JP2019100390A - 制振構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化等と共に制振性を確保できる新たな形態の制振構造体を提供する。【解決手段】本発明の制振構造体は、単種または複数種の立体格子（１）が三次元的に複数連なった構造体（Ｓ１）からなる。立体格子は、非接合な連続体からなり、立体格子の少なくとも一つは、密閉された管内に粉末が充填された充填管（１１）を少なくとも一部に有する。粉末は、管内に非圧縮状態で充填されていると制振性が確保され易い。このような制振構造体は、例えば、粉末積層法により製造される。この場合、充填管を構成する管と粉末は同材質となる。制振構造体は、立体格子同士を組合わせる他、立体格子と中実立体または中空立体と組合わせてもよい。それらの配置は、各部位の要求仕様（制振性、強度・剛性等）に応じて調整されると好ましい。【選択図】図２

Description

本発明は、振動を低減できる制振構造体等に関する。

電動機（モータ、発電機等）などの作動中に発生する振動は、機器の信頼性、精度、低騒音等を確保するため、少ないほど好ましい。そこで、振動の発生自体を抑制する他、発生した振動を効果的に低減する制振構造体に関する提案も多くなされている。例えば、下記の特許文献に制振構造体に関連する記載がある。

特開２００６−１１２２１９号公報 特開２０１１−２３１８４９号公報

特許文献１は、粉粒体を充填した直線状の中空梁を平面的に配列し、それらにより床を支える制振床構造を提案している。そのような梁を得るためには、中空梁の開口端から粉粒体を充填すると共に、その開口端を蓋で閉塞することが必要となる。さらに、制振床構造を実現するためには、その充填した中空梁を現場に搬送して配置し、その梁を組合わせて固定（溶接、ねじ締結等）した後に、床を敷く必要がある。つまり、粉粒体を充填した梁が予め格子状に一体的（連続的）に形成されていないため、制振床構造の実現には多くの工数が必要となる。また、粉粒体を充填した中空梁を単に平面的に組合わせただけの構造体は、特許文献１にあるような用途に限定され、汎用性や形態自由度が乏しい。

特許文献２は、排気管に取り付けられる振動減衰装置を提案している。この振動減衰装置は、ケース内に非圧縮状態で収容した粉粒体とそのケース内壁との衝突を利用して振動エネルギを吸収させて制振効果を得ている。特許文献２の振動減衰装置は、後付けした場所（部材）に発生する振動を抑制するだけに過ぎず、それ自体が構造物（例えば、構造部材や筐体等）となり得るものではない。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、制振効果を備え、種々の構造物となり得る新たな制振構造体等を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、一体的に連続した立体格子の少なくとも一辺を、中空内に粉末が充填された充填管とすることを思いついた。その立体格子により構成された構造物が高い制振効果を発揮することも確認した。これらの成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《制振構造体》
（１）本発明の制振構造体は、単種または複数種の立体格子が三次元的に複数連なった構造体であって、該立体格子は、非接合な連続体からなり、該立体格子の少なくとも一つは、密閉された管内に粉末が充填された充填管を少なくとも一部に有する。

（２）本発明の制振構造体（単に「構造体」という。）によれば、軽量化や形態自由度等を図りつつ、所望の制振性を確保した構造物を得ることができる。なお、制振性は、粉末粒子同士の接触（摩擦）やその粉末粒子と管内壁の衝突等により、振動エネルギが熱エネルギに変換されて散逸することに依り生じると考えられる。軽量化は、構造体の少なくとも一部が中実ではなく立体格子からなることに依る。形態自由度は、立体格子を三次元的に自在に配置して連ねることが可能なことに依る。

《制振構造体の製造方法》
本発明は制振構造体の製造方法としても把握できる。例えば、本発明は、上述した制振構造体を粉末積層法により製造する制振構造体の製造方法でもよい。

粉末積層法は、粉末を用いた付加製造法（ＡＭ：Additive Manufacturing）の一種であり、粉末焼結積層造形法でも、粉末固着積層造形法でもよい。粉末焼結積層造形法によれば、各層の原料粉末（主に金属粉末）に加熱源である高エネルギービームを照射して、その原料粉末を順次焼結（溶融凝固を含む。）させていくことにより、造形物が得られる。粉末固着積層造形法によれば、各層の原料粉末に、接着剤（インク）を逐次吹付けて、その原料粉末を順次結着させていくことにより、造形物が得られる。

