(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の振動を所望の特性で吸収する振動吸収装置であって、
前記振動する構造物からの作用を受け、繰り返しの応力または歪が生じる第１電極と第２電極とを持つ圧電素子と、
前記圧電素子の両電極間に接続された、前記圧電素子に加える電圧を制御する制御部と、
前記圧電素子に並列または直列に接続され、前記圧電素子からの電力を消費する電気負荷と、
を有し、
前記制御部は、交互に動作する第１制御ユニットおよび第２制御ユニットを備え、
前記第１制御ユニットは、
前記圧電素子の第１電極側から第２電極側に向けて導通を行う第１スイッチング素子とコイルとの直列接続回路を有する第１スイッチング回路、および、
前記第１スイッチング素子のスイッチングを制御する自律型第１アナログ制御回路からなり、
前記自律型第１アナログ制御回路は、
前記圧電素子の両電極間に生じる電圧ピークを検出する電圧ピーク検出部と、
固定基準電圧を生成・保持する基準電圧出力部と、
前記電圧ピークの検出ごとに電圧値が上昇するステップ電圧を出力するステップ電圧出力部と、
前記基準電圧出力部が出力する固定基準電圧と、前記ステップ電圧出力部が出力するステップ電圧とを比較し、前記ステップ電圧が前記固定基準電圧を超えたときに前記第１スイッチング素子をオン状態にする、スイッチ信号生成部と、
からなり、
前記第２制御ユニットは、
前記圧電素子の第２電極側から第１電極側に向けて導通を行う第２スイッチング素子とコイルとの直列接続回路を有する第２スイッチング回路、および、
前記第２スイッチング素子のスイッチングを制御する自律型第２アナログ制御回路からなり、
前記自律型第２アナログ制御回路は、
前記圧電素子の両電極間に生じる電圧ボトムを検出する電圧ボトム検出部と、
固定基準電圧を生成・保持する基準電圧出力部と、
前記電圧ボトムの検出ごとに電圧値が上昇するステップ電圧を出力するステップ電圧出力部と、
前記基準電圧出力部が出力する固定基準電圧と、前記ステップ電圧出力部が出力するステップ電圧とを比較し、前記ステップ電圧が前記固定基準電圧を超えたときに前記第２スイッチング素子をオン状態にする、スイッチ信号生成部と、
からなり、
前記制御部は、電圧ボトムが表れる所定回数ごとに、前記第２スイッチング素子のスイッチングを制御することで、前記圧電素子の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方の反転を行い、これにより前記振動する構造物の振動振幅の減衰を制御する、
振動吸収装置。
【請求項２】
請求項１に記載の振動吸収装置において、
前記圧電素子に直列に極性反転補償用キャパシタが接続されている、
振動吸収装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の振動吸収装置において、
前記電圧ピーク検出部は、
前記圧電素子の両電極間に接続された、アノードが前記圧電素子の第１電極に接続された第１ダイオードと、一方の端子が前記第１ダイオードのカソードに接続され他方の端子が前記圧電素子の第２電極に接続された抵抗との直列接続回路、および、アノードが前記圧電素子の第１電極に接続された第２ダイオードと、一方の端子が前記第２ダイオードのカソードに接続され他方の端子が前記圧電素子の第２電極に接続されたキャパシタとの直列接続回路、ならびに、
前記抵抗の前記圧電素子の第２電極に接続された端子とは反対側の第１端子と、前記キャパシタの前記圧電素子の第２電極に接続された端子とは反対側の第２端子との間に接続され、前記第２端子の電圧が前記第１端子の電圧よりも高いときに、前記第２端子の電圧を出力する電圧比較回路と、
からなり、
前記電圧ボトム検出部は、
前記圧電素子の両電極間に接続された、アノードが前記圧電素子の第２電極に接続された第１ダイオードと、一方の端子が前記第１ダイオードのカソードに接続され他方の端子が前記圧電素子の第１電極に接続された抵抗との直列接続回路、および、アノードが前記圧電素子の第２電極に接続された第２ダイオードと、一方の端子が前記第２ダイオードのカソードに接続され他方の端子が前記圧電素子の第１電極に接続されたキャパシタとの直列接続回路、ならびに、
前記抵抗の前記圧電素子の第１電極に接続された端子とは反対側の第１端子と、前記キャパシタの前記圧電素子の第１電極に接続された端子とは反対側の第２端子との間に接続され、前記第２端子の電圧が前記第１端子の電圧よりも高いときに、前記第２端子の電圧を出力する電圧比較回路と、
からなる振動吸収装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の振動吸収装置において、
前記第１制御ユニットの前記基準電圧出力部は、
アノードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したダイオードと、カソードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したツェナーダイオードとの直列接続回路と、前記直列接続回路に一方端子が接続され他方端子が前記圧電素子の第２電極に接続された電圧保持キャパシタとからなり、
前記第２制御ユニットの前記基準電圧出力部は、
アノードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したダイオードと、カソードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したツェナーダイオードとの直列接続回路と、前記直列接続回路に一方端子が接続され他方端子が前記圧電素子の第１電極に接続された電圧保持キャパシタとからなる、
振動吸収装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の振動吸収装置において、
前記第１制御ユニットの前記ステップ電圧出力部は、
アノードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したダイオードと、前記ダイオードに一方端子が接続され他方端子が前記圧電素子の第２電極に接続されたステップ電圧生成キャパシタとからなり、
前記第２制御ユニットの前記基準電圧出力部は、
アノードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したダイオードと、前記ダイオードに一方端子が接続され他方端子が前記圧電素子の第１電極に接続されたステップ電圧生成キャパシタとからなる、
振動吸収装置。
【請求項６】
請求項３から５の何れかに記載の振動吸収装置において、
前記第１制御ユニットの前記スイッチ信号生成部は、
前記電圧保持キャパシタの前記圧電素子の第２電極に接続された端子とは反対側の第１端子と、前記ステップ電圧生成キャパシタの前記圧電素子の第２電極に接続された端子とは反対側の第２端子との間に接続され、前記第２端子の電圧が前記第１端子の電圧よりも高いときに、前記第２端子の電圧を出力する電圧比較回路からなり、
前記第２制御ユニットの前記スイッチ信号生成部は、
前記電圧保持キャパシタの前記圧電素子の第１電極に接続された端子とは反対側の第１端子と、前記ステップ電圧生成キャパシタの前記圧電素子の第１電極に接続された端子とは反対側の第２端子との間に接続され、前記第２端子の電圧が前記第１端子の電圧よりも高いときに、前記第２端子の電圧を出力する電圧比較回路からなる、
