JP6669648B2 - 自己同調質量ダンパ及びこれを備えるシステム - Google Patents

Description

本発明は同調質量ダンパに関する。より具体的には、本発明は特許請求の範囲請求項１の前段に記載の自己同調質量ダンパに関する。

同調質量ダンパは、無用な又は有害な機械的調和振動の振幅を減少する周知の解決法である。同調質量ダンパは、超小型回路から超高層建築物まで広範囲にわたり振動を減衰するのに使用される。同調質量ダンパの背景にある基本アイデアは簡単であり、補助質量を振動する振動構体に対して、一般的にはばね及びダンパにより構成したサスペンション要素を介して取り付け、振動構体の振動特性を変化させる。ばね及びダンパの代わりに、サスペンション要素は、代替的に単に１個の要素、例えば、必要な双方の特性を有するゴムばねによって得ることができる。

質量ダンパは振動構体に同調し、この同調は、補助質量の質量及びサスペンション要素の剛性を選択して不穏な励振力に対して適正な反力を生ずるように行う。とくに、質量比、すなわち補助質量と振動構体との間における質量相対性、及び質量ダンパの同調振動数を周知の設計原理に従って計算する。

同調質量ダンパは一般的には線形的であるが、非線形的も幾つかの公表文献で提案されており、なぜなら、非線形的質量ダンパはより広い周波数帯域でうまく機能するからである。非線形的同調質量ダンパは、非線形的ばね及び／又は非線形的ダンパと、質量とを用いる。１つの特別なタイプの非線形的質量ダンパはワイヤロープばねダンパであり、このダンパの原理は非特許文献１に記載されている。この非特許文献１によれば、結果として生じる構体の究明された周波数帯域は最大でも４.５Ｈｚである。

’Parametric experimental study of wire rope spring tuned mass damper’ Gerges & Vickery in the Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics (91, 2003, 1363-1385).

従来型同調質量ダンパに関連する問題点は、幾分狭い周波数帯域であり、また狭い周波数帯域にしか同調されない点である。従来型同調質量ダンパの有効動作範囲は、高減衰効率と周波数帯域幅との間で周波数帯域幅をトレードオフする減衰構造によって決定される。より具体的には、一般的に減衰効率の向上は周波数帯域の減少を招く一方、周波数帯域の拡大は帯域内での特定周波数に対する減衰の最適化を低下させる傾向がある。質量ダンパの周波数帯域を拡大する多くの試みがなされてきた。多くの提案には、所望周波数を減衰するのに質量ダンパを適合させた一連のアクチュエータを調節する制御ユニットを採用するアクティブ又は適応型質量ダンパを使用するものが含まれる。さもなければ、このようなアクティブ質量ダンパは、サスペンションを介して振動構体に対向質量を付与する点でパッシブダンパと同様に設計する。不利なことに、従来型アクティブ質量ダンパは余分なエネルギーを使用し、また相当複雑であり、したがって、超小型回路のような小型で安価な構体を減衰するには実現不可能である。

したがって、本発明の目的は、広周波数帯域を有し、大型で高額の構体並びに小型で安価な構体にも同様に適用できる簡易同調質量ダンパを得るにある。

この目的は、本発明による新規かつ完全に独創的なやり方で、補助質量と、この補助質量を振動する振動構体に連結するよう構成した非線形的サスペンションとを有する自己同調質量ダンパを得ることによって達成する。補助質量の質量及び非線形サスペンションの剛性は、固有振動数が少なくとも６Ｈｚとなり、かつ補助質量の振動構体に対する相対変位の振幅が最大でも１２ｍｍとなるよう選択する。

より具体的には、本発明による同調質量ダンパは、特許請求の範囲の請求項１の特徴部分によって特徴付けられる。

本発明によれば相当な恩恵が得られる。質量ダンパは一般的な仕様外で寸法決めされるため、極めて簡単な構成で広い周波数帯域が得られ、また大型で高額の構体並びに小型で安価な構体にも同様に適用可能となる。

