特許 7401908 制振装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-12

(45)【発行日】2023-12-20

(54)【発明の名称】制振装置

(51)【国際特許分類】

   F16F 15/02 20060101AFI20231213BHJP

【ＦＩ】

F16F15/02 A

F16F15/02 C

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020082339

(22)【出願日】2020-05-08

(65)【公開番号】P2021177087

(43)【公開日】2021-11-11

【審査請求日】2023-02-06

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年７月１日 ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ａｋｉｔａ－ｐｕ．ａｃ．ｊｐ／ｓｙｓｔｅｍ／ｍｅ／ｔｏｍｉｏｋａ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ａｋｉｔａ－ｐｕ．ａｃ．ｊｐ／ｓｙｓｔｅｍ／ｍｅ／ｔｏｍｉｏｋａ／富岡研究室紹介２０１９０５１５＿ｐ３．ｐｄｆ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ａｋｉｔａ－ｐｕ．ａｃ．ｊｐ／ｓｙｓｔｅｍ／ｍｅ／ｔｏｍｉｏｋａ／ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ 令和２年２月２０日 第１回本莊由利テクノネット 令和２年４月１日 ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ａｋｉｔａ－ｐｕ．ａｃ．ｊｐ／ｓｙｓｔｅｍ／ｍｅ／ｔｏｍｉｏｋａ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ａｋｉｔａ－ｐｕ．ａｃ．ｊｐ／ｓｙｓｔｅｍ／ｍｅ／ｔｏｍｉｏｋａ／第１回％２０本莊由利テクノネットポスター発表２０２００２２０＿樋口．ｐｄｆ

(73)【特許権者】

【識別番号】306024148

【氏名又は名称】公立大学法人秋田県立大学

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(74)【代理人】

【識別番号】100162363

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 幸彦

(74)【代理人】

【識別番号】100194283

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 大勇

(72)【発明者】

【氏名】富岡 隆弘

(72)【発明者】

【氏名】樋口 京哉

【審査官】田村 佳孝

(56)【参考文献】

【文献】独国特許出願公開第１０２０１８００４５７８（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特開平０１－２２０７４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５１６８１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６２－０５２３４２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０３－２６５７３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０６９２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１２２８４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｆ １５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

粘弾性体に質量体が埋め込まれて構成される複数個の制振体と、
複数個の前記制振体をそれぞれ収納する孔が形成された支持体と、を備え、
複数個の前記制振体の固有振動数は、制振対象の構造物が有する２以上の固有振動数にそれぞれ相当する値に振り分けられていることを特徴とする制振装置。

【請求項2】

前記支持体は、変形しない材料で構成されていること特徴とする請求項１記載の制振装置。

【請求項3】

前記制振体の固有振動数は、前記質量体の大きさもしくは質量と、前記粘弾性体の大きさもしくは材料特性との組み合わせによって調整されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の制振装置。

【請求項4】

複数個の前記制振体におけるそれぞれ前記粘弾性体は、同一の材料特性を有し、
前記制振体の固有振動数は、前記質量体の大きさと、前記粘弾性体の大きさとの組み合わせによって調整されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の制振装置。

【請求項5】

前記質量体は、３次元方向で振動可能に前記粘弾性体に埋め込まれていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の制振装置。

【請求項6】

前記粘弾性体及び前記質量体は、球体であることを特徴とする請求項５に記載の制振装置。

【請求項7】

粘弾性体に質量体が埋め込まれて構成される制振体と、
前記制振体を収納する孔が形成された支持体と、を備え、
前記質量体は、３次元方向で振動可能に前記粘弾性体に埋め込まれ、
前記粘弾性体もしくは前記質量体の大きさは、前記質量体が振動する方向によって異なり、前記質量体の多方向への振動の固有振動数が独立に調整されていることを特徴とする制振装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、構造物から発生する騒音と弾性振動を低減する制振装置に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道車両や航空機といった高速かつ軽量化が求められる構造物では、構造物から発生する騒音と弾性振動が問題とされている。構造物から発生する騒音と弾性振動を低減する振動低減デバイスのひとつとして、粘弾性体の水平方向の弾性変形による弾性振動モードを活用した動吸振器が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】Michel Azoulay, Alexander Veprik, Vladimir Babitsky and Neil Halliwell, Distributed absorber for Noise and vibration Control, Shock and Vibration, Shock and Vibration 18 (2011) 181-219 DOI 10.3233/SAV20100608 IOS Press

