報告日

2013 年（平成 25 年）1 月 15 日

報告者

東京工業大学

大学院理工学研究科

機械制御システム専攻

芦金石

１． 研究概要(和文)(1)課題名（日本語）
高応答高効率油圧サーボシステムのためのアクティブチャージアキュムレータの開発(2)研究者氏名
芦金石

東京工業大学

理工学研究科

機械制御システム博士(3)研究概要（日本文）
高効率な油圧サーボシステムの実現を目指してこれまでの研究において N 圧ハイブリッド油圧源を提案し，例として２圧ハイブリッド油圧源を用いた弁制御サーボシステムの実験を行い，その弁制御サーボシステムの高効率と応答性を確認した．一方，この N 圧ハイブリッド油圧源では，複数個のアキュムレータを使用するため，アキュムレータの切換，充填は煩雑になる．そこで本研究では，複数個のアキュムレータの役割を一つで担える新形 の ア キ ュ ム レ ー タ と し て ， ア ク テ ィ ブ チ ャ ー ジ ア キ ュ ム レ ー タ （ Active ChargeAccumulator：略称 ACA）を提案し，例として 2 圧 ACA を用いた弁制御サーボシステムの実験を行い，その高効率と応答性を明らかにした．
(4)キーワード
高効率，ハイブリッド油圧源，アキュムレータ，ACA（英文）(1) Research title
Development of Active Charge Accumulator for High Response and High Efficiency
Hydraulic Servo System(2) Name of researcher with title of position
Jinshi Lu, Doctor, Tokyo Institute of Technology(3)SummaryTo achieve efficient hydraulic servo system, N-level pressure hybrid power supply has
been proposed in a previous study. As an example, experiments of 2-level pressure
valve-controlled hydraulic servo system have been performed. The experimental results
showed the high efficiency and response of the system. On the other hand switchingsupplied pressures from accumulators and charging oil to accumulators arecumbersome for using multiple accumulators in the N-level pressure hybrid power
supply. In this study, in order to replace N accumulators of N-level pressure hybrid
power supply, a new “Active Charge Accumulator” (ACA) is proposed. As an example,
experiments of valve-controlled hydraulic servo system using 2-level pressure ACA havebeen performed. The experimental results showed the high efficiency and response of
the system.
(4)Key Words
High efficiency, Hybrid power supply, Accumulator, ACA２．本研究の意義・特色
油圧サーボシステムの高効率化を目指した研究として現在主に研究されているポンプ制
御システムはシステムの効率は良いが応答性が必ずしも十分ではないという欠点があり，これに対して，従来の弁制御サーボシステムはシステムの応答性は良いが効率が悪いという欠点がある．そこで本研究に先立つ研究において N 圧ハイブリッド油圧源を提案した．
そして，例として２圧ハイブリッド油圧源を用いた弁制御サーボシステムの実験を行い，その弁制御サーボシステムの高効率と応答性を確認した．この N 圧ハイブリッド油圧源は，高応答ではあるが出力圧力の異なるアキュムレータを複数個使用するため，アキュムレータの切換，充填が煩雑になる．そのため本研究では，出力圧力の異なる複数個のアキュムレータの役割を一つで担える，すなわち出力圧力が N 段階に瞬時に変更可能な新形のアキュムレータとして，アクティブチャージアキュムレータ（ACA）を提案し，２圧 ACA を用いた弁制御サーボシステムの高効率と応答性を検証した． ACA を用いた弁制御サーボシス
テムは，通常のＮ圧ハイブリッド油圧源を用いた弁制御サーボシステムに比べて，Ｎ圧ハイブリッド油圧源をコンパクトに実現できるという利点がある．
３．実施した研究の具体的内容、結果 (本文)
3.1 アクティブチャージアキュムレータ(ACA)
N 圧ハイブリッド油圧源は N 個のアキュムレータとポンプを交代させながら N 段階の圧力の圧油を供給する．Fig.1 の破線枠内はその基本概念を示している．必要とする N 段階の出力圧力となるよう窒素ガスを充填した N 個のアキュムレータとその各々の出入口を開閉する切換弁，およびポンプとそれをアンロードするアンロード弁から構成される．運転時は，各アキュムレータ出入口の切換弁を適宜開閉して必要とする出力圧力のアキュムレータを選択し，そのアキュムレータへの油の充填およびアキュムレータからの放出を行う．
さらに N 圧ハイブリッド油圧源ではリリーフ弁は用いないので無駄流量は生じない．またポンプはアキュムレータに圧油を充填したのちアンロード弁によってアンロードされるため，ポンプ駆動の無駄エネルギーも少ない．以上のように，このシステムでは高応答な制御に必要な圧力に応じて回路圧力を N 段階に瞬時に変化させると同時に，アキュムレータに無駄なく油を蓄積させるため, 省エネルギーとなる.
本研究では，ピストン形のアキュムレータの油室側の有効面積を変えることにより，出力する油圧を瞬間に変更することが可能なアキュムレータを考案し，これをアクティブチャージアキュムレータ（ACA）と呼ぶこととした．この ACA があれば複数本のアキュムレータを 1 本に集約することができる． Fig.1 の破線枠内部分に示した N 個のアキュムレータの代わりとなる N 圧 ACA を Fig.2 の破線枠内部分に示す．
ACA には N 個の油室がある．
油室の受圧面積をそれぞれ A1,A2,…AN とする．Fig.2 に示した出入口に設置された 3 方向
切換弁 V2,…VN により，各油室は OFF では回路に，ON ではタンクに接続される．

