(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と、
前記圧電素子の作動軸方向の両端に配されており、前記圧電素子よりも弾性率が大きい第１および第２の接続部材と、
前記第１および第２の接続部材間を接続する弾性部材とを備えており、
前記第１および第２の接続部材が制振対象物に取り外し可能に接触固定されることにより前記制振対象物の振動エネルギーを前記圧電素子によって電気エネルギーに変換することが可能に構成されており、
前記第１および第２の接続部材の間に、前記圧電素子が複数設けられており、
複数の前記圧電素子のうちの少なくとも１個が前記制振対象物の振動検出のために用いられ、残りの前記圧電素子が前記制振対象物の振動を能動的に制御するアクチュエータとして用いられるように構成されていることを特徴とする圧電制振ユニット。
【請求項２】
前記第１および第２の接続部材と前記制振対象物との接触予定面を除いて少なくとも前記圧電素子を密封被覆する、前記第１および第２の接続部材よりも弾性率が小さい樹脂材料からなる密封部をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧電制振ユニット。
【請求項３】
前記第１および第２の接続部材の少なくともいずれか一方と前記圧電素子との間にあって、前記圧電素子の初期圧を調整することが可能な初期圧調整機構をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電制振ユニット。
【請求項４】
前記第１および第２の接続部材に開孔が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電制振ユニット。
【請求項５】
圧電制振ユニットを含む制振構造であって、
前記圧電制振ユニットは、
圧電素子と、
前記圧電素子の作動軸方向の両端に配されており、前記圧電素子よりも弾性率が大きく、かつ、開孔が設けられた第１および第２の接続部材と、
前記第１および第２の接続部材間を接続する弾性部材とを備えており、
前記第１および第２の接続部材が制振対象物に取り外し可能に接触固定されることにより前記制振対象物の振動エネルギーを前記圧電素子によって電気エネルギーに変換することが可能であり、
前記圧電制振ユニットの前記第１および第２の接続部材と制振対象物とが、前記開孔に挿入された前記圧電素子よりも弾性率が大きい取り付け部材によって取り外し可能に接触固定されていることを特徴とする制振構造。
【請求項６】
前記取り付け部材と前記開孔との接触面が、前記制振対象物の表面に対して斜めになっていることを特徴とする請求項５に記載の制振構造。
【請求項７】
圧電素子と、前記圧電素子の作動軸方向の両端に配されており、前記圧電素子よりも弾性率が大きい第１および第２の接続部材と、前記第１および第２の接続部材間を接続する弾性部材とを備えており、前記第１および第２の接続部材が制振対象物に取り外し可能に接触固定されることにより前記制振対象物の振動エネルギーを前記圧電素子によって電気エネルギーに変換することが可能に構成された複数の圧電制振ユニットと、
前記圧電素子で得られた電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための回路とを備えており、
複数の前記圧電制振ユニットのうち前記制振対象物の振動によって同相の振動を受けるものについては両極の同種極どうしが前記回路の一方の極に接続され、逆相の振動を受けるものについては両極の異種極どうしが前記回路の他方の極に接続されていることを特徴とする制振構造。
【請求項８】
前記圧電制振ユニットには、前記第１および第２の接続部材の間に、前記圧電素子が複数設けられており、
複数の前記圧電素子のうちの少なくとも１個が前記制振対象物の振動検出のために用いられ、残りの前記圧電素子が前記制振対象物の振動を能動的に制御するアクチュエータとして用いられるように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の制振構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電制振ユニットおよびこれを用いた制振構造に関し、特に高周波帯での微小振動の制振を実現するために用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
超ＬＳＩや液晶ディスプレイなどの製造に不可欠な超精密加工や超精密計測などの技術分野において、微振動制御に対する要求はますます厳しいものになってきている。今までの除振技術は、最終的に機器搭載テーブル上の振動を抑えることを目的としてきた。しかし、今後のさらなる低振動環境の実現のために、機器内部の駆動力が発生する起振力や空調設備の空気流、音波などの直接外乱に起因して機器そのものに発生する高い周波数の弾性振動を抑えることのできる制振技術が求められている。
【０００３】
このような要求に応えるために、圧電（ピエゾ）アクチュエータを用いたアクティブ制振の研究がなされている。しかし、発振の可能性を潜在的に持っているアクティブ制振では、高周波帯の制振の実用化が困難である。そこで、高周波帯の制振のために、圧電素子を用いた制振ユニット（圧電制振ユニット）によるパッシブ制振技術が注目を集めている（Edberg, D.L., Bicos, A.S., "Active Materials and Adaptive Structures - Session 20 (1992), 337-382 ）。
