JP2006183761A - 圧電素子による振動抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子による振動抑制効果を増大させる。
【解決手段】 振動部材の機械エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子が前記振動部材に面を接して固定され、前記圧電素子で発生した電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電気的負荷が、前記圧電素子の電極に接続されている圧電素子による振動抑制装置において、前記圧電素子に、前記電極が、互いに独立した少なくとも二対設けられていることを特徴としており、電極を分割することで、２次以上の高次モード振動時における圧電素子で発生した電荷が相殺されるのを抑制することができるため、発生する電力を増大させることができ、振動抑制効果を増大させることができる。また、一つの圧電素子で複数次の振動に対応できるので、回路の構成を簡素化できる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、圧電素子を使用した振動抑制装置、特にパッシブ制振法を使用した振動抑制法に関する。

トランスミッションケース等の振動に起因する騒音を抑制するために、圧電素子を使用して、振動抑制を図る場合がある。この圧電素子を使用した振動抑制の方法は大きく分けて、アクティブ制振法とパッシブ制振法とに分けられる。このうち、パッシブ制振法は振動により圧電素子が駆動されると電流が発生し、圧電素子に接続されたインピーダンスによりその電流が、熱エネルギーに変換され、外界に放出されるように構成される。

パッシブ制振を行う場合、制振の対象となる構造体が振動している最も歪みの大きい部分に圧電素子を固定するのが効果的である。これにより、歪みによるエネルギーを最大限熱エネルギーに変換することができ、振動抑制効果が増大する。しかし、構造体の最大歪みとなる部分は、振動モードの次数によって異なるため、各次の振動を抑制するためには振動モードごとに複数の圧電素子を固定することになる。このような複数の圧電素子を固定した例が、特許文献１に記載されている。
特開２０００−３５７８２４号公報

特許文献１の発明によれば、圧電素子の電気的な接続を変えるだけで、複数の振動モードに容易に対応することができる。しかし、複数の圧電素子を固定することになり、また、その固定した圧電素子に対応する回路構成が複雑となるなどの問題がある。

この発明は、上記の技術的課題に着目したものであり、簡単な構成であり、しかも複数の次数の振動モードの振動を抑制しもしくは減衰させることのできる振動抑制装置を提供するものである。

上記の課題を解決するため、本発明は、単体の圧電素子で複数の振動モードに対応させるように構成されていることを特徴とするものである。具体的には請求項１の発明は、振動部材の機械エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子が前記振動部材に面を接して固定され、前記圧電素子で発生した電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電気的負荷が、前記圧電素子の電極に接続されている圧電素子による振動抑制装置において、前記圧電素子に、前記電極が、互いに独立した少なくとも二対設けられていることを特徴とする振動抑制装置である。

また、請求項２の発明は、請求項１において、前記互いに独立した少なくとも二対の電極が接続されている前記電気的負荷が、異なる共振周波数を持つ複数の共振回路と、前記振動部材の振動モードに応じて前記複数の共振回路を切り換える共振回路切換手段とを有することを特徴とする振動制御装置である。

さらに、請求項３の発明は、請求項１において、前記電気的負荷が、前記各対の電極に対応した複数の共振回路を有することを特徴とする振動抑制装置である。

請求項１の発明によれば、電極を分割することで、２次以上の高次モード振動時における圧電素子で発生した電荷が相殺されるのを抑制することができるため、発生する電力を増大させることができ、振動抑制効果を増大させることができる。また、一つの圧電素子で複数次の振動に対応できるので、回路の構成を簡素化できる。

また、請求項２の発明によれば、圧電素子で発生する振動モードに応じて、前記複数の共振回路が切り換えられる。したがって、振動モードに応じて外部回路を設ける必要がなく、回路の構成を簡素化することができる。

さらに、請求項３の発明によれば、電気的負荷が、分割された電極にそれぞれ対応した複数の共振回路を有している。したがって、分割された電極に発生した電荷に基づく電力がそれぞれの共振回路で消費され、熱エネルギーに変換されるので、制振効果を増大させることができる。

