JPH11511836A - 制振材料を充填した中空構造物品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は構造材料およびそこから形成した物品１，４の制振特性の改善法を提供する。方法は、少なくとも１つの振動モードが活性であるような構造材料内の地点においてキャビティ２，５を形成すること、および非拘束制振材料３，６をキャビティ内に配置することを包含する。制振材料は粘弾性材料および好適には有効量の繊維材料を含んでなる。

Description

【発明の詳細な説明】 制振材料を充填した中空構造物品 発明の分野 本発明は、共振を受けやすい物品の制振方法に関する。さらに詳しくは本発明 は、粘弾性材料、好適には繊維強化粘弾性材料を物品または構造体のキャビティ もしくは中空セクション内に導入することによって物品または構造体の制振特性 を改善する方法に関する。 発明の背景 ビーム、プレート、パネル、シート材料などの構造部材において、共振または 共振に近い定期的または不規則な振動は、例えば望ましくない応力や変位や疲労 や音の拡散を構造部材またはその内部から生じさせるため、問題になりうる。こ のような望ましくない振動は、代表的には外力によって誘発され、種々の物品が 種々の条件下に経験しうる。例えば共振は、広範な温度を受けうるコンピュータ ーのハードウエアーおよび車両のエンジン部品において問題を引き起こす。この ような振動は、例えば絶縁体によるように、構造体またはその構成部品を絶縁ま たは遮蔽することでは回避することができない。これは、絶縁体が力学的エネル ギーを熱エネルギーに変換させるためであるというよりも、むしろ絶縁体が単に エネルギー移動を遅延させるにすぎないからである。 振幅を減少させたり、制振するため、即ち力学的エネルギーを熱として散逸さ せて、生じうる応力や変位や疲労などを減少させるため、種々の技術が採用され ている。これらの技術は摩擦やこすり摩擦などによって構造体に存在する固有の 制振作用を補助するものである。これらの技術のうち、ある種のものは、粘弾性 材料を表面制振処理法に用いて制振作用を制御している。一般に２つの形式の表 面制振処理法、即ち（１）自由層制振処理法および（２）拘束層制振処理法が用 いられる。これら両制振処理法は、構造体の高い制振作用が得られる。すなわち 、両方法は、構造体の剛性を犠牲にすることなく望ましくない振動を散逸させる 。これら制振技術の例は、例えば米国特許第２８１９０３２号（１９５３年１月 ７ 日発行）、第３０７１２１７号（１９６３年１月１日発行）、第３０７８９６９ 号（１９６３年２月２６日発行）、第３１５９２４９号（１９６４年１２月１日 発行）、第３１６０５４９号（１９６４年１２月８日発行）および第５２７１１ ４２号（１９９３年１２月２１日発行）に記載されている。 自由層制振処理法は、「非拘束層制振」または「伸張制振」処理法とも呼ばれ ている。この技術によれば、粘弾性制振材料を構造体表面に適用して、制振作用 を生じさせる。この材料は、構造体の一方または両方の面に適用することができ る。この処理法によって共振エネルギーのような望ましくないエネルギーを散逸 させるメカニズムは、変形を伴う。すなわち、例えば構造体を循環荷重に付した 場合、制振材料は引張り-圧縮変形に付され、伸張歪みメカニズムを介してエネ ルギーを散逸させる。 拘束層制振処理法は、「剪断制振」処理法とも呼ばれている。この形式の制振 処理法は、所定重量に対し、一般に自由層制振処理法よりもより効率的である。 この技術によれば、１またはそれ以上の粘弾性制振材料層および１またはそれ以 上の剛性拘束材料からなるダンパーを適用することによって、制振作用を生じさ せる。すなわちこの制振技術は、粘弾性材料を構造体の表面に適用する自由層制 振処理法と類似するが、その粘弾性材料は、拘束層処理法に従い剛性拘束層によ って拘束される。エネルギーは、剛性拘束層および基本構造による拘束に起因す る剪断メカニズムを介し、粘弾性制振材料から散逸する。 これら表面制振技術は、広範に使用されているが、制振作用の程度は、しばし ば厚みおよび重量の制限のため限られる。さらにこれら表面制振技術は、全ての 形式の構造体、全ての振動モードまたは全範囲の振動数に対し適用することがで きない。例えば、構造体自体を油のようなある種の化学流体において使用すべき 場合、これら表面制振処理法は、少なくとも粘弾性材料が劣化しうるため、適し ていない。この制限を克服するため、拘束層ダンパーを構造体内に埋め込んでい る。しかしながらこの制振技術は、構造体の幾何学的形態および剛性に悪影響を 及ぼす。すなわち、広範で種々の物品や構造的幾何学的形態や振動モードや環境 条件や振動数のために、物品の構造的一体性に悪影響を与えることなく、振動エ ネルギーを減衰させる別の方法が必要である。 発明の概要 本発明は、構造材料を含む物品の制振特性を改善する方法およびこれにより製 造した物品を提供する。この方法は、少なくとも１つの振動モード、即ち共振モ ードが活性であるような構造材料内の地点においてキャビティを形成すること、 および非拘束制振材料をキャビティ内に、この非拘束制振材料が構造材料内に実 質的に完全に収納（好適には完全に収納）されるように配置することを包含する 。好適には、非拘束制振材料は、キャビティ内に入れる際に流動状態であり、こ れは、例えば非拘束制振材料をポンプ処理または注入することによって達成する ことができる。用途に応じて、単数の連続キャビティまたは複数のキャビティを 形成することができる。キャビティには、部分的または実質的に完全に非拘束制 振材料を充填することができる。本明細書および請求の範囲において用いられる 「非拘束」制振材料なる語は、薄膜アルミニウムまたはステンレススチールのよ うな、拘束層ダンパーに使用される形式の拘束層を含んでいない制振材料を意味 する。 「非拘束」制振材料には、単一の粘弾性材料または異なる粘弾性材料の組み合 せ、即ち混合体または層が包含される。