JP2006342864A

JP2006342864A - 振動抑制装置

Info

Publication number: JP2006342864A
Application number: JP2005168064A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Amano; 浩之天野; Makoto Funahashi; 眞舟橋; Hiroshi Fujito; 宏藤戸; Katsunobu Mitsune; 勝信三根
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2006-12-21

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】振動により与えられる歪みに応じた電圧を発生する第１の圧電素子２２と、印加された電圧に応じた歪みを発生し、振動を抑制する第２の圧電素子２５とを有し、振動発生源の一方の面に前記第１の圧電素子２２を設け、かつ振動発生源の他方の面に前記第２の圧電素子２５を設けるとともに、第１の圧電素子２２と第２の圧電素子２５とが、トランス３０を介して接続されており、第１の圧電素子２２に振動により歪みが加えられた場合、第２の圧電素子２５を負荷としてパッシブ制振が行われる。また、負荷が第２の圧電素子２５となっているので、第２の圧電素子２５に電圧が加えられ、第２の圧電素子２５はアクティブ制振がおこなわれる。このため、アクティブ制振とパッシブ制振が同一の振動発生源に対しておこなわれるので、振動抑制効果を増大させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、圧電素子を使用した機械の振動を抑制する振動抑制装置に関するものである。

トランスミッションケース等の振動による車両のノイズや、ブレーキ時の「鳴き」を抑制するために、振動発生部位に圧電素子を設けて振動を抑制することが考えられる。この圧電素子による振動抑制には、大きく分けてパッシブ制振とアクティブ制振との２つの方法が考えられる。パッシブ制振は、振動発生部位の圧電素子に共振回路を接続し、この共振回路を共振させることで、回路全体のインピーダンスを最低にし、回路に流れる電流を最大化させることにより、圧電素子により電気エネルギーに変換された振動エネルギーをインピーダンスで消費させて制振をおこなうものである。一方、アクティブ制振は圧電素子に振動発生部位の変位とは逆位相の電圧を加えて、圧電素子の変位で振動発生部位の変位を相殺し、制振を行うものである。

パッシブ制振は、回路の構成が簡単なので、コストを下げることができるが、制振効果が低い。一方、アクティブ制振は制振効果が高いが、外部からエネルギーを付加しなければならず、また、位相制御が必要になる。そこで、この両者を組み合わせることが考えられる。

例えば、特許文献１の発明は、インダクタンスを有する共鳴回路の共鳴周波数が減衰されるべき構成要素の機械的振動周波数に実質的に調整されるように、少なくとも２つの圧電素子が上記共鳴回路内にて並列に接続されている。そして、１つの圧電要素は、圧電効果のため、電圧を発生させることができ、この電圧は電気ひずみ（すなわち、逆圧電効果）に基づいて、他の圧電要素に印加され、上記圧電要素を機械的に振動させ、従って、装置の構成要素の振動を減衰させるように構成されている。

また、非特許文献１の発明は、振動部位の表と裏とに圧電素子が張り付けられており、そのいずれの圧電素子にも分岐回路が接続されているように構成されている。
特表２００２−５３１７８３号公報日本機械学会論文集（Ｃ編）６６巻６４４号論文Ｎ０．９９−０３８２

しかし、特許文献１の発明では、実際に制振部位に制振作用を及ぼすのは電圧が入力される圧電素子のみであり、電圧を発生させる圧電素子は有効に利用されていない。また、非特許文献１の発明は、パッシブ制振であり、アクティブ制振ほどの振動抑制効果を得ることができないという問題点がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、圧電素子による振動抑制効果を増大させる振動抑制装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本願発明は、２つの圧電素子を使用する装置であって、一方の圧電素子により発生した電圧を増大させて他方の圧電素子に付加するように構成されていることを特徴とする。より具体的には、請求項１の発明は、機械的振動により与えられる歪みに応じた電圧を発生する第１の圧電素子と、印加された電圧に応じた歪みを発生し、機械的振動を抑制する第２の圧電素子とを有する振動抑制装置において、前記機械的振動を生じる振動発生源の一方の面に前記第１の圧電素子を設け、かつ前記振動発生源の他方の面に前記第２の圧電素子を設けるとともに、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とが、電気回路を介して接続さ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、前記電気回路が前記第１の圧電素子で発生した電圧を昇圧し、前記第２の圧電素子に印加する昇圧手段を含んでいることを特徴とする振動抑制装置である。

