昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可

平成25年７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

July.2013 Vol.

44 No.4

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「ADS- 新水圧技術の今！」

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

第44巻 第 ４ 号 2013年 ７ 月

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
目次

特集「ADS-新水圧技術の今！」【巻頭言】
ADS-新水圧技術の今！ 発刊にあたって

宮川 新平

204

宮川 新平

205

大林 義博，石川竜乃介

209

水圧シリンダとその応用－１

村上 康裕

212

水圧シリンダとその応用－２

宇根 利典

215

水圧電磁比例制御弁／水圧サーボ弁の開発とその応用

吉田 太志

218

水用高圧汎用バルブ

井口

務

223

水圧機器用シール

村田 秀紀

227

吉田 和弘

231

高橋

勉

233

シール技術に関するISO規格の動向

小畑 博美

238

特許文献を調べる・特許電子図書館の活用１…特許の基本

木原 和幸

241

ベトナム駐在日記

武田 和正

244

【総論】
ADSの技術開発と製品化への道【解説】
中圧域における高速水圧ポンプの特性【会議報告】
2013年度精密工学会春季大会学術講演会におけるフルードパワー技術研究【教室】
入門講座「流体力学」第 6 回：相似な流れとソウジゃない流れ【トピックス】

【研究室紹介】
岡山理科大学工学部知能機械工学科メカトロニクス研究室

堂田周治郎

247

大内 英俊

250

坂間 清子

252

【企画行事】
平成24年度ウインターセミナー開催報告「アクアドライブシステム（新水圧駆動技術）の現状と将来」【ニュース】
次世代油圧動力伝達システムワークショップ【会告】
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222

平成25年度 オータムセミナーのお知らせ「鉄道車両とフルードパワー技術」

237

第32期 通常総会終了

255

平成25年秋季フルードパワーシステム講演会のお知らせ

256

第９回 JFPS国際シンポジウム開催のお知らせ

257

共催・協賛行事のお知らせ

259

その他

254,257,260■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

ISSN 1346―7719

Vol．44，No. 4

July 2013

JOURNAL OF THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY

FLUID POWER SYSTEM
Contents
Special Issue “ADS－New Water Hydraulics the Present-Day ！ ”【Preface】

On the Special Issue“ADS－New Water Hydraulics the Present-Day ！”【Survey】

The Development of ADS and the Road for Comercial Products

Shimpei Miyakawa

204

Shimpei Miyakawa

205【Review】

Characteristic of the High-Speed Water Hydraulics Pump in the Medium Pressure Area
Yoshihiro Ohbayashi, Ryunosuke Ishikawa
Water Hydraulic Cylinder and it’s Application－1
Yasuhiro Murakami
Kazunori Une
Water Hydraulic Cylinder and it’s Application－2
Development and Application of Water Hydraulic Proportional Control Valve / Servo Valve
Futoshi YoshidaHigh-Pressure General-Purpose Valve for Hydraulic Use
Tsutomu Iguchi
Hideki Murata
Seals for water hydraulics

【Conference Report】

Researches on Fluid Power Technologies in 2013 JSPE Spring Meeting

209
212
215
218
223
227

Kazuhiro Yoshida231

An Introductory Course of Fluids Mechanics: The Sixth: The Flow with/without Similarity

Tsutomu Takahashi

233【Lecture】【Topics】

Recent Trend of ISO Specifications for Sealing Technology
Hiromi Obata
Investigation of the Patent Documents/ Practical use of Industrial Property Digital Library
Kazuyuki Kihara…Patent Foundations
Journal of Vietnam Stay
Kazumasa Takeda

238
241
244

【Laboratory Tour】

Mechatronics Laboratory at Department of Intelligent Mechanical Engineering inOkayama University of Science

【JFPS Activities】

Report of Winter Seminar 2012“Latest Trend of Aqua Drive System”
【News】

Workshop on Hydraulic Transmission System for Next Generation

【JFPS News】
Shujiro Dohta

247

Hidetoshi Ohuchi

250

Sayako Sakama

252

222,237,254,255,256,257,259,260

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

204

フルードパワーシステム

巻 頭 言

ADS-新水圧技術の今！

著

者

紹

介
みや

かわ

宮 川

しん

新

ぺい

平

KYB株式会社〒252-0328 神奈川県相模原市
南区麻溝台１-12- １
E-mail : miyakawa-shi@kyb.co.jp
2013年５月現在 基盤技術研究所
1970-1986年油圧技術，1987年以来世界の水圧技術の調査，ADS技術開発，製品化，市場調査，
市場導入に従事．日本フルードパワーシステム
学会理事，日本フルードパワー工業会技術部長，
水圧部会長．工学博士．

最初の「水圧特集号：水圧システムの開発に向けて」（主査：真田横浜国立大学教授）は1998年11月に発刊され，筆者はゲストエディターとして参加させて頂いた．内容は「横浜国立大学山口惇教授による「総論：水圧システムの挑戦」，企業６社による「研究開発の現状」，そして第一回「水圧システ
ム研究委員会」の活動概要が掲載された．その「水圧システム研究委員会」（委員長：宮川新平，現在
KYB㈱）は平成９年５月，当時の㈳日本油空圧学会に設置された．
この頃，ドイツ，イギリス，北欧の企業や大学が同様な委員会を設立し，調査活動を開始していた．
1997年ドイツでのハノーヴァー見本市で，水圧では初めての企業８社が共同で出展（日本企業も１社が参加），会場で「水圧サミット会議」が開催された．筆者もオブザーバーで参加したが，会議の方向性は見えなかった．「水圧」の定義も定かではなく，作動水として「水道水」と明記したのは，イギリス

発刊にあたって工業会は1999年７月，定款に「水圧機器」を包含して日本フルードパワー工業会と改称され，油圧，
空気圧部会に並び「水圧部会」が設置された．最初の「水圧特集号」はその前年に発刊されたが，同時に工業会では，水圧補助事業が特別部会として組織され，その後８回の事業，６回の海外調査を並行しながら開催され，2011年まで継続された．その後，関連幹事会は現在も継続されている．補助事業としての特別水圧部会は大学有識者と企業の産学連携による体制で実施，推進された．以上の様な多くの活動の背景の下で，二回目の「水圧特集号」が組まれたことは水圧技術が形として，その方向性を明確化
可能ならしめる好機でもある．
本「水圧特集号」は，以下の構成でまとめた．
「総論」においては上述した学会の第一回「水圧システム研究委員会」の成果を踏まえて，工業会の「産学連携補助事業」に受け継がれ，技術開発は市場の特定に注目した．その基本は実用化圧力領域（低圧，中圧，高圧）に視点を置くことが重要である こ と を 述 べ て い る． そ し て，ADS（Aqua Drive
System）の社会的，技術背景から市場に至る流れと技術開発を総合的にまとめている．その中で，
ADS市場が「水利用と省エネルギー」の視点からも技術開発が重要であることに言及している．そして，
各「解説」ではADS機器企業が以上の様な背景のもとに，開発，製品化してきた具体的な機器（ポンプ，シリンダ，制御弁，汎用弁，シールの各技術）とその応用について紹介している．

のFenner社， デ ン マ ー ク のDanfoss社， そ し て
2000年４月のシカゴでのサミット会議で報告した日本であった．時期を同じくして設立された第一回「水圧システム研究委員会」はこのような背景のもとに，設立されたことは意義深いものがある．参考とすべき技術報告はきわめて少なく，推進すべき方
向も暗中模索であった．その後，４回の研究委員会が継続され，現在に至っている．さらに，学会の30，40周年記念特集号として水圧技術資料が編纂された．一方，業界にあっては，㈳日本油圧空気圧

4フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

宮川新平：ADSの技術開発と製品化への道

205

総 論

ADSの技術開発と製品化への道

著

者

紹

介
みや

かわ

宮 川

しん

新

ぺい

平

KYB株式会社〒252-0328 神奈川県相模原市
見真南区麻溝台１-12-１
E-mail : miyakawa-shi@kyb.co.jp
2013年５月現在 基盤技術研究所
1970-1986年油圧技術，1987年以来世界の水圧技術の調査，ADS技術開発，製品化，市場調査，
市場導入に従事．日本フルードパワーシステム
学会理事，日本フルードパワー工業会技術部長，
水圧部会長．工学博士．

1．は じ め に20世 紀 は「 石 油 の 時 代 」 と い わ れ，21世 紀 は「環境の時代」に加えて「水の時代」ともいわれている．
「水の枯渇と偏在」が大きな人類共通の認識となり，今や地域的によっては水管理で国家的闘争にまでに至っている．エネルギーに関しては2011
年３月11日以降，原子力発電事故は，世界的に政治的要素が組み込まれ，ますます存続の議論は方向性を見失い始めた．代替エネルギーとしての「再生エネルギー」の普及には程遠い「感」は否めない．
それは社会ステムの再構築とパラダイム変換が求められるからである．
「水」の利用は人類の進歩に大きい影響を及ぼしてきた．古来「水」は「落差」を利用してエネル
ギーを創造し，灌漑を利用して「食料」を大量に獲得した．運河を利用して水路を起こし，交易を盛んにした．人類の発展に「水」は欠かせない．近年，
人類の生活に大量の「水利用」は汚染の問題から「環境保全」の概念を抱かせた．一方「豊かさと快適さ」を手放すことが不可能となってしまった生活には「エネルギー」と「水」は欠かせない．火力発電にせよ，原子力発電にせよ「水･蒸気」は必須である．このように「水」は飲料水以外に無くてはな
らない物質である．現在では「水」は民生，産業，
運輸などのすべての世界に重要な柱として「水ビジネス」の経済的存在としも最近大きくクローズアッ
プされている．

以上のような背景から「水利用の世界」を俯瞰し，「駆動と制御」を踏まえてどのような形でADSは「民生，産業，農業」分野に貢献可能か，考えてみる．
それはADSの作動流体が「水」にあること，そして作動圧力が低圧域の水道配管網圧力から高圧域まで幅広い対応可能であることによる．さらには熱や蒸気技術との相性に優れるからである．従来のフルー
ドパワー市場の更なる拡大を指向する可能性を持つ．
ここでは，まず第一回の「水圧システム研究委員会」での調査結果1）である「低圧，中圧，高圧」の各圧力での市場特性の方向性と係わるADS機器開発について紹介する．その具体的応用としては低圧では民生と関わる介護機器，中圧・高圧では農水･産業に関わる食料・食品加工機械，医療･医薬，ク
リーン性の条件が重要な成型・試験機への適用である．水圧システム研究委員会での基本的枠組みは工業会で実施した産学連携補助事業へと受け継がれ，その成果を基本とし，各企業が独自に開発，製品化を行った．それぞれの「解説」で紹介する．補助事
業に関する報告内容は，本学会の40周年記念特集
号2）にわかりやすく表にまとめられている．

2．技術開発の視点と応用
2.1

低 圧 域

3.5MPa以下の圧力域を対象としている．技術が確立されれば，低価格，利便性・簡便性，環境調和性，安全･安心な駆動源として利用ができるなど大きな長所を持つと推測される．低圧なので機器は将来，射出成型によるマス生産が可能でコストの低減化は容易である．空気圧や給水システムなどからの一部転用と既存製品が技術開発にヒントを与えてくれる．市場も「水ビジネス」と絡んで期待される．
ここでは，水道圧力配管網圧力を利用する駆動技術を紹介する．水道の社会インフラの利用の可能性は魅力を持つ．空気圧駆動，電気駆動，そして低圧の油圧駆動を包含する一元化された駆動システムである．本システムの基本的構成は，水道配管元圧の一定制御を担う定圧装置，一定圧力を更なる一段高い圧力にする増圧装置，ここでは三段階の圧力レベル

フルードパワーシステム

第44巻

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5

206

フルードパワーシステム

図１

水道配管網力を利用したADS回路（3.5,1.5,0.25MPa）を構築する計画である．各圧力レベルにおいて末端のアクチュエータの駆動，停止に応じて消費，発生するエネルギーを余剰として畜圧し，互いの圧力レベルで流体エネルギーの融通可能なシステム構成として省エネルギーを実現する回路となっている．被駆動装置に組み込まれるアク
チュエータであるシリンダ，モータに関しては，それぞれの圧力に応じた低圧用機器を開発し，貴重な設計指針や実験データをまとめている．水圧回路の基 本 的 構 成 を 図 １ に 示 し た． 水 道 圧 力 は0.3 ～0.65MPa，全体流量は400 L/min.とした．この様から，蒸気との親和性を持つ．その特長を生かせる機器を紹介する．この技術開発は工業会の産学連携
水圧特別部会で実施された2）．本特別水圧部会は平成20年の調査研究に置いて，最新の火力発電所におけるエネルギーの有効利用状況を実地検分し，タービンへの蒸気量制御（作動圧力７MPa）にADS
サーボ技術を採用すれば環境融和性を向上できること（発電所からの発言に基づいている），発電所や工場プラントの排熱，余剰蒸気を用いて，タービン駆動で直接水圧ポンプを駆動する，とまとめている．

なコンセプトは世界に見ない独創性，新規制を有している．これらに係る低圧機器開発とその実用例について，介護機器，防水板駆動の二つ製品を「解説」に記述している．
2.2 中 圧 域
中圧域は3.5 ～ 14MPaの範囲としている．この圧力域での市場は大きく，それだけ用途も広い．生
産機械が多く，速いマシンサイクルが要求される．
機器開発の始まりはこの領域から比較的速い時期に始まっている．第一回の「水圧特集号」が参考になる．用途と市場が広いだけに機器開発に着手する時には，用途とその母機の要求をしっかりと見極めることが重要である．
「解説」では，中圧域における水圧ポンプ，制御弁，汎用弁を取り上げ，これらの応用についても触れる．ここでは，用途の広さを展望したADSの特長である「安心･安全，クリーン性」の他にADSの作動液が「水道水，清水」であること

6

フルードパワーシステム

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写真１

二自由度システムモデルの外宮川新平：ADSの技術開発と製品化への道

図２207   

ADSを取り巻く環境と市場，技術開発の流れ

省エネルギー性もあわせて向上できることを指摘している．この際に用いられる水圧ポンプはタービンとの接続を視野に入れた高速性能を有することが重要であることから，特に「高速域における水圧ポンプ」の性能実験結果を「解説」で紹介している．さらに，ADSサーボ系を実現するためには水圧サーボ
弁と水圧シリンダを組み合わせた装置を構築，比例制御や適応制御系を用いて，従来の油圧サーボ系と同等の性能であることを検証した．これらの技術の多様性から回転サーボ系についても同様な検証を行って，当初の性能を達成している．写真１はこれらの直線，回転運動を組み合わせた二自由度システ
ムを構築して，ロボットへの応用も視野に入れて調査研究を実施している．
特に，制御系を構成する制御弁に関しては，以上の成果を反映させ，ADS市場の得意とする食品機械
やクリーン性を重要視する医療や医薬部品成型，試験機に関わる機械への搭載について「解説」に取り上げている．
共通機器，基本技術である汎用弁，シール技術はADSの基幹であり，「解説」に加えている．
2.3 高 圧 域
14MPa以上の圧力域である．本特集号では取り上げていない．主たるADS市場の要求は中圧域以下がであると考えている所以である．これに関する技

術はまた別の切り口から紹介する．
図２は，以上述べてきたADSに関して総合的に俯瞰し一つの図にまとめた．新技術の船出は「すべてを同時に走る」ことが必要である．従来技術に捉われるとニッチもサッチも行かない．すべての項目が見て取れる．社会的背景，技術的背景，「水の長所」
そして従来駆動技術，これらの要因は「ADSで解決へ」向かい，新市場でのコスト概念に価値観の変化をもたらし，最終的に右下の「各圧力域」における
技術解発視点を明らかにしてくれる．

3．ADS市場の展望3）
ADSを「水利用」の世界を含めて市場を見ると，当初設定した三つの圧力域での液圧技術の「駆動と制御」の視点とは異なる市場が伺える．図３は「水利用の世界」を「圧力と流量」の軸で表現した．高圧・小流量では圧力源として容積式ポンプが利用される．低圧・大流量域では遠心式ポンプが利用さる．
近年水不足から「海水淡水化」技術では両者のポンプが目的に応じて使い分けられている．低圧・中圧域の応用が市場規模として大きい．図中「ADS市場」と丸枠で記した．ここでは機器単体からシステムに至る技術を包含し，この中で「駆動と制御」のための多くの機器として，従来は電動と空気圧である．
しかし，システムとして捉えると幅広いエネルギー

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

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208

フルードパワーシステム

消費の世界が存在して，現在極めて重要と考えられ
る省エネルギーと環境の技術的対応策としての技術「時代の要求」という追い風の中で成長してきた．
当初，ADSは機械産業の「駆動と制御」の視点から，開発が見通せる．プラントシステムに内在する余剰
流体エネルギーや排熱エネルギーをADSの駆動エネ
ルギーとして，従来に無い応用と技術開発が存在す

作動圧力域を三つの域に分類して技術開発とその応用に向けて，推進してきた．しかし，世の中は「水る．2025年には水ビジネスは凡そ80兆円といわれているが，このようなフィールドへの応用の可能性を持つことが可能なのはADSの作動液が「水」であ利用と省エネルギー」に向けて，その期待は大きく高まった．「駆動と制御」の視点から出発したADS
は，「水利用と省エネルギー」の視点から俯瞰すると，新たなる市場と技術開発の存在が見えると推測される．
本特集号では，まずは「低圧，中圧，高圧」を軸るからである．

に今後のADSの技術とその応用について「解説」で取り上げた．しかし，近未来へのADS発展を鑑みて「総論」では，従来志向の「駆動と制御」の視点を含めて「水利用と省エネルギー」への応用を展望して，ADS市場を「民生，産業，農水，水処理，造水」に視点を当てた．その一部を「解説」にも含めている．これは，「フルードパワー」の技術と市場に新たなる世界を見ることが可能であると思われる．

図３

ADS市場と「水利用の世界」

４．あ と が き
第一回「水特集号」が発刊されて，15年の歳月が過ぎた．この間，学会，工業からADSの推進に大きな支援をいただき，技術開発から実用化に向けて，

8

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

参考文献
１ ）水圧システム研究委員会報告書：（社）日本油空圧学会，
平成12年 3 月
２ ）アクアドライブ技術の進展：日本フルードパワーシス
テム学会，創立40周年出版，2011年 4 月
３ ）宮川，アクアドライブシステム（新水圧駆動技術）の現状と将来：ウインターセミナー 2013，（一社）日本フ
ルードパワーシステム学会 ，平成25年 2 月22日
（原稿受付：2013年 ４ 月 ５ 日）

2013年７月（平成25年）

大林・石川：中圧域における高速水圧ポンプの特性

209

解 説

中圧域における高速水圧ポンプの特性

著

者

紹

介
おお

ばやし

大 林

よし

義

ひろ

博

KYB株式会社
基盤技術研究所企画室水圧システムグループ〒252-0328 神奈川県相模原市南区麻溝台１-12-１
E-mail : oobayashi-yos@kyb.co.jp
1997年 神 奈 川 大 学 工 学 部 機 械 工 学 科 卒 業，2007年KYB株式会社へ入社，水圧技術の研究に
従事．
いし

かわ

石 川

りゅうの すけ

竜乃介

KYB株式会社
基盤技術研究所企画室水圧システムグループ〒252-0328 神奈川県相模原市南区麻溝台１-12-１
E-mail : ishikawa-ryu@kyb.co.jp
2009年東京電機大学工学研究科修士課程修了，
同年KYB株式会社へ入社，水圧技術の研究に従事．

よる部分的潤滑など境界潤滑的特性を有する．さらに熱の発生を伴う複雑な現象が予測される．しかし，このような現象のポンプの総合的な特性は必ずしも明らかになっていない．ADSの市場的特性から適用
圧力は幅広く，市場に見合った仕様を元に研究開発を行うことが重要である．ここでは，さらなる応用
拡大を含めて，通常の商用駆動回転数を拡張して，500 ～ 3,600rpmまでのポンプ特性を実験的に調査した．圧力は中圧域の７MPaとした．これは，作動
水が「水」であることから蒸気との親和性にも優れ，
今後プラントの余剰エネルギーなどを再利用する省エネルギーへの応用が期待されるからである．電気を介さず蒸気タービンによる水圧ポンプの駆動を念頭に置いている．

2．試作ポンプ構造
1．は じ め に
水圧ポンプは圧力水を供給するADSの重要機器である．水圧ポンプの構造は狭い隙間で構成され，かつ回転による互いのしゅう動運動に厳しい条件が科せられる．特にシリンダブロック-弁板間，斜板シュー間，ピストン-シリンダブロックボア間など，
これらのしゅう動部では材料や構造に関して水膜に

図１

ポンプの構造と写真を図１に示す．ポンプ形式は固定容量型の斜板式アキシアルピストンポンプある．
基本材料はステンレスで構成されており，各軸受部にはしゅう動部材として樹脂を使用している．また
シュー部は高圧を引き込み，静圧軸受構造を持つ．
これまでの研究から水潤滑下におけるステンレスと樹脂の組合せは摩擦特性が優れていることがわかっている1）．ポンプ吐出圧力は，発電所システムをは

水圧ポンプ構造と外観写真
フルードパワーシステム

第44巻

第４号

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9

210

フルードパワーシステム

じめ一般産業機械で必要とされる７MPaとし，蒸気タービンに直結して駆動することを念頭に，押し退吸込圧力を調整する．ポンプの負荷は圧力調整弁⑪により調整され，その時の流量を流量計⑫で計測す

け容積10cc/rev，回転数3,600rpm まで運転可能となるような設計を行った．設計仕様である回転数
3,600rpm＠７MPa において，ポンプ内でしゅう動る．ポンプ内部状態を計測するため，吸込ポート直前とポンプ吐出側に圧力計と温度計を設置した．各計測器はJIS に規定されている油圧ポンプ試験要領

接触（ピストンとシリンダブロック，斜板とシュー， に準じて構成した．作動流体はフィルタ⑬により水弁板とシリンダブロックなど）する箇所のPV 値
質管理している．
（しゅう動面の面圧P としゅう動速度V の積で算出されるしゅう動特性を表す物理量）が従来実績のある水圧ポンプの仕様1,500rpm@14MPa と同程度になるため，高速運転が可能であると判断した．

3．試 験 回 路
試験回路図と試験装置外観図を図２に示す．作動
流体は水であるため，各構成機器もポンプ同様ステ
ンレスで製作されている．
高速ポンプを駆動するにあたり，高速回転になると吸込圧力が低下してキャビテーションが発生する
ことで，性能低下，機器破損への影響があると推測された．そのため，高速ポンプの試験ユニットは，吸込ラインにブーストポンプよりブースト圧を与えることが可能な構成とし，ブースト圧を約１MPaまで調整可能とする回路構成とした．高速水圧ポン
プ①は，回転数4,000rpm まで運転可能な電動機④を用いて，回転駆動され，ポンプの回転数とトルクは電動機とポンプの同軸上にトルク・回転検出器②③を用いて計測した．ポンプ吸込ラインは，ブースト圧を付与するブーストポンプ⑨を介したラインとタンクから直接吸込可能とするラインの２系統を設置した．ブースト圧を付与しない場合はストップ弁⑮を開き，ストップ弁⑭を閉じ，ブースト圧を付与する場合は，逆にストップ弁⑮を閉じ，ストップ弁⑭を開く．また，ブースト圧は圧力調整弁⑩により

図２

10

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

4．試験結果及び考察

図 ３ ～ ６ に 負 荷 圧 力 ７MPa に お け る 回 転 数
500 ～ 3,600rpm の 範 囲 の 容 積 効 率， 機 械 効 率，
全効率の性能特性を示す2）．この結果から負荷圧力
７MPa，回転数3,600rpm の場合，各効率はそれぞれ，容積効率94％，機械効率89％，全効率84％となった．
図３の容積効率変化をみると，低速から高速まで
急激な変化は見られない．キャビテーションは発生していないと判断した．また，図６のトルク損失を見ると，500 ～ 1,500rpmにかけて２次曲線的に減少，1,500rpmで最もトルク損失が少ない．商用回
転数を超えた凡そ1,800rpm域まで損失トルクが減少している．1,800rpm ～ 3,600rpmにかけては流体潤滑域に入り，ほぼ比例して直線的にトルク損失が増加していることがわかる．これらの変化は，ポンプ内部しゅう動部の潤滑状態の変化（混合潤滑域，
流体潤滑域）に起因していると考えられる．これらの現象解明にはさらなる研究が望まれる．

5．ま

と

め

高速水圧ポンプの試作において，水圧ポンプのこれまでの実績から本ポンプの中圧域での高速回転時の性能を実験的に調査した．軸受部やしゅう動部では水膜が形成されるよう隙間や静圧軸受構造が設計試験回路と試験装置

2013年７月（平成25年）

大林・石川：中圧域における高速水圧ポンプの特性

図３

図４

図６

容積効率

機械効率

211

トルク損失

されている．しかし，水膜はポンプに働く内部，外部からの負荷で必ずしも一定には保持しきれず，直接接触することも念頭に設計を行わなければならな
い．実験回転数である3,600rpm，圧力７MPaは火力発電所を調査訪問して蒸気タービン系の油圧技術の仕様から決定している．その結果，PV 値（P：しゅう動部での面圧，V：しゅう動部での相対速度）に注目して，従来運転時の14MPaを７MPaとし，回転数を増速した．テスト検証のための試験装置の製作について，高速ポンプの運転上重要な注意要因
は，ポンプ動作時の吸込圧力の低下によるキャビテ－ションの発生であるが，ブースト無しで運転可能であるとわかった．性能試験から，容積効率（94％），機械効率（89％），全効率（84％）が得られた．ADS と工場プラント蒸気の融合の実現可能性が高いシステムの一つであり，これに応用すること
で電気を介さずに各種産業機械を高出力，高精度に駆動制御することが可能なシステムの実現が展望される．
なお，本内容は㈶機械システム振興協会において競輪の補助金を受けて実施されたものである．
参考文献
１ ）山口惇，岡元義尚，汪雄鷹：水圧システム機器に用いる摺動部材PEEKの摩擦特性について，日本フルードパ
ワ ー シ ス テ ム 学 会 論 文 集，Vol. 34，No. 2，p. 14-19（2003）
２ ）㈳日本フルードパワー工業会：新・水圧技術を用いたロボティクスの新基軸応用に関するフィージビリティ
スタディ報告書（原稿受付：2013年 ４ 月 ８ 日）

図５

全効率
フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

11

212

フルードパワーシステム

解 説

水圧シリンダとその応用－１

著

者

紹

2．低圧用水圧シリンダの特長と開発課題

介
むら

かみ

村 上

やす

康

ひろ

裕

株式会社村上製作所〒761-0102 香川県高松市新田町甲2971-１
E-mail : murakami-y@murakamss.co.jp

1977年日本工業大学・機械工学科卒業後，㈱三輪精機を経て，1979年㈱村上製作所に入社，現在に至る．日本フルードパワー工業会・水圧部会に所属．

2.1 構造性能
ここでは，参考文献１に記述する3.5MPa用水圧シリンダの結果を設計資料として用いている．
参考までに構造，仕様，部品構成をそれぞれ図２，
表１，表２に示す．

1 ．は じ め に
医療・介護・福祉施設において，入浴設備装置は大切な施設として，毎日使用されている．特に介護を必要とする方々においては，入浴することにより，一日の疲れを癒し，その日のストレスなどを洗い落とすための必要不可欠な装置として使われているが，殆どの介護を必要とされている方は，一人での入浴が不可能であり介助者の助けを借りて，入浴しなけ
ればならない．そこで，医療・介護・福祉施設のニーズに応えて開発されたのが，図１に示す「寝浴・座位浴一体型で入浴できる装置」，特殊入浴装置である．
この特殊入浴装置を製品化の重要機器として，低圧用水圧シリンダについてはすでに検討されている．

ロッドカバー

図２

3.5MPa用水圧シリンダ（複動型）

表１3.5MPa用水圧シリンダの仕様

シリンダ構造複動型片ロッド

作動流体

水道水

最高使用圧力3.5MPa

最低作動圧力0.5MPa以下

チューブ内径

50㎜

ロッド径

28㎜

ストローク

300㎜

表２

3.5MPa用水圧シリンダの部品構成

主要材料（接液部）

SUS材

シリンダチューブ

SUS材

ピストンロッド

SUS材

ピストンパッキン

樹脂

ピストンウエアリング

樹脂

ロッドパッキン

図１

12

第44巻

第４号

NBR／樹脂ロッドウエアリング

樹脂

ロッドワイパー樹脂

特殊入浴装置

フルードパワーシステム

ヘッドカバー

2013年７月（平成25年）

村上康裕：水圧シリンダとその応用－１

2.2 性能低圧用水圧シリンダには以下に示す性能が，特殊入浴装置に要求される．
・低速で滑らかな動作
・シールの密閉による荷重の保持

キャップカバー

図３

特殊入浴装置・低圧用シリンダ

表３

低圧用水圧シリンダの仕様

シリンダ構造作動流体
最高使用圧力
最低作動圧力チューブ内径
ロッド径
ストローク
表４

低圧用水圧シリンダの部品構成

主要材料（接液部）
シリンダチューブ
ピストンロッド
ピストンウエアリング
ロッドパッキンロッドウエアリング

図４

単動型片ロッド
水道水
1.5MPa1.0MPa以下
125㎜
110㎜
900㎜

SUS材
SUS材
SUS材
樹脂
NBR
樹脂

213

・滑らかでかつシール構造で摩擦抵抗が少ない工夫
・ピストンロッドは，常時水中での作動
この条件を基にして，特殊入浴装置に単動式低圧用水圧シリンダを開発した．
その構造，仕様，部品構成，試験装置をそれぞれ
図３，表３，表４，図４に示す．
2.3 特長
特殊入浴装置に用いた低圧用水圧シリンダの特長
として，・利用者にストレスを与えぬように，自重で安全に静かに下降するように，上昇時には単動式構造の水圧シリンダを採用し，ピストンロッドにクッションラバーとクッション防止対策を取入れている．
・シールの密閉性を保持するため，NBR系のロッド
パッキンを使用している．
・昇降時の滑らかな動きを保つため，各ウエアリン
グには，水圧専用樹脂系を装着し，摩擦抵抗軽減にも配慮している．
・ピストンロッドは，常時水中での昇降を行うため，
SUS材に硬質クロムメッキを施して対応している．
・定期点検の容易化を図るため，タイロッド式水圧シリンダ構造を採用している．
以上のように実用化した水圧駆動式装置は，介護者利用時の安心・安全性が保たれ，なおかつ，介護者の入浴時に介助されるスタッフの作業負担の軽減化にも，繋がっている．

3．特殊入浴装置への応用
現要求の課題を解決し実用化し，特殊入浴装置の水圧シリンダとして，製品化に成功した．実用上の要求として，「低速作動時の滑らかな動き」，「シールの密閉保持」，「摩擦抵抗の軽減化」，｢常時水中での作動｣ など，クリアーすることができた．
3.1 構造
今回の特殊入浴装置を図５に示す．また使用する
水圧シリンダを図６にその仕様を表５示す．
図７の回路図，図８のシステム図から，特殊入浴装置使用前は，昇降プレートは上昇した状態で，水低圧用水圧シリンダ試験装置

