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JP2017187093A - 免震装置 - Google Patents

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JP2017187093A JP2016075255A JP2016075255A JP2017187093A JP 2017187093 A JP2017187093 A JP 2017187093A JP 2016075255 A JP2016075255 A JP 2016075255A JP 2016075255 A JP2016075255 A JP 2016075255A JP 2017187093 A JP2017187093 A JP 2017187093A
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Abstract

【課題】空気浮上機構の安定性を向上させ、鉛直方向の振動に対する免震機構との組み合わせを実現可能な免震装置を提供する。【解決手段】第1の平滑面14aを有するベース14と、第2の平滑面16aを有するスライダ16の両平滑面を対向配置させて、対向配置した2つの平滑面14a,16aの間にエアを噴出してスライダ16を浮上させる空気浮上機構12と、弾性体により構成される容器20を有し、容器20内に貯留されたエアにより容器20が鉛直方向に押圧される際の弾性力を調節可能な空気ばね18と、を備え、スライダ16と上下直列に空気ばね18を配置したことを特徴とする。【選択図】図1

Description

本発明は、免震装置に係り、特に振動の周期が長い大地震に対応可能な免震装置に関する。
大地震を想定した免震装置としては、鉛直方向の振動に対するものや、水平方向の振動に対するものがそれぞれ種々提案されており、これらの各方向に対応した免震機構を組み合わせた装置も提案されている。
例えば、特許文献1に開示されている装置は、スプリングなどの正ばね特性を有する除振機構と、電気制御によって負ばね特性を生じさせる制御機構を直列に配置した鉛直方向の振動に対する除振装置である。また、特許文献2に開示されている装置は、チャンバー空間を有する空気パッドから圧縮空気を噴出させることによる空気浮上で、水平方向の振動を遮断する免震装置である。さらに、特許文献3や特許文献4に開示されている免震装置は、鉛直方向に対する免震機構と水平方向に対する免震機構とを組み合わせた3次元免震装置である。
特開2007−107722号公報 特開2001−208131号公報 特開平10−122295号公報 特許第4706312号公報
特許文献1に開示されている除振装置は、コイルスプリング(正ばね)と電気制御による負ばね特性を組み合わせることによりコンプライアンスの低減を図り、鉛直方向の振動に対する除振効果を高めるというものであるが、通常の負ばねだけでは安定に保持することはできない。このため電気制御に頼らざるを得ない。よって、制御系が煩雑なものとなり、また大きな制御力に頼らざるをえないといった問題がある。
そこで、本発明の第1の課題として、大きな変位の鉛直方向の振動に対応可能であり、かつ負ばね特性を生じさせる際に電気制御に頼る事の無い免震装置を提供することを目的とする。
また、特許文献2に開示されているような構成の免震装置は、理論上反力は生じないため、水平方向の振動に対する免震効果は非常に高いが、スライダである空気パッドは、ベースである上面板との対向面に凹状に形成された大きなチャンバーが備えられている。このため、浮上のための空気層が形成される面積(浮上に寄与する面積)が小さくなり、免震部位となるスライダ上に重量物を載置した際には、不安定な状態となってしまう虞がある。このため、実用上、鉛直方向の振動に対する耐性が弱く、鉛直方向の振動に対する免震装置との組み合わせも実現性が低いと考えられる。
このような実状から、特許文献3、4に開示されている免震装置は、鉛直方向の揺れに対する免震機構と水平方向の揺れに対する免震機構を組み合わせた複合的な免震装置であるが、いずれも水平方向の免震機構としては、空気ばねやコイルばねを使用しており、免震効果の高い空気浮上機構との組み合わせは、成されていない。
そこで、本発明の第2の課題として、空気浮上機構の安定性を向上させ、鉛直方向の振動に対する免震機構との組み合わせを実現可能な免震装置を提供することを目的とする。
上記課題の少なくとも一部を解決するための本発明に係る免震装置は、第1の平滑面を有するベースと、第2の平滑面を有するスライダの両平滑面を対向配置させて、対向配置した2つの前記平滑面の間にエアを噴出して前記スライダを浮上させる空気浮上機構と、弾性体により構成される容器を有し、前記容器内に貯留されたエアにより前記容器が鉛直方向に押圧される際の弾性力を調節可能な空気ばねと、を備え、前記スライダと上下直列に前記空気ばねを配置したことを特徴とする。
また、上記課題の少なくとも一部を解決するための本発明に係る免震装置としては、第1リンク部材と、前記第1リンク部材に平行に、かつ離間して配置される第2リンク部材と、前記第1リンク部材と前記第2リンク部材との間に平行配置される第3リンク部材とを有し、前記第1リンク部材と前記第3リンク部材との間には、第1傾倒リンク部材が設けられ、前記第2リンク部材と前記第3リンク部材との間には、第2傾倒リンク部材が設けられ、前記第1リンク部材と前記第2リンク部材との離間距離が狭められた際、前記第3リンク部材が平行移動する構成とされ、前記第1傾倒リンク部材に一方の端部を接続すると共に、前記第1傾倒リンク部材と同じ傾斜方向に傾倒角度を有し、他方の端部を前記第1リンク部材または前記第3リンク部材に接続する第1ばねと、前記第2傾倒リンク部材に一方の端部を接続すると共に、前記第2傾倒リンク部材と同じ傾斜方向に傾倒角度を有し、他方の端部を前記第2リンク部材または前記第3リンク部材に接続する第2ばねとが設けられ、前記第1ばね、及び前記第2ばねの前記傾倒角度を変化させることにより、前記第1リンク部材と前記第2リンク部材との離間距離が変化した際に生ずる力の大きさを調整可能な構成としたリンク式ばねを備えることを特徴とすることもできる。
