JP4753376B2 - 電磁デバイスシステム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁デバイスシステム及びその制御方法に関するものである。

従来、自動車、鉄道車両等の車両においては、ばねとダンパとを含むサスペンションが広く使用され、車両が道路や軌道を走行する際に発生する振動や動揺を抑制するようになっている。そして、近年においては、電磁デバイスを使用して前記振動や動揺を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２並びに非特許文献１及び２参照。）。

図２は従来の仮想リンク機構を実現する電磁デバイス回路を示す図、図３は従来の仮想リンク機構の構成を示す図である。

図において、１０１及び１０２は、仮想リンク機構の第１リンク部材及び第２リンク部材であり、支点１０４で回転可能に接続されている。また、１０３は電磁デバイスであり、第１リンク部材１０１及び第２リンク部材１０２の両端の間に各々連結され、前記第１リンク部材１０１及び第２リンク部材１０２の動作を制御するアクチュエータとして機能する。なお、前記電磁デバイス１０３は、例えば、直流モータと該直流モータの回転軸にスクリュが接続されたボールスクリュ機構とから成り、直流モータが回転すると、第１リンク部材１０１の両端と第２リンク部材１０２の両端との間隔が伸縮する。

この場合、前記第１リンク部材１０１における支点１０４の部分に作用する並進方向の力Ｆ_z 及び回転方向のトルクＴは、次の式（１）及び（２）のようになる。

なお、ｚ_c は第１リンク部材１０１の変位、ｒは電磁デバイス１０３の内部抵抗、φは電磁デバイス１０３の直流モータのモータ係数である。

前記式（１）及び（２）から、回転方向の運動に対しては減衰モーメントが発生せず、並進方向の運動に対しては抗力が発生するリンク機構として機能することが分かる。
特開２００４−１４４２９９号公報 特開２００１−３１０７３６号公報 林隆三、須田義大、「電磁デバイスにおける等価慣性質量の及ぼす影響の検討」日本機械学会主催第１４回交通物流部門大会（ＴＲＡＮＳＬＯＧ２００５）、Ｎｏ．０５−５２、２００５．１２、ｐ．１７５−１７６ 林隆三、須田義大、「電磁デバイスの加速度特性の制御に関する研究」日本機械学会Ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｆｅｒｅｎｃｅ ２００６ ＣＤ−ＲＯＭ論文集

しかしながら、前記従来の電磁デバイス回路では、単に一対の電磁デバイス１０３の端子間を接続しただけなので、これによって実現される仮想リンク機構は、並進荷重が加わることにより支点１０４が変位するという不完全なリンク機構となってしまう。

本発明は、前記従来の問題点を解決して、電磁デバイス回路における一対の電磁デバイスの間に配設された電源を、仮想リンク機構における仮想リンク部材の支点が変位しないように制御することによって、例えば、自動車のサスペンションに使用されるリンク機構として、所望の特性を発揮することができる仮想リンク機構を実現可能な電磁デバイスシステム及びその制御方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の電磁デバイスシステムにおいては、一対の電磁デバイス、及び、電源を含む電磁デバイス回路と、前記電源を制御する制御装置とを有する電磁デバイスシステムであって、各電磁デバイスは変位可能な作動部を備え、前記制御装置は、前記一対の電磁デバイスを含む仮想リンク機構において、各電磁デバイスの作動部が連結された仮想リンク部材の支点が前記作動部の並進方向に変位しないように、前記電源を制御する。

本発明の他の電磁デバイスシステムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記電源の出力電圧又は電磁デバイス回路を流れる電流を制御する。

本発明の更に他の電磁デバイスシステムにおいては、さらに、前記電磁デバイス回路は、一方の電磁デバイス正負の極に他方の電磁デバイスの同極性の極が接続される同相リンク回路、又は、一方の電磁デバイス正負の極に他方の電磁デバイスの逆極性の極が接続される逆相リンク回路である。

本発明の更に他の電磁デバイスシステムにおいては、さらに、前記電磁デバイス回路は、開閉可能なスイッチを含み、該スイッチの開閉によって同相リンク回路及び逆相リンク回路に切換可能である。

本発明の更に他の電磁デバイスシステムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記支点の位置を、前記電源を制御することによって仮想リンク部材の長手方向に移動させる。

