安定な固有振動数を有する共振慣性力発生器
構造体の振動を抑制するための共振慣性力発生器であり、該発生器は、交互配置されたフレキシャ及びエラストマシムのスタックを備えるコンプライアントばねと、振動抑制力を発生するように前記コンプライアントばねに結合された被駆動慣性質量体とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は２００８年１１月４日に出願された米国仮特許出願第６１／１１１，２８０号の利益を主張し、この出願は参照によりここに組み込まれる。
【０００２】
本発明は一般に構造体の振動を抑制する方法及び装置に関する。より詳しくは、本発明は構造体の振動を抑制するための共振慣性力発生器に関する。
【背景技術】
【０００３】
共振慣性力発生器は航空機胴体などの構造体の振動を能動的に抑制するために使用されている。慣性力発生器は振動を受ける構造体に取り付けられ、構造体の振動を相殺する力を構造体に与えるように制御される。構造体の振動を測定するために構造体にセンサを取り付けることができる。センサの出力を用いて、構造体の振動を相殺するのに必要とされる力を発生するように慣性力発生器を制御することができる。共振慣性力発生器は、コンプライアントばねで取り付けられたアクチュエータ駆動される慣性質量体を含む。慣性質量体とばねのコンプライアンスとで決まる振動数で機械的共振が起こる。質量体−ばねシステムの固有振動数が大きく減衰する場合、慣性力発生器の発生力が大きく減少し、システムの性能に影響を与え得る。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、一実施形態において、構造体の振動を抑制するための共振慣性力発生器を包含し、該慣性力発生器は、交互配置されたフレキシャ及びエラストマシムのスタックを備えるコンプライアントばねと、前記コンプライアントばねに結合された慣性質量体と、前記慣性質量体を動かすアクチュエータとを備える。
【０００５】
本発明は、一実施形態において、共振慣性力発生器を包含し、該慣性力発生器は、複数のフレキシャにより支持された慣性質量体と、前記複数のフレキシャと交互配置された複数の中間エラストマシムとを備える。
【０００６】
本発明は、一実施形態において、コンプライアントばねを包含し、該コンプライアントばねは、スタック内に積層された複数の複合フレキシャ板と、前記複合フレキシャ板の各隣接対間に配置されたエラストマシムとを備える。
【０００７】
本発明は、一実施形態において、慣性力発生器を作製する方法を包含し、該方法は、慣性質量体を準備する工程、ｎ個（ｎは１より大きい整数）の複合フレキシャを準備する工程、少なくともｎ＋１個のエラストマシムを準備する工程、及び前記ｎ＋１個のエラストマシムを前記ｎ個の複合フレキシャと交互配置してフレキシャとエラストマシムの交互配置を備えるコンプライアントばねを形成する工程を備える。この方法は、更に、前記慣性質量体を前記コンプライアントばねに結合する工程及び前記慣性質量体を動かすことができるアクチュエータを前記慣性質量体に結合する工程を含む。
【０００８】
本発明は、一実施形態において、慣性力発生器を作製する方法を包含し、該方法は、慣性質量体を準備する工程、複数の複合フレキシャを準備する工程、複数のエラストマシムを準備する工程、及び前記複合フレキシャと前記エラストマシムを交互に、前記エラストマシムは前記複合フレキシャの負荷支持部分に隣接配置して、積み重ねてコンプライアントばねを形成する工程を備える。この方法は、更に、前記慣性質量体を前記コンプライアントばねに結合する工程、及び前記慣性質量体を動かすことができるアクチュエータを前記慣性質量体に結合する工程
を備える。
【０００９】
本発明は、一実施形態において、慣性力発生器ばねを作製する方法を包含し、該方法は、複数の複合フレキシャ板を準備する工程及び中間エラストマを準備する工程を含む。この方法は、更に、複合フレキシャ板と隣接複合フレキシャ板間に挟まれた中間エラストマが積層され、前記中間エラストマが前記複合フレキシャ板に接着されているばね組立体を提供するために前記複合フレキシャ板を前記複合フレキシャ板間に前記中間エラストマを挟んで積層する工程を備える。
【００１０】
本発明は、一実施形態において、共振慣性力発生器を包含し、該慣性力発振器は、スタック内に配置された複数の複合フレキシャにより支持された慣性質量体と、前記複合フレキシャを分離するコンプライアント手段とを備える。
【００１１】
本発明は、一実施形態において、振動抑制用の共振慣性力発生器を包含し、該慣性力発生器は、ばね組立体上の慣性質量体と、前記ばね組立体上の前記慣性質量体を運動させるモータとを備える。前記ばね組立体は、少なくとも第１の非エラストマフレキシャ及び少なくとも第１の中間エラストマを含み、前記中間エラストマは前記第１の非エラストマフレキシャと接着されている。
【００１２】
本発明は、一実施形態において、航空機振動を抑制する装置を包含し、該装置は、固有振動数ＮＦを有するばね組立体上の慣性質量体と、前記ばね組立体上の前記慣性質量体を運動させるための電動機とを備え、前記ばね組立体は少なくとも第１の複合フレキシャ及び前記固有振動数ＮＦの減衰を抑制する手段を含む。
【００１３】
本発明は、一実施形態において、航空機振動を抑制する装置を包含し、該装置は、固有振動数ＮＦを有するばね組立体上の被駆動慣性質量体を備え、前記ばね組立体は第１の端と第２の遠端を有する複数の不均質複合フレキシャを含み、前記第１の端及び第２の遠端に近接して前記複合フレキシャ間に複数のエラストマスペーサが接着されている。好ましいことに、接着されたエラストマスペーサと不均質な複合フレキシャとが固有振動数ＮＦの減衰を抑制する。
上記の一般的な説明も下記の詳細な説明も本発明の例示であり、特許請求されている本発明の特徴及び性質を理解するための概説又は枠組みを提供するものと理解されたい。添付図面は本発明の更なる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成している。図面は本発明の種々の実施形態を示し、明細書の記載と一緒に本発明の原理及び動作の説明に役立てられたい。
【００１４】
以下に説明する添付図面は本発明の代表的実施形態を示し、本発明の範囲を制限するものでなく、本発明は他の同様に効果的な実施形態に適用可能である。これらの図は必ずしも一定の寸法比で示されておらず、いくつかの図は明瞭及び簡潔さのために拡大して示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】コンプライアントばねの斜視図である。
【図２】造形コンプライアントばねの斜視図である。
【図３Ａ】複数のコンプライアントばねを組み込む共振慣性力発生器の斜視図である。
【図３Ｂ】複数のコンプライアントばねを組み込む共振慣性力発生器の縦断面図である。
【図４】慣性力発生器に組み込む際にコンプライアントばねの耐久性を検査する試験セットアップ構成を示す。
【図５】コンプライアントばねとして複合フレキシャをエラストマシムと一緒に組み込む共振器慣性力発生器の固有振動数の減衰と、コンプライアントばねとして複合フレキシャを金属シムと一緒に組み込む共振器慣性力発生器の固有振動数の減衰との比較を示す。
【図６Ａ】コンプライアントばねを示す。
【図６Ｂ】コンプライアントばねを示す。
【図６Ｃ】コンプライアントばねを示す。
【図６Ｄ】コンプライアントばねを示す。
【図７Ａ】複数のコンプライアントばねを組み込む共振慣性力発生器を示す。
【図７Ｂ】複数のコンプライアントばねを組み込む共振慣性力発生器を示す。
【図７Ｃ】複数のコンプライアントばねを組み込む共振慣性力発生器を示す。
【図８Ａ】図６Ａ−Ｄに示されるように複合フレキシャをエラストマシムと一緒に組み込む図７Ａ−Ｃに示されるような共振慣性力発生器の固有振動数減衰とコンプライアントばねとして複合フレキシャを金属シムと一緒に組み込む共振慣性力発生器の固有振動数減衰との比較を示すために、図７Ａ−７Ｃに示されるような共振慣性力発生器の寿命試験−固有振動の減衰プロットを示し、ｘ軸は動作時間及びｙ軸は振動数減衰を示す。
