(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン型アキュムレータであって、
内部に空洞を有するシリンダチューブと、
前記シリンダチューブの内部をガス室と液体室とに区画するとともに、前記シリンダチューブ内に移動可能に設けられたピストンと、
を備え、
前記ピストンは、前記液体室を互いに独立した複数のサブ液体室に区画し、
前記シリンダチューブには、それぞれが前記複数のサブ液体室ごとに設けられた複数の液体口が形成され、
前記ピストン型アキュムレータは、前記複数の液体口の少なくともひとつと対応付けて設けられた少なくともひとつの切換弁であって、それぞれが、対応する液体口を外部の液体路と接続した状態と、前記液体路と切り離した状態とを切りかえ可能な、少なくともひとつの切換弁をさらに備えて、前記ピストンに対する前記液体室側の受圧面積が、多段階で可変に構成されることを特徴とするピストン型アキュムレータ。
【請求項２】
前記ピストンは、
その底面が前記ガス室と接する第１の柱体と、
前記第１の柱体の上面側に、前記ピストンの可動軸方向に積層された少なくともひとつの第２の柱体と、
を備え、
前記シリンダチューブは、前記液体室側において前記ピストンと嵌合する形状を有することを特徴とする請求項１に記載のピストン型アキュムレータ。
【請求項３】
前記ピストンは、
その底面が前記ガス室と接する第１の円柱体と、
前記第１の円柱体の上面に前記第１の円柱体と同心に積層された少なくともひとつの第２の円柱体と、
を備え、
前記シリンダチューブは、前記液体室側において前記ピストンと嵌合する形状を有することを特徴とする請求項１に記載のピストン型アキュムレータ。
【請求項４】
前記ピストンは、
その底面が前記ガス室と接する第１の円柱体と、
前記第１の円柱体の上面に、前記第１の円柱体と同心に積層された少なくともひとつの円筒柱体と、
を備え、
前記シリンダチューブは、前記液体室側において前記ピストンと嵌合する形状を有することを特徴とする請求項１に記載のピストン型アキュムレータ。
【請求項５】
前記ピストンは、
その底面が前記ガス室と接する第１の円柱体と、
前記第１の円柱体の上面に、前記第１の円柱体と同心に積層された少なくともひとつの円筒柱体と、
前記第１の円柱体の上面であって、前記少なくともひとつの円筒柱体のうち最も内側の円筒柱体の内側に配置された円柱体と、
を備え、
前記シリンダチューブは、前記液体室側において前記ピストンと嵌合する形状を有することを特徴とする請求項１に記載のピストン型アキュムレータ。
【請求項６】
油圧ポンプと、
その内部に前記油圧ポンプからの油が流通する液体路と、
前記液体路と接続された請求項１から５のいずれかに記載のピストン型アキュムレータと、
前記液体路とは別に形成される閉ループ上に配置されたアンロード弁と、
を備えることを特徴とする油圧源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アキュムレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、一般的な油圧サーボシステムを示す図である。図１の油圧サーボシステム５００では、定容量ポンプ５０２とリリーフ弁５０４を用いて回路圧力を一定に保ち、サーボ弁５０６によって流量制御を行っている。
【０００３】
この方法では、サーボ弁５０６によってアクチュエータ５０８の高応答な制御ができるが、回路圧力を一定に保つためにリリーフ弁５０４から常に余分の油を排出させるだけでなく、ポンプ５０２は常に高圧のまま高負荷で駆動させるため、システムのエネルギー効率は非常に低いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１６５１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これに対し、システムの効率を上げて省エネルギーを図る方法として、従来は油圧源として次の二つのポンプ制御の方法が主に用いられてきた。
（ａ）可変容量ポンプ
（ｂ）定容量ポンプの回転数制御
【０００６】
可変容量ポンプを用いる場合は、ポンプ斜板の角度を制御し、ポンプの吐出流量を負荷に応じて調整（ロードセンシング）することにより、省エネルギーを図ることができる。しかし、ポンプ斜板角度制御の高応答化は難しいため、アクチュエータの高応答な制御はできない。
【０００７】
