JPH1038029A - Dick shape structure with vibration damping function - Google Patents

Dick shape structure with vibration damping function

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JPH1038029A
JPH1038029A JP21530596A JP21530596A JPH1038029A JP H1038029 A JPH1038029 A JP H1038029A JP 21530596 A JP21530596 A JP 21530596A JP 21530596 A JP21530596 A JP 21530596A JP H1038029 A JPH1038029 A JP H1038029A
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JP
Japan
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disk
piezoelectric element
shaped structure
resistance
vibration
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JP21530596A
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Japanese (ja)
Inventor
Masahito Tano
雅人 田納
Shiketsu Kaku
士傑 郭
Yoichi Kanemitsu
陽一 金光
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Ebara Corp
Original Assignee
Ebara Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the amplitude of a disc shape structure when a resonance occurs and also improve a stability when an unsatable vibration comes into problem by installing plural piezoelectric elements on the outer periphery part of one side or both sides of the disc shape structure equally and connecting an electric resistance to both electrodes of the piezoelectric element. SOLUTION: A disc shape structure with a restraint function is provided with a disc body 1 like an elastic disc and plural piezoelectric elements 2 installed on the outer periphery part of one side or both sides. A closed circuit is formed by connecting an electric resistance 4 by a lead wire 3 on the positive electrode and negative electrode of each piezoelectric element 2. The piezoelectric element 2 is formed in a film shape and installed by sticking or vapor deposition or burying in to the disc body 1. In this piezoelectric element 2, the optimum number of the piezoelectric element 2 is existed per a problematic vibration mode. The electric resistance 4 is a surface packaging type resistance and formed by the metal film resistance like an oxidized metal film resistance and the resistance value of the electric resistance 4 is decided so as to enlarge the damping of a problematic vibration mode.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機、ポンプ、
遠心分離器、磁気ディスク装置などに用いられる制振機
能付き円板状構造物に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a compressor, a pump,
The present invention relates to a disk-shaped structure with a vibration control function used for a centrifuge, a magnetic disk device, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧縮機、ポンプ、遠心分離器などの円板
状の回転体を有する回転機械においては、その固有振動
数が回転体の回転数または回転数の整数倍と一致すると
共振が起こることがある。そのため、設計段階では両者
が一致しないように設計している。また、磁気ディスク
装置に用いられる磁気ディスクなどの弾性円板では、減
衰が小さいため、不安定振動の問題から機器の性能向上
のための軽量化および高速化が制限されている。
2. Description of the Related Art In a rotating machine having a disk-shaped rotating body such as a compressor, a pump, and a centrifugal separator, resonance occurs when its natural frequency matches the rotating speed of the rotating body or an integral multiple of the rotating speed. Sometimes. Therefore, at the design stage, both are designed so that they do not match. In addition, since an elastic disk such as a magnetic disk used in a magnetic disk device has a small attenuation, the problem of unstable vibration restricts the reduction in weight and speed for improving the performance of the device.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の回転機械では、運転回転数が可変な場合があ
り、共振を避けることができない場合がある。また、磁
気ディスクなどの弾性円板においては、上述したように
減衰が小さいため、不安定振動の問題があり、そのため
機器の軽量化および高速化が制限されるという問題点が
ある。本発明は上述の事情に鑑みなされたもので、減衰
を付加することにより、共振が起きた際の円板状構造物
の振幅を低減するとともに、不安定振動が問題になる場
合も安定性を改善することができる制振機能付き円板状
構造物を提供することを目的とする。
However, in the above-described conventional rotary machine, the operating speed may be variable, and resonance may not be avoided. In addition, an elastic disk such as a magnetic disk has a problem of unstable vibration due to a small attenuation as described above, and therefore, there is a problem that reduction in weight and speed of the device is limited. The present invention has been made in view of the above circumstances, and by adding damping, the amplitude of a disk-shaped structure when resonance occurs is reduced, and stability is improved even when unstable vibration becomes a problem. An object of the present invention is to provide a disk-shaped structure with a vibration damping function that can be improved.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明は、円板状構造物の片面もしくは両面の外周
部に、複数の圧電素子を円周等配に設け、該圧電素子の
両電極に電気抵抗を接続したことを特徴とするものであ
る。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a disk-shaped structure having a plurality of piezoelectric elements provided on one or both outer peripheral portions thereof in a circumferentially equidistant manner. And electrical resistances connected to both electrodes.

