CN111379817B - 板状部件的减振装置 - Google Patents

Abstract

提供一种板状部件的减振装置，具有压电元件致动器、压电元件传感器以及控制电路，其能够在振动频率为规定值以下的范围内防止振动的增幅，增大反馈增益，降低伴随抑制振动而产生的噪音。板状部件的减振装置具有：多个压电元件致动器；至少一个压电元件传感器；和为了抑制板状部件的振动而基于压电元件传感器的输出电压来对多个压电元件致动器的工作进行反馈控制的控制电路。设定压电元件传感器以及压电元件致动器的布局，使得在板状部件的振动频率为规定值以下的范围内，在压电元件传感器的输出电压中发生反共振，因此能够防止该频率中发生噪声。因为能够由此在控制对象频率中提高增益，所以能够抑制振动并改善噪音。

Description

板状部件的减振装置

技术领域

本发明涉及板状部件的减振装置，其具有：配置于板状部件的表面的多个压电元件致动器；在板状部件的表面的被多个压电元件致动器夹着的位置上配置的至少一个压电元件传感器；和为了抑制板状部件的振动而基于压电元件传感器的输出电压来对多个压电元件致动器的工作进行反馈控制的控制电路。

背景技术

通过如下的专利文献1已知一种减振装置，在汽车的悬架装置的阻尼器的周壁面固定有压电元件传感器(检测用压电元件)和压电元件致动器(减振用压电元件)，压电元件传感器检测伴随阻尼器振动而产生的自身变形并将其作为电压信号，将该电压信号由增幅回路增幅来驱动压电元件致动器，由此使阻尼器伸缩来抑制上述振动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014－206257号公报

发明内容

但是，若将压电元件致动器以及压电元件传感器固定于板状部件的表面，该压电元件传感器检测根据板状部件的膜面振动而在板的表面发生的歪曲，基于该压电元件传感器所输出的电压信号而从回路对向压电元件致动器的输入进行反馈控制，则能够抑制板状部件的振动，并改善伴随振动而产生的噪音。

为了使压电元件致动器发挥减振效果，需要将反馈增益设定得比0dB大，但如在具体实施方式一栏所具体说明地那样具有如下的问题：若为了进一步得到减振量而将反馈增益设定得大，则在100Hz以下的频率范围中振动被增幅而产生噪声。

本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种板状部件的减振装置，具有压电元件致动器、压电元件传感器以及控制电路，其能够在振动频率为规定值以下的范围内防止振动的增幅，增大反馈增益，降低伴随抑制振动而产生的噪音。

为了实现上述目的，根据技术方案1所述的发明，提出一种板状部件的减振装置，该减振装置具有：配置于板状部件的表面的多个压电元件致动器；在所述板状部件的表面的被所述多个压电元件致动器夹着的位置上配置的至少一个压电元件传感器；和为了抑制所述板状部件的振动而基于所述压电元件传感器的输出电压来对所述多个压电元件致动器的工作进行反馈控制的控制电路，该板状部件的减振装置的特征在于，设定所述压电元件传感器以及所述压电元件致动器的布局，使得在所述板状部件的振动频率为规定值以下的范围内，在所述压电元件传感器的输出电压中发生反共振。

另外，根据技术方案2所述的发明，在技术方案1的构成的基础上，提出一种板状部件的减振装置，其特征在于，所述压电元件致动器的个数为两个，所述压电元件传感器的个数为一个。

另外，根据技术方案3所述的发明，在技术方案1的构成的基础上，提出一种板状部件的减振装置，其特征在于，所述压电元件传感器的个数为多个，所述多个压电元件传感器以串联、并联、或者串并联组合的方式电连接。

另外，根据技术方案4所述的发明，在技术方案1～3中任一项构成的基础上，提出一种板状部件的减振装置，其特征在于，将所述压电元件致动器固定于所述板状部件的一个表面，将所述压电元件传感器固定于所述板状部件的另一个表面。

另外，根据技术方案5所述的发明，在技术方案1～4中任一项构成的基础上，提出一种板状部件的减振装置，其特征在于，所述压电元件致动器的个数为多个，将所述多个压电元件致动器固定于所述板状部件的一个表面以及另一个表面的双方。

