Vol.43 No.6

昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
平成24年11月15日発行
（奇数月）

0011

フルードパワーにおける組み込みシステム

東京都港区芝公園三丁目五│二二 電話︵〇三︶三四三三│八四四一 ＦＡＸ︵〇三︶三四三三│八四四二
̶ 編集兼発行人 一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会 振替口座 東京〇〇一一〇│三│一三三六九〇〒105

フルードパワーシステム

フルードパワーシステム

昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可

平成24年11月15日発行（奇数月）

ISSN 1346−7719

フルードパワーシステム

ISSN 1880−3121

日本フルードパワーシステム学会論文集

日本フルードパワーシステム学会誌

フルードパワーシステム

Nov.2012 Vol.

43 No.6

日本フルードパワーシステム学会論文集
TRANSACTIONS OF THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY

特集「フルードパワーにおける組み込みシステム」

第四十三巻第六号︵二〇一二︶

東京都文京区小石川一│三│七
印刷所 勝美印刷株式会社

6
日本フルードパワーシステム学会

一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会

http://www.jfps.jp

ISSN 1346―7719

日本フルードパワーシステム学会誌

第43巻 第 6 号
2 0 1 2 年11月

フルードパワーシステム―目次―

特集「フルードパワーにおける組み込みシステム」【巻頭言】「フルードパワーにおける組み込みシステム」発行にあたって【総論】
組み込みシステムがフルードパワーにもたらすこと【解説】
歩行リハビリ訓練用高機能靴
ショックレス切換弁
電子制御ミキサ車
スマートポジショナ
デジタル電空レギュレータ ―マイコン搭載により高機能化を実現―

吉満

俊拓

343

小山

紀

344

早川 恭弘
北村
修
川島
茂
渡邉
崇
吉田 享平

347
350
353
356
359

【解説】
油圧回路設計・動特性解析用シミュレーションパッケージOHC‑Simの現状
阿佐ヶ谷プロジェクト― 3 次元免震建物の地震観測（後編）

桜井
高橋

康雄
治

362
365

【FPIC会議報告】
ROBOMEC2012におけるフルードパワー技術研究動向

金

俊完

370

【教室】
おもしろ油圧機構 第９回 ハイドロスタティックトランスミッション
おもしろ空気圧「空気圧システムの合成計算」
入門講座「流体力学」 第２回：ものの見方を変えよう

大橋
妹尾
高橋

彰
満
勉

373
376
378

佐川 祐貴，鈴木

勝正

383

木原

和幸

382

【研究室紹介】東京都市大学高機能機械制御研究室【コーヒーブレイク】
特許よもやま話【会告】日本フルードパワーシステム学会平成24年度受賞候補者募集
平成24年秋季フルードパワーシステム講演会のお知らせ
平成24年度ウィンターセミナーのご案内
電子投稿・審査システム導入について
学会誌に掲載された記事の著作権の帰属確認について
共催・協賛行事のお知らせ
資料一覧
フルードパワーシステム第43巻総目次
その他■表紙デザイン：山本

博勝

㈱豊島

一般社団法人日本フルードパワーシステム学会〒 105‑0011 東京都港区芝公園３―５―22 機械振興会館別館102
TEL：03―3433―8441

FAX：03―3433―8442

E-Mail：info@jfps.jp

338
339
340
341
342
372
386
389
337, 341, 392

ISSN 1346 7719

JOURNAL OF
THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY

FLUID POWER SYSTEM
Vol．43，No. 6

November 2012―――Contents―――
Special Issue “Embedded system in Fluid Power”【Preface】
Publishing “Embedded system in Fluid Power”
Toshihiro YOSHIMITSU【Survey】
Contribution of the Embedded System for the Fluid Power System
Osamu OYAMA【Review】
High Performance Shoes for Walking Rehabilitation
Yasuhiro HAYAKAWA
Shockless Directional Control Valve
Osamu KITAMURAElectronic Control Type Mixer Truck
Shigeru KAWASHIMA
Smart Positioner
Takashi WATANABE
Digital Electro-Pneumatic Regulator ―High Performance with Built-in Microcomputer―
Kyouhei YOSHIDA

343
344
347
350
353
356
359

【Review】
Simulation Package OHC-Sim for Design of Oil‑hydraulic Circuit and Analysis of its Dynamic
Characteristics
Yasuo SAKURAI
Asagaya Project―A Study on Earthquake Observation Record in the Building using the Threedimensional Seismic Isolation System―Part Ⅱ ―Osamu TAKAHASHI365【FPIC Report】
Research Trend Concerning the Fluid Power Technology at ROBOMEC2012

370

Joon-wan KIM

362【Lecture】
The Interesting Mechanism of Hydraulic Components No.9

Hydrostatic Transmission
Akira OHASHIInteresting Pneumatic Technology ― Composition Calculation for Pneumatic System
Mitsuru SENOAn Introductory Course of Fluids Mechanics：The second：Change your perspective!
Osamu TAKAHASHI【Laboratory Tour】
Advansed Control Systems Laboratory, Tokyo City University
Yuki SAGAWA, Katsumasa SUZUKI【Coﬀee Break】
Kazuyuki KIHARA【JFPS News】

373
376
378

383
382

337, 338, 339, 340, 341, 342, 372, 386, 389, 392

The Japan Fluid Power System Society
c/o Kikaishinko Building
3―5―22 Shiba―koen, Minato-ku, Tokyo, 105―0011, Japan

会告

337

理事会・委員会行事日程等会

告〈理事会・委員会日程〉
11月２日

委員長会議

11月16日

企画委員会

11月19日

理事会

12月４日

編集委員会

１月８日

情報システム委員会

12月14日基盤強化委員会

〈第３回
９月27日

15：00 〜 17：00

・平成24年秋季講演会について

理事会〉

・ウインターセミナーについて
・その他

機械振興会館６―62

２）平成25年度実施の事業に関する報告・審議事項（出席者19名）
１）平成24年春季講演会論文賞審査結果について

・春季講演会について

２）学会紹介パンフレットについて

・講演会併設セミナーについて

３）平成24年度フェロー認定者推薦について

・秋季講演会について

４）会長・副会長会議に関する運営規程について

・オータムセミナーについて

５）表彰規程の改訂について

・公益事業について
３）確認事項

６）各委員会の運営規程について
７）財務基盤の強化について

・会誌11月号の掲載予定会告記事について

８）各委員会間の迅速な意思疎通と迅速なアクションに・ウインターセミナー開催会告・企画委員会規程についてついて
９）会員の推移と入退会者について・WGの構成について

10）その他

・その他〈委員会報告〉第３回編集委員会
10月５日

第３回委員長会議
８月31日

15：00 〜 17：00

14：00 〜 17：00

東京工業大学

機械振興会館B3―７

大岡山キャンパス（出席者11名）（出席者14名）

１）平成24年春季講演会論文賞審査結果について

１）会誌特集号の現状と企画について

２）平成24年秋季講演会の準備状況ついて

２）トピックスについて

３）学会紹介パンフレットについて

３）会誌フォーマットの改定について

４）平成24年度フェロー認定者推薦について

４）編集委員会規程について

５）会長・副会長会議に関する運営規程について

５）FPIC会議報告記事について

６）各委員会の運営規程について

６）学会誌に掲載された記事の著作権の帰属確認について

７）財務基盤の強化について
８）各委員会間の迅速な意思疎通と迅速なアクションに

第３回基盤強化委員会

ついて10月18日９）その他

15：00 〜 17：00

機械振興会館B3―７（出席者９名）１）会員サービスについて

第２回企画委員会
９月18日

14：30 〜 17：00

機械振興会館B3―９２）若手フルードパワー育成道場について（出席者14名）

３）フルードパワー・バーチャルミュージアムについて

１）平成24年度実施事業に関する報告・審議事項

４）委員会規程について

・公益事業について，終了報告

５）その他

・オータムセミナーについて
第43巻

第６号

―1―

2012年11月（平成24年）

338

フルードパワーシステム

会

告日本フルードパワーシステム学会 平成24年度受賞候補者募集
当学会は，我が国の油圧・空気圧・水圧工学を始めとす書」用紙を使用し，１件につき４通提出するものとする

るフルードパワーシステムの振興と発展の奨励を目的とし（推薦書・申請書用紙は学会事務局info@jfps.jp Tel：03て毎年優れた研究・技術を表彰しております．本年も当学―3433―8441までご請求ください．各賞《下記のSMC賞

会の「表彰規程」に基づき，日本フルードパワーシステム

も含む》ごとの用紙をお送りします）．

学会平成24年度受賞候補者を募集いたします．

５．提出締切日

つきましては，独創的な研究，画期的な新技術，累積効果抜群な研究者，技術者などについて，下記募集要項をご

平成24年12月５日までに着信のこと．
６．提出先および問合せ先覧いただき，適格な受賞候補者をご推薦ください．

〒105‑0011 東京都港区芝公園３丁目５番22号
機械振興会館 別館102㈳日本フルードパワーシステム学会事

募 集 要 項務局
TEL：03―3433―8441

１．受賞候補者の資格

E-mail：info@jfps.jp

受賞候補者の資格は本学会の正会員および法人である賛助会員に属する者とする．ただし，共同研究者，共同開発

７．表 彰
表彰は選考された受賞者に対して賞状と副賞を贈与する．

者のある場合はその者の資格については，その限りでない．

共同研究および共同開発の場合は賞状を共同研究者および

２．募集方法
公募によるものとし，当学会の賛助会員，正会員，ある共同開発者にも贈る．表彰は原則として学術論文賞２件以いはフルードパワー工業団体，フルードパワー関係学協会

内・学術貢献賞１件・技術開発賞２件以内および技術功労の推薦，または本人の申請によるほか，本学会内の委員会

賞若干件とする．

の推薦による．

８．表彰の時期
表彰は平成25年５月開催の第32期通常総会でおこなう.

３．応募対象⑴ 学術論文賞 過去数年以内に発行された日本フルー
ドパワーシステム学会誌，論文集，あるいは本学会「SMC賞」

主催の国際シンポジウムのプロシーディングスに掲載された研究論文の著者（連名も可）．

SMC株式会社殿のご寄付を基金として，標記のごとく⑵ 学術貢献賞 多年フルードパワー工学・技術に携わ「SMC賞」が設けられており，新進気鋭の方々の多数応募

り，その間数多くの論文を発表して，当該工学・技をお待ちしています．

術分野に多大の貢献をし，その累積効果が抜群であっ

１．応募資格て，しかも学会に対する貢献大なる研究者．

学会の正会員，学生会員および法人である賛助会員に所⑶ 技術開発賞 過去数年以内に完成を遂げた油圧・空属する者のうち，原則として年令満40才未満の研究者・

気圧・水圧・その他の流体圧に関する新技術の開発

技術者とする．ただし，大学院生の場合は年令に制限を設者とする．ただし，当該製品は市場で６ヶ月以上使けない．また一度受賞した者は，重ねて受賞することがで用実績があることが望ましく，選考の際は特許（もきない．

しくは新案）の申請も参考とする．応募者が連名の２．応募対象となるもの

場合は，筆頭者を含めて５名以内とする．

過去数年以内に発行された日本フルードパワーシステム⑷ 技術功労賞 多年フルードパワー技術に携わり，こ学会誌「フルードパワーシステム学会論文集」または講演の間数々の技術改良を行うなどして当該技術の向上

論文集に掲載された研究論文の著者とする．

に貢献しその累積効果が抜群の技術者（長年にわた

３．表 彰

る技術的な功績を重視し，候補者の年令は原則とし

表彰は，選考された受賞者に対して，賞状と副賞の贈与て50歳以上とし，現在の事業所における役職についをもって行う．副賞は論文１篇に対し10万円とする．表てはこだわらないが，業績があまり世に知られてい彰は原則として２件以内とする．

ない技術者を積極的に推薦する）．
４．提出書類推薦者または申請者は必ず当学会所定の「推薦書・申請
第43巻

第６号

―2―

2012年11月（平成24年）

会告

339

平成24年秋季フルードパワーシステム講演会のお知らせ

会

告日本フルードパワーシステム学会・日本機械学会 共催

平成24年秋季フルードパワーシステム講演会のお知らせ
開催日：平成24年11月29日
（木）
，30日
（金）
講演会概要
平成24年秋季フルードパワーシステム講演会は，福岡工業大学（福岡県福岡市）で開催いたします．会期は11月29日（木），30日（金）の２日間です．本講演会では，一般講演に加え，オーガナイズドセッションとして「機能性流体との融合化によるフルードパワーシステムの新展開」，「省エネ化とフルードパワー」，「フルードパワーを用いた超精密位置決めと加工技術」を企画いたしました．また，特別講演・基調講演・学内見学会・技術懇談会などを計画しております．
特別講演，基調講演は下記を予定しております．
〈特別講演（一般公開）：「産学官協力とイノベーション」〉
11月29日（木） 開場16：00，講演16：30 〜 17：30，麻生 渡 氏（前福岡県知事，学校法人福岡工業大学最高顧問）〈基調講演〉
11月30日（金）15：00 〜 16：00「風レンズ技術を利用した流体機械と洋上浮体式エネルギーファーム」
大屋 裕二 先生（九州大学応用力学研究所所長）「Potential of Small-Scale Hydro as a Viable Source of Renewable Energy」
Yves Gagnon 先生（Professor, Université de Moncton, Canada）
１．開催日時：平成24年11月29日（木）９：00〜平成24年11月30日（金）17：00 （予定）
（受付開始８：15）
２．会

場：福岡工業大学FITホール〒811−0295 福岡県福岡市東区和白東３丁目30―１
TEL．092‑606‑3131（代表）

FAX．092‑606‑8923（http://www.ﬁt.ac.jp/）

３．講演会のプログラム：11月上旬に学会ホームページ（http://www.jfps.jp）に掲載予定です．
４．講演会の形式：⑴ 講演時間：１題目につき20分（講演15分，討論５分）です．
⑵ 座

長：会員の中からあらかじめ見識ある方を人選します．

⑶ 講演論文集：申込講演の前刷原稿をオフセット印刷し，一冊に編集します．
⑷ 討

論：講演発表時に５分間の討論の時間を設けてありますが，さらに講演会終了後１ヶ月間は会員より「書面による討論」を受け付けています．講演者はその討論に対して学会へ書面をもって回答することを原則とします．
⑸ 論文集への投稿：講演者は講演会終了後の討論締め切後，「日本フルードパワーシステム学会論文集」に投稿できます．
５．参加登録：⑴ 講演会の参加者は参加登録が必要です．参加登録は，学会ホームページ（http：//www.jfps.jp）上で行ってくだ
さい．詳細はホームページをご覧ください．
⑵ 登録料：登録料には各種講演の聴講料および講演論文集１冊の代金が含まれます．なお，参加登録者は，11月29
日18時から開催予定の技術懇談会に参加することができます．
正会員・賛助会員企業の社員・シニア員・ジュニア員

名誉員・学生会員

日本フルードパワー工業会会員企業の社員，共催・協賛団体の会員（正会員）

一般

20,000円

15,000円

22,000円

25,000円

注１ 会員資格について不明な点は，事務局までお問い合わせください．
注２ 同一の講演者が複数の講演を行う場合，２件目以降は，１講演につき7,000円が加算されます．
⑶ 別売り講演論文集料金：登録料に含まれる１冊の講演論文集とは別に論文集を購入される場合，正会員・名誉会
員・賛助会員企業の社員6,000円，フルードパワー工業会会員企業社員，協賛・共催団体社員8,000円，一般10,000円
で当日受付にて購入できます．また，学会ホームページから講演論文集申込書をダウンロードしE-mailに添付して学
第43巻

第６号

―3―

2012年11月（平成24年）

340

フルードパワーシステム

会宛（info@jfps.jp）に送信する方法でも購入できます．ただし,発送は講演会終了後となります．
６．学内見学会
11月29日（木）15：00 〜 16：00 福岡工業大学の学内見学会を実施いたします．
７．会員証について：会員証（カード）をお持ちの方は，当日ご持参ください．
８．連絡先：（一社）日本フルードパワーシステム学会〒105‑0011 東京都港区芝公園３―５―22 機械振興会館 別館102
E-mail info@jfps.jp

会

TEL 03‑3433‑8441

FAX 03‑3433‑8442

告日本フルードパワーシステム学会主催

平成24年度 ウィンターセミナーのご案内「アクアドライブシステム（新水圧駆動技術）の現状と将来」（仮題）
平成24年度ウィンターセミナーは下記要領にて開催する予定で準備を進めております．詳細は学会ホームページおよび平成25年１月号の会告にてご案内いたします．
趣旨：

20世紀末にスタートしたアクアドライブシステム（新水圧駆動技術）のスタート当初の目的は地球環境問題に立脚するものであった．すなわち，油圧作動油による環境汚染を防止するため従来の油圧システムの代替という考え方が主であった．しかしながら，現在では，油圧，空気圧，電動駆動システムのという従来の駆動システムを適用するのが困難な分野に用いる第４の駆動源としての位置づけを目指し，アクアドライブシステムの研究開発が各所で進められている．その結果，本学会の講演会にもその成果が徐々に発表されるようになってきた．本セミナーでは，このようなアクアドライ
ブシステムに着目し，その技術の現状と将来を展望します．
開 催 日：平成25年２月下旬あるいは３月上旬
講

師：池尾 茂（上智大学教授），伊藤和寿（芝浦工業大学教授），中尾陽一（神奈川大学教授），宮川新平（KYB㈱）会

場：機械振興会館 http://www.jcmanet.or.jp/gaiyo/map̲kaikan.htm

受 講 料（事前登録の金額）：正会員・賛助会員企業の社員

第43巻

第６号

14,000円

名誉員，シニア員・ジュニア員，学生会員

5,000円工業会会員企業の社員，共催・協賛団体の正会員

16,000円

一般

19,000円―4―

2012年11月（平成24年）

会告

341

電子投稿・審査システム導入について会

告

電子投稿・審査システム導入について〜 2013年１月１日受付より電子投稿に移行します〜
一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会
会長 香川 利春
論文集委員長 築地 徹浩
本学会では，油圧，空圧，水圧および機能性流体に関する研究成果の情報誌として，日本フルードパワーシステム学会
論文集およびJFPS International Journal of Fluid Power Systemを発行しております．
この度，インターネット環境の社会的な普及に伴い，論文投稿・審査システムの電子化について，検討してまいりました結果，2013年１月１日より電子投稿・審査システムの正式運用を開始することといたしましたので，お知らせいたします．
このシステムを利用することにより，論文投稿・審査プロセスをWEB 上で一元管理することができます．このことにより，投稿者の利便性の向上，編集作業の効率化，論文投稿から掲載に至るまでの期間短縮など，より一層の会員サービ
ス向上を目指します．
上記趣旨により，現在の投稿受付は，2012年12月31日（本会必着）をもって終了させていただきます．
会員各位の深いご理解とご協力をお願い申し上げます．

会

告会 員 移 動
会員の種類

正

会 員 数
（10月12日現在）
差

引

増

海外会員

学生会員

賛助会員

900（注１）

15

153

103

−1

＋1

＋9

0

減

（注１）正会員の内訳

会員

名誉員14名・シニア員20名・ジュニア員178名

正会員
王 海 涛（大連海事大学）

藤原 達也（一般社団法人日本フルードパワー工業会）

学生会員
米田 知生（立命館大学）

細山 貴弘（立命館大学）

佐藤

平川 鉄磨（福岡工業大学）

健（神奈川大学）

山本 悟史（東京工業大学）

守分 善法（岡山理科大学）

加藤 将史（早稲田大学）

猪越 紀克（防衛大学校）

斉藤

第43巻

孟（上智大学）第６号―5―2012年11月（平成24年）

342

会

フルードパワーシステム

告

学会誌に掲載された記事の著作権の帰属確認について
会員ならびに学会誌執筆者各位
一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会
情報システム委員会 委員長 藤田 壽憲
会誌編集委員会 委員長 吉田 和弘
日本フルードパワーシステム学会（以下「本会」という）では，会員サービス向上の一環として，学会誌および論文集のバックナンバーの一部（33巻〜 42巻，2002年１月号〜 2011年11月号）を電子化し，学会ホームページ内の会員ページで公開する準備を進めております．公開にあたっては著作権法により，掲載された記事や論文などの執筆者からその著作権の許諾または譲渡を必要とします．
論文の著作権については2009年度の「掲載論文の電子アーカイブに伴う著作権委譲に関する公示」で著作権が委譲され本会に帰属していることが明確になっております．学会誌についても投稿規程に著作権が本会に帰属することが定められております．対象となるバックナンバーについては，投稿規程制定後に刊行されたものであり，投稿時に著作権が委譲され本会に帰属することを執筆者に承諾していただいております．しかしながら，投稿時点ではメディア媒体は冊子体であり，電子データは一般的ではありませんでした．そこで電子データで公開する場合にも，著作権が学会に帰属することを再度，確認申し上げる次第です．万一，この件に関しましてご了解戴けない場合，あるいはご不審の点がある場合には，2012年12月15日までに，本会事務局へ文書またはE-mailにてお申し出ください．
本会は，このお知らせが著者の皆様方の目に触れることを前提としておりますが，公開後の執筆者の皆様からの記事取り下げ要求に際しても柔軟に対応させて戴きます．
以上，会員および執筆者各位のご理解とご協力をお願い申し上げます．
〒105‑0011 東京都港区芝公園３丁目５番22号 機械振興会館 別館102
日本フルードパワーシステム学会事務局
E-mail info＠jfps.jp

第43巻

第６号

―6―

2012年11月（平成24年）

吉満

343

俊拓：「フルードパワーにおける組み込みシステム」発行にあたって

巻 頭 言「フルードパワーにおける組み込みシステム」発行にあたって＊
吉

満

俊

拓＊＊

電気・電子機器の高度化・複雑化と，マイクロプ

組み込みシステムについて総論としてまず「組みロセッサやメモリの性能単価の下落が進んだ結果，より広範な分野で組み込みシステムが採用されるよ
うになっている．家電，AV機器，OA機器，携帯込みシステムがフルードパワーにもたらすこと」と題し，組み込みシステムについて解説いただいた．

電話，自動車，自動販売機など，身の回りにあるほとんどの機械には何らかの組み込みシステムが搭載されており，平成20年度より日本標準産業分類3912
として規定されることによりその位置付けがますま
す重要になってきている．
組込みシステム技術協会によると，組込みソフト
ウェア産業全体で，年間の国内組込みソフトウェア
開発費は約4.2兆円，５年間（2004 〜 2009年）の平均成長率は約15％と推計されており，近年，著しくその規模が拡大している1）．
組み込みシステムとは，「機器や機械に組み込まれて，その制御を行うコンピュータシステム」であり，その特性として，専用化されたシステム・厳しいリソース制約・高い信頼性・リアルタイム性を有するものである2）．そして，パソコンなどの汎用システムとは異なりさまざまなハードウェアと多様なOSがあり，開発環境とターゲットシステムが分離しているのが一般的である．
現在のフルードパワーシステムの主たる分野である製造業分野は，省エネルギ化の要求が最上位に上がりシステムの高度化・複雑化が進んでいる．そして，システムが高効率・高精度で動作するために，
フルードパワーシステムにおいても機器単体の高機能化が進み多くの流体機器に組み込み用マイコンがつぎに研究機関での活用事例として「歩行リハビリ
訓練用高機能靴」を紹介する．さらに，産業機器における実装例として，「ショックレス切換弁」，「電子制御ミキサ車」，「スマートポジショナ」，「デジタル電空レギュレータ」を紹介する．
最後に，ご多忙にもかかわらず本特集号の各記事をご執筆いただいた著者の皆様に心よりお礼を申し
上げます．
参

献

者の効果的な育成について,
http://www.jasa.or.jp/top/activity/activityguid/
pdf/training-project/0̲contents.pdf，p.2（2010）２）高田：リアルタイムOSと組み込み技術の基礎，CQ
出版，p.7（2004）

［著
よし

みつ

とし

ひろ

吉 満

俊

拓 君

ステムを持ちいた話題・トピックを提供する．フルードパワーの新たな研究・開発の領域を拡大する
きっかけとなれば幸いである．

平成24年８月29日

文１）社団法人組込みシステム技術協会HP：組込み技術

用いられている．
本特集号ではフルードパワーの分野に組み込みシ

＊

考

者

紹

介］

2000年明治大学大学院博士後期課程修了．
同年神奈川工科大学工学部助手．現在は准教授．空気圧制御システムの研究に従事．
日本フルードパワーシステム学会，日本機
械学会，計測自動制御学会などの会員．博士（工学）E-mail：yosimitu@rm.kanagawa-it.ac.jp

原稿受付

＊＊

神奈川工科大学ロボットメカトロニクス学科（所在地 〒243‑0292 神奈川県厚木市下荻野1030）
第43巻

第６号

―7―

2012年11月（平成24年）

344

総

フルードパワーシステム

論

組み込みシステムがフルードパワーにもたらすこと＊小

ステムの適用により日の目を見た例がある．自動車の油圧駆動無段変速機の変速比の範囲を広げる目的

1．は じ め に組み込みシステムとは，マイクロコンピュータ（マイコン）を組み合わせた機器のことである．携
帯，家電，自動車など身の回りから，人工衛星や探査機など宇宙分野まで，広くあらゆるところで活用されている．大量に生産されるマイコンは，ほとん
どすべてが組み込み用途に消費される．
2．組み込みにより実現されたこと
組み込みシステムは，無論メカトロニクス技術の延長上にある．メカトロニクスはメカだけでは対応できない機能を，電子技術により補填して来たともいえる．しかし，組み込みシステムは従来にない新たな機能を生み出している．マイコンの性能や制御
プログラムの進化に伴い，システム間の通信や資源共有，動作中の最適化，学習，さらには人の好みや価値観などに対応させた機器動作，安全の確保など
きわめて多様な機能が実現された．
組み込みシステムの先駆的分野ともいえる自動車
では，多数の組み込みシステムが動作している．そし て こ れ ら は 車 単 位 で の ネ ッ ト ワ ー ク シ ステ ム
（CAN：Controller Area Network あ る い はCar
Area Network）を構成し情報を共有している．必要ならば他のシステムが管理するセンサ情報を参照
している．一方，燃料噴射を制御するマイコンはリ
アルタイム学習による噴射時間調整を実行しており，
学習結果はメモリに記憶され次回の運転開始時に初期値として利用される．また好みに関わる対応とし，
加速感と燃費との折り合いについて，いずれを重視するか輸出先国民性に合わせてマイコンのプログラ
ムをチューニングしているとも聞いた．
組み込みシステムはフルードパワーの分野でも目覚ましい活躍をしている．たとえば過去に提案されたものの実用化ができなかった機器が，組み込みシ＊

平成24年８月25日

＊＊

原稿受付

明治大学理工学部機械情報工学科（所在地 〒214‑8571 神奈川県川崎市多摩区東三田１―１
―１）
第43巻

第６号

紀＊＊

山

で，ギアによる段階変速機構と組み合わせるアイデ
アは以前からあった．しかし段階変速機構が切り替わった瞬間のショックを取り去る技術が開発できず
長い間実用化されなかった．マイコン制御による組
み込みシステムとすることで，正確なタイミングで
油圧アクチュエータの動作制御を実行し，ショックの問題が解決できた1）．また，このシステムは工作上避けられない油圧アクチュエータの動作遅れの個
体差が吸収できるよう，学習により動作タイミングを自己調整している．前述のように自動車の組み込みシステム間では通信により情報をやり取りしているため，事前に油圧アクチュエータシステム単体で学習はできない．自動車が完成し，格納場所に自走する間に学習が完了するのだそうだ．
マイコンには，動作中の監視，学習，判断などの機能をプログラムすることができる．油圧の配管
チューブに信号線を組み込み，信号線を伝わる信号
波形の変化から配管の劣化を動作中にリアルタイムで診断することが可能である2）．配管端にパルス信号の発生部を置き，一方の端に受信部を置いてこの間を伝わるパルス信号の振幅や中央値の変化を監視し，異常すなわち配管の劣化を予測することができる．従来実施していた決められた時間ごとの，すな
わち余寿命がある筈の配管交換の手間と経費が節減できる．
電気接点を持つ機械的リレーによる制御回路の流れをくむPLC（Programmable Logic Controller）は，
フルードパワー機器の制御に多用される．PLCを使った制御回路は厳密には組み込みシステムと呼ばないかもしれない．しかし現在のPLCはマイコンが使われ組み込みシステムと同等な機能を持つため，
新しいフルードパワー制御を実現している．空気圧
シリンダは手動により調整するニードル弁で動作速度を設定するが，設定後にニードル位置が動いてしまい速度が変化することがある．これを解決するた
めPLCを用いリアルタイムで可動式ニードルの位置を調整するスピードコントローラが開発されてい
る3）．

―8―

2012年11月（平成24年）

小山

3．組み込みシステムの開発例
組み込みシステムは自律動作をする機器には不可欠である．著者の研究室での組み込みシステムを利用した開発の様子を紹介する．
図１は組み込みシステム開発を実習させる学生実験のための空気圧シリンダ制御回路である．左側の台の奥に，２本の空気圧シリンダが取り付けられており，実習する学生には台上手前の制御用マイコンで実行する運転プログラムを作成させる．一般的な組み込みシステムにおいては，プログラムは制御用
マイコン自体を使って作成することはない．パソコ
ンなど他の環境で作成，動作確認（シミュレーショ
ン）した後に制御用マイコンのROMに書き込み実行する．この実習装置でも右のノートパソコンでC
言語によりプログラムを作成し，コンパイル（ノートパソコンと制御用マイコンのCPU種類は異なる
のでクロスコンパイル）したのち，ダウンロード
ケーブルでマイコンに書き込む．書き込みを含めたすべての操作は，パソコン上の開発環境画面からできる．
マイコンはそれ自体，あるいはマイコンメーカが提供する回路モジュールの追加によりインターネッ

第43巻

図１

組み込みシステムの実習装置

図２

空気圧流量サーボ装置の内部

第６号

345

紀：組み込みシステムがフルードパワーにもたらすこと

トを通じてデータのやり取りができる．通信ハンド
ラなどのアプリケーションも提供されている．フルードパワー機器を組み込みシステム化すると，遠隔から一般のインターネットにより操作できることになる．図２は電磁弁の高速切り替えによる流量サーボ装置4）の内部を示している．圧力のリップルを削減および現在の供給流量を計測する機能を持たせた圧力容器や電磁弁のそばに，マイコンが文字通り「組み込まれて」いるのがわかる．マイコンに目
標流量を指示すれば，その流量が供給されから，インターネットにこの機器を接続しておけば遠隔な流量操作が可能である．職場のパソコンから家庭のガス火力がインターネットを通じて調整できる．もっともこの様な操作が必要な用途は今のところ思い付かないが．
図３は著者の研究室で開発している空気圧歩行支
援装具の概念図である5）．背中のザックに組み込みマイコンを含むすべての制御機器や動力源を入れ，ザックから供給されるガスにより駆動する空気圧シ
リンダで歩行の補助動作を行う．
図４にその構成を示す．靴底や脚装具に設けたセンサからの信号をマイコンが監視し，歩行者の歩行状態に合わせて適当なタイミングで空気圧シリンダを動作させ歩行を支援する．マイコンにはセンサ波形から抽出すべき情報や，姿勢に応じた支援タイミ
ングなどがプログラムされている．
図５にザックから取り出したマイコンおよびイン
ターフェイス回路部の写真を示す．これらの電子回路部は電池も含めてきわめて軽量である．

図３―9―空気圧歩行支援装具
2012年11月（平成24年）

346

フルードパワーシステムも貢献する．農作物にさえも不当な流通を防止し，安全性を確保するためICチップの添付が検討されている．個々のフルードパワー製品にも，さまざまな目的でマイコンが棲み付く日が来るのでは，と思
う．
参

考

文

献

１）中野晴久：自動車における電子回路組み込み技術，
日本フルードパワーシステム学会第７回若手育成
フルードパワー道場資料，（2012）
２）黒川道夫：寿命予測機能付き油圧ホースシステムの紹介，フルードパワー，Vol. 26，No. 3, p. 51‑54（2012）
３）齊藤悠：空気圧シリンダ作動時間のデジタル制御，

図４

フルードパワー，Vol. 26，No. 3, p. 38‑42（2012）

空気圧歩行支援装具の構成

４）植田哲哉，小山紀，吉満俊拓，香川利春：電磁弁と等温化圧力容器を用いた流量サーボに関する研究，IFPEX2008カレッジ研究発表コーナー講演論
文集, p. 55‑56（2008）５）T. ARIMA, O. OYAMA and T. YOSHIMITSU：DEVELOPMENT WALKING ASSIST SYSTEM
WITH PNEUMATIC ACTUATOR, Proc. of the
JFPS International Symposium on Fluid Power, p.
541‑542（2008）