また、上記のような特徴を有する免震装置は、弾性体により構成される容器を有し、前記容器内に貯留されたエアにより前記容器が鉛直方向に押圧される際の弾性力を調節可能な空気ばねと、前記リンク式ばねと、を並列配置し、前記リンク式ばねを構成する前記第1ばね、及び前記第2ばねの傾倒角度を、前記リンク式ばねが負ばねとしての特性を得る傾倒角度に設定するものであっても良い。
このような特徴を有する免震装置によれば、空気ばねが正ばねとして働き、リンク式ばねが負ばねとして働くこととなる。このため、ばね全体のストロークが大きくなった場合でも、それに対する発生力の増加を抑制することができる。
また、上記のような特徴を有する免震装置は、前記リンク式ばねを複数、並列に配置し、少なくとも1つの前記リンク式ばねにおける前記第1ばね、及び前記第2ばねの傾倒角度を、前記リンク式ばねが正ばねとしての特性を得る傾倒角度に設定すると共に、その余の前記リンク式ばねにおける前記第1ばね、及び前記第2ばねの傾倒角度を、前記リンク式ばねが負ばねとしての特性を得る傾倒角度に設定するものであっても良い。
このような特徴を有する免震装置によれば、鉛直方向の免震機構として、エアの供給手段等の動力を持つ必要がなくなる。また、ばね全体のストロークを大きくした場合であっても、それに対する発生力を抑制することができる。
また、上記のような特徴を有する免震装置は、第1の平滑面を有するベースと、第2の平滑面を有するスライダの両平滑面を対向配置させて、対向配置した2つの前記平滑面の間にエアを噴出して前記スライダを浮上させる空気浮上機構と、前記リンク式ばねと、を備え、前記スライダと上下直列に前記リンク式ばねを配置するものとすることもできる。
このような特徴を有する免震装置によれば、可動時における空気浮上機構の安定性を向上させ、鉛直方向の振動に対する免震機構との組み合わせを実現することができる。
また、上記のような特徴を有する免震装置は、前記空気浮上機構を稼働させる際、前記容器に貯留されたエアを前記空気浮上機構に供給するエア供給経路を設けるようにすることもできる。
このような特徴を有する免震装置によれば、空気浮上機構を稼働させる際にエア供給手段の稼働が不要となる。よって、停電時においても空気浮上機構を稼働させることができる。
さらに、上記のような特徴を有する免震装置は、前記リンク式ばねを複数、並列に配置する際、前記第1傾倒リンク部材、及び前記第2傾倒リンク部材の作動面が交差する方向となるように配置することが望ましい。
このような特徴を有する免震装置によれば、複数のリンク式ばねの相互作用により、第1リンク部材と第2リンク部材のズレが抑制される。よって、鉛直方向の振動に対して、常に第1リンク部材と第2リンク部材の鉛直方向位置を一致させておくことができる。
上記のような特徴を有する免震装置において、リンク式ばねを有するものは、大きな変位の鉛直方向の振動に対応可能であり、かつ負ばね特性を生じさせる際に電気制御に頼る事が無い。
また、空気浮上機構を有するものは、可動時における空気浮上機構の安定性を向上させ、鉛直方向の振動に対する免震機構との組み合わせを実現することができる。
第1の実施形態に係る免震装置の構成を示す図である。 第1の実施形態に係る免震装置におけるエア供給手段の第1の変形例を示す図である。 第1の実施形態に係る免震装置におけるエア供給手段の第2の変形例を示す図である。 第1の実施形態に係る免震装置におけるエア供給手段の第3の変形例を示す図である。 第2の実施形態に係る免震装置の構成を示す図である。 リンク式ばねの稼働状態における形態変化の様子を示す図である。 リンク式ばねにおける第1傾倒リンク部材と第2傾倒リンク部材の傾倒角度が異なった場合に生じる第1リンク部材と第2リンク部材のズレを説明するための図である。 リンク式ばねを複数配置する場合における個々のリンク式ばねの配置形態を説明するための図である。 リンク式ばねの第1の変形例を示す図である。 リンク式ばねの第2の変形例を示す図である。 第3の実施形態に係る免震装置の構成を示す図である。 第4の実施形態に係る免震装置の構成を示す図である。 第4の実施形態に係る免震装置の具体例を示す側面図である。 図13におけるA−A断面からの矢視を示す図である。 第5の実施形態に係る免震装置の構成を示す図である。 第5の実施形態に係る免震装置の具体例を示す側面図である。 図16におけるB−B断面からの矢視を示す図である。 第6の実施形態に係る免震装置の構成を示す図である。
以下、本発明の免震装置に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、実施形態で示す各要素の具体的形態については、その機能を発揮することができる範囲での変更は、本発明を実施する上で影響を与えるものでは無い。
[空気浮上+空気ばね(正ばね)]
まず、第1の実施形態に係る免震装置10は、図1に示すように、空気浮上機構12と空気ばね18とを基本として構成される3次元免震装置である。空気浮上機構12は、水平方向の振動に対する免震効果を担う機構であり、空気ばね18は、鉛直方向の振動に対する免震効果を担う機構である。
[空気浮上機構]
実施形態に係る空気浮上機構12は、ベース14と、スライダ16を基本として構成されている。ベース14は、少なくとも鉛直方向上面に位置する面が、平滑面14a(第1の平滑面)を有する定盤とすることが望ましい。また、図示しないが、少なくとも四隅に、高さ調節手段を備え、設置個所に対して、平滑面14aの水平出しができるように構成されていることが望ましい。スライダ16を空気浮上させた際、重力によりスライダ16が移動してしまうという事態を防ぐためである。
スライダ16は、ベース14に形成された平滑面14a上を滑る役割を担い、免震対象とする構造物100、および詳細を後述する空気ばね18は、このスライダ16の上に載置されることとなる。スライダ16は、ベース14に形成された平滑面14aと対向する面に形成される平滑面16a(第2の平滑面)と、対向する2つの平滑面14a,16aの間にエアを噴出させるためのエア噴出口16b、およびエア噴出口16bにエアを供給するためのエア供給経路16cを有することを基本として構成されている。
