免震装置
【課題】 バネが水平に配置された「バネ式免震装置」に存在する問題〔（ｉ）免震台サイズが大きい。（ii）バネセット力が大きい。（iii)バネ特性に癖がある。（iv）免震装置の固有振動数を下げる事は難しい。（ｖ）ダンパーを設置しにくい。〕を解決するバネ式の免震装置の提供。
【解決手段】（１）バネ１４を有する免震装置であって、バネ１４が水平方向に対して３５度以上９０度以下の角度をもつバネ軸芯を有する免震装置１０。
（２）バネ１４が水平方向に対して９０度の角度をもつバネ軸芯を有する。
（３）バネ１４が水平方向から３５度以上の角度９０度未満の角度をもつバネ軸芯を有する免震装置。
【解決手段】（１）バネ１４を有する免震装置であって、バネ１４が水平方向に対して３５度以上９０度以下の角度をもつバネ軸芯を有する免震装置１０。
（２）バネ１４が水平方向に対して９０度の角度をもつバネ軸芯を有する。
（３）バネ１４が水平方向から３５度以上の角度９０度未満の角度をもつバネ軸芯を有する免震装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、免震装置に関し、とくに戻し力がバネ力であるバネ式免震装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
歴史的遺品、美術工芸品、精密機械、等の耐震性が必要な貴重品を地震による破壊から保護するために、種々の免震装置が開発され、使用されている。
免震装置は戻し力の発生方法により、「重力式」と「バネ式」に分けられる。図２６−図２９に代表的な例を示す。
【０００３】
それぞれについて簡単に説明する。
（イ）重力式（図２６：ボール式、図２７：リニアベアリング式）
免震台１０１を曲面皿１０２とボール１０３で支持し、左右に動くと免震台１０１がわずかに持ち上げられ、重力によって元の位置に戻るようにした装置。基本的には「振り子」の原理で動き、免震台１０１や対象物の質量とは関係なしに「固有振動数」が決まる特徴を持つ。固有振動数を充分低くとれば、それ以上の振動数の振動を遮断できるので、地震の横揺れを緩和する事ができる。
【０００４】
（ロ）積層ゴム式（図２８）
左右には柔らかく、上下には固い、異方性ゴムである積層ゴム１０４を使い、地震の横揺れを逃げる装置。積層ゴム１０４は左右の揺れを吸収するベアリングの役をこなすと同時に、ゴムの弾性を復元力に利用している。また、ゴム固有のダンピング効果によって地震波の揺れを吸収して熱に変え、振動エネルギーを緩和する。１０５は免震台、１０６はベースを示す。
（ハ）バネ式（図２９）
バネ式免震装置は、二つの構成要素からなる。
ボール１０７：ベース１０８と免震台１０９の間に複数個( ３個以上）のボール１０７を入れ、ベース１０８に対する免震台１０９の水平揺れを吸収するベアリングの役を果たす。ボール受け面１１０は平面なので、免震台１０９は持ち上げられず、重力の作用はない。ボール１０７によって免震台１０９の上下荷重支持を受け持つ。
バネ１１１：ベース１０８と免震台１０９の水平ずれを元に戻す役割を持つ。また、免震台１０９を質量としたバネ・マス機構を構成する。その固有振動数f は、
ｆ＝｛１／（２π）｝（Ｋ／Ｍ）1/2
ただし、 Ｋ；バネ常数
Ｍ；質量（免震台＋対象物）
で決まるが、このf を充分小さくすることで、免震効果を発揮できる。また、それ以上の振動のエネルギーを吸収するため、油圧ダンパー、粘性ダンパー等を併用することができる。
【０００５】
通常考えられるバネ式免震装置の例を図３０−図３２に示す。
免震装置は、設置する時に収まりの良い４角形が望まれるので、バネ式は図３０−図３２に示すように、４個のボール１０７と、４本の水平配置バネ１１１で構成するのが効率的である。
バネ１１１は、免震台１０９が作動する際、台１０９の動きにつれて揺動するので、図３２に示したような方法で揺動範囲Ａをチェックして、ボールおよびボール受け台と干渉しないように、必要な距離を取った配置にしている。
【特許文献１】特開平０９−１９１９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のバネ式免震装置に、以下の問題点がある。
（ｉ）免震台サイズが大きい。
（ii）バネセット力が大きい。
（iii)バネ特性に癖がある。 （方向性、直交成分の発生、等）
（iv）免震装置の固有振動数を下げる事は難しい。……免震性能に限界がある。
（ｖ）ダンパーを設置しにくい。
それぞれの問題点についてより詳しく述べる。
【０００７】
（ｉ）免震台サイズが大きい。
免震台のサイズは、図３０−図３２から分かるように、バネの長さで決まる。
バネセット長は、バネの設計長( 初期長）に最小伸びと作動長の半分を加算した物となる。
図３３で、Lo=0.2 （バネ使用条件から必要になる長さ）
Ln=0.02
Lw=0.4
とすると、 Ls=Lo+Ln+Lw/2=0.2+0.02+0.4/2=0.42
このバネが辺と平行に一対配置されるので、免震台のサイズは、１辺が0.84m 以上の正方形となる。
一辺の長さが、受け皿直径の２倍（0.4m) 以上ですむ重力式免震装置に比べて、倍以上のサイズアップになる。
【０００８】
（ii）バネセット力が大きい。
（ｉ）の説明から分かるように、バネのセット時長さはLs=0.42mとなり、0.2mのバネを0.42m の長さにまで伸してセットすることになる。セット時のバネの伸び量がバネ最大伸び量のほぼ半分に相当し、バネ使用時に常に大きな応力がかかっていることになる。
免震装置の使用条件から、この状態が長時間維持される事になるので、バネの劣化が懸念される。
【０００９】
（iii ）バネ特性に癖がある。
図３４は、上記の免震装置をいろいろな方向に引っ張った時のバネ強さを示す。
横軸は引っ張り方向で、角度0 度がバネ方向を示す。したがって角度90度で、隣のバネの方向となる。計算条件をLs=0.42m, Lw=0.4m, K=100N/m とし、引っ張り長、0.05,0.10,0.15, 0.20m の４水準について検討した。
図３４から分かるように引っ張り量が大きいと、バネが無い方向のバネ力は小さくなる。
また、バネ方向0, 45, 90 度以外の方向では、直交成分の力が発生する。
このバネ力の癖（方向による違い、及び直交成分）によって、免震台に余分な動き（方向による振れの差、回転の発生、等）が発生する懸念がある。
図３５は、免震台を、バネの取り付け方向（0 度）、および、バネの無い方向（45度）に引っ張った時のバネ特性を示す。
図３５の線ｂ( 中央）は、K=100N/mのバネを２本並列に並べたの場合のバネ強さである。（K=200N/m相当の線形バネになる）0 度方向のバネは、変位が増えると線形バネより若干強くなり、45度方向のバネは、若干弱くなる。しかし、大まかに考えれば、バネ特性は全方向で、ほぼ変位に比例する( 線形）と考えて良い。
以下のシミュレーションでは、簡単のため、全方向に線形なバネとして扱っていく。
【００１０】
（iv）免震装置の固有振動数を下げることは難しい。
図３６は、バネ水平配置式免震装置の概念図である。固有振動数は、バネ・マスモデルなので、前記の式で容易に求められる。モデルは、両側にバネのある形なので、バネ力は２倍となり、固有振動数f は、
ｆ＝｛１／（２π）｝（Ｋ／Ｍ）1/2
となる。
たとえば、検討例、K=100N/m, M=500kg の場合について計算してみると、f=0.1007Hzとなる。