振動吸収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動する構造物の振動エネルギーを、圧電素子を介して電気エネルギーに変換し、当該電気エネルギーを電気負荷により消費することで前記構造物の振動を所望の特性で吸収する振動吸収装置に関し、特に、圧電素子の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方の反転を自律型アナログ制御回路を用いて行う振動吸収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、振動発電を利用した振動エネルギーの回収技術（Ｅｎｅｒｇｙ−Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）が注目されている（特許文献１および特許文献２参照）。
振動エネルギー回収装置は、振動する構造物に適用することで、構造物の振動を吸収することができる。
図１（Ａ）は、特許文献１に記載された従来の振動エネルギー回収装置を示す図である。
図１（Ａ）に示す振動エネルギー回収装置１１０は、圧電素子７と、制御部８と、電力回収装部９とからなる。
圧電素子７は、図１（Ｂ）に示すように、構造物５に設けたカンチレバーＣＬのアームＣＬＡに組み込まれており、構造物５の振動ＶＩＢはカンチレバーＣＬのウェイトＣＬＷの振動に変換される。
なお、カンチレバーＣＬは、風、流体からの圧力、人力などの外力によっても振動する。
図１（Ａ）に示すように等価的に電源Ｇ０ｐとキャパシタＣ０ｐとで表される。
図１（Ａ）では、制御部８は、第１制御ユニット８１と第２制御ユニット８２からなり、圧電素子７の両電極（本明細書において両電極とも称する）間にそれぞれ接続されている。
電力回収装部９は、整流回路９１と蓄電キャパシタＣ０ｓからなる。整流回路９１の入力端子ａ１，ａ２には圧電素子７の両電極が接続され、出力端子ｂ１，ｂ２間には蓄電キャパシタＣ０ｓが接続されている。
【０００３】
制御部８の第１制御ユニット８１は、スイッチング回路８１１とアナログ制御回路８１２とから構成される。
スイッチング回路８１１およびアナログ制御回路８１２は、それぞれ圧電素子７の両電極間に接続されている。
スイッチング回路８１１は、コイルＬ０１とサイリスタ（ＳＣＲ０１）との直列回路からなり、サイリスタ（ＳＣＲ０１）は、カソードが圧電素子７の第２電極側を向くように接続されている。
アナログ制御回路８１２は、直列接続回路ＳＲＬ０１１と、直列接続回路ＳＲＬ０１２と、電圧比較回路ＰＵＴ０１とからなり、圧電素子７の両電極間に生じる電圧ピークを検出する。
【０００４】
直列接続回路ＳＲＬ０１１は、圧電素子７の両電極間に接続された第１ダイオードＤ０１１と抵抗Ｒ０１との直列接続回路である。第１ダイオードＤ０１１は、アノードが圧電素子７の第１電極に接続されている。抵抗Ｒ０１は、一方の端子が第１ダイオードＤ０１１のカソードに接続され他方の端子が圧電素子７の第２電極に接続されている。
直列接続回路ＳＲＬ０１２は、圧電素子７の両電極間に接続された第２ダイオードＤ０１２とキャパシタＣ０１との直列接続回路である。第２ダイオードＤ０１２は、アノードが圧電素子７の第１電極に接続されている。キャパシタＣ０１は、一方の端子が第２ダイオードＤ０１２のカソードに接続され他方の端子が圧電素子７の第２電極に接続されている。
【０００５】
電圧比較回路ＰＵＴ０１は、抵抗Ｒ０１の圧電素子７の第２電極に接続された端子とは反対側の第１端子Ｔ０１１と、キャパシタＣ０１の圧電素子７の第２電極に接続された端子とは反対側の第２端子Ｔ０１２との間に接続されている。電圧比較回路ＰＵＴ０１は、第２端子Ｔ０１２の電圧と第１端子Ｔ０１１の電圧との差が所定値を超えたきに、第２端子Ｔ０１２の電圧を出力する。
第２制御ユニット８２の構成は第１制御ユニット８１の構成と基本的には同じである。
第２制御ユニット８２は、スイッチング回路８２１と、アナログ制御回路８２２とからなり、これらの構成は第１制御ユニット８１の、スイッチング回路８１１と、アナログ制御回路８１２と同じである。
ただし、第１制御ユニット８１と第２制御ユニット８２とでは、圧電素子７の両電極への接続の向きが逆になっている。
【０００６】
スイッチング回路８２１は、コイルＬ０２とサイリスタ（ＳＣＲ０２）との直列回路から構成され、これらは第１制御ユニット８１の、コイルＬ０１とサイリスタ（ＳＣＲ０１）との直列回路に対応する。
アナログ制御回路８２２は、直列接続回路ＳＲＬ０２１と、直列接続回路ＳＲＬ０２２と、電圧比較回路ＰＵＴ０２とからなり、これらはアナログ制御回路８１２の直列接続回路ＳＲＬ０１１と、直列接続回路ＳＲＬ０１２と、電圧比較回路ＰＵＴ０１に対応する。なお、アナログ制御回路８２２は、圧電素子７の両電極間に生じる電圧ボトムを検出する。
直列接続回路ＳＲＬ０２１は、第１ダイオードＤ０２１と抵抗Ｒ０２とからなり、これらは直列接続回路ＳＲＬ０１１の、第１ダイオードＤ０１１と抵抗Ｒ０１に対応する。
直列接続回路ＳＲＬ０２２は、第２ダイオードＤ０２２とキャパシタＣ０２とからなり、これらは直列接続回路ＳＲＬ０１２の第２ダイオードＤ０１２とキャパシタＣ０１に対応する。
電圧比較回路ＰＵＴ０２は、電圧比較回路ＰＵＴ０１に対応する。
【０００７】
図２（Ａ）に圧電素子７の両電極間の電圧を示し、図２（Ｂ）にカンチレバーＣＬの振動変位Δｚを示す。
ところで、圧電素子７の両電極間の電圧が高いほど、すなわちカンチレバーＣＬの振動変位が大きいほどカンチレバーＣＬには構造物５から振動エネルギーが入ってきやすくなる。逆に、圧電素子７の両電極間の電圧が低いほど、すなわちカンチレバーＣＬの振動変位が小さいほどカンチレバーＣＬには構造物５から振動エネルギーが入ってきにくくなる。
図１（Ａ）の振動エネルギー回収装置１１０では、図２（Ａ），（Ｂ）からわかるように、圧電素子７の両電極間の電圧のピークおよびボトムで圧電素子７の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方が反転する。
これにより、圧電素子７の両電極間の電圧が高くなり、カンチレバーＣＬには構造物５から振動エネルギーが入ってきやすくなる。
圧電素子７の両電極間の電圧のピークおよびボトムが表れるごとに、圧電素子７の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方が反転させるとする。
圧電素子７の両電極間の電圧が高い間は（カンチレバーＣＬの振動変位Δｚが大きい間は）、カンチレバーＣＬには構造物５から振動エネルギーが効率よく入ってくる。
しかし、圧電素子７の両電極間の電圧が低くなると（カンチレバーＣＬの振動変位Δｚが小さくなると）、カンチレバーＣＬには構造物５から振動エネルギーが入ってきにくくなる。
その結果、カンチレバーＣＬの運動エネルギーが減少し、振動エネルギーの回収効率が低下すると同時に、構造物５の振動抑制効果も低下してしまう。
【０００８】
上記の不都合を解消するべく、特許文献２に記載の技術では、圧電素子７に発生した電圧が極値（ピークまたはボトム）を取るタイミングに同期して、ピークまたはボトムの複数に一回、圧電素子７の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方を反転させる。
図３（Ａ），（Ｂ）は、この方法を実施するための振動エネルギー回収装置を示す。
図３（Ａ）に示す振動エネルギー回収装置１２０は、圧電素子７と、制御部８と、電力回収装部９とからなる。
図３（Ｂ）に圧電素子７がアームＣＬＡに組み込まれたカンチレバーＣＬを示す。カンチレバーＣＬの構造は図１（Ｂ）に示したものと同様である。
