JP4528974B2 - 振動抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動抑制装置に関し、特に２点間の相対位置変動を抑制する振動抑制装置に好適なものである。

機械的なバネ及びオイルダンパー等を有して構成される振動抑制装置が発生する振動抑制力は、変動または振動する２点間の相対的変位及び相対速度により決定され、バネ及びオイルダンパーなどの受動的な作用によりその機能を果たしており、この原理を用いた振動抑制装置は、一般の車両用サスペンションなどに広く利用されている。

一方、永久磁石及び電磁石とその駆動のための電源装置から構成されるリニア電磁アクチュエータなどを利用した振動抑制装置があり、電源装置から供給する電力により振動抑制力を発生させ、能動的にその機能を実現している。なおこれに関する従来の技術としては下記特許文献１に記載されている。
特開２００５−８２１４９号公報

しかしながら、一般の車両用サスペンション等に利用されている受動的な手段による振動抑制装置では、振動抑制に対する時間応答が十分でないという課題がある。

また、例えば上記特許文献１に記載の電磁石を利用した能動型振動抑制装置では、十分な時間応答が得られる反面、定常的に駆動電力を要するという問題がある。すなわち、能動型振動抑制装置が一定の力を出力する場合においても、磁力を発生させるための電磁石には直流電流を通流する必要があり、電磁石の巻線には銅損として定常的な損失が発生し、その駆動電源装置も常に動作状態としなければならず、電源装置の損失が常に生ずるという問題がある。

以上、本発明は、振動抑制に対する応答が十分速く、定常的な電力損失を防止することが可能な振動抑制装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る振動抑制装置は、周方向に交互に磁極を異ならせて形成した第１の永久磁石と、第１の永久磁石に対向して配置され、周方向に交互に磁極を異ならせて形成した第２の永久磁石と、第２の永久磁石を軸方向に移動自在に支持する支持手段と、第１の永久磁石と回転軸を介して接続され、第１の永久磁石を回転させる電動機と、電動機を制御する電動機制御装置と、を有することを特徴とする。このようにすることで、第１の永久磁石と第２の永久磁石間に働く磁力の斥力又は引力の大きさを、第１の永久磁石を回転させることにより抑制し、振動を抑制させることが可能となる。また本発明の能動型振動抑制装置は、永久磁石間に働く磁力によって振動抑制力を発生させているので、電磁石によって磁力を発生させる場合に必要な電磁石駆動電源を設ける必要が無く、さらに、電磁石の定常的損失が発生しない利点がある。

また、本発明に係る振動抑制装置において、第１の永久磁石及び第２の永久磁石は、それぞれＮ極に磁化された部分とＳ極に磁化された部分とを一つずつ有することが望ましい。このようにすることで磁力による斥力又は引力を最も強くすることが可能となる。

また、本発明に係る振動抑制装置において、電動機制御装置は、第２の永久磁石の軸方向への変位を計測する変位計測手段と、変位計測手段が計測した第２の永久磁石の変位に基づき電動機を駆動して第１の永久磁石の回転を制御する回転制御手段と、を有することが望ましい。このようにすることで、第１の永久磁石と第２の永久磁石との間に働く斥力または引力を能動的に制御することができ、より安定的に振動を抑制することができるようになる。

また、本発明に係る振動抑制装置は、周方向に交互に磁極を異ならせて形成した第１の永久磁石と、第１の永久磁石に対向して配置され、周方向に交互に磁極を異ならせて形成した第２の永久磁石と、第１の永久磁石を軸方向に移動自在に指示する支持手段と、第１の永久磁石と回転軸を介して接続され、第１の永久磁石を回転させる電動機と、電動機を制御する電動機制御装置を有することを特徴とする。このようにすることで、第１の永久磁石と前記第２の永久磁石間に働く磁力の斥力又は引力の大きさを、第１の永久磁石を回転させることにより制御して振動を抑制することができるようになる。特に、この場合、第１の永久磁石側で軸方向変位移動及び回転が可能であるため装置の設置容易性が向上する。

また本発明に係る振動抑制装置において、第１の永久磁石及び第２の永久磁石は、それぞれＮ極に磁化された部分とＳ極に磁化された部分とを一つずつ有することが望ましい。このようにすることで磁力による斥力又は引力を最も強くすることが可能となる。

