JP2004537009A - 機械式力制御装置 - Google Patents

Abstract

使用に際し、機械的力を制御する機械式装置。この機械式装置は、使用に際し、機械的力を制御するシステム内の構成要素に接続される第１及び第２のターミナルを備える。これらターミナルは相互に移動可能とされる。機械式装置には、両ターミナルの間に接続されて両ターミナルにおける機械的力を制御する制御手段も設けられる。上記機械的力は、両ターミナル間の相対加速度に比例し、この比例関係が固定定数または変数関数で表される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動力などの機械的力の制御に用いる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような装置を用いるもの例として、車両のサスペンションシステムがある。一般的なサスペンションシステムには、ダンパーと並列にされたばねなどの受動的ダンピングシステムが用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような受動的ダンピングシステムは、能動的ダンピングシステムと比べ、サスペンションシステムに求められる各種の性能を最適化する上で制限が多い。その一方、能動的サスペンションシステムにも、費用や複雑さの問題に加え、信頼性の問題がある。
これらの代わりとして、半能動的ダンパーなど様々な半能動的サスペンションシステムが用いられている。別のアプローチとして、より高度化された受動的サスペンションシステムを開発することもあり得るが、現在のところ、そのような高度化された受動的サスペンションシステムは、ばね、ダンパー、レバー等を組み合せる上で制限が存在するため、その可能性が十分に開拓されていない。
物質から生じる慣性力を、サスペンションシステムやサスペンション部材(suspension struts)において利用できれば可能性が広がるのであろうが、大きな質量を要する場合、このような利用は現実的でないと思われる。
【０００４】
本発明の目的は、ばね、ダンパー、レバー、その他の質量からなる機械式ネットワークにおいて物理的に実現可能なあらゆる所望の機械的インピーダンスを実現しつつ、サスペンションシステム全体を小型のままに維持するという重要な条件をも実現可能なサスペンションシステムを構成する手段を提供することである。
【０００５】
機械式ダンピングシステムを設計する際は、機械式ネットワークと電気式ネットワークの一般的類似性、即ち、力(及び速度それぞれ)が電流(及び電圧それぞれ)に相当し、かつ、慣性座標系（inertial frame of reference）における固定点が電気的グラウンドに相当することがしばしば用いられる。このことは、電気回路に関して広く知られた設計原理を用いることで受動的機械式システムを設計できることを意味する。
【０００６】
上記相似性によれば、ばねがインダクタに相当し、ダンパーがレジスタに相当する。ばねとダンパーに関するこの対応関係は十分当てはまるが、質量及びキャパシタに相当する質量の場合には制限がある。この制限は、質量により実現される力−速度間の関係、即ち、ニュートンの第２法則が、慣性座標系中の固定点に対する質量の加速度に関連するという事実に起因する。このことは、事実上、質量の一方の「ターミナル」がグラウンドであり、他方の「ターミナル」が質量自身の中心位置であることを意味する。このことは電気−機械間の類似性に関する教本において一般的である（例えば、ジェー・エル・シェアラ(J. L. Shearer)、エー・ティー・マーフィー(A. T. Murphy)、エイチ・エイチ・リチャードソン(H. H. Richardson)共著の「システムダイナミクスへの招待」(Introduction to System Dynamics)、アディソン・ウェズレイ(Addison Wesley)、1967年、111頁を参照）。
【０００７】
電気の分野では、回路設計に際し、必ずしもキャパシタのターミナルの一方を接地させる必要がないことは明らかである。このことが意味するのは、電気回路は、機械におけるばね−質量−ダンパー式の構造と直接類似させなくてもよいということである。
【０００８】
更にキャパシタに相当する物質について問題となるのは、機械的インピーダンスを合成する場合である。インピーダンスを表す装置とシステム内の他の質量とを比較する際、インピーダンスを意味する装置が無視可能な質量を有すると仮定することは重要であろう。しかし、所与の機械式ネットワークにおいて適切な結果を得るために大きな質量が必要な場合、このことは明らかに問題となる。
【０００９】
