(57)【要約】【課題】あらゆる方向から入力された振動を効果的に減衰させることができる制振装置を提供すること。【解決手段】制振対象物１２の揺れにより揺動する振り子３４、３６と、振り子３４、３６の揺動を粘性せん断抵抗力により減衰させる回転ダンパ１４と、を備えた制振装置１０において、回転ダンパ１４は、内部に粘性流体が充填された収納部材１６、１８と、粘性流体から粘性せん断抵抗力が負荷され収納部材１６、１８に回転可能に支持された回転部材２２とを有し、振り子３４、３６は当該振り子３４、３６の揺動により弾性変形する弾性部材５１により所定の位置で保持されている構成とした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制振対象物の揺れにより揺動する振り子と、前記振り子の揺動を粘性せん断抵抗力により減衰させる回転ダンパと、を備えた制振装置において、
前記回転ダンパは、内部に粘性流体が充填された収納部材と、前記粘性流体から前記粘性せん断抵抗力が負荷され前記収納部材に回転可能に支持された回転部材とを有し、
前記振り子は、該振り子の揺動により弾性変形する弾性部材により所定の位置で保持されていることを特徴とする制振装置。
【請求項２】
前記弾性部材の静的ばね定数は、前記振り子と前記弾性部材とからなる振動系の共振周波数が実用領域下限周波数の１／√（２）以下となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
【請求項３】
前記弾性部材は、前記回転部材に取り付けられ前記振り子が所定の位置で保持されるように弾性力を負荷する捩りばねであることを特徴とする請求項１又は２に記載の制振装置。
【請求項４】
前記弾性部材は、前記回転部材に取り付けられ前記振り子が所定の位置で保持されるように弾性力を負荷するゼンマイばねであることを特徴とする請求項１又は２に記載の制振装置。
【請求項５】
前記回転ダンパの粘性せん断抵抗力を可変にする抵抗力可変手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動吸振作用により構造物を制振させる制振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すように、振り子式の制振装置１５０が従来から知られている。この制振装置１５０は、地面に取り付けられ支持フレーム１５２を備えている。また、この支持フレーム１５２上に配置された軸受け部１５４により振り子回転軸１５６が回転可能に支持されている。この振り子回転軸１５６は減速機１５８と接続されており、この減速機１５８には回転体１６０が取り付けられている。また、振り子回転軸１５６には振り子支柱１６２が取り付けられており、この振り子支柱１６２には重錘１６４が取り付けられている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
この振り子式の制振装置１５０によれば、振り子回転軸１５６に減速機１５８を介して回転体１６０が取り付けられているため、制振装置１５０の固有周期を増加させることができ、設置スペースの制約を受けることなく、固有周期の長い構造物に対しても適用することができる。
【０００４】
しかし、上記振り子式の制振装置１５０では、地表面に対して平行方向から入力された振動に対しては振り子の揺動が有効に作用し効果的に制振することができるが、他の方向から入力された振動に対しては、制振させることが困難となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１６４１８７号公報
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、水平方向から入力された振動に限られず、あらゆる方向から入力された振動を効果的に減衰させることができる制振装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
請求項１に記載の発明は、制振対象物の揺れにより揺動する振り子と、前記振り子の揺動を粘性せん断抵抗力により減衰させる回転ダンパと、を備えた制振装置において、前記回転ダンパは、内部に粘性流体が充填された収納部材と、前記粘性流体から前記粘性せん断抵抗力が負荷され前記収納部材に回転可能に支持された回転部材とを有し、前記振り子は、該振り子の揺動により弾性変形する弾性部材により所定の位置で保持されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、例えば地震などにより制振対象物が振動すると、この振動が回転ダンパに伝達され、さらに回転ダンパから振り子に伝達される。これにより、振り子は、弾性部材により保持された所定の位置を揺動中心として揺動する。なお、振り子は弾性部材により保持されているが、弾性部材が弾性変形することにより、振り子の揺動が可能となる。
