JP2013244841A - 車両用懸架装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スイッチング素子の破損等に伴うモータ出力の常時の短絡状態を防止して、電磁モータ式の抑制力発生器の不具合を防止することができる車両用懸架装置を提供する。
【解決手段】 電磁モータ式緩衝器を用いた車両用懸架装置において、抑制力発生器６から出力された電流を制御して出力トルクを制御する抑制力制御回路３１を設け、抑制力発生器６に対して、バッテリ３０と抑制力制御回路３１とを並列接続し、抑制力制御回路３１は、抑制力発生器６から出力された電流を抑制力制御回路側へ電流を流す経路（１）と、バッテリ側へ流す経路（２）とのいずれか一方へ接続を切換え可能なスイッチング素子３４と、このスイッチング素子３４に直列接続され抑制力発生器６への過電流を防ぐ保護回路３５とを有する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、電磁モータ式の抑制力発生器を利用して減衰力を発生させる車両用懸架装置に関する。

車両において、懸架部と被懸架部との間に、懸架ばねと油圧緩衝器とを並列に配置し、路面の凹凸によって生じる振動等を減衰させることで、車体の乗り心地と操縦性を確保する装置が実用に供されている。近年、前記油圧緩衝器に代わる機構として、電磁モータを利用して減衰力を発生する電磁モータ式緩衝器が提案されている。なお、この明細書で「電磁モータ」とは、電気による磁場の力で動くモータを意味し、電動機と同義である。電磁モータを使うことで、減衰力制御や車高調整などを自在に行うことが可能となる。また電磁モータを発電機として利用することで、振動エネルギーを回生利用することも可能である。

より具体的な構造として、以下の例が提案されている（特許文献１）。図６に示すように、ボールねじ機構を利用して懸架部と被懸架部との間に生じる振動を、直線運動から回転運動へと変換し、ボールねじシャフト５０を回転させ、動力伝達機構５１を介してボールねじシャフト５０の軸方向外側に配置した電磁モータ５２に伝える電磁緩衝器が提案されている。電磁モータ５２で電磁力に起因するトルクで回転運動を抑制し振動を減衰させる。

特開２００４−１１８２４号公報

電磁モータに発生した電力を制御回路を介して出力し、減衰力制御や振動エネルギーの回生を行っている。制御回路は、電磁モータから出力されたモータ電流を制御し、モータトルクを制御することにより減衰力の制御を行っている。
より具体的な減衰力制御の方法としては、制御回路内部における昇圧回路のトランジスタがオン、オフ動作を繰り返し行い、スイッチング周期におけるスイッチオン時間が占める割合（デューティ）を操作することによって、モータ電流の制御を行っている。
この場合に昇圧回路内のトランジスタが破損し常時短絡した状態で、電磁モータ式緩衝器が上下運動して電磁モータが発電をしたとき、電磁モータの出力が短絡し、過電流により電磁モータが不具合を起こす可能性がある。

この発明の目的は、スイッチング素子の破損等に伴うモータ出力の常時の短絡状態を防止して、電磁モータ式の抑制力発生器の不具合を防止することができる車両用懸架装置を提供することである。

この発明の車両用懸架装置は、ボールねじおよび電磁モータ式の抑制力発生器を有し、前記ボールねじのボールねじナットと前記抑制力発生器のモータロータとが連結され、前記ボールねじのボールねじ軸の直線運動を前記ボールねじナットの回転運動に変換し、この回転運動を前記モータロータに伝達し、前記抑制力発生器が前記回転運動を抑制する方向の力を発生することで前記ボールねじ軸の直線運動を抑制する電磁モータ式緩衝器を用いた車両用懸架装置において、前記抑制力発生器から出力された電流を制御して出力トルクを制御する抑制力制御回路を設け、前記抑制力発生器に対して、車両に搭載されたバッテリと、前記抑制力制御回路とを並列接続し、前記抑制力制御回路は、前記抑制力発生器から出力された電流を抑制力制御回路側へ電流を流す経路と、前記バッテリ側へ流す経路とのいずれか一方へ接続を切換え可能なスイッチング素子と、このスイッチング素子に直列接続され前記抑制力発生器への過電流を防ぐ保護回路とを有することを特徴とする。

