JP5066986B2 - 制振装置及び制振装置のオフセット補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の制振対象機器の振動抑制制御を行う制振装置及び制振装置のオフセット補正方法に関する。

従来から、可動部を駆動することによる反力を利用して、エンジン回転数に応じた制振力を発生するアクチュエータを用いた車両の振動制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置によれば、車体振動エンジン回転数から予測し、アクチュエータによりエンジンから車体に加わる力を相殺することができるため、車体の振動を低減することができる。このような制振装置は、往復運動を行うリニアアクチュエータを用い、補助質量を振動させることにより制振対象の振動を低減するものである。

一方、リニアアクチュエータとして、弾性支持部（板バネ）が、可動子を定位置で保持し、自らが弾性変形することによって可動子を支持したリニアアクチュエータが知られている（例えば、特許文献２参照）。このリニアアクチュエータは、可動子には摩耗も摺動抵抗も生じないため、長期間にわたる使用を経た後でも軸支持の精度が低下することがなく高い信頼性が得られ、摺動抵抗に起因する消費電力の損失がなく性能の向上を図ることができる。また、弾性支持部を、コイルとの干渉を回避しつつ可動子を基点としてコイルよりも遠い位置にて固定子に支持させることにより、嵩の張るコイルと弾性支持部とをより近接して配置することが可能になるので、リニアアクチュエータの小型化を図ることができる。
特開昭６１−２２０９２５号公報 特開２００４−３４３９６４号公報

ところで、特許文献２に記載されたリニアアクチュエータを利用して、自動車の車体の振動を低減する場合、低減するべき振動の方向と、リニアアクチュエータに支持された補助質量の振動方向を一致させる必要がある。低減するべき振動方向が重力方向と同じ方向である場合、リニアアクチュエータの可動子を重力方向（上下方向）に往復運動させて補助質量を振動させる必要がある。この場合、補助質量の自重によって可動子が中立位置がずれ（原点ずれ）てしまう現象が発生する。このような原点ずれが起こると、制振制御を行うにあたり以下のような問題がある。
（１）可動子の中立位置（初期位置）がずれるため、ずれた状態での駆動では片側（重力方向）の振幅が大きくなり、板バネへ無理なストレスがかかり、板バネの許容振幅限界を超えてしまう可能性がある。このため、板バネの破損の可能性が高くなり、リニアアクチュエータ全体の信頼性が低下してしまう。
（２）補助質量を振動させることによる制御力（反力）は、質量と可動範囲（ストローク）から決まる加速度とで決まるため、可動子の可動範囲が制限されると、必要な制御力が出力できず、制振効果が不足してしまう。
（３）板バネは、ストロークが大きくなるにつれて非線形性が増すため、初期位置がずれてしまうと板バネの線形領域をはずれてしまい、制振制御をおこなうための補助質量の駆動制御が困難になる。

一方、原点ずれを解決するために、リニアアクチュエータに対して、新たなバネを設けて原点ずれを補正する方法では、以下のような問題がある。
（４）自動車搭載においては、取付スペースが狭いため、ストローク方向の高さを小さくする必要があるが、可動子のストローク方向に外部バネを直列配置したのでは、制振装置のサイズがストローク方向に長く（高く）なってしまう。
（５）制振装置の固有振動数付近では、共振倍率が高く、指令に対する可動部の振幅の位相変化も大きいため、制御対象（車体）の固有振動数と制振装置の固有振動数は離れた方が制御しやすい。また、加振力（エンジン振動）の周波数はアイドリング周波数から上の範囲にあるため、制振装置の固有振動数はアイドリング周波数よりも小さくした方が制御しやすい。しかしながら、外部バネを付加することで制振装置全体の固有振動数が上がり、制御対象の周波数範囲に近くなる、または、範囲内に入ってしまうため、制御性を損なう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、補助質量の自重による可動子の中立位置のずれを補正することができる制振装置及び制振装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、固定子と、鉄部材を有し前記固定子に対し往復動可能に設けられ、一端に補助質量部材が接合された可動子と、前記鉄部材に対向しかつ前記往復動の方向に直交して磁極を持たせるとともに前記固定子に前記往復動の方向に沿って設けられた永久磁石と、前記可動子をバネ要素によって支持する可動子支持手段と、前記固定子に設けられたコイルと、前記補助質量部材を駆動した場合の反力を用いて制振対象の振動を抑制するために、前記コイルに流す電流を制御する制御手段とを備える制振装置であって、前記永久磁石は、前記鉄部材の往復動範囲の軸方向位置の上方側に寄せて配置し、下方側には配置しない構成とすることによって起磁力が非対称に形成されていることを特徴とする。

