JP7028692B2

JP7028692B2 - マスダンパ

Info

Publication number: JP7028692B2
Application number: JP2018065072A
Authority: JP
Inventors: 滋樹中南; 英範木田; 憲治今西; 亮介増井
Original assignee: Nippon Steel Corp; Aseismic Devices Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Aseismic Devices Co Ltd
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2022-03-02
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: JP2019173933A

Description

本発明は、構造物などの振動を抑制するのに用いられるマスダンパに関する。

従来のマスダンパとして、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。このマスダンパは、一端部が第１部位に連結されたねじ軸と、ねじ軸にボールを介して螺合する回転自在のナットと、一端部が第２部位に連結され、ナットを回転自在に支持する内筒と、内筒に回転自在に支持された回転マスを備えている。また、ナットと回転マスの間には、軸力制限機構が設けられている。この軸力制限機構は、機械式のものであり、ナットの外周面に当接する摩擦材と、回転マスにねじ込まれた締め付けボルトと、摩擦材と締め付けボルトの間に配置され、摩擦材をナット側に付勢する皿ばねなどを備えている。

このマスダンパでは、地震時などに第１及び第２部位の間に相対変位が発生すると、ねじ軸の直線運動がナットの回転運動に変換され、回転マスに伝達される。これにより、回転マスが回転し、回転マスによる回転慣性効果が発揮されることによって、構造物の振動が抑制される。また、マスダンパの軸力（マスダンパに作用する軸方向の荷重）が、軸力制限機構の皿ばねのばね定数や締め付けボルトの締め付け度合などに応じて定まる所定値に達すると、摩擦材とナットの間に滑りが発生することによって、回転マスの回転が抑制され、マスダンパの軸力が制限される。

特許第５１８９２１３号公報

上述した従来のマスダンパでは、ナットと回転マスの間に設けられた、摩擦材を用いた軸力制限機構によって、回転マスの回転が抑制され、マスダンパの軸力が制限される。これに対し、近年、特に懸念されている長周期地震動の発生によって、大きな振動エネルギがマスダンパに繰り返し入力されるような場合には、摩擦材の発熱によって摩擦抵抗が低下する結果、回転慣性効果を安定して発揮できないとともに、マスダンパの軸力制限を適切に行えないおそれがある。

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、温度や振動エネルギの繰返し入力の影響を受けることなく、回転マスの回転慣性効果を安定して発揮させるとともに、マスダンパの軸力を適切に制限することができるマスダンパを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、構造物を含む系内の相対変位する第１部位と第２部位の間に設けられ、振動エネルギを減衰するマスダンパであって、一端部が第１部位に連結されるねじ軸、及びねじ軸にボールを介して螺合するナットを有するボールねじと、一端部が第２部位に連結され、ねじ軸と同軸状に延びるとともに、ナットを回転自在に支持する内筒と、ナットの外周を覆うように配置され、ナットに対して回転自在の筒状の回転マスと、ナットの外周面に周方向に並んだ状態で配置された複数の磁石で構成された第１磁石列と、回転マスの内周面に周方向に並んだ状態で配置され、第１磁石列の複数の磁石に対向するとともに対極の磁極を有する複数の磁石で構成された第２磁石列と、回転マスに対向するように配置され、回転マスに対して回転自在の筒状の第２回転マスと、第２回転マスに対向する回転マスの対向面に周方向に並んだ状態で配置された複数の磁石で構成された第３磁石列と、回転マスに対向する第２回転マスの対向面に周方向に並んだ状態で配置され、第３磁石列の複数の磁石に対向するとともに対極の磁極を有する複数の磁石で構成された第４磁石列と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、マスダンパのナット及び回転マスの互いの対向面に、それぞれ複数の磁石で構成された第１及び第２磁石列が配置されている。第１磁石列の複数の磁石と第２磁石列の複数の磁石は、それぞれ周方向に並んだ状態で配置され、互いに対向するとともに、対極の極性を有する。この構成により、第１磁石列の複数の磁石（以下「第１磁石」という）と第２磁石列の複数の磁石（以下「第２磁石」という）の間に、吸引力が作用する。

