(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に取り付けられる圧電素子と、前記圧電素子の電極間に挿入されたシャント回路と、前記シャント回路を開閉させる電気回路よりなる構造物の制振装置において、
前記構造物の振動により前記圧電素子電極間の電圧が正又は負の極値となった時に前記圧電素子電極間に電流が流れるよう前記シャント回路が閉じ、前記電流が零となった時に前記シャント回路が開いて前記圧電素子電極間の電圧が次に極値となるまで電流が流れないことを特徴とし、
前記シャント回路と前記電気回路が前記圧電素子が発生する電力のみで作動し、
前記電気回路が、ピークホールド回路を用いた極値検出回路と、その出力を受けてシャント回路を開閉する機能を持つ回路とを含む
ことを特徴とする構造物の制振装置。
【請求項２】
前記シャント回路を流れる電流をコイルを経て流すことを特徴とする、請求項１に記載の構造物の制振装置。
【請求項３】
振動する構造物に取り付けられる第一の圧電素子と、前記第一の圧電素子の電極間に挿入したシャント回路と、前記構造物に取り付けられた第二の圧電素子と、前記シャント回路を開閉させる電気回路よりなる構造物の制振装置において、
前記第二の圧電素子の電極間の電圧が正又は負の極値となった時に前記第一の圧電素子の電極間に電流が流れるよう前記シャント回路が閉じ、前記電流が零となった時に前記シャント回路が開いて前記第二の圧電素子電極間の電圧が次に極値となるまで前記電流が流れないこと特徴とし、
前記シャント回路及び前記電気回路を、前記第一及び第二の圧電素子が発生する電力のみで作動させることを特徴とする構造物の制振装置。
【請求項４】
前記シャント回路に流れる電流をコイルを経て流すことを特徴とする、請求項３に記載の構造物の制振装置。
【請求項５】
前記電気回路が、ピークホールド回路を用いた極値検出回路と、その出力を受けてシャント回路を開閉する機能を持つ回路とを含むことを特徴とする、請求項３又は４のうちいずれか一項に記載の構造物の制振装置。
【請求項６】
前記ピークホールド回路が、コンデンサとダイオードを含むことを特長とする請求項１、２、及び５に記載の構造物の制振装置。
【請求項７】
前記電気回路が、微分回路を用いた極値検出回路と、その出力を受けてシャント回路を開閉する機能を持つ回路とを含むことを特徴とする、請求項３又は４のうちいずれか一項に記載の構造物の制振装置。
【請求項８】
前記微分回路が、コンデンサと抵抗器を含むことを特長とする請求項７に記載の構造物の制振装置。
【請求項９】
前記シャント回路の開閉をサイリスタ及びＰＵＴを用いて行うことを特徴とする、請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載の構造物の制振装置。
【請求項１０】
前記シャント回路の開閉をＦＥＴを用いて行うことを特徴とする、請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載の構造物の制振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、宇宙機や飛行機を含む航空宇宙構造物、そして自動車や電車等を含む輸送機構造物の制振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物に発生する振動は、その構造物が発揮すべき機能を著しく阻害する場合が多い。宇宙空間で彼方の天体を極めて高い空間分解能で観測或いは撮像する場合、或いは地表を極めて高い空間分解能で撮像するミッションを負った宇宙機の場合には、観測器構造、その支持構造、或いは宇宙機の主構造の振動は、ミッション達成にとって大きな障害となる。精密な位置決めを必要とする精密機械に於ける振動も、その性能発揮の大きな障害となる。また、建築物や、車両などの輸送機などの振動は、その利用者に不快感を与えるので、これらの振動を抑制することが求められている。
【０００３】
