(57)【要約】【課題】構造物の変位が比較的小さい場合には剛性を小さく抑えるとともに、構造物の変位が比較的大きい場合には構造物の変位が大きくなるのにしたがって剛性が急激に大きくなる免震装置を提供する。【解決手段】水平面に平行な基準面１０１が設けられた基台１００と、基準面上であって鉛直面Ｓ１上で移動可能に配された構造物１５０とを接続する免震装置１であって、構造物に第一の接続部１０を介して第一の端部１５ａが接続され、構造物に対して第一の接続部周りに回動するとともに鉛直面上で移動する第一のリンク部材１５と、第一のリンク部材の第二の端部１５ｂに第二の接続部２０を介して接続され、第一のリンク部材に対して第二の接続部周りに回動するとともに鉛直面上で移動する第二のリンク部材２５と、第二のリンク部材が鉛直方向Ｄに移動するように規制する規制部３０と、第二のリンク部材を鉛直下方Ｄ１に向かって付勢する付勢部３５とを備える。【選択図】図１
2015021579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平面に平行な基準面が設けられた基台と、前記基準面上であって鉛直面上で移動可能に配された構造物と、を接続する免震装置であって、
前記構造物に第一の接続部を介して第一の端部が接続され、前記構造物に対して前記第一の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第一のリンク部材と、
前記第一のリンク部材の第二の端部に第二の接続部を介して接続され、前記第一のリンク部材に対して前記第二の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第二のリンク部材と、
前記第二のリンク部材が鉛直方向に移動するように規制する規制部と、
前記第二のリンク部材を鉛直下方に向かって付勢する付勢部と、
を備えることを特徴とする免震装置。
【請求項２】
鉛直下方に向かって凹むように形成された基準面が設けられた基台と、前記基準面上であって鉛直面上で移動可能に配された構造物と、を接続する免震装置であって、
前記構造物に第一の接続部を介して第一の端部が接続され、前記構造物に対して前記第一の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第一のリンク部材と、
前記第一のリンク部材の第二の端部に第二の接続部を介して接続され、前記第一のリンク部材に対して前記第二の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第二のリンク部材と、
前記第二のリンク部材が鉛直方向に移動するように規制する規制部と、
前記第二のリンク部材を鉛直下方に向かって付勢する付勢部と、
を備えることを特徴とする免震装置。
【請求項３】
前記基準面と前記構造物の底面との間には転動機構が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の免震装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基台と基台上に配された構造物とを接続する免震装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、構造物に接続して用いる多くの免震装置が提案されている。これらの免震装置のうち最も一般的なものは、積層ゴム、あるいは球体などの転がりを用いた転動機構を有している。
積層ゴムを有する免震装置に接続された構造体では、積層ゴムの剛性のために長周期地震の周期帯域である１〜１０（ｓ：秒）が構造体の固有周期となることが多い。このため、長周期地震が発生した場合に、積層ゴムが積層ゴムの許容変位を超えて変形してしまうことが考えられる。
また、構造体の荷重を支持するために積層ゴムを多数設置すると、積層ゴム全体としての剛性がそれだけ高くなり、免震装置が免震性能を損なう。このため、免震装置が積層ゴムと転動機構を併用する場合がある。また、積層ゴム、転動機構のいずれも、圧縮には強いが引張りには弱いため、免震装置に引抜き防止装置などを備えることが別途考案されている。
【０００３】
一方で、転動機構は、基台に設けられた転動面（基準面）が平面であれば理想的な免震性能を有することになるが、この場合に構造体の原点復帰性能、耐風性能が問題となる。したがって、転動面を円弧状にしてこの転動面上で構造体を移動させることで、免震性能および耐風性能の両性能を有するようにすることが多い（例えば、特許文献１参照）。この場合、転動面として円弧面を用いることによる免震性能の減少の代償として、原点復帰性能、耐風性能を得ていることになる。
