JP2010525266A - 制振装置 - Google Patents

Abstract

弾性的手段（３）を介して機械的構造と直接又は間接に連動する少なくとも１個のブロック（２）、いわゆる制振ブロックと、弾性的手段（３）に属する剛性を変化するための少なくとも１個のアクチュエータ（８）とを有し、機械的構造（１）に取り付け又はこれに組み込むことができる制振装置が説明される。本発明は、制振ブロックと構造の間の連動に沿って生じる振動相対運動をもっぱら利用して電気エネルギーを発生することができる電気エネルギー源が設けてあり、電気エネルギー源に接続した制御ユニットが設けられ、構造の振動挙動に応じてかつ制振規則に基づいて、少なくとも１個のアクチュエータを作動させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性的手段を介して機械的構造と直接又は間接に連動する少なくとも１個のブロックと、弾性的手段に属する剛性を変化するための少なくとも１個のアクチュエータとを有し、機械的構造に取り付け又はこれに組み込むことができる制振装置に関する。

この種の制振装置は、振動させられる機械的構造の振動エネルギーを適宜に取り除くことによって、機械的構造の所定の振動状態を適宜に減衰するために使用される。いくつか挙げると、ドイツ特許DE 40 37 786、DE 41 21 746 C2 及びDE 199 57 774 C1 の一連の刊行物により、いずれも制振ブロックを備えた機械的制振システムが知られている。制振ブロックはたいていエラストマー材料からなる弾性部材を介して機械的構造に弾結され、共振による過励振の場合に機械的構造から振動エネルギーを取り除く。

制振特性の調整は通常、弾性部材の弾性又は剛性を変化することによって行われる。このような調整は変換の前域で電気機械的制振システムの構造設計によって行われるのが普通である。

制振システムに付随する基本問題は、制振システムを使用する機械的構造の適宜に減衰させる固有振動数に関連した振動数特有の設計に関するものである。すなわち制振システムは、機械的構造の制振点と固有振動数が一致するように設計される。周知の制振システムは単に１つの制振点に対して又は減衰に関して規定され、もしくはごく狭い制振帯域に対して設計されるのが通例である。減衰される機械的構造の機械的性質が変化すれば、すなわち制振される構造の制振点と固有振動数がもはや一致しなければ、制振システムはその効果を失う。特に極端な場合には、減衰させられる機械的構造の制振点と固有振動数との振動数離調の結果、機械的構造が変化した固有共振で、しかも制振なしの機械的構造と比較して著しく大きな振動振幅で振動することさえ考えられる。従って制振特性を必要に応じて、理想的には自動的に調整することが望ましい。このような手法はいわゆる能動型又は適応型制振システムの設計に見られる。その場合減衰させる機械的構造の現在の振動状態をセンサで検出し、現在検出された振動状態に応じて、機械的構造に設けられた少なくとも１個のアクチュエータを逆振動させ、又はアクチュエータによってダンパの振動及び／又は減衰挙動を調節し、こうして機械的構造の有害な振動状態を抑制することができる。

１個の細長い板ばねからおおむねなり、その一端が振動を減衰させる構造と、他端が制振ブロックと結合された適応型制振ダンパは、ドイツ特許 DE 103 51 243 B4 で知られている。最も簡単な場合には板ばねの両端がさらにボーデンケーブルと結合されている。ボーデンケーブルはリニアアクチュエータにより伸縮して調整することができ、こうして板ばねの曲げこわさを調節することができる。構造の振動挙動に応じて、アクチュエータの適当な制御と、それによって初期設定されるボーデンケーブルの伸びによって、制振点が調整される。

とりわけ飛行機部品の適宜な振動減衰のための振動数可変ダンパは、ドイツ特許公開 DE 10 2005 005 770 A1 により知られている。この場合、振動数可変ダンパはおおむね中空円柱形に形成されたエラストマーを有し、エラストマーの両側は一方では振動する構造により、他方では制振ブロックにより気密に画定されている。エラストマーの弾性的性質を変化させるために、エラストマーが取り囲む空洞の内圧は、管路系により適当に変化される。そこでエラストマーが気密に取り囲む容積に変動する圧力を供給するために、適当なポンプ装置とバルブユニットが必ず必要である。

様々な実施形態にかかわらず、従来周知の能動型又は適応型制振システムに共通するのは、アクチュエータ支援による制振点の調整のために、電気、油圧又は空気圧エネルギーのいずれの形にせよ外部エネルギーの供給が必要であるため、その使用範囲は振動を減衰させる構造又は部品で適当なエネルギー供給が可能なものに限られていることである。