圧電素子は振動エネルギと電気エネルギを相互に変換する事が出来る素子であり、圧電素子に力又は歪を加えると電圧が発生（圧電効果）し、逆に圧電素子に電荷又は電圧をかけると歪又は力が発生（逆圧電効果）する性質をもつ。このため圧電素子は、制振のためのアクチュエイタやセンサとして多用されている。振動を抑制するための制振技術は、大別すると能動的制振技術、受動的制振技術、そして準能動的制振技術の３つに分類される。
【０００４】
圧電素子を用いた能動的制振技術の例としては、構造物に圧電素子からなるアクチュエイタを設置し、これに外部から電圧又は電荷を与えて、そのアクチュエイタが振動を打ち消すように力を発生するよう圧電素子を駆動する事により振動の抑制を図る技術が知られている。能動的制振では一時的には外部からエネルギを付加することとなる。
【０００５】
受動的制振技術は、一般に構造物自体あるいは構造物に取り付けた装置のエネルギ散逸機能により制振するものである。圧電素子を用いた受動的制振法としては、構造物の振動エネルギを構造物に取り付けた圧電素子により電気エネルギに変換して圧電素子に接続したシャント回路の電気抵抗によりこれを散逸させるものである。更に、その制振効率を高めるために、コイルを含む共振電気回路を用いたPiezoelectric Shunt Damping法と呼ばれる制振方法が知られている。Piezoelectric Shunt Damping法については、例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に紹介されている。
【０００６】
図１はPiezoelectric Shunt Damping法を用いた制振装置の構成原理を示す図である。受動的制振では外部からのエネルギ供給を要せず、従って常に安定である。しかし一般にその制振性能は高くない。
【０００７】
圧電素子を用いた準能動的制振技術の例としては、圧電素子と抵抗器とスイッチからなるシャント回路を用いて、振動の位相に応じて制御装置によりスイッチを駆動して開閉する方法が、例えば、非特許文献４に紹介されている。この方法では、スイッチの開閉により、効率的に振動エネルギを電気エネルギに変換し、これを抵抗により散逸させている。
【０００８】
Richard等は非特許文献４で、図２に示す圧電素子のシャント回路のスイッチを、振動による構造物の変位、歪みまたは圧電素子の発生する電圧が正又は負の極値となった時に閉とし、圧電素子に蓄えられた電荷がほぼ放電されるまでの短時間のみ閉の状態を保ち、他の時間には開とする制振方法を紹介し、スイッチを駆動しない場合に比べてより高い制振性能が得られることを示している。
【０００９】
圧電素子を用いた準能動的制振技術の別の例としては、例えば、図３のように圧電素子とコイルとスイッチと抵抗器からなる電気回路を用いて、構造物の振動による変位または圧電素子の発生する電圧が正又は負の極値となった時に制御装置でスイッチを駆動して閉とし、次に電流が零となった瞬間にスイッチを開とする方法が、Richard等の非特許文献５及び特許文献１に紹介されている。更に、特許文献２では図４に示す改善された回路を用いるとともに、改善されたスイッチ制御則が提案されている。図３又は図４のシャント回路を用いた場合には、振動エネルギから変換された電気的エネルギが圧電素子及びシャント回路に蓄積され、この蓄積されたエネルギを制振に有効活用する事となり、特に高い制振性能が得られることが非特許文献５及び６に報告されている。
【００１０】
このような準能動的制振の制振能力は、一般に、受動的制振に比べて高い。しかも、圧電素子やこれに接続した回路への外部からのエネルギを要さず、その結果、系は常に安定となる。但し振動の状況を計測し、又は圧電素子の発生する電圧を測定して、その情報に基づきシャント回路内のスイッチを開閉させる制御回路を駆動するための電力は、一般には小さいものの、供給される必要がある。
【００１１】
【特許文献１】仏特許  ＦＲ２８２８２５６
【特許文献２】特開２００４−１３２５３３号公報
【非特許文献１】Hagood、 N.W. and von Flotow、 A.、 Damping of Structural Vibrations with Piezoelectric Materials and Passive Electrical Networks、 J. Sound and Vibration、 146、 2、 243、 1991.
