JP7428348B2 - 制振装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 公開日 令和１年１２月１５日 ｈｔｔｐｓ：／／ｓｉｔｅｓ．ｇｏｏｇｌｅ．ｃｏｍ／ｓｉｔｅ／ｉｋａｇｏｌａｂ／公開実験のご案内 試験日 令和２年１月９日 東北大学工学部建築附属実験所にて公開

本開示は、制振装置に関する。

マスダンパを用いた制振装置として、例えば回転慣性型マスダンパを用いた構成が知られている（例えば、特許文献１等参照）。このような回転慣性型マスダンパは、対象構造とベース部との間にばね要素を介して接続されたナット及びネジ軸（慣性接続要素）と、ネジ軸の一端に配されるマス要素に相当するフライホイールと、ネジ軸の回転動に従動して運動エネルギーを吸収する減衰要素とを備えている。

特許第５０２３１２９号公報

上記構成では、慣性接続要素により対象構造の直線方向への振動を増幅させた後、増幅させた振動を回転方向に変換して、運動エネルギーを吸収する構成である。この場合、ネジ軸は、増幅された振動によりナットが移動する範囲をカバーできる寸法とする必要、つまり、ネジ軸のストロークを大きくする必要がある。許容速度や強度等の観点から、このような条件のネジ軸・ナットを設計することは困難であった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、慣性接続要素を容易に設計することが可能な制振装置を提供することを目的とする。

本開示に係る制振装置は、制震対象物に固定され前記制震対象物の振動と一体で移動可能なナットと、直線方向に延び前記直線方向への移動が規制された状態でベース部に回転可能に支持され前記ナットとネジ接合されて前記ナットの移動に伴って回転可能なネジ軸と、を有する慣性接続要素と、前記ネジ軸の回転に伴って回転する入力軸と、前記入力軸と同軸に配置される出力軸と、前記入力軸の回転量を増幅して前記出力軸に伝達する増幅部と、を有する回転量増幅機構と、前記出力軸の回転に従動して運動エネルギーを吸収する減衰機構とを備える。

本開示によれば、ネジ軸のストロークを短く設定できるので、許容速度以内、座屈荷重以内に抑えることができ、慣性接続要素を容易に設計することが可能な制振装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る制振装置の一例を示す図である。 図２は、回転量増幅機構の一例を示す図である。 図３は、中心軸の軸線方向の外側から回転量増幅機構を見た場合の一例を示す図である。 図４は、図３に示す回転量増幅機構の一部の構成を拡大して示す断面図である。 図５は、制振装置の動作の一例を示す図である。 図６は、回転量増幅機構における動作の一例を示す図である。 図７は、変形例に係る制振装置の構成を示す図である。 図８は、変形例に係る制振装置の他の構成を示す図である。 図９は、変形例に係る制振装置の他の構成を示す図である。 図１０は、変形例に係る制振装置の他の構成を示す図である。

以下、本開示に係る制振装置の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係る制振装置１００の一例を示す図である。図１に示す制振装置１００は、いわゆる回転慣性型マスダンパを用いた構成である。制振装置１００は、例えば橋梁、ビル等の建築物に設置され、地震等による建築物の振動を抑制する。制振装置１００は、１つの建築物に対して１つ又は複数設置することができる。

図１に示すように、制振装置１００は、慣性接続要素１０と、回転量増幅機構２０と、フライホイール３０と、減衰機構４０とを備える。

慣性接続要素１０は、制震対象物５０の振動のうち直線方向の成分を回転方向への振動に変換して増速させる。制震対象物５０は、例えば建築物の一部である。慣性接続要素１０は、ナット１１及びネジ軸１２を有する。ナット１１は、固定部材５１を介して制震対象物５０に固定される。ナット１１は、制震対象物５０の振動と一体で移動可能である。ナット１１は、環状であり、内周面にネジ山が形成される。

