(57)【要約】【課題】コイルバネ等の線形特性に起因して免震部に過大な応答加速度が生じ、免震部や免震対象物が損傷や破損に至ることを有効に防止する。【解決手段】免震部２を上下方向に支持するにあたり、基準位置から下方へ変位した免震部２に対して鉛直上向きの第１定荷重Ｎａを作用させ、基準位置から上方へ変位した免震部に対して第１定荷重Ｎａよりも小さい鉛直上向きの第２定荷重Ｎｂを作用させるように構成して、免震部に入力される力がその２つの定荷重差の範囲内でしか変動しないようにし、これにより最大応答加速度が地震動に影響されないようにした。  【選択図】図４
2008069866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
免震部を上下方向に支持するようにしたものであって、
基準位置から下方へ変位した免震部に対して鉛直上向きの第１定荷重を作用させ、基準位置から上方へ変位した免震部に対して前記第１定荷重よりも小さい鉛直上向きの第２定荷重を作用させ得るように構成したことを特徴とする上下動免震装置。
【請求項２】
支持位置の変位によらずほぼ一定の支持力を示す定荷重支持手段を複数個用い、免震部が基準位置から下方へ変位した際はそれらの支持力の総和を第１定荷重として免震部に作用させ、免震部が基準位置から上方へ変位した際は一方の支持力のみを第２定荷重として免震部に作用させるように構成していることを特徴とする請求項１記載の上下動免震装置。
【請求項３】
定荷重支持手段が、免震部を吊り下げた状態に支持し、巻き取る方向に一定の引張り力を及ぼす巻尺型のものであることを特徴とする請求項２記載の上下動免震装置。
【請求項４】
定荷重支持手段が、免震部を持ち上げた状態に支持し、押し込まれることによって反力を及ぼす反発型のものであることを特徴とする請求項２記載の上下動免震装置。
【請求項５】
第１定荷重及び第２定荷重は、その中間値が免震部の荷重に対して釣り合う関係に設定されていることを特徴とする請求項１〜４記載の上下動免震装置。
【請求項６】
一部にバランスウェイト取付部を設け、取り付けるバランスウェイトによって免震部の荷重を調整可能としていることを特徴とする請求項５記載の上下動免震装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震などにより免震部に過大な応答加速度が生じることを効果的に低減できるようにした上下動免震装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、耐震設計において近年最も有効でありまた注目を浴びる対策の一つに免震構造がある。免震構造には水平方向と鉛直方向があるが、水平方向に対しては通常の状態で免震対象物に重力等の慣性力が作用しないため、建物全体を水平方向に柔らかくすることで構造物の周期を長くし、これにより地震時における水平方向の入力（応答加速度）を低減したり、これに加えてダンパーを設けることで地震エネルギーを吸収し、地震入力エネルギーのうち上部建物の損傷に寄与する成分を低減するなど、パッシブな制御でも比較的対応が容易である。局所的な免震、例えば建物の一部のみの免震化、或いは台座の上に精密機械や美術品などの展示品を設置する場合等のために、免震床や免震台などの免震装置も種々に提供されている。
【０００３】
これに対して、上下方向免震に関しては、通常の状態で慣性力である重力が免震対象物に作用するため、パッシブに制御しようとした場合、水平方向ほど簡単にはゆかない。水平方向免震の場合と同様に上下方向の剛性を単純に低下させると、重力と釣合うまでに非常に大きな変形を生じることになり、コイルバネ等を用いるにしても上下方向の大きな静たわみを生じることになるからである。
【０００４】
このような過大静たわみの問題を解決すべく、例えば非特許文献１には、図１７に示すように、コイルバネａに定荷重バネｂを組み合わせ、この定荷重バネｂに免震部ｃを吊り下げ支持させることで、重力の影響を軽減したものが提案されている。
