(57)【要約】【課題】  圧電素子アクチュエータ、圧電素子センサおよび制御回路を備える板状部材を制振する装置において、振動周波数が所定値以上の領域で振動の増幅を防止することができ、フィードバックゲインを大きくすることが可能となり、振動の抑制とそれに伴う騒音低減を目的とする。【解決手段】  板状部材１１の制振装置は、圧電素子アクチュエータ１４と、圧電素子センサ１５と、板状部材１１の振動を抑制するように、圧電素子センサ１５の出力電圧に基づいて圧電素子アクチュエータ１４の作動をフィードバック制御する制御回路１７とを備える。制御回路１７は、板状部材１１の振動周波数が所定値以上の領域で、圧電素子アクチュエータへの入力電圧の高周波ゲインを低減するローパスフィルタ２４を備えるので、当該周波数領域における振動の増幅を抑制することができる。これにより制御対象周波数でフィードバックゲインを大きくすることで振動が抑制され、それに伴う騒音を改善することが可能となる。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状部材（１１）の表面に配置された圧電素子アクチュエータ（１４）および圧電素子センサ（１５）と、前記板状部材（１１）の振動を抑制するように、前記圧電素子センサ（１５）の出力電圧に基づいて前記圧電素子アクチュエータ（１４）の作動をフィードバック制御する制御回路（１７）とを備える板状部材を制振する装置であって、
前記制御回路（１７）は、前記板状部材（１１）の振動周波数が所定値以上の領域で、前記圧電素子アクチュエータ（１４）への入力電圧の高周波成分を除去するローパスフィルタ（２４）を備えることを特徴とする板状部材を制振する装置。
【請求項２】
前記圧電素子アクチュエータ（１４）は前記ローパスフィルタ（２４）の少なくとも一部を構成することを特徴とする、請求項１に記載の板状部材を制振する装置。
【請求項３】
前記ローパスフィルタ（２４）は、前記制御回路（１７）内において前記圧電素子アクチュエータ（１４）に接続される直前に配置された抵抗（２２）と該圧電素子アクチュエータ（１４）とより構成されることを特徴とする、請求項２に記載の板状部材を制振する装置。
【請求項４】
前記抵抗（２２）および前記圧電素子アクチュエータ（１４）は直列あるいは並列に接続されることを特徴とする、請求項３に記載の板状部材を制振する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状部材の表面に配置された圧電素子アクチュエータおよび圧電素子センサと、前記板状部材の振動を抑制するように、前記圧電素子センサの出力電圧に基づいて前記圧電素子アクチュエータの作動をフィードバック制御する制御回路とを備える板状部材を制振する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のサスペンション装置のダンパーの周壁面に圧電素子センサ（検出用ピエゾ素子）と圧電素子アクチュエータ（制振用ピエゾ素子）とを固定し、ダンパーの振動に伴う自身の変形を圧電素子センサが電圧信号として検出し、その電圧信号を増幅回路で増幅して圧電素子アクチュエータを駆動することで、ダンパーを伸縮させて前記振動を抑制するものが、下記特許文献１により公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２０６２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、板状部材の表面に圧電素子アクチュエータおよび圧電素子センサを固定し、板状部材の膜面振動に応じて板の表面に発生する歪を検出する圧電素子センサが出力する電圧信号に基づいて圧電素子アクチュエータへの入力を回路からフィードバックし、板状部材の振動を抑制し、それに伴う騒音を改善することができる。
【０００５】
圧電素子アクチュエータが制振効果を発揮するためにはフィードバックゲインを０ｄＢより大きく設定することが必要であるが、発明を実施するための形態の欄で詳述するように、さらに大きな制振量を得るためにフィードバックゲインを０ｄＢより大きく設定すると、圧電素子センサの出力電圧の位相遅れが１８０゜を超える周波数領域において、振動が増幅されノイズが発生する問題がある。