一方、定容量ポンプの回転数制御を行う場合は、ポンプを駆動するサーボモータの回転数を制御し、ポンプの吐出流量を負荷に応じて調整することにより、省エネルギーを図っている。しかし、ポンプの回転数制御の高応答化は難しいため、やはりアクチュエータの高応答な制御はできない。つまり、可変容量ポンプを用いる方法や定容量ポンプの回転数制御を用いる方法、すなわちポンプ制御による流量制御では応答性が低いという問題がある。
【０００８】
つまり油圧サーボシステムにおいて省エネルギーを図るためポンプ制御を用いると、アクチュエータの高応答な制御が難しいという問題がある。
【０００９】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、回路圧力や流量を瞬時に切りかえることが可能なピストン型アキュムレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様によれば、流量と圧力を独立に多段階に制御できるアキュムレータが提供される。このアキュムレータはピストン形アキュムレータを基本にしたもので、ピストンの液体室側の形状を多段にしたことを特徴とする。ガス室側の受圧面積が一定であるのに対し、油室側の受圧面積はＮ分割（Ｎは２以上の整数）されており、液体室側の受圧面積を多段階にて変更することが可能に構成される。
【００１１】
この態様によれば、負荷の状態などに応じて液体室側の受圧面積を制御することにより、回路圧力と流量を瞬時に切りかえることができる。
【００１２】
本発明の別の態様は、油圧源に関する。この油圧源は、油圧ポンプと、その内部に油圧ポンプからの油が流通する液体路と、液体路と接続される上述のピストン型アキュムレータと、液体路とは別に形成される閉ループ上に設けられたアンロード弁と、を備える。
【００１３】
この油圧源を用いると、高応答な、あるいは省エネルギー化が可能な油圧システムを、油圧源のポンプ制御を用いずに実現することができる。
【００１４】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のある態様のアキュムレータによれば、回路圧力と流量を瞬時に切りかえることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一般的な油圧サーボシステムを示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係るピストン型アキュムレータの基本構成を示す図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ凹型のピストンを備えるピストン型アキュムレータの断面図および凹型のピストンを油室側から見た斜視図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、３個のサブ油室を備えるピストン型アキュムレータの構成を示す断面図である。
【図５】実施の形態に係るピストン型アキュムレータを備えた油圧源およびそれを用いた油圧サーボシステムの構成を示す図である。
【図６】射出成形機の作動サイクルの一例を示す図である。
【図７】別の実施の形態に係るアキュムレータの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係るピストン型アキュムレータ１００の基本構成を示す図である。ピストン型アキュムレータ１００は、油路（液体路）３０と接続され、油圧エネルギーを蓄積し、あるいは圧力を補償したり脈動を除去する目的で設けられる。
【００１９】
ピストン型アキュムレータ１００は、シリンダチューブ（シェル）２、ピストン４および切換弁２０を備える。図２（ａ）はピストン型アキュムレータ１００の断面図、図２（ｂ）はピストン型アキュムレータ１００を油室（液体室）８側から見た平面図である。
【００２０】
シリンダチューブ２は、その内部に空洞を有する。ピストン４は、シリンダチューブ２の内部の空洞をガス室６と油室８に区分する。このピストン４は、シリンダチューブ２内を可動軸９方向に移動可能に設けられる。ガス室６には、窒素をはじめとする気体が高い圧力で充填される。油室８側には油をはじめとする液体が充填される。ピストン４は、油室８からガス室６へ油が漏れないように、パッキンを介してシリンダチューブ２の内壁と十分に密に接触することが好ましい。
【００２１】
このピストン型アキュムレータ１００は、ピストン４の油室８側の形状が多段に構成されており、油室８側の受圧面積が、多段階で可変に構成される。
【００２２】