【０００５】
これによると、図１８に示すように、免震部ｃの荷重ｍｇと釣合う際のコイルばねａの静たわみをλ→λ１に低減でき、この釣合い位置を基準にしてコイルばねが伸縮しながら免震部ｃを支持できることになる。この場合、バネ定数ｋは変わらないため、固有振動数は一定に保たれる。
【非特許文献１】若林信宏、外２名、「上下免震装置用非線形ばね機構の研究」、日本機械学会関東支部１２期総会講演会講演論文集、２００６年３月１０日、１１日、Ｐ４７１−４７２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の従来装置を含めて、コイルばねを用いた上下動免震装置には次のような大きな課題が残る。すなわち、免震部に伝わる力はコイルばねの釣合位置からの変位量とともに増大し、免震部にはこれを質量で除した応答加速度が現われる。すなわち、地震動による大きな地動変位が起こると、コイルばねの変位が短時間で増大してコイルばねから免震部にバネ反力による過大な力が入力されることになり、これにより免震部が急激に加速されてその一部或いは載置した免震対象物である器物等が破損に至る事態を引き起こし易い。また、このように免震部に入力される力が線形に変化すると、コイルバネの固有振動数と地震動の振動数成分とが共振して免震部の振動が発振するおそれもあり、さらに地震後に免震部が所定位置に復帰する際にもコイルバネに起因した収束性の悪さもついて回る。
【０００７】
本発明は、このようなコイルバネ等の線形特性に起因した不具合、すなわち免震部に過大な応答加速度が生じることに善処した、新たな着想に基づく上下動免震装置を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【０００９】
すなわち、本発明の上下動免震装置は、免震部を上下方向に支持するようにしたものであって、基準位置から下方へ変位した免震部に対して鉛直上向きに第１定荷重を作用させ、基準位置から上方へ変位した免震部に対して鉛直上向きに前記第１定荷重よりも小さい第２定荷重を作用させるようにしたものである。
【００１０】
このようにすると、例えば地震動による地動変位が大きくても、免震対象物を含めて免震部の荷重が２つの定荷重の範囲内にあれば、免震部に入力される力は常にその２つの定荷重差の範囲内でしか変動せず、免震部にはこれを質量で除した応答加速度が現われるのみとなる。このように、免震部に過大な力が入力されることがなくなるため、免震部が急激に加速されてその一部或いは載置した免震対象物が破損に至る現象を有効に回避することができる。また、上記のごとく免震部に入力される力が線形に変化することがないので、共振が問題となることもなく、地震後に免震部が基準位置に復帰する際の収束性も有効に高めることができる。
【００１１】
具体的な構造は、基準位置を境に２つの定荷重が現われるものであればどのようなものであってもよいが、簡単に構成するためには、単体で成立する定荷重バネ等の定荷重支持手段を複数個組み合わせて使用することが便利である。
【００１２】
その際、第１定荷重を示す定荷重支持手段と、第２定荷重を示す定荷重支持手段とを用い、基準位置を境にこれら定荷重支持手段を背反的に機能させて免震部を支持することもできるが、これだと基準位置の前後における定荷重支持手段の切り替えが難しい。そこで、複数個の定荷重支持手段を用いるに際し、免震部が基準位置から下方へ変位した際はそれらの支持力の総和を第１定荷重として免震部に作用させ、免震部が基準位置から上方へ変位した際は一方の支持力のみを第２定荷重として免震部に作用させるように構成しておくことが有効である。
【００１３】
これによると、第２定荷重を示す定荷重支持手段は常に免震部に支持力を作用させる状態で配置し、免震部が基準位置から下方へ変位した際は「第１定荷重―第２定荷重」に相当する定荷重を示す定荷重支持手段が加勢するように構成すればよいので、定荷重の値を切り替えるための構成が極めて簡素となる。ここで、「定荷重バネ」としていないのは、必ずしも単体のバネのみによって定荷重支持手段が構成されるとは限らず、一部にバネを含み全体として定荷重特性を示すものや、バネ以外の要素によって定荷重特性を示すものなどがあり得るからである。
