JPWO2017199801A1 - 能動型振動制御装置 - Google Patents

Abstract

ハウジング（２１）と、少なくとも可動マス（１６）を含む可動部（１７）と、供給される電流に応じた強さの磁場を発生させる励磁コイル（１４）と、励磁コイル（１４）が発生する磁場の大きさに応じて粘弾性的性質が変化する磁気粘弾性エラストマ（１３）と、非磁性体の支持部材（３１）とを備えている。ハウジング（２１）と可動部（１７）とは磁気粘弾性エラストマ（１３）と支持部材（３１）との両方で弾性的に連結されている。

Description

本発明は、能動型振動制御装置に関する。

機械における振動の低減のためにダイナミックダンパ（動吸振器）が広く使用されている。これは、問題となる振動の周波数と同じ固有値となるバネと可動マスとで構成され、固有値での振動に対して逆位相で可動マスが動くことを利用し、可動マスの慣性力により振動を低減する装置である。

この場合、振動の固有値をω、固有周波数をｆ、バネ定数をＫ、可動マスの質量をＭとすると、

となる。

一般的に用いられるダイナミックダンパは、その可動マスの質量Ｍとバネ定数Ｋとの比で決まる固有周波数ｆで入力振動に対して逆位相で振動し、可動マスの慣性力を利用して振動を低減する。そのため、問題となる振動の周波数１つに対して１つのダイナミックダンパを使用する必要がある。また、複数の周波数に対応する為に複数のダイナミックダンパを用いる場合、互いの固有周波数が近いと干渉を起こし、振動低減どころか振動を増幅する場合もある。

一方、車のエンジンに代表されるトルク変動しうる回転機械の振動に関し、問題となる振動、騒音を低減する場合、エンジン回転速度に同期して問題となる周波数が変化し、対策すべきいくつもの周波数が存在することがある。
そこで、固有周波数を可変とするダイナミックダンパを実現するために、バネとして磁気粘弾性エラストマ（ＭＲＥ）を用いた装置が提案されている（特許文献１参照）。これは、磁性体を混入させたゴムに対して印加する磁場の強さを制御することでゴムの剛性を可変とする可変ダイナミックダンパ技術である。

国際公開２０１２／０２６３３２号

図１５（ａ）は、磁気粘弾性エラストマを用いた可変ダイナミックダンパの概念図である。符号２０１は、装置のハウジングであり、可動マス２０２が磁気粘弾性エラストマ２０３を介してハウジング２０１に弾性的に接続されている。
この場合に次のような課題がある。すなわち、可動マス２０２には常に重力がかかっているため、磁気粘弾性エラストマ２０３が経年劣化して不可逆的に伸びてしまいやすいという不具合である（図１５（ｂ））。

また、特に低い周波数領域で可変ダイナミックダンパを使用する場合においては、比較的、可動マス２０２が重くなることと、その可動マス２０２を保持する磁気粘弾性エラストマ２０３のバネ定数を低く設定しなければならないことから以下のような課題もある。まず、固有周波数を低く設定するために、磁気粘弾性エラストマ２０３のバネ定数を低くすることで可動マス２０２が保持しにくくなる。また、可動マス２０２が自重により垂れ下がり、干渉等による異音の原因となる。さらに、励磁コイルの発熱や使用する場所の環境により磁気粘弾性エラストマ２０３の温度が上昇し、これにより磁気粘弾性エラストマ２０３の基となるゴムのバネ特性が更に低下し、耐久的な問題が発生する。その上、磁気粘弾性エラストマ２０３を量産する際の特性ばらつきにより部品特性を管理しづらいという不具合もある。

そこで、本発明の課題は、可動マスにかかる重力により磁気粘弾性エラストマが経年劣化して伸びてしまいやすい等の不具合を解決することができる能動型振動制御装置を提供することである。

