(57)【要約】【課題】本発明は、線形減衰要素を小型の形態の磁気式減衰器を提供することを目的とする。【解決手段】少なくとも一対の磁石と、導電部材とを備えて成る減衰装置が開示される。上記少なくとも一対の磁石は、それらの間に間隙を画成する。上記導電部材は、有効荷重に対して結合されると共に、上記間隙内に位置される。上記導電部材は、上記有効荷重の振動に応じて振動すべく構成される。上記導電部材は、導電材料を備えて成る。上記導電部材の振動は該導電部材中に渦電流を生成し、且つ、該渦電流は周波数依存減衰力を生成する。上記周波数依存減衰力は、上記導電材料と、上記導電部材の厚みとに基づいて調節可能である。上記導電材料および上記厚みは、上記周波数依存減衰力を調節すべく選択される。【選択図】図１Ａ
2011117602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の磁石であって該磁石間に間隙を画成する少なくとも一対の磁石と、
有効荷重に対して結合されると共に前記間隙内に位置された導電部材であって、前記有効荷重の振動に応じて振動すべく構成され、且つ、導電材料から成るという導電部材と、を備える減衰装置であって、
前記導電部材の振動は、該導電部材中に、周波数依存減衰力を生成する渦電流を生成し、前記周波数依存減衰力は、前記導電材料と、前記導電部材の厚みとに基づいて調節可能であり、且つ、前記導電材料および前記厚みは、前記周波数依存減衰力を調節すべく選択される、減衰装置。
【請求項２】
前記導電部材は、第1厚みを有する第1導電材料製の第1層と、第2厚みを有する第2導電材料製の第2層であって前記第1層に隣接するという第2層とを備える、請求項１に記載の減衰装置。
【請求項３】
前記第1および第2導電材料および前記第1および第2厚みは、前記有効荷重の所定の振動の周波数を超えたところでの前記周波数依存減衰力を低下させるべく選択される、請求項２に記載の減衰装置。
【請求項４】
前記有効荷重の前記所定の振動の周波数は、該有効荷重の共振周波数である、請求項３に記載の減衰装置。
【請求項５】
前記第1導電材料は第1抵抗率を有し、前記第2導電材料は、前記第1抵抗率と異なる第2抵抗率を有する、請求項２に記載の減衰装置。
【請求項６】
前記第2層は、前記内側層を囲繞する一層以上の外側層であって、各外側層は異なる導電材料から成るという一層以上の外側層を備える、請求項２に記載の減衰装置。
【請求項７】
前記一層以上の外側層は夫々が異なる厚みを有する、請求項６に記載の減衰装置。
【請求項８】
前記導電部材は複数本の導電ワイヤを備え、各導電ワイヤは、前記第1導電材料製の前記第1層と、前記第2導電材料製の前記第2層とを備える、請求項２に記載の減衰装置。
【請求項９】
前記導電部材は、前記第1層と前記第2層との間の絶縁層を更に備える、請求項２に記載の減衰装置。
【請求項１０】
前記導電部材は、前記第1導電材料製の平坦な内側層と、前記第2導電材料製の一対の平坦な外側層であって夫々が前記内側層の各側部上に位置されるという一対の平坦な外側層とを備える、請求項１に記載の減衰装置。
【請求項１１】
前記導電部材は、前記第1導電材料製の平坦な内側層と、各対の外側層が異なる導電材料から成る二対以上の平坦な外側層であって各対の外側層の夫々が前記内側層の各側部上に位置されるという二対以上の平坦な外側層とを備える、請求項１に記載の減衰装置。
【請求項１２】
前記二対以上の平坦な外側層は夫々が異なる厚みを有する、請求項１１に記載の減衰装置。
【請求項１３】
前記導電部材は、一本以上の導電ワイヤを備える、請求項１に記載の減衰装置。
【請求項１４】
当該磁石間に複数の間隙を画成する複数対の磁石と、
前記有効荷重に対して結合された複数の導電部材であって、各導電部材は前記複数の間隙の内のひとつの間隙内に位置されるという複数の導電部材とを更に備える、請求項１に記載の減衰装置。
【請求項１５】
前記複数の導電部材の各々は、夫々の導電材料から成り、且つ、前記複数の導電部材の内の２個以上の導電部材の夫々の導電材料は異なっている、請求項１４に記載の減衰装置。
【請求項１６】
前記複数の導電部材の各々は、夫々の厚みを有し、且つ、前記複数の導電部材の内の２個以上の導電部材の夫々の厚みは異なっている、請求項１４に記載の減衰装置。
【請求項１７】
少なくとも一対の磁石であって該磁石間に間隙を画成する少なくとも一対の磁石と、
有効荷重に対して結合されると共に前記間隙内に位置された導電翼板であって、前記有効荷重の振動に応じて振動すべく構成され、且つ、複数層の導電材料から成るという導電翼板と、を備える減衰装置であって、
前記導電翼板の振動は、前記複数層の導電材料の内の少なくとも一層の導電材料中に、周波数依存減衰力を生成する渦電流を生成し、
前記周波数依存減衰力は、前記複数層の導電材料の夫々の材料と厚みとに基づいて調節可能であり、且つ、
前記複数層の導電材料の夫々の材料および厚みは、前記周波数依存減衰力を調節すべく選択される、減衰装置。
【請求項１８】
前記各導電材料および前記各厚みは、前記有効荷重の所定の振動の周波数を超えたところでの前記周波数依存減衰力を低下させるべく選択される、請求項１７に記載の減衰装置。
【請求項１９】
導電部材のひとつ以上の振動の周波数に対して、所望の減衰係数を選択する段階と、
前記所望の減衰係数に基づき、前記導電部材に対する導電材料を配備する段階と、
前記所望の減衰係数に基づき、前記導電材料を所定厚みへと形成する段階とを有する、
磁気式減衰装置において使用される導電部材を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線形振動減衰装置の分野に関し、より詳細には磁気式減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
線形減衰器は、線形動作用途において衝撃の吸収および円滑な減速を提供すべく設計されたデバイスである。減衰器は、線形動作の方向における減衰力の付与により、衝撃吸収を提供する。減衰器は、種々の手段により減衰力を生成し得る。減衰器は、(たとえば、エラストマ製もしくはワイヤロープ製の防振器などによる)機械的なもの、(たとえば、ガス、空気、油圧などによる)流体的なもの、または、(たとえば、磁気的に誘起された渦電流によるなどの)磁気的なものとさえされ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願第11/304,974号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
