(57)【要約】【課題】電動モータの回転数およびトルクが一定であっても液圧アクチュエータに必要な推力またはトルクに応じて減速比を変更することができる液圧駆動装置を提供する。【解決手段】液圧駆動装置は、電動モータと、電動モータによって駆動される可変容量型のポンプであって、電動モータの回転方向によって吐出側と吸込側とが切り換わる一対のポンプポートを有するポンプと、第１給排ラインおよび第２給排ラインにより一対のポンプポートと接続された液圧アクチュエータと、液圧アクチュエータに対するアクチュエータ位置指令値に基づいて電動モータを制御する制御装置と、を備え、ポンプは、第１給排ラインと第２給排ラインとの差圧が大きくなるほど当該ポンプの容量が小さくなるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータと、
前記電動モータによって駆動される可変容量型のポンプであって、前記電動モータの回転方向によって吐出側と吸込側とが切り換わる一対のポンプポートを有するポンプと、
第１給排ラインおよび第２給排ラインにより前記一対のポンプポートと接続された液圧アクチュエータと、
前記液圧アクチュエータに対するアクチュエータ位置指令値に基づいて前記電動モータを制御する制御装置と、を備え、
前記ポンプは、前記第１給排ラインと前記第２給排ラインとの差圧が大きくなるほど当該ポンプの容量が小さくなるように構成されている、液圧駆動装置。
【請求項２】
前記ポンプは、回転軸と、前記回転軸と共に回転する、複数のシリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記複数のシリンダボアにそれぞれ挿入された複数のピストンと、前記一対のポンプポートが形成されたポートプレートと、前記複数のピストンのストロークを規定する斜板と、前記斜板を押圧するスプリングと、を含み、前記一対のポンプポート間の圧力差に応じて前記ピストンが前記斜板を傾動させるモーメントを発生させるように構成されている、請求項１に記載の液圧駆動装置。
【請求項３】
前記液圧アクチュエータは、互いに揺動可能に連結された一対の部材間の関節角度を変更する液圧シリンダである、請求項１または２に記載の液圧駆動装置。
【請求項４】
前記電動モータの回転角度であるモータ角度実績値を検出する位置センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記ポンプの傾転角と対応する減速比を決定し、前記アクチュエータ位置指令値および前記減速比を使用して前記電動モータに対するモータ角度指令値を算出し、前記モータ角度指令値および前記位置センサで検出されるモータ角度実績値を用いて位置フィードバック制御を行う、請求項１〜３の何れか一項に記載の液圧駆動装置。
【請求項５】
前記アクチュエータ位置指令値は、前記一対の部材間の関節角度指令値であり、
前記一対の部材間の関節角度実績値を検出する位置センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記関節角度指令値および前記位置センサで検出される関節角度実績値の検出値を用いて位置フィードバック制御を行う、請求項３に記載の液圧駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動モータにより液圧アクチュエータを作動させる液圧駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電動モータにより液圧アクチュエータを作動させる液圧駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この液圧駆動装置では、電動モータによって駆動されるポンプが、電動モータの回転方向によって吐出側と吸込側とが切り換わる一対のポンプポートを有し、これらのポンプポートが一対の給排ラインにより液圧アクチュエータと接続される。
【０００３】
このような液圧駆動装置では、液圧アクチュエータは、電動モータの回転量に応じた作動量だけ作動する。つまり、電動モータのトルクが液圧アクチュエータの推力（液圧アクチュエータが液圧シリンダの場合）またはトルク（液圧アクチュエータが液圧モータの場合）に変換される。また、液圧アクチュエータが液圧シリンダの場合も液圧アクチュエータが液圧モータの場合も、ポンプは、電動モータの回転速度を、比較的に遅い液圧アクチュエータの速度（シリンダ速度またはモータ速度）に変換する減速機として機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５７４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の液圧駆動装置では、ポンプが固定容量型である。従って、電動モータの回転数およびトルクが一定であれば、液圧アクチュエータの推力またはトルクも一定である。