ここで、振り子が揺動すると、回転部材も収納部材に対して回転するため、回転部材には内部の粘性流体から粘性せん断抵抗力が負荷される。回転部材に粘性せん断抵抗力が負荷されると、振り子の揺動が減衰していき、やがて停止する。このように、制振対象物に発生した振動の振動エネルギーは、振り子の運動エネルギーに変換され、その運動エネルギーが粘性流体との摩擦により熱エネルギーに変換される。この結果、振動エネルギーが消滅して制振対象物の振動がおさまる。
以上説明したようなメカニズムにより、制振対象物の振動が収束していくが、振り子を収納部材に対して回転可能な回転部材に取り付けており、かつ弾性部材で保持するようにしたので、振り子が保持される所定の位置を３６０度の範囲で変化させることができる。この結果、振り子が保持される各位置においてその接線方向に入力された振動を効果的に減衰することができ、さらに振り子が３６０度の範囲で保持されることにより３６０度全ての方向から入力された振動を効果的に減衰させることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の制振装置において、前記弾性部材の静的ばね定数は、前記振り子と前記弾性部材とからなる振動系の共振周波数が実用領域下限周波数の１／√（２）以下となるように設定されていることを特徴とする
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、弾性部材の静的ばね定数は、振り子と弾性部材とからなる振動系の共振周波数が実用領域下限周波数の１／√（２）以下となるように設定されているので、振り子と弾性部材とからなる振動系により生じる共振（第１の共振という。）を、いわゆる実用領域から省くことができる。これにより、制振対象物の共振（第２の共振という。）と前記第１の共振とが干渉することがないため、常に一定の減衰効果を得ることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の制振装置において、前記回転部材に取り付けられ前記振り子が所定の位置で保持されるように弾性力を負荷する捩りばねであることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、回転部材に取り付けた捩りばねで振り子を保持することにより、振り子を保持する位置を微調整することができる。これにより、振り子を保持する位置を微調整することができる分だけ、振動をより効果的に減衰させることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の制振装置において、前記弾性部材は、前記回転部材に取り付けられ前記振り子が所定の位置で保持されるように弾性力を負荷するゼンマイばねであることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、弾性部材としてゼンマイばねを選択することにより、ばね強度が低くかつ撓み量が大きくなるため、振り子を所定の位置に保持しながらも振り子を揺動し易くすることができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制振装置において、前記回転ダンパの粘性せん断抵抗力を可変にする抵抗力可変手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、抵抗力抵抗可変手段を備えているので、制振対象物の振動により揺動した振り子により回転させられる回転部材への抵抗を変化させることができるため、制振対象物の振動の種類に合わせて最適な粘性せん断抵抗力を得ることができる。この結果、制振対象物に異なる振動周期、周波数の振動が作用した場合でも、制振対象物をより効果的に制振させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態の制振装置について、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１及び図２に示すように、本発明の制振装置１０は、例えば高層ビルなどの構造物１２に取り付けられる回転ダンパ１４を備えている。この回転ダンパ１４は筒状の収納ケース１６を備えている。この収納ケース１６の一方の端部には蓋部材１８が装着されており、収納ケース１６の一方の端部の開口が閉塞されている。この蓋部材１８の略中央には開孔２０が形成されており、この開孔２０により回転軸２２が回転可能に支持されている。なお、この収納ケース１６の他方の端部は構造物１２に取り付けられている。
