JP2010144868A - 弾性くさびダンパ - Google Patents

Abstract

【課題】特別な加工装置又は加工方法を用いることなく、容易に製造可能であり、かつ従来と同等の広帯域において、同等の減衰が得られる弾性くさびダンパを提供する。
【解決手段】一端が固定端１０ａとして振動伝播部に固定され他端が自由端１０ｂとして振動可能な弾性材料からなるダンパ板１２と、減衰材料からなる減衰板１４とからなる。ダンパ板１２は、一端が固定端に固定され一定の厚さを有する厚肉部分１２ａと、厚肉部分の他端に一端が一体的かつ同一厚さで連結され自由端からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるくさび状部分１２ｂと、くさび状部分の他端に一端が一体的かつ同一厚さで連結され自由端まで延び、厚さが加工可能な薄肉である薄肉部分１２ｃとからなる。また減衰板１４は、薄肉部分１２ｃの自由端近傍の片面に貼り付けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、振動する機械装置の振動を減衰する弾性くさびダンパに関する。

振動する機械装置の振動を減衰する手段として、ダンパ装置が広く知られている。また、ダンパ装置は、粘弾性ダンパ、粘性ダンパ、摩擦ダンパ、マスダンパ、慣性力ダンパ、等に大別することができる。
このうちマスダンパは、質量体の振動を逆利用して、機械装置の振動を消去するものであり、他のダンパ装置と比較して構造が簡単である利点がある。

マスダンパの一種として、音響ブラックホール効果（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｂｌａｃｋ Ｈｏｌｅ Ｅｆｆｅｃｔ）を利用した弾性くさびダンパ（Ｅｌａｓｔｉｃ Ｗｅｄｇｅ ｄａｍｐｅｒ）が例えば非特許文献１に開示されている。

弾性くさび（Ｅｌａｓｔｉｃ Ｗｅｄｇｅ）とは、くさび形の弾性体を意味する。曲げ振動について、弾性くさびの厚さが次第に薄くなると振動波の速度を遅くなり、厚さがゼロ（０）になると振動波の速度がゼロになるので振動波は反射されない。すなわち、弾性くさびは、「音のブラックホール」として機能し、その結果、振動エネルギは厚さがゼロの端部に集まるのでそのエネルギを減衰しやすくなる。
しかし、実際には、厚さがゼロの端部を有する弾性くさびの製造は困難であり、反射はゼロ（０）にならない。そこで、非特許文献１ではその反射を低減するため、弾性くさびの端部に減衰材料を貼り付けている。

上述した弾性くさびダンパは、マスダンパと同様に構造が簡単であり、かつマスダンパよりも厚さが薄く、軽量化できる利点がある。
なお、くさび形の弾性体を用いた振動又は音響の低減手段は、例えば特許文献１，２にも開示されている。

Ｖ．Ｖ．Ｋｒｙｌｏｖ ＆ Ｒ．Ｅ．Ｔ．Ｂ．Ｗｉｎｗａｒｄ，"Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｂｌａｃｋ ｈｏｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｆｏｒ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｗａｖｅｓ ｉｎ ｔａｐｅｒｅｄ ｐｌａｔｅｓ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ３００（２００７） ４３−４９

特開２０００−４３２５２号公報、「インクジェットプリンタ用の印字ヘッド」 特表２００８−５３２９１７号公報、「音響を低減させる楔形ポリマー中間層」

図９は、非特許文献１で使用した弾性くさびダンパの模式図である。この弾性くさびダンパは、非対称２次元くさび状ダンパ（ｎｏｎ−ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｗｅｄｇｅ−ｌｉｋｅ ｄａｍｐｅｒ）である。この図において、５１は弾性くさび、５２は振動吸収膜（ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｆｉｌｍ）、５３は弾性くさび５１と一体の厚板部である。
非特許文献１で実験に使用した弾性くさび５１の寸法は、長さ２８０ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さは厚板部５３で４．５ｍｍ、最小厚さ０．０２ｍｍである。厚さｈ（ｘ）は、先端からの距離ｘに対し、ｈ（ｘ）＝εｘ^２・・・（１）の関係である。ここで、εは正の定数である。
また、振動吸収膜５２はポリマー膜であり、寸法は弾性くさび５１の寸法と同じ（長さ２８０ｍｍ、幅２００ｍｍ）であり、厚さは０．２ｍｍであった。

