(57)【要約】【課題】慣性質量ダンパーに対して増幅機構としての流体圧シリンダー機構を組み合わせたコンパクトで大容量が得られる有効適切な振動低減装置を提供する。【解決手段】慣性質量ダンパー１と、増幅機構として機能する流体圧シリンダー機構１１とを一体に組み合わせた構成とする。流体圧シリンダー機構は、メインシリンダー１２の基端部をメインピストン１３により第１隔室１２ａと第２隔室１２ｂとに区画し、第２隔室の前方にメインシリンダーよりも小径のサブシリンダー１４を配し、サブシリンダーをサブピストン１５により第３隔室１４ａと第４隔室１４ｂとに区画し、第２隔室と第３隔室とを連通せしめるとともに第１隔室と第４隔室とをバイパス管１６を介して連通せしめた構成とする。慣性質量ダンパー１をメインシリンダー１２の先端部の内側に収納し、該慣性質量ダンパーをサブピストン１５により駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対振動する二部材の間に介装されてその相対振動を低減させるための振動低減装置であって、
ボールねじ軸に対してボールナットを螺着せしめたボールねじ機構により回転せしめられる回転錘による慣性力を反力として利用する慣性質量ダンパーと、該慣性質量ダンパーに作用する相対変位、速度、加速度を増幅させるための増幅機構として機能する流体圧シリンダー機構とを一体に組み合わせた構成とされ、
前記流体圧シリンダー機構は、メインシリンダーの基端部をメインピストンにより第１隔室と第２隔室とに区画するとともに、前記第２隔室の前方に前記メインシリンダーよりも小径のサブシリンダーを配して該サブシリンダーをサブピストンにより第３隔室と第４隔室とに区画し、前記第２隔室と前記第３隔室とを連通せしめるとともに前記第１隔室と前記第４隔室とをバイパス管を介して連通せしめた構成とされて、前記メインシリンダーの先端部および前記メインピストンがそれぞれ前記二部材に対して連結される構成とされ、
前記慣性質量ダンパーを前記メインシリンダーの先端部の内側に収納して該慣性質量ダンパーに対して前記サブピストンを連結することにより、前記慣性質量ダンパーが前記サブピストンにより駆動される構成とされていることを特徴とする振動低減装置。
【請求項２】
請求項１記載の振動低減装置であって、
前記ボールねじ軸の基端部を前記サブピストンに対して相対回転不能かつ該サブピストンとともに軸方向変位可能に連結するとともに、前記ボールナットを前記メインシリンダーに対して相対回転可能かつ軸方向変位不能に連結して、該ボールナットに対して前記回転錘を一体に回転可能に連結してなることを特徴とする振動低減装置。
【請求項３】
請求項２記載の振動低減装置であって、
前記ボールねじ軸の先端に回転拘束板を連結して、該回転拘束板を前記メインシリンダーに対して相対回転不能かつ軸方向変位可能に連結し、
該回転拘束板と前記メインシリンダーの先端部との間に前記ボールねじ軸を原位置に復帰させるための復元ばねを介装してなることを特徴とする振動低減装置。
【請求項４】
請求項１，２または３記載の振動低減装置であって、
前記メインピストンに、前記第１隔室と前記第２隔室との間の差圧が所定のリリーフ圧を超えた際に流体を流通させるリリーフ弁を設けてなることを特徴とする振動低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は相対振動する二部材間に介装されてその相対振動を低減させるための振動低減装置、特に回転錘による慣性力を反力として利用する慣性質量ダンパーの範疇に属する振動低減装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように慣性質量ダンパーはダンパー両端の相対加速度に比例した反力を生じる装置であって、特許文献１に示される減衰コマや特許文献２，３に示される免震装置として実用化されているが、近年、ボールねじ機構を利用して回転錘の実際の質量の数千倍もの慣性質量効果が得られる慣性質量ダンパーも広く普及しつつある。
そのようなボールねじ機構を利用した慣性質量ダンパーにおいては、その慣性質量Ψは回転錘の回転慣性モーメントIθ、ボールねじのリードLdとすると、次式となる。
【０００３】
【数１】
2014163447.tif 000003
【０００４】
また、たとえば特許文献４，５に示されるように、流体の慣性質量を利用するいわゆる流体式慣性質量ダンパー（慣性ポンプダンパーとも称される）も知られている。
これは、シリンダー内で分割された流体（液体）に対してダンパー変位により圧力を加えてシリンダー径よりも小径のバイパス管を通して還流させるもので、ダンパー変位速度より還流速度が高速になることでバイパス管内の流体質量よりも大きな慣性質量効果が得られるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２０１２２４号公報
