ばね部材及びばね型アクチュエータ
【課題】低速の運動ではばね定数が小さくなり、高速の運動ではばね定数が大きくなって共振周波数が高くなるばね部材及びばね型アクチュエータを提供する。
【解決手段】ばね部材１１は、第１のばね部２２及び減衰力発生部２３からなるばねユニットと、ばねユニットに接続された第２のばね部２５とを備えている。ばねユニットの減衰力発生部２３は、第１のばね部２２が伸縮する方向へ運動することにより減衰力を発生する。第２のばね部２５は、ばねユニットの第１のばね部２２と同じ方向に伸縮する。
【解決手段】ばね部材１１は、第１のばね部２２及び減衰力発生部２３からなるばねユニットと、ばねユニットに接続された第２のばね部２５とを備えている。ばねユニットの減衰力発生部２３は、第１のばね部２２が伸縮する方向へ運動することにより減衰力を発生する。第２のばね部２５は、ばねユニットの第１のばね部２２と同じ方向に伸縮する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のサスペンション、位置決め制御または振動制御に用いて好適なばね部材及びそのばね部材を用いたばね型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のサスペンションは、乗り心地や操縦の安定性などを向上させるために、低速の運動では柔らかくなり、高速の運動では堅くなって車体の振動を最適に抑制することが望まれる。そのため、低速の運動では減衰力を小さくして、高速の運動では減衰力を大きくする切り替え式のセミアクティブダンパと、ばねとを備えたサスペンション装置が知られている。
【０００３】
一方、ばね型アクチュエータとしては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。この特許文献１に記載されたばね型アクチュエータは、コイルばねの復元力を利用して機械的な運動を生じさせるものであり、コイルばねの復元力で原点復帰するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２００６−３２００５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたばね型アクチュエータは、駆動力を小さくするためにばね定数を小さくしてコイルばねを柔らかくすると、共振周波数が低くなり、使用可能な周波数の範囲が狭くなってしまう。一方、共振周波数を高くするためにばね定数を大きくしてばねを堅くすると、大きな駆動力が必要になる。
【０００６】
また、セミアクティブダンパとばねとを備えたサスペンション装置は、運動の速度に応じてセミアクティブダンパの減衰係数を変化させても、ばねのばね定数が変化することはない。
【０００７】
本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたものであり、低速の運動ではばね定数が小さくなり、高速の運動ではばね定数が大きくなって共振周波数が高くなるばね部材及びばね型アクチュエータ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】
【０００８】
上述した目的を達成するため、本発明のばね部材は、第１のばね部及び減衰力発生部からなるばねユニットと、ばねユニットに接続された第２のばね部とを備えている。ばねユニットの減衰力発生部は、第１のばね部が伸縮する方向へ運動することにより減衰力を発生する。第２のばね部は、ばねユニットの第１のばね部と同じ方向に伸縮する。
【０００９】
また、本発明のばね型アクチュエータは、ばね部材と、ばね部材を伸縮させる駆動部とを備えている。ばね部材は、第１のばね部及び減衰力発生部からなるばねユニットと、ばねユニットに接続された第２のばね部とを有している。ばねユニットの減衰力発生部は、第１のばね部が伸縮する方向へ運動することにより減衰力を発生する。第２のばね部は、ばねユニットの第１のばね部と同じ方向に伸縮する。
【００１０】
本発明のばね部材及びばね型アクチュエータでは、第１のばね部及び第２のばね部が伸縮する方向への運動が低速であると、減衰力発生部に発生する減衰力がほぼ０になり、第１のばね部と第２のばね部が直列結合した状態になる。これにより、ばね部材全体のばね定数は、第１のばね部及び第２のばね部のばね定数を合成したものになる。
【００１１】
一方、第１のばね部及び第２のばね部が伸縮する方向への運動が高速であると、減衰力発生部に発生する減衰力が極めて大きくなり、ばねユニットは、剛体と等しい状態になる。これにより、ばね部材全体のばね定数は、第２のばね部のばね定数になる。したがって、ばね部材のばね定数は、低速の運動に対して小さくなり、高速の運動に対して大きくなる。その結果、高速の運動に対してばね部材の剛性が大きくなり、第１のばね部と第２のばね部を単に直列結合したものよりも共振周波数を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のばね部材及びばね型アクチュエータによれば、低速の運動におけるばね定数を小さくすると共に、高速の運動におけるばね定数を大きくすることができる。したがって、共振周波数を高くすることができ、使用可能な周波数領域を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のばね部材の構成図である。
【図２】本発明のばね部材の第１の実施の形態を示す部分断面図である。
【図３】本発明のばね型アクチュエータの第１の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明のばね型アクチュエータの一実施形態に係る印可電圧と変位との関係を示すグラフである。
【図５】本発明のばね型アクチュエータの一実施形態に係る変位の応答性の測定結果を示すグラフである。
【図６】本発明のばね型アクチュエータの一実施形態に係る周波数応答の測定結果を示すグラフである。
【図７】本発明のばね型アクチュエータの一実施形態に係る絞り板の材質を変化させたときの電流と変位との関係を示すグラフである。
【図８】本発明のばね型アクチュエータの第２の実施の形態を示す断面図である。
【図９】本発明のばね部材の第２の実施の形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明のばね部材及びばね型アクチュエータを実施するための形態について、図１〜図９を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。
【００１５】
１．ばね部材の構成
まず、本発明のばね部材の構成について、図１を参照して説明する。
図１は、本発明のばね部材の構成図である。
【００１６】
本発明のばね部材１は、第１のばね部２及び減衰力発生部３を有するばねユニット４と、第２のばね部５を備える。すなわち、ばね部材１は、第１のばね部２、減衰力発生部３及び第２のばね部５の３つの要素で構成されている。減衰力発生部３は、第１のばね部２が伸縮する方向へ運動することにより減衰力を発生する。第２のばね部５は、ばねユニット４に接続されており、第１のばね部２と同じ方向に伸縮する。
【００１７】
ここで、第１のばね部２のばね定数をｋ０とし、第２のばね部５のばね定数をｋ１とする。また、減衰力発生部３の減衰係数をｃとし、この減衰係数ｃを極めて大きい値にする。そして、ばねユニット４の一端の変位をｘとし、ばねユニット４の他端の変位をｘ１とすると、ばねユニット４の他端に対する一端の相対速度Ｖｒは、次式により算出される。
【数１】
【００１８】
この相対速度Ｖｒは、ばね部２，５が伸縮する方向へばね部材１をゆっくり（低速で）運動させたときに０に近づく。また、減衰力発生部３に発生する減衰力ｄは、次式により算出される。
【数２】
【００１９】
