バネ部材
【課題】皿バネを用い、全体の構成が十分に簡略かつコンパクトでローコストでありながら圧縮力と引張力の双方に対応し得る有効適切なバネ部材を提供するとともに、容易に引張側と圧縮側のバネ剛性を調節することが可能なバネ部材を提供する。
【解決手段】シリンダー要素１と、シリンダー要素１に対して軸Ｏ１方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素４と、ロッド要素４の先端部に組み付けられてシリンダー要素１内に収容されたバネ要素１１により構成し、ロッド要素４の先端部側の一方の押板１２ａと一方の蓋体１４ａの内面の間に弾性体１５を介設するようにした。
【解決手段】シリンダー要素１と、シリンダー要素１に対して軸Ｏ１方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素４と、ロッド要素４の先端部に組み付けられてシリンダー要素１内に収容されたバネ要素１１により構成し、ロッド要素４の先端部側の一方の押板１２ａと一方の蓋体１４ａの内面の間に弾性体１５を介設するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、皿バネを用いて構成されるバネ部材、特に簡易な構成でありながら引張力及び圧縮力の双方に対応し得るバネ部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように皿バネはコンパクトに大きな耐荷重性能を持つバネ部材として種々の機器に使用されている。特に、特許文献１に示されるように複数の皿バネを直列あるいは並列に組み合わせて用いることで変形性能や耐荷重を増すことができることから、コイルバネよりコンパクトでローコストに所定の性能が得られるメリットがある。
【０００３】
一方、皿バネ単体では圧縮力にしか対応できないので、圧縮力のみならず引張力にも対応できるバネ要素とするためには、例えば特許文献２に示されるように、圧縮力に対応するための皿バネ群と引張力に対応するための皿バネ群を組み合わせて用いる必要がある。
【０００４】
図９は、そのようなバネ部材の一例を示すもので、シリンダー１内に両方向に変位可能なピストン２を配設し、（ａ）に示すような皿バネ３を（ｂ）に示すようにピストン２の両側にそれぞれ多数（図示例では８枚づつ）直列に重ねた２組の皿バネ群３Ａ、３Ｂとして収容して構成したものである。
【０００５】
そして、このバネ部材では、ピストン２に連結したロッド４とシリンダー１の一端に設けたクレビス５との間に生じる圧縮力に対しては、一方（図示例ではピストン２の右側）の皿バネ群３Ａ全体をピストン２により一方向（図示例では右方）に押圧して弾性的に圧縮することで対応し、引張力に対しては、他方（同、左側）の皿バネ群３Ｂ全体をピストン２により逆方向（同、左方）に押圧して弾性的に圧縮させることで対応することができる。反面、このように２組の皿バネ群３Ａ、３Ｂを組み合わせて圧縮力と引張力の双方に対応するように構成したバネ部材では、多数の皿バネ３を必要とし、バネ部材の全体構成の簡略化、コンパクト化、ローコスト化に限界があった。
【０００６】
一方、本願の出願人は、全体の構成が十分に簡略かつコンパクトでローコストでありながら圧縮力と引張力の双方に対応し得るバネ部材の発明に関する出願を既に行っている（特願２０１１−０２２６３１）。このバネ部材１０は、図１０に示すように、１組の皿バネ群３Ａの両端側にそれぞれ押板１２（１２ａ、１２ｂ）を配設したバネ要素の全体に対し、ロッド４を軸Ｏ１方向に相対変位可能に挿通するとともに、ロッド４の各押板１２ａ、１２ｂの外側の位置にそれぞれストッパー１３（１３ａ、１３ｂ）としての加力ボルトを螺着して構成されている。
【０００７】
また、このバネ部材１０は、図１０及び図１１に示すように、各押板１２ａ、１２ｂがそれぞれシリンダー１の両端部に設けた環状の蓋体１４（１４ａ、１４ｂ）の内面に対して押圧可能な状態で、バネ要素全体をシリンダー１内に収容して構成されている。そして、引張力が作用した際には、図１１（ａ）に示すように、シリンダー１の奥側（図示右側）の押板１２ａがシリンダー１内に引き込まれて皿バネ群３Ａの全体が弾性的に圧縮される。逆に圧縮力が作用した際には、図１１（ｂ）に示すように、シリンダー１の手前側（図示左側）の押板１２ｂがシリンダー１内に引き込まれて皿バネ群３Ａの全体が弾性的に圧縮される。これにより、引張時及び圧縮時のいずれにおいても１組の皿バネ群３Ａで対応可能であるから、皿バネ３の所要枚数を減らし、簡略化とコンパクト化及びローコスト化を図ることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−３８２２８号公報
【特許文献２】特開２０００−２４３４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、図１０及び図１１に示したバネ部材１０を用い、荷重−変形関係を確認する実験を行った結果を図１２に示す。なお、図１２の縦軸の荷重は、正が引張、負が圧縮であり、図中の一点鎖線は、皿バネのみから計算した剛性（理論剛性）を示している。また、実験では、隣り合う皿バネ３の隙間をなくすため、予圧縮荷重１０ｋNを加えており、これに伴い、図１２に示されるように原点近傍で荷重方向に予圧縮荷重分の１０ｋN程度のスリップが生じた。
【００１０】
そして、この図１２の結果から、バネ部材１０の剛性は、圧縮側でほぼ理論通りとなるのに対し、引張側で１５％程度小さくなる（圧縮側の０．８５倍に低下する）ことが確認された。これは、引張側ではロッド４とシリンダー１の引張ひずみ（伸び変形）が加算されることによるものであり、このように引張側と圧縮側でバネ剛性が異なって線形バネの理論から外れてしまう。このため、引張側と圧縮側のバネ剛性を揃え、線形条件を満足できるようにすることが望まれ、この点で改善の余地が残されていた。
【００１１】
なお、図１２に示す通り、皿バネ３を用いたバネ部材１０は、その特徴として、加力時と除荷時で勾配が異なるヒステリシス特性をもつが、この原点指向型の履歴特性は、吸収エネルギーが小さく残留変位も生じないため、大きな問題とはならない。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑み、皿バネを用い、全体の構成が十分に簡略かつコンパクトでローコストでありながら圧縮力と引張力の双方に対応し得る有効適切なバネ部材を提供するとともに、容易に引張側と圧縮側のバネ剛性を調節することが可能なバネ部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【００１４】