【特許文献２】特許第３２５０７９５号公報
【特許文献３】特開２００７−１０１１０号公報
【特許文献４】特開２００７−２０５４３３号公報
【特許文献５】特開２０１１−１５８０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この種の慣性質量ダンパーに生じる反力は相対加速度に比例するので、ダンパー両端に作用する相対変位や速度や加速度を増幅機構を用いて出力側でα倍すれば、出力側に設置されたダンパー反力もα倍される。
一方、増幅機構の反力は入力側が出力側のα倍となることから、慣性質量Ψは上記（１）式の場合のα2倍となる。このことは入力側と出力側のエネルギー（変位×力）が同じと考えれば容易に理解される。
【０００７】
このように慣性質量ダンパーに増幅機構を組み合わせることは有効であり、従来より梃子やトグル機構あるいは遊星歯車等を利用した増幅機構についての提案もあるが、そのような従来一般的な増幅機構によることではコンパクトに大容量のダンパーを実現することは困難であるし、増幅機構自体の内部摩擦によるエネルギーロスも大きいことから、あまり有効ではなく普及するに至っていない。
また、特許文献３，４に示されるような流体式慣性質量ダンパーを増幅機構として利用して、そのバイパス管に慣性質量ダンパーを組み込むことも考えられるが、バイパス管に大きな反力を生じることから小型軽量化が難しく、偏芯荷重に対応するためのコストも嵩むものとなるので、あまり現実的ではない。
【０００８】
上記事情に鑑み、本発明は慣性質量ダンパーに対して合理的な増幅機構としての流体圧シリンダー機構を組み合わせることにより、コンパクトで大容量が得られる有効適切な振動低減装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の発明は、相対振動する二部材の間に介装されてその相対振動を低減させるための振動低減装置であって、ボールねじ軸に対してボールナットを螺着せしめたボールねじ機構により回転せしめられる回転錘による慣性力を反力として利用する慣性質量ダンパーと、該慣性質量ダンパーに作用する相対変位、速度、加速度を増幅させるための増幅機構として機能する流体圧シリンダー機構とを一体に組み合わせた構成とされ、前記流体圧シリンダー機構は、メインシリンダーの基端部をメインピストンにより第１隔室と第２隔室とに区画するとともに、前記第２隔室の前方に前記メインシリンダーよりも小径のサブシリンダーを配して該サブシリンダーをサブピストンにより第３隔室と第４隔室とに区画し、前記第２隔室と前記第３隔室とを連通せしめるとともに前記第１隔室と前記第４隔室とをバイパス管を介して連通せしめた構成とされて、前記メインシリンダーの先端部および前記メインピストンがそれぞれ前記二部材に対して連結される構成とされ、前記慣性質量ダンパーを前記メインシリンダーの先端部の内側に収納して該慣性質量ダンパーに対して前記サブピストンを連結することにより、前記慣性質量ダンパーが前記サブピストンにより駆動される構成とされていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の振動低減装置であって、前記ボールねじ軸の基端部を前記サブピストンに対して相対回転不能かつ該サブピストンとともに軸方向変位可能に連結するとともに、前記ボールナットを前記メインシリンダーに対して相対回転可能かつ軸方向変位不能に連結して、該ボールナットに対して前記回転錘を一体に回転可能に連結してなることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の振動低減装置であって、前記ボールねじ軸の先端に回転拘束板を連結して、該回転拘束板を前記メインシリンダーに対して相対回転不能かつ軸方向変位可能に連結し、該回転拘束板と前記メインシリンダーの先端部との間に前記ボールねじ軸を原位置に復帰させるための復元ばねを介装してなることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１，２または３記載の振動低減装置であって、前記メインピストンに、前記第１隔室と前記第２隔室との間の差圧が所定のリリーフ圧を超えた際に流体を流通させるリリーフ弁を設けてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の振動低減装置は、ボールねじ機構による慣性質量ダンパーと、その慣性質量ダンパーに作用する相対変位、速度、加速度を増幅させるための増幅機構として機能する流体圧シリンダー機構とを一体に組み合わせた構成であるので、小さな回転錘でありながら大きな慣性質量が得られるものであり、したがって軽量でスリムかつ安価で大容量の振動低減装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態である振動低減装置の概略構成を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図（（ａ）におけるｂ−ｂ線視図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に本発明の実施形態である振動低減装置の概略構成を示す。
