Vol.43 No.5

昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
平成24年９月15日発行
（奇数月）

0011

基礎研究の最新動向

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

フルードパワーシステム

フルードパワーシステム

昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可

平成24年９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

Sep.2012 Vol.

43 No.5

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「基礎研究の最新動向」

第四十三巻
第五号︵二〇一二︶

東京都文京区小石川一│三│七
印刷所 勝美印刷株式会社

5
日本フルードパワーシステム学会

一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会

http://www.jfps.jp

ISSN 1346―7719

日本フルードパワーシステム学会誌

第43巻 第 5 号
2 0 1 2 年９月

フルードパワーシステム―目次―

特集「基礎研究の最新動向」【巻頭言】「基礎研究の最新動向」発行にあたって【解説】
各種油圧ポンプのしゅう動部の温度計測（実作動条件下の実機ピストンポンプ，歯車ポンプ，ベーンポンプを対象として）摩擦を考慮した断熱管内空気定常流量特性の近似計算
川上
ヘルムホルツ形油圧動吸振器の減衰特性
フルードパワーアクチュエータの動摩擦力特性と数学モデル
ゴムベローズを用いた高減衰空気圧ゴム人工筋のモデル化とシミュレーション
電界共役流体に発生する流動のモデリング
超精密工作機械用の流体駆動スピンドル

眞田 一志

267

風間 俊治
幸男，中野 和夫
一柳 隆義
柳田 秀記
加藤 友規
竹村研治郎
中尾 陽一

268
271
274
277
280
283
286

【解説】
入門者向き実習講座「油空圧技術」
眞田 一志
290
阿佐ヶ谷プロジェクト― ３ 次元免震建物の地震観測（前編）高橋治
293【FPIC会議報告】
第12回日本機械学会機素潤滑設計部門講演会におけるフルードパワー技術研究
吉田 和弘
300
第24回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウムにおけるフルードパワー技術研究動向
嚴祥仁302
IFK2012参加記
加藤 友規
305
【教室】
おもしろ油圧機構 第８回 油圧モータ
大橋
彰
307
おもしろ空気圧「空気圧機器の流量特性」
妹尾満
312
入門講座「流体力学」 第１回：覆水盆に返らず高橋勉
314【トピックス】
スマートグリッドと情報・通信の国際標準化
五嶋 裕之
319
TCP/IPを用いたネットワーク通信のプログラミング（IPv6，UDP）
内堀 晃彦
322
シンガポール駐在員の生活
渡辺 直樹
325
学生によるフルードパワー企業見学記
阿部 利章
328
【企画行事】
平成24年春季フルードパワーシステム講演会報告
高岩 昌弘
331
平成24年春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」
加藤 友規
333
【会告】
平成24年度 オータムセミナーのお知らせ「フルードパワー技術を活かす油圧作動油の最新動向」
260「フルードパワー バーチャルミュージアム」開設のお知らせ
261
平成24年秋季フルードパワーシステム講演会のお知らせ
262
平成24年秋季フルードパワーシステム講演会オーガナイズドセッション講演募集のご案内
264
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289
平成24年度 一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会委員会名簿299
共催・協賛行事のお知らせ
318
その他
259, 265, 266, 304, 336■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

JOURNAL OF
THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY

FLUID POWER SYSTEM
Vol．43，No. 5

September 2012―――Contents―――
Special Issue “Recent Trends on Basic Researches”【Preface】
Publishing “Recent Trends on Basic Researches”
Kazushi SANADA
267【Review】
Temperature Measurement of Bearing and Sealing Parts in Several Types of Hydraulic Pumps（On Actual Piston Pump, Gear Pump, and Vane Pump under Real Operating Conditions）
Toshiharu KAZAMA
268
Simulation of Steady Flow Characteristics on Adiabatic Pneumatic Tube with Friction
Yukio KAWAKAMI, Kazuo NAKANO
271
Attenuation Characteristics of Helmholtz Type Hydraulic Silencer
Takayoshi ICHIYANAGI
274
Dynamic Friction Characteristics of Fluid Power Actuators and their Mathematical Model
Hideki YANADA
277
Modeling and Simulation of High Dumping Pneumatic Artiﬁcial Rubber Muscle using Rubber Bellows
Tomonori KATO
280
Modeling of Electro-conjugate Fluid Flow
Kenjiro TAKEMURA
283
Fluid Driven Spindle for Ultra-precision Machine Tools
Yohichi NAKAO
286【Review】
Beginner Course “Oil-hydraulics and Pneumatics”
Kazushi SANADA
290
Asagaya Project―A Study on Earthquake Observation Record in the Building using the Threedimensional Seismic Isolation System―Part Ⅰ ―Osamu TAKAHASHI
293【FPIC Report】
Researches on Fluid Power Technologies in the 12th Machine Design and Tribology Division Meeting
Kazuhiro YOSHIDA
300
Researches on Fluid Power Technologies in the 24th Symposium on Electromagnetics and Dynamics（SEAD24）
Xiqngren YAN
302
Report on IFK2012
Tomonori KATO
305
【Lecture】
The Interesting Mechanism of Hydraulic Components No.8 Hydraulic motor
Akira OHASHI
307
Interesting Pneumatic Technology ― Flow-rate Characteristics of Pneumatic Components
Mitsuru SENO
312
An Introductory Course of Fluids Mechanics: The ﬁrst: It is no use crying over spilt milk
Tsutomu TAKAHASHI
314【Topics】
International Standardization of Information Technologies and Smart Grid
Hiroyuki GOTO
319
Network Programming with TCP/IP（IPv6, UDP）
Akihiko UCHIBORI
322
Singapore Station Diary
Naoki WATANABE
325
Description of Visit to Fluid Power Company by the Student
Toshiaki ABE
328【JFPS Activities】
Report of Spring Conference of Japan Fluid Power System Society 2012
Masahiro TAKAIWA
331
Report on JFPS Spring Seminar 2012 “Fluid Power System and Electrically Operated Drives”
Tomonori KATO
333
【JFPS News】
259, 260, 261, 262, 264, 265, 266, 289, 299, 304, 318, 336

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

会告

259

理事会・委員会行事日程等会

告〈理事会・委員会日程〉
８月31日

委員長会議

９月18日

企画委員会

９月20日

情報システム委員会

９月27日

理事会

10月５日

編集委員会

10月18日基盤強化委員会<第２回 理事会>
７月19日 15：00 〜 17：00 機械振興会館６―62

・その他
２）平成25年度実施の事業に関する報告・審議事項（出席者15名）

・春季講演会について

１）評議員会に関する内規について

・講演会併設いセミナーについて
・その他

２）論文投稿方法の変更について
３）会誌電子データの購入報告とその活用法について

３）確認事項

４）入門者向き実習講座「油空圧技術」について

・会誌７月号の掲載予定会告記事について

５）IDCロボコン支援について

・WGの構成について

６）会員の推移と入退会者について

・その他

７）その他
第２回編集委員会〈委員会報告〉８月３日 14：00 〜 17：00
田町キャンパスイノベーションセンター

第２回委員長会議（出席者13名）

６月25日 15：00 〜 17：00 機械振興会館B3―9

１）学会誌発行報告について（出席者９名）２）学会誌編集計画について

１）第31期通常総会について

３）その他

２）評議員会関する内規について・トピックスについて

３）論文投稿方法の変更について

・編集委員会規程について

４）学会誌への掲載に関する日中合意書について

・会誌執筆要綱について

５）産学連携 フルードパワー研究者リストについて
６）会誌電子データの購入報告とその活用法について

第２回基盤強化委員会

７）入門者向き実習講座「油空圧技術」について

８月６日 15：30 〜 17：00 機械振興会館6―60

８）IDCロボコン支援について（出席者13名）

９）その他

１）会員サービスについて
２）若手フルードパワー育成道場について

第１回企画委員会

３）フルードパワー・バーチャルミュージアムについて

７月26日 15：00 〜 17：00

４）その他

田町キャンパスイノベーションセンター（出席者19名）
１）平成24年度実施事業に関する報告・審議事項
・春季講演会終了報告
・講演会併設セミナー終了報告
・第２回日中国際ワークショップ終了報告
・公益事業について・オータムセミナーについて
第43巻

第５号

―1―

2012年９月（平成24年）

260

フルードパワーシステム

会

告平成24年度 オータムセミナーのお知らせ「フルードパワー技術を活かす油圧作動油の最新動向」
開催趣旨：
油圧装置では，使用条件や使用環境に応じて，多種多様な油圧作動油が使用されています．最近では，省エネルギー型
油圧作動油に代表されるように，地球環境をキーワードとした作動油の開発が増えてきており，この流れは，鉱油系作動油，含水系作動油，合成系作動油に広がっています．
油圧機器メーカーや油圧装置メーカーが，これらの作動油の特性を活かしながら地球環境に配慮したフルードパワー技術の開発を進めていく中で，ユーザー側でも，母機を最適な状態に維持し日々の生産性を向上していくために，各種作動油の性質や特徴を把握することは，非常に重要です．
本セミナーでは，鉱油系作動油，含水系作動油，合成系作動油といった作動油の最新動向をご紹介します．正しい知識を得て，今後の企業活動に活かしていただくためにも，メーカー，ユーザーを問わず，本分野に携わっている皆様の積極的なご参加をお待ちしております．
また，本セミナーは，JX日鉱日石エネルギー株式会社 中央技術研究所にて実施しますが，午前中は，関連施設の見学会も行いますので，見学会へのご参加も合わせてお待ちしております．
開催日：2012年11月９日（金）10：30 〜 16：40
会 場：JX日鉱日石エネルギー株式会社 中央技術研究所
横浜市中区千鳥町８番地
TEL：045‑625‑7111
http://www.noe.jx-group.co.jp/company/rd/outline/e71̲cordou̲map.html
プログラム：
10：30 〜 10：35 開会の挨拶

企画委員長 大内 英俊（山梨大学）

10：35 〜 12：00 JX日鉱日石エネルギー株式会社 中央研究所見学ツアー
12：00 〜 13：00 休憩（昼食）
13：00 〜 14：00 「水グリコール系作動液の特徴と最近の開発動向」

株式会社MORESCO 兼松 直弘

含水系作動油の一種である水グリコール系作動液は，火気の危険性の高い鋳造現場などの油圧設備で利用されている．本セミナーでは水グリコール系作動液の性能上の特徴と，最近の開発動向として消費電力低減への含水系作動油からのアプローチについて紹介する．
14：00 〜 14：10 休憩
14：10 〜 15：10 「環境対応型難燃性作動油」

日本クエーカー・ケミカル株式会社 武田 健吾

近年，地球環境に対する意識が高まり，産業界での環境負荷低減は必須になっている．潤滑油に関しても例外ではなく，近年では生分解性潤滑油の適応，拡大が挙げられるようになった．今回は環境対策として生分解性に優れる脂肪酸エステル系作動油の特徴について報告する．
15：10 〜 15：30 休憩
15：30 〜 16：30 「省エネルギー型油圧作動油の最新動向」

JX日鉱日石エネルギー株式会社 置塩 直史

油圧システムにおける省エネルギーは永年の課題であり，省エネルギー型油圧作動油を適用する場面が増えている．省エネルギー型油圧作動油は，従来の油圧作動油から交換するだけで設備の消費電力削減が可能であり，新たな設備投資を必要としないのが特長である．ここでは，その最新適用事例を紹介する．
16：30 〜 16：40 閉会の挨拶，アンケート記入

第43巻

第５号

企画委員 饗庭 健一（東京計器）―2―2012年９月（平成24年）

会告

平成24年度

261

オータムセミナーのお知らせ

参加費：参加費にはセミナーの聴講料およびテキスト１冊の代金が含まれます．
⑴ 事前登録（締切日：平成24年10月31日厳守）
名誉員

正会員
賛助会員企業の社員

シニア員・ジュニア員

14,000円

5,000円

16,000円

名誉員
学生会員

工業会会員企業の社員
共催・協賛団体の正会員

7,000円

17,000円

学生会員＊1

工業会会員企業の社員
共催・協賛団体の正会員

一般

19,000円⑵ 事前登録締切日以降
正会員
シニア員・ジュニア員＊2
賛助会員企業の社員
15,000円

一

般

20,000円* １ 会員資格について不明な点は，事務局までお問い合わせください．
* ２ 事前登録締切日以降は，シニア員・ジュニア員の参加費は正会員と同じになります．
申し込み方法：参加申込は，学会ホームページ（http://www.jfps.jp）上で行ってください．
詳細はホームページをご覧ください．
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
E-mail：info@jfps.jfps TEL：03‑3433‑441 FAX：03‑3433‑8442⑴郵便振替貯金 00110‑３‑133690⑵三井住友銀行 日比谷支店（普） 7611417
口座名 一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会＊フリガナ「シャ）ニホンフルードパワーシステムガッカイ」です．

会

告「フルードパワー バーチャルミュージアム」開設のお知らせ
学会のホームページに標記ミュージアムを開設しました．学会のトップページから「フルードパワー バーチャルミュー
ジアム」のボタンで行けます．まだ，展示物は少ないのですが，今後充実させて参ります．皆様がここに展示するにふさわしいフルードパワーに関する資料や情報をお持ちなら，ぜひ学会事務局にご連絡ください．まずはご覧いただくようお願いいたします．

第43巻

第５号

―3―

2012年９月（平成24年）

262

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24年秋季フルードパワーシステム講演会のお知らせ
開催日：平成24年11月29日
（木）
，30日
（金）
講演募集要項
平成24年秋季フルードパワーシステム講演会は，福岡工業大学（福岡県福岡市）で開催いたします．会期は11月29日（木），30日（金）の２日間です．本講演会では，一般講演に加え，オーガナイズドセッションとして「機能性流体との融合化によるフルードパワーシステムの新展開」，「省エネ化とフルードパワー」，「フルードパワーを用いた超精密位置決
めと加工技術」を企画いたしました．また，特別講演・基調講演・学内見学会・技術懇談会などを計画しております．
詳細は後日，学会ホームページに掲載致しますので，ご確認くださいますようお願いいたします．皆様の積極的なご参
加をお待ちしております．
１．開催日時：平成24年11月29日（木）９：00 〜平成24年11月30日（金） 17：00（予定）２．会