振動エネルギー回収装置１２０では、図３（Ｂ）に示すように、カンチレバーＣＬの振動がレーザビームＬＢにより光学的に検出される。
電力回収装部９は、図１（Ｂ）に示した電力回収装部９と同様、整流回路９１と蓄電キャパシタＣ０ｓからなり、整流回路９１の入力端子ａ１，ａ２には圧電素子７の両電極が接続され、出力端子ｂ１，ｂ２間には蓄電キャパシタＣ０ｓが接続されている。
【０００９】
制御部８は、スイッチング部８１０と、制御部８２０とからなる。
スイッチング部８１０は、スイッチング回路８１１とスイッチング回路８１２とからなる。
スイッチング回路８１１は、コイルＬ０１とサイリスタ（ＳＣＲ０１）との直列回路からなり、サイリスタ（ＳＣＲ０１）は、カソードが圧電素子７の第２電極側を向くように接続されている。スイッチング回路８１２は、コイルＬ０２とサイリスタ（ＳＣＲ０２）との直列回路からなり、サイリスタ（ＳＣＲ０２）は、カソードが圧電素子７の第１電極側を向くように接続されている。
制御部８２０は、振動変位測定装置８２０１と、制御信号生成回路８２０２と、駆動信号生成回路８２０３とからなる。
振動変位測定装置８２０１は、たとえば図３（Ｂ）に示すようにカンチレバーＣＬの振動周波数を光学的または電気的に検出することができる（図３（Ｂ）ではレーザビームにより光学的に検出している）。
制御信号生成回路８２０２は、圧電素子７の両電極間に表れる電圧ピークおよび電圧ボトムを検出しており、カンチレバーＣＬが当該カンチレバーＣＬの固有振動数で振動しているときに、たとえば圧電素子７に発生した電圧がピークを取るタイミングに同期して、複数回に１回、サイリスタ（ＳＣＲ０１）をオン状態にすることで、圧電素子７の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方を反転させる。
【００１０】
図４（Ａ）に圧電素子７の両電極間の電圧を示し、図４（Ｂ）にカンチレバーの振動変位Δｚを示す。
図４（Ａ），（Ｂ）からわかるように、図３（Ａ）の振動エネルギー回収装置１２０では、圧電素子７に与えられる振動が急速に減衰することはないので、高電圧での電気エネルギーへの変換が維持され、カンチレバーＣＬには構造物５から振動エネルギーが入ってきやすくなる。
また、振動エネルギー回収装置１２０を振動吸収装置としてみた場合に、カンチレバーＣＬは構造物５の振動エネルギーを効率よく取り込むことができるので、振動エネルギー回収装置１２０は構造物５の振動エネルギーの吸収が促進されることを意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−０７１２３８
【特許文献２】ＷＯ２０１５−０２２７９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、図３の装置では、制御部８２０を駆動するための電源が必須である。すなわち、カンチレバーＣＬの振動変位の検出やピークまたはボトムの個数の検出には、電源を必須とする回路が使用される。しかし、通常は、カンチレバーの振動から回収できるエネルギーはわずかであるため、上記の二次電池を使用することは現実的ではない。
【００１３】
本発明の目的は、圧電素子の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方の反転を自律型アナログ制御回路を用いて行うことで、圧電素子が発生する電力のみで構造物の振動を所望の特性で吸収することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、以下を要旨とする。
〔１〕
構造物の振動を所望の特性で吸収する振動吸収装置であって、
前記振動する構造物からの作用を受け、繰り返しの応力または歪が生じる第１電極と第２電極とを持つ圧電素子と、
前記圧電素子の両電極間に接続された、前記圧電素子に加える電圧を制御する制御部と、
前記圧電素子に並列または直列に接続され、前記圧電素子からの電力を消費する電気負荷と、
を有し、
前記制御部は、交互に動作する第１制御ユニットおよび第２制御ユニットを備え、
前記第１制御ユニットは、
前記圧電素子の第１電極側から第２電極側に向けて導通を行う第１スイッチング素子とコイルとの直列接続回路を有する第１スイッチング回路、および、
前記第１スイッチング素子のスイッチングを制御する自律型第１アナログ制御回路からなり、
前記自律型第１アナログ制御回路は、
前記圧電素子の両電極間に生じる電圧ピークを検出する電圧ピーク検出部と、
固定基準電圧を生成・保持する基準電圧出力部と、
前記電圧ピークの検出ごとに電圧値が上昇するステップ電圧を出力するステップ電圧出力部と、
前記基準電圧出力部が出力する固定基準電圧と、前記ステップ電圧出力部が出力するステップ電圧とを比較し、前記ステップ電圧が前記固定基準電圧を超えたときに前記第１スイッチング素子をオン状態にする、スイッチ信号生成部と、
からなり、
前記第２制御ユニットは、
前記圧電素子の第２電極側から第１電極側に向けて導通を行う第２スイッチング素子とコイルとの直列接続回路を有する第２スイッチング回路、および、
前記第２スイッチング素子のスイッチングを制御する自律型第２アナログ制御回路からなり、
前記自律型第２アナログ制御回路は、
前記圧電素子の両電極間に生じる電圧ボトムを検出する電圧ボトム検出部と、
固定基準電圧を生成・保持する基準電圧出力部と、
前記電圧ボトムの検出ごとに電圧値が上昇するステップ電圧を出力するステップ電圧出力部と、
前記基準電圧出力部が出力する固定基準電圧と、前記ステップ電圧出力部が出力するステップ電圧とを比較し、前記ステップ電圧が前記固定基準電圧を超えたときに前記第２スイッチング素子をオン状態にする、スイッチ信号生成部と、
からなり、
前記制御部は、電圧ボトムが表れる所定回数ごとに、前記第２スイッチング素子のスイッチングを制御することで、前記圧電素子の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方の反転を行い、これにより前記振動する構造物の振動振幅の減衰を制御する、
振動吸収装置。
【００１５】
〔２〕
〔１〕に記載の振動吸収装置において、
前記圧電素子に直列に極性反転補償用キャパシタが接続されている、
振動吸収装置。
【００１６】
〔３〕
〔１〕または〔２〕に記載の振動吸収装置において、
前記電圧ピーク検出部は、
前記圧電素子の両電極間に接続された、アノードが前記圧電素子の第１電極に接続された第１ダイオードと、一方の端子が前記第１ダイオードのカソードに接続され他方の端子が前記圧電素子の第２電極に接続された抵抗との直列接続回路、および、アノードが前記圧電素子の第１電極に接続された第２ダイオードと、一方の端子が前記第２ダイオードのカソードに接続され他方の端子が前記圧電素子の第２電極に接続されたキャパシタとの直列接続回路、ならびに、
前記抵抗の前記圧電素子の第２電極に接続された端子とは反対側の第１端子と、前記キャパシタの前記圧電素子の第２電極に接続された端子とは反対側の第２端子との間に接続され、前記第２端子の電圧が前記第１端子の電圧よりも高いときに、前記第２端子の電圧を出力する電圧比較回路と、
からなり、
前記電圧ボトム検出部は、
前記圧電素子の両電極間に接続された、アノードが前記圧電素子の第２電極に接続された第１ダイオードと、一方の端子が前記第１ダイオードのカソードに接続され他方の端子が前記圧電素子の第１電極に接続された抵抗との直列接続回路、および、アノードが前記圧電素子の第２電極に接続された第２ダイオードと、一方の端子が前記第２ダイオードのカソードに接続され他方の端子が前記圧電素子の第１電極に接続されたキャパシタとの直列接続回路、ならびに、
