JP6530891B2 - 振動抑制装置群 - Google Patents

Description

本発明は、振動抑制装置群に関する。

騒音源と、騒音を低減させたい空間との間に板状部材が配置されている場合、騒音低減手段の１つとして、板状部材の位置で振動を抑制する方法がある。具体的には、板状部材の質量を増して、騒音源からの振動が板状部材へ伝達しにくくする方法や、板状部材を制御して、騒音源から板状部材へ伝達された振動を抑制する方法が考えられる。
生活空間における一般的な板状部材は、材質や形状が多種多様であるため、広範囲の板状部材に適用でき、効果的に振動を抑制する技術が要求される。

板状部材の振動を低減させる技術には、例えば特許文献１がある。
特許文献１は、振動抑制対象物としての板状部材の騒音源側に、圧電式スピーカを取付け、圧電式スピーカを、音響−電気変換器、又は振動−電気変換器として機能させる構成である。これにより、騒音源から板状部材に伝達される音響エネルギー又は振動エネルギーが、板状部材に伝達する前に、電気エネルギーに変換され、電気エネルギーを消費手段で消費させることで、音響エネルギー又は振動エネルギーが低減される。

特開２００５−１０２７０号公報

しかし、特許文献１は、騒音源から振動が伝達され、既に振動している振動抑制対象物の振動を抑制することはできない。

本発明は、上記事実に鑑み、振動抑制対象物の振動を直接制御する振動抑制装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る振動抑制装置群は、一端が振動抑制対象物に固定されそれぞれ別体とされた一対の剛性部材と、前記剛性部材の他端間に設けられた板状の圧電部材と、を備えた複数の振動抑制装置が、互いに交わる方向へ配置されると共に前記振動抑制装置を正面視して重ねて配置され、それぞれの前記振動抑制装置における前記圧電部材が異なる２つの方向へ伸縮して前記振動抑制対象物の振動を抑制する。

請求項１に記載の発明によれば、圧電部材に電圧を印加することにより、一対の剛性部材の他端間に設けられた圧電部材が伸縮する。このとき、剛性部材の一端は、振動抑制対象物に固定されているため、剛性部材の他端が互いに接近、離間して、剛性部材を傾斜させる。
この結果、圧電部材により、剛性部材の一端側を支点とするモーメントを、振動抑制対象物に繰り返し付与させることで、振動抑制対象物を振動させることができる。このとき、振動抑制対象物の騒音による振動と逆位相の振動を、振動抑制対象物に与えることで、振動抑制対象物の振動を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の振動抑制装置群において、前記圧電部材は、前記剛性部材の他端間に架け渡された、可撓性の板材のそれぞれに複数枚貼付けられている。

請求項２に記載の発明によれば、板材に貼付けられた圧電部材の伸縮により、板材を介して剛性部材の他端を、互いに接近、離間させて剛性部材を傾斜させる。
これにより、圧電部材が薄い膜型構造であっても、板材を介することで、圧電部材の伸縮により発生する力を、安定して剛性部材へ伝達することができる。

発明の一態様は、前記剛性部材を、部分的に切れ目を設けて枠状に形成し、前記剛性部材の内部を前記板材で囲み、前記圧電部材は、前記振動抑制対象物の振動を、前記板材で囲まれた空間の気積の変動で打ち消すよう前記板材を振動させることを特徴としている。

発明の一態様によれば、剛性部材を枠状とすることで、振動抑制対象物と板材の間に、閉じた空間を構成することができる。板材に設けられた圧電部材により、閉じた空間の気積を変動させ、振動抑制対象物の振動を打ち消す。
これにより、振動抑制対象物の振動をより効果的に抑制することができる。