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

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

３．講演の種類：学術講演．基本的に講演内容はフルードパワーシステムの分野に関連するものに限ります．
４．講演申込者の範囲：共催両学会の会員およびその会員を含むグループ．ただし，講演者は会員に限ります．
５．講演申込要領：⑴ 申込方法：講演申込者は，当学会のホームページ（http://www.jfps.jp）上で講演申込を行ってください．詳細はホームページをご覧ください．
（注）郵送，FAXでの申込は受けつけておりません．なお，講演申込後の講演タイトル等の変更はできませんのでお申し込み時に十分ご注意ください．また，ご講演日時のご指定はプログラムの編成作業上承ることができませんので，ご了承ください．
⑵ 講演申込締切日：平成24年10月10日（水）（注）参加登録は別途必要です．７．項をご参照ください．
⑶ 前刷原稿の書式：１題目につき３頁（図・表含む）．サンプルファイルを学会ホームページからダウンロードしてご使用ください．なお平成21年度の春季講演会より前刷り原稿フォーマットが大幅に変更されておりますので，ご注意ください．
⑷ 前刷原稿締切日：平成24年10月24日（水）必着
締め切りを論文集作成に必要な最小日数で設定しました．締切日に未着の原稿は論文集に掲載できない場合がありますので，ご注意ください．
⑸ 前刷原稿提出方法：PDF化した原稿ファイルを学会ホームページ上からご提出ください．詳細はホームページをご覧ください．PDF化に際しましては図・写真の画質にご注意ください．なお，ファイルサイズは２MBまでです．
６．講演会の形式：⑴ 講演時間：１題目につき20分（講演15分，討論５分）です．
⑵ 座

長：会員の中からあらかじめ見識ある方を人選します．

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

論：講演発表時に５分間の討論の時間を設けてありますが，さらに講演会終了後１ヶ月間は会員より「書面による討論」を受け付けています．講演者はその討論に対して学会へ書面をもって回答することを原則とします．
⑸ 論文集への投稿：講演者は講演会終了後の討論締め切後，「日本フルードパワーシステム学会論文集」に投稿できます．
７．参加登録：⑴ 講演会の参加者は参加登録が必要です．参加登録は，学会ホームページ（http://www.jfps.jp）上で行ってください．詳細はホームページをご覧ください．
⑵ 登録料：登録料には各種講演の聴講料および講演論文集１冊の代金が含まれます．なお，参加登録者は，11月29
日18時から開催予定の技術懇談会に参加することができます．
第43巻

第５号

―4―

2012年９月（平成24年）

会告

263

平成24年秋季フルードパワーシステム講演会のお知らせ

事前登録（平成24年11月14日（水）まで 厳守）の方は，つぎの表に示す割引料金となります．
正会員・賛助会員企業の社員

名誉員・シニア員・

日本フルードパワー工業会会員企業のジュニア員・学生会員

社員，共催・協賛団体の会員（正会員）

10,000円

20,000円

18,000円

一般
23,000円

平成24年11月15日（木）以降（講演会当日を含む）のご登録の場合は，つぎの表に示す料金となります．
正会員・賛助会員企業の社員・シニア員・ジュニア員

名誉員・学生会員

日本フルードパワー工業会会員企業の社員，共催・協賛団体の会員
（正会員）

一般

20,000円

15,000円

22,000円

25,000円

注１ 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．事前登録締切り以降の場合は，正会員と同料金での受付となります．
注２ 会員資格について不明な点は，事務局までお問い合わせください．
注３ 同一の講演者が複数の講演を行う場合，２件目以降は，１講演につき7,000円が加算されます．
⑶ 別売り講演論文集料金：登録料に含まれる１冊の講演論文集とは別に論文集を購入される場合，正会員・名誉員・賛助会員企業の社員6,000円，フルードパワー工業会会員企業社員，協賛・共催団体社員8,000円，一般10,000円で当日受付にて購入できます．また，学会ホームページから講演論文集申込書をダウンロードしE-mailに添付して学会宛（info@jfps.jp）に送信する方法でも購入できます．ただし，発送は講演会終了後となります．
８．講演会のプログラム：11月上旬に学会ホームページに掲載予定です．
９．特別講演・基調講演・技術懇談会・学内見学会
特別講演・基調講演・学内見学会・技術懇談会を以下のとおり計画しております．講演会に参加登録をされた方は，全てご参加いただけます．なお，学会の社会貢献の一環として，特別講演は一般公開（参加費無料）といたします．
〈特別講演（一般公開）：「産学官協力とイノベーション」〉
11月29日（木） 開場16：00，講演16：30 〜 17：30，麻生 渡 氏（前福岡県知事，学校法人福岡工業大学最高顧問）〈基調講演〉
11月30日（金） 15：00 〜 16：00「風レンズ技術を利用した流体機械と洋上浮体式エネルギーファーム」
大屋 裕二 先生（九州大学応用力学研究所所長）「Potential of Small-Scale Hydro as a Viable Source of Renewable Energy」
Yves Gagnon 先生（Professor, Université de Moncton, Canada）〈学内見学会〉
11月29日（木） 15：00 〜 16：00 福岡工業大学の学内見学会を実施いたします．
〈技術懇談会〉
11月29日（木） 18：00 〜 20：00 福岡工業大学B棟１階 レストランOASIS
10．会員証について：会員証（カード）をお持ちの方は，当日ご持参ください．
11．連絡先：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
E-mail info@jfps.jp

第43巻

第５号

TEL 03‑3433‑8441―5―

FAX 03‑3433‑8442

2012年９月（平成24年）

264

フルードパワーシステム

平成24年秋季フルードパワーシステム講演会

オーガナイズドセッション講演募集のご案内「機能性流体との融合化によるフルードパワーシステムの新展開」「省エネ化とフルードパワー」「フルードパワーを用いた超精密位置決めと加工技術」
一般社団法人日本フルードパワーシステム学会 企画委員会
秋季フルードパワーシステム講演会では，以下の３つのオーガナイズドセッション（OS）を企画いたしました．積極的にお申し込みいただけましたら幸いです．
・「機能性流体との融合化によるフルードパワーシステムの新展開」
オーガナイザー：中野 政身（東北大学）
吉田 和弘（東京工業大学）
ER流体，液晶，EHD・ECF，MR流体，磁性流体および機能性ソフトマテリアルなどは，電場や磁場などの外場に反応して流体の物理化学的性質が変化する機能性流体です．これらの機能性流体そのものの創製・発現機構解明・機能性評
価，機能性流体を活用したブレーキ，クラッチ，ダンパ，アクチュエータなどの機械要素，そして機能性流体と油圧，空圧，電動などとの融合化によるフルードパワーシステムの新たな展開などに関する研究発表を募集します．機能性流体が拓く新たなフルードパワー関連技術の情報交換の場としますので，奮ってご参加ください．
・「省エネ化とフルードパワー」
オーガナイザー：川上 幸男（芝浦工業大学）
伊藤 和寿（芝浦工業大学）
本OSでは，産業製品における必須性能となった省エネルギー性を備えたクリーンエネルギー源としてのフルードパワー
技術，フルードパワー機器の提案，システム解析，これらを統合する制御技術に関する講演を広く募集します．新しいフルードパワー技術の立場から，地球環境問題への対応についての情報発信につなげたいと考えております．
・「フルードパワーを用いた超精密位置決めと加工技術」
オーガナイザー：川嶋 健嗣（東京工業大学）
加藤 友規（福岡工業大学）
矢澤 孝哲（長崎大学）
工作機械のステージなどの超精密位置決めや加工技術には，フルードパワー技術が多数用いられております．本OSでは，フルードパワーで駆動される超精密位置決め装置や加工装置などの要素技術について，幅広く議論したいと考えております．皆様方の積極的なご参加を，宜しくお願い申し上げます．
講演申込方法，講演原稿書式，申込および原稿の提出期限などは全て一般講演と同じですので講演募集要領をご参照く
ださい．なお，オーガナイズドセッションに講演を申し込まれる場合は，申込書の「その他」の欄に「OS機能性流体との融合化によるフルードパワーシステムの新展開」，「OS省エネ化とフルードパワー」，「OSフルードパワーを用いた超精密位置決めと加工技術」と明記してください．なお，申込件数とプログラム編成の都合上，OSで申し込まれても一般講演に，または一般講演で申し込まれてもOSに振替させていただく場合がございますので，あらかじめご了承ください．
問い合わせ先：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
E-mail info@jfps.jp

第43巻

第５号

TEL 03‑3433‑8441―6―

FAX 03‑3433‑8442

2012年９月（平成24年）

会告（社）日本フルードパワーシステム学会

会

265

賛助会員会社一覧表

告（社）
日本フルードパワーシステム学会 賛助会員会社一覧表
アイシン・エイ・ダブリュ㈱千住金属工業㈱

㈱明石合銅

TACO㈱

アズビル㈱

第一電気㈱

㈱アドヴィックス㈱TAIYO

イートン㈱

㈱タカコ

㈱医器研

㈱タダノ

㈱IHI

ダイキン･ザウアーダンフォス･マニファクチャリング㈱出光興産㈱ダイキン工業㈱イナバゴム㈱ダイワ㈱㈱インターナショナル・サーボ・データ

大生工業㈱

㈱打江精機

㈱中央パッキング

SMC㈱

調和工業㈱

SMC㈱中国

㈱TNK

NOK㈱

天竜丸澤㈱

㈱大阪ジャッキ製作所

トーヨーエイテック㈱大瀧ジャッキ㈱東京メータ㈱㈱オプトン

TOHTO㈱鹿島通商㈱東北特殊鋼㈱

KYB（株）

東明工業㈱

KYBエンジニアリング･アンド･サービス㈱DOOSAN CORPORATIONKYB-YS㈱東洋機械金属㈱川崎重工業㈱同和発條㈱キャタピラージャパン㈱東京計器㈱協和シール工業㈱

特許機器㈱極東開発工業㈱特許庁㈱クボタ㈱豊田自動織機製作所

クロダニュー−マティクス㈱㈱豊田中央研究所

㈱工苑

中村工機㈱

甲南電機㈱

長津工業㈱

㈱コガネイ

長野計器㈱

コスモ石油ルブリカンツ㈱ナブテスコ㈱㈱小松製作所

ニッタ㈱ザウアーダンフォス･ダイキン㈱日新 器工業㈱㈱阪上製作所

日本アキュムレータ㈱㈱鷺宮製作所

日本工業出版㈱三和テッキ㈱

日本精器㈱

CKD㈱

日本電産トーソク㈱㈱島津製作所日本ムーグ㈱㈱ジェイテクト㈱ハイダック

勝美印刷㈱

日立建機㈱

㈱ジコー

㈱日立製作所

JX日鉱日石エネルギー㈱広瀬バルブ工業㈱住友金属工業㈱ピー・エス・シー㈱

住友建機㈱

フェスト㈱

第43巻

第５号

―7―

2012年９月（平成24年）

266

フルードパワーシステム

㈱フクダ

松巳鉄工㈱

㈱不二越

マックス㈱

二見屋工業㈱ヤマシンフイルタ㈱ボッシュ・レックスロス㈱ヤマハモーターハイドロリックシステム㈱

昌富工業㈱

油研工業㈱

マサモト㈱

理研精機㈱

㈱増田製作所会

告「名誉会員 林 叡 氏の逝去を悼む」（平成24年７月21日ご逝去）
ご略歴
1936年９月７日生
1956年

愛知県立西尾高等学校卒業

1960年

名古屋大学工学部機械学科卒業

1962年

名古屋大学大学院工学研究科修士課程修了

1965年

名古屋大学大学院工学研究科博士課程修了

1965年

静岡大学工学部講師

1966年

静岡大学工学部助教授

1978年

静岡大学工学部教授

1987年

東北大学高速力学研究所教授

1989年

東北大学流体科学研究所教授（研究所改組による）2000年

東北大学名誉教授

1990年〜 2000年 ㈳日本油空圧学会理事
1998年〜 2000年 ㈳日本油空圧学会会長
2002年㈳日本フルードパワーシステム学会（日本油空圧学会の改称）名誉会員

本学会元会長 東北大学名誉教授 林叡先生は，病気療養中のところ，去る７月21日に75歳にてご逝去されました．
ここに謹んで哀悼の意を表し，会員の皆様にお知らせ申し上げます．
先生は，1976年に本会に入会され，各種委員会委員や理事を歴任され，1998年からは１期２年にわたり会長の要職を務められ，学会の発展に多大の功績を挙げられました．また，2002年には名誉会員に推挙されております．
ここに林叡先生の長年にわたる本学会に対する多大なご貢献に深く感謝申し上げるとともに，ご冥福を心からお祈り申し上げます．
会長 香川 利春

第43巻

第５号

―8―

2012年９月（平成24年）

眞田

267

一志：「基礎研究の最新動向」発行にあたって

巻 頭 言「基礎研究の最新動向」発行にあたって＊
眞

田

一

志＊＊

平成23年８月19日に閣議決定された第４期科学技術基本計画において，基本方針の一つに 車の両輪ただいた．フルードパワーアクチュエータの動摩擦力の特性と数学モデルについて，豊橋技術科学大学としての基礎研究および人材育成の促進 が掲げられ，「基礎研究の抜本的強化」のための課題として，「独創的で多様な基礎研究の強化」が提示された．

の柳田秀記先生にご執筆いただいた．ゴムベローズを用いた高減衰空気圧ゴム人工筋のモデル化とシ
ミュレーションについて，福岡工業大学の加藤友規

多様な研究資金制度の整備，拡充などの具体的方策が示されている．科学技術のイノベーションにとって，基礎研究の重要性は論をまたない．

先生にご執筆いただいた．電界共役流体に発生する流動のモデリングについて，慶應義塾大学の竹村研治郎先生にご執筆いただいた．水のエネルギーで駆一方，科学研究費補助金などの競争的資金の審査
では研究業績が重要とされているが，いまや研究者
個人の研究業績は誰でも簡単に知ることができる．

動される高速高精度スピンドルシステムの開発と超精密工作機械への応用などについて，神奈川大学の中尾陽一先生にご執筆いただいた．ご多用にもかか
わらず，ご執筆いただいた先生方にあらためて謝意を表す．
本特集号は，会誌編集委員会の吉田和弘先生と眞田とで企画した．会誌編集委員会の皆様ならびに編集事務の皆様のご協力があってはじめて出版することができた．誌上をお借りして感謝申し上げる．

