JP2014066292A

JP2014066292A - アクティブ制振器

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Publication number: JP2014066292A
Application number: JP2012211581A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yamada; 啓介山田; Masashi Yasuda; 正志安田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2014-04-17

Abstract

【課題】簡単な構成であるとともに装置の大きさに比べて制振能力が高く、簡易な制御則を用いながらも卓越振動周波数が変動するような振動に対しても容易に対応することができるアクティブ制振器を提供する。
【解決手段】梁弾性体２と、質量体３と、アクチュエータ４と、振動体１の制振対象方向の振動を検出する振動センサ７と、前記振動センサで検出された制振対象方向の振動に基づいて、前記アクチュエータ４の軸方向の伸縮量又は制御力を制御するアクチュエータ制御部６とを備え、前記アクチュエータ制御部６が、前記振動センサ７により検出される前記振動体１の振動により前記梁弾性体２を介して前記質量体３に伝達される制振対象方向の力に比例する制振対象方向の制御力が発揮されるように前記アクチュエータ４の軸方向の伸縮量を制御するように構成した。
【選択図】図1

Description

本発明は振動体に対して付け加えられたばね・質量系により、当該振動体の振動を抑えるアクティブ制振器に関するものである。

振動体が特定の周波数成分において卓越して振動するような場合には、反共振法による制振が有効であることが知られている。例えば特許文献１及び２に示されるようにアクティブ反共振制振と呼べる様々な手法が提案されている。

ところで、特許文献１及び２に記載されている制振方法はいずれも現代制御理論に基づく制御装置を必要とするとともに、その制振を実現するための装置も大がかりなものとなる。このため、固体音の抑制などを目的とする場合には、制振装置の設置スペースやコストの制約から振動体に対してこれらのような制振装置を適用するのは困難である。

また、近年増大するインバータ制御では振動体の卓越振動周波数が変動することになり、パッシブ制振技術はもちろん、アクティブ制振技術を用いても振動体の振動を抑制することは容易ではない。このような卓越振動周波数が変化する用途に対しては例えばステッピングモータにより振り子の支点を変えることで卓越振動周波数の変動に合わせて反共振点を移動させる制振方法が非特許文献１に示されている。しかしながら、非特許文献１に示されているようにこのような方法は物理的に反共振に関するパラメータを変更させるものであるため、卓越振動周波数の変動に対する追従速度の問題や、反共振点を移動させるための装置が大型化してしまうといった問題がある。

これらのことから、簡易な構成でしかも古典制御的な簡単な制御測定により振動体の振動を好適に抑制する制振方法が求められている。

さらに特許文献３では、制振装置の小型化及び物理的な構成の簡略化のためにピエゾアクチュエータを用いた制振装置が示されている。より具体的には、この制振装置は、上下方向に振動する振動体に対して固定された水平方向に延びる梁弾性体と、その梁弾性体の先端に設けられた質量体と、前記梁弾性体の軸方向に沿って略全面に設けられたピエゾアクチュエータとを備えたものである。そして、前記ピエゾアクチュエータが梁弾性体を軸方向に伸縮させることにより、梁弾性体に曲げを生じさせて先端にある質量体を前記振動体に対して反共振させるように構成してある。

しかしながら、特許文献３では単純に上述したような制振装置とするだけで小型化が図れると記載されているが、ピエゾアクチュエータから質量体に与える力の効率に関する観点については何ら記載されていない。例えば、大きな振動を抑える場合には梁を延ばして梁の全面に大きなピエゾアクチュエータを多数設けることのみが記載されており、制振能力を向上させながら小型化を図る点については検討されていない。

また、振動体の卓越振動周波数が変動する場合については、例えば適宜、梁弾性体の形状の変更によるパッシブな対応方法しか示されていない。加えて、ピエゾアクチュエータについては、振動体の振動源であるモータの起動信号を利用して追従させることや、質量体に振動センサを付けてポジティブフィードバックすること等が示されているが、どのような制御則が効果的に振動制振に最も適しているかについても不明瞭である。