本発明は、上記構成としてあるので、抑制対象物の振動を直接制御する振動抑制装置を提供することができる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る振動抑制装置の基本構成を示す側面図であり、（Ｂ）（Ｃ）は、いずれも振動抑制装置の作用を説明するための側面図である。 （Ａ）は本発明の第１実施形態に係る振動抑制装置の基本構成を示す正面図であり、（Ｂ）は、振動抑制装置の展開例を示す正面図である。 本発明の第１実施形態に係る振動抑制装置の適用例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る振動抑制装置の他の適用例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る振動抑制装置の他の適用例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る振動抑制装置の他の適用例を示す断面図である。 （Ａ）は本発明の第２実施形態に係る振動抑制装置の基本構成を示す側面図であり、（Ｂ）は、振動抑制装置の展開例を示す側面図である。 本発明の第３実施形態に係る振動抑制装置の基本構成を示す断面図である。

（第１実施形態）
図１〜図６を用いて、本発明の第１実施形態に係る振動抑制装置１０について説明する。図１（Ａ）の側面図、図２（Ａ）の正面図に示すように、振動抑制装置１０は、振動抑制対象物である制御平板１２に固定される、一対の脚部（剛性部材）１４Ａ、１４Ｂを有している。

制御平板１２は、後述するように、騒音を低減させたい空間２０と、騒音発生側の空間２２の間に配置された壁体であり、連続する壁体の一部を切り出して記載している。
振動抑制装置１０は、制御平板１２の空間２２側の表面に、脚部１４Ａ、１４Ｂで固定されている。脚部１４Ａ、１４Ｂは、所定距離Ｌだけ離して対向配置され、一端が、制御平板１２に固定され、他端には、芯材１８が取付けられている。

脚部１４Ａ、１４Ｂは、鋼材等の剛性の高い材料で形成され、芯材１８が伸縮して曲げモーメントを発生させても、変形しない構成とされている。
芯材１８は、可撓性の板材でＸ軸方向が幅Ｗに形成され、脚部１４Ａ、１４Ｂの間に架け渡されている。芯材１８は、膜型圧電素子１６を補強する機能を有し、膜型圧電素子１６の伸縮により、膜型圧電素子１６と一体となって伸縮する。

芯材１８の表面には、Ｙ軸方向に、複数の膜型圧電素子（圧電部材）１６が貼り付けられている。膜型圧電素子１６は、伸縮方向をＹ１方向に向けて両端部に２個と、中央部に１個の合計３個が取り付けられている。これにより、膜型圧電素子１６で芯材１８をＹ軸方向へ伸縮させることができる。

膜型圧電素子１６は、内部構造の図示は省略するが、膜状とされた繊維状の圧電セラミックの両側面に、電極が印刷されたポリイミドフィルムを、エポキシ樹脂で接合した構成である。この膜型圧電素子１６は、圧電セラミックの両側面に取り付けられたリード線７６を介して、コントローラ３６から電圧を印加すれば、印加された電圧値に従った歪が圧電セラミックに生じ、膜型圧電素子１６を変形させることができる。
即ち、膜型圧電素子１６に電圧を印加すれば、印加した電圧に対応させて膜型圧電素子１６を、それぞれ矢印Ｙ１の方向へ伸縮させることができる。

ここで、膜型圧電素子１６を制御する制御システムについて説明する。
図２（Ａ）に示すように、制御平板１２には、制御平板１２の振動を検出するセンサ３８が取付けられている。なお、本実施形態では、振動抑制装置１０を、Ｙ軸方向へ２個、並列に配置した構成を示している。

センサ３８の検出結果はコントローラ３６へ入力される。コントローラ３６は、制御平板１２の振動を減少させる制御信号を生成し、２つの振動抑制装置１０のそれぞれの膜型圧電素子１６へ、制御信号を出力する。膜型圧電素子１６は、制御信号に基づいて伸縮し、制御平板１２を、図１（Ａ）に破線で示すＲ１、Ｒ２の方向へ変形させる。
なお、センサ３８の位置は、制御平板１２の表面としたが、これに限定されることはなく、芯材１８の位置で制御平板１２の振動を検出できる場合には、芯材１８に取付けても良い。

次に、作用について説明する。
図１（Ｂ）に示すように、コントローラ３６から電圧を印加して、膜型圧電素子１６を矢印Ｓの方向へ収縮させた場合、芯材１８が中央へ向けて収縮される。これにより、脚部１４Ａ、１４Ｂの芯材１８側の端部側が、互いに接近して脚部１４Ａ、１４Ｂを傾斜させる。