【０００４】
上記論文に記載されたパッシブ制振技術では、制振対象物に接着剤を介して圧電素子が貼り付けられ、圧電素子の両極に分岐回路（Shunted Circuit ）が接続される。そして、制振対象物の振動エネルギーが圧電素子によって電気エネルギーに変換され、さらに分岐回路によって電気エネルギーが熱エネルギーに変換される。このようにして、ダンパー部材を接続したときのように振動エネルギーを外部に放出させることで、制振対象物の振動を抑えることが可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記論文に記載されたパッシブ制振技術における制振対象物への圧電素子の固定技術によると、制振対象物に接着剤を介して圧電素子が貼り付けられているため、▲１▼接着剤の弾性変形によって振動エネルギーを効率よく圧電素子で電気エネルギーに変換することができない、▲２▼湿潤な環境や使用頻度によっては比較的故障しやすい圧電素子の取り替えが不可能であるか或いは非常に困難である、▲３▼圧電素子の作動軸方向だけでなく、これと交差する方向にも圧電素子が変形するクロストークのために振動エネルギーを効率よく圧電素子で電気エネルギーに変換することができない、といった問題が生じる。
【０００６】
また、接着剤を用いる以外の制振対象物への圧電素子の固定技術として、圧電素子に所定の初期圧（予圧）を加えることができるように制振対象物の一部を切り欠いて、その切り欠き部分に圧電素子を挿入することも考えられる。しかしながら、この手段によると、▲４▼切り欠き部分を設けることにより制振対象物の剛性が低下する、▲５▼圧電素子に所定の初期圧を加えることの反力により制振対象物にひずみが発生する、といった問題が生じる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、制振対象物の振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができ、制振対象物からの取り外しおよび取り付けが容易で、さらに、制振対象物にひずみを発生させることなく圧電素子に所定の初期圧を加えることが可能であるなど上述した問題を生じることのない圧電制振ユニットおよびこれを用いた制振構造を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の圧電制振ユニットは、圧電素子と、前記圧電素子の作動軸方向の両端に配されており、前記圧電素子よりも弾性率が大きい第１および第２の接続部材と、前記第１および第２の接続部材間を接続する弾性部材とを備えており、前記第１および第２の接続部材が制振対象物に取り外し可能に接触固定されることにより前記制振対象物の振動エネルギーを前記圧電素子によって電気エネルギーに変換することが可能に構成されており、前記第１および第２の接続部材の間に、前記圧電素子が複数設けられており、複数の前記圧電素子のうちの少なくとも１個が前記制振対象物の振動検出のために用いられ、残りの前記圧電素子が前記制振対象物の振動を能動的に制御するアクチュエータとして用いられるように構成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項１によると、圧電素子よりも弾性率が大きい（言い換えると、圧電素子よりも硬い）第１および第２の接続部材が圧電素子の作動軸方向の両端に配されているために、例えば第１および第２の接続部材に開孔を設け、その開孔に挿入されたねじなどの取り付け部材を制振対象物と螺合させることによって、第１および第２の接続部材を制振対象物に接触固定することができる。そのため、制振対象物の振動が圧電素子よりも硬い接続部材だけを介して圧電素子に伝わるようにすることが可能になる。つまり、接着剤のような柔らかい材料が圧電素子と制振対象物との間に介在することがないので、振動エネルギーを効率よく圧電素子で電気エネルギーに変換することができるようになる。
【００１０】
また、第１および第２の接続部材を制振対象物に取り外し可能に接触固定することができるために、圧電素子が故障したときであっても容易に取り替えが可能となる。また、圧電素子よりも弾性率が大きい第１および第２の接続部材が圧電素子の作動軸方向の両端に配されているために、圧電素子の作動軸と交差する方向に圧電素子が変形するクロストークの問題がほとんど生じず、振動エネルギーを効率よく圧電素子で電気エネルギーに変換することができる。
【００１１】
また、制振対象物に切り欠き部分を設ける必要がないため、制振対象物の剛性が低下することがない。さらに、第１および第２の接続部材間に接続されてこれらの間に引張力を生じさせる弾性部材によって圧電素子に所定の初期圧を加えることができるとともに、弾性部材の両端に接続された第１および第２の接続部材が初期圧をその内力として分担するので初期圧の反力が制振対象物に伝わることがなく、制振対象物にひずみが発生することがない。
【００１２】
従って、単なる減衰材料とは異なり、周波数の高い微小振動に対する制振にも高い効果を発揮することができ、例えば制振対象物の振動によって生じる固体音の抑制に対しても効果的である。
