JP5551153B2 - サスペンション装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や鉄道車両において、車輪から車体への振動の伝達を防止するサスペンション装置に関する。

従来、自動車や鉄道車両等の車体に車輪の振動が伝達しないようにするために、特開２００８−２８５０６２に記載されているような、流体式や電磁式のダンパとばねを組み合わせたサスペンション装置が使用されている。

このようなサスペンション装置は、主として高周波の振動を減衰させるものであり、例えば１０Ｈｚ以下の低周波の振動を十分に抑えることができなかった。

本発明は上記の事情に鑑みて創作されたものである。本発明の実施形態によれば、車体への低周波振動の伝達を抑制するサスペンション装置が提供される。

本発明の実施形態に従って、車軸を支持する軸受から車体への振動の伝達を防止するための、アクティブ緩衝機構を備えたサスペンション装置が提供される。アクティブ緩衝機構は、車体の振動を計測する速度センサと、軸受を車体に対して駆動するアクチュエータと、速度センサの計測結果に基づいて、車体が振動しないようにアクチュエータの駆動を制御する制御装置とを備えている。

上記構成のサスペンション装置によれば、精度の高い振動データに基づく除振制御が可能になり、特に低周波数領域において優れた除振効果が得られる。

サスペンション装置は、車体を軸受に対して支持するためのパッシブ緩衝機構を更に備えていてもよい。典型的なパッシブ緩衝機構は、ばね及びダンパを有している。

パッシブ式の緩衝機構とアクティブ式の緩衝機構を組み合わせることにより、広い周波数帯域にわたり優れた除振性能が実現する。

速度センサは、車体に対する軸受の速度を計測するものであってもよく、パッシブ緩衝機構の伸縮速度を計測するものであってもよい。

アクティブ緩衝機構とパッシブ緩衝機構は並列に接続され、車体はアクティブ緩衝機構及びパッシブ緩衝機構を介して車軸に支持される構成であってもよい。あるいは、アクティブ緩衝機構とパッシブ緩衝機構は直列に接続され、車体はアクティブ緩衝機構及びパッシブ緩衝機構を介して車軸に支持される構成であってもよい。

アクティブ緩衝機構が、第１吸排口と第２吸排口との間で作動油を正逆両方向に供給可能なポンプと、ポンプを駆動するモータと、ピストンによって内部空間が第１の圧力室と第２の圧力室に仕切られた油圧シリンダと、第１の圧力室を第１の吸排口に接続する第１の配管と、第２の圧力室を第２の吸排口に接続する第２の配管と、第１及び第２の配管を中途で連通させるバイパス管と、バイパス管の中途に設けられ、第１及び第２の圧力室に所定の圧力を加えるアキュムレータとを備えていてもよい。この場合、アキュムレータが第１の圧力室及び第２の圧力室に加える所定の圧力の大きさは、油圧シリンダの駆動に必要な最低圧力よりも大きく設定されていることが望ましい。

上記構成のアクティブ緩衝機構は、第１及び第２の配管に常に所定の圧力を加える為、正逆反転駆動をしてもタイムラグ無く駆動力を油圧シリンダに供給することができる。

アクティブ緩衝機構の油圧シリンダは、軸受及び車体の夫々に対して揺動可能に支持されていてもよい。

また、速度センサは動電型速度センサであることが望ましい。

アクチュエータは、ボイスコイルモータによって車体を軸受に対して駆動する動電型アクチュエータであってもよく、サーボモータとボールねじ等の送りねじ機構を組み合わせたアクチュエータであってもよい。

また、本発明の実施形態に従って、上記のサスペンション装置を備えた車両が提供される。車両には、自動車、鉄道車両が含まれる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るサスペンション装置が搭載された自動車のサスペンション装置近傍の概略正面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係るサスペンション装置が搭載された自動車のサスペンション装置近傍の概略側面図である。 図３は、本発明の第１実施形態において使用される動電型速度センサの概略縦断面図である。 図４は、本発明の実施形態に係るサスペンション装置の電動油圧制御システムの概略構成図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係るサスペンション装置が搭載された自動車のサスペンション装置近傍の概略正面図である。 図６は、本発明の第２実施形態の変形例において使用される動電型速度センサの概略縦断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１及び図２は、それぞれ本発明の第１実施形態に係るサスペンション装置が搭載された自動車のサスペンション装置１近傍の概略正面図及び概略側面図である。本発明の第１実施形態に係るサスペンション装置１は、自動車の車輪Ｗが固定された車軸Ｓを回転可能に支持する車軸軸受Ｂの振動を自動車の車体フレームＦに伝達させないようにするために設けられている。

本実施形態のサスペンション装置１は、第１緩衝機構１００、第２緩衝機構２００、連結ブロック３００、及び速度センサ４００を備えている。

第１緩衝機構１００は、速度センサ４００により計測される車軸軸受Ｂの振動に基づいて、油圧シリンダ１３０を駆動して車体フレームＦの振動を抑えるアクティブ式の緩衝機構である。油圧シリンダ１３０のスリーブ１３１は、マウント１６０により車体フレームＦに対して揺動自在に取り付けられている。マウント１６０の詳細な構成は後述する。本実施形態においては、油圧シリンダ１３０は、ヘッド側を上に、ロッド側を下に向けて、車体フレームＦに取り付けられている。また、油圧シリンダ１３０のロッド１３３の先端は、連結ロッド１４１、自在継手１４２、連結ブロック３００、及び後述する第２緩衝機構２００のロッド２１０を介して、車軸軸受Ｂに連結されている。すなわち、第１緩衝機構１００は、油圧シリンダ１３０を駆動することにより、車体フレームＦに対する車軸軸受Ｂの位置を制御することができる。

