応した非線形回転慣性要素のカム溝の形状を示す図である。 本発明の一実施形態に係る第二例の非線形回転慣性要素（非線形回転慣性質量装置）を示す図である。 本発明の一実施形態に係る強非線形剛性要素（可変剛性装置）を示す図である。 皿バネ単体の復元力特性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る強非線形剛性要素の立体カム機構（直線運動変換機構）のカム溝の形状を示す図である。 発生する荷重と軸方向変位の関係を示す図である。 ねじ溝のピッチを決定する説明で用いた図である。 図３のタイプ１に対応した強非線形剛性要素のカム溝の形状を示す図である。 図３のタイプ２に対応した強非線形剛性要素のカム溝の形状を示す図である。 図３のタイプ３に対応した強非線形剛性要素のカム溝の形状を示す図である。 線形モデルの共振曲線を示す図である。

以下、図１から図２５を参照し、本発明の一実施形態に係る可変剛性装置及び制振構造物について説明する。

はじめに、本実施形態の可変剛性装置は、構造物（制振構造物）に具備され、地震エネルギーなどの振動エネルギーが作用して変位した際に構造物の変位に応じて剛性を調節（調整）して固有周期（固有周期）を変化させ、周期的な振動エネルギーの入力に対する構造物の共振現象を回避するために用いられている。

そして、本実施形態の制振構造物１は、図１に示すように、変位に応じて剛性と回転慣性質量が変化する変位依存型調節機構２を備え、周期的な振動エネルギーが入力された際に変位依存型調節機構２によって固有周期を調節するように構成されている。

さらに、本実施形態の変位依存型調節機構２は、強非線形剛性要素（Ｆｋ）である可変剛性装置３と、非線形回転慣性要素（Ｆｍ）４とを構成要素とし、これらの非線形性が変位に依存するように構成されている。

すなわち、本実施形態の制振構造物１においては、図２５に示した前述の基本モデルに強非線形剛性要素３と非線形回転慣性要素４を備えた変位依存型調節機構２を追加することで、図２５に示した線形モデルの共振曲線の形状を図２のように折り曲げるように変化させた共振特性を与え、周期的な振動エネルギーが入力された場合に最も小さい動的応答倍率までしか共振が発生しないようにしている。

ここで、図３に、変位依存型調節機構２の強非線形剛性要素３と非線形回転慣性要素４の質量変動分の変位依存の設定例を示す。

この図３において、横軸は変位（基本モデルの静的変位で基準化したもの）を示している。また、強非線形剛性要素３に関する図の縦軸は、発生する荷重（Ｆｋ）を示し、非線形回転慣性要素４に関する図の縦軸は、非線形回転慣性要素４の質量変動分（Ｍａ）を示している。

そして、本実施形態の制振構造物１では、変位依存型調節機構２を設け、図３に示す次の（ａ）、（ｂ）の変位依存曲線の特徴を備えるようにする。

（ａ）強非線形剛性要素３は、初期段階で機能していないが、図３中の変位Ｕｇで示した途中からその機能が発揮され始め、変位Ｕｐで大きな値ｆｐに達する。なお、それ以降、ゼロまで荷重が低下するケース、機能をｆｐで維持するケース、変位Ｕｐでの割線剛性で荷重を増やすケースなどに分かれる。

（ｂ）非線形回転慣性要素４は、初期段階で十分に機能し（最大値ｍａ）、図３中の変位Ｕｇで示した途中からその機能が低下し、変位Ｕｐで最小値（図３中では０とした）となる。なお、それ以降、元の機能を回復するケース、最小値を維持するケースなどに分かれる。

言い換えれば、本実施形態の制振構造物１は、変位が小さいときに、相対的に強非線形剛性要素３の作用が小、非線形回転慣性要素４の作用が大となり、変位がある値（Ｕｐ（Ｕｐ付近）まで大きくなると、強非線形剛性要素３の作用が大、非線形回転慣性要素４の作用が小となるように構成されている。

このような（ａ）、（ｂ）の個々の特徴を備えることにより、また、これら特徴を合わせて備えることにより、変位がＵｇ以下では、図２５に示した基本モデルと比較し、構造物が長周期化する。また、変位がＵｇからＵｐに増大するとき、構造物全体の瞬間的な固有周期が急激に短くなる。つまり、長周期構造物から短周期構造物に振動特性が急激に変化する。

なお。本実施形態では図３に示すタイプ１、タイプ２、タイプ３に示した区分３次曲線を用いているが、変位によって構造物の固有周期（固有振動数）を変化させることが可能であれば、変位−荷重関係や変位−回転慣性質量の質量変動関係が直線、階段的、２次曲線等の特性であっても構わない。

そして、上記のような強非線形剛性要素３と非線形回転慣性要素４を構成要素とした変位依存型調節機構２を設け、図３のタイプ１の特性を備えた場合の共振曲線のシミュレーション結果を図２に、タイプ２の特性を備えた場合のシミュレーション結果を図４に、タイプ３の特性を備えた場合のシミュレーション結果を図５に示す。

