(57)【要約】【課題】用いる圧電体の電気機械結合係数ｋの大きさによらず、容易に大きな制御幅が得られる音響・振動制御装置を提供する。【解決手段】一対の電極１，１を夫々設けた２つの圧電体２，３と負性容量回路４からなり、圧電体２，３が音又は振動の伝搬経路に挿入されるか振動を発生する部位に装着され、そのうち少なくとも一つの圧電体２は負性容量回路４に負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続され、他の圧電体３は負性容量回路４の任意の部位に接続されるか、負性容量回路４を構成する素子または素子の一部となるように接続された。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極を夫々設けた複数の圧電体と負性容量回路からなり、前記圧電体が音又は振動の伝搬経路に挿入されるか振動を発生する部位に装着され、そのうち少なくとも一つの圧電体は前記負性容量回路に負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続され、他の圧電体は前記負性容量回路の任意の部位に接続されるか、前記負性容量回路を構成する素子または素子の一部となるように接続されたことを特徴とする音響・振動制御装置。
【請求項２】
歪みが生じる時間の差が小さく、且つ歪みがほぼ同位相か逆位相となるよう前記圧電体を音又は振動の伝搬経路に挿入するか振動を発生する部位に装着する請求項１記載の音響・振動制御装置。
【請求項３】
前記圧電体のうち少なくとも２つを同じ物質で形成し、そのうちの少なくとも一つは前記負性容量回路に負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続され、他の圧電体は前記負性容量回路を構成する素子または素子の一部となるように接続された請求項１又は２記載の音響・振動制御装置。
【請求項４】
前記圧電体のうち少なくとも２つ以上の圧電体が音や振動によって歪みが生じる部位を互いに接しないように配置された請求項１、２又は３記載の音響・振動制御装置。
【請求項５】
前記圧電体のうち少なくとも２つ以上の圧電体が接するように配置された請求項１、２又は３記載の音響・振動制御装置。
【請求項６】
前記圧電体のうち少なくとも２つ以上の圧電体が接着するように配置された請求項１、２又は３記載の音響・振動制御装置。
【請求項７】
前記負性容量回路の任意の部位に接続された圧電体のうち、圧電体と負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続されていない圧電体と前記負性容量回路との間に緩衝増幅器、電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器、遅延回路のうち少なくとも一つを接続した請求項１、２、３、４、５又は６記載の音響・振動制御装置。
【請求項８】
前記負性容量回路の任意の部位に接続された圧電体のうち、圧電体と負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続されていない圧電体と前記負性容量回路との間に緩衝増幅器と、更に電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器、遅延回路のうち少なくとも一つを接続した請求項１、２、３、４、５又は６記載の音響・振動制御装置。
【請求項９】
前記位相変換器が、任意の周波数帯域で入力電圧と出力電圧の間に約９０°の位相差を有する請求項７又は８記載の音響・振動制御装置。
【請求項１０】
前記位相変換器が、微分回路又は積分回路である請求項７又は８記載の音響・振動制御装置。
【請求項１１】
電圧増幅器の増幅率、電圧減衰器の減衰率、位相変換器の位相変換特性、遅延回路の遅延時間などの電気的特性のうち、少なくとも一つを可変とした請求項７、８、９又は１０記載の音響・振動制御装置。
【請求項１２】
前記負性容量回路の容量及び損失係数、又はこれらのいずれかを可変とした請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の音響・振動制御装置。
【請求項１３】
前記一対の電極を夫々設けた複数の圧電体の代わりに一つの圧電体と分割された電極を組み合わせた請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の音響・振動制御装置。
【請求項１４】
前記負性容量回路の代わりに電荷増幅器を用いた請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の音響・振動制御装置。
【請求項１５】
前記圧電体の代わりにバイアス歪み又はバイアス電圧を与えた電歪材を用いた請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の音響・振動制御装置。
【請求項１６】
前記圧電体の代わりにバイアス歪み又はバイアス電流を与えた磁歪材を用い、前記負性容量回路の代わりに負性インダクタンス回路を用いた請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の音響・振動制御装置。
【請求項１７】
前記圧電体の代わりに電気系と機械系の間に結合効果を有する物質を用い、この物質のインピーダンス特性を負性とした特性を有する回路を前記負性容量回路の代わりに接続した請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の音響・振動制御装置。
【請求項１８】