【0005】圧電素子の個数は、注目する節直径モード
の2倍の個数が最も制振効果が大きい。接続する抵抗の
抵抗値は、問題となる振動モードの減衰比が最大になる
ように定める。
When the number of piezoelectric elements is twice as large as the node diameter mode of interest, the damping effect is greatest. The resistance value of the connected resistor is determined so that the damping ratio of the vibration mode in question becomes maximum.

【0006】上記のように構成された制振機能付き円板
状構造体においては、振動エネルギは圧電素子により電
気エネルギに変換され、さらに抵抗により熱エネルギに
変換され散逸される。したがって、系の減衰が増大し、
振幅が低減される。
In the disk-shaped structure with the vibration damping function configured as described above, the vibration energy is converted into electric energy by the piezoelectric element, and further converted into heat energy by the resistance and dissipated. Therefore, the damping of the system increases,
The amplitude is reduced.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る制振機能付き
円板状構造物の実施の形態を図1乃至図5を参照して説
明する。図1は制振機能付き円板状構造物を示す平面
図、図2は制振機能付き円板状構造物を示す断面図であ
る。図1および図2に示されるように、制振機能付き円
板状構造物は、弾性円板等の円板体1と、円板体1の片
面もしくは両面の外周部に設けられた複数の圧電素子2
とを備えている。複数の圧電素子2は円周等配に配置さ
れている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a disk-shaped structure with a vibration damping function according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view showing a disk-shaped structure with a vibration damping function, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a disk-shaped structure with a vibration damping function. As shown in FIGS. 1 and 2, the disk-shaped structure with a vibration damping function includes a disk 1 such as an elastic disk, and a plurality of disks 1 provided on an outer peripheral portion of one or both surfaces of the disk 1. Piezoelectric element 2
And The plurality of piezoelectric elements 2 are arranged at equal intervals around the circumference.

【0008】各圧電素子2の正極と負極には、リード線
3により電気抵抗4が接続され、閉回路が形成されてい
る。圧電素子2は薄膜状に形成されており、円板体1に
貼り付け又は蒸着又は埋め込みにより設けられている。
圧電素子2は、問題となる振動モード毎に最適な圧電素
子の個数が存在する。具体的には、減衰を大きくしたい
節直径モードの節直径数の2倍の個数がよい。例えば、
4節直径モードの場合は4×2=8個設けるのがよい。
また、圧電素子2の取り付け位置は、円板体1のひずみ
の大きい箇所に取り付けることが好ましい。なお、図1
および図2に示す例においては、中心部に円板体1を保
持する軸を設け、又、圧電素子2は円板体1の片面に設
けた例が示されている。
An electrical resistor 4 is connected to a positive electrode and a negative electrode of each piezoelectric element 2 by a lead wire 3 to form a closed circuit. The piezoelectric element 2 is formed in a thin film shape, and is provided on the disc body 1 by sticking, vapor deposition, or embedding.
The piezoelectric element 2 has an optimal number of piezoelectric elements for each vibration mode in which there is a problem. Specifically, the number is preferably twice the number of node diameters in the node diameter mode in which attenuation is desired to be increased. For example,
In the case of the 4-node diameter mode, it is preferable to provide 4 × 2 = 8.
Further, it is preferable that the piezoelectric element 2 is mounted at a position where the disk 1 has a large distortion. FIG.
2 shows an example in which a shaft for holding the disc 1 is provided at the center, and the piezoelectric element 2 is provided on one surface of the disc 1.

【0009】電気抵抗4は、表面実装型抵抗であって、
酸化金属皮膜抵抗等の金属皮膜抵抗からなっている。電
気抵抗4の抵抗値は、問題となる振動モードの減衰が大
きくなるように定める。
The electric resistance 4 is a surface mount type resistance,
It consists of metal film resistors such as metal oxide film resistors. The resistance value of the electric resistance 4 is determined so that the damping of the vibration mode in question becomes large.

【0010】図3は円板体1の両面に同一個数の圧電素
子を同位相で設ける例を示す。即ち、圧電素子2は、円
板体1の両面に同位相で且つ同一数設けられている。円
板体の両面に同じ個数の圧電素子を同位相で設ける場合
には、片面の場合より2倍近い効果が得られる。
FIG. 3 shows an example in which the same number of piezoelectric elements are provided in the same phase on both surfaces of the disc body 1. That is, the same number and the same number of the piezoelectric elements 2 are provided on both surfaces of the disc 1. When the same number of piezoelectric elements are provided in the same phase on both sides of the disk, the effect is almost twice as large as that of the case of one side.

