JPH06207640A

JPH06207640A - 電気機械スプリングおよびその有効ばね定数変化方法

Info

Publication number: JPH06207640A
Application number: JP27708793A
Authority: JP
Inventors: A Obrecht Richard; エイ．オーブレクトリチャード; Kenneth D Garnjost; ディー．ガーンジョストケネス; Mark L Wattley; エル．ワットリーマーク
Original assignee: Moog Inc
Current assignee: Moog Inc
Priority date: 1992-11-06
Filing date: 1993-11-05
Publication date: 1994-07-26
Also published as: GB9321962D0

Abstract

(57)【要約】【目的】電気的に変化できる有効なばね率を有する改
良型電気機械スプリング、その動作方法、およびこのよ
うなスプリングを組み込んだマススプリングシステムを
提供する。【構成】電気機械スプリング４５は組立筒状体４６、
４８、４９、及びその上に載置され一対の対向するけん
引第１、第２空隙Ｇ₁、Ｇ₂の長さを変えるように移動
するアーマチュア５２、空隙Ｇ₁、Ｇ₂に極性を与える
よう配置された第１、第２の磁石５０、５１、アーマチ
ュア５２を付勢して組立筒状体４６、４８、４９に対す
る中心合せ位置へ向って移動させる機械的スプリング５
８、電流が供給されて空隙Ｇ₁、Ｇ₂内にコイル磁束を
発生する第１、第２のコイル５３、５４、およびアーマ
チュア５２が所定位置にある時に第１、第２のコイル５
３、５４へ電流を供給して第１、第２の磁束に寄与する
磁力の差に影響を与えずに空隙Ｇ₁、Ｇ₂内の磁束を変
化させる制御回路を有し、電気機械スプリング４５の有
効ばね率を電流の関数として変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般的にスプリングおよ
びマススプリングシステムの分野に関し、特に電気的に
変化できるばね定数を有する改良型電気機械スプリン
グ、その動作方法、およびそれを組み入れたマススプリ
ングシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】共振同調マススプリングシステムは振動
力が加わる構造体上にパッシブ“アブソーバ”としてよ
く載置される。このようなマススプリングシステムをそ
の共振周波数において構造体の振動により励起すると振
動力の速度と同相の反作用力を載置点に発生させて外乱
振動を減衰させることができる。

【０００３】外乱周波数が変動するような応用では、従
来垂下質量の半径アームの調整、長さの変化もしくは可
変比率４バーリンク機構を介した連結によるスプリング
の有効剛性の変化等のさまざまな機械的技術によるマス
スプリングシステムの共振周波数の調整が行われてい
る。これらの調整技術は機械的に複雑であり、代表的に
高価であり、動作がのろい場合が多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、電気的に
変化できるばね定数を有する改良型スプリングを提供す
ることが非常に望ましい。このようなスプリングは従来
のマススプリングシステム内に容易に組み込むことがで
き、単に１個以上のコイルの供給電流を変えるだけで作
動させることができる。このようなスプリングでは、周
知の適応型帰還技術によりアブソーバの固有周波数を外
乱振動周波数の変動に追従するように連続的かつ動的に
同調させることができる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は３つの個別の特
徴を有し、それは、（１）電気的に変化できるばね定数
を有する電気機械スプリング、（２）このような電気機
械スプリングの動作方法、および（３）このような電気
機械スプリングを組み込んだ改良型マススプリングシス
テムである。

【０００６】単なる説明用であって制約的意味合いの無
い図６および図７に示す第１の実施例の対応する部品、
部分もしくは表面を参照して、本発明により一般的に電
気的に変化できる有効ばね定数を有する改良型電気機械
スプリング４５が提供される。改良型スプリングには本
体４６、４８、４９、本体上に載置され移動線（すなわ
ち、水平軸ｘ−ｘ）に沿って本体に対して移動するアー
マチュア５２、第１および第２の空隙長の和が一定とな
るように移動線に沿って本体およびアーマチュア間に配
置された対向する可変長けん引第１および第２の空隙
（Ｇ₁、Ｇ₂）、第１の空隙内に第１の磁束（φ₅₀）を
発生するように構成された第１の磁石５０、第２の空隙
に第２の磁束（φ₅₁）を発生し第１および第２の磁束に
よりそれぞれ第１および第２の空隙内に対抗する力を生
成するように構成された第２の磁石５１、本体およびア
ーマチュア間に作用しアーマチュアを本体に対する所定
位置に向って移動させるように付勢し空隙およびその中
の磁束により磁気スプリングを画定して電気機械スプリ
ングの有効ばね定数が機械および磁気スプリングのばね
定数の代数和に等しくなるようにする機械的スプリング
５８、第１の電流が供給されると第１の空隙内に第１の
コイル磁束を発生するように構成された第１のコイル５
３、第２の電流を供給されると第２の空隙内に第２のコ
イル磁束を発生するように構成された第２のコイル５
４、およびアーマチュアが所定の位置にある時に第１お
よび第２の磁束に寄与する磁力の差に影響を及ぼすこと
なく第１および第２の空隙内の磁束を変えるような大き
さおよび極性の第１および第２の電流をそれぞれ第１お
よび第２のコイルへ供給する制御回路を含み、電気機械
スプリングの有効ばね定数を第１および第２の電流の関
数として選択的に変化させることができる。

【０００７】もう一つの特徴として、改良型電気機械ス
プリングはアーマチュアが本体に対して所定の位置にあ
る場合に各けん引空隙内の正味の磁束を実質的に等しく
するような増分磁束を発生するようにされた増分コイル
手段を作り出すように構成された電磁コイル手段を有し
ている。別の特徴として、本装置は第１および第２のコ
イルへそれぞれ第１および第２の電流を供給して電流の
平均が装置の有効ばね率を指令する第１の信号に比例し
電流間の差が装置の出力を指令する第２の信号に比例す
るようにする電気制御手段を含んでいる。