上記問題のため、電気回路の合成に関して広く知られた設計原理を、機械式ネットワークの合成において拡張的に用いることは制限される。これらの問題は、電気的キャパシタに相当する２つの純粋なターミナル装置としての機械式回路素子を導入できれば解消可能である。この素子は、システムにおける他の素子と比較して小さな或いは無視可能な質量を有し、かつ、ばねやダンパーに通常想定される十分直線的な軌道を備えることが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る機械式装置は、機械的力の制御に用いるものであって、
使用に際し、機械的力を制御するシステム内の構成要素に接続され、かつ相互に移動可能な第１及び第２のターミナルと、
前記第１及び第２のターミナルの間に接続されて、前記第１及び第２のターミナルにおける前記機械的力を、前記第１及び第２のターミナル間の相対加速度に比例するように制御する制御手段とを備え、この比例関係が固定定数または変数関数で表されることを特徴とする。
【００１１】
前記変数関数は、前記第１及び第２のターミナル間の相対速度の関数とすることができる。
前記機械式装置は、その質量が前記比例定数または変数関数の値から独立となるように構成してもよい。
前記２つのターミナルの相対移動量を制限する制限手段を設け、前記相対移動量を前記所定の比例関係から独立して特定することができる。
【００１２】
前記機械式装置は、前記比例関係が前記機械式装置の姿勢に影響されないように構成されることが好ましく、また、前記装置は、いずれの部分も固定点に接続されないように構成することができる。前記比例関係を実現する制御手段は、前記第１及び第２ターミナルの一方に接続されるプランジャと、前記第１及び第２ターミナルの他方に接続されかつ前記プランジャに摺動可能に接続される筐体と、前記プランジャが前記筐体に対して移動する際、前記筐体内で駆動されるように設けられるはずみ車とを備えることができる。前記はずみ車を駆動する駆動機構は、前記プランジャが前記筐体に対して摺動することによる直線運動を、前記機械式装置内の回転運動に変換する変換手段を備え、ギヤ機構を介して前記はずみ車を駆動するラック・ピニオン構造により構成されてもよい。
【００１３】
前記比例関係を実現する制御手段は、ピストンやシリンダなどの流体部品と、流体の直線的流れを回転運動に変換し、はずみ車を直接駆動するまたは別のギヤを介してはずみ車に接続されるギヤポンプなどの変換手段を備えてもよい。
【００１４】
本発明によれば、前記機械式装置を有する車両用サスペンション内のシステム等の機械式ダンピングシステムも提供される。
本発明によれば、前記機械式装置を用いる振動吸収方法も提供される。
本発明によれば、前記機械式装置を備える質量シミュレータも提供される。
【００１５】
ばねやダンパーには回転可能な均等物があるのと同様に、本発明に係る機械式装置には回転形式の実施形態が存在する。回転可能なばね（ダンパーそれぞれ）が、共通の軸の周りを独立に回転可能な２つのターミナルを備え、これらターミナルにおいて付加された同等かつ対向するトルクが、前記２つのターミナルがなす相対角度（速度）に比例する。
【００１６】
本発明に係る機械式装置は、機械的トルクの制御に用いるものであって、
使用に際し、システム内の構成要素に接続され、かつ独立に移動可能な第１及び第２のターミナルと、
前記第１及び第２のターミナルに接続され、前記第１及び第２のターミナルにおける前記機械的トルクを、前記第１及び第２のターミナル間の相対角加速度に比例するように制御する制御手段とを備え、この比例関係が固定定数または変数関数で表されることを特徴とする。
【００１７】
前記回転形式の機械式装置は、その慣性回転モーメントが、比例関係に対して独立とされるように構成することができる。
本発明に係る機械式装置の構成により、ユニット全体の寸法は、比例関係とは独立に特定可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１（Ａ）は、本発明に係る機械式装置の単純な実施形態を示すものである。
機械式装置１は、筐体９に対して直線的に摺動するプランジャ２を備える。プランジャ２にはラックが形成され、このラックは、筐体９に取り付けられたシャフト１０に支持されるピニオン３と係合する。ピニオン３はギヤホイール４に取り付けられ、ギヤホイール４は、筐体９に取り付けられたシャフト１１に支持される別のピニオン５と係合する。ピニオン５ははずみ車６に取り付けられる。
【００１９】
装置１には２つのターミナル７、８が設けられる。ターミナル７はプランジャ２に取り付けられ、ターミナル８は筐体９に取り付けられる。ターミナル７、８はいずれも慣性系(inertial frame)の固定点に取り付けられる必要がなく、使用に際し、装置１を用いる機械式システム中の他の構成要素に取り付けられる。２つのターミナルは相互に移動可能である。２つのターミナルには、ボールジョイント、ピンジョイント、リジッドジョイントなどの連結手段を設けることができる。
【００２０】