粉末焼結積層造形法は、粉末床溶融結合法（ＰＢＦ：powder bed fusion）を行う装置でも、指向性エネルギー堆積法（ＤＥＤ：directed energydeposition）を行う装置でもよい。ＰＢＦは、原料粉末（金属粉末）を薄く１層敷く毎に、所定の経路で高エネルギービーム（レーザ、電子ビーム等）を走査して、原料粉末を溶融凝固させることを繰り返して、所望形状の造形物（金属バルク体）を得る方法である。ＤＥＤは、高エネルギービームの焦点付近に投射した原料粉末（金属粉末）を溶融凝固させつつ、その溶融凝固位置を走査（移動）させて所望形状の造形物（金属体）を得る方法である。

粉末積層法（特にＰＢＦ）によれば、残存する原料粉末（未焼結（未溶融）または未結着な原料粉末）をそのまま、管内に充填する粉末として利用できるため、充填管の形成が容易となり好ましい。

《その他》
（１）本発明に係る立体格子の大きさは種々選択し得る。もっとも、本発明の制振構造体により機械部品等を形成するような場合、その形態自由度を確保するために、立体格子のサイズ（最長辺の長さまたは隣接格子間距離）は０．５〜５０ｍｍさらには１〜２５ｍｍ程度とすると好ましい。一方、構造体（構造物）の大きさは、連ねる立体格子の配置数により、任意に設定し得る。但し、粉末積層法により製造する場合を考慮すると、最長部の長さが１〜１０００ｍｍさらには１０〜５００ｍｍ程度であると好ましい。

（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

立体格子の様々な形態例を示す斜視図である。 一例である立体格子の要部断面を示す斜視図である。 制振性を評価するために製作した各試料（構造物）の形態を示す斜視図である。 その制振性の評価に用いた音圧測定の様子を示す模式図である。 各試料に係る音圧測定結果を示すグラフである。 制振構造体（構造物）の様々な形態例を示す斜視図である。 管に充填された粉末の充填率の算出方法を示す説明図である。

本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の制振構造体としてのみならず、その製造方法にも適宜該当する。方法的な構成要素であっても、物に関する構成要素ともなり得る。

《立体格子》
立体格子は、直線状または曲線状の辺部により形成された格子（面）が三次元的に連なったものであり、交差する複数の格子面からなる。格子面の形状は、三角形状、四角形状、５角形状等の角形状の他、（楕）円形状等でもよい。立体格子の形状も、立方体状、直方体状、錐状（三角錐状以外でもよい）等のいずれでもよい。但し、各立体格子（さらには中実立体や中空立体）の配置自由度、連結性等を考慮すると、立体格子の外形は、立方体状であると好ましい。また、立体格子は、辺部の結合点（端部）間を連結するブレース（筋交い、斜め辺部）等が格子面内または立体格子内に設けられていてもよい。部品表面の滑らかさを考慮すると、立体格子の外形は四面体（三角錐）であると好ましい。

立体格子は、それを構成する辺部等が、接着、溶接、ねじ締結等により接合されたものではなく、一体的に形成された連続体からなる。充填管も同様であり、粉末の充填後に開口を蓋して閉管したものではなく、連続中空体により粉末が密閉されている。このため、充填管から粉末が漏出することはなく、粉末の充填後に蓋等による閉塞も不要である。

本発明の構造体は、形態（形状、大きさ、充填管の配置等）が同じ単種の立体格子のみで構成されてもよいし、形態が異なる複数種の立体格子が混在して構成されてもよい。また、それら立体格子の全辺部が充填管により構成されていてもよいし、立体格子の一部のみが充填管で構成されていてもよい。

さらに本発明の構造体は、立体格子のみならず、立体格子と連なる中実立体または中空立体を備えるものでもよい。中実立体は中実なブロック状であり、中空立体は中実立体の内部が空洞となったものである。なお、中空立体の内部にも粉末が充填されていると、その部分でも制振性を図れて好ましい。中実立体や中空立体は、種々の形態をとり得るが、少なくとも連なる立体格子に応じた外形状をしていると好ましい。