本発明の根底にあるのは、弾性的手段を介して機械的構造と直接又は間接に連動する少なくとも1個のブロック、いわゆる制振ブロックと、弾性的手段に属する剛性を変化するための少なくとも1個のアクチュエータとを有し、機械的構造に取り付け又はこれに組み込むことができ、振動を減衰させる構造の最適な制振の目的で弾性的手段の剛性を適宜に変化するために外部エネルギーの供給が必要でない制振装置を提示するという課題である。特にこのような制振ダンパの使用範囲が、あらゆる種類のエネルギー供給がアクセス不能な区域又は部品、例えば他の多くの使用範囲の代表として挙げれば回転部材にも及ぶように、制振ダンパの構造をコンパクトかつ堅固に形成することが可能でなければならない。同じく周知の適応型制振システムでも、解決策に関して形成された制振ダンパは少なくとも同等の又は改善された制振特性を持たねばならない。

発明の根底にある課題の解決策は請求項１に示されている。発明思想を有利に改良する特徴が従属請求項の主題であり、かつ実施例を参照したその他の説明で明かである。 請求項１の上位概念の特徴を有する、解決策に関する制振装置は、制振ブロックと構造との間に生じる振動相対運動をもっぱら利用して電気エネルギーを発生することができる電気エネルギー源が設けてあり、電気エネルギー源に接続した制御ユニットが設けられ、構造の振動挙動に応じかつ制振規則に基づいて少なくとも１個のアクチュエータを作動させることを特徴とする。

解決策に関する制振システムの基礎をなすのは、結局は制振の場所で制振ブロックと機械的構造の間の相対振動運動のエネルギー変換により自足的に電気エネルギーを発生することによって、少なくともダンパ振動数の適応調整のために必要な電気又は電子部品に十分な電気エネルギーを供給するという着想である。こうして制振システムへの一切のエネルギー供給線が不要になるから、制振システムをアクセス不能な場所及び部品に取り付けることができる。従って新規な制振システムは自発的又は自足的に働く孤立的解決策をなす。

振動から、すなわち結局は運動エネルギーから電気エネルギーを得るための特に好ましいシステムは、電気機械的変換原理、例えば圧電又は磁歪効果に基づくか、もしくは電気導体、とりわけコイルセットを磁界内で運動させ、それによって導体内に含まれる電荷担体に作用するローレンツ力の結果、導体に電流の流れが印加される電流力学的原理に基づく。

好ましい実施形態では、解決策に関する自足式適応型制振システムは、少なくとも１個の振動センサを有し、振動センサは構造の現在の振動状態又は振動挙動を検出してセンサ信号を発生し、センサ信号は制御ユニットに送られてさらに評価される。制御ユニット自体は制振規則に基づいて、少なくとも１個のアクチュエータのための制御信号を発生する。制御信号は弾性的手段の弾性又は剛性を調節することができ、それによって構造を最終的に最適に減衰するために、ダンパ振動数が構造の現在の振動挙動に正確に同調される。センサユニット、制御ユニットもアクチュエータもその機能のために電気エネルギーの供給を必要とする。解決策に関して提案されたように、この電気エネルギーはその場で上記の電気エネルギー源によって供給される。当該の電気又は電子部品が消費しうる以上の電気エネルギーが一時的に供給される場合は、例えば蓄電池又は容量型セットの形の補助エネルギー貯蔵装置を設けることができる。電気エネルギーの供給過剰の場合に適当に供給することができる別の電気的負荷、例えば種々の制振規則を無線で伝送することができる無線情報交換ユニット又は調整可能な電気抵抗を設けることも可能である。

さらに二つの方式で制振が行われる。すなわち一方では振動を減衰させる構造の現在の振動挙動に対して機械的制振システムが能動的に影響を及ぼすことによって、他方では振動エネルギーの電気エネルギーへのエネルギー変換により連続的なエネルギー放出によって電気エネルギー源自体も構造の振動をさらに減衰することに寄与する。上記のエネルギー変換による適宜なエネルギー放出によって、ダンパ及び／又は機械的構造の減衰を調節することができる。

自足式制振システムは、特に従来周知の制振システムで外部エネルギー供給のために必要な一切の配線を省略することができるという有利な特徴を有する。このことはさらに、在来の制振システムにとってアクセス不能な場所及び部品にも適応型制振システムを使用できるという利点をもたらす。これはとりわけ、製造設備や工作機械の回転部品、いずれの場合でも自足式システムとして形成される洋上構造、特に到達が困難又は不可能な区域の大型構造物、例えば橋梁、更にエネルギー供給が極度に複雑であるので結局高価な配線を必要とする自動車技術分野である。