【０００８】もう一つの特徴として、本発明は、このよ
うな電気機械スプリングの有効ばね定数を変化させる改
良された方法を提供する。改良された方法は、第１およ
び第２の磁束に寄与する磁力の差に影響を及ぼすことな
く第１および第２の空隙内の磁束を変えるような大きさ
および極性の第１および第２の電流をそれぞれ第１およ
び第２のコイルへ供給し、機械的スプリングの有効ばね
率を第１および第２の電流の関数として選択的に変化さ
せるステップからなっている。

【０００９】さらに別の目的に対して、本発明により支
持体８９に対するマススプリングシステム８１の接続が
改善され、マススプリングシステムは支持体に対して移
動するように載置された質量および支持体との間に配置
された少くとも１個のスプリング８２を有し、スプリン
グは電気的に変化できる有効ばね定数を有し、有効ばね
定数を変えることによりマススプリングシステムの固有
周波数を選択的に変化できるように改良されている。

【００１０】したがって、本発明の一般的な目的は電気
的に変化できるばね定数を有する改良型電気機械スプリ
ングを提供することである。

【００１１】もう一つの目的はこのような電気機械スプ
リングの改良された作動方法を提供することである。

【００１２】さらにもう一つの目的は電気的に変化でき
る固有ばね定数を有しスプリングに加わる電気信号を変
化させることによりマススプリングシステムの固有周波
数を変えることができるスプリングを組み込んだ改良型
マススプリングシステムを提供することである。

【００１３】

【実施例】最初に、同じ構成要素、部分もしくは表面
は、これらの詳細説明が一体となる明細書全体によりさ
らに記述および説明されるため、いくつかの図面を通し
て同じ参照番号は同じ構造要素、部分もしくは表面を示
すものであることを明確に御理解願いたい。特記なき限
り、図面は明細書と一緒に読むものとし（例えば、クロ
スハッチング、部品構成、比率、程度等）、本発明の明
細書全体の一部とみなす。以下の説明で使われる“水
平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”、“下”等の
用語および（例えば、“水平に”、“右側へ”、“上向
きに”等の）その形容詞および副詞は単に読者が特定図
面を見る場合に図示された構造の方位を示すにすぎな
い。同様に、“内向きに”および“外向きに”という用
語は一般的にその延長軸もしくは回転軸に対する表面の
方位を示す。

【００１４】次に図面を参照して、本発明の第１の特徴
により電気的に変化できるばね定数を有する電気機械ス
プリングが提供される。最も基本的な形態において、本
電気機械スプリングは一対の対向するけん引空隙の長さ
を差動的に変化させるように構成された磁気アーマチュ
アを有している。永久磁石により２つの空隙内の初期磁
束レベルが確立される。アーマチュアの協働磁極片に対
する移動により空隙リラクタンスが差動的に変化してそ
の中の磁束レベルが対応して変化する。すなわち、アー
マチュア自体が固有のトグル状作用を有している。中心
が合うのは空隙内の磁束が等しい場合だけである。しか
しながら一方の空隙を短くして他方を長くするために中
心を外れて移動すると、差力によりアーマチュアが付勢
されて確実なラッチ状態へ移動する。したがって、この
磁気スプリングは負のばね定数を有し、近似空隙長が低
減するにつれ吸引力が増大することを意味する。この効
果はリニアフォースモータで良く知られている。一般的
にこのようなモータには１個以上の機械的センタリング
スプリングが組み込まれている。このスプリングは空隙
内の磁束に寄与する負のばね定数よりも大きい正のばね
定数を有し、正味の有効ばね定数が両者の代数和となる
ようにされている。しかしながら、このような従来技術
のフォースモータでは、負のばね定数は固定されモータ
の形状、磁石の強さ等により決定される。したがって、
このようなフォースモータは正味すなわち有効ばね定数
を有してはいるが容易に変化させることはできなかっ
た。

【００１５】従来技術のフォースモータ（図１および図
２）次に図１に従来技術のモータを一般的に符号２０に示
す。この種のモータはさらに米国特許第４，１４４，５
１４号に示されており、その集成的開示が参照としてこ
こに組み入れられている。モータ２０は左部２１、中間
部２２、および右部２３を組み立てて形成された断面筒
状体を含んでいる。環状アーマチュア２４が本体内に移
動可能に載置されて一対の対向するけん引空隙Ｇ₁、Ｇ
₂の長さを差動的に変えるようにされている。対向する
スプリング２５、２６によりアーマチュアは空隙Ｇ₁、
Ｇ₂の軸方向長さが等しい本体に対して中心を合せた位
置に向って付勢される。環状磁石２８が本体中間部２２
内でアーマチュア周りに載置されている。この磁石は半
径方向に分極されたリングを擬似するように配置された
複数個のサマリウムコバルトセグメントにより形成され
ている。したがって、磁束は２つのけん引空隙間で分割
される。２つの磁束経路をそれぞれφ_28Lおよびφ_28R
で示す。コイル２９、３０および３１、３２がそれぞれ
本体の左部および右部に載置され、電流が供給されると
コイル磁束経路内に磁束φ_Cを発生しそれが両方のけん
引空隙を通るようにされている。アーマチュアおよび磁
石間の定リラクタンス半径方向空隙をＧ₃で示す。

