(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動の伝搬経路に挿入し、または振動体に装着して、任意の周波数の振動を減衰、反射または伝達させる振動制御素子であって、磁歪物質の周りにコイルを設け、このコイルに負性インダクタンス回路を接続し、この負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数を適宜調整することによって、任意の周波数における磁歪物質の見かけの弾性率と弾性損失を任意に変化させることを特徴とする磁歪物質を用いた振動制御素子。
【請求項２】
振動の伝搬経路に挿入し、または振動体に装着して、任意の周波数の振動を減衰、反射または伝達させる振動制御素子であって、磁歪物質の周りにコイルを設け、このコイルに負性インダクタンス回路を接続し、この負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性及び温度特性を、前記コイルのインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性及び温度特性に一致させ、任意の周波数範囲及び任意の温度範囲で磁歪物質の弾性率及び損失係数を制御できるようにしたことを特徴とする磁歪物質を用いた振動制御素子。
【請求項３】
振動の伝搬経路に挿入し、または振動体に装着して、任意の周波数の振動を減衰、反射または伝達させる振動制御素子であって、磁歪物質の周りにコイルを設け、このコイルに負性インダクタンス回路を接続し、この負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性を、前記コイルのインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性に一致させ、任意の周波数範囲で磁歪物質の弾性率及び損失係数を制御できるようにしたことを特徴とする磁歪物質を用いた振動制御素子。
【請求項４】
振動の伝搬経路に挿入し、または振動体に装着して、任意の周波数の振動を減衰、反射または伝達させる振動制御素子であって、磁歪物質の周りにコイルを設け、このコイルに負性インダクタンス回路を接続し、この負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数の温度特性を、前記コイルのインダクタンスの絶対値と損失係数の温度特性に一致させ、任意の温度範囲で磁歪物質の弾性率及び損失係数を制御できるようにしたことを特徴とする磁歪物質を用いた振動制御素子。
【請求項５】
前記負性インダクタンス回路を構成する素子の一部を、前記磁歪物質及びその周りに設けたコイルと同じ物質で同じ形状の素子とした請求項１、２、３又は４記載の磁歪物質を用いた振動制御素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動の伝搬経路に挿入し、または振動体に装着して、任意の周波数の振動を減衰、反射または伝達させる磁歪物質を用いた振動制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、振動を抑制する手法としては、ゴム等を使った振動の減衰が挙げられる。これは、振動のエネルギーを弾性体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振動を減衰させるものである。
【０００３】
また、振動の伝達を抑制する手法としては、バネを使った制振が挙げられる。通常、気体や液体中を伝搬する振動に対しては大きな質量や弾性率によって反射率を増大させ、また固体を伝搬する振動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させることができる。
【０００４】
このように、振動が伝搬する媒質中に異種材料を挿入したり、または異種材料を弾性体に装着することによって、振動を減衰、反射させたり、または振動の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、振動を感知するセンサ、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、センサが振動を感知すると演算部と制御部を通して、その振動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ため、これらの特性を任意の値に設定することができず、また温度や圧力などよっても変化してしまう。