有用な粘弾性材料は、少なくとも約１ps i（６.９×１０³パスカル）の貯蔵弾性率および少なくとも約０.０１の動的損失 率を有するものである。有利にそして好適には、所定量の制振材料を、構造物品 内に形成した単数または複数のキャビティ内に配置して、少なくとも１つの振動 モードにおいて少なくとも約１０％、より好適には少なくとも約２０％の程度で 物品または構造材料の制振作用を改善する。好適には粘弾性材料は、熱可塑性ポ リマーから構成される。なぜなら熱可塑性ポリマーは、少なくとも流動性である ためポンプ処理や注入などによってキャビティ内に容易に配置されるからである 。 ある種の好適な具体例において、制振材料はまた有効量の繊維材料を含む。制 振材料は好適には、少なくとも１つの振動モードの少なくとも約２の係数の歪エ ネルギー比によって構造物品また構造材料の制振作用を改善するのに有効な量の 繊維材料を含む。代表的にはこのために、制振材料の全重量に基づき約３〜６０ 重量％の繊維材料を制振材料内に組み込ませることが必要である。好適には、繊 維材料は非金属繊維材料、例えばガラス繊維である。 本発明は、少なくとも１つの振動モードが活性であるような構造材料内の所定 の地点において実質的に完全に収納または収容、好適には完全に収納または収容 された少なくとも１つのキャビティを有する構造材料、および構造材料内に含ま れた前記非拘束制振材料を含んでなる制振物品を提供する。 図面の簡単な説明 図１は、制振材料を完全に充填した連続キャビティを有するＩ形ビームの断面 を示す本発明の一具体例の模式図である。 図２は、各制振材料を部分的に充填した数個のキャビティを有する物品の一部 の断面を示す本発明の別の具体例の模式図である。 図３は、固体スチール製片持ばりビーム（実施例１のモデル１）の代表的な有 限要素モデルを示す図である。 図４は、好適な粘弾性制振材料を充填した中空ビームについての、第１曲げモ ードにおいて得られたモード形態および固有振動数（または自然振動数）を示す 図である。 図５は、好適な粘弾性制振材料を充填した中空ビームについての、第２モード （または第１揺動モード）において得られたモード形態および固有振動数を示す 図である。 図６は、好適な粘弾性制振材料を充填した中空ビームについての、第３モード （または第２曲げモード）において得られたモード形態および固有振動数を示す 図である。 詳細な説明 本発明は、例えば構造物品や構造部品などのような物品の制振特性を改善する 方法を提供するもので、本発明によって、種々工学的用途のノイズおよび振動に よる問題が解決される。さらに詳しくは本発明は、高い動的損失率（即ち少なく とも約０．０１、好適には少なくとも約０．１）を有する高散逸力の制振材料を 使用する制振技術を提供する。この材料は、対象となる種々の振動モードにおい て実質的な量の歪エネルギーを形成し、このエネルギーを散逸させ、これにより ノイズ、振動および共振を消失させる。 本発明は、制振処理に適用することができる。即ち本発明は、例えば曲げや捩 れや揺動や外力のような広範で種々の振動モードの振幅を、広範で種々の構造的 形態において広範な振動数にわたり減少させるのに、適用することができる。本 発明は、単なる二次元の制振作用ではなく、三次元の制振作用をもたらす。また 本発明は、拘束層処理、制振用支柱、流体ダンパー、磁気装置および圧電装置な どのような表面処理が代表的に使用される状況に適用することができる。本発明 は、巨大な構造体、例えばビルディングにおいて、風力や地震波に起因する振幅 や加速度を減少させるのに有用であると、考えられる。 本発明の方法は、有効量の「非拘束」制振材料を１またはそれ以上のキャビテ ィ（即ち物品製造に使用される構造材料の中空セクションまたはポケット）内に 導入することを包含する。本明細書および請求の範囲において用いられる「構造 材料」なる語は、望ましくない振動モードが活性となるような物品製造用の材料 、例えばスチール、アルミニウムまたは構造グレイドのプラスチックを意味する 。好適には構造材料は、少なくとも弾性特性に関し等方性の材料である。本明細 書および請求の範囲において用いられる「等方性材料」なる語は、この材料が所 定の特性について測定される方向に関し独立的な特性を有する材料を意味する。 すなわち等方性材料は、所定の特性が全般的に、即ち全方向に関し完全に同じで ある材料である。本発明に関し、等方性および異方性なる語は材料の少なくとも 弾性特性に適用される。 制振材料は、物品製造用の構造材料、例えば非鉄キャスチング（または注入成 形品）のような構造材料のキャビティ、例えばポケット内に組み込まれる。物品 およびその内部のキャビティは、この分野で任意の既知の方法、例えば機械成形 法、成形法、キャスト成形法などによって作製することができる。好適には物品 は、その内部に形成したキャビティを有するキャスチングまたは成形品である。 このキャビティは任意の形態、即ち楕円形、円筒形などとすることができる。こ のようにして、制振材料は、構造材料によって実質的に完全に包囲、即ち収容ま たは収納される。すなわち制振材料は、制振材料と構造材料の間で緊密な接触が 生じるような方法によって物品製造用の構造材料自体の内部に収容または収納さ れる。この接触は、力学的エネルギーが構造材料から制振材料内へ移動して散逸 することを可能にさせる。これは、表面ダンパーまたは埋込みダンパーのいずれ かとして物品に添加される別々で独立したダンパーを用いることとは異なって、 物品自体が制振作用を示すような固有の制振物品を製造することをもたらす。ま たこれは、三次元的な制振物品をもたらす。このようにして制振物品は、力学的 エネルギーを熱エネルギーに内部変換させる制振物品を製造することができる。 このキャビティは構造体または構造材料内に対称的に収納する必要がないこと を理解すべきである。ある種の用途では、むしろキャビティは構造体表面におい てこの表面に付設したキャップによって作製することができる。