また、請求項１によると、比較的小型の圧電素子を用いることにより安価な圧電制振ユニットを提供することができる。
さらに、請求項１によると、複数の圧電素子を振動検出用およびアクチュエータ用に分けて用いることにより、制振対象物のアクティブ振動制御が可能になり、配線だけの変更によって１つの圧電制振ユニットをアクティブ制御およびパッシブ制御の両方に用いることが可能となる。
【００１３】
また、請求項２の圧電制振ユニットは、前記第１および第２の接続部材と前記制振対象物との接触予定面を除いて少なくとも前記圧電素子を密封被覆する、前記第１および第２の接続部材よりも弾性率が小さい樹脂材料からなる密封部をさらに備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２によると、圧電素子が樹脂材料からなる密封部により密封被覆されているために、長期間にわたって圧電素子を外気から遮断することができる。また、第１および第２の接続部材と前記制振対象物との接触予定面が密封部により被覆されていないために、第１および第２の接続部材よりも弾性率が小さい密封部によって振動エネルギーの圧電素子への伝達が阻害されることがない。また、密封部が圧電素子を被覆しており密封部と圧電素子との間に気体層が介在しないので、圧電素子で発生した熱が速やかに外部に逃げて行きやすく、放熱性に優れている。従って、高温多湿環境において劣化しやすい圧電素子に対して湿度および温度の点で比較的良好な条件を維持することができ、圧電素子の長寿命化を図ることができる。
【００１５】
また、密封部は第１および第２の接続部材よりも弾性率が小さいので、圧電素子が作動軸方向に変位する際、密封部がこの変位を妨げることが少ない。従って、応答性の点で優れた圧電制振ユニットが得られる。
【００１６】
また、樹脂材料からなる密封部は、その有する弾性のために僅かではあるが収縮しようとする性質がある。そのため、密封部が圧電素子を被覆していることで、特別な機構を用いなくとも圧電素子にはその作動軸方向に一定の初期圧が付与される。
【００１７】
また、通常では絶縁性を有する樹脂材料からなる密封部によって圧電素子が被覆されているので、圧電素子の電気的絶縁を確実に保つことができ、誤動作に対する信頼性を高めることができる。
【００１８】
なお、請求項２のように密封部で圧電素子を被覆する場合には、請求項１の「第１および第２の接続部材が制振対象物に取り外し可能に接触固定される」という条件を満足するために、密封部が第１および第２の接続部材と制振対象物との接触予定面を被覆していないこと、さらに、密封部が接触予定面から突出していないか突出しているとしても僅かな量であることが必要とされる。
【００１９】
また、請求項３の圧電制振ユニットは、前記第１および第２の接続部材の少なくともいずれか一方と前記圧電素子との間にあって、前記圧電素子の初期圧を調整することが可能な初期圧調整機構をさらに備えていることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項３によると、初期圧調整機構によって圧電素子の初期圧を調整することが可能であるため、圧電素子の初期圧を所望の大きさに容易に調整することが可能である。そのため、圧電素子の出力応答性を高めることができて制振効率をより向上させることができる。
【００２５】
また、請求項４の圧電制振ユニットは、前記第１および第２の接続部材に開孔が設けられていることを特徴とするものである。
【００２６】
請求項４によると、第１および第２の接続部材に設けられた開孔にねじなどの取り付け部材を挿入することが可能であるために、制振対象物への取り付けを迅速に行うことができる。
【００２７】
また、請求項５の制振構造は、圧電制振ユニットを含む制振構造であって、前記圧電制振ユニットは、圧電素子と、前記圧電素子の作動軸方向の両端に配されており、前記圧電素子よりも弾性率が大きく、かつ、開孔が設けられた第１および第２の接続部材と、前記第１および第２の接続部材間を接続する弾性部材とを備えており、前記第１および第２の接続部材が制振対象物に取り外し可能に接触固定されることにより前記制振対象物の振動エネルギーを前記圧電素子によって電気エネルギーに変換することが可能であり、前記圧電制振ユニットの前記第１および第２の接続部材と制振対象物とが、前記開孔に挿入された前記圧電素子よりも弾性率が大きい取り付け部材によって取り外し可能に接触固定されていることを特徴とするものである。
【００２８】
請求項５の制振構造によると、請求項１と同様に周波数の高い微小振動やこれによる固体音を抑制することが可能である。また、取り付け部材の弾性率が圧電素子よりも大きいので、取り付け部材による誤差が生じることなく振動エネルギーを圧電素子で電気エネルギーに変換することができ、圧電素子にその電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための回路が接続される場合であっても回路特性を正しく機能させることができる。
【００２９】
また、請求項６の制振構造は、前記取り付け部材と前記開孔との接触面が、前記制振対象物の表面に対して斜めになっていることを特徴とするものである。
【００３０】
