JP6799320B2 - 免震装置用空気パッド - Google Patents

Description

本発明は、建築構造物や各種装置類などの免震対象物と設置面との間に空気層を積極的に形成して、その免震対象物の横揺れを軽減する免震装置用空気パッドに関する。

地震等の際、小は博物館等に展示されている美術品から大は巨大な建造物まで、地震の振動を遮断して上部に支持している構造物等を保護する免震装置がいろいろ開発されている。地震の振動には上下方向のものと水平方向のものとがあり、この両者いずれにも対応可能な免震装置もあるが、一般には上下動に対する免震と水平方向の免震とで手段を分けるのが普通であり、水平方向の振動を軽減することを目的とした免震装置が下記の特許文献に記載されている。

特許文献１には、下底面に圧縮空気噴出孔を有する中空架台と、圧縮空気供給手段、振動を関知するセンサ、このセンサの信号を受けて作動する圧縮空気用の電磁開閉バルブ等から構成され、建造物の床面に設置される床の免震装置が記載されている。

特許文献２には、物品の載置設備を浮上させる浮上手段を有することにより免震効果を発揮する免震装置が記載されており、浮上手段として永久磁石、空気噴射の二つが例示されている。

また特許文献３には、空気浮上方式の免震テーブルが記載されている。これは、圧力空気タンク、圧力空気を供給・遮断する電磁バルブ、空気圧を調整するレギュレータ等を収納した空気供給装置収容箱の上面を噴出空気の受け面とし、免震テーブルをコンパクトにユニット化した免震装置である。

さらに特許文献４には、底部にエアベアリングを備える重量物搬送装置が記載されているが、エアベアリングはドーナッツ状の風船の中心部に着地パッドを設け、風船に空気を送ってふくらませ、風船の外周付近に設けた微小なエア噴出孔からエアを噴出させて風船をふくらませるとともに床面から浮上させ、床面との摩擦を小さくすることによって容易に重量物の搬送を行うものである。

以上の各特許文献により、空気を噴射して重量物等を浮上させることは公知であるが、その噴射孔周辺の形状については以下のものを除いて特に記載がない。特許文献２にはさまざまな実施例が挙げられており、特許文献２の段落[００３２］には、「板２７」に形成された孔のエア噴出口の周辺部を、噴出口に向かって徐々に深くなる「すり鉢状の凹部２７ａ」としてもよいと記載され、その構造が特許文献２の図８に示されている。そして、「凹部２７ａと底面との間の空間が凹部の中心から外側に向かって徐々に狭くなるため、噴出したエアが凹部の外側にいくにしたがって徐々に圧縮されて、均一な押し上げ力により効率よく重量物を押し上げる」とされている。

実開平１−１３８０５１号公報 特開平９−１４３３９号公報 特開平１１−３４９１１５号公報 特開２００１−２０８１３１号公報

特許文献２の記載によれば、エアが供給される凹部の形状に応じて、重量物を押し上げる効果が異なることが窺える。しかしながら、本発明者が更に検討したところ、特許文献２に記載されているいわゆる「すり鉢状の凹部」だけでは必ずしも十分な浮上効果あるいは摩擦力の低減効果を得られない場合があることを見出した。

本発明は、このような知見に基づき、免震対象物を必要十分に浮上させ、あるいは水平方向の移動に対する摩擦力を必要十分に低下させるのに要する圧縮空気を低圧にし、あるいは少量にすることのできる形状を備えた空気パッドを提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の目的を達成するために様々な異なる形状について比較実験を行い、以下に述べる構成とした。すなわち、本発明は、免震対象物と前記免震対象物を設置する設置面との間に圧縮空気を供給することにより前記免震対象物の水平方向の移動に対する摩擦力を低減する免震装置用空気パッドにおいて、前記免震対象物の前記設置面に対向する下面と前記設置面とのいずれか一方の面に設けられる平板状の本体部と、前記本体部の前記下面もしくは前記設置面を向く面に形成された円錐状の凹部と、前記凹部の内部に圧縮空気を噴射する噴出孔と、前記凹部の外周端から前記凹部の半径方向で外側に続けて形成されかつ前記下面もしくは前記設置面と平行なリング状平面部とを備え、前記噴出孔は、前記凹部の全面にわたって複数箇所形成され、前記凹部の中心に近い噴出孔の開口径に対して外周側の噴出孔の開口径が小さくなっていることを特徴とするものである。