【０００４】
以上より、現在の免震装置では、免震性能と、風などにより変位が比較的大きくなったときの耐風性能との間に、両性能が同時には成立しないというトレードオフがあることが解る。従来の比較的大きな変位への対処は、主にストッパーを設置して、基台上に配された構造物を固定するという原始的なものである。この場合、ストッパーを用いた装置の免震性能は当然に皆無となる。
【０００５】
これに対応する機構として、例えば、特許文献２に記載された免震装置のような、バネの非線形特性を用いたものが提案されている。この免震装置では、固定台と免震台との間に、水平方向に対して斜めのバネ軸芯を有するバネを配置して非線形特性を得ている。ここで言う非線形特性とは、ハードスプリング（漸硬）特性のことを意味する。従来の免震装置が、変位に対してほぼ一定の剛性だったのに対して、特許文献２の免震装置では、免震台の変位が大きくなるほど剛性が高くなる。ハードスプリング特性があれば、免震台の変位が比較的小さい原点近傍では免震性能、免震台の変位が比較的大きい場合には耐風性能および耐震性能を有するとともに、免震性能と耐風性能および耐震性能との切替えを免震台の変位に対して滑らかに行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２９６８４７号公報
【特許文献２】特開２００６−３４２８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２の免震装置では、剛性の非線形特性は得られるが、変位が大きくなると剛性は一定値に収束する。したがって、免震装置がハードスプリング特性を示すのは、免震台が原点から限られた範囲で変位した場合である。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、構造物の変位が比較的小さい場合には剛性を小さく抑えるとともに、構造物の変位が比較的大きい場合には構造物の変位が大きくなるのにしたがって剛性が急激に大きくなる小型の免震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】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の免震装置は、水平面に平行な基準面が設けられた基台と、前記基準面上であって鉛直面内で移動可能に配された構造物と、を接続する免震装置であって、前記構造物に第一の接続部を介して第一の端部が接続され、前記構造物に対して前記第一の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第一のリンク部材と、前記第一のリンク部材の第二の端部に第二の接続部を介して接続され、前記第一のリンク部材に対して前記第二の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第二のリンク部材と、前記第二のリンク部材が鉛直方向に移動するように規制する規制部と、前記第二のリンク部材を鉛直下方に向かって付勢する付勢部と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の他の免震装置は、鉛直下方に向かって凹むように形成された基準面が設けられた基台と、前記基準面上であって鉛直面内で移動可能に配された構造物と、を接続する免震装置であって、前記構造物に第一の接続部を介して第一の端部が接続され、前記構造物に対して前記第一の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第一のリンク部材と、前記第一のリンク部材の第二の端部に第二の接続部を介して接続され、前記第一のリンク部材に対して前記第二の接続部周りに回動するとともに前記鉛直面上で移動する第二のリンク部材と、前記第二のリンク部材が鉛直方向に移動するように規制する規制部と、前記第二のリンク部材を鉛直下方に向かって付勢する付勢部と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
また、上記の免震装置において、前記基準面と前記構造物の底面との間には転動機構が設けられていることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の免震装置によれば、構造物の変位が比較的小さい場合には剛性を小さく抑えるとともに、構造物の変位が比較的大きい場合には構造物の変位が大きくなるのにしたがって剛性を急激に大きくし、小型に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の免震装置が中立状態にあるときの模式図である。
