JP7189857B2

JP7189857B2 - 制振構造

Info

Publication number: JP7189857B2
Application number: JP2019191784A
Authority: JP
Inventors: 直富田; 幸人中野; 英一西垣; 拓也西村; 真琴瀬木
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2022-12-14
Anticipated expiration: 2039-10-21
Also published as: JP2021067301A

Description

本発明は、制振構造に関する。

従来、車両などに発生する騒音・振動を低減する手段が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、幅広い範囲の周波数域において、高い遮音性・制振性を実現する構造体の一例が開示されている。この構造体は、媒質の中に大きさが不均等である複数の空隙部と、少なくとも一部の空隙部に形成された形状が異なる共振子とを有している。非特許文献１には、弾性波の伝播を評価するための分散曲線の導出方法について開示されている。

特開２０１９－４５７８９号公報

Y.Fan, M.Collet, M.Ichchou, L. Li, O. Bareille, Z.Dimitrijevic, " Energy flow prediction in built-up structures through a hybrid finite element/wave and finite element approach", Mechanical Systems and Signal Processing, Volumes 66-67, January 2016, Pages 137-158

しかしながら、特許文献１に記載された構造物における媒質と共振子との支持部が薄肉に（細く）なっており、当該支持部の疲労強度が小さい。非特許文献１には、圧電素子を周期的に配した場合のバンドギャップの形成について、例示されている。しかし、剛性分布を与える追加部材形状について議論されていないため、構造体として十分な強度を有した上で騒音・振動を低減したいという課題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、十分な強度を有し、騒音・振動を低減できる構造体を提供する。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。制振構造であって、平面または曲面を有する平板状の主部材と、前記主部材の少なくとも一方の面に固定された追加部材と、を備え、前記追加部材は、前記主部材の密度よりも小さく、前記主部材に固定されている側の第１の面とは逆側の第２の面に複数の凸部が形成されており、前記凸部の前記第１の面からの突出長さは、前記主部材の厚さよりも大きく、前記追加部材の前記第１の面には、前記凸部に対応する位置に、前記主部材と前記追加部材とにより外部から遮蔽された中空の空間が形成され、前記追加部材の前記複数の凸部は、それぞれ長方形状を有し、長軸が矩形状の仮想線または曲線状の仮想線に沿って並んで配列されている、制振構造。制振構造であって、平面または曲面を有する平板状の主部材と、前記主部材の少なくとも一方の面に固定された追加部材と、を備え、前記追加部材は、前記主部材の密度よりも小さく、前記主部材に固定されている側の第１の面とは逆側の第２の面に複数の凸部が形成されており、前記凸部の前記第１の面からの突出長さは、前記主部材の厚さよりも大きく、前記追加部材は、パルプモウルドによって形成され、前記追加部材の前記複数の凸部は、それぞれ長方形状を有し、長軸が矩形状の仮想線または曲線状の仮想線に沿って並んで配列されている、制振構造。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。

（１）本発明の一形態によれば、制振構造が提供される。この制振構造は、平面または曲面を有する平板状の主部材と、前記主部材の少なくとも一方の面に固定された追加部材と、を備え、前記追加部材は、前記主部材の密度よりも小さく、前記主部材に固定されている側の第１の面とは逆側の第２の面に複数の凸部が形成されており、前記凸部の前記第１の面からの突出長さは、前記主部材の厚さよりも大きい。

この構成によれば、制振構造は、主部材と、主部材に固定された追加部材とで構成される。追加部材には、主部材に固定されている逆側の第２の面で凸部が形成されている。そのため、凸部における厚さ方向に沿った制振構造の断面二次モーメントは、追加部材が固定されていない主部材単体の断面二次モーメントよりも大きい。そのため、制振構造体を伝わる弾性波は減衰する。追加部材が固定されることによって、主部材単体よりも、制振構造の強度が向上する。さらに、追加部材の密度は、主部材の密度よりも小さい。この結果、この構成では、制振構造の重量の増加を抑制した上で制振構造の強度を向上させ、剛性分布によって弾性波の伝播が阻止されて振動が低減される。

