JPH03125204A - 振動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １肌夏貝狗 ′［産業上の利用分野］ 本発明は振動制御装置に関し、詳しくは振動体の機械的
振動の周波数分布、振幅等の振動形態を制御する振動制
御装置に関する。

［従来の技術］ 従来１例えば振動体の機械的振動の周波数分布。

振幅等匠所望の形態にする構成として匝　振動体の形状
や材質等の構造を変更し、振動体自体の振動特性を調整
することで、振動体に伝達される振動を所望の周波数分
布、振幅等の振動形態にするものかあつＬ ［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述した構成で１表　振動体の形状や材
質等の構造を計算や実測によって決めざるを得す、振動
体の振動の周波数分布や振幅を所望の形態に合致させる
ことが困難であるという問題があった また、伝達される振動１：応じて振動体の構造を決定す
る必要があるために、振動体に本来のＦＩＩＬ例えば動
力の伝達や物体の支承等の機能がある場合に（表　本来
の機能を得るための設計の自由度が規制されてしまうと
いう問題があった さらに、振動体の機械的振動の周波数分布や振幅等の振
動形態が変動する場合（飄　変動の幅に対応できる構造
を設計しなければならず、実現が極めて困難であると共
に、変動の幅が大きい場合には対処できないという問題
があつＬ 本発明の振動制御装置は上記課題を解決し、振動体の機
械的振動の周波数分布や振幅を定量的に制御可能にする
ことを目的とする。

ｌ肌皇講遁 かかる目的を達成する本発明の構成について以下説明す
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明の振動制御装置（表　振動体の機械的振動の周波
数分布、振幅等の振動形態を制御する振動制御装置であ
って、前記振動体に取り付けられ、機械的振動および電
気的振動のエネルギ変換を行なう電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子に接続さ瓢　該電気機械変換素子
と共に閉回路を構成するインピーダンス素子と、前記イ
ンピーダンス素子を調整することにより、該インピーダ
ンス素子および前記電気機械変換素子が構成する閉回路
の共振特性を目標値に応じて制御する共振特性制御手段
とを備えることを要旨とする。

［作用］ 上記構成を有する本発明の振動制御装置においては、共
振特性制御手段がインピーダンス素子を調整することに
より、電気機械変換素子のりアクタンス成分およびイン
ピーダンス素子が構成する閉回路の共振特性を目標値に
応じて制御する。

第１図にこの閉回路の共振特性と機械アドミタンスの関
係を示す。縦軸は電気機械変換素子と振動体との接合面
から電気機械変換素子側を見たときの機械アドミタンス
、横軸は周波数である。機械アドミタンスは電気機械変
換素子の変形の容易性を示す指標と考えることができ、
変形の速度■と外力Ｆとの関係で示せＩｉ　ｖ／Ｆとし
て表現できる。図示するように、この閉回路では共振周
波数ｆｒから反共振周波数ｆａまでの間１ミ　機械アド
ミタンス（Ｖ／Ｆ）が最大値から最小値まで連続的に変
化する。つまり、反共振周波数ｆａの近傍の周波数にお
いては機械アドミタンスは大略最小値をとり、共振周波
数の近傍の周波数においては機械アドミタンスは大略最
大値をとる。このことから、共振周波数ｆｒより小さい
周波数から反共振周波数ｆａを越える周波数に亘る広い
周波数の範囲で機械アドミタンスと周波数との関係が連
続的に大きく変化することが分かる。

従って、共振特性制御手段によって閉回路の共振特性を
調整し、閉回路の反共振周波数及び共振周波数等の分布
域と、振動体の機械的振動の周波数の分布域との対応関
係を変化することにより、閉回路には振動体の特定周波
数の振動が作用するときに電気機械変換素子の変形の速
度Ｖが最小値であって電気機械変換素子の変形がほぼ禁
止される状態から、変形の速度Ｖが最大値であって電気
機械変換素子の変形が極めて容易になる状態まで作り出
される。この結果、電気機械変換素子が取り付けられた
振動体においては電気機械変換素子の変形の容易性の程
度に応じて振動がほとんど抑制される状態から、機動の
発生が極めて容易になる状態まで作り出され、　振動の
周波数分布や振幅等の形態が定量的に制御される。

