(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下の領域で振動の増幅を防止し、フィードバックゲインを大きくし、振動の抑制とそれに伴う騒音低減とを可能にする。【解決手段】  板状部材１１の制振装置は、板状部材１１の表面に固定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、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下の領域で、圧電素子センサ１５の出力電圧の特性に基づいて１００Ｈｚ以下でノイズが発生しないよう任意の電圧を印可するので、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１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状部材（１１）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下の領域で、前記圧電アクチュエータ（１４）が出力する電圧に応じて、一定ゲインの電圧を前記圧電素子センサ（１５）の入力部に印加することで、１００Ｈｚ以下の前記圧電アクチュエータ（１４）への出力電圧のゲインを最小化し、位相を調整する伝達特性コンバータ（１８）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】
ＳＮＳ／ＡＣＴ伝達関数が既に反共振を持つ状態で、前記圧電素子センサ（１５）の入力部に正または負の電荷を印加することで、反共振周波数を高周波側もしくは低周波側に移動させ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】
前記電圧特性コンバータ（１８）は、前記制御回路（１７）における前記圧電素子アクチュエータ（１４）との接続位置および前記圧電素子センサ（１５）との接続位置に対して並列に接続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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状部材に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、フィードバックゲインを０ｄＢより大きく設定すると１００Ｈｚ以下の領域で振動が増幅されてノイズが発生する。
【０００６】
また後述のＳＮＳ／ＡＣＴ（圧電素子センサ／圧電素子アクチュエータ）伝達関数において、加速度信号と異なる周波数（例えば、１次モード直近の低周波側）に反共振が存在する場合には反共振周波数において信号が増幅され振動レベルが悪化する。
【０００７】
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下の領域で振動の増幅を防止し、フィードバックゲインを大きくし、振動の抑制とそれに伴う騒音低減とを可能にすることを目的とする。
【０００８】
さらに、反共振が存在し振動レベルが悪化する問題に対しては、反共振周波数を問題がない周波数領域（例えば、低周波数や高周波数側）に移動させることにより、振動の増幅を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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下の領域で、前記圧電アクチュエータが出力する電圧に応じて、一定ゲインの電圧を前記圧電素子センサの入力部に印加することで、１００Ｈｚ以下の前記圧電アクチュエータへの出力電圧のゲインを最小化し、位相を調整する伝達特性コンバー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。
【００１０】
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、ＳＮＳ／ＡＣＴ伝達関数が既に反共振を持つ状態で、前記圧電素子センサの入力部に正または負の電荷を印加することで、反共振周波数を高周波側もしくは低周波側に移動させ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。
【００１１】
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、前記電圧特性コンバータは、前記制御回路における前記圧電素子アクチュエータとの接続位置および前記圧電素子センサとの接続位置に対して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】
【００１２】
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。
【００１３】
制御回路は、板状部材の振動周波数が所定値以下の領域で、圧電素子センサの出力電圧の周波数特性（ゲイン、位相）を変更する伝達特性コンバータを備えるので、それにより所定値以下の領域で反共振を発生させ振動増幅を防止し、フィードバックゲインを大きくすることができ、振動を低減するとともに、それに伴う騒音を改善することができる。
【００１４】
また請求項２の構成によれば、ＳＮＳ／ＡＣＴ伝達関数が既に反共振を持つ状態で、圧電素子センサの入力部に正または負の電荷を印加するので、板状部材、圧電素子アクチュエータ、圧電素子センサを変更すること無くＳＮＳ／ＡＣＴ伝達関数の特性を変化させ、反共振周波数を高周波側もしくは低周波側に移動させることができる。
【００１５】
また請求項３の構成によれば、電圧特性コンバータは、制御回路における圧電素子アクチュエータとの接続位置および圧電素子センサとの接続位置に対して並列に接続されるので、圧電素子アクチュエータとの接続位置の電圧を制御回路とは別のループで圧電素子センサとの接続位置に印加し、伝達特性コンバータの機能を支障なく発揮させることができる。
【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】伝達特性コンバータの作用の説明図である。
【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。制御回路１７は伝達特性コンバータ１８を含んでおり、伝達特性コンバータ１８は全周波数帯域において、圧電センサの出力電圧に応じて、一定ゲインの電圧を回路の任意の極性にて追加する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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の前記湾曲を抑制する制振力が発生する。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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に入力される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。
【００２５】
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。
【００２６】
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抑制と制御回路１７により増幅を行った後の特性を示している。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。
【００２７】
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、増幅によりゲインを０ｄＢ以上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。。
【００２８】
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の増幅量を大きくできず制振性能があげられないため、ハイパスフィルタ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を用いると位相ずれが１８０°を超えてしまう可能性がある。
【００２９】
本発明は、上述した１００Ｈｚ以下のノイズ発生を、制御回路１７に設けた伝達特性コンバータ１８により解決するものである。
【００３０】
すなわち、全周波数帯域に対して一定のゲインで、伝達特性コンバータ１８が制御回路１７の出力電圧および入力電圧間に正あるいは負の電圧を印加することで、100Hz以下の周波数領域において圧電センサから出力された電圧と伝達特性コンバータから出力された電圧がたし合わされることにより反共振が発生し、図４（Ａ）のゲイン線図において実線で示すようにゲインが極小値をとり、かつ図４（Ｂ）の位相線図において実線で示すように位相ずれの符号が正から負に反転して−９０゜〜９０゜の範囲に収まることで、ノイズの発生が抑制される。よって、ノイズの発生を確実に防止することができるため、フィードバックゲインを大きくすることができ、振動とそれに伴う騒音を低減することができる。
【００３１】
伝達特性コンバータ１８は、板状部材１１、圧電素子アクチュエータ１４および圧電素子センサ１５を変更すること無くＳＮＳ／ＡＣＴ伝達関数Ｐ（ｓ）の特性を変える機能を有しており、一度圧電素子アクチュエータ１４に印加した電圧を制御回路１７とは別のループ内で圧電素子センサ１５の電圧信号入力箇所に印加する必要があるので、制御回路１７に対して直列ではなく並列に接続する必要がある（図２参照）。
【００３２】
図５に示すように、ＳＮＳ／ＡＣＴ伝達関数Ｐ（ｓ）が既に反共振を持つ場合、反共振が発生している周波数以下と同位相の電圧を付与した場合には、電圧をキャンセルするためにより板状部材１１の曲げ変形による歪から発生する電圧が必要になるため、１次モードに近い高周波数側に移動させることができ、反共振が発生している周波数以下と逆位相の電圧を付与した場合には、同様の理由で低周波数側に移動することができる。伝達特性コンバータ１８のゲインを調整する上では、反共振を発生させたい周波数におけるＳＮＳ／ＡＣＴ伝達関数Ｐ（ｓ）のゲインと同等にする必要がある。
【００３３】
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。
【００３４】
また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。
【００３５】
なお、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の何れの表面に固定するかに関わらず、圧電素子アクチュエータ１４および圧電素子センサ１５を異なる位置（板状部材１１の表面に直交する方向に見て重ならない位置）に配置することが望ましい。その理由は、圧電素子アクチュエータ１４および圧電素子センサ１５を同じ位置に配置すると、圧電素子センサ１５が圧電素子アクチュエータ１４による歪みを優先的に検出してしまい、外乱による歪みを検出し難くなって制振性能が低下するからである。
【００３６】
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、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の数はそれぞれ任意である。
【００３７】
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。
【００３８】
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】
【００３９】
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
１８        伝達特性コンバータ
【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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