ネジ軸１２は、軸受１４、１５を介してベース部６０に支持される。ベース部６０は、例えば建築物が建築される地面、土台等である。軸受１４、１５には、不図示のボールが設けられ、ネジ軸１２を回転可能に支持する。ネジ軸１２は、直線方向に延びた円柱状であり、外周面にネジ山が形成される。

ネジ軸１２は、ナット１１とネジ接合される。ネジ軸１２は、ナット１１の移動に伴って、中心軸ＡＸを中心として回転可能である。慣性接続要素１０は、制震対象物５０の振動のうち、ネジ軸１２の中心軸ＡＸに沿った方向の成分を回転方向への振動に変換する。ネジ軸１２は、中心軸ＡＸの軸線方向への移動が規制される。

なお、１つの建築物に対して複数の制振装置１００を設置する場合、少なくとも１つの制振装置１００のネジ軸１２の中心軸ＡＸの軸線方向が他の制振装置１００とは異なるように配置してもよい。この場合、ネジ軸１２の中心軸ＡＸの軸線方向が水平面に沿うように配置してもよいし、ネジ軸１２の中心軸ＡＸの軸線方向が水平面に交差するように配置してもよい。

回転量増幅機構２０は、ネジ軸１２の回転量を増幅させる。図２は、回転量増幅機構２０の一例を示す図である。図２に示すように、回転量増幅機構２０は、入力軸２１と、出力軸２２と、回転伝達部２３とを備える。

入力軸２１は、ネジ軸１２に連結され、ネジ軸１２の回転に伴って回転する。本実施形態において、入力軸２１は、ネジ軸１２の中心軸ＡＸを中心として回転する。入力軸２１は、軸受１５によって回転可能に支持される。

出力軸２２は、入力軸２１と同軸に配置される。つまり、出力軸２２は、ネジ軸１２の中心軸ＡＸを中心として回転する。出力軸２２は、軸受１６によって回転可能に支持される。

回転伝達部２３は、入力軸２１の回転量を増幅して出力軸２２に伝達する。回転伝達部２３は、第１ホルダ２４と、第２ホルダ２５と、複数の弾性部材２６とを有する。第１ホルダ２４は、例えば円板状であり、入力軸２１に連結され、入力軸２１と一体で回転する。第２ホルダ２５は、例えば円板状であり、出力軸２２に連結され、出力軸２２と一体で回転する。

弾性部材２６は、例えば線状又はひも状であり、第１ホルダ２４と第２ホルダ２５との間に張り渡される。弾性部材２６は、例えばゴム、エラストマ等の樹脂材料を用いて形成することができる。なお、弾性部材２６は、上記の形状及び材料に限定されず、例えばバネ状、ぜんまい状、棒状等のような他の形状であってもよいし、金属材料等のような他の材料を用いて形成されてもよい。

弾性部材２６は、入力軸２１及び出力軸２２の回転方向、つまり、中心軸ＡＸを中心とした回転方向に平行又は略平行に複数並んだ状態で配置される。複数の弾性部材２６は、例えば中心軸ＡＸを中心とした回転方向に等ピッチで配置される（図３等参照）。なお、複数の弾性部材２６の配置は上記に限定されない。

複数の弾性部材２６は、第１ホルダ２４と第２ホルダ２５とが中心軸ＡＸを中心として相対的に回転することにより、回転方向にねじれて縒り合わさるように弾性変形可能である。複数の弾性部材２６が弾性変形した場合、縒りが解ける方向に復元トルクが生じる。例えば、入力軸２１が回転する場合、第１ホルダ２４が入力軸２１と一体で回転する。第１ホルダ２４の回転により、複数の弾性部材２６が回転方向にねじれて縒り合わさるように弾性変形する。複数の弾性部材２６が弾性変形する場合、発生した復元トルクは第２ホルダ２５に作用する。この場合、第２ホルダ２５は、複数の弾性部材２６の復元トルクにより回転する。

複数の弾性部材２６が中心軸ＡＸを中心とした回転方向に縒り合わさる場合、個々の弾性部材２６は、当該個々の弾性部材２６の中心軸を中心としてねじれた状態となる。複数の弾性部材２６は、回転方向に縒り合わさることに加えて、個々の弾性部材２６の当該ねじれにより、効率的に弾性力を得ることができる。

