JP6652502B2

JP6652502B2 - 振動体ユニット

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Publication number: JP6652502B2
Application number: JP2016566464A
Authority: JP
Inventors: 勝美佐々木; 春彦佐々木
Original assignee: PNEUMATIC SERVO CONTROLS Ltd
Current assignee: PNEUMATIC SERVO CONTROLS Ltd
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: JPWO2016104632A1; WO2016104632A1

Description

本発明は、振動体ユニットに係り、特に、ばねと質量体で構成されるばね質量系の固有振動を利用する振動体ユニットに関する。

ばねと質量体で構成されるばね質量系の駆動において、ばね質量系の共振周波数を有する駆動信号を用いると、駆動に要する電力を大幅に低減できることが知られている。

例えば、特許文献１には、モータである駆動装置として、圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータによって駆動させる機械的駆動素子とを有し、圧電アクチュエータと機械的駆動素子がバネ質量系を形成し、圧電アクチュエータを含むバネ質量系がその共振動作において最高の効率を有することが開示されている。ここでは、非可撓性ベースプレートに第１弓形バネとこの外側に第２弓形バネを平行して設け、第１弓形バネの弓形の間に圧電アクチュエータを張架し、第２弓形バネはその端面で質量体を支持する構造を有する。

特表２００２−５３６１４６号公報

特許文献１の構造においては、二重構造の弓形ばねを用い、第１弓形ばねに圧電アクチュエータを配置し、第２弓形ばねに質量体が設けられるため、全体の形状が複雑で大型となる。

本発明の目的は、小形化を可能とする振動体ユニットを提供することである。

本発明に係る振動体ユニットは、弾性的に変形可能な環状形状を有するループばねと、ループばねに接続される質量体と、ループばねと質量体で構成されるばね質量系を所定の周波数で振動させる電磁アクチュエータと、を備え、ループばねは、内側空間を形成する３次元閉鎖型シェル構造を有し、シェルの断面形状が環状形状であるカップ型ばねであり、質量体は、ループばねの環状形状の内側空間に配置されてループばねと接続される内側質量体であり、電磁アクチュエータは、ループばねの環状形状の内側空間に配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る振動体ユニットにおいて、カップ型ばねの外形を形成するシェルは、電磁波遮蔽材料で構成されることが好ましい。

また、本発明に係る振動体ユニットにおいて、カップ型ばねは、外側カップ体と、外側カップ体から所定の平行隙間を空けて配置される内側カップ体と、を含むことが好ましい。

また、本発明に係る振動体ユニットにおいて、カップ型ばねの外周縁を保持する剛体枠体を備え、電磁アクチュエータは、剛体枠体に取り付けられることが好ましい。

また、本発明に係る振動体ユニットにおいて、カップ型ばねは、半カップ型の他方側ばね体と、他方側ばね体に向かい合う内周側円板と、を含み、他方側ばね体と内周側円板とを保持する剛体枠体を備え、電磁アクチュエータは、剛体枠体に取り付けられていることが好ましい。

本発明に係る振動体ユニットは、弾性的に変形可能な環状形状を有するループばねと、ループばねに接続される質量体と、ループばねと質量体で構成されるばね質量系を所定の周波数で振動させる電磁アクチュエータと、を備え、ループばねは、外周側表面と内周側表面との間の間隔が一様な外形厚さで、互いに向かい合う２つの長辺板部と、２つの長辺板部のそれぞれの端部を接続する２つの半円環状部と、を有する長円環状ばね体であって、外周側薄肉部と、内周側薄肉部と、外周側薄肉部と内周側薄肉部との間の平行溝孔と、を含み、質量体は、ループばねの環状形状の内側空間に配置され、ループばねの長円環状ばね体における２つの長辺板部の他方側の長辺板部に取り付けられている内側質量体であり、電磁アクチュエータは、ループばねの環状形状の内側空間に配置され、ループばねの長円環状ばね体における２つの長辺板部の一方側の長辺板部に取り付けられていることを特徴とする。
また、本発明に係る振動体ユニットにおいて、質量体は、内側質量体とは別に、ループばねの環状形状の外側に配置されてループばねと接続される外側質量体を有することが好ましい。

上記構成の振動体ユニットは、ループばねと質量体で構成されるばね質量系を所定の周波数で振動させる電磁アクチュエータがループばねの環状形状の内側空間に配置される。また、質量体は、ループばねの環状形状の内側空間に配置されてループばねと接続される内側質量体であり、ループばねは、内側空間を形成する３次元閉鎖型シェル構造を有し、シェルの断面形状が環状形状であるカップ型ばねである。したがって、カップ型ばねの内側に質量体とアクチュエータが配置され、これにより、振動体ユニットの全体の大きさがカップ型ばねの大きさとなり、小形に一体化された振動体ユニットとできる。

また、振動体ユニットにおいて、カップ型ばねの外形を形成するシェルは、電磁波遮蔽材料で構成されるので、アクチュエータからのノイズを外部に漏らすことがない。

また、振動体ユニットにおいて、カップ型ばねは、外側カップ体と、外側カップ体から所定の平行隙間を空けて配置される内側カップ体との二重ばね構造を有する。これにより、振動方向が重力方向から傾いて設定されるときでも、ばね質量系に懸るモーメントを抑制し、振動状態を安定して維持できる。

