JP7778296B2 - 圧力モータ式マスダンパ - Google Patents

Description

本発明は、構造物の振動に伴って発生する作動流体の圧力を回転マスの回転運動に変換することによって、構造物の振動を抑制するための圧力モータを用いた圧力モータ式マスダンパに関する。

従来の圧力モータ式マスダンパとして、例えば特許文献１に開示された油圧モータ式のものが知られている。その図６に記載されたマスダンパでは、油圧モータは作動油を排出するためのドレン通路を有し、ドレン通路にはアキュムレータが接続されている。アキュムレータは、例えばケーシング、ピストン及びセットばねを有するばね式のものであり、ケーシングの油室はドレン通路に連通している。この構成では、マスダンパの作動時、油圧モータのハウジング内の圧力が上昇すると、ハウジング内の作動油がドレン通路を介してアキュムレータの油室に流入し、セットばねを圧縮することにより、圧力の一部がアキュムレータに蓄えられる。これにより、ハウジング内の高圧化が防止されることで、例えば、油圧モータの出力軸のシールの機能が維持されるとともに、油圧モータの寿命が延ばされる。

特開２０２０－９４６８０号公報

しかし、上述した構成の従来のマスダンパでは、例えば長周期地震動入力による構造物の応答などに伴ってマスダンパが長時間、作動したときには、アキュムレータの油室への作動油の流入量が増大し、セットばねが限界圧縮状態（圧縮しきった状態）に達することがある。その場合には、アキュムレータの蓄圧能力が限界に達してしまい、ハウジング内の高圧化を防止できないため、例えば出力軸のシール部分から作動油が漏れ出るなどの不具合が生じる。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、マスダンパが長時間、作動した場合においても、圧力モータのハウジング内の過度の高圧化を確実に防止することができる圧力モータ式マスダンパを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明による圧力モータ式マスダンパは、作動流体が充填されたシリンダと、シリンダ内に摺動自在に設けられ、シリンダ内を第１流体室と第２流体室に区画するピストンと、ピストンをバイパスし、第１及び第２流体室に連通する連通路と、連通路に連通するとともに、作動流体を排出するためのドレン通路を有するハウジング、及びハウジングに収容された回転体を有し、ピストンの摺動に伴う作動流体の流動を回転体の回転運動に変換する圧力モータと、回転体によって回転駆動され、振動抑制効果を発揮するフライホイールと、圧力モータの両側において連通路に設けられた一対のアキュムレータと、を備え、一対のアキュムレータの各々は、流体室に作動流体が流入することによって圧力を蓄えるように構成され、流体室は連通管を介して連通路に連通しており、連通管に設けられ、アキュムレータの流体室から連通路側への作動流体の流れのみを許容する逆止弁と、ハウジングから作動流体を排出するために、中央部においてハウジングのドレン通路に接続され、両端部において一対のアキュムレータの流体室に接続されたドレン配管と、をさらに備えることを特徴とする。

本発明のマスダンパは、圧力モータ式のものであり、シリンダ内のピストンの摺動に伴い、作動流体を連通路内及び圧力モータのハウジング内に流動させ、その流動による作動流体の圧力を圧力モータの回転体の回転運動に変換し、フライホイールを回転駆動することによって、振動抑制効果が発揮される。

また、本発明のマスダンパは、上記のように構成・接続された一対のアキュムレータ、逆止弁及びドレン配管を備える。この構成により、例えばマスダンパが長時間、作動することによって、圧力モータのハウジング内の圧力が上昇した場合には、ハウジング内の作動流体が、ドレン通路からドレン配管を介して、ピストンの移動元である低圧側のアキュムレータの流体室に流入する。これにより、アキュムレータが作動し、作動流体の圧力がアキュムレータに蓄えられる。