さらに、請求項３の発明は、請求項１または２のいずれかにおいて、前記昇圧手段は受動素子のみにより構成されていることを特徴とする振動抑制装置である。

そして、請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とで分極方向が異なっ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５の発明は、請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記第１の圧電素子が振動発生源の振動を抑制する力と平行する方向で分極されているとともに、前記第２の圧電素子が振動発生源の振動を抑制する力を発生させる方向と垂直となる方向で分極されていることを特徴とする振動抑制装置である。

さらに、請求項６の発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記第１の圧電素子が振動発生源の振動を抑制する力と平行する方向で分極されている第１の部分と、振動発生源の振動を抑制する力を発生させる方向と垂直となる方向で分極されている第２の部分とから構成され、前記第１の部分の電極と前記第２の圧電素子の一方の面の電極とが接続され、前記第２の部分の電極と前記第２の圧電素子の他方の面の電極とが接続さ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７の発明は、請求項６において、前記第１の圧電素子の第１の部分のみが、前記振動発生源に接してい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、第１の圧電素子に機械的振動により歪みが加えられた場合、第２の圧電素子をインピーダンスとしてパッシブ制振が行われる。また、インピーダンスが第２の圧電素子となっているので、第２の圧電素子に交流電圧が加えられ、第２の圧電素子はアクティブ制振がおこなわれる。このため、アクティブ制振とパッシブ制振が同一の振動発生源に対しておこなわれるので、振動抑制効果を増大させることができる。

また、請求項２の発明によれば、第１の圧電素子で発生した電圧が、昇圧されて第２の圧電素子に印加される。したがって、振動抑制効果を増大させることができる。

さらに、請求項３の発明によれば、昇圧は受動素子によっておこなわれる。したがって、外部からのエネルギーを加えることなく振動抑制効果を増大させることができる。

さらに、請求項４の発明によれば、第１の圧電素子と第２の圧電素子とで、分極の方向が異なっており、そのため、圧電素子の振動方向も異なっている。圧電素子は振動方向によって入力した電圧に対する発生する力が異なっているので、圧電素子の振動方向を代えることによって入力電圧に対する第２の圧電素子に発生する力を増大させることができる。

また、請求項５の発明によれば、第１の圧電素子は長手方向に分極されており、第２の圧電素子は厚さ方向に分極されている。そのため、圧電素子の振動方向も異なっている。圧電素子は入力した電圧に対して発生する力が厚さ方向に分極した場合の方が大きくなる。したがって、圧電素子の振動方向を代えることによって入力電圧に対する第２の圧電素子に発生する力を増大させることができるので振動抑制効果を増大させることができる。

そして、請求項６の発明によれば、いわゆる圧電トランスを利用することになり、より大きな電圧を発生させることができる。したがって、第２の圧電素子に発生する力を増大させることができるので、振動抑制効果を増大させることができる。

また、請求項７の発明によれば、第１の部分と第２の部分とで振動モードが異なるため、振動発生部位の振動とは別の共振を誘発する場合がある。そのため、第１の部分のみを振動発生部位に接することで、この共振を抑制しつつ振動抑制効果を増大させることができる。

図４は本発明が適用された変速機の例を表すスケルトン図である。変速機の構成部品を収納するように変速機の外殻を構成する筐体１００が設けられている。筐体１００はケース１０１とカバー１とから構成されており、ケース１０１の内部を仕切るように隔壁１５が設けられている。なお、ケース１０１の開口部を塞ぐようにカバー１がボルト等によって固定されている。

変速機の構成、すなわち、ケース内部の構造は以下の通りである。インプットシャフト８の一方が支持ベアリング１１によりカバー１に取り付けられており、また、インプットシャフト８の他方が隔壁１５に支持ベアリング１４により取り付けられている。さらにインプットシャフト８にはインプットギヤ７が取り付けられている。一方、アウトプットシャフト９の一方が支持ベアリング１２によりカバー１に取り付けられており、アウトプットシャフト９の他方が支持ベアリング１３により隔壁１５に取り付けられている。そして、アウトプットシャフト９にはアウトプットギヤ１０が取り付けられている。インプットギヤ７とアウトプットギヤ１０とは互いに噛合しており、また、インプットギヤ７とアウトプットギヤ１０とはギヤ比の異なるはす歯歯車の歯車対として複数組用意されている。