【０００６】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、圧電素子アクチュエータ、圧電素子センサおよび制御回路を備える板状部材を制振する装置において、振動周波数が所定値以上の領域で振動の増幅を防止することができ、フィードバックゲインを大きくすることが可能となり、振動の抑制とそれに伴う騒音低減を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、板状部材の表面に配置された圧電素子アクチュエータおよび圧電素子センサと、前記板状部材の振動を抑制するように、前記圧電素子センサの出力電圧に基づいて前記圧電素子アクチュエータの作動をフィードバック制御する制御回路とを備える板状部材を制振する装置であって、前記制御回路は、前記板状部材の振動周波数が所定値以上の領域で、前記圧電素子アクチュエータへの入力電圧の高周波ゲインを低減するローパスフィルタを備えることを特徴とする板状部材を制振する装置が提案される。
【０００８】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記圧電素子アクチュエータは前記ローパスフィルタの少なくとも一部を構成することを特徴とする、請求項１に記載の板状部材を制振する装置が提案される。
【０００９】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記ローパスフィルタは、前記制御回路内において前記圧電素子アクチュエータに接続される直前に配置された抵抗と該圧電素子アクチュエータとより構成されることを特徴とする板状部材を制振する装置が提案される。
【００１０】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項３の構成に加えて、前記抵抗および前記圧電素子アクチュエータは直列あるいは並列に接続されることを特徴とする板状部材を制振する装置が提案される。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の構成によれば、板状部材を制振する装置が、板状部材の表面に配置された圧電素子アクチュエータおよび圧電素子センサと、板状部材の振動を抑制するように、圧電素子センサの出力電圧に基づいて圧電素子アクチュエータの作動をフィードバック制御する制御回路とを備えるので、板状部材の振動を抑制し、それに伴う騒音を改善することができる。
【００１２】
制御回路は、圧電素子アクチュエータへの入力電圧の高周波ゲインを低減するローパスフィルタを備えるので、振動周波数が所定値以上の領域で振動の増幅を防止することができ、フィードバックゲインを大きくすることが可能となり、振動の抑制とそれに伴う騒音低減が可能となる。
【００１３】
また請求項２の構成によれば、圧電素子アクチュエータはローパスフィルタ内でのコンデンサ成分の役割をするので、ローパスフィルタを構成するためのコンデンサを別途設ける場合に比べて、部品点数を減らして小型軽量化およびコストの削減を図ることができる。
【００１４】
また請求項３の構成によれば、ローパスフィルタは、制御回路内において圧電素子アクチュエータに接続される直前に配置された抵抗と該圧電素子アクチュエータとより構成されるので、抵抗と圧電素子アクチュエータとでローパスフィルタを構成することが可能となる。
【００１５】
また請求項４の構成によれば、抵抗および圧電素子アクチュエータは直列あるいは並列に接続されるので、抵抗および圧電素子アクチュエータを直列に接続した場合には、コンデンサの容量が低減して抵抗値を上げることができ、抵抗および圧電素子アクチュエータを並列に接続した場合には、コンデンサの容量が増加して抵抗値を下げることができ、これにより抵抗値の設定自由度が増加する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】センサとアクチュエータとを備える板状部材を示す図である。
【図２】制振装置の全体構成を示す図である。
【図３】制振装置の制御ブロック線図である。
【図４】制振装置の制御系の一巡伝達関数のボード線図である。
【図５】制振装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図１〜図５に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１および図２に示すように、本発明の制振装置が適用される板状部材１１はカーボン繊維強化樹脂製の矩形状パネルからなり、その外周部を金属製フレームよりも十分低い弾性率を持つ弾性材を介して支持する金属製のフレーム１２が加振装置１３に接続されて種々の周波数で加振される。加振装置１３により振動する板状部材１１を制振する制振装置は、２個の矩形シート状の圧電素子アクチュエータ１４と、１個の矩形シート状の圧電素子センサ１５と、電源１６と、圧電素子センサ１５の出力に基づいて圧電素子アクチュエータ１４の作動を制御する制御回路１７とを備える。
【００１９】
図５に示すように、圧電素子センサ１５および圧電素子アクチュエータ１４間に配置された制御回路１７は、オペアンプよりなる増幅器１８と、並列に接続されたコンデンサ１９および抵抗２０からなるハイパスフィルタ２１と、直列に接続された抵抗２２およびコンデンサ２３よりなるローパスフィルタ２４とを備える。コンデンサとしての機能可能な圧電素子アクチュエータ１４はローパスフィルタ２４のコンデンサ２３に兼用される。
