JP4286166B2 - Railway vehicle - Google Patents

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Description

本発明は、車体の振動エネルギーを散逸させて振動低減を図るようにした鉄道車両に関する。   The present invention relates to a railway vehicle in which vibration energy of a vehicle body is dissipated to reduce vibration.

近年、鉄道車両の軽量化が進んでおり、これに伴って車体の剛性が低下する傾向がある。車体の剛性が低下すると、車体の弾性振動(上下曲げ振動)の発生が顕著となる。このような弾性振動は、人間が最も敏感な周波数帯域において発生する場合も多く、乗り心地悪化の原因にもなっている。これに対し、現状では、車体に粘弾性層と拘束層とからなる制振材を貼付したり、アクティブあるいはセミアクティブ制御を行うことにより、車体の弾性振動を低減することが提案されており、現在も研究が進められている。なお、車体に制振材を付加して弾性振動の低減を図る事例は、既に新幹線で実用化されている(非特許文献1参照)。   In recent years, the weight of railway vehicles has been reduced, and accordingly, the rigidity of the vehicle body tends to decrease. When the rigidity of the vehicle body decreases, the occurrence of elastic vibration (vertical bending vibration) of the vehicle body becomes significant. Such elastic vibration often occurs in a frequency band that is most sensitive to humans, and causes a deterioration in riding comfort. On the other hand, at present, it has been proposed to reduce the elastic vibration of the vehicle body by attaching a damping material consisting of a viscoelastic layer and a constraining layer to the vehicle body, or by performing active or semi-active control, Research is ongoing. In addition, the example which adds a damping material to a vehicle body and aims at reduction of elastic vibration has already been put into practical use on the Shinkansen (see Non-Patent Document 1).

一方、最近になって、パッシブ制振の手法を用いて、車体の弾性振動の低減を図る研究が注目されている。パッシブ制振の一種には、ピエゾ素子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギー(電力)を外部回路で散逸させて機械的なダンピングを得る制振法がある。
鈴木康文、他、「鉄道車両の車体曲げ振動の制振法」、日本機械学会第74期通常総会講演会講演論文集(I)、第97巻、第1号、p.691−692
On the other hand, recently, research for reducing elastic vibration of a vehicle body by using a passive vibration suppression technique has been attracting attention. One type of passive vibration damping is a vibration damping method in which vibration energy of a piezo element is converted into electric energy, and this electric energy (electric power) is dissipated in an external circuit to obtain mechanical damping.
Yasufumi Suzuki, et al., “Dampening Method of Bending Vibration of Railway Vehicles”, Proceedings of the 74th General Meeting of the Japan Society of Mechanical Engineers (I), Vol. 97, No. 1, p. 691-692

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、ピエゾ素子を用いて鉄道車両用の車体の振動を低減する際に、装置を大型にすることなく振動低減の効果を高めることを目的とする。また、本発明は、回路特性の選択の幅を広げ、振動低減の効果をさらに高め、また、複数振動モードを対象とした制振を実現することを目的とする。   Therefore, in view of the above points, an object of the present invention is to increase the vibration reduction effect without increasing the size of the apparatus when the vibration of a vehicle body for a railway vehicle is reduced using a piezoelectric element. Another object of the present invention is to broaden the selection range of circuit characteristics, further enhance the effect of vibration reduction, and to realize vibration suppression for a plurality of vibration modes.

上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る鉄道車両は、鉄道車両用の車体の構造体に付設され、車体の振動を受けて弾性変形することにより電圧を発生する少なくとも1つのピエゾ素子と、ピエゾ素子の第1の端子に発生する電圧に基づいて出力電圧を生成し、ピエゾ素子の第2の端子に出力電圧を供給することにより、ピエゾ素子が発生する電気エネルギーの少なくとも一部を熱エネルギーに変換するエネルギー変換回路とを具備し、該エネルギー変換回路が、(i)ピエゾ素子の第1の端子に接続された第1の受動素子と、(ii)絶縁増幅回路を有し、第1の受動素子、又は、第1の受動素子に直列接続された第2の受動素子の両端に発生する電圧に基づいて、少なくとも1つの周波数においてピエゾ素子が有する容量成分を打ち消すためのインピーダンス成分を等価的に発生させる能動回路とを含み、第1の受動素子、又は、直列接続された第1及び第2の受動素子が、ピエゾ素子の第1の端子と絶縁増幅回路の反転入力端子との間に接続されているIn order to solve the above-described problem, a railway vehicle according to one aspect of the present invention is attached to a vehicle body structure for a railway vehicle, and generates at least one piezo that generates a voltage by being elastically deformed by the vibration of the vehicle body. An output voltage is generated based on the element and a voltage generated at the first terminal of the piezo element, and the output voltage is supplied to the second terminal of the piezo element, thereby at least a part of the electric energy generated by the piezo element. An energy conversion circuit for converting the energy into thermal energy, the energy conversion circuit comprising : (i) a first passive element connected to the first terminal of the piezo element; and (ii) an insulation amplifier circuit. Based on the voltage generated across the first passive element or the second passive element connected in series to the first passive element, the capacitive component of the piezo element at at least one frequency is obtained. An active circuit that equivalently generates an impedance component for cancellation, and the first passive element, or the first and second passive elements connected in series, are isolated from the first terminal of the piezo element. It is connected between the inverting input terminal of the circuit .

本発明の1つの観点によれば、絶縁増幅回路を有する能動回路を含み、ピエゾ素子が発生する電気エネルギーの少なくとも一部を熱エネルギーに変換するエネルギー変換回路を用いることにより、装置を大型にすることなく振動低減の効果を高めることができ、車両の乗り心地悪化を改善する等の効果がある。また、本発明においては、電源を含む能動回路を利用しているが、従来のアクティブ制振制御を行う場合と異なり、制御に用いるための振動センサが不要であるという利点がある。
According to one aspect of the present invention, an apparatus is increased in size by using an energy conversion circuit that includes an active circuit having an insulation amplifier circuit and converts at least a part of the electric energy generated by the piezoelectric element into thermal energy. The effect of reducing the vibration can be enhanced without any problem, and the deterioration of the riding comfort of the vehicle can be improved. In the present invention, an active circuit including a power supply is used. However, unlike the conventional case where active vibration suppression control is performed, there is an advantage that a vibration sensor for use in control is unnecessary.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
まず、図1を参照しながら、本発明の基本的な構成について説明する。
図1は、本発明の基本的構成を示す概念図である。鉄道車両の構造体1には、複数のピエゾ素子2が付設されている。図1においては、説明を簡単にするために、1つのピエゾ素子2のみを示す。ピエゾ素子2は、圧電材料3の厚さ方向の両側に、電極4及び5を形成することによって作製される。構造体1が振動するのに伴ってピエゾ素子2が弾性変形し、ピエゾ素子2は、この弾性変形によって電圧を発生する。さらに、ピエゾ素子2には、能動回路を含むエネルギー変換回路6が接続されている。エネルギー変換回路6は、ピエゾ素子2が発生する電気エネルギーを効率的に吸収し、熱エネルギーに変換する。このようにして、構造体1の振動における機械エネルギーが最終的に熱エネルギーに変換され、構造体1の振動が制動される。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the basic configuration of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic configuration of the present invention. A plurality of piezo elements 2 are attached to the railway vehicle structure 1. In FIG. 1, only one piezo element 2 is shown for simplicity of explanation. The piezoelectric element 2 is manufactured by forming electrodes 4 and 5 on both sides of the piezoelectric material 3 in the thickness direction. As the structure 1 vibrates, the piezoelectric element 2 is elastically deformed, and the piezoelectric element 2 generates a voltage by the elastic deformation. Further, an energy conversion circuit 6 including an active circuit is connected to the piezo element 2. The energy conversion circuit 6 efficiently absorbs the electric energy generated by the piezo element 2 and converts it into thermal energy. In this way, the mechanical energy in the vibration of the structure 1 is finally converted into thermal energy, and the vibration of the structure 1 is braked.

次に、図2を参照しながら、制振性能を確認するための加振試験に適用するモデルについて説明する。
図2は、加振試験において用いる鉄道車両の車体模型を示す図である。図2に示すように、この鉄道車両の車体模型10は、実物の新幹線車体の1/5の縮尺で作製され、全長L=4.9m、幅W=0.672m、高さH=0.6mとなっている。また、車体模型10の質量m=290kgである。この車体模型10は、車体の支持位置に相当する4箇所の位置において、空気ばね11によって支持されている。空気ばね11によって支持される位置は、車体の両端部から0.7mの位置である。ここで、車体模型10の長手方向をx軸とし、幅方向をy軸とし、高さ方向をz軸とする。また、図2の左図において、車体の左端をx軸の原点とし、右方向をx軸の正の方向とする。
Next, a model applied to the vibration test for confirming the vibration damping performance will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a diagram showing a vehicle model of a railway vehicle used in the vibration test. As shown in FIG. 2, the vehicle body model 10 of this railway vehicle is manufactured at a scale that is 1/5 of the actual Shinkansen vehicle body, and has a total length L B = 4.9 m, a width W B = 0.672 m, and a height H B. = 0.6 m. The mass m B of the vehicle body model 10 is 290 kg. The vehicle body model 10 is supported by air springs 11 at four positions corresponding to the support positions of the vehicle body. The position supported by the air spring 11 is 0.7 m from both ends of the vehicle body. Here, let the longitudinal direction of the vehicle body model 10 be the x axis, the width direction be the y axis, and the height direction be the z axis. In the left diagram of FIG. 2, the left end of the vehicle body is the x-axis origin, and the right direction is the x-axis positive direction.

