JP6897525B2 - 渦電流式ダンパ - Google Patents

Description

本発明は、渦電流式ダンパに関する。

地震等による振動から建築物を保護するために、建築物に制震装置が取り付けられる。制震装置は建築物に与えられた運動エネルギを他のエネルギ（例：熱エネルギ）に変換する。これにより、建築物の大きな揺れが抑制される。制震装置はたとえば、ダンパである。ダンパの種類はたとえば、オイル式、せん断抵抗式がある。一般に、建築物にはオイル式やせん断抵抗式ダンパが使用されることが多い。オイル式ダンパは、シリンダ内の非圧縮性流体を利用して振動を減衰させる。せん断抵抗式ダンパは、粘性流体のせん断抵抗を利用して振動を減衰させる。

しかしながら、特にせん断抵抗式ダンパで用いられる粘性流体の粘度は、粘性流体の温度に依存する。すなわち、せん断抵抗式ダンパの減衰力は、温度に依存する。したがって、せん断抵抗式ダンパを建築物に使用する際には、使用環境を考慮して適切な粘性流体を選択する必要がある。また、オイル式やせん断抵抗式などの流体を用いているダンパは、温度上昇等によって流体の圧力が上昇し、シリンダのシール材などの機械的な要素が破損する恐れがある。減衰力が温度に依存しないダンパとして、渦電流式ダンパがある。

従来の渦電流式ダンパはたとえば、特公平５−８６４９６号公報（特許文献１）に開示される。

特許文献１の渦電流式ダンパは、主筒に取り付けられた複数の永久磁石と、ねじ軸に接続されたヒステリシス材と、ねじ軸と噛み合うボールナットと、ボールナットに接続された副筒と、を備える。複数の永久磁石は、磁極の配置が交互に異なる。ヒステリシス材は、複数の永久磁石と対向し、相対回転可能である。この渦電流式ダンパに運動エネルギが与えられると、副筒及びボールナットが主筒の案内によって軸方向に移動し、ボールねじの作用によってヒステリシス材が回転する。これにより、ヒステリシス損により運動エネルギが消費される。また、ヒステリシス材に渦電流が発生するため、渦電流損により運動エネルギが消費される、と特許文献１には記載されている。

特公平５−８６４９６号公報

特許文献１の渦電流式ダンパでは、複数の永久磁石が円周方向に沿って配列される。このダンパに運動エネルギが与えられると、永久磁石のそれぞれによって生じる磁界の中でヒステリシス材が回転する。その際、ヒステリシス材の表面のうち、永久磁石のそれぞれと対向する領域にそれぞれ渦電流が発生する。これにより、回転するヒステリシス材に制動トルクが与えられ、減衰力が発生する。

ここで、渦電流式ダンパの減衰力は、永久磁石を備える主筒の寸法、及び主筒と対になるヒステリシス材の寸法に応じて一義的に定まる。従来の渦電流式ダンパの場合、要求される減衰力ごとに、主筒及びヒステリシス材の適切な寸法を設計しなければならない。要するに、従来の渦電流式ダンパでは、減衰力の調整を簡単には行えない。

本発明の目的は、減衰力の調整を容易に行える渦電流式ダンパを提供することである。

本実施形態の渦電流式ダンパは、ねじ軸と、ねじ軸の軸方向に連結された複数の磁石保持リングと、複数の磁石保持リングのそれぞれに保持された複数の第１永久磁石であって、各々が磁石保持リングの円周方向に沿って配列された複数の第１永久磁石と、複数の磁石保持リングのそれぞれに保持された複数の第２永久磁石であって、各々が第１永久磁石同士の間に配置され、第１永久磁石と磁極の配置を反転された複数の第２永久磁石と、連結された複数の磁石保持リングと対をなす円筒形状の導電部材であって、導電性を有し、第１永久磁石及び第２永久磁石と隙間を空けて対向する導電部材と、磁石保持リング及び導電部材の内部に配置されて磁石保持リング又は導電部材に固定され、ねじ軸と噛み合うボールナットと、を備える。

本実施形態の渦電流式ダンパによれば、要求される減衰力ごとに、磁石保持リングの数が選定される。選定された数の磁石保持リングが連結される。連結された磁石保持リングの総長さに対応する長さの導電部材が選択される。選択された導電部材が組み付けられる。これにより、減衰力の調整を容易に行える。

図１は、渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。 図２は、図１の一部拡大図である。 図３は、渦電流式ダンパの軸方向に垂直な面での断面図である。 図４は、図３の一部拡大図である。 図５は、第１永久磁石及び第２永久磁石を示す斜視図である。 図６は、渦電流式ダンパの磁気回路を示す模式図である。 図７は、磁極の配置が円周方向である第１永久磁石及び第２永久磁石を示す斜視図である。 図８は、図７の渦電流式ダンパの磁気回路を示す模式図である。 図９は、第１永久磁石及び第２永久磁石の配置の変形例を示す斜視図である。 図１０は、第２実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。 図１１は、第２実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に垂直な面での断面図である。 図１２は、第３実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。 図１３は、図１２の一部拡大図である。 図１４は、第４実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。 図１５は、第５実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。 図１６は、実施例の結果を示す図である。 図１７は、実施例の結果を示す図である。 図１８は、実施例の結果を示す図である。 図１９は、実施例の結果を示す図である。

本実施形態の渦電流式ダンパは、ねじ軸と、複数の磁石保持リングと、複数の第１永久磁石と、複数の第２永久磁石と、円筒形状の導電部材と、ねじ軸と噛み合うボールナットと、を備える。複数の磁石保持リングは、ねじ軸の軸方向に連結される。複数の第１永久磁石は、複数の磁石保持リングのそれぞれに保持される。複数の第１永久磁石は、各々が磁石保持リングの円周方向に沿って配列される。複数の第２永久磁石は、複数の磁石保持リングのそれぞれに保持される。複数の第２永久磁石は、各々が第１永久磁石同士の間に配置され、第１永久磁石と磁極の配置を反転される。導電部材は、連結された複数の磁石保持リングと対をなす。導電部材は、導電性を有し、第１永久磁石及び第２永久磁石と隙間を空けて対向する。ボールナットは、磁石保持リング及び導電部材の内部に配置されて磁石保持リング又は導電部材に固定される。