（２）上記形態の制振構造において、前記追加部材の前記第１の面には、前記凸部に対応する位置に凹部が形成されていてもよい。
この構成によれば、凸部の位置に対応する追加部材内の第１面側に凹部が形成される、すなわち、凹部による空洞が形成される。そのため、この構成では、凸部によって断面二次モーメントを増加させた上で、凹部によって追加部材の重量の増加を低減できる。また、この構成では、プレス加工によって簡単に、凸部に対応する位置に凹部が形成された追加部材を作成することができる。

（３）上記形態の制振構造において、前記追加部材の前記複数の凸部は、それぞれ同じ形状を有してもよい。
この構成によれば、同じ形状の複数の凸部が追加部材に形成される、すなわち、同じ断面二次モーメントを有する凸部が追加部材に形成されている。これにより、一の凸部に入射する入射波は、他の凸部によって反射される反射波と相殺し合う。その結果、制振構造は、所定の周波数域で共振モードが存在しないバンドギャップを有するため、制振構造の振動が大きく低減する。

（４）上記形態の制振構造において、前記追加部材の各前記凸部間の距離は、それぞれ同じであってもよい。
この構成によれば、それぞれ同じ形状を有する複数の凸部間の距離が同じ、即ち凸部が等間隔で周期的に追加部材に形成されている。そのため、この構成では、入射波と、反射波とが効率的に相殺されるため、制振構造の振動がより低減する。

（５）上記形態の制振構造において、前記追加部材の前記複数の凸部は、周期的に配列されていてもよい。
この構成によれば、複数の凸部が直線や周方向にそって周期的に配列されることにより、制振構造は、所定の周波数域でバンドギャップを有するため、制振構造の振動が大きく低減する。

（６）上記形態の制振構造において、前記追加部材は、パルプモウルドによって形成されていてもよい。
この構成によれば、追加部材がパルプモウルドで形成されているため、主部材の表面に沿って追加部材の形を変化させながら主部材に固定できる。また、パルプモウルドの密度が金属の密度と比較して小さいため、制振構造の重量の増加をより抑制した上で、制振構造を伝わる振動を低減できる。

（７）上記形態の制振構造において、前記追加部材は、射出成形された樹脂によって形成されていてもよい。
この構成によれば、主部材の形状に合わせた形状の追加部材を成型しやすい。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、制振構造、吸音材、遮音材、これらを用いた構造体、これらの製造方法、制振方法、吸音方法、および遮音方法の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての制振構造体の概略斜視図である。ＺＸ平面に平行な図１のＡ－Ａ断面の概略図である。比較例１の構造体の概略断面図である。比較例２の構造体の概略断面図である。実施例および比較例１，２の各単位セルの分散曲線についての説明図である。実施例および比較例１，２の各単位セルの分散曲線についての説明図である。実施例および比較例１，２の各単位セルの分散曲線についての説明図である。実施例および比較例１，２の入力点に加重を加える場合の説明図である。実施例および比較例１，２の入力点に加重を加える場合の説明図である。実施例および比較例１，２の入力点に加重を加える場合の説明図である。加重が加わった場合の実施例および比較例１，２の変位についての説明図である。変形例における制振構造体が備える追加部材の概略上面図である。

＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としての制振構造体１０の概略斜視図である。図１に示されるように、制振構造体（制振構造）１０は、平面を有する平板状の主部材１と、主部材１における一方の面に固定された追加部材２とを備えている。制振構造体１０は、主部材１を伝わる振動を減衰させるために、追加部材２が加えられた構造体である。なお、図１には、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸で構成される直交座標系が示されている。この直交座標系は、図２以降で説明する図２～４，８～１０，１２に示される各直交座標系と対応している。この直交座標系では、主部材１の厚さ方向に平行なＺ軸と、主部材１の面方向に平行なＸ軸およびＹ軸を定義した。

