JP4810646B2 - 振動抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、撓みを伴って振動する板状体に貼着することでその板状体の振動を抑制することのできる振動抑制装置に関し、詳しくは、制振材としてのエラストマを利用した振動抑制装置に関する。

従来より、各種構造物の振動を抑制する制振技術として、構造物にエラストマ等の制振材と質量板とを順次積層し、機械的な動吸振器を構成することが考えられている。また、その場合に、特性の異なる複数種類の制振材を積層することにより、広い周波数範囲に亘って制振性を確保しようとする試みもなされている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１３９５８４号公報

ところが、エラストマ等の制振材を利用した振動抑制装置では、比較的高い周波数の振動は良好に抑制することができるものの、比較的低い周波数の振動は十分に抑制できない場合があり、更なる改善の余地があった。そこで、本発明は、エラストマを利用した振動抑制装置において、広い範囲の周波数に亘って振動を良好に抑制可能とすることを目的としてなされた。

上記目的を達するためになされた本発明の振動抑制装置は、撓みを伴って振動する板状体に貼着される板状の圧電素子と、該圧電素子に接続されたシャント回路と、上記圧電素子の、上記板状体への貼着面とは反対面に積層され、板状であり、弾性成分と粘性成分との双方を有するエラストマと、該エラストマの、上記圧電素子への積層面とは反対面に積層された質量板と、を備え、上記エラストマが、該エラストマの厚さ方向の振動を抑制することを特徴としている。

このように構成された本発明では、板状体が撓みを伴って振動すると、その板状体に貼着された圧電素子が変形して電圧を生じる。このため、板状体の振動エネルギは圧電素子によって電気エネルギに変換され、その電気エネルギをシャント回路を介して熱エネルギとして消散させることによって、上記板状体の低い周波数の振動も良好に抑制することができる。また、本発明では、上記圧電素子に板状で弾性成分と粘性成分との双方を有するエラストマを挟んで質量板を積層している。このため、圧電素子に比べて柔軟で粘性成分も有するエラストマと質量板とによって構成される機械的な動吸振器により、高周波の振動エネルギも吸収して板状体の振動を抑制することができる。従って、本発明の振動抑制装置では、板状体の振動を広い範囲の周波数に亘って良好に抑制することができる。

なお、本発明は以下の構成に限定されるものではないが、上記圧電素子は、厚さ方向に分極され、その圧電素子の厚さ方向の両面に一対の電極が設けられ、該一対の電極間に上記シャント回路が接続され、上記圧電素子が、該圧電素子の厚さ方向と直交する方向の振動を抑制してもよい。この場合、圧電素子に厚さと直交する方向（以下、横方向という）に加わる歪が、上記一対の電極間に発生する電圧に良好に反映される。逆に、上記一対の電極間に電圧が加わると、その電圧は圧電素子の横方向の歪に良好に変換される。本発明では、圧電素子は撓みを伴って振動する板状体に貼着されているので、その板状体の振動により圧電素子には横方向の歪が発生する。従って、上記のように圧電素子の分極方向及び電極配置を規定した場合、一層良好に板状体の振動を抑制することができる。しかも、上記エラストマと質量板とによって構成される動吸振器の吸収する振動は上記厚さ方向であるので、圧電素子の上記制振作用とは干渉せず、板状体の振動を極めて良好に抑制することができる。

また、本発明の振動抑制装置において、上記エラストマは、スチレン系エラストマにオイルを充填してなるゲル状物質であってもよい。このようなエラストマは、極めて良好な柔軟性を有し、機械的な動吸振器としての粘性成分を良好に備えているので、前述のような高周波の振動エネルギを極めて良好に吸収することができる。従って、この場合、一層良好に板状体の振動を抑制することができる。

また、本発明の振動抑制装置において、上記シャント回路は、インダクタと抵抗器との直列回路からなるものであってもよい。拘束状態の圧電素子は、コンデンサと等価と考えることができる。このため、シャント回路がインダクタと抵抗器との直列回路からなる場合、そのシャント回路が圧電素子に接続されることによって共振回路が構成される。そして、圧電素子の静電容量に応じたインダクタを用いることによって、板状体の共振周波数に上記共振回路の共振周波数を合わせることができる。また、抵抗器の抵抗値は定点理論等によって適宜に設定することができる。従って、シャント回路を上記のように構成した場合、上記のような設定を適切に行うことにより一層良好に板状体の振動を抑制することができる。

次に、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。図１は、本発明が適用された振動抑制装置の構成を表す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態の振動抑制装置は、振動源９１によって加振される板状体の一例としての構造物９３に貼着されたダンパ１を備えている。すなわち、構造物９３は長尺状の板状に構成され、片持ち梁状に振動源９１に支持されており、振動源９１に内蔵されたアクチュエータ（図示省略）によって加振されることにより、振動源９１側を中心にして撓みながら振動される。