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、反射率及び振動伝達率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、振動を自由に減衰、反射することができ、その応用範囲は多岐にわたるものと考えられる。更に、これらの特性に周波数特性を持たせ、任意の周波数の振動を選択的に減衰または反射させることができれば振動フィルタが実現できる。
【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、振動伝達率、更にこれらの周波数特性を簡単に変えられ、特定の周波数の振動を減衰または反射させることができるだけでなく、これらの特性を周波数や温度に依存させず一様にすることができる磁歪物質を用いた振動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、振動の伝搬経路に挿入し、または振動体に装着して、任意の周波数の振動を減衰、反射または伝達させる振動制御素子であって、磁歪物質の周りにコイルを設け、このコイルに負性インダクタンス回路を接続し、この負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数を適宜調整することによって、任意の周波数における磁歪物質の見かけの弾性率と弾性損失を任意に変化させるものである。
【００１０】
請求項２に係る発明は、振動の伝搬経路に挿入し、または振動体に装着して、任意の周波数の振動を減衰、反射または伝達させる振動制御素子であって、磁歪物質の周りにコイルを設け、このコイルに負性インダクタンス回路を接続し、この負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性及び温度特性を、前記コイルのインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性及び温度特性に一致させ、任意の周波数範囲及び任意の温度範囲で磁歪物質の弾性率及び損失係数を制御できるようにしたものである。
【００１１】
請求項３に係る発明は、振動の伝搬経路に挿入し、または振動体に装着して、任意の周波数の振動を減衰、反射または伝達させる振動制御素子であって、磁歪物質の周りにコイルを設け、このコイルに負性インダクタンス回路を接続し、この負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性を、前記コイルのインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性に一致させ、任意の周波数範囲で磁歪物質の弾性率及び損失係数を制御できるようにしたものである。
【００１２】
請求項４に係る発明は、振動の伝搬経路に挿入し、または振動体に装着して、任意の周波数の振動を減衰、反射または伝達させる振動制御素子であって、磁歪物質の周りにコイルを設け、このコイルに負性インダクタンス回路を接続し、この負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数の温度特性を、前記コイルのインダクタンスの絶対値と損失係数の温度特性に一致させ、任意の温度範囲で磁歪物質の弾性率及び損失係数を制御できるようにしたものである。
【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磁歪物質を用いた振動制御素子において、前記負性インダクタンス回路を構成する素子の一部を、前記磁歪物質及びその周りに設けたコイルと同じ物質で同じ形状の素子としたものである。
【００１４】
【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は本発明に係る磁歪物質を用いた振動制御素子の原理説明図、図２は図１におけるインダクタンスの比による磁歪物質の弾性率の変化を示す図、図３は本発明の第１の発明の実施の形態の構成図、図４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５は第１の発明の実施の形態における振動特性の測定結果を示す図、図６は本発明の第２の発明の実施の形態の構成図である。
【００１５】
先ず、本発明に係る磁歪物質を用いた振動制御素子の基本原理を、図１により説明する。磁歪物質１の周りにコイル２を巻装し、コイル２に外部コイル３を接続する。磁歪物質１に外部より振動を加えた場合、磁歪物質１の弾性コンプライアンス（弾性率の逆数）ｓ（β）は、次に示す式（１）で表される。
【００１６】
ｓ（β）＝ｓH｛１−ｋ2／（１＋β）｝    （１）
【００１７】
ここで、βはコイル３のインダクタンスＬとコイル２のインダクタンスＬsとの比（Ｌ／Ｌs）、ｓHは磁場一定時の磁歪物質１の弾性コンプライアンス、ｋは磁歪物質１の磁気機械結合係数である。
【００１８】