また、アウトプットシャフト９の他方にはリダクションギヤ１８が設けられ、このリダクションギヤ１８はディファレンシャル１９を構成する差動歯車と噛み合っている。そして、ディファレンシャル１９を構成する差動歯車は支持ベアリング１６および支持ベアリング１７によって、隔壁１５および、ケース１０１に取り付けられている。

インプットシャフト８に入力されたトルクはインプットギヤ７からアウトプットギヤ１０へ伝達されアウトプットシャフト９に出力される。この際、インプットギヤ７とアウトプットギヤ１０との歯車対を適切に選択することで、変速作用を得ることができる。

一方、インプットシャフト８もしくはアウトプットシャフト９は支持ベアリング１１もしくは１２を介してカバー１に取り付けられている。インプットギヤ７とアウトプットギヤ１０とは、はす歯歯車であるため、回転に伴いスラスト方向の力が発生する。そのため、インプットシャフト８、アウトプットシャフト９をスラスト方向に移動させる力が発生するが、支持ベアリング１１，１２，１３，１４はこのスラスト方向の移動を完全に抑制することができない。このため、インプットシャフト８もしくはアウトプットシャフト９の回転に伴う微少な振動がカバー１に伝達され、この振動周波数がカバー１の固有周波数と一致した場合、カバー１が膜振動を起こし、ノイズの原因となる場合がある。

そこで、圧電素子を使用して振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、負荷により熱エネルギーとして外部に放出するいわゆるパッシブ制振により振動の抑制を行うことが考えられるが、パッシブ制振のみでは十分な制振効果を得られないことがある。そのため、アクティブ制振とパッシブ制振とを組み合わせることが考えられる。

図１は、カバー１の振動発生部位の表と裏に圧電素子を貼付した場合を示す図であって、カバー１の振動発生部位の表面に第１の圧電素子２２が貼付されるとともに、カバー１の振動発生部位の裏面に第２の圧電素子２５が貼付されている。そして、第１の圧電素子２２の一方の面には電極２０が設けられ、第１の圧電素子２２の他方の面には電極２１が設けられている。また、第２の圧電素子２５の一方の面には電極２３が設けられ、第２の圧電素子２５の他方の面には電極２４が設けられている。また、第１の圧電素子２２と第２の圧電素子２５が振動発生部位をはさむように対向する面に設けられている。

電極２３、２４および電極２０、２１は受動素子であるトランス３０によって電気的に接続されている。すなわち、トランス３０の１次側に電極２０、２１が連結され、トランス３０の２次側に電極２３、２４が連結されている。そして、トランス３０の１次側よりもトランス３０の２次側の方が巻数が多くなっている。

カバー１が振動することにより、第１の圧電素子２２に周期的な歪みが発生し、電極２０と電極２１との間に交流電圧が発生すると、トランス３０の２次側にはトランスの１次側と２次側との巻数比に応じた電圧が発生する。トランス３０の２次側はトランス３０の１次側よりも巻数が多くなっているので、１次側の電圧よりも大きな電圧がトランス３０の２次側に発生する。トランス３０の２次側は第２の圧電素子２５の電極２３，２４に接続されているので、第１の圧電素子２２で発生した電圧は、トランス３０の巻数比に応じて昇圧され、第２の圧電素子２２に印加されることになる。そのため、第２の圧電素子２２はより高い電圧でアクティブ制振として駆動されることになり、振動抑制効果を増大させることができる。

また、トランス３０は受動素子であり、昇圧に際して外部電源等の外部からのエネルギーの付与を必要としない。したがって、回路の構成を簡略化することができる。

一方、異なる方向に分極した２つの圧電素子を使用しても良い。図２はこの分極方向が異なる２つの圧電素子を使用した例を示す図であって、第１の圧電素子３３の一方に電極２７が設けられ、第１の圧電素子３３の他方に電極２８が設けられている。そして、電極２７が第２の圧電素子２２の一方の面に設けられた電極２０と電気的に接続され、電極２８が第２の圧電素子２２の他方の面に設けられた電極２１と電気的に接続されている。

