JP2009501882A - 磁気レオロジーダンパーおよびその使用 - Google Patents

Abstract

構造振動制御に有効な磁気レオロジーダンパーダンパーは、本体と、このダンパー本体に対して移動自在な部分とを有し、このダンパーは、前記移動自在な部分の運動に抵抗するための、前記ダンパー本体内に含まれる磁気レオロジー材料を備え、この磁気レオロジー材料が受ける磁界の変化により、前記磁気レオロジー材料内にレオロジー変化を発生させることができ、このダンパーは、更にこのダンパーに加えられる外力をモニタすると共に、前記磁界およびその結果生じる降伏力および外力の変化に応答し、前記ダンパーのレオロジー減衰を制御するための信号を発生するための、前記ダンパー内に埋め込まれた少なくとも１つのセンサとを備える。
【選択図】図２

Description

本願は、構造振動制御機構に関し、特に、かかる制御で有効な磁気レオロジー（ＭＲ）ダンパーに関する。

公共および機械構造物の振動制御では、これまで磁気レオロジー（ＭＲ）ダンパーが使用されている。用途の例を数例挙げるとすれば、ケーブル架橋ブリッジにおける懸架ケーブルの振動減衰、自動車の座席およびサスペンションシステムの振動減衰、および自動化および／または精密機器／機械の振動のアイソレーションを挙げることができる。ＭＲダンパーで使用されるＭＲ材料は、磁界が印加されると、それらのレオロジー特性を可逆的に変える能力を有する。より詳細に説明すれば、これらＭＲ材料は印加された磁界に曝されると、数ミリ秒の間で自由に流動する線形粘性流体から調節可能／制御可能な降伏応力を有する半固体材料に自ら変化できる。かかるＭＲダンパーの磁石に異なる電流を入力することにより、材料の降伏応力、従ってダンパーの降伏力およびレオロジー減衰をミリ秒を単位として容易に調節／制御できるよう、ＭＲ材料に加えられる磁界を調節／制御できる。現在のＭＲダンパーは、調節可能／制御可能な降伏力およびレオロジー減衰能力を有するが、リアルタイムの閉ループの振動制御を実施するために、構造振動を検出することはできない。すなわちこれら現在のＭＲダンパーは、開ループの作動モードだけに限定されており、それらの調節可能／制御可能な能力を完全には利用できていない。

ＭＲダンパーの開ループの作動から閉ループの作動への構造振動制御を技術的に進歩させるには、所望する降伏力およびレオロジー減衰を容易にするために、適当な電流入力を決定するよう、ダンパーのための正確な可逆的ダイナミックモデルを開発しなければならない。しかしながら、これら高度の非線形のダンパーのためのかかる可逆的ダイナミックモデルを開発することが依然として試みられている。これとは異なり、制御の有効性を低減し、実施の困難性およびエンジニアリングコストの双方を増加するという犠牲を払いながら、振動構造体とダンパーとの間に力センサを設置することにより、可逆的ダイナミックモデル化を実施する欠点を克服するため、力フィードバック制御ループが設置されることが多い。

従って、本発明の目的は、降伏力のリアルタイムの調節／制御、およびレオロジー減衰を達成できるか、またはこれらが少なくとも公衆に有効な選択案を提供するような改良された磁気レオロジーダンパーを提供することにある。

本発明の更に別の目的は、構造振動の変化を検出できるか、または少なくとも公衆に有効な選択案を提供できる、改良された構造振動制御システムを提供することにある。

本発明の特徴によれば、構造振動制御に有効な磁気レオロジーダンパーダンパーは、本体と、このダンパー本体に対して移動自在な可動部とを有し、このダンパーは、前記可動部の運動に抵抗するための、前記ダンパー本体内に含まれる磁気レオロジー材料を備え、この磁気レオロジー材料が受ける磁界の変化により、前記磁気レオロジー材料内にレオロジー変化を発生させることが可能であり、このダンパーは、更にこのダンパーに加えられる外力をモニタすると共に、外力の変化に応答して前記磁界およびその結果生じる前記ダンパーの降伏力およびレオロジー減衰を制御するための信号を発生するための、前記ダンパー内に埋め込まれた少なくとも１つのセンサとを備える。