前記負性インピーダンス特性を有する回路として、負性抵抗回路、負性容量回路又は負性インダクタンス回路を用いた請求項１７記載の音響・振動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体などの電気エネルギーと機械エネルギーの変換作用を持つ物質を弾性波の伝搬経路に挿入するか、振動を生じる部位に装着して音を遮断又は振動を減衰させる音響・振動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、音や振動の吸収、遮断に用いられる手法として、例えば音の吸収にはグラスウール等の多孔質材、ベニア板などの薄膜、共鳴器が挙げられ、音の遮断にはコンクリート等の面密度の大きな単層壁や２重壁などが挙げられる。また、振動の吸収には防振ゴムやダンパー等が挙げられ、振動の遮断にはコイルバネ等が挙げられる。これらは、いずれも用いる物の形状や弾性率および弾性損失といった力学的性質によって音や振動の吸収、遮断を達成する。
【０００３】
一方、圧電体の弾性率および弾性損失を、いわゆる負性容量回路（負性容量を呈する回路）によって任意に制御することが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、圧電体の弾性率および弾性損失を負性容量回路によって任意に制御することを湾曲させた圧電性高分子フィルムに応用した可変吸音装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
これらによると、負性容量回路による圧電体の弾性率および弾性損失の制御は、全体の容量が正の時に実現される。全体の容量が負の時、回路は発振する。負性容量回路の容量をＣ（＜０）、圧電体の容量をＣｐとする。圧電体に負性容量を並列に接続した場合、全体の容量はＣ＋Ｃｐ≧０なので、Ｃのとりうる範囲は、−Ｃｐ≦Ｃ≦０となる。負性容量を直列に接続した場合、全体の容量は１／Ｃ＋１／Ｃｐ≧０なので、Ｃのとりうる範囲は、−∞≦Ｃ≦−Ｃｐとなる。
【０００５】
これらの条件の下、圧電体の弾性率Ｙは、Ｙ＝Ｙ０（１−ｋ２／（１＋Ｃ／Ｃｐ））−１で表され、負性容量と圧電体の容量比に依存する。なお、ｋは電気機械結合係数、Ｙ０は電極間を開放とした時の圧電体の弾性率である。また、容量比が一定であれば、弾性率変化は電気機械結合係数ｋの２乗に依存するので、電気機械結合係数ｋが大きいほど弾性率変化は顕著になる。しかしながら、これらは圧電体の電気的損失が考慮されておらず、一般的に用いられている圧電体に適用することは困難であった。
【０００６】
そこで、圧電体の電気的損失を考慮した負性容量回路による弾性率および弾性損失の制御方法およびこれを応用した音や振動など弾性波の制御方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
これによると、圧電体と負性容量回路の電気的損失係数を一致させると、弾性率および弾性損失が圧電体と負性容量回路の複素容量の実数部の比に応じて変化すること、それに応じて圧電体の遮音・吸音性能および振動伝達特性を変化させることが可能である。
更に、負性容量回路を構成する素子または素子の一部に、コンデンサ、抵抗、コイルのうち２つ以上からなる時定数分布回路または圧電体と同じ材料で作製したコンデンサを用いると、任意の周波数帯域で圧電体と負性容量回路の損失係数を一致させることができ、その周波数帯域の音を遮断又は振動を減衰することが一様に可能である。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−７４９９０号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６１２８４号公報
【特許文献３】
特開２００２−１２４７１３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧電性セラミックの厚み振動では電気機械結合係数ｋは０．６であり、圧電性高分子フィルムの長さ振動では電気機械結合係数ｋはおよそ圧電性セラミックの厚み振動の１／１０の０．０５である。容量比を−０．６としたときの弾性率変化は、圧電性セラミックの厚み振動では１０倍にも達するのに対し、圧電性高分子フィルムの長さ振動では１．６倍にすぎない。負性容量を接続した圧電体の弾性率は、容量比が−（１  −ｋ２）のときに最大になる。このときの容量比は、圧電性セラミックの厚み伸縮を用いた場合では−０．６４となり、圧電性高分子フィルムの長さ伸縮を用いた場合では−０．９９７５となる。
【００１０】
しかしながら、容量比を−１を越えて弾性率制御を行おうとした場合、全体の容量が負となり発振を生じるため、電気機械結合係数ｋが小さくなるにつれて、安定に弾性率変化を大きく変化させることは困難となる。即ち、負性容量と圧電体によって音および振動制御を行うにあたり、用いる材料の電気機械結合係数ｋが小さくなるにつれて大きな制御幅（遮音率，吸音率，振動伝達率など）は得難くなる。
【００１１】
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、用いる圧電体の電気機械結合係数ｋの大きさによらず容易に大きな制御幅が得られる音響・振動制御装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、一対の電極を夫々設けた複数の圧電体と負性容量回路からなり、前記圧電体が音又は振動の伝搬経路に挿入されるか振動を発生する部位に装着され、そのうち少なくとも一つの圧電体は前記負性容量回路に負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続され、他の圧電体は前記負性容量回路の任意の部位に接続されるか、前記負性容量回路を構成する素子または素子の一部となるように接続された。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の音響・振動制御装置において、歪みが生じる時間の差が小さく、且つ歪みがほぼ同位相か逆位相となるよう前記圧電体を音又は振動の伝搬経路に挿入するか振動を発生する部位に装着する。