JP7096976B2

JP7096976B2 - 遮音装置

Info

Publication number: JP7096976B2
Application number: JP2018128078A
Authority: JP
Inventors: 雅裕永野; 秀和児玉
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: JP2020008663A

Description

本明細書で開示される技術は、遮音装置に関する。

従来、外部の騒音を遮音する遮音材として、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１には、軟質材と硬質材とを積層した遮音材が記載されている。

特許第５１９４９７２号公報

上記遮音材について、低い周波数の音を遮音するためには、遮音材の質量を大きくする必要がある。そこで、圧電フィルムの歪みを電気的に制御することで、音に対する圧電フィルムの振動を抑制し、遮音材として用いる構成が検討されている。圧電フィルムを電気的に制御する構成であれば、低い周波数の音についても質量を大きくすることなく、遮音効果を発揮することができる。しかしながら、圧電フィルムを遮音材として用いる場合には、圧電フィルムの駆動力が小さいと、十分な遮音効果を発揮することができず、この点について改善の余地があった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、圧電フィルムを遮音材として用いつつ、より高い遮音効果を発揮することが可能な遮音装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段として、本明細書で開示される遮音装置は、第１圧電フィルムと、前記第１圧電フィルムに対して対向配置される第２圧電フィルムと、音によって生じる前記第１圧電フィルムの歪みとは逆位相の歪みを前記第１圧電フィルムに生じさせる負性容量回路と、前記負性容量回路から前記第１圧電フィルムに出力される第１信号を増幅した第２信号を前記第２圧電フィルムに出力する増幅回路と、を備えることに特徴を有する。

第１圧電フィルムに負性容量回路を接続することで、第１圧電フィルム付近の音によって生じる第１圧電フィルムの振動を低減させることができ、第１圧電フィルムを遮音材として用いることができる。そして、増幅回路は、負性容量回路から第１圧電フィルムに出力される第１信号を増幅して第２圧電フィルムに出力する。この結果、第２圧電フィルムを第１圧電フィルムよりも大きい力で駆動させつつ、第１圧電フィルムと同じ位相で歪ませることができ、第２圧電フィルムを第１圧電フィルムよりも高い遮音効果を有する遮音材として用いることができる。つまり、第１圧電フィルムで遮音仕切れなかった騒音を第２圧電フィルムによって遮音することができる。

また、前記負性容量回路は、前記第１信号の電圧値を変更可能な電圧変更部と、前記第１圧電フィルム及び前記第２圧電フィルムによる遮音効果が最も高くなる音の周波数を設定可能な周波数設定部と、を備え、前記増幅回路は、前記第１信号に対する前記第２信号の増幅率を変更可能な構成であるものとすることができる。

周波数設定部を備えることで、設定した周波数の音についてより確実に遮音することができる。ここで、第１信号の電圧値を大きくすると、第１圧電フィルムには、設定した周波数の音に対して特に遮音効果が高い特性（ピーキーな周波数特性）を持たせることができ、この第１信号を増幅した第２信号が入力される第２圧電フィルムについても同じ傾向の周波数特性を持たせつつ、第１圧電フィルムよりも高い遮音効果を発揮させることができる。

一方、第１信号の電圧値を小さくすると、第１圧電フィルムの駆動力が小さくなるため、第１圧電フィルムの周波数特性は、設定した周波数の音に対する遮音効果が低くなり、広い周波数帯域の音に対して低い遮音効果を発揮する特性（又は殆ど遮音効果を発揮しない特性）となる。また、第２信号の電圧値は、増幅回路を構成する部品（例えばオペアンプ等）の規格によって制限される。このため、第１信号の電圧値を小さくすると、より大きい増幅率で第２信号を出力することが可能となる。そこで、第１信号に対する第２信号の増幅率を大きくすれば、増幅率が小さい場合に比べて、設定した周波数から遠い周波数の音についても十分な遮音効果を発揮することができる。このため、第１信号の電圧値を小さくすることで、第２圧電フィルムについては、広い周波数帯域の音に対して遮音効果を発揮する特性（ブロードな周波数特性）を持たせることができる。このように、第１信号の電圧値及び増幅回路の増幅率を適宜設定することで第２圧電フィルムの周波数特性を変更することが可能となる。