このとき、脚部１４Ａ、１４Ｂは、制御平板１２との接合部ＰＡ、ＰＢを中心に傾斜され、接合部ＰＡ、ＰＢを中心にしたモーメントＭ１、Ｍ２が発生する。脚部１４Ａ、１４Ｂは、モーメントＭ１、Ｍ２を伝達する剛性を備えおり、制御平板１２にモーメントＭ１、Ｍ２が伝達され、制御平板１２が、空間２０の方向へ凸の形状に変形する。

また、図１（Ｃ）に示すように、コントローラ３６から電圧を印加して、膜型圧電素子１６を矢印Ｌの方向へ伸張させた場合、芯材１８が伸張される。これにより、脚部１４Ａ、１４Ｂの芯材１８側の端部が互いに離間され脚部１４Ａ、１４Ｂを傾斜させる。

このとき、脚部１４Ａ、１４Ｂは、制御平板１２との接合部ＰＡ、ＰＢを中心に傾斜され、接合部ＰＡ、ＰＢを中心にしたモーメントＭ３、Ｍ４が発生する。脚部１４Ａ、１４Ｂは、モーメントＭ３、Ｍ４を伝達させる剛性を備えており、制御平板１２にモーメントＭ３、Ｍ４が伝達され、制御平板１２が、空間２０の方向へ凹の形状に変形する。

膜型圧電素子１６で圧縮と伸張を繰り返すことで、膜型圧電素子１６により、脚部１４Ａ、１４Ｂの一端側を支点とするモーメントが制御平板１２に、繰り返し付与され、制御平板１２が、凸の形状と凹の形状を繰り返して振動する。

以上説明したように、本実施形態によれば、制御平板１２に、空間２２からの騒音による振動と逆位相の振動で振動するよう、膜型圧電素子１６により、制御平板１２を振動させる。これにより、制御平板１２の振動が抑制され、騒音を低減させることができる。

なお、本実施形態では、２個の振動抑制装置１０を制御平板１２のＹ方向へ配置し、制御平板１２をＹ方向に変形させて振動を抑制した。しかし、これに限定されることはなく、振動抑制装置１０の数量は、制御平板１２の振動強度や、振動抑制の要求度合等から定められるものであり、１個でも良いし、３個以上でも良い。

また、本実施形態では、膜型圧電素子１６を、伸縮方向をＹ１方向に向けて両端部に２個と、中央部に１個の合計３個を取り付けた例について記載した。しかし、これに限定されることはなく、膜型圧電素子１６の数量や取付け位置は、制御平板１２の振動強度や、振動抑制の要求度合等から定められるものであり、数量は、１個でも良いし３個以上でも良く、取付け位置は両端部や中央部でなくても良い。

また、本実施形態では、振動抑制装置１０を制御平板１２のＹ方向へ配置した場合について説明した。しかし、これに限定されることはなく、図２（Ｂ）に示すように、振動抑制装置１０の設置方向は、抑制したい振動の方向で決定されるものであり、Ｘ方向、Ｙ方向の両方に配置する構成でも良いし、Ｘ方向のみに配置しても良い。

また、振動抑制装置１０は、制御平板１２の空間２２側に配置する構成で説明した。しかし、これに限定されることはなく、空間２２側に振動抑制ユニット２４を設置するのが困難な場合には、制御平板１２の空間２０側に配置し、制御平板１２の振動を抑制してもよい。

次に、図３〜図６を用いて、本実施形態の具体的な適用例について説明する。
なお、以下の適用例は一例であり、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

先ず、天井板２８への適用例について説明する。
図３に示すように、天井板２８は、建物の床スラブ２６から支持部材３０、及びブレース３２で支持され、吊り下がられている。振動抑制装置１０は、天井板２８に取付けられている。制御機器の記載は省略している。
振動抑制装置１０は、騒音を低減させたい室内空間５２と、騒音源側の騒音空間５４の間の天井裏空間７８に配置されている。振動抑制装置１０は、脚部１４Ａ、１４Ｂで天井板２８の上面に固定されている。