また本発明に係る振動抑制装置において、電動機制御装置は、第１の永久磁石の軸方向への変位を計測する変位計測手段と、変位計測手段が計測した第１の永久磁石の変位に基づき電動機を駆動して第１の永久磁石の回転を制御する回転制御手段と、を有することが望ましい。このようにすることで、第１の永久磁石と第２の永久磁石との間に働く斥力または引力を能動的に制御することができ、より安定的に振動を抑制することができるようになる。

以上により、振動抑制に対する応答が十分速く、定常的な電力損失を防止することが可能な能動型振動抑制装置を提供することができる。

以下、本発明に係る能動型振動抑制装置について図面を用いて説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様による実施が可能であり、以下に示す実施の形態に限定されるわけではない。

（実施形態１）
図１は、本実施形態にかかる振動抑制装置（以下「本振動抑制装置」という。）の概略を示す図である。本振動抑制装置は、周方向に交互に磁極を異ならせて形成した第１の永久磁石１と、第１の永久磁石１に対向して配置され、周方向に交互に磁極を異ならせて形成した第２の永久磁石２と、第２の永久磁石２を軸方向に移動自在に支持する支持手段と、第１の永久磁石１と回転軸を介して接続され、第１の永久磁石を回転させる電動機３と、電動機３を制御する電動機制御装置と、を有している。

本実施形態に係る第１の永久磁石１は、円板形状であって、周方向に交互に磁極が異なっており、図１で示す形態の例では、半円毎にＳ極に磁化された部分とＮ極に磁化された部分とが一つずつ形成されている。なおここで周方向とは、周に沿った方向（図１の場合は円周に沿って進行する方向）を言い、周方向に異なっているとは、一周する間に、Ｓ極に磁化された部分とＮ極に磁化された部分が交互に現れるという意味である。また本実施形態では円板形状としているが、回転できる平板状である限りにおいて特段に制限されるものではなく、三角形状、四角形状等の多角形状等も可能ではある。但し、回転による制御の容易性を考慮すると円形状であることが最も好ましい。また、本実施形態においては、上述のとおり永久磁石の磁極は半円状で円形面に対して２極形成されていることを特徴の一つとしている。２極以上有することはもちろん可能ではあるが、４極以上の多極とすると、磁力線の及ぶ距離が２極のときに比較して短くなるため２極であることが最も望ましい。

第２の永久磁石は、第１の永久磁石に対向して配置され、ほぼ第１の永久磁石と同様な構成を有する。但し、第１の永久磁石、第２の永久磁石のうち対向する面には磁極を有する部分が存在していることが必要である。対向する永久磁石の磁極の関係については後述するが、回転させる角度に応じて、対向する永久磁石の磁極を有する部分が同極同士又は異極同士の部分を有するように設定しておくことが必要なためである。例えば図１の例では、第１の永久磁石１のＳ極は第２の永久磁石２のＳ極と、第１の永久磁石１のＮ極は第２の永久磁石２のＮ極と夫々対向しており、第１の永久磁石１を１８０度回転させると第１の永久磁石１のＳ極は第２の永久磁石２のＮ極と、第１の永久磁石１のＮ極は第２の永久磁石２のＳ極と対向することとなる。また、第１の永久磁石及び第２の永久磁石は永久磁石のみで構成しても良く、対向する面とは反対の面に鉄などの磁性体からなるヨークを配置しても良い。但し、ヨークを設けると引力が増加し、斥力が減少するため、斥力の強さを考慮する場合はヨークを設けない方がより好ましい。

また、本振動抑制装置の第１の永久磁石１には、回転軸３ａが接続され、この回転軸３ａの回転に同期して第１の永久磁石が回転する構成となっている。また回転軸３ａには電動機３が接続されており、電動機は後述する電動機制御手段により回転制御を受け、第１の永久磁石１を回転させる。

また第２の永久磁石には、軸方向の往復直線運動を支持するための指示手段であるリニアレール４が設置されている。ここで軸方向とは第１の永久磁石及び第２の永久磁石が対向する面に対して垂直な方向と平行な軸をいい、より具体的には第１の永久磁石１に接続される回転軸３ａに対して平行な軸を指す。本振動抑制装置においては、第１の永久磁石１が回転するため、第２の永久磁石は回転しないことが極めて望ましい。図２にリニアレール４の詳細を示す。

図２は、第２の永久磁石２とリニアレール４の詳細を示すものである。図２（Ａ）は、第２の永久磁石を正面から見た場合の正面図を、図２（Ｂ）はリニアレール４を、第２の永久磁石２を含む面で切断した場合における部分断面図を示す。