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の音響・振動制御装置において、前記圧電体のうち少なくとも２つを同じ物質で形成し、そのうちの少なくとも一つは前記負性容量回路に負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続され、他の圧電体は前記負性容量回路を構成する素子または素子の一部となるように接続された。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１、２又は３記載の音響・振動制御装置において、前記圧電体のうち少なくとも２つ以上の圧電体が音や振動によって歪みが生じる部位を互いに接しないように配置された。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１、２又は３記載の音響・振動制御装置において、前記圧電体のうち少なくとも２つ以上の圧電体が接するように配置された。
【００１７】
請求項６に係る発明は、請求項１、２又は３記載の音響・振動制御装置において、前記圧電体のうち少なくとも２つ以上の圧電体が接着するように配置された。
【００１８】
請求項７に係る発明は、請求項１、２、３、４、５又は６記載の音響・振動制御装置において、前記負性容量回路の任意の部位に接続された圧電体のうち、圧電体と負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続されていない圧電体と前記負性容量回路との間に緩衝増幅器、電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器、遅延回路のうち少なくとも一つを接続した。
【００１９】
請求項８に係る発明は、請求項１、２、３、４、５又は６記載の音響・振動制御装置において、前記負性容量回路の任意の部位に接続された圧電体のうち、圧電体と負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続されていない圧電体と前記負性容量回路との間に緩衝増幅器と、更に電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器、遅延回路のうち少なくとも一つを接続した。
【００２０】
請求項９に係る発明は、請求項７又は８記載の音響・振動制御装置において、前記位相変換器が、任意の周波数帯域で入力電圧と出力電圧の間に約９０°の位相差を有する。
【００２１】
請求項１０に係る発明は、請求項７又は８記載の音響・振動制御装置において、前記位相変換器が、微分回路又は積分回路である。
【００２２】
請求項１１に係る発明は、請求項７、８、９又は１０記載の音響・振動制御装置において、電圧増幅器の増幅率、電圧減衰器の減衰率、位相変換器の位相変換特性、遅延回路の遅延時間などの電気的特性のうち、少なくとも一つを可変とした。
【００２３】
請求項１２に係る発明は、請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の音響・振動制御装置において、前記負性容量回路の容量及び損失係数、又はこれらのいずれかを可変とした。
【００２４】
請求項１３に係る発明は、請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の音響・振動制御装置において、前記一対の電極を夫々設けた複数の圧電体の代わりに一つの圧電体と分割された電極を組み合わせた。
【００２５】
請求項１４に係る発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の音響・振動制御装置において、前記負性容量回路の代わりに電荷増幅器を用いた。
【００２６】
請求項１５に係る発明は、請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の音響・振動制御装置において、前記圧電体の代わりにバイアス歪み又はバイアス電圧を与えた電歪材を用いた。
【００２７】
請求項１６に係る発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の音響・振動制御装置において、前記圧電体の代わりにバイアス歪み又はバイアス電流を与えた磁歪材を用い、前記負性容量回路の代わりに負性インダクタンス回路を用いた。
【００２８】
請求項１７に係る発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の音響・振動制御装置において、前記圧電体の代わりに電気系と機械系の間に結合効果を有する物質を用い、この物質のインピーダンス特性を負性とした特性を有する回路を前記負性容量回路の代わりに接続した。
【００２９】
請求項１８に係る発明は、請求項１７記載の音響・振動制御装置において、前記負性インピーダンス特性を有する回路として、負性抵抗回路、負性容量回路又は負性インダクタンス回路を用いた。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る音響・振動制御装置の概略構成図、図２と図３は負性容量回路の構成図、図４は負性容量回路の素子の構成図、図５は圧電体と素子の構成図、図６は圧電体に対する補助回路の使用説明図、図７は圧電体に対する緩衝増幅器と補助回路の使用説明図、図８は電荷増幅器を用いた音響・振動制御装置の概略構成図、図９は本発明に係る音響・振動制御装置を適用した実験装置の構成図、図１０は実験結果の音響透過損失の周波数特性である。
【００３１】
本発明に係る音響・振動制御装置は、図１に示すように、一対の電極１，１を設けた２つの圧電体２，３と負性容量回路４からなる。