本発明は、固定子と、鉄部材を有し前記固定子に対し往復動可能に設けられ、一端に補助質量部材が接合された可動子と、前記鉄部材に対向しかつ前記往復動の方向に直交して磁極を持たせるとともに前記固定子に前記往復動の方向に沿って設けられた永久磁石と、前記可動子をバネ要素によって支持する可動子支持手段と、前記固定子に設けられたコイルと、前記補助質量部材を駆動した場合の反力を用いて制振対象の振動を抑制するために、前記コイルに流す電流を制御する制御手段とを備える制振装置のオフセット補正方法であって、前記永久磁石は、前記鉄部材の往復動範囲の軸方向位置の上方側に寄せて配置し、下方側には配置しない構成とすることによって起磁力が非対称に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石を可動子のストローク方向の上方のみに設け、永久磁石による起磁力のアンバランスを利用して、補助質量の自重による中立位置のずれを打ち消しあうことによって中立位置のずれを補正するようにしたため、アクチュエータの可動子を常に正規のストローク範囲内で駆動することができるという効果が得られる。これにより、必要な制御力を発生させることが可能となり、制振制御の性能を損なうことなく振動を低減することができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。図１〜図３は本発明の第１の実施の形態に係る制振装置に用いるリニアアクチュエータを示す図である。この実施形態のリニアアクチュエータ１１は、ヨーク（固定子）１２と、このヨーク１２の内側に往復動可能に設けられた可動子１３と、ヨーク１２に固定された第１の永久磁石１４と、ヨーク１２に固定された第２の永久磁石１６と、ヨーク１２に固定された二つのコイル１８、１９とを備えており、図２に示すように自らが弾性変形することにより可動子１３をヨーク１２に対して往復動可能に支持するとともに可動子を非駆動状態にて往復動方向の基準位置に至らせるための２枚の板バネ３を備えている。なお、板バネ３は、必ずしも２枚である必要はなく、１枚でも３枚以上でもよい。

上記ヨーク１２は、図１に示すように、その中心位置に貫通穴２１が形成されることにより全体として角筒形状をなしている。貫通穴２１は、円筒の内周面を所定の間隔をあけて二カ所その軸線に平行に切断した形状をなし互いに離間状態で対向する二カ所の円筒面部２２を有している。二カ所の円筒面部２２は、同径同長同幅をなしており同軸に配置されている。

上記ヨーク１２は、その中心位置に貫通穴２１が形成されることにより全体として角筒形状をなしている。貫通穴２１は、円筒の内周面を所定の間隔をあけて二カ所その軸線に平行に切断した形状をなし互いに離間状態で対向する二カ所の円筒面部２２と、各円筒面部２２のそれぞれの両端縁部から円筒面部２２同士を結ぶ方向に沿って外側に延出する平面部２３と、各平面部２３のそれぞれの円筒面部２２に対し反対側の端縁部から平面部２３と直交して外側に延出する平面部２４と、円筒面部２２同士を結ぶ方向に延在して各平面部２４の対応するもの同士をそれぞれ連結させる平面状の内面部２５とを有している。ここで、二カ所の円筒面部２２は、同径同長同幅をなしており同軸に配置されている。