本発明の電磁デバイスシステムの制御方法においては、各々が変位可能な作動部を備える一対の電磁デバイス、及び、制御可能な電源を含む電磁デバイス回路を有する電磁デバイスシステムの制御方法であって、前記一対の電磁デバイスを含む仮想リンク機構において、各電磁デバイスの作動部が連結された仮想リンク部材の支点が前記作動部の並進方向に変位しないように、前記電源を制御する。

本発明の他の電磁デバイスシステムの制御方法においては、さらに、前記電源の出力電圧又は電磁デバイス回路を流れる電流を制御する。

本発明の更に他の電磁デバイスシステムの制御方法においては、さらに、前記電磁デバイス回路は、一方の電磁デバイス正負の極に他方の電磁デバイスの同極性の極が接続される同相リンク回路、又は、一方の電磁デバイス正負の極に他方の電磁デバイスの逆極性の極が接続される逆相リンク回路である。

本発明の更に他の電磁デバイスシステムの制御方法においては、さらに、前記電磁デバイス回路は、開閉可能なスイッチを含み、該スイッチの開閉によって同相リンク回路及び逆相リンク回路に切換可能である。

本発明の更に他の電磁デバイスシステムの制御方法においては、さらに、前記支点の位置を、前記電源を制御することによって仮想リンク部材の長手方向に移動させる。

本発明によれば、電磁デバイスシステムにおいては、電磁デバイス回路における一対の電磁デバイスの間に配設された電源を、仮想リンク機構における仮想リンク部材の支点が変位しないように制御する。これにより、例えば、自動車のサスペンションなどにおいて、リンク部材の可動範囲に他の部品が存在する場合でもリンク機構を構成することができる仮想リンク機構が実現可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における電磁デバイス回路の構成を示す図、図４は本発明の第１の実施の形態における仮想リンク機構の構成と実際の構成部品とを示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における電磁デバイスの構成の例を示す図である。

図において、１０は、本実施の形態における電磁デバイスシステムの電磁デバイス回路であり、一対の電磁デバイス１１及び制御可能な電源１２を有する。なお、１１Ｌは左側の電磁デバイスであり、１１Ｒは右側の電磁デバイスであるが、統合的に説明する場合には、電磁デバイス１１として説明する。また、ｒは電磁デバイス１１の内部抵抗であり、ｉは電磁デバイス回路１０を矢印の方向に流れる電流である。図１に示される電磁デバイス回路１０は、一方の電磁デバイス１１の正負の極に他方の電磁デバイス１１の逆極性の極が接続されているので、いわゆる、逆相リンク回路と称されるものである。

そして、前記電磁デバイス回路１０は、図４に示されるような仮想リンク機構２０を実現することができる。該仮想リンク機構２０は、仮想リンク部材としてのリンク部材２１を一組備え、各リンク部材２１の両端が実際には電磁デバイス１１の変位可能な作動部となる。仮想リンク部材としてのリンク部材２１の支点２３には、仮想的なばね２４及び仮想的なダンパ２５が連結されている。なお、支点２３の位置は、リンク部材２１における長手方向の中点の位置と一致している。図４において、ｌは、左側の電磁デバイス１１Ｌの連結点から支点２３、すなわち、中点までの距離を示している。

なお、本実施の形態における電磁デバイスシステムは、前記電磁デバイス回路１０の他に、前記電源１２を制御する図示されない制御装置を有する。該制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備えるコンピュータであり、例えば、パーソナルコンピュータ、サーバ、ワンチップマイコン等であるが、いかなるものであってもよい。そして、前記制御装置は、電源１２を制御して該電源１２が出力する電源電圧及び／又は電流ｉを制御する。

前記電磁デバイスシステムは、いかなる種類の装置やシステムに適用されるものであってもよく、例えば、二輪車、四輪車等の自動車のサスペンション系、鉄道車両のサスペンション系、モノレールのサスペンション系、新交通システムやリニアモータカーの磁気浮上式車両のサスペンション系等に適用されるものであってもよい。また、遊戯施設の乗物や工場、倉庫内の物流搬送システムの搬送器のサスペンション系に適用されてもよい。さらに、船舶の振動や動揺を抑制する船舶減揺装置に適用されてもよいし、高層ビル等の建築物の振動や動揺を抑制する建築物減揺装置に適用されてもよいし、工場に配設された工作機械等の各種機械の振動や動揺を抑制する制振装置に適用されてもよい。ここでは、説明の都合上、自動車のサスペンションにおけるリンク機構に適用されるものとして説明する。