これら図２、図４、図５において、実線が安定周期解、破線が不安定周期解を示している。なお、通常は安定周期解に応答値が収れんする。

また、強非線形構造物の場合には共振曲線に分岐現象が発生することが知られ、図２、図４、図５では、○がサドルノード分岐、●がピッチフォーク分岐、◎が倍周期分岐点となっている。

そして、１つの振動数比に対して複数の安定周期解がある場合には、初期条件によって、収れんする周期解が決まる。

すなわち、構造物が静止した状態を初期値にした場合には、最も動的応答倍率が小さい周期解に収れんする。具体的に、図２では、安定周期解がおおむね（１）、（２）、（３）、（４）で示す領域に区分でき、静止状態を初期値にした場合には、（１）及び（２）の領域に収れんする。
これにより、図２５に示した線形モデルと比較し、本実施形態の制振構造物１においては大幅に動的応答倍率が抑制できることが確認された。

また、（２）では分岐が発生して若干動的応答倍率が大きくなっている領域もあるが、動的応答倍率は２以下であり、優れた応答低減効果が得られることが確認された。

（４）の領域では多数の分岐現象が発生するが、構造物が静止した状態を初期値とした場合には（４）の領域まで応答倍率が増えることはないため無視できる。

一方、高振動数へのスイープ加振の場合には、（２）の領域から（３）の領域に入っていき動的応答倍率が漸次増加するが、振動数比β＝２．５付近で（１）の領域に飛び移ることで応答倍率は激減する。これにより、静止状態から（４）の領域に収れんするような状況になる可能性は非常に低い。また、大きな初期値を与えた場合には（３）、（４）の領域に収れんする可能性も考えられるが、（３）、（４）の領域よりも（１）、（２）の領域の方が安定性が高いため、この場合においても僅かな外乱で（１）、（２）の周期解まで応答が低減する。

次に、タイプ２では、図４に示すように、（４）に対応する領域の勾配が大きいため、（４）に共振する振動数範囲が狭くなっている。また、タイプ３では、図５に示すように、共振域が振動数比β＝３付近に限定されている。

なお、タイプ３では、図２５に示した線形モデルのｋ＝９のケースと比較すると、振動数比β＝３付近の共振曲線が似通っているが、線形モデルでは振動数比β＝３で加振すると共振曲線のピークまで共振するのに対し、タイプ３では（１）の領域（図中ではほとんどゼロ）に収れんするという点が決定的に異なっている。

ここで、次の式（１）のＤｕｆｆｉｎｇ方程式は線形運動方程式にαω^２ｘ^３の項を追加した力学系であり、周知の式である。なお、ωはω＝√（ｋ／ｍ）、ｈは構造物の減衰（ｈ＝ｃ／２√（ｍｋ））、αは構造物の非線形ばね定数、ｐは外力倍率、βは構造物のωに対する強制外力の振動数比、ｍは構造物の質量、ｃは構造物の減衰係数、ｋは構造物の剛性である。

そして、図６（ａ）は、この式（１）による共振曲線の例を示している。また、図６（ｂ）は、参考文献１（渡辺宏一，中井正一：強非線形を有する１自由度系の振動特性に関する検討、日本建築学会（近畿）、２０１４年９月１４日）に示された降伏を考慮したＤｕｆｆｉｎｇ方程式による共振曲線である。

強非線形性を含む項を力学系に入れると、図６に示すように共振曲線が傾くことは多くの文献に記載れている周知の事実である。

また、共振曲線が傾いた場合には、同じ振動数比βに対して複数の周期解があること、どの周期解に収れんするかは構造物の初期状態に依存すること、初期値が静止状態のときは最も動的応答倍率が小さい周期解に収れんすることも知られている。

さらに、加振力の周期を変動させた場合（スイープ加振）、高振動数側にスイープさせると、図６におけるＤ→Ａに移行して動的応答倍率が増加し、低振動数側にスイープさせると、Ｃ→Ｅ→Ｄと異なる経路をたどることも知られている。

また、上記の参考文献１に記載のように、硬化型復元力特性を有する強非線形剛性要素３に降伏を考慮することは装置（２）の周りの設計を考えた場合に当然に最初に検討される項目である。

一方、参考文献１に示されるように、図６におけるＥ付近の振動数において初期値がゼロでない場合にＤに収れんし、動的応答倍率が増大してしまうケースがある。

これに対し、本実施形態の制振構造物１、変位依存型調節機構２においては、非線形回転慣性要素（本実施形態の回転慣性質量装置／可変慣性質量装置）４を組み込むことで、Ｅ点の位置を長周期側（振動数比βが小さくなる方向）にずらすようにしている。

すなわち、非線形回転慣性要素４を組み込むと、動的応答倍率が小さい図２の（１）の領域部分を長周期側まで食い込むように拡大させることができる。また、図３のタイプ３では、共振する可能性が高い振動数を狭い範囲（図５の（４））に限定することができ、且つその共振現象が発生する可能性を著しく低くすることができる。

したがって、本実施形態の制振構造物１においては、周期的な振動エネルギーが入力された際に、非線形の回転慣性質量効果が発揮され、制振構造物１の固有周期を変化させることができる。これにより、周期的な振動エネルギーの入力による共振現象を効果的に回避することが可能になる。また、特に構造物１の固有周期に近い周期荷重が長時間作用する場合に有効である。