【図８Ｂ】図６Ａ−Ｄに示されるように複合フレキシャをエラストマシムと一緒に組み込む図７Ａ−Ｃに示されるような共振慣性力発生器の固有振動数減衰とコンプライアントばねとして複合フレキシャを金属シムと一緒に組み込む共振慣性力発生器の固有振動数減衰との比較を示すために、図７Ａ−７Ｃに示されるような共振慣性力発生器の寿命試験−固有振動の減衰プロットを示し、ｘ軸は動作時間及びｙ軸は振動数減衰を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を図面に示されるいくつかの好適実施形態について以下に詳細に説明する。好適な実施形態の説明において、本発明の十分な理解を与えるために、多くの特定の詳細について述べる。しかし、本発明はこれらの特定の詳細のいくつか又はすべてを用いないで実施できることは当業者に明らかであろう。また、本発明を不必要に不明瞭にしないように、周知の特徴及び／又は製造工程は詳細に説明してない。加えて、共通又は同等の要素を示すために同等又は同一の参照番号が使用されている。
【００１７】
図１は、例えば共振慣性力発生器用のコンプライアントばね１００を示す。共振慣性力発生器内に慣性質量体を支持するために一つ以上のコンプライアントばね１００を使用することができる。コンプライアントばね１００はフレキシャ１０４とエラストマシム１０６が交互に配置されたスタック１０２を含む。図示の実施形態では、スタック１０２はｎ個のフレキシャ１０４と３組のＮ＋１個のエラストマシム１０６を含み、ここでｎは整数である。代表的には、ｎは２以上であるが、１にすることもできる。図示の例では、ｎは６である。代替例では、ｎは６より少なくすることもでき、また６より多くすることもできる。好適実施形態では、ｎは２〜１０の範囲内とする。好適例では、ｎは約９（７〜１１、好ましくは８〜１０、より好ましくはｎ＝９）とする。一般に、スタック１０２は一以上のフレキシャ１０４と、フレキシャに接着された一以上のエラストマシム１０６、好ましくは隣接する各対のフレキシャ１０４間に接着されたエラストマシムを有する。各エラストマシム１０６は隣接するフレキシャ１０４に接着ないしは固着するのが好ましい。スタック１０２は端板１０８Ａ，１０８Ｂ間にはさむことができる。各端板１０８Ａ，１０８Ｂに隣接するエラストマシム１０６は端板１０８Ａ，１０８Ｂに接着ないしは固着することができる。各端板１０８Ａ，１０８Ｂ及びスタック１０２を貫通する締め具（図示せず）受け入れ孔１０９を設けることができ、この締め具を用いてコンプライアントばね１００を他の構造体に固定することができる。或いはまた、コンプライアントばね１００を他の構造体に固定するクランプなどの他の手段を用いることもできる。コンプライアントばね１００の各層を別々に用意し、必要に応じ隣接する層間に接着材料を挿入して一体に組み立てることもできる。また、モールド内エラストマモールドボンディングなどの技術を用いてコンプライアントばね１００の異なる層を一体化することもできる。
【００１８】
スタック１０２内のフレキシャ１０４は非エラストマ材料からなる。好適実施形態では、フレキシャ１０４は複合材料からなる。より好適な実施形態では、この複合材料は金属を含まず、好ましくはフレキシャは非金属フレキシャであって、好ましくは不均質な非金属材料体である。不均質な非金属複合材料からなるフレキシャ１０４は、均質な金属材料からなるフレキシャと比較して、より高いコンプライアンスのばね１００をもたらす。一実施形態では、不均質な複合材料は硬化した樹脂／ポリマーマトリクス内に強化用繊維を含むものからなる。別の実施形態では、不均質複合材料はポリマー樹脂内に強化用繊維を含むものからなる。更に別の実施形態では、不均質な複合材料は重合化される樹脂内に強化用繊維を含むものからなる。別の実施形態では、複合材料はカーボンファイバ補強された複合材である。好適実施形態では、カーボンファイバ補強された複合材は硬化したポリマーマトリクス内に炭素繊維を含むものからなる。より好適な実施形態では、炭素繊維強化複合材は硬化したエポキシマトリクス内に炭素繊維を含むものからなる。エラストマシム１０６の材料は、航空宇宙機の回転翼ロータヘッドのエラストマ・ハイ・キャパシティ・ラミネート（ＨＣＬ）ベアリングに一般に使用されている、高い疲労強度及び広い温度範囲を有するエラストマであり、このベアリングは金属シム間に接着されたエラストマモールドを備える。一例では、エラストマシム１０６は後加硫化ゴムからなり、好ましくは非エラストマ複合材料に接着された後加硫化ゴムからなる。端板１０８Ａ，１０８Ｂは非エラストマ材料で形成し得る。本発明の一以上の実施形態では、端板１０８Ａ，１０８Ｂは金属フレキシャ端板とすることができる。好適実施形態では、端板１０８Ａ，１０８Ｂはアルミニウムなどの金属材料からなる。
【００１９】
本発明の一つ以上の実施形態では、各フレキシャ１０４はＬＦ≫ＷＦ≫ｔＦであるビーム板の形状をなし、ここでＬＦはフレキシャの長さ、ＷＦはフレキシャの幅、ｔＦはフレキシャの厚さである。本発明の一以上の実施形態では、各エラストマシム１０６もＬ＊Ｗ≫２＊（Ｌ＋Ｗ）＊ｔであるビーム板の形状をなし、ここでＬはシムの長さ、Ｗはシムの幅、ｔはシムの厚さであり、Ｌ＊Ｗはシムの負荷面積、２＊（Ｌ＋Ｗ）＊ｔはシムのバルジ面積である。シムの形状係数は負荷面積をバルジ面積で割った値、即ちＬ＊Ｗ／２＊（Ｌ＋Ｗ）＊ｔとして定義される。好適実施形態では、エラストマシム１０６は、一つのフレキシャ１０４の他のフレキシャに対する小さな横方向の偏位を許容しながら、締め具のプリローディングによるエラストマシムの面に直角の高い荷重を許容するとともにフレキシャのスタックがたわまされるときの締め付け部分（荷重支持部分）の曲げを最小にするために、高い形状係数を有するように設計される。図に示されるように、長さはｘ軸の方向、幅はｙ軸の方向、厚さはｚ軸の方向に向いている。
【００２０】
本発明の一つ以上の実施形態では、エラストマシム１０６は、荷重がフレキシャ１０４のスタックに加えられる部分にのみ置かれる。図１及び図２の実施形態では、これらの荷重支持部分は、例えば締め具を受け入れる孔１０９を含む部分とすることができる。一般に、荷重支持部分はばね１００の最終構造により決まる。図１及び図２に示すいくつかの実施形態では、コンプライアントばね１００は片持ち−片持ち梁構造を有し、フレキシャ１０４がたわまされるとＳ字形になる。エラストマシム１０６が荷重支持部分のみに位置する場合には、エラストマシム１０６はスタック１０２のフレキシャ１０４間にギャップを生成し、フレキシャ１０４のスタックが荷重印加時にＳ字形にたわむときフレキシャ間摩擦を防止または最小にすることができる。
【００２１】
一つのアプローチでは、各エラストマシム１０６の厚さは、コンプライアントばね１００に加えられる荷重の範囲に対してフレキシャ間摩擦を防止する最小値以上にする。エラストマシム１０６の好ましい厚さは形状係数を最大にするために最小にすべきであり、一般的には０．０１０インチ（約０．２５４ｍｍ）〜０．０２５インチ（約０．６３５ｍｍ）の範囲内である。別のアプローチでは、フレキシャ１０４間に配置された各エラストマシム１０６に対して、エラストマシムの形状係数（負荷面積／バルジ面積）は１より大きく選択し、好ましくは２より大きく、より好ましくは５より大きく選択する。一実施形態では、エラストマシム１０６の形状係数は４，８，１２，１６及び２０を含む範囲から選択する。スタック１０２の同じレベルのエラストマシム１０６の形状係数は同じにする。しかし、スタック１０２の異なるレベルの形状係数は相違させることができる。
【００２２】
本発明の一つ以上の実施形態では、スタック１０２のフレキシャ１０４の長さはほぼ同じである。同様に、エラストマシム１０６の長さもほぼ同じである。コンプライアントばね１００の幅はコンプライアントばね１００の長さに沿って同一にすることができ、ここではコンプライアントばね１００の幅はｙ軸に沿って測定され、コンプライアントばね１００の長さはｘ軸に沿って測定される。また、コンプライアントばね１００の幅はコンプライアントばね１００の長さに沿って変化させることもできる。例えば、図２に示すように、コンプライアントばね１００は細い部分１０３を有するようにだんだん細くし、ばね１００の総重量を減少させることができる。
【００２３】