具体的には，学術情報検索データベース（CiNii1）やGoogle Scholar2）などのWEB検索サービス）を利用すれば，研究者の氏名やキーワードを入力することで，瞬時にさまざまな角度から情報を検索し，収集することができる．また，研究者の研究業績を評価する透明性のある定量的指標として，インパクトファクターや被引用数，h-indexなどが用いられて
参 考 文 献おり，一部は大学ランキングにも使われている．分野によっては必ずしもこれらの指標が適していない
１）CiNii：http://ci.nii.ac.jp/と指摘されているが，この傾向への対応が求められ
２）Google Scholar：http://scholar.google.co.jp/ているのも最近の状況である．
フルードパワーの分野でも基礎研究は重要であり，あらたなイノベーションを生み出すために国内外で多様な研究が行われている．フルードパワーの基礎研究を促進し，研究成果を発信し，国際的に研究者の相互交流を進めることで，研究のさらなる進展が期待でき，同時に研究業績評価の最新の動向への対策にもなると考える．そこで，今回の特集では，フルードパワーの基礎研究の最新動向を研究者の方々

［著
さな

だ

眞

田 一

にコンパクトにまとめていただくことを企画した．
具体的には，各種の油圧ポンプのしゅう動部の温度計測について，室蘭工業大学の風間俊治先生にご執筆いただいた．摩擦を考慮した空気圧管路の定常流量特性の近似計算について，芝浦工業大学の川上幸男先生にご執筆いただいた．ヘルムホルツ形吸振

かず

者

紹

介］

し

志 君
昭和61年３月東京工業大学大学院理工学研究科修士課程制御工学専攻修了．昭和61
年４月東京工業大学助手，平成10年横浜国立大学工学部生産工学科助教授，平成13年
横浜国立大学大学院助教授，平成16年横浜国立大学大学院教授，現在に至る．日本フ
ルードパワーシステム学会，日本機械学会，
計測自動制御学会などの会員．博士（工学）．

器について，防衛大学校の一柳隆義先生にご執筆い＊平成24年６月３日

原稿受付

＊＊

横浜国立大学大学院工学研究院（所在地 〒240‑8501 横浜市保土 谷区常盤台79―５）
第43巻

第５号

―9―

2012年９月（平成24年）

268

解

フルードパワーシステム

説

各種油圧ポンプのしゅう動部の温度計測（実作動条件下の実機ピストンポンプ，歯車ポンプ，ベーンポンプを対象として）＊

風

間

俊

治＊＊

2．各種ポンプしゅう動部の計測例

1．は じ め に
油圧ポンプの信頼性や性能は，機器しゅう動部のトライボロジー特性

2.1

1‑2）

に強く依存する．この考えに立脚して，著者は多くの共同研究者とともに実験
ならびに理論の両面から計測，解析，検討，提案を進めてきた．電動式を代表とする他の駆動方式との優位性を維持するためにも，油圧ポンプには，安全

ピストンポンプ

ピストンポンプに関しては，たとえば，山口ら3）がシリンダブロックに熱電対を埋め込んだ供試ポン
プを用いて，作動条件や作動油をパラメータとして，ポンプ性能やしゅう動部温度の計測を行っている．
Ivantysynova4）や Olems5）もまた，シリンダブロッ

安心ならびに環境適合性の向上とともに，基本的には，高圧化と小型化による高動力密度化への対応が継続的に求められ続けるであろう．
しかしながら，高圧化はしゅう動面に作用する圧力や荷重を増加させ，小型化は放熱を抑制して蓄熱を促進する．いずれも，しゅう動面ならびに機器本
体の温度上昇を引き起こし，ひいては部材の熱変形や焼付きを誘引し，作動油の粘度低下や劣化促進の要因となる．つまるところ，高い効率を維持しつつ安定的な作動を保証するためのひとつの方策は，
しゅう動部の熱潤滑特性を精確に把握し，発熱を抑える設計に結びつけることといえる．
油圧ポンプのしゅう動部の熱的な潤滑問題について，たとえば，Wilson2）は，容積式ポンプを設計す

る．
供試ポンプの概要を図１に示す．スリッパ軌道円る際の最適すき間について，等粘度理論に基づく値
では十分ではなく，温度変化を考慮することが重要であると述べている．ところが，熱潤滑特性に焦点を当てた研究や発熱を取り込んだ数理モデル1），ま上の斜板，ピストン周りのシリンダブロック，シールランド近傍の弁板に熱電対を埋め込み，信号線をスリップリングで引き出した．図２は計測例である．
特に，シリンダボアの温度は，斜板側（t a ）で高クのピストン用ボア周辺に多数の熱電対を埋め込んだ供試ポンプを用いて温度分布を計測するとともに，熱 流 体 潤 滑 理 論（Thermohydrodynamic
Lubrication, THL）に基づく数値解析を行い，結果を比較している．しかしながら，テスト用に作成されたポンプであり，実験条件も実際とはやや異なる．
Kazamaら6）は斜板式アキシアルピストンポンプ・
モータのスリッパモデルに，温度と圧力を関数として取り込んで，作動油の物性値の影響まで考慮した
THL解析を行っている．さらに，斜板式アキシア
ルピストンポンプの斜板，シリンダブロック，弁板7，8，9）の温度を，実作動条件下において測定していた公表されている実測データなどは意外と少ない．
本解説では，代表的な油圧源に位置付けられる，
ピストンポンプ，歯車ポンプ，ベーンポンプを対象に，最近，著者らが実施した，各実機のしゅう動部
温度を実際の油圧システムが作動する条件下において測定した取り組み事例を中心に紹介する．

図１＊

平成24年４月７日

原稿受付

＊＊

室蘭工業大学大学院もの創造系領域（所在地 〒050‑8585 北海道室蘭市水元町27―１）
第43巻

第５号

― 10 ―

ピストンポンプの各しゅう動部の温度同時測定装置（A 〜 D：斜板，a 〜 c：シリンダボ
ア，α 〜 δ： 弁 板 の 温 度 測 定 点． 文 献 ９ のFig. 1より転載）
2012年９月（平成24年）

風間

図２

269

俊治：各種油圧ポンプのしゅう動部の温度計測

図３

歯車ポンプの各種側板形状が温度上昇に及ぼす影響（A：標準，B：３本溝付，D：背圧用切欠きなし．文献12のFig. 9より転載）

図４

歯車ポンプの各種側板形状が容積効率に及ぼす影響（文献12のFig. 11より転載）

図５

ベーンポンプの側板の温度（５〜８：カムリ
ング（なお，側板１〜４は略．文献15のFig.
4より転載）

ピストンポンプの各しゅう動部の温度（文献
９のFig. 11より転載）

かった．これは，吐出し圧力や流量（斜板傾角）の増大に伴い，ピストンの片当たり（固体接触部におけるしゅう動発熱）が示唆される結果である．
2.2 歯車ポンプ
歯車ポンプ10，11）は，他の形式のポンプと比較して，コンタミナントの影響を受け難い，構造が簡単でコンパクト，部品点数が少なく安価などの特長を有す
る．従来，中低圧域をカバーする代表的な油圧ポンプであったが，近年では，建設機械などの用途を主に，高い信頼性ならびに高効率化・長寿命化を確保しつつ，高圧・小形軽量化への要請がある．
歯車ポンプは，歯車のかみ合い形態により，外接式と内接式に大別できる．外接歯車ポンプの主な
しゅう動部は，歯のかみ合い部，歯先とギヤケース
間，歯車側面と側板（Side-plate）間ならびに歯車の駆動軸と従動軸を支持する軸受部である．とりわ
け，歯車の両側面に配される側板には，歯車とギヤケースとで構成される空間に高圧の作動油を密封する機能が求められる．また，そのしゅう動面は固体接触を含む純すべり状態にある．それゆえに，作動
条件は過酷であり，設計条件は厳しい．
この研究12）では，しゅう動面の最適設計を念頭に，形状の異なる数種類の側板を用意して，実機ポンプの作動条件と同等レベルの圧力ならびに回転速度の条件下において，しゅう動部の温度，側板の運動，吐出し流量，軸トルクを測定した．図３，４はその結果の一例である．タイプＢの側板において，温度上昇が小さく，効率が高いことが示されている．
2.3 ベーンポンプ
ベーンポンプ13，14）の主なしゅう動部は，ベーン先
端とカムリング，ベーン側面と側板およびロータ溝，

3．む

す

び

ロータと側板となる．カムリングと側板に熱電対を埋め込んで計測した例15）を図５に示す．とりわけ，

ピストンポンプ，歯車ポンプ，ベーンポンプの７番（吸込みポート近傍）の温度上昇が顕著である．

しゅう動部の温度に着目した研究を紹介した．国内

第43巻

第５号

― 11 ―

2012年９月（平成24年）

270

フルードパワーシステム

外の企業等での研究開発段階においても，性能向上に向けた種々の検討が成されていると思う．効率や425‑430，2004．
８）Kazama, T., Tsuruno, T. and Sasaki, H.：

騒音などの測定は，公的な規格や市販の計器がある
ために各所で取り組まれているであろう．一部の企業においては，作動油の性状や温度を測定されていTemperature Measurement of Tribological Parts

ると思う．ところが，機器しゅう動部の温度の測定となると，意外と手間が掛り，ノウハウを要する．
しかし，こうした地味な実験の実施とデータの蓄積

Symposium on Fluid Power, Toyama, CD-ROM,

in Swash-Plate Type Axial Piston Pumps,
Proceedings of the 7th JFPS International
P1‑16, 2008.
９）風間・佐々木：斜板式アキシアルピストンポンプ

ならびにその結果の考察と設計への応用が製品の高付加価値を生む．
本解説が何かの役に立てば幸いである．なお，詳細については，参考資料に挙げた文献類を参照いた
だきたい．
参

考

資

の熱潤滑特性（シリンダブロック，斜板，弁板の温度の同時測定），日本機械学会論文集C編，75‑
758, pp. 2797‑2802，2009.
10）市川常雄：歯車ポンプ，日刊工業新聞社，1962.
11）JIS B8352 油圧用歯車ポンプ，日本規格協会，1976．
12）風間俊治・小熊尚太・黄鋭：外接歯車ポンプに用料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，44‑5，pp. 309‑

１）風間：ハイブリッド・スラスト軸受の熱流体潤滑

314, 2009．

解析（斜板式アキシアルピストンポンプ・モータに用いられるスリッパのモデリング），日本フルー13）JIS B 8351，油圧用ベーンポンプ，1999.

ドパワーシステム学会論文集，40‑2，pp. 30‑35，14）Inaguma, Y. and Hibi, A.：Reduction of Friction
Torque in Vane Pump by Smoothing Cam Ring

2007.
２）Wilson, W. E.：Design of Optimum Clearances in

Surface, Proceedings of the Institution of

Positive-Displacement Pumps and Motors,

Mechanical Engineers, Part C：Journal ofTransactions of American Society of Mechanical

Mechanical Engineering Science, 221‑5, pp. 527‑
534, 2007.

Engineers, pp. 117‑122, 1956.
３）山口・土本：ピストンポンプにおける弁板・シリ

15）K a zama, T. and Narita, Y.：Temperature

ンダブロック間の潤滑特性，油圧と空気圧，13‑1，

Measurement of A Cam-Ring and Side-Plates in A

pp. 55‑60，1982.

Vane Pump, Proc. 8th JFPS International
Symposium on Fluid Power, Okinawa, 1B1‑4, pp.

４）Ivantysynova, M.：A New Approach to the122‑127, 2011.

Design of Sealing and Bearing Gaps of
Displacement Machines, Proceedings of 4th JHPS
International Symposium on Fluid Power, Tokyo,
pp. 45‑50, 1999.
５）Olems, L.：Investigations of the Temperature［著

Behaviour of the Piston Cylinder Assembly in
Axial Piston Pumps, International Journal of Fluid
Power, 1‑1, pp. 27‑38, 2000.

かざ

ま

とし

はる

風 間

俊

治 君

６）Kazama, T.：Thermohydrodynamic Lubrication
Model Applicable to a Slipper of Swashplate Type
Axial Piston Pumps and Motors （Effects ofOperating Conditions）, Tribology Online, 5‑5, pp.
250‑254, 2010.
７）風間・鶴野：斜板式アキシアルピストンポンプの熱潤滑特性：斜板ならびにシリンダブロックの温

者

紹

介］

1988年 横浜国立大学大学院修了．2005
年室蘭工業大学教授，現在に至る．主に，トライボロジー，キャビテーション，設計
工学などの教育研究に従事．日本フルード
パワーシステム学会，日本機械学会，日本
トライボロジー学会などの会員．博士（工学）．
E-mail：kazama@mmm.muroran-it.ac.jp

度 測 定， 日 本 機 械 学 会 論 文 集C編，74‑738，pp.