【００１８】
また、回転軸２２の一方の端部は、収納ケース１６の外側に位置しており、軸径が大きくなるように形成されている。また、回転軸２２の他方の端部は収納ケース１６の内部に位置している。回転軸２２の他方の端部には、抵抗ギヤ２４が取り付けられている。収納ケース１６の内部は粘性流体Ｌで充填されており、回転軸２２が回転すると抵抗ギヤ２４を介して回転軸２２に粘性せん断抵抗力が作用する。
また、図３に示すように、抵抗ギヤ２４の側面には、４つの収納溝２６が形成されており、各収納溝２６に各抵抗板２８がそれぞれ収納されている。各抵抗板２８には１つの円孔３０が形成されている。なお、この各抵抗板２８の枚数や円孔３０の数は、構造物１２に作用する振動を予め想定して、所定の粘性せん断抵抗力が得られるように設定される。
【００１９】
図１及び図２に示すように、回転軸２２の一方の端部には挿入孔３２が形成されており、この挿入孔３２には振り子を構成する棒状の回転アーム３４（図２では省略）の一方の端部が挿入されている。この挿入孔３２の内周面には回転アーム３４の後述のネジ溝４０と螺合する螺合溝（図示省略）が形成されている。回転アーム３４のネジ溝４０と螺合溝とが螺合することにより、回転アーム３４が回転軸２２に対して取り付けられる構成である。
【００２０】
また、図１及び図４に示すように、回転アーム３４の他方の端部には重錘３６が取り付けられている。
ここで、この重錘３６は円柱形上に形成されており、この重錘３６の軸方向には貫通孔３８が形成されている。この貫通孔３８に回転アーム３４の他方の端部が挿通されている。さらに、回転アーム３４には、その軸方向に沿ってネジ溝４０が形成されている。このネジ溝４０には前記貫通孔３８の径よりも大きな径を有するナット４２が螺合しており、回転アーム３４が挿通された重錘３６の底部をナット４２が支持することにより重錘３６が回転アーム３４に対して取り付けられている。なお、上記重錘３６の質量や回転アーム３４の取付位置は、構造物１２に作用する振動を予め想定して、慣性モーメントが得られるように設定される。
【００２１】
また、図１及び図４に示すように、重錘３６には他端が平板５３に固定されたコイルばね５１の一端が接続されており、重錘３６が下側から回転アーム３４により支持されている。このように、本実施形態の制振装置１０では、回転アーム３４の軸が水平方向に延在するように、重錘３６がコイルばね５１により支持されている。なお、この平板５３は各位置で重錘３６を保持できるように移動可能な構成で各位置において固定されており、回転アーム３４の回転に従って、コイルばね５１が常に回転アーム３４の軸方向に対して直交方向から重錘３６を支持できるようになっている（図４中２点鎖線参照）。
【００２２】
ここで、コイルばね５１の静的ばね定数は、回転アーム３４及び重錘３６（両者合わせて「振り子」という。）とコイルばね５１からなる振動系の共振周波数が実用領域下限周波数の１／√（２）（√（２）とは、２の平方根を意味している。以下、本明細書において同様。）以下となるように設定されている。具体的には、実用領域下限周波数をＴ、コイルばね５１の静的ばね定数をＫ、コイルばね５１の共振周波数をＷ、回転アーム３４の全長をＲ、揺動中心Ｇから重錘３６の重心までの距離をＬ、重錘３６の質量をＭとすると、Ｗ＝√（Ｋ／Ｍ）Ｒ／Ｌとなり、Ｋ＝Ｌ２Ｗ２Ｍ／Ｒ２で表されるが、Ｗ≦Ｔ／√（２）を具備する必要があるため、Ｋ≦Ｌ２ＭＴ２／２Ｒ２となるように設定されている。
【００２３】
次に、本実施形態の制振装置１０の作用について説明する。
【００２４】
図１及び図２に示すように、構造物１２が地震などにより揺れると、その振動が回転ダンパ１４に伝達される。回転ダンパ１４に伝達された振動は、回転軸２２を介して回転アーム３４に伝達される。回転アーム３４に振動が伝達されると、重錘３６が回転軸２２の軸線上の点Ｇを揺動中心として回転アーム３４とともに揺動する。このとき、重錘３６及び回転アーム３４の揺動とともにコイルばね５１が伸縮する。すなわち、コイルばね５１の弾性変形により、重錘３６及び回転アーム３４の揺動が許容される。
【００２５】