本発明によれば、圧電フィルムを遮音材として用いつつ、より高い遮音効果を発揮することが可能な遮音装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る遮音装置が取り付けられる車両用ドアを示す断面図遮音装置の回路図第１圧電フィルムの周波数特性を概念的に示すグラフ遮音装置の周波数特性の一例を示すグラフ

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１から図３によって説明する。本実施形態では、図１に示すように、車両に搭載される遮音装置２０について例示する。車両は、図１に示すように、車両用ドア１０を備える。車両用ドア１０は、例えば、車両に配された座席の側方に位置するサイドドアである。車両用ドア１０は、ドアパネル１１と、ドアパネル１１を車室内側から覆うドアトリム１４と、を備える。ドアパネル１１は、ドアアウタパネル１２とドアインナパネル１３とを備える。ドアインナパネル１３には、車両用ドア１０が備える機能部品の組付作業や保守作業などを行うためのサービスホール１５，１６が形成されている。なお、車両用ドア１０が備える機能部品としては、車両用ドア１０をロックするためのロック機構や、図示しないウインドウガラスを昇降するための昇降機構などを例示することができるが、これに限定されない。そして、ドアインナパネル１３には、サービスホール１５，１６を車室内側から覆うサービスホールカバー１７が取り付けられている。

遮音装置２０は、サービスホールカバー１７を経て車室外部から車室内部に侵入する騒音を遮断する機能を有している。遮音装置２０は、サービスホールカバー１７に取り付けられる遮音部２０Ａと、遮音部２０Ａの駆動を制御する制御回路３０と、を備える。遮音部２０Ａは、第１圧電フィルム２１と、第２圧電フィルム２２と、第１圧電フィルム２１及び第２圧電フィルム２２を保持する筒状のフレーム２３と、を備える。第１圧電フィルム２１及び第２圧電フィルム２２は、互いに対向配置されつつ、近接する形で配されている。第１圧電フィルム２１は、相対的に車室外側（図１の右側）に配され、第２圧電フィルム２２は、相対的に車室内側（図１の左側）に配されている。なお、第１圧電フィルム２１及び第２圧電フィルム２２については、両圧電フィルムによる音の位相差をより小さくするために、互いに可能な限り接近して配することが好ましい。なお、フレーム２３は、第１圧電フィルム２１及び第２圧電フィルム２２の保持、第１圧電フィルム２１と第２圧電フィルム２２の間の音漏れ防止、及び第１圧電フィルム２１と第２圧電フィルム２２の絶縁が可能な構成であればよく、筒状に限定されない。

第１圧電フィルム２１及び第２圧電フィルム２２は、圧電効果及び逆圧電効果を有する圧電性物質によって構成されており、材質としては、樹脂系圧電素子（ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビリニデン）等）や、圧電セラミック（チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等）を例示することができる。なお、第１圧電フィルム２１及び第２圧電フィルム２２の材質は、上述したものに限定されず適宜変更可能である。第１圧電フィルム２１及び第２圧電フィルム２２は、その厚さ方向（サービスホールカバー１７の板厚方向）について振動した際に電圧を発生し、電圧が印加された際に厚さ方向について振動する構成となっている。このような第１圧電フィルム２１及び第２圧電フィルム２２は、例えば圧電性物質と金属板とを貼り合わせることで構成されているが、これに限定されない。また、第１圧電フィルム２１及び第２圧電フィルム２２は、同じ構成（寸法や材質など）の圧電フィルムであり、機械的性質及び電気的性質が同一である。

制御回路３０は、負性容量回路４０と、増幅回路６０と、を備える。負性容量回路４０は、図２に示すように、オペアンプ４１と、可変抵抗４２と、コンデンサ４３と、半固定抵抗４４と、を備える。オペアンプ４１の非反転入力端子には、第１圧電フィルム２１が接続され、オペアンプ４１の反転入力端子は可変抵抗４２と接続されている。また、コンデンサ４３及び半固定抵抗４４を介してオペアンプ４１の非反転入力端子には正帰還が掛けられている。また、オペアンプ４１の反転入力端子には、可変抵抗４２（抵抗４２Ｂ）を介して負帰還が掛けられている。

