JP2007532839A - 機械振動減衰用のせん断力消散インターフェイス器具 - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車工業用の機械振動制御（例えば、減衰）用インターフェイス器具に関する。本発明によるインターフェイス器具は、ベース連結要素（１１０）と、負荷連結要素（１１２）と、このベース連結要素（１１０）および負荷連結要素（１１２）間に延びる少なくとも１つのエネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）とを含む。エネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）の個々のエネルギー変換器は、１つの共通の優先方位を有し、予緊張力付与要素（１１８）によって生成される予荷重の作用を受ける。また、本発明によるインターフェイス器具は、ベース連結要素（１１０）および負荷連結要素（１１２）間に取り付けられるせん断力消散要素（１２０）を含む。このせん断力消散要素（１２０）は、好ましくはエネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）の優先方位に対して垂直の方向に配備されるダイアフラム（１２２）または板ばねを備えている。本発明によるせん断力消散要素（１２０）は、外部からの押圧作用によって惹起される機械的損傷に対して、エネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）を保護する。

Description

本発明は、１つ以上のエネルギー変換装置によって機械振動を制御する装置、特に機械振動を減衰または低減する装置に関する。このようなインターフェイス器具は、例えば一般のエンジン構造物、自動車技術、構造体技術、あるいは航空宇宙技術の分野における振動減衰用として用いられる。

機械、車両および類似の組立品において、例えば、動力発生装置（例えば、電力発生用の発電装置）の運転によって、あるいは他の環境条件によって励起される振動の形の機械的な障害が生成される。この振動の周波数は、高周波の構造的音響領域にまで及ぶと共に、障害が生成される場所あるいは障害が導入される場所に局所的に、あるいは機械の負荷径路を経由して遠く離れたところまで伝達された後に、好ましくない動的および／または音響的効果を作り出す。これは、快適さの喪失、安全問題、構造的な疲労による構成部品の損傷、稼動寿命の低減、機能の低下等の結果をもたらす。

機械振動を制御（例えば、減衰または絶縁）するために、多くの場合、振動の機械的エネルギーを直接熱エネルギーに変換する、いわゆる材料による減衰が使用される。この例は、弾性または粘弾性減衰装置である。

これに加えて、他のエネルギー変換装置に基づく手段の使用も増大している。これらのエネルギー変換装置は、通常、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換し、その逆もまた然りである。両効果共、機械振動の制御（特に減衰）に用いられる。この場合、一般的に、能動型、半能動および半受動型、および受動型の各システムに区分される。

受動型振動制御、および半能動または半受動型振動制御において、振動の機械的エネルギーが、最初に、電気機械エネルギー変換器（例えば、圧電セラミック）を用いて電気エネルギーに変換される。受動型振動減衰の場合は、続いてこの電気エネルギーを、受動的な電気回路（例えば、オーム抵抗）において散逸させる、すなわち熱エネルギーに変換する。また、半能動または半受動型振動減衰の場合には、この電気エネルギーは、外部の補助的な電気エネルギー源を有する電気回路（例えば、電気相殺器）を用いて転換される。このようなシステムは、例えば、Ｎ．Ｗ．ハグッドおよびＡ．フォン・フロトー著，「圧電材料および受動型電気回路網による構造振動の減衰」，音響・振動ジャーナル，１９９１年，第１４６巻第２号，２４３ページ (N. W. Hagood and A. von Flotow: Damping of Structural Vibrations with Piezoelectric Materials and Passive Electrical Networks, Journal of Sound and Vibration, 146(2), 243 (1991))（非特許文献１）に記載されている。

能動型振動制御において、少なくとも１つのアクチュエータ装置が、障害源（ベース側）と連結側との間に連結される。この場合、アクチュエータは、例えば電気信号を機械的な動きに変換するエネルギー変換器、例えば、圧電アクチュエータ、磁気ひずみアクチュエータ、またはその他従来型の空圧アクチュエータである。アクチュエータの特性（例えば、伸び）が、制御条件の下で駆動信号によって可変であるという点が決定的な因子である。アクチュエータ要素を用いる能動型振動制御用の装置の例が、米国特許第５，６６０，２５５号（特許文献１）に開示されている。アクチュエータ要素および小さい付加的な質量が、ベースのハウジングと絶縁されるべき有用負荷との間に装着される。小質量の上に、小質量の変位を記録するセンサが取り付けられ、その変位から、アクチュエータ要素の制御信号が、電子制御装置と外部の電気エネルギー源とによって生成される。アクチュエータ要素は、振動の動きが、有用負荷の位置においてほとんど除去されるように駆動される。

電気機械エネルギー変換器は、能動型、受動型、および半能動または半受動型の振動制御に用いられる以外に、同時に、有用負荷を機械的に位置決めするアクチュエータとしても使用することができる。これは、例えば、環状に配置した複数のアクチュエータを、例えば構造体をベースに対して計画的に効率よく傾斜させ得るような振動低減インターフェイス器具に一体化することによって行うことができる。このようなシステムが、例えば、独国特許第１９５ ２７ ５１４号（特許文献２）に開示されている。