また、このアキュムレータの流体室に連通する連通管に設けられた逆止弁が開弁することによって、流体室内の作動流体が、連通管、逆止弁及び連通路を介して、シリンダの低圧側の第１又は第２流体室に排出され、圧力が逃がされる。以上のように、マスダンパが長時間、作動することで、圧力モータのハウジング内の圧力が上昇した場合、アキュムレータの蓄圧機能と逆止弁による低圧側の第１又は第２流体室への圧力の逃がし作用によって、ハウジング内の過度の高圧化を確実に防止することができる。その結果、例えば圧力モータの出力軸のシールの機能を維持するとともに、寿命を延ばすことができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の圧力モータ式マスダンパにおいて、アキュムレータの流体室と連通路を連通する第２連通管が、連通管と並列に設けられ、第２連通管にはオリフィスが設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、ピストンの移動先である高圧側では、作動流体が第１又は第２流体室から第２連通管を介してアキュムレータの流体室に流れる際、オリフィスによる圧力損失によって、流体室の圧力が円滑に連通路側よりも低圧になることで、逆止弁は閉弁状態に確実に保持される。また、ピストンの移動元である低圧側では、作動流体がアキュムレータの流体室から第２連通管を介して連通路側に流れる際、オリフィスによる圧力損失によって、連通路側の圧力が円滑に流体室よりも低圧になることで、逆止弁は開弁状態に確実に保持される。以上のように、オリフィスを設けることによって、逆止弁の開閉をより円滑に行うことができる。

本発明の実施形態によるマスダンパを一部、切り欠いて示す縦断面図である。 図１のマスダンパの動作を示す縦断面図である。 図１のマスダンパの、図２の場合と左右逆の動作を示す縦断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。図１に示すように、実施形態によるマスダンパ１は、シリンダ２と、シリンダ２内に摺動自在に設けられたピストン３と、ピストン３をバイパスし、シリンダ２内に連通する連通路４と、連通路４に配置された、圧力モータとしての歯車モータ５と、歯車モータ５の出力軸８に連結されたフライホイール９と、連通路４の両端部に設けられた一対のアキュムレータ１５、１５と、アキュムレータ１５、１５に接続されたドレン配管２１などを備える。

シリンダ２は、円筒状の周壁２ａと、周壁２ａの両端部に設けられた第１及び第２端壁２ｂ、２ｃを一体に有し、これらの３つの壁２ａ～２ｃによって、シリンダ２の内部空間が画成されている。第１端壁２ｂには、ロッド収容室２ｇを有する突出部２ｄが同心状に一体に設けられ、その端部には、自在継手を介して第１取付具ＦＬ１が設けられている。

ピストン３は、シリンダ２内に軸線方向に摺動自在に設けられており、シリンダ２の内部空間を第１流体室２ｅと第２流体室２ｆに区画している。第１及び第２流体室２ｅ、２ｆと連通路４には、作動油ＨＦが充填されている。作動油ＨＦは、適度な粘性を有する通常のものである。

ピストン３には、ピストンロッド１０が同心状に一体に設けられている。ピストンロッド１０は、ピストン３から軸線方向の両側に延びており、第２端壁２ｃの側では、そのロッド案内孔を液密に貫通し、外方に延びている。ピストンロッド１０の外端部には、自在継手を介して第２取付具ＦＬ２が設けられている。また、ピストンロッド１０は、第１端壁２ｂの側では、そのロッド案内孔を液密に貫通し、突出部２ｄのロッド収容室２ｇ内に延びており、その端部に第２アキュムレータ３１が設けられている。

第２アキュムレータ３１は、作動油ＨＦの温度膨張などによる圧力を蓄えるためのものであり、ピストンロッド１０の端部に形成された中空のケーシング部３２と、ケーシング部３２内に摺動自在に設けられ、ピストン３側に油室３３を画成するピストン３４と、ピストン３４を油室３３側に付勢するセットばね３５を有する。また、ピストンロッド１０には、これに沿ってロッド連通孔１０ａが形成されている。ロッド連通孔１０ａは、一端部において油室３３に連通し、他端部側はピストン３の中央まで延びている。

一方、ピストン３には、軸線方向に貫通し、第１及び第２流体室２ｅ、２ｆに連通する第１及び第２連通孔と、第１及び第２連通孔をつなぐように上下方向に延び、ロッド連通孔１０ａに連通する第３連通孔が形成されている。第１連通孔には、第３連通孔の両側に、逆止弁３６、３６が設けられている。各逆止弁３６は、第３連通孔側から第１又は第２流体室２ｅ、２ｆ側への作動油ＨＦの流れのみを許容するように構成されている。また、第２連通孔には、第３連通孔の両側に、オリフィス３７、３７が設けられている。