図５
フルードパワーシステム

第44巻

特殊入浴装置

第４号

2013年７月（平成25年）

13

214

フルードパワーシステム

図６

単動１段式水圧シリンダ

表５

昇 降 方 式特殊入浴装置仕様

単動１段水圧シリンダ式
定格圧力（押側）：１MPa
チューブ径：φ134×φ125
ロッド径：φ110
ストローク：900㎜
重量：約75㎏

図８

システム図

４．お わ り に

4.1 さらなる課題
今回の低圧用水圧シリンダは，単動１段式を採用
昇 降 速 度
２～ 3m/min
し，構造の簡素化を図っているが，設置には，浴槽昇降プレート1,650L×940W
下面から１m以上のピットが必要であるため，設置
昇 降 荷 重180㎏
工事の経費負担が掛かってくる．これらの経費負担
水圧ユニット
口径：φ32を軽減するため，現在単動２段式テレスコープ方式
流量：34L/min－10L/min
揚程：45m
水圧シリンダの開発に取組んでいる．
電動機：0.75kW
テレスコープ方式を採用することにより，水圧シ
リンダの小型軽量化になり，埋設深さの軽減化が図れ，現地工事の短縮化にも繋がる．しかし，課題としては，
・小型化によるシリンダ部品の多様化による構造の複雑化とコスト高・受圧面積変化に伴う乗り心地への影響
・昇降作動抵抗へのさらなる工夫，ストロークエン
ド時の密着衝撃音（ウォーターハンマー）防止対策
図７ 回路図・定期点検時の作業メンテナンスの容易化
以上の課題を考慮して，現在取組んでいる．
水圧シリンダの市場において，医療・介護・福祉
圧シリンダのピストンロッドは浴槽の中で伸長し手施設に導入され，安心・安全が最優先の機器と選定動切換弁にて保持されている．
され，操作性のおいても他の機器に比べ簡単に操作
入浴時は，手動切換弁を下降側に切替えることにできることに繋がっている．この特殊入浴装置を導より，自重降下を開始する．途中停止も手動切換弁入された各施設において，利用される方々にも必要
により，任意の位置で停止可能である．浴槽から出な装置であるとともに，介助業務においても，高い
浴時は手動切換弁を上昇側に切替えると，水圧ユニットの電源が入り，ピストンロッドが伸長する． 信頼性が発揮されてることが証明できたことは，今上昇時においても手動切換弁を操作することにより， 後の低圧域でのこのような水圧技術の応用を示唆す
任意の位置で停止可能である．水圧シリンダ本体は， るものである．
浴槽底面に埋設（鞘管の中に設置している），固定
参考文献
されている．浴室は湿度が高く，電気・電子機器に
１ ）水道配管網圧力を利用した次世代型ユニバーサルアク
とっては苛酷な環境下であり，油圧方式では浴槽中
アドライブシステム（UniADS）の開発に関するフイー
での油漏れの危険性に繋がる．水圧駆動はこのいず
ジビリティスタディ報告書 日本フルードパワー工業
れにおいても支障は発生しない．単動式を採用する会 平成18年 ３ 月
ことにより水圧ユニットの構造も簡素化でき，定期（原稿受付：2013年 3 月30日）
点検時のメンテナンス向上にもなっている．

14

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

宇根利典：水圧シリンダとその応用－２

215

解 説

水圧シリンダとその応用－２

著

者

紹

やピストンチューブとクレビスが接着シールによっ

介
う

ね

宇 根

かず

利

のり

典

株式会社宇根鉄工所〒739-0265 広島県東広島市志和町冠141
E-mail : k-une@i-une.co.jp

1994年広島大学工学部建築学科卒業，㈱フジタ入社．1999年㈱宇根鉄工所入社，2008年同社
代表取締役就任，現在に至る．広島県内の公共工事を中心に各種水門の設計・製作・据付に従事．水圧シリンダを利用し都市型水害対策用の防水板を開発，2012年より販売開始．

1 ．は じ め に
近年，台風や前線の活発化による大雨に加え，気候変動やヒートアイランド現象などの影響により，狭い範囲に短時間で猛烈に降る雨（いわゆるゲリラ
豪雨）が，都市部を中心に各地で観測されている．
また，特に都市部では舗装面積が増え，雨水は地下に浸透しにくくなっている．これらの気象の変化や都市化によって，降雨量が以前は十分であった下水道の排水能力を超えてしまっている．
現在，大都市では，地下鉄や地下街などの地下構造物が多く存在するため，地上が冠水すると一気に地下に水が流れ込む都市型水害が各地で多発している．このゲリラ豪雨や高潮，津波による浸水被害を防ぐための装置として防水板があるが，手動操作によるものは有事の際に年配の方や女性による操作は現実的に難しく，また電動式は災害時の停電が発生するとその動力源を失ってしまうことが予想される．
そこで今回は，災害時にも比較的強い一般の水道水
配管網圧力を利用したシリンダを搭載した防水板を開発した．

2．低圧用複動式水圧シリンダの構造と性能
2.1

構

造

て止水されていることでパッキン交換に難があるな
ど，必ずしも水圧用として用いるのに適正ではな
かった．
それゆえ，メンテナンスの容易性，環境への配慮
からグリースを用いず，低圧でも滑らかに可動するシリンダを開発する必要があった．
2.2

性

能

製品の設置環境によってはメンテナンスのために
ピストンパッキンなどの交換を必要とする場合もあるので，図１に示すように，シリンダはタイロッド
式として容易に分解可能な形状となっている．また，
低水圧用水圧シリンダの仕様を表１に示す．

図１
表１

低圧用水圧シリンダ

低圧用水圧シリンダ仕様表

シリンダ構造複動型片ロッド

作動流体

水道水

定格圧力

1.0MPa

試験圧力1.5MPa

最低作動圧

1.0㎏ /㎠

チューブ内径

63㎜

ロッド径

20㎜

ストローク

170㎜

また一般の水道水配管網圧力を利用するため，0.2MPa程度の低圧でピストンがスムーズに動く必

災害時にも破壊されにくい動力源として，一般の水道水配管網圧力を利用可能な低圧用（1.0MPa以要がある．そのためのパッキン形状，性能が非常に大切になる．表２にシリンダの部品構成を示す．

下）水圧シリンダの開発を行った．
従来は空気圧シリンダを水圧に直接転用していたが，これはしゅう動部にグリースを用いていること

表３に示すように，シール別の摩擦抵抗値を計測し，低圧用水圧シリンダの水潤滑下におけるしゅう
動部（ピストンロッド）の摩擦力低減に最適な素材

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

15

216

フルードパワーシステム

表２

3.2 構
造
防水板は起伏する扉体とシリンダや配管を収納す

低圧用水圧シリンダ部品構成

主要部材（接液部）

SUS材

シリンダチューブ

SUS材

ピストンロッド

SUS材

ピストンパッキン

NBR

ピストンウエアリング

樹脂

ロッドパッキン

NBR

ロッドウエアリング

樹脂

ロッドワイパー樹脂

表３るピットで構成され，扉体とピットは特殊ヒンジで連結されている．扉体は水圧シリンダとガスダン
パーで起立・倒伏し，起立した扉体は格子状に配置された桁構造と折り畳み式の鋼製アームによって設
計水圧に耐え得る強度を確保している．扉体が倒伏した状態では，防水板の扉体は地面と同レベルとなり，その上を車などが走行することができる．
防水板の外観および一般図を図２，３，４に示す．

シール別 摩擦抵抗値

放置時間別しゅう動抵抗（静摩擦力）測定値と作動圧力
しゅう動抵抗（静摩擦力）（N） 作動試験

試料 シリンダー

回数

No.

No.

0h

1h

24h

MPa

n＝1

3

3

142

286

330

0.106

ピストン：HSD-63 n＝2

19

1

152

284

332

0.107

ロッド ：GNY-20 平均

－

－

147

285

331

0.107

n＝1

1

1

130

190

232

0.074

n＝2

10

2

76

110

120

0.039

n＝3

1

1

130

250

266

0.085

平均

－

－

112

183

206

0.066

試料

油圧系

空気圧系
ピストン：PSD-63
ロッド ：PNY-20

放置時間 放置時間 放置時間 圧力選定を行った．油圧系NBRシールと空気圧系NBR
シールとの摩擦抵抗値を比較した結果，空気圧系
NBRシールの方が摩擦抵抗値が低いため，パッキンには空気圧系NBRシールを採用した．
防水板に搭載する低圧用シリンダは，起立・倒伏
時には，最低作動圧内で作動することが求められる
ため，ピストンウエアリング，ロッドウエアリング，
ロッドワイパーにはピストンおよびロッドの動作を出来るだけ阻害しない樹脂素材を選定し，使用している．

図２

3．防水板への応用

図３

3.1 防水板の目的
起伏式防水板とは，ゲリラ豪雨や台風，高潮や津防水板設置事例（地下駐車場入口）

波による浸水被害を未然に防ぐための装置であり，建物の出入り口などに防水板を設置することにより水の浸入を防ぐことができる．
浸水を防ぐ方法としては，土嚢を積んだり，角落しといった板状の防水器具を組み立てる方法もある
が，設置に時間と労力が掛かる上，保管場所も必要となるため，起伏式防水板の方が省スペースで迅速

図４

防水板一般図かつ容易に対応でき，水の浸入を確実に防ぐことができる．

つぎに防水板を起立させるための回路について説明する．図５に示すように，上水道から水道水は操設置箇所としては，地下鉄や地下街の出入り口，
地下駐車場出入り口や機械式駐車場ピット前，オ
フィスビル入り口などが挙げられる．

作盤内の切換弁を経て防水板ピット内のシリンダへ供給される．４方切換弁を起立に切り換えるとピストンを押し出す方向にシリンダ内に水道水圧がかかり，ピストンロッドが伸びて扉体を起立させる．こ16

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

宇根利典：水圧シリンダとその応用－２217の時，シリンダ内の反対側の水は排水管を通して外部に排水される．
反対に切換弁を倒伏側に切り換えるとピストンロッドが縮む方向にシリンダ内に水道水圧がかかる
ため扉体が倒伏する．同様にシリンダ内の反対側の水は排水管を通して外部に排水される．

図６

回路図２

4．お わ り に
図５

回路図１

防水板は屋外に設置されるので，設置条件によっては水道水の凍結が予想されるため，回路内の水が凍結しないための工夫をしている．図６に示すように防水板ピット内に扉体の起伏用の水道配管とは別系統の排水配管をシリンダに配管し，凍結防止弁を設置した．４方切換弁を凍結防止に切り換えると回路 全 体 に 水 道 水 圧 が か か る． ピ ッ ト 内 の 温 度 が1.7℃を下回ると凍結防止弁の弁体が開くので水圧によって回路内の水が外部に排水されるため，回路内の水が流動することで回路内部の水の凍結を防止している．凍結防止のための配管は防水板内に配置された複数のシリンダ全体に排水に必要な水圧がかかるように起立・倒伏用の水道配管よりも小径にしてあるので，凍結防止の際に排水される水の量も通常の水道で夜間凍結防止のために蛇口からちょろ

低圧の水道水配管網圧力を利用した低圧用水圧シ
リンダを開発し，それを用いた防水板の特長を紹介した．気候変動によって今後ますます都市型水害が増えることが予想される．一方，各地で大都市化が進み，大規模な地下街や数多くの地下鉄路線が張り巡らされ，不特定多数の人々が利用している．ひとたび地下空間が浸水した場合には地上での水害とあわせ，甚大な被害となる危険性が高い．このような状況を背景とし，マンションやオフィスビルのみな
らず，地下街や地下鉄の出入り口などさまざまな場
所での防水板の設置が浸水被害を軽減する方策の一つとして重要性が増してくるものと考えられる．
参考文献
1 ）水道配管網圧力を利用した次世代型ユニバーサルアク
アドライブシステム（UniADS）の開発に関するフィー
ジビリティスタディ報告書／日本フルードパワー工業会（原稿受付：2013年 ３ 月28日）

ちょろ水を出しておく程度の排水量になっている．
ピット内の温度が1.7℃以上になれば，自然に凍結防止弁の弁体が閉じられ，排水も止まる仕組みになっている．

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

17

218

フルードパワーシステム

解 説

水圧電磁比例制御弁／水圧サーボ弁の開発とその応用

著

者

紹

をフィードバックしてPI制御の補償回路によりス

介
よし

だ

吉 田

ふと

太

し

プールの位置制御を行っている．

志表１

KYB株式会社
基盤技術研究所企画室ADS事業化推進グループ〒252-0328 神奈川県相模原市南区麻溝台1-12-1
E-mail：yoshida-fut@kyb.co.jp

定格流量［L/min］
定格圧力［MPa］

1998年信州大学大学院工学系研究科修士課程修了，同年KYB株式会社へ入社，水圧技術の研
究に従事

写真１

1．は じ め に
水圧電磁比例制御弁（以下，比例弁）および水圧サーボ弁（以下，サーボ弁）は，水を作動流体とするため，液圧の高速，高出力，高精度かつ安全性，高い衛生性，環境性を兼ね備えた流体機器である．
本報では各制御弁の構造的特徴と基本性能について説明するとともに各制御弁の応用例として食肉スライサーおよび圧力発生装置へ適用した事例を紹介する．

2．水圧電磁比例制御弁とその応用

比例弁の主な仕様

比例弁外観

図１

10 ～ 35
14

使用圧力範囲［MPa］

3.5 ～ 14

使用温度範囲［℃］

２～ 50

作動流体

水道水

入力電圧［Ｖ］

10

ソレノイド定格電流［Ａ］

１

比例弁の構造

2.1 構造と特徴
写真１に水圧電磁比例弁の外観写真，表１に主な仕様および図１に構造断面図を示す．本バルブは作2.2 解析的検討
バルブの更なる性能向上と設計指針を明らかにするためにバルブ全体の特性を伝達関数で表現し，各種パラメータの影響を検討した．図２に本バルブの動流体の潤滑性が低いことによる摩耗・摩擦を防ぐ
ため，スプール両端を静圧軸受けで支持している．
これによりスプールはスリーブ内で非接触で変位し，低粘性の水でも良好なしゅう動特性が得られる．ス

システムのブロック線図を示す．本バルブは式⑴のPI制御による補償回路部，実験結果を元に式⑵の一次遅れで定義したソレノイド部および，構造的特徴を考慮して式⑶の一次遅れで定義した案内弁部の３

プールはソレノイドの推力とばね力のバランスによって定位される．また，静圧軸受けの更なる効果

つの要素に分けることができる．これらから補償回路を除いたソレノイドと案内弁部の開ループの伝達を得るため，引張りばねを採用し，スプールの片方を自由端としている．これにより，横力やモーメン
トの発生を抑えることが可能になる．静圧軸受けから流出した水は，スプール端部の圧力室へ導かれ，特性は，式⑷の２次遅れ系で表される．最終的には補償回路を含めてフィードバック結合により式⑻の３次の伝達関数が導出される．なお，詳細は参考文
献を参照されたい1）, 2）, 3）．図３に周波数特性における比例ゲインの影響を示す．各条件において実験値

減衰絞りを介してタンクへ戻る．この位置に減衰絞りを設けることでスプール動作に対してメータアウ
トの水圧回路となり，粘性が小さくても減衰作用が効果的に得られる．更にバルブ性能の高度化を図る
ためにスプール変位を作動変圧器（LVDT；Linear
Variable Differential Transformer）で検出し，これ

18

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

と解析値は，定量的には必ずしも良い一致とはいえないが，定性的に特性をよく表現している．比例ゲ
インの調整により，共振点が20Hz程度の周波数の応答性に改善させることが可能であり，システムへの適用範囲の拡大が期待できる．図４に減衰絞りの2013年７月（平成25年）

吉田太志：水圧電磁比例制御弁／水圧サーボ弁の開発とその応用

219

周波数応答特性への影響についての結果を示す．絞
り径が小さいほうが共振周波数が低周波側へシフトしており減衰絞りの効果があることが示された．

図２

ブロック線図１
C（ s）＝ kP １＋ T s

⑴

I

図４

kP : Proprtional gain

周波数特性における減衰絞りの影響

TI : Integral timeF （ s）K SOL
S（ s）＝ SOL＝i s） １＋τ SOL s（⑵

KSOL : Coefficient of solenoid thrustτ SOL : Time constant of solenoid thrust
P
（ s）＝

x s）
（
１
＝
FSOL（ s ）（Γ － ξ ）s ＋（KSP＋β ）⑶

Γ : Coefficient of viscosity
β : Coefficient of flow forceξ : Coefficient of damping force
KSP : Spring constantV（ s）＝

x s）
（
Kω２
＝ ２
i s） s ＋２ςω s ＋ω２（⑷

KSP ＋ βτSOL（Γ － ξ ）⑸ς ＝１ １ ＋ τSOLω
２ τSOLω

⑹



K＝

ω ＝

K SOL
KSP＋β

⑺

１
kP Kω 2 s ＋
TI
s）
（
x
V
＝
＝
 SYS（s）
2（u s） 3s ＋2ςω s2＋（１＋ kP K ）ω 2 s＋ kP Kω
TI

図３

周波数特性における比例ゲインの影響

2.3

食肉スライサーへの応用

食肉スライサー（ハムやロース肉をスライスする
機械）への応用において，毎分80枚スライスする
丸刃とこれを駆動する水圧モータ・厚み設定用の水圧シリンダ他，筐体含め総重量約100㎏の可動部を水平往復動作させる（スライダー機構部と呼ぶ）ためのシリンダの駆動制御用に比例弁を適用した4）．
図５に水圧駆動式食肉スライサーの概略図，図６にスライダ機構部に関わる水圧回路図を示す．制御方
法 は， シ リ ン ダ の 変 位 を 制 御 パ ラ メ ー タ と し た
フィードバック制御とした．目標波形は，正弦波として，必要な振幅と周波数は，被加工物（肉片）の厚みと幅及び加工枚数から自動算出することで，任意の寸法の肉片に合わせて最適なストロークで加工ができる．従来機ではクランク機構のため，ストロークの変更はできなかったが，水圧化することで生産性の向上を図ることができる．図７にスライ
ダー制御試験の結果例を示す．⒜はスライダー目標⑻

図５

フルードパワーシステム

水圧駆動式食肉スライサー概略構造

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

19

220

フルードパワーシステム

値と変位，⒝はシリンダ圧力とシステムの供給圧力である．条件は，被加工物の寸法が幅270㎜×厚み100㎜の場合で，スライス枚数を毎分80枚とした．
ストロークで約134㎜，周波数で1.3Hzに相当する．
システムの供給圧力は５MPaとし，比例ゲインはKP＝２とした．図７⒜から，スライダーは目標値に対し，位相遅れが20°程度で良好に追従していること分かる．また，図７⒝から，シリンダ内でサージ圧
力や負圧の発生がなく，安定してシリンダが制御されていることが確認できる．

よび図８に構造断面図を示す．本サーボ弁はノズル
フラッパ型である．トルクモータでフラッパを左右に動かし，スプール両端の圧力室の圧力を変化させることでスプールを駆動する．作動流体の潤滑性が低いことによる摩耗・摩擦を防ぐため，スプール両端を静圧軸受けで支持している．これによりスプー
ルはスリーブ内で非接触で変位し，低粘性の水でも良好なしゅう動特性が得られる．また，静圧軸受けから流出した水はノズルへ導かれ，スプールを駆動するためのパイロット流量として有効に使われる．
表２

サーボ弁の主な仕様

定格流量［L/min］
定格圧力［MPa］

写真２

図６

サーボ弁外観10 ～ 8014

使用圧力範囲［MPa］

3.5 ～ 14

使用温度範囲［℃］

２～ 50

作動流体

水道水

入力電圧［Ｖ］±10

食肉スライサーのスライダー機構部の水圧回路

図８

3.2
⒜

サーボ弁の構造

基本性能

図９にサーボ弁の流量特性を示す．中立点近傍で１％程度の不感帯があるが，これはスプールがオー

スライダー目標値と変位

バーラップコンディションとなっているためである．
制御オリフィスが十分開いた範囲では入力電圧に対して比例した流量特性が得られている．図10に圧力ゲイン特性を示す．中立点近傍での圧力の不感帯がなく，入力電圧に対して比例して圧力が発生している．前述のとおりスプールはオーバーラップコン⒝

シリンダ圧力と供給圧

図７

スライダー制御試験結果

ディションであるがその隙間を最適化することで漏れ流量を抑えつつ，中立点近傍で不感帯のない圧力
ゲイン特性を得ることができる．このような特性は水であるがゆえの特長といえよう．図11に入力電3．水圧サーボ弁とその応用

圧に対するスプール変位の周波数特性を示す．入力
電圧25％の場合の振幅比（－3dB）と位相遅れ（－

3.1 構造と特徴
写真２にサーボ弁の外観写真，表２に主な仕様お90°）はそれぞれ60Hz，55Hzである．以上の結果
から，本サーボ弁が，各種システムへ応用するため

20

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

221

吉田太志：水圧電磁比例制御弁／水圧サーボ弁の開発とその応用の実用レベルの基本性能を有していることが確認できる．

し，増圧室の目標波形は，立ち上がり/立ち下がり
時間0.06 秒，保持時間0.04秒の台形波とした．先端圧力が目標の15MPaに到達し，繰り返し性のある圧力波形が得られていることが示された．
表３

 力発生装置の主
圧
な仕様

機器

図９

サーボ弁の流量特性

写真３

図10

圧力発生装置の外観

3.3

様

定格流量35L/min

増圧シリ
ンダ

ピストン径φ100
ロッド径φ60
ストローク100㎜
増圧比1.78

負荷配管

サイズ３/８インチ
長さ５m

ポンプ

押しのけ容積15cc/rev

サーボ弁の圧力ゲイン特性

図12

図11

仕

サーボ弁

圧力発生装置の水圧回路

サーボ弁の周波数応答特性

圧力発生装置への応用

圧力発生装置とは，サーボ弁で増圧シリンダを駆動し，増圧室の圧力を任意に制御するシステムである．本システムは樹脂などの成形機，錠剤などの粉体プレスおよび精密プレス機などへの展開が期待される．写真３に圧力発生装置の外観および表３に本装置の主な仕様，図12に水圧回路を示す．増圧室

図13

圧力制御試験結果例（配管あり）

と

め

4．ま

作動流体が水であることを特長とした水圧電磁比には長さ５ｍ，３/８インチ相当のステンレス配管を接続し，その先端まで増圧力を伝播させる構成とした．圧力制御は，増圧室の圧力を制御パラメータ

例制御弁および水圧サーボ弁を開発した．
水圧電磁比例制御弁ついては，理論解析と実験的としたフィードバック制御で行う．図13に増圧室に５ｍの配管を付けた場合の圧力制御の試験結果例を示す．条件は，供給圧12MPa，増圧力15MPaと検証から設計パラメータがバルブ性能に及ぼす影響を明らかにし，食肉加工機械に応用して従来機と同等性能を確保すると共に任意のストローク制御を可

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2013年７月（平成25年）

21

222

フルードパワーシステム

能にした従来機にない付加価値を持ったシステムを構築した．
水圧サーボ弁ついては，機器単体として基本性能を確保し，圧力発生装置に応用して実用レベルの精度と繰返し性のある圧力制御が可能であることを明らかにした．
参考文献
１ ）Yoshida, F., Miyakawa, S. : Characteristics of Proportional
Control Valve Using Tap Water, the 7th International
Fluid Power Conference, Group H, 445-456, 22-24
March 2010, Aachen, Germany．
２ ）Yoshida, F., Miyakawa，S. : Dynamic Characteristics

会of Proportional Control Valve Using Tap Water Experimental Examination-, the Twelfth Scandinavian
International, Conference on Fluid Power, Vol. 2 469480, 18-20 May 2011, Tampere, Finland．
３ ）Yoshida, F., Miyakawa, S. : Effect of Parameters on
Frequency Characteristics of Proportional Control
Valve Using Tap Water，the 8th JFPS international
Symposium on Fluid Power in Okinawa, Japan, on
October 25-28, 2011, CD-ROM.
４ ）大林義博，佐藤郁也：ADS（Aqua Drive System）の食肉加工機械への適用，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，p. 37-39（2012）（原稿受付：2013年 4 月 8 日）



告一般社団法人 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

本学会は下記によりJFPSフェローの認定を行います．

続年数については15年を満たさない場合でも，推薦を受けてフェローを選考する段階で学会長が特別に認め

１．JFPSフェローの趣旨と要件ることがあります．

JFPSフェローはフルードパワー技術の進展に貢献した

推薦理由．JFPSフェローの趣旨に合致する必要があり

正会員，本学会の諸活動に貢献した正会員に贈られる名誉ます．選考の重要な資料となります．可能な限り具体的にある称号です．認定された本人には本学会より認定証を交お伝えください．

付します．認定要件は上記に適合する人物で，かつ15年推薦代表者は任意のA4用紙に上記１）から３）を記入して，本学会・学会長宛てにお送りください．手元にコ以上継続して本学会の正会員であることです．

ピーを残すようお願いします．
２．JFPSフェロー推薦の方法

平成25年度フェローの推薦受付締め切りは平成25年９

下記要項が記載された推薦書によりJFPSフェローの推

月末日（消印有効）とします．

薦を受け付けます．
 ３名の推薦者の名前．その内１名が推薦代表者とな１）

３．推薦書送付先

り，代表者には代表者であることの記載，連絡先住所，一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会

電話番号，E-mailアドレスを記してください．すべて

学会長 香川利春の推薦者が同じ機関（企業・大学）の所属であること〒105-0011 東京都港区芝公園３―５―22

はできません．

機械振興会館 別館102

２）
 推薦者は正会員であることが望まれますが，必ずしも全ての者が正会員でなくてもかまいません．

４．選考結果の伝達

３）
 推薦される者（被推薦者）の名前とふりがな，英字フェロー選考結果は会告と学会ホームページにて公知しによる名前，連絡先住所，電話番号，E-mailアドレス．

ます．選考の途中経過や，選考の内容についての問い合わ

被推薦者は前記JFPSフェローの要件を満たさなければせについては，一切回答しませんので了承ください．

なりません．ただし，企業からの被推薦者の正会員継

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第４号

2013年７月（平成25年）

井口

務：水用高圧汎用バルブ

223

解 説

水用高圧汎用バルブ

著者

紹に用いられるスロットルバルブは，極めて小さな開

介
い

井

ぐち

口

つとむ

務

廣瀬バルブ工業株式会社〒522-0082 滋賀県彦根市安清町２-34
E-mail : tsutomu.iguchi@hirose-valves.co.jp

1980年廣瀬バルブ工業株式会社に入社．分集流弁、電磁操作
ストップバルブ等の汎用弁の開発、回転型昇圧器「RINT（リント）」の開発に従事．

度に設定されるケースが多く，キャビテーションエ
ロージョンによる壊食が激しい．同じサイズでの比較ではないが，コバルトを主成分とした合金がある
場合と無い場合の状態を，参考として図１に示す．
当たり部分に，もらい錆びがあるものの，コバルトを主成分とした合金の強靭さが理解しやすい．

1．は じ め に
びわ湖東岸に位置し，国宝彦根城を中心に広がる滋賀県彦根市．天守閣から東に広がる城下町，そのなかで「流体を完全遮断する（漏れゼロ）技術」が生まれ90年になるのだが，その間にさまざまな流
体に活かせる技術として進化した．本稿では，流体を完全遮断する技術を活かした水用高圧汎用バルブを紹介する．

2．材料、処理の選定と検証
流体に水を用いる場合，水用高圧汎用バルブに限らず乏しい潤滑性や高い蒸気圧に伴うキャビテー
ション，低粘度に起因する振動などには，特別な配図１

コ バルトを主成分とした合金が無い場合（左）とある場合（右）

歴史や実績のある技術に安全を求めるだけではな
く，新素材や新技術の採用も積極的に行なっている．
近年，オーステナイト系ステンレス鋼のＳ層（拡張オーステナイト層）に注目した，耐食性を損なうことなく，耐摩耗性を向上させる技術が開発された．

であることは間違いなく，失敗を繰り返しながら市場化に適した組み合わせを常に模索している1）．
水用高圧汎用バルブを構成する部品の材料には，Ｓ層には浸炭Ｓ層（炭素原子の侵入固溶による拡張
オーステナイト層）と窒化Ｓ層（窒素原子の侵入固溶による拡張オーステナイト層）があり，炭素または窒素原子を結晶格子間に侵入型に固溶させ，大き主としてエンジニアリングプラスチックやステンレ
ス鋼を用いる．真空焼入，超硬浸透処理，プラズマ
浸炭，真空浸炭などの熱処理技術や潤滑性を向上さな格子歪を生じることによりHv700 ～ 1000程度の高硬度が得られる新技術，KNT-NS処理とKNTCS処理のふたつが開発された2）．

せるためのテフロン充填ニッケルメッキなど表面処
理技術は，検証を行なったのち採用に至る．
これら技術の一部をここに紹介する．1900年に米国で発明されたコバルトを主成分とした合金は，この新技術は，ステンレス鋼のなかでも安価な材料の表面を，安価に硬化できることから，今後のさ慮が必要となる．これがコストアップの大きな要因

発電関連，航空産業，自動車産業，外科用インプラ
ント，食品加工など多くの産業に用いられている．
この技術を，水道用低圧汎用バルブの金属シート部分に採用した例は多く，水用高圧汎用バルブに於いても有効な技術として用いることができる．
その効果の一例を紹介する．デスケーリング装置

らなる技術改善に期待しながら，評価を行なっている．
新しい材料や熱処理，表面処理の採用にあたっては，まず水道水に浸漬，あるいは浸漬と乾燥を繰り返すなどの条件下で，半年程度の期間，錆びの発生や変色などの状態変化を観察する．水道水に浸漬し６年を経過した，今なお継続中の試験片があるのだ
が，数ヶ月程度での変化が激しく，その後は変化がフルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

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224

フルードパワーシステム

少ない傾向が強いことから，半年程度の期間を妥当と考えている．
評価が得られた材料や熱処理，表面処理は，試作品にて加工性や特性を検証する．2007年には，検証用設備を完成させた．圧力は０～ 21MPa，流量は０～ 220L/minを任意に設定できる．また，最高
圧力35MPa，最大流量20L/minのパイロット設備も備えている．この設備の特長は，シンプルな回路構成であること，冷却装置を備えていないことで，熱を持った水を放出し，新たに冷たい水道水を補給する効率100％の冷却システムで，イニシャルコス
トだけでなく，ランニングコストに於ける優位性を評価している（図２）．

3．水用高圧汎用バルブ
3.1 開発のコンセプト
従来製品の基本は，重厚長大産業をベースとした
やたらと頑丈な設計である．油圧用製品の場合，数十年間ノーメンテナンスで使用されるケースも珍し
くない．機能が単純な場合は，油圧用製品の材質を適宜に設計変更する場合が多い．したがって，内部部品のメンテナンス性に欠ける設計である．
新規に開発する水用高圧汎用バルブは，コンセプ
トを「クール＆シンプル」とし，メンテナンス性に重点を置いた設計・開発に取り組むべきと考えている．
3.2 水用高圧汎用バルブの紹介
3.2.1 従来の水用高圧汎用バルブ
従来の水用高圧汎用バルブとは，ストップバルブ，
スロットルバルブ，ボールバルブ，チェックバルブ
を指す．
ストップバルブ，スロットルバルブは，重厚長大の流れを呈する設計であるため，「クール＆シンプ
ル」と言えるものではない．接続方法にフランジタ
イプ・ねじ込みタイプ・ガスケットタイプを標準化していること，呼び径は８A ～ 150A、流量は０～10,000L/minと選択肢が豊富なことが特長である．

図２

試験設備

検証を終えれば耐久試験を行なう．水用高圧汎用
バルブの場合は，ポンプのように連続運転時間で評価するのではなく，ON－OFFのような繰り返し回数で評価する．耐久試験用設備の仕様は，最高圧力
21MPa，流量10L/minである．この設備は当初耐久試験を目的として設置したものではないが，30
年以上経過した現在でもなお初期仕様を保ちながら，
図４ ガスケットタイプ
現役で活躍している（図３）．
ストップバルブ

ねじ込みタイプ
ボールバルブ

ボールバルブは操作が簡単であること，開閉確認が容易であることから，現場に好まれる汎用バルブのひとつである．金属ボールを樹脂シートでシールする構造なので，流体や環境に合わせた材料の選択肢が豊富である．異物の噛み込みに弱い，上述のス
トップバルブに対して寿命が短いなどの短所を持つが，メンテナンスの容易さがこれらを補っている．

図３

接続方法はストップバルブと同様である．いずれも基本仕様は手動動作であるが，各種アクチュエータ
による操作も可能である．

耐久試験設備

チェックバルブの機能を期待されているユーザーは多いのだが，市場にはそれに答えるだけの能力を有する商品が少ないと嘆く声をしばしば耳にする．
ユーザーの声に応えるには，水用高圧汎用バルブに

24

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

井口

務：水用高圧汎用バルブ

225

於ける「流体を完全遮断する（漏れゼロ）技術」が最も重要である．

と，コンパクト設計が可能であること，複合化し易いことが挙げられる．

チェックバルブの漏れ試験では，その構造から
シート部分が目視できるため，漏れの有無が明確に判定できる．チェックバルブやボールバルブは，圧双方向からの流れが可能な４ポート３位置ON－
OFFバルブとしての実用化実験も行なっている．

