JP5136197B2 - 制振装置および輸送用機器 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に発生した振動を抑制する制振装置及びこれを備えた輸送用機器に関する。

従来から、車両の各所に設けられたセンサによって、振動を抑制しようとする車両の各所において、各々振動を検出し、検出された振動に基づいて、アクチュエータを制御することにより、車両に前記振動を打ち消すような振動を加えて制振を行う車両の振動低減装置が知られている。

この振動低減装置にあっては、エンジン回転数に応じて、前記複数の加速度センサを選択し、選択した加速度センサから出力される振動信号を制御手段へ入力するようにしている。具体的には、例えば、エンジンの回転数が、アイドル回転数である場合には、ステアリングに設けた加速度センサＧ５及びＧ６と、運転座席フロアに設けた加速度センサＧ７とを選択し、これらの加速度センサＧ５、Ｇ６、Ｇ７から出力される振動信号のみを制御手段に入力するようにしている。これにより、エンジン回転数がアイドル回転数の時に、車室前部フロアおよびステアリングコラム位置において、特に発生しやすくなる車体の曲げ振動や捩り振動を、効率よく振動低減できるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３２０８４２号公報 段落００７８

しかしながら、本願発明者の鋭意研究の結果、本願の図４に示すように、運転席のフロアが共振するエンジン回転数とステアリングが共振するエンジン回転数とが異なる場合が一般的であることが明らかになった。すなわち、従来の振動低減装置では、エンジンがアイドリング回転数において、ステアリングに設けた加速度センサＧ５及びＧ６と、運転座席フロアに設けた加速度センサＧ７とを同時に選択したとしても、運転座席フロアに設けた加速度センサＧ７によって運転座席フロアに生ずる振動を低減できるに過ぎない。また、エンジンがアイドリング回転数よりも大きい場合には、ステアリングに設けた加速度センサＧ５及びＧ６は選択されないため、エンジンアイドリング回転数よりも大きくなったときのステアリングの振動を低減できるものでは決して無い。
すわなち、エンジン回転数の変化に応じて生じる運転座席フロアの振動とステアリングの振動とを効果的に制振することは困難である。

また、エンジン回転数に応じて、運転座席フロアに設けた加速度センサと、ステアリングに設けた加速度センサとを、前記選択のために単純に切り替えるだけでは、その切り替えによってショックが発生し、運転者に不快感を与えてしまう。
なお、運転座席フロアが共振するエンジン回転数と、運転席の座部又は背部又はヘッドレストが共振するエンジン回転数とが異なる車両があることも、本願発明者の鋭意研究により明らかにされた。
さらに上述した課題は、運転座席に限られるものではなく、助手席や後部座席においても生じ得る。
またさらに、運転座席フロアやステアリングを共振させる振動発生源は、エンジンに限られず、例えば、エアコンのコンプレッサーの場合もある。
加えて、上述した課題は、自動車や列車等に限られず、航空機や船舶における座席でも生じるものである。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、振動を抑制すべき車両や船舶等において、同一の乗員の一部の部分に接する部材と、他の部分に接する部材との両方において、振動を低い状態に保って快適な乗り心地をその運転者や乗客に対して実現することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、図７に示すように、車両のうち、一の乗員の身体の一部分（例えば運転者の手）に接する部材であるＡ参照点（ステアリング）に設けられ、該Ａ参照点に発生する振動発生源（エンジン）１による振動を検出する第１の振動検出手段５と、前記車両のうち、前記乗員の他の部分（例えば運転者の足）に接する部材であるＢ参照点（フロアの所定位置）に設けられ、該Ｂ参照点に発生する前記振動発生源１による振動を検出する第２の振動検出手段７と、該制振しようとする位置を所定加振する加振手段１０と、前記振動発生源１の振動周波数を検出する周波数検出手段３８と、前記振動検出手段５、７が検出した振動と、前記加振手段１０から前記各振動検出手段５、７までのそれぞれの伝達関数とに基づいて、前記加振手段１０を所定加振させる振動指令を生成する振動指令発生手段と、前記振動周波数に応じて、前記参照点毎の振動伝達関数に基づいて定義しておいた重み係数を選択して前記振動指令発生手段(制御部)３に供給される前記振動検出手段５、７の出力信号の重み付けを調整する切替手段３９と、を備え、前記振動周波数が前記Ａ参照点の伝達関数の周波数特性と前記Ｂ参照点の伝達関数の周波数特性との交点に対応する中間周波数よりも高周波数側である場合には主たる制振対象を何れか一方の参照点にするとともに、前記振動周波数が前記中間周波数よりも低周波数側である場合には主たる制振対象を他方の参照点に切替可能な制振装置であり、前記切替手段３９は、前記振動周波数が前記中間周波数から高周波数側および低周波数側の所定の範囲にわたる遷移周波数領域において、前記一方の参照点の重み係数が徐々に減少するとともに、他方の参照点の重み係数が徐々に増大するように前記重み付けを徐々に変化させるものであることを特徴とする。
なお、図７において、Ｇ１は、振動発生源１から第１の振動検出手段５に至る車体の伝達関数、Ｇ２は、振動発生源１から第２の振動検出手段に至る車体の伝達関数を示している。
この構成によれば、周波数検出手段によって検出される振動発生源の振動周波数に応じて、第１、第２の振動検出手段が検出した振動を所定の重み付けで制御手段に供給して、加振手段が発生するべき振動を生成するようにしたため、エンジン回転数が変化した場合であっても、エンジン回転数によって制御対象を切り替えることによって制振しようとするステアリングおよびフロアに発生する振動を抑制することができる。
また、本発明の切替手段は、対象の振動検出手段が切り替わるときに徐々に重み付けの程度を変化させるようにしたため、対象の振動検出手段が切り替わることによる振動検出信号の変化に伴う加振手段から発生する制振力の急激な変動をできるだけ小さくすることができる。