したがって、ばね部２，５が伸縮する方向へばね部材１を低速で運動させたときの減衰力ｄは、ほぼ０になり、ばね部材１は、第１のばね部２と第２のばね部５が直列結合した状態になる。このとき、ばね部材１のばね定数は、ばね定数ｋ０とばね定数ｋ１を合成した合成ばね定数ｋになる。この合成ばね定数ｋは、次式により算出される。
【数３】
【００２０】
一方、減衰力発生部３の減衰係数ｃは極めて大きいため、相対速度Ｖｒが大きくなると、減衰力ｄは無限大に近づく。つまり、ばね部材１の先端（ばねユニット４の一端）の速度が大きくなると、減衰力ｄが無限大に近づく。その結果、ばねユニット４が剛体と等しい状態になり、ばね部材１の先端の振動は、第２のばね部５のみの振動となる。
【００２１】
第２のばね部５のばね定数ｋ１は、合成ばね定数ｋよりも大きい（ｋ１＞ｋ）。したがって、ばね部材１のばね定数は、低速の運動に対しては小さくなり、高速の運動に対しては大きくなる。言い換えれば、ばね部材１のばね定数は、振動数とともに増大する。これにより、ばね部材１の剛性は、低速の運動に対しては低くなり、高速の運動に対しては高くなる。その結果、ばね部材１の共振周波数は、第１のばね部２と第２のばね部５を単に直列結合したものよりも高くなる。
【００２２】
２．ばね部材の第１の実施の形態
次に、本発明のばね部材の第１の実施の形態について、図２を参照して説明する。
図２は、本発明のばね部材の第１の実施の形態を示す部分断面図である。
【００２３】
ばね部材１１は、ベローズ１２と、塞ぎ板１３と、絞り板１４を備えている。ベローズ１２は、筒状の弾性体であり、軸方向に伸縮可能に形成されている。このベローズ１２は、軸方向に直交する横方向への変位が抑制されるように、横方向の剛性が高められている。また、ベローズ１２の軸方向への変位は、ばね力によって安定するようになっている。
【００２４】
塞ぎ板１３は、ベローズ１２の軸方向の一端に固定リング１５を介して固定されており、ベローズ１２の筒孔１２ａを塞いでいる。絞り板１４は、ベローズ１２の内面に固定されており、塞ぎ板１３との間に空気室１７を形成する。絞り板１４には、複数の貫通孔１４ａが設けられている。この複数の貫通孔１４ａは、空気室１７と開口側の筒孔１２ａとを連通している。これにより、空気室１７には、外部から空気が流動するようになっている。
【００２５】
ベローズ１２は、第１のばね部２２と、第２のばね部２５からなっている。第１のばね部２２は、ベローズ１２の軸方向の一側であり、塞ぎ板１３が固定されたベローズ１２の一端から絞り板１４が固定されたベローズ１２の中間部までの領域である。つまり、塞ぎ板１３は、第１のばね部２２の一端を閉じており、絞り板１４が第１のばね部２２の他端に固定されている。一方、第２のばね部２５は、ベローズ１２の軸方向の他側であり、絞り板１４が固定されたベローズ１２の中間部からベローズ１２の他端までの領域である。
【００２６】
また、ばね部材１１には、減衰力発生部２３が形成されている。この減衰力発生部２３は、ベローズ１２における第１のばね部２２と、塞ぎ板１３と、絞り板１４から構成されている。本実施の形態では、減衰力発生部２３の一部を第１のばね部２２で形成することにより、減衰力発生部２３自体がばねユニットになる。これにより、部品点数を削減することができ、且つ、ばね部材１１を簡単な構造にすることができる。
【００２７】
減衰力発生部２３の空気室１７には、絞り板１４の複数の貫通孔１４ａのみから空気が出入りできるようになっている。これにより、空気が複数の貫通孔１４ａを通って空気室１７から第２のばね部２５側の筒孔１２ａ或いは第２のばね部２５側の筒孔１２ａから空気室１７へ流動するときの抵抗力が、減衰力発生部２３に発生する減衰力となる。この減衰力発生部２３の減衰係数は、貫通孔１４ａの数、大きさ及び配置などによって適宜設定することができる。
【００２８】
このように構成されたばね部材１１では、先端（塞ぎ板１３側）の速度が大きくなると、減衰力が無限大に近づく。これにより、減衰力発生部２３自体であるばねユニットが剛体と等しい状態になり、ばね部材１１の先端の振動は、第２のばね部２５のみの振動となる。したがって、ばね部材１１のばね定数は、低速の運動に対しては小さくなり、高速の運動に対しては大きくなる。その結果、ばね部材１１の共振周波数は、第１のばね部２２と第２のばね部２５を単に直列結合したものよりも高くなる。
【００２９】
本実施の形態では、絞り板１４に複数の貫通孔１４ａを設けたが、本発明に係る絞り板は、貫通孔が少なくとも１つあればよい。
【００３０】
また、本実施の形態では、ベローズ１２の一端に塞ぎ板１３を固定し、ベローズ１２の中間部に絞り板１４を固定した。しかしながら、本発明に係る塞ぎ板及び絞り板は、両者を逆に配置することもできる。つまり、ベローズの一端に絞り板を固定し、ベローズの中間部に塞ぎ板を固定してもよい。この場合は、空気が絞り板の貫通孔を通って空気室からベローズの外部或いはベローズの外部から空気室へ流動するときの抵抗力を減衰力として用いる。
【００３１】
３．ばね型アクチュエータの第１の実施の形態
次に、本発明のばね型アクチュエータの第１の実施の形態について、図３を参照して説明する。
図３は、本発明のばね型アクチュエータの第１の実施の形態を示す断面図である。
【００３２】
ばね型アクチュエータ３１は、ばね部材１１と、このばね部材１１を伸縮させる駆動部３２を備える。ばね部材１１については、既に説明しているので、重複する説明を省略する。駆動部３２は、永久磁石３４と、電磁石３５から構成されている。永久磁石３４は、ばね部材１１の塞ぎ板１３に固定されており、空気室１７に配置されている。この永久磁石３４は、板状に形成されており、ベローズ１２の軸方向と平行な厚み方向に磁化されている。
【００３３】
電磁石３５は、ベローズ１２の他端（第２のばね部２５）に固定されている。この電磁石３５は、ボビン３６と、このボビン３６に巻回されるコイル３７を備えている。ボビン３６は、筒状に形成されたボビン本体３８と、このボビン本体３８の軸方向の一端に設けられたフランジ３９からなっている。
【００３４】
ボビン本体３８は、ベローズ１２の筒孔１２ａ（図２参照）に挿入されている。このボビン本体３８の筒孔３８ａは、絞り板１４の貫通孔１４ａよりも大きな径になっている。そのため、ベローズ１２の筒孔１２ａには、外部の空気が自由に出入りできるようになっている。フランジ３９は、ベローズ１２の筒孔１２ａよりも大きい径に形成されており、ベローズ１２の軸方向の他端に固定リング４１を介して固定されている。
【００３５】
電磁石３５と絞り板１４との間には、空気室４２が形成されている。この空気室４２は、絞り板１４の複数の貫通孔１４ａによって空気室１７と連通しており、電磁石３５の筒孔（貫通孔）３８ａによって外部に開口されている。外部の空気は、電磁石３５の筒孔３８ａを通って空気室４２に入り、空気室１７に流動する。また、空気室１７の空気は、電磁石３５の筒孔３８ａを通って空気室４２に流動する。なお、筒孔３８ａが貫通孔１４ａよりも大きいため、空気が筒孔３８ａを通って空気室４２から外部或いは外部から空気室４２へ流動するときの抵抗力は、減衰力発生部２３に発生する減衰力よりも極めて小さくなる。
【００３６】
ばね型アクチュエータ３１を設置する場合は、フランジ３９を設置対象物に固定し、塞ぎ板１３側の一端（先端）を自由端にする。そして、電磁石３５のコイル３７に電流を流すと、電磁石３５と永久磁石３４間の磁束密度が変化し、電磁石３５と永久磁石３４との間に吸引・反発力が作用する。その結果、ばね型アクチュエータ３１の先端が変位する。
【００３７】
このばね型アクチュエータ３１では、鉄粉を固めた板（鉄粉層）によって絞り板１４を形成している。これにより、電磁石３５と絞り板１４間の磁束密度が大きくなって、電磁力が増大するため、同じ電流による駆動変位を大きくすることができる。
【００３８】
ばね型アクチュエータ３１は、ばね部としてベローズ１２を用いているため、復元力と変位の関係がほぼ線形になる。ここで、絞り板１４を備えたばね型アクチュエータ３１と、絞り板１４を取り外したばね型アクチュエータ３１を用意し、それぞれに加えた電圧と変位との関係を測定した。その測定結果を図４に示す。