また、振動体ユニットにおいて、カップ型ばねの外周縁を保持する剛体枠体が設けられ、電磁アクチュエータは、剛体枠体に取り付けられる。これにより、振動方向が重力方向から傾いて設定されるときでも、ばね質量系に懸るモーメントを抑制し、振動状態を安定して維持できる。

また、本発明に係る振動体ユニットにおいて、カップ型ばねは、半カップ型の他方側ばね体と、他方側ばね体に向かい合う内周側円板とを含む。そして、剛体枠体が、他方側ばね体と内周側円板とを保持し、電磁アクチュエータは、剛体枠体に取り付けられる。これにより、振動方向が重力方向から傾いて設定されるときでも、ばね質量系に懸るモーメントを抑制し、振動状態を安定して維持できる。

上記構成の振動体ユニットは、ループばねと質量体で構成されるばね質量系を所定の周波数で振動させる電磁アクチュエータがループばねの環状形状の内側空間に配置される。また、質量体は、ループばねの環状形状の内側空間に配置されてループばねと接続される内側質量体である。そして、ループばねは、外周側表面と内周側表面との間の間隔が一様な外形厚さで、互いに向かい合う２つの長辺板部と、２つの長辺板部のそれぞれの端部を接続する２つの半円環状部とを有する長円環状ばね体である。これにより、両側面が開放された構造を一体化した振動体ユニットとでき、部品構成が簡単になる。ここで、長円環状ばね体は、外周側薄肉部と、内周側薄肉部と、外周側薄肉部と内周側薄肉部との間の平行溝孔とを含む。これにより、平行二重ばねを一体化した両側面開放型の振動体ユニットとでき、振動方向が重力方向から傾いて設定されるときでも、ばね質量系に懸るモーメントを抑制し、振動状態を安定して維持できる。
また、本発明に係る振動体ユニットにおいて、内側質量体とは別に、ループばねの環状形状の外側にループばねと接続されて配置される外側質量体を有するので、外側質量体の質量を変更することで、振動体ユニットの共振周波数を変更することが可能になる。

参考実施の形態の振動体ユニットの構成を示す図である。ここでは、電磁アクチュエータは、コイルの外周側に磁石が配置される外磁型である。図１（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。参考実施の形態の振動体ユニットにおいて、電磁アクチュエータがコイルの内周側に磁石が配置される内磁型の例の断面図である。ここでは、質量体は内側質量体とは別に外側質量体を備える例が示される。参考実施の形態の振動体ユニットを加振試験装置に組み込む例を示す図である。参考実施の形態の振動体ユニットを除振装置に組み込む例を示す図である。本発明に係る実施の形態の振動体ユニットにおいて、カップ型ばねを平行二重構造とする例を示す図である。図５（ａ）は上面図であり、（ｂ）と（ｃ）は互いに直交する方向からの側面図である。本発明に係る実施の形態の振動体ユニットにおいて、剛体枠体でカップ型ばねを保持する例を示す図である。図６（ａ）は上面図であり、（ｂ）と（ｃ）は互いに直交する方向からの側面図である。図６の変形例として、カップ型ばねを他方側ばね体と内周側円板とで構成する例を示す図である。図７（ａ）は上面図であり、（ｂ）と（ｃ）は互いに直交する方向からの側面図である。本発明に係る実施の形態の振動体ユニットにおいて、ループばねを両側面が開放された一体化構造として、さらに平行二重ばね形式とする例を示す図である。図８（ａ）は上面図であり、（ｂ）と（ｃ）は互いに直交する方向からの側面図である。（ｄ）は、側面から見た外形図である。図８の変形例として、平行二重ばねの部分を変更する２つの例を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下で述べる寸法、形状、材質等は説明のための例示であって、振動体ユニットの仕様に応じ適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、振動体ユニット１０の構成図である。図１（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は上面図である。振動体ユニット１０は、ループばね１２と内側質量体３０で構成されるばね質量系と、ばね質量系を振動させる電磁アクチュエータ４０を備える。振動体ユニット１０は、電磁アクチュエータ内蔵型のばね質量系振動体である。電磁アクチュエータ４０を駆動する駆動制御部は図示されないが、振動体ユニット１０と別個に設けられる。

ループばね１２は、弾性的に変形可能な環状形状を有するばね体である。ループとは、平板状でなく、Ｕ字形状を指す。図１のループばね１２は、Ｕ字形の蓋状形状を有する一方側ばね体１４と、一方側ばね体１４と同じ形状の他方側ばね体１６を、互いの開口部を向い合せて固定部材１８で固定し、内側空間２４を形成する３次元閉鎖型シェル構造を有する。シェルの断面形状は環状形状を有する。ループばね１２は、２つのカップ型を合わせたカップ合わせ型ばねであるが、以下では単にカップ型ばねと呼ぶ。

カップ型ばねの形状とループばね１２のばね定数ｋとの関係は、予めシミュレーションや実験等で求めておくことができる。図１（ｂ）に示すように、一方側ばね体１４は、正円形の外周形状を有し、正円形の中心部に取付部２０が設けられ、中心部から放射状に肉厚の薄い薄肉部１５が設けられる。薄肉部１５は、一方側ばね体１４の弾性を適当な値に向上させるために必要な数で複数設けられる。

取付部２０に設けられる穴部２１は、内側空間２４から引き出される信号線４８を通すための穴である。他方側ばね体１６も一方側ばね体１４と同様の構造を有し、取付部２２を備えるが穴部２１は設けなくてもよい。必要に応じ、一方側ばね体１４と他方側ばね体１６の合わせ面、及び穴部２１を防水構造や気密構造とすることで、振動体ユニット１０を減圧下や水中で使用することが可能になる。

