JP5289163B2 - 免震構造体用プラグ及び免震構造体 - Google Patents

Description

本発明は、免震構造体用プラグ及び該プラグを用いた免震構造体、特に、複数の減衰板の積層構造体からなり、高い減衰性能及び耐久性を実現できる免震構造体用プラグ及び免震構造体に関する。

従来、ゴム等の粘弾性的性質を有する軟質板と鋼板等の硬質板とを交互に積層した免震構造体が、免震装置の支承等として使用されている。このような免震構造体の中には、例えば、軟質板と硬質板とからなる積層体の中心に中空部を形成し、該中空部の内部にプラグが圧入されたものがある。

上記プラグとしては、全体が鉛からなるプラグが使用されることが多く、積層体がせん断変形する際に、該プラグが塑性変形することで振動のエネルギーを吸収する。しかしながら、鉛は、環境負荷が大きく、また、廃却時等に要するコストが大きい。このため、鉛の代替材料を用いて、十分な減衰性能、変位追従性等を有するプラグを開発することが試みられている。

例えば、特許文献１には、鉛プラグに代えて、鉛板と所定の金属板を交互に積層させた積層構造体からなる免震構造体用プラグが開示されており、この免震構造体用プラグによれば、積層体中の鉛の塑性変形により振動を吸収し、一定の免震効果を発揮することができる。しかしながら、特許文献１の免震構造体用プラグについても、一部に鉛が用いられているため、鉛からなる免震構造体用プラグの代替としては十分でなかった。

また、特許文献２には、鉛プラグに代えて、所定の有機高分子材料及びシリコーンポリマーを混練した樹脂材料からなる複数の摩擦板の積層構造体である免震構造体用プラグ及び、該プラグを用いた免震構造体が開示されている。この免震構造体を用いれば、比較的簡単な構造で免震性能に優れ、環境への負荷及び廃却時等に要するコストについても低減することができる。

しかしながら、特許文献１の免震構造体用プラグは、一定期間については上記の優れた効果を奏するものの、前記摩擦板同士の摩擦によって振動を減衰しているため、該摩擦板が摩耗し、長期間使用した場合には、減衰性能及び変位追従性等が低下する傾向があることから、耐久性の点でさらなる改良の必要があった。

特開平７−９７８２７号公報 特開平１０−２９９２８６号公報

本発明の目的は、鉛を材料として用いることなく、優れた減衰性能を、長期間に渡って保持することができる免震構造体用プラグ及び免震構造体を提供することにある。

本発明者は、上記の課題を解決すべく検討を重ねた結果、従来の複数の摩擦板の積層構造体からなる免震構造体用プラグでは、摩擦板同士の摩擦力によって振動を減衰しているため、摩擦による摩擦板の摩耗が原因で減衰性能が低下していくことに着目した。そして、さらに鋭意研究を重ね、所定の表面粗さをもつ金属板と、該金属板の両面上に形成され、膜厚が付着量にして1〜2000g／m ² の範囲である高粘性皮膜とを有する複数の減衰板の積層構造体からなることを特徴とする免震構造体用プラグを用いることで、従来のように摩擦による減衰に加えて、前記金属板表面上に形成された高粘性皮膜の流動抵抗によっても振動を減衰させることができ、二重の減衰効果が得られる結果、従来に比べて、高い減衰性能を発揮できるとともに、高い耐久性についても実現できることを見出した。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下の通りである。
（１）所定の表面粗さをもつ金属板と、該金属板の両面上に形成した高粘性皮膜とを有し、該高粘性皮膜の膜厚が付着量にして1〜2000g／m ² の範囲である複数の減衰板の積構造体からなることを特徴とする免震構造体用プラグ。

（２）前記高粘性皮膜は、未加硫ゴムからなる上記（１）記載の免震構造体用プラグ。

（３）前記金属板の表面粗さ（Ra）が、0.1〜500μmの範囲である上記（１）又は（２）に記載の免震構造体用プラグ。

（４）前記金属板の厚さが、0.5〜10mmの範囲である上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の免震構造体用プラグ。