【００３９】
図４に示すように、ばね型アクチュエータ３１では、電圧が−５Ｖで約１．７ｍｍ、−１０Ｖで約３．８ｍｍの変位が得られた。そして、絞り板１４が有る場合の変位と、絞り板１４が無い場合の変位は、ほぼ一致した。これにより、絞り板１４を設けても、駆動部３２による変位に影響を及ぼさないことがわかった。また、両者とも変位と電圧との間に若干の非線形性はあるものの、変位が（−１）〜（＋１）ｍｍの範囲では、ほぼ線形と近似することがわかった。
【００４０】
次に、ばね型アクチュエータ３１にステップ電圧を加えて、応答性と可動範囲を検討した。この実験では、ステップ電圧として、Ｖ＝Ｖ０Ｕ(t)をコイル３７（図３参照）に加え、ばね型アクチュエータ３１の先端の変位をレーザ変位計で計測した。なお、Ｖ０は入力電圧（−１０Ｖ）であり、Ｕ(t)はステップ関数である。この実験により得られた結果を図５に示す。
【００４１】
図５に示すように、ばね型アクチュエータ３１の変位は、−１０Ｖで約３．８ｍｍであることがわかる。このときの整定速度は、約０．３秒である。そして、絞り板１４が有る場合も絞り板１４が無い場合も、整定値はほぼ同じ値となっているが、絞り板１４が有る場合には、オーバーシュートが無くなっており、整定速度も小さくなっていることが認められる。これは、絞り板１４が有る場合に、空気室１７から空気室４２に空気が流動するとき（あるいはその逆のとき）に貫通孔１４ａが抵抗となって大きな減衰を発生させたからである。
【００４２】
なお、ばね型アクチュエータ３１は、前述したように三要素モデルで構成れるため、単純な一自由度系に対して、整定するまでの現象に若干の差がある。しかしながら、整定値は変わらないので、通常のアクチュエータと同様に、位置決め制御に用いることができる。また、電圧を０にすると、ばね型アクチュエータ３１の先端は、ばね（ベローズ１２）の復元力によって原点に復帰する。
【００４３】
ばね型アクチュエータ３１は、通常のアクチュエータと同様に、正負の電圧に対して正負の変位が得られるため、振動制御等のアクチュエータとしても利用することができる。そこで，振動絶縁制御に応用することを考え、周波数応答の計測を行った。この実験では、ばね型アクチュエータ３１の先端に質量２．１ｋｇを載荷し、上下振動加振器に載せて加振したときの質量（振動体）の伝達率（Ｗ０／ｕ０）の周波数応答を計測した。なお、Ｗ０は振動体の振動振幅であり、ｕ０は床の振動振幅（０．４３ｍｍ）である。また、コイル３７には、電流を流していない。計測結果を図６に示す。
【００４４】
図６に示すように、絞り板１４（図４参照）が有る場合は、絞り板１４が無い場合に比べて共振周波数が約２．５倍になっていることがわかる。この特性が、本発明のばね部材及びばね型アクチュエータの特徴である。すなわち、ばね部材１１（図３及び図４参照）は低速で柔らかくなり、高速で堅くなる。このばね部材１１をサスペンション装置として用いる場合は、セミアクティブダンパなどのダンパ装置が不要になる。
【００４５】
また、同じ素材のばね（ベローズ１２）を用いていても共振周波数を高くすることができる。したがって、遅い運動に対するばね定数が小さいので駆動部３２の駆動力を小さくすることができ、且つ、共振振動数（周波数）を大きくすることができるため、適用周波数の範囲を広くすることができる。
【００４６】
次に、絞り板１４の材質を変えて、変位と電流の関係を測定した。この実験では、鉄粉と接着剤の割合が２：１の鉄粉層（２：１）と、鉄粉と接着剤の割合が４：１の鉄粉層（４：１）と、鉄板の３つの材質で絞り板を形成し、変位と電流の関係を測定した。測定結果を図７に示す。
【００４７】
図７に示すように、鉄板で絞り板１４を形成した場合は、反発力や復元力よりも吸引力が大きくなり、伸張方向に変位しにくい。また、圧縮方向では、鉄板の絞り板１４が電磁石３５にすぐに接着してしまうため、変位量を制御することが難しい。
【００４８】
鉄粉層（２：１）で絞り板１４を形成した場合は、吸引力を得ることが難しく、変位を大きくとることができない。鉄粉層（４：１）で絞り板１４を形成した場合は、大きな変位量を確保することができると共に、変位量の制御も容易に行うことができる。したがって、鉄粉層（４：１）で絞り板１４を形成することが好ましいことがわかった。
【００４９】
本実施の形態のばね型アクチュエータ３１によれば、ベローズ１２によって２つのばね部２２，２５を形成し、駆動部３２を永久磁石３４と電磁石３５から構成したため、ばね部材１１を伸縮させる場合の摩擦抵抗を無くすことができる。したがって、摩耗による劣化を防止して耐久性を向上させることができると共に、高精度の位置決めを行うことができる。
【００５０】
また、本実施の形態のばね型アクチュエータ３１によれば、ベローズ１２と永久磁石３４及び電磁石３５を一体化したことにより、原点復帰機能を有しながら小型化を図ることができる。さらに、電磁吸引・反発力を用いることにより、１０ｍｍ程度の大きな変位を得ることができる。そして、空気が絞り板１４の複数の貫通孔１４ａを通って空気室１７から空気室４２或いは空気室４２から空気室１７へ流動するときの抵抗力を減衰力として用いることにより、高減衰化を図ることができる。
【００５１】
本実施の形態のばね型アクチュエータ３１では、駆動部３２を永久磁石３４と電磁石３５から構成したが、本発明に係る駆動部としては、圧電素子を用いて駆動部を構成することもできる。
【００５２】
また、本実施の形態のばね型アクチュエータ３１では、駆動部３２の電磁石３５をベローズ１２の他端（第２のばね部２５）に固定した。しかしながら、本発明に係るばね型アクチュエータとしては、電磁石３５をベローズ１２及び永久磁石３４と一体に構成しなくてもよい。本発明に係る電磁石は、永久磁石３４に対向していればよく、例えば、塞ぎ板１３の外側に配置してもよい。
【００５３】
また、本実施の形態のばね型アクチュエータ３１では、塞ぎ板１３に永久磁石３４を固定した。しかしながら、本発明のばね型アクチュエータとしては、永久磁石が塞ぎ板を兼ねる構成であってもよい。この場合は、部品点数を削減することができ、コストダウンを図ることができる。
【００５４】
また、本実施の形態のばね型アクチュエータ３１では、電磁石３５のボビン本体３８を筒状に形成して、空気室４２に連通する筒孔（貫通孔）３８ａを設ける構成とした。しかしながら、本発明に係る電磁石としては、ボビンのフランジに貫通孔を設ける構成としてもよい。その場合は、コイルがフランジの貫通孔に干渉しない（貫通孔を塞がない）ようにする。
【００５５】
４．ばね型アクチュエータの第２の実施の形態
次に、本発明のばね型アクチュエータの第２の実施の形態について、図８を参照して説明する。
図８は、本発明のばね型アクチュエータの第２の実施の形態を示す断面図である。
【００５６】
ばね型アクチュエータ５１は、第１の実施の形態のばね型アクチュエータ３１と同様の構成を有している。このばね型アクチュエータ５１がばね型アクチュエータ３１と異なるところは、絞り板１４の他に仕切り板５４を設けた点である。そのため、ここでは、仕切り板５４について説明し、ばね型アクチュエータ３１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００５７】
図８に示すように、ばね型アクチュエータ５１は、ばね部材５２と、このばね部材５２を伸縮させる駆動部３２を備える。ばね部材５２の減衰力発生部５３は、ベローズ１２における第１のばね部２２と、塞ぎ板１３と、絞り板１４と、仕切り板５４から構成されている。
【００５８】
仕切り板５４は、塞ぎ板１３と絞り板１４との間に配置され、ベローズ１２の内面に固定されている。この仕切り板５４は、空気室１７をベローズ１２の軸方向に仕切っている。仕切り板５４には、複数の貫通孔５４ａが設けられている。この複数の貫通孔５４ａは、２つに仕切られた空気室１７間を連通している。
【００５９】