いろいろな地震に対応するためにはf ＜0.06Hz( 地震波の下限周波数）とすることが望ましいが、この装置は固有振動数がそれより高いため、免震装置の条件を十分満たしていない。目標を達成するため固有振動数を半分に下げようとすると、Ｍを４倍に増やすか、Ｋを４分の１に減らす必要がある。質量アップ４倍は大きすぎるし、バネ常数を４分の１の25N/m に設定すると、セット長さ0.42m の水平配置バネに振動や自重による中だるみが発生する懸念があるので、いずれの方法も現実的では無い。つまりバネ水平配置では、固有振動数を目標まで減らすことは難しい。
【００１１】
この免震装置の計算モデルに、実際の地震波データ
神戸地震 ＮＳ波 ………激しく、短周期、短時間の地震
El centro 地震 ＥＷ波………ゆっくりで、長周期、長時間の地震
を入れて、このこの免震台の挙動をシミュレーションしてみると、次のようになる。
図３７、図３８は加速度を示す。線ａが地震の加速度波形を、線ｂが免震台の加速度波形を示す。
神戸地震では加速度はほぼゼロに抑えられが、El centro 地震ではかなりの加速度が残ってしまうことが分かる。
次に振幅の計算結果を図３９、図４０に示した。線ｃは免震台と地面の相対移動量を示す。
両図を見比べてみると、神戸地震には免震機能を発揮できるが、El centro 地震では振幅を拡大し、また、台と地面の相対移動量がバネ作動幅±0.2mを越してしまって装置の機能を発揮できない事が分かる。
纏めると、バネ水平配置免震装置を今回のサイズ作ろうとすると、免震性能に限界がある。
【００１２】
（ｖ）ダンパーを設置しにくい。
免震台は、高い周波数（固有振動数を超える地震波成分）の振動を効率よく吸収するので、加速度の減衰は比較的に容易であるが、速度や振幅が拡大してしまう場合がある。このような場合は、「速度」を抑制できる「ダンパー」の設置が有効である。
ダンパーには次の３種類が考えられるが、それぞれ次のような特徴がある。
【００１３】
イ．流体ダンパ１１２（図４１）
〔原理〕
狭い通路（スリット）１１３を流体が通過する際の、流れの抵抗を利用する方法。通路が狭いと層流抵抗となり、速度の逆方向に、速度の0.9 〜1.0 乗に比例する抵抗が発生する。すなわち、
Ｄ＝−ＣＶ0.9-1 ×sign（Ｖ）
ただし、sign（Ｖ）は下記の定義になる符号関数である。
Ｖ＞０の時、 sign（Ｖ）＝１
Ｖ＝０の時、 sign（Ｖ）＝０
Ｖ＜０の時、 sign（Ｖ）＝−１
〔利点〕
速度にほぼ比例した抵抗になるので、速度抑制には最も効果的である。（高性能）
〔問題点〕
通常、バネに沿わせる形で設置されるが、構造上ストローク(s) のほぼ５倍のセット長となり、（図４１参照）バネの場合の、約２倍強よりずっと長い。
故に、ストロークがs=0.2mであれば1.0mのセット長さが必要で、免震装置のサイズアップにつながる。
【００１４】
ロ．粘性ダンパー１１４（図４２の（イ）、（ロ）、図４３の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ））
〔原理〕
２つの面に挟まれた粘性の強い流体の「引きずり力」（境界層の抵抗）を利用する方法。速度の逆方向に、速度の0.5 〜0.8 乗に比例する抵抗が発生する。
すなわち、
Ｄ＝−ＣＶ0.5-0.8 ×sign（Ｖ）
〔利点〕
１つで全方向のダンピングが可能で、流体ダンパーのように必要な方向毎に設置する必要が無い。また、セット時のサイズがストロークs の約3.5 倍ですみ、流体ダンパーより短いため、免震装置への設置が容易である。( 図４３の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ））
〔問題点〕
円盤形なので、装置中央に配置しなければならず、その位置にバネ１１５、ボール１１６が配置できないため、サイズアップになる。図４３の（イ）、（ロ）、（ハ）にその一例を示した。
図４３はダンパー有りの場合（図４３の（イ）、（ロ）、（ハ））とダンパー無しの場合（図４３の（ニ）、（ホ））を同じ縮尺で示しているが、ダンパー有りの場合は、ダンパー無しに比べて免震装置の平面面積が約2.9 倍( 長さで1.7 倍）に拡大する。
【００１５】
ハ．摩擦ダンパー１１７（図４４：固体摩擦式、図４５：転がり式）
〔原理〕
免震台１１８と地面１１９の間に摺動面を作り摩擦力によって抵抗を発生させる（図４４）。又、ボール１２０の接触面１２１を変えて転がり抵抗を増やす方法もある（図４５）。この方法による力は速度の方向に依存する（速度の逆方向に働く）が、速度の大きさには依存しない。しかし接触面圧（Ｍ）に比例する。
すなわち、
〔利点〕
構造が簡単で、原価が安い。設置の為のスペースの増加が無い。
〔問題点〕
減衰力が速度に比例しないので、速度反転時に急な抵抗力の変化が生じ、スティックスリップ（すべりが拘束されたりすべったりすること）が発生する。したがって、免震台１１８の作動が不安定になり、ダンパーとしては好ましくはない。
【００１６】
本発明の目的は、バネが水平に配置された「バネ式免震装置」に存在する、上記（ｉ）〜（ｖ）の問題の少なくとも１つを解決するバネ式の免震装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 固定台と、固定台に対して水平方向に移動可能な免震台と、固定台と免震台との間に配置したボールと、一端が固定台に他端が免震台に連結された、免震台を原点位置に戻すためのバネとを、有する免震装置であって、前記バネが水平方向に対して３５度以上９０度以下の角度をもつバネ軸芯を有する免震装置。
（２） 前記バネが水平方向に対して９０度の角度をもつバネ軸芯を有する（１）記載の免震装置。
（３） 前記バネが水平方向から３５度以上の角度９０度未満の角度をもつバネ軸芯を有する（１）記載の免震装置。
（４） さらにダンパーを有する（１）記載の免震装置。
【発明の効果】
【００１８】
上記（１）−（４）の何れか一の免震装置によれば、バネが水平方向に対して３５度以上９０度以下の角度をもつバネ軸芯を有するので、以下に詳細に説明するように、上記（ｉ）〜（ｖ）の問題が解決または軽減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の免震装置１０を、図１−図２９を参照して説明する。
本発明の免震装置１０は、固定台１１と、固定台１１に対して水平方向に移動可能な免震台１２と、固定台１１と免震台１２との間に配置したボール１３と、一端が固定台１１に他端が免震台１２に連結された、免震台１２を原点位置に戻すためのバネ１４とを、有する。バネ１４は、水平方向に対して３５度以上９０度以下の角度をもつバネ軸芯１５を有する。
バネ１４は、水平方向に対して９０度の角度をもつバネ軸芯１５を有する、直列配置であってもよい。
あるいは、バネ１４は、水平方向から３５度以上の角度９０度未満の角度をもつバネ軸芯１５を有する、斜め配置であってもよい。
免震装置１０は、さらにダンパー１６を有していてもよい。
以下に、本発明の構成を、該構成をとることにより上記（ｉ）〜（ｖ）の問題が解決または軽減される理由（該理由は、本発明の作用・効果でもある）とともに、さらに詳細に説明する。
【００２０】
（Ａ）バネの直立配置
免震台１２のバネ１４を図１、図２のように直立させて（バネ軸芯１５が水平方向に対して９０度の角度をもつように）配置する事により、問題点（ｉ) 、（ii）、（iii)、（iv）、（ｖ）が全て解消する。以下、それぞれの問題点の解消理由を述べる。
直立配置の場合、受け皿部分１７とバネ１４の干渉を避けるためには、皿１７を低くした方（ｔを小）が良い。従って、その分ボール１３の径Ｄを大きくする必要があり、図１、図２の例ではボール径Ｄをこれまでの検討例の倍としている。
