NACHITECHNICALREPORT
Components

20A1Vol.

March/2010■ 寄稿・論文・報文・解説

機能部品事業「プラネタリーギヤ型低圧水圧モーターと増圧器」
Low Pressure Water Hydraulic Planetary Gear Motorand Pressure Intensifier〈キーワード〉水圧駆動・低圧・プラネタリーギヤ
モーター・増圧器

国立沼津工業高等専門学校／制御情報工学科
教授

大島 茂

Shigeru OSHIMA
Numazu National College of Technology
Department of Control and Computer Engineering

「プラネタリーギヤ型低圧水圧モーターと増圧器」

要旨

新しいタイプの低圧水圧モーターと回転型水圧増約200年前の産業革命期から水圧駆動技術は圧器について紹介する。ここではその基本構造と本格的に使用されはじめ、当時イギリスの主要な都さらに増圧機能の基本的特性作動原理を紹介し、市では水圧動力を供給するための配管網が敷設さについて実験結果を示す。

エレベー
れ、港湾のクレーンや生産工場の水圧プレス、基本構造はプラネタリーギヤ型回転機構となってタなどの駆動源として盛んに使われていた。20世紀いる。内側に5つの凹凸をもつ曲線で構成されるステーに入る頃から石油系作動油が水の代わりに使用さタと外側に4つの凹凸を持つ曲線で構成されるロータ、れるようになり、錆、摩擦、摩耗、漏れなどの問題がそして両者の間に組み込まれ両者の曲線上に切ら一気に改善され油圧駆動技術が主流となり１世紀れた歯に噛合い転動する9つのプラネタリーギヤ、両余りが過ぎた。その間、石油資源の枯渇に対する危ポートプレートなどで構成される。
側端面を塞ぐフランジ、機感と難燃性への要求から1980年代には高含水水圧モーターと増圧器は排出ポートを構成する1枚作動液が製鉄や鉱業の分野で使用されるようになっのポートプレートが異なるだけで、他は同じ部品からた。そして１990年代に入り、環境問題が重要視され構成されている。試作機による実験で増圧比2.5までるようになり、環境保全性と省資源・省エネルギーの可能であることが確認された。

を作動流体とする水圧駆要求から清水（水道水）

Abstract
This paper introduces a new type low pressure
water hydraulic motor and a rotary type water hydraulic pressure intensifier. The basic structure andthe working principle of them are introduced andthe fundamental characteristics of the intensifier arepresented by experimental results.
Their basic structure is based on the planetary
gear mechanism. Its main part consists of a stator, arotor, nine planetary gears, a flange and side plates.
The inside of the stator is formed by a curve with 5lobes and the outside of the rotor is formed by acurve with 4 lobes. Their curved surfaces have teeth
and they are in fitted with the planetary gears which
revolve with rotation of the rotor. The difference between the motor and the intensifier is only on a port
plate. Besides the port plate, the all parts of them
are completely the same. It is found that the criticalintensification ratio is about 2.5 by experimental results with a prototype of the pressure intensifier.
11.なぜ再び水圧か動技術が再び注目されるようになった。現代の水圧駆動技術は、20世紀に発展した種々工学技術の応用の上に成り立ち、産業革命期のものとは大きく異なる。
さらに
本稿では、水圧駆動技術の現状を紹介し、筆者がとくに興味を持つ低圧水圧駆動技術に関する研究の中で手がけているプラネタリーギヤ型低圧水圧モーターおよび、それを基に考案した回転型水圧増圧器の基本的作動の原理と特性について紹介する。

2. 水圧駆動技術の現状
作動流体に水を使用するため、水質の維持管理、一方、機器を低圧力仕様にすることで価格を下げ、材料に対する腐食や錆の発生、潤滑性が低いこと低い圧力を使用することで、安全・安心な水圧駆動による摩擦や摩耗の増大、粘性が低いことによるすシステムが実現されている。空気圧駆動よりも高剛きま漏れの増大、飽和蒸気圧が高いことによるキャ性で効率は高く、水辺や水中あるいは高湿度の環ビテーションの発生し易さ、凍結や蒸発の問題など境下において漏電によるトラブルなどが無いことから技術的課題は多く存在する。
しかし、新しい材料の電気駆動にも優る面を持つ。そのような観点から、技術、精密加工技術、表面処理技術、設計技術な

