JPS63253800A - 自励式エネルギ変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気的エネルギと力学的エネルギとの変換装置
に係り、とくに、振動現象を利用して酉エネルギの変換
を自在に行うエネルギ変換器に関する。

〔従来の技術〕

従来技術には、変換エネルギが微小なものとして、スピ
ーカの低音域特性の改善に用いられたＭＦＢがある。こ
れは電気的にスピーカの振動系を制御し、共振時のＱ値
（減衰率の逆数に比例）の増減を目的としたもので、本
発明の技術と類似する。しかし、検出信号を増幅器に直
接帰還させるか、微分回路か積分回路を介在させて、振
動周期の１７４だけ進ませるか遅らせるかして帰還させ
るものであり、遅延時間は一周波数に対して一つだけ定
まる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では１周波数を定めると増幅器に帰還させ
る信号の遅延時間も一つに定まり、エネルギ変換器とし
て利用する場合、−条件の変換のみしか行えず、また、
周波数が異なると遅延時間もそれに伴って異なり、周波
数に関係なく自由に遅延時間が定められず、さらに、微
小な遅延時間が得られ難いなど広い周波数範囲の振動に
対して効果的かつ自由に変換が行えぬ問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕

振動体を加振するための増幅器へ送る信号の遅延は１次
に示すディジタル遅延回路によって行う。

また、これに伴って帰還回路に生じ易いノイズの発生を
防止するために、ディジタル遅延回路の前に帯域フィル
タを設ける。

上記ディジタル遅延回路は１例えばＡ／Ｄ変換器、ＲＡ
Ｍ　（任意番地への書き込み、任意番地からの読み出し
が可能な記憶素子）、Ｄ／Ａ変換器、および水晶発振器
から構成することができる。

〔作用〕

当ディジタル遅延回路に使用する水晶発振器は、同回路
の入力信号のサンプリング信号に使われ、その周期が遅
延時間の最小単位を定め、遅延時間の精度を決定する。

また、同回路に使用するＲＡＭの記憶容量は上記最小単
位と合わせ遅延の長さを定める。これにより、回路の入
力信号は振動状態に全く係りなく、任意の時間だけ遅ら
せて出力信号に変えられる。

一方、ディジタル遅延回路の前に置く帯域フィルタは、
振動体が単調振動するとき一個だけ使用して、これ以外
の振動成分が介入するのを防止する。また、振動体が複
合振動するときその主成分の数に相当した数だけ使用し
て、その主成分以外の振動成分が介入するのを防止する
。これにより、本発明の帰還回路に生じ易いノイズの発
生を防止し、エネルギ変換を効果的に行う。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図に示す。

振動体１の一箇所に加速度センサ２が固定しである。そ
の近傍に加振体である電磁石９が設置しである。加速度
センサ２には前置増幅器３がつながり、さらに、直列に
結合した帯域フィルタ４とディジタル遅延回路６．帯域
フィルタ５とディジタル遅延回路７゛が並列に結合し、
その後に電力増幅器８と電磁石（直流励磁されている）
９が直列結合され、一つの帰還回路を構成する。

次に、この帰還回路の機能を説明する。加速度センサ２
の出力信号は前置増幅器３により速度に変換増幅され、
第２図に示すように一般に歪んだ振動波形であるとする
。この振動主成分の周波数がｊｌ　、ｆｚとする場合、
各振動成分に対応して帯域フィルタ４，５の周波数範囲
Ｃｆ１ｈ、　ｆｓ□）。

（ｆｘｈ、　ｆｘ−）はできるだけ狭帯域フィルタにな
るようにして次の条件を満たすように設定しておく。

ｆｌ−＜１１＜ｆｚ−、ｆｚｈ＜ｆｚ＜ｆｚ−帯域フィ
ルタ４，５の出力信号は遅延回路６゜７によりそれぞれ
適当な遅延時間τ工、τ２だけ遅らせる。その様子を第
３図、第４図に示す。前者はｆｘの、後者はｆｚの周波
数の振動波形（電圧）を示し、Ｔ１　、Ｔｚはそれぞれ
の周期１／ｆｚ。