この実験結果から、５００Ｈｚ〜１８０００Ｈｚの広帯域において、振動ピークの減衰効果が認められ、特に高周波数と中周波数において大きな減衰（振動エネルギの低減）が得られることが確認されている。

上述したように、非特許文献１で使用した弾性くさびダンパ（試験板）の厚さは、理論式（１）に基づき、４．５ｍｍから０．０２ｍｍまでであった。しかし、理論式（１）に基づき厚さを０ｍｍ近く（この例で０．０２ｍｍ）まで加工することは、極めて困難であり、これを達成するためには、特別な加工機械、或いは特別な方法が不可欠である。そのため、非特許文献１に開示された弾性くさびの製造は、実質的に不可能であるか、可能であっても非常に高価であった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、特別な加工装置又は加工方法を用いることなく、容易に製造可能であり、かつ従来と同等の広帯域において、同等の減衰が得られる弾性くさびダンパを提供することにある。

本発明によれば、少なくとも一端が自由端であり振動可能な弾性材料からなるダンパ板と、減衰材料からなる減衰板とからなり、
前記ダンパ板は、振動伝播部に連結され一定の厚さを有する厚肉部分と、該厚肉部分の端面に一端が一体的かつ同一厚さで連結され前記自由端からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるくさび状部分と、該くさび状部分の他端に一端が一体的かつ同一厚さで連結され前記自由端まで延び、厚さが加工可能な薄肉である薄肉部分とからなり、
前記減衰板は、前記薄肉部分の自由端近傍の片面に貼り付けられている、ことを特徴とする弾性くさびダンパが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記薄肉部分の長さは、ダンパ板全長の２０％以上、３０％以下であり、
前記薄肉部分の厚さは、厚肉部分の１／３０以上、１／２０以下である。

また前記減衰板の容積は、前記薄肉部分の容積より大きい、ことが好ましい。

上述した本発明の構成によれば、ダンパ板が一体的に連結された厚肉部分、くさび状部分および薄肉部分からなり、薄肉部分は厚さが加工可能な薄肉であるので、非特許文献１で使用した弾性くさびダンパの最薄部（厚さ０．０２ｍｍ）と比較して、薄肉部分の厚さを加工性のよい厚さ（例えば、１０倍の０．２ｍｍ）に設定することができる。したがって、薄肉部分を特別な加工装置又は加工方法を用いることなく、容易に加工可能である。

また、くさび状部分は、自由端からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるので、音響ブラックホール効果により、この部分における振動波の反射をゼロ（０）にできる。
さらに、振動エネルギは薄肉部分に集中するが、減衰板が、前記薄肉部分の自由端近傍の片面に貼り付けられているので、減衰板により薄肉部分を効果的に減衰することができる。

すなわち、ダンパ板の端部（薄肉部分）の厚さは、非特許文献１に対し、例えば１０倍厚くなるので、その分、減衰効果は低下するが、一方、減衰は面積にも依存し、同じ厚さでも面積が増すと減衰が増加する。
その結果、非特許文献１の弾性くさびダンパ（薄い端、延長なし）における減衰効果がある周波数範囲が５００Ｈｚ以上であるのに対し、本発明による弾性くさびダンパも、減衰効果がある最小周波数は３００Ｈｚ〜５００Ｈｚであり、従来と同等の広帯域において、同等の減衰が得られることが実験により確認された。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の弾性くさびダンパを備えた機械装置の全体模式図である。この図において、１は振動する機械装置、２は機械装置１から振動が伝播される振動伝播部、１０は本発明の弾性くさびダンパである。また図中の波形３は伝播される振動を模式的に示している。