圧電体２，３としては、Ｐｂ（Ｔｉｎ，Ｚｒ１−ｎ）Ｏ３、ビスマス層状化合物などの圧電性セラミック、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン系共重合体、ナイロンなどの圧電性ポリマー、圧電性セラミックとポリマーからなる複合材料などが挙げられる。圧電体２，３は音又は振動の伝搬経路に挿入されるか、又は振動を発生する部位に装着される。圧電体２，３を配列する方法は、目的や用途に応じて適切に施す必要がある。
【００３２】
ここでは、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように圧電体２，３を重ねる方法と、図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示すように圧電体２，３を並べる方法について説明する。図１（ａ）及び図１（ｃ）に示す圧電体２，３は、互いに接触せず機械的干渉は小さい。この場合、音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能は、それぞれの歪みの時間差が大きいほど低下するため、時間差を可能な限り小さくし、ほぼ同位相又は逆位相とする必要がある。
【００３３】
図１（ｂ）及び図１（ｄ）に示す圧電体２，３は、互いに直接接触するか又は電極１を介して接着される。この場合、それぞれ圧電体２，３には互いに機械的干渉が生じるが、それぞれの歪みに時間差は無くなる。
【００３４】
そして、一方の圧電体２は、負性容量回路４に負性容量が並列又は直列に接続されることと等価になるように接続される。他方の圧電体３は、負性容量回路４を構成する配線の任意の部位か、負性容量回路４を構成する素子又は素子の一部となるように接続される。負性容量が並列又は直列に接続されることと等価になるように負性容量回路４に接続された圧電体２は、従来技術と同様に負性容量回路４によって弾性率又は弾性損失が電気的に増減され、音を遮断し又は振動を減衰する。
【００３５】
負性容量回路４の任意の部位、負性容量回路４を構成する素子又は素子の一部となるように接続された圧電体３は、音や振動が伝搬することによって生じる弾性歪みを、負性容量回路４により印加された電圧によって生じる圧電性に起因する歪みによって制御する。弾性歪みが圧電性に起因する歪みとほぼ逆位相であれば、歪みは互いに相殺される。これは、圧電体３の見かけの弾性率が増加したことになり、音を遮断するのに有効である。一方、弾性歪みが圧電性に起因する歪みと同位相の場合、弾性反発力は相殺される。これは、見かけの弾性率が減少したことになり、振動を減衰するのに有効である。
【００３６】
図２に負性容量回路４の具体的な構成を３種類示す。図２（ａ）に示す負性容量回路４ａは、演算増幅器（オペアンプ）５と抵抗Ｒ１，Ｒ２とコンデンサＣ０からなり、コンデンサＣ０で正帰還ループを構成するようにしている。そして、一対の電極１，１を設けた圧電体２を演算増幅器５の非反転入力端子５ａとアースに並列接続して、圧電体２と負性容量を並列接続したことと等価にしている。
【００３７】
図２（ｂ）に示す負性容量回路４ｂは、演算増幅器５と抵抗Ｒ１，Ｒ２とコンデンサＣ０からなり、コンデンサＣ０で負帰還ループを構成するようにしている。そして、一対の電極１，１を設けた圧電体２を演算増幅器５の反転入力端子５ｂとアースに並列接続して、圧電体２と負性容量を直列接続したことと等価にしている。
【００３８】
図２（ｃ）に示す負性容量回路４ｃは、演算増幅器５と抵抗Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とコンデンサＣ０からなり、抵抗Ｒ０，Ｒ４と並列接続したコンデンサＣ０で負帰還ループを構成するようにしている。そして、一対の電極１，１を設けた圧電体２を演算増幅器５の反転入力端子５ｂとアースに並列接続して、圧電体２と負性容量を直列接続したことと等価にしている。
いずれの負性容量回路についても、単一周波数又は任意の周波数帯域で損失係数を圧電体の損失係数とほぼ一致させる。
【００３９】
Ｃ０はコンデンサの他、コンデンサと抵抗の直列接続又は並列接続、図４に示すような時定数分布回路が挙げられる。コンデンサを圧電体２と同一の物質で構成すれば温度や周波数によらず、容易に損失係数を圧電体２の損失係数と一致させることができる。
【００４０】
負性容量回路４ａ，４ｂにおける複素容量Ｃ＊は、Ｃ＊＝−Ｃ０＊（Ｒ２／Ｒ１）となる。ここで、Ｃ０＊はコンデンサＣ０の複素容量である。
負性容量回路４ｃでは、コンデンサＣ０に抵抗Ｒｐ（＝−Ｒ０（Ｒ４／Ｒ３））が並列に接続されているので、容量Ｃは、Ｃ＝−Ｃ０＊（Ｒ２／Ｒ１）となる。なお、Ｃ０＊はコンデンサＣ０と抵抗Ｒｐで構成された複素容量である。
【００４１】
ここで、３つの負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃのいずれも抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を一つのポテンショメータ（可変抵抗器）で構成すれば、負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃの容量は可変となる。また、負性容量回路４ｃで抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４を一つのポテンショメータで構成すれば、抵抗Ｒｐは可変となる。
【００４２】
また、負性容量回路４に負性容量が並列又は直列に接続されることと等価になるように接続される圧電体２以外の圧電体３は、負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃの任意の部位Ｐ１〜Ｐ１０とアースに並列接続される。図２に示すように、圧電体３が部位Ｐ２，Ｐ５，Ｐ９（演算増幅器５の出力端子５ｃ）に接続された場合には、圧電体３に演算増幅器５の出力電圧が印加される。