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来技術では、弾性体の水平方向の弾性変形による弾性振動モードを活用しており、弾性振動モードの固有振動数を任意に調整することは困難であることから、制振対象ごとに固有振動数が異なる一般の構造物の弾性振動を低減する制振デバイスを構成することが困難である。また、構造物の弾性振動は多数の固有振動モードを有することから、効果的な振動の低減には複数の固有振動モードを同時に制振することが必要になるが、弾性振動モードを任意に調整できないため、複数の固有振動モードを同時に制振することが困難である。

【0005】

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決し、構造物が有する複数の固有振動モードを同時に制振するマルチモード制振を実現することができる制振装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の制振装置は、粘弾性体に質量体が埋め込まれて構成される複数個の制振体と、
複数個の前記制振体をそれぞれ収納する孔が形成された支持体と、を備え、複数個の前記制振体の固有振動数は、制振対象の構造物が有する２以上の固有振動数にそれぞれ相当する値に振り分けられていることを特徴とする。
さらに、本発明の制振装置は、前記支持体は、変形しない材料で構成されていること特徴とする。
さらに、本発明の制振装置は、前記制振体の固有振動数は、前記質量体の大きさもしくは質量と、前記粘弾性体の大きさもしくは材料特性との組み合わせによって調整されていても良い。
さらに、本発明の制振装置は、複数個の前記制振体におけるそれぞれ前記粘弾性体は、同一の材料特性を有し、
前記制振体の固有振動数は、前記質量体の大きさと、前記粘弾性体の大きさとの組み合わせによって調整されていても良い。
さらに、本発明の制振装置は、前記質量体は、３次元方向で振動可能に前記粘弾性体に埋め込まれていても良い。
さらに、本発明の制振装置は、前記粘弾性体及び前記質量体は、球体であっても良い。
また、本発明の制振装置は、粘弾性体に質量体が埋め込まれて構成される制振体と、前記制振体を収納する孔が形成された支持体と、を備え、前記質量体は、３次元方向で振動可能に前記粘弾性体に埋め込まれ、前記粘弾性体もしくは前記質量体の大きさは、前記質量体が振動する方向によって異なり、前記質量体の多方向への振動の固有振動数が独立に調整されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明は以上のように構成されているので、複数個の制振体１０の固有振動数を制振対象の構造物２０が有する２以上の固有振動数に応じてそれぞれ簡単に設定することができ、構造物２０が有する複数の固有振動モードを同時に制振するマルチモード制振を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明に係る制振装置の実施の形態の構成を示す斜視図である。

【図2】図１に示す制振装置と動吸振器との対応関係を説明する説明図である。

【図3】本発明に係る制振装置の数値計算モデルを示す図である。

【図4】図３に示す制振体の固有振動数と粘弾性体及び質量体の大きさ（質量）との関係を示す図である。

【図5】図３に示す制振体の質量体の直径を変化させた場合の固有振動数の変化を示す図である。

【図6】図１に示す制振装置によって制振する構造物の例を示す図である。

【図7】図１に示す制振装置の制振効果の実証例を示す図である。

【図8】本発明に係る制振装置の他の実施の形態の構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施の形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。
本実施の形態の制振装置１は、図１を参照すると、粘弾性体２と、粘弾性体２に埋め込まれた質量体３とからなる複数個の制振体１０（１０ａ、１０ｂ）と、複数個の制振体１０（１０ａ、１０ｂ）を支持する支持体４を備えている。

【0010】

粘弾性体２及び質量体３は、いずれも球体であり、互いの中心が一致するように、質量体３が粘弾性体２に埋め込まれている。そして、複数の制振体１０（質量体３が埋め込まれた粘弾性体２）は、粘弾性体２とほぼ同一の直径を有する複数の球状内部空間にそれぞれ収納されている。

【0011】

粘弾性体２は、粘性と弾性とを有する公知の材料（エラストマー等）で構成され、例えば、天然ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゲル等で構成することができる。粘弾性体２は、図２に示すように、動吸振器において、質量ｍを支持するバネｋ及び減衰器（ダンパ）ｃに相当する役割を担う。