本発明のマスダンパによれば、地震時などに振動エネルギが構造物に入力され、第１及び第２部位の間に相対変位が発生すると、第１部位に連結されたねじ軸の相対的な直線運動が、ねじ軸に螺合するナットの回転運動に変換されることによって、ナットが回転する。このナットの回転に伴い、回転マスは、第１及び第２磁石の間に作用する吸引力により、ナットの回転と同期し、同じ回転速度で一体的に回転する（以下、この状態を「一体回転状態」という）。これにより、回転マスの等価質量が実質量に対して増幅され、大きな反力（回転慣性力）として作用する回転慣性効果が発揮されることによって、構造物の振動が抑制される。

その後、ナットの回転速度が増大し、ナットのトルクが磁石の吸引力に打ち勝つと、ナットが回転マスを取り残し、空回りしながら回転する状態（以下、この状態を「離脱回転状態」という）になり、回転マスが大きく減速する。これにより、回転マスによる回転慣性力が抑制されることによって、マスダンパの軸力が制限される。また、その後、ナットの回転速度が減少し、ナットのトルクが磁石の吸引力を下回るようになると、ナット及び回転マスが離脱回転状態から一体回転状態に自動的に復帰することによって、回転マスの回転慣性効果を再び有効に発揮させることができる。

磁石の吸引力は、構造物におけるマスダンパの使用環境では、温度依存性や繰り返し依存性を示さない。したがって、長周期地震動の発生時のように大きな振動エネルギが構造物に繰り返し入力される場合においても、温度や振動エネルギの繰返し入力の影響を受けることなく、回転マスの回転慣性効果を安定して発揮させることができる。

また、磁石の吸引力が大きいほど、これに打ち勝つのに必要なナットのトルクが大きくなり、それに応じて回転マスの回転慣性力はより大きくなる。さらに、磁石の吸引力は、磁束密度や磁石の断面積などに応じて概ね定まり、精度良く求めることができる。したがって、マスダンパに要求される回転慣性力とマスダンパの強度の両方を加味し、磁石の吸引力を適切に設定することによって、所要の回転慣性力及び振動抑制性能を確保できるとともに、マスダンパの軸力制限を適切に行うことができる。

また、本発明のマスダンパでは、回転マスに加えて第２回転マスが設けられ、回転マス及び第２回転マスの互いの対向面に、それぞれ複数の磁石で構成された第３及び第４磁石列が配置されている。第３磁石列の複数の磁石と第４磁石列の複数の磁石は、それぞれ周方向に並んだ状態で配置され、互いに対向するとともに、対極の極性を有する。この構成により、第３磁石列の複数の磁石（以下「第３磁石」という）と第４磁石列の複数の磁石（以下「第４磁石」という）の間に、吸引力が作用する。

したがって、このマスダンパによれば、ナットの回転に伴い、第１及び第２磁石の吸引力によって回転マスが一体回転するとともに、この回転マスの回転に伴い、第３及び第４磁石の吸引力によって、第２回転マスが回転マスと一体回転する。これにより、第２回転マスによる回転慣性効果が発揮され、回転マスの回転慣性効果に付加されることによって、構造物の振動をさらに抑制することができる。

また、回転マスの回転速度が増大し、回転マスのトルクが第３及び第４磁石の吸引力に打ち勝つと、回転マス及び第２回転マスが離脱回転状態になることで、第２回転マスが大きく減速する。これにより、第２回転マスによる回転慣性力が抑制されることによって、マスダンパの軸力が制限される。また、その後、回転マスの回転速度が減少し、回転マスのトルクが磁石の吸引力を下回るようになると、回転マス及び第２回転マスが離脱回転状態から一体回転状態に自動的に復帰することによって、第２回転マスの回転慣性効果を再び有効に発揮させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のマスダンパにおいて、第２回転マスは、回転マスに対して軸線方向に並び、端面同士が対向するように配置されており、第３磁石列は回転マスの端面に配置され、第４磁石列は第２回転マスの端面に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、第２回転マスは、回転マスに対して軸線方向に並んだ状態で配置されており、回転マス及び第２回転マスの互いに対向する端面にそれぞれ配置された第３及び第４磁石の吸引力により、回転マス及び第２回転マスの一体回転状態と離脱回転状態が切り替えられる。これにより、請求項２による作用を得ることができる。また、第２回転マスが回転マスと軸線方向に並んだ状態で配置されるので、径方向におけるマスダンパのコンパクト化を図ることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載のマスダンパにおいて、第２回転マスは、回転マスの外周側に配置されており、第３磁石列は回転マスの外周面に配置され、第４磁石列は第２回転マスの内周面に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、第２回転マスは回転マスの外周側に配置されており、回転マスの外周面及び第２回転マスの内周面にそれぞれ配置された第３及び第４磁石の吸引力により、回転マス及び第２回転マスの一体回転状態と離脱回転状態が切り替えられる。これにより、請求項２による作用を得ることができる。また、第２回転マスが回転マスの外周側に配置されるので、軸線方向におけるマスダンパのコンパクト化を図ることができる。