特開平１０−７３１４３号公報特開平０６−２２９４４１号公報特開２００６−２０７７４９号公報

可調整振り子式制振装置の研究、日本機械学会論文集（Ｃ編），Ｖｏｌ．５３，ＮＯ．４９２（１９８７）

本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成であるとともに装置の大きさに比べて制振能力が高く、簡易な制御則を用いながらも卓越振動周波数が変動するような振動に対しても容易に対応することができるアクティブ制振器を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のアクティブ制振器は、制振対象である振動体に付加されて、当該振動体の制振を行うアクティブ制振器であって、前記振動体の制振対象方向に対して、自然状態において軸方向が略直交するように当該振動体に対して基端側が取り付けられている梁弾性体と、前記梁弾性体の先端側において当該梁弾性体の曲げ変形により前記制振対象方向に振動可能に取り付けられた質量体と、前記梁弾性体に取り付けられており、当該梁弾性体の軸方向に伸縮可能に構成されたアクチュエータと、前記振動体の制振対象方向の振動を検出する振動センサと、前記振動センサで検出された制振対象方向の振動に基づいて、前記アクチュエータの軸方向の伸縮量又は制御力を制御するアクチュエータ制御部とを備え、前記アクチュエータ制御部が、前記振動センサで検出される前記振動体の振動により前記梁弾性体を介して前記質量体に伝達される制振対象方向の力に比例する制振対象方向の制御力が発揮されるように前記アクチュエータの軸方向の伸縮量を制御するように構成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、前記アクチュエータの伸縮方向を制振対象方向に対して直交するように梁弾性体に取り付けることで、梁弾性体の曲げ振動によって質量体を制振対象方向に加振するように構成されているので、アクチュエータの伸縮量が小さい場合でも質量体を大きく加振することができる。従って、質量体の質量が小さくても大きく質量体を反共振させることで振動体を制振することができ、装置全体を小型化しやすい。

さらに、前記アクチュエータを制振対象方向に対して直交するように梁弾性体に取り付けており、アクチュエータにより生じる梁弾性体の曲げ振動により制振を行うようにしているので、前記振動体を制振するための前記アクチュエータのモデルを簡素なものとすることができる。より具体的には、前記アクチュエータ制御部が、前記振動センサで検出される前記振動体の振動により前記梁弾性体を介して前記質量体に伝達される制振対象方向の力に比例する制振対象方向の制御力が発揮されるように前記アクチュエータの軸方向の伸縮量を制御するという簡素な制御構成だけで、所望の制振性能を得ることができる。

言い換えると、アクチュエータの制御ループとして考えた場合、振動体の制振対象方向の振動を１つの入力として、アクチュエータの伸縮量が１つの出力として決まる単純なものであり、また、増幅される量も振動体の振動に起因して前記梁弾性体を介して前記質量体に伝達される力に比例したものであるという非常に簡便な制御モデルでありながらも十分な制振効果を得ることができる。

アクチュエータを大きく伸縮させなくても、前記質量体の変位量を大きく発生させることができ、前記振動体の振動を好適に減衰させることができるようにするには、前記アクチュエータが、前記梁弾性体において前記振動体側に取り付けられていればよい。このようなものであれば、梁弾性体自体を大きくしたり、アクチュエータの伸縮量を大きくしたりしなくても梁弾性体の先端における曲げ量を大きくできるので、質量体の質量が小さくても反共振による制振効果を十分に得ることができる。

前記アクチュエータで発生させる単位制御力当たりの曲げモーメントにおいて前記梁弾性体に発生させることができる曲げモーメントを大きくし、さらにアクチュエータで発生させる力を小さくしつつ、前記振動体への制振能力を向上させることできるようにするには、前記アクチュエータの延伸軸線が、前記梁弾性体の図心から所定距離離間した位置に設定されていればよい。

前記梁弾性体が前記アクチュエータによって曲げ振動を起こしやすくし、梁弾性体の先端側にある質量体の変位を大きくして制振能力を向上させるには、前記梁弾性体において前記アクチュエータが設けられている位置に、切り欠き部が形成されていればよい。

前記振動体における卓越振動周波数が変動する場合でも、アクティブ制振器の形状等を変更するのではなく、電気的な制御により反共振を合わせられるようにするには、前記アクチュエータが、ユニモルフ型のピエゾ素子であり、前記ピエゾ素子に接続される負性容量回路をさらに備え、前記負性容量回路が、負性容量を可変にするための第１可変抵抗を具備する負性容量部と、前記負性容量部と並列に設けられた第２可変抵抗とを備えたものであればよい。このようなものであれば、適宜負性容量回路の第１可変抵抗により負性容量部の負性容量を変更することでピエゾ素子の見かけの機械的剛性を変化させ、負性容量部と並列に設けられた第２可変抵抗の抵抗値を変化させることでピエゾ素子の減衰を変化させることができる。したがって、前記アクチュエータにより単純に振動体を制振するための制御力を得るだけでなく、アクティブ制振器全体で視た場合には卓越振動周波数の変動に合わせて反共振点を移動させることができる。