【0012】

質量体３は、粘弾性体２に埋め込まれた状態で振動可能な質量を有する材料で構成され、図２に示すように、動吸振器において、バネｋ及び減衰器ｃに支持された質量ｍとしての役割を担っている。質量体３は、例えば、鉄等の金属で構成することができる。

【0013】

支持体４は、エポキシ樹脂等の変形しない材料で構成されている。

【0014】

なお、本実施の形態において、粘弾性体２は、上部半球体及び下部半球体とで構成され、支持体４は、半球状の孔が共に形成された上部ケース及び下部ケースとで構成されている。そして、上部半球体及び下部半球体を孔にそれぞれ収納した上部ケース及び下部ケースを、質量体３を挟んで貼り合わせることで、質量体３を粘弾性体２の中心に埋め込んでいる。

【0015】

図２に示すように、質量体３は、動吸振器における質量ｍとしての役割を担っていると共に、粘弾性体２は、動吸振器におけるバネｋ及び減衰器ｃとしての役割を担っている。すなわち、制振体１０は、球状の粘弾性体２の中心に埋め込まれた球状の質量体３が多方向に振動する動吸振器として機能する。そして、質量体３は、任意方向に同じ固有振動数で振動する。

【0016】

制振体１０ａと、制振体１０ｂの固有振動数は、制振対象の構造物２０が有する異なる固有振動数に対する動吸振器として作用するようにそれぞれ調整され、構造物２０が有する複数の固有振動モードを同時に制振するマルチモード制振を実現する。すなわち、複数個の制振体１０の固有振動数は、制振対象の構造物２０が有する２以上の固有振動数にそれぞれ相当する値に振り分けている。なお、本実施の形態では、制振装置１を２つの異なる固有振動数にそれぞれ調整された２個の制振体１０で構成したが、３以上の異なる固有振動数にそれぞれ調整された３以上の制振体１０で構成しても良い。そして、同じ固有振動数に調整された２以上の制振体１０を設けることもできる。

【0017】

制振体１０の固有振動数は、粘弾性体２及び質量体３の大きさ（質量）の組み合わせ、もしくは粘弾性体２の粘性や弾性（粘弾性特性）などの材料特性と質量体３の大きさ（質量）の組み合わせによって調整可能である。

【0018】

以下、粘弾性体２の材料特性とした場合に、粘弾性体２及び質量体３の大きさ（質量）が制振体１０の振動特性に与える影響の解析結果について図３及び図４を参照して詳細に説明する。

【0019】

図３に示すように、制振体１０を１個とした制振装置１ａを加振台３０の上に固定し、加振台３０の中央に１Ｎで上下方向に加振する数値計算モデルは有限要素法の汎用ソフトを用いて構築した。そして、支持体４ａの寸法を縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、高さ５０ｍｍに固定し、粘弾性体２の直径と質量体３の直径の一方の寸法を一定とし、他方の寸法を変化させて固有振動解析を行った。

【0020】

図４（ａ）は、に質量体３の直径を１５ｍｍに固定し、粘弾性体２の直径を変化させた場合の固有振動数の変化である。これによると、質量体３の直径を固定した場合、粘弾性体２の直径が大きくなると固有振動数は低くなる傾向にある。

【0021】

また、図４（ｂ）は、粘弾性体２の直径を３０ｍｍに固定し、質量体３の直径を変化させた場合の固有振動数の変化である。これによると、粘弾性体２の直径を固定した場合、質量体３の直径が大きくなると固有振動数は低くなる傾向にある。なお、質量体３の直径が１５ｍｍよりも大きくなると固有振動数が大きくなっている。しかし、これは質量体３の直径の増大に伴って、粘弾性体２の厚さが小さくなり，相対的にばね定数が増大しているためと考える。

【0022】

以上の数値解析の結果から、材料特性が同一なら、粘弾性体２と質量体３の寸法により、制振体１０の固有振動数が一定方向に変化することが確認できる。これにより、制振対象の構造物２０の固有振動数に応じた制振装置１の設計が可能になる。

【0023】

次に、１次モード：２４．５Ｈｚ、２次モード：６７．７Ｈｚ、３次モード：１２５．６Ｈｚ、４次モード：１８７．１Ｈｚ、５次モード：２３９．３Ｈｚの固有振動数を有する構造物２０を制振対象とした制振装置１の調整方法について図５乃至図７を参照して詳細に説明する。