以下に、本発明の例示的実施形態を添付図面につきより詳細に説明する。

本発明の一実施形態による同調質量ダンパの構成を示す等角投影図である。 本発明の他の実施形態による同調質量ダンパの構成を示す等角投影図である。 図２の構成の側面図である。 横軸にプロットした動的振幅と、左縦軸にプロットした動剛性と、及び右縦軸にプロットした損失係数、すなわち減衰特性との間における関係性を示すグラフである。 図１によるばね−質量系の励起振幅レベルとして２.５ｇを使用する周波数応答関数を示すグラフである。 図１によるばね−質量系の励起振幅レベルとして０.３ｇを使用する周波数応答関数を示すグラフである。 図１によるばね−質量系の励起振幅レベルとして０.５ｇを使用する周波数応答関数を示すグラフである。 図１によるばね−質量系の励起振幅レベルとして１ｇを使用する周波数応答関数を示すグラフである。 図１によるばね−質量系の励起振幅レベルとして４ｇを使用する周波数応答関数を示すグラフである。 ２００ｋｇのモデル質量を有する構体の周波数領域における振動を示すグラフである。 自己同調質量ダンパがない回路板の周波数領域における振動を示すグラフである。 自己同調質量ダンパを有する回路板の周波数領域における振動を示すグラフである。 ９００ｋｇのモデル質量を有する構体の周波数領域における振動を示すグラフである。 図１２に示す実施例における横軸にプロットした動的振幅と、左縦軸にプロットした動剛性との間における関係性を示すグラフである。 高さ１３０ｍｍ、幅１４５ｍｍであり、６ｍｍ直径のワイヤを４巻回したワイヤロープ防振体（アイソレータ）に関連する実施例における横軸にプロットした動的振幅と、左縦軸にプロットした動剛性との間における関係性を示すグラフである。

図１に示すように、本発明の一実施形態による同調質量ダンパ１００における構成は、ワイヤロープ防振体１１０を介して振動する振動構体２００に取り付けた補助質量１２０を特徴とする。ワイヤロープ防振体１１０は、補助質量１２０及び振動構体２００に対してそれぞれ取付けブロック１１３，１１２によって取り付けた巻線ワイヤを有する。この文脈において、用語「ワイヤロープ防振体（wire rope isolator）」は当業界で表現「ケーブルマウント」、「ケーブルアイソレータ」及び／又は「ワイヤロープばね」としても知られている構体を意味する。ワイヤロープ防振体は多くのやり方で形成することができ、例えば、螺旋アセンブリ、小型アセンブリ、短棒アセンブリ又は特別なアセンブリによって形成することができる。すべての異なるタイプのワイヤロープ防振体も自己適応質量ダンパとして同じように動作する。

図２及び３は、他の実施形態による同調質量ダンパの構成を示す。この第２実施形態において、図１の質量ダンパ１１０に対して、取付けブロック１１２，１１３間に中間ブロック１１４を追加して設けている。この実施形態において、取付けブロック１１２，１１３は大きい螺旋ばねワイヤ１１１ａによって接合するとともに、中間ブロック１１４を取付けブロック１１２，１１３に対してそれぞれ入れ子式の小さい螺旋ばねワイヤ１１１ｂ、１１１ｃによって連結する。中間ブロック１１４を取付けブロック１１２，１１３に連結する入れ子式の螺旋ばねワイヤ１１１ｂ、１１１ｃを有する中間ブロック１１４を使用することによって、結果として生ずる同調質量ダンパ１１０は減衰及び剛性をより良好に制御できるようになる。

次に、横軸にプロットした動的振幅と、左縦軸にプロットした動的剛性と、及び右縦軸にプロットした減衰特性としても知られている損失係数との間における例示的関係性を示すグラフである図４につき説明する。図示の実施例は、ワイヤ直径１２ｍｍ、高さ１２２ｍｍ及び幅１４４ｍｍである特別な質量ダンパの構体における結果である。この質量ダンパの構体は、振幅−剛性曲線に対する効果を有する。ワイヤロープ防振体の最も有用な非線形的領域は、図４に示した振幅−剛性曲線の勾配を使用して推定することができる。勾配が値１に近づくにつれて、ワイヤロープ防振体は、例えば、ゴム又は螺旋スチールのばねのような線形ばねダンパに近似し、また質量ダンパの自己同調特性が喪失する。経験則によれば、自己同調質量ダンパは、振幅−剛性曲線の勾配が一次（線形）方程式よりも二次又はより高次の関数に近似するにつれて良好に機能する。この原理は、図４において示され、一次方程式は４ｍｍからスタートし、４ｍｍ未満の振幅で二次により近い関数が見られる。振幅−剛性曲線の勾配における一次方程式は依然として非線形ばねであるが、効果は勾配における二次関数部分に比べて少ない。周波数領域における加速度振幅に対する変位依存性は二次関数であり、また構体の振動加速度振幅は周波数が高くなるにつれてより大きくなり、したがって、非線形ばねは、広い周波数帯域で動作するにはできるだけ非線形的になる必要がある。振幅−剛性曲線の勾配における一次方程式は、狭い周波数帯域でしか機能しない従来型同調質量ダンパに比べて周波数領域でより広い動作領域を与えることができる。