機械装置１は、例えば航空機、ジェットエンジン、宇宙船、ロケット等であり、その振動周波数は、２５０Ｈｚ〜１８０００Ｈｚの範囲内にあるのが好ましい。
振動伝播部２は、この例では機械装置１に直接固定されているが、本発明はこれに限定されず、機械装置１から他の部材を介して振動が伝播される部材であってもよい。

本発明の弾性くさびダンパ１０は、少なくとも一端が自由端１０ｂであり振動可能な弾性材料（例えば、金属）からなる。この例では、ダンパ１０の一端が固定端１０ａとして振動伝播部２に固定され、他端が自由端１０ｂとして振動可能に構成されている。

図２は、従来の弾性くさびダンパの構成図であり、図３は、本発明の弾性くさびダンパの構成図である。
図２、図３において、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は厚さ分布図、（Ｃ）は速度分布図、（Ｄ）は振幅分布図である。以下、両者を対比して説明する。

図２（Ａ）において、従来の弾性くさびダンパ５は、弾性材料からなるダンパ板６と減衰材料からなる減衰板７からなる。また、図３（Ａ）において、本発明の弾性くさびダンパ１０は、弾性材料からなるダンパ板１２と減衰材料からなる減衰板１４からなる。

また、図２（Ａ）において、ダンパ板６は、厚肉部分６ａとくさび状部分６ｂからなる。これに対し、図３（Ａ）において、ダンパ板１２は、厚肉部分１２ａ、くさび状部分１２ｂ、および薄肉部分１２ｃからなる。
図２（Ｂ），図３（Ｂ）に示すように、厚肉部分６ａ，１２ａは、一端が前記固定端１０ａに固定され、一定の厚さｈ_０を有する。
また、くさび状部分６ｂ，１２ｂは、厚肉部分６ａ，１２ａの他端に一端が一体的かつ同一厚さで連結され、自由端１０ｂからの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^２（εは正の定数）になっている。
なお、本発明はこの関係に限定されず、ｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）の関係であればよい。

また、本発明における薄肉部分１２ｃは、くさび状部分１２ｂの他端に一端が一体的かつ同一厚さで連結され、自由端１０ｂまで延び、厚さが加工可能な薄肉になっている。
この薄肉部分１２ｃの長さは、好ましくは、ダンパ板全長の２０％以上、３０％以下であり、後述する実施例では、ダンパ板全長２８０ｍｍに対し、薄肉部分１２ｃは約６３ｍｍ（ダンパ板全長の２２．５％）である。
また、薄肉部分１２ｃの厚さは、好ましくは、厚肉部分１２ａの１／３０以上、１／２０以下であり、後述する実施例では、厚肉部分１２ａの厚さ４．５ｍｍに対し、薄肉部分１２ｃの厚さは、０．２３ｍｍ（厚肉部分１２ａの１／１９．５）である。

くさび状部分６ｂ，１２ｂにおける振幅Ａ（ｘ），伝播速度Ｃｐ（ｘ）は数１の式（１）〜式（４）で示される。ここで、ｎは１以上の実数、Ａ_０は入力振幅（振動伝播部から伝播される振動の振幅）、ωは周波数、ｋは波数（ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒ）、ρは密度、Ｅはヤング率である。

式（１）〜式（４）から、くさび状部分６ｂ，１２ｂおよび薄肉部分１２ｃにおける伝播速度Ｃｐ（ｘ）と振幅Ａ（ｘ）は、図２、図３における（Ｃ）（Ｄ）のようになる。

図２（Ａ）において、従来の減衰板７は、ポリマー膜であり、寸法は弾性くさび１の寸法と同じ（長さ２８０ｍｍ、幅２００ｍｍ）であり、厚さは０．２ｍｍであった。
これに対し、図３（Ａ）において、本発明の減衰板１４は、薄肉部分１２ｃの自由端近傍の片面に貼り付けられ、後述する実施例では、長さ２０ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さ２ｍｍであった。
この減衰板１４の容積は、幅２００ｍｍ×長さ２０ｍｍ×厚さ２ｍｍであり、薄肉部分１２ｃの容積（幅２００ｍｍ×長さ６３ｍｍ×厚さ０．２３ｍｍ）の２．７６倍であった。