組み立て上または構造上の理由から、アクチュエータシステムは、実際には多くの場合、損傷を避けるように考えられた予荷重を加えて運転される。これは、多くの場合、アクチュエータシステムに対する圧縮荷重または引張荷重の形の機械的な予荷重である。例えば、圧電アクチュエータは、休止状態の長さ（すなわち、電圧が印加されていないアクチュエータの長さ）を超えて伸張されると機械的な損傷を受ける可能性があるので、圧電アクチュエータの場合には、予緊張力のない運転は、適切でなく実際には不可能である。しかし、予緊張力を加えるための装置を実際に構造的に組み立てることは問題を生じさせる。特に、伸張方向が有用負荷による力（例えば、重力）に平行であり、従ってアクチュエータの効率に多くの場合負の影響を及ぼすような１つのアクチュエータまたは複数のアクチュエータにおいて問題である。米国特許第５，６６０，２５５号（特許文献１）には、この問題に対する十分な解決策は全く示されていない。

独国特許第１９５ ２７ ５１４号（特許文献２）は、構造的な動的システムにおける振動減衰用のインターフェイス器具を開示している。このインターフェイス器具において、振動が、構造体端部における構成要素とベース端における構成要素との間で、主方向を有する複数のアクチュエータによって絶縁される。ベース端における構成要素と構造体端部における構成要素との間の予荷重ボルトによって、圧縮力の予緊張力がアクチュエータに確実に加えられる。

しかし、ベース端における構成要素と構造体端部における構成要素との間をこのように機械的に剛連結することは、この剛連結が、ベース端における障害源から構造体端部の構成要素に振動を伝播し得る架橋を形成するという欠点を有している。さらに、アクチュエータが、その主方向に垂直な横方向の荷重（せん断力）に対して十分には保護されない。これは、敏感なアクチュエータを容易に損傷させる可能性を有する。またさらに、この解決策は、剛性に制限されて伸びの損失が生じるために、アクチュエータの効率が影響を受ける、ほとんどの場合低下するという点をも含んでいる。
米国特許第５，６６０，２５５号 独国特許第１９５ ２７ ５１４号 Ｎ．Ｗ．ハグッドおよびＡ．フォン・フロトー著，「圧電材料および受動型電気回路網による構造振動の減衰」，音響・振動ジャーナル，１９９１年，第１４６巻第２号，２４３ページ Ｄ．マイエル、Ｃｈ．リンツおよびＶ．クライェンスキ著，「半受動型減衰用の合成インダクタンス」，第５回マグデブルク機械工学の日々，２００１年

本発明の目的は、機械振動を１つ以上のエネルギー変換装置を用いて制御する、特に減衰させる改善された装置を規定することにある。この装置において、エネルギー変換装置は、優先方位を有し、このアクチュエータの優先方位から逸れた機械的荷重、特にこの優先方位に垂直方向の機械的荷重に対して保護されるように使用されるものとする。

この目的は、独立の請求項の特徴を備えた本発明によって達成される。本発明の有利な発展形態が従属の請求項に特徴化されている。

機械振動制御用、特に減衰用のインターフェイス器具であり、ベース連結要素と、負荷連結要素と、少なくとも１つのエネルギー変換装置とを有するインターフェイス器具が提案される。エネルギー変換装置は、ベース連結要素と負荷連結要素との間に延び、優先方位を有している。

さらに、少なくとも１つの予緊張力付与要素とせん断力消散要素とが、ベース連結要素と負荷連結要素との間に延びている。予緊張力付与要素は、エネルギー変換装置に機械的な予荷重を加える。せん断力消散要素は、優先方位にほぼ直角に配置される２次元要素、特にダイアフラムまたは板ばねを有する。ベース連結要素は、２次元要素上の少なくとも１つの第１の固着領域に、少なくとも１つの第１の連結部品を介して接合され、負荷連結要素は、２次元要素上の少なくとも１つの第２の固着領域に、少なくとも１つの第２の連結部品を介して接合される。ベース連結要素および負荷連結要素の固着領域は合致するべきではない。

インターフェイス器具は、例えば、機械、車両および類似の組み立て品の負荷径路に、組み込みの煩雑さをほとんど伴うことなく一体的に組み込み得るモジュールであると理解される。インターフェイス器具は、機械的な構造体に、
−支持要素として、
−モジュラ型の伝達要素として、および／または、
−アクチュエータ要素として、
組み込むことができる。

この目的のために、負荷連結要素およびベース連結要素には、例えば、他の要素を連結するための標準装置（例えば、内ねじおよび／または外ねじ、フランジ等）を設けることができる。これによって、インターフェイス器具は、ベース端における障害を、負荷端部に連結される要素から絶縁するために用いられる。