バネ１３との干渉の検討は、図３、図４に示したような作図で実施する。今回の検討例では、皿Ｃ中心とバネ中心が28mm以上離れている必要があり、図１のように、皿中心Ｃからφ28mm以内にバネ中心１５を配置しないように配慮してある。
【００２１】
問題点（ｉ）：サイズ大の解消
水平配置（従来）と直立配置（本発明の直立配置と斜め配置のうちの直立配置）の計画図を同一縮尺で示すと、図５の（イ）−（ニ）のようになる。いずれも地震時の作動ストローク±200mm 動いた時、部品相互の干渉が無いよう空間を空けて配置している。直立式にすることで、平面面積で35%(長さで20% ）のサイズの縮小が可能で、サイズ大の問題が改良される。高さは、干渉を防ぐため若干高くなる。
【００２２】
問題点（ii）：バネセット力大の解消
免震台の移動方向（水平面）と平行にバネを配置する方法（図６の（ハ））では、バネセット長Lsはバネ作動範囲Lwの中央になる。したがって、セット時にはLn+Lw/2 だけ伸された状態であり、セット力はかなり大きな値になる。
本発明の直立配置バネ（図６の（イ））は、セット時にはLnしか伸びて居らず、セット荷重が非常に小さく、通常時にバネに無理がかからない。バネが作動する際は、図６の（ロ）に示すように、方向には関係なく移動量によって伸び量が決まるので、バネ線図は（図６の（イ）のようになる。
本発明の直立配置バネでは、以上の関係からセット時のバネ伸びがセットに必要な最小伸びLnで良く、セット荷重を低く抑える事ができる。
【００２３】
問題点(iii) ：バネ特性の癖の解消
直立配置バネ１４は、図７に示すように、上端を水平面方向に引っ張る時、どの方向に引っ張っても同じ張力が得られる。すなわち、引っ張り方向による癖が無い。また、引っ張り方向に直角の成分力が出ることも無い。
したがって、バネの数を増やしていくと、単純に加算したバネ力が得られる。バネ力は
Ｆｓ＝Ｋ｛（Ｌｓ2 ＋ｚ2 ）1/2 −Ｌｓ｝
Ｆ ＝Ｆｓ×ｚ／（Ｌｓ2 ＋ｚ2 ）1/2
である。
【００２４】
問題点（iv）：固有振動数を下げにくいことの解消
直立配置バネ１４のバネ特性は図８のように非線形になる。このように、引っ張り初期には弱く、引っ張って行けば行くほど強くなるバネを使うと、免震台の固有振動数を下げる事ができる。
図８は、Lo=0.1m
Ln=0.02m
Ls=Lo+Ln=0.12m
K=100N/m
の時のバネ特性を示す。
このような非線形バネの効果を試算してみる。
直列配置バネは、すべての方向に同等に作用するので、水平配置バネの半分の本数ですむ。したがって、直立バネ２本が水平配置の４本に相当する。
両方のバネの特性を同じ図に表すと図９のようになる。それぞれのバネを使った場合の共振点を計算すると、
水平配置；f=1.007Hz
直立配置；f=0.064Hz
となり、直立配置の場合の方がかなり低くなる。
なお、直立配置の共振点はシミュレーションモデルを自由振動させて計算する。（図１０）
直立配置バネ免震装置にElcentroEW地震波が作用した場合の免震台の挙動を図１１に示した。水平配置の場合（図４３、図４４）よりかなり改善されており、その効果が確認できる。しかし、これでもまだ充分なレベルには達しておらず、バネ常数を下げるなど、さらなる改善が必要である。
以上に示したように、直立バネではバネ特性が非線形となるので、免震装置の固有振動数の低下をはかり、免震性能を向上させることができる。
【００２５】
問題点（ｖ）：ダンパー配置が難しいことの改良
直立配置バネでは、バネが半分の数（２本）ですむので、図１２の（イ）−（ホ）のように配置が若干改良される（面積で１５％減）。しかし、ダンパー１６自体が大きいため、問題は解消ではなく軽減程度にとどまる。
【００２６】
（Ｂ）バネの斜め配置
バネ斜め配置とは、中立時のバネ１４を、直立ではなく若干傾けてセットする場合を言う。その場合、バネ１４は、水平方向から３５度以上の角度９０度未満の角度をもつバネ軸芯１５を有する。図１３の（イ）、（ロ）、（ハ）は直立配置、（ニ）、（ホ、（ヘ）は斜め配置を示す。
斜め配置により、バネ１４と受け皿１７の距離が短縮し、装置サイズを更に縮小できる（図１３）。
コンター（外形）の違いを考慮し、水平配置ではできない２本バネにして、両者のサイズを極力縮めた実施例を図１４の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）に示した。図１４の（イ）、（ロ）が直立配置、（ハ）、（ニ）が斜め配置の場合を示している。
結果は、直立78×90が、斜め72×86となり、面積で12% の減少が果たせる。コンター自体の面積比は27% 減なので、若干効率は悪くなる。
しかし、斜め配置には若干の副作用があるので、以下に説明する。
【００２７】
副作用１：バネ特性の癖
斜め配置バネのバネ特性は、以下の手法で計算できる。
セット時長さLsのバネを高さH 、オフセット sで配置した図１５のようなバネについて考える。
このモデルで、バネの上端Q を、角度θの方向に引っ張った場合の引っ張り方向のバネ力Ftを算出する。
幾何学的関係から、
Ｈ＝（Ls2 −ｓ2 ）1/2
図１６から、
xs＝x ×sin θ
xc＝x ×cos θ
Ｌ’＝｛（ｓ＋ｘｃ）2 ＋ｘｓ2 ｝1/2
図１７から、
Ｌ＝（Ｈ2 ＋Ｌ’2 ）1/2
バネ方向反力F は、
Ｆ＝Ｋ×（Ｌ−Ｌ0 ） その水平方向成分は、
Ｆ’＝Ｆ×Ｌ’／Ｌ
反力方向のずれ角ψは、
φ＝ａｒｃｃｏｓ（ｘｓ／Ｌ’）
ξ＝ａｒｃｃｏｓ（ｘｓ／ｘ）
ψ＝abs(φ−ξ)
引っ張り方向の反力Ftは、
Ft＝Ｆ’×ｃｏｓψ
実際にはこのバネを図１８のように対向して２個配置するので２個のバネ力を合算する必要がある。
【００２８】
対向側のバネ諸元を図１９のようにとる。
幾何学的関係から、
Ｈ＝（Ls2 −ｓ2 ）1/2
図２１から、
xs＝x ×sin θ
xc＝x ×cos θ
Ｌ’＝｛（−ｓ＋ｘｃ）2 ＋ｘｓ2 ｝1/2
図２０から、
Ｌ＝（Ｈ2 ＋Ｌ’2 ）1/2
バネ方向反力F は、
Ｆ＝Ｋ×（Ｌ−Ｌ0 ） その水平方向成分は、
Ｆ’＝Ｆ×Ｌ’／Ｌ
反力方向のずれ角ψは、
φ＝ａｒｃｃｏｓ（ｘｓ／Ｌ’）
ξ＝ａｒｃｃｏｓ（ｘｓ／ｘ）
ψ＝abs(φ−ξ)
引っ張り方向反力Ftは、
Ft＝Ｆ’×ｃｏｓψ
と、前の場合と同様の考え方で計算できる。
こちらのバネ力をFt' とすると、総合バネ力Fta は、
Fta=Ft+Ft'
で、計算できる。
【００２９】
ここで、次のような条件で、実際のバネ力を計算してみる。
寸法諸元； s=0.1m , Lo=0.1m , Ls=0.12m , K=100N/m 、
引っ張り長； x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04,………,0.20 m
引っ張り角度； θ=0, 10, 20, 30, ………,180度
【００３０】
図２２に、引っ張り方向（θ）に対するバネ力変化の状況を示した。
このバネは、引っ張り方向（θ）と、ストローク（x ）によってバネの強さが異なる癖を持っており、免震性能に方向性が出る懸念がある。
【００３１】
図２３は、引っ張りストロークに対するバネ力で、バネ特性そのものを示す。９０度方向に引いた時のバネ特性が、直立バネ( 線ａ）とほぼ同じになり、他の方向にはそれより弱めのバネとなる。いずれも下に凸な特性で免震装置には向いている。
【００３２】
図２５は、図２４において斜め配置のオフセット量をs=0.1mからs=0.03m に変えた場合の結果である。