本発明によれば、圧縮空気が供給されかつ周囲に拡散して流れる箇所の形状が、前述した円錐状の凹部だけでなく、その凹部に半径方向で外側に続けて形成されているリング状平面部を加えた形状であることにより、より低い空気圧、すなわち少ない空気量で所定の浮上効果や摩擦力の低減効果が得られ、効率的な免震装置が実現するという、すぐれた効果を奏する。また、例えば従来のエアベアリングにおける風船のような、メンテナンスの必要な部品も不要である。

本発明に係る空気パッドの概念図である。 実験に使用した平面体の概念を示す平面図および断面図である。 同じく実験に使用した円板の概念を示す平面図および断面図である。 図２の平面体における実験結果の空気圧と浮上量の関係を示すグラフである。 同じく図３の円板における実験結果の空気圧と浮上量の関係を示すグラフである。 本発明実施例の円板の側面図である。 本発明実施例の円板の底面図である。 本発明におけるより具体化した実施例の円板の側面図である。 本発明におけるより具体化した実施例の円板の底面図である。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。図１は本発明に係る空気パッド１０を用いた免震装置の概念図である。空気パッド１０は、免震対象物の一例である構造物１１の底部の四隅に、当該構造物１１の重量や大きさ等を勘案して適宜配置され、水平方向の振動に対応する免震装置に用いられる。なお、上下動に対応する別個の免震機構をさらに併設することは任意である。また、空気パッド１０を構造物の脚部の下部に配置してよい。構造物１１の底部の四隅や構造物の脚部の下部は、支持部の一例である。空気パッド１０は、構造物１１の下面１１ａとその下面１１ａに対向する設置面１７との間に設置面１７に対向して配置されていればよく、構造物１１に直接取り付けられていてもよく、あるいは適宜の図示しないプレートなどの取り付け部材を介して構造物１１に取り付けられていてもよい。

空気パッド１０のいわゆる本体部は平板状の部材であって、好ましくは円板１２であって、その円板１２の中央には圧縮空気の噴出する噴出孔１３が設けられている。その噴出孔１３にチューブ継手１４を介してエアチューブ１５が接続されている。エアチューブ１５には、圧縮空気噴射手段１６が接続されている。円板１２の底面には、外縁のリング状（円環状）平面部２６と、リング状平面部２６の内側に噴出孔１３を中心として形成された浅い円錐（テーパ）状の凹部２７とが形成されている。したがって、リング状平面部２６は、凹部２７の外周端に円板１２（凹部２７）の半径方向で外側（外周側）に向けて続けて形成され、凹部２７の輪郭とリング状平面部２６の輪郭とは互いに相似の円形となっている。また、リング状平面部２６は、設置面１７と平行になっている。圧縮空気噴射手段１６からエアチューブ１５を介して圧縮空気が供給されると、図１に破線で示すように、下部の設置面１７に向かって空気が噴射され、円板１２に対して浮上力が作用し、円板１２がわずかに浮上し、あるいは設置面１７との間に空気膜が形成されて摩擦係数が小さくなる。これにより円板１２と設置面１７との間の接触がなくなり、もしくは接触圧が小さくなって水平方向の摩擦力が低減されるので、設置面１７が水平方向に振動しても上部の構造物１１には振動もしくは加振力が伝達されず、構造物１１の免震が達成できる。

圧縮空気噴射手段１６は、圧縮空気タンク１８、レギュレータ１９、電磁バルブ２０、制御部２１、振動センサ２２およびコンプレッサ２３を備える。圧縮空気タンク１８は、圧縮空気を溜める。コンプレッサ２３は、圧縮空気タンク１８の圧力が設定圧力より低下した場合に圧縮空気を圧縮空気タンク８に供給する。レギュレータ１９は、圧縮空気タンク１８から供給される圧縮空気２４の圧力を予め設定した圧力に調整する。電磁バルブ２０は、レギュレータ１９により圧力が調整された圧縮空気２５を噴出孔１３に向けて供給する開状態と圧縮空気２５の噴出孔１３に向けた供給を遮断する閉状態とに圧縮空気２５の流れを切り替える。振動センサ２２は、地震波を検知して検出信号を制御部２１に送出する。制御部２１は、検出信号を受けることに応じて開状態に切り替えるための電気信号を電磁バルブ２０に送るとともに、検出信号の受信がなくなると閉状態に切り替えるための電気信号を電磁バルブ２０に送る。なお、地震信号をキャッチして電磁弁を作動させ、地震時のみ作動させるようにしているが、これに限らず、常時圧縮空気を供給して作動させてもよい。この場合には、振動センサ２２や電磁バルブ２０などを省略することができる。