エア噴出口16bの周囲には、チャンバーとなる余剰空間を設け無い構成とすることで、ベース14とスライダ16との間に形成される空気層を薄く、剛性が高いものとすることができる。このため、鉛直方向の振動が付与された際に、空気層が圧縮されても変形量は小さく、ベース14の平滑面14aにスライダ16が衝突するといった事態を避けることができる。よって、スライダ16の上部に構造物100等の重量物や鉛直方向に対する免震機構を載置した場合であっても、スライダ16を安定浮上させ、その機能を発揮することが可能となる。なお、エア噴出口16bの周囲に、チャンバーとなる余剰空間を設ける構成とした場合であっても、ベース14とスライダ16との間に形成される空気層が、上述したように剛性が高いものとすることができる範囲であれば、本発明を実施する上でその効果を妨げる虞は無い。また、ベース14とスライダ16は、異なる材質の部材により構成することが望ましい。空気浮上機構12が稼働していない状態において、密接する2つの平滑面14a,16aが、分子間力により吸着してしまうことを防止するためである。
[空気ばね]
空気ばね18は、上述した空気浮上機構12を構成するスライダ16の上部に載置され、鉛直方向の振動に対する免震を担う機構である。空気ばね18は、ゴムや、カーカスを樹脂で挟持して構成される積層部材などの可撓性部材によって構成される容器20を有し、容器20内に供給、貯留されたエアの圧縮作用により、緩衝、免震作用を成す免震機構である。このため、支持荷重が変動した場合であっても、容器20内の圧力を調整することで、支持荷重に対する外力による加圧方向のストロークや、押圧される際の弾性力を制御することができる。また、容器20は、圧縮方向に沿って、複数の括れ部を持った多段ベローズ型として、各括れ部には、中間リング22を備えるようにすると良い。中間リング22は、破断特性が高い金属部材などで構成することで、圧縮エアが供給された容器20の圧縮方向中心部のみが膨張してしまうという事態を避けることができる。また、容器20の上下には、剛性の高い金属等により構成されたエンドプレート24,26を配置することで、容器20の上下端(平坦となるべき部位)が膨張することを防ぐことができる。図1に示す形態では、下端側(スライダ16側)に配置されるエンドプレート24に、容器20内にエアを供給するためのエア供給経路24aが設けられている。
このような構成の空気ばね18は、作動流体としてのエアが圧縮性を有することから、コイルばね等に比べて、外力によるストロークの変化に対して発生力の変動を緩やかなものとすることができる。さらに、エアの粘性により、振動の減衰効果を発揮することも容易であるといった特徴がある。また、空気ばね18は、外力に対するストロークを長くした場合、座屈し易くなるといった課題があるが、空気浮上機構12におけるスライダ16と直列に配置し、水平方向の揺れに対する免震効果を得ることで、水平方向の揺れに起因して生じる座屈を防ぐことができる。
[エア供給手段]
上記のような空気浮上機構12と空気ばね18には、エア供給手段28が接続されている。エア供給手段28は、ポンプ30と、サージタンク32、レギュレータ(34a,34b)、およびストップバルブ(36a,36b)などが介在され、空気浮上機構12と空気ばね18のそれぞれに接続されている。ポンプ30は、空気浮上機構12や空気ばね18に供給するエアを圧送するための手段であり、サージタンク32は、圧縮空気を一時的に貯留するための手段である。ポンプ30により圧送されるエアをサージタンク32に一時的に貯留する事により、供給エアの脈動を抑え、エアの安定供給を行う事が可能となる。また、レギュレータ(34a,34b)は、空気浮上機構12や空気ばね18に供給するエアの圧力を調整するための手段であり、ストップバルブ(36a,36b)は、エアの供給経路の開閉を行うための手段である。
図1に示す形態の場合、ポンプ30がサージタンク32に接続されており、サージタンク32からのエア供給経路が2つの経路に分岐されている。一方の経路は、空気浮上機構12におけるスライダ16のエア供給経路16cに接続される経路である。また、他方の経路は、空気ばね18を構成する下端側のエンドプレート24に設けられたエア供給経路24aに接続される経路である。各経路には、それぞれ第1レギュレータ34a、第2レギュレータと、第1ストップバルブ36a、第2ストップバルブ36bが設けられ、各要素へのエアの供給の有無と、供給エアの圧力制御を行うことが可能な構成とされている。
このような構成の免震装置10では、地震の第1波が生じた際、当該第1波を図示しないセンサ等により検出し、ストップバルブ36bを開放してスライダ16を浮上させる。これにより、水平方向の振動に対する免震効果を発揮することができるようになる。空気ばね18に対するエアの供給は、図示しない圧力センサ等により、容器20内部の圧力が所定の値を保つように、ストップバルブ36aのオン、オフ制御が成されるようにすれば良い。これにより、鉛直方向の振動に対する免震効果を発揮することが可能となる。
また、図示しないが、空気ばね18に補助タンクを追加して空気容積を増やし、ばね剛性を更に小さなものにすることも、従来から行われている。さらに、上記の説明では、鉛直方向の負荷に対応して圧力を調整する手段として、レギュレータを用いる例を挙げたが、レべリングバルブと称する三方弁を用いた接触式のレベル維持機構や、それを非接触で行う手法などがある。
上記のような特徴を有する免震装置10によれば、空気浮上機構12の安定性を向上させ、鉛直方向の振動に対する免震機構との組み合わせを実現させることができる。
[変形例1]
また、上記実施形態では、エア供給手段28について、サージタンク32からのエア供給経路を2つの経路に分岐させ、一方の経路を空気浮上機構12に、他方の経路を空気ばね18にそれぞれ接続するとともに、双方の経路にそれぞれ第1レギュレータ34a、第2レギュレータ34bと、第1ストップバルブ36a、第2ストップバルブ36bを配置する構成とする旨記載した。しかしながら、エア供給手段28のエア供給経路は、図2に示すようなものとしても良い。
具体的には、サージタンク32からのエア供給経路を分岐させる前に、第1レギュレータ34aと第1ストップバルブ36aを配置している。そして、第1ストップバルブ36aの後段に位置するエア供給経路を2つの経路に分岐させ、一方の経路を空気ばね18に接続し、他方の経路を空気浮上機構12に接続している。ここで、図2に示す形態では、分岐経路のうち、空気浮上機構12に接続している経路にのみ、第2レギュレータ34bと、第2ストップバルブ36bを配置する構成としている。