前記抵抗の前記圧電素子の第１電極に接続された端子とは反対側の第１端子と、前記キャパシタの前記圧電素子の第１電極に接続された端子とは反対側の第２端子との間に接続され、前記第２端子の電圧が前記第１端子の電圧よりも高いときに、前記第２端子の電圧を出力する電圧比較回路と、
からなる振動吸収装置。
【００１７】
〔４〕
〔１〕から〔３〕の何れかに記載の振動吸収装置において、
前記第１制御ユニットの前記基準電圧出力部は、
アノードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したダイオードと、カソードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したツェナーダイオードとの直列接続回路と、前記直列接続回路に一方端子が接続され他方端子が前記圧電素子の第２電極に接続された電圧保持キャパシタとからなり、
前記第２制御ユニットの前記基準電圧出力部は、
アノードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したダイオードと、カソードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したツェナーダイオードとの直列接続回路と、前記直列接続回路に一方端子が接続され他方端子が前記圧電素子の第１電極に接続された電圧保持キャパシタとからなる、
振動吸収装置。
【００１８】
〔５〕
〔１〕から〔４〕の何れかに記載の振動吸収装置において、
前記第１制御ユニットの前記ステップ電圧出力部は、
アノードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したダイオードと、前記ダイオードに一方端子が接続され他方端子が前記圧電素子の第２電極に接続されたステップ電圧生成キャパシタとからなり、
前記第２制御ユニットの前記基準電圧出力部は、
アノードが前記電圧比較回路の出力端子側に配向したダイオードと、前記ダイオードに一方端子が接続され他方端子が前記圧電素子の第１電極に接続されたステップ電圧生成キャパシタとからなる、
振動吸収装置。
【００１９】
〔６〕
〔３〕から〔５〕の何れかに記載の振動吸収装置において、
前記第１制御ユニットの前記スイッチ信号生成部は、
前記電圧保持キャパシタの前記圧電素子の第２電極に接続された端子とは反対側の第１端子と、前記ステップ電圧生成キャパシタの前記圧電素子の第２電極に接続された端子とは反対側の第２端子との間に接続され、前記第２端子の電圧が前記第１端子の電圧よりも高いときに、前記第２端子の電圧を出力する電圧比較回路からなり、
前記第２制御ユニットの前記スイッチ信号生成部は、
前記電圧保持キャパシタの前記圧電素子の第１電極に接続された端子とは反対側の第１端子と、前記ステップ電圧生成キャパシタの前記圧電素子の第１電極に接続された端子とは反対側の第２端子との間に接続され、前記第２端子の電圧が前記第１端子の電圧よりも高いときに、前記第２端子の電圧を出力する電圧比較回路からなる、
振動吸収装置。
【００２０】
本発明において、圧電素子は、圧電素子は振動源としての構造物から繰り返しの応力または歪が生じるように当該構造物に取り付けられていてもよい。また、圧電素子は、構造物に結合された可振体から繰り返しの応力または歪が生じるように当該可振体に取り付けられていてもよい。
本発明において、「圧電素子の電圧の極性または電荷の極性」は、「圧電素子の両電極間に生じる電圧の極性または圧電素子の両電極に表れる電荷の極性」と言い換えることもできる。
【００２１】
本発明の振動吸収装置は、たとえば、橋・道路の橋脚・陸橋等の振動抑制用装置、住宅・オフィスビル等の窓ガラスの振動抑制装置等として使用できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、自律型アナログ制御回路（圧電素子のエネルギーのみで駆動できる制御回路）を用いて電圧ピークおよび電圧ボトムを検出し、かつ電圧ピークの所定回数ごとおよび電圧ボトムの所定回数ごとに、圧電素子の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方を反転することで、圧電素子にかかる電圧を大きくでき、これにより構造物の振動エネルギーを効率よく吸収することができる。
また、本発明では、構造物の振動エネルギーの電気エネルギー（電力）への変換は、設定により速やかに行うこともできるし、徐々に行うこともできる。
本発明では、アナログ素子のみを用いて構成し、かつ外部電源を必要としないので、制御部、ひいては装置全体を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１（Ａ）は特許文献１に記載された振動吸収装置としても使用できる従来の振動エネルギー回収装置を示す図である。  図１（Ｂ）は圧電素子７がアームＣＬＡに組み込まれたカンチレバーＣＬを示す図である。
【図２】図２（Ａ）は圧電素子７の両電極間の電圧を示す図である。  図２（Ｂ）はカンチレバーＣＬの振動変位Δｚを示す図である。
【図３】図３（Ａ）は振動吸収装置としても使用できる従来の振動エネルギー回収装置を示す図である。  図３（Ｂ）は図３（Ａ）の振動エネルギー回収装置に使用されるカンチレバーＣＬを示す図である。
【図４】図４（Ａ）は圧電素子７の両電極間の電圧を示す図である。  図４（Ｂ）はカンチレバーの振動変位Δｚを示す図である。
【図５】図５（Ａ）は本発明の振動吸収装置の一例を示す概要図である。  図５（Ｂ）は図５（Ａ）における符号Ｋ部分の拡大図である。
【図６】図６（Ａ）は、ブリッジ状の構造物５が上向きに撓んだときに、圧電素子１に生じる応力または歪の向きを示す説明図である。  図６（Ｂ）は、構造物５が撓んでいないときの、圧電素子１を示す説明図である。  図６（Ｃ）は、ブリッジ状の構造物５が下向きに撓んだときに、圧電素子１に生じる応力または歪の向きを示す説明図である。  図６（Ｄ）は、構造物５とマスとの間に挟まれた圧電素子１に生じる繰り返しの応力または歪を示す説明図である。
【図７】図７（Ａ）は本発明の振動吸収装置の他の例を示す概要図である。  図７（Ｂ）は図７（Ａ）における符号Ｋ部分の拡大図である。
【図８】図８は振動吸収装置１００の回路説明図である。
【図９】図９（Ａ）は圧電素子１の等価回路を示す図である。  図９（Ｂ）は、カンチレバーＣＬの振動変位Δｚと、両電極間電圧Ｖｐとの関係を示す図である。
【図１０】図１０は、圧電素子１の両電極間電圧Ｖｐ、電圧回路ＰＵＴ１１の出力、電圧保持キャパシタＣ１２の電圧（固定基準電圧ＶＲＥＦ）、ステップ電圧生成キャパシタＣ１３の電圧ＶＳＴＰ、サイリスタＳＣＲ１のゲート信号ｉｇＳＣＲ１との関係を示す図である。
【図１１】図１１（Ａ）−（Ｄ）は、圧電素子１の両電極間の電圧の反転の様子を示す図である。
【図１２】図１２（Ａ）は正の電圧ピークの３回に１回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）を反転させ、負の電圧ボトムでは毎回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）を反転させたときの、圧電素子１の両電極間の電圧Ｖｐを示す図である。  図１２（Ｂ）は正の電圧ピークの２回に１回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）を反転させ、負の電圧ボトムでは毎回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）を反転させたときの、圧電素子１の両電極間の電圧Ｖｐを示す図である。