本実施形態の主部材１は、金属で形成されている。追加部材２は、主部材１の密度よりも小さい密度のパルプモウルドで形成されている。図１に示されるように、追加部材２には、Ｘ軸およびＹ軸に沿って周期的に形成された複数の凸部２１が形成されている。複数の凸部２１は、追加部材２が主部材１に固定される第１の面ＦＣ１とは逆側の第２の面ＦＣ２に形成されている。本実施形態の複数の凸部２１のそれぞれは、同じ形状を有している。

図２は、ＺＸ平面に平行な図１のＡ－Ａ断面の概略図である。図２に示されるように、主部材１の厚さは、ｔ１である。追加部材２の厚さは、主部材１の厚さｔ１よりも小さいｔ２である。追加部材２の第１の面ＦＣ１側には、ＸＹ平面において凸部２１に対応する位置に凹部２２が形成されている。換言すると、凸部２１内には、空間ＳＰが形成されている。ＸＹ平面において凹部２２が形成されていない接触面ＰＬと、主部材１の面とが接着剤によって接着されることにより、主部材１と追加部材２とが固定されている。

図２に示されるように、凸部２１の第１の面ＦＣ１からの高さ（突出長さ）は、ｈ２１であり、主部材１の厚さｔ１よりも大きい。周期的に形成された複数の凸部２１間の距離は、Ｌ２１である。ＺＸ平面における凹部２２は、Ｚ軸正方向側を短い上辺とし、Ｚ軸負方向側を長い辺を下辺とする台形状の断面を有する。凹部２２の高さは、ｈ２２である。凸部２１の高さｈ２１と、凹部２２の高さｈ２２との差は、追加部材２の厚さｔ２である。以降では、凸部２１を１つ含む制振構造体１０の単位セルＣＥ１０について各種評価を行う。なお、図２の断面図を用いて、ＺＸ平面における凸部２１と凹部２２とについて説明したが、本実施形態の制振構造体１０では、ＹＺ平面における凸部２１と凹部２２との形状および位置関係も、ＺＸ平面における形状および位置関係と同じである。

以下では、実施例としての制振構造体１０および２つの比較例１，２について、振動応答について評価した。図３は、比較例１の構造体１１の概略断面図である。図３に示されるように、比較例１の構造体１１は、制振構造体１０から追加部材２を削除した主部材１のみで構成される構造体である。そのため、構造体１１における主部材１の厚さｔ１およびＸＹ平面に平行な面積は、制振構造体１０における主部材１の面積と同じである。構造体１１の単位セルＣＥ１１のＸＹ平面における大きさは、ＸＹ平面において、制振構造体１０の単位セルＣＥ１０と同じである。

図４は、比較例２の構造体１１ｘの概略断面図である。図４に示されるように、比較例２の構造体１１ｘは、制振構造体１０の主部材１に、追加部材２ｘが固定された構造体である。追加部材２ｘは、制振構造体１０の追加部材２に凸部２１と凹部２２とのいずれもが形成されていない平板状の部材である。追加部材２ｘは、ＸＹ平面において主部材１と同じ面積を有する。追加部材２ｘは、主部材１に対向する第１の面ＦＣ１ｘを接触面ＰＬｘとして、主部材１のＸＹ平面に平行な面の全面に固定されている。追加部材２ｘは、制振構造体１０の追加部材２と同じ厚さｔ２を有する。構造体１１ｘの単位セルＣＥ１１ｘのＸＹ平面における大きさは、ＸＹ平面において、制振構造体１０の単位セルＣＥ１０と同じである。

図５ないし図７は、実施例および比較例１，２の各単位セルＣＥ１０，ＣＥ１１，ＣＥ１１ｘの分散曲線Ｃ１１～Ｃ１４，Ｃ２１～Ｃ２４，Ｃ３１～Ｃ３４についての説明図である。図５ないし図７に示される分散曲線Ｃ１１～Ｃ１４，Ｃ２１～Ｃ２４，Ｃ３１～Ｃ３４は、非特許文献１に記載された分散曲線の導出のための定式化を用いて算出された分散曲線である。図５ないし図７に示されるように、分散曲線Ｃ１１～Ｃ１４，Ｃ２１～Ｃ２４，Ｃ３１～Ｃ３４は、周波数（Fequency(Ｈｚ)）に応じて変化する、各単位セルＣＥ１０，ＣＥ１１，ＣＥ１１ｘにおける単位長さ当たりの波数(Wave number(２π・ｍ^-1))の変化である。