【非特許文献２】Hagood、 N.W. and Crawley、 E. F.、 Experimental Investigation of Passive Enhancement of Damping for Space Structures、 J. Guidance、 Control and Dynamics、 14、 6、 1100、 1991
【非特許文献３】Wu S.、 Piezoelectric shunts with a parallel R-L circuit for structural damping and vibration control、 Proceedings of the International Society for Optimal Engineering、 Vol. 2720、 pp. 259-269、 1996
【非特許文献４】Richard、 C.、 Guyomar D.、 Audigier、 D.、 Ching、 G.、 Semipassive damping using continuous switching of a piezoelectric device、 Proc. SPIE Conf. On Damping and Isolation、 Newport Beach、 CA、 Mach 1999、 SPIE Vol. 3672、 pp. 104-111
【非特許文献５】Richard、C.、 Guyomar、D.、 Audigier D.、 Bassaler H.、 Enhanced semi passive damping using continuous switching of a piezoelectric device on an inductor、 Proc. SPIE Conf. On Damping and Isolation、 Newport Beach、 CA、 Mach 2000、 SPIE Vol. 3689、 pp. 288-299
【非特許文献６】Onoda、 J.、 Makihara、 K.、 Minesugi、 K.、 Energy-recycling Semi-Active Method for Vibration Suppression with Piezoelectric Transducers、 AIAA Journal、 Vol. 41、 No.4、 2003、 pp.711-719.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述のように、準能動的制振は、制振性能が比較的高く、能動的制振とは異なり系が常に安定で、振動の状況を測定してスイッチを開閉する制御回路の比較的微小な駆動電力を除き外部からのエネルギ供給を必要としない方法であるので、極めて便利に広範囲に適用可能であるが、従来の技術では上記制御回路駆動用の電力だけは供給する必要がある。
【００１３】
メンテナンスが不可能に近いにもかかわらず極めて高い信頼性や軽量化が要求される宇宙機などを考えると、準能動的制振の利点は保持したままで、この制御回路駆動用の電力さえも不要として、全くエネルギ供給が不要な制振方法が求められていた。
【００１４】
なお、非特許文献１の制振方法を用いることによっても外部電力を全く要することなく比較的効率的に制振を行うことが出来るが、非特許文献１の制振方法の場合には、通常の構造物における比較的振動数が小さい振動を制振する場合には大きなインダクタンスを必要とし、必要となるコイルの重量が過大となること、及び制振効果は特定の周波数の振動に限られる点が大きな難点である。
【００１５】
本発明は、以上のような課題を解決しうる構造物の制振装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題の解決を目的とする第１の発明は、構造物に取り付けられる圧電素子と、前記圧電素子の電極間に挿入されたシャント回路と、前記シャント回路を開閉させる電気回路よりなる構造物の制振装置において、前記構造物の振動により前記圧電素子電極間の電圧が正又は負の極値となった時に前記圧電素子電極間に電流が流れるよう前記シャント回路が閉じ、前記電流が零となった時に前記シャント回路が開いて前記圧電素子電極間の電圧が次に極値となるまで電流が流れないことを特徴とし、前記シャント回路と前記電気回路が前記圧電素子が発生する電力のみで作動することを特徴とする構造物の制振装置である。
【００１７】