また、前記電磁デバイス１１は、例えば、電磁石、電動モータ、リニアモータ等であるが制御可能な電磁デバイスであればいかなるものであってもよいが、ここでは、図５に示されるように、電力を供給することによって伸縮するアクチュエータであるものとして説明する。すなわち、電磁デバイス１１は、図５に示されるように、第１ケーシング１１ａ、該第１ケーシング１１ａに対して長手方向（図における左右方向）に移動可能な第２ケーシング１１ｂ、前記第１ケーシング１１ａ内に取り付けられた直流モータ１１ｃ、該直流モータ１１ｃの回転軸に接続されたボールねじ軸１１ｄ、及び、前記第２ケーシング１１ｂに取り付けられ前記ボールねじ軸１１ｄに螺（ら）合するボールナット１１ｅを有する。そして、前記第１ケーシング１１ａ及び第２ケーシング１１ｂの、例えば、端部が、変位可能な作動部として、リンク部材２１に連結される。

この場合、前記リンク部材２１に連結された第１ケーシング１１ａ及び第２ケーシング１１ｂが相対的に外力によって変位させられると、前記ボールナット１１ｅがボールねじ軸１１ｄに対して矢印Ａで示されるように直線運動を行う。ここで、前記ボールナット１１ｅは、第２ケーシング１１ｂに取り付けられて回転不能となっているので、前記ボールねじ軸１１ｄが矢印Ｂで示されるように回転させられる。すなわち、前記ボールねじ軸１１ｄとボールナット１１ｅとによって構成されるボールねじ機構により、矢印Ａで示される直線運動が矢印Ｂで示される回転運動に変換される。そして、前記ボールねじ軸１１ｄに接続された直流モータ１１ｃの回転軸が回転させられると、前記直流モータ１１ｃによって発電が行われる。これにより、矢印Ｂで示される回転運動の運動エネルギが電気エネルギに変換されて消費されるので、前記矢印Ａで示される直線運動の運動エネルギも消費される。すなわち、前記直流モータ１１ｃによって発電が行われることにより、前記第１ケーシング１１ａと第２ケーシング１１ｂとの相対的な直線運動が減衰させられる。

また、前記直流モータ１１ｃに電気エネルギが供給されると直流モータ１１ｃの回転軸が矢印Ｂで示されるように回転するので、ボールねじ機構によって矢印Ｂで示される回転運動が矢印Ａで示される直線運動に変換され、第１ケーシング１１ａ及び第２ケーシング１１ｂが相対的に変位させられる。すなわち、直流モータ１１ｃに電流ｉを流すことによって、第１ケーシング１１ａと第２ケーシング１１ｂとの間隔が伸縮し、リンク部材２１同士の間隔を伸縮させることができる。

次に、前記構成の電磁デバイス回路１０によって仮想リンク機構２０を実現する方法について説明する。

図１に示されるような構成の電磁デバイス回路１０においては、キルヒホッフの法則により、次の式（３）が成り立つ。

なお、Ｅは電源１２が出力する電源電圧、φは直流モータ１１ｃのモータ定数、ｚ_L 及びｚ_R は左右の電磁デバイス１１Ｌ及び１１Ｒの連結点の変位である。また、ｚ_L 及びｚ_R 上のドットは１次の時間微分であること、すなわち、速度であることを表す。

前記式（３）から、電流ｉは次の式（４）のようになる。

したがって、並進方向（図４における上下方向）の力Ｆ_z 、及び、回転方向（図４における支点２３を中心とする回転方向）のモーメントＴは、次の式（５）及び（６）のようになる。

なお、ｚ_C は支点２３の変位、ｉ_L 及びｉ_R は左右の電磁デバイス１１Ｌ及び１１Ｒを流れる電流である。

前記式（６）から、電源電圧Ｅは回転方向の力を発生しないことが分かる。

そして、仮想リンク機構２０におけるばね２４のばね定数がｋ_Z であり、ダンパ２５の減衰係数がｃ_Z であるとすると、電磁デバイス１１の並進方向の力Ｆ_z は、次の式（７）で示されるようになればよい。