図３Ａ及び３Ｂはコンプライアントばね１００の配列１４１を含む共振慣性力発生器１４０を示す。図３Ａ及び３Ｂのばね１００は図２のばねに類似の形状を有する。代替例では、図３Ａ及び３Ｂのばね１００は図１に類似の形状又は他の所望の形状を有することができる。好適実施形態では、配列１４１内のばね１００の側面は、これらのばね１００が単一のユニットとして機能するように連結される。一例として、端板１２２，１２４とボルト／ナット接続具１２６，１２８（又は他の適切な接続具）を用いてばね１００の遠位端を一体に結合することができる。配列１４１の遠位端は垂直ポスト１４２，１４４に結合される。垂直ポスト１４２，１４４は金属フレキシャにすることができる。ばね１００の配列１４１は慣性質量体１４６を支持する。これは、例えばばね１００の配列１４１の中央部を、例えば板部材１４３とボルト／ナット接続具１４５とにより慣性質量体１４６に結合することによって達成することができる。図示の例では、慣性質量体１４６はヨーク部材１４７及びほぼ円筒状の本体１４９を含み、ほぼ円筒状の本体１４９はヨーク１４７を介してばね１００の配列１４１に結合される。慣性質量体１４６は、必要に応じて、例えば「音声コイル」型リニアモータに必要とされるような金属材料からなるものとし得る。図６−７に示される代替好適実施形態では、コンプライアントばね１００は慣性質量体１４６を支持するために取付け基部２５４から片持ち支持され、好ましくは複合ばねは単一ユニットとして並べて配列されない。
【００２４】
一実施形態では、慣性力発生器１４０はアクチュエータ１４８（図３Ｂ）を含む。アクチュエータ１４８は慣性質量体１４６のほぼ円筒状本体１４９内のチャンバ１５０内に配置される。アクチュエータ１４８は任意の適切な手段を介して慣性質量体に動作可能に結合することができる。例えば、アクチュエータ１４８は、慣性質量体１４６をばね１００の配列１４１に結合するために使用されるものと同じボルト／ナット接続具１４５により慣性質量体１４６に動作可能に結合することができる。一般に、アクチュエータ１４８により慣性質量体に与えられる力がばね１００の配列１４１に伝達され、ばね１００の配列１４１が運動又は湾曲するように、ばね１００の配列１４１と慣性質量体１４６とアクチュエータ１４８との間に直列結合が使用される。ばね１００の配列１４１の運動は、構造体１５４（図３Ｂ）に結合又は取り付けられた垂直ポスト１４２，１４４に伝達される。一例では、構造体１５４は航空機の一部分である。構造体１５４は例えば航空機胴体とすることができる。一例では、アクチュエータ１４８は電磁アクチュエータ又は電動機である。一例では、アクチュエータ１４８は電磁（ＥＭ）コイル１５８により囲まれた永久磁石１５６含む。永久磁石１５６は慣性質量体１４６に機械的に連結される。ＥＭコイル１５８に供給される電気駆動電流は慣性質量体１４６を駆動又は移動させる機械的力に変換される。上述した慣性力発生器１４０の構成要素は図３Ｂに示すようなケース１６０で覆うことができる。
【００２５】
動作中、慣性力発生器１４０は、該発生器が取り付けられた構造体の不所望な振動を破壊的に妨害する又は相殺する力を発生する。慣性力発生器１４０は、コマンド信号を受信し、該コマンド信号に応答してアクチュエータ１４８を動作周波数で駆動する電気駆動電流を発生するコントローラシステムを含むことができる。コントローラシステムは更に帰還信号を受信し、該帰還信号に基づいてアクチュエータ１４８に供給される電気駆動電流を調整することができる。慣性質量体１４６及びばね配列１４１は固有振動数を有する質量体ばねシステムを構成する。固有振動数はアクチュエータ１４８の動作周波数に近いが一般にアクチュエータ１４８の動作周波数より下になるように調整することができる。コンプライアントばね１００の構造は、質量体−ばねシステムの固有振動数が慣性力発生器１４０の動作寿命に亘って、典型的には３０００時間以上に亘って安定する構造である。特に、本発明者は、複合フレキシャ間にエラストマシムを介挿した構造は、質量体−ばねシステムの固有振動数が許容レベルまで減衰するのを抑制することを確かめた。一実施形態では、質量体−ばねシステムの固有振動数の減衰は慣性力発生器の３０００動作時間以上に亘って０．４Ｈｚ未満であった。別の実施形態では、質量体−ばねシステムの固有振動数の減衰は慣性力発生器の３０００動作時間以上に亘って０．２Ｈｚ未満であった。更に別の実施形態では、質量体−ばねシステムの固有振動数の減衰は慣性力発生器の３０００動作時間以上に亘って０．１Ｈｚ未満であった。この減衰を抑制するエラストマ手段は、複合フレキシャ間に金属シムのような非エラストマシムを備えるフレキシャ構造と比較して、固有振動数の減衰が抑制された慣性力発生器をもたらす。
【００２６】
図１又は図２に示されるようなコンプライアントばねを組み込む質量体−ばねシステムの固有振動数の減衰の安定性を検査するために試験を行った。試験のためのコンプライアントばねは次のように用意した。エラストマシムはダイを用いてモールド成形された硫化ゴムパッドから切り出した。各エラストマシムは約１０ミル（約０．２５４ｍｍ）の厚さにした。エラストマシム及び複合フレキシャの交互配置からなるばねスタックはスタックの各端にステンレススチールシムを用いて組み立てた。複合フレキシャ又はステンレススチールシムへのエラストマシムの後加硫化接合を実行して接合された組立体を生成した。このようなばねスタックの４つを用いてばねの配列を形成し、このばねの配列を図３Ａ−３Ｃに示される慣性質量体に取り付けた。比較目的のために、複合フレキシャ間のシムとして金属シムを用いた類似の装置を用意した。
【００２７】
図４は、共振慣性力発生器内のばねの耐久性を検査するシステムを示す。慣性力発生器の耐久性試験中、振動数スイープを実行して慣性力発生器の固有振動数を測定した。図４に示す構成では、電源１７１及び信号発生器１７０がそれぞれ電力及びコマンド信号を統合制御ユニット（ＩＣＵ）１７２に供給する。ＩＣＵ１７２は増幅を実行し、制御信号を慣性力発生器１７６に送る。慣性力発生器１７６は検査中の任意の慣性力発生器を代表する。異なるチャネルに対する駆動レベルを調整するためにＩＣＵ１７２を用いて減衰レベルを設定した。信号分析器１７８は慣性力発生器１７６から慣性質量体の加速度信号をモニタする。シグナルコンディショナ１８０は加速度信号を信号分析器１７８に送る前に調整するために使用される。スイープキャプチャ中、信号発生器１７０は切り離され、信号分析器１７８がコマンド信号を供給し、コマンド信号、駆動電流、駆動電圧及び慣性質量体加速度をモニタする。慣性質量体加速度を用いてフレキシャひずみが計算される。
【００２８】
図５は、本発明のように複合フレキシャ間に介装されたエラストマシムを備える慣性力発生器の固有振動数の減衰（三角形マーク）と、複合フレキシャ間に介装された金属シムを備える慣性力発生器の固有振動数の減衰（正方形マーク）との比較である。すべての被試験慣性力発生器は、慣性力発生器にほぼ等しいひずみを生じるようにほぼ等しい振動数で駆動した。図５は、エラストマシムを備えるコンプライアントばねを組み込む慣性力発生器の方が金属シムを備えるコンプライアントばねを組み込む慣性力発生器よりはるかに低い固有振動数の減衰を有することを示している。その一つの説得力のある理由は、金属シムを使用する場合、フレキシャと金属シムとの界面は少量のすべりを有し、フレキシャと金属シムとの間に磨耗を生じる。他方、エラストマシムを使用する場合には、エラストマシムはエラストマのせん断によってこの運動を吸収することができ、これがエラストマをフレキシャに接着するのが好ましい理由である。耐久性試験は、エラストマシムを備える慣性力発生器は減衰が抑制された極めて安定な固有振動数を有することを示した。金属シムを用いる種類のものでは、総合減衰は１２００時間で０．３Ｈｚを超えた。エラストマシムを備えた慣性力発生器では、固有振動数の減衰は１１００時間以上の動作に亘ってほぼゼロであった。エラストマシムを備えた慣性力発生器に温度試験を実行したところ、エラストマシムを備えた慣性力発生器は許容可能な性能を示した。
【００２９】