図５

マイコン部

［著

4．終 わ り に

お

やま

おさむ

小

山

紀 君

フルードパワーが組み込みシステム化することで新たに実現できる機能はまだまだあると思う．その意味でも本号の特集は有意義である．
組み込みシステムのもうひとつの大事な特徴は，マイコンのプログラムを外部からは読めなくすれば関わるノウハウをブラックボックス化できる点にある．製品の独自性を保てると同時に，グローバル化
時代で問題が懸念される不当なコピーを防ぐことに

第43巻

第６号

― 10 ―者

紹介］

1978年明治大学大学院理工学研究科博士後期課程単位取得後中退．同大学助手，専任講師，助教授を経て，2000年同大学理工学部教授，現在に至る．空気圧制御の研究に従事．日本フルードパワーシステム学会，
日本機械学会，計測自動制御学会などの会員．博士（工学）．
E-mail：oyama@isc.meiji.ac.jp

2012年11月（平成24年）

早川

解

347

恭弘：歩行リハビリ訓練用高機能靴

説

歩 行 リ ハ ビ リ 訓 練 用 高 機 能 靴＊早川恭

1．は じ め に
高齢者の転倒死亡事故は平成12年から19年へかけて17%も増加しており，迫り来る超高齢化社会の主要な問題となっている1）.この転倒の要因として，在宅高齢者では段差などの環境要因がもっとも多く，

弘＊＊

センサから得られるデータの処理を行う制御装置の製作を行う．また，測定装置は両手の使用を制限せず，なおかつ自然に近い状態での歩行を実現するために，制御回路の小型化および，配線の一本化を行う．図１に製作した測定装置，図２に制御構成図を示す．

次いで多いのが病気によるバランス・歩行障害である．具体的には高齢者の20 〜 50％に歩行障害があり，筋力低下は在宅高齢者の50％にみられる．また，バランスと歩行を維持するには，出力となる下肢筋
力や関節可動域が十分である必要がある．しかし，加齢による下肢筋力の低下により，高齢者の歩行は歩幅が狭く歩高が低くなる．さらに前傾・前屈姿勢になるためバランスを保つことが難しくなる．
こうした事故を防止するため，安定歩行に関する研究がなされている2）．しかし，これらの器具はどれも大型であり，装着時に使用者への圧迫も大きい
ため，普段の生活の中で手軽に使用することは難しいものが多い．そこで，我々の研究室では，日常的に使用する靴に空気を利用したバランス補正提示機
能を付加するために，組込み技術を応用した歩行訓
練用靴の開発を行っている．
本解説では，高機能靴開発の第一段階として，歩

図１

測定装置

行時の足部圧力バランスおよび身体の状態を測定する組み込み測定回路について述べる．
2．歩行データ測定装置
研究の第一段階として，歩行の補正方法を考える
際に，正常な歩行を行える人と，正常な歩行が困難となってしまった人の歩行時における身体の振れ，及び足裏の荷重分布の傾向を掴み，その差異を知る必要がある．そのためには，身体の傾きと，足裏と中敷に加わる荷重を正確に検出する測定装置が必要となる．
そこで，歩行データ測定装置として，両足分のSCSRA要素3）を用いた高機能中敷と，中敷部の各種＊

平成24年７月２日

＊＊

原稿受付

奈良工業高等専門学校（所在地 〒630‑1080 大和郡山市矢田町22）
第43巻

第６号

図２

測定装置の制御構成

本制御装置は１つのMPUでデータ処理を行う．
MPUには，AVRを使用し，LCDの表示，圧力セン
サ，接触圧センサ，加速度センサの各データのA/
D変換，および，変換後のデータのSDカードへの書き込みすべてを行っている．
しかし，AVRのA/D変換可能ポート数には限りがあり，多くの要素のA/D変換はAVR単体では行
えない．そこで，マルチプレクサ（以下MUX）と呼ばれるものを使用することで，各センサすべての
データの処理と，データ処理の簡略化を可能にしている．また，マルチプレクサは，制御装置外の別の回路に設けており，左右の高機能靴にそれぞれ搭載― 11 ―

2012年11月（平成24年）

348

フルードパワーシステム

している．
さらに，SDカードへの書き込みは，FATシステが豊富である．さらに，FLASH ROM領域が多く，少々大きいプログラムでも書き込みも可能となってムを使用することでExcelデータとして保存され，Windows PC上でのデータ確認が可能となっている．
回路への電力供給は，小型のバッテリーで行う．

いる．また，SDカードのデータ書き込みは基本的にブロック（512byte）単位となり，多くのRAM領域を必要とするが，本MPUではそれが十分確保さま た， バ ッ テ リ ー の 充 電 制 御 に は， バ ッ テ リ ーチャージャー ICを使用しており，USBによる充電が可能となっている．

れている．
２）バッテリーチャージャー IC
バッテリー充電制御用ICは，図４に示すTEXAS

2.1 制御装置
図３に製作した制御装置に示す．制御装置は，図に示すように，縦65㎜×横95㎜×高さ20㎜（LCD

INSTRUMENTS社 のBQ24032Aを 採 用 し て い る．
このデバイスの特徴はDPPMと呼ばれるパワーマ
ネージメント機能を内蔵していることである．USB

部28㎜）と非常にコンパクトなデバイスとなっている．制御装置の操作にはLCDの下部にある操作ス
イッチを使用する．操作スイッチには５方向入力ス
イッチを使用しており，１つのスイッチで，上下左接続時には，バスパワーによるシステムへの給電とバッテリーの充電が同時に行われる．そして，USBが非接続になると自動的にシステムへの給電経路が切り替わり，バスパワーの代わりにバッテリーが使

右およびセンターの５つの入力を行うことができる．
制御装置の左側面部に，中敷部の各種センサの信用されるようになる．また，バスパワーには上限があるが，それも上限値を越えないようにICが自動

号線をまとめたコネクタ（以下中敷部センサ用コネクタ）接続用ポートと，加速度センサからの信号線をまとめたコネクタ（以下加速度センサ用コネクタ）接続用ポートを設けている．
制御装置の上部には，microSDスロットがあり，こちらにデータ保存用のmicroSDCを挿入する．制御装置の下部には，バッテリー充電用のUSBスロットを設けている．こちらのスロットにUSBケーブル
を接続し，もう片方をPCに接続することでバッテリーの充電を行うことができる．

的に調節を行う．

図４

バッテリー充電制御用ICの外観

2.2 高機能靴製作した高機能靴を図５示す．高機能靴の製作には，靴底の加工のしやすさを考え，足の甲で固定を行うタイプのサンダルを使用している．このサンダ
ルに，高機能中敷を搭載できるようにサンダルの靴
底を掘り下げ，さらに，SCSRAの圧力測定用チュー
ブが通るように加工を行っている．
製作した高機能中敷は，図のようにSCSRAを配置し，その上に接触圧センサを爪先部に２つ，土踏
まず付近に２つ，そして，踵部に１つの計５ヶ所配置しており，この５点の接触圧から足裏の荷重分布を検出する．また，SCSRAには内圧測定用のチューブが取り付けられており，チューブの先を信号線集

図３

積回路上の圧力計に接続している．
この信号線集積回路とは，中敷部の各種センサの信号線をまとめている回路である．本回路には，制御装置詳細図

以下に，制御装置に使用した電子部品要素の説明
を行う．
１）MPU

SCSRAの内圧測定用センサおよび，接触圧センサ
用コネクタ接続ポートがある．また，回路は二層基板で作製しており，裏面にMUXが配置されている．

MPUと し てATMEL社 のATmega64を 採 用 し ている．このMPUは8ch，10bitのA/D変換器や，SPI，
TWI，USARTのインターフェースなどの周辺機器

MUXは，MPUからの信号により，センサを選択し，そして，選択されたセンサの値をMPUに返す役割を果たしている．

第43巻

第６号

― 12 ―

2012年11月（平成24年）

早川

図５

349

恭弘：歩行リハビリ訓練用高機能靴

高機能靴詳細図
左足（上），右足（下）図６１）接触圧センサ
このセンサは，おのおののフィルム層の上に導電

被験者の測定結果

材料（銀）の層があり，その上に感圧インク層がある．この２つのフィルム層はお互いに接着剤でラミネートされて，センサを形成している．有効センシ

SCSRAの内圧値の変化からわかる．

ングエリアは，感圧インクが塗られた円形の銀層と定義されており，図５の丸で囲まれた部分がそれにあたる．銀層は，導電配線としてこのセンシングエ
リアと他端の接続部をつないでおり，センサは電気回路内で抵抗器として作動する．センサが無負荷の状態では抵抗は非常に高くなる．センサに力を加えると抵抗値は減少し，電圧を印加することで，センサ抵抗の変化を電圧変化に変換することができる．
２）MUX
MUXには，ANALOG DEVICE社のADG608のア
ナログマルチプレクサを採用している．本デバイス
は８つシグナル・チャンネルで構成されるモノリ
シックCMOSアナルグマルチプレクサであり，共通の１つの出力に対して８つの入力があり，そのうちの１つに切り替えることができる．また，どの入力に切り替えるのかは，３ビット・バイナリのアドレ

本解説では，歩行状況を測定できる高機能靴の計
測回路および測定結果に関して説明した．組み込み技術を活用することにより，計測システムの小型化が容易に実現できることがおわかりいただけたと思う．

スラインによって決定することができる．

4．お わ り に謝

本研究の一部は，科学研究費補助金基盤研究（C）（No. 24500669）により行われている．
参
１）内閣府

文

献

高齢社会対策ホームページhttp://www8.

２）田中，小俣，池原，永村，池条：“下肢全体を支援する歩行補助機装着時の筋活動”，ロボティクス・
メカトロニクス講演会2006講演論文集，No.06‑4，
2P2‑A07, 2006３）早川恭弘：福祉介護用高機能靴の開発，フルード
パワーシステム, Vol. 42, No. 5, p. 289‑291, 2011

本測定装置の有用性を確かめるために，歩行実験を行い歩行データの測定を行う．歩行実験には，
ウォーキング・マシーンを使用し，歩行速度を2.5㎞/hで一定として，体型の異なる４名の歩行デー
タの測定を行っている．測定結果を図６に示す．こ

［著
はや

かわ

早

川 恭

こで，縦軸に各種センサの電圧変化値を10bit変換
した値を示し，横軸にサンプリングタイムを0.1sとした測定回数を示している．
これらの測定結果より，最大圧力値や歩調に多少の違いは見られるが，踵から爪先に至る重心移動の様 子 が 現 れ て い る こ と が， 接 触 圧 セ ン サ お よ び

第６号

考cao.go.jp/kourei/

3．歩 行 実 験

第43巻

辞― 13 ―

やす

者

紹

介］

ひろ

弘 君
2006年奈良工業高等専門学校電子制御工学科教授，現在に至る．空気圧を用いた福祉介護機器開発の研究に従事．日本フルー
ド パ ワ ー シ ス テ ム 学 会， 日 本 機 械学会，IEEEなどの会員．博士（工学）．
E-mail：hayakawa@ctrl.nara-k.ac.jp

2012年11月（平成24年）

350

解

フルードパワーシステム

説

シ

ョ

ッ

ク
北

レ

ス

切

換

弁＊

修＊＊

村

開度・切換速度といった設定値と，バルブの特性を調整するための調整値（たとえばゲインなど）があ

1．は じ め に
近年，玩具から家電製品，自動車にもマイコンが搭載され，組み込みシステムによって制御を行っている．また，産業用機器においても，マイクロプロ
セッサによるディジタル制御が広く普及している．
油圧機器においても，サーボシステムやポンプの回転数制御システム，フィールドバス対応機器などに，組み込みシステムが用いられている．しかし，エレメントと呼ばれるポンプやバルブ単体にマイコンを搭載している製品は，まだ少ない．
本稿では，油圧電磁弁にマイコン制御を導入した製品を紹介し，その概要を解説する．

る．また，バルブもコントローラもある程度のバラ
ツキ：機差を持っているため，同じ設定値でも組み合わせによって動作に差異を生じる．そのため，システムの立ち上げ時には初期調整が必要になる．
3．ショックレス切換弁

クを低減したものや，より高速に切り換わるものもあるが，過渡的な動作はバルブと油圧システムの特性で決まり，調整はできない．

3.1 開発の背景
物を動かす，特に重量物を移動させるときに要求されるのは，「安全に短時間で」ということであろう．そのためには，始動，停止時のショックを少なくすることが必要である．従来から電磁切換弁では，
スプール形状によって切換時の開度ゲインを下げた
り，スプールエンドにクッション機構を設けて，スプールの動きを遅くする手法などが用いられてきた．
通常ショックレス切換弁とは，このような機械的機構を持つ電磁切換弁のことを指す．多くのアプリ
ケーションにおいて電磁切換弁が使用され，より高度なモーションコントロールが必要な場合に，比例電磁式方向・流量制御弁が適用される．しかし，その中間的な機能を手軽に使いたい場面も多々あり，高機能で使いやすいショックレス切換弁を開発する

2.2 比例電磁式制御弁
比例電磁式制御弁は，電気信号により，油圧シス
テムにおける圧力や流量を連続的に，あるいは多段階に制御するバルブである．比例電磁式方向・流量制御弁を用いると，アクチュエータの始動，停止，ことになった．
3.2 機能仕様
市場調査と仕様検討の結果，以下のような機能仕様とした．
・弁開度・切換速度の制御を行う

運動方向の切り換えだけでなく，速度，加速度も制・指令信号はON/OFFの接点信号またはアナロ御することができる．
バルブの動作を比例ソレノイドに流す電流によって制御するため，バルブには駆動用のコントローラが必要になる．コントローラへの指令信号は，アナログ電圧またはON/OFFの接点信号が一般的であグ電圧信号を用いる
・電磁切換弁と同様の形状とし，コントローラはコンジットボックスに組み込む・ユーザによるバルブの特性調整，機差調整は不要とする

る．コントローラにはあらかじめ各種のパラメータを設定する．パラメータには，動作制御のための弁・パラメータの設定が容易にできる
このような仕様を実現するため，マイコンによる

2．油圧制御弁
2.1 電磁切換弁
電磁切換弁は，アクチュエータの始動，停止，運動方向の切り換えを行うために，油圧システムで多用される．その動作はソレノイドへの通電・遮断によるON/OFF切換である．用途によって切換ショッ＊

平成24年７月12日

＊＊

原稿受付

東京計器株式会社 油空圧事業 技術部（所在地 〒327‑0816 栃木県佐野市栄町１―１）
第43巻

第６号

組み込み制御コントローラをバルブに搭載した．マ
イコンを使用したディジタル制御には，アナログ制
御では実現できない多くのメリットがある．
・数値入力による動作設定とデータ管理― 14 ―

2012年11月（平成24年）

北村

351

修：ショックレス切換弁

・シリアル通信によるパソコンやPLC，周辺機器との情報伝達4．通 信 機 能・ソフトウェアのバージョンアップによる機能の追加・変更
機能的にはマイコンを搭載した比例電磁式方向・4.1 ハンドヘルド設定器
マイコンのシリアル通信機能を利用して，データの設定・保存，動作モニタを行うハンドヘルド設定

流量制御弁ともいえるが，手軽に使えることを重視
し，「流量調整ができるショックレス弁」・「進化した電磁弁」をコンセプトとした．図１にバルブの内器も開発した．
工業環境での使用を考慮し，通信インターフェー
ス仕様は，RS-422に準拠した．電源はバルブコント

部構造，図２にコントローラの操作部を示す．

ローラの通信ポートから給電を受ける．また，ハンドヘルド設定器にも記憶素子（EEPROM）を設けることにより，データの保存と他のバルブへのコピーもできるようにした．また，バルブコントロー
ラに比べて操作スイッチや表示素子の制約が少なく，仕様の自由度が大きいが，基本的には同一の操作・

図１表示にした．バルブ本体での操作を知っていれば，違和感無くすぐに使える設定器，というコンセプトの仕様である．図４に設定器の外観とデータの流れを示す．

マイコン搭載ショックレス切換弁

図２

コントローラ操作部

3.3 設定と動作制御仕様として，アナログ入力タイプ，３チャン
ネル設定タイプ，ショックレスタイプを開発した．
アナログ入力タイプは±10Vのアナログ電圧を方向と流量の指令信号とし，電圧の変化が急峻であってもあらかじめ設定した切換速度で動作する仕様である．３チャンネル設定タイプは，A/B各方向３種類の流量と切換速度をあらかじめ設定し，接点信号で選択する．もっとも電磁切換弁に近い手軽さで使えるのがショックレスタイプである．その設定・動作
例を図３に示す．基本的には各方向１点の接点信号

図４

ハンドヘルド設定器

4.2 検査装置
バルブおよびコントローラ単体の検査工程においても，マイコンの通信機能を利用している．本コン
トローラは，シリアル通信によって内部機能の自己診断を行ったり，データ設定やバルブの駆動制御を行う機能も持っている．したがって，アナログ入力／接点入力といった制御仕様に依らず，同一のイでショックレス切換動作を行い，さらに停止信号を併用すると簡易位置決め動作も可能である．

図５

バルブ検査装置

ンターフェースで検査ができる．

図３
第43巻

第６号

設定・動作例

図５はバルブの出荷検査のイメージ図である．検
査用パソコンからの通信コマンドにより初期設定を行い，バルブを所定の開度，切換速度で制御する．
― 15 ―

2012年11月（平成24年）

352

フルードパワーシステム

検査スタンドで得られた圧力，流量などの計測デー
タを収集，演算して適切な調整値をバルブコント

時・バルブの交換時などにおいて，ユーザによる初期調整が不要になった．

ローラに送信する．コントローラは受信した調整値
を内部の記憶素子に保存する．
コントローラ単体の検査においても通信機能を利

図６は指令値に対する流量の特性を補正する例である．特性の補正は区分線形近似によって行っている．中立点付近の不感帯と最大制御流量の調整だけ用することにより，多くの検査項目を自動化または半自動化することができた．コントローラの検査イ
メージも図５と同様で，計測データは電流値やディでなく，特性カーブを補正することもできる．正比
例に近い特性や２段ゲインの特性に補正することも可能であるが，通常はバルブ本来の特性カーブで調ザ周波数である．加えてコントローラの自己診断情報もパソコンに送信している．

整している．

5．機 差 補 正

6．お わ り に

比例電磁式制御弁に用いるコントローラの基本機
能は，指令値に比例した圧力や流量になるようにソ
レノイドコイルに流す電流を制御することである．

本バルブのシリーズは，初期型をリリースしてから約17年経過している．当初は取付面寸法：ISO4401-03のサイズからスタートし，05，07，08サイ
ズを追加した．スプール形式や作動油仕様などのバ流量は，電流にほぼ比例するが，実際にはごくわず
かな電流ではスプールが動かない．また，中立点付

リエーションも増えた．コントローラ部においても，マイコンの機種変更，その他電子部品の変更，回路

近には機械的なオーバーラップがあり，ある程度の指令値までは流量が増えない（油が流れない）不感帯がある．ソレノイド電流が定格のほぼ最大値になった時に最大制御流量になるが，実際には機械部品の加工公差や電子部品の特性誤差による影響を見込み，若干の余裕を持って設計されている．したがって，無調整状態で指令値を100%にすると定格
より若干多い流量となる．
これらの特性には，バルブ本体およびコントロー
ラの個体差によってある程度のばらつき：機差がある．本ショックレス弁では，4.2節で紹介した検査装置により，指令値を０〜 100%まで変化させながら流量を測定し，収集した計測データから指令対流量特性を補正する調整値を決めている．コントロー
ラは調整値に基いて，指令値に特性補正を加味したの改善，ソフトウェアのバージョンアップなどを行ってきたが，基本仕様や操作方法は変えていない．
今後も，機能の追加や仕様変更を頻繁に行うのでなく，同じ使い勝手で安心して使えるロングセラー製品になると考えている．
一方，通信インターフェースについては，開発当時に主流であった9600bps程度のRS-232CやRS-422
が使われなくなってきた．パソコンではUSBが標準
装備，工場の制御機器ではフィールドバスが普及してきており，本製品のリニューアルや新製品の開発時には，対応を検討していく必要がある．
方向・流量・切換速度を手軽に制御でき，機差の少ないバルブを実現できたのは，組み込み制御に依るところが大きい．今後，油圧機器の制御部にも，ますます，組み込みシステムが使われて行くであろ電流値を演算して制御する．その結果，同じ指令値に対してはほぼ同じ流量が得られ，機差を補正することができる．したがって，システムの立ち上げ

う．

［著
きた

むら

おさむ

北

村

修 君

者

紹

介］

1987年 群馬大学工学部卒業．
東京計器㈱油空圧事業 技術部 システム技術課に勤務．
油圧機器のコントローラの開発・設計に
従事．

図６

第43巻

第６号

指令対流量特性の補正― 16 ―

2012年11月（平成24年）

解川島

茂：電子制御ミキサ車

制

御

353

説

電

子

川

ミ

キ

サ

車＊

図１

電子制御ミキサ車

茂＊＊

島

1．は じ め に
電子制御ミキサ車とは，コンクリートミキサ車の油圧駆動制御をマイクロプロセッサ内蔵した専用の
ECU（Electronic Control Unit）により，電子化したものである．それにより，ポンプの流量制御，モータの２速切換え，アクセル制御を可能にし，エンジン回転数を従来のミキサ車の約半分に抑え，低騒音・低燃費を実現している．また，従来はレバー操作により，ドラムの回転制御を行っていたが，電子化に伴いコンパクトなハンディタイプのリヤコン
トローラを採用した．それにより操作範囲が広がり，
生コンの排出口付近でも操作可能となった．自動洗浄・自動混錬のプログラム運転，走行時の自動攪拌，
逆転防止といったユーザのニーズに合わせた機能も装備している．
2．ミキサ車の作業パターン

3．システムミキサ車は，生コンクリート（以下生コン）を製造するバッチャプラントで練り上げた生コンをドラム内に投入し，低速回転させながら排出現場まで運搬する．現場到着後，停車して排出の順番がくるま
で低速回転で待機し，排出前に生コンの分離を防ぐ

電子制御ミキサ車のシステムブロック図を図２に示す．
本システムは，従来型のミキサ車にあった操作レ
バーに代わり，キャブ内コントローラまたは，リヤ
コントローラの操作に応じて，ECUによりエンジため，生コンを高速で混錬した後，排出する．
排出完了後は，生コンが付着している排出口付近を洗浄し，バッチャプラントまで帰り，ドラム内を洗浄し排出するという一連のパターンがほぼ決まっている．

ンPTO（Power Take Oﬀ：エンジンからの動力を取り出し装置）に接続された電子制御油圧ポンプおよび２速油圧モータを制御し，減速機を介してドラムを回転させる．ドラム回転により発生する負荷圧力
を圧力センサで常時監視し，エンジンPTOのトル

この他には，生コンにファイバなどの補強材を入クに余裕があると判断した場合に，２速油圧モータ

れミキサ車で混錬する作業や，まれに道路の側溝工事などで低速走行しながら排出する作業もある．
ミキサ車は排出現場までの往復を除きほとんど停車で作業している．停車作業中にドラム回転数を上げて使うこともあり，その騒音が問題になることもを小容量に切換えると同時に，エンジン回転数を低減させて，電子制御油圧ポンプの吐出流量を抑える
ことにより，低騒音・低燃費を実現している．
電子制御油圧ポンプと２速油圧モータの回転数は，それぞれ回転センサにより検出され，フィードバッ

ある．

ク制御されている.
また，パーキングブレーキ信号を検出し，走行状＊

平成24年８月６日

＊＊

原稿受付

KYB株式会社特装車両事業部熊谷工場（所在地 〒369‑1193 埼玉県深谷市長在家2050)
第43巻

第６号

態を把握することで，停車時／走行時のドラム回転
制御切換えや，誤作動防止等の安全制御を行っている．

― 17 ―

2012年11月（平成24年）

354

フルードパワーシステム

図２
4．特システムブロック図長また，ドラムの回転数，繰返し回数は，ユーザの4.1 低騒音・低燃費
２速油圧モータの採用により，生コンの中〜高ス
ランプ（約12㎝以上）積載時の投入／排出や混練，
およびドラム内部の洗浄などの軽負荷作業においては，従来と同一のドラム回転数を得るのに必要なエンジン回転数を従来の約52％に低減させ，低騒音・低燃費を実現している．
4.2 走行時の自動攪拌運搬走行においては，従来あった攪拌操作を不要にし，走行開始時にパーキングブレーキを解除するだけでドラムが自動的に攪拌回転（正転側0.8 〜
1.5rpm）となる．また，走行中の路上排出事故防止のため，従来オペレータまかせであった手動の逆転防止レバー操作の代替として，攪拌回転開始と同時にすべてのコントローラを使用できなくすること仕様に合わせて選択設定できる．
4.4 自動混錬機能
生コン排出前に生コンの分離を防ぐため混錬を実施するが，ボタン（図３の緑ボタン）を１回押すだけで自動的に一定時間ドラムが高速回転し均一な生コンに仕上げることができる．ドラムの回転数，運
転時間は，自動洗浄機能同様にユーザの仕様に合わせて選択設定できる．
4.5 ハンディタイプのリヤコントローラ
リヤコントローラ（図３）は小形・軽量なハンディタイプで，生コン排出時に，シュート上を流れる生コンを見ながら操作可能で，コンクリートポン
プ車への排出はもちろん手押し車への微量排出にも機敏な操作が可能である．
従来型のレバー操作式ミキサ車ではシュートと操で走行中の生コン排出事故や誤操作を防止し，オペ
レータの負担軽減と安全性向上を図っている．また
この他，ユーザ評価結果から，低速走行での排出作業に対応するため，キャブ内に追加設定したスイッチの操作により，キャブ内でのみ走行中の排出回転

作レバー位置が離れているため，生コンの流れを見ながらの操作性に劣り，勘にたよっての操作で生コンをあふれさせてしまうこともあった．

を可能とする機能も設け，ユーザのニーズに合わせて使いやすくしている．
4.3 ドラム内自動洗浄機能
生コン排出後ドラム内壁には生コンが付着している．特にドラム後方は洗浄し難くコンクリートが固まって排出口を狭め排出性能の低下を招く．
自動洗浄機能は定量の水をドラム内に入れてボタン（図３の黒ボタン）を押すと，自動的にドラムが高速回転して投入と排出を繰返し，排出口付近にも洗浄水が回り込むように運転する．従来は，オペ
レータが直接排出口を覗いて，操作レバーでこの運転を行っていた．
第43巻

第６号― 18 ―

図３

リヤコントローラと自動洗浄・混錬ボタン
2012年11月（平成24年）

川島

355

茂：電子制御ミキサ車

表３5．油圧機器の仕様
5.1

電電子制御油圧ポンプ

電子制御油圧ポンプは，比例電磁減圧弁により流量制御している．また，負荷圧力を検出する圧力セ

源

動

作

湿
イ

マ

電子制御油圧ポンプの仕様

押 し の け 容 積 90.3㎤ /rev

度 95% RH以下
ズ W210.5×D160.5×H40㎜

質表１

圧 DC24V（20 〜 32V）

動 作 温 度 範 囲 −30 〜 80℃

サ

ンサを内蔵している．表１に仕様を示す．

電量 1.1kgイ

コ

ン H８SX/1543

入力チャンネル

アナログ×7，デジタル×12
パルス×5

出力チャンネル

ソレノイドﾞ PWM出力×３
アナログ×３，デジタル×5

通信

シリアル×１（メンテナンス用），
シリアル×１（拡張用）

知LED（７セグメント）（外部ブザー接続可能）

流 量 制 御 LS弁＋比例電磁減圧弁
圧 力 セ ン サ 動作圧力範囲０〜 35Mpa
質

5.2

量 57㎏

２速油圧モータ異常通

２速油圧モータは，電磁切換弁により押しのけ容積を切換えている．また，モータの回転数を検出す
る回転センサを内蔵している．表２に仕様を示す．
表２
押しのけ容積２速油圧モータの仕様

6．お わ り に
油圧制御をECUによって制御することにより，
従来では不可能であった高機能化が実現できるようになった．今後ともユーザの意見を伺い，電子制御の特徴を生かし，さらに使いやすいミキサ車へ発展させてく所存である．

１速：87.3㎤ /rev
２速：45.4㎤ /rev

２ 速 切 換 弁 電磁切換弁
回 転 セ ン サ 非接触型PUSH-PULL方式
質

ECUの仕様

量 39㎏
［著

者

紹

介］

6．ECUの仕様
電子制御ミキサ車の仕様に合わせた構成の専用
ECU（図４）を，自社で開発をした．

かわ

しま

しげる

川

島

茂 君

また，メンテナンス性，拡張性を高めるため，シリアル通信ポート，７セグメントLED表示器も実装しいる．表３に仕様を示す．

図４
第43巻

第６号

1994年東海大学工学部精密機械工学科卒．
同年４月カヤバ工業株式会社（現 KYB）に入社，特殊車輌，システム機器の開発設計に従事，現在に至る．
E-mail：kawashima-shi@kyb.co.jp

電子制御ミキサ専用ECU― 19 ―

2012年11月（平成24年）

356

解

フルードパワーシステム

説

ス

マ

ー

ト
渡

ポ

ジ

シ

ョ

ナ＊

崇＊＊

邉

ス工業とに大別され，加工工業は人為的あるいはロ

1．は じ め にポジショナとは，コントローラからの操作信号を受け，その操作信号に応じた目標位置に空気圧式の駆動部の位置を制御する計装補器である．
ポジショナは操作信号が空気と電気の２種類のタイプがある．操作信号の主流は空気圧から電気へ変わり，また低コスト化のためコンパクト・省エア化など改良が重ねられてきたが，ポジショナ自体の基
本構造原理に大きな変化は無かった．
しかし，プラントの効率化に伴う高精度化による厳しい条件下での操作要求や熟練を要するゼロ･ス
パン調整の簡素化を実現するため，制御部にマイコンを搭載した電子制御式のポジショナであるスマー
トポジショナが登場した（図１）．
本稿においては，ポジショナ用途などの説明および，従来からの機械式ポジショナと電子制御式のスマートポジショナとの比較を説明するものとする．

ボットによる組立工程作業が主であるが，プロセス
工業は原料やエネルギーの供給量（流量・質量など）と，装置の環境条件（温度・圧力など）を制御することにより，目的とする製品が自動的に得られるものである．
ポジショナの用途は主にプロセス工業であり図２は重油炉の温度制御を例に，プロセス制御の一般的な構成を示したものである．このフィードバック制
御回路の中で，ポジショナは調節部からの操作信号に応じて，ダイヤフラム弁の位置制御を行う役割を担っている．
3．ポジショナを使用する目的
コントロールバルブは，単動型と複動型に大別され，ダイヤフラム弁などのスプリングリターン式の単動型であれば，減圧弁などによる操作圧力の増減
でラフな位置制御は可能であるが，複動型アクチュ
エータの中間停止制御を行うにはポジショナなどの制御機器が必要である．ここでは，ポジショナが必要とされる制御条件や使用条件について説明する．
⑴ 駆動部の正確な制御
コントロールバルブの種類にもよるがコントロー
ルバルブ単体は圧力制御では数％ F.Sのリニアリ
ティ（直線性）・ヒステリシス（往復路の差）を生じる．位置制御のポジショナでは，常に現状の位置をフィードバックし修正動作するため，１％ F.S以内での位置制御が可能である．
⑵

図１

ポジショナは目標値と弁開度のずれを常に修正動作する．したがって，弁への外乱が大きい使用条件（弁内の圧力降下やその変化が大きい場合，粘性の高い流体を流す場合など）においても，その修正動
作により安定した位置制御が可能である．

スマートポジショナ

2．ポジショナの用途製造工業を大別すると，機械・自動車・電機などの加工工業と石油・化学・電力・ガスなどのプロセ＊

平成24年８月３日

＊＊

原稿受付

SMC株式会社（所在地 〒300‑2493 茨城県つくばみらい市絹の台４―２―２）
第43巻

第６号

駆動部の剛性強化⑶

入力信号と弁開度の関係の変更
バタフライバルブのように独自の流量特性をもったアクチュエータは弁位置と流量の関係が比例関係にならない場合が多い．コントロール性を向上させるため操作信号と流量を比例関係にする場合があり，その際は電子制御型ポジショナやカムを内蔵した機― 20 ―