发明效果

根据技术方案1的构成，板状部件的减振装置具有：配置于板状部件的多个压电元件致动器；在板状部件的表面的被多个压电元件致动器夹着的位置上配置的至少一个压电元件传感器；和为了抑制板状部件的振动而基于压电元件传感器的输出电压来对多个压电元件致动器的工作进行反馈控制的控制电路，因此能够降低伴随板状部件的振动抑制而产生的噪音。

设定压电元件传感器以及压电元件致动器的布局，使得在板状部件的振动频率为规定值以下的范围内，在压电元件传感器的输出电压中发生反共振，因此能够在板状部件的振动频率为规定值以下的范围内发生反共振而防止发生噪声，并增大反馈增益，能够进一步降低伴随振动抑制所产生的噪音。

另外，根据技术方案2的构成，压电元件致动器的个数为两个，压电元件传感器的个数为一个，因此将压电元件致动器以及压电元件传感器的个数设为最小个数而能够削减零件数量以及成本。

另外，根据技术方案3的构成，压电元件传感器的个数为多个，多个压电元件传感器以串联、并联、或者串并联组合的方式电连接，因此能够增加调整压电元件传感器的输出电压时的设定自由度。

另外，根据技术方案4的构成，将压电元件致动器固定于板状部件的一个表面，将压电元件传感器固定于板状部件的另一个表面，因此能够防止压电元件致动器以及压电元件传感器的干涉而增加布局的自由度。

另外，根据技术方案5的构成，压电元件致动器的个数为多个，将多个压电元件致动器固定于板状部件的一个表面以及另一个表面的双方，因此能够增加由压电元件致动器施加的减振力。

附图说明

图1是表示具有传感器和致动器的板状部件的图。(第1实施方式)

图2是表示减振装置的整体构成的图。(第1实施方式)

图3是减振装置的控制框线图。(第1实施方式)

图4是减振装置的控制系统的开环传递函数的波特线图。(第1实施方式)

图5是表示100Hz以下的低频率范围中的致动器振动时的板状部件的变形状态的、图1的A－A线剖视图以及B－B线剖视图。(第1实施方式)

图6是压电元件传感器的输出电压反转的原理的说明图。(第1实施方式)

图7是设定压电元件致动器以及压电元件传感器的布局的方法的说明图。(第1实施方式)

图8是表示具有减振装置的板状部件的图。(第2实施方式)

附图标记说明

11 板状部件

14 压电元件致动器

15 压电元件传感器

17 控制电路

具体实施方式

【第1实施方式】

以下，基于图1～图7来说明本发明的第1实施方式。

如图1以及图2所示，适用了本发明的减振装置的板状部件11由碳纤维强化树脂制的矩形状板构成，金属制框架12经由比其充分低的弹性材料来支承该板状部件的外周部，该金属制框架12与振动装置13连接而以各种频率振动。对因振动装置13而振动的板状部件11进行减振的减振装置具有：两个矩形片状的压电元件致动器14；一个矩形片状的压电元件传感器15；电源16；和基于压电元件传感器15的输出来控制压电元件致动器14的工作的控制电路17。

一个压电元件传感器15通过粘接而固定于板状部件11的一个表面(例如上表面)的中央部，两个压电元件致动器14以从两侧夹着一个压电元件传感器15的方式通过粘接而固定于板状部件11的上表面。

压电元件传感器15固定于因振动装置13而沿上下方向进行膜面振动的板状部件11的上表面，因此当板状部件11向上方凸状弯曲时压电元件传感器15被拉伸而输出负电压，相反地当板状部件11向下方凸状弯曲时压电元件传感器15被压缩而输出正电压。

压电元件致动器14固定于板状部件11的上表面，因此若当板状部件11向上方凸状弯曲时向压电元件致动器14施加正电压而使其向面内方向收缩，则产生抑制板状部件11的上述弯曲的减振力，相反地若当板状部件11向下方凸状弯曲时向压电元件致动器14施加负电压而使其向面内方向伸长，则产生抑制板状部件11的上述弯曲的减振力。

