JPH05181547A - 電気粘性流体使用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非線形性が強い電気粘性流体を使用し、特性
が未知な場合にも学習により装置の特性を把握し、電気
粘性流体への印加電圧を制御することにより有効かつ簡
便に制御を行えるようにする。 【構成】 印加する電界強度を変えることにより粘性が
変化する電気粘性流体を用いた装置において、印加する
電界強度をニューロコントローラで制御すること、ま
た、本発明は電気粘性流体を用いた装置が振動体に取り
付けられた動吸振器であり、ニューロコントローラは振
動体の動特性を学習し、前記動吸振器への印加電圧を制
御して振動を吸収する。その結果、非線形性の強い電気
粘性流体使用装置であっても、また入出力の数に関係な
く簡便に制御することができ、さらに電気粘性流体使用
装置の特性が変化しても学習作用があるために、制御系
を組み直す必要なく制御することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気粘性流体を使用
し、粘性制御により振動の制御、動力伝達等を行う装置
において、ニューロコントローラで粘性制御するように
した電気粘性流体使用装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば、振動体に生ずる振動を減
衰させるのに動吸振器が用いられている。図８は従来提
案されている動吸振器を用いた振動制御装置のシステム
構成を示しており、振動体２には、印加電圧によって粘
性が変化する電気粘性流体をダンパとして用いた動吸振
器１３が取付けられ、振動体の振動を、例えば加速度セ
ンサからなる検出器４で検出し、制御装置５のインター
フェース６を通してＣＰＵ９に取り込む。ＣＰＵ９はＲ
ＯＭ７に書き込まれたプログラムにより動作し、検出し
た加速度を減衰させるように印加電圧を求めてインター
フェース６、Ｄ／Ａ変換器３を通して動吸振器２に印加
し、動吸振器の電気粘性流体の粘性を変化させて減衰特
性を変え、振動を減衰させる。このような処理を繰り返
すことにより、振動体２の振動が吸収され、振動が抑制
される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の構成に必須で
ある前記電気粘性流体について説明する。電気粘性流体
が有するウインズロウ効果は、米国特許第２，４１７，
８５０号に開示されたものであり、２つの電極間に電気
絶縁性液体（分散媒）に固定粒子（分散質）を懸濁させ
たもの、いわゆる電気粘性流体を充填し、両電極間に電
圧を印加すると、外部電界の影響により流体粘度を増大
する結果となる。この粘度は外部電界の大きさによって
外部的に制御できるだけでなく、非常に応答性が良いと
いう優れた効果が期待できるものである。

【０００４】前記電気粘性流体について具体的に説明す
ると、分散媒としての電気絶縁液体は、電気絶縁性であ
ればいずれでも良く特別の制限を受けるものではない
が、例えば、鉱油や合成油があり、より具体的には、ナ
フテン系鉱油、パラフィン系鉱油、ポリアルファーオレ
フィン、ポリアルキレングリコール、シリコーン、ジエ
ステル、ポリオールエステル、リン酸エステル、珪素化
合物、フッ素化合物、ポリフェニルエーテル、アルキル
ベンゼン合成炭化水素などが挙げられる。これら電気絶
縁性液体の粘度範囲は、４０℃において５〜３００ＣＰ
のものが好ましい。

【０００５】また、分散質としての多孔質固体粒子は、
慣用のものが使用され特別の制限を受けるものではない
が、例えば、シリカゲル、含水性樹脂、ケイソウ土、ア
ルミナ、シリカーアルミナ、ゼオライトイオン交換樹
脂、セルロース等がある。これらの多孔質固体粒子は、
通常、粒径１０ｎｍ〜２００μｍのものが０．１〜５０
重量％の割合で使用される。

【０００６】また、分極促進効果を高めるために、水、
多価アルコールや、塩、塩基を添加する。特に、分散質
である多孔質固体粒子が誘電分極しやすくなる態様で使
用するのが好ましい。分極促進剤としては、例えば多価
アルコールまたはその部分誘導体が挙げられる。多価ア
ルコールとしては、二価アルコール、三価アルコール、
例えばエチレングリコール、ジエチレングリコール、ト
リエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポ
リエチレングリコール、グリセリン、プロパンジオー
ル、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオ
ール等を挙げることができる。好ましい多価アルコール
としてはトリエチレングリコール、テトラエチレングリ
コール等が挙げられる。

