(57)【要約】【課題】温度の影響を排除し、振動低減効果の大きい振動低減装置及び振動低減方法を提供する。【解決手段】制振対象物２０に取り付けられ、積層されたピエゾ素子１１ａを備えるピエゾ積層体１１と、ピエゾ積層体１１の取付端と反対側に設けられた慣性マス１２と、を有する慣性マスアクチュエータ１０によって制振対象物２０の振動を低減する振動低減装置であって、積層されたピエゾ素子１１ａのうち一部のピエゾ素子１１ａ−１に発生した電圧を検出し、その電圧に基づいて振動状態を推定する振動状態推定手段９０と、一部のピエゾ素子１１ａ−１とは別のピエゾ素子１１ａ−２に、推定した振動状態に基づいて設定した駆動信号電圧を印加することでピエゾ素子１１ａ−２を伸縮して慣性マス１２に力を作用し、その反作用を制振力として制振対象物２０を制振する制振力制御手段９０と、を含む。【選択図】図２
2010002033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制振対象物に取り付けられ、積層されたピエゾ素子を備えるピエゾ積層体と、
前記ピエゾ積層体の取付端と反対側に設けられた慣性マスと、
を有する慣性マスアクチュエータによって制振対象物の振動を低減する振動低減装置であって、
前記積層されたピエゾ素子のうち一部のピエゾ素子に発生した電圧を検出し、その電圧に基づいて振動状態を推定する振動状態推定手段と、
前記一部のピエゾ素子とは別のピエゾ素子に、前記推定した振動状態に基づいて設定した駆動信号電圧を印加することでピエゾ素子を伸縮して慣性マスに力を作用し、その反作用を制振力として制振対象物を制振する制振力制御手段と、
を含むことを特徴とする振動低減装置。
【請求項２】
前記別のピエゾ素子は、前記一部のピエゾ素子と同一特性である、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動低減装置。
【請求項３】
前記一部のピエゾ素子は、平均温度が、前記制振対象物の温度にかかわらず前記別のピエゾ素子の平均温度と等しくなる位置に設けられている、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動低減装置。
【請求項４】
前記一部のピエゾ素子は、前記ピエゾ積層体における重心位置が、前記別のピエゾ素子の重心位置に一致する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の振動低減装置。
【請求項５】
前記一部のピエゾ素子は、前記ピエゾ積層体の両端に位置するピエゾ素子である、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動低減装置。
【請求項６】
前記一部のピエゾ素子は、前記ピエゾ積層体の中心のピエゾ素子である、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動低減装置。
【請求項７】
前記制振対象物はエンジンを構成する部品であり、
前記制振力制御手段は、エンジン出力が大きくなるほど多くのピエゾ素子に駆動信号電圧を印加する、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動低減装置。
【請求項８】
前記制振対象物はエンジンを構成する部品であり、
前記制振力制御手段は、エンジン出力が小さくなるほど多くのピエゾ素子から電圧を検出する、
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の振動低減装置。
【請求項９】
制振対象物に取り付けられ、積層されたピエゾ素子によるピエゾ積層体と、
前記ピエゾ積層体の取付端と反対側に設けられた慣性マスと、
を備える慣性マスアクチュエータによって制振対象物の振動を低減する振動低減方法であって、
前記積層されたピエゾ素子のうち一部のピエゾ素子に発生した電圧を検出し、その電圧に基づいて振動状態を推定する振動状態推定工程と、
前記一部のピエゾ素子とは別のピエゾ素子に、前記推定した振動状態に基づいて設定した駆動信号電圧を印加して、ピエゾ素子を伸縮して慣性マスに力を作用し、その反作用を制振力として制振対象物を制振する制振力制御工程と、
を含むことを特徴とする振動低減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンを構成する部品などに発生する振動を低減する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
