JP2008111501A - 振動低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多くのセンサを必要とせず、小形化でき、狭いスペースであっても取り付け可能な振動低減装置を提供する。
【解決手段】制振対象に設置され、その設置面とは反対側に慣性マス１２を備え、その慣性マスに対する加振力の反力によって、制振対象を制振する慣性マスアクチュエータ１０と、慣性マスの振動状態を検出する振動状態検出手段と、を備え、慣性マスの振動状態に基づいて、慣性マスアクチュエータ設置面の変位及び速度と、慣性マスの変位及び速度と、を推定し、損推定値に基づいて慣性マスアクチュエータが発生する加振力を制御する。
【選択図】図４

Description

この発明は、制振対象に設置され、その設置面とは反対側に慣性マスを備える慣性マスアクチュエータによって振動を低減する装置に関する。

慣性マスに作用する力の反作用を利用して対象物の振動を低減するアクチュエータが特許文献１に開示されている。このアクチュエータは、弾性体を介して取り付けられた永久磁石を慣性マスとし、その永久磁石に、永久磁石と電磁コイルとによって発生する電磁力を作用する。そして永久磁石を支える弾性体から伝わる伝達力を検出するセンサと、アクチュエータ取り付け点の速度を検出するセンサとを設け、これらセンサの信号に基づいて対象物の振動を低減する。
特開２００２−７９１７８号公報

しかし、前述した従来のアクチュエータでは、取り付け点速度の検出センサを設置するスペースが必要であるので小形化できない。そこで例えば、取り付け点そのものではなく、近傍の速度を検出しては、検出位置の違いから高周波数帯で異なる周波数特性を持つ場合がある。このような場合には、ゲインを上げると制御によって振動が発散するおそれがある。

また、取り付け点速度だけでなく、永久磁石を支える弾性体から伝わる伝達力もセンサによって検出する必要があり、多くのセンサが必要である。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、多くのセンサを必要とせず、小形化でき、狭いスペースであっても取り付け可能な振動低減装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、制振対象(２０)に設置され、その設置面とは反対側に慣性マス(１２)を備え、その慣性マス(１２)に対する加振力の反力によって、その制振対象(２０)を制振する慣性マスアクチュエータ(１０)と、前記慣性マス(１２)の振動状態を検出する振動状態検出手段(１４)と、前記慣性マス(１２)の振動状態に基づいて、前記慣性マスアクチュエータ設置面の変位及び速度と、前記慣性マスの変位及び速度と、を推定する変位速度推定手段と、前記変位速度推定手段の推定値に基づいて前記慣性マスアクチュエータが発生する加振力を制御する加振力制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、慣性マスの振動状態を検出し、その検出値に基づいて、慣性マスアクチュエータ設置面の変位及び速度と、慣性マスの変位及び速度と、を推定し、その推定値に基づいて慣性マスアクチュエータが発生する加振力を制御するようにしたので、センサが少数で済み小形化でき、取付スペースを必要としない。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による振動低減装置を燃料供給システムに適用した様子を示す図である。

この燃料供給システムは、自動車に搭載されるコモンレールタイプのディーゼルエンジン用のシステムである。

燃料タンク８１の燃料は、フィルタ８２を介して低圧ポンプ８３によって取り出され、高圧サプライポンプ８４において高圧状態に加圧され、コモンレール８５に供給される。なお、高圧サプライポンプ８４にはプレッシャレギュレータが内蔵されており、余剰燃料が燃料タンク８１に還流され、コモンレール８５の内部が所望の圧力に制御される。そして、高圧の燃料がコモンレール８５から燃料インジェクタ２０に供給され、燃料インジェクタ２０を開弁駆動することによって各気筒のシリンダ内に直接噴射される。

