(57)【要約】【課題】簡単な構成で、油圧シリンダの位置、力およびコンプライアンスを制御可能にした油圧システムを提供すること。【解決手段】油圧システム１０が、第１と第２の作用室３０４、３０６を有した油圧シリンダ３００と、油圧シリンダの第２の作用室に所定圧力を印加する油圧源１２と、油圧源と第１の作用室との間に配設され油圧源に連通する入力ポート１１６、および、第１の作用室に連通する出力ポート１１８を有する制御弁１００とを具備し、制御弁が、中空外筒１０２内に配設、弾性保持されたスリーブ１０４と、スリーブ内において軸方向に摺動自在に配設されたスプール１０６とを有し、スプールを軸方向に変位させるステッピングモータ２００と、油圧シリンダのピストンの変位をスプールにフィードバックするフィードバック装置４００とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内面に沿って軸方向に摺動自在に配設されたピストン、前記ピストンの両側に形成される第１と第２の作用室、および、前記ピストンに連結され前記第２の作用室を貫通して前記シリンダの一端から突出したピストン棒を有した油圧シリンダと、前記油圧シリンダの第２の作用室に所定圧力を印加する油圧源と、前記油圧源と前記油圧シリンダの第１の作用室との間に配設され、前記油圧源に連通する入力ポート、および、前記油圧シリンダの第１の作用室に連通する出力ポートを有する制御弁とを具備した油圧システムにおいて、
前記制御弁は、中空ボアを有する中空外筒内に軸方向に摺動自在に配設されたスリーブと、前記スリーブ内において軸方向に摺動自在に配設されたスプールとを有し、前記入力ポートは、前記スリーブに形成された出口通路を介して前記出力ポートに連通しており、前記スプールが、前記出口通路を開閉するスプール弁を有しており、
前記油圧システムが、前記スプールを軸方向に変位させる入力部材と、
前記油圧シリンダのピストンの変位を前記スプールにフィードバックするフィードバック装置とを具備することを特徴とした油圧システム。
【請求項２】
前記制御弁は、前記入力ポートに連通した第１の圧力室と、前記出力ポートに連通した第２の圧力室とを有し、前記スリーブが前記第１と第２の圧力室の間に配設された受圧部を有しており、
前記受圧部において前記第１の圧力室に面した受圧面の面積が、第２の圧力室に面した受圧面の面積よりも小さくなっている請求項１に記載の油圧システム。
【請求項３】
前記入力部材はステッピングモータの回転軸であり、該回転軸は、前記スプールの変位量が同回転軸の回転角に比例するように、前記スプールに連結されている請求項１または２に記載の油圧システム。
【請求項４】
前記ステッピングモータは、その本体が前記回転軸と共に同回転軸を中心として回転自在に配設されており、前記フィードバック装置が、前記油圧シリンダのピストンの変位に比例して前記ステッピングモータの本体を回転させる回転駆動装置を具備する請求項３に記載の油圧システム。
【請求項５】
前記回転駆動装置が、前記油圧シリンダのピストン棒と共に変位する張力伝達部材を具備しており、該張力伝達部材が前記ステッピングモータの本体の外周面に巻設されている請求項４に記載の油圧システム。
【請求項６】
前記張力伝達部材は金属ベルトである請求項５に記載の油圧システム。
【請求項７】
前記ステッピングモータの回転軸の前記本体に関する相対的な回転角を検知する第１の回転検知器と、
前記ステッピングモータの本体の回転角を検知する第２の回転検知器と、
前記第１と第２の回転検知器により検知されたステッピングモータの本体に関する回転軸の回転角および本体の回転角を各々重みをつけて前記ステッピングモータの駆動装置にフィードバックするためのモータフィードバック装置を更に具備した請求項３に記載の油圧システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置制御、力制御およびコンプライアンス制御を簡単に行えるようにした油圧システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ステッピングモータへ指令入力を与えてスプールを変位させ、油圧シリンダ等の油圧アクチュエータを駆動する構成は公知となっている。その１つに、所謂ステッピングシリンダと称されるものがあり、これは、内側にねじが形成されたスプールをステッピングモータの回転により変位させてシリンダを駆動し、スプールの移動距離がピストンの移動距離に等しくなるように、フィードバックするようになっている。
