JP5910158B2 - アクティブダンパー - Google Patents

Description

本発明は、アクティブダンパーに関する。

周知の通り、アクティブダンパーは、アクチュエータを動的に制御することによって衝撃の緩和や振動の抑制（制振）を行うものであり、車両に設けられるサスペンションや、プレス機に設けられるダイクッション装置などの各種装置に応用されている。一般的なアクティブダンパーは、制振対象物と支持架台との間に介装された油圧シリンダと、油圧シリンダへ作動油を吐出する油圧ポンプと、油圧ポンプを駆動するポンプモータと、ポンプモータを制御するコントローラとを備えている（下記特許文献１及び２参照）。

特開２０００−２６４０３３号公報 特開２００９−１９６５９７号公報

上記特許文献１の技術は、油圧ポンプを介することによって、モータトルクを油圧シリンダ推力として発生させて、アクチュエータによる制御力を発生させる方式であるが、ポンプモータの応答が追従する比較的低周波領域に対しては有効に作用するが、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域に対しては有効な制御力が発生できない問題がある。

アクチュエータの機能としては、有効な制御力をバネ上質量に作用させる一方で、バネ下質量の振動を上部に伝達させない特性であることが理想的であるが、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域では、バネ下からバネ上への振動伝達要素として作用してしまい、バネ上質量側の振動を増大させてしまう可能性がある。

このような特許文献１の技術の欠点を補うものとして特許文献２の技術が挙げられるが、ポンプモータの回転制御に加えて可変絞りの制御が必要となり、また、可変絞りにより生じる制御力は全て損失となってしまう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来のように余計な制御や無駄な損失を増やすことなく、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域においてバネ下（支持架台）からバネ上（制振対象物）への振動伝達を抑制可能なアクティブダンパーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、アクティブダンパーに係る第１の解決手段として、制振対象物と支持架台との間に介装された油圧シリンダと、前記油圧シリンダへ作動油を吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動するポンプモータと、前記油圧シリンダと前記油圧ポンプとを結ぶ作動油供給流路に接続されたアキュムレータとを備える、という手段を採用する。

また、本発明では、アクティブダンパーに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記作動油供給流路の圧力を検出し、その検出結果を示す圧力検出信号を出力する圧力センサと、前記圧力センサから入力される圧力検出信号、上位制御装置から入力される減衰力指令信号に基づいて前記ポンプモータの制御を行う制御装置とをさらに備える、という手段を採用する。

本発明によれば、アキュムレータを利用することにより、従来のように余計な制御や無駄な損失を増やすことなく、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域においてバネ下（支持架台）からバネ上（制振対象物）への振動伝達を抑制することが可能となる。

本実施形態に係るアクティブダンパー１の概略構成図である。 本実施形態の第１の変形例を示す図である。 本実施形態の第２の変形例を示す図である。 本実施形態の第３の変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るアクティブダンパー１の概略構成図である。この図１に示すように、本実施形態に係るアクティブダンパー１は、制振対象物２と支持架台３との間に介装された油圧シリンダ１１にて発生する推力を動的に制御することで制振対象物２の振動抑制（制振）を実現するものであり、油圧シリンダ１１、油圧ポンプ１２、貯油タンク１３、ポンプモータ１４、アキュムレータ１５、圧力センサ１６、パルスジェネレータ１７及びコントローラ１８から構成されている。

このアクティブダンパー１の用途を例えば車両用サスペンションと想定すると、制振対象物２は車体（バネ上質量Ｍ）であり、支持架台３はタイヤの支持アーム（バネ下質量ｍ）である。また、図中の振動源は路面であり、この路面と支持架台３との間に介在するバネ要素４はタイヤである。さらに、制振対象物２（車体）と支持架台３（支持アーム）との間に介装されたバネ要素５はスプリングコイルであり、減衰要素６は例えばガス封入式のダンパーである。