上述した本発明の弾性くさびダンパ１０を実際に製作し、その振動減衰特性を試験した。なお製作した弾性くさびダンパ１０におけるｎは２である。
製作したダンパ板１２は、長さ２８０ｍｍ、幅２００ｍｍであり、厚さは、厚肉部分１２ａは４．５ｍｍ、くさび状部分１２ｂは４．５ｍｍ〜０．２３ｍｍ、薄肉部分１２ｃは０．２３ｍｍであった。
また、減衰板１４は、長さ２０ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さ２ｍｍであり、自由端１０ｂに沿って接着した。減衰板１４は、ハマダンパーＣ−１として市販されているものを用いた。この減衰板１４は、１２５Ｈｚ〜４０００Ｈｚにおいてもほぼ一定の減衰性能がある。

この試験では、弾性くさびダンパ１０の固定端１０ａの幅方向両端部を細いワイヤで吊り下げ、厚肉部分１２ａの片面に加振動器（ｓｈａｋｅｒ）を取り付け、厚肉部分１２ａの反対面に分散させて６つのピックアップを取り付けた。
また、加振動器からの振動数は、２５０Ｈｚ〜１８０００Ｈｚの範囲で変化させ、ピックアップで振動レベルを受信し、その平均を求めた。

また、比較対象として、厚さ１．６ｍｍと４．５ｍｍのマスダンパ板を同様に試験した。以下、厚さ１．６ｍｍのマスダンパ板を単に「１．６ｍｍまたは１．６ｍｍダンパ板」、厚さ４．５ｍｍのマスダンパ板を単に「４．５ｍｍまたは４．５ｍｍダンパ板」と呼ぶ。ダンパ板１２、１．６ｍｍダンパ板、４．５ｍｍダンパ板の材質は、鋼板（ＳＳ４００）であった。
以下、試験結果を説明する。

図４は、本発明の弾性くさびダンパの高周波数における特性図であり、（Ａ）は１．６ｍｍダンパ板と本発明、（Ｂ）は４．５ｍｍダンパ板と本発明の例である。また各図において、横軸は振動周波数（Ｈｚ）、縦軸は振動レベル（ｄＢ）である。
この図から、２５００Ｈｚ〜１８０００Ｈｚの高周波数の全領域において、本発明の弾性くさびダンパは、１．６ｍｍダンパ板および４．５ｍｍダンパ板よりも振動レベルが低下しており、従来と同等の減衰が得られることが確認された。

図５は、本発明の弾性くさびダンパの中周波数における特性図である。この図において、横軸は振動周波数（Ｈｚ）、縦軸は振動レベル（ｄＢ）である。
この図から、２５０Ｈｚ〜２０００Ｈｚの中周波数のほぼ全領域において、本発明の弾性くさびダンパは、１．６ｍｍダンパ板よりも振動レベルが低下しており、従来と同等の減衰が得られることが確認された。
また、減衰効果がある最小周波数は３００Ｈｚ〜５００Ｈｚであり、従来と同等の広帯域において、同等の減衰が得られることが実験により確認された。

ｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）・・・式（１）におけるｎを、２，１，３に変化させた３種の本発明の弾性くさびダンパ１０を実際に製作し、減衰板の有無における振動減衰特性を試験した。
その他の構成は、実施例１と同様である。

図６は、ｎ＝２の場合の本発明の弾性くさびダンパの特性図であり、図７は、ｎ＝１の場合、図８は、ｎ＝３の場合の本発明の弾性くさびダンパの特性図である。また各図において、（Ａ）は２０００Ｈｚ〜１００００Ｈｚの高周波数領域、（Ｂ）は０Ｈｚ〜２０００Ｈｚの中周波数領域の結果であり、横軸は振動周波数（Ｈｚ）、縦軸は振動レベル（ｄＢ）である。
また各図において、実線は「減衰板あり」、破線は「減衰板なし」の場合である。