このような構成とした場合には、空気浮上機構12に対するエアの供給は、空気ばね18から成されることとなる。すなわち、第2ストップバルブ36bが解放されることにより、空気ばね18に貯留された圧縮空気が空気浮上機構12に供給されることとなり、空気浮上機構12が、その機能を発揮することとなる。なお、このような構成とする場合、空気ばね18に貯留されている圧縮空気は、空気浮上機構12を機能させるための空気圧よりも圧力が高く設定されている必要がある。また、空気ばね18に貯留されている圧縮空気の容量は、空気浮上機構12を稼働させる際に消費される空気の量よりも十分に大きいものとすることが望ましい。
エア供給手段28の構成をこのようなものとした場合であっても、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。また、エア供給手段28をこのような構成とした場合、空気浮上機構12を一時的に稼働させる場合には、ポンプ30を稼働させる必要が無くなる。よって、停電時においても、空気浮上機構12を稼働させることが可能となる。
[変形例2]
また、空気浮上機構12に対するエアの供給を空気ばね18を介して行うようにする場合、図3のような構成とすることもできる。図3に示す構成では、ポンプ30を基点として、少なくとも一部を分岐させて2系統としていたエア供給経路を1系統にまとめている。具体的には、エア供給手段28によるエア供給経路から供給されるエアが、エア供給経路24aを介して空気ばね18を構成する容器20に供給されるように構成されている。また、容器20と空気浮上機構12との間に、容器20内に貯留されたエアをスライダ16とベース14の間に供給するエア供給経路16dを備える構成としている。このような構成とすることで、空気圧制御を一本化することができ、供給するエアの管理、調整などが容易になる。
このような構成とする場合には、図3からも読み取れるように、空気ばね18の有効面積よりも空気浮上機構12におけるスライダ16の有効面積を大きく構成すると良い。このような構成とすることで、免震装置10を浮上させることができる。また、このような構成では、空気浮上機構12は、その近傍に大きな空気源として、空気ばね18の容器20を持つこととなる。このため、浮上時の安定性を高めることができる。
[変形例3]
さらに、エア供給手段28のエア供給経路は、図4に示すようなものとしても良い。具体的には、ポンプ30とサージタンク32との間の経路に、第1レギュレータ34aと第1ストップバルブ36aを配置している。サージタンク32からのエア供給経路を2つの経路に分岐させ、一方の経路を空気ばね18に接続し、他方の経路を空気浮上機構12に接続している。ここで、図4に示す形態では、分岐経路のうち、空気浮上機構12に接続している経路にのみ、第2レギュレータ34bと、第2ストップバルブ36bを配置する構成としている。
このような構成とすることにより、空気ばね18は、サージタンク32と常時直結する構成となり、実質的に圧縮空気の要領が増加されたことと同様な効果を得ることができる。このため、図2に示す形態の免震装置10よりも、負荷方向に生じる発生力の変動を緩やかなものとすることができる。
また、空気浮上機構には、第2ストップバルブ36bが開放されることにより、サージタンク32を含む空気ばね18に貯留された圧縮空気が提供されることとなる。よって、エア供給手段28の構成をこのようなものとした場合であっても、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。また、上記変形例と同様に、停電時においても、空気浮上機構12を稼働させることができる。
[空気浮上+リンク式ばね(正ばね)]
次に、第2の実施形態に係る免震装置10Aについて、図5を参照して説明する。本実施形態に係る免震装置10Aも、上述した第1の免震装置10と同様に、空気浮上機構12と、鉛直方向の振動に対する免震機構との組み合わせによって構成される装置である。よって、その構成を同様とする空気浮上機構12については、図面に同一符号を付して、その詳細な説明は省略するものとする。
[リンク式ばね]
第1の実施形態に係る免震装置10との相違点としては、空気ばね18としていた鉛直方向の振動に対する免震機構を、リンク式ばね38としている点にある。実施形態に係るリンク式ばね38は、第1リンク部材40と第2リンク部材42、第3リンク部材44、並びに第1傾倒リンク部材46と第2傾倒リンク部材48、および第1ばね50と、第2ばね52を基本として構成とされている。
第1リンク部材40は、ベース14側(本実施形態においては、空気浮上機構12を構成するスライダ16側)に配置される基礎リンクである。第1リンク部材40には詳細を後述する第1傾倒リンク部材46と、この第1傾倒リンク部材46に平行配置される第1補助傾倒リンク部材54を回動可能に接続するためのヒンジ部40a,40bが形成されている。また、第2リンク部材42は、第1リンク部材40と離間して対向配置される基礎リンクであり、対向面と反対側の面に、免震対象とする構造物100が配置されることとなる。第2リンク部材42にも、第1リンク部材40との対向面側に、第2傾倒リンク部材48と、この第2傾倒リンク部材48に平行配置される第2補助傾倒リンク部材56を接続するためのヒンジ部42a,42bが形成されている。
第3リンク部材44は、離間して配置されることとなる第1リンク部材40と第2リンク部材42の間に平行配置される可動リンクである。第3リンク部材44には、第1リンク部材40との対向面と第2リンク部材42との対向面とにおいて対象な配置形態となるように、第1傾倒リンク部材46と第1補助傾倒リンク部材54をそれぞれ接続するためのヒンジ部44a1,44b1と、第2傾倒リンク部材48と第2補助傾倒リンク部材56をそれぞれ接続するためのヒンジ部44a2,44b2が設けられている。また、第3リンク部材44には、第1ばね50と第2ばね52をそれぞれ接続するためのヒンジ部44c1,44c2が設けられている。
複数のヒンジ部のうち、第1ばね50と第2ばね52を接続するためのヒンジ部44c1,44c2は、ばねの引張状態を調節可能な構成とすると良い。図5に示す形態では、接続部45を配置するための貫通孔45aを複数備え、接続部45を配置する貫通孔54aを変更することにより成すこととしている。接続部45を配置する位置を変えることにより、リンク式ばね38を稼働させた際における自然状態(免震対象とする構造物100等が載置された上での静的状態)における伸縮状態を調節することができるようにするためである。なお、図示しないが、第1ばね50、及び第2ばね52を接続するヒンジ部44c1,44c2の配置位置をスライド調節可能な構成としても良い。このような構成とすることで、例えばヒンジ部44c1,44c2の配置位置を調整するための調整ボルトを回転させるだけで、ヒンジ部44c1,44c2の配置位置を変えることができるようになる。
