JP2000266119A - 制動機能付球関節継手および該継手を用いた免震装置。 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】球関節継手および免震装置において、常に安定
した摩擦制動力を発生させることができ、しかも、簡単
な構造を装置を提供することにある。 【解決手段】基礎に固定された半球基礎構造物と、該半
球基礎構造物を覆うように基礎構造物の半径よりも幾分
大きな半径を有する半球蓋体と、前記半球基礎構造物と
半球蓋体との間に設けられた多数のローラからなるロー
ラ列と、該ローラ列は半球基礎構造物か半球蓋体かの何
れかでそれぞれの半球の経線に対して所望の角度を有す
るように配備され、前記半球基礎構造物の基礎部と半球
蓋体の赤道近傍とは複数のバネによって連結され、前記
半球蓋体の適所に支持部材を固着し、該支持部材と可動
部材とを連結した制動機能付球関節継手であり、制動機
能付球関節継手において、前記半球基礎構造物を地盤側
に固定し、前記支持体を構造物基礎梁側に固定した免震
装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種の構造物にお
ける可動部材を、３次元的に移動可能に連結する球関節
継手および免震装置の技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来、３次元的に自由に移動可能に連結
する機械要素の一つとして、球関節継手が知られてい
る。この球関節継手は、通常、ボールとピボット軸受か
ら構成されるが、連結する部材を常に円滑に回動させる
ことが目的であるため、ボールとピボット軸受間の摩擦
抵抗を可能な限り小さくするようにしている。したがっ
て、軸受は回動する部材に抵抗を与えて回動力を制御す
るものではないので、回動力を一定に制動したい場合に
は、ボールとピボット軸受との接触面を粗面にし、接圧
力を大きくして滑り摩擦を発生させたり、別途にショッ
クアブソーバやダンパ等の減衰装置を追加している。上
記の回転する二つの部材間に滑り摩擦を発生させるもの
としては、クラッチ、トリクリミッタまたはブレーキと
いった機構が知られており、これらは各部材を完全に圧
着させること以外に、滑り摩擦を利用して各部材間に荷
重に応じた回転差を生じさせながら動力を伝えることを
目的としている。

【０００３】一方、球関節継手は３次元的に自由に移動
可能に連結できるため、免震装置に利用され、例えば、
特開平9-256673号公報に提示されているように、複数の
通常球関節継手を用いた免震装置が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、先に述べた
二つの部材間に滑り摩擦を発生させるクラッチ等のよう
に滑り摩擦を利用して動力を伝達する機構では、半接続
状態での摩擦力を一定に規制することが極めて困難であ
り、特に、一方の部材が他方の部材に対して低速で回転
している場合には、滑り合う二つの面に静摩擦と動摩擦
が間欠的に作用して摩擦力が極めて不安定になる、いわ
ゆる、スティック・スリップを生じ易いという問題点が
あった。特に、関節継手において、静摩擦と動摩擦が間
欠的に作用して摩擦力が極めて不安定になると、これに
連結された機械要素の作動も不安定になるという問題点
もあり、また、ショックアブソーバやダンパ等の減衰装
置を追加すると、装置も大がかりとなるという問題点も
あった。また、特開平9-256673号公報に提示されている
ような、複数の球関節継手とエアダンパとを組み合わせ
た免震装置は、構造が複雑であり制作や保守に手間がか
かるといった問題点があった。本発明は前記問題点に鑑
みてなされたものであり、その課題は、球関節継手にお
いて、常に安定した摩擦制動力を発生させることがで
き、しかも、簡単な構造を実現することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、基礎に固定された半球
基礎構造物と、該半球基礎構造物を覆うように基礎構造
物の半径よりも幾分大きな半径を有する半球蓋体と、前
記半球基礎構造物と半球蓋体との間に設けられた多数の
ローラからなるローラ列と、該ローラ列は半球基礎構造
物か半球蓋体かの何れかでそれぞれの半球の経線に対し
て所望の角度を有するように配備され、前記半球基礎構
造物の基礎部と半球蓋体の赤道近傍とは複数のバネによ
って連結され、前記半球蓋体の適所に支持部材を固着
し、該支持部材と可動部材とを連結した制動機能付球関
節継手である。上記の課題を解決するために、請求項２
に記載の発明は、前記請求項１に記載の制動機能付球関
節継手において、前記半球基礎構造物を地盤側に固定
し、前記支持体を構造物基礎梁側に固定した免震装置で
ある。

