JP5151896B2 - 制振装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動体の振動を抑制する制振装置に関するものである。

近年、家庭やオフィスにて様々な情報機器が使用されている。これらの情報機器は、駆動機構や冷却用ファンなどの振動源を搭載しているため、情報機器から発生する騒音が問題となってきている。そこで、そのような騒音を低減すべく、振動体の振動を抑制する制振装置が従来から種々提案されている。

例えば、特許文献１には、騒音源となる振動体に貼り付けて、振動体の振動および音波輻射を抑制する振動吸収器が開示されている。この振動吸収器は、能動型弾性層とマス層とを有しており、能動型弾性層は、主平面と垂直な方向への動きを生ずるように電気的に駆動される。これにより、マス層の動きを誘発したり変化させたりして、システム全体の動的特性を改善している。

また、特許文献２には、電歪ポリマーと電極とを積層した微小変位可能なアクチュエータをコンデンサ素子としてＲＬＣ共振回路を組んだ給電回路に対して、防振すべき振動に対応した信号を生成して給電回路に与えることにより、微小振幅振動に対して効果的な防振効果を得る防振装置が開示されている。

一方、特許文献３には、電圧印加用電極と起電力検出用電極とを高分子膜に設けた高分子アクチュエータが開示されている。このように２種類の電極を高分子膜に設けることにより、高分子アクチュエータは、電圧印加によるアクチュエータ機能と、起電力を検出するセンサ機能との両方を併せ持つ。

特表２００７−５２１４４５号公報 特開２００６−２３４０３８号公報 特開２００６−１７３２１９号公報

ところが、特許文献１の装置では、振動の検出に振動センサが必要であり、装置の大型化やコストアップを招来する。特許文献２においても、振動の検出に振動センサを設けた場合には、同様に、大型化やコストアップの問題が生じる。

また、特許文献３の構成では、電圧印加用電極と起電力検出用電極とが別々の電極、すなわち、別々の位置に形成される電極であるため、起電力を検出した位置に対して電圧を印加して高分子膜を変位させることはできない。したがって、この高分子アクチュエータを例えば制振装置に適用した場合には、振動を検出した位置に対して振動を抑えることができず、振動を抑える位置がずれて効果的に振動を抑えることができない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、位置ずれなく制振できる、小型で低コストの制振装置を提供することにある。

本発明の制振装置は、振動体の振動に応じて変形する変位素子と、上記変位素子を変形させることによって上記振動体の振動を抑制する制御部とを備え、上記変位素子は、変位層と電極層とを含んで構成されており、上記制御部は、上記振動体の振動に伴う上記変位層の変形によって生じる起電圧を上記電極層を介して検出し、起電圧を検出した上記電極層に対して、検出した起電圧と逆極性の電圧を印加することを特徴としている。

本発明の制振装置において、上記変位層は、２層設けられており、上記電極層は、上記各変位層の表裏に３層設けられており、上記３層の電極層のうちで中間に位置する電極層が、接地されている構成が望ましい。

本発明の制振装置において、上記制御部は、接地されている電極層以外の電極層に対して、検出した起電圧と逆極性の電圧を印加することが望ましい。

本発明の制振装置において、上記接地されている電極層以外の電極層は、各層ごとに複数の電極に分割されており、上記振動体の振動に伴い、同一層にある各分割電極の配列方向において節が１個となる曲げモードで上記変位素子が変形するとき、同一層にある各分割電極は、それぞれ、振動する変位素子の節と腹との間に位置していることが望ましい。

本発明の制振装置において、上記制御部は、上記振動体の振動に伴う上記変位素子の変形によって生じる起電圧を、上記変位素子の電極層を介して検出する起電圧検出部と、上記起電圧検出部にて検出した起電圧と逆極性の電圧を生成する電圧生成部と、起電圧を検出した電極層に対して、上記電圧生成部にて生成した電圧を印加する電圧印加部とを備えている構成であってもよい。

本発明の制振装置において、上記制御部は、起電圧の検出タイミングとずれるように、電極層への電圧印加のタイミングを調整するタイミングコントロール部を備えていることが望ましい。