浮上力もしくは空気膜は空気圧と空気流量に依存する。これらの条件が同一でも、噴出孔１３の周辺の円板１２の形状によって浮上力がかなり変化することがわかった。そこで図２、図３に示すような板状体を用意して、実験を行った。

図２（ａ）は、板状体の一例である板３０の平面を示す。板３０は、図２（ａ）に示すように、縦横の寸法Ｌ_Ｈ，Ｌ_Ｖがそれぞれ２８０ｍｍとされた正方形の輪郭を有する。図２（ｂ）は、板３０の平面輪郭をもつ板Ｐ１の断面を示す。板Ｐ１は、図２（ｂ）に示すように、底面３２がフラットになっている。図２（ｃ）は、板３０の平面輪郭をもつ板Ｐ２を示す。板Ｐ２は、図２（ｃ）に示すように、底面の周囲３４に幅Ｗ_１が２０ｍｍの縁を設け、かつ周囲３４の内側３５に０．０５ｍｍの段差（深さＨ_１の凹部）を設けた形状となっている。一方、図３（ａ）は、板状体の一例である円板３７の平面を示す。円板３７は、外径Ｄが２８０ｍｍとなっている。図３（ｂ）は、円板３７の平面輪郭をもつ円板Ｐ３の断面を示す。円板Ｐ３は、底面３８が段差なしのフラットになっている。図３（ｃ）は、円板３７の平面輪郭をもつ円板Ｐ４の断面を示す。円板Ｐ４の底面には、周囲から中央に向けて中央で深さＨ_２が０．１ｍｍとなる均一なテーパ状の凹部３９が形成されている。図３（ｄ）は、円板３７の平面輪郭をもつ円板Ｐ５の断面を示す。円板Ｐ５の底面には、周囲に形成された幅Ｗ_２が２０ｍｍのリング状平面部４０と、その内側を中央での深さＨ_３が０．１ｍｍとなるテーパ状に形成された凹部４１とが形成されている。いずれも浮上部分の重量が１５０ｋｇとなるように、板Ｐ１〜板Ｐ５の上面にウエイトを載せて調整した。

供給する空気圧を変化させて浮上量を測定した。その結果を図４、図５に示す。図４では、「△」のマークをプロットした曲線が板Ｐ１を用いた結果を、「×」のマークをプロットした曲線が板Ｐ２を用いた結果を示す。図５では、「○」のマークをプロットした曲線が円板Ｐ３を用いた結果を、「□」のマークをプロットした曲線が円板Ｐ４を用いた結果を、「●」のマークをプロットした曲線が円板Ｐ５を用いた結果をそれぞれ示す。結果として、図４に示す平面輪郭が正方形の板Ｐ１、板Ｐ２、および図５に示す円板Ｐ４を用いた場合には、曲線が寝ていて、大きく浮上させるにはそれなりの高い空気圧が必要であるのに対して、図５に示す円板Ｐ３および円板Ｐ５を用いた場合は曲線が立っていて、特に円板Ｐ５を用いた場合には圧力に対する浮上量が大きく、優れていることが認められた。

目標浮上量を例えば０．０３ｍｍとして曲線を横にたどって見ると、図４に示す板Ｐ１と板Ｐ２とを用いた場合には０．１〜０．２ＭＰａ程度の違いがあるし、図５に示す円板Ｐ４と円板Ｐ５とを用いた場合にはさらに大きな差が認められる。

結論として、円板Ｐ５を用いた場合、すなわち、図３（ｄ）に示したように、円板３７の底面が、外縁のリング状平面部４０と、リング状平面部４０の内側に圧縮空気の噴出孔１３を中心として形成される浅い円錐（テーパ）状の凹部４１とで構成されているものが最も好ましいと言える。ここで、円錐状の凹部４１の深さ（前記噴出孔１３の部分における深さである最大深さ）は、０．１ｍｍ程度が好ましいが、通常生じることが想定される加工誤差があってもよい。