本実施形態の振動低減装置は、相対振動する二部材（図示せず）の間に介装されてその相対振動を低減させるための装置であって、慣性質量ダンパー１と、その慣性質量ダンパー１に作用する相対変位、速度、加速度を増幅させるための増幅機構として機能する流体圧シリンダー機構１１とを一体に組み合わせた構成とされている。
【００１６】
本実施形態における慣性質量ダンパー１は、ボールねじ軸２に対してボールナット３を螺着せしめたボールねじ機構によって回転錘４を回転せしめ、その回転錘４による慣性力を反力として利用する構成のものである。
【００１７】
本実施形態における増幅機構としての流体圧シリンダー機構１１は、水やオイルあるいは各種の粘性流体を作動流体として使用するもので、メインシリンダー１２の基端部をメインピストン１３により第１隔室１２ａと第２隔室１２ｂとに区画するとともに、第２隔室１２ｂの前方にメインシリンダー１２よりも小径のサブシリンダー１４を配して、そのサブシリンダー１４をサブピストン１５により第３隔室１４ａと第４隔室１４ｂとに区画し、第２隔室１２ｂと第３隔室１４ａとを連通せしめるとともに、第１隔室１２ａと第４隔室１４ｂとをバイパス管１６を介して連通せしめた構成とされている。
【００１８】
そして、メインシリンダー１２の先端部の内側に慣性質量ダンパー１の全体を収納し、その慣性質量ダンパー１に対してサブピストン１５を連結することにより、慣性質量ダンパー１をサブピストン１５により駆動する構成としている。
具体的には、ボールねじ軸２の基端部をサブピストン１５に対して相対回転不能かつサブピストン１５とともに軸方向変位可能に連結するとともに、ボールナット３をメインシリンダー１２の内面に対して軸受け５を介して相対回転可能かつ軸方向変位不能に連結し、そのボールナット３に対して回転錘４を一体に回転可能に連結している。
【００１９】
また、ボールねじ軸２の先端には回転拘束板６が連結されていて、その回転拘束板６はメインシリンダー１２に対して相対回転不能かつ軸方向変位可能に支持されている。
具体的には、図１（ｂ）に示すように、メインシリンダー１２の先端部の内面にはガイドチューブ７が装着されているとともに、ガイドチューブ７には軸方向に沿う溝８が形成されていて、回転拘束板６はその外周部に形成されている凸部６ａを溝８に係合させた状態で配置されており、これにより回転拘束板６はメインシリンダー１２に対して相対回転が拘束されつつ軸方向に変位可能とされている。
【００２０】
そして、その回転拘束板６とメインシリンダー１２の先端部との間に、ボールねじ軸２を原位置に復帰させるための復元ばね９を介装してある。
なお、図示例では回転拘束板６と軸受け５との間にも同様の復元ばね９を介装していて、回転拘束板６を双方の復元ばね９によりその両側から原位置に保持するように付勢している。
【００２１】
さらに、メインピストン１３には、第１隔室１２ａと第２隔室１２ｂとの間の差圧が所定のリリーフ圧を超えた際に流体を流通させるリリーフ弁１７が設けられている。
【００２２】
本実施形態の振動低減装置は、増幅機構としての流体圧シリンダー機構１１を構成しているメインシリンダー１２の先端部（図１（ａ）において右端部）およびメインピストン１３を、それぞれクレビス１８を介して振動低減対象の二部材に対してそれぞれ連結することによってそれら二部材の間に介装されて設置されるものであり、それにより以下のように作用して優れた振動低減効果が得られるものである。
【００２３】
地震等により振動低減対象の二部材の間に接近離反するような相対変位が生じてそれらが相対振動を生じた際には、メインピストン１３がメインシリンダー１２内において進退し、それによりサブピストン１５がサブシリンダー１４内において増速されて進退し、それに伴い、第１隔室１２ａと第４隔室１４ｂとの間で作動流体がバイパス管１６を通って還流する。
この際、第１隔室１２ａと第２隔室１２ｂとの間の差圧が予め設定した所定のリリーフ圧を超えるとリリーフ弁１７が開いて差圧が頭打ちになり、これにより過大な反力が生じることが防止される。
【００２４】
サブピストン１５が増速されて進退すると、そのサブピストン１５とともにボールねじ軸２が進退する。その際、回転拘束板６の凸部６ａがガイドチューブ７の溝８に係合しているのでボールねじ軸２は回転することなく軸方向変位のみが許容され、ボールねじ軸２は復元ばね９の付勢力に抗して原位置から軸方向に変位してメインシリンダー１２に対する相対変位が生じる。