また、本発明の切替手段は、前記複数の振動検出手段から供給すべき信号の重みをゼロに至るまで調整することを特徴とする。
この構成によれば、前記複数の振動検出手段のいずれかから供給された信号によって加振手段を振動させることにより、該振動検出手段が設けられた箇所の振動を抑制することができる。

また、本発明は、上記構成の制振装置を輸送用機器に設けたことを特徴とする。
この構成によれば、自動車等の車両のみならず、航空機、船舶等における、同一人に接する複数の部材に生じる振動を上記制振装置によって抑制することができる。

本発明によれば、例えば、ステアリングとフロアのような同一人に接する複数の部材の両方に振動検出手段を設け、振動発生源の振動周波数の変化に応じて各振動検出手段から供給される信号の重みを調整するようにしたから、ステアリングおよびフロアの各振動検出位置において発生する振動レベルが振動源たるエンジン回転数の増減等による振動周波数の変化によって変化した場合であっても、振動検出手段の切替に伴うショックの発生を抑制しながら、それぞれの位置において発生する振動レベルを低い状態に保って、快適な乗り心地を実現することができるという効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による制振装置を説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、符号１は、自動車等の車両を走行させるための駆動力を発生するために車両に搭載されたエンジンであり、車両内に発生する振動の発生源である。エンジン１を発生源とする振動の周波数は、エンジン１の回転数と比例関係にあるため、エンジン回転数を検出することによって、発生する振動の周波数を予測することが可能である。符号１０は、所定の質量を有する補助質量１１を備え、この補助質量１１を振動させることにより得られる反力によって車両内に発生する振動を抑制するための制振力を発生するリニアアクチュエータ（以下、アクチュエータと称する）である。符号２は、車両の車体フレームであり、エンジンマウント１ｍによってエンジン１が搭載されるとともに、所定の位置にアクチュエータ１０が装着される。ここでは、アクチュエータ１０は、車体フレーム２に発生する上下方向（重力方向）の振動を抑制制御するものとする。

符号３は、アクチュエータ１０に制振力を発生させて、車両内に発生する振動を抑制する制御を行う制御部である。符号４は、制御部３から出力される指令値に基づいて、アクチュエータ１０を駆動するための電流をアクチュエータ１０に対して供給するアンプである。符号５は、ステアリング６（この参照点をＡとする）に設けられた加速度センサである。符号７は、車両内の前記ステアリングを操作する運転者の脚が接するフロア８（この参照点をＢ点と称する）に設けられた加速度センサである。制御部３は、エンジン１から出力される点火タイミング信号の周期から求めたエンジン回転数信号と、加速度センサ５及び加速度センサ７から出力される加速度センサ出力信号に基づいて、アクチュエータ１０を駆動するための力指令値を求めて、アンプ４へ出力する。アンプ４は、この力指令値に基づいて、アクチュエータ１０に対して供給するべき電流値を求めてアクチュエータ１０へ供給することにより、補助質量１１が往復運動（図１に示す例では、上下方向の運動）を行う。

