JP6826323B2 - 振動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動体の振動を制御する技術に関する。

制振対象の振動体に固定されたピエゾ素子にインダクタを接続し、ピエゾ素子の寄生キャパシタと当該インダクタとで共振回路を形成する制振装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。この種の制振装置は、上記共振回路を上記振動体の固有周波数で共振させることで振動エネルギーを吸収する。これにより、振動継続時間が短くなり、制振効果が得られる。

特開２００２−０６１７０８号公報 特開２００３−２８５７３８号公報

共振回路は寄生抵抗を有し、この寄生抵抗が共振のＱを低下させる。このため、特許文献１や特許文献２に開示の技術では、十分な制振効果が得られない。また、特許文献１や特許文献２に開示の技術では、振動継続時間を長くする励振効果は得られない。つまり、特許文献１や特許文献２に開示の技術では、振動体の振動を制振から励振まで連続的に制御すること、すなわち振動体の振動継続時間を任意に制御すること、はできなかった。

本発明は以上に説明した課題に鑑みて為されたものであり、振動体の振動継続時間を任意に制御できるようにする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、振動体に固定されるピエゾ素子と、前記ピエゾ素子に並列に接続されるインダクタおよび抵抗と、を具備することを特徴とする振動制御装置、を提供する。本発明によれば、インダクタのインダクタンスおよび抵抗の抵抗値を適宜定めておくことで振動体の振動を任意に制御することが可能になる。詳細については後述するが、振動体の制振を行うのであれば、上記抵抗の抵抗値を正の値としておけば良く、振動体の励振を行うのであれば、上記抵抗の抵抗値を負の値としておけば良い。なお、上記インダクタは、疑似インダクタであっても良い。

より好ましい態様では、前記抵抗は、抵抗値を負の値から正の値まで変更可能な可変抵抗であることを特徴とする。この態様によれば、１つの振動制御装置で振動体の制振と励振の両方を行うことが可能になる。

この発明では、振動体の電気等価回路のパラメータの計測も可能である。この計測方法は、以下の第１ステップから第４ステップを有する。第１ステップは、振動体にピエゾ素子を固定し、当該ピエゾ素子にインダクタを並列接続するステップである。第２ステップは、所定のインパルス振動を上記振動体に与えて上記ピエゾ素子の両端に現れる第１の電圧を計測するステップである。第３ステップは、上記インダクタに抵抗を並列接続して上記インパルス振動を与えて当該抵抗の両端に現れる第２の電圧を計測するステップである。そして、第４ステップは、振動体の電気等価回路のパラメータのうち当該振動体の固有振動の減衰を表す抵抗値を、第１の電圧と第２の電圧とから算出するステップである。

振動体の固有振動を、抵抗、キャパシタおよびインダクタを直列接続した電気等価回路の共振により表す場合、上記電気等価回路における抵抗の抵抗値は上記固有振動の減衰を表すパラメータである。なお、上記電気等価回路におけるキャパシタのキャパシタンスは上記固有振動の剛性を表すパラメータであり、上記電気等価回路におけるインダクタのインダクタンスは上記固有振動の質量を表すパラメータである。本発明によれば、振動体の固有振動の減衰を表す抵抗値を実際に計測することが可能になる。従来の制振技術では、上記電気等価回路における抵抗の抵抗値はシミュレーション等により算出され、その算出結果に応じて制振装置のインダクタや抵抗の値が定められており、この点も十分な制振効果が得られない原因の一つであった。これに対して、本態様によれば、振動体の固有振動の減衰を表す抵抗値を実測することが可能になり、実測結果に応じて振動制御装置に含まれるインダクタや抵抗の値を定めることができ、従来よりも精度良く振動制御を行うことが可能になる。

より好ましい態様においては、上記計測方法は以下の第５ステップから第７ステップをさらに含むことを特徴とする。第５ステップは、所定のインパルス振動を振動体に与え、第３ステップにてインダクタに並列接続した抵抗の両端に現れる電圧の周波数応答を計測するステップである。第６ステップは、第５ステップにて計測した周波数応答に基づいて前記振動体の共振のＱ値を算出するステップである。そして、第７ステップは、上記電気等価回路のパラメータのうち固有振動の剛性を表すキャパシタンスおよび固有振動の質量を表すインダクタンスの少なくとも一方を、第４ステップで算出した抵抗値と上記Ｑ値から算出するステップである。

