JP2018135942A - 振動低減方法及び振動低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動を精度よく抑制する。
【解決手段】減算器３１には、検出加速度と推定加速度が入力されている。検出加速度は、加速度センサ２３で検出される。推定加速度は、アクチュエータ１５に発生する逆起電力と、ロッド部からアクチュエータ１５までの伝達関数Ｈと、慣性マス１４の共振周波数域外の成分を除去するローパスフィルタと、を用いて算出される。減算器３１では、検出加速度から推定加速度を減じることで得られるアクチュエータ制御量を出力している。アクチュエータ制御量は、電圧増幅回路３４でゲインＧが乗算される。アクチュエータ１５は、アクチュエータ制御量にゲインＧが乗算された制御入力により制御される。
【選択図】図９

Description

本発明は、振動の入力を低減する振動低減方法及び振動低減装置に関する。

例えば、特許文献１には、かごの振動によるガイドローラの変位に伴って電磁アクチュエータに発生する電流からかごの振動を推定し、推定したかごの振動に応じて当該振動を抑制するための指令信号を上記電磁アクチュエータに出力するエレベータの制振装置が開示されている。

特開２００４−２４４１７３号公報

しかしながら、この特許文献１において、ガイドローラは、かごに振動が発生するとかごに対して水平方向に変位する構成となっている。そのため、大きさや方向が異なる振動であっても、ガイドローラの水平方向の変位量が同じになる場合がある。つまり、特許文献１においては、ガイドローラの変位量が同じであっても、かごに生じている振動が同一の振動（大きさや方向が同じ振動）とは限らず、常にかごに生じている振動を精度よく推定しているとは限らない。

従って、特許文献１においては、実際の振動を精度よく推定できていない場合、振動を精度良く制振できない虞がある。

本発明の振動低減方法は、慣性マスをロッド部の軸方向に往復動させるアクチュエータに発生する逆起電力に基づいて上記ロッド部の推定加速度を算出し、上記ロッド部の加速度を検出する加速度検出部で検出された加速度から上記推定加速度を減じることで得られるアクチュエータ制御量を用いて、上記アクチュエータを制御することを特徴としている。

本発明によれば、アクチュエータに発生する逆起電力に応じて、アクチュエータを制御するアクチュエータ制御量を小さくすることができ、慣性マスの過剰な動き（振動）を抑制できる。そのため、異音の発生が抑制され、高い静粛性を確保することができる。

本発明に係る振動低減装置が適用されたエンジンの概略斜視図。 トルクロッドの概略構成を模式的に示した説明図。 ロッド部に生じる加速度の一例を示す特性図。 ロッド部に生じる加速度の一例を示す特性図。 ロッド部に生じる加速度の一例を示す特性図。 ロッド部に生じる加速度の一例を示す特性図。 図２に示すアクチュエータの等価電気回路図。 ローパスフィルタの一例を示す特性図。 アクチュエータの制御の一例を示すブロック図。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、ペンデュラム方式のエンジンマウント装置に本発明の振動低減装置を適用したエンジン（内燃機関）１の概略を模式的に示した概略斜視図である。なお、図１におけるＸ軸が車両前後方向、図１におけるＹ軸が車両左右（幅）方向、図１におけるＺ軸が車両上下方向、をそれぞれ示している。

図１において、エンジン１はクランクシャフトが車両の左右方向に沿って置かれた横置きタイプで、車両右側（図１における右側）がエンジンフロントである。

エンジン１は、重心より上（図１のおける上方）の２箇所を右側エンジンマウント２及び左側エンジンマウント３により支持されている。すなわち、右側エンジンマウント２によって車両右側からエンジン１のフロント側が、左側エンジンマウント３によって車両左側からエンジン１のリア側が支持されている。このように、振動体（振動源）であるエンジン１を振り子状に車体側部材にマウントする構造がペンデュラム方式のエンジンマウント装置である。

ペンデュラム方式のエンジンマウント装置では、エンジン１の運転時に回転慣性力によって２つのマウント点を結んだ軸の回りにエンジン１が傾く。この傾きを防止してエンジン１を支持するため、エンジンマウント装置は、トルクロッド４、５を有している。

