JP7175774B2

JP7175774B2 - 慣性質量要素、慣性質量粘性ダンパー及び制振装置

Info

Publication number: JP7175774B2
Application number: JP2019002824A
Authority: JP
Inventors: 靖史三浦; 友理大塚; 佳也中村; 康人佐々木
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2022-11-21
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: JP2020112199A

Description

本発明は、慣性質量要素、慣性質量粘性ダンパー及び制振装置に関する。

制振装置は、地震時等における建物の振動を低減させる装置である。制振装置の１つとして、慣性質量粘性ダンパーを用いた制振装置が知られている。慣性質量粘性ダンパーは、慣性質量要素による慣性力と粘性減衰要素による粘性減衰力（エネルギー吸収）とによって、地震による建物の揺れに対する抵抗力を生じさせる。例えば特許文献１には、慣性質量粘性ダンパーの一例が記載されている。慣性質量粘性ダンパーの抵抗力を向上させるためには、慣性質量要素の慣性モーメント又は慣性質量要素の角加速度を大きくする必要がある。特許文献１の慣性質量粘性ダンパーは、異なるリードを有する２組のボールねじ装置を備えることで抵抗力を高めている。

特開２０１３－１５２０１１号公報

特許文献１の慣性質量要素を用いた場合、抵抗力が大きくなるものの軸方向の長さが大きくなる。慣性質量要素が軸方向に長い場合、慣性質量要素を設置できる場所が限定される。このため、抵抗力の増大及び軸方向の長さの短縮を両立できる慣性質量要素が求められていた。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、抵抗力を大きくでき且つ軸方向の長さを小さくすることができる慣性質量要素を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様は、ケースと、前記ケースに対して回転可能に取り付けられるナット、及び前記ナットを貫通するねじ軸を備えるボールねじ装置と、前記ナットの回転に伴って回転するおもりと、前記ナットと前記おもりとの間に設けられる遊星歯車機構と、前記遊星歯車機構は、内歯車と、太陽歯車と、前記内歯車と前記太陽歯車との間に配置される遊星歯車と、前記ナットに連結され且つ前記遊星歯車を公転させるキャリアと、を備える慣性質量要素である。

なお、本発明の上記の態様において、前記遊星歯車機構は、前記太陽歯車と一体に回転するシャフトを備え、前記内歯車は、前記ケースに固定され、前記おもりは、前記シャフトに固定されることが好ましい。

なお、本発明の上記の態様において、前記キャリアに支持される第１軸受と、前記おもりに対して前記内歯車とは反対側に配置され且つ前記ケースに支持される第２軸受と、を備え、前記シャフトは、前記おもりを貫通し且つ前記第１軸受及び前記第２軸受に支持されることが好ましい。

なお、本発明の上記の態様において、前記ケースの内部に充填される粘性流体を備える。

なお、本発明の他の一態様は、慣性質量要素と、前記ケースの内部に配置され且つ前記慣性質量要素と並列に配置される粘性減衰要素を備える慣性質量粘性ダンパーである。

また、本発明の他の一態様は、慣性質量要素と、第１構造材に固定され且つ前記慣性質量粘性ダンパーの一端に連結される第１支持部材と、前記第１構造材に対して間隔をあけて配置された第２構造材に固定され且つ前記慣性質量粘性ダンパーの他端に連結される第２支持部材と、を備える制振装置である。

本発明によれば、抵抗力を大きくでき且つ軸方向の長さを小さくすることができる慣性質量要素を提供することができる。

図１は、実施の形態１に係る制振装置の正面図である。図２は、実施の形態１に係る慣性質量要素の断面図である。図３は、遊星歯車機構の模式図である。図４は、実施の形態２に係る制振装置の正面図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施の形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る制振装置の正面図である。図２は、実施の形態１に係る慣性質量要素の断面図である。図３は、遊星歯車機構の模式図である。

実施の形態１に係る制振装置１は、地震時等における建物の振動を抑制するための装置である。図１に示すように制振装置１は、建物の第１梁１０１、第２梁１０２、第１柱１０３及び第２柱１０４で囲まれた領域に配置される。第１梁１０１及び第２梁１０２は水平方向に延びている。第２梁１０２は、第１梁１０１の下方に位置する。例えば、第１梁１０１及び第２梁１０２はＨ形鋼である。第１柱１０３及び第２柱１０４は鉛直方向に延びている。例えば、第１柱１０３及び第２柱１０４は角形鋼管である。第１梁１０１、第２梁１０２、第１柱１０３及び第２柱１０４は、建物の骨組を構成する構造材である。