以上説明した計測方法では、振動体の電気等価回路のパラメータのうち、振動体の固有振動の剛性を表すキャパシタンスや当該固有振動の質量を表すインダクタンスを実際に計測することが可能になる。従来の振動制御技術では、上記電気等価回路におけるキャパシタのキャパシタンスやインダクタのインダクタンスはシミュレーション等により算出され、その算出結果に応じて制振装置のインダクタンス等が定められており、この点も十分な制振効果が得られない原因の一つであった。これに対して、本態様によれば、上記電気等価回路におけるキャパシタンスやインダクタンスを実測することが可能になり、実測結果に応じて振動制御装置に含まれるインダクタや抵抗の値を定めることで、従来よりも精度良く振動制御を行うことが可能になる。

この発明の一実施形態である振動制御装置１の構成例を示すブロック図である。 振動体４および振動制御装置１の電気等価回路を示す図である。 振動制御装置１に含まれる抵抗回路３０の構成例を示すブロック図である。 振動体４の振動の一例を示す図である。 本実施形態の効果を説明するための図である。 本実施形態の効果を説明するための図である。 本実施形態の効果を説明するための図である。 変形例（２）の疑似インダクタ２０Ａの構成例を示す図である。 変形例（３）における電気等価回路パラメータ計測方法の流れを示すフローチャートである。

以下図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
（Ａ：実施形態）
図１はこの発明の一実施形態である振動制御装置１の構成例を示すブロック図である。図１では、振動制御装置１による振動制御の対象となる振動体４が点線で図示されている。図１に示すように、振動制御装置１は、ピエゾ素子１０と、インダクタ２０と、抵抗回路３０と、を有する。ピエゾ素子１０は振動体４に固定される。例えば、振動体４がスピーカ筐体であれば、ピエゾ素子１０は当該スピーカ筐体の表面に固定される。ピエゾ素子１０は、振動体４に固有振動が発生している状態において振動体４の歪が最大となる箇所に固定されることが好ましい。ピエゾ素子１０の２枚の電極のうちの一方は接地されており、その電位は基準電位（ＧＮＤ）となっている。

図１に示すように、インダクタ２０および抵抗回路３０は、ピエゾ素子１０に並列接続されている。より詳細には、インダクタ２０はピエゾ素子１０の２枚の電極のうちの一方の電極と他方の電極との間に設けられており、抵抗回路３０もピエゾ素子１０の２枚の電極のうちの一方の電極と他方の電極との間に設けられている。詳細については後述するが、抵抗回路３０は、抵抗値を負の値から正の値まで変更な可変抵抗回路である。

図２は、振動制御装置１と振動体４とからなる系全体の電気等価回路の構成例を示す図である。図２において符号Ｐ１０はピエゾ素子１０の寄生キャパシタを表す。ピエゾ素子１０の両端から見ると、振動体４は、キャパシタ４１０、インダクタ４２０および抵抗４３０を直列接続した電気等価回路で表現される。この電気等価回路においてキャパシタ４１０のキャパシタンスＣｍは、振動体４の固有振動の剛性を表すパラメータである。そして、インダクタ４２０のインダクタンスＬｍは振動体４の固有振動の質量を表すパラメータであり、抵抗４３０の抵抗値Ｒｅｓは振動体４の固有振動の減衰を表すパラメータである。振動体４の振動は、キャパシタンスＣｍ、インダクタンスＬｍおよび抵抗値Ｒｅｓの各パラメータで特徴付けられる。具体的には、上記電気等価回路の共振周波数（1/（2π√（Ｌｍ×Ｃｍ）））が振動体４の固有振動の周波数と一致する。なお、πは円周率であり、√（Ｌｍ×Ｃｍ）はＬｍ×Ｃｍの平方根である。