磁気式減衰器は、線形減衰要素を小型の形態で提供する。磁気式減衰器は、油圧式減衰器に伴う摩擦もしくは流体の漏出などの一定の問題の影響を受けない。(たとえば流体式減衰器などの)典型的な非磁気式の減衰器に対し、減衰係数は広い周波数範囲に亙り一定である。しかし磁気式減衰器は、臨界周波数より大きい周波数に対する振動周波数の増加に伴い減少する減衰係数を呈する。例示的な磁気式減衰器は、ブレナン等に対する特許文献１に開示されており、該文献は言及したことにより本明細書中に援用される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の見地は、磁気式減衰装置および方法に関する。本発明のひとつの見地に依れば、減衰装置が開示される。該減衰装置は、少なくとも一対の磁石と、導電部材とを含む。上記少なくとも一対の磁石は、それらの間に間隙を画成する。上記導電部材は、有効荷重に対して結合されると共に、上記間隙内に位置される。上記導電部材は、上記有効荷重の振動に応じて振動すべく構成される。上記導電部材は、導電材料を備えて成る。上記導電部材の振動は該導電部材中に渦電流を生成し、且つ、該渦電流は周波数依存減衰力を生成する。上記周波数依存減衰力は、上記導電材料と、上記導電部材の厚みとに基づいて調節可能である。上記導電材料および上記厚みは、上記周波数依存減衰力を調節すべく選択される。
【０００６】
本発明の別の見地に依れば、減衰装置が開示される。該減衰装置は、少なくとも一対の磁石と、導電翼板とを含む。上記少なくとも一対の磁石は、それらの間に間隙を画成する。上記導電翼板は、有効荷重に対して結合されると共に、上記間隙内に位置される。上記導電翼板は、上記有効荷重の振動に応じて振動すべく構成される。上記導電翼板は、複数層の導電材料から成る。上記導電翼板の振動は上記複数層の導電材料の内の少なくとも一層の導電材料中に渦電流を生成し、且つ、該渦電流は周波数依存減衰力を生成する。上記周波数依存減衰力は、上記複数層の導電材料の夫々の材料と厚みとに基づいて調節可能である。上記複数層の導電材料の夫々の材料および厚みは、上記周波数依存減衰力を調節すべく選択される。
【０００７】
本発明の更に別の見地に依れば、磁気式減衰装置において使用される導電部材を形成する方法が開示される。該方法は、上記導電部材のひとつ以上の振動の周波数に対して、所望の減衰係数を選択する段階と、上記所望の減衰係数に基づき、上記導電部材に対する導電材料を配備する段階と、上記所望の減衰係数に基づき、上記導電材料を所定厚みへと形成する段階とを含む。
【０００８】
本発明は、同様の要素が同一の参照番号を有するという添付図面に関して以下の詳細な説明を読破すれば最適に理解される。複数の類似要素が存在する場合、該複数の類似要素に対しては単一の参照番号が割当てられると共に、特定要素を参照する小文字表記が伴い得る。各要素を集合的に参照し、または、各要素の内の特定的でない一個以上の要素を参照する場合、小文字表記は省略され得る。このことは、一般的手法に依れば図面における種々の特定構造は一定の縮尺では描かれないことを重視している。逆に、種々の特定構造の寸法は、明瞭化のために任意に拡大もしくは縮小される。添付図面には、以下の各図が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本発明の見地に従う代表的な減衰装置の概略図である。
【図１Ｂ】本発明の見地に従う代表的な減衰装置の概略図である。
【図２Ａ】図１Ａおよび図１Ｂの代表的な減衰装置の磁石と導電部材との間の相互作用の概略図である。
【図２Ｂ】図１Ａおよび図１Ｂの代表的な減衰装置の磁石と導電部材との間の相互作用の概略図である。
【図３】本発明の見地に従う代表的な減衰装置の導電部材の概略図である。
【図４Ａ】代表的な減衰装置における磁石と図３の導電部材との間の相互作用の概略図である。
【図４Ｂ】代表的な減衰装置における磁石と図３の導電部材との間の相互作用の概略図である。
【図５】本発明の見地に従う５種類の代表的な減衰装置の減衰率のグラフである。
【図６】本発明の見地に従う代表的な減衰装置の代替的な導電部材の概略図である。
【図７】本発明の見地に従う代表的な減衰装置の別の代替的な導電部材の概略図である。
【図８】代表的な減衰装置における磁石と図７の導電部材との間の相互作用の概略図である。
【図９】本発明の見地に従う導電部材を形成する代表的なステップのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、任意の磁気式減衰装置において具現され得る。本発明の代表的な減衰装置は、振動の周波数に関して調整可能な防振ロール・オフを達成するデバイスである。これは、振動源からの防振の改善に帰着する。
【００１１】
本発明の機能を記述する上で、機器もしくは他の物質が、振動力により引き起こされた振動に晒されることが仮定され得る。振動に晒される上記機器は、第1部分(すなわち基部)と、該第1部分に対して振動する第2部分(すなわち有効荷重[payload])とを含み得る。本発明の代表的な減衰装置は、上記基部において提供されることで、上記有効荷重に対して減衰力を提供することから、相対振動を減少し得る。但し、上記代表的な減衰装置は、相対振動が望ましくない任意の物体に対して結合され得ることは理解される。
【００１２】
上記代表的な減衰装置により提供される減衰力は、たとえば、地上試験振動、移動体振動(すなわち、乗用車、列車、飛行機など)、実験室用および製造用の機器の振動(すなわち、光テーブル、マイクロリソグラフィ、および、精密工作機械)、および、地上望遠鏡および宇宙望遠鏡の防振、の如き用途に適用され得る。
【００１３】
概略的に、本発明の代表的な減衰装置は、間隙を画成する一対の磁石と、該間隙内に位置された導電部材とを含む。本発明の代表的な減衰装置は、上記有効荷重に対する振動力の逆の減衰力を(たとえば、磁気的に誘起された渦電流を以て)提供することにより、変位を減少する。上記有効荷重からの振動力は上記減衰装置の上記導電部材(たとえば導電翼板)に対して付与されることにより、該導電部材は上記各磁石間の上記間隙内で振動する。上記導電部材が上記各磁石間で運動するとき、該導電部材に対しては上記各磁石により減衰力が提供される。故に、上記導電部材に対する上記減衰力は上記有効荷重に対して付与され、これにより、該有効荷重の振動は減衰される。
