(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性波の伝搬経路に挿入し、又は振動体に装着して、任意の周波数の弾性波を減衰、反射又は透過させる弾性波制御素子であって、圧電性物質に一対の電極を設け、この電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量及び損失係数とこれらの周波数特性を任意に変化させ、任意の周波数における前記負性容量回路の損失係数を、前記圧電性物質の誘電的な損失係数に一致させたことを特徴とする圧電性物質を用いた弾性波制御素子。
【請求項２】
弾性波の伝搬経路に挿入し、又は振動体に装着して、任意の周波数帯域の弾性波を減衰、反射又は透過させる弾性波制御素子であって、圧電性物質に一対の電極を設け、この電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量及び損失係数とこれらの周波数特性及び温度特性を任意に変化させ、この負性容量回路の容量の絶対値と損失係数の周波数特性及び温度特性を、任意の周波数帯域、温度範囲で前記圧電性物質の容量と損失係数の周波数特性及び温度特性に一致させたことを特徴とする圧電性物質を用いた弾性波制御素子。
【請求項３】
弾性波の伝搬経路に挿入し、又は振動体に装着して、任意の周波数帯域の弾性波を減衰、反射又は透過させる弾性波制御素子であって、圧電性物質に一対の電極を設け、この電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量及び損失係数とこれらの周波数特性を任意に変化させ、この負性容量回路の容量の絶対値と損失係数の周波数特性を、任意の周波数帯域で前記圧電性物質の容量と損失係数の周波数特性に一致させたことを特徴とする圧電性物質を用いた弾性波制御素子。
【請求項４】
弾性波の伝搬経路に挿入し、又は振動体に装着して、任意の周波数又は周波数帯域の弾性波を減衰、反射又は透過させる弾性波制御素子であって、圧電性物質に一対の電極を設け、この電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量及び損失係数とこれらの温度特性を任意に変化させ、この負性容量回路の容量の絶対値と損失係数の温度特性を、任意の温度範囲で前記圧電性物質の容量と損失係数の温度特性に一致させたことを特徴とする圧電性物質を用いた弾性波制御素子。
【請求項５】
前記負性容量回路を構成する素子のうち、損失係数を決定する素子については、前記圧電性物質と同じ物質で形成した請求項１、２、３又は４記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子。
【請求項６】
前記負性容量回路を構成する素子のうち、損失係数を決定する素子については、抵抗とコンデンサとコイルの全て又はこれらのいずれかを用いたネットワークとした請求項１、２、３又は４記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子。
【請求項７】
前記ネットワークを構成する素子の一部又は全てを前記圧電性物質と同じ物質で形成した請求項６記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子。
【請求項８】
前記ネットワークを構成する素子のうち抵抗を可変にすることによって前記負性容量回路の容量及び損失係数の周波数特性を可変とする請求項７記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子において、前記圧電性物質に替えて、圧電性物質に３つの素子を接続して構成した混成素子を前記負性容量回路に接続し、前記３つの素子がそれぞれ抵抗、コンデンサ、コイルのいずれか、又はこれらのうち２つ以上を組み合わせたネットワークであることを特徴とする圧電性物質を用いた弾性波制御素子。
【請求項１０】
前記３つの素子のうちの一つの素子を開放したり、又はその他２つの素子の一方又は両方を短絡したりする請求項９記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性波の伝搬経路に挿入又は振動体に装着して、任意の周波数又は任意の周波数帯域の弾性波を減衰、反射させたり、又は透過させたりすることができる圧電性物質を用いた弾性波制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、音や振動など弾性体を伝わる弾性波を減衰する手法としては、ガラスウールなどによる吸音やダンパー等を使った振動の減衰などが挙げられる。これらは、弾性波のエネルギーを吸音材やダンパー等の弾性損失によって熱エネルギーに変換し、それを消費することによって弾性波を減衰させる。
【０００３】
また、弾性波を遮断する手法としては、コンクリート等による遮音とバネを使った制振等が挙げられる。通常、気体や液体中を伝搬する弾性波に対しては、大きな質量や弾性率によって反射率を増大することができ、固体を伝搬する弾性波に対しては弾性率を小さくすることによって振動伝達率を減少することができる。
【０００４】
このように、弾性波を伝搬する媒質中に異種材料を挿入したり、又は異種材料を弾性体に装着することによって、弾性波を減衰、反射させたり、又は伝搬を抑制したりする手法をパッシブ制御という。このパッシブ制御法では、減衰率、反射率及び透過率（振動伝達率）は異種材料の弾性率及び弾性損失に依存する。
【０００５】