仕切り板５４を設けることにより、空気が絞り板１４の複数の貫通孔１４ａを通って空気室１７から空気室４２或いは空気室４２から空気室１７へ流動するときの抵抗力を大きくすることができる。つまり、減衰力発生部５３に発生する減衰力の減衰定数を大きくすることができる。
【００６０】
また、仕切り板５４は、絞り板１４と同様に、鉄粉を固めた板（鉄粉層）によって形成されている。これにより、電磁石３５と絞り板１４間の磁束密度が大きくなって、電磁力が増大するため、同じ電流による駆動変位を大きくすることができる。なお、本実施の形態では、仕切り板５４と絞り板１４とを同一の形状にしている。したがって、第１のばね部２２の他端に固定したものが絞り板１４になり、その絞り板１４と塞ぎ板１３（永久磁石３４）との間に固定したものが仕切り板５４になる。
【００６１】
本実施の形態では、１つの仕切り板５４を設ける構成としたが、本発明に係る仕切り板としては、２つ以上設けてもよい。鉄粉層で形成した複数の仕切り板を設けることにより、絞り板を含めた鉄粉層間の隙間を小さくして各層間の電磁力を大きくすることができる。また、電磁力を受ける部材の板数が増えるので、電磁力の作用点（面）が増大し、ベローズの大きな変位量を確保することができる。
【００６２】
５．ばね部材の第２の実施の形態
次に、本発明のばね部材の第２の実施の形態について、図９を参照して説明する。
図９は、本発明のばね部材の第２の実施の形態を示す断面図である。
【００６３】
ばね部材６１は、第１のばね部６２及び減衰力発生部６３を有するばねユニット６４と、このばねユニット６４に接続される第２のばね部６５を備えている。第１のばね部６２及び第２のばね部６５は、それぞれコイルばねからなっている。
【００６４】
減衰力発生部６３は、作動流体としてのオイル７０が充填されたシリンダ６７と、シリンダ６７の内部を第１の油室６７Ａと第２の油室６７Ｂに仕切るピストン６８と、ピストン６８に取り付けられるピストンロッド６９を備えている。シリンダ６７は、中空の円柱状に形成されており、第２のばね６２の内側に挿入される。このシリンダ６７の一端には、第１のばね部６２の一端が固定される固定用フランジ７１が設けられている。また、シリンダ６７の一端は、ばね部材６１の先端になる。
【００６５】
ピストン６８には、複数の貫通孔６８ａが設けられている。この複数の貫通孔６８ａは、第１の油室６７Ａと第２の油室６７Ｂとを連通している。これにより、２つの油室６７Ａ、６７Ｂには、オイル７０が流動するようになっている。ピストンロッド６９は、シリンダ６７の他端を貫通している。このピストンロッド６９には、接続用フランジ７２が設けられている。
【００６６】
接続用フランジ７２のシリンダ６７に対向する面には、第１のばね部６２の他端が固定されている。また、接続用フランジ７２のシリンダ６７に対向する面とは反対側の面には、第２のばね部６５が固定されている。第２のばね部６５は、第１のばね部６２と同じ方向に伸縮する。
【００６７】
このように構成されたばね部材６１においても、先端（シリンダ６７の一端）の速度が大きくなると、減衰力が無限大に近づく。これにより、ばねユニット６４が剛体と等しい状態になり、ばね部材６１の先端の振動は、第２のばね部６５のみの振動となる。したがって、ばね部材６１のばね定数は、低速の運動に対しては小さくなり、高速の運動に対しては大きくなる。その結果、ばね部材６１の共振周波数は、第１のばね部６２と第２のばね部６５を単に直列結合したものよりも高くなる。
【符号の説明】
【００６８】
１，１１，５２，６１…ばね部材、 ２，２２，６２…第１のばね部、 ３，２３，５３，６３…減衰力発生部、 ４，６４…ばねユニット、５，２５，６５…第２のばね部、 １２…ベローズ、 １２ａ…筒孔、 １３…塞ぎ板、 １４…絞り板、 １４ａ…貫通孔、 １７，４２…空気室、 ３１，５１…ばね型アクチュエータ、 ３２…駆動部、 ３４…永久磁石、 ３５…電磁石、 ３６…ボビン、 ３７…コイル、 ３８…ボビン本体、 ３８ａ…筒孔（貫通孔）、 ３９…フランジ、 ５４…仕切り板、 ５４ａ…貫通孔、 ６７…シリンダ、 ６７Ａ…第１の油室、 ６７Ｂ…第２の油室、 ６８…ピストン、 ６８ａ…貫通孔、 ６９…ピストンロッド、 ７０…オイル、 ７１…固定用フランジ、 ７２…接続用フランジ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のサスペンション、位置決め制御または振動制御に用いて好適なばね部材及びそのばね部材を用いたばね型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のサスペンションは、乗り心地や操縦の安定性などを向上させるために、低速の運動では柔らかくなり、高速の運動では堅くなって車体の振動を最適に抑制することが望まれる。そのため、低速の運動では減衰力を小さくして、高速の運動では減衰力を大きくする切り替え式のセミアクティブダンパと、ばねとを備えたサスペンション装置が知られている。
【０００３】
一方、ばね型アクチュエータとしては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。この特許文献１に記載されたばね型アクチュエータは、コイルばねの復元力を利用して機械的な運動を生じさせるものであり、コイルばねの復元力で原点復帰するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２００６−３２００５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたばね型アクチュエータは、駆動力を小さくするためにばね定数を小さくしてコイルばねを柔らかくすると、共振周波数が低くなり、使用可能な周波数の範囲が狭くなってしまう。一方、共振周波数を高くするためにばね定数を大きくしてばねを堅くすると、大きな駆動力が必要になる。
【０００６】
また、セミアクティブダンパとばねとを備えたサスペンション装置は、運動の速度に応じてセミアクティブダンパの減衰係数を変化させても、ばねのばね定数が変化することはない。
【０００７】
本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたものであり、低速の運動ではばね定数が小さくなり、高速の運動ではばね定数が大きくなって共振周波数が高くなるばね部材及びばね型アクチュエータ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】
【０００８】
上述した目的を達成するため、本発明のばね部材は、第１のばね部及び減衰力発生部からなるばねユニットと、ばねユニットに接続された第２のばね部とを備えている。ばねユニットの減衰力発生部は、第１のばね部が伸縮する方向へ運動することにより減衰力を発生する。第２のばね部は、ばねユニットの第１のばね部と同じ方向に伸縮する。
【０００９】
また、本発明のばね型アクチュエータは、ばね部材と、ばね部材を伸縮させる駆動部とを備えている。ばね部材は、第１のばね部及び減衰力発生部からなるばねユニットと、ばねユニットに接続された第２のばね部とを有している。ばねユニットの減衰力発生部は、第１のばね部が伸縮する方向へ運動することにより減衰力を発生する。第２のばね部は、ばねユニットの第１のばね部と同じ方向に伸縮する。
【００１０】
本発明のばね部材及びばね型アクチュエータでは、第１のばね部及び第２のばね部が伸縮する方向への運動が低速であると、減衰力発生部に発生する減衰力がほぼ０になり、第１のばね部と第２のばね部が直列結合した状態になる。これにより、ばね部材全体のばね定数は、第１のばね部及び第２のばね部のばね定数を合成したものになる。
【００１１】
