JP4662163B2 - 振動減衰装置 - Google Patents

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Description

本発明は、振動発生源に加振することで、その振動発生源の振動を能動的に減衰させる振動減衰装置に関する。
エンジンやモータなどを有する機械や建物などの構造物が振動するとき、その振動と逆位相の振動を加振することで、それらの振動を能動的に減衰させる振動減衰装置がある。例えば、特許文献1に記載の振動減衰装置は、振動発生源となるエンジンで発生した振動とは逆位相の振動を、電磁アクチュエータを用いて加振するものである。また、この振動減衰装置は、エンジンの運転状態に応じた防振を行うことを目的としている。つまり、エンジンを備えた車両がアイドル運転状態であるときの低周波数の振動に対する防振と、車両が走行運転状態であるときの高周波の振動に対する防振を行うとき、異なる手法で導出した制御信号に基づいて電磁アクチュエータを駆動している。
特開2005−299832号公報
エンジンなどの振動発生源は車体などの固定端に装着されているため、その固定端と振動発生源とにより構成される振動系は共振周波数を持つ。振動発生源が共振周波数又はその近傍で振動すると、その振動が増幅されて振幅が大きくなる。この共振周波数は、固定端への振動発生源の接続方法(例えば、バネを介した接続等)や振動発生源の質量などによって変化するため、特許文献1に記載されているように、アイドル運転状態と走行運転状態とで制御を変えるという単純な方法では、共振している振動系には対応できない。
但し、振動発生源で発生した振動とは逆位相の加振力を発生させるための電磁アクチュエータを大型化すれば、共振状態での振動系の振幅を減衰させるのに十分な出力を得ることができる。しかし、その場合には電磁アクチュエータを備えた振動減衰装置が大型化することで、装置コストが上昇するという問題や、装置を配置する際の物理的なスペースが確保し難くなるという問題などが発生する。また、振動減衰装置を大型化すると、振動発生源が共振周波数以外の周波数で振動しており、振動系の振幅が小さいときには、振動減衰装置の能力を十分に生かしきれないという問題も発生する。
他方で、振動減衰装置が小型のままであると、振動発生源が共振周波数以外の周波数で振動しているときには、装置の能力を十分に発揮して、効果的な防振を行える。しかし、振動発生源が共振周波数で振動しているときには、防振を試みても、共振による振幅が大きすぎて効果的な防振が行えないため、防振を試みるために要する電気エネルギが無駄に費やされることになる。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、防振に要するエネルギを浪費することなく、効果的な防振を実行可能な振動減衰装置を提供する点にある。
上記目的を達成するための本発明に係る振動減衰装置の特徴構成は、振動発生源に加振することで、前記振動発生源の振動を能動的に減衰させる振動減衰装置であって、
前記振動発生源の振動状態を検出する振動状態検出手段と、
磁極と、当該磁極によって形成される磁束を鎖交するように設けられるコイルと、当該コイルと電気的に接続される制御手段とを有し、前記コイルへの通電状態を制御して前記コイルと前記磁極とを相対振動させることで前記振動発生源に加振する加振器とを備え、
前記制御手段は、前記振動発生源に加振して前記振動発生源の振動を減衰させる加振モードと、前記振動発生源の振動によって前記コイルで発生した起電力に基づく回生電流を回生抵抗に流す回生モードとを、前記振動状態に基づいて切り換えるように構成されている点にある。
上記特徴構成によれば、制御手段は、振動発生源の振動状態が加振を行って振動を減衰させるのに適当であると判定すると上記加振モードを実行し、振動発生源の振動状態が加振を行うことが不適当であると判定すると上記加振モードを実行せずに上記回生モードを実行するようになる。つまり、振動発生源に加振を行うと振動を効果的に減衰可能であるときにはコイルに電気エネルギを与えて防振を行い、振動発生源に加振を行っても振動を効果的に減衰できないときにはコイルに電気エネルギを与えずにエネルギの浪費を抑制する。
