(57)【要約】【課題】  動作中における作用室の内圧上昇による機器の破損を防止しつつ、かかる動作中に一定の減衰力を継続して発揮することが可能な減衰装置を提供する。【解決手段】  中空部を有して筒状に形成された固定外筒と、この固定外筒の中空部内に収容されると共に該固定外筒に対して回転自在に支承され、固定外筒の周壁と所定の隙間を介して対向して作用室を形成する回転内筒と、軸方向に進退すると共に外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたスクリューロッドと、このスクリューロッドに螺合すると共に前記回転内筒に固定されたスクリューナットと、前記作用室に密封された粘性流体とから構成されており、前記固定外筒には前記作用室と連通するバッファ容器が設けられ、また、このバッファ容器と作用室との間には、前記作用室における粘性流体の内部圧力を一定に保ちながら粘性流体の流動を制御する圧力調整手段が設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の構造体に固定されると共に中空部を有して筒状に形成された固定外筒と、この固定外筒の中空部内に収容されると共に該固定外筒に対して回転自在に支承され、固定外筒の周壁と所定の隙間を介して対向して作用室を形成する回転内筒と、一端が前記第２の構造体に結合されて軸方向に進退すると共に外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたスクリューロッドと、このスクリューロッドに螺合すると共に前記回転内筒に固定されたスクリューナットと、前記作用室に密封された粘性流体と、から構成される減衰装置において、
前記固定外筒には前記作用室と連通するバッファ容器が設けられる一方、このバッファ容器と作用室との間には、前記作用室における粘性流体の内部圧力を一定に保ちながら粘性流体の流動を制御する圧力調整手段が設けられていることを特徴とする減衰装置。
【請求項２】
前記圧力調整手段は、前記作用室の内部圧力が所定の上限圧力を上回った場合に、作用室側からバッファ容器側へ粘性流体を流動させる放出弁と、前記作用室の内部圧力がバッファ容器の内部圧力を下回った場合に、バッファ容器側から作用室側へ粘性流体を流動させる復帰弁とを備えていることを特徴とする請求項１記載の減衰装置。
【請求項３】
前記バッファ容器内には、かかるバッファ容器に対する粘性流体の流入量に応じて移動するピストンが設けられると共に、このピストンはバッファ容器内の粘性流体に対して前記上限圧力よりも低圧力を及ぼすように付勢されていることを特徴とする請求項２記載の減衰装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動が伝達される２つの構造体の間に配設されて、振動源たる一方の構造体から他方の構造体へ伝達される振動エネルギを減衰させるための減衰装置に係り、特に、一方の構造体から伝達された振動を回転運動のエネルギに変換し、この回転運動のエネルギを熱エネルギに変換して消費させるように構成した減衰装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の減衰装置としては、特開平１０−１８４７５７号公報や特開２００２−５２２９号公報に開示されるものが知られている。図８に示すように、この減衰装置は第１の構造体１００と第２の構造体１０１との間に設けられ、両者間に伝達される振動の減衰を行うものであり、前記第１の構造体１００に結合されるスクリューロッド１０６と、このスクリューロッド１０６を覆うようにして設けられると共に前記第２の構造体１０１に結合された固定外筒１０７とを具備している。前記スクリューロッド１０６には螺旋状のねじ溝が形成されており、このねじ溝には固定外筒１０７に対して回転自在に支承されたスクリューナット１０８が螺合している。すなわち、これらスクリューロッド１０６とスクリューナット１０８はボールねじを構成している。また、このスクリューナット１０８には円筒状の回転内筒１０９が固定されており、この回転内筒１０９の外周面は固定外筒１０７の内周面と対向して粘性流体の作用室１１０を形成している。
【０００３】