エネルギー変換装置は、少なくとも１つのエネルギー変換器を有する装置であると理解される。このエネルギー変換器は、適用方式および必要条件に応じて、種々の物理的原理に基づくものとすることができる。特に、圧電アクチュエータが特別に有利であることが判明している。しかし、いわゆる形状記憶合金または記憶効果を有する他の材料に基づくアクチュエータ、および、磁気または電気ひずみアクチュエータ、空圧または油圧アクチュエータ、磁気または電気レオロジー流体アクチュエータおよび減衰要素も有利に使用することができる。種々のエネルギー変換装置を組み合わせることも可能である。例えば、圧電アクチュエータを、“従来型の”減衰装置、例えば、ばね／ゴム減衰装置と組み合わせる（例えば、直列または並列接続する）ことができる。

異なる周波数範囲の振動も種々の作動原理を組み合わせることによって相殺することができる。すなわち、例えば、高周波の振動は圧電アクチュエータによる能動型または受動型減衰によって、低周波の振動は従来型の減衰要素（例えば、粘弾性減衰器）によって相殺することができる。

エネルギー変換装置は、エネルギー変換装置の主作用方向ともしばしば呼称される優先方位を有しているべきである。これは、例えば、複数のアクチュエータ、例えば圧電アクチュエータを１つの共通の作用方向で用いることによって実現することができる。しかし、これは、必ずしも、インターフェイス器具が振動減衰に対してただ１つの自由度しか有していないということを意味するものではない。個々の圧電アクチュエータを不均等に駆動しまたは伸張させることによって、負荷連結要素をベース連結要素に対して傾斜させることを実現することができる。これによって、負荷連結要素の純粋直線振動のみではなく、例えば、傾斜振動または回転振動をも制御または相殺（特に減衰）することが可能になる。

予緊張力付与要素は少なくとも１つのエネルギー変換装置に予荷重を加える。この予荷重は、例えば、機械的な圧縮荷重または引張荷重とすることができる。場合によっては、予荷重をゼロとする運転を選択することも可能である。すなわち、エネルギー変換装置に予荷重に関わる力を一切加えない運転も可能である。また、場合によっては、この予荷重（予荷重ゼロをも含めて）を、例えば電気的または電気機械的予荷重と組み合わせることもできる。予荷重要素は弾性体または非弾性体とすることができる。予荷重は、エネルギー変換装置に直接的または間接的に加えることができる。すなわち、例えば付加的なばね装置によって間接的に加えることも可能である。

予緊張力付与要素がエネルギー変換装置を閉じ込める筒体を有していると、特に有利であることが判明した。この筒体を、例えば、弾性材料の筒、例えば熱可塑性のプラスチックまたはエラストマの筒として、その一端をベース連結要素に固く接合し、他端を負荷連結要素に固く接合し、少なくとも１つのエネルギー変換装置に例えば圧縮力としての予緊張力を加えることができる。この筒体は、必ずしも完全に閉じたものである必要ななく、例えば溝穴または他の開口を有してもよい。筒体の断面はさまざまに変化させることができる。例えば、円形または正方形にすることができる。筒体は、周囲環境の影響と機械的な負荷に対してエネルギー変換装置を保護する。筒壁用として、等方性および非等方性の材料を使用することができる。

多くの場合、振動制御装置は、同時に高い荷重、例えばせん断力による荷重を受ける。すなわち、エネルギー変換装置の優先方位以外の（特に優先方位に垂直な）荷重が存在する。つまり、例えばアクチュエータの優先方位に垂直な荷重が存在する。このような荷重を受けるとエネルギー変換装置は容易に損傷する。例えば、敏感な圧電アクチュエータが破壊するに至る。

従って、提案するインターフェイス器具は、エネルギー変換装置を保護するためのせん断力消散要素を備えている。このせん断力消散要素は、インターフェイス器具の作動範囲内において、エネルギー変換装置の優先方位にはほとんど剛性を有しないが、その優先方位に垂直な少なくとも１つの方向には高い剛性を有するものでなければならない。

２次元要素は本質的に２次元であるべきであるが、実際には必ず、ある厚さを有しうる。これは、例えば、ダイアフラムまたは板ばねを用いることによって実現される。このダイアフラムまたは板ばねは、平面または曲面にすることができ、例えば薄いばね板（例えば、横方向の広がりと厚さとの比が１００：１のばね板）から構成して、例えば、帯片形状、または円形もしくは多角形のディスクまたは薄板の形状を有するものとすることができる。

ダイアフラムまたは板ばねの配列方位は、エネルギー変換装置の優先方位に対して正確に９０°とすることができるが、直角から若干逸れてもよい（２０°を超えないほうが有利である）。