基台上に配置された動電型加振器13と車体模型10の下面の端部との間には、加振力を測定するロードセル12が取り付けられている。一方、車体模型10の床、側、屋根には、加速度ピックアップ(加速度センサ)が取り付けられている(図示せず)。動電型加振器13による車体模型10の加振力は、ロードセル12によって測定され、その際の車体模型10の振動加速度は、加速度センサによって測定される。これにより、車体模型10の振動応答が測定される。   A load cell 12 for measuring the excitation force is attached between the electrodynamic exciter 13 disposed on the base and the lower end of the vehicle body model 10. On the other hand, an acceleration pickup (acceleration sensor) is attached to the floor, side, and roof of the vehicle body model 10 (not shown). The excitation force of the vehicle body model 10 by the electrodynamic exciter 13 is measured by the load cell 12, and the vibration acceleration of the vehicle body model 10 at that time is measured by an acceleration sensor. Thereby, the vibration response of the vehicle body model 10 is measured.

車体模型10を、空気ばね11によって支持されるオイラーはりとみなし、はりの変位を変数分離して次式(1)のように表す。
w(x,t)=φ(x)q(t)+φ(x)q(t)+φ(x)q(t)
・・・(1)
ここで、φ(x)は固有モード形状関数であり、q(t)はモード変位である。また、添字のZ、P、1は、剛体としての並進振動、ピッチング振動、1次曲げ振動であることをそれぞれ示している。具体的には、φ(x)=1、φ(x)=2x/L−1であり、φ(x)は、両端自由はりの形状関数である。なお、2次以上の曲げ振動については無視している。
The vehicle body model 10 is regarded as an Euler beam supported by the air spring 11, and the displacement of the beam is separated into variables and expressed as the following equation (1).
w (x, t) = φ Z (x) q Z (t) + φ P (x) q P (t) + φ 1 (x) q 1 (t)
... (1)
Here, φ (x) is an eigenmode shape function, and q (t) is a mode displacement. Subscripts Z, P, and 1 indicate translational vibration, pitching vibration, and primary bending vibration as a rigid body, respectively. Specifically, φ Z (x) = 1, φ P (x) = 2x / L B −1, and φ 1 (x) is a shape function of a free beam at both ends. Note that secondary and higher bending vibrations are ignored.

従って、式(1)、及び、行列q=[qを用いることにより、動電型加振器13により印加される垂直加振力をf、ピエゾ素子が発生するモーメントをMとした場合の運動方程式は、次式(2)のように表される。

Figure 0004286166
Thus, equation (1), and, by using the matrix q = [q Z q P q 1] T, the vertical exciting force applied by the electro-dynamic exciter 13 f, the piezoelectric element generates moment the equation of motion when the M P is expressed by the following equation (2).
Figure 0004286166

ここで、記号「・」は、時間微分であることを表し、行列M、行列C、行列K、行列b、及び、行列bは、次式(3)〜(7)のように表される。

Figure 0004286166














Here, the symbol “·” represents time differentiation, and the matrix M, the matrix C, the matrix K, the matrix b 1 , and the matrix b 2 are expressed by the following equations (3) to (7). Is done.
Figure 0004286166














ここで、記号「’」は、xによる偏微分であることを表し、Jは、はりの慣性モーメントを表しており、xは、空気ばねの位置を表しており、Lは、空気ばね間の距離の半分を表しており、Kは、空気ばね2個当りのばね定数を表しており、Cは、空気ばね2個当りのダンパ係数を表している。また、x及びxは、ピエゾ素子の両端の位置を表しており、xは、加振の位置を表しており、ωは、1次曲げ振動の固有角振動数を表しており、ζは、1次曲げ振動の減衰比を表している。なお、ピエゾ素子の質量は、車体模型10と比較して小さいものとして無視している。 Here, the symbol “′” represents partial differential with x, J represents the moment of inertia of the beam, x M represents the position of the air spring, and L M represents the air spring. represents a half of the distance between, K M represents the spring constant of 2 per air spring, C M denotes the damper coefficients of two per air spring. X 1 and x 2 represent the positions of both ends of the piezo element, x F represents the position of excitation, and ω 1 represents the natural angular frequency of the primary bending vibration. , Ζ 1 represents the damping ratio of the primary bending vibration. Note that the mass of the piezo element is ignored as it is smaller than that of the vehicle body model 10.

次に、本実施形態において用いられるピエゾ素子について説明する。
アクチュエータとしてのピエゾ素子は、電圧vを印加されると、次式(8)に示すモーメントMを発生する。なお、式(8)は、アクチュエータ方程式と呼ばれている。
=K(u(x−x)−u(x−x))v ・・・(8)
Next, the piezoelectric element used in this embodiment will be described.
A piezoelectric element as an actuator, when energized v A, generates a moment M P shown in the following equation (8). Equation (8) is called an actuator equation.
M P = K A (u (x−x 1 ) −u (x−x 2 )) v A (8)

ここで、Kは、ピエゾ素子の性能や形状によって決定される係数であり、u(x)は、ステップ関数である。なお、Mは、電圧vを変換することによって発生するモーメント成分であり、機械的な剛性成分は含まない。ピエゾ素子による剛性付加の効果は、モーメント成分として等価的に右辺のMに加えることにより考慮することが可能である。 Here, K A is a coefficient determined by the performance and shape of the piezoelectric element, u (x) is a step function. Note that MP is a moment component generated by converting the voltage v A and does not include a mechanical rigidity component. The effect of the stiffness added by the piezoelectric element can be taken into account by adding the M P equivalent to the right side as a moment component.

一方、センサとしてのピエゾ素子にひずみを生じさせた場合には、ピエゾ素子は、次式(9)に示す電圧vを発生させる。なお、式(9)は、センサ方程式と呼ばれている。

Figure 0004286166
On the other hand, when distortion is generated in the piezo element as a sensor, the piezo element generates a voltage v S represented by the following equation (9). Equation (9) is called a sensor equation.
Figure 0004286166

ここで、Kは、ピエゾ素子の性能や形状によって決定される係数であり、C は、一定ひずみの条件の下で測定したピエゾ素子のキャパシタンスである。また、w'(x)は、位置xにおけるはりの変位w(x)をxによって偏微分したものであり、w'(x)及びw'(x)は、ピエゾ素子の両端におけるw'(x)の値である。なお、式(9)及び以下において、時刻を示すtは省略する。本実施形態においては、ピエゾ素子において、振動を電力に変換し、変換された電力を抵抗において散逸することによって、車体模型10の制振を行っている。 Here, K S is a coefficient determined by the performance and shape of the piezoelectric element, C P S is the capacitance of the piezoelectric element was measured under constant strain conditions. Further, w ′ (x) is a partial differentiation of the displacement w (x) of the beam at the position x by x, and w ′ (x 1 ) and w ′ (x 2 ) are w at both ends of the piezo element. 'Is the value of (x). In Expression (9) and below, t indicating time is omitted. In the present embodiment, the vehicle body model 10 is damped by converting vibration into electric power in the piezo element and dissipating the converted electric power in the resistor.

次に、鉄道車両の振動特性を把握するために、ピエゾ素子を貼付しない状態で行った予備加振試験について説明する。
この予備加振試験においては、5〜100Hzの範囲において一様な周波数成分を有するバンドランダム信号を動電型加振器13に入力することにより、ロードセル12を介して車体模型10の端部を下から垂直に加振して、車体模型10の振動加速度を測定する。ここで、振動加速度の測定は、加速度センサの出力信号を、カットオフ周波数80Hzのローパスフィルタを介して、サンプリング周波数200Hzでサンプリングすることにより行った。
Next, in order to grasp the vibration characteristics of the railway vehicle, a preliminary vibration test performed without a piezo element will be described.
In this preliminary excitation test, a band random signal having a uniform frequency component in the range of 5 to 100 Hz is input to the electrodynamic exciter 13 so that the end of the vehicle body model 10 is connected to the end of the vehicle body model 10 via the load cell 12. The vibration acceleration of the vehicle body model 10 is measured by exciting vertically from below. Here, the measurement of vibration acceleration was performed by sampling the output signal of the acceleration sensor at a sampling frequency of 200 Hz via a low-pass filter with a cutoff frequency of 80 Hz.