本実施形態の渦電流式ダンパによれば、ダンパに運動エネルギが与えられると、ねじ軸が軸方向に移動する。ねじ軸の軸方向の移動により、ボールナットが回転する。これにより、第１及び第２永久磁石のそれぞれによって生じる磁界の中で、導電部材が第１及び第２永久磁石に対して相対回転する。その際、導電部材の表面のうち、第１及び第２永久磁石のそれぞれと対向する領域にそれぞれ渦電流が発生する。これにより、回転する導電部材に制動トルクが与えられ、減衰力が発生する。

本実施形態の渦電流式ダンパでは、要求される減衰力ごとに、磁石保持リングの数が選定される。そして、選定された数の磁石保持リングが連結される。連結された磁石保持リングの総長さに対応する長さの導電部材が選択される。選択された導電部材が組み付けられる。これにより、減衰力の調整を容易に行える。磁石保持リングの数の増加に応じて、減衰力を示す制動トルクは増加する。

上記した本実施形態の渦電流式ダンパは、下記の（１）〜（４）のいずれかの構成を採用することができる。

（１）磁石保持リングが導電部材の内側に配置される。第１永久磁石及び第２永久磁石が磁石保持リングの外周面に取り付けられる。ボールナットが磁石保持リングに固定される。

この場合、導電部材の内周面が、第１及び第２永久磁石と隙間を空けて対向する。ねじ軸の軸方向の移動により、ボールナット及び磁石保持リングが回転する。一方、導電部材は回転しない。これにより、第１及び第２永久磁石から導電部材を通過する磁束が変化し、導電部材の内周面に渦電流が発生する。この渦電流によって反磁界が発生し、回転する磁石保持リングに反力（制動トルク）が与えられる。その結果、ねじ軸が減衰力を受ける。

また、この場合、導電部材が磁石保持リングの外側に配置されて外気と接する。これにより、導電部材は外気によって冷却される。その結果、導電部材の温度上昇を抑制できる。

（２）導電部材が磁石保持リングの内側に配置される。第１永久磁石及び第２永久磁石が磁石保持リングの内周面に取り付けられる。ボールナットが導電部材に固定される。

この場合、導電部材の外周面が、第１及び第２永久磁石と隙間を空けて対向する。ねじ軸の軸方向の移動により、ボールナット及び導電部材が回転する。一方、磁石保持リングは回転しない。これにより、第１及び第２永久磁石から導電部材を通過する磁束が変化し、導電部材の外周面に渦電流が発生する。この渦電流によって反磁界が発生し、回転する導電部材に反力が与えられる。その結果、ねじ軸が減衰力を受ける。

また、この場合、磁石保持リングが導電部材の外側に配置されて外気と接する。これにより、磁石保持リングは外気によって冷却される。その結果、第１及び第２永久磁石の温度上昇を抑制できる。

（３）磁石保持リングが導電部材の内側に配置される。第１永久磁石及び第２永久磁石が磁石保持リングの外周面に取り付けられる。ボールナットが導電部材に固定される。

この場合、導電部材の内周面が、第１及び第２永久磁石と隙間を空けて対向する。ねじ軸の軸方向の移動により、ボールナット及び導電部材が回転する。一方、磁石保持リングは回転しない。これにより、第１及び第２永久磁石から導電部材を通過する磁束が変化し、導電部材の内周面に渦電流が発生する。この渦電流によって反磁界が発生し、回転する導電部材に反力が与えられる。その結果、ねじ軸が減衰力を受ける。

また、この場合、導電部材が磁石保持リングの外側に配置されて外気と接する。これにより、回転する導電部材は外気によって効率良く冷却される。その結果、導電部材の温度上昇を抑制できる。

（４）導電部材が磁石保持リングの内側に配置される。第１永久磁石及び第２永久磁石が磁石保持リングの内周面に取り付けられる。ボールナットが磁石保持リングに固定される。

この場合、導電部材の外周面が、第１及び第２永久磁石と隙間を空けて対向する。ねじ軸の軸方向の移動により、ボールナット及び磁石保持リングが回転する。一方、導電部材は回転しない。これにより、第１及び第２永久磁石から導電部材を通過する磁束が変化し、導電部材の外周面に渦電流が発生する。この渦電流によって反磁界が発生し、回転する磁石保持リングに反力が与えられる。その結果、ねじ軸が減衰力を受ける。

また、この場合、磁石保持リングが導電部材の外側に配置されて外気と接する。これにより、回転する磁石保持リングは外気によって効率良く冷却される。その結果、第１及び第２永久磁石の温度上昇を抑制できる。

典型的な例では、連結された複数の磁石保持リングにおいて、第１永久磁石がねじ軸の軸方向に沿って配置されるとともに、第２永久磁石がねじ軸の軸方向に沿って配置される。この場合、ねじ軸の軸方向で第１永久磁石が第１永久磁石のみに隣接するとともに、第２永久磁石が第２永久磁石のみに隣接する。つまり、ねじ軸の軸方向で同極の永久磁石が隣接する。以下、このような永久磁石の配置をＮＮ型配置ともいう。

別の典型的な例では、連結された複数の磁石保持リングにおいて、第１永久磁石と第２永久磁石とがねじ軸の軸方向に沿って交互に配置される。この場合、ねじ軸の軸方向で第１永久磁石が第２永久磁石のみに隣接するとともに、第２永久磁石が第１永久磁石のみに隣接する。つまり、ねじ軸の軸方向で異極の永久磁石が隣接する。以下、このような永久磁石の配置をＮＳ型配置ともいう。

ただし、連結された複数の磁石保持リングにおいて、第１永久磁石と第２永久磁石の配置形態は、上記の典型的な例に限定されない。たとえば、ねじ軸の軸方向で第１永久磁石が第１永久磁石の一部と第２永久磁石の一部に隣接するとともに、第２永久磁石が第１永久磁石の一部と第２永久磁石の一部に隣接してもよい。