【０００６】

【発明の実施の形態】ここで、本発明の球関節継手を免
震装置に用いた実施例を説明する。図１〜図３におい
て、半球基礎構造物１は地盤等の基礎に固定されてお
り、その赤道位置Ｇよりも更に下部の基礎部11には、適
所に外側に張出した３箇所の固定支持部12が設けられて
いる。そして、半球基礎構造物１を覆うように基礎構造
物１の半径よりも幾分大きな半径を有する半球蓋体２が
設けられ、この半球蓋体２の内周面には半球基礎構造物
１と半球蓋体２との間に列をなす多数のローラ３がロー
ラ保持体４により回転自在に設けられている。半球蓋体
２の下端部の赤道近傍Ｇには、３箇所の固定支持部12に
対応して、外側に張出した３箇所のバネ係止部21が設け
られ、このバネ係止部21と固定支持部12との間には、そ
れぞれスプリングバネ５が設けられて連結している。前
記の多数のローラ３の軸線Ｂは、半球蓋体２の半球の経
線Ｃに対して角度θを有するように配備され、ローラ列
のローラ３は中緯度Ｘの範囲に環状に配列設置されてい
る。また、半球蓋体２の頂点(頂点以外でも良く、構造
上都合のよい適所)には、可動部材である構造基礎梁６
を支持する球状の支持部材22が固定されており、支持部
材22が構造基礎梁６の下面適所に設けられた軸受61に回
動自在に嵌合されている。

【０００７】[作動]本実施例は上記の構成であるので、
平時には３箇所のスプリングバネ５は釣り合っていて、
支持部材22は半球基礎構造物１の頂点位置と一致し、図
１の状態を保つが、地震等の横揺れを受けた時、図４に
示すように、半球蓋体２は反対方向の矢印Ｒに回動する
が、半球基礎構造物１は地盤とともに、Ａ方向に移動す
る。この時、半球蓋体２は、適度のローラ３の制動力を
受けてＤ方向に少し移動するが、慣性力が働いて大きく
移動することはない。なお、スプリングバネ５が半球蓋
体２の移動範囲を規制しており、極端に回動することは
なく、ローラ３が半球基礎構造物１から外れたり、半球
基礎構造物１の頂上部に位置することはない。

【０００８】次に、この時の半球蓋体２とローラ３との
制動力について説明する。ところで、上述した滑り合う
二つの面に静摩擦と動摩擦が間欠的に作用して摩擦力が
極めて不安定になる、いわゆる、スティック・スリップ
を生じ易いという問題を解決するため、物体の回転運動
に対して、特別な機構を追加することなく移動速度を一
定に規制したり、制御が容易で安定した抵抗力を発生さ
せ、各種機械の回転運動に任意の抵抗を付与する技術が
提案されている。上記の発明の概要は、軸心を中心に回
転する円筒回転体と、該円筒回転体の円周面のほぼ回転
軌道に沿って配列された多数のローラ列と、各ローラを
間にして円筒回転体に径方向に対向する円筒枠体とが設
けられ、各ローラが互いに間隔をおいて転動自在に保持
する保持体を円筒枠体に固定し、該保持体により各ロー
ラは、前記円筒回転体及び円筒枠体の対向面をそれぞれ
回転体の回転軸に対して平行になるように形成し、か
つ、前記各ローラの転動軸を回転体の回転軸を含む断面
に対して所定の角度をなすように傾斜させて固定すると
ともに、近接するローラ相互が円筒回転体に対して円筒
回転体の軸方向に移動する力を打ち消すように配置され
た回転摩擦装置である。

【０００９】上記の先行発明の思想を、球関節継手に適
用したものであり、球関節継手が３次元的に自由に移動
可能に連結でき、静摩擦と動摩擦が間欠的に作用するこ
とがなく安定した摩擦力が付与できれば、種々の機械の
関節継手に用いることができて有用であることを見出し
た。

【００１０】そこで、上述した先行技術に該当する、滑
り合う二つの面に静摩擦と動摩擦が間欠的に作用しない
ようにしたローラ列３の構成と作用原理を説明する。先
ず、図５に示されるローラ列の各ローラ３の軸線Ｂは、
半球蓋体２の半球の経線Ｃに対して角度θ＝約45°を有
するように配備され、ローラ列３は中緯度Ｘの範囲に環
状に配列されている。各ローラ３は軸方向に延びる円柱
形状をなし、両端の直径は中央部の直径よりも多少小さ
くした、鼓形の円柱形状であって半球基礎構造物１の周
面に面接触するように形成され、半球基礎構造物１の長
手方向に１列に等間隔で配列されていて、各ローラ３の
両端は保持体４のベアリング等の摩擦が少ない部材によ
って転動自在に支持されている。また、図５に示すよう
に各ローラ３の転動軸Bが半球基礎構造物１の移動方向
に直交する断面Cに対して所望の角度θあるいは−θだ
け傾斜するように形成されているが、これは、半球基礎
構造物１と半球蓋体２とが、相対的にどのような方向に
回動しても、後述するように、ローラ列の内の何れかの
ローラ３が、進行方向と所定(45°)以上の角度θあるい
は−θを有するように配置されればよく、通常は上述し
たように、ローラ列のローラ３は半球蓋体２の半球の経
線Ｃに対して角度θ＝約45°を有して中緯度Ｘの範囲に
環状に配備すれば対処できる。勿論、上記のロ−ラ列は
２列にしても、それ以上の列にしてもよい。また、ロー
ラの経線に対する角度を少しづつ変えてもよい。要は、
ローラ列の内の何れかのローラ３を、進行方向と所定以
上の角度θあるいは−θを有して摩擦力が生ずるように
配置すればよい。