このキャップは 、例えば溶接、接着剤結合または機械的締結によって構造体表面に一体的に付設 することができるかまたは構造体表面内に成形することができる。このキャップ は、制振材料を（構造体表面と一緒に）実質的に完全に収納した側壁部および頂 部を備える。好適には、このキャップの側壁部は頂部よりも薄く、頂部の厚みの 約８０％よりも薄く、より好適には頂部の厚みの約６５％よりも薄い。このキャ ップは、環状形、長円形、正方形または長方形とすることができる。 本発明の「非拘束」制振材料は、粘弾性材料の拘束のために拘束層ダンパーに おいて使用される拘束層、例えばアルミニウムまたはステンレススチールが排除 される。しかしながら本発明は、粘弾性材料を「拘束する」ように作用できる、 制振材料と共に相互に混合される短繊維の使用を排除するものではない。本発明 の装置は、また制振材料が全ての縁部で露出するような積層構造から区別される 。すなわち本発明の装置は、水分、潤滑剤、化学品および酸素の攻撃から制振材 料を実質的に完全に保護する。 好適には、構造キャビティまたは中空セクションに制振材料を実質的に完全に 充填するが、この完全な充填は本発明の必須条件ではない。代表的には制振材料 は、物品の制振特性を改善するような量をキャビティ内に入れる。好適には、少 なくとも１つの振動モードにおいて制振作用を少なくとも約１０％（好適には少 なくとも約２０％）改善するのに十分な量の制振材料を使用する。この技術の結 果として、構造体が１またはそれ以上の固有振動数において励起された場合に高 い機械的歪みが制振材料内に導入される。制振材料内で生じた機械的歪エネルギ ーは、次いで熱エネルギーの形態、即ち熱として散逸する。制振材料の歪エネル ギーがより大きくなれば、より多量の振動エネルギーが構造体から散逸する。 構造部材のような物品内のキャビティ、即ちポケットまたは中空セクションの 配置、したがって制振材料の配置は、振幅が消失される物品の幾何学的形態およ び振動モードに依存する。即ちキャビティ、したがって制振材料は、１またはそ れ以上の振動モードが活性となるような物品部分に配置する。この配置によって 、制振材料内で発生した歪エネルギーの量を最大にすることができる。これらの 配置の同一性は、当業者によってモード解析または有限要素解析を用い決定する ことができる。 本発明の方法によって制振される物品は、任意の「構造的」材料から製造する ことができるが、好適にはその材料は等方性材料である。この材料には例えば金 属、エポキシ樹脂、プラスチック、コンクリートなどが包含される。代表的な材 料は、プラスチック、アルミニウム、チタン、鉄またはスチールについての通常 のキャスチングまたは成形品のような、構造材料に使用される材料である。この 材料は粘弾性材料ではない。しかしながら本発明の制振作用の概念は、非等方性 材料、即ち例えば炭素繊維強化プラスチックのような異方性複合材料にも使用す ることができるものと考えられる。 さらに、構造材料には１以上の形式の材料が包含されるものと、理解すべきで ある。例えば、異なる形式の材料から製造した２つの各部分を機械的締結、接着 剤結合または溶接を介し結合して、キャビティを形成することができる。このキ ャビティに次いで制振材料を充填することができる。この状況においては、２つ の材料はモジュラス、例えば剪断弾性率またはヤング率が約１０％以下、好適に は約５％以下の不一致となるようにすべきである。最も好適な用途では、不一致 は全くない。モジュラスが実質的に不一致である場合、即ち約１０％よりも大で あ る場合、力学的エネルギーは散逸用の制振材料内に不十分な程度でしか移動しな い。このような状況は、例えば、曲げ弾性率１０００〜５００００psi（６．９ ×１０⁶〜３．５×１０⁸パスカル）のポリウレタンのような弾性材料および代表 的には１００００００psi（６．９×１０⁹パスカル）よりも大の曲げ弾性率の金 属によってキャビティを形成した物品において生じる。例えば、米国特許第５２ ９００３６号（１９９４年３月１日発行）参照。 「非拘束」制振材料には粘弾性を示す任意の材料が包含される。粘弾性材料は 粘性（内部摩擦のみを持っている状態）を示すため、エネルギーを散逸させるこ とができるが、ある種の弾性特性を示すためエネルギーを保存することができる 。即ち粘弾性材料は、変形した際に力学的エネルギーを熱に変換可能な長鎖分子 を代表的には含む弾性材料である。この材料は、適用荷重によって代表的には変 形、例えば伸張し、そしてその当初の形態に徐々に回復することができ、例えば 場合により荷重の除去後に収縮しうる。 本発明の制振材料の使用に適した粘弾性材料は、少なくなくとも約１psi（６ ．９×１０³パスカル）の貯蔵弾性率、即ち変形の間に貯蔵されるエネルギーの 尺度を有する。有用な粘弾性材料の貯蔵弾性率は、５０００００psi（３．４５ ×１０⁹パスカル）程に高いものとできるが、代表的には約１０〜２０００psi（ ６．９×１０⁴〜１．４×１０⁷パスカル）である。特に好適な粘弾性材料は、少 なくとも約２％の歪エネルギー比、即ち制振材料中に保存された歪エネルギー： 構造体中に保存された総歪エネルギーの比率を有する構造体が得られる。 本発明の制振材料の使用に適した粘弾性材料は、少なくとも約０．０１の動的 損失率、即ち損失エネルギー：貯蔵エネルギーの比率を有する。好適には、動的 損失率は、材料が被る振動数および温度に拘わらず少なくとも約０．１、より好 適には約０．５〜１０、最も好適には約１〜１０である。この動的損失率は、材 料のエネルギー散逸の尺度であり、材料が被る振動数および温度に依存する。例 えば架橋アクリルポリマーについて、振動数１００Ｈｚにおいて、２０℃の動的 損失率は約１．０であり、他方７０℃の動的損失率は約０．７である。 好適な粘弾性材料は、代表的には、広範な温度範囲、例えば−４０°Ｆ（−４ ０℃）〜３００°Ｆ（１４９℃）の温度を被ったのちでも機能的のままである。 すなわち粘弾性材料は、その動的損失率が実質的に減少することなく広範な温度 範囲に耐えることができる。 