最近では、弾性波を感知するセンサ、演算部、制御部及びアクチュエータによって構成されるアクティブ制御法も用いられている。このアクティブ制御法は、センサが弾性波を感知すると演算部と制御部を通して、その弾性波を減衰するようにアクチュエータを駆動することを特徴としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パッシブ制御法では、減衰率、反射率及び透過率（振動伝達率）、更にこれらの周波数特性は、主に異種材料の大きさ、形状、弾性率及び弾性損失によって決定される。そのため、これらの特性は、温度や圧力などの環境によって変化するものの、人為的にその特性を変化させることはできなかった。
また、アクティブ制御法では、十分な特性を得るために複雑なシステムと演算制御法を必要とする。
【０００７】
一方、減衰率、反射率、透過率（振動伝達率）及びこれらの周波数特性を自由に変えることができる素子を簡単なシステムで実現できれば、弾性波を任意の周波数帯域で自由に減衰、反射又は透過させたりすることができ、その応用範囲は多岐にわたるものと考えられる。
【０００８】
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、減衰率、反射率、透過率（振動伝達率）、更にこれらの周波数特性を簡単に変えられ、特定の周波数又は任意の周波数帯域の弾性波を減衰、反射又は透過することができるだけでなく、これらの温度特性を補償することもできる簡単な構成の圧電性物質を用いた弾性波制御素子を提供しようとするものである。
【０００９】
【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、弾性波の伝搬経路に挿入し、又は振動体に装着して、任意の周波数の弾性波を減衰、反射又は透過させる弾性波制御素子であって、圧電性物質に一対の電極を設け、この電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量及び損失係数とこれらの周波数特性を任意に変化させ、任意の周波数における前記負性容量回路の損失係数を、前記圧電性物質の誘電的な損失係数に一致させたものである。
【００１０】
請求項２に係る発明は、弾性波の伝搬経路に挿入し、又は振動体に装着して、任意の周波数帯域の弾性波を減衰、反射又は透過させる弾性波制御素子であって、圧電性物質に一対の電極を設け、この電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量及び損失係数とこれらの周波数特性及び温度特性を任意に変化させ、この負性容量回路の容量の絶対値と損失係数の周波数特性及び温度特性を、任意の周波数帯域、温度範囲で前記圧電性物質の容量と損失係数の周波数特性及び温度特性に一致させたものである。
【００１１】
請求項３に係る発明は、弾性波の伝搬経路に挿入し、又は振動体に装着して、任意の周波数帯域の弾性波を減衰、反射又は透過させる弾性波制御素子であって、圧電性物質に一対の電極を設け、この電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量及び損失係数とこれらの周波数特性を任意に変化させ、この負性容量回路の容量の絶対値と損失係数の周波数特性を、任意の周波数帯域で前記圧電性物質の容量と損失係数の周波数特性に一致させたものである。
【００１２】
請求項４に係る発明は、弾性波の伝搬経路に挿入し、又は振動体に装着して、任意の周波数又は周波数帯域の弾性波を減衰、反射又は透過させる弾性波制御素子であって、圧電性物質に一対の電極を設け、この電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量及び損失係数とこれらの温度特性を任意に変化させ、この負性容量回路の容量の絶対値と損失係数の温度特性を、任意の温度範囲で前記圧電性物質の容量と損失係数の温度特性に一致させたものである。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子において、前記負性容量回路を構成する素子のうち、損失係数を決定する素子については、前記圧電性物質と同じ物質で形成したものである。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子において、前記負性容量回路を構成する素子のうち、損失係数を決定する素子については、抵抗とコンデンサとコイルのすべて又はこれらのいずれかを用いたネットワークとしたものである。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項６記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子において、前記ネットワークを構成する素子の一部又は全てを前記圧電性物質と同じ物質で形成したものである。
【００１６】
請求項８に係る発明は、請求項７記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子において、前記ネットワークを構成する素子のうち抵抗を可変にすることによって前記負性容量回路の容量及び損失係数の周波数特性を可変とするものである。
【００１７】
請求項９に係る発明は、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子において、前記圧電性物質に替えて、圧電性物質に３つの素子を接続して構成した混成素子を前記負性容量回路に接続し、前記３つの素子を抵抗、コンデンサ、コイルのいずれか、又はこれらのうち２つ以上を組み合わせたネットワークとするものである。
