JP2006097817A - 振動素子の振動を減衰するための能動的振動減衰装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
安価で、制振効果の高い振動減衰装置を提供する。
【解決手段】
振動を減衰するための振動減衰装置を、は磁気的に透過性を有するの電機子（５）とコイルに運ばれる電流により生成される磁界の影響下で移動軸（Z）に沿って滑動する磁気的に透過性を有するヨーク（４）に連結されたコイル（１）とを備えたアクチュエータ（２）を備えている。電機子に対するコイルの移動はコイルに生成され、電機子とヨークに濃縮され、また電機子とヨークの間に位置付けられる空隙（e）を通じて基本的に方向付けられる磁界線に相当する力により生成されるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は自動車両内の振動素子の振動を減衰するための能動的振動減衰装置の分野に関するものである。特に、本発明はアクチュエータを備えた装置に関する。

これらの能動的振動減衰装置はまた能動的ビーターとして、アクチュエータ自体が以下を含むものが知られている。
‐移動軸回りの平面に円状に伸び、また磁気的に透過性を有するヨークに連結されており、また磁界を生成するため変動電流がコイルに通じているのでコイル平面に垂直な移動軸沿いに往復運動で滑動するコイル、
‐電機子に対する反作用力の作用により、それが振動を減衰することが期待される振動素子に結合された磁気的に透過性を有する電機子、
を備えたタイプの振動減衰装置である。
ＥＰ ０ ５７４ ５７４ Ｂ１

既知の振動減衰装置は永久磁石を使用している。

永久磁石は脆弱且つ温度に敏感である。よって、それらの作用は温度による振動の影響を受け、そのような影響は自動車のエンジン近傍で頻発する。

さらに、斯かる磁石の費用は使用される希少物質のゆえにまた斯かる磁石の制作に使用される方法のゆえに高価である。

本発明の特有の目的はこれらの欠点を軽減することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかる能動的振動減衰装置は、電機子に対するコイルの移動がコイルにより生成され、電機子内及びヨーク内に集中し、また電機子とヨークの間の空隙を通じて基本的に方向付けられる磁界線に相当する力により生成されるように構成したことを主たる特徴とする。

本発明の能動的振動減衰装置によれば、コイル内に流れる電流により生成されるに伴い空隙内の磁束は、永久磁石の使用を必要とせずに、電機子に相対的にコイルとヨークを動かす。この種の能動的ビーターはまた車両エンジンの振動を減衰するための使用によく適した大振幅の移動行程を達成することができる。

加えて、本発明装置は温度振動に対して事実上反応しない。

本発明にかかる能動的振動減衰装置では、以下の配置の一つ又はそれ以上を備える。
‐空隙が移動軸に対して放射状である電機子とヨークの間の間隙で構成される。
‐コイルが移動軸上にその中心を置きまたヨークがその中にコイルが格納される環状の空洞を備えており、前記の環状の空洞自体が移動軸に実質的に平行なコイル内部まで伸びる側壁を含んでいる。
‐その側壁の一部は移動軸上に中心を持つ実質的に円錐状の形状を持つのに対して、前記部分に相当する空隙は実質的に一定であり、この円錐形が物質内に生成されるべき磁気飽和現象を可能にし、それによって利用域内の電流及び移動量の関数として磁力Fmagの準線形の特性を持つことを可能にする。
‐ヨークは下部磁気回路と上部磁気回路を含んでおり、それぞれが実質的に開先の形をしていて、これらの開先はヨークの環状の空洞を形成するように実質的に相互いに向くように開いている。
‐下部と上部の磁気回路はコイル平面の周りに対称的に重ねて置かれた２個の同様の磁気回路で構成されており、これがヨークを非常に単純にし且つこれを構成する部品数を少なくする。
‐下部と上部の磁気回路のそれぞれは放射状に外側に伸びており且つ他方のリムに力で噛み込まれるのに適したリムをそれぞれ備えている。
‐下部と上部の磁気回路は放射状に外側に伸びており且つ周辺リングに対して力で噛み込まれるのに適したリムをそれぞれ備えている。
‐下部と上部の磁気回路は圧着固定リングにより一緒に保持される。
‐電機子は、コイルの中心に、移動軸沿いに伸びる磁気的に透過性を有する中央鉄心を備えている。
‐ヨークは移動軸に鉛直な平面内の中央鉄心の上に伸びるベースを備えており、中央鉄心とそのベースとは軸の空隙により分離される。
‐懸架手段は移動軸沿いに磁界により及ぼされる力に対して反応するようヨークとコイルを促すのに適している。
‐懸架手段は金属バネ又はゴムバネである。
‐ガイドリングはヨークか又は電機子に固定され、それらはコイルの移動を案内するのに適しており、中央鉄心沿いに滑動する。
‐コイルは巻き線コイルを巻くのに使用されるプラスチックに少なくとも部分的に噛み込まれ、またコイルがヨーク内に格納されるときヨーク内でのコイルの動きを制限するようコイルにプレストレスをかけるのに適した浮出し部分を任意に備えている。
‐ガイド軸受けは、ヨークと共同してコイルとヨークにより構成される可動アセンブリの移動軸沿いの移動を案内するのに適しているので、移動軸沿いに電機子を伸ばす。
‐ガイド軸受けの直径は電機子のものより小さい。