低圧水圧駆動システムは、高動力密度のシステムをどの長足な進歩により多くの問題が解決され、現在目指すのではなく、安全で安心して容易に使用できの水圧駆動技術が実現されている。油圧技術の発る一般ユーザー向けの駆動システムとして、幅広い展とともに進歩した流体制御手法と電子制御技術分野への応用が期待できる。プールサイドで使用すの応用により、油圧、空気圧、電気駆動に並ぶ第４る水圧リフト、入浴介助リフター、水圧自動スライドドア、の駆動制御技術として実用されるようになった。

水圧昇降洗面台、地下道入口などに設置される水水圧駆動システムは、油圧駆動システムと基本的圧駆動防水壁など、介護用機器や防災機器などへに構造・原理は同じであるが、競合するものではない。の実用例が見られる。水道圧力（0.2〜0.6MPa程度）

建設機械や重量車両などでは非常に高い動力密で直接駆動するものも多く、それらは水圧源装置を度が要求され油圧駆動システムは必須のものとなっもたない単純なシステム構成で実現されている。産ている。現状の水圧駆動システムでは、一般に最高業分野では、工場内に設備されている注水ラインの使用圧力は14MPa程度であり、主な応用分野とし利用や、遠心型ポンプを水圧源装置として使用する

クリーンで衛生的、環境保全性に優れ、火災ては、ことも可能である。の危険がなく、水中での使用や洗浄が容易、作動低圧水圧システムにおいては、低圧力で作動す流体の入手や廃棄が容易などの利点を活かすとこる水圧増圧器が時として必要になる。本稿で紹介

ろで使用されている。食品加工機械、水門用駆動する回転型水圧増圧器はそのようなところに使用さ装置、水圧フォークリフト、半導体成形水圧プレスなれるものである。

1）

どの応用が報告されている 。

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「プラネタリーギヤ型低圧水圧モーターと増圧器」

3.プラネタリーギヤ型低圧水圧モーターの構造と作動原理
図1に主要部の内部構造を、図2に側断面図を示

全てがポートプレートＢを貫通してモーター内の各部ステータ、ロータと9つす。主要部を構成する部品は、屋に接続するようになっている。ロータの回転に伴

その他にポートプレートやフのプラネタリーギヤであり、いプラネタリーギヤが公転するため、モーター内の各ランジなどで構成されている。ロータの外周形状は部屋は排出と供給の分配穴に交互に切替わってこの曲線ところがり接触するた余弦曲線で形成し、接続する。各部屋の体積は供給分配穴に接続してめの条件を満たすようにステータ内面の曲線とプラいる間はロータの回転とともに増大し、排出分配穴ネタリーギヤのピッチ円半径は決定される。そのために接続している間は減少するように設計されている。

２）の条件式は文献 に示されている。ステータとロータの間のすきまはプラネタリーギヤにより9つの部屋に仕切られており、ロータの回転に伴いプラネタリーギヤは自転しながら公転し、それぞれの部屋の体積は周期的に増減を繰り返す。
ポートプレートＡには排出ポートが明けられ、図3に示すように5角形の溝により5つの分配穴に連結されている。ポートプレートＢには、図3に示す位置に供給ポートが明けられ、5つの分配穴に5角形の溝で連結されている。供給ポートはセンタープレートとポートプレートＡを貫通して外部配管に接続される。排出と供給の各５つの分配穴は交互に配置されており、
図２ プラネタリーギヤ型水圧モーターの側断面図

図１ プラネタリーギヤ型水圧モーターの主要部構造

3

図３ ポートプレート上の供給／排出ポートと分配穴の配置

供給された水圧によりトルクが生成される原理は筆者らの研究で用いた試作モーターの基本仕様

図4により説明できる。図4の灰色に塗られた部屋はを表1に示し、内部構造の写真を図5に示す。理論

供給分配穴に接続する位置にある部屋であり、ローロータは4つ凹凸押しのけ容積は37.6cm ／revで、タ外周面およびプラネタリーギヤ外周面に供給水圧をもつ曲線、ステータ内面は5つの凹凸をもつ曲線が作用する。ロータ外周面に作用する水圧による力で構成されている。排出および供給分配穴の数はの作用線は（a）の図の矢印で示すようにロータの中それぞれ5つ設置している。