p1

p2pN

MUnload valveLoad

Fig.1 N-level pressure valve-controlled hydraulic servo system

N2 gaspgas

AgasANVN

A2
A1V2MpLoad

Fig.2 N-level pressure ACA valve-controlled hydraulic servo system
ピストンに作用する力のバランスから，ACA の出力圧力 p の表示式として式(1)を得る．
すなわち少なくとも N 段階（組合せによってそれ以上）の出力圧力を得ることができる．
p=Agas∑A

pgasi(1)(valve off)

なお，Agas は N2 ガス側の受圧面積であり，pgas は N2 ガスの圧力である．また式(1)の分母は，入口の切換弁が OFF となっていて回路に接続された状態の油室の受圧面積の総和である．
特に，全ての切換弁が OFF の場合は油室の受圧面積の総和は Agas に等しくなり，p=pgas となる．
3.2 ２圧 ACA の設計
ACA の特性を検証するために，2 圧ハイブリッド油圧源の 2 つのアキュムレータの代わりとなる 2 圧 ACA を開発製作した．

N2 gaspgas
AgasAbpb
Aapa

Vb

Fig.3 Schematic diagram of 2-level pressure ACA
低圧モードと高圧モードを持つ 2 圧 ACA を Fig.3 に示す．ACA の低圧モードの圧力範囲を 2.7~2.87MPa に，高圧モードの圧力範囲を 8.4~8.7MPa に設定した．これを実現するため，受圧面積比は式(2)のように設定した．
Aa : Ab : Agas = 0.32 : 0.68 : 1(2)

開発製作した 2 圧 ACA のピストンの各受圧面積 Aa，Ab，Agas はそれぞれ 121.6cm2，258.4cm2，380cm2 である．なお ACA のピストンのストロークは 45mm である．
3.3 ２圧 ACA を用いた弁制御サーボシステム
3.3.1 高効率の検証
2 圧 ACA を用いた弁制御サーボシステム（略称：２圧 ACA システム）を Fig.4 に示す．
油室 b の出入口に設置する高速の切換弁として高速リニアサーボ弁（周波数応答330Hz@-3dB/410Hz@-90°）S2 を使用する．またシリンダの位置及び力を制御するサーボ弁として高速リニアサーボ弁（周波数応答 350Hz@-3dB/450Hz@-90°）S１を用いる．ポンプのbM

apb

pp

S2

ps
S1

Load cell
SpringUnload valve

Fixed wall

Linear potentiometerFig.4 2-Pressure ACA valve-controlled servo system
Table1 Specification of the experimental setup I
Press force
5700N, max
CylinderPiston diameter: 22mm
Head diameter: 40mm
Stroke: 150mm
Spring26.1N/mmPump
6L/min, 1500rpm