式（１）の逆数をとって弾性率Ｙ（β）を求め、磁場一定時の磁歪物質１の弾性率Ｙ0（＝１／ｓH）との比（Ｙ（β）／Ｙ0）を縦軸に、β（Ｌ／Ｌs）を横軸にしてプロットしたものを図２に示す。図２に示すように、β≧０の範囲では磁歪物質１の弾性率はあまり大きく変化し得ない。しかし、β＜０の範囲、即ち外部コイル３のインダクタンスＬを負の値にすれば、磁歪物質１の弾性率を大きく変化させ得ることが分かる。
【００１９】
本発明に係る磁歪物質を用いた振動制御素子の第１の発明の実施の形態は、図３に示すように、磁歪物質１の周りにコイル２を巻装し、コイル２に負性インダクタンス回路Ａまたは負性インダクタンス回路Ｂを接続してなる。
【００２０】
負性インダクタンス回路Ａは、図３（ａ）に示すように、オペアンプ（演算増幅器）５と、抵抗Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3と、可変抵抗Ｒ0と、インダクタンスＬ0を備えてなり、オペアンプ５の出力端子は抵抗Ｒ2を介して反転入力端子に接続されると共に、可変抵抗Ｒ0を直列接続したインダクタンスＬ0を介して非反転入力端子に接続されている。また、反転入力端子は抵抗Ｒ1を介してアースに接続され、非反転入力端子は抵抗Ｒ3を介してアースに接続されている。
そして、磁歪物質１に巻装されたコイル２の一端はオペアンプ５の非反転入力端子に接続され、コイル２の他端はアースに接続されている。
【００２１】
負性インダクタンス回路Ａをコイル２に接続した場合に、負性インダクタンス回路Ａの見かけのインダクタンスＬは、次に示す式（２）で表される。
【００２２】
Ｌ＝―Ｌ0×（Ｒ1／Ｒ2）        （２）
【００２３】
そこで、Ｒ1／Ｒ2の値を、∞〜（Ｌs／Ｌ0）の間で変化させれば、―∞＜β＝Ｌ／Ｌs＜―１となって、式（１）により弾性率Ｙ（β）はＹ0より小さくなる（図２で示す曲線Ａ１）。即ち、負性インダクタンス回路Ａを磁歪物質１に巻装されたコイル２に接続することによって、磁歪物質１を見かけ上柔らかくすることができる。
【００２４】
次に、負性インダクタンス回路Ｂは、図３（ｂ）に示すように、オペアンプ５と、抵抗Ｒ1，Ｒ2，Ｒ4と、可変抵抗Ｒ0と、インダクタンスＬ0を備えてなり、オペアンプ５の出力端子はインダクタンスＬ0を介して反転入力端子に接続されると共に、並列接続した抵抗Ｒ2と抵抗Ｒ4を介して非反転入力端子に接続され、可変抵抗Ｒ0が反転入力端子と抵抗Ｒ4の中間に接続されている。また、非反転入力端子は抵抗Ｒ1を介してアースに接続されている。
そして、磁歪物質１に巻装されたコイル２の一端はオペアンプ５の反転入力端子に接続され、コイル２の他端はアースに接続されている。
【００２５】
負性インダクタンス回路Ｂをコイル２に接続した場合に、負性インダクタンス回路Ｂの見かけのインダクタンスＬは、負性インダクタンス回路Ａをコイル２に接続した場合と同様に、式（２）で表される。
【００２６】
そこで、Ｒ1／Ｒ2の値を、０〜（１−ｋ2）×（Ｌs／Ｌ0）の間で変化させれば、―（１−ｋ2）＜β＝Ｌ／Ｌs＜０となって、式（１）により弾性率Ｙ（β）はＹ0より大きくなる（図２で示す曲線Ｂ１）。即ち、負性インダクタンス回路Ｂを磁歪物質１に巻装されたコイル２に接続することによって、磁歪物質１を見かけ上堅くすることができる。
【００２７】
実際の磁歪素子や電気回路素子には、機械的、磁気的あるいは電気的な損失があるため、β（＝Ｌ／Ｌs）は複素数となり、次に示す式（３）で表される。
【００２８】
β*＝β'＋ｉβ"＝Ｌ（１-ｉtanδ）／[Ｌs（１-ｉtanδS）]    （３）
【００２９】
ここで、tanδは負性インダクタンス回路Ａ，Ｂの損失係数、tanδSは磁歪物質１とコイル２を合せた系の損失係数である。
そして、式（１）は、次に示す式（４）で表される。
【００３０】
ｓ（β*）＝ｓH［1-｛ｋ2 (1+β')-ｉｋ2β"｝/｛(1+β')2+β"2｝］  （４）
【００３１】
このように、機械的、電気的損失がある場合にも負性インダクタンス回路Ａ，ＢのインダクタンスＬを変化させることによって磁歪物質１の見かけの弾性率Ｙ（β）を変化させることができ、同時に負性インダクタンス回路Ａ，Ｂの損失係数tanδを変化させることによって磁歪物質１の見かけの損失係数を変化させることが可能である。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す可変抵抗Ｒ0は、負性インダクタンス回路Ａ，Ｂの損失係数tanδを変化させるための素子である。
【００３２】
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４に示す。先ず、加振器１０に載せた加振台１１の上にコイル２を巻装した磁歪物質１を固定し、この磁歪物質１の上に質量１２を載置する。次いで、コイル２に負性インダクタンス回路Ａまたは負性インダクタンス回路Ｂを接続する。更に、磁歪物質１と質量１２の上に加速度検出器１３，１４を固定する。