［実施例］ 以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするた
めに、以下本発明の振動制御装置の好適な実施例につい
て説明する。

この振動制御装置１ｉ　　第２図に示すようｊ二、導電
性を有する振動体Ｍの機械的振動を制御するものであっ
て、振動体Ｍに接着された圧電素子１と、圧電素子１の
上面１ａおよび振動体Ｍの表面Ｍａに接続された可変コ
イル３とから閉回路が構成されている。閉回路には閉回
路に流れる電流を測定する電流計４が可変コイル３に直
列に接続されている。振動体Ｍには振動体Ｍの機械的振
動の振幅を検出するセンサ、例えば圧電素子５が接着さ
れており、センサ５に電圧計６が接続されている。

電流計４および電圧計６は共に制御装置７に接続されて
いる。制御装置７は可変コイル３のインダクタンスを調
整するものであって、可変コイル３の可変機構に接続さ
れている。

圧電素子１は例えばジルコン・チタン酸鉛（ＰＺＴ）等
からなるもので、その上面１ａおよび下面１ｂに電極９
．１１を備えている。上面１ａの電極９は可変コイル３
に直接接続しているが、下面１ｂの電極１】は振動体Ｍ
に電気的に接続することにより、振動体Ｍｔ介して可変
コイル３との導通を図っている。

可変コイル３１ヨ　　例えばコアの出入を調整する事に
よりインダクタンスを変化する可変機構を備えたコイル
である。可変機構は制御装置７からの制御信号に基づき
インダクタンスを調整する構成を有する。

振動振幅を検出するセンサ５は圧電素子左利用するもの
で、振動振幅の大きさに応じた電圧を出力する。

制御装置７１よ　ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を内蔵する
マイフィロコンピュータよりなり、予め定めた手順に従
い所定の機能を実現するものである。

この制御装置７には電流計４の信号線４ａ、電圧計６の
信号線６ａ、および外部からの指令線７ａが接続されて
いる。指令線７ａに（飄　例えば外部キーボード等が接
続される。この制御装置７の出力線７ｂは可変コイル３
の可変機構に接続されている。

第３図は圧電素子１および可変コイル３が構成する閉回
路の電気的等価回路を示す回路図である。

圧電素子１１；ｊ、ｔｌ！？１コンプライアンスＣｍ、
　　力係数Ａおよび静電容量Ｃにより表わされる。この
閉回路の共振周波数ｆｒは次式で与えられる。

また、反共振周波数ｆ、　ａは次式で与えられる。

ここで、しは可変コイル３のインダクタンスである。

こうして構成した振動制御装置において（表　外部から
の指令値と、電流計４が検出した電流の値、および電圧
計６が検出した電圧の値に基づいて。

制御装置７が予め定められた手順に従って可変コイル３
の可変機構をフィードバック制御し、インダクタンス乞
調整する。その結棗　圧電素子］および可変コイル３が
構成する閉回路の共振特性を変化し、振動体Ｍの機械的
撮動を制御する。

この制御装置７が行なう処理の一例を、第４図のフロー
チャートに示す。実施例の処理では振動体Ｍの機械的振
動周波数が変動する場合に、その振動振幅を指令通りに
制御する。処理は所定のインターバルで繰り返し実行さ
れる。

制御装置７は処理を開始すると、まず、キーボード等か
らの振動振幅を指定する指令値の読込処理（ステップ１
００）を行ない、読み込んだ指令値に対応する電圧の目
標値および電流の目標値を演算する処理（ステップ１１
０）を実行する。電圧目標値はセンサ５の出力電圧の目
標値である。

電流目標値は閉回路１こ流れる電流の目標値である。

これら電圧目標値および電流目標値（表　以下に説明す
るデータテーブルを参照して求められる。

データテーブルは振動体Ｍの振動振幅と閉回路の共振特
性との相関を、振動体Ｍの振動振幅と、電圧目標値およ
び電流目標値の組合せデータとの関係により示したもの
である。既述したように振動体Ｍの振動振幅（上　振動
体Ｍの機械的振動周波数域と閉回路の共振特性の周波数
域との対応関係がずれることにより変化する。この振動
体Ｍの振動振幅と閉回路の共振特性との相関は例えば実
験等を通じて求めることができるから、振動体Ｍの振動
振幅を、閉回路の共振特性により決定するブタテーブル
が成立する。