次にこの発明の実施の形態を説明する。図１はその具体例である。圧電素子１は構造体２、例えばトランスミッションカバー等に固定され、構造体２が振動することによって圧電素子１の厚みが変化し交流電流を発生させるように構成されている。また、圧電素子１にはその両面に電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが設けられ、電極３ａと電極３ｂとが同一面で分割されて設けられており、また、電極３ｃと電極３ｄとが同一面で分割されて設けられている。

構造体２は１次モードの振動以外に、その整数倍の高次の振動を生ずる場合があり、その高次振動にあわせて電極が分割されており、ここで説明する例では、２次モードで振動可能であり、好ましくは振動の節の部分で電極が電極３ａと電極３ｂとに、および電極３ｃと電極３ｄとに分割され、絶縁されている。また、電極３ａと電極３ｃとはインダクタンスＬ３と抵抗Ｒ４（外部回路６）とを介して連結されている。また、電極３ｂと電極３ｄとはインダクタンスＬ４と抵抗Ｒ５（外部回路７）とを介して接続されている。

構造体２における２次モードの振動に対しては、構造体２に固定された圧電素子１は２つの腹部、すなわち歪みが最も大きくなる部分を持つように振動する。そして、この二つの腹部はそれぞれ逆位相で振動するため、二つの腹部でそれぞれ逆の電荷が発生する。電極が分割されることにより、それぞれ逆の電荷によって電荷が相殺されることがなく、電極から外部回路に流れる電流が小さくなることが抑制されるので、振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率の低下を防止することができる。

すなわち、２次モード振動の節の部分で電極を分割すると、それぞれの腹部に発生した電荷が相殺されることなく外部回路に流れる。すなわち、図１においては電極３ａにはプラスの電荷が、電極３ｂにはマイナスの電荷が発生するが、両電極間が接続されていないために発生した電荷が相殺されずに外部回路に流れ出る。同様に電極３ｃと電極３ｄとに発生した電荷に基づく電流も相殺されずに流れ出る。したがって、電流がより多く流れることになり、振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を増大させることができる。

したがって、電極を分割することで、２次以上の高次モード振動時における圧電素子の腹部で発生した電荷が相殺されるのを抑制できるため、発生する電力を増大させることができ、振動抑制効果を増大させることができる。

また、電気的負荷が、分割された電極３ａ，３ｃおよび３ｂ，３ｄにそれぞれ対応した複数の共振回路である外部回路６および７を有している。したがって、分割された電極に発生した電荷に基づく電力がそれぞれの外部回路６および７で消費され、熱エネルギーに変換されるので、制振効果を増大させることができる。

上記実施例においては、二組の外部回路を使用したが、これを一組の外部回路とすることもできる。図２はその外部回路を一組とした実施例である。図２の例では、電極３ａと３ｃとがインダクタンスＬ５と、そのインダクタンスＬ５と直列に接続された抵抗Ｒ６とを介して接続されており、電極３ａが抵抗Ｒ６側に接続されている。また、電極３ｂと３ｄとがインダクタンスＬ５と、そのインダクタンスＬ５と直列に接続された抵抗Ｒ６とを介して接続されており、電極３ｄが抵抗Ｒ６側に接続されている。すなわち、インダクタンスＬ５と抵抗Ｒ６とが負荷として共通になっている。

この場合、２次モード振動に対する電極３ａで発生したプラスの電荷に基づく電流は抵抗Ｒ６側から外部回路に流入する。同様に電極３ｄで発生したプラスの電荷に基づく電流も抵抗Ｒ６側から外部回路に流入するので、負荷に流れる電流の向きは同一となり、圧電素子の左右で同一の負荷を使用することができ、外部回路を簡略化することができる。