これにより、上述したように、膜型圧電素子１６を伸縮させることで、天井板２８を凸の形状と凹の形状を繰り返し変形させ、振動させることができる。
この結果、例えば、床スラブ２６を透過した振動により、天井板２８が矢印３４の方向に振動されても、振動抑制装置１０で、天井板２８の振動と逆位相の振動を加えることで天井板２８を透過する騒音を低減することができる。

なお、図３では、天井板２８の１か所にのみ振動抑制装置１０を取付けた構成を示しているが、これに限定されることはなく、振動抑制装置１０は、必要な数量を天井板２８に取付ければよい。また、本構成とすることで、地震時に発生する天井板２８の上下動に対しても、振動を有効に抑制することができる。

次に、高速道路の遮音壁５０への適用例について説明する。
図４に示すように、高速道路の遮音壁５０は、車道側空間４６と騒音低減側空間４８の間に鉛直方向に配置される。
遮音壁５０は、車道側空間４６に面して、ガラリが形成された正面板４０を有している。正面板４０の裏面には、騒音を吸収する吸音材４２が、所定の厚さで貼り付けられている。吸音材４２の裏面側（騒音低減側空間４８側）には、鋼板製の背面板４４が設けられている。

振動抑制装置１０は、高速道路の遮音壁５０の内部であり、吸音材４２と背面板４４の間に配置されている。
振動抑制装置１０は、背面板４４に脚部１４Ａ、１４Ｂで固定され、膜型圧電素子１６を伸縮させることで、背面板４４を凸の形状と凹の形状を繰り返し変形させて振動させる。具体的には、吸音材４２を透過した振動を、図示しないセンサ３８で検出し、図示しないコントローラ３６で透過した振動と逆位相の制御振動を生成し、透過した騒音した振動と逆位相の振動で背面板４４を変形させ、背面板４４の振動を抑制する。
これにより、遮音壁５０を透過する騒音を低減することができる。

次に、遮音窓５６への適用例について説明する。
図５に示すように、遮音窓５６には複層ガラスを備えた窓サッシが嵌め込まれている。騒音源側の空間６２には窓ガラス５８が設けられ、騒音を低減する室内側には、窓ガラス６０が設けられている。振動抑制装置１０は、窓ガラス５８と窓ガラス６０の間に配置され、窓ガラス６０に、脚部１４Ａ、１４Ｂで固定されている。

この構成とすることにより、騒音源６２から伝達されて、矢印６８の方向に振動する窓ガラス５８の振動を図示しないセンサ３８で検出し、窓ガラス６０に伝達される振動を打ち消す振動を、図示しないコントローラ３６で生成することができる。コントローラ３６からの出力で、膜型圧電素子１６を伸縮させて芯材２４を伸縮させることで、窓ガラス６０の振動を抑制する。これにより、窓ガラス６０の振動を振動抑制装置１０で抑制することができる。この結果、遮音窓５６を通過する騒音を低減させることができる。
なお、格子入り複層ガラスと組み合わせると、連結手段とアルミ格子を兼用することができる。

次に、空調用ダクト７０への適用例について説明する。
図６に示すように、空調用ダクト７０の対向する側壁７０Ａには、振動抑制装置１０が対向して取付けられている。

振動抑制装置１０は、空調用ダクト７０の内部空間７２に配置され、振動を抑制する空間７４と面する側壁７０Ａの表面に、脚部１４Ａ、１４Ｂで取付けられている。これにより、内部空間７２を通過する空調用空気により振動が伝達された側壁７０Ａの振動を、図示しないセンサ３８で検出し、側壁７０Ａに伝達される振動を打ち消す振動を、図示しないコントローラ３６で生成することができる。コントローラ３６からの出力で、膜型圧電素子１６を伸縮させて芯材２４を伸縮させることで、側壁７０Ａの振動を制御することができる。この結果、空調用ダクト７０の外側へ透過する騒音を低減させることができる。

なお、空調用ダクト７０の側壁７０Ｂの振動を抑制する場合には、振動抑制装置１０を、側壁７０Ｂに取付ければ良い。
また、図示は省略するが、振動抑制装置１０を、設備機器のボディに取付け、設備機器のボディの振動を抑制することもできる。