本実施形態の渦電流式ダンパにおいて、導電部材は、ねじ軸の軸方向に連結された複数の導電リングからなり、複数の導電リングは、複数の磁石保持リングのそれぞれと対をなすことでもよい。つまり、１つの磁石保持リングと１つの導電リングが対になってもよい。このような渦電流式ダンパによれば、要求される減衰力ごとに、磁石保持リング及び導電リングの対の数が選定される。選定された数の磁石保持リングが連結されるとともに、選定された数の導電リングが連結される。これにより、減衰力の調整を容易に行える。この場合、連結された磁石保持リングの総長さに対応する長さの導電部材を選択する必要はない。つまり、長さの異なる複数の導電部材を準備しておく必要がない。

本実施形態の渦電流式ダンパにおいて、複数の磁石保持リングの連結方法は、特に限定されない。その連結方法として、溶接、キー、焼ばめ、ねじ、ピン、ボルト、圧入、スプラインなどが挙げられる。導電部材が複数の導電リングからなる場合、複数の導電リングの連結方法も、特に限定されない。その連結方法として、溶接、キー、焼ばめ、ねじ、ピン、ボルト、圧入、スプラインなどが挙げられる。

ＮＮ型配置の場合、軸方向で隣接する永久磁石同士の間に磁気反発力が作用する。そのため、磁気反発力によって磁石保持リング同士がずれないように留意することが好ましい。このような状況は、ねじ軸の軸方向で第１永久磁石が第１永久磁石の一部と第２永久磁石の一部に隣接するとともに、第２永久磁石が第１永久磁石の一部と第２永久磁石の一部に隣接する場合も同様である。一方、ＮＳ型配置の場合、軸方向で隣接する永久磁石同士の間に磁気吸引力が作用する。そのため、磁石保持リング同士のずれは磁気吸引力によって自然に防止される。

ここで、ＮＮ型配置の場合、軸方向で隣接する永久磁石同士の隙間（以下、「磁石隙間」ともいう。）は小さいのが好ましい。この場合、後述する実施例で示すように、磁石隙間が０〜２０ｍｍの範囲内であれば、磁石隙間が小さいほど、制動トルクが増加し、磁石隙間が２０ｍｍを超えれば制動トルクがほぼ一定になるからである。したがって、この場合の磁石隙間の下限は、好ましくは０ｍｍ（隙間なし）である。磁石隙間の下限は、５ｍｍであってもよいし、１０ｍｍであってもよい。この場合の磁石隙間の上限は特に限定されない。ただし、磁石隙間があまりに大きすぎるとダンパ全体が大型化する。したがって、この場合の磁石隙間の上限は、好ましくは５０ｍｍであり、より好ましくは４０ｍｍであり、さらに好ましくは３０ｍｍである。

一方、ＮＳ型配置の場合、磁石隙間は大きいのが好ましい。この場合、後述する実施例で示すように、磁石隙間が０〜２０ｍｍの範囲内であれば、磁石隙間が大きいほど、制動トルクが増加し、磁石隙間が２０ｍｍを超えれば制動トルクがほぼ一定になるからである。ただし、この場合の磁石隙間は０ｍｍ（隙間なし）でも構わない。磁石隙間が０ｍｍであっても制動トルクが生じるからである。この場合の磁石隙間の下限は、５ｍｍであってもよいし、１０ｍｍであってもよい。磁石隙間の上限は特に限定されない。ただし、磁石隙間があまりに大きすぎるとダンパ全体が大型化する。したがって、この場合、磁石隙間の上限は、好ましくは５０ｍｍであり、より好ましくは４０ｍｍであり、さらに好ましくは３０ｍｍである。

以下、図面を参照して、本実施形態の渦電流式ダンパについて説明する。

［第１実施形態］
図１は、渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。図２は、図１の一部拡大図である。図１及び図２を参照して、渦電流式ダンパ１は、複数の磁石保持リング２と、複数の第１永久磁石３と、複数の第２永久磁石４と、複数の導電リング５と、ボールナット６と、ねじ軸７とを備える。複数の導電リング５は連結される。連結された複数の導電リング５は円筒形状の導電部材を構成する。導電部材は、複数の磁石保持リング２と対をなす。具体的には、複数の導電リング５のそれぞれは、複数の磁石保持リング２のそれぞれと対をなす。そのため、導電リング５の数は磁石保持リング２の数と同じである。第１実施形態では、磁石保持リング２及び導電リング５の対の数が４つである例を示す。

［磁石保持リング］
複数の磁石保持リング２は、ねじ軸７を中心軸とする円筒形状である。複数の磁石保持リング２はねじ軸７の軸方向に連結される。具体的には、複数の磁石保持リング２の軸方向の両端それぞれには、概ね円筒状のホルダ１２が設けられる。２つのホルダ１２を貫く複数の長尺なボルト１３によって、複数の磁石保持リング２は２つのホルダ１２の間に挟み込まれる。これにより、複数の磁石保持リング２は強固に連結される。連結された磁石保持リング２はホルダ１２と一体である。

連結された磁石保持リング２は、ボールナット６及びねじ軸７を収容可能である。磁石保持リング２の材質は、特に限定されない。しかしながら、磁石保持リング２の材質は、透磁率の高い鋼等が好ましい。磁石保持リング２の材質はたとえば、炭素鋼、鋳鉄等の強磁性材である。この場合、磁石保持リング２は、ヨークとしての役割を果たす。すなわち、第１永久磁石３及び第２永久磁石４からの磁束が外部に漏れにくくなり、渦電流式ダンパ１の減衰力が高まる。後述するように、磁石保持リング２は、対応する導電リング５に対して回転可能である。複数の磁石保持リング２は同じサイズで同じ材質である。ただし、複数の磁石保持リング２は同じサイズでなくてもよいし、同じ材質でなくてもよい。