力が低いほど漏れ易い傾向があることから，高低圧での確認が基本である．ユーザーの要求があれば，漏れの判定基準を，０滴／１分間とすることも可能
である（図５）．

図５

ねじ込み形チェックバルブ

3.2.2 パイロット操作チェックバルブ
近年，送水・放水といった一方的な流れの要求か
ら，制御を目的とした機能の要求が増えてきた．
そのひとつがパイロット操作チェックバルブである．チェックバルブの「流体を完全遮断する（漏れゼロ）技術」を活かしたパイロット操作チェックバ
ルブは，「クール＆シンプル」を目指す設計とユーザー要求がマッチしやすい．使用例には水門，試験装置，シール装置などがあり，制御回路に於いても安心して使える要素である（図６）．

図７

ガスケット形電磁操作ストップバルブ（２ポート２位置ON－OFFバルブ）

3.2.4 リリーフバルブ
水圧回路に安全弁の目的で使用される要素は既に市販されているが，ここでは圧力を制御する目的の要素として，リリーフバルブを紹介する．
リリーフバルブは，圧力オーバライド特性と応答性によって評価される．一般的には直動タイプよりバランスピストンタイプの方が，広い範囲で圧力
オーバライド特性が良好となるのだが，水用としてはメンテナンス性が良好で，構造がシンプルな直動タイプが有効である．
ポペットのＴポート側ガイド部にダンパを兼ねた

図６

パイロット操作チェックバルブ

3.2.3 電磁操作ストップバルブ（２ポート２位置ON－OFFバルブ）
水用２ポート２位置ON－OFFバルブの欠点である，作動の不安定さ，制限される流れ方向を解決するために開発されたのが，電磁操作ストップバルブ
である．呼び径は15A，最大流量は90L/min，最高3）．
使用圧力は14MPaである（図７）
滋賀県の「滋賀県中小企業新技術開発プロジェク
ト補助金」を受け，水用ウェットタイプソレノイドを用いた電磁操作ストップバルブの開発も進めている．このバルブの特長は，構造がシンプルであるこ
フルードパワーシステム

図８

ガスケット形リリーフバルブ

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

25

226

フルードパワーシステム

図９

圧力オーバライド特性

シールとＰポート側先端を延長して設けた粘性ダンパの複合により，振動を制御していることを特長とした構造である（図８）．
実測した圧力オーバライド特性を図９に示す．実
用化できる特性に達しているが，さらなる特性の向上と安定性，メンテナンス性，コスト改善を目指して，開発に取り組んでいる4）．
実測データと理論計算値の比較については，別の機会で紹介したい．
3.2.5 フローコントロールバルブ
フローコントロールバルブは，流量設定用絞り部と圧力補償部から構成される．一般的に流量設定用
絞り部を可変としたほうが，流量調整範囲の広いフローコントロールバルブを実現できるのだが，メン
テナンス性が良好で，構造がシンプルな絞り部を固定とする構造が水圧用として適している．（図10）図11流量－圧力特性

4．終わりに送水を目的とした水圧機械は，すでに市場に広く浸透している．今目指すのは，「水で機械を動かす」
であり，新しい水圧市場への展開である．そのためには市場への啓蒙とシステム設計が容易な環境作りが不可欠で，それを実現するための要素の充実が不可欠であると考えている．
ところがシステム設計者からみると，水圧用要素のカタログ掲載はきわめて少なく，探したとしても選択肢の少なさに悩まされるとの声を聞く．加えて、技術データの入手がきわめて困難，リスクが見えな
い，などさまざまな障害も見えてくる．システム設
計者を悩ますことは要素メーカーの責任であるのだ
が，装置仕様によってさまざまな材質の組み合わせが可能であること，市場実績をオープンにできない事情があることなどから，カタログ掲載というわかりやすい可視化ができないことをご理解願いたい．
紹介した水用高圧汎用バルブのほかに，洗浄装置
やウォータージェット切断機などに用いられる最高
使用圧力400MPaの超高圧ストップバルブも水用高圧汎用バルブのひとつである．超高圧の分野は食品や医療への実用化も進んでいることから，軽薄短小の新しい分野への水圧の参入に期待したい．
ハイテク商品は目に付きやすく，誰もが興味をそそ

図10

カートリッジ形流量調整バルブ

流量設定用絞り穴に薄刃オリフィス形状を採用しているのは，加工精度の安定を目的としたものである．水圧においてもこの形状によって，何かしら新しい現象が解明されるのではないかと，筆者は密かに期待している．この構造の欠点は，調整流量範囲が狭く，流量安定性に欠けることであるが，これらの改善を課題として取り組んでいる（図11）．

られる，華やかな位置にある．それに比べ，ニッチ商
品やローテク商品への注目度は低いため，いつの時代も縁の下にある．だが，ニッチ商品やローテク商品
がハイテク商品を支えていることも忘れないで欲しい．
参考文献
１ ）社団法人日本フルードパワー工業会：アクアドライブ
システム－技術資料 Vol.1，p.10-11（2001.12）
２ ）坪田輝一著：国友熱工技報 ３ １ 章，p.1（2012.12）
３ ，４ ）社団法人日本フルードパワーシステム学会：アクア
ドライブ技術の進展 ２ 章，p.23，p.26（2011. 4 ）

26

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）（原稿受付：2013年 ４ 月 ５ 日）

村田秀紀：水圧機器用シール

227

解 説

水圧機器用シール

著

者

紹

介
むら

た

村 田

ひで

秀

き

紀

株式会社阪上製作所技術本部設計部〒273-0864 千葉県船橋市北本町２-２-１
E-mail : h-murata@sakagami-ltd.co.jp
2009年株式会社阪上製作所入社
主に油圧用シール，水圧用シールの開発などの業務に従事．

1．は じ め に
産業機械の駆動源として一般的に『油圧』，『空気圧』，『電動』が利用されてきている中，水道水（清水）を圧力媒体として用いる水圧駆動／アクアドラ
イブシステム（ADS）は，その特徴である「小型」，「高速」，「高出力」，「清浄性」などの特性によって，新たな駆動源として注目を浴びている．しかし，シールにとっては水の潤滑性が油に比べて劣ること
や乾燥・蒸発しやすいなどの潤滑条件の違いから，摩擦や耐久性（摩耗）の面で不利な要因を多く有している（図１に水圧と油圧の特性比較を示す）．
その中でシールの寿命向上にあたっては，以下に示すように機器の材質・しゅう動部材の選定や仕上

図１

水圧と油圧の特性比較

げ，ならびにシール形状と材質選定などを総合的に配慮することが重要である．
⑴ 水の粘性は油の１/50程度で膜厚も１/ ７程度
であることから，シールの摩耗は相手摺動面の粗さに支配される．そのため，相手しゅう動面の粗さは油圧機器に比べ良好にする必要があるが，相手しゅ
う動面に適切な表面処理を施すこともシールの寿命向上に効果が期待できる．
⑵ 機器の部材にも防錆・耐腐食・耐摩耗性の高いメッキや表面処理が必要と考える．
⑶ 軸受部材は相手しゅう動面への攻撃性を考慮す
ると金属より樹脂が好ましい．

2．水圧用シールの選定ポイント
2.1 現状と技術的問題点
水圧専用シールは未だ確立されているとはいい難い状況にあり，現状では利便性の高い市販油圧・空気圧シール，ダストシール（図２，３参照）を流用しているが，つぎの問題点を抱えている．
⑴ 油圧用シール1）は密封性能への要求が高く，油膜の制御に重点を置いた断面形状がなされている．
これを低粘度の水潤滑条件下で使用すると，密封機

図２

水圧用に使用している既存油圧・空気圧用シール例

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

27

228

フルードパワーシステム

図３

水圧用に使用している既存ダストシール例

能が過大に作用し潤滑切れになりやすい状況となり，耐久性が低下（摩耗の促進により密封性が低下）し，作動（摩擦）特性も悪化する．
⑵ 空気圧用シール1）は作動特性への要求が高く，潤滑剤（グリース）の保持性にも重点を置いた断面形状がなされていることから，耐圧性が劣るとともに低粘度の水潤滑条件下では密封機能が低下する．
⑶ 樹脂製組合せシールが現状では水潤滑条件下での耐久性・作動特性・耐圧性のバランスがもっとも優れている．ただし，しゅう動面に接する樹脂類（PTFE等）は合成ゴムに比べ剛性が高く機械的強度が高いことから，密封機能に適した弾性特性・柔軟性に欠けるため，圧力保持用途に適さず，また，装着性にも難点がある．
2.2 低圧仕様シール
水道配管網（圧力：0.15 ～ 0.74MPa）レベルの低圧域で摩耗・破損の要因となる摩擦抵抗の低減には，しゅう動面を常に湿潤状態にし，水膜を保持することが有効であり，寿命を向上させることにもつながる．
そこで，水膜が厚く形成され，摩擦抵抗も低い既存の市販空気圧シールを中心に耐久評価を実施した．
図４ 低圧条件下での耐久評価結果
常に水潤滑条件下にある複動シリンダのピストン
パッキンにおいても，粘性の低い水潤滑により相手
しゅう動面の粗さの影響を受けやすい状況の中，耐さアップ品は比較的早い段階から摩耗が進行し，短摩耗NBR材が効果的であることが確認された．
寿命傾向となった．
また，ロッド部においてはロッドの外気曝露およ
その理由については，ゴム硬さアップに伴う接面
び摩擦熱によって水潤滑の水膜が蒸発し，ロッド引応力の増大によって摺動抵抗や摩擦熱が上昇したこ
き工程では乾燥潤滑下での摺動状態となりやすいことで，しゅう動面の水膜が蒸発・乾燥し，シール摩とから，安定した耐摩耗性，耐スティックスリップ
耗が加速されたことが原因と考える．
性を得るためには，ロッドパッキンとダストシール
なお，耐摩耗NBR/Hs70を用いて専用設計した組をセット（シールシステム）として考える必要があ
合せシール№C，E（ヒール部に樹脂製リング）をる．
評価したところ，約100㎞しゅう動するまで漏れの参考までに以下に耐久評価結果（図４）からの考察
発生はみられず，作動特性もバラツキが少ないなどを述べる．
安定した性能を有していることが確認された．
⑴ ロッドパッキン⑵ 併用ダストシール
市販空気圧用Uパッキンの硬さ違い品（標準硬さ
ロッドパッキンの結果と同傾向の摩耗進行や損傷
品： 耐 摩 耗NBR/Hs70， 硬 さ ア ッ プ 品： 耐 摩 耗
状況を示しており，ロッドパッキンと同様に潤滑
NBR/Hs90）にて作動耐久試験を実施した結果，標（水膜）の悪化状況に合わせた選定が必要であるこ
準硬さ品の耐久性が約100㎞であったのに対し，硬とを示唆している．

28

フルードパワーシステム

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第４号

2013年７月（平成25年）

村田秀紀：水圧機器用シール

なお，ロッド部をゴム製のシールで構成した場合，
ロッド表面の水膜が蒸発・乾燥した状態において，程度に差はあるものの異音（スティックスリップ）が発生している．これより，流体潤滑を維持できるような，水膜の掻き出し・掻き戻しの量を最適化したシール形状設計ならびに自己潤滑性を有する材料
設計や滑性処理技術などの開発が必要である．
⑶ ピストンパッキン
既存の各種空気圧用シールを中心に評価したが，いずれも摩耗の進行および密封機能にバラツキがみられたものの，耐摩耗NBR材は概ね摺動100㎞前後（80 ～ 110㎞）の耐久性を有する．
2.3 中圧仕様シール
中圧域（７MPa）での使用を想定し市販油圧用シールを中心とした選定となるが，油圧用Uパッキンを例にした場合，シール性を重視した耐圧設計形
状（剛性が高くリップ先端シャープエッジ）になっているため，低粘度における水潤滑の条件下では水膜を掻き取り過ぎて潤滑不良に起因する問題が懸念される．
そこで，市販油圧用シールを中心とした耐久評価を実施したところ，シールの初期摩耗による若干のシール性低下が水膜形成にプラスの効果をもたらし，シールの摩耗進行の軽減に寄与していることが確認され，特にピストンシールにその傾向が強く現れた．
また，寿命延長を考慮した場合，図５に示す耐摩耗NBR材質の油圧用ピストンパッキンの選定は効果的であった（樹脂ウェアリングの併用を推奨）．
ロッドパッキンにおいては，ロッド引き工程での乾燥潤滑下でのしゅう動状態と圧力（中圧）による影響で，シール内周しゅう動面の摩耗促進と内周ヒール部のはみ出しムシレが生じやすくなる傾向がみられた．
そのため，水潤滑の中圧条件下で効果的なシール形状の選定が必要となるが，シール性の良い油圧用
Uパッキンと自己潤滑性のある樹脂製シールリングの組合せ品である専用設計のロッドパッキンは，油圧用Uパッキン単体よりも寿命延長の効果があった．
また，ダストシールにおいては，低圧域より更に
しゅう動条件が厳しくなりゴム単体品では摩耗が進行しやすくなることから，樹脂製組合せダストシー
ルの選定は耐久結果からも望ましい．
なお，軸受は樹脂製品とした．
2.4 高圧仕様シール
高圧域（14MPa以上）では，水潤滑の条件下にて相手摺動面の粗さ等の表面状態の影響を顕著に受けやすく，摩耗が促進される問題があるため，自己潤滑性のある特殊合成樹脂製シールリングとOリングの組合せシールを中心としたシール構成で耐久評価を実施した．評価結果を図６に示す．

図５

229

中圧条件下での耐久評価結果

樹脂製組合せシールは，ゴム製パッキンに比べ粗さ・傷・異物の噛み込みなどの影響を受けやすく密封性が劣ることから，ロッド部においては水膜が厚くなり外部に滴下漏れをする可能性があるため，自己潤滑性を有するゴム製ロッドパッキンを併用してパッキン間にドレンポートを設置している．
また，ダストシールにはロッド部の外気曝露および摩擦熱によって水潤滑の水膜が蒸発し，乾燥潤滑下での摺動状態となりやすいため，耐摩耗性・耐ス
ティックスリップ性を考慮して樹脂製組合せタイプ
を用いた．
ピストンおよびロッド部の軸受は，潤滑性が劣り傷やカジリの影響を受けやすい金属製ではなく，自己潤滑性のある樹脂の中でも耐摩耗性の優れる特殊
合成樹脂製品を使用した．
なお，本評価は耐久性を重視して組合せシールを中心としたシール構成にしているが，ゴム製パッキンに比べ密封面で劣ることから中間停止や圧力保持をする用途には不向きである．密封性を重視する場
合は，耐久性は劣るがゴム製Uパッキンに耐摩耗
PTFEバックアップリングを併用するのが望ましい．
⑴ ロッドパッキン
１次側（圧力側）：樹脂製組合せシールのしゅう
動面には細かい縦傷摩耗がみられる程度で，しめしろも残されている状況から，継続使用可能な状態にある．
２次側（大気側）：自己潤滑性を有するゴム製空気圧用パッキンの内外周リップ部に永久歪とわずか

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

29

230

フルードパワーシステム

図７

ベーン形アクチュエータとシール構成図

3．お わ り に図６

水特有の問題点に対して，シール設計には下記の内容を考慮したアプローチが重要である．
⑴ 形状設計
水潤滑条件下において，低速作動域でのスティックスリップなどの作動特性の悪化や，潤滑切れによる摩擦上昇・異常摩耗・破損等を生じないようにするために，シールを常に流体潤滑域に維持することを考慮した形状とする．

高圧条件下での耐久評価結果

な摩耗がみられ，内周しゅう動面には摩耗粉が堆積しているもののしめしろは残存している状況から，継続使用可能な状態にある．
⑵ 併用ダストシール
樹脂製シールリングの内周しゅう動面には縦傷や比較的大きな摩耗がみられることから，寿命向上にあたってはしめしろの設定見直しと剛性を抑えた形
状変更が必要と考える．
⑶ ピストンパッキン
樹脂製組合せシールのしゅう動面には細かい縦傷
摩耗がみられる程度でしめしろも残されている状況
から，継続使用可能な状態にある．
⑷ ピストン・ロッド軸受
ピストン・ロッド用ともしゅう動面に細かい縦傷がみられるが状態変化は少なく，継続使用可能な状
態にある．
2.5 揺動機器向けシール
ベーン形アクチュエータは，ベーンにより仕切られた空間で生じた差圧により出力を得る装置であり，可動角を１回転以上必要としない機器で使用される．
3.5 ～ 14MPaの中高圧域で動作させ，水道水を作動流体として使用することができる．この装置ではベーン先端部に棒状のシールが必要となる．合成ゴ
ム製のシールでは，しゅう動抵抗が大きくシールの破損や動作不良に繋がるため，耐摩耗性に優れ，自己潤滑性を持つ特殊合成樹脂をしゅう動面に使用す
る．樹脂単体では弾性に乏しいため，内側にゴム材質を組み合わせて使用する．

図８

図９

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

Uパッキンの接面応力と潤滑水膜の形態⑵

材質設計
水潤滑下における高しゅう動負荷に適した材料と表面処理を選択する．
⑶ シールシステムの構築
シール単体以外に，併用するダストシール・軸受などの関連部品の個々の性能およびシールとの補完機能を活かした最適組合せを設定する．
上記内容とともに，既存のシール技術や設計ノウ
ハウを活かし，低圧（水道圧）から高圧（21MPa）まで対応した，入手性・信頼性の高い水圧専用シールの開発を進めていきたいと考える．
参考文献
１ ）㈱阪上製作所編：油空圧シール技術のすべて，日本工
業出版


30

シールの接面応力

2013年７月（平成25年）（原稿受付：2013年 ４ 月 ９ 日）

吉田和弘：2013年度精密工学会春季大会学術講演会におけるフルードパワー技術研究

231

会議報告

2013年度精密工学会春季大会学術講演会におけるフルードパワー技術研究
著者

紹

デルを構築している．つぎに，本関節を試作し，リ

介
よし

吉

だ

田

かず

ひろ

和

弘

東京工業大学精密工学研究所〒226-8503 横浜市緑区長津田町4259-R2-42
E-mail : yoshida@pi.titech.ac.jp

1989年東京工業大学大学院博士課程修了，同年同大学助手，1996年同大学助教授（現，准教授）．2008年10月～ 2009年３月米国UCSB客員研
究員．流体マイクロマシン，機能性流体の研究に従事．JFPS，JSME，IEEEなどの会員．工学博
士．

ニアアクチュエータでシリンダを駆動して水を供給
し，水の供給体積と屈曲角度の関係，水の供給体積とベローズ内圧の関係，および外力によるベローズ
内圧の変化について実験的に明らかにしている．
天方らは，４自由度の油圧駆動の工具支持部を有する，直径250㎜の下水管用の管内作業ロボットの開発を行っている3）．まず，３自由度平面パラレルリンク機構および旋回用モータから成り，可動範囲が広く剛性が高い本機構の構造を明らかにしている．
つぎに，手先剛性の解析および評価を行い，各リン
1．は じ め にクの寸法を求めている．最後に，各油圧シリンダに公益社団法人精密工学会は，設計・生産システム， ステッピングモータおよびボールねじで油圧シリン
精密加工，メカトロニクス，精密計測，および人・ダを駆動し作動油を供給する，全長750㎜の管内作環境を対象にして「ものづくり」に関わる問題を広業ロボットの設計，試作を行っている．
く探求している学会であり，毎年春と秋の２回，全
2.2 空気圧関連
関連分野にわたる学術講演会を開催している1）．
空気圧関連では，ロボティクスセッションにおい2013年度春季大会は，３月13 ～ 15日に，東京工て空気圧回路に関する１件，人間工学セッションに業大学，大岡山キャンパスで開催された．本講演会
おける手術用マニピュレータの機構に関する２件，は，合計21件の発表を含む２件の国際シンポジウ
制御に関する２件，合計５件の発表があった．
ム，合計18件の発表を含む３件の国内シンポジウ
川合らは，空気圧ロボット駆動のためマイクロバ
ム，１件の特別講演，142件，最大20講演室パラ
ルブ集積化回路を提案し，MEMS技術を用いた試作
レルのオーガナイズドセッションにおける556件のを行っている4）．まず，アクチュエータ駆動用空気圧の複数のDrive Lineと，バルブ駆動用空気圧の複学術講演，２件のランチョンセミナー，学生会員卒
数のGate Lineによるマトリクス状空気圧回路から業研究発表講演会，および機器展示・カタログ展示を行う盛沢山なイベントであった．
学術講演は精密加工，精密計測に関するものが中心であったが，フルードパワー技術に関連する発表が９件あった．以下，各発表の概要を紹介する．

2．フルードパワー技術関連の発表内容
2.1 液圧関連
液圧関連では，ロボティクスセッションにおいて
液圧駆動メカニズムに関する２件の発表があった．
酒井らは，血管縫合などを行うマニピュレータの実現のため，球面軸受および２本のベローズを用いた液圧駆動型関節の開発を行っている2）．まず，２本のベローズ内の水圧により２自由度の屈曲を行う
本関節の構造を明らかにするとともに，その力学モ

成り，各ライン圧力のオンオフによりアクチュエー
タの制御を行うデバイスを提案し，その動作原理を明らかにしている．つぎに，MEMS技術を用いたガ
ラス基板上のシリコーンゴムの成型により本デバイスを試作し，その動作を実験的に確認している．
山本らは，手術用鉗子マニピュレータにおいてマ
ニピュレータ間の干渉を防ぎ作業性を向上するため，腹腔内での自由度を４に増やしたマニピュレータを開発している5）．まず，空気圧シリンダにより操作
する超弾性合金ワイヤのプッシュプル動作により合金製柔軟関節を屈曲させるマニピュレータを提案，試作し，力学モデルを構築している．つぎに，位置制御のメインループに力制御のマイナーループを内包したカスケード制御系を構築し，その特性およびフルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

31

232

フルードパワーシステム

有効性を実験的に明らかにしている．
吉野らは，腹腔鏡手術において臓器の把持や圧排を容易にするため，柔軟関節構造を用いた３本指の空気圧駆動ハンドを開発している6）．まず，切削加工の精密ばねから成る指の柔軟関節をワイヤを介して空気圧シリンダにより駆動するハンドを提案，試作している．つぎに，力制御をベースにしたカスケード制御系を構築し，位置制御特性を実験的に明

図１

形 状適応機能を有する多自由度ERアクチュエータの
基本ユニットらかにしている．最後に，空気圧シリンダへの外力から指先に作用する外力を推定する手法を示し，その有効性を実験的に明らかにしている．

ロボットアームを開発している10）．本EHDポンプは，絶縁性の流体に高電圧を印加したとき流れが生じる

原口らは，柔軟関節を用いた空気圧駆動鉗子マニ
ピュレータおよび外力推定法を開発している7）．まず，切削加工の精密ばねを応用し，ねじり剛性が高EHD現象を応用し，吐出，吸引ができるものである．
まず，低圧駆動の人工筋実現のため，膨張体およびスリーブの材質を低弾性の材料に変更して試作し，

く全方向90°の屈曲が可能な柔軟関節を用い，超合金製ワイヤを介して空気圧シリンダにより駆動する
マニピュレータを提案，試作し，力学モデルを構築

その妥当性を実験的に確認している．つぎに，この人工筋およびEHDポンプを用いた軽量なロボット
アームを試作し，その動作を確認している．

している．つぎに，先端部のセンサなしで，空気圧シリンダに加わる力から先端部の外力を推定する手法を開発し，その結果が外力の実測値とよく一致することを示し，その有効性を明らかにしている．
吉田らは，鉗子マニピュレータの作業性を向上するため，視覚情報および筋電を用いた力覚提示手法を開発している8）．まず，内視鏡によるマニピュ
レータ先端の変形画像を操作者に与え発生力を操作する手法を提案し，実験によりその妥当性を示すとともに，マニピュレータの剛性制御の有効性を指摘している．つぎに，操作者が力を入れたとき力覚感度が低下する知見に基づき，筋電により力のスケー
リングを行い前述の効果を補償する手法を提案し，実験によりその妥当性を確認している．
2.3 機能性流体関連
機能性流体関連では，新原理アクチュエータとその応用デバイスセッションおよびロボティクスセッ
ションにおいて，アクチュエータに関する２件の発表があった．
吉田らは，内視鏡検査の負担軽減のため，形状適応機能を有する多自由度ERアクチュエータを提案，開発している9）．まず，電界によるERFの粘度変化を応用した可動電極形ERバルブを用い，接触力による可動電極の変位に伴う圧力変化により屈曲動作を行う基本ユニット（図１）を多数連結したアクチュエータを提案している．つぎに，可動電極形３ポートERバルブを試作し，その特性を実験的に解明している．最後に，基本ユニットラージモデルを試作し，その動作の一部を実験により確認している．
坂内らは，家庭内で働くロボットのため，低圧駆動のマッキベン形人工筋とEHDポンプを用いた軽量32

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

3．お わ り に
本稿では，2013年度精密工学会春季大会学術講演
会におけるフルードパワー技術関連の発表の概要を紹介した．2013年度秋季大会は，９月12 ～ 14日に関西大学，千里山キャンパスで開催予定である1）．
参考文献
１ ）精密工学会ホームページhttp://www.jspe.or.jp/
２ ）酒井博充，小久保敬介，笹木亮，池本有助：ユニバー
サルジョイントを用いた液圧駆動型関節の基礎特性，
2013年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集（CD-ROM），p. 1081-1082（2013）
３ ）天方穂高，関啓明，神谷好承，疋津正利：多自由度な手
先を持つ管内作業ロボット，同上，p. 1083-1084（2013）４ ）川合健太郎，打越純一，有馬健太，森田瑞穂：ロボッ
ト駆動のためのマイクロバルブ集積化制御回路の開発，同上，p. 1079-1080（2013）５ ）山本将義，原口大輔，只野耕太郎，川嶋健嗣：腹腔内４ 自由度を有する鉗子マニピュレータの開発，同上，p.
983-984（2013）６ ）吉野秀行，原口大輔，只野耕太郎，川嶋健嗣：腹腔鏡
手 術 用 空 気 圧 駆 動 ハ ン ド の 開 発， 同 上，p. 987-988（2013）
７ ）原口大輔，只野耕太郎，川嶋健嗣：柔軟関節の空気圧駆動による手術マニピュレータの外力推定法，同上，p.
985-986（2013）８ ）吉田浩之，原口大輔，只野耕太郎，川嶋健嗣：手術ロ
ボットにおける視覚情報および筋電を利用した力覚提示方法の研究，同上，p. 989-990（2013）９ ）吉田和弘，箱田智史，嚴祥仁，横田眞一：形状適応機能を有する多自由度ERアクチュエータの開発（提案と基礎実験），同上，p. 751-752（2013）10）坂内亮太，山口智也，三井和幸：低圧駆動を目指した
EHDポンプ駆動型人工筋の開発とそれを搭載した軽量
ロボットアームの試作，同上，p. 1077-1078（2013）

2013年７月（平成25年）（原稿受付：2013年 ４ 月 １ 日）高橋

教

勉：入門講座「流体力学」 第６回：相似な流れとソウジゃない流れ

233

室

入門講座「流体力学」
第６回：相似な流れとソウジゃない流れ
著

者

紹

介
たか

はし

高 橋

つとむ

勉

E-mail : ttaka@nagaokaut.ac.jp
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．

1．流れの様子を一般化する
円は直径が大きくても小さくても円であり，正三角形も大きさによらず正三角形とよばれる．このように大きさが違っても形が同じと認識されるものを
幾何学的相似という．では，大きさの異なる円柱のまわりの流れ場は同様に相似形になるだろうか．円
柱まわりの流れの様子は円柱の直径だけではなく流れの速度で変化する．同じ物体形状でも空気の流れと水の流れでは流れの様子が変わるだろう．幾何学の問題のように単純には比べられない．しかし，水の流れを調べた結果をもとに空気の流れの様子が予想できたら便利である．小型の模型自動車を使って流れの抵抗を測定し，その結果から実際の自動車の空力特性が求まったら実験はずいぶんと楽になる．
このように，形だけではなく流れの様子や物体に作用する力の様子までを含めて現象の相似性を検討することはとても重要である．ある測定結果をもとにさまざまな状況を予測できるなら，その結果は一般化されたということができる．
今回は流動現象の一般化について考えよう．さらに、水や空気の流れからでは予測のできない身の回りにある流体についても紹介しよう．

2．巨神兵東京に現わる？

ラ東京に上陸」を例として使ってきたが，当世風にちょっと趣向を変えてみた．東京都現代美術館の展
覧会「特撮博物館 ミニチュアで見る昭和平成の技」（2012年夏）において公開された特撮短編映画「巨神兵東京に現わる」では，巨大な怪物「巨神兵」が突如現われ東京をあっという間に壊滅させた．日本が誇る特撮技術の粋を尽くして製作されたもので，CGに頼らずミニチュアと特撮でリアリティを追求した．身長数十メートルの本物の（？）巨神兵を捕まえてきて撮影するのは難しいので，人間サイズのミニチュアを作り，幾何学的にスケールを合わせたミニチュアの東京を破壊する様子を撮影する．ミニチュアの精密さや巨神兵人形のスムーズな動きの操り方など見事なものであるが，これらをビデオで撮影してふつうに見てもすぐにミニチュアだと見破られてしまう．我々にはさまざまな物理現象が常識として感覚に備わっている．高さ50mのビルが破壊されて破片が散らばるとき，50mの高さから落下した物体が地面に到達するまでの時間は２mのミニチュアから落下したものとは大きく異なる．ミニ
チュアのビルを破壊するとあっという間に破片が地面に達してしまうためローアングルでうまく撮影しても作り物だとすぐにわかってしまう．そこでス
ロー再生することになるが，どれくらい速度を引き延ばすと現実に近い映像になるかは落下という物理現象をキーにして計算することができる．ちなみにウルトラマンにこのテクニックは使えない．ウルト
ラマンは怪獣と跳んだりはねたりして格闘しなければならず，中に入っている人（？）が撮影時にどん
なに素速く動いても，スロー再生では動きが間延びしてしまう．物理法則（と背中のファスナー）には目をつむり，身長50mと信じて応援する純真な心が必要だ．

3．流れ場のミニチュアモデル実験

問題6–1：巨神兵とウルトラマン，身長が50mにみえるのはどちら？

特撮映画では科学的厳密さは不要であるが，飛行機や自動車のスケールモデルによる実験では正確に物理現象を再現しなくてはならない．ミニチュアで流れの相似について話をするとき，著者は「ゴジ実験して得られた揚力や抗力が実物の大きさではど

フルードパワーシステム

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33

234

フルードパワーシステム

れくらいになるかを正しく予測するためには，流れの様子，渦の形成やはく離点の位置などが正確に再現できなければならない．もしスケールの違う二つの流れ場が幾何学的だけではなく流れの様子や作用する力などを含めて相似となるなら，これを「力学的相似」という．
図１に示すように大小二つの円柱まわりの流れ場
が力学的に相似となる条件を考えよう．流れ場の相似性においてキーとなるパラメータがレイノルズ数
Reである．
ρUD
Re＝

⑴
μ
ここで，ρとμは流体の密度および粘度を表し，Uは一様流の速度，Dは円柱の直径である．円柱まわりの流れ場を考える場合，レイノルズ数が同じであれ
ば流れ場は力学的に相似となる．その証明は後回しにするとして，直径10㎝の円柱と１㎝の円柱の流れ場を比較する場合，直径が１/10になるならレイノルズ数を合わせるためにはUを10倍にする必要がある．同じ直径の円柱でも空気と水の中の流れを比較するならそれぞれのρとμを代入してReが等しくなるようにUを調整する．直径1㎝の円柱まわりの流れを可視化して前回学んだはく離点やうずの様子を撮影し，それを10倍に拡大して印刷すると同じ
レイノルズ数における直径10㎝の円柱まわりの流れ場と一致するはずだ．

図２

測定した円柱の抗力係数の一般化

が「一般化」されたといえる．各種の実験結果は一般化することでより有用な結果となる．
ではつぎに，なぜレイノルズ数で流れ場が一般化できるのかを考えてみよう．

4．流れ場に影響を及ぼす因子
流動現象の一般化を行う準備として，流れの様子に影響を及ぼす因子について考える．
問題6–2：一様流中におかれた直径の異なる二つの円柱のまわりの流れ場を検討したい．流れの様子に関係する因子を示せ．
問題を簡単にするために円柱は十分に長く流れは二次元として取り扱えるものとしよう．この場合，円柱の幾何学的な特徴は断面である円の直径D［m］
のみで決定できる．流体の種類として水や空気などがあるが，これらの力学的な特性は密度ρ［㎏/m3］と粘度 μ［Pa･s］が与えられれば決定できる．流れは一様流であるからその流速U［m/s］が流れを特