装置１の動作は、ばね緩衝器などの装置を用いることより、プランジャ２の特定軌道範囲内に制限することができる。このような手段により、プランジャの軌道範囲で大きな力や速度が生じた場合にも装置を保護可能な有効安全特性を実現することができる。更なる安全特性として、力やトルクが所定値を超えた場合にはずみ車を分離または一時的に分離させる手段や一時的にエネルギを消失させる手段を備えることもできる。この目的のためには、クラッチ機構や粘性継手を用いることができる。
【００２１】
図１（Ａ）の構成を実現するに際し、装置の特性パラメータ、即ち、ターミナル７、８間に付加された力とターミナル間の相対速度との間の比例定数は、ギヤ比、ギヤ段の数や型、質量、はずみ車６の回転半径などの値を変えることにより変化させることができる。このようなパラメータの正確な効果は後述する。
【００２２】
まず図１（Ｂ）について説明する。図１（Ｂ）は、２つのターミナルを備える機械式ネットワークの簡略図であり、同じ大きさの対向する力Ｆを示し、Ｆが正であるとき圧縮力となる。対応する相対速度はｖ＝ｖ_２−ｖ_１で表され、両方の接続点(node)が相互に接近するとき正の値になる。ここで、ｖ_１とｖ_２は、機械式ネットワークの第１・第２のターミナルそれぞれにおける速度である。
【００２３】
図１（Ａ）に戻って、ピニオン３の半径をｒ_１、ギヤホイール４の半径をｒ_２、はずみ車のピニオン５の半径をｒ_３、はずみ車６の回転半径をγ、はずみ車６の質量をｍと定義し、その他の全構成要素の質量は、単純化のため、無視できるものとする。
ｖ_１＝０、即ち、装置右側のターミナル（第１のターミナル）が固定されていると仮定すると、以下の関係が成り立つことがわかるであろう。
【００２４】
【数１】

【００２５】
ここで、α_１＝γ／ｒ_３及びα_２＝ｒ_２／ｒ_１である。
ｖ_１≠０の場合、はずみ車６の質量における直接的慣性効果が影響することとなるが、α_１ ^２α_２ ^２が大きい場合、数式（１）を変化させる比率はわずかに過ぎない。第１の近似値に対し、上記効果は、ばねやダンパーに関して一般的に該当するものであり無視可能であるため、装置を規定する等式をＦ＝ｂｖ’と書き直すことができる。
【００２６】
ここで、ｂ＝ｍα_１ ^２α_２ ^２の単位はキログラムである。α_１＝α_２＝３といった比較的小さな比率であっても、ｂははずみ車６の質量の８１倍の係数となることに注意されたい。更なるギヤを導入可能であることは明らかに予測可能であり、比率がα_３の更なるギヤホイール及びピニオンはｂをα_３ ^２倍に拡大することになる。ギヤ比を増大させると、装置内の内的力及びはずみ車６の回転速度も増加する。ここで後者は、上記モデルにおいて、ｒ_２ｒ_１ ^−１ｒ_３ ^−１（ｖ_２’−ｖ_１’）で定義される。明らかに、装置１の質量を絶対的な意味で小さな値に保持可能であり、この質量と装置１の比例関係ｂとを比較可能である。本発明に係る一実施形態として、約１ｋｇの質量を備え、ｂの値が約３００ｋｇの装置を製造した。
【００２７】
装置１は、所定値として明示可能な有限の直線軌道を備え、あらゆる空間方向に対して適切に機能する。
前記装置１は、固定された比例定数を備える本発明の一実施形態である。数式（１）に基づく作用における偏差は、原則として、比例定数の固定値に要するものと同じ程度の大きさに保持可能である。
【００２８】
装置１の別の実施形態として、図１（Ａ）の効果と本質的に類似する効果を生み出すものが可能であることが明らかである。例えば、歯付きベルトなど他のギヤ手段や、直線運動を回転運動に変換する代替手段を用いることができる。必要に応じて、２つ以上のはずみ車６を設け、逆回転によりジャイロ効果を補償することができる。流体機構を用いる構成も可能である。
【００２９】
本発明に係る装置１の実施形態は、比例定数ｂまたは装置１の関数を容易に調整する手段などの付加的な特徴を備えることができる。このようなものとして、離散的あるいは連続的に調整可能なギヤ段や、はずみ車６の慣性モーメントを調整する手段が可能である。上記のような調整機能を拡大することで、ターミナル７、８間の相対速度など装置１の状態関数としての実効ギヤ比や慣性モーメントを劇的に拡大することができる。これにより、事実上、装置１の比例関係ｂを固定定数以外の関数とすることができる。このような劇的な変化は、ギヤ段において、或いは、ばねで付勢されかつ外方に向かう角速度が増加されることで外方に付勢された飛球などの特徴を付加することにより実現可能であろう。
【００３０】
図２（Ａ）は、振動吸収に伴う一般的な問題であって、本発明にも関連し得るものを示す。質量Ｍは、機械的アドミタンスがＱ（ｓ）の装置により構造体に接続される。質量Ｍには力Ｆ_Ｌが加えられ、質量及び構造体の位置はそれぞれｘ、ｚとされる。
ｚ＝sin（ω₀ｔ）とするとき、ｔ→０、ｘ（ｔ）→０となる正の実数Ｑ（ｓ）を設計・実現する必要がある。即ち、質量Ｍは、定常状態において、構造体の既知の周波数の正弦乱れに対して影響されないことを要する。
【００３１】