一方、閉回路の共振特性は電圧目標値８よび電流目標値
の組合せデータにより特定できる。即ち、閉回路に流れ
る電流の大きさ（よ　閉回路の共振周波数ｆｒ、または
反共振周波数ｆａが振動体Ｍの機械的振動周波数に近づ
くにつれて大きくなる傾向を示す、閉回路の共振周波数
ｆｒｈ＜振動体Ｍの周波数に近づく場合はその振動振幅
を大きくする場合、反共振周波数ｆａ７’＋＜振動体Ｍ
の周波数に近付く場合はその振動振幅を抑制する場合で
あるが、いずれの場合も電流の大きさは大きくなる。従
って、電流値のみからでは共振周波数ｆｒから反共振周
波数ｆａに亘る閉回路の共振特性は特定できないが、閉
回路に流れる電流に、振動体Ｍの振動振幅の大きさを検
出するセンサ５の出力電圧を組み合わせることにより、
閉回路の共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまでの連
続した広い帯域について閉回路の共振特性を特定できる
ようになる。

以上のことに基づいて、振動体Ｍの振動振幅に応じた電
圧目標値および電流目標値をまとめたものがデータテー
ブルである。

上述のデータテーブルを参照して指令値に対応する電圧
目標値および電流目標値を演算処理（ステップ１１ｏ）
すると、次に、電流計４および電圧計６の出力の読込処
理（ステップ１２０）を行ない、電圧計出力と電圧目標
値との偏差、および電流計出力と電流目標値との偏差を
算出する処理（ステップ１３０）を実行する。続いて、
算出した電圧偏差および電流偏差のいずれも各々定めら
れたしきい値の範囲内に収まっているか否かを判断する
処理（ステップ１４０）を行なう。各偏差がそれぞれの
しきい値の範囲内に収まっており、ステップ１４０でｒ
ＹＥＳＪ　と判断した場合（飄振動体Ｍの振動振幅の大
きさは指令値の許容範囲内にあると判断して、本処理を
一旦終了する。九本処理は所定のインターバルで繰り返
し実行される。

方、電圧偏差および電流偏差の両方または一方がそのし
きい値の範囲を外れており、ステップ１４０でｒＮＯＪ
　と判断した場合（九　両偏差に対応する可変コイル３
の可変機構の操作量を演算する処理（ステップ１４０）
を行なう、この演算処理で（上　電圧偏差および電流偏
差の正負の符号や大きさに基づき、インダクタンスの増
減方向とその変更量を演算する。

こうして操作量を演算すると、操作量を可変コイル３に
制御信号として出力する処理（ステップ１５０）を行な
い、再びステップ１２０の電圧計出力および電流計出力
の読込処理に移行する。

以上の電圧目標値および電流目標値に電圧計６の電圧値
および電流計４の電流値を一致する制御のループ（ステ
ップ１２０ないしステップ１６０）（友　電圧偏差およ
び電流偏差が各々のしきい値の範囲内に収まるまで繰り
返される。各偏差ともにそれぞれのしきい値の範囲内に
なれ［′Ｌ　ステップ１４０で「ＹＥＳＪと判断し、本
処理を一旦終了する。以上の処理１表　所定のインター
バルをおいて繰り返されるものであり、指定値を読み込
み、読み込んだ指令値に振動体Ｍの振動振幅を制御する
処理を次々に繰り返し、指令値通りに振動体Ｍの振動振
幅を制御する。

実施例で（上　以上説明した制御によって閉回路の共振
特性を調整し、閉回路の反共振周波数ｆａや共振周波数
ｆｒ等の周波数の分布域と、振動体Ｍの機械的振動の周
波数の分布域との対応関係を変更することで振動体Ｍの
機械的振動振幅を指定した大きさに制御する。これ（上
　第１図のグラフに示したよう１ミ　閉回路に１山　振
動体Ｍの特定周波数の振動が作用するときに圧電素子１
の変形の速度■が最小値であって圧電素子１の変形がほ
ぼ禁止される状態から、変形の速度Ｖが最大値であって
圧電素子１の変形が極めて容易になる状態まで作り出さ
札　この結果、圧電素子１が取り付けられた振動体Ｍに
おいて（飄　圧電素子１の変形の容易性の程度に応じて
振動がほぼ抑制される状態から、振動の発生が極めて容
易になる状態まで作り出されるからである。従って、上
述したように閉回路の共振特性を調整し、閉回路の反共
振周波数ｆａや共振周波数ｆｒ等の周波数の分布域と、
振動体Ｍの機械的振動の周波数の分布域との対応間係を
変更することで、振動体Ｍの機械的振動振幅が指令値通
りに制御される。