リニアレール４は、第２の永久磁石に固定される突起５と、この突起５を収め、この突起及び第２の永久磁石を軸方向に移動可能とする筐体７と、突起５及び筐体７との間に、移動を円滑に行わせるための複数のベアリングボール６と、を有して構成されている。これにより第２の永久磁石２は軸方向に移動可能とするとともに回転移動を抑制することができる。

次に、本振動抑制装置の動作について説明する。本振動抑制装置は、第１の永久磁石１と第２の永久磁石２の対向する磁極が同極となっている場合に第１の永久磁石１と第２の永久磁石２との間に働く斥力と、第１の永久磁石１と第２の永久磁石２の対向する磁極が異極となっている場合に第１の永久磁石１と第２の永久磁石２との間に働く引力とを利用する。

ここで、第１の永久磁石１と第２の永久磁石２との間、即ち、図１に示したＰとＱとの間に外力がかかり、これによる両者間の相対的変位及び振動を抑制することを目的とする場合を例に説明する。まず、例えばＰとＱとの間に第１の永久磁石１と第２の永久磁石とが近づくような方向の外力が加わった場合、本振動抑制装置は第１の永久磁石１を回転さて第２の永久磁石２における対向する磁極が同極同士となるように回転する。このようにすることで、磁力による斥力を発生させ、第１の永久磁石１と第２の永久磁石２との間に外部から永久磁石同士を近づける力が生じた場合であっても、位置の変動を抑え、即ち振動を抑えることができるようになる。一方、ＰとＱとの間に第１の永久磁石１と第２の永久磁石とが離れるような方向の外力が加わった場合、本振動抑制装置は第１の永久磁石１を回転させて第２の永久磁石２における対向する磁極が異極同士となるように設定する。このようにすることで、第１の永久磁石１と第２の永久磁石２との間に外部から離れる力が生じた場合であっても、磁力による引力を発生させ、位置の変動を抑え、即ち振動を抑えることができるようになる。なお本振動抑制装置において、ＰとＱとの間に外力がかかっていない状態においては、回転の調節により引力及び斥力が生じないよう調節しておくことが可能であるが、常にＰとＱとの間に一定の外力が加わった状態でつりあわせたい場合は、引力若しくは斥力が一定となる状態に第１の永久磁石の回転角を調整しておくことが有用である。

なお、これらの斥力及び引力を生ずる磁力の大きさとしては、第１の永久磁石１の回転角度によって連続的に変化させることができ、また、この磁力の大きさは、第１の永久磁石１と第２の永久磁石２との相対的変位にも依存するため、磁力は正負の符号を含めて第１の永久磁石１の回転角度と、第１の永久磁石１と第２の永久磁石２との相対変位の両者の関数として特性づけることができる。例えば、２つの直径８０ｍｍの円形永久磁石間に働く磁力として、それらの距離が１５ｍｍのとき、磁石間力は２００Ｎに及ぶことが実測されている。したがって、想定される引力、斥力に応じて磁石の面積などを設定することが適宜可能であり、特段に限定されるわけではない。

なおまた、上記の永久磁石の回転制御は特に限定されるわけではないが、具体的には変位計測手段、回転制御手段により構成することができる。図３に本実施形態にかかる電動機制御装置における機能ブロック図を示す。

図３に記載の機能ブロック図によると、本振動抑制装置の電動機制御装置は、第１の永久磁石１と第２の永久磁石２の間の距離の変位を計測する変位計測手段と、この変位計測手段が計測した変位に基づき第１の永久磁石の回転を前記電動機を駆動することにより制御する電動機制御手段と、を有している。なおこれら手段は、コンピュータを用い、その記録媒体に格納されたプログラムなどを実行することで実現することもできるし、基板に回路を配置した回路基板により実現することも可能である。

まず、変位計測手段は、第１の永久磁石１及び第２の永久磁石２との間において定めた基準の位置から第２の永久磁石２がどの程度軸方向に移動しているのかを計測し、その結果を変位計測データとして回転制御手段に出力する。そして回転制御手段は、この変位計測データに基づき第１の永久磁石１が回転すべき角度のデータ（角度データ）を算出し、この角度データを出力し、電動機３を介して第１の永久磁石１を回転させる。この操作を繰り返すことで詳細な回転制御、振動抑制が可能となる。