ピストン４の受圧面積を好適に切りかえるために、具体的にピストン４は、油室８を互いに独立したＮ個（Ｎは２以上の整数）のサブ油室１０１〜１０Ｎに区画する形状を有する。図２には、Ｎ＝２の場合が示される。
【００２３】
シリンダチューブ２には、それぞれがＮ個のサブ油室１０１〜１０Ｎごとに設けられたＮ個の油口１２１〜１２Ｎが形成されている。
【００２４】
Ｍ個（１≦Ｍ≦Ｎ）の切換弁２０は、Ｎ個の油口１２１〜１２ＮのうちのＭ個に対してそれぞれ設けられている。図２には、Ｍ＝１の場合が示される。
ｉ番目（１≦ｉ≦Ｍ）の切換弁２０ｉは、以下の２つの状態を切りかえ可能となっている。
（ａ）  対応する油口１２ｉと外部の油路３０と導通させた状態φ１
（ｂ）  対応する油口１２ｉを外部の油路３０と切り離し、タンク２２と接続した状態φ２
【００２５】
図２（ｃ）は、ピストン４を油室８側から見た斜視図である。ピストン４は、第１円柱体４０と第２円柱体４２を備えた凸型ピストンである。第１円柱体４０は、その底面がガス室６と接する。第２円柱体４２は、第１円柱体４０の底面と対向する上面側に、第１円柱体４０と同心にて積層される。円柱体４０および４２は、ピストン４の形状を説明するための便宜的な概念であり、実際のピストン４は、２つの円柱体４０、４２が一体的に成形されてもよい。また上面、底面も便宜的なものであり、実使用状態での方向を限定するものではない。
【００２６】
シリンダチューブ２は、油室８側においてピストン４と嵌合する形状を有する。つまりサブ油室１０１は円柱形状を有し、サブ油室１０２は円筒形状を有している。
【００２７】
第１円柱体４０の断面積はＡ０であり、これはピストン４のガス室６側からの受圧面積である。第２円柱体４２の断面積はＡ１であり、これはサブ油室１０１からの受圧面積に相当する。また、第１円柱体４０の上面のうち、第２円柱体４２に覆われていない領域の面積Ａ２は、サブ油室１０２からの受圧面積に相当する。
【００２８】
以上がピストン型アキュムレータ１００の構成である。続いてその動作を説明する。
【００２９】
（ａ）切換弁２０によりサブ油室１０２を油路３０と接続した場合（状態φ１）
この場合、油路３０にはサブ油室１０１およびサブ油室１０２がともに接続される。このとき油室８側の受圧面積はＡ１＋Ａ２＝Ａ０となり、ガス室６側の受圧面積Ａ０と等しくなる。したがって、ピストン型アキュムレータ１００と油路３０が及ぼし合う回路圧力ｐは、ガスの圧力をｐ０とすると、
ｐ＝ｐ０
となる。
【００３０】
（ｂ）切換弁２０によりサブ油室１０２をタンク２２と接続した場合（状態φ２）
この場合、油路３０にはサブ油室１０１のみが接続される。このとき油室８側の受圧面積はＡ１となる。したがって、ピストン型アキュムレータ１００と油路３０が及ぼし合う回路圧力ｐは、
ｐ＝（Ａ０／Ａ１）×ｐ０    …（１）
となる。
【００３１】
なお、図２や後述の図５に使用されるタンク２２は、若干加圧しておくことが望ましい。これはピストン型アキュムレータ１００のピストン４がガス室６側に押し込まれたときに、タンク２２からピストン型アキュムレータ１００に油が流れ込むようにするためである。つまりタンク２２は「加圧タンク」であることが好ましい。なおこの場合、タンクの圧力をｐｔとすると、回路圧力ｐは式（１）ではなく下記式（２）で与えられるが、タンクの圧力ｐｔはガスの圧力ｐ０に比べて十分に小さいので大勢には影響しない。
ｐ＝（Ａ０／Ａ１）×ｐ０−（Ａ２／Ａ１）×ｐｔ    …（２）
【００３２】
このように、実施の形態に係るピストン型アキュムレータ１００によれば、切換弁２０を制御することにより、回路圧力を瞬時に切りかえることが可能となる。
【００３３】
続いて、ピストン型アキュムレータ１００の変形例について説明をする。図２では、切換弁２０をサブ油室１０２と油路３０の間に設けたが、これをサブ油室１０１と油路３０の間に設けてもよい。
あるいは、サブ油室１０１と油路３０の間、サブ油室１０２と油路３０の間の両方に切換弁２０を設けてもよい。この場合、圧力の切りかえ段数を増やすことができる。
【００３４】
図２では凸型のピストン４を示したが、凹型のピストン４ａを用いてもよい。図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ凹型のピストンを備えるピストン型アキュムレータ１００ａの断面図および凹型のピストン４ａを油室８側から見た斜視図である。
【００３５】
