JP2009032157A

JP2009032157A - 振動低減装置

Info

Publication number: JP2009032157A
Application number: JP2007197384A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Sato; 裕介佐藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2027-07-30
Also published as: JP5092606B2

Abstract

【課題】温度などの影響を受けて特性が変動しても、制振対象物の振動を精度よく低減可能な振動低減装置を提供する。
【解決手段】慣性マスと制振対象物との間に配置され、駆動信号に応じて伸縮することにより慣性マスを変位させ、慣性マスの変位に基づく反力を制振力とすることで、制振対象物を制振する力発生素子１１を含む慣性マスアクチュエータと、力発生素子１１が外力によって伸縮させられるときの被駆動信号に基づいて、駆動信号と力発生素子の伸縮との間の相関関係を補償する力変換係数を同定する変換係数同定手段と、を備え、駆動信号は、慣性マスアクチュエータに発生させるべき制振力と、変換係数同定手段で同定された力変換係数に基づき演算される、ことを特徴とする。
【選択図】図７

Description

この発明は、制振対象物の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は、温度などの影響を受けて特性が変動してしまい、振動低減効果が小さくなる可能性があった。

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、温度などの影響を受けて特性が変動しても、温度センサを用いることなく、制振対象物の振動を精度よく低減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、慣性マス(１２)と制振対象物(２０)との間に配置され、駆動信号に応じて伸縮することにより慣性マス(１２)を変位させ、慣性マス(１２)の変位に基づく反力を制振力とすることで、制振対象物(２０)を制振する力発生素子(１１)を含む慣性マスアクチュエータ(１０)と、前記力発生素子(１１)が外力によって伸縮させられるときの被駆動信号に基づいて、駆動信号と力発生素子の伸縮との間の相関関係を補償する力変換係数を同定する変換係数同定手段と、を備え、前記駆動信号は、前記慣性マスアクチュエータ(１０)に発生させるべき制振力と、前記変換係数同定手段で同定された力変換係数に基づき演算される、ことを特徴とする。

本発明によれば、温度センサを用いることなく、力発生素子が外力によって伸縮させられるときの被駆動信号に基づいて力変換係数を同定し、その同定した力変換係数で演算される力を発生するので、温度などの影響を受けて特性が変動しても、制振対象物の振動を精度よく低減することができるのである。

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チェーンケースに適用した様子を示す図である。

ピストン下降時の加振力や、燃料インジェクタなどから入力された加振力などにより、エンジン本体が加振され、それがチェーンケース２０の放射面に伝達され、そ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エンジン騒音を低減できる。そこで慣性マスアクチュエータ１０をチェーンケース２０に取り付けてチェーンケースの振動を低減することで、エンジン騒音を低減する。慣性マスアクチュエータ１０は、チェーンケース２０の面直方向に制振力を作用できるように、チェーンケース２０の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はコントローラ９０によって制御される。

コントローラ９０には、慣性マス１２に一体的に取り付けられて、慣性マス１２の軸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(慣性マスの振動状態)が入力され、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。

本発明の慣性マスアクチュエータは、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たず、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、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。

図２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、力発生素子１１と、慣性マス１２と、締結ボルト１３とを有する。

力発生素子１１は、たとえば薄板状の圧電素子(ピエゾ素子)を積層したものである。本実施形態では圧電素子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。すなわち圧電素子は、印加する電圧に応じて軸方向(図２の上下方向)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。圧電素子がチェーンケース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、力発生素子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、力発生素子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、円筒形の力発生素子１１を挿通し、チェーンケース２０に螺合するボルトである。締結ボルト１３は、力発生素子１１及び慣性マス１２をチェーンケース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。締結ボルト１３は、力発生素子１１の伸縮すなわち慣性マス１２の変位に応じて伸縮するので、加速度センサ１４は、軸方向(図２の上下方向)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、力発生素子(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チェーンケース２０を制振する。

図３は、慣性マスアクチュエータのモデルを示す図である。

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。

なお、ｗ，ｖは、互いに独立な正規分布にしたがう正規形白色雑音であり、いずれも平均値，共分散は既知であり次式(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)で与えられる。

カルマンフィルタ方程式は次式(4-1)(4-2)である。

カルマンフィルタゲインは次式(5)である。

そして本実施形態では次式(7)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を制御対象であるチェーンケース２０に入力することによって、チェーンケース２０の振動の共振ピークを低減する。

ここで、制御対象であるチェーンケース２０への入力ｕvに対して、制御力ｕは次式(8)で表される。

力発生素子１１を駆動するために実際に印加する電圧Ｖは、次式(9)で表される。

そこで図４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(7)に適用して決定したチェーンケース２０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(8)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ように、コントローラ９０は駆動信号を出力する。

ところで、力発生素子は、温度変化などによって特性が変動することが知見された。この場合、駆動信号と力発生素子の伸縮との間の相関関係を補償する必要が生じる。駆動信号を、駆動信号と力発生素子の伸縮との間の相関関係を補正する力変換係数(圧電定数)に基づき演算する。