2012年11月（平成24年）

渡邉

図２

崇：スマートポジショナ

357

プロセス制御の一般的な構造

従来の機械式ポジショナは機械要素のみで構成されており，フィードバック量は伝達部の動作による

全閉・全開を行うためには，カムの形状変更や補助部品の追加などで対応する必要があった．
これらの諸問題を解決する手段として登場したのがスマートポジショナである．スマートポジショナ
では電子制御化により，これまで多く使われていた
機械制御部品が減少し，変わりとしてマイコンがその役目を果たす構造となっている．その結果，ゼロ・スパン調整はオートチューニング化が可能とな
り，調整時間の短縮によるコストの削減や作業者による調整のバラつきがなく品質の安定化に繋がる．
また，流量特性の変更や強制全閉・全開制御などの各種パラメータ設定も，プログラム上に組み込む
ことで対応が可能となり，メンテナンス性，安全性，スプリングの張力変化で検出を行っている．
それに対し，スマートポジショナは弁開度を内蔵作 業 性 の 向 上 に 貢 献 す る． 加 え て， 位 置 検 出 はフィードバックシャフトを介し電気的に行っているの位置センサにより検出し，位置制御を行っている．
ポジショナはさまざまなサイズやタイプのアク
チュエータに使用されるため，機械式ポジショナはゼロ点とスパン調整を行う調整機構が設けられていので，弁開度の検出も補助機器を必要とせず行えるようになったのである．
また，LCDなどによる表示機能を搭載することで，現場でポジショナの設定の確認・変更や目標値る．ただし，その調整はおのおのの調整が干渉し合うため，熟練度が必要である．

との偏差など現在の制御状態を確認できるようになった．

また，操作信号に応じたアクチュエータの制御は行うものの，現場で確認しない限りアクチュエータの制御状態は得られなかった．そのため，アクチュ
エータの実開度を把握する必要のある場所では，開さらに通信機能をもたせることにより，ポジショ
ナの制御状態の監視やパラメータの変更が離れた場所で行えるようになったことも大きな特徴である．
これらの利点から機械式ポジショナに比べメンテ度発信器やリミットスイッチを補助機器として組み
合わせ，情報を得る必要があった．

ナンス性・安全性の向上および作業時間の短縮，補助部品の削減によるコスト低減に貢献できるものと

図３

入力信号と流量特性

械式ポジショナを使用することで，希望の出力特性を持たせることができる（図３）．
4．スマートポジショナについて

そのほか流量特性の変更や安全性を考慮した強制
第43巻

第６号

なっている．

― 21 ―

2012年11月（平成24年）

358

フルードパワーシステム

図４

スマートポジショナ動作原理図

図５

スマートポジショナブロック線図

5．動 作 原 理

6．お わ り に図４のスマートポジショナの動作原理図により，
動 作 原 理 を 以 下 に 説 明 す る． 入 力 信 号（ ４ 〜
20mADC）が増加すると，⑧基板の入力処理回路，
演算処理回路，出力処理回路を介し，⑫トルクモー

本報では，スマートポジショナにおける機械式ポ
ジショナからの機能向上点を中心について簡単に説明させていただいた．ご覧いただいた方に少しでも参考となる部分があれば幸いである．

タのコイルに入力されている電流が変化し，⑪板バ
ネを支点として⑬アーマチュアが揺動する．これに伴い，⑤フラッパと⑥ノズルの間隙が開き，ノズル
背圧が下降する．その結果，①パイロットバルブ内の⑦排気弁が右方に動き，OUT1側の圧力が上昇し， わた なべ
渡 邉
OUT2側の圧力が下降することで，⑭揺動アクチュ
エータが動作する．⑭揺動アクチュエータの動作は，
フォークレバー式継手，⑩フィードバックシャフト，⑨位置センサを介して，⑧基板の変位出力処理回路に伝達され，目標値（入力電流）と一致した開度で停止する．
上記信号の流れを図５のブロック線図に示す．
第43巻

第６号

― 22 ―

［著

者

紹

介］

たかし

崇 君
2007年日本大学理工学部機械工学科卒．
2007年SMC株式会社へ入社．現在ポジショ
ナの設計を担当．

2012年11月（平成24年）

吉田

解

享平：デジタル電空レギュレータ―マイコン搭載により高機能化を実現―

359

説

デジタル電空レギュレータ＊―マイコン搭載により高機能化を実現―
吉

田

享

平＊＊

制御方式からはオープンループ制御とフィードバッ
ク制御に分類できる．フィードバック制御方式は出

1．は じ め に

近年生産設備の多機能化，自動化，省力化が進み， 力センサにより感知し入力信号に対しフィードバッ
各種の空気圧機器が使用されてきたが，生産設備のクをかけているためオープンループ制御よりも高精多品種生産対応や，高機能・高精度化に伴い，空気度な設定ができる．
圧機器も自由度を持たせる必要が出てきた．つまり，
図２に代表的な電空レギュレータのブロック線図
シリンダや治具の空気圧によって発生する力を変化を示す．
させ，空気の流量を変化させる必要があり，これらの制御を行うとき空気圧を入力信号に比例して変化させる電空レギュレータが使用されている．
電空レギュレータは時代とともに高精度化，小形化が進みさまざまな種類のものが開発されてきた．
図１に比例制御弁の分類について示す．

図２

図１⑴のオープンループ制御方式直動形は，入力信号（電気信号）を変換部（比例ソレノイドなど）で力に変換し，操作部にある弁（スプール弁，ポペット
弁など）で空気圧を出力する．圧力比例制御弁の場

電空レギュレータの動作方式

2．電空レギュレータの種類と特徴

合，この出力を操作部からの力に対抗させてバラン

電空レギュレータの動作方式は，大きく分けて電磁弁ON/OFF形，ノズルフラッパ形，比例電磁形の３種類に分けられる．近年の省エネ，小形化に伴い，空気消費量が少ない電磁弁ON/OFF形の電空レギュレータが開発されてきた．
また，駆動方式からは直動型とパイロット型に，＊

平成24年８月６日

＊＊

原稿受付

CKD株式会社コンポーネント本部 流体制御システムBU（所在地 〒486‑8530 愛知県春日井市堀ノ内町北一丁目
850番地）
第43巻

第６号

代表的なブロック線図

スさせることで弁の動きを制御し，入力信号に比例した圧力を出力することができる．また，流量比例制御弁の場合，操作部の力に対抗するようにばねが入っており，入力信号に比例した弁開度が得られるようになっている．
⑵のオープンループ制御方式エアパイロット形は，直動形に比べ変換部の出力が小さいため，いったん増幅部（ノズルフラッパなど）で力を増幅し，操作部に出力している．このため，消費電力が小さく，かつ精度のよい変換部を使用できるという長所がある．

― 23 ―

2012年11月（平成24年）

360

フルードパワーシステム⑶のフィードバック制御方式エアパイロット形は，オープンループ制御方式エアパイロット形の出力セ④プリセット入力機能：任意の圧力を８点設定し，外部からの3bit信号入力（PLC等からの信号）でンサで検知し，入力信号と比較して，その差を演算して自動補正するシステムを付加したものである．

圧力制御できる．（図５）
従来製品では，ワークにより別々の圧力を使用する場合，レギュレータ８台と電磁弁が８台必要

3．デジタル電空レギュレータの開発コンセプトであったが１台ですべての操作が可能．
この結果，空圧回路をシンプルに構成でき，装置の小形化・コストダウンが可能となった．

近年，ユーザーの要求が多様化してきており，これに対応するためデジタル電空レギュレータを開発した．代表的なニーズとしては，下記のものが挙げ
られる．
（図３）

図５

プリセット入力使用事例⑤パラレル入力機能：PLCのI/Oユニットと直結し

図３て制御可能．（図６）
従来では，D/A変換器を用いないとI/Oユニッ
トからの出力を用いた，電空レギュレータの操作ができなかったが，マイコンを搭載することで，簡単にD/A変換器を内蔵することができ，D/A
変換器を使用しなくても操作が可能となった．これにより，部品点数の削減ができローコスト化につながった．

多様なニーズ

デジタル電空レギュレータは，これらのニーズに応えるため，マイコンを搭載した，多機能な電空レ
ギュレータとなった．
4．デジタル電空レギュレータの特徴
マイコンを搭載したデジタル電空レギュレータの特徴を下記に示す．
〈特徴〉①デジタル表示機能：動作状態，制御圧力が一目で分かるデジタル表示器搭載．（図４）②エラー出力機能：エラー発生時，エラーコード・
エラー出力（SW出力）により，製品不具合の検
知が可能．
（図４）
③ダイレクトメモリ入力機能：外部からの入力信号がなくても製品の操作キーからダイレクトに数値を入力して圧力制御することで，手動レギュレー
タと同じように使用することができる．

図６

パラレル入力例⑥ゼロ・スパン調整機能：圧力範囲を操作キーにより，調整することが可能．（図７）⑦スイッチ出力機能：上限下限圧力の設定により，

図４
第43巻

スイッチ出力（過電流保護内蔵）可能．
電空レギュレータの動作判定に活用．（図８）
モード１：設定値に到達した際に信号を出力する．

デジタル表示機能・エラー出力機能
第６号― 24 ―

2012年11月（平成24年）

吉田

享平：デジタル電空レギュレータ―マイコン搭載により高機能化を実現―

5．用

途

361

例

・液体吐出量制御（図９）
圧力で容器内の液体吐出量を調整．

図９

図７

液体吐出量制御・研磨力コントローラ（図10）
砥石上のシリコンウエハ等のワークを押すシリン
ダの押し圧を制御して研磨する．

ゼロ点・スパン点調整（OK確認）
モード２：ある圧力範囲を外れたときに信号を出力する．（NG検出）⑧オートパワー OFF機能：デジタル表示器を自動でOFFすることで，動作中の消費電力削減が可能．
図10

研磨力コントローラ

6．お わ り に
今回，マイコンを搭載したデジタル電空レギュレについて紹介した．上記の用途例はもちろんのこと，
幅広い分野で付加価値の高い機能を持った製品提供に貢献できると確信している．

［著
よし

だ

吉

田 享

きょう

者

紹

介］

へい

平 君
2011年名城大学理工学部電気電子工学科卒，2011年CKD株式会社入社，現在，比例制御機器の設計業務に従事．
E-mail：kyou-yoshida@ckd.co.jp

図８

第43巻

第６号

スイッチ出力判定機能― 25 ―

2012年11月（平成24年）

362

フルードパワーシステム

解説

油圧回路設計・動特性解析用シミュレーションパッケージOHC-Simの現状＊
桜

井

康

雄＊＊

OHC-Sim（Oil Hydraulic Circuit Simulation）は国産初の油圧回路設計・動特性解析用シミュレー

もに，この２社の要望に添った個別対応という形式で活動を実施した．第13期にはVer. 2.5が，第14期にはVer. 2.6がリリースされた．現在は，前述した形式と同様の形式で，第15期（平成24年６月１日〜

ションパッケージである．平成８年度に油圧回路設計用ソフトウェア開発事業が（社）日本油空圧学会

平成25年５月31日）を実施しているところである．
本稿ではOHC-Simの概要とVer. 2.5およびVer. 2.6（現，日本フルードパワーシステム学会）で策定され，同開発委員会でOHC-Simの基本バージョンの開発が行われた1）．さらに，平成９年10月から平成13年３月の間に本学会に設置された第１期〜第３期
OHC-Sim特別研究委員会（委員長 東京電機大学 中
田毅，幹事 九州工業大学 田中和博）は，OHC-Simの基本機能・油圧要素機器データベースの充実，ユーザーカスタマイズ機能の追加，ユーザーカスタ
マイズ機能を用いる際に必要となるボンドグラフモ
デル作成方法を含めたOHC-Simの習熟を目的として実施された．この間の委員会の研究成果をまとめ，
平成13年３月に成果報告書2）と共にOHC-Sim Ver.
2.0 with User Customized Functionがリリースされ，
平成13年５月より本学会においてこれらの頒布を開始した．第４期（平成13年６月〜）の委員会（委員長 東京電機大学 中田毅，幹事 足利工業大学 桜井康雄）からは，OHC-Simの基本的機能・油圧要素
機器データベースの充実，ユーザーカスタマイズ機
能の改良，OHC-Simとそのユーザーカスタマイズ
機能の習熟を目的とするとともに，水圧，空気圧，で改良された点について解説する．

1．は じ め に

2．OHC-Simの概要
OHC-SimはWindows®上 で 動 作 す る シ ミ ュ レ ー
ションパッケージである．その基本構造を図１に示す．OHC-Simでは，図２に示したように，同種のシミュレーションパッケージと同様に油圧記号に基づいたアイコンを用いて，コンピュータのディスプレ

図１

OHC-Simの基本構造

電動システムの動特性をOHC-Simでシミュレートする研究，フルードパワーシステムに関連したシ
ミュレーション全般に関する研究事例の集積，企業側委員の抱えるシミュレーションに関する問題の検討についても取り扱うものとし，第11期（平成20年
６月〜平成21年５月）まで実施され，この期間中に
OHC-Simは 更 新 さ れ，Ver. 2.2お よ びVer. 2.4が リリースされた．第12期（平成22年６月）以降は，不況の影響を強く受け，２社のみの参加となった．そのため，本委員会は，OHC-Simの改良を行うとと＊平成24年８月２日

原稿受付

＊＊

足利工業大学工学部（所在地 〒326‑8558 栃木県足利市大前町268―１）
第43巻

第６号

図２
― 26 ―

回路図編集画面2012年11月（平成24年）

桜井

康雄：油圧回路設計・動特性解析用シミュレーションパッケージOHC-Simの現状

363

イ上に，油圧回路を編集する．各油圧要素のパラ
メータはその要素に対応するパラメータ設定画面でSIあるいは工学単位で入力することができる．デー
タベースには，油圧要素機器の数学モデルが，ボン
ドグラフ法により記述・登録されている．このデー
タベースに登録されている油圧要素機器の数学モデ
ルを結合することにより，自動的に回路全体の数学
モ デ ル が 導 出 さ れ，BGSP for OHC-Simに よ り シ
ミュレーションが実行される．そして，その結果は画面上で簡単に確認できる．さらに，ユーザーカス
タマイズ機能により，ユーザー独自の油圧要素の数学モデルをOHC-Simに追加・登録することができ，

図３改良した計算実行画面

既存の素子と組み合わせた広範な油圧回路の動特性のシミュレーションが可能となっている．この機能を用いてOHC-Simに油圧要素の数学モデルを取り込
む際，ボンドグラフ法によるモデル化が必要となる．
3．OHC-Sim Ver. 2.5およびVer. 2.6

図４

タイムアウトした場合のグラフの描画

図５

タイムアウト時に表示されるメッセージ

3.1 Ver. 2.5における改良点
OHC-SimはVer. 2.4まではシミュレーション時に計算エラーが生じた場合，計算バーではあたかも計算が行われているように表示されていた．そのため計算エラーがでているかユーザーにはわからず，
OHC-Simに設定されている計算のタイムアウト時
間である２時間が経過して初めて計算エラーが出ていたことがわかるという状況であった．また，計算エラーが計算の途中で生じた場合，計算エラーが出る前までのグラフを描くことはできなかった．
そこで，Ver. 2.5では，計算実行時にタイムアウ
トの時間を図３に示すようにユーザー側で設定できるように改良した．また，タイムアウトで計算が終了 し た 場 合， グ ラ フ を 描 く た め に 必 要 な デ ー タ（データファイルの最後で抜けているデータ）を0.0

タイムアウトで計算が終了した場合，図５に示した
OHC-Sim上に表示されるメッセージに従い計算用の実行ファイルを手動で終了させる必要がある．
大きな改良は上述した点であるが，ボンドグラフ
用のシミュレーションプログラムを使っていたユーザーのためにシミュレーションプログラムBGSPfor OHC-Sim（図１参照）用の入力データファイルを残すことが選択できる機能および画面右下にカレという値で補うようにし，タイムアウトで計算が終了した場合でもグラフを描くことができるようにした．タイムアウトさせた場合の計算結果を描いたグントディレクトリを表示する機能を付け加えた．
3.2 Ver. 2.6における改良点
Ver. 2.6おいては編集画面の機能の向上およびグラフを図４に示す．OHC-SimVer. 2.4であれば計算した値が不自然に小さくなっているにも関わらずタ
イムアウトとして設定した２時間計算を続ける．しラフ機能の強化を行った．
OHC-SimVer. 2.5までは油圧要素間の結合は要素の入出力ポートを直線で接続していた．また，油圧かしながら，Ver. 2.5でタイムアウト時間をユー
ザーが自由に設定できるようになり，タイムアウト
した時間までのグラフを描くことができるように要素は画面上で回転させることができなかった．そのため，OHC-Sim編集画面上に描いた油圧回路は必ずしも見やすいものではなかった．

なったため，不自然な計算結果であることを早い段階で認識することができるようになった．このような不自然な計算結果となる場合，一般的には油圧要

そこで，OHC-SimVer. 2.6では，図６に示すように画面上に配置した油圧要素アイコンを回転させることができるようにした．油圧要素アイコン上でダ素のモデルのパラメータの設定ミスによるものであ
ブルクリックすると90°毎に同じ位置で油圧要素アり，これらの機能を搭載したOHC-SimVer. 2.5では， イコンが回転する．また，図７に示した通り，油圧
これを効率よく発見できるようになった．ただし，要素を接続する際に，その線が自動的にその線の中
第43巻

第６号

― 27 ―

2012年11月（平成24年）

364

フルードパワーシステム

図６

素子の回転

図９
⒜

Ver. 2.5まで
図７⒝Ver. 2.6における油圧回路１の編集画面

Ver. 2.6から

油圧要素間の接続

図８

油圧回路１

図10 Ver. 2.5以前における油圧回路１の編集画面
点で折れるようにした．このような編集画面上の改良を施したOHC-SimVer. 2.6を用いて図８に示した
参 考 文 献
油圧回路を編集した結果を図９に示す．図10に示し
１）中田毅，田中和博，幸田武久，桜井康雄，鈴木勝
たVer. 2.5以前のOHC-Simで同じ油圧回路を描いた
也：油圧回路の設計・動特性シミュレーション用
編集画面と比較するとその改良の効果が良くわかる．
プログラムOHC-Simの紹介，油圧と空気圧，Vol.
グラフ機能においては，従来は物理量と時間の関係
28，No. ２，p. 76‑82（1997）
のみの表示機能だけであったが，物理量どうしの関
２）中田毅，田中和博，幸田武久，桜井康雄：OHC係を描くことができる機能を追加した．
Sim特別研究委員会成果報告書，（社）日本油空圧学

4．お わ り に会（2001）

本稿ではOHC-Simの概要とVer. 2.5およびVer. 2.6で改良された点について解説した．ここで示した通り，OHC-Simも少しずつではあるがユーザーにとって使いやすくなっている．本学会の会員であれば，本学会のホームページからOHC-Sim公開版を無償でダウンロードできるようになった．この版には豊富な例題集が準備されており，OHC-Simの使い方をマスターしつつ，油圧回路のコンピュータシミュ

［著
さくら

い

やす

お

桜 井

康

雄 君

レーションの有用性を体験することができる．これを通して，OHC-Simに興味を持たれた方は，価格が低く設定されているOHC-Simをぜひ一度お使いいただき（本学会にて頒布），建設的なご意見を本委員会にお寄せいただくこと，さらには，本委員会に参加していただくことを期待している．
第43巻

第６号

― 28 ―者

紹介］

1986年上智大学大学院博士前期課程修了．
富士重工業㈱，上智大学助手等を経て2000
年足利工業大学講師，2001年同大学助教授，
2007年同大准教授，2009年同大教授，現在に 至 る． 油 空 圧 シ ス テ ム の 動 特 性解析，
ECFを 利 用 し た シ ス テ ム の 開 発 に 従 事．
日本フルードパワーシステム学会・日本機械学会の会員．博士（工学）．
E-mail：ysakurai@ashitech.ac.jp

2012年11月（平成24年）

高橋

解治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の地震観測（後編）365

説阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の地震観測＊（後編）
高

治＊＊

橋

表３に示す．１次モードにおける固有周期は水平方

6．ARXモデルによる剛性および減衰定数の同定
図５（前編に掲載）に示したBF（地下ピット），
1F，RFそれぞれにおいて得られた地震観測記録に対し，差分方程式モデルを用いたシステム同定を行い，本建築物の時間領域における固有振動特性から免震効果を評価する．差分方程式モデルには，文献
14）において提案された「モード解析型多入力多出向で2.0秒程度，上下方向で1.2秒程度であり，先述の加速度フーリエスペクトルの比から求めたBF（地下ピット）−1F間における周期伝達関数の極大値を与える周期とおおむね良い対応を示している．また，各方向の刺激関数を見ると，１次モードと比較
して２次モード以降の値はきわめて小さく，１次

力ARXモデル」（MIMO-ARX-MA）を用いる．yを出力，uを入力，
eを 白 色 雑 音 の そ れ ぞ れ 列 ベ ク ト ル と す る と，
MIMO-ARX-MAは次式で表される．
Ay t）
u（t）+ （
e t）
（q）
（
＝B
（q）
⑴
ただし，
na

Σ aq

A
（q）
＝1+

j

j＝1

−j

⑵

B
（q）
＝
［Bmn（q）］
Bmn（q）
＝

mnnb

Σ

j＝1

mn

⑶
‑j+1‑mnnk

bj q⒜

X（EW）方向⒝

Y（NS）方向⒞

Z（UD）方向⑷

q は時間遅れ演算子（シフトオペレータ），na，
nbはそれぞれA（q），B（q）の次数である．本章では，‑1

こ のMIMO-ARX-MAを 用 い た 評 価 法 に よ り，BF
（地下ピット）を入力とし，1F，RFでの応答を出力とした１入力２出力系でのシステム同定を行う．
対象区間は０〜 300秒区間とし，評価のモード次数は４次から14次までの間で，MIMO-ARX-MAに入力を与えて得られるシミュレーション波形と観測記
録波形の二乗誤差の分散が最小となるものを選ぶシ（SE）により最適モード次ミュレーションエラー14）
数を６（na＝６）と決定した．また，nbおよびnkはそれぞれ７，
０としている．
同定結果の一例として，各方向における記録波形とシミュレーション波形との比較を図15に示す．図より，記録波形とシミュレーション波形はよく一致しており，適切なパラメータ推定がなされていることが確認できる．モーダルパラメータの推定結果を＊

平成24年２月８日

＊＊

原稿受付

㈱構造計画研究所構造設計部（所在地 〒164‑0012 東京都中野区本町４―38―13）
第43巻

第６号

図15

― 29 ―

MIMO-ARX-MAによるシミュレーション波
形と記録波形との比較
2012年11月（平成24年）

366

フルードパワーシステム

表３

モーダルパラメータの推定結果一覧

向

モード

方

X

Y

Z

周期

減衰定数

（s）

（％）

刺激関数
βu

1

2.03

25.9

1.021

2

0.61

2.0

0.002

3

0.44

0.3

−0.007

1

1.87

29.7

0.957

2

0.62

2.9

0.018

3

0.44

0.4

0.007

1

1.18

22.5

0.782

2

0.47

1.3

0.002

図16

１次固有周期の時系列変化

モード系が支配的であることが確認できる．そこで次に，１次モードに着目して計算モード次数を４に固定し，解析対象区間10秒間の同定を観測記録の継続時間領域上で１秒ずつずらしながら行い，１秒ごとに変化する剛性および減衰定数を求める．図16，
図17，図18に１次モードにおける固有周期，減衰定数，刺激関数の時系列変化を示す．図16より，継続
時間40秒付近の比較的大きな揺れを記録する以前か
ら水平および上下方向の振動周期は徐々に変化し，１次固有周期へと漸近していく．水平および上下方
向とも，多少のばらつきはあるものの，ほぼ一定の周期となっており，３次元免震の効果が確認できる．
１次モードにおける減衰定数は，X（EW）方向で26%程度となり，一定値付近を推移しているが，Y（NS）およびZ（UD）方向ではややばらつきが見られる．加えて，継続時間50から200秒の間における刺 激 関 数 に 着 目 す る と，Y（NS） 方 向 で1.5，Z（UD）方向で1.0程度と，直前の区間よりその値が

図17

１次モードにおける減衰定数の時系列変化

図18

１次モードにおける1Fの刺激関数の時系列変化

大きくなっていることから，ロッキング動の影響が考えられる．しかしながら，Z（UD）方向では同区間において，減衰定数が20 〜 30%程度と大きな値を推移しており，この区間においてはロッキング
抑制付オイルダンパによる抑制効果が働いていると推測できる．また，その後の継続時間200秒以降においては，Z（UD）方向の刺激関数および減衰定数が小さくなっていることから，地動のロッキング
動による影響は小さくなり，上下方向の並進１次モードが支配的になったと考えることができる．
7．シミュレーション解析

す．また，表４に各装置のモデル化内容を示す．こ

観測された地震記録に対して，シミュレーション解析を行った．図19に３次元免震装置およびロッキ

れらの解析モデルは３次元免震装置を構成する個々の部材（積層ゴム，空気ばね，スライダー（せん断

ング抑制付オイルダンパシステムの解析モデルを示

力伝達装置））およびそれら個々の部材を組み合わ

第43巻

第６号

― 30 ―

2012年11月（平成24年）

高橋

367

治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の地震観測（後編）

表４
要各装置のモデル化内容

素モデル化内容水平・回転連成考慮

積層ゴム（Haringx理論に回転剛性の
水平変位依存性を考慮）

空気ばね
空気ばねオリフィス

剛性：線形
減衰：速度２乗比例型
完全弾塑性型，
摩擦係数一定スライダー（オイレスブッシュ位置の変動を考慮）⒜

３次元免震装置の解析モデル

Maxwell型【上下方向】
ロッキング抑制付
オイルダンパシステム

剛性：線形，減衰：速度２乗比例型【ロッキング方向】
剛性：線形, 減衰：速度比
例型バイリニア
Maxwell型

水平オイルダンパ

剛性：線形
減衰：速度比例型バイリニア

水平および回転自由度を考慮したモデル15），16），17）で⒝

ロッキング抑制付オイルダンパの解析モデル

ある．空気ばねは線形剛性を有し，ゴムベローズによる空気室と鋼製の補助タンクとの間のオリフィス
による空気の流通を評価した速度２乗比例型の減衰のモデル10）としている．スライダー（せん断力伝達装置）は個体摺動ベアリング（オイレスブッシュ）を組み込んだ保持筒が中実の鋼棒（ロッド）に沿って滑る構造となっている．しかし，上部構造からの
曲げモーメントとせん断力を同時に受けるため，オ
イレスブッシュとロッドがこじれた状態で摩擦を生じるため，摩擦係数を評価した完全弾塑性型の解析モデルを設定している11）．また，図19⒝に示すように，ロッキング抑制付オイルダンパシステムは免震⒞

層四隅の対角位置にある２体のオイルダンパのクロス油圧配管を考慮し，それぞれをMaxwellモデルで連結している10）．モデル定数は設計で用いた標準値

建物全体の立体フレーム解析モデル
図19

解析モデル

せた３次元免震装置の実大試験を行い，その妥当性を確認している10），11）．ロッキング抑制付オイルダ
ンパシステムについても，同様に実機での試験を行い，解析モデルの妥当性を確認している10）．上部構
造は３次元の立体フレームモデルとし，３次元免震装置は積層ゴム，空気ばね，スライダー（せん断力伝達装置）を位置関係も含めて個々にモデル化している．積層ゴムはHaringx理論に基づき，材端での
第43巻

第６号

を基本としたが，観測記録のスペクトル特性および積層ゴムの単体試験から得られた振幅依存性を考慮し，積層ゴムのせん断剛性は標準値の1.5倍として解析した．解析モデルへの入力はBF（地下ピット）で観測された加速度記録とし，入力方向はX（EW）
方向，Y（NS）方向，Z（UD）方向の３方向同時入力とした．
上部構造の最大応答加速度分布に関して，解析値と観測値を比較して図20に示す．水平方向に関してはRFでは観測値が解析値よりも大きな値となって― 31 ―

2012年11月（平成24年）

368

フルードパワーシステム

⒜

図20

⒜

⒝

X（EW）方向⒝

Y（NS）方向

計測点
計測項目
単位 方向 観測値 解析値（X通り＊Y通り）

相対変位

X1＊Y2

X4＊Y3

Z（UD）方向⒞

Z（UD）方向

1Fの加速度フーリエスペクトルに関する解析値と観測値の比較

表５ 免震層の最大応答に関する解析値と観測値
の比較

相対変位

⒞

最大応答加速度分布に関する解析値と観測値の比較

X（EW）方向
図21

Y（NS）方向

（㎜）

（㎜）

X

42

50

Y

36

38

Z

10

14

X

40

46

Y

40

39

Z

13

14

相対変位

X1＊Y1

（㎜）

Z

13

15

相対変位

X1＊Y4

（㎜）

Z

15

14

相対変位

＊

X4 Y1

（㎜）

Z

15

14

空 気 圧

Group 1（MPa） ―

0.023

0.022

空 気 圧

Group 2（MPa） ―

0.018

0.023

空 気 圧

Group 3（MPa） ―

0.021

0.022

度計の加速度時刻歴波形から算定した加速度フーリ
エスペクトルを図21に示す．図には，比較のために観測値である入力の加速度フーリエスペクトルも併せて示している．水平および上下方向ともに解析値
は観測値よりやや小さめの評価となるものの，両者はよく整合しており，固有周期1.0秒より短周期の応答が大きく低減される免震効果を精度よく評価している．
免震層で観測された免震層の最大相対変位，空気ばねの最大変動内圧に関して，解析値と観測値を比較して表５に示す．免震層の最大相対変位は，いずれの変位計に対しても解析値は観測値を精度よく再現している．上下方向の免震装置として用いている
空気ばねについては，解析では各空気ばね間の連通はないものとして計算しているため，各群に対応する空気ばねの変動圧力を平均して解析値としたが，解析値は観測値とほぼ同等の応答となっている．
8．お わ り に
３次元免震システムを適用した建築物の地震観測いるが，1Fにおける最大応答加速度については水平および上下方向ともに解析値と観測値は同等となっている．1Fのほぼ中央位置（X2＊Y2）の加速
第43巻

第６号

記録について考察した．2011年東北地方太平洋沖地
震における本建築物の観測記録は継続時間全672秒と，非常に長時間の記録となった．しかしながら，その観測記録における本建築物の最大応答加速度，― 32 ―

2012年11月（平成24年）

高橋

369

治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の地震観測（後編）

謝意を表します．
免震層の水平および上下の最大応答変位，建築物のロッキング角，空気ばねの変動内圧について整理し，システム同定を行うことで，３次元免震システムの地震動に対する実測効果を確認することができた．
また，実機試験から得られた解析モデルによるシ
ミュレーションを実施し，本建築物の最大加速度，
免震層の水平および上下最大相対変位，空気ばねの変動内圧を精度よく再現できることを確認した．
病院，防災施設といった防災上重要な建築物では
地震後の機能維持が強く要求される．３次元免震シ
ステムはこのような建築物の構造安全性や機能維持に加え，BCP（事業継続計画）の観点からも精密工場などの建築物が内蔵する設備を保護するための効果的な技術であると考えられる．今後の展望としては，より高層の建築物への適用や戸建て住宅向けな

参

考

文

献

14）斎藤知生：モード解析型多入力多出力ARXモデルを用いた高層建物のシステム同定，日本建築学会
構造系論文集，第508号，p. 47‑54,（1998）．
15）三山剛史：積層ゴムの上下面に回転角を与えた場
合の力学性状に関する研究，日本建築学会構造系
論文集, 第556号，p. 43‑50,（2002）．
16）飯塚真巨：積層ゴムの大変形挙動をシミュレートする巨視的力学モデル，日本建築学会構造系論文
集, 第568号，p. 83‑90,（2003）．
17）北村佳久ほか：積層ゴムにおける傾斜付加時の力
学特性について その１〜その３，日本建築学会大会学術講演梗概集B‑2，p. 371‑376,（2008）．

どの小型でより安価な３次元免震システムの開発，
防災センター，官公庁への普及も期待される．
謝辞

本建築物の構造設計にあたっては藤田隆史・東京大学名誉教授のご指導の下，㈱構造計画研究所・清水建設㈱・カヤバシステムマシナリー㈱により行われており，本建築物に適用した装置開発にあたっては，日本原子力発電㈱が経済産業省から受託して設けた３次元免震委員会（委員長：藤田隆史・東京大学名誉教授）の指導により，日本原子力研究開発機
構（旧核燃料サイクル開発機構）と民間各社の技術
協力3）〜 7）を得て実施した「発電用新型炉技術確証試
験」8）の成果の一部を活用しました．ここに記して

第43巻

第６号

［著
たか

はし

おさむ

高

橋

治 君

― 33 ―者

紹介］

1967年 東京都北区生まれ．東京理科大学工学部建築学科卒業，同大学院建築学専
攻修了．1991年 株式会社構造計画研究所へ入社し，現在は執行役員兼構造設計部部
長 ．博士（工学），構造設計一級建築士，建築構造士，日本建築学会会員など．
E-mail：taka@kke.co.jp

2012年11月（平成24年）

370

フルードパワーシステム

FPIC会議報告

ROBOMEC2012におけるフルードパワー技術研究動向＊
金

1.