【0011】図4は円板体1の両面に同一個数の圧電素
子を異なった位相で設ける例を示す。即ち、円板体の両
面に同一個数かつ同位相で圧電素子を設ける場合には、
加振点の位置により減衰の大きさが変わる可能性があ
る。このことが望ましくない場合には、圧電素子を円板
体の両面に位相を変えて設ける。また、円板体の両面に
圧電素子を設ける場合に、表裏に違う個数を設けること
により異なる2つのモードの減衰が大きくなるようにす
る。例えば、3節直径モードと6節直径モードの減衰を
大きくしたい場合には、圧電素子を、表面に3×2=6
個設け、裏面に6×2=12個設ける。
FIG. 4 shows an example in which the same number of piezoelectric elements are provided at different phases on both surfaces of the disc 1. That is, when the same number and the same phase of the piezoelectric elements are provided on both surfaces of the disc body,
The magnitude of the attenuation may change depending on the position of the excitation point. If this is not desirable, the piezoelectric elements are provided on both sides of the disc with different phases. When the piezoelectric elements are provided on both sides of the disk, different numbers are provided on the front and back sides so that the attenuation of two different modes is increased. For example, when it is desired to increase the attenuation in the three-node diameter mode and the six-node diameter mode, the piezoelectric element is placed on the surface at 3 × 2 = 6.
And 6 × 2 = 12 on the back surface.

【0012】図5は磁気ディスクのような円板体1に圧
電素子を設ける例を示し、図5(a)は平面図、図5
(b)は断面図である。即ち、磁気ディスクのように、
圧電素子を設けることにより円板体1の厚さtが場所に
より変化するのが困る場合には、圧電素子2および抵抗
4を蒸着する位置の基板を必要な厚さだけ削っておく。
FIG. 5 shows an example in which a piezoelectric element is provided on a disk 1 such as a magnetic disk. FIG. 5 (a) is a plan view and FIG.
(B) is a sectional view. That is, like a magnetic disk,
When it is difficult to change the thickness t of the disc body 1 depending on the location by providing the piezoelectric element, the substrate at the position where the piezoelectric element 2 and the resistor 4 are to be vapor-deposited is shaved by a necessary thickness.

【0013】[0013]

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例を説明する。
本実施例においては、円板体として弾性ディスクを例に
挙げて説明する。本実施例で取り上げる系の概念図を図
6に示す。弾性ディスクの材質はアルミニウム合金、圧
電素子は厚さ(z)方向に分極された円弧状の圧電セラ
ミックスで、諸材料定数を表1に示す。 表1 圧電素子材料 弾性ディスク材料 密度 (kg/m3) 7600 2600 ヤング率(GPa) 64 67 圧電定数(C/m2) −13.35 誘電定数(A22/Nm2) 1985ε0 ε0=8.9×10-12(A22/Nm2
Next, specific embodiments of the present invention will be described.
In this embodiment, an elastic disk will be described as an example of the disk body. FIG. 6 shows a conceptual diagram of the system taken up in this embodiment. The material of the elastic disk is an aluminum alloy, and the piezoelectric element is an arc-shaped piezoelectric ceramic polarized in the thickness (z) direction. Table 1 Piezoelectric material Elastic disk material Density (kg / m 3 ) 7600 2600 Young's modulus (GPa) 64 67 Piezoelectric constant (C / m 2 ) -13.35 Dielectric constant (A 2 s 2 / Nm 2 ) 1985ε 0 ε 0 = 8.9 × 10 −12 (A 2 s 2 / Nm 2 )

【0014】ディスクの外周に等間隔に円弧状の圧電素
子12枚を導電性接着剤で貼り付け、さらにすべての圧
電素子の両電極に同じ抵抗値を持つ電気抵抗を接続し
た。ディスクは中心から半径r0のところで固定されて
いる。ディスクの外周半径をr2、厚さをhとする。そ
の上に貼り付けた圧電素子の内側の半径をr1、厚さを
Hとし、円弧の角度をθ0とする。圧電素子に接続した
外部抵抗をRで表す。外部抵抗を変えて実験を行った。
これらの値を表2に示す。 表2 0(mm) 25 1(mm) 140 2(mm) 150 h(mm) 2 H(mm) 0.5 θ0(rad) 28×(2π/180) R(kΩ) 0,7.5,15,30,45,60,75
Twelve arc-shaped piezoelectric elements were stuck to the outer periphery of the disk at equal intervals with a conductive adhesive, and both electrodes of all the piezoelectric elements were connected to an electric resistor having the same resistance value. The disk is fixed at a radius r 0 from the center. Let r 2 be the outer radius of the disk and h be the thickness. The inside radius of the piezoelectric element stuck thereon is r 1 , the thickness is H, and the angle of the arc is θ 0 . The external resistance connected to the piezoelectric element is represented by R. The experiment was performed with changing the external resistance.
Table 2 shows these values. Table 2 r 0 (mm) 25 r 1 (mm) 140 r 2 (mm) 150 h (mm) 2 H (mm) 0.5 θ 0 (rad) 28 × (2π / 180) R (kΩ) 0, 7.5, 15, 30, 45, 60, 75