【図２】同免震装置が移動状態にあるときの模式図である。
【図３】同免震装置が移動状態にあるときの接続部、リンク部材およびバネ部材のみをモデル化した図である。
【図４】同免震装置の剛性曲線を示す図である。
【図５】構造物が風による力を受けているときの同免震装置の作用を説明する図である。
【図６】比較例の免震装置の斜バネ構造をモデル化した図である。
【図７】比較例の免震装置の円弧構造をモデル化した図である。
【図８】比較例の免震装置の剛性曲線を示す図である。
【図９】比較例の免震装置および本実施形態の免震装置の剛性曲線を示す図である。
【図１０】本発明の変形例の実施形態の免震装置が中立状態にあるときの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る免震装置の一実施形態を、図１から図９を参照しながら説明する。
図１に示すように、本免震装置１は、基準面１０１が設けられた土台（基台）１００と、基準面１０１上であって鉛直面Ｓ１上で移動可能に配された構造物１５０とを接続するものである。
この例では、基準面１０１は、水平面に平行な面であるとする。構造物１５０としては、高層建築物や家屋など、特に限定されない。
【００１５】
本実施形態の免震装置１はリンク構造を用いたものである。本免震装置１は、構造物１５０に第一の接続部１０を介して第一の端部１５ａが接続された第一のリンク部材１５と、第一のリンク部材１５の第二の端部１５ｂに第二の接続部２０を介して接続された第二のリンク部材２５と、第二のリンク部材２５が鉛直方向Ｄに移動するように規制する規制部３０と、第二のリンク部材２５を鉛直下方Ｄ１に向かって付勢するバネ部材（付勢部）３５とを備えている。
リンク部材１５、２５および第二の接続部２０で、リンク構造２を構成する。
なお、図１では、第一のリンク部材１５が鉛直方向Ｄに延びる中立状態における免震装置１の各構成の配置を示している。基準面１０１および鉛直面Ｓ１にそれぞれ平行なｘ軸を規定したときに、この中立状態では、土台１００に対する構造物１５０のｘ軸方向の相対変位が０である。
【００１６】
また、以下では、説明の便宜のために、構造物１５０、接続部１０、２０、リンク部材１５、２５が鉛直面Ｓ１上のみで移動する場合で説明する。
【００１７】
接続部１０、２０としては、公知のユニバーサルジョイント、ジンバル機構、ヒンジ機構などを適宜選択して用いることができ、種類は問わない。
リンク部材１５、２５は、鋼材などで棒状に形成されていて、剛体とみなすことができる程度に硬く構成されている。
第一の接続部１０は、図示はしないが高力ボルトや溶接などにより、構造物１５０の底面１５１および第一のリンク部材１５の第一の端部１５ａとそれぞれ接続されている。
第一のリンク部材１５は、構造物１５０に対して第一の接続部１０周りに回動する。中立状態では、第一のリンク部材１５の第二の端部１５ｂは第一の端部１５ａよりも鉛直下方Ｄ１に配置されている。
【００１８】
第二のリンク部材２５の長さは、免震装置１が中立状態であるときに、第二のリンク部材２５の下端部２５ｂが穴部１０２の底面から離間している範囲において任意である。第二の接続部２０は、第一のリンク部材１５の第二の端部１５ｂと第二のリンク部材２５の上端部２５ａとそれぞれ接続されている。第二のリンク部材２５は、第一のリンク部材１５に対して第二の接続部２０周りに回動する。
【００１９】
本実施形態では、規制部３０は、土台１００内に基準面１０１から鉛直下方Ｄ１に向かって凹むように形成された穴部１０２内に取付けられている。規制部３０は、第二のリンク部材２５をｘ軸方向に挟むとともに、鉛直方向Ｄに並べて配置された合計で４つのローラユニット３１からなる。各ローラユニット３１は、棒状の支持部材３１ａの先端部に円柱状のローラ３１ｂが回転可能に支持されて構成されている。支持部材３１ａの基端部は、穴部１０２の内側面に固定されている。ローラ３１ｂは、第二のリンク部材２５の側面に接触している。
規制部３０は、第二のリンク部材２５が鉛直方向Ｄのみに移動するように案内する鉛直ガイドを構成する。
【００２０】
バネ部材３５としては、１軸方向に伸縮するコイルバネのような金属バネを用いることができる。本実施形態では、バネ部材３５の剛性は線形特性（バネ部材３５の変形量にバネ部材３５の剛性が比例する特性）としているが、バネ部材３５の変形量に対してバネ部材３５の剛性が比例するよりも大きくなる特性である非線形特性でもよい。