請求項６によると、取り付け部材と開孔との接触面が制振対象物の表面に対して斜めになっていることにより、取り付け部材を比較的少ない遊びで開孔内に保持することができる。そのために、制振対象物の振動に対する圧電制振ユニットの出力応答性を高めることができて、より精度の高い制振が可能である。
【００３１】
また、請求項７の制振構造は、圧電素子と、前記圧電素子の作動軸方向の両端に配されており、前記圧電素子よりも弾性率が大きい第１および第２の接続部材と、前記第１および第２の接続部材間を接続する弾性部材とを備えており、前記第１および第２の接続部材が制振対象物に取り外し可能に接触固定されることにより前記制振対象物の振動エネルギーを前記圧電素子によって電気エネルギーに変換することが可能に構成された複数の圧電制振ユニットと、前記圧電素子で得られた電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための回路とを備えており、複数の前記圧電制振ユニットのうち前記制振対象物の振動によって同相の振動を受けるものについては両極の同種極どうしが前記回路の一方の極に接続され、逆相の振動を受けるものについては両極の異種極どうしが前記回路の他方の極に接続されていることを特徴とするものである。
【００３２】
請求項７によると、複数の圧電制振ユニットの両極の同種極どうし或いは異種極どうしが回路の同じ極に接続されるので、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための回路を１つ設けるだけでよくなる。また、複数の圧電制振ユニットを制振対象物に分散させて取り付けることによって、高い制振効果を得ることができる。さらに、制振対象物の振動モードが変わった場合にも、圧電制振ユニットの電気的な接続を変えるだけで容易に対応可能である。
請求項８の制振構造においては、前記圧電制振ユニットには、前記第１および第２の接続部材の間に、前記圧電素子が複数設けられており、複数の前記圧電素子のうちの少なくとも１個が前記制振対象物の振動検出のために用いられ、残りの前記圧電素子が前記制振対象物の振動を能動的に制御するアクチュエータとして用いられるように構成されている。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００３４】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電制振ユニットの平面図であり、図１（ｂ）はその側面図である。図１（ａ）、（ｂ）に示された圧電制振ユニット１は、制振対象物に取り付けられることにより、制振対象物の曲げ振動や伸縮振動のエネルギーを電気エネルギーに変換することが可能なものである。そして、圧電制振ユニット１で発生した電気エネルギーが、これに接続された電気回路により熱エネルギーに変換されて外部に放出されることにより、制振対象物の制振を実現する。
【００３５】
圧電制振ユニット１は、紙面に沿って上下方向に作動軸（作用軸）を有する板状の圧電素子１１と、圧電素子１１の作動軸方向（矢印Ａで示す）の両端に配された圧電素子１１よりも幅広の一対の接続部材１２、１３と、圧電素子１１の両側部において一対の接続部材１２、１３の対向面に接続された一対の板ばね１４、１５と、一対の接続部材１２、１３間において圧電素子１１および板ばね１４、１５を密封被覆する透明なウレタンゲル（ウレタンゴム）からなる密封部１６とを有しており、全体として薄い直方体形をしている。
【００３６】
例えばチタン酸バリウムやＰＺＴを主材料とする圧電素子１１は、ｄ31型またはｄ33積層型といわれるものであり、外部からの振動エネルギーを受けて作動軸方向に伸縮されることによって、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。また、逆に、電気エネルギーを振動エネルギーに変換することができる。
【００３７】
接続部材１２には、２つのねじ挿入用の開孔１９ａ、１９ｂが紙面に垂直な方向に設けられている。また、接続部材１３にも、同様の開孔１９ｃ、１９ｄが設けられている。開孔１９ａ〜１９ｄは、図１（ｂ）から明らかなように皿あなであって、その途中までが外側に開いた円錐型テーパー面であり、残りの部分は円柱状の直管になっている。開孔１９ａ〜１９ｄには皿ねじなどの取り付け部材を挿入することができ、この取り付け部材を制振対象物側において螺合などで係合させることにより、制振対象物と接続部材１２、１３とを接触固定することができる。また、接続部材１２、１３は、圧電素子１１および密封部１６よりも硬く弾性変形しにくい材料、言い換えると弾性率の大きい材料（本実施の形態では金属材料）から構成されている。
【００３８】
圧電素子１１は、作動軸方向の両端から接続部材１２、１３に挟み込まれることにより初期圧を与えられている。この初期圧の大きさは、接続部材１２、１３の対向面に接続された一対の板ばね１４、１５の弾性力の大きさにほぼ等しい。従って、板ばね１４、１５の変位を調節することにより、圧電素子１１に所望の初期圧を与えることが可能になっている。なお、板ばね１４、１５以外の公知の弾性部材を用いることも可能である。
【００３９】
密封部１６は、図１（ｂ）から明らかなように、接続部材１２、１３と制振対象物との接触予定面である接続部材１２、１３の底面１２ａ、１３ａを被覆しないように、且つ、底面１２ａ、１３ａから突出しないように設けられている。
