ねじ運動機構及びこれを用いた減衰装置
【課題】
ねじ軸の回転を防止しつつも、当該ねじ軸の軸端を構造体に対して簡便に接続することが可能であり、また、ナット部材及びねじ軸に対して過大なトルクが作用することがなく、これらの損傷を防止することが可能なねじ運動機構を提供する。
【解決手段】
外周面に螺旋状のねじ溝が形成されると共に少なくとも一方の軸端が第一の構造体に連結されるねじ軸と、前記第一の構造体に対して前記ねじ軸の軸方向へ移動可能な第二の構造体に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合するナット部材と、球体部及びこの球体部を収容すると球体受け部から構成されて前記ねじ軸の軸端を前記第一の構造体に連結する球面継ぎ手とを備え、前記ねじ軸に作用する軸力を変数とした場合に、前記回転トルク線図は前記滑りトルク線図と交差しており、且つ、前記ねじ軸に軸力が作用していない初期状態では前記滑りトルクが回転トルクを上回るように構成した。
ねじ軸の回転を防止しつつも、当該ねじ軸の軸端を構造体に対して簡便に接続することが可能であり、また、ナット部材及びねじ軸に対して過大なトルクが作用することがなく、これらの損傷を防止することが可能なねじ運動機構を提供する。
【解決手段】
外周面に螺旋状のねじ溝が形成されると共に少なくとも一方の軸端が第一の構造体に連結されるねじ軸と、前記第一の構造体に対して前記ねじ軸の軸方向へ移動可能な第二の構造体に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合するナット部材と、球体部及びこの球体部を収容すると球体受け部から構成されて前記ねじ軸の軸端を前記第一の構造体に連結する球面継ぎ手とを備え、前記ねじ軸に作用する軸力を変数とした場合に、前記回転トルク線図は前記滑りトルク線図と交差しており、且つ、前記ねじ軸に軸力が作用していない初期状態では前記滑りトルクが回転トルクを上回るように構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじ軸及びこれに螺合するナット部材を備え、並進運動を回転運動に、あるいは回転運動を並進運動に変換するねじ運動機構に関するものであり、更にはこれを利用した減衰装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
並進運動を回転運動に、あるいは回転運動を並進運動に変換する装置としては、螺旋状の雄ねじが形成されたねじ軸に対し、雌ねじが形成されたナット部材を螺合させたねじ運動機構が知られており、特に、ねじ軸とナット部材との間にボールを介在させたボールねじ装置は、各種用途に使用されている。例えば建築構造物に作用する振動を早期に収束させるための減衰装置に利用されており、かかる減衰装置としては特許文献１に開示されたものが知られている。
【０００３】
この減衰装置は建築構造物の柱間に筋交いとして設けられる装置であり、一方の構造体に結合されるロッド部材と、このロッドを覆うようにして設けられると共に他方の構造体に固定されるハウジング部材とから構成されている。前記ロッド部材の外周面には螺旋状のねじ溝が形成されており、このねじ溝には前記ハウジング部材に対して回転自在なナット部材が螺合している。すなわち、前記ロッド部材はボールねじ装置におけるねじ軸に相当する。また、このナット部材には前記ハウジング部材内に収容される円筒状のロータが固定されており、このロータの外周面は前記ハウジング部材の内周面と対向して粘性流体の収容室を形成している。
【０００４】
このように構成された減衰装置では、二つの構造体の間に作用する振動に伴って前記ロッド部材がナット部材に対して軸方向へ進退すると、かかるナット部材は前記ロッド部材の軸方向運動を回転運動に変換し、このナット部材の回転運動に伴って該ナット部材に固定されたロータも回転することになる。このとき、前記ロータの外周面とハウジング部材の内周面との隙間は粘性流体の収容室として形成されていることから、かかるロータが回転すると、収容室内の粘性流体に対してロータ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。すなわち、この減衰装置では構造体間の振動エネルギが回転運動のエネルギに変換され、更にはその回転運動のエネルギが熱エネルギに変換され、その結果として構造体間で伝達される振動エネルギが減衰されるようになっている。
【０００５】
かかる減衰装置は前記ハウジングの一端とロッド部材としてのねじ軸の一端を別々の構造体に固定して使用するが、その際、各構造体に対する減衰装置の姿勢変化を許容するため、前記ハウジング及びロッドはクレビスを介して各構造体に接続されている。かかるクレビスは支軸を有し、前記ハウジング又はロッド部材はこの支軸周りの自由度を与えられた状態で各構造体に接続されている。この場合、前記支軸はねじ軸の回り止めとして機能しており、これによってねじ軸の軸方向の並進運動がナット部材の回転運動に変換されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１８４７５７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、前記クレビスは前記ハウジング又はロッド部材に対して支軸周りの自由度しか与えないので、かかる支軸の軸方向へはハウジング又はロッド部材を変位させることができず、減衰装置を構造体に設置する際には当該構造体に対するクレビスの固定位置の調整に手間がかかるといった課題がある。
【０００８】
また、前述の如くねじ運動機構を用いた減衰装置では、構造体に作用する振動に伴う前記ロッド部材の軸方向運動をナット部材及びロータの回転運動に変換しているが、想定外の過大な加速度の振動が作用した場合、前記ロータが大きな角運動量を保持した状態で回転方向を変化させることになり、前記ナット部材やねじ軸に対して過大なトルクが作用して、ねじ運動機構を構成するこれら部材が損傷する可能性が考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、ねじ軸の回転を防止しつつも、当該ねじ軸の軸端を構造体に対して簡便に接続することが可能であり、また、ナット部材及びねじ軸に対して過大なトルクが作用することがなく、これらの損傷を防止することが可能なねじ運動機構及びこれを用いた減衰装置を提供することにある。
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明のねじ運動機構は、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されると共に少なくとも一方の軸端が第一の構造体に連結されるねじ軸と、前記第一の構造体に対して前記ねじ軸の軸方向へ移動可能な第二の構造体に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合するナット部材と、球体部及びこの球体部を収容すると球体受け部から構成されて前記ねじ軸の軸端を前記第一の構造体に連結する球面継ぎ手とを備え、前記ナット部材とねじ軸との間で伝達される回転トルクは当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化する一方、前記球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間で伝達される滑りトルクも当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化するものである。そして、前記ねじ軸の軸力を変数とした場合に、前記回転トルク線図は前記滑りトルク線図と交差しており、且つ、前記ねじ軸に軸力が作用していない初期状態では前記滑りトルクが回転トルクを上回るように構成されている。
【００１１】