図１

徴付ける因子である．
このほかはどうだろうか？ 大気圧や水圧は流れの様子に直接的な影響は与えないので因子から除外
する．二つの円柱の材質が違ったとしても流れに影

幾何学的相似と力学的相似

また，実験結果を示すときに流速や直径を示すだ
けではなくレイノルズ数を用いて整理すると一般的響はない．しかし，もし表面がつるつるな円柱とざ
らざらな円柱があれば前回学んだサメ肌効果が生じな比較が可能となる．たとえば図２に示すように円て異なる流れ場になるかもしれない．この場合は表面粗さに関する幾何学的なパラメータが影響因子として上げられるだろう．他にも流れに関係する差異が二つの円柱あるいは流れ場に存在する場合にはそ

柱の抗力係数と流速の関係を実験で求めたとき，抗力係数をレイノルズ数の関係としてグラフにすると直径の異なる円柱や空気，水，油など異なる流体における結果が同じ曲線上にプロットされる．つまり， れらについて個々に検討しなければならない．ここでは基本的な問題として上述のD，U，ρ，μが流れある流体，ある大きさでの測定結果をもとにもっと広い条件の結果が予測できることになり，実験結果

34

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

場を決定づける因子であると考えることにしよう．

2013年７月（平成25年）

勉：入門講座「流体力学」 第６回：相似な流れとソウジゃない流れ

Dは長さの単位を持つ物理量であるので「代表長さ」とよぶ．同様にUを「代表速度」とよぶ．
［m］
，
［㎏］
，
［s］は長さ，質量，時間の単位であるが，力［N］や圧力［Pa］などの単位はこの３つの単位の組み合わせとして表すことができる．これ
らを基本単位という．国際単位系（SI）ではこの３つ以外に電流［A］，温度［K］なども基本単位とし（）∂ 2 vx ∂ 2 vx ∂ 2 vx
∂P
＋μ
＋
＋
＋ Xx
∂x 2 ∂y 2 ∂z 2
∂x

（

⑷

∂（vx＊U ）∂（vx＊U） ＊ ∂（vx＊U ）＋＋＋（vy＊U）（vx U ）＊∂（x＊D ）∂（ y ＊D ）
∂ t D
U
2
2
∂（vx＊U ） ∂（ p＊ pU ）∂ （ vx＊U）
μ＊＝＋（vz U ） ＊2＋∂（ z D） ∂（ x＊D）∂（ x ＊D）
ρ

（

2

）

2

∂（vx＊U ） ∂ （ vx＊U ） ＊ 2＋
2 ＋X x∂（ y D ） ∂（ z ＊D ）（⑸

式⑸において定数をくくり出すと，と定義し，「代表時間」とする．

ρU 2 ∂ vx＊
∂vx＊
∂vx＊
∂vx＊
＋ vx＊ ＊ ＋vy＊ ＊ ＋vz＊ ＊ ＝
＊
∂x
∂y
∂z
D ∂t

圧力についてはどうだろう？大気圧はこの流れ場に影響を及ぼさないので流れ場を代表する圧力にはならない．そこで，一様流が持つエネルギとして動圧を代表値として用いよう．円柱まわりの流れ場ではよどみ点において流速がゼロとなる．このとき，流体の運動エネルギは動圧として圧力に変換される．
その値はベルヌーイの定理より（1/2）ρU 2で表される．圧力の一般化のための代表値とするだけなの
で定数（1/2）は煩雑さを避けるために省き，ρU 2⑶

さてこれで流れ場を表すために必要な物理量すべての一般化した形が得られた．N-S方程式で出てくる諸量のうち物体力（重力など）X 以外は式⑵，⑶で関係づけられるのでこれらの式をN-S方程式に代

＝
 －

（

∂p＊
D
μ ∂ 2 vx＊ ∂ 2 vx＊ ∂ 2 vx＊＋ ＊2 ＋ ＊2 ＋ 2 Xx ⑺
＋
＊
2
＊
∂x
ρU
ρDU ∂x∂y∂z

右辺第２項のμ/ρDUはレイノルズ数の逆数である．
また，垂直なパイプを流れ落ちる水や水面の波を計算する場合にはx方向の物体力Xxとして重力ρɡが作用する．すると式⑺右辺第３項はつぎのように変型
される．
2
D
D
Dɡ
1
ρ
ɡ
＝
＝
＝ 2
X
⑻
x
ρU 2
ρU 2
U
Fr
Fr（＝U/ Dɡ ）はフルード数とよばれる無次元（数で，重力を考慮する必要がある場合の流れの相似性を表す重要なパラメータである．ReとFrを用いて式⑺を書き直すと以下のようになる．
∂p＊
∂vx＊
∂vx＊
∂vx＊
∂ vx＊
＋ vx＊ ＊ ＋vy＊ ＊ ＋vz＊ ＊ ＝－ ＊＋
＊
∂x
∂t
∂x
∂y
∂z

（

（

⑵

∂ vx＊
∂ vx＊
∂ vx＊ ＊ ∂ vx＊＋vx ＊ ＋ vy＊ ＊ ＋ vz＊ ＊
∂t ＊
∂x
∂y
∂z

（

れらを先に決めた代表値D，U，Tを用いて相対的な値（一般化された値）に変換しよう．x方向の速度成分vxは一様流速Uとの比較で相対的な値に変換す
る．vx＊ ＝vx/Uとするとvx＊ は代表速度に対する相対的な速度であり無次元（単位がない）量となる．以後，上添え字の＊がつく記号は無次元量であることを示す．速度成分と距離，時刻を無次元化すると以下のようになる．
vxvyvzvx＊＝ ，vy＊＝ ，vz＊＝
U
U
U

（

ρU 2 ∂p＊ μU ∂ 2 vx＊ ∂ 2 vx＊ ∂ 2 vx＊
＋
＋
＋Xx ⑹
＋
D ∂x ＊ D 2 ∂x ＊2 ∂y ＊2 ∂z ＊2となる．さらに両辺をρU2/Dで除すと，
－（

流れ場を決定する物理量は流れ場の３つの速度成分（vx, vy, vz）と圧力pであり，それらは時刻tと３方向の座標（x, y, z）の関数となることを学んだ．こ（5．流れに関する物理量を無次元化しよう

を代表圧力として用いる．
p
p＊＝
2
ρU

＝－

は以下のようになる．

としてDを用いることにした．では，時間［s］を

x
y
z
t
tU
x ＊＝ ，y ＊＝ ，z ＊＝ ，t ＊＝ ＝
D
D
D
T
D

）



ている．流れ場を決定づける因子としてD，U，ρ，μの４つを考えるとき，長さ［m］を代表するもの
代表する値はどうすれば得られるだろうか．DをUで除した値D/Uは時間の単位を持つ．これは一様流
が円柱の直径に相当する距離だけ流動するために必要な時間を意味する．この時間をT（＝D/U）［s］

235

入してみよう．x方向に対するN-S方程式，
ρ ∂vx ＋ vx ∂vx ＋ vy ∂vx ＋ vz ∂vx
∂x
∂y
∂t
∂z

（

高橋

１ ∂ 2 vx＊ ∂ 2 vx＊ ∂ 2 vx＊
1＋ ＊2 ＋ ＊2 ＋ 2
2
＊
Re ∂x
Fr
∂y
∂z
＊

 ⑼

印の付いた量は一般化された無次元量であるから

式⑻は無次元量のみで記述されており，一般化されたN-S方程式ということができる．流体の種類や流速，直径（物体形状）といった流れの情報はReの中に集約されている．同じく，重力に関する情報はFrにのみ影響を与える．重力が流れに関係ない場合
はReのみが流れ場の違いを表す量となる．その場
合，もしReが同じ流れ場があればそれらは一般化された状態で見ると全く同じ方程式で記述されることになり，生じる流れ場は「力学的相似」となる．

フルードパワーシステム

第44巻

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2013年７月（平成25年）

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236

フルードパワーシステム

6．レイノルズ数ってなに？

動特性を表すためには，粘性に加えて弾性の度合いを示す物性値が必要であり，レイノルズ数だけではこのように，レイノルズ数Reは流れの相似性を表す非常に重要なパラメータであることはわかった

力学的相似となる条件を満足できない．粘性力と弾性力の比であるワイッセンベルグ数，あるいは代表

が，具体的にはどんな意味を持つのか考えてみよう．
レイノルズ数の定義式を以下のように変形させてみ
る．
ρUD
ρU 2
Re ＝ μ ＝ U
 ⑽
μ（ ）
D
分子のρU2は代表圧力と同じであるが，ρUは流れ場において単位面積に相当する領域を１秒間に通過

時間と物質の持つ固有時間（緩和時間・遅延時間など）の比であるデボラ数も調整する必要がある．

する流体の質量を意味する．これにその質量の持つ
速度Uを掛けると運動量となる．つまり，ρU2は流体の持つ慣性力の大きさを表している．一方，分母

卵が出てきたので朝食メニューつながりでトーストの話をしよう．マーガリンはトーストにとても塗りやすい．バターナイフなどでマーガリンをひとかのカッコ内U/Dは速度のこう配∂v/∂yを代表するものといえる．すると，分母は速度こう配と粘性係数の積と考えれば粘性力を意味することになる．すな

たまりすくい取りトーストにこすりつけると，軽い力できれいに塗り伸ばすことができる．これに対し

わち，レイノルズ数は粘性力と慣性力の比を表すパラメータであることがわかる．
慣性力
Re ＝
 ⑾
粘性力
Reが小さい場合は慣性力の効果が弱い．円柱表
面からの流れのはく離は慣性力に強く関係し，円柱の場合Re＜５でははく離が起こらず後流にははっきりとしたうずは形成されない．Re＞５で円柱表面のはく離点が明確になりReの増加とともに慣性力の効果で後縁側から前方に向けてはく離点が移動する．はく離点が最大幅（前縁から90°の位置）に
近づくにつれてうずの大きさも増加する．流体の種
類，円柱直径などに関わらずReの値でうずの発生状態が整理（予測）できるのである．

問題6–3：蜂蜜とマーガリン，パンに塗りやす
いのはどっち？ 水と力学的相似な流れになるのはどっち？

て，蜂蜜をトーストに塗ろうとするとけっこう大変である．バターナイフではドロドロ流れてすくい上げることは難しくスプーンが必要になる．何とかすくってトーストに垂らした蜂蜜をナイフで広げようとすると今度はトーストに張り付いてなかなか塗り
広げられない．つまり，蜂蜜は流れやすいためにす
くい上げにくく，流れにくいために塗りにくいのである．ところで，冷めたトーストや食パンの上に
マーガリンと蜂蜜をのせておくとどうなるだろうか．
マーガリンは熱で溶けない限り元の形を保ってそのままトーストの上に乗っているのに対し，蜂蜜はトースト内にしみこみ下の皿にまで達している．蜂蜜は食パンの微細な隙間を通り抜けることができたのだから流動性が高い，といえる．蜂蜜は食材として非常に扱いにくいやっかいものだ．

本講座の第１回で水あめの流動をビデオで撮影し早回しで再生すると水の流れと同じになるが，卵のこんなやっかいな蜂蜜であるが，力学的分類では
水や空気と同じニュートン流体に属する．つまり，蜂蜜の流動はレイノルズ数をキーにすれば水や空気の流れと力学的相似な結果となる．これに対して白身を同じように流したときには再生速度を調整しても水とは全く異なる流れ方になると述べた．今回の講座で学んだことを使って書き直すと，「水と水

マーガリンは力学的にとても機能的な食材である．
ナイフですくい上げたり，トーストの上にのせておいたりしても形を保てるのは重力程度の弱い力ではあめの流れ場は力学的相似が適用できるのに対し，卵の白身の流れはこれらとは力学的相似が成り立たない現象である」となる．なぜ卵の白身では流れ場は相似にならないのだろうか．生卵の白身を箸でつ変型しない粘土のような性質があるからである．粘土は弱い応力が加わっても変型しないが，あるしきい値となる応力が加わるとぐちゃりと崩れる．このしきい値となる応力を降伏応力という．粘土のようついてみていただきたい．ちょっとつついたくらいならプルンと元に戻るだろう．大きく動かすとプルに降伏挙動を示す物質を塑性体という．降伏応力を上回る応力が加わると豆腐が崩れるように突然無抵

プルしながら流動して元の形には戻らなくなる．プルン，という挙動は弾性力があることを意味する．
卵の白身は流体でありながら弾性を併せ持つ「粘弾性流体」に分類される物質である．粘弾性流体の流抗に流れ出す．マーガリンを容器からすくい上げる
ときは降伏値を超える応力はかからないが，塗る際には降伏応力を超えるためそれまでとは桁違いに粘度が下がり，滑るように塗り広げることができる．

7．相似にならない流れ

36

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

高橋

勉：入門講座「流体力学」 第６回：相似な流れとソウジゃない流れ

237

マーガリンは図３に示すように降伏応力以下の応力が作用した場合でも粘土と異なりわずかに流動す

能性物質なのである．マーガリン以外にもマヨネーズやケチャップ，歯磨きペーストなど擬塑性流体はるため流体と分類される．流体なのに塑性体の降伏とよく似た挙動を示すので「擬塑性流体」とよばれる．擬塑性流体ではせん断速度が高い，あるいは加身の回りに多数利用されている．塗りやすいのに液
だれしないペンキや，水のように軽くシュッシュッ
とスプレーできるのに壁に付いたらたれないお風呂

わる応力が大きくなるに従い粘度が低下する．粘性係数が定数ではなくせん断速度の関数となるためレイノルズ数だけでは一般化ができない．マーガリンのカビ取り剤なども粘性係数が巧みに調整された機能性流体である．

は「すくって塗る」という一連の動作でもっとも使
いやすいように粘性係数を表す関数が調整された機8．終わりにのぞみ...
６回にわたり連載した入門講座「流体力学」も本
講座が最終回である．流体力学が対象とする現象は非常に広範囲にわたる．普段の生活においてもレイノルズ数が10－3から107まで，あるいはもっと広い
範囲の流れ場を目にすることができる．低レイノル
ズ数と高レイノルズ数の流れでは発生する現象も大きく異なり，測定技術や計算方法も変わってくる．
対象となる流体も空気，水，油だけではなく混相流
や複雑流体など産業の発展に伴いどんどん複雑になってきている．難しい数学や考え方が必要な場合もあるが，本講座で学んだ考え方を基礎として最新の流体力学にチャレンジしていただけることを願っている．本講座が，難しいといわれる流体力学を少しでも身近なものとできたなら幸いである．

図３

会



塑性体と擬塑性流体（原稿受付：2013年 5 月 7 日）

告平成25年度

オータムセミナーのお知らせ「鉄道車両とフルードパワー技術」
開催趣旨：
鉄道車両では，古くからブレーキ装置に空気圧を用いてきたことから，引き戸装置（ドア）や空気ばねなど，空気圧を駆動源に持つ機器が多用されています．また，油圧についてもブレーキ装置の他，多くのオイルダンパが用いられており，安定走行に貢献しています．
本セミナーでは，アクティブ制御技術を中心に，鉄道車両のフルードパワーに関する最新の研究開発動向についてご紹介する予定です．なお，会場は公益財団法人鉄道総合
技術研究所を予定しており，実物の車両，フルードパワー
機器も見学いただける予定です．メーカー，ユーザーを問わず，また，鉄道分野以外の皆様にも有用な情報を提供できると考えています．積極的なご参加をお待ちしております．講演の詳細につきましては，決定次第お知らせします．
開 催 日：2013年10月25日（金）13：00 ～ 17：30頃
会
場：公益財団法人鉄道総合技術研究所 国立研究所
東京都国分寺市光町２―８―38
http://www.rtri.or.jp/index_J.html
問合せ先：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

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

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238

フルードパワーシステム

トピックス

シール技術に関するISO規格の動向

著

者

紹

表１

介
お

小

ばた

畑

ひろ

博

み

WG

美

三菱電線工業株式会社〒660-0856 兵庫県尼崎市東向島西之町８E-mail : hirooba@mitsubishi-cable.co.jp
1969年 三菱電線工業㈱入社
三菱電線工業㈱機器部品事業部 技監，
箕 島 製 作 所 技 術 開 発 部 長 を 経 て 現 職，ISO/TC131/SC7国際議長．

WG2

1．は じ め に
油・空圧を始め多くの機器に使用されているシー
ル技術に対するISO（International Organization forStandardization：国際標準化機構）規格は，ISO/TC131/SC7（密封装置）で制・改定の管理をされて お り， シ ー ル 技 術 の 内 容 に つ い て ４ つ のWG（Working Group）に分かれている．各WGの内容をつぎに記述する．
WG2：シールハウジングの寸法
WG3：Oリングの設計基準
WG4：回転軸用リップタイプ・シール
WG9：流体と標準ゴムの適合性
このうちWG9についてはTC45と内容が合致することが多いため，2013年２月にTC131からTC45へ移行した．
シール技術に対するISO規格の動向として，WG2，
3，4の主な規格に対する最近の審議・制定内容と一部の問題点について報告する．

2．ISO規格の内容と動向
2.1

ISO/TC131/SC7のISO規格

表１に各WGが制定・管理している規格を示す．
各規格は原則として５年毎に見直しされることに

WG3

ISO/TC131/SC7の各WGが運用する規格
規格番号

名称

ISO3939

Fluid power systems and components ― Multiple lip packing
sets ― Methods for measuring stack heights

ISO5597

Hydraulic fluid power ― Cylinders ― Dimensions and tolerancesof housings for single-acting piston and rod seals in reciprocating

ISO6195

Fluid power systems and components ― Cylinder-rod wiperrings housings in reciprocating applications ― Dimensions andtolerances

ISO6547

Fluid power systems ― Cylinders ― Piston seal incorporating
bearing rings ― Dimensions and tolerances

ISO7425-1

Hydraulic fluid power ― Housing for elastomer-energized,
plastic-faced seals ― Dimensions and tolerances - Part 1：Piston
seal housings

ISO7425-2

Hydraulic fluid power ― Housing for elastomer-energized,
plastic-faced seals ― Dimensions and tolerances ― Part 2：Rod
seal housings

ISO7986

Hydraulic fluid power ― Sealing devices ― Standard test
methods to assess the performance of seals used in oil hydraulicreciprocating

ISO10766

Hydraulic fluid power ― Cylinders ― Housing dimensions forrectangular-section-cut bearing rings for pistons and rods

ISO3601-1

Fluid power systems ― O-Rings ― Part 1：Inside diameters,
cross-sections tolerances and designation codes

ISO3601-2

Fluid power systems ― O-Rings ― Part 2：Housing dimensions
for general applications

ISO3601-3

Fluid power systems ― O-Rings ― Part 3：Quality acceptancecriteria

ISO3601-4

Fluid power systems ― O-Rings ― Part 4：Anti-extrusion rings(back-up rings)

ISO3601-5

Fluid power systems ― O-Rings ― Part 5：Suitability ofelastomeric materials for industrial applications

ISO6194-1

Rotary shaft lip-type seals incorporating elastomeric sealing
elements ― Part 1：Nominal dimensions and tolerances

ISO6194-2

Rotary shaft lip-type seals incorporating elastomeric sealing
elements ― Part 2：Vocabulary

ISO6194-3

Rotary shaft lip-type seals incorporating elastomeric sealing
elements ― Part 3：Storage, handling and installation

ISO6194-4

Rotary shaft lip-type seals incorporating elastomeric sealing
elements ― Part 4：Performance test procedures

ISO6194-5

Rotary shaft lip-type seals incorporating elastomeric sealing
elements ― Part 5：Identification of visual imperfections

ISO16589-1

Rotary shaft lip-type seals incorporating thermoplastic sealing
elements ― Part 1：Nominal dimensions and tolerances

ISO16589-2

Rotary shaft lip-type seals incorporating thermoplastic sealing
elements ― Part 2：Vocabulary

ISO16589-3

Rotary shaft lip-type seals incorporating thermoplastic sealing
elements ― Part 3：Storage, handling and installation

ISO16989-4

Rotary shaft lip-type seals incorporating thermoplastic sealing
elements ― Part 4：Performance test procedures

ISO16989-5

Rotary shaft lip-type seals incorporating thermoplastic sealing
elements ― Part 5：Identification of visual imperfections

WG4

なっており，大幅な改訂が必要な時は提案国が提案，NP（提案段階）→WD（作業部会段階）→CD（分科委員会段階）→DIS（ISO規格案）→FDIS（ISO規格最終案）を経て規格が発行される．なお，新たな技術

2.2 WG2の関連規格
WG2関連のISO規格として，最近の審議によりISO6195は2013年２月に改訂され，また改訂されに対して規格を制定する場合も，同様な過程を経て発行される．

る予定の規格はISO5597，10766である．
ISO5597は往復動用途に使用されるピストン，

38

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

小畑博美：シール技術に関するISO規格の動向

239

ロッドシールのハウジング寸法と公差を規定している規格であり，寸法以外の要素についても整備，改れた．
ISO3601-2：2008は，ISO3601-1の改訂サイズ訂された．ハウジング溝，しゅう動面の表面粗さなどが整備されたが，このうちシールの摺動表面性状である負荷曲線のコンセプトが導入されたのが，大に合わせてハウジング形状・寸法を規定した．なお，General industrial applicationとしてハウジング寸法としてミリ単位を採用しているが，インチからのきな改訂点である．これはWG3の担当している規格のISO3601-2で導入された条件を反映しているため，詳しい内容はWG3の関連規格の欄で報告する．

換算したものであることもあり，不備な点があるため詳細見直し作業を行っており，一部改訂される見込みである．

ISO6195は往復用シリンダで使用されるロッド
ワイパー（シリンダ外部からのダストや異物の侵入を防止するワイパーリング）の構造と寸法を規定した規格であるが，従来の４種類のタイプから欧州でさらにハウジングの表面性状の規定が反映されたが，この内容にOリングを運動用として使用した時の摺動面の負荷曲線（Rmr）規定が追加された．摺動面の表面性状の影響については，欧米で一部試験使用され始めた２種類を追加する内容で，グローバ
ル的な汎用性を主に討議し日米の主張で１種類のみ的に行われシール寿命に影響するとの結果はでているようであるが，データが不十分である．

の追加となった．
ISO10766は往復動シリンダの運動時のガタや偏心を防止するため使用される，プラスチック材料をカットしたベアリングﾞリングの形状とハウジング

日本の立場として，現在の市場で使用されている機器の表面状態と一致しないものが多く，グローバ
ル規格であるISOに反映するには時期尚早と考えられる．加えて，規格内容の定義が表面粗さの引用規

寸法の規格である．英国からの幅の広いタイプの追格ISO4287：1997から逸脱していることから，DIS
加とコンパクトタイプの削除というNP提案があっの段階から削除すべく反対意見を展開してきたが，たが，改訂活動のノミネート国不足で却下された．
DIS段階まで行った内容を覆すことに対して，抵抗我が国としてコンパクトタイプは広く使用されておが強く多数決で否決され，規格に反映されている．
り，削除は許容できないとの理由で反対投票を行っ
技術的に不備なものが数の論理で規格化されること，たが，英国はこの意見を受け入れた形でNPの再提
またWG2の規格にも反映されることとなり影響も案をしてきたため改訂活動を開始，現在はDIS段階
大きいことから，引続き種々の技術的エビデンスをとなっている．
揃え説得，改正するように活動している．
他の５規格については，主だった改訂などの動き
ISO3601-3：2005は，Oリングの外観品質基準
はないが，ISO7425-1，ISO7425-2に対しての近として，旧規格の表面欠陥部分をより明確化，許容
いうちの審議が予定されている．
限度の見直しを行っている．さらに，品質等級を従2.3 WG3の関連規格
来はʻ等級Nʼとʻ等級Sʼの２種類が規定されてWG3関 連 のISO規 格 はOリ ン グ 関 係 の 規 格 で， いたが，航空宇宙・医療機器などのような，より高ISO3601-1 ～ 5シリーズとしてつぎのカテゴリー
い信頼性を求められる用途に使用される品質基準の別に規定されている．
ʻ等級CSʼが追加された．
ISO3601-1：Oリングの寸法
ISO3601-2：ハウジング形状・寸法
ISO3601-3：外観品質基準

ISO3601-4：2008は，ISO3601-1の改訂サイズに合わせたバックアップリングとして規定されるとともに，一部の材料や設計を見直された．

ISO3601-4：バックアップリング
ISO3601-5：ゴム材料の選定基準
ISO3601-1，2，4は 旧 版 か ら2008年 に， ま た

ISO3601-5はOリング材料に対する流体と標準ゴムの適合性の規格として，現在の規格は材料を選定する時のガイドラインとして規定されている．しかISO3601-3は2005に大幅に変更された．主な変更
内容の概略を解説するとともに，改訂審議時の問題点などについて報告する．

し数年前から，Oリングに使用される標準材料の物
理特性値に対して，規格値として新たに追加するため審議されてきた．材料の規格値は日本を含め，各ISO3601-1：2008で は， 旧 版 のISO3601-1：
2002か ら 大 幅 に 変 更 さ れ た．General industrial
applicationとして米国のSAE AS568サイズを元とす国が独自に設定されていることから調整に難航，またOリング形状での特性値を規定する動きもあり，審議が相当長期に渡ったたが，現在はDIS段階にきる イ ン チ 系 列 の シ リ ー ズ が 追 加 さ れ，Generalapplicationは一部見直され，Aerospace applicationとして規定，旧版のAerospace applicationは廃止さている．Oリング形状での物理特性の硬さや圧縮永久ひずみについて，十分な検証はされたとはいえな
い状況であることから，発行後の運用時に問題が発

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フルードパワーシステム

生する可能性がある．
ISO3601シリーズはインチサイズ系列のOリングた場合の審議において，異なる規定内容が制定される矛盾がある．WGの独立性の観点からの結論であ規格となっているが，この規格の制定後にミリサイズ系列の規格を作ることを条件として，先に進めた経緯があった．しかしISO3601シリーズの制定後，るが，前述のようにDISまでいった規定を覆すことは非常に難しい現状を再認識された．
ISO16589シリーズは欧米で多く使用されている

Oリング規格をさらに増やすことに対して，否定的な提案が独・米国を中心に出され，投票により決定されることになった．ミリサイズ系列の制定に対しサーモプラスチック製，主としてPTFE（ポリ４ふっ化 エ チ レ ン 樹 脂 ） の オ イ ル シ ー ル 規 格 で あ り，
2001年に制定された．内容に問題が多くあり，我て，日本がプロジェクトリーダとして進めるべくNPを作成し投票にかけられ，賛成票の多数を得たが，プロジェクトのノミネート国不足で否決される結果となった．ミリサイズの規格化は，工業国の世が国が積極的な問題提起を行った結果，英国から幹事国を引継ぐことになり主導的に改訂活動を行い，すべての規格が2011年に発行された．

界的な動向から必要性は高いと思われるが，独・米中心の欧米の数の論理が強く働く状況下に対抗するには，新興工業国のアジア諸国などとの連携も必要となる．しかし新興工業国では，国内の規格整備の制度が十分ではなく，ISO規格の審議対応に難しい面があることも現実問題となっている．
2.4 WG4の関連規格
WG4関連のISO規格はRotary shaft seals，一般的には回転軸に多く使用されているオイルシールの規格 で あ り， ゴ ム 製 オ イ ル シ ー ル の 規 格 と し てISO6194-1 ～ 5シリーズおよびサーモプラスチッ
ク製の規格としてISO16589-1 ～ 5シリーズが，つぎのカテゴリー別に規定されている．
ISO6194-1，16589-1：寸法および許容差
ISO6194-2，16589-2：用語ISO6194-3，16589-3：保 管，取扱いおよび取付
けISO6194-4，16589-4：性能試験方法
ISO6194-5，16589-5：外観欠陥
ISO6194シリーズは各規格内容の改訂に対する審議が2005年頃から順次実施され，2008 ～ 2010年にかけて発行された．
各規格の審議はWG3と同時に行われることが多かったが，WG4でもISO3601-2で規定されたシール摺動面の負荷曲線（Rmr）のコンセプトの導入について討議され，日本の主張する時期尚早との結論から削除された．Ｏリングとオイルシールはシール
形状や使用状況は異なるが，金属を主とする相手摺動面への影響が類似傾向示すことは周知のことである．しかし一方は規定，片方は削除と，WGが違っ

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フルードパワーシステム

第44巻

第４号

3．お わ り に
筆者は2006年からISO/TC131/SC7のWG2およびWG3のエキスパートを務め，昨年にISO/TC131/
SC7議長に就任した．シール（密封装置）関係のISO規格の制・改定活動に参加した内容を，最近動向と問題点として報告した．
ISO規格の制定は各分野の専門家が集まり，高い技術的な審議を経て決定，発行されると思いがちであるが，実際の規格制定には参加国の利益と思惑が絡まることが多くみられる．グローバル規格に自国の規格をできるだけ反映させるため，色々な戦略を考えて臨んでくるのが実態である．
シール技術においては，我が国と独，仏，米国の欧米国が主導的な立場にあり，純粋な技術的な分野においては各国に劣ることはないと考えている．しかし規格の制定には，最終的には投票権を持つ参加
国の多数決で決まることとなる．
ISO規格に日本の意向であるJIS規格を反映させるには，参加国に対する技術的バックボーンをより解りやすくアピールすることだけではなく，欧米の賛
同国や最近急成長している工業新興国との協調体制
や，根回しが必要となってくる．また日本フルード
パワー工業会が進めている各WGのエキスパートの継続性を維持すること，日本発の規格提案を積極的に行う必要があると考えている．
参考文献
１ ）千葉 誠：日本フルードパワーシステム，Vol. 44，No.
1，p. 48-50（2013）2013年７月（平成25年）（原稿受付：2013年 ４ 月 １ 日）

木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用1…特許の基本

241

トピックス

特許文献を調べる・特許電子図書館の活用1…特許の基本

著

者

紹

介
き

はら

木 原

かず

和

ゆき

幸

工業所有権協力センター〒135-0042 東京都江東区木場１―２―15
E-mail : k-kihara@sctv.jp
1974年神戸大学工学部計測工学科卒．東京計器入社，パワーコントロール研究室長，油空圧
技 術 部 長 な ど を 経 て， 現 在 に 至 る． 比 例 弁，
サーボ弁，ピストンポンプ等の油圧機器とそれらを制御するコントロールシステム等の開発に従事．日本フルードパワーシステム学会会員．

1．は じ め に
現在，特許を調べることは個人レベルで誰でもできる環境が整備されている．自分の研究，開発をしている分野の過去と現状を知り，今後に役立てる．
これが簡単にできればとは誰もが欲することと思う．
筆者の経験ではこれが一筋縄ではいかない．それが，何故かというと膨大な量の特許文献があるということと，効率の良い調べ方を知らないということが主な要因と考える．
特許に関する文献は，特許電子図書館1）で検索することできる．明治時代に特許制度がスタートしてからの特許公報や実用新案がすべを収録されている．

した技術的思考の創作のうち高度のものである．
すなわち，
⑴
⑵
⑶

自然法則を利用
技術的思想
創作

⑷

高度なものであること
上記の要件を満たす必要がある．また，発明の種類は以下に大別される．
⒜

物の発明 技術的思想が物の形になったもの，プログラム
等も含む．
⒝ 方法の発明 物を生産する方法の発明とその他の方法の発明．

3．発明と特許
特許にするためには，当然であるが，特許出願をしなければならない．簡単に示す．
3.1 出願書類
出願書類としては願書，明細書，特許請求の範囲，
図面，要約書が必要である．明細書には，発明の名
称，図面の簡単な説明，発明の詳細な説明を記載す
る．発明の詳細な説明はその技術分野で通常の知識を有する者が実施できる程度に明確，十分に記載しメンバー登録も必要ではなく，誰でも利用できる．
この活用の方法をフルードパワーシステムに関するものに限定して紹介する．ただし，本稿では特許の基本となることを改めて認識したい．

なければならない．さらに，発明に関連する文献や既存の発明で知っているものがあるときはそれらの所在を記載しなければならない．所在とは，特許であれば公開番号，学会論文であれば，論文名，学会