【００１６】したがって、コイルが励起されない場合、
スプリング２５、２６によりアーマチュアが付勢され本
体に対して中心を合せた位置に向って移動する。このよ
うな位置では、空隙Ｇ₁およびＧ₂の長さは等しく、両
空隙内の磁束が等しい。適切な極性および大きさの電流
をコイルに供給してコイル磁束φ_Cを生成しそれが両方
のけん引空隙を通過して一方の正味磁束を増大し他方の
磁束を低減することができる。こうして得られる２つの
けん引空隙間の磁束差によりセンタリングスプリングの
対抗する正味のバイアスに対してアーマチュアを付勢し
てオフセンターとなるように移動させる力が生成され
る。

【００１７】図１に示す構造の等価磁気回路を図２に示
す。図１に示す２個の左側コイルおよび２個の右側コイ
ルは図２では簡単化されて１個のコイルとして示されて
いる。空隙Ｇ₁、Ｇ₂、Ｇ₃はそれぞれリラクタンスＲ
_G1、Ｒ_G2、Ｒ_G3を有するものとして示される。サマリウ
ムコバルト磁石は高い内部リラクタンスＲ₂₈を有するバ
ッテリ２８として示されている。空隙Ｇ₁およびＧ₂の
長さは差動的に変化するため（すなわち、その長さの和
が一定）、それらのリラクタンスは図２において連結さ
れた可変抵抗として示されている。したがって、磁石２
８のＮ極から発生する磁束は半径方向空隙Ｇ₃のリラク
タンスＲ_G3に遭遇し、次にけん引空隙Ｇ ₁およびＧ₂間
に分割される。本体左部の磁石誘起磁束φ_28Lにより左
の空隙Ｇ ₁が分極され、本体右部２３の磁石誘起磁束φ
_28Rにより右の空隙Ｇ₂が分極される。図２において空
隙Ｇ₁およびＧ₂内の磁石発生磁束の方向は互いに反対
であることに注目いただきたい。コイルが選択的に励起
されると、サマリウムコバルト磁石の内部リラクタンス
Ｒ₂₈が高いため、コイル磁束φ_Cは強制的に両方のけん
引空隙へ通される。したがって、コイル磁束φ_Cにより
一方のけん引空隙内の正味の磁束が増大し他方の空隙内
の磁束は減少して、アーマチュアに中心から逸れる力が
生成される。この従来技術の構成では、コイルが発生す
る磁束が両方のけん引空隙を通るようにすることも重要
である。

【００１８】従来技術のフォースモータ（図３〜図５）次に第２の形式の従来技術のフォースモータを図３に一
般的に符号３３で示す。モータ３３は左部３４、外部筒
状部３５、および右部３６により形成された組立筒状部
を有している。環状アーマチュア３８が本体内に載置さ
れ本体に対して移動して２つの対向するけん引空隙Ｇ₁
およびＧ₂の長さを差動的に変化させる。アーマチュア
はロッド上に載置される。このロッドの左端はスライド
ベアリング３９により支持されている。このロッドの右
端は撓みスプリング４０と係合している。この撓みスプ
リングによりアーマチュアは付勢され空隙Ｇ₁、Ｇ₂の
長さが等しくなる本体に対して中心を合わせた位置へ向
って移動する。中間磁極片４３により分離された一対の
軸方向に間隔をとった環状サマリウムコバルト磁石４
１、４２がアーマチュアを包囲している。左の磁石４１
が左の空隙Ｇ₁に隣接配置され、右の磁石４２が右の空
隙Ｇ₂に隣接配置されている。コイルとアーマチュア間
の半径方向空隙をＧ₃で示す。コイル４４が磁石を包囲
し本体中間部内に配置されている。２個の磁石はそのＮ
極が互いに対向して左の磁石４１が左の空隙Ｇ₁に極性
を与え、右の磁石４２が右の空隙Ｇ₂に極性を与えるよ
うに配置されている。磁石４１、４２に寄与する左右の
空隙内の磁束をそれぞれφ₄₁およびφ₄₂で示す。したが
って、左の磁石４１のＮ極から発生する磁束は半径方向
空隙Ｇ₃および左のけん引空隙Ｇ₁を飛び越える。同様
に、右の磁石４２のＮ極から発生する磁束は固定空隙Ｇ
₃および右の空隙Ｇ₂を飛び越える。磁石４１、４２は
サマリウムコバルトにより形成され内部リラクタンスが
高い（すなわち、空気の大きさ程度）。適切な電流が供
給されると、コイルは両方のけん引空隙Ｇ₁、Ｇ₂を通
る磁束φ_Cを経路に沿って発生する。

【００１９】コイルが励起されない場合、スプリング３
８によりアーマチュアが付勢され本体と中心を合せた位
置に向って移動する。２個の磁石は大きさが同じで反応
方向の磁束により隣接空隙に極性を与える。コイルが励
起されてコイル磁束を発生すると、一方のけん引空隙内
の正味の磁束が増大し他方のけん引空隙内の磁束は減少
して力の不平衡が生じそれによりアーマチュアは撓みス
プリング３８のバイアスに対向して本体に対して移動す
る。