バネ部材３５は、第二のリンク部材２５と平行に並べた状態で、上端部が第二のリンク部材２５に固定され、下端部が穴部１０２の底面に固定されている。すなわち、バネ部材３５と第二のリンク部材２５とは、並列構造となるように配置されている。第二のリンク部材２５は鉛直方向Ｄに移動し、これに伴ってバネ部材３５が伸びたり縮んだりするが、このときに両部材は並列構造となるように配置されているため、バネ部材３５の動きと第二のリンク部材２５の動きとが干渉しない、非干渉構造となっている。
【００２１】
なお、バネ部材３５と第二のリンク部材２５との非干渉構造は、これに限られない。例えば、第二のリンク部材が円柱状や円筒状に形成されている場合には、第二のリンク部材の外周面でバネ部材が滑らかに伸縮するように、第二のリンク部材の外周面にバネ部材をコイル状に巻付けて非干渉構造を構成してもよい。
第二のリンク部材が円筒状に形成されている場合には、第二のリンク部材の筒孔内でバネ部材が滑らかに伸縮するように、第二のリンク部材にバネ部材を収納してもよい。
あるいは、第二のリンク部材の表面に突起を設け、バネ部材を第二のリンク部材と平行になるように配置するとともにバネ部材を突起に係合させてもよい。バネ部材を第二のリンク部材に対して斜めに配置してもよい。
【００２２】
この例では、土台１００の基準面１０１と構造物１５０の底面１５１との間には、支持ローラ（転動機構）４０が設けられている。ローラ４０は、第一のリンク部材１５をｘ軸方向に挟むように、少なくとも一対配されている。
免震装置１が中立状態であるときに、第二のリンク部材２５の下端部２５ｂは、穴部１０２の底面から離間している。免震装置１が中立状態であるときに、第二の接続部２０は基準面１０１上に位置していてもよいし、基準面１０１上に位置していなくてもよい。
【００２３】
次に、以上のように構成された免震装置１の作用について説明する。
図１に示す免震装置１が中立状態である状態から、図２に示すように、基準面１０１に対して構造物１５０が鉛直面Ｓ１上でｘ軸方向に移動した移動状態について説明する。この例では、構造物１５０がｘ軸の正の方向に移動した場合を示している。構造物１５０とともに第一の接続部１０が、ｘ軸の正の方向に移動する。
第二のリンク部材２５は、規制部３０により鉛直方向Ｄに移動するように案内されるため、第一の接続部１０が移動するのにしたがって第一のリンク部材１５が向きを変えるとともに、第二のリンク部材２５が鉛直上方Ｄ２に移動する。
構造物１５０がｘ軸方向に移動するときに、支持ローラ４０が土台１００の基準面１０１と構造物１５０の底面１５１との間で転がる。
【００２４】
なお、例えば地震により土台１００が動いた場合に第二のリンク部材２５が鉛直上方Ｄ２に移動しても、バネ部材３５は鉛直方向Ｄに伸びるだけで、バネ部材３５による土台１００に対する水平方向成分の力は生じない。
第二のリンク部材２５が鉛直上方Ｄ２に移動するのにしたがってバネ部材３５が伸びるが、中立状態からの構造物１５０のｘ軸方向の変位に対する免震装置１のリンク構造２の剛性の変化について、以下に詳細に説明する。
【００２５】
図３に示すモデルにおいては、免震装置１については接続部１０、２０、リンク部材１５、２５およびバネ部材３５のみを示している。土台１００の基準面１０１および構造物１５０の底面１５１との支持ローラ４０との間の摩擦抵抗は無いものとする。
第一のリンク部材１５の長さをＬ、質量をｍ１、第二のリンク部材２５の質量をｍ２とする。バネ部材３５のバネ剛性（バネ定数）をｋとし、重力加速度をｇとする。
構造物１５０が鉛直面Ｓ１上で中立状態からｘ軸方向に移動した変位をｘとし、このときの第一の接続部１０と第二の接続部２０との鉛直方向Ｄの距離をｙとする。中立状態に対するバネ部材３５の伸び量（第二のリンク部材２５の鉛直上方Ｄ２への移動量）を△、第一のリンク部材１５と鉛直方向Ｄとのなす角度をθとする。
【００２６】
図３に示す移動状態では、第一のリンク部材１５の第一の端部１５ａ側となる端点１５ｃには、水平面に沿ったｘ軸方向に力Ｆｘが、鉛直方向Ｄに垂直抗力Ｎがそれぞれ作用している。一方で、第一のリンク部材１５の第二の端部１５ｂ側となる端点１５ｄには、ｘ軸方向に穴部１０２、すなわち規制部３０からの抗力Ｐが、鉛直方向Ｄにバネ部材３５の引張力ｋ△、および第二のリンク部材２５の重力ｍ２ｇがそれぞれ作用している。
また、第一のリンク部材１５には重力ｍ１ｇが作用する。
【００２７】
ここで、求めるリンク構造２の剛性をＫｘとすると、剛性Ｋｘは（１）式により求まる。
Ｋｘ＝Ｆｘ／ｘ    ・・（１）
第一のリンク部材１５に作用する力の釣合から、（２）式および（３）式が得られる。
Ｆｘ＝Ｐ    ・・（２）