有用な粘弾性制振材料は、とくにその弾性特性に関し、等方性並びに異方性の 材料とすることができる。本明細書および請求の範囲において用いられる「異方 性材料」または「非等方性材料」なる語は所定の特性が測定方向に依存するよう な材料を意味する。好適な粘弾性材料にはウレタンゴム、シリコーンゴム、ニト リルゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、スチレン-ブタジエンゴムな どが包含される。他の有用な制振粘弾性材料にはポリエステル、ポリウレタン、 ポリアミド、エチレン-ビニルアセテートコポリマー、ポリビニルブチラール、 ポリビニルブチラール-ポリビニルアセテートコポリマーなどが包含される。と くに有用な材料の例は、米国特許第５１８３８６３号（１９９３年２月２日発行 ）および第５３０８８８７号（１９９４年３月３日発行）に開示または引用され ている。 米国特許第５１８３８６３号は、（Ａ）４０モル％よりも大きい二塩基性酸基 が芳香族系である、少なくとも１つの低比重・無定形ポリエステル樹脂、（Ｂ） ８０モル％よりも大きい二塩基性酸基が芳香族系である、少なくとも１つの高比 重・無定形ポリエステル樹脂、および（Ｃ）ポリイソシアネート化合物、エポキ シ基含有化合物および酸無水物を含んでなる、有用な制振材料用粘弾性樹脂組成 物を開示する。これら成分（Ａ）および（Ｂ）は、その重量比が９０：１０〜３ ０：７０であって、比重（３０℃）が０．０６〜０．１５だけ相互に異なり、か つ分子量が１００００またはそれ以上相互に異なり、それらの一方の分子量は５ ０００よりも大である。この樹脂組成物は、改善された制振特性、接着剤強度二 次成形特性および成形後の耐熱性を示す制振材料が得られる。 米国特許第５１８３８６３号によれば、ポリエステル樹脂は二塩基性酸および グリコールから形成される。二塩基性酸には芳香族系二カルボン酸（例えば、テ レフタル酸、イソフタル酸、オルトフタル酸、１，５-ナフタレン二カルボン酸 、２，６-ナフタレン二カルボン酸、４，４’-ビフェニル二カルボン酸、２，２ - ビフェニル二カルボン酸および５-ナトリウムスルホイソフタル酸）、アクリル 系二カルボン酸（例えば１，４-シクロヘキサン二カルボン酸、１，３-シクロヘ キサン二カルボン酸および１，２-シクロヘキサン二カルボン酸）、および脂肪 族系二カルボン酸（例えばコハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、 ドデカン二カルボン酸、およびダイマー酸）が包含される。これらの二塩基性酸 は、樹脂特性に有害とならないような量の三塩基性酸（例えばトリメリット酸お よびピロメリット酸）と組み合わせて使用してもよい。 グリコールは、脂肪族系グリコール（例えばエチレングリコール、プロピレン グリコール、１，４-ブタンジオール、１，３-ブタンジオール、１，５-ペンタ ンジオール、ネオペンチルグリコール、３-メチルペンタンジオール、１，６-ヘ キサンジオール、トリメチルペンタンジオール、１，９-ノナンジオール、２-メ チル-１，８-オクタンジオール、２，２-ジエチル-１，３-プロパンジオール、 ２-エチル-２-ブチル-１，３-プロパンジオール、ジエチレングリコールおよび トリエチレングリコール）、アクリル系ジオール（例えば１，４-シクロヘキサ ンジメタノール）および芳香族系環含有ジオール（例えばビスフェノールＡまた はビスフェノールＳの酸化エチレンまたは酸化プロピレンとの付加物）が例示さ れる。これらのグリコールは、三官能または多官能成分（例えばトリメチロール プロパン、グリセリンおよびペンタエリスリトール）と、樹脂特性に有害となら ない量で組み合わせて使用することができる。 米国特許第５１８３８６３号によれば、２つのポリエステル樹脂は数平均分子 量が少なくとも１００００、好適には１２０００よりも大きく、また３０℃の比 重が０．０６〜０．１５、好適には０．０８〜０．１２５だけ相互に相違するこ とが必須である。 米国特許第５１８３８６３号はシリコーン／アクリル系組成物を開示する。こ の組成物は以下の成分を含んでなる： （ａ） （i）約５０〜約１００重量部のアルキルアクリレートモノマー（こ のアルキル基は平均４〜１２の炭素原子を含有する）、および （ii）対応する量の約５０〜約０重量部のモノエチレン系不飽和共重 合性変性剤モノマー（上記（i）および（ii）の量は、（i）＋（ii）の全量がア クリル系モノマー１００重量部に等しくなるように選択される） を含む約５〜約９５重量部のアクリル系モノマー、 （ｂ）対応する量の約９５〜約５重量部のシリコーン感圧接着剤（上記（ａ） および（ｂ）の量は、（ａ）＋（ｂ）の全量が１００重量部に等しくなるように 選択される）、 （ｃ）アクリル系モノマー１００重量部に基づき約０〜約５重量部の光重合開 始剤、および （ｄ）（ａ）＋（ｂ）の１００重量部に基づき約０〜約５重量部の架橋剤。 米国特許第５３０８８７号によれば、「モノエチレン系不飽和共重合性変性剤 モノマー」なる語は、アクリル系モノマー、即ちアルキルアクリレートおよび変 性剤モノマーから形成したコポリマーのＴｇ（ガラス転移温度）を増大させ、こ れによりコポリマーのＴｇがアルキルアクリレートそれ自体のホモポリマーのガ ラス転移温度よりもより高くさせることができるようなモノマーを意味する。変 性剤モノマーは、この変性剤モノマーのホモポリマーがアルキルアクリレートの ホモポリマーよりも高いＴｇを有するようにモノエチレン系不飽和共重合性モノ マーから選択される。 制振材料の使用に好適な粘弾性材料は、触媒や水や熱や冷却などのいずれかに よって実質的に硬化するような流動性材料である。この材料の１つの形式は熱可 塑性ポリマーである。熱可塑性ポリマーは、高温にさらすと軟化すると共に、一 般に環境温度に冷却するとその当初の物理的状態に戻る。製造工程の間、熱可塑 性ポリマーを軟化温度よりも高温、しばしば融点よりも高温に加熱して、注入ま たはポンプ処理によるように物品のキャビティ内に熱可塑性ポリマーを組み込む ことができる。