【0015】インパルスハンマを用いてディスクの固定
部近傍を打撃し、過電流式の非接触変位計で振動を測定
した。その結果をFFT(高速フーリエ変換器)に入力
して伝達関数を求めた。例として実験で得られた短絡
(R=0)とR=15(kΩ)の時の伝達関数をそれぞ
れ図7と図8に示す。また、短絡(R=0)時の各モー
ドの固有振動数の実験結果と有限要素法による解析結果
を表3に示す。 表3 実 験 有限要素法 周波数(Hz) 周波数(Hz) モード 83.4 86.0 (0,1) 94.4 97.3 (1,0) 123.1 121.2 (0,2) 260.0 255.0 (0,3) 458.1 449.6 (0,4) − 615.6 (2,0) 649.0 661.6 (1,1) 705.9 694.7 (0,5) 822.5 823.7 (1,2)
The vicinity of the fixed portion of the disk was hit using an impulse hammer, and the vibration was measured with an overcurrent type non-contact displacement meter. The result was input to an FFT (Fast Fourier Transformer) to obtain a transfer function. As examples, the transfer functions obtained when the short circuit (R = 0) and R = 15 (kΩ) obtained by the experiment are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. Table 3 shows the experimental results of the natural frequency of each mode at the time of short circuit (R = 0) and the analysis results by the finite element method. Table 3 Experiment Finite element method Frequency (Hz) Frequency (Hz) Mode 83.4 86.0 (0,1) 94.4 97.3 (1, 0) 123.1 121.2 (0, 2) 260.0 255.0 (0,3) 458.1 449.6 (0,4) −615.6 (2,0) 649.0 661.6 (1,1) 705.9 694.7 (0,5) 822.5 823.7 (1, 2)

【0016】(m,n)モードとは、節円数がmで節直
径数がnのモードを意味する。有限要素法で固有値解析
した際に圧電素子の圧電効果は無視した。解析で得られ
た(0,3)、(0,4)、(0,5)モードの振動モ
ードを図9に示す。図7と図8の比較から(0,3)、
(0,4)、(0,5)モードにおける減衰効果は明ら
かである。また、今回の実験において抵抗値を変えても
固有振動数の変化は1%以内であった。
The (m, n) mode means a mode in which the number of node circles is m and the number of node diameters is n. When the eigenvalue analysis was performed by the finite element method, the piezoelectric effect of the piezoelectric element was ignored. FIG. 9 shows the vibration modes of (0,3), (0,4), and (0,5) modes obtained by the analysis. From the comparison between FIG. 7 and FIG. 8, (0, 3),
The damping effect in the (0,4) and (0,5) modes is clear. In this experiment, even if the resistance value was changed, the change in the natural frequency was within 1%.

【0017】実験から得られた抵抗値と減衰比の関係を
図10に示す。図中、横軸は抵抗値Rで、縦軸は減衰比
ζである。ただし、(0,1)モードは得られた減衰比
のばらつきが大きかったので、表示していない。その理
由として、このモードはディスク内周の固定条件の影響
を大きく受けるためと考えられている。図10より節直
径のみが存在するモードについて以下のことがわかる。
(0,2)モードではあまり減衰効果はないが、節直径
数が増えると効果が大きくなる傾向を示した。また、
(0,3)モードより節直径数が多いモードでは、モー
ド毎に最大減衰効果が得られる抵抗の値が存在し、節直
径数が増えると最適な抵抗値は小さくなる。そこで、抵
抗によって消費されるエネルギと振動エネルギとの比は
最大となる。節円が存在するモードでは、減衰比はほと
んど抵抗に依存していない。これは、今回用いた圧電素
子の半径方向の幅が小さいためであると考えられる。
FIG. 10 shows the relationship between the resistance value and the attenuation ratio obtained from the experiment. In the figure, the horizontal axis represents the resistance value R, and the vertical axis represents the attenuation ratio ζ. However, the (0,1) mode is not shown because the obtained attenuation ratio has a large variation. It is considered that the reason is that this mode is greatly affected by the fixed condition of the inner circumference of the disk. From FIG. 10, the following can be seen for the mode in which only the nodal diameter exists.
In the (0, 2) mode, the damping effect was not so large, but the effect tended to increase as the number of node diameters increased. Also,
In a mode having a larger number of node diameters than the (0, 3) mode, there is a resistance value at which a maximum attenuation effect is obtained for each mode, and as the number of node diameters increases, the optimum resistance value decreases. Therefore, the ratio between the energy consumed by the resistance and the vibration energy is maximized. In modes with knots, the damping ratio is almost independent of resistance. This is considered to be because the piezoelectric element used this time has a small width in the radial direction.