前記式（５）及び（７）から次の式（８）を得ることができる。

したがって、電源電圧Ｅは、次の式（９）のようになる。

このように、電源電圧Ｅが前記式（９）で表されるように電源１２を制御することによって、図１に示されるような電磁デバイス回路１０により図４に示されるような仮想リンク機構２０として機能させることができる。すなわち、一対の電磁デバイス１１が仮想リンク機構２０と同じ挙動を示すように、電磁デバイス回路１０によって仮想リンク機構２０を実現することができる。

次に、数値シミュレーションの結果について説明する。

図６は本発明の第１の実施の形態における数値シミュレーションに使用する定置試験モデルの構成を示す図、図７は本発明の第１の実施の形態における数値シミュレーションに使用する電磁デバイスの諸元表、図８は本発明の第１の実施の形態における数値シミュレーションによるリンク変位を示す図、図９は本発明の第１の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力変位特性を示す図、図１０は本発明の第１の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力速度特性リンク変位を示す図である。

本実施の形態においては、図６に示されるような定置試験モデルを使用して数値シミュレーションを行った。図１に示されるような構成の電磁デバイス回路１０における一方の電磁デバイス１１に強制変位を与え、他方の電磁デバイス１１の運動を計算した。この場合、自動車用電磁ダンパに使用されることを想定して、電磁デバイス１１の諸元を図７に示されるような値とした。また、数値シミュレーションにおいては、摩擦力や等価慣性質量の影響も考慮した。

なお、試験条件は以下のように決定した。
リンク支点ばね定数：ｋ＝２．０×１０⁶ 〔Ｎ／ｍ〕
リンク支点減衰定数：ｃ＝２．０×１０⁴ 〔Ｎ／ｍ／ｓ〕
リンク長：２ｌ＝２〔ｍ〕
左側電磁デバイス条件：強制変位
加振波形：正弦波
加振振幅：±１０〔ｍｍ〕
加振周波数：１．０〔Ｈｚ〕
右側電磁デバイス条件：固定荷重：１００〔Ｎ〕
図１に示されるような構成の電磁デバイス回路１０によって制御を行った場合におけるリンク部材２１の変位が図８に示されている。なお、図８において、点線は左側の電磁デバイス１１Ｌの連結点における変位を示し、実線は右側の電磁デバイス１１Ｒの連結点における変位を示し、一点鎖線はリンク部材２１における長手方向の中点、すなわち、リンクの中点における変位を示している。図８から、リンクの中点における変位が少なく、かつ、左右の電磁デバイス１１Ｌ及び１１Ｒの連結点における変位がほぼ等しいことが分かる。

また、変位及び速度の入出力特性が図９及び１０に示されている。なお、図９及び１０において、点線は制御を行わない場合を示し、実線は制御を行った場合を示している。図９から、制御を行わない場合には、摩擦力や等価慣性質量の影響によるヒステリシスが出るが、制御を行った場合には、入力と出力とがほぼ比例関係にあり、リンクとして成立していることが分かる。また、図１０から、制御を行った場合には、ヒステリシスが大幅に減少して、リンクとしての特性が改善されていることが分かる。なお、原点付近における波形の歪（ひず）みは摩擦力の影響である。

このように、本実施の形態において、電磁デバイス回路１０は、互いに接続された一対の独立した電磁デバイス１１、及び、電磁デバイス１１同士の間に配設された電源１２を有し、制御装置が電源１２を制御することによって、仮想リンク機構２０におけるリンク部材２１の支点２３の変位をゼロとすることができる。これにより、所望の特性を発揮することができる仮想リンク機構２０を前記電磁デバイス回路１０によって実現することができる。該電磁デバイス回路１０は、特に、自動車のサスペンションのリンク機構として使用した場合に、優れた性能を発揮することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、前記第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び効果についても、その説明を省略する。

図１１は本発明の第２の実施の形態における仮想リンク機構の構成を示す図である。

本実施の形態において、電磁デバイス回路１０は、図１１に示されるような仮想リンク機構２０を実現する。なお、図において、２２はリンク部材２１の中点である。前記第１の実施の形態における仮想リンク機構２０では支点２３がリンク部材２１の中点と一致しているのに対し、本実施の形態における仮想リンク機構２０では支点２３がリンク部材２１の中点２２と一致していない。すなわち、本実施の形態における電磁デバイス回路１０は、電源電圧Ｅを制御することによって、支点２３の位置をリンク部材２１の長手方向に自由に移動させることができるようになっている。なお、前記電磁デバイス回路１０の構成は、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