［第１永久磁石及び第２永久磁石］
図３は、渦電流式ダンパの軸方向に垂直な面での断面図である。図４は、図３の一部拡大図である。図５は、第１永久磁石及び第２永久磁石を示す斜視図である。図３〜図５を参照して、複数の第１永久磁石３及び第２永久磁石４は、複数の磁石保持リング２それぞれの外周面に取り付けられる。第１永久磁石３は、ねじ軸の周りに磁石保持リング２の円周方向に沿って配列される。同様に、第２永久磁石４は、ねじ軸の周りに磁石保持リング２の円周方向に沿って配列される。第２永久磁石４は、第１永久磁石３同士の間に配置される。つまり、磁石保持リング２の円周方向に沿って第１永久磁石３と第２永久磁石４は、交互に配置される。

第１永久磁石３及び第２永久磁石４の磁極は、磁石保持リング２の径方向に配置される。第２永久磁石４の磁極の配置は第１永久磁石３の磁極の配置と反転している。たとえば図４及び図５を参照して、磁石保持リング２の径方向において、第１永久磁石３のＮ極は外側に配置され、そのＳ極は内側に配置される。そのため、第１永久磁石３のＳ極が磁石保持リング２と接する。一方、磁石保持リング２の径方向において、第２永久磁石４のＮ極は内側に配置され、そのＳ極は外側に配置される。そのため、第２永久磁石４のＮ極が磁石保持リング２と接する。

図５を参照して、連結された磁石保持リング２同士の永久磁石３、４の配置はＮＮ型配置である。具体的には、連結された磁石保持リング２において、第１永久磁石３がねじ軸７の軸方向に沿って配置される。同様に、第２永久磁石４がねじ軸７の軸方向に沿って配置される。この場合、ねじ軸７の軸方向で第１永久磁石３が第１永久磁石３のみに隣接するとともに、第２永久磁石４が第２永久磁石４のみに隣接する。つまり、ねじ軸７の軸方向で同極の永久磁石３、４が隣接する。

第２永久磁石４のサイズ及び特質は第１永久磁石３のサイズ及び特質と同じである。第１永久磁石３及び第２永久磁石４はたとえば、接着剤により磁石保持リング２に固定される。なお、接着剤に限らず、第１永久磁石３及び第２永久磁石４はネジ等で固定されてもよいことはもちろんである。

［導電リング（導電部材）］
図１及び図２を参照して、導電部材としての複数の導電リング５は、ねじ軸７を中心軸とする円筒形状である。複数の導電リング５はねじ軸７の軸方向に連結される。具体的には、複数の導電リング５の軸方向の両端それぞれには、概ね円筒状のハウジング１４が設けられる。２つのハウジング１４のフランジ１４ａを貫く複数の長尺なボルト１５によって、複数の導電リング５は２つのハウジング１４の間に挟み込まれる。これにより、複数の導電リング５は強固に連結される。連結された導電リング５はハウジング１４と一体である。

連結された導電リング５は、連結された磁石保持リング２、第１永久磁石３、第２永久磁石４、ボールナット６及びねじ軸７を収容可能である。つまり、磁石保持リング２が、対応する導電リング５の内側に同心状に配置される。導電リング５の内周面が、対応する磁石保持リング２に保持された第１永久磁石３及び第２永久磁石４と隙間を空けて対向する。後述するように、導電リング５の表面（内周面）に渦電流を発生させるため、導電リング５は、対応する磁石保持リング２と相対的に回転する。そのため、導電リング５と第１永久磁石３及び第２永久磁石４との間には、隙間が設けられる。連結された導電リング５と一体の一方のハウジング１４に取付具８ａが接続される。導電リング５（ハウジング１４）と一体の取付具８ａは、建物支持面又は建物内に固定される。そのため、導電リング５はねじ軸７周りに回転しない。

導電部材としての導電リング５は、導電性を有する。導電リング５の材質はたとえば、炭素鋼、鋳鉄等の強磁性材である。その他に、導電リング５の材質は、フェライト系ステンレス鋼等の弱磁性材であってもよいし、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス鋼、銅合金等の非磁性材であってもよい。第１及び第２永久磁石３、４が対向する導電リング５の面に、銅、銅合金等のような導電率の高い金属層が設けられてもよい。導電リング５に金属層を形成する手法としては、めっき、肉盛溶接、ろう付け、溶射、及び熱拡散接合などが挙げられる。複数の導電リング５は同じサイズで同じ材質である。ただし、複数の導電リング５は同じサイズでなくてもよいし、同じ材質でなくてもよい。

連結された導電リング５と一体のハウジング１４は、連結された磁石保持リング２と一体のホルダ１２を回転可能に支持する。たとえば図１を参照して、磁石保持リング２の径方向において、ホルダ１２とハウジング１４との間には、ラジアル軸受９が設けられる。また、磁石保持リング２の軸方向において、ホルダ１２とハウジング１４との間には、スラスト軸受１０が設けられる。なお、ラジアル軸受９やスラスト軸受１０の種類は、特に限定されることなく、ボール式、ローラー式、滑り式などでもよいことはもちろんである。

［ボールナット］
ボールナット６は、連結された磁石保持リング２及び連結された導電リング５の内部に配置される。ボールナット６は、連結された磁石保持リング２と一体のホルダ１２に固定される。したがって、ボールナット６が回転すれば、連結された磁石保持リング２も回転する。ボールナット６の種類は、特に限定されない。ボールナット６は、周知のボールナットを用いてよい。ボールナット６の内周面には、ねじ部が形成されている。

［ねじ軸］
ねじ軸７は、ボールナット６を貫通し、ボールを介してボールナット６と噛み合う。ねじ軸７の外周面には、ボールナット６のねじ部に対応するねじ部が形成されている。ねじ軸７及びボールナット６は、ボールねじを構成する。ボールねじは、ねじ軸７の軸方向の移動をボールナット６の回転運動に変換する。ねじ軸７に取付具８ｂが接続される。ねじ軸７と一体の取付具８ｂは、建物支持面又は建物内に固定される。渦電流式ダンパ１が、たとえば建物内と建物支持面との間の免震層に設置される事例の場合、ねじ軸７と一体の取付具８ｂが建物内に固定され、導電リング５（ハウジング１４）と一体の取付具８ａは建物支持面に固定される。渦電流式ダンパ１が、たとえば建物内の任意の層間に設置される事例の場合は、ねじ軸７と一体の取付具８ｂが任意の層間の上部梁側に固定され、導電リング５と一体の取付具８ａは任意の層間の下部梁側に固定される。そのため、ねじ軸７は軸周りに回転しない。