本発明の第２の特徴によれば、構造振動制御システムは、
ダンパー本体およびこのダンパー本体に対して移動自在な部分とを有する、少なくとも１つの磁気レオロジーダンパーであって、
前記移動自在な部分の運動に抵抗するための、前記ダンパー本体内に含まれる磁気レオロジー材料を備え、この磁気レオロジー材料が受ける磁界の変化により、前記磁気レオロジー材料内にレオロジー変化を発生させることが可能であり、
前記ダンパーに加えられる外力をモニタすると共に、外力の変化に応答して前記磁界およびその結果生じる前記ダンパーの降伏力およびレオロジー減衰を制御するための信号を発生するための、前記ダンパー内に埋め込まれた少なくとも１つのセンサを含む、前記磁気レオロジーダンパーと、
前記センサからの信号を受信すると共に、この信号に従い、前記磁界を変えるための手段と、を備える。

センサは、圧電センサであることが好ましい。

本発明の原理を例として示す添付図面を参照しながら、次の詳細な説明を読めば、本発明の上記以外の特徴および利点が明らかとなろう。

図１は、当技術分野で公知の、従来の磁気レオロジー（ＭＲ）ダンパー１００を示す。この従来のＭＲダンパー１００は、一般に一対の電気ワイヤー１１と、ベアリングシールユニット１２と、シリンダハウジング内のＭＲ材料または流体１３と、電磁石１４と、ダイヤフラム１５と、アキュムレータ１６と、ピストン１７と、上方接続支持体１８と、下方接続支持体１９とを備える。ベアリングシールユニット１２は、ピストン１７の運動をガイドすると共に、ＭＲ材料１３の漏れを防止している。一対の電気ワイヤー１１を通して、電磁石１４へ異なる入力電力を加えることにより、ＭＲ材料１３は自由に流動する線形粘性流体から、調節自在／制御自在な降伏応力を有する半固体状態に可逆的に変化できるので、ダンパーの降伏力およびレオロジー減衰を変えることができる。

当技術分野では、一般に、かかる、または同様な、従来のダンパーが知られている。例えば１９９７年１０月２９日に「制御可能な媒体デバイスおよびこれを利用する装置」を発明の名称とし、デービッド・Ｊ・カリソンによって出願された、米国特許第6,394,239号；２０００年６月３０日に「現場の状態のコアサンプルを回収するための装置」を発明の名称とし、オーマン外により出願された米国特許第6,378,631号；２０００年２月１１日に「双方向性磁気レオロジー流体バルブアセンブリおよびこれを利用する装置」を発明の名称とし、アイバー外により出願された米国特許第6,158,470号；１９９７年１１月２５日に「調節自在なバルブおよびこれを利用する振動ダンパー」を発明の名称とし、ジョリー外により出願された米国特許第6,131,709号；１９９７年３月５日に「双方向性磁気レオロジー利用するバルブアセンブリおよびこれを使用する装置」を発明の名称とし、アイバー外によって出願された米国特許第6,395,486号；１９９９年７月２日に「制御可能な振動装置」を発明の名称とし、カリソン外によって出願された米国特許第5,878,851号；１９９４年２月７日に「磁気レオロジー流体装置」を発明の名称とし、カリソン外によって出願された米国特許第5,398,917号；１９９２年６月１８日に「磁気レオロジー流体装置」を発明の名称とし、カリソン外によって出願された米国特許第5,284,330号；および１９９２年６月１８日に「磁気レオロジー流体ダンパー」を発明の名称とし、カリソン外によって出願された米国特許第5,277,281号を参照されたい。本明細書では、これら米国特許を参考例として援用する。