この構成によると、車両の走行時の振動により、ボールねじ軸がボールねじナットに対して相対的に軸方向へ直線運動する。このときボールねじ軸に螺合するボールねじナットは回転運動し、この回転運動は、電磁モータ式の抑制力発生器のモータロータに伝達される。このとき抑制力発生器が、回転運動を抑制する方向に力を発生させることで、前記車両の振動を減衰することができる。車両振動により発生する力を抑制力発生器等で制御することで、所望の減衰力が得られる。具体的には、抑制力制御回路のスイッチング素子を切換える動作を繰り返し行い、抑制力発生器から出力された電流を制御し、出力トルクを制御することで、減衰力を制御し得る。またモータロータの回転により抑制力発生器で発生した電力をバッテリに回生し得る。このように、抑制力発生器で発電された電力を抑制力制御回路で制御し出力することにより、減衰力制御や振動エネルギーの回生利用を行うことが可能となる。

前記スイッチング素子が、例えば、故障等により常時短絡状態となったとき、前記スイッチング素子に直列接続された保護回路が、抑制力発生器への過電流を防ぐ。電磁モータ式緩衝器が上下運動し抑制力発生器に電力が発生したとき、保護回路により抑制力発生器に流れる電流の大きさを制限することが可能となる。このように抑制力発生器の不具合を未然に防止し得る。

前記スイッチング素子がトランジスタであっても良い。
前記抑制力制御回路は、前記トランジスタのスイッチング周期におけるデューティを制御可能としても良い。このようにスイッチング周期におけるスイッチオン時間が占める割合（デューティ）を制御することで、抑制力発生器から出力された電流を容易に制御することができる。

前記保護回路は、電流を制限する電流制限抵抗と、この電流制限抵抗に並列接続された回路切断手段とを有するものであっても良い。この場合、前記回路切断手段は通常、所望の短絡状態を維持しているが、前記スイッチング素子が、例えば、故障等により常時短絡状態となって回路切断手段に過電流が流れると、この回路切断手段のスイッチング状態が切換えられる。これにより電流制限抵抗に電流を流すことで、抑制力発生器に流れる電流の大きさを制限し得る。
前記回路切断手段が、ヒューズ、ブレーカー、ポリスイッチ、リレー、およびトランジスタのいずれか一つであっても良い。ポリスイッチは、素子温度が下降すると抵抗値が低下する可逆性の抵抗値変化を有するため、交換不要である。

前記抑制力制御回路は、前記スイッチング素子に接続された制御回路部を有し、この制御回路部は、前記スイッチング素子に流れる電流値に応じて、前記保護回路の前記回路切断手段をスイッチング動作させるものであっても良い。この場合、制御回路部は、スイッチング素子に流れる電流値が定められた電流値以上か否かを常時判断し、前記電流値以上であるとの判断で前記回路切断手段をオフとする。よって抑制力発生器に流れる電流の大きさを制限し得る。

前記ボールねじナットの回転運動を増速し、前記抑制力発生器に伝達する増速機構を有するものであっても良い。
前記増速機構が遊星歯車機構であっても良い。

この発明の車両用懸架装置は、電磁モータ式緩衝器を用いた車両用懸架装置において、
抑制力発生器から出力された電流を制御して出力トルクを制御する抑制力制御回路を設け、前記抑制力発生器に対して、車両に搭載されたバッテリと、前記抑制力制御回路とを並列接続し、前記抑制力制御回路は、前記抑制力発生器から出力された電流を抑制力制御回路側へ電流を流す経路と、前記バッテリ側へ流す経路とのいずれか一方へ接続を切換え可能なスイッチング素子と、このスイッチング素子に直列接続され前記抑制力発生器への過電流を防ぐ保護回路とを有するため、スイッチング素子の破損等に伴うモータ出力の常時の短絡状態を防止して、電磁モータ式の抑制力発生器の不具合を防止することができる。