図２５に示すように、バネ特性は、引っ張り方向の如何にかかわらず直立の場合と殆ど同じになり、「バネ特性の癖」の懸念は無くなる。斜め配置の場合、バネセット角を抑制する事が大切である。
なお、 s=0.1 ：バネセット角＝３４度
s=0.03：バネセット角＝７６度
【００３３】
副作用２：バネセット力
斜めに配置することで、セット時のバネの伸びは大きくなる。（図２５中の右表）
従ってバネセット力が大きいという問題が出るが、水平配置の場合より遙かに小さくてすむ。
【００３４】
副作用総括：
若干の副作用（上記の副作用１、副作用２）はあるが、全体寸法の抑制、干渉の防止、等の必要性があれば、斜め配置は実施すべきである。但し、バネセット角（バネ軸芯の、水平方向に対する角度）を３５度以上とすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の免震装置の、バネが直立バネの場合の、平面図である。
【図２】本発明の免震装置の断面図（図１のＡ−Ａ断面図）である。
【図３】図２の免震装置の皿とバネとの干渉の検討で用いられた、免震台移動前の、断面図である。
【図４】図２の免震装置の皿とバネとの干渉の検討で用いられた、免震台移動後の、断面図である。
【図５】本発明の直立バネの免震装置が従来の水平バネの免震装置に比べてサイズが小さくなることを示す図で、（イ）が本発明のバネ直立配置の場合の平面図、（ロ）が（イ）の装置のＡ−Ａ断面図、（ハ）が従来のバネ水平配置の場合の平面図、（ニ）が（ハ）の装置のＡ−Ａ断面図、である。
【図６】本発明の直立バネの免震装置が従来の水平バネの免震装置に比べてバネセット力が小さくなることを示す図で、（イ）が本発明のバネ直立配置の場合の荷重／バネ長さのグラフ、（ロ）が本発明のバネ直立配置の場合の免震装置のバネ部の断面図、（ハ）が従来のバネ水平配置の場合の荷重／バネ長さのグラフである。
【図７】本発明の直立バネの免震装置が従来の水平バネの免震装置に比べてバネ特性の癖が解消されることを示すバネとその近傍の断面図である。
【図８】本発明の直立バネの免震装置のバネ特性図（荷重／変位のグラフ）である。
【図９】本発明の直立バネと従来の水平バネのバネ特性図（荷重／変位のグラフ）の比較である。
【図１０】本発明の直立バネの免震装置の共振点を求めるための自由振動の波形図である。
【図１１】本発明の直立バネの免震装置にEl centro 地震が作用した場合の免震台の挙動を示す図（変位／時間のグラフ）である。
【図１２】ダンパー配置が難しいことが解消されることを示す図で、（イ）が本発明の、直立バネ＋粘性ダンパーの場合の免震装置の平面図、（ロ）が（イ）のＢ−Ｂ断面図、（ハ）が従来の、水平バネ＋粘性ダンパーの場合の免震装置の平面図、（ニ）が（ハ）のＣ−Ｃ断面図、（ホ）が（ハ）のＢ−Ｂ断面図、である。
【図１３】本発明の斜め配置バネの免震装置の直立バネの免震装置との比較を示す断面図で、（イ）はバネ直立で左最大変位の場合の断面図、（ロ）はバネ直立で中立の場合の断面図、（ハ）はバネ直立で右最大変位の場合の断面図、（ニ）はバネ斜め配置で左最大変位の場合の断面図、（ホ）はバネ斜め配置で中立の場合の断面図、（ヘ）はバネ斜め配置で右最大変位の場合の断面図、である。
【図１４】本発明の斜め配置バネの免震装置と直立バネの免震装置との外形（コンター）の比較を示す図で、（イ）はバネ直立の場合の平面図、（ロ）はバネ直立の場合の断面図、（ハ）はバネ斜め配置の場合の平面図、（ニ）はバネ斜め配置の場合の断面図、である。
【図１５】本発明の斜め配置バネのバネ特性を求める演算で用いた諸元図である。
【図１６】図１５の斜め配置バネの斜視図である。
【図１７】図１５の斜め配置バネの平面図である。
【図１８】図１５の２個対向配置した場合の本発明の免震装置の断面図である。
【図１９】図１８における対向側バネのバネ特性を求める演算で用いた諸元図である。
【図２０】図１９の対向バネの斜視図である。
【図２１】図１９の対向バネの平面図である。
【図２２】斜め配置バネにおける、引っ張り方向（横軸、θ）に対するバネ力変化（縦軸）を示すグラフである。
【図２３】斜め配置バネにおける、引っ張りストローク（横軸）に対するバネ力の変化（縦軸）を示すグラフである。
【図２４】斜め配置バネにおける、オフセット量とバネセット角を示す断面図である。
【図２５】斜め配置バネにおける、オフセット量をｓ＝０．１ｍからｓ＝０．０３ｍに変えた場合の結果を示すグラフであり、引っ張り方向のいかんにかかわらず直立バネとほとんど同じになることを示すグラフである。
【図２６】従来の重力式でボール式の免震装置の断面図である。
【図２７】従来の重力式でリニアベアリング２段重ね式の免震装置の断面図である。
【図２８】従来のバネ式で積層ゴム式の免震装置の断面図である。
【図２９】従来の水平バネ式の免震装置の断面図である。
【図３０】従来の水平バネ式の免震装置の平面図である。
【図３１】図３０の水平バネ式の免震装置のＡ−Ａ断面図である。
【図３２】図３０の水平バネ式の免震装置の干渉チェック図である。
【図３３】図３０の水平バネ式の免震装置のセット荷重／バネ長さのグラフである。
【図３４】従来の水平バネ式の免震装置のバネ特性に癖があることを示すグラフである（横軸が引っ張り方向、角度θがバネ方向）。
【図３５】免震台を、バネの取付け方向（０度）、およびバネのない方向（４５度）に引っ張った時のバネ特性を示す、荷重／変位図である。
【図３６】バネ水平配置式免震装置の振動モデル概念図である。
【図３７】図３６の振動モデルに神戸地震のＮＳ（南北）波を不補した時の免震台の挙動図（加速度波形図）である。
【図３８】図３６の振動モデルにEl centro 地震のＥＷ（東西）波を不補した時の免震台の挙動図（加速度波形図）である。
【図３９】図３６の振動モデルに神戸地震のＮＳ（南北）波を不補した時の免震台の挙動図（振幅波形図）である。
【図４０】図３６の振動モデルにEl centro 地震のＥＷ（東西）波を不補した時の免震台の挙動図（振幅波形図）である。
【図４１】流体ダンパーの断面図である。
【図４２】（イ）は粘性ダンパーの断面図であり、（ロ）は（イ）の粘性ダンパーの半平面図である。
【図４３】（イ）は粘性ダンパー付きの従来の水平バネ式免震装置の平面図であり、（ロ）は（イ）のＣ−Ｃ断面図であり、（ハ）は（イ）のＢ−Ｂ断面図であり、（ニ）は粘性ダンパー無しの従来の水平バネ式免震装置の平面図であり、（ホ）は（ニ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４４】摩擦ダンパーの断面図である。
【図４５】転がり式摩擦ダンパーの断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 免震装置
１１ 固定台
１２ 免震台
１３ ボール
１４ バネ
１５ バネ軸芯
１６ ダンパー
１７ 受け皿
【技術分野】
【０００１】
本発明は、免震装置に関し、とくに戻し力がバネ力であるバネ式免震装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
歴史的遺品、美術工芸品、精密機械、等の耐震性が必要な貴重品を地震による破壊から保護するために、種々の免震装置が開発され、使用されている。
免震装置は戻し力の発生方法により、「重力式」と「バネ式」に分けられる。図２６−図２９に代表的な例を示す。
【０００３】
それぞれについて簡単に説明する。
（イ）重力式（図２６：ボール式、図２７：リニアベアリング式）