ここで、図２を参照して、図１に示すアクチュエータ１０の詳細な構成を説明する。図２は、図１に示すアクチュエータ１０の詳細な構成を示す図である。この図において、符号１２は、永久磁石を備える固定子であり、車体フレーム２に固定される。符号１３は、可動子であり、抑制するべき振動方向と同方向の往復動（図２の紙面では上下動）を行う。ここでは、車体フレーム２の抑制するべき振動の方向と可動子１３の往復動方向（推力方向）とが一致するように、車体フレーム２に固定される。符号１４は、可動子１３及び補助質量１１を推力方向に移動可能なように支持する板バネであり固定子１２に固定されている。符号１５は、可動子１３と補助質量１１を接合する軸であり、板バネ１４によって支持されている。アクチュエータ１０と補助質量１１によって、動吸振器が構成されていることになる。

次に、図２に示すアクチュエータ１０の動作を説明する。アクチュエータ１０を構成するコイル（図示せず）に交流電流（正弦波電流、矩形波電流）を流した場合、コイルに所定方向の電流が流れる状態では、磁束が、永久磁石においてＳ極からＮ極に導かれることにより、磁束ループが形成される。その結果、可動子１３には、重力に逆らう方向（上方向）に移動する。一方、コイルに対して所定方向とは逆方向の電流を流すと、可動子１３は、重力方向（下方向）に移動する。可動子１３は、交流電流によるコイルへの電流の流れの方向が交互に変化することにより以上の動作を繰り返し、固定子１２に対して軸１５の軸方向に往復動することになる。これにより、軸１５に接合されている補助質量１１が上下方向に振動することになる。アクチュエータ１０と補助質量１１によって構成される動吸振器は、アンプ４から出力する電流制御信号に基づいて、補助質量１１の加速度を制御して制振力を調節することにより、車体フレーム２に発生する振動を相殺して振動を低減することができる。

次に、図３を参照して、図１に示す制御部３の構成を説明する。図３は、図１に示す制御部３の構成を示すブロック図である。図３において、符号３１は、エンジン１から回転数信号（エンジンの点火パルスの周期から求まるエンジン回転数の信号）を入力し、入力した回転数に応じた重み係数を設定して出力する重み係数設定部である。符号３２は、エンジン回転数毎の重み係数が予め定義した重み係数テーブルが記憶されている重み係数テーブル記憶部である。

符号３３は、加速度センサ５が出力する加速度信号に対して、重み係数設定部３１から出力される重み係数を乗算して出力する乗算器である。符号３４は、乗算器３３から出力される重み係数が乗算された加速度信号に基づいて、振動を打ち消すための振動信号を発生して出力する振動指令発生部である。振動指令発生部３４は、Ａ点（ステアリング）における振動を打ち消すための振動を発生することになる。

符号３５は、加速度センサ７が出力する加速度信号に対して、重み係数設定部３１から出力される重み係数を乗算して出力する乗算器である。符号３６は、乗算器３５から出力される重み係数が乗算された加速度信号に基づいて、振動を打ち消すための振動信号を発生して出力する振動指令発生部である。振動指令発生部３６は、Ｂ点（運転者の脚が接するフロア）における振動を打ち消すための振動を発生することになる。

符号３７は、エンジン回転数に応じた重み係数がそれぞれ乗算され、振動指令発生部３４と振動指令発生部３６から出力される２つの振動信号を加算して出力する加算器である。加算器３７の出力が力指令値に相当し、アンプ４はこの力指令値に基づいて、アクチュエータ１０に対して供給するべき電流値を求めてアクチュエータ１０へ供給することにより、補助質量１１が往復運動を行う。

ここで、図４、図５を参照して、図３に示す重み係数テーブル記憶部３２に記憶される重み係数テーブルについて説明する。まず、図４を参照して、図１に示す車体フレーム２の振動伝達特性について説明する。図４は、Ａ点とＢ点におけるエンジン回転数と振動の振幅比の関係（振動指令発生部から各点までの伝達関数）を示す図である。図４に示すように、Ａ点においてはエンジン回転数が高い時に振動指令発生部３４からＡ点までの感度が高い。一方、Ｂ点は、前記Ａ点より低い回転数において、振動指令発生部３６からＢ点までの感度が高い。図４において、Ａ点の伝達関数の周波数特性と、Ｂ点の伝達関数の周波数特性との交点Ｐ１に対応する中間周波数ｆ_Ｃより右側の領域を高周波数領域ｆ_Ｈ、同左側の領域を低周波数領域ｆ_Ｌとする。