前述のように抵抗４３０は、振動体４の振動エネルギーの減衰に作用する。このため、抵抗４３０の抵抗値を増減させることができれば、振動継続時間の伸長または短縮が可能となる。図２に示す電気等価回路では、抵抗４３０と抵抗回路３０の合成抵抗が振動体４の振動エネルギーの減衰に作用する。抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎが正の値の場合、上記合成抵抗の抵抗値（Ｒｎ＋Ｒｅｓ）は抵抗４３０の抵抗値Ｒｅｓよりも大きくなる。その結果、インダクタ４２０と容量４１０による直列共振のＱが下がり、制振作用が得られる。逆に、抵抗回路３の抵抗値Ｒｎが負の値の場合、上記合成抵抗の抵抗値（Ｒｎ＋Ｒｅｓ）は抵抗４３０の抵抗値Ｒｅｓよりも小さくなる。その結果、インダクタ４２０と容量４１０による直列共振のＱが上がり、励振作用が得られる。

インダクタ２０は、ピエゾ素子１０の寄生キャパシタＰ１０との並列共振作用を利用して、共振周波数においてキャパシタ４１０およびインダクタ４２０の直列共振電流がピエゾ素子１０の寄生キャパシタＰ１０の経路に流れることを防ぐために挿入されている。インダクタ２０のインダクタンスは、インダクタ２０と寄生キャパシタＰ１０とからなる並列共振回路の共振周波数と振動体４の電気等価回路である直列共振回路の共振周波数とが一致するように設定される。このとき、振動体４の共振周波数は、実際に振動体４を加振して振動の振幅が最大となる周波数を検出して得られる。ピエゾ素子１０の寄生キャパシタＰ１０のキャパシタンスは、ピエゾ素子１０単体の静電容量値（キャパシタンス）を実測すればよい。

図３は、抵抗回路３０の構成例を示す図である。図３では、抵抗回路３０の他に、抵抗回路３０とともに振動制御装置１を構成するインダクタ２０およびピエゾ素子１０と、振動制御装置１により振動制御される振動体４が図示されている。図３に示すように、抵抗回路３０は、抵抗Ｒ３０１〜Ｒ３０７と、半固定抵抗Ｒ３０８と、増幅器３０９と、オペアンプ３１０および３１１と、ボルテージフォロワ３１２とを有する。

抵抗Ｒ３０７は、前述の直列共振電流を検出する電流検出抵抗である。抵抗Ｒ３０７の一端はピエゾ素子１０の接地されていない方の電極に接続されており、当該一端はボルテージフォロワ３１２および抵抗Ｒ３０１を介してオペアンプ３１０の反転入力端子に接続されている。ボルテージフォロワ３１２は、オペアンプにより構成されたバッファアンプであり、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスを有するインピーダンス変換回路である。なお、抵抗Ｒ３０１の抵抗値が抵抗Ｒ３０７の抵抗値よりも十分に大きい場合はボルテージフォロワ３１２を省略しても良い。抵抗Ｒ３０７の他端は抵抗Ｒ３０２を介してオペアンプ３１０の非反転入力端子に接続されており、オペアンプ３１０の非反転入力端子は抵抗Ｒ３０４を介して接地されている。オペアンプ３１０の出力端子は抵抗Ｒ３０３を介して反転入力端子に接続されている。オペアンプ３１０には、抵抗Ｒ３０７の両端電圧が入力され、オペアンプ３１０は、当該電圧を、基準電位（ＧＮＤ）を基準とするシングルエンド信号に変換して出力する。

アンプ３１０の出力端子は、半固定抵抗Ｒ３０８の２つの固定電極の一方に接続さているとともに増幅器３０９を介して半固定抵抗Ｒ３０８の他方の固定電極に接続されている。増幅器３０９は、オペアンプ３１０の出力信号にＡ倍の反転増幅を施した信号を出力する。半固定抵抗Ｒ３０８の可動電極はオペアンプ３１１の非反転入力端子に接続されている。半固定抵抗Ｒ３０８の両側の固定電極間の抵抗値をＲ８とすると、半固定抵抗Ｒ３０８において増幅器３０９の出力端子に接続されている側の固定電極から可動電極までの抵抗値ｒは可動電極の位置に応じて０〜Ｒ８（Ｒ８＞０）まで連続的に変化する。半固定抵抗Ｒ３０８は、固定電極間に印加される電圧を可動電極の位置に応じてｒ：（Ｒ８−ｒ）に分割し、その分割電圧をオペアンプ３１１の非反転入力端子に出力する。オペアンプ３１１の反転入力端子は抵抗Ｒ３０６を介して接地されている。オペアンプ３１１の出力端子は、抵抗Ｒ３０７の抵抗Ｒ３０２と接続している側の端子に接続さているとともに、抵抗Ｒ３０５を介してオペアンプ３１１の反転入力端子に接続されている。