第1傾倒リンク部材46と第1補助傾倒リンク部材54は、それぞれ第1リンク部材40と第3リンク部材44の間に配置される。具体的には、第1傾倒リンク部材46は、第1リンク部材40のヒンジ部40aと第3リンク部材44のヒンジ部44a1に接続されている。また、第1補助傾倒リンク部材54は、第1リンク部材40のヒンジ部40bと第3リンク部材44のヒンジ部44b1に接続されている。一方、第2傾倒リンク部材48と第2補助傾倒リンク部材56は、第2リンク部材42と第3リンク部材44の間に配置される。具体的には、第2傾倒リンク部材48は、第2リンク部材42のヒンジ部42aと第3リンク部材44のヒンジ部44a2に接続されている。また、第2補助傾倒リンク部材56は、第2リンク部材42のヒンジ部42bと第3リンク部材44のヒンジ部44b2に接続されている。第1傾倒リンク部材46と第2傾倒リンク部材48にはそれぞれ、第1ばね50と第2ばね52を接続するためのヒンジ部58a,58bが設けられている。ヒンジ部58a,58bは、ヒンジ部44c1,44c2と同様に、接続部60を配置するための複数の貫通孔60aを備えており、リンク式ばね38を稼働させた際のばねの発生力を調節可能な構成とされている。
第1ばね50は、第3リンク部材44に設けられたヒンジ部44c1と第1傾倒リンク部材46に設けられたヒンジ部58aの間に配置される。また、第2ばね52は、第3リンク部材44に設けられたヒンジ部44c2と第2傾倒リンク部材48に設けられたヒンジ部58bの間に配置される。このように、本実施形態に係るリンク式ばね38は、第3リンク部材44を基点として、線対称な形態となるように構成されている。
ここで、第1傾倒リンク部材46と第1補助傾倒リンク部材54のヒンジ間距離は同一とし、第2傾倒リンク部材48と第2補助傾倒リンク部材56のヒンジ間距離は同一としている。また、第1傾倒リンク部材46と第2傾倒リンク部材48に対して、第1補助傾倒リンク部材54と第2補助傾倒リンク部材56は、それぞれ平行に配置される。このため、第1リンク部材40と第2リンク部材42、および第3リンク部材44は、第1傾倒リンク部材46と第2傾倒リンク部材48の傾倒角度の如何によらず、平行な状態を維持することとなる。よって、鉛直方向の振動を受けた際に第1リンク部材40と第2リンク部材42との間の離間距離が狭められた場合、第3リンク部材44が水平方向に平行移動することとなる。このため、第1傾倒リンク部材46の傾倒角度と第2傾倒リンク部材48の傾倒角度が同じ場合には、第1リンク部材40と第2リンク部材42の鉛直方向位置が同じになる。
[リンク式ばねの動作]
上記のような構成のリンク式ばね38は、自然状態において、第2傾倒リンク部材48(第1傾倒リンク部材46)のヒンジ部44a2(ヒンジ部44a1)を通る仮想水平線Lと、ヒンジ部44a2(ヒンジ部44a1)と第2ばね52(第1ばね50)の接続部60(接続部60)を通る直線Laの成す角θが小さいほど、リンク式ばね38としての鉛直方向のばね特性が弱くなり、固有振動数の低い、柔らかいばねとしての特性を得る構成とすることができる。さらに、θを小さくするとリンクの支持する上面板(第2リンク部材42)の上下に対するばね荷重の特性が逆転してたわむと支持荷重が小さくなるようになる。このことを図5を用いて説明すると、第2ばね52と第2傾倒リンク部材48のヒンジ部44a2との直交距離dを概略一定に保つことでばねの発生トルクを保持しながら、第2ばね52の作用点である接続部60は、徐々に、第2傾倒リンク部材48の角度変化と同じような変化をすることとなる。このとき角度θによる第2ばね52の引張変位は小さくなり、さらに第2傾倒リンク部材48の角度が大きくなる方に動かすと、直交距離dは大きくなり、ばねトルクが増す。一方で、第2傾倒リンク部材48の角度が小さくなる法に動かすと逆に直交距離は小さくなり、ばねトルクが減じることになる。言い換えると、鉛直方向に押し込むと鉛直方向への発生力が小さくなり、引き上げると鉛直方向への発生力を増すことになることを示している。これは通常のばねの力作用と逆の特性に変化させたことになる。以上のことから、θの角度を小さくする貫通孔60aに接続部60を配置するほど自然状態の形態にあまり影響を与えずに、リンク式ばね38の特性として鉛直方向のばね特性を弱めることや、ばね特性を逆転(たわみ荷重特性の傾きが逆になる)させることができる。
以上のことから、実施形態に係るリンク式ばね38では、鉛直方向のばね特性(発生力)が鉛直たわみの増加に対して大きくなるように設定したものを正ばね特性を有するばねと称し、鉛直方向のばね特性(発生力)が鉛直たわみの増加に対して小さくなるように設定したものを負ばね特性を有するばねと称することとする。正ばね特性と負ばね特性の加算時の仕分けは任意であるが、概ね、系としての安定した荷重保持特性を有するものとすれば良い。
よって、上記のような構成のリンク式ばね38では、第2傾倒リンク部材46(第1傾倒リンク部材46)に対する第2ばね52(第1ばね50)の接続部を変更することにより、正ばね特性を有するものとするか、負ばね特性を有するものとするかを変化させることができる。なお、第3リンク部材44と第2ばね52、第1ばね50の接続位置を変更した場合には、単純に発生力の増減が調節される。この場合当然に、ばねが引っ張られる側に接続されるほど、発生力が増加することとなる。このような構成のリンク式ばね38の稼働状態の動きを図6に示す。図6において、図6(A)は、リンク式ばねの自然状態を示すものである。これに対し、図6(B)はリンク式ばね38が縮んだ状態を示し、図6(C)はリンク式ばね38が伸びた状態を示す。いずれの状態も、第1ばね50と第2ばね52の伸縮状態が等しい場合には、第1リンク部材40と第2リンク部材42との鉛直方向位置にズレが生じない事を読み取ることができる。
このような構成の免震装置10Aでは、図示しないセンサ手段等により地震の第1波が生じた際、当該第1波を図示しないセンサ等により検出し、ストップバルブ36aを開放してスライダ16を浮上させる。これにより、水平方向の振動に対する免震効果を発揮することができるようになる。そして、鉛直方向の振動に対しては、リンク式ばね38が免震効果を発揮することとなる。