本発明のバネ部材は、互いに離接する方向に相対変位可能な二部材間に介装されて、前記二部材間に生じる相対変位によって弾性的に伸縮するバネ部材であって、シリンダー要素と、該シリンダー要素に対して軸方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素と、該ロッド要素の先端部に組み付けられて前記シリンダー要素内に収容されたバネ要素により構成されて、前記ロッド要素の基端部および前記シリンダー要素に対して前記二部材がそれぞれ連結可能とされ、前記バネ要素は複数枚の皿バネを直列および／または並列に重ねてなる１組の皿バネ群の両端側に押板がそれぞれ配設され、前記ロッド要素は前記バネ要素の全体に対して軸方向に相対変位可能に挿通せしめられているとともに、該ロッド要素には前記各押板の外側の位置にそれぞれストッパーが設けられていて、該ストッパーの間において前記バネ要素の全体が前記ロッド要素の軸方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられ、前記ロッド要素の基端部が前記シリンダー要素から外方に延出せしめられた状態で該ロッド要素の先端部が前記シリンダー要素内に挿入されて、前記各押板がそれぞれ前記シリンダー要素の両端部に設けられた蓋体の内面に対して押圧可能な状態で前記バネ要素の全体が前記シリンダー要素内に収容されるとともに、前記ロッド要素の先端部側の一方の押板と一方の蓋体の内面の間に弾性体が介設されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のバネ部材においては、一対のストッパー間のロッド要素の剛性をｋｎ、前記シリンダー要素の軸剛性をｋｓ、前記弾性体の軸方向の剛性をｋｅとしたとき、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となるように前記弾性体の剛性ｋｅが設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のバネ部材においては、バネ部材の圧縮時に、ロッド要素がシリンダー要素に対して軸方向の一方の側に相対変位し、一方の押板が一方の蓋体側に押圧され、一方の押板と一方の蓋体の間に挟まれて弾性体が弾性変形するとともに、他方の押板がストッパーによりシリンダー要素の内側に向かって押圧されてバネ要素の全体が弾性的に圧縮する。また、バネ部材の引張時には、ロッド要素がシリンダー要素に対して軸方向の他方の側に相対変位し、他方の押板が他方の蓋体に押圧されるとともに一方の押板がストッパーによりシリンダー要素の内側に向かって押圧されてバネ要素の全体が弾性的に圧縮する。
【００１７】
これにより、引張時および圧縮時のいずれにおいても１組の皿バネ群が圧縮されて一定のバネ剛性を有するバネ部材として機能するから、従来のバネ部材のように２組の皿バネ群を必要とせず、したがって従来と同等のバネ剛性を持つものであっても皿バネの所要枚数を半減できるし、バネ部材全体の所要長さも半減でき、その結果、構成の十分な簡略化と小形化および低価格化を実現し得るものである。
【００１８】
また、バネ部材の圧縮時には、一方の押板と一方の蓋体の間に挟まれて弾性体が弾性変形して弾性力が発生するため、弾性体の剛性を大小調節することによって、圧縮に対するバネ部材全体の剛性を変化させることができる。よって、引張側のバネ剛性を自由に変化させることができ、容易に引張側と圧縮側のバネ剛性を揃えるように調節することも可能になる。
【００１９】
さらに、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となるように弾性体の剛性ｋｅを設定することによって、引張時と圧縮時にバネ部材全体として同じ剛性を得ることが可能になる。よって、確実に引張側と圧縮側のバネ剛性を揃え、線形条件を満足するバネ部材にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るバネ部材を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るバネ部材に引張力、圧縮力が作用した際の作動状態を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るバネ部材が具備する皿バネ単体の形状例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るバネ部材が具備する皿バネ群の構成例（皿バネの組み合わせパターンの例）を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るバネ部材における荷重−変形特性の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るバネ部材の変形例を示す図である。
【図７】荷重−変形特性の設計例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るバネ部材を制振機構に適用する場合の一例を示す図である。
【図９】従来のバネ部材を示す図である。
【図１０】従来のバネ部材を示す図である。
【図１１】図１０に示したバネ部材に引張力、圧縮力が作用した際の作動状態を示す図である。
【図１２】図１０に示したバネ部材における荷重−変形特性の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図１から図５を参照し、本発明の一実施形態に係るバネ部材について説明する。なお、本実施形態では、図１０及び図１１に示した従来のバネ部材１０と同様の構成に対し同一符号を付して説明を行う。
【００２２】
本実施形態のバネ部材Ａは、図１及び図２に示すように、シリンダー要素１（以下では単にシリンダー１と略す）と、シリンダー１に対して軸Ｏ１方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素４（以下では単にロッド４と略す）と、ロッド４の先端部に組み付けられてシリンダー１内に収容されたバネ要素１１とを備えて構成されている。
【００２３】
バネ要素１１は、複数枚（図示例では８枚）の皿バネ３が直列に重ねられた１組の皿バネ群３Ａの両端側に押板１２（１２ａ、１２ｂ）がそれぞれ配設されたものである。また、バネ要素１１の全体に対してロッド４が軸Ｏ１方向に相対変位可能に挿通せしめられており、そのロッド４には各押板１２の外側の位置にそれぞれストッパー１３（１３ａ、１３ｂ）としての加力ボルトが螺着され、これらストッパー１３の間においてバネ要素１１の全体がロッド４の軸Ｏ１方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられている。
【００２４】
そして、ロッド４の基端部がシリンダー１から外方（図示例では左方）に延出せしめられた状態でその先端部がシリンダー２内に挿入されることにより、各押板１２がそれぞれシリンダー１の両端部に設けられた環状の蓋体１４（１４ａ、１４ｂ）の内面に対して押圧可能な状態で配設され、バネ要素１１の全体がシリンダー１内に収容されている。
【００２５】
さらに、本実施形態のバネ部材Ａにおいては、シリンダー１の奥側の一方の押板１２ａ（図示右側の押板）と、シリンダー１の奥側の一方の蓋体１４ａの内面の間に、ゴムなどの弾性体１５が介設されている。すなわち、このバネ部材Ａは、シリンダー１の手前側の他方の押板１２ｂ（図示左側の押板）が手前側の他方の蓋体１４ｂに直接的に押圧可能に設けられているのに対し、奥側の一方の押板１２ａが奥側の一方の蓋体１４ａに、弾性体１５を介して間接的に押圧可能に設けられている。また、弾性体１５は、環状に形成され、且つその内孔が奥側の一方のストッパー１３ａである加力ナットの外径よりも大きな内径で形成されている。これにより、バネ部材Ａは、一方のストッパー１３ａが弾性体１５の内孔を通じて一方の押板１２ａの外面に当接するように構成されている。また、本実施形態の弾性体１５は、一方の押板１２ａに一体に固着して設けられている。