完＊＊

俊

はじめに

ロボティクス・メカトロニクス講演会（以下，ROBOMEC）は，日本機械学会ロボティクス・メ
カトロニクス部門が主催する全国規模の研究交流集会であり，毎年開催される．ROBOMECでは，社

伊能らは，図２のようにロボット全体が柔軟に変形可能な狭隘地形ロボット（MOLOOP）を提案しており，小型化と速度向上を目的とし，ナイロン繊維を用いることで高耐圧化が可能なクローラを構成要素とするMOLOOPを開発している2）．

会発展に貢献できる知の創造，知の共有，知の継承を支援することを目的に，ロボティクスとメカトロニクスなどの分野における新たなアイデア，研究成
果，今後の方向性を議論・討論する．今回で24回目を迎えるROBOMEC2012は，「グリーン＆ライフイ
ノベーションで未来を拓くロボティックス・メカト
ロニクス」をテーマに2012年５月27日から29日まで
アクトシティ浜松で開かれた．ROBOMEC2012の会議要約によると，幅広い分野から1306件もの投稿があり，各研究は14分類のセッション別に発表された．本報告では，これらの研究発表を１）油圧・水
圧，
２）空気圧，３）機能性流体の応用の大枠に分類し，代表的な研究成果について紹介する．
2.

図１

触覚ディスプレイ用アクチュエータの断面1）

フルードパワー技術に関する発表

2.1 油圧，水圧とフルードパワー技術
ROBOMEC2012では，フルードパワー技術の油

図２

柔軟に変形可能な狭隘地形ロボット2）

圧分野の発表として７件，水圧分野として４件の研究発表が行われた．その中，２件の研究を紹介する． 2.2 空 気 圧
ROBOMEC2012で発表された空気圧の応用研究
三木らは，Slow Adapting（SA）とFast Adaptingは総計81件であり，この中，２件の研究を紹介する．
（FA）の両方の刺激を可能にする触覚提示ディスプ
レイの開発を目的として，MEMS技術による大変位マイクロアクチュエータアレイを検討している1）．
この触覚ディスプレイの主要要素であるアクチュ
エ ー タ は， 図 １ の よ う に 油 圧 式 変 位 増 幅 機 構（HDAM）と積層型圧電素子から構成される．このアクチュエータのアレイ化で実現された触覚ディス
プレイを用いて，点字判別実験と触覚判別実験を行い，このデバイスの有効性を示している1）．
＊

平成24年９月６日 原稿受付
東京工業大学精密工学研究所（所在地 〒226‑8503 横浜市緑区長津田町4259―R2―42）

＊＊

第43巻

第６号

― 34 ―

図３

腹腔鏡手術用空気圧駆動ロボットハンド3）

2012年11月（平成24年）

金

371

俊完：ROBOMEC2012におけるフルードパワー技術研究動向

川嶋らは，低侵襲な腹腔鏡手術で広く普及されている細い鉗子は臓器の把持や圧排が難しいことに着目し，図３のように弾性関節構造を指の関節に利用
し空気圧シリンダを用いて駆動することで，柔軟な把持が可能であるとともに圧排に必要な指先力を有する腹腔鏡手術用ハンドを開発している3）．この研究では，ワイヤを介して空気圧シリンダで駆動することで，十分な把持力を得られることを実験により確認している3）．
塚越らは，波でがれきが常時動く劣悪環境での海洋探査を目的として，図４のように流体ロープウェ
イを用いた探査方法を提案している．流体ロープ
ウェイは，内部に流体エネルギーを供給する１本のERF関連で３件，MRF関連で２件の研究発表があり，その中１件の研究を紹介する．
竹村らは，機能性流体であるECFを応用して，タービン型ECFモータについて検討している5）．従来のECFモータではECFの運動エネルギーを効率的に回転運動に変換させる構造的検討が行われていないことに着目して，タービンロータ（図６）を用いることにより出力パワーが高いECFモータの実現を目的としている．図７のようなタービン型プロ
トタイプを製作して，この性能を明らかにしている5）．

消防ホース，探査機器を搭載したゴンドラ，およびホースの折り返し点で海洋の所定の箇所に固定するためのフロートとアンカーで構成される4）．図５のように，ホース内に流体エネルギーを供給することにより，ゴンドラをホースに沿って双方向にスライドさせ，岩場の露出した浅瀬でも安定に移動できることを実験的に確認している4）．

図６製作したタービンロータ5）

ロープウェイ式海洋探査ロボットの概念4）

図４

図７タービン型ECFモータのプロトタイプ5）
3.

⒜

おわりに

ROBOMEC2012は ロ ボ ッ ト 関 連 の 会 議 で あ り，
フルードパワーを用いた研究発表は少ない．今後，
フルードパワーシステムに関する研究が増え，ロボnon pressurized condition

ティクス・メカトロニクス分野での発展を期待する．
参

⒝
図５

考

文

献

１）三木，他４名：ROBOMEC2012論文集，2P1‑N05

pressurized condition

２）伊能，他２名：ROBOMEC2012論文集，2A1‑D03

流体ロープウェイの駆動原理4）３）川嶋，他３名：ROBOMEC2012論文集，2P1‑T04
４）塚越，他４名：ROBOMEC2012論文集，2A1‑O07

2.3

機能性流体

５）竹村，他３名：ROBOMEC2012論文集，2A2‑A10

ROBOMEC2012での研究発表は，大半が電磁モータを用いた研究であり，特に機能性流体に関する研究は少ない．ROBOMEC2012では，ECF関連で５件，
第43巻

第６号

― 35 ―

2012年11月（平成24年）

372

フルードパワーシステム

［著
きむ

じゅうん

金

者

紹

介］

わん

俊 完 君
2005年東京大学大学院博士後期課程精密機械工学専攻修了．2005年東京工業大学精密工学研究所助教，現在に至る．機能性流体 とMEMS技 術 を 融 合 し た 研 究 に 従 事．
日本フルードパワーシステム学会，日本機械学会などの会員．工学博士．
E-mail：woodjoon@pi.titech.ac.jp

会

告共催・協賛行事のお知らせ
協賛行事
第55回自動制御連合会講演会
主催：システム制御情報学会（幹事学会），日本機械学会，計測自動制御学会，化学工学会，精密工学会，日本航空
宇宙学会，電気学会
期
日：2012年11月17日（土），18日（日）場
所：京都大学，吉田キャンパス，吉田南機構内（京都市左京区吉田二本松町）
キャビテーションに関するシンポジウム（第16回）
主
催：日本学術会議 第３部（予定） 第16回キャビテーションに関するシンポジウム実行委員会（委員長：東京大学大学院教授・松本洋一郎）
開
催：平成24年11月23日（金・祝），24日（土）会
場：金沢工業大学（〒921‑8501 石川県『野々市市扇が丘７―１』
連 絡 先：金沢工業大学工学部機械工学科 佐藤恵一教授
TEL：076‑248‑9214
FAX：076‑294‑6734
e-mail：cav16@mlist.kanazawa-it.ac.jp
日本機械学会
主期会

講習会「魅力を設計する」〜成熟から革新へ〜（設計工学・システム部門 企画）

催：一般社団法人 日本機械学会
日：2012年11月30日（金）場：東京大学 工学部11号館講堂（〒113-8656

東京都文京区本郷７―３―１）

日本機械学会関西支部 第323回講習会「機械加工における計測の基礎と最新動向」―行程・品質管理のための測定評価と利活用―
主催：一般社団法人 日本機械学会
日時：2012年12月４日（火），５日（水）９：30 〜 16：50
会
場：大阪科学技術センター ８階 中ホール（大阪市西区靭本町１―８―４／電話（06）6443-5324（代）／地下鉄四つ橋線 ｢本町｣ 駅下車，28番出口北へ400ｍ）
一般社団法人 日本機械学会 関西支部 第324回講習会「事例に学ぶ流体関連振動（トラブル事例相談会付き」
共
催：機械力学・計測制御部門
開催：2013年１月28日（月），29日（火）９：10 〜 17：00
会
場：大阪科学技術センター ８階 中ホール（大阪市西区靭本町１―８―４／電話（06）6443-5324（代）／地下鉄四つ橋線 ｢本町｣ 駅下車，28番出口北へ400ｍ）

第43巻

第６号

― 36 ―

2012年11月（平成24年）

大橋

教

彰：おもしろ油圧機構

第９回

ハイドロスタティックトランスミッション

373

室

おもしろ油圧機構

第９回

ハイドロスタティックトランスミッション＊
大

彰＊＊

橋

図１左下の主ポンプと上部のモータの入口・出口
ポートはそれぞれ配管で接続される．一般の産業機

1．は じ め にハイドロスタティックトランスミッションHSTとは，静油圧伝動装置と称され，流体エネルギー（圧力と流量の積）を媒体とした変速装置の一種である．主として圧力エネルギーの伝達に重きを置き，

械用開回路と異なり，モータ出口の油がタンクに戻らずポンプの入口に戻る閉じた回路構成のため，閉回路と呼ばれる．補給用ポンプは，フィルタを経由して回路内に油を充満させ，入れ替えと冷却を行な

容積形のポンプとモータにより構成される．一方，流体の流量すなわち運動エネルギーに重きを置いた

い，清浄度を保つ．安全弁①は，安全弁②より高圧に設定され，補給用ポンプから吐出された油がフハイドロダイナミック形の変速装置では，ターボ形
機器が用いられ，トルクコンバータや流体継手などがある．

ラッシング弁を通してタンクに戻る．
図１では，可変容量形ポンプにより定容量形モータの速度を調整するが，モータを可変容量形として調整範囲を拡大する組合せもある．回転方向が一定
でも油の吸入・吐出が反転する両傾転形ポンプであれば，モータは正・逆回転し，車両の走行装置では
前・後進が可能となる．
HSTは，ポンプで直接速度を制御するためポンプ圧が回路圧となり，弁による制御に比べ動力伝達
効率に優れ，熱発生も少ないという特長がある．また，負荷の慣性による油圧モータのポンプ作用により，ポンプを油圧モータとして作用させ，動力を吸収できる．走行装置では，走行状態からポンプ容量を低減していくと良好なブレーキ作用が得られる．
装置への据付けや配置の自由度も高い．

2．HSTの基本回路
図１にHSTの基本回路を示す．

3．HSTの用途
HSTには，上述のポンプ・モータを配管接続する形式の分離形と，両者を一体とした比較的小形の一体形がある．
HSTの用途は，トラクタ，コンバイン，ブルドー
ザ，ホイールローダ，振動ローラ，アスファルト
フィニッシャ，トラックミキサ，芝刈り機，ゲレン
デ整備車など幅広い．走行装置としての発進時の力
強さ，変速のスムーズさ，良好なブレーキ作用など，
油圧ならではの特長がある．２対のHSTを左右両
図１

HST 回 路輪に適用し，両モータを逆転させスピンターンを行なう車両などもあり，機器単体の機構とは異なる組
合せの妙味が感じられる．

＊

平成24年５月22日

原稿受付

4．走行装置用HST

＊＊

油研工業
（所在地 〒252‑1113 綾瀬市上土棚中４―４―34）
第43巻

第６号

図２に車両の走行装置用HSTの回路例を示す．
― 37 ―

2012年11月（平成24年）

374

フルードパワーシステム

図２

車両走行装置用HST回路

主な構成機器は，左側の可変容量形ポンプと右側の可変容量形モータ，中央部の補給用・作業機用定容量形ポンプ，制御用の弁類である．配管系統は一見複雑であるが，図中の記号PA―PB―MA―MBが図１の外周配管に相当する主回路となる．
ポンプはエンジンで駆動され，モータの出力軸は車軸系統を介して車輪に接続される．アクセルペダ
ルを踏込むとエンジンの回転速度が上がり，定容量形ポンプであっても吐出し量が増加するが，図２はアクセル踏込み量とポンプ斜板角とを連動させて連続的に吐出し量を増加させる方式である．

プを内蔵している．作業機用ポンプには，外接ギア
ポンプが用いられ，ピストンポンプの反主軸側に結合される．図３のモータは可変容量形であるが，図２に示す電磁切換弁は搭載していない．
図３のポンプ・モータの最高使用圧力は，概略42〜 45MPa，ギアポンプは21 〜 25MPaである．ポンプ 最 高 回 転 速 度 は2,500 〜 3,500min−1， モ ー タ は4,000 〜 6,000min−1である．ホイールローダなどに搭載するHSTでは，モータの回転が減速ギアとリアアクスルを介して車軸に伝達される．高速車両では高速形モータを選定し，高速走行時にモータの可変容量機構を小容量側に切り換えて使用する．
図４はポンプの構造例である．

5．HST用ポンプ・モータ
図３は，HSTに用いられる斜板式アキシャルピ
ストンポンプと斜軸式アキシャルピストンモータの外観である．
ポンプは可変容量形であり，補給用内接ギアポン

図３
第43巻

HST用ポンプ・モータの外観例

第６号

図４― 38 ―

HST用ポンプの構造例
2012年11月（平成24年）

大橋

彰：おもしろ油圧機構

第９回

ハイドロスタティックトランスミッション

斜板は，丸太を軸方向に切断したような半円形状であり，ハーフ・ログ（丸太）形，クレードル（ゆ375

変化し，操作ピストンの駆動圧力を変化させ斜板を動かす．電磁切換弁のY，Zは前後進の切換を示す．

りかご）形，ピロー（枕）形などと呼ばれる．一般
的に，ピストンから受ける推力は斜板背面のボデーとの隙間に高圧油を給油して支持するが，図４のように専用の針状ころ軸受を用いる方式もある．図の上から見て右方向に傾いた斜板は，左下部に片方を示した１対のサーボシリンダにより傾転制御される．
左方向にも傾く両傾転形である．
図５はモータの構造例であり，教室第８回2）の図４に示した２速形モータの詳細断面図と同一のものである．回転方向はシリンダブロック軸の傾いている方向によって決まる．図の手前側ポートから油が注入されると，シリンダブロックの手前側半分のピ
ストンに油が入り，ピストン室が膨張する方向に推力が作用する．その回転方向分力により左端の主軸が軸端から見て右方向に回転する．この時の油の流れと回転方向は，図の塗りつぶした矢で示される．
容量の切換は右下部に矢で示したパイロット油圧の出入によって行なう．

図６

オートモーティブ制御回路

また，図２に示すモータ部はシステム圧力制御と呼ばれ，負荷圧力とエンジン回転速度に応じて傾転角が変化する制御方式である．スタート時にモータ
は最大容量で微速走行し，所定の回転速度に達すると自動的に最小容量となって最高車速が得られる．
7．お わ り にHSTは，油圧ポンプ・モータを組み合わせた変速装置であり，機械的な変速装置と異なる様々な特長を有している．油圧機器内の構造・機構的なおも
しろさと共に，流体を介したエネルギー伝達の醍醐味を少しでも感じていただければ幸いである．

図５

HST用モータの構造例

参料２）大橋：教室第８回油圧モータ，フルードパワーシ

モータの回転速度は，流入油量をモータの押しのけ容積で除した値であるため，モータを可変容量形とすれば幅広い車速範囲が得られる．

ステム，Vol. 43，No. 5，p. 307（2012）３）大橋・橘川・安木：HSTの制御技術，パワーデザ
イン，Vol. 29，No. 1，p. 18‑22（1991）

一方，ポンプ流量は，ポンプ回転速度と押しのけ
容積（斜板傾転角）によって決まる．この関係を利用して良好な走行操作性を得る方式はオートモー
ティブ制御と呼ばれ，ポンプ傾転角は，エンジン回
転速度すなわちアクセルペダルの踏込み量，および負荷圧力に応じて連続的に増減する3）．
図６はポンプの制御部の説明図である．ポンプ回転速度に比例する補給用ポンプの油の流れ（
印）
は，丸印内の絞りを通過し補償弁に導かれる．補償弁開度は，流量に比例する絞り前後の差圧に応じて第６号

資１）全般：油研工業カタログ

6．HSTの走行特性

第43巻

考

［著
おお

はし

あきら

大

橋

彰 君

者

紹

介］

1972年静岡大学大学院修士課程修了．1972年油研工業入社．主に，油圧ポンプ・モータの開発，営業技術，商品企画，
経営企画などの業務に従事．
E-mail：ak.ohashi@yuken.co.jp― 39 ―

2012年11月（平成24年）

376

フルードパワーシステム

教室

おもしろ空気圧「空気圧システムの合成計算」＊
妹

満＊＊

尾

1．空気圧システムの合成
空気圧システムでは，バルブ，管継手および配管などの複数の空気圧要素が接続され，構成されている．システム全体の流量特性を合成して，１つの機器の流量特性として把握すると流量や圧力降下の計算が簡便に行うことができる．合成は，図１および
図２に示すように並列接続と直列接続に分類される．
2．直列接続の合成
n個の要素が直列に接続された場合，合成音速コ

図１

並列接続

図２

直列接続

ンダクタンスC［dm3/（s・bar）］および合成臨界圧力比b［−］を式⑴および式⑵に示す．
1

1

1

+L+

1

⑴
C
C
C n3
2
2
⎧⎪ ⎛ C ⎞ 2
⎫⎪
⎛C ⎞
⎛C ⎞
⎟⎟ −b 1）⎟⎟ −b 2）⎟⎟ −b n）
b =1− ⎨ ⎜⎜ （1+ L + ⎜⎜ （1+ ⎜⎜ （1⎬ ⑵⎪⎩ ⎝ C 1 ⎠
⎝C 2⎠
⎝C n⎠
⎪⎭
C

3

=

3
1

+

3
2

非圧縮性流体や空気圧システムで圧力降下が小さ
くて圧縮性が無視できる場合には，式⑶の式が適用される．一般の空気圧システムに適用した場合，圧力降下が大きいため，近似度が劣るので注意が必要
である．
1

1

1

+L+

1

⑶
C
C
C
C n2
式⑴〜⑶の合成計算式を用いて，流量特性がC＝
2

=

2
1

+

2
2

100，b＝0.5の複数個の機器を直列に接続した場合の合成計算の結果を図３に示す．この図の中で厳密解は，ISO/DIS 6358‑3で計算した値である1）．機器
１個の音速コンダクタンスを100％として，２個の合成音速コンダクタンスは，80％，３個で70％，４個で62％になる．機器個数が多くなると，実際から近似度が劣る傾向にある．
また，流量特性が異なる２個の機器を直列合成した場合の合成計算の結果を図４に示す．図４は，どれも臨界圧力比がb＝0.5の機器において音速コンダ
クタンスC1＝100一定として，C2の大きさを変化さ＊

平成24年８月７日＊＊

第６号

複数個の機器を直列接続した合成計算結果せたときの音速コンダクタンス比C1/C2と合成音速

原稿受付

SMC株式会社（所在地 〒300‑2493 茨城県つくばみらい市絹の台４―２―２）
第43巻

図３

コンダクタンスCの関係を示す．C2が小さいまたは大きいとき，つまりC2/C1が大きいまたは小さいと― 40 ―

2012年11月（平成24年）

妹尾

377

満：おもしろ空気圧「空気圧システムの合成計算」

きには，合成音速コンダクタンスCは，音速コンダ
クタンスの小さい機器が支配的である．C2がC1の２倍以上になると，合成音速コンダクタンスCは，C1とほぼ同じ値に飽和する．
３．並列接続の合成
n個の要素が並列に接続された場合，合成音速コ
ンダクタンスC［dm3/（s･bar）］および合成臨界圧力比b［−］を式⑷および式⑸に示す．
C = C1 + C 2 + L + C n
C2
b = 1− ⎧
C1
C2
⎪
⎨
+
+L+
⎪
1−b
1−b
⎩
1
2

⑷
⎫2
⎪
⎬
1−b n ⎪⎭

Cn⑸

式⑷および⑸の合成計算式を用いて，機器を並列に接続した場合の合成計算の結果を図５に示す．
並列接続の合成音速コンダクタンスは，単純加算値である．合成臨界圧力比については，下記の通りである．図５⑴および⑵に示すように，音速コンダ
クタンスの大小に関わらず，臨界圧力比が同じであれば，合成臨界圧力比も同じである．
図５⑶に示すように，音速コンダクタンスが同じであるが，臨界圧力比が異なる場合，合成臨界圧力
比は，ほぼ中間の値となる．
図５ 並列接続の合成計算結果
図５⑷および⑸に示すように，音速コンダクタン
スも臨界圧力比も異なる場合には，合成臨界圧力比は，音速コンダクタンスの大きい方の値に近くなる．
参 考 文 献これは，大流量側の機器の流量特性が支配的になる
１）ISO/DIS 6358‑3：Pneumatic Fluid Power―
ことを示している．
Determination of flow-rate characteristics ofcomponents―Part 3：Methods for calculating
steady-state ﬂow-rate characteristics of assemblies（2011）

［著
せの

お

妹 尾

者

紹

介］

みつる

満 君
1996年愛媛大学大学院工学研究科博士前期課程修了．同年SMC株式会社入社，現在に至る．空気圧システム解析の研究に従事．日本フルードパワーシステム学会会員．

図４

流量特性の異なる２個の機器を直列接続した
合成計算結果

第43巻

第６号― 41 ―

2012年11月（平成24年）

378

教

フルードパワーシステム

室

入門講座「流体力学」 第２回：ものの見方を変えよう＊
高

勉＊＊

橋

は必要ない．電車を前方あるいは後方に走らせるための制御装置とブレーキにより電車は運転すること

1．は じ め に本講座第１回では流体という物体の機械的性質について固体である弾性体と対比しながら学習した．
フック弾性体やニュートン流体は物体の機械的性質
を簡単な構成方程式で定義した仮想物体である．構成方程式がわかっていればその物体の変形挙動は計算できることから弾性体も流体も変形・運動挙動が同じように計算できるはずである．しかし，流体は形がなく連続しており，無限に変形可能な物体である．流体の運動，すなわち ｢流動｣ は固体の運動に比べて複雑で，また時間的な変化が重要な要素となる．このため流体の ｢流動｣ を理解するには固体のができる．線路に沿って前か後ろにしか進めないことから電車は ｢一次元運動｣ する乗り物といえる．
電車は右左にカーブし山にも地下にも行けるから ｢三次元運動｣ だろう，という人もいるかもしれない．
しかし，電車の運動方向を決めるのはレールであり，レールに沿って上下左右に移動したとしても所詮は質点や剛体の運動を考える場合に運動の自由度の数を考慮することにより問題を簡単化することがでレールの上を行ったり来たりすることしかできず，通過する駅の順番も決められている．どこかの駅をショートカットしてつぎの駅に行くことはできない（レールを飛び越えて運転できないという意味であり快速運転とは異なる）．これより電車の運動の自由度は１であり一次元と見なすことができる．また，
電車は駅で停車し，加速して高速で移動することもできる．電車の速度は時々刻々と変化することから｢非定常運動｣ といえる．総合すると，電車は ｢一次元非定常運動｣ する乗り物と定義できる．同様の乗り物としてはエレベータがある．これも上下のみに移動し，任意の階で停止が可能な乗り物である．
自動車の運動はどうであろうか．自動車には電車と同様にアクセルとブレーキがあり，それに加えてハンドルがある．自動車はハンドルにより左右に任きる．また，もしその運動が等速直線運動であれば力のつり合いのみを考慮すればよいが，加速運動を行っている場合は慣性力を考慮しなくてはならない．
対象とする運動がどのような条件下にあるかを理解することはきわめて重要である．それでは早速，問意に曲がることができて，加減速も可能な乗り物である．すなわち ｢二次元非定常運動｣ をする乗り物
である．電車と同様に山にも谷にもいけるので上下にも運動できるが，これは地面が上り下りするためであり，自動車に地面と無関係に上下移動する機能

題から始めよう．

が備わっているわけではないので二次元運動と規定

力学とは異なる ｢ものの見方｣ が必要になる．今回は代表的な ｢見方｣ を学習し，｢視野｣ を広げていただきたい．
なお，第１回の宿題とした問題1‑5については文
末のコラムで解説する．
2．もしも翼があったなら ｢三次元非定常運動｣ ができるのに…

電車はどのような運動をする乗り物であろうか．
運転席を見るとその乗り物の運動の自由度がわかる．

できる．
三次元非定常運動をする代表的な乗り物は ｢飛行機｣ である．飛行機は上下左右のいずれにも移動可能であり速度も制御できる．自由度が大きい分だけ操縦も難しい．同様の乗り物に潜水艦がある．鳥や電車は線路の上を走る乗り物であり，線路から外れることはない．したがって，電車の運転にハンドル

魚は三次元空間を自由に動き回れる生物であり，地面に拘束される二次元移動生物である我々人間には問題2 1：一次元定常運動をする乗り物は？

＊

平成24年９月２日

＊＊

原稿受付

長岡技術科学大学工学部（所在地 〒904‑2188 新潟県長岡市上富岡町1603―１）
第43巻

第６号

持ち得ない感性があるに違いない．
では問題2‑1の ｢一次元定常運動｣ する乗り物と一体何だろうか．ハンドルがなく，アクセルもブ
レーキもない乗り物ということになる．エスカレー― 42 ―

2012年11月（平成24年）

高橋

379

勉：入門講座「流体力学」 第２回：ものの見方を変えよう

タはどうだろう．乗り降りの瞬間には加速が生じる
が，その後は一定の速度で一方向に移動する．動く歩道なども同じである．

はその中の一台に注目しその運動を解析する．図１の左図は時刻 t における自動車の列を示している．
それぞれの自動車には仮にa，bのように名前を付け

3．運動物体を観察する二つの見方てある．今は b の車に注目してみよう．各車はそれぞれ独立の速度で動いているので微小時間Δt 秒経問題2 2：スピード違反の車を摘発する方法は２つに大別される．何と何？

過後には図１右に示すように位置が変化している．
１車線で追い越しできない状況であり，個々の車は一次元非定常運動をしていると見なせる．そこで各車の位置を車の記号と時刻の二変数関数 x＝x（車のもうすこし乗り物の話を続けよう．一方通行の一車線の道路をいろいろな自動車が走っている．中には制限速度を超えて走っている自動車があるかもしれない．スピード違反をしている車を捕まえるには
どうすればよいだろうか．
【事例１】バックミラーに映る車が突然赤い回転灯を点灯してサイレントを鳴り響かせた．覆面パト
カーがスピード違反を摘発した瞬間である．警官はどのようにスピード違反車をみつけただろうか．彼らはあらかじめ違反しそうな車に目星を付け，そっと後を付けて車の速度を測定していた．その間，その前後には別の自動車が走っていても脇目も振らず狙った獲物だけを追い続けていたのである．
【事例２】気持ちよく車を走らせていると突然，赤色灯を持った警官が目の前に現れて側道に誘導され，違反切符をわたされた．周囲には同様につかまった車が何台か停まっている．情け容赦なく一網打尽．少し手前の位置にレーダー探知機が設置されていて速度違反の車のナンバーを無線で連絡してきているようである．
苦い思い出が込められた二つの例を示したが，もう少しこの二つを分析してみよう．覆面パトカーは多くの車の中から狙った一台だけを追跡した．これは固体の運動を観察するときの常套手段である．ロ

記号，時刻）として表すことにする．時刻 t における b の位置は x＝x（ b, t）のように表すことができる．
Δt秒後の位置 xʼは x ＝x（ b, t＋Δt）で表される．車b の
時刻 t における速度はu（ b, t）微小時間の間の移動距
離で表される．
＝lim
u t）
（b,
Δt→0

する．運動する個々の物体を見つめるのではなく，空間上に固定されたある位置を連続的に通過する物
体を眺める方法である．
この二つのものの見方はそれぞれ ｢ラグランジュの見方｣ と ｢オイラーの見方｣ とよばれており，物理現象を観察する基本的な方法である．
ラクランジュの見方を用いて物体の加速度を算出
してみよう．先の例に従って一方通行の一車線の道を走る自動車の列を考える．ラグランジュの見方で
第43巻

第６号

⑴

同様に加速度aは
u t＋Δt）−u（b, t）（b,
Δt→0Δt∂u（b, t） ∂ 2（b,
x t）
＝
＝
∂t
∂t 2

＝lim
a t）
（b,

⑵

と表される． x は二変数関数であるが特定の車に注目しているので車の記号 b は定数として扱える．

ケットが発射される映像を見るとき，全員が飛翔するロケットに注目している．あっという間に宇宙に
図１
飛び出す様子を目で追いながらその速さを感じ取る．
これに対してレーダーで速度違反の車を監視しているシステムでは道路上の特定の位置を通過する自動車の速度を時々刻々と測定し，違反者がいると報告

x t＋Δt）−x（b, t） ∂x（b, t）
（b,
＝
∂t
Δt

ラグランジュの見方による位置・速度の表記

つぎに，オイラーの見方で加速度を求めよう．オ
イラーの見方では個々の車を特定・判別はしないの
で車番号は使えない．そこで，ある時刻 t においてある場所 x に存在する車，というように場所の関数として車を特定する．たとえば図２に示すように時
刻 t における車 b の位置をx1とすると，この瞬間の bの速度 u と加速度 a はそれぞれu（x1, t ），a（x1, t ）と表される．Δ t 秒後の車 b の位置 x 1はx 1= x1+Δx1であるから速度はu（x1+Δx1, t+Δt）となる．これより車 bの加速度は― 43 ―−u（x1 , t）
u（x1＋Δ x1 , t＋Δ t）
Δt→0Δt

a 1 , t）
＝lim
（x

⑶

2012年11月（平成24年）

380

フルードパワーシステムと表される．速度 u はx1と t の二変数関数であるため極限を計算するには一方の変数だけが変化する状

また，川の流れは川幅方向にわたる断面内では同じ速度で流れているとしよう．このような流れ場を一況を作り出す必要がある．以下のようにすると計算できるだろう．
−u（x1＋Δx1 , t）
u（x1＋Δx1, t＋Δt）
a（x1, t）＝lim
Δt→0
Δt−u（x1, t）
u（x1＋Δx1, t）
＋lim
Δt→0
Δt

次元流動という．川幅方向にわたる流れの断面積（川幅W×水深H）をAとし，その位置での流速をUとすると１秒間にこの断面を通って流れる水の体積
Qは

＝

−u
（x1, t） Δx1（x
u ＋Δx1 , t）
∂u（x1＋Δx1, t）＋lim 1
Δt→0
∂t
Δ x1
Δt

∂u（x1＋Δx1, t） ∂u（x1, t） ∂x 1
＋
∂x1
∂t
⑷
∂t
ここで，Δtをゼロに近づけるとΔx1もゼロに近づく
ので無視できる．∂x/∂tは速度uの定義式である．そして，この式では車 b の位置x1における加速度を計＝算したが他の位置（車）にも拡張できるのでx1をxに変更する．すると，任意の位置xにおける時刻tでの加速度 は以下のように表される．
∂u∂u（x , t）（x , t）
u , t）
＝
＋ （x
a t）
（x,
⑸
∂t
∂x
ラグランジェの見方で得られた加速度と比較すると第２項の存在が大きく異なる．

図２

Q=AU

⑹
で表される．Qを体積流量という．いま，水量（流量）が一定であるから，水の速度は川の断面積Aに反比例することがわかる．川の水深が一定であると仮定するなら水の速度は川幅Wに反比例する．
さて，この川で川幅が一定の区間において流れの様子を観察しよう．図３に示すように流れ方向をxとする．Qは時間的に変化しないので，川岸のx1地点で川の流れの速度を観察している人にとって流速はいつでも一定に見える．川幅が一定であることから x 方向にわたって流れの速度Uは一定である．流
れに乗って移動する小舟は等速運動を行い，加速度はゼロである．川岸から小舟の動きのみを観察する，
すなわちラグランジュの見方で観察しても小舟の速度は一定であるから定常運動であり，川岸からオイラーの見方で流れを観察しても定常流れとなる．つまり，川幅が一定ならばどちらの見方でも流れは定常状態といえる．

オイラーの見方による速度・加速度の表記
図３

このように，運動する物体を観察する方法として

川幅一定区間での小舟の速度，加速度

ラクランジュの見方とオイラーの見方があり，それぞれの見方で加速度の表現が変わることがわかった．

つぎに，図４のように川幅が流れ方向に向かって
つぎに，この違いを具体的な事例で確認してみよう． 狭くなっている区間について考える．川幅は距離に4.

