JP4394914B2 - 磁気バネ機構を用いた除振機構 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、自動車、電車、船舶などの乗物のシートに用いられるサスペンション機構等における除振システムに組み込むことができる磁気バネ機構を用いた除振機構に関する。

近年、永久磁石を利用した磁気バネ機構を減衰装置として用い、これに、金属バネやゴム等の弾性部材を組み合わせた除振機構が知られており、本出願人も種々の機構を提案している。例えば、特許文献１及び特許文献２には、固定側と可動側とのそれぞれに永久磁石を配置して、それらの反発力や吸引力を利用することにより、所定の変位範囲においては、荷重が減少し、その範囲におけるバネ定数が負となる荷重特性を備えた磁気バネ機構を開示している。この磁気バネ機構に、荷重−変位特性の傾きがほぼ同じ正のバネ定数を有する金属バネ等の弾性部材を組み合わせ、所定の変位範囲においては両者の重畳されたバネ定数が略ゼロとなる定荷重領域を設定し、その範囲で負荷質量の平衡点を支持するように設けた除振機構を構成することができる。バネ定数が略ゼロとなる領域を有しているため、加速度伝達率を抑制し、低周波から高周波まで広い周波数帯域での除振を可能としている。
特開２００３−１３９１９２号公報 特開２００２−２０６５９４号公報

特許文献１や特許文献２の除振機構は上記のような優れた特性を有するものの、可動側が固定側に対して実質的に直線方向に動作するように形成されている。従って、これらの除振機構は、制御対象物に対して可動側が直線方向に動作するように取り付けられる。例えば、図８に示したような車両用シートを支持するサスペンション機構においては、所定の変位範囲において、変位量の増大に対して荷重が減少する荷重特性を備えた磁気バネ機構（マグネットユニット）の固定側を基台部に連結し、可動側を車両用シートに取り付けられる支持部に連結して用いられ、該磁気バネ機構（マグネットユニット）において荷重が減少する変位範囲で、逆に、荷重が増加する正の荷重特性を備えたトーションバーを組み合わせ、定荷重領域を有する除振機構を構成している。かかる磁気バネ機構（マグネットユニット）は可動側が実質的に直線方向に動作するものであるため、回転方向に弾性が機能する正の荷重特性を備えたトーションバーとは、全く独立して基台部及び支持部に取り付ける必要がある。従って、かかる磁気バネ機構（マグネットユニット）を配置するためには、直線方向への動作を確保し得る大きさの所定の取付スペースが必要となる。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、トーションバーなどの回転方向にトルクを発生する部材と共に用いる場合に、従来の磁気バネ機構と比較して取付スペースが小さくて済み、車両のサスペンション機構などの適用対象物の構造の簡素化、あるいは小型化を図ることができる磁気バネ機構を用いた除振機構を提供することを課題とする。

本発明者は、上記した課題を解決するため、可動側磁石を固定側磁石に対して相対的に回転方向に動作させることに着目し、本発明を完成するに至った。
すなわち、請求項１記載の本発明では、固定側磁石と、該固定側磁石に対して相対的に回転方向に変位可能に設けられた可動側磁石とを備えて構成され、可動側磁石の角変位の変化量の増大に対し、固定側磁石と可動側磁石とから構成される磁気回路により発生する回転トルクが減少する角変位範囲を有する角変位−トルク特性を具備し、前記固定側磁石が、固定フレームに略円弧状に配置され、前記可動側磁石が、略円弧状に配置された固定側磁石の円弧方向に沿って平行に回動可能な可動フレームに取り付けられている磁気バネ機構と、
前記磁気バネ機構の回転トルクが減少する角変位範囲において、可動側磁石の角変位の変化量の増大に伴って回転トルクが増大する角変位−トルク特性を備え、前記可動側磁石を回転方向に付勢する弾性部材と
を具備し、
前記磁気バネ機構と前記弾性部材とを組み合わせることにより、前記角変位範囲における両者を合成した回転トルクがほぼ一定となる特性を有することを特徴とする磁気バネ機構を用いた除振機構を提供する。
請求項２記載の本発明では、前記固定フレームが、所定間隔をおいて２つ対向配置され、そのそれぞれに前記固定側磁石が略円弧状に設けられ、
前記可動フレームが、前記２つの固定フレーム間に回動可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気バネ機構を用いた除振機構を提供する。
請求項３記載の本発明では、前記弾性部材が、前記可動フレームを回転方向に付勢する金属バネから構成されることを特徴とする請求項１記載の磁気バネ機構を用いた除振機構を提供する。
請求項４記載の本発明では、前記金属バネが、トーションバーからなり、前記可動フレームが、該トーションバーに連結されていることを特徴とする請求項３記載の磁気バネ機構を用いた除振機構を提供する。
請求項５記載の本発明では、基台部と任意の負荷体を支持する支持部とを備え、基台部に対して該支持部を前記弾性部材により弾性的に支持する車両のサスペンション機構に取り付けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の磁気バネ機構を用いた除振機構を提供する。

