(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの主質量エレメントを有する主質量体と少なくとも１つのスプリングエレメントとを備えた質量/スプリングシステムを備えた共鳴装置において、少なくとも１つの付加的質量エレメント(102)を有する少なくとも１つの付加的質量体(10)と、装置のチューニング周波数を調整するために、前記付加的質量体(10)と前記主質量体(1)とを接続し或いは接続解除することができるカプリング機構(204)とを備えた共鳴装置。
【請求項２】
請求項１に記載の共鳴装置において、カプリング機構が２つの相互に補完し合う装置からなる少なくとも１つの電磁アセンブリーを備え、該電磁アセンブリーの第１の装置は少なくとも１つの電磁性部材(204)であり、その第２の装置は少なくとも１つの電磁石(102)であり、前記２つの相互補完装置の一方は、主質量体(1)に接続されており、他方の相互補完装置は、付加的質量体(10)に接続されており、前記２つの装置は、前記電磁性部材(204)が活性化された場合に、前記２つの相互補完装置(102、204)が機械的に一体化されて、前記主質量体(1)と前記付加的質量体(10)とが接続される様に、対向配置されている構成を有する共鳴装置。
【請求項３】
請求項２に記載の共鳴装置において、前記少なくとも１つの電磁性部材(204)が前記主質量体(1)に接続されており、前記少なくとも１つの電磁石(102)が前記付加的質量体(10)に接続されている共鳴装置。
【請求項４】
請求項３に記載の共鳴装置において、前記電磁性部材(204)と前記主質量体(1)との接続が、弾性的である共鳴装置。
【請求項５】
請求項４に記載の共鳴装置において、前記カプリングが、前記主質量体(1)の主振動方向に対し実質的に垂直な方向に弾性的な自由度を示す共鳴装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の共鳴装置において、前記弾性的なカプリングが、少なくとも１つのフレキシブルリーフ(201)により形成される共鳴装置。
【請求項７】
請求項６に記載の共鳴装置において、前記相互補完装置の第１が、互いに離れて位置しかつ前記フレキシブルリーフ(201)と一体化されている２つの電磁性部材(204)により構成され、前記相互補完装置の第２が、２つの電磁性部材(204)に向き合うように配置された２つの電磁石(102)により構成されている共鳴装置。
【請求項８】
請求項７に記載の共鳴装置において、前記２つの電磁石(102)が、少なくとも１つのリンキングピース(110)により接続されている共鳴装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の共鳴装置において、少なくとも１つの付加的質量体(102)が弾性装置(115)により位置固定されており、該弾性装置は、主質量体(1)の主振動方向に対し実質的に平行な方向に弾性的な自由度を示す共鳴装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の共鳴装置において、前記弾性装置(115)が少なくとも１つのリーフを備えている共鳴装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主質量とスプリングとを組み合わせた質量/スプリングシステムに関する。この様なシステムは、振動を抑制する様に調整される(tuned)能動的或いは受動的ストライカーとして、或いは構造物に荷重を負荷するための動的荷重発生機として、使用しうる。
【０００２】
【従来技術】
上記の様な調整は、例えば、質量/スプリングアセンブリーの自然周波数と発生さるべき或いは抑制さるべき振動の周波数とが一致する様に、質量とスプリングの剛性とを選択することにより、達成される。
【０００３】
装置と振動(単数或いは複数)とをマッチさせるには、いくつかの問題がある。その様な問題の一つは、公知の装置においては、チューニング周波数が固定されているので、所定の周波数における操作以外では、装置を使用することができないことにある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の主な目的は、質量/スプリングシステムの使用が、固定した周波数に限られるという従来技術の問題点を解消することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様においては、上記装置において、周波数の調整(adjustment)を可能とすることを目的とする。
【０００６】
