(57)【要約】【課題】  圧電素子による回転体の振動抑制装置の外部回路を不要とする。【解決手段】回転体に取り付けた少なくとも一対の圧電素子２ａ，２ｂにより、前記回転体を振動させる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して前記回転体の振動を抑制する振動抑制装置において、前記一対の圧電素子２ａ，２ｂが変形して電荷を生じた場合における第１の圧電素子２ａの正極と第２の圧電素子２ｂの負極とが電気的に接続され、かつ第１の圧電素子２ａの負極と第２の圧電素子２ｂの正極とが電気的に接続されていることを特徴とする振動抑制装置であって、外部回路を有していないので、温度の上昇による共振周波数のずれが発生せず、全ての周波数に対して制振効果を得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体に取り付けた少なくとも一対の圧電素子により、前記回転体を振動させる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して前記回転体の振動を抑制する振動抑制装置において、
前記一対の圧電素子が変形して電荷を生じた場合における第１の圧電素子の正極と第２の圧電素子の負極とが電気的に接続され、かつ第１の圧電素子の負極と第２の圧電素子の正極とが電気的に接続されていることを特徴とする振動抑制装置。
【請求項２】
前記回転体は中空構造となっているとともに、前記圧電素子は前記回転体の中空部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の振動抑制装置。
【請求項３】
前記圧電素子は前記回転体の軸線方向に少なくとも二対設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動抑制装置。
【請求項４】
前記圧電素子は前記軸線方向に分極されており、かつ、せん断歪みが発生したときに電荷が発生することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動抑制装置。
【請求項５】
前記圧電素子を挟み込むように前記回転体の内面に拘束部材が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動抑制装置。
【請求項６】
前記第１の圧電素子と、前記第２の圧電素子とは、回転体の中心軸線をはさんで線対称の位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の振動抑制装置。
【請求項７】
前記一対の圧電素子が前記回転体の軸線方向と直交する方向に積層されていることを特徴とする請求項１ないしの５のいずれかに記載の振動抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電素子を使用して回転体の振動を抑制する振動抑制装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ドライブシャフトなどの回転体の振動を抑制するため、圧電素子を用いて振動を抑制することが知られている。例えば、特許文献１には、回転体の外周面に密接して配置された圧電変換素子と、該圧電変換素子の歪み量を制御する制御手段とを有し、当該回転体に発生した弾性振動に起因する歪みを拘束する向きの内部応力を圧電変換素子に発生させるように構成された発明が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、複数の圧電素子のうち少なくとも１個を制振対象物の振動検出のために用い、残りの圧電素子を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るようにすることが可能なように構成された発明が記載されている。
【特許文献１】特開平１０−３０９９５１号公報
【特許文献２】特開２０００ー３５７８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の発明では、外部回路や電源が必要となる。一方、特許文献２の発明によれば、回転体の振動抑制を、外部の電源を必要とせずにおこなうことができる。
【０００５】