本発明の制振装置において、上記変位素子は、空気層が介在するように振動体に貼り付けられる構成であってもよい。

本発明によれば、振動体が振動すると、その振動に応じて変位素子は曲げ変形する。なお、変位素子は、例えば振動体に直接貼り付けられるか、あるいは空気層を介して設けられる。このとき、制御部は、変位素子の変位層の変形によって生じる起電圧と逆極性の電圧を電極層に印加するので、変位素子は振動を相殺するように変形し、これによって振動を抑制することができる。

また、振動体の振動時に、変位素子の電極層を介して起電圧を検出することにより振動を検知できるので、従来用いられていた振動センサを別途用いる必要がなくなり、小型で、低コストの制振装置を実現することができる。さらに、起電圧検出用の電極層と電圧印加用の電極層とが同一であるので、振動を検出した位置に対して振動を抑えることができ、振動を抑制する位置がずれることがない。つまり、振動を精度良く効果的に抑えることができる。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図１は、本実施形態の制振装置１の斜視図である。制振装置１は、振動源を有する振動体としての筐体１０に例えば両面テープや接着剤を用いて貼り付けられている。情報機器は、駆動機構や冷却用ファンなどの振動源を搭載しているため、それらの振動源からの振動が筐体１０を振るわせることで音が発生する。振動源そのものの振動を抑制するのは困難であるが、筐体１０に制振装置１を直接貼り付けることにより、筐体１０の振動を抑制し、静音化することが容易となる。

制振装置１は、変位素子２と、制御部３とを備えている。変位素子２は、振動体の振動に応じて変形するとともに、制御部３の制御によって振動体の振動を抑制する制振シートである。制御部３は、変位素子２を変形させることによって振動体の振動を抑制する。以下、変位素子２および制御部３の詳細について説明する。

図２は、変位素子２の概略の構成を示す断面図である。変位素子２は、変位層１１・１２と、電極層２１・２２・２３とを有し、これらが交互に積層された構造となっている。つまり、電極層２１・２２は変位層１１を挟むように設けられており、電極層２２・２３は変位層１２を挟むように設けられている。この結果、各電極層２１・２２・２３は、各変位層１１・１２の表裏にそれぞれ設けられているとも言える。この構造が変位素子２の最小単位である。

変位層１１・１２は、振動体の振動に伴って変形するものである。変位層１１・１２には、振動体の振動に伴って伸びるとプラス（＋）の電荷が生じ、縮むとマイナス（−）の電荷が生じるように分極が施されている。

変位層１１・１２は、柔軟性を有することが望ましいため、例えば有機変位材料で構成されている。有機変位材料には格別の制限はなく、例えば、「高分子」（2001年50巻第７号450頁〜453頁）に記載の材料、「ソフトアクチュエーター開発の最前線」（エヌ・ティー・エス刊、2004年）に記載の材料などを用いることができるが、好ましくは、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフッ化ビニリデン、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）、シリコーンゴムなどがある。また、資料「Expected Materials for the Future Vol.5 No.10 プリンタブル高分子アクチュエータ材料の開発」に記載の方法でゲル状化したイオン性材料も用いることができる。本実施形態では、圧電性を有するポリフッ化ビニリデンを用い、一般的なフィルム製造方法である溶融押出法にて変位層１１・１２を形成した。

変位層１１・１２は有機材料であるため、柔らかく、弱い電界でも変位を大きくとることができる。なお、有機材料は成形性が良いため、図２では平行平板で示しているが、任意の形状とすることもできる。

電極層２１・２２・２３のうち、中間に位置する電極層２２は接地されており、中立電極となっている。残りの電極層２１・２３は、変位層１１・１２の変形によって生じる起電圧を制御部３に出力する一方、制御部３から制振のための電圧を受けて変位層１１・１２を変形させる。したがって、変位層１１・１２に外部から力が加わり、変位層１１・１２が変形すれば、電極層２１・２３に電荷が生じて起電圧が生まれ、逆に電極層２１・２３に電界を与えれば、変位層１１・１２は変形する。よって、変位素子２を、センサとしてもアクチュエータとしても機能させることができる。