１／ｆ２を示す。

遅延回路６，７の出力信号は合成されて電力増幅器８に
入力されるが、ここで信号は電圧から電流に変換増幅さ
れる。その振動波形は第５図のようになり、振動主成分
の大きさについては電力増幅器８の入出力間で比例関係
が保たれる。また、次の電磁石９では電力増幅器８から
の出力電流が電磁力に変換されるが、電磁石９がこの電
流に比べ大きい電流で直流励磁されているために、やは
り振動主成分毎の大きさについて電磁石９の入出力間で
比例関係が保たれる。

その結果、振動体１の速度（第２図に示す振動波形）と
電磁石９が振動体１に作用する電磁力（第５図に示す振
動波形）との間にも振動成分毎に比例関係が成立し、速
度を振動成分毎にｖｘｃｏｓ２　ｔｃ　ｆｚｔ　　　　
　　　　　　　　”（１）ｖｘｃｏｓ２　ｘ　ｊ２ｔ　
　　　　　　　　　　　−（２）で表わすとき、電磁力
は振動成分毎に に１ｖｘｃｏｓ２　ｔｃ　ｆ　ｘ（ｔ　−？　１−　ｖ
　１’　）　　　・＝（３）ｋｚｖｚｃｏｓ２　ｔｃ　
ｆｚ（ｔ　−ｔｚ−τｚ’　）　　　−（４）で表わさ
れる。ここに、τ　Ｉ　、τ２′は当帰遠回路に固有な
位相遅れ時間である。

そこで、電磁石９の電磁力（式（３）、　（４）で表わ
される）が振動体１対してなす仕事を考えると、振動体
１の速度（式（１）、　（２）で表わされる）の振動と
電磁力の振動との位相関係により、次に説明するように
振動電動機になる場合と、振動発電機になる場合とがあ
る。

第６図、第７図は各振動成分毎に振動電動機になる場合
の条件の一例を示す。電磁力が速度に対して一周期だけ
遅れ、電磁力の向きと速度の向きが常に一致し、電気系
が機械系に仕事を与える場合である。第８図にこの場合
のエネルギの流れを示す。電力増幅器８の電源回路（商
用電源又は直流電源回路）から供給される電気的エネル
ギ（振動数：　５０Ｈｚ、６０Ｈｚ又はＱ　Ｈｚ　）の
中、電力増幅器８などで消費される電気的な振動減衰エ
ネルギを除いたエネルギが当実施例のエネルギ変換器に
より機械振動エネルギ（振動数：ｆｌ、ｆｚ）に変換さ
れる。その中、振動体１そのものに係る機械系に吸収さ
れる機械的な振動減衰エネルギを除いたエネルギが振動
体１に併設した負荷系からのエネルギとして取出される
。ここに、いわゆる他励式エネルギ変換器と本発明の自
励式エネルギ変換器との相違は、変換されるエネルギの
振動状態と変換されたエネルギの振動状態について、前
者では振動数が一致するのに対して、後者では振動数が
全く、異っていることである。そのために。

後者は前者に比べてエネルギ変換の利用範囲が著しく広
められることが期待される。

第９図、第１０図は各振動成分毎に振動発電機になる場
合の条件の一例を示す。電磁力が速度に対して１７２周
期だけ遅れ、電磁力の向きと速度の向きが常に逆で、電
気が機械系から仕事を与えられる場合である。第１１図
にこの場合のエネルギの流れを示す。振動体ｌの機械源
から供給される機械的エネルギ（振動数：ｆｌ、ｆｚ）
　の中、振動体１自体の機械系で消費される機械的な振
動減衰エネルギを除いたエネルギが当実施例のエネルギ
変換器により電気的エネルギ（振動数：５０Ｈｚ、６０
Ｈｚ又はＯＨｚ　）に変換される。その中、電力増幅器
８などに吸収される電気的な振動減衰エネルギを除いた
エネルギが電力増幅器８に併設する負荷回路からのエネ
ルギとして取出される。この場合も、変換されるエネル
ギと変換されたエネルギについて振動状態とくに振動数
が異なり、振動数が同じ、いわゆる他励式エネルギ変換
器とは異なる。そのために、本発明のものは他励式のも
のに比べてエネルギ変換の利用範囲が著しく広めること
が期待される。