第１の圧電素子３３は図５でいう長手方向、つまりＸ軸の方向に分極されている。この方向は、振動発生部位から第１の圧電素子３３に入力する力が長手方向に発生することから、振動発生源から第１の圧電素子に入力するＦ1（図６参照）と平行する方向で分極されていることになる。一方、第２の圧電素子２２は図２でいう厚さ方向、つまりＹ軸の方向に分極されている。この方向は、振動発生部位の振動を抑制する力が長手方向に発生することから、振動発生源の振動を抑制する力Ｆ2（図６参照）を発生させる方向と垂直となる方向で分極されていることになる。なお、第２の圧電素子は、振動発生源の振動を抑制させる方向と垂直となる方向で分極されていればよいので、例えば図５の通り、奥行き方向、つまりＺ軸の方向に分極されていてもよい。つまり、Ｘ軸方向と垂直となる「ＹＺ平面と平行する」方向であればよい。

ここで、ケース１が振動し、第１の圧電素子３３に力Ｆ1が加えられた場合に発生する電圧Ｖは以下の式で表される。
Ｖ＝ｇ33・ｌ・（Ｆ1／（ａ・ｔ））・・・（１）

ただし、Ｖ、Ｆ1はベクトル量、ｌは第１の圧電素子３３の長さ、ｔは第１の圧電素子３３の厚さ、ａは第１の圧電素子３３の幅である。またｇ33は圧電素子に力が加わる方向と圧電素子の分極方向が平行している場合の電圧出力係数であって、圧電素子の材質によって定まる値である。

また、第２の圧電素子２２に電圧Ｖが加わった場合に発生する力Ｆ2は以下の式で表される。
Ｆ2＝ａ・ｄ31／Ｓ11Ｅ・Ｖ・・・（２）

ただし、ｄ31は圧電素子に力が加わる方向と圧電素子の分極方向が垂直となっている場合の圧電歪定数、Ｓ11ＥはＥ＝０となるときの材料の応力に対する歪みの大きさを表す定数（弾性定数、コンプライアンス）であって、圧電素子の材質によって定まる値である。

さらに、圧電素子に力が加わる方向と圧電素子の分極方向が垂直となっている場合の電圧出力係数ｇ31と、圧電素子に力が加わる方向と圧電素子の分極方向が垂直となっている場合の圧電歪定数ｄ31と、Ｓ11ＥはＥ＝０となるときの材料の応力に対する歪みの大きさを表す弾性定数Ｓ11Ｅとは以下の関係がある。
ｇ31＝ｄ31／Ｓ11Ｅ・・・（３）

したがって、式（２）は以下の式で表される。
Ｆ2＝ａ・ｇ31・Ｖ・・・（４）
ただし、Ｖ、Ｆ2はベクトル量、ａ2は第２の圧電素子２２の幅である。

そして、式（４）に式（１）を代入すると
Ｆ2＝ｇ31・ｇ33・（ｌ／ｔ）・Ｆ1 ・・・（５）
ただし、ｇ33＞ｇ31
となる。

つまり、通常圧電素子の長さｌは圧電素子の厚さｔよりも充分に大きく、それにより第１の圧電素子３３で発生する電圧が増大するので、その電圧が印加される第２の圧電素子２２で発生する力Ｆ2を充分に増大させることができる。したがって、振動抑制効果を増大させることができる。

また、電圧出力係数ｇ33と電圧出力係数ｇ31との比率を大きくすることで第２の圧電素子２２で発生する力を増大させることができる。例えば、この比率が大きい材質を用いたり、この比率が大きくなるように第１の圧電素子３３と第２の圧電素子２２とで異なる材質を用いたりすることで、第２の圧電素子２２に発生する力Ｆ2を充分に増大させることができるので、振動抑制効果を増大させることができる。

また、いわゆる圧電トランスを利用して、第１の圧電素子３７で発生する電圧を増大させてもよい。図３は第１の圧電素子３７に圧電トランスを利用した例であって、第１の圧電素子３７が長さ方向に延長され、延長された端部に電極２６がもうけられている。そして、第１の圧電素子３７は、厚さ方向に分極された電極３９と電極３８が設けられている第１の部分３１と、延長部である第２の部分３２とから構成されている。また、電極３８および３９と電極２４とが電線３５により接続され、電極２６と電極２３とが電線３６により接続されている。なお、延長部である第２の部分３２には、厚さ方向に分極された電極は設けられておらず、第２の部分３２はカバー１にも接していない。

第１の圧電素子３７にカバー１の振動により歪みが生じると、電極３８と３９との間には電圧Ｖ1が発生する。この時、電極３６と電極２４とに発生する電圧Ｖ2は以下の式で表される。
Ｖ2∝ｋ33・ｋ31・（ｌ／ｔ）・Ｖ1 ・・・（６）