以下の説明において、ＸＹＺ直交座標系が用いられる。Ｙ軸は、第１梁１０１及び第２梁１０２の長手方向に沿う軸である。Ｚ軸は、第１柱１０３及び第２柱１０４の長手方向に沿う軸である。Ｘ軸は、Ｙ軸及びＺ軸の両方に対して直交する軸である。Ｘ軸に沿う方向はＸ方向と記載され、Ｙ軸に沿う方向はＹ方向と記載され、Ｚ軸に沿う方向はＺ方向と記載される。Ｘ方向及びＹ方向が水平方向であり、鉛直方向がＺ方向である。Ｘ方向のうち建物の外部から内部に向かう方向を＋Ｘ方向とする。＋Ｘ方向を向いた場合の右方向を＋Ｙ方向とする。Ｚ方向のうち鉛直方向で下から上に向かう方向を＋Ｚ方向とする。

図１に示すように、制振装置１は、慣性質量粘性ダンパー１０と、ダンパー支持部材３０と、ダンパー支持部材３２と、斜材４と、スライダー６と、を備える。慣性質量粘性ダンパー１０は、慣性質量要素２と、粘性減衰要素５と、を備える。

図２に示すように、慣性質量要素２は、ケース２０と、ボールねじ装置２１と、軸受２２と、遊星歯車機構８と、軸受２４と、軸受２５と、軸受２６と、軸受２７と、おもり２９とを備える。慣性質量粘性ダンパー１０は、慣性質量要素２による慣性力と粘性減衰要素５よる粘性減衰力（エネルギー吸収）とによって、抵抗力を生じさせるダンパーである。

ケース２０は、ボールねじ装置２１、軸受２２、遊星歯車機構８、軸受２４、軸受２５、軸受２６及び軸受２７を支持する。図２に示すように、ケース２０は筒状である。ケース２０の一端にボールねじ装置２１が取り付けられる。ケース２０は、ボールねじ装置２１とは反対側の端部に端面プレート２０１を備える。

ボールねじ装置２１は、直進運動を回転運動に変換する装置である。ボールねじ装置２１は、ナット２１１と、ねじ軸２１２と、複数のボール２１３と、を備える。ナット２１１は、軸受２２を介してケース２０に取り付けられる。軸受２２は、ケース２０に固定される。軸受２２は、ナット２１１をケース２０に対して回転できるように支持する。ナット２１１は、Ｙ軸に沿う回転軸Ｃ１を中心に回転する。回転軸Ｃ１は、ねじ軸２１２の延びている方向に対して直交する平面でねじ軸２１２を切った場合の各断面の重心を通る直線である。以下の説明において、回転軸Ｃに沿う方向は単に軸方向と記載される。実施の形態１においては、回転軸Ｃ１はＹ軸に沿っている。ねじ軸２１２は、ナット２１１を貫通する。ねじ軸２１２は、回転軸Ｃ１に沿ってＹ方向に移動できる。複数のボール２１３は、ナット２１１の内周面のねじ溝とねじ軸２１２の外周面のねじ溝との間に配置される。ねじ軸２１２に加わる軸方向の荷重は、ボール２１３を介してナット２１１に伝わる。ナット２１１に加わる軸方向の荷重は、軸受２２を介してケース２０に伝わる。

遊星歯車機構８は、キャリア８５と、内歯車８１と、太陽歯車８２と、シャフト８８と、複数の遊星歯車８３と、を備える。キャリア８５は、円筒部８５１と、保持部８５２と、を備える。円筒部８５１は、ナット２１１に固定され、ナット２１１と共に回転する。円筒部８５１は、図２に示すように中空部材である。円筒部８５１の中にねじ軸２１２の一部が挿入されている。すなわち、ねじ軸２１２の一部は、円筒部８５１の筒状の本体部８５１１と、本体部８５１１の一端に設けられた端部８５１２とで囲まれる空間８５１５に挿入される。円筒部８５１は、軸受２４及び軸受２５を介してケース２０に支持されている。保持部８５２は、円筒部８５１のナット２１１とは反対側の端部に固定される。保持部８５２は、円筒部８５１と共に回転する。キャリア８５は、ナット２１１と共に回転軸Ｃ１を中心として回転する。