図６Ａ−Ｄは、図７Ａ−Ｃに示される電磁アクチュエータ共振慣性力発生器１４０内に慣性質量体１４６のような慣性質量体を支持するために好適に使用されるコンプライアントばね１００を示す。複合フレキシャ１０４とエラストマシム１０６を交互に配置してなるスタック１０２を含むコンプライアントばね１００は、慣性質量体１４６を支持するために取付け基部２５４から片持ち支持され、慣性質量体１４６はコンプライアントばね１００の取付け基部から遠く離れた反対端で固定され、コンプライアントばね１００の間に配置される。図８Ａ−Ｂは、図６Ａ−Ｄに示されるような複合フレキシャ１０４間に接着されたエラストマスペーサシム１０６を用いる図７Ａ−Ｃに示されるような共振慣性力発生器１４０の寿命試験−減衰プロットを示し、エラストマスペーサシムが接着された共振慣性力発生器の固有振動数は正方形のプロットで示されている。寿命試験−固有振動数の減衰プロットを示す図８Ａ−Ｂにおいて、動作時間はｘ軸方向であり、振動数の減衰はｙ軸方向である。図６Ａ−Ｄに示されるようなコンプライアントばねとしてエラストマシムを備える複合フレキシャを組み込む図７Ａ−Ｃに示されるような共振慣性力発生器の固有振動数の減衰の比較のために、コンプライアントばねとして金属シムを備える複合フレキシャを組み込む同等の共振慣性力発生器の固有振動数の減衰が三角形のプロットで示されている。
【００３０】
本発明は本発明の精神及び範囲から離れることなく種々の偏向及び変形を加えることができることは当業者に明らかであろう。従って、本発明のこれらの偏向及び変形が添付の請求項及びそれらの均等物の範囲に入るならば、本発明はそれらもカバーすることを意図する。請求項に記載の異なる語又は語句の範囲は同じ又は異なる構造又はステップにより実行できることも意図する。
【技術分野】
【０００１】
本出願は２００８年１１月４日に出願された米国仮特許出願第６１／１１１，２８０号の利益を主張し、この出願は参照によりここに組み込まれる。
【０００２】
本発明は一般に構造体の振動を抑制する方法及び装置に関する。より詳しくは、本発明は構造体の振動を抑制するための共振慣性力発生器に関する。
【背景技術】
【０００３】
共振慣性力発生器は航空機胴体などの構造体の振動を能動的に抑制するために使用されている。慣性力発生器は振動を受ける構造体に取り付けられ、構造体の振動を相殺する力を構造体に与えるように制御される。構造体の振動を測定するために構造体にセンサを取り付けることができる。センサの出力を用いて、構造体の振動を相殺するのに必要とされる力を発生するように慣性力発生器を制御することができる。共振慣性力発生器は、コンプライアントばねで取り付けられたアクチュエータ駆動される慣性質量体を含む。慣性質量体とばねのコンプライアンスとで決まる振動数で機械的共振が起こる。質量体−ばねシステムの固有振動数が大きく減衰する場合、慣性力発生器の発生力が大きく減少し、システムの性能に影響を与え得る。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、一実施形態において、構造体の振動を抑制するための共振慣性力発生器を包含し、該慣性力発生器は、交互配置されたフレキシャ及びエラストマシムのスタックを備えるコンプライアントばねと、前記コンプライアントばねに結合された慣性質量体と、前記慣性質量体を動かすアクチュエータとを備える。
【０００５】
本発明は、一実施形態において、共振慣性力発生器を包含し、該慣性力発生器は、複数のフレキシャにより支持された慣性質量体と、前記複数のフレキシャと交互配置された複数の中間エラストマシムとを備える。
【０００６】
本発明は、一実施形態において、コンプライアントばねを包含し、該コンプライアントばねは、スタック内に積層された複数の複合フレキシャ板と、前記複合フレキシャ板の各隣接対間に配置されたエラストマシムとを備える。
【０００７】
本発明は、一実施形態において、慣性力発生器を作製する方法を包含し、該方法は、慣性質量体を準備する工程、ｎ個（ｎは１より大きい整数）の複合フレキシャを準備する工程、少なくともｎ＋１個のエラストマシムを準備する工程、及び前記ｎ＋１個のエラストマシムを前記ｎ個の複合フレキシャと交互配置してフレキシャとエラストマシムの交互配置を備えるコンプライアントばねを形成する工程を備える。この方法は、更に、前記慣性質量体を前記コンプライアントばねに結合する工程及び前記慣性質量体を動かすことができるアクチュエータを前記慣性質量体に結合する工程を含む。
【０００８】
本発明は、一実施形態において、慣性力発生器を作製する方法を包含し、該方法は、慣性質量体を準備する工程、複数の複合フレキシャを準備する工程、複数のエラストマシムを準備する工程、及び前記複合フレキシャと前記エラストマシムを交互に、前記エラストマシムは前記複合フレキシャの負荷支持部分に隣接配置して、積み重ねてコンプライアントばねを形成する工程を備える。この方法は、更に、前記慣性質量体を前記コンプライアントばねに結合する工程、及び前記慣性質量体を動かすことができるアクチュエータを前記慣性質量体に結合する工程
を備える。
【０００９】
本発明は、一実施形態において、慣性力発生器ばねを作製する方法を包含し、該方法は、複数の複合フレキシャ板を準備する工程及び中間エラストマを準備する工程を含む。この方法は、更に、複合フレキシャ板と隣接複合フレキシャ板間に挟まれた中間エラストマが積層され、前記中間エラストマが前記複合フレキシャ板に接着されているばね組立体を提供するために前記複合フレキシャ板を前記複合フレキシャ板間に前記中間エラストマを挟んで積層する工程を備える。
【００１０】
本発明は、一実施形態において、共振慣性力発生器を包含し、該慣性力発振器は、スタック内に配置された複数の複合フレキシャにより支持された慣性質量体と、前記複合フレキシャを分離するコンプライアント手段とを備える。
【００１１】
本発明は、一実施形態において、振動抑制用の共振慣性力発生器を包含し、該慣性力発生器は、ばね組立体上の慣性質量体と、前記ばね組立体上の前記慣性質量体を運動させるモータとを備える。前記ばね組立体は、少なくとも第１の非エラストマフレキシャ及び少なくとも第１の中間エラストマを含み、前記中間エラストマは前記第１の非エラストマフレキシャと接着されている。
【００１２】
本発明は、一実施形態において、航空機振動を抑制する装置を包含し、該装置は、固有振動数ＮＦを有するばね組立体上の慣性質量体と、前記ばね組立体上の前記慣性質量体を運動させるための電動機とを備え、前記ばね組立体は少なくとも第１の複合フレキシャ及び前記固有振動数ＮＦの減衰を抑制する手段を含む。
【００１３】
本発明は、一実施形態において、航空機振動を抑制する装置を包含し、該装置は、固有振動数ＮＦを有するばね組立体上の被駆動慣性質量体を備え、前記ばね組立体は第１の端と第２の遠端を有する複数の不均質複合フレキシャを含み、前記第１の端及び第２の遠端に近接して前記複合フレキシャ間に複数のエラストマスペーサが接着されている。好ましいことに、接着されたエラストマスペーサと不均質な複合フレキシャとが固有振動数ＮＦの減衰を抑制する。
上記の一般的な説明も下記の詳細な説明も本発明の例示であり、特許請求されている本発明の特徴及び性質を理解するための概説又は枠組みを提供するものと理解されたい。添付図面は本発明の更なる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成している。図面は本発明の種々の実施形態を示し、明細書の記載と一緒に本発明の原理及び動作の説明に役立てられたい。
【００１４】
以下に説明する添付図面は本発明の代表的実施形態を示し、本発明の範囲を制限するものでなく、本発明は他の同様に効果的な実施形態に適用可能である。これらの図は必ずしも一定の寸法比で示されておらず、いくつかの図は明瞭及び簡潔さのために拡大して示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】コンプライアントばねの斜視図である。
【図２】造形コンプライアントばねの斜視図である。
【図３Ａ】複数のコンプライアントばねを組み込む共振慣性力発生器の斜視図である。
【図３Ｂ】複数のコンプライアントばねを組み込む共振慣性力発生器の縦断面図である。
【図４】慣性力発生器に組み込む際にコンプライアントばねの耐久性を検査する試験セットアップ構成を示す。
【図５】コンプライアントばねとして複合フレキシャをエラストマシムと一緒に組み込む共振器慣性力発生器の固有振動数の減衰と、コンプライアントばねとして複合フレキシャを金属シムと一緒に組み込む共振器慣性力発生器の固有振動数の減衰との比較を示す。
【図６Ａ】コンプライアントばねを示す。
【図６Ｂ】コンプライアントばねを示す。
【図６Ｃ】コンプライアントばねを示す。
【図６Ｄ】コンプライアントばねを示す。
【図７Ａ】複数のコンプライアントばねを組み込む共振慣性力発生器を示す。
【図７Ｂ】複数のコンプライアントばねを組み込む共振慣性力発生器を示す。
【図７Ｃ】複数のコンプライアントばねを組み込む共振慣性力発生器を示す。