本発明のその他の特徴と長所は以下の説明により更に明らかになる。明細は単なる説明でありまた以下の添付図面を参照して読まれるべきである。

本発明装置の８つの実施例を以下に説明する。

図１は本発明にかかる能動的振動減衰装置の縦断正面図である。

図において、能動的振動減衰装置はアクチュエータ２を備えている。アクチュエータ２は移動軸芯Ｚの周りに円形状に形成されたコイル１を備えている。コイル１は接続手段３を介して本発明装置に電流を供給し且つ制御する電源及び制御手段（示されていない）に電気的に接続されている。

アクチュエータ２はコイル１に固定された磁気的に透過性を有するヨーク４を備えている。ヨーク４は移動軸芯Ｚ周りに円形状に形成された環状の空洞４intが形成されている。コイル１はこの環状の空洞４intに設けてある。

ヨーク４はコイル内で移動軸芯Ｚに実質的に平行に伸びる側壁６が形成されている。この側壁６は磁気的に透過性を有する電機子５に面する。移動軸芯Ｚ沿いの少なくともいくつかの点で、壁６は放射状の空隙 e により電機子５から分離されている。

本明細の実施例では、電機子５は実質的に円筒形の形状である。図１の実施例では、移動軸沿いに伸び且つ前記の移動軸芯Ｚに対して中央に位置付けられる中央鉄心により構成されている。中央電機子５はその振動を軽減する目的で振動素子に直接又は間接に接続されている。

接続手段３を介して供給され且つコイル１により運ばれる変動電流により生成される磁界の影響下で、コイルと周囲のヨーク４は移動軸芯Ｚに沿って往復運動する。

磁界線は電機子５とヨーク４内に集中し、またそれらは空隙 e 内にも集中する。この空隙 e はコイルの移動中変化しない。ヨーク４とコイル１の移動は、基本的に磁気回路の電気抵抗の変動により発生する力により生成される。

ヨーク４に結合されたコイル１の移動に連動するヨーク５への反作用力により、力がヨーク５内に生成される。これらの力が逆振動を発生させる。本発明装置により生成されたこれらの逆振動は振動素子の振動を減衰するのに適している。

図１に示された実施例では、側壁６は、それぞれ上部分６sと下部分６iの２つの部分を備えている。それぞれの上部又は下部の部分６s又は６iは側壁６の他方の部分６s又は６iのほうに進むに連れて減少する横行幅を示す。これらの各部分６sと６iは、それぞれ実質的に開先の形をしており且つ外部に放射状に伸びるリム１個を備えている２個の磁気回路４sと４iに属しており、それらの磁気回路は対称的であるので（２部分の一つは任意に識別可能に加工される）またそれらは補完的形状により相互に噛み込まれ、よってヨーク４の内部に環状の空洞４intを構成する。例として、それらは力により互いの中に噛み込まれることができる。