慣性マスに力を作用しその反作用を利用して対象物の振動を低減するアクチュエータが特許文献１に開示されている。このアクチュエータは、弾性体を介して取り付けられた永久磁石を慣性マスとし、その永久磁石に、永久磁石と電磁コイルとによって発生する電磁力を作用する。そして永久磁石を支える弾性体から伝わる伝達力を検出するセンサと、アクチュエータ取り付け点の速度を検出するセンサとを設け、これらセンサの信号に基づいて対象物の振動を低減する。
【特許文献１】特開２００２−７９１７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前述した従来のアクチュエータは、温度などの影響を受けると特性が変動してしまって振動低減効果が小さくなってしまう可能性があった。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、温度の影響を排除し、振動低減効果の大きい振動低減装置及び振動低減方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、制振対象物(２０)に取り付けられ、積層されたピエゾ素子(１１ａ)を備えるピエゾ積層体(１１)と、前記ピエゾ積層体(１１)の取付端と反対側に設けられた慣性マス(１２)と、を有する慣性マスアクチュエータ(１０)によって制振対象物(２０)の振動を低減する振動低減装置であって、前記積層されたピエゾ素子(１１ａ)のうち一部のピエゾ素子(１１ａ−１)に発生した電圧を検出し、その電圧に基づいて振動状態を推定する振動状態推定手段(９０)と、前記一部のピエゾ素子(１１ａ−１)とは別のピエゾ素子(１１ａ−２)に、前記推定した振動状態に基づいて設定した駆動信号電圧を印加することでピエゾ素子(１１ａ−２)を伸縮して慣性マス(１２)に力を作用し、その反作用を制振力として制振対象物(２０)を制振する制振力制御手段(９０)と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、積層されたピエゾ素子のうち一部のピエゾ素子に発生した電圧に基づいて振動状態を推定し、その推定振動状態に基づいて設定した駆動信号電圧を、別のピエゾ素子に印加することで慣性マスに力を作用し、その反作用を制振力として制振対象物を制振するようにしたので、ピエゾ素子の温度変動特性を考慮することなく、振動低減効果が得られるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による振動低減装置をチェーンケースに適用した様子を示す図である。
【０００９】
ピストン下降時の加振力や、燃料インジェクタなどから入力された加振力などにより、エンジン本体が加振され、それがチェーンケース２０に伝わり、チェーンケース２０の平面部分が放射面となって振動が音となって放射される。したがってこの放射面での振動を低減することによってエンジン騒音を低減できる。そこで慣性マスアクチュエータ１０をチェーンケース２０に取り付けてチェーンケースの振動を低減することで、エンジン騒音を低減する。慣性マスアクチュエータ１０は、チェーンケース２０の面直方向に制振力を作用できるように、チェーンケース２０の上端に面直に取り付けられている。
【００１０】
図２は、慣性マスアクチュエータを示す図である。
【００１１】
慣性マスアクチュエータ１０は、ピエゾ積層体１１と、慣性マス１２と、締結ボルト１３とを有する。
【００１２】
ピエゾ積層体１１は、制振対象物(本実施形態ではチェーンケース２０)に取り付けられる。ピエゾ積層体１１は、薄板状のピエゾ素子(圧電素子)１１ａが積層されて構成される。本実施形態ではピエゾ素子１１ａは環状であり、このピエゾ素子１１ａが多数積層されたピエゾ積層体１１は円筒形である。ピエゾ素子１１ａは、電圧をかけると印加電圧範囲では、電圧にほぼ比例する板厚方向への伸びを生じさせる内力が発生するように分極されている。すなわちピエゾ素子１１ａは、印加する電圧に応じて軸方向(図２の上下方向)に伸縮して力を発生する。そこでピエゾ積層体１１を構成するピエゾ素子のうち一部を力発生用ピエゾ素子１１ａ−２とし、そのピエゾ素子１１ａ−２によって慣性マス１２に力を作用し、その反作用を制振力としてチェーンケース２０を制振する。力発生用ピエゾ素子１１ａ−２が慣性マス１２に作用する力は、慣性マス１２の振動加速度と、慣性マス１２の質量との積で与えられる。
【００１３】