図２（Ｂ）に示されるように、上記問題に対する従来の解法では、振動吸収体は、質量Ｍに接続された同調ばね質量システム(tuned spring mass system)からなる。ここで導入された質量ｍには大きな振幅の振動が生じ得るため、実用上、ｍとばね剛性ｋ_４は、ｍにおける過度の振動を避けるのに十分なほど大きいことを要するであろう。このことは、Ｍに過度の質量をかけることが好ましくない場合、欠点となりうるだろう。
【００３２】
代わりとして、図２（Ｃ）に示すような解法を取り得る。この解法では、定数ｋ_２のばね及び定数ｃのダンパーの並列の組合せと、定数ｋ_１のばね及び比例定数がｋ_１／ω₀ ^２となる本発明に係る装置の並列の組合せとを直列に設ける。
図２（Ｃ）では、本発明に係る装置を示す回路符号は厚みの小さい長方形であり、はずみ車６を想起させるであろう。ばねと本発明に係る装置を並列に組合せたものは、構造体に作用する乱れ振動数に同調された固有振動数を有する機械式振動子のように機能する。
上記２つの解法の力学的応答特性は、装置の付加的な質量または定数ｂが増減する際の漸近特性に関して多くの点で類似する。しかし、本発明のアプローチの利点は、Ｍに対して付加的な質量が不要であり、この付加的質量の軌道制限を考慮する必要がないことにある。
【００３３】
図３（Ａ）は１／４車両モデル（即ち、車両における１つの車輪部のモデル）を示す。このモデルは、ばね付き（sprung）質量ｍ_ｓと、ばね無し質量ｍ_ｕと、垂直剛性ｋ_ｔを有しタイヤを意味するばねとからなる。
本発明を使用可能な「サスペンション部材」(suspension strut)は、ばね付き質量及びばね無し質量に接続され、これらばね付き質量及びばね無し質量に対して同等かつ対向する力を機械的アドミタンスＱ（ｓ）で付与するものであり、かつ無視可能な質量であるとする。ここで、ばね付き質量、ばね無し質量、タイヤ接地面(contact patch)の位置は、それぞれｚ_ｓ、ｚ_ｕ、ｚ_ｒである。ブレーキや加速などによる慣性負荷などの効果をほぼ正確にモデル化するため、外的力Ｆ_ｓをばね付き質量に作用させるものとする。その他の外的入力は道路の起伏を意味し、速度発生源Ｚ_ｒ’として機械式ネットワークの項でモデル化される。
【００３４】
力と電流の類似性を用いると、図３（Ａ）の１／４車両モデルは、図３（Ｂ）の電気回路に類似する。図３（Ｂ）では、２つの質量が接地キャパシタとなり、２つの外的入力手段Ｆ_ｓ及びＺ_ｒ’が電流発生源、電圧発生源のそれぞれとなる。
【００３５】
サスペンションシステムでは、実用的デザインに必要なものとして、乗員の快適性、操作性、タイヤの通常負荷、サスペンションの軌道制限など、最適化のために多くのことが必要となる。単純化された１／４車両モデルでは、これらの要求は、Ｆ_ｓ及びｚ_ｒからｚ_ｓ及びｚ_ｕへの乱れ応答に関する仕様として置き換えられる。
伝統的な考え方によれば、ばね付き質量を負荷のばらつきＦ_ｓから絶縁するために、「剛性の高いばね付き」サスペンションを要するとともに、このサスペンションを道路のばらつきｚ_ｒから絶縁するために、「剛性の低いばね付き」サスペンションを要する。能動的サスペンションによれば、これらの伝達経路を独立に形成することができるが、受動的サスペンションではできない。
【００３６】
図３（Ｃ）に示されるように、伝統的なサスペンション部材は、ダンパーと並列なばねを備えるが、深刻な妥協を含むものである。完全に能動的なサスペンションはこれらの制限を受けないものの、信頼性、コスト、複雑さに関して欠点がある。
上記理由のため、より高度化された受動的サスペンションの利益を探求することに関心がもたれていた。現在のところ、受動的（直線的）サスペンション部材は、ばねやダンパー、レバーを使用するのみであるが、大きな質量のものは使用されない。
【００３７】
電気分野において、このサスペンション部材は、インダクタ及びレジスタ（及びトランスフォーマ）のみを備える回路に相当する。上記のような回路における駆動点インピーダンスまたはアドミッタンスは、キャパシタを用いる回路と比して非常に制限されるのであり、このことは、同等の機械式ネットワークにも当てはまる。即ち、上記アドミッタンス関数の極及びゼロは、負の実数軸に存在させ相互に交代させなければならない。更に、そのようなアドミッタンス関数はいずれも図３（Ｄ）に示される特別の形式でのみ実現可能であり、この形式は、剛性係数ｋ_ｉのばねと減衰係数ｃ_ｉのダンパーとの直列構造（ここでｉ＝１〜ｎ）が複数並列されたものと、これらの構造に並列でありかつ剛性係数ｋとされる別のばねを備える。
【００３８】
静的ばね剛性が非常に高いサスペンション部材を要する場合、従来のばね及びダンパーの構成では、非常に激しい振動を生じることが常であったことが理解されよう。この振動は、本発明を用いれば抑制される。
【００３９】