図２は、本発明のＭＲダンパーの一実施例２００を示す。図１の従来のＭＲダンパー１００と同じように、このＭＲダンパー２００も、一対の電気ワイヤー１１と、ベアリングシールユニット１２と、シリンダハウジング内のＭＲ材料または流体１３と、電磁石１４と、ダイヤフラム１５と、アキュムレータ１６と、ピストン１７とを含む。このＭＲダンパー２００は更に、機械的振動に起因し、ダンパーに加えられる外力を測定するための第１圧電センサ２８と、第２の圧電センサ２９も備える。これら圧電センサ２８および２９は、図１に示された従来のダンパー１００の、上方接続支持体１８および下方接続支持体１９の部分を置き換えることにより、本発明におけるそれぞれ上方接続支持体１８の下方部分３８および下方接続支持体１９の下方部分３９に取り付けられている。これら位置は、基本的にはＭＲダンパー２００の埋め込まれた圧電センサ２８および２９が、１）外力に比例し（すなわち良好な機械的結合および線形性で）強力な出力信号を発生でき、２）外力の変動を検出でき、更に３）設置が容易となるようなＭＲダンパー２００を基本的には保証できる。圧電センサ２８および２９は、構造振動に起因し、ダンパーに加えられる外力の変動を検出し、電極が設けられた表面に加えられる外力（すなわち図８に示される圧力）の変更に従って電気信号を発生する。これら信号は、磁石１４への電流の調節／制御をアシストし、ダンパーに加えられる磁界、従って、その結果生じるダンパーの降伏力およびレオロジー減衰を調節／制御するのに使用できる。圧電センサ２８、２９は、外力（または圧力）のリアルタイムの変動をモニタできるので、ダンパーの降伏力およびレオロジー減衰のリアルタイムの調節／制御も達成できる。

当技術分野で理解されるように、圧電センサ２８および２９は、いずれもそれらのサイズが異なることを除けば、同じものにできる。更に当技術分野で理解されるように、図２の圧電センサ２８または圧電センサ２９のいずれかを使用することにより、単一センサを有するＭＲダンパーを開発できる。しかしながら、図２に示されたデュアルセンサ構造は、単一センサ構造と比較し、構造振動をより正確かつより信頼できる測定を可能にする。

図３には、第１例のセンサの部品が示されており、これら部品は圧電ウェーハ３０の両側に取り付けられた２つのウェーハ電極３１および３２を含む。説明を簡単にするために、ウェーハ電極３１を正極に設定し、一方、電極３２を負極に設定する。電極３１と接続支持体の下方部分の隣接表面４０との間には、絶縁ウェーハ３３が取り付けられており、この接続支持体の下方部分は、図２を参照すると、上方接続支持体１８の下方部分３８または下方支持体１９の下方部分３９に対応する。これらセンサ部品は、新しい接続支持体４２から接続支持体３８または３９の下方部分（３８または３９）に開口されたシャフト孔４３まで突出するネジ切りされたシャフト４１を使用することにより、機械的な圧力を受けてスタック３５内の中心に挟持されている。作動中、圧電ウェーハ３０が圧縮状態に維持されるように、あらかじめ加える圧力は十分大きくなっている。ネジ切りされたシャフト４１は、ウェーハ電極３１および３２、並びに圧電ウェーハ３０から絶縁しなければならない。使用時には、ウェーハ電極３１および３２に電気ワイヤー（図示せず）が接続され、圧電ウェーハ３０から信号調整ユニット２４を通って、データ取得ユニット２５へ電荷（従って電圧）が送られる。これら結果は、パーソナルコンピュータ２６を使って記録かつ処理され、モニタ２７にディスプレイできる。これによってダンパーの作動時に外力（または圧力）をモニタできる。更に当業者に理解されているように、これら結果を、電磁石１４への電流入力を調節／制御することにより降伏力およびレオロジーダンピングのリアルタイムの調節／制御も行うことができる。

図４では、図３に示されたセンサに対し、２つの別の圧電ウェーハおよび２つのウェーハ電極３１および３２を含むスタック３６が追加されている。これら圧電ウェーハとウェーハ電極とは交互に配置されている。すべての正のウェーハ電極を１つのノードにまとめるように接続し、更に負の電極を別のノードとなるように接続することにより、ダンパーに加えられる外力をモニタするのに３つの圧電ウェーハのすべての効果を示す２つのノードから生じる電荷を得ることができる。こうして、センサの感度を高めることができる。同様に、より多くのスタック３６を追加することにより、センサの感度を高めるように５つ、７つ、更にそれ以上の圧電ウェーハを設置できる。