図3に、車体模型の車端から0.9mの位置における床上加速度のFRF(frequency response function:周波数応答関数)ゲインを示す。図3においては、加振力(単位N)を入力とし、図2に示す車体模型10の床上でx=0.9mの位置における振動加速度(単位m/s)を出力とした場合のFRFゲインについて、モデル化に基づく計算値と、実測値とが示されている。 FIG. 3 shows the FRF (frequency response function) gain of the acceleration on the floor at a position 0.9 m from the end of the vehicle body model. In FIG. 3, the FRF when the excitation force (unit N) is input and the vibration acceleration (unit m / s 2 ) at the position of x = 0.9 m on the floor of the vehicle body model 10 shown in FIG. 2 is output. For the gain, a calculated value based on modeling and an actual measurement value are shown.

また、図4に、鉄道車両模型の測定された固有振動数と振動モード形状を示す。ここでは、主な固有振動モードが示されている。図4において、細線は、変形前の車体模型10における各加速度センサ(測点)の位置を線で結んだ形状を示しており、太線は、変形後の車体模型10における各加速度センサ(測点)の位置を線で結んだ振動モード形状を示している。また、図中に示す数値は、各振動モードにおける固有振動数である。   FIG. 4 shows the measured natural frequency and vibration mode shape of the railway vehicle model. Here, the main natural vibration modes are shown. In FIG. 4, the thin line indicates a shape in which the position of each acceleration sensor (measurement point) in the body model 10 before deformation is connected by a line, and the thick line indicates each acceleration sensor (measurement point) in the body model 10 after deformation. ) Shows a vibration mode shape in which the positions are connected by a line. The numerical values shown in the figure are the natural frequencies in each vibration mode.

ここで、図4の(A)は、車体模型10を剛体とした時の並進振動モードを示しており、図4の(B)は、ピッチング振動モードを示している。また、図4の(C)は、1次曲げ振動と考えられる振動モードを示しており、図4の(D)は、はりの曲げでは表現できない振動モードを示している。さらに、この予備加振試験においては、局所的な振動モードも多数観測された。   Here, FIG. 4A shows the translational vibration mode when the vehicle body model 10 is a rigid body, and FIG. 4B shows the pitching vibration mode. FIG. 4C shows a vibration mode considered as a primary bending vibration, and FIG. 4D shows a vibration mode that cannot be expressed by beam bending. Furthermore, many local vibration modes were observed in this preliminary excitation test.

これらの予備加振試験によって、制振対象を図4の(C)に示す1次曲げ振動に限定する場合には、図3に示すFRFゲイン、及び、図4に示す振動形状から判断すると、はりモデルを適用することが妥当であることが分かった。   When the vibration suppression target is limited to the primary bending vibration shown in FIG. 4C by these preliminary excitation tests, judging from the FRF gain shown in FIG. 3 and the vibration shape shown in FIG. It was found that applying the beam model is reasonable.

ところで、ひずみによってピエゾ素子において発生する電圧は、制振性能に大きな影響を及ぼす。そこで、1次曲げ振動が発生した場合におけるひずみ測定を行った。このひずみ測定においては、車体模型10の長手方向であるx軸方向の中央部を測定断面とし、高さ方向であるz軸方向にひずみの測定点を9箇所設けて、その各測定点における長手方向のひずみ量の変化の実測値を、計算による理論値と比較している。   By the way, the voltage generated in the piezo element due to strain greatly affects the vibration damping performance. Therefore, strain measurement was performed when primary bending vibration occurred. In this strain measurement, the central portion of the body model 10 in the x-axis direction, which is the longitudinal direction, is used as a measurement cross section, and nine strain measurement points are provided in the z-axis direction, which is the height direction. The measured value of the change in the amount of strain in the direction is compared with the calculated theoretical value.

一方、車体模型10に1次曲げ振動のみが発生している場合には、中央部の断面におけるひずみの理論値SIDは、次式(10)で表される。但し、車体模型10の曲げ変形が、せん断変形を無視できるオイラーのはり理論に従うと仮定している。

Figure 0004286166
ここで、dは、中立軸からの距離であり、xは、車体模型10の中央部のx座標であり、wは、式(1)における第3項のφ(x)q(t)である。即ち、wは、はりのたわみに相当する。 On the other hand, when only the primary bending vibration in the vehicle body model 10 is generated, the theoretical value S ID of the strain in the cross section of the central portion is expressed by the following equation (10). However, it is assumed that the bending deformation of the vehicle body model 10 follows Euler's beam theory in which shear deformation can be ignored.
Figure 0004286166
Here, d Z is the distance from the neutral axis, x C is the x coordinate of the central part of the vehicle body model 10, and w L is φ L (x) q of the third term in the equation (1). L (t). That is, w L corresponds to the deflection of the beam.

また、式(10)における中辺の理論式に示すように、ひずみを算出するためには、たわみのxによる2階偏微分である曲率を必要とするが、これは直接測定できない。従って、まず、中央部の加速度から1次曲げ成分を抽出し、次に、1次曲げ成分の時間による2階積分から、たわみw(x)を求め、さらに、両端自由支持はりの1次モードの固有形状関数φ(x)と、そのxによる2階偏微分φ''(x)との、x=xにおける値の比を用いて、式(10)における右辺の近似式によりひずみを算出している。 Moreover, as shown in the theoretical formula of the middle side in the equation (10), in order to calculate the strain, a curvature which is a second-order partial differentiation with respect to the deflection x is required, but this cannot be directly measured. Therefore, first, the primary bending component is extracted from the acceleration at the central portion, then, the deflection w L (x) is obtained from the second-order integration by the time of the primary bending component, and further, the primary of the free support beam at both ends is obtained. Using the ratio of the values at x = x C between the eigen-shape function φ L (x) of the mode and the second-order partial differential φ L ″ (x) by x, an approximate expression of the right side in equation (10) The strain is calculated by

ここで、ひずみの実測値、及び、式(10)を用いて算出した理論値は、共に、ひずみを生じさせない中立軸が、車体模型10の高さ方向における中央である高さ0.3mの位置にあることが確認できた。   Here, the measured value of the strain and the theoretical value calculated using the equation (10) are both 0.3 m in height where the neutral axis that does not cause strain is the center in the height direction of the vehicle body model 10. It was confirmed that it was in position.

一方、中立軸以外の場所におけるひずみ実測値は、式(10)を用いて算出した理論値に比べて全体的に小さかった。すなわち、車体模型10をオイラーはりと見なすことは、1次曲げの振動形状に関しては妥当であるが、ひずみに関しては不適切であることが分かった。これは、車体模型10の屋根及び床間にせん断変形が生じている影響によるものと考えられ、このような変形を正確に表現するためには、チモシェンコはり、又は、FEM(finite element model:有限要素モデル)等のモデルを用いることが望ましいと考えられる。しかしながら、式(8)におけるK、及び、式(9)におけるKに対して、ひずみの実測値と理論値との比より求めた補正係数を乗じることにより、オイラーはりを用いたモデルを修正することにより、シミュレーションを行って、ピエゾ素子による制振性能を確認することが可能である。 On the other hand, the measured strain value at a place other than the neutral axis was generally smaller than the theoretical value calculated using Equation (10). That is, it was found that considering the vehicle body model 10 as an Euler beam is appropriate for the vibration shape of the primary bending, but is inappropriate for the strain. This is considered to be due to the effect of shear deformation between the roof and the floor of the vehicle body model 10, and in order to accurately express such deformation, Timoshenko beam or FEM (finite element model: finite) It is considered desirable to use a model such as an element model. However, by multiplying K A in Equation (8) and K S in Equation (9) by the correction coefficient obtained from the ratio of the measured value of the strain to the theoretical value, a model using the Euler beam is obtained. By correcting, it is possible to confirm the vibration suppression performance by the piezo element by performing a simulation.

次に、本実施形態に係る鉄道車両の制振性能を確認するための加振試験におけるピエゾ素子の配置について説明する。
図5に、本発明の一実施形態に係る鉄道車両模型をモデル化して示す。図5に示すように、車体模型10の長手方向の全長に渡って取り付けられている左右の側はりの下部に、8枚のピエゾ素子2が、4枚づつに分かれてタイル状に配置され、アルミ製C型補剛材を介して、接着によって取り付けられている。各々のピエゾ素子2の形状は、長さL=155mm、幅W=40mm、厚さt=3mmであり、ピエゾ素子の車体に対する質量比は、約0.4%である。ピエゾ素子2の電極は、全て並列に接続されている。その他の構成については、図2に示すものと同様である。
Next, the arrangement of the piezoelectric elements in the vibration test for confirming the vibration damping performance of the railway vehicle according to the present embodiment will be described.
FIG. 5 shows a model of a railway vehicle model according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, eight piezo elements 2 are divided into four pieces and arranged in tiles at the lower part of the left and right side beams attached over the entire length of the body model 10 in the longitudinal direction. It is attached by adhesion via an aluminum C-type stiffener. Each piezo element 2 has a length L P = 155 mm, a width W P = 40 mm, and a thickness t P = 3 mm, and the mass ratio of the piezo element to the vehicle body is about 0.4%. The electrodes of the piezo element 2 are all connected in parallel. Other configurations are the same as those shown in FIG.

