JPH0979318A - 圧電吸収体および圧電弾性体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 多層構造の圧電振動子により、運動体の衝突
時の加速度を検出して、検出信号に応じた機械力を圧電
セラミックスに付与して、暫時衝突力を緩和させて、作
用する運動体などの機械エネルギーを吸収するという機
能を有する、圧電吸収体を得る。 【解決手段】 衝突壁と圧電セラミックスと固定壁、な
どが、圧電振動子として構成され、衝突壁に運動体が衝
突すると、瞬時に加速度をパルス状の電気信号として検
出し、この検出信号を速度に変換して、後続の制御回路
から、検出信号の速度に応じた減衰を示す指令を、ドラ
イブ回路に出力して、ドライブ回路の出力信号を減衰さ
せると同時に、エネルギー変換回路で、順次抵抗回路を
選択して、衝突時の激しい機械エネルギーを、瞬時にジ
ュール熱に変換することにより、衝撃的な機械力や、大
きな機械エネルギーおよび振動エネルギーなどを、電気
エネルギーに変換して緩和させ、吸収させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、概して圧電セラミック
スを用いた圧電吸収体に関し、より詳しくは運動体の衝
突時の加速度或いは速度を検出して、検出信号に応じた
機械力を圧電セラミックスに付与して、暫時衝突力を緩
和させて、作用する運動体などの機械エネルギーを吸収
するという機能を有する、圧電吸収体に関するものであ
る。

【０００２】さらに本発明は、概して圧電セラミックス
を用いた圧電弾性体に関し、より詳しくは運動体の衝突
時のロス系を小さくし、反発力を大きくして、跳ね返り
距離や反発エネルギーを大きくでき、かつ運動体の衝突
時の変形と、衝突壁の変形を圧電セラミックスで同調さ
せる同調器、或いは運動方向を効率良く変換する方向反
転器、としての機能を有する圧電弾性体に関するもので
ある。

【０００３】

【従来の技術】自動車や、電車などの各種の乗り物の走
行中の振動は、エアーサスペンションや各種のばね、或
いは油圧ピストンなどを用いて、機械的作用力および振
動エネルギーを吸収してきた。また自動車や電車などの
乗り物の衝突時には、ゴム或いは金属性のダンパーが衝
突力をやわらげて、エネルギーを吸収した。さらに自然
現象の地震の際には、ビル等の構造物を破壊から守るた
めに、ゴムや金属材料からなる多層構造の弾性体を、ビ
ルの構造物の基礎に施して、大きな振動エネルギーを緩
和、吸収して、建物を破壊から守ってきた。しかし従来
から用いられてきた、エアーサスペンションや各種のば
ね、或いは油圧ピストンなどの応答特性は、せいぜい数
ヘルツから数１０ヘルツ程度の周波数帯域での特性しか
なく、衝撃的な運動、或いは破壊的な速度変化などに対
しては、ほぼ剛体として働き、弾性体としてのバネ力を
有していないという欠点があった。

【０００４】また各種遊戯用機械やスポーツ道具の、小
球や球の打撃に用いる打撃部、或いは釘や鋲などの打撃
具、または各種ピストンやプレスなどの打撃部が、効率
良く目的を達成するためには、これらの運動体の打撃時
に生じる変形と、打撃部の変形を同調させることによ
り、運動体の初速度を高めて、効率の良い打撃を達成す
ることができるが、従来の機械構造物の打撃部は、材料
として用いた弾性体の復元力や、カムやテコなどとバネ
を組み合わせた原理を用いた打撃方法が用いられてお
り、激しい音や、振動の発生、あるいは方向変換部での
エネルギー損失が大きい、という欠点を有していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した、従来から使
用されてきたエアーサスペンションや各種のばね、或い
は油圧ピストン、またはゴムや金属などの異種材料の組
合わせからなる多層構造の弾性体では、緩和あるいは吸
収できない衝撃的な速度の機械的作用力、または振動エ
ネルギーを、本発明では、電気−機械エネルギー変換素
子の圧電セラミックを応用した圧電吸収体として用い
て、発生した機械的作用力または振動エネルギーを、前
記圧電セラミックスで加速度として検出し、付属する回
路で微分して速度としてとりだし、昇圧回路などからな
るドライブ回路をこの信号により制御して、暫時圧電セ
ラミックスに発生する機械力を、後続の抵抗回路などに
よりジュール熱に変換することにより、衝撃的な機械作
用力や、大きな振動エネルギーを緩和させて、吸収する
ことを課題とする。