川の流れは定常流動でも水面に浮かぶ小舟は加速運動？

比例して狭くなる．このとき川幅Wは以下のように表される．
W＝W0−C x⑺

問題2 3：水量が一定の川を小舟が流されている．小舟は川の流れと同じ速度で動い て い る と し て， 小 舟 の 運 動 は 定
常？非定常？

（Cは定数．ただし，W>0であるからx＜W0/C）
このときの流速uは
Q
Q
＝ ＝
u ）
（x
A H（W0 −Cx）

問題を単純化するために水のまさつを無視する．

となり流れ方向に向かって流速は増加する．流速の増加率，すなわち小舟の加速度aは

第43巻

第６号

― 44 ―⑻

2012年11月（平成24年）

高橋

381

勉：入門講座「流体力学」 第２回：ものの見方を変えよう

る際に役立つはずである．

トピック：流体を引っ張って延ばそう
図４に示したように幅が次第に狭くなる川では流れ方向に向かって流速が高くなる．ある瞬
間に川の水に正方形の領域を考えると，この領域は下流に行くほど細長く引き延ばされるように変形する．このような流れ場を伸張流動という．図４の流れ場では下流に向かって流速が急
図４

川幅縮小区間での小舟の速度・加速度

du（x） du dx
Q2C
＝
＝ 2
⑼
3
dx dt H（W0 −Cx）
dtとなる．川幅が変化しても川のある位置x1の流速は
＝
a ）
（x

時間に対して変化しないので川岸から流れだけを見ている人には定常流にみえる．一方，小舟の動きだ
けを見ている人にとっては加速しているようにみえる．オイラーの見方による加速度の式⑸の右辺第１
項は流れの時間的な変化を表し，第２項は同じ瞬間でも異なる場所で速度に変化がある場合に生じる加速度を表している．
水や空気は連続しており，その中の一部分だけを取り出して独立に検討することはしない．つまり，流体力学はオイラーの見方にたって流れ場を解析することが通例となっている．では，図４に示した川幅が変化している区間の流れ場は定常，非定常のいずれとよぶべきであろうか．流体力学ではこのような場合も通常は定常流動とよぶ．しかし，もし自身が図４の流れ場を小舟に乗って川下りをしていたとすると急流下りさながらの加速を感じるであろう．
定常流動だ，といわれても信じられないかもしれな

激に増加するため，流体が引っ張って延ばされる変形速度（これを伸張速度といい流動方向の速度増加率∂u/∂ xで定義される）も下流に向かって増加する．
前回の宿題について考えてみよう．
問題1‑5：流体の伸張流動特性を測りたい．
つかみ所のない流体を引っ張って延ばすにはどうしたらよいだろう？
伸張流動特性を調べるためには伸張速度が一定となる流れ場を作る必要がある．図４の流路
では伸張速度は一定とならない．図５に示すように流路の幅が二次曲線で縮小するようにすると伸張速度はこの区間で一定とすることができ
る．つかんで引っ張ることができないドロドロの液体であってもこのような流路を用いれば所定の伸張速度で引き延ばすことが可能となる．
この例の他にも伸張速度が一定となる流れ場を作り出す方法が検討されている．興味があれば調べてみていただきたい．

い．そこでこのような流れ場はオイラー的には定常でもラクランジュ的には非定常な流れ場と表現する．
流れの中に存在する微粒子の運動を検討する場合や，変形履歴が流体の性質に影響を与えるような流体（前回説明した変形の状態をある時間記憶する粘弾性流体など）の流れを検討する場合にはラグラン
ジュの見方が重要なこともある．
加速度ひとつを例に挙げても見方によって大きな違いが出るのが「流動」である．流れの中のある一点を見続けるのか，流れに乗って移動しながら観察するのか，状況に合わせて見方を変えると複雑な「流動」現象も簡単に理解できることがある．対象

図５

伸張速度が一定となる二次元流路となる流れを頭の中でイメージできるようになると流体力学が楽しくなる．川下りの例を参考に視点を切り替えて観察するイメージトレーニングをしてみていただきたい．将来，難しい流れの問題に対峙す
第43巻

第６号

― 45 ―

2012年11月（平成24年）

382

フルードパワーシステム

［著
たか

はし

つとむ

高

橋

勉 君

者

紹

介］

1989年東京理科大学大学院理工学研究科
博士後期課程修了．同大学助手，長岡技術科学大学工学部助手，助教授，准教授を経て，2011年同大学工学部教授，現在に至る．
複雑流体力学，レオ・オプティクス，流体関連振動の研究に従事．日本機械学会，日本レオロジー学会などの会員．工学博士．
E-mail：ttaka@nagaokaut.ac.jp

コーヒーブレイク

特 許 よ も や ま 話
木原

特許を見ましょう．一昔前は特許文献を入手するのは有料でした．しかし，現在は公開されている特許はネット上で閲覧することができ，かつ特許文献
を無料でダウンロードすることができます．ただし，特許の出願番号あるいは公開番号がわからないとどうしょうということになりますが，ネット上に「特許電子図書館」という公のものがあります．ここでは，キーワード入力で検索することもできます．勿論，ＦＩとかＦタームという分類から検索する方法もあります．しかし，その方法は知識のある方でな
いと無理でしょう．しかし，前述しているように
キーワードで検索すれば初めての方でも検索することができます．ただし，キーワードの検索は古い文献には対応していません．
特許文献を閲覧しましょう．特許電子図書館の最初のページで「特許・実用新案検索」をしてください．つぎのページに12の選択項目が表示されます．
３つ目の項目についてのみ簡単に紹介します．

第43巻

第６号

和

幸

③公報テキスト検索
書誌的事項・要約・請求の範囲のキーワード，分類（FI･IPC）などから特許・実用新案の公報を検索できます．
たとえば，「検索項目選択」で「公報全文」を選択し，キーワードとして３つ入力「ポンプ」「騒音」「ショベル」（３行への入力）すると，1,420件ヒットします．1,000件以上は一覧表示ができません．
「ポンプ」
「低騒音」
「ショベル」とすると272件のヒットとなります．表示できます．キーワードを増やして絞り込む，発明者を選択する，出願者（一般的には会社）を選択する等，いろいろな方法が可能となっています．
なお，特許電子図書館の最初のページは下記となっています．
http://www.ipdl.inpit.go.jp/homepg.ipdl
今回は特許文献の簡単な見つけ方を紹介しました．
分類等を含めた詳細な紹介は別途行う予定です．

― 46 ―

2012年11月（平成24年）

佐川・鈴木：東京都市大学高機能機械制御研究室

383

研究室紹介

東 京 都 市 大 学 高 機 能 機 械 制 御 研 究 室＊
佐

川

祐

貴＊＊，鈴

木

勝

正＊＊＊

私達の油圧関連分野では，平成24年度のメンバー

1．東京都市大学の紹介

は博士前期課程が２名，学部生が９名です．また，創立80周年目である2009年，武蔵工業大学は東京都市大学に校名を変更し，総合大学になりました．
工学部と知識工学部のある世田谷キャンパス，環境情報学部のある横浜キャンパス，都市生活学部と人間科学部のある等々力キャンパスの３つのキャンパ

企業の共同研究者が２名です．図１には研究室の風景を載せます．
研究室の雰囲気は落ち着きがあり，全員熱心に研究に取り組んでおります．このような落ち着きのある研究室の雰囲気は学生の自主性が尊重され，学生自身で研究計画を立てて取り組んでいるからです．

スで構成されます．
私達，工学部のある世田谷キャンパスは東京と神週に２度のゼミでは油圧に関する英語勉強会や企
奈川の境界を流れる多摩川の河畔に立地し，東京23
業の方に油圧機器に関する講義をしていただいてお区内の私立理工系キャンパスでは最大規模の面積をります．
誇ります．また緑の多い住宅街に囲まれているため，
3．現在の研究内容落ち着いた雰囲気の中で勉学に励むことができます．
自由が丘や，渋谷，恵比寿，新宿，六本木などの都
3.1 油圧シリンダを用いた６自由度パラレルリン
市部へのアクセスも便利です．
ク機構の円軌道追従制御
現在パラレルリンク機構はアミューズメントパー
2．研究室の紹介
クの疑似体験アトラクション，車や航空機のシミュ
工学部機械システム工学科にある，高機能機械制
レーターなどで利用されており，私達はこのパラレ
御研究室は２つの分野に分かれています．１つは鈴ルリンク機構の特性を調べ，制御性能の向上を目指
木教授の油圧関連分野，もう１つは野中准教授のロ
しております．
ボットカー関連分野です．
図２がパラレルリンク機構の実験装置の写真です．
パラレルリンク機構は基盤となるベースプラット
ホームと，６自由度の移動，回転をするエンドエ
フェクタとの間を６つのシリンダでつないだ構造をしており，その６つのシリンダを独立に動かすことでエンドエフェクタの６自由度運動を可能にしています．６つのシリンダを利用することで，高精度，高剛性を可能にしています．この実験機を動かす手
順として，まずPCに目標値を入力し，サーボアン
プで増幅とディザ信号を加え，サーボ弁へ出力します．サーボ弁の流量を制御し，リンクを動作させます．リンクの長さをポテンショメーターで検出して，PCにフィードバックします．サーボアンプで加えているディザ電流はサーボ弁にあるスプールや油圧
図１＊

平成24年６月５日＊＊

研究室の風景原稿受付

東京都市大学大学院・工学研究科・博士前期課程（所在地 〒158‑8557 東京都世田谷区玉堤１―28―１）＊＊＊
東京都市大学・工学部
第43巻

第６号

シリンダの固着を防ぐために使用されます．
今回は，P制御を用いて円軌道追従実験を行い，ディザの影響を調べました．図３はディザを加えない場合，図４は3mAのディザ電流を加えた場合のエンドエフェクタの軌跡です．図５と図６には図３と図４に対応するそれぞれのリンク長さを示します．
― 47 ―

2012年11月（平成24年）

384

フルードパワーシステム

図２

図３

図５

ディザを加えない場合のリンク長さの変化

図６3mAのディザを加えた場合のリンク長さの変化

パラレルリンク機構の実験装置

らが改善されています．これらの結果から，ディザ
電流が小さいと摩擦の影響で追従性が低下し，大きいと装置に負担がかかることがわかりました．
3.2 アキュムレータを用いたアイドリングストッ
プ方式油圧源の省エネ
近年環境破壊や電力不足が懸念されており，さまざまな分野において消費電力を抑えることが求められています．このことは油圧分野も重要です．そこ

ディザを加えない場合の円軌道追従で本研究室では，油圧源にアキュムレータと圧力ス
イッチを用いてポンプ駆動用電動機のアイドリング
ストップ運転を行い，消費電力を抑えることを研究しています．
実験は単純化した負荷回路に間欠的に作動油を供給する場合について，アキュムレータ付アイドリン
図４

グストップ方式油圧源（以下ACC油圧源）と，イ
ンバータ制御式油圧源，可変容量形油圧源の効率の3mAのディザを加えた場合の円軌道追従

図３，図４より，違いが一目瞭然です．図３ではディザを加えないため，摩擦によって滑らかな動きができず，再現性も見られません．また，ディザ電比較を行いました．その結果，ACC油圧源の省エ
ネルギー効果がもっとも優れていることを実証しました．またACC油圧源においてアキュムレータの容積，窒素封入圧力，圧力スイッチの設定が効率に流の振幅を3mA以上に変化させても軌道に大きな変化は見られないものの，5mA以上にするとサー
ボ弁とシリンダから振動音が発生しました．図5とどのような影響を及ぼすかも調査しました．現在は，ポンプ再起動時における電動機の過大な消費電力を抑えるために，油圧アシストを用いる方法を提案し図６を比較すると，図５はリンクの動作していない部分が見られ，再現性もありませんが，図６はそれています．これは油圧と電気によるハイブリッド方式で，ポンプ再起動時のピーク電力を抑えることが

第43巻

第６号

― 48 ―

2012年11月（平成24年）

385

佐川・鈴木：東京都市大学高機能機械制御研究室

できます．またガソリンエンジンを油圧源に用いる
場合についても油圧アシストによるスムーズな再起

3.4 パワーショベルの自動運転と振動抑制
通常，パワーショベルは『悪所を均す』ことを目動を行う，アイドリングストップ運転の実現を目指します．また，アキュムレータを含む管路内の圧力変動を解析するための計算ツールの開発も並行して的として使用します．そのため，予期せぬ振動により，作業従事者の事故に繋がる恐れがあります．本
研究においては，動作時に発生する振動を抑制して，行っています．図７にはアキュムレータ付アイドリ
ングストップ方式油圧源の実験装置を示します．

信頼度の高い制御を行うことを目的とします．
本研究では，市販のパワーショベルを用い，バケット・アーム・ブームの各油圧シリンダをフィードバック制御により駆動できるように改造しています．各油圧シリンダにはポテンショメーターが設置されており，油圧シリンダの位置を測定することができます．さらに制御にコンピュータを用いること
で，制御結果の記録を可能にしています．図９にはパワーショベルの実験機を示します．

図７

アキュムレータ付アイドリングストップ方式
油圧源の実験装置

3.3 水圧シリンダ駆動系の制御
建設機械，プレス機などさまざまな機械が油圧で駆動されています．しかし，油圧駆動は漏油，火災による環境汚染問題，また石油を初めとする化石燃料の枯渇問題が常に付随しています．そうした油圧駆動に対して「水道水」を用いた水圧駆動は長い歴史の中で身近にあり，高い環境調和性を有します．
一方で，水圧駆動には潤滑，水質管理の難しさの問題があります．そのため，私達の研究では水圧機器を制御し，水圧の特性の知識を深めることを目的としています．主な実験としてシリンダ位置のステッ
プ応答，周波数応答実験を行っており，P，PI，PID
制御法などを用いて調査します．今後は，ロードセ
ルを用いてシリンダの力の制御についても調べる予定です．図８に水圧システムの実験機を示します．

図９

パワーショベルの実験機

［著
さ

がわ

佐

川 祐

ゆう

者

紹

介］

き

貴 君
東京都市大学大学院・工学研究科・機械
システム工学専攻・博士前期課程学生．油
圧シリンダを用いた６自由度パラレルリン
ク機構の円軌道追従制御の研究に従事．

［著
すず

き

鈴

木 勝

かつ

者

紹

介］

まさ

正 君

1975年 東京工業大学大学院・機械工学専攻・博士課程・満期退学．現在：東京都市大学・機械システム工学科・教授．
日本フルードパワーシステム学会・日本機械学会などの会員．

図８
第43巻

第６号

水圧システムの実験装置― 49 ―

2012年11月（平成24年）

386

フルードパワーシステム

会

告

資料一覧表
価格は，㈳日本フルードパワーシステム学会事務局までお問い合わせください．
資 料 名

発行年月

平成元年春季油空圧講演会講演論文集

元年５月

平成元年秋季油空圧講演会講演論文集

元年11月

平成２年秋季油空圧講演会講演論文集

２年11月

平成３年秋季油空圧講演会講演論文集

３年11月

平成４年春季油空圧講演会講演論文集

４年５月

平成４年秋季油空圧講演会講演論文集

４年10月

平成５年春季油空圧講演会講演論文集

５年５月

平成５年秋季油空圧講演会講演論文集

５年11月

平成６年秋季油空圧講演会講演論文集

６年10月

平成７年秋季油空圧講演会講演論文集

７年11月

平成８年春季油空圧講演会講演論文集

８年５月

平成８年秋季油空圧講演会講演論文集

８年10月

平成９年春季油空圧講演会講演論文集

９年５月

平成10年春季油空圧講演会講演論文集

10年５月

平成10年秋季油空圧講演会講演論文集

10年11月

平成11年秋季フルイドパワーシステム ワークショップ講演会講演論文集

11年10月平成12年秋季フルイドパワーシステム講演会講演論文集

12年10月

平成13年春季フルイドパワーシステム講演会講演論文集

13年５月

平成13年秋季フルイドパワーシステム講演会講演論文集

13年11月平成14年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

14年５月

平成14年IFPEXフルードパワーシステム ワークショップ講演会講演論文集

14年６月

平成15年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

15年５月

平成16年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

16年５月

平成16年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集

16年11月

平成17年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

17年５月

平成17年IFPEXフルードパワーシステム ワークショップ講演会講演論文集

17年８月

平成18年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

18年５月

平成18年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集

18年11月

平成19年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

19年５月

平成19年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集

19年11月

平成20年IFPEXフルードパワーシステム ワークショップ講演会講演論文集

17年４月

平成20年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

20年５月

平成21年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

21年６月

平成21年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集

21年11月

平成22年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

22年５月

平成22年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集

22年12月

平成23年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

23年５月

平成24年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

24年５月

平成11年IFPEXフルイドパワーシステム ワークショップ講演会講演論文集

11年10月平成14年IFPEXフルードパワーシステム ワークショップ講演会講演論文集

14年６月

平成17年IFPEXフルードパワーシステム ワークショップ講演会講演論文集

17年８月

平成20年IFPEXフルードパワーシステム ワークショップ講演会講演論文集

17年４月

第43巻

第６号

― 50 ―

2012年11月（平成24年）

会告

387

資料一覧表

平成23年IFPEXフルードパワーシステム ワークショップ国際見本市論文集

23年７月

フォーラムʼ91「賢い電子油圧制御をいかに実現するか」

３年７月

フォーラムʼ92「ここまできた電子油空圧制御システム」

４年７月

フォーラムʼ94「油空圧駆動と電動駆動の現状と課題 その１」

６年７月

フォーラムʼ95「油空圧駆動と電動駆動の現状と課題 その２」

７年７月

フォーラムʼ96「油空圧技術を支えるトライボロジー」

８年７月

フォーラムʼ97「21世紀を見つめた新技術開発」

９年７月

フォーラムʼ98「オフロードビーグル用走行装置の動向」

10年７月

フォーラムʼ99「技術開発におけるトラブル事例」

11年７月

フォーラム2000「油空圧機器の省エネルギー化はこれだ！」

12年７月

フォーラム2001「自動車における最新油空圧技術の動向」

13年７月

フォーラム2002「電動かフルードか」

14年８月

フォーラム2003「電動かフルードかⅡ」

15年５月

フォーラム2003「最近の緩衝・制振・免振技術」

16年５月

オータムセミナー「油空圧のセンシング技術」

元年10月

オータムセミナー「メカトロニクス関連センサ」

２年10月

オータムセミナー「油空圧を支える解析技術」

４年10月

オータムセミナー「油圧機器・システムにおける振動をいかに克服するか」

５年10月

オータムセミナー「油空圧制御と高速インターフェース技術の融合」

６年11月

オータムセミナー「油空圧におけるシミュレーション技術の現状と課題」

７年10月

オータムセミナー「最新制御理論の超活用法（油空圧システムとロバスト制御の融合）」

８年９月

オータムセミナー 2000「環境適合技術の動向」

12年９月

オータムセミナー 2001「フルイドパワーシステムに用いられる制御技術の動向」

13年９月

オータムセミナー 2003「フルードパワーと環境・リサイクル」

15年10月オータムセミナー 2004「食品機械におけるフルードパワーの利用と課題」

16年10月オータムセミナー 2005「レスキューにおけるフルードパワーシステム」

17年10月オータムセミナー 2006「生活に密着したフルードパワー」

18年10月オータムセミナー 2007「鉄道におけるフルードパワー技術」

資料は『油空圧技術』Vol. 49 No. 4

オータムセミナー 2008「フルードパワーシステムと環境・省エネルギー」

20年10月オータムセミナー 2009「フルードパワーシステムのためのlinux開催環境」

21年10月オータムセミナー 2010「BOPビジネスの可能性〜 CSRとビジネスの両立〜」

22年11月オータムセミナー 2011「パワートレインにおけるフルードパワー技術」

23年11月ウインターセミナー「油空圧システムの低騒音化のために」２年２月

ウインターセミナー「知っておきたい新しいアクチュエータ」

３年２月

ウインターセミナー「200X年における電子油空圧はどうあるべきか Part ２」

４年２月

ウインターセミナー「新素材の油空圧への応用」

５年２月

ウインターセミナー「空気圧の新たな可能性を求めて」

６年２月

ウインターセミナー「人と環境に優しい油空圧―油空圧機器・システムの低騒音化技術―」

７年２月

ウインターセミナー「油圧システムの高圧化に関する現状と将来」

８年２月

ウインターセミナー「フルイドパワーにおける流体の役割」

９年２月

ウインターセミナー「ER流体の可能性とその油空圧技術への応用」

10年１月

ウインターセミナー「ユーザは語る･自動化機器における駆動方式の現状と将来像」

11年１月

ウインターセミナー「省エネ，環境のためのセンシング」

13年１月

ウインターセミナー「油空圧機器・システムにおける省エネルギー化の方法」

14年１月

ウインターセミナー「油空圧機器に係わる加工技術〜共存する油空圧機器と加工技術〜」

15年１月

ウインターセミナー「メンテナンスエンジニアリング―ランニングコストを安く―」

16年１月

ウインターセミナー「医療・福祉におけるフルードパワーシステムの応用動向」

17年１月

ウインターセミナー「機械システムの安全性」

18年２月

第43巻

第６号

― 51 ―

2012年11月（平成24年）

388

フルードパワーシステム

ウインターセミナー「家庭の中のフルードパワー」

19年２月

ウインターセミナー「航空機とロケットへの応用」

20年２月

ウインターセミナー「海と船のフルードパワー」

資料は『学会誌』Vol. 39 No. 5

ウインターセミナー「フルードパワー機器・システムの小型化」

21年２月

資料は『学会誌』Vol. 39 No. 5

22年２月

ウインターセミナー「福祉・医療環境における空気圧応用の現状と問題」

23年２月

ウインターセミナー「圧縮空気エネルギーの有効利用技術」

24年２月

教育講座「マイコン制御講座」（大学上級コース）

元年８月

教育講座「現代制御理論講座」（大学上級コース）

元年10月

教育講座「マイコン制御講座」（大学上級コース）

２年８月

教育講座「トライボロジー講座」（大学上級コース）

３年８月

教育講座「油空圧における鋳造技術講座」

５年10月

教育講座「空気圧システム入門」

10年９月

教育講座「空気圧システム入門」

11年６月

教育講座「空気圧システム入門」

13年６月

教育講座「トライボロジー講座」

14年９月

教育講座「空気圧システム入門」

15年５月

教育講座「空気圧システムの基礎」

15年５月

第１回油空圧国際シンポジウム論文集

２年１月

第２回油空圧国際シンポジウム論文集

５年９月

第３回油空圧国際シンポジウム論文集

８年11月

第４回油空圧国際シンポジウム論文集

11年11月

第５回油空圧国際シンポジウム論文集

14年11月

第６回JFPSフルードパワー国際シンポジウム論文集（CD‑ROM）

17年11月

第７回JFPSフルードパワー国際シンポジウム論文集（冊子，CD‑ROM）

20年９月

第８回JFPSフルードパワー国際シンポジウム論文集（冊子，CD‑ROM）

23年９月

学会創立20周年記念出版「油空圧の進歩100人の証言」

２年５月

学会創立30周年記念出版「アドバンスドフルードパワー技術の基礎と応用」

15年４月

分冊販売 油圧駆動の世界―油圧ならこうする―
空気圧システム入門
水圧駆動テキストブック
日本フルードパワーシステム学会創立40周年出版

23年 ４月分冊販売 油圧システムのモデリングと解析手法
Webシミュレーション解説
アクアドライブ技術の進展

第43巻

第６号

― 52 ―

2012年11月（平成24年）

フルードパワーシステム

フルードパワーシステム
号
…横田
…香川

眞一
利春

1
4

11
14
17
20
23

26
30

70

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92
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101
106

113
116

141
142
146
149
156
159

⎧⎨⎩

162

⎧︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱⎩

110

⎧⎨⎩

74
77
80
82

⎧︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱⎩

69

⎧︱⎨︱⎩

⎧︱︱⎨︱︱⎩⎧︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱⎩

第６号

10

⎧⎨⎩

⎧⎨⎩

⎧︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱⎩

第43巻

9
199

未来に向けた省エネルギー技術「未来に向けた省エネルギー技術」…内堀 晃彦
発行にあたって油圧システムの省エネルギー化技…田中
豊
術の動向と展望香川 利春
空気圧の省エネルギー技術と評…
蔡
茂林
価
水圧技術の省エネルギー化…伊藤 和寿油圧作動油の省エネルギー効果
小曽戸 博の評価方法―配管圧力損失の逐…
大塚 正和
次計算法―
管路損失の低減法…築地 徹浩スクリューコンプレッサシステム
…河合
仁
の最新制御
鈴木 勝正
アキュムレータを用いたアイド
リングストップ式油圧源の省エ… 大田 真平
杉村
健
ネルギー
再生可能エネルギーの普及と需要家の参画―東京工業大学先進エネ…小田 拓也ルギー国際研究センターの取り組
みを事例に―
基礎研究の最新動向「基礎研究の最新動向」発行にあ…眞田 一志たって
各種油圧ポンプのしゅう動部の温度計測（実作動条件下の実機ピス…風間 俊治トンポンプ，歯車ポンプ，ベーン
ポンプを対象として）
川上 幸男
摩擦を考慮した断熱管内空気定…
中野 和夫
常流量特性の近似計算
ヘルムホルツ形油圧動吸振器の減…一柳 隆義衰特性
フルードパワーアクチュエータの…柳田 秀記動摩擦力特性と数学モデル
ゴムベローズを用いた高減衰空気
圧ゴム人工筋のモデル化とシミュ…加藤 友規
レーション
電界共役流体に発生する流動のモ…竹村研治郎
デリング
超精密工作機械用の流体駆動スピ…中尾 陽一ンドル
フルードパワーにおける組み込みシステム「フルードパワーにおける組み込…吉満 俊拓みシステム」発行にあたって
組み込みシステムがフルードパ…小山紀
ワーにもたらすこと歩行リハビリ訓練用高機能靴…早川 恭弘ショックレス切換弁…北村修
電子制御ミキサ車…川島茂
スマートポジショナ…渡邉崇
デジタル電空レギュレータ―マイ…吉田 享平コン搭載により高機能化を実現―
⎧⎨⎩

⎧⎨⎩

⎧︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱⎩【解説】
特集「解析技術」「解析技術」の発行にあたって …柳田 秀記
1
川嶋 健嗣
オリフィス流れの計測融合シ
1
…
中尾 光博
ミュレーション
油圧機器内の流れ解析（スプール…田中 和博1
弁内部の流れ解析）
井小萩利明
溶解気体の分離を考慮したキャ
1
…
落合 直哉
ビテーション流れ解析
油圧系のモデリングとHILS…眞田 一志
1
油圧機器・回路設計に用いられる…桜井 康雄
1
CAE
佐藤 隆之
樋口 武史
ダンプトラック開発への解析主
1
…
石原 和典
導型設計の適用岩城毅
自動車における油圧解析技術…平工 賢二1
特集「国際シンポジウム2011」
実行委員長からのメッセージ―沖
縄での国際シンポジウムを開催し…横田 眞一
2て
第８回フルードパワー国際シンポ…田中豊
2
ジウムの全体概要
プログラム・セッションの概要 …早川 恭弘
2
展示の概要…桜井 康雄2
JFPS Best Student Paper Award…佐藤 恭一
2
特別招待講演の概要…吉田 和弘2
Fluid Power 2011「医療・福祉」…赤木 徹也
2
セッションの講演「ロボティクス・メカトロニクス」
セッションの講演（基調講演を含…則次 俊郎
2む）「機能性流体」セッションの講演…築地 徹浩2（基調講演を含む）「水圧」セッションの講演…北川
能
2
フルードパワーに関する第８回
Andrew Schenk
2
JFPS国際シンポジウムの感想と…
（翻訳 近藤 瞳）
印象記
参加学生から見た第８回JFPS国…山口 彰浩2
際シンポジウム
参加学生から見た今回の国際シン…坂間 清子2
ポジウム
参加企業から見た今回の国際シン…小曽戸 博2
ポジウム―ポンプそして人生（Ⅳ）―
フルードパワーシステムと地震対策「フルードパワーシステムと地震…金俊完
3対策」発行にあたって
フルードパワー技術を用いた免…露木 保男3
震・制震について
高層ビル用制震オイルダンパ…栗野 治彦3
阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免…高橋治
3
震建物の開発と建設―
鉄道車両用地震時脱線防止対策左
…鈴木
貢
3
右動ダンパ
遠隔操作建設ロボット…山田 宏尚3
危険建物内への迅速・安全なア
塚越 秀行
3
クセスを目指した流体ロープ…
北川
能
ウェイ

総目次（第43巻）

通し頁⎧︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱⎩【挨拶】
年頭に当たり会長就任にあたって389

総目次（第43巻）【解説】
電気油圧サーボ式ダウンコイラ…桑野 博明入門者向き実習講座「油空圧技術」…眞田 一志
阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震…高橋治
建物の地震観測（前編）
油圧回路設計・動特性解析用シミュ
レーションパッケージOHC-Simの…桜井 康雄
現状
阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震…高橋治
建物の地震観測（後編）― 53 ―

号

通し頁

4

200

4

201

4

206

4

209

4

212

4

218

4

221

4

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4

227

5

267

5

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5

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5

274

5

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5

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5

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5

286

6

343

6

344

6
6
6
6

347
350
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356

6

359

4
5

230
290

5

293

6

362

6

365

2012年11月（平成24年）

390

フルードパワーシステム【ニュース】
日本フルードパワーシステム学会国…香川
際シンポジウム2014紹介
日中若手研究者交流と特別講演会の…田中
報告
中国機械工程学会流体伝動与控制分…蕭会第五期委員会が発足

利春

2

120

豊

2

122

欣志

2

124

36

1

38

2

125

2

128

3

165

TCP/IPを用いたネットワーク通信…内堀の基礎
TCP/IPを用いたネットワーク通信…内堀のプログラミング
TCP/IPを用いたネットワーク通信…内堀のプログラミング（IPv6，UDP）
学生によるフルードパワー企業見学…阿部記
学生によるフルードパワー企業見学…阿部記【研究室紹介（連載）】藤田
町田
沼津工業高等専門学校大島研究室 …大島
佐川
東京都市大学高機能機械制御研究…
鈴木室
神奈川工科大学山本研究室

3

5

168

…

3

176

4

241

5

319

晃彦

3

182

晃彦

4

244

晃彦

5

322

利章

3

185

利章

5

328

玲洋
忠計
茂
祐貴
勝正

1

52

4

250

6

383

英俊
康雄

1

56

1

59

2

130

4

253

4

255

5

331

5

333

1
2
4
6

45
76
240
382

1

2

1

3

1

5

1

7

1

8

1

29

1
1
1

35
55
1, 6, 35, 62300【企画行事】

5

302

5

305

6

370

1

40

彰

3

171

彰

4

234

彰

5

307

彰

6

373

滋

1

43

伸好

3

174

護平

4

237

満

5

312

満

6

376

勉

5

314

勉

6

378

1
3
4
5

46
179
247
325

1

49

平成24年度企画行事紹介

⎧⎨⎩

第６号

1

彰

【トピックス（連載）】
中国駐在員日記…豊岡司
アメリカ駐在日記…山田真の介
チェコ駐在員日記…石髙 雄太シンガポール駐在員の生活…渡辺 直樹
産業オートメーション技術における国際標準化―国際標準化機関と標準…五嶋 裕之
化活動―

第43巻

33

⎧⎨⎩

【教室（連載）】おもしろ油圧機構 第５回 流量制…大橋
御弁
おもしろ油圧機構 第６回 方向制…大橋
御弁
おもしろ油圧機構 第７回 電気―…大橋
油圧サーボ弁
おもしろ油圧機構 第８回 油圧…大橋
モータ
おもしろ油圧機構 第９回 ハイド…大橋
ロスタティックトランスミッション
おもしろ空気圧「ショックアブソー…大川バ」
おもしろ空気圧「高分子膜式エアド…桑名
ライヤ」
おもしろ空気圧「空気圧システムの…張結露」
おもしろ空気圧「空気圧機器の流量…妹尾特性」
おもしろ空気圧「空気圧システムの
…妹尾
合成計算」
入門講座「流体力学」第１回：覆水
…高橋
盆に返らず
入門講座「流体力学」第２回：もの…高橋の見方を変えよう