【００１１】以上のように構成された回転摩擦機構にお
いては、図６に示すように半球基礎構造物１を半球蓋体
２側への荷重Ｆを加えた状態で移動させると、各ローラ
31が半球基礎構造物１に接しながら転動する。その際、
各ローラ３は、図７に示すように半球基礎構造物１の移
動軌道に対して角度θだけ傾斜した方向（一点鎖線方
向）に転動しようとするのをベアリング等の保持体４で
規制されながら回転するため、各ローラ３と半球基礎構
造物１との間に軸方向Bの荷重Ｆに比例した摩擦力が発
生する。その際、各ローラ３は転動しながら滑り摩擦を
発生させるので、静摩擦は発生せずに常に動摩擦による
安定した抵抗力が得られ、仮に初期の段階で静摩擦が発
生したとしてもローラ３の転動によって瞬時に動摩擦に
移行する。また、半球基礎構造物１の荷重を解除すれ
ば、摩擦力の発生しない状態を任意に得ることも可能で
ある。

【００１２】このように、本実施例の回転摩擦機構によ
れば、各ローラ３の転動軸Bを半球基礎構造物１の移動
方向Ａに直交する断面Cに対して所定の角度θあるいは
−θをなすように傾斜させることにより、各ローラ３を
転動させながら滑り摩擦を発生させるようにしたので、
半球基礎構造物１の回動運動において半球蓋体２側への
荷重に比例した任意の抵抗力を付与することができ、し
かも、この荷重を変化に追従して、半球基礎構造物１の
抵抗力を極めて容易に制御することができる。その際、
前記滑り摩擦は各ローラ３の転動を伴うので、スティッ
ク・スリップの原因となる静摩擦を発生させることがな
く、常に安定した抵抗力を得ることができる。勿論、上
記の摩擦力(制動力)は、角度θを変えることによって調
整できるが、ローラの直径、ローラの表面材質によって
も制動力の調整は可能である。

【００１３】ここで、上記ローラ３の詳細な構成を、図
８に沿って説明するが、図８はローラ３および保持体４
の主要部の部分断面図である。図８(a)において、フリ
ーローラ３はその両端部31において、保持体４のベアリ
ング41を介して転動自在に保持されており、ベヤリング
41は一対の保持体４の支持枠42に掛け渡たされた中心軸
43に取り付けられ、一対の保持体４の支持枠42の脚部44
は回転軌道に沿った半球蓋体２に固着されている。ま
た、図８(b)において、脚部44はボルト45で移動軌道枠
体２に固着されるが、一方の脚部44には角度調整機構46
たる円弧条の長孔461が設けられおり、ボルト45でロー
ラ３を所定の角度θまたは−θに調整し枠体２に固定す
る。さらに、図８(c)において、回転軸43の端部は断面
四角形状の上下可動軸431であって、保持部４に設けら
れた上下に長い長孔462に上下動自在に嵌合されるとと
もに、常時バネ47で上方に押圧されている。そして回転
軸43の末端部にはボルト等の係止部材433で左右方向は
規制されている。したがって、半球蓋体２のローラ３は
上下方向（矢印Ｅ）に移動可能であり、また、ローラの
形状も中央が凹状の曲面を有するから、常に半球基礎構
造物１の球面に線接触するするように構成されている。

【００１４】本実施例は、以上のような構成であるの
で、静摩擦と動摩擦が間欠的に作用することがなく、制
動力が極めて安定であって、しかも、ショックアブソー
バやダンパ等の減衰装置等を用いることなく、構造が簡
単であっても、所望の制動力が得られる制動機能付球関
節継手であり、また、半球基礎構造物１と半球蓋体２と
が球面であるから、３次元の方向への移動が１つの装置
でカバーでき、あらゆる方向の移動に対処する制動機能
付球関節継手である。付随的な作用として、半球蓋体２
が防塵の機能を有しているから、床や室内以外の過酷な
条件下でも使用することができ、特に、構造が簡単であ
ることをも加味すれば、家具や建築物等の免震装置には
最適である。