【０００６】
しかしながら、電動モータの回転数およびトルクが一定であっても、液圧アクチュエータに必要な推力またはトルクに応じて減速比を変更できるようにすることが望まれる。例えば、液圧アクチュエータが液圧シリンダの場合は、シリンダ速度を遅くして推力を大きくしたり、シリンダ速度を速くして推力を小さくしたりすることが望まれる。
【０００７】
そこで、本発明は、電動モータの回転数およびトルクが一定であっても液圧アクチュエータに必要な推力またはトルクに応じて減速比を変更することができる液圧駆動装置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】
前記課題を解決するために、本発明の液圧駆動装置は、電動モータと、前記電動モータによって駆動される可変容量型のポンプであって、前記電動モータの回転方向によって吐出側と吸込側とが切り換わる一対のポンプポートを有するポンプと、第１給排ラインおよび第２給排ラインにより前記一対のポンプポートと接続された液圧アクチュエータと、前記液圧アクチュエータに対するアクチュエータ位置指令値に基づいて前記電動モータを制御する制御装置と、を備え、前記ポンプは、前記第１給排ラインと前記第２給排ラインとの差圧が大きくなるほど当該ポンプの容量が小さくなるように構成されている、ことを特徴とする。
【０００９】
液圧アクチュエータが液圧シリンダの場合も液圧モータの場合も、通常、液圧アクチュエータへの作動油の供給側の給排ラインの圧力は高く、液圧アクチュエータからの作動液の排出側の給排ラインの圧力は低い。すなわち、第１給排ラインと第２給排ラインとの差圧が大きいことは液圧アクチュエータに必要な推力またはトルクが大きいことを意味する。また、ポンプの容量が小さいことは、減速比が大きいことを意味する。従って、上記の構成によれば、電動モータの回転数およびトルクが一定であっても液圧アクチュエータに必要な推力またはトルクに応じて減速比を変更することができる。
【００１０】
前記ポンプは、回転軸と、前記回転軸と共に回転する、複数のシリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記複数のシリンダボアにそれぞれ挿入された複数のピストンと、前記一対のポンプポートが形成されたポートプレートと、前記複数のピストンのストロークを規定する斜板と、前記斜板を押圧するスプリングと、を含み、前記一対のポンプポート間の圧力差に応じて前記ピストンが前記斜板を傾動させるモーメントを発生させるように構成されていてもよい。この構成によれば、電動モータ、ポンプおよび液圧アクチュエータで構成される機械ユニットを小型化することができるとともに、第１給排ラインと第２給排ラインの差圧に応じてポンプの傾転角を自動的に切り替えることができる。
【００１１】
前記液圧アクチュエータは、互いに揺動可能に連結された一対の部材間の関節角度を変更する液圧シリンダであってもよい。この構成によれば、液圧駆動装置をヒューマノイドロボットや産業用ロボットなどの関節に使用することができる。
【００１２】
例えば、上記の液圧駆動装置は、前記電動モータの回転角度であるモータ角度実績値を検出する位置センサをさらに備え、前記制御装置は、前記ポンプの傾転角と対応する減速比を決定し、前記アクチュエータ位置指令値および前記減速比を使用して前記電動モータに対するモータ角度指令値を算出し、前記モータ角度指令値および前記位置センサで検出されるモータ角度実績値を用いて位置フィードバック制御を行ってもよい。
【００１３】
前記アクチュエータ位置指令値は、前記一対の部材間の関節角度指令値であり、上記の液圧駆動装置は、前記一対の部材間の関節角度実績値を検出する位置センサをさらに備え、前記制御装置は、前記関節角度指令値および前記位置センサで検出される関節角度実績値の検出値を用いて位置フィードバック制御を行ってもよい。この構成によれば、減速比が正確に決定されなくても、液圧アクチュエータの作動位置を高精度に制御することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電動モータの回転数およびトルクが一定であっても液圧アクチュエータに必要な推力またはトルクに応じて減速比を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る液圧駆動装置の概略構成図である。
【図２】図１に示す液圧駆動装置の機械ユニットの概略構成図である。
【図３】ポンプの断面図である。
【図４】図３のIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】（ａ）は本実施形態の制御装置内のブロック図、（ｂ）は変形例の制御装置内のブロック図である。