アンロード弁として電磁操作式ストップバルブを用いる．ほかのシステムの仕様を Table1に示す．N2 ガスの充填圧力は 2.38MPa に設定した．
2 圧 ACA では，油室側の受圧面積の変化により，ACA からの供給圧力が変化できるので，ポンプから２圧 ACA に油を充填する方法として三つの方法がある．第 1 の方法は，低圧モード時にだけ ACA に圧油を充填する方法である．第 2 の方法は，高圧モード時にだけ ACAに圧油を充填する方法である．その時，ACA の油室 a を回路に，油室 b をタンクに接続するので，油室はポンプからの圧油で充填され，油室 b はタンクから油を吸い込んで充填される．第 1 の方法あるいは第 2 の方法での充填では不十分となる場合は，低圧モード時と高圧モード時の両方で充填することが考えられる．これを第 3 の方法という．高効率の検証実験では，第 1 の方法で実験を行う．
(1) 検証実験そのＩ
ピストンの位置と力の目標値を Fig.5 に示す．ピストンは位置制御で途中からばねを押して進み，壁に到達したあと力制御となり，その後は位置制御で壁を離れる．
(2)

(3)

(4)
6000

Position

5000

Force

4000
3000
2000

Force [N]Position [mm](1)807060504030201001000
00246810 12Time [s]14161820807060
504030201006000
Reference
Position response

Reference
Output of load cell

Force [N]

5000
4000
3000
2000
100000246810 12Time [s]141618200246(a) Position

810 12Time [s]1416(b) Force

Pressure [MPa]Position [mm]Fig.5 Target（Reference）position and force

109876543210pp
ps0246810 12Time [s]14161820(c) Pump pressure and supplied pressure to the servo valve
Fig.6 Experimental results

1820実験結果を Fig.6 に示す．Fig.6(a),(b)から，位置決め制御及び力制御は目標によく追従していることが確認できた．Fig.6(c)に示したサーボ弁への供給圧力 ps から，サーボ弁への供給圧力は負荷に応じて 2 段階に制御されていることが確認できた．Fig.6(c)に示すポンプの圧力 pp により，2 圧 ACA システムは従来の弁制御サーボシステムに比べて，ポンプが発生した流体動力の削減率は約 92％であり，2 圧 ACA は 2 圧ハイブリッド油圧源と同程度の流体動力の削減性能を有することがわかった．
(2) 検証実験そのⅡ
周期 2 秒の正弦状の変位目標値を与えた場合の実験を行った．その結果を Fig.7 に示す．
位置決め制御，力制御ともに目標値によく追従している．この実験の流体動力削減率は 80%であった．これより 2 圧 ACA は 2 圧ハイブリッド油圧源と同程度の流体動力の削減性能を有することがわかった．
30Reference
Position response

10Force [N]Position [mm]200-10-20-30
00.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8Time [s]

21800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0Output of load cell00.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8Time [s]Pressure [MPa](a) Position

2(b) Force

109876543210ps
pp00.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8Time [s]2(c) Pump pressure and supplied pressure to the servo valve
Fig.7 Experimental results
3.3.2 応答性の検証
ACA の応答特性の検証を行うために，Fig.8 に示した実験装置を用いる．低圧モードから高圧モードへ変える際，圧力変化を高速にするには油室 b からタンクへの流量を大きくする必要があるため，油室ｂの出入口に高速リニアサーボ弁を 2 台用いた．システムの仕様を Table2 に示す．大型のスプール弁のスプールを駆動シリンダのピストンとして用いた．
Table 2 Specification of the experimental setup
piston diameter: 14mmcylinderstroke: 10mmpiston mass: 5kg
Pump
15L/min, 1500rpm