【００１４】
上記の代表的装置において、上記導電部材に対する減衰力は、該導電部材を構成する材料の形状、寸法および種類に依存する。たとえば、上記導電部材に対する減衰力は、(1)使用される該導電部材の種類、および、(2)使用される該導電部材の厚みに基づいて変化せしめられ得る。
【００１５】
本発明は次に、添付図面を参照して記述される。図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の見地に従う代表的な減衰装置100の概略図である。上述された如く減衰装置100は、基部に対する有効荷重の振動を減衰すべく使用され得る。減衰装置100は、ハウジング102、各磁石104、および、各導電部材108を含む。次に、減衰装置100の付加的な詳細は以下に記述される。
【００１６】
代表的実施例において、ハウジング102は(不図示の)基部に対して取付けられる。ハウジング102は、上記有効荷重に対して減衰力を提供する減衰装置100の各要素に対する支持部を含み得る。図１Ａに示された如く、ハウジング102は概略的に円筒状の外側形状を有し得る。但しハウジング102は、装置100の各要素を収容して支持すべく任意の形状で形成され得ることが企図される。ハウジング102は、適切な非磁性材料、または、磁性材料、または、磁性および非磁性材料の組み合わせから形成され得る。
【００１７】
各磁石104は、減衰装置100内に磁界を生成する。代表的実施例において各磁石104は、図１Ｂに示された如く、ひとつ以上の対でグループ化されてひとつ以上の間隙106を画成する。各磁石104の位置は、ハウジング102内で固定され得ると共に、ハウジング102を軸心方向に貫通して延在し得る。図１Ａに示された如く、各磁石104は円周方向に配置されることで、ハウジング102を通るひとつ以上の径方向の間隙106を画成し得る。但し、各磁石104は間隙106を形成すべく任意の配向を有し得ることは理解される。付加的に、代替的な代表的実施例においては、単一の磁石104が使用されても良い。単一の磁石104は、導電部材108の面に直交する磁束を提供すべく位置決めされ得る。
【００１８】
各対の磁石104は離間されることで、該磁石104間に延在する磁束であって間隙106を貫通するという磁束を生成する。減衰装置100は、一対以上の磁石104を含み得る。複数対の磁石104は、複数の間隙106、または、単一の長寸の間隙106を画成し得る。図１Ａおよび図１Ｂに示された如く、各間隙106は導電部材108を受容すべく構成される。各磁石104は、希土類元素磁石の如き任意の適切な種類の永久磁石とされ得る。磁石104はまた、電磁石ともされ得る。本明細書において記述される如く、各磁石104および各導電部材108は、装置100に関する配置構成において互換的に配置され得る。
【００１９】
導電部材108は間隙106内へと延在する。代表的実施例において導電部材108は、(不図示の)有効荷重に対して接続されると共に、間隙106内に位置決めされる。導電部材108は、上記有効荷重の振動に応じて振動すべく構成される。たとえば導電部材108は、有効荷重に対して直接的に結合されることで、該有効荷重から直接的な振動力を受容しても良い。代替的に、導電部材108は、有効荷重に対して結合されたロッドもしくは他の部材から延在しても良い。そのときに導電部材108は、上記有効荷重の振動に応じ、上記ロッドもしくは他の部材から間接的な振動力を受容する。任意の実施例において導電部材108は、図１Ｂにおける矢印により例示される如く、該導電部材が位置される間隙106の平面内で任意の方向に振動しても良い。
【００２０】
図１Ａおよび図１Ｂに示された如く導電部材108は、導電翼板の如き、導電材料の実質的に平坦な薄寸体とされ得る。更に、図１Ａに示された如く、上記導電部材はハウジング102内において外径方向に延在し得る。但し、導電部材108は間隙106内で任意の形状および配向を有し得ることは理解される。たとえば、各磁石104は、円筒状の導電部材108が位置される円周方向間隙を画成すべく位置決めされ得ることが企図される。
【００２１】
次に図２Ａおよび図２Ｂに関し、本発明の見地に従う磁石104と導電部材108との間の相互作用が記述される。図２Ａおよび図２Ｂは、夫々、減衰装置100の斜視図および平面図を示している。示された如く、磁石104は間隙106を貫通する磁界を生成する。(矢印130により示された)磁界は磁石104により形成され、該磁界は導電部材108を貫通して進展する。上記磁界は、導電部材108の運動の方向に対して実質的に直交する方向において、該導電部材108を貫通して進展し得る。上記磁界中における導電部材108の一切の運動は、該導電部材108内に(ループ132で表された)渦電流を誘起する。図２Ａおよび図２Ｂに示された如く上記渦電流は、近似円周長“2L”および近似経路幅“W/2”を有するループにて導電部材108を貫通して循環する。渦電流ループは、第1部分は間隙106内に形成された磁界を貫通通過し、且つ、該第1部分の両端部を接続する第2部分は間隙106内に形成された磁界の外側を通過する如く、形成される。渦電流ループの長さ“2L”および幅“W/2”は、間隙106内の磁界の分布と、導電部材108の幾何学形状および材料特性とに依存する。
【００２２】
これらの渦電流は導電部材108を貫通する逆の磁界を生成し、すると該磁界は導電部材108に対する減衰力を生成する。導電部材108に対する上記減衰力は、以下の関係により表現され得る：
【数１】
2011117602.tif 000003
導電部材108の運動の速度は該導電部材108の振動の周波数に依存することから、渦電流は周波数に依存した減衰力を生成することは理解される。上記渦電流により生成される減衰力は、導電部材108の運動の方向とは逆の方向を有する。
【００２３】
導電部材108の抵抗“r”は、その幾何学形状および材料特性の関数である。たとえば、図２Ｂに示された如く、長さ“2L”および幅“W/2”を有する渦電流ループに対し、渦電流が通過する材料における抵抗は以下の如く表現され得る：
【数２】
2011117602.tif 000004
式中、
“ρ”は、材料の抵抗率であり、
