JPH08234847A - 振動減衰装置 - Google Patents

振動減衰装置

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JPH08234847A
JPH08234847A JP7335704A JP33570495A JPH08234847A JP H08234847 A JPH08234847 A JP H08234847A JP 7335704 A JP7335704 A JP 7335704A JP 33570495 A JP33570495 A JP 33570495A JP H08234847 A JPH08234847 A JP H08234847A
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circuit
amplifier
capacitance
stack
negative
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JP7335704A
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Douglas R Browning
ロイ ブラウニング ダグラス
Woodson D Wynn
デイル ウィン ウッドソン
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AT&T Corp
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AT&T Corp
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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/005—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion using electro- or magnetostrictive actuation means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピエゾ電子反応質量アクチュエータを有する
活性負キャパシタンスシャントを用いた振動減衰システ
ムを提供する。 【解決手段】 ボーリングバー振動減衰はピエゾ電子ア
クチュエータ材料の電子的、機械的特性により改善され
る。負キャパシタンスシャント回路において、電圧制御
電圧源は、ピエゾ電子材料のキャパシタンスと量的にほ
ぼ等しく、位相が反対となる負キャパシタンスを連続的
にシミュレートする。負キャパシタンスは圧電素子にシ
ャントされ、広域周波数バンドにわたって装置のキャパ
シタンスを有効に補償する。それにより、減衰動作にお
いて、構造体の広域バンドの振動に誘起された機械的変
形に応答したピエゾ電子素子に生成された電圧は完全に
抵抗で消耗されて、機械的減衰を高める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は機械的振動減衰装置
に関し、特に、この装置に使用されるピエゾ電子アクチ
ュエータの使用の改善方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ピエゾ電子材料は活性機械的振動制御装
置においてアクチュエータとして使用される。これは、
ピエゾ電子材料が比較的小さな質量に対する補償能力を
生成することができるからである。また、アクチュエー
タとしてピエゾ電子素子を使用することにより、全シス
テムの減衰を電子的に制御することを可能にし、他の活
性制御方法より単純に実現できるからである。典型的な
電子制御構成においては、表面また素子に起こる好まし
くない機械的振動の周波数と振幅を検知するセンサー
と、検知された情報に応答するピエゾ電子素子のパワー
増幅器を駆動する制御回路とを含む。また、従来の技術
においては、ピエゾ電子素子の電極の周囲に分路ネット
ワークが使用されてきた。この分路回路は理論的にほぼ
ピエゾ電子素子のキャパシタンスを中和することがで
き、その結果、この素子を用いた機械的減衰が増加す
る。もし、必要な機械的減衰が比較的狭い周波数バンド
に限定された場合には、正向制御回路は例えばＬ−Ｃ共
鳴回路を用いて、必要な狭域バンドの中和キャパシタン
スを生成することができる。しかし、広域バンド振動減
衰に対しては、全ピエゾ電子素子−機械的システムの時
間微分の特性が複雑となるため、中和キャパシタンスを
用いる実際の活性制御器回路への応用の実現は、困難で
ある。現在のシステムの減衰機能は広域バンドにとって
はまだ最適な状態とは言えない。負性キャパシタンスシ
ャントにより増大した活性減衰回路に対する補足の主な
例としては、ボーリングバーマシンツールがある。堅い
または厚いワークピースを機械加工する際に、機械音は
バーの第１共鳴周波数で起こる。ピエゾ電子反応質量ア
クチュエータが提案されているが、広域バンドの減衰に
対する所望の精度には達していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、ピエゾ電子材料の広域バンドのキャパシタンス特性