そして、このような特徴を有する本実施形態の変位依存型調節機構２（可変慣性質量装置４、可変剛性装置３）は、免震構造物への適用が効果的であり、免震層に本実施形態の変位依存型調節機構２を付加することにより、地震時に長周期成分の加振が多数繰り返された場合にも共振を抑制することが可能になる。また、大地震時のストッパー装置の替わりに設置することも可能である。

また、免震構造物以外に本実施形態の変位依存型調節機構２を付加した場合には、従来のように制振ダンパーを多数設置しなくても共振を抑制することができる。

さらに、機械振動や鉄道走行時振動など、特定振動数成分を多く含む複数回の加振が想定される場合に本実施形態の変位依存型調節機構２を付加することにより共振現象を効果的に抑えることができる。

また、大型振動台等の加振源の基礎部分に本実施形態の変位依存型調節機構２を付加することで、周辺地盤の共振を抑制できる。さらに、強風を受ける構造物や橋梁の共振抑制に適用するも可能である。

ここで、制振構造物１の変位が小さいときに、相対的に強非線形剛性要素３の作用が小、非線形回転慣性要素４の作用を大とし、変位がある値（Ｕｐ（Ｕｐ付近））まで大きくなると、強非線形剛性要素３の作用を大、非線形回転慣性要素４の作用を小にすることができる強非線形剛性要素（可変剛性装置）３、非線形回転慣性要素（可変慣性質量装置）４の具体例について説明する。

はじめに、本実施形態の第一例の非線形回転慣性要素４は、変位に応じて回転慣性質量効果を大小変化させることが可能な回転慣性質量装置、言い換えれば、非線形の回転慣性特性を有する回転慣性質量装置であり、図７から図１０に示すように、回転慣性質量機構５と非線形特性調節機構（回転慣性質量可変機構）６とを備えて構成されている。

回転慣性質量機構５は、中心軸線Ｏ１を装置の軸線Ｏ１と同軸上に配して設けられたねじ軸７と、ねじ軸７に螺着して配設された第１回転錘８とを備えている。

ねじ軸７は、その一端（基端）にボールジョイントやクレビスなどの連結部材９が取り付けられている。また、このねじ軸７には、その外周面に、第１回転錘８が螺着する第１ねじ溝（雄ネジ）１０が形成され、且つ第１ねじ溝１０よりも他端（先端）側の外周面に、後述の第２回転錘１４が螺着する第２ねじ溝（雄ネジ）１１が形成されている。さらに、第１ねじ溝１０は、ねじピッチが小さく、密に形成されている。第２ねじ溝１１は、第１ねじ溝１０よりもネジピッチが大きく、疎に形成されている。

また、回転慣性質量機構５は、ねじ軸７がケーシング１２に軸線Ｏ１方向に進退自在に支持され、ケーシング１２から一端側を外側に配し、第１ねじ溝１０及び第２ねじ溝１１が形成された部分をケーシング１２内に配して設けられている。さらに、第１ねじ溝１０に螺合した第１回転錘８がケーシング１２内に配設されるとともに、略円盤状の第１回転錘８がその外周側をケーシング１２に一体に取り付けられたベアリング１３に回転可能に支持されて配設されている。

これにより、この回転慣性質量機構５においては、振動エネルギーが作用することによって生じる構造物１の変位に応じてねじ軸７が軸線Ｏ１方向に進退移動すると、このねじ軸７の進退に応じて密な第１ねじ溝１０に螺着した第１回転錘８が回転し、この第１回転錘８の質量の数千倍もの慣性質量効果を発生させることができる。

非線形特性調節機構（回転慣性質量可変機構）６は、ねじ軸７の第２ねじ溝１１に螺着して配設された第２回転錘１４を備えている。

これにより、振動エネルギーが作用することによって生じる構造物１の変位に応じてねじ軸７が軸線Ｏ１方向に進退移動すると、このねじ軸７の進退に応じて第１回転錘８とともに第２ねじ溝１１に螺着した第２回転錘１４が回転する。

このとき、第１回転錘８が密な第１ねじ溝１０に螺着して設けられ、第２回転錘１４が疎な第２ねじ溝１１に螺着して設けられているため、第１回転錘８は高速で回転し、第２回転錘１４は低速で回転することになる。

なお、第２回転錘１４に対応する疎な第２ねじ溝１１は、力の伝達を確実にするため、複数の溝（本実施形態では４本）を平行に配置して巻き数の不足を補うように構成されている。

また、非線形特性調節機構６は、第２回転錘１４の回転運動を軸線Ｏ１方向に沿う直線運動に変換する直線運動変換機構１５と、直線運動変換機構１５が作用して回転質量効果を変化させる可変回転慣性質量機構１６とを備えている。

本実施形態の直線運動変換機構１５は、立体カム機構であり、円筒カム２０と従動体２１とを備えて構成されている。

円筒カム２０は、外周面に一連のカム溝が形成されている。また、本実施形態の円筒カム２０は、ねじ軸７を内孔に挿通し、互いの軸線Ｏ１を一致させつつ第２回転錘１４の一部として形成されている。