図５は、力発生素子の特性(力変換係数)が、温度変化に影響されることを示す図である。

力発生素子として圧電素子を用いる場合は、図５に示すように温度変化によって圧電定数が変動してしまう。

図６は、圧電定数の温度依存性を考慮することなく制御した場合の問題点を説明する図である。

温度変化の影響を受けて圧電定数が変化しているにもかかわらず、圧電定数の温度依存性を考慮せず、常に一定値であるとして補正することなく制御すると、たとえば図６に示したように、振動が低減するのではなく、かえって発散する可能性がある。たとえば図６では、９００Ｈｚ付近において発散してしまっている。

そこで本実施形態では、温度センサを用いることなく、所定の運転状態において制振制御しないで力発生素子の特性(力変換係数)を同定するようにした。そして、その検出特性に基づいて制振制御することで、温度変化などによって特性が変動しても、発散することなく振動を低減できるようになったのである。

図７は、本実施形態の制御ブロック図である。

そして所定の運転状態において同定した圧電定数を使用して、図７のようにして、駆動電圧Ｖを補正するようにしたのである。

ここで、圧電定数の変動倍率(補正係数)Δの算出方法について説明する。

変動した圧電定数に基づいて演算された慣性マスアクチュエータの固有振動数ｆΔ_Nと、予め求めてある基準となる固有振動数ｆ_Nは、次式(10-1)〜(10-6)によって、式(10-7)のように表すことができる。

この式(10-7)によって、非制御時に、予め求めてある基準となる固有振動数ｆ_Nと変動した圧電定数に基づいて演算された固有振動数ｆΔ_Nとから、圧電定数の変動倍率(補正係数)Δを計算できる。この変動倍率(補正係数)Δを、図７に示すように変動前の圧電定数Ａに乗ずることで、変動を補正することができる。

すなわち圧電素子は、印加電圧に比例して伸縮し力を発生する。逆に外からの入力に比例して伸縮し電圧を生ずる。そこで所定の運転領域においては制振制御しないで、外からの入力を力発生素子に作用させて電圧を検出し、これに基づいて慣性マスアクチュエータの固有振動数ｆΔ_Nを求める。そして慣性マスアクチュエータの予め求めてある基準となる固有振動数ｆ_Nと比較して補正係数(変動倍率)Δを求めるようにしたのである。そして、実際に制振制御するときには、この補正係数(変動倍率)Δを考慮することで、温度変化等の影響を受けて圧電定数が変化しても、振動低減効果が得られたのである。

このように、本実施形態では、所定の運転状態において制振制御しないで力発生素子の特性を同定するようにしているので、温度センサが必要ない。次にこの力発生素子の特性を同定する運転状態について説明する。

図８は、慣性マスアクチュエータを使用してチェーンケースの振動を低減することでエンジン騒音を低減した場合のエンジン回転速度とエンジン騒音との関係を示す図である。

エンジン回転速度が上昇すると、それにほぼ比例してエンジン騒音も大きくなる。しかしながら、たとえば図８の領域Ａでは、エンジン回転速度が上昇しても、エンジン騒音はほとんど上昇しない。本実施形態では、このような領域において慣性マスアクチュエータによるチェーンケース制振制御を行わず、力発生素子の特性を同定するようにした。

このように領域Ａにおいて制振制御しなければ、チェーンケースの振動を低減できないので、エンジン騒音は大きくなり、ハッチングを付して示すようにエンジン騒音が大きくなる。しかしながら、このことによりエンジン回転速度に比例してエンジン騒音が大きくなるので、運転者のリニア感が向上し、かえって違和感のない自然なフィーリングが得られるのである。

このようにすれば、図９に示すようにチェーンケース振動を低減できるのである。

また温度変化の影響を受けて圧電定数が変化しているにもかかわらず、圧電定数の温度依存性を考慮せず、常に一定値であるとして制御すると、上述の図６に示したように、振動が低減するのではなく、かえって発散する可能性があった。しかしながら、実施形態によれば、図１０に示したように、温度変化等によって圧電定数が変動する場合であってもチェーンケース振動の主要な共振周波数で振動低減効果が得られたのである。

また、本発明による慣性マスアクチュエータをチェーンケースに取り付け、制御を行わなかった場合には、付加マス(慣性マス)の共振によって振動特性が悪化するとともに、チェーンケースの共振周波数も低下する。しかしながら、本発明では、制御を行うことによりチェーンケース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。そのため、振動系としての慣性マスアクチュエータの影響を受けず、付加マスの共振による振動特性の悪化や、チェーンケース共振周波数の低下が起こらない。したがって本発明では従来持っていた構造の共振周波数に対して影響を与えないので、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、再チューニングする必要がない。

さらに、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することが可能であり、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。

