JP3699731B2 - 同調振動ノイズ低減方法および同調振動ノイズ低減装置 - Google Patents

Description

（本発明の技術的背景）
１．本発明の技術分野
本発明は、振動絶縁技術に関し、さらに具体的には、運動質量体を装着する基板に誘起される振動による構造的ノイズを低減するための装置に関する。
２．従来技術の説明
いわゆるリングレーザジャイロスコープ（ＲＬＧ）は、閉鎖ループに関して反対方向に伝播する２本の単色レーザビームを利用する。ループ軸線に関するこのＲＬＧ装置の回転は、一方向におけるビーム進路の長さを効果的に増長させ、他方向の進路長さを短縮させる。２本の対向回転するビームのレーザ周波数は、レーザ進路長さの関数であるから、ＲＬＧの回転によりもたらされる進路長さの差は、２本のビームの間に周波数の差をもたらす。この周波数差の大きさおよび符号（正か負か）は、ＲＬＧの回転速度および方向を表わし、この技術分野において周知の態様で監視され得る。低い回転速度においては、対向回転ビーム間の周波数の差は小さく、両ビームは同じ周波数で共振（ロックイン）する傾向を示し、従ってＲＬＧは停止しているように見える。このロックインは、ロックイン速度またはそれ以下の速度における回転のＲＬＧによる感知を妨げる。このロックイン速度を低減させるためには、ＲＬＧをその軸線に関して機械的に振動、揺動させ、まず一方向に、次いで他方向に回転させる。このような揺動は、両方向における明白な回転を維持するが、機械的振動とは実質上無関係である信号を出力端子にもたらし、従ってロックイン速度を低減させる。
揺動はＲＬＧを装着している構造体を振動させ、これにより構造的ノイズを生起させるが、このノイズは装着構造体に機械的に結合されている諸設備に悪影響を及ぼす。このような構造的ノイズを低減させるための公知方法が、発明者、チャールズ、Ｍ．アドキンスらから本願出願人に譲渡された米国特許５０１２１７４号明細書に記載されている。このアドキンスらによる装置は、ＲＬＧを装着する基板に直接的に取付けられ、電子的に基板に対抗的振動を生起させて、揺動ＲＬＧにより誘起される振動を相殺する。しかしながら、このアドキンスらの装置は、機械的、電気的に複雑であり、従って比較的廉価なＲＬＧを使用する場合にくらべて、著しくコストが高い。
構造的ノイズを低減させるための他の方法が、ジェイムズ、Ｒ．ブラゼルらに附与され、他者に譲渡された米国特許５２６７７２０号明細書に記載されている。ブラゼルらによれば、相互に直交する回転軸に沿って配置されている１対のノイズ減衰装置を使用するべきことが教示されている。各ノイズ減衰装置は、それぞれ、機械的に構成された機枠に型成形装着された高減衰性エラストマー材料に保持されている精密なバルブスプリングを有する。両ノイズ減衰装置の整合および両回転軸の斉合は、必要な基板の安定性をもたらすように、僅少の公差を以て行なわれねばならない。センサ支持構造体の機械的共振の抑制は、外表面の９０％に粘弾性の押圧された層を施こすことにより行なわれる。衝撃、振動、構造的ノイズの絶縁に適応するためには、高精密機械工作、型成形エラストマーの僅少の公差、整合せしめられた予備負荷ノイズ減衰装置、および高コストの検査が必要とされる。従って、この公知装置は、製造、組立てが困難であり、高コストを要する。
（本発明の要約）
本発明の原理により、構造的ノイズは、例えば、リングレーザジャイロ（ＲＬＧ）のような振動装置の機枠に、補助質量体を装着することにより、所望の周波数範囲において抑止される。この補助質量体は、可撓性（強靱性）を以て構成され、発条様作様を示し、支持枠、機枠の好ましくない周波数応答によりもたらされるその振動の最大振幅位置に波節（零運動）をもたらすような態様で、この機枠に装着される。この装着の構造、方法により、補助質量体が、ＲＬＧの好ましくない強制周波数で振動せしめられ、その結果として支持構造体の振動を最少限度にする。すなわち、結合された構造体、支持枠および補助質量体の固有周波数が、振動装置の強制周波数からシフトされる。これらの諸特徴およびその他の諸特徴は、添附図面およびこれに関してなされる以下の詳細な説明からさらに明らかになされる。