一方、第１のばね部及び第２のばね部が伸縮する方向への運動が高速であると、減衰力発生部に発生する減衰力が極めて大きくなり、ばねユニットは、剛体と等しい状態になる。これにより、ばね部材全体のばね定数は、第２のばね部のばね定数になる。したがって、ばね部材のばね定数は、低速の運動に対して小さくなり、高速の運動に対して大きくなる。その結果、高速の運動に対してばね部材の剛性が大きくなり、第１のばね部と第２のばね部を単に直列結合したものよりも共振周波数を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のばね部材及びばね型アクチュエータによれば、低速の運動におけるばね定数を小さくすると共に、高速の運動におけるばね定数を大きくすることができる。したがって、共振周波数を高くすることができ、使用可能な周波数領域を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のばね部材の構成図である。
【図２】本発明のばね部材の第１の実施の形態を示す部分断面図である。
【図３】本発明のばね型アクチュエータの第１の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明のばね型アクチュエータの一実施形態に係る印可電圧と変位との関係を示すグラフである。
【図５】本発明のばね型アクチュエータの一実施形態に係る変位の応答性の測定結果を示すグラフである。
【図６】本発明のばね型アクチュエータの一実施形態に係る周波数応答の測定結果を示すグラフである。
【図７】本発明のばね型アクチュエータの一実施形態に係る絞り板の材質を変化させたときの電流と変位との関係を示すグラフである。
【図８】本発明のばね型アクチュエータの第２の実施の形態を示す断面図である。
【図９】本発明のばね部材の第２の実施の形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明のばね部材及びばね型アクチュエータを実施するための形態について、図１〜図９を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。
【００１５】
１．ばね部材の構成
まず、本発明のばね部材の構成について、図１を参照して説明する。
図１は、本発明のばね部材の構成図である。
【００１６】
本発明のばね部材１は、第１のばね部２及び減衰力発生部３を有するばねユニット４と、第２のばね部５を備える。すなわち、ばね部材１は、第１のばね部２、減衰力発生部３及び第２のばね部５の３つの要素で構成されている。減衰力発生部３は、第１のばね部２が伸縮する方向へ運動することにより減衰力を発生する。第２のばね部５は、ばねユニット４に接続されており、第１のばね部２と同じ方向に伸縮する。
【００１７】
ここで、第１のばね部２のばね定数をｋ０とし、第２のばね部５のばね定数をｋ１とする。また、減衰力発生部３の減衰係数をｃとし、この減衰係数ｃを極めて大きい値にする。そして、ばねユニット４の一端の変位をｘとし、ばねユニット４の他端の変位をｘ１とすると、ばねユニット４の他端に対する一端の相対速度Ｖｒは、次式により算出される。
【数１】
【００１８】
この相対速度Ｖｒは、ばね部２，５が伸縮する方向へばね部材１をゆっくり（低速で）運動させたときに０に近づく。また、減衰力発生部３に発生する減衰力ｄは、次式により算出される。
【数２】
【００１９】
したがって、ばね部２，５が伸縮する方向へばね部材１を低速で運動させたときの減衰力ｄは、ほぼ０になり、ばね部材１は、第１のばね部２と第２のばね部５が直列結合した状態になる。このとき、ばね部材１のばね定数は、ばね定数ｋ０とばね定数ｋ１を合成した合成ばね定数ｋになる。この合成ばね定数ｋは、次式により算出される。
【数３】
【００２０】
一方、減衰力発生部３の減衰係数ｃは極めて大きいため、相対速度Ｖｒが大きくなると、減衰力ｄは無限大に近づく。つまり、ばね部材１の先端（ばねユニット４の一端）の速度が大きくなると、減衰力ｄが無限大に近づく。その結果、ばねユニット４が剛体と等しい状態になり、ばね部材１の先端の振動は、第２のばね部５のみの振動となる。
【００２１】
第２のばね部５のばね定数ｋ１は、合成ばね定数ｋよりも大きい（ｋ１＞ｋ）。したがって、ばね部材１のばね定数は、低速の運動に対しては小さくなり、高速の運動に対しては大きくなる。言い換えれば、ばね部材１のばね定数は、振動数とともに増大する。これにより、ばね部材１の剛性は、低速の運動に対しては低くなり、高速の運動に対しては高くなる。その結果、ばね部材１の共振周波数は、第１のばね部２と第２のばね部５を単に直列結合したものよりも高くなる。
【００２２】
２．ばね部材の第１の実施の形態
次に、本発明のばね部材の第１の実施の形態について、図２を参照して説明する。
図２は、本発明のばね部材の第１の実施の形態を示す部分断面図である。
【００２３】
ばね部材１１は、ベローズ１２と、塞ぎ板１３と、絞り板１４を備えている。ベローズ１２は、筒状の弾性体であり、軸方向に伸縮可能に形成されている。このベローズ１２は、軸方向に直交する横方向への変位が抑制されるように、横方向の剛性が高められている。また、ベローズ１２の軸方向への変位は、ばね力によって安定するようになっている。
【００２４】
塞ぎ板１３は、ベローズ１２の軸方向の一端に固定リング１５を介して固定されており、ベローズ１２の筒孔１２ａを塞いでいる。絞り板１４は、ベローズ１２の内面に固定されており、塞ぎ板１３との間に空気室１７を形成する。絞り板１４には、複数の貫通孔１４ａが設けられている。この複数の貫通孔１４ａは、空気室１７と開口側の筒孔１２ａとを連通している。これにより、空気室１７には、外部から空気が流動するようになっている。
【００２５】
ベローズ１２は、第１のばね部２２と、第２のばね部２５からなっている。第１のばね部２２は、ベローズ１２の軸方向の一側であり、塞ぎ板１３が固定されたベローズ１２の一端から絞り板１４が固定されたベローズ１２の中間部までの領域である。つまり、塞ぎ板１３は、第１のばね部２２の一端を閉じており、絞り板１４が第１のばね部２２の他端に固定されている。一方、第２のばね部２５は、ベローズ１２の軸方向の他側であり、絞り板１４が固定されたベローズ１２の中間部からベローズ１２の他端までの領域である。
【００２６】
また、ばね部材１１には、減衰力発生部２３が形成されている。この減衰力発生部２３は、ベローズ１２における第１のばね部２２と、塞ぎ板１３と、絞り板１４から構成されている。本実施の形態では、減衰力発生部２３の一部を第１のばね部２２で形成することにより、減衰力発生部２３自体がばねユニットになる。これにより、部品点数を削減することができ、且つ、ばね部材１１を簡単な構造にすることができる。
【００２７】
減衰力発生部２３の空気室１７には、絞り板１４の複数の貫通孔１４ａのみから空気が出入りできるようになっている。これにより、空気が複数の貫通孔１４ａを通って空気室１７から第２のばね部２５側の筒孔１２ａ或いは第２のばね部２５側の筒孔１２ａから空気室１７へ流動するときの抵抗力が、減衰力発生部２３に発生する減衰力となる。この減衰力発生部２３の減衰係数は、貫通孔１４ａの数、大きさ及び配置などによって適宜設定することができる。
【００２８】
このように構成されたばね部材１１では、先端（塞ぎ板１３側）の速度が大きくなると、減衰力が無限大に近づく。これにより、減衰力発生部２３自体であるばねユニットが剛体と等しい状態になり、ばね部材１１の先端の振動は、第２のばね部２５のみの振動となる。したがって、ばね部材１１のばね定数は、低速の運動に対しては小さくなり、高速の運動に対しては大きくなる。その結果、ばね部材１１の共振周波数は、第１のばね部２２と第２のばね部２５を単に直列結合したものよりも高くなる。
【００２９】
本実施の形態では、絞り板１４に複数の貫通孔１４ａを設けたが、本発明に係る絞り板は、貫通孔が少なくとも１つあればよい。
【００３０】
また、本実施の形態では、ベローズ１２の一端に塞ぎ板１３を固定し、ベローズ１２の中間部に絞り板１４を固定した。しかしながら、本発明に係る塞ぎ板及び絞り板は、両者を逆に配置することもできる。つまり、ベローズの一端に絞り板を固定し、ベローズの中間部に塞ぎ板を固定してもよい。この場合は、空気が絞り板の貫通孔を通って空気室からベローズの外部或いはベローズの外部から空気室へ流動するときの抵抗力を減衰力として用いる。