かかる一方側ばね体１４と他方側ばね体１６は、金属薄板を所定の形状に成形したものが用いられる。金属薄板の材質としては、鋼材、例えばばね鋼を用いることができる。鋼材の中でも、電磁遮蔽能を有するものを用いることが好ましい。電磁遮蔽能を有する３次元閉鎖型シェル構造であれば、内側空間２４に外部からの電磁ノイズが入り込むことを防止でき、また、内側空間２４で発生する電磁ノイズを外部に漏らすことも防止できる。

内側質量体３０は、ループばね１２の環状形状の内側空間２４に配置され、ループばね１２と接続される質量体である。内側質量体３０の外形は、ループばね１２の３次元閉鎖型シェル構造の内壁との間に適当な隙間空間を有する形状に設定される。適当な隙間空間の大きさは、振動体ユニット１０が使用されるときのループばね１２と内側質量体３０との間の振動振幅の大きさに応じて設定される。かかる内側質量体３０としては、比重の大きな金属材料を用いて所定の形状に成形したものを用いることができる。金属材料としては、鉄、黄銅等を用いることができる。

内側質量体３０の質量Ｍは、ループばね１２のばね定数ｋとで所定の共振周波数ｆ₀となるように設定される。内側質量体３０の大きさはループばね１２の外形によって制限され、所定の共振周波数ｆ₀とするには内側質量体３０の質量Ｍでは不足の場合がある。あるいは、振動体ユニット１０として、互いに異なる共振周波数を有する仕様のものを複数揃えたい場合がある。そのような場合に、取付部２０または取付部２２を用いて、付加質量Ｍ_ADDを有する外側質量体３２を取り付けることができる（図２参照）。このようにすれば、ループばね１２と内側質量体３０と電磁アクチュエータ４０をそのままとして、外側質量体の質量Ｍ_ADDの変更のみで、ばね質量系の共振周波数を容易に変更できる。

電磁アクチュエータ４０は、ループばね１２の内側空間２４において、内側質量体３０の内周側に設けられるフォースモータである。電磁アクチュエータ４０は、ヨーク体４２と、永久磁石４４と、ボイスコイル４６を含んで構成される。

ヨーク体４２は、環状形状を有する磁性体で、その外周面は、内側質量体３０の内周側壁面と一体化固定され、環状形状の内周側にボイスコイル４６が移動可能な溝部が設けられ、底面は他方側ばね体１６に固定される。このように、内側質量体３０は、ヨーク体４２を介して他方側ばね体１６に接続される。

永久磁石４４は、ヨーク体４２の環状形状の内周側に設けられる溝部の外周側壁面に取り付けられ、ボイスコイル４６に鎖交磁束を与える磁石である。永久磁石４４は、内側質量体３０に対し固定的位置関係にあるので、ボイスコイル４６から永久磁石４４に駆動力を与えられると、内側質量体３０がボイスコイル４６に対して移動駆動される。

ボイスコイル４６は、一方側ばね体１４に根元部が固定されるアーム部に巻回される環状コイルである。ボイスコイル４６の２端子は２本の信号線４８として穴部２１を通して振動体ユニット１０の外部に引き出される。引き出された信号線４８は、図１には図示されていない駆動制御部に接続される。ボイスコイル４６は、ヨーク体４２の環状形状の内周側に設けられる溝部の外周側側面に取り付けられた永久磁石４４に向かい合い、ヨーク体４２の溝部の内周壁面と永久磁石４４との間の磁気ギャップの中で永久磁石４４に対し相対的移動可能に配置される。

磁気ギャップにおいてボイスコイル４６には永久磁石４４から鎖交磁束が通る。図示されない外部の駆動制御部に接続される２本の信号線４８を介して駆動電気信号がボイスコイル４６に供給されると、駆動電流と鎖交磁束との間の電磁的相互作用によって、永久磁石４４とボイスコイル４６との間に相対的な移動駆動力が生じる。移動駆動力の方向は、磁気ギャップの長手方向に沿った方向である。ボイスコイル４６は一方側ばね体１４に固定して接続され、永久磁石４４は内側質量体３０を介して他方側ばね体１６に固定して接続されるので、この相対的移動駆動力によって、一方側ばね体１４と他方側ばね体１６との間の間隔がループばね１２のばね定数ｋに応じて変化する。駆動電気信号が周波数ｆ₁を有する交流信号であれば、ループばね１２のばね定数ｋと内側質量体３０の質量Ｍで定まる共振周波数ｆ₀と周波数ｆ₁との関係に応じて、振動体ユニット１０は振動する。

図１の電磁アクチュエータ４０は、ボイスコイル４６の外周側に永久磁石４４が配置される外磁型フォースモータであるが、内磁型フォースモータを用いるものとしてもよい。図２に示す振動体ユニット５０は、内磁型のフォースモータを電磁アクチュエータ５２として用いる例である。なお、図２では、取付部２２を用いて外側質量体３２を付加する場合を示した。図１の振動体ユニット１０においても外側質量体３２を図２と同様にして付加することができる。

電磁アクチュエータ５２は、ヨーク体５４と、２つの互いに逆巻の関係で巻線が巻回されるボイスコイル５６，５８と、永久磁石６０と、磁石側ヨーク部６２を含んで構成される。