ダイアフラムまたは板ばねは、ベース連結要素および負荷連結要素に接合しなければならない。この接合は、ダイアフラムまたは板ばねを、負荷またはベース連結要素に例えば接着、ねじ止めまたはハンダ付けすることによって直接行うこともできるし、あるいは、別個の連結要素（例えば、スペーサ）を、それぞれ負荷およびベース連結要素とダイアフラムまたは板ばねの固着領域との間に挿入することもできる。この接合は、必ずしも固結する必要はなく、例えば、優先方位に可動なガイドによって行うこともできる。

しかし、ベース連結要素とダイアフラムまたは板ばねとの間、および負荷連結要素とダイアフラムまたは板ばねとの間の接合の固着領域は合致してはならない。すなわち、少なくとも重なり合ってはならない。これによって、ベース連結要素がダイアフラムまたは板ばねに及ぼす力と、負荷連結要素がダイアフラムまたは板ばねに及ぼす力とが、ダイアフラムの同一領域で干渉しないことが保証される。

このことは、負荷連結要素およびベース連結要素が、エネルギー変換装置の優先方位において、せん断力消散要素を介して、柔軟なダイアフラムまたは板ばねによって“柔軟に”連結されることを保証する。しかし、エネルギー変換装置の優先方位に垂直な方向において、この連結は、ダイアフラムの面的な広がりに沿う高い剛性によって、“固結”されている。換言すれば、負荷連結要素とベース連結要素との間の距離を増減するのに、負荷連結要素をベース連結要素に対してずらす（平行に動かす）力に比べて遥かに低い力しか必要としない。ダイアフラムがその面的広がりに垂直な方向には柔軟（低いばね定数）であるので、負荷連結要素のベース連結要素に対する距離は、容易に変化させることができる、すなわち、大きな力を加える必要なく変化させることが可能である。しかし、ダイアフラムの面的広がりに平行な横方向の動き（ずらす動き）は、ダイアフラムまたは板ばねの面的広がりに沿う剛性が高い（高いばね定数）ために、大きな力を掛けることによってのみ可能である。従って、エネルギー変換装置は、その優先方位に沿ってその効果を最適に発揮することができ、この方向においては振動を制御すること、特に減衰させることができるが、この方向に垂直な機械的応力に対しては、せん断力消散要素のダイアフラムまたは板ばねのために保護されることになる。同時に、せん断力消散要素は、エネルギー変換装置の優先方位におけるダイアフラムまたは板ばねの低剛性のために、いかなる新しい明確な負荷径路を作り出すこともない。すなわち、障害（例えば、振動）がベース連結要素から負荷連結要素に伝播する機械的な剛接連結を作り出すことはない。

インターフェイス器具の構造的に有利な１つの実施形態において、せん断力消散要素を、同時に、１つまたは複数のエネルギー変換装置に予荷重を加えるために用いることができる。従って、この場合は、せん断力消散要素が予緊張力付与要素と同一のものまたは予緊張力付与要素の一部であり、あるいは、その逆である。これによって、部品点数を低減することが可能になり、従って、インターフェイス器具の重量および製造コストを節減することができる。

前述したように、多くの場合、インターフェイス器具は、振動制御用として使用されるだけでなく、同時に負荷を機械的に位置決めするアクチュエータとしても用いられる。この場合は、インターフェイス器具の最大変位、すなわち例えば、ベース連結要素および負荷連結要素間の距離の最大相対変化量が主要な役割を果たす。しかし、通常は、エネルギー変換装置の長さ、特に圧電アクチュエータの長さの相対的変化は構造長さに依存している。このため、長い変位を実現するには長い構造長さを有するエネルギー変換装置が必要となるが、これは、インターフェイス器具の全長が長くなる結果をもたらす。

従って、本発明の別の有利な実施形態において、エネルギー変換装置が少なくとも２つの部分装置を有し、この個々の部分装置が“重なり合って”配置される。これを実現するために、ベース連結要素と負荷連結要素との間に継手要素が導入される。第１の部分装置はベース連結要素とこの継手要素との間に延び、第２の部分装置はこの継手要素と負荷連結要素との間に延びている。この配置において、継手要素を、個々の部分装置がその優先方位において部分的に重なり合うように不均等に構成することができる。この方式で、インターフェイス器具の構造寸法を、インターフェイス器具の変位量を結果として低減することなく短縮することができる。この継手要素の原理は、また、例えば２つの継手要素と３つの個々の部分装置とを用いることなどによって、有利にさらに続けることができる。部分装置は、インターフェイス器具の構造長さを大幅に増大させることなくその全変位量が延長されるように、再度重なり合うように配置しなければならない。

継手要素の位置は、エネルギー変換装置の優先方位に平行な軸に対して固定するのが有利である。これは、追加的な中心位置決め要素によって行うことができる。この中心位置決め要素は、例えば、優先方位に垂直に向けられる別のダイアフラムで、異なる固着領域においてベース連結要素または負荷連結要素に結合されるダイアフラムとすることができる。この中心位置決め要素は、継手要素がエネルギー変換装置の優先方位に垂直な方向にその位置を変える（例えば、機械的な製造公差によって）ことを防止し、その結果、エネルギー変換装置にせん断力が加えられることを防ぐ。