上記の課題を解決する第２の発明は、振動する構造物に取り付けられる第一の圧電素子と、前記第一の圧電素子の電極間に挿入したシャント回路と、前記構造物に取り付けられた第二の圧電素子と、前記シャント回路を開閉させる電気回路よりなる構造物の制振装置において、前記第二の圧電素子の電極間の電圧が正又は負の極値となった時に前記第一の圧電素子の電極間に電流が流れるよう前記シャント回路が閉じ、前記電流が零となった時に前記シャント回路が開いて前記第二の圧電素子電極間の電圧が次に極値となるまで前記電流が流れないこと特徴とし、前記シャント回路及び前記電気回路を、前記第一及び第二の圧電素子が発生する電力のみで作動させることを特徴とする構造物の制振装置である。
【００１８】
第１の発明、並びに第２の発明において前記シャント回路に流れる電流は、コイルを経て流すことが望ましい。
【００１９】
前記電気回路は、ピークホールド回路を用いた極値検出回路と、その出力を受けてシャント回路を開閉する機能を持つ回路とを含む回路から構成することができ、そして、前記ピークホールド回路は、コンデンサとダイオードを含んで構成することができる。
【００２０】
前記電気回路は、微分回路を用いた極値検出回路と、その出力を受けてシャント回路を開閉する機能を持つ回路とを含んで構成することができ、そして、前記微分回路は、コンデンサと抵抗器を含んで構成することができる。
【００２１】
また、前記シャント回路の開閉は、サイリスタ及びＰＵＴを用いて行うことができ、あるいは、前記シャント回路の開閉をＦＥＴを用いて行うこともできる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、従来技術では、外部電力を用いなければ実現できなかった高性能制振を、無電力で実現でき、これにより高性能の制振装置の信頼性、保守性が大幅に向上し、適用コストが低下し、適用範囲が大幅に拡大する。特に、宇宙機を含む構造物の制振に好適に用いることができる。非特許文献６は前記準能動的制振が多モード制振にも効果的に適用できることを示しているが、そのことから本制振技術も同様に多モードの振動の制振にも有効であることが明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、制振装置を宇宙機を含む宇宙構造物に適用する場合について説明するが、本発明を適用しうる構造物はこれには限定されない。
【実施例１】
【００２４】
図５において錘７は構造５を介して固定基礎６から支えられている。構造５には圧電素子２が取り付けられていて、錘７の変位に伴い圧電素子にも歪みが発生し、圧電素子の両極間に電圧が発生する。圧電素子２には図６に示す回路が接合されている。図６において、圧電素子２はコンデンサ２１、電圧発生器２２、及び抵抗器２３の組み合わせで表されている。
【００２５】
ここで、コンデンサ２１に蓄えられた電荷が零で、錘７が振動して正の方向に運動している初期状態を考える。錘７が振動して正の方向に移動するにつれ、圧電素子両極間に電圧が発生するが、これは図６の回路において電圧発生器２２が正の電圧を発生することと等価である。
【００２６】
点１０１の電位が正で上昇する間、ダイオード５３、５４及びサイリスタ７４については逆電圧となり、サイリスタ７２はオフ状態であるので、点１１２、１１３、１１６及び１０６には電流は流れないが、点１０２、１０３には電流が流れ、コンデンサ６１には電荷が蓄積され、点１０２、１０３の電位は点１０１の電位に追従して上昇する。このとき抵抗器８２の抵抗値は大きく、コンデンサ６１の静電容量はコンデンサ２１に比べて小さいので、この電流がコンデンサ２１に蓄えられた電荷に与える影響は微少である。
【００２７】
振動する錘７の変位が最大値に達した後に減少を始めると、電圧発生器２２が発生する電圧も減少をはじめ、点１０３の電位も下降を始めるが、コンデンサ６１に蓄えられた電荷とダイオード５２の働きにより点１０２の電位は最大値(一定値)を保つ。即ち、コンデンサ６１とダイオード５２はピークホールド回路を構成する。その結果点１０２の電位(アノード電位)が点１０３の電位(ゲート電位)より高くなるので、ＰＵＴ７１がオンとなり、コンデンサ６１に蓄えられた電荷はＰＵＴ７１、点１０４及びサイリスタ７２を経て放電され、この経路に電流が流れる。
【００２８】
サイリスタ７２のゲート端子に電流が流入した結果、サイリスタ７２はオン状態となるので、点１０１から、コイル４１、点１０６及びサイリスタ７２を経て点１００に電流が流れるが、コイル４１の作用により点１０１の電位が零となった後も電流は一時流れ続け、コンデンサ２１に蓄えられた電荷が負の値となり、点１０１の電位が負となった後に電流は零となる。ここで抵抗器２３の値は過大でないものとしている。