第２緩衝機構２００は、図示されないコイルばねとオイルダンパを備えたパッシブ（受動）式の緩衝機構であり、車軸軸受Ｂから車体フレームＦに伝達される特に高周波の振動を減衰させるものである。第２緩衝機構２００は、車体フレームＦの天板部Ｆｔにマウントインシュレータ５００を介して固定された筒体２２０と、車軸軸受Ｂに固定されたロッド２１０を備えている。ロッド２１０は、上部が筒体２２０内に収容され、筒体２２０の内周面に沿って軸方向に移動可能になっている。なお、第２緩衝機構２００の具体的構成は上記のものに限定されず、様々な種類のばね及びダンパ（例えば板ばねとエアダンパ）を使用することができる。

マウントインシュレータ５００は、第２緩衝機構２００によって十分に吸収されない極めて高い周波数の振動を遮断するために使用される取付部品であり、第１プレート５１０と第２プレート５２０とをゴムブッシュ５３０を挟んで貼り合わせたものである。マウントインシュレータ５００を構成する各部材（第１プレート５１０、第２プレート５２０、及びゴムブッシュ５３０）は、中央部に円形の開口を有している。第１プレート５１０に形成された開口には、第２緩衝機構２００の筒体２２０の底面（図中上側の端面）に設けられた雄ねじ２３０が差し込まれる。第１プレート５１０の開口を貫通した雄ねじ２３０にはナット２４０が取り付けられ、ナット２４０を締めることで第１プレート５１０は筒体２２０の底面に固定される。第２プレート５２０の外周部と車体フレームＦの天板部Ｆｔにはボルト５２２を通すための複数の貫通穴が設けられており、第２プレート５２０及び車体フレームＦの貫通穴に通されたボルト５２２にナット５２４を通して締めることで、第２プレート５２０は車体フレームＦに固定される。このようにして、マウントインシュレータ５００を介して第２緩衝機構２００を車体フレームＦに固定することにより、第２緩衝機構２００では十分に減衰されない高周波の振動を減衰することができる。

次に、油圧シリンダ１３０のスリーブ１３１を支持するマウント１６０の構成について説明する。図１に示されるように、マウント１６０は、車体フレームＦに固定された一対の支持プレート１６１及び１６２を備えている。一対の支持プレート１６１及び１６２は、一定の間隔をあけて互いに平行に配置されている。また、支持プレート１６１と支持プレート１６２の間には枠体１６５が挟み込まれている。

支持プレート１６１及び１６２には、貫通孔１６１ａ及び１６２ａがそれぞれ形成されている。また、枠体１６５には、支持プレート１６１及び１６２と対向する面に、貫通孔１６５ａ及び１６５ｂがそれぞれ形成されている。貫通孔１６１ａには、ピン１６３の一端（図１中左側）が差し込まれている。ピン１６３の他端（図１中右側）は、貫通孔１６５ａ内に取り付けられた軸受１６６の内輪に差し込まれている。同様に、貫通孔１６２ａには、ピン１６４の一端（図１中右側）が差し込まれている。ピン１６４の他端（図１中左側）は、貫通孔１６５ｂ内に取り付けられた軸受１６７の内輪に差し込まれている。このように、枠体１６５は、枠体１６５に回転自在に取り付けられた一対のピン１６３及び１６４を介して、支持プレート１６１及び１６２に取り付けられている。すなわち、枠体１６５は、支持プレート１６１及び１６２により、ピン１６３及び１６４の軸周りに揺動自在に支持されている。

油圧シリンダ１３０のスリーブ１３１は、枠体１６５に固定されている。従って、マウント１６０は、油圧シリンダ１３０を車体フレームＦに対してピン１６３及び１６４の軸周りに揺動自在に支持している。

前述のように、油圧シリンダ１３０のロッド１３３は、連結ロッド１４１及び自在継手１４２を介して連結ブロック３００に連結されている。このため、ロッド１３３は、自在継手１４２の中心点Ｃを中心として揺動自在に連結ブロック３００に連結されている。

このように、本実施形態に係る第１緩衝機構１００においては、油圧シリンダ１３０のスリーブ１３１が車体フレームＦに対して揺動可能であり、且つロッド１３３が連結ブロック３００に対して揺動可能となっている。このため、振動や操舵によって車軸軸受Ｂから連結ブロック３００を介して油圧シリンダ１３０に曲げ又は捩り方向の荷重が加わったとしても、油圧シリンダ１３０が車体フレームＦや連結ブロック３００に対して揺動するため、この荷重に起因する曲げひずみや捩りひずみは油圧シリンダ１３０には殆ど生じず、操舵や振動によって油圧シリンダ１３０が破損することは無い。