ヨーク体５４は、環状形状を有する磁性体で、その外周面は、内側質量体３０の内周側壁面と一体化固定され、環状形状の内周側にボイスコイル５６，５８が固定して接続され、底面は他方側ばね体１６に固定される。このように、内側質量体３０とボイスコイル５６，５８は、ヨーク体５４を介して他方側ばね体１６に接続される。

ボイスコイル５６，５８は、互いに逆巻の関係で巻線が巻回され、ヨーク体５４の環状形状の内周面に上下方向に並べて配置される。上下方向とは、一方側ばね体１４と他方側ばね体１６が配置される方向である。図２の例では、ボイスコイル５６が他方側ばね体１６側の方に、ボイスコイル５８が一方側ばね体１４側の方に配置される。この配置関係は相対的なものであるので、図２と逆の配置関係としても構わない。ボイスコイル５６，５８の４本の端子は、そのまま４本の信号線６４として穴部２１（図１（ｂ）参照）を通して振動体ユニット５０の外部に引き出される。引き出された信号線６４は、図２には図示されていない駆動制御部に接続される。ボイスコイル５６，５８のそれぞれの２本の端子のうち一方側の端子を互いに接続して１本にまとめ、合計３本の信号線６４として外部に引き出してもよい。

永久磁石６０は、２つのボイスコイル５６，５８の配置方向と同じ方向にＮ極とＳ極の磁極が配置される磁石である。磁石側ヨーク部６２は、このＮ極側とＳ極側のそれぞれに固定して接続される磁性体板で、一方側ばね体１４に固定して接続される。すなわち、永久磁石６０は磁石側ヨーク部６２を介して一方側ばね体１４に接続される。

図２の例では、永久磁石６０のＮ極側は、ボイスコイル５８の側で、永久磁石６０のＳ極側は、ボイスコイル５６の側である。したがって、永久磁石６０のＮ極からの磁束は、Ｎ極側に配置された磁石側ヨーク部６２からボイスコイル５８に鎖交し、ヨーク体５４を介してボイスコイル５６に逆側の流れ方向で鎖交し、Ｓ極側に配置された磁石側ヨーク部６２を介して永久磁石６０のＳ極に戻る。

このように、永久磁石６０からの鎖交磁束の向きは、ボイスコイル５６とボイスコイル５８とで逆向きである。ボイスコイル５６，５８の巻線の巻回を互いに逆巻とすることで、同じ駆動電気信号がボイスコイル５６，５８のそれぞれに供給されると、駆動電流と鎖交磁束との間の電磁的相互作用によって、永久磁石６０とボイスコイル５６，５８との間に相対的な移動駆動力が生じる。移動駆動力の方向は、ボイスコイル５６，５８の配置方向に沿った方向である。

永久磁石６０は一方側ばね体１４に固定して接続され、ボイスコイル５６，５８は内側質量体３０を介して他方側ばね体１６に固定して接続されるので、この相対的移動駆動力によって、一方側ばね体１４と他方側ばね体１６との間の間隔がループばね１２のばね定数ｋに応じて変化する。駆動電気信号が周波数ｆ₁を有する交流信号であれば、質量体が内側質量体３０のみであるとき、ループばね１２のばね定数ｋと内側質量体３０の質量Ｍで定まる共振周波数ｆ₀と周波数ｆ₁との関係に応じて、振動体ユニット５０は振動する。質量体が内側質量体３０と外側質量体３２の両方であるとき、ループばね１２のばね定数ｋと、内側質量体３０の質量Ｍと外側質量体３２の質量Ｍ_ADDとの和の質量（Ｍ＋Ｍ_ADD）で定まる共振周波数ｆ₀と周波数ｆ₁との関係に応じて、振動体ユニット５０は振動する。したがって、内磁型のフォースモータを電磁アクチュエータ５２として用いる振動体ユニット５０も、図１の外磁型のフォースモータを電磁アクチュエータ４０として用いる振動体ユニット１０と同様の作用効果を奏する。以下では、外側質量体３２を備える振動体ユニット１０を用いて説明する。

なお、振動体ユニット１０の仕様によっては、ループばね１２を３次元閉鎖型シェル構造とせず、例えば、両側面が開放された構造とすることができる。この場合には、平板を弓形等に成形した一方側ばね体と他方側ばね体とを合わせて閉鎖型ではない開放型の内側空間を形成し、その内側空間に内側質量体３０と電磁アクチュエータ４０が配置される。

振動体ユニット１０の信号線４８を図示されない外部の駆動制御部に接続することで、電磁アクチュエータ４０への駆動電気信号を制御できる。図３、図４に、振動体ユニット１０を用いた応用例を示す。

図３は、振動体ユニット１０を用いた加振試験装置１２０の構成を示す図である。加振試験装置１２０は、動的な振動振幅負荷を与えたときの試験対象物の特性がどのように変化するかを試験できる。例えば、加振試験装置１２０を用いて、試験対象物の振動耐久特性を試験することができる。試験対象物８に振動振幅負荷を与えるものとして、共振周波数で振動する振動体ユニット１０を用いることで、加振試験装置１２０の消費電力を大幅に低減することができる。

加振試験装置１２０は、装置本体部１２２と駆動制御部１３０とで構成される。図４には、加振試験装置１２０の構成要素ではないが、装置本体部１２２に配置された試験対象物８が図示されている。