“t”は、渦電流が流れる材料の厚みであり、且つ、
“K2”は、渦電流ループの形状を考慮した幾何学形状係数である。
式１および式２を組み合わせると、上記周波数依存減衰力は以下の如く表現され得る：
【数３】
2011117602.tif 000005
【００２４】
その場合、減衰係数は次式である：
【数４】
2011117602.tif 000006
【００２５】
上述の如く、渦電流は導電部材108を構成する材料を貫通して流れる。但し、渦電流が流れる深さは概略的に、上記導電部材の振動周波数、すなわち、生成される渦電流の周波数に依存する。これは、“表皮効果”として知られる現象によるものである。表皮効果によれば、導体を流れる電流の周波数が増大するにつれ、該電流は上記導体の外側表面の近傍に更に集中される。たとえば、導電部材108の比較的に低い振動の周波数においては、低周波の渦電流が生成される。これらの低周波の渦電流は、それほどの表皮効果を受けないことから、該渦電流は本質的に、上記導電材料の厚み全体を通して均一に流れる。しかし、導電部材108の比較的に高い振動の周波数においては、高周波の渦電流が生成される。これらの高周波の渦電流は、相当の表皮効果を受け、上記導体の表面の近傍に集中せしめられる。
【００２６】
上記表面の近傍に渦電流が集中する程度は、該渦電流の周波数に依存する。概略的に、平面波による電磁界励起に対し、渦電流密度は深さと共に指数的に減少する。渦電流が物質内へと貫通する深さは、該物質の励起の周波数、導電率および透磁率により影響される。貫通の深さは、増大する周波数、減少する抵抗率、および、増大する透磁率により、減少する。渦電流密度が表面密度の1/e、すなわち約37％まで減少する深さは、標準浸透深さ(“d”)と称される。渦電流が貫通して流れる材料のこの標準深さは、振動の周波数の関数として、次式の如く表現され得る：
【数５】
2011117602.tif 000007
式中、
“d”は、渦電流の標準深さであり、
“f”は、物質のヘルツ単位の振動の周波数であり、且つ、
“μ”は物質の透磁率である。
【００２７】
渦電流の標準深さが上記導電材料の全厚“t”より相当に大きいとき、上記材料に対する減衰力は式３に従い与えられる。このことは、上記導電材料の振動の周波数が十分に低いときに生ずる。故に、上記導電部材の正弦波状の振動(たとえば、x(T)=a・sin(2・π・f・T))に対し、周波数依存減衰力は、次式の如く表現され得る：
【数６】
2011117602.tif 000008
該式はd>>tである場合の周波数に対するものであり、
式中、
“a”は、上記導電部材の振動運動の振幅であり、且つ、
“T”は、時間である。
【００２８】
但し概略的に、周波数が、標準深さが上記導電材料の厚みよりそれほど大きくはない如きである場合、対応する周波数依存減衰力は係数“R”だけ減少される：
【数７】
2011117602.tif 000009
該式は0<d≒1である場合の周波数に対するものであり、
式中、
係数“R”は、標準深さ“d”に依存し、且つ、次式で表される：
【数８】
2011117602.tif 000010
【００２９】
上記標準深さが上記厚みよりも相当に大きいとき、“R”の値は１により近似され、その場合に式７は式６と同じになる。周波数が大きくなり且つ標準深さが小さくなるにつれ、“R”の値は１より小さくなり、且つ、周波数が増大するにつれて単調にゼロに接近する。高周波に対し、故に標準深さ“d”の小さな値に対する、このゼロへの接近は、0<d<4tである場合の周波数に対し、次式により近似され得る：
【数９】
2011117602.tif 000011
【００３０】
故に、概略的に、周波数依存減衰力は次式により近似され得る：
【数１０】
2011117602.tif 000012
【００３１】
その場合、Rは次式により表される：
【数１１】
2011117602.tif 000013
【００３２】
故に、振動の周波数が十分に高く、表面へと拡散する渦電流に帰着する場合、導電部材108に対する減衰力は、増大する周波数により減少される。故に、式４、式１０および式１１から、周波数に依存する減衰係数“Cf”は次式により近似的に与えられる：
【数１２】
2011117602.tif 000014
【００３３】
故に式１２からは、減衰係数は、式８により与えられる如く、または、式１１により近似的に与えられる如く、係数“R”により定義される“無次元の形状変化特性”により決定される如く、周波数により変化することが理解される。式１２からは、上記減衰係数の“大きさ”を決定する倍率は積Kt/ρにより与えられることも理解される。故にこの倍率は、厚みと、抵抗率と、導体と交差する磁界の強度および面積に依存する係数Kとに依存することが理解される。
【００３４】
所定範囲の周波数に亙り物質内で生成される減衰力は、厚み“t”を有する代表的な導電材料に関して理解され得る。上記導電材料は臨界周波数“fcr”を有し得、(式５に従い、)該周波数未満では、導電材料における渦電流の標準深さ“d”は実際的に、式１２において次式である如く、上記導電材料の厚み“t”よりも相当に大きくなる：
【数１３】
2011117602.tif 000015
【００３５】
これは、次式により与えられる臨界周波数に対応する：
【数１４】
2011117602.tif 000016
【００３６】
臨界周波数“fcr”より低い或る振動の周波数“f1”に対し、渦電流は厚み“t”よりも相当に大きい標準深さ“d1”にて流れ得る。この例においては、上記導電材料の全厚が本質的に均一な渦電流を蒙り、且つ、減衰係数は、式４に示された如きその最大値にて一定である。但し、臨界周波数“fcr”より高い或る周波数“f2”に対し、渦電流は、厚み“t”よりそれほど大きくはない標準深さ“d2”にて流れ得る。この例においては実際的に、上記導電材料の全厚未満が、表皮効果により実質的な渦電流を蒙る。故に、式１２において示される如く、渦電流の周波数が上記臨界周波数を超えて増大するにつれ、減衰係数は減少する標準深さと共に減少し得る。
【００３７】
式１２および式１４からは、代表的な導電材料の臨界周波数“fcr”は、該材料の厚み“t”と、該材料の抵抗率“ρ”および透磁率“μ”とに依存することが明らかである。故に、間隙106内における導電部材108の相対運動により生成される周波数依存減衰力は、上記導電材料の厚みと、該導電部材108に対して選択される特定材料とに基づいて調節可能である。