以上の構成では、作動油ＨＦの温度上昇などに伴ってシリンダ２内の作動油ＨＦの圧力が上昇すると、作動油ＨＦが、第１及び第２流体室２ｅ、２ｆから、ピストン３の第２連通孔、オリフィス３７、３７、第３連通孔、及びロッド連通孔１０ａを介して、第２アキュムレータ３１の油室３３に緩やかに流入する。これに伴い、ピストン３４を介してセットばね３５が圧縮されることによって、作動油ＨＦの圧力が第２アキュムレータ３１に蓄えられ、それにより、温度上昇などによる作動油ＨＦの圧力上昇に起因する不具合が回避される。

この状態から、作動油ＨＦの温度が低下すると、油室３３内の作動油ＨＦが、ロッド連通孔１０ａ、第３連通孔、開弁した逆止弁３６、３６、及び第１連通孔を介して、第１及び第２流体室２ｅ、２ｆに戻されることによって、第２アキュムレータ３１に蓄えられていた圧力が解放され、もとの状態に復帰する。

また、ピストン３には、軸線方向に貫通するリリーフ用の第１連通路３ｄ及び第２連通路３ｅが形成されている。第１及び第２連通路３ｄ、３ｅには、第１リリーフ弁１１及び第２リリーフ弁１２が、それぞれ設けられている。第１及び第２リリーフ弁１１、１２は、互いに同じ構成を有し、常閉弁として構成されており、弁体と、弁体を閉弁方向に付勢するばねを有する。

第１リリーフ弁１１は、第１流体室２ｅ内の作動油ＨＦの圧力が所定圧に達するまで、第１連通路３ｄを閉鎖し、所定圧に達したときに、第１連通路３ｄを開放する。これにより、第１流体室２ｅ内の圧力が、第１連通路３ｄを介して第２流体室２ｆ側に逃がされ、所定圧以下に制限される。同様に、第２リリーフ弁１２は、第２流体室２ｆ内の圧力が所定圧に達するまで、第２連通路３ｅを閉鎖し、所定圧に達したときに、第２連通路３ｅを開放する。これにより、第２流体室２ｆ内の圧力が、第２連通路３ｅを介して第１流体室２ｅ側に逃がされ、所定圧以下に制限される。

歯車モータ５は、例えば内接式のものであり、連通路４の中央に配置されている。歯車モータ５は、２つの出入口６ａ、６ａを介して、連通路４に連通するハウジング６と、ハウジング６に収容され、互いに噛み合う回転自在の入力ギヤ及び出力ギヤ（いずれも図示せず）と、出力ギヤに一体に設けられた出力軸８を有する。ハウジング６は、シリンダ２の周壁２ａに支持されている。また、ハウジング６内には、作動油ＨＦを排出するためのドレン通路（図示せず）が設けられている。出力軸８は、シール（図示せず）を介して、ハウジング６に液密に支持されている。なお、歯車モータ５として、内接式に代えて、外接式のものを用いてもよい。

フライホイール９は、比重が比較的大きな材料、例えば鋼材などで構成され、例えば円板状に形成されており、出力軸８に同軸状に一体に設けられている。

一対のアキュムレータ１５、１５は、歯車モータ５のハウジング６内の作動油ＨＦの圧力を蓄えることで、ハウジング６内の高圧化を防止するためのものである。各アキュムレータ１５は、ばね式のもので、連通路４の端部に取り付けられており、ケーシング１６と、ケーシング１６内に摺動自在に設けられ、下側に油室１７を画成するピストン１８と、ピストン１８を油室１７側に付勢するセットばね１９を有する。

油室１７は、第１連通管２２ａを介して連通路４に連通しており、第１連通管２２ａにはドレン用の逆止弁２３が設けられている。逆止弁２３は、油室１７から連通路４側への作動油ＨＦの流れのみを許容するように構成されている。また、第１連通管２２ａの逆止弁２３よりも下側から第２連通管２２ｂが分岐し、油室１７に接続されている。第２連通管２２ｂには、オリフィス２４が設けられている。

ドレン配管２１は、歯車モータ５のハウジング６から作動油ＨＦを排出することで、ハウジング６内の高圧化を防止するためのものである。ドレン配管２１は、中央部においてハウジング６のドレン通路に接続され、両端部においてアキュムレータ１５の油室１７に接続されている。