この発明の第１の実施形態に係る車両用懸架装置の断面図である。 同車両用懸架装置の要部の拡大断面図である。 同車両用懸架装置の制御系のブロック図である。 同ブロック図における要部の拡大図である。 同車両用懸架装置のスイッチング素子のオンオフの矩形波の例を示す図である。 従来例の車両用懸架装置の断面図である。

この発明の第１の実施形態に係る車両用懸架装置を図１ないし図５と共に説明する。なお以下の説明は、車両用懸架装置の制御方法についての説明をも含む。
図１に示すように、車両用懸架装置は、例えば、四輪車等の車両の車体を含む懸架部１と、車輪やアーム等を含む被懸架部２との間に設けられ、これら懸架部１，被懸架部２間の振動を減衰する。車両用懸架装置は、ハウジング３と、ボールねじ４と、増速機構５と、電磁モータ式の抑制力発生器６と、昇圧回路７（図３）とを有する。

前記ボールねじ４は、ボールねじ軸８と、このボールねじ軸８に螺合されるボールねじナット９とを有する。ハウジング３内に、ボールねじ軸８の大部分およびボールねじナット９と、増速機構５と、抑制力発生器６とが設けられている。ハウジング３における長手方向一端つまり上端の開口部から、少なくともボールねじ軸８の軸方向一端が突出する。このボールねじ軸８の軸方向一端には、雄ねじからなる車両取付部１０が設けられ、この車両取付部１０が車両の懸架部１に取付け可能に構成される。ハウジング３の長手方向他端には車両取付部材１１が設けられ、この車両取付部材１１が車両の被懸架部２に取付けられる。

ハウジング３内における、ボールねじ軸８の軸方向他端には、このボールねじ軸８の軸方向移動の範囲を制限するためのストッパ部材１２が固定されている。ストッパ部材１２は、ゴムや樹脂等の衝撃吸収性の良い弾性材からなり、ハウジング３の底面３ａとの衝突時の衝撃を緩和する。

ボールねじナット９の支持構造等について説明する。
図２に示すように、ボールねじ４は、ボールねじ軸８による直線運動を、ボールねじナット９による回転運動に変換し、増速機構５に伝達するものである。ハウジング３の内周面には、ボールねじナット９を回転自在に支持する２つの転がり軸受１３，１３、増速機構５の一部である歯車保持部材１４がそれぞれ嵌合されている。またハウジング３の内周面には、これら転がり軸受１３，１３、歯車保持部材１４の軸方向位置をそれぞれ規制する段差部（図示せず）が設けられている。

転がり軸受１３，１３は、それぞれアンギュラ玉軸受からなり、背面組合せに組み込まれている。転がり軸受１３，１３の内輪内周面に、ボールねじナット９の外周面が嵌合されている。図２上側の転がり軸受１３の内輪端面に、ボールねじナット９の第１フランジ部９ａが当接されると共に、図２下側の転がり軸受１３の内輪端面に、ボールねじナット９の第２フランジ部９ｂが当接される。両フランジ９ａ，９ｂ間に内輪１５，１５および内輪間座１６が挟み込まれる。また図２上側の転がり軸受１３の外輪端面が歯車保持部材１４の端面に当接され、図２下側の転がり軸受１３の外輪端面がハウジング３の段差部に当接される。したがって、ボールねじナット９は、転がり軸受１３，１３によって軸方向および半径方向に支持される。

増速機構５等について説明する。
増速機構５は、ボールねじナット９の回転運動を増速し、抑制力発生器６に伝達する機構である。この増速機構５は遊星歯車機構であり、太陽歯車１７と、複数の遊星歯車１８と、複数のキャリアピン１９と、内歯車２０と、歯車保持部材１４とを有する。ハウジング３内におけるボールねじ軸８の半径方向外方に、これら構成部品からなる増速機構５が設けられる。太陽歯車１７は、内周部が中空形状となるリング状に形成され、抑制力発生器６の一部に接合または一体に設けられる。この太陽歯車１７に複数の遊星歯車１８が噛合され、これら遊星歯車１８に内歯車２０が噛合されている。複数の遊星歯車１８は、第１フランジ部９ａの端面に付設された複数のキャリアピン１９に、それぞれ回転自在に支持されている。なお複数のキャリアピン１９は円周方向一定間隔おきに設けられている。