【０００６】さらに本発明では、圧電セラミックスを衝
突壁などに圧電振動子として用いることにより、１０万
分の１秒程度に応答し、インパルス的速度にも充分追随
して応答する特性を供えた打撃部を得ることを課題とす
る。この打撃壁は、機械的品質（損失）係数のＱ値が２
４０００ないし５００００程度のチタン合金、あるいは
アルミ合金などの金属と、バイモルフ状あるいはトライ
モルフ状に、２層構造あるいは３層構造の圧電振動子構
成にすることにより、ゴム等の柔らかい弾性材料と比べ
て、打撃時に発生するロスが数百分の１ないし数千分の
１程度と極めて小さい、反発力の大きい、打撃時の初速
度の高いという、打撃部を得ることを課題とする。かつ
運動体の衝突時の変形と、衝突壁の変形を、圧電セラミ
ックスで同調させる同調器、或いは運動方向を効率良く
変換する、方向反転器としての機能を得ることを課題と
する。

【０００７】

【発明が解決しようとするための手段および作用】本発
明による圧電吸収体は、衝突壁と圧電セラミックスと固
定壁、或いは金属弾性体などが、トライモルフ型の、３
層構造の圧電振動子として組み立てられている。目的と
する負荷により、主に撓み振動子として機能する構成を
用いたり、あるいは主に厚み振動子として機能する構成
を用いたりするが、前記圧電振動子は、衝突壁に運動体
が衝突すると、瞬時に加速度をパルス状の電気信号とし
て検出するので、この検出信号を速度に変換して、後続
の制御回路から、検出信号の速度に応じた減衰を示す指
令を、ドライブ回路に出力して、ドライブ回路の出力信
号を減衰させると同時に、エネルギー変換回路で、順次
抵抗回路を選択して、衝突時の激しい機械エネルギー
を、瞬時にジュール熱に変換することにより、衝撃的な
機械力や、大きな機械エネルギーおよび振動エネルギー
などを、電気エネルギーに変換して緩和させ、吸収する
圧電吸収体を得た。

【０００８】さらに本発明による圧電弾性体は、中空構
造体や円板状の剛体や棒状の剛体などに貼着して、バイ
モルフ型の２層構造の圧電振動子として構成したり、表
面に金属やカーボンファイバーなどの板状の衝突壁を貼
着する事により、トライモルフ型の３層構造の圧電振動
子として構成することにより、小球や球の打撃に用いる
打撃部、あるいは釘や鋲などの打撃具、または各種のピ
ストンやプレスなどの打撃面に用いることができる。こ
れらの圧電振動子として構成された中空構造体の打撃面
で、例えば小球などを打球すると、打球時に撓み振動子
および厚み振動子として機能して、衝突により発生する
機械エネルギーを、圧電セラミックス部で電気エネルギ
ーに変換した後、前記圧電振動子の振動エネルギーとし
て作用し、後方方向に半周期の撓み振動を行い、変形の
極大で位相反転して、前方方向に結晶軸方向の厚み振動
の半周期の振動と重畳作用して働き、反発力を増大させ
て、小球の初速度を高めた。

【０００９】またこの打撃面は圧電振動子として作用す
るときに、打球により当接した小球の頂点をほぼ振動変
位の最大点として、前記打撃面が略おわん形に小球を包
み込むように後方に撓み変形するので、この変形の極大
で位相反転して、前方方向に作用する。反発力の全ベク
トルが中心軸上に向かうので、小球は前方へ真っ直ぐに
直進飛行する。さらに小球の変形は、打撃面が撓み振動
子としてアクティブに、ほぼ円形膜の横振動の方程式に
支配された曲率で変形を行うので、ほぼ球状の形を保ち
得て飛行するので、飛行時の直進性が良く、かつ空気抵
抗が小さくなることから、飛距離を大きく伸ばすことが
できた。