また、本発明の減衰装置は、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されると共に少なくとも一方の軸端が第一の構造体に連結されるねじ軸と、第二の構造体に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合し、第一の構造体に対する第二の構造体の振動に応じて往復回転するナット部材と、このナット部材に連結されて当該ナット部材の往復回転を減衰させる減衰手段と、球体部及びこの球体部を収容すると球体受け部から構成されて前記ねじ軸の軸端を前記第一の構造体に連結する球面継ぎ手と、を備え、前記ナット部材とねじ軸との間で伝達される回転トルクは当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化する一方、前記球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間で伝達される滑りトルクも当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化するものである。そして、前記ねじ軸の軸力を変数とした場合に、前記回転トルク線図は前記滑りトルク線図と交差しており、且つ、前記ねじ軸に軸力が作用していない初期状態では前記滑りトルクが回転トルクを上回るように構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のねじ運動機構によれば、ねじ軸の軸端に球面継ぎ手を設けることで、当該ねじ軸の姿勢にかかわらずその軸端を第一の構造体に対して簡便に接続することが可能となる。
【００１３】
ねじ軸とナット部材とを相対的に軸方向へ並進運動させ、その並進運動をナット部材の回転運動に変換する場合、前記ナット部材とねじ軸との間で伝達される回転トルクは当該ねじ軸に作用する軸方向の外力（以下、「軸力」という）が大きくなる程、大きくなる傾向にある。また、前記球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間で伝達される滑りトルクも当該ねじ軸に作用する軸力が大きくなる程、大きくなる傾向にある。ねじ軸の軸端を球面軸受を介して構造体に接続する場合、前記回転トルクが前記球面継ぎ手での滑りトルクよりも小さければ、ねじ軸は回転を生じることがなく、ねじ軸とナット部材の相対的な並進運動を当該ナット部材の回転運動に変換することが可能である。一方、前記回転トルクが前記球面継ぎ手での滑りトルクよりも大きいと、球面継ぎ手の球体部が球体受け部に対して滑りを生じるので、ねじ軸とナット部材との間に相対的な並進運動が生じると、前記並進運動はその総てがナット部材の回転運動に変換されず、少なくとも一部はねじ軸の回転運動となり、ナット部材に作用する回転トルクが低減することになる。
【００１４】
すなわち、ねじ軸の軸端に設けられた球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間の滑りトルクを任意に設定することにより、前記球面継ぎ手がナット部材の回転運動におけるトルクリミッタとして機能し、ねじ軸とナット部材の相対的な並進運動を当該ナット部材の回転運動に変換する際に、ナット部材及びねじ軸に対して過大な回転トルクが作用することがなく、これらナット部材及びねじ軸の損傷を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のねじ運動機構を用いた減衰装置の一例を示す正面断面図である。
【図２】ねじ軸とナット部材との組み合わせの一例を示す斜視図である。
【図３】ねじ軸の端部に設けられる球面継ぎ手の第一実施形態を示す正面断面図である。
【図４】ねじ軸に作用する軸力と回転トルクとの関係、ねじ軸に作用する軸力と球面継ぎ手における滑りトルクとの関係を示すグラフ図である。
【図５】ねじ軸の端部に設けられる球面継ぎ手の第二実施形態を示す正面断面図である。
【図６】ねじ軸の端部に設けられる球面継ぎ手の第三実施形態を示す正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面に沿って本発明のねじ運動機構及びこれを用いた減衰装置を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明のねじ運動機構を用いて構成した減衰装置の実施形態の一例を示すものである。この減衰装置１は粘性抵抗を利用して振動エネルギを減衰させるものであり、例えば、建物とこれを支える基盤との間、あるいは建物の柱と梁との間に配置されて使用される。
【００１８】
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ねじ軸３０とを備えており、例えば、前記ねじ軸３０はその一端が第一の構造体としての基盤１００に固定される一方、前記固定外筒１０は第二の構造体としての建物に固定されるようになっている。
【００１９】
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。
【００２０】
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ナット部材４０とから構成されており、前記回転内筒２１の内周面とねじ軸３０の外周面との間には隙間が形成される一方、前記ナット部材４０が前記ねじ軸３０の外周面に螺合している。すなわち、これらねじ軸３０及びナット部材４０が並進運動を回転運動に変換するねじ運動機構を構成している。
【００２１】
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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
第一の構造体に接続される前記ねじ軸３０の一端には球面継ぎ手３２が設けられ、かかる第一の構造体に対する前記ねじ軸３０の接続角度を自由に調整することが可能となっている。この球面継ぎ手３２の詳細は後述する。一方、第二の構造体に接続される固定外筒１０のエンドプレート１２にはクレビス５が設けられている。このクレビス５は第二の構造体に固定されるベース部５１と前記エンドプレート１２の双方から突出するフランジ部を支軸５２で貫通して結合したものであり、第二の構造体に対して支軸５２の周囲で固定外筒１０を自在に揺動させることが可能となっている。
【００２４】
図２は前記ねじ軸３０とナット部材４０との組み合わせを示す斜視図である。ねじ軸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、ナット部材４０は前記ボール転動溝３１を転動する多数のボール３を介してねじ軸３０に螺合している。また、ナット部材４０は前記ねじ軸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、前記ねじ軸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、これらナット部材４０とねじ軸３０は並進運動を回転運動に、又は回転運動を並進運動に変換するねじ運動機構を構成している。
【００２５】
そして、このナット部材４０の外周面にはフランジ部４１が設けられており、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、ナット部材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。
【００２６】
図３は前記ねじ軸３０の一端に設けられた球面継ぎ手３２の第一実施形態を示すものである。
【００２７】
かかる球面継ぎ手は、ねじ軸３０の軸端が嵌合する貫通孔３４を有する球体部３３と、この球体部３３の球面を包み込むと共に固定ボルト３５によって第一構造体に締結される球体受け部３６とを備えている。また、前記球体受け部は球体部に接する樹脂ライナを有しており、かかる樹脂ライナは球体受け部に固着される一方、前記球体部に対して摺接している。前記球体部３３は最大直径部の球面が前記樹脂ライナ３７によって覆われているので、かかる球体受け部３６から離脱不能であり、球面を前記樹脂ライナ３７に摺接させながら球体受け部３６の中で回転自在となっている。従って、この球面継ぎ手を用いてねじ軸の軸端を第一の構造体に接続すると、かかるねじ軸は前記球体部を中心として第一の構造体に対して矢線Ａ方向へ揺動自在となり、また、矢線Ｂのようにねじ軸を回転させることが可能となる。