この目的を達成するために、本発明は、少なくとも１つの主質量エレメントを有する主質量体と少なくとも１つのスプリングエレメントとを備えた質量/スプリングシステムを備えた共鳴装置において、少なくとも１つの付加的質量エレメントを有する少なくとも１つの付加的質量体と、装置のチューニング周波数を調整するために、前記付加的質量体を前記主質量体に接続し或いは両者を接続解除することができるカプリング機構とを備えた受動的或いは能動的な共鳴装置を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明による共鳴装置は、２つの相互に補完し合う装置からなる少なくとも１つの電磁アセンブリーを備え、その第１の装置は少なくとも１つの電磁性をしめす部材であり、その第２の装置は少なくとも１つの電磁性を示す部材であり、前記２つの相互補完装置の一方は、主質量体に接続されており、他方の相互補完装置は、付加的質量体に接続されており、前記２つの装置は、前記１つの電磁性部材が活性化された場合に、前記２つの相互補完装置が機械的に一体化されて、前記主質量体と前記付加的質量体とが接続される様に、対向配置されている構成を有することができる。
【０００８】
少なくもと１つの電磁性部材を例えば前記主質量体に弾性的に接続され、少なくとも１つの電磁石が前記付加的質量に接続することができる。例えば、フレキシブルリーフを用いて形成される前記の弾性的接続は、主質量体の主振動方向に対し、例えば荷重の発生方向に対し、実質的に垂直な方向において、弾性的な自由度を示す。
【０００９】
本発明による装置は、第１の補完装置が相互に離れて位置しかつ前記フレキシブルリーフと一体化している２つの電磁性部材を備えており、第２の補完装置が前記２つの電磁性部材と対向して配置されている構成を有することができる。
【００１０】
前記主質量体の主振動方向に対し実質的に平行な方向に弾性的な自由度を示す弾性装置により、少なくとも１つの付加的質量体を所定位置に保持することができる。この弾性装置は、例えば、少なくとも１つのエラスティックリーフを有する。
【００１１】
従来技術装置の他の問題点は、一旦周波数が選択されると、アクティブストライカー(動的荷重発生機ともいわれる)の振動の大きさをコントロールすることが困難となることである。この振動の大きさは、共鳴の近傍においては、極めて大きくなり、前記動的荷重を発生させるアクチュエーターの飽和或いは破壊にさえ至る。
【００１２】
従来技術装置のさらに他の問題点は、かなり大きい動的荷重を伝えることが困難である点にある。
【００１３】
第２の特質に基づいて、本発明は、振動の大きさの制御を良好にコントロールすることを可能とし、および／またはかなり大きい動的荷重を伝えることを可能とする。
【００１４】
この目的を達成するために、本発明は、少なくとも１つの質量m2の主質量エレメントと少なくとも１つの剛性k2のスプリングエレメントとからなる主質量/スプリングシステムを備えた動的荷重発生機であって、さらに、主質量/スプリングシステムに接続され、かつ質量m3の補助質量エレメントと少なくとも１つの剛性k3の補助スプリングエレメントとからなる補助質量/スプリングシステムを備えており、該アセンブリーは、それぞれf0とf2で示される第１および第２の共振振動数(resonant frequency)と反共振振動数f1(anti-resonant frequency)とを示し、これらがf0＜f1＜f2なる関係を有している動的荷重発生機を提案する。該発生機は、特に、振動数f0および/または振動数f1において、例えば、発生機を駆動する起動装置を用いて、発生機を振動数f0とf2との間で、そして特に反共振振動数f1で作動することができる。
【００１５】
一般に、前記発生機は、いかなる振動数においても作動することができる。その使用は、振動数f0、f1、f2に限定されるものではなく、反共振振動数f1を使用しない状態でも作動することができる。
【００１６】
振動数f1での(或いはその近傍における)作動の利点は、低い増幅度での作動を可能とすることである。その結果、機械的増幅による利点を得ながら、アクチュエーターを機械的に飽和させることが実際上不可能となる。唯一の制限は、発生機により実現される最大強度であるので、構造体に伝達されるかなり大きな荷重を発生させることができる。
【００１７】
さらに、後述する種々の実施態様に従って、主質量体と接続され或いはこれから接続解除される少なくとも１つの付加的質量体を追加使用することにより、上記の振動数、特に振動数f0、f1を変化させることが可能である。
【００１８】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面に示された非制限的な実施例に関する説明から、さらに明確となるであろう。
【００１９】
【実施例】