従って、このような構造の減衰装置１では、前記第２の構造体１０１が第１の構造体１００に対して振動すると、スクリューロッド１０６がスクリューナット１０８に対して進退すると共に、かかるスクリューナット１０８が固定外筒１０７に対して回転を生じ、スクリューナット１０８に固定された回転内筒１０９も固定外筒１０７に対して回転を生じる。回転内筒１０９の外周面と固定外筒１０７の内周面との隙間は粘性流体の作用室１１０となっていることから、回転内筒１０９が回転を生じると、作用室１１０内の粘性流体に対して回転内筒１０９の回転角速度に応じた剪断摩擦力が作用し、かかる粘性流体が発熱する。つまり、この減衰装置１では第２の構造体１０１と第１の構造体１００との間の振動エネルギが回転エネルギに変換され、更にその回転エネルギが熱エネルギに変換され、その結果として第２の構造体１０１の保有する振動エネルギの減衰が効果的に行われるようになっている。
【０００４】
この減衰装置の具体的使用例としては、例えば建築構造物の構造枠体において、かかる構造枠体の対向角部を連結する筋交いの如く配設する例が挙げられる。このような使用例では、地震などによって前記構造枠体に歪みが発生すると、前記減衰装置に軸方向の引っ張り力又は圧縮力が作用すると共に、前記スクリューロッドが固定外筒に対して進退し、前述した減衰効果が発揮されるようになっている。その結果、構造枠体の歪みエネルギが吸収され、建築構造物の揺れが有効に制振される。
【０００５】
また、他の使用例としては、地震対策としての免震装置と一緒に用いる例が挙げられる。免震装置は建築構造物とその基盤との間に設けられて、建築構造物を基盤の揺れから絶縁する目的で用いられており、地震等による振動エネルギが建築構造物に伝播したとしても、建築構造物が基盤の振動周期とは無関係にそれ独自の振動周期で揺れることができるようになっている。もっとも、免震装置は基盤の揺れと建物の揺れとを絶縁するものであるから、地震が収まった後にも建築構造物の揺れは残存してしまうことになる。このため、基盤と建建築構造物との間に前述した減衰装置を設けると、かかる減衰装置によって建築構造物の振動エネルギが吸収され、建築構造物の振動を早期に収束させることができる。
【特許文献１】特開平１０−１８４７５７号公報
【特許文献２】特開２００２−５２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような構造の減衰装置においては、実際に回転内筒が回転して粘性流体に剪断力が作用すると、粘性流体が剪断摩擦によって高温となり、膨張することから、作用室内の圧力が高まり、かかる圧力の一部を解放する手段を設けなければ、回転軸受に隣接して作用室の両端に設けられたシール部材が破損を生じてしまう懸念があった。
【０００７】
圧力の一部を解放する方策としては、膨張した粘性流体の一部が作用室から流入するバッファ容器を設けることが考えられる。しかし、固定外筒に対して実際にバッファ容器を設け、粘性流体の膨張に任せて該粘性流体をバッファ容器に流入させると、回転内筒が固定外筒に対して反転を繰り返すにつれ、減衰力が徐々に低下していく現象が確認された。すなわち、作用室に連通するバッファ容器を設置したのみでは、動作中における作用室の内圧上昇を回避することはできるが、一定の減衰力を動作中に継続して発揮することができないといった問題点が浮かび上がってきた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、動作中における作用室の内圧上昇による機器の破損を防止しつつ、かかる動作中に一定の減衰力を継続して発揮することが可能な減衰装置を提供することにある。
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明の減衰装置は、第１の構造体に固定されると共に中空部を有して筒状に形成された固定外筒と、この固定外筒の中空部内に収容されると共に該固定外筒に対して回転自在に支承され、固定外筒の周壁と所定の隙間を介して対向して作用室を形成する回転内筒と、一端が前記第２の構造体に結合されて軸方向に進退すると共に外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたスクリューロッドと、このスクリューロッドに螺合すると共に前記回転内筒に固定されたスクリューナットと、前記作用室に密封された粘性流体とから構成されており、前記固定外筒には前記作用室と連通するバッファ容器が設けられている。また、このバッファ容器と作用室との間には、前記作用室における粘性流体の内部圧力を一定に保ちながら粘性流体の流動を制御する圧力調整手段が設けられている。