ねじ軸７と一体の取付具８ｂ及び導電リング５と一体の取付具８ａの固定は、上述の説明の逆であってもよい。すなわち、ねじ軸７と一体の取付具８ｂが建物支持面に固定され、導電リング５と一体の取付具８ａが建物内に固定されてもよい。

ねじ軸７は、連結された磁石保持リング２及び連結された導電リング５の内部で軸方向に沿って進退移動可能である。したがって、振動等により、渦電流式ダンパ１に運動エネルギが与えられると、ねじ軸７が軸方向に移動する。ねじ軸７が軸方向に移動すれば、ボールねじの作用によってボールナット６がねじ軸周りに回転する。ボールナット６の回転に伴い、連結された複数の磁石保持リング２が回転する。これにより、磁石保持リング２と一体の第１永久磁石３及び第２永久磁石４が、対応する導電リング５に対して相対回転するため、導電リング５のそれぞれには渦電流が発生する。その結果、渦電流式ダンパ１に減衰力が生じ、振動を減衰させる。

本実施形態の渦電流式ダンパ１では、要求される減衰力ごとに、磁石保持リング２及び導電リング５の対の数が選定される。そして、選定された数の磁石保持リング２が連結されるとともに、選定された数の導電リング５が連結される。これにより、減衰力の調整を容易に行える。

続いて、渦電流の発生原理及び渦電流による減衰力の発生原理について説明する。

［渦電流による減衰力］
図６は、渦電流式ダンパの磁気回路を示す模式図である。図６を参照して、磁石保持リング２のそれぞれにおいて、第１永久磁石３の磁極の配置は、周方向で隣接する第２永久磁石４の磁極の配置と反転している。したがって、磁石保持リング２のそれぞれにおいて、第１永久磁石３のＮ極から出た磁束は、隣接する第２永久磁石４のＳ極に到達する。第２永久磁石４のＮ極から出た磁束は、隣接する第１永久磁石３のＳ極に到達する。これにより、第１永久磁石３、第２永久磁石４、導電リング５及び磁石保持リング２の中で、磁気回路が形成される。第１永久磁石３及び第２永久磁石４と、導電リング５との間の隙間は十分に小さいため、対応する導電リング５は磁界の中にある。

磁石保持リング２が回転すると（図６中の矢印参照）、第１永久磁石３及び第２永久磁石４は導電リング５に対して移動する。そのため、導電リング５の表面（図６では第１永久磁石３及び第２永久磁石４が対向する導電リング５の内周面）を通過する磁束が変化する。これにより導電リング５の表面（図６では導電リング５の内周面）に渦電流が発生する。渦電流が発生すると、新たな磁束（反磁界）が発生する。この新たな磁束は、磁石保持リング２（第１永久磁石３及び第２永久磁石４）と導電リング５との相対回転を妨げる。本実施形態の場合、磁石保持リング２の回転が妨げられる。磁石保持リング２の回転が妨げられれば、磁石保持リング２と一体のボールナット６の回転も妨げられる。ボールナット６の回転が妨げられれば、ねじ軸７の軸方向の移動も妨げられる。これが渦電流式ダンパ１の減衰力（減衰トルク）である。振動等による運動エネルギにより発生する渦電流は、導電部材の温度を上昇させる。すなわち、渦電流式ダンパに与えられた運動エネルギが熱エネルギに変換され、減衰力が得られる。

本実施形態の渦電流式ダンパによれば、第１永久磁石の磁極の配置が、磁石保持リングの円周方向において第１永久磁石と隣接する第２永久磁石の磁極の配置と反転している。そのため、第１永久磁石及び第２永久磁石による磁界が磁石保持リングの円周方向に発生する。また、磁石保持リングの円周方向に第１永久磁石及び第２永久磁石を複数配列することにより、導電リングに到達する磁束の量が増える。これにより、導電リングに発生する渦電流が大きくなり、渦電流式ダンパの減衰力が高まる。

［磁石保持リングそれぞれの永久磁石の磁極の配置の変形例］
上述の説明では、磁石保持リングそれぞれにおいて、第１永久磁石及び第２永久磁石の磁極の配置が、磁石保持リングの径方向である場合について説明した。しかしながら、第１永久磁石及び第２永久磁石の磁極の配置は、これに限定されない。

図７は、磁極の配置が円周方向である第１永久磁石及び第２永久磁石を示す斜視図である。図７を参照して、磁石保持リング２のそれぞれにおいて、第１永久磁石３及び第２永久磁石４の磁極の配置は、磁石保持リング２の円周方向に沿う。この場合であっても、第１永久磁石３の磁極の配置は、第２永久磁石４の磁極の配置と反転している。第１永久磁石３と第２永久磁石４との間には、強磁性体のポールピース１１が設けられる。

図８は、図７の渦電流式ダンパの磁気回路を示す模式図である。図８を参照して、磁石保持リング２のそれぞれにおいて、第１永久磁石３のＮ極から出た磁束は、ポールピース１１を通って、第１永久磁石３のＳ極に到達する。第２永久磁石４についても同様である。これにより、第１永久磁石３、第２永久磁石４、ポールピース１１及び導電リング５の中で、磁気回路が形成される。これにより、上述と同様に、渦電流式ダンパ１に減衰力が得られる。

［連結された磁石保持リング同士の永久磁石の配置の変形例］
上述の説明では、連結された磁石保持リング同士の第１永久磁石及び第２永久磁石の配置は、第１永久磁石がねじ軸の軸方向に沿って配置され、第２永久磁石がねじ軸の軸方向に沿って配置される場合について説明した。しかしながら、第１永久磁石及び第２永久磁石の配置は、このようなＮＮ型配置に限定されない。