図３に示す抵抗回路３０において、抵抗Ｒ３０７に流れる電流をＩｘ、抵抗Ｒ３０７の両端の電圧をＶｘ、オペアンプ３１０の出力電圧をＶｚ１、半固定抵抗Ｒ３０８の可動電極の電圧をＶｚ２、オペアンプ３１１の出力電圧をＶｚ３、抵抗Ｒ３０１〜Ｒ３０６の抵抗値をＲ１〜Ｒ６、抵抗Ｒ３０７の抵抗値をＲｄ、抵抗Ｒ３０１〜Ｒ３０４とオペアンプ３１０からなる増幅器のゲインをＡ１、抵抗Ｒ３０５およびＲ３０６とオペアンプ３１１からなる増幅器のゲインをＡ２とすると、以下の式（１）〜（６）に示す関係がある。
Ａ１＝Ｒ４／（Ｒ２＋Ｒ４）・｛（Ｒ３／Ｒ１）＋１｝…（１）
Ａ２＝（（Ｒ５／Ｒ６）＋１）…（２）
Ｖｘ＝Ｒｄ・Ｉｘ…（３）
Ｖｚ１＝Ｖｘ・（−Ａ１）…（４）
Ｖｚ２＝｛（Ｒ８−ｒ）−ｒ・Ａ｝・Ｖｚ１／Ｒ８…（５）
Ｖｚ３＝Ｖｚ２・Ａ２…（６）

上記式（４）を式（５）に代入することで以下の式（７）が得られ、この式（７）を式（６）に代入することで以下の式（８）が得られ、この式（８）と式（３）とから以下の式（９）が得られる。なお、式（９）におけるＡ０は、以下の式（１０）で表される。
Ｖｚ２＝Ｖｘ・（−Ａ１）・｛（Ｒ８−ｒ）−ｒ・Ａ｝／Ｒ８…（７）
Ｖｚ３＝Ｖｘ・（Ａ２）・（−Ａ１）・｛（Ｒ８−ｒ）−ｒ・Ａ｝／Ｒ８…（８）
Ｖｚ３＝−Ａ０・Ｒｄ・Ｉｘ…（９）
Ａ０＝Ａ１・Ａ２・｛（Ｒ８−ｒ）−ｒ・Ａ｝／Ｒ８…（１０）

ここで、抵抗Ｒ３０７は、一端がハイインピーダンスとなっており、他端はオペアンプ３１１の出力端子の定電圧源Ｖｚ３に接続されていると考えることができる。この場合、抵抗Ｒ３０７の定電流源側の電圧には、定電圧源Ｖｚ３に起因したオフセットが生じる。そして、このオフセットが抵抗回路３０の抵抗に印加されると考えられる。したがって、抵抗回路３の抵抗値Ｒｎは以下の式（１１）のように表すことができる。
Ｒｎ＝（Ｖｘ−Ｉｘ・Ｒｄ・Ａ０）／Ｉｘ
＝Ｖｘ／Ｉｘ−Ｒｄ・Ａ０…（１１）

そして、式（３）から得られるＶｘ／Ｉｘ＝Ｒｄを上記式（１１）に代入すると、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎは、以下の式（１２）のように表される。
Ｒｎ＝Ｒｄ−Ｒｄ・Ａ０
＝（１−Ａ０）・Ｒｄ…（１２）
抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎは、抵抗Ｒ３０１〜Ｒ３０６の抵抗値Ｒ１〜Ｒ６と、半固定抵抗Ｒ３０８の抵抗値ｒと、増幅器３０９のゲインＡとに応じて定まり、Ａ０＞１のとき、すなわち、（１＋Ａ）・ｒ＜｛１−１／（Ａ１・Ａ２）｝・Ｒ８のとき負の値となる。抵抗Ｒ３０１〜Ｒ３０６の抵抗値Ｒ１〜Ｒ６および増幅器３０９のゲインＡを予め適切な値に設定しておけば、半固定抵抗Ｒ３０８の抵抗値ｒを調整することで、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを負の値から正の値まで連続的に変化させることができる。
以上が振動制御装置の構成である。