《充填管／粉末》
充填管は、粉末を内包する管（壁）と粉末が同材質からなると好ましい。これにより管と粉末の間の反応が抑止され、構造体の耐久性が向上し得る。ここで、同材質とは、管と粉末が実質的に同組成系からなることを意味し、分析対象となる管の平均的な成分組成と粉末の平均的な成分組成を比較して、同組成系（同質材）か否かが判断される。同材質となる場合として、例えば、内包する粉末と同じ原料粉末により管が形成されているような場合がある。

なお、管の形成時に雰囲気中から微量な成分（Ｎ、Ｏ等）が混入して、管と粉末の組成が完全に一致しないこともあり得るが、このような場合も同組成系（本発明でいう「同質材」）とする。勿論、管と粉末の金属組織は、異なっていてもよい。

粉末粒子が管内壁に衝突したり、粉末粒子同士が摺接し得るように、粉末は、管内に非圧縮状態で充填されていると好ましい。これにより充填管による制振性が確保される。ちなみに、管に充填された粉末の割合である充填率は、例えば、２０％〜８０％さらには３０％〜７０％程度とすると好ましい。充填率が過少でも過多でも制振効果の低下を招き得る。なお、粉末積層法で充填管を造形した場合、粉末の粒度にも依るが、概ね充填率は４０％〜６０％程度となる。

上述した充填率の算出式は次のようになる（図７参照）。
充填率（％）＝（Ｖｐ／Ｖ）×１００＝（ΣＶｉ／Ｖ）×１００
Ｖ：管の内容積、Ｖｐ：管内に充填された粉末の総体積、ｖｉ：粉末粒子一つの実体積

粉末の粒度は、立体格子や充填管のサイズに応じて適宜選択される。本発明の制振構造体を粉末積層法で製造する場合なら、造形性、粉末の入手性、取扱性または品質等を考慮して、粉末の粒度は５〜３００μｍ、１０〜１５０μｍ、１５〜１００μｍ、２０〜６３μｍさらには２５〜４５μｍであると好ましい。

なお、本明細書でいう粉末の粒度は、特に断らない限り、所定のメッシュサイズの篩いを用いて分級する篩い分け法で規定する。例えば、粒度「ｘ〜ｙ」は、篩目開きがｘ（μｍ）の篩いを通過せず、篩目開きがｙ（μｍ）の篩いを通過する大きさの粒子からなることを意味する。粒度「ｙ未満」または「−ｙ」は、篩目開きがｙ（μｍ）の篩いを通過する大きさの粒子からなることを意味する。

粉末の材質は、金属、樹脂、ゴム、セラミックス等のいずれでもよい。磁力を利用する装置（電動機等）の制振には、非磁性材を用いると好ましい。ＰＢＦやＤＥＤにより構造体を製造する場合は、金属粉末（アトマイズ粉等）を用いると好ましい。

《構造体》
本発明の構造体は、汎用品でも、専用品でもよい。汎用品は、例えば、板状、ブロック状、柱状、管状、環状等の汎用部材である。専用品は、例えば、制振対象である機器や装置に沿った形状をした必須部材である。例えば、既存の機器や装置に対して後付けされるものではなく、例えば、加振源を包囲する筐体（例えば、電動機のハウジングまたはケーシング）の少なくとも一部を構成するものである。なお、本発明の構造体は、内部に充填管を備えた立体格子を有する限り、少なくとも最外面が壁面等で包囲されたものでもよい。その際できる内部空間内にも粉末が充填されていると、立体格子の辺部の外周面でも粉末との衝突・接触が生じて、さらなる制振性の向上が図られ得る。

《立体格子》
立体格子の具体的な形態例を図１に示した。立体格子１は、直線状の辺部１１が略立方体状に連結されてなる。立体格子２は、略立方体状に連結された直線状の辺部２１に加えて、各隅部（角部）から延在して中心部で集結したブレース部２２を有する。立体格子３は、円環状の辺部３１により形成された６つの格子面が略立方体状に連結されてなる。立体格子４は、直線状の辺部４１が略正三角錐状に連結されてなる。なお、いずれの辺部も断面は円環状となっている（図２参照）。