【００４０】
また、圧電素子１１の＋−の各電極には、リード線１７、１８がそれぞれ接続されている。これらリード線１７、１８は、圧電素子１１の表面に沿って延び、接続部材１３に設けられた取出孔２０から圧電制振ユニット１の外部に取り出されている。そして、リード線１７、１８は、例えば抵抗とインダクタンスの直列接続回路に接続される。
【００４１】
図２は、図１（ａ）、（ｂ）に示した圧電制振ユニット１を制振対象物２２に取り付けた制振構造を示す断面図である。図２において、接続部材１２、１３の開孔１９ａ〜１９ｄに挿入された４本の皿ねじ（図２にはそのうちの２本２３、２４だけが示されている）は、螺合により制振対象物２と取り外し可能に係合している。皿ねじ２３、２４は、圧電素子１１よりも弾性率が大きい部材で構成されている。これにより、接続部材１２、１３の底面１２ａ、１３ａが制振対象物２２と接触した状態で、接続部材１２、１３と制振対象物２２とが固定されることになる。
【００４２】
図２において、圧電制振ユニット１は、制振対象物２２の曲げなどの変形度の大きい個所に取り付けられる。なお、制振対象物２２が曲げ変形する場合には、曲げ中心からできるだけ遠い個所に圧電制振ユニット１を配置したほうが、圧電制振ユニット１による制振効果が高くなる。そのため、圧電制振ユニット１は制振対象物２２内に埋め込まれるのではなくその表面に取り付けられる。
【００４３】
上述のように構成された本実施の形態の圧電制振ユニット１によると、圧電素子よりも硬い接続部材１２、１３が圧電素子１１の作動軸方向の両端に配されているために、接続部材１２、１３に設けられた開孔１９ａ〜１９ｄに挿入された皿ねじ２３、２４などの取り付け部材を制振対象物２２と螺合させることで、接続部材１２、１３を制振対象物２２に接触固定することができる。そのため、制振対象物２２の振動が圧電素子１１よりも硬い接続部材１２、１３だけを介して圧電素子１１に伝わるようにすることが可能になる。つまり、圧電素子１１と制振対象物２２とがいわば遊びなく結合され、接着剤のような柔らかい材料が圧電素子１１と制振対象物２２との間に介在することがないので、振動エネルギーを効率よく圧電素子１１で電気エネルギーに変換することができるようになる。
【００４４】
また、本実施の形態では、接続部材１２、１３に設けられた開孔１９ａ〜１９ｄに皿ねじ２３、２４を挿入することが可能であるために、圧電制振ユニット１の制振対象物２２への取り付けを迅速に行うことができるという利点がある。なお、本実施の形態の圧電制振ユニット１において、接続部材１２、１３は、皿ねじ２３、２４を用いて制振対象物２２に固定される以外に、ビス、ピンなどの圧電素子１１よりも弾性率が大きい部材によって制振対象物２２に固定されてもよい。
【００４５】
また、皿ねじ２３、２４を用いることによって、接続部材１２、１３を制振対象物２２に取り外し可能に接触固定することができるために、圧電素子１１が故障したときであっても容易にユニット１の取り替えが可能となる。これは、湿潤な環境や使用頻度によっては比較的故障しやすく寿命が短いという性質をもつ圧電素子を具備した圧電制振ユニットにとって大きな利益である。また、圧電素子１１よりも硬い接続部材１２、１３が圧電素子１１の作動軸方向の両端に配されているために、圧電素子１１の作動軸と交差する方向に圧電素子１１が変形するクロストークの問題がほとんど生じず、振動エネルギーを効率よく圧電素子１１で電気エネルギーに変換することができる。
【００４６】
また、従来のように制振対象物２２に切り欠き部分を設ける必要がないため、制振対象物２２の剛性が低下することがない。さらに、板ばね１４、１５によって圧電素子１１に所定の初期圧を加えることができるとともに、板ばね１４、１５の両端に接続された接続部材１２、１３が初期圧をその内力として分担するので初期圧の反力が制振対象物２２に伝わることがない。そのため、圧電素子１１への初期圧付与に起因して制振対象物２２にひずみが発生することがない。
【００４７】
従って、本実施の形態の圧電制振ユニット１は、周波数の高い微小振動に対する制振にも非常に有効であり、制振対象物２２の振動によって生じる固体音を抑制するのに用いても高い効果を発揮する。
【００４８】
また、本実施の形態の圧電制振ユニットを用いた制振構造では、取り付け部材である皿ねじ２３、２４の弾性率が圧電素子１１よりも大きいので、皿ねじ２３、２４による誤差が生じることなく振動エネルギーを圧電素子１１で電気エネルギーに変換することができ、圧電素子１１に後述する分岐回路が接続される場合であっても回路特性を正しく機能させることができる。
【００４９】
また、本実施の形態の圧電制振ユニットを用いた制振構造では、皿ねじ２３、２４と開孔１９ａ〜１９ｄとの接触面が制振対象物の表面２２に対して斜めになっているので、皿ねじ２３、２４を比較的少ない遊びで開孔１９ａ〜１９ｄ内に保持することができる。そのために、制振対象物２２の振動に対する圧電制振ユニット１の出力応答性を高めることができて、より精度の高い制振が可能である。
【００５０】
また、本実施の形態の圧電制振ユニット１によると、圧電素子１１がウレタンゲルからなる密封部１６により密封被覆されているために、長期間にわたって圧電素子１１を外気から遮断して水分から保護することができる。一方、接続部材１２、１３と制振対象物２２との接触予定面である底面１２ａ、１３ａが密封部１６により被覆されていないために、接続部材１２、１３よりも弾性率が小さい密封部１６によって振動エネルギーの圧電素子１１への伝達が阻害されることがない。