本発明の実施形態によるマスダンパを含む免震装置を構造物に設置した例を概略的に示す図である。第１実施形態によるマスダンパを示す縦断面図である。図２の矢印Ａで示す部分を拡大して示す断面図である。第２実施形態によるマスダンパを示す縦断面図である。図４の矢印Ｂで示す部分を拡大して示す断面図である。第４磁石列及びこれを構成する第４永久磁石を示す図である。

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、実施形態によるマスダンパ１を、積層ゴム支承２とともに、建物などの構造物３に免震装置として設置した例を示す。積層ゴム支承２は、複数個（２つのみ図示）設けられており、構造物３と基礎４の間に固定され、構造物３を支持している。マスダンパ１は、複数個（１つのみ図示）設けられており、その両端部において、構造物３から下方に突設された支持部材５ａと、基礎４から上方に突設された支持部材５ｂとの間に、設置される。

図２に示すように、マスダンパ１は、ボールねじ１１、内筒１２、回転マス１３、粘性体１４、第１及び第２磁石列１５、１６などで構成されている。

ボールねじ１１は、ねじ軸１１ａと、ねじ軸１１ａに多数のボール１１ｂを介して螺合するナット１１ｃを有する。ねじ軸１１ａは、外端部において、自在継手１７ａを介して、第１フランジ１７に移動不能に連結され、内端部は、ナット１１ｃから突出し、内筒１２の内部に延びている。ナット１１ｃは、例えば鋼材で構成され、内端部において、クロスローラベアリング２１を介して内筒１２に嵌合し、回転自在に支持されている。

内筒１２は、鋼材で構成され、ナット１１ｃと同軸状に配置されており、外端部において、自在継手１８ａを介して、第２フランジ１８に移動不能に連結されている。

回転マス１３は、比重が比較的大きな材料、例えば鋼材で構成され、肉厚の円筒状に形成されている。回転マス１３は、ボールねじ１１及び内筒１２の外側に同軸状に配置されており、両端部において軸受け２２、２２を介し、ナット１１ｃ及び内筒１２に回転自在に支持されている。

粘性体１４は、内筒１２と回転マス１３との間の間隙Ｇに、シール２３、２３を介して液密状態で充填されている。粘性体１４は、所定の粘度を有する粘性材、例えばシリコンオイルで構成されている。

図３に示すように、第１磁石列１５は、ナット１１ｃの外周面に配置された複数（例えば８つ）の永久磁石（以下「第１永久磁石」という）１５ａで構成され（１つのみ図示）、これらの第１永久磁石１５ａは、周方向に等間隔に配置されている。各第１永久磁石１５ａは、例えば円板状のフェライト磁石で構成されており、その底部及び外周部に同心状に被せられたヨーク（継鉄）１５ｂとともに、非磁性体のケース１５ｃに収容されている。

第２磁石列１６は、回転マス１３の内周面に、周方向に等間隔に配置された複数（例えば８つ）の永久磁石（以下「第２永久磁石」という）１６ａで構成されており（１つのみ図示）、その数は第１永久磁石１５ａと同じである。各第２永久磁石１６ａは、第１永久磁石１５ａと同様、例えば円板状のフェライト磁石で構成されており、その底部及び外周部に同心状に被せられたヨーク１６ｂとともに、非磁性体のケース１６ｃに収容されている。また、図３に示すように、第１及び第２永久磁石１５ａ、１６ａは、互いに対極の磁極を有する。以上の構成により、第１永久磁石１５ａと第２永久磁石１６ａの間に、吸引力が作用する。