【図１３】図１３（Ａ）は正の電圧ピークおよび負の電圧ボトムについて、ともに３回に１回、等価キャパシタＣｐの電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方を反転させときの、圧電素子１の両電極間の電圧Ｖｐを示す図である。  図１３（Ｂ）は正の電圧ピークおよび負の電圧ボトムについて、ともに２回に１回、等価キャパシタＣｐの電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方を反転させときの、圧電素子１の両電極間の電圧Ｖｐを示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の振動吸収装置１００における圧電素子１の両電極間の電圧の変化および図１（Ａ）の振動エネルギー回収装置１１０を振動吸収装置として使用したときの両電極間の電圧変化を示す図である。
【図１５】図１５は、圧電素子１の第２端子ＳＰと電気負荷３の一方の入力端子ａ１とを接続し、圧電素子１の第１端子ＰＰに制御部２の制御端子ｃ１を接続し、電気負荷３の他方の入力端子ａ２に制御部２の制御端子ｃ２を接続した振動吸収装置１００を示す図である。
【図１６】図１６は、圧電素子に直列に極性反転補償用キャパシタＣｒｃが接続された振動吸収装置１００を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図５（Ａ）は本発明の振動吸収装置の一例を示す概要図である。
図５（Ａ）において、振動吸収装置１００は、圧電素子１と、制御部２と、電気負荷３とからなる。
圧電素子１は構造物５に直接取り付けられている。
図５（Ｂ）（図５（Ａ）における符号Ｋ部分の拡大図）に示すように、構造物５の上面には、第１電極ＰＰと、ピエゾ結晶ＰＺＴと、第２電極ＳＰ（接地されている）とからなる圧電素子１が貼着されており、構造物５が繰り返して撓むことで圧電素子１には繰り返しの応力または歪が生じ、発電が行なわれる。
制御部２は、圧電素子１の両電極間に接続され、所定条件のもとに圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方を反転させる。電気負荷３は、圧電素子１の両電極間に接続され、圧電素子１から電力を取り出す。電気負荷は、たとえば抵抗や発光素子であってもよいし、発光素子を駆動する回路を含んでいてもよい。
なお、図５（Ａ）では、圧電素子１に対して、制御部２と電気負荷３とを並列に接続したが、後述するように（図１５参照）、圧電素子１と制御部２と電気負荷３の３要素を直列に接続しても、本発明の作用・効果を奏することができる。
【００２５】
図６（Ａ）−（Ｃ）は、ブリッジ状の構造物５が撓んだときに、圧電素子１に生じる応力または歪の向きを示す説明図である。
構造物５が上向きに撓んだときには、図６（Ａ）に示すように、圧電素子１には長さ方向に引っ張り応力または伸長歪が生じ、厚み方向に圧縮応力または圧縮歪が生じる。
構造物５が撓んでいない状態では、図６（Ｂ）に示すように、圧電素子１には、長さ方向および厚み方向の何れにも応力または歪が生じない。
構造物５が下向きに撓んだときに、図６（Ｃ）に示すように、圧電素子１には長さ方向に圧縮応力または圧縮歪が生じ、厚み方向に引っ張り応力または伸長歪が生じる。
図５（Ａ），（Ｂ）では、圧電素子１をブリッジ状の構造物５に貼着した例を示したが、圧電素子１は、振動する構造物５であれば、柱、ボード等に貼着することができる。
圧電素子１のピエゾ結晶ＰＺＴは、図６（Ｄ）に示すように、圧電素子１が構造物５とマスＭとの間に挟まれて圧縮と伸長を受けることもできる。この場合には、図６（Ｄ）に示すように、マスＭがバネＳの作用により上下に振動すると、圧電素子１のピエゾ結晶ＰＺＴには繰り返しの応力（圧縮応力と引っ張り応力）または繰り返しの歪（圧縮歪と伸長歪）が生じ、第１電極ＰＰと第２電極ＳＰとの間に起電力が発生する。
【００２６】
図７（Ａ）は本発明の振動吸収装置の他の例を示す概要図である。
図７（Ａ）において、振動吸収装置１００は、構造物５に取り付けられた可振体１０（図７（Ａ）では、後述するカンチレバー）に組み込まれている。
振動吸収装置１００は、圧電素子１と、制御部２と、電気負荷３とからなる。
圧電素子１には、カンチレバーＣＬのアームＣＬＡに組み込まれて、繰り返しの応力または繰り返しの歪が生じる。図７（Ａ）では構造物５の振動は、カンチレバーＣＬの先端のウェイトＣＬＷの振動に変換される。図７（Ｂ）（図７（Ａ）における符号Ｋ部分の拡大図）に示すように、アームＣＬＡには、第１電極ＰＰと、ピエゾ結晶ＰＺＴと、第２電極ＳＰ（接地されている）とからなる圧電素子１が積層形成されており、アームＣＬＡが繰り返して撓むことで圧電素子１には繰り返しの応力または繰り返しの歪が生じ、発電が行なわれる。
なお、カンチレバーＣＬは、構造物５の振動に原因して振動するとは限らず、風、流体からの圧力、人力などの外力によっても振動し得ることに注意すべきである。
なお、図７（Ａ）では、圧電素子１に対して、制御部２と電気負荷３とを並列に接続したが、後述するように（図１５参照）、圧電素子１と制御部２と電気負荷３の３要素を直列に接続しても、本発明の作用・効果を奏することができる。
【００２７】
圧電素子１は、繰り返しの応力または繰り返しの歪を受けることができれば、アームＣＬＡの支点（支柱ＣＬＰの上部）を含まない部位（アームＣＬＡが撓む部位）に設けることができる。
また、図７（Ａ）のカンチレバーＣＬでは、アームＣＬＡは支柱ＣＬＰの上部に取り付けられているが、支柱ＣＬＰが存在しない構成（構造物５に直接アームＣＬＡが取り付けられた構成）とすることもできる。
さらに、圧電素子１が繰り返しの応力または繰り返しの歪を受けることができる構成であれば、可振体１０として、板ばね、皿ばね、渦巻きばね、コイルばね等の振動体に組み込むことができる。
【００２８】
制御部２は、圧電素子１の両電極間に接続され、所定条件のもとに圧電素子１の両電極の電圧の極性または電荷のを反転させる。電気負荷３は、圧電素子１の両電極間に接続され、圧電素子１から電力を取り出す。
以下、振動吸収装置１００の動作（圧電素子１、制御部２および電気負荷３の各動作）を説明する。
【００２９】
図８は振動吸収装置１００の回路説明図である。
図８において圧電素子１は、等価的に交流電源Ｇｐ（電圧源）とキャパシタＣｐ（等価キャパシタＣｐ）との直列接続回路で表されている。交流電源Ｇｐは、繰り返し応力または繰り返しの歪を受けた圧電素子１から発生する起電力であり、等価キャパシタＣｐは圧電素子１が持つキャパシタンスに基づいている。
なお、図８では圧電素子１は、上記したように、交流電源（電圧源）ＧｐとキャパシタＣｐ（等価キャパシタＣｐ）との直列接続回路で表されているが、交流電源（電流源）と等価キャパシタとの並列接続回路で表すこともできる。
制御部２は、交互に動作する第１制御ユニット２１および第２制御ユニット２２を備えている。
第１制御ユニット２１は、第１スイッチング回路２１１と、自律型第１アナログ制御回路２１２からなり、第１スイッチング素子２１１をオン状態にすることで、電圧ピークが表れる所定回数ごとに圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方の反転を行う。