【００２９】
コンデンサ２１に負の電荷が蓄えられたことに伴い、以降、圧電素子は錘７に対して正方向の力を発生する。コンデンサ６１に蓄えられていた電荷はこの時点までに十分に放電され、点１０４を流れる電流が十分小さくなるよう静電容量や抵抗値を設定しておくと、点１０６を流れる電流が零となった時点でサイリスタ７２はオフ状態となる。
【００３０】
点１０６を電流が流れる時間が、構造物の振動の周期に比べて十分に短くなるよう電気回路の各素子の特性を選定しておくと、上記のようにして点１０１の電位が負となり、コンデンサ２１に負の電荷が蓄えられた後、振動する錘７は負の方向に変位することとなる。この間、錘７は圧電素子が発生する前記正方向の力に抗して負の方向に移動するので、振動エネルギは減少し、錘７の振動は減衰する。
【００３１】
またこの間、電圧発生器の電圧が減少するので、既に負となっていた点１０１の電位は更に低下する。点１０１の電圧が負で減少する間、ダイオード５１、５２及びサイリスタ７２については逆電圧となり、サイリスタ７４はオフ状態であるので、点１０２、１０３、１０６、１１６には電流は流れないが、ダイオード５４、５３には順方向の電圧が印可されるので、点１１２、１１３には電流が流れ、コンデンサ６２には電荷が蓄積され、点１１２、１１３の電圧は点１００の電位に従い零を保つ。
【００３２】
振動する錘７の変位が負の最大値に達した後正の方向に移動を始めると、電圧発生器２２が発生する電圧も上昇をはじめると、ダイオード５３には順方向の電圧が作用しオン状態が続くため、点１１３の電位は零を保つが、コンデンサ６２に蓄えられた電荷のためにダイオード５４には逆電圧が作用してオフ状態となるので、点１１２の電位は上昇する。
【００３３】
その結果、点１１２の電位(アノード電位)が点１１３の電位(ゲート電位)より高くなるので、ＰＵＴ７３がオンとなり、コンデンサ６２に蓄えられた電荷はＰＵＴ７３、点１１４及びサイリスタ７４を経て放電されることとなる。その結果、ゲート端子に電流が流入するので、サイリスタ７４はオン状態となり、コンデンサ２１に蓄えられた電荷は点１００からコイル４２、点１１６及びサイリスタ７４、点１０１を経て放電され、この経路に電流が流れるが、コイル４２の作用により点１０１の電位が零となった後も電流は一時流れ続け、コンデンサ２１に蓄えられた電荷が正の値となり、点１０１の電位が正となった後に電流は零となる。
【００３４】
コンデンサ６２に蓄えられていた電荷はこの時点までに十分に放電されるようコンデンサ容量や抵抗値を設定しておくと、点１１６を流れる電流が零となった時点でサイリスタ７４はオフ状態となる。コンデンサ２１に蓄えられている電荷はこの時点で正の値となり、圧電素子が振動を減衰する方向の力を発生することとなる。例えば錘７の振幅が一定であれば、しばらくはこの電荷の絶対値は錘７の振動の半周期毎に増大し、やがて一定値に漸近する。
【００３５】
コンデンサ２１に蓄えられている電荷が正となった以降は、圧電素子は前記負の方向の力を発揮するので、引き続き振動する錘７が正の方向に移動する際に、振動を減衰させる作用をなす。この様な動作の繰り返しにより、図３のように圧電素子両極間に挿入したコイルを含む回路において、構造物の振動により圧電素子の発生する電圧が正又は負の極値となった瞬間に、シャント回路を閉とし、次に電流が零となった瞬間に開とするという、非特許文献５の方法と同等の動作が、外部電力を必要とする計測装置や演算装置を含む制御装置無くして、受動的電気素子のみで実現できる。
【００３６】
なお、図６の回路において、コイル４１及び４２を省略した場合にも、コンデンサ２１に蓄えられる電荷や圧電素子が発生する力は上記に比べて小さくなるものの、上記と同様に作動し、振動により圧電素子の発生する電圧が正又は負の極値となった時にシャント回路を閉とし、圧電素子に蓄えられた電荷がほぼ放電されるまでの短時間のみ閉の状態を保ち他の時間には開とするという、非特許文献４の方法と同等の動作が、外部電力を必要とする計測装置や演算装置を含む制御装置なくして受動的電気素子のみで実現できる。
【実施例２】
【００３７】