【００１４】
勿論、これらの定荷重支持手段は非能動型であることによって全体が簡素でパッシブな制御系となり得るが、上記の作用効果を得る限りにおいては能動型の定荷重支持手段を用いることを排除するものではない。
【００１５】
勿論、免震部を吊り下げることができる状況にあれば、定荷重支持手段に、免震部を吊り下げた状態で支持して巻き取る方向に一定の引張り力を及ぼす巻尺型のものを採用することが有効である。一般に知られた巻尺型定荷重バネ等を用いれば、要素部品の採用が容易となるからである。
【００１６】
また、免震部を吊り下げることができない状況にあるときには、定荷重支持手段に、免震部を持ち上げた状態で支持して押し込まれることによって反力を及ぼす反発型のものを採用すれば、免震部を下方から一定の支持力で適切に支持することができる。
上記において、第１定荷重及び第２定荷重は、その中間値が免震部の荷重に対して釣り合う関係に設定されていることが望ましい。この場合の免震部の荷重は、免震対象物が上載される場合にはそれを含む意である。このようにすると、特段の事情がある場合を除き、免震部が基準位置から下方へ変位した際に第１定荷重が重力に打ち勝って免震部を上方へ付勢しようとする力と、免震部が基準位置から上方へ変位した際に重力が第２定荷重に打ち勝って免震部を下方へ付勢しようとする力とが等しくなるので、基準位置の上下において均等な免震作用が営まれ、基準位置への収束も適切になされることとなる。
【００１７】
免震部に配置される免震対象物の重さに変動が予定される場合には、一部にバランスウェイト取付部を設け、取り付けるバランスウェイトによって免震部の荷重を調整可能としておくことが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、以上説明した構成であるから、免震部に過大な応答加速度が生じることを回避して、免震部の一部或いはこれに支持される免震対象物が破損に至る事態を有効に防止することができる。したがって、美術品等を展示するための免震台や、各種計測や制御用の精密機器を載置するための免震台を始めとして、日常的に発生する振動の可及的な低減が望まれる救急車等の特殊車両、さらには予期しない上下動に対して万全の対策が要求される航空機など、種々の分野に広汎に適用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２０】
この実施形態の上下動免震装置は、図１及び図２に示すように、固定部１に免震部２を、定荷重支持手段である上段部定荷重バネ３および中段部定荷重バネ４を介して支持させている。
【００２１】
固定部１は、ベース１１と、このベース１１上に設けた高さ違いのバネ取付部材１２，１３と、上下動案内用のリニアガイド１４とからなる。上段用のバネ取付部材１２は、複数の支柱１２ａ間に固定テーブル１２ｂを架け渡し、その固定テーブル１２ｂに複数の上段部定荷重バネ３を取り付けるようにしたものであり、中段用のバネ取付部材１３は、前記支柱１２ａよりも背丈の低い複数の支柱１３ａの上端に複数の中段部定荷重バネ４を取り付けるようにしたものである。リニアガイド１４はベース１１と固定テーブル１２ｂの間に鉛直に立設されている。
【００２２】
免震部２は、前記リニアガイド１４にブッシュ２１を介して昇降可能に支持された可動板２２と、この可動板２２上に複数の支持杆２３を介して取り付けた免震テーブル２４とからなる。
【００２３】
そして、その可動板２２の両端部を上段部定荷重バネ３で吊り下げた状態に支持し、その可動板２２に所定領域で中段部定荷重バネ４のバネ力を作用させるべく、可動板２２の下方に遊動板５を、その両端部を中段部定荷重バネ４で吊り下げた状態で配置している。
【００２４】