演算増幅器５の非反転入力端子５ａ又は反転入力端子５ｂに接続された圧電体２に帰還される電圧は、演算増幅器５の出力電圧を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２で分割した電圧であるから、部位Ｐ２，Ｐ５，Ｐ９に接続された圧電体３には帰還電圧よりも大きな振幅の電圧が印加される。
【００４３】
圧電体３が部位Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ１０に接続された場合には、圧電体３に演算増幅器５の非反転入力端子５ａ又は反転入力端子５ｂに接続された圧電体２に印加される電圧と同じ振幅の電圧が印加される。また、圧電体３が部位Ｐ８に接続された場合には、圧電体３に部位Ｐ９と部位Ｐ１０の電位差を抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４で分割した電圧が印加される。
【００４４】
また、演算増幅器５の非反転入力端子５ａ又は反転入力端子５ｂに接続された圧電体２と同じ材質の圧電体３を、音や振動の伝搬経路に挿入するか又は振動を発生する部位に直接装着し、負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃを構成するコンデンサＣ０となるように負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃに接続すると、圧電体３には演算増幅器５の入出力端子間の電圧が印加され、音を遮断又は振動を減衰することができると同時に、負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃと圧電体２の損失係数を温度および周波数によらず一致させることができる。
【００４５】
図３に図２に示す負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃと異なる負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆの構成を示す。素子１１〜素子２２は、抵抗、コンデンサ又はコイル或いはこれらを２つ以上組み合わせて構成され、任意の周波数帯域で演算増幅器５の非反転入力端子５ａ又は反転入力端子５ｂに接続された圧電体２と負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆの損失係数をほぼ一致させることができる。
【００４６】
そして、素子１１，１２，１４，１５，１７，１８，２０，２１，２２を抵抗とし、素子１３，１６，１９を図４に示すようにコンデンサと抵抗で構成し、圧電体２と任意の周波数帯域で損失係数が一致すれば、容易に損失係数をその周波数帯域で一致させることができる。素子１３，１６，１９を構成するコンデンサとして圧電体２と同一の物質のコンデンサを用いれば、容易に圧電体２と負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆの損失係数を温度や周波数によらず一致させることができる。
【００４７】
また、素子１３，１６，１９を構成するコンデンサ又は抵抗のうち少なくとも１つ以上を可変とすれば、負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆの損失係数の周波数特性を可変とすることができ、それに応じて圧電体２，３が音を遮断し又は振動を減衰する周波数帯域が変化する。
【００４８】
図３（ａ）に示す負性容量回路４ｄの容量は、素子１３の複素容量と素子１２と素子１１のインピーダンス比の積となる。図３（ｂ）に示す負性容量回路４ｅの容量は、素子１６の複素容量と素子１４と素子１５のインピーダンス比の積となる。図３（ｃ）に示す負性容量回路４ｆの容量は、インピーダンスが素子２２と素子２１のインピーダンス比と素子２０のインピーダンス積で表される素子が、素子１９と並列接続した複素容量と、素子１７と素子１８のインピーダンス比の積となる。
【００４９】
図２に示す負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃと同様に、素子１１と素子１２、素子１４と素子１５、素子１７と素子１８を一つのポテンショメータで構成すれば、容量を可変とすることができる。また、負性容量回路４ｆでは素子２１および２２を一つのポテンショメータで構成すれば、損失係数の周波数特性を可変とすることができる。
【００５０】
負性容量が並列又は直列に接続されることと等価になるよう負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆに接続される圧電体２以外の圧電体３は、負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆを構成する素子の一部となるように接続されるか又は負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆの任意の部位Ｐ１１〜Ｐ２０とアースに並列接続される。
【００５１】
圧電体３を負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆを構成する素子の一部となるように接続した場合、圧電体３には素子にかかる電圧が印加される。圧電体３を部位Ｐ１２，Ｐ１５，Ｐ１９に接続した場合には、圧電体３に演算増幅器５の出力電圧が印加される。更に、それ以外の部位に接続した場合には、圧電体３に素子のインピーダンスによって分割された電圧が印加される。目的の電圧振幅を得るためであれば、負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆを構成する素子を分割し、その間に接続することも可能である。
【００５２】