【０００７】また、多価アルコールの部分誘導体として
は、少なくとも１つの水酸基を有する多価アルコールの
部分誘導体であり、上記多価アルコールの末端水酸基の
内の幾つかがメチル基、エチル基、プロピル基、アルキ
ル置換フェニル基（フェニル基に置換されたアルキル基
の炭素数は１〜２５）等により置換された部分エーテル
類、またその末端水酸基の内の幾つかが酢酸、プロピオ
ン酸、酪酸等によりエステル化された部分エステル類が
挙げられる。

【０００８】これらの水や多価アルコールまたはその部
分誘導体は、通常多孔質固体粒子に対して１重量％〜１
００重量％、特に好ましくは２重量％〜８０重量％使用
するとよい。添加量が１重量％未満であるとＥＲ効果が
少なく、また１００重量％を越えると電流が流れやすく
なるのて好ましくない。また、酸、塩、塩基の使用量は
多孔質固体粒子に対して、通常０．０１〜５重量％の割
合で使用される。

【０００９】さらに、分散剤が、多孔質固体粒子の分散
媒中での分散状態を均一かつ安定にするために用いられ
る。例えば、スルホネート類、フェネート類、ホスホネ
ート類、コハク酸イミド類、アミン類、エステル類、非
イオン系分散剤等、より具体的には、マグネシウムスル
ホネート、カルシウムスルホネート、カルシウムフェネ
ート、カルシウムホスホネート、ポリブテニルコハク酸
イミド、ソルビタンモノオレート、ソルビタンセスキオ
レートなどがある。これらは、通常、０．１〜１５重量
％の割合で使用される。ただし、分散剤は固体粒子の分
散性の良い場合には使用しなくても良い。

【００１０】また、酸化防止剤、摩耗防止剤、腐食防止
剤、摩擦調整剤、極圧剤、消耗剤等の添加剤を配合して
もよい。本発明の実施例においては、分散媒としてアル
キルベンゼン、分散質としてシリカゲル、分極剤として
トリエチレングリコールからなる電気粘性流体に分散剤
としてトリエチレングリコール、酸化防止剤として２，
６ージーｔーブチルフェノールを添加している。

【００１１】また、他の電気粘性流体として液晶を採用
することができる。本発明で使用する液晶は、市販品を
使用すればよく、例えばアゾ系、アゾキシ系、安息香酸
フェニルエステル系、シアノビフェニル系、シアノター
フェニル系、シクロヘキシルカルボン酸フェニルエステ
ル系、フェニルシクロヘキサン系、ビフェニルシクロヘ
キサン系、フェニルピリミジン系、フェニルジオキサン
系、シクロヘキシルシクロヘキサンエステル系、シクロ
ヘキシルエタン系、シクロヘキセン系、アルキルアルコ
キシトラン系、アルケニル系、２，３−ジフルオロフェ
ニレン系、シクロヘキシルシクロヘキサン系、ビシクロ
オクタン系、キューバン系、ジシアノハイドロキノン
系、シアノチオフェニルエステル系、アゾメチン系等の
液晶を使用することができる。

【００１２】ただし、アゾメチン系のものは、安定性、
増粘効果が小さいためあまり好ましくない。また、必要
に応じて酸化防止剤、摩耗防止剤、腐食防止剤、摩擦調
整剤等の添加剤を配合してもよい。上記液晶は単独でも
また混合して使用してもよい。好ましくは液晶特性を向
上させるために各種液晶物質は混合して使用される。具
体的な液晶の実施例としては、商品名ＲＤＸ−４０６９
（ロディック社製）の液晶を用いた。

【００１３】本実施例においては、電気粘性流体を用い
た前記実施例と比較して、下記の効果が得られる。 印加電圧が小さいため、放電などによる局部的損傷
が減少し装置の寿命が延びるとともに、電極の間隔を狭
くすることができ装置の小型化を図ることができ、ま
た、電源として電池の使用も可能となる。 固体粒子等の沈降の心配がないため、増粘効果等の
低下，フィルタの目詰まりがない。 剪断速度による影響が小さいため制御が容易であ
る。 劣化しにくい。