従動体２１は、略円筒状に形成され、ケーシング１２に一体に設けられたリニアスライダー２２によって軸線Ｏ１方向に沿って進退自在に支持されている。また、この従動体２１は、円筒カム２０を内包するように同軸上に設けられ、且つ円筒カム２０のカム溝に爪を係合させて設けられている。これにより、従動体２１は、円筒カム２０が軸線Ｏ１周りに回転するとともにカム溝に案内されて軸線Ｏ１方向に進退する。

すなわち、本実施形態の直線運動変換機構１５においては、第２回転錘１４（円筒カム２０）の回転運動が従動体２１の直線運動に変換される。

可変回転慣性質量機構１６は、ラックピニオン２３と可変慣性質量体２７とを備えて構成されている。

ラックピニオン２３は、第１回転錘８に軸線Ｏ１方向に進退自在に支持され、第１回転錘８とともに軸線Ｏ１周りに回転するラック２４と、軸線Ｏ１に直交する方向に回転軸線を向け、第１回転錘８に回転軸線周りに回転可能に軸支された回転軸２５と、回転軸２５に一体に取り付けられるとともにラック２４に噛合して設けられ、ラック２４が進退する直線運動を回転軸２５の回転運動に変換するピニオン２６とを備えている。

また、回転軸２５には回転ばねなどの付勢手段が取り付けられ、常時一方向に回転させるように付勢されている。これにより、ピニオン２６が一方向に付勢され、ラック２４がねじ軸７の図７のＢ側に移動するように付勢されている。

可変慣性質量体２７は、一端をラックピニオン２３の回転軸２５に固着し、回転軸線に直交する方向に延設されている。

上記構成からなる本実施形態の第一例の非線形回転慣性要素４の回転慣性質量装置においては、ねじ軸７が軸線Ｏ１方向に進退すると、第１回転錘８とともに第２回転錘１４が回転し、立体カム機構の直線運動変換機構１５の従動体２１が第２回転錘１４に連動して軸線Ｏ１方向に進退する。

そして、図７及び図８に示すように、従動体２１がねじ軸７の図７のＢ側に移動すると、この従動体２１が可変回転慣性質量機構１６のラック２４を押す力が弱くなるので、これとともに、ラックピニオン２３の回転軸２５が付勢手段によって回動し、可変慣性質量体２７が回転軸線周りに回動して傘を開くように移動する。

また、図９及び図１０に示すように、従動体２１が逆にねじ軸７の図７Ａ側に移動すると、ラックピニオン２３の回転軸２５が従動体２１によって押圧され、可変慣性質量体２７が傘を閉じるように移動する。

このように可変慣性質量体２７が開閉移動することによって回転慣性質量効果を変化させることが可能になる。

また、立体カム機構の従動体２１の爪の数は１個、複数個とすることが可能であるが、本実施形態では上下左右の４箇所に爪を設けるようにしている。この場合、図１１に示すように、円筒カム２０のカム溝２８のリード長は、ねじ軸７の軸線Ｏ１方向の動きに対して±４５°以下の回転に収まるように設定する。すなわち、この±４５°の回転に応じて所定の軸線Ｏ１方向変位が実現できるように立体カム機構のカム溝２８の形状を決定することになる。

図３に示した非線形回転慣性要素（Ｆｍ）４のタイプ１、タイプ２、タイプ３を実現するためには、図１１のようなカム溝２８の形状となる。
また、図９及び図１０に示した傘が閉じたような状態でも多少の回転慣性質量が存在するが、そのときの回転慣性質量を回転質量ゼロとみなせば、図３のタイプを実現できたことになる。

また、直線運動変換機構（立体カム機構）１５の軸線Ｏ１方向の従動体２１の動きと、可変慣性質量体２７による回転慣性質量の関係は、数値計算により求め、図表などとして表すことが可能である。

具体的には、従動体２１の変位から可変慣性質量体２７の幾何学的な位置が決定でき、これにより、可変慣性質量体２７による可変の回転慣性質量を算定することができる。例えば、図３の３次区分曲線を実現するには、必要な回転慣性質量から逆にたどって、可変慣性質量体２７の変位を求め、その変位を実現できるようにカム溝２８等を形成すればよい。

さらに具体的に非線形回転慣性質量変動分の特性を実現するためのカム溝２８の形状の決定方法の一例について説明する。

図３におけるタイプ１、タイプ２、タイプ３を重ねて示すと、図１２のような回転慣性質量の変動分と軸方向変位の関係となる。

そして、カム溝２８の形状を決定する手順としては、まず、第１回転錘８の可変慣性質量の変動分（可変慣性質量体２７）とリニアスライダー２２の水平方向変位の関係を求める。リニアスライダー２２の水平方向変位とは、従動体２１及びラック２４の変位を意味する。

