(57)【要約】  本発明は、支持体により支持されている振動構造物により発生した機械的振動の受動的減衰装置に関するものであり、その装置は、振動の力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するために振動構造物と支持体の間に挿入されたトランスデューサを含み、以下のような事実により特徴付けられ、    トランスデユーサは、以下で構成される：      〇第１軸（および互いに垂直な第２軸）を備えた屈曲構造物      〇応力が加わった時点で電気エネルギーを生成するように適合している圧電素子のスタック（積層材）で、このスタックは、第１軸に沿って屈曲構造物により圧縮応力が加わるため、前記構造物の変形により、前記スタックに加わった圧縮応力が変化する、    ２つの周辺固定具は屈曲構造物に固定され、各固定具は第２軸に沿って配置されている、        ・屈曲構造物を振動構造物に固定させる第１固定具        ・屈曲構造物を支持体に固定させる第２固定具        ・固定具の少なくとも１つには、弾性サスペンションが組み込まれていること    シャントが圧電スタックに接続されており、前記圧電スタックに加わった応力により生成された電気エネルギーの全部または一部を放散する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体（３）により支持されている振動構造物（２）により発生した機械的振動の受動的減衰装置であり、振動の力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するために振動構造物と支持体の間に挿入されたトランスデューサー（１）を含む装置で、次の事実により特徴付けられ、
トランスデユーサ（１）は、以下を含む：
〇第１軸（Ａ−Ａ）および第２軸（Ｂ−Ｂ）が互いに垂直である屈曲構造物（１０）
〇圧電スタック（４）を形成するように第１軸（Ａ−Ａ）に沿って積み重ねた圧電素子で、この圧電スタックは、応力が加わった時点で電気エネルギーを生成するように適合しており、そのスタックには第１軸（Ａ−Ａ）に沿って屈曲構造物により圧縮応力が加わり、前記構造物の変形により前記スタックに加わる圧縮応力が変化するようになる、
２個の周辺固定具（５ａ、５ｂ）は屈曲構造物（１０）に固定され、各固定具には第２軸（Ｂ−Ｂ）に沿って配置されている、
・屈曲構造物（１０）を振動構造物（２）に固定する第１固定具（５ａ）
・屈曲構造物（１０）を支持体（３）に固定する第２固定具（５ｂ）
・固定具（５ｂ）の少なくとも１つには、弾性サスペンション（６）が組み込まれている
前記装置は、減衰される周波数帯域に応じて圧電スタック（４）の電気的剛性を変更するための手段を含み、その手段とは、前記圧電スタックに加わった応力により生成された電気エネルギーの全部または一部を放散するように前記圧電スタックに接続されたシャント（７）である。
【請求項２】
弾性サスペンションが、振動構造物（２）から最も遠く離れた固定具（５ｂ）に組み込まれている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
弾性サスペンション（６）がエラストマー製サスペンションである、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
弾性サスペンション（６）が金属製または空気圧式または油圧式サスペンションである、請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
シャント（７）が、前記圧電スタックに加わった応力により生成された電気エネルギーの全部または一部を熱的に放散するように、圧電スタック（４）の端子に接続された電気抵抗器からなる、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
シャント（７）が、圧電スタック（４）の端子に接続された電気抵抗器とインダクタからなり、減衰する周波数帯域で調整されたＲＬＣ共振電子回路を形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
電子管理ユニット（７０）が、支持体の振動を捕捉するように配置された加速度計（７１）に、および／または振動構造物の振動を捕捉するように配置された加速度計に接続されており、電子制御ユニットがシャント（７）を駆動して、加速度計（７１）から発信された信号に応じて前記圧電スタックの電気的剛性が変化する、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
圧電スタック（４）に加わった応力により生成され、かつシャント（７）により放散されない電気エネルギーの一部により、１つまたは複数の電子機器（７０、７１）に電力を供給する、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