（５）前記未加硫ゴムは、補強充填剤及び樹脂をさらに含有する上記（２）〜（４）のいずれか１項記載の免震構造体用プラグ。

（６）上記（１）〜（５）のいずれか１項記載の免震構造体用プラグを具えることを特徴とする免震構造体。

本発明によれば、鉛を材料として用いることなく、優れた減衰性能を、長期間に渡って保持することができる免震構造体用プラグ及び免震構造体を提供することが可能となった。

本発明に免震構造体についての幅方向断面図を示す。 図１中の一部を拡大した側断面図を示す。 本発明の免震構造体の水平方向の変形変位（δ）と水平方向荷重（Ｑ）との関係を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の免震構造体の側断面を模式的に示した図であり、図２(ａ)は、図１の免震構造体用プラグを構成する減衰板の一枚を拡大して模式的に示した図であり、図２(ｂ)は、図２(ａ)の減衰板の表面近傍の断面をさらに拡大して模式的に示した図である。

本発明は、図１に示すように、複数の減衰板２０の積層構造体からなる免震構造体用プラグ１０であり、前記減衰板２０が、図２(ａ)に示すように、所定の表面粗さをもつ金属板２１と、該金属板の少なくとも片面上（図２(ａ)では両面）に形成した高粘性皮膜２２とを有することを特徴とする。
従来の金属又は樹脂等の摩擦板の積層体からなる免震構造体用プラグとは異なり、前記減衰板２０同士の摩擦による減衰効果に加えて、前記金属板２１表面上に形成された高粘性皮膜２２の流動抵抗によっても振動を減衰させることができる結果、２つの減衰効果により高い減衰性能を発揮できるとともに、前記減衰板２０にかかる摩擦力を低減することができ、前記摩擦板２０の表面の摩耗を最小限にすることができるため、免震構造体用プラグ１０としての耐久性能が向上する。

ここで、前記減衰性能とは、前記免震構造体用プラグ１０を具える免震構造体１に振動が加わったときに、前記プラグから発生する何らかの抵抗力（本発明では、摩擦及び流動抵抗）によって振動を低減する能力を意味し、前記耐久性とは、前記プラグ１０による減衰性能が発揮できる期間を意味する性能である。
また、前記減衰板２０同士の摩擦による減衰とは、振動によって前記免震構造体１が変形し、それに伴って、所定の粗さをもつ金属板２１同士が動いて摩擦力が働くことによって振動を減衰させることを意味し、前記高粘性皮膜２２の流動抵抗による減衰とは、前記高粘性皮膜２２が金属板中を流動して発生する抵抗力によって振動のエネルギーを熱等に変換することで前記振動を減衰させることを意味する。

なお、前記高粘性皮膜２２とは、所定の粘性を有する皮膜であり、流動抵抗によって一定の減衰性能を発揮できれば、その皮膜２２の種類は特に限定はしないが、例えば、室温でゴム弾性を呈する、天然ゴムや合成ゴム等のゴム、熱可塑性エラストマー等を用いることができ、より具体的には、天然ゴム（ＮＲ）、ポリイソプレンゴム（ＩＲ）、ポリブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレン−プロピレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、アクリルゴム、ポリウレタン、シリコーンゴム、フッ化ゴム、多硫化ゴム、ハイパロン、エチレン酢酸ビニルゴム、エピクロルヒドリンゴム、エチレン−メチルアクリレート共重合体、スチレン系エラストマー、ウレタン系エラストマー、ポリオレフィン系エラストマー等が挙げられる。これら皮膜２２を構成する成分は、１種単独で用いてもよいし、２種以上をブレンドして用いても構わない。
また、所望の減衰性能が得られるという点から、前記高粘性皮膜２２が、未加硫ゴムからなることが好ましい。前記高粘性皮膜２２を構成するゴムが完全に架橋されている場合、大きな変形を受けたときには変形するものの、ある限界点をもって変形への追従が不可能となり、皮膜２２が破断する恐れがあるためである。前記高粘性皮膜２２が破断した場合、上述の流動抵抗による減衰性能が徐々に低下することになる。一方、前記高粘性皮膜２２を構成するゴムが未架橋の場合、変形への追従が可能となり、同等の減衰性能を長期に渡って維持することが可能となるためである。なお、本発明において未加硫とは、架橋反応を未だ完全には経ていない状態、又は、部分的に架橋された状態も包含する。