（１）本発明は、ハウジングと、少なくとも可動マスを含む可動部と、供給される電流に応じた強さの磁場を発生させる励磁コイルと、前記励磁コイルが発生する磁場の大きさに応じて粘弾性的性質が変化する磁気粘弾性エラストマと、非磁性体の支持部材とを備え、前記ハウジングと前記可動部とは前記磁気粘弾性エラストマと前記支持部材との両方で弾性的に連結されていることを特徴とする能動型騒音振動制御装置である。
本発明によれば、可動マスにかかる重力により磁気粘弾性エラストマが経年劣化して伸びてしまいやすい等の不具合を解決することができる。

（２）この場合に、前記支持部材は、前記磁気粘弾性エラストマよりも前記磁気粘弾性エラストマと前記支持部材との両方で弾性的に連結されている方向の幅が広く設定されているようにしてもよい。
本発明によれば、確実に可動マスを支持することができる。

（３）前記の場合に、前記支持部材は、前記磁気粘弾性エラストマに挟まれているようにしてもよい。
本発明によれば、支持部材と磁気粘弾性エラストマとを一体の部材として取り扱うことができる。

（４）前記の場合に、前記励磁コイルが発生させる磁場の通り道である磁路を環状の閉磁路として構成する複数の磁性部材を備え、前記可動部は、前記複数の磁性部材のうちの少なくとも１つを含んで構成され、前記磁気粘弾性エラストマは、前記可動部を構成する磁性部材と他の磁性部材とを連結して前記閉磁路を構成するように配置されるようにしてもよい。
本発明によれば、磁束を磁気粘弾性エラストマに効果的に通過させることができる。

（５）前記の場合に、前記励磁コイルは、上下２段に設けられ、その２段の励磁コイルの間に磁気粘弾性エラストマが形成され、前記２段の各段の励磁コイルは逆方向の磁場を発生させて前記磁気粘弾性エラストマでは各励磁コイルからの磁束の方向が同じとなるようにしてもよい。
本発明によれば、磁束を磁気粘弾性エラストマに効果的に通過させることができる。

本発明によれば、可動マスにかかる重力により磁気粘弾性エラストマが経年劣化して伸びてしまいやすい等の不具合を解決することができる能動型振動制御装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態にかかる能動型振動制御装置の縦断面図である。 図１の能動型振動制御装置における磁束の通過を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態にかかる能動型振動制御装置の概念図である。 本発明の第１実施形態にかかる磁気粘弾性エラストマの構成例を示す平面図である。 本発明の第１実施形態にかかる能動型振動制御装置の支持部材の構成例を示す平面図である。 本発明の第１実施形態にかかる能動型振動制御装置の制御系の概略構成図である。 本発明の第２実施形態にかかる能動型振動制御装置の縦断面図である。 図７における能動型振動制御装置の磁束の流れを図示した縦断面図（ａ）、及びその部分拡大図（ｂ）である。 本発明の第３実施形態にかかる能動型振動制御装置の縦断面図である。 図９における能動型振動制御装置の磁束の流れを破線矢印で説明する図である。 図９、図１０における能動型振動制御装置の変形例の能動型振動制御装置の縦断面図である。 本発明の第４実施形態にかかる能動型振動制御装置の縦断面図である。 本発明の第５実施形態にかかる能動型振動制御装置の縦断面図である。 能動型振動制御装置において、磁気粘弾性エラストマを設ける方法を説明する図であり、（ａ），（ｂ）は経時的にそれを説明している。 本発明の課題を説明する図であって、（ａ）は能動型振動制御装置の概念図であり、（ｂ）は能動型振動制御装置で磁気粘弾性エラストマが延びてしまった状態を示す概念図である。