上記のような特徴を有する免震装置10Aであっても、空気浮上機構12の安定性を向上させ、鉛直方向の振動に対する免震機構との組み合わせを実現させることができる。このような構成の免震装置10Aとした場合エア供給手段28は、空気浮上機構12のみに接続されることとなる。よって、第1の実施形態に係る免震装置10に比べ、エア供給経路の構成を簡略化することができる。
[ズレと複数配置について]
ところで、このような構成のリンク式ばね38は、第3リンク部材44を基点として、線対称な配置構成とされている。しかしながら、図7に示すように、第1傾倒リンク部材46の傾倒角度θ1と第2傾倒リンク部材48の傾倒角度θ2が異なった場合(第1ばね50と第2ばね52の伸縮状態が異なった場合)には、図7にΔdで示すように、第1リンク部材40と第2リンク部材42の水平位置にズレが生ずることとなる。
このため、実施形態に係るリンク式ばね38は、複数配置することが望ましく、リンク式ばね38を複数配置する場合には、図8に示すように、傾倒するリンク部材の作動面を示す直線(例えば直線L1と直線L2)が交差する配置形態とすると良い。また、このような配置形態を採用する場合、第1リンク部材40と第2リンク部材42を複数のリンク式ばね38で共有化する構成とする。なお、図8に示す例では、2つのリンク式ばね38において傾倒するリンク部材の作動面を示す直線(直線L1,L2)が直交する配置形態としている。
このような配置形態を採ることにより、一方のリンク式ばね38における第1リンク部材40と第2リンク部材42のズレが、他方のリンク式ばね38により抑制されることとなる。よって、リンク式ばね38における第1リンク部材40と第2リンク部材42との間に生じるズレを防ぐことが可能となる。
[変形例]
上記実施形態では、リンク式ばね38の構成として、第1ばね50と第2ばね52は、いずれも第3リンク部材44に接続される構成としていた。しかしながら、リンク式ばね38における第1ばね50、第2ばね52の配置、接続構成は、図9に示すようなものとすることもできる。
具体的には、上記実施形態では、第1補助傾倒リンク部材54、第2補助傾倒リンク部材56としていた傾倒リンク部材の配置位置に、第1傾倒リンク部材46、第2傾倒リンク部材48を配置して、第1ばね50、第2ばね52を接続する構成としている。こうした場合、傾倒リンクとばねの傾倒方向を一致させるためには、第1ばね50を第1傾倒リンク部材46と第1リンク部材40に接続し、第2ばね52を第2傾倒リンク部材48と第2リンク部材42に接続する構成を採る必要がある。このような構成とした場合でも、リンク式ばねとしての働きは、図5に示すリンク式ばね38と同様なものとすることができる。
また、同様に、図10に示すようなものとしても良い。図10に示す形態のリンク式ばね38は、第1ばね50を第1傾倒リンク部材46と第1リンク部材40に接続し、第2ばね52を第2傾倒リンク部材48と第3リンク部材44に接続し、第1傾倒リンク部材46と第2傾倒リンク部材48の配置位置をずらす構成としている。このような構成とした場合であっても、第1ばね50による発生力と第2ばね52による発生力が等しくなるようにばねの傾倒角度を含めた調整を行うことにより、上述したリンク式ばね38と同様な効果を得ることができる。
[空気ばね(正ばね)+リンク式ばね(負ばね)]
次に、第3の実施形態に係る免震装置について、図11を参照して説明する。上記第1、第2の実施形態では、鉛直方向の振動に対する免震機構として、空気ばね18とリンク式ばね38を示した。これらの機構は、免震作用はあるものの、いずれも負荷に基づく変位に応じて発生力が増加する、いわゆる正ばねとしての機能を持つものである。このため、変位が大きくなった場合には、反発力が強くなってしまうことが考えられる。
これに対し、本実施形態に係る免震装置10Bは、鉛直方向の振動に対する免震機構であって、負荷に基づく変位量に対する発生力の変化を小さくすることのできる免震装置に関するものである。このような特性を得るための免震装置10Bは、空気ばね18と、リンク式ばね38を備えて構成されている。ここで、空気ばね18も、リンク式ばね38も、その基本的構成は、上述した第1、第2の実施形態に係る免震装置10,10Aの構成要素として記載したものと同じである。よって、その構成を同一とする箇所には、図面に同一符号を付して、詳細な説明は省略するものとする。
相違点としては、空気ばね18の変位量と、リンク式ばね38の作用である。そこで、空気ばね18としては、第1の実施形態に開示した空気ばね18よりも直径が小さく、容器20内部の圧力を小さくすることで、負荷に対する変位量(ストローク)を大きくしたものを用いる構成としている。また、リンク式ばね38は、第1ばね50、第2ばね52の接続部60を配置する貫通孔60aの位置を変えて、角度θ(図5参照)の値を小さくすることで、変位量に対する発生力の増加率を反転した、いわゆる負ばねとしての作用を担うものとする。このため、本実施形態に係るリンク式ばね38は、上記第2の実施形態に係る免震装置10Aで採用しているリンク式ばね38よりも固有振動数が低いものとなる。なお、本実施形態においては、空気ばね18におけるエンドプレート24,26と、リンク式ばねにおける第1リンク部材40、第2リンク部材42を共通化し、第1リンクプレート62、第2リンクプレート64としている。
このような構成の免震装置10Bによれば、従来よりも大きな鉛直方向変位を伴う振動に対応可能であり、かつリンク式ばね38は、負ばね特性を生じさせる際に電気制御に頼る事が無く、その構成を簡素化することができる。
[リンク式ばね(正ばね+負ばね)]
次に、第4の実施形態に係る免震装置について、図12を参照して説明する。本実施形態に係る免震装置10Cも、上記第3の実施形態に係る免震装置10Bと同様に、いわゆる正ばね特性を有する機構と、負ばね特性を有する機構とを組み合わせた、鉛直方向の振動に対する免震装置である。