速度センサ４００は、車体フレームＦに対する車軸軸受Ｂの上下方向の速度を計測する。図１に示されるように、速度センサ４００は、第１緩衝機構１００と並列に配置され、車体フレームＦに取り付けられている。

速度センサ４００は、車体フレームＦに取り付けられたシリンダ部４１０と、シリンダ部４１０の内周面に沿って軸方向に往復移動可能なシャフト部４３０を備えており、シリンダ部４１０に対するシャフト部４３０の相対速度を計測する。シリンダ部４１０は、上述のマウント１６０と同様の揺動機構を有するマウント４６０により車体フレームＦに対して揺動自在に取り付けられている。シャフト部４３０の先端は、連結ロッド４７０、自在継手４８０、及びロッド４９０を介して連結ブロック３００の先端に取り付けられている。速度センサ４００は、シャフト部４３０の可動方向が第１緩衝機構１００のロッド１３３及び第２緩衝機構２００のロッド２１０の可動方向と一致するように、車体フレームＦに取り付けられている。そのため、速度センサ４００により、車体フレームＦに対して車軸軸受Ｂが移動可能な上下方向の速度を計測することが可能となっている。

次に、速度センサ４００の構造の詳細を説明する。図３は、本実施形態において使用される速度センサ４００の概略断面図である。速度センサ４００は、コイルと可動磁石から構成された所謂動電型の速度センサであり、コイルと可動磁石との相対速度に比例する信号電圧を発生する。

図３に示されるように、速度センサ４００のシャフト部４３０の一端には、円柱形状の磁石４２０が固定されている。磁石４２０は、その軸方向の一端（図３における左端）がＮ極４２０ａに、他端（図３における右端）がＳ極４２０ｂになっている。

速度センサ４００のシリンダ部４１０の内周面４１０ａに沿ってコイル４４０が配置されており、磁石４２０はコイル４４０の内部をシャフト部４３０の長さ方向（図３における左右方向）に移動可能となっている。磁石４２０がコイル４４０の内部で移動すると、コイル４４０に誘導起電力が発生する。この誘導起電力の大きさは、磁石４２０の移動速度に比例するため、コイル４４０の両端間の電位差から、磁石４２０の移動速度すなわちシリンダ部４１０に対するシャフト部４３０の移動速度を計測することができる。

図３に示されるように、速度センサ４００においては、磁石４２０の全体、すなわちＮ極４２０ａとＳ極４２０ｂの双方がシリンダ部４１０に収容されるようになっている。また、コイル４４０は、シリンダ部４１０の一端側（図３において左側）に配置された第１コイル部４４０ａと、他端側に配置された第２コイル部４４０ｂとが直列に接続されたものである。磁石４２０が移動すると、Ｎ極４２０ａに近接する第１コイル部４４０ａと、Ｓ極４２０ｂに近接する第２コイル部４４０ｂの双方に誘導起電力が発生する。第１コイル部４４０ａと第２コイル部４４０ｂは、磁石４２０が移動したときに回路に同符号の誘導起電力を与えるように直列に接続されている。そのため、速度センサ４００の出力電圧の大きさは各コイル部に発生する誘導起電力の大きさの倍になる。従って、速度センサ４００が発生する単位速度あたりの誘導起電力は大きく（すなわち計測感度が高く）、低速時にも高い精度でシャフト部４３０の移動速度を計測することができる。

また、シリンダ部４１０の長さは、磁石４２０の長さの１．２〜１．８倍に、好ましくは磁石４２０の長さの１．４〜１．６倍に調整される。また、第１コイル部４４０ａと第２コイル部４４０ｂは略同じ長さを有している。本実施形態では、各コイル部の長さは、シリンダ部４１０の長さの半分よりも少し短い長さとなっている。シリンダ部４１０及び磁石４２０の長さを上記範囲に設定することにより、磁石４２０のＮ極４２０ａ及びＳ極４２０ｂが、それぞれ第１コイル部４４０ａ及び第２コイル部４４０ｂ内に収容された状態を維持しながら磁石４２０が長いストロークで移動可能となる。すなわち、シリンダ部４１０と磁石４２０の長さの比率を上記範囲に設定することにより、シリンダ部４１０の長さに対して、速度計測が可能な磁石４２０の移動範囲が広くなり、コンパクトな速度センサ４００が実現する。本実施形態の速度センサ４００の一例においては、磁石４２０の長さが約３５ｃｍ、シリンダ部４１０の長さが約５０ｃｍであり、シャフト部４３０が１０ｃｍ程度の振幅で振動しても、その速度を正確に検出できるようになっている。

また、図３に示されるように、コイル４４０の内周は磁性をもたない絶縁体４５０により覆われており、コイル４４０と磁石４２０とが直接接触しないようになっている。また、絶縁体４５０の壁面４５０ａは、磁石４２０の外周面と略同径の円筒面となっている。このため、磁石４２０は絶縁体４５０の壁面４５０ａにガイドされて、その移動方向は一方向（図における左右方向）のみに規制される。