次に、本発明を実施するための一形態（実施形態）について、添付の図面を参照し、詳細に説明する。

≪第１実施形態≫
図１は、本発明の第１実施形態にかかる能動型振動制御装置１の縦断面図である。
能動型振動制御装装置１は、非磁性体の円筒状のハウジング２１を備えている。ハウジング２１内には、外部からの入力により可動する可動部１７と、第１磁性体コア１１とが収納されている。可動部１７は、第２磁性体コア１２と可動マス１６とを備えている。また、ハウジング２１内には、供給される電流に応じた強さの磁場を発生させる励磁コイル１４が収納されている。励磁コイル１４は、円環状のボビン１５に巻線されている。

第１磁性体コア１１及び第２磁性体コア１２は、励磁コイル１４が発生する磁場の通り道である磁路を環状の閉磁路として構成する複数の、この例で２つの磁性部材である。
第２磁性体コア１２は、可動部１７を構成し、円柱部１１ａの軸方向に延びる円柱部１２ａと、円柱部１２ａから周方向外側に向けて延出する第２延出部１２ｂとを備えている。
第１磁性体コア１１は、ハウジング２１と励磁コイル１４との間に配置される円筒部１１ａと、円筒部１１ａから周方向内側に向けて延出する第１延出部１１ｂとを備えている。

また、磁気粘弾性エラストマ１３は、第１磁性体コア１１と第２磁性体コア１２との間の少なくとも１箇所（この例では上下２箇所）を連結して閉磁路を構成するように配置されている。すなわち、磁気粘弾性エラストマ１３は、可動部１７の可動方向に対して垂直な方向（図１の水平方向）で、第１磁性体コア１１と第２磁性体コア１２とを連結している。磁気粘弾性エラストマ１３は、第１延出部１１ｂの内端部と第２延出部１２ｂの外端部とを連結するように、環状に設けられている。
そして、本例では、励磁コイル１４が励磁することにより、図２（ａ）に破線矢印で示すように、円筒部１１ａ、上側の第１延出部１１ｂ、上側の第２延出部１２ｂ、円柱部１２ａ、下側の第２延出部１２ｂ、下側の第１延出部１１ｂを順次通過して、円筒部１１ａに戻る閉磁路を構成する。

磁気粘弾性エラストマ１３は、励磁コイル１４が発生する磁場の大きさに応じて粘弾性的性質が変化する部材である。具体的には、磁気粘弾性エラストマ１３は、鉄粉等の磁性粒子が添加されたゴム材等の弾性材からなり、励磁コイル１４による磁場がない状態（又は磁場が低い状態）では剛性が低く、励磁コイル１４による磁場が高い状態では剛性が高くなる性質を有する。
円柱部１２ａの外周には可動部１７を構成する非磁性体の質量部材となる可動マス１６が設けられている。

各磁気粘弾性エラストマ１３は、上下から支持部材３１を挟んでいる。そして、ハウジング２１と可動部１７とは磁気粘弾性エラストマ１３と支持部材３１との両方で弾性的に連結されている。また、支持部材３１は、磁気粘弾性エラストマ１３より前記の連結されている方向の幅が広く設定されている。支持部材３１は、例えば、アルミニウム、ステンレス等の非磁性体で形成された板バネである。
このような支持部材３１が上下から磁気粘弾性エラストマ１３に挟まれていることは、図２（ｂ）に拡大して図示している。

図３は、能動型振動制御装置１の概念図である。可動マス１６が支持部材３１と磁気粘弾性エラストマ１３とにより間接的にハウジング２１に支持されている。
図４は、磁気粘弾性エラストマ１３の構成例を示す平面図である。何れも円環状であり、図４（ａ）の例は、磁気粘弾性エラストマ１３中の磁性体粉１３ａを分散させている。図４（ｂ）の例は、磁気粘弾性エラストマ１３中の磁性体粉１３ａを円環の中央に向けて配列させている。何れの例でも放射方向の磁束の強さで見かけの剛性を変化させることが出来る。しかし、図４（ｂ）の例の方が、磁束の強さに対し磁気粘弾性エラストマ１３の剛性を効率的に変化させることが出来る。