共振周波数で振動体ユニット１０を駆動振動させてその振動を試験対象物８にそのまま与えると、試験対象物８の振動負荷の振幅が大きくなりすぎる。そこで、試験対象物８の振動状態を検出し、検出された振動状態を所定の試験条件とするために、フィードバックを用いた共振制御が行われる。

装置本体部１２２は、架台７４と、架台７４の上面に設置されるロードセル８６と、ロードセル８６の上面に取付台２７を介して配置される振動体ユニット１０で構成される。振動体ユニット１０の配置は、図２の構成を上下逆にして、付加的な外側質量体３２が上方側に配置される。試験対象物８は、振動体ユニット１０の外側質量体３２の上面に適当な取付方法で取り付けられて配置される。上下方向、上方等は、架台７４の上面に垂直な方向をＸ方向として、＋Ｘ方向が上方側の方向である。

ロードセル８６は、試験対象物８の負荷状態としての負荷力を検出し、検出した負荷力の大きさを加速度（ｄ²Ｘ／ｄｔ²）に換算し、加速度に対応する電気信号ｅ（ｄ²Ｘ／ｄｔ²）を駆動制御部１３０に出力する。試験対象物８には振動体ユニット１０からの振動振幅負荷のみが印加されるので、ロードセル８６が出力する電気信号ｅ（ｄ²Ｘ／ｄｔ²）は、交流成分としての加速度振幅値に相当する信号である。したがって、ロードセル８６は、試験対象物８の加速度振幅値を検出する。

駆動制御部１３０は、例えば、加振試験の試験条件を試験対象物８の目標加振状態として設定し、ロードセル８６によって検出された試験対象物８の加速度振幅値をフィードバックして、設定された目標加振状態に近づけるフィードバックを行って、加振試験を行わせることができる。目標加振状態としては、目標加速度振幅値とすることができる。

このようにして、加振試験装置１２０では、振動検出部であるロードセル８６が検出した試験対象物８の実際の振動状態を駆動制御部１３０にフィードバックすることによって、試験対象物８の加速度振幅値を目標の加速度振幅値に抑制する共振制御を行うことができる。

なお、加振試験装置１２０の構成に加えて、試験対象物８に対して静的な負荷力の印加を行う機構を設けることで、静的負荷の下の振動状態を試験する振動試験装置とすることができる。静的な負荷力の印加を行う機構としては、振動体ユニット１０のループばね１２を上下方向に変位させ、その変位量に応じて試験対象物８を引張または圧縮する機構を用いることができる。例えば、図３において、試験対象物８を振動体ユニット１０の取付台２７とロードセル８６との間に配置し、振動体ユニット１０の上面を昇降台に固定し、昇降台をモータ等で上下方向に変位させる構成とすることができる。

図４は、適当なダンパ要素を内部に含む振動体ユニット１１を用いた除振装置１５０の構成を示す図である。除振装置１５０は、装置本体部１５２と駆動制御部１７０とで構成される。装置本体部１５２は、架台７４の上面にＸ方向に沿って立設された防振台１５４の上に設けられるテーブル１６０と、テーブル１６０の下面に取付部２０を介して取り付けられる振動体ユニット１１と、テーブル１６０の加速度αを検出して電気信号ｅ（α）として出力する加速度検出手段である加速度センサ１６２を含んで構成される。

テーブル１６０は、その上で精密作業が行われ、あるいは、精密機器が配置される精密テーブルである。除振装置１５０は、このテーブル１６０の除振を行う装置で、除振対象物はテーブル１６０である。

振動体ユニット１１は、図３で説明した振動体ユニット１０において、内側空間２４に適当なダンパ要素１５６を配置したものである。適当なダンパ要素１５６としては、ゴム等を用いることができる。場合によっては適当な粘度を有する油等を内側空間に充填してもよい。したがって、振動体ユニット１１は、図３までに説明した振動体ユニット１０がばね質量系で構成されているのとは異なり、ばね質量ダンパ系で構成される。

駆動制御部１７０は、除振対象物であるテーブル１６０の加速度αの検出結果をフィードバックして、テーブル１６０を無振動状態に近づけるフィードバックを行って、テーブル１６０の除振をすることができる。

このようにして、除振対象のテーブル１６０の振動を除振することができる。ここでは、振動体ユニット１１は、除振対象のテーブル１６０の除振を行うアクティブダンパとして用いられている。

上記のように、電磁アクチュエータに駆動電気信号として交流信号を与えることで、ループばねと内側質量体のばね質量系を振動させることができる。外側質量体を付加しても同様に振動させることができる。ここで、振動体ユニット１０，１１は、３次元構造であるので、内側質量体の重心や外側質量体の重心は、振動体ユニット１０，１１の全体としての重心からずれている。質量体の重心ずれがあると、振動方向が重力方向から傾いて設定されるときには、重心ずれのためにばね質量系にモーメントが懸る。質量体の重心ずれの他に、ばね質量系が重力による回転モーメントを受ける場合も同様である。このような状態を「重力による回転モーメントを受ける状態」と呼ぶと、この状態においては、例えば、振動状態が安定しないことやばね質量系の振動周波数が変動する等の影響を及ぼす。

実験の結果、「重力による回転モーメントを受ける状態」に起因するばね質量系に及ぼすモーメントの影響を抑制するには、ループばねを平行二重構造とすることが効果的である。また、ループばねの外周縁を剛体枠体で保持することも効果がある。図５から図７に、これらの構造を示す。これらの各図において、（ａ）は上面図であり、（ｂ）と（ｃ）は互いに直交する方向からの側面図である。各図において、直交する３方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を示す。Ｚ方向が振動方向である。