図５には、制振構造体１０における単位セルＣＥ１０の分散曲線Ｃ１１～Ｃ１４が示されている。図５に示される４つの分散曲線Ｃ１１～Ｃ１４のうち、実線で示された分散曲線Ｃ１１では、周波数ｆ１から周波数ｆ２までの間で、ほぼ一定の波数を維持している。そのため、単位セルＣＥ１０は、所定の周波数である周波数ｆ１から周波数ｆ２までの間でバンドギャップを形成する。このバンドギャップでは、制振構造体１０を伝わる弾性波の伝播が抑制される。

図６には、構造体１１における単位セルＣＥ１１の分散曲線Ｃ２１～Ｃ２４が示されている。図７には、構造体１１ｘにおける単位セルＣＥ１１ｘの分散曲線Ｃ３１～Ｃ３４が示されている。図６および図７に示されるように、いずれの分散曲線Ｃ２１～Ｃ２４，Ｃ３１～Ｃ３４も、周波数が増えると、波数が増える略比例関係にある。すなわち、比較例１，２の単位セルＣＥ１１，ＣＥ１１ｘは、バンドキャップを形成していない。

次に、以上で得られた分散曲線からバンドギャップにおける振動低減を確認するための評価を行った。図８ないし図１０は、実施例および比較例１，２の入力点Ｐ１に加重Ｆを加える場合の説明図である。図８ないし図１０では、各構造体１０，１１，１１ｘにおけるＸ軸負方向側のＹＺ平面が壁ＷＬに固定された状態で、Ｘ軸正方向側の入力点Ｐ１にＺ軸正方向側に加重Ｆが加えられた概略断面図が示されている。なお、図８ないし図１０では、主部材１と、追加部材２，２ｘとの上下の位置が反転している。

図１１は、加重Ｆが加わった場合の実施例および比較例１，２の変位についての説明図である。図１１には、図８ないし図１０で示された加重Ｆが加わった場合に、入力点Ｐ１と同じ位置を出力点Ｐ１として、有限要素法によって算出した、振動数に対する出力点Ｐ１の変位（displacement(ｄＢ)）の変化が示されている。図１１では、実施例の出力変位が実線の曲線Ｃ１で示され、比較例１の出力変位が破線の曲線Ｃ２で示され、比較例２の出力変位が一点鎖線の曲線Ｃ３で示されている。

図１１の曲線Ｃ１で示されるように、バンドギャップが形成されている周波数ｆ１から周波数ｆ２までの周波数域では、他の周波数域とは異なり、共振モードが存在していない。一方で、比較例１，２の各曲線Ｃ２，Ｃ３では、周波数ｆ１から周波数ｆ２を含む全周波数域で、共振モードが発生している。すなわち、実施例の制振構造体１０は、比較例１，２の構造体１１，１１ｘと比較して、構造体内を伝わる振動をより低減できる。

以上説明したように、本実施形態の制振構造体１０では、主部材１に固定される追加部材２は、主部材１の密度よりも小さく、第２の面ＦＣ２に複数の凸部２１が形成されている。凸部２１の第１の面ＦＣ１からの高さｈ２１は、主部材１の厚さｔ１よりも大きい。追加部材２には第２の面ＦＣ２に形成された凸部２１が存在するため、凸部２１の高さ方向に沿った制振構造体１０の断面二次モーメントは、追加部材２が固定されていない主部材１単体の断面二次モーメントよりも大きい。そのため、制振構造体１０を伝わる弾性波が阻止されて、振動が低減する。さらに、追加部材２の密度は、主部材１の密度よりも小さい。この結果、本実施形態では、制振構造体１０の重量の増加を抑制した上で、制振構造体１０の剛性分布によって振動を低減できる。