【００２６】
なお、シリンダー１内にバネ要素１１を収容する際には、シリンダー１内にバネ要素１１を収容してからシリンダー１に対して蓋体１４を装着してボルト締結すれば良いが、あるいはシリンダー１を円周方向に２分割（ないしさらに多分割）しておいてそれらをバネ要素１１の外側に装着して一体に連結するか、もしくはシリンダー１を長さ方向に２分割しておいてそれらの内側にバネ要素１１を収容してから一体に連結すれば良い。
【００２７】
いずれにしても、図示例のように押板１２に当接する皿バネ３は大径側（図３に示す大径寸法Ｄの面）が押板１２に面する向きに配置されていることが好ましい。
また、ロッド４は各皿バネ３の変形や変位をガイドする部材として機能するので、そのロッド４の硬度はＨＲＣ５５以上とし、皿バネ３と接触する周面は平滑な円筒面とすることが好ましい。
【００２８】
そして、本実施形態のバネ部材Ａは、通常のバネ部材と同様に互いに離接する方向に相対変位可能な二部材（図示せず）の間に介装されて、例えば制振機構の構成要素としてのバネ要素として機能するものであって、それら二部材の一方がロッド４の基端部に対して連結され、他方がシリンダー１に設けられているクレビス５に対して連結されるようになっている。そして、上記の二部材の間に相対変位ないし相対振動が生じた際には、上記のバネ要素１１の全体が両方向に弾性的に圧縮されることにより、このバネ部材Ａ全体が所定のバネ剛性をもって軸Ｏ１方向両側に弾性的に伸縮するようになっている。
【００２９】
すなわち、このバネ部材Ａが図１に示す状態で二部材間に介装されている状態から、二部材どうしが離間する方向に相対変位を生じて図２（ａ）に示すようにバネ部材Ａの両端に対して引張力が作用した際には、ロッド４がシリンダー１から抜き出る方向に変位してバネ部材Ａ全体が伸張する。その際、奥側のストッパー１３ａによって奥側の押板１２ａがシリンダー１内に引き込まれて皿バネ群３Ａの全体がその押板１２ａにより一方向（図示左方向）に変位する。また、これとともに、手前側の押板１２ｂが手前側の蓋体１４ｂに対して押圧され、これにより、バネ要素１１全体が弾性的に圧縮される。
【００３０】
逆に、二部材どうしが接近する方向に相対変位を生じて図２（ｂ）に示すようにバネ部材Ａの両端に対して圧縮力が作用した際には、ロッド４がシリンダー１に対して押し込まれる方向に変位してバネ部材Ａ全体が縮退する。その際、手前側のストッパー１３ｂによって手前側の押板１２ｂがシリンダー１内に押し込まれて皿バネ群３Ａの全体がその押板１２ｂにより逆方向（図示右方向）に変位する。そして、奥側の押板１２ａによって弾性体１５が押圧され、この弾性体１５が弾性変形するとともに奥側の押板１２ａが奥側の蓋体１４ａに対して押圧され、これにより、バネ要素１１全体が弾性的に圧縮される。
【００３１】
このように、本実施形態のバネ部材Ａによれば、引張時および圧縮時のいずれにおいても１組の皿バネ群３Ａが圧縮されて引張力および圧縮力の双方に対応可能であるから、図９に示した従来のバネ部材のように２組の皿バネ群３Ａ、３Ｂを必要とせず、したがって従来と同等のバネ剛性を持つものであっても皿バネ３の所要枚数を半減できるし、バネ部材Ａ全体としての所要長さも半減でき、その結果、構成の十分な簡略化と小形化およびローコスト化を実現し得るものである。
【００３２】
勿論、皿バネ３単体としてのバネ剛性や、それらの枚数を調整することで、任意の変形性能や耐力に幅広く対応できる。そのためには、皿バネ３単体の形状および寸法（図３に示す大径寸法Ｄ、小径寸法ｄ、全高Ｈ、ライズｈ、板厚ｔ）を、その素材である鋼材の弾性特性に応じて任意に設定すれば良い。
【００３３】
また、皿バネ３の枚数や配列パターンは、皿バネ群３Ａ全体として所望のバネ剛性が得られるように、例えば図４に示すような様々なパターンで任意に設計すれば良い。その場合、皿バネ３を同じ向きに重ねる並列配列とすれば耐力（荷重）を増大させることができ、逆向きに重ねる直列配列とすれば変形性能を増大させることができるから、バネ部材Ａ全体として所定の荷重に必要な枚数を並列とし、所定の変形に必要な枚数を直列にすれば良い。
【００３４】
なお、いずれにしても、皿バネ単体の変形性能δは皿バネ単体のライズｈに対して、δ≦０．７５ｈとすると良い。また、皿バネ単体の耐力ｐは変形がδのときの反力とすると良く、それにより荷重Ｆ−変形（たわみ）δの関係を線形に近づけることができる。具体的には、バネ部材Ａ全体の変形量ｘ、負担力Ｆとして、直列枚数≧ｘ／δ、並列枚数≧Ｆ／ｐとなるようにすると良い。
【００３５】
一方、本実施形態のバネ部材Ａにおいては、図２（ｂ）に示すように、圧縮力が作用した際に、奥側の押板１２ａによって弾性体１５が押圧され、この弾性体１５が弾性変形するとともに、弾性体１５を介して奥側の蓋体１４ａに圧縮力が伝達される。
【００３６】
このように弾性体１５を備え、圧縮時のみ、弾性体１５が縮むように構成したことで、バネ部材Ａ全体の変位量δが、引張時には、全長ロッド変位＋皿バネ変位＋シリンダー変位＋接合部材変位（クレビス５等の変位）で表され、圧縮時には、他方のストッパーから内側（図示左側）の変位＋皿バネ変位＋弾性体変位＋接合部材変位で表される。
【００３７】
このため、引張時と圧縮時の力Ｐが同じ場合には、剛性が引張と圧縮で同じであるとすると、引張時と圧縮時の変位量の差分が０（左右の両ストッパーの間のロッド変位＋シリンダー変位−弾性体変位＝０）となる。これにより、左右のストッパー間のロッド剛性をｋｎ、シリンダー軸剛性をｋｓ、弾性体の軸方向の剛性をｋｅとすると、Ｐ／ｋｎ＋Ｐ／ｋｓ−Ｐ／ｋｅ＝０より、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となる。
【００３８】
よって、本実施形態のバネ部材Ａにおいては、弾性体１５の剛性ｋｅを大小調節することによって、圧縮に対するバネ部材Ａ全体の剛性が変化する。そして、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となるように弾性体１５の剛性ｋｅを設定すると、図５に示すように、引張時と圧縮時にバネ部材Ａ全体として同じ剛性が得られ、確実に引張側と圧縮側のバネ剛性が揃い、線形条件を満足するバネ部材Ａとなる。
【００３９】
したがって、本実施形態のバネ部材Ａにおいては、バネ部材Ａの圧縮時に、ロッド要素４がシリンダー要素１に対して軸Ｏ１方向の一方の側に相対変位し、一方の押板１２ａが一方の蓋体１４ａ側に押圧され、一方の押板１２ａと一方の蓋体１４ａの間に挟まれて弾性体１５が弾性変形するとともに、他方の押板１２ｂがストッパー１３ｂによりシリンダー要素１の内側に向かって押圧されてバネ要素１１の全体が弾性的に圧縮する。また、バネ部材Ａの引張時には、ロッド要素４がシリンダー要素１に対して軸Ｏ１方向の他方の側に相対変位し、他方の押板１２ｂが他方の蓋体１４ｂに押圧されるとともに一方の押板１２ａがストッパー１３ａによりシリンダー要素１の内側に向かって押圧されてバネ要素１１の全体が弾性的に圧縮する。
【００４０】
これにより、引張時および圧縮時のいずれにおいても１組の皿バネ群３Ａが圧縮されて一定のバネ剛性を有するバネ部材Ａとして機能するから、従来のバネ部材のように２組の皿バネ群３Ａ、３Ｂを必要とせず、したがって従来と同等のバネ剛性を持つものであっても皿バネ３の所要枚数を半減できるし、バネ部材Ａ全体の所要長さも半減でき、その結果、構成の十分な簡略化と小形化および低価格化を実現し得るものである。