油圧シリンダ１１は、制振対象物２と支持架台３との間に介装され、油圧によって制振対象物２の制振制御に必要な推力を発生するものであり、シリンダ１１ａ、ピストン１１ｂ及びロッド１１ｃを備えている。シリンダ１１ａは、作動油を内部に収容する円筒状の部品である。ピストン１１ｂは、シリンダ１１ａの内部空間を２つの部屋（第１室Ｒ１、第２室Ｒ２）に分割すると共にシリンダ１１ａの内壁に沿って往復移動自在に収容された円盤状の部品である。作動油は第２室Ｒ２に収容される。

ロッド１１ｃは、自身の中心軸線とピストン１１ｂの中心軸線とが一致するように一端がピストン１１ｂに固定された棒状の部品である。このロッド１１ｃの他端は、シリンダ１１ａの第２室Ｒ２側から外側に貫通して、油圧シリンダ１１で発生する推力を作用させるべき制振対象物２と連結されている。

油圧ポンプ１２は、例えば二方向吐出型の容量ポンプであり、入力軸がポンプモータ１４の回転軸に接続されていると共に、一方の吐出口が作動油供給流路Ｌ１を介して油圧シリンダ１１の第２室Ｒ２に接続され、他方の吐出口が作動油排出流路Ｌ２を介して貯油タンク１３に接続されている。この油圧ポンプ１２は、入力軸の回転方向によって作動油の吐出方向（言い換えれば、どちらの吐出口から作動油が吐出されるか）が決定され、入力軸の回転数によって吐出流量が決定される。貯油タンク１３は、油圧ポンプ１２から排出される作動油を貯留するための容器である。

ポンプモータ１４は、例えばＡＣサーボモータであり、コントローラ１８から供給されるモータ駆動信号に応じて回転する回転軸を有している。前述のように、ポンプモータ１４の回転軸は油圧ポンプ１２の入力軸に接続されているので、ポンプモータ１４の回転方向及び回転数（回転速度）を制御することにより、油圧ポンプ１２による作動油の吐出方向及び吐出流量を任意に制御できる。つまり、ポンプモータ１４の回転方向及び回転数を制御することにより、油圧シリンダ１１の第１室Ｒ１と第２室Ｒ２の間に任意の圧力差を生じさせることができ、その結果、油圧シリンダ１１にて発生する推力（制振対象物２に作用する力）を任意に制御できるようになる。

アキュムレータ１５は、油圧シリンダ１１と油圧ポンプ１２とを結ぶ作動油供給流路Ｌ１の途中（油圧シリンダ１１に近い位置が好ましい）に接続された蓄圧器である。このアキュムレータ１５は、窒素ガスが封入されたゴム膜を本体内部に備えており、作動油供給流路Ｌ１の圧力が窒素ガス封入圧力より高くなると、ゴム膜が圧縮されて作動油を内部に蓄積し、作動油供給流路Ｌ１の圧力が窒素ガス封入圧力より低くなると、ゴム膜の膨張によって作動油を放出するものである。

圧力センサ１６は、作動油供給流路Ｌ１の圧力を検出し、その検出結果を示す圧力検出信号をコントローラ１８に出力する。パルスジェネレータ１７は、例えばロータリーエンコーダであり、ポンプモータ１４の回転に応じたパルス信号（具体的には、ポンプモータ１４が一定角度回転するのに要した時間を１周期とするパルス信号）を生成してコントローラ１８に出力するパルス発生器である。

コントローラ１８は、圧力センサ１６から入力される圧力検出信号、パルスジェネレータ１７から入力されるパルス信号、及び上位制御装置１９から入力される減衰力指令信号に基づいてポンプモータ１４の回転制御を行う制御装置であり、圧力／推力換算部１８ａ、加算部１８ｂ、減算部１８ｃ、ＰＩＤ演算部１８ｄ及びモータドライバ１８ｅを備えている。なお、圧力／推力換算部１８ａ、加算部１８ｂ、減算部１８ｃ及びＰＩＤ演算部１８ｄは、コントローラ１８に内蔵されたマイコンがプログラムを実行することで実現されるソフトウェア的な機能である。