次に、前記電磁デバイス回路１０によって、図１１に示されるような仮想リンク機構２０を実現する方法について説明する。まず、電源電圧Ｅを制御する方法について説明する。

図１１に示されるように、中点２２から支点２３までの距離をｌαとすると、支点２３の並進方向の変位ｚ_S 及び回転変位θ_S は、次の式（１０）及び（１１）のようになる。なお、αは絶対値が１未満の数である。

また、一対の電磁デバイス１１がリンク部材２１に与える並進方向の力Ｆ_z 、及び、回転方向のモーメントＴは、前記第１の実施の形態における式（５）及び（６）と同様に、次の式（１２）及び（１３）のようになる。

このとき、Ｆ_S が次の式（１４）のようになっていればよい。

前記式（１２）及び（１４）から次の式（１５）を得ることができる。

このように、電源電圧Ｅが前記式（１５）で表されるように電源１２を制御することによって、図１に示されるような電磁デバイス回路１０を図１１に示されるような仮想リンク機構２０として機能させることができる。すなわち、支点２３の位置をリンク部材２１の長手方向に自由に移動させることができる。

次に、電磁デバイス回路１０を流れる電流ｉを制御する方法について説明する。

前記電磁デバイス回路１０において、並進方向の力Ｆ_z 及び回転方向のモーメントＴは、電磁デバイス１１のモータ定数をφとすると、次の式（１６）及び（１７）で表される。

該式（１７）から、電流ｉは回転方向のモーメントＦを発生しないことが分かる。また、支点２３の並進変位ｚ_s 及びリンク回転角θ_s は、次の式（１８）及び（１９）で表される。

したがって、一対の電磁デバイス１１の並進方向の力が次の式（２２）で表されるように同方向のトルクを制御することによって、前記一対の電磁デバイス１１は、図１１に示されるような仮想リンク機構２０と同じ挙動を示すことになる。

前記式（１６）及び（２２）から次の式（２３）を得ることができる。

このように、電流ｉが前記式（２３）で表されるように電源１２を制御することによって、電磁デバイス回路１０を図１１に示されるような仮想リンク機構２０として機能させることができる。すなわち、一対の電磁デバイス１１が仮想リンク機構２０と同じ挙動を示すように、電磁デバイス回路１０によって仮想リンク機構２０を実現することができる。

次に、本実施の形態における数値シミュレーションの結果について説明する。

図１２は本発明の第２の実施の形態における数値シミュレーションによるリンク変位を示す図、図１３は本発明の第２の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力変位特性を示す図、図１４は本発明の第２の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力速度特性リンク変位を示す図である。

本実施の形態においては、前記第１の実施の形態と同様の定置試験モデルを使用して数値シミュレーションを行った。また、自動車用電磁ダンパに使用されることを想定して、電磁デバイス１１の諸元も前記第１の実施の形態と同様とした。

なお、試験条件は以下のように決定した。
リンク支点ばね定数：ｋ＝２．０×１０⁶ 〔Ｎ／ｍ〕
リンク支点減衰定数：ｃ＝２．０×１０⁴ 〔Ｎ／ｍ／ｓ〕
リンク長：２ｌ＝２〔ｍ〕
リンク支点位置：α＝０．５
左側電磁デバイス条件：強制変位
加振波形：正弦波
加振振幅：±１０〔ｍｍ〕
加振周波数：１．０〔Ｈｚ〕
右側電磁デバイス条件：固定荷重：１００〔Ｎ〕
シミュレーション開始２秒後から５秒後までのリンク部材２１の変位が図１２に示されている。なお、図１２において、点線は左側の電磁デバイス１１Ｌの連結点における変位を示し、実線は右側の電磁デバイス１１Ｒの連結点における変位を示し、一点鎖線は支点２３における変位を示している。

また、変位及び速度の入出力特性が図１３及び１４に示されている。なお、図１３及び１４において、点線はα＝０の場合を示し、実線はα＝０．５の場合を示している。図１３から、右側の電磁デバイス１１Ｒの連結点における振幅は、左側の電磁デバイス１１Ｌの連結点における振幅の１／３となっており、等価的に支点２３が中点２２よりも右側に移動していることが分かる。さらに、図１４から、α＝０．５の場合の出力特性は、α＝０の場合の出力特性の１／３になっていることが分かる。