【図面の簡単な説明】
図１は、振動発生装置、その機枠および本発明の好ましい実施態様による装置から成る集合体の分解斜視図、
図２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、図１に示される機枠／カバー集合体の共振周波数およびこれに伴なうモード形態を示す図面、
図３Ａ、３Ｂは、本発明装置を具備しない、および具備する図１に示される集合体の強制振動第一軸に沿った振動マグニチュード対振動周波数の関係を示すグラフ、
図４Ａ、４Ｂは、本発明装置を具備しない、および具備する図１に示される集合体の強制振動第一軸に直交する第二軸に沿った振動マグニチュード対振動周波数の関係を示すグラフ、
図５Ａ、５Ｂは、本発明装置を具備しない、および具備する図１に示される集合体の強制振動第一軸および第二軸に直交する第三軸に沿った振動マグニチュード対振動周波数の関係を示すグラフである。
（好ましい実施態様の説明）
まず図１において、例えば揺動ＲＬＧのような振動装置１１は、ＲＬＧを操作するための、カバー１５により閉鎖される連体１３内に配置されている。この連体１３は中心線１４ａを有するトップウォール１３ａと、中心線１４ｂを有するボトムウォール１３ｂとを備えている。この質量体に作用する外力は、これにより生起される強制周波数で、質量体を振動させる。ＲＬＧの揺動のような装置１１の振動は、単量体として作用する連体／カバー集合体１３、１５の強制振動を生起させる。この強制振動は、振動装置１１によりもたらされる強制周波数ωで振動する。この強制周波数に応答する連体／カバー集合体１３、１５の振動振幅を低減させるために、連体／カバー集合体は、最低強制周波数よりも低い固有周波数ω₀をもたらすようになされる。質量体の固有周波数が、式ω₀ ²＝ｋ／ｍ（ｋは質量体の強靱性、ｍは質量を表わす）により決定されることは周知の通りである。従って、固有周波数ω₀は、構造体材料、壁厚および連体周辺の拘束点を選定して、適当なｋ／ｍ比をもたらし、最低強制周波数以下に位置され得る。連体／カバー集合体１３、１５の強制振動は、適切に設計された補助質量体を適当にこれと結合することにより、強制周波数範囲内で最少限になされ得る。不減衰振動系の強制振動振幅ｘ₀は、周知のように下式により決定される。

ただし、式中の
Ｐ₀は励振力の振幅、
ｋ₀＝ｍ₀ω₀ ²、
ｍ₀は連体／カバー集合体の質量、
ωは強制周波数、
ω₀は連体／カバー集合体１３、１５の固有周波数、
Ｐ₀／ｋ₀は理論的スプリングの静的偏向である。
偏向振幅ｘ₀は、連体／カバー集合体の質量を増大させることにより減少させ得る。これは補助質量体１７を、連体／カバー集合体１３、１５と結合させることにより達成され得る。この結合により、質量ｍ_eqが装置系全体に附加される。

ただし、式中の
ｍ_eqは補助質量体１７により附加されるのと同等の質量、
ｍ_amは補助質量体１７の実際の質量、
ω_amは補助質量体１７の固有周波数である。
補助質量体１７の同等質量は、強制周波数比β_am＝ω／ω_am、質量割合（μ＝ｍ_am／ｍ）、連体／カバー集合体１３、１５の静的偏向の関数である結合装置の振動振幅をもたらし、これは下式により決定される。

ただし、β＝ω／ω₀である。
上述したところから明らかなように、強制周波数ωにおける振動振幅ｘ₀は、補助質量体共振周波数を強制周波数に同調させるとき、すなわちω_am＝ωまたはβ_am＝１とするとき、実質的に零である。
前述したように、振動を抑制するため、連体／カバー集合体１３、１５は、第一の基礎周波数を、振動装置１１の強制周波数帯の範囲外とするように構成される。振動装置が揺動ＲＬＧである場合、強制周波数帯は、４５０Ｈｚから６５０Ｈｚの範囲である。集合体１３、１５の固有周波数における振動の抑制を確実にするために、この強制周波数帯の最低周波数により低い固有周波数が選択され、集合体１３、１５はこれに対応して構成される。