図４は、振動制御装置１による振動制御を行わなかった場合の振動体４の振動の時間変化を示す図である。図５は、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを正の値に設定して振動制御装置１による振動制御を行った場合の振動体４の振動の時間変化を示す図であり、図６は、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを負の値に設定して振動制御装置１による振動制御を行った場合の振動体４の振動の時間変化を示す図である。

図４と図５とを比較すれば明らかなように、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを正の値に設定して振動制御装置１による振動制御を行うことで、同振動制御を行わない場合に比較して振動体４の振動が急速に減衰し、振動継続時間が短くなっていること、すなわち、制振効果が得られることが判る。同様に、図４と図６とを比較すれば明らかなように、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを負の値に設定して振動制御装置１による振動制御を行うことで、同振動制御を行わない場合に比較して振動体４の振動の減衰が緩やかになり、振動継続時間が長くなっていること、すなわち、励振効果が得られることが判る。

図７には、振動制御装置１による振動制御を行わなかった場合、振動制御装置１による制振を行った場合、および振動制御装置１による励振を行った場合の各々における振動体４の振動速度と周波数の関係が実線、点線および一点鎖線で描画されている。図７を参照すれば明らかなように、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを正の値に設定して振動制御装置１による振動制御を行うことで、同振動制御を行わない場合に比較して共振周波数における振動速度が遅くなる。この点からも、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを正の値に設定することで制振効果が奏されることが判る。同様に、図７を参照すれば明らかなように、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを負の値に設定して振動制御装置１による振動制御を行うことで、同振動制御を行わない場合に比較して共振周波数における振動速度が速くなり、励振効果が奏されることが判る。

以上説明したように本実施形態の振動制御装置１によれば、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを正の値に設定することで振動体４の制振を行うことができ、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを負の値に設定することで振動体４の励振を行うことができる。このように、本実施形態によれば、抵抗回路３０の抵抗値Ｒｎを調整することで、振動体４の振動継続時間を任意に制御することが可能になる。

（Ｂ：変形例）
以上本発明の一実施形態について説明したが、以下の変形を加えても良い。
（１）上記実施形態では、抵抗回路３０として、抵抗値を負の値から正の値まで変更可能な可変抵抗回路が採用されていた。しかし、振動体４の制振を行う必要はなく、励振を行えれば十分な場合には、抵抗回路３０は、抵抗値を負の値の範囲で変更可能な可変抵抗回路であれば良い。逆に、振動体４の励振を行う必要はなく、制振を行えれば十分な場合には、抵抗回路３０は、抵抗値を正の値の範囲で変更可能な可変抵抗回路であれば良い。また、振動体４の制振或いは励振を行う上で抵抗回路３０の抵抗値の好適な値が予め判っているのであれば、抵抗回路３０は可変抵抗である必要はない。

（２）インダクタ２０として、図８に示す疑似インダクタ回路２０Ａを用いても良い。図８に示すように、疑似インダクタ回路２０Ａは、第１の電流帰還型増幅回路２１と、第２の電流帰還型増幅回路２２と、オペアンプにより構成されたバッファアンプであるボルテージフォロワ２３と、積分回路２４とにより構成されている。

ボルテージフォロワ２３は、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスを有するインピーダンス変換回路であり、ピエゾ素子１０の接地されてない方の電極が接続された被処理ノードＰ１の電圧をゲイン１で増幅して出力する。

積分回路２４は、可変抵抗Ｒ２０５と、オペアンプ２０６と、積分キャパシタＣａとにより構成されている。ここで、可変抵抗Ｒ２０５は，ボルテージフォロワ２３の出力端子とオペアンプ２０６の反転入力端子との間に介挿されている。オペアンプ２０６の非反転入力端子は接地されている。また、オペアンプ２０６の出力端子と反転入力端子との間には積分キャパシタＣａが挿入されている。この積分回路２４では、ボルテージフォロワ２３の出力電圧を可変抵抗Ｒ２０５の抵抗値により除算した電流が積分キャパシタＣａに充電される。この結果、ボルテージフォロワ２３の出力電圧（すなわち、被処理ノードＰ１の電圧）を積分した電圧がオペアンプ２０６から出力される。