このように、本実施の形態においては、電源電圧Ｅ又は電流ｉを制御することによって、支点２３の位置をリンク部材２１の長手方向に自由に移動させることができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、前記第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び効果についても、その説明を省略する。

図１５は本発明の第３の実施の形態における仮想リンク機構の構成を示す図、図１６は本発明の第３の実施の形態における電磁デバイス回路の構成を示す図である。

図１５に示される仮想リンク機構２０では、支点２３が、左右の電磁デバイス１１Ｒ及び１１Ｌの連結点の内側でなく、左右の電磁デバイス１１Ｒ及び１１Ｌの連結点の外側に位置する。前記第２の実施の形態における電磁デバイス回路１０は、支点２３の位置をリンク部材２１の長手方向に自由に移動させることができるものであるが、図１５に示される仮想リンク機構２０のように、支点２３を左右の電磁デバイス１１Ｒ及び１１Ｌの連結点の外側に移動させようとすると問題が生じる。すなわち、αの絶対値が１を超える場合には問題が生じる。

より詳細には、前記第２の実施の形態における電磁デバイス回路１０は、回転したリンク部材２１に並進方向の力を与えて、仮想的に回転中心、すなわち、中点２２の変位及び速度を決定するようになっているので、仮想的な支点２３が左右の電磁デバイス１１Ｒ及び１１Ｌの連結点の外側に位置する場合には、リンク部材２１の力点に作用する反力が負となり、力点を更に推し進めようとしてしまう。

そこで、本実施の形態においては、図１６に示されるような電磁デバイス回路１０を使用する。該電磁デバイス回路１０は、一方の電磁デバイス１１の正負の極に他方の電磁デバイス１１の同極性の極が接続されているので、いわゆる、同相リンク回路と称されるものである。すなわち、本実施の形態においては、同相リンク回路である電磁デバイス回路１０を使用することによって、支点２３の位置をリンク部材２１の長手方向に自由に移動させることができる仮想リンク機構２０を実現するようになっている。なお、その他の点の構成は、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

次に、本実施の形態における電磁デバイス回路１０によって図１５に示されるような仮想リンク機構２０を実現する方法について説明する。

図１６に示されるような構成の電磁デバイス回路１０においては、キルヒホッフの法則により、次の式（２４）が成り立つ。

該記式（２４）から、電流ｉは次の式（２５）のようになる。

したがって、並進方向の力Ｆ_z 、及び、回転方向のモーメントＴは、次の式（２６）及び（２７）のようになる。

前記式（２６）から、電源電圧Ｅは並進方向の力を発生しないことが分かる。

そして、仮想リンク機構２０における支点２３に作用する回転方向の力、すなわち、モーメントＴは、次の式（２８）で示されるようになればよい。

前記式（２７）及び（２８）から次の式（２９）を得ることができる。

したがって、電源電圧Ｅは、次の式（３０）のようになる。

このように、電源電圧Ｅが前記式（３０）で表されるように電源１２を制御することによって、図１６に示されるような同相リンク回路である電磁デバイス回路１０を図１５に示されるような仮想リンク機構２０として機能させることができる。すなわち、支点２３の位置を左右の電磁デバイス１１Ｒ及び１１Ｌの連結点の外側において、リンク部材２１の長手方向に自由に移動させることができる。

次に、本実施の形態における数値シミュレーションの結果について説明する。

図１７は本発明の第３の実施の形態における数値シミュレーションによるリンク変位を示す第１の図、図１８は本発明の第３の実施の形態における数値シミュレーションによるリンク変位を示す第２の図、図１９は本発明の第３の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力変位特性を示す図、図２０は本発明の第３の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力速度特性リンク変位を示す図である。

本実施の形態においては、前記第１の実施の形態と同様の定置試験モデルを使用して数値シミュレーションを行った。また、自動車用電磁ダンパに使用されることを想定して、電磁デバイス１１の諸元も前記第１の実施の形態と同様とした。