【００２８】
この球面継ぎ手は、例えば、球体部に対して樹脂ライナを被せた後、かかる球体部及び樹脂ライナを鋳造又は機械加工によって形成した球体受け部の中にセットし、最後に球体受け部に対して鍛造加工等を施して当該球体受け部を変形させ、その内部に前記球体受け部及び樹脂シートを封じ込めることによって製作することが可能である。また、球体部及び樹脂ライナを中子として球体受け部を鋳造することによって製作することも可能である。
【００２９】
このように構成された減衰装置では、第一の構造体に対して第二の構造体が図１中の矢線Ｘ方向に沿って相対的に振動すると、かかる振動は固定外筒１０に対するねじ軸３０の軸方向への並進運動となる。この並進運動に伴って前記ねじ軸３０に螺合するナット部材４０には回転トルクが作用することになり、その反作用として、ねじ軸に対してもナット部材に作用する回転トルクとは同じ大きさの逆方向の回転トルクが作用することになる。前記固定外筒１０は前記クレビス５を介して第二の構造体に固定され、かかるクレビス５の支軸５２が固定外筒１０の回転止めとして機能しているので、仮に前記ねじ軸３０の回転が阻止されている状態にあれば、前記回転トルクに応じた角加速度が前記ナット部材４０を含めたロータ２０に対して与えられ、かかるロータ２０が固定外筒１０に対して回転を生じることになる。
【００３０】
図４において実線で示すグラフは、前記ねじ軸３０に作用する軸方向の外力（以下、「軸力」という）と前記回転トルクとの関係を示すものである。ねじ軸３０とナット部材４０とが軸方向へ相対的に変位しないと、これらに回転トルクが作用することはないので、軸力が作用してない状態では回転トルクも発生していない。また、ねじ軸３０に作用する軸力が大きい程、大きな回転トルクがナット部材４０及びねじ軸３０に作用する。
【００３１】
一方、図４において破線で示すグラフは、前記ねじ軸３０に作用する軸力と前記球面継ぎ手３２の滑りトルクとの関係を示すものである。ここで、球面継ぎ手３２の滑りトルクとは、前記球体部３３を球体受け部３６に対して回転させるために必要なトルクを指し、かかる球体部３３に対して滑りトルクよりも大きなトルクが作用すれば、例えば球体部３３に固定したねじ軸３０が球体受け部３６に対して揺動を生じ、あるいは回転を生じることになる。一般に、球面継ぎ手では球体受け部３６と球体部３３との隙間を排除するため、球体受け部３６が球体部３３を若干締めつけた状態にある。このため、ねじ軸３０から球体部３３に対して軸力が作用していない状態であっても、図４に示すように、初期滑りトルクＴ１は０ｋｇｆ・ｍｍとはならない。ねじ軸３０から球体部３３に対して軸力が作用すると、その分だけ球体部３３と球体受け部３６との間に作用する摩擦力は増加するので、前記滑りトルクは軸力の増加に伴って増加していく。
【００３２】
このように、ねじ軸３０に作用する軸力を徐々に増加させた場合、かかるねじ軸３０に作用する回転トルク及び球面継ぎ手３２における滑りトルクも徐々に増加していくが、回転トルクの増加率が滑りトルクの増加率を上回っている場合、図４に示すように、限界軸力Ｐ０に達すると、回転トルクと滑りトルクの大小関係が逆転し、回転トルクが滑りトルクを上回るようになる。軸力が限界軸力Ｐ０よりも小さい場合には滑りトルクが回転トルクを上回っていることから、ナット部材４０とねじ軸３０との相対的な並進運動の結果として当該ねじ軸３０に回転トルクが作用したとしても、球面継ぎ手３２はねじ軸３０の回転を抑えることが可能である。この場合、ねじ軸３０に対してナット部材４０を相対的に並進運動させると、ねじ軸３０の回転は球面継ぎ手３２によって防止され、ナット部材４０が並進運動による移動量に応じた回転を生じることになる。
【００３３】
一方、ねじ軸３０とナット部材４０との間に作用する軸力が限界軸力Ｐ０を超えた場合、ねじ軸３０に作用する回転トルクが球面継ぎ手３２の滑りトルクが上回ることから、ナット部材４０とねじ軸３０との相対的な並進運動の結果として当該ねじ軸３０に回転トルクが作用すると、球面継ぎ手３２はねじ軸３０の回転を抑えることができない。すなわち、この状況では、軸力が限界軸力Ｐ０を上回るような並進運動をねじ軸３０及びナット部材４０に対して与えると、ねじ軸３０が回転を生じてしまうので、ナット部材４０には並進運動の移動量に応じた回転が生じないことになる。
【００３４】
このことを前述した減衰装置１に当てはめて考察してみると、第一の構造体に対して第二の構造体が図１中の矢線Ｘ方向に沿って相対的に振動し、そのときにナット部材４０とねじ軸３０との間に作用する軸力が限界軸力Ｐ０以下であれば、ねじ軸３０が回転せずにナット部材４０が回転を生じるので、ナット部材４０の固定された回転内筒２１が固定外筒１０に対して回転を生じることになる。その結果、前記作用室２に存在する粘性流体６の働きにより、第一の構造体に対する第二の構造体のＸ方向の振動が強制的に減衰させられる。
【００３５】
また、第一の構造体に対して第二の構造体が図１中の矢線Ｘ方向に沿って相対的に振動し、その際にナット部材４０とねじ軸３０との間に作用する軸力が限界軸力Ｐ０よりも大きければ、ねじ軸３０が前記球体部３３と一緒に球体受け部３６に対して回転を生じてしまうので、前記ナット部材４０と回転内筒２１とが組み合わさったロータ２０がねじ軸３０に対して軸方向へ移動したとしても、かかる移動量に応じた回転がロータ２０に生じることはなく、固定外筒１０に対するロータ２０の回転は抑えられたものになる。
【００３６】
例えば、建築物における制振装置や免震装置に使用される減衰装置について考察すると、想定外の巨大地震が発生した場合、減衰装置に対して過大な加速度の振動が作用し、前記ロータ２０が大きな角運動量を保持した状態で回転方向を繰り返し反転させることから、減衰装置が損傷する可能性が考えられる。この点に関し、前述の実施形態に示した減衰装置１では、ナット部材４０とねじ軸３０との間に限界軸力Ｐ０よりも大きい軸力が作用するのであれば、ロータ２０の回転が抑制されることから、減衰装置１のそのような損傷を未然に防止することが可能となる。
【００３７】
すなわち、本発明のねじ運動機構及びこれを利用した減衰装置では、前記球面継ぎ手３２が限界軸力Ｐ０に対応した回転トルクを設定値とするトルクリミッタとして機能していることになる。回転トルクのグラフと滑りトルクのグラフが交差する限界軸力Ｐ０の大きさは、回転トルクのグラフに変化がないとすれば、滑りトルクのグラフにおける初期滑りトルクＴ１の大きさと、軸力Ｐに対する滑りトルクの増加割合に依存している。また、球体部３３と球体受け部３６との摩擦係数はこれら球体部３３及び球体受け部３６の材質に依存しているので、結果的には、初期滑りトルクＴ１の大きさを変更することで、滑りトルクのグラフが傾きをそのままにした状態で図４のグラフ図内を上下に移動することになり、限界軸力Ｐ０の値を自由に調整することが可能である。例えば、図３に示す球面継ぎ手３２においては、前記球体受け部３６の鍛造加工の際にその塑性変形の程度を調整することで、前記Ｔ１を任意に設定することができる。また、製作された球面継ぎ手３２の全体を加熱することにより、球体部３３と球体受け部３６との間に存在する樹脂ライナ３７の変形を促し、球体受け部３６による球体部３３の締めつけ力を任意に減じて、前記Ｔ１を任意に設定することも可能である。
【００３８】
尚、図４に実線で示す回転トルクのグラフの傾きが破線で示す滑りトルクのグラフの傾きよりも小さい場合には、両グラフは交差することがなく、前記限界軸力Ｐ０は存在しないことから、前記球面継ぎ手３２はトルクリミッタとして機能しないことになる。従って、前記球面継ぎ手３２にトルクリミッタとしての機能を発揮させる本発明では、回転トルクのグラフの傾きが滑りトルクのグラフの傾きよりも大きいことが必要である。例えば、回転トルクのグラフの傾きはねじ運動機構を構成するねじ軸３０のリードの選定及びボール３の転がり摩擦係数に影響を受け、滑りトルクのグラフの傾きは球面継ぎ手３２における球体部３３と球体受け部３６との間の摩擦係数及び球体部３３の半径に依存していることから、これらの組み合わせを選定することにより、前記球面継ぎ手３２にトルクリミッタとしての機能を与えることが可能となる。