図４（Ａ）、（Ｂ）は、ブルーンの合成方法（method of Brune synthesis）を用いて得られる本発明に係る解法を示すものである。ブルーンの合成方法は、桁数が所与である正の実数のアドミッタンスの標準的な形式に適用されるものである。ブルーンは、任意の正の有理実数関数(real-rational positive real function)が、レジスタ、キャパシタ、インダクタ、トランスフォーマからなる電気式ネットワークの駆動点インピーダンスとして実現可能であることを示した。ブルーン合成によるネットワークはいずれも、本発明に係る装置（係数ｂ_１またはｂ_２）と、２つのダンパー（減衰係数ｃ_１及びｃ_２、または、ｃ_３およびｃ_４）と、２つのばね（剛性係数ｋ及びｋ_ｂ）との組合せにより実現される。
図４（Ｂ）のネットワークで要するパラメータ値は、図４（Ａ）で要するパラメータ値よりも小さく、その結果、より効率的となることが理解されよう。
【００４０】
代わりに使用可能な処理としてダーリントン（Darlington）の処理がある。ダーリントンの処理は、損失のない２つのポートを備えかつ単一の抵抗で終端するネットワークとしてのインピーダンスを実現する。このことは、機械分野では、ダンパーの数を１つに減らすこととなる。
桁数が所与でありかつ正の実数であるアドミタンスの標準的形式に適用されるダーリントンの合成方法により、図５（Ａ）に示される電気回路がもたらされる。
【００４１】
本発明に係る装置（係数ｂ）と、ダンパー（減衰係数ｃ）と、３つのばね（剛性係数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３）と、レバー（アーム長λ_１、λ_２）とからなる組合せを用いることで、図５（Ｂ）に示されるような同等の機械式ネットワークが実現される。しかし、ダンパーの１つに代えてレバーが付加されるため、ネットワークの複雑さは減少するよりもむしろ増大するものとみることができよう。
上記実施形態には、本発明を備える組合せにおいて、どのように電気式ネットワークの合成を用いれば機械式ネットワークを設計することができるかが示される。
【００４２】
図６には本発明の別の実施形態が示される。図６は、ギヤポンプ１２を含む流体機構を示す。装置１は、複動式ピストン１３と、このピストンの両側に作動流体を備えるシリンダ１４とからなる。シリンダ１４の各端部は、パイプ１５、１６によりギヤポンプ１２の入口及び出口へとつながれている。ギヤホイール１７、１８の一方を、直接または別のギヤを介して、図示しないはずみ車に接続してもよい。或いは、ギヤホイール１７、１８のそれぞれを、上述のように、ジャイロ効果を補償するように逆回転するはずみ車に接続することもできる。
【００４３】
符号７、８は、装置の２つの接続点（ターミナル）である。装置１には２つのばね緩衝器１９が設けられる。装置１の動作は、接続パイプ１５、１６に沿って作動流体をメインシリンダ１４から移動させてギヤポンプ１２を回転させるあるいはその逆を行うメインピストン１３により行われる。理想モデルにおける装置１は、ターミナル７、８に付加された力と、ターミナル７、８間の相対速度との比率ｂを所望のものとする。図１（Ａ）の装置と同様の理想モデルにおける比率ｂは以下のように求められる。メインシリンダ１４の断面積をＡ、ギヤポンプ１２を１回転させるごとの容積変化量をＶとする。質量がｍかつ回転半径がγのはずみ車をギヤポンプ１２に取り付けるものとする。そうすると、装置の比率ｂは（２πＡ／Ｖ）^２γ^２ｍにより与えられることが理解されよう。
【００４４】
ギヤ１２の代わりに、クレセントポンプ(crescent pump)などを用いることもできる。複動式ピストン１３の代わりに、単動式ピストンに自由ピストン及びガスチャンバを組み合わせたものや、単動式ピストンに回復式チャンバ（recuperating chamber）を組み合わせたものなどを用いることができる。
図６の構成は流体部品を用いるものだが、通常の減衰レベルを上げることもできる。このことは、本発明の装置をダンパーと組み合わせて配置される場合に利点となろう。
【００４５】
更に、流体の流れを制限するオリフィスや流量制御バルブなどのダンピング機構を、図６の装置に設けることも利点となろう。これにより、本発明に係る装置と１以上のダンパーとが直列または並列に配置されて一体化された装置が得られる。同様に、ばねを組み込むことで一体化された装置を得ることもできるであろう。
【００４６】
反対に、ダンパーなどの装置に本発明に係る装置を組み込んで変形させることで、一体化された装置を実現することもできるであろう。例えば、従来型のダンパーに類似する装置の構成を、オリフィスやバルブを通過する流体が、付加的なギヤ段を介してはずみ車へと接続される機械的素子を回転させるようなものとすることもできよう。
【００４７】
図７（Ａ）、７（Ｂ）には、本発明の別の実施形態が示される。この実施形態は、ボールねじ２０といったねじ機構を用いるものである。装置１では、ナット２１が支持部材２３により筐体２２内に設けられ、筐体２２に対するボールねじ２０の直線変位がターミナル７、８を結ぶ線に沿ってなされることで、ナット２１が筐体２２内で回転する。