図８のように各０．５ｋｇの錘１２を取り付けた全長３．８ｍ、全質量約７．９ｋｇのトラス構造の部材１３に市販の圧電素子ＮＥＣ／ＴＯＫＩＮ  ＡＳＢ１７１Ｃ８０１ＮＰＯが組み込まれている。このトラス構造物の第１次固有振動数は、約１１.３Ｈｚである。上記圧電素子の電極間には、図７のようなシャント回路が接続されている。図７の回路は、図６の回路に抵抗器８５、８６を追加したものであり、これにより、高次モード振動などにより圧電素子の発生する電圧に混入する無用な電圧変動に回路が過敏に動作することを避けるものである。
【００３８】
図７において、コイル４１、４２のインダクタンスは１０ｍＨ、コンデンサ６１、６２の静電容量は０．１μＦ、抵抗器８１、８３の抵抗値は１００Ω、抵抗器８２、８４の抵抗値は１００ＭΩ、抵抗器８５、８６の抵抗値は４３ｋΩである。また、コイル４１、４２は理想的なコイルではなく、抵抗値を有しており、その値は４．７４Ωである。ダイオード５１、５２、５３、５４は日立製作所製Ｖ０３Ｃであり、サイリスタ７２、７４は東芝製ＳＦ１６ＧＺ５１、ＰＵＴ７１、７３は東芝製ＴＮ４１Ａである。圧電素子ＡＳＢ１７１Ｃ８０１ＮＰＯはコンデンサ２１の静電容量約１１．５μＦ、抵抗器２３の抵抗値約３．３Ω相当の性能を有する。
【００３９】
前記トラス構造物の圧電素子に図７の回路を接続することなく、トラス構造物をその一次固有振動数と等しい周波数で振幅が一定の正弦波力で加振継続し、定常振動に達した後に図７の回路を接続する実験を行った結果の一例を図９に示す。図９はトラス先端変位と圧電素子電極間電圧を示している。
【００４０】
図９を見ると、回路を接続した１．５秒以降、半導体素子の作動電圧が零ではないため厳密ではないものの、ほぼ圧電素子電極間電圧が正又は負の極値となったときにシャント回路にコイルを通して電流が流れ、その結果電圧の正負が逆転していることが分かる。また、加振力が一定にもかかわらず、回路を接続する以前の振幅に比べ、回路を取り付けた後の振幅が小さくなっており、図７のシャント回路を圧電素子電極間に挿入することにより振動を抑制し、振幅を小さく抑えることが出来ていることが分かる。
【実施例３】
【００４１】
実施例１及び２においては、シャント回路に正方向に電流を流す場合と、負方向に流す場合とで、異なるコイルを用いているが、正方向に流す場合と負方向に流す場合のコイルを供用して、コイルの総量を減らし、軽量化を図ったシャント回路を図１０に示す。
【００４２】
図１０において、抵抗器２３の抵抗値を１Ω、抵抗器８２、８４の抵抗値を共に１ＭΩ、抵抗器８５、８６の抵抗値を共に１ｋΩ、抵抗器８１、８３の抵抗値を共に３００Ω、コイル４６、４７のインダクタンスを共に０．３４ｍＨ、コイルの抵抗を表す抵抗器８７、８８の抵抗値を共に２Ω、コンデンサ２１の静電容量を１０μＦ、コンデンサ６１、６２の静電容量を共に０．１μＦ、ダイオード５１、５２、５３、５４を共に東芝製の６ＮＦ１１相当の数値モデル、ＰＵＴ７１、７３を共にMicro-Cap8によって提供されているＰＵＴの数値モデル、サイリスタ７２、７４を共にMicro-Cap8によって提供されているサイリスタの数値モデルとし、振動する構造物に取り付けられた圧電素子を模擬するために電圧発生器２２が、周波数１０Ｈｚ、振幅１０Ｖの電圧を発生した場当の本実施例回路の挙動を、回路シミュレーションソフトMicro-Cap 8を用いてシミュレートした結果を図１１に示す。
【００４３】
図１１は上から順に電圧発生器２２の発生電圧、圧電素子端子間電圧、コンデンサ２１に蓄えられた電荷、コイル４６を流れる電流の時間履歴を示している。同図から、本実施例の回路は意図したとおりに動作することが分かる。
【実施例４】
【００４４】
図１２において、錘７は、構造５を介して固定基礎６から支えられている。構造５には、主たる第一の圧電素子２５及び２個の従たる第二の圧電素子２６、２７が取り付けられていて、錘７の変位に伴いこれらの圧電素子にも歪みが発生し、圧電素子の両極間に電圧が発生する。これらの圧電素子は、図１３に示す電気回路に接続されている。ここに、第一の圧電素子２５はコンデンサ２５１、電圧発生器２５２及び抵抗器２５３で表現されており、第二の圧電素子２６はコンデンサ２６１、電圧発生器２６２及び抵抗器２６３で表現されており、第二の圧電素子２７はコンデンサ２７１、電圧発生器２７２及び抵抗器２７３で表現されている。
【００４５】
錘７の振動に伴う図１３の回路の挙動を説明するために、全てのコンデンサの蓄える電荷が零で、錘７の変位が零、錘７の速度が正である初期状態を考える。圧電素子２５、２６、２７が構造の同一の歪を発生する位置に取り付けられている場合には、錘７の変位が正方向に移動するに連れ、電圧発生器２５２、２６２、２７２は正の電圧を同位相で発生し、点１２２の電位は低下し、点１２１の電位は上昇する。