【００３９】
次に、図５は前記球面継ぎ手の第二実施形態を示すものである。
【００４０】
この球面継ぎ手３２は、球体部６１と、この球体部６１を保持する球体受け部６０と、前記球体部６１に摺接すると共に当該球体部６１に対する圧接力を調整可能な摩擦部材６２とから構成されている。また、前記球体受け部６０は、受け部本体６０ａと、この受け部本体６０ａに締結されるリング状の蓋部材６０ｂとから構成されている。前記受け部本体６０ａに対して前記球体部６１を収容した後、当該受け部本体６０ａに対して前記蓋部材６０ｂを締結することにより、前記球体部６１が受け部本体６０ａと蓋部材６０ｂとの間に挟み込まれ、球体受け部６０に対して球体部６１が離脱不能に閉じ込められている。尚、符号６３は前記球体受け部６０を第一の構造体に締結するための固定ボルトである。
【００４１】
前記球体受け部６０には貫通孔が球体部６１を中心として放射状に複数設けられており、各貫通孔には前記摩擦部材６２が収容されている。これらの貫通孔は球体部６１に固定されるねじ軸３０の軸方向と垂直に設けられている。また、貫通孔には球体受け部６０の半径方向外側から調整ねじ６４が螺合すると共に、この調整ねじ６４と摩擦部材６２との間にはスプリングなどの弾性部材６５が配置されている。このため、前記貫通孔に対する調整ねじ６４の締結量を変更することにより、前記弾性部材６５による摩擦部材６２の押圧力が調整され、これに伴って前記摩擦部材６２の球体部６１に対する圧接力が調整されるようになっている。
【００４２】
図３に示した第一実施形態の球面継ぎ手ではその製造段階で初期滑りトルクＴ１が設定されてしまうので、例えば減衰装置の使用環境に合わせて初期滑りトルクＴ１を任意に設定することが困難である。しかし、この第二実施形態の球面継ぎ手では前記調整ねじ６４の締結量を変更することで、前記球体部６１に対する摩擦部材６２の圧接力を後日自由に変更することができ、球面継ぎ手の初期滑りトルクＴ１を任意に変更することが可能である。
【００４３】
また、前記摩擦部材６２はねじ軸３０の軸方向と垂直な方向から前記球体部６１に圧接しているので、ねじ軸３０の回転に対してそれを阻止する摩擦力をより効果的に及ぼすことが可能となっている。
【００４４】
このため、前記減衰装置の使用される環境、例えば、減衰装置に作用すると予測される振動エネルギの最大値等に応じて、減衰装置の施工現場で球面継ぎ手の初期滑りトルクＴ１を任意に設定することができ、それによって減衰装置の粘性減衰の効果が発揮される上限である限界軸力Ｐ０の値を任意に変更することが可能となる。
【００４５】
図６は前記球面継ぎ手の第三実施形態を示すものである。
【００４６】
この球面継ぎ手は、ねじ軸３０の軸端が嵌合する貫通孔７０を有する球体部７１と、この球体部７１の球面を包み込む球体受け部７２とを備えている。また、前記球体受け部７２は第一部材７２ａ及び第二部材７２ｂから構成されており、これら第一部材７２ａ及び第二部材７２ｂを予圧付与ボルト７３ａ及びナット７３ｂで締結することにより、かかる第一部材７２ａと第二部材７２ｂとの間に前記球体部７１を挟み込んで保持するようになっている。前記第一部材７２ａ及び第二部材７２ｂには前記球体部７１の球面に合致した摺接面が設けられており、これら二つの部材で球体部７１を挟み込むことにより、かかる球体部７１が球体受け部７２から離脱不能となり、前記ねじ軸３０は前記球体部７１を中心として球体受け部７２に対して矢線Ａ方向へ揺動自在となり、また、矢線Ｂのようにねじ軸を回転させることが可能となっている。
【００４７】
また、前記第一部材７２ａと第二部材７２ｂとの間には隙間が設けられており、前記予圧付与ボルト７３ａ及びナット７３ｂの締結量を変更することで、前記球体受け部７２が球体部７１を締め付ける力を容易に変更することができるようになっている。すなわち、予圧付与ボルト７３ａの締結量を任意に変更することで、前述の第二実施形態と同様に、減衰装置の使用環境に合わせて球面継ぎ手３２の初期滑りトルクＴ１を任意に設定することが可能である。
【００４８】
尚、前述した本発明の実施形態では、粘性流体に作用する剪断摩擦力を利用した減衰装置を例に挙げて本発明のねじ運動機構を説明してきたが、本発明の利用例はこれに限られるものではなく、例えば、振動エネルギを本発明のねじ運動機構によってフライホイールの回転運動に変換し、それによって当該振動エネルギの減衰を図る減衰装置にも本発明のねじ運動機構は利用することが可能である。
【００４９】
また、図１に示した減衰装置では、第二の構造体に対する固定外筒１０の接続をクレビス５によって行っているが、このクレビス５に代えて前述した球面継ぎ手３２を用いることも可能である。
【００５０】
更に、球面継ぎ手の構成は説明した第一乃至第三実施形態のものに限定されるものではなく、初期滑りトルクＴ１を有し、前述のように滑りトルクのグラフの傾きがねじ運動機構の回転トルクのグラフの傾きよりも小さいものであれば、かかる球面継ぎ手の構造は自由に選定することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１…減衰装置、３０…ねじ軸、４０…ナット部材、３２…球面継ぎ手、３３，６１…球体部、３６，６０…球体受け部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじ軸及びこれに螺合するナット部材を備え、並進運動を回転運動に、あるいは回転運動を並進運動に変換するねじ運動機構に関するものであり、更にはこれを利用した減衰装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
並進運動を回転運動に、あるいは回転運動を並進運動に変換する装置としては、螺旋状の雄ねじが形成されたねじ軸に対し、雌ねじが形成されたナット部材を螺合させたねじ運動機構が知られており、特に、ねじ軸とナット部材との間にボールを介在させたボールねじ装置は、各種用途に使用されている。例えば建築構造物に作用する振動を早期に収束させるための減衰装置に利用されており、かかる減衰装置としては特許文献１に開示されたものが知られている。
【０００３】
この減衰装置は建築構造物の柱間に筋交いとして設けられる装置であり、一方の構造体に結合されるロッド部材と、このロッドを覆うようにして設けられると共に他方の構造体に固定されるハウジング部材とから構成されている。前記ロッド部材の外周面には螺旋状のねじ溝が形成されており、このねじ溝には前記ハウジング部材に対して回転自在なナット部材が螺合している。すなわち、前記ロッド部材はボールねじ装置におけるねじ軸に相当する。また、このナット部材には前記ハウジング部材内に収容される円筒状のロータが固定されており、このロータの外周面は前記ハウジング部材の内周面と対向して粘性流体の収容室を形成している。
【０００４】
このように構成された減衰装置では、二つの構造体の間に作用する振動に伴って前記ロッド部材がナット部材に対して軸方向へ進退すると、かかるナット部材は前記ロッド部材の軸方向運動を回転運動に変換し、このナット部材の回転運動に伴って該ナット部材に固定されたロータも回転することになる。このとき、前記ロータの外周面とハウジング部材の内周面との隙間は粘性流体の収容室として形成されていることから、かかるロータが回転すると、収容室内の粘性流体に対してロータ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。すなわち、この減衰装置では構造体間の振動エネルギが回転運動のエネルギに変換され、更にはその回転運動のエネルギが熱エネルギに変換され、その結果として構造体間で伝達される振動エネルギが減衰されるようになっている。
【０００５】