免震台１０１を曲面皿１０２とボール１０３で支持し、左右に動くと免震台１０１がわずかに持ち上げられ、重力によって元の位置に戻るようにした装置。基本的には「振り子」の原理で動き、免震台１０１や対象物の質量とは関係なしに「固有振動数」が決まる特徴を持つ。固有振動数を充分低くとれば、それ以上の振動数の振動を遮断できるので、地震の横揺れを緩和する事ができる。
【０００４】
（ロ）積層ゴム式（図２８）
左右には柔らかく、上下には固い、異方性ゴムである積層ゴム１０４を使い、地震の横揺れを逃げる装置。積層ゴム１０４は左右の揺れを吸収するベアリングの役をこなすと同時に、ゴムの弾性を復元力に利用している。また、ゴム固有のダンピング効果によって地震波の揺れを吸収して熱に変え、振動エネルギーを緩和する。１０５は免震台、１０６はベースを示す。
（ハ）バネ式（図２９）
バネ式免震装置は、二つの構成要素からなる。
ボール１０７：ベース１０８と免震台１０９の間に複数個( ３個以上）のボール１０７を入れ、ベース１０８に対する免震台１０９の水平揺れを吸収するベアリングの役を果たす。ボール受け面１１０は平面なので、免震台１０９は持ち上げられず、重力の作用はない。ボール１０７によって免震台１０９の上下荷重支持を受け持つ。
バネ１１１：ベース１０８と免震台１０９の水平ずれを元に戻す役割を持つ。また、免震台１０９を質量としたバネ・マス機構を構成する。その固有振動数f は、
ｆ＝｛１／（２π）｝（Ｋ／Ｍ）1/2
ただし、 Ｋ；バネ常数
Ｍ；質量（免震台＋対象物）
で決まるが、このf を充分小さくすることで、免震効果を発揮できる。また、それ以上の振動のエネルギーを吸収するため、油圧ダンパー、粘性ダンパー等を併用することができる。
【０００５】
通常考えられるバネ式免震装置の例を図３０−図３２に示す。
免震装置は、設置する時に収まりの良い４角形が望まれるので、バネ式は図３０−図３２に示すように、４個のボール１０７と、４本の水平配置バネ１１１で構成するのが効率的である。
バネ１１１は、免震台１０９が作動する際、台１０９の動きにつれて揺動するので、図３２に示したような方法で揺動範囲Ａをチェックして、ボールおよびボール受け台と干渉しないように、必要な距離を取った配置にしている。
【特許文献１】特開平０９−１９１９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のバネ式免震装置に、以下の問題点がある。
（ｉ）免震台サイズが大きい。
（ii）バネセット力が大きい。
（iii)バネ特性に癖がある。 （方向性、直交成分の発生、等）
（iv）免震装置の固有振動数を下げる事は難しい。……免震性能に限界がある。
（ｖ）ダンパーを設置しにくい。
それぞれの問題点についてより詳しく述べる。
【０００７】
（ｉ）免震台サイズが大きい。
免震台のサイズは、図３０−図３２から分かるように、バネの長さで決まる。
バネセット長は、バネの設計長( 初期長）に最小伸びと作動長の半分を加算した物となる。
図３３で、Lo=0.2 （バネ使用条件から必要になる長さ）
Ln=0.02
Lw=0.4
とすると、 Ls=Lo+Ln+Lw/2=0.2+0.02+0.4/2=0.42
このバネが辺と平行に一対配置されるので、免震台のサイズは、１辺が0.84m 以上の正方形となる。
一辺の長さが、受け皿直径の２倍（0.4m) 以上ですむ重力式免震装置に比べて、倍以上のサイズアップになる。
【０００８】
（ii）バネセット力が大きい。
（ｉ）の説明から分かるように、バネのセット時長さはLs=0.42mとなり、0.2mのバネを0.42m の長さにまで伸してセットすることになる。セット時のバネの伸び量がバネ最大伸び量のほぼ半分に相当し、バネ使用時に常に大きな応力がかかっていることになる。
免震装置の使用条件から、この状態が長時間維持される事になるので、バネの劣化が懸念される。
【０００９】
（iii ）バネ特性に癖がある。
図３４は、上記の免震装置をいろいろな方向に引っ張った時のバネ強さを示す。
横軸は引っ張り方向で、角度0 度がバネ方向を示す。したがって角度90度で、隣のバネの方向となる。計算条件をLs=0.42m, Lw=0.4m, K=100N/m とし、引っ張り長、0.05,0.10,0.15, 0.20m の４水準について検討した。
図３４から分かるように引っ張り量が大きいと、バネが無い方向のバネ力は小さくなる。
また、バネ方向0, 45, 90 度以外の方向では、直交成分の力が発生する。
このバネ力の癖（方向による違い、及び直交成分）によって、免震台に余分な動き（方向による振れの差、回転の発生、等）が発生する懸念がある。
図３５は、免震台を、バネの取り付け方向（0 度）、および、バネの無い方向（45度）に引っ張った時のバネ特性を示す。
図３５の線ｂ( 中央）は、K=100N/mのバネを２本並列に並べたの場合のバネ強さである。（K=200N/m相当の線形バネになる）0 度方向のバネは、変位が増えると線形バネより若干強くなり、45度方向のバネは、若干弱くなる。しかし、大まかに考えれば、バネ特性は全方向で、ほぼ変位に比例する( 線形）と考えて良い。
以下のシミュレーションでは、簡単のため、全方向に線形なバネとして扱っていく。
【００１０】
（iv）免震装置の固有振動数を下げることは難しい。
図３６は、バネ水平配置式免震装置の概念図である。固有振動数は、バネ・マスモデルなので、前記の式で容易に求められる。モデルは、両側にバネのある形なので、バネ力は２倍となり、固有振動数f は、
ｆ＝｛１／（２π）｝（Ｋ／Ｍ）1/2
となる。
たとえば、検討例、K=100N/m, M=500kg の場合について計算してみると、f=0.1007Hzとなる。
いろいろな地震に対応するためにはf ＜0.06Hz( 地震波の下限周波数）とすることが望ましいが、この装置は固有振動数がそれより高いため、免震装置の条件を十分満たしていない。目標を達成するため固有振動数を半分に下げようとすると、Ｍを４倍に増やすか、Ｋを４分の１に減らす必要がある。質量アップ４倍は大きすぎるし、バネ常数を４分の１の25N/m に設定すると、セット長さ0.42m の水平配置バネに振動や自重による中だるみが発生する懸念があるので、いずれの方法も現実的では無い。つまりバネ水平配置では、固有振動数を目標まで減らすことは難しい。
【００１１】
この免震装置の計算モデルに、実際の地震波データ
神戸地震 ＮＳ波 ………激しく、短周期、短時間の地震
El centro 地震 ＥＷ波………ゆっくりで、長周期、長時間の地震
を入れて、このこの免震台の挙動をシミュレーションしてみると、次のようになる。
図３７、図３８は加速度を示す。線ａが地震の加速度波形を、線ｂが免震台の加速度波形を示す。
神戸地震では加速度はほぼゼロに抑えられが、El centro 地震ではかなりの加速度が残ってしまうことが分かる。
次に振幅の計算結果を図３９、図４０に示した。線ｃは免震台と地面の相対移動量を示す。
両図を見比べてみると、神戸地震には免震機能を発揮できるが、El centro 地震では振幅を拡大し、また、台と地面の相対移動量がバネ作動幅±0.2mを越してしまって装置の機能を発揮できない事が分かる。
纏めると、バネ水平配置免震装置を今回のサイズ作ろうとすると、免震性能に限界がある。
【００１２】
（ｖ）ダンパーを設置しにくい。
免震台は、高い周波数（固有振動数を超える地震波成分）の振動を効率よく吸収するので、加速度の減衰は比較的に容易であるが、速度や振幅が拡大してしまう場合がある。このような場合は、「速度」を抑制できる「ダンパー」の設置が有効である。