重錘３６が回転アーム３４とともに揺動すると、回転アーム３４が回転軸２２に固定されているため、回転軸２２もその揺動方向に回転する。回転軸２２が回転とすると、当然に抵抗ギヤ２４が抵抗板２８とともに回転するが、この抵抗板２８に粘性流体Ｌから粘性せん断抵抗力が作用する。なお、粘性流体Ｌの一部は円孔３０を通過する。
すなわち、回転軸２２が回転する度に粘性流体Ｌから粘性せん断抵抗力が作用し、回転軸２２の回転エネルギーが粘性流体Ｌとの摩擦により熱エネルギーに変換されていくため、回転軸２２の回転角度が時間とともに小さくなり、やがて回転軸２２の回転が停止する。このように、構造物１２に作用した振動により振り子を揺動させ、この振り子の揺動を早期に停止させることにより、構造物１２の振動を早期に減衰させることができるという効果を得ることができる。
【００２６】
ここで、特に本発明の制振装置１０によれば、図４に示すように、回転アーム３４の軸が鉛直下方向に対して９０度となるように、重錘３６がコイルばね５１により支持されている。このため、回転アーム３４の軸方向に対して垂直方向に揺れる所定の周波数の振動を効果的に減衰させることができる。このように、回転軸２２が３６０度回転することができ、かつ平板５３も移動可能に構成されているため、重錘３６を３６０度の範囲で保持することができる。この結果、図６に示す点線Ａに示すように、あらゆる方向から入力した振動を効果的に減衰させることができる。このように、重錘３６が保持される各位置においてその接線方向に入力された振動を効果的に減衰することができ、さらに重錘３６が３６０度の範囲で保持されることにより３６０度全ての方向から入力された振動を効果的に減衰させることができるという効果が本発明の制振装置１０の特有の効果である。
【００２７】
ところで、図４及び図６に示すように、コイルばね５１により重錘３６を支持すると、コイルばね５１も振動するため（図６の二点鎖線Ｂで図示）、別の新たな共振（第１の共振（図６の共振点Ｘ））が発生する。この第１の共振と構造物１２が振動（図６の実線Ｃで図示）することによる共振（第２の共振（図６の共振点Ｙ））とが干渉すると、制振対象となる振動の特性が一定とならないため、常に安定した制振効果を得ることができない。
ここで、本発明の制振装置１０によれば、図６に示すように、静的ばね定数ＫをＫ≦Ｌ２ＭＴ２／２Ｒ２となるように設定したため、実用領域下限周波数Ｔの１／√（２）（√（２）は２の平方根を意味する）以下の非実用領域に共振点Ｘを生じさせることができる。このため、第１の共振と第２の共振とが干渉することがないため、制振対象となる振動の特性が変化することがなく、常に安定した制振効果を得ることができる。
なお、本明細書では、実用領域下限周波数Ｔを√（２）としているため、共振点Ｘの共振周波数Ｗが１以下となる範囲で静的ばね定数Ｋが設定される。
【００２８】
また、図５に示すように、粘性流体Ｌからの粘性せん断抵抗力を変化させたい場合には、抵抗ギヤ２４に取り付けられる各抵抗板２８に形成された円孔３０の数を増減させればよい。これにより、構造物１２に作用した振動の振動周期及び周波数に対応させた減衰抵抗を得ることができる。なお、各抵抗板２８は、抵抗ギヤ２４に形成された各収納溝２６に装着するだけで、容易に取り付けることができる。
【００２９】
また、図１に示すように、重錘３６はナット４２で支持されて回転アーム３４に取り付けられているだけであるため、ナット４２の螺合位置を変化させることにより、容易に重錘３６の取付位置を変化させることができる。また、ナット４２の螺合を外すことにより、重錘３６を回転アーム３４から容易に取り外すことができる。
ここで、制振効果を高めるために、回転ダンパ１４の粘性減衰力と、揺動中心Ｇから重錘３６までの距離（適宜、「回転アームの振れ長さ」と称する）と、重錘３６の質量との３つの関係が重要となるが、ナット４２の螺合位置を変えることにより容易に回転アーム３４の振れ長さを変化させることができ、また、ナット４２の螺合を解くことにより容易に質量の異なる他の重錘に取り替えることができる。
【００３０】
さらに、回転アーム３４の軸方向に沿ってネジ溝４０が形成されているので、重錘３６の取付位置を無段階に調整することができる。このため、振り子の慣性モーメントを微調整することが可能となり、さらに制振効果を高めることができる。
【００３１】
なお、上記実施形態の制振装置１０では、重錘３６がコイルばね５１により所定の位置に保持される形態を示したが、この形態に限られるものではない。
【００３２】