を除去、中和する方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明はピエゾ電子材料の電気機械特性をうまく利
用した。負性キャパシタンスシャント回路においては、
電圧制御された電圧源は、ピエゾ電子素子に分流した等
価量の負性キャパシタンスをシミュレートし、広域周波
数バンドにわたる素子のキャパシタンスを有効に補償す
る。シャント回路とピエゾ電子装置の結合した全インピ
ーダンスはピエゾ電子素子自身のそれよりも遥かに大き
くなる。その結果として、減衰動作においては、構造体
の広域振動により誘起された機械的変形に応答するピエ
ゾ電子素子に生成された電圧は完全に抵抗で消耗され
る。
【０００５】電圧制御電圧源は高電圧及び中電流の両方
の能力を備える。本発明の一実施例においては、シャン
ト回路は単純なフィードバックブリッジ回路である。こ
のブリッジ回路では、選択された抵抗回路を介した負の
フィードバックよりも、選択された容量分配器を含む回
路ノードを介した正フィードバックは若干小さい。この
構成は、機械的システムの共鳴周波数の分布に対して、
ピエゾ電子キャパシタンスをほぼ中和する値でもって負
のキャパシタンスを連続的にシミュレートする。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１において、振動に対するツー
ルまたは他の要素はボーリングバー１０として示され
る。このボーリングバー１０は固定ホルダー１１に搭載
される。ツールヘッド１２には金属切削ツールビット１
３が搭載される。外壁２０内にツールヘッド１２で形成
された内部チャンバー１４は、アクチュエータ質量１５
を有する。質量１５はチャンバー１４の底面１９に固定
されたヒンジ１６に搭載される。ピエゾ電子スタック１
７は質量１５の１つの表面と底面１９の間に配置され、
スタックはヒンジ１６を軸として回転する。初期負荷さ
れたバネ１８も質量１５と底面１９との間に固定され
る。このような構成に関する先行技術は例えば、米国特
許第５１７０１０３号に開示されている。
【０００７】図２において、ピエゾ電子スタック１７を
駆動する活性制御回路の従来技術の一般的な形式を実線
で示す。そこには、加速度メータ２５とアクチュエータ
質量加速度メータ２６とが含まれる。加速度メータ２５
は、切削操作において、機械音が発生すると、ボーリン
グバー１０の加速度を検知し、加速度メータ２６は駆動
回路及び外部機械的圧力により引き起こされた質量１５
の加速度を検知する。センサー２５、２６からの信号は
積分器２７で変換されて、ビット１３とアクチュエータ
質量１５との近辺のボーリングバー１０の変位に応答す
る。これらの信号はコンピュータ２８により受信され
る。コンピュータ２８はこれを用いてパワー増幅器２９
を調整する制御信号を生成する。増幅器２９の出力はピ
エゾ電子スタック１７に制御電圧をかけ、ツールビット
１３の変位を連続的に減少させるよう変化して、その結
果、機械音を減少させる。
【０００８】本発明による負キャパシタンスシャント回
路３５はスタック１７に接続した点線により示される。
シャント回路３５は図２の活性制御回路と分けて示して
いるが、活性制御回路の一部として、または活性制御回
路を増加させるために用いられる。さらに、シャント回
路３５は、従来の活性制御回路の代わりに使用される。
シャント回路３５の実施例について次に述べる。
【０００９】ピエゾ電子スタック１７により受けた機械
的動作により、機械的−電気的結合ができ、デバイス１
７が電圧及び電流の波形を生成するようになる。これら
の波形は所望の機械的減衰結果を生成するのに利用する
ことができる。図３に示すように、金属切削により引き
起こされた外乱力Ｆはボーリングバー及び図１に示した
その要素を含む機械的システムを介して伝達される。ピ
エゾ電子スタック１７で起こった機械的−電気的結合
は、ピエゾ電子電極に電圧がかかると同時に、ピエゾ電
子材料を流れる電流を生成する。このような動作誘起電
圧及び電流の効果を有効に利用する方法の１つは負キャ
パシタンスシャントを使用することである。
【００１０】図３に示すように、ピエゾ電子スタック１
７の全電気インピーダンスＺtotalは並列にシャント回
路３５に接続され、キャパシタンス要素Ｃpを有する。
スタック１７と並列に接続したシャント回路３５は、す
べての共鳴周波数に対して完全に駆動点インピーダンス
を有する回路を有する。この駆動点インピーダンスは次
式により与えられる。 Ｅ(jw)／Ｉ(jw)＝−１／ｊＣp （１） ここで、ＥはＣp上の電圧で、Ｉはシャント回路３５に
流れる電流である。シャントは電気的にＣpのキャパシ
タンスに相当する。オープン回路がすべての周波数でＺ
totalを形成するシャントインピーダンスＺshunt カ ゛生成
され、このシャントインピーダンスはスタックのキャパ
シタンスと数値上等しく、位相は反対となる。このシャ
ントインピーダンスは従来の制御回路では実現されなか
った。
【００１１】図４は本発明による活性負キャパシタンス
シャント回路３５を示す。この回路は正フィードバック