図１に示す装置は、質量m3を有する質量エレメント１を備えている。該装置が、アクティブストライカーである場合には、電気力学的或いは可変磁気抵抗発生機を備えている。エレメント１に取り付けられたプレート５は、組み立てられた状態で、質量/スプリングシステムに剛性k3を付与する２つのエンドスプリング３をその両端に備えている。これら２つのスプリングは、プラテン２により支持されたシリンドリカルラグ３１上に設置されており、該プラテン２は、その振動を抑制すべき或いはそれに振動を伝達すべき構造体に接続される。
【００２０】
プレート５は、その上端でプラテレット６を支持しており、該プラテレットの両端には、２つのスプリング板８のブランチ８１が固定されている。スプリング板８の向かい合うブランチ８１、８３は、スロット８２により分離されており、かつセクター８５により相互接続されている。エレメント１の下端には、プラテン７が接しており、該プラテン７の下側には、プレート６が取り付けられている。該プレート６の端部には、前記スプリング８におけると同様に、２枚のスプリング板９のブランチ９１が固定されている。該スプリング９は、スロット９２により分離され、かつセクター９５によりリンクされた向かい合うブランチ９３、９４を備えている。スプリング板８および９のブランチ８３およびブランチ８３および９３は、それぞれプラテン２の平面に垂直なアップライト８４と一体化されており、該プラテン２は、該アップライトと一体化されている。プレート６が、プレート５およびプラテン７と一体化されているので、スプリング８および９は、質量１／スプリング３からなるアセンブリーが、プラテン２の平面に垂直な方向からの偏りを生じた場合に、これが中心に戻ることを可能とする。
【００２１】
ストライカーの動的質量を変化させて、共振状態を調整するために、アップライト８４は、主質量エレメント１に接続するか、或いはそこから接続解除できる付加的質量を与えるために使用することができる。
【００２２】
図４に示すとおり、主質量m3に質量m4を加えるための付加的質量モジュール１０は、前記アップライト８４を通過させるためにノッチ１１２を備えたリンキングアーム１１０、１１１の両端で支持された２つの電磁石１０２を備えている。アーム１１６を備えたスプリング１１５は、反対側の両端部１１３、１１９から始まるスロット１１７により分離されたジグザグの経路を形成している。これらのスプリングは、２つの電磁石１０２とリンキングアーム１１０および１１１とからなる質量m4を吊り下げ、かつ案内する機能を発揮する。
【００２３】
スプリング１１５のそれぞれは、２対のタイ１０１および１０３上に配置されている。タイ１０１は、その開口１２５を介して、アップライト８４と一体化された固定プレート１２０と一体化されている。タイ１０１の反対側に配置されたタイ１０３は、対応する電磁石１０２と一体化されている。電磁石のそれぞれについて、上方および下方の２対のタイ１０３がある。この様にすることにより、エレメント１の変位方向に平行に、すなわち、プラテン２の平面に垂直に一定の自由度を得ることができる。
【００２４】
図５は、主質量m3に対し付加的質量m4(１０)を取り付けることを可能とする装置を示す。この装置は、２つの強磁性質量体２０４を備え、これらの質量体は、開口２０２のレベルにおいて固定された可撓性リーフ２０１の端部で、プラテン７の側面に対し積層固定されている。この可撓性リーフは、前記ストライカーの質量エレメント１の移動方向には、すなわち、発生させるべき或いは減衰させるべき振動方向には、より高い剛性を示すが、前記変位方向に垂直な面ではより一層低い剛性を示す。
【００２５】
図２に示す様に、強磁性質量体２０４は、電磁石１０２に向かい合うように配置されている。この様にすることにより、電磁石１０２の磁気回路は、磁気質量体２０４を回って閉じる。
【００２６】
接合は、以下のようにして行われる：電磁石１０２を磁化状態とすると、質量体２０４が電磁石１０２の表面に接触して、付加的質量体の機械的接合が行われる。プラテン７が、主質量体の変位に際して、これと一体化しているとすれば、付加的質量体も、アップライト８４の軸に平行な運動に同調する。これは、ストリップスプリング１１５により与えられるサスペンション効果により可能となる。
【００２７】
電磁石１０２が非磁化状態となると、質量体２０４は、電磁石１０２から離れ、付加的質量体は、主質量体から分離される。
【００２８】
図２〜５に示す実施態様によれば、特定重量を有する１つまたはそれ以上の付加的質量体を取り付けることにより、ストライカー重量を変化させることが可能となり、その結果、振動周波数が変化する振動に対応して、ストライカーの振動数を変化させることが可能となる。
【００２９】
図示した実施態様においては、４つの電磁石を同時に磁化して、主質量エレメント１０の２つのモジュール１０を接続する。
【００３０】
この様にして、所望数の質量体を追加することにより、ストライカーに任意の異なる調整振動数（tuning frequencies）を与えることができる。
【００３１】
付加的質量体を取り付けることにより、下記のことが可能となる：