図３は外部回路４を複数の周波数に対応可能なように構成した例である。電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは外部回路４に連結されている。外部回路４はコンデンサＣ１とダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とインダクタンスＬ１，Ｌ２より構成されており、圧電素子に対するインピーダンスとして作用する。なお、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ３はハイパスフィルタ５を構成している。

電極３ａと電極３ｂとはダイオードＤ４を介して接続され、電極３ａで発生した電流が電極３ｂに直接流れないようになっている。電極３ａは抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ１に直列に接続されたインダクタンスＬ１を介してダイオードＤ１のアノードおよびダイオードＤ２のアノードに接続されており、ダイオードＤ１のカソードは電極３ｄに接続されている。電極３ａはダイオードＤ３のカソードにも接続されており、ダイオードＤ３のアノードはダイオードＤ１のカソードに接続されている。なお、ダイオードＤ２のカソードは電極３ｂに接続されている。また、ダイオードＤ１のアノードは電極３ｃに接続されている。

電極３ａは抵抗Ｒ２とインダクタンスＬ２とを介してコンデンサＣの一方に接続されており、コンデンサの他方はダイオードＤ２のアノードに接続されている。また、コンデンサＣの一方には抵抗Ｒ３を介して電極３ａが接続されている。すなわち、抵抗Ｒ３と、インダクタンスＬ２と直列に接続された抵抗Ｒ２とが並列に接続されている。

図４の（ａ）に示すように、構造体２が一次モードで振動する場合、振動の腹は一つ表れる。そして、電極３ａにはプラスの電荷が発生し、電極３ｃ，電極３ｄにはマイナスの電荷が発生する。電極３ａに発生した電荷に基づく電流は外部回路４に抵抗Ｒ１側から流入するが、構造体２は一次モードで振動しており、振動周波数が低いためハイパスフィルタ５の作用によりインダクタンスＬ２および抵抗Ｒ２には電流が流れない。したがって、一次モードでの圧電素子１の振動周波数と外部回路４の共振周波数とを一致させるように、インダクタンスＬ１と抵抗Ｒ１との定数を決定することで、一次モードで振動する時の振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を増大させることができる。

さらに、図４の（ｂ）に示すように、構造体２の二次モード振動に対しては、電極３ａにプラスの電荷が発生し、電極３ｂ、電極３ｃにマイナスの電荷が発生する。電極３ａに発生したプラスの電荷に基づく電流は、一次モード振動に対しての場合と同様、外部回路４に抵抗Ｒ１側から流入するが、構造体２の二次モード振動に対しては、振動周波数が高いためハイパスフィルタ５の作用によりインダクタンスＬ２および抵抗Ｒ２にも電流が流れる。したがって、二次モードでの圧電素子１の振動周波数と外部回路４の共振周波数とを一致させるように、インダクタンスＬ１，Ｌ２と抵抗Ｒ１，Ｒ２とを決定することで、二次モード振動に対する運動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を増大させることができる。

すなわち、圧電素子１の振動モードに応じて外部回路４の回路定数が変更されるので、各振動モードに最適の回路定数が選択され、どのような振動モードであっても振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を増大させることができる。

図４においては、振動モードに応じた回路定数の選択にハイパスフィルタを使用したが、このハイパスフィルタに変えてローパスフィルタを使用してもよい。図５はこのローパスフィルタを使用して外部回路４を構成した例である。

図５は外部回路４を複数の周波数に対応可能なように構成した例である。電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは外部回路４に連結されている。外部回路４はコンデンサＣ２とダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８と抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９とインダクタンスＬ６，Ｌ７より構成されており、圧電素子に対するインピーダンスとして作用する。なお、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ８はローパスフィルタ９を構成している。

電極３ａと電極３ｂとはダイオードＤ８を介して接続され、電極３ａで発生した電流が電極３ｂに直接流れないようになっている。電極３ａは抵抗Ｒ７および抵抗Ｒ７に直列に連結されたインダクタンスＬ７を介してダイオードＤ６のアノードおよびダイオードＤ５のアノードに接続されており、ダイオードＤ５のカソードは電極３ｄに接続されている。電極３ａはダイオードＤ７のカソードにも接続されており、ダイオードＤ７のアノードはダイオードＤ５のカソードに接続されている。なお、ダイオードＤ６のカソードは電極３ｂに接続されている。また、ダイオードＤ５のアノードは電極３ｃに接続されている。