ピエゾ素子2の電極に取り付けられたリード線は、エネルギー変換回路6に接続されている。このエネルギー変換回路6は、能動素子を用いた能動回路を含んでおり、等価的には、純抵抗RとインダクタンスLとを直列接続した回路(以下、「L−R回路」ともいう)や、負性キャパシタンスと純抵抗Rとを直列接続した回路(以下、「負性C−R回路」ともいう)等として表すことができる。   Lead wires attached to the electrodes of the piezo element 2 are connected to the energy conversion circuit 6. This energy conversion circuit 6 includes an active circuit using an active element, and equivalently, a circuit in which a pure resistance R and an inductance L are connected in series (hereinafter also referred to as “LR circuit”), It can be expressed as a circuit in which a negative capacitance and a pure resistance R are connected in series (hereinafter also referred to as a “negative CR circuit”).

次に、図5に示す鉄道車両のモデルを用いて行った制振性能の確認のための加振試験について述べる。
ここで述べる加振試験は、車体模型10の右端部を動電型加振器13によって垂直に加振して振動させ、ピエゾ素子2が弾性変形して発生する電気エネルギーをエネルギー変換回路6によって熱エネルギーに変換することにより制振を行い、その際の車体模型10の振動加速度を加速度センサによって測定するものである。これにより、車体模型10の振動応答が測定される。
Next, an excitation test for confirming the damping performance performed using the model of the railway vehicle shown in FIG. 5 will be described.
In the vibration test described here, the right end portion of the vehicle body model 10 is vibrated by being vibrated vertically by the electrodynamic exciter 13, and the electric energy generated by elastic deformation of the piezoelectric element 2 is generated by the energy conversion circuit 6. Vibration control is performed by converting to thermal energy, and vibration acceleration of the vehicle body model 10 at that time is measured by an acceleration sensor. Thereby, the vibration response of the vehicle body model 10 is measured.

図6に、第1のエネルギー変換回路として、等価的なL−R回路を使用する場合の等価回路を示す。この場合には、図6に示すように、等価的にL−R回路がピエゾ素子に接続されることになる。ここでは、ピエゾ素子の等価回路を、キャパシタンスと交流電圧源との直列接続によって表している。ピエゾ素子のキャパシタンス成分を特定の周波数において打ち消して、交流電圧源の負荷を純抵抗とするために、第1のエネルギー変換回路は、等価的にL−R回路を構成している。   FIG. 6 shows an equivalent circuit when an equivalent LR circuit is used as the first energy conversion circuit. In this case, as shown in FIG. 6, the LR circuit is equivalently connected to the piezo element. Here, an equivalent circuit of the piezo element is represented by a series connection of a capacitance and an AC voltage source. In order to cancel the capacitance component of the piezo element at a specific frequency and make the load of the AC voltage source a pure resistance, the first energy conversion circuit equivalently constitutes an LR circuit.

図6に示す等価回路において、交流電圧源が発生する電圧を入力電圧とし、L−R回路に印加される電圧を出力電圧とした場合の伝達関数GL−R(s)は、次式(11)のように表される。なお、大文字のアルファベットに(s)を付した表記は、ラプラス変換を表している。

Figure 0004286166
ここで、L=1/(ω )を満たすように調整することにより、インダクタンスLとピエゾ素子のキャパシタンスCとにより共振回路が構成される。これにより、ピエゾ素子が発生する電力を効率的に抵抗Rによって散逸させ、高い制振性能を得ることができる。なお、第1のエネルギー変換回路におけるインダクタンスLと抵抗Rの調整は、力学系の動吸収器におけるマスとダンパの調整にそれぞれ相当する。 In the equivalent circuit shown in FIG. 6, the transfer function G L−R (s) when the voltage generated by the AC voltage source is the input voltage and the voltage applied to the LR circuit is the output voltage is 11). In addition, the description which attached | subjected (s) to the capital letter of the alphabet represents Laplace conversion.
Figure 0004286166
Here, by adjusting to satisfy L = 1 / (ω 1 2 C P), the resonant circuit is formed by a capacitance C P of inductance L and a piezoelectric element. Thereby, the electric power which a piezo element generate | occur | produces can be dissipated efficiently by resistance R, and high damping performance can be obtained. The adjustment of the inductance L and the resistance R in the first energy conversion circuit corresponds to the adjustment of the mass and the damper in the dynamic system dynamic absorber, respectively.

このようにしてインダクタンスLを求める根拠は、次の通りである。すなわち、鉄道車両の振動を減衰させるためには、機械的な振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換して熱エネルギーとして散逸させる必要がある。インダクタンスLやピエゾ素子のキャパシタンスCは電力を消費しないので、抵抗Rに流れる電流が極大のとき、最も多くのエネルギーが散逸される。そのためには、インダクタンスLとキャパシタンスCとの直列インピーダンスは小さいほうが好ましく、上式を満たす場合には理論的にゼロとなる。この条件は、共振回路を構成する条件に他ならない。なお、抵抗Rの値は、機械的な振動が最小となるように最適化することが望ましい。 The basis for obtaining the inductance L in this way is as follows. That is, in order to attenuate the vibration of the railway vehicle, it is necessary to efficiently convert mechanical vibration energy into electric energy and dissipate it as heat energy. Since the capacitance C P of the inductance L and the piezoelectric element does not consume power, when the current flowing through the resistor R is maximum, the most energy is dissipated. For this purpose, the series impedance the smaller is preferably between inductance L and a capacitance C P, if they meet the above expression becomes theoretically zero. This condition is nothing but a condition that constitutes a resonant circuit. Note that it is desirable to optimize the value of the resistance R so that mechanical vibration is minimized.

しかしながら、鉄道車両のような大型の構造物の曲げ振動を対象とする場合には、周波数が比較的低いことからインダクタンスLの値が極めて大きくなり、これを受動素子によって実現すると、非常に大型の装置となってしまう。そこで、本実施形態においては、能動素子を用いることにより、等価的にインダクタンスLを実現するようにして、装置の小型化を計っている。   However, in the case of bending vibration of a large structure such as a railway vehicle, since the frequency is relatively low, the value of the inductance L becomes extremely large. It becomes a device. Therefore, in the present embodiment, by using an active element, the inductance L is equivalently realized and the apparatus is downsized.

図7に、本実施形態において用いられる第1のエネルギー変換回路の構成を示す。図6に示すように、抵抗RとインダクタンスLには同一の電流iが流れるので、それぞれの両端電圧v及びvのラプラス変換による表現は、次式のように表される。
(s)=RI(s)
(s)=LsI(s)
このように、vはvの微分に比例する。
FIG. 7 shows the configuration of the first energy conversion circuit used in the present embodiment. As shown in FIG. 6, since the same current i flows through the resistor R and the inductance L, the expression by Laplace transform of the both-end voltages v R and v L is expressed as the following equation.
V R (s) = RI (s)
V L (s) = LsI (s)
In this way, v L is proportional to the derivative of v R.

そこで、図7に示すように、本実施形態において用いられる第1のエネルギー変換回路においては、能動素子を用いて微分回路を構成した。このエネルギー変換回路の第1段目は、入力保護用のバッファであり、第2段目は、高耐圧オペアンプを用いて不完全微分及び反転を行う不完全微分回路である。このエネルギー変換回路の伝達特性は、次式(12)のように表される。

Figure 0004286166
Therefore, as shown in FIG. 7, in the first energy conversion circuit used in the present embodiment, a differentiation circuit is configured by using active elements. The first stage of the energy conversion circuit is an input protection buffer, and the second stage is an incomplete differentiation circuit that performs incomplete differentiation and inversion using a high-voltage operational amplifier. The transfer characteristic of this energy conversion circuit is expressed as the following equation (12).
Figure 0004286166

式(12)において、s=jωと置き、実数部分と虚数部分とに分けて整理すると、次式(13)が得られる。

Figure 0004286166
一方、図6に示す等価回路の伝達特性において、抵抗Rの両端電圧を入力電圧vINとし、インダクタンスLの両端電圧を出力電圧vOUTとした場合の伝達関数において、s=jωと置くと、次式(14)が得られる。
Figure 0004286166
In Expression (12), when s = jω is set and divided into a real part and an imaginary part, the following Expression (13) is obtained.
Figure 0004286166
On the other hand, in the transfer characteristic of the equivalent circuit shown in FIG. 6, when s = jω is set in the transfer function when the voltage across the resistor R is the input voltage v IN and the voltage across the inductance L is the output voltage v OUT , The following formula (14) is obtained.
Figure 0004286166

式(13)と式(14)との虚数成分を比較することにより、車体模型10の1次モード固有角振動数ωにおけるインダクタンスLの値と第1のエネルギー変換回路の素子定数との関係が、次のように求められる。
L=C ・・・(15)
但し、R=R/(1+ω )である。なお、ω=1/(C)は、(12)式によって表される不完全微分の1次遅れ要素のカットオフ角周波数を示し、ωを1次曲げ固有角振動数ωに対して十分大きくなるように設定すれば、着目するω付近の周波数帯域においては、L≒CRと見なすことができる。
By comparing the imaginary components of the equations (13) and (14), the relationship between the value of the inductance L at the primary mode natural angular frequency ω 1 of the vehicle body model 10 and the element constant of the first energy conversion circuit. However, it is required as follows.
L = C 1 R 2 R 0 (15)
However, R 0 = R / (1 + ω 1 2 C 1 2 R 1 2 ). Note that ω L = 1 / (C 1 R 1 ) indicates the cutoff angular frequency of the first-order lag element of the incomplete differentiation expressed by the equation (12), and ω L is the primary bending natural angular frequency ω. If it is set to be sufficiently larger than 1 , it can be considered that L≈C 1 R 1 R in the frequency band near ω 1 of interest.