以上説明した実施例の振動制御装置によれ（瓜圧電素子
１および可変コイル３からなる閉回路の共振特性を制御
装置７により変更する構成により、振動体Ｍの機械的振
動が周波数の変動を伴う場合でも、その振動の振幅を指
令値通りにする定量的な制御ができるという優れた効果
を奏する。この装置によれ（′ｉ、振動振動体膜計の自
由度を確保しつつ、振動体Ｍの振動形態の制御が可能と
なる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこう
した実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得
ることは勿論である。例えば電気機械変換素子として（
表　電歪素子や磁歪素子など機械的振動を電気的振動に
エネルギ変換できるものであればよい。インピーダンス
素子としては可変静電容量をコイルに並列に接続した構
成でもよい。また、実施例のように振動振幅を一定にす
る制御以外にも、振動体の周波数分布等を定量的に制御
するものでもよい。例えば実施例の振動振幅の制御にお
いても、周波数分布は変更する。

これを利用して周波数分布の制御を行なってもよい。さ
らに、実施例のように振動を抑制する制御と、振動の発
生を容易にする制御の両方を実現する場合（よ　上述し
たようにセンサ５の出力電圧および閉回路に流れる電流
の大きさに基づいて制御を行なう必要があるが、上記制
御の一方のみを実現する制御装置で（上　閉回路に流れ
る電流の大きさについてのみ制御するだけでよい場合が
ある。

尚、実施例の制御では、電圧計６の示す電圧値と電圧目
標値との電圧偏差、電流計４の示す電流値と電流目標値
との電流偏差が各々のしきい値の範囲に収まれ（戴　処
理を一旦終了し、処理の開始から所定のインターバルを
おいて処理を再開するという制御を実現するが、この他
にも、例えば電圧偏差および電流偏差を各々のしきい値
の範囲に収めるフィードバック制御を所定時間の１％’
Ｌ　　継続して行ない、所定時間が経過すると、指定値
を更新して、上記のフィードバック制御を更新した指令
値について実行するという制御でもよい。

ｌ胛夏四月 以上詳述したように、本発明の振動制御装置によれ（ヱ
　電気機械変換素子のりアクタンス成分およびインピー
ダンス素子が構成する閉回路の共振特性を共振特性制御
手段により制御するという極めて簡単な構成により、振
動体の機械°的振動の周波数分布、振幅等の振動形態を
定量的に制御できるという優れた効果を奏する。従って
、振動体の設計の自由度を確保しつつ、振動体の振動形
態を所望の形態にすることが可能となる。また、振動の
周波数や振幅等が変動を伴っても、対処できるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は閉回路の共振特性と機械アドミタンスの関係を
例示するグラフ、第２図は本発明一実施例としての振動
制御装置の構成医　第３図はその閉回路の電気的等価回
路を示す回路医　第４図はその制御装置の処理の一例を
示すフローチャートである。 第１図 １・・・圧電素子　　　　３・・・可変コイル４・・・
電流計　　　　　５・・・センサ６・・・電圧計　　　
　　７・・・制御装置Ｍ・・振動体 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　振動体の機械的振動の周波数分布、振幅等の振動形
   態を制御する振動制御装置であつて、前記振動体に取り
   付けられ、機械的振動および電気的振動のエネルギ変換
   を行なう電気機械変換素子と、 前記電気機械変換素子に接続され、該電気機械変換素子
   と共に閉回路を構成するインピーダンス素子と、 前記インピーダンス素子を調整することにより、該イン
   ピーダンス素子および前記電気機械変換素子が構成する
   閉回路の共振特性を目標値に応じて制御する共振特性制
   御手段と、を備える振動制御装置。