また、本特徴構成の振動減衰装置は、上記回生モードでは振動発生源の振動(運動エネルギ)を回生電流(電気エネルギ)に変換し、回生抵抗においてジュール熱(熱エネルギ)の形態で消費する。つまり、上記回生モードにおいても、振動発生源の振動が減衰されることになる。
従って、防振に要するエネルギを浪費することなく、効果的な防振を実行可能な振動減衰装置を提供できる。
本発明に係る振動減衰装置の別の特徴構成は、前記振動発生源は回転機械を有し、
前記振動状態検出手段は、前記振動状態として前記回転機械の回転数を検出し、
前記制御手段は、前記回転数が設定範囲内にあるときに前記回生モードに切り換えるように構成されている点にある。
上記特徴構成によれば、回転機械である振動発生源の振動状態を、その回転数を検出して判定するので、高価な加速度センサを用いて振動発生源の振動状態を検出しなくてもよくなる。その結果、振動減衰装置を安価にできる。
本発明に係る振動減衰装置の別の特徴構成は、前記振動状態検出手段は、前記振動状態として前記振動発生源の振動加速度を検出し、
前記制御手段は、前記振動加速度の変動周波数が設定範囲内にあるときに前記回生モードに切り換えるように構成されている点にある。
上記特徴構成によれば、振動発生源の振動状態を、振動発生源の振動加速度に基づいて判定するので、より正確な振動状態の検出が可能になる。
本発明に係る振動減衰装置の別の特徴構成は、前記加振モードは、前記振動状態が前記設定範囲の前後の境界範囲にあるときに実行される加振抑制モードと加振遂行モードとを有し、
前記制御手段は、
前記加振遂行モードにおいて、前記コイルへの通電時間を、前記振動状態検出手段の検出結果に基づく前記振動発生源の振動が大きくなると前記コイルへの通電時間を長くする第1関係に基づいて設定する第1PWM制御を実行し、
前記加振抑制モードにおいて、前記コイルへの通電時間を、前記第1関係により導出される前記コイルへの通電時間よりも短く設定する第2PWM制御を実行するように構成されている点にある。
上記特徴構成によれば、振動発生源の振動が大きくなるにつれてコイルへの通電電流を大きくする制御(所謂、PAM制御)を行うのではなく、コイルへの通電電流を一定のまま通電時間を長くする上記第1PWM制御を行うので、コイルへの通電を入切するスイッチを設けるだけでよく、コイルへの通電電流を可変にする機構などは不要である。よって、振動減衰装置を簡単な構成で実現できる。
また、振動発生源の振動状態が設定範囲にあるときに行われる回生モードでは振動の減衰を十分に行っていないため、加振モードから回生モードに制御が直接切り換わると、回生モードにおいて振動が突然現れる虞がある。但し、本特徴構成の振動減衰装置では、加振モードの実行中であって、振動発生源の振動状態が上記設定範囲の前後の境界範囲にあるとき、コイルへの通電時間を、第1関係により導出されるコイルへの通電時間よりも短く設定する上記第2PWM制御を行う加振抑制モードを実行する。つまり、加振抑制モードでは、振動発生源の振動の減衰を意図的に不十分にして振動が現れるようにすることで、加振モードから回生モードに制御が切り換わるときに振動が突然現れるのではなく、徐々に現れるようにできる。
以下に図面を参照して本発明に係る振動減衰装置について説明する。
図1は、振動減衰装置1の構成を説明する模式図であり、図2及び図3は、振動減衰装置1における加振器5の制御回路Cの概略的な電気回路図である。本発明に係る振動減衰装置1は、振動発生源としてのエンジン2に加振することで、そのエンジン2の振動を能動的に減衰させる加振器5を備えている。加振器5は、磁極6と、その磁極6によって形成される磁束を鎖交するように設けられるコイル9と、そのコイル9を有する制御回路Cとを備える。また、制御回路Cは、後述するスイッチ部SW1、SW2、SW3、SW4の入切を制御する演算処理部15と接続されている。そして、コイル9と電気的に接続される制御手段としての演算処理部15は、エンジン2の振動を能動的に減衰させる処理を実行する。