複数の弾性部材２６は、このような個々にねじれが生じる方向への摺動が規制されるように、一方の端部２６ａ（図３参照）が第１ホルダ２４に固定され、他方の端部２６ｂ（図３参照）が第２ホルダ２５に固定される。この構成により、個々の弾性部材２６のねじれが端部において解けることを防止できるため、弾性力の損失を抑制できる。

本実施形態において、入力軸２１の回転方向への振動に対して出力軸２２が共振して回転するように、複数の弾性部材２６のねじれ剛性と出力軸２２の慣性モーメントとが調整される。したがって、入力軸２１が回転方向に振動する場合、複数の弾性部材２６により、出力軸２２が回転方向に共振した状態で振動する。このため、入力軸２１の振動を出力軸２２に伝達する際、共振により効率的に振動を増幅して伝達することができる。

図３は、中心軸ＡＸの軸線方向の外側から回転量増幅機構２０を見た場合の一例を示す図である。図４は、図３に示す回転量増幅機構２０の一部の構成を拡大して示す断面図である。図３では、第１ホルダ２４又は第２ホルダ２５に弾性部材２６が固定される状態を示している。図４では、第２ホルダ２５側の構成を例に挙げて示しているが、第１ホルダ２４側においても同様の構成となっている。

図３及び図４に示すように、弾性部材２６は、押さえ部材２７及び締結部材２８により、一方の端部２６ａが第１ホルダ２４に固定され、他方の端部２６ｂが第２ホルダ２５に固定される。弾性部材２６の端部２６ａ、２６ｂは、第１ホルダ２４、第２ホルダ２５にそれぞれ設けられる貫通孔２４ａ、２５ａを貫通し、中心軸ＡＸの軸線方向の外側に突出した状態で設けられる。

押さえ部材２７は、第１ホルダ２４、第２ホルダ２５から突出した端部２６ａ、２６ｂを当該第１ホルダ２４、第２ホルダ２５に押さえつける。締結部材２８は、押さえ部材２７を第１ホルダ２４、第２ホルダ２５に締結する。なお、弾性部材２６の端部２６ａ、２６ｂを固定する構成は、押さえ部材２７及び締結部材２８を用いる構成に限定されず、他の構成であってもよい。

フライホイール３０は、出力軸２２に設けられ、出力軸２２と一体で回転する。フライホイール３０は、出力軸２２の慣性モーメントを増加させる。フライホイール３０が設けられることにより、出力軸２２の慣性モーメントを容易に調整することができる。

減衰機構４０は、出力軸２２の回転に従動して運動エネルギーを吸収する。減衰機構４０としては、例えば回転型ダンパー等を用いることができる。減衰機構４０は、ケース４１と、ロータ４２と、オイル４３とを有する。

ケース４１は、ロータ４２及びオイル４３を収容し、出力軸２２を回転可能に支持する。ロータ４２は、出力軸４２の回転に従動して回転する。本実施形態において、ロータ４２は、例えば出力軸２２に固定され、出力軸２２と一体で回転する。オイル４３は、粘性抵抗によりロータ４２の回転運動を制動する。減衰機構４０は、オイル４３によりロータ４２の回転運動を制動することにより、回転の運動エネルギーを吸収することができる。

次に、上記のように構成された制振装置１００の動作の一例を説明する。図５は、制振装置１００の動作の一例を示す図である。図５に示すように、地震等の振動が制震対象物５０に伝達され、制震対象物５０が振動した場合、当該振動のうち中心軸ＡＸに平行な成分により固定部材５１及びナット１１が中心軸ＡＸに平行な方向に移動する。ナット１１の移動により、ネジ軸１２が中心軸ＡＸを中心として回転する。ネジ軸１２の回転は、回転量増幅機構２０に伝達される。