（第２実施形態）
図７を用いて、本発明の第２実施形態に係る振動抑制装置８０について説明する。
振動抑制装置８０は、膜型圧電部素子（圧電部材）８２が、脚部１４Ａ、１４Ｂの他端間に架け渡されている点において、第１実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。

図７（Ａ）に示すように、膜型圧電部素子８２は、芯材を用いずに、脚部１４Ａ、１４Ｂの他端間に架け渡されている。これにより、膜型圧電部素子８２を伸縮させることにより、脚部１４Ａ、１４Ｂの他端を、互いに接近、離間させて脚部１４Ａ、１４Ｂを傾斜させることができる。
この結果、膜型圧電部素子８２の伸縮により発生する力で、制御平板１２を変形させ、騒音を抑制することができる。

なお、図７（Ｂ）に示すように、バネ８４を脚部１４Ａ、１４Ｂの間に渡し、バネ８４で脚部１４Ａ、１４Ｂの間に、離間させる力Ｐを作用させてもよい。これにより、膜型圧電部素子８２を収縮にのみ作用させることができる。
他の構成は、第１実施形態と同じであり説明は省略する。

（第３実施形態）
図８を用いて、本発明の第３実施形態に係る振動抑制装置９０について説明する。
振動抑制装置９０は、脚部８８を、部分的に切れ目を設けて枠状に形成した点において、第１実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。

図８の断面図に示すように、振動抑制装置９０は、枠状に形成された脚部８８を有している。脚部８８には、部分的に切れ目が設けられており、膜型圧電部素子１６の伸縮に伴う変形が許容されている。脚部８８で囲まれた内部の空間８６は、芯材１８で覆われ、芯材１８には膜型圧電部素子１６が貼り付けられている。
即ち、空間８６は、脚部８８が、部分的に切れ目を設けて枠状に形成されているので、密閉されてはいないが、閉じた空間とされている。

本構成とすることにより、膜型圧電部素子１６を矢印Ｙ１の方向へ伸縮させれば、上述したように、対向する脚部８８が傾斜し、制御平板１２を破線Ｒ１、Ｒ２で示す方向に変形させることができる。このとき、芯材１８も変形して、破線Ｒ３、Ｒ４で示す方向へ振動する。

これにより、空間８６の気積の変動を、制御平板１２の振動を打ち消すタイミングで、例えば矢印９４に示す方向へ作用させることで、制御平板１２の振動を抑制することができる。即ち、制御平板１２の振動を、脚部８８の傾斜による変形に加え、空間８６の気積の変動を作用させることにより、効果的に抑制することができる。

なお、本実施形態では、脚部８８を、部分的に切れ目を設けて枠状に形成し、膜型圧電部素子１６の伸縮に伴う脚部８８の傾斜を確保した。しかし、これに限定されることはなく、切れ目を、弾性を備えたシール材等で塞いでもよい。脚部８８の傾斜を確保し、空間８６を密閉することで、制御平板１２の振動を打ち消すよう作用させる、空間８６の気積の変動をより強めることができる。
他の構成は、第１実施形態と同じであり説明は省略する。

１０、８０、９０ 振動抑制装置
１２ 制御平板（振動抑制対象物）
１４Ａ、１４Ｂ 脚部（剛性部材）
１６、１７、８２ 膜型圧電部素子（圧電部材）
１８ 芯材（板材）
８８ 脚部（剛性部材）

Claims (2)

1. 一端が振動抑制対象物に固定されそれぞれ別体とされた一対の剛性部材と、前記剛性部材の他端間に設けられた板状の圧電部材と、を備えた複数の振動抑制装置が、互いに交わる方向へ配置されると共に前記振動抑制装置を正面視して重ねて配置され、
   それぞれの前記振動抑制装置における前記圧電部材が異なる２つの方向へ伸縮して前記振動抑制対象物の振動を抑制する、振動抑制装置群。
2. 前記圧電部材は、前記剛性部材の他端間に架け渡された、可撓性の板材のそれぞれに複数枚貼付けられている請求項１に記載の振動抑制装置群。

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