【００４１】
また、バネ部材Ａの圧縮時には、一方の押板１２ａと一方の蓋体１４ａの間に挟まれて弾性体１５が弾性変形し、弾性力が発生するため、弾性体１５の剛性ｋｅを大小調節することによって、圧縮に対するバネ部材Ａ全体の剛性を変化させることができる。よって、容易に引張側と圧縮側のバネ剛性を揃えるように調節することが可能になる。
【００４２】
さらに、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となるように弾性体１５の剛性ｋｅを設定することによって、引張時と圧縮時にバネ部材Ａ全体として同じ剛性を得ることが可能になる。よって、確実に引張側と圧縮側のバネ剛性を揃え、線形条件を満足するバネ部材Ａにすることが可能になる。
【００４３】
以上、本発明に係るバネ部材の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４４】
例えば、図６に示すように、本発明にかかる弾性体１５として、皿バネを適用してもよい。また、弾性体１５として皿バネを用いる場合には、図示例のように弾性体１５としての皿バネは大径側（図３に示す大径寸法Ｄの面）が蓋体１４ａの内面側を向くように配置されていることが好ましい。
【００４５】
また、本発明に係るバネ部材は、図７（ａ）に示すような線形の荷重−変形特性とすることが好ましく、そのためには通常時において皿バネ３と押板１２ａ、１２ｂとが当接しており、且つ押板１２ｂと蓋体１４ｂ、押板１２ａと弾性体１５、弾性体１５と蓋体１４ａが当接している状態として、これらの間に隙間がなくかつ皿バネ群３Ａに予圧縮荷重がない状態としてバネ部材Ａを組み立てれば良い。そして、そのためには各構成部品の各部の寸法や厚みを予め厳密に加工しておけば良いが、必要に応じてそれらの間に適宜厚さのスペーサを介装して微調整すれば良い。
【００４６】
但し、皿バネ３と押板１２ａ、１２ｂ、押板１２ｂと蓋体１４ｂ、押板１２ａと弾性体１５、弾性体１５と蓋体１４ａの間に、敢えて隙間を確保しておいたり、バネ要素１１に対して予め予圧縮荷重を付与しておくことにより、本発明のバネ部材Ａに非線形の特性を持たせることも可能である。
すなわち、バネ要素１１に対して上記のような隙間δ０を確保しておけばその特性は図７（ｂ）に示すようなスリップ型となり、また、バネ要素１１に予圧縮力Ｆ０を付与しておけばその特性は図７（ｃ）に示すような特性となるから、バネ部材Ａの用途や使用目的に応じて最適な特性となるような設計とすれば良い。
【００４７】
また、本実施形態のバネ部材Ａでは、相対変位可能な二部材に対してロッド４およびクレビス５を連結するものとしたが、クレビス５を省略してシリンダー１自体を部材に対して直接連結することでも良い。
【００４８】
さらに、本実施形態では、ロッド要素を単なるロッド４とし、シリンダー要素を単なるシリンダー１として構成したが、本発明のロッド要素とは「皿バネ３の内側にあって皿バネ群３Ａ両端で押板１２外側のストッパー１３と一体化したもの」であれば良く、シリンダー要素とは「皿バネ群３Ａ、弾性体１５で発生した弾性力を支持するもの」であればよく、その限りにおいてシリンダー要素およびロッド要素の形態は任意である。
【００４９】
また、本発明のバネ部材Ａは様々な用途、目的のバネ要素として広く適用可能であるが、特に建物等の構造物を対象とする制振機構の構成要素として好適に適用可能であり、その一例を図８に示す。
これは、建物における柱２０と梁２１（２１ａ、２１ｂ）により構成される架構フレーム内に設置されて層間変形を制御するためのもので、上階の梁２１ａに対して固定したＶ型ブレース２２の下端部を接合治具２３を介して下階の梁２１ｂに対して面内相対変位可能に支持し、その接合治具２３と下階の梁２１ｂとの間に慣性質量ダンパー２４と本発明のバネ部材Ａとを直列に接続し、さらに接合治具２３と下階の梁２１ｂに固定したダンパー取り付け治具２５との間にオイルダンパー２６を接続したもので、それら慣性質量ダンパー２４と本発明のバネ部材Ａとオイルダンパー２６とによって同調型制振機構を構成したものである。
【００５０】
このような制振機構において、バネ要素として従来一般のコイルバネや図９に示したような２組の皿バネ群３Ａ、３Ｂによる従来一般のバネ部材を用いる場合には、その寸法が長大になって納まりが困難になる場合があるが、それに代えて上記のように本発明のバネ部材Ａを用いることによりバネ要素としての所要長さを十分に短縮し得て支障なく納めることが可能である。
【００５１】
さらに、上記の制振機構において、本発明のバネ部材Ａとオイルダンパー２６とを一体化することも考えられる。すなわち、本発明のバネ部材Ａにおけるシリンダー１とオイルダンパー２６のシリンダーとを一体化し、本発明のバネ部材Ａにおけるロッド４とオイルダンパー２６におけるロッドとを一体化すれば、バネ要素と減衰要素とをコンパクトに一体化させることが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１ シリンダー（シリンダー要素）
２ ピストン
３ 皿バネ
３Ａ 皿バネ群
３Ｂ 皿バネ群
４ ロッド（ロッド要素）
５ クレビス
１０ 従来のバネ部材
１１ バネ要素
１２ 押板
１２ａ 一方の押板
１２ｂ 他方の押板
１３ ストッパー
１３ａ 一方のストッパー
１３ｂ 他方のストッパー
１４ 蓋体
１４ａ 一方の蓋体
１４ｂ 他方の蓋体
１５ 弾性体
２０ 柱
２１ 梁
２２ Ｖ型ブレース
２３ 接続治具
２４ 慣性質量ダンパー
２５ ダンパー取り付け治具
２６ オイルダンパー
Ａ バネ部材
Ｏ１ 軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、皿バネを用いて構成されるバネ部材、特に簡易な構成でありながら引張力及び圧縮力の双方に対応し得るバネ部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように皿バネはコンパクトに大きな耐荷重性能を持つバネ部材として種々の機器に使用されている。特に、特許文献１に示されるように複数の皿バネを直列あるいは並列に組み合わせて用いることで変形性能や耐荷重を増すことができることから、コイルバネよりコンパクトでローコストに所定の性能が得られるメリットがある。
【０００３】
一方、皿バネ単体では圧縮力にしか対応できないので、圧縮力のみならず引張力にも対応できるバネ要素とするためには、例えば特許文献２に示されるように、圧縮力に対応するための皿バネ群と引張力に対応するための皿バネ群を組み合わせて用いる必要がある。
【０００４】
図９は、そのようなバネ部材の一例を示すもので、シリンダー１内に両方向に変位可能なピストン２を配設し、（ａ）に示すような皿バネ３を（ｂ）に示すようにピストン２の両側にそれぞれ多数（図示例では８枚づつ）直列に重ねた２組の皿バネ群３Ａ、３Ｂとして収容して構成したものである。
【０００５】