図６は、回転量増幅機構２０における動作の一例を示す図である。図６に示すように、ネジ軸１２の回転により、回転量増幅機構２０の入力軸２１が当該ネジ軸１２の回転に伴って回転する。入力軸２１の回転により、当該入力軸２１の回転と一体で第１ホルダ２４が回転する。第１ホルダ２４の回転により、複数の弾性部材２６が回転方向にねじれて縒り合わさるように弾性変形する。

複数の弾性部材２６の弾性変形により、縒りが解ける方向に復元トルクが生じる。発生した復元トルクは、第２ホルダ２５及び出力軸２２に作用する。第２ホルダ２５及び出力軸２２は、複数の弾性部材２６の復元トルクにより回転する。本実施形態では、回転量増幅機構２０において入力軸２１の回転量が増幅されて出力軸２２に伝達される。

出力軸２２の回転により、図５に示すように、減衰機構４０においてロータ４２が回転する。ロータ４２が回転すると、オイル４３による粘性抵抗を受け、運動エネルギーが吸収されて回転が減衰する。これにより、制震対象物５０の振動を減衰することができる。

以上のように、本実施形態に係る制振装置１００は、制震対象物５０に固定され制震対象物５０の振動と一体で移動可能なナット１１と、ベース部６０に回転可能に支持されナット１１とネジ接合されてナット１１の移動に伴って回転可能なネジ軸１２と、を有する慣性接続要素１０と、ネジ軸１２の回転に伴って回転する入力軸２１と、入力軸２１と同軸に配置される出力軸２２と、入力軸２１の回転量を増幅して出力軸２２に伝達する回転伝達部２３と、を有する回転量増幅機構２０と、出力軸２２の回転に従動して運動エネルギーを吸収する減衰機構４０とを備える。

この制振装置１００は、制震対象物５０の振動を回転方向の振動に変換し、複数の弾性部材２６の共振により回転量を増幅し、増幅した回転量で回転する出力軸２２の回転を減衰する構成であるため、大きな運動エネルギーを吸収することができる。このため、制震対象物５０の振動を効率的に減衰することができる。また、制振装置１００は、制震対象物５０の振動方向を直線方向から回転方向に変更した後、回転量を増幅させることで振動を増幅させる構成であるため、直線方向の振動を増幅させる構成に比べて、直線方向におけるナット１１の移動量を抑制できる。これにより、ネジ軸１２の寸法を抑えることができるため、ネジ軸１２を含む慣性接続要素１０を容易に設計することができる。

本実施形態に係る制振装置１００において、回転伝達部２３は、入力軸２１と出力軸２２との間に接続され入力軸２１及び出力軸２２の回転方向にねじれるように弾性変形可能な弾性部材２６を有する。

従って、弾性部材２６の弾性力を用いることにより、入力軸２１から出力軸２２に対して回転を容易かつ確実に伝達可能となる。

本実施形態に係る制振装置１００において、入力軸２１の回転方向への振動に対して出力軸２２が共振して回転するように、弾性部材２６のねじれ剛性とフライホイール３０の慣性モーメントとが調整される。

従って、共振により入力軸２１の回転を効率的に増幅させて出力軸２２に伝達することができる。

出力軸２２に設けられ、出力軸２２と一体で回転し、出力軸２２の慣性モーメントを調整するフライホイール３０を備える。

従って、出力軸２２の慣性モーメントを容易に調整することができる。

本実施形態に係る制振装置１００において、回転伝達部２３は、入力軸２１と一体で回転する第１ホルダ２４と、出力軸２２と一体で連結する第２ホルダ２５とを有し、弾性部材２６は、線状であり、第１ホルダ２４と第２ホルダ２５との間に張り渡され、入力軸２１及び出力軸２２の回転方向に沿って複数並んだ状態で配置される。

従って、複数の弾性部材２６が縒り合わさるようにねじれた状態を形成すると共に、個々の弾性部材２６がねじれた状態を形成できる。これにより、効率的に復元トルクを発生させることができる。