本発明によれば、固定側磁石と、該固定側磁石に対して相対的に回転方向に変位可能に設けられた可動側磁石とを備えて構成され、可動側磁石の角変位の変化量の増大に対し、固定側磁石と可動側磁石とから構成される磁気回路により発生する回転トルクが減少する角変位範囲を有する角変位−トルク特性を具備する。従って、可動側磁石を、トーションバーなどのように回転方向にトルクを発生する部材と共に回転動作するように装着することができる。すなわち、トーションバーなどの回転方向にトルクを発生する部材に可動側磁石の回転基部を支持させることができるため、トーションバーなどの取付スペース付近に設けることができ、従来の直線動作する磁気バネ機構のように、独立した取付スペースを確保する必要がなく、回転方向にトルクを発生する部材と磁気バネ機構とを用いた除振機構の構造の簡素化、小型化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて更に詳しく説明する。図１〜図５は、本発明の一の実施形態に係る磁気バネ機構１を示す図である。これらの図に示したように、本実施形態の磁気バネ機構１は、固定フレーム１０，１１と可動フレーム２０とを備えて構成される。

固定フレーム１０，１１は、所定間隔をおいて対向配置される２枚の板状体から形成されている。図においては、固定フレーム１０，１１を略三角形に形成し、頂部付近及び底辺両端付近を、それぞれ間隔保持用のリベット１２によって連結し、所定間隔を隔てて互いに対面するように設けている。

可動フレーム２０は、上記した固定フレーム１０，１１間に配置されると共に、上端付近に軸部材２１を備えている。そして、この軸部材２１が、固定フレーム１０，１１の頂部付近に穿設した貫通孔１０ａ，１１ａに挿通されて軸支される。

固定フレーム１０，１１は、例えば、図８に示したようなサスペンション機構であれば、基台部に固定され、可動フレーム２０に設けた軸部材２１が、トーションバーの回転側に連結されて配設される。トーションバー自体は、一端を固定して支持し、他端を回転可能に支持する必要があることから、いずれにしても、回転側の端部については、これを回転可能に軸支する部材が必要となるが、本実施形態では、可動フレーム２０の軸部材２１に連結することにより、固定フレーム１０，１１がトーションバーの端部を回転可能に支持する部材を兼用することになる。すなわち、磁気バネ機構１が、トーションバーを軸支する部材としても機能することになるため、従来のように、トーションバーを軸支する部材のほかに、独立した磁気バネ機構を配設する必要があった構造と比較して、トーションバーなどの弾性部材と磁気バネ機構との組み合わせからなる除振機構の構造の簡素化、あるいは除振機構の小型化を図ることができる。

固定フレーム１０，１１における各対向面には、永久磁石からなる固定側磁石３０，３１が設けられ、可動フレーム２０には、永久磁石からなる可動側磁石４０が設けられる。固定側磁石３０，３１は、可動側磁石４０が、可動フレーム２０と共に、回転方向に動作するため、回転動作中に、できるだけ、可動側磁石４０と対面し続けるように、該可動側磁石４０の動作軌道と略平行に、略円弧状に形成されている。逆に言えば、可動側磁石４０は、可動フレーム２０において、略円弧状に設けられた固定側磁石３０，３１に対して、回転動作中にできるだけ対面し得る位置に取り付けられる。具体的には、可動フレーム２０の下端付近には、各固定側磁石３０，３１に対面する開口部２２が開設され、この開口部２２が形成された内部に可動側磁石４０が保持され、該可動側磁石４０の各磁極面が各開口部２２を介して、固定側磁石３０，３１の磁極面と対向するように設けられている。