【0018】厚さ(z)方向に分極された円弧状圧電材
料の構成関係は、円柱座標系(r,θ,z)(図6参
照)を用いると、
The structural relationship of the arc-shaped piezoelectric material polarized in the thickness (z) direction can be obtained by using a cylindrical coordinate system (r, θ, z) (see FIG. 6).

【数1】 で与えられる。ただし本実施例では、圧電素子の半径方
向の幅がディスクの外径と比べて十分小さいと仮定し
て、半径方向の変形を無視した。ここで、TθとSθは
円周(θ)方向の応力とひずみ、DzとEzは厚さ(z)
方向の電気変位(電束密度)と電界強度、C11 Eは短絡
されたときの円周(θ)方向のヤング率、e31は厚さ
(z)方向の電界と円周(θ)方向のひずみとの関係を
表す圧電定数、ε33 Sはひずみがないときの厚さ(z)
方向の誘電定数である。ひずみSθとディスクの中心線
のたわみ変位wとの間、電界Ezと圧電素子内部の電気
ポテンシャルφとの間に、それぞれ、
(Equation 1) Given by However, in the present embodiment, the radial deformation of the piezoelectric element was ignored, assuming that the radial width of the piezoelectric element was sufficiently smaller than the outer diameter of the disk. Here, T.theta and Sθ is strain the circumference (theta) direction of the stress, D z and E z is the thickness (z)
Direction electric displacement (electric flux density) and electric field strength, C 11 E is the Young's modulus in the circumferential (θ) direction when short-circuited, and e 31 is the electric field in the thickness (z) direction and the circumferential (θ) direction. The piezoelectric constant that expresses the relationship with the strain, ε 33 S is the thickness without strain (z)
Is the dielectric constant of the direction. Between the strain Sθ and the deflection displacement w of the center line of the disk, and between the electric field E z and the electric potential φ inside the piezoelectric element, respectively.

【数2】 となる関係がある。圧電素子のディスクに接する側の電
極の電気ポテンシャルを0とすると、その内部の電気ポ
テンシャルは、
(Equation 2) There is a relationship. Assuming that the electric potential of the electrode of the piezoelectric element in contact with the disk is 0, the internal electric potential is

【数3】 で与えられる。ここで、vはディスクが振動するときに
圧電素子の両電極の間に生じる電圧、すなわち抵抗Rに
かかる電圧である。数式(2)と数式(3)より、
(Equation 3) Given by Here, v is a voltage generated between both electrodes of the piezoelectric element when the disk vibrates, that is, a voltage applied to the resistor R. From equations (2) and (3),

【数4】 を得ることができる。圧電素子が全部でK枚貼られてい
るとして、k枚目の回路に流れる電流ikは次式で与え
られる。
(Equation 4) Can be obtained. Assuming that a total of K piezoelectric elements are attached, the current ik flowing in the k- th circuit is given by the following equation.

【数5】 (Equation 5)

【0019】ここで、上付き・は時間tに対する微分を
表す。また、θk1、θk2 はk枚目の圧電素子の円弧の
両端の円周方向の座標を表す。ただし、θk2−θk1=θ
0 である。系が調和振動をしていると仮定して、
Here, the superscript represents the derivative with respect to time t. Θ k1 and θ k2 represent circumferential coordinates of both ends of the arc of the k-th piezoelectric element. Where θ k2 −θ k1 = θ
It is 0 . Assuming that the system is in harmonic oscillation,

【数6】 とすると、数式(5)は、(Equation 6) Then, equation (5) becomes

【数7】 となる。ここで、上線付きwと上線付きφはそれぞれた
わみ変位と電気ポテンシャルの振幅を表す。一方、k枚
目の圧電素子の両電極の間に生じる電圧をvkとすると
電流ikとの間には、
(Equation 7) Becomes Here, the overlined w and the overlined φ represent the deflection displacement and the amplitude of the electric potential, respectively. On the other hand, between the current i k When the voltage generated between the electrodes of k-th piezoelectric elements and v k,