第43巻

第５号

― 12 ―

2012年９月（平成24年）

271

川上・中野：摩擦を考慮した断熱管内空気定常流量特性の近似計算

解

説

摩擦を考慮した断熱管内空気定常流量特性の近似計算＊
川

上

幸

男＊＊，中

野

和

夫＊＊＊

dρ du
ρ ＋ u ＝0⑴空気圧管路内定常流については古くから研究されているが，管内流動特性を明確に提示できるには

dp
dp 4 fu2
u2
ud u＝− − d x =− −d K
ρ
ρ
2
2
D

⑵

至っていない．その特性の把握は設計者にとっては重要な課題であり，種々の仮定の下に，実用的な近似 解 析 が 提 案 さ れ て き た． そ の 中 の 一 つ と し て

udu＋cpdT＝0

1．は じ め に

⑶
⑷

p＝ρRT
音速cは
c2＝κRT＝c（κ−1）
Tp⑸
平均流速uに対するマッハ数Mを次式で定義する．
M＝u/c⑹

Fanno流れがある．従来Fanno流れの流量特性計算
は数値表やグラフに頼らざるを得ず，実用上不便であった．本稿では同流量特性の近似計算を中心に解説する．

エネルギー式より，
T＋u2/（2cp）＝const.＝T0⑺
管路に沿って全温度（よどみ点温度）T0は一定．

2．主 な 記 号
A：管路断面積，c：音速，cp：定圧比熱，D：内径，
f：摩擦係数，K：損失係数，L：管路長，M：マッハ数，p：静圧，qm：質量流量，Re：レイノルズ数，T：静温度，

T
2
＝
T0 2＋
M2
（κ − 1）
任意断面通過質量流量qmは

u：平均流速，b21：臨界静圧比，κ：比熱比，μ：粘度，
ρ：密度
添字
0：よどみ点状態，1：上流端，2：下流端，a：近似値
c：臨界又はチョーク状態，＊：M＝1となる箇所の状態
3．Fanno流れ関係諸式⑻

qm=

κ κ＋1）
πD 2 （πD2
M 2 Mp
2＋
（κ−1）
ρcM =
2 RT0
4
4

⑼

管内静圧は摩擦抵抗により流れ方向に低下する．
断熱壁内空気温度の変化はさほど大きくないと考えられるから，圧力低下は空気の膨張をもたらし，流速uは増し，マッハ数Mは下流方向に増大する．図１の静圧p1を一定値に保ち，静圧p2を下げて行くとやがてマッハ数M2は１に達し，それ以上p2を下げて均一内径，真直，断熱管路内圧縮性流体流れで摩擦を考慮した定常一次元流れをFanno流れと呼ぶ．

も，質量流量qmは変わらず，流れはチョーク状態になる．その境界状態を臨界状態と呼ぶ．
摩擦係数 f を管路上の平均値で考え一定値とすれ
ば⑵式は積分でき，図１の両端面諸変数の関係式は諸基礎式より以下のように得られる．紙面の都合で

図１

管路パラメータと各変数連続の式，運動方程式，エネルギー式，状態方程式を⑴式〜⑷式に示す．

＊

平成24年６月12日

その導出については省略する．式の導出等は解説
書1）〜 4）を参照されたい．
p2 M1 2＋
κ 1）
M12
⋅ （−
⑽
p1 = M2 2＋
M22
（κ−1）
T2 2＋
M12
（κ−1）
=
M22
T1 2＋
（κ−1）
K=

原稿受付

＊＊

芝浦工業大学システム理工学部（所在地 〒337‑8570 埼玉県さいたま市見沼区深作307）

2
4fL 1−M22⎫（κ−1）（M1 M2） κ+1 ln ⎧M12 2+
＋
=
⎨ 2⋅
⎬
2
κ M1
D
2 κ ⎩M2 2 + κ−1M 12 ⎭東京工業大学（所在地 〒152‑8550 東京都目黒区大岡山２―12―１）
第５号⑿

M2＝1で右端がチョークしている時の諸関係式は

＊＊＊

第43巻

⑾

b21=
― 13 ―

p2*
p1c= M1c ⋅

M 12c
2+
（κ−1）
κ+1

⒀

2012年９月（平成24年）

272

フルードパワーシステム

T2* 2 +
M 12c
（κ−1）
=
T1c
κ+1
M 12c ⎫
4 fc L 1−M1c2 κ＋1 ⎧ （κ＋1）
ln⎨
Kc =
=
⎬
2 +
D
κ M1c 2κ ⎩ 2 +M 12c ⎭
（κ−1）⒁⒂

近似値M1caを⒀式に代入することにより，臨界静圧比b21を管路定数，流体物性値と与えられた境界条件から決定できることになる．
表１4．近 似 計 算⒇式の諸係数

Kc

a1

a2

a3

a4

0.1 ＜Kc≦ 1

0.95

0.728

0.415

0.05

＜Kc≦ 25

0.9

0.787

0.386

0.1

て|z/D|＜約100程度の出口区間に限られる．管路の大部分の管内静温度と全温度との比T/T0は⑻式より
１〜 0.97の範囲に留まる．そこで本稿では管内空気

25 ＜Kc≦110

0.4

0.29

0.475

0.052

110＜Kc≦200

0.405

0.349

0.39

0.0333の代表粘度として全温度T0に対する粘度μ0を考え，200＜Kc≦700

0.33

0.28

0.38

0.02234.1 管内空気粘度
管内マッハ数Mが0.4近傍を超えるのは，後に示す
図２の計算例のように，管路出口から上流に向かっ1

Sutherlandの式より次式で算出する．粘度μ0は管路に沿って均一値になる．
T + S ⎛ T0 ⎞⎜ ⎟μ0 = μr r
T0 + S ⎝Tr ⎠32⒃

Tr＝291.2K，μr＝18.27×10−6Pa･s，S＝120K
4.2 摩擦係数 f
非圧縮性流体の滑らかな円管内定常流の摩擦係数
fとレイノルズ数Reとの関係は実験的に求められ，入 り 口 流 入 空 気 静 温 度 が293K， 下 流 端 静 圧 が0.1MPaの標準的な条件の下で，以上の諸式を用いて管端から上流方向に遡行した無次元距離z/Dにおけるチョーク時のマッハ数Mz/Dと温度比Tz/D/T0の分
布の様子を示したのが図２である．

3×103≦Re≦1×104の範囲でBlasiusの公式
4 f＝λ＝0.3164Re−1/4（17a）１×104≦Re≦５×106の範囲でPetukhovの式−2
4 f＝λ＝8×［2.236×log（Re）−4.639］（17b）e等により表されている．
圧縮性流体に対しても亜音速領域ではこれらの関係が成り立つことが多くの文献に述べられていることから，本稿では上の２式を採用する．
図１の空気圧管路でレイノルズ数Reは
Re =

4 qm
πDμ0

図２

⒅

チョーク時の管内マッハ数，温度比分布

レイノルズ数も質量流量qm，粘度μ0と同様に管路に沿って均一値をとる．したがって摩擦係数 fも一定になる．これは⑿式を得る前提とも一致する．

実線がD＝2.5㎜，点線がD＝12㎜の場合である．
チョーク時Re数がDに比例することからKcもDに依存し，同一のz/Dに対する（20）式のマッハ数Mz/D

4.3 下流端チョーク時の特性
下流端出口マッハ数M2＝1の時の質量流量qmcは全に差が生じる．本例での差はわずかである．

＊

温度T0と管路内出口管端に於ける静圧p2 から次式のように定まる．
qmc =πD2 * * πD2 （κ κ+1） *ρ2 c2 =
p2
2RT 0
4
4

⒆

入り口端静圧を臨界静圧比b21を超えて上昇させたときについては紙面の都合で割愛し，文献7）を参照されたい．
ISO/TC131/SC5で検討中の管路流量特性算出法の原典である文献5）ではチョーク質量流量qmcを以下⒄，⒅，⒆式よりチョーク時摩擦係数fcが定まる． のように表現している．
α＝K−1/2
このfcを⒂式に代入してもM1cを解析的に求めることはできない．著者等は入り口マッハ数M1cの近似値
2α + α 2a=1+
κ κ+1）
κ κ+1）（（
M1caを損失係数Kcの関数として⒇式で表すことを提6），7）
p
案 している．
qmc = α A 1c
a
aRT
exp
a
K
a
⒇
1c
a
M1ca = 1× （− 2 c ）+ 4
3a（i＝1…4）を損失係数Kicの領域別に表１に示す．
第43巻

第５号

― 14 ―

2012年９月（平成24年）

273

川上・中野：摩擦を考慮した断熱管内空気定常流量特性の近似計算

b21 =

p2*
1
p1c = 1−a

べた．本計算結果は実測結果と比較的良く一致する
ことが確かめられている7）．管壁を通して熱の授受すべてK＝4 f L/Dの関数として表されるが，摩擦係数fの決め方については同文献では触れていない．
4.4 亜音速領域での特性が激しいような場合には新たに別の数学モデルを考える必要がある．
参⑽，⑿式よりつぎの２式を得る．
2
M12（
（2+
M12 ⎤⎥
M1 ⎡⎢1+ 1+（κ−1 ））p1 p2）
（κ−1）
=
2
2
⎥
M1（
（2 +
M2 ⎢⎣
（κ−1）
）p1 p2）⎦42⎤
2⎡
M1 M2） κ+1 ⎢ ⎛M1⎞ ⎛ p1 ⎞ ⎥ ⎫
D ⎧1−
（
f= ⎨
ln ⎜ ⎟ ⋅ ⎜ ⎟ ⎬+2
2κ ⎢⎣ ⎝M2⎠ ⎝ p2 ⎠ ⎥⎦ ⎭4L ⎩ κM1

1/2

文

献

１）Shapiro, A.H.：The Dynamics andThermodynamics of Compressible Fluid Flow,
Vol. 1, 2, Ronald Press（1954）
２）White, F.M.：Fluid Mechanics, McGraw-Hill

上の２式より，与えられた静圧力比p2/p1に対して摩擦係数fをマッハ数M1の関数 fp21として表せる．
f＝fp21（M1）⑼式をp1，M1で表し，⒄，⒅式を適用すれば，レイノルズ数Reを仲介に算出される別の摩擦係数がマッハ数M1の関数 fReとして表せる．
f＝fRe
（M1）

Kogakusha（1979）３）Benedict, R.P.：Fundamentals of pipe ﬂow, JOHNWILEY & SONS,（1980）
４）松尾一泰：圧縮性流体力学，理工学社，（1994）
５）Wartelle, C.：Caractéristiques de débit desapparreils á ﬂuides compressibles, Les Mémoires
Techniques du CETIM, no. 13, septembre, 1972, p式を連立させ，その数値解 f，M1を求める．

，

考

Ⓡ

計算ソフトMATLAB を利用した場合，その手順を 関 数Mフ ァ イ ル8）に 記 述 しSimulink ブ ロ ッ ク
Fanno modelとして表したのが図３である．入力L，D，T0，p1，p2から出力qm，M1，fが導かれる．

1‑54６）川上幸男，中野和夫：摩擦のある管内空気定常流のシミュレーション，平成19年秋季フルードパワー
システム講演会講演論文，p. 58‑60（2007）７）Shiraishi, T. et al：Approximate simulation ofpneumatic steady flow characteristics in tubes
with friction, Proc. 8th JFPS Int. Sym. On Fluid
Power, 1C3‑1, p. 242‑247（2011）８）青山貴伸，他：最新｜使える！ MATLABⓇ，講談社サイエンティフィク（2007）［著

図３ f，M1算出Simulink ブロック図̲文献5）では p = p2 p1 > b21 として質量流量と規格化流量（￣を付す）を以下のように表している．
α Ap1⎛⎜1−a p ⎞⎟qm =2（1−p）
RT1⎝ 2 ⎠qm = q m

RT1
Ap 1 κ

かわ

かみ

川

上 幸

ゆき

者

紹

介］

お

男 君

1991年早稲田大学大学院工学研究科博士課程単位取得満期退学．1992年芝浦工業大学助手，講師，助教授を経て，2004年同大学システム工学部教授，現在に至る．空気圧システム制御の研究に従事．日本フルードパワーシステム学会，日本機械学会などの会員．博士（工学）．
E-mail：kawakami@shibaura-it.ac.jp〜 式と合わせて上式を書き換えると 式の楕円の式となり， 式が流量特性の楕円近似の形になっていることが判る．

［著

者

紹

介］

2

2

qm （ p−b21）
2 +
2 =1
qmc （ 1−b21 ）計算に必要なパラメータαに関係する摩擦係数 f
を如何に決定するかについては触れられていない．
5．終 わ り に

なか

の

中

野 和

かず

お

夫 君

1957年東京工業大学大学大学院理工学研究科修士課程修了．同学精密工学研究所助手，助教授，教授を経て，1992
年同大学定年退官，同年芝浦工業大学システム工学部教授，
2102年同大学定年退職．流体パワーシステム解析・制御の研究に従事．日本フルードパワーシステム学会名誉員

Fanno流れの流量特性近似計算の概略について述
第43巻

第５号

― 15 ―

2012年９月（平成24年）

274

解

フルードパワーシステム

説

ヘルムホルツ形油圧動吸振器の減衰特性 ＊
一

柳

隆

義＊＊

1．は じ め にクラリネットやフルートなどの管楽器では，音のピッチを変化させるために気柱の共鳴現象（Resonance phenomena）が利用されているが，同じ共鳴現象を利用した楽器でもオカリナの発音原理
はヘルムホルツ共鳴である．ヘルムホルツ共鳴によって音を増幅させる技術は，楽器だけでなく低周波域の音を増幅させるバスレフ型スピーカーなどにも応用されている．一方で，ヘルムホルツ共鳴は音の増幅だけではなく，音を低減するための消音技術としてもさまざまな用途で用いられている．ここで，音の低減とは 空気 中に生じる音圧の振動を減衰させることに他ならないが，これを油圧の 作動
油 中の圧力振動（本稿では圧力脈動と呼ぶ）の低減に適用したものがヘルムホルツ形油圧動吸振器（ヘルムホルツ形油圧サイレンサ）である．
こ の 油 圧 動 吸 振 器 は， 圧 力 脈 動 の 共 振 現 象（Resonance phenomena）を利用しているために，共振周波数近傍においてのみ高い減衰効果を得られるような特性を有している．したがって，油圧シス
テムに発生する圧力脈動を効果的に減衰させるためには，減衰対象となる周波数を特定し，その周波数て設置した構造の動吸振器である．チョーク絞り部
における流体の質量，容量部における流体の圧縮性によるばね，作動流体の粘性抵抗によるダッシュ
ポット効果が，図１⒞のような減衰１自由度振動系を構成する．ヘルムホルツ形油圧動吸振器は，このに一致するようにヘルムホルツ形油圧動吸振器の共振周波数を設計する必要がある．本稿では，ヘルム
ホルツ形油圧動吸振器の構造や原理を説明し，共振
周波数や減衰性能を推定するための数学モデルについて解説する．また，任意の複数の周波数で減衰効

振動系の共振現象を利用して主管路内で生じる圧力
脈動の下流への伝ぱを防ぐものである．また，図１⒝は脈動吸振用のアキュムレータであり，ブラダや金属ベローズなどで隔壁された気体の圧縮性によってばね効果を得る．

果を得られる多段式ヘルムホルツ形油圧動吸振器や，

2.2

その可変共振特性について紹介する．

2.1 構造と原理
ヘルムホルツ形油圧動吸振器は，図１⒜に示すよ

図１⒜において，チョーク絞り部（断面積ac＝
πd 2/４，直径d，長さl）における作動油柱の運動方
程式は以下のとおり導くことができる．
Q（
128 μ l3 t）
ρac l dac P（
−P（）−ac πd 4 Q（3 t） ⑴
1 t）
3 t）
dt ac = （うに，円筒容器のような比較的大きい容量部の入口にチョーク絞り部を設け，これらを主管路に分岐しここで，ρとμはそれぞれ作動油の密度と粘度であり，PとQは圧力脈動と流量脈動とする．なお，添え字

