JP2014178189A

JP2014178189A - 加振装置

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Publication number: JP2014178189A
Application number: JP2013052031A
Authority: JP
Inventors: Claudiu Valentin Suciu; クラウデュヴァレンティンスウーチュー
Original assignee: Fukuoka Institute of Technology
Current assignee: Fukuoka Institute of Technology
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-03-14
Also published as: JP6066194B2

Abstract

【課題】低コストで騒音レベルが低く、初期位置の精密な調整が可能であり、かつ長いストロークでの加振を行うことが可能な加振装置の提供。
【解決手段】モーター３１の回転運動をロッド３４の直線運動に変換するボールねじアクチュエーター３０であり、ロッド３４の先端部に加振対象物（コロイダルダンパー１）が連結されるボールねじアクチュエーター３０と、モーター３１を制御する制御装置４０であり、設定された周期およびストロークでロッド３４が往復運動するようにモーター３１を正転および逆転させる制御装置４０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボールねじ機構を利用して機械や構造物等の加振対象物を加振させる加振装置に関する。

本発明者は、密閉空間にシリカゲル等の多孔質体と水等の液体とを混在させて封入して、液体の表面張力に抗して多孔質体の細孔へ液体を流出入させて、機械的エネルギーを散逸させるようにしたコロイダルダンパーの実用化を目指しており、その動特性および耐久性を、電磁加振機および電動油圧加振機を用いて調べている（例えば、特許文献１〜４参照。）。

特開２００４−４４７３２号公報特開２００５−１２１０９１号公報特開２００６−１１８５７１号公報国際公開第２００８／０２９５０１号パンフレット

市販されている電磁加振機および電動油圧加振機は非常に高価（電磁加振機１，０００万円程度、電動油圧加振機６００万円程度）である。また、電磁加振機を使用した場合、エアブロ装置や空気圧縮機の騒音レベルが非常に高く、また、振動実験開始前にコロイダルダンパーのピストンの初期位置を精密に調整できないという問題がある。また、電動油圧加振機を使用した場合、油圧ポンプの騒音レベルが高く、また、油タンクの過熱を防ぐための冷却装置を設置することを避けるために油流量を制限しており、比較的に短い１０ｍｍ程度のピストンストロークでしか振動実験および耐久性実験を行えないという問題がある。

そこで、本発明においては、低コストで騒音レベルが低く、初期位置の精密な調整が可能であり、かつ長いストロークでの加振を行うことが可能な加振装置を提供することを目的とする。

本発明の加振装置は、モーターの回転運動をロッドの直線運動に変換するボールねじアクチュエーターであり、ロッドの先端部に加振対象物が連結されるボールねじアクチュエーターと、モーターを制御する制御装置であり、設定された周期およびストロークでロッドが往復運動するようにモーターを正転および逆転させる制御装置とを有するものである。

本発明の加振装置によれば、モーターの正転および逆転を制御することで、ボールねじアクチュエーターのロッドの先端部に連結した加振対象物へ、設定された周期およびストロークで加振することが可能となる。また、モーターを回転させることで、ボールねじアクチュエーターのロッドの先端部の初期位置を任意に変更することが可能であり、モーターの回転角度を調整することで、ロッドの先端部の初期位置の精密な調整が可能となる。また、ボールねじアクチュエーターでは、モーターを回転させた分に応じてロッドが伸縮するため、ロッドのストロークはロッドの長さに応じて任意に調節可能である。そのため、長いストロークを確保することが容易であり、長いストロークでの加振を行うことが可能である。

また、本発明の加振装置は、さらに、ロッドの先端部が設定された位置に到達したことを検出する機械式リミットスイッチを有し、制御装置は、機械式リミットスイッチによりロッドの先端部が設定された位置に到達したことが検出されるとモーターを停止させるものであることが望ましい。ロッドの先端部が設定された位置に到達したことを機械的リミットスイッチにより検出してモーターを停止させることで、必要以上にロッドが伸縮するのを防止することができる。

ここで、機械的リミットスイッチにより検出する設定された位置とは、ロッドが許容範囲を超えて伸縮するのを防止できる位置や、許容範囲内で任意の位置などとすることができる。ボールねじアクチュエーターは、モーターを回転させた分に応じてロッドが伸縮するため、万一制御装置に不具合が発生してロッドの伸縮範囲が許容範囲を超えた場合、加振対象物を破壊してしまう可能性がある。そこで、ロッドの先端部が設定された位置に到達したことを機械的リミットスイッチにより検出してモーターを停止させることで、必要以上にロッドが伸縮するのを防止して、加振対象物を保護することが可能となる。

（１）モーターの回転運動をロッドの直線運動に変換するボールねじアクチュエーターであり、ロッドの先端部に加振対象物が連結されるボールねじアクチュエーターと、モーターを制御する制御装置であり、設定された周期およびストロークでロッドが往復運動するようにモーターを正転および逆転させる制御装置とを有する加振装置によれば、安価かつ騒音レベルが低いボールねじアクチュエーターを利用して、初期位置の精密な調整が可能であり、かつ長いストロークでの加振を行うことが可能な加振装置が得られる。

（２）さらに、ロッドの先端部が設定された位置に到達したことを検出する機械式リミットスイッチを有し、制御装置が、機械式リミットスイッチによりロッドの先端部が設定された位置に到達したことが検出されるとモーターを停止させるものであることにより、必要以上にロッドが伸縮するのを防止して、加振対象物を保護することが可能となる。