【図６】（ａ）はポンプの傾転角が小さい場合のシリンダ速度とシリンダ推力の関係を示す図、（ｂ）はポンプの傾転角が大きい場合のシリンダ速度とシリンダ推力の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に、本発明の一実施形態に係る液圧駆動装置１を示す。この液圧駆動装置１は、機械ユニット２と制御装置５を含む。
【００１７】
図２に示すように、機械ユニット２は、電動モータ２１、ポンプ３および液圧アクチュエータ２２が一体となったものである。また、機械ユニット２には、タンク２９（図１参照）として、小容積の貯留室が形成されている。
【００１８】
本実施形態では、液圧アクチュエータ２２が、互いに揺動可能に連結された一対の部材７１，７２間の関節角度を変更する、単ロッドの液圧シリンダである。例えば、部材７１，７２のそれぞれは、ロボットアームである。ただし、液圧アクチュエータ２２は、両ロッドの液圧シリンダであってもよい。あるいは、液圧アクチュエータ２２は、液圧モータであってもよい。
【００１９】
機械ユニット２には、ポンプ３および液圧アクチュエータ２２を含む液圧回路が設けられている。液圧回路を流れる作動液は、典型的には油であるが、水などのその他の液体であってもよい。
【００２０】
ポンプ３は、電動モータ２１の出力軸と連結された回転軸３１を含む。つまり、ポンプ３は、電動モータ２１により駆動される。なお、ポンプ３の回転軸３１は、電動モータ２１の出力軸と直接的に連結されてもよいし、減速機などを介して間接的に連結されてもよい。
【００２１】
ポンプ３は、一対のポンプポート３ａ，３ｂを有する。ポンプポート３ａ，３ｂは、電動モータ２１の回転方向によって吐出側と吸入側とが切り換わる。例えば、電動モータ２１が一方向に回転すれば、ポンプポート３ａが吸入ポート、ポンプポート３ｂが吐出ポートとなり、電動モータ２１が逆方向に回転すれば、ポンプポート３ｂが吸入ポート、ポンプポート３ａが吐出ポートとなる。
【００２２】
ポンプ３のポンプポート３ａ，３ｂは、第１給排ライン２３および第２給排ライン２４により液圧アクチュエータ２２と接続されている。本実施形態では、液圧アクチュエータ２２が単ロッドの液圧シリンダであるために、液圧アクチュエータ２２への供給量と液圧アクチュエータ２２からの排出量が異なる。そのために、液圧シリンダのロッド側の第１給排ライン２３は、チェック弁２６が設けられた第１調整ライン２５によりタンク２９と接続されており、液圧シリンダのヘッド側の第２給排ライン２４は、パイロットチェック弁２８が設けられた第２調整ライン２７によりタンク２９と接続されている。
【００２３】
チェック弁２６およびパイロットチェック弁２８は、タンク２９から導出される流れは許容し、その逆の流れは禁止する。さらに、第２調整ライン２７に設けられたパイロットチェック弁２８には、パイロットライン２８ａを通じて第１給排ライン２３の圧力が導かれ、パイロットチェック弁２８は、第１給排ライン２３の圧力が設定圧よりも高くなったときに逆流防止機能を解除する。
【００２４】
なお、液圧アクチュエータ２２が両ロッドの液圧シリンダまたは液圧モータである場合は、第２調整ライン２７にはパイロットチェック弁２８の代わりに単なるチェック弁が設けられてもよい。
【００２５】
ポンプ３は、可変容量型のポンプである。ポンプ３は、第１給排ライン２３と第２給排ライン２４との差圧が大きくなるほど当該ポンプ３の容量（１回転あたりに押しのける容積）が小さくなるように構成されている。
【００２６】
本実施形態では、ポンプ３が斜板ポンプである。そして、ポンプ３の傾転角が、第１給排ライン２３と第２給排ライン２４の差圧に応じて自動的に切り替えられる。
【００２７】
具体的に、ポンプ３は、図３に示すように、上述した回転軸３１をベアリングを介して回転可能に支持するポートブロック４４およびケーシング４５を含む。そして、これらのポートブロック４４およびケーシング４５で囲まれる空間内に、ポートプレート４３、シリンダブロック３２、斜板３５などが収容されている。
【００２８】
シリンダブロック３２は、回転軸３１と共に回転する。シリンダブロック３２には、複数のシリンダボア４１が形成されている。これらのシリンダボア４１には、複数のピストン３３がそれぞれ挿入されている。また、シリンダブロック３２には、各シリンダボア４１の底に連通路４２が形成されている。
【００２９】
斜板３５は、ピストン３３のストロークを規定する。より詳しくは、ピストン３３の頭部には、複数のシュー３４がそれぞれ嵌合しており、これらのシュー３４が、シリンダブロック３２の回転に伴って斜板３５上を摺動する。斜板３５のシュー３４側の摺動面と回転軸３１に対する直交面とのなす角度が、ポンプ３の傾転角である。
【００３０】