したがって、図示の実施例で自己同調質量ダンパを得るため、補助質量１２０の質量及び非線形的サスペンション１１０の剛性は、好適には、固有振動数が少なくとも６Ｈｚとなり、かつ好適には、補助質量１２０の振動構体２００に対する相対変位の振幅が最大でも４ｍｍとなるよう選択すべきである。結果として得られる剛性対質量比は、静剛性を使用して少なくとも１.４ｋＮ／（ｍ・ｋｇ）となる。

他の実施例は、後で図１４につき説明する際に示す。

より好適な実施形態によれば、固有振動数は少なくとも１０Ｈｚとし、したがって、静剛性を使用して少なくとも４ｋＮ／（ｍ・ｋｇ）の剛性対質量比となるものにする。それよりも好適な実施形態によれば、固有振動数は少なくとも１４Ｈｚとし、したがって、静剛性を使用して少なくとも７ｋＮ／（ｍ・ｋｇ）の剛性対質量比となるものにする。

図１に示す実施形態によるばね−質量系の周波数応答関数を示すグラフである図５〜９につき説明すると、それぞれ代表的な励起振幅レベル２.５ｇ、０.３ｇ、０.５ｇ、１ｇ及び４ｇを使用するときの周波数応答関数である。これらグラフから分かるように、応答／励振比は広い周波数レンジで１より大きい。

次に、本発明による新規な質量ダンパの設計原理を３つの設計実施例につきより詳細に説明する。

先ず、２００ｋｇのモデル質量を有する構体の周波数領域における振動を示すグラフである図１０につき説明する。太線は何らのダンパをも持たない元々の構体であり、細線は従来型同調質量ダンパを有する同一構体であり、破線は自己同調質量ダンパを有する構体である。図１０において、周波数領域で太線によって示される３つの共振を有する構体であることが分かる。振動加速度［ｇ］を縦軸に示し、また周波数［Ｈ］を横軸に示す。細線は従来型同調質量ダンパを有する同一の構体を示し、この場合、１３Ｈｚ及び１４.５Ｈｚで見られる２つの共振振動を減少するが、１２Ｈｚ近傍の第１共振に対する効果がない。破線は自己同調質量ダンパを有する構体であり、この場合、全ての共振を減少することができる。

他の実施例による質量ダンパを図１１ａ及び１１ｂに示し、この場合、ダンパは、例えば回路板のような相当小さい振動構体に生ずる振動を減衰するのに使用する。回路板は、広い周波数ノイズ励振を用いる電磁加振器（シェーカー）で動的に試験した。回路板には多くの共振が見つかった（図１１ａ参照）。自己同調質量ダンパを回路板の中央部分設置し、同一の励振で試験した（図１１ｂ参照）。自己同調質量ダンパによれば、例えば、９０、２９０、４６０Ｈｚの近傍における多くの共振を減少することができた。

第３の実施例を、９００ｋｇのモデル質量を有する構体の周波数領域における振動を示すグラフである図１２及び１３につき示す。自己同調質量ダンパは、モデル質量が９００ｋｇであった共振テーブルで動的に試験した（図１２において質量ダンパのない平面状テーブルを太線で示す）。自己同調質量ダンパは、４０、６０及び８０Ｋｇの補助質量を移動させて試験した（細線）。図１２からは、自己同調質量ダンパが共振試験テーブルの振動レベルを３つすべての共振（２９，４４、及び５１Ｈｚ）において減少できることが分かった。この試験で使用したワイヤロープ防振体は、８巻回の１６ｍｍスチールワイヤロープを使用して形成し、フレーム長さは２６７ｍｍ、防振体の高さは１０９ｍｍ、幅は１３５ｍｍであった。

共振テーブル試験に使用したワイヤロープ防振体の振幅−剛性曲線を図１３に示す。図１３から、自己同調質量ダンパの固有振動数を計算し、また図１２に示す共振テーブル試験結果と比較することができる。計算結果は以下の表１に示す。自己同調質量ダンパの動きは、減衰された共振テーブルの動きと比べると３〜４倍も大きかった。

上述したように、図４の実施例につき付与された寸法値は質量ダンパの構体に基づいて変動し得る。したがって、補助質量の振動構体に対する相対変位のより大きい振幅を有する他の実施例は以下のような値となる。