屈曲構造物（１０）が以下のようなもの、
第１軸（Ａ−Ａ）に垂直に、かつ第２軸（Ｂ−Ｂ）の両側に対称に配置された、２つの対向する横エンドキャップ（１２ａ、１２ｂ）、
第２軸（Ｂ−Ｂ）に垂直に配置され、かつ第１軸（Ａ−Ａ）の両側に対称に配置された、２つの対向する横フランジ（１３ａ、１３ｂ）、
第１軸（Ａ−Ａ）に沿って延び、横エンドキャップ（１２ａ、１２ｂ）を横フランジ（１３ａ、１３ｂ）に接続する同一の縦向アーム（１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ）、
である、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
一方では縦向アーム（１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ）と他方では横エンドキャップ（１２ａ、１２ｂ）および横フランジ（１３ａ、１３ｂ）との接続がジョイント（継手）で構成されており、そのジョイントは、各アームの端部位置に調整されたヒンジを形成する、薄い領域（１４０、１５０）により形成されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
エラストマー製パッド（８）が横フランジ（１３ａ、１３ｂ）の間に挿入され、第２軸（ＢＢ）に沿った屈曲構造物（１０）の隙間が制限されている、請求項９または１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
以下のとおり、圧電スタック（４）に予応力が加わり、前記スタックに加わる予応力が、
第１軸（ＡＡ）に沿って取り付けられ、その上に圧電スタック（４）が取り付けられているロッド（４０）と、屈曲構造物（１０）に取り付けられた締結部材（４０ａ、４０ｂ）の協働により、または
直接屈曲構造物（１０）により
生成されている、請求項９から１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
モーターが支持体（３）により支持されている、自動車のワイパーモーター（２）の機械的振動を緩和する方法であって、前記方法は請求項１に記載の減衰装置を使用するもので、前記ワイパーモーターと前記支持体の間にトランスデューサー（１）を挿入している。
【請求項１４】
支持体（３）により支持された振動構造物（２）により発生した機械的振動を緩和する方法であって、前記方法は、以下からなる手順を含む：
トランスデューサ（１）を前記振動構造物と前記支持体の間に挿入して、請求項１に記載の減衰装置を使用する、
減衰する周波数帯域に応じて、シャント（７）により圧電スタック（４）の電気的剛性を変更する。
【請求項１５】
５０Ｈｚ±１０Ｈｚ〜２０ＫＨｚ±１００Ｈｚの周波数帯域で機械的振動を緩和する方法であって、この振動は支持体（３）で支持されている振動構造物（２）により生成され、前記方法は請求項１に記載の減衰装置を使用するものであり、前記振動構造物と前記支持体の間にトランスデユーサ（１）を挿入している。
【請求項１６】
５００Ｈｚ±１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚ±１００Ｈｚの範囲の周波数帯域で、４０ｄＢ／ディケード±１０ｄＢ／ディケード〜６０ｄＢ／ディケード±１０ｄＢ／ディケードの減衰により機械的振動を緩和する方法であって、その振動は支持体（３）により支持されている振動構造物（２）により発生し、前記方法は請求項１に記載の減衰装置を使用するもので、前記振動構造物と前記支持体の間にトランスデューサ（１）を挿入している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的振動の受動的減衰の体系と方法を対象としている。
【０００２】
本発明は、つまり電気的振動を、減衰される振動と位相が逆に作用する機械的振動に変換するアクチュエータ（作動装置）のようには機能しない受動的振動絶縁装置の技術分野に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
振動絶縁装置は、一般的には、一方では振動を生成する構造物と、他方ではそうした振動の影響を受ける可能性が高い部品の間に取り付けられている。この装置により、振動構造物の振動を吸収することができ、振動の影響を受けやすい部品に振動が伝わらないよう阻止することもできる。例えば、振動絶縁装置を回転機の支持部品とその回転機自体の間に挿入し、回転機により発生した振動が支持部品に伝達しないようにすることができる。
【０００４】