1次遅れ要素のカットオフ角周波数ωは、回路の伝達特性の高周波ゲインが非常に大きくなるのを防ぐと共に、車体模型10の1次曲げ周波数付近における式(12)の周波数応答の位相について90°からのずれを小さくするように、車体模型10の1次モード固有角振動数ωの100倍程度となるように設定している。 The cut-off angular frequency ω L of the first-order lag element prevents the high-frequency gain of the circuit transfer characteristic from becoming very large, and the frequency response phase of the equation (12) near the first-order bending frequency of the vehicle body model 10 It is set to be about 100 times the primary mode natural angular frequency ω 1 of the vehicle body model 10 so as to reduce the deviation from 90 °.

なお、本実施形態によれば、ピエゾ素子によって発生された全電圧が初段回路に入力されるのではなく、抵抗Rの両端電圧が初段回路に入力される。一般に、抵抗Rの両端電圧はインダクタンスLの両端電圧よりもかなり小さくなる場合が多いと考えられるので、初段回路に入力される電圧を低減することができる。さらに、初段回路において、ダイオードによるリミッタ特性を有する入力保護用バッファを設けることにより、第2段目の高耐圧オペアンプが破損することを防いでいる。   Note that according to the present embodiment, not all voltages generated by the piezo elements are input to the first stage circuit, but the voltage across the resistor R is input to the first stage circuit. In general, it is considered that the voltage across the resistor R is often much smaller than the voltage across the inductance L, so the voltage input to the first stage circuit can be reduced. Furthermore, in the first stage circuit, by providing an input protection buffer having a limiter characteristic by a diode, the second stage high voltage operational amplifier is prevented from being damaged.

また、スイッチSWにより、ピエゾ素子の両端電極を、短絡、開放、若しくは、エネルギー変換回路に接続するように切り換えており、加振試験において、それぞれの場合における振動応答が測定される。   Further, both ends of the piezoelectric element are switched to be short-circuited, opened, or connected to the energy conversion circuit by the switch SW, and the vibration response in each case is measured in the vibration test.

図8に、第1のエネルギー変換回路を用いた加振試験におけるFRFゲインを示す。図8には、ピエゾ素子の両端電極を短絡した場合におけるFRFゲインと、ピエゾ素子の両端電極をエネルギー変換回路に接続した場合におけるFRFゲインとが示されている。なお、ピエゾ素子の両端電極を開放した場合におけるFRFゲインは、ピエゾ素子の両端電極を短絡した場合におけるFRFゲインとほぼ同一の周波数特性を示している。   FIG. 8 shows the FRF gain in the vibration test using the first energy conversion circuit. FIG. 8 shows the FRF gain when both end electrodes of the piezo element are short-circuited and the FRF gain when both end electrodes of the piezo element are connected to the energy conversion circuit. Note that the FRF gain when both end electrodes of the piezo element are open shows substantially the same frequency characteristics as the FRF gain when both end electrodes of the piezo element are short-circuited.

図8に示すように、ピエゾ素子の両端電極を第1のエネルギー変換回路に接続した場合におけるFRFゲインのピークの高さは、ピエゾ素子の両端電極を短絡した場合におけるFRFゲインのピークの高さの約72%となっており、車体模型10の振動を低減することが可能であることが分かる。   As shown in FIG. 8, the peak height of the FRF gain when both end electrodes of the piezo element are connected to the first energy conversion circuit is the peak height of the FRF gain when both end electrodes of the piezo element are short-circuited. It is found that the vibration of the vehicle body model 10 can be reduced.

ところで、図6に示す等価的なL−R回路において、最適な抵抗値が小さい場合や、ピエゾ素子の内部抵抗が比較的大きい場合には、抵抗Rの値を小さくする必要がある。しかしながら、最適なインダクタンスLの値が同じでも、抵抗Rの値が小さい場合には、図7における不完全微分回路の増幅率を大きくする必要があるので、高周波帯域において高電圧が発生し、制御系の安定性の観点からは望ましくない。そこで、図7に示すエネルギー変換回路を、図9に示すように変形することが考えられる。   In the equivalent LR circuit shown in FIG. 6, when the optimum resistance value is small or the internal resistance of the piezo element is relatively large, the value of the resistance R needs to be small. However, even if the optimum inductance L value is the same, if the resistance R value is small, it is necessary to increase the amplification factor of the incomplete differentiation circuit in FIG. This is undesirable from the viewpoint of system stability. Therefore, it is conceivable to modify the energy conversion circuit shown in FIG. 7 as shown in FIG.

図9に、第1のエネルギー変換回路の変形例を示し、図10に、その等価回路を示す。図9に示すエネルギー変換回路においては、最適なインダクタンスLよりも小さいインダクタンスLを初段回路の入力端子に接続し、入力電圧vINを(−α)倍に増幅して出力電圧vOUTを得ることによって、出力端子において仮想的にインダクタンスαLを構成している。従って、(1+α)L=Lを満たすようにエネルギー変換回路の増幅率αを設定することにより、所望のインダクタンスLの値を実現することができる。このようにすれば、所望のインダクタンスLの値が比較的大きい場合でも、実装するインダクタンスLの値は、その1/αで済む。 FIG. 9 shows a modification of the first energy conversion circuit, and FIG. 10 shows an equivalent circuit thereof. In the energy converter shown in Figure 9, connects the small inductance L K than the optimum inductance L to the input terminal of the first-stage circuit, the input voltage v IN (-α) is amplified doubles obtain an output voltage v OUT by constitute a virtually inductance .alpha.L K at the output terminal. Therefore, by setting the amplification factor α of the energy conversion circuit so as to satisfy (1 + α) L K = L, a desired inductance L value can be realized. In this way, even if the value of the desired inductance L is relatively large, the inductance L K of implementation requires only that 1 / alpha.

エネルギー変換回路の増幅率αは、第2段目回路の負帰還によって定まり、R/Rとなる。このエネルギー変換回路においては、インダクタンスLの値と抵抗Rの値とを独立して設定できるので、実装するインダクタンスLの値を適切に選択することにより、増幅率αを低く抑えることができる。また、不完全微分回路のように高周波帯域において増幅率が増加しないので、全ての周波数帯域に渡って増幅率が一定であるという特徴を有する。 The amplification factor α of the energy conversion circuit is determined by the negative feedback of the second stage circuit, and becomes R 2 / R 1 . In this energy conversion circuit can be set independently and values of the resistance R of the inductance L, by appropriately selecting the values of inductance L K that implements, it is possible to suppress the amplification rate α less. Further, since the amplification factor does not increase in the high frequency band unlike the incomplete differentiation circuit, the amplification factor is constant over all frequency bands.

図11に、第2のエネルギー変換回路として、等価的な負性C−R回路を使用する場合の等価回路を示す。この場合には、図11に示すように、等価的に負性C−R回路がピエゾ素子に接続されることになる。ピエゾ素子のキャパシタンスを広範囲な周波数において打ち消して、交流電圧源の負荷を純抵抗とするために、第2のエネルギー変換回路は、等価的に負性C−R回路を構成している。即ち、C=Cpとすることにより、理論的には全ての周波数においてピエゾ素子のキャパシタンスCpとエネルギー変換回路の負性キャパシタンス(−C)との合成インピーダンスをゼロにすることができるので、広範囲な周波数において制振効果が得られ、かつ、複数モードの制振が可能であると考えられる。しかしながら、負性キャパシタンスは受動素子のみによっては実現できないので、オペアンプを用いる等、能動回路によって構成する必要がある。   FIG. 11 shows an equivalent circuit when an equivalent negative CR circuit is used as the second energy conversion circuit. In this case, as shown in FIG. 11, a negative CR circuit is equivalently connected to the piezo element. In order to cancel the capacitance of the piezo element in a wide range of frequencies and make the load of the AC voltage source a pure resistance, the second energy conversion circuit equivalently constitutes a negative CR circuit. That is, by setting C = Cp, the combined impedance of the capacitance Cp of the piezo element and the negative capacitance (−C) of the energy conversion circuit can theoretically be zero at all frequencies. It is considered that a vibration damping effect can be obtained at a frequency and that vibrations in a plurality of modes are possible. However, since negative capacitance cannot be realized only by passive elements, it is necessary to configure it by an active circuit such as using an operational amplifier.