本発明の実施の形態における加振装置の概略構成図である。コロイダルダンパーの断面図である。コロイダルダンパーのフィルタ部分の断面図である。コロイダルダンパーの多孔質体の断面図である。ボールねじアクチュエーターの別の配置例を示す説明図である。ボールねじアクチュエーターの別の配置例を示す説明図である。ボールねじアクチュエーターの別の配置例を示す説明図である。ボールねじアクチュエーターの別の配置例を示す説明図である。ボールねじアクチュエーターの別の配置例を示す説明図である。ボールねじアクチュエーターの別の配置例を示す説明図である。ボールねじアクチュエーターの伸縮サイクルの波形を示す図である。コロイダルダンパーのヒステリシス変動を示す図である。コロイダルダンパーのヒステリシス変動を示す図である。コロイダルダンパーのヒステリシス変動を示す図である。コロイダルダンパーのヒステリシス変動を示す図である。コロイダルダンパーのヒステリシス変動を示す図である。（ａ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）はストロークと圧力との関係グラフを示す図、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）はストロークと減衰力との関係グラフを示す図である。（ａ）はそれぞれの周期におけるモーターの回転速度と最大ストロークとの関係を示す図、（ｂ）はそれぞれの周期におけるモーターの回転速度と周波数との関係を示す図である。（ａ）はそれぞれの周期におけるモーターの回転速度とコロイドによる部分散逸エネルギーとの関係を示す図、（ｂ）はそれぞれの周期におけるモーターの回転速度とコロイドと摩擦による全体散逸エネルギーとの関係を示す図である。（ａ）はそれぞれの周期におけるモーターの回転速度とコロイドによる無次元化散逸エネルギーとの関係を示す図、（ｂ）はそれぞれの周期におけるモーターの回転速度と摩擦による無次元化散逸エネルギーとの関係を示す図である。コロイダルダンパーのヒステリシス変動を示す図である。コロイダルダンパーのヒステリシス変動を示す図である。高圧力計で得られたコロイダルダンパーのヒステリシス変動を示す図である。ロードセルで得られたコロイダルダンパーのヒステリシス変動を示す図である。最大作動圧力と加振時間との関係グラフを示す図である。（ａ）は加振時間経過に対する散逸エネルギーの変化を示す図、（ｂ）は加振時間経過に対する無次元化散逸エネルギーの変化を示す図である。電動油圧加振機にコロイダルダンパーを装着した状態を示す断面図である。大型電磁加振機にコロイダルダンパーを装着した状態を示す平面図である。大型電磁加振機にコロイダルダンパーを装着した状態を示す正面図である。

図１は本発明の実施の形態における加振装置の概略構成図である。図１において、本発明の実施の形態における加振装置２０は、加振対象物の加振試験を行うものである。なお、本実施形態においては、加振対象物としてコロイダルダンパー１を用いた例について説明する。コロイダルダンパー１は、詳細は後述するが、密閉空間にシリカゲル等の多孔質体と水等の液体とを混在させて封入して、液体の表面張力に抗して多孔質体の細孔へ液体を流出入させて、機械的エネルギーを散逸させるようにしたダンパーであり、自転車、自動車、バイク、トラック、ブルドーザや飛行機等の乗り物のサスペンション（懸架装置）用ダンパー、免震や制震等の耐震システム用ダンパー等として利用されるものである。

加振装置２０は、ボールねじアクチュエーター３０と、制御装置４０と、ボールねじアクチュエーター３０および制御装置４０の動作用の電源５０とを有する。ボールねじアクチュエーター３０は、主に、モーター（電動機）３１と、ボールねじ機構３２と、モーター３１の回転をボールねじ機構３２に伝達するベルト歯車３３とによって構成されている。

ボールねじアクチュエーター３０は、モーター３１の回転運動をボールねじ機構３２のロッド３４の直線運動に変換するものである。コロイダルダンパー１は、ロッド３４の先端部に連結される。ボールねじアクチュエーター３０およびコロイダルダンパー１は、それぞれのロッド３４およびピストン４の中心軸が同軸上かつストローク方向が水平（Ｘ軸）となるように、土台６０上に固定される。なお、鉛直（垂直）方向をＺ軸、図１の奥行き方向をＹ軸方向とする。

また、ボールねじアクチュエーター３０のロッド３４の先端部には、土台６０上に設置された機械式リミットスイッチ６１ａ，６１ｂに接触することで、ロッド３４の先端部が設定された位置に到達したことを検出するためのリミットスイッチ接触用継手３５が設けられている。機械式リミットスイッチ６１ａはロッド３４が伸長しすぎる際に働くものであり、機械式リミットスイッチ６１ｂはロッド３４が縮退しすぎる際に働くものである。また、コロイダルダンパー１のピストン４とリミットスイッチ接触用継手３５との間には、ロードセル３６が備えられている。また、土台６０上には、ボールねじアクチュエーター３０のロッド３４の変位を測定するための変位計６２が備えられている。

制御装置４０は、モーター３１を制御する装置であり、設定された周期およびストロークでボールねじアクチュエーター３０のロッド３４が往復運動するようにモーター３１を正転および逆転させるものである。なお、制御装置４０は、機械式リミットスイッチ６１ａ，６１ｂによりロッド３４の先端部が設定された位置に到達したことが検出されると、モーター３１を停止させる。