図９は、第１永久磁石及び第２永久磁石の配置の変形例を示す斜視図である。図９を参照して、連結された磁石保持リング２同士の永久磁石３、４の配置はＮＳ型配置である。具体的には、連結された磁石保持リング２において、第１永久磁石３と第２永久磁石４とがねじ軸７の軸方向に沿って交互に配置される。この場合、ねじ軸７の軸方向で第１永久磁石３が第２永久磁石４のみに隣接するとともに、第２永久磁石４が第１永久磁石３のみに隣接する。つまり、ねじ軸７の軸方向で異極の永久磁石３、４が隣接する。

後述する実施例で示すように、ＮＮ型配置の場合、磁石隙間が０〜１０ｍｍの範囲内であれば、磁石隙間が小さいほど、制動トルクが顕著に増加する。導電リング５に対する第１及び第２永久磁石３、４（磁石保持リング２）の相対的な回転数、すなわちボールナットの回転数が高い場合（例：７５０ｒｐｍ）、軸方向で隣接する永久磁石３、４同士の隙間（磁石隙間）が０〜７．５ｍｍの範囲内であれば、ＮＮ型配置での制動トルクはＮＳ型配置での制動トルクよりも大きくなる。この場合、磁石隙間が１０〜４０ｍｍの範囲内であれば、ＮＳ型配置での制動トルクはＮＮ型配置での制動トルクよりも大きくなる。ここで、磁石隙間が０ｍｍのときにＮＮ型配置での制動トルクは最大となる。磁石隙間が３０ｍｍのときにＮＳ型配置での制動トルクは最大となる。

また、ボールナットの回転数が低い場合（例：２５０ｒｐｍ）、磁石隙間が０〜４０ｍｍの範囲内であれば、ＮＮ型配置での制動トルクはＮＳ型配置での制動トルクよりも大きくなる。

したがって、想定されるボールナットの回転数、及びその回転数で要求される減衰力（制動トルク）に応じて、軸方向での永久磁石の配置（例：ＮＮ型配置、ＮＳ型配置）及び磁石隙間を適宜選定すればよい。例えば、ＮＮ型配置を採用する場合、磁石隙間は０〜１０ｍｍであることが好ましい。減衰力の向上を実現できるからである。その場合の磁石隙間の上限は、好ましくは７．５ｍｍであり、より好ましくは５ｍｍである。

［磁石保持リングの連結方法の一例］
上記のとおり、ＮＳ型配置の場合、異極の永久磁石に作用する磁気吸引力を利用することにより、磁石保持リングの連結を容易に行うことができる。

ＮＮ型配置の場合、異極の永久磁石に作用する磁気吸引力、及び同極の永久磁石に作用する磁気反発力を利用することにより、磁石保持リングの連結を行うことができる。たとえば、連結対象の２つの磁石保持リングのうちの一方の磁石保持リングの端部に、磁石保持リングの軸回りで等間隔に複数のキーが設けられる。キーは磁石保持リングの軸方向に突出し、キーの先端部が磁石保持リングの径方向の外向きに折れ曲がる。他方の磁石保持リングの端部には、複数のキーにそれぞれ対応する複数のキー溝が設けられる。キー溝は磁石保持リングの内周面に鉤状に形成される。キー溝は、磁石保持リングの軸方向に沿って延びる始端領域と、円周方向に沿って延びる中間領域と、軸方向に沿って延びる終端領域と、を備える。

連結作業では、まず、一方の磁石保持リングの端部を他方の磁石保持リングの端部に対向させる。つまり、キーの先端部をキー溝の始端に合わせ、キーの先端部をキー溝の始端領域に挿入する。この挿入の際、連結対象の２つの磁石保持リングが備える永久磁石は互いに軸方向で異極に配置されている。そのため、磁気吸引力によって、キーの先端部がキー溝の始端領域に沿って自然に挿入される。次に、一方の磁石保持リングを他方の磁石保持リングに対して軸回りに回転させる。つまり、キーの先端部をキー溝の中間領域に沿って移動させる。回転に伴って永久磁石が互いに軸方向で同極に配置されたとき、回転の力を開放させる。これにより、磁気反発力によって、キーの先端部がキー溝の終端領域に沿って移動し、キー溝の終端で止まる。そして、キー溝の中間領域と終端領域の境界部にピンを打ち込む。これにより、キー溝からのキーの先端部の抜けが防止される。このようにして、ＮＮ型配置の磁石保持リングの連結を行うことができる。

上述した第１実施形態では、磁石保持リングが導電リングの内側に配置されて第１永久磁石及び第２永久磁石が磁石保持リングの外周面に取り付けられ、さらに磁石保持リングが回転する場合について説明した。しかしながら、本実施形態の渦電流式ダンパは、これに限定されない。

［第２実施形態］
第２実施形態の渦電流式ダンパは、磁石保持リングが導電リングの外側に配置され、回転しない。渦電流は、内側の導電リングが回転することで発生する。

図１０は、第２実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。図１１は、第２実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に垂直な面での断面図である。図１０及び図１１を参照して、連結された複数の磁石保持リング２は、連結された複数の導電リング５、ボールナット６及びねじ軸７を収容可能である。第１永久磁石３及び第２永久磁石４は、複数の磁石保持リング２それぞれの内周面に取り付けられる。したがって、導電リング５の外周面が、対応する磁石保持リング２に保持された第１永久磁石３及び第２永久磁石４と隙間を空けて対向する。

第２実施形態では、複数の磁石保持リング２は２つのハウジング１４の間に挟み込まれる。これにより、複数の磁石保持リング２は連結される。連結された磁石保持リング２はハウジング１４と一体である。複数の導電リング５は２つのホルダ１２の間に挟み込まれる。これにより、複数の導電リング５は連結される。連結された導電リング５はホルダ１２と一体である。