2．ヘルムホルツ形油圧動吸振器＊

平成24年６月５日

＊＊

原稿受付

防衛大学校システム工学群機械システム工学科（所在地 〒239‑8686 神奈川県横須賀市走水１―10―20）
第43巻

第５号

⒜

ヘルムホルツ形
油圧動吸振器⒞⒝

脈動吸収用
アキュムレータ

減衰１自由度振動系

図１ ヘルムホルツ形油圧動吸振器の構造

集中定数系による数学モデル

はチョーク絞り部の入出口における各位置を示しており，図１より以下の関係が成り立つ．
Q1＝Q2＋Q3⑵
ここで，式⑴をラプラス変換すると，― 16 ―

2012年９月（平成24年）

一柳

⒜

275

隆義：ヘルムホルツ形油圧動吸振器の減衰特性⒝

ヘルムホルツ形油圧動吸振器

脈動吸収用アキュムレータ

図２ ヘルムホルツ形油圧動吸振器の透過損失TL（集中定数系モデル：―――，分布定数系モデル：−−−，平均圧力10MPaにおける実験値：•）
表１（ms＋C）Q3＝P1−P3⑶となる．上式では，流体イナータンスmと流体の層流粘性抵抗に関する係数Cを以下のように定義した．
128μl
ρl
m= a
C=
⑷，
⑸
c
πd 4
つぎに，作動油の圧縮性を考慮して容量部の連続の式を求めると次式が得られる．
V dP（
3 t）
Q（
⑹
−0 =
3 t）
κ dt

と定義して，式⑹をラプラス変換すると，s
Q 3 = P3k⑼

本稿では，減衰性能を評価する指標として，動吸振器固有の減衰特性を表す透過損失TLを用いる．
動吸振器が主管路に分岐接続されている場合，透過損失TLは次式のように表される．
⎩2

2+

Zc ⎫
⎬
Zh ⎭

第５号

作動油の体積弾性係数 κ1.67 GPa

チョーク絞り部の直径６㎜

チョーク絞り部の長さ20 ㎜

容量部の直径50 ㎜

容量部の長さ200 ㎜

チョーク絞り部の直径５㎜

チョーク絞り部の長さ

48.2 ㎜

平均圧力 P

10 MPa⑽

７×10−6 ㎥

g

ポリトロープ指数1.4

動油中の音速をc，主管路の内径をd0とすると
4 ρc
πd 20

⑾

である．ヘルムホルツ形油圧動吸振器の透過損失は，
式⑼で得られた入口インピーダンスを式⑽に代入す
ることで算出できる．図２に２種類のヘルムホルツ
形油圧動吸振器（図１⒜，⒝）の透過損失特性の計算結果を示す．計算に用いた動吸振器の寸法諸元は表１に記す．また，同図には実測した透過損失の実験結果もあわせてプロットで示している．同図から，
ヘルムホルツ形油圧動吸振器は共振周波数fnの近傍では高い減衰性能を得られるが，fnから大きく離れた周波数域では減衰効果が低く，狭帯域の油圧動吸振器であることがわかる．共振周波数fnは式⑼から
以下のように求められる．

式中のZcは主管路の特性インピーダンスであり，作第43巻

0.028 Pa・s

Zc =κ＝nP（nはポリトロープ指数，P は平均圧力）を代入すればよい．
2.3 減衰特性⎧1

作動油の粘度 μ⒝⑻

なお，図１⒝に示すアキュムレータの場合は，容量部での気体の圧縮性が支配的になるので，式⑺のばね定数において気体の体積Vgおよび体積弾性係数

TL = 20 log10 ⎨875 ㎏ /㎥

作動時のガス体積が得られる．式⑶，式⑻より，ヘルムホルツ形油圧
動吸振器の入口インピーダンスZhの逆数を求めると，次式のように表すことができる．
Q3
s
1
=
=
Zh
P1
ms 2 + Cs + k

作動油の密度 ρ⒜

ここで，κは作動油の体積弾性係数である．作動油の圧縮性によるばね定数kを
κ
k=
⑺
V

ヘルムホルツ形油圧動吸振器の諸元― 17 ―

fn = 1
2π

k
1
=
m
4

κ
πρ

d
Vl

⑿

2012年９月（平成24年）

276

フルードパワーシステム

なお，容量部に流体のみを用いた図２⒜の結果では，集中定数系モデルと実験値に差異が生じている．
これは，主に，容量部の流体を集中定数として取り扱ったことに起因しており，容量部が大きい場合には分布定数系モデル2）を用いる必要がある．
3．多段ヘルムホルツ形油圧動吸振器
多段ヘルムホルツ形油圧動吸振器は，一本の円筒型容器のままで複数の所望の周波数で減衰効果を得

図４られることを特徴とした油圧動吸振器である1）．そ

容量変化に伴う透過損失TLの周波数特性の構造は，円筒型容器の内部に複数のチョーク絞り部が挿入されたもので，図３に示す例では，３自由度の振動系を構成し，任意の３つの周波数で減衰効果を得られる特性となる．したがって，ポンプで発生した圧力脈動の基本周波数成分だけでなく，その倍次成分である２次，３次の調和成分の圧力振幅をも減衰させることができる．さらに，チョーク絞り部の寸法を一定にしたまま，各容量部の長さのみを可変させることで，図４に示すような減衰特性を得られることも本動吸振器の特徴の一つである．図４は，減衰させたい周波数の１次成分fr.1＊に対する透過損失TLの周波数特性を表しており，容量部の長さを可変させることで透過損失を一定に保ちながら１次〜３次の共振周波数を変えることができることを示している．すなわち，容量部の長さを調整する
何らかの可変機構を設けることにより，ポンプ回転速度が変化するような油圧システムにも本動吸振器が適用できることを示唆している2）．

4．お わ り に
音響の分野のみならず油圧システムにおいてもヘ
ルムホルツ共鳴を利用して脈動を低減する技術は古くから実用化されている．本稿では，ヘルムホルツ
形油圧動吸収器の基本原理や構造を解説し，設計や機器の選定に必要な共振周波数や減衰性能を見積もるための集中定数系モデルについて述べた．ここで紹介した可変共振機構を有する多段ヘルムホルツ形
油圧動吸振器については，今後，さらに研究を進めていく予定である．
参

考

文

献

１）一柳，小嶋：油圧脈動吸収用多段ヘルムホルツ形
サイレンサの開発と最適化設計法，日本油空圧学
会論文集，Vol. 32，No. 1，pp. 13‑20，（2001）
２）栗林，一柳，西海：多段ヘルムホルツ型油圧サイ
レンサに関する研究，平成22年秋季フルードパワー
システム講演論文集，p. 65‑68，（2010）

［著

図３

第43巻

いち

やなぎ

一

柳 隆

紹

介］

よし

義 君
2001年神奈川大学大学院工学研究科博士後期課程修了．現在防衛大学校機械システ
ム工学科講師．流体関連振動，油圧システ
ム同定等の研究に従事．日本フルードパ
ワーシステム学会・日本機械学会等の会員．
博士（工学）．
E-mail：ichiyana@nda.ac.jp

多段ヘルムホルツ形油圧動吸振器

第５号

たか

者

― 18 ―

2012年９月（平成24年）

柳田

解

277

秀記：フルードパワーアクチュエータの動摩擦力特性と数学モデル

説

フルードパワーアクチュエータの動摩擦力特性と数学モデル＊
柳

田

秀

記＊＊

止摩擦力，vsは負性抵抗域の広がりを表すパラメー

1．は じ め にタ，nは負性抵抗域における摩擦力-速度曲線の形にアクチュエータなどのしゅう動部では必ず摩擦が生じ，しばしば動作や効率を悪くする要因となる．
定常運転状態における出力あるいは機械効率の推定には，いわゆる定常摩擦モデルが有用であり，いくつかのモデルが提案され，使用されている1）2）．しかしながら，定常摩擦モデルは，アクチュエータの関わるパラメータである．式⑶の第２項はひげに作用する粘性摩擦力であるが，著者の経験の範囲内ではその影響は非常に小さい．式⑶の第３項はしゅう動面に作用する粘性摩擦力を表している．
σ0 z
dz
v
= v−
g v）
dt
（

動作予測などには十分ではない．アクチュエータの動的挙動の予測や摩擦補償を目的とした摩擦モデル
もこれまでにいくつか提案されている．その中でLuGreモデル3）は，上記目的のためにもっとも広く用いられている．
しかし，LuGreモデルが示す挙動は，著者が油圧モータを用いて過去に観察した動的な摩擦特性 ４）とはかなり異なる点がある．本稿では，このような背景から著者が取り組んでいるフルードパワーアクチュエータの動摩擦力特性とその数学モデルについて概説する．

n（g v）= Fc +（Fs− Fc ）e−（ / s）
v v

Fr = σ0 z + σ1

dz
+ σ2 vdt⑴⑵⑶

v=０，z=０の状態から動き始めるとたわみzが増加し摩擦力も増加するが，やがてσ0 z>g（v）となり式⑴よりzが減少し始める．この状態がすべり始めに対応する．式⑴においてdz/dt＝0とするとg（v）＝σ0 zが得られ，これを式⑶に代入するとFr＝g（v）＋σ2vと2.1 LuGreモデル
LuGreモデルは，しゅう動面上の凝着した粗さ要なり，定常摩擦モデルに帰着する．
LuGreモデルは実際に観察される代表的な動的摩擦挙動を表現できるとされているが，摩擦遅れ挙動
が油圧モータで観察された遅れ挙動4）とは著しく異なることや，動作停止後の再起動時に観察される摩擦力が停止時間の影響を受ける現象が表現できない

素を剛体のひげと弾性体のひげの組合せとしてモデル化し，しゅう動面の相対運動によりたわむ弾性ひげに生じる力を摩擦力として表している．そして，
ひげのたわみがある程度以上大きくなるとすべりがなどの不十分さがある．これらは，潤滑膜のダイナ
ミクスが考慮されていないことにあると考え，次節で示す数学モデルを提案した5）6）．
2.2 修正LuGreモデル

生じ，速度の増加とともに摩擦力が低下するストラ
イベック特性が表現できるように工夫されている．

しゅう動面間の潤滑膜の厚さは，しゅう動速度の増加に伴い単調に増加し（ただし，飽和する），速度変動時の膜厚さは，定常状態における膜厚さに比2．摩擦モデル

LuGreモデルは式⑴〜⑶で表される．zは弾性ひげの平均たわみ，σ0は弾性ひげの剛性，vはしゅう動面の相対速度，tは時間である．gはストライベッ
ク関数と呼ばれ，指数関数が用いられる場合が多い
が，速度の増加とともに摩擦力が減少する特性（負性抵抗特性）が表現できれば他の関数でもよい．また，Frは摩擦力，Fcはクーロン摩擦力，Fsは最大静＊べて加速時には薄く，減速時には厚くなることが知られている（文献５中の引用文献⒃参照）．これらは以下のようにモデル化できる．
1dh= （hss−h ）⑷τhdt
hss = K f v 2/3（ v ＜ vb ）㾹
hss = K f vb 2/3（ v ≧ vb ）㾸

平成24年５月30日

原稿受付

hは無次元の潤滑膜厚さパラメータ（0≦h≦1−＊＊

豊橋技術科学大学機械工学系（所在地 〒441‑8580 豊橋市天伯町雲雀ヶ丘１―１）
第43巻

第５号

⑸

Fc /Fs），hssは定常状態におけるh，Kf は比例定数で― 19 ―

2012年９月（平成24年）

278

フルードパワーシステム

ある．また，τhは時定数であり，加速時より減速時のほうが長く，停止時ではさらに長くなる．
潤滑膜厚さパラメータhを組み入れて，式⑵のス
トライベック関数をつぎのように書き換える．
− v/v{ 1−h ）g（v, h）= Fc +（
Fs−Fc } e s
（

n

）

⑹

長時間停止した状態ではh=0になるため，式⑵に一致する．しかし，停止時間が短いと潤滑膜がすぐに⒜は薄くならずh>0の状態となっており，最大静止摩Fs に低下する．この結果，つ擦力がFsから（1−h）
ぎに動き出すときの動作がある程度滑らかとなり，

速度変化波形

実際に観察される挙動に近づく．
一方，粘性摩擦力の項は一般的に式⑶の第３項のように表されるが，これは潤滑膜厚さが速度に関係なく一定とした場合である．式⑷，⑸の関係を考慮
すると，粘性摩擦力は速度に対して位相進み特性を有することが導かれる6）．これを１次進み特性で式⑺のように近似する．なお，式⑺は加速度に比例する摩擦力成分があることを意味するものではない．
Fr = σ0 z + σ1dz
dv
+σ2 v + Tdtdt⒝

摩擦力の測定結果⑺

摩擦モデル中のパラメータのうちνbのみ適当に決定しなければならないが6），その他のパラメータは同定可能である6）7）．
3．摩擦モデルの検証
本章では，片ロッド型の油圧シリンダと空気圧シリンダを用いて測定した動摩擦力特性と修正LuGre
モデルによるシミュレーション結果を比べ，モデルを検証する．摩擦力は，シリンダ室内の圧力とピストンの速度を測定し，運動方程式より求めている．
図１は，油圧シリンダを間欠的に動作させた時の速度と摩擦力の時間変化を示したものである．速度の正・負はピストンの突出し行程・引き戻し行程に対応する．停止時間の漸減に伴い起動直後に観察さ⒞

修正LuGreモデルによるシミュレーション結果
図１

油圧シリンダの動摩擦力特性

図２は，空気圧シリンダの動的摩擦力特性の測定
結果の一例とシミュレーション結果を示している8）．
空気圧シリンダの実験では，ロードセルを介して空気圧ピストンと油圧ピストンを接続し，油圧ピスト
ンにより空気圧ピストンを駆動して速度制御した．
図２は，標準型空気圧シリンダを突出し行程で正弦波状に繰り返し速度変動させた時の１サイクルにおける摩擦力‑速度曲線を示している．

れる摩擦力が低下する様子が修正LuGreモデルにより良好に再現されている5）．
図２⒜は実験結果であり，低速度領域で定常特性
油圧シリンダが負性抵抗域内で動作するときには，の回りでヒステリシス挙動を示し，速度の高い領域
粘性摩擦力は式⑺においてT=0とした場合，すなわ
では定常特性に沿ってほぼ直線的に変化する．ヒス
ち式⑶で良いが，動作範囲が流体潤滑域に及ぶと式テリシスループは速度変動周波数の増加とともに高⑺第３項目の位相進み特性が大きく表れてくるよう
速域側に広がり，図には示していないが，図２の実になり，速度を正弦波状に変化させたとき，摩擦力験条件の場合は12Hz以上では速度変動の全域にわ-速度線図上で時計回りに大きなヒステリシスルー
プを描くようになる．この特性は式⑶では表現できないが，式⑺で良好に表現できる6）．油圧シリンダについては前章で示した修正LuGreモデルにより比較的良好に動摩擦力特性が再現可能である．
第43巻