また、本実施形態の追加部材２の第１の面ＦＣ１側には、ＸＹ平面において凸部２１に対応する位置に凹部２２が形成されている。追加部材２内の凹部が形成されることにより、追加部材２内に空間ＳＰが形成される。そのため、凸部２１によって制振構造体１０の断面二次モーメントを増加させた上で、追加部材２の重量の増加を抑制できる、すなわち、制振構造体１０の重量の増加を抑制できる。また、プレス加工によって簡単に、凸部２１に対応する位置に凹部２２が形成された追加部材２を作成することができる。

また、本実施形態の追加部材２の複数の凸部２１は、それぞれ同じ形状を有している。同じ断面二次モーメントを有する複数の凸部２１が追加部材２に形成されることにより、一の凸部２１に入射する入射波は、他の凸部２１によって反射される反射波と相殺し合う。その結果、制振構造体１０は、所定の周波数域（例えば、周波数ｆ１から周波数ｆ２の周波数域）でバンドギャップを有するため、制振構造体１０を伝わる振動が大きく低減する。

また、本実施形態の追加部材２の各凸部２１間の距離Ｌ２１は、それぞれ同じである。そのため、制振構造体１０に入射する入射波と、反射波とが効率的に相殺されて、制振構造体１０を伝わる振動が大きく低減する。

また、本実施形態の追加部材２の複数の凸部２１は、周期的に配列されている。周期的に配列された複数の凸部２１によって、制振構造体１０は、所定の周波数域でバンドキャップを有する。そのため、制振構造体１０を伝わる振動が大きく低減する。

また、本実施形態の追加部材２は、パルプモウルドによって形成されている。そのため、主部材１の表面に沿って追加部材２の形を変化させながら主部材１に固定できる。また、パルプモウルドの密度が金属の密度と比較して小さいため、制振構造体１０の重量の増加を抑制した上で、制振構造体１０を伝わる振動を低減できる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態では、制振構造体１０を構成する主部材１および追加部材２の形状および材質等の一例について説明したが、制振構造体１０の構成については種々変形可能である。例えば、主部材１は、金属以外の材質で形成されていてもよく、樹脂などで形成されていてもよい。主部材１の形状は、平面ではなく、曲面を有する平板状であってもよい。例えば、主部材１の形状は、球状であってもよいし、正弦波のように波が形成されている曲面であってもよい。

追加部材２は、パルプモウルド以外の材料で形成されていてもよい。他の実施形態の追加部材２として、射出成形された樹脂によって形成されていることが好ましい。この場合に、主部材１の形状に合わせた追加部材２を成形しやすくなる。また、追加部材２は、主部材１よりも密度の小さい金属で形成されていてもよく、主部材１の密度よりも小さい密度の材料から選択可能である。

追加部材２の形状についても、種々変形可能である。追加部材２は、複数の凸部２１を有しており、複数の凸部２１のうち少なくとも１つの高さｈ２１が、主部材１の厚さｔ１よりも大きければよい。複数の凸部２１のそれぞれは、異なる形状を有してもよい。例えば、追加部材２には、２種類の形状の凸部が形成され、一の凸部が周期的に配置され、他の凸部が非周期的に配置されていてもよい。複数の凸部２１の少なくとも１つの高さｈ２１が、主部材１の厚さｔ１よりも大きければよい。また、高さが主部材１よりも小さい凸部が第２の面ＦＣ２に形成されていてもよい。また、追加部材２における凸部２１間の距離Ｌ２１は、必ずしも同じである必要はなく、異なる距離であってもよい。