燃料インジェクタ２０の作動はコントローラ９０によって制御される。コントローラ９０は、センサによって検出されたエンジン負荷(アクセルペダル踏込量など)及びエンジン回転速度に基づいて、燃料噴射時期及び燃料噴射量を算出し、これらに対応する開弁指令信号を燃料インジェクタ２０へ出力する。またコントローラ９０は、エンジン負荷及びエンジン回転速度に基づいて燃料噴射圧力を算出し、コモンレール８５内の燃料圧力がその算出した燃料噴射圧力になるように高圧サプライポンプ８４のプレッシャレギュレータを制御する。なおコントローラ９０は中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ９０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。

本実施形態では、燃料インジェクタの振動を低減する。ここで燃料インジェクタに振動が発生する理由について説明する。

図２は、燃料インジェクタの構造を示す図である。

燃料インジェクタ２０は、針弁２１の上方に燃圧室が設けられ、下方に燃焼噴射室が設けられている。

燃料インジェクタ２０の電磁弁２２が閉じられた状態では、針弁２１が燃圧室の圧力によってシート２３に押し付けられ、燃料を噴射しない。そして燃料インジェクタ２０は、コントローラからの制御指令を受けて電磁弁２２を開くと、燃圧室が開放されて燃圧室内の圧力が低下する。そして燃料噴射室の圧力によって針弁２１が上方へ移動して噴射孔２４が開かれ燃料が噴射される。そして燃料インジェクタ２０は、コントローラからの制御指令を受けて電磁弁２２を閉じると、燃圧室の圧力が回復して針弁２１が下方に移動して、針弁２１がシート２３に着座して燃料噴射が終了する。

針弁２１がシート２３に衝突すると振動を発生する。特にコモンレールを使用する燃料噴射システムは、燃圧が非常に高圧であるので、大きな衝突力が発生し、燃料インジェクタ２０が大きく振動する。

図３は、燃料インジェクタ２０が取り付けられたシリンダヘッド４０をエンジン前方(クランク軸方向)から見た断面図である。なお、シリンダヘッド４０はヘッドボルト５１によってシリンダブロックに固定されているが、図３においてはシリンダブロックを省略する。

燃料インジェクタ２０は、シリンダヘッド４０に形成された燃料インジェクタ取付穴４１に挿着され、ノズルサポート３０でシリンダヘッド４０に押圧されて固定される。

ノズルサポート３０には、ボルト貫通孔３３が形成される。ノズルサポート３０の一端は、カムシャフト４５を跨いでその先端には二股のフォーク部３１が形成される。この二股のフォーク部３１が、燃料インジェクタ２０の受圧部２６に当接する。ノズルサポート３０の他端３２は、シリンダヘッド４０の側壁４２近傍に埋め込まれたピボットピン４３に当接し、回動(傾動)自在になっている。ノズルサポート３０のボルト貫通孔３３にボルト５２が挿通されてシリンダヘッド４０に締結されると、ボルト５２の軸力によって燃料インジェクタ２０がシリンダヘッド４０に押圧される。

このように燃料インジェクタ２０はシリンダヘッド４０に取り付けられているので、燃料インジェクタで発生した振動は、燃料インジェクタ２０の下面２０ａからシリンダヘッド座面４１ａを介してシリンダヘッド４０に伝達するとともに、燃料インジェクタ受圧部２６を介してノズルサポート３０へ伝わり、ピボットピン４３及び締結用ボルト５２からシリンダヘッド４０へ伝達する。そしてこの振動がさらにシリンダブロックやヘッドカバー等に伝達されて騒音が発生する。

そこで本実施形態では慣性マスアクチュエータ１０を使用して騒音を低減する。

慣性マスアクチュエータ１０は、燃料インジェクタ２０の上端に取り付けられる。慣性マスアクチュエータ１０は、コントローラ９０によって制御される。慣性マスアクチュエータ１０の具体的な構成については後述する。

コントローラ９０は、燃料インジェクタ２０に取り付けられ燃料インジェクタ２０の軸方向(図３のｚ方向)の加速度を検出する加速度センサ１４の振動加速度信号を入力し、その信号に基づいて慣性マスアクチュエータ１０を制御する。