図12に、本実施形態において用いられる第2のエネルギー変換回路の構成を示す。図12に示すように、第2のエネルギー変換回路においては、負性キャパシタンス(−C)を実現するために、能動素子を用いて積分回路を構成した。このエネルギー変換回路の第1段目は、入力保護用の反転バッファであり、第2段目は、高耐圧オペアンプを用いて不完全積分及び反転を行う不完全積分回路である。このエネルギー変換回路の伝達特性は、次式(16)のように表される。

Figure 0004286166
FIG. 12 shows the configuration of the second energy conversion circuit used in the present embodiment. As shown in FIG. 12, in the second energy conversion circuit, an integrating circuit is configured using active elements in order to realize negative capacitance (-C). The first stage of the energy conversion circuit is an inversion buffer for input protection, and the second stage is an incomplete integration circuit that performs incomplete integration and inversion using a high-voltage operational amplifier. The transfer characteristic of this energy conversion circuit is expressed by the following equation (16).
Figure 0004286166

式(16)において、s=jωと置き、実数部分と虚数部分とに分けて整理すると、次式(17)が得られる。

Figure 0004286166
一方、図11に示す等価回路の伝達特性において、抵抗Rの両端電圧を入力電圧vINとし、負性キャパシタンス(−C)の両端電圧を出力電圧vOUTとした場合の伝達関数において、s=jωと置くと、次式(18)が得られる。
Figure 0004286166
In Expression (16), when s = jω is set and divided into a real part and an imaginary part, the following Expression (17) is obtained.
Figure 0004286166
On the other hand, in the transfer function of the equivalent circuit shown in FIG. 11, in the transfer function when the voltage across the resistor R is the input voltage v IN and the voltage across the negative capacitance (−C) is the output voltage v OUT , s = When jω is set, the following equation (18) is obtained.
Figure 0004286166

式(17)と式(18)との虚数成分を比較することにより、車体模型10の1次モード固有角振動数ωにおけるキャパシタンスCの値と第2のエネルギー変換回路の素子定数との関係が、次のように求められる。
C=C/R ・・・(19)
但し、R=R×ω /(1+ω )である。なお、ω=1/(C)は、(16)式によって表される不完全積分の1次遅れ要素のカットオフ角周波数を示し、ωを1次曲げ固有角振動数ωに対して十分小さくなるように設定すれば、着目するω付近の周波数帯域においては、C≒C/Rと見なすことができる。
By comparing the imaginary components of Expression (17) and Expression (18), the relationship between the value of the capacitance C at the first-order mode natural angular frequency ω 1 of the vehicle body model 10 and the element constant of the second energy conversion circuit. However, it is required as follows.
C = C 2 R 1 / R 0 (19)
However, it is R 0 = R × ω 1 2 C 2 2 R 2 2 / (1 + ω 1 2 C 2 2 R 2 2). Note that ω C = 1 / (C 2 R 2 ) indicates the cutoff angular frequency of the first-order lag element of the incomplete integration represented by the equation (16), and ω C is the first-order bending natural angular frequency ω. If it is set to be sufficiently smaller than 1 , it can be considered that C≈C 2 R 1 / R in the frequency band near ω 1 of interest.

ここで、ピエゾ素子が発生する電力を散逸するために最適な条件はC=Cであるが、C<Cの場合には、ピエゾ素子のキャパシタンスCとエネルギー変換回路の負性キャパシタンス(−C)との合成キャパシタンスが負となり、系が不安定になる。そこで、本実施形態においては、Cの値をCの値よりも僅かに大きくしている。また、不完全積分回路のカットオフ角周波数ωは、車体模型10の1次モード固有角振動数ωの1/100程度となるように設定している。 Here, the optimal conditions for dissipating power piezoelectric element generates a C = C P, C <in the case of C P is negative capacitance of the capacitance C P and energy conversion circuit of the piezoelectric element ( The combined capacitance with -C) becomes negative and the system becomes unstable. Therefore, in this embodiment, it is slightly greater than the value of the value of C C P. Further, the cutoff angular frequency ω C of the incomplete integration circuit is set to be about 1/100 of the first-order mode natural angular frequency ω 1 of the vehicle body model 10.

なお、本実施形態においては、初段回路として、ダイオードによるリミッタ特性を有する入力保護用バッファを設けることにより、第2段目の高耐圧オペアンプが破損することを防いでいる。   In this embodiment, an input protection buffer having a limiter characteristic using a diode is provided as the first stage circuit to prevent the second stage high voltage operational amplifier from being damaged.

また、スイッチSWにより、ピエゾ素子の両端電極を、短絡、開放、若しくは、エネルギー変換回路に接続するように切り換えており、加振試験において、それぞれの場合における振動応答が測定される。   Further, both ends of the piezoelectric element are switched to be short-circuited, opened, or connected to the energy conversion circuit by the switch SW, and the vibration response in each case is measured in the vibration test.

図13に、第2のエネルギー変換回路を用いた加振試験におけるFRFゲインを示す。図13には、ピエゾ素子の両端電極を短絡した場合におけるFRFゲインと、ピエゾ素子の両端電極をエネルギー変換回路に接続した場合におけるFRFゲインとが示されている。なお、ピエゾ素子の両端電極を開放した場合におけるFRFゲインは、ピエゾ素子の両端電極を短絡した場合におけるFRFゲインとほぼ同一の周波数特性を示している。   FIG. 13 shows the FRF gain in the vibration test using the second energy conversion circuit. FIG. 13 shows the FRF gain when both end electrodes of the piezo element are short-circuited and the FRF gain when both end electrodes of the piezo element are connected to the energy conversion circuit. Note that the FRF gain when both end electrodes of the piezo element are open shows substantially the same frequency characteristics as the FRF gain when both end electrodes of the piezo element are short-circuited.

図13に示すように、ピエゾ素子の両端電極を第2のエネルギー変換回路に接続することにより、第1のエネルギー変換回路よりも高い性能が得られていることが分かる。これは、第1のエネルギー変換回路において用いた不完全微分回路が抵抗成分を増加させたのに対し、第2のエネルギー変換回路において用いた不完全積分回路は、抵抗成分を減少させる働きがあり、ピエゾ素子の内部抵抗が相殺された結果、合成抵抗値が最適な値に近付いたためと考えられる。   As shown in FIG. 13, it can be seen that higher performance than that of the first energy conversion circuit is obtained by connecting both end electrodes of the piezoelectric element to the second energy conversion circuit. This is because the incomplete differentiation circuit used in the first energy conversion circuit increases the resistance component, whereas the incomplete integration circuit used in the second energy conversion circuit has a function of reducing the resistance component. This is probably because the combined resistance value approaches the optimum value as a result of the internal resistance of the piezo element being offset.

図14に、第2のエネルギー変換回路の変形例を示し、図15に、その等価回路を示す。図14に示すエネルギー変換回路においては、キャパシタンスCを初段回路の入力端子に接続し、入力電圧vINをβ倍に増幅して出力電圧vOUTを得ることによって、出力端子において仮想的に負性キャパシタンス(−βC)を構成している。従って、C/(1−β)=−Cを満たすようにエネルギー変換回路の増幅率βを設定することにより、通常の正の値を持つキャパシタを用いて所望の負性キャパシタンス(−C)の値を実現することができる。 FIG. 14 shows a modification of the second energy conversion circuit, and FIG. 15 shows an equivalent circuit thereof. In energy conversion circuit shown in FIG. 14, by the capacitance C K is connected to the input terminal of the first-stage circuit, the input voltage v IN is amplified in the β multiplied to obtain an output voltage v OUT, virtually negative at the output terminal A negative capacitance (−βC K ). Therefore, by setting the amplification factor β of the energy conversion circuit so as to satisfy C K / (1−β) = − C, a desired negative capacitance (−C) is obtained using a capacitor having a normal positive value. The value of can be realized.

エネルギー変換回路の増幅率βは、第2段目回路の負帰還によって定まり、R/Rとなる。このエネルギー変換回路においては、負性キャパシタンス(−C)の値と抵抗Rの値とを独立して設定できるので、実装するキャパシタンスCの値を適切に選択することにより、増幅率βを低く抑えることができる。また、全ての周波数帯域に渡って増幅率が一定であるという特徴を有する。 The amplification factor β of the energy conversion circuit is determined by the negative feedback of the second stage circuit and becomes R 2 / R 1 . In this energy conversion circuit, it is possible independently set the values of the resistance R of the negative capacitance (-C), by appropriately selecting the value of the capacitance C K that implements a low amplification factor β Can be suppressed. In addition, the gain is constant over all frequency bands.

以上の例においては、ピエゾ素子のキャパシタンス成分を打ち消すために、インダクタンス成分や負性キャパシタンス成分を等価的に発生させているが、本発明のさらに一般化した概念を、第3〜第5のエネルギー変換回路として以下に説明する。   In the above example, in order to cancel out the capacitance component of the piezo element, an inductance component and a negative capacitance component are equivalently generated. However, the more general concept of the present invention is applied to the third to fifth energy. The conversion circuit will be described below.