第５号

たってループを描くようになる．この傾向は油圧シ
リンダでは見られなかったものである．
図２⒝は，修正LuGreモデルによるシミュレー
ション結果である．速度変動周波数が0.5Hzの場合― 20 ―

2012年９月（平成24年）

柳田

279

秀記：フルードパワーアクチュエータの動摩擦力特性と数学モデル

今後検討すべき点である．
参

考

文

献

１）日比昭，市川常雄：油圧モータのトルク特性の数学モデル，日本機械学会論文集（第２部），Vol. 42，
No. 361，p. 2803‑2809（1976）
２）Armstrong-Helouvry B., Dupont P., Canudes de
Wit C.,：A survey of models, analysis tools and⒜

摩擦力の測定結果

compensation methods for the control of machineswith friction, Automatica, Vol. 30, No. 7, p. 1083‑
1138（1994）
３）Canudes de Wit C., Olsson H., Åström, K. J.,
Linschinsky P.,：A new model for control ofsystems with friction, IEEE Trans AutomaticControl, Vol. 40, No. 3, p. 419‑425（1995）
４）柳田秀記・稲葉剛・市川常雄：油圧モータの低速域における非定常特性に関する実験的研究，日本機械学会論文集（B編），Vol. 56, No. 528, p. 2430‑⒝

修正LuGreモデルによるシミュレーション結果
図２

空気圧シリンダの動摩擦力特性

2437（1990）
５）Yanada, H., Sekikawa, Y.,：Modeling of dynamic
behaviors of friction, Mechatronics, Vol. 18, No. 7,

は実験結果と良く一致しているが，変動周波数が高くなるにつれてループが小さくなり，実験結果を再現できていない．試みに，モデルパラメータのうち負性抵抗域の広がりを表すパラメータvs（式⑹）や潤滑膜厚さの変化速度域を表すパラメータvb（式⑸）p. 330‑339（2008）６）Tran, X., B., Nur Haﬁzah, Yanada, H., ：Modeling ofdynamic friction behaviors of hydraulic cylinders,
Mechatronics, Vol. 22, No. 1, p. 65‑75（2012）
７）Yanada, H., Takahashi, K., and Matsui A.,：

Identiﬁcation of dynamic parameters of modiﬁedの値を周波数とともに大きくすると，図２⒜に示す
LuGre model and application to hydraulic
実験結果に良く類似したシミュレーション結果が得
actuator, 日本フルードパワーシステム学会論文集，
られる．しかし，この物理的根拠は明確ではなく，Vol. 40, No. 4, p. 57‑64（2009）
数学モデルとしても実用的とは言い難い．
パッキンの潤滑にはグリースが用いられているが， ８）Tran, X. B., Yanada, H.,：Dynamic friction
characteristics of pneumatic actuators and their
グリースはニュートン流体とは異なり，せん断速度
modeling, Proc. 8th JFPS International
が非常に小さい時には半固体状態にあり，せん断速
Symposium on Fluid Power, Okinawa Japan, p.
度が大きくなるとニュートン流体の挙動を示すようになる．このようなグリースのレオロジー特性が図２⒜に示すような摩擦特性をもたらすと推測してい657‑664（2011）

るが，これについては調査中である．
［著

4．お わ り にやなだ

著者らが提案している修正LuGreモデルを紹介し， 柳 田
油圧アクチュエータについては測定された動摩擦力
特性が比較的良好に表現できるものの，空気圧アクチュエータについては改善すべき点があることを述べた．本モデルは，油圧アクチュエータだけでなく，
ニュートン流体で潤滑される機器等に適用可能であると考えている．アクチュエータの精度の良い動作予測のためにどの程度詳細な摩擦モデルが必用なのか，あるいはどの程度簡略化できるのかについては
第43巻

第５号

― 21 ―

ひで

き

秀

記 君

者

紹

介］

1982年豊橋技術科学大学大学院工学研究科修士課程修了．同年より豊橋技術科学大学に勤務し，2012年より教授．電気力を利用した絶縁性流体の浄化と流動，摩擦のモ
デリング等の研究に従事．日本フルードパ
ワーシステム学会，日本機械学会等の会員．
工学博士
E-mail：yanada@me.tut.ac.jp

2012年９月（平成24年）

280

解

フルードパワーシステム

説

ゴムベローズを用いた高減衰空気圧ゴム人工筋のモデル化とシミュレーション＊
加

藤

友

規＊＊

1．はじめに3．高減衰PARMのモデル化

空気圧ゴム人工筋（Pneumatic artiﬁcial rubber

3.1 PARM単体のモデル化
図２の実験装置を用いて，PARM １本の静特性

muscle, 以下PARM）とは，筋肉の収縮原理を応用した空気圧駆動のアクチュエータである．空気圧をPARM内部に与え，圧力を上昇させることで径方試験を行った．おもりを０[㎏］から4.0[㎏］まで
0.5[ ㎏］ 間 隔 で 変 化 さ せ て，PARMの 内 圧 を ０

向 に 膨 張 し， 軸 方 向 に 収 縮 し て 変 位 を 生 じ る．
PARMは軽量でやわらかく，同径のエアシリンダ→0.4→０［MPa gauge］と変化させた．このときの内圧P［MPa
gauge］と変位の関係を測定した．外pと比較して数倍の引張り力を発生できるという特徴があり，柔軟な接触動作が要求される対人間ロボッ
トなどへの適用などの研究が進められている．
一方，PARMを用いたロボットアームの短所として，大きな外乱が加わった際や負荷を保持した際に，振動的になる点が挙げられる．これは，PARM
自体の粘性摩擦力が非常に小さいことが原因であると考えられる．この問題に対して，たとえば空気圧
ゴム人工筋マニピュレータの関節部にERダンパを組み込む研究事例などが報告されている1）．本研究では，高減衰PARMを２本用いて慣性負荷を有す
る１自由度の拮抗駆動系を構築し，従来のPARMと減衰性を比較する実験を行う．また，各構成要素のモデル化を行い，数値計算を用いた非線形シミュ
レータを開発し，提案した高減衰PARMの有効性を検証することを目的する．

力F［N］とPARMの収縮率εと内圧P［MPagauge］pの関係は補正係数を用いた次式で表すことができる2）．
2

F = α（1−ε ）Pp + β Pp + γ⑴⑴式において，α=2,300，β=-920，γ=−110とすると実験結果とよく一致した．実験結果と近似曲
3
線を図３に示す．また，同じ実験装置で体積V［m］pと収縮率εの関係も測定した．
3.2 ベローズのモデル化
ベローズ単体の減衰係数cbとばね定数kbを同定するため，図２と同様の実験装置で，PARMの場所

2．提案した高減衰PARMの構造提案している高減衰PARMを図１に示す．この新型PARMは従来のマッキベン型PARM（アクティ
ブリンク社製，外径14[㎜］，自然長290[㎜］）の外側に外径50[㎜］のゴムベローズを被せたものであり，ベローズの端部の直径４[㎜］の穴以外は密閉し て あ る． こ の ４[ ㎜］ の 穴 に 絞 り を 接 続 す る．

図１

提案した高減衰PARMの構造

PARMが 伸 縮 す る と 外 側 の ベ ロ ー ズ も 伸 縮 し ベ
ローズ内の体積が変化する．このとき絞りを空気が通過することにより，減衰力が発生する．

＊

平成24年６月５日

原稿受付

＊＊

福岡工業大学工学部（所在地 〒811‑0295 福岡市東区和白東３―30―１）
第43巻

第５号

図２
― 22 ―

特性実験装置図
2012年９月（平成24年）

加藤

友規：ゴムベローズを用いた高減衰空気圧ゴム人工筋のモデル化とシミュレーション

図４

図３

281

拮抗駆動系実験装置の構成図

PARMの静特性に長さ約320[㎜］のベローズを取り付け，おもりは0.25[kg］を２つとした．ベローズの両端は開放されており，ベローズの内圧は大気圧とした．２つのおもりのうち１つを切り離す実験を行った．実験は５回行い，平均値として，ばね定数kb=194.4[N/m］，
減衰係数cb=2.13[Ns/m］を得た．
つぎに，ベローズ内の体積Vb[㎥］について考える．ベローズの谷の数をn，全長を１ [m］，ベロー

図５

実験結果（拮抗駆動系）

ズ の 谷 の 断 面 積 をa[ ㎡］， 山 の 断 面 積 をb[ ㎡］，
PARMの外径をdp[m］とすると，以下の式で求め
られる．
πd p2
Vb =（ a +b+ ab）
×h÷3×n−（ 4 ×l）⑵

本 論 文 で 用 い た ベ ロ ー ズ は，a=12.57[㎠］，b=19.63[㎠］，n=58である．PARMの外 側の体 積については，収縮率と体積の関係の測定結果に，シリ）とPARM
コンゴムと繊維の体積（2.642×10−5[㎥］端部の継ぎ手部分の体積を加えることで算出した．
つぎに，絞り部のモデル化について考える．絞りの内径をdL（=0.0025[m］），長さをLt（=0.03[m］），大気圧をPa（=101300[Pa］）とすると，ハーゲンポアズ
イユの式より，絞りからベローズに入る質量流量は，
G［kg/s ］=

Pb ρ π d t 4a（Pa−Pb ）Pa 128μ L t⑶と表される．
3.3 サーボ弁のモデル化
PARMの内圧の制御に用いるサーボ弁（FESTOMPYE M5 B-SA）は流路の音速コンダクタンスC［dm3/(s bar）］と臨界圧力比bを予め測定すること

図６を使って拮抗させる．滑車に□15[㎜］，長さL0=500[㎜］，重量105[g］のアルミ棒を取り付け，その先端に210[g］の重りを固定した．２本のPARMは１つのスプール型サーボ弁で制御される．サーボ弁に与える入力電圧の振幅は１[V］，周波数は0.5[Hz]〜10[Hz］とし，この条件で20秒間アルミ棒を振る実験を行った．実験結果を図５に示す．また，この結果のボード線図（入力：サーボ弁制御電圧Ei[V］，
出力：変位φ[°］）を後述のシミュレーション結果と合わせて，図７（拡大図：図８）に示す．
5．シミュレーションと実験結果の比較

により，ISO6358の式により流量を定義可能である．
4．拮抗駆動系の周波数応答実験
提案した高減衰PARMを２本用いて図４のような１軸拮抗駆動系を構築し，周波数応答実験を行った．この装置はPARMを並列に２本配置し，滑車
第43巻

第５号

シミュレーションにおけるブロック線図

モデル化した各要素をMATLAB上で表現し，接続することで図４の実験装置を再現した．このブロック線図を図６に示す．これを用いて前述の周波数応
答実験と同条件のシミュレーションを行った．その結 果 が 図 ７ の ボ ー ド 線 図 上 の 線（ 実 線： 高 減 衰
PARM，破線：従来のPARM）である．このボー― 23 ―

2012年９月（平成24年）

282

フルードパワーシステムて同じとしてシミュレーションを行った（図７，図８の一点鎖線）． シミュレーション結果では，減衰係数が約500[N/(sm）］となり，ピーク付近の振幅が約2.7dB減少していることがわかる．
6．お わ り に
本稿では著者らが提案した高減衰PARMのモデル化を行い，本PARM ２本を用いた１自由度拮抗
駆動系のシミュレータの開発について解説した．まず高減衰PARM単体のモデル化を行い，本モデル
を拮抗駆動系に適用した．シミュレータの妥当性を検証するために，高減衰PARM ２本を用いた１自由度拮抗駆動系を構築した．本駆動系を５ポート空気圧サーボ弁で制御する構成とした．実験との比較によって，シミュレータの有効性を確認した．さらに，高減衰PARMの絞りの形状を変更することによって，減衰特性を高められることをシミュレータによって明らかにした．なお，本解説の詳細については，論文集掲載の論文3）もご参照いただきたい．
図７

ボード線図

参

考

文

献

１）則次俊郎：ERダンパを用いたゴム人工筋マニュピ
レータの減衰補償，計測自動制御学会論文集，Vol.
37, No. 6, p. 590‑592（2001）
２）T. Kagawa, T. Fujita and T. Yamanaka : Nonlinear
Model of Artificial Muscle,Trans. of the SICE ,Vol. 29, No. 10, p. 1241‑1243（1993）
３）加藤友規，大野学，東知明，只野耕太郎，川嶋健嗣，
香川利春：ゴムベローズを用いた高減衰空気圧ゴ
ム人工筋の提案と特性解析，日本フルードパワーシ
ステム学会論文集，Vol. 42, No. 6, p. 114‑119（2011）

図８

ボード線図（拡大図）

ド線図より，実際に行った周波数応答実験とシミュ
レーションの結果がほぼ一致していることがわかる．
提案した高減衰PARMの減衰性を向上させるには，
ベローズの断面積Abを大きくすることや絞り部の形状を変更することなどが考えられる．ここでは一例
として，絞り部の形状のみ変更した場合について，
シミュレーションを行うこととする．

［著
とう

とも

のり

加 藤

か

友

規 君

絞り部が発生する粘性抵抗力を大きくするため，
内径dt=0.6[㎜］・長さLt=30[㎜］の細管を10本束に

者

紹

介］

2007年東京工業大学大学院博士課程修了．
都立高専助手〜助教を経て，2010年福岡工業大学工学部知能機械工学科助教，2012年
同准教授となり現在に至る．本学会（企画委員・編集委員），精密工学会などの会員．
博士（工学），技術士（機械部門）．
E-mail：t-kato@ﬁt.ac.jp

したものを絞りとして使用することを仮定する．
PARMの仕様や実験方法などその他の条件はすべ

第43巻

第５号

― 24 ―

2012年９月（平成24年）

283

竹村研治郎：電界共役流体に発生する流動のモデリング

解説

電界共役流体に発生する流動のモデリング＊
竹

村

研治郎＊＊

1．は じ め に
電 界 共 役 流 体（Electro-conjugate Fluid，ECF）
は，直流電圧の印加によって活発に流動する機能性流体である1）．液中に数㎣の微小な電極対を挿入し，電圧を印加するだけで流れが発生するため，簡単な液圧源として利用できる．たとえば，図１のように
φ0.13㎜の針状電極とφ0.3㎜の穴を持つリング状電極を電極間隔0.3㎜ で対向させた電極対１つで30⒜kPa程度の圧力を発生できる．また，複数の電極対を直列に集積化すれば，圧力を容易に増加できる．
このため，これまでに多くの応用研究2）3）4）がなされ，力と理解できる．