1⎧⎨⎩【FPIC会議報告】
FPM2011におけるフルードパワー…金俊完
技術研究動向日本機械学会2011年度年次大会におけるフルードパワー技術の研究につ…小薮栄太郎
いて第29回日本ロボット学会学術講演会…吉田 和弘におけるフルードパワー技術研究
山梨講演会2011におけるフルードパ…田中豊
ワー技術研究動向
SICE Annual Conference 2011（OS:FLUCOM-J） お よ び 第12回 流 体 計…小山紀
測制御シンポジウムにおけるフルー
ドパワー技術研究動向
ICMT2011におけるフルードパワー…嚴祥仁
技術関連の研究
FLUCOME2011におけるフルードパ
ワー技術研究動向 FLUCOME2011…香川 利春
in TAIWAN
第12回日本機械学会機素潤滑設計部
門講演会におけるフルードパワー技…吉田 和弘
術研究第24回「電磁力関連のダイナミク
ス」シンポジウムにおけるフルード…嚴
祥仁
パワー技術研究動向
IFK2012参加記…加藤 友規ROBOMEC2012に お け る フ ル ー ド…金俊完
パワー技術研究動向

産業オートメーション技術における国際標準化―CADデータ交換の諸…五嶋 裕之
問題とISO 10303（STEP）規格―
産業オートメーション技術における国際標準化―STEPアプリケーショ…五嶋 裕之ンプロトコル（AP）とその利用方
法―
スマートグリッドと情報・通信の国…五嶋 裕之
際標準化

大内
桜井

…

夏休み小学生自由研究教室（福岡工業大学 フルードパワーロボット体…加藤 友規
験教室）
平成23年度オータムセミナー開催報
告「パワートレインにおけるフルー…成田晋
ドパワー技術」
平成23年度ウインターセミナー開催
報告「圧縮空気エネルギーの有効利…只野耕太郎
用技術」
第２回フルードパワーに関する日中…鈴木 健児共同ワークショップ
平成24年度春季フルードパワーシス…高岩 昌弘
テム講演会報告
平成24年春季講演会併設セミナー…加藤 友規「電動とフルードの社会貢献」【コーヒーブレイク】
手押し井戸ポンプ
こんなことありませんか？
特許の常識と思えること
特許よもやま話【会告】平成23年度 ウインターセミナーのお知らせ
平成24年春季フルードパワーシステ
ム講演会のお知らせ
平成24年春季フルードパワーシステ
ム学会講演会 オーガナイズドセッ
ションの講演募集案内
各委員会名簿平成24年春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」
第２回フルードパワーに関する日中国際共同ワークショップの開催および論文募集のお知らせ
共催・協賛行事のお知らせ
論文集委員会よりのお知らせ
その他

…大橋
彰
…小山
紀
…木原 和幸…木原 和幸― 54 ―

2012年11月（平成24年）

フルードパワーシステム

平成24年春季フルードパワーシステ
ム講演会のお知らせ
平成24年春季フルードパワーシステ
ム講演会 オーガナイズドセッショ
ンの講演募集案内
平成24年春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」
触れて学べる！入門者向き実習講座「油空圧技術」
共催・協賛行事のお知らせ
各委員会名簿
若手育成フルードパワー道場７「フルードパワーに生かせる電子回路技術」開催のお知らせ
その他
平成24年春季フルードパワーシステ
ム講演会のお知らせ
平成24年春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」
第31期通常総会・技術懇談会 開催のお知らせ
若手育成フルードパワー道場7「フルードパワーに生かせる電子回路技術」開催のお知らせ
触れて学べる！入門者向き実習講座「油空圧技術」
共催・協賛行事のお知らせ
各委員会名簿第２回フルードパワーに関する日中国際共同ワークショップ

2

64

2

66

2

67

2

68

2
2

91
119, 127

2

121

2

63, 86, 132

3

134

3

135

3

136

3

136
137

その他

3
3

139
140

3

145

日本フルードパワーシステム学会平
成24年度受賞候補者募集
平成24年秋季フルードパワーシステ
ム講演会のお知らせ
平成24年度ウィンターセミナーのご案内
電子投稿・審査システム導入について学会誌に掲載された記事の著作権の帰属確認について
共催・協賛行事のお知らせ
資料一覧
フルードパワーシステム第43巻総目次
その他

第31期通常総会終了
平成24年度特別教育講座「油圧シス
テムにおけるモデリングのエッセンスをつかむ―モデリングの基礎から位置決めシステムのモデリング―」平成24年度オータムセミナーのお知らせ「フルードパワー技術を活かす
油圧作動油の最新動向」

4

133, 137
170, 188
190

4

191

第６号

平成24年度オータムセミナーのお知らせ「フルードパワー技術を活かす
油圧作動油の最新動向」「フルードパワーバーチャルミュー
ジアム」開設のお知らせ
平成24年秋季フルードパワーシステ
ム講演会のお知らせ
平成24年秋季フルードパワーシステ
ム講演会オーガナイズドセッション
講演募集のご案内
一般社団法人日本フルードパワーシ
ステム学会（JFPS）フェロー認定者推薦のお願い
平成24年度一般社団法人日本フルー
ドパワーシステム学会委員会名簿
共催・協賛行事のお知らせ

3

3

第43巻

一般社団法人日本フルードパワーシ
ステム学会（JFPS）フェロー認定者推薦のお願い
共催・協賛行事のお知らせ「フルードパワーバーチャルミュー
ジアム」開設のお知らせ
その他

その他

4

193

391

総目次（第43巻）― 55 ―

4

194

4

196

4

203

189, 195, 198
4205, 258
5

260

5

261

5

262

5

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5

289

5

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5

318
259, 265, 266
5304, 336
6

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6

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6

340

6

341

6

342

6
372
6
386
6
389
6 337, 341, 392

2012年11月（平成24年）

392

フルードパワーシステム

編 集 室

次号予告
―特集「ものづくり教育（大学編）」―
年頭にあたり香川 利春
年頭に当たって築地 徹浩，肥田 一雄，北畠 多門「ものづくり教育（大学編）」発行にあたって吉田 和弘
ものづくり教育に活かすコミュニケーションスキル
―エンジニアリング・ファシリテーション
大石加奈子
エンジニアリングデザイン教育―ものづくり工学実習―加藤 友規，溝田 武人
JABEEとエンジニアリング教育
岸本喜久雄
カーネギーメロン大学におけるものづくり教育
塚越 秀行
国際デザインコンテスト（IDCロボコン）2012
山北 昌毅
PBLを志向した設計製図教育「EV‑Mileage」
佐藤 恭一
東北大学機械系大学院教育改革プログラム「機械工学フロンティア創成」
吉田 和哉
岐阜大学金型創成技術研究センターにおけるものづくり教育
王志剛〔FPIC会議報告〕2012年度日本機械学会年次大会におけるフルードパワー研究の動向
田中
豊〔教室〕おもしろ油圧機構 第10回 メカトロ油圧機器
大橋彰
おもしろ空気圧「イオナイザ」
小辻 一雄
入門講座「流体力学」第３回：噴水はどこまで上がる？
高橋
勉〔トピックス〕油空圧に関するISO活動の現状
千葉誠
韓国駐在員日記
三宮 俊之〔研究室紹介〕東京工業大学横田・吉田研究室
横田 眞一，吉田 和弘〔企画行事〕ステルソン教授の特別講演会
田中豊

平成24年度「フルードパワーシステム」編集委員
委 員 長 吉 田 和
副委員長 塚 越 秀
委員 伊 藤 雅
内 堀 晃
大 橋
小 倉
加 藤 友
木 原 和
金
俊
栗 林 直
五 嶋 裕
佐 藤 恭
妹 尾
多 田 昌
会

弘（東京工業大学）
行（東京工業大学）則（東京海洋大学）彦（宇部工業高等専門学校）
彰（油研工業㈱）弘（日立建機㈱）規（福岡工業大学）
幸（㈶工業所有権協力センター）
完（東京工業大学）
樹（川崎重工業）之（機械振興協会）
一（横浜国立大学）
満（SMC㈱）弘（CKD㈱）

委

員 中 野
西 海
藤 田
丸 田
村 松
柳 田
山 田
山 田
山之内
吉 満
担当理事 宮 川
山 田
編集事務局 藤 谷
竹 内

政 身（東北大学）
孝 夫（防衛大学校）
壽 憲（東京電機大学）
和 弘（㈱コマツ）
久 巳（沼津工業高等専門学校）
秀 記（豊橋技術科学大学）
真の介（㈱TAIYO）
敏 夫（㈱コガネイ）
健 司（KYB㈱）俊 拓（神奈川工科大学）
新 平（KYB㈱）宏 尚（岐阜大学）秀 次（学会事務局）
留 美（勝美印刷㈱）（あいうえお 順）

告

複写される方へ本会は下記協会に複写に関する権利委託をしていますので，本誌に掲載された著作物を複写したい方は，同協会より許諾を受けて複写してください．ただし㈳日本複写権センター（同協会より権利を再委託）と包括複写許諾契約を締結されている企業の社員による社内利用目的の複写は
その必要はありません．
（社外頒布用の複写は許諾が必要です．
）
権利委託先：（中法）学術著作権協会〒107‑0052 東京都港区赤坂９―６―41 乃木坂ビル
TEL：03‑3475‑5618
FAX：03‑3475‑5619
E-mail：info@jaacc.jp
なお，著作物の転載・翻訳のような，複写以外の許諾は，学術著作権協会では扱っていませんので，直接本会へご連絡ください．

第43巻

第６号

― 56 ―

2012年11月（平成24年）

ISSN

1880―3121

日本フルードパワーシステム学会論文集
第43巻, 第６号（2012）
平成24年11月
目次

研究論文
１．ガイド構造を有する平行円板間流れの騒音特性に関する研究
大川

陽一，村松

久巳，尹

鍾晧，香川

利春

135

２．層流型高速応答流量計を用いたソプラノリコーダー吹奏ロボットの呼気制御
加藤

友規，益田

大海，河村

良行，

舩木

達也，川嶋

健嗣，香川

利春

143

３．空圧シリンダによりテザー付き子機を高く投擲する方法
ワタリ

エイリ，塚越秀行，北川

一般社団法人日本フルードパワーシステム学会

能

149

ISSN

1880―3121

TRANSACTIONS OF
THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY
Vol.43, No.6

November 2012
Contents

Paper
１．A Study on Noise Characteristics of Radial Flow between Two Parallel Disks with
Guide Structure
Yoichi OKAWA, Hisami MURAMATSU, Chongho YOUN, Toshiharu KAGAWA

135

２．Control of Blown Air for a Soprano-recorder-playing Robot using Quick Response
Laminar Flow Sensor
Tomonori KATO, Hiromi MASUDA, Yoshiyuki KAWAMURA,
Tatsuya FUNAKI, Kenji KAWASHIMA, Toshiharu KAGAWA

143

３．Methods for Higher Casting of a Tethered Child Machine Using a Pneumatic
CylinderEyri WATARI, Hideyuki TSUKAGOSHI, Ato KITAGAWA

Published by
The Japan Fluid Power System Society
c/o Kikaishinko Building
3―5―22 Shiba―koen, Minato―ku, Tokyo, 105―0011, Japan149

大川・村松・尹・香川：ガイド構造を有する平行円板間流れの騒音特性に関する研究

135

研究論文

ガイド構造を有する平行円板間流れの騒音特性に関する研究＊
大 川 陽 一＊＊，村 松 久 巳＊＊＊，尹鍾 晧＊＊＊＊，香 川 利 春＊＊＊＊A Study on Noise Characteristics of Radial Flow between Two Parallel Disks with Guide Structure
Yoichi OKAWA, Hisami MURAMATSU, Chongho YOUN, Toshiharu KAGAWA
In this research, we propose to install a guidance structure to an element with radial ﬂow between two parallel disks
named a radial slit, and investigate its inﬂuence on the noise characteristics experimentally. Even if the radial slit is applied
to pneumatic components with casing cover, the guide structure is expected to preserve advantage of silence ability. The
noise characteristics of the radial slit without the guidance structure and with the guidance structure, which has a suddenexpansion of ﬂow area, are compared experimentally. It is observed that high frequency noise is generated and thesilencing ability of the radial slit gets worse by installing the guidance structure. In order to obtain the angle of theguidance structure for minimizing the noise level, the angle varies from 3 degrees to 60 degrees and these noisecharacteristics are measured under the same diﬀerential pressure. As a consequence, it is found that the noise level has aminimum value when the angle of the guidance structure is in the range from 10 degrees to 20 degrees. The ﬂow patternon the surface of the guidance structure is visualized by the oil ﬁlm technique. The observed ﬂow patterns change withincreasing the angle, and the features of these ﬂow patterns are described as follows; (i) when the degree of the guidance
angle is small, a triangular shaped sediment accumulation of an oil ﬁlm is observed on the surface of the guidance structure,(ii) the ﬂow in the radially inward direction occurs on the surface with increasing the angle, and (iii) when the angle is morethan 30 degrees, the ﬂow begins to separate from the surface of the guidance structure. By combining the results of thenoise characteristics and visualization, it is found that the noise level is minimized during transition between (i) and (ii).
Key words：Pneumatics, Noise, Radial slit, Valve

1．緒

弁プラグや弁座の最適形状を実験的に調査する方法3）4）に言加えて，管路の壁面を消音材で巻く方法5），多孔質金属を空気圧システムは，安全性の観点から産業分野の自動化

用いて音響エネルギを吸収する方法6）などが主であった．

や省力化に広く用いられている．しかしながら，圧縮空気

筆者らは，低騒音での減圧を実現できるスリット型機構の高圧化に伴い，圧力制御弁，流量調節弁などの前後で圧（以下，ラジアルスリットと称す）を提案した7）．ラジアル

力比が大きい場合，乱流および衝撃波により非常に大きなスリット内の流れは，狭いすきまを有する平行円板間流れ

空力騒音が発生する．この騒音は，工場の中で作業に従事となる．非常に狭いすきまに圧縮空気を通過させることにする作業者に対してストレスとなる．また，工場周辺の環より，騒音の主要な原因となる空気の乱れと衝撃波の発生境に対しても影響を与える．このため，空力騒音は大きなを抑えることで低騒音化が可能となる．このことから，空環境問題となっている．

気圧システムにおける減圧弁で騒音源となる通常のオリ

これまでに，このような空力騒音の発生とその伝播に関1），2）する実験および理論的な解析が行われてきた．これま

フィスをラジアルスリットにすることにより，発生する騒音が小さい減圧機構としての応用が期待される．
これまでに筆者らは，減圧機構としてすきま高さがで行われてきた空力騒音の制御方法は，ノズルや減圧弁の50µmのラジアルスリットの流体解析および騒音特性の実験を行った．ラジアルスリットは，オリフィスと比較して，＊

平成23年９月22日 原稿受付

約35dB以上の低騒音化の効果があり，また，放射状に広が＊＊東京工業大学大学院総合理工学研究科メカノマイクロ工学専攻（所在地 神奈川県横浜市緑区長津田町4259 R2―45）（E-mail：okawa.y.rp@gmail.com）＊＊＊
沼津工業高等専門学校機械工学科＊＊＊＊

東京工業大学精密工学研究所

第43巻

第６号

る流路形状は，平行な流路形状より約６dBの低騒音化が可能であることがわかった7）．また，シュリーレン可視化装置を用いて，ラジアルスリットでは，圧力差が500kPaの場
合において，衝撃波の発生がないことを可視化し，ラジア
ルスリットの静音性を確認している．また，発生する騒音―1―

2012年11月（平成24年）

136

日本フルードパワーシステム学会論文集

レベルとレイノルズ数の関係を実験的に明らかにし，騒音

out ：ラジアルスリットのすきま出口部分の値
u8）

レベルの予測を可能にしている ．

：ラジアルスリット上流における値

これまで，ラジアルスリット下流は大気圧中に開放し，

3．構造および原理

かつ，障壁となるケーシングが存在しない状況における特性に関して研究を行ってきた．しかしながら，ラジアルス

3.1 平行円板間流れ

リットを低騒音型減圧機構としてバルブ機器内に設置する

ラジアルスリットの構造は，Fig. 1のように２枚の円板をのであれば，ラジアルスリットを通過した空気がケーシン

平行に重ね合わせたものである．圧縮された空気は，円板グに衝突することにより，低騒音な特性が悪化する可能性の中心に流れ込み，中心から放射状の方向に狭いすきまをがある．そこで，ラジアルスリット下流側にガイド構造を通過して外側へ流出する．流体は，すきまの中を流れなが付加し，緩やかに減速させながら空間に放出することが可ら減圧されるために下流側には急激な圧力変動による衝撃

能な構造を提案する．緩やかに減速させることにより，狭波は発生しないと考えられる．また，スリット中の流れは，い空間に空気を放出する際の空力騒音の発生を抑えられる

粘性の影響が強い流れになるため，上流側にある空気の乱ことが期待される．

れは整流される．このことから，滑らかな流れにより減圧

ガイド構造の角度によっては，ラジアルスリットの低騒が行われるために，高速であるにもかかわらず，衝撃波の音化の効果が小さくなることが考えられる．そこで，本論発生を伴わずにきわめて静かな減圧を行うことが出来る．

文の目的は，ガイド構造の提案と，ガイド構造の最適形状

ラジアルスリットにおける圧力損失は，スリット内の流を得るための第一段階として，ガイド角度αによる騒音とれを層流および等温変化と仮定するとき，次式で示され流れの状態に対する検討を行うことである．ガイド構造のる10）．

角度を変化させ，低騒音化の効果が最大となるガイド角度

Δ Ptotal =を実験的に求める．また，得られた実験結果に対して，騒
音レベルの周波数分析および油膜法による可視化を行い，考察を行う．

Pa 2 +

ρ u in2
12 μGP a rout
ln
+ξ
3
r in
βπρh
2

⑴

第１項は，スリット内部における粘性による損失であり，第２項は，スリット入口部分における付加損失である．

第３章ではラジアルスリットの基本構造及びガイド構造

3.2 ラジアルスリットのガイド構造に関する説明をし，第４章では実験装置に関して説明する．

本論文で提案するラジアルスリットのガイド構造の説明

ガイド構造によるラジアルスリットの騒音特性への影響ををする．ラジアルスリットを低騒音型減圧機構としてバル第５章で示し，第６章では流動パターンの可視化によって，

ブ機器内に設置する場合，Fig. 1に示すように，ラジアルス

ガイド角度が変化することによる騒音特性への影響に対す

リットの周りはケーシングで囲まれることになる．この場

る考察を行う．第７章では本論文の結論を述べる．

合の流路形状を再現するために，Fig. 2⒜に示すような，円板中心から半径方向に22㎜の位置で急拡大する流路形状を

2．主 な 記 号A

有するラジアルスリットを作製した．Disk-aの斜線で示し：流路面積

Dh ：水力直径
G

：質量流量

h

：ラジアルスリットのすきま高さ

NL ：騒音レベル（A特性）P［㎡］

た部分は，すきまが平行な流路部分であり，交差斜線で示［m］

した部分は，流路のガイド構造部分である．これをα＝90°［kg/s］のラジアルスリットと称することにする．ラジアルスリッ［m］

トの外半径routは30㎜，内半径rinは８㎜である．放射状の平

［dB
（A）
］

：圧力

［kPa
（abs）
］

Pa ：大気圧力

［kPa
（abs）
］

Ptotal ：ラジアルスリットのすきま入口から出口までの差圧
Q

：体積流量

r

：ラジアルスリット半径

μ

：粘性係数

α

：角度

β

：開口角度比ρ：密度

ξ

：入口圧力損失係数

［kPa
（abs）
］
［L/min］［㎜］［Pa・s］［degree］［−］［kg/㎥］［−］

添字in：ラジアルスリットのすきま入口部分の値
第43巻

第６号

Fig. 1―2―

Structure of the radial slit
2012年11月（平成24年）

大川・村松・尹・香川：ガイド構造を有する平行円板間流れの騒音特性に関する研究

137

行円板間流れを実現するために，Disk-aの上面を４つの場

また比較対象として，ガイド構造を持たない外半径rout＝

所で板厚を50µm削り，向き合う平行面によりすきま流れ

22㎜，内径rin＝８㎜のラジアルスリットに対しても騒音特としている．ひとつの入口の開口角度は60°であり，合計性を調べた．ここでは，ラジアルスリットを構成する最小の開口角度は240°となる．したがって，円板に対する流路単位である一枚の円板を用いて実験を行う．

の開口角度比 βは２/３である．

4．実験装置と実験方法

また，α＝ 90°よりも緩やかな拡大流路を有するラジアル
スリットを作製した．Fig. 2⒝に示すように，半径22㎜の位

4.1 流量特性

置からDisk-aの半径方向に長さ８㎜，角度αで傾斜を付けた．

ラジアルスリットの流量特性を測定した．実験回路図を

本研究では，ガイド角度αを10°
から30°
までは５°
刻みとし，

Fig. 3に示す．実験回路は，空気圧源，バッファタンク，圧

さらにα＝３°
，５°
，７°
，45°
，60°の合計10種類のDisk-a

力レギュレータ，流量計，圧力計，ラジアルスリットで構を作製した．

成されている．ラジアルスリットの下流側を大気放出し，上流側圧力を圧力レギュレータにより一定に保ちながら，
熱式質量流量計（サンプリング周期10ms，FD-A100，㈱キーエンス）により体積流量を求めた．測定した質量流量と測定時の大気圧力および大気温度から，ラジアルスリッ
トを通過した体積流量を求めた．体積流量は，基準状態（０℃，大気圧101.3kPa，相対質度０％）における値に換算
し，Q［L/min（nor）］と表記する．
流量と圧力損失の関係について，実験結果と式⑴により求めた計算結果を比較した．
4.2 騒音特性
本研究で用いた空気圧回路・音響測定システムをFig. 4に示す．音響測定試験は，空気圧用消音器の測定規格である
JIS B83799）に準拠して行った．
＝
＝
＝
＝

⒜

騒音測定室内に置かれたコンデンサマイクロホン（Typeα＝90°Fig. 3

Experimental setup for ﬂow characteristics measure
ment

＝
＝
＝

⒝

α（from ３°to 60°）

Fig. 2
第43巻第６号

The radial slit

Fig. 4―3―

Experimental setup for noise level measurement
2012年11月（平成24年）

138

日本フルードパワーシステム学会論文集

4165，Brüel & Kjær）は，水平面内で回転し，管路中心軸

Dh = 4から測った角度を45°にする．また，実験対象との距離は１mとした．さらに，騒音測定室外に置かれたデジタル周

2 π rh㲓 2h（2 2 π r + h）⑷と定義した．

波数分析機（Dual channel real-time frequency analyzer,

この予測値と実験結果との比較をFig. 6に示す．縦軸は騒Type 2133，Brüel & Kjær）により騒音レベルが測定され，音レベル，横軸は出口におけるレイノルズ数である．式⑵周波数分析が行われる．騒音測定室の壁には吸音材が設置による予測騒音レベルを実線で示している．いずれのラジされ，暗騒音は26.6dB であった．空気圧回路では，上流

アルスリットもレイノルズ数が減少するにつれて，騒音レ側にある容器の圧力を圧力レギュレータによって設定圧力ベルも減少した．ガイド構造を持たないラジアルスリット

値に保ち，圧縮空気を流す．回路端にはラジアルスリット

における実験結果は，予測騒音値と良好な一致を示した．

が取り付けられており，大気放出する際の騒音レベルが測

一方，α＝90°において，r＝22㎜におけるレイノルズ数を定される．

Reoutとして用いた実験結果は，予測値を大きく上回る値を示した．Fig. 7における周波数分析によると，ガイド構造を5．ガイド構造の影響設けたことにより，４kHz以上の高周波数成分の音圧レベ
ルSPLが上昇し，騒音が大きくなる．そこで次項では，ガ5.1 流量特性
圧力―流量特性の実験結果をFig. 5に示す．縦軸は上流圧イド構造由来の騒音を低減するために，α＝３°からα＝60°で傾斜を持たせ，その効果について検討した．

力，横軸は体積流量である．
図中には，式⑴による計算値を実線で示してある．式⑴5.3 騒音レベルに対するガイド角度の影響

において外径rout＝22㎜，入口圧力損失係数ζ＝0.9としたと本項では，騒音レベルとガイド角度の関係を示す．Fig. 8

きに実験結果と良好な一致を示した．このことから，ガイに，様々な角度における騒音レベル測定の結果を示す．縦ド構造付きラジアルスリットにおいて，圧縮空気がすきま

軸は騒音レベル（dB ），横軸はガイド角度である．横軸

内に流入した場合，平行なすきま高さとなるrin＝８㎜からr＝22㎜までの14㎜の間に圧力損失は終わり，その後方のガ
イド構造部分では圧力損失が起こらないために，ガイド角度は圧力―流量特性に影響しないと考えられる．
5.2 騒音特性
ここでは，ガイド構造が騒音特性に及ぼす影響を述べる．
ガイド構造を持たないラジアルスリットとFig. 2⒜に示したα＝90°のラジアルスリットにおいて，騒音特性を調べた．
ラジアルスリットの出口におけるレイノルズ数から，次式を用いて騒音レベルが予測できる10）．
Re out ≤ 2500 ,Re out >2500 ,NL = 0. 0118 Re out +25.13
NL = 0. 0023 Re out + 48.45⑵

Fig. 6

Relation between Reynolds number and noise level

ただし出口におけるレイノルズ数は，
Re out =ρ out Dh u out
GD h
=
μ
μAout

⑶

Fig. 7
Fig. 5

Flow characteristics of the radial slit structure

第43巻

第６号

―4―

Frequency spectra（without guide structure and α＝90°）
2012年11月（平成24年）

大川・村松・尹・香川：ガイド構造を有する平行円板間流れの騒音特性に関する研究

139の左端は，ガイド構造を持たないラジアルスリットの結果

レベルが最小値となることが予想される．これらの現象にをプロットしている．

関して考察するために，油膜法による可視化を行い，ガイ

すべての上流側圧力値の設定条件において，α＝10°から20°の間において騒音レベルが最小値となる，下に凸のグ

ド角度による流れの状態を観察した結果を６章で述べる．
5.4 周波数分析
ガイド構造付きラジアルスリットに対して，α＝３°から

ラフ形状をとる．
ガイド構造を持たないラジアルスリットとガイド構造付30°の範囲で騒音レベルが変化する現象について，周波数

きラジアルスリットの騒音レベルの最小値との比較をする

分析を行い検討した．ガイド構造を有さないラジアルスと，低流量領域では，αを３°とした場合において騒音レベ

リットおよびα＝５°
，15°
，25°
，30°
，60°
のラジアルスリッ

ルが大幅に上昇し，ガイド構造付きラジアルスリットは，

トに対して，上流圧力を650および300kPa（abs）としたとガイド構造を持たないラジアルスリットと比較して，静音

きの騒音レベルの周波数分析の結果をFig. 9に示す．

性が悪化した．しかしながら，上流側圧力をPu＝600kPa

各上流圧力条件において，緩やかなピークを持つブロー（abs）以上とした場合は，ガイド構造を持たないラジアル

ドバンドノイズが観測される．Pu＝650kPa（abs）におけるスリットと同程度の騒音レベルとなるα が存在する．また，ブロードバンドノイズのピーク周波数は，16kHzである．

Pu＝600kPa（abs）以上の場合においても，ガイド角度が３°

また，α＝５°
，25°
，30°
，60°
におけるブロードバンドノイのように微小であっても騒音レベルが上昇していることか

ズSPLの最大値は，約67.9 dBである．
一方，ガイド構造を有さないラジアルスリットおよびら，流動パターンが変化していることが考えられる．
以上のことから，ガイド構造を有する場合，ガイド角度15°におけるブロードバンドノイズSPLの最大値は，64.8dB

αが３°から騒音レベルの最小値までの領域と，さらにαをと小さかった．上流圧力をPu＝300kPa（abs）にすると，α大きくした領域において，支配的となる流動パターンは異＝60°
ではブロードバンドノイズのピークは低周波数側になり，それらの流動パターンが切り替わるαにおいて騒音シフトし，12.5kHzとなる．一方，α＝５°
，15°
，25°
，30°
におけるブロードバンドノイズのピーク値は変化せずに⒜⒝
Fig. 8
第43巻

Full scale view

Enlarged view

Relation between vane angle and noise level
第６号

―5―

⒜

Pu＝650kPa（abs）⒝

Pu＝300kPa（abs）

Fig. 9Frequency spectra
2012年11月（平成24年）

140

日本フルードパワーシステム学会論文集

16kHzで，ブロードバンドノイズSPLのピーク値も，他の角度の場合と比較して５dB程度低くなっている．低騒音化に対しては，以上で述べたブロードバンドノイズSPLの最大値だけでなく，広帯域騒音の低下が寄与している．

6．ラジアルスリット内部の流れ
ラジアルスリットのすきまは，50µmと極めて小さいために，内部の空気の流速を直接計測によって確認することは困難である．そこで，流れの可視化法のひとつである油膜法を用いて，ガイド角度によるラジアルスリット内の空
気の流れ方向の変化を調べた．油膜法とは，表面に油と顔料および添加剤で混合した油膜材によって油膜または油点を作り，流れによる筋模様から流れの状態や方向を可視化する方法である11）．本論文では，油，顔料，添加剤にそれぞれ流動パラフィン，酸化チタン，オレイン酸を57.3：⒜

Pattern-A⒝

Pattern-B⒞

Pattern-C

41.7：1.0の質量比率で用いて実験を行った．上流圧力は，650kPa（abs）と300kPa（abs）の２通りに設定し，流速による流れの変化を確認した．
ガイド構造を持たないラジアルスリットは，放射状の流れが見られることが著者のひとりによって確認されている12）．本実験では，油膜法を実施した全てのラジアルス
リットにおいて，ラジアルスリットのすきまが平行な部分
では，円板中心から外側に向かって放射状の流れが確認された．一方，ガイド構造部分では，ガイド角度によって異なる流れが見られた．ガイド構造付きラジアルスリット内の流動パターンは， 以下に述べる３種類に分類することが出来る．Fig. 10には，油膜法の結果とそこから類推される
流動パターンを示している．⒜から⒞の各図の上図は，それぞれDisk-aとDisk-bに上記の油膜材を薄く塗油し，設定圧力Puで10分間流した結果である．左下図は，Disk-aの傾斜開始点から終端までの中間地点と傾斜終端の２点に油膜材で油点を作り，圧縮空気を10分間流した前後の比較である．これにより流れの方向性を把握することが出来る．以下に，各パターンの特徴を記す．
（Pattern-A）

傾斜が開始された場所で，流れは減速す

る． またガイド構造部分において，傾斜中間点に打った油点が外向きに流れる一方で，傾斜終端に打った油点は内向きに流されている．これら外向きおよび内向きの流れは，いずれも放射状に流れず，また，円周方向に交互に見られた．さらに，この内向きの流れによって，ガイド構造の斜面上に油膜が三角形に堆積した．このことから，ガイド構造上において，斜面に対して垂直方向の軸を持つ渦（これを横渦と呼ぶ）が発生していると予測される．
（Pattern-B）

空気はDisk-bに沿って放射状に流出する．

Disk-aからはく離した流れは，ガイド構造の傾斜終端から
Disk-aの傾斜に沿って逆流し，傾斜開始点に到達する直前
でDisk-aから再びはく離しDisk-b側の順方向流れに合流す
る．これを縦方向の流れと呼ぶことにする．Disk-aとDisk-b
第43巻

第６号

―6―

Fig. 10Classiﬁcation of ﬂow pattern
2012年11月（平成24年）

大川・村松・尹・香川：ガイド構造を有する平行円板間流れの騒音特性に関する研究

141

で油膜が厚く残っている場所は，それぞれはく離点と合流点である．この流動パターンでは，放射状の流れが見られ，ガイド構造の斜面上に油膜の堆積は確認されなかった．
（Pattern-C）

空気はDisk-bに沿って流れ，Disk-aには

傾斜開始直後にはく離した後に再付着することはない．αが大きくなった場合に見られる流動パターンである．
測定した各ラジアルスリットが示す流動パターンを表に
ま と め た の がTable 1で あ る．Table 1中 のTransition
Fig. 11

between A to Bとは，Fig. 11に示すように，Pattern-Aの特Flow pattern of transition between A to B