N2 gas
Agaspgas
AbAa
M

SVb1

SVb2

pp

Unload valve
psServo valve

Position sensor

Fig.8 2-Pressure ACA valve-controlled servo system
Fig.9 のような正弦状入力による実験を行う．横軸の T が入力信号の周期，振幅は 5mmである．負荷がピストンだけであるため，高圧モードの区間はピストンロッドの慣性力が最大となるところとする．これは変位が最大となるところであり，Fig.9 の区間 2，区間 4であり，１周期中に 2 度の高圧モードが必要となる．その他は低圧モードである．

Position [mm]12365432
10-1-2-3-4-5-645Position

00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9Time / T1Fig.9 Target of cylinder position
1)実験そのⅠ低圧モード時のみ ACA に充填する方法で，応答特性実験を行った．入力は周期 0.26s(約3.85Hz)の正弦状の信号である．実験結果を Fig.10 に示す．Fig.10(a)から，位置決め制御は目標によく追従していることが確認できる．Fig.10(b)から高圧モード時はポンプがアンロードされ，低圧モード時に ACA が充填されていることが分かる．Fig.10(c)(d)から，ポンプは低圧モード時にずっとロードされているものの，ACA への油の充填が十分には進んでいないことが分かる．すなわち低圧モード時のみ充填する方法では，周期 0.26s(約 3.85Hz)までが限度で，それより短周期の入力信号では ACA の充填が不十分となることが分かる．またFig.10(d)から，このシステムは従来の弁制御サーボシステムに比べて，ポンプが発生した流体動力が約 79％削減されているのが算出された．

Reference
Position response00.065

0.13Time [s]0.195

Pressure [MPa]Position [mm]65432
10-1-2-3-4-5-6Pressure [MPa]ACA

10.0650.13
Time [s]0.195

0.26(b) Pump pressure and supplied pressure to servo valve

40
35
30
25
20
15
10
500ps
pp

00.26(a) PositionPosition [mm]10987654
32
102Time [s]310987
654
32
10pp

04

12Time [s]34(c) Position of ACA in 4[s](d) Pump pressure in 4[s]Fig.10 Experimental results (0.26[s](3.85[Hz]))
実験そのⅡ2)

ここでは低圧モードと高圧モードの両方で充填する方法を用い，入力の周期を前節より65432
10-1-2-3-4-5-6Reference
Position response

00.02

0.040.06
Time [s]0.08403530252015105012
Time [s]0.020.040.06
Time [s]

0.08

0.1

(b) Pump pressure and supplied pressure to servo valve3(c) Position of ACA in 4[s]Fig.11

pspp

0ACA

01098765432
100.1

Pressure [MPa]Position [mm](a) Position

Pressure [MPa]Position [mm]短くして応答実験を行う．入力は周期 0.1s(10Hz)の正弦状の信号である．

4pp109876543210012Time [s]3(d) Pump pressure in 4[s]Experimental results (0.1[s](10[Hz]))4

Fig.11(a)から，位置決め制御は目標によく追従していることが確認できる．Fig.11(b)(c)(d)から，ポンプはずっとロード状態にあるものの，ACA への油の充填が十分には進んでいないことが分かる．すなわち低圧モード時ならびに高圧モードを充填する方法でも，周期0.1s(10Hz)までが限度で，それより短周期の入力信号では ACA の充填が不十分となることが分かる．また Fig.11(d)から，このシステムは従来の弁制御サーボシステムに比べて，ポンプが発生した流体動力が約 38％削減されているのが算出された．
なお２圧ハイブリッド油圧源を用いた同様の実験では，この限度が 0.05s(20Hz)と更に短周期まで可能で，その際の流体動力の削減率は 56％であった．
3.4 結言高応答な弁制御油圧サーボシステムのエネルギー効率を大幅に向上させることが可能な
N 圧ハイブリッド油圧源をもとに，さらにそれをコンパクトに実現できるアクティブチャージアキュムレータを提案し，開発した２圧 ACA を用いた弁制御サーボシステムの実験によってその有効性を確認した．２圧 ACA は，応答特性やポンプが発生する流体動力の削減率
では２圧ハイブリッド油圧源に劣るもののシステム構成が簡単になるという利点がある．
４．本研究を実施したグループに属するおもな研究者の氏名・役職名
芦金石