ダンパーには次の３種類が考えられるが、それぞれ次のような特徴がある。
【００１３】
イ．流体ダンパ１１２（図４１）
〔原理〕
狭い通路（スリット）１１３を流体が通過する際の、流れの抵抗を利用する方法。通路が狭いと層流抵抗となり、速度の逆方向に、速度の0.9 〜1.0 乗に比例する抵抗が発生する。すなわち、
Ｄ＝−ＣＶ0.9-1 ×sign（Ｖ）
ただし、sign（Ｖ）は下記の定義になる符号関数である。
Ｖ＞０の時、 sign（Ｖ）＝１
Ｖ＝０の時、 sign（Ｖ）＝０
Ｖ＜０の時、 sign（Ｖ）＝−１
〔利点〕
速度にほぼ比例した抵抗になるので、速度抑制には最も効果的である。（高性能）
〔問題点〕
通常、バネに沿わせる形で設置されるが、構造上ストローク(s) のほぼ５倍のセット長となり、（図４１参照）バネの場合の、約２倍強よりずっと長い。
故に、ストロークがs=0.2mであれば1.0mのセット長さが必要で、免震装置のサイズアップにつながる。
【００１４】
ロ．粘性ダンパー１１４（図４２の（イ）、（ロ）、図４３の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ））
〔原理〕
２つの面に挟まれた粘性の強い流体の「引きずり力」（境界層の抵抗）を利用する方法。速度の逆方向に、速度の0.5 〜0.8 乗に比例する抵抗が発生する。
すなわち、
Ｄ＝−ＣＶ0.5-0.8 ×sign（Ｖ）
〔利点〕
１つで全方向のダンピングが可能で、流体ダンパーのように必要な方向毎に設置する必要が無い。また、セット時のサイズがストロークs の約3.5 倍ですみ、流体ダンパーより短いため、免震装置への設置が容易である。( 図４３の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ））
〔問題点〕
円盤形なので、装置中央に配置しなければならず、その位置にバネ１１５、ボール１１６が配置できないため、サイズアップになる。図４３の（イ）、（ロ）、（ハ）にその一例を示した。
図４３はダンパー有りの場合（図４３の（イ）、（ロ）、（ハ））とダンパー無しの場合（図４３の（ニ）、（ホ））を同じ縮尺で示しているが、ダンパー有りの場合は、ダンパー無しに比べて免震装置の平面面積が約2.9 倍( 長さで1.7 倍）に拡大する。
【００１５】
ハ．摩擦ダンパー１１７（図４４：固体摩擦式、図４５：転がり式）
〔原理〕
免震台１１８と地面１１９の間に摺動面を作り摩擦力によって抵抗を発生させる（図４４）。又、ボール１２０の接触面１２１を変えて転がり抵抗を増やす方法もある（図４５）。この方法による力は速度の方向に依存する（速度の逆方向に働く）が、速度の大きさには依存しない。しかし接触面圧（Ｍ）に比例する。
すなわち、
〔利点〕
構造が簡単で、原価が安い。設置の為のスペースの増加が無い。
〔問題点〕
減衰力が速度に比例しないので、速度反転時に急な抵抗力の変化が生じ、スティックスリップ（すべりが拘束されたりすべったりすること）が発生する。したがって、免震台１１８の作動が不安定になり、ダンパーとしては好ましくはない。
【００１６】
本発明の目的は、バネが水平に配置された「バネ式免震装置」に存在する、上記（ｉ）〜（ｖ）の問題の少なくとも１つを解決するバネ式の免震装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 固定台と、固定台に対して水平方向に移動可能な免震台と、固定台と免震台との間に配置したボールと、一端が固定台に他端が免震台に連結された、免震台を原点位置に戻すためのバネとを、有する免震装置であって、前記バネが水平方向に対して３５度以上９０度以下の角度をもつバネ軸芯を有する免震装置。
（２） 前記バネが水平方向に対して９０度の角度をもつバネ軸芯を有する（１）記載の免震装置。
（３） 前記バネが水平方向から３５度以上の角度９０度未満の角度をもつバネ軸芯を有する（１）記載の免震装置。
（４） さらにダンパーを有する（１）記載の免震装置。
【発明の効果】
【００１８】
上記（１）−（４）の何れか一の免震装置によれば、バネが水平方向に対して３５度以上９０度以下の角度をもつバネ軸芯を有するので、以下に詳細に説明するように、上記（ｉ）〜（ｖ）の問題が解決または軽減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の免震装置１０を、図１−図２９を参照して説明する。
本発明の免震装置１０は、固定台１１と、固定台１１に対して水平方向に移動可能な免震台１２と、固定台１１と免震台１２との間に配置したボール１３と、一端が固定台１１に他端が免震台１２に連結された、免震台１２を原点位置に戻すためのバネ１４とを、有する。バネ１４は、水平方向に対して３５度以上９０度以下の角度をもつバネ軸芯１５を有する。
バネ１４は、水平方向に対して９０度の角度をもつバネ軸芯１５を有する、直列配置であってもよい。
あるいは、バネ１４は、水平方向から３５度以上の角度９０度未満の角度をもつバネ軸芯１５を有する、斜め配置であってもよい。
免震装置１０は、さらにダンパー１６を有していてもよい。
以下に、本発明の構成を、該構成をとることにより上記（ｉ）〜（ｖ）の問題が解決または軽減される理由（該理由は、本発明の作用・効果でもある）とともに、さらに詳細に説明する。
【００２０】
（Ａ）バネの直立配置
免震台１２のバネ１４を図１、図２のように直立させて（バネ軸芯１５が水平方向に対して９０度の角度をもつように）配置する事により、問題点（ｉ) 、（ii）、（iii)、（iv）、（ｖ）が全て解消する。以下、それぞれの問題点の解消理由を述べる。
直立配置の場合、受け皿部分１７とバネ１４の干渉を避けるためには、皿１７を低くした方（ｔを小）が良い。従って、その分ボール１３の径Ｄを大きくする必要があり、図１、図２の例ではボール径Ｄをこれまでの検討例の倍としている。
バネ１３との干渉の検討は、図３、図４に示したような作図で実施する。今回の検討例では、皿Ｃ中心とバネ中心が28mm以上離れている必要があり、図１のように、皿中心Ｃからφ28mm以内にバネ中心１５を配置しないように配慮してある。
【００２１】
問題点（ｉ）：サイズ大の解消
水平配置（従来）と直立配置（本発明の直立配置と斜め配置のうちの直立配置）の計画図を同一縮尺で示すと、図５の（イ）−（ニ）のようになる。いずれも地震時の作動ストローク±200mm 動いた時、部品相互の干渉が無いよう空間を空けて配置している。直立式にすることで、平面面積で35%(長さで20% ）のサイズの縮小が可能で、サイズ大の問題が改良される。高さは、干渉を防ぐため若干高くなる。
【００２２】
問題点（ii）：バネセット力大の解消
免震台の移動方向（水平面）と平行にバネを配置する方法（図６の（ハ））では、バネセット長Lsはバネ作動範囲Lwの中央になる。したがって、セット時にはLn+Lw/2 だけ伸された状態であり、セット力はかなり大きな値になる。
本発明の直立配置バネ（図６の（イ））は、セット時にはLnしか伸びて居らず、セット荷重が非常に小さく、通常時にバネに無理がかからない。バネが作動する際は、図６の（ロ）に示すように、方向には関係なく移動量によって伸び量が決まるので、バネ線図は（図６の（イ）のようになる。
本発明の直立配置バネでは、以上の関係からセット時のバネ伸びがセットに必要な最小伸びLnで良く、セット荷重を低く抑える事ができる。
【００２３】
問題点(iii) ：バネ特性の癖の解消