次に、油圧シリンダ１３０の駆動制御システムについて説明する。図４は、本実施形態に係る第１緩衝機構１００の駆動制御システムを示したものである。図４に示されるように、本実施形態に係る第１緩衝機構１００は、油圧シリンダ１３０の他に、電源１０４、サーボアンプ１０５、ポンプユニット１１０、作動油タンク１２０及びアキュムレータ１７０を備えている。

ポンプユニット１１０は、ポンプ本体１１１とサーボモータ１１２を備えている。サーボモータ１１２は、サーボアンプ１０５から出力される交流電流によって駆動されるようになっており、その駆動軸１１２ａを正逆両方向へ回転させることができる。また、サーボモータ１１２は、駆動軸１１２ａの回転速度を精密に調整できるようになっている。なお、本実施形態において使用されるサーボモータ１１２は、高出力で高い繰り返しレートの反転駆動が可能な低慣性ＡＣサーボモータである。また、サーボアンプ１０５は、電源１０４から供給される電力を使用して、所望の周期、位相、及び振幅を持つ３相交流の駆動電流を生成し、これをサーボモータ１１２に供給する。

また、本実施形態においては、ポンプ本体１１１は、サーボモータ１１２の反転駆動により、正逆両方向に作動油を送ることができる。すなわち、作動油を第１吸排口１１１ａから吸入して第２吸排口１１１ｂから吐出する動作と、第２吸排口１１１ｂから吸入して第１吸排口１１１ａから吐出する動作を交互に行うことが可能なピストンポンプである。そして、サーボモータ１１２によってポンプ本体１１１を駆動することにより、ポンプ本体１１１が供給する作動油の流量及び方向を変化させることができる。例えば、サーボモータ１１２を一定の周期で反転駆動させると、ポンプ本体１１１から吐出される作動油の流量及び方向は周期的に変化する。

油圧シリンダ１３０は、スリーブ１３１内で移動可能なピストン１３２を備えている。油圧シリンダ１３０のロッド１３３は、その一端がピストン１３２の一面に固定され、他端がスリーブ１３１の開口端から下方に突出している。スリーブ１３１の内部は、ピストン１３２によって上側の第１圧力室１３１ａと下側の第２圧力室１３１ｂに仕切られている。第１圧力室１３１ａと第２圧力室１３１ｂには、それぞれ作動油が封入されている。また、第１圧力室１３１ａ及び第２圧力室１３１ｂは、それぞれ配管１８１及び１８２を介してポンプ本体１１１の第１吸排口１１１ａ及び第２吸排口１１１ｂに接続されている。なお、配管１８１及び１８２には、第１緩衝機構１００の駆動時に発生する油圧（数１０ＭＰａ程度）に耐えられる（弾性変形を起こさない）金属パイプや高圧ホースなどが使用される。

油圧シリンダ１３０の第１圧力室１３１ａは、配管１８１及び逆止弁１８３を介して作動油タンク１２０に接続されている。また、第２圧力室１３１ｂは、配管１８２及び逆止弁１８４を介して作動油タンク１２０に接続されている。逆止弁１８３は、第１圧力室１３１ａの内圧が作動油タンク１２０の内圧（大気圧）よりも低くなったときに開き、配管１８１を介して作動油タンク１２０内の作動油を第１圧力室１３１ａに供給する。また、逆止弁１８４は、第２圧力室１３１ｂの内圧が作動油タンク１２０の内圧よりも低くなったときに開き、配管１８２を介して作動油タンク１２０内の作動油を第２圧力室１３１ｂに供給する。

逆止弁１８３、１８４は、空の第１圧力室１３１ａ及び第２圧力室１３１ｂに作動油を充填する際にも使用される。ここで、油圧シリンダ１３０の第１圧力室１３１ａ及び第２圧力室１３１ｂに作動油を充填する手順を説明する。なお、油圧シリンダ１３０の各圧力室に作動油を供給している間、後述するアキュムレータ１７０は油圧回路に圧力を加えないように設定される。第１圧力室１３１ａ及び第２圧力室１３１ｂには、それぞれ図示しないエア抜きバルブが設けられている。油圧シリンダ１３０に作動油を充填する際には、先ず第１圧力室１３１ａのエア抜きバルブが開かれ、第２圧力室１３１ｂのエア抜きバルブが閉じられる。次いで、作動油を第２吸排口１１１ｂから吸入して第１吸排口１１１ａから吐出するようにポンプユニット１１０が駆動されると、第２圧力室１３１ｂ及び配管１８２内のエアが配管１８１を介して第１圧力室１３１ａのエア抜きバルブから油圧回路外に押し出される。このとき、ポンプユニット１１０が作動油を吸引するため、第２圧力室１３１ｂ及び配管１８２の圧力が大気圧未満に低下する。そのため、逆止弁１８４が開いて、作動油タンク１２０から供給される作動油により第１圧力室１３１ａが充填される。