本発明装置のさらにこのケースではヨーク４の下部側壁６iに固定されているガイドリング８を備えている。

壁６の上部分６sは空隙e により電機子５から分離されている。
電機子５と下部分６iの間の空間は、本例においては、ガイドリングで占められている。

本例の能動的振動減衰装置は、ヨーク４と電機子５の間に作用する力Fmagに対して反応するのを促すため、コイル１の上（または連結されたヨーク４の上）に設置された金属製又はゴム製のバネを備えた懸架手段７を有している。このタイプの懸架手段７は加えられた応力に対してよい強度を与え且つ、例えば、低周波数（f が１５ヘルツ（Hz）から５０ Hzの範囲）での叩き打ち（beating）をする大きな振幅運動を可能にする。このように金属製又は複合材料のバネ板による懸架装置７の代わりに、斯かるバネを使用するほうが有利である。

図９は、懸架質量mの移動量を増幅するための共鳴を可能にする懸架装置（ここでkはビーターの剛さ定数を表し、またcはビーターの減衰係数を表す）を使用して力Ftを周波数f、移動量ｚで振動素子に伝達するのに磁力Fmagを使用する能動的能動的ビーターの簡略化された線形モデルを示す。このビーターを支配する方程式は以下である。

Ft ＝ kz + cz − Fmag
mz ＝ -kz − cz + Fmag

図１１は周波数fの関数として力Ftの応答を示す。この力はまた電流にも依存する。パラメータの適切な選択により（参考として、m＝１.１キログラム(kg)、c＝メートル当り４０ニュートン秒(Ns/m)、k＝メートル当り２２,０００ニュートン(N/m)、及びFmag＝４０ニュートン）、このビーターが実質的に３０ Hz以下の周波数で振動素子に大きな力（８０ N以上）を伝達できることが分かった。

このアセンブリはバネが連続的に圧縮状態で作動するようにそれらにプレストレスを加える外部嵌着部材１０により被われる。

中央の電機子５の中間位置がヨーク４の２つの部分６sと６iに対して軸芯Ｚ上に中心が位置付けられていないようにすることにより力が発生する。

別の実施例では、電機子５はコイル１とヨーク４を囲むように配置することができる。

使用される材料は標準的で安価であるのが望ましい。よって、使用される磁気的に透過性を有するの物質は、例えば、残留磁気がないように低い炭素含有率を持つ軟鋼（XC４８、XC４２）、あるいは鉄‐シリコンや鉄‐ニッケル合金などの軽合金の磁性鋼でもよい。ヨーク４の部分６sと６iは実質的に環状の円筒形であり、そのため製作しやすい。それらは単に磁性鋼を鋳造するか、または樹脂と磁気特性を持つ鉄粉の高温混合物に高レベルの圧縮を加えるか、あるいは高速の機械加工などにより得られる。

コイルは銅で作ることもできる。

本発明装置は接続手段３により制御され、そしてその制御はエンジンの回転信号に関する情報のみに依拠する開ループか、他には振動及び／又はノイズに関し及び例えば自動車製造者により提供されるような電子的ツールから来る情報に基づいて適宜、適応可能なもののいずれによっても実施が可能である。

有利なのは、ヨーク４に接触することになるコイル１の外面を、コイル１がヨーク４に固定されるときに、例えば圧着により、扁平にされる留め金具を備えるプラスチック材で被う。このコイル１へのプレストレスは、電流がかけられる際、コイル１とヨーク４を備えたアセンブリを確実に振動させる役割を果たす。

図１の参照番号と同じ番号の付いている下記の図２から図８の参照番号は同じ部材を示す。図２から図８のそれぞれについて、上述の諸図とは違う主要な特性に関してのみ以下に記載する。