Ｎ＝（ｍ１＋ｍ２）ｇ＋ｋ△    ・・（３）
第一のリンク部材１５の重心は第一のリンク部材１５の長手方向の中央だとすると、第一のリンク部材１５の端点１５ｃの回転釣合から下記の（４）式および（５）式が得られる。
【００２８】
【数１】
2015021579.tif 000003
【００２９】
ここで、下記の（６）式および（７）式の関係より、（８）式が得られる。
ｘ＝Ｌｓｉｎθ    ・・（６）
△＝Ｌ（１−ｃｏｓθ）    ・・（７）
【００３０】
【数２】
2015021579.tif 000004
【００３１】
（８）式において、角度θがπ／２（ｒａｄ：ラジアン）に近づくにしたがって、剛性Ｋｘは無限大に近づく。
なお、（８）式の分子における質量に関する項である第１項は、一般的にバネ剛性ｋに比べて小さい。このため、剛性Ｋｘの特性の大部分は、バネ剛性ｋにより決まってしまう。
図４に、本免震装置１のリンク構造２の剛性Ｋｘを表す（８）式を示す。図４において、横軸に構造物１５０の変位ｘを示し、縦軸にリンク構造２の剛性Ｋｘを示す。リンク構造２の剛性曲線は、構造物１５０のｘ軸方向の変位が大きくなるのにしたがって剛性Ｋｘが増大するハードスプリング（漸硬）特性を示すことが解る。
より詳しく説明すると、構造物１５０の変位が０のときには、剛性Ｋｘは、（８）式で角度θを０とした（９）式による値となる。
【００３２】
【数３】
2015021579.tif 000005
【００３３】
構造物１５０の変位が比較的小さい場合には、剛性Ｋｘは（９）式による値に近い比較的小さい値になる。
構造物１５０の変位が第一のリンク部材１５の長さＬに近づくのにしたがって、剛性Ｋｘは急峻に増大して無限大に近づく。すなわち、構造物１５０の変位が比較的大きい場合には構造物１５０の変位が大きくなるのにしたがって剛性を急激に大きくなる。構造物１５０の変位が長さＬに近いときには、剛性Ｋｘが大きいことで、リンク構造２は優れた耐震性能を発揮することになる。
このような剛性曲線の特性の違いは、構造物１５０がｘ軸方向に一定長さ変位するときのバネ部材３５の伸び量が、構造物１５０の変位が比較的小さい場合には小さく、構造物１５０の変位が比較的大きい場合には急激に大きくなることにより生じる。
本実施形態の免震装置１は、リンク構造２の第二の接続部２０で折れ曲がり、バネ部材３５を鉛直方向Ｄに伸縮させることにより剛性を得ている。免震装置１は、第一のリンク部材１５のｘ軸方向の変位量と第二のリンク部材２５の鉛直方向Ｄの変位量の間に存在する非線形性を用いて非線形特性を得ていることになる。
【００３４】
（実施例）
ここで、免震装置１の実施例を示して構成をより具体的に説明するが、免震装置１の構成はこれに限定されるものではない。
免震装置１の一例として、リンク部材１５、２５は鉄により円柱状に形成されていて、外径φはそれぞれ０．１（ｍ）とする。第一のリンク部材１５の長さＬが０．５（ｍ）、第二のリンク部材２５の長さが１．０（ｍ）とする。鉄の密度を７８５０（ｋｇ／ｍ３）、重力加速度ｇを９．８１（ｍ／ｓ２）とする。
このとき、（９）式の値は、（１０）式のようになる。
【００３５】
【数４】
2015021579.tif 000006
【００３６】
一般的に、外径φが０．５〜１（ｍ）の積層ゴム１つの剛性Ｋｘが、１０６（Ｎ／ｍ）のオーダーである。これに対して本免震装置１のリンク構造２の剛性Ｋｘは約１／１０００程度であり、いかに小さな剛性であるかが解る。
リンク構造２の剛性Ｋｘが小さいことから、免震装置１が優れた免震性能を有することが解る。
【００３７】
地震による構造物１５０の変位が大きくなったときにも免震性能を確保する場合には、免震装置１を以下のように設定する。すなわち、土台１００の予測される変位の最大値が、図４に示す、剛性Ｋｘが比較的小さな免震領域Ｒ内に入るように第一のリンク部材１５の長さＬ、およびバネ部材３５のバネ剛性ｋを決定する。
より具体的には、構造物１５０の最大変位ｘｍａｘを見積もり、最大変位ｘｍａｘに対応する角度θｍａｘを決める。
次に、第一のリンク部材１５の長さＬを、最大変位ｘｍａｘ以上、かつ、免震装置１や構造物１５０の構造上許される最大スペースを考慮して決める。
続いて、最大変位ｘｍａｘで所望の免震性能を確保できるように、（８）式からバネ剛性ｋを算出する。
【００３８】
図５に示すように、構造物１５０が風による力Ｆを受けているときに、構造物１５０のｘ軸方向の変位ｘが第一のリンク部材１５の長さＬに近づくにしたがって、理論的にはリンク構造２の剛性Ｋｘは無限大に近づく。しかしながら、実際には変位ｘは長さＬに等しくならず、変位ｘは長さＬよりも小さくなる。このため、構造物１５０が最も長い場合に長さＬ移動できるように、耐風用のストロークを確保しておく必要がある。