電極３ａは抵抗Ｒ７とインダクタンスＬ７とを介してコンデンサＣ２の一方に接続されており、コンデンサの他方は抵抗Ｒ８を介してダイオードＤ６のアノードに接続されている。そして、コンデンサＣ２と並列に、抵抗Ｒ９と直列に接続されたインダクタンスＬ６が接続されている。

図５の（ａ）に示すように、構造体２が一次モードで振動する場合、振動の腹は一つ表れる。そして、電極３ａ、にはプラスの電荷が発生し、電極３ｃ、電極３ｄにはマイナスの電荷が発生する。電極３ａに発生した電荷に基づく電流は外部回路４に抵抗Ｒ７側から流入するが、構造体２は一次モードで振動しており、振動周波数が低いためローパスフィルタ９の作用により抵抗Ｒ９およびインダクタンスＬ６にも電流が流れる。したがって、一次モードでの圧電素子の振動周波数と外部回路４の共振周波数とを一致させるように、インダクタンスＬ６，Ｌ７と抵抗Ｒ７，Ｒ９との定数をを決定することで、一次モードで振動する時の振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を増大させることができる。

さらに、図５の（ｂ）に示すように、構造体２の二次モード振動に対しては、電極３ａにプラスの電荷が発生し、電極３ｂ、電極３ｃにマイナスの電荷が発生する。電極３ａに発生したプラスの電荷に基づく電流は、一次モード振動の場合と同様、外部回路４に抵抗Ｒ７側から流入するが、構造体２の二次モード振動に対しては、振動周波数が高いためローパスフィルタ９の作用によりインダクタンスＬ７および抵抗Ｒ７のみに電流が流れる。したがって、二次モードでの圧電素子の振動周波数と外部回路４の共振周波数とを一致させるように、インダクタンスＬ７と抵抗Ｒ７との定数を決定することで、二次モードで振動する時の振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を増大させることができる。

すなわち、圧電素子１の振動モードに応じて外部回路４の回路定数が変更されるので、各振動モードに最適の回路定数が選択され、どのような振動モードであっても振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を増大させることができる。なお、ハイパスフィルタ５、またはローパスフィルタ９が請求項２における共振回路切換手段に相当し、切換点はＣ１，Ｒ３またはＣ２，Ｒ８の定数により適宜設定することができる。

圧電素子の電極を分割した場合で、外部回路のインピーダンスを独立した二組のものとした例を示す説明図である。 外部回路のインピーダンスを一組とした例を示す説明図である。 複数の振動モードに対応した振動抑制装置の一例を示す説明図である。 その外部回路に流れる電流の向きを図示した例を示す説明図である。 外部回路にローパスフィルタを使用した例を示す説明図である。

符号の説明

１…圧電素子、 ２…構造体、 ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…電極、 ４，６，７，８…外部回路、 ５…ハイパスフィルタ、 ９…ローパスフィルタ。

Claims (3)

1. 振動部材の機械エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子が前記振動部材に面を接して固定され、前記圧電素子で発生した電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電気的負荷が、前記圧電素子の電極に接続されている圧電素子による振動抑制装置において、
   前記圧電素子に、前記電極が、互いに独立した少なくとも二対設けられていることを特徴とする圧電素子による振動抑制装置。
2. 前記互いに独立した少なくとも二対の電極が接続されている前記電気的負荷が、異なる共振周波数を持つ複数の共振回路と、前記振動部材の振動モードに応じて前記複数の共振回路を切り換える共振回路切換手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子による振動制御装置。
3. 前記電気的負荷が、前記各対の電極に対応した複数の共振回路を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子による振動抑制装置。

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