【００３３】
そして、加振器１０により加振台１１を振動させ、その時の加振器１０の振動を加速度検出器１３で計測し、同時に加振台１１から磁歪物質１を経由して質量１２に伝わった振動を加速度検出器１４で計測する。
【００３４】
このような測定方法によって得られた振動特性の測定結果を図５に示す。図５において、横軸は加振器１０により発生させた振動の周波数（Ｈｚ）、縦軸は磁歪物質１と質量１２からなる系の振動伝達率（加速度検出器１４で得られた振幅）／（加速度検出器１３で得られた振幅）である。
【００３５】
コイル２に負性インダクタンス回路Ａ，Ｂを接続しない場合には、実線で示すように、４５０Ｈｚ付近に振動伝達率の山（ピーク）があることから、この周波数（４５０Ｈｚ）の所に磁歪物質１と質量１２からなる系の共振点があることが分かる。
【００３６】
先ず、コイル２に負性インダクタンス回路Ａを接続し、回路素子の定数（Ｒ1，Ｒ2，Ｒ0，Ｌ0など）を適当に調整すると、図５（ａ）に示すように、破線で示した周波数特性が得られた。磁歪物質１と質量１２からなる系の共振周波数が２５０Ｈｚ付近に下がっているのが分かる。
【００３７】
この結果は、負性インダクタンス回路Ａをコイル２に接続したことによって、磁歪物質１の弾性率が低下したことを示している。これは、加振台１１と質量１２の間により柔らかなバネを装着した場合と等価である。どの程度柔らかくするかは、負性インダクタンス回路Ａの回路素子の定数（Ｒ1，Ｒ2，Ｒ0，Ｌ0など）を変えることによって任意に設定することができる。
【００３８】
次に、コイル２に負性インダクタンス回路Ｂを接続し、回路素子の定数（Ｒ1，Ｒ2，Ｒ0，Ｌ0など）を適当に調整すると、図５（ｂ）に示すように、破線で示した周波数特性が得られた。負性インダクタンス回路Ｂを接続しない場合よりも磁歪物質１と質量１２からなる系の共振周波数が高周波側にシフトしていることが分かる。
【００３９】
この結果は、負性インダクタンス回路Ｂをコイル２に接続したことによって、磁歪物質１の弾性率が上昇したことを示している。これは、加振台１１と質量１２の間により堅いバネを装着した場合と等価である。どの程度堅くするかは、負性インダクタンス回路Ｂの回路素子の定数（Ｒ1，Ｒ2，Ｒ0，Ｌ0など）を変えることによって任意に設定することができる。
【００４０】
このように、負性インダクタンス回路Ａ，Ｂの回路素子の定数（Ｒ1，Ｒ2，Ｒ0，Ｌ0など）を変えることで、磁歪物質１の見かけの弾性率、見かけの損失係数を任意に変化させることができ、振動の伝達特性を変化させることが可能となる。
【００４１】
一般に、コイルのインダクタンスや抵抗の値は、周波数または温度によって変化する。従って、β*の値が周波数または温度によって変化してしまい、その結果ｓ（β*）の値、即ち磁歪物質１の弾性率、損失係数が周波数または温度によって変動してしまう。
【００４２】
これを回避するためには、負性インダクタンス回路のインダクタンス及び損失係数に関わる素子の周波数特性または温度特性を、磁歪物質１とコイル２のインダクタンス及び損失係数の周波数特性または温度特性に一致させるようにすればよい。
【００４３】
そこで、本発明に係る磁歪物質を用いた振動制御素子の第２の発明の実施の形態は、広い周波数範囲でｓ（β*）の値が一定になるようにするため、図６に示すように、図３（ａ）に示す負性インダクタンス回路Ａを改良した負性インダクタンス回路Ｃを備え、負性インダクタンス回路ＡにおけるインダクタンスＬ0と可変抵抗Ｒ0を直列接続した箇所を、複数のインダクタンスＬ01，Ｌ02，…Ｌ0nと複数の可変抵抗Ｒ01，Ｒ02，…Ｒ0nを直列接続した複数の組（Ｌ01，Ｒ01），（Ｌ02，Ｒ02），…（Ｌ0n，Ｒ0n）を互いに並列接続して形成した回路網に置き換えて構成した。その他の構成は、負性インダクタンス回路Ａと同様である。
【００４４】
そして、負性インダクタンス回路Ｃにおける個々のインダクタンスＬ01，Ｌ02，…Ｌ0nと可変抵抗Ｒ01，Ｒ02，…Ｒ0nの値をそれぞれ調整することによって、負性インダクタンス回路Ｃ全体のインダクタンスと抵抗値の周波数特性を、磁歪物質１とその周りに巻装したコイル２のインダクタンスと抵抗値の周波数特性に一致させることができる。
【００４５】
これによって、磁歪物質１の見かけの弾性率と損失係数を広い周波数範囲にわたって一定に保つことができ、磁歪物質１は広い周波数範囲にわたって振動を任意に減衰、反射または伝達させることが可能となり、またそれらの特性を電気的に変化させることが可能となる。
【００４６】