定荷重バネ３，４は何れも、支持位置の変位によらず上方に向かってほぼ一定の引張り力を発揮する巻尺型のものである。すなわち、この種の巻尺型定荷重バネＳは、図３に示すように密着渦巻状にきつく巻かれた薄板バネの一種であり、引出し端ｓ１を引き出すと繰り出され、そのストロークｄに関係なく巻き取り方向にほぼ一定の力を引出し端ｓ１に作用させるものである。
【００２５】
ここで、本実施形態の作動を考えるために、図４に模式図を示す。免震部２の質量をｍ、重力加速度をｇとする。また、上段部定荷重バネ３の支持力をＮ１、中段部定荷重バネ４の支持力をＮ２とする。両定荷重バネ３，４から免震部２に作用するこれらの支持力Ｎ１、Ｎ２の方向はいずれも鉛直上向きであり、上段部定荷重バネ３は免震部２の位置にかかわらず常に免震部２の荷重ｍｇに対して抵抗し、中段部定荷重バネ４は免震部２が中段に設定した基準位置より下に位置する場合のみ遊動板５を介し免震部２と接触して荷重ｍｇに対して抵抗する。
【００２６】
図４（ａ）に示すように、中段部定荷重バネ４の引出し量が０であり、免震部２の下面が遊動板５の上面に接触している位置を免震部２の基準位置（ｕ＝０）とする。ｕは下向きにとった免震部２の変位である。免震部２がかかる基準位置から同図（ｃ）に示すように下方へ変位する際は、免震部２が遊動板５を押し下げるので、上段部定荷重バネ３のみならず中段部定荷重バネ４もが引き出された状態となり、それらの支持力Ｎ１、Ｎ２の総和Ｎａ（＝Ｎ１＋Ｎ２）が第１定荷重として免震部２に作用する。一方、免震部２が基準位置から同図（ｂ）に示すように上方へ変位する際は、免震部２が遊動板５から浮上するので、上段部定荷重バネ３のみが引き出された状態となり、その支持力Ｎ１のみが第２定荷重Ｎｂとして免震部２に作用し、中段部定荷重バネ４は影響を及ぼさない。したがって、免震部２の変位に対して両定荷重バネ３，４から及ぼされる支持力は、全体として図５に示すように基準位置（ｕ＝０）を境にして階段状に変化する。
【００２７】
以下、これを定性的に考察するために、相対速度に対する比例減衰を仮定し、比例減衰定数をｃとする。免震部２や遊動板５の重量は精密機器等の免震対象物Ｗの荷重ｍに比べて無視し得るとし、図４（ａ）に示す中段部の基準位置で次の釣合いの式が成り立つとする。
ｍｇ＝Ｎ１＋Ｎ２／２                                                …（１）
基準位置からの免震部２の鉛直下向き相対変位を叙述したようにｕとし、上下動の地動加速度をｄ２ｕｇ／ｄｔ２とすると、運動方程式は次のようにかける。
ｍ（ｄ２ｕ／ｄｔ２  ＋  ｄ２ｕｇ／ｄｔ２）＋ｃ・ｄｕ／ｄｔ  ＋ｆ（ｕ）  ＝０      …（２）
ここでｆ（ｕ）を下向きにとると、以下のように定義される。
ｆ（ｕ）＝ｍｇ−Ｎ１＝Ｎ２／２              ｉｆ  ｕ≧  ０          …（３）
ｆ（ｕ）＝ｍｇ−Ｎ１−Ｎ２＝−Ｎ２／２       ｉｆ  ｕ＜  ０          …（４）
【００２８】
これにより、初期釣合状態から定荷重バネ３，４の変形が進行しても、図５に示すように復元力ｆ（ｕ）の大きさが定荷重バネ３，４の支持荷重の平均値±Ｎ２／２でしか変動しない。そのため、「ｃが十分小さければ、運動方程式（２）を満たすためには、絶対加速度応答（ｄ２ｕ／ｄｔ２  ＋  ｄ２ｕｇ／ｄｔ２）は、地動加速度ｄ２ｕｇ／ｄｔ２の大きさや周期特性によらず、±Ｎ２／（２ｍ）の範囲でしか変動できない」ことが理論的に明らかである。
【００２９】
数値解析例として、図６に示す上下動強震記録に基づきこれと同じ入力を地動変位として与え、本装置と、図１７及び図１８に示した従来装置のそれぞれについて地震応答解析を行った結果を図７〜図９に示す。免震部２の質量ｍは１０（ｋｇ）、減衰係数ｃはいずれの装置でもｃ＝２×（２π）×０．０３ｍとした。また、本装置における上段部定荷重バネ３の支持力Ｎ１は１０×９．８−４／２＝９６（Ｎ）、中段部定荷重バネ４の支持力Ｎ２は４（Ｎ）とした。
【００３０】