図２に示された第２の実施例では、ヨーク４の上部と下部のそれぞれの部分６sと６iはぺグ又はリング１１により一体的に固定される。

図３に示された第３の実施例では、ヨーク４はもはや図１と図２に示されたタイプの対称的な部分でできておらず、それぞれ下部分１２i、上部分１２s、及び横部分１２lで構成される一体的に組み立てられる３つの異なる部分を備えている。

電機子５はヨーク４の上部分１２sが直径R１である電機子５の部分沿いに滑動するのに対して、ヨーク４の下部分１２iは直径R２である電機子５の部分沿いに滑動するように直径がR１とR２である実質的に円筒形の部分により構成される。

外部嵌着部材１０は、さらに、コイル１と電機子５より成るアセンブリが嵌着部材１０と接触しないようにするために、その上部内面にアセンブリに向かって配置されたゴム製受面１５を備えている。

図４に示された第４の実施例では、電機子５は電機子５と同じ直径を有し、また非磁性材料で作られたガイド部品１３が上に取付けられている。ヨーク４の上部と下部分６sと６iには、ガイド部品１３により伸びたとき、電機子５上でコイル１とヨーク４の移動軸芯Ｚ沿いの移動を案内するのに適したガイドリング１４が取付けられる。

電機子５と部品１３は、軸芯Ｚ上の中心にある凹部１９の中にガイド部品１３の凸部がぴったり嵌めこまれるようにし、相互の嵌合により一体的に組み立てることができる。

外部嵌着部材１０はコイル１とヨーク４より成るアセンブリと密着して一緒に保持するのに適した形状であり、こうしてヨークの下部と上部分４iと４sを一緒に組み立てた状態になっている。
嵌着部材１０は上部分１０'と下部分１０''により構成される。下部分１０''はコイル１を取り囲むように２つの屈曲部分が形成されている。

上部分１０'は嵌着部材１０用のカバーとして働きまたそれ自体が下部分１０''の屈曲部分とコイルの間に保持される屈曲部分が形成されている。この実施例（及び下述の以下の実施例）では、このように移動軸芯Ｚに沿って動く嵌着部材１０、コイル１、及びヨーク４でアセンブリが形成されている。

この実施例及び下述のものでは、懸架手段７は電機子５に接着されたゴムと嵌着部材１０の内壁で構成される。この懸架装置はコイル１とヨーク４を備えたアセンブリを、電機子５に対して動きながら同時にこの運動を減衰し且つコイル１を弾性的に電機子５に対して平行位置に戻すことを可能にする。

図５に示された第５の実施例では、ヨーク４の上部と下部分４sと４iが電機子５沿いにコイル１とヨーク４で構成されたアセンブリをより良く案内できるよう移動軸芯Ｚ沿いに伸びるガイド筒８'と１４'を備えている。

図６に示された第６の実施例では、それ自体単独で又は前記の実施例に記述された例えばガイド筒８'と１４に補完的なものとして任意に使用することのできるガイド軸受け１６となっている。

このガイド軸受け１６は、周りに巻き線を行うコイル１のプラスチック部分の一部を構成するプラスチック材部品より成る。これは実際的に下部と上部分６iと６sの間で電機子５と接触し、またそれは軸芯Ｚ沿いに電機子５に沿って伸びる。よって、このプラスチック材部品はガイド軸受けとして働き、それが一部を形成するプラスチック部分はコイルの支持として働く。また例えば、このアセンブリは金属紛末からヨーク４を鋳造するための鋳型ともなり得る。

加えて、ヨーク４は移動軸芯Ｚに鉛直な平面内を電機子５の上に伸びる磁気的に透過性を有する物質でできたベース１８を含んでいる。このように図６に示された本発明装置はコイル１の移動量の関数として変化する軸方向の空隙e_a、及び上述の通りであるが、この場合は部品１６のプラスチック壁の厚みで空隙 e が形成されている。