さまざまな技術に基づき異なる種類の振動絶縁装置が存在している。特に、流体室・オリフィスあるいはエラストマー製または金属製サスペンション（懸架装置）への絶縁装置が知られている。これらの絶縁装置は純粋に機械的なものであり、振動の力学的エネルギーを熱エネルギー（高温）に変換する。こうした技術は成熟しており定評があるが、性能や作動状態への適合性という点で、一定数の制約が明らかとなっている（温度、振動構造物の動作方式、静的な力の伝達、…）。
【０００５】
振動の力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する電気活性材料を用いた電磁サスペンション、磁気収縮サスペンションまたは圧電サスペンションも知られている。これらの技術は高性能であり、使用状況によりうまく適合することができる。しかしながらそうした装置は汎用性に欠けており、時には前記の純粋に機械的な絶縁装置ほど頑丈ではないと考えられている。さらに、そうしたソリューション（解決策）では、受動式アセンブリ（組立品）の中に実装された場合には（サスペンションにはアクチュエータの役割なし）、使用する電気活性材料の相対的な剛性のため、低周波数での効果的な減衰が不可能となる。
【０００６】
図１は、圧電スタック（積層物）で得られる減衰を示す図である。横軸はヘルツ単位での振動周波数に相当し、縦軸はデシベル単位での伝達率（励起力に対する伝達力の比率）に相当する。約１００Ｈｚまでは、伝達率がゼロであり、つまり圧電スタックはいかなる減衰も生成することなくすべての振動を通過させることが確認されている。約２０ｄＢという伝達率の正のピークが、５００Ｈｚあたりに出現し、この除去は、圧電スタックが減衰場所で振動現象を増幅することを意味している。この周波数のピーク以降になって初めて、伝達率が負になる。圧電スタックにより、約５００Ｈｚから約２０ｋＨｚまでにわたる周波数帯域で、ディケードあたり約４０ｄＢの振動が減衰されているが、この周波数帯域（Ｚ）は、特に減衰には有利であるノイズに相当している。
【０００７】
国際公開第２０１７／０４８９０６号（ミシガン大学）および特許第３７９０２５５号公報（太平洋セメント社）により、トランスデューサ（変換器）を搭載した機械的振動減衰装置が知られている。このトランスデューサは、屈曲時のみ作動する二枚羽根の形をしている。実際には、この種の装置の性能は、特に静的保持の際における振動減衰・緩和という点では限られている。
【０００８】
また、米国特許出願公開第２００５／１３４１４９号明細書（ＤＥＮＧ  ＫＥＮ  Ｋ）により、シンバル型のトランスデューサを搭載した機械的振動減衰装置も知られている。圧電素子は、シンバルにより放射状に圧縮されている。ここでも、この装置の性能は、振動の減衰および緩和という点では最適なものとは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０４８９０６号
【特許文献２】特許第３７９０２５５号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００５／１３４１４９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このような状況に鑑み、本発明の目的とは、前述の先行技術の振動絶縁装置のものと比べて性能が増大した振動絶縁装置を提案することである。
【００１１】
本発明の別の目的とは、作動状態への適合性を最適化することができる振動絶縁装置を提案することである。
【００１２】
本発明のさらに別の目的とは、設計が簡単、堅牢かつ安価である頑丈な振動絶縁装置を提案することである。
【００１３】
本発明の補足目的とは、特に低周波数での広い周波数帯域における効果的な振動減衰を可能とし、約５００Ｈｚから約２０ＫＨｚまでの周波数帯域において減衰が向上する振動絶縁装置を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明により提案する解決策とは、支持体により支持されている振動構造物から発生した機械的振動の受動的減衰装置であり、この装置は以下を含む。
振動の力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するため振動構造物と支持体の間に挿入したトランスデューサで、以下を含むもの:
〇第１軸と第２軸が互いに垂直である屈曲構造物
〇圧電スタックを形成するように第１軸に沿って積み重ねられた圧電素子で、その圧電スタックは応力が加わった時点で電気エネルギーを生成するのに適しており、そのスタックには第１軸に沿って屈曲構造物により圧縮応力が加わっているため、前記構造物の変形により、前記スタックに加わる圧縮応力が変化する。
２つの周囲固定具は屈曲構造物に固定されており、その固定具のそれぞれが第２軸に沿って配置されている。
〇屈曲構造物を振動構造物に固定させる第１固定具
〇屈曲構造物を支持体に固定させる第２固定具
〇固定具のうちの少なくとも一つには、好ましくは弾性サスペンションが組み込まれている