なお、このヨーク１２は、薄板状の鋼板をプレスで打ち抜いて基部材を形成し、この基部材を貫通穴２１の貫通方向に複数、位置を合わせながら積層しつつ接合させた積層鋼板からなっている。可動子１３は、図２に示すように、先端に雄ネジ部１３ａが形成された円柱状をなし、軸方向に往復移動するシャフト１３ｂと、シャフト１３ｂを内側に挿嵌されてシャフト１３ｂの軸方向の途中位置に固定された可動磁極としての鉄部材３０とを備えている。

永久磁石１４、１６は、例えばフェライト磁石からなり、図２に示すように、円筒面部２２に接合固定されている。また、永久磁石１４は、Ｎ極が外径側にＳ極が内径側に配置されており、永久磁石１６は、Ｓ極が外径側にＮ極が内径側に配置されている。また、永久磁石１４、１６は、鉄部材３０の往復動範囲の軸方向位置の一端側に寄せ、円筒面部２２内面に鉄部材３０方向に突出して配置し、他端側には配置しない構成とすることで起磁力が非対称に形成されている。

コイル１８は、図２に示すように、ヨーク１２に内側に突き出すように形成された円筒面部２２を取り囲むように巻き胴３２が取り付けられ、この巻き胴３２に導線が多重に巻き付けられて構成されている。コイル１９は、ヨーク１２を挟んで円筒面部２２と相対する位置に形成された上記円筒面部２２と対応する円筒面部２２に同じく巻き胴３２が取り付けられ、この巻き胴３２に導線が多重に巻き付けられて構成されている。

２枚の板バネ３は、可動子１３の軸方向に離間し、ヨーク１２を間に挟んで配置されている。２枚の板バネ３は同じ形状をなし、均一な厚さの金属板を打ち抜き加工され、可動子１３の軸方向から見ると「８」の字形に形成されている。「８」の中央の線が交差する部分に相当する箇所には、可動子１３先端または後端を支持する貫通孔３ａがそれぞれ形成されている。また、「８」のマルの内側に相当する箇所には、上述のコイル１８または１９を内側に通すことが十分に可能な大きさの貫通孔３ｂ、３ｃがそれぞれ形成されている。さらに、「８」の最上部および最下部に相当する箇所には、板バネ３をヨーク１２に固定するための小孔３ｄがそれぞれ形成されている。

各板バネ３は、ともにコイル１８の軸方向の途中位置にて可動子１３を支持している。より詳細に説明すると、図２に示すように、可動子１３の先端を支持する一方の板バネ３は、貫通孔３ａに可動子１３の先端側を通して固定されるとともに、小孔３ｄに通される図示しないネジ、および小孔３ｅに通される図示しないネジによって可動子１３の中心からコイル１８または１９よりも遠い位置にてヨーク１２に固定されている。また、可動子１３の後端を支持する他方の板バネ３は、貫通孔３ａに可動子１３の後端側を通して固定されるとともに、小孔３ｄ、３ｅに通された上記ネジによって可動子の中心からコイル１８または１９よりも遠い位置にてヨーク１２に固定されている。

一方の板バネ３は、貫通孔３ｂから可動子１３の先端側にコイル１８を突き出させるとともに、貫通孔３ｃから可動子１３の先端側にコイル１９を突き出させ、他方の板バネ３は、貫通孔３ｂから可動子１３の後端側にコイル１８を突き出させるとともに、貫通孔３ｃから同じく可動子１３の後端側にコイル１９を突き出させている。可動子１３の軸方向に沿う２枚の板バネ３の間隔は、同方向に沿うコイル１８または１９の寸法よりも狭くなっており、貫通孔３ｂ、３ｃは、コイル１９との干渉を避けるための「逃げ」としての役割を果たしている。