ピエゾ素子１１ａは板厚方向(図２の上下方向)に力が与えられると、その力に応じた電圧を発生する。本実施形態では、この特性を利用してピエゾ積層体１１を構成するピエゾ素子のうち一部をセンサ用ピエゾ素子１１ａ−１として慣性マス１２の振動加速度を検出する。なおセンサ用ピエゾ素子１１ａ−１も力発生用ピエゾ素子１１ａ−２も同じピエゾ素子であり、使用用途が異なるのみである。したがってセンサ用ピエゾ素子１１ａ−１と力発生用ピエゾ素子１１ａ−２とは同一特性である。センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の圧電定数と力発生用ピエゾ素子１１ａ−２の圧電定数は同じである。
【００１４】
本実施形態ではピエゾ積層体１１を構成するピエゾ素子１１ａのうち上下両端のピエゾ素子をセンサ用ピエゾ素子１１ａ−１とし、その他の素子を力発生用ピエゾ素子１１ａ−２とする。センサ用ピエゾ素子１１ａ−１及び力発生用ピエゾ素子１１ａ−２は信号線を介してコントローラ９０に接続される。
【００１５】
慣性マス１２は、ピエゾ積層体１１の取付端と反対側に設けられる。図２では慣性マス１２は、ピエゾ積層体１１の上に載置される。慣性マス１２は、有天井円筒形であり、天井部分に孔１２ａが形成される。慣性マス１２は、ピエゾ積層体１１に被される。
【００１６】
締結ボルト１３は、慣性マス１２の孔１２ａを挿通するとともに、円筒形のピエゾ積層体１１を挿通し、チェーンケース２０に螺合するボルトである。締結ボルト１３は、ピエゾ積層体１１及び慣性マス１２をチェーンケース２０に螺設する。
【００１７】
慣性マスアクチュエータ１０は、このような構成になっている。ピエゾ素子１１ａ−１は慣性マス１２の振動加速度を検出する。ピエゾ素子１１ａ−２は慣性マス１２に力を作用し、その反作用を制振力としてチェーンケース２０を制振する。すなわちコントローラ９０は、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１によって検出された慣性マスの加速度に比例した信号に基づいてコントローラは制御力を決定し、力発生用ピエゾ素子１１ａ−２に電圧を印加することによって制振力を制御する。
【００１８】
図３は、慣性マスアクチュエータのモデルを示す図である。
【００１９】
簡略化するために複数あるセンサ用ピエゾ素子１１ａ−１をひとつにまとめ、力発生用ピエゾ素子１１ａ−２と直列に並べたモデルを考えると、次式(1-1)(1-2)の運動方程式で表すことができる。
【００２０】
【数１】
2010002033.tif 000003
【００２１】
式(1-1)(1-2)を整理すると以下になる。
【００２２】
【数２】
2010002033.tif 000004
【００２３】
本実施形態の制振対象物はエンジン構成部品であるチェーンケース２０であり、エンジンの熱を伝達する。このような場合には、ピエゾ積層体１１は、制御対象物側からマス側にかけてほぼ線形に温度が分布する。図４(Ａ)に示すようにピエゾ積層体１１の温度は、制御対象物側ほど高温になる。図４(Ｂ)に示すようにピエゾ積層体１１は、制御対象物側が高温になり、マス側が低温になる。
【００２４】
図５は、ピエゾ素子の温度特性を示す図である。
【００２５】
ピエゾ素子の収縮力は、ピエゾ素子の温度によって略線形に変動する。したがってピエゾ積層体１１を構成するセンサ用ピエゾ素子１１ａ−１の平均温度と力発生用ピエゾ素子１１ａ−２の平均温度とを等しくすれば、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の特性と力発生用ピエゾ素子１１ａ−２の特性とが等しくなる。
【００２６】
振動低減装置は取り付け点に強制変位を受ける１自由度振動系としてモデル化することができ、次式のような運動方程式で表すことができる。すなわち次式は変位加振の運動方程式である。
【００２７】
【数３】
2010002033.tif 000005
【００２８】
慣性マス加速度を出力として状態空間表現に変換すると、次式(4-1)(4-2)になる。
【００２９】
【数４】
2010002033.tif 000006
【００３０】
これより慣性マスの加速度とピエゾ積層体による制御力とから、慣性マス速度、慣性マス変位、取り付け点変位を推定するオブザーバを作ることができ、さらに推定された取り付け点変位を一階微分することによって取り付け点速度も推定することができる。
【００３１】
そして本実施形態では次式(5)のように取り付け点速度にゲインＧ１を乗じ、逆符号とした力ｕvを制御対象であるチェーンケースに入力することにより、減衰付与効果によりチェーンケース振動の共振ピークを低減する。
【００３２】
【数５】
2010002033.tif 000007