また、演算増幅器５の非反転入力端子５ａ又は反転入力端子５ｂに接続された圧電体２と同じ材質の圧電体３を、音や振動の伝搬経路に挿入するか又は振動を発生する部位に直接装着し、負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆを構成する素子１３、素子１６または素子１９となるように負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆに接続してもよい。この圧電体３には演算増幅器５の入出力端子間の電圧が印加され、音を遮断又は振動を減衰することができると同時に、負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆと圧電体２の損失係数を温度および周波数によらず一致させることができる。
【００５３】
負性容量回路４に接続される全ての圧電体２，３には、圧電体２，３と負性容量回路４の損失係数を任意の周波数帯域で一致させるため、図５に示すように素子３１，３２，３３が接続される。それぞれの素子３１，３２，３３は、抵抗、コンデンサ、コイルまたはこれらを２つ以上組み合わせて構成されている。その他に、素子３１は開放でもよく、素子３２と素子３３は短絡されてもよい。
【００５４】
本発明に係る音響・振動制御装置では、負性容量回路４の損失係数と、負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように負性容量回路４に接続された圧電体２の損失係数がほぼ一致した周波数帯域で、圧電体２は音を遮断又は振動を減衰することができる。そして、負性容量回路４の任意の部位に新たに圧電体３を付加すると、負性容量回路４の電気的特性は変化する。
【００５５】
そのため、負性容量回路４の容量および損失係数の周波数特性は、新たに付加した圧電体３の容量、損失係数および接続される部位を考慮して求める必要がある。このようにして求めた負性容量回路４の損失係数と、負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように負性容量回路４に接続された圧電体２の損失係数がほぼ一致した周波数帯域で、圧電体２，３は音を遮断又は振動を減衰することができる。
【００５６】
負性容量回路４に接続されている圧電体２，３のうち、負性容量が並列又は直列に接続されているものと等価でない圧電体３について、図６に示すように、圧電体３と負性容量回路４の間に補助回路４１を１つ以上接続することがある。補助回路４１としては、緩衝増幅器、電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器、遅延回路が挙げられる。
【００５７】
緩衝増幅器を用いれば、新たに設けた圧電体３が負性容量回路４の電気的特性に影響を与えないので、負性容量回路４の容量は従来の手法で求めることができる。そして、負性容量回路４の損失係数と、負性容量が並列又は直列に接続されたことと等価になるよう負性容量回路４に接続された圧電体２の損失係数を任意の周波数帯域で容易に一致させることができる。
【００５８】
電圧増幅器または電圧減衰器を用いれば、新たに設けた圧電体３の音の遮断性能又は振動の減衰性能を、負性容量回路４の接続部位に依らずに増減することが可能となる。また、増幅率または減衰率を可変とすれば、圧電体３の音対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を可変とすることができる。
【００５９】
位相変換器を用いれば、その周波数帯域で圧電体３の弾性損失を増加することができ、音や振動を減衰することができる。減衰率は位相差が９０°の時に最大となる。このような作用を持つ回路としては、微分回路や積分回路が挙げられる。周波数帯域および入力電圧と出力電圧の位相差を可変とすれば、音や振動が減衰される周波数帯域および減衰率は可変となる。
【００６０】
また、負性容量が直列又は並列に接続したことと等価になるよう負性容量回路４に接続した圧電体２が音や振動が伝搬したことによって生じる歪みと、負性容量回路４の任意の部位に接続した圧電体３が音や振動が伝搬したことによって生じる歪みの間に時間差が生じる場合、遅延回路を用いてそれぞれの歪みの時間差による性能劣化を補償することができる。
更に、緩衝増幅器、電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器又は遅延回路を２つ以上接続することによって、それぞれの効果を同時に得ることができる。
【００６１】
図７に示すように、圧電体３と緩衝増幅器４２との間に補助回路４１を接続し、緩衝増幅器４２を負性容量回路４に接続すれば、負性容量回路４の電気的特性に与える圧電体３と補助回路４１の影響を防ぐことができる。
【００６２】
本発明の実施の形態では、圧電体２，３と負性容量回路４を組み合わせたものについて述べたが、圧電体２，３の代わりにバイアス歪みまたはバイアス電圧を与えた電歪材料を、またはバイアス歪みまたはバイアス電流を与えた磁歪材料を用いることができる。また、負性容量回路４の代わりに負性インダクタンス回路を用いることができる。
【００６３】
その他に、圧電体２，３の代わりに電気系と機械系の結合効果を有する物を用い、負性容量回路４の代わりに負性抵抗回路、負性容量回路、負性インダクタンス回路など、用いる物のインピーダンス特性を負性とした電気回路を用いることができる。
【００６４】
図８に負性容量回路４の代わりに電荷増幅器４５を用いた構成を示す。電荷増幅器４５の入力端子と出力端子にそれぞれ、少なくとも一対の電極４６，４６を設けた１つの圧電体４７，４８を接続する。負性容量回路４を用いる場合と異なり、電荷増幅器４５は入力端子に接続された圧電体４７の弾性率を制御することはできない。この圧電体４７は音や振動を検出するがこれらを制御することはできない。
【００６５】