因此，控制电路17对压电元件致动器14的伸缩进行反馈控制，使得由对因板的弯曲振动产生的板表面的歪曲进行检测的压电元件传感器15所检测到的板状部件11的歪曲收束于零，由此能够对板状部件11的振动进行减振。

在板状部件11特别地大幅振动的一次共振模式和三次共振模式中，板状部件11的中央部成为振动核心而振幅变得最大，但通过将压电元件传感器15配置于该位置，能够可靠地检测板状部件11的歪曲，并对因共振而被增幅的振动有效地减振。

在图3所示的控制系统的框线图中，P(s)[V/V]是压电元件传感器15所输出的电压相对于输入至压电元件致动器14的电压的传递函数，C(s)[V/V]是输入至压电元件致动器14的电压相对于压电元件传感器15所输出的电压的传递函数，SA(s)[V/m/s²]是因振动装置13振动时的传感器电压/加速度传递函数，AS(s)[V/m/s²]是因压电元件致动器14振动时的加速度/传感器电压传递函数。

被表示为压电元件传感器/压电元件致动器(SNS/ACT)传递函数的P(s)是根据压电元件致动器14以及压电元件传感器15的尺寸、形状、位置关系、即布局所决定的。控制电路17的传递函数、即C(s)规定控制电路17的增幅量。SA(s)以及AS(s)大体上处于倒数关系，由此决定控制系统的减振性能的开环传递函数以[C(s)×P(s)]来表示。

图4是开环传递函数[C(s)×P(s)]的波特线图，图4的(A)是针对板状部件11的振动频率的增益线图，图4的(B)是针对板状部件11的振动频率的相位线图。虚线表示特性P(s)，点划线表示控制电路17内的增幅装置18增幅后的特性，实线表示100Hz以下的防止发生噪声和基于控制电路17的增幅执行后的特性。

根据后述的高通滤波器的效果，在100Hz以下的防止发生噪声频率范围中，如单点划线所示地产生了增益的降低和相位的变化。

为了使压电元件致动器14发挥有效的减振功能，需要增益比0dB大、且相位差处于－90°～90゜的范围，但由虚线所示的增幅前的特性中，增益不足0dB，由此需要通过增幅而使增益变得比0dB大而成为点划线的状态。但是，在为了振动降低而增大反馈增益，而使增益变得比0dB大的情况下，在振动频率为100Hz以下的频率范围中相位差会大幅脱离－90°～90゜的范围而超过180°，在该频率范围中振动被增幅而产生噪声。

相位差超过180°的理由为如下所述。在压电元件传感器15的输出中，因温度变化和静力变形的影响而无法避免地会包括直流成分，若在包括直流成分的状态下对压电元件传感器15的输出的振动成分进行增幅，则会到达增幅器的增幅界限，由此需要使用高通滤波器去除直流成分。但是，当使用高通滤波器时，不仅增益降低而且相位变化，由此若使用两个以上的高通滤波器，则相位差会超过180°。

本发明通过压电元件致动器14以及压电元件传感器15的布局来解决上述的100Hz以下的噪声发生。

图5表示在频率为100Hz以下的频率范围中，通过贴附于板状部件11的表面的压电元件致动器14而使板状部件11朝上凸状变形的状态。

此时，如图5的(A)所示，当对压电元件致动器14施加负电压而使其向面内方向伸展时，在板状部件11的从压电元件致动器14通过的截面(图1的A－A截面)中，以隔着板状部件11的中心的方式分开配置有两个压电元件致动器14，由此被两个压电元件致动器14夹着的板状部件11的中心部局部地朝下凸状变形。另一方面，如图5的(B)所示，在板状部件11的没有从压电元件致动器14通过的截面(图1的B－B截面)中，没有发生上述的板状部件11的逆向变形，板状部件11单纯地朝上凸状变形。

由此，固定于板状部件11的中心的压电元件传感器15不仅整体被拉伸，而且在发生上述逆向变形的部分中被压缩，在压电元件传感器15中，向面内被拉伸而产生正电压的部分、和向面内被压缩而产生负电压的部分混合存在。产生正电压的部分随着接近一次模式的峰值频率而成为优位，因此电压的极性能够在低频范围中从负电压为优位的状态发生反转而产生反共振。