本実施形態では、シリンダブロック３２の脇に、スプリング３７が配置されている。スプリング３７は、斜板３５とポートブロック４４との間に介在し、押圧板３６を介して斜板３５を回転軸３１の軸方向に押圧する。
【００３１】
ポートプレート４３は、ポートブロック４４に固定されており、シリンダブロック３２がポートプレート４３上を摺動する。図４に示すように、ポートプレート４３には、上述したポンプポート３ａ，３ｂが形成されている。シリンダブロック３２に形成された連通路４２は、ポンプポート３ａ，３ｂと連通したりポンプポート３ａ，３ｂから切り離されたりする。
【００３２】
ポンプ３は、ポンプポート３ａ，３ｂ間の圧力差に応じてピストン３３が斜板３５を傾動させるモーメントを発生させるように構成されている。本実施形態では、ポンプポート３ａ，３ｂのそれぞれが、回転軸３１の中心でスプリング側と反スプリング側とに分割したときにスプリング側の部分よりも反スプリング側の部分が長くなる形状を有する。なお、説明の便宜上、以下では、回転軸３１の中心からスプリング側を上方、回転軸３１の中心から反スプリング側を下方という。
【００３３】
このため、ポンプポート３ａ，３ｂのどちらが吐出口となったとしても、ピストン３３が斜板３５の上側部分を押圧する力よりも斜板３５の下側部分を押圧する力が大きくなる。逆に、吸入口では、ピストン３３が斜板３５の上側部分を押圧する力よりも斜板３５の下側部分を押圧する力が小さくなる。従って、吐出圧が高くなるほど、換言すればポンプポート３ａ，３ｂ間の圧力差が大きくなるほど、ピストン３３が斜板３５をスプリング３７の付勢力に抗してポンプ３の傾転角が小さくなる方向に傾動させるモーメントが大きくなる。
【００３４】
上述した制御装置５は、液圧アクチュエータ２２に対するアクチュエータ位置指令値に基づいて電動モータ２１を制御する。例えば、制御装置５は、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリとＣＰＵを有するコンピュータであり、ＲＯＭに記憶されたプログラムがＣＰＵにより実行される。なお、制御装置５は、単一の機器であってもよいし、複数の機器に分割されてもよい。
【００３５】
具体的に、制御装置５は、図５（ａ）に示すように、モータ角度変換部５１、位置制御部５２、速度制御部５３、インバータ部５４および微分部５５を含む。制御装置５には、図略の別の装置から、アクチュエータ位置指令値が入力される。本実施形態では、アクチュエータ位置指令値が、部材７１，７２間の関節角度指令値θｃである。
【００３６】
さらに、本実施形態では、制御装置５が２つのエンコーダ６１，６２（位置センサ）と電気的に接続されている。エンコーダ６１は、図１に示すように電動モータ２１の出力軸に設けられており、電動モータ２１の回転角度であるモータ角度実績値θｍｆを検出する。エンコーダ６２は、図２に示すように部材７１，７２同士を連結する揺動軸に設けられており、部材７１，７２間の関節角度実績値θｆを検出する。
【００３７】
なお、関節角度実績値θｆを検出する位置センサとしては、エンコーダ６２以外にも、液圧アクチュエータ２２である液圧シリンダに設けられるストロークセンサなどを用いることが可能である。
【００３８】
本実施形態では、制御装置５が、図５（ａ）に示すように、関節角度指令値θｃおよびエンコーダ６２で検出される部材７１，７２間の関節角度実績値θｆを用いて位置フィードバック制御を行う。また、制御装置５は、電動モータ２１に対するモータ速度指令値ωｍｃおよびエンコーダ６１で検出される電動モータ２１のモータ角度実績値θｍｆの微分値ωｍｆを用いて速度フィードバック制御を行う。以下、制御装置５の各部の機能を詳しく説明する。
【００３９】
モータ角度変換部５１は、ポンプ３の傾転角と対応し、かつ部材７１，７２等のリンク機構に依存する減速比Ｒを決定し、関節角度指令値θｃおよび減速比Ｒを使用して電動モータ２１に対するモータ位置偏差θｍｅを算出する。
【００４０】
減速比Ｒは、第１給排ライン２３と第２給排ライン２４との差圧にも依存する。例えば、モータ角度変換部５１は、電動モータ２１に設けられたトルク計または第１および第２給排ライン２３，２４に設けられた圧力計の検出値などに基づいて、減速比Ｒを算出する。
【００４１】
そして、モータ角度変換部５１は、部材７１，７２間の関節角度指令値θｃとエンコーダ６２で検出される関節角度実績値θｆとの偏差を減速比Ｒで割って電動モータ２１に対するモータ位置偏差θｍｅを算出する。
【００４２】
位置制御部５２は、モータ位置偏差θｍｅに位置ゲインＫｐを乗算して電動モータ２１に対するモータ速度指令値ωｍｃを算出する。ただし、制御装置５は、モータ位置偏差θｍｅを算出せずに、部材７１，７２間の関節角度指令値θｃとエンコーダ６２で検出される関節角度実績値θｆとの偏差にＫｐ／Ｒを乗算することでモータ速度指令値ωｍｃを算出してもよい。