【数8】 となる関係がある。これを数式(7)に代入し、数式
(4)の関係を利用すると、
(Equation 8) There is a relationship. Substituting this into Equation (7) and using the relationship of Equation (4),

【数9】 が得られる。この式はディスクのたわみ変位wと抵抗R
にかかる電圧vkとの関係を表している。
(Equation 9) Is obtained. This equation gives the deflection w of the disk and the resistance R
Represents the relationship with the voltage v k applied to the.

【0020】次に、加振力の振動数が系のn次モードの
固有振動数ωnに等しい場合の強制振動において、ディ
スクのたわみ変位と固有ベクトルの間に近似的に、
Next, in the forced oscillation when the frequency of the excitation force is equal to the natural frequency omega n of n-th order mode of the system, approximately during the deflection of the disk displacement and eigenvectors,

【数10】 が成立する。ここで、Xnは変位のn次モードの固有ベ
クトルで、αnは対応するモード座標である。ここで、
λ=jωnとし、数式(10)を利用するとk枚目の圧
電素子のn次モードに対応する電圧vknは、
(Equation 10) Holds. Here, X n is the eigenvector of the n-th mode of displacement, and α n is the corresponding mode coordinate. here,
When λ = jω n and Expression (10) is used, the voltage v kn corresponding to the n-th mode of the k-th piezoelectric element is

【数11】 となる。ただし、[Equation 11] Becomes However,

【数12】 である。モード座標を、(Equation 12) It is. Mode coordinates,

【数13】 とすると、数式(11)は次のように変形できる。(Equation 13) Then, equation (11) can be transformed as follows.

【数14】 振動の1周期にわたってk枚目の抵抗で消費されるエネ
ルギJknvknの共役をv* knとすると、
[Equation 14] Energy J kn consumed by k-th resistor over one period of the oscillation, when the conjugate of v kn and v * kn,

【数15】 となる。したがって、全K枚の圧電素子において振動の
1周期の間に散逸された振動エネルギJnは、
(Equation 15) Becomes Therefore, vibration energy J n dissipated during one cycle of vibration in all K sheets of the piezoelectric element,

【数16】 となる。(Equation 16) Becomes

【0021】n次モードにおいて抵抗で散逸されたエネ
ルギと系の最大運動エネルギTn の比をβn とし、モー
ド質量は正規化されているとすると、
[0021] The ratio of the maximum kinetic energy T n dissipation is energy and system in resistance and beta n in n-th order mode, mode mass when assumed to be normalized,

【数17】 となる。ただし、cn、ζn はそれぞれn次モードの等
価粘性係数、減衰比を表す。βn がわかれば系のn次モ
ードに対応する減衰比は数式(17)により次のように
求められる。
[Equation 17] Becomes Here, c n and ζ n represent the equivalent viscosity coefficient and damping ratio of the n-th mode, respectively. If β n is known, the damping ratio corresponding to the n-th mode of the system can be obtained by the following equation (17).

【数18】 本実施例では、固有ベクトルXn を有限要素法で求め
た。ただし、固有ベクトルを求める際に圧電素子の圧電
効果を無視した。また、本解析では半径方向のひずみを
無視しているため節円モードは解析できない。数式(1
5)より、以下の項が大きい場合に大きな減衰効果が得
られることがわかる。
(Equation 18) In the present embodiment, the eigenvector X n is obtained by the finite element method. However, when obtaining the eigenvector, the piezoelectric effect of the piezoelectric element was ignored. In this analysis, the articulation mode cannot be analyzed because the distortion in the radial direction is ignored. Formula (1
From 5), it can be seen that a large damping effect can be obtained when the following terms are large.

【数19】 この項は、節直径モードの次数が高くなると1枚の圧電
素子に引っ張りと圧縮の応力が同時に存在し、生じた電
圧が相殺される。逆に、節直径モードの次数が低すぎる
とひずみが小さくなり、減衰効果も小さい。したがっ
て、本実施例のようにディスクの外周に圧電素子を等間
隔に貼り付ける場合、各モードに対応して圧電素子の最
適な枚数が存在することがわかる。本推定方法を用いる
ことにより、特定のモードの減衰比を大きくするように
圧電素子を設計することができる。
[Equation 19] In this term, when the order of the nodal diameter mode increases, tensile and compressive stresses are simultaneously present in one piezoelectric element, and the generated voltage is canceled. Conversely, if the order of the nodal diameter mode is too low, the distortion will be small and the damping effect will be small. Therefore, when the piezoelectric elements are stuck on the outer periphery of the disk at equal intervals as in the present embodiment, it can be seen that there is an optimal number of piezoelectric elements corresponding to each mode. By using this estimation method, a piezoelectric element can be designed so as to increase the attenuation ratio of a specific mode.