【００１０】
このような本発明の減衰装置によれば、固定外筒に対して前記作用室に連通するバッファ容器を設けたので、前記回転内筒が固定外筒に対して繰り返し反転し、これに伴って作用室内の粘性流体が高温となって膨張しても、粘性流体は作用室からバッファ容器へ流入することができるので、作用室内が過度に高圧になるのを回避することができ、作用室を密封するシール部材等の機器の破損を回避することが可能となる。
【００１１】
また、粘性流体がバッファ容器に流入する際には、前記圧力調整手段が作用室の内圧を一定に保つように前記粘性流体の流動を制御する。本願発明者が実験を通して得た知見によれば、前記圧力調整手段を設けず、ハツファ容器に対する粘性流体の流入を何ら制限しない場合、粘性流体の粘度にもよるが、作用室内の内圧が２〜３気圧程度になると、前記バッファ容器内に対する粘性流体の流入が生じる。しかし、その場合には、内筒が繰り返し反転するにつれ、減衰力が徐々に低下していく現象が確認された。一方、前記圧力調整手段を設けてバッファ容器に対する粘性流体の流入を制限し、作用室の内圧がある程度まで高くなった状態で粘性流体のバッファ容器に対する流動が開始されるように設定すると共に、回転内筒の動作中はその内圧が維持されるようにすると、減衰力の低下は認められず、動作中は継続して一定の減衰力を発揮できた。
【００１２】
従って、前記圧力調整手段をバッファ容器と作用室との間に設け、回転内筒の動作中には前記作用室における粘性流体の内部圧力を一定に保つことで、かかる動作中に一定の減衰力を継続して発揮することが可能となる。
【００１３】
前記圧力調整手段は作用室の内圧を一定に保つように機能するが、この内圧が高い程、回転内筒の動作中に発生する減衰力を高く維持することができると考えられる。しかし、その圧力を余りに高圧に設定すると、固定外筒、回転内筒及びシール部材の耐圧性能を高める必要が生じ、装置が大型化、重量化し、生産コストが嵩む懸念がある。従って、このような観点からすれば、圧力調整手段は作用室の内圧を１０〜１００気圧程度に保つのが好ましい。但し、この値は粘性流体の種類や装置の大きさによっても多少変動する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を用いて本発明の減衰装置を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明を適用した減衰装置の一例を示すものである。この減衰装置１は第１の構造体と第２の構造体との間に存在する相対的な振動を減衰させ、かかる振動を早期に収束させるものであって、例えば、建物とこれを支える基盤との間に配置されて使用される。
【００１６】
この減衰装置１は、中空部を有して筒状に形成された固定外筒１０と、この固定外筒１０の中空部内に収容されると共に該固定外筒１０に対して回転自在に支承されたロータ２０と、これら固定外筒１０及びロータ２０を貫通すると共に該ロータが螺合したスクリューロッド３０とを備えており、例えば、前記固定外筒１０は第１の構造体としての建物にボルトなどを用いて固定される一方、前記スクリューロッド３０はその一端が第２の構造体としての基盤１００に固定される。
【００１７】
前記固定外筒１０は、筒状に形成された外筒本体１１と、この外筒本体１１の軸方向の両端面に固定される一対のエンドプレート１２，１３とから構成されている。外筒本体１１の内周面は、前記ロータ２０の外周面と所定の隙間を介して対向するスリーブ部１４と、このスリーブ部１４に対して軸方向へ隣接して設けられた一対の内筒支持部１５，１６とから構成されており、一対の内筒支持部１５，１６には前記回転内筒２０の回転を支承するための一対の回転ベアリング１７，１８が嵌合している。これらの回転ベアリング１７，１８は前記エンドプレート１２，１３を外筒本体１１に対してボルトを用いて固定することで、前記外筒本体１１の内筒支持部１５，１６に固定されるようになっている。尚、図中の符号１９は回転ベアリング１７，１８の外輪に接して該回転ベアリング１７，１８の軸方向の位置決めを行うスペーサリングである。