ただし、Ｖ1、Ｖ2はベクトル量、ｌは第１の圧電素子３７の長さ、ｔは第１の圧電素子３７の厚さである。またｋ33は長さ方向に圧電素子に力が加わった場合の電気機械結合係数であって、圧電素子の材質によって定まる値である。またｋ31は厚さ方向に圧電素子に力が加わった場合の電気機械結合係数であって、圧電素子の材質によって定まる値である。

つまり、第１の圧電素子３７の長さを第１の圧電素子３７の厚さよりも充分に大きくしたり、電気機械結合係数ｋ31、ｋ33の大きな材質を使用することで、電圧Ｖ2の大きさを充分に大きくすることができ、第２の圧電素子２５に供給される電圧を大きくすることができるので、振動抑制効果を増大させることができる。

一方、第１の圧電素子３７の第１の部分３１の振動の方向は、厚さ方向であり、第２の部分３２の振動の方向は長さ方向である。すなわち圧電素子３７の第１の部分３１と第２の部分３２とでは、振動の方向が異なっている。したがって、これらの振動モードも異なっているために、別の周波数での共振を誘発する場合がある。

そのため、第２の部分３２はカバー１に接触させないことで、異なる振動モードで振動している第２の部分３２の影響をカバー１に及ぼさせないことができ、別の周波数での共振を抑制することができる。

なお、上記実施例においては、変速機のカバーの振動発生部位について圧電素子を貼付けたが、これをブレーキの振動発生部位、すなわち「鳴き」等が発生する部位に貼付けてもよい。要は、機械的振動を抑制したい部位に圧電素子を貼付ければよい。

なお、本願請求項における「受動素子」とは、電力を消費・地蓄積・放出する素子であって、増幅作用を持たない素子である。例えば、コイルやコンデンサ等が相当する。また図１，２，３，５，６に記載のＸ軸方向が「長手方向」、Ｙ軸方向が「厚さ方向」、図５、６に記載のＺ軸方向が「奥行き方向」に相当する。

パッシブ制振側の圧電素子の出力電圧の昇圧にトランスを用いた例を示す図である。パッシブ制振側の圧電素子を長さ方向に分極した例を示す図である。パッシブ制振側の圧電素子に圧電トランスを適用した例を示す図である。本発明が適用された変速機の例を示す簡略図である。圧電素子の長手、奥行き、厚さの各方向と、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸との関係を示す図である。圧電素子２２で発生する力Ｆ2と圧電素子３３に加えられる力Ｆ1とを示す図である。

符号の説明

２２，３３，３７…第１の圧電素子、２５…第２の圧電素子、３０…トランス、２０，２１，２３，２４，２６，２７，２８，３７，３８…電極、３１…第１の部分、３２…第２の部分。

Claims

機械的振動により与えられる歪みに応じた電圧を発生する第１の圧電素子と、印加された電圧に応じた歪みを発生し、機械的振動を抑制する第２の圧電素子とを有する振動抑制装置において、
前記機械的振動を生じる振動発生源の一方の面に前記第１の圧電素子を設け、かつ前記振動発生源の他方の面に前記第２の圧電素子を設けるとともに、
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とが、電気回路を介して接続されていることを特徴とする振動抑制装置。
前記電気回路が前記第１の圧電素子で発生した電圧を昇圧し、前記第２の圧電素子に印加する昇圧手段を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の振動抑制装置。
前記昇圧手段は受動素子のみにより構成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の振動抑制装置。
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とで分極方向が異なっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の振動抑制装置。
前記第１の圧電素子が、振動発生源から前記第１の圧電素子に入力する力と平行する方向で分極されているとともに、前記第２の圧電素子が、振動発生源の振動を抑制する力を発生させる方向と垂直となる方向で分極されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の振動抑制装置。
前記第１の圧電素子が振動発生源から前記第１の圧電素子に入力する力と平行する方向で分極されている第１の部分と、振動発生源から前記第１の圧電素子に入力する力と垂直となる方向で分極されている第２の部分とから構成され、前記第１の部分の電極と前記第２の圧電素子の一方の面の電極とが接続され、前記第２の部分の電極と前記第２の圧電素子の他方の面の電極とが接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動抑制装置。
前記第１の圧電素子の第１の部分のみが、前記振動発生源に接していることを特徴とする請求項６に記載の振動抑制装置。