以上の構成のマスダンパ１は、例えば図１の構造物３及び基礎４に設けられた支持部材５ａ、５ｂに、第１及び第２フランジ１７、１８を介して連結され、設置される。この状態で、地震などの発生により、構造物３と基礎４の間に相対変位が発生すると、それらに連結された内筒１２に対するねじ軸１１ａの直線運動がナット１１ｃの回転運動に変換され、ナット１１ｃが回転する。

このナット１１ｃの回転に伴い、第１及び第２永久磁石１５ａ、１６ａの間に作用する吸引力によって、回転マス１３は、ナット１１ｃと同期し、同じ回転数で一体的に回転する（一体回転状態）。この回転マス１３の回転により、回転マス１３の等価質量が実質量に対して増幅され、大きな回転慣性力として作用する回転慣性効果が発揮され、それにより、構造物３の振動が抑制される。

その後、ナット１１ｃの回転速度が増大し、ナット１１ｃのトルクが第１及び第２永久磁石１５ａ、１６ａの吸引力に打ち勝つと、ナット１１ｃが回転マス１３を取り残し、空回りしながら回転する状態（離脱回転状態）になり、回転マス１３が大きく減速する。これにより、回転マス１３による回転慣性力が抑制されることで、マスダンパ１の軸力が制限される。また、その後、ナット１１ｃの回転速度が減少し、ナット１１ｃのトルクが第１及び第２永久磁石１５ａ、１６ａの吸引力を下回った場合には、ナット１１ｃ及び回転マス１３が離脱回転状態から一体回転状態に自動的に復帰することによって、回転マス１３の回転慣性効果を再び有効に発揮させることができる。

永久磁石の吸引力は、構造物におけるマスダンパの使用環境では、温度依存性や繰り返し依存性を示さない。したがって、長周期地震動の発生時のように大きな振動エネルギが構造物に繰り返し入力される場合においても、温度や振動エネルギの繰返し入力の影響を受けることなく、回転マス１３の回転慣性効果を安定して発揮させることができる。

また、第１及び第２永久磁石１５ａ、１６ａの吸引力が大きいほど、これに打ち勝つのに必要なナット１１ｃのトルクが大きくなり、それに応じて回転マス１３の回転慣性力はより大きくなる。一方、第１及び第２永久磁石１５ａ、１６ａの吸引力Ｆは、次式（１）によって、精度良く求めることができる。
Ｆ＝Ｂ₀ ²・Ａ／２μ₀ ・・・（１）
ここで、Ｂ₀は対向空間の磁束密度、Ａは第１及び第２永久磁石１５ａ、１６ａの断面積、μ₀は真空の透磁率である。

したがって、マスダンパ１に要求される回転慣性力とマスダンパ１の強度の両方を加味し、第１及び第２永久磁石１５ａ、１６ａの吸引力を適切に設定することによって、所要の回転慣性力及び振動抑制性能を確保できるとともに、マスダンパ１の軸力制限を適切に行うことができる。

図４は、本発明の第２実施形態によるマスダンパ５１を示す。図２との比較から明らかなように、このマスダンパ５１は、上述した第１実施形態によるマスダンパ１に対し、第２回転マス５３や、第２回転マス５３を回転させるための第３及び第４磁石列５５、５６などを付加したものである。したがって、マスダンパ１と同じ又は同等の構成要素について同じ符号を付するとともに、以下、マスダンパ１と異なる部分を中心として、マスダンパ５１について説明する。

マスダンパ５１は、マスダンパ１と同様、回転マス１３、粘性体１４及び第１及び第２磁石列１５、１６を備えており、これらの構成はマスダンパ１と同じである。なお、回転マス１３及び粘性体１４の軸線方向の長さは、マスダンパ１よりも短く設定されている。