言い換えると、従来であれば振動体における卓越振動周波数が変動する場合に制振器の反共振を追従させる方法としては、梁弾性体の支点の位置を動かしたり、質量体の位置を変更したりするなど物理的なパラメータを変更することが行われており、そのために大きな電力や大がかりな装置が必要であった。それに対して本発明であれば、ピエゾ素子の電極間に負性容量回路を組み込み、その容量を変化させるだけで、梁弾性体の曲げ剛性を変化させることができるので、大きな電力や装置が必要とならず、簡単な構成で卓越振動周波数の変動についても対応することができる。

振動を検出するためのセンサを必要最小限にしつつ、大きな制振効果を得られるようにするには、前記アクチュエータ制御部が、前記振動センサにより検出される前記振動体の振動のみがフィードバックされて、前記アクチュエータの伸縮量を制御するように構成されていればよい。

新たな部材の追加により減衰を大きくすることができ、制振効果を高められるようにするには、前記梁弾性体又は前記振動体と前記質量体との間に設けられた減衰部材をさらに備えたものであればよい。前記減衰部材の具体例としては前記梁弾性体に貼付される粘性体や、前記振動体と前記質量体との間に設置されるダンパが挙げられる。

本発明によれば、例えば板バネにピエゾ素子を貼付するという極めて簡単な構造でアクティブ制振器を構成することができ、また、ピエゾのような伸縮量の小さいアクチュエータであっても梁弾性体の曲げ振動により質量体に制振のための振動を大きく発生させることができるので、振動体に対して付加できる質量体の質量制約や空間制約の強い用途でも適用することができる。

また、前記アクチュエータの伸縮方向と振動体の制振対象方向とを直交させるように配置するとともに、そのアクチュエータによって梁弾性体に曲げ振動を生じさせることで質量体を制振対象方向へと振動させるように構成されているので、振動体の振動を検出して、その振動により梁弾性部材を介して質量体に伝達される力に比例した制御力を振動体へフィードバックするという簡単な制御則で大きな制振効果を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係るアクティブ制振器の模式図。第１実施形態の負性回路の一例を示す模式的回路図。第１実施形態のアクティブ制振器の制御ブロック図。第１実施形態の反共振特性を持たせたアクティブ制振器のゲインを変化させた場合の制御特性を示すグラフ。第１実施形態のブロードバンド特性を持たせたアクティブ制振器のゲインを変化させた場合の制御特性を示すグラフ。第１実施形態のアクティブ制振器の第１変形例を示す模式図。第１実施形態のアクティブ制振器の第２変形例を示す模式図。第１実施形態のアクティブ制振器の第３変形例を示す模式図。第１実施形態のアクティブ制振器の第４変形例を示す模式図。第１実施形態の梁弾性体形状の最適条件を示す模式図。本発明の第２実施形態に係るアクティブ制振器の模式図。本発明の第３実施形態に係るアクティブ制振器の模式図。

本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。

第１実施形態のアクティブ制振器１００は、例えば機械振動や固体音障害等を防ぐためにその振動源である振動体１に対して付加されるものである。その他、大規模構造物における振動の抑制のために第１実施形態のアクティブ制振器１００を用いてもかまわない。ここで、アクティブ制振器１００とは、アクチュエータ４により生じさせた力を直接又は間接的に制振対象である振動体１に対して作用させて制振を行う制振器のことを言う。

すなわち、第１実施形態のアクティブ制振器１００は、図１に示すように振動体１に付加された質量・減衰・ばね系であって、前記振動体１から水平方向に延びる梁弾性体２と、梁弾性体２の先端に取り付けられた質量体３と、梁弾性体２の上面において基端側に設けられたアクチュエータ４と、梁弾性体２の下面に設けられた減衰部材５と、前記振動体１の振動を検出するための振動センサ７と、前記アクチュエータ４を制御するためのアクチュエータ制御部を構成する制御回路６と、から構成してある。

各部について詳述する。

前記振動体１は、第１実施形態では外乱により上下方向に振動するものであり、その卓越振動周波数が変化する可能性があるものである。第１実施形態ではこの振動体１の上下方向が制振対象方向となっており、振動体の卓越振動周波数と付加されたアクティブ制振器１００の反共振と一致させることで制振することを意図している。