次に、コロイダルダンパー１について、図２〜図４を参照して説明する。図２はコロイダルダンパー１の断面図、図３はコロイダルダンパー１のフィルタ部分の断面図、図４はコロイダルダンパー１の多孔質体の断面図である。

コロイダルダンパー１は、図２に示すように、シリンダ２と、このシリンダ２に往復動自在に案内支持され、シリンダ２と協働して密閉空間３を形成するピストン４と、密閉空間３に連通されてシリンダ２とともに密閉空間３を形成する補助容器５と、シリンダ２と補助容器５との間に密閉空間３を二分するように設けられた隔壁としてのフィルタ６とを備える。

フィルタ６は、図３に示すように、２枚の銅製ガスケット６ａ間に接着剤により接合されている。２枚の銅製ガスケット６ａは、フィルタ６を保持するフレームとして機能する。この構成のフィルタ６は、シリンダ２と補助容器５との間に挟み込まれて固定されることにより、銅製ガスケット６ａが変形してシリンダ２と補助容器５とに密着し、シリンダ２内の密閉空間３と補助容器５内の密閉空間３とをシールする。

また、密閉空間３内には、液体７と、多数の細孔８ａを有する多孔質体８とが収容されている。多孔質体８は、シリカゲル、アエロゲル、セラミックス、多孔質ガラス、ゼオライト、多孔質ＰＴＦＥ、多孔質蝋、多孔質ポリスチレン、アルミナやカーボン（黒鉛、木炭、フラーレンおよびカーボンナノチューブを含む。）等からなる略球形粒状物であり、図４に示すように、複数の細孔８ａと、略中央に形成された中空部８ｂとを有する。細孔８ａは、一端で中空部８ｂに開口し、他端で多孔質体８外に開口して、中空部８ｂから放射方向に伸びている。

多孔質体８のそれぞれの外面８ｃ、細孔８ａの内面８ｄ、並びに中空部８ｂの内面８ｅは、液体７に対して疎液性物質であって分子鎖が線形な物質である、例えば、−Ｓｉ−（ＢＡＳＥ）₂−（ＢＯＤＹ）_m−（ＨＥＡＤ）のような有機疎水物質で被覆されている。但し、ｍ＝０〜２３であり、胴部（ＢＯＤＹ）と頭部（ＨＥＡＤ）との組み合わせは、［（ＢＯＤＹ），（ＨＥＡＤ）］＝［ＣＨ₂，ＣＨ₃］、［ＣＦ₂，ＣＦ₃］、［ＯＳｉ（ＣＨ₃）₂，ＯＳｉ（ＣＨ₃）₃］、または［ＯＳｉ（ＣＦ₃）₂，ＯＳｉ（ＣＦ₃）₃］である。また、基部（ＢＡＳＥ）は、−（ＢＯＤＹ）_m−（ＨＥＡＤ）よりも短い分子鎖長で、炭素数１〜３のアルキル基、フッ素樹脂基またはフェニル基である。なお、本実施形態においては、［（ＢＯＤＹ），（ＨＥＡＤ）］＝［ＣＦ₂，ＣＦ₃］、ｍ＝７、ならびに（ＢＡＳＥ）＝［ＣＦ₃］のような有機疎水物質で被覆されている。

液体７は、高い表面張力を有する液体が望まれており、代表的には水を挙げることができる。水以外の液体としては、水と不凍剤との混合液、例えばエタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等から選ばれた少なくとも一種以上を、多くとも６７容量％混入させた水を用いることができる。この場合、０℃以下の環境でもコロイダルダンパーを利用することができるようになる。また、水と、水よりも蒸発しにくい物質、例えばジメチルフォルムアミド、フォルムアミド等との混合液を使用することができる。この場合、１００℃以上の環境でもコロイダルダンパーを利用することができるようになる。さらに、水と消泡剤との混合液、例えばシリコン系の消泡剤、非シリコン系の消泡剤、オイル系の消泡剤等から選ばれた少なくとも一種以上を、多くとも５０ｐｐｍ混入させた水を用いることができる。この場合、シールから空気が密閉空間３に流入してもコロイダルダンパーを利用することができるようになる。細孔８ａの平均内径ｄ１は、液体分子の平均自由行程をＬｐとしたときのクヌーセン数Ｋｎ＝Ｌｐ／（ｄ１・１／２）が０．０３４よりも大きく、０．１１９（好ましくは０．０９７）よりも小さい範囲で決定される。また、多孔質体８の平均外径ｄ２は、この細孔８ａの平均内径ｄ１の１０倍以上であって１０，０００倍以下の範囲で決定される。

なお、多孔質体８は、フィルタ６よりも図２の上側すなわち補助容器５側の密閉空間３内にのみ収容されている。フィルタ６は、多孔質体８の平均外径ｄ２よりも小さな径の細孔が多数形成されたものであり、多孔質体８を通過させず、液体７のみを通過させる。このフィルタ６の細孔によって、多孔質体８はシリンダ２とピストン４との摺動部９から隔離され、液体７のみがシリンダ２と補助容器５の密閉空間３を自由に移動することができるようになっている。