電極層２１・２２・２３としては、例えば導電性材料を用いることができる。このような材料としては、実用可能なレベルでの導電性があれば特に限定することなく用いることが可能である。具体的には、白金、金、ペースト状のものを含む銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、酸化スズ・アンチモン、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化亜鉛、亜鉛、グラファイトやグラッシーカーボンおよびカーボンペーストを含む炭素、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、ガリウム、ニオブ、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、アルミニウム、マグネシウム／銅混合物、マグネシウム／銀混合物、マグネシウム／アルミニウム混合物、マグネシウム／インジウム混合物、アルミニウム／酸化アルミニウム混合物、リチウム／アルミニウム混合物等を用いることができる。なお、本実施形態では、カーボンブラックを印刷することで、電極層２１・２２・２３を形成した。

次に、制御部３の構成について説明する。図３は、制御部３の概略の構成を示すブロック図である。制御部３は、起電圧検出部３１と、位相反転部３２と、信号増幅部３３と、ゲインコントロール部３４と、電源部３５と、電圧印加部３６と、タイミングコントロール部３７とを有している。

起電圧検出部３１は、振動体の振動に伴う変位素子２の変形によって生じる起電圧を、変位素子２の電極層２１・２３を介して検出する。位相反転部３２は、検出された起電圧の信号の位相（正負）を反転して出力する。信号増幅部３３は、位相反転部３２からの出力信号を増幅する。ゲインコントロール部３４は、信号増幅部３３にて信号をどの程度増幅するかをコントロールする。よって、位相反転部３２と、信号増幅部３３と、ゲインコントロール部３４とで、起電圧検出部３１にて検出した起電圧と逆極性の電圧を生成する電圧生成部が構成されている。電源部３５は、信号増幅のために必要な電源を信号増幅部３３に供給する。電圧印加部３６は、起電圧を検出した電極層２１・２３に対して、電圧生成部にて生成した電圧を印加する。

タイミングコントロール部３７は、起電圧の検出タイミングとずれるように、電極層２１・２３への電圧印加のタイミングを調整する。つまり、本実施形態では、電極層２１・２３は、どちらも、起電圧検出用および電圧印加用の電極として作用し、起電圧を検出する電極層２１・２３と、駆動電圧を印加する電極層２１・２３とが同一となる。このため、起電圧の検出時と電圧の印加時とで、検出および印加のタイミングをずらす必要がある。タイミングコントロール部３７は、これらのタイミングを制御している。

次に、制振装置１の動作について説明する。図４（ａ）は、起電圧検出時の制振装置１の模式図を示し、図４（ｂ）は、電圧印加時の制振装置１の模式図を示している。

図４（ａ）の起電圧検出時には、タイミングコントロール部３７は、変位素子２に起電圧検出部３１を接続している。変位素子２が筐体１０（図１参照）の振動によって曲げ変形すると、中立面を境に一方の変位層１２には伸びの変形が、他方の変位層１１には縮みの変形が生じる。したがって、電極層２３にはプラスの電荷が生じ、電極層２１にはマイナスの電荷が生じる。制御部３の起電圧検出部３１は、これらの電荷を電圧として検出する。検出を終えた後、タイミングコントロール部３７は、変位素子２に電圧印加部３６を接続する。

起電圧検出部３１にて検出された起電圧の信号は、図３の位相反転部３２にて、その位相（正負）が反転され、出力される。例えば、検出信号が＋Ａ（Ｖ）の場合は−Ａ（Ｖ）が出力され、−Ｂ（Ｖ）の場合は＋Ｂ（Ｖ）が出力される。位相反転部３２からの出力信号は、信号増幅部３３にて増幅される。

図４（ｂ）の電圧印加時には、電圧印加部３６は、電極層２３に対して、プラスの電荷を打ち消すようにマイナスの電圧を印加し、電極層２１に対して、マイナスの電荷を打ち消すようにプラスの電圧を印加する。これにより、伸びの変形が生じていた変位層１２には縮める方向の力が、また縮みの変形が生じていた変位層１１には伸ばす方向の力が発生し、結果、変位素子２は、自身の曲げ変形を打ち消すような動作を行う。

以上のように、本実施形態の制振装置１は、制御部３が、振動体の振動に伴う変位層１１・１２の変形によって生じる起電圧を電極層２１・２３を介して検出し、起電圧を検出した電極層２１・２３に対して、検出した起電圧と逆極性の電圧を印加する構成である。

振動体が振動すると、その振動に応じて変位素子２は変形（例えば曲げ変形）するが、制御部３が検出した起電圧と逆極性の電圧を電極層２１・２３に印加するので、変位素子２は振動を相殺するように変形し、これによって振動を抑制することができる。