図４に示す伝達関数を有する車体フレーム２においては、エンジンの回転が高周波数領域ｆ_Ｈにある場合、Ａ点における伝達関数のゲイン特性が高いため、主たる制振対象をＡ点とし、エンジンの回転が低周波数領域ｆ_Ｌにある場合、Ｂ点における伝達関数のゲイン特性が高いため、主たる制振対象をＢ点とすることにより、少ない加振力により効果的に振動を抑制することが可能となる。

したがって、図４に示す伝達関数を有する車体フレーム２においては、図５に示すように、Ａ点、Ｂ点の振動検出信号に対する重み係数を定義しておけば、車体フレーム２の伝達関数に応じた制振制御を実施することが可能となる。図５は、図３に示す重み係数テーブル記憶部３２に記憶される重み係数テーブルの構造を示す図であり、実線は、Ｂ点の重み係数を示し、破線はＡ点の重み係数を示している。図５に示すように、エンジン回転数が低いｆＬの領域では、Ａ点の重み係数を「０」、Ｂ点の重み係数を「１」とし、エンジン回転数が高いｆＨの領域では、Ａ点の重み係数を「１」、Ｂ点の重み係数を「０」としている。この重み係数テーブルを参照して、制振制御を行うことにより、エンジン回転数がｆＬの領域では制振対象をＢ点とし、ｆＨの領域では制振対象をＡ点とする切り替え動作が可能となる。

次に、図６を参照して、重み係数テーブルの他の例を用いた場合の制振動作について説明する。この実施形態では、中央周波数ｆ_Ｃから高周波数側および低周波数側の所定の範囲にわたる遷移周波数領域ｆ_Ｎにおいて、実線で示すＢ点の重み係数を「１」から「０」へ漸減させ、破線で示すＡ点の重み係数を「０」から「１」へ漸増させるように、重み係数が変化している。

２つの乗算器３３、３５は、加速度センサ５と加速度センサ７のそれぞれが出力する加速度信号を入力する。乗算器３３は、加速度センサ５が出力する加速度信号に対して、エンジン回転数に応じて重み係数設定部３１から出力される重み係数（０〜１）を乗算して、振動発生部３４へ出力する。このとき、重み係数が「０」である場合は、加速度センサ５から加速度信号が出力されなかったのと同等である。振動発生部３４は、乗算器３３が出力する信号に基づいて、Ａ点において発生している振動を打ち消すための振動信号を発生して出力する。乗算器３５は、加速度センサ７が出力する加速度信号に対して、エンジン回転数に応じて重み係数設定部３１から出力される重み係数（０〜１）を乗算して、振動発生部３６へ出力する。このとき、重み係数が「０」である場合は、加速度センサ７から加速度信号が出力されなかったのと同等である。振動発生部３６は、乗算器３５が出力する信号に基づいて、Ｂ点において発生している振動を打ち消すための振動信号を発生して出力する。そして、加算器３７は、２つの振動発生部３４、３６のそれぞれから出力される振動信号を加算してアンプ４へ出力する。なお、重み係数は、一方が「１」の場合、他方は「０」であるため、振動発生部３４と振動発生部３６のそれぞれが出力する振動信号のいずれか一方が選択されてアンプ４へ出力することになる。

エンジン回転数が上昇し、エンジン回転数が遷移周波数領域ｆ_Ｎに入ると、重み係数設定部３１から出力される重み係数の値が次第に反転（Ａ点の重み係数が「０」、Ｂ点の重み係数が「１」）する。乗算器３３と乗算器３５は、重み係数が「１」から「０」、または「０」から「１」へ変化した場合、重み係数の値を徐々に変化させながら「１」から「０」、または「０」から「１」へ変化させる。このように重み係数が切り替わるときに徐々に重み係数を変化させることによって、重み係数が切り替わることによる車体フレーム２における切替ショックの発生を抑制する。そして、エンジン回転数が遷移周波数領域ｆ_Ｎを超えると、重み係数設定部３１から出力される重み係数の値が反転（Ａ点の重み係数が「１」、Ｂ点の重み係数が「０」）する。

一方、エンジン回転数が低下する場合は、エンジン回転数が遷移周波数領域ｆ_Ｎを下回るまで低下した時点で、重み係数設定部３１から出力される重み係数の値が反転（Ａ点の重み係数が「０」、Ｂ点の重み係数が「１」）する。