多孔質体８と液体７とは、多孔質体８の細孔８ａの全容積をＶ_Pとし、液体７の体積をＶ_Lとすると、その比Ｖ_P／Ｖ_Lが０．２以上であって２．５以下の範囲をもって収容されている。なお、本実施形態においては、比Ｖ_P／Ｖ_Lが実質的に１となるように密閉空間３に収容されている。

また、本実施形態におけるコロイダルダンパー１は、ピストン４の摺動面をシールする往復動用パッキン１０と、往復動用パッキン１０の変形を制限するバックアップリング１１と、往復動用パッキン１０を固定する固定具１２と、この固定具１２とシリンダ２の外側との接触面をシールするＯリング１３と、このＯリング１３の外周に配設されるメタル製リング１４と、固定具１２の外側からピストン４の摺動面への塵埃の浸入を防止するためのダストシール１５とを備える。

また、図２に示すように、本実施形態におけるコロイダルダンパー１は、シリンダ２に、密閉空間３内の圧力を測定するための高圧力計１６と、温度を測定するための熱電対１７とが設けられている。

この構成のコロイダルダンパー１では、ピストン４に力Ｆが加えられると、この力Ｆがピストン４を介して液体７に加えられ、液体７が加圧される。この加圧により液体７は、補助容器５の密閉空間３内の多孔質体８の細孔８ａからその表面張力に抗して流入する。これにより、ピストン４は、密閉空間３の容積を減少するように移動する。また、このコロイダルダンパー１では、力Ｆに関する振動や衝撃のエネルギーが細孔８ａへの液体７の流入により消費されるために、ピストン４を移動させる力Ｆを減衰させる。

一方、ピストン４へ付与された力Ｆがなくなると、表面張力に抗して細孔８ａへ流入した液体７は、その表面張力により細孔８ａから多孔質体８の外へ流出する。これにより、ピストン４は逆に密閉空間３の容積を増大するように移動し、初期位置へと復帰する。このとき、多孔質体８はフィルタ６の細孔を通過せずに補助容器５の密閉空間３に留め置かれ、液体７のみがフィルタ６の細孔を通過する。したがって、このコロイダルダンパー１では、多孔質体８がシリンダ２の密閉空間３内へ流入しないので、シリンダ２とピストン４との摺動部９への多孔質体８の流入が防止される。

上記構成の加振装置２０では、モーター３１の正転および逆転を制御することで、ボールねじアクチュエーター３０のロッド３４の先端部に連結したコロイダルダンパー１等の加振対象物へ、設定された周期およびストロークで加振することが可能である。また、モーター３１を回転させることで、ボールねじアクチュエーター３０のロッド３４の先端部の初期位置を任意に変更することが可能であり、モーター３１の回転角度を調整することで、ロッド３４の先端部の初期位置の精密な調整が可能である。

また、ボールねじアクチュエーター３０では、モーター３１を回転させた分に応じてロッド３４が伸縮するため、ロッド３４のストロークはロッド３４の長さに依存する。そのため、コロイダルダンパー１等の加振対象物に応じて長いストロークを確保することが容易であり、長いストロークでの加振を行うことが可能である。

また、ボールねじアクチュエーター３０は、上述のようにモーター３１を回転させた分に応じてロッド３４が伸縮するため、伸縮させすぎた場合、コロイダルダンパー１等の加振対象物を破壊してしまう可能性がある。そこで、本実施形態における加振装置２０では、ロッド３４の先端部が設定された位置に到達したことを機械式リミットスイッチ６１ａ，６１ｂにより検出してモーター３１を停止させることで、必要以上にロッド３４が伸縮するのを防止して、コロイダルダンパー１等の加振対象物を保護する。このモーター３１を停止させる位置は、機械式リミットスイッチ６１ａ，６１ｂの位置を変更することで設定可能である。

なお、上記実施形態においては、ボールねじアクチュエーター３０および加振対象物（コロイダルダンパー１）を、それぞれのストローク方向が水平となるように土台６０上に固定しているが、これらは図５に示すように、任意の方向に配置することが可能である。図５のαは図１のＸＹ平面内でボールねじアクチュエーター３０の中心軸がＸ軸となす角度、βは図１のＺＸ平面内でボールねじアクチュエーター３０の中心軸がＸ軸となす角度、γは図１のＹＺ平面内でボールねじアクチュエーター３０の中心軸がＹ軸となす角度である。α、βおよびγは０°〜３６０°の範囲内で任意に選択可能である。

また、図６に示すように、複数のボールねじアクチュエーター３０を加振対象物７０と土台７１との間に並列配置することが可能である。ｎ個のボールねじアクチュエーター３０を並列配置することで、全てのボールねじアクチュエーター３０は並列的に働き、加振力をｎ倍に拡大することが可能である。あるいは、図７に示すように、複数のボールねじアクチュエーター３０を加振対象物７２に対して直列配置することが可能である。この場合、最も端の第１のボールねじアクチュエーター３０のみを土台７３に固定し、加振対象物７２との間の第２〜第ｎのボールねじアクチュエーター３０をレール等により軸方向にスライド可能に配置する。これにより、全てのボールねじアクチュエーター３０は直列的に働き、加振距離（ストローク）をｎ倍に拡大することができる。

また、図８に示すように、加振対象物７４に対して、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの２軸方向あるいは３軸方向からボールねじアクチュエーター３０により加振する構成とすることも可能である。これにより、２次元加振試験または３次元加振試験が可能となる。