3心軸よりeだけ偏心しているため時計方向のトルク
プラネタリーギヤに作用する水圧は（b）が生じる。一方、に示すように相反する方向の力を生じるが、力の作

表1

試作供試モーターの基本仕様

Working fluid
Rated supply pressure
Rated supply flow rate
Rated rotational speed
Rated output torqueRated output power

ここでも時用点までの距離r1がr2に比べ長いため、計方向のトルクが生じる。灰色に塗られた全ての部
屋で同様な状況が得られ、それらの部屋の総合トルクがモーターの出力トルクとなる。ロータの回転に伴

tap water
0.25 MPa
30.008 m ／min
200 rpm
0.9 Nm20 w

いプラネタリーギヤが公転し、供給と排出の分配穴への接続が自動的に切換わり時計方向へ連続的に回転する。

（a）

（b）

図４ トルク生成原理の説明図

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図５ 試作供試モーターの内部構造写真

4

「プラネタリーギヤ型低圧水圧モーターと増圧器」

4.回転型水圧増圧器の構造と理論
上述のプラネタリーギヤ型低圧水圧モーターのポートプレートＡを図6のように改造するだけで増圧器とすることができる。排出分配穴の一つを他の4つから切ηνは容積効率、ηTはトルク効率であり、増圧ここで、ηTである。
・器の全効率はη＝ην

筆者らの研究で用いた試作増圧器の場合、n＝5離し、独立した排出ポート（増圧ポート）とした。モーターとなる。
であるので、増圧比は式（3）内の各部屋は排出分配穴に接続する位置にあると

Pi
ηT＝×5
PS

このきはロータの回転とともに体積が減少するため、（3）増圧ポートに接続する位置にあるとき各部屋はポンプ

摩擦が全くない理想状態ではηT＝1となり、理論的プラの機能を果たし、昇圧した水を吐出する。つまり、には最大の増圧比は5となる。

ネタリーギヤ型水圧モーターで駆動されるポンプとなる。
増圧ポートから得られる流量Q iと供給流量Q s、増圧圧力P iと供給圧力PSとの関係は、供給分配穴および排出分配穴の数をnとした場合、式（1）、式（2）３）で表される 。
Qi＝η
νQsn

Pi＝ηT・n・PS（1）（2）
図６ 増圧器用に改造したポートプレートＡ

5. 試作増圧器による実験結果
増圧器としての基本的な特性を確認するために、供給圧力PSを0.2MPaから1MPaの間で0.2MPa

図7に示す実験回路を用いて性能測定を行なった。

ずつ変化させて、増圧比P i ／PSに対するQ iの変化

水圧源にはアキシャルピストン型水圧ポンプを用い、を示したものが図8である。同じP i／PSにおいてはPSリリーフ弁とスロットル弁（1）で供給圧力を設定し圧が高いほどQ iは大きく得られる。これはPSが高いほ力PSの水を供試増圧器に供給した。増圧ポートにはどロータの回転速度が速くなることに起因する。また、を取付け、増圧圧力P iを調整し、任スロットル弁（2）P i／PSが大きくなるほどQ iは小さくなる。これもロータ意の増圧比P i／PSに設定した状態で、供給流量Q s回転速度の変化に起因するものである。増圧比P iと増圧ポートから得られる流量Qi、供給圧力PS、増圧／ P S が 2 . 5 以 下 の 範 囲においては 供 給 圧 力が圧力P i、排出ポート圧力Peおよびロータの回転速度0.2MPaの低い圧力でも良好に作動することが確か

Nを測定した。増圧ポート以外の４つの排出分配穴められた。

からの水は排出ポートから直接タンクへもどした。
5

一方、P i／PSが2.5を超えるあたりから、ロータの回容積効率η
νが1であるならばQ i／Q sは0.2となる。そ転状態が間歇的となり、増圧圧力P iの変動が非常れに対して、図9の実測結果では、P i ／PSおよびPSに激しくなった。それ以上のP i／PSでは回転は停止が大きいほど漏れの影響でQ i／Q sの値は0.2より小した。そのため本試作増圧器では増圧比2.5が限界さい値となる。