次に図面を参照して本発明を実施例に基づき例示する。ただし、一般的発明思想を限定するものではない。

エネルギー自足式適応型制振ダンパの等価回路図である。 適応型制振ダンパを実現するための好ましい実施例の図である。 エネルギー自足式適応型制振ダンパの別の代替実施例の図である。

図１は、振動する構造１をなるべく効果的に減衰するためのエネルギー自足式適応型制振ダンパの概略等価回路図を示す。そのために制振ダンパは、制振ブロック２を有する。制振ブロック２は、例えばばね部材又はばね系の形の弾性的手段３を介して構造１と結合されている。弾性的手段３は可変かつ調整可能な弾性又は剛性を有する。別の実施例は、弾性的手段のこのような可変弾性調整が具体的にどのように実現されるかを示す。その他の点については、これに関する周知の先行技術の解決策に拠ることができる。それに加えて、振動する構造１に対する制振ブロック２の相対的振動運動を電気エネルギーに変えることができる電気エネルギー源４が設けられている。図１の等価回路図では、後述の具体的な実施例で分かるように、電気エネルギー源４が構造１と制振ブロック２の間で連動し、とりわけ弾性的手段３に沿って取り付けられていることでこれを説明することにする。電気エネルギー源４によって発生された電気エネルギーは、エネルギー貯蔵装置５に蓄積又は中間貯蔵され、最終的には電気エネルギーの供給のために給電線９を経て、後続の電気部品へ転送される。すなわち制御ユニット６が設けられており、構造１の振動状態を検出し、そのために構造１に直結された振動センサ７のセンサ信号が、この制御ユニット６で制振規則又は制振アルゴリズムに基づいて、なるべく最適な振動減衰のために評価され、最後に弾性的手段３の弾性又は剛性を調節することができるアクチュエータ８のための作動信号が発生される。

図１に概略的に示した、解決策に関する制振ダンパは、純機械的に動作する制振システムに相当する。その目標は、弾性的手段３を介して機械的構造１に自由振動するように連結された制振ブロック２をある振動数で振動させ、それによって振動する構造１からなるべく多くの振動エネルギーを取り去ることである。これに最適なダンパ振動数を整定するために、振動センサ７、制御ユニット６及びアクチュエータ８からなる制御回路によって弾性的手段３の弾性又は剛性を能動的に制御することが必要である。ところが制御回路に含まれる電気部品は電気エネルギーの供給を必要とする。これを給電線９で概略的に示した。このために必要な電気エネルギーは前述のように自足的に、すなわち解決策に関して形成された制振システムの内部で外部エネルギーの供給なしに得られる。

図２は、解決策に応じて形成されたダンパの具体的な実施例を示す。図２に示された部品は、振動を減衰させる構造１、制振ブロック２、弾性的手段３、アクチュエータ８及び電気エネルギー源４のみを示す。

縦長に又は棒状に形成された弾性的手段３が棒状に形成されたスペーサ１０に沿って取り付けられ、弾性的手段３は棒状手段１０にモーメントなしで固定されているものとする。例えば弾性的手段３は、梁状の板ばねとして形成されているとみなすことができる。棒状手段１０への梁形ばね３の支点の両側に対称に制振ブロック２が梁形ばね上で縦移動可能に設けられている。また二つの制振ブロック２は、アクチュエータ８と結合されており、アクチュエータ８は制振ブロック２を梁形ばね３に沿って、それぞれ棒状手段１０に対して対称に移動することができる。板ばね３に対する制振ブロック２の適当な相対変位によって、板ばね３の振動挙動を可変的に調整できることは明らかである。アクチュエータ８は、更に引張力も推力も二つの縦移動可能に支承された制振ブロック２の間で梁形ばね３の縦方向に伝達することができるように形成しなければならない。そのために、例えば戻しばね付き形状記憶合金線を利用することができる。

図２の実施例で電気エネルギー源４は、たわみ梁形ばね３の表面に取り付けた圧電素子の形で実現されている。圧電素子４の変形によって、圧電素子の内部にある電荷担体の変位が起こり、それによって電圧が発生され、これを適当に取り出すことができる。

別の実施形態を図３に示す。この場合は前記の実施例と同じく棒状に形成された手段１０が設けられ、その片側は振動を減衰させる構造１に結合されている。棒状に形成された手段１０に沿って機械的ストップ１１が設けられ、棒状に形成された手段１０と固結されている。ばね部材３は片側が機械的ストップ１１を押し付け、これに対して他方のばね端部はアクチュエータパッド１２に隣接する。アクチュエータパッド１２は、棒状に形成された手段１０に対して縦移動可能に支承される。さらに、制振ブロック２が設けられている。制振ブロック２は、棒状手段１０を取り囲む対称な形状を有し、例えば中空円柱形に形成され、内側の穴あき中間ウエブ１３により、棒状に形成された手段１０に沿って、直線運動をするように強制案内される。同時に制振ブロック２は、ある軸方向位置でばね部材３に係合することにより、ばね力の作用で振動させられる。さらに図３の実施例では、電気エネルギー源４は電流力学的作用原理に基づいている。すなわち機械的ストップ１１の周縁にコイル系１４が設けられ、永久磁界を生じる磁石系１５に対して、半径方向内側に間隔を置いて配置されている。図３の図示によれば、磁石系７は制振ブロック２に組み込まれている。