図６〜図８から、式（１）におけるｎは、２に限定されず、１又は３でも同様の結果が得られることがわかる。
さらに、ｎは、整数に限定されず１以上の実数であればよい。

上述したように、本発明の構成によれば、ダンパ板１２が一体的に連結された厚肉部分１２ａ、くさび状部分１２ｂおよび薄肉部分１２ｃからなり、薄肉部分１２ｃは厚さが加工可能な薄肉であるので、非特許文献１で使用した弾性くさびダンパの最薄部（厚さ０．０２ｍｍ）と比較して、薄肉部分１２ｃの厚さを加工性のよい厚さ（例えば、１０倍の０．２ｍｍ）に設定することができる。したがって、薄肉部分を特別な加工装置又は加工方法を用いることなく、容易に加工可能である。
特に、ｎが１の場合、くさび状部分６ｂ，１２ｂは、直線状のテーパ面であり、くさび状部分１２ｂも容易に加工できるメリットがある。

また、くさび状部分１２ｂは、自由端１０ｂからの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるので、音響ブラックホール効果により、この部分における振動波の反射をゼロ（０）にできる。
さらに、振動エネルギは薄肉部分１２ｃに集中するが、減衰板１４が、薄肉部分１２ｃの自由端１０ｂの近傍の片面に貼り付けられており、かつ上述の例では、減衰板１４の容積は、薄肉部分１２ｃの容積より大きい（２．７６倍）ので、減衰板１４により薄肉部分に集中した振動エネルギを効果的に減衰することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の弾性くさびダンパを備えた機械装置の全体模式図である。 従来の弾性くさびダンパの構成図である。 本発明の弾性くさびダンパの構成図である。 実施例１における本発明の弾性くさびダンパの高周波数における特性図である。 実施例１における本発明の弾性くさびダンパの中周波数における特性図である。 実施例２におけるｎ＝２の場合の本発明の弾性くさびダンパの特性図である。 実施例２におけるｎ＝１の場合の本発明の弾性くさびダンパの特性図である。 実施例２におけるｎ＝３の場合の本発明の弾性くさびダンパの特性図である。 非特許文献１で使用した弾性くさびダンパの模式図である。

符号の説明

１ 振動する機械装置、２ 振動伝播部、３ 振動波形、
５ 弾性くさびダンパ、６ ダンパ板、
６ａ 厚肉部分、６ｂ くさび状部分、７ 減衰板、
１０ 弾性くさびダンパ、１０ａ 固定端、１０ｂ 自由端、
１２ ダンパ板、１２ａ 厚肉部分、１２ｂ くさび状部分、
１２ｃ 薄肉部分、１４ 減衰板、

Claims (3)

1. 少なくとも一端が自由端であり振動可能な弾性材料からなるダンパ板と、減衰材料からなる減衰板とからなり、
   前記ダンパ板は、振動伝播部に連結され一定の厚さを有する厚肉部分と、該厚肉部分の端面に一端が一体的かつ同一厚さで連結され前記自由端からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるくさび状部分と、該くさび状部分の他端に一端が一体的かつ同一厚さで連結され前記自由端まで延び、厚さが加工可能な薄肉である薄肉部分とからなり、
   前記減衰板は、前記薄肉部分の自由端近傍の片面に貼り付けられている、ことを特徴とする弾性くさびダンパ。
2. 前記薄肉部分の長さは、ダンパ板全長の２０％以上、３０％以下であり、
   前記薄肉部分の厚さは、厚肉部分の１／３０以上、１／２０以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の弾性くさびダンパ。
3. 前記減衰板の容積は、前記薄肉部分の容積より大きい、ことを特徴とする請求項１に記載の弾性くさびダンパ。

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