【００１０】

【実施例】図１に本発明の圧電吸収体の一実施例を示
す。本発明による圧電吸収体は、圧電セラミックス２Ａ
の表面にチタン合金或いはアルミ合金やステンレスなど
の金属材料、または、カーボン繊維やアラミド繊維など
の材料からなる衝突壁１Ａが貼着されている。圧電セラ
ミックス２Ａの他の表面には締結に用いる固定壁３が、
例えばハンダ付、あるいは接着、またはネジ上めなどの
手段により固着されている。前記固定壁３は通常、機械
装置などの構造物（図示せず）に固定される。図１に示
す３層構造からなる圧電吸収体は、主に重負荷用の厚み
振動子として機能する。前記衝突壁１Ａに運動体が衝突
すると、圧電セラミックス２Ａにおいて機械力を電気信
号に変換して、瞬時に検出回路５において、運動体衝突
時の加速度を、パルス状の電気信号として検出するの
で、信号を速度に変換して、後続の制御回路６から、検
出信号の速度に応じた減衰率を示す指令を、ドライブ回
路４に出力して、前記ドライブ回路４の出力信号を減衰
させると同時に、エネルギー変換回路７において、順次
抵抗回路を選択して、運動体の衝撃的な機械力を電気エ
ネルギーに変換して緩和させ、吸収することが実現でき
た。

【００１１】次に主に軽負荷用の、中空構造体の金属弾
性体９と圧電セラミックス２Ｂなどからなる圧電吸収体
について説明する。検出回路などの処理回路は、図１に
示した構成と同じ物を用いたので、詳しい説明は省略す
る。衝突壁１Ｂは、圧電セラミックス２Ｂと共に、締結
ネジ８を介して、金属弾性体９に締結されている。前記
衝突壁１Ｂに運動体が衝突すると、金属弾性体９と圧電
セラミックス２Ｂと衝突壁１Ｂが、一体の圧電振動子と
して機能して、下部方向に撓み振動子として変形し、圧
電振動子の結晶軸方向の厚み方向の伸縮と重畳して作用
するので、軽負荷時にも大きいエネルギー緩和と、吸収
を実現できた。

【００１２】図３に、本発明によって成る圧電弾性体の
構成の詳細を示した。圧電弾性体の前部壁１２には、例
えばハンダ付け、あるいは接着、または勘合などの手段
により、厚みが１〜１０ｍｍ程度の圧電セラミックス２
Ｃが貼着される。さらに圧電セラミックス２Ｃの他の表
面には、チタン合金あるいはアルミ合金やステンレスな
どの金属板、あるいはカーボンファイバーやアラミド繊
維などの板状の衝突壁１Ｃが貼着されている。中空構造
体１０の後部には、通常、機械装置などの構造物（図示
せず）に固定される、固定部１１が設けられている。

【００１３】本発明では、前記したように衝撃的な機械
力や大きな振動エネルギーの緩和と吸収に、電気−機械
エネルギー変橡素子を用いた。さらに詳しくは前記圧電
弾性体の打撃面に、圧電セラミックス２Ｃを用いてい
る。衝突壁１Ｃに小球などの運動体がぶつかると、電気
−機械エネルギー変換素子の一種である圧電セラミック
ス２Ｃが衝突により衝撃的に発生する機械エネルギー
を、瞬時に電気エネルギーに変換し、圧電振動子として
機能しつつ、瞬時の衝撃的な機械力により後方に半周期
の変形（撓み振動）を行い、変形の極大で位相反転し
て、前方方向に前記撓み振動と結晶軸方向の厚み振動の
半周期の振動とが重畳作用して、ロス系がなく取り出せ
る大きい反発力で、小球を前方に送り出す。すなわち衝
突壁１Ｃなどから成る打撃面に、圧電セラミックスを用
いることにより、小球などの運動体と前記打撃面となる
衝突壁の打撃時の変形を同調させることを、圧電振動子
により実現したものである。さらに前述したように衝突
壁１Ｃなどから成る打撃面に圧電セラミックス２Ｃを用
いることにより、目的とした小球などの運動体と、圧電
弾性体に大きい反発力を得ることも実現できた。