図16に、第3のエネルギー変換回路を示す。第3のエネルギー変換回路においては、ピエゾ素子の一方の端子と基準電位(ここでは接地電位とする)との間に、インピーダンスZ及びZを有する受動素子が直列に接続されている。増幅回路は、インピーダンスZを有する受動素子の両端電圧vINを増幅し、増幅回路の出力電圧vOUTは、ピエゾ素子の他方の端子に供給される。これにより、増幅回路は、実現すべき望みのインピーダンスZを、ピエゾ素子の他方の端子と基準電位との間に等価的に発生させている。 FIG. 16 shows a third energy conversion circuit. In the third energy conversion circuit, passive elements having impedances Z 0 and Z 1 are connected in series between one terminal of the piezo element and a reference potential (here, ground potential). Amplifier circuit amplifies the voltage across v IN passive components having an impedance Z 1, the output voltage v OUT of the amplifier circuit is supplied to the other terminal of the piezoelectric element. Thus, the amplifier circuit, the impedance Z 2 of the desired to be realized, are equivalently is generated between the other terminal and a reference potential of the piezo element.

ここで、Z=0、Z=R、Z=jωLとした場合には、図6に示す第1のエネルギー変換回路と等しくなる。その場合には、増幅回路を不完全微分回路として設計し、Z=jωLを等価的に発生するようにゲインG(jω)を決定することにより、図7に示すエネルギー変換回路を実現することができる。 Here, when Z 0 = 0, Z 1 = R, and Z 2 = jωL, it is equal to the first energy conversion circuit shown in FIG. In that case, the energy conversion circuit shown in FIG. 7 is realized by designing the amplifier circuit as an incomplete differentiation circuit and determining the gain G (jω) so as to generate Z 2 = jωL equivalently. Can do.

一般的には、ピエゾ素子のインピーダンスに基づいて、エネルギー変換回路によって実現すべきインピーダンスZOPTを求めておき、次式(20)を満たすように、インピーダンスZ及びZと、増幅回路のゲインG(jω)を決定する。
OPT=Z+Z+Z=Z+(1−G(jω))Z ・・・(20)
In general, the impedance Z OPT to be realized by the energy conversion circuit is obtained based on the impedance of the piezo element, and the impedances Z 0 and Z 1 and the gain of the amplifier circuit are satisfied so as to satisfy the following equation (20). G (jω) is determined.
Z OPT = Z 0 + Z 1 + Z 2 = Z 0 + (1-G (jω)) Z 1 (20)

なお、Z、Z、G(jω)の組み合わせは、式(20)を満たすという条件だけでは一意的に決まらないので、増幅回路のゲインを低く抑えたり、部品の実装を容易にする等の要求に応じて決定すれば良い。このように、第3のエネルギー変換回路によれば、任意のインピーダンスZOPTを実現することができるので、複雑なインピーダンス特性を実現したい場合にも対応することができる。 Note that the combination of Z 0 , Z 1 , and G (jω) is not uniquely determined only by the condition that the expression (20) is satisfied, so that the gain of the amplifier circuit can be kept low, component mounting can be facilitated, etc. It may be determined according to the request. As described above, according to the third energy conversion circuit, an arbitrary impedance Z OPT can be realized. Therefore, it is possible to cope with a case where a complicated impedance characteristic is desired to be realized.

一方、ピエゾ素子の一端を車体に接地したい場合には、図17に示す第4のエネルギー変換回路を用いることができる。第4のエネルギー変換回路においては、ピエゾ素子の一方の端子と絶縁増幅回路の反転入力端子との間に、インピーダンスZ及びZを有する受動素子が直列に接続され、ピエゾ素子の他方の端子は、基準電位(ここでは接地電位とする)に接続されている。絶縁増幅回路は、インピーダンスZを有する受動素子の両端電圧vINを差動増幅し、絶縁増幅回路の出力電圧vOUTは、反転入力端子に帰還される。これにより、絶縁増幅回路は、実現すべき望みのインピーダンスZを、ピエゾ素子の他方の端子と絶縁増幅回路の反転入力端子との間に等価的に発生させている。ここで、絶縁増幅回路のゲインを−G(jω)とすると、エネルギー変換回路全体のインピーダンスは、Z+(1−G(jω))Zとなる。 On the other hand, when it is desired to ground one end of the piezo element to the vehicle body, a fourth energy conversion circuit shown in FIG. 17 can be used. In the fourth energy conversion circuit, a passive element having impedances Z 0 and Z 1 is connected in series between one terminal of the piezoelectric element and the inverting input terminal of the insulation amplifier circuit, and the other terminal of the piezoelectric element. Are connected to a reference potential (here, ground potential). Insulation amplifier circuit, the voltage across v IN passive components having an impedance Z 1 and the differential amplifier, the output voltage v OUT insulating amplifier circuit is fed back to the inverting input terminal. Thus, the insulation amplifier circuit, the impedance Z 2 of the desired to be realized, are equivalently is generated between the inverting input terminal of the other terminal and the insulation amplifier circuit of the piezoelectric element. Here, assuming that the gain of the insulation amplifier circuit is −G (jω), the impedance of the entire energy conversion circuit is Z 0 + (1−G (jω)) Z 1 .

第4のエネルギー変換回路によれば、ピエゾ素子の一端を絶縁増幅回路の出力側と共通に車体に接地することができる。また、ノイズ等の影響を考えたときにインピーダンスZを有する受動素子の一端を接地することが不適切な場合においても、絶縁増幅回路を用いることにより入力側を出力側から絶縁することが可能である。 According to the fourth energy conversion circuit, one end of the piezoelectric element can be grounded to the vehicle body in common with the output side of the insulation amplifier circuit. Further, even if one end is inappropriate grounding the passive element having an impedance Z 1 when considering the influence of noise or the like, it can be insulated from the output side to the input side by using an insulating amplifier circuit It is.

以上の例においては、アナログの増幅回路を用いてエネルギー変換回路を構成したが、ディジタル信号処理を用いてエネルギー変換回路を構成するようにしても良い。
図18に、第5のエネルギー変換回路を示す。第5のエネルギー変換回路は、図16に示す第3のエネルギー変換回路におけるアナログの増幅回路を、ADC(analog to digital converter:アナログ/ディジタル変換回路)16と、DSP(digital signal processor:ディジタル信号処理回路)17と、DAC(digital to analog converter:ディジタル/アナログ変換回路)18と、ドライバアンプ19とによって置き換えたものである。これらを含む系のゲインは、G(jω)で表される。
In the above example, the energy conversion circuit is configured using an analog amplifier circuit. However, the energy conversion circuit may be configured using digital signal processing.
FIG. 18 shows a fifth energy conversion circuit. The fifth energy conversion circuit includes an analog amplification circuit in the third energy conversion circuit shown in FIG. 16, an ADC (analog to digital converter) 16 and a DSP (digital signal processor). Circuit) 17, DAC (digital to analog converter) 18, and driver amplifier 19. The gain of the system including these is represented by G (jω).

ADC16は、インピーダンスZを有する受動素子の両端電圧vINをディジタル信号に変換する。DSP17は、ADC16が生成するディジタル信号に対して、不完全微分、不完全積分、又は増幅等のディジタル信号処理を施す。DAC18は、DSP17によって信号処理が施されたディジタル信号に基づいて、アナログ信号を生成する。ドライバアンプ19は、DAC18によって生成されたアナログ信号を電力増幅して、出力電圧vOUTをピエゾ素子の他方の端子に供給する。 The ADC 16 converts the voltage v IN across the passive element having the impedance Z 1 into a digital signal. The DSP 17 performs digital signal processing such as incomplete differentiation, incomplete integration, or amplification on the digital signal generated by the ADC 16. The DAC 18 generates an analog signal based on the digital signal subjected to signal processing by the DSP 17. The driver amplifier 19 amplifies the analog signal generated by the DAC 18 and supplies the output voltage v OUT to the other terminal of the piezo element.

ここで、DSP17は、ピエゾ素子の負荷として所望のインピーダンスZOPTを実現するようにプログラミングされたソフトウェアに基づいて、エネルギー変換回路全体におけるインピーダンスが式(20)を満たすようにディジタル信号処理を行っている。これにより、エネルギー変換回路全体におけるインピーダンスを、Z+(1−G(jω))Zとすることができる。 Here, the DSP 17 performs digital signal processing based on software programmed so as to realize a desired impedance Z OPT as a load of the piezo element so that the impedance in the entire energy conversion circuit satisfies Expression (20). Yes. Accordingly, the impedance of the entire energy converter, Z 0 + (1-G (jω)) may be Z 1.