連体／カバー集合体１３、１５の数学的モデルを、集合体１３、１５の固有周波数を決定し、強制周波数範囲内の共振数を最少限とするための数学的モデルが作成された。この理想的な数学的モデルは、４５０ＨｚのＲＬＧ最低周波数以下の第一共振周波数４０５Ｈｚをもたらした。この第一共振のための連体／カバー集合体１３、１５上の各位置における相対的偏向振幅が、図２Ａに示されている。５３４Ｈｚの第二共振は、ＲＬＧの強制周波数範囲、４５０Ｈｚから６５０Ｈｚの間に在る。この第二共振のための集合体１３、１５上の各位置における相対的偏向振幅が図２Ｂに示されている。９９０Ｈｚにおける第三共振のための相対的振幅が図２Ｃに示されているが、これは強制周波数帯より高い。第二モードの５３４Ｈｚにおける共振のみが、ＲＬＧの好ましくない強制周波数の範囲内に在る。図２Ａから、振動節ライン（この節すなわちノードの線に沿って偏向は零である）は、図１に示した連体１３のトップウォール１３ａ上の中心線１４ａ上に在ることは明らかである。また図２Ａから、最大の偏向が図１の位置２７ａ、２７ｃの近くに在ることも明らかである。従って、特定の連体集合体の振動節線、すなわち中心線１４ａは、補助質量体１７を連体集合体と位置２９、２７ｂにおいて結合することにより補助質量体を固定、拘束するために使用される。さらに、補助質量体の偶角部２４ａ、２４ｂは、それぞれ、最大限の振動抑制が要求される連体の偶角部２７ａ、２７ｃに結合される。連体／カバー集合体１３、１５の固有周波数における振動の抑制を確実にするために、補助質量体は５３０Ｈｚ近傍の強制周波数で振動するように構成され得る。
分析モデルから推測される最適の壁厚、選択された材料および拘束点を有する連体／カバー集合体を衝撃ハンマーテストに附した。図３Ａ、４Ａおよび５Ａに示されるように、この装置の周波数応答は、計算された最初の３共振モードに対応した。
さらに、これら図３Ａ、４Ａおよび５Ａには、典型的な連体／カバー集合体の連体１３の、図１中のｘ、ｙおよびｚの各軸線に沿う位置１６における、零近傍から１６００Ｈｚまでの強制周波数に関する周波数応答が示されている。この位置１６における共振は、３５０Ｈｚ、５４８Ｈｚおよび９６０Ｈｚで現われる。これら周波数応答のうち、５４８Ｈｚにおける共振のみが強制周波数帯中に在る。
共振周波数帯内の振動振幅を減少させるために、補助質量体１７が連体／カバー集合体１３、１５に附加され、複合構造体を構成するが、この補助質量体は、４個の区劃（これら各区劃内にはスチールショット２１（ＢＢ）が配置される）底板１９と、蓋板２３とを有する。蓋板２３に穿設された透孔２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、および底板１９に穿設された透孔２２ａ、２２ｂ、および２２ｃをそれぞれ貫通して延びるねじ２５ａ、２５ｂ、および２５ｃを、蓋板上のスペーサ２７ａ、２７ｂ、および２７ｃ下方のねじ孔にねじ込むことにより、補助質量体１７は、集合体１３、１５に結合、固定される。連体１３と補助質量体１７との間の、あらかじめ定められた均斉な空隙は、スペーサ２７ａ、２７ｂ、２７ｃを利用し、補助質量体１７を連体１３上のパッド２９に着座させることによりもたらされる。スチール製ＢＢ２１の寸法は、底板１９の各区劃に充填され、それぞれの運動不能の接触状態を維持するように決定される。図面を簡略化するため、スチールショットの一部を装填した状態で図示されている。このスチールショット２１は、任意所望の質量と、補助質量体１７の剛性をもたらすために使用される。
補助質量体の全質量は、所望の同調周波数をもたらし、結合された装置全体が強制周波数帯外で共振するように算定される。結合された連体／カバー集合体１３、１５と、補助質量体１７との特徴的等式は、前述した等式の分母
（１−β_am ²）（１−β²）−β²μ
を零とすることによりもたらされ得る。ω_n＝ωとし、分母をω_n、ω₀、ω_amおよびμの関数として書直せば、以下の結合された装置の特徴的等式が得られる。
（ω_n ²−ω_am ²）（ω_n ²−ω₀ ²）−ω_n ²ω_ａ ²μ＝０
これから結合された装置の共振周波数ω_nが下式により算出される。