各板バネ３は、可動子１３を滑らせて往復動可能に支持するのではなく、可動子１３を可動子１３の先端側および後端側の２箇所で保持し、板バネ３自らが弾性変形することによって可動子１３を軸方向に往復動可能に支持している。なお、各板バネ３は、可動子１３が往復動する際の変形量が、繰り返し弾性変形を強いられることによって疲労し、ついには破壊に至ってしまう可能性のある変形量よりも小さくなるように、可動子１３を支持する貫通孔３ａから小孔３ｄまたは３ｅまでの距離（直線距離ではなく、板バネ自体の長さ）を可能な限り長くしたり、板厚を薄くしたりといった事前の調整がなされている。ただし、その外形は可動子１３の軸方向からリニアアクチュエータ全体を見た場合にヨーク１２の外形からはみ出さない程度の大きさとなっている。

図２に示すアクチュエータ１１によれば、コイル１８に電流を流すことによって、アクチュエータ１１の一端側に位置する永久磁石１６から永久磁石１４への磁束が密になり、その結果として一端側方向への推力が発生する。また、永久磁石１４、１６をヨーク１２に対し一端側に寄せることで、可動子１３の軸方向変位ゼロの場合でも可動子１３に推力を発生させることができる。

次に、図３を参照して、原点ずれを補正する動作について説明する。図３は、図２に示すリニアアクチュエータ１１の可動子１３の一端に振動を制振するための制御力を発生させるために補助質量Ｗを接合し、可動子１３のストローク方向が重力方向となるようにリニアアクチュエータ１１を自動車の車体等に固定した状態を示す図である。ここでは、低減するべき振動の方向が重力方向と一致しているものとして説明する。補助質量Ｗを備えたリニアアクチュエータ１１が発生する制御力は、補助質量Ｗの重量（質量）と補助質量を振動させるときの加速度によって決まるため、自動車の車体等の振動を低減するためには、必要とする制御力に基づいて、補助質量Ｗの重量を決めなければならない。したがって、板バネ３のバネ定数に基づいて、補助質量Ｗの重量を決めることはできないために、制振方向が重力方向と一致する場合、補助質量Ｗの自重によって板バネ３がたわんだ状態が可動子１３の中立位置となってしまう。このような状態において、可動子１３が水平に往復する場合と同様の制御信号をリニアアクチュエータ１１に対して与えると、前述した問題が発生してしまう。

本発明のリニアアクチュエータ１１は、図３に示すように、永久磁石１４、１６を可動子１３のストローク方向の上方のみに設けたため、可動子１３に固定された鉄部材３０を上方に引き上げる力が発生し、補助質量Ｗの重力とつり合うことにより、鉄部材３０を中立位置（原点）に保持することができる。鉄部材３０を中立位置に保持するためには、可動子１３を支持する板バネ３のバネ定数及び補助質量Ｗが接合された可動子１３の重量に基づいて、永久磁石１４、１６が鉄部材３０を上方に引き上げる力を求め、この求めた力を発生することができる永久磁石をリニアアクチュエータ１１内に設けるようにすればよい。このとき、永久磁石１４、１６が鉄部材３０を上方に引き上げる力の調節のみで鉄部材３０の中立位置を正確に保持するのが困難な場合は、板バネ３のバネ定数を調整することによって微調整を行えばよい。可動子１３の推力を増加させるためには、リニアアクチュエータ１１本体を大きくしなければならないなどの問題が新たに発生してしまう。

図３に示すように、永久磁石１４、１６を可動子１３のストローク方向の上方のみに設け、永久磁石による起磁力のアンバランスを利用して、補助質量Ｗの自重による中立位置のずれを打ち消しあうことによって、オフセットを補正することが可能となる。

なお、起磁力のアンバランスを発生させるには、図３に示す構成の他に、ストローク方向の上方及び下方の両方に永久磁石を設け、上方と下方の永久磁石の厚さを変えるようにしてアンバランスを発生させるようにしてもよい。また、上方と下方の永久磁石の材質を変えてもよい。さらには、上方と下方の永久磁石と鉄部材３０とのギャップをそれぞれ異なるようにしてアンバランスを発生させるようにしてもよい。