【0022】実験において、減衰効果が大きかった
(0,3)、(0,4)、(0,5)モードについて解
析を行った。その結果を図11に示す。比較のため、対
応するモードの実験値も示している。図中、横軸は抵抗
値Rで、縦軸は減衰比ζである。これまでの解析では機
械的減衰を無視していたが、図11では実験から得られ
た短絡(R=0)時の減衰比を解析結果に足すことによ
り考慮している。図11より(0,3)、(0,4)モ
ードについては解析と実験はよく一致している。(0,
5)モードは定量的に一致しないが、傾向は一致してい
る。(0,5)モードの場合、抵抗を接続したときの制
振効果が大きく、図8に示したように伝達関数のピーク
が小さかったので、実験値の誤差が大きかったと考えら
れる。
In the experiment, analysis was performed on the (0, 3), (0, 4), and (0, 5) modes in which the damping effect was large. The result is shown in FIG. For comparison, the experimental values of the corresponding modes are also shown. In the figure, the horizontal axis represents the resistance value R, and the vertical axis represents the attenuation ratio ζ. In the analysis so far, mechanical damping was neglected, but in FIG. 11, the damping ratio at the time of short circuit (R = 0) obtained from the experiment is considered by adding to the analysis result. From FIG. 11, the analysis and the experiment are in good agreement with each other for the (0, 3) and (0, 4) modes. (0,
5) The modes do not agree quantitatively, but the trends do. In the case of the (0,5) mode, the effect of damping when the resistor was connected was large, and the peak of the transfer function was small as shown in FIG. 8, so it is considered that the error of the experimental value was large.

【0023】以上のように、円弧状の圧電素子を貼り付
けた弾性ディスクについて、インパルス加振をすること
により、減衰比を実験的に求めた。その結果、モード毎
に最大減衰効果を得るための最適な抵抗値が存在し、節
直径数が増えると最適な抵抗値が小さくなることがわか
った。さらに、強制加振力を受けるときに振動の1周期
において散逸されるエネルギと最大運動エネルギとの比
から節直径モードの減衰比を解析的に推定した。両者は
同じ傾向を示した。解析により、各節直径モードに対し
て圧電素子の最適な枚数を求めることができることを示
した。弾性ディスクの制振方法として、本発明で提案し
た方法を用いることにより減衰比を大きくすることが可
能であることが確認された。
As described above, the damping ratio was experimentally obtained by performing impulse excitation on the elastic disk to which the arc-shaped piezoelectric element was attached. As a result, it was found that there is an optimum resistance value for obtaining the maximum damping effect for each mode, and that the optimum resistance value decreases as the number of nodal diameters increases. Furthermore, the damping ratio of the nodal diameter mode was analytically estimated from the ratio between the energy dissipated in one cycle of vibration and the maximum kinetic energy when receiving a forced excitation force. Both showed the same tendency. The analysis shows that the optimal number of piezoelectric elements can be obtained for each node diameter mode. It was confirmed that the damping ratio can be increased by using the method proposed in the present invention as a method of damping the elastic disk.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
減衰を付加することにより共振が起きた際の円板状構造
物の振幅を低減することができる。また、不安定振動が
問題となる円板状構造物についても、安定性を改善する
ことができる。
As described above, according to the present invention,
By adding attenuation, the amplitude of the disk-shaped structure when resonance occurs can be reduced. In addition, the stability of a disk-shaped structure in which unstable vibration is a problem can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る制振機能付き円板状構造物を示す
平面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a disk-shaped structure with a vibration damping function according to the present invention.

【図2】本発明に係る制振機能付き円板状構造物を示す
断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a disk-shaped structure with a vibration damping function according to the present invention.

【図3】円板体の両面に同一個数の圧電素子を同位相で
設ける例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example in which the same number of piezoelectric elements are provided in the same phase on both surfaces of a disk.

【図4】円板体の両面に同一個数の圧電素子を異なった
位相で設ける例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an example in which the same number of piezoelectric elements are provided at different phases on both surfaces of a disk.