【００２０】
板状部材１１を例えば水平状態に配置した場合、１個の圧電素子センサ１５は板状部材１１の一方の表面（例えば上面）の中央部に接着により固定され、２個の圧電素子アクチュエータ１４は１個の圧電素子センサ１５を両側から挟むように板状部材１１の上面に接着により固定される。
【００２１】
圧電素子センサ１５は加振装置１３により上下方向に膜面振動する板状部材１１の上面に固定されているため、板状部材１１が上方に凸に湾曲したときに圧電素子センサ１５は引き伸ばされてマイナス電圧を出力し、逆に板状部材１１が下方に凸に湾曲したときに圧電素子センサ１５は押し縮められてプラス電圧を出力する。
【００２２】
圧電素子アクチュエータ１４は板状部材１１の上面に固定されているため、板状部材１１が上方に凸に湾曲したときに圧電素子アクチュエータ１４にプラス電圧を印加して面内方向に収縮させれば、板状部材１１の上記湾曲を抑制する制振力が発生し、逆に板状部材１１が下方に凸に湾曲したときに圧電素子アクチュエータ１４にマイナス電圧を印加して面内方向に伸長させれば、板状部材１１の上記湾曲を抑制する制振力が発生する。
【００２３】
従って、板の曲げ振動による板表面の歪を検出する圧電素子センサ１５で検出した板状部材１１の歪みがゼロに収束するように、制御回路１７が圧電素子アクチュエータ１４の伸縮をフィードバック制御することで、板状部材１１の振動を制振することができる。
【００２４】
板状部材１１が特に大きく振動する一次共振モードや三次共振モードでは、板状部材１１の中央部が振動の腹になって振幅が最も大きくなるが、その位置に圧電素子センサ１５を配置することで板状部材１１の歪みを確実に検出し、共振によって増幅された振動を効果的に制振することができる。
【００２５】
図３に示す制御系のブロック線図において、Ｐ（ｓ）［V/V ］は圧電素子アクチュエータ１４に印加した電圧に対する圧電素子センサ１５が出力する電圧の伝達関数、Ｃ（ｓ）［V/V ］は圧電素子センサ１５が出力する電圧に対する圧電素子アクチュエータ１４に入力される電圧の伝達関数、ＳＡ（ｓ）［V/m/s2］は加振装置１３で加振したときのセンサ電圧／加速度伝達関数、ＡＳ（ｓ）［m/s2/V］は圧電素子アクチュエータ１４で加振したときの加速度／センサ電圧伝達関数である。
【００２６】
圧電素子センサ／圧電素子アクチュエータ（ＳＮＳ／ＡＣＴ）伝達関数と表記されるＰ（ｓ）は、圧電素子アクチュエータ１４および圧電素子センサ１５の寸法、形状、位置関係であるレイアウトにより決定される。制御回路１７の伝達関数であるＣ（ｓ）は、制御回路１７の増幅量を規定する。ＳＡ（ｓ）およびＡＳ（ｓ）は概ね逆数の関係にあるため、制御系の制振性能を決定する一巡伝達関数は［Ｃ（ｓ）×Ｐ（ｓ）］で表される。
【００２７】
図４は一巡伝達関数［Ｃ（ｓ）×Ｐ（ｓ）］のボード線図であり、図４（Ａ）は板状部材１１の振動周波数に対するゲイン線図、図４（Ｂ）は板状部材１１の振動周波数に対する位相線図である。破線は特性P(ｓ)を示し、鎖線は制御回路１７の増幅装置１８後の特性を示し、実線は１００Ｈｚ以下の周波数領域の発振抑制と制御回路１７により増幅と高周波の発振抑制を行った後の特性を示している。
【００２８】
後述のハイパスフィルタの効果により、１００Ｈｚ以下の周波数領域においては一点鎖線の通りゲインの低下と位相の進展が起こる。
【００２９】
圧電素子アクチュエータ１４が有効な制振機能を発揮するには、ゲインが０ｄＢより大きく、かつ位相ずれが−９０°〜９０゜の領域にあることが必要であるが、破線で示す増幅前の特性はゲインが０ｄＢ未満であるため、制御回路１７の増幅器１８でゲインを０ｄＢより大きくに増加させて鎖線の状態にする必要がある。しかしながら、振動低減のためにフィードバックゲインを大きくしゲインが０ｄＢより大きくなった場合には、振動周波数が１００Ｈｚ以下の周波数領域で位相ずれが−９０°〜９０゜の領域を大きく逸脱して１８０°を超えてしまい、この周波数領域で振動が増幅されノイズが発生する。
【００３０】
位相ずれが１８０°を超えてしまう理由は以下の通りである。圧電素子センサ１５の出力には温度変化や静的な変形の影響で直流成分が含まれることが避けられず、圧電素子センサ１５の出力の振動成分を直流成分が含まれた状態で増幅すると増幅器１８の増幅限界に至ってしまうため、ハイパスフィルタ２１を用いて直流成分を除去する必要がある。しかしながら、ハイパスフィルタ２１を用いると、ゲインが低下するだけでなく位相が進んでしまうため、２個以上のハイパスフィルタ２１を用いると位相ずれが１８０°を超えてしまう。