付加的質量体が主質量体に接続されていない場合には、ストライカーの移動中に、これらをストライカーの質量体に取り付けられた可撓性リーフに向かい合った状態においておく；
一方、接続モードにおいては、付加的質量体が主質量体の運動に追随させる。
【００３２】
この結果は、ストライカーの運動方向に垂直な平面では十分な剛性を示して、同平面における運動を生じないのに対し、ストライカーの運動方向では十分な可撓性を示して、その変位に追随するというリーフスプリング１１５により、達成される。この可撓性は、新しい質量と前述のストライカーの特性とにより、ストライカーの新たなチューニングを達成する様に、調整される。これらのリーフの剛性は、新たなチューニングを達成するためにリーフに平行に働くスプリングの剛性により、補強される(この取り付けは、いわば、当初のストライカーに対し、平行して配置された新しいストライカーを接続することに相当する。)
本発明の第２の特質によれば、前述した装置は、電磁ボックスに与えられるコマンドに従って、低い周波数でかなり大きな荷重を発生させることを可能とする。
【００３３】
この荷重は、慣性の形態で、すなわち、荷重活性化(load-exited)された質量に適用される作用／反作用の原理を利用することにより、発生せしめられる。この質量は、発生機本体の質量からなる。
【００３４】
本発明は、主質量体１内に組み込まれた可変磁気抵抗発生機とディジタルコンピューターを介してのそのコントロールとにより、実施される。このディジタルコンピューターのアルゴリズムは、公知の手法により、質量／スプリングシステムにおける主質量体の力／変位特性を荷重と質量との発生源として線形化して、構造物に対し低い周波数でかなり大きな荷重を発生させる。
【００３５】
他の構造物を利用することなく、任意の構造物Sに荷重を与えようとする場合には、基本原則は、反動質量m2を利用することである。構造物Sと質量m2との間に発生させた磁気荷重Uは、構造物Sに荷重Ftを生じさせる。この荷重は、関係式Ft=H・Uにより、Uに関連づけられる。ここに、Hは、発生機の設置の特性により与えられる変換関数(transfer function)である：
H(p)=m2p2/(m２p2+K2)
pは、ラプラス変数であり、K2は、質量m2と構造物Sとの間のエラスティックリンクの剛性を示す。
【００３６】
一般に、質量m2は、電磁気発生機(可変磁気抵抗発生機)或いは発電機の可動質量により構成される質量m2である。
【００３７】
質量m2と剛性K2の弾性リンクとは、振動する機械システムを構成し、その増幅と共鳴が、許容される撓みの限度内で、活用される。
【００３８】
この技術は、発電機器において広く使用されている(常磁場内におかれたコイル)。
【００３９】
それにも関わらず、高いレベルの伝達荷重Ft(代表的には1kNを上回る)を求める場合には、発電機を使用するこの技術は、実施困難である。何故ならば、この技術は、磁場を作り出す永久磁石に関して、実施不可能な質量と実施不可能な寸法とを求めるからである。
【００４０】
減少した体積の範囲内で十分な荷重を与えうる可変磁気抵抗発生機の直接使用は、低周波数では殆ど不可能である。何故ならば、荷重を発生させるために小さなギャップを設ける必要性により、その移動が制限されるからである。
【００４１】
問題点の解決は、質量／スプリング振動システムをその自然振動数に近い振動数において、活性化することにより、得られる。その結果、かなり大きな荷重を発生させる必要なく、その様なシステムの増幅係数を有利に利用することができる。
【００４２】
取り付けダイヤグラム(図６参照)は、剛性K2により吊り下げられた質量m2を有する発生機を示す。これは、質量m3を有しており、かつ剛性K3を発揮する補助質量/スプリングシステムの質量m3を活性化させる。
【００４３】
質量m2は、主質量m1により構成されており、主質量m1は、その可動質量を構成する発生機に接続されている。剛性K2は、スプリング３により規定される。
【００４４】
質量m3に対する質量m2の大きさをZ2と定義することにより、下式が得られる：
Z2/U=[(m2+m3)p2+K3]]/[m2・m3・p4+（K2・m2+m2・K3+K2・m3）p2+K2・K3]、
Ft/U=-K3・m2・p2/[m2・m3・p4+（K2・m2+m2・K3+K2・m3）p2+K2・K3]、
かくして、３つの自然周波数f0、f1、f2を決定することができる。これらは、下式により質量および剛性のパラメーターと関連づけられる。
【００４５】
【数１】
0004458615.tif 000002
これらの式は、図７に示すグラフを介して解くことができ、以下の結果が得られる：
K3=2.2・105N/m
m3=4kg
K2=1.518・106N/m
m2=13.7kg