ダンパ１は、図２に示すように、粘着剤等によって構造物９３の表面に貼着される板状の圧電素子３（ピエゾセラミックス）と、その圧電素子３の構造物９３への貼着面とは反対側に積層固定される板状のエラストマ５と、そのエラストマ５の圧電素子３への積層面とは反対側に積層固定される板状の質量板７とを備えている。また、圧電素子３は、図３に矢印Ｐｒで示すように厚さ方向に分極されており、その圧電素子３の厚さ方向両面に一対の面状の電極９が設けられている。更に、この一対の電極９は、リード線１１を介して図１に示すようなシャント回路１０に接続されている。

図１に示すように、シャント回路１０は、インダクタの一例としてのコイル１３と抵抗器１５とを直列に接続して構成されている。このため、拘束状態ではコンデンサ（Ｃ）と等価と考えられる圧電素子３と、シャント回路１０のコイル１３（Ｌ）と抵抗器１５（Ｒ）とによって共振回路が構成される。従って、コイル１３のインダクタンスＬを圧電素子３の静電容量Ｃに合わせて設定することによって、構造物９３の共振周波数に上記共振回路の共振周波数を合わせることができる。また、抵抗器１５の抵抗値Ｒは定点理論等によって適宜に設定することができる。このようにしてコイル１３のインダクタンスＬや抵抗器１５の抵抗値Ｒを構造物９３の共振周波数等に合わせて適切に設定すれば、構造物９３の振動エネルギを圧電素子３によって電気エネルギに変換し、その電気エネルギをシャント回路１０を介して熱エネルギとして良好に消散させることができる。

すなわち、圧電素子３は前述のように分極されているので、構造物９３の振動よって圧電素子３に横方向の歪が加わると、その歪は一対の電極９の間の電圧に良好に反映される。このため、構造物９３の振動は上記電気エネルギに効率的に変換され、その電気エネルギはシャント回路１０により熱エネルギとして効率的に消散される。従って、本実施の形態では、構造物９３の振動を良好に抑制することができる。

また、本実施の形態では、圧電素子３の表面にエラストマ５，質量板７を順次積層固定している。ここで、エラストマ５としては種々の材料を使用可能であるが、例えば、スチレン系エラストマにオイルを充填してなるゲル状物質（例えば特開２０００−１４３３９９号参照）などの柔軟性に富む材料を使用するのが好ましい。このような構成により、エラストマ５と質量板７とによって機械的な動吸振器が形成される。

すなわち、図４に模式的に示すように、エラストマ５は弾性成分ｋと粘性成分ｃとを備えており、質量板７の質量ｍと共に機械的な動吸振器を形成している。エラストマ５の弾性成分ｋ，粘性成分ｃを自由に設定することはできないので、上記のように柔軟性に富む（すなわち十分な粘性成分ｃを有する）適切なエラストマ５を選定した上でそのエラストマ５の弾性成分ｋ，粘性成分ｃを測定し、それに応じて適切な質量板７の質量ｍを設定すれば、構造物９３の振動を良好に抑制することができる。しかも、エラストマ５と質量板７とによって構成される動吸振器が吸収する振動は構造物９３の厚さ方向であるので、圧電素子３の上記制振作用とは干渉せず、板状体の振動を極めて良好に抑制することができる。

なお、このような機械的な動吸振器では、低周波の振動を十分に抑制できない場合があたったが、本実施の形態では、圧電素子３及びシャント回路１０によって低周波の振動エネルギも吸収して構造物９３の振動を抑制することができる。従って、本実施の形態では、構造物９３の振動を広い範囲の周波数に亘って良好に抑制することができる。

図５は、その効果を説明するためのシミュレーション結果を表すグラフである。なお、このシミュレーションでは、次のような条件を設定した。先ず、構造物９３の１次モードの振動に関するパラメータは、ｍ₁ ＝１５．３６４［ｇ］、ｋ₁ ＝１０６４．６［Ｎ／ｍ］、ｃ₁ ＝０．８０８７［Ｎｓ／ｍ］である。ここで、ｍ₁ は構造物９３の１次モードの等価質量であり、ｋ₁ は構造物９３の１次モードのばね係数である。このため構造物９３の１次共振周波数は、ｋ₁ ＝ｍ₁ ×（１次共振周波数［ｒａｄ／ｓｅｃ］）² なる式より、２６３．２３３５［ｒａｄ／ｓｅｃ］＝４１．９［Ｈｚ］となる。また、ｃ₁ は構造物９３の１次モードの減衰係数である。