しかし、圧電素子の駆動が連続しておこなわれるような場合、圧電素子自体に熱が発生する。圧電素子を構成する材料の特性は温度によって変化するために、圧電素子の共振周波数は温度の上昇によって変化し、圧電素子に接続された負荷または外部回路との共振周波数にずれが生じる。すなわち、圧電素子の共振周波数が不安定となり、結局振動抑制効果が不十分となる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため本発明は、複数の圧電素子で発生する電荷を相殺するように圧電素子間の配線をおこなうように構成したものである。より具体的には請求項１の発明は、回転体に取り付けた少なくとも一対の圧電素子により、前記回転体を振動させる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して前記回転体の振動を抑制する振動抑制装置において、前記一対の圧電素子が変形して電荷を生じた場合における第１の圧電素子の正極と第２の圧電素子の負極とが電気的に接続され、かつ第１の圧電素子の負極と第２の圧電素子の正極とが電気的に接続されていることを特徴とする振動抑制装置である。
【０００７】
また、請求項２の発明は、請求項１において、前記回転体は中空構造となっているとともに、前記圧電素子は前記回転体の中空部に取り付けられていることを特徴とする振動抑制装置である。
【０００８】
さらに、請求項３の発明は、請求項１または２において、前記圧電素子は前記回転体の軸線方向に少なくとも二対設けられていることを特徴とする振動抑制装置である。
【０００９】
そして、請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記圧電素子は前記軸線方向に分極されており、かつ、せん断歪みが発生したときに電荷が発生することを特徴とする振動抑制装置である。
【００１０】
また、請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかにおいて、前記圧電素子を挟み込むように前記回転体の内面に拘束部材が設けられていることを特徴とする振動抑制装置である。
【００１１】
そして、請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記第１の圧電素子と、前記第２の圧電素子とは、回転体の中心軸線をはさんで線対称の位置に配置されていることを特徴とする振動抑制装置である。
【００１２】
さらに、請求項７の発明は、請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記一対の圧電素子が前記回転体の軸線方向と直交する方向に積層されていることを特徴とする振動抑制装置である。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、少なくとも一対の圧電素子が電気的に接続されている。つまり、外部回路を有していないので、温度の上昇による共振周波数のずれが発生せず、全ての周波数に対して制振効果を得ることができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、複数の圧電素子が、回転体の中空構造の中空内側に設けられている。そのため、外部からの影響を避けることができる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、軸線方向に設けられている圧電素子のうち、二対を曲げ振動により異なるせん断力が発生する部位にそれぞれ設けることにより、互いに発生する電荷を相殺することなく振動抑制効果を得ることができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、軸線方向に分極されており、かつ、せん断歪みが発生したときに電荷が発生する圧電素子の圧電定数が大きいため、回転体の曲げ方向の振動抑制効果を増大させることができる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、回転体に曲げ方向の振動が発生した場合、拘束部材を設けることにより、圧電素子に加わるせん断力を増大させることができ、振動抑制効果を増大させることができる。
【００１８】
請求項６の発明によれば、回転体中心軸線を中心として線対称となる２つの圧電素子は、たわみによりほぼ同じ大きさのせん断力が働くため、ほぼ同じ電荷が発生し、発生した電荷がより多く相殺され、振動抑制効果を向上させることができる。
【００１９】
請求項７の発明によれば、一対の圧電素子が積層され、その積層された圧電素子間で電気的に接続される。したがって、圧電素子間の、例えば結線などの接続を極力短くすることができるので、組み付け性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施例１）
図１すなわち回転体の断面図において、回転体１は車両のドライブシャフトや回転体あるいは一般機械に駆動軸に相当するものであるが、回転体１の偏心は避けられないので、回転体１の回転に伴って、回転体１にたわみ振動（曲げ振動）が発生しノイズが発生する。このノイズを抑制するために回転体１の振動の発生が最も大きい部位の中空内側に圧電素子を密着させることが考えられる。