2．発 明 と は

誌名，著者などである．特許請求の範囲は発明の技
術的範囲を示す権利書の役割を持つ．発明を特定す

上位の概念として知的財産権がある．知的財産権
は特許権，実用新案権，育成者権，意匠権，著作権，商標権その他の知的財産に関する権利である．この知的財産権のうち，特許権，実用新案権，意匠権，著作権，商標権が産業財産権である．産業財産権にるための事項を請求項に記載する．以下の記載要件を満たさなければならない．
⑴ 発明の詳細な説明に記載していること⑵ 発明が明確であること⑶ 請求項ごとの記載が簡潔であること
よる保護は，発明は特許法，実用新案は実用新案法， ⑷ その他経済産業省令で定めるところにより記載
意匠・デザインは意匠法，ただし，商品の形態の場されていること
合は不正競争防止法，商標では，登録証商標は商標
図面は発明の内容によっては必要でない場合もあ法，未登録（周知・商標）は不正競争防止法となる． る．要約書は公開公報などへのアクセスを容易にす
発明とは何かとなると固い表現では自然法則を利用るためのものであり，発明の概要を示す．
フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

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242

フルードパワーシステム

3.2 公開出願日から１年６ヶ月経過したものはその内容が公開される．ただし，出願人が希望する場合は早期に公開を行うこともできる．
3.3 審査請求
特許出願はすべてを審査請求するものではない．
たとえば，出願人自身が独占権を必要としないが，他人が特許権を取得して事業の実施の妨げになることを恐れて出願する場合もある．また，出願後の技術進歩により，別の方法がより優れているため，その技術の経済的価値がなくなっているものもある．
故に，審査が必要とするもののみを審査請求することとなる．
審査請求は，出願日から３年が経過するまで，出願人だけでなく第３者も行える．なお，一度審査請求したものは取り下げることはできない．また，この期間内に審査請求がされなかった出願は取り下げたものと見なされる．
3.4 特許権について特許権の存続期間は，特許出願の日から20年間である．ただし，医薬品，農薬の場合は，安全性の確認等の法律上の許可を得るのに長期間要すため，さらに５年間の存続期間延長を求めることができる．
特許権の効力は及ばないものとしては以下のものがある．
⑴ 試験・研究のための実施⑵ 日本国内を通過するだけの交通機関⑶ 特許出願時から日本国内にあるもの⑷ 調剤行為・調剤した医薬

4．特許文献の見方

図１

公開特許公報例

名称の下側には要約が記載されている．要約には
上から課題・解決手段・選択図が記載されている．
この要約を読むと発明の主な内容がわかる．選択図
により，わかりやすくなっている．本図では選択図は図１であり，発明を示す代表図である．
⑹ 国際特許分類（IPC）

特許文献を見たことは研究者，技術者であれば，大抵の方はあるはずであるが，表紙を見るとよくわ
からない記号があるなという方がほとんどではないだろうか．図１に公開された特許公報の例を示す．

Classificationの略）の記載とともに，アルファベッ
トと数字からなる国際特許分類の分類記号が表示されている．国際特許分類システムは，世界知的所有⑴⑵

権機関（WIPO）の主催の下に考案され，制定されたものである．WIPOは，スイスのジュネーブに本

出願番号・出願日
公開番号・公開日

２ 段 目 の 左 側 に は，「Int. Cl.」
（International

公開番号・公開日は最上段の右側，出願番号・出
願日は中段左の上側に記載されている．この文献では出願日は2007年１月31日，公開日は2008年８月14日である．１年半を少し過ぎて公開されてい部を置く国連の専門機関であり，1967年の「世界知的所有権機関を設立する条約」（WIPO設立条約）の施行により1970年に設立された．加盟国は184ヶ国である．また，国際特許分類は，1971年に締ることがわかる．
⑶ 発明の名称

結された国際特許分類に関するストラスブール協定に基づき制定された．国際特許分類（IPC）は継続

⑷
⑸

要約
代表図
発明の名称は下段左の一番上に記載されている．
「液圧機器の圧力保持機構」という名称であり，フして改定が行われている．本例では分類記号の右側に（2006.01）の表示があり，この年月の分類記号に基づいたものであることがわかる．
IPCは８つのセクション（A ～ H）に大別される．

ルードパワーシステムの技術分野である．

なお，セクションの下の記載はサブセクションであ42

フルードパワーシステム

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2013年７月（平成25年）

木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用1…特許の基本

る．
Ａ：生活必需品

243

動シリンダ形である．
また，F15B1/がメイングループで，F15B1/00

農業 A01
食料品およびタバコ A21 ～ A24
個人用品および家庭用品 A41 ～ A47のことであり，圧力流体を供給する設備・排液槽の分類である．さらに細部にF15B1/02の02がサブグ
ル ー プ を 示 し， ア キ ュ ム レ ー タ 装 置 で あ る．

健康および娯楽 A61 ～ A63
Ｂ：処理操作，運輸
分離と混合 B01 ～ B09

F15B1/04はアキュムレータを示す．
この分類はセクション・サブセクション・クラ
ス・メイングループ・サブグループの順であり，図成形 B21 ～ B32
印刷 B41 ～ B44
運輸 B60 ～ B68
Ｃ：化学，治金
化学 C01 ～ C14
冶金 C21 ～ C25，C30１の特許の内容がどのように分類されているかが理解できる．この分類記号でも検索は可能である．ところで，上記の分類にどの程度の特許文献があるだ
ろうか，特許電子図書館の特許・実用新案検索の特許分類検索2）で調べた．
①F15B15/14……6,170件

Ｄ：繊維，紙繊維または可とう性材料 D01 ～ D07
紙 D21②F15B1/02 ……2,490件③F15B1/04 ……2,104件
これらをすべてみることは困難である．また，特Ｅ：固定構造物
建造物 E01 ～ E06
地中削孔：採鉱 E21
Ｆ：機械工学，証明，加熱，武器，爆破機関またはポンプ F01 ～ F04
工学一般 F15 ～ F17
照明および加熱 F21 ～ F28
武器：爆破 F41 ～ F42
Ｇ：物理学
器械 G01 ～ G07
原子核工学 G21
Ｈ：電気
電気 H01 ～ H05
図１の例では３つの記号が付与されているが，F15Bから始まる記号であり，最初のFは上記のセクションFのことである．

許電子図書館では1,000件を超える表示はできない．

F15はセクシヨンが機械工学・照明・加熱・武器・爆破で，サブセクシヨンが工学一般である．さらに，F15Bはクラスを示し，流体圧アクチユエ－
タ・水力学または空気力学一般である．
また，図１に示す例でわかるように，F15Bの右側にさらに細分化された分類がある．
①F15B15/14②F15B1/02③F15B1/04
F15B15/がメイングループで，F15B15/00のことであり，部材をある位置から他の位置へ移すための流体作動装置（連続運転のモータF01 ～ F03）・
それと組み合わせた伝動装置の分類である．さらに細部にF15B15/14の14がサブグループを示し，直検索期間を限定すれば1,000件未満にできるが，かなりの分割が必要となる．そのために，日本独自の分類としてはさらに細分化する分類，別の観点からの分類があり，特許文献はより検索しやすくなっている．

4．お わ り に
ここでの特許の基本は文献を検索するために最低
限知っておきたいことを示した．特許分類については限定された範囲ではあるが，次回はより詳しく解説する予定である．日本独自の特許分類を理解する
ことにより，特許電子図書館を活用できるようになる．特許電子図書館について，簡単に紹介する．運営しているのは独立行政法人工業所有権情報・研修館であり，工業所有権制度の精神に則り，特許法などに基づき公表することとされている情報などの基本的な情報を，国民がホームページ上で入手できる
よう，特許電子図書館のサービスを提供しているとのこと．明治以降発行された特許・実用新案・意匠・商標の公報類約8,400万件とその関連情報について，検索・利用できる．
参考文献
１ ）特許電子図書館 http://www.ipdl.inpit.go.jp/homepg.
ipdl２ ）特許電子図書館 特許・実用新案検索， 6 ．パテント
マップガイダンス


フルードパワーシステム（原稿受付：2013年 ３ 月30日）

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

43

244

フルードパワーシステム

トピックス

ベトナム駐在日記

著

者

紹

介
たけ

だ

武 田

かず

和

まさ

正

KYB株式会社品質本部品質管理部〒105-6111 東京都港区浜松町２-４-１
世界貿易センタービル11F
E-mail : takeda-kaz@kyb.co.jp
1984年国立岐阜工業高等専門学校機械工学科卒．同年萱場工業㈱（現，KYB㈱）入社．生産技術，製造を経て，2007年から2012年までベト
ナム駐在．

特徴的なのは30歳未満が人口の６割程度を占めるという非常に若者が多い国であることである．
それにより赴任先の社員も平均年齢が25歳程度と現在の日本の状況からすると労働人口の多さと活気あふれる状態は羨ましい限りである．
主たる輸出品目は縫製品・石油製品となっているが米・コーヒー・胡椒も有名である．輸入品は機械・電子部品，石油製品である．

日本との関わりは古く，14 ～ 15世紀頃から交流があった模様である．その後の紆余曲折を経て，1986年のドイモイ政策による市場経済路線への転1．は じ め に換もあり2003年頃には日越共同の経済連携が始ま
ベトナムは安価な人件費やリスクが周辺国に比べり現在に至っている．
て比較的低いことから，日系を含め多くの外資系企
ここ数年の成長率は平均約６％と大きいとはいえ業が進出し成長著しい国の一つである．特に2008
ないが堅調な伸びとなっている．ただし，それに伴年前半までは急激な右肩上がりの経済成長であった
いインフレ率も激しく，2011年は18.6％，その他が同年後半のリーマンショックでは成長に一旦ブ
３年の平均でも10％近くとなっている．特に2008
レーキがかかったが回復も早く，その後は以前ほど
年は23％（これは年間で，上期に限ると30％近く）ではないが着実に成長を続けている．
で，その時期には生活改善（いわゆる賃上げ）の労
私は，2007年から2012年の間，北部（ハノイ）
働争議が多発した．
に駐在する機会があったので改めて振り返りながら，
またインフラの整備（特に電力）も経済の伸びにその間の経験・思いを簡単であるが紹介する．
対しては十分とはいえず，駐在中，真夏の昼間に計
画停電により，過酷な暑さ（40℃）に耐え忍ぶと

2．ベトナムについていう経験もした．

ベトナムはインドシナ半島の東側に位置し，北は3．ベトナム人について
中国，西にラオス・カンボジア・タイと接しており，
日本で「ベトナム人の印象は？」と尋ねると，勤
南北1,650㎞，東西が600㎞（もっとも狭い所は50勉であるという回答が多く聞かれる．私も駐在する㎞）と非常に縦（南北）細長い国である．そのため気候が南北で大きく異なり，北部（ハノイ）では温帯性で日本と同様に四季があり，冬場（１～２月頃）は最低気温が10℃を下回ることもあり，東南
アジア諸国に含まれるとはいえ冬服は必須である．
しかし南部（ホーチミン）は熱帯性で乾期雨期にわかれ，いかにも東南アジアらしい気候である．
国土面積は約33万k㎡で日本の九州を除く面積とほぼ同じ中に約8,700万人（2011年）強の人口を有し，北部の大都市で首都でもあるハノイには約645万人が南部大都市のホーチミンには約712万人
がいる．

44

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

まではそのような印象を持っていたのであるが，実際にはある部分に疑念を抱くこともあった．
確かにベトナム人は勉学に対しては一生懸命である．驚いたのは大学を１校だけではなく，複数校で勉学するのである．これはベトナムが学歴社会であり，就職後の処遇が高卒以下と大卒以上では大きく異なるからである．（ただし，すべての企業・団体
ではない）「勤」については，まずは企業に対しての忠誠という考えを持っている者はあまり多くはなく，あくまでも収入を得るために労働するという意識者が多2013年７月（平成25年）

武田和正：ベトナム駐在日記

245

い．したがって，今現在では１つの会社で定年までということはなく，処遇などが少しでも良ければす

道路の横断は一定の速さで歩けば相手が避けてくれるので，後は恐れず渡ればいいのである．ちなみ

ぐにも転職していく．
特に近年は進出する企業が多く，売り手市場の状況であることも一因である．

に筆者はベトナム人をサポートして横断することも度々あり，そのたびに複雑な思いにかられたこともあった．

また仕事に対しては，目的や内容を理解すれば真横断は問題ないが，注意すべきは歩道を歩く時で面目に取組んでくれるが，独断（見よう見まね）である．理由はバイクが走行してくるからである．道
知らないことにもトライするので注意は必要である． 路上では避けてくれるが，歩道ではなぜかバイク優
先になるという摩訶不思議な光景も度々目にできる．

4．ベトナム語について
19世紀半ばごろまでは中国と同様に漢字を使用していたが，クオック・グーという言語がフランス

6．食

生

活

ベトナム料理は北部と南部で若干味付けが違うが，植民地時代に普及し始め，現在公用語となっている． ベースは薄い塩味である．したがって日本人は抵抗なく食することができる．筆者も昼食は会社で現地表記はアルファベットであるが，ベトナム語は６つ
従業員とまったく同じものを食していた．
の声調を持っているため，アルファベットに声調ご
日本でもおなじみのフォー（ベトナム版麺）は米との記号がついている．筆者はこの声調がなかなか理解できず，社員を呼ぶと数人が一斉にこちらに顔を向けるという状況が度々あり，時には呼び出しから発音の勉強会が始まったこともあった．ただし，
元々が漢字を使用していたこともあり，日本でも同様の発音をする単語もある．
また漢字については現在でも街中の寺院などには表記されているのを見ることができる．

粉を使用した平打ち麺で，非常にあっさりしている
ことから，朝から夜中まで１日中食べられている．
大抵の店は麺・スープは１種類でトッピング（肉・野菜）と調味料などを加え各自が好みの味付けにしている．（図２）

5．交 通 事 情大抵の方ならご存知だと思うが，ベトナムはバイク王国といっても過言ではない．朝夕の通勤時間帯
は幹線道路は勿論，至る所がバイクで一杯となる．
（図１）

図２

フォー（ベトナム麺）

他に主食としては米であるが日本米に比べると多少粘りがないので，炒飯するのがお奨めである．ただ種類によっては独特の香りがする米もある．副菜
は野菜が多く健康にはもってこいである．肉類で
図１

通勤時間の風景（街中）

交通ルールは無いに等しく，とにかく早い者勝ち
で，タイヤの幅が空いていれば我先に入り込んでくる．ただ，そのおかげか日本のようにまったく動かなくなる渋滞はあまりなく，時間はかかるが少しず
つ進むことは可能である．

もっとも多く食べられているのが鶏肉で，ぶつ切り（当然骨付き）で，店によっては頭や足も一緒に出てくる．
一方仕事が終わってからのお楽しみといえば晩酌であるが，ベトナム人の場合は帰宅時にビヤホイという日本でいうビヤホールへ寄って，ビールを軽く飲んで帰るということが多い．街中は歩道までテーブルが並んだ店で，大勢の人が和気あいあいとして

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

45

246   

フルードパワーシステム

いる光景を目にできる．ただし，その後，自宅に帰ってから飲まないわけではないことを付け加えて４）もあり，一見の価値はある．
一方，市内ではというと伝説の亀が住んでいるホ

おく．

アンキエム湖，ベトナムの革命家で初代主席でもあるホーチミン氏の遺体が安置されている廟（図５）などがある．

7．観光

ベトナム北部で有名な観光地といえば，世界遺産にも登録されているハロン湾がある．これは海水によって浸食されてできた湾で，中国の桂林とよく似ているらしい．
（筆者は桂林を見たことがない）
ハノイから約100㎞強の位置にあり，車で約４時間程である（図３）．湾内は観光船で遊覧するようになっており，宿泊施設を備えた船もある．普通は半日（４時間）程度の昼食付の遊覧が一般的である．
当然，昼食は船上なのだが，食材については途中，湾内に係留している鮮魚売り場（いけす）に立ち寄
り，好みの食材を購入する．それを船上で好みの調
理（焼き・揚げ）していただくのであるが，ものめ
ずらしさや空腹も重なりお腹一杯食べてしまうことが多い．
（筆者だけかも）また途中には幻想的な照明が施された鍾乳洞（図

図５

8．最

後

ホーチミン廟に５年間の海外駐在で，日本では知りえない多くのことを知ることができた．特に自身にとって財産ともいえるのは，現地や他社駐在（日系以外も）など，
多くの人と会うことができ，多くの知見を得たことである．
今後は得たことを生かしていく共に，また海外へ飛び出し知見を広げたい．


46

図３

ハロン湾

図４

鍾乳洞

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）（原稿受付：2013年 ４ 月 ５ 日）

堂田周治郎：岡山理科大学工学部知能機械工学科メカトロニクス研究室

247

研究室紹介

岡山理科大学工学部知能機械工学科メカトロニクス研究室

著

者

紹

介
どう

た

堂 田

しゅうじ ろう周治郎

岡山理科大学工学部知能機械工学科〒700-0005 岡山市北区理大町1-1
E-mail：dohta@are.ous.ac.jp

1974年岡山大学大学院工学研究科修士課程修了．同年岡山理科大学助手，その後，講師，助教授を経て，1993年同大学教授，現在に至る．
メカトロニクスや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，
日本ロボット学会などの会員．工学博士．

1．は じ め に
岡山理科大学は，1964年に創設され，まもなく創立50周年を迎える理工系大学である．理学部，
工学部，総合情報学部，生物地球学部と大学院から構成され，著者が所属する工学部はバイオ・応用化学科，機械システム工学科，電気電子システム学科，
情報工学科，知能機械工学科，生体医工学科，建築学科および工学プロジェクトコースからなる．
本研究室は知能機械工学科の中にあり，制御工学，
流体力学，メカトロニクスなどの教育を担当するとともに，空気圧制御機器の開発や応用に関する研究を行っている．特に，柔軟空気圧シリンダ，ゴム人
工筋，柔軟センサ，小型制御弁などウェアラブル制
御機器の開発と生活支援機器への応用に関する研究を重点的に行っている．
現在の研究室スタッフは，堂田周治郎教授，赤木徹也教授，松下尚史准教授，大学院生12名（博士２名，修士10名），学部４年生20名であり，３名の教員が共同して教育研究活動を行っている．
本稿では，本研究室の研究活動の特徴や，現在の主な研究課題とその概要などを紹介する．

トタイプは研究室に設置している２台のレーザー加工機を用いて，いつでも手軽に試作できるようにして い る． ま た、 特 殊 な 素 材 の 加 工 は ウ ォ ー タ ー
ジェット加工機を用いて行い，アイディアを素早くカタチにできる教育研究体制を心掛けている．
2.2 国際会議での発表
本研究室のモットーは「よく学び，よく遊び」であり，研究室のスタッフが生き生きとした教育研究活動を行うことを目指している．その一環でもあり，また，グローバルな人材育成のためにも，院生には国際会議で発表するよう指導している．昨年度は，
ICAMechS 2012（９月，東京），IRIS 2012（９月，マレーシア），ICPT 2012（11月，台湾）などで発表した．学生の出張費用は可能な範囲で大学からの研究費や補助金などから支払い，学生の負担が少なくなるよう工夫している．安全で低価格な宿泊先や航空機の選定は赤木教授の趣味にもなっている．英語に関しては３年次後期のゼミ配属時から英語論文の輪講を行い技術英語に慣れるようにしている．発
表前にはゼミ生や他研究室の院生の前でリハーサルを行うので，発表する者も聴く者も勉強になる．また，Webによる登録，論文投稿，航空機やホテルの予約，参加登録などもすべて学生と一緒に行うよ
うにしており，学会参加体験や海外での異文化体験と併せて学生には貴重な経験となっている．発表は十分な練習を行うので大きな問題はないが質疑応答は答えられない場合があり教員の助けも必要である．
しかし，ほとんどの学生は，帰国後もう一度発表したいという感想を持つ．今年度はオーストラリア，
シンガポール，奈良などで発表する予定である．

2．研究室の教育研究活動の特徴
2.1 マイコン技術と加工技術研究室で開発したアクチュエータ，センサ，小型制御弁などを用いた制御システムはすべてマイコン（SH7125など）を用いて制御している．そのための電子回路基板も研究室の小型３次元NC加工機で製作している．また，開発機器に用いる部品やプロ

フルードパワーシステム

図１

国際会議IRIS2012で発表

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

47

248

フルードパワーシステム

このアームは手首のリハビリなどへの応用を考えている．手首の他動運動によるリハビリテーションを行うとき，二つの制御方式が考えられる．一つは，アクチュエータに関する研究としては，長変位ゴ
理学療法士（マスター側）の動きに患者手首（スム人工筋の開発とアシスト装置への応用や柔軟空気
レーブ側）の動きを追従させるマスタースレーブ制
圧シリンダの開発と応用などがある．ここでは，柔御である．もう一つは，手首の一連の動きを自動的
軟空気圧シリンダについて紹介する．
に生成する軌道制御である．両制御とも制御に必要
著者らが開発した柔軟空気圧アクチュエータの一な解析モデルを作成しマイコンと加速度センサを用種であるロッドレス型柔軟空気圧シリンダの構造をいた制御システムの構築や制御実験を行っている．
図２に示す．シリンダは，柔軟チューブと，直径
柔軟ロボットアームは構造上，シリンダストロー
９㎜の鋼球，チューブ外側より直径４㎜の真鍮製
クの２倍の空間を必要とし大きくなる．そこで，コローラにより締付けられたアクリル樹脂製ステージ
ンパクトな形状で大きな湾曲動作が得られる構造とから構成される．またローラの両側は直径３㎜の鋼して，図３⒝に示す球面アクチュエータを試作した．
球で支えられ，ステージにはチューブを保持する役
これは，リング状に曲げた２つの柔軟空気圧シリン割の鋼球が４個設けられている．動作原理は片側の圧力室を加圧すると内部の鋼球（φ９㎜）が押され， ダのチューブを90°で交差させた構造であり，シリンダの両端（計４ヶ所）から空気を供給することでそれに伴いローラが押され，ステージが動くという２自由度の湾曲動作を行う．アクチュエータのサイものである．内部鋼球の保持や駆動が可能で最低駆ズは，幅160㎜，高さ170㎜で，全質量は300ｇと動圧力の低い最適形状パラメータ はローラ軸間距
離Dが14.4㎜，ローラ中心軸間距離Wが10㎜である． 軽量である．試作したアクチュエータはシリンダの円中心を基準に240度の範囲で湾曲することができ
この時の最低駆動圧力は120kPaである．なお，内る．球面アクチュエータのマスタースレーブ制御シ部鋼球を２つにしたダブルボールタイプもあり，図
ステムの構成図を図４に示す．スレーブ側は球面ア２のシングルボールタイプに比べ曲げやすく柔軟性
クチュエータ，加速度センサ，２つの柔軟空気圧シが高いが最低駆動圧力は130kPaであり，摩擦がや
リンダを駆動するための４つの小型疑似サーボ弁，
や大きいという特徴をもつ．
制御器となるマイクロコンピュータ（㈱ルネサステ
クノロジ社製, SH7125）から構成される．マスター
側は、直径100㎜の円板に目標値入力用の加速度センサを取り付けたものである．制御のサンプリング
周期は2.3msである．制御方法は，マスター側とスレーブ側の加速度センサの出力電圧の偏差をもとに，
PD制御則によって疑似サーボ弁を駆動し球面アク
図２ 柔軟空気圧シリンダの構造
チュエータの姿勢を制御する．
このアクチュエータは軽量でコンパクトな形状を
この柔軟空気圧シリンダの応用として，シリンダ有するので，両手で挟むようにして持ち，手首や腕，３つを用いた柔軟ロボットアームとシリンダ２つを肩などの他動運動を行うリハビリ機器への応用が期用いた球面アクチュエータがある．それらの外観を待でき，現在，試作を行っているところである．
それぞれ図３⒜，⒝に示す．柔軟ロボットアームは
柔軟空気圧シリンダのもう一つの応用として，管湾曲動作と伸縮動作が可能であり３自由度を有する．
湾曲角度範囲はシリンダ長さに依存するが，試作アームの場合，約80度である．

３．アクチュエータの開発と応用⒜

柔軟ロボットアーム
図３

48

⒝

球面アクチュエータ

柔軟空気圧シリンダを応用した柔軟メカニズム

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

図４

2013年７月（平成25年）

球面アクチュエータの制御システム

堂田周治郎：岡山理科大学工学部知能機械工学科メカトロニクス研究室

内検査ロボットのスライド推進機構がある．これを図５に示す．この機構はストローク460㎜のロッドレス型柔軟空気圧シリンダ，開閉爪付スライドス
テージ，シリンダを駆動するための４個のオンオフ
弁とマイコンから構成される．柔軟空気圧シリンダ
は，ステージの中心に配置している．また２つの開閉爪は内径10㎜の小型空気圧シリンダで駆動され傘を開くように爪を開閉することができる．開いた状態での爪の外径は110㎜である．さらに，シリンダへの空気の供給はコイル状チューブを用い，推進に際して外径が大きくならないように工夫している．
機構の長さは935㎜，外径48㎜である.
推進原理は以下の通りである，固定端側（図５の右端）の開閉爪を開いてパイプに対して引っかかりをつくった状態で柔軟空気圧シリンダを駆動し，ス
ライドステージについた開閉爪（左下図）をシリン
ダ端部まで押し出す．この状態でスライド側の開閉
爪を開き引っかかりをつくり，固定端側の開閉爪を閉じシリンダを収縮させることで推進する．

図５

柔軟空気圧シリンダを用いたスライド推進機構

このスライド推進機構の先端にゴム人工筋を利用した方向転換ユニット，その先に小型カメラと３個のLEDを配置した検査ロボット全体を試作した．ロボット全体の長さは1.1m，外径は48㎜，弁７個，チューブ（2.5m）７本，マイコンを含めた全質量は960gである．このロボットは90°エルボや分岐のある内径104㎜のパイプ内を最大144㎜ /sの速度で前進することができる．また，このスライド推進機構は水中でも使用できることを確認している．

ネ化が実現できる．著者らはこれまでに，振動モータを用いた超小型オンオフ弁，永久磁石を利用した
自己保持弁，小型サーボモータを利用したデジタル
弁などを開発してきた．さらに，小型オンオフ弁を２つ用いた疑似サーボ弁も開発し，前述の柔軟メカ
ニズムの制御システムなどに用いている．チューブの屈曲を利用した小型サーボ弁も試作している．

⒜

従来の弁

図６

⒝

提案する弁

提案する制御弁の基本コンセプト

4.2 センサに関する研究
センサに関する研究としては，シリコンゴムに導電性塗料を薄く塗布した柔軟ひずみセンサ，糸状柔
軟変位センサ，柔軟なチューブにスリットを設けた
柔軟リニアエンコーダ，ゴム人工筋の軸方向変位を推定するための内径センサなどがある．ここでは，
ゴム人工筋に内蔵した内径センサについて簡単に紹介する．図７に内径センサ内蔵型ゴム人工筋の測定原理を示す．センサの測定原理は以下の通りである．
印加圧力によって，人工筋チューブが膨らむと人工筋内部壁面とフォトリフレクタとの間の距離が大きくなり，フォトリフレクタの出力電圧が下がる．その出力電圧の変化から人工筋の内径を知ることができ，人工筋の軸方向の変位が推定できる．これは水中でも使用できるので入浴介助や湯中でのリハビリ訓練機器などへの応用を検討している．

４．小型制御弁やセンサの開発と応用

図７4.1 制御弁に関する研究
提案してきた制御弁の基本コンセプトを図６に示す．従来の弁は図⒜に示すように，ポペット(鋼球)に管路軸方向から力を加えることで弁を開閉しており駆動に大きな力が必要となる．それに比べ，図⒝のように管路軸に直交する方向から力を加えると1/4程度の力で開閉することができる．また，このような無拘束タイプの弁は摺動部がなくシールが不要といった利点を有する．さらに，ポペット駆動に永久磁石を利用すると自己保持機能が実現でき省エ249

ゴム人工筋に内蔵した内径センサの測定原理図

５．お わ り に
本学メカトロニクス研究室の特徴や研究内容の概要について述べた．今後も学生達とアイディアを出し合いながら活発な教育研究活動を行いたい．なお，
研究内容に関係した発表論文などは研究室のWeb
で あ るhttp://ud037.are.ous.ac.jp/dohta/な ど を 参照していただければ幸いである．


フルードパワーシステム（原稿受付：2013年 ６ 月 ４ 日）

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

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フルードパワーシステム

企画行事

平成24年度ウインターセミナー開催報告「アクアドライブシステム（新水圧駆動技術）の現状と将来」

著

者

紹

作動油の物理的特性の違いなど駆動媒体として水道

介
おお

大

うち

内

ひで

英

とし

俊

山梨大学
〒400-8511 山梨県甲府市武田４―３―11
E-mail : ohuchi@yamanashi.ac.jp

1978年東京工業大学大学院博士課程修了．同大学精密工学研究所助手を経て，1984年山梨大学工学部助教授，2004年同教授．油圧制御，空気圧制御，圧電アクチュエータに関する研究に従事．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．

1．は じ め に水を利用する際に必要となる基礎知識と，水圧駆動回路の省エネ化について講演をいただいた．環境融和性の高い水圧駆動システムであるが，同時に高効率の駆動技術も求められている．水は低粘性であり，内部漏れなどの問題があって可変容量型ポンプ/
モータの開発が困難であり，エネルギー回収による省エネルギー化を行うことは難しい．
このような状況の中で，絞り損失を排除できるFST（Fluid Switching Transmission）方式を中心として，水圧駆動システムの省エネルギー化の可能性について解説いただいた（写真１）．

平成24年度ウインターセミナー「アクアドライ
ブシステム（新水圧駆動技術）の現状と将来」が平
成25年２月22日（金）に機械振興会館において開催された．本稿では，本セミナーの趣旨および各講
演内容の概要を報告する．

2．開 催 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）の当初の主な目的は地球環境問題対策であった．すなわち，油圧作動油による環境汚染を防止するための，従来の油圧システムの代

写真１

講演される池尾教授

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，電動駆動システムというこれまでの駆動システムを適用するのが困難な分野における第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

3.2 水
 圧人工筋を用いた水中歩行訓練装具の股関
節角度推定
近年，リハビリテーション分野においてもクリーンな駆動源である水圧技術の適用が進められている．

いる．
そこで本セミナーでは，「アクアドライブシステ「水圧人工筋を用いた水中歩行訓練装具の股関節角度推定」と題して，まず芝浦工業大学の伊藤和寿教

ム（新水圧駆動技術）の現状と将来」というテーマで企画し，その基本的な技術の現状，実施例，さらに将来展望について4件の講演をいただいた．

授から，水圧技術をマッキベン型人工筋に適用した
例として水中歩行訓練補助装具の開発について紹介があった（写真２）．
つづいて同大学大学院の小林亘氏より，水圧人工3．講演の概要
3.1 水圧駆動システムにおける省エネルギー化
はじめに，上智大学の池尾茂教授より，「水圧駆筋のモデル化と評価，および補助装具に取り付けた
人工筋の変位推定，股関節の角度推定法について実験結果を交えて説明いただいた（写真３）．

動システムにおける省エネルギー化」と題し，水と50

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

大内英俊：平成24年度ウインターセミナー開催報告「アクアドライブシステム（新水圧駆動技術）の現状と将来」

写真２

講演される伊藤教授

写真４

講演される中尾教授

写真３

講演される小林氏

写真５

講演される宮川氏

3.3

 クアドライブ技術の超精密工作機械への有ア
効利用神奈川大学の中尾陽一教授より，「アクアドライブシステムの超精密工作機械への有効利用」と題して，光学部品の創成に必要な超精密工作機械におけるアクアドライブ技術について講演いただいた．要
求加工精度は数十nmオーダであり，このような高い加工精度を達成するためには，スピンドルやテーブルの高い運動精度や厳密な熱的安定性が必要不可
欠になる．アクアドライブ技術を利用した超精密工
作機械用スピンドルやテーブルについての解説があり，この分野でアクアドライブが有効に利用できるとのことであった．さらに水静圧軸受の高い軸受剛性を実現するための軸受絞りの設計問題についても講演をいただいた（写真４）．
3.4 ADS技術：最近の技術開発とその応用，展望
最後に，KYB株式会社の宮川新平氏より「ADS技術：最近の技術開発とその応用，展望」と題して，251