かかる減衰装置は前記ハウジングの一端とロッド部材としてのねじ軸の一端を別々の構造体に固定して使用するが、その際、各構造体に対する減衰装置の姿勢変化を許容するため、前記ハウジング及びロッドはクレビスを介して各構造体に接続されている。かかるクレビスは支軸を有し、前記ハウジング又はロッド部材はこの支軸周りの自由度を与えられた状態で各構造体に接続されている。この場合、前記支軸はねじ軸の回り止めとして機能しており、これによってねじ軸の軸方向の並進運動がナット部材の回転運動に変換されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１８４７５７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、前記クレビスは前記ハウジング又はロッド部材に対して支軸周りの自由度しか与えないので、かかる支軸の軸方向へはハウジング又はロッド部材を変位させることができず、減衰装置を構造体に設置する際には当該構造体に対するクレビスの固定位置の調整に手間がかかるといった課題がある。
【０００８】
また、前述の如くねじ運動機構を用いた減衰装置では、構造体に作用する振動に伴う前記ロッド部材の軸方向運動をナット部材及びロータの回転運動に変換しているが、想定外の過大な加速度の振動が作用した場合、前記ロータが大きな角運動量を保持した状態で回転方向を変化させることになり、前記ナット部材やねじ軸に対して過大なトルクが作用して、ねじ運動機構を構成するこれら部材が損傷する可能性が考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、ねじ軸の回転を防止しつつも、当該ねじ軸の軸端を構造体に対して簡便に接続することが可能であり、また、ナット部材及びねじ軸に対して過大なトルクが作用することがなく、これらの損傷を防止することが可能なねじ運動機構及びこれを用いた減衰装置を提供することにある。
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明のねじ運動機構は、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されると共に少なくとも一方の軸端が第一の構造体に連結されるねじ軸と、前記第一の構造体に対して前記ねじ軸の軸方向へ移動可能な第二の構造体に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合するナット部材と、球体部及びこの球体部を収容すると球体受け部から構成されて前記ねじ軸の軸端を前記第一の構造体に連結する球面継ぎ手とを備え、前記ナット部材とねじ軸との間で伝達される回転トルクは当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化する一方、前記球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間で伝達される滑りトルクも当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化するものである。そして、前記ねじ軸の軸力を変数とした場合に、前記回転トルク線図は前記滑りトルク線図と交差しており、且つ、前記ねじ軸に軸力が作用していない初期状態では前記滑りトルクが回転トルクを上回るように構成されている。
【００１１】
また、本発明の減衰装置は、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されると共に少なくとも一方の軸端が第一の構造体に連結されるねじ軸と、第二の構造体に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合し、第一の構造体に対する第二の構造体の振動に応じて往復回転するナット部材と、このナット部材に連結されて当該ナット部材の往復回転を減衰させる減衰手段と、球体部及びこの球体部を収容すると球体受け部から構成されて前記ねじ軸の軸端を前記第一の構造体に連結する球面継ぎ手と、を備え、前記ナット部材とねじ軸との間で伝達される回転トルクは当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化する一方、前記球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間で伝達される滑りトルクも当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化するものである。そして、前記ねじ軸の軸力を変数とした場合に、前記回転トルク線図は前記滑りトルク線図と交差しており、且つ、前記ねじ軸に軸力が作用していない初期状態では前記滑りトルクが回転トルクを上回るように構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のねじ運動機構によれば、ねじ軸の軸端に球面継ぎ手を設けることで、当該ねじ軸の姿勢にかかわらずその軸端を第一の構造体に対して簡便に接続することが可能となる。
【００１３】
ねじ軸とナット部材とを相対的に軸方向へ並進運動させ、その並進運動をナット部材の回転運動に変換する場合、前記ナット部材とねじ軸との間で伝達される回転トルクは当該ねじ軸に作用する軸方向の外力（以下、「軸力」という）が大きくなる程、大きくなる傾向にある。また、前記球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間で伝達される滑りトルクも当該ねじ軸に作用する軸力が大きくなる程、大きくなる傾向にある。ねじ軸の軸端を球面軸受を介して構造体に接続する場合、前記回転トルクが前記球面継ぎ手での滑りトルクよりも小さければ、ねじ軸は回転を生じることがなく、ねじ軸とナット部材の相対的な並進運動を当該ナット部材の回転運動に変換することが可能である。一方、前記回転トルクが前記球面継ぎ手での滑りトルクよりも大きいと、球面継ぎ手の球体部が球体受け部に対して滑りを生じるので、ねじ軸とナット部材との間に相対的な並進運動が生じると、前記並進運動はその総てがナット部材の回転運動に変換されず、少なくとも一部はねじ軸の回転運動となり、ナット部材に作用する回転トルクが低減することになる。
【００１４】
すなわち、ねじ軸の軸端に設けられた球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間の滑りトルクを任意に設定することにより、前記球面継ぎ手がナット部材の回転運動におけるトルクリミッタとして機能し、ねじ軸とナット部材の相対的な並進運動を当該ナット部材の回転運動に変換する際に、ナット部材及びねじ軸に対して過大な回転トルクが作用することがなく、これらナット部材及びねじ軸の損傷を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のねじ運動機構を用いた減衰装置の一例を示す正面断面図である。
【図２】ねじ軸とナット部材との組み合わせの一例を示す斜視図である。
【図３】ねじ軸の端部に設けられる球面継ぎ手の第一実施形態を示す正面断面図である。
【図４】ねじ軸に作用する軸力と回転トルクとの関係、ねじ軸に作用する軸力と球面継ぎ手における滑りトルクとの関係を示すグラフ図である。
【図５】ねじ軸の端部に設けられる球面継ぎ手の第二実施形態を示す正面断面図である。
【図６】ねじ軸の端部に設けられる球面継ぎ手の第三実施形態を示す正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面に沿って本発明のねじ運動機構及びこれを用いた減衰装置を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明のねじ運動機構を用いて構成した減衰装置の実施形態の一例を示すものである。この減衰装置１は粘性抵抗を利用して振動エネルギを減衰させるものであり、例えば、建物とこれを支える基盤との間、あるいは建物の柱と梁との間に配置されて使用される。
【００１８】