そして、このバネ部材では、ピストン２に連結したロッド４とシリンダー１の一端に設けたクレビス５との間に生じる圧縮力に対しては、一方（図示例ではピストン２の右側）の皿バネ群３Ａ全体をピストン２により一方向（図示例では右方）に押圧して弾性的に圧縮することで対応し、引張力に対しては、他方（同、左側）の皿バネ群３Ｂ全体をピストン２により逆方向（同、左方）に押圧して弾性的に圧縮させることで対応することができる。反面、このように２組の皿バネ群３Ａ、３Ｂを組み合わせて圧縮力と引張力の双方に対応するように構成したバネ部材では、多数の皿バネ３を必要とし、バネ部材の全体構成の簡略化、コンパクト化、ローコスト化に限界があった。
【０００６】
一方、本願の出願人は、全体の構成が十分に簡略かつコンパクトでローコストでありながら圧縮力と引張力の双方に対応し得るバネ部材の発明に関する出願を既に行っている（特願２０１１−０２２６３１）。このバネ部材１０は、図１０に示すように、１組の皿バネ群３Ａの両端側にそれぞれ押板１２（１２ａ、１２ｂ）を配設したバネ要素の全体に対し、ロッド４を軸Ｏ１方向に相対変位可能に挿通するとともに、ロッド４の各押板１２ａ、１２ｂの外側の位置にそれぞれストッパー１３（１３ａ、１３ｂ）としての加力ボルトを螺着して構成されている。
【０００７】
また、このバネ部材１０は、図１０及び図１１に示すように、各押板１２ａ、１２ｂがそれぞれシリンダー１の両端部に設けた環状の蓋体１４（１４ａ、１４ｂ）の内面に対して押圧可能な状態で、バネ要素全体をシリンダー１内に収容して構成されている。そして、引張力が作用した際には、図１１（ａ）に示すように、シリンダー１の奥側（図示右側）の押板１２ａがシリンダー１内に引き込まれて皿バネ群３Ａの全体が弾性的に圧縮される。逆に圧縮力が作用した際には、図１１（ｂ）に示すように、シリンダー１の手前側（図示左側）の押板１２ｂがシリンダー１内に引き込まれて皿バネ群３Ａの全体が弾性的に圧縮される。これにより、引張時及び圧縮時のいずれにおいても１組の皿バネ群３Ａで対応可能であるから、皿バネ３の所要枚数を減らし、簡略化とコンパクト化及びローコスト化を図ることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−３８２２８号公報
【特許文献２】特開２０００−２４３４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、図１０及び図１１に示したバネ部材１０を用い、荷重−変形関係を確認する実験を行った結果を図１２に示す。なお、図１２の縦軸の荷重は、正が引張、負が圧縮であり、図中の一点鎖線は、皿バネのみから計算した剛性（理論剛性）を示している。また、実験では、隣り合う皿バネ３の隙間をなくすため、予圧縮荷重１０ｋNを加えており、これに伴い、図１２に示されるように原点近傍で荷重方向に予圧縮荷重分の１０ｋN程度のスリップが生じた。
【００１０】
そして、この図１２の結果から、バネ部材１０の剛性は、圧縮側でほぼ理論通りとなるのに対し、引張側で１５％程度小さくなる（圧縮側の０．８５倍に低下する）ことが確認された。これは、引張側ではロッド４とシリンダー１の引張ひずみ（伸び変形）が加算されることによるものであり、このように引張側と圧縮側でバネ剛性が異なって線形バネの理論から外れてしまう。このため、引張側と圧縮側のバネ剛性を揃え、線形条件を満足できるようにすることが望まれ、この点で改善の余地が残されていた。
【００１１】
なお、図１２に示す通り、皿バネ３を用いたバネ部材１０は、その特徴として、加力時と除荷時で勾配が異なるヒステリシス特性をもつが、この原点指向型の履歴特性は、吸収エネルギーが小さく残留変位も生じないため、大きな問題とはならない。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑み、皿バネを用い、全体の構成が十分に簡略かつコンパクトでローコストでありながら圧縮力と引張力の双方に対応し得る有効適切なバネ部材を提供するとともに、容易に引張側と圧縮側のバネ剛性を調節することが可能なバネ部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【００１４】
本発明のバネ部材は、互いに離接する方向に相対変位可能な二部材間に介装されて、前記二部材間に生じる相対変位によって弾性的に伸縮するバネ部材であって、シリンダー要素と、該シリンダー要素に対して軸方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素と、該ロッド要素の先端部に組み付けられて前記シリンダー要素内に収容されたバネ要素により構成されて、前記ロッド要素の基端部および前記シリンダー要素に対して前記二部材がそれぞれ連結可能とされ、前記バネ要素は複数枚の皿バネを直列および／または並列に重ねてなる１組の皿バネ群の両端側に押板がそれぞれ配設され、前記ロッド要素は前記バネ要素の全体に対して軸方向に相対変位可能に挿通せしめられているとともに、該ロッド要素には前記各押板の外側の位置にそれぞれストッパーが設けられていて、該ストッパーの間において前記バネ要素の全体が前記ロッド要素の軸方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられ、前記ロッド要素の基端部が前記シリンダー要素から外方に延出せしめられた状態で該ロッド要素の先端部が前記シリンダー要素内に挿入されて、前記各押板がそれぞれ前記シリンダー要素の両端部に設けられた蓋体の内面に対して押圧可能な状態で前記バネ要素の全体が前記シリンダー要素内に収容されるとともに、前記ロッド要素の先端部側の一方の押板と一方の蓋体の内面の間に弾性体が介設されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のバネ部材においては、一対のストッパー間のロッド要素の剛性をｋｎ、前記シリンダー要素の軸剛性をｋｓ、前記弾性体の軸方向の剛性をｋｅとしたとき、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となるように前記弾性体の剛性ｋｅが設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のバネ部材においては、バネ部材の圧縮時に、ロッド要素がシリンダー要素に対して軸方向の一方の側に相対変位し、一方の押板が一方の蓋体側に押圧され、一方の押板と一方の蓋体の間に挟まれて弾性体が弾性変形するとともに、他方の押板がストッパーによりシリンダー要素の内側に向かって押圧されてバネ要素の全体が弾性的に圧縮する。また、バネ部材の引張時には、ロッド要素がシリンダー要素に対して軸方向の他方の側に相対変位し、他方の押板が他方の蓋体に押圧されるとともに一方の押板がストッパーによりシリンダー要素の内側に向かって押圧されてバネ要素の全体が弾性的に圧縮する。
【００１７】
これにより、引張時および圧縮時のいずれにおいても１組の皿バネ群が圧縮されて一定のバネ剛性を有するバネ部材として機能するから、従来のバネ部材のように２組の皿バネ群を必要とせず、したがって従来と同等のバネ剛性を持つものであっても皿バネの所要枚数を半減できるし、バネ部材全体の所要長さも半減でき、その結果、構成の十分な簡略化と小形化および低価格化を実現し得るものである。
【００１８】
また、バネ部材の圧縮時には、一方の押板と一方の蓋体の間に挟まれて弾性体が弾性変形して弾性力が発生するため、弾性体の剛性を大小調節することによって、圧縮に対するバネ部材全体の剛性を変化させることができる。よって、引張側のバネ剛性を自由に変化させることができ、容易に引張側と圧縮側のバネ剛性を揃えるように調節することも可能になる。