また、永久磁石である磁極6は、一端がエンジン2に固定されており、他端が弾性部材としてのバネ13によって車体などの固定端12に接続されている。よって、エンジン2が振動するとバネ13が伸縮して、その振動が減衰されることになる。つまり、図1に示す振動減衰装置1において、エンジン2及びバネ13は受動振動系Pを構成している。但し、エンジン2の振動周波数がこの受動振動系Pの共振周波数と同様になると、受動振動系Pにおいて共振が発生し、エンジン2の振動が大きく現れる可能性もある。
磁極6はS極7とN極8とを備え、コイル9はそのS極7とN極8との間の円筒状の空間に移動自在に挿入される。コイル9は、円筒状のコイル保持部材11によって保持され、更に、コイル保持部材11は車体などの固定端12に設けられる支持部材10に固定される。よって、コイル9に電流を流すことで形成される磁界によって磁極6に加振することができる。また、磁極6が振動してコイル9を鎖交する磁束が変化することで、コイル9に起電力が発生することになる。
このように、本発明の振動減衰装置1では、エンジン2が振動すると、エンジン2とバネ13とによって構成される受動振動系Pによって振動を減衰させることができ、及び、エンジン2と磁極6とコイル9を有する制御回路Cと演算処理装置15とによって形成される能動振動系Aによって振動を減衰させることができる。
図2及び図3に示すように、制御回路Cは、H型ブリッジ回路を用いて構成される。このH型ブリッジ回路は、4つのスイッチ部SW1〜SW4と、コイル9と、電源Vccと、抵抗14とで構成されている。このH型ブリッジ回路において、スイッチ部SW1及びスイッチ部SW3と、スイッチ部SW2及びスイッチ部SW4とは、それぞれ直列に接続されている。これら2つの直列回路は、電源Vccと抵抗14及びグランドとの間で並列に接続されている。そして、スイッチ部SW1とスイッチ部SW3との接続点と、スイッチ部SW2とスイッチ部SW4との接続点とが、上述したコイル9を介して接続されている。
また、各スイッチ部SW1〜SW4は、トランジスタT1、T2、T3、T4とダイオードD1、D2、D3、D4とで構成される。具体的には、スイッチ部SW1はトランジスタT1とダイオードD1とで構成され、スイッチ部SW2はトランジスタT2とダイオードD2とで構成され、スイッチ部SW3はトランジスタT3とダイオードD3とで構成され、スイッチ部SW4はトランジスタT4とダイオードD4とで構成される。
このH型ブリッジ回路において、電源Vcc側(正極側)に配置されたスイッチ部SW1及びスイッチ部SW2をハイサイド・スイッチと称し、グランド(負極側)に配置されたスイッチ部SW3及びスイッチ部SW4をローサイド・スイッチと称する。
図2は、加振器5によってエンジン2に振動を加振しているときの各スイッチ部の状態と、電流の状態とを模式的に示している。また、図3は、加振器5による加振を行わず、エンジン2の振動を回生させているときの電流の状態を模式的に示している。
図2(a)は、ハイサイド・スイッチのスイッチ部SW1及びローサイド・スイッチのスイッチ部SW4をオン状態とし、ハイサイド・スイッチのスイッチ部SW2及びローサイド・スイッチのスイッチ部SW3をオフ状態とした状態である。よって、コイル9には図中に示す矢印の方向に電流が流れるので、コイル9によって発生する磁界によって、磁極6に対する加振が行われる。
また、図2(b)は、ハイサイド・スイッチのスイッチ部SW2及びローサイド・スイッチのスイッチ部SW3をオン状態とし、ハイサイド・スイッチのスイッチ部SW1及びローサイド・スイッチのスイッチ部SW4をオフ状態とした状態である。よって、コイル9には、図2(a)に示したのとは逆方向に電流が流れるので、図2(a)の場合とは逆方向に磁極6が加振される。
このように、演算処理装置15は、制御回路Cが備える各スイッチ部SW1〜SW4のオン状態及びオフ状態を切り換えることでコイル9に流す電流の方向などを制御して、磁極6及びエンジン2に対する加振力の大きさやその位相などを制御する加振モードを実行する。
また、図3(a)及び図3(b)は、ハイサイド・スイッチであるスイッチ部SW1及びスイッチ部SW2を共にオフ状態とし、ローサイド・スイッチであるスイッチ部SW3及びスイッチ部SW4を共にオン状態とした状態である。よって、コイル9に電源Vccは接続されなくなるため、エンジン2及び磁極6が振動していない状態ではこの制御回路Cに電気エネルギは供給されない。但し、エンジン2及び磁極6が振動すると、コイル9を鎖交する磁束が変化するためコイル9には起電力が発生し、その起電力による回生電流がコイル9に流れることになる。