このように、オフセット補正することにより、制振装置の正規ストローク範囲内での駆動（制御力発生）となり、制御性が損なわれず、必要な制御力を出力できるため、良好な制振性能を得ることができる。また、制振装置の正規ストローク範囲内の動作となるために、板バネ３の許容振幅範囲内での動作とすることができ、板バネ３に無理なストレスをかけることなく駆動することができる。このため、板バネ３が長寿命化し、制振装置全体の信頼性を向上することができる。特に自動車に搭載する場合は、信頼性が非常に重要である。また、板バネ３の線形領域での駆動となるため、制御性（線形性）に優れ、良好な制振性能を得ることができ、制振装置の不安定動作を防止することができる。

また、永久磁石を上方のみに設け、永久磁石による起磁力のアンバランスを利用して、補助質量Ｗの自重による中立位置のずれを打ち消しあうことでオフセットを補正するようにしたため、リニアアクチュエータ１１を制御処理の内容を簡単にすることができ、制振装置の消費電力を低減することができる。また、永久磁石の数や大きさを削減することができるため、磁気ばねが小さくなり、制振装置全体のばね定数が下がることにより固有振動数を下げることが可能となる。このため、制振対象（車体）と制振装置の固有振動数が離れるため、共振倍率が小さく、制御指令に対する可動振幅の位相変化が小さいところでの制御となるため、制御しやすくなる。また、高価な永久磁石の使用量が少ないため、コスト低減となる。また、外部ばね等を利用しないため、ストローク方向（高さ）が長くならず、制振装置の小型・扁平化か可能となる。特に自動車搭載では、取付スペースの関係上、小型・扁平化は重要である。さらに、外部ばね、ばね保持部品などの余分な部品が不要であるため、コストアップすることなくオフセット補正を行うことが可能となる。

第１の実施形態に係るリニアアクチュエータを示す正面図である。 リニアアクチュエータを示す一部破断の斜視図である。 リニアアクチュエータを示す縦断面図である。

符号の説明

３・・・板バネ（復帰手段）、１１・・・リニアアクチュエータ、１２・・・ヨーク（固定子）、１３・・・可動子、１４、１５・・・第１の永久磁石（永久磁石）、１６、１７・・・第２の永久磁石（永久磁石）、１８、１９・・・コイル、３０・・・鉄片（鉄部材）

Claims (2)

1. 固定子と、
   鉄部材を有し前記固定子に対し往復動可能に設けられ、一端に補助質量部材が接合された可動子と、
   前記鉄部材に対向しかつ前記往復動の方向に直交して磁極を持たせるとともに前記固定子に前記往復動の方向に沿って設けられた永久磁石と、
   前記可動子をバネ要素によって支持する可動子支持手段と、
   前記固定子に設けられたコイルと、
   前記補助質量部材を駆動した場合の反力を用いて制振対象の振動を抑制するために、前記コイルに流す電流を制御する制御手段と
   を備える制振装置であって、
   前記永久磁石は、前記鉄部材の往復動範囲の軸方向位置の上方側に寄せて配置し、下方側には配置しない構成とすることによって起磁力が非対称に形成されていることを特徴とする制振装置。
2. 固定子と、
   鉄部材を有し前記固定子に対し往復動可能に設けられ、一端に補助質量部材が接合された可動子と、
   前記鉄部材に対向しかつ前記往復動の方向に直交して磁極を持たせるとともに前記固定子に前記往復動の方向に沿って設けられた永久磁石と、
   前記可動子をバネ要素によって支持する可動子支持手段と、
   前記固定子に設けられたコイルと、
   前記補助質量部材を駆動した場合の反力を用いて制振対象の振動を抑制するために、前記コイルに流す電流を制御する制御手段と
   を備える制振装置のオフセット補正方法であって、
   前記永久磁石は、前記鉄部材の往復動範囲の軸方向位置の上方側に寄せて配置し、下方側には配置しない構成とすることによって起磁力が非対称に形成されていることを特徴とする制振装置のオフセット補正方法。

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