免震装置１が風に耐えているときには、構造物１５０の変位ｘは比較的大きくなるため、リンク構造２の剛性Ｋｘが大きくなり、免震装置１は免震性能よりも耐震性能の方が顕著になる。
【００３９】
ここで、比較例として、前述の特許文献１および２の作用を解析した結果について説明する。
特許文献２の免震装置（後述するように斜バネ２１０が用いられているため、以下、「斜バネ構造」とも称する。）において、転動機構の摩擦抵抗は無いとして、斜バネ構造の剛性を示すため、斜バネ構造のみを図６に書き換えて示す。
斜バネ２１０の無負荷時の長さをＬ、斜バネ２１０のバネ剛性をｋ、図示しない土台と構造物とが相対変位ｘのときの斜バネ２１０の伸び量を△、斜バネ２１０と鉛直方向とのなす角度をθとする。斜バネ２１０の第一のヒンジ２１５側となる端点２１０ａには、水平方向に力Ｆｘが、鉛直方向に垂直抗力Ｎがそれぞれ作用している。
【００４０】
ここで、免震装置２００の求める剛性をＫｘとすると、剛性Ｋｘは（１１）式により求まる。
Ｋｘ＝Ｆｘ／ｘ    ・・（１１）
斜バネ２１０に作用する力の釣合から、（１２）式および（１３）式が得られる。
Ｆｘ＝ｋ△ｓｉｎθ    ・・（１２）
Ｎ＝ｋ△ｃｏｓθ    ・・（１３）
【００４１】
ここで、下記の（１４）式および（１５）式の関係より、（１６）式が得られる。
ｘ＝Ｌｔａｎθ    ・・（１４）
△＝Ｌ（１／ｃｏｓθ−１）    ・・（１５）
【００４２】
【数５】
2015021579.tif 000007
【００４３】
この比較例の免震装置２００では、角度θがπ／２（ｒａｄ）に近づくにしたがって、剛性Ｋｘは有限の値であるｋに近づく。構造物の変位が、π／２（ｒａｄ）に近づいて比較的大きくなった場合に、剛性Ｋｘは急激には大きくならない。
【００４４】
次に、特許文献１の免震装置の剛性について、図７を用いて説明する。
土台に相当する受皿２６０の円弧状の支持面２６１の半径をｒ、受皿２６０と構造物１５０とが相対変位ｘのときの支持面２６１における球２６５との接点における法線と鉛直方向とのなす角をθとする。
構造物１５０には、水平方向に力Ｆｘが、前述の法線と平行に垂直抗力Ｎが、構造物１５０の重心に重力Ｍｇがそれぞれ作用している。
【００４５】
ここで、免震装置２５０（以下、「円弧構造」とも称する。）の求める剛性をＫｘとすると、剛性Ｋｘは（１７）式により求まる。
Ｋｘ＝Ｆｘ／ｘ    ・・（１７）
支持面２６１を転動する球２６５の個数をｎ（図７ではｎ＝２）とすると、力の釣合から、下記の（１８）式から（２０）式が得られる。
ｎＮ＝Ｍｇｃｏｓθ＋Ｆｘｓｉｎθ    ・・（１８）
Ｆｘｃｏｓθ＝Ｍｇｓｉｎθ    ・・（１９）
∴Ｆｘ＝Ｍｇｔａｎθ    ・・（２０）
【００４６】
ここで、下記の（２１）式より、（２２）式が得られる。
ｘ＝ｒｓｉｎθ    ・・（２１）
【００４７】
【数６】
2015021579.tif 000008
【００４８】
この比較例の免震装置２５０では、角度θがπ／２（ｒａｄ）に近づくにしたがって、剛性Ｋｘは無限大に近づく。
【００４９】
ここで、本実施形態の免震装置１および前述の比較例の免震装置２００、２５０の剛性曲線を比較する。
本免震装置１の剛性Ｋｘを表す（８）式のグラフは、既に図４に示した。なお、本免震装置１のリンク構造の（８）式のグラフは、図９に曲線Ａ１として示している。斜バネ２１０を用いた免震装置２００の剛性Ｋｘを表す（１６）式のグラフを、図８に示す。円弧状の支持面２６１を用いた免震装置２５０の剛性Ｋｘを表す（２２）式を、図９に曲線Ａ３として示す。
図８および図９のいずれにおいても、横軸に構造物１５０などの変位ｘを示し、縦軸に免震装置の剛性Ｋｘを示す。
【００５０】
図８に示すように、比較例の斜バネ構造の剛性は非線形特性を有しているが、変位が大きくなると剛性はバネの本来の剛性であるバネ剛性ｋに収束する。
一方で、本実施形態のリンク構造は、変位が大きくなると飛躍的に剛性が高まり、バネ部材３５の元のバネ剛性ｋよりも増幅される。これにより、過大変位、すなわち変位が比較的大きいときの免震装置の剛性が確保されることになり、斜バネ構造よりもリンク構造の方が優れている。
図９に示すように、比較例の円弧構造は、本実施形態のリンク構造と類似の剛性特性を有するが、原点、すなわち変位が０のときの剛性値Ｋ０が異なる。リンク構造はリンク質量が小さいため剛性値Ｋ０は小さいが、円弧構造では構造物の質量が大きいのでリンク構造に比べると剛性値Ｋ０は著しく大きい値となる。このため、円弧構造よりもリンク構造の方が免震性能が優れている。