図3(a)は、コイル9において図中で左側から右側に流れる回生電流が抵抗14を通ってグランドに流出する状態である。また、図3(b)は、コイル9において図中で右側から左側に流れる電流が抵抗14を通ってグランドに流出する状態である。つまり、抵抗14は、回生電流を電気エネルギから熱エネルギ(ジュール熱)に変換する回生抵抗として作用する。コイル9に流れる電流の方向は、エンジン2及び磁極6の振動方向によって変化する。
このように、演算処理装置15は、制御回路Cが備える各スイッチ部SW1〜SW4のオン状態及びオフ状態を切り換えることで、エンジン2の振動によるコイル9に流れる回生電流の方向を制御して、コイル9で発生した回生電流を抵抗(回生抵抗)14に流す回生モードを実行する。
次に、図4及び図5を参照して加振モードについて説明する。
図4(a)は、エンジン2が振動しているときの振動周波数と振幅の大きさとの関係を示すグラフである。エンジン2はバネ13によって支持された構造であるので、エンジン2の振動は、バネ13の伸縮による振動であると言える。よって、振動の振幅が最も大きくなる振動周波数は、エンジン2及びバネ13を有する受動振動系Pに固有の共振振動数(共振周波数)である。そして、エンジン2の振動周波数が設定範囲(共振周波数及びその近傍の範囲)にあるとき、大型の振動減衰装置を用いなければ振動を完全に減衰させることは困難である。
そこで、本発明に係る振動減衰装置1の演算処理部15は、エンジン2の振動状態に基づいて、上記加振モードと上記回生モードとを切り換えるように構成される。
ここで、演算処理部15は、エンジン2の振動状態をエンジン4に備え付けられた回転センサ4の検出結果に基づいて推測する。回転機械であるエンジン2は回転数に応じて振動するため、その回転数に応じた振動周波数が受動振動系Pに現れることになる。よって、検出された回転数とその場合に予測される振動周波数とを予め対応付けておくことで、演算処理部15は、図4(b)に示すような回転数と振動の振幅との関係を用意して記憶しておくことができる。その結果、演算処理部15は、回転数が設定範囲(設定回転数又はその近傍)にあるときに、上記加振モードから上記回生モードに切り換えるように構成される。
或いは、エンジン2の振動状態を、振動状態検出手段としての加速度センサ3を用いて検出してもよい。エンジン2に設けられた加速度センサ3はエンジン2の振動加速度を検出するので、その振動加速度の変化を表す変動周波数は上記エンジン2の振動周波数に等しい。その結果、演算処理部15は、加速度センサ3によって検出される振動加速度の変動周波数が設定範囲(設定周波数又はその近傍)にあるときに、上記加振モードから上記回生モードに切り換えるように構成されている。
以上のようにして、演算処理部15が振動減衰装置1を上記回生モードで作動するように切り換えると、加振器5による加振は行われず、コイル9に発生する起電力に基づく回生電流を抵抗14で消費することが行われる。この回生モードが実行されているとき、振動減衰装置1の制御回路Cでは、エンジン2の振動(運動エネルギ)を磁極6及びコイル9において回生電流(電気エネルギ)に変換し、回生抵抗としての抵抗14においてジュール熱(熱エネルギ)の形態で消費する。つまり、上記回生モードにおいても、振動発生源の振動が減衰されることになる。
また、加振モードは、エンジン2の振動状態が上記設定範囲の前後の境界範囲にあるときに実行される加振抑制モードと加振遂行モードとを有する。そして、演算処理部15は、加振遂行モードにおいて、コイル9への通電時間を、回転センサ4(又は加速度センサ3)の検出結果に基づくエンジン2の振動が大きくなるとコイル9への通電時間を長くする第1関係に基づいて設定する第1PWM制御を実行し、加振抑制モードにおいて、コイル9への通電時間を、上記第1関係により導出されるコイル9への通電時間よりも短く設定する第2PWM制御を実行する。