【００３８】
本発明の見地は、導電部材の臨界周波数の選択と、導電部材の臨界周波数を超えたところでの該導電部材の周波数依存減衰力の応答の最適化とに関している。故に、導電部材108の構造が上記例に関して次に記述される。
【００３９】
導電部材108は、導電材料の単一の中実片から形成され得る。上記代表的な導電部材に関して記述された如く、間隙106内における導電部材108の相対運動により生成される周波数依存減衰力は、導電部材108に対して選択された導電材料と、該導電材料の厚みとに基づいて調節され得る。詳細には、与えられた導電部材108の厚みに対し、該導電部材108の導電材料は、該材料の抵抗および透磁率が導電部材108の所望の臨界周波数に対応する様に選択され得る。付加的に、導電部材108の構成に使用されるべく与えられた材料に対し、導電部材108の厚みは、所望の臨界周波数に対応すべく選択され得る。上記に示された如く、所望の振動の臨界周波数未満において、導電部材108は実質的に一定の減衰力を蒙り得る一方、所望の振動の臨界周波数を超えたところで、導電部材108は減少する減衰力を蒙り得る。
【００４０】
付加的に、図１Ａに示された如く、減衰装置100は複数の導電部材108を含み得る。一実施例において各導電部材108は、同一の形状で同一の材料から形成され得る。故に、減衰装置100の導電部材の全ては、上記有効荷重の振動に対して均一な減衰応答を有し得る。
【００４１】
代替実施例において、減衰装置の各導電部材108は、異なる臨界周波数を有すべく構成され得る。代表的実施例において、各導電部材108は異なる導電材料から形成され得る。別の代表的実施例において、各導電部材108は異なる厚みを有し得る。故に、各導電部材108の臨界周波数は、広範囲な振動の周波数に亙り、減衰装置100の周波数依存減衰応答を最適化すべく選択され得る。
【００４２】
図３は、本発明の見地に従う減衰装置において使用される別の導電部材208の概略図である。導電部材208は、振動に晒される有効荷重に対して結合され得る。
【００４３】
図示された如く、導電部材208は複数層の導電材料から形成される。代表的実施例において導電部材208は、内側もしくは中央層210、第1外側層212、および、最終外側層214を含む。導電部材208の各導電層210、212、214は、異なる導電材料から形成され得る。選択的に、導電部材208は、該導電部材が、第1導電材料から形成された中央層210と、該中央層210の各側部上にて第2導電材料から形成された一対の外側層212と、各外側層212の夫々の側部上にて第3導電材料から形成された一対の最外側層214とを含む如く、対称的に積層され得る。導電部材208はまた、相互に電気接触する導電層210、212、214から形成されても良い。これにより導電層210、212、214は、導電部材208の厚みを通して、ひとつの層から別の層への電流の通過を許容する。
【００４４】
各層210、212、214は夫々、所定の厚み220、222、224を有し得る。厚み220、222、224は、寸法が同様とされ得る。中実の導電部材108に関して上述された如く、層210、212、214の厚み220、222、224は(上記材料と共に)、所定範囲の周波数に亙り導電部材208の減衰応答を変化させるべく選択され得る。導電部材208の層210、212、214は、一定の複数種類の導電材料から、または、それらの導電材料の組み合わせから形成され得る。層210、212、214に対する代表的な導電材料としては、銅、ニッケル、アルミニウム、または、ベリリウムが挙げられる。中実の導電部材108に関して上述された如く、各導電材料は、所定範囲の周波数に亙り導電部材208の減衰応答を変化させるべく選択され得る。本明細書においては、導電部材208の特定の構成が記述される。
【００４５】
導電部材208は、導電層210、212、214の夫々の厚み220、222、224に依存して異なるプロセスで形成され得る。たとえば、比較的に厚寸(すなわち、＞500μm)の層210、212、214を有する導電部材208に対し、該導電部材208は、層210、212、214の締着、溶着、または、導電接着剤による接着により形成され得る。比較的に薄寸(すなわち、＜500μm)の導電層210、212、214を有する導電部材208に対し、該導電部材208は、電気メッキ、物理蒸着、化学蒸着、または、溶射により形成され得る。ナノ寸法の導電層210、212、214を有する導電部材208に対し、各導電層は、ファン・デル・ワールス力により相互に保持され得る。
【００４６】
図３に示された導電材料の層の数は、例示的であり、限定的でないことは理解される。導電部材208は任意数の導電層を有し得ること、および、各導電部材は対称的に配置される必要はないことが企図される。層210、212、214は異なる導電材料を有するものとして記述されるが、それらは同一の導電材料から、または、複数種類の材料の組み合わせから形成され得ることは明らかである。概略的に、N層から構成される導体に対する周波数依存減衰係数は次の式形態で与えられる：
【数１５】
2011117602.tif 000017
式中、
K＝(式２における定数と同様に)幾何学形状により決定される定数、
n＝層インデックス、
ρn＝第n層の抵抗率、
tn＝第n層の厚み、および、
Rn＝第n層に対する(式１と同様の)周波数依存表現、
である。
【００４７】
次に、代表的な減衰装置における磁石204と導電部材208との間の相互作用が図４Ａおよび図４Ｂに関して記述される。図４Ａは、各磁石204の間の間隙206内において比較的に低い周波数にて振動している導電部材208を示している。図４Ｂは、各磁石204の間の間隙206内において比較的に高い周波数にて振動している導電部材208を示している。次に、各磁石204と導電部材208との間の相互作用の付加的な詳細は以下に記述される。
【００４８】
代表的実施例において導電部材208は、有効荷重の振動に応じて或る周波数にて振動し得る。上述された如く、間隙206における磁界内での導電部材208の運動は、導電部材208における(矢印232により表された)渦電流を生成する。表皮効果により、渦電流が流れる深さは、該渦電流の周波数に依存し、故に、導電部材208の振動の周波数に依存する。
【００４９】