このような構成によって、燃料インジェクタ２０の振動を加速度センサ１４が検出したときからフィードバック制御を開始する。また、気筒が複数筒ある場合は、気筒数に応じて燃料インジェクタの慣性マスアクチュエータを用いる。

このようにして燃料インジェクタ２０の振動を低減すれば、シリンダヘッド４０を介して、シリンダブロック、ヘッドカバー等において励起される振動も低減されるので、騒音を低減できる。

図４は慣性マスアクチュエータを示す図である。

慣性マスアクチュエータ１０は、圧電素子１１と、慣性マス１２と、締結ボルト１３とを有する。

圧電素子１１は、薄板状の圧電素子を積層したものであり、印加する電圧に応じて軸方向(図４のｚ方向)に伸縮して力を発生する制振力発生手段としての役割を担う。本実施形態では圧電素子１１は円筒形に形成されている。またこの圧電素子は、電圧をかけると印加電圧範囲では、電圧にほぼ比例するｚ方向への伸びを生じさせる内力が発生するように分極されている。圧電素子が燃料インジェクタ２０に作用する力は、慣性マス１２の振動加速度と、慣性マス１２の質量との積で与えられる。

慣性マス１２は、圧電素子１１の上に載置される。慣性マス１２は、有天井円筒形であり、天井部分に孔１２ａが形成される。慣性マス１２は、圧電素子１１に被される。

締結ボルト１３は、慣性マス１２の孔１２ａを挿通するとともに、円筒形の圧電素子１１を挿通し、燃料インジェクタ２０に螺合するボルトである。締結ボルト１３は、圧電素子１１及び慣性マス１２を燃料インジェクタ２０に螺設する。締結ボルト１３の上端には、加速度センサ１４が取り付けられている。加速度センサ１４は、軸方向(図４のｚ方向)の振動加速度を検出する。

慣性マスアクチュエータ１０は、このような構成になっており、圧電素子１１の慣性マス１２に対する加振力の反力を制振力として燃料インジェクタ２０を制振する。

ここで慣性マスアクチュエータは取り付け点に強制変位を受ける１自由度振動系としてモデル化することができ、次式(1-1)(1-2)の運動方程式で表すことができる。

これを慣性マス加速度を出力として状態空間表現に変換すると、次式(2-1)(2-2)のように表すことができる。

これらの式から分かるように慣性マス加速度とアクチュエータ制御力とから、慣性マス速度、慣性マス変位及び取り付け点変位を推定するオブザーバを作ることができる。さらに推定された取り付け点変位を一階微分することで取り付け点速度も推定できる。

そして本実施形態では次式(3)のように取り付け点速度にゲインＧ1を乗じ、逆符号とした力ｕvを制御対象であるインジェクタに入力することによって、インジェクタ振動の共振ピークを低減する。

ここで、制御対象であるインジェクタへの入力ｕvに対して、制御力ｕは次式(4)で表される。

そこで図５に示すように、加速度センサ１４で検出した慣性マス加速度に基づいてオブザーバで推定した取り付け点速度を式(3)に適用して決定したインジェクタへの入力ｕvと、オブザーバで推定した慣性マス速度と、取り付け点速度と、慣性マス変位と、取り付け点変位と、を式(4)に適用して制御力ｕを決定する。そしてこの制御力ｕをアクチュエータから発生させる。

以上のような制御を行うことによって、図６に示すようにインジェクタ振動の主要な共振周波数である約3kHzで大きな振動低減効果を得ることができた。

また、燃料インジェクタに慣性マスアクチュエータを取り付け、制御を行わない場合には、図６の一点破線に示すように、燃料インジェクタの共振周波数が低下するとともに、慣性マスの共振によって振動悪化が生じる。ところが、本実施形態のように制御を行えば、燃料インジェクタに伝達される力が速度比例の減衰力相当の力のみとなるので、振動系としての慣性マスアクチュエータの影響を受けなくなり、燃料インジェクタ共振周波数の低下や、慣性マスの共振が起こらない。