また、図９に示すように、加振対象物７５に対して、ボールねじアクチュエーター３０を間隔Ｌで並列配置し、互いに逆方向に加振する構成とすることも可能である。これにより、加振対象物７５に対して１軸の回転加振試験を行うことが可能となる。あるいは、図１０に示すように、加振対象物７５に対して、ボールねじアクチュエーター３０を間隔Ｌで加振対象物７５を挟んで中心軸が平行となるように配置し、それぞれのボールねじアクチュエーター３０からみて同じ方向、すなわち加振対象物７５からみた場合には互いに逆方向に加振する構成とすることも可能である。これにより、図９の場合と同様に、加振対象物７５に対して１軸の回転加振試験を行うことが可能となる。なお、図示しないが、図８で説明したように、加振対象物７５に対して、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの２軸方向あるいは３軸方向から図９または図１０に示すようにボールねじアクチュエーター３０を配置することで、２軸あるいは３軸の回転加振試験を行うことも可能である。

このように、ボールねじアクチュエーター３０は加振対象物７５に対して任意の方向に複数個を設置することが容易であり、このようなボールねじアクチュエーター３０を用いた本実施形態における加振装置２０では、様々な条件により試験を行うことが可能である。

上記加振装置２０を用いて自動車の後輪懸架装置用コロイダルダンパー１の振動試験を行った。ボールねじアクチュエーター３０はＴｈｏｍｐｓｏｎ製の（型番：ＥＣＴ１３−６３ＮＳ０３ＰＢ４０１０）を用いた。このボールねじアクチュエーター３０の最大加振力は２１．５ｋＮ、最大伸縮距離は２，０００ｍｍ、最大走行速度は０．４４ｍ／ｓ、モーター３１の最大回転速度は１００Ｈｚである。なお、加振試験では、モーター３１の回転速度は、ｎ＝５，１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０，４５，５０，５５，６０Ｈｚ、伸縮サイクル（往復運動）の周期は、Ｔ＝０．６，０．８，１．０，１．２ｓとした。図１１は、ボールねじアクチュエーター３０の伸縮サイクルの波形を示している。

図２に示したコロイダルダンパー１は、中心軸が水平（Ｘ軸）方向になるように土台６０上に固定され、中心軸方向に対して密閉空間３がフィルタ６で左右に分割された結果、補助容器５側の密閉空間３が一定体積室（コロイド用容器）、シリンダ２側の密閉空間３が可変体積室（水容器）となっている。コロイダルダンパー１に使用する多孔質体８としてのシリカゲルは、多孔質体８の平均外径ｄ２が２０μｍ、細孔８ａの平均内径ｄ１が１１．６ｎｍ、細孔８ａの比表面積２０５ｍ²／ｇ、細孔８ａの比容積５８１ｍｍ³／ｇの特性を持ち、［（ＢＯＤＹ），（ＨＥＡＤ）］＝［ＣＦ₂，ＣＦ₃］、ｍ＝７、ならびに（ＢＡＳＥ）＝［ＣＦ₃］のような有機疎水物質（フッ素樹脂）で疎水化処理（疎水化処理分子の接合密度２．１ｇｒｏｕｐｓ／ｎｍ²）を行ったものである。なお、本実施例においては、中空部８ｂを持っていない多孔質体８を使用した。シリカゲルは、実験開始前にＭ＝８ｇを一定体積室に供給した。伸縮サイクルの周波数はモーター３１の回転速度と周期に関係するが、０．７−１．４Ｈｚの範囲内で変動していった。

図１に示す加振装置２０の変位計６２によりピストン４のストロークＳを、ロードセル３６により減衰力Ｆを、高圧力計１６によりシリンダ２内部の圧力ｐをそれぞれ測定し、ヒステリシス（ストロークと荷重との関係グラフ）の面積より、コロイダルダンパー１の散逸エネルギーＥを求めた。

図１２および図１３にＴ＝０．６ｓとｎ＝１０−６０Ｈｚの場合、図１４にＴ＝０．８ｓとｎ＝１０−４５Ｈｚの場合、図１５にＴ＝１．０ｓとｎ＝１０−３５Ｈｚの場合、図１６にＴ＝１．２ｓとｎ＝５−３０Ｈｚの場合のコロイダルダンパー１のヒステリシスを示した。高圧力計１６で測定したシリンダ２の内部の圧力ｐとピストン４の断面積との掛け算で得られた荷重（負の減衰力）はコロイドのみの影響を、ロードセル３６で得られた荷重（負の減衰力）はコロイドと共に働く摩擦の影響を表している。負の減衰力とは、コロイダルダンパー１が加圧（ロッド３４の伸長）時にエネルギーを吸収し、コロイダルダンパー１が減圧（ロッド３４の縮退）時にエネルギーの一部を還元することを言う。図１４（ｈ）、図１５（ｆ）および図１６（ｆ）を比較してみると、伸縮サイクルの周期Ｔを０．８ｓから１．２ｓまで増加した場合、コロイド溶液を働かせるための必要なモーター３１の回転速度が４５Ｈｚから３０Ｈｚまで減少することが分かる。モーター３１の回転速度が増加するにつれてピストン４のストロークＳが長くなるので、ヒステリシスの面積が大きくなる。しかし、ボールねじアクチュエーター３０の最大走行速度が制限されているので、Ｔ＝０．６ｓの場合、モーター３１の回転速度を５０Ｈｚから６０Ｈｚまで増加してもストロークＳが長くならないといった現象が起こる。ピストン停止時（０ｍｍと最大ストローク時）に、クーロン摩擦ヒステリシスのような縦方向の直線が見られる。