図５の振動体ユニット２００は、ループばねとして、平行二重構造のカップ型ばね２０２を有する。カップ型ばね２０２は、外側カップ体２０４と、外側カップ体２０４から所定の平行隙間を空けて配置される内側カップ体２０６とを含む。外側カップ体２０４は、２つの半カップ型の部材の互いの開口部を向い合わせ、互いの外周縁２０５を揃えて内部が閉空間となるカップ体とする。内側カップ体２０６は、外側カップ体２０４よりも一回り小さい２つの半カップ型の部材の互いの開口部を向い合わせ、互いの外周縁２０５を揃えて内部が閉空間となるカップ体とする。４つの半カップ体は、互いの外周縁２０５で重ね合わされ、複数の固定部材２０８を用いて一体化される。図５の例では、８個の固定部材２０８が用いられる。

かかる外側カップ体２０４と、内側カップ体２０６は、金属薄板を所定の形状に成形したものが用いられる。所定の形状としては、外側カップ体２０４と内側カップ体２０６を固定部材２０８で一体化したときに、所定の間隔を保って互いに平行となるように設定する。金属薄板の材質としては、鋼材、例えば電磁遮蔽能力を有するばね鋼を用いることができる。図５の例では、一様の厚さの鋼板をカップ型に成形したものを示す。固定部材２０８としては、ボルトとナットを用いることができる。必要に応じワッシャを用いてもよい。

電磁アクチュエータ２１０は、図１と同様な外磁型で、平行二重構造のカップ型ばね２０２を用いることに伴う寸法等の変更を除けば、基本構造は図１の電磁アクチュエータ４０と同じである。すなわち、ヨーク体２１２、永久磁石２１４、ボイスコイル２１６を有する。なお、コーン２１７は、ボイスコイル２１６を巻回する傘状の部品である。ボイスコイル２１６の端子からの信号線４８は、外側カップ体２０４と内側カップ体２０６とに設けられた穴部２２１から外部に引き出される。

取付部２２０は、複数の部材で構成され、一体化ねじ２２２，２２３がねじ込まれる複数のめねじ穴を有する。めねじ穴と一体化ねじ２２２，２２３を用いて、取付部２２０の複数の部材と、外側カップ体２０４と内側カップ体２０６とコーン２１７とが一体化固定される。めねじ穴を複数とするのは、コーン２１７等の回り止めのためである。図５の例では、２つのめねじ穴と２つの一体化ねじ２２２，２２３が用いられる。また、取付部２２０は、加振や除振等の目的となる対象物に振動体ユニット２００を取り付ける部材であり、その取付のための取付ねじ穴２２４，２２５が設けられる。

取付部２３０も、複数の部材で構成され、一体化ねじ２３２，２３３がねじ込まれる複数のめねじ穴を有する。めねじ穴と一体化ねじ２３２，２３３を用いて、取付部２３０の複数の部材と、外側カップ体２０４と内側カップ体２０６とヨーク体２１２と内側質量体３０とが一体化固定される。なお、図５では図示を省略したが、ヨーク体２１２と内側質量体３０とは、適当な固定手段によって一体化固定される。適当な固定手段としては、ねじ止めや接着等が用いられる。めねじ穴を複数とするのは、内側質量体３０等の回り止めのためである。図５の例では、２つのめねじ穴と２つの一体化ねじ２３２，２３３が用いられる。また、取付部２３０は、外側質量体３２を振動体ユニット２００に取り付ける部材であり、その取付のための取付ねじ穴２３４，２３５が設けられる。

図５に示すように、ループばねとして平行二重構造のカップ型ばね２０２を用いることで、外側カップ体２０４と内側カップ体２０６は、互いに平行方向に変形するので、ループばねの全体としての変形は振動方向であるＺ方向を向く。これによって、「重力による回転モーメントを受ける状態」に起因するばね質量系に及ぼすモーメントの影響を抑制することができる。図６、図７は、ループばねとして平行二重構造のカップ型ばね２０２を用いず、ループばねの剛性よりも高い剛性を有する剛体枠体でループばねの外周縁を保持する例を示す図である。

図６に示す振動体ユニット２５０は、平行二重構造のカップ型ばねに代えて、１つのカップ型ばね２５２を用い、カップ型ばね２５２の剛性よりも高い剛性を有する剛体枠体２６０で、カップ型ばね２５２の外周縁２５８を保持する。カップ型ばね２５２は、図５で述べた内側カップ体２０６に相当するが、半カップ型の他方側ばね体２５４と、凸部の中央に電磁アクチュエータ２７０のコーン等を通す円形穴を有する一方側ばね体２５６とで構成される。カップ型ばね２５２は、他方側ばね体２５４と一方側ばね体２５６の互いの開口部を向い合わせ、互いの外周縁２５８を揃えて内部空間を形成するカップ体としたものである。かかるカップ型ばね２５２は、図５で述べた内側カップ体２０６と同様の材料を用い、同様の形状に成形したものを用いることができる。