東京工業大学機械制御システム専攻

博士

留滄海

東京工業大学機械制御システム専攻助教

東京工業大学機械制御システム専攻教授

北川能

５．研究実施時期
２０１０年（平成２２年）１０月から２０１２年（平成２４年）１２月まで
６．本研究に関連して発表した主な論文等[1] LU, J., LIU, C., KITAGAWA, A., SAITO, M., OSAKA, K., OBA, K., Study on N-level
Pressure Hybrid Power Supply Hydraulic Servo System with High Efficiency and HighResponse, 8th JFPS International Symposium on Fluid Power, 1A3-1, pp.79-84, Okinawa, Japan(2011)[2] 芦金石，留滄海，北川能，光畑彰人，吉澤雄太，アクティブチャージアキュムレータの開発，第 23 回フルードパワーシステム国際見本市，IFPEX2011 カレッジ研究発表・展示コーナー，pp. 23-24，東京（2011）[3] 北川能，高効率な油圧サーボシステムを実現する新型アキュムレータ―アクティブ・チャージ・アキュムレータ―，2011 年度産業応用部門大会，第 12 回流体計測シンポジウ
ム，pp. 30-35，東京（2011）[4] 芦金石, 留滄海，北川能，ACA を利用した高効率 N 圧ハイブリッド油圧源に関する研究，平成 24 年春季フルードパワーシステム講演会，pp. 70-72，東京（2012）[5] Jinshi LU, Canghai LIU, Ato KITAGAWA, Study on Highly Efficient Valve-controlled
Hydraulic Servo System Using Active Charge Accumulator(ACA), The 4th TIT-BIT Joint
Workshop on Mechanical Engineering, 121-127(2012)[6] 吉澤雄太，芦金石，留滄海，北川能，Active Charge Accumulator を圧力変換装置として用いる事による弁制御油圧サーボシステムの効率向上，2012 年度産業応用部門大会，

第 13 回流体計測シンポジウム，pp. 87-90，東京（2012）
特願 2009-267095：アキュムレータおよびそれを用いた油圧源 (平 21.11.11)
７．内外における関連研究の状況
近年，効率と応答性を両立するため，ポンプの回転数を制御する方法が主に研究されている．そして，省エネルギーを目指したポンプの回転数制御の製品が多いことが挙げられる．しかし，ポンプ回転数制御では，応答性の課題が残っている．例えば，小物精密成形
では樹脂充填開始時の加速時間が重視されるなどシステムの高速動作の要求が強い．しかし，サーボモータを用いた射出成形機では，加速時間が 40~60ms になる．一方，現在要求されている加速時間は 10~20ms であり，サーボモータの応答性が改善されることが期待されている．
８．今後の発展に対する希望応答性の検証実験の結果により，必要な流量が小さく圧力モードを頻繁に変更する場合，2 圧 ACA の応答性や効率は，2 圧ハイブリッド油圧源より劣ることが分かった．したがって，必要な流量が大きく圧力モードの変化が比較的遅い場合に，ACA を用いた高効率な弁制御サーボシステムが使用されることが期待される．そして，ACA 油室の出入口の直径，油室の出入口に接続される切換弁の検討などを行い，ACA の応答性と効率を更に向上させることが今後の研究課題である．