機械的構造１により制振システムに働く振動に基いて、制振ブロック２は、棒状に形成された手段１０に対して軸方向に動揺を生じる。動揺又は振動は、結局ばね部材３の剛性又は弾性で決まる。電流力学的作用原理によりコイル系６で、制振システムに含まれるすべての電気部品に引き続き電流供給するのに必要な電圧を取り出すことができる。ダンパ振動数の適応調整のために、アクチュエータパッド１２を棒状に形成された手段１０に対して軸方向に移動させることが重要である。それによってばね部材３が適当に圧縮される。ばね部材３は非線形剛性を有し、それによってダンパ振動数の調整可能な変動性が得られる。

１ ：機械的構造
２ ：制振ブロック
３ ：弾性的手段、ばね部材
４ ：電気エネルギー源
５ ：エネルギー貯蔵装置
６ ：制御ユニット
７ ：振動センサ
８ ：アクチュエータ
９ ：エネルギー供給線
１０：棒状に形成された手段
１１：機械的ストップ
１２：アクチュエータパッド
１３：中間ウエブ
１４：コイル系
１５：磁石系

Claims (15)

1. 弾性的手段を介して機械的構造と直接又は間接に連動する少なくとも１個のブロック、いわゆる制振ブロックと、弾性的手段に属する剛性を変化するための少なくとも１個のアクチュエータとを有し、機械的構造に取り付け又はこれに組み込むことができる制振装置において、制振ブロックと構造の間に生じる振動相対運動をもっぱら利用して電気エネルギーを発生することができる電気エネルギー源が設けられ、電気エネルギー源に接続した制御ユニットが設けられ、構造の振動挙動に応じてかつ制振規則に基づいて少なくとも１個のアクチュエータを作動させることを特徴とする制振装置。
2. 構造と直接又は間接に連動し、制御ユニット及び電気エネルギー源に接続された少なくとも１個の振動センサが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 電気エネルギー源が、圧電セラミックス、電歪セラミックス、磁歪セラミックスの少なくとも１つの種類の材料からなる電気機械的変換材料を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 電気エネルギー源が磁石ユニットにより発生される磁界に対して移動可能に配置された少なくとも１個の電気導体を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
5. 電気エネルギー源がエネルギー貯蔵装置に接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの一つの請求項に記載の装置。
6. エネルギー貯蔵装置が容量及び／又は蓄電池を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 弾性的手段が棒状に形成され、局部的支えにより構造とモーメントなしで結合されており、棒状に形成された手段の両端が自由に振動するように支承され、少なくとも１個のアクチュエータにより上記手段に沿って移動可能な少なくとも１個のブロックが上記手段に沿ってそれぞれ支えと対称に設けられ、棒状手段に沿って現れる振動を電気エネルギーに変換することができる電気エネルギー源が棒状手段に沿って設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
8. 電気エネルギー源として、支えと対称に棒状手段と結合された電気機械的変換材料が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 構造と結合された棒状センタリング手段に沿って１個のブロックが双方向変位可能に支承され、前記ブロックがばねとして形成された弾性ユニットと連動し、弾性ユニットのばね弾性がアクチュエータにより可変かつ調整可能であり、磁界の中で移動しうるように配置されたコイル系が電気エネルギー源として利用されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
10. 棒状センタリング手段が二つの端部を有し、その一方の端部が構造と結合されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. センタリング手段に沿って機械的ストップが設けられ、弾性ユニットの片側がストップに支えられ、弾性的手段の反対側端部が、センタリング手段に対して縦移動可能に支承されたアクチュエータと連動することを特徴とする請求項９又は１０に記載の装置。
12. コイル系が機械的ストップに、磁界を生じる磁石ユニットがブロックに組み込まれていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. ばねが非線形剛性を有することを特徴とする請求項９ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 振動エネルギーを電気エネルギーに変換する適宜なエネルギー変換によって機械的構造に振動減衰が行われるように、電気エネルギー源が構成され、かつ機械的構造と連動することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 電気エネルギー源を規格品化することにより、すなわちその幾何学的構造及び電気的性質により、振動減衰を調整することができることを特徴とする請求項１４に記載の装置。

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