キャビティの充填、例えば部分的（例えば代表的には少なくとも 約１０、好適には少なくとも約５０容量％）または実質的に完全に（即ち９０％ よりも大）充填したのちに、熱可塑性ポリマーを冷却、固化する。すなわち、熱 可塑性ポリマーについては、射出成形のような技術を用いて制振物品、例えば構 造部材を製造することができる。すなわち、環境条件下でさえ、未硬化時に非常 に流動性（低粘度）の流動可能な形態で、粘弾性材料を構造体キャビティ内に組 み込むことができる。本明細書および請求の範囲において用いられる「環境条件 」なる語およびその類似語は、約１５〜３０℃、一般に約２０〜２５℃とでき、 また相対湿度約３０〜５０％、一般に相対湿度約３５〜４５％とできるような室 温を意味する。 本発明の好適な熱可塑性ポリマー、すなわち熱可塑性材料は、高融点および／ または良好な耐熱性を有する材料である。即ち、好適な熱可塑性材料は少なくと も約１００℃、好適には少なくとも約１５０℃の軟化点を有する。加えて、好適 な熱可塑性材料の軟化点は、以下に記載の繊維材料（この材料を使用する場合） の融点よりも充分に低く、即ち少なくとも約５０℃低い。このようにすれば、繊 維材料は熱可塑性材料の溶融過程の間に悪影響を与えることがない。本発明の物 品の制振材料としての使用に適した熱可塑性材料の例には、以下のものに制限さ れるものではないが、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリエーテルイミ ド、ポリエステル、ポリスルホン、ポリスチレン、アクリロニトリル-ブタジエ ン-スチレンブロックコポリマー、ポリプロピレン、アセタールポリマー、ポリ アミド、ポリビニルクロライド、ポリエチレン、ポリウレタンおよびそれらの組 み合わせからなる群から選ばれる材料が包含される。 有用な粘弾性材料は、また架橋可能なものとしてその強度を向上させることが できる。この粘弾性材料は熱硬化性樹脂として分類される。粘弾性材料が熱硬化 性樹脂である場合、構造構成要素の製造前に、熱硬化性樹脂は熱可塑性状態で存 在する。製造工程の間に、熱硬化性樹脂は、代表的には硬化および／または架橋 によって固体状態にさせるが、硬化した材料が前記した粘弾性特性を有する限り 硬化の際にゲルとして存在することもできる。用いた特定の熱硬化性樹脂に応じ て、熱硬化性樹脂は硬化剤、例えば触媒を使用することができる。この硬化剤を 好適なエネルギー源（例えば熱エネルギーまたは照射エネルギー）にさらした場 合、硬化剤は、熱硬化性樹脂の重合を開始させる。特に好適な熱硬化性粘弾性制 振材料は、部分的に架橋したアクリレートを基本とする。 一般に、任意の好適な粘弾性材料を使用することができる。温度および振動数 などの特定の硬化条件のための粘弾性材料の選択は、粘弾性制振分野の当業者に よって知られている。また、前記粘弾性材料の任意の混合物または層を使用でき ると理解すべきである。 粘弾性材料に加え、本発明のある種の好適な具体例の「非拘束」制振材料は有 効量の繊維材料を含む。本明細書および請求の範囲において用いられる繊維材料 の「有効量」なる語は、粘弾性材料に所望の特性の改善を少なくとも付与するの に充分な量であるが、いずれの実質的な数のボイドを生じさせると共に粘弾性材 料が組み込まれる物品の構造的一体性に悪影響を与えるほどには多くない量を意 味する。一般に繊維材料は、この繊維材料を有することなく同じ量および形式の 粘弾性材料を含む成分の歪エネルギー比を増加させるのに有効な量で、使用する 。一般に、少なくとも１つの振動モードにおいて、少なくとも約２の係数の歪エ ネルギー比の増加が望ましい。代表的には粘弾性材料の繊維材料量は、制振材料 の全重量に基づき、約３〜６０重量％、好適には約１０〜５０重量％、より好適 には約１５〜４５重量％、最も好適には約３０〜３５重量％の範囲内である。 繊維材料は、繊維ストランド、マットまたはウェブの形態とすることができる が、繊維ストランドが好適である。繊維ストランドは、粘弾性材料が材料表面を 湿潤できる限り、糸（加工糸）、コード、ヤーン、ロービング、フィラメントな どの形態とすることができる。繊維材料は、特定の順序により均一にまたは不規 則に分散させることができる。好適には、繊維ストランド、即ち繊維または細糸 状素材は、少なくとも約２：１、より好適には約２：１〜約１０：１の範囲のア スペクト比を有する。繊維のアスペクト比は、繊維のより長い寸法：より短い寸 法の比率である。 繊維材料は、粘弾性材料の制振能力を増大させる任意の材料から構成すること ができる。本発明の適用に有用な繊維材料の例には、金属性繊維材料、例えば酸 化アルミニウム、マグネシウムまたはスチール繊維並びに非金属性繊維材料、例 えばガラス繊維が包含される。一般に、高いヤング率の繊維材料、即ち少なくと も約１０００００psi（６．９×１０³パスカル）のヤング率を有する繊維材料が 好適である。さらに好適には、有用な繊維材料は、少なくとも約５０００００ps i（３．４５×１０⁹パスカル）、最も好適には少なくとも約１００００００psi （６．９×１０⁹パスカル）のヤング率を有する。最も好適には、繊維材料は非 金属性である。非金属性繊維材料は、制限されるものではないが、ガラス、炭素 、鉱物、合成または天然耐熱性有機材料およびセラミック材料からなる群から選 ばれる材料を含め、種々の材料とすることができる。本発明の適用に好適な繊維 材料は、有機材料、ガラスおよびセラミック繊維材料である。 本明細書および請求の範囲において用いられる「耐熱性」なる語は、使用可能 な有機材料が本発明の構造体の製造／使用の条件下に溶融もしくは他の軟化また は破断に対し充分な耐性を示すべきであることを意味する。有用な天然有機繊維 材料には、以下のものに制限されるものではないが、木材、シルク、綿およびセ ルロースからなる群から選ばれる材料が包含される。