第１の電流帰還型増幅回路２１は、抵抗Ｒ２０１およびＲ２０３と、ＰＮＰトランジスタＴｐと、直流電源Ｖｂ１とを有する。ここで、抵抗Ｒ２０１は、正電源ＶｃｃとＰＮＰトランジスタＴｐのエミッタとの間に挿入されている。また、抵抗Ｒ２０３は、オペアンプ２０６の出力端子（すなわち、積分回路２４の出力端子）とＰＮＰトランジスタＴｐのエミッタとの間に挿入されている。また、ＰＮＰトランジスタＴｐのコレクタは、被処理ノードＰ１に接続されている。そして、電源Ｖｂ１は、正電源Ｖｃｃの電位から所定電圧だけ低い電位をＰＮＰトランジスタＴｐのベースに与えることにより、ＰＮＰトランジスタＴｐのベースおよびエミッタ間に順方向バイアスを与えている。

この第１の電流帰還型増幅回路２１において、正電源Ｖｃｃから抵抗Ｒ２０１を通過した電流は、ＰＮＰトランジスタＴｐと抵抗Ｒ２０３とに分流する。ここで、積分回路２４の出力電圧が上昇すると、抵抗Ｒ２０３に流れる電流が減少し、その減少分だけＰＮＰトランジスタＴｐに流れるエミッタ電流が増加する。また、積分回路２４の出力電圧が低下すると、抵抗Ｒ２０３に流れる電流が増加し、その増加分だけＰＮＰトランジスタＴｐに流れるエミッタ電流が減少する。

第２の電流帰還型増幅回路２２は、抵抗Ｒ２０２およびＲ２０４と、ＮＰＮトランジスタＴｎと、直流電源Ｖｂ２とを有する。ここで、抵抗Ｒ２０２は、負電源ＶｅｅとＮＰＮトランジスタＴｎのエミッタとの間に挿入されている。また、抵抗Ｒ２０４は、積分回路２４の出力端子とＮＰＮトランジスタＴｎのエミッタとの間に挿入されている。また、ＮＰＮトランジスタＴｎのコレクタは、被処理ノードＰ１に接続されている。そして、電源Ｖｂ２は、負電源Ｖｅｅの電位から所定電圧だけ高い電位をＮＰＮトランジスタＴｎのベースに与えることにより、ＮＰＮトランジスタＴｎのベースおよびエミッタ間に順方向バイアスを与えている。

この第２の電流帰還型増幅回路２２では、ＮＰＮトランジスタＴｎのエミッタ電流と積分回路２４から抵抗Ｒ２０４を介して供給される電流が抵抗Ｒ２０２を介して負電源Ｖｅｅに流れ込む。ここで、積分回路２４の出力電圧が上昇すると、抵抗Ｒ２０４に流れる電流が増加し、その増加分だけＮＰＮトランジスタＴｎに流れるエミッタ電流が減少する。また、積分回路２４の出力電圧が低下すると、抵抗Ｒ２０４に流れる電流が減少し、その減少分だけＮＰＮトランジスタＴｎに流れるエミッタ電流が増加する。
以上が疑似インダクタ回路２０Ａの構成である。

疑似インダクタ回路２０Ａにおいて、被処理ノードＰ１の電圧の変動量がΔｖ１である場合、積分回路２４の出力電圧の変動量Δｖｃは次式により与えられる。
Δｖｃ＝−Δｖ１／（Ｒ２０５・ｊωＣａ）・・・（１３）

この場合、ＰＮＰトランジスタＴｐのコレクタ電流の変動量Δｉｐと、ＮＰＮトランジスタＴｎのコレクタ電流の変動量Δｉｎは次式により与えられる。
Δｉｐ＝−Δｖ１／（Ｒ２０３・Ｒ２０５・ｊωＣａ）・・・（１４）
Δｉｎ＝Δｖ１／（Ｒ２０４・Ｒ２０５・ｊωＣａ）・・・（１５）