ここで、横軸にプロットした動的振幅と、左縦軸にプロットした動剛性との間における関係性を示すグラフである図１４につき説明する。ワイヤロープ防振体の最も有用な非線形的領域は、図１４に示す振幅−剛性勾配を用いて推定することができる。勾配が値１に接近するにつれて、ワイヤロープ防振体は、例えば、ゴム又は螺旋スチールばねのような線形ばねダンパに近似し、また質量ダンパの自己同調特性が喪失する。経験則によれば、自己同調質量ダンパは、振幅−剛性曲線の勾配が一次（線形）方程式よりも二次又はより高次の関数に近似するにつれて良好に機能する。この原理は、図１４において示され、一次方程式は１２ｍｍからスタートし、１２ｍｍ未満の振幅で二次により近い関数が見られる。振幅−剛性曲線の勾配における一次方程式は依然として非線形ばねであるが、効果は勾配における二次関数部分に比べて少ない。周波数領域における加速度振幅に対する変位依存性は二次関数である。構体の振動加速度振幅は周波数が高くなるにつれてより大きくなり、したがって、非線形ばねは、広い周波数帯域で動作するにはできるだけ非線形的になる必要がある。振幅−剛性曲線の勾配における一次方程式は、狭い周波数帯域でしか機能しない従来型同調質量ダンパに比べて周波数領域でより広い動作領域を与えることができる。

図４の実施例と図１４の実施例との間の相違はワイヤロープ防振体の高さ及び幅に比較したワイヤ直径にある。したがって、ワイヤ直径対ワイヤロープ防振体の高さ及び幅比が減少するにつれて非線形的剛性が増加する場合に、特別な振幅値が存在する。このことは、ワイヤロープ防振体の比較的大きな高さ及び幅に比べて小さいワイヤ直径では、非線形的剛性部分は比較的大きい振幅位置、例えば、ワイヤ直径が６ｍｍで、高さ１３０ｍｍ、幅１４５ｍｍの図１４の実施例では、１２ｍｍ振幅位置となるが、ワイヤ直径が１２ｍｍで、高さ１２２ｍｍ、幅１４４ｍｍの図４の実施例では、単に４ｍｍ振幅位置である。

１００ 同調質量ダンパ
１１０ ワイヤロープ防振体
１１１ａ 螺旋ばねワイヤ
１１１ｂ 螺旋ばねワイヤ
１１１ｃ 螺旋ばねワイヤ
１１２,１１３ 取付けブロック，
１１４ 中間ブロック
１２０ 補助質量
２００ 振動構体

Claims (6)

1. 同調質量ダンパ（１００）であって、
   ・４０ｋｇ〜８０ｋｇの補助質量（１２０）と、及び
   ・前記補助質量（１２０）を振動する振動構体（２００）に連結するよう構成した非線形的サスペンション（１１０）と、
   を備え、前記補助質量（１２０）の質量及び前記非線形的サスペンション（１１０）の剛性は、結果として生ずる構体に関して適切な固有振動数を生ずるよう構成した同調質量ダンパにおいて、
   前記非線形的サスペンション（１１０）はワイヤロープ防振体であり、
   前記補助質量（１２０）の質量及び前記非線形的サスペンション（１１０）の剛性は、
   ・前記固有振動数が少なくとも１０Ｈｚであり、また
   ・前記補助質量（１２０）の前記振動構体（２００）に対する相対変位の振幅が最大でも４ｍｍであるように選択され、
   前記質量ダンパ（１００）は自己同調され、また、剛性対質量比は、静剛性を使用して少なくとも４ｋＮ／（ｍ・ｋｇ）であることを特徴とする、同調質量ダンパ。
2. 請求項１記載の同調質量ダンパにおいて、前記固有振動数は少なくとも１４Ｈｚである、同調質量ダンパ。
3. 請求項２記載の同調質量ダンパにおいて、剛性対質量比は、静剛性を使用して少なくとも７ｋＮ／（ｍ・ｋｇ）である、同調質量ダンパ。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項記載の同調質量ダンパにおいて、前記補助質量（１２０）の前記振動構体（２００）に対する相対変位の振幅が最大でも２ｍｍである、同調質量ダンパ。
5. 請求項１〜３のうちいずれか一項記載の同調質量ダンパにおいて、前記補助質量（１２０）の前記振動構体（２００）に対する相対変位の振幅が最大でも１ｍｍである、同調質量ダンパ。
6. 振動構体（２００）を備える振動系であって、請求項１〜５のうちいずれか一項記載の同調質量ダンパ（１００）を有することを特徴とする、振動系。