たとえば、図４Ａに示された如く、導電部材208は比較的に低い周波数にて振動することがある。故に導電部材208内の渦電流ループは低周波を有し、該渦電流は導電部材208の全厚に亙り流れることが許容される。このことは、渦電流が、導電部材208の各層210、212、214の全厚220、222、224に亙り流れ得ることを意味する。この例においては、各層210、212、214の厚み220、222、224および抵抗および透磁率に依存して、周波数依存減衰力が(上記の各式を使用して)生成され得る。
【００５０】
代替的に導電部材208は、図４Ｂに示された如く比較的に高い周波数にて振動することもある。故に導電部材208内の渦電流ループは高周波を有し、渦電流は導電部材208の表面の近傍に集中せしめられる。上述された如く、導電部材208の導電材料の層210、212、214は、相互に電気接触され得る。故に、渦電流は中央層210から最外側層214に向けて外方に通過し得る。渦電流は、図４Ｂにおいて矢印232により表される如く、導電部材208の各最外側層に集中し得る。この例においては、本質的に各最外側層214のみの抵抗および透磁率に依存して、周波数依存減衰力が(上記の各式を使用して)生成され得る。
【００５１】
導電部材108に関して上述された如く、導電層210、212、214の構成は、振動の臨界周波数を超えたところで、導電部材208に対して生成される周波数依存減衰力を調節すべく選択され得る。導電部材208に対する上記臨界周波数は、上述された如く、層210、212、214の厚み220、222、224および材料特性に依存して選択され得る。付加的に、臨界周波数未満において付与される実質的に一定の減衰力は、式１２により表された如く導電部材108と交差する磁界の選択強度および面積と共に、層210、212、214の厚み220、222、224および特性(すなわち抵抗および透磁率)に依存して選択され得る。
【００５２】
たとえば、高抵抗率の層を通り流れる渦電流ループは、低抵抗率の層を通り流れる渦電流ループよりも小さくなり得る。もし全ての層の透磁率が本質的に同一であり且つ内側層212および210の抵抗率が同一であるならば、そしてその場合に最外側層214の導電材料が各内側層の導電材料よりも高い抵抗率を有すべく選択されるなら、導電部材208において生成される渦電流は減少される、と言うのも、表皮効果によりこれらの電流が各最外側層214に集中する程度は、外側層材料が各内側層と同一であるときに生ずる集中と比較した場合に小さいからである。これにより、導電部材208において生成される減衰力の減少、および、臨界周波数の増大が引き起こされ得る。故に、導電部材208の層210、212、214の導電材料および厚みは、減衰力を概略的に減少すべく、且つ、有効荷重の振動の臨界周波数を増大すべく選択され得る。
【００５３】
代替的に、もし全ての層の透磁率が本質的に同一であり且つ内側層212および210の抵抗率が同一であるならば、そして最外側層214の導電材料が各内側層の導電材料よりも低い抵抗率を有すべく選択されるなら、導電部材208内において生成される渦電流は増大される、と言うのも、表皮効果によりこれらの電流が各最外側層214に集中する程度は、外側層材料が各内側層と同一であるときに生ずる集中と比較した場合に大きいからである。これにより、導電部材208において生成される減衰力の増大が引き起こされ、且つ、臨界周波数の減少が引き起こされ得る。故に、導電部材208の層210、212、214の導電材料および厚みは、減衰力を概略的に増大すべく、且つ、有効荷重の振動の臨界周波数を減少すべく選択され得る。
【００５４】
図５は、５個の代表的な減衰装置の減衰率(すなわち減衰係数)のグラフ300を示している。第1の減衰装置は、全ての周波数に亙り一定の減衰率を有する仮定的な減衰装置である。第2の減衰装置は、第1抵抗率および第1厚みを有する単一の導電材料から形成された導電部材(たとえば導電部材108)を有する磁気式減衰器である。第3の減衰装置は、上記第1抵抗率より大きな第2抵抗率と上記第1厚みよりも大きな第2厚みとを有する単一の導電材料から形成された導電部材を有する磁気式減衰器である。第4の減衰装置は、上記第2導電材料の各外側層の間に対称的に挟持された上記第1導電材料の内側層を含む導電部材を有する磁気式減衰器である。第5の減衰装置は、上記第1導電材料の各外側層の間に対称的に挟持された上記第2導電材料の内側層を含む導電部材を有する磁気式減衰器であって、上記第1および第2材料の各層の合計厚みが上記第4装置の合計厚みと同一である如きであるという磁気式減衰器である。導電部材208に関して上述された如く、上記第4および第5の減衰装置の各層は、他の層に対して電気接触している。
【００５５】
グラフ300は、５個の代表的な減衰装置の導電部材に対する、振動の周波数に関する周波数依存減衰応答のグラフを示している。直線302は、全ての周波数に亙り一定の減衰率を有する上記第1の仮定的な減衰装置に対する減衰率を表している。曲線304は、第1抵抗率および第1厚みの単一の導電材料から形成された導電部材を有する上記第2減衰装置に対する減衰率を表している。曲線306は、第1抵抗率より大きな第2抵抗率および第1厚みより大きな第2厚みの単一の導電材料から形成された導電部材を有する上記第3減衰装置に対する減衰率を表している。曲線308は、上記第2導電材料の各外側層の間に対称的に挟持された上記第1導電材料の内側層から形成された導電部材を有する上記第4減衰装置に対する減衰率を表している。曲線309は、上記第1導電材料の各外側層間に対称的に挟持された上記第2導電材料の内側層から形成された導電部材を有する上記第5減衰装置に対する減衰率を表している。
【００５６】