図３（ｂ）に示す凹型のピストン４ａは、高さｈ１の円柱体４０と高さｈ２の円筒体４４の組み合わせと把握することができる。円柱体４０は、その底面がガス室６と接する。円筒体４４は、第１円柱体４０の底面と対向する上面側に、同心にて積層される。当然ながらシリンダチューブ２は、油室８側においてピストン４ａと嵌合する形状を有する。
【００３６】
図３のピストン型アキュムレータ１００ａによっても、図２のピストン型アキュムレータ１００と同様に、圧力および流量を瞬時に切りかえることができる。
【００３７】
さらに、図２、図３では、サブ油室１０が２つ設けられる場合を示したが、本発明はこれに限定されず、その個数は任意でよい。
【００３８】
図４（ａ）、（ｂ）は、３個のサブ油室１０を備えるピストン型アキュムレータ１００ｂの構成を示す断面図である。図４（ａ）のピストン型アキュムレータ１００ｂは、凸型のピストン４ｂによって区画される３個のサブ油室１０１〜１０３を有する。凸型のピストン４ｂは、その底面がガス室と接する第１円柱体４０と、第１の円柱体４０の上面に、第１の円柱体４０と同心に積層されたふたつの円柱体４２１、４０２の組み合わせと把握することができる。
【００３９】
図４（ｂ）のピストン型アキュムレータ１００ｃは、同心凹凸形状のピストン４ｃを備える。ピストン４ｃは、第１円柱体４０と、第１円柱体４０の上面に積層された円筒体４４と、円柱体４２と、を備える。ピストンを同心凹凸形状で構成することにより、同じ段数のピストンを凸型もしくは凹型で構成した場合に比べて、ピストンおよびシリンダチューブの可動軸９方向の長さを短縮でき、ピストン型アキュムレータを小型化することができる。
【００４０】
図４（ｃ）のピストン型アキュムレータ１００ｄは、凹型のピストン４ｄを備える。ピストン４ｄは、円柱体４０と、円柱体４０の上に積層された２段の円筒体４４１、４４２を備える。
【００４１】
図４（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、ピストン４は、必要なサブ油室１０の個数に応じて、第１の円柱体４０と、第１円柱体４０の上面に同心にて、高さ方向に積層され、もしくは径方向に配置される（これらを総称して積層という）ひとつまたは複数の円柱体４２と、第１の円柱体４０の上面に積層される複数の円筒体４４の組み合わせで構成することができる。この構成は、任意の段数のピストンに拡張可能である。
【００４２】
続いてピストン型アキュムレータ１００の用途を説明する。上述のピストン型アキュムレータ１００は、油圧源として好適に用いることができる。図５は、実施の形態に係るピストン型アキュムレータ１００を備えた油圧源２００およびそれを用いた油圧サーボシステム３００の構成を示す図である。
【００４３】
油圧源２００は、実施の形態に係るピストン型アキュムレータ１００、油圧ポンプ２０２、アンロード弁２０４、逆止弁２０３、油路３０を備える。この油圧サーボシステム３００においては、任意の形状のピストンを有するピストン型アキュムレータ１００を利用できる。
【００４４】
油路３０の内部には、油圧ポンプ２０２から吐出される油が流通する。ピストン型アキュムレータ１００は油路３０と接続される。アンロード弁２０４は、油路３０とは別に形成される閉ループ上に配置される。
【００４５】
アンロード弁２０４が閉じられると（遮断）、油圧ポンプ２０２から吐出された油は、油路３０を通って負荷へと供給される。運転時は、切換弁２０を適宜開閉して、所望の使用圧力が得られるようにサブ油室１０を選択し、油の蓄積と放出を行う。油圧回路圧力は、選択されたサブ油室１０に応じて定まるピストン型アキュムレータ１００の使用圧力に瞬時に等しくなるため、油圧ポンプ２０２には回路圧力に応じた負荷しか掛からず、省エネルギーとなる。
【００４６】
さらに、この油圧サーボシステム３００では従来のような余剰油を排出して一定圧に調整するためのリリーフ弁は使用せず、ピストン型アキュムレータ１００への油の蓄積が十分になるとアンロード弁２０４を用いて油圧ポンプ２０２をアンロード（空回し）するため省エネルギーとなる。
【００４７】
以上のように、この油圧サーボシステム３００では必要な圧力に応じて、回路圧力を多段階に瞬時に変化させると同時に、ピストン型アキュムレータ１００に無駄なく油を蓄積させることができるため、省エネルギーとなる。つまり高い応答性と省エネルギー性を兼ね備えた油圧システムを、ポンプ制御を用いずに提供することができる。
【００４８】
図５の油圧サーボシステム３００は、油圧源２００に加えてサーボ弁２０６、シリンダ２０８を備える。このシステムはたとえば射出成形機に好適に利用できる。プラスチックを形成する射出成形機では、軟化したプラスチックに射出圧を加えて金型に充填することにより、プラスチックを所望の形状に変形させる。