剛体枠体２６０は、剛体円板部２６２と、その外周縁に設けられるリング状壁部２６４とを含んで構成される。リング状壁部２６４の環状形状は、カップ型ばね２５２における外周縁２５８と同じ形状とされる。かかる剛体枠体２６０は、適当な強度を有する材料を所定の形状に成形したものが用いられる。剛体枠体２６０の剛性は、カップ型ばね２５２の剛性よりも高いことが必要である。カップ型ばね２５２の外周縁２５８は、複数の固定部材２６６を用いて一体化される。図６の例では、８個の固定部材２６６が用いられる。適当な固定部材２６６としては、剛体枠体２６０のリング状壁部２６４に設けられるめねじ部とボルトの組合せを用いることができる。これによって、カップ型ばね２５２の他方側ばね体２５４と一方側ばね体２５６の互いの外周縁２５８が外周縁２５８によって保持される。一方側ばね体２５６は、凸部の中央の円形穴の周縁部において、複数の取付ねじ２７６によって内側質量体３１に取付けられる。

電磁アクチュエータ２７０、取付部２７４は、カップ型ばね２５２と剛体枠体２６０を用いることに伴う形状と寸法等の変更を除けば、基本構造は図５で述べた内容と同じであるので、詳細な説明を省略する。取付部２７２は、剛体枠体２６０とカップ型ばね２５２と電磁アクチュエータ２７０のコーンとを一体化固定することが図５の取付部２２０と相違するが、その他の構成は同じである。

図７に示す振動体ユニット２８０は、図６のカップ型ばね２５２に代えて、カップ型ばね２８２を用いることが相違する。カップ型ばね２８２は、図６の一方側ばね体２５６に代えて、他方側ばね体２５４に向かい合う内周側円板２８４を用いる。内周側円板２８４は、弓形形状でなく、平板形状である。内周側円板２８４は、内側質量体３１が取り付けられる円板本体部２８６と、その外周縁２８８を含む。円板本体部２８６は、薄板円板であるが、軸方向であるＺ方向の剛性が、径方向の剛性よりも低い特性を有する。かかる円板本体部２８６は、径方向に延びる部分の形状と円周状に延びる部分の形状とを適当に組み合わせたパターンの可撓性アームと窓部とを有する板ばねを用いることができる。かかる板ばねの例としては、雲形ばねが知られており、例えば、国際公開第２００７／０７７８７８号明細書等に開示されているものを用いることができる。

内側質量体３１は、図６の内側質量体３１と同じ構成である。剛体枠体２９０は、他方側ばね体２５４の外周縁２５８と、内周側円板２８４の外周縁２８８を保持するために、リング状壁部２９２の他に挟み込みリング２９４が用いられることが図６の剛体枠体２６０と相違する。内周側円板２８４の外周縁２８８は、リング状壁部２９２と挟み込みリング２９４によって挟み込まれ、他方側ばね体２５４の外周縁２５８は、挟み込みリング２９４の端部に宛がわれる。そして、固定部材２９６，２９６を用いて、内周側円板２８４の外周縁２５８、他方側ばね体２５４の外周縁２５８は、剛体枠体２９０に保持される。

電磁アクチュエータ３０２、取付部３０４，３０６は、カップ型ばね２８２と剛体枠体２９０を用いることに伴う形状と寸法等の変更を除けば、基本構造は図６で述べた内容と同じであるので、詳細な説明を省略する。

図５から図８は、いずれも、ループばねを３次元閉鎖型シェル構造とした。両側面が開放された構造とする方法として、平板を弓形等に成形した一方側ばね体と他方側ばね体とを合わせてループばねとすることができる。さらに進めて、２つの長辺板部と、この２つの長辺板部のそれぞれの端部を接続する２つの半円環状部とが互いに接続された形状に成形することで、一体化した構造の両側面開放型の振動体ユニットとできる。

図８は、「重力による回転モーメントを受ける状態」に起因するばね質量系に及ぼすモーメントの影響を抑制するために、一体化した構造の両側面開放型のループばねを、平行二重ばね形式とする例を示す図である。図８の振動体ユニット３１０は、両側面が開放された一体化構造のループばね３１２を有する。図８（ａ）は上面図であり、（ｂ）と（ｃ）は互いに直交する方向からの側面図である。（ｄ）は、側面から見た外形図である。

ループばね３１２は、外周側表面と内周側表面との間の間隔が一様な外形厚さで、互いに向かい合う２つの長辺板部と、２つの長辺板部のそれぞれの端部を接続する２つの半円環状部と、を有する長円環状ばね体である。ループばね３１２には、取付部３３２，３３４も一体化して成形される。かかる長円環状ばね体の一体化成形は、金属材料を切削加工や放電加工等を用いて所定の形状に成形することで行われる。

取付部３３２には、電磁アクチュエータ３３０が取り付けられ、取付部３３４には内側質量体３０と電磁アクチュエータ３３０のヨーク体とが取り付けられる。電磁アクチュエータ３３０、取付部３３２，３３４の構造は、図５から図８で述べた内容と同じであるので、詳細な説明を省略する。

ループばね３１２である長円環状ばね体は、さらに、外周側薄肉部３２２と、内周側薄肉部３２４と、外周側薄肉部３２２と内周側薄肉部３２４との間の平行溝孔３２６，３２７とを含む。平行溝孔３２６，３２７は、長円環状ばね体の幅方向であるＹ方向に貫通する溝孔である。平行溝孔３２６，３２７は、取付部３３２，３３４の部分には設けられないので、外周側薄肉部３２２と内周側薄肉部３２４とは、取付部３３２，３３４の部分で互いに接続される。これにより、ループばね３１２は、内側薄肉部の内側弓形ばねと、外側薄肉部の外側弓形ばねからなる平行二重ばね形式となる。