負性容量回路４０においては、第１圧電フィルム２１の歪みに伴ってオペアンプ４１の非反転入力端子に正電位が印加されると第１圧電フィルム２１に正電荷を放出する。これにより第１圧電フィルム２１内の分極が減少し、第１圧電フィルム２１の歪みが減少する。つまり、音によって第１圧電フィルム２１に生じた歪みと逆位相の歪みを第１圧電フィルム２１に生じさせることが可能となっている。この結果、第１圧電フィルム２１に騒音が入力された際の第１圧電フィルム２１の振動を低減することができ、第１圧電フィルム２１を遮音材として機能させることができる。

オペアンプ４１の出力端子からは、第１圧電フィルム２１に対して信号Ｖ１（第１信号、第１圧電フィルム２１の制御信号）が出力される。負性容量回路４０においては、可変抵抗４２（電圧変更部）を構成する抵抗４２Ａと抵抗４２Ｂの比を変えることで、信号Ｖ１の電圧値（交流電圧の最大値）を変更することができる。具体的には、抵抗４２Ａの抵抗値をＲＡ、抵抗４２Ｂの抵抗値をＲＢ、オペアンプ４１の非反転入力端子に入力される信号Ｖ０の電圧値をＶＡ、信号Ｖ１の電圧値をＶＢとした場合において、ＶＢ＝ＶＡ＊（ＲＡ＋ＲＢ）／ＲＡである。

また、負性容量回路４０においては、半固定抵抗４４の抵抗値を変えることで、負性容量回路４０の損失係数を調整することができる。つまり、半固定抵抗４４（周波数設定部）の抵抗値を変えることで、第１圧電フィルム２１（ひいては第２圧電フィルム２２）による遮音効果が最も高くなる音の周波数（ピーク周波数）を設定することができる。具体的には、半固定抵抗４４の抵抗値を大きくすると、遮音効果が最も高くなる音の周波数を低くすることができ、半固定抵抗４４の抵抗値を小さくすると、遮音効果が最も高くなる音の周波数を高くすることができる。

増幅回路６０は、オペアンプ６１と、抵抗６２と、半固定抵抗６３と、を備える非反転増幅回路である。オペアンプ６１の反転入力端子は、抵抗６２を介して接地され、オペアンプ６１の非反転入力端子には、オペアンプ４１の出力端子が接続されている。オペアンプ６１の出力端子には、第２圧電フィルム２２が接続されている。また、オペアンプ６１の反転入力端子には、半固定抵抗６３を介して負帰還が掛けられている。増幅回路６０においては、オペアンプ６１の非反転入力端子に入力されたオペアンプ４１からの信号Ｖ１は、抵抗６２及び半固定抵抗６３の抵抗値に基づいて電圧が増幅され、同位相の信号Ｖ２（第２圧電フィルム２２の制御信号、第２信号）として第２圧電フィルム２２に出力される。このため、第２圧電フィルム２２に第１圧電フィルム２１と同位相の歪みを生じさせることができると共に、第２圧電フィルム２２を第１圧電フィルム２１よりも大きい力で駆動させることができる。つまり、第２圧電フィルム２２を第１圧電フィルム２１よりも遮音効果の高い遮音材として機能させることができる。

増幅回路６０においては、半固定抵抗６３の抵抗値を変えることで、信号Ｖ１に対する信号Ｖ２の増幅率Ｇ２を変えることができる。具体的には、半固定抵抗６３の抵抗値をＲ６３、抵抗６２の抵抗値をＲ６２とした場合において、増幅率Ｇ２＝（Ｒ６２＋Ｒ６３）／Ｒ６２であるから、半固定抵抗６３の抵抗値を大きくすることで、増幅率Ｇ２を大きくすることができる。なお、オペアンプ４１及びオペアンプ６１には、直流電源３１，３２が接続されている。また、制御回路３０は、ノイズを低減するための複数のコンデンサ３３を備える。なお、抵抗６２及び半固定抵抗６３の代わりに一つの可変抵抗を用いてもよい。また、信号Ｖ１の電圧値をＶＢ、信号Ｖ２の電圧値をＶＣとした場合において、ＶＣ＝Ｇ２＊ＶＢである。このため、増幅率Ｇ２を変えることで、信号Ｖ２の電圧値（交流電圧の最大値）を変更することができる。