従来装置における線形バネの剛性は、固有振動数ｆが０．６（Ｈｚ）となるように設定した。この時、固有周期Ｔは１．６６（ｓ）である。図７（ａ）は本装置の変位応答予測を、（ｂ）は従来装置の変位応答予測を示す。また、図８（ａ）は本装置の加速度応答予測を、（ｂ）は従来装置の加速度応答予測を示す。これらの図から、変位応答の大きさは本装置と従来装置とであまり変わらないが、加速度応答は、図８（ｂ）の従来装置では±３（ｍ／ｓ２）前後であるのに対して、（ａ）の本装置では、ほぼ±０．２（ｍ／ｓ２）の範囲でのみ変動していることがあげられる。これは、「±Ｎ２／（２ｍ）の範囲でしか変動できない」とした上記理論値とほぼ一致している。
【００３１】
図９に、従来装置の固有周期を変動させた時の最大応答予測の変化を表わす。図９（ａ）は最大変位応答の変化を、図９（ｂ）は最大加速度応答の変化を示す。○印は従来装置の最大変位と最大加速度であり、点線は本装置の最大変位と最大加速度である。図９（ｂ）より、従来装置では固有周期が長くなり特に固有周期が２（ｓ）を超えると、最大応答加速度が低減するものの、それよりも小さい領域では最大応答加速度が跳ね上がることが観測される。一方、本装置の最大加速度応答は、従来装置のいずれの固有周期の場合と比較しても十分に小さいといえる。因みに、図９における周期１．６６ｓあたりのデータと、ｆ＝０．６（Ｈｚ）の下に測定した図７（ｂ）及び図８（ｂ）のデータとが対応している。
【００３２】
地震終了後は、免震部２が図４における（ｂ）、（ｃ）いずれの状態にあっても、当該免震部２には基準位置（ｕ＝０）に向かって常に±Ｎ２／２の大きさの定荷重が作用するため、この定荷重により免震部２は基準位置に復帰する。仮に中段部定荷重バネ４が無かったとした場合、免震部２は基準位置以外の場所でも釣合えば静止することがあるし、基準位置においてもわずかな力が掛かっただけでも上下動して安定度が低いが、本装置によればこのような事態が生じない。この点からも本装置の構造の意味を理解することができる。収束性においても、図６で入力が殆ど無くなったころ、図７に示す従来装置（ｂ）では基準位置付近で微振動が続いているのに対して、本装置（ａ）では微振動の振幅が極めて小さくなっている。
【００３３】
以上に述べたように、本装置を使用すると、重力による影響をキャンセルしつつ、地震動による力が支持機構を介して免震部２やそれに載置される免震対象物Ｗ等に伝わらないようにして、これらが大きな加速度で応答することによる免震部２、本装置全体、或いは免震対象物Ｗの損傷や破損等の問題を有効に解決し得るものであることが確認できた。また、定荷重バネ３，４が線形バネ特性を示さないため、固有振動数と共振して大きく発振するおそれもなく、地震後には従来装置よりも早く基準位置に収束し得る性能も確認できた。
【００３４】
また、定荷重バネ３，４を２種類用いて荷重の切替を簡単に行うことができるため、簡易かつ低コストで本装置を構成でき、効果の高いパッシブ制御型免震装置としての利用価値を有するものとなる。
【００３５】
特に、定荷重バネ３，４に巻尺型定荷重バネＳを用いており、市販品の入手が容易であって、これらを上段部と中段部に配置して引張り力となるようにそれぞれ免震部２及び可動板２２に接続するだけでよいので、組み付けも簡単となる。
【００３６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。
【００３７】
例えば、図２の可動板２２をバランスウェイト取付部として利用し、この可動板２２にバランスウェイトを取り付けるようにすることも有効である。このようにすれば、バランスウェイトによって免震部２の荷重を調整することができるので、免震対象物Ｗが入れ替わっても、第１定荷重Ｎａ及び第２定荷重Ｎｂの中間値が免震部２の荷重に対して釣り合う関係を容易に成立させることができる。
【００３８】
また、上記実施形態では巻尺型定荷重バネを使用したが、図１０に示すような複数の反発型の定荷重支持手段１０３，１０４を用いて上下動免震装置を構成することもできる。