図５は、支持部材３１の構成例を示す平面図である。支持部材３１は、厚さと形状で可動マス１６を支える振動の固有値を調整するため、図５のような形状となることがある。すなわち、円板形状の支持部材３１の各所に切欠き孔３１ａを形成している。これにより、支持部材３１の振幅を大きくとり、剛性を下げることが可能となる。その他、渦巻き形状としてもよい。

図６は、能動型振動制御装置１の制御系４０の概略構成図である。テーブル４１は、回転機械Ｍ１、例えば車両のエンジンにおいて、回転機械Ｍ１の回転速度に応じた駆動電流値を求めるのに用いる。そして、半導体スイッチング素子等を含んで構成されるパワードライバ４２は、その駆動電流を励磁コイル１４に印加する。これにより、回転機械Ｍ１の回転速度に応じた駆動電流で励磁コイル１４は励磁される。そして励磁コイル１４で発生する磁場が回転機械Ｍ１の回転速度に応じて変化し、可動部１７（質量Ｍ）の磁気粘弾性エラストマ１３の剛性が変化することで、磁気粘弾性エラストマ１３のばね定数（Ｋ）が変化する。

次に、能動型振動制御装置１の動作について説明する。
能動型振動制御装置１は、振動の発生により、磁気粘弾性エラストマ１３が図１の上下方向に振動すると、磁気粘弾性エラストマ１３には図１の上下方向にせん断力がかかり、磁性体粉１３ａの並びがずれる。このときに励磁コイル１４で磁界をかけると、磁性体粉１３ａが磁場の方向に並ぼうとする。これが、外力に対しての抵抗になり、見掛け上の磁気粘弾性エラストマ１３の剛性が高まる。この磁気粘弾性エラストマ１３の剛性の変動により、可動部１７の共振周波数が変わり、振動を減衰させられる周波数が変わることになる。この場合の剛性の変動は、テーブル４１により車両のエンジン等の回転速度に応じて変動するので、車両におけるエンジン等の回転速度の変動に応じて、効果的に振動を抑制することができる。

そして、本実施形態の能動型振動制御装置１においては、非磁性体のハウジング２１の内部で励磁コイル１４からの磁路を形成する第１磁性体コア１１と第２磁性体コア１２とを磁気粘弾性エラストマ１３で連結して配置することにより、これらの部材で閉磁路を構成することができるため、すなわち、閉磁路上に磁気粘弾性エラストマ１３を配置できるため、磁気粘弾性エラストマ１３に励磁コイル１４からの印加磁場を効率的に印加することができる。そのため、能動型振動制御装置１の防振性能を向上させることができるとともに、省電力化を行うこともできる。
そして、前記のように支持部材３１を設けたことにより、可動マス２０２には常に重力がかかっていることで、磁気粘弾性エラストマ２０３が経年劣化して伸びてしまうことを防止することができる。

また、特に低い周波数領域で可変ダイナミックダンパを使用する場合においては、比較的、可動マス２０２が重くなることと、その可動マス２０２を保持する磁気粘弾性エラストマ２０３のバネ定数を低く設定しなければならない場合の課題も解決できる。すなわち、まず、固有周波数を低く設定するために、磁気粘弾性エラストマ２０３のバネ定数を低くすることで可動マス２０２が保持しにくくなるのを防止できる。また、可動マス２０２が自重により垂れ下がり、干渉等による異音の原因となるのを防止できる。さらに、励磁コイルの発熱や使用する場所の環境により磁気粘弾性エラストマ２０３の温度が上昇し、これにより磁気粘弾性エラストマ２０３の基となるゴムのバネ特性がさらに低下し、耐久的な問題が発生するのを防止できる。その上、磁気粘弾性エラストマ２０３を量産する際の特性ばらつきにより部品特性を管理しづらいという不具合も防止できる。