以上の構成のマスダンパ１は、図示しないが、例えば構造物内の相対変位する２つの部位（例えば上梁と下梁）の間に、第１及び第２取付具ＦＬ１、ＦＬ２を介して取り付けられ、制震装置として用いられる。以下、図１～図３を参照しながら、マスダンパ１の動作について説明する。なお、図１では、シリンダ２や連通路４に充填された作動油ＨＦがグレー塗りで表示されるのに対し、図２及び図３では、作動油ＨＦの流れを示す矢印を見やすくするために、グレー塗り表示は省略され、白抜きになっている。

まず、構造物が振動していないとき、マスダンパ１は、図１に示す初期状態にあり、ピストン３は、シリンダ２の軸線方向の中心に位置している。地震時などに構造物が振動すると、構造物の２つの部位間に発生する相対変位に応じて、ピストン３がシリンダ２内を往復動する。このうち、図２は、ピストン３が第２流体室２ｆ側に移動するとき（ピストン３の移動元が第１流体室２ｅで、移動先が第２流体室２ｆのとき）のマスダンパ１の動作を示す。この場合には、第２流体室２ｆ内の作動油ＨＦが、ピストン３で押し出されることによって、連通路４に流入し、歯車モータ５のハウジング６内を流れた後、第１流体室２ｅに戻る。

このように作動油ＨＦが連通路４を流動する際の圧力が、歯車モータ５の入力ギヤ及び出力ギヤの回転運動に変換され、出力軸８と一体のフライホイール９が回転駆動されることによって、回転慣性質量効果（慣性力）が発揮される。また、作動油ＨＦが連通路４などを流動する際の流動抵抗による粘性減衰効果（粘性力）が発揮されることで、回転慣性質量効果と併せて構造物の振動抑制効果が発揮される。

また、第２流体室２ｆ側の逆止弁２３が閉弁状態にあるため、第２流体室２ｆから連通路４に流入した作動油ＨＦの一部は、第２連通管２２ｂ及びオリフィス２４を介して、アキュムレータ１５の油室１７に流入する。これにより、オリフィス２４による圧力損失が発生し、油室１７の圧力が円滑に連通路４側よりも低圧になることによって、逆止弁２３は閉弁状態に確実に保持される。

さらに、例えば長周期地震動入力による構造物の応答などに伴い、マスダンパ１及び歯車モータ５が長時間、作動することによって、ハウジング６内の圧力が上昇したときには、ハウジング６内の作動油ＨＦが、ドレン通路からドレン配管２１を介して、第１流体室２ｅ側のアキュムレータ１５の油室１７に流入する。これにより、アキュムレータ１５が作動し、作動油ＨＦの圧力がアキュムレータ１５に蓄えられる。

また、アキュムレータ１５付近の逆止弁２３が開弁することによって、油室１７内の作動油ＨＦが、第１連通管２２ａ、逆止弁２３及び連通路４を介して、第１流体室２ｅに排出される。この場合、第２連通管２２ｂに設けられたオリフィス２４により、圧力損失が発生し、連通路４側の圧力が円滑に油室１７よりも低圧になることによって、逆止弁２３は開弁状態に確実に保持される。

図３は、図２の場合とは逆に、ピストン３が第１流体室２ｅ側に移動するとき（ピストン３の移動元が第２流体室２ｆで、移動先が第１流体室２ｅのとき）のマスダンパ１の動作を示す。図２との比較から明らかなように、この場合の動作は、図２の場合と左右まったく逆の関係になるので、その説明は省略するものとする。

その後、構造物の振動の終了に伴い、歯車モータ５の作動が終了すると、アキュムレータ１５の油室１７内の作動油ＨＦが、第２連通管２２ｂ、オリフィス２４及び連通路４を介して、第１及び第２流体室２ｅ、２ｆに緩やかに戻されることによって、アキュムレータ１５に蓄えられていた圧力が解放され、もとの状態に復帰する。

以上のように、本実施形態によれば、マスダンパ１が長時間、作動することで、歯車モータ５のハウジング６内の圧力が上昇した場合、アキュムレータ１５の蓄圧機能と逆止弁２３による低圧側の第１又は第２流体室２ｅ、２ｆへの圧力の逃がし作用によって、ハウジング６内の過度の高圧化を確実に防止することができる。その結果、例えば歯車モータ５の出力軸８のシールの機能を維持するとともに、寿命を延ばすことができる。