また、上記構成によれば、振動体の振動時に、変位素子２の電極層２１・２３を介して起電圧を検出することによって振動を検知できるので、従来用いられていた振動センサを別途用いる必要がなくなり、小型で、低コストの制振装置１を実現することができる。さらに、起電圧検出用の電極層２１・２３と電圧印加用の電極層２１・２３とが同一であるので、振動を抑制する位置がずれることがない。つまり、変位素子２において変形した部分に適切な電圧を印加して、その変形した部分を元の形状に確実に戻して振動を抑制することができる。

特に、制御部３が、上述した起電圧検出部３１と、電圧生成部（位相反転部３２、信号増幅部３３、ゲインコントロール部３４）と、電圧印加部３６とを有して構成されていることにより、上述した動作を確実に行って、上記した効果を確実に得ることができる。

また、振動体の振動に伴う変位層１１・１２の曲げ変形によって電極層２１・２３に生じるマイナス、プラスの電荷は、変位層１１・１２の変形の仕方（どちらに曲がるか）によって入れ替わるものであるが、その場合でも、電圧印加部３６が、検出した起電圧と逆極性の電圧を電極層２１・２３に印加すれば、上記した制振効果を得ることができる。

また、本実施形態では、３層の電極層２１・２２・２３のうちで中間に位置する電極層２２が接地されているので、振動体の振動に伴って変位素子２が曲がると、接地されている電極層２２の両側の２つの電極層２１・２３で、発生する起電圧が互いに逆極性となる。したがって、振動体の振動に伴う変位素子２の曲げ変形を検知することができ、その曲げ変形を抑制して振動を抑制することが可能となる（ちなみに、特許文献２の構成では、原理的にアクチュエータに対して伸縮方向（積層方向）の振動のみしか抑制することができない）。

また、変位素子２全体が曲がる場合、一方の変位層（例えば変位層１２）は伸び、他方の変位層（例えば変位層１１）は縮むというように、各変位層１１・１２ごとに変形の仕方は異なる。したがって、振動体の振動時に、接地されている電極層２２以外の２つの電極層２１・２３を介して検出される起電圧も、各電極層２１・２３で異なる。しかし、制御部３は、接地されている電極層２２以外の電極層２１・２３に対して、検出した起電圧と逆極性の電圧を印加するので、各電極層２１・２３ごとに異なる電圧を印加して、各変位層１１・１２の変形を独立して制御することができる。その結果、振動を効果的に抑えることができる。

また、制御部３のタイミングコントロール部３７は、起電圧の検出タイミングとずれるように電圧印加のタイミングを調整するので、同じ電極層２１・２３を起電圧検出用としても電圧印加用としても用いることができる。

ところで、図５は、変位素子２の他の構成例を示す断面図である。この変位素子２においては、接地されている電極層２２以外の電極層２１・２３は、各層ごとに複数の電極に分割されている。具体的には、電極層２１は、複数の分割電極２１ａ・２１ｂに分割されており、電極層２３は、複数の分割電極２３ａ・２３ｂに分割されている。そして、振動体の振動に伴い、同一層（例えば電極層２１）にある各分割電極の配列方向（例えば分割電極２１ａ・２１ｂが並ぶ方向）において節が１個となる曲げモード（１次曲げモード）で変位素子２が変形するとき、同一層にある各分割電極は、それぞれ、振動する変位素子２の節と腹との間に位置している。

ここで、節とは、全く振動せず振幅が０である点を指し、例えば同図の点Ａ₁に相当する。また、腹とは、振幅が最大である点を指し、例えば同図の点Ｂ₁、Ｂ₂に相当する。したがって、これらの点Ａ₁、Ｂ₁、Ｂ₂を用いて表現すると、分割電極２１ａ・２１ｂの配列方向において、分割電極２１ａは点Ａ₁と点Ｂ₁との間に位置しており、分割電極２１ｂは点Ａ₁と点Ｂ₂との間に位置している。また、分割電極２３ａ・２３ｂの配列方向において、分割電極２３ａは点Ａ₁と点Ｂ₁との間に位置しており、分割電極２３ｂは点Ａ₁と点Ｂ₂との間に位置している。