グラフ300に示された如く、第1減衰装置に対応する直線302は、上記範囲の周波数の全体に亙り、減衰率の変化を蒙らない。上記第2減衰装置に対応する曲線304は、周波数が該第2減衰装置の臨界周波数を超えて推移するにつれ、減衰率の減少を蒙る。上記第3減衰装置に対応する曲線306もまた、周波数が該第3減衰装置の臨界周波数を超えて推移するにつれ、減衰率の減少を蒙る。上記第2減衰装置における導電部材の抵抗率および厚みは該第2装置の臨界周波数が約10Hzである如きであることから、且つ、上記第3減衰装置における導電部材の抵抗率および厚みは該第3装置の臨界周波数が約200Hzである如きであることから、高周波に亙り上記第2装置により提供される減衰の速度は、高周波に亙り上記第3装置により提供される減衰率よりも相当に小さい。上記第4装置および第5装置において使用される導電部材に対する設計態様は、両方の装置に対する実効的な臨界周波数が約30Hzである如く選択される。この臨界周波数は上記第2および第3の装置の夫々の臨界周波数の間であることから、高周波に亙り上記第4および第5の装置により提供される減衰率は、上記第2装置により提供される減衰率よりも大きく、且つ、上記第3装置により提供される減衰率よりも小さい。同様に、上記第4装置および上記第5装置の両方に対して第1材料の合計厚みおよび第2材料の合計厚みは同一である一方、第4装置における導電部材は内側層における低抵抗率の第1材料と各外側層における高抵抗率の第2材料とを有することから、且つ、第5装置における導電部材は内側層における高抵抗率の第2材料と各外側層における低抵抗率の第1材料とを有することから、高周波に亙り第4装置により提供される減衰率は、第5装置により提供される減衰率よりも小さい。
【００５７】
図５に示された各例は、減衰率を調節して周波数に対する更に望ましい依存性を提供すべく本発明が如何に使用され得るかを例示している。たとえば、当業者によれば、振動に晒される有効荷重が関連共振周波数を有し得ることが理解されよう。当該有効荷重の共振周波数を相当に超えて振動している有効荷重に対して減衰力を提供すると、振動エネルギを吸収するのではなく、“減衰器のロックアップ(lockup)”、すなわち振動する有効荷重に対してエネルギを伝達する減衰力に帰着することがある。その故に、有効荷重がその共振周波数を超えて振動しているときには該有効荷重に対して提供される減衰力を減少することにより、その有効荷重および減衰装置が防振器として作用することを許容することが好適であり得る。故に、上記の代表的な減衰装置200は、たとえば該減衰装置の臨界周波数を有効荷重の共振周波数と等しくすることにより、該共振周波数を超えて提供される減衰力を最小化すべく構成され得る。この構成において、減衰装置200は共振を超えたところでの減衰力を最小化すると共に、減衰器のロックアップを低減し得る。
【００５８】
また当業者によれば、有効荷重は、高次の二次的共振であって、低周波の基本共振において提供される減衰に加え、高次の当該二次的共振において一定の少ない減衰を提供することが有用であり得るという高次の二次的共振も有し得ることが理解されよう。この構成において減衰装置200は、高周波に亙る減衰が、高次の二次的共振の十分な減衰を提供するに十分なほど依然として大きくされ乍ら、“減衰器ロックアップ”を回避するに十分なほど減少される如く、基本共振を超えたところでの減衰力を最適化し得る。
【００５９】
図６は、本発明に係る代表的な減衰装置の代替的な導電部材408の概略図である。上述された如く、導電部材408は振動に晒される有効荷重に対して結合され得る。
【００６０】
示された如く、導電部材408は複数層の導電材料から形成される。代表的実施例において導電部材408は、内側もしくは中央層410、各第1外側層412、および、各最終外側層414を含む。導電部材408の各層410、412、414は、夫々の絶縁層411、413により分離される。導電部材408の各導電層410、412、414は、異なる導電材料から形成され得る。選択的に導電部材408は、該導電部材が、第1導電材料から形成された中央層410と、該中央層410の各側部上にて第2導電材料から形成された一対の外側層412と、各外側層412の夫々の側部上にて第3導電材料から形成された一対の最外側層414とを含む如く、対称的に積層され得る。導電層410、412、414の間の全領域に亙り、絶縁層411、413が延在し得る。絶縁層411、413は、ひとつの導電層から別の導電層への電流の通過を阻止し得る。
【００６１】
各導電層410、412、414は夫々、所定の厚み420、422、424を有し得る。層410、412、414の夫々の厚み420、422、424は、導電部材208に関して上述された如く、導電部材408に対して生成される周波数依存減衰力を調節すべく選択され得る。導電部材408の層410、412、414は、所定の複数種類の導電材料から、または、導電材料の組み合わせから形成され得る。層410、412、414に対する代表的な導電材料としては、銅、ニッケル、アルミニウム、または、ベリリウムが挙げられる。導電部材208に関して上述された如く、層410、412、414の夫々の導電材料は、導電部材408に対して生成される周波数依存減衰力を調節すべく選択され得る。絶縁層411、413は、任意の適切な絶縁材料、または、複数種類の材料の組み合わせから形成され得る。絶縁層411、413に対する代表的な絶縁材料としては、カプトン、セラミック被覆、陽極酸化被覆、および、他の同様の材料が挙げられる。導電部材408は、導電部材208に関して記述されたのと同一のプロセスで形成され得る。
【００６２】
図６に示された絶縁層および導電層の数は、例示的であり、限定的でないことは理解される。導電部材408は任意数の導電層を有し得ることが企図される。付加的に、層410、412、414は異なる導電材料から成るものとして記述されるが、導電部材408の各層は同一の導電材料から、または、複数種類の材料の組み合わせから形成され得ることは理解される。
【００６３】
導電層410、412、414および絶縁層411、413の構成は、導電部材208に関して上述された如く、導電部材408に対して生成される周波数依存減衰力を調節すべく同様に構成され得る。絶縁層411、413の存在によれば、導電部材408の臨界周波数を超えたところでの周波数の変化に対して好適な変化特性が提供され得る。
【００６４】
図７は、本発明に係る代表的な減衰装置の別の代替的な導電部材508の概略図である。導電部材508は、振動に晒される有効荷重に対して結合され得る。
【００６５】
示された如く導電部材508は複数本の導電ワイヤにより形成され、各導電ワイヤは、複数層の導電材料を有している。代表的実施例において、導電部材508の各ワイヤは、内側もしくは中央層510、第1外側層512、および、最終外側層514を含んでいる。導電部材508の各ワイヤは、図８に示された如く閉ループで配置され得る。導電部材208もしくは408に関して上述された如く、導電部材508の導電層510、512、514は、周波数依存減衰力を調節するために、(不図示の)絶縁層により分離されても良く、されなくても良い。付加的に、導電部材508の個々のワイヤは、所望に応じ、周波数依存減衰力を調節すべく相互から絶縁されても良い。導電部材508のワイヤの各導電層510、512、514は、異なる導電材料から形成され得る。
