JP2559589B2 - 吸振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は防振対象物体の振動状態に応じて吸振特性を
変化させることができ、もって、該物体の振動を能動的
に吸振しうる吸振装置に関する。

〔従来の技術〕

車載エンジンや動力機械などにおいては、高速化およ
び高出力化に伴って振動および騒音が厳しくなるので、
振動低減化対策は機器の性能向上とも関連し常に問題に
なっている。

上記振動低減の手法の１つとして、吸振装置（ダイナ
ミックダンパー）が採用されている。

この吸振装置は、防振対象物体（主振動系の質量）に
ばねを介して付加質量を連結するとともに、該ばねおよ
び付加質量から成る副振動系の固有振動数を選定するこ
とにより、対象物体の振動を軽減するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来の吸振装置では、付加質量を防振対象物
体（主質量）の少なくとも10％以上に選定する必要があ
り、吸振装置重量が大きくなるという問題があった。

また、特定の単一周波数帯域では大きな吸振効果が得
られるが、それから外れると吸振効果が急減し、両側の
周波数帯域では逆に振動悪化の部分が発生するという現
象がでてくる。

第14図は従来の吸振装置を例示する模式的側面図であ
り、第15図は第14図の平面図である。

第14図において、基礎１からの大きな振動が防振部材
２に伝わって防振対象物体３、例えば精密機械本体やコ
ンピューターあるいはそれらを設置する台などへ伝搬さ
れる。

この場合、防振部材２によって一応の防振が行われて
いるが、周波数帯域によりきわめて大きく振動するとこ
ろすなわち共振帯域があり、これを防振部材２のみで徐
振することはできない。

そこで、従来からの対策として、防振対象物体３に帯
板状振動部材４すなわちばね性を有し先端に付加質量５
を設けることが多い部材４を支持部６を介して取付け、
防振対象物体３の振動エネルギーを該振動部材４のばね
（曲げ振動による）および付加質量５で形成される振動
系で吸収する方策が採られている。

しかし、このような吸振装置を用いる場合には、前述
のごとく、ばね性の振動部材４および付加質量５から成
る副振動系の質量を主質量（防振対象物体）３の少なく
とも10％以上に設定する必要があり、吸振装置の重量が
大きくなってしまう難点があり、しかも、副振動系のば
ね特性を適正に設定したとしても単一周波数帯域でしか
吸振効果が得られなかった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記従来技術に鑑みてなされたものであり、
本発明の目的は、重い付加質量を必要としないきわめて
軽量な構成で、任意の周波数帯域において防振対象物体
の振動を効果的に低減させることができ、圧電セラミッ
クスの加振力が小さい場合でも振動部材の自由端振幅を
大きく取って付加質量の振動振幅を大きく取ることで防
振対象物体の振動を効率よく低減させることができる吸
振装置を提供することである。

本発明の吸振装置は、帯板状ばね材で形成される振動
部材と該振動部材を支持する支持部材とを防振対象物体
に取付け、前記振動部材の基部に該振動部材を両面から
挟み込む板状の圧電セラミックスを貼付け、前記圧電セ
ラミックスに印加される電圧の周波数を前記振防対象物
体の振動状態に応じて制御することにより該防振対象物
体の振動を低減させる構成とすることにより、上記目的
を達成するものである。

〔作用〕

上記構成によれば、副ばね系に電気振動を力学振動に
変換する圧電セラミックスを添設し、防振対象物体の振
動状態をセンサーで検出し、この検出信号に基づいて圧
電セラミックスに印加する電圧を制御することができ、
したがって、防振対象物体（主質量）の振動状態に応じ
て副ばね系の振動状態を適切な値に制御することが可能
となる。

〔実施例〕

以下、第１図〜第13図を参照して本発明を具体的に説
明する。

第２図は本発明の第１の実施例による吸振装置の概略
構成を示す側面図であり、第３図は第２図の平面図であ
る。

第２図および第３図において、精密機械本体、コンピ
ューター、計測機あるいはこれらの機器を支持する台な
どの防振対象物体３は基礎１に対し防振部材２を介して
支持されている。

この防振部材２としては、例えば、通常の防振ゴムや
ゴム状弾性材と補強板を交互に一体的に積層した構造の
積層ゴム支承体などを使用することができる。この積層
ゴム支承体は、単品で使用することもできるが、同一平
面内の複数個の積層ゴム支承体を連結盤で連接したもの
を上下に複数段（例えば５〜10段）組付けてユニット化
した多段免震支持構造として使用することもできる。