なお本回転制御手段は、第１の永久磁石１と第２の永久磁石２との間の距離が許容できる範囲外になった場合に角度データを算出し、電動機を制御する構成とすることもできる。より具体的には、例えばＰＩＤによる制御により実現が可能であり、変位計測データに基づき、予め設定しておいた変位変動の許容値との偏差が最小となるように、電動機３に電流を通流して第１の永久磁石１の角度を操作することで実現できる。なお、本電動機制御手段は、上記手段に加え、第１の永久磁石１の角度を検出する手段や、電動機電流を計測する手段があると、より高速な制御が可能となる。

電動機３の駆動には電源を要し、電動機駆動電力が必要であるが、常時電力供給を必要とする電磁石を利用した電磁アクチュエータと異なり、電動機３の回転時のみ電力を供給し、また、その電力は磁力発生には使用されないので、高効率の能動型振動抑制装置となっている。さらに、電動機３の制動時に電力回生が可能であり、また、振動を発生させる外力を利用して発電する発電機として電動機３を機能させることもその回転角度制御により可能で、これらにより、電動機駆動電源の正味の出力電力を小さくすることができる。

以上により、振動抑制に対する応答が十分速く、定常的な電力損失を防止することが可能な能動型振動抑制装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、実施形態１と指示手段が設けられている位置が異なり、それ以外はほぼ実施形態１と同様である。具体的には、実施形態１においては、第２の永久磁石２に支持手段であるリニアレール４が配置されていたが、本実施形態では第１の永久磁石１側に指示手段を設けていることを特徴とする。より具体的には電動機３の筐体に支持手段が設置されている。図４に本実施形態に係る振動抑制装置の概略図を示す。

本振動抑制装置において、第２の永久磁石２は、第１の永久磁石１を基準としてその回転及び軸方向の運動が阻止されているが、実施形態１と同様、第１の永久磁石１と第２の永久磁石２との間の相対的変位を計測する変位計測手段と、第１の永久磁石１を回転させる回転手段とを有し、電動機３の出力回転軸の回転角度を制御することにより、実施形態１と同様な効果を達成することができる。また本振動抑制装置は、第２の永久磁石２側にリニアレール４等の支持手段を設けることができない場合や、第２の永久磁石２側に磁石の変位を検出する手段等を設けることなく一箇所に各装置を集約させて実施可能となるため、省スペース化などにおいて特に有効となる。

（実施形態３）
本実施形態に係る振動抑制装置は、ほぼ実施形態１と同様な構成であるが、実施形態１における永久磁石を二つではなく多数にした場合の実施形態の例を示す。図５は本実施形態に係る振動抑制装置の概略断面図であって、永久磁石の数を４つにしているものである。

本振動抑制装置は、４つの永久磁石を有し、第１の永久磁石１０と第３の永久磁石１１は互いに常に同じ角度だけ回転し（連動し）、及び、同じ距離を保つよう回転軸３ａに固定されている。また第２の永久磁石１２及び第４の永久磁石１３は互いに連動用支持体１４により固定されており、常に同じ距離を保つように（連動するように）固定されている。なお、本実施形態において第１の永久磁石１０及び第３の永久磁石１１の間には第２の永久磁石１２が配置され、かつ、中心近傍に穴が設けられており、その穴を回転軸３ａが接触することなく貫通している。更に第２の永久磁石１２と第４の永久磁石１３の少なくともどちらか一方には軸方向に移動自在に支持する支持手段であるリニアレールが設けられており、第２の永久磁石１２及び第４の永久磁石１３は回転しないよう固定されている。なおこれ以外の構成はほぼ実施形態１と同様であり、このようにすることで、大きな磁力が得られ、振動抑制力を増加させることができる。また、通常、円板状の永久磁石では、反対の面においても磁極が形成されているため、このようにカスケード状にすることにより、永久磁石の磁極をより有効に活用することができている。

なお、本実施形態においては、第２の永久磁石１２、第４の永久磁石１３の少なくとも一方にリニアレールを設ける構造としているが、実施形態２と同様、第１の永久磁石１０及び第３の永久磁石１１の少なくとも一方にリニアレールを設けることも可能であり、同様な効果を得ることができる。

本発明は、自動車，自動二輪及び自転車などのサスペンション，その他の搬送機のサスペンション、建築物の耐震装置など、外力によって振動する２点間の振動抑制に適用できる。