図１０aは、種々の増加する電流値I１、…Inについて軸方向の空隙 e_aの関数として磁力Fmagを示す一連の曲線を描く。

軸方向の空隙e_aの取る値の範囲に相当する“利用”ゾーン内で、変化しない空隙e_aに関する電流Iの関数としてのFmagの値は、例えば、６ミリメートル（mm）に固定したe_aの値に関する図１０bに示されるように、実質的に線形である。

図７に示された第７の実施例では、ヨーク４には、R４はR３より大きいとして、それぞれ直径R３とR４の２個のガイドリング８と１４が取付けられている。直径R３のガイドリング１４はベース１８を通って作られた通路の内壁に取付けられる。

電機子５は移動軸芯Ｚに対して中心を持ち、その上部分の中に空洞２０が形成されている。磁性又は非磁性の材料ででき且つ実質的に円筒形の形状である中央ロッド又はガイド軸受け２１が前記空洞２０に嵌め込まれている。このガイド軸受け２１は、コイル１が軸芯Ｚに沿って移動中にそれを案内するよう、ガイドリング１４との共同による案内を提供するのに適した直径となっている。

本例の変形例として、ガイド軸受け２１と電機子５は単一部品として制作することができ、その場合に使用される材料は両方の素子について同一である。

図８に示された第８の実施例では、電機子５は軸芯Ｚ沿いのその全長にわたり実質的に中空の筒状にしてあり、またこのようにして囲い、例えば実質的に円筒形の囲い５'を示す。ベース１８は、電機子５内の囲い５'の反対側にあってまた電機子５と円筒形素子２２の間に位置付けられる円筒形のガイド軸受けに沿って囲い５'を滑動させるのに適した寸法の、円筒形の素子２２を備えている。この実施例により、このガイド軸受けは電機子５又は円筒形素子２２に固定することができる。

本発明の能動的振動減衰装置はよい効率を示す。斯かる装置により展開される力は運動質量及びその行程の関数である。アクチュエータ技術に於いて、軸受けと懸架装置により案内を提供することは大振幅の行程を提供することを可能にする。本発明装置の運動質量がコイル１とヨーク４を備えているゆえに、運動質量は全質量の８０％以上になる。従って、上記のこれら２つの有益なパラメータが本発明装置内で最適化される。

は本発明の第１実施例にかかる能動的振動減衰装置の縦断正面図である。 は本発明の第２実施例にかかる能動的振動減衰装置の縦断正面図である。 は本発明の第３実施例にかかる能動的振動減衰装置の縦断正面図である。 は本発明の第４実施例にかかる能動的振動減衰装置の縦断正面図である。 は本発明の第５実施例にかかる能動的振動減衰装置の縦断正面図である。 は本発明の第６実施例にかかる能動的振動減衰装置の縦断正面図である。 は本発明の第７実施例にかかる能動的振動減衰装置の縦断正面図である。 は本発明の第８実施例にかかる能動的振動減衰装置の縦断正面図である。 は能動的ビーターの簡略化された線形モデルである。 は磁力Fmagを示すグラフであって、変動電流値に対する軸方向の空隙 e_aの関数としての磁力Fmagを示すグラフである。 は磁力Fmagを示すグラフであって、電流Iの関数としての磁力Fmagを示すグラフである。 は周波数ｆの関数としての力Ftへの応答性を示すグラフである。

Claims (17)