図７（Ａ）の装置１において、はずみ車６はナット２１に直接接続される。装置１は、ボールねじ２０が筐体２２に対して移動することで動作する。ここで、ボールねじ２０の移動は、ターミナル７、８の相対変位であり、はずみ車６を回転させる。
【００４８】
図７（Ｂ）の装置１では、ナット２１とはずみ車６の間には、別のギヤが存在する。この別のギヤを実現可能な手段は、遊星歯車など様々存在する。
本実施形態では、ギヤホイール２４がナット２１に接続し、このナット２１はピニオン２５と係合し、このピニオン２５は横向きのシャフト２６を介してギヤホイール２７に接続し、このギヤホイール２７はピニオン２８と係合する。ピニオン２８は、はずみ車６と同一の軸２９に接続する。要するに、装置１は、筐体２２に対するボールねじ２０の動作によりはずみ車６を回転させることで動作する。
【００４９】
図７（Ａ）、７（Ｂ）の装置１には、ばね緩衝器１９その他の保護部材を設けることができる。理想モデルの装置１は、ターミナル７、８に付加された力と、ターミナル７、８間の相対速度との間の比率を所望のものとすることができる。
図１（Ａ）の装置と同様の理想モデルの比率ｂは以下のように求められる。即ち、ねじ２０のピッチをｐ（ｍ）、はずみ車６の質量をｍ（ｋｇ）、回転半径をγ（ｍ）とする。そうすると、図７（Ａ）の装置１は、ｍγ^２（２π／ｐ）^２（ｋｇ）により付与される比率ｂを有することが理解されよう。図７（Ｂ）の装置１における２つのギヤ段が比率α_１、α_２であるとすると、装置１の比率ｂはｍγ^２（２π／ｐ）^２α_１ ^２α_２ ^２（ｋｇ）により与えられる。
【００５０】
図８には本発明の別の実施形態が示される。
装置１には、筐体２２内で回転可能とされた揺動シャフト３１にターミナル７を接続するレバーアーム３０が設けられる。揺動シャフト３１にはギヤホイール３２が接続され、このギヤホイール３２は、筐体２２内で回転可能とされたピニオン３３と係合する。ピニオン３３は、同一の軸に直接設けられるまたは別のギヤを介して設けられるはずみ車（図示なし）を駆動するものである。これにより、レバーアーム３０が筐体２２に対して回転することで、筐体２２内のはずみ車を回転させる。
【００５１】
揺動シャフト３１によりはずみ車を駆動する別の手段として、遊星歯車などを用いることができる。レバーアーム３０は、筐体２２に接続されたターミナル８の図中の垂直移動と、ターミナル７の動作の垂直成分とが、２つのターミナルの独立動作を実現するのに十分なほど小さい角度で動作することが通常である。よって、所望の比例関係ｂは、ターミナル７、８に付加された力の垂直成分と、ターミナル７、８間の相対速度の垂直成分とから求められる。
【００５２】
図１（Ａ）の装置と同様の理想モデルでは、比例関係ｂは以下のように求められる。レバーアームの長さをＬ、レバーアームの名目上の位置が水平線に対して傾斜する角度をαとする。揺動シャフト３１を角度θだけ回転させるときのはずみ車の回転角度をβθとし、かつ、はずみ車の質量をｍ、回転半径をγとする。そうすると、装置の比例関係ｂは、ｍ（βγ／（Ｌcosα））^２により与えられることが理解されよう。ｂの式の分母にcosα項が存在するので、名目上の動作角度αの関数として比例関係ｂを調整可能な値を得る手段が実現される。
【００５３】
本発明に係る装置と、ばねやダンパーなどの他の装置を組み合わせて一体化された装置を実現するアプローチは、図８を用いて示すことができる。揺動シャフト３１の回転は、ねじり棒によるばねの能力に置換することができよう。また、揺動シャフト３１の回転は、揺動シャフトに接続されオリフィスを介してオイルを付勢するピストンを設けることなどによる標準的なレバーアームダンパーで用いる方法に類似する減衰能力に置換することもできよう。
【００５４】
図８の装置からターミナル７とレバーアーム３０を取り除き、揺動アーム３１の回転を第１のターミナルと、筐体２２の回転を第２のターミナルとみなせば、図８の装置は、回転形式の本発明に係る装置の一実施形態をも示すものとすることができる。
【００５５】
図９の装置は、遊星歯車を用いる回転形式である本発明に係る装置の一実施形態を示すものである。この装置は、遊星歯車列と、はずみ車６に接続されたプラネットキャリア４０との組合せからなる。
ターミナル７は、ｔ_１個の歯を有するギヤホイール３５にシャフト３４を介して接続される。ギヤホイール３５は、Ｔ_１個の歯を有する遊星歯車ホイール（planet compound gear wheels）３８に係合する。ｔ_２個の歯を有するギヤホイール３９が、同一のシャフト４０に配置される。ギヤホイール３９は、シャフト３７に設けられたギヤホイール３６と係合する。ギヤホイール３６は、Ｔ_２個の歯を有するものであり、ターミナル８に接続される。シャフト３４（ターミナル７）、プラネットキャリア４０、シャフト３７（ターミナル８）の角速度をそれぞれ、ω_Ａ、ω_Ｂ、ω_Ｃとする。そうすると、ω_Ｃ＝０のとき、Ｒ₀＝Ｔ_１Ｔ_２／（ｔ_１ｔ_２）を基礎となる比率とすれば、ω_Ｂ＝Ｒ₀ω_Ａとなることが理解されよう。一般に、以下のようになることが理解されよう。