【００１８】
一方、前記ロータ２０は、前記固定外筒１０の中空部内に収容されると共に、前述の回転ベアリング１７，１８によってその回転を支承された回転内筒２１と、この回転内筒２１の軸方向の一端にブラケット２２を介して固定されたスクリューナット４０とから構成されており、前記回転内筒２１の内周面とスクリューロッド３０の外周面との間には隙間が形成される一方、前記スクリューナット４０が前記スクリューロッド３０の外周面に螺合している。前記回転内筒２１は外筒本体１１のスリーブ部１４と対向するジャーナル部２４を有しており、外筒本体１１のスリーブ部１４と回転内筒２１のジャーナル部２４とが対向することにより、これらの間に粘性流体６の作用室２が形成されるようになっている。
【００１９】
この作用室２には粘性流体６が充填されている。前記ジャーナル部２４の軸方向の両端にはリング状のシール部材２５，２５が嵌められており、作用室２内に封入された粘性流体６が該作用室２から漏れだすのを防止している。前記作用室２に封入される粘性流体６としては、例えば、動粘度が１０万〜５０万ｍｍ2 ／ｓ（２５℃）程度のシリコーンオイルが用いられる。
【００２０】
また、前記外筒本体１１のスリーブ部１４にはポート２３が設けられると共に、かかるポート２３には後述する圧力調整手段５を介して密閉式のバッファ容器５０が接続されている。固定外筒１０に対してロータ２０が回転すると、作用室２に充填された粘性流体６が剪断摩擦力によって発熱し、かかる粘性流体６の体積は膨張する。前記バッファ容器５０はそのような粘性流体６の体積変化を吸収するために設けられている。このバッファ容器５０内にはピストン５１が設けられると共に、かかるピストン５１は弾性部材５２によって背後から付勢されており、前記バッファ容器５０内に存在する粘性流体６の量に応じてピストン５１がバッファ容器５０内を移動するように構成されている。更に、作用室２内の圧力が所定の大きさに達するまでは、粘性流体６がバッファ容器５０へ流入することがないよう、前記圧力調整手段５はポート２３とバッファ容器との間で粘性流体の流動を制御している。
【００２１】
図２は前記スクリューロッド３０とスクリューナット４０との組み合わせを示す斜視図である。スクリューロッド３０の外周面には螺旋状のボール転動溝３１が形成されており、スクリューナット４０は前記ボール転動溝３１を転動する多数のボール３を介してスクリューロッド３０に螺合している。また、スクリューナット４０は前記スクリューロッド３０が挿通される貫通孔を有して円筒状に形成されると共に、前記スクリューロッド３０のボール転動溝３１を転動したボール３を循環させるための無限循環路が設けられている。すなわち、これらスクリューナット４０とスクリューロッド３０はボールスクリューを構成している。
【００２２】
そして、このスクリューナット４０の外周面にはフランジ部４１が設けられており、図３に示すように、かかるフランジ部４１に挿通された固定ボルト４２を前記ブラケット２２に締結することで、スクリューナット４０の回転がブラケット２２を介して前記回転内筒２１に伝達されるようになっている。前記ブラケット２２は回転内筒２１の軸方向の端面にボルトで締結されており、固定外筒１０を構成するエンドプレート１３から軸方向へ突出している。また、スクリューナット４０のフランジ部４１は固定外筒１０から突出したブラケット２２の端部に対して固定されている。従って、スクリューナット４０は前記固定外筒１０の内部には収容されておらず、固定ボルト４２の締結を解除することで、容易に固定外筒１０及び回転内筒２１の組立体をスクリューロッド３０から抜き取ることができるようになっている。
【００２３】
一方、図１に示すように、スクリューロッド３０の一端は円盤状の取付板４３に螺合しており、かかる取付板４３は図示外のボルトで基盤１００に対して固定されている。取付板４３とスクリューロッド３０の間には平行キー４４が挿入されており、取付板４３に対するスクリューロッド３０の回転止めがなされている。