1. 自動車用の振動素子の振動を減衰するための能動的振動減衰装置であって、アクチュエータ（２）を備えており、アクチュエータ自体は、
   移動軸（Z）周りの平面に円状に伸び、また磁気的に透過性を有するヨーク（４）に連結され、また磁界を生成するためコイルに変動電流が流されるので、コイル平面に鉛直な移動軸に沿って往復運動で滑動するコイル（１）及び、
   電機子に対する反作用力の作用により、それが振動を減衰することを期待される振動素子に連結された磁気的に透過性を有する電機子（５）を備え、
   電機子に対するコイルの移動が、コイルにより生成され、電機子内及びヨーク内に集中し、また電機子とヨークの間の空隙（e）を通じて基本的に方向付けられる磁界線に相当する力により生成されることを特徴とする能動的振動減衰装置。
2. 空隙（e）が電機子（５）とヨーク（４）の間の隙間にあり、移動軸（Z）に対して放射状である、請求項１に記載の能動的振動減衰装置。
3. コイル（１）が移動軸（Z）上の中心にありまたヨーク（４）がコイルを格納する環状の空洞（４int）を含んでおり、前記の環状の空洞自体が実質的に移動軸（Z）に平行なコイル内に伸びる側壁（６）を含んでいる、請求項１に記載の能動的振動減衰装置。
4. 側壁（６）の一部分（６s。６i）が、移動軸（Z）上に中心を有して実質的に円錐状の形状である一方、前記の部分に相当する空隙（e）が実質的に一定である、請求項３に記載の能動的振動減衰装置。
5. ヨーク（４）がそれぞれ実質的に開先の形をした下部磁気回路（４i）と上部磁気回路（４s）を備えており、これらの開先がヨークの環状の空洞（４int）を形成するように実質的に互いに向かっている、請求項３又は請求項４に記載の能動的振動減衰装置。
6. 下部と上部の磁気回路（４i、４s）がコイル平面の周りに互いに対称的に配置された２個の同様の磁気回路からなる、請求項５に記載の能動的振動減衰装置。
7. 下部と上部の磁気回路（４i、４s）それぞれが、外部に放射状に伸びており且つ他のリムに力で噛み込まれるのに適しているリムを含んでいる、請求項５に記載の能動的振動減衰装置。
8. 下部と上部の磁気回路（４i、４s）それぞれが、外部に放射状に伸び且つ周辺リング（１１）に対して力で噛み込まれるのに適しているリムを含んでいる、請求項５に記載の能動的振動減衰装置。
9. 下部と上部の磁気回路（４i、４s）が圧着リング（１０）により一緒に保持される、請求項５乃至請求項８のいずれか一項に記載の能動的振動減衰装置。
10. 電機子（５）が、コイル（１）の中心で移動軸（Z）に沿って伸びる磁気的に透過性を有する中央鉄心を備えている、請求項１乃至９のいずれか1項に記載の能動的振動減衰装置。
11. ヨーク（４）が移動軸に鉛直な平面内で中央鉄心の上に伸びるベース（１８）を備え、中央鉄心とベースが軸方向の空隙（e_a）により分離されている、請求項１０に記載の能動的振動減衰装置。
12. ヨーク（４）とコイル（１）が移動軸（Z）沿いに磁界により及ぼされた力に反応するように適応させた懸架手段（７）を含む、請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の能動的振動減衰装置。
13. 懸架手段（７）が金属製バネ又はゴム製バネである、請求項１２に記載の能動的振動減衰装置。
14. コイル（１）の移動を案内するのに適しており、且つ中央鉄心に沿って滑動する、ヨーク（４）又は電機子（５）に固定されるガイドリング（８、１４、１６）を含む、請求項１０乃至請求項１３のいずれか一項に記載の能動的振動減衰装置。
15. ヨーク（４）内でコイル（１）の運動を制限するようにコイルがヨーク（４）内に格納された際にコイルにプレストレスを及ぼすのに適した浮出しのある部分（９）を含むプラスチック材の中に少なくとも部分的にコイル（１）が噛み込まれる、請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の能動的振動減衰装置。
16. ヨーク（４）と共同しまたコイル（１）とヨークで構成された可動アセンブリの移動軸沿いに移動を案内するため、ガイド軸受け（２１）が移動軸（Z）沿いに電機子（５）を伸ばす、請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の能動的振動減衰装置。
17. ガイド軸受け（２１）が電機子（５）のそれより小さい直径である、請求項１６に記載の能動的振動減衰装置。

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