【００１４】次に前部壁１２に貼着した圧電セラミック
ス２Ｃがバイモルフ型の圧電振動子として、あるいは衝
突壁１Ｃを加えたトライモルフ型の圧電振動子として機
能する作用を説明する。衝撃的な小球の衝突により、小
球は激しく衝突壁１Ｃにたたきつけられ、圧電セラミッ
クス２Ｃでは、このとき発生する強い機械エネルギー
が、瞬時に電気エネルギーに変換されて、圧電セラミッ
クス中の荷電粒子が距離変位し、電気双極子を生じて圧
電セラミックスに伸びが生じるので、小球などの運動体
の機械的衝突による、後方への半周期の変形の極大で位
相反転した後、この撓み振動に結晶軸の厚み方向変位も
重畳作用して、強力な反発力でボールを前方に送り出す
という、圧電現象を利用した圧電弾性体効果を得たもの
である。

【００１５】図４にテコの原理を利用した、小球などの
打撃装置の打撃部を示した。支点１４には、モータなど
の回転装置が取り付けられる。テコ部１３は反時計方向
に回転して、１回転に１度、導入路から落ちてくる小球
を、衝突壁１Ｄで打球する。前記衝突壁１Ｄは、圧電セ
ラミックス２Ｄおよびテコ部１３と、一体構成に貼着さ
れたコニカルホーンとして機能して、打球時に衝突壁１
Ｄにて弾かれた小球は、固有の振動周波数で共振しなが
ら、着地点に向けて飛行する。途中で障害物にぶつかっ
た時など、小球が共振している効果で、滑り性が改善さ
れている。

【００１６】

【発明の効果】本発明では、衝撃的に作用する機械力
や、地震などに現れるの大きな振動エネルギーを、応答
性に優れた圧電セラミックスを用いた圧電吸収体で、瞬
時に電気エネルギーに変換して、抵抗体などによりジュ
ール熱として放散することにより、衝突時に運動体に生
じる、破壊的な衝撃力を緩和して、時系列的に吸収する
ことができたので、運動体などの受ける衝突時の強いダ
メージを軽減するという効果を得た。

【００１７】さらに運動体などの衝突部に、圧電セラミ
ックスを多層構造に構成することにより得た圧電弾性体
を用いて、ロス系が１／１０００以上と小さい、反発力
が大きく、初速度の高い、高速応答の可能な弾性体を実
現した。このことにより跳ね返り距離の延長と、運動体
の衝突時の変形と、衝突壁の変形を同調させる、同調器
としての効果や、運動方向を効率良く変換する方向反転
器としての効果を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧電吸収体の一実施例を示すブロ
ック図である。

【図２】本発明による圧電吸収体の一実施例を示す断面
図である。

【図３】本発明による圧電弾性体の一実施例を示す断面
図である。

【図４】本発明による圧電弾性体の一実施例を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 衝突壁 ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ 圧電セラミックス ３ 固定壁 ４ ドライブ回路 ５ 検出回路 ６ 制御回路 ７ エネルギー変換回路 ８ 締結ネジ ９ 金属弾性体 １０ 中空構造体 １１ 固定部 １２ 前部壁 １３ テコ部 １４ 支点部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械的作用力や振動エネルギーなどを、
   電気−機械変換素子を用いて、電気エネルギーに変換
   し、抵抗器などで熱エネルギーとして、緩和および吸収
   することを特徴とする圧電吸収体。
2. 【請求項２】 多層構造の圧電振動子により、運動体の
   衝突時の加速度あるいは速度を検出して、検出信号に応
   じた機械力を圧電振動子に付与して、衝突力を緩和さ
   せ、吸収することを特徴とする圧電吸収体。
3. 【請求項３】 衝突壁と圧電セラミックスと固定壁など
   から成る圧電振動子と、運動体などの衝突時の信号を検
   出する検出回路と、制御回路と、エネルギー変換回路お
   よびドライブ回路などの処理回路から成ることを特徴と
   する圧電吸収体。
4. 【請求項４】 中空構造体と圧電セラミックスと衝突壁
   などから成る圧電振動子により、運動体などの衝突時の
   変形と、前記衝突壁などの打撃部の変形を、圧電セラミ
   ックスで同調させる同調器、および運動方向を高効率で
   変換する方向反転器としての機能を有することを特徴と
   する圧電弾性体。
5. 【請求項５】 圧電セラミックスを多層構造に構成した
   圧電振動子を、運動体などとの衝突壁として用いること
   により、ロス系の小さい、反発力の大きい、初速度の高
   い、高速応答が可能という特性を有することを特徴とす
   る圧電弾性体。