【００３１】
３．ばね型アクチュエータの第１の実施の形態
次に、本発明のばね型アクチュエータの第１の実施の形態について、図３を参照して説明する。
図３は、本発明のばね型アクチュエータの第１の実施の形態を示す断面図である。
【００３２】
ばね型アクチュエータ３１は、ばね部材１１と、このばね部材１１を伸縮させる駆動部３２を備える。ばね部材１１については、既に説明しているので、重複する説明を省略する。駆動部３２は、永久磁石３４と、電磁石３５から構成されている。永久磁石３４は、ばね部材１１の塞ぎ板１３に固定されており、空気室１７に配置されている。この永久磁石３４は、板状に形成されており、ベローズ１２の軸方向と平行な厚み方向に磁化されている。
【００３３】
電磁石３５は、ベローズ１２の他端（第２のばね部２５）に固定されている。この電磁石３５は、ボビン３６と、このボビン３６に巻回されるコイル３７を備えている。ボビン３６は、筒状に形成されたボビン本体３８と、このボビン本体３８の軸方向の一端に設けられたフランジ３９からなっている。
【００３４】
ボビン本体３８は、ベローズ１２の筒孔１２ａ（図２参照）に挿入されている。このボビン本体３８の筒孔３８ａは、絞り板１４の貫通孔１４ａよりも大きな径になっている。そのため、ベローズ１２の筒孔１２ａには、外部の空気が自由に出入りできるようになっている。フランジ３９は、ベローズ１２の筒孔１２ａよりも大きい径に形成されており、ベローズ１２の軸方向の他端に固定リング４１を介して固定されている。
【００３５】
電磁石３５と絞り板１４との間には、空気室４２が形成されている。この空気室４２は、絞り板１４の複数の貫通孔１４ａによって空気室１７と連通しており、電磁石３５の筒孔（貫通孔）３８ａによって外部に開口されている。外部の空気は、電磁石３５の筒孔３８ａを通って空気室４２に入り、空気室１７に流動する。また、空気室１７の空気は、電磁石３５の筒孔３８ａを通って空気室４２に流動する。なお、筒孔３８ａが貫通孔１４ａよりも大きいため、空気が筒孔３８ａを通って空気室４２から外部或いは外部から空気室４２へ流動するときの抵抗力は、減衰力発生部２３に発生する減衰力よりも極めて小さくなる。
【００３６】
ばね型アクチュエータ３１を設置する場合は、フランジ３９を設置対象物に固定し、塞ぎ板１３側の一端（先端）を自由端にする。そして、電磁石３５のコイル３７に電流を流すと、電磁石３５と永久磁石３４間の磁束密度が変化し、電磁石３５と永久磁石３４との間に吸引・反発力が作用する。その結果、ばね型アクチュエータ３１の先端が変位する。
【００３７】
このばね型アクチュエータ３１では、鉄粉を固めた板（鉄粉層）によって絞り板１４を形成している。これにより、電磁石３５と絞り板１４間の磁束密度が大きくなって、電磁力が増大するため、同じ電流による駆動変位を大きくすることができる。
【００３８】
ばね型アクチュエータ３１は、ばね部としてベローズ１２を用いているため、復元力と変位の関係がほぼ線形になる。ここで、絞り板１４を備えたばね型アクチュエータ３１と、絞り板１４を取り外したばね型アクチュエータ３１を用意し、それぞれに加えた電圧と変位との関係を測定した。その測定結果を図４に示す。
【００３９】
図４に示すように、ばね型アクチュエータ３１では、電圧が−５Ｖで約１．７ｍｍ、−１０Ｖで約３．８ｍｍの変位が得られた。そして、絞り板１４が有る場合の変位と、絞り板１４が無い場合の変位は、ほぼ一致した。これにより、絞り板１４を設けても、駆動部３２による変位に影響を及ぼさないことがわかった。また、両者とも変位と電圧との間に若干の非線形性はあるものの、変位が（−１）〜（＋１）ｍｍの範囲では、ほぼ線形と近似することがわかった。
【００４０】
次に、ばね型アクチュエータ３１にステップ電圧を加えて、応答性と可動範囲を検討した。この実験では、ステップ電圧として、Ｖ＝Ｖ０Ｕ(t)をコイル３７（図３参照）に加え、ばね型アクチュエータ３１の先端の変位をレーザ変位計で計測した。なお、Ｖ０は入力電圧（−１０Ｖ）であり、Ｕ(t)はステップ関数である。この実験により得られた結果を図５に示す。
【００４１】
図５に示すように、ばね型アクチュエータ３１の変位は、−１０Ｖで約３．８ｍｍであることがわかる。このときの整定速度は、約０．３秒である。そして、絞り板１４が有る場合も絞り板１４が無い場合も、整定値はほぼ同じ値となっているが、絞り板１４が有る場合には、オーバーシュートが無くなっており、整定速度も小さくなっていることが認められる。これは、絞り板１４が有る場合に、空気室１７から空気室４２に空気が流動するとき（あるいはその逆のとき）に貫通孔１４ａが抵抗となって大きな減衰を発生させたからである。
【００４２】
なお、ばね型アクチュエータ３１は、前述したように三要素モデルで構成れるため、単純な一自由度系に対して、整定するまでの現象に若干の差がある。しかしながら、整定値は変わらないので、通常のアクチュエータと同様に、位置決め制御に用いることができる。また、電圧を０にすると、ばね型アクチュエータ３１の先端は、ばね（ベローズ１２）の復元力によって原点に復帰する。
【００４３】
ばね型アクチュエータ３１は、通常のアクチュエータと同様に、正負の電圧に対して正負の変位が得られるため、振動制御等のアクチュエータとしても利用することができる。そこで，振動絶縁制御に応用することを考え、周波数応答の計測を行った。この実験では、ばね型アクチュエータ３１の先端に質量２．１ｋｇを載荷し、上下振動加振器に載せて加振したときの質量（振動体）の伝達率（Ｗ０／ｕ０）の周波数応答を計測した。なお、Ｗ０は振動体の振動振幅であり、ｕ０は床の振動振幅（０．４３ｍｍ）である。また、コイル３７には、電流を流していない。計測結果を図６に示す。
【００４４】
図６に示すように、絞り板１４（図４参照）が有る場合は、絞り板１４が無い場合に比べて共振周波数が約２．５倍になっていることがわかる。この特性が、本発明のばね部材及びばね型アクチュエータの特徴である。すなわち、ばね部材１１（図３及び図４参照）は低速で柔らかくなり、高速で堅くなる。このばね部材１１をサスペンション装置として用いる場合は、セミアクティブダンパなどのダンパ装置が不要になる。
【００４５】
また、同じ素材のばね（ベローズ１２）を用いていても共振周波数を高くすることができる。したがって、遅い運動に対するばね定数が小さいので駆動部３２の駆動力を小さくすることができ、且つ、共振振動数（周波数）を大きくすることができるため、適用周波数の範囲を広くすることができる。
【００４６】
次に、絞り板１４の材質を変えて、変位と電流の関係を測定した。この実験では、鉄粉と接着剤の割合が２：１の鉄粉層（２：１）と、鉄粉と接着剤の割合が４：１の鉄粉層（４：１）と、鉄板の３つの材質で絞り板を形成し、変位と電流の関係を測定した。測定結果を図７に示す。
【００４７】
図７に示すように、鉄板で絞り板１４を形成した場合は、反発力や復元力よりも吸引力が大きくなり、伸張方向に変位しにくい。また、圧縮方向では、鉄板の絞り板１４が電磁石３５にすぐに接着してしまうため、変位量を制御することが難しい。
【００４８】
鉄粉層（２：１）で絞り板１４を形成した場合は、吸引力を得ることが難しく、変位を大きくとることができない。鉄粉層（４：１）で絞り板１４を形成した場合は、大きな変位量を確保することができると共に、変位量の制御も容易に行うことができる。したがって、鉄粉層（４：１）で絞り板１４を形成することが好ましいことがわかった。
【００４９】
本実施の形態のばね型アクチュエータ３１によれば、ベローズ１２によって２つのばね部２２，２５を形成し、駆動部３２を永久磁石３４と電磁石３５から構成したため、ばね部材１１を伸縮させる場合の摩擦抵抗を無くすことができる。したがって、摩耗による劣化を防止して耐久性を向上させることができると共に、高精度の位置決めを行うことができる。