2．誘電体にはたらく電気的な力

図１

⒝

組立図

針‑リング電極対

3．流動モデル
２章において，静電界において誘電体にはたらく
電気的な力を記述した．つまり，この力がECFの流 動 の 原 因 で あ る． こ こ で，ECFを 非 圧 縮 性 のニュートン流体であると見れば，その基礎方程式はdm DV = dm g + ・T
Dt∆

ECFの液圧源としての可能性が示されてきた．
こうした魅力的なマイクロ液圧源の理論的検討として，筆者はECFに発生する流動のモデリングに取り組んでいる．以下に内容を概説する．

電極部の分解図⑵

ECFは誘電液体であり，直流電圧を印加すると流動する液体であるため，静電界において誘電体にはたらく電気的な力が流動の原因であると考えられる．静電界における力はいわゆるマクスウェルの応力テンソルを用いて表現されるが，ECFの場合，である．ただし，Vは速度ベクトル，Tは応力テンソルであり，Tの中身は通常圧力項と粘性項からなる．しかし，ECFの場合，電気的な力も受ける訳であるから，応力テンソルTにはKorteweg-Helmholtz

文献５にあるように現象はやや複雑である．このため，ECFの流動を議論するには，液中の電荷密度の式の応力表現の項も追加されるべきである．この
結果，ECFの運動方程式は，の分布や誘電率分布なども考慮して，より一般的な電気的な力から考察するのが適当である．このような場合，電界中のエネルギを出発点として導かれる
Korteweg-Helmholtzの式６）⑴∆E2 d ∂εs
m
∂dm
2

∆

∆

ε+

∆

∆

2

∆

f = ρE− E
2dm DV = dm g− pI ＋ μ 2VDt
2
E2 d ∂εs+ ρE− E ε +
m
∂dm
2
2

⑶

となる．式⑶の１行目がいわゆるナビエ・ストークスの方程式であり，２行目に示された３項が電気的によって電気的な体積力fが記述される．ただし， な力を示している．
また，ECFの流動現象に関する実験的な検討2）に
ρは電荷密度，Eは電界，εは誘電率，dmは質量密度である．右辺第１項は電荷によって生じる力であり， よれば，電極からの電荷注入，液中における優勢電
クーロン力に相当する．これに対して，第２項およ荷の存在が示唆されている．これは式⑶の２行目第び第３項は誘電率の分布および質量密度に起因する

平成24年６月５日⎧⎨⎩＊

１項の電荷密度に大きく影響を与えるため，電荷注入の影響を−
q− = k（φ−φ−0）＋＋
q = k（φ−φ＋0）

原稿受付

＊＊

慶應義塾大学理工学部（所在地 〒223‑8522 横浜市港北区日吉３―14―１）
第43巻

第５号

― 25 ―⑷

2012年９月（平成24年）

284

フルードパワーシステムのように表現した．ただし，q−およびq+は注入される正および負の電荷密度，φは電圧，φ−0 およびφ+0は閾値電圧，k−およびk+は定数である．さらに，電荷は電界Eと流速Vの影響を受けて移動すると仮定
し，電荷密度jを
j＝q（μiE＋V）⑸

おける流動の様子とも整合している．
図３は３章の流動モデルを上記の実験と同じ条件
で数値解析した結果である．この結果，印加電圧
1,332Vにおいては負電極から正電極に向かう流動が得られるのに対し，2,664Vでは電極間で流れが衝突する衝突噴流が見られた．これは図２に示した流動の可視化実験の結果とよく一致している．ただし，
式⑷および⑸に現れる各定数は，液体の基本的な物
性値と異なり直接計測することが難しいため，実験と定義した．ただし，μiはイオン移動度である．
4．解析および実験
これまでに，ECFに分類される液体は複数報告されている1）が，以下に，FF-1EHA2（新技術マネ
イジメント社製）を作動流体として用いた場合を例

結果との整合が取れるよう試行錯誤的に決定していることに注意されたい．図４は実験と数値解析の結に，３章の流動モデルの解析結果を流動の可視化実
験の結果と比較する．なお，FF-1EHA2の物性値は
表１のとおりである．
表１
比誘電率
5.2

FF-1EHA2の物性値

導電率

密度

粘度

（S/m）

（㎏ /㎥）（mPa・s）

4.50E-8

1,688

11

図２に，FF-1EHA2に直径0.3㎜の棒状電極２本を電極間隔２㎜で対向させた際に生じる流動の可視化結果を示す（PIVにより流速分布を計算した結果）．⒜および⒝は印加電圧が異なり，それぞれ
1,332Vおよび2,664Vである．ただし，図中に全体流れの様子を模式的に矢印で示している．比較的電圧が低い⒜では負電極から正電極に向かう一方向の流れが観察されているのに対し，電圧が高い⒝では正負各電極からの流れが電極間で衝突する衝突噴流が観察されている．なお，流れの衝突位置は中心から

図３⒜1,332Ｖ⒝2,664Ｖ

流動モデルにより得られた流速分布

やや正電極側に位置していることがわかる．これは，液中の優勢電荷の影響によるものであり，負電荷が正電荷よりも多く存在していることを示唆し，⒜に⒜

1,332Ｖ⒝2,664Ｖ

図２

流動の可視化結果から得られた流速分布

第43巻

第５号

図４
― 26 ―

⒜

最大流速

⒝

衝突位置

実験と数値解析の比較
2012年９月（平成24年）

285

竹村研治郎：電界共役流体に発生する流動のモデリング

果を，印加電圧と最大流速および衝突噴流の位置で比較したものである．このように，適切な定数を決

３）Takemura, K., Yokota, S., Imamura, T., Edamura,

定できれば，少なくともFF-1EHA2の流動の様子を数値的に解析可能であり，その結果は実験結果とよく一致する．

Gyroscope using an Electro-conjugate Fluid,K., Kumagai, H.: Practical Design of a Liquid Rate
Journal of Systems and Control Engineering,
Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers Part I, Vol. 223, No. 6, p. 727‑736（2009）

5．お わ り に４）Yamaguchi, A., Takemura, K., Yokota, S.,

以上のように，電界共役流体に発生する流動は，

Edamura, K.: A Robot Hand Using Electro-

ニュートン流体の運動方程式に誘電体にはたらく電
気的な力を導入することによってモデル化できる．
しかし，本稿で概説した電気的な力は，電界下におconjugate Fluid: Grasping experiment with

かれた誘電体にはたらく現象の一部を表現したに過ぎない．たとえば，電気二重層の影響はどうなのか？過渡応答における緩和現象の影響は？など，誘電体には多くの複雑な現象が存在し，今後，こうした（2012）

要因を実験と計算の両面から検討する必要があろう．
電界共役流体の流動は液圧源としての応用だけでballoon actuators inducing a palm motion of robot
hand, Sensors & Actuators A, Vol. 174, p. 181‑188
５）Mori, K., Yamamoto, H., Takemura, K., Yokota, S.,
Edamura, K.: Dominant Factors Inducing Electroconjugate Fluid Flow, Sensors & Actuators A,
Vol. 167, p. 84‑90,（2011）６）後藤以紀：電氣磁氣學本論，オーム社（1962）

なく，現象としても大変興味深いものである．今後，多くの研究者にこの流体に興味を持っていただき，
電界共役流体の研究が大きく前進することを期待し
たい．
参

考

文

献

［著
たけ

むら

竹

村 研治郎 君１）Yokota, S., Otsubo, Y., Edamura, K.: Electrosensitive Movable Fluids, Method of using thesame and motors for the electro-sensitive movableﬂuids, USP6,030,544（2000）
２）Yokota, S., Kawamura, K., Takemura, K.,
Edamura, K.: High-integration Micromotor using
Electro-conjugate Fluid （ECF）, Journal of
Robotics and Mechatronics, Vol. 17, No. 2, p. 142‑

者

紹

介］

けん じ ろう2002年慶應義塾大学大学院理工学研究科
後 期 博 士 課 程 修 了．2002年 同 大 学 助 手．
2003年から2008年東京工業大学助手（助教）．2008年慶應義塾大学理工学部専任講師，2012年より准教授，現在に至る．機能性流体，超音波などの研究に従事．日本フルードパワーシステム学会，日本機械学会などの会員．博士（工学）．
E-mail：takemura@mech.keio.ac.jp

148（2005）

第43巻

第５号

― 27 ―

2012年９月（平成24年）

286

フルードパワーシステム

解説

超精密工作機械用の流体駆動スピンドル＊
中

尾

陽

一＊＊

⑶熱的安定性：スピンドルの温度変化に伴う，変形抑制にも対策が必要である．たとえば，ステンス鋼1．は じ め に
超精密工作機械は，ダイヤモンドバイトによる切削加工により，精密部品を製造するために使用される．たとえば，レンズ用金型，f‑㸦レンズと呼ばれるレーザ走査用レンズ，反射鏡であるポリゴンミ
ラーなどが超精密工作機械による代表的な加工例である．
超精密工作機械にも種々の構成が存在するが，基本的には，回転要素であるスピンドルと直線運動要素であるテーブルにより形状創成運動が行われる．
特筆すべきは超精密工作機械に対する要求精度は，
表面粗さと形状誤差が，それぞれ数nm，0.1µm程
度であり1），スピンドルやテーブルには，要求加工精度に応じた運動精度を具備させる必要がある．工
作物や切削工具を回転させるのがスピンドルであり，通常，毎分数千から数万回転で回転振れをサブミク
ロン以下にした精密機械要素である．ここでは，水や低粘度油の動力によって駆動する小型精密スピン
ドルについて紹介したい．

の線膨張係数は常温環境下において14.7×10−6K−1
であり，スピンドル長を100㎜とすると，熱膨張を１µm以下に抑えるためには，加工中の温度変動を0.7℃以下に抑える必要がある．このため，加工装置全体を冷却するオイルシャワー方式3）の報告もある．また，加工精度に影響しやすい部材を低熱膨張材料である，インバーやガラスセラミック材料にする場合もある．いずれの方法も高コストになる．
3．ウォータドライブスピンドル
図１は上記⑴‑⑶の諸性能を実現するために開発した，水による駆動方式を採用したウォータドライ
ブスピンドルの基本構造を示している．このスピン
ドルは，水静圧軸受と流体動力を回転動力に変換するための動力変換流路を有する．

2．超精密工作機械用スピンドルの特徴
超精密工作機械用スピンドルに要求される性能は，つぎの通りである．
⑴回転精度：スピンドルに要求される回転精度は，
周期振れ2）などで評価される回転振れがサブミクロン以下である．このため，通常，超精密工作機械用
スピンドルは静圧軸受で支持される．これに加えて，駆動系が回転精度に影響しない工夫が欠かせない．
たとえば，電動機を回転軸に一体化することが多い．
⑵軸受支持性能：加工力に対するスピンドル変位を許容値以下にするためには，高い軸受剛性が必要になる．さらに，高品位の加工面創成のためには，軸受の高い減衰性能も欠かすことができない．通常，
静圧軸受には空気か油による潤滑流体膜を形成させるが，高剛性と高減衰性の両立が難しい．
＊

平成24年６月１日＊＊

第５号

ウォータドライブスピンドルの構造

基本構造と動作原理は次の通りである．回転軸内部には，回転軸に沿って主流路が設けられており，
水は供給ポートから半径方向に回転軸内部に流入す
る．流体を回転軸から流出させる流路は，図中右に示す曲がり流路（トルク発生用流路）になっている．
主流路に流入した大部分の水は，トルク発生用流路から流出するように各部が設計されている．このとき，水の角運動量が変化し，回転軸を回転させるトルクが発生し回転軸が回転する．

原稿受付

神奈川大学工学部（所在地 〒221‑8686 横浜市神奈川区六角橋３―27―１）
第43巻

図１

ロータ外周面には静圧軸受用のリセスが設けられ，
リセス・主流路間には，軸受絞りが組み込まれてい― 28 ―

2012年９月（平成24年）

中尾

287

陽一：超精密工作機械用の流体駆動スピンドル

る．これにより，主流路から流出する流体の一部が潤滑流体となり，静圧軸受によりスラスト方向とラジアル方向に回転軸が非接触で支持される．なお，
スピンドルの主要部品はステンレス鋼製（SUS303）
である．
本スピンドルの特徴を上記⑴‑⑶に対応させるとつぎのようになる．⑴回転精度：水静圧軸受で支持された回転軸内部に流体動力を回転動力に変換する

ば， 図 ２ に 示 す 通 り，25l/minの 水 を 供 給 す る と
10,000rpm程度の回転数が得られる4）．
スピンドルへの供給圧力は，トルク発生用流路の流れ抵抗によって決まる．通常の使用範囲では，供給圧力は１〜２MPa程度であり，必ずしも容積形
ポンプは必要ない．この場合，ポンプ吐出流量は負荷であるスピンドルに依存するため，スピンドルの動作点はポンプ性能とスピンドル性能によって決まる．たとえば，図３のようなロータリ形流量制御弁

流路が組み込まれていることにより，高い回転精度を使用して，渦流ポンプ，流量制御弁，スピンドルを得やすい．⑵軸受支持性能：水静圧軸受を利用することにより，高剛性と高減衰性の両立が図れる． で構成される制御系を構築した場合，弁回転角とス⑶熱的安定性：水温はチラー装置により制御される． ピンドル回転数は図４のようになる5）．
水は比熱，熱伝導率の点で優れた冷却媒体であり，これをスピンドル内部に供給することにより，スピンドルの効果的な冷却が図れる．また，静圧軸受の潤滑流体として水を利用しているため，油と比較して粘性抵抗による発熱が抑えられる．
本スピンドルの回転数は流量で制御できるため，適当な流量制御弁によりスピンドルの回転数制御が行える．また，回転軸とケーシング間の隙間やノズ
ル径の組み合わせによって，種々の定格出力や定格回転数のスピンドルを製作することができ，たとえ

図４

弁回転角とスピンドル回転数

4．回転角制御機能を有する流体駆動スピンドル

図２

スピンドルの回転数

図１に示した小型流体駆動スピンドルの制約は，トルク発生用流路の方向によって定まる方向にしか，
回転動力が発生しないことである．そこで，改良型として開発したのが図５に示すスピンドル6）である．
このスピンドルの場合，回転軸内の主流路が左右独立になっており，それぞれに逆向きのトルク発生用
流路を設けている．このため，流体の供給を左右切⒜