【００１８】
請求項１０に係る発明は、請求項９記載の圧電性物質を用いた弾性波制御素子において、前記３つの素子のうちの一つの素子を開放したり、又はその他２つの素子の一方又は両方を短絡したりするものである。
【００１９】
【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は本発明の第１の発明の実施の形態の構成図、図２は第１の発明の実施の形態における振動特性の測定方法の説明図、図３乃至図５は第１の発明の実施の形態における測定結果を示す図、図６は第１の発明の実施の形態における音響特性の測定方法の説明図、図７は第１の発明の実施の形態における測定結果を示す図、図８は本発明の第２の発明の実施の形態の構成図、図９及び図１０は第２の発明の実施の形態における振動特性の測定結果、図１１は第２の発明の実施の形態における透過損失の測定方法の説明図、図１２は第２の発明の実施の形態における透過損失の測定結果、図１３は圧電性物質と３つの素子からなる混成素子の構成図である。
【００２０】
圧電性物質の弾性率と弾性損失は、歪みによって圧電性物質の内部に生じる反電場の大きさに応じて変化するので、インダクタンスや負性容量を呈する付加回路を結合し、この反電場を人為的に変化させることによって、大きく変化することができる（例えば、特開平１０−７４９９０号参照）。それによると、付加回路を結合した圧電性物質の弾性コンプライアンスｓ（α）（弾性率の逆数）は、次に示す式（１）で表される。ここで、ｓEは電圧一定における弾性コンプライアンス、ｋは圧電性物質の電気機械結合係数で０．１から０．６の定数である。
【００２１】
ｓ（α）＝ｓE｛１−ｋ2／（１＋α）｝    （１）
【００２２】
αは、付加回路の容量Ｃを圧電性物質の容量ＣSで規格化した値で次に示す式（２）で与えられる。
【００２３】
α＝Ｃ／ＣS    （２）
【００２４】
式（１）より、弾性コンプライアンスｓEは、αの値に応じて以下に示す式（３），（４），（５），（６）のようになる。
【００２５】
ｓ（０）＝ｓE（１−ｋ2）    （３），
ｓ（∞）＝ｓE               （４），
ｓ（−１）＝∞              （５），
ｓ（−（１−ｋ2））＝０     （６）
【００２６】
付加回路の容量Ｃが正、即ちαが「０＜α＜∞」の範囲にあるときには、ｓ（α）は高々ｓEからその（１−ｋ2）倍までしか変化しない。αの変化範囲を負の値になるまで拡張すると、ｓ（α）を０から無限大の値まで変化させることができ、更に「−１＜α＜−（１−ｋ2）」とするとｓ（α）は負の値になる。
【００２７】
このように、付加回路の電気的特性を変化させることにより、静的な応力を加えた時、見かけの圧電性物質の弾性率を大きく変化させることが可能になる。
本発明は、これを音や振動といった弾性波による動的な応力が圧電性物質に加えられた時、見かけの弾性率が大きく変化させることができるようにし、音や振動などの弾性波を減衰、反射又は透過させることができるようにしたものである。
【００２８】
本発明に係る圧電性物質を用いた弾性波制御素子の第１の発明の実施の形態は、図１に示すように、外力によって電圧を発生する圧電性物質１の面に一対の電極を設け、それぞれの電極に負性容量回路Ａ、負性容量回路Ｂ又は負性容量回路Ｃが接続されてなる。
【００２９】
負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃの容量Ｃの絶対値が圧電性物質１の容量ＣSより小さい場合（｜Ｃ｜＜ＣS）には、図１（ａ）に示す弾性波制御素子を用い、容量Ｃの絶対値が圧電性物質１の容量ＣSよりも大きい場合（｜Ｃ｜＞ＣS）には、図１（ｂ）及び（ｃ）に示す弾性波制御素子を用いる。
【００３０】
図１（ａ）に示す弾性波制御素子では、圧電性物質１は弾性波の伝搬経路に挿入又は振動体に装着され、負性容量回路Ａは、抵抗又は抵抗とコンデンサとコイルの全て又はこれらのいずれかを組み合わせからなる素子ａ及び素子ｂと、可変抵抗Ｒ0を直列に接続したコンデンサＣ0を正帰還ループを構成するように接続したオペアンプ（演算増幅器）２（オペアンプ２の電源は図示せず）を備えている。オペアンプ２の反転端子は素子ａと素子ｂに接続され、オペアンプ２の非反転端子は抵抗Ｒ1に接続されている。
【００３１】
図１（ｂ）に示す弾性波制御素子では、圧電性物質１は弾性波の伝搬経路に挿入又は振動体に直接装着され、負性容量回路Ｂは、抵抗又は抵抗とコンデンサとコイルの全て又はこれらのいずれかを組み合わせからなる素子ａ及び素子ｂと、可変抵抗Ｒ0を並列に接続したコンデンサＣ0を負帰還ループを構成するように接続したオペアンプ（演算増幅器）２（オペアンプ２の電源は図示せず）を備えている。オペアンプ２の非反転端子は、素子ａと素子ｂに接続されている。
【００３２】
図１（ｃ）に示す弾性波制御素子では、圧電性物質１は弾性波の伝搬経路に挿入又は振動体に直接装着され、負性容量回路Ｃは、抵抗又は抵抗とコンデンサとコイルの全て又はこれらのいずれかを組み合わせてなる素子ａ及び素子ｂと、抵抗Ｒ1と抵抗Ｒ2からなる可変抵抗器４と、可変抵抗器４に直列接続したコンデンサＣ1と、可変抵抗器４を介して抵抗Ｒ0’を並列に接続したコンデンサＣ0を負帰還ループを構成するように接続したオペアンプ２(オペアンプ２の電源は図示せず)を備えてなる。オペアンプ２の非反転端子は、素子ａと素子ｂに接続されている。
【００３３】