このように本実施形態によれば、慣性マスアクチュエータを取り付けない状態での共振周波数に影響しないので、例えば動吸振器のようにその共振周波数にあわせてチューニングされていたものがあったとしても、再チューニングを必要としない。

またオブザーバを用いて状態量を推定するので、１つだけのセンサで制御可能である。そして、オブザーバ次数も３次と小さいのでコントローラのＣＰＵに対する負荷も小さい。

慣性マスアクチュエータの振動状態を示す物理量(慣性マスの振動加速度)を計測し、それに基づき、慣性マスアクチュエータ設置面の変位及び速度と、慣性マスの変位及び速度と、を推定して、それらに基づいてアクチュエータから発生する制御力を決定するので、少ないセンサで制御に必要な情報を得ることが可能となる。また、アクチュエータ取り付け点振動を検出する必要がないので、検出位置の違いによる振動の発散が起こらず、大きな振動低減効果が得られる。

また、慣性マスアクチュエータ設置面と慣性マスとの相対変位、及び慣性マスアクチュエータ設置面と慣性マスとの相対速度に比例する成分を有するように加振力を制御するので、所望の力を制御対象に入力するために必要なアクチュエータ制御力が得られる。

さらに、慣性マスアクチュエータ設置面の速度に比例する成分を有するように加振力を制御するので、制御対象(燃料インジェクタ)に減衰を付与した効果が得られ、振動低減効果が得られる。

（第２実施形態）
図７は、本発明による振動低減装置の第２実施形態を示す制御ブロック図である。

なお以下では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

第１実施形態では燃料インジェクタへの入力ｕvには、取り付け点速度に比例した力が含まれていたが、本実施形態では燃料インジェクタへの入力ｕvには、図７のように取り付け点速度だけでなく取り付け点変位に比例した力も含まれるようにした。すなわち、本実施形態では、燃料インジェクタへの入力ｕvを次式(5)のようにした。

ここで特に変位比例の力を加えた場合には、その低周波数成分の影響で慣性マスの変位が大きくなり、アクチュエータの変位限界を超え、制御不能になることがある。そのため、本実施形態ではｕvに低周波数成分(本実施形態の場合は５０Hz以下)をカットするハイパスフィルタを設け、それを燃料インジェクタに入力される力ｕ'vとして次式(6)によってアクチュエータに対する制御力ｕを求める。

このようにして制御した結果を図８に示す。

本実施形態によれば減衰付与効果による共振周波数での振動低減効果に加えて、剛性向上効果も得られ、図８に示すように共振より低い周波数で振動低減効果が得られる。

慣性マスアクチュエータ設置面の変位に比例する成分を有するように加振力を制御するので、制御対象(燃料インジェクタ)に剛性を付与した効果が得られ、大きな振動低減効果が得られる。

また、ハイパスフィルタによって慣性マスアクチュエータ設置面の速度比例成分及び変位比例成分のうち所定周波数以下の低周波成分をカットするので、低周波数成分により付加マス変位が大きくなり制御ができなくなることを回避することができる。

（第３実施形態）
図９は、本発明による振動低減装置の第３実施形態を示す図である。

第２実施形態では、燃料インジェクタ２０の振動加速度を検出していたが、本実施形態では、慣性マスの取り付け点に対する相対変位を検出する。

本実施形態では、圧電素子１１の側面に軸方向の歪みを検出する歪ゲージ１５が貼られている。歪ゲージ１５によって検出された歪εから次式(7)によって相対変位を求めることができる。

この場合のアクチュエータ運動の状態空間表現は、歪εを出力として次式(8-1)(8-2)で表される。

これから第１実施形態と同様にオブザーバを作り、慣性マス速度、慣性マス変位、取り付け点速度、取り付け点変位を推定することにより、それらから第２実施形態と同様の制御を行うことができ、同様の効果を得ることができる。