【００５１】
また、密封部１６が圧電素子１１を被覆しており密封部１６と圧電素子１１との間に気体層が介在しないので、圧電素子１１で発生した熱が伝熱率の比較的高いウレタンゲルからなる密封部１６を介して速やかに外部に逃げて行きやすく、放熱性に優れており圧電素子１１が高温になってしまうことがない。従って、高温多湿環境において劣化しやすい圧電素子１１に対して湿度および温度の点で比較的良好な条件を維持することができ、圧電素子１１の長寿命化を図ることができる。
【００５２】
また、密封部１１は接続部材１２、１３よりも弾性率が小さく、作動軸方向の変位に対して接続部材１２、１３よりも軟らかく弾性変形しやすいので、圧電素子１１がその作動軸方向に変位する際、密封部１６がこの変位を妨げることが少ない。従って、応答性の点で優れた圧電制振ユニット１が得られる。
【００５３】
さらに、ウレタンゲルなどの樹脂材料からなる密封部１６は、その有する弾性のために僅かではあるが収縮しようとする性質がある。そのため、密封部１６が圧電素子１１を被覆していることで、特別な機構を用いなくとも圧電素子１１にはその作動軸方向に一定の初期圧が付与される。
【００５４】
また、本実施の形態の圧電制振ユニット１の圧電素子１１は絶縁性を有するウレタンゲルからなる密封部１６によって被覆されている。そのため、圧電素子１１の電気的絶縁を確実に保つことができて、誤動作に対する信頼性も高い。
【００５５】
本実施の形態では、密封部１６の材料として、圧電素子１１の動作に悪影響を与えることがなく、伝熱性に優れており、水分を透過させず、経時変化が少ないという特性を有するウレタンゲルを用いるので、他の樹脂材料を用いた場合と比較して、上述した諸効果を発揮させる点で特に優れている。さらに、ウレタンゲルは成形温度が低くて常温での成形が可能であるという特性を有しているので、高温環境での成形が特に必要なく圧電制振ユニット１をより簡易に製造できるという利点がある。なお、シリコンゲルを用いてもウレタンゲルと同様の効果が得られる。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る圧電制振ユニットについて、図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施の形態の圧電制振ユニット２は、接続部材１２、１３の間に３つの圧電素子３１、３２、３３が設けられている点以外は、図１（ａ）、（ｂ）で説明した第１の実施の形態のものと同じであって、図２で説明したのと同様にして制振対象物２２に取り付けられる。なお、圧電素子３１〜３３の電極に接続されたリード線３４〜３６は、図面を簡略化するために、各圧電素子について１本しか図示していない。
【００５７】
一般に、圧電素子は大型のものに比べて小型のものの方がきわめて安価である。そのため、本実施の形態の圧電制振ユニット２では、第１の実施の形態で用いた圧電素子１１よりも小型であってはるかに安価な３つの圧電素子３１〜３３を用いたほうが圧電素子に要するコストを低く抑えることができる。従って、本実施の形態の圧電制振ユニット２は、第１の実施の形態の圧電制振ユニット１に比べて安価であるという利点がある。なお、４つ以上または２つの圧電素子を用いるようにしてもよいし、圧電制振ユニット２の厚み方向に圧電素子を積層してもよい。
【００５８】
また、本実施の形態の圧電制振ユニット２のように複数の圧電素子３１〜３３を有するものについては、そのうちの少なくとも１個を制振対象物２２の振動検出のために用い、残りの圧電素子を制振対象物２２の振動を能動的に制御するアクチュエータとして用いるようにすることが可能である。例えば、圧電素子３１によって制振対象物２２の振動検出を行い、その結果を圧電素子３２、３３にフィードバックして振動を抑制するようにこれら圧電素子３２、３３を駆動するようにしてよい。
【００５９】
このように、複数の圧電素子３１〜３３を振動検出用およびアクチュエータ用に分けて用いることにより、制振対象物２２のアクティブ振動制御が可能になり、リード線３４〜３６の配線だけの変更によって１つの圧電制振ユニット２をアクティブ制御およびパッシブ制御の両方に用いることが可能となるという利点がある。
【００６０】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る圧電制振ユニットについて、図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施の形態の圧電制振ユニット３は、接続部材１２と３つの圧電素子４６、４７、４８との間に初期圧調整機構４１が設けられている点以外は、図３（ａ）、（ｂ）で説明した第２の実施の形態のものと同じであって、図２で説明したのと同様にして制振対象物２２に取り付けられる。
【００６１】