圧電スタックの電気的剛性を変更する手段で、その手段とは、前記圧電スタック上に加わった応力により生成された電気エネルギーの全部または一部を放散するようにするため圧電スタックに接続されたシャント（短絡分流器）である。
【００１５】
この減衰装置または振動絶縁装置には、屈曲型の圧電変換器が含まれ、好ましくは、前記変換器と直列に配置された弾性サスペンションと組み合わさっている。出願者は、この特に頑丈な振動絶縁装置は、前記の先行技術による振動絶縁装置のものと比べて性能が向上していることを確認している。この装置により、とりわけおよそ５０Ｈｚから２０ｋＨｚにわたる周波数帯域で振動の効果的な減衰が可能となり、およそ５００Ｈｚから２０ｋＨｚにわたる周波数帯域では４０ｄＢ／ディケード〜６０ｄＢ／ディケードという減衰を伴っている。さらに、シャントの制御を簡単に行え、作動状態に応じて圧電スタックの剛性を変化させることができ、実際振動減衰がさらに向上するとともに、全般的には装置の電気機械的結合をも向上させることができる。
【００１６】
本発明のその他の有利な特徴を以下に列挙する。そうした特徴のそれぞれは、単独で、あるいは上記に規定する優れた特性と組み合わせて検討することができ、該当する場合には、一つまたは複数の分割特許申請の対象とすることができる。
有利なことに、弾性サスペンションは振動構造物から最も遠く離れた位置にある固定具内に組み込まれている。
弾性サスペンションは、エラストマー製サスペンションとするか、金属製または空気圧式または油圧式のサスペンションとすることができる。
シャントは、圧電スタックの端部に接続された電気抵抗器からなり、前記圧電スタックに加わる応力により生成された電気エネルギーの全部または一部を熱的に発散できるようになっている。
代替実施形態によれば、シャントは圧電スタックの端子に接続された電気抵抗器とインダクタからなり、減衰される周波数帯域で調整されたＲＬＣ（抵抗器・コイル・コンデンサ）共振電子回路を形成することができる。
有利なことに、電子管理ユニットは、支持体の振動を捕捉するように配置された加速度計または振動構造物の振動を捕捉するように配置された加速度計に接続されており、その電子管理ユニットによりシャントが駆動し、加速度計から発信された信号に応じて前記圧電スタックの電気的剛性が変化する。
有利なことに、圧電スタックに加わった応力により生成され、かつシャントにより放散しない電気エネルギーの一部により、一台または複数の電気機器に電力が供給される。
有利なことに、屈曲構造物は、以下のようなものである: - 第１軸に垂直に配置され、第２軸の両側に対称的に配置された２つの対向する横エンドキャップ、- 第２軸に垂直に配置され、第１軸の両側に対称的に配置された２つの対向する横フランジ、- 第１軸に沿って延び、横エンドキャップを横フランジに接続する同一の縦向アーム。
一方では縦向アーム、もう一方では横エンドキャップと横フランジの間の接続部は、有利なことにジョイント（継手）で構成され、そのジョイントは各アームの端部位置に調整されたヒンジ（蝶番）を形成する薄い領域により形成されている。
有利なことに、エラストマー製パッドが横フランジの間に挿入され、第２軸に沿った屈曲構造物のたわみを制限するようになっている。
有利なことに、圧電スタックに予応力が加えられ、前記スタックに加わった予応力の力は次のようなものにより生成されている。−第１軸に沿って取り付けられたロッドの協働によるもので、その上に圧電スタックが取り付けられ、屈曲構造物内に締結部材が取り付けられている。−または直接屈曲構造物によるもの。
【００１７】
本発明の別の側面とは、自動車のワイパーモーターの力学的振動の緩和方法に関するものであり、そのモーターは支持体により支持されており、前記方法は、前記特徴のいずれか一つに従った減衰装置を使用するもので、前記ワイパーモーターと前記支持体の間にトランスデューサを挿入している。
【００１８】
本発明のさらに別の側面とは、支持体（３）により支持されている振動構造物により発生した機械的振動の緩和方法に関するものであり、前記方法は、以下のものからなる手順を含む。
前記特徴のいずれか一つに従った減衰装置を利用し、前記振動構造物と前記支持体の間にトランスデューサを挿入している。
減衰される周波数帯域に応じてシャントを用いて圧電スタックの電気的剛性を変化させる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面とは、５０Ｈｚ±１０Ｈｚから２０ｋＨｚ±１００Ｈｚにわたる周波数帯域での力学的振動の緩和方法に関するものであり、前記振動は支持体により支持されている振動構造物により発生し、前記方法は前記特徴のいずれか一つに従った減衰装置を使用するもので、前記振動構造物と前記支持体の間にトランスデユーサを挿入している。
【００２０】