さらに、前記未加硫ゴムは、補強充填剤及び樹脂をさらに含有することが好ましい。前記補強性充填剤は、前記未加硫ゴムに対する補強を行い、自身の凝集力と前記未加硫ゴムとの結合力を強く有する物質であることから、前記未加硫ゴムに配合されることによって、該結合力により前記高粘性皮膜２２全体の粘度を上昇させることができるため、流動抵抗を増大させ、プラグの減衰性能を向上させることができる。また、前記樹脂の含有については、補強性充填剤を含有するだけでは前記プラグ１０が大きく変形した際、減衰性能が低下する傾向があることから、補強性充填剤に加えて樹脂を含むことで、大変形する場合であっても、減衰性能の維持を図ることができ、加えて、前記樹脂は、加工助剤としても作用し、プラグ組成物の混練を容易にすることができるからである。

なお、前記補強性充填剤としては、前記未加硫ゴムとの相互作用によって粘度を向上させる効果が大きい点で、カーボンブラック及びシリカが好ましく、カーボンブラックが特に好ましい。ここで、カーボンブラッックとしては、ＳＡＦ、ＩＳＡＦ、ＨＡＦグレードのもの等が挙げられ、これらの中でも、ＳＡＦ、ＩＳＡＦグレードのもの等の微粒子で表面積が大きいものが好ましく、シリカとしては、湿式シリカ、乾式シリカ、及びコロイダルシリカ等が挙げられる。これら補強性充填剤は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、前記補強性充填剤の配合量は、特に限定することはないが、前記未加硫ゴム100質量部に対して60〜150質量部の範囲が好ましい。補強性充填剤の配合量が60質量部未満では、前記未加硫ゴムの粘度及び流動抵抗が低く、プラグの減衰性能が不十分となり、一方、前記補強性充填剤の配合量が150質量部を超えると、混練が難しく、均一な組成物を得難くなる上、前記プラグ１０の繰り返し安定性が低下するためである。

さらに、前記樹脂としては、粘着付与剤としての作用を有するものであれば特に限定はしないが、例えば、フェノール樹脂、ロジン樹脂、ジシクロペンダジエン（ＤＣＰＤ）樹脂、ジシクロペンダジエン−イソプレン共重合体、Ｃ５系石油樹脂、Ｃ９系石油樹脂、脂環式系石油樹脂、Ｃ５留分とＣ９留分を共重合して得られる石油樹脂、キシレン樹脂、テルペン樹脂、ケトン樹脂、及びこれらの樹脂の変性樹脂等が挙げられる。これら樹脂は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、前記樹脂の配合量についても、特に限定する必要はないが、上記エラストマー成分100質量部に対して20〜100質量部の範囲が好ましい。樹脂の配合量が20質量部未満では、プラグの減衰性能を向上させる効果が小さく、一方、100質量部を超えると、エラストマー組成物の加工性が低下するからである。

また、前記高粘性皮膜２２の膜厚は、付着量にして、1〜2000g／m²の範囲である。前記高粘性皮膜２２の付着量にして1g／m²未満では、高粘性皮膜２２が薄すぎるため、流動抵抗による減衰性能を十分に発揮できない恐れがあるからであり、一方、2000g／m²を超えると、高粘性皮膜２２が厚すぎるため、前記金属板２１同士の摩擦による減衰性能を十分に発揮できない恐れがあるからである。なお、前記高粘性皮膜２２の膜厚を、付着量（g／m²）で表現しているのは、前記高粘性皮膜２２は、図２(ｂ)に示すように、前記金属板２１上に均一膜厚で形成している訳ではなく、実際には、粗化処理された金属板２１の表面の凹凸を埋めるように形成されていることから、付着量によって表現するのが最もわかり易いためである。