トなどを如何に克服すべきかについて現状と将来展望が語られた．
さらに，技術開発には並行して市場調査が必要であり，ADS技術は油圧技術の延長線上にはないことを力説され，ADS市場の拡大の可能性と技術開発の方向性について展望された（写真５）．

4．お わ り にセミナー終了後に実施したアンケートの結果によれば，セミナー参加者の業務分野は，講演者を除きほとんどが水圧関係ではなかった．それにもかかわらず多くの参加者を得たことは，水圧駆動技術の動向に興味を持っている方が多いことを示している．
聴講した感想としては，基本から丁寧に説明され理
解しやすかった，ADSの技術課題と全体的な動向が理解できた，水圧システムの可能性を再認識した，など好評であった．
今後，アクアドライブ技術をはじめ「水利用の世

ADSの技術とマーケティングに長年携わってきた経験から，水の有効利用を「技術システム」としてだ
けでなく，「社会システム」として展望する必要があるとの講演をいただいた．
使用する圧力域ごとに具体的な使用例を挙げ，そ界」が広がることを願っている．
最後に，貴重な講演をいただいた講師の方々，なれぞれの開発の視点について説明され，圧力によっ

らびにご協力いただいた関係各位に謝意を表し，報告としたい．
（原稿受付：2013年 4 月 5 日）て異なる技術課題，エネルギー問題，トータルコス
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フルードパワーシステム

ニュース

次世代油圧動力伝達システムワークショップ

著

者

紹

介
さか

ま

坂 間

さや

清

こ

子

法政大学大学院〒162-0843 東京都新宿区市谷田町２-33
E-mail : sayako.sakama.9k@stu.hosei.ac.jp
2013年法政大学大学院デザイン工学研究科シ
ステムデザイン専攻修士課程修了．現在，法政大学大学院デザイン工学研究科システムデザイ
ン専攻博士後期課程1年．油圧機器に関する研究に従事．日本フルードパワーシステム学会，日本機械学会の学生会員．

写真1

ワークショップの様子

1．は じ め に2013年２月25日，法政大学市ヶ谷田町校舎にて，
次世代油圧動力伝達システムワークショップが開催された．ワークショップは，第一部（写真１）では３名の講師の方による基調講演と，戦略的基盤技術
高度化支援事業「油圧動力伝達システムに使用する
油中気泡除去技術の開発」のプロジェクトメンバー
による成果報告が行われ，第二部では情報交換会が行われた．第一部には107名，第二部には82名の方にご来場いただき，本ワークショップは盛況のう
ちに終了した．
大きな出力密度を有する油圧は，建設機械や航空
機，自動車，産業機械などに利用されており，私たちの生活に欠かせないものである．また，最近では風力や波力発電などのグリーンエネルギー分野への利用も期待されており，今後，油圧分野はさらなる発展が見込まれている．その一方で油圧は，小形化・高出力化への要求からシステムの高圧化が進み，さらに環境負荷に対する規制の強化により，油圧にも と め ら れ る 課 題 は 増 え 続 け て い る． 本 ワ ー ク
ショップは，次世代の油圧動力伝達システムの発展に向け，その解決すべき課題や次世代技術について検討するために開催された．

写真２

北川能教授による基調講演の様子

写真３

布谷貞夫氏による基調講演の様子

写真４

風間俊治教授による基調講演の様子

2．基調講演について
基調講演では，東京工業大学・北川能教授（写真２），コマツ・布谷貞夫氏（写真３），室蘭工業大学・風間俊治教授（写真４）の３名の方にご講演い
ただいた．
はじめに，北川能教授より「高効率によって持続52

フルードパワーシステム

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坂間清子：次世代油圧動力伝達システムワークショップ

発展社会との調和を目指す次世代油圧サーボシステ
ム」という題で，高剛性作動油1），N圧hybrid油圧
3）源2），Active Charge Accumulator（ACA）の研究についてご紹介いただいた．高圧下では，油の圧縮性による影響が増大するため，システムの効率の低下，応答性の低下が問題となる．体積弾性係数の高い高剛性作動油や，高効率と高応答を同時に実現するN
圧hybrid油圧源やACAは，これらの問題の解決に有用であり，今後の油圧の発展に大きく貢献すると考
えられる．
つぎに，
「建設機械を支える油圧技術の将来課題」
について布谷貞夫氏よりご講演いただいた．建設機
械は，ICT化やハイブリッド化が進み，目覚ましい発展を遂げている．また，2014年には排ガス規制がさらに強化されることから，その対応のために新たな技術開発が進んでいる．排ガス規制への対応として，次世代のエンジン開発，排ガス処理装置の搭
載スペースの確保，燃費低減等の課題が挙げられる．
これらの課題を解決するためには，油圧機器自体の技術を向上させていくことが必要であり，建設機械の発展と油圧技術の発展は，今後も密接に関係していくと考えられる．
風間俊治教授には，「トライボロジーの観点に照らした次世代油圧動力伝達システム」についてご講演いただいた4）, 5）．油圧システムの高圧化を実現す
るには，新たな技術の導入だけでなく，ポンプやシ
リンダのしゅう動部で発生する熱，作動油の劣化な
どのトライボロジーが関わる問題を解決していかな
ければならない．トライボロジー問題の解決には，現象の解明等の基礎的な研究が不可欠である．次世代の油圧技術の発展のために，こういった基礎研究にも力を入れていく必要がある．

3．
「油圧動力伝達システムに使用する油中気泡除去技術の開発」について
戦略的基盤技術高度化支援事業は，「中小企業のものづくり基盤技術の高度化に関する法律」に基づく支援策の一環として，日本の製造業者の国際競争力強化と新たな事業の創出を目指し，中小企業のものづくり基盤技術の高度化に資する研究開発から試作段階までの取組を促進することを目的とした公募支援事業である．
「油圧動力伝達システムに使用する油中気泡除去技術の開発」のプロジェクトは，平成22年に３年間の支援事業として採択された6）．著
者は，本プロジェクトに研究補助員として参画していた．
動力伝達システムに用いられる作動油中に気泡が含まれると，大幅な出力の損失，機器や油の劣化を引き起こす．本事業では，旋回流を利用した油中気泡除去技術を開発し，この技術は油中気泡に起因す
るさまざまな問題の解決に有効であることを明らかにしてきた．ワークショップでは，プロジェクトの253

成果報告と検証装置を用いた実演が行われた（写真５）．この技術は，建設機械などの大出力作業機械や，最近注目されている風力や波力発電装置等，広く液体や液圧を扱ったシステムの高品位化・高性能化に大きく寄与すると考えられる．

写真５ 検証機を用いた気泡除去技術の紹介（㈱ティーエヌケー・三科一男氏）

4．お わ り に
基調講演の中で，講師の方々は，今後の油圧の発展の可能性について熱く語ってくださった．若手の技術者や私たち学生は，従来の研究・開発で築き上げられた油圧技術を受け継ぎ，次世代の油圧の発展のために，さらなる技術の向上を目指す必要がある．
また，充実した研究・開発を進めていくために，なぜ油圧が必要なのか，次世代の油圧が社会にどのように貢献できるかを私たち自身で発信していくことが必要である．
参考文献
１ ）留滄海，芦金石，坪内俊之，大坂一人，大場孝一，北川能：高剛性作動油による油圧サーボシステムの性能向上（第 １ 報，圧力応答の向上），日本フルードパワー
システム学会論文集，Vol.42，No.2，p.25-30（2011）２ ）芦金石，留滄海，斉藤理人，大坂一人，大場孝一，北川 能：N圧ハイブリッド油圧源とそれを用いた高応答高効率油圧サーボシステムに関する研究（第 １ 報, N圧
ハイブリッド油圧源の提案と効率向上の検証実験），日
本フルードパワーシステム学会論文集，Vol.42，No.3，
p.46-52（2011）３ ）芦金石，留滄海，北川能，光畑彰人，吉澤雄太:アクティブチャージアキュムレータの開発，第23回フルー
ドパワーシステム国際見本市論文集，p.23-24（2011）p.56-62（2001）
４ ）風間俊治，佐々木隼斗：斜板式アキシアルピストンポ
ンプの熱潤滑特性，日本機械学会論文集C編，Vol.75，
No.758，p.2797-2802，（2009）５ ）風間俊治，小熊尚太，黄鋭：外接歯車ポンプに用いられる側板のトライボロジー（温度と振動の測定および形状の設計）， 設 計 工 学，Vol.44，No.5，p.309-314（2009）
６ ）田中 豊，坂間清子，田中信之，三科一男，川村仁人，
五嶋裕之，鈴木隆司，三宅隆：戦略的基盤技術高度化支援事業・油圧動力伝達システムに使用する油中気泡除去技術の開発，油空圧技術，Vol.50，No.10，p.42-45（2011）（原稿受付：2013年 4 月 7 日）

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会

フルードパワーシステム

告〈理事会・委員会日程〉

第１回編集委員会
６月７日 14：00 ～ 17：00
田町キャンパスイノベーションセンター

６ 月19日基盤強化委員会

６ 月19日

委員長会議（出席者20 名）

７ 月18日理事会

１）学会誌発行報告

７ 月30日編集委員会

２）学会誌編集計画

８月２日

企画委員会

９ 月20日情報システム委員会

・Vol. 44 No. 4「ADS―水圧技術の今」・Vol. 44 No. E. 1（電子出版号）「緑陰特集」
・Vol. 44 No. 5「流体が関連して発生する騒音・振動」
・Vol. 44 No. 6身体の構造，機能およびその計測（仮）〈第１回 理事会〉（空気圧ＷＧ）
３）その他

５月31日 11：40 ～ 12：40
機械振興会館 地下３階B3―９（出席者16名）

・会誌出版経費の削減について

１）総会の準備状況について・ロゴ問題について

２）各委員会からの報告
３）会員の推移と入退会者について

第１回情報システム委員会

４）その他

６月３日 15：00 ～ 17：00
法政大学市ヶ谷キャンパス一口坂ビル７階〈委員会報告〉（出席者10名）

第６回基盤強化委員会

１）FPIC会議報告担当者について４月26日 15：00 ～ 17：00 機械振興会館B3―３

２）講演論文集の電子化について（出席者15名）

３）学会誌バックナンバーの学会ホームページ公開について

１）会員サービス・会員数増加について
２）外部への情報発信について

４）情報システム委員会規程の改定案について

３）若手フルードパワー育成道場について

５）国会図書館からのオンライン資料説明会について

４）フルードパワー・バーチャルミュージアム

６）学生会員のデータ更新方法の確認について

５）その他

７）HPのリニューアルの状況について８）その他

第３回企画委員会
５月16日 15：00 ～ 17：00 機械振興会館 ６―62室（出席者22名）
１）平成25年度実施事業に関する報告・審議事項
・H25年春季講演会報告について
・春季講演会併設セミナーについて・オータムセミナーについて
・ウインターセミナーについて
・その他
２）平成26年度実施の事業に関する報告・審議事項
・平成26年春季講演会併設セミナーについて
・その他
３）その他審議・確認事項
・会誌７月号の掲載予定会告記事について
・会告の会誌への記載方法の変更について・WGの構成について
・その他

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会告

第32期

会

通常総会終了

255

告

第32期

通常総会終了１．日

時 平成25年５月31日 15時00分～ 16時40分

２．場

所 東京都港区芝公園３丁目５番地８号 機械

振興会館 研修１号室

大阪大学 大須賀 公一 殿
技術開発賞
・公益財団法人鉄道総合技術研究所 

３．議事の経過および結果

菅原 能生 殿・小島 崇 殿

 15：00開会，事務局より出席者および書面審議承認者の数を報告し，ついで香川 利春 会長が定款第15条「総会の議長は、会長がこれにあたる」に基づき議長となり，議事録署名人として，CKD㈱和田 重信 殿，KYB㈱成田 晋 殿を指名したのち議事に入る．

日立オートモティブシステムズ株式会社 五十嵐 靖弘 殿・赤見 裕介 殿
技術功労賞
・ボッシュ・レックスロス株式会 浦井 隆宏 殿・株式会社TAIYO 高崎 邦彦 殿

（報告事項）

学術貢献賞

報告１ 平成24年度事業報告（平成24年度事業報告書）の件
報告２ 公益目的支出計画実施報告（公益目的支出計画
実施報告書）および公益目的支出計画実施報告

・東京工業大学 北川 能 殿
SMC高田賞
・東京工業大学 原口 大輔 殿
公益財団法人 油空圧機器技術振興財団顕彰書に関する監査報告の件
報告３ 平成25年度事業計画（平成25年度事業計画書）の件

・日東電工株式会社 富岡 弘毅 殿

報告４ 平成25年度収支予算（平成25年度収支予算書）の件

キヤノン株式会社 城田 勇介 殿

報告１～４に対し築地副会長，桜井理事，陸浦監事から

九州工業大学

田中 和博 殿，渕脇 正樹 殿

（最優秀講演賞）

説明および報告があり，全会一致で了承された．

講演会で特に優秀な講演をされた方に最優秀講演賞を授（議案）
第１号議案 平成24年度決算報告（貸借対照表，正味与している．今年度は，昨年11月に開催された秋季講演

財産増減計算書（内訳表を含む），財務諸表

会での講演を対象に受賞者を選考し，総会後の技術懇談会に対する注記，監査報告書）の件で表彰された．

第２号議案 公益目的支出計画変更認可（公益目的支出

・学生部門「電界共役流体を用いたDroplet μTASのた
めのアクティブ流路マトリクス：複数液滴の位置制

計画変更認可申請書）の件
第１号～第２号議案に対し築地副会長，桜井理事，陸浦監事から説明および報告があり，全会一致で可決承認された．
以上，総会を了し，日本フルードパワーシステム学会賞


御」慶應義塾大学 安部 陽子 殿

・学生部門「エアタービンスピンドルの省エネルギー制
御法の提案とエアパワーの評価」
福岡工業大学 東嶋 元気 殿などの授賞式および学術論文賞・技術開発賞受賞者の受賞

・社会人部門「小型MR流体ブレーキ膝継手を用いた随記念講演が行われた．

意制御大腿義足の開発」（フェロー授与）・川崎重工㈱

園田

誠 殿有限会社エムサポート 引地 雄一 殿

・（一社）日本フルードパワー工業会

弘光

進 殿

・社会人部門「鉄道車両向け加速度感応型空気圧弁の開発」

・元油研工業蕭

欣志 殿

公益財団法人鉄道総合技術研究所 風戸 昭人 殿

・東京都市大学

佐藤 三禄 殿・東京工業大学

横田 眞一 殿（名誉員） 本年は該当者なし（学会賞受賞記念講演）
学術論文賞受賞者の酒井 悟 殿および技術開発賞受賞者の菅原 能生 殿の受賞記念講演が行われた．

（学会賞表彰）
学術論文
・信州大学 前島 祐三  殿・酒井 悟 殿，
株式会社ローム 中西 稔 殿，


第32期通常総会は多数の出席者を得て盛会裡に終り，
17時00分より例年のとおり技術懇談会が開かれ，なごやかな雰囲気のうちにすべての行事が終了した．
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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・日本機械学会

共催

平成25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25年11月７日
（木）
，８日
（金）

講演募集要項
平成25年秋季フルードパワーシステム講演会を神戸で開催いたします．本講演会では，一般講演に加えて，基調
講演やオーガナイズドセッション，技術懇談会などを企画⑶ 講演論文集：講演論文原稿をオフセット印刷し，１冊の講演論文集に編集します．
⑷ 討

論：講演時に５分間の討論時間を設ける予定

する予定です．詳細は学会ホームページおよび会誌に随時ですが，講演会終了後１ヶ月間は会員より「書面に掲載いたしますので，ご確認いただけますようお願いいた

よる討論」を受け付けます．講演者は学会へ書面をします．皆様の積極的なご参加をお待ちしております．

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書面によ

１．日 程：平成25年11月７日
（木）
〜８日
（金）

る討論の締め切り後，「日本フルードパワーシステム

２．会 場：ニチイ学館神戸ポートアイランドセンター

学会論文集」に論文を投稿できます．
７．参加登録：〒650-0047
兵庫県神戸市中央区港島南町７―１―５⑴ 講演会の参加には参加登録が必要です．参加登録は
当学会ホームページから行って下さい．参加登録方

TEL：078-304-5991
E-mail：pi-project@nichiigakkan.co.jp
http://www.nichiigakkan.co.jp/kobe_pi/
３．講演の種類：学術講演．講演内容はフルードパワーシ

法の詳細はホームページに掲載します．
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，参加登録者は会期中の技術懇談会に参加できます．

ステム分野に関連するものを基本とします．
４．講演申込者の資格：共催両学会の会員およびその会員⑶ 別売り講演論文集：登録料に含まれる講演論文集１を含むグループ．

冊とは別に論文集を購入される場合は，正会員・名５．講演申込要項：

誉員・賛助会員企業の社員は6,000円，フルードパ⑴ 申込方法：当学会のホームページ（http://www.

ワー工業会会員企業の社員は8,000円，一般の方は

jfps.jp）からお申し込みください．なお，講演申し込

10,000円で当日受付にて購入できます．また，学会

み後に講演タイトルを変更することはできませんの

ホームページから講演論文集申込書をダウンロード

でご注意ください．

し，E-mailに添付して学会宛に申し込むこともできま⑵ 講演申込締切日：平成25年９月19日（木）⑶ 講演論文の書式：１講演について３ページ（図・表含む）．サンプルファイルを当学会ホームページから⑷ 講演論文原稿の提出締切日：平成25年10月３日（木）⑸ 講演論文原稿の提出方法：原稿のPDFファイルを当
学会ホームページからご提出ください．詳細はホームページに掲載します．なお，PDFファイルの上限サ

ワーシステム学会」です．
８．講演会プログラム：10月下旬に学会ホームページに
９．最優秀講演賞：本講演会では，企業にご所属の方およ

６．講演会の形式：⑴ 講演時間：１講演20分（講演15分，討論５分）をび学生による講演のうち，特に優れた講演に対して最優秀講演賞を授与します．

予定しています．
長：会員の中からあらかじめ見識ある方を人

10．会員証：会員証カードをお持ちの方は，当日ご持参
ください．

選します．
フルードパワーシステム

三井住友銀行 日比谷支店（普）7611417※いずれも口座名は「一般社団法人 日本フルードパ

掲載する予定です．

イズは２MBです．

56の口座に登録料をお振り込みください．
ゆうちょ銀行 00110-3-133690

ダウンロードしてご使用ください．

⑵ 座

す．ただし，発送は講演会終了後となります．
⑷ 振込先：当学会ホームページから参加登録後，以下

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会告

平成25年秋季フルードパワーシステム講演会のお知らせ

257

事前登録料（平成25年10月24日（木）まで）
名誉員・正会員・賛助会員企業の社員

シニア員・ジュニア員・工業会会員企業の社員

一

般

学生員

18,000円

10,000円

20,000円

23,000円

通常登録料（平成25年10月25日（金）以降，当日登録を含む）
正会員・賛助会員企業の社員

名誉員・
シニア員・ジュニア員・学生員

工業会会員企業の社員

一般

18,000円

10,000円

20,000円

23,000円

注１
注２
注３

シニア員，ジュニア員の割引料金は事前登録の場合のみ適用されます．
会員資格について不明な点は学会事務局にお問い合わせください．
同一の講演者が複数の講演を行う場合，２件目以降，１講演につき7,000円が加算されます．

11．連絡先：一般社団法人 日本フルードパワーシステム

TEL：03-3433-8441

学会

FAX：03-3433-8442〒105-0011 東京都港区芝公園３―５―22

E-mail：info@jfps.jp

機械振興会館 別館102

会

告

第９回

JFPS国際シンポジウム開催のお知らせ

日本フルードパワーシステム学会では，来年（2014年）

また，フルードパワーシステムおよびコンポーネントの10月28 ～ 31日に島根県松江市で第９回JFPS 国際シンポ

最先端技術を紹介する展示会は，産業アプリケーションとジウムを開催します．

そのエンジニアリングの背景に重点をおきます．企業の皆シンポジウムでは，油圧・空気圧・水圧や機能性流体を様の参加をお待ちしています．

含むフルードパワー全般に亘る最新の情報を提供します．

松江市は，再建された壮大な城をシンボルとする島根県

また，シンポジウムのメインテーマは，“Energy Savingの県庁所在地で，日本の神々の逸話に関連する古い日本がand LCA Design in Smart Fluid Power System”としました． いたるところに見られます．シンポジウムの開催場所は，
シンポジウムの目的は，世界中の研究者やエンジニアのためにフルードパワーの現状と未来技術に対する意見交換

このような松江市にふさわしい“くにびきメッセ”で開催されます．

する場所を提供することです．皆様の積極的な参加をお待皆様と松江でお会いできるのを楽しみにしています．

ちしています．

詳細は，http://www.jfps.jp/net/9thjfps/を参照ください．

会

告

会
会員の種類

正

会

員

員

移

動

海外会員

学生会員

賛助会員

会 員 数
（６月10日現在）

939

16

133

124

差

＋23

＋1

－13

＋8

引

増

減

（注１）正会員の内訳

名誉員14名・シニア員31名・ジュニア員152名
フルードパワーシステム

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57

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フルードパワーシステム

賛助会員
イハラサイエンス㈱神威産業㈱旭東ダイカスト㈱小松製作所研究本部

豊興工業㈱㈱日本アレフ

日本機材㈱

㈱野村商店

フジサンケイビジネスアイ
正会員
Dr Mohammad Taufiq Mustaffa

山本 優斗（SMC㈱）西潟 耕治（SMC㈱）鷲野誠一郎（デンソー㈱）齋藤 佳美

増尾 秀三（CKD㈱）井口 謙彦（CKD㈱）多田 昌弘（CKD㈱）深町 哲也（CKD㈱）北川 泰章（CKD㈱）藤田

浩（CKD㈱）上野 聡志（CKD㈱）吉田 泰裕（CKD㈱）松岡 芳宏（CKD㈱）田中

匡（CKD㈱）上野都砂子（CKD㈱）林

清信（CKD㈱）岡本 信一（CKD㈱）伊藤 新治（CKD㈱）井川

彰（CKD㈱）松浦 孝春（CKD㈱）横枕祐（CKD㈱）長崎功（CKD㈱）古居 聖浩（CKD㈱）大石

崇（CKD㈱）渡辺 貴大（CKD㈱）安部 陽子（オリンパスメディカルシステムズ㈱）矢島 久志（SMC㈱）相場 宣慶（東京計器㈱）安永 和敏（東京計器㈱）学生会員
武田健太郎（富山工業高等専門学校）

末若 大輔（立命館大学）

鈴木 純也（山梨大学）

杉山 圭一（山梨大学）

本田 駿太（福岡工業大学）

堂

大木 佑介（豊橋技術科学大学）

大江 啓介（豊橋技術科学大学）

島田 光浩（豊橋技術科学大学）

大前 雄平（豊橋技術科学大学）

吉木

青山 雅貴（東京工業大学）

三橋 孝亮（東京工業大学）

陳柳田 隆一（中央大学）

上原 秀太（横浜国立大学）

ミーンレイアｲン（横浜国立大学）

有賀 拓也（横浜国立大学）

上坂 拓也（横浜国立大学）

平山 智輝（横浜国立大学）

伊達 亮汰（横浜国立大学）

福田 拓人（横浜国立大学）

佐藤 嶺至（横浜国立大学）

高橋 智久（横浜国立大学）

長洲 駿太（横浜国立大学）

田村 駿介（横浜国立大学）

奥脇 立太（横浜国立大学）

渡邊 拓巳（横浜国立大学）

嘉藤 真英（横浜国立大学）

岸

土山

58

均（東京工業大学）

賢人（豊橋技術科学大学）

晟之（東京工業大学）

和紀（横浜国立大学）

豊（横浜国立大学）

フルードパワーシステム

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会告共催・協賛行事のお知らせ

会

259

告

共催・協賛行事のお知らせ
協賛行事
第41回可視化情報シンポジウム
主催：可視化情報学会
開催：平成25年７月16日（火）～ 17日（水）会
場：工学院大学（新宿キャンパス） 〒163-8677

東京都新宿区西新宿 １―24―２

第44回トライボロジー入門講座 ―トライボロジーの基本知識と考え方―
主催：一般社団法人 日本トライボロジー学会
開催：2013年７月18日（木）―19日（金）会
場：機械振興会館 B3 研修２室（〒105-0011 東京都港区芝公園３―５―８

TEL

日本機械学会関西支部 第326回講習会
実務者のための騒音防止技術（展示，簡易実習付き）
開
催：2013年７月30日（火）９：10 ～ 17：00，31日（水）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 ／地下鉄四つ橋線 ｢本町｣ 駅下車
混相流シンポジウム2013
主催：日本混相流学会
開催：2013年８月９日（金），10日（土），11日（日）
会
場：信州大学工学部（長野（工学）キャンパス） 〒380-8553

TEL．03-3342-1211

03-3434-1926）

北へ400ｍ］

長野県長野市若里４―17―1

Dynamics and Design Conference 2013 第13回「運動と振動の制御」シンポジウム
総合テーマ：「海を越え，国を超え，世代を超えて！」
主催：一般社団法人 日本機械学会 機械力学・計測制御部門
開催：2013 年８月26日（月）～ 30日（金）会
場：九州産業大学（福岡市東区松香台 ２―３―１）
第324回講習会31回日本ロボット学会学術講演会
主催：一般社団法人 日本ロボット学会
開催：2013年９月４日（水），５日（木），６日（金）
会
場：首都大学東京南大沢キャンパス（〒192-0397

東京都八王子市南大沢１―１）

2013年度 計測自動制御学会 産業応用部門大会
主
催：公益社団法人 計測自動制御学会 産業応用部門
開催：平成25年10月22日（火）会
場：東京工業大学 大岡山キャンパス 百年記念会館，西９号館ディジタル多目的ホール（〒105-0011 東京都目黒区大岡山２―12―１）
トライボロジー会議2013秋 福岡
主催：一般社団法人 日本トライボロジー学会
開催：2013年10月23日（水）―26日（土）会
場：アクロス福岡（〒810-0001 福岡県福岡市中央区天神１―１―１）
第56回自動制御連合講演会
主催：日本機械学会（幹事学会），計測自動制御学会，システム制御情報学会，化学工学会，精密工学会，日本航空
宇宙学会，電気学会
開催：2013年11月16日（土），17日（日）会
場：新潟大学工学部（新潟市）
COMPSAFE2014（第１回安全・安心のための計算理工学国際会議）
共催：日本計算力学連合・日本計算工学会・東北大学災害科学国際研究所
開催：2014年４月13 ～ 16日
会
場：仙台国際センター

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

59

260

フルードパワーシステム

編 集 室

次号予告
― 特集「流体が関連して発生する騒音・振動」―〔巻頭言〕「流体が関連して発生する騒音・振動」発行にあたって〔総論〕
CFDによる流体騒音の予測
Space–Time法による流体構造連成解析
〔解説〕
空力自励音とその数値解析
超音速ジェット騒音とその低減化
水しぶき形成と音の発生
音響構造連成解析による音響場の直接計算
逆止弁自励振動の流体構造連成解析
水撃作用の固液連成力学
〔会議報告〕ICFP2013におけるフルードパワー技術研究の動向
〔トピックス〕日本提案の空気圧ショートストロークシリンダ、ISO化で奮闘―前編
駐在員日記
福岡工業大学研究室紹介
〔随想〕小生，古希を過ぎて候ふ〔企画行事〕平成25年春季講演会併設セミナー開催報告「自動車技術とフルードパワー」

〔ニュース〕空気圧講演会「空気圧サーボシステムはここまで来た」

中野 政身
加藤 千幸
滝沢 研二，T. E. Tezduyar
中野 政身，松浦渡辺
望月
清水 文雄，田中
渡部
尚，中野
因幡
田中
東川
後藤
溝田
伊藤
和田
香川

一雄
紀徳
修
和博
政身
和晃
豊
智信
絢生
武人
三郎
重伸
利春

平成25年度「フルードパワーシステム」編集委員
委 員 長 吉 田 和 弘（東京工業大学）
副委員長 塚 越 秀 行（東京工業大学）
委
員 伊 藤 雅 則（東京海洋大学）
内 堀 晃 彦（宇部工業高等専門学校）
小 倉
弘（日立建機㈱）加 藤 友 規（福岡工業大学）
北 村
剛（油研工業㈱）木 原 和 幸（（財）工業所有権協力センター）
金
俊 完（東京工業大学）
栗 林 直 樹（川崎重工業）
五 嶋 裕 之（機械振興協会）
佐 藤 恭 一（横浜国立大学）
妹 尾満（SMC㈱）多 田 昌 弘（CKD㈱）中 野 政 身（東北大学）

会

委

員

担当理事

編集事務局


成
西
藤
丸
村
柳
山
山
吉
宮
山

田
海
田
田
松
田
田
田
満
川
田

晋（KYB㈱）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）
俊 拓（神奈川工科大学）
新 平（KYB㈱）宏 尚（岐阜大学）藤 谷 秀 次（学会事務局）
竹 内 留 美（勝美印刷㈱）（あいうえお告
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（社）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．

60

フルードパワーシステム

第44巻

第４号

2013年７月（平成25年）

順）

ISSN

1880-3121

日本フルードパワーシステム学会論文集
第44巻, 第４号（2013）
平成25年７月
目次

研究論文
１．パッシブ形電子油圧模擬負荷装置を用いたACサーボモータ
駆動バルブレス油圧パワーステアリングの性能試験
佐藤

恭一，平野

裕久

75

周，横田

眞一

81

鍾晧，香川

利春

87

謙一，田中

２．大型バイラテラルマニピュレータの研究（第２報

プロトタイプモデルの試作と作業性評価）
吉灘

裕，武田

３．流量フィードバックを備えた空気圧減圧弁
テチャカセムチャレマラット，尹

一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会

ISSN

1880-3121

TRANSACTIONS OF
THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY
Vol.44, No.4

July 2013
Contents

Paper
１．Performance Test of an AC Servomotor Drive Valveless Hydraulic Power
Steering by Using a Passive Type Electro-hydraulic Load Simulator
Yasukazu SATO, Kenichi HIRANO, Hirohisa TANAKA

75

２．A Study on the Large-Scale Bilateral Manipulator（2nd Report : Prototype Model and Working Property Evaluatio）


Hiroshi YOSHINADA, Shu TAKEDA, Shinichi YOKOTA

81

３．A Pneumatic Pressure Regulator with Flow FeedbackChalermrat TECHAKASEM, Chongho YOUN, Toshiharu KAGAWA

Published by
The Japan Fluid Power System Society
c/o Kikaishinko Building
3―5―22 Shiba―koen, Minato―ku, Tokyo, 105―0011, Japan87

佐藤・平野・田中：パッシブ形電子油圧模擬負荷装置を用いたACサーボモータ駆動バルブレス油圧パワーステアリングの性能試験

75

研究論文

パッシブ形電子油圧模擬負荷装置を用いたACサーボモータ駆動
バルブレス油圧パワーステアリングの性能試験＊
佐 藤 恭 一＊＊，平 野 謙 一＊＊，田 中 裕 久＊＊
Performance Test of an AC Servomotor Drive Valveless Hydraulic Power
Steering by Using a Passive Type Electro-hydraulic Load Simulator
Yasukazu SATO, Kenichi HIRANO, Hirohisa TANAKA
Recent passenger cars have been equipped with electric power steering（PS）for both energy conservation and safe
cruise assistance such as lane maintenance and vehicle distance control. However heavy-duty commercial vehicles are still
steered with hydro-mechanical PS because of their greater steering torque. It is necessary to develop high efficient electrohydraulic control PS for hybrid commercial vehicles in order to conserve battery power. The authors present a new typeof AC-servomotor drive pump control valveless PS and demonstrate improved efficiency in power consumption comparedto current valve-control PS from 2.5kW to 340W at full slalom steering in 14s of a ４-ton payload vehicle. Following this study,
steering feel, restoring performance and insensitivity against kickback torque are examined by using a passive type load
simulator with maximum torque capacity of 1500Nm on the basis of the Fiala two-wheel tire model.
Key words：AC servomotor, Pump control, Hybrid vehicle, Load simulator

1．緒

あったのに対し，バルブレスPSでは340Wに大幅に低減で言きることを示した2）．本報では，この研究に続き，ACサー

近年の乗用車では省エネ効果を高めるため，パワーステ

ボモータ駆動バルブレスPSの実使用上の諸性能を明確にす

アリング（以下PSと記す）は，エンジンの動力の一部で油るため，セクタギヤシャフト上に1,500Nmの負荷トルクを圧ポンプを駆動する従来の油圧機械式のPSから，電動PS