【００３９】
この定荷重支持手段１０３，１０４は、荷重作用部１０３ａ、１０４ａが上載荷重を受けて変位した際、その変位を線形バネ１０３ｃ、１０４ｃに伝え、そのバネ反力で上載荷重を支持するようにしたものである。その際、変位に伴って線形バネ１０３ｃ、１０４ｃの変形が進行し、バネ反力が増大しても、荷重作用部１０３ａ、１０４ａに伝わる支持力が当該荷重作用部１０３ａ、１０４ａの変位によらず（したがって線形バネ１０３ｃ、１０４ｃの変形量によらず）一定となるように構成してある。
【００４０】
そして、両定荷重支持手段１０３，１０４は、荷重作用部１０３ａ、１０４ａの高さ位置が異ならせてあり、上段部定荷重支持手段１０３の支持力をＴ１、中段部定荷重バネ１０４の支持力をＴ２とすると、これらから免震部１０２に作用する支持力Ｔ１、Ｔ２の方向はいずれも鉛直上向きであり、上段部定荷重支持手段１０３は免震部１０２の位置にかかわらず設定範囲で常に免震部１０２の荷重ｍｇに対して抵抗し、中段部定荷重支持手段１０４は免震部１０２が中段の基準位置よりも下に位置する場合のみ免震部１０２と接触して荷重ｍｇに対して抵抗するように構成している。
【００４１】
すなわち、図１０（ｂ）に示すように、中段部定荷重支持手段１０４の降下量が０であり、上段部定荷重支持手段１０３が所定位置まで降下して、免震部１０２の下面が上段部定荷重支持手段１０３の荷重作用部１０３ａの上面及び中段部定荷重支持手段１０４の荷重作用分１０４ａの上面に接触している位置を免震部２の基準位置（ｕ＝０）とする。この場合もｕは下向きにとった免震部１０２の変位である。免震部１０２がかかる基準位置から同図（ｃ）に示すように下方へ変位する際は、免震部１０２が両定荷重支持手段１０３，１０４の荷重作用部１０３ａ、１０４ａを押し下げるので、これらが座屈するが如くに屈曲しながら免震部１０２を降下させ、この時これらの支持力Ｔ１、Ｔ２の総和Ｔａ（＝Ｔ１＋Ｔ２）が第１定荷重Ｔａとして免震部１０２に作用する。一方、免震部１０２が基準位置から同図（ａ）に示すように上方へ変位する際は、免震部１０２が中段部定荷重支持手段１０４から浮上するので、免震部１０２は上段部定荷重支持手段３にのみ支持された状態となり、その支持力Ｔ１のみが第２定荷重Ｔｂとして免震部１０２に作用し、中段部定荷重支持手段１０４は影響を及ぼさない。したがって、免震部１０２の変位ｕに対して両定荷重バネ３，４から及ぼされる支持力は全体として図１１のようになる。すなわち、第１定荷重Ｔａと第２定荷重Ｔｂの中間値が免震部１０２の荷重に対して釣り合う関係に設定すると、支持力は±Ｔ２／２の範囲でのみ変化する。
【００４２】
このように上下動免震装置を構成しても、基本的に上記実施形態と同様の作用効果が奏される。しかも、線形バネ１０３ｃ、１０４ｃを用いてもその線形特性が荷重支持部１０３ａ、１０４ａに現われないようにしているので、バネ反力の高い領域で線形バネを使用することが可能となり、高負荷型の上下動免震装置を容易に構成することができる。
【００４３】
ここで、定荷重支持手段１０３を例にとって、その構成例を図１２を参照して説明する。
【００４４】
先ず簡単な概要を述べると、上載荷重Ｎと床からの抗力とによって上部支持杆１３１と下部支持杆１３２の間が支点Ｏの回りに屈曲するように構成し、上部支持杆１３１と下部支持杆１３２との間に線形バネ１０３ｃを介在させて、上載荷重Ｎから支点Ｏの回りに加えられるモーメントＭ１とバネ反力から支点Ｏの回りに加えられるモーメントＭ２とを拮抗させる。そして、屈曲に伴って、前者のモーメントＭ１は上載荷重Ｎが一定でも変位ｕとともに支点Ｏまでの腕の長さ（トルクアーム）が大きくなる分だけ増大するのに対して、後者のモーメントＭ２を、バネ反力及び支点Ｏまでの腕の長さ（トルクアーム）に予め所定の変化を与えておくことで、どの屈曲位置においてもモーメントＭ１に釣り合うようにしている。
【００４５】