【００２１】
回転体１の中空内側に圧電素子２ａ，２ｂが密着されており、その密着面とは異なる圧電素子の面に回転体１の剛性よりも大きな剛性を有する拘束部材６が密着して設けられている。すなわち、回転体１の中空内側と拘束部材６とで圧電素子２ａ，２ｂは挟み込まれている。
【００２２】
これらの圧電素子は二対設けられており、回転体中心に対して線対称となる２つの圧電素子２ａ，２ｂ間で電気的に結線材３により結線されている。これらの圧電素子２ａ，２ｂは軸方向で２分割されている。具体的には、第１分割部４の一方の圧電素子２ａの回転体１の中空内側に接する面に設けられた電極と、他方の圧電素子２ｂの拘束部材６に接する面に設けられた電極とが結線材３により結線されており、他方の圧電素子２ｂの回転体１の中空内側に接する面に設けられた電極と、一方の圧電素子２ａの拘束部材６に接する面に設けられた電極とが結線材２１で結線されている。
【００２３】
また第２分割部５の一方の圧電素子２ａの回転体１の中空内側に接する面に設けられた電極と、他方の圧電素子２ｂの拘束部材６に接する面に設けられた電極とが結線材３で結線されており、他方の圧電素子２ｂの回転体１の中空内側に接する面に設けられた電極と、一方の圧電素子２ａの拘束部材６に接する面に設けられた電極とが結線材２１で結線されている。
【００２４】
回転体１にトルクが伝達されて回転すると、回転体１の取り付けの偏心が避けられないので、振動回転体１がたわみ、回転体１に振動が発生する。このとき、圧電素子２ａ，２ｂも回転体１の軸線方向と垂直な方向に変形し、この変形にともない、回転体１と圧電素子２ａ，２ｂとの間にせん断力が働き、せん断歪みが発生し、圧電素子２ａ，２ｂの回転体１の中空内側に接する面、およびそれに対向する面に電荷が発生する。
【００２５】
図２はこの回転体１がたわんだ際の圧電素子２ａ，２ｂの電荷の分布を示す図である。すなわち、第１分割部４の一方の圧電素子２ａの回転体１の中空内側に接する面に設けられた電極にはプラスの電荷が発生し正極となり、他方の圧電素子２ｂの拘束部材６に接する面に設けられた電極にはマイナスの電荷が発生し負極となる。
【００２６】
同様に、第２分割部５の一方の圧電素子２ａの回転体１の中空内側に接する面に設けられた電極にはマイナスの電荷が発生し負極となり、他方の圧電素子２ｂの拘束部材６に接する面に設けられた電極にはプラスの電荷が発生し正極となる。
【００２７】
この電極同士は結線材３，２１で結線されているので、正極と負極とが直接接続されているので、発生した電荷が互いに供給され合って、電荷が相殺され、たわみとは逆の向きに応力が発生するように圧電素子２ａ，２ｂを駆動する。
【００２８】
この一方の圧電素子２ａと、一方の圧電素子２ａと回転体の回転中心軸線１００に対して線対称の位置にある他方の圧電素子２ｂとのいずれも外部に共振回路等を有していないため、共振周波数が存在していない。このため、どの周波数においても振動抑制効果を得ることができる。
【００２９】
また、外部の共振回路を有していないので、圧電素子２ａ，２ｂの温度上昇によって圧電素子２ａ，２ｂの固有周波数が変化し、外部の共振回路の共振周波数とずれが生じることがない。このため、圧電素子の温度が上昇しても振動抑制効果を維持することができる。
【００３０】
また、圧電素子２ａ，２ｂは回転体１の中空内部に設けられるので、例えば、路面からの飛び石や、水などが飛び散ることにより圧電素子に接触する等の外部からの影響を避けることができる。
【００３１】
また、圧電素子２ａ，２ｂが第１分割部４と第２分割部５との軸方向に分割されている。この分割位置は、回転体１のたわみ振動時の山１３や谷１２の部分に設定することがのぞましい。これは、山１３や谷１２を挟むそれぞれの部位（図２に記す山１３や谷１２を挟む左右の方向の部位）にはたわみによるせん断力が反対の方向に発生する。それに伴い、せん断歪みも反対方向となり、電荷もそれぞれ逆の電荷が発生する。仮に山１３や、谷１２をまたぐように圧電素子を設けると、圧電素子の（図２でいう）左右の部位には異なる電荷が発生することとなり、結果的に圧電素子２ａ，２ｂ自身で電荷が相殺してしまい、振動抑制効果が薄れてしまう。そのため、山１３や谷１２の部分に分割位置を設けることにより、振動抑制効果が薄れることを抑制することができる。
【００３２】
さらに、回転体１の中空内部に、圧電素子２ａ，２ｂを回転体１とで挟み込むように拘束部材６を設けてもよい。この拘束部材６は圧電素子２ａ，２ｂの片面の変形を抑制するように作用するので、圧電素子２ａ，２ｂに加わるせん断力を増大させることができ、振動抑制効果を増大させることができる。