ハウジング３内に嵌合されたリング状の歯車保持部材１４の内周面に、段差部が設けられ、この段差部に内歯車２０の一端面が支持されると共に、歯車保持部材１４の内周面に内歯車２０の外周面が嵌合固定される。また内歯車２０の他端面は、ハウジング３内に嵌合されたリング状部材２１に当接される。内歯車２０の両端面が、前記段差部と、リング状部材２１の端面との間に挟持されることで、ハウジング３に対し内歯車２０の軸方向位置が規制される。
ボールねじナット９が回転することで、複数の遊星歯車１８が太陽歯車１７の回転軸心Ｌ１周りに公転すると共に、遊星歯車１８と太陽歯車１７とがそれぞれ自転する。太陽歯車１７が自転することで、ボールねじナット９の回転運動が抑制力発生器６に伝達される。

抑制力発生器６等について説明する。
抑制力発生器６は、電磁モータ式の抑制力発生器であり、例えば、駆動用のモータとして使用可能な電磁モータを用いている。この電磁モータは、直流モータや同期モータ等種々のモータを適用し得る。ハウジング３内におけるボールねじ軸８の半径方向外方に、抑制力発生器６が設けられている。この抑制力発生器６は、モータロータ２２と、永久磁石２３と、モータステータ２４とを有する。

ハウジング３の内周面およびリング状部材２１には、中空形状のモータロータ２２を回転自在に支持する転がり軸受２５，２５が設けられている。これら転がり軸受２５，２５の内輪内周面に、モータロータ２２が嵌合されている。このモータロータ２２の外周面に、円筒状の永久磁石２３が設けられている。ハウジング３の内周面にモータステータ２４が設けられ、永久磁石２３の外周面がモータステータ２４に対し定められた径方向隙間を介して対向するように永久磁石２３が設置される。モータロータ２２の外周面に設けられる永久磁石２３と、モータステータ２４との間で、電磁力による回転方向の力が生じるよう構成されている。ボールねじ４のボールねじ軸８の直線運動を、ボールねじナット９の回転運動に変換し、この回転運動を増速機構５を介して増速して抑制力発生器６のモータロータ２２に伝達する。抑制力発生器６は、前記回転運動を抑制する方向の力を発生することで、ボールねじ軸８の直線運動を抑制する。

ところでボールねじ軸８には、図１に示すように、軸方向に沿って順次、車両取付部１０、摺動部２６、およびボールねじ溝部２７が設けられている。ハウジング３における、同図１の軸方向上端側の内周面には、前記摺動部２６を摺動自在に支持する円筒状のねじ軸支持部材２８が固定されている。またハウジング３の軸方向先端部には、外部からハウジング３内への異物の侵入を防ぐ環状のシール部材２９が設けられている。

昇圧回路７について説明する。
図３は、この車両用懸架装置の制御系のブロック図である。同図３に示すように、抑制力発生器６に、昇圧回路７を介して、バッテリ３０が電気的に接続されている。バッテリ３０は車両に搭載されている。昇圧回路７は、バッテリ３０で得られる所期の電圧よりも高い電圧を出力させる回路であって、抑制力制御回路３１と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、コイル３２と、ダイオード３３とを有する。抑制力発生器６に対して、バッテリ３０と、抑制力制御回路３１と、コンデンサＣ１と、コンデンサＣ２とが並列接続される。抑制力発生器６の出力側に、高電圧を出力するコイル３２、このコイル３２から出力される電流を整流するダイオード３３が順次接続されている。

抑制力制御回路３１は、抑制力発生器６から出力された電流を制御して出力トルクを制御する回路であって、スイッチング素子３４と、このスイッチング素子３４に直列接続される保護回路３５とを有する。スイッチング素子３４は、抑制力発生器６から出力された電流を抑制力制御回路側へ電流を流す経路（１）と、前記バッテリ側へ流す経路（２）とのいずれか一方へ接続を切換え可能なスイッチング素子である。スイッチング素子３４としては、この例ではＮＰＮ型のトランジスタが適用され、このトランジスタのコレクタがコイル３２の出力側に接続され、エミッタが保護回路３５に接続される。同トランジスタのベースに、オンオフの矩形波を作る制御回路部３６が接続されている。この制御回路部３６は、スイッチング周期に対するパルスのオン時間を表すデューティを制御可能に構成されている。