図１２は、変形例における制振構造体１０ａが備える追加部材２ａの概略上面図である。変形例の制振構造体１０ａの追加部材２ａには、矩形状の中心線ＯＬａに沿って８個の凸部２１ａが形成され、矩形状の中心線ＯＬｂに沿って４個の凸部２１ｂが形成されている。また、変形例の追加部材２ａの中心には、凸部２１ａ，２２ａとは異なる形状の凸部２１ｃが形成されている。図１２に示されるように、追加部材２，２ａに形成された凸部２１，２１ａ，２１ｂは、特定の直線（例えば、Ｘ軸に平行な直線）ではなく、矩形状パターンや曲線パターンに沿って周期的に配列されていてもよい。また、追加部材２，２ａに形成される凸部２１，２１ａ，２１ｂは、矩形形状以外の異なる形状を有していてもよく、凸部２１，２１ａ，２１ｂは互いに異なる形状であってもよい。

追加部材２には、凸部２１の位置に対応している凹部２２が形成されていなくてもよい。この場合、凸部２１は中実の構成となる。また、複数の凸部２１のうちの一部に対応する位置に凹部２２が形成され、他の凸部２１に対応する位置に、凹部２２と異なる形状の凹部が形成されていてもよい。また、凹部２２とは別に、凸部２１に対応していない位置に、異なる凹部が形成されていてもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１…主部材
２，２ａ…追加部材
１０，１０ａ…制振構造体（制振構造）
１１，１１ｘ…比較例の構造体
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…凸部
２２…凹部
Ｃ１～Ｃ３…曲線
Ｃ１１～Ｃ１４，Ｃ２１～Ｃ２４，Ｃ３１～Ｃ３４…分散曲線
ＣＥ１０，ＣＥ１１，ＣＥ１１ｘ…単位セル
Ｆ…加重
ＦＣ１，ＦＣ１ｘ…第１の面
ＦＣ２…第２の面
ｈ２１…凸部の高さ（突出長さ）
ｈ２２…凹部の高さ
Ｌ２１…凸部間の距離
ＯＬａ，ＯＬｂ…中心線
Ｐ１…入力点、出力点
ＰＬ，ＰＬｘ…接触面
ＳＰ…空間
ｔ１…主部材の厚さ
ｔ２…追加部材の厚さ
ＷＬ…壁
ｆ１，ｆ２…周波数

Claims

制振構造であって、
平面または曲面を有する平板状の主部材と、
前記主部材の少なくとも一方の面に固定された追加部材と、
を備え、
前記追加部材は、
前記主部材の密度よりも小さく、
前記主部材に固定されている側の第１の面とは逆側の第２の面に複数の凸部が形成されており、
前記凸部の前記第１の面からの突出長さは、前記主部材の厚さよりも大きく、
前記追加部材の前記第１の面には、前記凸部に対応する位置に、前記主部材と前記追加部材とにより外部から遮蔽された中空の空間が形成され、
前記追加部材の前記複数の凸部は、
それぞれ長方形状を有し、
長軸が矩形状の仮想線または曲線状の仮想線に沿って並んで配列されている、制振構造。
請求項１に記載の制振構造であって、
前記追加部材は、パルプモウルドによって形成されている、制振構造。
請求項１に記載の制振構造であって、
前記追加部材は、射出成形された樹脂によって形成されている、制振構造。
制振構造であって、
平面または曲面を有する平板状の主部材と、
前記主部材の少なくとも一方の面に固定された追加部材と、
を備え、
前記追加部材は、
前記主部材の密度よりも小さく、
前記主部材に固定されている側の第１の面とは逆側の第２の面に複数の凸部が形成されており、
前記凸部の前記第１の面からの突出長さは、前記主部材の厚さよりも大きく、
前記追加部材は、パルプモウルドによって形成され、
前記追加部材の前記複数の凸部は、
それぞれ長方形状を有し、
長軸が矩形状の仮想線または曲線状の仮想線に沿って並んで配列されている、制振構造。
請求項４に記載の制振構造であって、
前記追加部材の前記第１の面には、前記凸部に対応する位置に凹部が形成されている、制振構造。
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の制振構造であって、
前記追加部材の前記複数の凸部は、それぞれ同じ形状を有する、制振構造。
請求項６に記載の制振構造であって、
前記追加部材の各前記凸部間の距離は、それぞれ同じである、制振構造。
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の制振構造であって、
前記追加部材の前記複数の凸部は、周期的に配列されている、制振構造。