【0024】

まず、質量体３の直径もしくは粘弾性体２の直径を固定し、他方の粘弾性体２の直径もしくは質量体３の直径を変化させた場合の固有振動数の変化を調べる。本実施の形態では、粘弾性体２の直径を５０ｍｍに固定し、他方の質量体３の直径を変化させた場合の固有振動数の変化を調べた。図５は、その周波数応答関数（ＦＲＦ）の結果であり、質量体３の直径が大きくなるほどピークは低周波へ移動する。

【0025】

そして、調べた固有振動数に基づいて、制振対象である粘弾性体２が有する固有振動数に相当する質量体３の直径を特定する。本実施の形態では、制振対象である粘弾性体２が有する固有振動数の３次モード及び４次モードの１２５．６Ｈｚ及び１８７．１Ｈｚ付近でＦＲＦがピークとなる３０ｍｍ及び１５ｍｍを質量体３の直径とした。すなわち、３次モード及び４次モードを制振対象とした。

【0026】

そして、粘弾性体２の直径を５０ｍｍとすると共に、質量体３の直径を３０ｍｍとした制振体１０ａと、粘弾性体２の直径を５０ｍｍとすると共に、質量体３の直径を１５ｍｍとした制振体１０ｂとを制振装置１を製作し、制振効果を検証した。

【0027】

制振対象の構造物２０は、図６に示すように、長手方向の長さ２０００ｍｍ、幅３００ｍｍ、重さ１０ｋｇの鉄道車両の１／１０スケールの台枠模型とした。そして、前後の先端から３００ｍｍの地点をまくらばねで支持し、前端の中央を加振点とする。そして、前端から１２４０ｍｍの位置に、制振体１０ａ及び制振体１０ｂの中心が位置するように制振装置１を搭載し、先端から１３９０ｍｍの中央を測定点とした。

【0028】

加振信号は、カットオフ周波数が５Ｈｚ及び４００Ｈｚのバンドパスフィルタを通したランダム波（バンドランダム波）とし、６０秒間の加振を行った。そして、サンプリング周波数を４０００Ｈｚとして測定点の加速度（応答加速度）をＡＤ変換し、加振点で測定した力（加振力）に対する応答加速度のＦＲＦを求めた。

【0029】

図７は、測定点のＦＲＦであり、点線は構造物２０のみでの測定結果を、実線は制振装置１を搭載した場合の測定結果を、一転鎖線は制振装置１の同一質量の剛体質量を搭載した場合の測定結果をそれぞれ示している。図７を参照すると、制振対象とした３次モード及び４次モードのピークが、制振装置１を搭載した場合には、構造物２０のみ及び剛体質量を搭載した場合に比べて下がっていることが読み取れる。従って、制振対象の構造物２０が有する異なる固有振動数にそれぞれ調整された複数の制振体１０（１０ａ、１０ｂ）を搭載することで、マルチモード制振を期待することができる。

【0030】

このように、粘弾性体２の直径を一定とした場合の質量体３のサイズ（質量）と固有振動数との関係を予め調べ、制振対象の構造物２０が有する複数の固有振動数に対応する質量体３の複数のサイズ（質量）が特定されている場合、複数のサイズ（質量）の質量体３をシート状（あるいは板状）の粘弾性体２ａに分散させて埋め込んで制振装置１ｂを構成することもできる。粘弾性体２の特性と質量体３の質量や大きさ等の組み合わせにより幅広い周波数帯域において制振効果を得ることができる。なお、分散させて埋め込むとは、他の質量体３の振動に影響を及ぼさない間隔での埋め込みを意味する。

【0031】

この場合、制振装置１ｂは、シート状の粘弾性体２ａとして取り扱うことできる。従って、制振対象の構造物２０が板状のものであれば、構造物２０に制振装置１ｂをそのまま載置するだけでマルチモード制振を実現することができる。また、制振対象の構造物２０が鉄道車両の車体などの２重パネル構造の場合、その間隙に制振装置１ｂを充填するだけでマルチモード制振を実現することができる。さらに、制振対象の構造物２０が建築等の内装材料の一部（壁や天井板など）の場合、制振装置１ｂをパネルの裏面に接着するだけでマルチモード制振を実現することができる。このように、制振装置１ｂは、実際の構造物２０に適用する際の自由度が高い。さらに、制振装置１ｂは、構造体を伝わる振動が壁面等から放射される音（固体伝播音）の低減にも効果を発揮する。