図１に示す取付具８ａは、連結された磁石保持リング２と一体の一方のハウジング１４に接続される。そのため、磁石保持リング２はねじ軸７周りに回転しない。一方で、ボールナット６は、連結された導電リング５と一体のホルダ１２に接続される。したがって、ボールナット６が回転すれば、連結された導電リング５は回転する。このような構成の場合でも、上述したように、磁石保持リング２と一体の第１永久磁石３及び第２永久磁石４が、対応する導電リング５に対して相対回転するため、導電リング５のそれぞれには渦電流が発生する。その結果、渦電流式ダンパ１に減衰力が生じ、振動を減衰させることができる。

［第３実施形態］
第３実施形態の渦電流式ダンパは、磁石保持リングが導電リングの内側に配置され、回転しない。渦電流は、外側の導電リングが回転することで発生する。

図１２は、第３実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。図１３は、図１２の一部拡大図である。図１２及び図１３を参照して、連結された複数の導電リング５は、連結された複数の磁石保持リング２、ボールナット６及びねじ軸７を収容可能である。第１永久磁石３及び第２永久磁石４は、複数の磁石保持リング２それぞれの外周面に取り付けられる。したがって、導電リング５の内周面が、対応する磁石保持リング２に第１永久磁石３及び第２永久磁石４と隙間を空けて対向する。

第３実施形態では、複数の磁石保持リング２は２つのホルダ１２の間に挟み込まれる。これにより、複数の磁石保持リング２は連結される。連結された磁石保持リング２はホルダ１２と一体である。複数の導電リング５は２つのハウジング１４の間に挟み込まれる。これにより、複数の導電リング５は連結される。連結された導電リング５はハウジング１４と一体である。

取付具８ａは、連結された磁石保持リング２と一体の一方のホルダ１２に接続される。そのため、磁石保持リング２はねじ軸７周りに回転しない。一方で、ボールナット６は、連結された導電リング５と一体のハウジング１４に接続される。したがって、ボールナット６が回転すれば、連結された導電リング５は回転する。このような構成の場合でも、上述したように、磁石保持リング２と一体の第１永久磁石３及び第２永久磁石４が、対応する導電リング５に対して相対回転するため、導電リング５のそれぞれには渦電流が発生する。その結果、渦電流式ダンパ１に減衰力が生じ、振動を減衰させることができる。

［第４実施形態］
第４実施形態の渦電流式ダンパは、導電リングが磁石保持リングの内側に配置され、回転しない。渦電流は、外側の磁石保持リングが回転することで発生する。

図１４は、第４実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。図１４を参照して、連結された複数の磁石保持リング２は、連結された複数の導電リング５、ボールナット６及びねじ軸７を収容可能である。第１永久磁石３及び第２永久磁石４は、複数の磁石保持リング２それぞれの内周面に取り付けられる。したがって、導電リング５の外周面が、対応する磁石保持リング２に保持された第１永久磁石３及び第２永久磁石４と隙間を空けて対向する。

第４実施形態では、複数の磁石保持リング２は２つのハウジング１４の間に挟み込まれる。これにより、複数の磁石保持リング２は連結される。連結された磁石保持リング２はハウジング１４と一体である。複数の導電リング５は２つのホルダ１２の間に挟み込まれる。これにより、複数の導電リング５は連結される。連結された導電リング５はホルダ１２と一体である。

図１に示す取付具８ａは、連結された導電リング５と一体の一方のホルダ１２に接続される。そのため、導電リング５はねじ軸７周りに回転しない。一方で、ボールナット６は、連結された磁石保持リング２と一体のハウジング１４に固定される。したがって、ボールナット６が回転すれば、連結された磁石保持リング２は回転する。このような構成の場合でも、上述したように、磁石保持リング２と一体の第１永久磁石３及び第２永久磁石４が、対応する導電リング５に対して相対回転するため、導電リング５のそれぞれには渦電流が発生する。その結果、渦電流式ダンパ１に減衰力が生じ、振動を減衰させることができる。

上述したように、渦電流式ダンパが減衰力を発生すると、導電リングの温度は上昇する。第１永久磁石及び第２永久磁石は、導電リングと対向する。したがって、第１永久磁石及び第２永久磁石は、導電リングからの輻射熱によって温度が上昇するかもしれない。永久磁石の温度が上昇すれば、磁力が低下するおそれがある。

第１実施形態の渦電流式ダンパでは、導電リング５が磁石保持リング２の外側に配置される。つまり、導電リング５が最も外側に配置されて外気と接する。これにより、導電リング５は外気によって冷却される。そのため、導電リング５の温度上昇を抑制できる。その結果、第１永久磁石３及び第２永久磁石４の温度上昇を抑制できる。

第２実施形態の渦電流式ダンパでは、磁石保持リング２が導電リング５の外側に配置される。つまり、磁石保持リング２が最も外側に配置されて外気と接する。これにより、磁石保持リング２は外気によって冷却される。そのため、磁石保持リング２を通じて第１永久磁石３及び第２永久磁石４を冷却できる。その結果、第１永久磁石３及び第２永久磁石４の温度上昇を抑制できる。

第３実施形態の渦電流式ダンパでは、導電リング５が磁石保持リング２の外側に配置される。つまり、導電リング５が最も外側に配置されて外気と接する。また、導電リング５は、ねじ軸７周りに回転する。これにより、回転する導電リング５は外気によって効率良く冷却される。そのため、導電リング５の温度上昇を抑制できる。その結果、第１永久磁石３及び第２永久磁石４の温度上昇を抑制できる。

第４実施形態の渦電流式ダンパでは、磁石保持リング２が導電リング５の外側に配置される。つまり、磁石保持リング２が最も外側に配置されて外気と接する。また、磁石保持リング２は、ねじ軸７周りに回転する。これにより、回転する磁石保持リング２は外気によって効率良く冷却される。そのため、磁石保持リング２を通じて第１永久磁石３及び第２永久磁石４を冷却できる。その結果、第１永久磁石３及び第２永久磁石４の温度上昇を抑制できる。