トランジスタがオンのとき電流は経路（１）を流れ、コイル３２にエネルギーが蓄積される。トランジスタがオフのとき電流は経路（２）を流れ、コイル３２にて蓄積されたエネルギーが放出される。このトランジスタがオフのとき、電流は、ダイオード３３を経由してコンデンサＣ１およびバッテリ３０に流れる。制御回路部３６からの指令に基づき、トランジスタのオン・オフを繰り返すことで、抑制力発生器６に必要とする電圧を入力する。コンデンサＣ１は、バッテリ３０の電圧を安定化させるために充放電を行う。コンデンサＣ２は、トランジスタのオンオフにかかわらず、抑制力発生器６の電圧を安定化させるため充放電を行う。

図４に示すように、保護回路３５は、抑制力発生器６（図３）への過電流を防ぐ回路であって、この例では、電流を制限する電流制限抵抗３７と、この電流制限抵抗３７に並列接続された回路切断手段３８とを有する。この回路切断手段３８は、例えば、ヒューズ、ブレーカー、ポリスイッチ、リレー、およびトランジスタのいずれか一つである。前記ポリスイッチは、過電流が流れると素子温度が上昇し抵抗値が増えることで、電流を制限する。このポリスイッチは、素子温度が下降すると抵抗値が低下する可逆性の抵抗値変化を有するため、交換不要である。
前記回路切断手段３８は通常短絡状態を維持しているが、スイッチング素子３４が、例えば、故障等により常時短絡状態となって回路切断手段３８に過電流が流れると、この回路切断手段３８のスイッチング状態が切換えられる。これにより電流制限抵抗３７に電流を流すことで、抑制力発生器６（図３）に流れる電流の大きさを制限し得る。

図５は、前記スイッチング素子のオンオフの矩形波の例を示す図である。例えば、車両の振動の減衰力を強めるとき、図５（１）に示すように、制御回路部３６（図３）は、設定されたデューティ（Ｂ／Ａ）よりも高くして電流実効値を高くする。これにより、抑制力発生器は回転運動を抑制する力を高めることが可能となる。車両の振動の減衰力を弱めるとき、図５（２）に示すように、制御回路部３６（図３）は、設定されたデューティ（Ｂ／Ａ）よりも小さくして電流実効値を低くする。これにより、抑制力発生器は回転運動を抑制する力を緩和し得る。前記減衰力の強弱は、操作者の入力に基づき決定しても良いし、操作者の入力によらずに任意に決定しても良い。

作用効果について説明する。
車両の走行時の振動により、ボールねじ軸８がボールねじナット９に対して相対的に軸方向へ直線運動する。このときボールねじ軸８のボールねじ溝部２７に螺合するボールねじナット９は、転がり軸受１３，１３により回転する。ボールねじナット９が回転することで、遊星歯車１８が太陽歯車１７の回転軸心Ｌ１周りに公転すると共に、遊星歯車１８と太陽歯車１７とがそれぞれ自転する。太陽歯車１７が自転することで、この太陽歯車１７に一体のモータロータ２２を回転させる。

このとき抑制力発生器６が、回転運動を抑制する方向に力を発生させることで、前記車両の振動を減衰することができる。車両振動により発生する力を抑制力発生器等で制御することで、所望の減衰力が得られる。具体的には、抑制力制御回路３１のスイッチング素子３４のオンオフを切換える動作を繰り返し行い、抑制力発生器６から出力された電流を制御し、出力トルクつまりモータトルクを制御することで、減衰力を制御し得る。またモータロータ２２の回転により抑制力発生器６で発生した電力を、昇圧回路７を介してバッテリ３０に回生し得る。このように、抑制力発生器６で発生した電力を抑制力制御回路３１で制御し出力することにより、減衰力制御や振動エネルギーの回生利用を行うことが可能となる。