内歯車８１は、ケース２０に固定される。内歯車８１は回転しない。内歯車８１は、内周面に複数の歯を備える。太陽歯車８２は、内歯車８１の内側に配置される。太陽歯車８２は、外周面に複数の歯を備える。太陽歯車８２は、内周面に凹部８２１を備える。シャフト８８は、太陽歯車８２を貫通する。シャフト８８は、外周面に凸部８８１を備える。凸部８８１は凹部８２１に嵌まる。シャフト８８は、太陽歯車８２と一体となって回転する。シャフト８８の一端は、軸受２６を介して保持部８５２に支持される。シャフト８８の他端は軸受２７を介して端面プレート２０１に支持される。シャフト８８は、回転軸Ｃ１を中心として回転する。

遊星歯車８３は、内歯車８１と太陽歯車８２との間に配置される。遊星歯車８３は、外周面に複数の歯を備える。遊星歯車８３の歯は、内歯車８１の歯に噛み合い且つ太陽歯車８２の歯に噛み合う。図３に示すように、複数の遊星歯車８３が等間隔に配置されている。遊星歯車８３は、キャリア８５に支持される。遊星歯車８３は、保持部８５２に取り付けられた遊星歯車シャフト８５３に取り付けられる。遊星歯車８３は、遊星歯車シャフト８５３に対して回転可能である。遊星歯車８３は、回転軸Ｃ１を中心として回転すると共に、回転軸Ｃ１とは異なる回転軸Ｃ２を中心として回転する。すなわち、遊星歯車８３は、自転しながら公転する。

おもり２９は、シャフト８８に固定され、シャフト８８と共に回転する。おもり２９は、ケース２０の内部に配置される。おもり２９は、例えば鉄又は鉛等の金属で形成されている。おもり２９は、例えば円筒状である。おもり２９の端面は回転軸Ｃ１に対して直交している。おもり２９の内周面がシャフト８８の外周面に接している。おもり２９の両側に配置された軸受２６及び軸受２７によってシャフト８８が支持されているので、シャフト８８及びおもり２９の回転が安定しやすい。

図１に示すように、粘性減衰要素５は、ケース２０とは別の場所に配置される。粘性減衰要素５は、例えば、粘性流体が充填されたシリンダ５０と、シリンダ５０に対して相対移動できるピストン５２と、を備える。粘性減衰要素５は、慣性質量要素２と並列に配置される。

図１に示すダンパー支持部材３０は、ケース２０を支持するための部材である。ダンパー支持部材３０は、第２梁１０２に固定されている。ダンパー支持部材３０は、ケース２０の一端に取り付けられている。例えば、ダンパー支持部材３０は、ケース２０の端面プレート２０１に固定されている。

図１に示すダンパー支持部材３２は、粘性減衰要素５を支持するための部材である。ダンパー支持部材３２は、第２梁１０２に固定されている。ダンパー支持部材３２は、シリンダ５０の一端に取り付けられている。

制振装置１は、２つの斜材４を備える。Ｘ方向から見て、２つの斜材４が略Ｖ字を描くように配置されている。一方の斜材４は、第１梁１０１及び第１柱１０３に支持される。他方の斜材４は、第１梁１０１及び第２柱１０４に支持される。２つの斜材４は、スライダー６に連結される。スライダー６の一端は、ねじ軸２１２に連結される。スライダー６の他端は、ピストン５２に連結される。スライダー６は、第２梁１０２に固定されたガイド部材６１に案内され、Ｙ方向にスライドすることができる。

地震時等において斜材４にＹ方向の変位が生じる。このため、スライダー６がＹ方向に沿って往復運動する。スライダー６の往復運動は、ねじ軸２１２に伝わる。ねじ軸２１２の直動運動は、ナット２１１の回転運動に変換される。ナット２１１が回転することでおもり２９が回転する。遊星歯車機構８において、入力がキャリア８５であり、出力が太陽歯車８２及びシャフト８８である。このため、おもり２９の角速度はナット２１１の角速度よりも大きくなる。

スライダー６が移動する時、慣性質量要素２による慣性力と粘性減衰要素５による粘性減衰力とによって、建物の揺れに対する抵抗力が生じる。その結果、振動の減衰が促進される。

慣性質量要素２の抵抗力は、ナット２１１の慣性モーメントとナット２１１の角加速度との積である。慣性質量要素２の抵抗力をＰとする。ナット２１１の慣性モーメントをＩ_１とする。ナット２１１の角加速度をαとする。ねじ軸２１２の軸方向の加速度をβとする。ねじ軸２１２のねじ山のピッチをＬ_ｄとする。この場合、下記式（１）が成り立つ。

おもり２９の慣性モーメントをＩ_２とする。おもり２９の質量をｍとする。おもり２９の内半径をｒ_ｉとする。おもり２９の外半径をｒ_ｏとする。この場合、下記式（２）が成り立つ。