【００５６】
【数２】

【００５７】
Ｒ₀が１に近づくとき、数式（２）右側の第２項は無視可能となり、ターミナル７、８の角速度の微分とプラネットキャリア４０の角速度との間には比例定数１／（Ｒ₀−１）で近似される関係が成り立つ。図１（Ａ）の装置に類似する理想モデルでは、ターミナル７、８におけるトルクと、ターミナル７、８間の相対角加速度との間の比率は、はずみ車６の慣性モーメントを掛けた１／（Ｒ₀−１）^２により与えられることが理解されよう。数式（２）の第２項を無視することは、図１（Ａ）の分析において、右側のターミナルの速度をゼロまたは無視可能な数値としたのと同様である。
図９に示した構成と実質的に同様の機能を得るために、様々な遊星歯車構成を用いることが可能である。
【００５８】
図９の装置は、図８に示す装置と同様の装置の構成要素として用いることもできる。即ち、図８と同様、新たなターミナル７が得られるように図９のターミナル７にレバーアーム３０を取り付け、筐体２２を図９のターミナル８と接触させて図８のような新たなターミナル８を得ることもできる。
より大きな比例定数を実現するため、図９の装置を図１（Ａ）、６、７（Ａ）、７（Ｂ）の装置の構成要素として用いて、装置内での回転速度の増大を図ることもできる。
【００５９】
図９の装置は、ねじり振動の制御でも用いることもできる。回転装置などにおける回転素子をターミナル７に接続し、他の回転素子をターミナル８に接続することを要するような場合である。ねじり振動を制御するため、回転ばね及び／または回転ダンパーを、回転素子の間に付加的に接続することには利点があろう。図９の装置は、回転ばね及び／または回転ダンパーをギヤホイール３５及びギヤホイール３６の間に直接接続させることにより実現可能である。
【００６０】
図１０（Ａ）には一般的なばね−質量−ダンパー式システム（spring-mass-damper system）が示され、図１０（Ｂ）には、本発明に係る同等のシステムが示される。
上記実施形態では、ターミナル７、８のいずれも慣性系の固定点に接続されていない。（図１０（Ｂ）に示すように）ターミナル７、８の一方を固定することで、質量シミュレータを実現できる。上記装置は、最終的な設置より前にばねダンパー支持体または吸収体を試験する場合、特に、図１０（Ａ）に示すような実際の物質を試験することが非現実的な場合に用いることができる。このような非現実的な場合が生じ得るのは、必要とされる質量Ｍが特に大きい場合である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】（Ａ）は、本発明に係る装置の主要構成要素の概略構成図であり、（Ｂ）は、２つのターミナルからなる機械式ネットワークを符号規約(sign conventions)で示した簡略図である。
【図２】（Ａ）から（Ｃ）は、振動吸収に関する問題、この振動吸収に関する問題に対する従来の解法、この振動吸収に関する問題に対する本発明の解法それぞれを示すシンボル図である。
【図３】（Ａ）から（Ｄ）は、１／４車両モデル、１／４車両モデルと同等の電気回路、単純なサスペンション部材、サスペンションモデルに対する従来式方法に則った一般的解法それぞれを示すシンボル図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、図３（Ａ）のサスペンションに関する課題に対する本発明の解法であって、ブルーンの合成方法を用いたものを示すシンボル図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、図３（Ａ）のサスペンションに関する課題に対する本発明の解法であって、ダーリントンの合成方法を用いたものを示すシンボル図である。
【図６】本発明に係る代替装置であって流体式手段を用いるものを示す図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明に係る別の装置であってボールねじ構成を採用したものを示す図である。
【図８】本発明に係る別の装置であってレバーアームを用いるものを示す図である。
【図９】本発明に係る別の装置であって回転体において遊星歯車を用いるものを示す図である。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）は、ばね−質量−ダンパー式システム、及びこれに同等な本発明に係る装置を組み込んだシステムを示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 機械式装置、２ プランジャ、３ ピニオン、４ ギヤホイール、５ ピニオン、６ はずみ車、７ 第１のターミナル、８ 第２のターミナル、９ 筐体、１０、１１ シャフト、１２ ギヤポンプ、１３ ピストン、１４ シリンダ、１５、１６ パイプ、１７、１８ ギヤホイール、１９ ばね緩衝器、２０ ボールねじ、２１ ナット、２２ 筐体、２３ 支持部材、２４ ギヤホイール、２５ ピニオン、２６ シャフト、２７ ギヤホイール、２８ ピニオン、３０ レバーアーム、３１ 揺動シャフト、３２ ギヤホイール、３３ ピニオン、３４ シャフト、３５、３６ ギヤホイール、３７ シャフト、３８ 遊星歯車ホイール、４０ ギヤホイール