徴である三角形の堆積が弱まりつつ，Pattern-Bの特徴であるガイド構造部分における上向きの流れが確認された場合研究課題である．

を指しており，Pattern-AからPattern-Bへの遷移途中の状態

7．結であると考えられる．以上のことから，上流側圧力値に関言わらず，ガイド角度が増加するに従い，Pattern-Aから

本論文では，スリット型機構を工業的に応用する際に静Pattern-Bを経て，Pattern-Cへ遷移している．Fig. 8の結果

音性を損なわない構造を得るために，ラジアルスリット下と組み合わせると，低圧力領域および高圧力領域のいずれ流側に，ガイド構造を設けることを提案した．ガイド構造においても，Pattern-AからPattern-Bへ流動パターンが遷移の角度を変化させ，騒音レベルが最小となるガイド角度をする領域となるαを与えたとき，騒音レベルは最小値とな

実験的に求めた．以下に本報で得られた結論をまとめる．

ると考えられる．このことについて考察する．

⑴ ガイド構造を有さないラジアルスリットとガイド角度αの値が小さくなるほどにPattern-Aの特徴である内向きが90°となるガイド構造付きラジアルスリットとの騒音

流れと外向き流れが明確に表れて，横渦が強められている特性を比較した．その結果，ガイド構造を設けることにと考えられる．一方Pattern-Bの特徴である縦方向の流れは，より，高周波数成分の音圧レベルが上昇し，ラジアルス

α＝15°
よりも20°
で強く表れる．騒音レベルの最小値を取

リットの静音性を悪化させる．

るのは，このPattern-AからPattern-Bへの遷移途中である．

⑵ ガイド角度αを変化させながら，上流側圧力に対する

このことから，遷移領域において騒音レベルが低く抑えら

騒音レベルを計測した．その結果，α＝10°
から20°
の間

れる現象について，以下のように考察される．Pattern-Aかにおいて騒音レベルの最小値をとる．

らPattern-Bへ流動パターンが遷移する過程では，Fig. 11に⑶ 油膜法によってガイド構造部分の空気の流動パターン

示されるように，横渦と縦方向の流れがともに弱まる角度を可視化した．その結果，ガイド角度によって３種類のが存在し，その時のガイド角度では，ラジアルスリット円

流動パターンを示す．ガイド角度が小さい場合に表れる板から発生する流体の乱れが弱まるために騒音レベルが低

流動パターンをPattern-A，徐々に角度が大きくなるにつ

く抑えられると考えられる．

れて表れる流動パターンをPattern-B，さらに角度を増大

なお，本章で得られた流動パターンが騒音レベルへ及ぼさせてガイド構造部分から流れがはく離する流動パター

す影響を解明するためには，圧力分布やガイド構造下端にンをPattern-Cと名付けた．騒音レベルは，Pattern-Aからおける速度変動などの流れの詳細な検討が必要で，今後のPattern-Bの流動パターンへ遷移する途中段階となるαを与えたときに最小値となると考えられる．

Table 1

Experimental results of flow pattern of radialslit structureα［degree］

Pu＝650 kPa（abs）

Pu＝300 kPa（abs）

5

Pattern-A

Pattern-A

10Transition between
A to B

Transition between
A to B

15

Transition between
A to B

Transition between
A to B

20

Pattern-B

Pattern-B

25

Pattern-B

Pattern-B

30

Pattern-B

Pattern-C

60

Pattern-C

Pattern-C

第43巻

第６号

謝

辞

本研究の騒音測定に際して，阪本大介君，山口貴大君（共に東京工業大学大学院生）に協力して頂いた．ここに記して謝意を表する．
参 考 文 献１）Lighthill, M. J., On Sound Generated Aerodynamically̶I.
General Theory,：Proceedings of the Royal Society of
London（Series A）, Vol. 211, No. 1107, p. 564‑587（1952）２）西村：フローコントロールによる空力発生音低減技術,
ながれ，Vol. 20, p. 221‑230（2001）
３）杉山，土居，小笠原：急拡大ノズルの空気噴出騒音,―7―

2012年11月（平成24年）

142

日本フルードパワーシステム学会論文集

日本機械学会論文集，Vol. 49, No. 443, p. 1420‑1426

８）尹，村松，川嶋,

香川：すきま流れを用いた低騒音減

圧機構の可視化による考察，日本フルードパワーシス（1983）
４）中野，大田，田島：高圧空気弁の騒音・振動の発生に

テム学会論文集，Vol. 36, No. 3, p. 59‑65（2005）

関する空気力学的研究，日本機械学会論文集，Vol. 45,

９）JIS B 8379：空気圧用消音器，p. 653‑657（1995）

No. 391, p. 350‑360（1979）

10）Kenji KAWASHIMA, Chongho YOUN, Toshiharu

５）Nishimura, M., Kudo, T., Nishioka, M.：Aerodynamic

KAGAWA：Development of a Nozzle-ﬂapper Typenoise reduction by pile fabrics, Fluid Dynamics

Servo Valve using a Slit Structure, Trans. ASME

Research. Vol. 42, p. 1‑17（2010）

Journal of Fluid Engineering, Vo. 129, No. 5, p. 573‑578（2007）

６）西村，深津：多孔質金属利用低騒音弁の開発，日本機
械学会講演論文集，Vol. 920, No. 78, p. 431‑433（1992）
７）尹，井上，川嶋,

11）浅沼：流れの可視化ハンドブック，朝倉書店，p. 100‑
107（1977）

香川：放射状すきま流れを用いた低騒音減圧機構に関する研究，日本フルードパワーシス

12）尹：スリット型機構による空気圧システムの減圧に関する研究，東京工業大学学位論文，（2004）

テム学会論文集，Vol. 35, No. 5, p. 77‑83（2004）

第43巻

第６号

―8―

2012年11月（平成24年）

加藤・益田・河村・舩木・川嶋・香川：層流型高速応答流量計を用いたソプラノリコーダー吹奏ロボットの呼気制御 143

研究論文

層流型高速応答流量計を用いたソプラノリコーダー吹奏ロボットの呼気制御＊
加 藤 友 規＊＊，益 田 大 海＊＊，河 村 良 行＊＊
舩 木 達 也＊＊＊，川 嶋 健 嗣＊＊＊＊，香 川 利 春＊＊＊＊Control of Blown Air for a Soprano-recorder-playing Robotusing Quick Response Laminar Flow Sensor
Tomonori KATO, Hiromi MASUDA, Yoshiyuki KAWAMURA,
Tatsuya FUNAKI, Kenji KAWASHIMA, Toshiharu KAGAWA
The purpose of this study is to construct a robot that plays a soprano recorder with realistic sound. Recent years haveseen the development of robots that entertain by playing a variety of musical instruments. There have been many reports
describing the musical expression of such robots, for example, of robots with artiﬁcial lips for playing wind instruments.
However, robots playing wind instruments often produce artiﬁcial sounds that diﬀer considerably from those produced bytheir human counterparts, particularly when performing special musical eﬀects, such as vibrato, tremolo, and tonguing.
To build a robot that produces natural soprano recorder sounds matching those produced by a human player, thefollowing procedure was followed. First, the static and dynamic characteristics of the ﬂow sensor measuring blown air were
calibrated with an unsteady ﬂow generator to judge whether the sensorʼs performance was suﬃciently accurate. Second,
the blown air ﬂow rates were measured when human players performed vibrato with a soprano recorder. Finally, theidentiﬁed ﬂow rate model was applied to the robotʼs air ﬂow rate control system. The ﬂow rate was controlled by a spool
type servo valve. The sounds produced by the human player and those produced by the robot player were comparedusing a sound analyzer. The experiment showed that the results obtained for the human player and for the robot agreed
very well.
Key words：Pneumatics, Breath control, Recorder playing robot, Unsteady ﬂow generator, Quick response laminar ﬂow
sensor1．緒

進めているが，ビブラートなどの特殊な音色をどう表現す言るかが課題となっている．

近年ロボット開発が急速に発展する中で，単純作業以外

そこで本研究では，開発を進めてきたソプラノリコーのアプリケーションへロボットを適用するケースが増えつ

ダーの自動吹奏ロボットで，ビブラートなどの特殊な音色

つある．いわゆるパートナーロボット1）と言われるものや，を表現する際に，人間の奏者のような味わいを持たせるた2）

様々な楽器を演奏するロボットなどが開発されている ．

めの基礎技術を確立することを目的とする．具体的には，

しかし，吹奏楽器の自動吹奏ロボットでビブラートやトレ

層流型高速応答流量計を用いた非定常な気体流量の計測・

モロ，タンギングなどの音色を表現しようとすると，単純制御技術により，リコーダーの呼気を制御する方法である．

な制御では，人間が吹いた場合と大きく異なり，規則的な本論文ではまず，気体の任意の振動流が発生可能な非定音色となってしまう場合がある．著者らの研究グループで常流量発生装置を用いて層流型高速応答流量計の動特性試

は，ソプラノリコーダーを自動吹奏するロボットの開発を験を行い，リコーダーの呼気の計測を行うのに十分な動特性を有しているかを検証する．その上で，層流型高速応答＊

流量計を用いて，管楽器の上級者がソプラノリコーダーで

平成23年10月16日 原稿受付＊＊

福岡工業大学工学部知能機械工学科（所在地 福岡県福岡市東区和白東３―30―１）（E-mail：t-kato@ﬁt.ac.jp）＊＊＊
産業技術総合研究所計測標準研究部門（所在地 茨城県つくば市梅園１―１―１ つくば中央第３）

ビブラートを表現した際の呼気の流量を計測する．次に，＊＊＊＊コーダー吹奏ロボットを用いてビブラートを表現した場合

東京工業大学精密工学研究所（所在地 神奈川県横浜市緑区長津田町4259 R2―45）
第43巻

第６号

計測された流量モデルを目標値として，スプール型サーボ
弁を用いてリコーダー吹奏ロボットの呼気の流量制御を行
う実験を行う．人間がビブラートを表現した場合と，リとで，流量と音（サウンドアナライザで解析）を比較する―9―

2012年11月（平成24年）

144

日本フルードパワーシステム学会論文集

ことで，将来的に表現のばらつきも含めた人間らしい自動
吹奏ロボットを実現するための基盤技術を確立することを目指す．

2．主 な 記 号
b ：臨界圧力比［−］

C ：音速コンダクタンス/ s bar）］［dm （E ：サーボ弁の制御電圧

［V］

f

：周波数

［Hz］

G ：質量流量［kg/s］

Lc ：音圧レベル

［dB
（C）
］

信部，運指制御回路，等），スプール型サーボ弁（FESTO

P ：圧力［Pa abs］

MPYE-M5-B-SA，以下SP弁），ソプラノリコーダー（アウPa ：大気圧3

Fig. 3Conﬁguration of the recorder-playing robot system［Pa abs］

ロス503B），運指機構を構成する合計11個のアクリル板とΔP ：差圧［Pa］

DCソレノイド（マルハ電機 MD-232）（Fig. 2）などから構Q ：流量［L/min ANR］

成される．システムの構成図をFig. 3に示す．まず，コン

：時間

［s］

3）
ピュータ内のMIDI（Musical Instrument Digital Interface）

θ ：温度

［K］

シーケンサーソフト（Cakewalk SONAR 6 LE）より，リ

θ0 ：標準仕様温度［K］

コーダー吹奏ロボットを制御するためのMIDI信号が出力tされる．このとき，シーケンサーソフトからは伴奏の音楽

3．製作したリコーダー吹奏ロボットの概要

信号もMIDI信号と同期して出力される．シーケンサーか

著者らはこれまで，Fig. 1に示すソプラノリコーダーの吹ら出力されたMIDI信号は，音楽用キーボードに送信され奏ロボットの開発を進めてきた．このロボットは，コンる．この場合，音楽用キーボードは，MIDI信号の伝送器

ピュータ（AD・DAボート，呼気制御プログラム，音楽として使用されることになるが，鍵盤を操作することによシーケンサーソフト等を搭載），
音楽用キーボード（EDIROL

りMIDI信号の発生装置としても使用可能である．その後，MIDI Keyboard controller PC-50），電子回路（MIDI信号受

信号は電子回路のMIDI信号受信部より受信され，回路内で信号は，運指機構のDCソレノイドを駆動するための電圧値と，SP弁で呼気を制御するための音階指令値としてDAボード端子台に送られる信号の２つに分けられる．リ
コーダーには，各音階によってそれぞれ最適な呼気の流量値があるが，後者の音階指令値と，呼気を制御するSP弁の制御電圧Eとの関係については（本研究の以前は），試行錯
誤的にチューニングされた．こうして完成したこのロボッ
トは，学園祭等で楽曲を披露し，好評ではあったが，タンギングやビブラートといった特殊な音色を人間らしく表現するという点では，課題が残った．

4．リコーダーの呼気流量と音程の関係
Fig. 1Developed recorder-playing robot

4.1 流量計の選定
リコーダーの呼気を計測・制御するためには，高い分解能・動特性の両方を有する気体用流量計が必要である．この点を踏まえ，本研究では呼気の計測に層流型高速応答流
4）量計（Quick response laminar Flow Sensor，以下QFS）を使用した．QFSは層流抵抗管や差圧計などから構成される
差圧式の流量計であり，本研究では東京メータ社製・QFS0.3-50-30を使用した．流量計前後の差圧ΔP Paと流量の計測
値Q L/min（ANR）の関係は⑴式で表される．
Fig. 2
第43巻

Q = 0. 256

Fingering part（solenoid plungers）

第６号― 10 ―

θ
P
ΔP 0
θ
Pa

⑴
2012年11月（平成24年）

加藤・益田・河村・舩木・川嶋・香川：層流型高速応答流量計を用いたソプラノリコーダー吹奏ロボットの呼気制御 145

本研究では200Paの測定レンジの差圧計を使用したので，
QFSの最大測定流量は51.2L/min（ANR）となる．
4.2 非定常流量発生装置を用いたQFSの動特性試験
リコーダーの呼気の計測に求められる流量計の動特性について，一例として，RWC研究用音楽データベースにおいては，ソプラノリコーダーでビブラートを表現した際の（呼気流量の）周波数は，約５Hzである5）．この例から，ソプラノリコーダーでビブラートを表現する際の呼気の計測に用いられる流量計には，10Hz程度の動特性が必要である．
そこで本研究では，非定常流量発生装置（Unsteady Flow

Fig. 4

Schematic of the unsteady ﬂow generator（UFG）

Fig. 5Experimental results of the dynamic characteristics
test（５Hz）

Fig. 6

Bode diagram of the dynamic characteristics of the
QFS

Fig. 7

Schematic of the experimental setup for the optimum
ﬂow rates for musical intervals

Generator，以下UFG）を用いて，QFSの動特性を20Hzまで試験することとした．UFGとは２つのスプール型サーボ
弁と等温化圧力容器などから構成される装置で，少なくとも50Hz程度までの任意の振動流を発生可能である6）．試験対象のQFSを含むUFGの装置構成図をFig. 4に示す．QFS
はUFGの下流側に設置され，QFSの下流は大気解放となっている．UFGからの発生流量値（基準値）とQFSの測定流量値の両者を測定用PCにより記録し，比較することで，QFSの動特性を評価する．実験においてUFGの発生流量の目標値は，⑵式で与え周波数fは１Hzから20Hzとした．
G [ g/s ] = 0 . 216 + 0. 108 sin（2 π ft ）⑵

なお上式は，後述するソプラノリコーダーを吹奏する際の呼気のおおよその流量範囲を考慮して設定した．一例としてf = ５Hzの際の実験結果をFig. 5に示す．Fig. 5において，
破線はUFGの発生流量値を，実線はQFSの測定流量値を，それぞれ示す．また，UFGからの発生流量値を入力，QFSの測定流量値を出力とし，１〜 20Hzまでの実験結果をボード 線 図 に ま と め た も の をFig. 6に 示 す． 実 験 の 結 果，f=20Hzでゲインは−0.8dB，位相は−９°である．この実験結果より，QFSはソプラノリコーダーでビブラートを表現した際の呼気を計測するのに，十分な動特性を有しているといえる．
4.3 QFSを用いた呼気流量とリコーダーの音程の関係の同定
リコーダーを吹奏する場合，各音階によって最適な呼気流量値が存在する．もし呼気流量値が最適値より上下に変化すると，音程も同様に変化する．各音階における最適な呼気流量値を明らかにするため，Fig. 7に示す装置構成で実験を行なった．実験において，リコーダーのトーンホール
は音階に合わせて運指機構（DCソレノイド）により塞がれる．なお，左手親指のトーンホール（０番）には運指機
構を２つ用いることで，高音領域の表現に必要なサミングを実現している．音程はチューナー（Korg社製GA-1）により測定され，供給される流量は可変絞りにより音程がその音階の最適値になるように調整した．その際の流量値はQFSにより測定した．
各音階と最適流量値の測定結果をFig. 8に示す．Fig. 8において，B５が２つ存在するのは，実験に使用したリコー
ダーのB５の運指方法が２種類あるためである7）．
第43巻

第６号

― 11 ―

2012年11月（平成24年）

146

日本フルードパワーシステム学会論文集

Fig. 9Photograph of the experimental setting

Fig. 8 Experimental results of the optimum ﬂow rates formusical intervals

5．人間の奏者の呼気計測
5.1 ビブラートの定義
ビブラート（vibrato）とは，楽器の演奏や歌唱において音を伸ばすとき，音の強さまたは音程を周期的に揺らす表
現方法である．音楽用語では，前者をトレモロ（tremolo），
後者をビブラートと呼ぶこともあるが，実際には両者の分類・定義は曖昧である．前述のとおり，リコーダーの場合には，呼気流量が変化すると，音の強さと音程の両者が変化する．

Fig. 10

5.2 人間の奏者によるビブラートの測定

Experimental data of one of human recorder players
measured by the QFS

人間の奏者がリコーダーでビブラートを表現する場合の音と流量値を，測定する実験を行なった．人間の口からの呼気は左端のベックから吹き込まれ，QFSを通過した後にソプラノリコーダーへと到達する．QFSによる測定流量はADボードを介してPCに記録される．ソプラノリコーダーの音はラビューム（labium）と呼ばれるエッジ部分で発生するため，そのすぐ（約20㎜）上部にマイク（Sony ECODS-30P）を設置して音を測定し，解析することとした．実
験の様子をFig. 9に示す．
本実験では，奏者として管楽器の吹奏に熟達した福岡工業大学吹奏楽団員３名と，同じく福岡工業大学音響部員１
Fig. 11

名の計４名の学生さんにご協力いただいた．楽器の調律等

Experimental results of the sound levelにおいては通例，ラ（A４）が基準ピッチ音であるが，ソ
プラノリコーダーではA４は範囲外のため，本実験において音階は１オクターブ高いラ（A５）とした．奏者にはまず，参考として前述のRWC研究用音楽データベース5）のソ
プラノリコーダーのビブラートを聴いていただき，その上で「自然な感じで数ヘルツ程度のラのビブラートを約５秒間表現してください」とお願いし，吹奏していただいた．
データは一人につき５回ずつ測定した．
測定結果のうちの一例をFig. 10，Fig. 11に示す．Fig. 10はQFSにより測定された流量であり，約７Hzの振動流が計測されている．なお，比較のため，Fig. 10には前章4.3節でA５の音を測定した際の測定値（図中，Non-vibratoと表記）
第43巻

第６号

Fig. 12 Experimental results of the sound level（magniﬁed）― 12 ―

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加藤・益田・河村・舩木・川嶋・香川：層流型高速応答流量計を用いたソプラノリコーダー吹奏ロボットの呼気制御 147も示す．また，人間の奏者によるビブラート表現中の音の測定値と，前章（4.3節）でA５を測定した場合の音の測定値を，それぞれ周波数解析した結果がFig. 11（拡大図：
Fig. 12）である．Fig. 11およびFig. 12において，縦軸は音圧レベルdB を表す．A５の基本周波数は880Hzであり，解析結果には880Hzおよびその倍音の周波数でピークが記録されている．Fig. 12では基本周波数付近を拡大しているが，奏者がビブラートを表現した場合には，ノンビブラー
トの場合と比較して，基本周波数前後（860 〜 900Hz付近）
Fig. 14の音域の音圧レベルが高く，ピーク値は若干低いことがわ

Schematic of the blown air control part

かる．これは，呼気流量が周期的に変化したことにより，リコーダーの音が基本周波数の前後に変動したためである．

量）をFig.15に示す．この図では，流量制御の目標値（図中，A human playerと表記）とリコーダー吹奏ロボットの呼気6．リコーダー吹奏ロボットによる音色再現の流量が，良く追従しているのがわかる．

本章では，前章で測定した人間の奏者がビブラートを表

評価のため，前章（5.2節）で測定された人間の奏者の流現した際の呼気流量の測定値を元に，リコーダー吹奏ロ

量波形と，以下の２つの場合に測定された流量波形についボットによりビブラートを表現する際に，人間らしい音色て，それぞれ相関係数を求めた．

を再現することを目的とする．リコーダー吹奏ロボットの・4.3節で測定されたA５（ビブラートなし）

構成をFig. 13に示す．Fig. 1と比較して，Fig. 13に示すロ・リコーダー吹奏ロボットのビブラート（４名分，１名あたり５回で計20回）

ボットシステムはSP弁とリコーダーの間にQFSが追加されそれぞれの相関係数を求めたところ，前者では−0.033でている．

あったが，後者の計20回は平均値は0.962，標準偏差は0.0086

6.1 リコーダー吹奏ロボットの呼気制御方法
リコーダー吹奏ロボットの呼気制御の模式図をFig. 14にであった．実験結果のまとめをTable 1に示す．リコーダー示す．本実験では，呼気の制御にDSPを用いた．前章で人の音の強さと高さは流量によって決まるため，人間の奏者

間の奏者がビブラートを吹奏した際に測定された流量波形とリコーダー吹奏ロボットによる音は，相関が非常に高い（Fig. 10）を流量制御の目標値として使用し，人間の奏者のといえる．

演奏を再現することとした．なお，SP弁が有する非線形性

また，前章での人間の奏者によるビブラート表現中の音を回避するため，あらかじめSP弁の静特性として音速コンの測定値と，リコーダー吹奏ロボットの音の測定値を周波ダクタンスCと臨界圧力比bを測定しておき，ISO63588）の式

数解析した結果をFig. 16に，A５の基本周波数880Hz付近をにより流量Gを定義し，流量制御の際にはその逆関数モデ拡大した図をFig. 17に，それぞれ示す．前章のFig. 12に比べ，ルを用いることで，正確な流量制御を行うこととした．な

２つのスペクトル値はほぼ一致しており，この結果からもお，SP弁への供給空気圧は0.1MPa（gauge）とした．また，リコーダー吹奏ロボットにより再現されたビブラートの音

リコーダー吹奏ロボットの運指はラ（A５）となるよう，

色は，人間の奏者の場合と，相関が非常に高いといえる．

MIDI信号を運指機構のコントローラー側から送信した．
実験の際の音は，前章と同様にラビューム上に設置したマイクで測定し，解析することとした．
6.2 ビブラート再現実験・実験結果
流量制御の目標値と実験結果（QFSにより測定された流Fig. 15
Fig. 13
第43巻

Recorder-playing robot with the QFS

第６号― 13 ―

Measured flow rates obtained by the QFS while
vibrato was expressed
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日本フルードパワーシステム学会論文集

まず，非定常流量発生装置により層流型高速応答流量計（QFS）の動特性を検証し，リコーダーの呼気の計測・制御に使用可能な十分な動特性を有していることを確認した．
次に，QFSを用いて，リコーダーの各音階における最適な呼気流量を測定した．その後，人間の奏者がリコーダーでビブラートを表現した場合の音と流量を測定し，その測定値を流量目標値とし，リコーダー吹奏ロボットでビブラートを再現する実験を行った．実験の結果，人間の奏者の呼気とリコーダー吹奏ロボットの呼気は相関が極めて高く，音色を忠実に再現できていることを，確認した．
Fig. 16

Experimental results of the sound level

参 考 文 献１）http://www.toyota.co.jp/en/special/robot/
２）Kaneko Y., Mizuhara S., Mizutani K., Nagai K.：Artiﬁcial
Lips for Automatic Trombone Blower（Biomimetics &Innovative

Design）：Proc.

of

the

Asian

PaciﬁcConference on Biomechanics：emerging science andtechnology in biomechanics, p. 23‑24（2004）
３）http://www.midi.org/
４）Kato T., Kawashima K., Cai M., Funaki T., Takayama K.,
Kagawa T.：Development of Dynamically Calibrated
Quick Response Flow Sensor and Its Application to
Fig. 17 Experimental results of the sound level（magniﬁed）

Pressure Servo Control System, Proceedings of 7th
Triennial International Symposium on Fluid Control,

Table 1Comparison of correlation coeﬃcients

PersonNon-vibrato

Correlation coeﬃcient−0.033A

B

C

Measurement and Visualization, CD-ROM（2003）
５）技術研究組合新情報処理開発機構：RWC研究用音楽

D

0.960 0.965 0.972 0.951

データベース：楽器音，No. 34（リコーダー）（2001）
６）Funaki T., Kawashima K., Kagawa T.：Generator of

Average 0.962, Standard deviation 0.0086

variable gas ﬂows using an isothermal chamber,
Measurement Science and Technology, Vol. 18, p. 835‑

7．結

842（2007）

言７）アウロスリコーダー イギリス式運指表，トヤマ楽器製造株式会社

本研究では，人間の奏者のような自然な音色を表現できるリコーダー吹奏ロボットを開発するため，非定常流量の８）ISO 6358：1989：Pneumatic ﬂuid power-Components

計測・制御技術をソプラノリコーダー吹奏ロボットに適用

using compressible ﬂuids ‒Determination of ﬂow-rate

することを試みた．

characteristics．

第43巻

第６号

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ワタリ・塚越・北川：空圧シリンダによりテザー付き子機を高く投擲する方法

149

研究論文

空圧シリンダによりテザー付き子機を高く投擲する方法＊
ワタリ エイリ＊＊，塚 越 秀 行＊＊，北 川

能＊＊Methods for Higher Casting of a Tethered Child Machine Using a Pneumatic Cylinder
Eyri WATARI, Hideyuki TSUKAGOSHI, Ato KITAGAWA
This research discusses novel methods of enhancing the casting height of a tethered payload by eﬃciently using thecasting motion generated by a pneumatic cylinder. Generally, the tether is stored into a case ﬁxed near the actuator. The
diﬀerence in casting heights depends on the method with which the tether is set. The authors propose two methods relying
on applying kinetic energy to the tether along with the payload：the uniﬁed type and the discharge type. In addition, inorder to generate high-speed motion in a light structure, the authors propose a novel cylinder termed the MB Cylinder.
The selection of casting method is based on analysis of the velocity provided by this cylinder. In order to approximate to
the ideal situation, a structure that mitigates friction between the tether and its storage case is also proposed. Experimental
results show the eﬃciency of the proposed methods.
Key words：Casting motion, Pneumatic cylinder, Tethered payload casting, Pneumatically driven robot

1．緒

欠となる．

言

その１つの候補として，カウボーイの投げ縄（Bolas）のテザー（綱・コード・チューブなど）は，移動探査ロ

ように，テザーの任意点周りに子機を公転させながら投擲

ボットの踏破能力や情報収集能力などを補うツールとしてする手法が挙げられる．このような予備動作によって蓄え有用である．たとえば，ロボット単独では登攀不可能な急た運動エネルギーを瞬時に放出する手法は，飛距離の長い斜面に直面した場合，テザー付きアンカーを投擲（とうて投擲をパワーの小さいアクチュエータで生成する場合は非き）して外部環境に固定できれば，滑落を防ぎながら移動

常に有効である．しかし，狭い作業空間内からの投擲を余1）することが可能となる ．また，高い障害物の背後を探査

議なくされる場合や，テザーのねじれや局所的なストレスしなければならない場合には，テザーの先端につながれたを回避したい場合には，このような手法は適さない．
そこで本論文では，１本の空圧シリンダによる１次元的探査機を投擲すれば，テザーを操作しながら死角領域の情
2）

な投擲動作に着目し，その性能を有効に活用しながらテ

報収集が可能となる ．
これらに加えて，移動ロボットの機能向上を目指して，

ザー付き子機を高く投擲する方法を以下の順に論ずる．まテザーの投擲に関する様々な研究が行われてきた．有隅らず，テザーの設置方法により投擲高度に差異が生じること

は，テザーの先端に装備したマニピュレータの投擲位置を示す．次に，高速動作を生成しやすいMBシリンダと名付

3）

高精度に制御する手法を検討した ．広瀬らは，テザー付

けた駆動系を導入し，その動作特性に適した投擲手法の選きアンカーを投擲して外部環境に固定した後，複数回の定基準を述べる．さらに，テザーが繰り出される際に生じ引っ張り操作によりテザーを簡便に回収する方法を提案しる抵抗を軽減するケースの構造を提案し，最後に試作機を4）た ．筆者らは，テザー付き吸着体を壁に向けて投擲した後，用いた実験によりこれらの有効性を検証する．

テザーに沿って探査機をロープウェイのようにスライドさ

2．投擲の構成と分類せる手法の有効性も確認した5）．これらの知見が，より広範囲な作業領域を対象とする移動探査ロボットに適用され2.1 基本構成と設定

るためには，搭載したアクチュエータの性能を有効に活用

投擲を生成するアクチュエータとして，本研究では空圧しながら，テザー付き子機を遠方に投擲できる技術が不可

シリンダを使用する．圧縮空気の膨張エネルギーの利用に
より，出力/重量比の高い構成で高速運動を生成しやすい＊点が特徴である．また，電動シリンダや発火を伴う火薬銃＊＊とは異なり防爆性に優れ，さらにペットボトルロケットの平成23年10月17日 原稿受付

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（所在地 東京都目黒区大岡山２―12―１）（E-mail：eyriwatari@gmail.com）
第43巻

第６号

ような散水をしないため，屋内環境でも使用しやすい点でも優れている．
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日本フルードパワーシステム学会論文集

本章では，シリンダチューブとストローク長Lのロッドから構成されるシリンダが，地面に鉛直上向きに置かれているものとする．ロッドの先端のエンドエフェクタはカップ形状を成し，物体を格納することができる．一方，投擲されるテザーは線密度σ，全長Yとし，その一端に質量mKの子機がつながれている．なお，本論文における子機とは，外部環境への固定機能・探査機能・マニピュレータ機能・衝撃緩和機能などを備えたペイロードの総称を意味する．
加圧前の初期状態では，ロッドがシリンダチューブ内にFig. 1

Casting process by Fixed Storage Type.

収納され最短の状態になっている．また，テザーはケース内に絡まることなく螺旋状に巻かれている．次に，シリンhb =ダ内を圧縮空気で加圧すると，投擲時にロッドは最長まで伸展し，子機の重心は地面から高さh0の点を通過する．こ

v 02
2g

⑶

式⑵，⑶の大小関係より，同一のv0（ただしv0＞０）のもの瞬間に，子機の重心および地面に対するロッドの速度はとではhb＞haが成り立つ．この差は，シリンダで生成され最高速度v0に達し，これを「終端速度」と呼ぶこととする．

る運動エネルギーが，一体式では巻かれているテザーの部

さらに投擲後，子機の速度が空中で０となる瞬間に子機の分（以降、回収部）の全体に与えられるのに対し，固定収高さは最高点に達する．この瞬間の高度，すなわちh0を基

納式ではテザーの一部にしか与えられないことに起因する．

準とした子機の重心の高さを投擲高度h（2.2節のha，hb，hc1，

なお，本方式は，最高点で子機が外部環境に固定され，hc2を一般化したパラメータ）と定める．従って，テザーは，ケースを開いて重力方向にテザーを落とす操作を想定したを満たすものとする．

ものである．よって，テザーの投擲方法としては汎用性に以上の設定のもとで，各種の投擲方法を検討する．それらは，次節で述べるように固定収納式・一体式・放出式と欠けるものであるが，テザーの運動による影響を受けずに投擲される理想形として，比較の対象とする．

呼べる方式に大別される．本章では，簡単化のため子機やテザーに作用する空気抵抗を０として検討する．
2.2 投擲手法の分類⒜ 固定収納式 （Fixed Storage Type）
ケースをシリンダとともに地面に固定したまま投擲する
方式を「固定収納式」と呼ぶこととする（Fig. 1）．これは，水難救助におけるロープの投擲をはじめ，テザーを投擲する際に多用されてきた一般的な投擲手法である．
投擲直前に，テザーは長さh0だけに運動エネルギーを与えられることに着目すると，投擲前後の子機およびテザー
Fig. 2

双方の運動エネルギーと位置エネルギーの関係は，式⑴のCasting process by Uniﬁed Type.