【０００３】
また、所謂、電気油圧ステップモータと称されるシステムは、ねじが形成されたスプールをステッピングモータを回転させることにより変位させ、油圧モータの回転角がステッピングモータの回転角と同じになるように機械的フィードバックを行うようになっている。
【非特許文献１】
田口純一ほか、「油空圧化設計」、第１４巻−７号、５３頁〜６１頁（１９７６年）
【非特許文献２】
内田條治、「油空圧化設計」、第１４巻−７号、６２頁〜６８頁（１９７６年）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こうした従来の油圧システムは、何れもステッピングモータの回転を油圧により増幅した変位または回転角として出力するものであり、位置制御のみが可能となっている。
【０００５】
従来技術では、小型油圧シリンダで位置、力およびコンプライアンス制御を行う場合は、油圧シリンダのピストンまたはピストン棒の位置を位置センサを用いて検知すること、および、ピストンまたはピストン棒に作用する外力を力センサにより測定することが必要となる。従って、１つのシリンダに対して制御弁と位置センサおよび力センサを組み合わせて使用しなければならず、非常に複雑なシステムとなる問題がある。
【０００６】
本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、簡単な構成で、油圧シリンダの位置、力およびコンプライアンスを制御可能にした油圧システムを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、シリンダ内面に沿って軸方向に摺動自在に配設されたピストン、前記ピストンの両側に形成される第１と第２の作用室、および、前記ピストンに連結され前記第２の作用室を貫通して前記シリンダの一端から突出したピストン棒を有した油圧シリンダと、前記油圧シリンダの第２の作用室に所定圧力を印加する油圧源と、前記油圧源と前記油圧シリンダの第１の作用室との間に配設され、前記油圧源に連通する入力ポート、および、前記油圧シリンダの第１の作用室に連通する出力ポートを有する制御弁とを具備した油圧システムにおいて、
前記制御弁は、中空ボアを有する中空外筒内に軸方向に摺動自在に配設されたスリーブと、前記スリーブ内において軸方向に摺動自在に配設されたスプールとを有し、前記入力ポートは、前記スリーブに形成された出口通路を介して前記出力ポートに連通しており、前記スプールが、前記出口通路を開閉するスプール弁を有しており、
前記油圧システムが、前記スプールを軸方向に変位させる入力部材と、前記油圧シリンダのピストンの変位を前記スプールにフィードバックするフィードバック装置とを具備することを特徴とした油圧システムを要旨とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
先ず図１を参照すると、本発明による油圧システム１０は、制御弁１００、ステッピングモータ２００、油圧シリンダ３００および油圧源１２を具備している。制御弁１００は、中空円筒状の外筒１０２と、外筒１０２の円筒ボア１０２ａ内に軸方向に摺動自在に配設された中空円筒状のスリーブ１０４と、スリーブ１０４内に軸方向に摺動自在に配設されたスプール１０６とを具備している。外筒１０２には、制御弁１００の入力ポート１１６と出力ポート１１８が形成されている。
【０００９】
スリーブ１０４およびスプール１０６により、円筒ボア１０２ａは第１の室１０８と第２の室１１０に分割され、第１と第２の室１０８、１１０内には、第１と第２のコイルバネ１１４ａ、１１４ｂが配設されており、スリーブ１０４は、第１と第２のコイルバネ１１４ａ、１１４ｂにより互いに反対方向に付勢されて、図示するように、円筒ボア１０２ａ内に置いて概ね中間位置に弾性的に保持されている。
【００１０】
外筒１０２とスリーブ１０４との間には、入力ポート１１６に連通する第１の圧力室１２０と、外筒１０２に形成された連絡通路１２２を介して出力ポート１１８に連通する第２の圧力室１２１とが画成される。スリーブ１０４には、また、第１の圧力室１２０を介して入力ポート１１６に連通する入口通路１２４と、出力ポート１１８に連通する出口通路１２６とが形成されている。なお、連絡通路１２２にオリフィス１２８を配設して、スリーブの軸方向の移動を安定化することが好ましい。
【００１１】