直立配置バネ１４は、図７に示すように、上端を水平面方向に引っ張る時、どの方向に引っ張っても同じ張力が得られる。すなわち、引っ張り方向による癖が無い。また、引っ張り方向に直角の成分力が出ることも無い。
したがって、バネの数を増やしていくと、単純に加算したバネ力が得られる。バネ力は
Ｆｓ＝Ｋ｛（Ｌｓ2 ＋ｚ2 ）1/2 −Ｌｓ｝
Ｆ ＝Ｆｓ×ｚ／（Ｌｓ2 ＋ｚ2 ）1/2
である。
【００２４】
問題点（iv）：固有振動数を下げにくいことの解消
直立配置バネ１４のバネ特性は図８のように非線形になる。このように、引っ張り初期には弱く、引っ張って行けば行くほど強くなるバネを使うと、免震台の固有振動数を下げる事ができる。
図８は、Lo=0.1m
Ln=0.02m
Ls=Lo+Ln=0.12m
K=100N/m
の時のバネ特性を示す。
このような非線形バネの効果を試算してみる。
直列配置バネは、すべての方向に同等に作用するので、水平配置バネの半分の本数ですむ。したがって、直立バネ２本が水平配置の４本に相当する。
両方のバネの特性を同じ図に表すと図９のようになる。それぞれのバネを使った場合の共振点を計算すると、
水平配置；f=1.007Hz
直立配置；f=0.064Hz
となり、直立配置の場合の方がかなり低くなる。
なお、直立配置の共振点はシミュレーションモデルを自由振動させて計算する。（図１０）
直立配置バネ免震装置にElcentroEW地震波が作用した場合の免震台の挙動を図１１に示した。水平配置の場合（図４３、図４４）よりかなり改善されており、その効果が確認できる。しかし、これでもまだ充分なレベルには達しておらず、バネ常数を下げるなど、さらなる改善が必要である。
以上に示したように、直立バネではバネ特性が非線形となるので、免震装置の固有振動数の低下をはかり、免震性能を向上させることができる。
【００２５】
問題点（ｖ）：ダンパー配置が難しいことの改良
直立配置バネでは、バネが半分の数（２本）ですむので、図１２の（イ）−（ホ）のように配置が若干改良される（面積で１５％減）。しかし、ダンパー１６自体が大きいため、問題は解消ではなく軽減程度にとどまる。
【００２６】
（Ｂ）バネの斜め配置
バネ斜め配置とは、中立時のバネ１４を、直立ではなく若干傾けてセットする場合を言う。その場合、バネ１４は、水平方向から３５度以上の角度９０度未満の角度をもつバネ軸芯１５を有する。図１３の（イ）、（ロ）、（ハ）は直立配置、（ニ）、（ホ、（ヘ）は斜め配置を示す。
斜め配置により、バネ１４と受け皿１７の距離が短縮し、装置サイズを更に縮小できる（図１３）。
コンター（外形）の違いを考慮し、水平配置ではできない２本バネにして、両者のサイズを極力縮めた実施例を図１４の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）に示した。図１４の（イ）、（ロ）が直立配置、（ハ）、（ニ）が斜め配置の場合を示している。
結果は、直立78×90が、斜め72×86となり、面積で12% の減少が果たせる。コンター自体の面積比は27% 減なので、若干効率は悪くなる。
しかし、斜め配置には若干の副作用があるので、以下に説明する。
【００２７】
副作用１：バネ特性の癖
斜め配置バネのバネ特性は、以下の手法で計算できる。
セット時長さLsのバネを高さH 、オフセット sで配置した図１５のようなバネについて考える。
このモデルで、バネの上端Q を、角度θの方向に引っ張った場合の引っ張り方向のバネ力Ftを算出する。
幾何学的関係から、
Ｈ＝（Ls2 −ｓ2 ）1/2
図１６から、
xs＝x ×sin θ
xc＝x ×cos θ
Ｌ’＝｛（ｓ＋ｘｃ）2 ＋ｘｓ2 ｝1/2
図１７から、
Ｌ＝（Ｈ2 ＋Ｌ’2 ）1/2
バネ方向反力F は、
Ｆ＝Ｋ×（Ｌ−Ｌ0 ） その水平方向成分は、
Ｆ’＝Ｆ×Ｌ’／Ｌ
反力方向のずれ角ψは、
φ＝ａｒｃｃｏｓ（ｘｓ／Ｌ’）
ξ＝ａｒｃｃｏｓ（ｘｓ／ｘ）
ψ＝abs(φ−ξ)
引っ張り方向の反力Ftは、
Ft＝Ｆ’×ｃｏｓψ
実際にはこのバネを図１８のように対向して２個配置するので２個のバネ力を合算する必要がある。
【００２８】
対向側のバネ諸元を図１９のようにとる。
幾何学的関係から、
Ｈ＝（Ls2 −ｓ2 ）1/2
図２１から、
xs＝x ×sin θ
xc＝x ×cos θ
Ｌ’＝｛（−ｓ＋ｘｃ）2 ＋ｘｓ2 ｝1/2
図２０から、
Ｌ＝（Ｈ2 ＋Ｌ’2 ）1/2
バネ方向反力F は、
Ｆ＝Ｋ×（Ｌ−Ｌ0 ） その水平方向成分は、
Ｆ’＝Ｆ×Ｌ’／Ｌ
反力方向のずれ角ψは、
φ＝ａｒｃｃｏｓ（ｘｓ／Ｌ’）
ξ＝ａｒｃｃｏｓ（ｘｓ／ｘ）
ψ＝abs(φ−ξ)
引っ張り方向反力Ftは、
Ft＝Ｆ’×ｃｏｓψ
と、前の場合と同様の考え方で計算できる。
こちらのバネ力をFt' とすると、総合バネ力Fta は、
Fta=Ft+Ft'
で、計算できる。
【００２９】
ここで、次のような条件で、実際のバネ力を計算してみる。
寸法諸元； s=0.1m , Lo=0.1m , Ls=0.12m , K=100N/m 、
引っ張り長； x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04,………,0.20 m
引っ張り角度； θ=0, 10, 20, 30, ………,180度
【００３０】
図２２に、引っ張り方向（θ）に対するバネ力変化の状況を示した。
このバネは、引っ張り方向（θ）と、ストローク（x ）によってバネの強さが異なる癖を持っており、免震性能に方向性が出る懸念がある。
【００３１】
図２３は、引っ張りストロークに対するバネ力で、バネ特性そのものを示す。９０度方向に引いた時のバネ特性が、直立バネ( 線ａ）とほぼ同じになり、他の方向にはそれより弱めのバネとなる。いずれも下に凸な特性で免震装置には向いている。
【００３２】
図２５は、図２４において斜め配置のオフセット量をs=0.1mからs=0.03m に変えた場合の結果である。
図２５に示すように、バネ特性は、引っ張り方向の如何にかかわらず直立の場合と殆ど同じになり、「バネ特性の癖」の懸念は無くなる。斜め配置の場合、バネセット角を抑制する事が大切である。
なお、 s=0.1 ：バネセット角＝３４度
s=0.03：バネセット角＝７６度
【００３３】
副作用２：バネセット力
斜めに配置することで、セット時のバネの伸びは大きくなる。（図２５中の右表）
従ってバネセット力が大きいという問題が出るが、水平配置の場合より遙かに小さくてすむ。
【００３４】
副作用総括：
若干の副作用（上記の副作用１、副作用２）はあるが、全体寸法の抑制、干渉の防止、等の必要性があれば、斜め配置は実施すべきである。但し、バネセット角（バネ軸芯の、水平方向に対する角度）を３５度以上とすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の免震装置の、バネが直立バネの場合の、平面図である。
【図２】本発明の免震装置の断面図（図１のＡ−Ａ断面図）である。
【図３】図２の免震装置の皿とバネとの干渉の検討で用いられた、免震台移動前の、断面図である。
【図４】図２の免震装置の皿とバネとの干渉の検討で用いられた、免震台移動後の、断面図である。
【図５】本発明の直立バネの免震装置が従来の水平バネの免震装置に比べてサイズが小さくなることを示す図で、（イ）が本発明のバネ直立配置の場合の平面図、（ロ）が（イ）の装置のＡ−Ａ断面図、（ハ）が従来のバネ水平配置の場合の平面図、（ニ）が（ハ）の装置のＡ−Ａ断面図、である。