構成となり、電圧制御電圧源を用いて所望の負キャパシ
タンスを生成する。回路３５は動作パワー増幅器４０を
含み、この増幅器４０はApexMicrotech社の商品PA-85で
もよく、この商品については5980N. ShannonのAPEXMicr
otechnology Corp.のData Book Vol.6(Tucson. Arizona
州)に詳述されている。図４にはこの市販の商品のポー
ト番号を示している。パワー増幅器４０は特定のピエゾ
電子スタック材料の電気的特性に適した高電圧及び中電
流の能力を有する。この実施例に使用したＰＺＴピエゾ
電子材料は１２０ボルトのピーク間の電圧制限と、２０
μｆのキャパシタンスＣpと、ＤＣから２５０Ｈｚまで
の周波数を有する。この場合には、最大駆動電流は約１
アンペアである。本発明を用いた活性回路の特定の要素
は、使用されるピエゾ電子材料及び制御のバンド幅の種
類によって異なる。
【００１２】増幅器４０は端末４１からなる入力／出力
回路を介してデバイス１７と接続されている。調整抵抗
４２は入力／出力端末リードと並列に接続され、最適な
機械的減衰応答を提供する。この抵抗値の具体的な範囲
はシステムの動作特性のモデルを利用して計算機シミュ
レーションにより決定される。別法として、この抵抗値
は、実機械システムに適用した誘起圧力機能から得られ
た機械的振動のレベルを測定することにより選択され
る。
【００１３】正端末ポート４からポート１へ接続された
負荷キャパシタンス４３は次式により選択される。 Ｃload／Ｃp＝Ｒs／Ｒf （２） 電圧分配器Ｒf、Ｒsは負フィードバック非反転動作増幅
器ゲインをセットする。そのため、Ｒf／Ｒs比は同一の
正及び負フィードバックに対して同一のＣp／Ｃl oad比
となる。図４のフィードバック構成は、Ｒf−Ｒs電圧分
配器を介した負フィードバックよりも少量のＣload−Ｃ
p電圧分配器を介した正フィードバックを生成するよう
セットされる。これにより、前記の等式が成り立つ。
【００１４】正フィードバックが負フィードバックを超
える場合、全回路は負の等価要素を有して、不安定とな
る。以下に述べる電圧制御電圧源負キャパシタンス構成
は、さらに動作増幅器４０の周波数応答の補償を提供す
ることにより安定化される。これは、例えば図４に示し
た要素Ｒ1、Ｒ2、Ｃcにより実現される。各要素の値
は、ここで使用したＰ８５デバイスに対する前述のＡＰ
ＥＸのような最適な増幅器安定化のために選択される。
言い換えれば、等式（２）により与えられた全システム
安定性の要求に加えて、動作増幅器４０は、回路３５で
は充分なゲイン及び位相範囲を有し、図３に示した相互
作用の機械的キャパシタンス、ピエゾ電子的キャパシタ
ンス及び負キャパシタンスの要素を接続する際の全シス
テムの発振を防止する。増幅器に必要な補償は実際に得
られるゲイン−位相の範囲、使用される増幅器の種類及
びピエゾ電子及び関連の機械システムの特性により決定
される。
【００１５】前述した本発明の負キャパシタンス回路を
ボーリングバーに適用すると、振動減衰を用いないボー
リングバーに比べて、機械的共鳴応答に２０ｄＢほど高
い減少が得られる。さらに、代表的な正シャント回路よ
り少なくとも６ｄＢの改善が得られる。
【００１６】
【発明の効果】以上述べたように、本発明のピエゾ電子
振動減衰器を用いることにより、広バンド減衰機能が得
られる。そこで、アクチュエータスタックにあるピエゾ
電子材料の容量特性を有効にかつ信頼性高く除去するこ
とにより、材料の高い抵抗を、デバイスに生成された電
圧の散逸要素として残す。それにより散逸された電気エ
ネルギーは機械的減衰比を０．０１％から０．３％に増
大させる。ここで、１．０％は共鳴システムの基準減衰
値である。
【図面の簡単な説明】
【図１】内部アクチュエータ質量ためのピエゾ電子ドラ
イバを用いたボーリングバーを表す図。
【図２】アクチュエータ制御回路を表す回路図。
【図３】負キャパシタンスシャントを用いた機械／電気
の構成図。
【図４】本発明の活性負キャパシタンスシャント回路を
表す回路図。
【符号の説明】
１０ ボーリングバー １１ 固定ホルダー １２ ツールヘッド １３ 金属切削ツールビット １４ 内部チャンバー １５ アクチュエータ質量 １６ ヒンジ １７ ピエゾ電子スタック １８ バネ １９ 底面 ２０ 外壁 ２５ 加速度メータ ２６ アクチュエータ質量加速度メータ ２７ 積分器 ２８ コンピュータ ２９ パワー増幅器 ３５ シャント回路 ４０ パワー増幅器 ４１ 端末 ４２ 調整抵抗 ４３ 負荷キャパシタンス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウッドソン デイル ウィン アメリカ合衆国，07920 ニュージャージ ー，サマセット カウンティー，バスキン グ リッジ，ジュニパー ウェイ 56

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 構造体の広域バンド振動を減衰する振動
    減少装置において、 前記構造体（１９）に接続され、広域バンド容量リアク
    タンスを有するピエゾ電子材料を有するアクチュエータ