次に本実施形態の効果について説明する。本実施形態によれば、第１圧電フィルム２１に負性容量回路４０を接続することで、第１圧電フィルム２１付近の音によって生じる第１圧電フィルム２１の振動を低減させることができ、第１圧電フィルム２１を遮音材として用いることができる。そして、増幅回路６０は、負性容量回路４０から第１圧電フィルム２１に出力される信号Ｖ１を増幅して第２圧電フィルム２２に出力する。この結果、第２圧電フィルム２２を第１圧電フィルム２１よりも大きい力で駆動させつつ、第１圧電フィルム２１と同じ位相で歪ませることができ、第２圧電フィルム２２を第１圧電フィルム２１よりも高い遮音効果を有する遮音材として用いることができる。つまり、第１圧電フィルム２１で遮音仕切れなかった騒音を第２圧電フィルム２２によって遮音することができる。

また、本実施形態では、周波数設定部である半固定抵抗４４を備えることで、設定した周波数の音についてより確実に遮音することができる。ところで、負性容量回路４０を用いて第１圧電フィルム２１を制御する場合には、設定した周波数（ピーク周波数）について最も遮音効果が高くなり、その周波数から遠ざかる程、遮音効果が低くなる周波数特性となる。そして、図３の一点鎖線Ｌ３で示すように、負性容量回路４０から第１圧電フィルム２１に出力される信号Ｖ１の電圧値が大きい程、設定した周波数Ｆ１で特に遮音効果が高くなるピーキーな周波数特性となり、図３の実線Ｌ４で示すように、信号Ｖ１の電圧値が小さい程、周波数Ｆ１に対する遮音効果が低くなり、その結果、ブロードな周波数特性となる。なお、図３は、負性容量回路４０を用いて第１圧電フィルム２１を制御した際の遮音効果の周波数特性を概念的に示すグラフである。

そして、第２圧電フィルム２２は、信号Ｖ２（第１圧電フィルム２１を制御するための信号Ｖ１を増幅した信号）によって制御されることから、第１圧電フィルム２１の周波数特性と同じ傾向の周波数特性を持ちつつ、第１圧電フィルム２１よりも高い遮音効果を発揮することになる。

このため、可変抵抗４２を調節して信号Ｖ１の電圧値を大きくすると、第１圧電フィルム２１には、設定した周波数の音に対して特に遮音効果が高い周波数特性（ピーキーな周波数特性）を持たせることができ、この信号Ｖ１を増幅した信号Ｖ２が入力される第２圧電フィルム２２についても、第１圧電フィルム２１と同じ傾向の周波数特性（ピーキーな周波数特性）を持たせつつ、第１圧電フィルム２１よりも高い遮音効果を発揮させることができる。

一方、信号Ｖ１の電圧値を小さくすると、第１圧電フィルム２１の駆動力が小さくなるため、第１圧電フィルム２１は、広い周波数帯域の音に対して低い遮音効果を発揮する周波数特性（ブロードな周波数特性）となる。また、信号Ｖ２の電圧値は、例えばオペアンプ６１の規格によって制限される。このため、信号Ｖ１の電圧値を小さくすると、より大きい増幅率で信号Ｖ２を出力することが可能となる。そこで、信号Ｖ１に対する信号Ｖ２の増幅率を大きくすれば、増幅率が小さい場合に比べて、第２圧電フィルム２２は、設定した周波数から遠い周波数の音についても十分な遮音効果を発揮することができる。このため、信号Ｖ１の電圧値を小さくすることで、第２圧電フィルム２２について、広い周波数帯域の音に対して遮音効果を発揮する特性（ブロードな周波数特性）を持たせることができる。

このように、本実施形態では、信号Ｖ１の電圧値及び増幅回路６０の増幅率Ｇ２を適宜設定することで圧電フィルム２１，２２の周波数特性を変更することが可能となる。また、本実施形態において、信号Ｖ１の電圧値が小さい場合には、第１圧電フィルム２１による遮音効果は殆ど発揮されることがなく、主に第２圧電フィルム２２による遮音効果が発揮されることになる。

図４は遮音装置２０の周波数特性の一例を示すグラフである。図４の横軸は第１圧電フィルム２１に入力された音の周波数であり、縦軸は、遮音部２０Ａの遮音効果である。ここで言う遮音効果とは、遮音部２０Ａに制御回路３０が接続されている場合の遮音部２０Ａの透過損失と、遮音部２０Ａに制御回路３０が接続されていない場合の遮音部２０Ａの透過損失の差を意味する。遮音部２０Ａの透過損失とは、第１圧電フィルム２１及び第２圧電フィルム２２の双方を透過した際の透過損失であり、具体的には、第１圧電フィルム２１の車室外側（第２圧電フィルム２２と反対側）に配されたマイクロフォンで測定した音の音圧と、第２圧電フィルム２２の車室内側（第１圧電フィルム２１と反対側）に配されたマイクロフォンで測定した音の音圧との差である。なお、図４は、サービスホールカバー１７に取り付ける前の状態の遮音装置２０について遮音効果を測定したものである。