次に、図１２〜図１６からコロイドによる散逸量と摩擦による散逸量との割合を調べた。図１７（ａ）はＴ＝０．６ｓとｎ＝１０−６０Ｈｚの場合、図１７（ｃ）はＴ＝０．８ｓとｎ＝１０−４５Ｈｚの場合、図１７（ｅ）はＴ＝１．０ｓとｎ＝１０−３５Ｈｚの場合、図１７（ｇ）はＴ＝１．２ｓとｎ＝５−３０Ｈｚの場合の変位計６２で測定したピストン４のストロークと高圧力計１６で測定したシリンダ２の内部の圧力との関係グラフ(コロイドのみの影響)を示している。また、図１７（ｂ）はＴ＝０．６ｓとｎ＝１０−６０Ｈｚの場合、図１７（ｄ）はＴ＝０．８ｓとｎ＝１０−４５Ｈｚの場合、図１７（ｆ）はＴ＝１．０ｓとｎ＝１０−３５Ｈｚの場合、図１７（ｈ）はＴ＝１．２ｓとｎ＝５−３０Ｈｚの場合の変位計６２で測定したピストン４のストロークとロードセル３６で測定した減衰力との関係グラフ（コロイドと共に働く摩擦の影響）を示している。

図１７より、モーター３１の回転速度が増加すると、最大作動圧力（荷重）、最大ストローク、ならびにヒステリシスの面積が大きくなる。そこで、図１８（ａ）に様々なボールねじアクチュエーター３０の伸縮サイクル（コロイダルダンパー１の加圧・減圧サイクル）の周期においてモーター３１の回転速度とストロークとの関係を示す。逆に、モーター３１の回転速度が増加すると、加振装置２０の作動周波数が小さくなる（図１８（ｂ）参照。）。

図１８（ａ）より、通常は同じモーター３１の回転速度で周期が長くなると、ストロークが長くなっていることが分かる。しかし、加振装置２０の最大走行速度が制限されているので、Ｔ＝０．６ｓの場合、モーター３１の回転速度を５０Ｈｚから６０Ｈｚまで増加してもストロークが長くならない、といった現象が起こる。また、図１８（ａ）より、通常は同じモーター３１の回転速度で周期が長くなると、加振装置２０の作動周波数が低くなっていることが分かる。

様々なボールねじアクチュエーター３０の伸縮サイクル（コロイダルダンパー１の加圧・減圧サイクル）の周期において、図１９（ａ）にモーター３１の回転速度と部分散逸エネルギー（コロイドのみの影響：Ｅ_c）、図１９（ｂ）にモーター３１の回転速度と全体散逸エネルギーＥ_t（コロイドの影響：Ｅ_cと共に摩擦の影響：Ｅ_f）との関係を示す。図１８（ａ）と同様に、同じモーター３１の回転速度で周期が長くなると、散逸エネルギーが大きくなっているが、Ｔ＝０．６ｓの場合、限界速度がｎ＝５０Ｈｚとなることが分かる。

様々なボールねじアクチュエーター３０の伸縮サイクル（コロイダルダンパー１の加圧・減圧サイクル）の周期において、図２０（ａ）にコロイドによる無次元化散逸エネルギー（コロイドによる部分散逸エネルギーと全体散逸エネルギーとの比率）、図２０（ｂ）に摩擦による無次元化散逸エネルギー（摩擦による部分散逸エネルギーと全体散逸エネルギーとの比率）とモーター３１の回転速度との依存性を示した。図２０より、モーター３１の回転速度が上がるにつれてコロイドによる無次元化散逸エネルギーが増加する。逆に、摩擦による無次元化散逸エネルギーが減少することが分かる。しかし、あるモーター３１の回転速度（例：Ｔ＝０．６ｓの場合は３０Ｈｚ）を超えると、コロイドによる散逸エネルギーの割合は８２％前後、摩擦による散逸エネルギーの割合は１８％前後になることが明らかとなっている。

以上のように、振動実験開始前にコロイダルダンパー１のピストン４の初期位置を調整し、長いピストンストローク（５６ｍｍまで）の振動試験を行った。コロイドによる散逸量と摩擦による散逸量との割合を調べ、コロイダルダンパー１の散逸エネルギー転化メカニズムをより明らかにした。あるモーター３１の回転速度を超えると、コロイドによる散逸エネルギーの割合は８２％前後、摩擦による散逸エネルギーの割合は１８％前後となった。つまり、コロイド溶液が完全に働くような加振条件が分かった。

次に、加振装置２０を用いてコロイダルダンパー１の耐久性試験を行った。フィルタ６は一定体積室から疲労破壊した多孔質体８の浸透を防ぐため、フィルタ６のオリフィスの直径は２Ｒ₀＝２μｍのものを使用する。このようなコロイド用容器とフィルタ６の構造を用いると、応用的な立場より十分な寿命を有するコロイダルダンパー１が得られる。