即，图6的(A)表示板状部件11的从两个压电元件致动器14以及压电元件传感器15通过的截面，在一次共振频率以下的频率中，针对固定于板状部件11的中央部的压电元件传感器15，其两侧部成为顺弯曲状态(板状部件11整体的变形方向。本图的情况下为朝上凸状)并输出正电压，其中央部成为逆弯曲状态(向与板状部件11整体的变形方向相反的方向。本图的情况下为朝下凸状)并输出负电压。此时，逆弯曲比顺弯曲强，因此作为板状部件11整体而输出负电压。

当振动频率向规定频率(在实施方式中，大约10Hz)增加时，如图6的(B)所示，压电元件传感器15的顺弯曲以及逆弯曲发生拮抗，板状部件11的输出电压成为零。当振动频率进一步增加并接近一次共振频率时，如图6的(C)所示，压电元件传感器15的中央的逆弯曲部分几乎消失，顺弯曲变得比逆弯曲强，由此作为板状部件11整体而输出正电压。

当这样地在100Hz以下的频率范围内的规定频率中，压电元件传感器15的输出电压抵消时，发生反共振，如图4的(A)的增益线图中由实线所示地那样，增益取极小值，且如图4的(B)的相位线图中由实线所示地那样，相位差的附图标记从正向负反转并收在－90゜～90゜的范围内，由此抑制振动的增幅。由此，能够防止100Hz以下的振动的增幅，因此能够将压电元件传感器15的输出电压充分地增幅并在几十Hz～1000Hz的控制对象频率范围内有效抑制板状部件11的振动，并改善与其伴随的噪音特性。

仅仅在板状部件11的中央部配置压电元件传感器15，并以夹着该压电元件传感器15的方式配置两个压电元件致动器14的话，不会肯定发生上述的压电元件传感器15的输出电压的反转，为了产生压电元件传感器15的输出电压的反转，而需要调整压电元件致动器14以及压电元件传感器15的尺寸、形状、位置关系、即布局。

图7的(A)表示在具有10mm的间隔沿纵向排列设置的两个压电元件致动器14之间配置有纵宽为7mm且横宽W为5mm～10mm的压电元件传感器15的情况。图7的(B)表示使振动频率变化时的压电元件传感器15的输出特性，当将压电元件传感器15的横宽W设定为7mm时，在100Hz以下的频率范围中压电元件传感器15的输出电压增益大幅降低，随之压电元件传感器15的输出电压的相位反转。

因此，通过调整压电元件致动器14以及压电元件传感器15的布局，能够在100Hz以下的频率范围中使压电元件传感器15的顺弯曲部分以及逆弯曲部分的比例变化，将压电元件传感器15的输出电压反转而产生反共振。

如上所述，根据本实施方式，通过使用两个压电元件致动器14以及一个压电元件传感器15，能够将压电元件致动器14以及压电元件传感器15的个数抑制为最小限度，可使构造的简洁化以及轻量化并降低成本。

并且，在引起板状部件11的噪声发生的频率范围中在压电元件传感器15的输出电压中产生反共振，由此能够有效发挥比该频率范围高的频率范围中的减振效果而抑制振动，改善与其伴随的噪音。

【第2实施方式】

接下来，基于图8说明本发明的第2实施方式。

第1实施方式的减振装置具有两个压电元件致动器14和一个压电元件传感器15，但第2实施方式的减振装置具有四个压电元件致动器14和四个压电元件传感器15。在被分别形成为矩形状的四个压电元件致动器14所夹着的位置上，以十字状配置有分别形成为带状的四个压电元件传感器15，这些压电元件传感器15以串联、并联、或者串联组合的方式(例如，在将两条并联连接之后将剩下的两条串联连接。)电连接。并且，四个压电元件传感器15的长度被设定为能够在100Hz以下的频率范围内、在四个压电元件传感器15整体的输出电压中产生反共振。