スプール１０６は、制御弁１００の中心軸線に沿って延設された概ね棒状の部材から成る。スプール１０６の後端部分は、第２の室１１０から外筒１０２を貫通して外部に突き出しており、金属ベルト２０６を介してステッピングモータ２００の回転軸２０４に連結されている。スプール１０６は、上述したように、スリーブ１０４内に軸方向に摺動自在に挿入され、スプール１０６とスリーブ１０４との間に中間室１１２が画成される。
【００１２】
スプール１０６は、また、中間室１１２と出口通路１２６との間を連通、遮断するスプール弁１０６ａを有している。更に、スプール１０６は、第１と第２の圧力室１２０、１２１から圧力を受ける受圧部１０６ｂを有しており、受圧部１０６ｂにおいて、第１の圧力室１２０に面した第１の受圧面は、第２の圧力室１２１に面した第２の受圧面よりも小さくなっている。好ましい一例として、第１の受圧面の面積Ａ１は第２の受圧面の面積Ａ２の１／２倍となっている。なお、第１と第２の室１０８、１１０は、スプール１０６に形成された連通路１０６ｄを介して互いに連通しており、第１の室１０８は、ドレン管路１３０を介してタンク１３２に開放されている。
【００１３】
油圧シリンダ３００は、シリンダ内に軸方向に摺動自在に配設されたピストン３０２と、ピストン３０２に連結されたピストン棒３０８とを具備している。ピストン３０２により、シリンダ内部は第１と第２の作用室３０４、３０６に分割される。ピストン３０２は、第１の作用室３０４に面した第１の受圧面の面積が、ピストン棒３０８が貫通する第２の作用室３０６に面した第２の受圧面の面積よりも大きくなっている。好ましい一例として、第１の受圧面の面積Ｓ１は、第２の受圧面の面積Ｓ２の２倍となっている。
【００１４】
油圧源１２は、周知の油圧ポンプ（図示せず）、タンク１３２および前記油圧ポンプの制御装置を具備して成る。前記油圧ポンプの吐出ポートは、出力管路１４を介して制御弁１００の入力ポート１１６に連通しており、入力ポート１１６に前記油圧ポンプの吐出圧Ｐｓが印加される。また、出力管路１４には分岐管路１６が接続されており、油圧シリンダ３００の第２の作用室３０６にも前記油圧ポンプの吐出圧Ｐｓが印加される。なお、分岐管路１６にオリフィス、好ましくは可変オリフィス１８を配設して、ピストン３０２の動作を安定化させることが好ましい。
【００１５】
ステッピングモータ２００は、入力部材としての回転軸２０４と、回転軸２０４と同軸に回転自在に支持された本体２０２とを具備している。回転軸２０４の周囲には前記金属ベルト２０６が巻設されており、回転軸２０４は、上述したように、該金属ベルト２０６を介してスプール１０６の後端部分に連結されている。また、油圧シリンダ３００の変位をステッピングモータ２００へフィードバックするために、油圧シリンダ３００と、ステッピングモータ２００の間には機械的フィードバック装置４００が配設されている。
【００１６】
機械的フィードバック装置４００はステッピングモータ２００の本体２０２を回転する回転駆動装置から成り、油圧シリンダ３００のピストン棒３０８に連結され、ピストン棒３０８と共に油圧シリンダ３００の軸方向に変位する連接棒４０２と、ステッピングモータ２００の本体２０２に巻設された張力伝達部材としての金属ベルト４０６と、連接棒４０２と金属ベルト４０６とを結合する結合板４０４とを具備している。金属ベルト４０６は、ステッピングモータ２００の本体２０２、該金属ベルト４０６を受容する周溝が形成された円弧部材４０８およびローラ４１０を巡って張架されており、連接棒４０２が変位することにより、ステッピングモータ２００の本体２０２が回転するようになっている。張力伝達部材はワイヤやチェーンであってもよい。
【００１７】
以下、本実施形態の作用を説明する。
（１）位置制御
先ず、油圧シリンダ３００が釣り合っている状態から開始して、油圧シリンダ３００のピストン棒３０８の位置または変位を制御するための制御方法について説明する。
ピストン３０２の第１の受圧面は第２の受圧面よりも面積が大きいために、油圧シリンダ３００が釣り合っている状態では、第１の作用室３０４内の圧力Ｐ１は、第２の作用室３０６内の圧力Ｐｓよりも小さくなっている。例えば、上述したように、第１と第２の受圧面の面積比が、Ｓ１：Ｓ２＝２：１の場合に、油圧シリンダ３００が釣り合っている状態では、第１と第２の作用室３０４、３０６内の圧力比はＰ１：Ｐｓ＝１：２となっている。
【００１８】