負性容量回路Ａの複素容量ＣA*は、次に示す式（７）で与えられる。ここで、ＣA'は複素容量ＣA*の実数部、ＣA"は虚数部、ωは角周波数、Ｚ1は素子ａのインピーダンス、Ｚ2は素子ｂのインピーダンスである。
【００３４】
ＣA*＝ＣA'-ｉＣA"＝(Ｚ2/Ｚ1)・(１/Ｃ02+ω2Ｒ02)・(１/Ｃ0-ｉωＲ0) （７）
【００３５】
また、負性容量回路Ｂ及び負性容量回路Ｃの複素容量ＣB*は、次に示す式（８）で与えられる。ここで、ＣB'は複素容量ＣB*の実数部、ＣB"は虚数部である。
【００３６】
ＣB*＝ＣB'-ｉＣB"＝(Ｚ2/Ｚ1)・(Ｃ0-ｉ(１/ωＲ0))    （８）
【００３７】
負性容量回路Ｃでは、式（８）中の抵抗Ｒ0は、Ｒ1とＲ2の比に応じ、Ｒ0’を最小とし、開放条件まで可変となる。素子ａと素子ｂを抵抗Ｒaと抵抗Ｒbからなる可変抵抗器とすると、負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃの複素容量の実数部及び虚数部は、この可変抵抗器を調節することによって変化させることができる。
【００３８】
更に、抵抗Ｒ0を可変とすることによって負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃの損失係数tanδ（複素容量ＣA*，ＣB*の虚数部ＣA"，ＣB"と実数部ＣA'，ＣB'の比）の周波数特性を変えることができる。また、素子ａと素子ｂを、又はこれらのいずれかを、抵抗、コンデンサ及びコイルの全て又はこれらのいずれかを組み合わせたネットワークとすることによっても負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃの容量と損失係数の周波数特性を変えることができる。
【００３９】
本発明に係る弾性波制御素子において、圧電性物質１は音や振動などの弾性波が伝搬することによって周期的な歪みを生じる。そのため圧電性物質１の電極間に結合した負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃの容量Ｃと、圧電性物質１の容量は複素数で扱われる。負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃの複素容量Ｃ*と圧電性物質１の複素容量ＣS*は次に示す式（９），（１０）で表される。
【００４０】
Ｃ*＝Ｃ'−ｉＣ"＝Ｃ'（１−ｉtanδ）         （９），
ＣS*＝ＣS'−ｉＣS"＝ＣS'（１−ｉtanδS）    （１０）
【００４１】
ここで、Ｃ'は負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃの複素容量Ｃ*の実数部、Ｃ"は負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃの複素容量Ｃ*の虚数部、tanδは負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃの損失係数、ＣS'は圧電性物質１の複素容量ＣS*の実数部、ＣS"は圧電性物質１の複素容量ＣS*の虚数部、tanδSは圧電性物質１の誘電的な損失係数である。
αは、式（９）及び式（１０）より、次に示す式（１１）で表すように、複素数となる。
【００４２】
α*＝α'-ｉα"＝Ｃ*/ＣS*＝Ｃ'/ＣS'・(1-ｉtanδ)/(1-ｉtanδS)    （１１）
【００４３】
式（１１）を式（１）に代入すると、複素弾性コンプライアンスｓ*が次に示す式（１２）により得られる。但し、電圧一定における弾性コンプライアンスは複素数ｓE*となる。
【００４４】
0003938292.tif 000002
【００４５】
ここで、弾性コンプライアンスの実数部ｓ'は弾性率の逆数に相当し、虚数部ｓ"は弾性損失の逆数に相当する。即ち、負性容量回路Ａ，Ｂの複素容量Ｃ*の実数部Ｃ'と虚数部Ｃ"を変化させ、α'とα"を変えることによって圧電性物質１の弾性率と弾性損失を大きく変化させることができる。
【００４６】
負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃでは、式（７）及び式（８）より、複素容量Ｃ*の実数部Ｃ'、虚数部Ｃ"及び損失係数tanδは、コンデンサＣ0、抵抗Ｒ0及び
角周波数ωによるが、それに比べ圧電性物質１では、複素容量ＣS*の実数部ＣS'、虚数部ＣS"及び誘電的な損失係数tanδSは、通常周波数に対して緩やかに変化する。
【００４７】
式（１１）より、tanδ＝tanδSを満たす周波数では、α*は次に示す式（１３）のようになる。
【００４８】
α*＝Ｃ'／ＣS'＝α'    （１３）
【００４９】
このとき、複素弾性コンプライアンスｓ*の変化は、α'の値によって、式（３）〜式（６）と同様になる。即ち、tanδ＝tanδSを満たす周波数では、Ｃ'／ＣS'の値に応じて圧電性物質１の弾性率及び弾性損失を無限大（∞）から負性弾性領域まで大きく変化させることができる。
【００５０】
以上のように、第１の発明の実施の形態では、負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃの容量成分（複素容量Ｃ*の実数部Ｃ'）と抵抗成分（複素容量Ｃ*の虚数部Ｃ"）を変えることによって、任意の周波数で圧電性物質１の弾性率と弾性損失を変化させることができ、特にtanδ＝tanδSとなる周波数では、Ｃ'／ＣS'の値に応じて無限大（∞）から負性弾性領域まで大きく変化させることができる。
【００５１】