【００１９】
さらに、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となるように弾性体の剛性ｋｅを設定することによって、引張時と圧縮時にバネ部材全体として同じ剛性を得ることが可能になる。よって、確実に引張側と圧縮側のバネ剛性を揃え、線形条件を満足するバネ部材にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るバネ部材を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るバネ部材に引張力、圧縮力が作用した際の作動状態を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るバネ部材が具備する皿バネ単体の形状例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るバネ部材が具備する皿バネ群の構成例（皿バネの組み合わせパターンの例）を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るバネ部材における荷重−変形特性の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るバネ部材の変形例を示す図である。
【図７】荷重−変形特性の設計例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るバネ部材を制振機構に適用する場合の一例を示す図である。
【図９】従来のバネ部材を示す図である。
【図１０】従来のバネ部材を示す図である。
【図１１】図１０に示したバネ部材に引張力、圧縮力が作用した際の作動状態を示す図である。
【図１２】図１０に示したバネ部材における荷重−変形特性の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図１から図５を参照し、本発明の一実施形態に係るバネ部材について説明する。なお、本実施形態では、図１０及び図１１に示した従来のバネ部材１０と同様の構成に対し同一符号を付して説明を行う。
【００２２】
本実施形態のバネ部材Ａは、図１及び図２に示すように、シリンダー要素１（以下では単にシリンダー１と略す）と、シリンダー１に対して軸Ｏ１方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素４（以下では単にロッド４と略す）と、ロッド４の先端部に組み付けられてシリンダー１内に収容されたバネ要素１１とを備えて構成されている。
【００２３】
バネ要素１１は、複数枚（図示例では８枚）の皿バネ３が直列に重ねられた１組の皿バネ群３Ａの両端側に押板１２（１２ａ、１２ｂ）がそれぞれ配設されたものである。また、バネ要素１１の全体に対してロッド４が軸Ｏ１方向に相対変位可能に挿通せしめられており、そのロッド４には各押板１２の外側の位置にそれぞれストッパー１３（１３ａ、１３ｂ）としての加力ボルトが螺着され、これらストッパー１３の間においてバネ要素１１の全体がロッド４の軸Ｏ１方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられている。
【００２４】
そして、ロッド４の基端部がシリンダー１から外方（図示例では左方）に延出せしめられた状態でその先端部がシリンダー２内に挿入されることにより、各押板１２がそれぞれシリンダー１の両端部に設けられた環状の蓋体１４（１４ａ、１４ｂ）の内面に対して押圧可能な状態で配設され、バネ要素１１の全体がシリンダー１内に収容されている。
【００２５】
さらに、本実施形態のバネ部材Ａにおいては、シリンダー１の奥側の一方の押板１２ａ（図示右側の押板）と、シリンダー１の奥側の一方の蓋体１４ａの内面の間に、ゴムなどの弾性体１５が介設されている。すなわち、このバネ部材Ａは、シリンダー１の手前側の他方の押板１２ｂ（図示左側の押板）が手前側の他方の蓋体１４ｂに直接的に押圧可能に設けられているのに対し、奥側の一方の押板１２ａが奥側の一方の蓋体１４ａに、弾性体１５を介して間接的に押圧可能に設けられている。また、弾性体１５は、環状に形成され、且つその内孔が奥側の一方のストッパー１３ａである加力ナットの外径よりも大きな内径で形成されている。これにより、バネ部材Ａは、一方のストッパー１３ａが弾性体１５の内孔を通じて一方の押板１２ａの外面に当接するように構成されている。また、本実施形態の弾性体１５は、一方の押板１２ａに一体に固着して設けられている。
【００２６】
なお、シリンダー１内にバネ要素１１を収容する際には、シリンダー１内にバネ要素１１を収容してからシリンダー１に対して蓋体１４を装着してボルト締結すれば良いが、あるいはシリンダー１を円周方向に２分割（ないしさらに多分割）しておいてそれらをバネ要素１１の外側に装着して一体に連結するか、もしくはシリンダー１を長さ方向に２分割しておいてそれらの内側にバネ要素１１を収容してから一体に連結すれば良い。
【００２７】
いずれにしても、図示例のように押板１２に当接する皿バネ３は大径側（図３に示す大径寸法Ｄの面）が押板１２に面する向きに配置されていることが好ましい。
また、ロッド４は各皿バネ３の変形や変位をガイドする部材として機能するので、そのロッド４の硬度はＨＲＣ５５以上とし、皿バネ３と接触する周面は平滑な円筒面とすることが好ましい。
【００２８】
そして、本実施形態のバネ部材Ａは、通常のバネ部材と同様に互いに離接する方向に相対変位可能な二部材（図示せず）の間に介装されて、例えば制振機構の構成要素としてのバネ要素として機能するものであって、それら二部材の一方がロッド４の基端部に対して連結され、他方がシリンダー１に設けられているクレビス５に対して連結されるようになっている。そして、上記の二部材の間に相対変位ないし相対振動が生じた際には、上記のバネ要素１１の全体が両方向に弾性的に圧縮されることにより、このバネ部材Ａ全体が所定のバネ剛性をもって軸Ｏ１方向両側に弾性的に伸縮するようになっている。
【００２９】
すなわち、このバネ部材Ａが図１に示す状態で二部材間に介装されている状態から、二部材どうしが離間する方向に相対変位を生じて図２（ａ）に示すようにバネ部材Ａの両端に対して引張力が作用した際には、ロッド４がシリンダー１から抜き出る方向に変位してバネ部材Ａ全体が伸張する。その際、奥側のストッパー１３ａによって奥側の押板１２ａがシリンダー１内に引き込まれて皿バネ群３Ａの全体がその押板１２ａにより一方向（図示左方向）に変位する。また、これとともに、手前側の押板１２ｂが手前側の蓋体１４ｂに対して押圧され、これにより、バネ要素１１全体が弾性的に圧縮される。
【００３０】
逆に、二部材どうしが接近する方向に相対変位を生じて図２（ｂ）に示すようにバネ部材Ａの両端に対して圧縮力が作用した際には、ロッド４がシリンダー１に対して押し込まれる方向に変位してバネ部材Ａ全体が縮退する。その際、手前側のストッパー１３ｂによって手前側の押板１２ｂがシリンダー１内に押し込まれて皿バネ群３Ａの全体がその押板１２ｂにより逆方向（図示右方向）に変位する。そして、奥側の押板１２ａによって弾性体１５が押圧され、この弾性体１５が弾性変形するとともに奥側の押板１２ａが奥側の蓋体１４ａに対して押圧され、これにより、バネ要素１１全体が弾性的に圧縮される。