より、本試作増圧器のトルクであった。従って式（3）試作増圧器の全効率を図10に示す。最大効率

効率ηTは0.5程度であることがわかる。ギヤかみ合い

は増圧比P i／PSが2.5において約45％である。実用部や摺動部の摩擦低減を図りトルク効率の向上を化のためには全効率ηの向上が不可欠である。それ図ることで、限界の増圧比は向上できるものと考える。

はトルク効率の改善を図ることで限界増圧比を高め

図9は増圧比P i／PSに対するQ i／Q sの変化を示ることにより実現できる。

したものである。式（1）から分かるように、漏れがなく

0.006

Ps＝0.2MPa
Ps＝0.4MPa
Ps＝0.6MPa
Ps＝0.8MPa
Ps＝1.0MPa

Qi m3／min

0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0

図80.250.6

0.20.5

Ps＝0.2MPa
Ps＝0.4MPaPs＝0.6MPa
Ps＝0.8MPa
Ps＝1.0MPa

0.10.050

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0Pi／Ps

供給圧力PS、増幅比Pi／PSと流量Qiの関係

0.40.15

ηQi／Qs

図７ 実験装置回路図

0.50.5

図9

1.0

1.5

2.0Pi／Ps

2.5

3.0

供給圧力PS、増幅比Pi／PSと流量比Qi／Qsの関係

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0.3
Ps＝0.2MPa
Ps＝0.4MPa
Ps＝0.6MPa
Ps＝0.8MPa
Ps＝1.0MPa

0.20.100.5

1.01.5

図10

2.0

2.5

3.0Pi／Ps

増圧器の全効率η66. 課題と今後の可能性
水圧駆動技術はまだ十分に広く世の中に認知さもう一つの課題は製品化された水圧駆動用機器れておらず製品化されている機器の種類も多くない。の種類が少ないことである。食品加工機械や水中また、種々の新しい材料の採用や高精度な加工技作業用機械などへの必要性から、比較的高い圧力術の必要性などから機器の価格は必然的に割高と仕様の製品化が先行してすすめられ、最高使用圧なっている。水圧駆動技術の抱える現在の課題は、力14MPa程度の製品は比較的種類も揃っている。

イニシャルコストが高いという観点だけでその採用をそれに対して、水道圧程度から3MPa前後の低圧躊躇される例が非常に多いということである。作動仕様の機器の製品化は遅れており、低価格で安全・流体の入手や維持管理にかかるコスト、対環境対安心な駆動システムとして低圧水圧駆動システムの策コスト、種々法規対応コスト、使用者の安全・安心普及を図るためには、機器の開発と製品化が急がシステに対するリスク対策や省エネルギー効果など、日れる。機器の入手が容易な環境が整うことにより、ムのライフサイクル全体にわたる検討からその経済常の生活分野にも広く水圧駆動技術が実用される効果は判断されるべきである。さらにいうならば、社

ここに紹ときが来るものと確信する。それをめざして、会はすでに経済最優先でなく、環境保全を最優先介したプラネタリーギヤ型低圧水圧モーターおよびして考えなければならない時代に突入している。そ水圧増圧器の研究をすすめている。のような中で、水圧駆動技術に期待されるところは大きく、今後普及がすすむものと期待している。

参考文献
１）
（社）
日本フルードパワー工業会：アクアドライブシステム−技術資料３、（2004）
２）J.W.G.M.Huijbers ： Kinematics of the Planetary Gear Motor、Report
PGM-T1, Hessels & van Rooij Engineering、（1990）
３）S.Oshima, T.Hirano, S.Miyakawa, Y.Ohbayashi ： Development of a
Rotary Type Water Hydraulic Pressure Intensifier、Proceedings of the7th JFPS International Symposium on Fluid Power,TOYAMA、Vol.2（2008）391-396

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Vol.20A1 March / 2010〈発行〉 2010年3月1日
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