次に、第１の発明の実施の形態における振動特性の測定方法を図２に示す。ここでは、弾性波制御素子を構成する圧電性物質１に圧電セラミック（ＰＺＴ）を用いた。外力によって電圧を発生する圧電性物質１の面に、対になるように電極１１，１１を設け、これらの電極１１，１１の間に電線１２により負性容量回路１３を接続した。
【００５２】
そして、圧電性物質１を加振台１４に固定し、更に圧電性物質１の上に質量１５を載置した。加振台１４は加振器１６によって加振され、周波数及び振幅を任意に変えることができる。ここでは振幅を一定とした。更に、加振台１４と質量１５の上に加速度ピックアップ１７を固定し、加振器１６及び質量１５の上面の変位を測定した。
【００５３】
負性容量回路の複素容量の実数部を変化させ、負性容量回路１３から圧電性物質１に印加される制御電圧を変化させながら、加速度ピックアップ１７によって質量１５の上面の変位を測定した。ここでは、３ｋＨｚで負性容量回路１３の損失係数と圧電性物質１の誘電的損失係数を一致させ、３ｋＨｚで加振した。
【００５４】
図３に加速度ピックアップ１７より測定された変位に比例する電圧の振幅Ｖdを、負性容量回路１３の制御電圧の振幅Ｖcに対して示す。黒丸●は負性容量回路Ａにおける測定結果、白丸○は負性容量回路Ｂにおける測定結果である。電圧の振幅Ｖdは、負性容量回路Ａ、負性容量回路Ｂ及び負性容量回路Ｃのいずれも制御電圧の振幅Ｖcに対して比例する。
【００５５】
負性容量回路Ａを付加したときは、電圧の振幅Ｖdは制御電圧の振幅Ｖcが増加するにつれて増大した。この結果は、圧電性物質１に負性容量回路Ａを付加し、制御電圧の振幅Ｖcが増大するにつれて弾性率が増加することを示している。一方、負性容量回路Ｂ又は負性容量回路Ｃを付加したときは、電圧の振幅Ｖdは制御電圧の振幅Ｖcが増加するにつれて減少した。特にＶc＝３．５Ｖでは、Ｖd＝０ｍＶ、すなわち完全に制振したことを示している。
【００５６】
また、Ｖcが３．５Ｖ以上では、Ｖdは負となった。これらの結果は、圧電性物質１に負性容量回路Ｂ又は負性容量回路Ｃを付加し、Ｖcが増大するにつれて弾性率が減少することを示し、特にＶc＝３．５Ｖでは弾性率が０となり、更にＶc＞３．５Ｖでは負性弾性領域となったことを示している。
【００５７】
また、振動伝達率の負性容量回路１３の容量依存性を測定した。ここでは、３ｋＨｚで負性容量回路１３の損失係数と圧電性物質１の誘電的損失係数を一致させ、３ｋＨｚにおける振動伝達率を測定した。
【００５８】
図４に振動伝達率を負性容量回路１３の容量Ｃ'と圧電性物質１の容量ＣS'の比Ｃ'／ＣS'に対して示す。黒丸●は圧電性物質１に負性容量回路Ａを結合したときの測定結果、白丸○は負性容量回路Ｂを結合したときの測定結果である。負性容量回路Ａを結合すると、振動伝達率は比Ｃ'／ＣS'が減少するにつれて増大し、負性容量回路Ｂ又は負性容量回路Ｃを結合すると比Ｃ'／ＣS'が増大するにれて減少した。いずれも、Ｃ'／ＣS'＝−１近傍で大きく変化した。
【００５９】
この結果は、本発明の弾性波制御素子が負性容量回路１３と圧電性物質１のそれぞれの容量比を変化させることによって、即ち負性容量回路１３の電気的特性を変えることによって振動伝達率を増減させることができ、振動を減衰させることは勿論のこと、振動をより大きく伝達させることもできることを示している。
【００６０】
次に、２．５ｋＨｚ又は３ｋＨｚで負性容量回路１３と圧電性物質１の誘電的損失係数を一致させ、それぞれの振動伝達率の周波数特性を測定した。
【００６１】
図５（ａ）に圧電性物質１に負性容量回路Ａを接続したときの測定結果を、図５（ｂ）に負性容量回路Ｂ又は負性容量回路Ｃを接続したときの測定結果を示す。図４に示した測定結果と同様に、負性容量回路Ａを接続すると振動伝達率は増加し、負性容量回路Ｂ又は負性容量回路Ｃを接続すると振動伝達率は減少した。いずれも振動伝達率は周波数に依存し、それぞれの損失係数が一致する周波数で同図（ａ）では下向きのピークを、また同図（ｂ）では上向きのピークを示した。このとき 同図（ａ）では１５ｄＢに、また同図（ｂ）では−３０ｄＢに達した。
【００６２】
このように、本発明の弾性波制御素子は、特定の周波数の弾性波を減衰することは勿論のこと、より大きく伝達させることができ、その周波数及び伝達率を電気的に変えることができる。
【００６３】
図６に音響特性の測定方法を示す。ここでは、圧電性物質１としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムを用いた。先に述べた振動特性の測定と同様に、電圧が発生する圧電性物質１の面に一対の電極１１，１１を設け、これらの電極１１，１１の間に電線１２により負性容量回路１３を接続した。
【００６４】
直径５ｃｍの円柱状の音響管２１に圧電性物質１を湾曲するように挿入し、その背面に吸音材２２を設け、更に音響管２１の口に音源２３を設けた。また、音響管２１中にマイクロホン２４を２つ設けて吸音率の周波数特性を測定した。ここでは、負性容量回路１３を設けていないときの吸音率も併せて測定した。
【００６５】
図７（ａ）に圧電性物質１に負性容量回路Ａを接続したときの吸音率の周波数特性を、図７（ｂ）に負性容量回路Ｂ又は負性容量回路Ｃを接続したときの吸音率をそれぞれ実線で示す。また、同図（ａ）及び同図（ｂ）に負性容量回路１３を設けていないときの吸音率を点線で併せて示す。ここでは、１．６ｋＨｚ近傍で負性容量回路１３と圧電性物質１の誘電的損失係数を一致させた。
【００６６】