リニアスライダー２２の水平方向変位が決まれば可変慣性質量体２７が傘状に開くときの角度がラック２４のギア比により幾何学的に算定できる。

これにより、図１３に示すようなリニアスライダー２２の水平方向変位と可変慣性質量体２７による可変部分の回転慣性質量の関係を得ることができる。
そして、この図１３に示したＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは図１２のタイプ１の回転慣性質量を実現するための目標点である。すなわち、図１２の軸線Ｏ１方向変位がＵｇ、Ｕ１、Ｕｐ、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４のときに、リニアスライダー２２の水平方向変位が図１３となるようにカム溝２８を設定すればよいことになる。

図１４にタイプ１の場合のカム溝２８の設定例を示す。図中のＣの位置は、図１３のＬ２の水平変位に対応している。また、図中のＢ、Ｄの位置は図１３のＬ１の水平位置に対応している。なお、図１４（ｂ）には立体カム制御用の第２回転錘１４の０度から４５度についてのカム溝２８の形状を示しているが、０度から−４５度については０度を軸とした線対称の形状となる。

図１５にタイプ２、タイプ３の場合のカム溝２８の設定例を示す。図中のＣの位置は、図１３のＬ２の水平変位に対応している。また、図中のＢの位置は図１３のＬ１の水平位置に対応している。Ｃ点以降はＣの状態を維持すればよいので、カム溝２８の位置は図１５（ｂ）のようになる。なお、図１５（ｂ）には立体カム制御用の第２回転錘１４の０度から４５度についてのカム溝２８の形状を示しているが、上記と同様、０度から−４５度については０度を軸とした線対称の形状となる。

次に、本実施形態の第二例の非線形回転慣性要素（非線形回転慣性質量装置）４について説明する。この第二例の非線形回転慣性要素４においても、第一例と同様、変位に応じて回転慣性質量効果を大小変化させることが可能な非線形回転慣性質量装置である。

一方、第一例の非線形回転慣性要素４は回転慣性質量−変位の関係を任意の曲線で表現できるように構成したが、この関係が階段状でもよい。このため、第二例としての非線形回転慣性要素４は回転慣性質量−変位の関係を階段状で表現できるように構成されている。

具体的に、本実施形態の第二例の非線形回転慣性要素４は、図１６に示すように、回転慣性質量機構５と非線形特性調節機構（回転慣性質量可変機構）６とを備えている。

また、回転慣性質量機構５は、第一例と同様に構成されている。すなわち、中心軸線Ｏ１をダンパーの軸線Ｏ１と同軸上に配して設けられたねじ軸７に第１回転錘８を螺着して構成されている。

ねじ軸７には、その外周面に、第１回転錘８が螺着する第１ねじ溝１０と第２回転錘１４が螺着する第２ねじ溝１１が形成されている。第１ねじ溝１０は、ねじピッチが小さく、密に形成されている。第２ねじ溝１１は、第１ねじ溝１０よりもネジピッチが大きく、疎に形成されている。

非線形特性調節機構（回転慣性質量可変機構）６は、第２ねじ溝１１に螺着した第２回転錘１４を備えている。

さらに、この非線形特性調節機構６は、第２回転錘１４の回転運動を軸線Ｏ１方向に沿う直線運動に変換する直線運動変換機構１５と、直線運動変換機構１５が作用して回転質量効果を変化させる可変回転慣性質量機構３０とを備えている。

直線運動変換機構１５は、立体カム機構であり、第一例と同様に円筒カム２０と従動体２１とを備え、円筒カム２０が軸線Ｏ１周りに回転するとともにカム溝２８に案内されて従動体２１が軸線Ｏ１方向に進退する。また、従動体２１の先端側にはバネ３１ａとボール３１ｂで構成された押付け機構３１が設けられている。

本実施形態の第二例の可変回転慣性質量機構３０は、従動体２１が軸線Ａ側方向に移動すると、この従動体２１に押圧されて第１回転錘８に押圧され、第１回転錘８とともに回転する付加回転慣性質量体３２を備えている。

また、付加回転慣性質量体３２と第１回転錘８との間に摩擦部材３３が設けられ、従動体２１が軸線Ａ側方向に移動して付加回転慣性質量体３２が第１回転錘８に押圧されるとともに摩擦部材３３との摩擦によって確実に第１回転錘８と一体に回転するように構成されている。

そして、ねじ軸７の軸線Ｏ１方向の進退に応じて従動体２１がＡ側方向に移動すると付加回転慣性質量体３２の回転慣性効果が付加され、従動体２１がＢ側方向に移動すると、摩擦が切れて付加回転慣性質量体３２の回転慣性効果がなくなる。

この例では回転慣性効果のＯＮ、ＯＦＦの２段階であるが、変位に応じて回転慣性質量を増減することが可能になる。また、この摩擦を使った非線形回転慣性要素（非線形特性を有する回転慣性質量装置）４は、第一例の非線形回転慣性要素４よりもコンパクトで、大きな付加回転慣性質量を実現することができる。

なお、押付け機構３１の剛性や摩擦部材３３の摩擦係数を種々のレベルに調整した複数の装置４を例えば建物当該階に配置することによって、建物（構造物１）の層全体として多段の階段状の回転慣性質量−変位関係を実現することも可能である。