第3の実施形態に係る免震装置10Bとの相違点は、次の点である。すなわち、第3の実施形態に係る免震装置10Bでは、いわゆる正ばね特性を有する機構として、空気ばね18を採用し、負ばね特性を有する機構として、リンク式ばね38を採用するという構成を採っていた。これに対して本実施形態に係る免震装置10は、正ばね特性を有する機構と負ばね特性を有する機構の双方を、リンク式ばね38により構成している。なお、図12においては、便宜上、正ばね特性を有するリンク式ばねをリンク式ばね38aと示し、負ばね特性を有するリンク式ばねをリンク式ばね38bと示すこととする。また、第1リンク部材40、第2リンク部材42は、それぞれ2つのリンク式ばね38a,38bで共通化されており、第1リンクプレート62、第2リンクプレート64として示すものとする。
リンク式ばね38に正ばね特性を持たせる場合と、負ばね特性を持たせる場合との違いは、上述したように、第1ばね50と第2ばね52の接続形態の相違により、第1ばね50と第2ばね52の傾倒角度や、角度θ(図5参照)の値を異ならせることにある。よって、本実施形態に係る免震装置10Cでは、正ばね特性を有するリンク式ばね38aと負ばね特性を有するリンク式ばね38bの双方で、同じ構成のリンク式ばねを採用することができる。具体的には、正ばね特性を有するリンク式ばね38aよりも、負ばね特性を有するリンク式ばね38bの方が、角度θが小さくなるように、接続部60を配置する貫通孔60aが定められている。なお、このような設定変更により、実質的に、第1ばね50と第2ばね52の傾倒角度も変化することとなる。
このような構成の免震装置10Cは、第1ばね50と第2ばね52の接続位置を調節する事で、変位に対する発生力を変化させることができる。よって、上記第3の実施形態に係る免震装置10Bと同様な効果を得ることができる。さらに、本実施形態に係る免震装置では、エア供給手段28が不要となるため、装置構成を簡素化することができる。
[具体例]
リンク式ばね38(38a、38b)を複数備える免震装置10Cを構成する場合、複数のリンク式ばね38における傾倒するリンク部材の作動面を平行にすると、上述したように、第1リンク部材40に相当する第1リンクプレート62と第2リンク部材42に相当する第2リンクプレート64の水平位置にズレΔd(図7参照)が生じる虞がある。
このため、リンク式ばね38を複数備える場合には、図13、図14に示すように矩形に形成した第1リンクプレート62(第2リンクプレート64)の四辺に沿って、リンク式ばね38(38a,38b)を配置し、複数のリンク式ばね38(38a,38b)における傾倒するリンク部材の傾倒方向が直交することとなる配置関係となるようにすると良い。複数のリンク式ばね38(38a,38b)をこのように配置することで、第1リンクプレート62と、第2リンクプレート64との間に生ずるズレΔdを抑制することができるからである。なお、図13は、第4の実施形態に係る免震装置10Cの具体的構成を示す側面図であり、図14は、図13におけるA−A断面からの矢視を示す図である。
また、上述したように、リンク式ばね38では、第1ばね50、第2ばね52の配置状態を変えることにより、正ばね特性と負ばね特性との変更を行うことができる。よって、図13、図14に示すような形態の免震装置10Cでは、第1リンクプレート62(第2リンクプレート64)の同じ辺に沿って隣接配置されたリンク式ばね38に対して、それぞれ正ばね特性と負ばね特性を持たせるように構成することもできるし(図14に示す形態)、直交する辺に配置されているリンク式ばね38毎に、正ばね特性と負ばね特性とを異ならせるように構成することもできる。なお、図13、図14に示す形態では、矩形に形成された第1リンクプレート62と第2リンクプレート63の各辺に対して、2つのリンク式ばね38を配置する構成としている。しかしながら、各辺に配置するリンク式ばね38の数は、免震装置10Cとしての耐荷重等の仕様に応じて変更すれば良い。例えば、各辺に配置するリンク式ばね38の数をそれぞれ1つとしても良いし、3つ、4つと増やしても良い。
[空気浮上+空気ばね(正ばね)+リンク式ばね(負ばね)]
次に、第5の実施形態に係る免震装置について、図15を参照して説明する。本実施形態に係る免震装置10Dは、水平方向の振動に対する免震機構と、鉛直方向の振動に対する免震機構とを組み合わせたものであり、上述した第1から第3の実施形態に係る免震装置10,10A,10Bを総合的に組み合わせた構成としている。よって、その構成を同一とする箇所には、図面に同一符号を付して、詳細な説明は省略することとする。
すなわち、水平方向の振動に対する免震機構としては、空気浮上機構12を採用している。また、鉛直方向の振動に対する免震機構としては、正ばね特性を有する機構として、空気ばね18を採用し、負ばね特性を有する機構として、リンク式ばね38を採用している。
このような構成の免震装置10Dによれば、上記第1、第2の実施形態に係る免震装置10,10Aと同様に、空気浮上機構12の安定性を向上させ、鉛直方向の振動に対する免震機構との組み合わせを実現することができる。また、第3実施形態に係る免震装置10Bと同様に、大きな変位の鉛直方向の振動に対応可能であり、かつ負ばね特性を生じさせる際に電気制御に頼る事が無く、煩雑な制御が不要となる。
[具体例]
ここで、図15に示す形態は、1つのリンク式ばね38と1つの空気ばね18を組み合わせた鉛直方向の免震機構に、空気浮上機構12を組み合わせる構成としている。これに対し、鉛直方向の免震機構について、機構的バランスや耐荷重の増加等を考慮して、複数のリンク式ばね38と複数の空気ばね18を組み合わせた場合、図16、図17に示すような構成とすることができる。なお、図16は、第5の実施形態に係る免震装置10Dの具体的構成を示す側面図であり、図17は、図16におけるB−B断面からの矢視を示す図である。
まず、リンク式ばね38の配置形態は、図13、図14に示した第4の実施形態に係る免震装置10Cの具体例に係る機構と同様とすることができる。相違点としては、本実施例では、複数のリンク式ばね38全てに、負ばねとしての特性を持たせる構成とする点である(正ばねとして機能する空気ばね18のばね定数との関係で、リンク式ばね38の一部に正ばねとしての特性を持たせるようにしても良い)。
そして、第1リンクプレート62と第2リンクプレート64との間であって、リンク式ばね38を配置した後の余りのスペースとなる、部分(図17に示す形態では、第1リンクプレート62と第2リンクプレート64の四隅)に、複数の空気ばね18をそれぞれ配置すると良い。