【００４６】
また、コンデンサ６３と抵抗器８５は微分回路を構成するので、１２２の電位が低下を続ける間は、点１２４の電位(ゲート電位)は点１２０の電位(ソース電位)より低くなり、ＦＥＴ７６はオフ状態を保ち、点１２１を流れる電流は零を保つ。また、ダイオード５６には逆電圧が作用し、点１３１を流れる電流は、ＦＥＴ７５の状態に係わらず零である。従って第一の圧電素子２５に電流が流れることはなく、第一の圧電素子２５のシャント回路は開の状態が保たれる。
【００４７】
錘７の変位が最大となった後、負の方向に移動を始めると、各圧電素子の電圧発生器の電圧が極値を経て減少を始め、コンデンサ６３と抵抗器８５の働きにより、点１２４の電位は正となり、ＦＥＴ７６のゲート電位がソース電位より高くなるので、ＦＥＴ７６はオン状態となり、圧電素子２５から点１２１、ＦＥＴ７６、点１２０、コイル４５を経て圧電素子２５に電流が流れることとなる。これに伴い、点１２１の電位は低下し、やがて零に至った後もコイル４５の働きにより電流は流れ続け、点１２１の電位が負となった後に電流は停止するが、その後はダイオード５５に逆電圧が作用することとなり、点１２１を流れる電流は零となる。その結果、コンデンサ２５１には負の電荷が蓄積され、圧電素子２５は錘７に対して正の力を発生する。
【００４８】
また、錘７の移動に伴い電圧発生器２７２の電圧が極値を経て減少を始めた時点以降、点１３４の電位が点１３０の電位より低くなるので、ＦＥＴ７５はオフ状態となり、点１３１を流れる電流は零となる。引き続き錘７が振動して負の方向に移動する間、圧電素子２５の電荷が発生した正の力に抗して錘７が移動することとなり、振動は減衰する。錘７が負の方向に移動するにつれて、電圧発生器２５２、２６２、２７２の発生する電圧も同位相で減少し負となる。これに連れて既に負であった点１２１の電位は更に下降するが、電圧発生器２７２の発生電圧が減少する間、点１３４の電位は点１３０の電位より低く、ＦＥＴ７５はオフ状態を保つので、点１３１を経て電流が流れることはなく、ダイオード５５も逆電圧が作用するので点１２１を経て電流が流れることもないので、圧電素子２５のシャント回路は開の状態が保たれる。
【００４９】
錘７が負の方向に極大に変位した後正方向に移動を始めると、コンデンサ６４と抵抗８６の働きにより点１３４の電位が点１３０の電位より高くなり、ＦＥＴ７５のゲート電位がソース電位より高くなるので、ＦＥＴ７５はオン状態となり、圧電素子２５からコイル４５、点１３１、ＦＥＴ７５、点１３０を経て圧電素子２５に電流が流れることとなる。これに伴い、点１３０の電位は上昇するが、やがて零に至った後もコイル４５の働きにより電流は流れ続け、点１３０の電位が正となった後に電流は停止するが、その後はダイオード５６に逆電圧が作用することとなり、点１３１を流れる電流は零となる。その結果、コンデンサ２５１には正の電荷が蓄積され、圧電素子２５は負の力を発生する。
【００５０】
また電圧発生器２６２の電圧が極値を経て増加を始めた時点以降、点１２４の電位が点１２０の電位より低くなるので、ＦＥＴ７６はオフ状態となり、点１２１を流れる電流は零となる。コンデンサ２５１に蓄えられている電荷は当初零であったが、この時点で正の値となり、振動エネルギが電気エネルギに変換されて圧電素子のコンデンサに蓄積され、圧電素子が振動を減衰する方向の力を発揮することとなる。
【００５１】
例えば錘７の振幅が一定であればこの電荷の絶対値はしばらくは錘７の振動の半周期毎に増大し、やがて一定値に漸近する。コンデンサ２５１に蓄えられている電荷が上記の様にして正となった以降は、前記の様に圧電素子は負の方向の力を発生するので、引き続き振動する錘７が正の方向に移動する際に、振動を減衰させる作用をなす。従たる第二の圧電素子は主たる第一の圧電素子に比べて小さいため、その発生する力は第一の圧電素子の発生する力に比べて無視できる。
【００５２】
この様な動作の繰り返しにより、図１２のように圧電素子両極間に挿入したコイルを含む回路において、構造物の振動により圧電素子の発生する電圧が正又は負の極値となった瞬間に、第一の圧電素子２のシャント回路を閉とし、次に電流が零となった瞬間に開とするという非特許文献５の方法と同等の動作が、外部電力を必要とする計測装置や演算装置を含む制御装置無くして、受動的電気素子のみで実現でき、課題を解決できる。
【００５３】