このように、演算処理部15は、エンジン2の振動が大きくなるにつれてコイル9への通電電流を大きくする制御(所謂、PAM制御)を行うのではなく、コイル9への通電電流を一定のまま通電時間を長くするPWM制御を行っている。その結果、コイル9への通電を入切する上記スイッチ部SW1〜SW4を設けるだけでよく、コイル9への通電電流を可変にする機構などは不要である。また、エンジン2の回転数とコイル9への通電時間との上記第1関係は、予め演算処理部15が内蔵するメモリなどにマップの形態で記憶しておけばよい。
更に、上記回生モードでは振動の減衰を十分に行っていないため、加振モードから回生モードに制御が直接切り換わると、回生モードにおいて振動が突然現れる虞がある。但し、演算処理部15は、加振モードの実行中であって、エンジン2の振動状態が上記設定範囲の前後の境界範囲にあるとき、コイル9への通電時間を、上記第1関係により導出されるコイル9への通電時間よりも短く設定する第2PWM制御を行う加振抑制モードを実行する。つまり、加振抑制モードでは、エンジン2の振動の減衰を意図的に不十分にして振動が現れるようにすることで、加振モードから回生モードに制御が切り換わるときに振動が突然現れるのではなく、過渡的に現れるようにできる。
図5は、エンジン2の振動が時間的に変化するときの振動減衰装置1の動作を説明する図である。具体的には、図5(a)はエンジン2の振動の振幅の時間的変化のグラフであり、図5(b)はコイル9への通電量の時間的な変化パターンである。このとき、エンジン2の振動の振幅は、上述した回転センサ4(又は加速度センサ3)によって導出可能である。
図5(a)及び図5(b)に示すように、時刻t1では振動の振幅が小さいため、コイル9への通電時間も短い。そして、時刻t2、時刻t3と経過するにつれて振動の振幅は大きくなり、その振幅の大きさに応じてコイル9への通電時間が長くなる。但し、電流値は一定である。
時刻t4において振動の振幅が大きくなり、第1閾値を上回ると、演算処理部15は、エンジン2の振動状態が上記境界範囲に存在すると判定し、上記第1PWM制御が行われる加振遂行モードから上記第2PWM制御が行われる加振抑制モードに切り換えて、エンジン2に対する加振を行う。ここでは、時刻t4においてコイル9に対して期間T4の間通電を行う。因みに、時刻t4において第1PWM制御を行った場合、時刻t4においてコイル9に通電される期間はT4’(>T4)である。従って、第2PWM制御を行った場合の加振力は、第1PWM制御を行った場合の加振力よりも小さくなる。つまり、第2PWM制御によってエンジン2に対する加振を行っているとき、エンジン2の振動は完全に減衰されない。
時刻t5において更に振動の振幅が大きくなり、第2閾値を上回ると、演算処理部15は、エンジン2の振動状態が上記設定範囲に存在すると判定し、上記加振モードから上記回生モードに切り換えて、加振器5による加振を行わず、その振動によってコイル9に発生する起電力に基づく回生電流を抵抗14で消費することを行う。従って、図5(b)に示すように、振動の振幅の大きさが第2閾値を上回っている時刻t5及び時刻t6において、コイル9への通電量は零である。
時刻t7において振動の振幅が小さくなり、第2閾値以下になると、演算処理部15は、エンジン2の振動が上記境界範囲に存在すると判定し、回生モードから加振抑制モードに切り換えて、第2PWM制御に基づいてエンジン2に対する加振を行う。ここでは、時刻t7においてコイル9に対して期間T7の間通電を行う。因みに、時刻t7において第1PWM制御を行った場合、時刻t4においてコイル9に通電される期間はT7’(>T7)である。従って、第2PWM制御を行った場合の加振力は、第1PWM制御を行った場合の加振力よりも小さくなる。つまり、第2PWM制御によってエンジン2に対する加振を行っているとき、エンジン2の振動は完全に減衰されない。
その後、時刻t8、時刻t9、時刻t10という時間経過に伴って振動の振幅が小さくなり、振動の振幅の大きさが第1閾値以下になると、演算処理部15は、加振遂行モードに切り換えて、第1PWM制御に基づいてエンジン2に対する加振を行う。
<別実施形態>