代表例である立体格子１の各辺部１１の断面を図２に示した。辺部１１は、中空体である管１１１と、その内部に密閉充填されている粉末１１２とからなる。なお、立体格子１は、粉末積層法により一体形成された非接合な連続体（継部または継目のない連続体）からなる。各辺部１１の端部が集結する角部１１３も、非接合な連続体からなり、角部１１３の内部も粉末１１２が充填された状態となっている。つまり、各辺部１１は角部１１３を介して連通した状態となっている。

《制振性試験》
（１）試料の形状
粉末積層造形法（ＰＢＦ）により、図３に示す板状部材（構造体）を製造した。板状部材は、概形が略直方体状（２５０ｍｍ×２０．５ｍｍ×７ｍｍ）であるが、内部は単位セルとなる略立方体状の立体格子（隣接辺部の中心間距離４．５ｍｍ）が規則的に多数（５５×４×１個）配列された状態となっている。なお、板状部材の外周面は解放状態（外壁で覆われていない状態）となっている。

試料１は、立体格子の辺部を充填管（φ２．５ｍｍ×φ１．５ｍｍ）とした場合である。試料Ｃ１は、立体格子の辺部を中実棒（φ２．５ｍｍ）とした場合である。なお、充填管内に充填されている粉末は、後述する原料粉末と同じである。

（２）試料の製作
試料１と試料Ｃ１は共に、ＰＢＦを行う粉末積層装置（ＳＬＭ２８０ＨＬ SLM Solutions 社製）を用いて製造した。原料粉末には、市販されているＡｌＳｉ１０Ｍｇ粉末（成分組成：Ａｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ−０．３５ｗｔ％Ｍｇ、粒度：２０〜６３μｍ）を使用した。なお、このときの試料１に係る充填率は４８〜５９％となる。

（３）測定
図４に示すように、ワイヤーで懸架した各試料を、ハンマーで軽く打撃する。このとき、各試料から生じる音圧を、その下方に配置した騒音計で経時的に測定する。こうして、図５に示すように、各試料に係る音圧の時間変化を得た。

（４）評価
図５から明らかなように、試料１は、早期に音圧が急減しており、高い制振性が発揮されることがわかった。

一方、試料Ｃ１は、試料１と外観的に同一でも、辺部が粉末を含まない中実棒からなるため、音圧の減衰が遅く、制振性に劣ることがわかった。

《変形例》
制振構造体は、単種の立体格子で形成する場合の他、図６に示すように、異なる立体格子を組合わせたり、立体格子と中実立体等を組合わせてもよい。具体的にいうと、次の通りである。

制振部材Ｓ１は、立体格子１と略立方体状の中実立体５を組合わせてなる。それらの配置は自在に調整できる。例えば、強度や剛性を要する部位には中実立体５を配置し、制振性を要する部位には立体格子１を配置する。これにより、強度（剛性）、制振性、軽量化等を高次元で満足する部材（例えばケース等）を得ることが可能となる。

制振部材Ｓ２は、充填管からなる立体格子１と中実棒からなる立体格子６を組合わせてなる。それらの配置も、部材Ｓ１と同様に、仕様に応じて自在に調整され得る。

制振部材Ｓ３は、充填管からなる立体格子１と充填管からなる立体格子２を組合わせてなる。それらの配置も、部材Ｓ１と同様に、仕様に応じて自在に調整され得る。なお、立体格子２はブレース２２を備えるため、立体格子１よりも高剛性または高強度である。

Ｓ１ 制振部材（制振構造体）
１ 立体格子
１１ 辺部（充填管）
１１１ 管
１１２ 粉末

Claims (7)

1. 単種または複数種の立体格子が三次元的に複数連なった構造体であって、
   該立体格子は、非接合な連続体からなり、
   該立体格子の少なくとも一つは、密閉された管内に粉末が充填された充填管を少なくとも一部に有する制振構造体。
2. 前記充填管は、前記管と前記粉末が同材質からなる請求項１に記載の制振構造体。
3. 前記粉末は、前記管内に非圧縮状態で充填されている請求項１または２に記載の制振構造体。
4. 前記粉末の粒度は５〜３００μｍである請求項１〜３のいずれかに記載の制振構造体。
5. さらに、前記立体格子に連なる中実立体または中空立体を備える請求項１〜４のいずれかに記載の制振構造体。
6. 前記中空立体は、内部に粉末が充填されている請求項５に記載の制振構造体。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の制振構造体を粉末積層法により製造する制振構造体の製造方法。