第２回転マス５３は、比重が比較的大きな材料、例えば鋼材で構成され、肉厚の円筒状に形成されており、回転マス１３と同じ外径及び内径を有する。第２回転マス５３は、回転マス１３と軸線方向に並んだ状態で配置されており、端面同士が対向している。また第２回転マス５３は、両端部において軸受け５７、５７を介し、回転マス１３及び内筒１２にそれぞれ回転自在に支持されている。

図５に示すように、第３磁石列５５は、回転マス１３の端面に配置された複数（この例では８つ）の永久磁石（以下「第３永久磁石」という）５５ａで構成され（１つのみ図示）、これらの第３永久磁石５５ａは、周方向に等間隔に配置されている。各第３永久磁石５５ａは、例えば円板状のフェライト磁石で構成されており、その底部及び外周部に同心状に被せられたヨーク（継鉄）５５ｂとともに、非磁性体のケース５５ｃに収容されている。

図５及び図６に示すように、第４磁石列５６は、第２回転マス５３の端面に、周方向に等間隔に配置された複数（この例では８つ）の永久磁石（以下「第４永久磁石」という）５６ａで構成されており、その数は第３永久磁石５５ａと同じである。各第４永久磁石５６ａは、第３永久磁石５５ａと同様、例えば円板状のフェライト磁石で構成されており、その底部及び外周部に同心状に被せられたヨーク５６ｂとともに、非磁性体のケース５６ｃに収容されている。また、図５に示すように、第３及び第４永久磁石５５ａ、５６ａは、互いに対極の磁極を有する。以上の構成により、第３永久磁石５５ａと第４永久磁石５６ａの間に、吸引力が作用する。

以上の構成のマスダンパ５１によれば、地震などの発生により、構造物３と基礎４の間に相対変位が発生すると、マスダンパ１の場合と同様、内筒１２に対するねじ軸１１ａの直線運動がナット１１ｃの回転運動に変換され、ナット１１ｃが回転するのに伴い、第１及び第２永久磁石１５ａ、１６ａの吸引力により、回転マス１３がナット１１ｃと一体回転することによって、回転マス１３の回転慣性効果が発揮される。

また、この回転マス１３の回転に伴い、第３及び第４永久磁石５５ａ、５６ａの吸引力により、第２回転マス５３が回転マス１３と一体回転する。これにより、第２回転マス５３による回転慣性効果が発揮され、回転マス１３の回転慣性効果に付加されることによって、構造物３の振動をさらに抑制することができる。

また、回転マス１３の回転速度が増大し、回転マス１３のトルクが第３及び第４永久磁石５５ａ、５６ａの吸引力に打ち勝つと、回転マス１３及び第２回転マス５３が離脱回転状態になることで、第２回転マス５３が大きく減速する。これにより、第２回転マス５３による回転慣性力が抑制されることで、マスダンパ５１の軸力が制限される。

したがって、マスダンパ５１に要求される回転慣性力とマスダンパ５１の強度の両方を加味し、第３及び第４永久磁石５５ａ、５６ａの吸引力を適切に設定することによって、所要の回転慣性力及び振動抑制性能を確保できるとともに、マスダンパ５１の軸力制限を適切に行うことができる。

また、その後、回転マス１３の回転速度が減少し、回転マス１３のトルクが第３及び第４永久磁石５５ａ、５６ａの吸引力を下回った場合には、回転マス１３及び第２回転マス５３が離脱回転状態から一体回転状態に自動的に復帰することによって、第２回転マス５３の回転慣性効果を再び有効に発揮させることができる。

さらに、マスダンパ５１では、第２回転マス５３が回転マス１３と軸線方向に並んだ状態で配置されるので、径方向におけるマスダンパ５１のコンパクト化を図ることができる。

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、第２実施形態では、第２回転マス５３が回転マス１３と軸線方向に並んだ状態で配置され、それらの対向する端面に第３及び第４磁石列５５、５６が配置されている。これに代えて、第２回転マスを回転マスの外周側に同軸状に配置するとともに、第３磁石列を回転マスの外周面に、第４磁石列を第２回転マスの内周面にそれぞれ配置してもよい。この構成によっても、前述した第２実施形態による効果を同様に得ることができる。また、この場合には、第２回転マスが回転マスの外周側に配置されるので、軸線方向におけるマスダンパのコンパクト化を図ることができる。