ナット２１１の角速度をω_１とする。おもり２９の角速度をω_２とする。この場合、下記式（３）が成り立つ。

式（２）及び式（３）から下記式（４）が導かれる。

式（１）及び式（４）から下記式（５）が導かれる。

式（５）に示すように、慣性質量要素２の抵抗力は、ナット２１１の角速度（ω_１）に対するおもり２９の角速度（ω_２）の比（角速度比）の２乗に比例する。例えば遊星歯車機構８において、キャリア８５の角速度に対する太陽歯車８２の角速度の比が３であるとする。この場合、角速度比が３となる。このため、遊星歯車機構８がない場合（ナット２１１の角速度及びおもり２９の角速度が等しい場合）に比較して、慣性質量要素２の抵抗力が９倍になる。慣性質量要素２においては、遊星歯車機構８によって見掛け上のおもり２９が大きくなる。これにより、慣性質量要素２は、おもり２９による慣性力を高めることができる。

なお、制振装置１は、必ずしも上述した構造を有していなくてもよい。制振装置１は、ケース２０に連結される第１支持部材と、ねじ軸２１２に連結される第２支持部材とを少なくとも備えていればよい。第１支持部材の一例がダンパー支持部材３０である。第２支持部材の一例が斜材４である。第１支持部材は、第２梁１０２に固定されていなくてもよい。第１支持部材は、第１梁１０１、第１柱１０３又は第２柱１０４に固定されていてもよい。第２支持部材は、第１梁１０１に固定されていなくてもよい。第２支持部材は、第１支持部材が固定された構造材とは異なる構造材に支持されていればよい。また、第１支持部材又は第２支持部材は、地面に固定されていてもよい。

なお、おもり２９は、必ずしもシャフト８８に固定されていなくてもよい。例えば、おもり２９が内歯車８１に固定されており、内歯車８１と一体に回転してもよい。この場合、太陽歯車８２がケース２０に固定され且つキャリア８５に接続されない。また、内歯車８１がケース２０に対して回転できるように取り付けられる。すなわち、内歯車８１が軸受等を介してケース２０に支持されることになる。おもり２９が内歯車８１に固定される場合であっても、おもり２９の角速度はナット２１１の角速度よりも大きくなる（角速度比が１よりも大きくなる）。

なお、ケース２０の内部には粘性流体が充填されていてもよい。粘性流体がおもり２９に接するので、おもり２９による慣性力と粘性減衰力とが生じる。

以上で説明したように、慣性質量要素２は、ケース２０と、ボールねじ装置２１と、おもり２９と、遊星歯車機構８と、を備える。ボールねじ装置２１は、ケース２０に対して回転可能に取り付けられるナット２１１、及びナット２１１を貫通するねじ軸２１２を備える。おもり２９は、ナット２１１の回転に伴って回転する。遊星歯車機構８は、ナット２１１とおもり２９との間に設けられる。遊星歯車機構８は、内歯車８１と、太陽歯車８２と、内歯車８１と太陽歯車８２との間に配置される遊星歯車８３と、ナット２１１に連結され且つ遊星歯車８３を公転させるキャリア８５と、を備える。

これにより、おもり２９の角速度がナット２１１の角速度よりも大きくなる。おもり２９の角速度が大きくなるほど慣性質量要素２の抵抗力が大きくなる。また遊星歯車機構８においては、内歯車８１、遊星歯車８３及び太陽歯車８２が軸方向に対して直交する方向に重なる。このため、慣性質量要素２の軸方向の長さを小さくすることが可能となる。したがって、慣性質量要素２は、抵抗力を大きくでき且つ軸方向の長さを小さくすることができる。

また慣性質量要素２において、遊星歯車機構８は、太陽歯車８２と一体に回転するシャフト８８を備える。内歯車８１は、ケース２０に固定される。おもり２９は、シャフト８８に固定される。

また慣性質量要素２において、キャリア８５に支持される第１軸受（軸受２６）と、おもり２９に対して内歯車８１とは反対側に配置され且つケース２０に支持される第２軸受（軸受２７）と、を備える。シャフト８８は、おもり２９を貫通し且つ第１軸受（軸受２６）及び第２軸受（軸受２７）に支持される。

おもり２９の重量は大きいので、シャフト８８が１つの軸受で支持されている場合にはシャフト８８の端部の変位が大きくなる可能性がある。これに対して、慣性質量要素２においては、おもり２９の両側に配置された第１軸受（軸受２６）及び第２軸受（軸受２７）によってシャフト８８が支持される。このため、シャフト８８及びおもり２９の回転が安定しやすい。