［第５実施形態］
第５実施形態の渦電流式ダンパは、上記した第１実施形態の渦電流式ダンパを変形したものである。

図１５は、第５実施形態の渦電流式ダンパの軸方向に沿った面での断面図である。図１５を参照して、本実施形態の渦電流式ダンパ１は、第１実施形態における連結された複数の導電リングに代えて、１つの円筒形状の導電部材５Ａを備える。導電部材５Ａの特性は、上記した導電リングの特性と同じである。

本実施形態の渦電流式ダンパ１によれば、要求される減衰力ごとに、磁石保持リング２の数が選定される。そして、選定された数の磁石保持リング２が連結される。連結された磁石保持リング２の総長さに対応する長さの導電部材５Ａが選択される。選択された導電部材５Ａが組み付けられる。これにより、減衰力の調整を容易に行える。

第２〜第４実施形態における連結された複数の導電リングに代えて、第５実施形態の導電部材５Ａを適用することもできる。

本実施形態の渦電流式ダンパの性能を確認するため、上記の第１実施形態の渦電流式ダンパについて、数値解析によって制動トルクを調査した。解析モデルとして、ＮＮ型配置のモデルとＮＳ型配置のモデルを採用した。

各モデルにおいて、磁石保持リング及び導電リングの対の数は２つとした。磁石保持リングそれぞれが備える永久磁石の数は３０個とした。磁石保持リングの材質はＳＳ４００（ＪＩＳ Ｇ ３１０１で規定される一般構造用圧延鋼材）とし、永久磁石と対向する導電リングの内周面に銅層を形成した。磁石保持リングの電気抵抗率は１５．９μΩ・ｃｍとし、銅層の電気抵抗率は１．５５μΩ・ｃｍとした。各モデルを用いた解析において、軸方向で隣接する永久磁石同士の隙間（磁石隙間）を変更した。さらに各モデルを用いた解析において、導電リングに対する磁石保持リング（永久磁石）の相対的な回転数、すなわちボールナットの回転数を変更した。磁石隙間及び回転数ごとに、発生する制動トルクを調査した。

図１６〜図１９は、実施例の結果を示す図である。これらの図のうち、図１６は、回転数が１００ｒｐｍである場合の結果を示す。図１７は、回転数が２５０ｒｐｍである場合の結果を示す。図１８は、回転数が５００ｒｐｍである場合の結果を示す。図１９は、回転数が７５０ｒｐｍである場合の結果を示す。

図１６〜図１９に示す結果から、下記のことが示される。ＮＮ型配置の場合、磁石隙間が０〜１０ｍｍの範囲内であれば、磁石隙間が小さいほど、制動トルクが顕著に増加した。図１９を参照して、回転数が７５０ｒｐｍと高い場合、磁石隙間が０〜７．５ｍｍの範囲内であれば、ＮＮ型配置での制動トルクはＮＳ型配置での制動トルクよりも大きかった。この場合、磁石隙間が１０〜４０ｍｍの範囲内であれば、ＮＳ型配置での制動トルクはＮＮ型配置での制動トルクよりも大きかった。磁石隙間が０ｍｍのときにＮＮ型配置での制動トルクは最大となった。磁石隙間が３０ｍｍのときにＮＳ型配置での制動トルクは最大となった。

また、図１６及び図１７を参照して、回転数が１００ｒｐｍ、２５０ｒｐｍと低い場合、磁石隙間が０〜４０ｍｍの範囲内であれば、ＮＮ型配置での制動トルクはＮＳ型配置での制動トルクよりも大きかった。

以上、本実施形態の渦電流式ダンパについて説明した。渦電流は導電リング５（導電部材５Ａ）を通過する磁束の変化により発生するため、第１永久磁石３及び第２永久磁石４が導電リング５に対して相対回転すればよい。また、導電リング５が第１永久磁石３及び第２永久磁石４による磁界の中に存在する限り、導電リング５と磁石保持リング２との位置関係は特に限定されない。

その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の渦電流式ダンパは、建造物の制震装置および免震装置に有用である。

１：渦電流式ダンパ
２：磁石保持リング
３：第１永久磁石
４：第２永久磁石
５：導電リング
５Ａ：導電部材
６：ボールナット
７：ねじ軸
８ａ、８ｂ：取付具
９：ラジアル軸受
１０：スラスト軸受
１１：ポールピース
１２：ホルダ
１３：ボルト
１４：ハウジング
１４ａ：フランジ
１５：ボルト

Claims (4)

1. ねじ軸と、
   前記ねじ軸の軸方向に連結された複数の磁石保持リングと、
   前記複数の磁石保持リングのそれぞれに保持された複数の第１永久磁石であって、各々が前記磁石保持リングの円周方向に沿って配列された複数の第１永久磁石と、
   前記複数の磁石保持リングのそれぞれに保持された複数の第２永久磁石であって、各々が前記第１永久磁石同士の間に配置され、前記第１永久磁石と磁極の配置を反転された複数の第２永久磁石と、
   連結された前記複数の磁石保持リングと対をなす円筒形状の導電部材であって、導電性を有し、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石と隙間を空けて対向する導電部材と、
   前記磁石保持リング及び前記導電部材の内部に配置されて前記磁石保持リング又は前記導電部材に固定され、前記ねじ軸と噛み合うボールナットと、を備える、渦電流式ダンパ。
2. 請求項１に記載の渦電流式ダンパであって、
   連結された前記複数の磁石保持リングにおいて、前記第１永久磁石が前記ねじ軸の軸方向に沿って配置されるとともに、前記第２永久磁石が前記ねじ軸の軸方向に沿って配置される、渦電流式ダンパ。
3. 請求項１に記載の渦電流式ダンパであって、
   連結された前記複数の磁石保持リングにおいて、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とが前記ねじ軸の軸方向に沿って交互に配置される、渦電流式ダンパ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の渦電流式ダンパであって、
   前記導電部材は、前記ねじ軸の軸方向に連結された複数の導電リングからなり、前記複数の導電リングは、前記複数の磁石保持リングのそれぞれと対をなす、渦電流式ダンパ。
   

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