【００２０】図３に示す構造の等価磁気回路を図４に示
す。サマリウムコバルトの内部リラクタンスが高いた
め、２個の磁石は直列接続抵抗Ｒ₄₁、Ｒ₄₂を有するバッ
テリとして示されている。固定空隙Ｇ₃のリラクタンス
をＲ_G3で示す。２つのけん引空隙Ｇ₁、Ｇ₂は逆方向に
連結されそれぞれリラクタンスＲ_G1およびＲ_G2を有して
示されている。したがって、左の磁石４１は半径方向空
隙Ｇ₃および左のけん引空隙Ｇ₁を通る磁束φ₄₁を発生
するように配置される。逆に、右の磁石４２は固定空隙
Ｇ₃および右のけん引空隙Ｇ₂を通る磁束を発生する。
したがって、図４において、磁束φ₄₁、φ₄₂はそれぞれ
リラクタンスＲ_G3、Ｒ_G1およびＲ_G3、Ｒ_G2に遭遇する。
適切な大きさおよび極性の電流で励起されると、コイル
は両方のけん引空隙を直列に通過するコイル磁束φ_Cを
発生する。しかしながら、サマリウムコバルトの内部リ
ラクタンスが高いためコイル磁束は磁石を通過すること
はない。

【００２１】図４の磁気回路を書き替えると図５とな
り、ここにも磁束φ_41L、φ_42Rおよび磁束φ_Cが示さ
れている。サマリウムコバルトの内部リラクタンスが高
いためコイル磁束は両方のけん引空隙を通過しなければ
ならない点は重要である。この点について、コイル磁束
により一方のけん引空隙内の正味の磁束が増加し他方の
正味の磁束が減少することをお判り願いたい。

【００２２】従来技術のフォースモータの目的が供給電
流に応答して中心を逸らす力を発生させることであるの
に対して、本発明の目的は電気的に変化できるばね定数
を有するスプリング（すなわち、力対変位特性を有す
る）として作用する電気機械装置を提供することであ
る。

【００２３】第１の形式の改良型スプリング（図６〜図
７）第１の好ましい形式の改良型スプリングを一般的に図６
の符号４５に示す。本体、アーマチュア、けん引空隙、
少くとも１個の永久磁石、コイル等を有する点において
電気機械スプリング４５は図１および図３に示すフォー
スモータに幾分類似している。しかしながら、後記する
ように、電気的に変化できるばね定数を有するスプリン
グとして作用する新しい電気機械装置を得るためにこれ
らの要素は従来技術とは異なる配置とされている。

【００２４】スプリング４５は左部４６、外部４８、お
よび右部４９により形成された組立筒状体を有して示さ
れている。一対の軸方向に間隔をとった環状永久磁石５
０、５１がそれぞれ本体左右部の対向面上に載置され、
そのＮ極は間隔をとって対向配置されている。環状アー
マチュア５２が磁石間に配置されそれに対して移動して
一対の対向するけん引空隙Ｇ₁、Ｇ₂の長さを差動的に
変化させる。コイル５３、５４はそれぞれ磁石５０、５
１を包囲している。これら２個のコイルは本体外部４８
の中間部から半径方向内向きに延在しかつ固定空隙Ｇ₃
によりアーマチュアから間隔がとられている環状磁極片
５５により分離されている。アーマチュア５２はロッド
上に載置されている。このロッドの左端はスライドベア
リング５６により支持されている。撓みスプリング５８
が本体およびロッド間に作用してアーマチュアを付勢し
２つのけん引空隙の長さが等しくなる中心を合わせた軸
方向位置に向って移動させる。

【００２５】しかしながら、従来技術のフォースモータ
とは異なり、このスプリングの実施例では、２個のコイ
ルに大きさが同じで反対極性の電流を供給して２つのけ
ん引空隙間の正味の磁束差がコイル電流の関数として変
化しないように配置されている。すなわち、コイルが励
起されると、けん引空隙内の正味の磁束の大きさが同時
に変化して両者間に差は生じない。したがって、アーマ
チュアに中心逸脱力を生じることなくけん引空隙内の正
味の磁束を変化させることができる。

【００２６】図６に示す構造の等価磁気回路を図７に示
す。図１および図３に示すフォースモータ実施例の磁石
はサマリウムコバルト等の希土合金により形成された
が、第１のスプリング実施例における磁石５０、５１は
従来のアルミ、ニッケル、コバルトおよび鉄を含み内部
リラクタンスの低いありふれた磁化可能合金であるＡｌ
ｎｉｃｏにより形成される。したがって、図７におい
て、磁石５０、５１はそれぞれ低い内部リラクタンスＲ
₅₀、Ｒ₅₁を有するバッテリとして示されている。左の磁
石５０は空隙Ｇ₁および固定空隙Ｇ₃を飛び越す磁束φ
₅₀を発生する。逆に、右の磁石５１は右の空隙Ｇ₂およ
び固定空隙Ｇ₃を飛び越す磁束φ₅₁を発生する。空隙Ｇ
₁、Ｇ₂、Ｇ₃はそれぞれリラクタンスＲ_G1、Ｒ_G2、Ｒ
_G3を有するものとして示されている。コイル５３、５４
は好ましくは大きさが同じで反対極性の電流により適切
に励起されて各ループに同じコイル磁束φ₅₃、φ₅₄を発
生するように配置される。これらのコイル磁束の方向は
既に空隙内に存在する磁束を加えた場合、２つのけん引
空隙間の正味の磁束差が変化しないようなものとされ
る。すなわち、従来技術のモータとは異なり、スプリン
グ構成では、コイル磁束は両方のけん引空隙を通過する
必要はない。したがって、この第１の実施例は従来のフ
ォースモータに幾分類似している。しかしながら、２つ
のけん引空隙内の正味の磁束を両者間に差を生じること
なく同時に変化できるように、コイルは独立して作動さ
れる。この特徴により中心逸脱力を生じることなくばね
定数を選択的に変化させる能力が得られる。