これから、選定された質量割合における、結合された装置の共振周波数が算出される。種々の質量比における共振周波数を算出することにより、強制周波数帯外に在る共振周波数の選定が可能となる。
連体／カバー集合体１３、１５の質量が、約９ｋｇ（２０ポンド）、選定される質量比が０．１、０．２および０．２５とした場合、結合合体装置が、これらの質量比で、好ましくない５３４Ｈｚの共振をもたらすか否かが判定され得る。
（μ_m＝０．１の場合）
ω_n1＝１．１８ω_am＝６３０．１Ｈｚ
ω_n2＝０．８８ω_am＝４６９．９Ｈｚ
ω_n1は強制周波数帯内に在るから、この質量比は適当でない。
（μ＝０．２の場合）
ω_n1＝１．２５ω_am＝６６７．５Ｈｚ
ω_n2＝０．８０ω_am＝４２７．２Ｈｚ
これも強制周波数帯内に在るから不適当である。
（μ＝０．２５の場合）
ω_n1＝１．１３ω_am＝６９４．２Ｈｚ
ω_n2＝０．７８ω_am＝４１６．５Ｈｚ
この質量（比）は、連体／カバー集合体と、補助質量体との結合合体装置の共振周波数を強制周波数帯の範囲外に置くものであるから、適当である。この質量比は、上記の連体／カバー集合体１３、１５の共振を抑制するのに最適である。これより高い質量比は、全体の重量を増大させ、同じω_mを維持するための補助質量体の剛性を増大させると共に、無用の周波数帯（ｄｅａｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ）の拡大をもたらすだけであって、有益ではない。従って、補助質量体の全重量、ｍ_amは、約２．２７ｋｇ（＝５ポンド＝０．２５×２０ポンド）となる。また、重量は、質量・時間・重力加速度（ｗ＝ｍｇ、ｇ＝３８６ｉｎ／ｓ²）であるから、補助質量体１７の全質量は０．０１２９５ｌｂｓ・ｓ²／ｉｎである。また、補助質量体の剛性ｋ_am＝ω_am ²ｍ_mであるから、これは（５３４×２ｐ）²×０．０１２９５＝１４５７８５ｌｂｓ／ｉｎであり、これが全発条強靱性である。
補助質量体１７およびねじ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの構造は、ねじのトルクの調整により、好ましくない強制周波に微細に同調され得る同調質量／発条装置を形成し、連体／カバー集合体の強制振動に対抗作用する。結合ねじ２５ａ、２５ｂ、２５ｃがねじ込まれる連体１３上の結合位置２７ａ、２７ｂは、それぞれ、結合合併装置の共振周波数における、外部誘起されたランダム環境的シヌソイド振動の間、連体／カバー集合体１３、１５の振動抑制を最大限ならしめ、かつ補助質量体の安定性を増大させるように選定される。補助質量体の反作用力挙動は、図１に示されるような三角形配置結合位置２７ａ、２７ｂ、２７ｃにより著しく増大される。このような結合点の配置により、位置２７ａおよび２７ｃにおける振動節、すなわちノードは、強制振動周波数的になされる。好ましい同調は、ねじ２５ａ、２５ｃのトルクを調整し、位置２４ａ、２４ｃを水平面上に移動させることにより行われる。
補助質量体１７は、これが強制周波数帯における好ましくない周波数と実質的に等しい固有周波数を持つように、またこれが集合体１３、１５の曲げモードと実質的に同じ曲げモードを持つように構成され、配置される。その底板１９および蓋板２３の材料、スチールショット２１の重量およびねじ２５ａ、２５ｂ、２５ｃのトルクは、比ｋ_am／ｍ_am＝ω_amが強制周波数により励起された場合の集合体１３、１５の振動周波数とほぼ等しくなるような強靱性ｋ_amおよび質量ｍ_amをもたらすように選定される。従って、集合体１３、１５の振動は、補助質量体１７の結合合体により対抗され、結合された装置全体の振動は著しく低減される。