第１圧力室１３１ａに作動油が充填されると、次に第１圧力室１３１ａのエア抜きバルブが閉じられ、第２圧力室１３１ｂのエア抜きバルブが開けられる。そして、作動油を第１吸排口１１１ａから吸入して第２吸排口１１１ｂから吐出するようにポンプユニット１１０が駆動されると、第２圧力室１３１ｂ及び配管１８２内のエアが第２圧力室１３１ｂのエア抜きバルブから押し出される。また、ピストン１３２がヘッド側（図中上側）に移動して、第１圧力室１３１ａに充填されている作動油が配管１８１に押し出される。このとき、ポンプユニット１１０が配管１８１ａから作動油を吸引するため、配管１８１及び第１圧力室１３１ａ内の作動油の圧力が大気圧未満に低下する。そのため、逆止弁１８３が開いて、作動油タンク１２０から供給される作動油により第２圧力室１３１ｂが充填される。第２圧力室１３１ｂに作動油が充填された後、第２圧力室１３１ｂのエア抜きバルブが閉じられる。以上の工程によって、第１圧力室１３１ａ、第２圧力室１３１ｂ及び配管１８１、１８２に作動油が充填される。

次に、第１緩衝機構１００により車体フレームＦを上下に駆動する仕組みについて説明する。車体フレームＦを降下させる際は、作動油を第１吸排口１１１ａから吸入して第２吸排口１１１ｂから吐出するようにポンプユニット１１０が駆動される。第２吸排口１１１ｂから吐出された作動油は、配管１８２を介して第２圧力室１３１ｂに供給される。また、第１圧力室１３１ａ内の作動油は、配管１８１を介してポンプユニット１１０に吸引される。そのため、ピストン１３２が第１圧力室１３２ａ側に移動し、ピストン１３２に固定されたロッド１３３がスリーブ１３１内に引き込まれて、ロッド１３３のスリーブ１３１から突出した部分の長さが短くなる。

前述のように、スリーブ１３１はマウント１６０（図１、図２）により車体フレームＦに固定されており、ロッド１３３は連結ブロック３００等を介して車軸軸受Ｂ（図１、図２）に固定されている。従って、上記のようにポンプユニット１１０を駆動することによって、車軸軸受Ｂに対する車体フレームＦの位置は降下する。

車体フレームＦを上昇させる際は、作動油を第２吸排口１１１ｂから吸入して第１吸排口１１１ａから吐出するようにポンプユニット１１０が駆動される。第１吸排口１１１ａから吐出された作動油は、配管１８１を介して第１圧力室１３１ａに供給される。また、第２圧力室１３１ｂ内の作動油は、配管１８２を介してポンプユニット１１０に吸引される。そのため、ピストン１３２が第２圧力室１３１ｂ側に移動し、ピストン１３２に固定されたロッド１３３がスリーブ１３１内から押し出されて、ロッド１３３のスリーブ１３１から突出した部分の長さが長くなる。

前述のように、スリーブ１３１はマウント１６０により車体フレームＦに固定されており、ロッド１３３は連結ブロック３００等を介して車軸軸受に固定されている。従って、上記のようにポンプユニット１１０を駆動することによって、車軸軸受Ｂに対する車体フレームＦの位置は上昇する。

このように、本実施形態に係る第１緩衝機構１００は、正逆両方向に駆動可能なポンプユニット１１０によって作動油を油圧シリンダ１３０の第１圧力室１３１ａ又は第２圧力室１３１ｂに供給することにより、車体フレームＦを上下方向に移動させることができる。

さらに、本実施形態に係る第１緩衝機構１００は、配管１８１と１８２とをバイパスするバイパス管１８５と、バイパス管１８５の中途に設けられたアキュムレータ１７０とを備えている。アキュムレータ１７０は、その内部に窒素ガス等のガス層が形成された圧力容器であり、ガス層に所定の圧力を与えることにより、配管１８１及び１８２を介して油圧シリンダ１３０の第１圧力室１３１ａ及び第２圧力室１３１ｂを加圧する。

バイパス管１８５及びアキュムレータ１７０を有しない構成においては、作動油がポンプユニット１１０に吸引される側の配管内の圧力は極めて低くなる。ここで、作動油は圧縮性を有しているため、作動油により大きな駆動力を伝達するためには、作動油を加圧して一定の密度まで圧縮する必要がある。そのため、車体フレームＦの移動方向（すなわち、ポンプユニット１１０の駆動方向）が切り換わってから、作動油が吐出される側となった配管及び圧力室の油圧をシリンダ１３０の駆動に必要な高い圧力（１０〜数１０ＭＰａ）まで上昇させるのに、数１０ミリ秒程度の時間を要する。すなわち、圧縮による作動油の体積減少分を補う追加の作動油がポンプユニット１１０から供給されるまでの数１０ミリ秒の間、ポンプユニット１１０はシリンダ１３０へ十分な駆動力を与えることができない。この時間は、車体フレームＦが駆動されないタイムラグとなる。

本実施形態のサスペンション装置１においては、作動油が吸引される側の配管及び圧力室の圧力がシリンダ１３０の駆動に必要な大きさの所定の圧力に維持されるよう、アキュムレータ１７０が作動油に常に一定の圧力を加えている。このため、車体フレームＦの移動方向が切り換わった直後であっても、作動油が吐出される側となった配管及び圧力室の圧力は十分に高く保たれている。このため、アキュムレータ１７０が無い構成においては発生していたタイムラグが殆ど発生せず、サーボアンプ１０５が出力する駆動電流に対して高い応答性をもって車体フレームＦを移動させることができる。なお、タイムラグをできる限り小さくするために、アキュムレータ７０のガス層の圧力、すなわちアキュムレータ７０が作動油に加える圧力の大きさは、油圧シリンダ１３０の駆動に必要な最低圧力よりも大きくなるよう設定されている。また、バイパス管１８５としては、金属パイプや高圧ホースなど、アキュムレータ１７０が作動油に加える圧力に十分に耐えられるものが使用される。