また、歪ゲージの代わりに、変位センサを用いて直接変位を測定してもよい。

（第４実施形態）
図１０は、本発明による振動低減装置をチェーンケースに適用した様子を示す図である。

慣性マスアクチュエータ１０は、チェーンケース２６の面直方向に実発生力を作用できるように、チェーンケース２６上端に面直に取り付けられている。

慣性マスアクチュエータ１０をこのように使用することで、チェーンケースの振動を低減する。

燃料インジェクタからエンジンに入力された加振力により、エンジン本体が加振され、それがチェーンケース２６の放射面に伝達されてそこでの振動が音となって放射される。したがってこの放射面での振動を低減することによってもエンジン騒音を低減することができる。

本発明の慣性マスアクチュエータでは、コントローラに制振対象物の振動特性をモデルとして持っておらず、慣性マスアクチュエータの特性のみがモデル化されている。したがって、本実施形態のように取り付ける制振対象物を変えた場合でも、取り付け点速度、変位に対して乗じるゲインＧ1,Ｇ2のみを変更すれば所望の減衰付与効果、剛性向上効果が得られる。

このようにすれば、図１１に示すようにチェーンケース振動の低減効果を得ることができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

本発明による振動低減装置を燃料供給システムに適用した様子を示す図である。 燃料インジェクタの構造を示す図である。 燃料インジェクタが取り付けられたシリンダヘッドをエンジン前方(クランク軸方向)から見た断面図である。 慣性マスアクチュエータを示す図である。 本発明による振動低減装置の第１実施形態の制御ブロック図である。 振動低減効果を示す図である。 本発明による振動低減装置の第２実施形態を示す制御ブロック図である。 制御結果を示す図である。 本発明による振動低減装置の第３実施形態を示す図である。 本発明による振動低減装置をチェーンケースに適用した様子を示す図である。 チェーンケース振動の低減効果を示す図である。

符号の説明

１０ 慣性マスアクチュエータ
１１ 圧電素子
１２ 慣性マス
１３ 締結ボルト
１４ 加速度センサ
２０ 燃料インジェクタ
９０ コントローラ

Claims (8)

1. 制振対象に設置され、その設置面とは反対側に慣性マスを備え、その慣性マスに対する加振力の反力によって、その制振対象を制振する慣性マスアクチュエータと、
   前記慣性マスの振動状態を検出する振動状態検出手段と、
   前記慣性マスの振動状態に基づいて、前記慣性マスアクチュエータ設置面の変位及び速度と、前記慣性マスの変位及び速度と、を推定する変位速度推定手段と、
   前記変位速度推定手段の推定値に基づいて前記慣性マスアクチュエータが発生する加振力を制御する加振力制御手段と、
   を備える振動低減装置。
2. 前記変位速度推定手段は、慣性マスアクチュエータ設置面の変位と、慣性マスの変位と、慣性マスの速度と、を状態量に持つオブザーバである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動低減装置。
3. 前記加振力制御手段は、慣性マスアクチュエータ設置面と慣性マスとの相対変位、及び慣性マスアクチュエータ設置面と慣性マスとの相対速度、に比例する成分を有するように加振力を制御する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動低減装置。
4. 前記加振力制御手段は、慣性マスアクチュエータ設置面の速度に比例する成分を有するように加振力を制御する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の振動低減装置。
5. 前記加振力制御手段は、慣性マスアクチュエータ設置面の変位に比例する成分を有するように加振力を制御する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の振動低減装置。
6. 前記加振力制御手段は、慣性マスアクチュエータ設置面の速度比例成分及び変位比例成分のうち所定周波数以下の低周波成分をカットするハイパスフィルタを有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の振動低減装置。
7. 前記振動状態検出手段は、慣性マスの振動状態として慣性マスの振動加速度を検出する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動低減装置。
8. 前記振動状態検出手段は、慣性マスの振動状態として、慣性マスアクチュエータ設置面と慣性マスとの相対変位を検出する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動低減装置。