第１スイッチング回路２１１は、圧電素子１の第１電極ＰＰ側から第２電極ＳＰ側に向けて導通を行う第１スイッチング素子ＳＣＲ１とコイルＬ１との直列接続回路からなる。
本実施形態では、コイルＬ１は、圧電素子１の等価キャパシタＣｐと適切な電気振動が生じるようにインダクタンスが設定されている。
第１スイッチング回路２１１において、コイルＬ１とサイリスタＳＣＲ１の配置には自由度があり、たとえばコイルＬ１とサイリスタＳＣＲ１の配置を逆にすることもできる。
自律型第１アナログ制御回路２１２は、電圧ピーク検出部２１２１と、基準電圧出力部２１２２と、ステップ電圧出力部２１２３と、スイッチ信号生成部２１２４とからなり、第１スイッチング素子ＳＣＲ１のスイッチングを制御する。
なお、図８では、圧電素子１に対して、制御部２と電気負荷３とを並列に接続したが、後述するように（図１５参照）、圧電素子１と制御部２と電気負荷３の３要素を直列に接続しても、本発明の作用・効果を奏することができる。
【００３０】
電圧ピーク検出部２１２１は、直列接続回路ＳＲＬ１１と、直列接続回路ＳＲＬ１２と、電圧比較回路ＰＵＴ１１とからなり、圧電素子１の両電極間に生じる電圧ピークを検出する。
電圧ピーク検出部２１２１は、圧電素子１の両電極間に生じる電圧ピークを検出できるものであれば、図８に記載した構成に限定はされない。電圧ピーク検出部２１２１として、本出願前に公知となっている電圧ピーク検出回路を用いることができる。また、後述する電圧ボトム検出部２２２１についても同様、本出願前に公知となっている電圧ピーク検出回路を用いることができることは言うまでもない。
直列接続回路ＳＲＬ１１は、圧電素子１の両電極間に接続された、第１ダイオードＤ１１と抵抗Ｒ１１との直列接続回路である。第１ダイオードＤ１１は、アノードが圧電素子１の第１電極ＰＰに接続されている。抵抗Ｒ１１は、一方の端子が第１ダイオードＤ１１のカソードに接続され他方の端子が圧電素子１の第２電極ＳＰに接続されている。
直列接続回路ＳＲＬ１２は、圧電素子１の両電極間に接続された第２ダイオードＤ１２とキャパシタＣ１１との直列接続回路である。第２ダイオードＤ１２は、アノードが圧電素子１の第１電極ＰＰに接続されている。キャパシタＣ１１は、一方の端子が第２ダイオードＤ１２のカソードに接続され他方の端子が圧電素子１の第２電極ＳＰに接続されている。
電圧比較回路ＰＵＴ１１は、抵抗Ｒ１１の圧電素子１の第２電極ＳＰに接続された端子とは反対側の第１端子Ｔ１１と、キャパシタＣ１１の圧電素子１の第２電極ＳＰに接続された端子とは反対側の第２端子Ｔ１２との間に接続されている。電圧比較回路ＰＵＴ１１は、第２端子Ｔ１２の電圧と第１端子Ｔ１１の電圧との差が所定値（ＶＡＯＦＦＳＥＴ≧０）を超えたきに、第２端子Ｔ１２の電圧を出力する。
【００３１】
基準電圧出力部２１２２は、アノードが電圧比較回路ＰＵＴ１１の出力端子側に配向したダイオードＤ１３と、カソードが電圧比較回路の出力端子側に配向したツェナーダイオードＺＤ１との直列接続回路と、この直列接続回路に一方端子が接続され他方端子が圧電素子１の第２電極ＳＰに接続された電圧保持キャパシタＣ１２とからなる。基準電圧出力部２１２２は、固定基準電圧を生成・保持する。
【００３２】
ステップ電圧出力部２１２３は、アノードが電圧比較回路ＰＵＴ１１の出力端子側に配向したダイオードＤ１４と、抵抗Ｒ１２との直列接続回路と、この直列接続回路に一方端子が接続され他方端子が圧電素子１の第２電極ＳＰに接続されたステップ電圧生成キャパシタＣ１３とからなる。
ステップ電圧出力部２１２３は、電圧ピークの検出ごとに電圧値が上昇するステップ電圧を出力する。
スイッチ信号生成部２１２４は、電圧比較回路ＰＵＴ１２からなる。
【００３３】
スイッチ信号生成部２１２４は、基準電圧出力部２１２２が出力する固定基準電圧ＶＲＥＦと、ステップ電圧出力部２１２３が出力する電圧ＶＳＴＰとを比較し、電圧ＶＳＴＰが固定基準電圧ＶＲＥＦを超えたときに第１スイッチング素子ＳＣＲ１をオン状態にする。
具体的には、スイッチ信号生成部２１２４は、電圧保持キャパシタＣ１２の圧電素子１の第２電極ＳＰに接続された端子とは反対側の第１端子Ｔ１３と、ステップ電圧生成キャパシタＣ１３の圧電素子１の第２電極ＳＰに接続された端子とは反対側の第２端子Ｔ１４との間に接続されており、第２端子Ｔ１４の電圧ＶＳＴＰと第１端子Ｔ１３の電圧（固定基準電圧ＶＲＥＦ）との差が所定値（ＶＢＯＦＦＳＥＴ）を超えたきに、第２端子Ｔ１４の電圧ＶＳＴＰを出力する。
【００３４】
以上、第１制御ユニット２１の構成を説明した。第２制御ユニット２２の構成は第１制御ユニット２１の構成と同じである。
すなわち、第２制御ユニット２２は、第２スイッチング回路２２１と、自律型第２アナログ制御回路２２２とからなり、これらが第１制御ユニット２１の第１スイッチング回路２１１と、自律型第２アナログ制御回路２１２とに対応する。
ただし、圧電素子１の第１電極ＰＰに接続された第１制御ユニット２１の端子に対応する第２制御ユニット２２の端子は、圧電素子１の第２電極ＳＰに接続される。また、圧電素子１の第２電極ＳＰに接続された第１制御ユニット２１の端子に対応する第２制御ユニット２２の端子は、圧電素子１の第１電極ＰＰに接続される。
【００３５】
第２制御ユニット２２は、第２スイッチング回路２２１と、自律型第２アナログ制御回路２２２からなり、自律型第２アナログ制御回路２２２は、圧電素子１の両電極間に生じる電圧ボトムを検出し、電圧ボトムが表れる所定回数ごとに、第２スイッチング素子２２１をオン状態にすることで、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方の反転を行う。
第２スイッチング回路２２１は、第２スイッチング素子ＳＣＲ２とコイルＬ２との直列接続回路であり、これは第１スイッチング回路２１１の第１スイッチング素子ＳＣＲ１とコイルＬ１との直列接続回路に対応する。
コイルＬ２の値は、コイルＬ１の値と同じでもよいし、異なっていてもよい。
本実施形態では、コイルＬ２は、圧電素子１の等価キャパシタＣｐと適切な電気振動が生じるようにインダクタンスが選択されている。
本実施形態では、コイルＬ１は、圧電素子１の等価キャパシタＣｐと適切な電気振動が生じるようにインダクタンスが設定されている。
なお、第２スイッチング素子ＳＣＲ２は、圧電素子１の第２電極ＳＰ側から第１電極ＰＰ側に向けて導通を行う。
第２スイッチング回路２２１において、コイルＬ２とサイリスタＳＣＲ２の配置には自由度があり、たとえばコイルＬ２とサイリスタＳＣＲ２の配置を逆にすることもできる。
【００３６】
自律型第２アナログ制御回路２２２は、電圧ボトム検出部２２２１と、基準電圧出力部２２２２と、ステップ電圧出力部２２２３と、スイッチ信号生成部２２２４とからなり、これらは自律型第１アナログ制御回路２１２の、電圧ピーク検出部２１２１と、基準電圧出力部２１２２と、ステップ電圧出力部２１２３と、スイッチ信号生成部２１２４とに対応する。
【００３７】
電圧ボトム検出部２２２１は、直列接続回路ＳＲＬ２１と、直列接続回路ＳＲＬ２２と、電圧比較回路ＰＵＴ２１とからなり、これらは自律型第１アナログ制御回路２１２における電圧ピーク検出部２１２１の、直列接続回路ＳＲＬ１１と、直列接続回路ＳＲＬ１２と、電圧比較回路ＰＵＴ１１とに対応する。