【００３１】
このように、本実施形態のバネ部材Ａによれば、引張時および圧縮時のいずれにおいても１組の皿バネ群３Ａが圧縮されて引張力および圧縮力の双方に対応可能であるから、図９に示した従来のバネ部材のように２組の皿バネ群３Ａ、３Ｂを必要とせず、したがって従来と同等のバネ剛性を持つものであっても皿バネ３の所要枚数を半減できるし、バネ部材Ａ全体としての所要長さも半減でき、その結果、構成の十分な簡略化と小形化およびローコスト化を実現し得るものである。
【００３２】
勿論、皿バネ３単体としてのバネ剛性や、それらの枚数を調整することで、任意の変形性能や耐力に幅広く対応できる。そのためには、皿バネ３単体の形状および寸法（図３に示す大径寸法Ｄ、小径寸法ｄ、全高Ｈ、ライズｈ、板厚ｔ）を、その素材である鋼材の弾性特性に応じて任意に設定すれば良い。
【００３３】
また、皿バネ３の枚数や配列パターンは、皿バネ群３Ａ全体として所望のバネ剛性が得られるように、例えば図４に示すような様々なパターンで任意に設計すれば良い。その場合、皿バネ３を同じ向きに重ねる並列配列とすれば耐力（荷重）を増大させることができ、逆向きに重ねる直列配列とすれば変形性能を増大させることができるから、バネ部材Ａ全体として所定の荷重に必要な枚数を並列とし、所定の変形に必要な枚数を直列にすれば良い。
【００３４】
なお、いずれにしても、皿バネ単体の変形性能δは皿バネ単体のライズｈに対して、δ≦０．７５ｈとすると良い。また、皿バネ単体の耐力ｐは変形がδのときの反力とすると良く、それにより荷重Ｆ−変形（たわみ）δの関係を線形に近づけることができる。具体的には、バネ部材Ａ全体の変形量ｘ、負担力Ｆとして、直列枚数≧ｘ／δ、並列枚数≧Ｆ／ｐとなるようにすると良い。
【００３５】
一方、本実施形態のバネ部材Ａにおいては、図２（ｂ）に示すように、圧縮力が作用した際に、奥側の押板１２ａによって弾性体１５が押圧され、この弾性体１５が弾性変形するとともに、弾性体１５を介して奥側の蓋体１４ａに圧縮力が伝達される。
【００３６】
このように弾性体１５を備え、圧縮時のみ、弾性体１５が縮むように構成したことで、バネ部材Ａ全体の変位量δが、引張時には、全長ロッド変位＋皿バネ変位＋シリンダー変位＋接合部材変位（クレビス５等の変位）で表され、圧縮時には、他方のストッパーから内側（図示左側）の変位＋皿バネ変位＋弾性体変位＋接合部材変位で表される。
【００３７】
このため、引張時と圧縮時の力Ｐが同じ場合には、剛性が引張と圧縮で同じであるとすると、引張時と圧縮時の変位量の差分が０（左右の両ストッパーの間のロッド変位＋シリンダー変位−弾性体変位＝０）となる。これにより、左右のストッパー間のロッド剛性をｋｎ、シリンダー軸剛性をｋｓ、弾性体の軸方向の剛性をｋｅとすると、Ｐ／ｋｎ＋Ｐ／ｋｓ−Ｐ／ｋｅ＝０より、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となる。
【００３８】
よって、本実施形態のバネ部材Ａにおいては、弾性体１５の剛性ｋｅを大小調節することによって、圧縮に対するバネ部材Ａ全体の剛性が変化する。そして、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となるように弾性体１５の剛性ｋｅを設定すると、図５に示すように、引張時と圧縮時にバネ部材Ａ全体として同じ剛性が得られ、確実に引張側と圧縮側のバネ剛性が揃い、線形条件を満足するバネ部材Ａとなる。
【００３９】
したがって、本実施形態のバネ部材Ａにおいては、バネ部材Ａの圧縮時に、ロッド要素４がシリンダー要素１に対して軸Ｏ１方向の一方の側に相対変位し、一方の押板１２ａが一方の蓋体１４ａ側に押圧され、一方の押板１２ａと一方の蓋体１４ａの間に挟まれて弾性体１５が弾性変形するとともに、他方の押板１２ｂがストッパー１３ｂによりシリンダー要素１の内側に向かって押圧されてバネ要素１１の全体が弾性的に圧縮する。また、バネ部材Ａの引張時には、ロッド要素４がシリンダー要素１に対して軸Ｏ１方向の他方の側に相対変位し、他方の押板１２ｂが他方の蓋体１４ｂに押圧されるとともに一方の押板１２ａがストッパー１３ａによりシリンダー要素１の内側に向かって押圧されてバネ要素１１の全体が弾性的に圧縮する。
【００４０】
これにより、引張時および圧縮時のいずれにおいても１組の皿バネ群３Ａが圧縮されて一定のバネ剛性を有するバネ部材Ａとして機能するから、従来のバネ部材のように２組の皿バネ群３Ａ、３Ｂを必要とせず、したがって従来と同等のバネ剛性を持つものであっても皿バネ３の所要枚数を半減できるし、バネ部材Ａ全体の所要長さも半減でき、その結果、構成の十分な簡略化と小形化および低価格化を実現し得るものである。
【００４１】
また、バネ部材Ａの圧縮時には、一方の押板１２ａと一方の蓋体１４ａの間に挟まれて弾性体１５が弾性変形し、弾性力が発生するため、弾性体１５の剛性ｋｅを大小調節することによって、圧縮に対するバネ部材Ａ全体の剛性を変化させることができる。よって、容易に引張側と圧縮側のバネ剛性を揃えるように調節することが可能になる。
【００４２】
さらに、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となるように弾性体１５の剛性ｋｅを設定することによって、引張時と圧縮時にバネ部材Ａ全体として同じ剛性を得ることが可能になる。よって、確実に引張側と圧縮側のバネ剛性を揃え、線形条件を満足するバネ部材Ａにすることが可能になる。
【００４３】
以上、本発明に係るバネ部材の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４４】
例えば、図６に示すように、本発明にかかる弾性体１５として、皿バネを適用してもよい。また、弾性体１５として皿バネを用いる場合には、図示例のように弾性体１５としての皿バネは大径側（図３に示す大径寸法Ｄの面）が蓋体１４ａの内面側を向くように配置されていることが好ましい。
【００４５】
また、本発明に係るバネ部材は、図７（ａ）に示すような線形の荷重−変形特性とすることが好ましく、そのためには通常時において皿バネ３と押板１２ａ、１２ｂとが当接しており、且つ押板１２ｂと蓋体１４ｂ、押板１２ａと弾性体１５、弾性体１５と蓋体１４ａが当接している状態として、これらの間に隙間がなくかつ皿バネ群３Ａに予圧縮荷重がない状態としてバネ部材Ａを組み立てれば良い。そして、そのためには各構成部品の各部の寸法や厚みを予め厳密に加工しておけば良いが、必要に応じてそれらの間に適宜厚さのスペーサを介装して微調整すれば良い。
【００４６】
但し、皿バネ３と押板１２ａ、１２ｂ、押板１２ｂと蓋体１４ｂ、押板１２ａと弾性体１５、弾性体１５と蓋体１４ａの間に、敢えて隙間を確保しておいたり、バネ要素１１に対して予め予圧縮荷重を付与しておくことにより、本発明のバネ部材Ａに非線形の特性を持たせることも可能である。
すなわち、バネ要素１１に対して上記のような隙間δ０を確保しておけばその特性は図７（ｂ）に示すようなスリップ型となり、また、バネ要素１１に予圧縮力Ｆ０を付与しておけばその特性は図７（ｃ）に示すような特性となるから、バネ部材Ａの用途や使用目的に応じて最適な特性となるような設計とすれば良い。
【００４７】
また、本実施形態のバネ部材Ａでは、相対変位可能な二部材に対してロッド４およびクレビス５を連結するものとしたが、クレビス５を省略してシリンダー１自体を部材に対して直接連結することでも良い。