このとき、仮に、ステッピングモータ２００の回転軸２０４を反時計回りの方向へある回転角αを以て回転させたとすると、スプール１０６が図１において右方へ変位する。すると、スプール１０６のスプール弁１０６ａが出口通路１２６から外れて、制御弁１００の入力ポート１１６が、第１の圧力室１２０、中間室１１２および出口通路１２６を介して出力ポート１１８に連通する。入力ポート１１６には油圧源１２の吐出圧Ｐｓが印加されているので、油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４の圧力Ｐ１が増加する。これにより、ピストン３０２は図１において右方へ変位し、これに伴って連接棒４０２もまた右方へ変位する。
【００１９】
連接棒４０２が右方へ変位すると、これに結合されている金属ベルト４０６およびステッピングモータ２００の本体２０２が時計回りの方向へ回転し、スプール１０６は左方へ変位する。スプール１０６が左方へ変位すると、スプール弁１０６ａにより中間室１１２と出口通路１２６との間の連通が遮断される。これにより、油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４への圧力供給が停止され、油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４の圧力がＰ１＝１／２Ｐｓとなったときにピストン３０２は停止する。ステッピングモータの回転軸２０４の回転角が大きくなると、それだけスプール１０６の変位量が大きくなり、出口通路１２６を閉鎖するために必要なピストン３０２の変位量も大きくなり、ピストン３０２の変位はステッピングモータ２００の回転軸２０４の回転角に比例することとなる。
【００２０】
（２）力制御
次に、ピストン棒３０８の先端が、例えば図２に示すように、壁３１０に当接していて、ピストン棒３０８が変位できない場合について説明する。
位置制御の場合と同様に、ステッピングモータ２００の回転軸２０４を反時計回りの方向へある回転角αを以て回転させたとすると、スプール１０６が図１において右方へ変位する。すると、スプール１０６のスプール弁１０６ａが出口通路１２６から外れて、制御弁１００の入力ポート１１６が、第１の圧力室１２０、中間室１１２および出口通路１２６を介して出力ポート１１８に連通する。
【００２１】
入力ポート１１６には油圧源１２の吐出圧Ｐｓが印加されているので、油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４の圧力Ｐ１が増加する。ピストンは右方へ移動しようとするが、壁３１０に当接しており移動することができない。一方、スリーブ１０４において第２の圧力室１２１に面した受圧面には、連絡通路１２２を介して出力ポート１１８の圧力が印加されている。他方。スリーブ１０４において第１の圧力室１２０に面する受圧面には、入力ポート１１６の圧力Ｐｓが印加されている。スリーブ１０４の第１と第２の圧力室１２０、１２１に面した受圧面の面積比は、ピストンの受圧面の面積比と同様にＡ１：Ａ２＝１：２とすると、油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４の圧力Ｐ１が増加すると、スリーブ１０４は右方へ移動し、スプール弁１０６ａにより出口通路１２６が閉鎖される。出口通路１２６が閉鎖されると、油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４の圧力Ｐ１の増加が停止する。
【００２２】
第１と第２のコイルバネ１１４ａ、１１４ｂから成るバネ系のバネ定数をκとすると、スリーブ１０４の変位量Ｘと、第１と第２の圧力室１２０、１２１の圧力Ｐｓ、Ｐ１との間には以下の関係がある。
κＸ＝Ｐ１×Ａ２−Ｐｓ×Ａ１
従って、
Ｐ１＝（Ｐｓ×Ａ１＋κＸ）／Ａ２
【００２３】
ここで、スリーブ１０４の変位量Ｘは、スプール弁１０６ａが出口通路１２６を閉鎖するために必要なスリーブ１０４の変位量であるので、スプール１０６の変位量に等しい。従って、スリーブ１０４の変位量Ｘはステッピングモータ２００の回転軸２０４の回転角に比例する。油圧シリンダ３００の発生する力をＦとすると、上記の関係から、Ｆ＝Ｐ１Ｓ１−ＰｓＳ２＝Ｓ２κＸ／Ａ１となるので、Ｆもまたステッピングモータ２００の回転軸２０４の回転角に比例することとなる。
【００２４】
（３）コンプライアンス制御
次に、図１を再び参照して、ピストン棒３０８の先端からピストン棒３０８を収縮させる方向（図１において左方）へ力が作用した場合を一例として油圧シリンダ３００のコンプライアンス制御について説明する。
【００２５】