ここで、上位制御装置１９から入力される減衰力指令信号とは、例えば、制御対象物２と支持架台３との相対速度に基づいて算出された、その相対速度への抵抗力に相当する減衰力指令値（言い換えれば減衰係数）を示す信号である。つまり、上位制御装置１９は、制御対象物２と支持架台３との相対速度を検出する相対速度検出部２０の出力信号に基づいて、相対速度への抵抗力に相当する減衰力指令値を算出し、その算出結果を示す減衰力指令信号をコントローラ１８に出力する。

圧力／推力換算部１８ａは、圧力センサ１６から入力される圧力検出信号を基に作動油供給流路Ｌ１の圧力（以下、作動油圧力と称す）を認識し、この作動油圧力に所定の変換係数を乗算することにより、油圧シリンダ１１にて現在発生している推力（以下、シリンダ推力現在値と称す）を算出する。加算部１８ｂは、上位制御装置１９から入力される減衰力指令信号が示す減衰力指令値と油圧シリンダ１１の自重支持負担分（一定荷重）とを加算することにより、シリンダ推力目標値を算出する。

制振対象物２の自重は、その質量Ｍと重力加速度ｇを用いてＭ×ｇで表され、例えば制振対象物２と支持架台３との間に介装されたバネ要素５及び減衰要素６の自重支持負担分を９割とすると、油圧シリンダ１１の自重支持負担分は、Ｍ×ｇ×（１−０．９）で表される。減算部１８ｃは、上記のように加算部１８ｂにて算出されたシリンダ推力目標値（＝減衰力指令値＋油圧シリンダ１１の自重支持負担分）から、圧力／推力換算部１８ａにて算出されたシリンダ推力現在値を減算することで、シリンダ推力偏差値を算出する。

ＰＩＤ演算部１８ｄは、減算部１８ｃにて算出されたシリンダ推力偏差値（＝シリンダ推力目標値−シリンダ推力現在値）を基にＰＩＤ演算を行う（シリンダ推力偏差値に制御ゲインを乗算する）ことにより、シリンダ推力偏差値をゼロにさせるための、言い換えればシリンダ推力目標値とシリンダ推力現在値とを一致させるための操作信号を生成してモータドライバ１８ｅに出力する。

モータドライバ１８ｅは、ＰＩＤ演算部１８ｄ（つまりマイコン）から入力される操作信号に応じてポンプモータ１４を駆動するためのモータ駆動信号（駆動電流）を生成してポンプモータ１４に出力する。なお、モータドライバ１８ｅには、パルスジェネレータ１７から出力されるパルス信号がフィードバックされており、操作信号によって指示される回転速度と実際のポンプモータ１４の回転速度とが一致するようにフィードバック制御を行うことができるようになっている。

以上のように、本実施形態に係るアクティブダンパー１は、制振対象物２（バネ上質量Ｍ）の自重を支持する力の一部を油圧シリンダ１１に分担させることにより、油圧シリンダ１１は一定方向のみの推力を発生させれば良い構成を採用している。油圧シリンダ１１は、制振対象物２の自重を支持する力の一部を定常的に発生させつつ、その自重支持の定常力を基準として、ポンプモータ１４の回転制御による作動油の流入出量を調整することにより、制振制御に必要な制御力（推力）を制振対象物２に作用させることができる。

油圧シリンダ１１における、支持架台３（バネ下質量ｍ）から制振対象物２（バネ上質量Ｍ）への振動伝達を考えると、アキュムレータ１５の封入ガスの圧縮性の作用により、バネ下側の振動がバネ上側に伝わりにくい特性を持つ。このため、ポンプモータ１４の回転制御により、アキュムレータ１５への作動油の流入出量を調整して制御力を作用することが可能であって、ポンプモータ１４の回転制御で追従できない高周波領域の応答については、アキュムレータ１５の封入ガスの圧縮性の作用により、バネ下側からバネ上側への振動が伝わりにくい構成となっている。