具体的構造は、下部支持杆１３２の下端部がベース１０１に支点ｍ１の回りに枢着され、下部支持杆１３２の上端部には上部支持杆１３１が支点Ｏの回りに枢着され、更にこの上部支持杆１３１に荷重支持部１０３ａが支点ｍ２の回りに枢着されている。下部支持杆１３２の基端にはブラケット１３２ａを介してシリンダー１３３の下端部が枢着され、シリンダー１３３の内部には圧縮型の線形バネ１０３ｃが収容されている。この線形バネ１０３ｃを圧縮する可動リテーナ１３４にワイヤー１３５の一端を接続し、ワイヤー１３５の他端をシリンダー１３３から上方に引き出して上部支持杆１３１の底部付近に接続されている。
【００４６】
支点ｍ１、Ｏ，ｍ２が１列に並んだ状態から上載荷重Ｎが加わると、上部支持杆１３１と下部支持杆１３２との間が屈曲し、その際にワイヤー１３５が上部支持杆１３１の底部外面１３１ａと接触する位置を変えつつ線形バネ１０３ｃを圧縮する。この上部支持杆１０３の底部外面１３１ａには予め適宜の曲面形状が付与してあり、その底部外面１３１ａとワイヤー１３５との係り合いの位置及び線形バネ１０３ｃの圧縮量の変化が上述したモーメントＭ２とモーメントＭ１との釣合いを与える。
【００４７】
そのような状態を実現するために、荷重支持部１０３ａに作用する鉛直方向の荷重Ｎと鉛直方向変位ｕとの関係を求め、そこから変位ｕに対して荷重Ｎを一定にするための条件を導出する。
【００４８】
そこで、図１３及び図１４に支点Ｏ付近を拡大した模式図を表わす。図１３では支持部材１３１，１３２間が屈曲した状態であり、図１４ではそれが屈曲していない初期状態にある。以下において、静止系を基準座標系ＸＹ、上部支持杆１３１とともに回転する系をｘｙ座標系、下部支持杆１３２とともに回転する系をｎｓ座標系として、特に必要があるときはこれらの座標系を明示する。
【００４９】
図１２〜図１４において、上部支持杆１３１の支点Ｏ−ｍ２間距離をＬ１、回転角をθ１、下部支持杆１３２の支点Ｏ−ｍ１間距離をＬ２、回転角をθ２とする。この際、θ１＜０としかならないようにストッパーＳＴを設けておく。ここでは、上部支持杆１３１の底部外面１３１ａの曲面形状を楕円とし、その楕円の長径をｒ１、短径をαｒ１とする。下部支持杆１３２とワイヤー１３５との接合点をＤ、ワイヤー１３５と上部支持杆１３１との接合点をＡ（またはＥ）、ワイヤー１３５が底部外面１３１ａからちょうど離れる点を点Ｂ（またはＦ）とし、ｘｙ座標系における点Ｂのｙ座標を１／α倍した点を点Ｂ´、∠ＡＯＢ´＝φとする。点Ｄの座標は、Ｏを基準としたｎｓ座標系における点（ｎＤ、ｓＤ）の形で与える。初期状態においては、∠ＥＯＦ＝φ０とする。
【００５０】
そして、以下の手順に沿って、必要な演算を行う。
１）鉛直変位ｕを、Ｌ１、Ｌ２、θ１、θ２を用いて表わす。
２）支点Ｏを中心として、上支点ｍ２の変位と下支点ｍ１の変位は等しい。
これらにより、変位ｕを、回転角θ１をパラメータとして表わすことができる。
ここで、Ｎ−ｕ関係をθ１を媒介変数として表わすために、荷重Ｎも回転角θ１をパラメータとして表わす必要がある。そこで、
３）図１３において、点Ｂの支点Ｏからの位置ベクトル、接合点Ｄの支点Ｏからの位置ベクトルより、ベクトルＢＤをｒ１、φ（θ１）で表わす。また、支点Ｏから上部支持杆１３１の底部外面１３１ａである楕円上の点へのベクトルを微分して接線ベクトルを求め、これを線積分することにより弧ＡＢの長さＳＡＢをｒ１、φ（θ１）で表わす。
同様に、図１４において、点Ｆの支点Ｏからの位置ベクトル、接合点Ｄの支点Ｏからの位置ベクトルより、ベクトルＦＤをｒ１、φ０（θ１）で表わす。また、上記と同様にして弧ＥＦの長さＳＥＦをｒ１、φ０（θ１）で表わす。
４）これらにより、ワイヤーの張力ベクトルＵの大きさは、「弧ＡＢの長さＳＡＢ＋ベクトルＢＤの大きさ」から「弧ＥＦの長さＳＥＦ＋ベクトルＦＤの大きさ」を引いた値にバネ定数ｋを乗じたものとなる。
５）最後に、φとφ０の関係を調整した上で、支点Ｏにおける張力ベクトルＵによるモーメントＭ２と荷重ＮによるモーメントＭ１との釣合いの式を立てることにより、荷重Ｎをｒ１、θ１をパラメータとして表わす。この式にはαがパラメータとして含まれる。