かけることができ，Fialaの二輪タイヤモデルを組み入れたに移行している．一方，重負荷となる商用車では大きな操装備が簡単な電子油圧パッシブ形PS模擬負荷装置を用いて，舵トルクが必要なため，油圧機械式PSが多用されている．

操舵感覚，ハンドルの復元特性，キックバックトルクに対

しかしながら，近年は商用車でもハイブリッド車（HV）

する不感性などを調べたので，その結果を報告する．

が開発されており，エンジン停止状態での操舵の必要性に

2．主 な 記 号

よるPSの電動油圧化と，PSのバッテリ消費量の低減が必要となっている．電動化には油圧機械式PS駆動用のポンプ

Ff

：前輪横力

のみを電動駆動化する方法もあるが，従来の油圧機械式PS

Fr

：後輪横力

は弁の絞りにより流量を制御する方式であるため，弁の絞g：重力加速度り損失が大きく，ポンプからアクチュエータまでの動力伝

Iz：車両のヨー慣性モーメント

達効率は高々38%と低い．このため，HV用としてはバッテ

Ka：システムアンプゲイン

リ消費量が多いという問題があり，新しい方式のPSの開発

Kf：前輪コーナリングパワーが望まれている．

Kr：後輪コーナリングパワー

これまでに，著者らは，油圧機械式PSの動力損失の要因

Ks：サーボモータドライバゲイン

である流量方向制御弁を排除したACサーボモータ駆動のKu：ハンドルトルク・操舵角変換ゲイン

バルブレスPSを提案し ，４トン商用車のスラローム走行

l：ホイールベース

で従来のバルブ制御の電動油圧PSの消費動力が2.5kWでlf：車両重心と前輪車軸間距離lr：車両重心と後輪車軸間距離

m

：車体質量

1）

＊

平成24年２月４日 原稿受付＊＊

横浜国立大学大学院工学研究院（所在地 神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台79－５）（E-mail：yasukazu@ynu.ac.jp）
第44巻

第４号

Ms ：セルフアライニングトルク
PL：シリンダ負荷圧力

QL ：負荷流量―1―

2013年７月（平成25年）

76    

日本フルードパワーシステム学会論文集φ：無次元横すべり角

3．電子油圧模擬負荷装置とACサーボモータ駆動油圧ポンプ制御バルブレスPS
模擬負荷装置は，操舵機構系と同一の油圧式のインテグ
ラル形パワーステアリング（IPS）の制御弁を取り除いたもので，負荷となるシリンダの圧力を電子油圧圧力比例弁で制御するものである．この圧力比例弁は，タイヤモデルを組み込んだ模擬負荷制御器（Personal Computer : PC）で操作される．本模擬負荷装置の構成をFig. 1に示す．試験対象となるACサーボモータ駆動油圧ポンプ制御のPS（ACFig. 1AC Servomotor drive pump control PS and passive
type hydraulic simulator

サーボモータ定格出力1.3kW，斜板式アキシャルピストン
ポンプ押しのけ容積10㎤/rev）は，模擬負荷とセクタギヤを介して結合している．ハンドル操作により供試PS内のシリンダが作動すると，セクタギヤ出力軸で結合した模擬負荷側シリンダも作動し，制御器（PC）により模擬負荷側シ
リンダの油圧が圧力比例弁（リリーフ弁）で制御され，供試PSに負荷が働く．当装置では，最大1,500Nm（負荷圧力6.5MPa）の負荷トルクをかけることができる．
供試PSの制御系をFig. 2に示す．ハンドルを操作するとPS内のトーションバーを介して操舵ハンドル操作トルクが発生する．このトルクが指令角変換部を経てセクタギヤの角

Fig. 2

C ontrol system of AC servomotor drive pumpcontrol valveless PS

度指令値θ0を形成し，これに基づきACサーボモータが駆動され，セクタギヤ角度（操舵角）θ が，指令値θ0に等しくなるようなサーボ系となっている．ハンドルとセクタギヤとの回転数比は，約17：１の減速関係である．ここで，ハンドル操作角度 θhとセクタギヤ角度 θ は，ハンドル軸とセクタギヤ出力軸にそれぞれ平行設置したポテンショメータの回転軸に，歯付ベルトで回転を伝えて計測している．
供試PSの出力軸にはトルク計が接続され，500Nmまでは負荷トルクTLをこのトルク計で計測したが，これ以上ではFig. 3Th

Schematic diagram of hydraulic load simulator

トルク計を用いず，負荷シリンダの圧力から負荷トルクを算定した．模擬負荷装置の制御部と油圧回路をFig. 3に示す．
本模擬負荷装置は外部動力源をもたないパッシブ形の試：操舵ハンドル操作トルク

Thv ：車速による補償トルクを含むハンドル操作トルク

験装置で，セクタギヤの作動によりピストンが動いて流量

TL：負荷トルクが発生し，このピストンに圧力比例弁で油圧負荷を与える

Tv：車速による補償トルク構造になっている．ここで，模擬負荷油圧回路内の小形ポ

u：x 軸方向の速度成分

ンプは，負荷シリンダが油を吸込みやすくするためのv：y 軸方向の速度成分

V

：車両速度

β

：車両横すべり角βf：前輪車両横すべり角βr：後輪車両横すべり角γ：車両ヨーレイトθ：セクタギヤ角度（操舵角）

θh：ハンドル操作角度

θ0：セクタギヤ指令角度μ：乾燥路面摩擦係数
第44巻

第４号

Fig. 4―2―

Two wheel vehicle motion model3）
2013年７月（平成25年）

77

佐藤・平野・田中：パッシブ形電子油圧模擬負荷装置を用いたACサーボモータ駆動バルブレス油圧パワーステアリングの性能試験

1－
β=
γ=

lf
m
2
V
2l lr K r
1＋AV 2

1
1＋AV 2

ただし，A =

m
2l

2

lf 
θ
l

⑸

V
θ
l 

⑹

l f K f －l r K r
である．
Kf L r

式⑶に式⑸，⑹を代入すれば前輪横すべり角βf と操舵角
θの関係が求まる．Aの値は旋回中の車両の挙動に影響する4）が，本報では，操舵角θに対する模擬負荷装置が発生するべFig. 5

き負荷トルクを算出することが目的なので，lf＝lr ，Kf＝Kr

6）

Cornering force and side slip angle βfとしてモデルを簡単化する．これによりA＝０となり，βf

チャージポンプで，その供給圧力は0.2MPaとしてある．制と θ の関係は

御器（PC）は，セクタギヤ角度（操舵角）θ と車速 V を取

βf =－込み，車両のタイヤ特性に基づいた負荷信号を形成し，圧力比例弁を制御している．

セルフアライニングトルクMsは，Fialaの理論5），6）に従い，

4.1 セルフアライニングトルクのモデル化
車の旋回運動をFig. 4の二輪モデルおよびFig. 5の前輪部の横すべりモデルで表す．車両の急加速，急減速や，急激に大きなハンドル操作をする場合を除く通常の走行では，
車速Vはほぼ一定で，横すべり角 β は小さいとみなせるので，旋回運動は，横方向への並進運動とヨー軸に関する回転運動として，以下の運動方程式で表せる3），4）．

Iz⑺で表される．

4．セルフアライニングトルクのモデル化と試験結果

mV

m
2
V θ
4 l Kfdβ+ γ =－2 Kf βf －2 Kr βr dt

操舵角θとMsは反時計まわりを正としてθ＞― ０であれば
μmgl
1 41
1 2 1 3φ
Ms =－φ－ φ + φ －
 ⑻
18
162
2
6
6
θ＜０であれば
μmgl
Ms =－
2
ここで，φ =

1
1 2 1 3
1 4
φ－ φ + φ －
φ
6
6
18
162



⑼

4 Kf
4 Kf
m
2
tan βf =tan
V θ である．
μmg
μmg
4 l Kf⑴dγ=－2 Kf βf lf ＋2 Kr βr lr dt⑵

ここで，前後輪の横すべり角βf ，βr は近似的に次式のように表せる4）．
βf = β ＋lf
γ = θ
V⑶

Table 1 Main parameters of vehicle and road frictionm
Kfvehicle mass at no load

2,000㎏

vehicle mass at full load

4,000㎏

cornering power of front wheel at no load

42,000N/deg

cornering power of front wheel at full load

84,000N/degllength of wheel base

4.6m

μ

friction coefficient of dry asphalt road0.8

βr = β －lfγVFig. 6

Measurement of self-aligning torque Ms of simulator
at m＝2,000㎏, V＝50㎞/h

Fig. 7

Measurement of self-aligning torque Ms of simulator
at m＝4,000㎏, V＝50㎞/h⑷

商用車では通常の旋回運動中に横すべり角βとヨーレイ
トγに急激な変化はないとして

dβ
dγ
= 0,
= 0 の近似を導dt
dt

入し，式⑴，⑵を解くと次式が得られる．
第44巻

第４号

―3―

2013年７月（平成25年）

78

日本フルードパワーシステム学会論文集

4.2 セルフアライニングトルクの測定

ドル操作トルクの関係を任意の関数で設定できる．その基セルフアライニングトルクMs の算定を，Table1に示す商本パターンとしてFig. 8に示す関数形を設定した．Fig. 9に，用車の諸元をもとに行った．この結果を，Fig. 3の制御器に操作者がハンドルの操舵速度がほぼ30deg/sとなるように組込み，模擬負荷装置の負荷トルクTLを発生させた．

手動操作した時のハンドルに働く操舵トルク特性を測定しセルフアライニングトルクMs の算定値と模擬負荷装置にた結果を示す．ACサーボモータの制御性がよく，所定のおける発生トルクについて，速度V＝50㎞/h，積荷の有無

トルク特性が得られている．

による２例（車体質量m＝2,000㎏, m＝4,000㎏）について比5.2 操舵ハンドル操作トルクの車速感応化

較した結果をFig. 6とFig. 7に示す．模擬負荷装置の発生ト

操舵感覚として，低速時には軽いが高速時には適度な重

ルクはMsの算定値をよく再現しており，また，V＝10，30，

さとなることが望ましい7）．当PSシステムでは，基本とな

70㎞/h等の他の車速で積荷条件を変えた場合でも，結果のるハンドル操作角度と操舵ハンドル操作トルクのパターン

掲載は割愛するが同様にMs の算定値を再現できていること（Fig. 8）に，中立点の剛性を車速に応じて可変とする補正から，当模擬負荷装置は多様な車速，積荷条件における負トルクを加える方式とした．この剛性は中立状態から荷状態を供試PSに付与できることが確認できた．なお，走90degまでのハンドル操作角度に対する操舵ハンドル操作

行を想定した模擬負荷圧力は，Fig. 7のMs の最大値でもトルクの比Th/θhであらわし，90degにおける補償トルクを

0.5MPaであり，据切り操舵時の模擬負荷トルク（別途実車

Th＝Tvとし，Tvを車速Vに応じて，Fig. 10のように設定した．

試験値での測定トルク値より設定したトルク）を与える負さらに，ハンドル操作角度90deg以降は基本パターンに従っ

荷圧力５MPaに比べて大きくない．

て操舵ハンドル操作トルクが上昇するようにした．

5．ACサーボモータ駆動油圧ポンプ制御バルブレスPSの操舵ハンドル操作トルク特性試験
5.1 操舵ハンドル操作トルク特性の設定

ハンドルの操舵範囲を約±200degとし，車速が低速の例
としてV＝20㎞/h，高速の例としてV＝80㎞/hに設定した試験例をFig. 11，Fig. 12に示す．両図において，車速に応じて補正トルクを加えた操舵ハンドル操作トルクをThvで表す．

供試PSは，操舵特性となるハンドル操作角度と操舵ハン

Fig. 11では車速が低いため補償トルクはなく，ThvはFig. 8の中立部を拡大したものと同じである．一方，車速V＝Fig. 8 S
 et up of steering feeling characteristics; handle
operating angle θh and handle wheel steering torque Th

Fig. 10 V ehicle speed compensation torque Tv that gives
variable stiffness around the neutral position

Fig. 9 M easured handle wheel steering torque characteristics
of AC servomotor pump control PS; handle operating
angle θh to handle wheel steering torque Th at an
operating speed of 30deg/s

Fig. 11 M easured characteristics of handle wheel steering
torque Thv including vehicle speed compensation
torque at low speed of V＝20㎞/h

第44巻

第４号

―4―

2013年７月（平成25年）

佐藤・平野・田中：パッシブ形電子油圧模擬負荷装置を用いたACサーボモータ駆動バルブレス油圧パワーステアリングの性能試験

79

いてハンドルの復元性を調べた．Fig. 13とFig. 14に，初期
ハンドル角度720degと360degの二例について，車速20㎞/hを想定したハンドルの復元試験の結果を示す．いずれの初期ハンドル角においても，３秒程度で中立状態に戻ることが見られるが，対象とした４トン商用車としては標準的な戻り時間である．これとタイヤからの負荷特性を含む操舵系のモデルを用いたシミュレーション結果と比較すると，両者はよく一致していることが確認できる．
5.4 キックバックトルクに対する不感性試験
タイヤの脱輪やバースト時の急激なトルク変動に対するFig. 12M easured characteristics of handle wheel steering
torque Thv including vehicle speed compensation
torque at high speed of V＝80㎞/h

ハンドルトルクへの不感性を調べるため，模擬負荷装置に急激なトルク変化を与えて操舵ハンドルトルクの変化の有無を調べた．
本模擬負荷装置は，負荷側ピストン室の圧力を外部動力

80㎞/hのときは，３Nm/90degの剛性をもつ補償トルクが源をもたずに制御する受動形の試験装置であるため，急激中立点から90degの区間において基本特性（Fig. 8）に加算

な負荷変動を与えるためには，負荷圧力を高圧状態からス

され，Thv はFig. 12に示す特性となる．

テップ状に下げる方法しかない．この時生じるトルク変化

5.3 操舵ハンドルの復元特性

をキックバックトルクとした．実験方法は，ハンドル操作

操舵終了後にハンドルが中立状態に戻る速度が遅いと運8）

転者は不安に感じ好ましくないため ，模擬負荷装置を用

角θhを反時計方向に２回転させ保持した時生じる負荷状態
から，ハンドルを時計方向に緩やかに戻す途中で，負荷圧力を4.8MPaから0.3MPaにステップ状に下げ，ハンドル操作
角度θhと操舵ハンドルトルクThの挙動を調べた．その結果をFig. 15に示す．この負荷圧力変化は，操舵系のセクタギ
ヤ軸に約1,029Nmの外乱トルクを加えたことに相当する．

Fig. 13 M easured and simulated transients of handle
wheel restoring to neutral position from 720deg at
20㎞/h of vehicle speed⒜⒝Fig. 14 M easured and simulated transients of handle
wheel restoring to neutral position from 360deg at
20㎞/h of vehicle speed
第44巻

第４号

Load pressure change generating kickback torqueInsensitivity test of the handle operating angle θh andhandle wheel steering torque Th against kickback torqueFig. 15 Insensitivity of the handle wheel operation against
kickback torque on the sector gear shaft from 1,029
Nm（PL＝4.8MPa）to 64Nm（PL＝0.3MPa）―5―

2013年７月（平成25年）

80  

日本フルードパワーシステム学会論文集

Fig. 15より，操舵ハンドル操作トルクへの大きな変動はみ測定し，供試PSのセクタギヤの角度制御系が負荷変動られない．これは，当PSのセクタギヤの角度制御系が高いに強いサーボ機構を構成していることにより，操舵ハ

制御剛性をもっており，負荷変動に強いサーボ機構が構成

ンドル操作トルクには大きな変動は生じないこと示しされているためである．

た．

6．結

最後に実験に協力を得た本学学生の横井省吾氏に感謝す

言るとともに，ACサーボモータ駆動油圧ポンプの供試を得

本報告では，ハイブリット商用車向けに大幅な省エネル

た油研工業㈱殿に感謝する．

ギー化がはかれるACサーボモータ駆動バルブレス油圧PS

参 考 文 献について，各種条件下でPSに作用する負荷を模擬できる受動式の模擬負荷装置を用い，ハンドルに働く操舵トルク特１ ）K. Hirano, H. Tanaka：Performance of AC servomotor
Control Electro-hydraulic Valve-less Servomechanism,性を調べた．

Proceedings of 7th JFPS Int. Symposium on Fluid

模擬負荷装置は供試PSと同一のIPSのシリンダを利用しPower, TOYAMA, P 2-08, p. 623-628（2008）

たもので，供試PSとセクタギヤ軸で結合するだけの単純な装置で，高性能な模擬負荷装置 に比べ，廉価でコンパク２ ）平野謙一，田中裕久：商用車用バルブレス電子油圧パ

トであるという特徴を持つ．その制御器ではFialaのタイヤ

ワーステアリングに関する研究，フルードパワーシス

二輪モデルに基づくセルフアライニングトルク特性や試験

テム学会論文集，Vol. 40，No. 6，p. 111-116（2009）

内容に応じた多様な負荷トルク特性を再現するよう，負荷３ ）自動車技術会：自動車技術ハンドブック第 ２ 分冊 設計

9）編，p. 540-543（1991）

シリンダの油圧圧力を電子油圧圧力比例弁で制御する．この模擬負荷装置を用いた供試PSの性能試験により以下の結４ ）安部正人：自動車の運動と制御，東京電機大学出版局,
p. 10-74（2008）

果が得られた．
⑴ ACサーボモータ指令信号の設定により，ハンドル操５ ）E. Fiala：Seitenkräften am rollenden Luftreifen, V.D.I.,
Bd. 96, Nr. 29, 11, Okt., p. 973-979（1954）

作特性であるハンドル操作角度と操舵ハンドル操作トルクの関係を任意の関数で設定できることを確認し，

６ ）酒井秀男：タイヤ工学，グランプリ出版，p. 159-194（1987）

操舵ハンドル操作トルクを車速感応にすることにより，

７ ）カヤバ工業株式会社：自動車の操舵系と操安性，山海堂，p. 85-102（1996）

所望の操舵感覚となるように調整できる性能を有する８ ）T. Miyamoto, F. Momiyama and T. Fujioka：Steer-

ことを示した．

Restoring Torque Controlled Driving Simulator for⑵ ハンドルの中立状態への復元特性を測定し，初期ハンドル角度720degと360deg，車速20㎞/hを想定した場合，Developing Steering Road Feel, SAE paper No. 912690,

戻り時間はおおよそ３秒程度となり，タイヤからの負

p. 549-554（1991）

荷特性を含む操舵系のモデルを用いたシミュレーショ９ ）瀬川雅也，東真康，中野史郎，小竹元基，永井正夫：
ス テ ア リ ン グ 評 価 用 シ ミ ユ レ ー タ の 開 発，Koyo

ン結果とよく一致した．
⑶ キックバックトルクに対するハンドル操舵の不感性を

第44巻

第４号

―6―

Engineering Journal, No. 168, p. 31-34（2005）2013年７月（平成25年）

81

吉灘・武田・横田：大型バイラテラルマニピュレータの研究

研究論文

大型バイラテラルマニピュレータの研究＊（第２報 プロトタイプモデルの試作と作業性評価）

裕＊＊，武 田吉 灘

周＊＊＊，横 田 眞 一＊＊＊＊A Study on the Large-Scale Bilateral Manipulator（2nd Report：Prototype Model and Working Property Evaluation）

Hiroshi YOSHINADA, Shu TAKEDA, Shinichi YOKOTA
A new bilateral master-slave control system for the large-scale manipulator is proposed. The aim of the system is to copewith its large payload capability and achieve the dexterity to accomplish its assembling and the deburring tasks. To
achieve this goal, three new control methods were introduced, i.e. the new bilateral servomechanism combined with thesymmetric type and the force reflection type, the variable compliance control and the disturbance force compensation. In
the first report, the preceding test results for the simple single joint-model were described. The promising results of those
preceding tests motivated the authors to fabricate a 6-DOF prototype manipulator. In this paper, the results from theworking property evaluation of this prototype model are reported.
Key words：Manipulator, Force control, Bilateral servomechanism, Master-slave control, Pressure feedback, Heavy
industry

1．緒

それらの有効性を確認した．

言

本報では，単軸モデルの結果を基に試作した６自由度の大重量のワークを搬送できる大出力と，組立やバリ取りなどの作業にも対応できる繊細な制御性を兼ね備えた汎用大型多関節マニピュレータの概要とその作業性評価の結果を報告する．

的な機械システムはほぼ皆無と言ってよい．このような機

2．プロトタイプモデル

械システムが実現できれば，重工業の生産性の向上や，現場の安全性・環境の改善にきわめて大きな役割を果たすこ

第１報で取り上げた単軸モデルでの実験結果を基に，実とができる．繊細な制御性と操作性を実現する方法として，際の作業性を評価するためのプロトタイプマニピュレータ

バイラテラルマスタ・スレーブ方式のマニピュレータの研の試作を行った．マニピュレータは，並進３自由度，手首

1）-4）

究が広く行われている．バイラテラル制御については

３自由度の一般的な６自由度垂直多関節型とした．エンド

いろいろな手法が提案5）されているが，本研究で対象とす

エフェクタとして平行グリッパを設けている．Fig. 1にそのる大型のマニピュレータへ適用した例はきわめて少ない．

スケルトンと動作領域を示す．

6）

このため第１報 では，大出力のマニピュレータに適したバイラテラル制御システムの検討を行った．その結果，油圧駆動の対称型・力逆走型の複合バイラテラル制御と，その制御性を改善するスレーブ速度に応じた可変コンプライ
アンス制御およびクーロン摩擦力，粘性摩擦力などの外乱力の補償制御を立案した．さらに単軸の実験装置によって＊平成24年２月21日 原稿受付＊＊

大阪大学工学研究科（所在地 大阪府吹田市山田丘２－１ F1－203）（E-mail：yoshinada@jrl.eng.osaka-u.ac.jp）＊＊＊

コマツ開発本部（所在地 石川県小松市符津町ツ23）＊＊＊＊

東京工業大学精密工学研究所（所在地 横浜市緑区長津田町4259）
第44巻

第４号

Fig. 1―7―

Configuration and work area of prototype model
2013年７月（平成25年）

82    

日本フルードパワーシステム学会論文集

駆動方式は単軸モデルと同様に，スレーブマニピュレー

レータの中にすべての自由度を組込むと，構造が複雑にな

タは全軸電気油圧サーボ駆動，マスタマニピュレータは全りヘビィデューティな作業には適さない．このため手首３軸電動サーボモータ駆動である．スレーブマニピュレータ

軸の操作はマスタマニピュレータには組込まず，別途３次の前腕および上腕の駆動には単軸モデルと同様のJISの標準

元ジョイスティック（Penny ＆ Giles社製JCP-3）を設けて油圧シリンダを，旋回にはEaton社製のオービットモータ

いる．この手首３軸にはバイラテラル制御は織り込んでおを用い，減速比１/ ４のチェーン・スプロケットを介してらず，通常の位置制御である．ただしスレーブマニピュ

駆動している．手首３軸には独自に設計した低摩擦の搖動

レータの手首３軸には，絶対座標に対して姿勢を一定に保モータを，グリッパにはやはり独自設計のスイベルジョイ

持する制御を付加しており，実際の作業中にジョイス

ント内蔵シリンダを使用している．前腕，上腕の制御には

ティックレバーで手首を操作する頻度は少ない．コント

油圧比例弁（MOOG J866相当品）を使用している．手首おロールは，右手でマスタマニピュレータを，左手でジョイ

よびグリッパにも比例弁の使用を検討したが，コンパクト

スティックを操作する方式とした．マスタマニピュレータ

な比例弁が見つからないため小流量のサーボ弁を用いていは中指・薬指・小指の３指でグリップを握り，親指と人差る．各軸の駆動圧力は14MPaで最大可搬重量は２kNに設定

指はグリッパ開度指令用のトリガーにかける．把持反力はした．自重補償の計算式を簡素化するために，スレーブマ

このトリガーを介してオペレータの指に伝えられる．Fig. 3

ニピュレータの第２アームは平行４節リンクによる駆動形にマスタマニピュレータの外観を示した． Table 1にマニ式を採用している．これにより第１アーム，第２アームのピュレータの仕様を示す．

自重補償計算式は，相互の姿勢の影響を受けず独立に取り扱うことができる．Fig. 2に試作したプロトタイプマニピュ
レータの外観と手首・グリッパの構成を示した．

Fig. 3
Table 1⒜⒝
Fig. 2

Hydraulic６＋gripper［DOF］

Upper arm length

2,000

［㎜］

Slave Lower arm length

1,500

［㎜］

Maximum payload

2,000

［N］

Maximum speed

45 ［°
/s］

Pump pressure

14 ［MPa］

Driving system

Electric［－］

３＋gripper

［－］

１/ ７

［－］

3D joystick［－］

Servo motor rated output

30－110［W］

Maximum reflection force

30

［N］

Degrees of freedom

Prototype manipulator

Master scale ratio
Masterへの反力の呈示には，単軸モデルと同様にDCサーボモータを用いた．減速比１/ ５のタイミングベルトを介して駆動することで，良好なバックドライバビィリティと低バッ
クラッシュを実現している．ただし小さなマスタマニピュ
―8―

［－］

Degrees of freedom

Wrist and gripper

造で，約１/ ７縮尺のスケールモデルとなっている．各軸

第４号

Specifications of prototype manipulator

Driving system

Outer view

マスタマニピュレータはスレーブマニピュレータと同構

第44巻

Master manipulator

Wrist control

Bi-lateral ratio（Manipulator） ０～１/100（Gripper）

１/50

［－］

2013年７月（平成25年）

83

吉灘・武田・横田：大型バイラテラルマニピュレータの研究

前腕，上腕，旋回およびグリッパには，第１報1）で報告

はるかに高い．本研究で狙いとする慣性質量の大きな大型したバイラテラル制御システム，すなわち⑴ 対称型・力

マニピュレータでは，バイラテラル制御による慣性力の逆送型の複合バイラテラル制御，⑵ スレーブ速度によるフィードバックが，円滑な操作の実現にきわめて有効であ

可変コンプライアンス制御，⑶ 自重・クーロン摩擦力・ると考えられる．

粘性摩擦力の外乱力補償を組込んだ．単軸モデルに比較してスレーブマニピュレータの出力が大きくなったことから，
前腕，上腕，旋回の３軸については，バイラテラル比率の上限値を単軸モデルの１/ ２の１/100に設定した．グリップのバイラテラル比率は１/50である．スレーブマニピュ
レータとマスタマニピュレータは，およそ７mの距離を置いてそれぞれを別室に配置し，操作はモニタカメラ画像によって行った．

3．作業性評価実験
提案するシステムの有効性を確認するためにプロトタイ
プモデルを用いた作業評価実験を行った．一般的に「位置追従性」，「力伝達性」，「組立作業性」の評価が行われるこ⒜とが多いが7），ここではさらに「操作の習熟性」，「操作疲

Without bi-lateral control

労度」も評価対象に加えた．習熟性や疲労度の評価例はきわめて少ないが，わずかな事例8）をベースに新しい工夫を加えて実験を行った．以下にそれぞれの結果を述べる．
3.1 位置追従性
マニュアルマニピュレータの位置追従性の評価は工夫が必要である．単なる位置再現性やむだ時間，時定数だけで⒝は，実際の操作性の良否は表現できない．いくつかの試行

Fig. 4

With bi-lateral control

Test result of position traceability

実験の結果，以下のような評価方法によれば，オペレータの官能評価との相関が高い結果が得られることが分かった．

3.2 力伝達性
グラインダを用いたバリ取り作業を実現するためには，

１）マスタマニピュレータで，鉛直面内に適当な直径で一良好な力伝達性が不可欠である．Fig. 5に力伝達性の評価結定速の円軌道指令を与える．
２）スレーブマニピュレータ先端に加速度センサを取り付果の１例を示した．Fig. 5はスレーブマニピュレータの中け，円軌道動作中の水平方向の加速度を記録する．

で，もっとも駆動メカニズムが複雑な（オービットモータ

３）スレーブマニピュレータが正しい円軌道を描けば，加＋チェーン・スプロケット）旋回軸の力追従性であるが，速度出力は正弦波となる．理論的に求めた正弦波出力

良好な力の再現性が得られていることが分かる．

と実際の出力を比較評価する．
Fig. 4に実験結果の一例を示す．指令円の直径は約１m，
速度は２m/sで比較的高速の動作である．Fig. 4⒜はバイラ
テラル制御を遮断して操作した場合で，スレーブマニピュ
レータ先端の加速度波形は，理論正弦波から大きく乱れている．一方⒝はバイラテラル制御を働かせた場合で，加速度波形は理論値とほぼ一致している．目視的にも両者の差は明らかだが，理論値と実測値の相関係数を求めると，⒜のバイラテラルを遮断した場合は0.23，⒝のバイラテラル
Fig. 5の場合は0.92であり，⒝の一致性は非常に高いことが分か

Test result of force transmissibility（Swing axis）

る．これは，バイラテラル制御によってスレーブマニピュ
レータの慣性力がマスタマニピュレータに伝えられ，無理またグリッパの力制御特性をFig. 6に示す．グリッパの開な加減速指令が抑制されて，きれいな円軌跡指令を与える

閉は親指と人差し指でトリガーを操作して行うが，寸法的ことができているためと考えられる．官能評価でもバイラにトリガーの近傍には反力用のモータが組み込むことがでテラルを働かせた方が，スレーブ動作との操作の一体感はきないため，モータはレバー把持部の下側に置き，そこか

第44巻

第４号

―9―

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84

日本フルードパワーシステム学会論文集

らベルトとギア列を用いてトリガーを駆動している．メカ

ニピュレータを用いてクリアランス0.1㎜程度の組立作業がニズムが複雑なため必ずしも良好な線形性は得られてはい

実現可能なことが確認された．

ないが，10Ｎ程度の力のコントロールはできており，想定される対象をつぶさないように把持することは可能と考えられる．

Fig. 6

Gripper force controllability

Fig. 8

Test results of “Peg-in-Hole” task

3.4 操作の習熟性

3.3 組立作業性
組立作業性の評価には，産業用ロボットの評価にもよく本研究で狙いとするシステムは，工場の生産現場におい用いられるピン嵌合作業を用いた．テストには外径φ99.9て，ホイストクレーンなど既存の搬送システムの代替とし㎜のスチール製のピンを使用した．ピンは中空で，その内て適用することを想定している．したがって操作の習熟に壁に嵌合時にピンに加わる応力を測定するためのひずみ

長期間を要し，生産を滞らせるようなシステムは好ましくゲージを貼付している．一方これを嵌合する孔は，内径φない．マニピュレータの導入直後から，未経験者でも使い100.0㎜，深さ100㎜で，やはりスチール製である．ピンお

こなせる操作の容易性が求められる．一般にマスタ・ス

よび孔のエッジはそれぞれ３㎜の45°
面取りを行っている．

レーブ操作方式は，直観性が高く初心者にも取り扱いやす

表面粗さはピン，孔ともに12.5s程度である．スレーブマニ

い操作方式とされているが，本システムの操作習熟性の評

ピュレータのグリッパでピンを把持し，鉛直方向から孔に価として，以下に述べる実験を行った．

嵌合する．組立作業性の評価として，嵌合作業の際にピン評価の対象作業として3.3節で述べたピン嵌合を取り上げに加わる応力の大きさと作業完了に要する時間の計測をた．ただしクリアランスはやや緩めて，ピン外径はφ99.5

行った．Fig. 7に嵌合作業の状況を，Fig. 8には計測結果を㎜としている．ピンと孔はテーブル上に300㎜の距離をお示した．

いて設置する．まずマニピュレータでテーブル上のピンを持ち上げて300㎜移動させ，孔に嵌合する．嵌合完了後ピンを引き抜き，同じ経路を辿ってテーブル上の元の位置に戻すまでを１セットの作業とする．基本的な操作方法だけを教育した実作業経験のない初心者と本システムの操作に習熟したオペレータのそれぞれに，このピン勘合作業を連続して実行してもらい，そのサイクルタイムの変化を計測した．
その結果をFig. 9に示す．作業の開始当初，初心者のサイFig. 7