図４において、実線Ｌ１は、一点鎖線Ｌ２と比較した場合において、信号Ｖ１の電圧値を相対的に小さい値で設定し、信号Ｖ１に対する信号Ｖ２の増幅率Ｇ２が相対的に高い場合の遮音部２０Ａの周波数特性である。また、一点鎖線Ｌ２は、信号Ｖ１の電圧値を相対的に大きい値で設定し、信号Ｖ１に対する信号Ｖ２の増幅率Ｇ２が相対的に低い場合の遮音部２０Ａの周波数特性である。また、実線Ｌ１及び一点鎖線Ｌ２において信号Ｖ２の電圧値は同じである。なお、実線Ｌ１においては、信号Ｖ２の電圧値が信号Ｖ１の電圧値の１２倍になるように設定されており、一点鎖線Ｌ２においては、信号Ｖ２の電圧値が信号Ｖ１の電圧値の４倍になるように設定されている。また、実線Ｌ１及び一点鎖線Ｌ２においては、７５０Ｈｚ程度の音について遮音効果が最も高くなるように半固定抵抗４４の抵抗値を設定している。

図４の一点鎖線Ｌ２に示すように、信号Ｖ１の電圧値を比較的大きい値で設定した場合には、設定した周波数（７５０Ｈｚ）付近の音について特に遮音効果が高いピーキーな周波数特性となる。これに対して、図４の実線Ｌ１に示すように、信号Ｖ１の電圧値を比較的小さい値で設定した場合には、設定した周波数（７５０Ｈｚ）付近の音については遮音効果が低くなるものの、より広い周波数帯域の音に対して遮音効果を発揮するブロードな周波数特性となる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、遮音部２０Ａがサービスホールカバー１７に取り付けられる構成を限定したが、これに限定されない。例えば、遮音部２０Ａを車両のダッシュパネルやフロアパネルに設けてもよい。
（２）負性容量回路４０及び増幅回路６０の半固定抵抗の代わりに可変抵抗を用いてもよい。また、負性容量回路４０の可変抵抗の代わりに半固定抵抗を用いてもよい。

２０…遮音装置、２１…第１圧電フィルム、２２…第２圧電フィルム、４０…負性容量回路、４２…可変抵抗（電圧変更部）、４４…半固定抵抗（周波数設定部）、６０…増幅回路、Ｖ１…信号（第１信号）、Ｖ２…信号（第２信号）

Claims

第１圧電フィルムと、
前記第１圧電フィルムに対して対向配置される第２圧電フィルムと、
音によって生じる前記第１圧電フィルムの歪みとは逆位相の歪みを前記第１圧電フィルムに生じさせる負性容量回路と、
前記負性容量回路から前記第１圧電フィルムに出力される第１信号を増幅した第２信号を前記第２圧電フィルムに出力する増幅回路と、を備える遮音装置であって、
前記負性容量回路は、前記第１信号の電圧値を変更可能な電圧変更部と、前記第１圧電フィルム及び前記第２圧電フィルムによる遮音効果が最も高くなる音の周波数を設定可能な周波数設定部と、を備え、
前記増幅回路は、前記第１信号に対する前記第２信号の増幅率を変更可能とされ、
当該遮音装置は、
定められた前記第２信号の電圧値に対して、前記第１信号の電圧値を小さく設定するほど前記増幅率を大きい値に設定することで、（ｉ）前記第１信号の電圧値を相対的に大きい値で、かつ、前記増幅率を相対的に小さい値に設定して、前記周波数設定部によって設定した周波数の遮音効果を特に高めたピーキーな周波数特性と、（ｉｉ）前記第１信号の電圧値を相対的に小さい値で、かつ、前記増幅率を相対的に大きい値に設定して、前記ピーキーな周波数特性より広い周波数帯域において遮音効果を高めたブロードな周波数特性との間で周波数特性を変更する構成である遮音装置。