トルクロッド４は、エンジン１の略上半分と車体側部材（図示しない）とを連結するものである。

トルクロッド５は、エンジン１の略下半分と車体側部材６とを連結するものである。

トルクロッド４、５は、車体側に伝達される振動を低減するため、後述する２重防振の効果が得られるとともに、後述するロッド剛体共振を抑制可能な構成となっている。

ここで、トルクロッド４とトルクロッド５とは、実質的に略同一構成となっている。そこで、説明の便宜上、以下の説明では、下側のトルクロッド５について説明することで、トルクロッド４の説明を兼ねるものとする。

図２は、トルクロッド５の概略を模式的に示した説明図である。トルクロッド５は、棒状（直線状）のロッド部１０と、ロッド部１０の一端に接続された第１インシュレータとしての第１ブッシュ１１と、ロッド部１０の他端に接続された第２インシュレータとしての第２ブッシュ１２と、ロッド部１０に弾性支持ばね１３を介して支持された慣性マス１４と、慣性マス１４をロッド部１０の軸方向に往復動させるアクチュエータ１５と、を有している。

第１ブッシュ１１は、円筒状の第１外筒１７と、第１外筒１７と同心で円筒状の第１内筒１８と、第１外筒１７と第１内筒１８とを連結する第１弾性体１９と、を有している。第１ブッシュ１１は、第１内筒１８に対して図２の紙面垂直方向に挿入されるボルト（図示せず）によって、エンジン１に固定される。

第２ブッシュ１２は、円筒状の第２外筒２０と、第２外筒２０と同心で円筒状の第２内筒２１と、第２外筒２０と第２内筒２１とを連結する第２弾性体２２と、を有している。第２ブッシュ１２は、第２内筒２１に対して図２の紙面垂直方向に挿入されるボルト（図示せず）によって、車体側部材６に固定される。

第１弾性体１９及び第２弾性体２２は、ばね（弾性）と減衰（減衰性）の機能を合わせ持つ材料からなり、例えば弾性ゴムからなっている。

第１ブッシュ１１と第２ブッシュ１２とでは、外筒及び内筒の径が互いそれぞれ異なっている。すなわち、第１ブッシュ１１の第１外筒１７の外径は、第２ブッシュ１２の第２外筒２０の外径よりも大きく設定されている。また、第１ブッシュ１１の第１内筒１８の外径は、第２ブッシュ１２の第２内筒２１の外径よりも大きく設定されている。

そして、第２ブッシュ１２の第２弾性体２２の剛性は、第１ブッシュ１１の第１弾性体１９の剛性よりも大きく設定されている。

第１ブッシュ１１における第１弾性体１９の剛性と、第２ブッシュ１２における第２弾性体２２の剛性と、を異なる値に設定することで、トルクロッド５には、２つの共振点が現れる。すなわち、トルクロッド５は、２つの異なる周波数において２重防振に適したロッド軸方向（ロッド部軸方向であり、図２における上下方向）のエンジン剛体共振とロッド剛体共振とを生じさせている。

第２ブッシュ１２の第２外筒２０の外周面には、ロッド部１０の軸心の延長線上となる位置に、加速度検出部としての加速度センサ２３が取り付けられている。加速度センサ２３は、エンジン１からトルクロッド５に伝達される振動の加速度を検出するものであって、ロッド部１０のロッド軸方向の振動の加速度を検出する。

エンジン剛体共振の共振周波数は、エンジン１の質量と、第１弾性体１９の剛性（ばね定数）とで決まる。ロッド剛体共振の共振周波数は、ロッド部１０、第１外筒１７及び第２外筒２０の質量と、第２弾性体２２の剛性（ばね定数）とで決まる。

エンジン剛体共振の共振周波数及びロッド剛体共振の共振周波数は、エンジン１単体での曲げ、捩りの一次の共振周波数よりも小さくに設定される。エンジン１単体での曲げ、捩りの一次の共振周波数は、一般的な車両用エンジンでは、２８０Ｈｚ〜３５０Ｈｚ程度である。そこで、エンジン剛体共振の共振周波数は、例えば、ほぼゼロに近い周波数に設定される。ロッド剛体共振の共振周波数は、例えば、２００Ｈｚに近い周波数に設定される。