本実施形態に係る制振装置１００において、それぞれの弾性部材２６は、一端が第１ホルダ２４に固定され、他端が第２ホルダ２５に固定される。

従って、個々の弾性部材２６のねじれが端部において解けることを防止できるため、ねじれによる弾性力の損失を抑制できる。

本開示の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。例えば、上記実施形態において、各弾性部材２６は、端部２６ａが第１ホルダ２４に固定され、端部２６ｂが第２ホルダ２５に固定される構成を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、端部２６ａ、２６ｂの一方又は両方が固定されない状態で接続された構成であってもよい。

また、上記実施形態において、出力軸２２にフライホイール３０が設けられた構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、フライホイール３０が設けられない構成であってもよい。この場合、例えば、出力軸２２の形状、寸法、材料等を調整することで出力軸２２の慣性モーメントを調整することができる。

図７は、変形例に係る制振装置の構成を示す図である。図７に示す制振装置２００のように、慣性接続要素１０のナット１１の両側に、回転量増幅機構２０、１２０と、フライホイール３０、１３０と、減衰機構４０、１４０とを備える構成としてもよい。回転量増幅機構１２０、フライホイール１３０及び減衰機構１４０の各構成は、上記実施形態に記載の回転量増幅機構２０、フライホイール３０及び減衰機構４０と同様とすることができる。図７において、回転量増幅機構１２０、フライホイール１３０及び減衰機構１４０の各構成要素を示す符号は、上記実施形態に記載の回転量増幅機構２０、フライホイール３０及び減衰機構４０の構成要素の符号と対応して記載している。制振装置２００は、図７の一方（ナット１１の右側）の機構における固有振動数ｆａと、他方（ナット１１の左側）の機構における固有振動数ｆｂとを異なるように設定することが可能である。例えば、図７に示すように、回転量増幅機構１２０の第１ホルダ１２４と第２ホルダ１２５との間隔を、回転量増幅機構２０の第１ホルダ２４と第２ホルダ２５との間隔と異なるように設定してもよい。

図８は、変形例に係る制振装置の他の構成を示す図である。図８に示す制振装置３００のように、回転量増幅機構２０に第１ギア２２４Ａ及び第２ギア２２４Ｂを設けて、ネジ軸１２の回転を第１ギア２２４Ａ及び第２ギア２２４Ｂにより増速させながらトルクを伝達させる構成としてもよい。この構成では、ネジ軸１２を支持する第１軸受１５Ａと、入力軸２２１Ｂを支持する第２軸受１５Ｂとが別個に設けられる。具体的には、第１ギア２２４Ａを支持する第１軸受１５Ａがネジ軸１２を支持する。また、第１ギア２２４Ａと噛み合う第２ギア２２４Ｂを支持する第２軸受１５Ｂが入力軸２２１Ｂを支持する。

図９は、変形例に係る制振装置の他の構成を示す図である。図９に示す制振装置４００では、図８に示す制振装置３００のうち軸受１４、ナット１１、ネジ軸１２及び第１軸受１５Ａを含む構成が、第１ギア１５Ａを基準として左右対称に配置されている。これにより、軸受１４、ナット１１、ネジ軸１２及び第１軸受１５Ａを含む構成と、回転量増幅機構２０、フライホイール３０及び減衰機構４０とが左右の同一側に配置されることになる。したがって、左右方向の全長を短くすることができる。