Claims (16)

1. 機械的力の制御に用いる機械式装置であって、
   使用に際し、機械的力を制御するシステム内の構成要素に接続され、かつ独立して移動可能な第１及び第２のターミナルと、
   前記第１及び第２のターミナルの間に接続されて、前記第１及び第２のターミナルにおける前記機械的力を、前記第１及び第２のターミナル間の相対加速度に比例するように制御する制御手段とを備え、
   この比例関係が固定定数または変数関数で表されることを特徴とする機械式装置。
2. 請求項１に記載の機械式装置において、前記変数関数は、前記第１及び第２のターミナル間の相対速度の関数であることを特徴とする機械式装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の機械式装置において、その質量が前記比例関係の値から独立となるように構成されることを特徴とする機械式装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の機械式装置において、前記２つのターミナルの相対移動量を制限する制限手段を備えることを特徴とする機械式装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の機械式装置において、前記２つのターミナルの相対移動量は、前記所定の比例関係から独立して特定されることを特徴とする機械式装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の機械式装置において、いずれの部分も固定点に接続されないように構成されることを特徴とする機械式装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の機械式装置において、前記比例関係が前記機械式装置の姿勢に影響されないように構成されることを特徴とする機械式装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の機械式装置において、
   前記比例関係を実現する手段は、
   前記第１及び第２ターミナルの一方に接続されるプランジャと、
   前記第１及び第２ターミナルの他方に接続されかつ前記プランジャが摺動可能に接続される筐体と、
   前記プランジャが前記筐体に対して移動する際、前記筐体内で駆動されるように設けられるはずみ車とを備えることを特徴とする機械式装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の機械式装置において、前記はずみ車を駆動する駆動機構は、前記プランジャが前記筐体に対して摺動することによる直線運動を、前記機械式装置内の回転運動に変換する変換手段を備えることを特徴とする機械式装置。
10. 請求項９に記載の機械式装置において、前記駆動機構は、ギア機構を介して前記はずみ車を駆動するラック・ピニオン構造により構成させることを特徴とする機械式装置。
11. 請求項９に記載の機械式装置において、前記駆動機構は、ねじ機構により構成されることを特徴とする機械式装置。
12. 請求項９に記載の機械式装置において、
    前記比例関係を実現する手段は、
    ピストンやシリンダなどの流体部品と、
    流体の直線的流れを回転運動に変換し、はずみ車を直接駆動するまたは別のギアを介してはずみ車に接続されるギアポンプなどの変換手段とを備えることを特徴とする機械式装置。
13. 請求項１ないし請求項１２に記載の機械式装置を有する車両用サスペンションにおけるシステム等の機械式制振システム。
14. 請求項１ないし請求項１３に記載の機械式装置を用いる振動吸収方法。
15. 請求項１ないし請求項１４に記載の機械式装置を備える質量シミュレータ。
16. 機械的トルクの制御に用いる機械式装置であって、
    使用に際し、システム内の構成要素に接続され、かつ独立して移動可能な第１及び第２のターミナルと、
    前記第１及び第２のターミナルの間に接続され、前記第１及び第２のターミナルにおける前記機械的トルクを、前記第１及び第２のターミナル間の相対角加速度に比例するように制御する制御手段とを備え、
    この比例関係が固定定数または変数関数で表されることを特徴とする機械式装置。

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