【００１４】これらの流体に電場が加えられたときに流
体中に分散された粒子が誘電分極を起こして粒子のクラ
スタが形成されるとともに、粒子の周囲に電気二重層が
形成されて粒子間の相互作用が増幅され、みかけの粘性
が変化する、また、液晶は異方性があり、液体でありな
がら結晶性を有し、電場の存在下でその双極子モーメン
トのめに一定方向に配向し、その粒子の並びのためにレ
オロジー的変化を生じてみかけの粘度が変化するもので
あるが、極めて非線形性が強く、そのため電気粘性流体
を使用した装置を制御しようとする場合、その制御系は
極めて複雑になってしまうという問題がある。また、前
述した動吸振器のような場合、当初の設計条件と異なる
振動体や、経時的に振動状態の変化する振動体に適用し
ても印加電圧を変えることにより対応することができる
と言う特徴があるが、図８の構成のものでは、あらかじ
め制御装置に振動を減衰させるためのプログラム、検出
した加速度に対して印加すべき電圧等のデータを入力し
ておく必要があり、そのためには振動体の動特性が分か
っているものでなければ有効に振動を吸収させることが
できないという問題があった。また、電気粘性流体の特
性が時間経過にしたがって変化し、これに対処して印加
電圧を変える必要があるという問題があった。

【００１５】本発明は上記課題を解決するためのもの
で、非線形性が強い電気粘性流体を使用し、振動体及び
動力伝達等の特性が未知な場合にも学習により装置の特
性を把握し、電気粘性流体への印加電圧を制御すること
により有効かつ簡便に制御を行うことができる電気粘性
流体使用装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、印加する電界
強度を変えることにより粘性が変化する電気粘性流体を
用いた装置において、印加する電界強度をニューロコン
トローラで制御することを特徴とする。また、本発明は
電気粘性流体を用いた装置が振動体に取り付けられた動
吸振器であり、ニューロコントローラは振動体の動特性
を学習し、前記動吸振器への印加電圧を制御して振動を
吸収するようにしたことを特徴とする。

【００１７】

【作用】本発明は、ニューロコントローラより電気粘性
流体使用装置に電圧を印加し、電気粘性流体使用装置の
出力すなわち振動体の運動量と目標値との差に依存する
評価関数が最小になるように逆伝播させてコントローラ
の各ニューロンの結合荷重を決定することにより、非線
形性の強い電気粘性流体使用装置であっても、また入出
力の数に関係なく簡便に制御することができ、さらに電
気粘性流体使用装置の特性が変化しても学習作用がある
ために、制御系を組み直す必要なく制御することが可能
である。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例として
振動制御装置について説明するが、本発明は振動制御装
置に限らず電気粘性流体を使用する装置について全て適
用可能である。図１は本発明の一実施例を示す制御系の
概念図、図２は本発明の制御系を振動制御に適用した場
合の概念図、図３はフォワードモデル・ネットワークの
説明図、図４は動吸振器を説明するための図、図５は本
発明の振動制御装置の一実施例の構成を示す図 図６、
図７はニューロネットワークの説明図である。図中、１
０はニューロコントローラ、１０ａは入力層、１０ｂは
中間層、１０ｃは出力層、１１は電気粘性流体デバイ
ス、１２は評価部、１３は動吸振器、１４はフォワード
モデル・ネットワーク、１５はコントローラ・ネットワ
ーク、２１は入力層、２２は中間層、２３は出力層であ
る。

【００１９】まず、ニューラル・ネットについて簡単に
説明する。図６（ａ）はニューロンをモデル化したユニ
ットを示し、ユニットＵｉは他のユニットから入力Ｑｊ
の総和を一定の規則で変換してＱｉとするが、他のユニ
ットとの結合部にはそれぞれ可変の重みＷｉｊがついて
いる。この重みは各ユニット間の結合の強さを表し、こ
の値を変えると接続を変えなくても実質的にネットワー
クの構造が変わることになる。ネットワークの学習とは
この値を変えることであって、重みＷｉｊは正，ゼロ，
負の値をとり、ゼロは結合のないことを表している。い
ま、あるユニットが複数ユニットから入力を受けた場
合、その入力の総和をＴｉとすると、 Ｔｉ＝ΣＷｉｊＱｊ であり、各ユニットはこの入力の総和Ｔｉを関数ｆに適
用し、次式に示すようにＱｉに変換する。