本発明の実施形態のいずれかに記述されたインターフェイス器具は、能動型、受動型、あるいは半能動型または半受動型の振動低減用の電子回路を装備することもできる。これは種々の方法で行うことが可能である。

能動型振動制御の場合は、エネルギー変換装置としてのアクチュエータを使用するのが有利である。１つ以上のセンサをインターフェイス器具（例えば、負荷連結要素）に結合することができる。このセンサは、例えば、距離、速度、加速度または力を測定するセンサ、特に容量式または圧電式の加速度計または力センサ、あるいは磁気式、静電式または干渉計式の位置または速度センサとすることができる。

センサの信号は例えば電子制御器に供給される。電子制御器は、センサ信号から、動力供給源を介してアクチュエータ装置の作動信号に変換し得る制御信号（目標関数）を発生させる。この作動信号が、アクチュエータ装置に、例えば、絶縁されるべき振動と逆位相の振動で、負荷の位置においてその絶縁されるべき振動を除去または減衰させる振動を励起する。

受動型、あるいは半能動型または半受動型の振動低減の場合、例えば、その全体またはその部分が機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されるエネルギー変換装置を用いることができる。この電気エネルギーは、続いて、電子回路によって、散逸されるかあるいは他の方法で使用される。最も簡単な場合では、この電子回路はオーム抵抗から構成され、その抵抗において電気エネルギーが少なくとも部分的に熱の形に散逸される。

さらに一層効率的な振動減衰を、１つ以上のコイルおよび／または１つ以上のコンデンサ（制動共振回路）、あるいはいわゆる“合成インダクタンス”を追加的に使用することによって実現することができる。通常、合成インダクタンスは、多数のオーム抵抗を１つ以上の演算増幅器と組み合わせることによって構成される。これによって、従来のコイルによるよりも高いインダクタンスを実現することが可能になる。これは、共振回路の減衰をさらに強化する。この技術は、例えば、Ｄ．マイエル、Ｃｈ．リンツおよびＶ．クライェンスキ著，「半受動型減衰用の合成インダクタンス」，第５回マグデブルク機械工学の日々，２００１年 (D. Mayer, Ch. Linz and V. Krajenski: “Synthetische Induktivitaeten fuer die Semi-passive Daempfung" (Synthetic Inductsnces for Semi-passive Damping), fifth Magdeburger maschine construction days, 2001) （非特許文献２）に記載されている。

振動減衰の効率は、前述した実施形態のいずれかのインターフェイス器具の複数個と、前述した電気回路の複数個とを、順次カスケード式に接続することによってさらに高めることができる。この配置において、次のインターフェイス器具のベース連結要素を、それぞれその前のインターフェイス器具の負荷連結要素に連結する。これは、次のインターフェイス器具の優先方位を、それぞれその前のインターフェイス器具の優先方位に平行に向けることによって行うことができる。しかし、優先方位に垂直な配列または他の空間的方向における配列も可能である。これを実現するために、直角の取り付け用アングル部材を、例えば、１つのインターフェイス器具の負荷連結要素にそれぞれ取り付け、続いてそのアングル部材に、続く第２のインターフェイス器具のベース連結要素を取り付けることができる。これによって、例えばさまざまな空間方向の振動を制御することが可能になる。

次に、図面に概略的に示した実施形態を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。しかし、本発明はこの例に限定されるわけではない。個々の図面における同一の参照番号は、同一の要素または機能的に同一の要素、あるいはその機能に関して相互に対応する要素を指している。

図１は、機械振動制御（特に減衰）用の、円筒断面を有するインターフェイス器具の第１の実施形態を示す。インターフェイス器具は、ベース連結要素１１０および負荷連結要素１１２を有し、この両者は平坦な円形のディスク形状のものである。ベース連結要素１１０と負荷連結要素１１２との間に、圧電アクチュエータ装置１１４、１１６が延びている。ベース連結要素１１０および負荷連結要素１１２はＰＶＣの筒型の予緊張力付与要素１１８によって接合され、この筒型の予緊張力付与要素１１８が圧電アクチュエータ装置１１４、１１６に圧力（予荷重）を加える。さらに、ベース連結要素１１０は、せん断力消散要素１２０を介して負荷連結要素１１２に接合される。このせん断力消散要素１２０は、ばね鋼から機械加工された円形の薄いディスク形状のダイアフラム１２２を有している。このダイアフラム１２２は、その周囲に沿って、円環状の連結要素１２４によって負荷連結要素１１２に接合される。ダイアフラム１２２の中心は、ｙ軸に垂直方向のせん断に関して高いせん断弾性係数を有する第２の円筒状の連結要素１２６を介して、ベース連結要素１１０に接合される。