また、第２実施形態では、回転マス１３及び第２回転マス５３の離脱回転により、第２回転マス５３の回転慣性力が抑制されることによって、マスダンパ５１の軸力が制限される。本発明は、これに限らず、第１及び第２永久磁石１５ａ、１６ａの吸引力や第３及び第４永久磁石５５ａ、５６ａの吸引力などを変更することで、ナット１１ｃ及び回転マス１３の離脱回転が、回転マス１３及び第２回転マス５３の離脱回転よりも前に発生するようにしてもよい。その場合には、ナット１１ｃ及び回転マス１３の離脱回転により、回転マス１３及び第２回転マス５３の両方の回転慣性力を同時に抑制することによって、マスダンパの軸力制限を行うことができる。

また、実施形態では、永久磁石として、フェライト磁石を用いているが、あくまで例示であり、他の材質の永久磁石、例えばネオジム磁石やアルニコ磁石を用いてもよい。さらに、各磁石列を構成する磁石として、永久磁石に代えて、電磁石を採用することが可能である。この場合にも、前述した実施形態による効果を同様に得ることができる。

また、実施形態に示した第１～第４永久磁石の数は、あくまで例示であり、適宜、増減でき、それらの形状についても、実施形態に示した円形に限らず、他の適当な形状を採用できる。さらに、ヨークを永久磁石と同心状に配置することは必須ではなく、また、ヨークやケースは省略してもよい。

また、実施形態は、マスダンパ１及び５１を構造物の免震装置として用いた例であるが、制震装置として用いてもよい。その他、細部の構成を、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することが可能である。

１マスダンパ
３構造物
５ａ支持部材（第１部位）
５ｂ支持部材（第２部位）
１１ボールねじ
１１ａねじ軸
１１ｂボール
１１ｃナット
１２内筒
１３回転マス
１５第１磁石列
１５ａ第１永久磁石（第１磁石列の磁石）
１６第２磁石列
１６ａ第２永久磁石（第２磁石列の磁石）
５１マスダンパ
５３第２回転マス
５５第３磁石列
５５ａ第３永久磁石（第３磁石列の磁石）
５６第４磁石列
５６ａ第４永久磁石（第４磁石列の磁石）

Claims

構造物を含む系内の相対変位する第１部位と第２部位の間に設けられ、振動エネルギを減衰するマスダンパであって、
一端部が前記第１部位に連結されるねじ軸、及び当該ねじ軸にボールを介して螺合するナットを有するボールねじと、
一端部が前記第２部位に連結され、前記ねじ軸と同軸状に延びるとともに、前記ナットを回転自在に支持する内筒と、
前記ナットの外周を覆うように配置され、前記ナットに対して回転自在の筒状の回転マスと、
前記ナットの外周面に周方向に並んだ状態で配置された複数の磁石で構成された第１磁石列と、
前記回転マスの内周面に周方向に並んだ状態で配置され、前記第１磁石列の複数の磁石に対向するとともに対極の磁極を有する複数の磁石で構成された第２磁石列と、
前記回転マスに対向するように配置され、前記回転マスに対して回転自在の筒状の第２回転マスと、
前記第２回転マスに対向する前記回転マスの対向面に周方向に並んだ状態で配置された複数の磁石で構成された第３磁石列と、
前記回転マスに対向する前記第２回転マスの対向面に周方向に並んだ状態で配置され、前記第３磁石列の複数の磁石に対向するとともに対極の磁極を有する複数の磁石で構成された第４磁石列と、
を備えることを特徴とするマスダンパ。
前記第２回転マスは、前記回転マスに対して軸線方向に並び、端面同士が対向するように配置されており、
前記第３磁石列は前記回転マスの前記端面に配置され、前記第４磁石列は前記第２回転マスの前記端面に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のマスダンパ。
前記第２回転マスは、前記回転マスの外周側に配置されており、
前記第３磁石列は前記回転マスの外周面に配置され、前記第４磁石列は前記第２回転マスの内周面に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のマスダンパ。