【００２０】Ｑｉ＝ｆ（Ｔｉ）＝ｆ（ΣＷｉｊＱｊ） この関数ｆは各ユニット毎に異なってよいが、一般には
図６（ｂ）に示すようにしきい値θを境に１または０の
値をとる関数、図６（ｃ）に示すように入力値が大きく
なるにつれて１に、小さくなるにつれて０に近づき、入
力が０のときに０．５となる関数が使用される。

【００２１】図７はこのようなユニットからなるパター
ン連想型のネットワークの構造の一例を示し、各ユニッ
トを入力層、中間層、出力層に階層化し、各ユニットは
入力層から出力層に向けて接続されるが、各層内のユニ
ット同士は接続せず、また入力ユニットと出力ユニット
は独立している。このようなニューラル・ネットにおい
て、入力層の各ユニットに入力データを与えるとこの信
号は各ユニットで変換され、中間層に伝わり、最後に出
力層から出てくるが、望ましい出力を得るためには各ユ
ニット間の結合の強弱、すなわち重みを適切な値に設定
する必要があり、この重みの設定は適当に学習させるこ
とによって行う。まず最初にすべての重みを適当に設定
しておき、入力層の各ユニットに学習用の入力データを
与え、このとき出力層の各ユニットから得られる出力値
と望ましい出力値を比較し、その差を小さくするように
各重みの値を修正し、これを多数の学習データを用いて
誤差が収束するまで繰り返すことにより、ネットワーク
内には知識処理機能が自動的に埋め込まれることにな
る。

【００２２】図１はこのようなニューラル・ネットによ
り非線形性の強い電気粘性流体を使用したデバイスを制
御する場合の概念図である。ニューロコントローラ１０
は入力層１０ａ、中間層１０ｂ、出力層１０ｃからなっ
ており、出力層１０ｃからの出力は電気粘性流体デバイ
ス１１へ加えられ、電気粘性流体の粘性が制御される。
また、出力層１０ｃからの出力の一部は入力層１０ａに
帰還され、同様に電気粘性流体デバイス１１の状態量
（例えば、加速度、加速度の変化分等）が入力層１０ａ
に帰還される。いま、電気粘性流体デバイスの出力をＯ
_F 、目標値をＸ_T とすると、評価部１２では （１／２）Σ（Ｘ_T −Ｏ_F ）² を評価関数として、この値が最小になるように逆伝播法
によりニューロコントローラ１０の各ニューロンの重み
が調整される。その結果、電気粘性流体デバイス１１は
目標値Ｘ_T に接近するように制御されることになる。こ
のように、非線形性の極めて強い電気粘性流体でも、そ
の特性に関係なく簡便に制御することが可能であり、ま
た、電気粘性流体の制御に当たってはその入出力数が問
題になるが、その数に関係なく簡便に制御することがで
きる。さらに、学習作用があるために、電気粘性流体デ
バイスの特性が変わっても制御系を組み直す必要もな
い。

【００２３】次に、電気粘性流体デバイスとして動吸振
器を用いた例について図４により説明する。この動吸振
器は、図４（ａ）（縦断面図）、図４（ｂ）（横断面
図）に示されるように、内筒６３および内筒６３外に摺
動自在に嵌合される外筒６２からなり、外筒６２と内筒
６３の両端はＯリング等のシール部材６４，６５により
シールされ、外筒６２と内筒６３との間には環状の間隙
部６６を形成している。外筒６２の内周面と内筒６３の
外周面には、間隙部６６に対向するようにそれぞれ円筒
形状の電極６７，６８が形成されている。電極６７，６
８は、外筒６２および内筒６３が金属材料で製造される
場合には絶縁材料を介して設けられ、樹脂等の絶縁材料
で製造される場合には直接設けられる。