前記梁弾性体２は、前記振動体１の制振対象方向に対して、自然状態において軸方向が略直交するように当該振動体１に対して基端側が固定されているものである。この梁弾性体２は概略長平板状に形成してあり、前記アクチュエータ４が設けられている部分については、その厚みが薄くなるように切り欠き部２１が形成してある。この梁弾性体２のその他の部分における断面形状は同じ断面形状となっている。

前記質量体３は、前記振動体１の質量と比較して小さい質量を有するものであり、前記梁弾性体２の先端側において当該梁弾性体２の曲げ変形により前記制振対象方向である上下方向に振動可能に取り付けてある。

前記減衰部材５は、前記梁弾性体２の下面の略全面を覆うように設けられた粘性体である。この粘性体の特性については前記振動体１において生じる振動の特性に合わせて適宜選択すればよい。

前記アクチュエータ４は、前記梁弾性体２において基端側であり、前記振動体１の近傍に取り付けてあり、当該梁弾性体２の軸方向に伸縮可能に構成してある。すなわち、このアクチュエータ４は前記振動体１の制振対象方向である上下方向と直交する方向に伸縮するようにしてある。このことから分かるように、このアクチュエータ４で発生させた力は直接的に制振対象方向に作用するのではなく、前記梁弾性体２の曲げ振動を介して振動体１に作用するように構成してある。

より詳述すると、このアクチュエータ４は前記梁弾性体２において水平方向に延びる切り欠き部２１上を橋渡すようにその両端が取り付けられたユニモルフ型のピエゾ素子４である。そして、このピエゾ素子４の電極間には印加される電圧を制御するための前記制御回路６が接続してある。この制御回路６は、前記振動センサ７で測定される制振対象方向の振動に基づいて前記ピエゾ素子４の両端に印加する電圧をフィードバック制御するアクティブ回路６１と、前記ピエゾ素子４の見かけの剛性や減衰を変化させるための固有値調整回路である負性容量回路６２とを備えたものである。前記アクティブ回路６１は、前記振動センサ７で測定される振動体１の速度成分と変位成分とをそのままフィードバックして前記ピエゾ素子４から発生する力を制御するように構成してある。また、前記負性容量回路６２は、例えば図２に示されるようにオペアンプと静電容量Ｃ_ｎ１と第１可変抵抗Ｒ_ｎ１とで構成した負性容量部ＣＮと、前記負性容量部ＣＮと並列に設けられた第２可変抵抗Ｒ_ｈとで構成することができる。すなわち、第１可変抵抗Ｒｎ１の値を変更することで所望の負性容量として、ひいては剛性を調節できる。また第２可変抵抗Ｒ_ｈを調節することにより所望の減衰を得ることができる。したがって、これらの剛性と減衰を調節することによりアクティブ制振器１００の反共振点を所望の周波数にすることができる。

次に、このような振動体１とアクティブ制振器１００とからなる系についての理論モデルと前記制御回路６における制御ブロック図について説明する。以下の説明では、振動体１の制振対象方向の変位をｙ_１、質量体３の制振対象方向の変位をｙ_２、梁弾性体２の振動体１に対する固定点を基点としたｘ軸を設定してある。そして、前記ピエゾ素子４に対しては振動体１の変位に比例する印加電圧を加えるアクティブ制御の場合について説明する。

まず、梁弾性体２の曲げによるたわみｗについて説明する。

梁弾性体２の各モード変位をξ_ｉとしたときの梁のたわみｗは固有関数Ψを用いて数１のように記述できる。

以後i次振動モードの固有振動数近傍での振動を仮定し、ほかの振動モードを無視する。また、i次振動モードを表す添え字のiは省略する。また、時間微分をドット^・で、xでの微分をプライム'で表す。