このコロイダルダンパー１の振動実験を２時間程度続けると，コロイダルダンパー１の耐久性実験となる。実験ではコロイダルダンパー１を加振装置２０に設置し、モーター３１の回転速度：ｎ＝３５Ｈｚ、ならびに伸縮（加圧・減圧）サイクルの周期：Ｔ＝１．０ｓを制御装置４０で調整した。ピストン４を往復運動させることによってコロイドの加圧・減圧が得られる。

図１に示す加振装置２０の変位計６２によりピストン４のストロークＳを、ロードセル３６により減衰力Ｆ、高圧力計１６によりシリンダ２内部の圧力ｐをそれぞれ測定し、ヒステリシス（ストロークと荷重との関係グラフ）の面積より、時間経過に対してコロイダルダンパー１の散逸エネルギーＥを求めた。

Ｔ＝１．０ｓとｎ＝３５Ｈｚの加振条件において、図２１（ａ）は加振時間ｔ＝０ｍｉｎの場合、図２１（ｂ）は加振時間ｔ＝１５ｍｉｎの場合、図２１（ｃ）は加振時間ｔ＝３０ｍｉｎの場合、図２１（ｄ）は加振時間ｔ＝４５ｍｉｎの場合、図２２（ｅ）は加振時間ｔ＝６０ｍｉｎの場合、図２２（ｆ）は加振時間ｔ＝７５ｍｉｎの場合、図２２（ｇ）は加振時間ｔ＝９０ｍｉｎの場合、図２２（ｈ）は加振時間ｔ＝１０５ｍｉｎの場合、図２２（ｉ）は加振時間ｔ＝１２０ｍｉｎの場合のコロイダルダンパー１のヒステリシスを示している。

高圧力計１６で測定したシリンダ２の内部の圧力ｐとピストン４の断面積との掛け算で得られた荷重（負の減衰力）はコロイドのみの影響を、ロードセル３６で得られた荷重（負の減衰力）はコロイドと共に働く摩擦の影響を表している。加振時間の経過に対して一定の最大ピストンストロークＳ_max＝５６±０．０７ｍｍ、一定の作動周波数ｆ＝０．７±０．００５Ｈｚが得られたが、図２１および図２２に示すようにコロイダルダンパー１のヒステリシスの形状変化が見られた。そこで、簡便のため、様々な加振時間において、高圧力計１６で得られたヒステリシス、つまり、コロイドのみの影響を図２３に示し、ロードセル３６で得られたヒステリシス、つまり、コロイドと共に働く摩擦の影響を図２４に示した。

図２３および図２４によれば、加振時間経過に対するヒステリシスの形状は、（１）最大作動圧力の変化、（２）低圧領域では段差の発生、（３）多孔質体８（シリカゲル）の細孔８ａに液体７（水）が吸着時の段差に関する右ずれ、といった変化が見られた。最大作動圧力の変化をさらに明らかにするために、図２５に最大作動圧力と加振時間との関係グラフを示した。図２３〜図２５より、０−２０ｍｉｎの範囲内に最大作動圧力が増加するが、その後、単調的に減少することが見られる。原因として、加振実験ではコロイダルダンパー１の加熱が起こり、温度上昇に対して液体７（水）の膨張挙動と金属部分（シリンダ２、補助容器５、高圧力計１６に使用する継ぎ手等）の膨張挙動が異なることが考えられる。

体積変化ΔＴ＝Ｖ₀αΔＴ（αは体積膨張係数である。）は、温度変動ΔＴおよび初期体積Ｖ₀に比例する。そこで、０−２０ｍｉｎの範囲内に起こる現象を検討してみると、コロイドの初期体積が小さいが、コロイドの温度上昇速度が速い。水の高い温度変動の影響で、水の膨張速度が金属部品の膨張速度より高くなると考えられる。その結果、最大作動圧力が増加する。２０−１２０ｍｉｎの範囲内には、金属部品の高い初期体積の影響で、水の膨張速度が金属部品の膨張速度より低くなると考えられる。その結果、最大作動圧力が単調的に減少する。上記ヒステリシスの形状変化の（３）もこのような体積変化につながると考えられる。例えば、２０−１２０ｍｉｎの範囲内には、シリンダ２および補助容器５にある密閉空間３の体積が液体７（水）およびコロイド溶液の体積より大きくなるので、多孔質体８（シリカゲル）の細孔８ａに液体７（水）が吸着できるまで無駄なストロークが長くなると考えられる。ヒステリシスの形状変化の（２）の原因は、多孔質体８（シリカゲルの粒子）でフィルタ６の細孔が詰まって、低圧領域では段差が発生していったと考えられる。

図２６（ａ）は加振時間経過に対する部分散逸エネルギー（コロイドによる散逸：Ｅ_c）、および全体散逸エネルギー（コロイドによる散逸：Ｅ_c足す摩擦による散逸：Ｅ_f）の変化を示している。コロイダルダンパー１のヒステリシスの形状は大幅に変化したが、部分散逸エネルギーと共に全体散逸エネルギーが、特に４５−１２０ｍｉｎの範囲内に、ほとんど変動しないことが分かる。また、部分散逸エネルギーのグラフを縦軸に対して滑らせると、全体散逸エネルギーのグラフにほぼ重なるので、思ったように摩擦による散逸が加振時間経過に対してほぼ変動しないことが分かる。このような特徴は、図２６（ｂ）で、さらに確認できる。図２６（ｂ）は加振時間経過に対する無次元化散逸エネルギーの変化を示している。コロイドによる無次元化散逸エネルギーＥ_c／Ｅ_tが８１．５−８４．４％の範囲内、摩擦による無次元化散逸エネルギーＥ_f／Ｅ_tが１８．５−１５．６％の範囲内で変動した。