ように表される．ここで，テザーがケースから繰り出され⒞ 放出式 （Discharge Type）る際に生じる抵抗は０とする．
h0 （mK + σ h0）v
h hg h0+ ha）
mK g h 0+
σ h0+ ha） 0 + a ⑴（σ h 0）g ++（= mK （222

テザーの一端をシリンダに固定し，そのうえで巻き取り

20する．初期状態でケースがエンドエフェクタ内に格納されよって，投擲高度haは式⑵のように導出される．
g ｝+ （gvg+｛
σ mK +σh 0）（mK+σ h 0）
（mK+σ h0 ）
−
σg
2

ha =

部を子機とともに投擲する方式を ｢放出式｣ と呼ぶことと20⑵ている点は一体式と同様であるが，投擲後にテザーは空中に放出されながら子機が最高点に達する点が異なる．そして，放出の仕方は下記の２通りに大別される．

⒝ 一体式 （Uniﬁed Type）
初期状態から最高点に至るまで，テザーの全長をケース

c1：逐次放出式（Gradual Discharge Type）

内に収納したまま子機と一体で投擲する方式を「一体式」

子機とケースを一体で投擲すると，テザーはケースからと呼ぶこととする（Fig. 2）．初期状態では，エンドエフェ

空中に逐次放出されながら上昇する．この投擲方法を「逐クタの内部にケースが格納されている．投擲直前に子機と次放出式」と呼び，このときの子機の投擲高度をhc1とする

テザー全長の双方に与えられた運動エネルギー（mK＋σY）（Fig. 3）．本方式で子機とテザーに与えられる運動エネル

ghbに変換するν 20 /2が，最高時に位置エネルギー（mK＋σY）

ギーは，一体式と同じとみなせるため，損失のない理想状とみなせるため，投擲高度hbは次式のように導出される．

態ではと考えられる．しかし実際には，空中でテザーが

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ワタリ・塚越・北川：空圧シリンダによりテザー付き子機を高く投擲する方法

151

ケースから繰り出される際に生じる抵抗の影響により，hc1
はhbより低下する．

Fig. 4

Casting process by Instantaneous Discharge Type.

らロッドが伸展するからである．もちろん，有効断面積のFig. 3

Casting process by Gradual Discharge Type.

大きい弁を使用すれば弁の流量が多いので，ロッドの終端速度の向上が期待できる．しかし，弁の大型化は装置全体の質量の増加を招くため，駆動系全体を軽量に保つことは

c2：瞬時放出式（Instantaneous Discharge Type）
ケースをエンドエフェクタ内に留めたまま子機とテザー困難となる．

を投擲すると，テザー全体が空中へ瞬時に放出されながらそこで，MBシリンダ（Magnetic Brake Cylinder; 磁性ブ上昇する．この投擲方法を「瞬時放出式」と呼び，このとレーキシリンダの略称）と名付けたシリンダを導入する．

きの子機の投擲高度をhc2とする（Fig. 4）．逐次放出式の場

MBシリンダとは，Fig. 5⒝のようにキャップに永久磁石，合と同じ理由により，損失のない理想状態ではと考えられピストンに強磁性体を付加したシリンダに，タンクと小型る．本方式は，ケースからテザーが繰り出されることによ

切換弁を接続したものである．その基本動作は以下の２状る抵抗は生じないものの，１）投擲の瞬間におけるテザー

態から成る．小型切換弁が排気状態のとき，ピストンは磁とケースとの間に生じる摩擦，２）回収部が空中に拡散す石に吸着してロッドは収納状態となっている．加圧状態のることに伴う空気抵抗の増加，などの損失が作用するため，

とき，ピストンを押す力が磁石の吸引力より大きくなった

hc2もhbより低下する．

時点で磁石からピストンが脱離し，タンクからシリンダに

上記２つの放出式に作用する損失の大きさは，テザーお大流量の圧縮空気が流入しながらロッドが伸展する．

よびケースの材質や構造など個々の設計要素に依存するたMBシリンダの主な特徴は，ⅰ）ロッド起動時の圧力がめ，一概にはこれらの大小関係を定めにくい．本論文では，磁石の吸引力で定まるため，負荷の大きさが変動しても一４章で述べる収納ケースの損失軽減構造の導入により，hc1

定である，ⅱ）タンクがシリンダに直結しているため，とhc2の双方ともhbに匹敵する高度が生成され得るものとしロッドの伸展中の内圧の急激な低下を防止できる，ⅲ）小て検討をすすめる．

型切換弁はトリガの役割に過ぎないため，弁の応答性や有効断面積によらずロッドの終端速度の高速化を図りやすい，

3．投擲高度を高めるシリンダ

以上３点である．なお，シリンダの流入口のキャップ内の前章では，ロッドの終端速度を同一と仮定して投擲高度の比較検討を行った．実際には，各投擲手法に応じてエン加圧室を二分することにより，ロッド起動時の圧力を任意に制御できることも明らかとなっている6）．

ドエフェクタと共に移動する質量が異なるため，ロッドのMBシリンダと従来型シリンダ（一般的な空圧回路によ終端速度も異なる可能性がある．本章の前半では，負荷をる）の特性をシミュレーションで比較した結果をFig. 6の右変えても高速動作を維持しやすいシリンダを導入し，後半側に示す．横軸のmallは，ロッド単独の質量mr，子機の質量ではそのシリンダをもとに移動する質量も考慮にいれた投

mK，およびエンドエフェクタに作用するテザーの質量など

擲手法の選定基準を示す．

を合わせたロッドの総質量を示す．シリンダのパラメータ

3.1 MBシリンダの導入としてTable 1に示す値を用いている．シミュレーションで安全な範囲内で供給圧力が最高値に保たれた空圧回路には，シリンダ内の温度変化も考慮にいれた内圧の動的変化ついて考える．Fig. 5⒜の回路は，シリンダに高速動作を生を計算し，ロッドの終端速度を求めた7），8）．制約条件として，成する際に使われる一般的な回路である．この回路におい双方の駆動系のタンク，およびシリンダの内径とストローて，エンドエフェクタに搭載する負荷を軽くしても，ロッ

ク長は同じとし，駆動系全体の質量も同一としている．そドの終端速度の大幅な上昇は望めない．なぜなら，負荷がのため，従来型シリンダでは，MBシリンダの場合より有軽い場合には，シリンダの内圧が供給圧力に比べて著しく

効断面積の大きい弁を使用している．その結果，Fig. 6に示

低い状態でロッドが動き出してしまい，内圧が低下しながすようにMBシリンダの方が従来型シリンダに比べて1.3 〜

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日本フルードパワーシステム学会論文集

1.9倍程度速い終端速度を生成できることが明らかとなった．
以後，本論文における投擲はMBシリンダの利用を前提とする．

Fig. 6⒜ Conventional pneumatic
cylinderFig. 5⒝

Magnetic Brake
CylinderFinal velocity of the rod due to payload and the castingheight for each method.

Table 1 Parameters for obtaining theoretical casting heights.

Comparison of pneumatic circuits.

Parameter

3.2 投擲手法の選定
MBシリンダによりテザー付き子機を投擲する際，高い投擲高度を生成しやすい手法を選定する基準を示す．
はじめに，固定収納式の投擲高度haと一体式の投擲高度
hbの２種類に関して，ロッドの総質量mallの差違を考慮にいれた比較を行う．各投擲手法におけるmallは以下に示す通りである．
固定収納式： mall = mr + mK + σ（h 0−L /2 ）⑷一体式，放出式： mall = mr + mK + mQ + σ Y⑸

ここで，mQはケース単体の質量を示す．また，固定収納Value

v0 for ﬁxed storage type
（m/s）

10.75

v0 for uniﬁed type
（m/s）

10.5

σ kg/m）（

9×10−3

Y
（m）

8

m（kg）
K

56×10−3m（kg）
r

198×10−3L（m）

163×10−3h（m）
0292×10−3

Internal diameter of cylinder tube
（m）

29.9×10−3式におけるロッドの総質量のうち，エンドエフェクタと共に移動するテザーの質量はロッドの伸展中に変化するが，いても式⑹を満たさない場合は，ケースの設計如何によらず，ロッドの収納状態とストローク長Lだけ伸びた伸展状態と固定収納式の方が高い投擲高度を生成することを意味しての平均値として，式⑷に示すような簡略化を図る．

いる．

次に，式⑵，⑶より算出されるロッドの終端速度v0とha

4．抵抗軽減のためのケースの構造およびhbとの関係をFig. 6の左側に示す．ここで，テザーのパラメータとしてTable 1に示す値を用いている．

テザー付き子機の投擲高度の向上を図るうえで，テザー以上の準備のうえで，望ましい投擲手法は以下の手順にに生じる損失の存在も看過できない．本章では，ケースの従って選定される．たとえば，固定収納式におけるロッド

構造に工夫を施すことにより，テザーが繰り出される際のの総質量がFig. 6の点A1と見積もられる場合，ロッドの終抵抗を軽減する方策を模索する．

端速度は点B（C11）になると予測され，このときの投擲高

4.1 テーパー形中空ケースの導入

度haは点Dとなる．一方，一体式による投擲高度hbが点D以

はじめに，固定収納式におけるテザーの回収・繰り出し上を生成するには，ロッドの終端速度が点B（C22）以上を方法に着目する．テザー回収部の構造としてリールを使用満たす必要がある．したがって，一体式が固定収納式の投すると，繰り出し中のリールの回転運動によるエネルギー

擲高度を凌駕するための必要条件として，式⑸で算出されの消費，および巻き取ったテザー全体が回転するために生るmallは次式を満たすことが求められる．

じるテザーのよじれ，などにより投擲時の運動エネルギー

mall ＜ mall（ A2 ）ただし，mall（A2）は点A2におけるmallの値である．

（6）が減少する．また，ケース内にテザーを無造作に入れるだ
けでは，繰り出し時にテザーが互いに擦れ合い摺動抵抗が上記の考察は，固定収納式に対して逐次放出式または瞬生じやすい．

時放出式を比較するうえでも，全く同様に適用できる．すな

そこで，ⅰ）テザー全体が不動のままテザーが繰り出さ

わち，式⑸で算出された放出式のロッドの総質量mallが式⑹れ，ⅱ）テザーによじれを生じさせず，さらにⅲ）テザーを満たす場合には，放出式の投擲高度が固定収納式を凌ぐが互いに干渉し合うことなく規則的に巻かれる構造として，可能性があると判断できる．一方，式⑸においてmQ＝0とおテーパー形中空ケースを導入する．また，テザーは，撓ま

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ワタリ・塚越・北川：空圧シリンダによりテザー付き子機を高く投擲する方法

せて曲率半径を小さくすると軽微な復元力が生じる柔軟弾性体で構成されるものとする．まず，テザー回収前の初期状態では，テザーの先端部がケースの底部で内壁に沿うように設置されている．この状態から，ケースの外部より底部に向かってテザーを押し込むと，テザーはケースの内壁に沿って螺旋形状を保ちながら回収される．このとき，螺旋に隙間は生じず，テザー自体によじれもみられない．一方，繰り出し時には，ケースに対して螺旋形状は不動のまま，テザーの上部から順に繰り出されるため，テザー同志⒜の摺動摩擦は生じず，またケースに対するテザーの繰り出

Fig. 7し抵抗は軽微な大きさに抑えられる．

Cylindrical case⒝

Tapered case

Storing the tether into a cylindrical form case and intoa tapered form case.

これは，テーパー形ケースに生じる特有の現象であり，円筒状ケースにはみられない．この理由は以下のように説明できる．ケース内で螺旋状に巻かれたテザーの最大傾斜線を含む断面に注目する．テザーの復元力Wtは，ケースの水平面に対してテザーの最大傾斜角φtだけ傾いた方向に内壁を押すように作用する．円筒状ケース（Fig. 7⒜）の場合，Wtの内壁方向の成分Wt sinφtが，最下点Dでは下向きに作用
して螺旋形状が保持されやすく作用するものの，最上点U⒜

では上向きに作用するため螺旋が崩れやすくなる．これにFixed storage typeFig. 8⒝

Gradual discharge type

Tether stored into a tapered form case.

対して，中心軸から傾斜角φs（ただしφs＞φtとする）だけ
傾いたテーパーケース（Fig. 7⒝）を用いた場合，最下点D

ザー全体がテーパー形状のまま投擲され始めるため，テではWtsin（φs＋φt），最上点UではWtsin（φs−φt）が，双方とザーの空気抵抗の軽減にも効果があるものと期待できる．

もケースの内壁に沿って下向きに作用するため，ケース内

なお，本構造がロッドの伸展途中で展開するのを回避するのあらゆる点で螺旋形状が保たれやすく安定である．

ため，ケースの先端部双方に磁石を装備し，互いに吸着す以上のように，テザーの繰り出し抵抗を軽減する収納方

るように設計されている．

式としてテーパー形ケースは有効であり，固定収納式だけ

5．実

でなく逐次放出式においても抵抗軽減の効果があると期待できる．前者の場合には，MBシリンダとケースの中心軸

験

5.1 開発した試作機が互いに平行になるように設置し（Fig. 8⒜），後者の場合提案した手法の有効性を検証するために，試作機を用いには両者の中心軸が一致するようにテーパー先端を下向きて実験を行うことにした．試作機は，MBシリンダ，テザーに設置することにより（Fig. 8⒝），テザーをケースからス

付き子機，テーパー形ケースから構成されている（Fig. 10）．

ムーズに繰り出すことが可能となる．

試作機の主な仕様は，Table 1に示した通りである．

4.2 展開式収納ケース
前節で導入したテーパー形ケースは，テザーが逐次的に繰り出される固定収納式や逐次放出式だけなく，新たな機能の付加により，瞬時放出式における損失を軽減するうえでも効果を発揮する．
導入する構造は，エンドエフェクタに固定された展開機能を備えたケースである（Fig. 9）．すなわち，テーパー形
中空ケースを中心軸に沿って２つに分離し，これらと一体化したフレームが，エンドエフェクタに設けたピボットをFig. 9Structure of a tapered case with opening function.

中心に受動的に揺動する構造である．一方，シリンダ
チューブに固定されたアームの先端には，受動ローラーをMBシリンダは，Fig. 5⒝の構成を基本とするものの，円設けている．これにより，ロッドが最長に伸展した瞬間に筒状のタンクの内部にシリンダチューブが設置された二重フレームの終端が受動ローラーに押され，テーパー形ケー構造とし，省スペース化を図っている．また，MBシリン

スが展開する．このような展開機能は，投擲の瞬間におけ

ダの下面には，２つの受動車輪と長さ２mの伸縮式ポール

るテザーとケース間の繰り出し抵抗の軽減だけなく，テが取り付けられており，操作者はポールを傾けるだけで投

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日本フルードパワーシステム学会論文集

擲方向を簡便に調整することができる．
テザーは，断面が内径２㎜，外径４㎜のポリウレタン製の柔軟チューブを使用し，曲率半径50㎜だけ撓んだときに復元力0.18Nを生成する．真空ポンプと連結すれば，子機の落下地点の気体を回収することも可能となる．また，子機は衝撃吸収機能を備えたゴムボールで構成されている．
一方，テーパー形ケースは，透明ポリエチレン製のシートを丸めたものを基本とし，固定収納式に使用されるケース（Fig. 11⒜，質量24g）を上下逆向きにし，一体式および逐次放出式にも併用することを想定した設計となっている．

Fig. 12展開式収納ケースは，Fig. 10のMBシリンダのエンドエフェ

Image of the experimental area in which air isassumed to be sampled from a dangerous building
with diﬃcult access.

クタに取り付けて使用する（Fig. 11⒝，質量38g）．
目標の窓枠は縦1.6m横0.6mの長方形で，その中心はMBシ
リンダからH＝4.8m，d＝1.2mの地点に位置する（Fig. 13）．
この地点に届くようにチューブの長さをY＝８mと設定した．さらに製作したケースの質量も考慮すると，一体式・逐次放出式・瞬時放出式の各投擲手法におけるロッドの総質量は式⑸よりそれぞれmall＝0.35kg，0.35kg，0.364kgとな
Fig. 10

る．これらはいずれも式⑹を満たすため，本実験では上記

Casting device used in the experiment.

３つの投擲手法が固定収納式より高い投擲高度を生成でき
5.2 実験環境とその準備るものと予測した．

テザーの投擲技術は，１章で述べた以外にも様々な現場

5.3 実験結果と考察で要求されている．消防活動におけるニーズの一例として，

上記の設定のもとに，固定収納式・一体式・逐次放出

危険建物内の大気サンプルの回収が挙げられる．すなわち

式・瞬時放出式のすべての方式で実験を行った．一体式，室内の大気を事前に回収し，有毒ガスの成分や濃度を調査

逐次放出式，及び瞬時放出式を使用した場合，投擲高度はして，消防隊員が突入する際の安全性を確認することが望

異なるが，室内への投擲は成功した．しかし，固定収納式

まれている．本研究は当該用途への応用も視野に入れ，前の場合，子機の投擲高度は窓枠よりも低くなり，室内への述のチューブ付き子機を斜め上向きに投擲し，開いた窓を進入はできなかった．

通して建物内にチューブの先端を搬送することを目標とした．

Fig. 11Developed taper case for the fixed storage, theuniﬁed, and the gradual discharge type ⒜, and theone for the instantaneous discharge type ⒝.

Fig. 13

Experiment using gradual discharge type casting

実験では，子機の重心がたどる軌道の高度Hと水平飛距次に，方式による投擲高度の差異を調べるため，建物の離dに関して，2.2節で示した４種類の投擲手法を比較する

ない平地に向かって投擲実験を行った．その実験結果をことにした（Fig. 12）．ここで，Hは地表からの鉛直方向のFig. 14に示す．実験はいずれも５回ずつ行い，その結果を高さ，dはMBシリンダの先端から水平方向の距離を各々示平均した値を記している．各水平飛距離における投擲高度している．受動車輪と地面の接触点から見た目標地点の仰は，60 〜 150㎜程度のばらつきはあったものの，概ね再現

角をαとした時，投擲後の子機が最高点で開いた窓枠内を性のある結果が得られた．これは，テーパー形ケースの導通過するように，MBシリンダの投擲角度θを調整する．

入により，チューブの引き出し抵抗が安定していたためと

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ワタリ・塚越・北川：空圧シリンダによりテザー付き子機を高く投擲する方法推察される．なお，水平飛距離に関しては，投擲開始点とほぼ同じ高さに落下するまで計測した．
４種類の投擲手法の比較に関しては，実験前の予測通り，
本実験の条件下では固定収納式より他の３方式の方が高い
投擲高度が得られた．従って，3.2節で導入した選定基準は妥当なものであったと判断できる．また，一体式に比べて，Fig. 15

２つの放出式の投擲高度が低下した理由は，テーパー形

Instantaneous discharge type casting using the taperedcase with opening function.

ケースを適用したものの，2.2節⒞で指摘した損失が多少と今後は，テザー付き子機の投擲装置を様々な移動ロボッも残存していたためと推察される．
一方，逐次放出式に比べて瞬時放出式の方が一体式に近トに搭載することを前提に，オペレータの遠隔操縦により，い投擲高度を生成した理由は，瞬時放出式の展開式収納投擲に加えてテザーの回収も行えるような装置を開発するケースが予想以上の損失軽減機能を発揮したためと考えら予定である．また，テザー付き子機の投擲高度の制御手法れる．すなわち，高速撮影カメラが捉えた写真Fig. 15に示についても検討する．

すように，投擲時にケースが瞬時に展開された後，チュー謝

ブ全体はケースのテーパー形状を保持したまま放出されており，これは，投擲時のチューブとケース間の摩擦を軽減するうえで効果的だったものと考えられる．

辞本研究は，総務省消防庁のご支援をうけて行われました．
ここに深く謝意を表します．

この実験結果を検証するため，一体式および固定収納式付で投擲される子機の軌道を付録に示す手法により，空気抵

録抗も考慮したシミュレーションにより求め，その結果を子機の軌道のシミュレーションを行うため，テザーや子Fig. 14に示した．そして実験結果に対して最大で８%程度

機の空気抵抗の影響を考慮した運動方程式を導く．Fig. 16の誤差はあるものの，概ね計算結果と類似した傾向をたどでは，固定収納式で投擲した場合と，一体式の場合に子機ることも確認された．

にかかる力を示す．ここでは，テザーに作用する空気低抗6．結は省略する．また，テザーは一直線に放出されると仮定す

言る．

１本の空圧シリンダを用いてテザー付き子機を高く投擲することを目指し，投擲手法に関する新たな知見を示した．
まず，シリンダで生成される運動エネルギーを有効活用するうえで，テザーの設置方法に着目した投擲手法を４種類に大別した．次に，高速動作を生成しやすいMBシリンダと名付けた駆動系を導入し，その動作特性に適した投擲手⒜

Fixed storage type法の選定基準を述べた．さらに，テザーが繰り出される際

Fig. 16⒝

Uniﬁed type

Forces that interact with the child machine.

に生じる抵抗を軽減するためにテーパー形回収ケースを提この時，子機の速度 ṽと，水平に対して子機が進む角度

案した．そして，最後に試作機を用いた実験によりこれらはθ̃以下のとおりとなる．

の有効性を検証した．

v = d 2 +H 2

⑺

H
d

⑻

（ ）

θ =tan−1

また，子機の断面積をSD，抗力係数をCD，標準状態における空気の密度をρとすると，空気抵抗は以下の式で計算される9）．
FD =1
CD ρ SD v 22⑼

子機の運動方程式は，軌道に影響を与える空気抵抗や他の力を考慮した放物運動である．なお，一体式の投擲はテザーを収納したまま，空気抵抗の影響だけを考慮し，以下Fig. 14

第43巻

Simulated and experimental results of the trajectoriesof the angled casting for each method.
第６号の式となる．

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日本フルードパワーシステム学会論文集FDcosθ
mK + σY⑽FD
H =−g− mK σY sinθ
+

⑾

d =−

参 考 文 献１）Drenner, A., Burt, I., Kratochvil, B., Nelson, B.J.,
Papanikolopoulos, N., and Yesin, K.B.：Communicationand Mobility Enhancements to the Scout Robot, in

ただし，それぞれの初期値は以下の通りである．

Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ International Conference on

d t = 0 = v 0 cosθ
H t = 0 = v 0 sinθd t=0 = 0
H t = 0 = h 0 sinθIntelligent⑿

RobotsandSystems （ IROS）,

Lausanne,

Switzerland, p. 865‑870（2002）.
２）田中崇裕，塚越秀行，北川能：災害現場での効率的情報収集を目指した投擲・回収型移動体の開発，計測自逐次放出式の場合，式⑽と⑾にテザーと収納ケースとの動制御学会2004年度産業応用部門大会，p. 7‑12（2004）．

間に生じる摩擦FRの影響を含む．
固定収納式の場合，子機に影響を与える力として，空気

３）Arisumi, H., and Komoriya, K.： Posture Control of

抵抗，テザーが時々刻々動き始める際に変化する単位時間

Casting Manipulation, in Proceedings of the 1999 IEEE

当たりσ

2

International Conference on Robotics and Automation（ ICRA）,

2

運動量の反作用，すなわち（−σ ）の力，テ

ザーと収納ケースとの間に生じる摩擦FRが考えられる．

４）Roh, S.G., Allan, B., Marshall, R., Kerr, S., Killen, D., and

従って，運動方程式は以下のとおりである．
FFDσ 2cosθ − R cosθd =− v cosθ −
mK
mK
mK

⒀

FR
FD
σv 2
H =− m sinθ − g − m sinθ m sinθ

⒁

K

K

K

Detroit, USA, p. 2811‑2818（1999）.
Hirose, S.： Development of Tethered Detachable Hook
IV for Robot Locomotion in Extremely RoughEnvironments, in 2011 Japan Society of MechanicalEngineers（ JSME）Conference on Robotics and Mechatronics

式⒀と⒁の右辺第一項はテザーが動き始める際に変化す（ ROBOMEC’11）,Okayama, Japan, 1A2-Q03（2011）.

る運動量による反作用の力である．最後の項は，空気抵抗

５）森庸太郎，塚越秀行，北川能：柔軟扁平チューブにの影響を示している．

沿ってスライドする流体アクチュエータ（第１報，Λ

式⑺〜⒁を基にオイラー法を用いてシミュレーションを―ドライブの提案とその動作解析），日本フルードパ

行い，固定収納式・一体式の投擲に伴う子機の軌道が得ら

ワーシステム学会論文集，Vol. 41, No. 5, p. 14‑21（2010）

れる．なお，各パラメータは実機に合わせてTable 1，及び

６）ワタリエイリ，塚越秀行，北川能：ロボットの投擲・Table 2のように設定した．一方，摩擦力FRは，計測した値

跳躍能力を高める磁性ブレーキシリンダ，日本ロボット学会誌，Vol. 28, No. 1, p. 95‑105（2010）．

の平均としてパラメータを導入する．

７）Tsukagoshi, H., Sasaki, M., Kitagawa, A., and Tanaka, T.：
Table 2

Parameters for the trajectory simulation.

Numerical Analysis and Design for a Higher Jumping
Rescue Robot Using a Pneumatic Cylinder, Trans

Parameter

Value

C（m/s）
D

0.45

S（㎡）
D

3.37×10−3

ρ kg/㎥）（

1.29

A Higher Casting and Jump Motions Realized by

θ °）
（

80

Robots Using Magnetic Brake Cylinder, Trans ASME,

ASME, Journal of Mechanical Design, Vol.127, No. 3, p.
308‑314（2005）.
８）Watari, E., Tsukagoshi, H., Kitagawa, A., and Tanaka, T.：

Journal of Mechanisms and Robotics, Vol. 3, No. 4, p.
041002‑041013（2011）.

瞬時放出式の場合，摩擦力の計測が困難であるため，パ
ラメータを決めることができない．従って、今後，テザー

９）Daugherty, R. L., and Franzini, J. B.：Fluid Mechanics withとケース間の摩擦を精度よく推定できれば，テザー付き子

Engineering Applications, 6th edition, McGraw-Hill, p. 422‑

機の軌道を予測するモデルの構築も可能になるものと期待

425（1965）
.

できる．

第43巻

第６号

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2012年11月（平成24年）

日本フルードパワーシステム学会論文集

日本フルードパワーシステム学会論文集

油圧アームの基底パラメータ同…
定法とモデル検証
単純適応制御の水圧サーボシリ…
ンダシステムへの適用
空気圧バルーン型腱駆動アク…
チュエータのモデル予測制御
三次元内部流動様式を考慮した
油圧シリンダ内部の一次元温度…
予測法
空気圧ゴム人工筋を用いた二関節駆動を有する握力増幅グロー…
ブ
柔軟空気圧シリンダを用いた伸縮・湾曲機構の試作と組込みコ…
ントローラによる姿勢制御
柔軟関節を用いた空気圧駆動鉗
子マニピュレータの開発（先端…
屈曲機構の簡略化と外力推定）
突発的な負荷を考慮した６自由度人工筋肉マニピュレータの手…
先剛性制御
軸方向繊維強化型人工筋肉を用いた小腸検査用多段式蠕動運動型ロボットの開発（第１報，小…
型ロボットにおける弾性管内の走行と内視鏡との切り離しに関
する検討）

第43巻

第６号

総目次（第43巻）

号 通し頁

小林
亘
伊藤 和寿
池尾
茂
山田 剛史
和井田 匠

1

Ahmad Anas
YUSOF
TakuyaKAWAMURA
Hironao
YAMADA

1

前島 祐三
酒井
悟
中西
稔
大須賀公一

1

山田
伊藤
池尾

剛史
和寿
茂

2

永瀬
佐藤
嵯峨
鈴森

純也
俊之
宣彦
康一

2

富岡
城田
田中
渕脇

弘毅
勇介
和博
正樹

2

只野耕太郎
赤井 正雄
川嶋 健嗣
尹
鍾晧
香川 利春

3

48

ガイド構造を有する平行円板間…
流れの騒音特性に関する研究

赤木 徹也
堂田周治郎
趙
菲菲
藤川 敬広

3

55

原口 大輔
只野耕太郎
川嶋 健嗣

層流型高速応答流量計を用いたソプラノリコーダー吹奏ロボッ…
トの呼気制御3

1

8

空気式パラレルマニピュレータ
を用いた手首リハビリテーショ…
ン〜筋電位信号に基づく訓練動
作の提案〜
絞り制御弁内蔵型空気ばねを用いた鉄道車両の車体上下振動低減（第２報，一車両モデルのシ…
ミュレーションと実車走行試験
による性能検証結果）
空気圧ラバーレス人工筋の開発…

16

23

近接スイッチを利用した空気圧
シリンダの繰り返し位置決め…
（第１報，制動法の提案）
微粒子励振型空気流量制御弁の…
非線形性補償による流量制御

30
双方向型空気圧コンプレッサの…
開発と応用
39

空気圧駆動型4脚移動ロボットの開発（第１報：外乱オブザー…
バの導入によるモーションコン
トロール）

62
空圧シリンダによりテザー付き…
子機を高く投擲する方法

戸森
田中
前原
加茂
中村

央貴
大資
正典
大地
太郎

3

70

安達
横島
樋髙
中村

和紀
真人
裕也
太郎

3

77

― 23 ―⎧︱︱⎨︱︱⎩⎧︱︱⎨︱︱⎩ ⎧︱︱⎨︱︱⎩ ⎧︱︱⎨︱︱⎩ ⎧︱︱︱⎨︱︱︱⎩⎧︱⎨︱⎩ ⎧︱︱︱⎨︱︱︱⎩ ⎧︱︱︱⎨︱︱︱⎩⎧︱︱︱⎨︱︱︱⎩ ⎧︱︱︱⎨︱︱︱⎩

Operational Evaluation of aConstruction Robot Teleoperation with Force…
Feedback- Evaluation of Telerobotic Force Perception using
Auditory Feedback -︱︱︱⎩ ⎧ ︱⎨ ︱⎩ ⎧︱︱︱⎨︱︱︱⎩⎧ ︱ ︱⎧︱︱ ⎨︱︱ ⎩⎧︱︱⎨︱︱⎩ ⎧ ︱ ⎨⎨ ︱︱⎩ ⎧︱︱⎨︱︱⎩ ⎧︱︱︱⎨︱︱︱⎩ ⎧︱︱⎨︱︱⎩⎧︱︱⎨︱︱⎩⎧︱︱⎨︱︱⎩【研究論文】
水圧スイッチング動力伝達シス
テムのエネルギー効率に関する研究（第２報，シミュレータの…
構築および性能改善に向けた検討）

157

総目次（第43巻）

号 通し頁

高岩 昌弘
則次 俊郎
佐々木大輔

3

85

風戸 昭人
菅原 能生
小金井玲子
眞田 一志

4

93

齋藤 直樹
佐藤 隆智
小笠原隆倫
佐藤 俊之

4

102

Mohammad
Tauﬁq
MUSTAFFA
大内 英俊

4

109

廣岡
鈴森
神田

大祐
康一
岳文

5

117

吉満
藤田
小山

俊拓
貴吉
紀

5

122

趙
子磊
高岩 昌弘
則次 俊郎
佐々木大輔

5

128

大川
村松
尹
香川

陽一
久巳
鍾晧
利春

6

135

加藤
益田
河村
舩木
川嶋
香川

友規
大海
良行
達也
健嗣
利春

6

143

ワタリエイリ
塚越 秀行
北川
能

6

149

2012年11月（平成24年）

Vol.43 No.6

昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
平成24年11月15日発行
（奇数月）

0011

フルードパワーにおける組み込みシステム

東京都港区芝公園三丁目五│二二 電話︵〇三︶三四三三│八四四一 ＦＡＸ︵〇三︶三四三三│八四四二
̶ 編集兼発行人 一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会 振替口座 東京〇〇一一〇│三│一三三六九〇〒105

フルードパワーシステム

フルードパワーシステム

昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可

平成24年11月15日発行（奇数月）

ISSN 1346−7719

フルードパワーシステム

ISSN 1880−3121

日本フルードパワーシステム学会論文集

日本フルードパワーシステム学会誌

フルードパワーシステム

Nov.2012 Vol.

43 No.6

日本フルードパワーシステム学会論文集
TRANSACTIONS OF THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY

特集「フルードパワーにおける組み込みシステム」

第四十三巻第六号︵二〇一二︶

東京都文京区小石川一│三│七
印刷所 勝美印刷株式会社

6
日本フルードパワーシステム学会

一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会

http://www.jfps.jp