従って、本実施形態によれば、ポンプモータ１４の回転制御で追従可能な低周波領域の振動成分は、バネ上側（制振対象物２）への制御力として作用させる一方、ポンプモータ１４の回転制御で追従できない高周波領域の振動成分はアキュムレータ１５で吸収できるので、従来のように余計な制御や無駄な損失を増やすことなく、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域においてバネ下（支持架台）からバネ上（制振対象物）への振動伝達を抑制することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、油圧ポンプ１２から油圧シリンダ１１の第２室Ｒ２のみに作動油を供給する構成を採用する場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、図２に示すように、油圧ポンプ１２から油圧シリンダ１１の第１室Ｒ１及び第２室Ｒ２の両方に作動油を供給する構成を採用しても良い。

（２）上記実施形態では、アクティブダンパー１の用途として例えば車両用サスペンションと想定したが、本発明はこれに限定されず、プレス機に設けられるダイクッション装置など、制振対象物と支持架台との間に介装された油圧シリンダにて発生する推力を動的に制御することにより、制振対象物の制振制御を行う用途に広く利用することができる。

（３）上記実施形態では、アキュムレータ１５を作動油供給流路Ｌ１の途中（油圧シリンダ１１に近い位置）に接続する場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、アキュムレータ１５を作動油供給流路Ｌ１のどの位置に接続しても良い。例えば図３では、作動油供給流路Ｌ１の一端が油圧ホース２１を介して油圧シリンダ１１と接続され、作動油供給流路Ｌ１の他端が油圧ホース２２を介してアキュムレータ１５と接続されている場合を示している。

（４）上記実施形態では、コントローラ１８が、圧力センサ１６から入力される圧力検出信号、パルスジェネレータ１７から入力されるパルス信号、及び上位制御装置１９から入力される減衰力指令信号に基づいてポンプモータ１４の回転速度制御を行う場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、例えば図４に示すように、パルスジェネレータ１７を削除し、圧力センサ１６から入力される圧力検出信号及び上位制御装置１９（図４では図示省略）から入力される減衰力指令信号に基づいてポンプモータ１４のトルク制御を行うコントローラ１８Ａを設けても良い。この場合のコントローラ１８Ａは、モータドライバ１８ｅに替えて、ＰＩＤ演算部１８ｄから入力される操作信号に応じてポンプモータ１４をトルク制御するためのモータ駆動信号（駆動電流）を生成してポンプモータ１４に出力するモータドライバ１８ｆを備えている。

１…アクティブダンパー、２…制振対象物、３…支持架台、１１…油圧シリンダ、１２…油圧ポンプ、１３…貯油タンク、１４…ポンプモータ、１５…アキュムレータ、１６…圧力センサ、１７…パルスジェネレータ（パルス発生器）、１８、１８Ａ…コントローラ（制御装置）、１９…上位制御装置、２０…相対速度検出部

Claims (2)

1. 制振対象物と支持架台との間に介装された油圧シリンダと、
   前記油圧シリンダへ作動油を吐出する油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプを駆動するポンプモータと、
   前記油圧シリンダと前記油圧ポンプとを結ぶ作動油供給流路に接続されたアキュムレータと、
   前記作動油供給流路の圧力を検出し、その検出結果を示す圧力検出信号を出力する圧力センサと、
   前記圧力検出信号から前記油圧シリンダで現在発生している推力であるシリンダ推力現在値を求めるとともに、上位制御装置から出力される減衰力指令信号からシリンダ推力目標値を求め、前記シリンダ推力目標値に対する前記シリンダ推力現在値の偏差であるシリンダ推力偏差値に基づいて前記ポンプモータの制御を行う制御装置と
   を備えることを特徴とするアクティブダンパー。
2. 前記制御装置は、前記シリンダ推力偏差値をゼロにさせるための操作信号を生成するＰＩＤ演算部と、
   前記操作信号によって指示される回転速度と前記ポンプモータの実際の回転速度とを一致させるためのモータ駆動信号、或いは前記操作信号に応じて前記ポンプモータをトルク制御するためのモータ駆動信号を生成して前記ポンプモータに出力するモータドライバと
   を備えることを特徴とする請求項１記載のアクティブダンパー。

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