【００１５】なお、本発明の特徴を損なうものでなけれ
ば、上記の実施例に限定されるものでないことは勿論で
あり、本発明の多数のローラ３を中央が凹状の曲面に形
成して半球蓋体２側に設けたが、多数のローラ３を中央
が凸状の曲面に形成して半球基礎構造物１側に設けて、
半球蓋体２の内球面に接触するようにしてもよい。ま
た、スプリングバネ５は、３個を120度の等間隔に配置
したが、４個またはそれ以上にしてもよく、スプリング
バネ５に変えて装置は多少複雑になるが、ショックアブ
ソーバやダンパ等の減衰装置等にしてもよく、また、斜
行ローラによる直動摩擦装置に変えてもよい。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、基礎に固定された半球基礎構造物と、該半球基
礎構造物を覆うように基礎構造物の半径よりも幾分大き
な半径を有する半球蓋体と、前記半球基礎構造物と半球
蓋体との間に設けられた多数のローラからなるローラ列
と、該ローラ列は半球基礎構造物か半球蓋体かの何れか
でそれぞれの半球の経線に対して所望の角度を有するよ
うに配備され、前記半球基礎構造物の基礎部と半球蓋体
の赤道近傍とは複数のバネによって連結され、前記半球
蓋体の適所に支持部材を固着し、該支持部材と可動部材
とを連結した制動機能付球関節継手であるから、静摩擦
と動摩擦が間欠的に作用することがなく、制動力が極め
て安定であって、しかも、ショックアブソーバやダンパ
等の減衰装置等を用いることなく、構造が簡単であって
も、所望の制動力が得られるという効果を奏し、また、
半球基礎構造物と半球蓋体とが球面であるから、３次元
の方向への移動が１つの装置でカバーでき、あらゆる方
向の移動に対処する制動機能付球関節継手が得られると
いう効果を奏する。

【００１７】請求項２の発明によれば、請求項１の制動
機能付球関節継手において、前記半球基礎構造物を地盤
側に固定し、前記支持体を構造物基礎梁側に固定した免
震装置としたから、請求項１の効果に加えて、半球蓋体
２が防塵の機能を有しているから、特にカバー等を用い
なくとも床や室内以外の過酷な条件下でも使用すること
ができ、構造が簡単であることをも加味して、家具や建
築物等の免震装置には用いればスペース的にも有利であ
るという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示す制動機能付球関節継手
の斜視図

【図２】図１の制動機能付球関節継手の平面図

【図３】図１の制動機能付球関節継手の側面図

【図４】実施例の制動機能付球関節継手の動作説明図

【図５】本実施例のローラ列の拡大図

【図６】本実施例のローラの作用原理を説明する側面説
明図

【図７】本実施例のローラの作用原理を説明する平面説
明図

【図８】図８(a)は本実施例のローラの縦断面図、図８
(b)はその平面図、図８(c)はその側面図である。

【符号の説明】

A…半球基礎構造物（ローラ、半球蓋体）の移動方向 B…ローラ軸方向 C…移動方向Aに直交する断面 D…可動部材の移動方向 E…ローラ中心軸の可動方向 F…移動体荷重 G…赤道近傍（半球蓋体の下端部） f1,f2…すべり摩擦力 R…半球蓋体の回動方向 X…ローラ列の設置範囲 １…半球基礎構造物 11…基礎部 12…固定支持部 ２…半球蓋体 21…バネ係止部 22…支持部材 ３…ローラ 31,311…ローラ端部 ４…ローラ保持体 41…ベアリング 42…保持枠 43…ローラ中心軸 431…上下可動軸 432…長孔 433…係止部材 44…脚部 45…ボルト 46…ローラ角度調整機構 461…円弧条長孔 47…バネ ５…スプリングバネ ６…構造基礎梁(可動部材) 61…軸受

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基礎に固定された半球基礎構造物と、該半
   球基礎構造物を覆うように基礎構造物の半径よりも幾分
   大きな半径を有する半球蓋体と、前記半球基礎構造物と
   半球蓋体との間に設けられた多数のローラからなるロー
   ラ列と、該ローラ列は半球基礎構造物か半球蓋体かの何
   れかでそれぞれの半球の経線に対して所望の角度を有す
   るように配備され、前記半球基礎構造物の基礎部と半球
   蓋体の赤道近傍とは複数のバネによって連結され、前記
   半球蓋体の適所に支持部材を固着し、該支持部材と可動
   部材とを連結したことを特徴とする制動機能付球関節継
   手。
2. 【請求項２】前記請求項１に記載の制動機能付球関節継
   手において、前記半球基礎構造物を地盤側に固定し、前
   記支持体を構造物基礎梁側に固定したことを特徴とする
   免震装置。