従って、ピエゾ素子１０から被処理ノードＰ１を介して疑似インダクタ回路２０Ａに流れ込む電流の変動量Δｉ１は、次式により与えられる。
Δｉ１＝Δｉｎ−Δｉｐ
＝Δｖ１／（Ｒ２０４・Ｒ２０５・ｊωＣａ）
＋Δｖ１／（Ｒ２０３・Ｒ２０５・ｊωＣａ）・・・（１６）

このΔｉ１は、被処理ノードＰ１の電圧がΔｖ１だけ変動することによって、電流帰還型増幅回路２１および２２を介して被処理ノードＰ１に負帰還される電流であり、この電流Δｉ１が被処理ノードＰ１から疑似インダクタ回路２０Ａに流れ込む。従って、被処理ノードＰ１から見た疑似インダクタ回路２０ＡのインピーダンスＺは、次式のようになる。
Ｚ＝Δｖ１／Δｉ１
＝Δｖ１／[Δｖ１／（Ｒ２０４・Ｒ２０５・ｊωＣａ）
＋Δｖ１／（Ｒ２０３・Ｒ２０５・ｊωＣａ）]
＝１／[１／（Ｒ２０４・Ｒ２０５・ｊωＣａ）
＋１／（Ｒ２０３・Ｒ２０５・ｊωＣａ）]・・・（１７）

ここで、簡単のため、Ｒ２０３＝Ｒ２０４＝Ｒ２０とすると、上記式は次のようになる。
Ｚ＝（Ｒ２０・Ｒ２０５・ｊωＣａ）／２・・・（１８）
このように疑似インダクタ回路２０ＡのインピーダンスＺは、計算上は抵抗成分がゼロであり、リアクタンスのみにより構成されている。
Ｌｓ＝（Ｒ２０・Ｒ２０５・Ｃａ）／２・・・（１９）

（３）上記実施形態では、振動体の振動制御への本発明の適用例を説明した。しかし、本発明の適用対象は、振動体の振動制御に限定される訳ではない。具体的には、本発明は、振動体を電気等価回路（図２の直列共振回路）に置き換えた場合における当該振動体の固有振動を特徴づけるパラメータＬｍ、ＣｍおよびＲｅｓの計測に適用可能である。

図９は、本発明による電気的等価回路パラメータの計測方法の流れを示すフローチャートである。当該計測方法によりパラメータＬｍ、Ｃｍ、およびＲｅｓの計測を行う計測者は、まず、振動体にピエゾ素子を固定し、ピエゾ素子にインダクタを並列接続する（ステップＳＡ１００）。ピエゾ素子にインダクタを並列接続するのは、振動体を電気等価回路に置き換えた場合の共振周波数においてピエゾ素子の寄生キャパシタに電流が流れないようにするためである。ピエゾ素子の寄生キャパシタと並列接続したインダクタにより並列共振回路を構成し、この並列共振回路の共振周波数を振動体の共振周波数と一致させることで、寄生キャパシタへ電流が流れないようにすることができる。振動体の共振周波数は、振動体を加振して振動の振幅が最大となる周波数を実測して得ることができる。また、ピエゾ素子のキャパシタンスは素子単体の静電容量を実測により求めることができる。

次いで、計測者は、所定のインパルス振動を振動体に与えて上記ピエゾ素子の両端に現れる電圧Ｖ１を計測する（ステップＳＡ１１０）。そして、計測者は、上記インダクタに抵抗を並列接続して、ステップＳＡ１１０にて振動体に与えたインパルス振動と等価なインパル振動を上記振動体に与え、上記抵抗の両端に現れる電圧Ｖ２を計測する（ステップＳＡ１２０）。

次いで、計測者は、上記振動体の固有振動を特徴づけるパラメータのうち抵抗値Ｒｅｓを、ステップＳＡ１２０にてインダクタに並列接続した抵抗の抵抗値Ｒｄと、ステップＳＡ１１０にて計測された電圧Ｖ１と、ステップＳＡ１２０にて計測された電圧Ｖ２とから、以下の式（１３）にしたがって算出する（ステップＳＡ１３０）。
Ｒｅｓ＝Ｒｄ×（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ２…（１３）