【００４９】
図６は、射出成形機の作動サイクルの一例を示す図である。上からピストン位置、速度、圧力、出力を示している。このサイクルでは、Ａ点からＢ点まではほとんど負荷のない速度制御、Ｂ点からＣ点までは若干負荷のある速度制御、Ｃ点以降は力制御を行っている。
【００５０】
このようなサイクルにおいて、図１のように油圧ポンプとリリーフ弁からなる油圧源を用い、全期間において一定の圧力（必要な圧力の最大値）で油を吐出しつづけると、無駄なエネルギーを消費することになる。また可変容量ポンプを用いたり、定容量ポンプの速度制御を行う場合には、応答性が低くなり、加工精度が悪化するという別の問題が生ずる。
【００５１】
これに対して、例えば３段で圧力が切りかえ可能なピストン型アキュムレータ１００を用い、各圧力を必要に応じて適切に設定しておけば、一定供給圧の場合に比べて大幅な省エネルギーを見込むことができる。
【００５２】
続いて、圧力が瞬時に切換可能な別の実施の形態に係るアキュムレータ１２０を説明する。図７は、別の実施の形態に係るアキュムレータ１２０を用いた油圧サーボシステム３００ａの構成を示す図である。
【００５３】
アキュムレータ１２０は、複数のアキュムレータ１２２１〜Ｎと、複数の切換弁１２４１〜Ｎを備える。各アキュムレータ１２２としては、ピストン型の他、ブラダ型などを用いてもよく、その形式は限定されない。各アキュムレータ１２２の使用圧力は、異なる値に設定される。各切換弁１２４は、対応するアキュムレータ１２２と油路３０の間に設けられている。
【００５４】
以上がアキュムレータ１２０の構成である。続いてその動作を説明する。運転時において、回路に必要な圧力に対応するアキュムレータ１２２が選択され、そのアキュムレータ１２２に対応する切換弁１２４が開かれ、その他の切換弁が閉じられる。そうすると、選択されたアキュムレータ１２２を対象として油の蓄積と放出が行われる。別のアキュムレータ１２２を選択すると、油圧回路圧力は、選択されたアキュムレータ１２２の使用圧力に瞬時に等しくなる。つまり図７のアキュムレータ１２０によれば、図２のピストン型アキュムレータ１００と同様に、瞬時に圧力を切りかえることができ、図７の油圧サーボシステム３００ａによれば、図５の油圧サーボシステム３００と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
図７のアキュムレータ１２０は、一般的なアキュムレータ１２２を組み合わせて構成できるというメリットがある反面、アキュムレータの個数に応じてサイズが大きくなるというデメリットがある。これに対して図５のピストン型アキュムレータ１００では、サイズを小型化できるというメリットがある。
【００５６】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００５７】
実施の形態では、ピストン４が、円柱体および円筒柱の組み合わせで構成される場合を説明した。しかしながらシリンダチューブ２およびピストン４の断面は必ずしも円である必要はなく、楕円であってもよいし、あるいは多角形であってもよく、任意の形状を選択しうる。
【００５８】
実施の形態では、ピストン型アキュムレータ１００の用途として油圧源２００を説明したが、ピストン型アキュムレータ１００は圧力の切換が必要なさまざまな用途に利用可能である。また油圧源２００の用途も、射出成形機には限定されずさまざまな工作機械に利用でき、あるいは車輌のショックアブソーバー、ブレーキシステム、列車の油圧駆動や、建造物の免震システムなど、油圧を利用したさまざまな用途に利用できる。
【００５９】
実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１００…ピストン型アキュムレータ、２…シリンダチューブ、４…ピストン、６…ガス室、８…油室、１０…サブ油室、１２…油口、２０…切換弁、３０…油路、４０，４２…円柱体、４４…円筒体、２００…油圧源、２０２…油圧ポンプ、２０３…逆止弁、２０４…アンロード弁、２０６…サーボ弁、２０８…シリンダ、３００…油圧サーボシステム。
【図１】
0005439135.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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