本発明のさらに別の側面とは、５００Ｈｚ±１００Ｈｚから２０ｋＨｚ±１００Ｈｚにわたる周波数帯域で４０ｄＢ／ディケード±１０ｄＢ／ディケード〜６０ｄＢ／ディケード±１０ｄＢ／ディケードという減衰により機械的振動を緩和する方法に関するものであり、前記振動は支持体により支持されている振動構造物により発生し、前記方法は前記特徴のいずれか一つに従った減衰装置を使用するもので、前記振動構造物と前記支持体の間にトランスデユーサを挿入している。
【００２１】
本発明のその他の利点および特徴は、以下についての例示的かつ非限定的な例として作成された添付の図面を参照しながら、下記の好ましい実施形態の説明を読むことでより明らかになると思われる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】前述したように、圧電スタックを用いて得られる減衰を示す図である。
【図２】本発明に従ったトランスデユーサの透視図であり、屈曲構造物を示す。
【図３】図２のトランスデューサの側面図である。
【図４ａ】図３のトランスデューサのＡ−Ａに沿った断面図である。
【図４ｂ】代替実施形態に従った図３のトランスデューサのＡ−Ａに沿った断面図である。
【図５】振動構造物と支持体の間に挿入された図２〜４ａ・４ｂのトランスデューさを例示しており、圧電スタックはシャントに接続されている。
【図６】本発明に準拠する減衰装置を用いて得られる減衰を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本説明の中で使用する可能性のある右／左、上／下、高／低、水平／垂直という用語は、基本的に、添付の図面に示す部材の位置を指す。それらは、参考として、および非限定的な例としてのみ使用している。
【００２４】
図５で、本発明の減衰装置は、振動構造物２と前記振動構造物を支持する支持体３の間に挿入されたトランスデューサ１を含む。この振動構造物２は、例えば、自動車のワイパーの回転機またはモーターである。後者の場合、支持体３は、ワイパーを支持するリンク機構または車両のシャーシ部材に相当し得る。
トランスデューサ１の機能とは、振動構造物２により発生した振動の力学的エネルギーを電気エネルギーに変換し、これらの振動が支持体３にまったくまたはほとんど伝達されないようにすることである。
【００２５】
図２〜５に関連して、トランスデューサ１は、屈曲構造物１０を含む。「屈曲構造物」とは、屈曲と引張を組み合わせた構造物と理解される。この機械的構造物は変形可能であり、力学的増幅器を形成し、振動構造物２の振動力を圧電スタック４に向けて伝達し増幅する。
【００２６】
構造物１０は、互いに垂直な第１軸Ａ−Ａおよび第２軸Ｂ−Ｂを有する。添付の図では、軸Ａ−Ａは水平な縦軸であり、軸Ｂ−Ｂは垂直な横軸である。構造物１０は全体的に八角形であり、第１軸Ａ−Ａに沿って延びている。長さが５ｃｍから３０ｃｍの間、幅が２ｃｍから１０ｃｍの間、そして高さが２ｃｍから１０ｃｍの間にある筐体の中に入れることができる。
【００２７】
構造物１０は、好ましくは以下のようなものとする。
第１軸Ａ−Ａに垂直に配置され、かつ第２軸Ｂ−Ｂの両側に対称に配置された、対向する２つの同一の（または同一ではない）小型サイドパネルまたは横エンドキャップ１２ａ、１２ｂで、これらのエンドキャップは、全体的に平行六面体形または円筒形である。
第２軸Ｂ−Ｂに垂直に配置され、第１軸Ａ−Ａの両側に対称に配置された、対向する２つの同一（または同一ではない）小型横フランジ１３ａ、１３ｂで、これらのフランジは、全体的に平行六面体形または円筒形である。
第１軸Ａ−Ａに沿って延び、エンドキャップ１２ａ、１２ｂを横フランジ１３ａ、１３ｂに接続する同一の縦向アーム１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂで、これらのアームの断面は、正方形、長方形、円形、楕円形などとなる可能性がある。
【００２８】
より具体的には、構造物１０は以下のようなものとする。
上部フランジ１３ａを左側横エンドキャップ１２ｂの上端に接続する一対の上部アーム１４ａ
上部フランジ１３ａを左側横エンドキャップ１２ｂの下端に接続する一対の下部アーム１４ｂ
上部フランジ１３ａを右側横エンドキャップ１２ａの上端に接続する一対の上部アーム１５ａ
上部フランジ１３ａを右側横エンドキャップ１２ａの下端に接続する一対の下部アーム１５ｂ
【００２９】
掲載していない代替実施形態では、アーム１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂの各対は、単一のアームに置き換えられている。ただし、アーム対を使用すると、前記アーム内の機械的応力をより適切に分散させることができる。掲載していない別の代替実施形態では、アーム１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂの各対は、３本以上のアームの組み合わせにより置き換えられている。
【００３０】