同図（ａ）より、負性容量回路Ａを接続すると、吸音率は１．６ｋＨｚ近傍で下向きのピークを示し、最大６．５ｄＢ減少した。この結果は、圧電性物質１に負性容量回路Ａを接続し、任意の周波数で、それぞれの誘電的損失係数を一致させると、その周波数で選択的に遮音することを示している。
【００６７】
また、同図（ｂ）より負性容量回路Ｂ又は負性容量回路Ｃを接続すると、吸音率は１．６ｋＨｚ近傍で上向きのピークを示し、最大５．４ｄＢ増加した。この結果は、圧電性物質１に負性容量回路Ｂを接続し、任意の周波数で、それぞれの誘電的損失係数を一致させると、その周波数で選択的に吸音することを示している。
【００６８】
次に、本発明に係る圧電性物質を用いた弾性波制御素子の第２の発明の実施の形態は、図８に示すように、外力によって電圧を発生する圧電性物質１の面に一対の電極を設け、それぞれの電極に負性容量回路Ｄ又は負性容量回路Ｅが接続されてなる。圧電性物質１は、弾性波の伝搬経路に挿入され、又は振動体に装着されている。
【００６９】
図８（ａ）に示す弾性波制御素子は、負性容量回路Ｄの容量Ｃの絶対値｜Ｃ｜が圧電性物質１の容量ＣSより小さな場合（｜Ｃ｜＜ＣS）に用い、一方、図８（ｂ）に示す弾性波制御素子は、負性容量回路Ｅの容量Ｃの絶対値｜Ｃ｜が圧電性物質１の容量ＣSよりも大きな場合（｜Ｃ｜＞ＣS）に用いる。
【００７０】
図８（ａ）に示す弾性波制御素子では、負性容量回路Ｄは、抵抗又は抵抗とコンデンサとコイルの全て又はこれらのいずれかを組み合わせてなる素子ａ及び素子ｂと、素子ｃを正帰還ループを構成するように接続したオペアンプ２（オペアンプ２の電源は図示せず）を備えている。オペアンプ２の反転端子には、素子ａと素子ｂが接続されている。オペアンプ２の非反転端子には、接地された抵抗が接続されている。
【００７１】
また、図８（ｂ）に示す弾性波制御素子では、負性容量回路Ｅは、抵抗又は抵抗とコンデンサとコイルの全て又はこれらのいずれかを組み合わせてなる素子ａ及び素子ｂと、素子ｃを負帰還ループを構成するように接続したオペアンプ２（オペアンプ２の電源は図示せず）を備えてなる。オペアンプ２の非反転端子には、素子ａと素子ｂが接続されている。
【００７２】
負性容量回路Ｄ，Ｅを構成する素子ｃは、任意の周波数帯域で負性容量回路Ｄ，Ｅの複素容量の実数部の絶対値及び損失係数の周波数特性を、圧電性物質１の複素容量の実数部と誘電損失係数の周波数特性と一致させるように構成された抵抗とコンデンサとコイルの全て又はこれらのいずれかを組み合わせてなるネットワークである。
【００７３】
素子ｃを構成する素子の一部を圧電性物質１と同じ物質とすれば、容易に任意の周波数帯域で負性容量回路Ｄ，Ｅの複素容量の実数部の絶対値及び損失係数の周波数特性を、圧電性物質１の複素容量の実数部と誘電損失係数の周波数特性と一致させる周波数帯域を任意に変化させることができる。
また、素子ｃを圧電性物質１と同じ物質とすれば、複素容量の実数部と損失係数の温度特性を圧電性物質１のそれらと一致させることができる。
【００７４】
従って、第２の実施の形態では、本発明の弾性波制御素子は任意の周波数帯域で弾性率及び弾性損失を大きく変化させ、その周波数帯域の弾性波を選択的に減衰、反射又は透過させることができ、更に温度特性を補償することもできる。
【００７５】
負性容量回路Ｄ及び負性容量回路Ｅの複素容量Ｃ*は、いずれも次に示す式（１４）で与えられる。
【００７６】
Ｃ*=Ｃ'-ｉＣ"=(Ｚ2/Ｚ1)・(Ｃ1'-ｉＣ1")=(Ｚ2/Ｚ1)・Ｃ1'(1-ｉtanδ1)  （１４）
【００７７】
ここで、Ｃ'は負性容量回路Ｄ及び負性容量回路Ｅの複素容量Ｃ*の実数部、Ｃ"は負性容量回路Ｄ及び負性容量回路Ｅの複素容量Ｃ*の虚数部、Ｃ1'は素子ｃの複素容量の実数部、Ｃ1"は素子ｃの複素容量の虚数部、Ｚ1は素子ａのインピーダンス、Ｚ2は素子ｂのインピーダンスである。tanδ1は素子ｃの損失係数で、tanδ1＝Ｃ1"／Ｃ1'である。
【００７８】
素子ａ及び素子ｂを抵抗Ｒ1，Ｒ2の可変抵抗器とすれば、負性容量回路Ｄ及び負性容量回路Ｅの複素容量Ｃ*は、素子ｃの複素容量の実数倍となる。
また、式（１４）よりtanδ1は、負性容量回路Ｄ及び負性容量回路Ｅの損失係数となる。但し、素子ａ及び素子ｂ又はこれらのいずれかを、抵抗、コンデンサ、コイルの全て又はこれらのいずれかによって構成されたネットワークとすれば、負性容量回路Ｄ及び負性容量回路Ｅの容量と損失係数の周波数特性を変化させることができる。
【００７９】
式（１１）と同様に、負性容量回路の複素容量Ｃ*と圧電性物質１の複素容量ＣS*の比をα*とすると、α*は次に示す式（１５）で表される。
【００８０】
0003938292.tif 000003
【００８１】
任意の周波数帯域又は温度範囲で負性容量回路の複素容量の実数部Ｃ'と損失係数tanδの周波数特性や温度特性が、それぞれ圧電性物質１の容量ＣS'と誘電的な損失係数tanδSの周波数特性、温度特性と一致させると、その領域では、Ｃ'＝ＸＣS'、tanδ＝ＹtanδSとすることができる。ここで、Ｘ及びＹは実数であり、これらを式（１５）に代入すると、αは次に示す式（１６）で表されるように、Ｘ及びＹの関数で与えられる。
【００８２】
α*＝α'-ｉα"＝Ｘ｛(1+Ｙtan2δS)/(1+tanδS)｝-ｉＸ(Ｙ-1)tanδS  （１６）
【００８３】
式（１６）を式（１２）に代入すると、実数Ｘ及び実数Ｙを変えることによって圧電性物質１の弾性率と弾性損失が変化することが分かる。
【００８４】