【００２５】
ボールねじ軸２がメインシリンダー１２に対して軸方向に相対変位すると、ボールねじ軸２に螺着されかつ軸受け５を介してメインシリンダー１２に対して回転自在かつ変位不能に支持されているボールナット３が回転し、これによりボールナット３に連結されている回転錘４も一体に回転し、その回転慣性力が反力となって振動低減効果が得られる。
【００２６】
二部材の間の振動が収束すると、復元ばね９の付勢力によって回転拘束板６およびボールねじ軸２を介してサブピストン１５が原位置に復帰して残留変位が生じない。
なお、メインピストン１３については、そのメインピストン１３に小さなオリフィス（図示せず）を設けておくことにより、二部材自体の弾性剛性に基づく復元力で自ずと原位置に復帰させることが可能である。そのためのオリフィスはわずかな流量しかないので，地震時の特性にはほとんど影響がなく無視して差し支えない。
【００２７】
本実施形態の振動低減装置の特性について詳細に説明する。
メインシリンダー１２の内径D1、サブシリンダー１４の内径D2とすると、メインシリンダー１２の内法面積A1＝πD12/4、サブシリンダー１４の内法面積A2＝πD22/4、増速比α（メインピストン１３に対するサブピストン１５の速度比）はそれらの面積比となり、α＝A1/A2＝(D1/D2)2となる。
【００２８】
この振動低減装置全体の負担力F、変位x、サブピストン１５に作用する力F2、サブピストン１５の変位x2とすると、F2はメインシリンダー１２とサブシリンダー１４の内法面積に比例するから、F2は次式となる。
【００２９】
【数２】
2014163447.tif 000004
【００３０】
したがって、増幅機構としての流体圧シリンダー機構１１を介して慣性質量ダンパー１を駆動することにより、サブピストン１５に連結された慣性質量ダンパー１にはα倍の変位と、（1/α）倍の力が作用することになり、サブピストン１５の変位x2＝αx、サブピストン１５に作用する力F2＝F／α  となる。
【００３１】
慣性質量ダンパー１の慣性質量Ψ2は、回転錘４の回転慣性モーメントIθ、ボールねじ機構のリードLdとすると、次式となる。
【００３２】
【数３】
2014163447.tif 000005
【００３３】
復元ばね９の影響を無視すると、次式の関係が得られる。
【００３４】
【数４】
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【００３５】
ここで、上記の増速の関係を考慮すると、次式が得られる。
【００３６】
【数５】
2014163447.tif 000007
【００３７】
すなわち、本実施形態の振動低減装置における慣性質量Ψは、慣性質量ダンパー１の慣性質量Ψ2のα2倍に拡大され、本実施形態の振動低減装置の負担力Fは慣性質量ダンパー１の負担力F2のα倍になる。
【００３８】
なお、既に述べたように、本実施形態の振動低減装置ではメインピストン１３に小さなオリフィスを設けておくことでその残留変位は問題にならないが、サブピストン１５はそれ自体では復元機能がないので復元ばね９により原位置に復元させる構成としていることから、その復元ばね９は慣性質量ダンパー１に対して並列する剛性要素となって地震時の特性に影響が及ぶものともなるので、それを無視し得ない場合には以下となる。
【００３９】
復元ばね９のばね剛性k2、メインシリンダー１２に対するサブピストン１５の相対変位x2とすると、次式となる。
【００４０】
【数６】
2014163447.tif 000008
【００４１】
さらに、上記の増速の関係を考慮すると次式となる。
【００４２】
【数７】
2014163447.tif 000009
【００４３】
この場合は、復元ばね９のばね剛性もα2倍となるが、このばね剛性はサブピストン１５を復元させるだけで振動低減には寄与しないので、ばね反力が無用に大きくならないように復元ばね９の剛性k2は所望の復元機能を確保したうえで可及的に小さくしておくことが好ましい。
【００４４】
「設計例」
メインシリンダー１２の内径D1＝320mm、サブシリンダー１４の内径D2＝160mmとし、増速比α＝４とする。
ボールねじ軸２の軸径50mmφ、リードLd＝16mm、回転錘４を鋼製として外径310mm、内径150mm、長さ350mm、質量0.218tonとする。
この場合、回転錘の回転慣性モーメントはIθ＝4.16×10-3ton・m2となり、慣性質量ダンパー１の慣性質量Ψ2＝(2π/Ld)2Iθ＝641ton、負担力F2＝400kNとなる。
また、振動低減装置全体の慣性質量Ψ＝α2Ψ2＝10256ton、負担力F＝αF2＝1600kNとなる。