図１０は、変形例に係る制振装置の他の構成を示す図である。図１０に示す制振装置５００では、図８に示す制振装置３００に対して、回転量増幅機構５２０、フライホイール５３０及び減衰機構５４０の構成を追加した構成となっている。図１０において、回転量増幅機構５２０、フライホイール５３０及び減衰機構５４０の各構成要素を示す符号は、上記実施形態に記載の回転量増幅機構２０、フライホイール３０及び減衰機構４０の構成要素の符号と対応して記載している。この構成では、第１軸受１５Ａにはネジ軸１２と一体で回転する第１ギア５２４Ａが設けられる。回転量増幅機構２０は、第２軸受１５Ｂに入力軸２２が支持され、第１ホルダ２４に第２ギア５２４Ｂが固定される。回転量増幅機構５２０は、第３軸受１５Ｃに入力軸５２２が支持され、第１ホルダ５２４に第３ギア５２４Ｃが固定される。制振装置５００は、ネジ軸１２の回転と共に第１ギア５２４Ａが一体で回転し、第１ギア５２４Ａの回転により第２ギア５２４Ｂ及び第３ギア５２４Ｃが連動して回転する。第２ギア５２４Ｂ及び第３ギア５２４Ｃの回転により、回転量増幅機構２０及び回転量増幅機構５２０に対して回転が伝達される。制振装置５００は、回転量増幅機構２０、フライホイール３０及び減衰機構４０を含む機構における固有振動数ｆａと、回転量増幅機構５２０、フライホイール５３０及び減衰機構５４０を含む機構における固有振動数ｆｃとを異なるように設定することが可能である。例えば、図１０に示すように、回転量増幅機構５２０の第１ホルダ５２４と第２ホルダ５２５との間隔を、回転量増幅機構２０の第１ホルダ２４と第２ホルダ２５との間隔と異なるように設定してもよい。

１０ 慣性接続要素
１１ ナット
１２ ネジ軸
１４，１５，１６ 軸受
１５Ａ 第１軸受
１５Ｂ 第２軸受
１５Ｃ 第３軸受
２０，１２０，２２０，５２０ 回転量増幅機構
２１ 入力軸
２２ 出力軸
２３ 回転伝達部
２４ 第１ホルダ
２４ａ，２５ａ 貫通孔
２５ 第２ホルダ
２６ 弾性部材
２６ａ，２６ｂ 端部
２７ 部材
２８ 締結部材
３０，１３０，２３０，５３０ フライホイール
４０，１４０，２４０，５４０ 減衰機構
４１ ケース
４２ ロータ
４３ オイル
５０ 制震対象物
５１ 固定部材
６０ ベース部
１００ 制振装置
１２４，５２４ 第１ホルダ
１２５，５２５ 第２ホルダ
２２４Ａ，５２４Ａ 第１ギア
２２４Ｂ，５２４Ｂ 第２ギア
５２４Ｃ 第３ギア
ＡＸ 中心軸

Claims (6)

1. 制震対象物に固定され前記制震対象物の振動と一体で移動可能なナットと、ベース部に回転可能に支持され前記ナットとネジ接合されて前記ナットの移動に伴って回転可能なネジ軸と、を有する慣性接続機構と、
   前記ネジ軸の回転に伴って回転する入力軸と、前記入力軸と同軸に配置される出力軸と、前記入力軸の回転量を増幅して前記出力軸に伝達する回転伝達部と、を有する回転量増幅機構と、
   前記出力軸の回転に従動して運動エネルギーを吸収する減衰機構と
   を備える制振装置。
2. 前記回転伝達部は、前記入力軸と前記出力軸との間に接続され前記入力軸及び前記出力軸の回転方向にねじれるように弾性変形可能な弾性部材を有する
   請求項１に記載の制振装置。
3. 前記入力軸の回転方向への振動に対して前記出力軸が共振して回転するように、前記弾性部材のねじれ剛性と前記出力軸の慣性モーメントとが調整される
   請求項２に記載の制振装置。
4. 前記出力軸に設けられ、前記出力軸と一体で回転し、前記出力軸の慣性モーメントを調整するフライホイールを備える
   請求項３に記載の制振装置。
5. 前記回転伝達部は、前記入力軸と一体で回転する第１ホルダと、前記出力軸と一体で連結する第２ホルダとを有し、
   前記弾性部材は、線状であり、前記第１ホルダと前記第２ホルダとの間に張り渡され、前記入力軸及び前記出力軸の回転方向に沿って複数並んだ状態で配置される
   請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の制振装置。
6. それぞれの前記弾性部材は、一端が前記第１ホルダに固定され、他端が前記第２ホルダに固定される
   請求項５に記載の制振装置。

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