【００５０】
また、本実施の形態のばね型アクチュエータ３１によれば、ベローズ１２と永久磁石３４及び電磁石３５を一体化したことにより、原点復帰機能を有しながら小型化を図ることができる。さらに、電磁吸引・反発力を用いることにより、１０ｍｍ程度の大きな変位を得ることができる。そして、空気が絞り板１４の複数の貫通孔１４ａを通って空気室１７から空気室４２或いは空気室４２から空気室１７へ流動するときの抵抗力を減衰力として用いることにより、高減衰化を図ることができる。
【００５１】
本実施の形態のばね型アクチュエータ３１では、駆動部３２を永久磁石３４と電磁石３５から構成したが、本発明に係る駆動部としては、圧電素子を用いて駆動部を構成することもできる。
【００５２】
また、本実施の形態のばね型アクチュエータ３１では、駆動部３２の電磁石３５をベローズ１２の他端（第２のばね部２５）に固定した。しかしながら、本発明に係るばね型アクチュエータとしては、電磁石３５をベローズ１２及び永久磁石３４と一体に構成しなくてもよい。本発明に係る電磁石は、永久磁石３４に対向していればよく、例えば、塞ぎ板１３の外側に配置してもよい。
【００５３】
また、本実施の形態のばね型アクチュエータ３１では、塞ぎ板１３に永久磁石３４を固定した。しかしながら、本発明のばね型アクチュエータとしては、永久磁石が塞ぎ板を兼ねる構成であってもよい。この場合は、部品点数を削減することができ、コストダウンを図ることができる。
【００５４】
また、本実施の形態のばね型アクチュエータ３１では、電磁石３５のボビン本体３８を筒状に形成して、空気室４２に連通する筒孔（貫通孔）３８ａを設ける構成とした。しかしながら、本発明に係る電磁石としては、ボビンのフランジに貫通孔を設ける構成としてもよい。その場合は、コイルがフランジの貫通孔に干渉しない（貫通孔を塞がない）ようにする。
【００５５】
４．ばね型アクチュエータの第２の実施の形態
次に、本発明のばね型アクチュエータの第２の実施の形態について、図８を参照して説明する。
図８は、本発明のばね型アクチュエータの第２の実施の形態を示す断面図である。
【００５６】
ばね型アクチュエータ５１は、第１の実施の形態のばね型アクチュエータ３１と同様の構成を有している。このばね型アクチュエータ５１がばね型アクチュエータ３１と異なるところは、絞り板１４の他に仕切り板５４を設けた点である。そのため、ここでは、仕切り板５４について説明し、ばね型アクチュエータ３１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００５７】
図８に示すように、ばね型アクチュエータ５１は、ばね部材５２と、このばね部材５２を伸縮させる駆動部３２を備える。ばね部材５２の減衰力発生部５３は、ベローズ１２における第１のばね部２２と、塞ぎ板１３と、絞り板１４と、仕切り板５４から構成されている。
【００５８】
仕切り板５４は、塞ぎ板１３と絞り板１４との間に配置され、ベローズ１２の内面に固定されている。この仕切り板５４は、空気室１７をベローズ１２の軸方向に仕切っている。仕切り板５４には、複数の貫通孔５４ａが設けられている。この複数の貫通孔５４ａは、２つに仕切られた空気室１７間を連通している。
【００５９】
仕切り板５４を設けることにより、空気が絞り板１４の複数の貫通孔１４ａを通って空気室１７から空気室４２或いは空気室４２から空気室１７へ流動するときの抵抗力を大きくすることができる。つまり、減衰力発生部５３に発生する減衰力の減衰定数を大きくすることができる。
【００６０】
また、仕切り板５４は、絞り板１４と同様に、鉄粉を固めた板（鉄粉層）によって形成されている。これにより、電磁石３５と絞り板１４間の磁束密度が大きくなって、電磁力が増大するため、同じ電流による駆動変位を大きくすることができる。なお、本実施の形態では、仕切り板５４と絞り板１４とを同一の形状にしている。したがって、第１のばね部２２の他端に固定したものが絞り板１４になり、その絞り板１４と塞ぎ板１３（永久磁石３４）との間に固定したものが仕切り板５４になる。
【００６１】
本実施の形態では、１つの仕切り板５４を設ける構成としたが、本発明に係る仕切り板としては、２つ以上設けてもよい。鉄粉層で形成した複数の仕切り板を設けることにより、絞り板を含めた鉄粉層間の隙間を小さくして各層間の電磁力を大きくすることができる。また、電磁力を受ける部材の板数が増えるので、電磁力の作用点（面）が増大し、ベローズの大きな変位量を確保することができる。
【００６２】
５．ばね部材の第２の実施の形態
次に、本発明のばね部材の第２の実施の形態について、図９を参照して説明する。
図９は、本発明のばね部材の第２の実施の形態を示す断面図である。
【００６３】
ばね部材６１は、第１のばね部６２及び減衰力発生部６３を有するばねユニット６４と、このばねユニット６４に接続される第２のばね部６５を備えている。第１のばね部６２及び第２のばね部６５は、それぞれコイルばねからなっている。
【００６４】
減衰力発生部６３は、作動流体としてのオイル７０が充填されたシリンダ６７と、シリンダ６７の内部を第１の油室６７Ａと第２の油室６７Ｂに仕切るピストン６８と、ピストン６８に取り付けられるピストンロッド６９を備えている。シリンダ６７は、中空の円柱状に形成されており、第２のばね６２の内側に挿入される。このシリンダ６７の一端には、第１のばね部６２の一端が固定される固定用フランジ７１が設けられている。また、シリンダ６７の一端は、ばね部材６１の先端になる。
【００６５】
ピストン６８には、複数の貫通孔６８ａが設けられている。この複数の貫通孔６８ａは、第１の油室６７Ａと第２の油室６７Ｂとを連通している。これにより、２つの油室６７Ａ、６７Ｂには、オイル７０が流動するようになっている。ピストンロッド６９は、シリンダ６７の他端を貫通している。このピストンロッド６９には、接続用フランジ７２が設けられている。
【００６６】
接続用フランジ７２のシリンダ６７に対向する面には、第１のばね部６２の他端が固定されている。また、接続用フランジ７２のシリンダ６７に対向する面とは反対側の面には、第２のばね部６５が固定されている。第２のばね部６５は、第１のばね部６２と同じ方向に伸縮する。
【００６７】
このように構成されたばね部材６１においても、先端（シリンダ６７の一端）の速度が大きくなると、減衰力が無限大に近づく。これにより、ばねユニット６４が剛体と等しい状態になり、ばね部材６１の先端の振動は、第２のばね部６５のみの振動となる。したがって、ばね部材６１のばね定数は、低速の運動に対しては小さくなり、高速の運動に対しては大きくなる。その結果、ばね部材６１の共振周波数は、第１のばね部６２と第２のばね部６５を単に直列結合したものよりも高くなる。
【符号の説明】
【００６８】
１，１１，５２，６１…ばね部材、 ２，２２，６２…第１のばね部、 ３，２３，５３，６３…減衰力発生部、 ４，６４…ばねユニット、５，２５，６５…第２のばね部、 １２…ベローズ、 １２ａ…筒孔、 １３…塞ぎ板、 １４…絞り板、 １４ａ…貫通孔、 １７，４２…空気室、 ３１，５１…ばね型アクチュエータ、 ３２…駆動部、 ３４…永久磁石、 ３５…電磁石、 ３６…ボビン、 ３７…コイル、 ３８…ボビン本体、 ３８ａ…筒孔（貫通孔）、 ３９…フランジ、 ５４…仕切り板、 ５４ａ…貫通孔、 ６７…シリンダ、 ６７Ａ…第１の油室、 ６７Ｂ…第２の油室、 ６８…ピストン、 ６８ａ…貫通孔、 ６９…ピストンロッド、 ７０…オイル、 ７１…固定用フランジ、 ７２…接続用フランジ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のばね部と、前記第１のばね部が伸縮する方向へ運動することにより前記第１のばね部に対して減衰力を発生する減衰力発生部とを有するばねユニットと、
前記ばねユニットに接続され、前記第１のばね部と同じ方向に伸縮する第２のばね部と、