また、空気浮上機構12は、スライダ16とベース14との間にエアを供給するエア供給経路16cについて、スライダ16の有効面積とエア噴出量との割合や、スライダ16の上面側に負荷される荷重の重量バランス等を考慮して、スライダ16に対して複数のエア供給経路16cを設けるようにしても良い。
なお、図16、図17に示す形態においても、矩形に形成された第1リンクプレート62と第2リンクプレート64の各辺に対して、2つのリンク式ばね38を配置する構成としているが、図13、図14に示す免震装置10Cと同様に、各辺に配置するリンク式ばね38の数を変更した場合であっても、本発明の一部とみなす事ができることはいうまでも無い。
[空気浮上+リンク式ばね(正ばね+負ばね)]
次に、第6の実施形態に係る免震装置について、図18を参照して説明する。本実施形態に係る免震装置10Eも、上述した第5の実施形態に係る免震装置10Dと同様に、空気浮上機構12による水平方向の免震と、正ばね特性を有する機構と負ばね特性を有する機構の組み合わせによる鉛直方向の免震機構を組み合わせたものである。
第5の実施形態に係る免震装置10Dとの相違点は、鉛直方向の振動に対する免震機構として、第4の実施形態に係る免震装置10Cを採用した点にある。すなわち、 正ばね特性を有するリンク式ばね38aと負ばね特性を有するリンク式ばね38bにより鉛直方向の振動に対する免震機構を構成したものである。
このような構成の免震装置10Eであっても、第5の実施形態に係る免震装置10Dと同様な効果を得ることができる。
10,10A,10B,10C,10D,10E………免震装置、12………空気浮上機構、14………ベース、14a………平滑面、16………スライダ、16a………平滑面、16b………エア噴出口、16c………エア供給経路、16d………エア供給経路、18………空気ばね、20………容器、22………中間リング、24………エンドプレート、24a………エア供給経路、26………エンドプレート、28………エア供給手段、30………ポンプ、32………サージタンク、34a………第1レギュレータ、34b………第2レギュレータ、36a………第1ストップバルブ、36b………第2ストップバルブ、38,38a,38b………リンク式ばね、40………第1リンク部材、40a,40b………ヒンジ部、42………第2リンク部材、42a,42b………ヒンジ部、44………第3リンク部材、44a1,44b1,44a2,44b2,44c1,44c2………ヒンジ部、45………接続部、45a………貫通孔、46………第1傾倒リンク部材、48………第2傾倒リンク部材、50………第1ばね、52………第2ばね、54………第1補助傾倒リンク部材、56………第2補助傾倒リンク部材、58a,58b………ヒンジ部、60………接続部、60a………貫通孔、62………第1リンクプレート、64………第2リンクプレート、100………構造物。

Claims (7)

  1. 第1の平滑面を有するベースと、第2の平滑面を有するスライダの両平滑面を対向配置させて、対向配置した2つの前記平滑面の間にエアを噴出して前記スライダを浮上させる空気浮上機構と、
    弾性体により構成される容器を有し、前記容器内に貯留されたエアにより前記容器が鉛直方向に押圧される際の弾性力を調節可能な空気ばねと、を備え、
    前記スライダと上下直列に前記空気ばねを配置したことを特徴とする免震装置。
  2. 第1リンク部材と、前記第1リンク部材に平行に、かつ離間して配置される第2リンク部材と、前記第1リンク部材と前記第2リンク部材との間に平行配置される第3リンク部材とを有し、前記第1リンク部材と前記第3リンク部材との間には、第1傾倒リンク部材が設けられ、前記第2リンク部材と前記第3リンク部材との間には、第2傾倒リンク部材が設けられ、前記第1リンク部材と前記第2リンク部材との離間距離が狭められた際、前記第3リンク部材が平行移動する構成とされ、前記第1傾倒リンク部材に一方の端部を接続すると共に、前記第1傾倒リンク部材と同じ傾斜方向に傾倒角度を有し、他方の端部を前記第1リンク部材または前記第3リンク部材に接続する第1ばねと、前記第2傾倒リンク部材に一方の端部を接続すると共に、前記第2傾倒リンク部材と同じ傾斜方向に傾倒角度を有し、他方の端部を前記第2リンク部材または前記第3リンク部材に接続する第2ばねとが設けられ、
    前記第1ばね、及び前記第2ばねの前記傾倒角度を変化させることにより、前記第1リンク部材と前記第2リンク部材との離間距離が変化した際に生ずる力の大きさを調整可能な構成としたリンク式ばねを備えることを特徴とする免震装置。
  3. 弾性体により構成される容器を有し、前記容器内に貯留されたエアにより前記容器が鉛直方向に押圧される際の弾性力を調節可能な空気ばねと、前記リンク式ばねと、を並列配置し、
    前記リンク式ばねを構成する前記第1ばね、及び前記第2ばねの傾倒角度を、前記リンク式ばねが負ばねとしての特性を得る傾倒角度に設定したことを特徴とする請求項2に記載の免震装置。
  4. 前記リンク式ばねを複数、並列に配置し、少なくとも1つの前記リンク式ばねにおける前記第1ばね、及び前記第2ばねの傾倒角度を、前記リンク式ばねが正ばねとしての特性を得る傾倒角度に設定すると共に、その余の前記リンク式ばねにおける前記第1ばね、及び前記第2ばねの傾倒角度を、前記リンク式ばねが負ばねとしての特性を得る傾倒角度に設定することを特徴とする請求項2に記載の免震装置。
  5. 第1の平滑面を有するベースと、第2の平滑面を有するスライダの両平滑面を対向配置させて、対向配置した2つの前記平滑面の間にエアを噴出して前記スライダを浮上させる空気浮上機構と、
    前記リンク式ばねと、を備え、
    前記スライダと上下直列に前記リンク式ばねを配置したことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の免震装置。
  6. 前記空気浮上機構を稼働させる際、前記容器に貯留されたエアを前記空気浮上機構に供給するエア供給経路を設けたことを特徴とする請求項1または請求項3を含む請求項5に記載の免震装置。
  7. 前記リンク式ばねを複数、並列に配置する際、前記第1傾倒リンク、及び前記第2傾倒リンクの作動面が交差する方向となるように配置したことを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の免震装置。
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