図５では、スタック３７を形成するように２つの圧電ウェーハ３０には３つのウェーハ電極（２つは３２であり、１つは３１で示されている）が交互に設置されている。ダンパーに加えられる外力をモニタするよう、正のウェーハ電極３１および２つの負のウェーハ電極３２から生じる電荷を得ることができる。このように、２つの圧電ウェーハを設置した場合、（図３および４の）スタック３５内の絶縁ウェーハ３３は、圧電ウェーハの一方が絶縁ウェーハとしても機能するので、必要ではない。

図６では、スタック３７に（図４に示されたものと同じ）スタック３６を追加することにより、４つの圧電ウェーハを設置できる。同様に、改良されたセンサ感度で外力をモニタするときは、より多くのスタック３６を追加することにより、６個、８個およびそれ以上の圧電ウェーハを設置できる。

圧電ウェーハ３０が広い周波数レンジにわたり効果的であること、簡潔であること、信頼性があること、コンパクトであることおよび軽量であることに起因し、このウェーハを圧電セラミックス、ポリマーおよび複合体を含む任意の適当な圧電材料とすることができる。図７では、本発明によれば、異なる構造、例えば０−３、１−３、ラジアル２−２およびパラレル２−２構造を有する圧電セラミック要素および４つの圧電セラミック／ポリマー複合要素が提供される。通常、圧電セラミックセンサは、狭いバンド幅内で共振がシャープであり、かつ感度が高い。共振範囲内に周波数を有する信号は大きく増幅され、アーティファクトが生じることがある。セラミックスは硬質であり、かつ脆弱であるので、大きな素子サイズを有し、形状が複雑なセラミックセンサを製造することは困難であり、機械的衝撃または振動によって受けるダメージはより深刻である。しかしながら、圧電ポリマーセンサは、バンド幅がより広く、広い周波数レンジにわたって多かれ少なかれ、等しい感度ですべての信号が受信される。これらポリマーセンサはより複雑な形状に製造でき、かつよりフレキシブルであるので、機械的な応力に対してより弾性的である。これらポリマーセンサの主な欠点は、感度が低く、温度安定性が低いことである。他方、圧電複合センサは、セラミックスおよびポリマーの所望する特性を組み合わせるように、条件に合わせることができ、このセンサでは最も適したものである。

図８では、アクティブ領域５１と非アクティブ領域５０の形状により、ウェーハ３０に対する異なる電極パターンが示されている。アクティブ領域と非アクティブ領域の相対的位置に従い、全面電極パターン（図８ａ）、内側電極パターン（図８ｂ）、中間（in-between）電極パターン（図８ｃ）および外側電極パターン（図８ｄ）が明瞭になっている。かかる電極は上記のようなセラミックス、ポリマーおよび複合体の間の任意のタイプの材料のウェーハ３０に対して使用できる。

図９では、圧電センサ（２８および／または２９）から生じる電荷を測定することにより、振幅および位相の双方を含む、ダンパーに加えられる準正弦波状（図９ａ）および矩形（図９ｂ）の力を細かくモニタでき、これら力を電圧として図３のモニタ２７にディスプレイできることを示している。

説明したすべてのウェーハは円筒形であるが、本発明の実施例に、横断面が不規則的または矩形となっている均一ウェーハまたは複合ウェーハを含む、他の形状のウェーハを設けることができる。

従来の線形磁気レオロジーダンパーの平面図である。 本発明の一実施例に係わる磁気レオロジーダンパーの平面図である。 図２のダンパーで有効な第１センサのセンサ部品の分解等角図である。 図２のダンパーで有効な第２センサのセンサ部品の分解等角図である。 図２のダンパーで有効な第３センサのセンサ部品の分解等角図である。 図２のダンパーで有効な第４センサのセンサ部品の分解等角図である。 異なる圧電材料から製造された、図３〜図６のセンサの圧電ウェーハの等角図である。 電気パターンが異なる、図３〜図６のセンサの圧電ウェーハの等角図である。 センサの２つのテストの結果を示す。