【００３３】
ここで、制振対象であるチェーンケースに入力される力ｕvに対して、制御力uは次式(6)で表される。
【００３４】
【数６】
2010002033.tif 000008
【００３５】
したがって図６のようにコントローラＣｏｎｔはオブザーバにより推定した取り付け点速度から式(5)によってチェーンケースに入力される力ｕvを決定し、その力ｕvと推定した慣性マス速度、慣性マス変位、取り付け点速度、取り付け点変位から式(6)により制御力uを決定し、電圧を印加することによって所望の制御力をピエゾ積層体から発生させる。つまりオブザーバには、慣性マス加速度の信号がインプットされているので、コントローラＣｏｎｔには、慣性マス加速度信号がインプットされて、制御力uを決定しアウトプットしている。また、慣性マスの加速度センサとして、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の電圧を利用しているので、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の収縮力Fsに比例した次式(7)に示すセンサ出力電圧Ｖｓを出力する。
【００３６】
【数７】
2010002033.tif 000009
【００３７】
そしてこのセンサ収縮力を慣性マス質量で割った値が、慣性マス加速度信号と略等しくなるので、慣性マス加速度は次式(8)で示せる。
【００３８】
【数８】
2010002033.tif 000010
【００３９】
同様に、力発生用ピエゾ素子１１ａ−２は次式(9)に示す力発生駆動電圧Ｖuに比例した収縮力uを発生する。
【００４０】
【数９】
2010002033.tif 000011
【００４１】
したがって力発生用ピエゾ素子１１ａ−２に印加する電圧Ｖuは次式(10)になる。
【００４２】
【数１０】
2010002033.tif 000012
【００４３】
本実施形態ではピエゾ積層体１１を構成するピエゾ素子１１ａのうち上下両端のピエゾ素子をセンサ用ピエゾ素子１１ａ−１とし、その他の素子を力発生用ピエゾ素子１１ａ−２としている。したがって制振対象物(チェーンケース)の温度変動にかかわらず、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の平均温度と、力発生用ピエゾ素子１１ａ−２の平均温度とが略等しいので、Ａs(Ｔ)とＡu(Ｔ)とは略等しくなり分子分母で打ち消すことができ、次式(11)が得られる。
【００４４】
【数１１】
2010002033.tif 000013
【００４５】
したがって、ピエゾ素子の温度変動特性を考慮することなく、制御可能であり、振動低減効果が得られるのである。
【００４６】
以上のような制御を行うことにより、チェーンケースの主要な共振周波数で大きな振動低減効果が得られる。
【００４７】
図７は効果を説明する図である。
【００４８】
本実施形態の慣性マスアクチュエータをチェーンケースに取り付けて制御しない場合は、図７の一点鎖線に示すように、慣性マスの共振によって振動悪化が生じる。またチェーンケースの共振周波数も低下する。
【００４９】
一方、本実施形態の慣性マスアクチュエータをチェーンケースに取り付けて制御すると、チェーンケースに伝達される力が速度比例の減衰力相当の力のみとなるので、振動系としての慣性マスアクチュエータの影響を受けなくなり、慣性マスの共振による振動悪化や、チェーンケース共振周波数の低下が生じない。これにより本実施形態によれば、従来持っていた構造の共振周波数に対して影響を与えないので、たとえば動吸振器のようにその共振周波数にあわせてチューニングされていたものがあったとしても、再チューニングする必要がない。
【００５０】
本実施形態の慣性マスアクチュエータでは、コントローラに制御対象の振動特性をモデルとして持っておらず、本実施形態の慣性マスアクチュエータの特性のみがモデル化されているので、本実施形態のように取り付ける制振対象物を変えても、コントローラで変更するのは、取り付け点速度、変位に対して乗じるゲインのみである。これらを所望の減衰付与効果、剛性向上効果が得られるように決定すればよい。その結果、図７に示すようにチェーンケース振動を低減することができるのである。
【００５１】
（第２実施形態）
図８は、本発明による振動低減装置の第２実施形態を示す図である。
【００５２】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００５３】