第１ダイオードＤ２１と抵抗Ｒ２１との直列接続回路ＳＲＬ２１は、第１ダイオードＤ１１と抵抗Ｒ１１との直列接続回路ＳＲＬ１１に対応する。第１ダイオードＤ２１は、アノードが圧電素子１の第２電極ＳＰに接続されている。また、抵抗Ｒ２１は、一方の端子が第１ダイオードＤ２１のカソードに接続され他方の端子が圧電素子１の第１電極ＰＰに接続されている。
第２ダイオードＤ２２とキャパシタＣ２１との直列接続回路ＳＲＬ２２は、第２ダイオードＤ１２とキャパシタＣ１１との直列接続回路ＳＲＬ１２に対応する。第２ダイオードＤ２２は、アノードが圧電素子１の第２電極ＳＰに接続されている。また、キャパシタＣ２１は、一方の端子が第２ダイオードＤ２２のカソードに接続され他方の端子が圧電素子１の第１電極ＰＰに接続されている。
電圧比較回路ＰＵＴ２１は、電圧比較回路ＰＵＴ１１に対応する。電圧比較回路ＰＵＴ２１は、抵抗Ｒ２１の圧電素子１の第１電極ＰＰに接続された端子とは反対側の第１端子Ｔ２１と、キャパシタＣ２１の圧電素子１の第１電極ＰＰに接続された端子とは反対側の第２端子Ｔ２２との間に接続されている。
電圧比較回路ＰＵＴ２１は、第２端子Ｔ２２の電圧と第１端子Ｔ２１の電圧との差が所定値（ＶＡＯＦＦＳＥＴ）を超えたきに、第２端子Ｔ２２の電圧を出力する。この所定値（ＶＡＯＦＦＳＥＴ）は、自律型第１アナログ制御回路２１２における電圧ピーク検出部２１２１の電圧比較回路ＰＵＴ１１に設定された所定値（ＶＡＯＦＦＳＥＴ）に対応している。
【００３８】
基準電圧出力部２２２２は、ダイオードＤ２３と、ツェナーダイオードＺＤ２と、電圧保持キャパシタＣ２２とからなり、これらは自律型第１アナログ制御回路２１２における基準電圧出力部２１２２の、ダイオードＤ１３と、ツェナーダイオードＺＤ１と、電圧保持キャパシタＣ１２とに対応する。
ダイオードＤ２３と、ツェナーダイオードＺＤ２との直列接続回路に電圧保持キャパシタＣ２２の一方端子が接続され、電圧保持キャパシタＣ２２の他方端子が圧電素子１の第１電極ＰＰに接続される。
ステップ電圧出力部２２２３は、ダイオードＤ２４と、抵抗Ｒ２２と、ステップ電圧生成キャパシタＣ２３とからなり、これらは、自律型第１アナログ制御回路２１２におけるステップ電圧出力部２１２３の、ダイオードＤ１４と、抵抗Ｒ１２と、ステップ電圧生成キャパシタＣ１３とに対応する。ステップ電圧生成キャパシタＣ２３の一方端子は、ダイオードＤ２４と抵抗Ｒ２２との直列接続回路に接続され、他方端子は圧電素子１の第１電極ＰＰに接続される。
ステップ電圧出力部２２２３は、電圧ボトムの検出ごとに電圧値が上昇するステップ電圧を出力する。
【００３９】
スイッチ信号生成部２２２４は、電圧比較回路ＰＵＴ２２からなり、これは、自律型第１アナログ制御回路２１２におけるスイッチ信号生成部２１２４の電圧比較回路ＰＵＴ１２に対応する。
スイッチ信号生成部２２２４は、基準電圧出力部２２２２が出力する固定基準電圧ＶＲＥＦと、ステップ電圧出力部２２２３が出力する電圧ＶＳＴＰとを比較し、電圧ＶＳＴＰが固定基準電圧ＶＲＥＦを超えたときに第２スイッチング素子（ＳＣＲ２）をオン状態にする。
具体的には、スイッチ信号生成部２２２４は、電圧保持キャパシタＣ２２の圧電素子１の第１電極ＰＰに接続された端子とは反対側の第１端子Ｔ２３と、ステップ電圧生成キャパシタＣ２３の圧電素子１の第１電極ＰＰに接続された端子とは反対側の第２端子Ｔ２４との間に接続されており、第２端子Ｔ２４の電圧と第１端子Ｔ２３との差が所定値（ＶＢＯＦＦＳＥＴ）を超えたきに、第２端子Ｔ２４の電圧を出力する。この所定値（ＶＢＯＦＦＳＥＴ）は、自律型第１アナログ制御回路２１２におけるスイッチ信号生成部２１２４の電圧比較回路ＰＵＴ１２に設定された所定値（ＶＢＯＦＦＳＥＴ）に対応している。
【００４０】
電気負荷３は、ＬＥＤ駆動回路３１を備えており、ＬＥＤ駆動回路３１の入力端子ａ１，ａ２は圧電素子１の両電極間に接続され、出力端子ｂ１，ｂ２間には発光ダイオードＬＥＤｓが接続されている。
【００４１】
可振体１０が図５（Ａ），（Ｂ）、図６（Ａ）−（Ｄ）に示したように構造物５に貼着されている場合の振動吸収装置１００の動作は、可振体１０が図７（Ａ），（Ｂ）で説明したカンチレバーＣＬである場合と概ね同じである。
したがって、以下では、図８に示した振動吸収装置１００の動作を、可振体１０が図７（Ａ），（Ｂ）で説明したカンチレバーＣＬである場合を例に説明する。
前述した図７（Ａ）に参照されるように、構造物５の振動ＶＩＢはカンチレバーＣＬのウェイトＣＬＷの振動に変換される。
ウェイトＣＬＷの振動により、カンチレバーＣＬのアームＣＬＡに形成された圧電素子１には繰り返しの応力または歪が生じる。
【００４２】
図９（Ａ）の圧電素子１の等価回路に示すように、この応力または歪により圧電素子１には振動する起電力（交流起電力Ｖｇｐ）が生成される。また、等価キャパシタＣｐの電圧がバイアスＶｃｐとして働く（図９（Ａ）では第１電極ＰＰ側が正、第２電極ＳＰ側が負として示されている）。
なお、前述したように、圧電素子１は、交流電源（電流源）と等価キャパシタとの並列接続回路で表すこともできる。
図９（Ｂ）に、カンチレバーＣＬの振動変位Δｚと、両電極間電圧Ｖｐとの関係を示す。
【００４３】
図１０に、圧電素子１の両電極間電圧Ｖｐ、電圧比較回路ＰＵＴ１１の出力、電圧保持キャパシタＣ１２の電圧（固定基準電圧ＶＲＥＦ）、ステップ電圧生成キャパシタＣ１３の電圧ＶＳＴＰ、サイリスタＳＣＲ１のゲート信号ｉｇＳＣＲ１との関係を示す。
第１電極ＰＰ側が正の場合には第１制御ユニット２１が動作する。すなわち、自律型第１アナログ制御回路２１２の電圧ピーク検出部２１２１が両電極間電圧Ｖｐの１つ目のピークを検出し（図１０の時刻ｔ１参照）、電圧比較回路ＰＵＴ１１にゲート電流を与え、電圧比較回路ＰＵＴ１１はオン状態となる。
これにより基準電圧出力部２１２２の電圧保持キャパシタＣ１２の電圧（固定基準電圧ＶＲＥＦ）は基準電圧に上昇し、ステップ電圧出力部２１２３のステップ電圧生成キャパシタＣ１３の電圧ＶＳＴＰはステップ変化する。
抵抗Ｒ１２により、ステップ電圧生成キャパシタＣ１３の充電速度は、電圧保持キャパシタＣ１２の充電速度よりも遅くなる。このため、充電開始時には、ＶＳＴＰ＜ＶＲＥＦであり、電圧比較回路ＰＵＴ１２はオン状態とはならない。
【００４４】
電圧ピーク検出部２１２１が両電極間電圧Ｖｐの２つ目のピークを検出したときも（図１０の時刻ｔ２参照）、上記と同様、ＶＳＴＰ＜ＶＲＥＦであるので、電圧比較回路ＰＵＴ１２はオン状態とはならない。
電圧ピーク検出部２１２１が両電極間電圧Ｖｐの３つ目のピークを検出したときは（図１０の時刻ｔ３参照）、ツェナーダイオードＺＤ１により、ステップ電圧生成キャパシタＣ１３の充電電圧（電圧ＶＳＴＰ）は、電圧保持キャパシタＣ１２の充電電圧（固定基準電圧ＶＲＥＦ）よりも大きくなる。
これにより、電圧比較回路ＰＵＴ１２の動作条件式、ＶＳＴＰ−ＶＲＥＦ＞ＶＢＯＦＦＳＥＴが満たされ、電圧比較回路ＰＵＴ１２はオン状態となる。
電圧比較回路ＰＵＴ１２がオン状態となることで、サイリスタＳＣＲ１にゲート信号が送られ（図１０のｉｇＳＣＲ１参照）、圧電素子１の両電極間の電圧の反転が開始される。
電圧ピーク検出部２１２１が両電極間電圧Ｖｐがピークを何回検出したときに、ステップ電圧生成キャパシタＣ１３の充電電圧が、電圧保持キャパシタＣ１２の充電電圧（固定基準電圧ＶＲＥＦ）よりも大きくなるか（すなわち、何回の電圧ピークに一回、圧電素子１の両電極間の電圧の反転が行なわれるか）は、抵抗Ｒ１２およびＲ２２によって設定することができる。
この設定により、構造物５の振動エネルギーを速やかに電気エネルギー（電力）に変換することもできる。また、構造物５の振動エネルギーを徐々に電気エネルギー（電力）に変換することもできる。