固定側磁石３０，３１及び可動側磁石４０における着磁方向あるいは着磁する磁極の種類は、可動側磁石４０が固定側磁石３０，３１に対して相対変位する際に、所定の角変位範囲において、固定側磁石３０，３１と可動側磁石４０とにより形成される磁気回路の回転トルクが、角変位の変化量の増大に対して減少する角変位−トルク特性を有する限り、限定されるものではない。本実施形態では、図５に示したように設けている。

すなわち、一方の固定フレーム１０に固定される固定側磁石３０は、他方の固定フレーム１１との対向方向に（すなわち、厚み方向に）着磁した略扇形の２つの永久磁石３０ａ，３０ｂを、異極同士が隣接するように円弧状に配置し、他方の固定フレーム１１に固定される永久磁石３１は、同じく厚み方向に着磁した略扇形の２つの永久磁石３１ａ，３１ｂを、異極同士が隣接し、かつ、一方の固定フレーム１０に固定された対向する永久磁石３０ａ，３０ｂとそれぞれ同極同士が対向するように設けている。また、可動側磁石４０は、可動フレーム２０の回転方向に沿って、かつ、固定側磁石３０，３１のうち、Ｎ極同士が対向する永久磁石３０ａ，３１ａ側に、該可動側磁石４０のＮ極側が位置するように設けている。

かかる構成からなる磁気バネ機構１は、次のように作用する。例えば、可動フレーム２０と共に回転方向に動作する可動側磁石４０の中心が、図４及び図５に示したように、各固定側磁石３０，３１の円弧方向の中央部、すなわち、一方の固定側磁石３０を構成する２つの永久磁石３０ａ，３０ｂの境界及び他方の固定側磁石３１を構成する２つの永久磁石３１ａ，３１ｂの境界と一致する位置を中立位置としてセットする。この中立位置を角変位量０（ｄｅｇ）とし、可動フレーム２０を、軸部材２１を中心として前後方向に回転させる。この結果得られた角変位−トルク特性の一例が、図６に示したものである。

図６から明らかなように、角変位約−１３（ｄｅｇ）〜約＋１３（ｄｅｇ）の範囲において、角変位の変化量が増大するに従って、回転トルク（Ｎ・ｍ）が小さくなる角変位範囲が存在することがわかる。従って、かかる範囲において、回転トルクが大きくなる角変位−トルク特性を備えた弾性部材により、上記可動フレーム２０を回転方向に付勢すれば、かかる角変位範囲における重畳された角変位−トルク特性がほぼ一定となる。

図７は、弾性部材としてのトーションバーを、可動フレーム２０の軸部材２１に連結した際の角変位−トルク特性を示すものである。ここで用いたトーションバーは、磁気バネ機構１の可動フレーム２０が、中立位置よりも後方（又は前方）から中立位置を経てその前方（又は後方）に回転する際に、角変位の変化量の増大に伴って回転トルクが小さくなっていく範囲において、その傾きとほぼ同じ大きさの正の傾きを備えたバネ特性を有するものである。このため、角変位約−１３（ｄｅｇ）〜約＋１３（ｄｅｇ）においては、磁気バネ機構１とトーションバーとの重畳された特性として、図７において太い実線で示したように、角変位の変化量の増大に伴っては回転トルクが変化しないバネ定数が略ゼロとなる定荷重領域が生じることになる。

従って、図８に示したようなサスペンション機構に用いる場合、トーションバーによって支持される支持部に任意の負荷体を載置し、平衡状態となったときに、磁気バネ機構１において、可動フレーム２０が中立位置に存在するようにセットすれば、中立位置の前後の範囲で定荷重領域が得られ、高い除振性能が得られる。