【図８Ａ】図６Ａ−Ｄに示されるように複合フレキシャをエラストマシムと一緒に組み込む図７Ａ−Ｃに示されるような共振慣性力発生器の固有振動数減衰とコンプライアントばねとして複合フレキシャを金属シムと一緒に組み込む共振慣性力発生器の固有振動数減衰との比較を示すために、図７Ａ−７Ｃに示されるような共振慣性力発生器の寿命試験−固有振動の減衰プロットを示し、ｘ軸は動作時間及びｙ軸は振動数減衰を示す。
【図８Ｂ】図６Ａ−Ｄに示されるように複合フレキシャをエラストマシムと一緒に組み込む図７Ａ−Ｃに示されるような共振慣性力発生器の固有振動数減衰とコンプライアントばねとして複合フレキシャを金属シムと一緒に組み込む共振慣性力発生器の固有振動数減衰との比較を示すために、図７Ａ−７Ｃに示されるような共振慣性力発生器の寿命試験−固有振動の減衰プロットを示し、ｘ軸は動作時間及びｙ軸は振動数減衰を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を図面に示されるいくつかの好適実施形態について以下に詳細に説明する。好適な実施形態の説明において、本発明の十分な理解を与えるために、多くの特定の詳細について述べる。しかし、本発明はこれらの特定の詳細のいくつか又はすべてを用いないで実施できることは当業者に明らかであろう。また、本発明を不必要に不明瞭にしないように、周知の特徴及び／又は製造工程は詳細に説明してない。加えて、共通又は同等の要素を示すために同等又は同一の参照番号が使用されている。
【００１７】
図１は、例えば共振慣性力発生器用のコンプライアントばね１００を示す。共振慣性力発生器内に慣性質量体を支持するために一つ以上のコンプライアントばね１００を使用することができる。コンプライアントばね１００はフレキシャ１０４とエラストマシム１０６が交互に配置されたスタック１０２を含む。図示の実施形態では、スタック１０２はｎ個のフレキシャ１０４と３組のＮ＋１個のエラストマシム１０６を含み、ここでｎは整数である。代表的には、ｎは２以上であるが、１にすることもできる。図示の例では、ｎは６である。代替例では、ｎは６より少なくすることもでき、また６より多くすることもできる。好適実施形態では、ｎは２〜１０の範囲内とする。好適例では、ｎは約９（７〜１１、好ましくは８〜１０、より好ましくはｎ＝９）とする。一般に、スタック１０２は一以上のフレキシャ１０４と、フレキシャに接着された一以上のエラストマシム１０６、好ましくは隣接する各対のフレキシャ１０４間に接着されたエラストマシムを有する。各エラストマシム１０６は隣接するフレキシャ１０４に接着ないしは固着するのが好ましい。スタック１０２は端板１０８Ａ，１０８Ｂ間にはさむことができる。各端板１０８Ａ，１０８Ｂに隣接するエラストマシム１０６は端板１０８Ａ，１０８Ｂに接着ないしは固着することができる。各端板１０８Ａ，１０８Ｂ及びスタック１０２を貫通する締め具（図示せず）受け入れ孔１０９を設けることができ、この締め具を用いてコンプライアントばね１００を他の構造体に固定することができる。或いはまた、コンプライアントばね１００を他の構造体に固定するクランプなどの他の手段を用いることもできる。コンプライアントばね１００の各層を別々に用意し、必要に応じ隣接する層間に接着材料を挿入して一体に組み立てることもできる。また、モールド内エラストマモールドボンディングなどの技術を用いてコンプライアントばね１００の異なる層を一体化することもできる。
【００１８】
スタック１０２内のフレキシャ１０４は非エラストマ材料からなる。好適実施形態では、フレキシャ１０４は複合材料からなる。より好適な実施形態では、この複合材料は金属を含まず、好ましくはフレキシャは非金属フレキシャであって、好ましくは不均質な非金属材料体である。不均質な非金属複合材料からなるフレキシャ１０４は、均質な金属材料からなるフレキシャと比較して、より高いコンプライアンスのばね１００をもたらす。一実施形態では、不均質な複合材料は硬化した樹脂／ポリマーマトリクス内に強化用繊維を含むものからなる。別の実施形態では、不均質複合材料はポリマー樹脂内に強化用繊維を含むものからなる。更に別の実施形態では、不均質な複合材料は重合化される樹脂内に強化用繊維を含むものからなる。別の実施形態では、複合材料はカーボンファイバ補強された複合材である。好適実施形態では、カーボンファイバ補強された複合材は硬化したポリマーマトリクス内に炭素繊維を含むものからなる。より好適な実施形態では、炭素繊維強化複合材は硬化したエポキシマトリクス内に炭素繊維を含むものからなる。エラストマシム１０６の材料は、航空宇宙機の回転翼ロータヘッドのエラストマ・ハイ・キャパシティ・ラミネート（ＨＣＬ）ベアリングに一般に使用されている、高い疲労強度及び広い温度範囲を有するエラストマであり、このベアリングは金属シム間に接着されたエラストマモールドを備える。一例では、エラストマシム１０６は後加硫化ゴムからなり、好ましくは非エラストマ複合材料に接着された後加硫化ゴムからなる。端板１０８Ａ，１０８Ｂは非エラストマ材料で形成し得る。本発明の一以上の実施形態では、端板１０８Ａ，１０８Ｂは金属フレキシャ端板とすることができる。好適実施形態では、端板１０８Ａ，１０８Ｂはアルミニウムなどの金属材料からなる。
【００１９】
本発明の一つ以上の実施形態では、各フレキシャ１０４はＬＦ≫ＷＦ≫ｔＦであるビーム板の形状をなし、ここでＬＦはフレキシャの長さ、ＷＦはフレキシャの幅、ｔＦはフレキシャの厚さである。本発明の一以上の実施形態では、各エラストマシム１０６もＬ＊Ｗ≫２＊（Ｌ＋Ｗ）＊ｔであるビーム板の形状をなし、ここでＬはシムの長さ、Ｗはシムの幅、ｔはシムの厚さであり、Ｌ＊Ｗはシムの負荷面積、２＊（Ｌ＋Ｗ）＊ｔはシムのバルジ面積である。シムの形状係数は負荷面積をバルジ面積で割った値、即ちＬ＊Ｗ／２＊（Ｌ＋Ｗ）＊ｔとして定義される。好適実施形態では、エラストマシム１０６は、一つのフレキシャ１０４の他のフレキシャに対する小さな横方向の偏位を許容しながら、締め具のプリローディングによるエラストマシムの面に直角の高い荷重を許容するとともにフレキシャのスタックがたわまされるときの締め付け部分（荷重支持部分）の曲げを最小にするために、高い形状係数を有するように設計される。図に示されるように、長さはｘ軸の方向、幅はｙ軸の方向、厚さはｚ軸の方向に向いている。
【００２０】
本発明の一つ以上の実施形態では、エラストマシム１０６は、荷重がフレキシャ１０４のスタックに加えられる部分にのみ置かれる。図１及び図２の実施形態では、これらの荷重支持部分は、例えば締め具を受け入れる孔１０９を含む部分とすることができる。一般に、荷重支持部分はばね１００の最終構造により決まる。図１及び図２に示すいくつかの実施形態では、コンプライアントばね１００は片持ち−片持ち梁構造を有し、フレキシャ１０４がたわまされるとＳ字形になる。エラストマシム１０６が荷重支持部分のみに位置する場合には、エラストマシム１０６はスタック１０２のフレキシャ１０４間にギャップを生成し、フレキシャ１０４のスタックが荷重印加時にＳ字形にたわむときフレキシャ間摩擦を防止または最小にすることができる。
【００２１】
一つのアプローチでは、各エラストマシム１０６の厚さは、コンプライアントばね１００に加えられる荷重の範囲に対してフレキシャ間摩擦を防止する最小値以上にする。エラストマシム１０６の好ましい厚さは形状係数を最大にするために最小にすべきであり、一般的には０．０１０インチ（約０．２５４ｍｍ）〜０．０２５インチ（約０．６３５ｍｍ）の範囲内である。別のアプローチでは、フレキシャ１０４間に配置された各エラストマシム１０６に対して、エラストマシムの形状係数（負荷面積／バルジ面積）は１より大きく選択し、好ましくは２より大きく、より好ましくは５より大きく選択する。一実施形態では、エラストマシム１０６の形状係数は４，８，１２，１６及び２０を含む範囲から選択する。スタック１０２の同じレベルのエラストマシム１０６の形状係数は同じにする。しかし、スタック１０２の異なるレベルの形状係数は相違させることができる。
【００２２】
本発明の一つ以上の実施形態では、スタック１０２のフレキシャ１０４の長さはほぼ同じである。同様に、エラストマシム１０６の長さもほぼ同じである。コンプライアントばね１００の幅はコンプライアントばね１００の長さに沿って同一にすることができ、ここではコンプライアントばね１００の幅はｙ軸に沿って測定され、コンプライアントばね１００の長さはｘ軸に沿って測定される。また、コンプライアントばね１００の幅はコンプライアントばね１００の長さに沿って変化させることもできる。例えば、図２に示すように、コンプライアントばね１００は細い部分１０３を有するようにだんだん細くし、ばね１００の総重量を減少させることができる。