ところで、第６，７図、第９，１０図で、τ１′。

τ２′　は当実施例の回路に固有な位相遅れ時間であり
、τ工、τ２・は光回路に無関係に任意に設定すること
ができるから、上記のような振動電動機となる条件や振
動発電機となる条件は難なく満たすことができる。

なお、振動電動機及び振動発電機となる一般条件は、振
動波形が外乱等により周期性を崩されることがない範囲
では、ｎｌ　、ｎＺを任意自然数として 振動電動機の場合 ｔｌ＋τｘ’　＝ｎｘＴｚ　ｔ　ｔｘ＋ｔｚ’　＝ｎｚ
Ｔｚ振動発電機の場合 で与えることができる。

また、これらの条件から離れるに伴い、振動電動機の効
果は弱められ、振動発電機の効果も弱められ、エネルギ
の変換量は少なくなる。

これを数式で説明すると１次のように電磁力が振動体１
へなす平均仕事率 ＜　ｆ　１に対して〉 ＝　−ｋｚｖｚ”ｃｏｓ２　ｘ　ｆ　ｚ（ｔ　１＋　ｔ
　ｔ’　）　　　　　　　　−（５）＜　ｆ　ｘに対し
て〉 ＝　−ｋｚｖｘ”ｃｏｓ２　ｘ　ｌｘ（ｔ　ｘ＋　ｔ　
ｘ’　）　　　　　　　　−（６）より求められる総仕
事率 Ｌｔ＋Ｌ＝ ・・・（７） によフて明らかにすることができる。

すなわち、Ｌｚ＋Ｌｚを最大にする条件２πｆｔ（ｔ’
ｔ＋τｔ’　）＝２πｎｔ２πｆｚ（ｔｚ＋τｚ’　）
＝２πｎｚが効率１００％の振動電動機となる条件であ
り、Ｌｘ＋Ｌｚを最小にする条件 が効率１００％の振動発電機となる条件である。

また、振動電動機となる条件は Ｌｘ＋Ｌｘ＞０ であり、振動発電機となる条件は Ｌ　ｘ　＋　Ｌ　ｚ　＜　０ である。

これより、当実施例によれば、振動体１の成分周波数か
ら帯域フィルタの周波数範囲及びディジタル遅延回路の
遅延時間を適宜に設定して、電力増幅器８の電源部から
の電気的エネルギを、振動体１の機械振動エネルギへ変
換すること、及び、振動体１の機械振動エネルギを電力
増幅器８の電源部への電気的エネルギとして変換するこ
とが自由自在に行えることになる。

なお、予想される振動体ｌの振動波形が正弦波であれば
、帯域フィルタとディジタル遅延回路の直列回路は一組
だけあればよい。逆に、その振動波形が大きく歪み、例
えば、第１２図に示すようなパルス波形、さらには第１
３図に示すようなインパルス波形の場合（いずれも周期
性がある）、帯域フィルタとディジタル遅延回路の直列
回路は多数個（Ｎ個）必要となる。

その場合、電磁力が振動体１へなす総仕事率Ｌｔは次式
で与えられる。

１＝１２ この場合、当帰遠回路が振動電動機となる条件はＬｔ＞
Ｏであり、とくに１００％の効率を得る条件は次式で与
えられる。

２πｆｉ（ｔｔ＋ｖｉ’　）＝２πｎｔまた、同回路が
振動発電機となる条件はＬｔくＯであり、とくに１００
％の効率を得る条件は次式％式％ 但し、ｆｉ：振動体１の固有振動数（ｉ次）τ１　：ｆ
ｌに対して設けた遅延回路の遅延時間 τｉ’：ｆｔ　に関して当回路が有する固有の位相遅れ
時間 ｎム　：任意の自然数 また、実施例の他の応用例を２，３挙げる。