更に、Ｙ＝１（tanδ1＝tanδS）のとき、α*＝α'＝Ｃ'/ＣS'となる。このとき、式（３）〜式（６）と同様に圧電性物質１の複素弾性コンプライアンスｓ*は、Ｃ'/ＣS'の値に応じて無限大（∞）から負性弾性領域まで大きく変化させることができる。負性容量回路Ｄ及び負性容量回路Ｅの複素容量の実数部Ｃ'が任意の周波数帯域又は温度範囲で圧電性物質１のそれらと一致すれば、その間ではＣ'/ＣS'の値は一定となり、その領域に亘り圧電性物質１の弾性率及び弾性損失を大きく変化させることができる。
【００８５】
以上のように、第２の発明の実施の形態では、圧電性物質１に付加した負性容量回路Ｄ，Ｅの損失係数を、任意の周波数帯域又は温度範囲で圧電性物質１の誘電的損失係数と一致させることによって、任意の周波数帯域又は温度範囲にわたり圧電性物質１の弾性率と弾性損失を変化させることができ、弾性波の減衰率、反射率又は透過率（振動伝達率）の周波数特性や温度特性を補償することが可能になる。
【００８６】
次に、第２の発明の実施の形態における振動制動特性の測定結果を示す。測定は、第１の発明の実施の形態と同様に図２に示す方法で行った。
加振台１４に設けた加速度ピックアップ１７と質量１５の上面に設けた加速度ピックアップ１７より、それぞれの加速度を測定し、これらの比から振動伝達率を求めた。
【００８７】
図９に振動伝達率の周波数特性を示す。ここでは、圧電性物質１に負性容量回路Ｅを付加した。負性容量回路Ｅの素子ｃには、抵抗、コンデンサからなるネットワークを用い、そのうちの１つのコンデンサは圧電性物質１と同様なものとし、抵抗を可変とした。圧電性物質１に負性容量回路Ｅを付加すると、７００Ｈｚ付近の共振周波数以上で振動伝達率は５ｄＢ以上減少した。
【００８８】
また、共振周波数が低周波側により、ピークの形状が鋭くなっていることから圧電性物質１の弾性率及び弾性損失が、負性容量回路Ｅを付加することによって減少していることがわかる。即ち、圧電性物質１は負性容量回路Ｅを付加することによって共振周波数を含む広い周波数帯域に亘り弾性率及び弾性損失を変化させ、振動の伝達を抑制したことを示す。
【００８９】
また、負性容量回路Ｅを構成する素子ｃの特性を変更することによって、図１０に示すように、７００Ｈｚ近傍の共振を減少させることもできる。これは、負性容量回路Ｅを構成する素子ｃの電気的特性を変化させることによって、共振近傍の周波数帯域で圧電性物質１の弾性損失を増大し、共振を減少させたことを意味する。
【００９０】
次に、第２の発明の実施の形態における音響特性の測定結果を示す。測定は、図１１に示す音響管を使った透過損失測定装置で行った。圧電性物質１としてフッ化ビニリデンと三フッ化エチレンの共重合体フィルムを用いた。第１の発明の実施の形態の実施例と同様に、電圧が発生する圧電性物質１の面に一対の電極１１，１１を設け、これらの電極１１，１１の間に電線１２により負性容量回路１３を接続した。
【００９１】
直径５ｃｍの円柱状の音響管２１に圧電性物質１を湾曲するように挿入し、その背面に成形体２２を設け、更に音響管２１の口に音源２３を設けた。また、音響管２１中のフィルムの前面及び背面にそれぞれマイクロホン２４を２つずつ設けて透過損失の周波数特性を測定した。ここでは、負性容量回路１３を設けていない時の透過損失も併せて測定した。
【００９２】
図１２にフィルムの透過損失の周波数特性を示す。ここでは、負性容量回路Ｄを用い、素子ｃには抵抗、コンデンサからなるネットワークを用い、抵抗を可変とした。負性容量回路Ｄを付加すると、３００Ｈｚから１ｋＨｚにかけて透過損失が増加し、その周波数帯域で遮音することを示している。
【００９３】
また、図１及び図８に示す圧電性物質１に替えて、図１３に示すように、圧電性物質１に３つの素子ｄ，ｅ，ｆを直列又は並列に接続して構成した混成素子３０を負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに接続することもできる。
３つの素子ｄ，ｅ，ｆは、それぞれ抵抗、コンデンサ、コイルのいずれか、又はこれらのうち２つ以上を組み合わせたネットワークで構成される。
【００９４】
更に、３つの素子ｄ，ｅ，ｆのうち、素子ｄのみ開放したり、素子ｅ，ｆのいずれか、又は両方とも短絡する場合もある。
例えば、素子ｄとしてコンデンサを用いれば、圧電性物質１の容量の周波数特性をより平坦にすることができる。なお、圧電性物質１に同軸ケーブルを接続した場合も同様な効果が得られる。
【００９５】
また、素子ｅとして抵抗を用いれば、圧電共鳴による大きな電気的応答を減少させることができる。
そして、負性容量回路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに接続した圧電性物質１と３つの素子ｄ，ｅ，ｆからなる混成素子３０の電気的特性は、圧電性物質１本来の特性に３つの素子ｄ，ｅ，ｆのインピーダンスを組み合わせたものとして扱うことができる。
【００９６】
【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、圧電性物質に一対の電極を設け、それぞれの電極間に負性容量回路を接続し、任意の周波数又は周波数帯域で負性容量回路の損失係数を圧電性物質の誘電的な損失係数を一致させることにより、その周波数又は周波数帯域の弾性波を減衰、反射又は透過させることができ、それらの特性を電気的に変えることが可能となる。
【００９７】
請求項２に係る発明によれば、圧電性物質に一対の電極を設け、それぞれの電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量の絶対値及び損失係数の周波数特性及び温度特性を、それぞれ任意の周波数帯域、温度範囲で圧電性物質の容量及び損失係数の周波数特性及び温度特性と一致させることにより、任意の周波数帯域、温度範囲で弾性波を一様に減衰、反射又は透過させることができ、それらの特性を電気的に変えることが可能となる。