また、逆止弁２３と並列に設けられたオリフィス２４による圧力損失によって、逆止弁２３の開閉をより円滑に行うことができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、第１連通管２２ａ及び逆止弁２３と並列に、第２連通管２２ｂ及びオリフィス２４が設けられている。これらの第２連通管２２ｂ及びオリフィス２４の構成は、前述したように、逆止弁２３の開閉をより円滑に行うためのものであるので、省略することが可能である。

また、実施形態では、ハウジング６内の作動油ＨＦの圧力を蓄えるためのアキュムレータ１５、１５とは別個に、シリンダ２内の作動油ＨＦの温度膨張などによる圧力を蓄えるための第２アキュムレータ３１がピストンロッド１０に設けられている。この第２アキュムレータ３１をなくし、アキュムレータ１５に統合してもよく、その場合には、アキュムレータ１５の蓄圧容量をより大きくすることが好ましい。この構成では、作動油ＨＦの温度上昇などに伴ってシリンダ２内の圧力が上昇すると、作動油ＨＦが、第１及び第２流体室２ｅ、２ｆから、連通路４、第２連通管２２ｂ及びオリフィス２４を介して、各アキュムレータ１５の油室１７に緩やかに流入することによって、アキュムレータ１５に圧力が蓄えられる。

また、アキュムレータとして、実施形態では、ピストンとセットばねを有するばね式のアキュムレータを用いているが、作動流体の圧力を蓄える機能を有する限り、その形式は任意であり、例えばブラダ式やダイヤフラム式などのアキュムレータや、実施形態のアキュムレータの構成部品であるピストンとセットばねを取り除き、空気層を密閉した圧力緩和タンク式のアキュムレータ（空気ばねを利用）を用いることが可能である。

さらに、実施形態では、圧力モータとして、歯車モータを用いているが、他の形式の圧力モータ、例えばピストンモータやベーンモータ、ねじモータでもよい。また、実施形態では、ダンパの作動流体として、通常の作動油ＨＦを用いると説明したが、他の適当な作動流体を用いてもよいことはもちろんである。その他、細部の構成を、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することが可能である。

１ マスダンパ
２ シリンダ
２ｅ 第１流体室
２ｆ 第２流体室
３ ピストン
４ 連通路
５ 歯車モータ（圧力モータ）
６ ハウジング
８ 出力軸（回転体）
９ フライホイール
１５ アキュムレータ
１７ 油室（アキュムレータの流体室）
２１ ドレン配管
２２ａ 第１連通管（連通管）
２２ｂ 第２連通管
２３ 逆止弁
２４ オリフィス
ＨＦ 作動油（作動流体）

Claims (2)

1. 作動流体が充填されたシリンダと、
   当該シリンダ内に摺動自在に設けられ、前記シリンダ内を第１流体室と第２流体室に区画するピストンと、
   当該ピストンをバイパスし、前記第１及び第２流体室に連通する連通路と、
   当該連通路に連通するとともに、作動流体を排出するためのドレン通路を有するハウジング、及び当該ハウジングに収容された回転体を有し、前記ピストンの摺動に伴う作動流体の流動を前記回転体の回転運動に変換する圧力モータと、
   前記回転体によって回転駆動され、振動抑制効果を発揮するフライホイールと、
   前記圧力モータの両側において前記連通路に設けられた一対のアキュムレータと、を備え、
   当該一対のアキュムレータの各々は、流体室に作動流体が流入することによって圧力を蓄えるように構成され、前記流体室は連通管を介して前記連通路に連通しており、
   前記連通管に設けられ、前記アキュムレータの前記流体室から前記連通路側への作動流体の流れのみを許容する逆止弁と、
   前記ハウジングから作動流体を排出するために、中央部において前記ハウジングの前記ドレン通路に接続され、両端部において前記一対のアキュムレータの前記流体室に接続されたドレン配管と、をさらに備えることを特徴とする圧力モータ式マスダンパ。
2. 前記アキュムレータの前記流体室と前記連通路を連通する第２連通管が、前記連通管と並列に設けられ、前記第２連通管にはオリフィスが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力モータ式マスダンパ。