初期圧調整機構４１は、圧電素子４６〜４８よりも弾性率の大きな硬い部材（ここでは、金属部材）で構成されており、圧電素子４６〜４８の作動軸方向の突出量が可変に構成されたねじ部４２〜４４を回動させることによって、圧電素子４６〜４８に加えられる初期圧を調整することが可能になっている。このような初期圧調整機構４１を設けることによって、圧電素子４６〜４８の初期圧を自在に調整することが可能であるため、圧電素子４６〜４８の初期圧を所望の大きさに容易に調整することが可能である。そのため、圧電素子４６〜４８の出力応答性が高まって制振効率をより向上させることができる。
【００６２】
次に、本発明の第４の実施の形態について、図５および図６をさらに参照して説明する。本実施の形態は、第１〜第３の実施の形態で説明したような圧電制振ユニット（ここでは、図１に示した第１の実施の形態の圧電制振ユニット１と同様のものであるとして説明する）を複数備えた制振構造に係るものである。
【００６３】
本実施の形態の制振構造の第１の例として、図５（ａ）に示すように、２つの圧電制振ユニット５１、５２が平板状の制振対象物５３の表裏の対向した位置に取り付けられている。圧電制振ユニット５１、５２は、制振対象物５３が図５（ａ）に示すような曲げ正弦振動を行うときの振動頂点となる位置に取り付けられている。圧電制振ユニット５１、５２の取り付けには、図２で説明したように皿ねじが用いられている。
【００６４】
このとき、圧電制振ユニット５１は制振対象物５３側が圧縮されその反対側が引っ張られているのに対して、圧電制振ユニット５２は制振対象物５３側が引っ張られその反対側が圧縮されている。従って、２つの圧電制振ユニット５１、５２は互いに逆相の振動を受けているといえる。
【００６５】
また、本実施の形態の制振構造は、図６（ａ）に示すように、圧電制振ユニット５１、５２内の圧電素子で得られた電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための分岐回路６１を有している。分岐回路６１は、例えば抵抗とインダクタンスの直列接続回路であってよい。
【００６６】
そして、本例では、図６（ａ）に示すように、圧電制振ユニット５１の陽極（＋）に接続されたリード線６２と、圧電制振ユニット５２の陰極（−）に接続されたリード線６５とが分岐回路６１の一方の極に接続されている。また、圧電制振ユニット５１の陰極（−）に接続されたリード線６３と、圧電制振ユニット５２の陽極（＋）に接続されたリード線６４とが分岐回路６１の他方の極に接続されている。
【００６７】
次に、本実施の形態の制振構造の第２の例として、図５（ｂ）に示すように、２つの圧電制振ユニット５４、５５が平板状の制振対象物５６の表裏の対向していない位置に取り付けられている。すなわち、圧電制振ユニット５４は、制振対象物５６が図５（ｂ）に示すような曲げ正弦振動を行うときの振動頂点となる位置に、圧電制振ユニット５５は、圧電制振ユニット５４の位置とは隣接した振動頂点となる位置にそれぞれ取り付けられている。圧電制振ユニット５４、５５の取り付けには、図２で説明したように皿ねじが用いられている。
【００６８】
このとき、圧電制振ユニット５４、５５は、ともに制振対象物５６側が圧縮されその反対側が引っ張られている。従って、２つの圧電制振ユニット５４、５５は互いに同相の振動を受けているといえる。
【００６９】
そして、本例では、図６（ｂ）に示すように、圧電制振ユニット５４の陽極（＋）に接続されたリード線６６と、圧電制振ユニット５５の陽極（＋）に接続されたリード線６８とが分岐回路６１の一方の極に接続されている。また、圧電制振ユニット５４の陰極（−）に接続されたリード線６７と、圧電制振ユニット５５の陰極（−）に接続されたリード線６９とが分岐回路６１の他方の極に接続されている。
【００７０】
このように、本実施の形態の制振構造によると、逆相の振動を受ける２つの圧電制振ユニット５１、５２の異種極どうしが分岐回路６１の同じ極に接続され、同相の振動を受ける２つの圧電制振ユニット５４、５５の同種極どうしが分岐回路６１の同じ極に接続されるようにしたことで、圧電制振ユニット５１、５２；５４、５５ごとに別々の分岐回路６１を設ける必要がなくなり、その分だけ構造を簡略化することができる。
【００７１】
また、本実施の形態の制振構造によると、制振対象物５３、５６の振動モードに応じて同相または逆相で複数の圧電制振ユニットを制振対象物５３、５６に分散させて取り付けることができ、高い制振効果を得ることができる。さらに、制振対象物５３、５６の振動モードが変わった場合にも、圧電制振ユニット５１、５２；５４、５５の電気的な接続を変えるだけで容易に対応可能であるという利点がある。
【００７２】
なお、本実施の形態では、制振対象物に２つの圧電制振ユニットが取り付けられる場合について説明したが、３つ以上の圧電制振ユニットが取り付けられる場合についても同様にして構成することが可能である。
【００７３】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内において様々な設計変更が可能である。例えば、上述の実施の形態では、圧電制振ユニットの形状は薄い直方体形であったが、これに限らずどのような形状にも変更が可能である。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１によると、制振対象物の振動が圧電素子よりも硬い接続部材だけを介して圧電素子に伝わるようにすることが可能であるので振動エネルギーを効率よく圧電素子で電気エネルギーに変換することができるようになる。また、圧電素子が故障したときであっても容易に取り替えが可能となる。また、圧電素子の作動軸と交差する方向に圧電素子が変形するクロストークの問題がほとんど生じないようにすることができる。