なお、上記実施形態においては、回転方向に正のバネ特性を備えたトルクを発生させる弾性部材として、トーションバーを用いている。これにより、図８に示したようなトーションバーを利用したサスペンション機構（除振機構）の構成を簡素化できるという利点を備えている。しかしながら、弾性部材としては、回転方向に正のバネ特性を付与できるものであればよく、磁気バネ機構１の可動フレーム２０に連結される部材を介して、コイルスプリングなどの他の金属バネ、あるいはゴムなどを用いて付勢する構造とすることも可能である。また、上記実施形態では、固定側磁石３０，３１をそれぞれ略円弧状に配置しているが、永久磁石の大きさや可動フレーム２０の回転可能角度等によっては、略直線状に配置することもできる。同様の理由から、固定側磁石３０，３１を構成する各永久磁石３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂを、略扇形ではなく、略角形に形成することもできる。また、上記実施形態では、それぞれ２つの永久磁石により各固定側磁石３０，３１を構成し、１つの永久磁石によりに可動側磁石４０を構成しているが、永久磁石の使用数は、所定の角変位範囲において回転トルクが減少する負のバネ特性の領域を有する限り、限定されるものではない。
さらに、除振機構の具体的な適用例として車両のサスペンション機構を例示したが、これに限定されるものではない。また、図８に示したサスペンション機構は、マグネットユニットとトーションバーなどの弾性部材とから構成される除振機構に、減衰機構としてのダンパを組み合わせているが、例えば、車両用のシートなどに適用する場合には、本発明の除振機構に、減衰機構としての粘弾性ウレタンを組み合わせて用いることもできる。

図１は、本発明の一の実施形態に係る磁気バネ機構を示す分解斜視図である。 図２は、上記実施形態に係る磁気バネ機構の外観図である。 図３は、上記実施形態に係る磁気バネ機構の側面図である。 図４は、上記実施形態に係る磁気バネ機構の正面図である。 図５は、図４のＡ−Ａ線断面図である。 図６は、上記実施形態に係る磁気バネ機構の角変位−トルク特性の一例を示すグラフである。 図７は、上記実施形態に係る磁気バネ機構の角変位−トルク特性、トーションバーの角変位−トルク特性、及び該磁気バネ機構とトーションバーとを重畳した角変位−トルク特性の一例を示すグラフである。 図８は、従来の車両用のサスペンション機構を示す外観図である。

符号の説明

１ 磁気バネ機構
１０，１１ 固定フレーム
２０ 可動フレーム
２１ 軸部材
３０，３１ 固定側磁石
４０ 可動側磁石

Claims (5)

1. 固定側磁石と、該固定側磁石に対して相対的に回転方向に変位可能に設けられた可動側磁石とを備えて構成され、可動側磁石の角変位の変化量の増大に対し、固定側磁石と可動側磁石とから構成される磁気回路により発生する回転トルクが減少する角変位範囲を有する角変位−トルク特性を具備し、前記固定側磁石が、固定フレームに略円弧状に配置され、前記可動側磁石が、略円弧状に配置された固定側磁石の円弧方向に沿って平行に回動可能な可動フレームに取り付けられている磁気バネ機構と、
   前記磁気バネ機構の回転トルクが減少する角変位範囲において、可動側磁石の角変位の変化量の増大に伴って回転トルクが増大する角変位−トルク特性を備え、前記可動側磁石を回転方向に付勢する弾性部材と
   を具備し、
   前記磁気バネ機構と前記弾性部材とを組み合わせることにより、前記角変位範囲における両者を合成した回転トルクがほぼ一定となる特性を有することを特徴とする磁気バネ機構を用いた除振機構。
2. 前記固定フレームが、所定間隔をおいて２つ対向配置され、そのそれぞれに前記固定側磁石が略円弧状に設けられ、
   前記可動フレームが、前記２つの固定フレーム間に回動可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気バネ機構を用いた除振機構。
3. 前記弾性部材が、前記可動フレームを回転方向に付勢する金属バネから構成されることを特徴とする請求項１記載の磁気バネ機構を用いた除振機構。
4. 前記金属バネが、トーションバーからなり、前記可動フレームが、該トーションバーに連結されていることを特徴とする請求項３記載の磁気バネ機構を用いた除振機構。
5. 基台部と任意の負荷体を支持する支持部とを備え、基台部に対して該支持部を前記弾性部材により弾性的に支持する車両のサスペンション機構に取り付けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の磁気バネ機構を用いた除振機構。

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