図９は、図８の変形例として、平行二重ばねの部分を変更する２つの例を示す図である。図９（ａ）は、平行溝孔３２８，３２９を設け、平行二重ばね部分を４つに分散した例である。（ｂ）は、平行溝孔３２６，３２７を取付部３３４側の部分に止めた例である。

図８、図９に示すように、一体型の長円環状ばね体に、平行溝孔を設けることで、平行二重ばね形式のループばね３１２とできる。これによって、両側面開放型の振動体ユニットにおいても、振動方向が重力方向から傾いて設定されるときでも、ばね質量系に懸るモーメントを抑制し、振動状態を安定して維持できる。なお、図５から図８で説明したカップ型ばねを、帯状平板を弓形に成形して両側面開放型の振動体ユニットとしてもよい。これらの構造を用いても、振動方向が重力方向から傾いて設定されるときでも、ばね質量系に懸るモーメントを抑制し、振動状態を安定して維持できる。

８試験対象物、１０，１１，５０，２００，２５０，２８０，３１０振動体ユニット、１２，３１２ループばね、１４，２５６一方側ばね体、１５薄肉部、１６，２５４他方側ばね体、１８，２０８，２６６，２９６，２９８固定部材、２０，２２，２２０，２３０，２７２，２７４，３０４，３０６，３１０，３３２，３３４取付部、２１，２２１穴部、２４内側空間、２７取付台、３０，３１内側質量体、３２外側質量体、４０，５２，２１０，２７０，３０２，３３０電磁アクチュエータ、４２，５４，２１２ヨーク体、４４，６０，２１４永久磁石、４６，５６，５８，２１６ボイスコイル、４８，６４信号線、６２磁石側ヨーク部、７４架台、８６ロードセル、１２０加振試験装置、１２２（加振試験装置の）装置本体部、１３０（加振試験装置の）駆動制御部、１５０除振装置、１５２（除振装置の）装置本体部、１５４防振台、１５６ダンパ要素、１６０テーブル、１６２加速度センサ、１７０（除振装置の）駆動制御部、２０２，２５２，２８２カップ型ばね、２０４外側カップ体、２０５，２５８，２８８外周縁、２０６内側カップ体、２１７コーン、２２２，２２３，２３２，２３３一体化ねじ、２２４，２２５，２３４，２３５取付ねじ穴、２６０，２９０剛体枠体、２６２剛体円板部、２６４，２９２リング状壁部、２８４内周側円板、２８６円板本体部、２９４リング、３２２外周側薄肉部、３２４内周側薄肉部、３２６，３２７，３２８，３２９平行溝孔。

Claims

弾性的に変形可能な環状形状を有するループばねと、
ループばねに接続される質量体と、
ループばねと質量体で構成されるばね質量系を所定の周波数で振動させる電磁アクチュエータと、
を備え、
ループばねは、
内側空間を形成する３次元閉鎖型シェル構造を有し、シェルの断面形状が環状形状であるカップ型ばねであり、
質量体は、
ループばねの環状形状の内側空間に配置されてループばねと接続される内側質量体であり、
電磁アクチュエータは、ループばねの環状形状の内側空間に配置されることを特徴とする振動体ユニット。
請求項１に記載の振動体ユニットにおいて、
カップ型ばねの外形を形成するシェルは、電磁波遮蔽材料で構成されることを特徴とする振動体ユニット。
請求項１に記載の振動体ユニットにおいて、
カップ型ばねは、
外側カップ体と、
外側カップ体から所定の平行隙間を空けて配置される内側カップ体と、
を含むことを特徴とする振動体ユニット。
請求項１に記載の振動体ユニットにおいて、
カップ型ばねの外周縁を保持する剛体枠体を備え、
電磁アクチュエータは、剛体枠体に取り付けられることを特徴とする振動体ユニット。
請求項１に記載の振動体ユニットにおいて、
カップ型ばねは、
半カップ型の他方側ばね体と、
他方側ばね体に向かい合う内周側円板と、
を含み、
他方側ばね体と内周側円板とを保持する剛体枠体を備え、
電磁アクチュエータは、剛体枠体に取り付けられていることを特徴とする振動体ユニット。
弾性的に変形可能な環状形状を有するループばねと、
ループばねに接続される質量体と、
ループばねと質量体で構成されるばね質量系を所定の周波数で振動させる電磁アクチュエータと、
を備え、
ループばねは、
外周側表面と内周側表面との間の間隔が一様な外形厚さで、互いに向かい合う２つの長辺板部と、２つの長辺板部のそれぞれの端部を接続する２つの半円環状部と、を有する長円環状ばね体であって、
外周側薄肉部と、
内周側薄肉部と、
外周側薄肉部と内周側薄肉部との間の平行溝孔と、
を含み、
質量体は、
ループばねの環状形状の内側空間に配置され、ループばねの長円環状ばね体における２つの長辺板部の他方側の長辺板部に取り付けられている内側質量体であり、
電磁アクチュエータは、ループばねの環状形状の内側空間に配置され、ループばねの長円環状ばね体における２つの長辺板部の一方側の長辺板部に取り付けられていることを特徴とする振動体ユニット。
請求項１または６に記載の振動体ユニットにおいて、
質量体は、
内側質量体とは別に、
ループばねの環状形状の外側に配置されてループばねと接続される外側質量体を有することを特徴とする振動体ユニット。