【００２７】図６に示す改良型スプリングの力対アーマ
チュア変位（すなわち、中心合せ位置からの）のグラフ
を図８に示す。曲線Ａは機械的スプリング５８のばね定
数を示す。したがって、空隙Ｇ₁、Ｇ₂の長さが等しく
なるようにアーマチュアの中心合せが行われると、スプ
リング５８は変位せずアーマチュアにいかなる力も加え
ることがない。第４象限の曲線Ｂ、Ｃ、Ｄはコイルにそ
れぞれ−ｉ、ｏおよび＋ｉの電流を供給した場合の負の
磁気ばね定数のさまざまな値を示す。曲線Ａ−Ｂ、Ａ−
Ｃ、Ａ−Ｄは曲線Ａをそれぞれ曲線Ｂ、ＣおよびＤに代
数的に加算することによって得られる。これら３本の曲
線はさまざまな値のコイル電流に対する電気機械スプリ
ング４５の有効ばね定数を表わしている。したがって、
単にコイル５３、５４の供給電流を変えることにより電
気機械スプリング４５の有効ばね定数を変えることがで
きる。強さの等しい磁石を有する幾何学的に対称的な実
施例では、同じ大きさで反対極性の電流をコイルに供給
することができる。非対称的実施例、すなわち磁石の強
さが等しくない実施例では、これら２つの電流の大きさ
は異なることがある。

【００２８】第２の形式の改良型スプリング（図９〜図
１１）第２の形式の改良型スプリングを図９の符号５９に示
す。ここでもスプリング５９は左部６０、中間部６１、
および右部６２を有する組立筒状体を含むものとして示
されている。環状アーマチュア６３が２つの対向するけ
ん引間隙Ｇ₁、Ｇ ₂の長さを差動的に変化させるように
移動可能に本体上に載置されている。アーマチュア６３
はロッド上に載置されている。このロッドの左端はスラ
イドベアリング６４により支持されている。このロッド
の右端はアーマチュアを付勢して空隙Ｇ₁、Ｇ₂の長さ
が等しくなる中心合せ位置に向って移動させる機械的撓
みスプリング６５と係合する。２個の軸方向に間隔をと
ったコイル６６、６８が本体中間部６１の内面から半径
方向内向きに延在している。これら２個のコイルはリン
グ状部材６９により分離されている。部材６９の内外面
はそれぞれ定リラクタンス半径方向空隙Ｇ₃、Ｇ₄によ
りアーマチュア端本体中間部から間隔がとられている。
コイルおよびアーマチュア間に２個の軸方向に間隔をと
った磁石７０、７１が配置されている。左の磁石７０は
本体左部６０および部材６９間に配置され、右の磁石７
１は部材６９および本体右部６２間に配置されている。
磁石７０、７１はサマリウムコバルトにより形成され、
そのＮ極は互いに対向している。したがって、磁石７
０、７１はそれぞれ磁束経路φ₇₀、φ₇₁に磁束を発生
し、コイル６６、６８はそれぞれ磁束経路φ₆₆、φ₆₈に
磁束を発生する。

【００２９】図９に示す構造の等化磁気回路を図１０に
示す。磁石７０、７１はバッテリとして示され、それぞ
れ高い内部リラクタンスＲ₇₀、Ｒ₇₁を有するサマリウム
コバルトにより形成されている。空隙Ｇ₁、Ｇ₂、
Ｇ₃、Ｇ₄のリラクタンスはそれぞれＲ_G1、Ｒ_G2、
Ｒ_G3、Ｒ_G4である。磁石７０のＮ極から磁束経路φ₇₀に
沿って発生される磁束は、空隙Ｇ₃およびけん引空隙Ｇ
₁を飛び越える。逆に、磁石７１のＮ極から磁束経路φ
₇₁に沿って発生される磁束は、固定空隙Ｇ₃および右の
けん引空隙Ｇ₂を飛び越える。励起されると、コイル６
６から経路φ₆₆に沿って空隙Ｇ₄、Ｇ₃、Ｇ₁を通過す
る磁束が発生され、コイル６８から空隙Ｇ₄、Ｇ ₃、Ｇ
₂を通過する磁束が経路φ₆₈内に発生される。サマリウ
ムコバルトの内部リラクタンスが高いためコイル磁束は
磁石を通過しない。

【００３０】図１０に示す磁気回路を書き替えると図１
１になる。

【００３１】この第２の形式においても、コイルは力の
生成に差を生じることなく２つのけん引空隙内の正味の
磁束を選択的に変化させるように作動する。第１の形式
ではアルニコ磁石が使用されたが、この第２の形式では
付加空隙が設けられているが高強度サマリウムコバルト
磁石を使用している。

【００３２】第３の形式の改良型スプリング（図１２〜
図１３）第３の形式の改良型トルク発生回転スプリングを一般的
に図１２の符号７２に示す。スプリング１２はそれぞれ
左、中間および右脚７３、７４、７５を有するＭ字型本
体を有している。アルニコ磁石７６が中央脚と磁気的に
直列に配置されている。コイル７８が中間脚を包囲して
いる。扇型アーマチュア７９が水平アクセス８０の周り
を回転するように載置されている。実際上、アーマチュ
ア７９は軸上に載置されている。１個以上の（図示せ
ぬ）トーションスプリングが軸に作用してアーマチュア
を付勢し本体に対して中心を合せた位置へ向って移動さ
せる。したがって、アーマチュア７９はそれぞれ固定長
可変面積空隙Ｇ₁、Ｇ₂により本体の左右脚から分離さ
れ、定リラクタンス空隙Ｇ₃により中間脚から分離され
る。トーションスプリングによりアーマチュアが付勢さ
れ空隙Ｇ₁、Ｇ₂のリラクタンスが等しい位置へ向って
移動する。これら２つのけん引空隙の面積は差動的に変
化する。