【００３３】
また、回転体１の回転中心軸線を中心として線対称となる２つの圧電素子２ａ，２ｂには、たわみによりほぼ同じ大きさのせん断力が働くため、ほぼ同じ電荷が発生し、発生した電荷がより多く相殺され、振動抑制効果を増大させることができる。また、回転体の偏心による振動を抑制できる。
【００３４】
なお、本実施例においては、結線材３，２１により結線されているが、結線材による結線に限らず、要は電気的に接続されていればよい。例えば、結線材にキャパシティやコイル等の抵抗部材を設けているものや、結線材に代わりフィルム電極を用いたものでも良く、電気的に直接接続されていてもよい。
【００３５】
（実施例２）
また、上記実施例においては、回転体１の回転中心軸線１００に対して線対称となる２つの圧電素子２ａ，２ｂ間で結線をおこなったが、２つの圧電素子を積層させ、この２つの圧電素子間で結線をおこなってもよい。図３は圧電素子を積層させて配置した場合の回転体１の拡大断面図である。
【００３６】
回転体１の中空内側に圧電素子７ａ，７ｂが半径方向（直径方向）に積層して貼付されており、その貼付面とは異なる圧電素子の面に回転体１の剛性よりも大きな剛性を有する拘束部材６が貼り付けられている。なお、本実施例においては半径方向に積層されているが、要は、回転体１の回転中心軸線１００の方向と直交する方向（軸中心から回転体１の表面方向）に積層されていればよい。
【００３７】
図４は回転体１にたわみ振動が加わり、圧電素子２ａ，２ｂも回転体１の軸線方向と垂直な方向に変形し、回転体１と圧電素子２ａとの間、圧電素子２ａと２ｂとの間、圧電素子２ｂと拘束部材６との間にせん断力が働き、せん断歪みが発生する。図４は、この方向にせん断歪みが発生した場合の圧電素子７ａ，７ｂに発生する電荷の分布を示した図である。
【００３８】
例えば、回転体１にたわみ振動が加わった場合、圧電素子７ａの回転体１の内面に接する面の電極にはプラスの電荷が発生し正極となり、圧電素子７ａの圧電素子７ｂに接する面の電極にはマイナスの電荷が発生し負極となる。また、圧電素子７ｂの拘束部材６に接する面の電極に発生する電荷はマイナスとなり負極となり、圧電素子７ｂの圧電素子７ａに接する面の電極に発生する電荷はプラスとなり正極となる。
【００３９】
したがって、圧電素子７ａの回転体１の内面に接する面の電極と圧電素子７ｂの拘束部材６に接する面の電極とを結線材８により結線し、また、圧電素子７ａの圧電素子７ｂに接する面の電極と、圧電素子７ｂの圧電素子７ａに接する面の電極とを結線材２２により結線することで、正極と負極とが結線されることになり、回転体１の回転体中心を中心として線対称となる２つの圧電素子を結線した場合と同様の効果を得ることができる。また、結線材８、２２が短く、また、結線が単純なので、圧電素子７ａと７ｂの回転体１への組み付けの容易性を向上させることができる。
【００４０】
なお、図５に示すように、圧電素子の７ａ，７ｂの位置によっては、回転体１にたわみ振動が加わった場合、圧電素子７ｂの拘束部材６に接する面の電極に発生する電荷はプラスであり正極となり、圧電素子７ｂの圧電素子７ａに接する面の電極に発生する電荷はマイナスとなり負極となる。
【００４１】
なお、圧電素子を積層させて配置した場合、これらの圧電素子対の数は偶数でも奇数でもよいが、円周方向に均等に配置されていることが望ましい。
【００４２】
（実施例３）
また、上記実施例においては、圧電素子の電極の分極方向が、回転体１のたわみ振動方向と同一、すなわち、圧電素子の表と裏とで分極されているが、この電極の分極方向を軸線方向としてもよい。図６は圧電素子を軸中心方向に並べた場合の回転体１の拡大断面図である。
【００４３】
回転体１の中空内部に複数の溝を形成し、この溝に軸方向に２枚で一対の圧電素子１０ａ，１０ｂが固定されており、さらにこれら複数の圧電素子対１０ａ，１０ｂを一体として拘束する拘束部材６が設けられている。なお、固定されていなくても、回転体と圧電素子対１０ａ，１０ｂとが接していればよい。
【００４４】
回転体１にたわみ振動が加わると、圧電素子１０ａ，１０ｂは軸線方向に分極されており、また、圧電素子１０ａ，１０ｂの図７上における上端は回転体１の内壁で、下端は拘束部材６でそれぞれ固定されているので、圧電素子１０ａ，１０ｂには回転体１にはせん断力が加わる。
【００４５】