有用な合成繊維材料の例に は、以下のものに制限されるものではないが、ポリビニルアルコール、ナイロン 、ポリエステル、レーヨン、ポリアミド、アクリル、ポリオレフィン、アラミド 、フェノールからなる群から選ばれる材料が包含される。本発明の適用に好適な 有機繊維材料はアラミド繊維材料である。この材料は市販されている〔Ｄｕｐｏ ｎｔ Ｃｏ．，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ、商標名ＫｅｖｌａｒおよびＮｏｍ ｅｘ〕。 一般に、本発明の適用において任意のセラミック繊維材料が有用である。本発 明に適したセラミック繊維材料の例は、市販されている〔商標名ＮＥＸＴＥＬ、 Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃ ｏ．，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ〕。有用な市販ガラス繊維材料の例は、ＰＰＧＩｎ ｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．〔Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ、製品名Ｅ-ガラス ボビンヤーン〕、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇ〔Ｔｏｌｅｄｏ，ＯＨ、製品名「 ファイバーグラス」連続フィラメントヤーン〕およびＭａｎｖｉｌｌｅ Ｃｏｒ ｐｏｒａｔｉｏｎ〔Ｔｏｌｅｄｏ，ＯＨ、製品名「Ｓｔａｒ Ｒｏｖ５０２」フ ァイバーグラスロービング〕から入手されるものである。 約１００μmほどに短い長さの繊維材料の使用を介し、利点を得ることができ る。 しかしながら、一般にこれよりも短い繊維は、充分な強化が得られない。繊維の 長さは、用途に応じ各繊維間の剪断面の量によって規定される。代表的な繊維材 料の太さ、即ち繊度は少なくとも約５μmである。繊維は細くなればなるほど、 繊維材料の表面積はより大きくなる。即ち、好適な繊維材料は非常に細い。繊維 太さは、使用される繊維材料の特定の形式によって強く影響される。 繊維に加え、本発明の制振材料は添加剤、例えば充填材（例えばシリカ）、強 化剤、難燃剤、抗酸化剤などを含むことができる。これら物質各々を充分な量で 用いて、所望の結果を奏することができる。 制振中空構造体は、構造幾何学的形態および剛性に悪影響を与えることなく、 粘弾性材料の制振作用を利用することができる。即ち、本発明の制振中空構造体 は、構造材料よりも一般に軽量であるため、重量の減少を必要とする新製品の良 好な候補となる。本発明の重要な特徴は、構造体内に導入したキャビティが物品 の剛性に悪影響を与えることがないことである。この知見は、車両、航空機およ び建設産業におけるような構造部材の設計に従事する技術者にとって、非常に有 用なものとなるべきである。 この制振作用の概念を使用しうる物品には、閉鎖セクション管状構造部材、並 びに開放セクション構造部材、例えば機械支持体に使用されるビームおよび溝が 包含される。加えて、ゴルフクラブ、テニスラケット、送風機の羽根並びに車両 、航空機または水上機器の部品などのような物品は、本発明の制振作用の概念を 使用することができる。一般に、この制振作用の概念を最も容易に組み込むこと ができる物品は、少なくともキャスチングまたは成形品である。なぜなら、キャ スト成形または成形の間にこれらの成形品内にキャビティを容易に組み込みこと ができるからである。１つ以上の形式の制振材料、例えば粘弾性材料と繊維材料 の組み合わせは、いずれか１つの物品に使用でき、これにより種々の材料の種々 の防音および制振特性の利点を得ることができる。 図１は、制振材料３を完全に充填した連続キャビティ２を有するＩ-ビーム１ を示す、本発明の一具体例の模式図である。このキャビティは、所望により制振 材料をもっぱら部分的に充填することができる。図２は、数個のキャビティ５を 有する構造物品４の一部を示す本発明の別の具体例の模式図であり、これらキャ ビティの各々には制振材料６を部分的に充填している。前記したように、制振材 料は、繊維材料を有する粘弾性材料または粘弾性材料の組み合わせを含むことが できる。また制振材料は、粘弾性材料の混合物並びに種々の異なる繊維材料を含 むことができる。キャビティ内の制振材料の厚みまたは量について、特に制限は ないが、その厚みまたは量は、一般に特定の用途によって決定される。 本発明の物品は、構造体内にキャビティを作製するための任意の好適な技術に よって、制振材料をキャビティ内に導入し、次いで所望によりキャビティを環境 から単離するように密封することで、製造することができる。これらの技術は、 一般に当業者に知られている。例えば、応力地点において１またはそれ以上のキ ャビティを有するスチール製の構造部分を、標準的キャスト成形技術を用いて製 造でき、次いで流動形態の粘弾性材料を含む制振材料をキャビティ内に、例えば 注入して固化または硬化させ、次いでキャビティを密封して制振材料を完全に収 納する。ただしこの密封は、制振材料が実質的に完全に構造材料内に収容または 収納されている限り、必須要件ではない。したがって、本明細書および請求の範 囲において用いられる「実質的に完全に収納する」なる語は、小さな流入口、即 ち注入口を密封しない状況が可能であることを意味する。しかしこれらの開口部 は、構造体外面の全表面積のごく小さな部分、即ち約１０％よりも小さい部分を 構成する。好適にはしかし、これら流入口は、密封して制振材料を完全に収納ま たは収容し、これにより流入口を環境から完全に保護する。 実施例 次に、種々の特定で好適な具体例を参照しながら本発明を説明し、また詳細な 実施例を参照しながら本発明をさらに説明する。しかし、実施例および詳細な説 明に開示したもの以外であって、本発明の精神および技術的範囲に入る本発明の 主題に基づく多数の拡張例、変形例および改良例が存在するものと、理解される 。 