なお、本実施例では第一の圧電素子と第二の圧電素子を構造物上の同一の歪みが発生する箇所に取り付けているが、多自由度振動系の多モード制振において、第二の圧電素子を取り付ける位置を第一の圧電素子の位置にかかわらず調整することにより、重点的に減衰させる振動モードを選択することができる。ところで、本実施例ではシャント回路の開閉にＦＥＴを利用したが、このような構成はこれ以前の実施例においても採用することができる。
【００５４】
また、図６の回路において、コイル４５を省略した場合にも、コンデンサ２５１に蓄えられる電荷や圧電素子が発生する力は上記に比べて小さくなるものの、上記回路は上記と同様に作動し、振動により圧電素子の発生する電圧が正又は負の極値となった時にシャント回路を閉とし、圧電素子に蓄えられた電荷がほぼ放電されるまでの短時間のみ閉の状態を保ち、他の時間には開とするという非特許文献４の方法と同等の動作が、外部電力を必要とする計測装置や演算装置を含む制御装置無くして、受動的電気素子のみで実現できることになる。
【実施例５】
【００５５】
図１３において、コンデンサ６３、６４の静電容量は０．１μＦ、抵抗器８５、８６の抵抗値は５０ｋΩ、ダイオード５５、５６は東芝製６ＮＦ１１、ＦＥＴ７５、７６はＭｏｔｏｒｏｌａ社  ＭＴＰ１５Ｎ０６Ｌ相当の数値モデル、コイル４５のインダクタンスは１０ｍＨ、抵抗器２５３の抵抗値は４Ω、コンデンサ２５１の静電容量は１０μＦ、抵抗器２６３及び２７３の抵抗値は３Ω、コンデンサ２６１及び２７１の静電容量は０．１μＦとする。振動する構造物に圧電素子２５、２６、２７が取り付けられている場合の回路の挙動を求めるために、電圧発生器２５２は振幅１０Ｖ、２６２、２７３はそれぞれ振幅３０Ｖの周波数１０Ｈｚの同位相の正弦波電圧をそれぞれが出力するものとして、回路シミュレーションソフトMicro-Cap 8を用いて回路の挙動を求めると、図１４の結果を得る。図１４は上から順に電圧発生器２６２の発生電圧、圧電素子２５の端子間電圧、コンデンサ２５１に蓄えられた電荷、コイル４５を流れる電流のそれぞれ時間履歴を示している。同図から、本実施例の回路は意図したとおりに動作することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】従来技術の圧電素子を用いた受動的制御の構成図である。
【図２】非特許文献４に示された従来技術の方法を示す構成図である。
【図３】非特許文献５に示された従来技術の方法を示す構成図である。
【図４】特許文献２に示された従来技術の方法を示す構成図である。
【図５】本発明の実施例１を示す構成図である。
【図６】本発明の実施例１の電気回路図である。
【図７】本発明の実施例２の電気回路図である。
【図８】本発明の実施例２を示す構成図である。
【図９】本発明の実施例２による制振実験で得られた時間履歴を示した図である。
【図１０】本発明の実施例３の電気回路図である。
【図１１】本発明の実施例３の数値シミュレーションで得られた時間履歴を示した図である。
【図１２】本発明の実施例４を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施例４の電気回路図である。
【図１４】本発明の実施例５の数値シミュレーションで得られた時間履歴を示した図である。
【符号の説明】
【００５７】
２・・・圧電素子
３・・・スイッチ
４・・・コイル
５・・・構造物
６・・・固定基礎
７・・・錘
８・・・抵抗器
９・・・スイッチ
１０、１１・・・ダイオード
１２・・・錘
１３・・・トラス部材
２１・・・コンデンサ
２２・・・電圧発生器
２３・・・抵抗器
２５・・・第１の圧電素子
２６、２７・・・第２の圧電素子
４１〜４７・・・コイル
５１〜５６・・・ダイオード
６１〜６４・・・コンデンサ
７１、７３・・・ＰＵＴ (Programmable Unijunction Transistor)
７２、７４・・・サイリスタ
７５、７６・・・ＦＥＴ (Field Effect Transistor)
８１〜８８・・・抵抗器
１００〜１３４・・・回路上の点
２５１・・・コンデンサ
２５２・・・電圧発生器
２５３・・・抵抗器
２６１・・・コンデンサ
２６２・・・電圧発生器
２６３・・・抵抗器
２７１・・・コンデンサ
２７２・・・電圧発生器
２７３・・・抵抗器
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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