この多段免震支持構造については、本出願人による特
願昭59−134692（特開昭61−14340）に記載されてい
る。

第２図および第３図において、防振対象物体３の上部
には吸振装置を取付けるための支持部６が設けられてお
り、該支持部６には本発明による圧電アクチュエータ７
から成る吸振装置が取付けられている。

この圧電アクチュエータ７は制御回路８によって電気
的にその動作を制御される。

第４図は前記圧電アクチュエータ７の詳細構造を示
す。

第４図において、帯状の振動板から成る振動部材９は
両側から突出する一個の連続部材で形成され、その基部
（中央部）の上下面に圧電セラミックス10、10が接合さ
れている。

而して、前記振動部材９は、支持部６に設けたクラン
プ11で前記圧電セラミックス10、10を両側からクランプ
することにより、防振対象物体３に取付けられている。

なお、前記支持部６はボルト12などの締結手段によっ
て防振対象物体３に固定されている。

前記振動部材９の先端（両側先端）には第４図に示す
ように付加質量13が取付けられ、その大きさ、取付け位
置により、振動部材９の固有振動数の調整を行なうが、
本発明の実施に際してはこの付加質量13は必ずしも必要
ではない。

前記振動部材９はばね性を有しており、例えば、金属
やプラスチックから成る帯板状ばね材で構成される。

また、前記圧電セラミックス10、10は電気振動（交番
電圧など）を力学振動（加振力）に変換する部材であ
り、その材質としては、例えば、機械的に丈夫なチタン
酸バリウムおよびその同類であるPZT（チタンジルコン
酸鉛）などの一群の磁器物質が使用され、さらに、ロッ
シェル塩なども使用できる。

第２図および第３図に示すごとく、圧電アクチュエー
タ７の圧電セラミックス10と振動部材９は電極（または
リード線）を介して制御回路８に接続され、例えば、約
100〜500ボルトの交番電圧を印加されて機械（力学）振
動を発生し振動部材９を励振する。

上記制御回路８はこの振動部材９の振動によって防振
対象物体３に基礎１から伝搬して来る振動を低減するよ
う構成されている。

第１図は第２図中の制御回路８の構成を示す。

第１図において、防振対象物体３には振動状態を検知
するためのセンサー15が取付けられており、該センサー
15からの波形信号は信号増幅回路16で増幅された後波形
プロセッサー17に入力される。

この波形プロセッサー17は、波形信号を解析し、どの
周波数帯域が最も支配的であるかを即座に処理し、その
帯域信号を波形ゼネレータ18へ伝える。

波形ゼネレータ18は前記帯域信号に基づいて支配的な
周波数の波形を発生する。

波形ゼネレータ18からの波形は位相制御回路19へ伝え
られ、該回路では主質量３の振動を低減させうるような
波形に位相調整する処理が行われる。

このように位相調整された波形信号は電圧増幅回路20
で駆動用交番電圧に増幅され、圧電セラミックス10（第
４図）に印加される。

圧電セラミックス10はこの印加電圧に対応したモード
の振動を発生し、振動部材９を励振する。付加質量13
（第４図）がある場合はこれを含めて励振される。

こうして振動部材９（および付加質量13）が励振され
るとその励振反力による振動が固定クランプ11（第４
図）および支持部６を通して防振対象物体３に伝えら
れ、物体３の振動を制御するという吸振効果によって該
物体（主質量）３の振動が低減される。この低減効果は
振動部材９と付加質量13とで決定される固有振動数付近
の周波数帯域が最も大きい。

なお、防振対象物体３の振動状態によっては、信号増
幅回路16の後にフィルタ回路（不図示）を設け、ノイズ
成分を除去することが好ましい。このフィルタ回路は波
形プロセッサー回路の中に包括されるのが一般的であ
る。

また、防振対象物体３の振動状態によっては、前記波
形プロセッサー17および波形ゼネレータ18を省略し、第
１図中に二点鎖線で示すごとく、信号増幅回路16からの
波形信号を位相制御回路19に直接に入力して振動制御を
行うことも可能である。この場合は、信号増巾回路16か
らの信号をフィルタ回路に通す必要がある。

第５図は第１図の制御回路８の変更実施例を示す。

第５図において、防振対象物体３には、その振動を低
減できるように適切に位相がずれた振動（波形）信号を
発生する部分21（構造構成による位相の制御）が設けら
れており、この部分21の振動をセンサー15で検出するよ
う構成されている。この部分21は例えば金属と高分子材
料を組合せて構成することができる。