圧電アクチュエータ装置１１４、１１６は、その優先方位（図１のｙ方向）に垂直な力の作用に対して、前述したせん断力消散要素１２０によって保護される。ダイアフラム１２２は、ｙ方向には高度の柔軟性を有しているが、それに垂直な方向（例えば、ｘ方向）には高度の剛性を備えている。

予緊張力付与要素１１８は、圧電アクチュエータ１装置１４、１１６を一定の予緊張力の下に保持する。この一定の予緊張力は、圧電アクチュエータ装置１１４、１１６がその構造形式に応じて最適に作動し、かつ破壊に至る伸びに対して保護されるように調整される。予緊張力付与要素１１８は、筒型に構成され、圧電アクチュエータ装置１１４、１１６を完全に包み込むので、その結果、湿気または汚染物質が圧電アクチュエータ装置１１４、１１６に届き得なくなる。さらに、圧電アクチュエータ装置１１４、１１６は、例えば打撃のような直接的な機械的影響に対して保護される。

しかし、代替方式として、筒型の予緊張力付与要素１１８を省略することも可能である。この場合（図示せず）、せん断力消散要素１２０が同時に圧電アクチュエータ装置１１４、１１６に予緊張力を付与する機能を担う。この場合、連結要素１２６の長さを、休止状態においてせん断力消散要素１２０の長さが圧電アクチュエータ装置１１４、１１６の長さよりも短くなるように（例えば、せん断力消散要素１２０を相応に短くすることによって）調整する。この結果、圧電アクチュエータ装置１１４、１１６に圧力が加えられる。

図１に示されている配置は、ベース連結要素１１０のｙ方向の振動（例えば、ベース端における障害源によって惹起される振動）を負荷連結要素１１２から絶縁するのによく適している。この目的に対応するため、例えば、図１に大幅に簡素化して示されている能動型の振動低減原理を用いることができる。すなわち、負荷連結要素１１２に装着した加速度計１２８を電子制御器１３０（概略表示されている）に接続し、その電子制御器１３０において、加速度計１２８が発生する振動信号を圧電アクチュエータ装置１１４、１１６用の制御信号に変換する。続いて、この制御信号が電子増幅器１３２によって対応する電圧信号に変換され、圧電アクチュエータ装置１１４、１１６に供給される。この方法で、圧電アクチュエータ装置１１４、１１６は負荷連結要素１１２に振動を発生させることができ、この振動が、ベース連結要素１１０から伝達される振動を打ち消すように重なり合い、かつ理想的な場合には負荷連結要素の振動を完全に除去する。

複数の加速度計１２８を使用すれば、例えば傾斜振動をも同様に除去することができる。これには、圧電アクチュエータ装置１１４、１１６を、電気的に異なるように駆動すること、すなわち異なるように伸張させることが必要である。このようにすると、負荷連結要素１１２が、ベース連結要素１１０に対して傾けられ、対応して駆動される時に、例えばベース連結要素１１０の逆位相の傾斜振動を除去する傾斜振動を実現することができる。別の圧電アクチュエータを対称軸１３４の回りに環状に配置すると、回転振動またはぐらつく揺動の動きを対応して除去することができる。

別の代替の実施形態（図示せず）において、圧電アクチュエータ装置１１４、１１６の両端間の電圧を検出して、受動型の振動減衰用として使用することができる。負荷連結要素１１２がベース連結要素１１０に対して振動すると、圧電アクチュエータが機械的な振動エネルギーを電気電圧信号に変換し、圧電アクチュエータ装置１１４、１１６の両端間の電圧が周期的に変化する。この電圧を制動共振回路に供給すると、電気振動が減衰し、エネルギーが装置から取り除かれる。その結果、負荷連結要素１１２とベース連結要素１１０との間の振動が減衰する。電気エネルギーは、相応に適切な電気回路によって、エネルギー回収用に、例えば蓄電器充電用として使用することができる。

図２は、アクチュエータからの危険な機械的負荷を消散させるためのダイアフラム１２２の作用を基本図において示す。ダイアフラムは、固着領域２１２においてダイアフラム１２２に固着される連結要素２１０を介して、インターフェイス器具のベース連結要素（図２には示されていない）に接合される。同様に、ダイアフラム１２２は、固着領域２１６においてダイアフラム１２２に固着される連結要素２１４を介して、インターフェイス器具の負荷連結要素（これも図２には示されていない）に接合される。固着領域２１２および２１６は空間的に相互に分離している。