上述したように補助質量体１７の装着は、連体１３の位置２７ａ、２７ｃにそれぞれ結合された補助質量体の位置２４ａ、２４ｃにおいて、零運動部分（振動節）を形成する。これは、連体１３の両位置２９と２７ｂにより決定される節線（ノーダルライン）１４ａに、補助質量体に固有の節線２６を平行に置くことにより達成される。そして、節線２６は蓋板２３の中心線であり、節線（ノーダルライン）１４ａは、トップウォール１３ａの中心線である。補助質量体１７は、これを連体上方壁面上のパッドないしボス２９と接触させ、ねじ２５ａ、２５ｂ、２５ｃにトルクを及ぼすときに作動される。この場合、パッド２９というスペーサを設けずに、補助質量体１７と連体１３とを直接的に接触させることにより、全体的に完全な面対面接触が達成されることに留意すべきである。これにより補助質量体質量ｍ_amの、連体／カバー集合体の質量ｍ₀への附加、従って結合合併装置全体の質量ｍ_total＝ｍ_am＋ｍ₀がもたらされ、好ましくない振動振幅
ｘ₀＝（Ｐ₀／ｋ）／［（１−ω²／（ｋ／ｍ_total）］
をもたらすω_am＜＜ωおよびβ_am〜０のような無視可能のｋ_amの関与をもたらさない。
図３Ｂ、４Ｂおよび５Ｂは、補助質量体１７を結合、装着した状態において、それぞれｘ、ｙ、ｚ軸線に沿っている連体１３の位置１６における放射線応答を示す。この図３Ｂにおける周波数応答を図３Ａの周波数応答と対比すれば、４５０Ｈｚから６５０Ｈｚの周波数帯において、ｘ軸に沿う振動振幅の著しい低減が明白である。補助質量体を結合、装着しない状態で、共振をもたらす５４８Ｈｚにおける振動振幅マグニチュードは、周波数帯全体にわたる振動振幅の減少と共に、２０ｄＢ以上低減された。同様にして、図４Ｂを図４Ａと、図５Ｂを図５Ａと対比した場合、ｙ軸およびｚ軸に沿う振動振幅の減少は明白である。
以上において本発明の好ましい実施態様を例示的に説明したが、これらは本発明範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に属しながら、なお上記実施例と相違する場合は多々あり得る。

Claims (11)

1. 周波数帯第一末端および周波数帯第二末端を有する強制周波数帯の範囲内において、連体（１３）とカバー（１５）とを有する振動体（１３、１５）の発生するノイズを減少させるための方法において、
   複数区劃を有する区分板体（１９）を形成すること、
   前記板体の各区劃に複数のスチールショット（２１）を充填すること、
   区分板体（１９）上に前記スチールショット（２１）を保持するように蓋板（２３）を載置することを含み、
   加えられた外力により生起さる強制周波数で振動するように補助質量体（１７）を構成する工程、および
   補助質量体（１７）と振動体（１３、１５）を結合することにより、振動体（１３、１５）による外力を受けたときに、前記振動体の振動振幅よりも小さい振動振幅を以て、かつ前記強制周波数帯内の周波数において、振動する複合構造体（１３、１５、１７）を形成する工程を包含することを特徴とする同調振動ノイズ低減方法。
2. 振動体（１３、１５）が、前記第一末端近傍で、前記強制周波数帯範囲外に固有周波数を持つように振動体（１３、１５）を構成する工程、および、
   補助質量体（１７）が前記強制周波数帯の範囲内に固有周波数を持ち、
   複合構造体（１３、１５、１７）が、前記強制周波数帯の範囲外に固有周波数を持つように、補助質量体（１７）を構成する工程とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 連体（１３）のあらかじめ決定された複数の位置にねじ山を付けた孔を形成すること、
   区分板体（１９）の前記あらかじめ定められた各位置に対応する位置に透孔（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）を形成すること、および蓋板（２３）の前記あらかじめ定められた各位置に対応する位置に透孔（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）を形成すること、