次にハミルトンの原理に基づいて第１実施形態の系に関する運動方程式及び回路方程式を導くと、数２に示す各式となる。

ただし、Ｍ_Ｔ、Ｍ_ａ、Ｍ_β、Ｋ_β、Θは以下の数３に示される各式で表される値である。

ここで、ｙ_１は主系である振動体１の変位、Ｍ_１、Ｍ_２はそれぞれ振動体１の質量と、付加される質量体３の質量、Ｋ_１は振動体１のばね定数、ρ_ｂは梁弾性体２の密度、ｌ_ｂは梁弾性体２の長さ、ｔ_ｂは梁弾性体２の厚さ、Ａ_ｂは梁弾性体２の断面積、Ｅ_ｂは梁弾性体のヤング率、Ｉ_ｂは梁弾性体２の断面二次モーメント、ｚは梁弾性体の中立軸からの距離、ｆ_ｅは振動体１に加わる外力、ｌ_ｐはピエゾ素子４の長さ、ｗ_ｐはピエゾ素子４の幅、ｔ_ｐはピエゾ素子４の厚さ、ρ_ｐはピエゾ素子４の密度、Ｅ_ｐはピエゾ素子４のヤング率、θ_ｐはピエゾ素子単体での電気機械結合係数、Ｃ^ｓ _ｐはピエゾ素子４の変位拘束時の静電容量、ｘ_ｐは梁弾性体２の固定端からピエゾ素子４までの距離、ｑはピエゾ素子４に生じる電荷、ｖはピエゾ素子電極間の電圧である。
さらに、ｙ_２＝ｙ_１＋（Ｍ_β／Ｍ_ａ）ζ_ｉとして、数２の各式について整理すると、等価な集中質量系モデルの式である数４に示される各式に変換できる。

ただし、各パラメータは以下のような値である。

次に図２に示すようにピエゾ素子４に負性容量回路６２をつなぐことで梁弾性体２の見かけの剛性を変化させて、アクティブ制振器１００の固有振動数を調節できる点について説明する。

図２において誘電正接の影響を取り除けるように各抵抗の並列抵抗の和を無限大にするとともに、抵抗の影響を無視できるようにすると、数４における電圧のつり合いの式は数６のように変換することができる。

ここで、−Ｃ_Ｎは負性容量である。この条件を用いて数４における他の２式について整理すると数７に示されるような各式に変換することができる。

この数７に示される式から等価な集中質量モデルとして扱うことができ、見かけのアクティブ制振器１００のばね定数が変化していることになる。また、アクティブ制振器の不減衰固有振動数は、数８のように示される。

したがって、負性容量の値を変化させることで固有振動数を調整できることが分かる。言い換えると、負性回路によってΘの値を適宜変更することによりコンプライアンスを調整でき、ひいては反共振点を卓越振動周波数の変動に合わせて変更できることが分かる。

最後に振動体１で測定された振動に基づいて、アクティブ制御を行う場合について示す。ピエゾ素子４に制御電圧ｖ_ｃを印加すると、電圧のつり合いは数９のようになる。

したがって、数４に記載されている２式は数１１に示すように変換できる。

すなわち、この数１０に示されている各式から分かるように振動体１とアクティブ制振器１００の双方に外力が加わるモデルとなる。

ここで、制御電圧ｖ_ｃを振動体１の変位ｙ_１に比例する電圧ｖ_ｃ＝−αｙ_１とした場合には、運動方程式は数１１に示される各式のようになる。

さらに無次元化したコンプライアンスを計算すると、数１２のようになる。

ここで、各変数は数１３、数１４に示すような値である。

これらの式から制御を行わないパッシブな状態と比べて、アクティブ制振器１００の固有振動数は変わらず、見かけの質量比が（１＋θ_ｅｑα／Ｋ_２ｅｑ）倍された形となっていることが分かる。

次に制御回路６においてピエゾ素子４に振動センサ７で測定された前記振動体１の振動により前記梁弾性体２を介して前記質量体３に伝達される制振対象方向の力に比例する制振対象方向の制御力が前記振動体１に対して発揮されるように前記ピエゾ素子４の軸方向の伸縮量を制御できるようにフィードバックループを組んだ場合について説明する。

主系である振動体１に対して動吸振器としてアクティブ制振器１００を付加したシステムにおいてラプラス変換した振動体１の質量要素をＭ_１Ｓ^２、ばね・減衰要素をＺ_１ｓ＋Ｋ_１、アクティブ制振器１００の質量要素をＭ_２ｓ^２、ばね・減衰要素をＺ_２ｓ＋Ｋ_２とすると、図１の系を制御のブロック線図として表すと図３のようになる。