（第２実施形態）
図１１は、本発明による慣性マスアクチュエータの圧電定数同定タイミングの第２実施形態を示す図である。

なお以下では前述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。

エンジンのクランク角とエンジン騒音との関係を検証すると、図１１に示すように、エンジンの１サイクル中において特定のクランク角で周期的にエンジン騒音が小さくなっている。たとえば図１１では、クランク角が３０〜４００deg程度のときに、エンジン騒音が小さくなっている。これはたとえば燃焼を生じるシリンダ位置によって、チェーンケースに伝わる振動の程度が異なること等を原因に生じているものと考えられる。

そこでこのような運転領域において慣性マスアクチュエータによる制振制御を行わず、力発生素子の特性を同定するようにしてもよい。

なお図１１はあくまでも一例であり、(たとえばエンジン形式ごとに)エンジンの回転速度，負荷に応じて、騒音レベルが低くなる運転領域をあらかじめマップ化しておき、そのマップに基づいて力発生素子の特性を同定すればよい。

本実施形態によっても、騒音レベルが低くなる運転領域で力発生素子の特性を同定してる。同定中は制振制御できず、騒音レベルが悪化するものの、他の運転領域における騒音レベルと大差ないレベルになるのであって、運転者に違和感を感じさせないのである。

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。

たとえば、本発明の慣性マスアクチュエータは、上述の通り、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ので、図１２に示すように、エンジンによる加振力が入力される箇所である、シリンダブロックのメインベアリング軸受に取り付けてもよい。また軸受に入力された加振力が伝達する箇所であるロッカーカバーやオイルパンに取り付けてもよい。これらの箇所の振動を低減しても、エンジン騒音を低減できるのである。

また上記説明においては、力発生素子１１として圧電素子を例示したが、たとえば超磁歪素子であってもよい。なお圧電素子は、電圧に比例して伸縮するが、超磁歪素子は、磁力に比例して伸縮する。すなわち超磁歪素子についての磁力が、圧電素子についての電圧に相当し、力変換係数としては、駆動信号と超磁歪素子の伸縮との間の相関関係を補正する係数とすることができる。

さらに上記説明においては、慣性マスアクチュエータの固有振動数(共振周波数)に基づいて力変換係数(変動倍率)Δを求めたが、これに限らず、共振の逆数である反共振に基づいて力変換係数(変動倍率)Δを求めてもよい。すなわち特許請求の範囲における共振特性値とは、固有振動数(共振周波数)のみならず反共振周波数をも含む。

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を示す図である。慣性マスアクチュエータのモデルを示す図である。圧電定数の温度依存性を考慮することなく制御する場合の制御ブロック図である。力発生素子の特性(圧電定数)が、温度変化に影響されることを示す図である。圧電定数の温度依存性を考慮することなく制御した場合の問題点を説明する図である。本実施形態の制御ブロック図である。慣性マスアクチュエータを使用してチェーンケースの振動を低減することでエンジン騒音を低減した場合のエンジン回転速度とエンジン騒音との関係を示す図である。慣性マスアクチュエータを使用した場合の制振効果を示す図である。圧電定数の温度依存性を考慮した場合の制振効果を示す図である。本発明による慣性マスアクチュエータの圧電定数同定タイミングの第２実施形態を示す図である。シリンダブロックのメインベアリング軸受に慣性マスアクチュエータを取り付けた状態を示す図である。

符号の説明

１０慣性マスアクチュエータ
１１圧電素子(力発生素子)
１２慣性マス
１３締結ボルト
１４加速度センサ
２０チェーンケース(制振対象物)

Claims

慣性マスと制振対象物との間に配置され、駆動信号に応じて伸縮することにより慣性マスを変位させ、慣性マスの変位に基づく反力を制振力とすることで、制振対象物を制振する力発生素子を含む慣性マスアクチュエータと、
前記力発生素子が外力によって伸縮させられるときの被駆動信号に基づいて、駆動信号と力発生素子の伸縮との間の相関関係を補償する力変換係数を同定する変換係数同定手段と、
を備え、
前記駆動信号は、前記慣性マスアクチュエータに発生させるべき制振力と、前記変換係数同定手段で同定された力変換係数に基づき演算される、
ことを特徴とする振動低減装置。
前記変換係数同定手段は、変動した力変換係数に基づいて演算された慣性マスアクチュエータの共振特性値と、予め求めてある基準となる慣性マスアクチュエータの共振特性値と、に基づいて力変換係数を同定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動低減装置。
前記変換係数同定手段は、変動した力変換係数に基づいて演算された慣性マスアクチュエータの共振特性値と、予め求めてある基準となる慣性マスアクチュエータの共振特性値と、の比の２乗に基づいて力変換係数を同定する、
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。
前記制御対象物はエンジンであって、
前記変換係数同定手段は、エンジン回転数が、エンジン回転数の変化に対する振動騒音の変化が小さい所定のエンジン回転数範囲内にあるときに、力変換係数を同定する、
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。
前記制御対象物はエンジンであって、
前記変換係数同定手段は、クランクアングルが、他のクランクアングルに比べて振動騒音が小さい所定のクランクアングル範囲内にあるときに、力変換係数を同定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動低減装置。
前記力発生素子は、圧電素子である、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動低減装置。
前記力発生素子は、超磁歪素子である、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動低減装置。