このようにエンジン剛体共振及びロッド剛体共振を２つの異なる周波数（低周波域のエンジン剛体共振の共振周波数と、中周波域のロッド剛体共振の共振周波数との２箇所）で生じさせてエンジン１から車体側に伝達される振動を防止することで２重防振の効果を得ることができる。

慣性マス１４は、磁性を有する金属等からなり、角筒型状（図１を参照）を呈している。慣性マス１４の内壁面１４ａは、その一部が内側に向かって突出するよう形成されている。慣性マス１４は、その軸方向に直交する平面と平行な断面形状が、ロッド部１０の中心（重心）を中心にして点対称となっている。慣性マス１４の重心は、ロッド部１０の中心と一致している。

アクチュエータ１５は、ロッド部１０のロッド軸方向に沿った振動を抑制可能なものであって、慣性マス１４とロッド部１０との間の空間に位置している。

アクチュエータ１５は、ロッド部１０の外周に固定された角筒状のコア２５と、コア２５に巻き掛けられたコイル２６と、コア２５に取り付けられた永久磁石２７と、を有している。

アクチュエータ１５は、コイル２６と永久磁石とが発生する磁界によるリアクタンストルクによって慣性マス１４をロッド部１０の軸方向に往復動させることが可能となっている。

アクチュエータ１５は、加速度センサ２３で検出した振動のロッド軸方向に沿った速度に略比例した力を逆符号とした力が発生するよう制御される。つまり、アクチュエータ１５に発生する力は、ロッド部１０のロッド軸方向に沿った速度に比例し、ロッド部１０のロッド軸方向に沿った加速度の向きとは逆向きの力となる。

アクチュエータ１５は、永久磁石２７に発生する磁界の方向（図２中の矢印Ａ）に対して、慣性マス１４に発生する駆動力の方向（図２中の矢印Ｂであり、図２における上下方向）が交差している。換言すると、永久磁石２７に発生する磁界の方向に対して、慣性マス１４に発生する駆動力の方向が直交している。

そのため、ロッド部１０が振動しても、永久磁石２７に発生する磁界の方向が変化せず、アクチュエータ１５に発生する逆起電力からロッド部１０の振動の推定が容易になっている。

コア２５は、積層鋼板から構成されている。詳述すると、コア２５は、例えば電磁鋼板からなる複数個の部材をロッド部１０の周囲に接着剤で接着することで構成される。コア２５は、コイル２６の磁路を構成する。

コイル２６は、ロッド部１０の軸方向に沿ってコア２５に巻き掛けられた導線（図示せず）からなる。

永久磁石２７は、ロッド部１０の外周側に配置された慣性マス１４と対向するように、コア２５の外周面に設けられている。

慣性マス１４とロッド部１０とを連結する弾性支持ばね１３は、比較的小さい剛性（ばね定数）を有している。また、慣性マス１４のロッド軸方向の共振周波数は、例えば１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度の低周波数で生じるものとする。例えば４気筒エンジンのアイドル回転速度２次の振動周波数は約２０Ｈｚである。そのため、慣性マス１４の共振周波数が１０Ｈｚ程度であれば、エンジン１の運転条件によらず慣性マス１４の共振を抑えることができる。

また、慣性マス１４の共振周波数を１０Ｈｚ程度の低周波数に設定しようとすると、慣性マス１４の質量が重くなる。そのため、慣性マス１４の質量を重くするような設定が困難な場合には、ロッド剛性共振（本実施形態では２００Ｈｚ）の約１／２の周波数より低く設定しておけば、互いの共振周波数が十分に離れ、振動伝達の抑制が十分に行なわれる。

ここで、トルクロッド５には、慣性マス１４の共振周波数域内の振動が入力される場合がある。このような振動を抑制するようにアクチュエータ１５を制御すると、慣性マス１４の過剰な動き（振動）を招き、音振性能が悪化する可能性がある。

ロッド軸方向に沿った振動の入力によりロッド部１０に振動が生じている場合、加速度センサ２３で検出される加速度の周波数特性は、例えば図３に示すように、慣性マス１４の共振周波数域外にピークが１つ生じたものとなる。この場合、アクチュエータ１５により制振すると、加速度のピークが慣性マス１４の共振周波数域外にあるため、トルクロッド５に生じた加速度を例えば図４に示すように抑制できる。