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ねじ軸３０とを備えており、例えば、前記ねじ軸３０はその一端が第一の構造体としての基盤１００に固定される一方、前記固定外筒１０は第二の構造体としての建物に固定されるようになっている。
【００１９】
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。
【００２０】
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ナット部材４０とから構成されており、前記回転内筒２１の内周面とねじ軸３０の外周面との間には隙間が形成される一方、前記ナット部材４０が前記ねじ軸３０の外周面に螺合している。すなわち、これらねじ軸３０及びナット部材４０が並進運動を回転運動に変換するねじ運動機構を構成している。
【００２１】
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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
第一の構造体に接続される前記ねじ軸３０の一端には球面継ぎ手３２が設けられ、かかる第一の構造体に対する前記ねじ軸３０の接続角度を自由に調整することが可能となっている。この球面継ぎ手３２の詳細は後述する。一方、第二の構造体に接続される固定外筒１０のエンドプレート１２にはクレビス５が設けられている。このクレビス５は第二の構造体に固定されるベース部５１と前記エンドプレート１２の双方から突出するフランジ部を支軸５２で貫通して結合したものであり、第二の構造体に対して支軸５２の周囲で固定外筒１０を自在に揺動させることが可能となっている。
【００２４】
図２は前記ねじ軸３０とナット部材４０との組み合わせを示す斜視図である。ねじ軸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、ナット部材４０は前記ボール転動溝３１を転動する多数のボール３を介してねじ軸３０に螺合している。また、ナット部材４０は前記ねじ軸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、前記ねじ軸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、これらナット部材４０とねじ軸３０は並進運動を回転運動に、又は回転運動を並進運動に変換するねじ運動機構を構成している。
【００２５】
そして、このナット部材４０の外周面にはフランジ部４１が設けられており、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、ナット部材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。
【００２６】
図３は前記ねじ軸３０の一端に設けられた球面継ぎ手３２の第一実施形態を示すものである。
【００２７】
かかる球面継ぎ手は、ねじ軸３０の軸端が嵌合する貫通孔３４を有する球体部３３と、この球体部３３の球面を包み込むと共に固定ボルト３５によって第一構造体に締結される球体受け部３６とを備えている。また、前記球体受け部は球体部に接する樹脂ライナを有しており、かかる樹脂ライナは球体受け部に固着される一方、前記球体部に対して摺接している。前記球体部３３は最大直径部の球面が前記樹脂ライナ３７によって覆われているので、かかる球体受け部３６から離脱不能であり、球面を前記樹脂ライナ３７に摺接させながら球体受け部３６の中で回転自在となっている。従って、この球面継ぎ手を用いてねじ軸の軸端を第一の構造体に接続すると、かかるねじ軸は前記球体部を中心として第一の構造体に対して矢線Ａ方向へ揺動自在となり、また、矢線Ｂのようにねじ軸を回転させることが可能となる。
【００２８】
この球面継ぎ手は、例えば、球体部に対して樹脂ライナを被せた後、かかる球体部及び樹脂ライナを鋳造又は機械加工によって形成した球体受け部の中にセットし、最後に球体受け部に対して鍛造加工等を施して当該球体受け部を変形させ、その内部に前記球体受け部及び樹脂シートを封じ込めることによって製作することが可能である。また、球体部及び樹脂ライナを中子として球体受け部を鋳造することによって製作することも可能である。
【００２９】
このように構成された減衰装置では、第一の構造体に対して第二の構造体が図１中の矢線Ｘ方向に沿って相対的に振動すると、かかる振動は固定外筒１０に対するねじ軸３０の軸方向への並進運動となる。この並進運動に伴って前記ねじ軸３０に螺合するナット部材４０には回転トルクが作用することになり、その反作用として、ねじ軸に対してもナット部材に作用する回転トルクとは同じ大きさの逆方向の回転トルクが作用することになる。前記固定外筒１０は前記クレビス５を介して第二の構造体に固定され、かかるクレビス５の支軸５２が固定外筒１０の回転止めとして機能しているので、仮に前記ねじ軸３０の回転が阻止されている状態にあれば、前記回転トルクに応じた角加速度が前記ナット部材４０を含めたロータ２０に対して与えられ、かかるロータ２０が固定外筒１０に対して回転を生じることになる。
【００３０】
図４において実線で示すグラフは、前記ねじ軸３０に作用する軸方向の外力（以下、「軸力」という）と前記回転トルクとの関係を示すものである。ねじ軸３０とナット部材４０とが軸方向へ相対的に変位しないと、これらに回転トルクが作用することはないので、軸力が作用してない状態では回転トルクも発生していない。また、ねじ軸３０に作用する軸力が大きい程、大きな回転トルクがナット部材４０及びねじ軸３０に作用する。
【００３１】
一方、図４において破線で示すグラフは、前記ねじ軸３０に作用する軸力と前記球面継ぎ手３２の滑りトルクとの関係を示すものである。ここで、球面継ぎ手３２の滑りトルクとは、前記球体部３３を球体受け部３６に対して回転させるために必要なトルクを指し、かかる球体部３３に対して滑りトルクよりも大きなトルクが作用すれば、例えば球体部３３に固定したねじ軸３０が球体受け部３６に対して揺動を生じ、あるいは回転を生じることになる。一般に、球面継ぎ手では球体受け部３６と球体部３３との隙間を排除するため、球体受け部３６が球体部３３を若干締めつけた状態にある。このため、ねじ軸３０から球体部３３に対して軸力が作用していない状態であっても、図４に示すように、初期滑りトルクＴ１は０ｋｇｆ・ｍｍとはならない。ねじ軸３０から球体部３３に対して軸力が作用すると、その分だけ球体部３３と球体受け部３６との間に作用する摩擦力は増加するので、前記滑りトルクは軸力の増加に伴って増加していく。
【００３２】
このように、ねじ軸３０に作用する軸力を徐々に増加させた場合、かかるねじ軸３０に作用する回転トルク及び球面継ぎ手３２における滑りトルクも徐々に増加していくが、回転トルクの増加率が滑りトルクの増加率を上回っている場合、図４に示すように、限界軸力Ｐ０に達すると、回転トルクと滑りトルクの大小関係が逆転し、回転トルクが滑りトルクを上回るようになる。軸力が限界軸力Ｐ０よりも小さい場合には滑りトルクが回転トルクを上回っていることから、ナット部材４０とねじ軸３０との相対的な並進運動の結果として当該ねじ軸３０に回転トルクが作用したとしても、球面継ぎ手３２はねじ軸３０の回転を抑えることが可能である。この場合、ねじ軸３０に対してナット部材４０を相対的に並進運動させると、ねじ軸３０の回転は球面継ぎ手３２によって防止され、ナット部材４０が並進運動による移動量に応じた回転を生じることになる。
【００３３】
一方、ねじ軸３０とナット部材４０との間に作用する軸力が限界軸力Ｐ０を超えた場合、ねじ軸３０に作用する回転トルクが球面継ぎ手３２の滑りトルクが上回ることから、ナット部材４０とねじ軸３０との相対的な並進運動の結果として当該ねじ軸３０に回転トルクが作用すると、球面継ぎ手３２はねじ軸３０の回転を抑えることができない。すなわち、この状況では、軸力が限界軸力Ｐ０を上回るような並進運動をねじ軸３０及びナット部材４０に対して与えると、ねじ軸３０が回転を生じてしまうので、ナット部材４０には並進運動の移動量に応じた回転が生じないことになる。
【００３４】