次に、本実施形態の強非線形剛性要素（非線形の剛性特性を有する可変剛性装置）３は、図１７に示すように、剛性調節機構３５と硬化型剛性機構３６とを備えて構成されている。

剛性調節機構３５は、中心軸線Ｏ２を装置の軸線Ｏ２と同軸上に配して設けられたねじ軸３７と、ねじ軸３７の一端側に螺着して設けられた第１回転体３８と、ねじ軸３７の他端側に螺着して設けられた第２回転体３９とを備えている。

ねじ軸３７は、その一端（基端）にボールジョイントやクレビスなどの連結部材４０が取り付けられている。また、このねじ軸３７には、その外周面に、第１回転体３８が螺着する第１ねじ溝（雄ネジ）４１が形成され、且つ第１ねじ溝４１よりも他端（先端）側の外周面に、第２回転体３９が螺着する第２ねじ溝（雄ネジ）４２が形成されている。

また、ねじ軸３７がケーシング４３に軸線Ｏ２方向に進退自在に支持され、ケーシング４３から一端側を外側に配し、第１ねじ溝４１及び第２ねじ溝４２が形成された部分をケーシング４３内に配して設けられている。さらに、第１ねじ溝４１に螺合した第１回転体３８、第２ねじ溝４２に螺合した第２回転体３９はそれぞれ、ケーシング４３内に配設されるとともに、略円盤状の第１回転体３８、第２回転体３９がその外周側をケーシング４３に一体に取り付けられたベアリング４４に回転可能に支持されている。

これにより、振動エネルギーが作用することによって生じる構造物１の変位に応じてねじ軸３７が軸線Ｏ２方向に進退移動すると、このねじ軸３７の進退に応じて第１回転体３８、第２回転体３９が軸線Ｏ２周りに回転する。

また、剛性調節機構３５は、第１回転体３８の回転運動を軸線Ｏ２方向に沿う直線運動に変換する一方の非線形特性調節機構４５と、第２回転体３９の回転運動を軸線Ｏ１方向に沿う直線運動に変換する他方の非線形特性調節機構４６とを備えている。

各非線形特性調節機構４５、４６は、立体カム機構であり、円筒カム４７と従動体４８とを備えて構成されている。

本実施形態においても、第１回転体３８、第２回転体３９がそれぞれ円筒カム４７を兼ねており、各回転体３８、３９の外周面に一連のカム溝を形成して構成されている。

従動体４８は、略円筒状に形成され、ケーシング４３に一体に設けられたリニアスライダー４９によって軸線Ｏ２方向に沿って進退自在に支持されている。また、この従動体４８は、円筒カム４７を内包するようにして同軸上に設けられ、且つ円筒カム４７のカム溝に爪を係合させて設けられている。これにより、従動体４８は、円筒カム４７である第１回転体３８、第２回転体３９がそれぞれ軸線Ｏ２周りに回転するとともにカム溝に案内されて軸線Ｏ２方向に進退する。

硬化型剛性機構３６はバネ部材を用いて構成される。本実施形態では、この硬化型剛性機構３６が複数の皿バネ５０を積層するように並設して構成されている。

また、ねじ軸３７には一端側と他端側の間の中央部に円盤状の押圧治具５１が一体に設けられている。そして、この押圧治具５１と一方の非線形特性調節機構４５の従動体４８の間に第一群の皿バネ体５２が、押圧治具５１と他方の非線形特性調節機構４６の従動体４８の間に第二群の皿バネ体５３がそれぞれ介装されている。なお、本実施形態では、初期状態で、押圧治具５１と第一群の皿バネ体５２との間、押圧治具５１と第二群の皿バネ体５３との間にそれぞれ、隙間Ｕｇが形成されるように構成されている。

そして、この強非線形剛性要素３においては、ねじ軸３７が軸線Ｏ２方向に進退移動すると、ねじ軸３７と一体化した押圧治具５１も軸線Ｏ２方向に動き、移動した方向の皿バネ体５１、５２を圧縮することで反力が得られる。

また、このとき、２つの非線形特性調節機構４５、４６が両端側に設けられ、ねじ軸３７の軸線Ｏ２方向の移動を第１回転体３８と第２回転体３９の回転方向の動きに変換する。さらに、各回転体３８、３９には立体カム機構を構成するためのカム溝が設けられ、各回転体３８、３９の回転変位をカム溝に係合した従動体４８の軸線Ｏ２方向の直線運動（直線変位）に変換する。

これにより、押圧治具５１と各従動体４８の間隔がねじ軸３７の軸線Ｏ２方向の変位量に応じて変わり、強非線形剛性要素３の剛性が可変となる。よって、図３の変位Ｕｐ以降の変位−荷重関係を実現することが可能になる。
なお、図３の強非線形剛性要素３の変位−荷重関係において、変位Ｕｐまではタイプ１、タイプ２、タイプ３共通であり、複数の皿バネ５０を組み合わせることによって実現可能である。