また、一般的には、免震性能を確保するために支持面２６１の半径ｒを大きくするので、半径ｒは第一のリンク部材１５の長さＬよりも長い。したがって、曲線Ａ１と曲線Ａ３との交点Ａ５よりも変位が大きくなると、今度はリンク構造の方が剛性が高くなる。従って、小サイズで耐風性能を発揮するという観点から、円弧構造よりもリンク構造の方が優れている。
【００５１】
なお、リンク構造の諸元を図３を説明する際に規定したものと同じく、第一のリンク部材１５の長さがＬなどとする。このとき、リンク構造では、変位が０のときの剛性値Ｋ０は、１．５×１０３（Ｎ／ｍ）にほぼ等しくなる。
これと同じ剛性値を円弧構造で得るためには、以下のようになる。構造物の質量が少なく見積もれる例として、構造物として戸建て１階を仮に想定する。構造物の単位面積質量を１０３（ｋｇ／ｍ２）、広さを１０２（ｍ２）とすると、構造物の質量は、１０３（ｋｇ／ｍ２）×１０２（ｍ２）＝１０５（ｋｇ）となる。
よって、支持面２６１の半径ｒは（２３）式より求まる。
ｒ＝Ｍｇ／Ｋ０＝１０５（ｋｇ）×９．８１（ｍ／ｓ２）／１．５×１０３（Ｎ／ｍ）≒６５０（ｍ）    ・・（２３）
【００５２】
したがって、原点近傍において、リンク構造の第一のリンク部材１５の長さ０．５（ｍ）に相当する剛性を得ようとするなら、円弧構造では６５０（ｍ）という支持面２６１の半径ｒが必要となる。
【００５３】
一方で、円弧構造で十分な耐風性能を得るためには半円分近くの円弧が必要であり、これは、建築物の層間の長さ（高さ）が６５０（ｍ）必要であることを意味して非現実的である。このため、一般的な免震装置では、耐風性能を犠牲にして支持面２６１の半径ｒを大きく取る代わりに、支持面２６１として円弧のうち水平面に平行に近い部分のみを用いて免震性能を確保している。
これに対して本実施形態のリンク構造では、構造物１５０の変位が第一のリンク部材１５の長さＬに近づくのにしたがって剛性が急速に高まるため、第一のリンク部材１５の長さＬのストロークのみで十分な耐風性能を得ることが可能である。このため、免震装置１を小型に構成することができる。
【００５４】
以上より、リンク構造は円弧構造と比較して、変位が小さい場合にはより低剛性、変位が大きい場合にはより高剛性となる特性を持つので、低剛性領域での免震性能、高剛性領域での耐風性能および過大変位抑制が優れていることが解る。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態の免震装置１によれば、構造物１５０の変位が免震装置１の中立状態から比較的小さい場合には、バネ部材３５の伸び量が小さいため、免震装置１の剛性Ｋｘを（９）式による値に近い比較的小さい値に抑えることができる。
一方で、構造物１５０の変位が第一のリンク部材１５の長さＬに近づくほど大きい場合には、構造物１５０の変位が大きくなるのにしたがって、バネ部材３５の伸び量および免震装置１の剛性Ｋｘを急激に大きくすることができる。
土台１００の基準面１０１と構造物１５０の底面１５１との間には、支持ローラ４０が設けられている。基準面１０１上で支持ローラ４０が転がることで、基準面１０１上を構造物１５０が摩擦抵抗を抑えてｘ軸方向に移動することができる。
【００５６】
本実施形態の免震装置１では、免震性能、過大変位抑制、耐風性能を満足するため、鉛直方向Ｄに設置したバネ部材３５の力をリンク構造２を用いて水平方向（ｘ軸方向）の力に変換する。この構造により、バネ部材３５のバネ剛性はハードスプリング特性に変換される。そして、リンク構造２のハードスプリング特性により、構造物１５０の変位が０に近い原点近傍ではリンク構造２の剛性が小さく、原点から遠ざかるにつれ剛性が増して、変位が長さＬに近づく変位最大限界では剛性を理論上無限大とすることができる。
このため、前述の特許文献２のように、過大変位抑制や耐風性能が限定されることは無い。また、構造物１５０と土台１００とは、接続部１０、２０、リンク部材１５、２５を介して繋がっているので、引抜きにも対応している。
【００５７】
リンク構造２は非線形変換装置であり、本実施形態ではリンク構造２にバネ部材３５が接続されていることで、リンク構造２がバネ部材３５の剛性を非線形特性を有するものに変換している。
【００５８】