【００４８】
さらに、本実施形態では、ロッド要素を単なるロッド４とし、シリンダー要素を単なるシリンダー１として構成したが、本発明のロッド要素とは「皿バネ３の内側にあって皿バネ群３Ａ両端で押板１２外側のストッパー１３と一体化したもの」であれば良く、シリンダー要素とは「皿バネ群３Ａ、弾性体１５で発生した弾性力を支持するもの」であればよく、その限りにおいてシリンダー要素およびロッド要素の形態は任意である。
【００４９】
また、本発明のバネ部材Ａは様々な用途、目的のバネ要素として広く適用可能であるが、特に建物等の構造物を対象とする制振機構の構成要素として好適に適用可能であり、その一例を図８に示す。
これは、建物における柱２０と梁２１（２１ａ、２１ｂ）により構成される架構フレーム内に設置されて層間変形を制御するためのもので、上階の梁２１ａに対して固定したＶ型ブレース２２の下端部を接合治具２３を介して下階の梁２１ｂに対して面内相対変位可能に支持し、その接合治具２３と下階の梁２１ｂとの間に慣性質量ダンパー２４と本発明のバネ部材Ａとを直列に接続し、さらに接合治具２３と下階の梁２１ｂに固定したダンパー取り付け治具２５との間にオイルダンパー２６を接続したもので、それら慣性質量ダンパー２４と本発明のバネ部材Ａとオイルダンパー２６とによって同調型制振機構を構成したものである。
【００５０】
このような制振機構において、バネ要素として従来一般のコイルバネや図９に示したような２組の皿バネ群３Ａ、３Ｂによる従来一般のバネ部材を用いる場合には、その寸法が長大になって納まりが困難になる場合があるが、それに代えて上記のように本発明のバネ部材Ａを用いることによりバネ要素としての所要長さを十分に短縮し得て支障なく納めることが可能である。
【００５１】
さらに、上記の制振機構において、本発明のバネ部材Ａとオイルダンパー２６とを一体化することも考えられる。すなわち、本発明のバネ部材Ａにおけるシリンダー１とオイルダンパー２６のシリンダーとを一体化し、本発明のバネ部材Ａにおけるロッド４とオイルダンパー２６におけるロッドとを一体化すれば、バネ要素と減衰要素とをコンパクトに一体化させることが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１ シリンダー（シリンダー要素）
２ ピストン
３ 皿バネ
３Ａ 皿バネ群
３Ｂ 皿バネ群
４ ロッド（ロッド要素）
５ クレビス
１０ 従来のバネ部材
１１ バネ要素
１２ 押板
１２ａ 一方の押板
１２ｂ 他方の押板
１３ ストッパー
１３ａ 一方のストッパー
１３ｂ 他方のストッパー
１４ 蓋体
１４ａ 一方の蓋体
１４ｂ 他方の蓋体
１５ 弾性体
２０ 柱
２１ 梁
２２ Ｖ型ブレース
２３ 接続治具
２４ 慣性質量ダンパー
２５ ダンパー取り付け治具
２６ オイルダンパー
Ａ バネ部材
Ｏ１ 軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離接する方向に相対変位可能な二部材間に介装されて、前記二部材間に生じる相対変位によって弾性的に伸縮するバネ部材であって、
シリンダー要素と、該シリンダー要素に対して軸方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素と、該ロッド要素の先端部に組み付けられて前記シリンダー要素内に収容されたバネ要素により構成されて、前記ロッド要素の基端部および前記シリンダー要素に対して前記二部材がそれぞれ連結可能とされ、
前記バネ要素は複数枚の皿バネを直列および／または並列に重ねてなる１組の皿バネ群の両端側に押板がそれぞれ配設され、
前記ロッド要素は前記バネ要素の全体に対して軸方向に相対変位可能に挿通せしめられているとともに、該ロッド要素には前記各押板の外側の位置にそれぞれストッパーが設けられていて、該ストッパーの間において前記バネ要素の全体が前記ロッド要素の軸方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられ、
前記ロッド要素の基端部が前記シリンダー要素から外方に延出せしめられた状態で該ロッド要素の先端部が前記シリンダー要素内に挿入されて、前記各押板がそれぞれ前記シリンダー要素の両端部に設けられた蓋体の内面に対して押圧可能な状態で前記バネ要素の全体が前記シリンダー要素内に収容されるとともに、
前記ロッド要素の先端部側の一方の押板と一方の蓋体の内面の間に弾性体が介設されていることを特徴とするバネ部材。
【請求項２】
請求項１記載のバネ部材において、
一対のストッパー間のロッド要素の剛性をｋｎ、前記シリンダー要素の軸剛性をｋｓ、前記弾性体の軸方向の剛性をｋｅとしたとき、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となるように前記弾性体の剛性ｋｅが設定されていることを特徴とするバネ部材。
【請求項１】
互いに離接する方向に相対変位可能な二部材間に介装されて、前記二部材間に生じる相対変位によって弾性的に伸縮するバネ部材であって、
シリンダー要素と、該シリンダー要素に対して軸方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素と、該ロッド要素の先端部に組み付けられて前記シリンダー要素内に収容されたバネ要素により構成されて、前記ロッド要素の基端部および前記シリンダー要素に対して前記二部材がそれぞれ連結可能とされ、
前記バネ要素は複数枚の皿バネを直列および／または並列に重ねてなる１組の皿バネ群の両端側に押板がそれぞれ配設され、
前記ロッド要素は前記バネ要素の全体に対して軸方向に相対変位可能に挿通せしめられているとともに、該ロッド要素には前記各押板の外側の位置にそれぞれストッパーが設けられていて、該ストッパーの間において前記バネ要素の全体が前記ロッド要素の軸方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられ、
前記ロッド要素の基端部が前記シリンダー要素から外方に延出せしめられた状態で該ロッド要素の先端部が前記シリンダー要素内に挿入されて、前記各押板がそれぞれ前記シリンダー要素の両端部に設けられた蓋体の内面に対して押圧可能な状態で前記バネ要素の全体が前記シリンダー要素内に収容されるとともに、
前記ロッド要素の先端部側の一方の押板と一方の蓋体の内面の間に弾性体が介設されていることを特徴とするバネ部材。
【請求項２】
請求項１記載のバネ部材において、
一対のストッパー間のロッド要素の剛性をｋｎ、前記シリンダー要素の軸剛性をｋｓ、前記弾性体の軸方向の剛性をｋｅとしたとき、ｋｅ＝１／（１／ｋｎ＋１／ｋｓ）となるように前記弾性体の剛性ｋｅが設定されていることを特徴とするバネ部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２５９９（Ｐ２０１３−２５９９Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３６４８４（Ｐ２０１１−１３６４８４）
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
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