更に、負性インダクタンス回路Ａ，Ｂ，Ｃを構成するインダクタンスＬ0，…と抵抗Ｒ0，…を、磁歪物質１及びその周りに設けたコイル２と同じ物質で同じ形状の素子とすることによって、負性インダクタンス回路Ａ，Ｂ，Ｃのインダクタンス及び損失係数を磁歪物質１のインダクタンス及び損失係数に一致させることができる。
【００４７】
これによって、磁歪物質１の見かけの弾性率及び損失係数を周波数及び温度によらずに一定に保つことができ、磁歪物質１は周波数及び温度によらずに振動を一様に減衰、反射または伝達させることが可能となり、またそれらの特性を電気的に変化させることが可能となる。
【００４８】
【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、負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数を適宜調整することによって、任意の周波数における磁歪物質の見かけの弾性率と弾性損失を任意に変化させることができ、これによってその周波数の振動を減衰、反射または伝達させることが可能となり、またそれらの特性を電気的に変化させることが可能となる。
【００４９】
請求項２に係る発明によれば、負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性及び温度特性を、磁歪物質の周りに設けたコイルのインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性及び温度特性に一致させ、任意の周波数範囲及び任意の温度範囲で磁歪物質の弾性率及び損失係数を制御できるようにしたので、磁歪物質の見かけの弾性率及び弾性損失を広い周波数範囲及び温度範囲にわたって一定に保つことができ、これによって広い周波数範囲及び温度範囲にわたって振動を任意に減衰、反射または伝達させることが可能となり、またそれらの特性を電気的に変化させることが可能となる。
【００５０】
請求項３に係る発明によれば、負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性を、磁歪物質の周りに設けたコイルのインダクタンスの絶対値と損失係数の周波数特性に一致させ、任意の周波数範囲で磁歪物質の弾性率及び損失係数を制御できるようにしたので、磁歪物質の見かけの弾性率及び弾性損失を広い周波数範囲にわたって一定に保つことができ、これによって広い周波数範囲にわたって振動を任意に減衰、反射または伝達させることが可能となり、またそれらの特性を電気的に変化させることが可能となる。
【００５１】
請求項４に係る発明によれば、負性インダクタンス回路のインダクタンスの絶対値と損失係数の温度特性を、磁歪物質の周りに設けたコイルのインダクタンスの絶対値と損失係数の温度特性に一致させ、任意の温度範囲で磁歪物質の弾性率及び損失係数を制御できるようにしたので、磁歪物質の見かけの弾性率及び弾性損失を広い温度範囲にわたって一定に保つことができ、これによって広い温度範囲にわたって振動を任意に減衰、反射または伝達させることが可能となり、またそれらの特性を電気的に変化させることが可能となる。
【００５２】
請求項５に係る発明によれば、負性インダクタンス回路のインダクタンス及び損失係数を磁歪物質のインダクタンス及び損失係数に一致させることができ、これによって磁歪物質の見かけの弾性率及び損失係数を周波数及び温度によらずに一定に保つことができ、その結果周波数及び温度によらずに振動を一様に減衰、反射または伝達させることが可能となり、またそれらの特性を電気的に変化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁歪物質を用いた振動制御素子の原理説明図
【図２】図１におけるインダクタンスの比による磁歪物質の弾性率の変化を示す図
【図３】本発明の第１の発明の実施の形態の構成図を示し、（ａ）は負性インダクタンス回路Ａを用いた振動制御素子の構成図、（ｂ）は負性インダクタンス回路Ｂを用いた振動制御素子の構成図
【図４】本発明の第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５】本発明の第１の発明の実施の形態における振動特性の測定結果を示し、（ａ）は負性インダクタンス回路Ａを用いた場合の測定結果、（ｂ）は負性インダクタンス回路Ｂを用いた場合の測定結果
【図６】本発明の第２の発明の実施の形態の構成図
【符号の説明】
１…磁歪物質、２，３…コイル、５…オペアンプ（演算増幅器）、Ｌ0…インダクタンス、Ｒ0…可変抵抗器、Ａ，Ｂ，Ｃ…負性インダクタンス回路。
【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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