上部の曲線は、変換関数Ft/Uのモジュラスを示し、中央の曲線は、変換関数Z2/Uのモジュラスを示し、下部の曲線は、変換関数Z2/Uのフェーズを示す。
【００４６】
装置は、２つの共鳴周波数f0とf2とを表し、これらの関しては、発生した荷重の大きな増幅があり、反共鳴周波数f1は、スプリングK3上の質量m2+m3のナチュラルモードに対応している。
【００４７】
低周波数において荷重を発生させることが好ましいので、質量と剛性とは、共鳴周波数f0またはf2が使用されたものである様に、調整することが可能である。
【００４８】
荷重発生器が、周波数f0で駆動される場合には、アンプリチュードZ2は、非常に大きくなって、飽和に達するか、あるいはアクチュエーターの破壊に至るともありうると思われるかも知れない。一方、このアンプリチュードは、反共鳴周波数f1の近傍では非常に低くなることが分かる。可変磁気抵抗発生器の場合には、このアンプリチュードは、ギャップの変数であり、このことは、従って、小さなギャップを用いて、かなり大きな発生荷重を得ることが可能であることを示唆している。
【００４９】
もし、周波数f1で作動させる場合には、小さな変位Z2が得られるという事実は、上述の理由により、可変磁気抵抗アクチュエーターを使用することになる。従って、Uの如何に関わりなく、Z2が非常に小さい状態にとどまるので、アクチュエーターを機械的に飽和させることはほとんど不可能である。使用の限界は、今なおコントロールが困難である共鳴に基づくものではなく、発生器により許される最大強度に基づくことになる。
【００５０】
この周波数においては、比Ft/Uは、常に１よりも大きく、このことは、機械的増幅により利点を得ることを意味する。
【００５１】
従って、構造物に伝えられる最大大きさの荷重Ftを発生させるように努める必要があるのは、周波数f1においてである。この値は、基本的には、可変磁気抵抗発生器のコイル周りに流そうとする電流の最大強度に依存する。
【００５２】
３つの周波数f0、f1、f2が、f1＞f2 ＞f0という関係を充足することを確保するためには、質量と剛性とを以下の条件で選択する：
f1は、求めるFtの最大値の周波数として与えられること
f2=k・f1、但し、k＞1、理想的には2＜k＜4
m2は、k2≒m2(2π・f2)2で与えられる(この値は、非接続モードで計算されたものなので、第一次近似として、過大な結果を示す。これは、後で、手動修正できる。)
次いで、k3=(m2+m3)(2π・f2)2を得る。ここに、m3は、機械的構造(アクチュエーターのケーシング、k3およびk2の1/2質量など)に接合された質量である。所与の合計質量を有する最大荷重Ftについては、(m2+m3)に対して、m2を最大化することが好ましい。
【００５３】
これらの関係式を満たすことにより、当然のことながら、f0 ＜f1を得る。
【００５４】
発生器は、補助可動質量m2を有し、主質量をm3に調整した可変磁気抵抗タイプのものが好ましい。
【００５５】
要求される振動方向に高い可撓性を有し、その他の方向に剛性を示すリーフスプリングを使用することにより、質量m2を案内することができる。この目的のために、追加的質量m4と同様のものを設置することができる。
【００５６】
しかしながら、反共鳴周波数f1では、増幅計数は減衰によってほとんど変化しないのに対し、共鳴では著しく変化することを考慮すれば、減衰を起こさせる他の形式のガイダンスは、共鳴周波数でf0で働くシステムよりは問題がの少ないので、これを採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による質量/スプリングシステムを含む装置の一例を示す斜面図である。
【図２】本発明の第一の特質に関連する好ましい一実施態様を示す斜面図であり、この実施態様は、本発明の第２の特質の範囲内においても使用可能である。
【図３】図２に示す装置の側面図である。
【図４】付加的質量モジュールの好ましい一実施態様を示す斜面図である。
【図５】付加的質量体に接合しうる強磁性質量体を備えた装置を示す斜面図である。
【図６】本発明の第二の特質に関連する好ましい一実施態様を示す斜面図である。
【図７】図６に示す装置の応答曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１…主質量体
１０…付加的質量体
１０２…付加的質量体エレメント
１１０…リンキングリーフ
１１５…弾性装置
２０１…フレキシブルリーフ
２０４…カプリング機構
【図１】
0004458615.tif 000003
【図２】
0004458615.tif 000004
【図３】
0004458615.tif 000005
【図４】
0004458615.tif 000006
【図５】
0004458615.tif 000007
【図６】
0004458615.tif 000008
【図７】
0004458615.tif 000009