また、制御回路８は、前記センサー15からの波形信号
を信号増幅回路16で増幅してノイズを除去するフィルタ
回路22を通した後直接電力増幅回路20に入力し、該電力
増幅回路で増幅された駆動用交番電圧を圧電セラミック
ス10（第４図）に印加するよう構成されている。

この第５図の制御回路８によれば、第１図の場合に比
べ回路構成を簡単化することができる。

ただし、第５図のように制御回路８の簡単化を実現す
るためには、防振対象物体３の振動状態を正確に計測し
検討する必要がある。

第６図は本発明の他の実施例による吸振装置の側面を
示し、第７図は第６図の平面を示す。

本実施例は、防振対象物体３に設ける支持部６を円筒
状にし、その円筒表面に円周方向所定ピッチで複数の切
り込みを形成し、各切り込みに圧電セラミックスを接合
した振動部材25を差し込んで固定し、複数の長さの異な
る帯状板片持ち梁型の振動板を有する圧電アクチュエー
タを備えた圧電アクチュエータユニット26を構成したも
のである。

複数の振動部材25としては、長さが異なるもの、ある
いは先端に付加質量13（第４図）を有するものと有しな
いものなど、所定の組合わせおよび配列を有する振動部
材25が設けられている。

これら複数の振動部材25の基部に接合された圧電セラ
ミックス（不図示）も、電極またはリード線を介して第
１図または第５図の場合と同様の制御回路８に接続され
ている。

したがって、防振対象物体３の振動状態に応じて複数
の振動部材25（付加質量を含む場合もある）の励振を制
御することにより、該防振対象物体３の振動が低減され
る。

第６図および第７図の吸振装置によれば、第１図〜第
５図で説明した吸振装置と同様の作用効果が得られる
他、複数の振動部材25を使用しそれらの長さおよび付加
質量の有無に適切なバラエティを持たせることができる
ので、固有振動数が異なる複数の圧電アクチュエータの
大きな吸振効果を同時に発揮させることができる。

したがって、１つの制御回路８で指定周波数の電圧を
同時に印加するだけで周波数が異なる広い帯域にわたる
振動を効果的に低減させうる吸振装置を実現することが
できた。

第８図は第14図および第15図に示した従来の吸振装置
の振動モデルを示し、第９図は本発明による吸振装置の
（第１図〜第７図）の振動モデルを示す。

第８図において、ｍは振動部材４および付加質量５の
質量に相当し、ｋは振動部材（ばね部材）４のばね部分
に相当し、ｃは振動部材４の減衰部分に相当する。

さらに、第８図において、Ｍは防振対象物体３の質量
を示し、ＫおよびＣは防振支持部材２のばね成分および
減衰成分を示す。

一方、第９図においては、ｍは振動部材９の質量ある
いは付加質量13（第４図）がある場合はこれを合成した
質量を示し、ｋおよびｃは振動部材９のばね成分および
減衰成分を示し、Ｍは防振対象物体３の質量を示し、Ｋ
およびＣは防振支持部材２のばね成分および減衰成分を
示し、Ｆは圧電セラミックス10（第４図）の力学振動に
より振動部材９に加えられる励振力を示す。

また、第８図および第９図において、基礎１から防振
対象物体（主質量）３に振動加速度０が印加される
が、該物体３は加速度１で振動する。その時、第８図
の従来構造では付加質量５（第14図）が加速度２で振
動し、第９図の実施例構造では振動部材９または付加質
量13（第４図）が有る時は該付加質量が２で振動す
る。

これらの場合の振動低減効果は一般に基礎１から防振
対象物体３に伝達される振動加速度の割合すなわち振動
伝達率｜1|/|0|で表される。この値が小さいほど振
動低減効果がすぐれていることになる。

第10図〜第13図は各種の吸振装置の振動伝達率の周波
数特性を例示するグラフである。

第10図は第14図および第15図に示した従来の吸振装置
を用いた場合の振動伝達率を示す。

第10図によれば、振動部材（ばね部材）４および付加
質量５を適切に調整すればその共振点f₀において比較的
大きな振動低減効果（例えば約15dBの低減）が得られる
が、その両側の周波数帯域では悪化する部分P1、P2が生
じている。

さらに、第10図の従来装置では、付加質量ｍの防振対
象物体の質量（主質量）Ｍに対する比率を８分の１程度
確保しないと十分な低減効果が得られず、吸振装置の重
量はかなり重いものであった。