さらに、支持部材３１は、磁気粘弾性エラストマ１３よりハウジング２１側に連結されている方向の幅が広く設定されているので、確実に可動マス１６を支持することができる。
その上、支持部材３１を磁気粘弾性エラストマ１３で上下に挟む場合は、支持部材３１と磁気粘弾性エラストマ１３とを一体の部材として取り扱うことができる。

≪第２実施形態≫
図７は、本発明の第２実施形態にかかる能動型振動制御装置５１の縦断面図である。図８は、同能動型振動制御装置５１の磁束の流れを図示した縦断面図（ａ）、及びその部分拡大図（ｂ）である。本実施形態において第１実施形態と共通する部材等については同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。能動型振動制御装置５１が前記の能動型振動制御装置１と異なるのは、支持部材３１が磁気粘弾性エラストマ１３で挟まれていない点にある。
すなわち、図７、図８の例では、上側の磁気粘弾性エラストマ１３の上に支持部材３１が配置され、下側の磁気粘弾性エラストマ１３の下に支持部材３１が配置されている。

≪第３実施形態≫
図９は、本発明の第３実施形態にかかる能動型振動制御装置１０１の縦断面図である。図１０は、同能動型振動制御装置１０１の磁束の流れを破線矢印で説明する図である。本実施形態において第１実施形態と共通する部材等については同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。
本実施形態が第１実施形態と最も異なるのは、励磁コイル１４が励磁コイル１４ａと励磁コイル１４ｂとの上下２段に設けられていて、図１０に示すように、励磁コイル１４ａと励磁コイル１４ｂとでは破線矢印で示す磁束の方向が逆である点である。
これに伴い能動型振動制御装置１０１は、第１実施形態では第１延出部１１ｂ、及び第２延出部１２ｂが上下２段だったのが、上中下の３段になっている。そして、可動マス１６も、可動マス１６ａと可動マス１６ｂの上下２段となっている。

上段の第１延出部１１ｂ側と第２延出部１２ｂ側とは磁性体の板バネ１１１で連結されている。中段の第１延出部１１ｂ側と第２延出部１２ｂ側とは支持部材３１及び当該支持部材３１を上下から挟む磁気粘弾性エラストマ１３とによって連結されている。下段の第１延出部１１ｂ側と第２延出部１２ｂ側とは磁性体の板バネ１１１で連結されている。
この構成の場合、励磁コイル１４ａと励磁コイル１４ｂとでは磁束の方向が逆であるため、両励磁コイルから発する磁束は磁気粘弾性エラストマ１３では同じ方向に通過するので、磁束が効率的に磁気粘弾性エラストマ１３内を通過することができる。

図１１は、図９、図１０の能動型振動制御装置１０１の変形例である。この変形例の能動型振動制御装置１０１ａが能動型振動制御装置１０１と異なるのは、次の点である。上段の第１延出部１１ｂ側と第２延出部１２ｂ側とは支持部材３１及び当該支持部材３１を上下から挟む磁気粘弾性エラストマ１３とによって連結されている。中段の第１延出部１１ｂ側と第２延出部１２ｂ側とは磁性体の板バネ１１１によって連結されている。下段の第１延出部１１ｂ側と第２延出部１２ｂ側とは支持部材３１及び当該支持部材３１を上下から挟む磁気粘弾性エラストマ１３とによって連結されている。

≪第４実施形態≫
図１２は、本発明の第４実施形態にかかる能動型振動制御装置１２１の縦断面図である。本実施形態において第３実施形態と共通する部材等については同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。能動型振動制御装置１２１が第３実施形態にかかる能動型振動制御装置１０１と異なるのは、まず、励磁コイル１４ａ及び励磁コイル１４ｂが能動型振動制御装置１２１の中心部、すなわち、円柱部１２ａの外周部に設けられている点である。逆に可動マス１６ａ及び可動マス１６ｂは能動型振動制御装置１２１の外周側、すなわち、円筒部１１ａの内周部分に設けられている点も異なる。
また、ハウジング２１における円柱部１２ａの軸方向の上下には貫通孔２１ａ，２１ｂが形成されていて、円柱部１２ａの上下の先は、それぞれ貫通孔２１ａ，２１ｂからハウジング２１の外部に延び出ている。貫通孔２１ａ，２１ｂにはリニアブッシュ１２２が設けられている。