エンドキャップ１２ａ、１２ｂ、フランジ１３ａ、１３ｂおよびアーム１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂは、好ましくは鋼、ステンレス鋼、アルミニウムまたは複合材料でできており、機械加工または注入によって得られた剛性のモノブロック部品を形成している。しかしながら、これらの部材は、例えば溶接、ねじ込みまたはボルト締めにより一緒に組み立てられた別個の部品の形態となり得る。
【００３１】
一方のアーム１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂと、他方のエンドキャップ１２ａ、１２ｂおよびフランジ１３ａ、１３ｂとの接続は、有利なことに、ジョイントからなる。構造物１０の設計を簡素化するため、これらのジョイントは、各アーム１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂの端部位置に調整されているヒンジを形成する、薄い領域１４０、１５０からなる。したがって、機械部品の数が制限され、それによりトランスデューサのメンテナンスが明らかに改良される。
【００３２】
したがって、機械的構造物１０は弾性的に変形可能である。Ｂ−Ｂ軸に沿って圧縮（曲げ）応力を受けると、フランジ１３ａ、１３ｂは接近する傾向がある。このフランジ１３ａ、１３ｂの接近により、エンドキャップ１２ａ、１２ｂを隔てる距離が増加する。逆に、軸Ｂ−Ｂに沿った圧縮応力が逆になる（伸長）と、フランジ１３ａ、１３ｂが遠ざかり、エンドキャップ１２ａ、１２ｂの分離距離が減少する。これらの圧縮応力とは、振動構造物２の振動により発生することが理解される。
【００３３】
Ｂ−Ｂ軸に沿った構造物１０の隙間を制限するため、エラストマー製パッド８を２つのフランジ１３ａ、１３ｂの間に挿入することができる。このパッド８により、構造物１０を損傷しやすくするその過度の変位が回避される。
【００３４】
圧電素子のスタック４が構造物１０内に取り付けられている。これは、応力が加わった時点で電気エネルギーを生成するように適合している。スタック４の圧電素子は、有利なことに、機械的応力の作用下で電気的に分極するように適合させた圧電セラミック式または圧電複合材料式のワッシャー（座金）またはディスク（円盤）の形状となっている。ワッシャーの数は、構造物１０の長さに応じて、３個から２０個まで変動する。一例として、８個のＰＺＴ（チタノジルコン酸鉛）ハードセラミックワッシャーを使用しており、スタック４の剛性は１６ＭＮ／ｍであり、ヤング係数は約５０ＧＰａである。このスタック４は、１００ニュートンという力の下で７３Ｖの電圧を供給することができる。
【００３５】
図２〜５では、スタック４は、構造物１０の変形により前記スタックに加わった圧縮応力が変化するように、エンドキャップ１２ａ、１２ｂの間にある第１軸Ａ−Ａに沿って取り付けられている。とりわけ、前項で説明したとおり、振動構造物２が振動すると、構造物１０は軸Ｂ−Ｂに沿って変形する。はさみ効果により、圧縮応力がスタック４に加わる。したがって、構造物１０は、スタック４に向けて振動構造物２の振動力を伝達および増幅する機械的増幅器の役割を果たしている。
【００３６】
スタック４は、有利なことに予応力がかかっており、トランスデューサ１の機械的引張強度を向上させている。図４ａでは、スタック４は、第１軸Ａ−Ａに沿って取り付けられたロッド４０に装着されている。エンドキャップ１２ａ、１２ｂ内に取り付けられた締結部材４０ａ、４０ｂ、ロッド４０のねじ込み端部に係合する。締結部材４０ａ、４０ｂとロッド４０の協働により、スタック４に予応力を加えることができる。
【００３７】
図４ｂでは、スタック４に加わる予応力を直接生成するのは構造物１０である。構造物１０は、スタック４を配置できるようにするために弾性的に変形される。実際には、軸Ｂ−Ｂに沿った圧縮応力がフランジ１３ａ、１３ｂに加わり、エンドキャップ１２ａ、１２ｂが離れ、スタック４の挿入が可能となる。フランジ１３ａ、１３ｂを緩めることにより、エンドキャップ１２ａ、１２ｂが接近し、そのように予応力が加わっているスタック４を圧迫する。スタック４の挿入を容易にするため、これはエンドキャップ１２ａ、１２ｂ内に取り付けられた締結部材４００ａ、４００ｂにより軸Ａ−Ａに沿った位置に保持されたガイドロッド４００に取り付けられている。
【００３８】
トランスデューサ１の組み立ては、以下のように非常に簡単かつ非常に迅速に行われる。つまり、ロッド４０がスタック４に挿入される。スタック４は、構造物１０内でエンドキャップ１２ａ、１２ｂの間に設置されている。締結部材４０ａ、４０ｂは、前記部材がロッド４０のねじ込み端部と係合するように、エンドキャップ１２ａ、１２ｂ内に配置されている。締結部材４０ａ、４０ｂは、専用の工具（例えばトルクレンチ）でねじ込まれており、所望の予応力の量に従ってスタック４に予応力が加わるようになっている。構造物１０内へのスタック４の取り付けを容易にすべく、上部フランジ１３ａおよび／または下部フランジ１３ｂは２つの部分で作ることができるため、加工日を調整できるようなっている。