また、本実施形態では、立体カム機構の従動体４８の爪の数は１個、複数個とすることが可能であるが、例えば上下左右の４箇所に爪を設けるようにしている。この場合、円筒カム４７のカム溝のリード長は、ねじ軸３７の軸線Ｏ２方向の動きに対して±４５°以下の回転に収まるように設定する。すなわち、この±４５°の回転に応じて所定の軸線Ｏ２方向変位が実現できるように立体カム機構のカム溝の形状を決定することになる。

ここで、皿バネ単体の復元力特性の一例を図１８に示す。曲げ高さに対するたわみ量ｆ／ｈが０．７５程度の範囲までは線形の復元力特性を示し、その後、剛性が増大し、皿バネ５０が完全に押し潰された状態（ｆ／ｈ＝１．０）では剛性が∞となる。

皿バネ５０の耐久性を確保するためにはｆ／ｈを０．７５（７５％）以下に抑えることが望ましい。一方、例えば免震構造物においてギャップストッパー作動時には層間変位が大きくなるに従ってギャップ部分の剛性を∞に近づける必要がある。

そこで、本実施形態では、図１７に示すように、隣り合う皿バネ５０の間にたわみ制限治具（変位制限治具）５５を介装することで、ｆ／ｈを０．７５（７５％）以下にしつつ剛性を∞にできるようにしている。そして、剛性が異なる複数の皿バネ５０を連結したり、たわみ制限治具５５の厚みを調節することでより滑らかな硬化型復元特性を実現することが可能になる。また、皿バネ５０と押圧治具５１の間に隙間Ｕｇを設けることによりギャップ（全く荷重が発生しない領域）を実現することが可能になる。

また、図３に示した強非線形剛性要素３のタイプ１、タイプ２、タイプ３を実現するカム溝５７の形状は、例えば図１９のようになる。
また、非線形特性調節機構（立体カム機構）４５、４６の軸線Ｏ２方向の従動体４８の動きと、皿バネ５０の変位−荷重の関係は、数値計算により求め、図表などとして表すことが可能であり、図３を実現するようなカム溝位置を図表により求めることによって、容易にカム溝位置を設定することができる。

さらに具体的に強非線形剛性要素３の特性を実現するためのカム溝形状の決定方法の一例について説明する。

図３におけるタイプ１、タイプ２、タイプ３を重ねて示すと、図２０のような発生する荷重と軸方向変位の関係となる。また、図２０の軸方向変位Ｕ４は、強非線形剛性要素３の使用限界変位となる。

そして、本実施形態では、立体カム機構の従動体４８に４つの爪があるため、１つの爪は３６０度／４＝９０度範囲のカム溝５７で制御することになる。また、従動体４８の動作に関与する第１回転体３８、第２回転体３９のねじ溝４１、４２のピッチは緩やかにしており、使用限界範囲Ｕ４の時にこれら回転体３８、３９は±４５度の回転が生じるようにねじ軸３７のピッチを決定する（図２１参照）。

図２２にタイプ１の場合のカム溝の設定例を示す。
図２２には、±４５度の部分の上半分である０度から４５度のみを示している。ここで、０度から４５度は皿バネ５０が圧縮する方向にねじ軸３７が移動した場合である。また、第１回転体３８と第２回転体３９は、カム溝５７の形状を反転させる（左右入れ替える）必要がある。なお、０度から−４５度については皿バネ５０が引っ張られる方向なので従動体４８を移動させる必要がないため、初期位置と同じ位置にカム溝５７があればよい。

軸線Ｏ２方向変位Ｕｇまでは、図１７に示した皿バネ部分の隙間Ｕｇによって荷重がゼロとなる。軸線Ｏ２方向変位Ｕ１（図２０のＡ点）までは、皿バネ５０による硬化型復元力特性と同じであるので、従動体４８は初期状態から動く必要はない。それ以降は、図２２の黒線と破線の変位差の分だけ従動体４８によって有効となる変位を少なくすればよい。例えば、Ｂ点ではｄｂだけ従動体４８によって有効となる変位を小さくする。同様にＣ点ではｄｃだけ従動体４８によって有効となる変位を小さくする。以下同様にして、対応するカム溝位置を決定する。

図２３にタイプ２の場合のカム溝５７の設定例を示す。Ａ点まではタイプ１と同じである。それ以降は荷重ｆｐを維持するために、図２３の縦線との水平距離の分だけ、従動体４８で変位を緩和すればよい。したがって、Ｂ点以降はＥ点を通る直線のカム溝形状となる。

図２４にタイプ３の場合のカム溝５７の設定例を示す。Ｂ点まではタイプ２と同じであるが、それ以降は実線と破線の差の分だけ変位を緩和すればよいので、Ｂ点以降に直線となる。タイプ２とタイプ３の差は、Ｂ点以降の直線の傾きとなる。

以上、本発明に係る可変剛性装置及び制振構造物の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本実施形態では、可変慣性質量装置が回転力を利用する回転慣性質量装置であるものとして説明を行ったが、本発明に係る可変慣性質量装置は必ずしも回転量を利用して慣性質量効果を得る装置に限定する必要はない。