ダイアフラム１２２はエネルギー変換装置（これも図２には示されていない）の優先方位に垂直に配置される。図２において、この優先方位がｙ方向と命名されている。力２１８（矢印で記号表示される）の力が、ベース連結要素への連結要素２１０を介して、優先方位においてダイアフラム１２２の固着領域２１２上に作用すれば、ダイアフラム１２２がその面的広がりに垂直な方向に対しては高度に柔軟であるために、この固着領域２１２は、負荷連結要素の固着領域２１６に対してｙ方向に若干変位する。しかし、力２２０が、優先方位に垂直な面内（例えば、ｘ方向）に作用すれば、ダイアフラム１２２は、高い機械的抵抗力によってこの力に対抗する。従って、ベース連結要素の固着領域２１２は、負荷連結要素の固着領域２１６に対してごく僅かしか変位しない。

図３（断面図）および図４（分解図）に、図１に対する好ましい、あるいは代替の例示の実施形態に相当する円筒型のインターフェイス器具を示す。このインターフェイス器具は、ベース連結要素１１０と、負荷連結要素１１２と、筒型の予緊張力付与要素１１８（図４では示されていない）と、円筒状の連結要素１２６および円形の金属ダイアフラム１２２を備えたせん断力消散要素１２０とを有している。せん断力消散の作用態様は、図１の実施形態と同じである。

しかし、この実施形態において、圧電アクチュエータ装置が２つに分割されている。すなわち、対称軸１３４の回りに環状に配置される４つのアクチュエータからなる第１の圧電アクチュエータ装置４１０が、ベース連結要素１１０と、ベース連結要素１１０および負荷連結要素１１２間に配置される継手要素４１２との間に延びている。この継手要素４１２は円形リングの形に構成される。この継手要素４１２の平坦な下面に、ベース連結要素１１０の方を向いて開いた４つの対応するメクラ孔４１４が設けられ、その中に、第１の圧電アクチュエータ装置４１０の圧電アクチュエータが導入される。

第２の圧電アクチュエータ装置４１６は、これに対応して、負荷連結要素１１２と継手要素４１２との間に延びている。第２の圧電アクチュエータ装置４１６も同様に、対称軸１３４の回りに対称に配置される４つの個別圧電アクチュエータからなる。圧電アクチュエータ装置４１６は、圧電アクチュエータ装置４１０の配置に対して４５°だけ回転されている。この第２の圧電アクチュエータ装置４１６も、負荷連結要素１１２の方を向いて開いた、継手要素４１２の上面の対応するメクラ孔３１０の中に部分的に導入される。

メクラ孔３１０および４１４はそれぞれ４５°ずらして配置されるので、第１および第２の圧電アクチュエータ装置４１０、４１６は重なり合う。従って、ベース連結要素１１０および負荷連結要素１１２との間の距離は、第１の圧電アクチュエータ装置４１０の圧電アクチュエータの構造長さと、第２の圧電アクチュエータ装置４１６の圧電アクチュエータの構造長さとの合計よりも短い。これは、このインターフェイス器具の変位量が、継手要素４１２を備えていないインターフェイス器具と比べて増大する効果を有している。しかし、ベース連結要素１１０および負荷連結要素１１２との間の距離は同一のままである。

この例示の実施形態において、ダイアフラム１２２は図１に示されている例と同様に負荷連結要素１１２に固定されているが、円環状の連結要素１２４は省略された。その代わりに、機械加工された平坦な円筒状の窪み３１２が負荷連結要素１１２に設けられ、その上にダイアフラム１２２が張られる。ダイアフラム１２２は、その端部に沿って負荷連結要素１１２に接着される。

図５は、振動減衰用のインターフェイス器具のさらに別の代替の実施形態をセグメントに切断した部分的斜視図として示す。この構造は、基本的には図３および図４に示されている例に類似している。しかし、この実施形態において、せん断力消散要素１２０の連結要素１２６が中空円筒として構成されている。これはさらなる空間節減になる。例えば、電子制御器（例えば、能動型振動制御用の）を連結要素１２６の中空空間に収納できるからである。せん断力消散用のダイアフラム１２２は、その中心で連結要素１２６にねじ止めされる。

さらに、図５は、別の円形の金属ダイアフラムの形の中心位置決め要素５１０を示す。このダイアフラムは、その周囲が円環状の継手要素４１２に接着される。ダイアフラム５１０は、その中心で、ベース連結要素１１０への連結要素１２６にねじ止めされる。このダイアフラムは、継手要素４１２の位置が、連結要素１２６に対して優先方位に垂直の方向に変化するのを防止するが、継手要素４１２が優先方位に変位するのは妨げない。

単一の圧電アクチュエータ装置とせん断力消散用のダイアフラムとを備えた機械振動減衰用のインターフェイス器具の第１の実施形態の側断面図を示す。 ダイアフラムに対するエネルギー変換装置の優先方位に平行な力および垂直な力の作用に関する基本図を示す。 ２つの個別圧電アクチュエータ装置と１つのせん断力消散用ダイアフラムとを備えた機械振動減衰用のインターフェイス器具の第２の実施形態の側断面図を示す。 図３に示されているインターフェイス器具の分解図を示す。 せん断力消散用のダイアフラムを備えたインターフェイス器具の第３の実施形態を、セグメントに切断した部分的斜視図として示す。