コントローラ１０２は、速度センサ４００の計測結果に基づいてサーボモータ１１２を制御して、車体フレームＦが振動しないように油圧シリンダ１３０を駆動する。次に、コントローラ１０２によるサーボモータ１１２の制御について説明する。

前述のように、サーボアンプ１０５は、サーボモータ１１２に３相の交流電流を供給することによって、サーボモータ１１２の駆動軸１１２ａを所望の回転速度で正逆方向に回転させるものである。駆動軸１１２ａの回転速度は、交流電流の周波数を変化させることによって制御される。また、サーボモータ１１２には、駆動軸１１２ａの回転速度を計測するためのロータリエンコーダ１１２ｂが内蔵されている。ロータリエンコーダ１１２ｂによる回転速度の計測結果は、サーボアンプ１０５に送られる。サーボアンプ１０５は、この計測結果に基づいてサーボモータ１１２に送る交流電流の周波数を調整し、所望の回転速度で駆動軸１１２ａが回転するようサーボモータ１１２をフィードバック制御する。

速度センサ４００の出力は、Ａ／Ｄコンバータ１０６を介してコントローラ１０２に入力される。コントローラ１０２は、Ａ／Ｄコンバータ１０６から取得した速度計測値に基づいて回転速度制御命令を作成し、これをサーボアンプ１０５に送る。

ところで、第１緩衝機構１００を有しない従来のサスペンション装置においては、路面の凹凸に応じて第２緩衝機構２００が伸縮すると、第２緩衝機構２００のスプリングに蓄積された運動エネルギーがオイルダンパに吸収されるまで、スプリングの特性により揺り返し現象（低周波振動）が発生する。また、数Ｈｚ以下の低周波数の振動に対しては、第１緩衝機構１００は十分な減衰効果を発揮しない。そのため、第１緩衝機構１００の揺り返し振動が生じる固有周波数領域（例えば１０〜２０Ｈｚ）以下の低周波振動を除去するように第２緩衝機構２００を駆動することにより、車体フレームＦへの振動の伝達を高い水準で抑制することが可能になる。

そこで、コントローラ１０２は、速度センサ４００によって計測された速度から低周波振動の速度成分を取り除いた速度波形に従って車軸軸受Ｂが車体フレームＦに対して移動するような回転速度制御命令を生成してサーボアンプ１０５に与える。具体的には、車体フレームＦに対して車軸軸受Ｂを移動させる速度（速度計測値から揺り返し現象による低周波振動の速度を引いた値）Ｖ［ｍ／ｓ］、及びサーボモータ１１２の駆動軸を一回転させるために必要な作動油の供給量Ｓ［ｍ^３］及びスリーブ１３１の断面積Ａ［ｍ^２］から、サーボアンプ１０５に送る回転速度Ｒ［ｒｐｍ］は以下の数１によって求められる。

以上のようにコントローラ１０２がサーボアンプ１０５を制御した状態では、揺り返し現象による低周波振動を取り除いた速度、すなわち車輪Ｗを路面の凹凸に沿って上下動させるために必要な速度で車体フレームＦに対して車体軸受Ｂが移動する。このため、揺り返し現象が抑制され、車体フレームＦは殆ど振動しない状態となる。このように、本実施形態に係る第１緩衝機構１００は、揺り返し現象による低周波振動を除去することが可能である。

なお、センサによる計測値から低周波振動成分を取り除く方法には既知の様々な方法を採用することができるが、本発明の実施に適した幾つかの方法を以下に説明する。低周波振動成分を正確に除去する方法としては、振動波形の周波数解析を使用する方法がある。具体的には、計測した速度Ｖの時間変化から振動スペクトルを計算し、第１緩衝機構１００の固有周波数領域以下（例えば２０Ｈｚ以下、１２Ｈｚ以下、あるいは１０Ｈｚ以下）の低周波振動成分をカットした波形に従って第２緩衝機構２００が駆動するように制御する。なお、揺り返し現象による固有周波数領域の振動は、路面の凹凸に従った車輪の上下動（通常はスパイク的な高周波振動を含む）に続いて発生する。高周波振動を伴わない固有周波数領域の振動は、揺り返し現象によるものではなく、路面の緩やかな凹凸に追った車輪の上下動であるため、最初の半周期の振動はカットしない処理を行うことが望ましい。このように振動の特徴に応じた処理を行う場合には、周波数解析において位相情報を抽出し、位相別に処理を行うことが望ましい。また、全ての低周波振動成分を除去するのではなく、初期振幅が一定値以上の振動のみを除去するようにしてもよく、あるいは一定の減衰率（例えば５０％）だけ低周波振動成分を減衰するようにしてもよい。また、周波数解析を行わずに、簡易的に低周波振動成分の除去を行ってもよい。例えば、第１緩衝機構１００の緩和波形（揺り返し振動の波形）は初期振幅によって決まるため、所定値以上の振幅の振動が検出されたときに、その振幅に対応した緩和波形を測定波形から減じた波形に従って第２緩衝機構２００が駆動するように制御してもよい。この場合、緩和波形は予め波形データ又は関数としてコントローラ１０２に記憶される。