上記実施形態では、コイル9を支持部材10に連結し、磁極6をエンジン2に連結した場合について説明したが、コイル9をエンジン2側に連結し、磁極6を支持部材10側に連結するように構成してもよい。
振動減衰装置の構成を説明する模式図 振動減衰装置における制御回路の概略的な電気回路図 振動減衰装置における制御回路の概略的な電気回路図 (a)は振動周波数と振動の振幅との関係を説明するグラフであり、(b)は回転数と振動の振幅との関係を説明するグラフ (a)は振動の振幅の時間的変化を説明するグラフであり、(b)はコイルへの通電電流の時間的変化を説明するグラフ
符号の説明
1 振動減衰装置
2 エンジン(振動発生源、回転機械)
3 加速度センサ(振動状態検出手段)
4 回転センサ(振動状態検出手段)
5 加振器
6 磁極
9 コイル
14 抵抗(回生抵抗)
15 演算処理部(制御手段)

Claims (2)

  1. 振動発生源に加振することで、前記振動発生源の振動を能動的に減衰させる振動減衰装置であって、
    前記振動発生源の振動状態を検出する振動状態検出手段と、
    磁極と、当該磁極によって形成される磁束を鎖交するように設けられるコイルと、当該コイルと電気的に接続される制御手段とを有し、前記コイルへの通電状態を制御して前記コイルと前記磁極とを相対振動させることで前記振動発生源に加振する加振器とを備え、
    前記振動発生源は回転機械を有し、
    前記振動状態検出手段は、前記振動状態として前記回転機械の回転数を検出し、
    記振動発生源に加振して前記振動発生源の振動を減衰させる加振モードは、前記回転数が設定範囲の前後の境界範囲にあるときに実行される加振抑制モードと加振遂行モードとを有し、
    前記制御手段は、前記振モードと、前記振動発生源の振動によって前記コイルで発生した起電力に基づく回生電流を回生抵抗に流す回生モードとを、前記回転数に基づいて切り換えるように構成されると共に、
    前記回転数が設定範囲内にあるときに前記回生モードに切り換えるように構成され、
    前記加振遂行モードにおいて、前記コイルへの通電時間を、前記振動状態検出手段の検出結果に基づく前記振動発生源の振動が大きくなると前記コイルへの通電時間を長くする第1関係に基づいて設定する第1PWM制御を実行し、
    前記加振抑制モードにおいて、前記コイルへの通電時間を、前記第1関係により導出される前記コイルへの通電時間よりも短く設定する第2PWM制御を実行するように構成されている振動減衰装置。
  2. 振動発生源に加振することで、前記振動発生源の振動を能動的に減衰させる振動減衰装置であって、
    前記振動発生源の振動状態を検出する振動状態検出手段と、
    磁極と、当該磁極によって形成される磁束を鎖交するように設けられるコイルと、当該コイルと電気的に接続される制御手段とを有し、前記コイルへの通電状態を制御して前記コイルと前記磁極とを相対振動させることで前記振動発生源に加振する加振器とを備え、
    前記振動状態検出手段は、前記振動状態として前記振動発生源の振動加速度を検出し、
    前記振動発生源に加振して前記振動発生源の振動を減衰させる加振モードは、前記振動加速度の変動周波数が設定範囲の前後の境界範囲にあるときに実行される加振抑制モードと加振遂行モードとを有し、
    前記制御手段は、前記加振モードと、前記振動発生源の振動によって前記コイルで発生した起電力に基づく回生電流を回生抵抗に流す回生モードとを、前記振動加速度に基づいて切り換えるように構成されると共に、
    前記振動加速度の変動周波数が設定範囲内にあるときに前記回生モードに切り換えるように構成され
    前記加振遂行モードにおいて、前記コイルへの通電時間を、前記振動状態検出手段の検出結果に基づく前記振動発生源の振動が大きくなると前記コイルへの通電時間を長くする第1関係に基づいて設定する第1PWM制御を実行し、
    前記加振抑制モードにおいて、前記コイルへの通電時間を、前記第1関係により導出される前記コイルへの通電時間よりも短く設定する第2PWM制御を実行するように構成されている振動減衰装置。
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