≪第５実施形態≫
図１３は、本発明の第５実施形態にかかる能動型振動制御装置１５１の縦断面図である。本実施形態において第１実施形態と共通する部材等については同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。この能動型振動制御装置１５１は、防振装置として使用する例である。

本実施形態では、ハウジング２１における円柱部１２ａの軸方向の上には貫通孔２１ｃが形成されていて、円柱部１２ａの上の先は貫通孔２１ａからハウジング２１の外部に延び出ている。また、可動マス１６は設けられておらず、第２磁性体コア１２が可動マスとなる。符号１５２はリニアブッシュである。このハウジング２１の外部に延び出ている円柱部１２ａの先端が防振対象部材（図示せず）に連結され、防振を図る。

≪製造方法≫
次に、前記各能動型振動制御装置において、磁気粘弾性エラストマ１３を設ける手段について複数例説明する。
第１の手段は、磁気粘弾性エラストマ１３を個別に製造しておき、支持部材３１に接着するという方法である。この場合は第１磁性体コア１１及び第２磁性体コア１２と磁気粘弾性エラストマ１３とを接触させることが重要である。空間が空いてしまうと磁束が磁気粘弾性エラストマ１３を効率的に通過しないためである。

第２の手段は、図１４（ａ）に示すような製造用治具１７１を構築し、励磁コイル１４に電流を流すことで磁場を発生させ、磁場を発生させた状態で磁気粘弾性エラストマ１３を成形することで、放射方向に配列した磁気粘弾性エラストマ１３を製造する方法、つまり、第１磁性体コア１１及び第２磁性体コア１２と一体成形する方法である（図１４（ｂ））。

１ 能動型振動制御装置
１３ 磁気粘弾性エラストマ
１４，１４ａ，１４ｂ 励磁コイル
１７ 可動部
２１ ハウジング
３１ 支持部材
１１ 第１磁性体コア（磁性部材）
１２ 第２磁性体コア（磁性部材）
１１１ 板バネ（磁性部材）

Claims (5)

1. ハウジングと、
   少なくとも可動マスを含む可動部と、
   供給される電流に応じた強さの磁場を発生させる励磁コイルと、
   前記励磁コイルが発生する磁場の大きさに応じて粘弾性的性質が変化する磁気粘弾性エラストマと、
   非磁性体の支持部材とを備え、
   前記ハウジングと前記可動部とは前記磁気粘弾性エラストマと前記支持部材との両方で弾性的に連結されていることを特徴とする能動型振動制御装置。
2. 前記支持部材は、前記磁気粘弾性エラストマよりも前記連結されている方向の幅が広く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の能動型振動制御装置。
3. 前記支持部材は、前記磁気粘弾性エラストマに挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の能動型振動制御装置。
4. 前記励磁コイルが発生させる磁場の通り道である磁路を環状の閉磁路として構成する複数の磁性部材を備え、
   前記可動部は、
   前記複数の磁性部材のうちの少なくとも１つを含んで構成され、
   前記磁気粘弾性エラストマは、
   前記可動部を構成する磁性部材と他の磁性部材とを連結して前記閉磁路を構成するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の能動型振動制御装置。
5. 前記励磁コイルは、上下２段に設けられ、
   その２段の励磁コイルの間に磁気粘弾性エラストマが形成され、
   前記２段の各段の励磁コイルは逆方向の磁場を発生させて前記磁気粘弾性エラストマでは各励磁コイルからの磁束の方向が同じとなることを特徴とする請求項１に記載の能動型振動制御装置。

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