すなわち、この設計例では、回転錘４の実際の質量0.218tonに対して、慣性質量ダンパー１の慣性質量Ψ2は約3000倍に拡大され、さらに振動低減装置全体としての慣性質量Ψは約47000倍にも拡大されることになる。
このように、本設計例によれば、10000tonを超える慣性質量でも従来の2500ton級の慣性質量ダンパーと同等以下の径に納めることが可能になり、より軽量でスリムな大容量の振動低減装置を実現できることとなる。
【００４５】
以下、本実施形態の振動低減装置の効果を列挙する。
(1)メインシリンダー１２内の軸線上にメインピストン１３、サブピストン１５、慣性質量ダンパー１を配置しているため、外力と反力との偏心を生じない。そのため、偏心モーメントも作用しないので、振動低減装置全体が軸直交方向に変形することもない。
(2)ボールねじ機構に作用する軸力は振動低減装置全体の軸力の1/αとなる。このため、ねじ径の小さなボールねじ機構で大きな反力が処理できるので、ボールねじ機構の小型軽量化を図ることができ、安価に製作できる。
(3)従来の（増幅機構のない）ボールねじ機構のみによる慣性質量ダンパーと比較して、小さな回転錘で大きな慣性質量が得られるため、ダンパー設置時の幅寸法を小さくすることができるし、ダンパーを壁内に収納する場合には壁厚を小さくすることができるので、室内有効スペースを増大できる。
【００４６】
(4)増幅機構としての流体圧シリンダー機構１１に対して従来のオイルダンパーと同様のリリーフ弁１７を設けることで、過大な負担力が生じないようにすることができる。
また、滑りを利用した摩擦ダンパーではないので摩耗による性能低下は生じず、安定した性能発揮するフェールセーフ機構となる。
(5)原位置に復帰させるための復元機構としての復元ばね９を設けているので、地震後にはダンパー内のいずれの部位も元の位置に復帰できる。このため、大地震後の余震など複数の地震を受けた場合でも、ダンパー内のメインピストンやサブピストンが特定方向にドリフトしたり、残留変形のためボールねじ機構のストロークが減少したりすることはなく、初期の性能を保持できる。
(6)増幅機構として流体圧シリンダー機構１１を用いているため、流体の粘性抵抗による減衰効果が付加され、使用する流体の種類（水、オイル、各種粘性流体等）を選択することで、慣性質量に加え所望の減衰を得ることができる。このため、従来の慣性質量ダンパーに並設する必要のある減衰装置を省略することができる。
【００４７】
以上で本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、たとえば以下に列挙するような適宜の設計的変更や応用が可能である。
【００４８】
上記実施形態では、慣性質量ダンパー１におけるボールねじ軸２をメインシリンダー１２に対して回転不能かつ軸方向変位可能に設置し、ボールナット３をメインシリンダー１２に対して回転可能かつ軸方向変位不能に設置したうえで、ボールナット３に対して回転錘４を一体に連結した構成としたが、要はサブピストン１５の軸方向変位によってボールねじ機構を介して回転錘４を回転させる構成とすれば良いのであって、その限りにおいてメインシリンダー１２に対する慣性質量ダンパー１の設置パターンは任意である。
たとえば、上記実施形態とは逆に、ボールねじ軸２を回転可能、ボールナット３を回転不能としたうえで、ボールねじ軸２に対して回転錘４を一体に連結して回転させる構成とすることでも同様に機能するものとなる。
【００４９】
上記実施形態ではボールねじ軸２の先端に回転拘束板６を連結して回転拘束板６とメインシリンダー１２との間に復元ばね９を介装したが、特に復元機能を必要としない場合には復元ばね９を省略しても良いし、他の復元機構により復元機能を持たせる構成とすることでも良い。
【００５０】
上記実施形態ではフェールセーフ機能としてのリリーフ弁１７をメインピストン１３に設けたが、それが不要な場合は省略してもよいし、サブピストンに設けてもよい。また、リリーフ弁１７に代えてボールねじ機構に対してトルク制限機構を付加することによってもフェールセーフ機能を持たせることが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１  慣性質量ダンパー
２  ボールねじ軸
３  ボールナット
４  回転錘
５  軸受け
６  回転拘束板
６ａ  凸部
７  ガイドチューブ
８  溝
９  復元ばね
１１  流体圧シリンダー機構（増幅機構）
１２  メインシリンダー
１２ａ  第１隔室
１２ｂ  第２隔室
１３  メインピストン
１４  サブシリンダー
１４ａ  第３隔室
１４ｂ  第４隔室
１５  サブピストン
１６  バイパス管
１７  リリーフ弁
１８  クレビス
【図１】
2014163447.tif 000010