【００３１】
また圧電素子アクチュエータ１４と圧電素子センサ１５とは所定の距離を置いて配置されているため、圧電素子アクチュエータ１４で発生した歪みが圧電素子センサ１５に伝播して検出されるまでに一定の時間遅れが発生することが避けられない。低周波数領域では振動周期が長いために前記時間遅れが位相に及ぼす影響は比較的に小さくなるが、高周波数領域では振動周期が短いために前記時間遅れが位相に及ぼす影響は比較的に大きくなり、１０００Ｈｚ以上の高周波数領域で位相ずれが−９０°〜９０゜の領域を大きく逸脱して−１８０°を超えてしまい、この高周波数領域で振動が増幅されノイズが発生する問題がある。
【００３２】
圧電素子アクチュエータ１４と圧電素子センサ１５との距離を小さくするには、圧電素子アクチュエータ１４および圧電素子センサ１５を相互に重なるように配置すれば良いが、このようにすると圧電素子センサ１５が圧電素子アクチュエータ１４による板状部材１１の歪みを優先的に検出してしまい、外乱による板状部材１１の歪みを検出し難くなるため、制振性能が低下する問題が発生してしまう。
【００３３】
本発明は、上述した極低周波数領域および高周波数領域における発振現象のうち、高周波数領域における発振現象を制御回路１７のローパスフィルタ２４により解決するものである。
【００３４】
すなわち、図４のボード線図において、圧電素子アクチュエータ１４と圧電素子センサ１５とは所定の距離を置いて配置されるために、高周波数領域で位相遅れが−１８０゜を超えて振動が増幅されてしまう問題があるが、制御回路１７のローパスフィルタ２４で高周波数ゲイン０ｄＢ未満に低減される。その結果、高周波数領域の振動が増幅されるのを抑制することで、フィードバックゲインを大きくすることができ、振動を抑制し、それに伴う騒音を改善することができる。
【００３５】
しかも、板状部材１１を制振するための圧電素子アクチュエータ１４をローパスフィルタ２４のコンデンサ２３として利用するので、別途コンデンサを設ける場合に比べて、制振装置の部品点数を減らして小型軽量化およびコストの削減を図ることができる。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００３７】
例えば、実施の形態では板状部材１１の同じ側の表面に圧電素子アクチュエータ１４および圧電素子センサ１５を固定しているが、圧電素子アクチュエータ１４を板状部材１１の一方の表面に固定し、圧電素子センサ１５を板状部材１１の他方の表面に固定しても良い。ただし、圧電素子センサ１５の出力電圧の極性は、それを何れの側の表面に固定するかによって変化するため、圧電素子センサ１５を固定する表面に応じて、圧電素子センサ１５の出力電圧の極性を制御回路１７において処理する必要がある。
【００３８】
また実施の形態では抵抗２２およびコンデンサ２３（圧電素子アクチュエータ１４）を直列に接続しているが、それらを並列に接続しても良い。ローパスフィルタ２４のカットオフ周波数は１／２πＲＣ（抵抗値と静電容量との積）で表されるため、コンデンサ２３（圧電素子アクチュエータ１４）の容量が決まっている場合には抵抗値でカットオフ周波数を調整する必要がある。この場合、抵抗値が極端に低い場合は温度安定性のある抵抗にする必要がありコストが増加したり、極端に高い場合には同じくコストが増加する場合がある。コストの低減の観点から、圧電素子アクチュエータ１４を並列から直列に変更することでコンデンサ容量が低減するので抵抗値を上げることができ、また圧電素子アクチュエータ１４を直列から並列にすることでコンデンサ容量が増加するので抵抗値を下げることができるため、抵抗値の設定自由度が増加する。
【００３９】
また圧電素子アクチュエータ１１の数および圧電素子センサ１５の数は実施の形態に限定されず、それらの数は任意である。
【００４０】
また板状部材１１の材質は実施の形態のカーボン繊維強化樹脂板に限定されず、他種の繊維強化樹脂板や、鋼板、アルミニウム板等の任意の金属板であっても良い。
【００４１】
また実施の形態では圧電素子アクチュエータ１４および圧電素子センサ１５を板状部材１１に接着により固定しているが、接着以外の方法で固定することも可能であり、着脱自在に取り付けることも可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１１        板状部材
１４        圧電素子アクチュエータ
１５        圧電素子センサ
１７        制御回路
２２        抵抗
２４        ローパスフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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