ロッドヨー共振による振動の入力によりロッド部１０に振動が生じている場合、加速度センサ２３で検出される加速度の周波数特性は、例えば図５に示すように、慣性マス１４の共振周波数域外と共振周波数域内にそれぞれ１つずつピークが生じたものとなる。この場合、アクチュエータ１５により制振すると、２つある加速度のピークのうち、慣性マス１４の共振周波数域内にある低周波側の加速度のピークについては、例えば図６に示すように、加速度のピークが増幅されてしまう可能性がある。これは、慣性マス１４の共振周波数域の振動を制振しようとアクチュエータ１５が動くことで、慣性マス１４が過剰に動いてしまい、結果的にロッド部１０の加速度が増幅される可能性があるためである。

このように、慣性マス１４の共振周波数域では、慣性マス１４が過剰に動きやすく、アクチュエータ１５への制御指示値を減らすことが望ましい。ただし、ハイパスフィルタ等を適用して単にアクチュエータ１５への制御指示値を減らしてしまうと、所期の制振力が得られなくなる。

そこで、アクチュエータ１５に発生する逆起電力を用いてロッド部１０のロッド軸方向の加速度を推定する。そして、推定した加速度である推定加速度を加速度センサ２３で検出された加速度である検出加速度から減じることで得られるアクチュエータ制御量を用いてアクチュエータ１５を制御する。

図７は、アクチュエータ１５の等価電気回路を示している。図７において、ｒは抵抗、Ｅはアクチュエータ１５に発生する逆起電力、Ｖ_sはアクチュエータ１５への入力電圧、Ｖ_cはアクチュエータ１５に加わる電圧、Ｉ_cはアクチュエータ１５に流れる電流、Ｚ_c ^*はアクチュエータ１５のインピーダンス、である。インピーダンスＺ_c ^*は、アクチュエータ１５の巻き線抵抗Ｒｃ及びアクチュエータ１５のコイルインダクタンスＬｃを用いて表すことも可能である。

アクチュエータ１５で発生する逆起電力Ｅ（ｔ）と、ロッド部１０のロッド軸方向に沿った振動の速度Ｓｘ_rel（ｔ）とは、所定の比例定数Ｋ_aを用いると、次式（１）のような関係が成り立つ。ここで、本明細書においては、「ｘドット」の微分記号を適宜記号「Ｓ」を用いて表現している。イメージデータによる数式においては、「ｘドット」を用いることもある。なお、ロッド部１０のロッド軸方向に沿った振動の速度Ｓｘ_rel（ｔ）は、図１に示す実システムではエンジン１に対するアクチュエータ１５の相対速度に対応する。

ここで、加速度センサ２３の検出値を積分すれば、ロッド部１０のロッド軸方向に沿った振動の速度Ｓｘ_rel（ｔ）、すなわちアクチュエータ１５のロッド軸方向に沿った速度を算出可能である。

従って、アクチュエータ１５に発生する逆起電力Ｅ（ｔ）は、加速度センサ２３の検出値を積分して得られる速度Ｓｘ_rel（ｔ）を用いて算出可能である。

また、逆起電力Ｅ（ｔ）は、図７に示したアクチュエータ１５の等価電気回路より、次式（２）のように算出することも可能である。この場合には、アクチュエータ１５に加わる電圧Ｖ_cを計測するセンサと、アクチュエータ１５に流れる電流Ｉ_cを計測するセンサが必要となる。

このように、逆起電力Ｅ（ｔ）は、例えば加速度センサ２３等の検出値を用いることで算出可能である。

上記推定加速度は、アクチュエータ１５に発生する逆起電力と、ロッド部１０からアクチュエータ１５までの伝達関数Ｈと、所定のローパスフィルタ（ＬＰＦ）と、を用いて算出される。

上記逆起電力は、ロッド部１０と慣性マス１４との相対速度に関するものである。

上記伝達関数Ｈは、上記逆起電力と上記推定加速度とを関連付けるものであり、例えば、予め用意されたマップ等を用いて上記逆起電力から上記推定加速度を導く（算出する）ものである。換言すれば、上記伝達関数Ｈは、上記逆起電力を加速度に変換するものである。