【００３３】図１２に示す構造の磁気回路を図１３に示
す。空隙Ｇ₁、Ｇ₂はそれぞれＲ_G1、Ｒ_G2のリラクタン
スを有する連結差動抵抗として示されている。磁石７６
は磁石の低い内部リラクタンスを表わす小さい抵抗Ｒ₇₆
と直列に配置されたバッテリとして示されている。空隙
Ｇ₃は固定リラクタンスＲ_G3を有している。したがっ
て、磁石７６のＮ極から発生する磁束は２つの外部本体
脚へ分割され、空隙Ｇ₁およびＧ₂を飛び越え、固定空
隙Ｇ₃を通過する。左右の磁石の磁束経路をそれぞれφ
_76L、φ_76Rで示す。励起されると、コイルは磁束７６
および空隙Ｒ_G3を通過し２つの本体外部脚へ分割される
コイル磁束を発生する。これら２つのコイル磁束経路を
それぞれφ_CL、φ_CRとして示す。

【００３４】マススプリングシステム（図１４〜図１
５）前記したように、本発明により一般的に電気的に変化で
きるばね定数を有する改良型電気機械スプリングが提供
される。このような改良型スプリングは容易にマススプ
リングシステムに組み込んでばね定数を電気的に変化さ
せてマススプリングシステムの固有周波数を変化させる
能力を得ることができる。

【００３５】図１４に、一般的に符号８１で、電気機械
スプリング８２を組み込んだマススプリングシステムの
概略部分図を示す。スプリング８２は図６に示す実施例
と同様であり、本体に対して移動して一対の対向するけ
ん引空隙Ｇ₁、Ｇ₂の長さを差動的に変化させるアーマ
チュア８３が搭載されている。アーマチュアは定リラク
タンス半径方向空隙Ｇ₃により中間本体脚部から分離さ
れている。コイル８４、８５がそれぞれ空隙Ｇ₁、Ｇ₂
に隣接して配置されている。対向するロッド８６、８８
がアーマチュアの対向する端面から軸方向反対方向に延
在している。ロッド８６は適切な支持体８９に接続され
ている。円形ディスク状フランジすなわちプレート９０
がロッド８８の遠端に載置されている。スプリング９
０、９１がロッド８６、８８を包囲しており、それぞれ
支持体と本体およびフランジプレートと本体間に作用す
る。これらのスプリングにより本体は付勢されアーマチ
ュアに対して空隙Ｇ₁、Ｇ₂の長さが等しい中心合せ位
置へ移動する。したがって、前の実施例ではアーマチュ
アは本体に対して移動可能なものとして示したが、図１
４に示す形式では本体はアーマチュアに対して移動する
ことができる。

【００３６】いずれにしても、本体は質量Ｍｍを有し、
電気機械スプリングはセンタリングスプリングと平行に
配置される。これを図１５に示し、ここでモータ質量Ｍ
ｍはセンタリングスプリング９０、９１および電気機械
スプリング８１を介して支持体８９に接続されている。
マススプリングシステムの共振周波数は機械および磁気
スプリングのばね定数の差をモータの質量で除したもの
の平方根に比例する。すなわち、

【００３７】

【数１】もちろん、電気機械スプリングの供給電流を単に変える
だけでアブソーバの固有周波数を容易に変えることがで
きる。

【００３８】改良型スプリングのさまざまな実施例の比
較からいくつかの結論を引き出すことができる。第一
に、改良型スプリングは従来のアルニコ（もしくは同等
品）もしくは高強度サマリウムコバルト（もしくは同等
品）磁石を使用することができる。図６に示す実施例で
は２個のアルニコ磁石が使用されアルニコ内部リラクタ
ンスが比較的低いため固定空隙Ｇ₃は一つしかない。一
方、図９に示す実施例では２個の高強度サマリウムコバ
ルト磁石が使用されている。しかしながら、サマリウム
コバルトの内部リラクタンスが高いため、２つの固定空
隙Ｇ₃、Ｇ₄が必要となる。したがって、実際には従来
のアルニコ磁石と一つの固定空隙もしくは２つの固定空
隙を有する高強度サマリウムコバルト磁石とのトレード
オフがなされる。すなわち、サマリウムコバルト磁石は
固定空隙Ｇ₄を通る分路により作動空隙内により大きな
有用磁束を供給しなければならない。さらに、回転型実
施例からお判りのように、作動装置は１個のみの磁石お
よび１個のみのコイルで製作することができる。

【００３９】部分的修正本発明はさまざまに変更および部分的修正ができるもの
と考えられる。例えば、本体およびアーマチュアはさま
ざまな形状および構成とすることができる。ある場合に
は１個の磁石で空隙に極性を与えることができ、またあ
る場合には別々の磁石を使用して個別に各空隙に極性を
与える。同様に、ある場合には１個のコイルを使用する
ことができ、またある場合には多数のコイルを使用する
ことができる。

【００４０】ここで大事なことは、リラクタンスが差動
的に変化する一対の対向するけん引空隙に最初は磁石に
よって極性を与えなければならないことである。一方が
増大すると他方が同量だけ減少し、逆の場合も同じであ
る。すなわち、リラクタンスの和は一定である。本発明
は線型および回転型実施例の両方で実現できる。