なお、試験条件は以下のように決定した。
リンク支点ばね定数：ｋ＝２．０×１０⁶ 〔Ｎ／ｍ〕
リンク支点減衰定数：ｃ＝２．０×１０⁴ 〔Ｎ／ｍ／ｓ〕
リンク長：２ｌ＝２〔ｍ〕
リンク支点位置：α＝３
左側電磁デバイス条件：強制変位
加振波形：正弦波
加振振幅：±１０〔ｍｍ〕
加振周波数：１．０〔Ｈｚ〕
右側電磁デバイス条件：固定荷重：１００〔Ｎ〕
まず、比較例として、図１６に示されるような電磁デバイス回路１０に電圧を印加しなかった場合、すなわち、制御を行わない場合におけるリンク部材２１の変位が図１７に示されている。なお、図１７において、点線は左側の電磁デバイス１１Ｌの連結点における変位を示し、実線は右側の電磁デバイス１１Ｒの連結点における変位を示している。この場合、右側の電磁デバイス１１Ｒの固定荷重を０〔Ｎ〕とした。同相リンク回路の場合と同様に、左側の電磁デバイス１１Ｌに与えられた変位が±１０〔ｍｍ〕であるのに対して、右側の電磁デバイス１１Ｒの変位は±８〔ｍｍ〕程度であり、リンク機構として不完全であることが分かる。

次に、シミュレーション開始２秒後から５秒後までのリンク部材２１の変位が図１８に示されている。なお、図１８において、点線は左側の電磁デバイス１１Ｌの連結点における変位を示し、実線は右側の電磁デバイス１１Ｒの連結点における変位を示し、一点鎖線は支点２３における変位を示している。また、変位及び速度の入出力特性が図１９及び２０に示されている。

図１８から、右側の電磁デバイス１１Ｒの連結点における変位は、左側の電磁デバイス１１Ｌの連結点における変位と同相であり、また、振幅は、左側の電磁デバイス１１Ｌの連結点における振幅の１／２となっており、等価的に支点２３が右側の電磁デバイス１１Ｒの連結点よりも右方に移動していることが分かる。さらに、図１９及び２０から、出力特性はほぼ線形であることが分かる。

このように、本実施の形態においては、同相リンク回路である電磁デバイス回路１０を使用することによって、支点２３の位置を、左右の電磁デバイス１１Ｒ及び１１Ｌの連結点の外側において、リンク部材２１の長手方向に自由に移動させることができる仮想リンク機構２０を実現するようになっている。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、前記第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び効果についても、その説明を省略する。

図２１は本発明の第４の実施の形態における電磁デバイス回路の構成を示す図である。

本実施の形態における電磁デバイス回路１０は、４つのスイッチ１３ａ〜１３ｄを有し、逆相リンク回路と同相リンク回路とを統合した回路となっている。前記電磁デバイス回路１０は、仮想リンク機構２０において支点２３の位置を規定するαの値に応じて、前記スイッチ１３ａ〜１３ｄを切り換えるとともに、電源電圧Ｅが前記式（９）及び式（３０）で表されるように電源１２を制御することによって、支点２３の位置が左右の電磁デバイス１１Ｒ及び１１Ｌの連結点の内側及び外側にある仮想リンク機構２０を実現することができる。

また、αを何かの関数とする可変支点リンク機構を構成する場合にも、本実施の形態における電磁デバイス回路１０を使用することによって、支点２３の位置を、左右の電磁デバイス１１Ｒ及び１１Ｌの連結点の内側から外側までリンク部材２１の長手方向に自由に移動させることができる。

前記スイッチ１３ａ〜１３ｄの切り換え及び電源電圧Ｅは、αの値によって、以下のように行われる。

なお、α＝１又は−１の場合には制御不能となるので、αの値は１又は−１を採らないようになっている。

このように、本実施の形態においては、逆相リンク回路と同相リンク回路とを統合した回路である電磁デバイス回路１０を使用することによって、支点２３の位置を、左右の電磁デバイス１１Ｒ及び１１Ｌの連結点の内側及び外側において、リンク部材２１の長手方向に自由に移動させることができる仮想リンク機構２０を実現するようになっている。

なお、前記第１〜第４の実施の形態における仮想リンク機構２０は、いずれも、仮想的なばね２４及びダンパ２５によって支点２３を締結するものであるが、これは直感的に現象を捉えやすくするためのものであり、必ずしも、ばね２４及びダンパ２５によって支点２３を締結することが最適ではない。なぜなら、ばね２４及びダンパ２５によって支点２３を締結すると、リンク部材２１に力が加えられている間は、多少なりとも支点２３が変位してしまうからである。要は、支点２３の変位が一定となるように制御すればよいのであり、種々の制御理論を適用することができる。より高度な制御理論を適用して支点２３の変位を制御することによって、より完全に近い仮想リンク機構２０を実現することができる。