本実施形態に係る第１緩衝機構１００は、速度センサ４００が計測した速度に基づいて演算される回転速度にて、サーボモータ１１２の駆動軸１１２ａが回転するよう制御されている。従来の振動制御は加速度の計測値に基づいて行われているが、加速度の計測値にはノイズが多いため制御精度が低く、特に加速度の時間積分である速度や変位の制御値には誤差が累積されるため十分な精度で振動制御をすることができない。また、変位（位置）の計測値は、微小変位の振動や低速の振動において精度が低く、特に変位の時間微分である速度や加速度については十分な制御精度を得ることができない。一方、本発明の実施形態のように、速度の計測値を使用して振動制御を行うと、計測値の誤差が少なく、また速度の一階微分又は積分である加速度や変位の制御値にも大きな誤差が生じず、格段に正確な振動制御を実現することができる。このように速度計測値を使用した振動制御が、加速度や変位の計測値を使用した振動制御に対して顕著に優れているという技術的知見は、当業者には知られておらず、本発明者による詳細な振動研究により見出されたものである。

上記に説明した第１実施形態のサスペンション装置１は、第１緩衝機構１００と第２緩衝機構２００を並列に接続したものであるが、第１緩衝機構１００と第２緩衝機構２００を直列に接続してもよい。次に、第１緩衝機構１００と第２緩衝機構２００とを直列に接続した本発明の第２実施形態に係るサスペンション装置２について説明する。図５は、サスペンション装置２が搭載された自動車のサスペンション装置２近傍の概略正面図である。なお、以下の説明において、第１実施形態と同様の構成については、同一又は類似の符号を用い、詳しい説明は省略する。

サスペンション装置２においては、第２緩衝機構２００（具体的にはオイルダンパ）の筒体２２０が車軸軸受Ｂに固定されており、ロッド２１０の先端は連結部材２６０を介して第１緩衝機構１００（具体的には油圧シリンダ１３０）のロッド１３３の先端と連結されている。また、油圧シリンダ１３０のスリーブ１３１はマウントインシュレータ５００を介して車体フレームＦの天板部Ｆｔに固定されている。第２緩衝機構２００の筒体２２０及び連結部材２６０の外周面には、それぞれフランジ２２０ｆ及び２６０ｆが形成されており、フランジ２２０ｆ及び２６０ｆの間にスプリング２５０が挟持されている。また、筒体２２０のフランジ２２０ｆの下方には連結ブロック３００が固定されている。

また、第１緩衝機構１００と並列に速度センサ４００が配置されている。速度センサ４００のシャフト部４３０の先端は、連結ロッド４７０及び自在継手４８０を介して連結ブロック３００の先端に取り付けられている。また、シリンダ部４１０は、マウント４６０により車体フレームＦに対して揺動自在に取り付けられている。すなわち、第２実施形態においても、速度センサ４００は車体フレームＦに対する車軸軸受Ｂの速度を計測するように設置されている。

第１緩衝機構１００と第２緩衝機構２００が並列に接続された第１実施形態においては、速度センサ４００により計測された車体フレームＦに対する車軸軸受Ｂの振動から低周波振動成分を除去した振動波形に従って第２緩衝機構２００が駆動するように制御が行われるが、第１緩衝機構１００と第２緩衝機構２００が直列に接続された上記構成の第２実施形態においては、低周波振動成分を逆符号（逆位相）にした波形に従って第２緩衝機構２００が駆動するように制御が行われる。なお、第２実施形態において速度センサ４００が計測する速度には第１緩衝機構１００の駆動速度も含まれるため、計測値から第１緩衝機構１００の駆動速度を減じた第２緩衝機構２００の伸縮速度に基づいて除去すべき低周波振動成分が決定される。

また、第２実施形態の変形例として、第２緩衝機構２００の伸縮速度（すなわち、連結部材２６０に対する車軸軸受Ｂの移動速度）が計測されるように速度センサ４００を配置してもよい。具体的には、例えば速度センサ４００のシリンダ部４１０を車軸軸受Ｂに固定し、シャフト部４３０を連結部材２６０に固定する構成にすることができる。この変形例の構成にすると、第２緩衝機構２００の振動を第１緩衝機構１００の駆動と分離して計測されるため、制御計算が簡素化され、制御精度も向上する。