【００４１】前記したように、磁石はアルニコ等の従来
の磁石材料もしくはサマリウムコバルト等の高強度希土
類材料により形成することができる。これらの替りに他
種の磁石材料を使用することもできる。いずれにせよ、
磁石回路の設計において磁石材料のリラクタンスを考慮
しなければならない。しかしながら、従来技術のフォー
スモータとは異なり、コイル磁束が両方のけん引空隙は
通過しないように磁気回路を設計しなければならない。
むしろ大事なのは、永久磁石によりけん引空隙に最初に
極性を与え、いくつかのけん引空隙における正味磁束の
均り合う大きさを同時に変化させる磁束をコイルから発
生しなければならないことである。この様にして本発明
により電気的に変化できる固有ばね定数を有する改良型
電気機械スプリングが提供される。また本発明によりこ
のようなスプリングの改良型動作方法も提供され、さら
に電気的に変化できる有効ばね定数を有するこのような
スプリングを組み込んだマススプリングシステムが提供
される。

【００４２】改良型電気機械スプリングおよびそれを組
み込んだマススプリングシステムのいくつかを図示説明
し、そのいくつかの修正例について検討してきたが、当
業者ならば、特許請求の範囲に明記された発明の精神を
逸脱することなく、さまざまな変更や部分的修正をする
ことができるということが容易にお判りいただけること
と思われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】米国特許第４，１４４，５１４号に示された従
来技術のフォースモータの概略部分断面図。

【図２】図１に示すフォースモータの等価磁気回路図。

【図３】英国特許第２，１１１，７５５号に示された従
来技術の別の形式のフォースモータの略部分断面図。

【図４】図３に示すフォースモータの等価磁気回路図。

【図５】図４に示す磁気回路の等価書替え図。

【図６】第１の形式の改良型電気機械スプリングの概略
部分断面図。

【図７】図６に示す電気機械スプリングの等価磁気回路
図。

【図８】機械的ばね定数、空隙の負のばね定数さらには
コイルのさまざまな供給電流に対する有効ばね定数を示
すスプリング力（縦軸）対変位（横軸）グラフ。

【図９】第２の形式の改良型電気機械スプリングの概略
部分断面図。

【図１０】図９に示す電気機械スプリングの等価磁気回
路図。

【図１１】図１０に示す磁気回路の等価書替え図。

【図１２】改良型スプリングの回転型実施例の概略部分
断面図。

【図１３】図１２に示す電気機械スプリングの等価磁気
回路図。

【図１４】電気機械スプリングを組み込んだマススプリ
ングシステムの概略図。

【図１５】図１３に示すマススプリングシステムの概略
図。

【符号の説明】

４５電気機械スプリング４６組立筒状体（本体）左側部４８組立筒状体（本体）外側部４９組立筒状体（本体）右側部５０、５１磁石５２アーマチュア５３、５４コイル５６スライドベアリング５８撓みスプリングＧ₁〜Ｇ₃ 空隙