まず、アクチュエータであるピエゾ素子４を動作させずに、パッシブな動吸振器として動作させる場合について説明する。

この場合、主系である振動体１の変位ｙ１により加えられた振動によって、動吸振器としては数１５に示すような反力を前記振動体１に返すことになる。

ここで、ピエゾ素子４の電気機械結合係数と制御ゲインをΘＨのように与え、主系の振動ｙ_１を計測して、前記振動ｙ_１がアクティブ制振器１００におけるばね・減衰要素により質量体３へ加える力に比例するようにアクティブ制振器１００から振動体１へと制振対象方向への制御力として返すようにフィードバック制御を構成している場合について考える。
この場合、ピエゾ素子４の制御力ｕ＝−ΘＨ（Ｚ_２ｓ＋Ｋ_２）ｙ_１がアクティブ制振器１００の質量要素と主系の質量要素の間に挿入されることになるので、フィードバックにより制振力は数１６のようになる。
したがって、パッシブな分とフィードバックの分の両方を加算した制振力は数１７のようになる。
このとき主系のコンプライアンスは数１８のようになる。
この数１８からパッシブな動吸振器効果をアクティブに助長するという簡便な制御手法が得られていることが分かる。
さらに、出力を変位にとってｙ_１からｙ_１までのオープンループ特性Ｌを求めると数１９のようになる。

このような制御系を組んだ場合の制御特性について図４及び図５を参照しながら説明する。図４、図５のオープンループ特性から分かるように、振動体１の共振点と梁構造体、質量体３及び減衰部材５からなる制振構造体の共振点が２つのピークを形成してその両サイドのゲインは大きく減じる特性を示すことになる。また、制御のゲインはループ特性が１より大きいところで効果を持つが、制振構造体の共振特性が利用できるために小さなフィードバックで１より大きなゲインを得ることができており、ループとして安定な制御が実現できている。

また、図４、図５における振動体１のコンプライアンス特性の変化に注目すると制振構造体の固有振動数に当たるところにはコンプライアンスの谷が形成され、この周波数の外乱振動が入力されても揺れにくい構造に変化していることが分かる。速度及び変位のフィードバックを大きくしていくと形成された谷がさらに深く広い範囲に効果を及ぼしていることが分かる。すなわち、難しい現代制御理論に基づく従来の制御に比べてはるかに簡便な制御則でありながらも効果的な制振効果を得られている。

次に第１実施形態の変形例について説明する。
図６に示すように前記ピエゾ素子４は梁弾性体２の切り欠き部２１内に埋め込んでも構わない。また、図７に示すように梁弾性体２の上面に振動制御ようのフィードバックが行われるピエゾ素子４Ａを設けるとともに、下面に梁弾性体２全体としての固有値や減衰を調整するためのピエゾ素子４Ｂを設けるようにしてもよい。このようなものであれば、制御用の力を発生させるための回路と、運動系としての特性を調整するための回路とを独立にすることができ、それぞれの相互作用を起きにくくして容易に各パラメータを調節する事が可能となる。また、図８に示すように切り欠き部２１の形状については単に直方体形状の溝とする以外にも様々な形状としても構わない。すなわち、梁弾性体２の基端部側が先端側よりも厚さを有し、基端部側に複数の切り欠き部２１が形成してあっても構わない。要するに、ピエゾ素子４の駆動量や発生させる力が小さくても質量体３を制振対象方向に大きく振動させられるようにするためにピエゾ素子４が設けられている部分の梁弾性体２の剛性が低くなっていればよい。また、図９に示すようにピエゾ素子４は梁弾性体２の基端側でなく例えば中央部等のその他の位置に設けられていてもよい。さらにピエゾ素子４と前記梁弾性体２との間にスペーサ４１を設けて、その伸縮する中心軸線が前記梁弾性体２の図心から離間させて発生させる曲げモーメントが大きくなるようにしてもよい。

ここで、第１実施形態の各ピエゾ素子４の貼り方について、ピエゾ素子４の等価剛性比が最大となる条件を示す。すなわち、梁弾性体２とピエゾ素子４の曲げ剛性を等しくすることにより効率よく質量体３を振動させられるようにする。

図１０（ａ）のように梁弾性体２に切り欠き部２１が無く、ピエゾ素子４が貼付されている場合について説明する。この場合、ピエゾ素子４が貼付している範囲の梁弾性体２の断面二次モーメントＩ_ｂは数２０のようになる。

ここで、Ｗｂは梁弾性体２の幅、ｔ_ｂは梁弾性体２の厚さである。
また、ピエゾ素子４の断面二次モーメントＩ_ｐは数２１のようになる。

ここで、Ｗｐはピエゾ素子４の幅、ｔｐはピエゾ素子４の厚さである。
梁弾性体２とピエゾ素子４の曲げ剛性が等しくなる条件Ｅ_ｂＩ_ｂ＝Ｅ_ｐＩ_ｐより、数２２が図１０（ａ）の場合の最適調整条件となる。