実施例１ 構造体のビルトイン（内蔵）粘弾性制振作用（または制振構造キャビティ作用 ）を調べるため、有限要素解析法を用いた。連続構造を、その各境界線に沿った 離 散的数の結節点において連結される小さな「有限要素」に分割して、想定した有 限素子モデルを作製した。この方法は、構造解析に広範に使用されており、複雑 な幾何学的構造および荷重状態を取り扱う際に有力で正確で迅速な手段であるこ とが証明されている。この作業に用いた有限要素プログラムは、「ＣＯＳＭＯＳ ／Ｍ」ｃｏｄｅ〔Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＆ Ａｎａｌｙｓ ｉｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓａｎｔａ Ｍｏｎｉｃａ，ＣＡによって開発 〕であった。 モデルの説明 本発明を証明するため、２つの形式の制振材料をモデル化した：（１）米国特 許第Ｒｅ２４９０６号に開示の９０：１０イソオクチル／アクリル酸ポリマーか らなる低弾性率軟質制振材料（以後、90:10ＩＯＡ／ＡＡと言う）、および（２ ）短繊維（即ちヤング率１０．５×１０⁶psi（７２×１０⁹パスカル））強化・ Ｅ-ガラスおよび90:10ＩＯＡ／ＡＡポリマーの複合体から製造した高弾性率制振 材料。複合体制振材料モデルは、不規則に配向した容量分率３５％のＥ-ガラス 短繊維および容量分率６５％の（90:10ＩＯＡ／ＡＡ）制振材料から構成される 。 モデルの基礎はステンレススチール製の忠実片持ばりであった。中空セクショ ンを忠実片持ばりモデル内に導入し、次いでモデル化される所望の制振材料を充 填した。自由振動解析を、三次元有限要素法を用いて行って、固有振動数および モード形態を予想した。次いでモード歪エネルギー法を基本とし、得られたモー ド形態を用いてモード制振特性、即ち各振動モードの制振作用をコンピュータ処 理した。 以下の５つのモデルを用いた： （１）モデル１：寸法１０.２５インチ（２６cm、長さ-ｚ）×１．３７５インチ （３．５cm、幅-ｘ）×０．６２５インチ（１．６cm、厚み-ｙ）の忠実スチール 製片持ばり、 （２）モデル２：寸法１０インチ（２５cm）×１．１２５インチ（２．８５cm） ×０．６インチ（１．５cm）のキャビティセクションをモデル１の中央域内に導 入したもの、即ち中空ビーム、 （３）モデル３：モデル２のキャビティセクションに90:10ＩＯＡ／ＡＡポリマ ーを部分的に充填したもの、即ち厚み方向のキャビティセクションの半分のみに 90:10ＩＯＡ／ＡＡポリマーを充填したもの、 （４）モデル４：モデル２のキャビティセクションに90:10ＩＯＡ／ＡＡ制振材 料を完全に充填したもの、および （５）モデル５：モデル２のキャビティセクションにＥ-ガラスおよび90:10ＩＯ Ａ／ＡＡポリマーを完全に充填したもの。 歪エネルギー-制振作用解析 自由振動／有限要素解析法を行って、各モデルの固有振動数およびモード形態 を予測した。モード解析において３つの重要なパラメーターがある。これらのパ ラメーターは、各振動モードについての固有振動数、モード形態および制振作用 である。有限要素解析法によれば、２つのモードパラメーターが各々固有振動数 およびモード形態として得られる。残りの制振作用パラメーターは、所定の方法 〔Ｍｏｄａｌ Ｓｔｒａｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ ＭｅｔｈｏｄまたはＳｔｒａｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍｅｔｈｏｄ〕を用いて決定した。 制振処理における歪エネルギーの使用は、１９６２年にＵｎｇａｒ およびＫ ｅｒｗｉｎによって紹介されている〔Ｊ．Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔ ｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、３４巻、９５４頁、１９６２年〕。歪エネルギーの 制振作用解析への適用は、種々の刊行物において実証されている。歪エネルギー 法の基本は、所定材料の制振作用が、材料中に散逸したエネルギー：材料中に保 存したエネルギーの比率を特徴とすることである。すなわち、数個の異なる材料 からなる構造系について、系全体の制振作用は、各構成材料中に保存した弾性歪 エネルギー比および材料制振作用によって式（１）に示すように表現することが できる。 式中、 ｋは、材料の数 ｎは、構造体中の材料の総数 ηは、系の全構造体動的損失率（制振作用の尺度） ηkは、ｋの材料の動的損失率 Ｗkは、ｋの材料中に保存された歪エネルギー Ｗtは、構造体中に保存された総歪エネルギー＝ΣＷkを意味する。 各材料中に保存された歪エネルギーは、有限要素法の結果から得られたモード 形態に基づき算出する。すなわち、得られたモード形態を用い、直線的弾性構造 則によって対応する振動モードの歪エネルギーを算出した。ただし、各材料の動 的損失率のデータは、実験測定によって測定した。モデル化した90:10ＩＯＡ／ ＡＡ粘弾性材料についての動的損失率の代表的な値は、広範な温度範囲、例えば 約−２０〜約１００℃および振動数範囲約１０〜１０００Ｈｚにわたり約１であ る。他方、スチールおよびアルミニウムのような金属材料の動的損失率は、非常 に小さい（範囲０．００１〜０．０００１）。したがって、スチール材料による エネルギー散逸の寄与（スチール材料の動的損失率と歪エネルギーの積によって 決定）は、全構造体動的損失率に対しわずかである。その結果、各モデルは、ス チールおよび制振材料からなるため、式（１）は、スチール材料から散逸したエ ネルギーを考慮することなく、以下の形に簡素化することができる。 η＝ηv・Ｗv／Ｗt （２） 式中、ηvは、粘弾性制振材料の動的損失率、Ｗvは、粘弾性制振材料中に保存さ れた歪エネルギーを意味する。 