【００６６】
図７に示された如く、導電部材508の各ワイヤは、導電層510は第1径方向距離だけ延在し、導電層512は導電層510の回りで第2径方向距離だけ延在し、且つ、導電層514は導電層514の回りで第3径方向距離だけ延在する如く、形成される。各導電層510、512、514は、所定の径方向厚みを有し得る。層510、512、514の厚みは、導電部材208に関して上述された如く、導電部材508に対して生成される周波数依存減衰力を調節すべく選択され得る。導電部材508の各ワイヤの層510、512、514は、所定の複数種類の導電材料、または、導電材料の組み合わせから形成され得る。層510、512、514に対する代表的な導電材料としては、銅、ニッケル、アルミニウム、または、ベリリウムが挙げられる。導電部材208に関して上述された如く、層510、512、514の夫々の導電材料は、導電部材408に対して生成される周波数依存減衰力を調節すべく選択され得る。当業者によれば、上述された如き導電部材508を形成する方法は、本明細書における記述から理解されよう。
【００６７】
図７に示された導電部材508のワイヤの本数および配置は例示的であり、限定的でないことは理解される。更に、図７に示された各導電層の数および形状は例示的であり、限定的でないことは理解される。導電部材508の各ワイヤは、任意数の導電層を有し得ることが企図される。付加的に、層510、512、514は異なる導電材料から成るものとして記述されるが、導電部材508の各層は、同一の導電材料から、または、複数種類の材料の組み合わせから形成され得ることは理解される。
【００６８】
図８は、本発明の見地に従う代表的な減衰装置500の各磁石504と導電部材508との間の相互作用を示している。導電部材208および408に関して上述された如く、導電部材508は有効荷重の振動に応じて或る周波数にて振動し得る。上述された如く、間隙506における磁界内における導電部材508の運動は、該導電部材508における渦電流を生成する。上述された如き表皮効果により、層510、512、514内で渦電流が流れる深さは、該渦電流の周波数に依存し、故に、導電部材508の振動の周波数に依存する。
【００６９】
図９は、減衰装置において使用される導電部材を形成する代表的な方法であり、本発明の見地に従い以下に記述される。当業者によれば、以下の各ステップの内のひとつ以上のステップは省略され得ることが理解されよう。
【００７０】
ステップ600においては、ひとつ以上の周波数に対して、所望の減衰係数が選択される。代表的実施例において、形成されるべき導電部材に対する減衰係数は、該導電部材の所望の減衰応答に基づくひとつ以上の周波数に対して選択される。たとえば、導電部材が有効荷重に対して提供する減衰力の低下を開始することが望まれる振動の周波数に対し、減衰係数が選択され得る。広範囲の周波数に亙り上記導電部材に対する減衰応答を定義すべく、複数の所望の減衰係数が選択され得ることは理解される。
【００７１】
ステップ602においては、上記減衰係数に基づき、上記導電部材に対する導電材料が提供される。代表的実施例においては、導電材料に対する透磁率および抵抗率が考慮される。上記透磁率および抵抗率は、選択された減衰係数を有する導電部材を形成する上での使用に対して上記導電材料が適切であるか否かを上述の各式に従い決定すべく、考慮される。付加的に、上記導電材料を提供する上での該導電材料に対するたとえば動作温度の如き他の要件が考慮され得る。次に、上記導電部材を形成すべく、適切な導電材料が選択される。
【００７２】
ステップ604において、上記導電材料は上記減衰係数に基づき所定厚みへと形成される。代表的実施例において、上記導電材料は導電部材を形成するために所定厚みへと形成される。上記導電部材は、上述された各プロセスの内の任意のプロセスに従い形成され得る。上記厚みは、上述の各式に従い上記導電部材が対応周波数において選択された減衰係数を有する如く、事前決定され得る。付加的に、上記導電材料の厚みを選択する上では、たとえば導電部材に対する幾何学形状、寸法、および、重量制限の如き、該導電部材に対する他の要件が考慮され得る。
【００７３】
複数層の導電材料を有する導電部材に対し、当業者によれば、ステップ602〜604が複数回反復されることで、夫々が所定厚みを有する複数層の導電材料が獲得され得ることは理解されよう。付加的に、所望の減衰応答を有する導電部材を設計する上では、該導電部材の全ての層に対する材料および厚みが考慮されるべきことは理解される。
【００７４】
更に、当業者によれば、本発明の見地に従い導電部材を形成する上では上記のステップに加え、他の要因が考慮され得ることは理解されよう。上記の代表的なステップの記述は、動作温度、減衰器の幾何学形状、磁気的強度、寸法および重量制限、コスト、および、製造の容易さの如き他の要因の考慮を除外することを意味してはいない。
【００７５】
本発明は本明細書において特定実施例に関して図示かつ記述されたが、本発明が示された詳細に限定されることは意図されない。寧ろ、各請求項の有効範囲および均等物の範囲内において且つ本発明から逸脱せずに、詳細においては種々の改変が為され得る。
【符号の説明】
【００７６】
100    減衰装置
102    ハウジング
104    磁石
106    間隙
108    導電部材
【図１Ｂ】
2011117602.tif 000018
【図２Ｂ】
2011117602.tif 000019
【図３】
2011117602.tif 000020
【図５】
2011117602.tif 000021
【図６】
2011117602.tif 000022
【図９】
2011117602.tif 000023
【図１Ａ】
2011117602.tif 000024
【図２Ａ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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