式（１３）により抵抗値Ｒｅｓが算出される理由は次の通りである。ステップＳＡ１１０にて計測される電圧Ｖ１は上記ピエゾ素子の発電電圧に相当し、ステップＳＡ１２０にて計測される電圧Ｖ２は電圧Ｖ１を、ステップＳＡ１２０にてインダクタに接続した抵抗と抵抗４３０で分圧した電圧である。電圧Ｖ１、電圧Ｖ２、抵抗値ＲｄおよびＲｅｓの間には以下の式（１４）に示す関係があり、式（１４）を抵抗値Ｒｅｓについて解くことで式（１３）が得られる。
Ｖ２＝Ｖ１×Ｒｄ／（Ｒｄ＋Ｒｅｓ）…（１４）

次いで、計測者は、所定のインパルス振動を上記振動体に与え、ステップＳＡ１２０にてインダクタに並列接続した抵抗の両端に現れる電圧の周波数応答を計測する（ステップＳＡ１４０）。次いで、計測者は、上記の要領で計測した周波数応答に基づいて上記振動体の共振のＱ値、すなわちキャパシタンスＣｍとインダクタンスＬｍによる共振のＱ値、を算出する（ステップＳＡ１５０）。より詳細に説明すると、計測者は、まず、ステップＳＡ１４０にて計測した周波数応答から、周波数が高くなるに連れて上記電圧が増加から減少に転じる周波数範囲において、上記電圧がピークとなる第１の周波数（すなわち、共振周波数）ｗｏ、上記電圧がピークにおける電圧の１／√２倍の値となる第２の周波数ｗｐ１および第３の周波数ｗｐ２（ｗｐ１＜ｗｏ＜ｗｐ２）を読み取る。計測者は、周波数応答から読み取った第１の周波数ｗｏ、第２の周波数ｗ１および第３の周波数ｗ２を用いて、上記振動体の共振のＱ値を以下の式（２０）にしたがって算出する。
Ｑ＝ｗｏ／（ｗｐ２−ｗｐ１）…（２０）

そして、計測者は、ステップＳＡ１３０にて算出した抵抗値ＲｅｓとステップＳＡ１５０にて算出したＱ値とを用いて、キャパシタンスＣｍおよびインダクタンスＬｍを算出する（ステップＳＡ１６０）。式（２０）にしたがって算出されるＱ値は以下の式（２１）或いは式（２２）で表すこともできるので、計測者は、式（２０）にしたがって算出したＱ値を式（２１）に代入し、Ｌｍについて解くこととでＬｍの値を求めることができる。同様に、計測者は、式（２０）にしたがって算出したＱを式（２２）に代入し、Ｃｍについて解くことでＣｍの値を求めることができる。
Ｑ＝ｗｏ×Ｌｍ／（Ｒｅｓ＋Ｒｄ）…（２１）
Ｑ＝１／（ｗｏ×Ｃｍ×（Ｒｅｓ＋Ｒｄ））…（２２）

本態様によれば、振動体の電気等価回路のパラメータＲｅｓ、ＣｍおよびＬｍを実際に計測することが可能になる。従来の振動制御技術では、これらパラメータはシミュレーション等により算出され、その算出結果に応じて制振装置のインダクタンス等が定められており、この点も十分な制振効果が得られない原因の一つであった。これに対して、本態様によれば、上記各パラメータを実測することが可能になり、実測結果に応じて振動制御装置に含まれるインダクタのインダクタンスや抵抗の抵抗値を定めることで、従来よりも精度良く振動制御を行うことが可能になる。なお、振動体の電気等価回路のパラメータのうちキャパシタンスＣｍおよびインダクタンスＬｍを求める必要がない場合には、図９におけるステップＳＡ１４０以降の処理を省略すれば良い。

１…振動制御装置、４…振動体、１０…ピエゾ素子、２０…インダクタ、３０…抵抗回路。

Claims (3)

1. 振動体に固定されるピエゾ素子と、
   前記ピエゾ素子に並列に接続されるインダクタおよび抵抗値が負の値の抵抗と
   を具備することを特徴とする振動制御装置。
2. 振動体に固定されるピエゾ素子と、
   前記ピエゾ素子に並列に接続されるインダクタおよび抵抗値を負の値から正の値まで変更可能な可変抵抗と
   を具備することを特徴とする振動制御装置。
3. 前記インダクタは疑似インダクタであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動制御装置。
   

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