次に、本実施例の加振装置２０と従来の加振装置（比較例１（エアブロー装置および空気圧縮機を用いた電磁加振機）および比較例２（歯車油圧ポンプを用いた電動油圧加振機））との性能比較を行った。

図２７は電動油圧加振機（比較例２）にコロイダルダンパー１を装着した状態を示す断面図である。図２７に示すように、この試験装置は、コロイダルダンパー１のピストン４に圧力を加えるための低圧力シリンダ１８と、低圧力シリンダ１８を動作させるための油圧装置（手動ポンプおよび電動ポンプ）を、切替弁（図示せず。）を介してそれぞれに並列に接続する油圧装置用上ソケット１９ａおよび油圧装置用下ソケット１９ｂとを備える。

なお、このコロイダルダンパー１のピストン４の直径Ｄは２０ｍｍ、密閉空間３内の最大許容圧力は１２０ＭＰａである。また、低圧力シリンダ１８は、手動ポンプ１９ｃまたは電動ポンプ１９ｄのポンプ圧力の油圧アンプである。低圧力シリンダ１８の直径Ｄ_haは８０ｍｍであるため、ポンプ圧力の倍率は（Ｄ_ha／Ｄ）²＝１６となる。この試験装置では、手動ポンプ１９ｃを使用して、ピストン４の低速度（１０ｍｍ／ｓ以下）で静的試験を行うことができる。また、電動ポンプ１９ｄを使用して１０Ｈｚの周波数まで、つまり０．４ｍ／ｓの速度まで動的試験を行うことができる。なお、この試験装置では、ピストン４のデッドストロークを防ぐために、密閉空間３を初期的に加圧した後に、与えられた最大圧力の下での動的試験を行った。

図２８は大型電磁加振機（比較例１）にコロイダルダンパー１を装着した状態を示す平面図、図２９は正面図である。この試験装置では、図２７の低圧力シリンダ１８に代えて大型電磁加振機８０を使用する。大型電磁加振機８０は、地面８１にエア振動絶縁装置８２を介して立設された左支持部８３ａおよび右支持部８３ｂに対して水平方向の回転軸８４回りに回転可能に支持されたものである。コロイダルダンパー１は、左支持部８３ａおよび右支持部８３ｂ上に架け渡されたテーブル８５上にシリンダ２が固定され、ピストン４が大型電磁加振機８０の頭部に連結されている。

表１は、本実施例の加振装置２０（ボールねじ加振機）、比較例１の電磁加振機および比較例２の電動油圧加振機の性能比較の結果を示している。なお、騒音レベルの測定距離は１ｍとした。ｄＢ（Ａ）とは、騒音レベルのデシベル単位ｄＢにＡタイプの周波数重みフィルタをかけたものである。このような周波数重みフィルタを使用すると、低周波数域および高周波数域では人間の耳の周波数感度に合わせて騒音レベルのデシベル単位ｄＢが補正される。

表１の結果から、本実施例の加振装置２０（ボールねじ加振機）が最も騒音レベルが低く、安価であることが分かる。また、最大ストロークに関する誤差も小さく、初期位置の精密な調整が可能であることが分かる。

本発明の加振装置は、コロイダルダンパーその他のダンパー等の懸架装置などの機械や構造物等の加振対象物を加振させる装置として有用である。

１コロイダルダンパー
２シリンダ
３密閉空間
４ピストン
５補助容器
６フィルタ
６ａ銅製ガスケット
７液体
８多孔質体
８ａ細孔
８ｂ中空部
８ｃ多孔質体の外面
８ｄ多孔質体の細孔の内面
８ｅ多孔質体の中空部の内面
９摺動部
１０往復動用パッキン
１１バックアップリング
１２固定具
１３Ｏリング
１４メタル製リング
１５ダストシール
１６高圧力計
１７熱電対
１８低圧力シリンダ
１９ａ油圧装置用上ソケット
１９ｂ油圧装置用下ソケット
１９ｃ手動ポンプ
１９ｄ電動ポンプ
２０加振装置
３０ボールねじアクチュエーター
３１モーター
３２ボールねじ機構
３３ベルト歯車
３４ロッド
３５リミットスイッチ接触用継手
３６ロードセル
４０制御装置
６０土台
６１ａ，６１ｂ機械式リミットスイッチ
６２変位計
７０，７２，７４，７５加振対象物
７１，７３土台
８０大型電磁加振機
８１地面
８２エア振動絶縁装置
８３ａ左支持部
８３ｂ右支持部
８４回転軸
８５テーブル

Claims

モーターの回転運動をロッドの直線運動に変換するボールねじアクチュエーターであり、前記ロッドの先端部に加振対象物が連結されるボールねじアクチュエーターと、
前記モーターを制御する制御装置であり、設定された周期およびストロークで前記ロッドが往復運動するように前記モーターを正転および逆転させる制御装置と
を有する加振装置。
さらに、前記ロッドの先端部が設定された位置に到達したことを検出する機械式リミットスイッチを有し、
前記制御装置は、前記機械式リミットスイッチにより前記ロッドの先端部が設定された位置に到達したことが検出されると前記モーターを停止させるものである
請求項１記載の加振装置。