上記ローパスフィルタは、慣性マス１４の共振周波数域の周波数成分のみを通すものであり、例えば、図８に示すような特性を有するものである。上記ローパスフィルタとしては、例えば、５０〜６０Ｈｚ程度の低周波数成分までを通すものを使用する。上記ローパスフィルタは、所定の周波数域の周波数成分、すなわち慣性マス１４の共振周波数域外の周波数成分を除去するものである。

これにより、図５に示すような加速度センサ２３の検出値に対して上記逆起電力に基づく上記推定加速度を減じる補正を行うことによって、トルクロッド５のロッド部１０に生じる振動の加速度を図４に示すような特性となるように制御することが可能となる。

詳述すると、慣性マス１４の共振周波数域で、上記アクチュエータ制御量を相対的に小さくでき、慣性マス１４の過剰な動き（振動）を抑制できる。そのため、比較的簡単な制御ロジックで慣性マス１４の過剰な動きに起因する異音の発生を抑制でき、高い静粛性を確保することができる。

また、加速度センサ２３は、アクチュエータ１５で制振する周波数域の検出値に位相の遅れや進みが生じるものであっても使用可能である。つまり、加速度センサ２３には、高精度のセンサを用いなくてもよいので、高い静粛性を安価に実現可能である。

図９は、アクチュエータ１５の制御の一例を示すブロック図である。

加速度センサ２３は、トルクロッド５への振動の入力により生じるロッド部１０のロッド軸方向の加速度を検出する。加速度センサ２３で検出される加速度（上記検出加速度）は、後述する制御部３５の構成要素である減算器３１に入力される。

減算器３１には、上記逆起電力と、上記伝達関数Ｈと、上記ローパスフィルタと、に基づいて算出された上記推定加速度も入力されている。

図９中の３２は、上記逆起電力に上記ローパスフィルタによる処理を施すローパスフィルタ処理回路である。図９中の３３は、上記ローパスフィルタによる処理を施した上記逆起電力から上記伝達関数Ｈを用いて加速度を演算する伝達関数処理回路である。ローパスフィルタ処理回路３２及び伝達関数処理回路３３は、制御部３５の構成要素である。

つまり、上記推定加速度は、上記ローパスフィルタを用いて、慣性マス１４の共振周波数域外の成分を除去されている。

このように上記ローパスフィルタを用いることにより、所定の周波数域の成分が除去され、制振したい周波数成分に影響を与えることなく、こもり音を低減でき、高い静粛性を確保することができる。

なお、上記伝達関数Ｈにより上記逆起電力を加速度に換算した状態で、上記ローパスフィルタによる処理を施すことも可能である。つまり、図９において、ローパスフィルタ処理回路３２と伝達関数処理回路３３とを入れ替えることも可能である。

減算器３１では、上記検出加速度から上記推定加速度を減じることで得られる上記アクチュエータ制御量を出力している。上記アクチュエータ制御量は、制御部３５の構成要素である電圧増幅回路３４でゲインＧが乗算される。アクチュエータ１５は、上記アクチュエータ制御量にゲインＧが乗算された制御入力により制御される。

制御部３５は、減算器３１と、ローパスフィルタ処理回路３２と、伝達関数処理回路３３と、電圧増幅回路３４と、を有し、上記逆起電力に基づいて上記推定加速度を算出するとともに、上記検出加速度から上記推定加速度を減じることで得られる上記アクチュエータ制御量を用いて、アクチュエータ１５を制御するものである。

なお、本実施例では、第１ブッシュ１１をエンジン１に、第２ブッシュ１２を車体に固定する構成であるが、これに限らず、第１ブッシュ１１を車体に、第２ブッシュ１２をエンジン１に固定する構成としてもよい。