ピストン棒３０８が左方へ移動すると、金属ベルト４０６は反時計回りの方向に回転する。これにより、ステッピングモータ２００の本体２０２は回転軸２０４と共に反時計回りの方向に回転し、スプール１０６が右方へ移動し、出口通路１２６が第１の圧力室１２０に連通する。これにより、油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４の圧力Ｐ１が増加して、ピストン棒３０８を右方へ押し返す力または反発力が増加する。
【００２６】
油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４の圧力Ｐ１が増加するにつれて、スリーブ１０４が右方へ移動して、出口通路１２６が次第に閉鎖され、油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４の圧力Ｐ１が増加が停止する。ここで、ステッピングモータ２００の回転軸２０４を反時計回りの方向に更に回転すると、スプール１０６が更に右方へ変位して出口通路１２６が再び開かれ、油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４の圧力Ｐ１が更に増加する。反対にステッピングモータ２００の回転軸２０４を時計回りの方向に回転すると、スプール１０６が左方へ変位して出口通路１２６は、通路１０６ｃ、第１の室１０８、およびドレン管路１３０を介してタンク１３２に開放され、油圧シリンダ３００の第１の作用室３０４の圧力Ｐ１が低下する。
【００２７】
圧力Ｐ１が低下すると、第２の圧力室１２１内の圧力も低下するために、スリーブ１０４が左方へ変位する。このスリーブ１０４の左方への変位は、スプール弁１０６ａにより出口通路１２６が再び閉鎖されるまで続き、その間圧力Ｐ１もまた低下し続ける。従って、ピストン棒３０８に力が作用して、ピストン３０２が変位した場合、ステッピングモータ２００の回転軸２０４を回転させることにより、ピストン３０２の変位量が同じであっても、異なる大きさの反発力を自由に生成することができる。すなわち、油圧シリンダ３００のコンプライアンスを制御することが可能となる。
【００２８】
また、図３に示すように、ステッピングモータ２００の回転軸２０４の本体２０２に関する相対的な回転角を検知する第１の回転検知器５０２と、本体２０２の回転角を検知する第２の検知器５０４とを備え、ステッピングモータ２００の回転軸２０４の目標回転角θｒに対して、第１と第２の回転検知器５０２、５０４により検知されたステッピングモータ２００の本体２０２に関する回転軸２０４の回転角θおよび本体２０２の回転角φを各々重みｍ、１−ｍをつけてステッピングモータの駆動装置５０６にフィードバックするためのモータフィードバック装置５００を更に設けることができる。これにより、０＜ｍ＜１の場合に、ｍが大きい程、コンプライアンスが小さくなり、ピストン３０２は変位しにくくなり、ｍ＜０の場合にｍが小さい程コンプライアンスが高くなり、ピストン３０２が変位し易い柔軟なシステムとなる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明による油圧システムは、油圧をデジタル的にステッピングモータで制御する信号と、油圧源のみで非常にコンパクトな構成で高精度な位置制御のみならず、力およびコンプライアンスを制御することが可能となる。また、ピストンに作用する外力を測定する力センサを必要としないために、システム全体の構成を更に小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態による油圧システムの概略図である。
【図２】図１の油圧システムの力制御を説明するための図１と同様の概略図である。
【図３】本発明の一実施形態によるモータフィードバック装置を備えた油圧システムの概略図である。
【符号の説明】
１０…油圧システム
１２…油圧源
１００…制御弁
１０２…外筒
１０４…スリーブ
１０６…スプール
１１６…入力ポート
１１８…出力ポート
１２０…第１の圧力室
１２１…第２の圧力室
１２６…出口通路
２００…ステッピングモータ
２０２…本体
２０４…回転軸
３００…油圧シリンダ
３０２…ピストン
３０４…第１の作用室
３０６…第２の作用室
３０８…ピストン棒
４００…フィードバック装置
５００…モータフィードバック装置
【図１】
2004346978.tif 000003
【図２】
2004346978.tif 000004
【図３】
2004346978.tif 000005