第１４図に応用例１を示す。第１図の振動体１の代りに
音′場１２が、加速度センサ２の代りにマイクロホン１
３が、電磁石９の代りにスピーカ１４があるものである
。音場１２は音源１０を収めた建Ｍ１１の屋内に形成さ
れた空間である。これは音源１０から発生した音響エネ
ルギを本発明の原理により、マイクロホン１３とスピー
カ１４とから電気的エネルギに変換して、建屋１１内を
吸音し、騒音を低減するものである。逆に、音源１０を
音響疲労試験したい試験体に代えれば１本発明の原理に
より、マイクロホン１３とスピーカ１４とから建屋１１
内に音を発振させ、電気的エネルギを試験体を音響疲労
させる力学的振動エネルギに変換するものとなる。この
いずれの場合も対象となる音の周波数は音場１２の固有
振動数である。この応用例では、マイクロホン１３によ
り検出した信号は音の粒子速度に変換しておき、スピー
カ１４が音場１２に及ぼす加振力はスピーカ１４直前の
音圧にその発音面面積を乗じた加圧力とすると、実施例
の速度をその粒子速度に、また、電磁力をその加圧力に
代えることにより実施例と全く同様の機能をもつものと
して説明することができる（説明省略）、なお、この応
用例で、２２０Ｈｚの音を１２０ｄＢまで発振させ、逆
に、８０ホンの２２０Ｈｚ音を５ホンだけ吸音させるこ
とができた。

第１５図に応用例２を示す。第１図の振動体１の代りに
水中音場１６が、加速度センサ２の代りに水中マイクロ
ホン１７．１９が、電磁石９の代りに電歪素子（圧電素
子でもよい）１８又は圧電素子（電歪素子でもよい）２
０があるものである。

水中音場１６は試験体２１を収めた水槽１５の内部をな
す、マイクロホン１７には前置増幅器、帯域フィルタ、
ディジタル遅延回路及び電力増幅器が直列に結合され、
電歪素子１８がつながっている。一方、マイクロホン１
９にも他の前置増幅器。

帯域フィルタ、ディジタル遅延回路及び電力増幅器が直
列に結合され、圧電素子２０がつながり、それぞれ独立
の帰還回路を構成している。この応用例２は前者の帰還
回路で特定周一数の音波を発振させ、発生した音波を試
験体２１に照射させ、一方、照射に使われなかった余分
の音波を後者の帰還回路で吸音させるものである。これ
によって、電力増幅器から変換された音波エネルギの中
、利用されなかった音波エネルギを電気的エネルギに返
還して、エネルギの有効利用を図るものである。

当例の機能も、実施例の速度を、水中マイクロホンで検
出した信号から得られる電歪・圧電画素子表面での音波
の粒子速度に、また、実施例の電磁力を、電歪・圧電画
素子の発音面での音圧にその表面積を乗じて得られる加
圧力に代えることにより、実施例と類似の機能をもつも
のとして説明することができる（説明省略）。

第１６図に応用例３を示す。第１図の振動体１の代りに
燃焼室（高温・高圧場）２２が、加速度センサ２の代り
に圧力センサ（圧電型）２３が、電磁石９の代りに電歪
・圧電素子２４があるものである。燃焼室２２には上流
部で燃焼した高温・高圧ガスが流れており、電歪・圧電
素子２４は燃焼室２２の上流端に固定され、圧力センサ
２３は燃焼室２２の上流部分に固定される。圧力センサ
２３には、前置増幅器がつながれるほか、直列結合した
帯域フィルタとディジタル遅延回路が複数個並列結合さ
れ、その後に電力増幅器及び電歪・圧電素子が直列につ
ながれている。光路用例では、燃焼時に発生が予想され
る振動燃焼の周波数を当帰還回路を使って予め計測して
おき、この結果に基づいて当帰還回路のディジタル遅延
回路の遅延時間を設定して、当帰還回路を動作させ、仮
りに振動燃焼が発生しても自動的この振動を抑制してし
まおうとするものである。当例では、前の段階では当帰
還回路は振動電動機として機能し、後の段階では振動発
電機として機能する。とくに、後の段階では燃焼室２２
に発生する熱力学的エネルギ（振動数：ｆｌ、ｆｘなど
）は電力増幅器の電源部（商用電源又は直流電源）へ電
気的エネルギ（振動数：　５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、文はＯ
Ｈｚ　）として変換されることにより、振動燃焼に関与
する燃焼室２２内の流体力学的振動系（燃焼室２２が細
長い筒形をなす場合は気柱振動系に対応する）に関して
固有振動数ｆｉ、ｆｚなどでの振動減衰が増加されたこ
とと同等になることを意味する。詳細な説明は応用例２
と類似するので省略する。