電荷増幅器４５の出力端子に接続された圧電体４８には、音や振動が伝搬することによって圧電体４７に歪みが生じると、電荷増幅器４５の出力端子より電圧が印加される。すると、圧電体４８には圧電性に起因する歪みが生じる。これらの歪みがほぼ逆位相であれば、圧電体４８の正味の歪みは減少し、同位相であれば、正味の歪みは増加して正味の弾性反発力は減衰する。
【００６６】
このように、出力端子に接続された圧電体４８は、見かけの弾性率を変化させられ、任意に音を遮断又は振動を減衰することができる。なお、圧電体４８と電荷増幅器４５の出力端子の間に補助回路４１を少なくとも１つ以上接続することによって、圧電体４８の音に対する遮断性能や振動に対する減衰性能を制御することができる。
【００６７】
電圧増幅器または電圧減衰器を用いれば、新たに設けた圧電体４８の音の遮断性能又は振動の減衰性能を増減することが可能となる。また、増幅率または減衰率を可変とすれば、圧電体４８の音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を可変とすることができる。
【００６８】
位相変換器を用いれば、その周波数帯域で圧電体４８の弾性損失を増加することができ、音や振動を減衰することができる。減衰率は位相差が９０°の時に最大となる。このような作用を持つ回路として、微分回路や積分回路が挙げられる。周波数帯域および入力電圧と出力電圧の位相差を可変とすれば、音や振動が減衰される周波数帯域および減衰率は可変となる。
【００６９】
また、電荷増幅器４５の入力端子に接続された圧電体４７が、音や振動が伝搬したことによって生じる歪みと、電荷増幅器４５の出力端子に接続された圧電体４８が音や振動が伝搬したことによって生じる歪みの間に時間差が生じる場合、遅延回路を用いて圧電体４８に対する印加電圧に同様の時間差を設ければ、それぞれの歪みの時間差による性能劣化を補償することができる。なお、圧電体４７，４８をバイアス歪み又はバイアス電圧を加えた電歪材料としてもよい。
【００７０】
次に、圧電体としてＰＶＤＦフィルムを用いた場合の遮音制御について説明する。図９に示すように、音響管５０を用いてＰＶＤＦフィルム５１の音響透過損失を測定した。音響管５０として内径４３ｍｍのアクリル管を用い、ＰＶＤＦフィルム５１は背後よりウレタンフォーム５２と金網５３によってドーム状に成形されている。ドーム状にすることによって、ＰＶＤＦフィルム５１は音圧が生じると面内の伸縮振動を生じる。
【００７１】
音響管５０内には、ドーム状に成形したＰＶＤＦフィルム５１を入射音に対して前後２重に配置した。２つのＰＶＤＦフィルム５１，５１間の距離は約５ｍｍとした。また、それぞれのＰＶＤＦフィルム５１，５１の両面には電極５４が蒸着されている。なお、ここで用いた負性容量回路４は、図２（ａ）に示す負性容量回路４ａと同じ構成のもので、抵抗Ｒ１およびＲ２は一つのポテンショメータで構成し、コンデンサＣ０にはＰＶＤＦで作製したコンデンサを用いた。
【００７２】
入射音に対して前側に配置したＰＶＤＦフィルム５１では、一方の電極５４を接地し、他方の電極５４を負性容量回路４に接続した。また、後側に配置したＰＶＤＦフィルム５１では、音により生じる歪みを電圧によって生じる圧電性に起因する歪みで減少させるように、一方の電極５４を接地し、他方の電極５４を図２（ａ）に示す負性容量回路４ａの部位Ｐ２に緩衝増幅器４２を介して接続した。
【００７３】
図１０に実験結果としての音響透過損失の周波数特性を示す。破線は負性容量回路などを接続しないＰＶＤＦフィルム５１を用いた結果（制御なし）、点線は従来の手法で前側のＰＶＤＦフィルム５１のみ負性容量回路によって遮音制御を行った結果（従来技術）、実線は本発明の音響制御装置により２枚のＰＶＤＦフィルム５１，５１を制御した結果（本発明の手法）を示す。
【００７４】
従来の手法では、ＰＶＤＦフィルム５１の遮音制御は２００Ｈｚから１．６ｋＨｚにかけて５ｄＢ程度である。一方、本発明の手法では、制御幅が２０〜３５ｄＢに拡大している。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に係る発明によれば、圧電体の音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能は、負性容量回路の任意の部位に接続されるか、負性容量回路を構成する素子または素子の一部となるように接続された圧電体への印加電圧によって制御することができる。そのため、小さな電気機械結合係数ｋを持つ圧電体を用いた場合でも容易に音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を向上することができる。
【００７６】
請求項２に係る発明によれば、音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を向上することができる。
【００７７】
請求項３に係る発明によれば、音又は振動の伝搬経路に挿入されるか振動を発生する部位に装着された圧電体について、少なくとも２つを同じ物質とし、そのうち少なくとも一つは負性容量回路に負性容量が並列又は直列に接続したことと等価になるように接続され、他は負性容量回路を構成する素子または素子の一部になるように接続することによって、制御周波数帯域の広帯域化および温度補償が可能となる。
【００７８】
請求項４に係る発明によれば、少なくとも２つ以上の圧電体を音や振動によって歪みが生じる部位が互いに接しないように配置することによって、それぞれの圧電体の歪みの干渉を最小限にすることができる。
【００７９】
請求項５に係る発明によれば、振動の伝搬経路に挿入されるか振動を発生する部位に装着された圧電体について、少なくとも２つ以上を接するように配置することによって、それぞれの圧電体の歪みに生じる時間差を最小限とすることが可能となる。
【００８０】
請求項６に係る発明によれば、振動の伝搬経路に挿入されるか振動を発生する部位に装着された圧電体について、少なくとも２つ以上を接着することによって、それぞれの圧電体の歪みに生じる時間差を最小限とすることが可能となる。