クルタイムは熟練者のおよそ４倍程度の時間を要している

Test scene of “Peg-in-Hole” task

が，時間の経過とともに減少し，作業開始８分後には，ほFig. 8の３つのグラフが示すように，力のフィードバック

ぼ熟練者と同等のサイクルタイムが得られている．この結量が大きくなるにしたがって，ピンに加わる応力は小さく果から，本システムの操作系の直観性は高く，操作の習熟なり，同時に作業に要する時間も大幅に短くなっている．

も容易であると判断される．

このことから，バイラテラル制御によるオペレータへの力

3.5 操作疲労度のフィードバックが，組立作業にきわめて有効に作用する

実際の生産現場では数時間の連続作業は珍しくなく，マことが分かる．また提案する制御システムにより，大型マ

ニピュレータの操作による疲労は重要な問題である．また

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吉灘・武田・横田：大型バイラテラルマニピュレータの研究

Fig. 11⒜はガラスコップの搬送である．コップはごく一
般的なものを用いている．コップを握りつぶしたり，中の飲み物をこぼしたりすることなく搬送し，やさしくテーブ
ルの上に置くことができている．⒝は卵の把持の様子を示す．卵が割れやすい横方向から把持している．グリッパ把
持力のフィードバックを利用して卵を割ることなく把持している．⒜，⒝ともに数Nの把持力のコントロールができている．⒞はマッチ擦りである．グリッパでマッチ棒を把持し，固定したマッチ箱に先端を擦って点火する．マッチを擦る力は小さく（１N程度），その反力はマスタマニピュ
レータには伝達されないが，良好な微操作性を活かして，
ほぼ100％の確率でマッチ擦りを成功させることができている．
Fig. 9Operation learning curve

マスタ・スレーブ操作方式では，しばしば操作者の疲労が指摘されている．著者らは，マスタ・スレーブ操作方式による疲労は本質的な問題ではなく，マスタマニピュレータのデザインの不良や不適切な操作力の設定による影響が大きいと考えているが，試作マニピュレータの疲労度の評価のために次の実験を行った．対象作業は習熟性の評価と同⒜Glass handling⒝

Egg grasping⒞Match striking

じピン嵌合作業である．今度は熟練オペレータ２名を被験者として，可能な限り速いスピードで，休みなく連続して作業を実施してもらい，そのサイクルタイムの変化を記録した．Fig. 10に結果を示す．オペレータA，Bの両名とも，30分の連続作業でもサイクルタイムの増加は見られず，むしろ減少傾向にある．この結果から，本システムの操作方
式は，オペレータに強い疲労を与えるものではないと考えられる．

Fig. 10

Fig. 11

Fatigue characteristic

3.6 その他の作業

Dexterousness demonstration tasks

4．量産モデル

これまでに述べた評価試験により，試作マニピュレータの基本性能は良好であることが確認できた．本研究の狙い

本研究で開発したシステムは，可搬重量２～ 22kNの重は重量物の搬送と同時に，組立やバリ取りなどの作業に必量物ハンドリングマニピュレータシリーズとして量産され要とされる器用さと繊細さを実現することにある．試作マている9）-11）．量産にあたっては，ユーザのヒアリング結果

ニピュレータの器用さを評価するために，いくつかのデモをフィードバックして，本稿で述べたプロトタイプマニ

ンストレーション作業を行った．その状況をFig. 11に示す．

ピュレータから以下の点を変更している．

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日本フルードパワーシステム学会論文集

１）マニピュレータおよび運転席を移動台車上に搭載．

を行った．本報では，この試作マニピュレータの概要と，

２）グリッパのバイラテラル制御廃止．把持力の段階切替

それを用いて行った作業性評価実験の結果を報告した．位
置追従性，力伝達性，組立作業性，操作の習熟性，操作疲に変更．
３）手首３軸を位置制御から速度制御に変更．

労度の評価を行った結果，いずれにおいても良好な評価が４）マスタマニピュレータの駆動メカニズムをタイミング得られた．本研究の狙いである重量物をハンドリングする
ための大出力と，組立・バリ取りなど器用さを要求されるベルトからボールスクリューに変更．
Fig. 12に量産モデルの外観を示す．またFig. 13は現場で制御性の両立は，あるレベルまで達成できたものと考えらの稼働状況である．現在までにおよそ80台が市場に導入される．今後はこの技術の建設機械など他分野への展開12）をれ，鋳鍛造，車両・鉄道，鉄鋼など多くの工場で稼働して進める予定である．

いる．導入ユーザの業種比率をFig. 14に示す．

参 考 文 献１ ）藤井澄二：サーボマニプレータの問題，日本機械学会
誌，Vol. 59，No. 449，p. 58-61（1956）
２ ）江尻正員：バイラテラルサーボ機構の特性，日本機械学会論文集（第１部），Vol. 31，No. 230，p. 1484-1491（1965）
３ ）R.W. Uhrich, A.E. Munson：Position and force feedback
give manipulator precise control, ease of operation,
Hydraulics & Pneumatics September, p. 178-181（1973）
４ ）横小路泰義：マスタ・スレーブ制御の理論，日本ロFig. 12

Production model（Payload 7kN model）

ボット学会誌，Vol. 11，No. 6，p. 794-802（1993）５ ）日本ロボット学会編：新版ロボット工学ハンドブック（コロナ社），p. 708-709（2005）
６ ）吉灘裕，武田周，横田眞一：大型バイラテラルマニ
ピュレータの研究（第１報コンセプトの立案と単軸モデル実験），日本フルードパワーシステム学会論文集，Vol. 44，No. 3，p. 56-63（2013）７ ）松日楽信人，朝倉誠，番場弘行：異構造マスタスレー
ブマニピュレータの作業性とその評価実験，日本ロFig. 13

ボット学会誌，Vol. 12，No. 1，p. 149-154（1994）

Grinding work in large machine factory８ ）池田玉治，猪熊守彦，西山優，奥村勝治：深海作業用
マニピュレータについて，関西造船協会誌，Vol. 184，
p. 21-28（1982）
９ ）H. Yoshinada, S. Takeda, K. Okamura, S. Yokota：
Development of Large Scale Bi-lateral Manipulator for
Heavy Industries, Proceedings of 8th JFPS International
Symposium on Fluid Power, p. 324-329（2011）10）吉灘裕：重量物ハンドリングマニピュレータ，フルー
ドパワーシステム，Vol. 33，No. 6，p. 375-378（2002）

Fig. 1411）吉灘裕：重量物ハンドリングマニピュレータについて，

Industrial types of users

油空圧技術，Vol. 34，No. 2，p. 63-67（1995）

5．結12）吉灘裕，岡村健治，横田眞一：油圧ショベルに適した言

異構造マスタ・スレーブ操作方式の研究，ROBOMEC

第１報で提案した大型バイラテラルマニピュレータの制

2011，講演予稿集，1A1-C04（2011）

御手法を用いて６自由度の多関節型マニピュレータの試作

第44巻

第４号

― 12 ―

2013年７月（平成25年）

87

テチャカセム・尹・香川：流量フィードバックを備えた空気圧減圧弁

研究論文

流量フィードバックを備えた空気圧減圧弁＊
テチャカセム チャレマラット＊＊，尹鍾 晧＊＊＊，香 川 利 春＊＊＊A Pneumatic Pressure Regulator with Flow Feedback
Chalermrat TECHAKASEM, Chongho YOUN, Toshiharu KAGAWA
The offset of secondary pressure is a recurring problem in pressure regulators. In conventional pressure regulators,
reduction of the offset requires increase of loop gain, which deteriorates pressure control stability. This paper proposes a
new pressure regulator that reduces the offset without loss of stability. The pressure regulator is composed of a pilot valve,a Venturi tube for flow rate detection and a main valve. The pressure at the throat of Venturi is fed back to the pilot valve,
which reduces the offset of the regulating pressure. Simulation was carried out for the proposed system, and design
parameters were determined thereby. A prototype of the designed pilot valve was manufactured and experimented upon.
The experimental results revealed the effectiveness of the proposed design.
Key words：Fluid control, Pressure regulator, Flow feedback, Pilot valve

1．緒

圧力変化を抑制する方法5）も試みられているが，オフセッ

言トとのトレードオフの中でパラメータの最適選定を行工場などの空気圧利用では，しばしば大形の圧縮機を共う6）-8）ものが，一般的な手法である．しかし，流量の変化

通空気圧源とし，個々の空気圧回路は減圧弁により，適切に伴う２次圧力の変動を，圧力検出のフィードバックだけな圧力に減圧した空気を用いる．本研究で扱う減圧弁は，で抑えようとすれば，ループゲインの増加を必要とし，安主弁をパイロット弁1）で駆動する方式のもので，大流量空定性の低下は避けることができない．アスピレータと呼ば気圧装置への利用を目標としているが，ガス配管のガバれる流量に応じて弁開度を大きくする機構があるが，大流

2）
, 3）

ナ

量の場合では安定性が問題となる．

にも利用が見込めるものである．

減圧弁の２次側圧力は一定であることが目標であるが，この研究では，パイロット弁に対して，下流側の圧力だ

実際には，使用空気流量により，圧力が変化してしまう．

けではなく，流量もフィードバックすることにより，安定２次圧力の設定値からの定常偏差が本論文におけるオフ性を損なわずにオフセットを減少させようとする．この報セットである．オフセットの発生は，その下流にある空気

告では流量検出の方法として，主弁下流にベンチュリ管を圧駆動系の性能に影響を与えるから，これはできれば０に設置し，そのスロート圧力をパイロット弁駆動力に加える．

したい．従来の形式のパイロット弁でオフセットを減少さ

この方式にさらに摩擦力を作用させて，安定性を維持しなせるためには，下流圧力変化とパイロット弁出力変化の比

がらオフセットを減少させることが可能となった．上記の（ゲイン）を増加させるという方法を取る．しかし，ゲイ原理にもとづくパイロット弁を試作し，大形の主弁の制御ンが大きくなると不安定現象が起きるので，ある程度のオに用いて，良好な結果を得た．

4）

フセットを許容している ．

2．主 な 記 号

圧力制御システムの安定性は下流側の体積にも依存する．
下流側の体積が小さくなると圧力の変化が速くなり，不安

A1 ：ベンチュリ管入口断面積（㎡）定を引き起こしやすくなる．そこで，二段ステップモー

A2 ：ベンチュリ管スロート断面積（㎡）

ターマイクロスイッチを利用して不感帯特性を設けて速い

Ad ：ダイアフラム受圧面積（㎡）b ：チョーク臨界圧力比＊

平成24年３月６日 原稿受付＊＊

東京工業大学大学院メカノマイクロ工学専攻（所在地 横浜市緑区長津田町4259）（E-mail：techakasem.c.aa@m.titech.ac.jp）＊＊＊

東京工業大学精密工学研究所（所在地 横浜市緑区長津田町4259）
第44巻

第４号

Cv ：ベンチュリ管流量係数k1 ：パイロット弁の上部ばね定数（N/m）
k2 ：パイロット弁の下部ばね定数（N/m）
m ：パイロット弁の駆動部の質量（㎏）P ：圧力（Pa）― 13 ―

2013年７月（平成25年）

88    

日本フルードパワーシステム学会論文集

図において，チャンバ１の上部はダイアフラム１，下部Q ：流量（㎥ /s）
R ：気体定数（J/kg/K）

はダイアフラム１となっている．チャンバ２の上部はダイ

Se ：有効流路面積（㎡）

アフラム２，下部は弾性を無視できる固定した隔壁板であV ：体積（㎥）る．チャンバ３の上部はダイアフラム３，下部は固定した

x ：ノズルとフラッパ間のすき間（m）

隔壁板である．この隔壁板は弁ケースに固定してある．
チャンバ１には，ベンチュリ管下流の圧力P2が接続され

θ ：温度（K）
ρ ：密度（㎏ / ㎥）ているが，ここは，パイロット圧力を制御するノズルから添字		

の空気の流出口ともなっている．チャンバ２にはベンチュ

1 ：１次側リ管の圧力が，絞り２を通って接続されている．チャンバ

2 ：２次側３には減圧した圧力（２次圧力）P2が接続してある．

3 ：パイロット弁中央部の制御室

以上の圧力の接続により，ダイアフラム１の上面には大a ：大気圧

気圧，下面には２次圧P2がかかる．ダイアフラム２の上面

c ：主弁の制御室にはP2が，下面にはチャンバ２の圧力P3がかかる．また，

c1 ：チャンバ 1

ダイアフラム３の上面には大気圧が，下面には２次圧 P2が

c2 ：チャンバ 2

かかる．
パイロット弁の中央に弁軸があって，これにダイアフラ

c3 ：チャンバ 3
u ：上流側ム１，ダイアフラム２，ダイアフラム３が固定されている．

d ：下流側

弁軸は上部ばね
（k1）
と下部ばね
（k2）
により支持されている．

M ：主弁

ダイアフラム２の中央板はフラッパとなっていて，このフ

N ：ノズル

ラッパとノズルの間の間隔xが変わると，主弁制御圧Pcが変わり，主弁を駆動することとなる．すなわち，xの変化

v ：ベンチュリ管

量は，弁軸の変位量に等しい．定常状態ではフラッパとノ

3．提案するパイロット弁のメカニズム

ズルの間隔により，Pcが定まり，主弁開度の定常値が決定

3.1 原理の説明する．それゆえ，設定ねじ（Set screw）の調節を行うと，Fig. 1は提案するパイロット弁の原理図である．P1は減圧主弁の制御圧力を調節することができる．

弁系の１次圧力であって，P2が２次圧力，すなわち減圧しいま，何らかの原因で，P2が上昇すると，この圧力はた圧力である．P1は主弁上流圧力であると同時に，パイ

チャンバ１とチャンバ３に伝えられる．チャンバ３内の圧ロット動作圧力Pcを得るための供給圧力でもある．

力の上昇により，弁軸には上向きの力が働いて，ノズルとFig. 1
第44巻

第４号

Schematic of a regulator system― 14 ―

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テチャカセム・尹・香川：流量フィードバックを備えた空気圧減圧弁

ρ2'P2' － Pv = 2 C（ A ）（ A ）－1

v

Qm 2

A1 2

1

2

⑴

ここでP2' はベンチュリ管入口の圧力であり，これは主弁下流圧力でもある．
これ以外の絞り要素をとおる流量は，次の楕円近似式（ISO6358参照11））を用いて表す．
QANR = ρ1

ANR

Fig. 2

Schematic of a conventional systemψ

圧力上昇とは，ともにノズル流量を低下させるので，PcがPd上昇し，主弁を閉じる方向の力が増加する．P2の微少変化と，これに対するPcの微少変化の比が，パイロットゲイン

u

Pu
Rθ u

Pd
ψ（ ）
P

⑵

（ ）

⑶

u

2
Pd

－b

Pu
～
～ 1 －b 1 －
1 －b
Pd

,b＜
＜1

Pu


 = 1 －b , 0 ＜ Pd ＜ b

Pu

（P ）

フラッパの間隔xを減少させる．xの減少と，チャンバ２のSeである．主弁が閉鎖方向に動くことにより，上昇していた

空気ではb＝0.528である．

圧力P2 が低下する．一方，２次圧の上昇は，主弁通過流量

ベンチュリ管スロート部圧力Pvの変化が直接チャンバ３の減少をともなう．このときには，ベンチュリ管スロートに伝えられると，圧力変動ノイズなどの影響を受けやすい部の圧力も上昇し，その上流圧力P2' と下流圧力P2との差はことが予想されるので，チャンバ３への通路に固定絞りを減少する．このため，P3はP2から見ると，流量が多いほど設置した．この固定絞りとチャンバの容量とで積分の効果

低い圧力となる．この効果を従来形のパイロット弁との比（厳密にはPvに対する一次遅れ）が生じる．この固定絞りの較において説明する．

特性は次式で表すことができる11）．絞りを効かさない場合比較のために，Fig. 2に従来形減圧弁の構造を示す．この場合には，弁軸を押し上げる圧力は，P2だけである．

はこの式を使用しないで，チャンバ３の圧力を単にPv＝P3とする．

これに対し，本研究の場合は，P2とP3が弁軸を押し上げPv
Pd
Q c 22 = Se r 2 ψ（ P ）ρuv Rθ vる．それゆえまずダイアフラム面積は，単純計算で本研究のものは，従来形の２倍となる．本研究のパイロット弁で⑷は，弁軸にかかる力は，P2とP3で決定し，流量が多いとき

ベンチュリ管の下流には，管路が接続されていて，そのにはP3の相対的減少により，弁を押し上げる力は従来形の特性は，主弁を含めた圧力制御系として考えるのが適切で２倍には至らず，その不足分だけフラッパ変位xが増加し，あるが，一般には未知である．本研究では，提案するパイPcを低下させる．このように，本提案の構造では，下流圧ロット弁の特性の検討に議論を限定し，負荷系に関する検力P2が流量増加により低下する場合と，流量以外の要因

討は行わないが，実験やシミュレーションでは固定絞りを（負荷加重の増加など）の両方に対応して，パイロット弁

負荷として用いている．この場合の圧力流量特性は，次のの動作にフィードバックしている．これにより，負荷流量

とおりである．

の変化による，２次圧力の変化を抑制することになる．

Pd ρ2 P2
Q m = Se Load ψ（ P ）uRθ 2

3.2 ベンチュリ管及び絞りの動作
パイロット弁に接続されている圧力は，Pc ， P3 およびP2である．これらがパイロット弁外部の要素により影響を受ける様子を以下に示す．このうち，Pcはパイロット弁の出⑸

次に，主弁とベンチュリ管の間に配管上生じる空間の，圧力と通過流量の関係は次のとおりである．

力圧力で，パイロット弁への流量Qc2との関係は，パイロッρ2' Rθ
dP2'

=（ Q'm－Q m ）dt
V2'

ト弁内部にあるノズルにおいて決定されるので，これについては3.3において述べる．
流量フィードバックを実現するために，ベンチュリ管を⑹

ここでは，下流側の空気は等温と仮定している．

用いた．ベンチュリ管のスロート部の圧力は，ベンチュリ

次に，絞り１の上流は１次圧力P1で，この絞りの下流圧管を通過する流量が増加すると低下する．この関係は次の力Pcはノズルに接続されている．絞りを通る流量は次のよ式により表される9）,10）．

うに表される．

第44巻

第４号― 15 ―

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日本フルードパワーシステム学会論文集

Fig. 3Block diagram for the valve

P1
PdQ 1 c = Se r 1 ψ（ P ）ρu
1 Rθ 1

いる力とパイロット弁のダイアフラムにかかっている流体⑺

力が変化すると，ダイアフラムに作用する力が不平衡とこれを用いると主弁を操作する圧力Pcは同様に等温変化なってフラッパが変位する．このことにより，ノズル上流の圧力が変化し，これにより主弁の変位が変化して，２次を仮定すると次式で求められる．
ρc RθcdPc
=（ Q1 c－Qc 2 ）dt
Vc

圧による力とが釣りあっている．この状態から２次側の圧側圧力を復帰させる12），13）．このときの主弁における制御圧⑻

力，１次及び２次圧力，流量の関係は，
P1
PdQ m' = Se m ψ（ P ）ρu
1 Rθ 1

3.3 パイロット弁の力学モデル
チャンバ１の圧力とノズルを通る流量の関係は次のとお⑿りである．ただし，チャンバ１における圧力はP2に等しいである．この場合の，有効流路面積は，制御圧力によってとみなす．

決定されるが，それは使用する主弁の特性ごとに異なる．

PcPd
Qc 2 = SeN（ x ）ψ P ρ
u
c Rθc

（ ）

以上の関係式をもとに，本論文で扱っている減圧弁システ⑼

ムのブロック線図を描くと，Fig. 3となる．

4．要素特性及び実験

チャンバ２における圧力の変化は次のとおりである
ρc 2 Rθc2dP
 3 = Qc22
dt
Vc 2

前章で述べた特性改善の方針が正しいかどうかを確かめ⑽

るため，弁の試作を行い，主弁及び負荷と組み合わせた閉ループ系の実験を行った．
本章の4.1節から，4.4節まででは，構成する主な要素の特弁の変位は，次の運動方程式により決定する．
m x＋c x＋sing（x）Fμ＋ k（＋k（
1 x＋x1,0 ）1 x＋x 2,0 ）

P
P
P
= A（
＋Ad（ 3 －Pa ）d2－ a ）

性を測定する．4.5節ではこれらを用いたシミュレーション⑾

を行い，主弁を含む減圧弁全体の実験結果との比較を行う．
4.1 ノズルフラッパの流量特性

ただし，x1,0 ，x2,0は，それぞればね1, ２の初期圧縮長さでノズルの流量特性は，式⑼に示したように，ノズルに供ある．提案するパイロット弁のチャンバ２の圧力は２次側給される圧力，出口圧力，フラッパまでの距離によって決圧力が通じているチャンバ３の圧力とは異なるので，上下定する．この場合，設計により調節される特性は，変位との制御室は，固体板で隔離されている．このとき，板と弁有効開口面積の関係である．それゆえ，ノズルの上流圧力軸の間からの，漏れ止めのためにOリングを用いた．式⑽を固定した値とし，下流圧力を大気圧として，流量と変位のFμはパイロット弁の弁軸とOリングの相対運動におけるを測定する14）．その結果を用いて有効開口面積を決定する

クーロン摩擦力である．このパイロット弁では，弁室が従こととした．その実験回路図と結果をFig. 4とFig. 5に示す．

来形のパイロット弁よりも一つ増える．このため，チャン

4.2 ベンチュリ管の特性

バ隔壁に弁軸を通すことが必要になり，これが弁軸に作用

ベンチュリ管の特性はFig. 6に示す装置により測定した．

する摩擦力が発生する．摩擦力は，一方では，圧力設定の一般にベンチュリ管を流量測定に使う場合には，上流直管

ヒステリシスを発生するが，パイロット弁の変位応答の減部などの規定がある．しかし，ここではスロート部圧力と衰に役立つ．

２次圧力の差で，流量を間接的に表す．この差圧は信号と平衡状態では，パイロット弁の圧力設定ばねで発生して
第44巻

第４号

して利用するだけなので，流量測定における規定15）を考慮― 16 ―

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テチャカセム・尹・香川：流量フィードバックを備えた空気圧減圧弁

Fig. 8Fig. 4 Experimental setup for measuring nozzle characteristic

Static characteristic of pilot valve

Oリングを用いている．このため，摩擦が生じ，P2とPcの関係にヒステリシスを生じることが予想される．そこでP2とPcの関係を実測した．測定例をFig. 8に示す．軸の太さとOリングの個数を変えて，ヒステリシスの大きさを測定し，適切なものを選択した．なお，この測定ではチャンバ２へのベンチュリ管からの圧力を封じ，代わりに２次圧力を
チャンバ２に導くことにより行った．こうすると，圧力P2がダイアフラム２とダイアフラム３にかかるので，P2から制御圧力Pcまでのゲインは同じダイアフラムを備えた従来型パイロット弁の約２倍になる．
4.4 主弁の特性

Fig. 5

このパイロット弁の有効性を実験的に確認するためには，

Characteristic of nozzle

主弁と接続し負荷回路を接続しなければならない．主弁特性はこの研究の目的ではないが，シミュレーションを行う
ためには主弁のパラメータが必要となる．
本研究ではガス供給システムなどで，主弁として多く使用されているAxial Flow Valves（AFV）を利用した．その概略をFig. 9中に示す．これは対向した中空円錐台の側面にスリットがあり，これにはゴムスリーブを被せたものであFig. 6

る．供給圧P1，制御圧Pcの差によってゴムスリーブが変形

Experimental setup for Venturi test

してスリットを塞ぎ，これにより流量が調節される．調節弁などによくある弁栓を使う形式の弁では，質量も大きく，
弁軸の摩擦力も大きいのであるが，この主弁の場合，クーロン摩擦力は作用せず，慣性力もゴムスリーブ変形によるものだけなので，本論文の解析では慣性効果を無視した．
主弁のパラメータを求めるための実験装置をFig. 9に，測定結果の静特性をFig. 10に示す．測定結果を見ると，P1 -Pc
が約150kPaで飽和状態となっている．P1 -Pcの値が０から約25kPaまでのときは不感帯であった．この結果は実験式
として次のように表すことにした.
Fig. 7

Experimental result of ΔP at Venturi
m z）
=
Se（

しなくてよい．ただし，この差圧を信号として用いて，２次圧力の低下を補うため，設置したベンチュリ管の特性測0.14 z 3－ 1.1 z 2 ＋ 0.01 z ＋ 7［㎟ ］
0.003z 3－0.21 z 2＋23 z － 140

⒀

ただし，

定を行う必要がある．この場合には，式⑴のCVを実測によ

z＝P1－Pc

Unit: kPa

り決定すればよい．Fig. 7にその結果を示す．

この関係式をFig. 3で示してあるモデル（ブロック線図）

4.3 パイロット弁のゲイン及びヒステリシスに組み入れて，閉ループ制御システムのシミュレーション

このパイロット弁では，弁軸からの漏れの防止のために
第44巻

第４号

に用いた．

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日本フルードパワーシステム学会論文集

Fig. 9Fig.11

Experimental setup for main valve test

Experimental setup for closed loop

弁を用いた減圧弁の特性測定を行い，次いで，提案したパ
イロット弁を用いた減圧弁の特性測定を行った．Fig. 12に
静特性の測定結果を比較して示す．図において，横軸は流量，縦軸は２次圧力を表す．図中のプロット点はこの実験に用いたパイロット弁，及び実験装置のパラメータを用いたシミュレーションの計算結果及び実験結果である．Fig. 8に示されたP2からPcまでのヒステリシスはかなり大きいが，実験で測定した２次圧力のヒステリシスは十分小さいものであった．この理由は良く解明できなかったが，実装した
Fig. 10場合には，パイロット弁には微小な振動が伝わってきていCharacteristic of main valve

たので，デイザー効果が発生していた可能性がある．オフ
4.5 主弁を含めた実験とシミュレーション

セットは従来形パイロット弁においては，流量の増加に

圧力制御システム全体の実験装置の概略図をFig. 11に示伴って大きくなっている．これに対し，提案するパイロッ

す．一次側には300kPa（G）の圧縮空気を供給した．このとト弁においては,オフセットが非常に小さくなっていること

き，二次側圧力設定値は150kPa（G）とした．負荷側，すなが確認できる．

わちベンチュリ管の下流側に二つの弁が直列に接続してあ次に安定性に関する実験は次のように行った．まず，る．これらは負荷用の弁である．この二つのうち，上流側

Fig. 11の装置において，オン・オフ弁を全開状態（オン状にあるものはオン・オフ弁，下流側にあるものは可変絞り態）とし，可変絞り弁により，定常状態における流量を設弁である．可変絞り弁は静特性測定用である．オン・オフ

定する．次いでオン・オフ弁を閉鎖し，続いて圧力記録を

弁は過渡現象を発生させるために用いる．

開始してからオン・オフ弁を急開放する．このとき，２次シミュレーションは３章で示したモデル及び本章前節ま

側圧力の初期値はオン・オフ弁閉鎖の速さにより相違を生でで求めた要素パラメータを用いて行った．要素パラメー

じるが，ここでは定常状態の圧力になるべく近くなるよう

タの主な値をTable 1にまとめて示す．

に調整した．シミュレーションの初期値は定常状態と同じ

Fig. 11に示した装置を用いて，まず従来形のパイロットとする．
オン・オフ弁の急開放により，負荷側の圧力は，急降下

Table 1

Parameters used for simulation
Conventional

New type

し，過渡振動に入る．この圧力振動が短時間で減衰するものほど，安定性が良いといえる．従来形パイロット弁を用いた場合の結果をFig. 13に示す．提案するパイロット弁を

Diaphragm area

931㎟

931㎟

Spring constant １

36.9kN/m

36.9kN/mFig. 13, 14において，シミュレーションと実験の一致はパSpring constant ２

7.6kN/m

4.2kN/m

ラメータの数が多いことを考えると，かなり良いといえる

Mass m

0.19㎏

0.35㎏

であろう．Fig. 13とFig. 14を比較すると，従来形に比べて，

R

287J/㎏/K

287J/㎏/K

Downstream volume0.100㎥0.100㎥

Step size in simulation

0.002s

0.002sFrictional force

0N

6N

第44巻

第４号

取り付けた場合の実験結果をFig. 14に示す．

新提案のパイロット弁は安定性の面でも良好であることがわかる．この安定性の向上は新型において加えた摩擦力によるものと考えられる．
また，流量変動をパイロット弁の弁室に直接接続すると，過渡現象の抑制に悪影響を及ぼすことも予想し，ベンチュ― 18 ―

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テチャカセム・尹・香川：流量フィードバックを備えた空気圧減圧弁

参 考 文 献１ ）（社）
日本油空圧学会，油空圧便覧，オーム社，p. 461-​467（1989）
２ ） 川東孝至，吉田 真，藤田壽憲，香川利春 : ガス制圧器システムのシミュレーション, 日本シミュレーショ
ン学会論文誌, Vol. 22, No. 3, p. 187-193（2003）
３ ） 竹内智朗：都市ガス圧の制御ガズガバナの最新技動術
向，計測と制御，Vol. 48, No. 3, p. 262-267（2009）４ ） 森永智昭 :空気減圧弁の動特性, 計測自動制御学会論文
Fig.12

集Vol. 6, No. 1, p. 68-73（1970）

P-Q characteristics of regulator systems５ ） Waxman, M., Davis, H.A., Everhart, B.: Automatedpressure regulator, Rev. Sci. Instru. p. 1467-1470,（1984）
６ ）El, G.R., Bezian, J., Delenne, B., Menu, F., Modelling of apressure regulator: Int. J. of Pressure Vessels and Piping,Vol. 84, p. 234-243（2007）
７ ） Sunil, S., Ullekh, P.: Mathematical Modelling of Pressure
Regulator for Cryogenic Application: Proceedings of 4th
FMFP（2010）８ ） Vujić, D., Radojković, S., Dynamic Model of Gas Pressure
Regulator: Mechanics, Automatic Control and Robotics

Fig.13Vol. 3, No 11, p. 269-276（2001）

Conventional type pilot valve step response

９ ） JIS Z8762-3 円形管路の絞り機構による流量測定方法―第 ３ 部：ノズル及びノズル形ベンチュリ管（2007）
10） Daugherty, R.L., Ingersoll, A.C.: Fluid mechanics withengineering applications, McGraw-Hill Book, p. 125-129（1954）
11） ISO 6358: Pneumatic fluid power – Components usingcom­pressible

fluids – Determinationofflow-ratecharacteristics.（1989）12） 潘衛民，藤田壽憲，清水真也，香川利春，大谷秀雄，
谷田部義則：パイロット弁付きガス製圧器の特性,計測
Fig.14

自動制御学会論文集, Vol. 33, No. 3, p. 195-202,（1997）

New type pilot valve step response

13） Ishigaki, T., Watanabe, K., Modeling of LP Gas Singleリ管とチャンバ３の間には可変絞りを設置したが，Fig. 14

state Pressure Regulator and Simulation of the Behaviorの実験では，この絞りは開放している．これを見ると，絞of a Deteriorated Diaphragm: Proceeding of SICE, p.

りを入れなくても，十分速く減衰するようである．しかし，1442-1445（2004）

パイロット式の減圧機構は，性能に関係するパラメータの14） 香川利春，清水優史，森田矢次郎 : ノズルフラッパを数が多いので，主弁や負荷系を変えたときに，どのような入力部とするノンブリード形空気圧パイロット弁負荷問題が生じてくるかは，なお研究の必要性が少なくない．

容量系の動特性に関する研究, 計測自動制御学会論文集Vol. 21, No. 5，p. 480-486（1985）

5．ま と め15） ISO 5167-1 Measurement of fluid flow by means of

パイロット弁式の空気圧減圧弁において，２次側に専用

pressure differential devices inserted in circular cross-ベンチュリ管を設置して，２次圧力とベンチュリ管スロー

section conduits running full: Part 1 General principle

ト圧力をフィードバックする方式を提案した．シミュレー

and requirements.（2003）

ションと実験により提案した方法によって，安定性を保ちながらオフセットを低減することができることを確かめた．

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平 成 2 5 年 7 月1 5日
一般社団法人

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（40歳未満で入会された方は，入会から５年間にかぎり4,000円となります．
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一般社団法人該当するものに○をつけ、お振 込の内容をご記 入ください。

裏面の注意事項をお読みください。

一般社団法人

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昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
平成25年７月15日発行（奇数月）

Vol.44 No.4
フルードパワーシステム

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