このことを前述した減衰装置１に当てはめて考察してみると、第一の構造体に対して第二の構造体が図１中の矢線Ｘ方向に沿って相対的に振動し、そのときにナット部材４０とねじ軸３０との間に作用する軸力が限界軸力Ｐ０以下であれば、ねじ軸３０が回転せずにナット部材４０が回転を生じるので、ナット部材４０の固定された回転内筒２１が固定外筒１０に対して回転を生じることになる。その結果、前記作用室２に存在する粘性流体６の働きにより、第一の構造体に対する第二の構造体のＸ方向の振動が強制的に減衰させられる。
【００３５】
また、第一の構造体に対して第二の構造体が図１中の矢線Ｘ方向に沿って相対的に振動し、その際にナット部材４０とねじ軸３０との間に作用する軸力が限界軸力Ｐ０よりも大きければ、ねじ軸３０が前記球体部３３と一緒に球体受け部３６に対して回転を生じてしまうので、前記ナット部材４０と回転内筒２１とが組み合わさったロータ２０がねじ軸３０に対して軸方向へ移動したとしても、かかる移動量に応じた回転がロータ２０に生じることはなく、固定外筒１０に対するロータ２０の回転は抑えられたものになる。
【００３６】
例えば、建築物における制振装置や免震装置に使用される減衰装置について考察すると、想定外の巨大地震が発生した場合、減衰装置に対して過大な加速度の振動が作用し、前記ロータ２０が大きな角運動量を保持した状態で回転方向を繰り返し反転させることから、減衰装置が損傷する可能性が考えられる。この点に関し、前述の実施形態に示した減衰装置１では、ナット部材４０とねじ軸３０との間に限界軸力Ｐ０よりも大きい軸力が作用するのであれば、ロータ２０の回転が抑制されることから、減衰装置１のそのような損傷を未然に防止することが可能となる。
【００３７】
すなわち、本発明のねじ運動機構及びこれを利用した減衰装置では、前記球面継ぎ手３２が限界軸力Ｐ０に対応した回転トルクを設定値とするトルクリミッタとして機能していることになる。回転トルクのグラフと滑りトルクのグラフが交差する限界軸力Ｐ０の大きさは、回転トルクのグラフに変化がないとすれば、滑りトルクのグラフにおける初期滑りトルクＴ１の大きさと、軸力Ｐに対する滑りトルクの増加割合に依存している。また、球体部３３と球体受け部３６との摩擦係数はこれら球体部３３及び球体受け部３６の材質に依存しているので、結果的には、初期滑りトルクＴ１の大きさを変更することで、滑りトルクのグラフが傾きをそのままにした状態で図４のグラフ図内を上下に移動することになり、限界軸力Ｐ０の値を自由に調整することが可能である。例えば、図３に示す球面継ぎ手３２においては、前記球体受け部３６の鍛造加工の際にその塑性変形の程度を調整することで、前記Ｔ１を任意に設定することができる。また、製作された球面継ぎ手３２の全体を加熱することにより、球体部３３と球体受け部３６との間に存在する樹脂ライナ３７の変形を促し、球体受け部３６による球体部３３の締めつけ力を任意に減じて、前記Ｔ１を任意に設定することも可能である。
【００３８】
尚、図４に実線で示す回転トルクのグラフの傾きが破線で示す滑りトルクのグラフの傾きよりも小さい場合には、両グラフは交差することがなく、前記限界軸力Ｐ０は存在しないことから、前記球面継ぎ手３２はトルクリミッタとして機能しないことになる。従って、前記球面継ぎ手３２にトルクリミッタとしての機能を発揮させる本発明では、回転トルクのグラフの傾きが滑りトルクのグラフの傾きよりも大きいことが必要である。例えば、回転トルクのグラフの傾きはねじ運動機構を構成するねじ軸３０のリードの選定及びボール３の転がり摩擦係数に影響を受け、滑りトルクのグラフの傾きは球面継ぎ手３２における球体部３３と球体受け部３６との間の摩擦係数及び球体部３３の半径に依存していることから、これらの組み合わせを選定することにより、前記球面継ぎ手３２にトルクリミッタとしての機能を与えることが可能となる。
【００３９】
次に、図５は前記球面継ぎ手の第二実施形態を示すものである。
【００４０】
この球面継ぎ手３２は、球体部６１と、この球体部６１を保持する球体受け部６０と、前記球体部６１に摺接すると共に当該球体部６１に対する圧接力を調整可能な摩擦部材６２とから構成されている。また、前記球体受け部６０は、受け部本体６０ａと、この受け部本体６０ａに締結されるリング状の蓋部材６０ｂとから構成されている。前記受け部本体６０ａに対して前記球体部６１を収容した後、当該受け部本体６０ａに対して前記蓋部材６０ｂを締結することにより、前記球体部６１が受け部本体６０ａと蓋部材６０ｂとの間に挟み込まれ、球体受け部６０に対して球体部６１が離脱不能に閉じ込められている。尚、符号６３は前記球体受け部６０を第一の構造体に締結するための固定ボルトである。
【００４１】
前記球体受け部６０には貫通孔が球体部６１を中心として放射状に複数設けられており、各貫通孔には前記摩擦部材６２が収容されている。これらの貫通孔は球体部６１に固定されるねじ軸３０の軸方向と垂直に設けられている。また、貫通孔には球体受け部６０の半径方向外側から調整ねじ６４が螺合すると共に、この調整ねじ６４と摩擦部材６２との間にはスプリングなどの弾性部材６５が配置されている。このため、前記貫通孔に対する調整ねじ６４の締結量を変更することにより、前記弾性部材６５による摩擦部材６２の押圧力が調整され、これに伴って前記摩擦部材６２の球体部６１に対する圧接力が調整されるようになっている。
【００４２】
図３に示した第一実施形態の球面継ぎ手ではその製造段階で初期滑りトルクＴ１が設定されてしまうので、例えば減衰装置の使用環境に合わせて初期滑りトルクＴ１を任意に設定することが困難である。しかし、この第二実施形態の球面継ぎ手では前記調整ねじ６４の締結量を変更することで、前記球体部６１に対する摩擦部材６２の圧接力を後日自由に変更することができ、球面継ぎ手の初期滑りトルクＴ１を任意に変更することが可能である。
【００４３】
また、前記摩擦部材６２はねじ軸３０の軸方向と垂直な方向から前記球体部６１に圧接しているので、ねじ軸３０の回転に対してそれを阻止する摩擦力をより効果的に及ぼすことが可能となっている。
【００４４】
このため、前記減衰装置の使用される環境、例えば、減衰装置に作用すると予測される振動エネルギの最大値等に応じて、減衰装置の施工現場で球面継ぎ手の初期滑りトルクＴ１を任意に設定することができ、それによって減衰装置の粘性減衰の効果が発揮される上限である限界軸力Ｐ０の値を任意に変更することが可能となる。
【００４５】
図６は前記球面継ぎ手の第三実施形態を示すものである。
【００４６】
この球面継ぎ手は、ねじ軸３０の軸端が嵌合する貫通孔７０を有する球体部７１と、この球体部７１の球面を包み込む球体受け部７２とを備えている。また、前記球体受け部７２は第一部材７２ａ及び第二部材７２ｂから構成されており、これら第一部材７２ａ及び第二部材７２ｂを予圧付与ボルト７３ａ及びナット７３ｂで締結することにより、かかる第一部材７２ａと第二部材７２ｂとの間に前記球体部７１を挟み込んで保持するようになっている。前記第一部材７２ａ及び第二部材７２ｂには前記球体部７１の球面に合致した摺接面が設けられており、これら二つの部材で球体部７１を挟み込むことにより、かかる球体部７１が球体受け部７２から離脱不能となり、前記ねじ軸３０は前記球体部７１を中心として球体受け部７２に対して矢線Ａ方向へ揺動自在となり、また、矢線Ｂのようにねじ軸を回転させることが可能となっている。
【００４７】
また、前記第一部材７２ａと第二部材７２ｂとの間には隙間が設けられており、前記予圧付与ボルト７３ａ及びナット７３ｂの締結量を変更することで、前記球体受け部７２が球体部７１を締め付ける力を容易に変更することができるようになっている。すなわち、予圧付与ボルト７３ａの締結量を任意に変更することで、前述の第二実施形態と同様に、減衰装置の使用環境に合わせて球面継ぎ手３２の初期滑りトルクＴ１を任意に設定することが可能である。
【００４８】
尚、前述した本発明の実施形態では、粘性流体に作用する剪断摩擦力を利用した減衰装置を例に挙げて本発明のねじ運動機構を説明してきたが、本発明の利用例はこれに限られるものではなく、例えば、振動エネルギを本発明のねじ運動機構によってフライホイールの回転運動に変換し、それによって当該振動エネルギの減衰を図る減衰装置にも本発明のねじ運動機構は利用することが可能である。