また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１の実施の形態における電磁デバイス回路の構成を示す図である。 従来の仮想リンク機構を実現する電磁デバイス回路を示す図である。 従来の仮想リンク機構の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における仮想リンク機構の構成と実際の構成部品とを示す図である。 本発明の第１の実施の形態における電磁デバイスの構成の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における数値シミュレーションに使用する定置試験モデルの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における数値シミュレーションに使用する電磁デバイスの諸元表である。 本発明の第１の実施の形態における数値シミュレーションによるリンク変位を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力変位特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力速度特性リンク変位を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における仮想リンク機構の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における数値シミュレーションによるリンク変位を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力変位特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力速度特性リンク変位を示す図である。 本発明の第３の実施の形態における仮想リンク機構の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態における電磁デバイス回路の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態における数値シミュレーションによるリンク変位を示す第１の図である。 本発明の第３の実施の形態における数値シミュレーションによるリンク変位を示す第２の図である。 本発明の第３の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力変位特性を示す図である。 本発明の第３の実施の形態における数値シミュレーションによる入力−出力速度特性リンク変位を示す図である。 本発明の第４の実施の形態における電磁デバイス回路の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 電磁デバイス回路
１１、１１Ｌ、１１Ｒ 電磁デバイス
１２ 電源
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ スイッチ
２０ 仮想リンク機構
２１ リンク部材
２３ 支点

Claims (10)

1. （ａ）一対の電磁デバイス、及び、電源を含む電磁デバイス回路と、
   （ｂ）前記電源を制御する制御装置とを有する電磁デバイスシステムであって、
   （ｃ）各電磁デバイスは変位可能な作動部を備え、
   （ｄ）前記制御装置は、前記一対の電磁デバイスを含む仮想リンク機構において、各電磁デバイスの作動部が連結された仮想リンク部材の支点が前記作動部の並進方向に変位しないように、前記電源を制御することを特徴とする電磁デバイスシステム。
2. 前記制御装置は、前記電源の出力電圧又は電磁デバイス回路を流れる電流を制御する請求項１に記載の電磁デバイスシステム。
3. 前記電磁デバイス回路は、一方の電磁デバイス正負の極に他方の電磁デバイスの同極性の極が接続される同相リンク回路、又は、一方の電磁デバイス正負の極に他方の電磁デバイスの逆極性の極が接続される逆相リンク回路である請求項１に記載の電磁デバイスシステム。
4. 前記電磁デバイス回路は、開閉可能なスイッチを含み、該スイッチの開閉によって同相リンク回路及び逆相リンク回路に切換可能である請求項３に記載の電磁デバイスシステム。
5. 前記制御装置は、前記支点の位置を、前記電源を制御することによって仮想リンク部材の長手方向に移動させる請求項１に記載の電磁デバイスシステム。
6. （ａ）各々が変位可能な作動部を備える一対の電磁デバイス、及び、制御可能な電源を含む電磁デバイス回路を有する電磁デバイスシステムの制御方法であって、
   （ｂ）前記一対の電磁デバイスを含む仮想リンク機構において、各電磁デバイスの作動部が連結された仮想リンク部材の支点が前記作動部の並進方向に変位しないように、前記電源を制御することを特徴とする電磁デバイスシステムの制御方法。
7. 前記電源の出力電圧又は電磁デバイス回路を流れる電流を制御する請求項６に記載の電磁デバイスシステムの制御方法。
8. 前記電磁デバイス回路は、一方の電磁デバイス正負の極に他方の電磁デバイスの同極性の極が接続される同相リンク回路、又は、一方の電磁デバイス正負の極に他方の電磁デバイスの逆極性の極が接続される逆相リンク回路である請求項６に記載の電磁デバイスシステムの制御方法。
9. 前記電磁デバイス回路は、開閉可能なスイッチを含み、該スイッチの開閉によって同相リンク回路及び逆相リンク回路に切換可能である請求項８に記載の電磁デバイスシステムの制御方法。
10. 前記支点の位置を、前記電源を制御することによって仮想リンク部材の長手方向に移動させる請求項６に記載の電磁デバイスシステムの制御方法。

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