【００４３】
微分部５５は、エンコーダ６１で検出されるモータ角度実績値θｍｆを微分してモータ速度実績値ωｍｆを算出する。速度制御部５３は、は、モータ速度指令値ωｍｃとモータ速度実績値ωｍｆとの偏差に速度ゲインＫｖを乗算して、電動モータ２１に対する電流指令値Ｉｍｃを算出する。インバータ部５４は、電流指令値Ｉｍｃに基づいて電動モータ２１へ電力を供給する。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の液圧駆動装置１では、ポンプ３が、第１給排ライン２３と第２給排ライン２４との差圧が大きくなるほど当該ポンプ３の容量が小さくなるように構成されている。通常、液圧アクチュエータ２２への作動油の供給側の給排ラインの圧力は高く、液圧アクチュエータ２２からの作動液の排出側の給排ラインの圧力は低い。すなわち、第１給排ライン２３と第２給排ライン２４との差圧が大きいことは液圧シリンダである液圧アクチュエータ２２に必要な推力が大きいことを意味する。また、ポンプ３の容量が小さいことは、減速比Ｒが大きいことを意味する。従って、本実施形態の液圧駆動装置１によれば、電動モータ２１の回転数およびトルクが一定であっても液圧アクチュエータ２２に必要な推力に応じて減速比Ｒを変更することができる。
【００４５】
例えば、図６（ａ）に示すように、液圧シリンダである液圧アクチュエータ２２に必要な推力が大きな場合は、第１給排ライン２３と第２給排ライン２４との差圧が大きくなるために、減速比Ｒを大きくすることができる。逆に、図６（ｂ）に示すように、液圧アクチュエータ２２に必要な推力が小さな場合は、第１給排ライン２３と第２給排ライン２４との差圧が小さくなるために、減速比Ｒを小さくすることができる。なお、シリンダ推力およびシリンダ速度で形成される矩形面積は、図６（ａ）および（ｂ）中に示す二点鎖線に沿って変化する。
【００４６】
また、本実施形態では、液圧アクチュエータ２２が部材７１，７２間の関節角度を変更する液圧シリンダであるので、液圧駆動装置１をヒューマノイドロボットや産業用ロボットなどの関節に使用することができる。
【００４７】
ところで、制御装置５が行う位置フィードバック制御では、エンコーダ６２で検出される部材７１，７２間の関節角度実績値θｆの代わりに、図５（ｂ）に示すように、エンコーダ６１で検出される電動モータ２１に対するモータ角度実績値θｍｆが用いられてもよい。つまり、制御装置５は、関節角度指令値θｃおよび減速比Ｒを使用してモータ角度指令値θｍｃを算出し、モータ角度指令値θｍｃおよびモータ角度実績値θｍｆを用いて位置フィードバック制御を行ってもよい。ただし、前記実施形態のようにエンコーダ６２で検出される部材７１，７２間の関節角度実績値θｆを用いて位置フィードバック制御を行うことで、減速比Ｒが正確に決定されなかったり、液圧回路からの作動液のリークがあったとしても、液圧アクチュエータ２２の作動位置を高精度に制御することができる。
【００４８】
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００４９】
例えば、ポンプ３の傾転角は、必ずしも自動的に切り替えられる必要はなく、電動アクチュエータにより変更されてもよい。
【００５０】
また、前記実施形態では、ポンプ３が斜板ポンプであったが、ポンプ３は斜軸ポンプであってもよい。あるいは、ポンプ３は、可変容量型である限り特に限定されず、例えばベーンポンプや可変容量ギアポンプなどであってもよい。ただし、前記実施形態のようにポンプ３が斜板ポンプであれば、電動モータ２１、ポンプ３および液圧アクチュエータ２２で構成される機械ユニット２を小型化することができる。
【００５１】
また、制御装置５は、オブザーバなどの制御理論によるセンサレス制御を行ってもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１    液圧駆動装置
２１  電動モータ
２２  液圧アクチュエータ
２３  第１給排ライン
２４  第２給排ライン
３    ポンプ
３ａ，３ｂ  ポンプポート
３１  回転軸
３２  シリンダブロック
３３  ピストン
３５  斜板
３７  スプリング
４１  シリンダボア
４３  ポートプレート
４４  ポートブロック
５    制御装置
６１，６２  エンコーダ（位置センサ）
７１，７２  部材
【図１】
2019027410.tif 000003
【図２】
2019027410.tif 000004
【図３】
2019027410.tif 000005
【図４】
2019027410.tif 000006
【図５】
2019027410.tif 000007
【図６】
2019027410.tif 000008