【００２４】内筒６３の内部にはリザーバ室６９が形成
され、リザーバ室６９は間隙部６６に連通されている。
そして、間隙部６６およびリザーバ室６９内に電気粘性
流体が充填される。このリザーバ室６９は、間隙部６６
内の電気粘性流体が外部ヘ洩れた場合これを補充するた
めのもので、シール構造を確実にすれば必ずしも必要で
はない。内筒６３は支持体７０上に固定され、機器また
は構造物７１は、スプリング７２を介して支持体７０に
支持されると共に、スプリング７３を介して外筒６２に
支持される構成になっている。

【００２５】次に、上記構成からなる本発明に作用につ
いて説明する。機器または構造物７１の振動は、加速度
センサ等の振動検出センサにより検出され、図示しない
電子制御装置により振動の大きさに応じた電圧が電極６
７，６８に印加される。電極６７，６８間に電圧が印加
されると、間隙部６６内の電気粘性流体に直交する電界
を形成することとなり、電極６７，６８に挟まれる電気
粘性流体の粘度を増減させることとなる。従って、外筒
６２と内筒６３間の粘性抵抗が調整せしめられるため、
機器または構造物７１の振動減衰特性を極めて容易に調
整できる。なお、電圧無印加時に１次振動を吸収するよ
うにチューニングしておき、印加電圧を適当に制御する
ようにすれば、２次以上の振動を容易に抑えることがで
きる。

【００２６】次に、図２、図３により本発明を振動制御
装置に適用した例について説明する。図２において、コ
ントローラ・ネットワーク１５、フォワードモデル・ネ
ットワーク１４は前述したようなニューラル・ネットか
ら構成されており、フォワードモデル・ネットワーク１
４は制御対象である動吸振器１３の動特性を表現するた
めのもので、その出力は運動の評価に用いられる。コン
トローラ・ネットワーク１５により制御対象である振動
体（或いは動吸振器）とフォワードモデル・ネットワー
ク１４に対して同時に制御信号が送られる。そして、フ
ォワードモデル・ネットワーク１４の出力Ｏ_F と動吸振
器１３を含めた構造物の応答Ｘとの差がとられ、 （１／２）Σ（Ｘ−Ｏ_F ）² を評価関数としてフォワードモデル・ネットワーク１４
を通してコントローラ・ネットワークに伝播させ、誤差
が減少するようにすべてのニューロンの結合荷重を調整
する。

【００２７】この調整は、振動体（或いは動吸振器）は
その運動特性が未知であり、適応的にコントローラを調
整するためには、動吸振器１３の運動を把握し、その入
出力を参照する機構を持つ必要があるが、本発明におい
てはフォワードモデル・ネットワーク１４で学習して把
握する。フォワードモデル・ネットワークは、振動体を
含めた動吸振器の状態量と制御信号を入口とし、制御の
結果評価として使われる状態量を出口とするネットワー
クである。この場合、パターン認識等に用いられるニュ
ーラル・ネットワークの場合には、ネットワークの入出
力信号の間には静的な対応関係のみが成立しており、信
号の出現順序には本質的な意味はないが、信号の時系列
的な変化パターンが意味を持つ場合には、ネットワーク
内に入力信号の履歴が現在に影響を及ぼすような構造が
必要な場合がある。

【００２８】そこで、フォワードモデル・ネットワーク
１４は、図３に示すように内部に回帰的なループを持た
せ、過去の入力が現在に影響するようにする。例えば、
入力層のｉ番目のニューロンに関して、 Ｏｉ（ｔ）＝μｉＯｉ（ｔ−Δｔ）＋Ｉｉ（ｔ） となるようにする。ここで、μｉは回帰的な結合の荷
重、Ｉｉ（ｔ）は時間ｔにおける入力層ニューロンの入
力信号、Ｏｉ（ｔ）は出力信号である。これにより、μ
ｉが１より小さいときには、古い入力ほど影響が小さ
く、新しい入力ほど影響が大きくなる。なお、回帰のル
ープは中間層から入力層へ回帰させるなどさまざまな変
形が可能である。こうして、フォワードモデル・ネット
ワーク１４が振動体の動特性を表現することになる。