    （１７）と、 前記ピエゾ電子材料（１７）とシャント回路（３５）状
    に接続され、前記ピエゾ電子材料の前記容量リアクタン
    スと量的に同じで位相が反対となる負キャパシタンスを
    連続的にシミュレートする手段を有する負キャパシタン
    ス回路（ＣS）と、 前記シャント回路と前記ピエゾ電子材料製アクチュエー
    タとの全インピーダンスは前記ピエゾ電子材料単独のイ
    ンピーダンスよりもはるかに大きく、 前記アクチュエータが動作している間に、前記構造体の
    広域バンド振動により誘起された機械的変形に応答し
    て、前記ピエゾ電子材料中に生成された電圧を抵抗で消
    滅する手段とを有することを特徴とする振動減衰装置。
  2. 【請求項２】 前記シャント回路と並列に接続された前
    記ピエゾ電子材料の電気的インピーダンスと、前記シャ
    ント回路の駆動点インピーダンスとは、前記シャント回
    路が連続的に所定の負キャパシタンスをシミュレート
    し、この負キャパシタンスが、すべての動作周波数にお
    いて、前記電気的インピーダンスをオープンさせること
    を特徴とする請求項１の装置。
  3. 【請求項３】 前記シミュレーション手段は、電圧制御
    電圧源を含むことを特徴とする請求項２の装置。
  4. 【請求項４】 構造体の広域バンド振動を減衰する振動
    減少装置において、 前記構造体に接続され、広域バンド容量リアクタンスＣ
    pを有するピエゾ電子スタックを有するアクチュエータ
    と、 シャント回路状に前記スタックと接続され、広域バンド
    容量リアクタンスＣpと量的にほぼ同等で、位相が反対
    となる容量リアクタンスを連続的にシミュレートする負
    キャパシタンス回路手段とを含み、 前期負キャパシタンス回路手段において、 正と負のフィードバックループを有する動作増幅器と前
    記増幅器が前記スタックとシャント関係に接続された入
    力／出力回路と、 前記入力／出力回路と並列に接続され、前記負キャパシ
    タンス回路手段を、前記構造体に対して、所定の最適機
    械的減衰応答に調整する調整抵抗と、 第１と第２の直列接続抵抗を有し、前記第２抵抗が前記
    増幅器と並列に接続され、前記増幅器の負フィードバッ
    ク非反転ゲインを決定する抵抗性電圧分配器と、 前記増幅器と並列に接続され、前記スタックキャパシタ
    ンスとともに容量性電圧分配器を形成する負荷キャパシ
    タと、前記第１と前記第２抵抗の抵抗値の比とほぼ同
    等、または多少大きい前記負荷キャパシタのインピーダ
    ンスの比と、前記スタックキャパシタンスのインピーダ
    ンスの比と、 を有し、 前記二つの比は、前記増幅器の正と負のフィードバック
    機能に対してほぼ同一となることを特徴とする振動減衰
    装置。
  5. 【請求項５】 前記フィードバックループは、前記抵抗
    性電圧分配器を介した負のフィードバックよりも多少低
    い前記容量性電圧分配器を介した正フィードバックを生
    成することを特徴とする請求項４の装置。
  6. 【請求項６】 前記増幅器の周波数応答を補償するため
    に、前記増幅器に接続された、前記負キャパシタンス回
    路手段を安定化させる回路手段をさらに含むことを特徴
    とする請求項５の装置。
  7. 【請求項７】 前記スタックのピエゾ電子材料はＰＺＴ
    であり、動作増幅器は高電圧、中電流動作増幅器である
    ことを特徴とする請求項５の装置。
  8. 【請求項８】 前記構造体は、チャンバー切削端を有す
    るボーリングバーマシンツールであり、前記構造体が前
    記チャンバーに搭載されることを特徴とする請求項１、
    ２、３、４、５、６、７の何れかに記載の装置。
JP7335704A 1994-12-02 1995-12-01 振動減衰装置 Pending JPH08234847A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US348527 1982-02-12
US08/348,527 US5558477A (en) 1994-12-02 1994-12-02 Vibration damping system using active negative capacitance shunt circuit with piezoelectric reaction mass actuator

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JPH08234847A true JPH08234847A (ja) 1996-09-13

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JP7335704A Pending JPH08234847A (ja) 1994-12-02 1995-12-01 振動減衰装置

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