構造物９３の２次モードの振動に関するパラメータは、ｍ₂ ＝８．２８［ｇ］、ｋ₂ ＝２２５４１［Ｎ／ｍ］、ｃ₂ ＝２．６７３０［Ｎｓ／ｍ］である。ここで、ｍ₂ は構造物９３の２次モードの等価質量であり、ｋ₂ は構造物９３の２次モードのばね係数である。このため構造物９３の２次共振周波数は１６５０［ｒａｄ／ｓｅｃ］＝２６２．６［Ｈｚ］となる。また、ｃ₂ は構造物９３の２次モードの減衰係数である。

圧電素子３としては、拘束静電容量Ｃｐが２５．４７７ｅ−９［ｕＦ］で、電気機械変換係数Ｐｓｉが０．００６０３３３［Ｎ／Ｖ］のものを想定した。また、シャント回路１０のコイル１３のインダクタンスの最適値Ｌopt は５５４．８８４０［Ｈ］とし、抵抗器１５の抵抗の最適値Ｒopt は２５７８６［ｋΩ］とした。なお、コイル１３の代わりに、図６に例示するようないわゆる電子インダクタを利用してもよい。図６の回路では、Ｌ＝Ｒ₁ ×Ｒ₃ ×Ｒ₄ ×Ｃ／Ｒ₂ なる式でインダクタンスＬが表されるので、Ｒ₁ ＝１００［ｋΩ］、Ｒ₂ ＝１００［ｋΩ］、Ｒ₃ ＝１００［ｋΩ］、Ｒ₄ ＝５５．４８８［ｋΩ］、Ｃ＝０．１［ｕＦ］とすることで前述のＬopt が容易に得られる。このような電子インダクタを利用することで装置を小型化することができる。

動吸振器としてはエラストマ５を５ｍｍ角厚さ２ｍｍに切り出したものを質量板７の四隅に各１個配置した場合を想定した。エラストマ５としては、前述の特開２０００−１４３９９４号に例示される材料の加振実験のゲイン線図をもとにカーブフィッティングを行い、エラストマ５の弾性成分ｋ，粘性成分ｃはそれぞれｋ＝４２１２［Ｎ／ｍ］，ｃ＝１．４５７１［Ｎｓ／ｍ］であるとの結果を得た。この結果よりエラストマ５に応じた質量板７の最適な質量ｍはｍopt ＝３．００１［ｇ］と求められた。

図５に示すように、構造物９３に何も対策を施さなかった無制御の場合は１次モード，２次モード共に振動を抑制することができず、シャント回路１０が接続された圧電素子３のみを構造物９３に貼着した場合は高周波側の２次モードで振動を抑制することができず、エラストマ５及び質量板７のみを構造物９３に貼着した場合は低周波側の１次モードで振動を抑制することができなかった。これに対して、圧電素子３とエラストマ５との両方を備えた本実施の形態の振動抑制装置では、１次モード，２次モード共に振動を良好に抑制することができた。このため、例えばノートパソコンの筐体等に本実施の形態の振動抑制装置を適用すれば、その筐体がハードディスク等から伝わる振動によって騒音を立てるいわゆるビビリが発生するのを良好に抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、圧電素子３やエラストマ５としては上記以外の種々の素材を使用することができる。また、シャント回路１０は抵抗器のみで構成されてもよく、更にコンデンサ等を備えた回路であってもよい。

本発明が適用された振動抑制装置の構成を表す斜視図である。 その振動抑制装置のダンパの構成を一部破断して表す斜視図である。 そのダンパの圧電素子及び電極の構成を模式的に表す断面図である。 そのダンパの動吸振器としての構成を模式的に表す説明図である。 上記振動抑制装置の効果をシミュレーションで表すグラフである。 上記振動抑制装置に適用可能な電子インダクタを例示する回路図である。

符号の説明

１…ダンパ ３…圧電素子 ５…エラストマ ７…質量板
１０…シャント回路 １１…リード線 １３…コイル １５…抵抗器
９１…振動源 ９３…構造物

Claims (4)

1. 撓みを伴って振動する板状体に貼着される板状の圧電素子と、
   該圧電素子に接続されたシャント回路と、
   上記圧電素子の、上記板状体への貼着面とは反対面に積層され、板状であり、弾性成分と粘性成分との双方を有するエラストマと、
   該エラストマの、上記圧電素子への積層面とは反対面に積層された質量板と、
   を備え、
   上記エラストマが、該エラストマの厚さ方向の振動を抑制することを特徴とする振動抑制装置。
2. 上記圧電素子は、厚さ方向に分極され、
   その圧電素子の厚さ方向の両面に一対の電極が設けられ、
   該一対の電極間に上記シャント回路が接続され、
   上記圧電素子が、該圧電素子の厚さ方向と直交する方向の振動を抑制することを特徴とする請求項１記載の振動抑制装置。
3. 上記エラストマは、スチレン系エラストマにオイルを充填してなるゲル状物質であることを特徴とする請求項１または２記載の振動抑制装置。
4. 上記シャント回路は、インダクタと抵抗器との直列回路からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動抑制装置。