【００２９】次に、フォワードモデル・ネットワーク１
４が動吸振器および振動体の運動を正確に表現している
とすると、その出力は制御対象の制御結果と等しいもの
となる。そこで、評価部１２ではフォワードモデル・ネ
ットワーク１４の出力Ｏ_F と、目標値Ｘ_T （教師信号）
との誤差の２乗和、 （１／２）Σ（Ｘ_T −Ｏ_F ）² を評価関数とし、この誤差をフォワードモデル・ネット
ワーク１４を通してコントローラ・ネットワーク１５に
まで伝播させることにより、この値が減少するようにコ
ントローラ・ネットワークのすべてのニューロンの結合
荷重を調整する。なお、コントローラ・ネットワーク１
５についても、フォワードモデル・ネットワークと同様
に内部的に回帰的なループを持たせることもできる。

【００３０】こうして、動特性の未知な動吸振器に対し
てもフォワードモデル・ネットワークによりその動特性
を把握し、その出力と目標値との誤差がなくなるように
コントローラ・ネットワークを調整することにより、有
効に振動体の振動を吸収することができる。

【００３１】図５は本発明の振動制御装置を適用した場
合の構成モデルを説明するための図である。振動体４１
はバネ４３、４４で支持されており、Ｄ／Ａ変換器５０
を通して励振信号が与えられる加振器４２により励振さ
れるようになっている。また、振動体４１には図４に示
したような動吸振器４５が取付けられ、高圧電源４６を
通して電気粘性流体に電圧が印加され、減衰係数を制御
されている。また、動吸振器４５、振動体４１には加速
度センサ５１、５２が取付けられて加速度を検出し、検
出信号を増幅器４７で増幅し、Ａ／Ｄ変換器４８でディ
ジタル量に変換してコンピュータ４９に取り込んでい
る。コンピュータ４９には本発明の振動制御用のニュー
ロソフトが内蔵されており、振動体４１の動特性が未知
であっても、前述したようにフォワードモデル・ネット
ワークで動特性を把握し、把握した特性に基づいてコン
トローラを調整して高圧電源を駆動制御し、動吸振器の
減衰特性を変えて有効に振動を吸収することができ、振
動体４１の振動を極力抑えることが可能である。

【００３２】なお、本発明のニューロコントローラを用
いて粘性制御する機械装置として動吸振器の他、減衰吸
振器、エンジンマウント、ショックアブソーバ、スクイ
ーズフィルムダンパ、クラッチ、ブレーキ、軸受け、梁
状構造物等あげることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明のニューロコント
ローラは適応制御系を作成する時に有効であり、この制
御を用い、非線形性が強い電気粘性流体を使用した装置
の特性を学習して電気粘性流体への印加電圧を制御する
ことにより、制御対象が非線形性であっても、入出力数
に関係なく、また電気粘性流体デバイスの特性が変わっ
ても、制御系を組み直すことなく制御することが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の制御系の概念図である。

【図２】 本発明の振動制御装置の概念図である。

【図３】 フォワードモデル・ネットワークを説明する
図である。

【図４】 動吸振器を説明するための図である。

【図５】 振動制御装置の一実施例の構成を示す図であ
る。

【図６】 ニューロンの説明図である。

【図７】 ニューラル・ネットワークの説明図である。

【図８】 従来の振動制御装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０…ニューロコントローラ、１１…電気粘性流体デバ
イス、１２…評価部、１３…動吸振器、１４…フォワー
ドモデル・ネットワーク、１５…コントローラ・ネット
ワーク、２１…入力層、２２…中間層、２３…出力層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 印加する電界強度を変えることにより粘
   性が変化する電気粘性流体を用いた装置において、印加
   する電界強度をニューロコントローラで制御することを
   特徴とする電気粘性流体使用装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、電気粘性
   流体を用いた装置が振動体に取り付けられた動吸振器で
   あり、ニューロコントローラは振動体の動特性を学習
   し、前記動吸振器への印加電圧を制御して振動を吸収す
   るようにしたことを特徴とする電気粘性流体使用装置。