符号の説明

１１０ ベース連結要素
１１２ 負荷連結要素
１１４ 圧電アクチュエータ
１１６ 圧電アクチュエータ
１１８ 予緊張力付与要素
１２０ せん断力消散要素
１２２ ダイアフラム
１２４ 連結要素
１２６ 連結要素
１２８ 加速度計
１３０ 電子制御器
１３２ 電子増幅器
１３４ 対称軸
２１０ ベース連結要素１１０への連結要素
２１２ ベース連結要素１１０の固着領域
２１４ 負荷連結要素１１２への連結要素
２１６ 負荷連結要素１１２の固着領域
２１８ エネルギー変換装置の優先方位に平行な力
２２０ エネルギー変換装置の優先方位に垂直な力
３１０ メクラ孔
３１２ 機械加工された円筒状の窪み
４１０ 第１の圧電アクチュエータ装置
４１２ 継手要素
４１４ メクラ孔
４１６ 第２の圧電アクチュエータ装置
５１０ 中心位置決め要素

Claims (9)

1. 機械振動を制御する、特に減衰させるインターフェイス器具において、
   ａ）ベース連結要素（１１０）と、
   ｂ）負荷連結要素（１１２）と、
   ｃ）前記ベース連結要素（１１０）と前記負荷連結要素（１１２）との間に延びる少なくとも１つのエネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）であって、
   ｃ１）優先方位を有する前記エネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）と、
   ｄ）前記ベース連結要素（１１０）と前記負荷連結要素（１１２）との間に延びる少なくとも１つの予緊張力付与要素（１１８）であって、
   ｄ１）前記弾性体の予緊張力付与要素（１１８）は、前記エネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）に機械的な予荷重を加える、前記予緊張力付与要素（１１８）と、
   ｅ）前記ベース連結要素（１１０）と前記負荷連結要素（１１２）との間に延びる少なくとも１つのせん断力消散要素（１２０）であって、
   ｅ１）前記せん断力消散要素（１２０）は、前記優先方位に直角に配置される２次元要素（１２２）、特にダイアフラムまたは板ばねを有し、
   ｅ２）前記ベース連結要素（１１０）が、少なくとも１つの連結部品（１２６；２１０）を介して、前記２次元要素（１２２）上の少なくとも１つの第１の固着領域（２１２）に接合され、
   ｅ３）前記負荷連結要素（１１２）が、少なくとも１つの第２の連結部品（１２４；２１４）を介して、前記２次元要素（１２２）上の少なくとも１つの第２の固着領域（２１６）に接合され、
   ｅ４）前記ベース連結要素（１１０）および前記負荷連結要素（１１２）の前記固着領域（２１２，２１６）は、前記２次元要素（１２２）上において合致しない、前記せん断力消散要素（１２０）と、
   を備えるインターフェイス器具。
2. 前記予緊張力付与要素（１１８）の作用は、前記せん断力消散要素（１２０）によって付加的に遂行される請求項１記載のインターフェイス器具。
3. 前記少なくとも１つのエネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）は、少なくとも１つの圧電アクチュエータおよび／または磁気ひずみアクチュエータおよび／または電気ひずみアクチュエータを有する請求項１〜２のいずれか記載のインターフェイス器具。
4. 前記予緊張力付与要素（１１８）は、少なくとも１つの前記エネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）を取り囲む筒体を備える請求項１〜３のいずれか記載のインターフェイス器具。
5. 前記エネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）は、少なくとも２つの部分装置（４１０，４１６）と１つの継手要素（４１２）とを備え、
   少なくとも１つの第１の部分装置（４１０）は、前記ベース連結要素（１１０）と前記継手要素（４１２）との間に延び、
   少なくとも１つの第２の部分装置（４１６）は、前記継手要素（４１２）と前記負荷連結要素（１１２）との間に延びている請求項１〜４のいずれか記載のインターフェイス器具。
6. 前記部分装置（４１０，４１６）は、前記エネルギー変換装置の優先方位において重なり合う請求項５記載のインターフェイス器具。
7. 前記継手要素（４１２）は、中心位置決め要素（５１０）によって、前記エネルギー変換装置（１１４，１１６；４１０，４１６）の優先方位に平行な軸に対して固定される請求項５〜６のいずれか記載のインターフェイス器具。
8. 請求項１〜７のいずれか記載のインターフェイス器具と、
   能動型振動低減用、受動型振動低減用、あるいは半能動または半受動型振動低減用の電子回路（１２８，１３０，１３２）と、
   を備える機械振動減衰用の構成。
9. 請求項１〜７のいずれか記載のインターフェイス器具および／または請求項８記載の構成を、直列および／または並列に複数個接続した機械振動減衰用の構成。

Images