【００５１】
以上によりｒ１、θ１を介して関連づけられた変位ｕと荷重Ｎに基づき、α＝１としたときのＮ−ｕ関係を図１５に示し、０＜α＜１としたときのＮ−ｕ関係（特にα＝０．９とした場合）を図１６に示す。
【００５２】
これにより明らかなように、底部外面１３１ａの曲面形状が円である場合には、図１５に示すように変位ｕの増大に伴って荷重Ｎ（すなわち支持力）が右肩上がりに大きくなる。
【００５３】
これに対して、底部外面１３１ａの曲面形状が楕円である場合には、図１６に示すように中間が僅かに凹んでいるものの全体として変位ｕによらずほぼ横這いの支持力を示している。さらに言えば、中間の凹みをなくすように楕円形状に改良を加えれば、変位ｕのいかんによらず、ほぼ完全に一定の定荷重特性を示す定荷重支持手段を構成することも可能である。
【００５４】
このように、図示定荷重支持手段は、変位ｕと荷重Ｎの関係を容易に調整できるものであり、図１０に示した上下動免震装置の定荷重支持手段３，４として好適に利用することができる。そして、線形バネを高い圧縮領域で使用することができるので、図１６等に示すような１ｋＮレベルの高荷重支持能力を発揮させて、重量物や建築物などの大きな上載荷重を支持する用途に好適に適合させることが可能となる。
【００５５】
勿論、このような反発型の定荷重バネは、上下動免震装置に用途が限定されるものではなく、上下方向の任意の位置で上載物の荷重を重力と釣り合わせて静止させる必要のある目的・用途に広汎に適用することが可能である。また、図示例では圧縮バネを用いたが、引っ張りバネを用いた場合にも事情は同じであり、ワイヤーと曲面との係り合いも、線形バネから支点Ｏまでの間に介在させることができれば必ずしも部材の底部外面にその位置が限定される必要はなく、このような位置も含めて係り合いの態様は種々変形して実施することができる。
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る上下動免震装置の概略的な構成図。
【図２】作動位置が異なるときの同上下動免震装置の概略的な構成図。
【図３】同実施形態で使用した巻尺型定荷重バネの説明図。
【図４】同実施形態の模式的な作動説明図。
【図５】同実施形態において定荷重バネの支持力と免震部の変位との関係を示す図。
【図６】数値解析に用いた地震動入力波形を示す図。
【図７】図６の入力に対する変位応答の様子を本実施形態と従来装置との比較の下に示すグラフ。
【図８】図６の入力に対する加速度応答の様子を本実施形態と従来装置との比較の下に示すグラフ。
【図９】周期と変位応答、または周期と加速度応答の関係を本実施形態と従来装置との比較の下に示すグラフ。
【図１０】本発明の変形例である反発型定荷重支持手段を用いた上下動免震装置示す模式的な構成図。
【図１１】同変形例において定荷重バネの支持力と免震部の変位との関係を示す図。
【図１２】反発型の定荷重支持手段の具体的な構成を示す図。
【図１３】同定荷重支持手段の作動を解析するための図。
【図１４】同定荷重支持手段の作動を解析するための図。
【図１５】同定荷重支持手段の底部曲面が円であるときの変位と荷重の関係を示すグラフ。
【図１６】同定荷重支持手段の底部曲面が楕円であるときの変位と荷重の関係を示すグラフ。
【図１７】従来の上下動免震装置を示す図。
【図１８】同従来装置の作動説明図。
【符号の説明】
【００５７】
２、１０２…免震部
３…定荷重支持手段（上段部定荷重バネ）
４…定荷重支持手段（中段部定荷重バネ）
１０３…定荷重支持手段
１０４…定荷重支持手段
Ｎａ（＝Ｎ１＋Ｎ２）…第１定荷重
Ｎｂ、Ｎ２…第２定荷重
Ｗ…免震対象物
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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