板状体が正方形よりも円形であるほうが優れているのは、噴出孔１３から縁部までが等距離であり、浮上効果を得るのに無駄がないことで理解できる。また，テーパ状の凹部４１の周囲にリング状平面部４０があると、噴出する空気流（空気膜）の厚みが保証され、設置面１７の凹凸等によらず、浮上が安定することが想像できる。

好ましい円板５０の実施例を図６および図７に示す。図６は円板５０の側面を、図７は円板５０の底面を示す。図６および図７にて、符号５１は中央の噴出孔、符号５２は円錐状の凹部、符号５３はリング状平面部である。円板５０の直径は例えば２８０ｍｍ、厚さは例えば２０ｍｍ、円錐状の凹部５２のテーパ角度は例えば０．０４２４４°（半径１３５ｍｍで中央の深さ０．１ｍｍ）、リング状平面部５３の幅は例えば２０ｍｍ、噴出孔５１は例えばＭ５のタップ孔である。

本発明は、上述した原理的な実施例の下に、より具体的には以下のように構成されている。より具体的な円板５０を図８および図９に示す。図８はこの実施例の円板５０の側面を、図９は円板５０の底面を示す。図８および図９に示す円板５０には、凹部５２の全面に亘って複数個の噴出孔が設けられている。符号５１ａ、５１ｂ、５１ｃはいずれも噴出孔を示し、それらの開口径は、凹部５２の中心から外周のリング状平面５３に近づくに従って小さくなっている。すなわち、凹部５２の中心側のものほど大きい開口径になっている。その理由は、それぞれの孔から噴出する空気による浮上効果をなるべく均一にするためである。凹部５２の中心の噴出孔５１ａは必ずしも設けなくてもよい。符号５４は圧縮空気を各噴出孔に分配するためのフードである。

以上、上記実施形態や実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態や実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。例えば上記実施形態や実施例では、外縁のリング状平面部５３は、本体部である平板体の外周端に設けたが、これに限らず、本体部である平板体の外周端（外周縁）から所定の間隔を置いた内周側の位置に設けられていてよい。また、本発明は、上記実施形態や実施例に記載した数値に限定されるものではない。

さらに、本発明に係る空気パッドは、免震対象物と設置面との間に圧縮空気を供給して浮上力を生じさせ、あるいは水平方向の摩擦力を低減するように構成されていればよい。したがって本発明に係る空気パッドは、上記の実施形態で示したように免震対象物の下面に設ける代わりに、免震対象物の下面と対向する設置面に、免震対象物の下面に向けて設けられていてもよい。すなわち、圧縮空気を上向きに噴射するように構成されていてもよい。その場合、本体部を設置面の上面とは面一に一致するように設置面に埋め込むことがあるが、本体部は、リング状平面部が設置面から上側に突出した状態に埋め込むことが好ましい。言い換えれば、本体部を上述したように円板として構成し、これを設置面に埋め込んだ状態に配置する場合には、本体部の上側の所定寸法の部分が設置面から上側に突き出た状態に配置することが好ましい。

１０…空気パッド、 １１…構造物、 １１ａ…下面、 １２，５０…円板、 １３，５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ…噴出孔、 １４…チューブ継手、 １５…エアチューブ、 １６…圧縮空気噴射手段、 １７…設置面、 ２６，４０，５３…リング状平面部、 ２７，４１，５２…（円錐状の）凹部、 ５４…フード。

Claims (1)

1. 免震対象物と前記免震対象物を設置する設置面との間に圧縮空気を供給することにより前記免震対象物の水平方向の移動に対する摩擦力を低減する免震装置用空気パッドにおいて、
   前記免震対象物の前記設置面に対向する下面と前記設置面とのいずれか一方の面に設けられる平板状の本体部と、
   前記本体部の前記下面もしくは前記設置面を向く面に形成された円錐状の凹部と、
   前記凹部の内部に圧縮空気を噴射する噴出孔と、
   前記凹部の外周端から前記凹部の半径方向で外側に続けて形成されかつ前記下面もしくは前記設置面と平行なリング状平面部と、
   を備え、
   前記噴出孔は、前記凹部の全面にわたって複数箇所形成され、
   前記凹部の中心に近い噴出孔の開口径に対して外周側の噴出孔の開口径が小さくなっていることを特徴とする免震装置用空気パッド。