トルクロッド５は、第１、第２ブッシュ１１、１２の内筒１８、２１に挿通される２つのボルト（図示せず）が平行に配置されるのに対して、図１に示されるトルクロッド４は、第１、第２ブッシュ１１、１２の内筒１８、２１に挿通される２つのボルト３６、３７が互いに直交する向きに配置されている。すなわち、トルクロッド５においては、第１ブッシュ１１と第２ブッシュ１２の軸方向が平行となっているのに対して、トルクロッド４においては、第１ブッシュ１１と第２ブッシュ１２の軸方向が互いに直交している。このように、トルクロッド５とトルクロッド４とでは、第１ブッシュ１１と第２ブッシュ１２の相対的な関係性（向き）が異なっているが、それ以外は同一の構成であり、機能として両者で全く変わらないものである。従って、トルクロッド５とトルクロッド４は、どちらも本願発明に適用可能な構成である。

そして、制振に関係のない運転状態（機関回転数）である場合には、アクチュエータ１５の制御を停止するようにすれば、アクチュエータ１５の消費電力を低減できる。

アクチュエータ１５により低減される振動は、エンジン１から車体に伝達される振動に限定されるものではなく、エンジン１以外の振動源からこの振動源を支持する支持体に伝達される振動であってもよい。

また、上述した実施例は、振動低減方法及び振動低減装置に関するものである。

５…トルクロッド
１０…ロッド部
１１…第１ブッシュ（第１インシュレータ）
１２…第２ブッシュ（第２インシュレータ）
１３…弾性支持ばね
１４…慣性マス
１５…アクチュエータ
２３…加速度センサ
３１…減算器
３２…ローパスフィルタ処理回路
３３…伝達関数処理回路
３４…電圧増幅回路
３５…制御部

Claims (7)

1. 振動源に取り付けられる第１インシュレータと、
   上記振動源を支持する支持体に取り付けられる第２インシュレータと、
   上記第１インシュレータと上記第２インシュレータとを連結するロッド部と、
   上記ロッド部に支持された慣性マスと、
   上記ロッド部の加速度を検出する加速度検出部と、
   上記慣性マスを上記ロッド部の軸方向に往復動させるアクチュエータと、
   上記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、上記振動源から上記支持体に伝達される振動を低減する振動低減方法において、
   上記制御部は、上記アクチュエータに発生する逆起電力に基づいて上記ロッド部の推定加速度を算出するとともに、上記加速度検出部で検出された加速度から上記推定加速度を減じることで得られるアクチュエータ制御量を用いて、上記アクチュエータを制御することを特徴とする振動低減方法。
2. 上記逆起電力は、上記ロッド部と上記慣性マスとの相対速度に関するものであることを特徴とする請求項１に記載の振動低減方法。
3. 上記アクチュエータは、上記ロッド部の外周に固定されたコアと、上記ロッド部に沿って上記コアに巻き掛けられたコイルと、上記ロッド部の外周側に配置された上記慣性マスと対向するよう上記コアに取り付けられた永久磁石と、を有し、
   上記永久磁石に発生する磁界の方向に対して、上記慣性マスに発生する駆動力の方向が交差していることを特徴とする請求項１または２に記載の振動低減方法。
4. 上記推定加速度は、ローパスフィルタを用いて所定の周波数域の成分が除去されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動低減方法。
5. 上記振動源は、車両に搭載される内燃機関であり、
   上記支持体は、内燃機関が搭載される車両の車体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の振動低減方法。
6. 上記逆起電力は、上記ロッド部から上記アクチュエータまでの伝達関数によって加速度に変換されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の振動低減方法。
7. 振動源に取り付けられる第１インシュレータと、
   上記振動源を支持する支持体に取り付けられる第２インシュレータと、
   上記第１インシュレータと上記第２インシュレータとを連結するロッド部と、
   上記ロッド部に支持された慣性マスと、
   上記ロッド部の加速度を検出する加速度検出部と、
   上記慣性マスを上記ロッド部の軸方向に往復動させるアクチュエータと、
   上記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、上記振動源から上記支持体に伝達される振動を低減する振動低減装置において、
   上記制御部は、上記アクチュエータに発生する逆起電力に基づいて上記ロッド部の推定加速度を算出するとともに、上記加速度検出部で検出された加速度から上記推定加速度を減じることで得られるアクチュエータ制御量を用いて、上記アクチュエータを制御することを特徴とする振動低減装置。

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