【００４５】
図１１（Ａ）−（Ｄ）は、圧電素子１の両電極間の電圧の反転の様子を示す図である。
図１１（Ａ）は、第１スイッチング素子ＳＣＲ１がオン状態となる前の状態を示している（電流ｉｐｚｔ＝０）。ここでは圧電素子１のキャパシタＣｐは、第１電極ＰＰ側が正電圧となるように充電されている。
図１１（Ｂ），（Ｃ）は、第１スイッチング素子ＳＣＲ１がオン状態となった直後の状態を示している（電流ｉｐｚｔ＞０）。圧電素子１の等価キャパシタＣｐと第１スイッチング回路２１１のコイルＬ１が電気的な振動を生じさせる回路を構成することにより、等価キャパシタＣｐに充電された正電荷が第１電極ＰＰから第２電極ＳＰに流れる（負電荷が第２電極ＳＰから第１電極ＰＰに流れる）。
図１１（Ｄ）は、第１スイッチング素子ＳＣＲ１がオフ（消弧）した様子を示している（電流ｉｐｚｔ＝０）。圧電素子１の等価キャパシタＣｐの第１電極ＰＰ側が負に、第２電極ＳＰ側が正に充電されると、第１スイッチング素子ＳＣＲ１には逆阻止電圧が加えられるのでＳＣＲ１はオフしている。
これにより、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）の反転が完了し、制御は第１制御ユニット２１から、第２制御ユニット２２に渡される。
【００４６】
図１２（Ａ）は正の電圧ピークの３回に１回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）の少なくとも一方を反転させ、負の電圧ボトムでは毎回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）の少なくとも一方を反転させたときの、圧電素子１の両電極間の電圧Ｖｐを示している。
図１２（Ｂ）は正の電圧ピークの２回に１回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）の少なくとも一方を反転させ、負の電圧ボトムでは毎回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）の少なくとも一方を反転させたときの、圧電素子１の両電極間の電圧Ｖｐを示している。
【００４７】
図１３（Ａ）は正の電圧ピークおよび負の電圧ボトムについて、ともに３回に１回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）の少なくとも一方を反転させときの、圧電素子１の両電極間の電圧Ｖｐを示している。
図１３（Ｂ）は正の電圧ピークおよび負の電圧ボトムについて、ともに２回に１回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）をの少なくとも一方反転させときの、圧電素子１の両電極間の電圧Ｖｐを示している。
【００４８】
図１４は、本発明の振動吸収装置１００における圧電素子１の両電極間の電圧の変化および図１（Ａ）の振動エネルギー回収装置１１０を振動吸収装置として使用したときの両電極間の電圧変化を示す図である。
図１４の実線は、本発明において正の電圧ピークおよび負の電圧ボトムについて、ともに２回に１回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）の少なくとも一方を反転させときの、圧電素子１の両電極間の電圧Ｖｐを示している。
図１４では、本発明の振動吸収装置を用いた場合の圧電素子の両電極間の電圧は、加振開始から４０秒経過した時点で、図１に示した従来の振動吸収装置を用いた場合（図１４の破線）の３倍近く大きな値となることがわかる。
表１に、電圧のピークまたは電圧ボトムがＸ回現れるごとに１回、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性（等価キャパシタＣｐの充電電荷の極性）の少なくとも一方を反転させたときの振動変位の時間平均〔ｍｍ〕を示す。
本例では、Ｘを変化させることで所望の振動変位が実現されていることがわかる。
【００４９】
【表１】
0006706402.tif 000002
【００５０】
前述したように、本発明では、圧電素子１と制御部２と電気負荷３の３要素を直列に接続することができる。
図１５は、圧電素子１の第２端子ＳＰと電気負荷３の一方の入力端子ａ１とを接続し、圧電素子１の第１端子ＰＰに制御部２の制御端子ｃ１を接続し、電気負荷３の他方の入力端子ａ２に制御部２の制御端子ｃ２を接続した振動吸収装置１００を示す図である。
図１５の構成の振動吸収装置１００でも、本発明の作用・効果を奏することができる。
【００５１】
図１６は、圧電素子に直列に極性反転補償用キャパシタＣｒｃが接続された振動吸収装置１００を示す図である。図１６の振動吸収装置１００では、極性反転補償用キャパシタＣｒｃが、圧電素子１の電圧の極性または電荷の極性の少なくとも一方の反転に寄与している。
図１６の構成の振動吸収装置１００でも、本発明の作用・効果を奏することができる。
【００５２】
本発明の振動吸収装置は、圧電素子が直接取り付けられた構造物や圧電素子が組み込まれた可振体（カンチレバー、板ばね、皿ばね、渦巻きばね、コイルばね等）が取り付けられた構造物の振動エネルギー回収することで、当該構造物の振動を吸収している。
このことは、本発明の振動吸収装置は、振動エネルギー回収装置として使用することができることを意味している。
振動吸収装置を振動エネルギー回収装置として使用する場合には、振動吸収装置の電気負荷は、電力変換部に置き換えることができる。
電力変換部は、たとえば単相ブリッジ整流回路と蓄電キャパシタとから構成することができる。
本発明の振動吸収装置を構造物振動吸収装置として使用する場合、何回の電圧ピークに一回、圧電素子の両電極間の電圧の反転が行なわれるか（および、何回の電圧ボトムに一回、圧電素子の両電極間の電圧の反転が行なわれるか）を設定することにより、振動エネルギー回収効率を所望の特性にすることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１  圧電素子
２  制御部
３  電気負荷
５  構造物
１０  可振体
２１  第１制御ユニット
２２  第２制御ユニット
３１  ＬＥＤ駆動回路
１００  振動吸収装置
２１１  第１スイッチング回路
２１２  自律型第１アナログ制御回路
２２１  第２スイッチング回路
２２２  自律型第２アナログ制御回路
２１２１  電圧ピーク検出部
２２２１  電圧ボトム検出部
２１２２，２２２２  基準電圧出力部
２１２３，２２２３  ステップ電圧出力部
２１２４，２２２４  スイッチ信号生成部
Ｃ１２，Ｃ２２  電圧保持キャパシタ
Ｃ１３，Ｃ２３  ステップ電圧生成キャパシタ
ＣＬ  カンチレバー
ＣＬＡ  アーム
ＣＬＷ  ウェイト
Ｃｐ  等価キャパシタ
Ｇｐ  交流電源
ｉｇＳＣＲ１  サイリスタＳＣＲ１のゲート信号
ＬＥＤｓ  発光ダイオード
ＰＰ  第１電極
ＰＵＴ１１，ＰＵＴ１２，ＰＵＴ２１，ＰＵＴ２２  電圧比較回路
ＳＣＲ１  第１スイッチング素子
ＳＣＲ２  第２スイッチング素子
ＳＰ  第２電極
Ｖｐ  圧電素子の両電極間電圧
ＶＲＥＦ  電圧保持キャパシタの電圧（固定基準電圧）
ＶＳＴＰ  ステップ電圧生成キャパシタの充電電圧
Δｚ  カンチレバーの振動変位
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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