また慣性質量要素２は、ケース２０の内部に充填される粘性流体を備える。これにより、粘性流体がおもり２９に接するので、おもり２９による慣性力と粘性減衰力とが生じる。

また制振装置１は、慣性質量要素２と、第１支持部材（ダンパー支持部材３０）と、第２支持部材（斜材４）と、を備える。第１支持部材（ダンパー支持部材３０）は、第１構造材（第２梁１０２）に固定され且つ慣性質量要素２の一端に連結される。第２支持部材（斜材４）は、第１構造材（第２梁１０２）とは異なる第２構造材（第１梁１０１）に固定され且つ慣性質量要素２の他端に連結される。

慣性質量要素２の軸方向の長さが小さいので、制振装置１の施工が容易である。慣性質量要素２の抵抗力が大きいので、建物の振動が効率的に減衰される。制振装置１は、容易に施工でき且つ振動の減衰を促進させることができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る制振装置の正面図である。なお、上述した実施の形態１で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図４に示すように、実施の形態２に係る制振装置１Ａは、慣性質量粘性ダンパー１０Ａを備える。慣性質量粘性ダンパー１０Ａは、粘性減衰要素５Ａを備える。粘性減衰要素５Ａは、ケース２０の内部に配置される。粘性減衰要素５Ａは、慣性質量要素２と並列に配置される。慣性質量粘性ダンパー１０Ａにおいては、慣性質量要素２及び粘性減衰要素５Ａは、１つのケース２０の内部に配置される。粘性減衰要素５Ａの構成は、特に限定されない。粘性減衰要素５Ａは、例えば、粘性流体が充填されたシリンダと、ピストンと、を備えていてもよい。粘性減衰要素５Ａは、おもり２９と、おもり２９に接する粘性流体が充填されたケース２０とで構成されてもよい。

上述したように、慣性質量粘性ダンパー１０Ａは、慣性質量要素２と、ケース２０の内部に配置され且つ慣性質量要素２と並列に配置される粘性減衰要素５Ａを備える。

１、１Ａ制振装置
１０、１０Ａ慣性質量粘性ダンパー
１０１第１梁
１０２第２梁
１０３第１柱
１０４第２柱
２慣性質量要素
２０ケース
２０１端面プレート
２１ボールねじ装置
２１１ナット
２１２ねじ軸
２１３ボール
２２、２４、２５軸受
２６軸受（第１軸受）
２７軸受（第２軸受）
２９おもり
３０ダンパー支持部材
３２ダンパー支持部材
４斜材
５、５Ａ粘性減衰要素（粘性減衰装置）
５０シリンダ
５２ピストン
６スライダー
８遊星歯車機構
８１内歯車
８２太陽歯車
８２１凹部
８３遊星歯車
８５キャリア
８５１円筒部
８５２保持部
８５３遊星歯車シャフト
８８シャフト
８８１凸部

Claims

ケースと、
前記ケースに対して回転可能に取り付けられるナット、及び前記ナットを貫通するねじ軸を備えるボールねじ装置と、
前記ナットの回転に伴って回転するおもりと、
前記ナットと前記おもりとの間に設けられる遊星歯車機構と、を備え、
前記遊星歯車機構は、内歯車と、太陽歯車と、前記内歯車と前記太陽歯車との間に配置される遊星歯車と、前記ナットに連結され且つ前記遊星歯車を公転させるキャリアと、前記太陽歯車と一体に回転するシャフトと、を備え、
前記内歯車は、前記ケースに固定され、
前記おもりは、前記シャフトに固定され、
前記キャリアに支持される第１軸受と、
前記おもりに対して前記内歯車とは反対側に配置され且つ前記ケースに支持される第２軸受と、を備え、
前記シャフトは、前記おもりを貫通し且つ前記第１軸受及び前記第２軸受に支持される
慣性質量要素。
前記ケースの内部に充填される粘性流体を備える
請求項１に記載の慣性質量要素。
請求項１または２に記載の慣性質量要素と、
前記ケースの内部に配置され且つ前記慣性質量要素と並列に配置される粘性減衰要素を備える、
慣性質量粘性ダンパー。
請求項１または２に記載の慣性質量要素と、
第１構造材に固定され且つ前記ケースに連結される第１支持部材と、
前記第１構造材とは異なる第２構造材に固定され且つ前記ねじ軸に連結される第２支持部材と、
を備える制振装置。