   およびねじボルト（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）を前記透孔に貫通させて前記ねじ山を付けた孔に係合させ、さらにねじボルト（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）をねじ込むことにより、質量体（１７）の振動周波数を同調させることの各工程をさらに包含することを特徴とする、請求項１の同調振動ノイズ低減方法。
4. 前記ねじ山を付けた孔および透孔（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ；２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）を連体（１３）および蓋板（２３）の中心線（１４ａ、２６）上にある頂点を有するそれぞれの三角形状に配置することを特徴とする、請求項３の同調振動ノイズ低減方法。
5. 連体（１３）上にスペーサ（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）を配置し、連体（１３）と質量体（１７）の間のあらかじめ定められた間隔を維持し得るようにする工程をさらに包含することを特徴とする、請求項４の同調振動ノイズ低減方法。
6. 質量体（１７）を作動せる連体（１３）の中心線（１４ａ）にパッド（２９）を形成する工程をさらに包含することを特徴とする、請求項５の同調振動ノイズ低減方法。
7. 周波数帯第一末端および周波数帯第二末端を有する振動周波数帯内の振動周波数を発生させる強制振動に服せしめられる、振動体（１３、１５）の振動を減少させるノイズ低減装置であって、
   複数の区劃を有する区分板体（１９）と、
   前記複数の各区劃内に納められ、充填された複数のスチールショット（２１）と、
   スチールショット（２１）を被覆するよう区分板体（１９）上に載置された蓋板（２３）と、から構成され、加えられた外力により生起さる強制周波数で振動する補助質量体（１７）と、
   該補助質量体（１７）と、振動体（１３、１５）とが結合されて構成され、振動体（１３、１５）の外力を受けたときに、前記振動体の振動振幅よりも小さい振動振幅を以て、かつ前記強制周波数帯内の周波数において、振動する複合構造体（１３、１５、１７）と、
   を含むことを特徴とする同調振動ノイズ低減装置。
8. スチールショット（２１）が、前記区劃内において運動不能に配置されていることを特徴とする、請求項７の同調振動ノイズ低減装置。
9. 各スチールショット（２１）が、すべて等しい直径を有することを特徴とする、請求項８の同調振動ノイズ低減装置。
10. 連体（１３）が、複数の前記ねじ山を付けた孔を持っており、補助質量体（１７）が、前記ねじ山を付けた孔に対応して複数の透孔（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ；２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）を持っており、
    ねじボルト（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）を透孔（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ；２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）を貫通させ前記ねじ山を付けた孔に係合させることにより補助質量体（１７）を振動体（１３、１５）に結合させることを特徴とする、請求項７の同調振動ノイズ低減装置。
11. 前記ねじ山を付けた孔および透孔（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ；２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）が、連体（１３）および補助質量体（１７）の中心線（１４ａ、２６）上に在る頂点を有するそれぞれの三角形状に穿孔配置されることを特徴とする、請求項１０の同調振動ノイズ低減装置。

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