【００２４】
従って、基盤１００に対して建物が図１中の矢線Ｘ方向に沿って振動すると、前記固定外筒１０は第１の構造体たる建物に固定されていることから、かかる振動は固定外筒１０に対するスクリューロッド３０の軸方向への進退運動となり、この進退運動に伴ってスクリューナット４０を含むロータ２０が固定外筒の中空部内でスクリューロッドの周囲を回転することになる。ロータ２０（回転内筒２１）が固定外筒１０に対して回転を生じると、前記作用室２に存在する粘性流体６に対して剪断力が作用し、回転内筒２１の運動エネルギが粘性流体６の熱エネルギに変換されて消費され、回転内筒２１の運動エネルギが減衰される。これにより、基盤１００に対する建物１０１のＸ方向の振動を強制的に減衰させることができるようになっている。
【００２５】
スクリューロッド３０のＸ方向に沿った進退運動をスクリューナット４０の回転運動に変換しているので、かかるスクリューナット４０にはスクリューロッド３０の軸方向に沿った外力が作用している。このため、ロータ２０の回転を支承する一対の回転ベアリング１７，１８のうち、スクリューナット４０に近接した側の回転ベアリング１８にはラジアル荷重とスラスト荷重を等分に負荷することが可能なクロスローラ軸受が採用され、スクリューナット４０から回転内筒に対して作用するスラスト荷重、すなわちスクリューロッド３０の軸方向に作用する外力を十分に負荷し得るように構成されている。
【００２６】
また、前記クロスローラ軸受１８はブラケット２２を回転内筒２１に対して固定することで、その内輪が該回転内筒２１に固定されており、前記ブラケット２２はクロスローラ軸受１８の押え板としても機能している。
【００２７】
図４乃至図６は、前記圧力調整手段５とバッファ容器５０の作用を示した概略図である。
【００２８】
前記圧力調整手段５は、前記作用室２からバッファ容器５０へ粘性流体６が流動する第１通路５３と、前記バッファ容器５０から作用室２へ粘性流体６が流動する第２通路５４とを有している。前記第１通路５３には当該通路における粘性流体６の流動を遮断する放出弁５５が設けられ、この放出弁５５は第１スプリング５６によって第１通路５３を閉塞する方向に付勢されている。また、前記第２通路５４には当該通路における粘性流体６の流動を遮断する復帰弁５７が設けられ、この復帰弁５７は第２スプリング５８によって第２通路５４を閉塞する方向に付勢されている。前記放出弁５５及び復帰弁５７は球状に形成されており、第１通路５３には放出弁５５の接離によって閉塞又は開放されるオリフィスが形成される一方、第２通路５４には復帰弁５７の接離によって閉塞又は開放されるオリフィスが形成されている。
【００２９】
図４は前記回転内筒２１が停止している状態を示している。この状態では、前記放出弁５５は第１スプリング５６の付勢力によって第１通路５３を閉塞する一方、前記復帰弁５７は第２スプリング５８の付勢力によって第２通路５４を閉塞している。従って、作用室２とバッファ容器５０との間で粘性流体６の移動は行われていない。
【００３０】
次に、図５は回転内筒２１の回転が開始され、作用室２の内部圧力が高まってきた状態を示している。回転内筒２１が回転を開始すると、作用室２内の粘性流体６に剪断力が作用し、かかる粘性流体６が摩擦熱によって膨張することから、作用室２の内圧が高まってくる。前記放出弁５３は第１スプリング５６の付勢力とバッファ容器５０内の圧力によって第１通路５３のオリフィスに押し付けられていることから、前記作用室２の内圧がこれらを上回った力を放出弁５５に与えると、放出弁５５がオリフィスから離間して、作用室２内の粘性流体６が第１通路５３を経てバッファ容器５０内に流入する。一方、粘性流体６のバッファ容器５０への流出に起因して作用室２の内圧が低下し、あるいは回転内筒２１の停止に伴って作用室２の内圧が低下すれば、放出弁５５は再び第１通路５３のオリフィスに押し付けられ、作用室２からバッファ容器５０への粘性流体６の流動が制限される。これにより、作用室２の内圧は一定に保たれる。
【００３１】
このとき、バッファ容器５０内のピストン５１は、かかるバッファ容器５０内への粘性流体６０の流入に伴い後退する。従って、弾性部材５２がピストン５１を介してバッファ容器５０内の粘性流体６に対して及ぼしている圧力は、放出弁５５が開放される際の作用室２における内圧よりも低く設定されている。