ここで、Ｅｂは梁弾性体２のヤング率、Ｅ_ｐはピエゾ素子４のヤング率である。

次に梁弾性体２が切り欠き部２１を有し、その切り欠き部２１内にピエゾ素子４が埋め込まれている図１０（ｂ）の場合の最適調整条件について示す。
図１０（ｂ）では、ピエゾ素子４が貼付されている範囲の梁弾性体２、すなわち、切り欠き部２１分の断面二次モーメントＩ_ｂｐは数２３のようになる。

ここで、ｔ_ｂｐはピエゾ素子４が貼付している範囲の梁弾性体２の厚さである。
また、圧電素子の断面二次モーメントＩ_ｐは数２４のようになる。

数２３と数２４と、梁弾性体２とピエゾ素子４の曲げ剛性が等しくなる条件Ｅ_ｂＩ_ｂｐ＝Ｅ_ｐＩ_ｐより数２５が図１０（ｂ）の場合の最適調整条件となる。

次に図１０（ｃ）に示すように梁弾性体２の切り欠き部２１を橋渡しするようにピエゾ素子４が設けられている場合の最適調整条件を示す。

梁弾性体２のピエゾ素子４が貼付されている範囲の断面二次モーメントＩ_ｂｐは式２０となり、ピエゾ素子４の断面二次モーメントＩ_ｐは数２６のようになる。

したがって、数２３と数２６より梁弾性体２とピエゾ素子４の曲げ剛性が等しくなる条件Ｅ_ｂＩ_ｂｐ＝Ｅ_ｐＩ_ｐより数２７が図１０（ｃ）の場合の最適調整条件となる。

最後に図１０（ｄ）で示されるように梁弾性体２とピエゾ素子４との間にスペーサ４１が設けられている場合についての最適条件を示す。

この場合の梁弾性体２の断面二次モーメントは式１７で与えられており、ピエゾ素子４の断面二次モーメントは数２８で与えられる。

ここで、ｔ_ｓはスペーサ４１の高さである。

さらに梁弾性体２と圧電素子の曲げ剛性が等しくなる条件Ｅ_ｂＩ_ｂ＝Ｅ_ｐＩ_ｐより、数２９が図１０（ｄ）の場合の最適調整条件となる。

図１０（ａ）の場合はピエゾ素子４の大きさで最適条件を満たすようにする必要があるが、他の三種の貼り付け方法の場合には、貼付範囲の梁の厚さｔ_ｂｐやスペーサ４１の高さｔｓで最適条件を満たすことができる。

ピエゾ素子４の大きさが決められた条件で図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）の方法で最適に調整した場合、等価剛性比は（ｂ）が最大であり、（ｄ）で最小となる。これは、ピエゾ素子４を貼付した範囲の全体の曲げ剛性が小さい方が、等価剛性比が大きくなるからである。

上述したように、梁弾性体２とピエゾ素子４の曲げ剛性を一致させるようにすることで、より好ましい制振性能を得ることができるようになる。

次に本発明の第２実施形態について説明する。

第１実施形態では、アクチュエータ４としてピエゾ素子４を用いていたが例えば図１１に示すようにサーボモータとボールねじにより前記梁弾性体２に曲げ振動を生じさせるためのアクチュエータ４を構成してもよい。すなわち、第２実施形態のアクチュエータ４は図１１に示すように梁弾性体２上に２点の固定点を設けておき、一方にサーボモータを取り付け、もう一方にボールねじのナット部分を固定してある。そして、サーボモータの回転によってボールねじにおけるナットを移動させることで伸縮量を変更するようにしてある。前記サーボモータの制御は、第１実施形態と略同様であり、前記振動体１の振動の変位と速度がフィードバックされるようにしてある。

さらに第２実施形態では質量体３に第２振動センサ８が設けられており、この第２振動センサ８の出力に基づいて、固有値を変更する制御ループを構成する一方、振動体１に設けられた第１振動センサ７からの出力に基づいて振動体１の振動に対するアクティブ制御のループを構成してある。そして、前記アクチュエータ４の伸縮量についてはアクティブ制御のループと固有値を変更する制御ループとからの出力の足し合わせで制御されるようにしてある。

このようなものであっても、第１実施形態と同様に小型に構成しつつ、簡単な制御則で反共振アクティブ制振を実現することができる。また、アクティブ制御用の制御ループは、振動体１に設けられた第１振動センサ７の出力に基づいて動作するとともに、固有値の変更等に関する制御ループは、質量体３に設けられた第２振動センサ８の出力に基づいて動作するように構成してあるので、それぞれのループで一入力一出力の単純な制御ループとすることができ、制御則を簡便なものとしつつ、高い制振効果を得ることができる。