上記の第２実施形態において使用される速度センサ４００は、車両内の互いに可動な２点間の相対速度を計測するものであるが、慣性型のセンサを使用して、慣性系（地球）に対する車体フレームＦの速度変化を計測する構成にしてもよい。このような慣性型速度センサの一例を図６に示す。図６に示される速度センサ４００’は、第２実施形態で使用される速度センサ４００と同じ基本構成を有するが、シャフト部４３０を有しておらず、磁石４２０は慣性力によりコイル４４０内を移動する。また、シリンダ部４１０の円筒孔の両端は、磁石４６０ａ及び４６０ｂにより塞がれている。磁石４２０のＮ極４２０ａと対向する磁石４６０ｂは、内側（Ｎ極４２０ａと対向する側）がＳ極となるように配置され、Ｓ極４２０ｂと対向する磁石４６０ａは内側（Ｓ極４２０ｂと対向する側）がＮ極となるように配置される。そのため、磁石４２０がシリンダ部４１０の両端に接近すると、磁石４６０ａ又は４６０ｂから反発力を受けるため、磁石４６０ａ又は４６０ｂに衝突して破壊することがない。なお、磁石４２０がシリンダ部４１０の両端に接近したときには、速度が正確に計測されないため、第２緩衝機構２００による低周波振動成分を除去する処理は停止される。

このような慣性型の速度センサ４００’を使用する場合には、速度センサ４００’により計測された振動を打ち消すように第２緩衝機構２００の駆動が制御される。具体的には、速度センサ４００’により計測された振動と逆符号（逆位相）の振動を発生するように第２緩衝機構２００の駆動が制御される。慣性型の速度センサ４００’を使用すると、第２緩衝機構２００によって吸収されずに車体フレームＦまで伝達された振動（すなわち第１緩衝機構１００により除去すべき振動）のみが計測されるため、複雑な計算を経ずに制御値を得ることができる。なお、慣性型の速度センサ４００’は、第１緩衝機構１００と第２緩衝機構２００を直列に接続した第２実施形態での使用に適している。

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。しかしながら、本発明の実施の形態の具体的態様は、上記のものに限定されず、特許請求の範囲の記載により表現された技術的思想の範囲において任意に変更することができる。

例えば、上記に説明した実施形態は、速度センサ４００（４００’）により計測された速度に基づいて、第１緩衝機構１００の駆動速度が制御される構成であるが、制御対象は速度に限定されず、第１緩衝機構１００の変位や加速度を制御対象としてもよい。但し、いずれの場合も速度の計測結果に基づいて制御が行われる。また、上記実施形態では動電型の速度センサが使用されているが、光学式センサ等の他の種類の速度センサを使用してもよい。しかしながら、動電型速度センサは、速度に比例した信号電圧を発生するため、信号補正等の処理を行う必要が無く、本発明の実施に最適なセンサの一つである。

また、本発明においては、油圧シリンダを使用した油圧アクチュエータによって車体フレームＦを車軸軸受Ｂに対して振動させているが、本発明は上記の構成に限定される物ではない。すなわち、車体フレームＦと車軸軸受Ｂの一方にサーボモータを設け、サーボモータの駆動軸に連結された送りねじと係合するナットを車体フレームＦと車軸軸受Ｂの他方に連結して構成された送りねじ式のアクチュエータが、油圧アクチュエータの代わりに使用される構成としてもよい。或いは、ボイスコイルモータによって車体フレームＦを車軸軸受Ｂに対して駆動する動電型アクチュエータが油圧アクチュエータの代わりに使用される構成としてもよい。

Claims (7)

1. 車軸を支持する軸受から車体への振動の伝達を防止するための、ばねとダンパを有するパッシブ緩衝機構及びアクティブ緩衝機構を備えたサスペンション装置であって、
   前記アクティブ緩衝機構は、
   前記車体の振動を計測する速度センサと、
   前記軸受を前記車体に対して駆動するアクチュエータと、
   前記速度センサの計測結果に基づいて、前記車体が振動しないように前記アクチュエータの駆動を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記アクチュエータは、
   第１吸排口と第２吸排口との間で作動油を正逆両方向に供給可能なポンプと、
   前記ポンプを駆動するモータと、
   ピストンによって内部空間が第１の圧力室と第２の圧力室に仕切られた油圧シリンダと、
   前記第１の圧力室を前記第１の吸排口に接続する第１の配管と、
   前記第２の圧力室を前記第２の吸排口に接続する第２の配管と、
   前記第１及び第２の配管を中途で連通させるバイパス管と、
   前記バイパス管の中途に設けられ、前記第１及び第２の圧力室に所定の圧力を加えるアキュムレータと
   を備え、
   前記アキュムレータが前記第１の圧力室及び第２の圧力室に加える所定の圧力の大きさは、前記油圧シリンダの駆動に必要な最低圧力よりも大きく設定されていることを特徴とするサスペンション装置。
2. 前記所定の圧力が１０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載のサスペンション装置。
3. 前記速度センサは、前記パッシブ緩衝機構の伸縮速度、及び、前記車体に対する軸受の速度のいずれか一つを計測することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のサスペンション装置。
4. 前記アクティブ緩衝機構と前記パッシブ緩衝機構は並列に接続され、前記車体は前記アクティブ緩衝機構及び前記パッシブ緩衝機構を介して前記車軸に支持されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のサスペンション装置。
5. 前記アクティブ緩衝機構と前記パッシブ緩衝機構は直列に接続され、前記車体は前記アクティブ緩衝機構及び前記パッシブ緩衝機構を介して前記車軸に支持されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のサスペンション装置。
6. 前記油圧シリンダが、前記軸受及び前記車体の夫々に対して揺動可能に支持されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のサスペンション装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のサスペンション装置を備えた車両。

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