スイッチング素子３４が、例えば、故障等により常時短絡状態となったとき、保護回路３５の回路切断手段３８に過電流が流れる。この回路切断手段３８は、通常短絡状態を維持しているが、前記のように過電流が流れることで、スイッチング状態が切換えられる。回路切断手段３８がヒューズの場合、ヒューズが切れる。前記回路切断手段３８は通常短絡状態を維持しているが、スイッチング素子３４が、例えば、故障等により常時短絡状態となって回路切断手段３８に過電流が流れると、この回路切断手段３８のスイッチング状態が切換えられる。これにより電流制限抵抗３７に電流を流すことで、抑制力発生器６に流れる電流の大きさを制限し得る。このように抑制力発生器６に過電流が流れることを未然に防止し、抑制力発生器６の不具合を防止することができる。
制御回路部３６は、スイッチング周期に対するパルスのオン時間を表すデューティを制御可能であるため、抑制力発生器６から出力された電流を容易に制御することができる。

他の実施形態について説明する。
スイッチング素子３４として、電界効果トランジスタを用いても良い。
保護回路３５は、例えば、制御回路部３６からの信号に基づき、保護回路３５における回路切断手段３８をスイッチング動作させるようにしても良い。
保護回路３５の回路切断手段３８として、電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタを用いても良い。
参考提案例として、減衰力を制御可能な車両用懸架装置において、抑制力発生器に昇圧回路を介して抵抗器を接続し、バッテリに電力を回生しない配線にすることも可能である。

４…ボールねじ
５…増速機構
６…抑制力発生器
８…ボールねじ軸
９…ボールねじナット
２２…モータロータ
３０…バッテリ
３１…抑制力制御回路
３４…スイッチング素子
３５…保護回路
３６…制御回路部
３７…電流制限抵抗
３８…回路切断手段

Claims (8)

1. ボールねじおよび電磁モータ式の抑制力発生器を有し、前記ボールねじのボールねじナットと前記抑制力発生器のモータロータとが連結され、前記ボールねじのボールねじ軸の直線運動を前記ボールねじナットの回転運動に変換し、この回転運動を前記モータロータに伝達し、前記抑制力発生器が前記回転運動を抑制する方向の力を発生することで前記ボールねじ軸の直線運動を抑制する電磁モータ式緩衝器を用いた車両用懸架装置において、
   前記抑制力発生器から出力された電流を制御して出力トルクを制御する抑制力制御回路を設け、前記抑制力発生器に対して、車両に搭載されたバッテリと、前記抑制力制御回路とを並列接続し、
   前記抑制力制御回路は、
   前記抑制力発生器から出力された電流を抑制力制御回路側へ電流を流す経路と、前記バッテリ側へ流す経路とのいずれか一方へ接続を切換え可能なスイッチング素子と、
   このスイッチング素子に直列接続され前記抑制力発生器への過電流を防ぐ保護回路と、
   を有することを特徴とする車両用懸架装置。
2. 請求項１において、前記スイッチング素子がトランジスタである車両用懸架装置。
3. 請求項２において、前記抑制力制御回路は、前記トランジスタのスイッチング周期におけるデューティを制御可能とした車両用懸架装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記保護回路は、電流を制限する電流制限抵抗と、この電流制限抵抗に並列接続された回路切断手段とを有する車両用懸架装置。
5. 請求項４において、前記回路切断手段が、ヒューズ、ブレーカー、ポリスイッチ、リレー、およびトランジスタのいずれか一つである車両用懸架装置。
6. 請求項４または請求項５において、前記抑制力制御回路は、前記スイッチング素子に接続された制御回路部を有し、この制御回路部は、前記スイッチング素子に流れる電流値に応じて、前記保護回路の前記回路切断手段をスイッチング動作させる車両用懸架装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記ボールねじナットの回転運動を増速し、前記抑制力発生器に伝達する増速機構を有する車両用懸架装置。
8. 請求項７において、前記増速機構が遊星歯車機構である車両用懸架装置。

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