また、本実施形態では、回転慣性質量装置４として図７から図１０の第一例と図１６の第二例を示したが、例えば、特開２０１３−２１３５７９号公報の可変慣性質量フライホイールのような電流の変化によって磁性流体の粘度を変化させることで２つのフライホイールの結合状態を任意に変化させ、回転慣性質量を可変にするものを適用してもよい。
この場合には、変位センサーの値に応じて電流を制御し、変位に依存する回転慣性質量の値を任意に設定できるため、本発明が必要としている回転慣性要素の復元力特性が実現可能である。

また、回転慣性質量装置４として、特許第４３６６２１５号公報の可変リード転動体ねじ装置と特開２０１０−１９３４７号公報の慣性質量ダンパーを組み合わせて適用してもよい。

１ 制振構造物
２ 変位依存型調節機構
３ 強非線形剛性要素（可変剛性装置）
４ 非線形回転慣性要素（可変慣性質量装置）
５ 回転慣性質量機構
６ 非線形特性調節機構
７ ねじ軸
８ 第１回転錘
９ 連結部材
１０ 第１ねじ溝
１１ 第２ねじ溝
１２ ケーシング
１３ ベアリング
１４ 第２回転錘
１５ 直線運動変換機構（立体カム機構）
１６ 可変回転慣性質量機構
２０ 円筒カム
２１ 従動体
２２ リニアスライダー
２３ ラックピニオン
２４ ラック
２５ 回転軸
２６ ピニオン
２７ 可変慣性質量体
２８ カム溝
３０ 可変回転慣性質量機構
３１ 押付け機構
３１ａ バネ
３１ｂ ボール
３２ 付加回転慣性質量体
３３ 摩擦部材
３５ 剛性調節機構
３６ 硬化型剛性機構
３７ ねじ軸
３８ 第１回転体
３９ 第２回転体
４０ 連結部材
４１ 第１ねじ溝
４２ 第２ねじ溝
４３ ケーシング
４４ ベアリング
４５ 一方の非線形特性調節機構（立体カム機構）
４６ 他方の非線形特性調節機構（立体カム機構）
４７ 円筒カム
４８ 従動体
５０ 皿バネ
５１ 押圧治具
５２ 第一群の皿バネ体（第１バネ体）
５３ 第二群の皿バネ体（第２バネ体）
５５ たわみ制限治具（変位制限治具）
Ｏ１ 軸線
Ｏ２ 軸線

Claims (2)

1. 直線運動を回転運動に変換する立体カム機構を備え、該立体カム機構によって変位と弾性係数の関係が非線形性を有する可変剛性装置であって、
   剛性調節機構と、硬化型剛性機構と、を備え、
   前記剛性調節機構は、
   中心軸線を装置の軸線と同軸上に配して設けられたねじ軸と、該ねじ軸の一端側に螺着して配設された第１回転体と、
   前記ねじ軸の他端側に螺着して配設された第２回転体と、を備え、
   振動エネルギーが作用することによって生じる構造物の変位に応じて前記ねじ軸が軸線方向に進退移動すると、該ねじ軸の進退に応じて前記第１回転体および前記第２回転体が軸線周りに回転可能に構成され、
   前記剛性調節機構は、
   前記第１回転体の回転運動を軸線方向に沿う直線運動に変換する一方の非線形特性調節機構と、前記第２回転体の回転運動を軸線方向に沿う直線運動に変換する他方の非線形特性調節機構と、を備え、
   前記一方の非線形特性調節機構および前記他方の非線形特性調節機構は、前記立体カム機構であり、円筒カムおよび従動体を備え、
   前記第１回転体および前記第２回転体は、それぞれ前記円筒カムを兼ねており、前記第１回転体および前記第２回転体の外周面にカム溝が形成され、
   前記従動体は、
   略円筒状に形成され、リニアスライダーによって軸線方向に沿って進退自在に支持され、前記円筒カムを内包するようにして同軸上に設けられ、かつ、前記円筒カムの前記カム溝に係合され、
   前記従動体は、前記第１回転体および前記第２回転体が軸線周りに回転すると前記軸線方向に進退可能に構成され、
   前記硬化型剛性機構は、複数の皿バネを積層配置して構成され、
   前記ねじ軸の一端側と他端側の間の中央部に円盤状の押圧治具が設けられ、
   前記押圧治具と前記一方の非線形特性調節機構の前記従動体との間に、第一群の皿バネ体が設けられ、
   前記押圧治具と前記他方の非線形特性調節機構の前記従動体との間に、第二群の皿バネ体が設けられ、
   前記ねじ軸が軸線方向に進退移動すると、前記ねじ軸と一体化した前記押圧治具も軸線方向に動き、移動した方向の皿バネ体を圧縮することで反力を得るように構成され、
   前記押圧治具と前記従動体との間隔が、前記ねじ軸の軸線方向の変位量に応じて変化することで剛性が変化するように構成されていることを特徴とする可変剛性装置。
2. 請求項１記載の可変剛性装置を備えた制振構造物であって、
   前記制振構造物の剛性は、主構造の剛性と具備された前記可変剛性装置の剛性との和であり、前記制振構造物の変位に応じて生じるねじ軸の変位により前記可変剛性装置の剛性が変わることで変化するように構成されていることを特徴とする制振構造物。

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