例えば、図示しないが、回転アーム３４の端部にリング（図示省略）を形成し、このリングを回転軸２２に対して回転できるように回転軸２２の外周に嵌め込むとともに、回転軸２２の外周に支持片（図示省略）を形成してもよい。かかる構成により、捩りばね（図示省略）を回転軸２２に嵌め、捩りばねが回転しないように捩りばねの一端を支持片で支持するとともに、捩りばねの他端が回転アーム３４を支持するようにしてもよい。これにより、回転アーム３４には捩りばねから弾性力が負荷されることになり、重錘３６を所定の位置で保持することができる。このように、捩りばねを用いたことにより、重錘３６を保持する位置を微調整することができ、重錘３６を保持する位置を微調整できる分だけ、さらに制振効果を高めることができるとともに、平板５３を不要にできる。
【００３３】
また、捩りばねに限ることはなく、ゼンマイばね（図示省略）で回転アーム３４を支持し、重錘３６を所定の位置で保持するようにしてもよい。ゼンマイばねを選択することにより、ばね強度が低くかつ撓み量が大きくなるため、回転アーム３４の拘束を極力排除でき振り子３４、３６の揺動の自由度が向上する。このように、重錘３６を所定の位置に保持しながらも振り子を揺動し易くすることができるため、制振効果をさらに高めることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した本発明の制振装置においては、以下の効果を奏する。
請求項１記載の発明は、振り子が保持される各位置においてその接線方向に入力された振動を効果的に減衰することができ、さらに振り子が３６０度の範囲で保持されることにより３６０度全ての方向から入力された振動を効果的に減衰させることができる。
【００３５】
請求項２記載の発明は、弾性部材の静的ばね定数は、振り子と弾性部材とからなる振動系の共振周波数が実用領域下限周波数の１／√（２）以下となるように設定されているので、振り子と弾性部材とからなる振動系により生じる共振（第１の共振という。）を、いわゆる実用領域から省くことができる。これにより、制振対象物の共振と前記第１の共振とが干渉することがないため、常に一定の減衰効果を得ることができる。
【００３６】
請求項３記載の発明は、回転部材に取り付けた捩りばねで振り子を保持することにより、振り子を保持する位置を微調整することができる。これにより、振り子を保持する位置を微調整することができる分だけ、振動をより効果的に減衰させることができる。
【００３７】
請求項４記載の発明は、弾性部材としてゼンマイばねを選択することにより、ばね強度が低くかつ撓み量が大きくなるため、振り子を所定の位置に保持しながらも振り子を揺動し易くすることができる。
【００３８】
請求項５記載の発明は、抵抗力抵抗可変手段を備えているので、制振対象物の振動により揺動した振り子により回転させられる回転部材への抵抗を変化させることができるため、制振対象物の振動の種類に合わせて最適な粘性せん断抵抗力を得ることができる。この結果、制振対象物に異なる振動周期、周波数の振動が作用した場合でも、制振対象物をより効果的に制振させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る制振対象物に取り付けられた制振装置の斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る制振装置を構成する回転ダンパの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る制振装置を構成する回転部材及び抵抗力可変手段の斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る制振対象物に取り付けられた制振装置の正面図である。
【図５】図３に示した回転部材及び抵抗可変手段とは別形態となる回転部材及び抵抗力可変手段の斜視図である。
【図６】縦軸に静的ばね定数Ｋをとり、横軸に周波数Ｆをとったときの各振動曲線を示したグラフである。
【図７】従来の振り子式制振装置の構成図である。
【符号の説明】
１０    制振装置
１２    構造物（制振対象物）
１４    回転ダンパ
１６    収納ケース（収納部材）
１８    蓋部材（収納部材）
２２    回転軸（回転部材）
２４    抵抗ギヤ（回転部材）
２８    抵抗版（抵抗力可変手段）
３４    回転アーム（吊り部材、振り子）
３６    重錘（錘）
５１    コイルばね（弾性部材）
【図１】
2004293690.tif 000003
【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】
2004293690.tif 000008
【図７】
2004293690.tif 000009