【００２３】
図３Ａ及び３Ｂはコンプライアントばね１００の配列１４１を含む共振慣性力発生器１４０を示す。図３Ａ及び３Ｂのばね１００は図２のばねに類似の形状を有する。代替例では、図３Ａ及び３Ｂのばね１００は図１に類似の形状又は他の所望の形状を有することができる。好適実施形態では、配列１４１内のばね１００の側面は、これらのばね１００が単一のユニットとして機能するように連結される。一例として、端板１２２，１２４とボルト／ナット接続具１２６，１２８（又は他の適切な接続具）を用いてばね１００の遠位端を一体に結合することができる。配列１４１の遠位端は垂直ポスト１４２，１４４に結合される。垂直ポスト１４２，１４４は金属フレキシャにすることができる。ばね１００の配列１４１は慣性質量体１４６を支持する。これは、例えばばね１００の配列１４１の中央部を、例えば板部材１４３とボルト／ナット接続具１４５とにより慣性質量体１４６に結合することによって達成することができる。図示の例では、慣性質量体１４６はヨーク部材１４７及びほぼ円筒状の本体１４９を含み、ほぼ円筒状の本体１４９はヨーク１４７を介してばね１００の配列１４１に結合される。慣性質量体１４６は、必要に応じて、例えば「音声コイル」型リニアモータに必要とされるような金属材料からなるものとし得る。図６−７に示される代替好適実施形態では、コンプライアントばね１００は慣性質量体１４６を支持するために取付け基部２５４から片持ち支持され、好ましくは複合ばねは単一ユニットとして並べて配列されない。
【００２４】
一実施形態では、慣性力発生器１４０はアクチュエータ１４８（図３Ｂ）を含む。アクチュエータ１４８は慣性質量体１４６のほぼ円筒状本体１４９内のチャンバ１５０内に配置される。アクチュエータ１４８は任意の適切な手段を介して慣性質量体に動作可能に結合することができる。例えば、アクチュエータ１４８は、慣性質量体１４６をばね１００の配列１４１に結合するために使用されるものと同じボルト／ナット接続具１４５により慣性質量体１４６に動作可能に結合することができる。一般に、アクチュエータ１４８により慣性質量体に与えられる力がばね１００の配列１４１に伝達され、ばね１００の配列１４１が運動又は湾曲するように、ばね１００の配列１４１と慣性質量体１４６とアクチュエータ１４８との間に直列結合が使用される。ばね１００の配列１４１の運動は、構造体１５４（図３Ｂ）に結合又は取り付けられた垂直ポスト１４２，１４４に伝達される。一例では、構造体１５４は航空機の一部分である。構造体１５４は例えば航空機胴体とすることができる。一例では、アクチュエータ１４８は電磁アクチュエータ又は電動機である。一例では、アクチュエータ１４８は電磁（ＥＭ）コイル１５８により囲まれた永久磁石１５６含む。永久磁石１５６は慣性質量体１４６に機械的に連結される。ＥＭコイル１５８に供給される電気駆動電流は慣性質量体１４６を駆動又は移動させる機械的力に変換される。上述した慣性力発生器１４０の構成要素は図３Ｂに示すようなケース１６０で覆うことができる。
【００２５】
動作中、慣性力発生器１４０は、該発生器が取り付けられた構造体の不所望な振動を破壊的に妨害する又は相殺する力を発生する。慣性力発生器１４０は、コマンド信号を受信し、該コマンド信号に応答してアクチュエータ１４８を動作周波数で駆動する電気駆動電流を発生するコントローラシステムを含むことができる。コントローラシステムは更に帰還信号を受信し、該帰還信号に基づいてアクチュエータ１４８に供給される電気駆動電流を調整することができる。慣性質量体１４６及びばね配列１４１は固有振動数を有する質量体ばねシステムを構成する。固有振動数はアクチュエータ１４８の動作周波数に近いが一般にアクチュエータ１４８の動作周波数より下になるように調整することができる。コンプライアントばね１００の構造は、質量体−ばねシステムの固有振動数が慣性力発生器１４０の動作寿命に亘って、典型的には３０００時間以上に亘って安定する構造である。特に、本発明者は、複合フレキシャ間にエラストマシムを介挿した構造は、質量体−ばねシステムの固有振動数が許容レベルまで減衰するのを抑制することを確かめた。一実施形態では、質量体−ばねシステムの固有振動数の減衰は慣性力発生器の３０００動作時間以上に亘って０．４Ｈｚ未満であった。別の実施形態では、質量体−ばねシステムの固有振動数の減衰は慣性力発生器の３０００動作時間以上に亘って０．２Ｈｚ未満であった。更に別の実施形態では、質量体−ばねシステムの固有振動数の減衰は慣性力発生器の３０００動作時間以上に亘って０．１Ｈｚ未満であった。この減衰を抑制するエラストマ手段は、複合フレキシャ間に金属シムのような非エラストマシムを備えるフレキシャ構造と比較して、固有振動数の減衰が抑制された慣性力発生器をもたらす。
【００２６】
図１又は図２に示されるようなコンプライアントばねを組み込む質量体−ばねシステムの固有振動数の減衰の安定性を検査するために試験を行った。試験のためのコンプライアントばねは次のように用意した。エラストマシムはダイを用いてモールド成形された硫化ゴムパッドから切り出した。各エラストマシムは約１０ミル（約０．２５４ｍｍ）の厚さにした。エラストマシム及び複合フレキシャの交互配置からなるばねスタックはスタックの各端にステンレススチールシムを用いて組み立てた。複合フレキシャ又はステンレススチールシムへのエラストマシムの後加硫化接合を実行して接合された組立体を生成した。このようなばねスタックの４つを用いてばねの配列を形成し、このばねの配列を図３Ａ−３Ｃに示される慣性質量体に取り付けた。比較目的のために、複合フレキシャ間のシムとして金属シムを用いた類似の装置を用意した。
【００２７】
図４は、共振慣性力発生器内のばねの耐久性を検査するシステムを示す。慣性力発生器の耐久性試験中、振動数スイープを実行して慣性力発生器の固有振動数を測定した。図４に示す構成では、電源１７１及び信号発生器１７０がそれぞれ電力及びコマンド信号を統合制御ユニット（ＩＣＵ）１７２に供給する。ＩＣＵ１７２は増幅を実行し、制御信号を慣性力発生器１７６に送る。慣性力発生器１７６は検査中の任意の慣性力発生器を代表する。異なるチャネルに対する駆動レベルを調整するためにＩＣＵ１７２を用いて減衰レベルを設定した。信号分析器１７８は慣性力発生器１７６から慣性質量体の加速度信号をモニタする。シグナルコンディショナ１８０は加速度信号を信号分析器１７８に送る前に調整するために使用される。スイープキャプチャ中、信号発生器１７０は切り離され、信号分析器１７８がコマンド信号を供給し、コマンド信号、駆動電流、駆動電圧及び慣性質量体加速度をモニタする。慣性質量体加速度を用いてフレキシャひずみが計算される。
【００２８】
図５は、本発明のように複合フレキシャ間に介装されたエラストマシムを備える慣性力発生器の固有振動数の減衰（三角形マーク）と、複合フレキシャ間に介装された金属シムを備える慣性力発生器の固有振動数の減衰（正方形マーク）との比較である。すべての被試験慣性力発生器は、慣性力発生器にほぼ等しいひずみを生じるようにほぼ等しい振動数で駆動した。図５は、エラストマシムを備えるコンプライアントばねを組み込む慣性力発生器の方が金属シムを備えるコンプライアントばねを組み込む慣性力発生器よりはるかに低い固有振動数の減衰を有することを示している。その一つの説得力のある理由は、金属シムを使用する場合、フレキシャと金属シムとの界面は少量のすべりを有し、フレキシャと金属シムとの間に磨耗を生じる。他方、エラストマシムを使用する場合には、エラストマシムはエラストマのせん断によってこの運動を吸収することができ、これがエラストマをフレキシャに接着するのが好ましい理由である。耐久性試験は、エラストマシムを備える慣性力発生器は減衰が抑制された極めて安定な固有振動数を有することを示した。金属シムを用いる種類のものでは、総合減衰は１２００時間で０．３Ｈｚを超えた。エラストマシムを備えた慣性力発生器では、固有振動数の減衰は１１００時間以上の動作に亘ってほぼゼロであった。エラストマシムを備えた慣性力発生器に温度試験を実行したところ、エラストマシムを備えた慣性力発生器は許容可能な性能を示した。