を備えるばね部材。
【請求項２】
前記第１のばね部及び前記第２のばね部は、ベローズを形成しており、
前記ベローズの軸方向の一側が前記第１のばね部であり、前記ベローズの軸方向の他側が前記第２のばね部である請求項１に記載のばね部材。
【請求項３】
前記減衰力発生部は、
前記第１のばね部と、
前記第１のばね部の軸方向の一端を閉じる塞ぎ板と、
前記第１のばね部の軸方向の他端に固定されて前記塞ぎ板との間に空気室を形成すると共に貫通孔が設けられた絞り板と、
から構成される請求項２に記載のばね部材。
【請求項４】
ばね部材と、
前記ばね部材を伸縮させる駆動部と、を備え、
前記ばね部材は、
第１のばね部と、前記第１のばね部が伸縮する方向へ運動することにより減衰力を発生する減衰力発生部とからなるばねユニットと、
前記ばねユニットに接続され、前記第１のばね部と同じ方向に伸縮する第２のばね部と、
を有するばね型アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１のばね部及び前記第２のばね部は、ベローズを形成しており、
前記ベローズの軸方向の一側が前記第１のばね部であり、前記ベローズの軸方向の他側が前記第２のばね部であって、
前記減衰力発生部は、
前記第１のばね部と、
前記第１のばね部の軸方向の一端を閉じる塞ぎ板と、
前記第１のばね部の軸方向の他端に固定されて前記塞ぎ板との間に空気室を形成すると共に貫通孔が設けられた絞り板と、
から構成される請求項４に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項６】
前記駆動部は、
前記第１のばね部の前記第２のばね部とは反対側の端部に固定された永久磁石と、
前記永久磁石との間に吸引力及び／又は反発力を作用させる電磁石と
を備える請求項５に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項７】
前記永久磁石は、前記減衰力発生部の前記塞ぎ板を兼ねる請求項６に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項８】
前記電磁石は、前記第２のばね部の前記第１のばね部とは反対側の端部に固定されており、前記ベローズの軸方向に貫通し、且つ、前記絞り板の貫通孔よりも大きな貫通孔を有する請求項７に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項９】
前記絞り板は、鉄粉を板状に固めて形成される請求項８に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項１０】
前記絞り板と前記塞ぎ板との間に配置され、前記空気室をベローズの軸方向に仕切る仕切り板を備え、
前記仕切り板には、ベローズの軸方向に貫通する貫通孔が設けられている請求項５〜９に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項１１】
前記仕切り板は、鉄粉を板状に固めて形成される請求項１０に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項１】
第１のばね部と、前記第１のばね部が伸縮する方向へ運動することにより前記第１のばね部に対して減衰力を発生する減衰力発生部とを有するばねユニットと、
前記ばねユニットに接続され、前記第１のばね部と同じ方向に伸縮する第２のばね部と、
を備えるばね部材。
【請求項２】
前記第１のばね部及び前記第２のばね部は、ベローズを形成しており、
前記ベローズの軸方向の一側が前記第１のばね部であり、前記ベローズの軸方向の他側が前記第２のばね部である請求項１に記載のばね部材。
【請求項３】
前記減衰力発生部は、
前記第１のばね部と、
前記第１のばね部の軸方向の一端を閉じる塞ぎ板と、
前記第１のばね部の軸方向の他端に固定されて前記塞ぎ板との間に空気室を形成すると共に貫通孔が設けられた絞り板と、
から構成される請求項２に記載のばね部材。
【請求項４】
ばね部材と、
前記ばね部材を伸縮させる駆動部と、を備え、
前記ばね部材は、
第１のばね部と、前記第１のばね部が伸縮する方向へ運動することにより減衰力を発生する減衰力発生部とからなるばねユニットと、
前記ばねユニットに接続され、前記第１のばね部と同じ方向に伸縮する第２のばね部と、
を有するばね型アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１のばね部及び前記第２のばね部は、ベローズを形成しており、
前記ベローズの軸方向の一側が前記第１のばね部であり、前記ベローズの軸方向の他側が前記第２のばね部であって、
前記減衰力発生部は、
前記第１のばね部と、
前記第１のばね部の軸方向の一端を閉じる塞ぎ板と、
前記第１のばね部の軸方向の他端に固定されて前記塞ぎ板との間に空気室を形成すると共に貫通孔が設けられた絞り板と、
から構成される請求項４に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項６】
前記駆動部は、
前記第１のばね部の前記第２のばね部とは反対側の端部に固定された永久磁石と、
前記永久磁石との間に吸引力及び／又は反発力を作用させる電磁石と
を備える請求項５に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項７】
前記永久磁石は、前記減衰力発生部の前記塞ぎ板を兼ねる請求項６に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項８】
前記電磁石は、前記第２のばね部の前記第１のばね部とは反対側の端部に固定されており、前記ベローズの軸方向に貫通し、且つ、前記絞り板の貫通孔よりも大きな貫通孔を有する請求項７に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項９】
前記絞り板は、鉄粉を板状に固めて形成される請求項８に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項１０】
前記絞り板と前記塞ぎ板との間に配置され、前記空気室をベローズの軸方向に仕切る仕切り板を備え、
前記仕切り板には、ベローズの軸方向に貫通する貫通孔が設けられている請求項５〜９に記載のばね型アクチュエータ。
【請求項１１】
前記仕切り板は、鉄粉を板状に固めて形成される請求項１０に記載のばね型アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１０６５７３（Ｐ２０１１−１０６５７３Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６２２５６（Ｐ２００９−２６２２５６）
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年５月２０日第２１回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム事務局発行「第２１回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム講演論文集」
【出願人】（５０８３２４４３３）財団法人大分県産業創造機構 (17)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年５月２０日第２１回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム事務局発行「第２１回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム講演論文集」
【出願人】（５０８３２４４３３）財団法人大分県産業創造機構 (17)
【Ｆターム（参考）】
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