【００４９】
また、図１に示した減衰装置では、第二の構造体に対する固定外筒１０の接続をクレビス５によって行っているが、このクレビス５に代えて前述した球面継ぎ手３２を用いることも可能である。
【００５０】
更に、球面継ぎ手の構成は説明した第一乃至第三実施形態のものに限定されるものではなく、初期滑りトルクＴ１を有し、前述のように滑りトルクのグラフの傾きがねじ運動機構の回転トルクのグラフの傾きよりも小さいものであれば、かかる球面継ぎ手の構造は自由に選定することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１…減衰装置、３０…ねじ軸、４０…ナット部材、３２…球面継ぎ手、３３，６１…球体部、３６，６０…球体受け部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状のねじ溝が形成されると共に少なくとも一方の軸端が第一の構造体に連結されるねじ軸と、前記第一の構造体に対して前記ねじ軸の軸方向へ移動可能な第二の構造体に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合するナット部材と、球体部及びこの球体部を収容すると球体受け部から構成されて前記ねじ軸の軸端を前記第一の構造体に連結する球面継ぎ手とを備え、
前記ナット部材とねじ軸との間で伝達される回転トルクは当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化する一方、前記球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間で伝達される滑りトルクも当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化し、
前記ねじ軸の軸力を変数とした場合に、前記回転トルク線図は前記滑りトルク線図と交差しており、且つ、前記ねじ軸に軸力が作用していない初期状態では前記滑りトルクが回転トルクを上回っていることを特徴とするねじ運動機構。
【請求項２】
前記球面継ぎ手の球体受け部には、前記球体部に圧接すると共にその圧接力を調整可能な摩擦部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載のねじ運動機構。
【請求項３】
前記摩擦部材は前記軸方向と垂直な方向から前記球体部に圧接することを特徴とする請求項２記載のねじ運動機構。
【請求項４】
外周面に螺旋状のねじ溝が形成されると共に少なくとも一方の軸端が第一の構造体に連結されるねじ軸と、
第二の構造体に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合し、第一の構造体に対する第二の構造体の振動に応じて往復回転するナット部材と、
このナット部材に連結されて当該ナット部材の往復回転を減衰させる減衰手段と、
球体部及びこの球体部を収容すると球体受け部から構成されて前記ねじ軸の軸端を前記第一の構造体に連結する球面継ぎ手とを備え、
前記ナット部材とねじ軸との間で伝達される回転トルクは当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化する一方、前記球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間で伝達される滑りトルクも当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化し、
前記ねじ軸の軸力を変数とした場合に、前記回転トルク線図は前記滑りトルク線図と交差しており、且つ、前記ねじ軸に軸力が作用していない初期状態では前記滑りトルクが回転トルクを上回っていることを特徴とする減衰装置。
【請求項５】
前記球面継ぎ手の球体受け部には、前記球体部に圧接すると共にその圧接力を調整可能な摩擦部材が設けられていることを特徴とする請求項４記載の減衰装置。
【請求項６】
前記摩擦部材は前記軸方向と垂直な方向から前記球体部に圧接することを特徴とする請求項５記載の減衰装置。
【請求項１】
外周面に螺旋状のねじ溝が形成されると共に少なくとも一方の軸端が第一の構造体に連結されるねじ軸と、前記第一の構造体に対して前記ねじ軸の軸方向へ移動可能な第二の構造体に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合するナット部材と、球体部及びこの球体部を収容すると球体受け部から構成されて前記ねじ軸の軸端を前記第一の構造体に連結する球面継ぎ手とを備え、
前記ナット部材とねじ軸との間で伝達される回転トルクは当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化する一方、前記球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間で伝達される滑りトルクも当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化し、
前記ねじ軸の軸力を変数とした場合に、前記回転トルク線図は前記滑りトルク線図と交差しており、且つ、前記ねじ軸に軸力が作用していない初期状態では前記滑りトルクが回転トルクを上回っていることを特徴とするねじ運動機構。
【請求項２】
前記球面継ぎ手の球体受け部には、前記球体部に圧接すると共にその圧接力を調整可能な摩擦部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載のねじ運動機構。
【請求項３】
前記摩擦部材は前記軸方向と垂直な方向から前記球体部に圧接することを特徴とする請求項２記載のねじ運動機構。
【請求項４】
外周面に螺旋状のねじ溝が形成されると共に少なくとも一方の軸端が第一の構造体に連結されるねじ軸と、
第二の構造体に対して回転自在に保持されると共に前記ねじ軸に螺合し、第一の構造体に対する第二の構造体の振動に応じて往復回転するナット部材と、
このナット部材に連結されて当該ナット部材の往復回転を減衰させる減衰手段と、
球体部及びこの球体部を収容すると球体受け部から構成されて前記ねじ軸の軸端を前記第一の構造体に連結する球面継ぎ手とを備え、
前記ナット部材とねじ軸との間で伝達される回転トルクは当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化する一方、前記球面継ぎ手の球体部と球体受け部との間で伝達される滑りトルクも当該ねじ軸に作用する軸力に応じて変化し、
前記ねじ軸の軸力を変数とした場合に、前記回転トルク線図は前記滑りトルク線図と交差しており、且つ、前記ねじ軸に軸力が作用していない初期状態では前記滑りトルクが回転トルクを上回っていることを特徴とする減衰装置。
【請求項５】
前記球面継ぎ手の球体受け部には、前記球体部に圧接すると共にその圧接力を調整可能な摩擦部材が設けられていることを特徴とする請求項４記載の減衰装置。
【請求項６】
前記摩擦部材は前記軸方向と垂直な方向から前記球体部に圧接することを特徴とする請求項５記載の減衰装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１３２４７９（Ｐ２０１２−１３２４７９Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８２７５１（Ｐ２０１０−２８２７５１）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【出願人】（５０４２４２３４２）株式会社免制震ディバイス (16)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【出願人】（５０４２４２３４２）株式会社免制震ディバイス (16)
【Ｆターム（参考）】
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