さらにまた、前記高粘性皮膜２２は、前記金属板２１の少なくとも片面に形成されていれば、一定の減衰性能を発揮するが、図２(ａ)に示すように、前記金属板２１の両面に形成することを必要とする。片面だけに形成された場合、前記高粘性皮膜２２の形成されていない前記金属板２１表面の摩耗が進み、十分な耐久性を得ることができない恐れがあるからである。

また、前記高粘性皮膜２２の形成方法については、所望の高粘性皮膜２２を得ることができれば、特に限定はしないが、例えば、エマルジョン化した高粘性体を、前記粗化処理した金属板２１の表面に一定時間吹き付けることで形成することができる。

なお、前記金属板２１とは、粗化処理によって所定の表面粗さを有する金属板であり、金属の種類については、特に限定はしないが、例えば、銅板、鉄板又は鋼板等を用いることができる。

また、前記金属板２１の表面粗さ（Ra）は、0.1〜500μmの範囲であることが好ましい。前記金属板２１は、図２(ｂ)に示すように、その表面が粗化処理された凹凸を有し、その凹凸を埋めるように前記高粘性皮膜２２が形成され、上述の金属板２１による摩擦は、前記高粘性皮膜２２に被覆されていない金属板の凸部分２１ａ同士が互いに接触することにより生じると考えられる。そのため、前記金属板２１の表面粗さが0.1μm未満では、表面の凹凸が十分に形成されないため、前記高粘性皮膜２２に前記金属板２１の表面が完全に被覆され、摩擦による減衰性能を十分に発揮できない恐れがあるからであり、一方、500μmを超えると、前記表面の凹凸が大きすぎるため、金属板２１ａ同士の実質的な接触面積が減少して、十分な減衰性能が得られず、また、前記凹凸が摩擦で壊れやすくなるためである。

さらに、前記金属板２１の厚さは、0.5〜10mmの範囲であることが好ましい。図１に示すように、免震構造体１は、免震構造体用プラグ１０の周囲に、剛性を有する剛性板３１と弾性を有する弾性板３２からなる免震積層体３０が形成されており、前記金属板２１の厚さが0.5mm未満では、前記減衰板２０の厚さが薄すぎるため、前記免震積層体３０中の弾性体３２に食い込んで該弾性体３２を破損させる恐れがあるからであり、一方、10mm超えの場合、減衰板２０の厚さが厚くなりすぎるため、免震構造体１の変形を阻害し、十分に減衰性能を発揮できないからである。

なお、図１に示すように、本発明による免震構造体用プラグ１０の上下を、所定の蓋部材４１で固定し、さらに、周囲を前記免震積層体３０及びフランジ板４０で覆うことで、本発明の免震構造体１を得ることができる。本発明の免震構造体１によれば、前記免震構造体用プラグ１０及び免震積層体３０の効果によって、優れた免震性能を発揮することができる。

上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

次に、本発明に従う免震構造体を試作し、性能を評価したので、以下で説明する。
（実施例１及び２）
実施例として、図２示すように、所定の表面粗さをもつ金属板２１と、該金属板２１の両面上に形成した高粘性皮膜２２とを有する複数の減衰板２０の積層構造体からなる免震構造体用プラグ１０を試作した。
なお、前記金属板２１の種類、表面粗さ及び厚さ、前記高粘性皮膜２２の種類、膜厚、及び補強充填剤・樹脂の有無、並びに、前記減衰板２０の表面粗さ及び積層数については、表１に示す。