【００７５】
また、制振対象物に切り欠き部分を設ける必要がないため、制振対象物の剛性が低下することがない。さらに、弾性部材によって圧電素子に所定の初期圧を加えることができるとともに、初期圧の反力が制振対象物に伝わることがなく、制振対象物にひずみが発生することがない。
【００７６】
従って、単なる減衰材料とは異なり、周波数の高い微小振動に対する制振にも高い効果を発揮することができ、例えば制振対象物の振動によって生じる固体音の抑制に対しても効果的である。
また、請求項１によると、比較的小型の圧電素子を用いることにより安価な圧電制振ユニットを提供することができる。
さらに、請求項１によると、複数の圧電素子を振動検出用およびアクチュエータ用に分けて用いることにより、制振対象物のアクティブ振動制御が可能になり、配線だけの変更によって１つの圧電制振ユニットをアクティブ制御およびパッシブ制御の両方に用いることが可能となる。
【００７７】
請求項２によると、圧電素子が樹脂材料からなる密封部により密封被覆されているために、長期間にわたって圧電素子を外気から遮断することができる。また、密封部によって振動エネルギーの圧電素子への伝達が阻害されることがない。また、圧電素子で発生した熱が速やかに外部に逃げて行きやすく、放熱性に優れている。従って、高温多湿環境において劣化しやすい圧電素子に対して湿度および温度の点で比較的良好な条件を維持することができ、圧電素子の長寿命化を図ることができる。さらに、圧電素子が作動軸方向に変位する際、密封部がこの変位を妨げることが少なく、応答性の点で優れた圧電制振ユニットが得られる。また、密封部が圧電素子を被覆していることで、特別な機構を用いなくとも圧電素子にはその作動軸方向に一定の初期圧が付与される。さらに、圧電素子の電気的絶縁を確実に保つことができ、誤動作に対する信頼性を高めることができる。
【００７８】
請求項３によると、圧電素子の初期圧を所望の大きさに容易に調整することが可能であるため、圧電素子の出力応答性を高めることができて制振効率をより向上させることができる。
【００８１】
請求項４によると、制振対象物への取り付けを迅速に行うことができる。
【００８２】
請求項５によると、請求項１と同様に周波数の高い微小振動やこれによる固体音を抑制することが可能である。また、取り付け部材の弾性率が圧電素子よりも大きいので、取り付け部材による誤差が生じることなく振動エネルギーを圧電素子で電気エネルギーに変換することができ、圧電素子にその電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための回路が接続される場合であっても回路特性を正しく機能させることができる。
【００８３】
請求項６によると、制振対象物の振動に対する圧電制振ユニットの出力応答性を高めることができて、より精度の高い制振が可能である。
【００８４】
請求項７によると、複数の圧電制振ユニットが設けられているにもかかわらず電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための回路を１つ設けるだけでよくなる。また、複数の圧電制振ユニットを制振対象物に分散させて取り付けることによって、高い制振効果を得ることができる。さらに、制振対象物の振動モードが変わった場合にも、圧電制振ユニットの電気的な接続を変えるだけで容易に対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る圧電制振ユニットの平面図および側面図である。
【図２】図１（ａ）、（ｂ）に示した圧電制振ユニットを制振対象物に取り付けた制振構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る圧電制振ユニットの平面図および側面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る圧電制振ユニットの平面図および側面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る制振構造において、圧電制振ユニットの制振対象物への取り付け位置を説明するための模式図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る制振構造において、圧電制振ユニットの電極と分岐回路との接続関係を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１  圧電制振ユニット
１１  圧電素子
１２、１３  接続部材
１４、１５  板ばね
１６  密封部
１７、１８  リード線
１９ａ〜１９ｄ  開孔
２０  取出孔
２２  制振対象物
２３、２４  皿ねじ
【図１】
0004588816.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004588816.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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