本実施形態の慣性マスアクチュエータ１０は、ピエゾ積層体１１を構成するピエゾ素子１１ａのうち中央のピエゾ素子をセンサ用ピエゾ素子１１ａ−１とし、その他の素子を力発生用ピエゾ素子１１ａ−２とする。
【００５４】
このようにしても、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の平均温度と力発生用ピエゾ素子１１ａ−２の平均温度とが等しくなるので、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の特性と力発生用ピエゾ素子１１ａ−２の特性とが等しくなるのである。
【００５５】
（第３実施形態）
図９は、本発明による振動低減装置の第３実施形態を説明する図である。
【００５６】
本実施形態では、エンジン出力に応じて、センサ用又は力発生用として使用するピエゾ素子の割合を変更する。具体的には、エンジン出力が高出力であるほど、力発生用ピエゾ素子１１ａ−２の割合を増やし、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の割合を減らすとよい。エンジン出力が高出力であるほど振動が大きくなり、その振動を低減するために大きな力を要するからである。またエンジン出力が低出力であるほど振動が小さくなり、わずかな振動をも高精度で低減することが望ましいので、エンジン出力が低出力であるほど、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の割合を増やし、力発生用ピエゾ素子１１ａ−２の割合を減らすとよい。
【００５７】
なお変更するときも、ピエゾ積層体１１の中心に対して対称にセンサ用ピエゾ素子１１ａ−１、力発生用ピエゾ素子１１ａ−２を配置するようにすればよい。このようにすれば、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の平均温度と力発生用ピエゾ素子１１ａ−２の平均温度とが等しくなり、センサ用ピエゾ素子１１ａ−１の特性と力発生用ピエゾ素子１１ａ−２の特性とが等しくなるからである。
【００５８】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００５９】
たとえば、上記各実施形態では、ピエゾ積層体１１の中心から上下対称にセンサ用ピエゾ素子、力発生用ピエゾ素子を配置する場合を例示して説明したが、センサ用ピエゾ素子のピエゾ積層体における重心位置が、力発生用ピエゾ素子の重心位置に一致するようにすればよい。このようにすれば、制振対象物(チェーンケース)の温度変動にかかわらず、センサ用ピエゾ素子の平均温度と力発生用ピエゾ素子の平均温度とが等しくなるので、センサ用ピエゾ素子の特性と力発生用ピエゾ素子の特性とが等しくなるからである。
【００６０】
また制振対象物としてチェーンケースを例示して説明したが、エンジン騒音の放射面であるオイルパンや、車内騒音の放射面である車両パネルに用いても同様の振動低減効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による振動低減装置をチェーンケースに適用した様子を示す図である。
【図２】慣性マスアクチュエータを示す図である。
【図３】慣性マスアクチュエータのモデルを示す図である。
【図４】ピエゾ積層体の温度分布を説明する図である。
【図５】ピエゾ素子の温度特性を示す図である。
【図６】本発明による振動低減装置の第１実施形態の制御ブロック図である。
【図７】効果を説明する図である。
【図８】本発明による振動低減装置の第２実施形態を示す図である。
【図９】本発明による振動低減装置の第３実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０  慣性マスアクチュエータ
１１  ピエゾ積層体
１１ａ  ピエゾ素子
１１ａ−１  センサ用ピエゾ素子(一部のピエゾ素子)
１１ａ−２  力発生用ピエゾ素子(別のピエゾ素子)
１２  慣性マス
１３  締結ボルト
２０  チェーンケース(制振対象物)
９０  コントローラ
【図１】
2010002033.tif 000014
【図２】
2010002033.tif 000015
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010002033.tif 000018
【図６】
2010002033.tif 000019
【図７】
2010002033.tif 000020
【図８】
2010002033.tif 000021
【図９】
2010002033.tif 000022