【００３９】
２つの周辺固定具５ａ、５ｂが構造物１０に固定されている。上部固定具５ａは上部フランジ１３ａに固定され、下部固定具５ｂは下部フランジ１３ｂに固定されている。したがって、固定具５ａ、５ｂは、第２軸Ｂ−Ｂに沿って配置される。フランジ１３ａ、１３ｂ上の固定具５ａ、５ｂの固定は、例えば、溶接、ねじ込みまたはボルト締めによって達成することができる。固定具５ａ、５ｂの形状は、フランジ１３ａ、１３ｂの形状と相補的である。図２〜５では、固定具５ａ、５ｂは、例えば機械加工によって得られた鋼、ステンレス鋼、アルミニウムまたは複合材料で作製された平行六面体形で硬い扁平フランジ形である。その長さと幅の寸法は、フランジ１３ａ、１３ｂの寸法に対応している。その厚さは、１ｃｍから１０ｃｍの間で変動し得る。
【００４０】
図５では、上部固定具５ａを使用して、ねじ込みまたはボルト締めにより構造物１０を振動構造物２に固定している。また、下部固定具５ｂは、構造物１０を固定するのに使用され、これもねじ込みまたはボルト締めによって行われる。
【００４１】
本発明の有利な特性によれば、固定具５ａおよび／または５ｂのうち少なくとも１つには、弾性サスペンションが組み込まれている。「一体化（組み込み）」とは、固定具５ｂおよびサスペンション６が、一緒に組み立てられた２つの別個の部品となりうるか、または逆に１つの同じ部品で形成されうるものと理解される。
【００４２】
図２〜５では、このサスペンション６を組み込んでいるのは下部固定具５ｂである。後者は、下部固定具５ｂと支持体３の間の境界面として機能する。下部固定具５ｂは、この単一のサスペンション６により形成することができる。しかしながら、サスペンション６は、振動構造物２と前記固定具の間にある上部固定具５ａにしか組み込むことができない。２つの固定具５ａおよび５ｂにはまた、それぞれ弾性サスペンションを組み込むことができる。ただし、減衰に関しての最良の結果は、弾性サスペンションが振動構造物２から最も遠く離れた固定具５ｂに組み込まれたときに得られる。
【００４３】
設計を簡素化し、堅牢性を向上させ、複雑でコストのかかる解決策をなくすため、このサスペンション６は、好ましくは、例えば天然ゴムまたは合成ゴムのエラストマー製フランジの形態であり、その形状は、固定具５ｂのものと相補的である。図２〜５では、このフランジは平行六面体形フランジの形状となっており、その長さと幅の寸法は下部固定具５ｂのものに対応している。その厚さは１ｃｍから１０ｃｍまでの間で変動し得る。例えば、剛性が２５０ｋＮ／ｍ、ヤング率が約１．５ＭＰａの天然ゴムフランジが使用されている。実際には、サスペンション６の剛性は、減衰される振動の周波数帯域に応じて選択される。エラストマー製フランジ６は、接着、ねじ込み、またはボルト締めによりフランジ５ｂ上に組み立てられる。
【００４４】
またサスペンション６は、下部固定具５ｂと支持体３の間に組み立てられた１つまたは複数のエラストマー製パッドの形状となり得る。またサスペンション６は、例えばつるまきばねや板ばねなどの金属製サスペンション、または空気圧式あるいは油圧式サスペンションの形状となりうる。
【００４５】
図５に関して、シャント７が圧電スタック４に接続されている。このシャント７は、スタック４の電気的剛性を変更するために、そしてより一般的には本装置の電気機械的結合を向上させるために使用されている。電気機械的結合は、力学的エネルギーを電気エネルギーに、またはその逆に変換する際の装置の効率を反映している。これは、以下の比率で定義できる電気機械的結合係数（ＣＣＥＭ）によって特徴付けられている。
【００４６】
【数１】
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【００４７】
ここで、電気エネルギーはスタック４により生成されるエネルギーであり、力学的エネルギーは屈曲構造物１０に加わるエネルギーである。
【００４８】
シャント７は、特に、構造物１０の変形中にスタック４に加わった応力により生成された電気エネルギーの全部または一部を放散することができる。スタック４は、シャント７に送信される電気信号を生成する。信号受信時に、シャント７は電気信号への抵抗をもたらす。この抵抗により、スタック４は構造物１０の変形に抵抗するため、その電気的剛性が変化する。そのため、スタック４は緩衝器として機能する。
【００４９】
したがって、スタック４の電気的剛性（およびより一般的には装置の電気機械的結合係数）は、減衰される周波数帯域に応じて変更することができる。本発明者らは、本装置の電気機械的結合がシャント７により改善されることを観察した（シャントのある装置のＣＣＥＭ係数は、シャントのない同等の装置のＣＣＥＭ係数よりも大きい）。
【００５０】