【００３２】
また、放出弁５５が開放されている際には、作用室２の内圧がバッファ容器５０の内圧よりも高いので、復帰弁５７は作用室２の圧力によって第２通路５４のオリフィスに押し付けられており、常に閉塞した状態にある。従って、バッファ容器５０内の粘性流体６が第２通路５４を経て作用室２に流出することはない。
【００３３】
一方、図６は回転内筒２１の回転中にバッファ容器５０に流入した粘性流体６が該回転内筒２１の停止後に該バッファ容器５０から作用室２へ戻る状態を示している。回転内筒２１の回転が停止し、放出弁５７が閉鎖している状態では、バッファ容器５０内の圧力は弾性部材５２の付勢力で決定されている。従って、回転内筒２１が停止し、作用室２内の粘性流体６が徐々に冷却されて収縮を生じると、次第に作用室２の内圧がバッファ容器５０の内圧に接近していき、作用室２の内圧がバッファ容器５０の内圧を下回った時点で、前記復帰弁５７が第２通路５４のオリフィスから離間し、バッファ容器５０の圧力に押し出されるようにして、粘性流体６がバッファ容器５０から作用室２へと流入する。従って、前記復帰弁５７が動作する圧力は、ピストン５１がバッファ容器５０内の粘性流体６に対して及ぼしている圧力よりも小さく設定されている。これにより、バッファ容器５０内の粘性流体６の量は、回転内筒２１の回転開始前の状態に復帰する。
【００３４】
図７は、前記圧力調整手段５を設けた場合の減衰装置１と、圧力調整手段５を設けずにバッファ容器５０を大気圧に開放した場合の減衰装置とにおける減衰性能を比較したグラフである。グラフの横軸は時間経過を、縦軸は減衰力の大きさを示している。減衰力は固定外筒１０と回転内筒２１との相対速度差に比例するので、回転内筒２１が正転又は逆転を生じた際に減衰力が発生し、回転方向の切り替えのために停止した際に減衰力がゼロとなっている。
【００３５】
前記圧力調整手段５を設けなかった後者の場合では、回転内筒２１が正転及び逆転を繰り返すにつれ、減衰力のピークは小さくなっており、発揮し得る減衰力が弱まっていることが伺われる。これに対して、前記圧力調整手段５を設けた場合には、回転内筒２１が正転及び逆転を繰り返しても、減衰力のピークは一定値を維持しており、繰り返しの振動に対して減衰性能を有効に発揮していることが伺われる。尚、前記圧力調整手段５を設けた場合に、回転内筒２１の最初の正転時に減衰力のピークが僅かに小さくなっているのは、この時点では未だ粘性流体６の膨張が進行しておらず、作用室２内の圧力が十分に高まっていないためと考えられる。
【００３６】
この結果からすれば、作用室２の内圧をある程度高い状態に保ちながら回転内筒２１を固定外筒１０に対して回転させた方が、作用室２内を大気圧に近い状態に保ちながら回転内筒２１を固定外筒１０に対して回転させた場合に比べて、より安定した減衰性能を発揮し得ることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を適用した減衰装置の実施形態を示す断面図である。
【図２】スクリューロッドとスクリューナットとの組み合わせを示す斜視図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】放出弁及び復帰弁が共に閉鎖している状態の圧力調整手段の概略を示す図である。
【図５】放出弁が開放している状態の圧力調整手段の概略を示す図である。
【図６】復帰弁が開放している状態の圧力調整手段の概略を示す図である。
【図７】回転内筒が正転及び逆転を繰り返した場合の減衰力と時間との関係を示すグラフである。
【図８】従来の減衰装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
２…作用室、５…圧力調整手段、６…粘性流体、１０…固定外筒、２１…回転内筒、３０…スクリューロッド、４０…スクリューナット、５０…バッファ容器
【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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