式（２）に示されるように、全構造体動的損失率は、歪エネルギー比（制振材 料の歪エネルギー：構造体の総歪エネルギーの比率）および制振材料の動的損失 率の関数である。ここで、ピーク制振特性または１の動的損失率（ηv＝１）が 最大限に利用されるような操作温度および振動数範囲にしたがう制振材料を選択 すれば、式（２）は式（３）に変形することができる。 η＝Ｗv／Ｗt ηv＝１ （３） よって、粘弾性制振材料の歪エネルギー比は、構造体動的損失率の尺度として 使用することができる。 結果 図３に、スチール製片持ばり（モデル１）の有限要素メッシュパターン(mesh pattern)を示す。図４〜６は、モデル４の最初の３つの振動モードについて得ら れたモード形態および固有振動数を示す。第１振動モードは、固有振動数２６７ Hzの曲げモードであり（図４）、第２振動モードは、幅（方向ではない）に沿っ て振動し固有振動数４４４Hzを有する揺動モードであり（図５）、また第３振動 モードは、固有振動数１５３５Hzの第２曲げモードである（図６）。 表１は、５つのモデルについて得られたデータである、固有振動数および歪エ ネルギー比を示す。なお歪エネルギー比は、制振材料中に保存された歪エネルギ ー比の割合と定義される。したがって、得られた表１に掲載の歪エネルギー比は 、対応するモデルの動的損失率の指標として使用することができる。 より高いモードの作用を調べるため、最初の４つのモデルについて、最初の１ ０のモードの基本として有限要素解析を行った。全体から見て、モデル４は、モ デル３よりも高い歪エネルギー比が得られることが表１から結論することができ る。歪エネルギー比は、モード数を増加させると増加する。例えばモデル４の３ つのモードの結果によれば、歪エネルギー比は、第１モードの０．０１２％から 第３モードの１．４３１％まで増大した。これは、より高いモードではより複雑 な歪み状態が生じているためであり、また、より高いモードでは剪断作用がより 深部で生じるためである。 前記したようなＥ-ガラス／（90:10ＩＯＡ／ＡＡ）複合体・制振材料をキャビ テイに充填することによって、構造体制振作用を非常に著しく改善した。この複 合体材料は、純粋な90:10ＩＯＡ／ＡＡ材料よりもその剛性を増大させるだけで なく、90:10ＩＯＡ／ＡＡ材料によって得られた高い制振特性を保持する。すな わち、Ｅ-ガラス繊維によって高い剛性が得られる一方、90:10ＩＯＡ／ＡＡポリ マーによって高い制振作用が得られる。 本発明に用いた制振複合体モデルは、前記モデル２と同じ幾何学的形態に基づ き、Ｅ-ガラス／（90:10ＩＯＡ／ＡＡ）複合体・制振材料を完全に充填したキャ ビテイセクションを用いて開発した。このＥ-ガラス／（90:10ＩＯＡ／ＡＡ）複 合体モデルは、モデル５として表１に示し、その結果を前の４つのモデルの結果 と比較した。最初の３つのモードに基づけば、モデル５の歪エネルギー比は、第 １モードの１．３４６％から第３モードの３．１２７％に増大した。この結果を 、歪エネルギー比が０．０１２〜１．４３１％の範囲であるモデル４と比較する と、モデル５の制振複合体材料は、中空構造体に対するより高い制振作用が得ら れる。 ＊ 括弧内のアルファベットは、振動モードの形式を示す。ｂ＝曲げモード、 ｓ＝揺動モード、ｅ＝伸長モード、ｔ＝捩れモード 以上の詳細な説明および実施例は、明瞭な理解のためのみに開示したものであ る。これらは、不必要な制限と理解すべきでない。即ち本発明は、図示し記載し た正確で詳細な説明に制限されるものではなく、当業者に明白な変形例は請求の 範囲に記載の発明に包含される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ワン，シュウィロン アメリカ合衆国55133−3427ミネソタ州 セント・ポール、ポスト・オフィス・ボッ クス 33427（番地の表示なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．構造材料を含む物品の制振特性を改善する方法において、 （ａ）少なくとも１つの振動モードが活性であるような構造材料内の地点にお いて、キャビティを形成し、次いで （ｂ）粘弾性材料を含んでなる非拘束制振材料をキャビティ内に、この非拘束 制振材料が構造材料内に実質的に完全に収納されるように配置する ことを特徴とする方法。 ２．前記制振材料は有効量の繊維材料をさらに含む請求項１記載の方法。 ３．前記制振材料は、少なくとも１つの振動モードの少なくとも約２の係数の 歪エネルギー比によって構造材料の制振作用を改善するのに有効な量の繊維材料 を含む請求項２記載の方法。 ４．少なくとも１つの振動モードにおいて、制振作用を少なくとも約１０％改 善する請求項１記載の方法。 ５．構造材料からつくられた物品の制振特性を改善する方法において、 （ａ）少なくとも１つの振動モードが活性であるような構造材料内の地点にお いて、少なくとも１つのキャビティを形成し、次いで （ｂ）形成した少なくとも１つのキャビティ内に非拘束制振材料を配置するこ と、および 上記制振材料は、少なくとも約１psiの貯蔵弾性率および少なくとも約０.０１ の動的損失率を有する材料に実質的に硬化するような流動性粘弾性材料を含んで なることを特徴とする方法。 ６．少なくとも１つの振動モードが活性であるような構造材料内の地点におい て実質的に完全に収納された少なくとも１つのキャビティを有する構造材料 および この構造材料内に含まれた、粘弾性材料を含んでなる非拘束制振材料 を含んでなる制振物品。 ７．前記制振材料は、少なくとも１つの振動モードの少なくとも約２の係数の 歪エネルギー比によって物品の制振作用を改善するのに有効な量の繊維材料を含 む請求項６記載の物品。 ８．キャビティに、制振材料を完全に充填した請求項６記載の物品。 ９．キャビティは、構造材料の表面に一体的に付設したキャップによって形成 される請求項６記載の物品。 １０．ゴルフクラブ、スチールビームまたは非鉄キャスチングである請求項６ 記載の物品。