【００９８】
請求項３に係る発明によれば、圧電性物質に一対の電極を設け、それぞれの電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量の絶対値及び損失係数の周波数特性を、任意の周波数帯域で圧電性物質の容量及び損失係数の周波数特性と一致させることにより、任意の周波数帯域で弾性波を一様に減衰、反射又は透過させることができ、それらの特性を電気的に変えることが可能となる。
【００９９】
請求項４に係る発明によれば、圧電性物質に一対の電極を設け、それぞれの電極間に負性容量回路を接続し、負性容量回路の容量の絶対値及び損失係数の温度特性を、任意の温度範囲で圧電性物質の容量及び損失係数の温度特性と一致させることにより、任意の温度範囲で弾性波を一様に減衰、反射又は透過させることができ、それらの特性を電気的に変えることが可能となる。
【０１００】
請求項５に係る発明によれば、負性容量回路を構成する素子のうち、損失係数を決める素子については外部に接続する圧電性物質と同じ物質で形成したので、負性容量回路の容量の絶対値及び損失係数の周波数特性及び温度特性を、それぞれ圧電性物質の容量及び損失係数の周波数特性及び温度特性と一致させることが可能となる。
【０１０１】
請求項６に係る発明によれば、負性容量回路を構成する素子のうち、損失係数を決定する素子については、抵抗とコンデンサとコイルの全て又はこれらのいずれかを用いたネットワークとしたので、負性容量回路の容量の絶対値及び損失係数の周波数特性を、それぞれ圧電性物質の容量及び損失係数の周波数特性と一致させることが可能となる。
【０１０２】
請求項７に係る発明によれば、ネットワークを構成する素子の一部又は全てを圧電性物質と同じ物質で形成したので、容易に負性容量回路の容量の絶対値及び損失係数の周波数特性及び温度特性を、それぞれ圧電性物質の容量及び損失係数の周波数特性及び温度特性と一致させることが可能となる。
【０１０３】
請求項８に係る発明によれば、ネットワークを構成する素子のうち抵抗を可変にすることによって、圧電性物質の容量及び損失係数の周波数特性と一致させるように、負性容量回路の容量及び損失係数の周波数特性を可変とすることができる。
【０１０４】
請求項９に係る発明によれば、圧電性物質と３つの素子からなる混成素子の電気的特性は、圧電性物質本来の特性に３つの素子のインピーダンスを組み合わせたものとして扱うことができる。
【０１０５】
請求項１０に係る発明によれば、圧電性物質の容量の周波数特性をより平坦にしたり、圧電共鳴による大きな電気的応答を減少させたりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の発明の実施の形態の構成図を示し、（ａ）は負性容量回路Ａを用いた弾性波制御素子の構成図、（ｂ）は負性容量回路Ｂを用いた弾性波制御素子の構成図、（ｃ）は負性容量回路Ｃを用いた弾性波制御素子の構成図
【図２】第１の発明の実施の形態における振動特性の測定方法の説明図
【図３】第１の発明の実施の形態における測定結果（制御電圧の振幅Ｖcと変位に相当する電圧の振幅Ｖdの関係）を示す図
【図４】第１の発明の実施の形態における測定結果（Ｃ'／ＣS'と振動伝達率の関係）を示す図
【図５】第１の発明の実施の形態における測定結果を示し、（ａ）は負性容量回路Ａによる振動伝達率の周波数特性、（ｂ）は負性容量回路Ｂ，Ｃによる振動伝達率の周波数特性
【図６】第１の発明の実施の形態における音響特性の測定方法の説明図
【図７】第１の発明の実施の形態における測定結果を示し、（ａ）は負性容量回路Ａによる吸音率の周波数特性、（ｂ）は負性容量回路Ｂ，Ｃによる吸音率の周波数特性
【図８】本発明の第２の発明の実施の形態の構成図を示し、（ａ）は負性容量回路Ｄを用いた弾性波制御素子の構成図、（ｂ）は負性容量回路Ｅを用いた弾性波制御素子の構成図
【図９】第２の発明の実施の形態における振動特性の測定結果
【図１０】第２の発明の実施の形態における振動特性の測定結果
【図１１】第２の発明の実施の形態における透過損失の測定方法の説明図
【図１２】第２の発明の実施の形態における透過損失の測定結果
【図１３】圧電性物質と３つの素子からなる混成素子の構成図
【符号の説明】
１…圧電性物質、２…オペアンプ、４…可変抵抗器、３０…混成素子、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ…素子、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ…負性容量回路。
【図１】
0003938292.tif 000004
【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】
0003938292.tif 000010
【図８】
0003938292.tif 000011
【図９】
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【図１０】
0003938292.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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