このように、図６に示すような重み係数テーブルを用いることにより、エンジン回転数がアイドル回転数から徐々に大きくなり、遷移周波数領域ｆ_Ｎに入ると、Ｂ点の重み係数が徐々に減少するとともに、Ａ点の重み係数が徐々に増大するため、Ｂ点に対する振動抑制からＡ点に対する振動抑制へ振動検出手段の切替に伴うショックの発生を抑制しながら円滑に移行することができる。
また、車体フレーム２上のステアリングと、運転者の脚が接するフロアとの両方の位置に加速度センサを設けるとともに、加速度センサ位置（参照点）毎の振動伝達関数に基づく重み係数を定義しておき、エンジン回転数に対応する重み係数を選択して制振対象位置を切り替えるようにしたため、エンジン回転数が変化した場合であっても、運転者の手と脚とが車体と接触するステアリング６やフロア８において発生する振動を常に低い状態に保つことが可能となる。また重み係数テーブル記憶部３２に記憶される重み係数は、任意の値を定義することができるため、ステアリングとフロアのいずれかの制振を優先させて任意の制振度合いの乗り心地を実現することができる。

なお、前述した説明においては、図２に示すリニアアクチュエータ１０を使用して、制振力を発生するものとして説明したが、補助質量１１を振動させることによって振動を抑制することができる反力を発生できる駆動源であれば、補助質量１１を振動させる手段は何でもよい。
また、上記実施形態では、ステアリングとフロアの両方に加速度センサを設けたが、ステアリング軸を支持する床に加速度センサを設けるようにしてもよい。また、上記運転席に限らず、同一人が接する複数の場所、例えば助手席シートの座面とヘッドレストにセンサを設けるようにしてもよい。さらに、本発明は、車両のみならず、原動機やコンプレッサー等の振動源を有する他の乗り物の制振にも適用することができる。

本発明による制振装置は、自動車のステアリングとフロアなど、各種の乗り物における複数の部材の両方の振動を抑制する用途に適用することができる。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示すアクチュエータ１０の構成を示す模式図である。 図１に示す制御部３の構成を示すブロック図である。 伝達関数と参照点切替ポイントの関係を示す説明図である。 図３に示す重み係数テーブル記憶部３２に記憶される重み係数テーブルの一例を示す説明図である。 重み係数テーブルの他の例を示す説明図である。 本発明の機能ブロック図である。

符号の説明

１・・・エンジン、２・・・車体フレーム、３・・・制御部、４・・・アンプ、５・・・加速度センサ、６・・・ステアリング、７・・・加速度センサ、８・・・フロア、１０・・・アクチュエータ（リニアアクチュエータ）、１１・・・補助質量、３１・・・重み係数設定部、３２・・・重み係数テーブル記憶部、３３・・・乗算器、３４・・・振動発生部、３５・・・乗算器、３６・・・振動発生部、３７・・・加算器、３９・・・切替手段

Claims (3)

1. 車両のうち、乗員の身体の一部分に接する部材であるＡ参照点に設けられ、該Ａ参照点に発生する振動発生源による振動を検出する第１の振動検出手段と、
   前記車両のうち、前記身体の他の部分に接する部材であるＢ参照点に設けられ、該Ｂ参照点に発生する前記振動発生源による振動を検出する第２の振動検出手段と、
   制振しようとする位置を所定加振する加振手段と、
   前記第１、第２の振動検出手段と異なる位置に設けられ、振動発生源の振動周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記各振動検出手段が検出した振動と、前記加振手段から前記各振動検出手段までのそれぞれの伝達関数とに基づいて、前記加振手段を前記所定加振させる振動指令を生成する振動指令発生手段と、
   前記振動周波数に応じて、前記参照点毎の振動伝達関数に基づいて定義しておいた重み係数を選択して前記振動指令発生手段に供給される前記第１、第２の振動検出手段の出力信号の重み付けを調整する切替手段と、を備え、
   前記振動周波数が前記Ａ参照点の伝達関数の周波数特性と前記Ｂ参照点の伝達関数の周波数特性との交点に対応する中間周波数よりも高周波数側である場合には主たる制振対象を何れか一方の参照点にするとともに、前記振動周波数が前記中間周波数よりも低周波数側である場合には主たる制振対象を他方の参照点に切替可能な制振装置であり、
   前記切替手段は、前記振動周波数が前記中間周波数から高周波数側および低周波数側の所定の範囲にわたる遷移周波数領域において、前記一方の参照点の重み係数が徐々に減少するとともに、他方の参照点の重み係数が徐々に増大するように前記重み付けを徐々に変化させるものであることを特徴とする制振装置。
2. 前記切替手段は、前記第１、第２の振動検出手段から供給すべき信号の重みをゼロに至るまで調整することを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
3. 請求項１または２に記載の制振装置を備えた輸送用機器。

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