根据第2实施方式，通过将多个压电元件传感器15以串联、并联或者串联组合的方式电连接，与压电元件传感器15的个数为一个的情况相比，能够提高多个压电元件传感器15整体的输出电压的设定自由度。例如，若产生反共振的频率过高而接近一次共振频率(在实施方式中，大约80Hz)时，具有无法通过反共振对一次共振的大幅振动有效进行减振的担忧，但在这种情况下，变更多个压电元件传感器15的连接方式，由此能够简单地降低反共振频率而将其调整至所希望的值。

以上，说明了本发明实施方式，但本发明在不脱离其主旨的范围内能够进行各种设计变更。

例如，在实施方式中，在板状部件11的同一侧表面固定有压电元件致动器14以及压电元件传感器15，但也可以为，将压电元件致动器14固定于板状部件11的一个表面，将压电元件传感器15固定于板状部件11的另一个表面。若这样做，防止压电元件致动器14以及压电元件传感器15的干涉并增加布局的自由度。但是，压电元件传感器15的输出电压的极性是会根据其固定于哪一侧表面而变化的，因此需要根据压电元件传感器15所固定的表面，在控制电路17中处理压电元件传感器15的输出电压的极性。

此外，不论将压电元件致动器14以及压电元件传感器15固定于板状部件11的哪一个表面，希望将压电元件致动器14以及压电元件传感器15配置于不同的位置(从与板状部件11的表面正交的方向来看不重叠的位置)。其理由为：若将压电元件致动器14以及压电元件传感器15配置于相同的位置，则压电元件传感器15会优选检测到因压电元件致动器14产生的歪曲，难以检测到因干扰而产生的歪曲，减振性能会降低。

另外，压电元件致动器14的数量以及压电元件传感器15的数量并非限定于实施方式，压电元件致动器14的数量只要为多个即可，压电元件传感器15的数量只要为至少一个以上即可。

另外，若将多个压电元件致动器14固定于板状部件11的一个表面以及另一个表面的双方，则能够增加基于压电元件致动器14的减振力而进一步提高减振性能。

另外，板状部件11的材质并不限于实施方式的碳纤维强化树脂板，也可以为其他种类的纤维强化树脂板、或钢板、铝板等任意的金属板。

另外，在实施方式中，通过粘接将压电元件致动器14以及压电元件传感器15固定于板状部件11，但能够用粘接以外的方法固定，也能够拆装自如地安装。

Claims (6)

1.一种板状部件的减振装置，该减振装置具有：隔着规定间隔沿纵向排列配置于板状部件（11）的表面的多个压电元件致动器（14）；在所述板状部件（11）的表面的被所述多个压电元件致动器（14）夹着的位置上配置的至少一个压电元件传感器（15）；和为了抑制所述板状部件（11）的振动而基于所述压电元件传感器（15）的输出电压来对所述多个压电元件致动器（14）的工作进行反馈控制的控制电路（17），该板状部件的减振装置的特征在于，

在所述板状部件（11）的振动频率为规定值以下的范围内，使所述压电元件传感器的一部分以向规定的变形方向突出的方式变形，并且使所述压电元件传感器的另一部分向与所述规定的变形方向相反的变形方向突出的方式变形，由此在所述压电元件传感器（15）的输出电压中发生反共振。

2.根据权利要求1所述的板状部件的减振装置，其特征在于，

所述压电元件致动器（14）的个数为两个，所述压电元件传感器（15）的个数为一个。

3.根据权利要求1所述的板状部件的减振装置，其特征在于，

所述压电元件传感器（15）的个数为多个，所述多个压电元件传感器（15）以串联、并联、或者串并联组合的方式电连接。

4.根据权利要求1~3中任一项所述的板状部件的减振装置，其特征在于，

将所述压电元件致动器（14）固定于所述板状部件（11）的一个表面，将所述压电元件传感器（15）固定于所述板状部件（11）的另一个表面。

5.根据权利要求1~3中任一项所述的板状部件的减振装置，其特征在于，

所述压电元件致动器（14）的个数为多个，将所述多个压电元件致动器（14）固定于所述板状部件（11）的一个表面以及另一个表面的双方。

6.根据权利要求4所述的板状部件的减振装置，其特征在于，

所述压电元件致动器（14）的个数为多个，将所述多个压电元件致动器（14）固定于所述板状部件（11）的一个表面以及另一个表面的双方。

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