【0032】

なお、以上の説明では、質量体３を球体としたが、質量体３は、質量体３の振動方向によって大きさが異なる形状、例えば、楕円球やラグビーボール状に構成しても良い。また、同様に粘弾性体２も、質量体３の振動方向によって大きさ（厚さ）が異なる形状、例えば、楕円球やラグビーボール状に構成しても良い。これらの場合、質量体３の粘弾性体２中の多方向（例えば、上下・左右・前後）への振動の固有振動数を独立に調整できる。

【0033】

以上説明したように、本実施の形態は、動吸振器のバネｋ及び減衰器cとして機能する粘弾性体２に、動吸振器の質量として機能する質量体３が埋め込まれて構成される制振体を複数個備え、複数個の制振体１０の固有振動数は、制振対象の構造物２０が有する２以上の固有振動数にそれぞれ相当する値に振り分けられている。
この構成により、複数個の制振体１０の固有振動数を制振対象の構造物２０が有する２以上の固有振動数に応じてそれぞれ簡単に設定することができ、構造物２０が有する複数の固有振動モードを同時に制振するマルチモード制振を実現することができる。

【0034】

さらに、本実施の形態において、制振体１０の固有振動数は、質量体３の大きさもしくは質量と、粘弾性体２の大きさもしくは材料特性との組み合わせによって調整されている。
この構成により、制振体１０の固有振動数を簡単に調整することができる。

【0035】

さらに、本実施の形態において、複数個の制振体１０におけるそれぞれ粘弾性体２は、同一の材料特性を有し、制振体１０の固有振動数は、質量体３の大きさと、粘弾性体２の大きさとの組み合わせによって調整されている。
この構成により、質量体３もしくは粘弾性体２の大きさを変更するだけで、制振体１０の固有振動数をさらに簡単に調整することができる。

【0036】

さらに、本実施の形態において、質量体３は、３次元方向で振動可能に粘弾性体２に埋め込まれている。
この構成により、質量体３が粘弾性体２中で多方向に振動することができ、多方向の振動に対する制振効果を得ることができる。

【0037】

さらに、本実施の形態において、粘弾性体２及び質量体３は、球体である。
この構成により、質量体３は、任意方向に同じ固有振動数で振動するため、固有振動数の調整を容易に行うことができる。

【0038】

さらに、本実施の形態では、粘弾性体２もしくは質量体３の大きさは、質量体３の振動方向によって異なる。
この構成により、質量体３の粘弾性体２中の多方向への振動の固有振動数を独立に調整できる。例えば、粘弾性体２もしくは質量体３の形状を、楕円球もしくはラグビーボール状とすることで、質量体３の振動方向に応じて固有振動数を独立に調整できる。

【0039】

さらに、本実施の形態において、複数個の制振体１０を支持する支持体４を備えている。
この構成により、構造物２０への搭載を容易に行うことができる。

【0040】

また、本実施の形態は、粘弾性体２ａに複数個の質量体３が分散されて埋め込まれ、質量体３の大きさによって、粘弾性体２中における質量体３の振動の固有振動数は、制振対象の構造物２０が有する２以上の固有振動数にそれぞれ相当する値に振り分けられている。
この構成により、複数個の制振体１０の固有振動数を制振対象の構造物２０が有する２以上の固有振動数に応じてそれぞれ簡単に設定することができ、構造物２０が有する複数の固有振動モードを同時に制振するマルチモード制振を実現することができる。

【0041】

さらに、本実施の形態において、粘弾性体２ａは、シート状もしくは板状である。
この構成により、制振装置１ａをシート状の粘弾性体２ａとして取り扱うことできるため、実際の構造物２０に適用する際の自由度が高く、音（固体伝播音）の低減にも効果を発揮する。

【符号の説明】

【0042】

１、１ａ、１ｂ 制振装置
２、２ａ 粘弾性体
３ 質量体
４、４ａ 支持体
１０、１０ａ、１０ｂ 制振体
２０ 構造物
３０ 加振台

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】