符号の説明

１１ 電気ワイヤー
１２ ベアリングシールユニット
１３ ＭＲ材料
１４ 電磁石
１５ ダイヤフラム
１６ アキュムレータ
１７ ピストン
１８ 上方接続支持体
１９ 下方接続支持体
２４ 信号調整ユニット
２５ データ取得ユニット
２６ パーソナルコンピュータ
２７ モニタ
２８、２９ 圧電センサ
３０ ピエゾ電極ウェーハ
３１、３２ ウェーハ電極
３６、３７ スタック
３８、３９ 下方部分
１００ ＭＲダンパー
２００ ＭＲダンパー

Claims (14)

1. ダンパー本体と、このダンパー本体に対して移動自在な可動部とを有し、構造振動制御に有効な磁気レオロジーダンパーにおいて、
   前記可動部の運動に抵抗するための、前記ダンパー本体内に含まれる磁気レオロジー材料を備え、この磁気レオロジー材料が受ける磁界の変化により、前記磁気レオロジー材料内にレオロジー変化を発生させることが可能であり、
   前記ダンパーに加えられる外力をモニタすると共に、外力の変化に応答して前記磁界およびその結果生じる前記ダンパーの降伏力およびレオロジー減衰を制御するための信号を発生するための、前記ダンパー内に埋め込まれた少なくとも１つのセンサとを備えた、磁気レオロジーダンパー。
2. 前記センサは、圧電センサである、請求項１記載のダンパー。
3. 前記センサは、圧電ウェーハによって分離されると共に、圧力を受けた状態で互いにスタック内に一体に保持された少なくとも一対の平面状電極を含む、請求項２記載のダンパー。
4. 前記センサは、前記電極のうちの１つを絶縁するための絶縁ウェーハを更に含む、請求項３記載のダンパー。
5. 前記圧電ウェーハは、円筒形である、請求項３記載のダンパー。
6. 前記圧電ウェーハは、圧電セラミック、ポリマーおよび複合体材料のうちの１つから製造されている、請求項３記載のダンパー。
7. 前記センサは、複数対の平面状電極を含み、各電極対は圧電ウェーハによって分離されており、前記複数対の平面状電極とウェーハが、圧力を受けた状態で互いに当接してスタック内に一体に保持されている、請求項３記載のダンパー。
8. 前記圧電ウェーハの数が奇数である場合、前記センサは、前記電極のうちの１つを絶縁するための絶縁ウェーハを更に含む、請求項７記載のダンパー。
9. 前記圧電ウェーハは、円筒形である、請求項７記載のダンパー。
10. 前記圧電ウェーハは、圧電セラミック、ポリマーおよび複合体材料のうちの１つから製造されている、請求項７記載のダンパー。
11. 前記圧電ウェーハは、全面電極パターン、内側電極パターン、中間電極パターンおよび外側電極パターンを少なくとも含む、異なる電極パターン，すなわちアクティブ領域および非アクティブ領域の異なる形状のいずれかで製造されている、請求項７記載のダンパー。
12. 前記センサは、前記ダンパーの長手方向端部に取り付けられている、請求項１記載のダンパー。
13. 構造振動制御システムであって、この構造振動制御システムは、
    ダンパー本体とこのダンパー本体に対して移動自在な可動部とを有する少なくとも１つの磁気レオロジーダンパーを備え、
    この磁気レオロジーダンパーは、
    前記可動部の運動に抵抗するための、前記ダンパー本体内に含まれる磁気レオロジー材料を備え、この磁気レオロジー材料が受ける磁界の変化により、前記磁気レオロジー材料内にレオロジー変化を発生させることが可能であり、
    前記ダンパーに加えられる外力をモニタすると共に、外力の変化に応答して前記磁界およびその結果生じる前記ダンパーの降伏力およびレオロジー減衰を制御するための信号を発生するための、前記ダンパー内に埋め込まれた少なくとも１つのセンサを含み、
    前記構造振動制御システムは、前記センサからの信号を受信すると共に、この信号に従い、前記磁界を変えるための手段を更に備えた、構造振動制御システム。
14. 前記センサは、圧電センサである、請求項１３記載のシステム。

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