【００２９】
図６Ａ−Ｄは、図７Ａ−Ｃに示される電磁アクチュエータ共振慣性力発生器１４０内に慣性質量体１４６のような慣性質量体を支持するために好適に使用されるコンプライアントばね１００を示す。複合フレキシャ１０４とエラストマシム１０６を交互に配置してなるスタック１０２を含むコンプライアントばね１００は、慣性質量体１４６を支持するために取付け基部２５４から片持ち支持され、慣性質量体１４６はコンプライアントばね１００の取付け基部から遠く離れた反対端で固定され、コンプライアントばね１００の間に配置される。図８Ａ−Ｂは、図６Ａ−Ｄに示されるような複合フレキシャ１０４間に接着されたエラストマスペーサシム１０６を用いる図７Ａ−Ｃに示されるような共振慣性力発生器１４０の寿命試験−減衰プロットを示し、エラストマスペーサシムが接着された共振慣性力発生器の固有振動数は正方形のプロットで示されている。寿命試験−固有振動数の減衰プロットを示す図８Ａ−Ｂにおいて、動作時間はｘ軸方向であり、振動数の減衰はｙ軸方向である。図６Ａ−Ｄに示されるようなコンプライアントばねとしてエラストマシムを備える複合フレキシャを組み込む図７Ａ−Ｃに示されるような共振慣性力発生器の固有振動数の減衰の比較のために、コンプライアントばねとして金属シムを備える複合フレキシャを組み込む同等の共振慣性力発生器の固有振動数の減衰が三角形のプロットで示されている。
【００３０】
本発明は本発明の精神及び範囲から離れることなく種々の偏向及び変形を加えることができることは当業者に明らかであろう。従って、本発明のこれらの偏向及び変形が添付の請求項及びそれらの均等物の範囲に入るならば、本発明はそれらもカバーすることを意図する。請求項に記載の異なる語又は語句の範囲は同じ又は異なる構造又はステップにより実行できることも意図する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互配置されたフレキシャ及びエラストマシムのスタックを備えるコンプライアントばねと、
前記コンプライアントばねに結合された慣性質量体と、
前記慣性質量体を動かすアクチュエータと、
を備える、構造体の振動を抑制するための共振慣性力発生器。
【請求項２】
前記フレキシャは前記エラストマシムに隣接するフレキシャ表面を有し、前記エラストマシムは前記フレキシャ表面に接着されている、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項３】
前記スタック内のフレキシャの数は２つ以上である、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項４】
３０００動作時間以上に亘って０．１Ｈｚより小さい減衰を示す固有振動数を有する、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項５】
前記アクチュエータは電磁アクチュエータである、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項６】
前記フレキシャは複合ビーム板からなる、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項７】
前記スタックは１対の端板間に挟まれている、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項８】
前記スタックの末端の前記エラストマシムは前記端板に接着されている、請求項７記載の共振慣性力発生器。
【請求項９】
前記スタック内の前記エラストマシムの少なくとも一つは１０より大きい形状係数を有する、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項１０】
複数のフレキシャにより支持された慣性質量体と、
前記複数のフレキシャと交互配置された複数の中間エラストマシムと、
を備える、共振慣性力発生器。
【請求項１１】
前記フレキシャは複合板部材からなる、請求項１０記載の共振慣性力発生器。
【請求項１２】
前記フレキシャは前記中間エラストマシムに隣接するフレキシャ表面を有し、前記中間エラストマシムは前記フレキシャ表面に接着されている、請求項１１記載の共振慣性力発生器。
【請求項１３】
前記中間エラストマシムの各々は１０より大きい形状係数を有する、請求項１１記載の共振慣性力発生器。
【請求項１４】
スタック内に積層された複数の複合フレキシャ板と、
前記複合フレキシャ板の各隣接対間に配置されたエラストマシムと、
を備える、コンプライアントばね。
【請求項１５】
前記エラストマシムは前記複合フレキシャ板の隣接対に接着される、請求項１４記載のコンプライアントばね。
【請求項１６】
前記エラストマシムは１０より大きい形状係数を有する、請求項１４記載のコンプライアントばね。
【請求項１７】
慣性質量体を準備する工程、
ｎ個（ｎは１より大きい整数）の複合フレキシャを準備する工程、
少なくともｎ＋１個のエラストマシムを準備する工程、
前記ｎ＋１個のエラストマシムを前記ｎ個の複合フレキシャと交互配置してフレキシャとエラストマシムの交互配置を備えるコンプライアントばねを形成する工程、
前記慣性質量体を前記コンプライアントばねに結合する工程、及び
前記慣性質量体を動かすことができるアクチュエータを前記慣性質量体に結合する工程、
を備える、慣性力発生器を作製する方法。
【請求項１８】
慣性質量体を準備する工程、
複数の複合フレキシャを準備する工程、
複数のエラストマシムを準備する工程、
前記複合フレキシャと前記エラストマシムを交互に、前記エラストマシムは前記複合フレキシャの負荷支持部分に隣接配置して、積み重ねてコンプライアントばねを形成する工程、
前記慣性質量体を前記コンプライアントばねに結合する工程、及び
前記慣性質量体を動かすことができるアクチュエータを前記慣性質量体に結合する工程、
を備える、慣性力発生器を作製する方法。
【請求項１９】
前記複合フレキシャと前記エラストマシムを交互に積み重ねてコンプライアントばねを形成する工程は、複数のコンプライアントばねを形成するために前記複合フレキシャと前記エラストマシムを交互に積み重ねる、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記複合フレキシャと前記エラストマシムを交互に積み重ねてコンプライアントばねを形成する工程は備える請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
複数の複合フレキシャ板を準備する工程、
中間エラストマを準備する工程、及び
前記複合フレキシャ板を前記複合フレキシャ板間に前記中間エラストマを挟んで交互に積層し、複合フレキシャ板と隣接複合フレキシャ板間の中間エラストマが積層され、前記中間エラストマが前記複合フレキシャ板に接着されたばね組立体を提供する工程、
を備える、慣性力発生器ばねを作製する方法。
【請求項２２】
スタック内に配置された複数の複合フレキシャにより支持された慣性質量体と、
前記複合フレキシャを分離するコンプライアント手段と、
を備える、共振慣性力発生器。
【請求項２３】
ばね組立体上の慣性質量体と、
前記ばね組立体上の前記慣性質量体を運動させるモータとを備え、
前記ばね組立体は少なくとも第１の非エラストマフレキシャ及び少なくとも第１の中間エラストマを含み、前記中間エラストマは前記第１の非エラストマフレキシャと接着されている、振動抑制用の共振慣性力発生器。
【請求項２４】
前記少なくとも第１のエラストマは１０より大きい形状係数を有する、請求項２３記載の共振慣性力発生器。
【請求項２５】
前記非エラストマフレキシャは複合非エラストマフレキシャであり、前記複合非エラストマフレキシャは複数の強化用ファイバ含有硬化マトリックスからなる、請求項２３記載の共振慣性力発生器。
【請求項２６】
前記非エラストマフレキシャは非金属複合フレキシャである、請求項２３記載の共振慣性力発生器。
【請求項２７】
固有振動数ＮＦを有するばね組立体上の慣性質量体と、前記ばね組立体上の前記慣性質量体を運動させるための電動機とを備え、前記ばね組立体は少なくとも第１の複合フレキシャ及び前記固有振動数ＮＦの減衰を抑制する手段を含む、航空機振動を抑制する装置。
【請求項２８】