実施形態１に係る振動抑制装置の概略図。 （Ａ）第２の永久磁石２の正面図。（Ｂ）リニアレール近傍の部分拡大図。 実施形態１に係る振動抑制装置の動力機制御装置のブロック図。 実施形態２に係る振動抑制装置の概略図。 実施形態３に係る振動抑制装置の概略断面図。

符号の説明

１…第１の永久磁石、２…第２の永久磁石、３…電動機、３ａ…回転軸、４…リニアレール、５…突起、６…ベアリングボール、７…筐体、８…電動機制御装置、１０…第１の永久磁石、１１…第３の永久磁石、１２…第２の永久磁石、１３…第４の永久磁石、１４…支持体

Claims (8)

1. 周方向に交互に磁極を異ならせて形成した円板状の第１の永久磁石と、
   該第１の永久磁石に対向して配置され、両面において周方向に交互に磁極を異ならせて形成した円板状の第２の永久磁石と、
   前記第１の永久磁石との間に第２の永久磁石が配置されるよう前記第１の永久磁石に回転軸を介して固定され、かつ、両面において周方向に交互に磁極を異ならせて形成した円板状の第３の永久磁石と、
   前記第２の永久磁石との間に第３の永久磁石が配置されるよう前記第２の永久磁石と固定され、かつ、周方向に交互に磁極を異ならせて形成した円板状の第４の永久磁石と、
   前記第２の永久磁石と前記第４の永久磁石を固定し、かつ、前記第２の永久磁石と前記第４の磁石を軸方向に移動自在に支持する支持手段と、
   前記第１の永久磁石と回転軸を介して接続され、前記第１の永久磁石及び第３の永久磁石を同じ角度回転させる電動機と、
   前記電動機を制御する電動制御装置と、を有する振動抑制装置。
2. 前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石間に働く磁力の斥力又は引力の大きさを、前記第１の永久磁石を回転させることにより制御して振動を抑制することを特徴とする請求項１記載の電動制御装置。
3. 前記第１の永久磁石乃至前記第４の永久磁石は、それぞれＮ極に磁化された部分とＳ極に磁化された部分とを少なくとも一つずつ有することを特徴とする請求項１記載の振動抑制装置。
4. 前記電動機制御装置は、
   前記第２の永久磁石の軸方向への変位を計測する変位計測手段と、
   該変位計測手段が計測した前記第２の永久磁石の変位に基づき前記電動機を駆動して前記第１の永久磁石の回転を制御する回転制御手段と、を有することを特徴とする請求項１記載の振動抑制装置。
5. 周方向に交互に磁極を異ならせて形成した円板状の第１の永久磁石と、
   該第１の永久磁石に対向して配置され、両面において周方向に交互に磁極を異ならせて形成した円板状の第２の永久磁石と、
   前記第１の永久磁石との間に第２の永久磁石が配置されるよう前記第１の永久磁石に回転軸を介して固定され、かつ、両面において周方向に交互に磁極を異ならせて形成した円板状の第３の永久磁石と、
   前記第２の永久磁石との間に第３の永久磁石が配置されるよう前記第２の永久磁石と固定され、かつ、周方向に交互に磁極を異ならせて形成した円板状の第４の永久磁石と、
   前記第１の永久磁石と前記第３の永久磁石を固定し、かつ、前記第１の永久磁石と前記第３の磁石を電動機とともに軸方向に移動自在に支持する支持手段と、
   前記第１の永久磁石と回転軸を介して接続され、前記第１の永久磁石及び第３の永久磁石を同じ角度だけ回転させる電動機と、
   前記電動機を制御する電動制御装置と、を有する振動抑制装置。
6. 前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石間に働く磁力の斥力又は引力の大きさを、前記第１の永久磁石を回転させることにより制御して振動を抑制することを特徴とする請求項５記載の電動制御装置。
7. 前記第１の永久磁石乃至前記第４の永久磁石は、それぞれＮ極に磁化された部分とＳ局に磁化された部分とを少なくとも一つずつ有することを特徴とする請求項５記載の振動抑制装置。
8. 前記電動機制御装置は、
   前記第２の永久磁石の軸方向への変位を計測する変位計測手段と、
   該変位計測手段が計測した前記第２の永久磁石の変位に基づき前記電動機を駆動して前記第１の永久磁石の回転を制御する回転制御手段と、を有することを特徴とする請求項５記載の振動抑制装置。