【００８１】
請求項７に係る発明によれば、負性容量回路の任意の部位に接続された圧電体のうち、圧電体と負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続されていない圧電体と負性容量回路との間に緩衝増幅器、電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器、遅延回路のうち少なくとも１つを接続することによって、音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を最適化することが可能となる。
【００８２】
請求項８に係る発明によれば、負性容量回路の任意の部位に接続された圧電体のうち、圧電体と負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように接続されていない圧電体と負性容量回路との間に緩衝増幅器を接続し、更に圧電体と緩衝増幅器の間に電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器、遅延回路のうち少なくとも１つを接続することによって、負性容量回路の電気的特性に与える圧電体および付加回路の影響を最小限にすることができる。
【００８３】
請求項９に係る発明によれば、位相変換器として任意の周波数帯域で入力電位と出力電位の間に約９０°の位相差のある回路を用いることによって、圧電体の弾性損失を増加することができ、音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を向上することができる。
【００８４】
請求項１０に係る発明によれば、位相変換器として微分回路又は積分回路を用いることによって、圧電体の弾性損失を増加することができ、音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を向上することができる。
【００８５】
請求項１１に係る発明によれば、電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器、遅延回路のうち、少なくとも１つを、増幅率、減衰率、位相変換特性、遅延時間などの電気的特性を可変とすれば、音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能およびこれらの周波数特性を可変とすることができる。
【００８６】
請求項１２に係る発明によれば、負性容量回路の容量および損失係数またはこれらのいずれかを可変とすれば、音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能およびこれらの周波数特性を可変とすることができる。
【００８７】
請求項１３に係る発明によれば、一対の電極を夫々設けた複数の圧電体の代わりに一つの圧電体と分割された電極を組み合わせれば、構成を簡略化することと同時に歪みの時間差を小さくすることが可能となる。
【００８８】
請求項１４に係る発明によれば、負性容量回路の代わりに電荷増幅器を用いることによって、音を遮断又は振動を減衰することができる音響制御装置および振動制御装置を実現することができる。
【００８９】
請求項１５に係る発明によれば、圧電体の代わりにバイアス歪み又はバイアス電圧を与えた電歪材料とすることによって、音を遮断又は振動を減衰することができる音響制御装置および振動制御装置を実現することができる。
【００９０】
請求項１６に係る発明によれば、圧電体の代わりにバイアス歪み又はバイアス電流を与えた磁歪材料とし、負性容量回路の代わりに負性インダクタンス回路を用いることによって、音を遮断又は振動を減衰することができる音響制御装置および振動制御装置を実現することができる。
【００９１】
請求項１７に係る発明によれば、圧電体の代わりに電気系と機械系の間に結合効果を有する物質とし、負性容量回路の代わりに用いる物質のインピーダンス特性を負性とした特性を持つ回路を結合することによって、音を遮断又は振動を減衰することができる音響制御装置および振動制御装置を実現することができる。
【００９２】
請求項１８に係る発明によれば、負性インピーダンス特性を有する回路として、負性抵抗回路、負性容量回路または負性インダクタンス回路を用いることによって、音を遮断又は振動を減衰することができる音響制御装置および振動制御装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る音響・振動制御装置の概略構成図を示し、（ａ）及び（ｂ）は圧電体を重ねる方法、（ｃ）及び（ｄ）は圧電体を並べる方法
【図２】負性容量回路の構成図を示し、（ａ）は圧電体と負性容量を並列接続した場合、（ｂ）及び（ｃ）は圧電体と負性容量を直列接続した場合
【図３】負性容量回路の構成図を示し、（ａ）は圧電体と負性容量を並列接続した場合、（ｂ）及び（ｃ）は圧電体と負性容量を直列接続した場合
【図４】負性容量回路の素子の構成図
【図５】圧電体と素子の構成図
【図６】圧電体に対する補助回路の使用説明図
【図７】圧電体に対する緩衝増幅器と補助回路の使用説明図
【図８】電荷増幅器を用いた音響・振動制御装置の概略構成図
【図９】本発明に係る音響・振動制御装置を適用した実験装置の構成図
【図１０】実験結果の音響透過損失の周波数特性
【符号の説明】
１，４６…電極、２，３，４７，４８…圧電体、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ…負性容量回路、５…演算増幅器、４２…緩衝増幅器、４５…電荷増幅器。
【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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