（比較例１）
比較例として、従来の有機高分子材料及びシリコーンポリマーを混練した樹脂材料からなる複数の摩擦板の積層構造体である免震構造体用プラグを用いた免震構造体用プラグを試作した。

（比較例２）
比較例として、従来の鉛からなる免震構造体用プラグを用いた免震構造体用プラグを試作した。

（評価）
実施例１及び２、並びに、比較例１及び２の免震構造体用プラグについて、図１に示すように、前記免震構造体用プラグ１０の周囲に剛性板３１と弾性板３２とからなる免震積層体３０を設け、さらに、上下に所定の蓋部材４１及びフランジ板４０を設けることで、免震構造体を得た。

（１）減衰性能
各実施例及び比較例の免震構造体用プラグを用いた免震構造体について、動的試験機を用いて鉛直方向に基準面圧をかけた状態で水平方向に加振して規定変位のせん断変形を生じさせた。なお、加振変位は、積層体の総厚さを100％として、歪みを50〜250％とし、加振周波数は0.33 Hzとし、垂直面圧は10 MPaとした。図３に、水平方向の変形変位（δ）と免震構造体の水平方向荷重（Ｑ）との関係を示す。図３中のヒステリシス曲線で囲まれた領域の面積ΔＷが広くなるほど、振動のエネルギーを多く吸収できることを意味する。ここでは、簡便のため、歪200％における切片荷重Ｑd（変位０における水平荷重値）でプラグの減衰性能を評価した。なお、切片荷重Ｑdは、ヒステリシス曲線が縦軸と交差する点での荷重Ｑ_d1、Ｑ_d2を用いて、下記式：
Ｑ_d＝（Ｑ_d1＋Ｑ_d2）／２
から計算した。Ｑ_dが大きくなる程、ヒステリシス曲線で囲まれた領域の面積が広くなり、減衰性能が優れることを示す。

（２）耐久性能
各実施例及び比較例の免震構造体用プラグを用いた免震構造体について、50％、100％、150％、200％、250％歪の各３サイクルずつ、せん断変形を実施した。次に、せん断変形を、100％歪→200％歪→100％歪、の順に各３サイクルずつかけたとき、Ｑ_d（３サイクル目の最後の100％歪）／Ｑd（３サイクル目の最初の100％歪）の値を算出し、以下の基準に従って評価した。
○：0.5以上
×：0.5未満

表２の結果より、各実施例の免震構造体は、比較例１の免震構造体に比べて、耐久性が高いことがわかった。また、鉛を用いることなく、優れた減衰性能を、長期間に渡って保持することができることがわかった。

本発明によれば、鉛を材料として用いることなく、優れた減衰性能を、長期間に渡って保持することができる免震構造体用プラグ及び免震構造体を提供することが可能である。

１ 免震構造体
１０ 免震構造体用プラグ
２０ 減衰板
２１ 金属板
２２ 高粘性皮膜
３０ 減衰積層体
３１ 剛性板
３２ 弾性板
４０ フランジ板
４１ 蓋部材

Claims (6)

1. 所定の表面粗さをもつ金属板と、該金属板の両面上に形成した高粘性皮膜とを有し、
   該高粘性皮膜の膜厚が付着量にして1〜2000g／m ² の範囲である複数の減衰板の積構造体からなることを特徴とする免震構造体用プラグ。
2. 前記高粘性皮膜は、未加硫ゴムからなる請求項１に記載の免震構造体用プラグ。
3. 前記未加硫ゴムは、補強充填剤及び樹脂をさらに含有する請求項２に記載の免震構造体用プラグ。
4. 前記金属板の表面粗さ（Ra）が、0.1〜500μmの範囲である請求項１〜３のいずれか１項に記載の免震構造体用プラグ。
5. 前記金属板の厚さが、0.5〜10mmの範囲である請求項１〜４のいずれか１項に記載の免震構造体用プラグ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の免震構造体用プラグを具えることを特徴とする免震構造体。

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