フロントページの続き (72)発明者マークエル．ワットリーイギリス国ウオーセスター，エヌアール. パーショアー，エッキントン，マノーロード，”サーン”番地なし

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気的に変化できる実効ばね定数を有す
る電気機械スプリングであって、本体と、前記本体上に載置され、移動線に沿って前記本体に対し
て移動できるアーマチュアと、空隙長の和が一定となるように前記移動線に沿って前記
本体とアーマチュア間に配置された対向する第１および
第２の可変長けん引空隙と、前記第１の空隙内に第１の磁束を発生するように配置さ
れた第１の磁石と、前記第２の空隙内に第２の磁束を発生するように配置さ
れた第２の磁石であって、前記第１および第２の磁束に
よりそれぞれ前記第１および第２の空隙内に対抗する力
を生成する第２の磁石と、前記本体とアーマチュア間に作用して前記アーマチュア
を前記本体に対して所定の位置へ向けて移動させるよう
に付勢する機械的スプリングであって、前記空隙および
その中の磁束により磁気スプリングが画定されて前記電
気機械スプリングの実効ばね定数が前記機械および磁気
スプリングのばね定数の代数和に等しくなるような機械
スプリングと、第１の電流が供給されると前記第１の空隙内に第１のコ
イル磁束を発生するように配置された第１のコイルと、第２の電流を供給されると前記第２の空隙内に第２のコ
イル磁束を発生するように配置された第２のコイルと、前記アーマチュアが前記所定の位置にある時に、前記第
１および第２の磁束による磁力の差に影響を及ぼすこと
なく前記第１および第２の空隙内の正味の磁束を変化さ
せるような大きさおよび極性の第１および第２の電流
を、それぞれ前記第１および第２のコイルへ供給する制
御回路と、を具備し、前記電気機械スプリングの実効ば
ね定数を前記第１および第２の電流の関数として変化さ
せることができる電気機械スプリング。
【請求項２】請求項１記載の電気機械スプリングにお
いて、前記第１および第２の電流は大きさが等しく極性
が反対である電気機械スプリング。
【請求項３】電気的に変化できるばね定数を有する電
気機械スプリングであって、本体と、前記本体上に載置され、本体に対して移動するアーマチ
ュアと、前記本体およびアーマチュア間の運動により空隙のリラ
クタンスが差動的に変化するように前記本体とアーマチ
ュア間に配置された一対の対向するけん引磁気空隙と、前記アーマチュアに作用する正味の力が負のばね定数を
示すように、アーマチュアの変位により差動的に変化す
る磁束レベルを前記空隙内に確立するように配置された
永久磁石手段と、前記アーマチュアが前記本体に対して所定の位置にある
場合に前記各空隙内の磁束をほぼ等しくさせる正味の磁
束を誘起させて、前記負のばね定数を前記コイル手段に
供給される電流の関数として調整できるようにする電磁
コイル手段と、前記アーマチュアと前記本体間に作用し、前記アーマチ
ュアを付勢して前記所定の位置へ向けて移動させる正の
ばね定数を有する機械的スプリングと、を具備し、前記
正および負のばね定数の和に等しい実効ばね定数を有す
る電気機械スプリング。
【請求項４】電磁装置であって、本体と、前記本体上に載置され、本体に対して移動線に沿って移
動するアーマチュアと、空隙長の和が一定となるように前記移動線に沿って前記
本体とアーマチュア間に配置された対向する第１および
第２の可変長けん引空隙と、前記第１の空隙内に第１の磁束を発生するように配置さ
れた第１の磁石と、前記第２の空隙内に第２の磁束を発生するように配置さ
れた第２の磁石であって、前記第１および第２の磁束に
よりそれぞれ前記第１および第２の空隙内に対抗する力
を生成する第２の磁石と、前記本体とアーマチュア間に作用して前記アーマチュア
を前記本体に対して所定の位置へ向けて移動させるよう
に付勢する機械的スプリングであって、前記空隙および
その中の磁束により磁気スプリングが画定されて前記電
気機械スプリングの実効ばね定数が前記機械および磁気
スプリングのばね定数の代数和に等しくなるような機械
的スプリングと、第１の電流が供給されると前記第１の空隙内に第１のコ
イル磁束を発生するように配置された第１のコイルと、第２の電流が供給されると前記第２の空隙内に第２のコ
イル磁束を発生するように配置された第２のコイルと、前記装置の実効ばね定数を指令する第１の信号と、前記装置の出力を指令する第２の信号と、前記第１および第２のコイルへそれぞれ第１および第２
の電流を供給して、前記電流の平均が前記第１の信号に
比例し、前記電流間の差が前記第２の信号に比例するよ
うにする電気制御手段と、を具備し、前記装置の実効ば
ね定数を前記第１の信号の関数として変化させることが
でき、かつ前記装置の出力を前記第２の信号の関数とし
て同時に変化させることができる電磁装置。
【請求項５】電気的に変化できる固有ばね定数を有す
る電気機械スプリング。
【請求項６】電流が供給されてこのような電流の一つ
の関数として出力を発生し、かつこのような電流の第２
の要因として電気的に変化できる実効ばね定数を有する
ように構成された電磁装置。
【請求項７】電気的に変化できる実効ばね定数および
電気的に制御できる出力を有する電磁装置。
【請求項８】別々に制御可能な電気的に変化できる出
力とばね定数を有する電磁装置。
【請求項９】電気機械スプリングの実効ばね定数を変
化させる方法であって、前記電気機械スプリングは本体
と、前記本体上に載置され本体に対して移動線に沿って
移動するアーマチュアと、空隙長の和が一定となるよう
に前記移動線に沿って前記本体およびアーマチュア間に
配置された対向する第１および第２の可変長けん引空隙
と、前記第１の空隙内に第１の磁束を発生するように配
置された第１の磁石と、前記第２の空隙内に第２の磁束
を発生するように配置された第２の磁石であって前記第
１および第２の磁束によりそれぞれ前記第１および第２
の空隙内に対抗する力を生成する第２の磁石と、第１の
電流が供給されると前記第１の空隙内に第１のコイル磁
束を発生するように配置された第１のコイルと、第２の
電流が供給されると前記第２の空隙内に第２のコイル磁
束を発生するように配置された第２のコイルと、前記本
体とアーマチュア間に作用して前記アーマチュアを前記
本体に対して所定の位置へ向けて移動させるように付勢
して前記空隙およびその中の磁束により磁気スプリング
が画定され前記電気機械スプリングの有効ばね定数が前
記機械および磁気スプリングのばね定数の代数和に実質
的に等しくなるような機械スプリングとを有し、該方法
は、前記第１および第２の磁束による磁力の差に影響を及ぼ
すことなく前記第１及び第２の空隙の正味の磁束を変え
るような大きさおよび極性の第１および第２の電流をそ
れぞれ前記第１および第２のコイルへ供給する段階を含
み、それによって前記第１および第２の電流の関数として前
記電気機械スプリングの実効ばね定数を変化させること
を特徴とする実効ばね定数を変化させる方法。
【請求項１０】請求項９記載の方法において、前記第
１および第２の電流は大きさが等しく反対極性であるこ
とを特徴とする実効ばね定数を変化させる方法。
【請求項１１】電気機械スプリングの実効ばね定数を
変化させる方法において、前記電気機械スプリングは移
動線に沿って相対運動を行うアーマチュアが載置された
本体と、前記移動線に沿って前記本体およびアーマチュ
ア間に配置された可変長けん引空隙と、前記空隙内に磁
石を発生しそれにより前記アーマチュアを前記本体に対
して移動するように付勢して前記空隙を閉じるように配
置された磁石と、電流が供給されると前記空隙内にコイ
ル磁束を発生するように配置されたコイルと、前記本体
とアーマチュア間に作用して前記アーマチュアを前記本
体に対して所定の位置へ向けて移動させるように付勢す
る機械的スプリングとを有し、該方法は、前記コイルへ電流を供給して前記空隙内の正味の磁束を
変える段階を含み、それによって前記電気機械スプリングの実効ばね定数を
前記電流の関数として変化させる、ことを特徴とする実
効ばね定数を変化させる方法。
【請求項１２】支持体に接続されたマススプリングシ
ステムにおいて、前記マススプリングシステムは前記支
持体に対して相対的に移動するように載置された質量お
よび前記質量と支持体との間に配置された少くとも１個
のスプリングを有し、前記スプリングが電気的に変化で
きる実効ばね定数を有し、前記実効ばね定数を変化させ
ることにより前記マススプリングシステムの固有周波数
を選択的に変化させることができるように改善されたマ
ススプリングシステム。