その他の応用例として、実施例の電磁石９を電気−油圧
式加振機に代えれば、建物や橋梁など大型構造物の共振
疲労試験や、逆に、強風や台風に対する制振を実現する
ことができる。この場合、加振機及びこれにつながる振
動センサ（実施例では加速度センサ）、帯域フィルタ、
ディジタル遅延回路及び電力増幅器から成る帰還回路の
個数を複数個に増やし、構造物の振動モードを考慮して
、各遅延回路の遅延時間を適切に設定すれば、構造物の
加振力を増強することができ、発振・制振の効果が著し
く高められる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、加振部に帰還させる振動検出信号の遅
延が、振動体の振動状態に全く係りなく（周期振動であ
ればよく、振動波形が歪むと歪まぬとに係りなく）自由
に設定できるのも、振動体の発振、吸振が難なく実現で
きるほか、その度合も自由に行える（電力増幅器のゲイ
ン調整も考慮して）効果がある。さらに、本発明による
変換エネルギの量を大きくすると、電力増幅器に係る電
気的エネルギと振動体に係る力学的振動エネルギとの実
用的な変換が、振動状態に係りなく全く自由に行える効
果がある。また、本発明の回路はディジタル遅延回路を
除いて計算処理する部分がなく、光遅延回路においても
その処理時間は水晶発振器の周期（約１０μｓ）であり
、計算処理してエネルギ変換する従来のもの比べて応答
性が極めて高い。

さらに、ディジタル遅延回路を除くと、本発明のエネル
ギ変換器の設計は容易で、製作コストを従来のもの比べ
て低くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例となるエネルギ変換器の回路図
である。第２図は前置増幅器の出力信号（電圧波形）で
あり、第３図、第４図は帯域フィルタの出力信号（振動
数ｆ１の電圧波形、振動数ｆ２の電圧波形）であり、第
５図は電力増幅器の出力電流波形である。第６図、第７
図は振動電動機として、第９図、第１０図は振動発電機
として。 振動体の速度波形と振動体に作用する電磁力波形の位相
関係を示したもので、それぞれ振動数ｆｉｔｆｚに対し
て示している。第８図、第１１図はエネルギ変換される
エネルギの流れを示し、前者は振動電動機の場合であり
、後者は振動発電機の場合である。第１２図、第１３図
は前置増幅器の出力信号（電気波形）であり、それぞれ
周期パルス波形９周期インパルス波形である。 第１４図は当実施例の応用例１であり、振動体が音場の
ものである。第１５図は当実施例の応用例２であり、振
動体が水中音場のものである。第１６図はその応用例３
であり、振動体が燃焼室内音場のものである。 １・・・振動体、２，３・・・振動検出器、４，５・・
・帯域フィルタ、６，７・・・ディジタル遅延回路、８
・・・電力増幅器、９・・・加振体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、振動体に対して、振動を電気的に検出する部分と、
   当検出信号の振動主成分を抽出する帯域フィルタと、各
   フィルタ出力信号を独立に任意時間だけ遅らせられるデ
   ィジタル遅延回路と、当遅延信号を合成して増幅する電
   力増幅器と、当増幅信号により当振動体を加振する加振
   体とから帰還回路を形成し、遅延回路の遅延時間及び帯
   域フィルタの周波数範囲を予想される振動体の振動状態
   に応じて適宜に設定することにより当帰還回路を動作さ
   せ、当増幅器側からの電気的エネルギと当振動体側から
   の力学的振動エネルギとを自在に変換可能としたことを
   特徴とするエネルギ変換器。