また、性能向上等の要求によりゲインG(jω)の特性が複雑になった場合や、状況に応じて特性を変化させる必要がある場合には、ディジタル信号処理部分を計算機に取り込むことにより、所望のインピーダンスを容易かつ即座に実現することができる。なお、図17に示す第4のエネルギー変換回路におけるアナログ信号処理を、ディジタル信号処理に置き換えることも可能である。   Further, when the characteristic of the gain G (jω) becomes complicated due to a demand for performance improvement or when it is necessary to change the characteristic according to the situation, the digital signal processing part is taken into the computer to obtain the desired value. The impedance can be realized easily and immediately. Note that the analog signal processing in the fourth energy conversion circuit shown in FIG. 17 can be replaced with digital signal processing.

図19は、図18に示す第5のエネルギー変換回路の具体例を示す図である。図19に示すように、このエネルギー回路においては、Z=0、Z=Rとしている。従って、DSP17は、ディジタル信号処理として不完全微分を行うことになる。 FIG. 19 is a diagram showing a specific example of the fifth energy conversion circuit shown in FIG. As shown in FIG. 19, in this energy circuit, Z 0 = 0 and Z 1 = R. Therefore, the DSP 17 performs incomplete differentiation as digital signal processing.

本発明は、車体の振動エネルギーを散逸させて振動低減を図るようにした鉄道車両において利用することが可能である。   The present invention can be used in a railway vehicle in which vibration energy of the vehicle body is dissipated to reduce vibration.

本発明の基本的構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the basic composition of this invention. 加振試験において用いる鉄道車両の車体模型を示す図である。It is a figure which shows the vehicle body model of the railway vehicle used in a vibration test. 車体模型の車端から0.9mの位置における床上加速度のFRFゲインを示す図である。It is a figure which shows the FRF gain of the acceleration on the floor in the position of 0.9 m from the vehicle end of a vehicle body model. 鉄道車両模型の固有振動数と振動モード形状を示す図である。It is a figure which shows the natural frequency and vibration mode shape of a railway vehicle model. 本発明の一実施形態に係る鉄道車両模型をモデル化して示す図である。1 is a diagram illustrating a model of a railway vehicle model according to an embodiment of the present invention. 第1のエネルギー変換回路の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of a 1st energy conversion circuit. 第1のエネルギー変換回路を示す図である。It is a figure which shows a 1st energy conversion circuit. 第1のエネルギー変換回路を用いた加振試験におけるFRFゲインを示す図である。It is a figure which shows the FRF gain in the vibration test using a 1st energy conversion circuit. 第1のエネルギー変換回路の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a 1st energy conversion circuit. 図9に示す回路の等価回路を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an equivalent circuit of the circuit shown in FIG. 9. 第2のエネルギー変換回路の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of a 2nd energy conversion circuit. 第2のエネルギー変換回路を示す図である。It is a figure which shows a 2nd energy conversion circuit. 第2のエネルギー変換回路を用いた加振試験におけるFRFゲインを示す図である。It is a figure which shows the FRF gain in the vibration test using a 2nd energy conversion circuit. 第2のエネルギー変換回路の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a 2nd energy conversion circuit. 図14に示す回路の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the circuit shown in FIG. 第3のエネルギー変換回路を示す図である。It is a figure which shows a 3rd energy conversion circuit. 第4のエネルギー変換回路を示す図である。It is a figure which shows a 4th energy conversion circuit. 第5のエネルギー変換回路を示す図である。It is a figure which shows the 5th energy conversion circuit. 第5のエネルギー変換回路の具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of a 5th energy conversion circuit.

符号の説明Explanation of symbols

1 構造体
2 ピエゾ素子
3 圧電材料
4、5 電極
6 エネルギー変換回路
10 車体模型
11 空気ばね
12 ロードセル
13 動電型加振器
16 ADC
17 DSP
18 DAC
19 ドライバアンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Structure 2 Piezo element 3 Piezoelectric material 4, 5 Electrode 6 Energy conversion circuit 10 Body model 11 Air spring 12 Load cell 13 Electrodynamic exciter 16 ADC
17 DSP
18 DAC
19 Driver amplifier

Claims (9)

鉄道車両用の車体の構造体に付設され、前記車体の振動を受けて弾性変形することにより電圧を発生する少なくとも1つのピエゾ素子と、
前記ピエゾ素子の第1の端子に発生する電圧に基づいて出力電圧を生成し、前記ピエゾ素子の第2の端子に出力電圧を供給することにより、前記ピエゾ素子が発生する電気エネルギーの少なくとも一部を熱エネルギーに変換するエネルギー変換回路と、
を具備し、前記エネルギー変換回路が、
前記ピエゾ素子の第1の端子に接続された第1の受動素子と、
絶縁増幅回路を有し、前記第1の受動素子、又は、前記第1の受動素子に直列接続された第2の受動素子の両端に発生する電圧に基づいて、少なくとも1つの周波数において前記ピエゾ素子が有する容量成分を打ち消すためのインピーダンス成分を等価的に発生させる能動回路と、
を含み、前記第1の受動素子、又は、直列接続された前記第1及び第2の受動素子が、前記ピエゾ素子の第1の端子と前記絶縁増幅回路の反転入力端子との間に接続されている、鉄道車両。
At least one piezo element that is attached to a structure of a vehicle body for a railway vehicle and generates a voltage by elastically deforming in response to vibration of the vehicle body;
By generating an output voltage based on the voltage generated at the first terminal of the piezo element and supplying the output voltage to the second terminal of the piezo element, at least part of the electric energy generated by the piezo element. An energy conversion circuit that converts heat into thermal energy;
And the energy conversion circuit comprises:
A first passive element connected to a first terminal of the piezo element;
The piezoelectric element having at least one frequency based on a voltage generated at both ends of the first passive element or a second passive element connected in series to the first passive element, having an insulation amplifier circuit An active circuit that equivalently generates an impedance component for canceling the capacitance component of
The first passive element or the first and second passive elements connected in series are connected between a first terminal of the piezo element and an inverting input terminal of the insulation amplifier circuit. A rail vehicle.
前記第1の受動素子が、抵抗を含み、
前記能動回路が、前記抵抗の両端に発生する電圧を不完全微分及び反転することにより、インダクタンス成分を等価的に発生させる、
請求項記載の鉄道車両。
The first passive element includes a resistor;
The active circuit generates an inductance component equivalently by incomplete differentiation and inversion of the voltage generated across the resistor,
The railway vehicle according to claim 1 .
前記第1の受動素子が、抵抗を含み、
前記能動回路が、前記抵抗の両端に発生する電圧を不完全積分することにより、負性キャパシタンス成分を等価的に発生させる、
請求項記載の鉄道車両。
The first passive element includes a resistor;
The active circuit equivalently generates a negative capacitance component by incompletely integrating the voltage generated across the resistor;
The railway vehicle according to claim 1 .
前記第1及び第2の受動素子が、直列接続された抵抗及びインダクタンスを含み、
前記能動回路が、前記インダクタンスの両端に発生する電圧を反転増幅することにより、インダクタンス成分を等価的に発生させる、
請求項記載の鉄道車両。
The first and second passive elements include a resistor and an inductance connected in series;
The active circuit generates an inductance component equivalently by inverting and amplifying the voltage generated across the inductance.
The railway vehicle according to claim 1 .
前記第1及び第2の受動素子が、直列接続された抵抗及びキャパシタンスを含み、
前記能動回路が、前記キャパシタンスの両端に発生する電圧を増幅することにより、負性キャパシタンス成分を等価的に発生させる、
請求項記載の鉄道車両。
The first and second passive elements comprise resistors and capacitances connected in series;
The active circuit amplifies the voltage generated across the capacitance to generate a negative capacitance component equivalently;
The railway vehicle according to claim 1 .
前記能動回路が、アナログ電圧をディジタル信号に変換して所定のゲインで増幅する増幅部を含む、請求項1記載の鉄道車両。 The railway vehicle according to claim 1, wherein the active circuit includes an amplifying unit that converts an analog voltage into a digital signal and amplifies the analog signal with a predetermined gain . 前記増幅部
アナログ電圧をディジタル信号に変換するアナログ/ディジタル変換器と、
前記アナログ/ディジタル変換器から出力されるディジタル信号に信号処理を施すディジタル信号処理回路と、
前記ディジタル信号処理回路から出力されるディジタル信号をアナログ信号に変換するディジタル/アナログ変換器と、
を含む、請求項記載の鉄道車両。
The amplifying section,
An analog / digital converter for converting an analog voltage into a digital signal;
A digital signal processing circuit for performing signal processing on a digital signal output from the analog / digital converter;
A digital / analog converter for converting a digital signal output from the digital signal processing circuit into an analog signal;
The railway vehicle according to claim 6 .
前記能動回路が、前記ディジタル/アナログ変換器の出力電圧を前記ピエゾ素子の第2の端子に供給する出力回路をさらに含む、請求項記載の鉄道車両。 The railway vehicle according to claim 7 , wherein the active circuit further includes an output circuit that supplies an output voltage of the digital / analog converter to a second terminal of the piezo element. 前記車体に複数のピエゾ素子が貼り付けられている、請求項1〜のいずれか1項記載の鉄道車両。 The railway vehicle according to any one of claims 1 to 8 , wherein a plurality of piezo elements are attached to the vehicle body.
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