【図６】本発明の直立バネの免震装置が従来の水平バネの免震装置に比べてバネセット力が小さくなることを示す図で、（イ）が本発明のバネ直立配置の場合の荷重／バネ長さのグラフ、（ロ）が本発明のバネ直立配置の場合の免震装置のバネ部の断面図、（ハ）が従来のバネ水平配置の場合の荷重／バネ長さのグラフである。
【図７】本発明の直立バネの免震装置が従来の水平バネの免震装置に比べてバネ特性の癖が解消されることを示すバネとその近傍の断面図である。
【図８】本発明の直立バネの免震装置のバネ特性図（荷重／変位のグラフ）である。
【図９】本発明の直立バネと従来の水平バネのバネ特性図（荷重／変位のグラフ）の比較である。
【図１０】本発明の直立バネの免震装置の共振点を求めるための自由振動の波形図である。
【図１１】本発明の直立バネの免震装置にEl centro 地震が作用した場合の免震台の挙動を示す図（変位／時間のグラフ）である。
【図１２】ダンパー配置が難しいことが解消されることを示す図で、（イ）が本発明の、直立バネ＋粘性ダンパーの場合の免震装置の平面図、（ロ）が（イ）のＢ−Ｂ断面図、（ハ）が従来の、水平バネ＋粘性ダンパーの場合の免震装置の平面図、（ニ）が（ハ）のＣ−Ｃ断面図、（ホ）が（ハ）のＢ−Ｂ断面図、である。
【図１３】本発明の斜め配置バネの免震装置の直立バネの免震装置との比較を示す断面図で、（イ）はバネ直立で左最大変位の場合の断面図、（ロ）はバネ直立で中立の場合の断面図、（ハ）はバネ直立で右最大変位の場合の断面図、（ニ）はバネ斜め配置で左最大変位の場合の断面図、（ホ）はバネ斜め配置で中立の場合の断面図、（ヘ）はバネ斜め配置で右最大変位の場合の断面図、である。
【図１４】本発明の斜め配置バネの免震装置と直立バネの免震装置との外形（コンター）の比較を示す図で、（イ）はバネ直立の場合の平面図、（ロ）はバネ直立の場合の断面図、（ハ）はバネ斜め配置の場合の平面図、（ニ）はバネ斜め配置の場合の断面図、である。
【図１５】本発明の斜め配置バネのバネ特性を求める演算で用いた諸元図である。
【図１６】図１５の斜め配置バネの斜視図である。
【図１７】図１５の斜め配置バネの平面図である。
【図１８】図１５の２個対向配置した場合の本発明の免震装置の断面図である。
【図１９】図１８における対向側バネのバネ特性を求める演算で用いた諸元図である。
【図２０】図１９の対向バネの斜視図である。
【図２１】図１９の対向バネの平面図である。
【図２２】斜め配置バネにおける、引っ張り方向（横軸、θ）に対するバネ力変化（縦軸）を示すグラフである。
【図２３】斜め配置バネにおける、引っ張りストローク（横軸）に対するバネ力の変化（縦軸）を示すグラフである。
【図２４】斜め配置バネにおける、オフセット量とバネセット角を示す断面図である。
【図２５】斜め配置バネにおける、オフセット量をｓ＝０．１ｍからｓ＝０．０３ｍに変えた場合の結果を示すグラフであり、引っ張り方向のいかんにかかわらず直立バネとほとんど同じになることを示すグラフである。
【図２６】従来の重力式でボール式の免震装置の断面図である。
【図２７】従来の重力式でリニアベアリング２段重ね式の免震装置の断面図である。
【図２８】従来のバネ式で積層ゴム式の免震装置の断面図である。
【図２９】従来の水平バネ式の免震装置の断面図である。
【図３０】従来の水平バネ式の免震装置の平面図である。
【図３１】図３０の水平バネ式の免震装置のＡ−Ａ断面図である。
【図３２】図３０の水平バネ式の免震装置の干渉チェック図である。
【図３３】図３０の水平バネ式の免震装置のセット荷重／バネ長さのグラフである。
【図３４】従来の水平バネ式の免震装置のバネ特性に癖があることを示すグラフである（横軸が引っ張り方向、角度θがバネ方向）。
【図３５】免震台を、バネの取付け方向（０度）、およびバネのない方向（４５度）に引っ張った時のバネ特性を示す、荷重／変位図である。
【図３６】バネ水平配置式免震装置の振動モデル概念図である。
【図３７】図３６の振動モデルに神戸地震のＮＳ（南北）波を不補した時の免震台の挙動図（加速度波形図）である。
【図３８】図３６の振動モデルにEl centro 地震のＥＷ（東西）波を不補した時の免震台の挙動図（加速度波形図）である。
【図３９】図３６の振動モデルに神戸地震のＮＳ（南北）波を不補した時の免震台の挙動図（振幅波形図）である。
【図４０】図３６の振動モデルにEl centro 地震のＥＷ（東西）波を不補した時の免震台の挙動図（振幅波形図）である。
【図４１】流体ダンパーの断面図である。
【図４２】（イ）は粘性ダンパーの断面図であり、（ロ）は（イ）の粘性ダンパーの半平面図である。
【図４３】（イ）は粘性ダンパー付きの従来の水平バネ式免震装置の平面図であり、（ロ）は（イ）のＣ−Ｃ断面図であり、（ハ）は（イ）のＢ−Ｂ断面図であり、（ニ）は粘性ダンパー無しの従来の水平バネ式免震装置の平面図であり、（ホ）は（ニ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４４】摩擦ダンパーの断面図である。
【図４５】転がり式摩擦ダンパーの断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 免震装置
１１ 固定台
１２ 免震台
１３ ボール
１４ バネ
１５ バネ軸芯
１６ ダンパー
１７ 受け皿
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定台と、固定台に対して水平方向に移動可能な免震台と、固定台と免震台との間に配置したボールと、一端が固定台に他端が免震台に連結された、免震台を原点位置に戻すためのバネとを、有する免震装置であって、前記バネが水平方向に対して３５度以上９０度以下の角度をもつバネ軸芯を有する免震装置。
【請求項２】
前記バネが水平方向に対して９０度の角度をもつバネ軸芯を有する請求項１記載の免震装置。
【請求項３】
前記バネが水平方向から３５度以上の角度９０度未満の角度をもつバネ軸芯を有する請求項１記載の免震装置。
【請求項４】
さらにダンパーを有する請求項１記載の免震装置。
【請求項１】
固定台と、固定台に対して水平方向に移動可能な免震台と、固定台と免震台との間に配置したボールと、一端が固定台に他端が免震台に連結された、免震台を原点位置に戻すためのバネとを、有する免震装置であって、前記バネが水平方向に対して３５度以上９０度以下の角度をもつバネ軸芯を有する免震装置。
【請求項２】
前記バネが水平方向に対して９０度の角度をもつバネ軸芯を有する請求項１記載の免震装置。
【請求項３】
前記バネが水平方向から３５度以上の角度９０度未満の角度をもつバネ軸芯を有する請求項１記載の免震装置。
【請求項４】
さらにダンパーを有する請求項１記載の免震装置。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【公開番号】特開２００６−３４２８８４（Ｐ２００６−３４２８８４Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６９１０４（Ｐ２００５−１６９１０４）
【出願日】平成１７年６月９日（２００５．６．９）
【出願人】（０００１１０２５１）トピー工業株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月９日（２００５．６．９）
【出願人】（０００１１０２５１）トピー工業株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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