そして、たとえば図７に示すように各圧電素子１０ａ，１０ｂの電極に発生する電荷が発生する。すなわち、圧電素子１０ａの図上上側にはプラスの電荷が発生し、圧電素子１０ａの図上下側にはマイナスの電荷が発生する。さらに、圧電素子１０ｂの図上下側にはプラスの電荷が発生し、圧電素子１０ｂの図上上側にはマイナスの電荷が発生する。そのため、圧電素子１０ａの図上上側に配置された電極と圧電素子１０ｂの図上上側に配置された電極とを結線材９により結線し、圧電素子１０ａの図上下側と圧電素子１０ｂの図上下側とを結線材２３により結線することで、回転体１の回転中心軸線１００を中心として線対称となる２つの圧電素子を結線した場合と同様の効果を得ることができる。また、結線材９，２３が短く、また、結線が単純なので、圧電素子１０ａ，１０ｂの回転体への組付けの容易性を向上させることができる。
【００４６】
（実施例４）
なお、圧電素子は軸中心軸（軸線）方向に分極されており、かつ、せん断歪みが発生したときには電荷が発生するものである必要はない。図８には、上記実施例３に記載の圧電素子に変えて、分極方向が中心軸線方向と直交する方向であり、かつ、電荷が発生する応力方向が軸中心方向となっている圧電素子を設けたものである。この場合、回転体１にたわみ振動が加わると、中心軸線方向に応力が加わることから各圧電素子１０ａ、１０ｂの電極に発生する電荷が発生する。
【００４７】
すなわち、圧電素子１０ａの図上右側にはプラスの電荷が発生し、圧電素子１０ｂの図上左側にはマイナスの電荷が発生する。そのため、圧電素子１０ａの図上右側に配置された電極と圧電素子１０ｂの図上左側に配置された電極とを結線材２４により結線し、圧電素子１０ａの図上左側と圧電素子１０ｂの図上右側とを結線材２５により結線することで、電荷が相殺され、振動が抑制される。
【００４８】
また、圧電素子は例えば分極方向と電荷が発生する応力方向とが平行となる圧電素子でもよく、分極方向や電荷の発生する応力（歪み）方向に制限されない。実施例４は実施例３に記載の圧電素子１０ａ，１０ｂを別の圧電素子に変えたが、実施例１，２に記載の圧電素子に対しても同様に「分極方向と電荷が発生する応力方向が平行となる圧電素子」や「分極方向と電荷が発生する応力方向とが直交する圧電素子」などの異なる圧電素子を用いることも可能である。しかし、上記実施例１から３に示した中心軸線（軸線）方向に分極されており、かつ、せん断歪みが発生したときに電荷が発生する圧電素子は、分極方向と電荷が発生する応力方向とが平行となる圧電素子や分極方向と電荷が発生する応力方向とが直交する圧電素子に比べ大きな圧電定数を有している。そのため、回転体のように剛性の高い部材に対してもより有効な制振効果をもたらすことができる。
【００４９】
なお、「分極方向」とは「電極面に対して法線方向」のことであり、すなわち、図１から図７においては、左右方向が分極方向となり、図８においては上下方向が分極方向となる。
【００５０】
ここで、本願請求項と実施例とを対比すると、請求項における一対の圧電素子すなわち第１の圧電素子と第２の圧電素子とが圧電素子２ａ，２ｂまたは７ａ，７ｂまたは１０ａ，１０ｂに相当し、請求項における回転体が回転体１に相当し、請求項における「電気的に接続」する一態様となる部材が結線材３，８，９，２１，２２，２３，２４，２５に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】回転体の内部に圧電素子を設けた一例を示す図である。
【図２】回転体がたわみ振動した場合における、圧電素子の電荷の分布を示す一例である。
【図３】回転体の内部に圧電素子を積層して設けた一例を示す図である。
【図４】回転体がたわみ振動した場合における、積層した圧電素子の電荷の分布を示す一例である。
【図５】回転体がたわみ振動した場合における、積層した圧電素子の電荷の分布を示す他の例である。
【図６】回転体の内部に圧電素子を軸線方向に並べて設けた一例を示す図である。
【図７】回転体がたわみ振動した場合における、圧電素子を軸線方向に並べて設けた場合の圧電素子の電荷の分布を示す図である。
【図８】回転体がたわみ振動した場合における、異なる分極方向を有する圧電素子を設けた場合の圧電素子の電荷の分布を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…回転体、  ２ａ，２ｂ，７ａ，７ｂ，１０ａ，１０ｂ…圧電素子、  ３，８，９，２１，２２，２３，２４，２５…結線材、  １００…回転中心軸線。
【図１】
2007000799.tif 000003
【図２】
2007000799.tif 000004
【図３】
2007000799.tif 000005
【図４】
2007000799.tif 000006
【図５】
2007000799.tif 000007
【図６】
2007000799.tif 000008
【図７】
2007000799.tif 000009
【図８】
2007000799.tif 000010