第11図および第12図は本発明の第１実施例（第１図〜
第５図）の吸振装置による振動低減効果を示す。

第11図は吸振装置（圧電アクチュエータ）部分の共振
点f₀付近の周波数の電圧を圧電セラミックス10（第４
図）に印加する場合を示す。

この場合は、第１図中の位相制御回路19を適切に調整
することにより、従来型（第10図）より大きな振動低減
効果（例えば約20dBの低減）が得られる。

また、第11図の特性においては、従来型（第10図中の
P1、P2）のように低減する周波数の両側の周波数帯域で
逆に悪化するという現象は生じない。

さらに、圧電セラミックス10（第４図）に印加する電
圧の周波数を変化させ位相調整を行うことによって、第
12図に示すように、共振点f₀とは異なる任意の周波数帯
域の振動を低減させることができる。これは、制御回路
８によって自動的に制御することができる。ただし、最
大の効果を得るためには、付加質量13の大きさと、取付
け位置を調整し、振動部材９と付加質量13からなる副振
動系の固有振動数を調整する必要がある。

したがって、本発明による吸振装置は、エンジン回転
数が変化し、それによって車室内の騒音が変化する場合
のエンジン本体の防振対策などで実施するのに特に有効
である。

また、本発明による吸振装置の最大の利点は、付加室
量ｍの主質量Ｍに対する比率m/Mが100分の１程度でも効
果的に振動を低減させることができ、超軽量の吸振装置
を実現できることである。

第13図は本発明の第２実施例による吸振装置、すなわ
ち第６図および第７図に示すように複数の圧電アクチュ
エータ（振動部材）25を使用し、これらを同時に駆動す
る場合の振動伝達率の周波数特性を示す。

すなわち、第６図および第７図の実施例によれば、付
加質量ｍと主質量（防振対象物体）Ｍとの比m/Mを80分
の１と超軽量の吸振装置が得られる他、主質量３に印加
される振動の単一周波数帯域のみでなく、第13図に示す
ごとく各振動部材25に対応する各種の異なる周波数帯域
の振動を同時に低減させることができた。

これによって、周波数スペクトルの分布が比較的均一
な性状を有する振動の場合でも、圧電セラミックスへの
電圧を制御することにより、広い周波数帯域の振動を同
時に容易に低減させることが可能になった。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなごとく、本発明の吸娠装置に
よれば、帯板状ばね材で形成される振動部材と該振動部
材を支持する支持部材とを防振対象物体に取付け、前記
振動部材の基部に該振動部材を両面から挟み込む板状の
圧電セラミックスを貼付け、前記圧電セラミックスに印
加される電圧の周波数を前記防振対象物体の振動状態に
応じて制御することにより該防振対象物体の振動を低減
させる構成としたので、重い付加質量を必要としないき
わめて軽量な構成で、任意の周波数帯域において防振対
象物体の振動を効果的に低減させることができ、圧電セ
ラミックスの加振力が小さい場合でも振動部材の自由端
振幅を大きく取って付加質量の振動振幅を大きく取るこ
とで防振対象物体の振動を効率よく低減させることがで
きる吸振装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の（第１の）実施例による吸振装置の構
成を示すブロック図、第２図は第１図の吸振装置の模式
的側面図、第３図は第２図の平面図、第４図は第２図の
圧電アクチュエータの詳細構造を示す側面図、第５図は
第１図の構成を一部変更した本発明の一実施例による吸
振装置のブロック図、第６図は本発明の他の（第２の）
実施例による吸振装置の模式的側面図、第７図は第６図
の平面図、第８図は従来の吸振装置の振動モデルを示す
ブロック図、第９図は本発明による吸振装置の振動モデ
ルを示すブロック図、第10図は従来の吸振装置の振動低
減効果の周波数特性を示すグラフ、第11図は本発明の第
１の実施例による吸振装置の振動低減効果の周波数特性
を示すグラフ、第12図は第11図で圧電アクチュエータを
電圧制御した時の振動低減効果の周波数特性を例示する
グラフ、第13図は本発明の第２の実施例による吸振装置
の振動低減効果の周波数特性を示すグラフ、第14図は従
来の吸振装置の模式的側面図、第15図は第14図の平面図
である。 １……基礎、３……防振対象物体（主質量）、７……圧
電アクチュエータ、８……制御回路、９……振動部材、
10……圧電セラミックス、25……振動部材、26……圧電
アクチュエータユニット。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】帯板状ばね材で形成される振動部材と該振
   動部材を支持する支持部材とを防振対象物体に取付け、
   前記振動部材の基部に該振動部材を両面から挟み込む板
   状の圧電セラミックスを貼付け、前記圧電セラミックス
   に印加される電圧の周波数を前記防振対象物体の振動状
   態に応じて制御することにより該防振対象物体の振動を
   低減させることを特徴とする吸振装置。