固有振動数ＮＦを有するばね組立体上の被駆動慣性質量体を備え、前記ばね組立体は第１の端と第２の遠端を有する複数の不均質複合フレキシャを含み、前記第１の端及び第２の遠端に近接して前記複合フレキシャ間に複数のエラストマスペーサが接着されている、航空機振動を抑制する装置。
【請求項１】
交互配置されたフレキシャ及びエラストマシムのスタックを備えるコンプライアントばねと、
前記コンプライアントばねに結合された慣性質量体と、
前記慣性質量体を動かすアクチュエータと、
を備える、構造体の振動を抑制するための共振慣性力発生器。
【請求項２】
前記フレキシャは前記エラストマシムに隣接するフレキシャ表面を有し、前記エラストマシムは前記フレキシャ表面に接着されている、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項３】
前記スタック内のフレキシャの数は２つ以上である、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項４】
３０００動作時間以上に亘って０．１Ｈｚより小さい減衰を示す固有振動数を有する、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項５】
前記アクチュエータは電磁アクチュエータである、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項６】
前記フレキシャは複合ビーム板からなる、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項７】
前記スタックは１対の端板間に挟まれている、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項８】
前記スタックの末端の前記エラストマシムは前記端板に接着されている、請求項７記載の共振慣性力発生器。
【請求項９】
前記スタック内の前記エラストマシムの少なくとも一つは１０より大きい形状係数を有する、請求項１記載の共振慣性力発生器。
【請求項１０】
複数のフレキシャにより支持された慣性質量体と、
前記複数のフレキシャと交互配置された複数の中間エラストマシムと、
を備える、共振慣性力発生器。
【請求項１１】
前記フレキシャは複合板部材からなる、請求項１０記載の共振慣性力発生器。
【請求項１２】
前記フレキシャは前記中間エラストマシムに隣接するフレキシャ表面を有し、前記中間エラストマシムは前記フレキシャ表面に接着されている、請求項１１記載の共振慣性力発生器。
【請求項１３】
前記中間エラストマシムの各々は１０より大きい形状係数を有する、請求項１１記載の共振慣性力発生器。
【請求項１４】
スタック内に積層された複数の複合フレキシャ板と、
前記複合フレキシャ板の各隣接対間に配置されたエラストマシムと、
を備える、コンプライアントばね。
【請求項１５】
前記エラストマシムは前記複合フレキシャ板の隣接対に接着される、請求項１４記載のコンプライアントばね。
【請求項１６】
前記エラストマシムは１０より大きい形状係数を有する、請求項１４記載のコンプライアントばね。
【請求項１７】
慣性質量体を準備する工程、
ｎ個（ｎは１より大きい整数）の複合フレキシャを準備する工程、
少なくともｎ＋１個のエラストマシムを準備する工程、
前記ｎ＋１個のエラストマシムを前記ｎ個の複合フレキシャと交互配置してフレキシャとエラストマシムの交互配置を備えるコンプライアントばねを形成する工程、
前記慣性質量体を前記コンプライアントばねに結合する工程、及び
前記慣性質量体を動かすことができるアクチュエータを前記慣性質量体に結合する工程、
を備える、慣性力発生器を作製する方法。
【請求項１８】
慣性質量体を準備する工程、
複数の複合フレキシャを準備する工程、
複数のエラストマシムを準備する工程、
前記複合フレキシャと前記エラストマシムを交互に、前記エラストマシムは前記複合フレキシャの負荷支持部分に隣接配置して、積み重ねてコンプライアントばねを形成する工程、
前記慣性質量体を前記コンプライアントばねに結合する工程、及び
前記慣性質量体を動かすことができるアクチュエータを前記慣性質量体に結合する工程、
を備える、慣性力発生器を作製する方法。
【請求項１９】
前記複合フレキシャと前記エラストマシムを交互に積み重ねてコンプライアントばねを形成する工程は、複数のコンプライアントばねを形成するために前記複合フレキシャと前記エラストマシムを交互に積み重ねる、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記複合フレキシャと前記エラストマシムを交互に積み重ねてコンプライアントばねを形成する工程は備える請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
複数の複合フレキシャ板を準備する工程、
中間エラストマを準備する工程、及び
前記複合フレキシャ板を前記複合フレキシャ板間に前記中間エラストマを挟んで交互に積層し、複合フレキシャ板と隣接複合フレキシャ板間の中間エラストマが積層され、前記中間エラストマが前記複合フレキシャ板に接着されたばね組立体を提供する工程、
を備える、慣性力発生器ばねを作製する方法。
【請求項２２】
スタック内に配置された複数の複合フレキシャにより支持された慣性質量体と、
前記複合フレキシャを分離するコンプライアント手段と、
を備える、共振慣性力発生器。
【請求項２３】
ばね組立体上の慣性質量体と、
前記ばね組立体上の前記慣性質量体を運動させるモータとを備え、
前記ばね組立体は少なくとも第１の非エラストマフレキシャ及び少なくとも第１の中間エラストマを含み、前記中間エラストマは前記第１の非エラストマフレキシャと接着されている、振動抑制用の共振慣性力発生器。
【請求項２４】
前記少なくとも第１のエラストマは１０より大きい形状係数を有する、請求項２３記載の共振慣性力発生器。
【請求項２５】
前記非エラストマフレキシャは複合非エラストマフレキシャであり、前記複合非エラストマフレキシャは複数の強化用ファイバ含有硬化マトリックスからなる、請求項２３記載の共振慣性力発生器。
【請求項２６】
前記非エラストマフレキシャは非金属複合フレキシャである、請求項２３記載の共振慣性力発生器。
【請求項２７】
固有振動数ＮＦを有するばね組立体上の慣性質量体と、前記ばね組立体上の前記慣性質量体を運動させるための電動機とを備え、前記ばね組立体は少なくとも第１の複合フレキシャ及び前記固有振動数ＮＦの減衰を抑制する手段を含む、航空機振動を抑制する装置。
【請求項２８】
固有振動数ＮＦを有するばね組立体上の被駆動慣性質量体を備え、前記ばね組立体は第１の端と第２の遠端を有する複数の不均質複合フレキシャを含み、前記第１の端及び第２の遠端に近接して前記複合フレキシャ間に複数のエラストマスペーサが接着されている、航空機振動を抑制する装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【公表番号】特表２０１２−５０８３５６（Ｐ２０１２−５０８３５６Ａ）
【公表日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３５６３４（Ｐ２０１１−５３５６３４）
【出願日】平成２１年１１月４日（２００９．１１．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６３１９３
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０５３９３３
【国際公開日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（５０７３８１３２９）ロード コーポレーション (8)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月４日（２００９．１１．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６３１９３
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０５３９３３
【国際公開日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（５０７３８１３２９）ロード コーポレーション (8)
【Ｆターム（参考）】
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