一般的に、支持ローラ４０のような転動機構を有するいわゆる転動型の従来の免震装置では、耐風性能を高めるために固定ストッパーを装着したり、地震に関する事前情報に基づいて固定用のピンなどを抜き差ししたりといった対応を取っている。これにより、耐風性能と免震性能との切替えが不連続を伴うことになる。固定ストッパーを用いると、著しい不連続性のために、この固定ストッパーに構造物が当接したときなどに大きな衝撃力を伴う。また、事前情報に基づくピンの抜き差しは、緊急時に抜き差しを行うアクチュエータの電源が確保できない可能性があるうえ、ピンによる切替えがないと耐風性能および免震性能の二者択一となり、耐風性能および免震性能のいずれか一方しか実施できなくなる。
これに対して、本実施形態の免震装置１は、ハードスプリング特性の剛性を用いているので、免震性能と耐風性能との連続性が、免震性能と耐震性能との連続性という形で確保されている点で優れている。
【００５９】
ここで、本実施形態の免震装置１の効果をまとめる。
・免震性能が高い。
構造物１５０の可動範囲の大部分の領域においてリンク構造２の剛性が非常に小さいため、免震性能が高い。
・耐風性能が高い。
風による力を受けている耐風時には、構造物１５０の変位が大きくなりリンク構造２の剛性が大きくなるので耐風性能が高い。
・過大変位抑制に優れる。
リンク構造２の剛性がハードスプリング特性を有するため、変位が大きくなるのにしたがってリンク構造２の剛性が大きくなり、過大変位抑制能力も増す。
・引抜き対応。
土台１００と構造物１５０とが接続部１０、２０、リンク部材１５、２５、およびバネ部材３５を介して接続されているため、構造物１５０や免震装置１が土台１００から引抜かれにくく、引抜きに対しても強い。
・レトロフィットが可能。
リンク構造２は構造物１５０の重量を支える機構を持たないので、従来の免震装置である積層ゴム、滑り、転がりといった免震装置と独立して、後から設置することが可能となる。このため、従来の免震装置の改装・改造であるレトロフィットが可能となる。
【００６０】
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。
例えば、前記実施形態では、免震装置１が中立状態であるときに、第二のリンク部材２５の下端部２５ｂが穴部１０２の底面に当接していてもよい。第二のリンク部材２５が穴部１０２に当接することで、中立状態の免震装置１をより安定させることができる。
【００６１】
前記実施形態では、構造物１５０、接続部１０、２０、リンク部材１５、２５が鉛直面Ｓ１上のみで２次元的に移動する場合で説明した。しかし、構造物１５０が基準面１０１上を鉛直面Ｓ１上だけでなく鉛直面Ｓ１に交差する方向に移動するとともに、接続部１０、２０、リンク部材１５、２５が３次元的に移動するように、本発明の免震装置１の動きを拡張させてもよい。接続部１０、２０として前述のユニバーサルジョイントなどを備えることで、図１における中心軸線Ｃ周りのいずれの向きの面上においても、前述の作用を生じさせることができる。
すなわち、中心軸線Ｃ周りの向きによらず、中立状態の近くでは免震装置１の剛性を小さく抑え、中心軸線Ｃからの構造物１５０の変位が第一のリンク部材１５の長さＬ近くでは免震装置１の剛性を急激に大きくすることができる。
【００６２】
土台１００の基準面１０１と構造物１５０の底面１５１との間に、支持ローラ４０が設けられているとした。しかし、支持ローラ４０に代えて、基準面１０１および底面１５１にそれぞれ摩擦係数の低い公知の被覆層を設けることなどにより、基準面１０１と底面１５１との間に滑り機構を構成してもよい。
【００６３】
図１０に示すように、基準面１０５が鉛直下方Ｄ１に向かって凹むように形成されていてもよい。この場合、基準面１０５のうち最も鉛直下方Ｄ１となる底部がｘ軸方向において穴部１０２と一致するようにすることが好ましい。
このように構成することで、構造物１５０に作用する重力により、構造物１５０は変位が０の穴部１０２上で安定する。したがって、構造物１５０の動きをより安定させることができる。
本実施形態では、基台は土台１００であるとしたが、基台はこれに限られず、構造物の基礎などでもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１    免震装置
１０  第一の接続部
１５  第一のリンク部材
１５ａ  第一の端部
１５ｂ  第二の端部
２０  第二の接続部
２５  第二のリンク部材
３０  規制部
３５  バネ部材（付勢部）
４０  支持ローラ（転動機構）
１００  土台（基台）
１０１、１０５  基準面
１５０  構造物
Ｄ    鉛直方向
Ｄ１  鉛直下方
Ｓ１  鉛直面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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