次に本発明の第３実施形態について説明する。

前記各実施形態では振動体１の側面から水平方向に梁弾性体２を設けていたが、例えば、図１２に示すように上下方向が制振対象方向となる振動体１上に梁弾性体２を取り付けるための取り付け部１１を設け、その取り付け部から水平方向に延びる梁弾性体２を設けてもよい。また、図１２に示すように複数の梁弾性体２の先端において質量体３を支持するようにしてもよい。さらに、図１２に示すように、梁弾性体２とアクチュエータ４を複数組並列に設けることにより、振動体１に作用させる力を重ね合わせることでより大きな制振効果を得られるようにしてもよい。このようなものであっても、制振対象方向とアクチュエータ４の駆動方向が直交しており、梁弾性体２の曲げ振動により質量体３を振動させることで、第１実施形態及び第２実施形態と同様に振動体１の振動を抑制することができる。

その他の実施形態について説明する。
前記実施形態では、振動体の振動により梁弾性体を介して質量体に伝達される力をフィードバックするように構成していたが、例えば、振動体の加速度をフィードバックするようにしても構わない。また、共振点付近とそれ以外の帯域において制御則を変更するようにしても構わない。例えば、共振点付近のみは振動体の加速度だけをフィードバックし、それ以外の部分では変位のみをフィードバックするというように構成してもよい。前記各実施形態においては、アクチュエータは入力を振動体の振動、出力を制御力として制御を行っていたが、例えば入力を振動体の振動、出力を伸縮量として制御しても構わない。
前記各実施形態に記載されている制御回路についてはデジタル回路、アナログ回路いずれであっても構わない。また、前記切り欠き部については各実施形態では溝状に形成されて底を有するものであったが、例えば複数の貫通孔によりアクチュエータが設けられる部分の梁弾性体の剛性を小さくするようにしても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。

１００：アクティブ制振器
１：振動体
２：梁弾性体
２１：切り欠き部
３：質量体
４：アクチュエータ
５：減衰部材
６：制御回路（アクチュエータ制御部）
６１：アクティブ回路
６２：負性容量回路
７：振動センサ

Claims

制振対象である振動体に付加されて、当該振動体の制振を行うアクティブ制振器であって、
前記振動体の制振対象方向に対して、自然状態において軸方向が略直交するように当該振動体に対して基端側が取り付けられている梁弾性体と、
前記梁弾性体の先端側において当該梁弾性体の曲げ変形により前記制振対象方向に振動可能に取り付けられた質量体と、
前記梁弾性体に取り付けられており、当該梁弾性体の軸方向に伸縮可能に構成されたアクチュエータと、
前記振動体の制振対象方向の振動を検出する振動センサと、
前記振動センサで検出された制振対象方向の振動に基づいて、前記アクチュエータの軸方向の伸縮量又は制御力を制御するアクチュエータ制御部とを備え、
前記アクチュエータ制御部が、前記振動センサで検出される前記振動体の振動により前記梁弾性体を介して前記質量体に伝達される制振対象方向の力に比例する制振対象方向の制御力が発揮されるように前記アクチュエータの軸方向の伸縮量を制御するように構成されていることを特徴とするアクティブ制振器。
前記アクチュエータが、前記梁弾性体において前記振動体側に取り付けられている請求項１記載のアクティブ制振器。
前記アクチュエータの延伸軸線が、前記梁弾性体の図心から所定距離離間した位置に設定されている請求項１又は２記載のアクティブ制振器。
前記梁弾性体において前記アクチュエータが設けられている位置に、切り欠き部が形成されている請求項１乃至３いずれかに記載のアクティブ制振器。
前記アクチュエータが、ユニモルフ型のピエゾ素子であり、
前記ピエゾ素子に接続される負性容量回路をさらに備え、
負性容量を可変にするための第１可変抵抗を具備する負性容量部と、前記負性容量部と並列に設けられた第２可変抵抗とを備えた請求項１乃至４いずれかに記載のアクティブ制振器。
前記アクチュエータ制御部が、前記振動センサにより検出される前記振動体の振動のみがフィードバックされて、前記アクチュエータの伸縮量を制御するように構成されている請求項１乃至５いずれかに記載のアクティブ制振器。
前記梁弾性体又は前記振動体と前記質量体との間に設けられた減衰部材をさらに備えた請求項１乃至６いずれかに記載のアクティブ制振器。