シャント７は、スタック４の端子に並列または直列に接続された電気抵抗器からなり、電気エネルギーの全部または一部を熱的（つまり高温という形で）に放散することができる。圧電スタック４が電気コンデンサと同等であることを知った上で、減衰される周波数帯域に調整されたローパスフィルタ（低域通過濾波器）またはハイパスフィルタ（高域通過濾波器）を実現できるようになるＲＣ（抵抗器・コンデンサ）電子回路が得られる。
【００５１】
またシャント７は、減衰される周波数帯域に調整された並列または直列のＲＬＣ共振電子回路を形成するようにするため、スタック４の端子に接続された電気抵抗器およびインダクタ（コイル）で構成することができる。この種類のシャント７（抵抗性または抵抗性−誘導性）は、受動的で安定しており、簡素かつコンパクトである。
【００５２】
代替実施形態では、負の容量を有するシャント７が使用され、これにより装置の電気機械的結合がさらに向上している。このシャント７は、抵抗器と、減衰される周波数帯域に調整された実数および虚数のインピーダンスを有する合成負コンデンサを含む。負のコンデンサの電気インピーダンスにより、圧電スタック４の剛性が変化して減衰が増加し、装置の電気機械的結合が最適化される。
【００５３】
図５では、電子管理ユニット７０が支持体３の振動を捕捉するように配置された加速度計７１および／または振動構造物２の振動を捕捉するように配置された加速度計に接続されている。次に、管理ユニット７０は、加速度計７１から発信される信号に応じてスタック４の電気的剛性を変更できるようにシャント７を駆動するよう適合している。例えば、シャント７は、可変抵抗器または可変インピーダンスを一体化することができ、その値は、加速度計７１から発信される信号に応じて管理ユニット７０により変更される。
【００５４】
圧電スタック４に加わった応力により生成され、シャント７により放散されない電気エネルギーの一部は、１つまたは複数の電子部品に電力を供給するのに使用することができる。この電気エネルギーは、例えば、管理ユニット７０および／または加速度計７１に電力を供給するのに使用できる。
【００５５】
図６は、本発明に準拠した減衰装置を用いて得ることができる減衰を示す図である。横軸はヘルツ単位での振動の周波数に相当し、縦軸はデシベル単位での伝達率に相当する。点線の曲線１は、図１の減衰曲線を反復している（圧電スタックのみ）。実線の曲線２は、弾性サスペンションと組み合わせた圧電スタック４で得られた減衰曲線である。約５０Ｈｚ（±１０Ｈｚ）まで、伝達率はほぼゼロのままである。曲線１と比較して、本発明に従った装置は、減衰曲線の変曲点を約５０ｄＢ±１０ｄＢだけ戻すことを可能にする。この周波数帯域から伝達率は負になり、５００Ｈｚ（±１００Ｈｚ）の周波数まで４０ｄＢ／ディケード（±１０ｄＢ／ディケード）という減衰が生じている。この周波数付近では、約２０ｄＢという伝達率のピークが発生し、振動の減衰は少なくなっている。ただし、シャント７の調整（例えば抵抗、インダクタンスまたは負の容量の値）により、この除去を処理および軽減することができる。このピークから、減衰は、５００Ｈｚ±１００Ｈｚから２０ＫＨｚ±１００Ｈｚまでの周波数範囲で４０ｄＢ／ディケード±１０ｄＢ／ディケード〜６０ｄＢ／ディケード±１０ｄＢ／ディケードである。要約すると、本発明に従った装置は、圧電スタックのみによって得られるもの（１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）よりも広い周波数範囲（５０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）にわたって振動減衰を可能にする。さらに、ノイズの軽減はより優れている（４０ｄＢ／ディケード以上）。
【００５６】
上記の実施形態における、本発明のさまざまな要素および／または手段および/または手順の構成は、すべての実施においてそのような構成を必要とするものとして理解すべきではない。いずれにせよ、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、これらの要素および／または手段および／または手順に対してさまざまな変更を行うことができることが理解されよう。
【符号の説明】
【００５７】
１  トランスデューサ
２  振動構造物
３  支持体
４  スタック
５ａ、５ｂ  固定具
６  サスペンション
７  シャント
８  パッド
１０  構造物
１２ａ、１２ｂ  エンドキャップ
１３ａ、１３ｂ  フランジ
１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ  アーム
４０  ロッド
４０ａ、４０ｂ  締結部材
７０  管理ユニット
７１  加速度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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