このように変位素子２を構成することにより、変位素子２の曲げ変形の際に、同一層にある各分割電極ごとに、伸張または圧縮のいずれか一方に対応する起電圧のみを検出して、曲げ変形を確実に検知することができる。つまり、１つの分割電極（例えば分割電極２１ａ）が、伸張および圧縮の両方の起電圧を検出することがない。これにより、１個の分割電極において、伸張と圧縮とで発生する起電圧が相殺されて、曲げ変形が検知されなくなる事態を回避することができる。

以上のことから、各分割電極２１ａ・２３ａ、各分割電極２１ｂ・２３ｂの長さは、それぞれ、変位素子２の１次曲げモードの１／４波長以下に設定されていればよいとも言うことができる。また、変位素子２の奇数次の曲げモードにおいて、上記と同様の効果を得ることができる。

以上では、変位素子２が振動体である筐体１０に直接貼り付けられる場合について説明したが、例えば、図６に示すように、変位素子２は、筐体１０との間に空気層Ｐが介在するように、支持部材４１を介して筐体１０に貼り付けられてもよい。筐体１０が振動すると、空気層Ｐの空気が振動し、これによって変位素子２が変形する。この場合、振動している媒質（空気）の質量が軽いので、少ないエネルギーで制振効果を上げることが期待できる。なお、筐体１０の表面にスポンジを介して変位素子２を貼り付ける場合、上記の空気層Ｐは、スポンジ等に内在する空気も含む。

本発明の制振装置は、直接または空気層を介して貼り付けることが可能な振動体（振動源を有する筐体を含む）の制振に利用可能である。

本発明の実施の一形態の制振装置の斜視図である。 上記制振装置の変位素子の概略の構成を示す断面図である。 上記制振装置の制御部の概略の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、起電圧検出時の上記制振装置を模式的に示す説明図であり、（ｂ）は、電圧印加時の上記制振装置を模式的に示す説明図である。 上記変位素子の他の構成例を示す断面図である。 空気層を介して振動体に貼り付けられる変位素子の断面図である。

符号の説明

１ 制振装置
２ 変位素子
３ 制御部
１０ 筐体（振動体）
１１ 変位層
１２ 変位層
２１ 電極層
２１ａ 分割電極
２１ｂ 分割電極
２２ 電極層
２３ 電極層
２３ａ 分割電極
２３ｂ 分割電極
３１ 起電圧検出部
３２ 位相反転部（電圧生成部）
３３ 信号増幅部（電圧生成部）
３４ ゲインコントロール部（電圧生成部）
３６ 電圧印加部
３７ タイミングコントロール部

Claims (5)

1. 振動体の振動に応じて変形する変位素子と、
   上記変位素子を変形させることによって上記振動体の振動を抑制する制御部とを備え、
   上記変位素子は、変位層と電極層とを含んで構成されており、
   上記制御部は、上記振動体の振動に伴う上記変位層の変形によって生じる起電圧を上記電極層を介して検出し、起電圧を検出した上記電極層に対して、検出した起電圧と逆極性の電圧を印加し、
   上記変位層は、２層設けられており、
   上記電極層は、上記各変位層の表裏に３層設けられており、
   上記３層の電極層のうちで中間に位置する電極層が、接地されており、
   上記接地されている電極層以外の電極層は、各層ごとに複数の電極に分割されており、
   上記振動体の振動に伴い、同一層にある各分割電極の配列方向において節が１個となる曲げモードで上記変位素子が変形するとき、同一層にある各分割電極は、それぞれ、振動する変位素子の節と腹との間に位置していることを特徴とする制振装置。
2. 上記制御部は、接地されている電極層以外の電極層に対して、検出した起電圧と逆極性の電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
3. 上記制御部は、
   上記振動体の振動に伴う上記変位素子の変形によって生じる起電圧を、上記変位素子の電極層を介して検出する起電圧検出部と、
   上記起電圧検出部にて検出した起電圧と逆極性の電圧を生成する電圧生成部と、
   起電圧を検出した電極層に対して、上記電圧生成部にて生成した電圧を印加する電圧印加部とを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の制振装置。
4. 上記制御部は、起電圧の検出タイミングとずれるように、電極層への電圧印加のタイミングを調整するタイミングコントロール部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の制振装置。
5. 上記変位素子は、空気層が介在するように振動体に貼り付けられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の制振装置。

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