【図5】磁気ディスク等の円板体に圧電素子を設ける例
を示す図であり、図5(a)は平面図、図5(b)は断
面図である。
5A and 5B are diagrams showing an example in which a piezoelectric element is provided on a disk such as a magnetic disk, wherein FIG. 5A is a plan view and FIG. 5B is a cross-sectional view.

【図6】円板体として弾性ディスクの場合の例を示す図
であり、図6(a)は平面図、図6(b)は断面図であ
る。
6A and 6B are diagrams showing an example of a case where an elastic disk is used as a disc body, FIG. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view.

【図7】R=0の場合の伝達関数を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a transfer function when R = 0.

【図8】R=15kΩの場合の伝達関数を示すグラフで
ある。
FIG. 8 is a graph showing a transfer function when R = 15 kΩ.

【図9】弾性ディスクの振動モードを示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a vibration mode of the elastic disk.

【図10】抵抗値と減衰比の関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing a relationship between a resistance value and a damping ratio.

【図11】解析と実験の比較を表すグラフである。FIG. 11 is a graph showing a comparison between analysis and experiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 円板体 2 圧電素子 3 リード線 4 電気抵抗 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Disc body 2 Piezoelectric element 3 Lead wire 4 Electric resistance

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 円板状構造物の片面もしくは両面の外周
部に、複数の圧電素子を円周等配に設け、該圧電素子の
両電極に電気抵抗を接続したことを特徴とする制振機能
付き円板状構造物。
1. A vibration damper characterized in that a plurality of piezoelectric elements are provided at equal circumferential positions on one or both outer peripheral portions of a disk-shaped structure, and electrical resistance is connected to both electrodes of the piezoelectric elements. Disc-shaped structure with functions.
【請求項2】 前記圧電素子は、円板状構造物に貼り付
けまたは蒸着または埋め込みにより設けられていること
を特徴とする請求項1記載の制振機能付き円板状構造
物。
2. The disk-shaped structure with a vibration-damping function according to claim 1, wherein the piezoelectric element is provided on the disk-shaped structure by sticking, vapor deposition, or embedding.
【請求項3】 前記圧電素子は、薄膜の圧電素子である
ことを特徴とする請求項1記載の制振機能付き円板状構
造物。
3. The disk-shaped structure with a vibration-damping function according to claim 1, wherein the piezoelectric element is a thin-film piezoelectric element.
【請求項4】 前記圧電素子は、円板状構造物の表面に
蒸着された圧電素子であることを特徴とする請求項1記
載の制振機能付き円板状構造物。
4. The disk-shaped structure with a vibration damping function according to claim 1, wherein the piezoelectric element is a piezoelectric element deposited on a surface of the disk-shaped structure.
【請求項5】 前記抵抗は、表面実装型抵抗であること
を特徴とする請求項1記載の制振機能付き円板状構造
物。
5. The disk-shaped structure with a vibration damping function according to claim 1, wherein the resistor is a surface-mounted resistor.
【請求項6】 前記抵抗は、金属被膜抵抗であることを
特徴とする請求項1記載の制振機能付き円板状構造物。
6. The disk-shaped structure with a vibration damping function according to claim 1, wherein the resistance is a metal film resistance.
【請求項7】 前記抵抗は、酸化金属被膜抵抗であるこ
とを特徴とする請求項6記載の制振機能付き円板状構造
物。
7. The disk-shaped structure with a vibration damping function according to claim 6, wherein the resistor is a metal oxide film resistor.
【請求項8】 前記圧電素子は、振動モードの減衰が大
きくなるように個数及び配置を定めることを特徴とする
請求項1記載の制振機能付き円板状構造物。
8. The disk-shaped structure with a vibration damping function according to claim 1, wherein the number and the arrangement of the piezoelectric elements are determined so that the attenuation of the vibration mode is increased.
【請求項9】 前記抵抗は、振動モードの減衰が大きく
なるように抵抗値を定めることを特徴とする請求項1記
載の制振機能付き円板状構造物。
9. The disk-shaped structure with a vibration damping function according to claim 1, wherein the resistance value is determined so that attenuation of a vibration mode is increased.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2230440B (en) * 1989-02-09 1993-05-19 Sandoz Ltd Novel cyclosporin galenic forms
CN108119603A (en) * 2017-12-07 2018-06-05 南京航空航天大学 A kind of vibration damping loop device based on piezo-electric stack
CN109578503A (en) * 2018-12-11 2019-04-05 南京航空航天大学 Forked type piezo-electric stack damping ring

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