ロータリ形流量制御弁の構造

⒝
図３
第43巻

第５号

弁体形状

ロータリ形流量制御弁

図５― 29 ―

回転角制御が可能な流体駆動スピンドル
2012年９月（平成24年）

288

フルードパワーシステム

り換えることにより，スピンドルの回転方向が制御できる．また，フィードバック制御によって回転角分な管理を怠ると，回転軸がスピンドル本体に接触することがある．両者がステンレス鋼製の場合，部制御も可能になる．
図６は外乱オブザーバが組み込まれた回転数制御系の構成例である．これに，スピンドル回転角を品表面が損傷する．そこで，現在は，スピンドル本
体側には砲金製スリーブ構造を採用している．また，
本稿では紹介しなかった水圧駆動の精密回転装置のフィードバックすれば，スピンドルの回転角制御が可能になる．ただし，つぎの点に注意が必要である．
すなわち，回転軸にはわずかな不釣り合いが存在す

場合，一部に樹脂材料を使用することにより損傷問
題は著しく改善した．一方，軸受隙間は５µm程度であり，樹脂材料の吸水特性や線膨脹係数が大きい

る．通常，超精密工作機械用スピンドルの場合，振れ回りを小さくするために，バランス取りが行われ不釣り合いを十分に小さくしてある．しかしながら，ことが問題であり，材料選択は重要な研究課題となっている．
6．お わ り に

静圧軸受で支持されたスピンドルの場合，粘性抵抗が非常に少ないため，残存する不釣り合いが一種の負荷トルクとしてスピンドル性能に影響する．このようなトルクが回転角制御系に定常偏差を発生させ超精密工作機械用に開発した流体駆動スピンドルについて紹介した．スピンドル以外にも超精密工作
機械用のテーブルなどについても研究を行っている．

ることが，理論的・実験的に確認されている．一方，一定負荷トルクを意図的に加えた場合のスピンドル

特に水圧駆動の装置開発には，取り組むべき問題が山積しているように思える．関連分野の研究者・技

回転角の制御結果を図７に示す通り，制御系内に外乱オブザーバを設ければ，その影響を補償することできる．

術者の方々と情報交換し，今後も研究を進めたいと考えている．
本研究の一部は，科学研究費補助金（基盤研究C）
ならびに工作機械技術振興財団・試験研究助成により行われた．ここに記して関係各位に感謝申し上げ
る．
参

考

文

献

１）M. Davies, C. Evans, S. Patterson, R. Vohra, and B.
Bergner, Application of Precision Diamond
Machining to the Manufacture of Micro-photonics
Components, Proceedings of SPIE, Vol. 5183, 94‑
106,（2003）.
２）Y. Nakao and Y. Sagesaka, Development of Water

図６

Drive Spindle, Proceedings of the 6th JFPS

外乱オブザーバが組み込まれた回転数制御系

International Symposium on Fluid Power CD
ROM,（Tsukuba, 2005）.
２）E. Marsh, Precision Spindle Metrology, DEStech
Publications,（2008）.
３）J. Bryan, Design and Construction of an
Ultraprecision 84 inch Diamond Turning Machine,
Precision Engineering, Vol. 1, No. 1, 13‑17,（1979）.
５）中尾，新宮，大林「小型流体駆動スピンドルの回転速度制御用ロータリ形流量制御弁」機論（Ｃ編）
Vol. 77, No. 774, 514‑526,（2011）.

図７

回転角制御系のステップ応答（一定負荷トルク作用時）６）中尾，浅岡，藤本「回転角制御機能を備えた流体
駆動スピンドルの開発と回転角制御」機論（Ｃ編），
Vol. 76, No. 763, 749‑758,（2010）.

5．材料選択の問題
開発したスピンドルは，静圧軸受で支持されているため，通常は固体接触がない．しかしながら，十
第43巻

第５号

― 30 ―

2012年９月（平成24年）

中尾

［著
なか

お

中

尾 陽

よう

者

紹

289

陽一：超精密工作機械用の流体駆動スピンドル

介］

いち

一 君
1988年神奈川大学大学院工学研究科修士課程修了．同大助手，助教授を経て，2005
年教授，現在に至る．1997年博士（工学）（東京工業大学）．工作機械，水圧駆動シス
テムの研究に従事．日本フルードパワーシ
ステム学会，日本機械学会，精密工学会などの会員．
E-mail：nakao@kanagawa-u.ac.jp

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
本学会は下記によりJFPSフェローの認定を行います．
１．JFPSフェローの趣旨と要件
JFPSフェローはフルードパワー技術の進展に貢献した正会員，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付します．認定要件は上記に適合する人物で，かつ15年以上継続して本学会の正会員であることです．
２．JFPSフェロー推薦の方法
下記要項が記載された推薦書によりJFPSフェローの推薦を受け付けます．
１）３名の推薦者の名前．その内１名が推薦代表者となり，代表者には代表者であることの記載，連絡先住所，電話番
号，E-mailアドレスを記してください．すべての推薦者が同じ機関（企業・大学）の所属であることはできません．
推薦者は正会員であることが望まれますが，必ずしもすべての者が正会員でなくてもかまいません．
２）推薦される者（被推薦者）の名前とふりがな，英字による名前，連絡先住所，電話番号，E-mailアドレス．被推薦者は前記JFPSフェローの要件を満たさなければなりません．ただし，企業からの被推薦者の正会員継続年数については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ることがあります．
３）推薦理由．JFPSフェローの趣旨に合致する必要があります．選考の重要な資料となります．可能な限り具体的にお伝えください．
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．手元にコピーを残すようお願いします．
平成24年度フェローの推薦受付締め切りは平成24年９月末日（消印有効）とします．
３．推薦書送付先
一般社団法人日本フルードパワーシステム学会 会長 香川利春
〒105 0011 東京都港区芝公園３―５―22 機械振興会館 別館102
４．選考結果の伝達
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ます．選考の途中経過や，選考の内容についての問い合わせについては，一切回答しませんので了承ください．

第43巻

第５号

― 31 ―

2012年９月（平成24年）

290

解

フルードパワーシステム

説入 門 者 向 き 実 習 講 座 「 油 空 圧 技 術 」＊
眞

田

一

志＊＊

７回目の開催となる．

1．は じ め に
平成24年６月13日（水）にポリテクセンター関西
にて入門者向き実習講座「油空圧技術」の講師を，
明治大学の小山紀先生（明治大学）と担当した．こ
こでは，本実習講座について報告する．

3．平成24年度の実習講座
会場のポリテクセンター関西は，大阪府摂津市にある．新大阪方面からは，阪急京都線南方駅から南茨木で大阪モノレールに乗り換え，摂津駅で下車，徒歩10分のところにある．
平成24年度は，６月13日（水）に座学を，14日

2．開催の経緯

本実習講座のはじまりは平成17年度にさかのぼる． （木）に油圧実習，15日（金）に空気圧実習を行っ
基盤強化委員会では，関西地区での賛助会員勧誘おた．座学の油圧分野（午前の部）については著者が，よび賛助会員へのサービスの強化を目的とする一連
空気圧分野（午後の部）については小山先生が担当の活動を行った．まず，大阪，奈良，神戸等にあるした．実習は，油圧ならびに空気圧とも，ポリテク
油空圧関連企業を訪問し，学会の紹介と入会の勧誘
センター関西の正木克典先生が担当された．
を行った．その際，面談した企業の方々から，「関
今回の参加者は９名であった．ポリテクセンター
西地区で学会主催の実習講座を開設できないか」と
関西殿での実習講座の平均参加数が10名前後であり，の要望が出された．そこで，油空圧技術に関する実ほぼ他の講座と同じ規模である．京阪神地区の油空
習講座の開催準備のため，平成17年９月16日（金）圧関連企業からの参加者がほとんどであるが，今回に大阪府摂津市三島にあるポリテクセンター関西殿
は関西のある大学から大学院生の参加もあった．入を，当時基盤強化委員であった赤井委員と私が訪問
門講座と銘打っているので，入社数年の若手技術者
した．もともと，ポリテクセンター関西殿では，油の参加が多いが，中にはシニアの方も参加されるこ
圧技術や空気圧技術に関する実習講座を複数開設しとや，営業や事務職の方が参加されることもあった．
ていた．たとえば，５日間の「油圧システム回路」 このようにさまざまな方が参加されるので，講師と講座や，３日間の「空気圧回路設計」講座などさましての最初の仕事は講義のレベル設定のため，参加
ざまなレベルの実習講座が開かれていた．さらに，実習用の油圧用テストスタンドと空気圧用テストス
タンドが多数整備されており，２，３人で１台の割合で実習することができる環境が整っていた．テキストも準備されており，実習講座に関する優れた実者名簿を確認することである．初心者向けの基礎知
識から始まり，理解度を確認しながら講義を進めていくこととなる．
座学は図１のようにパワーポイントを使って行い，
テキストは受講生全員に配布される．「油圧技術」

績をあげていた．協議の結果，入門向け実習講座とテキストの目次を表１に，「空気圧技術」テキスト

して，座学１日＋実習２日（油圧，空気圧）の計３
日間の講座の開設にご協力いただけることになった．
テキストは，実績のあるポリテクセンター関西殿で実習講座に使われているものを使用することとした．
座学は学会から講師を派遣し，実習はポリテクセンの目次を表２に示す．油圧のテキストは69頁，空気圧のテキストは41頁である．これらは，センターで定常的に行われている講座で使用されるテキストであり，図解を駆使したわかりやすい説明が特徴である．本実習講座では，油圧と空気圧を１日で講義す

ター殿の先生方が担当することとなり，平成18年度
６月から開始する運びとなった．平成24年度６月でるので，要領よくポイントを整理して説明することが求められる．実習は，シリンダを駆動する回路の＊平成24年６月18日

＊＊

原稿受付

横浜国立大学大学院工学研究院（所在地 〒240‑8501 横浜市保ヶ谷区常盤台 79―５）
第43巻

第５号

設計，配管，実験であり，座学で学んだ知識を実験して確認することで理解を深める．実習の講師は正木先生（図２）が担当された．センターにおける講座運営を基にした油圧技術に関する深い造詣から優― 32 ―

2012年９月（平成24年）

眞田

291

一志：入門者向き実習講座「油空圧技術」

れた入門書2）を著しており，センター主催で開催される他の実習講座では座学と実習の両者とも正木先生が担当されている．
参考まで，ポリテクセンター関西で開催されている講座の例を表３に示す．導入レベルから，回路設計実習，メンテナンスまで，段階に応じた各種の講座が用意されている．
講義で難しいと感じるのは，アキシャルピストン
ポンプの断面図でその動作原理を説明することであ

図２ 「油空圧技術」会場前にて（右が正木先生）
表３

油

図１

座学の様子

表１ 「油圧技術」テキスト
第１章

油圧の基礎

なぜ油圧が使われるか，JIS記
号，公式

第２章

油圧機器

ポンプ，圧力制御弁，流量制
御弁，方向制御弁，アクチュ
エータ

第３章

作動油

種類，粘度，粘度指数，適正使用温度範囲，圧縮性，混入空気，
水分混入，汚染，消防法

基本回路

アンロード回路，圧力制御回路，大負荷制御回路，増圧回路，
高低速回路，増速回路，同期
回路，順序作動回路，位置保持回路，重力荷重の下降速度制御回路，ブレーキ回路，ろ
過回路

第４章

第５章

油圧装置

パワーユニット，バルブユニッ
ト，配管材料表２ 「空気圧技術」テキスト
第１章 基礎

第５号

油圧システム回路（５日間）（概要，回路図，油圧要素，基本回路，回路作成実習）
油圧回路の最適設計（４日間）
圧 （概要，負荷計算，電動機容量，圧力損失，
熱収支，回路設計実習）
油圧機器メンテナンス（５日間）（ポンプ分解組立，効率比較，弁分解組立，
調整実習）

空気圧システム制御の実務（３日間）（概要，回路と図記号，機器の構造性能，
回路組立実習）
空気圧回路設計（３日間）
空気圧 （概要，サイジング，ワークリフト設計実
習，ワークブッシュ設計実習）
空気圧機器の保全（３日間）（トラブル原因，機器の構造，フィルタ分
解実習，故障診断実習，点検と予防）

る．ポンプに限らず制御弁などの油圧機器では，その断面図をみて機器の動作を想像できるようになることが重要であると思うが，入門向けの講座では何よりわかりやすさが肝要である．会場には，ポンプをはじめ，制御弁やシリンダなど各種油空圧機器のカットモデルも完備されている．受講生は，自由に
カットモデルを見ることができる．「カットモデルを見て，実際に手でふれることにより，理解できた」と感激されたことがいまでも印象に残っている．
最後に，修了者には学会から修了証書が授与される．

空気圧の利用，基本的性質（成分，圧力，基礎公式，法則）

基本構成，基本システム，圧縮
第２章 空気圧機器 機，調整ユニット，制御弁（圧力，流量，方向），アクチュエータ

第43巻

ポリテクセンター関西の油空圧関連講座（平成24年６月現在）

4．参加者の声
本実習講座の参加者の声を，アンケートから紹介する．以下の（声＊）に，アンケート結果の記述をそのまま掲載する．

― 33 ―

2012年９月（平成24年）

292

フルードパワーシステム（声１）「周知の如く，関西では「油空圧技術」に関してのまとまったセミナーがなく，特に若い技術ども講師に個別に相談される．このような 個別相談 は毎回あり，よりレベルの高いセミナーへの要者に対する教育をどうすべきか悩んでいたため，今回のセミナーには積極的に参加することとした．今回の勉強で，新たな開発案件に取り組めるように望が高いと感じている．
普段業務として直接油空圧機器に触れることのな
い方も，本実習講座に参加されることがある．本講成ったと考える．」（声２）「今回のセミナーの教材を拝見したが，その趣旨のとおり「油空圧技術の導入教育」として最座は，そのような方に対して実際に油空圧機器に触れる機会を提供できる．そのような観点から，（声５）は本講座の重要な意義をあらためて示している．

適であると感じた．この先の，経験等に基づくノウ
ハウをいかにして伝えるかを検討せねばならない．」（声３）「今回のセミナーは「導入教育」としては

本実習講座は，関西地区の企業に多くの賛同をい最適なものである．更に深めた教育を行えるセミナーをもし開催する事ができれば，若手を参加させたいが，聴講生を集めることが出来るのか心配である．それはそれとして，油空圧回路の不具合とそのただき，継続して実施され，今回で７回目の開催となった．開設当時の基盤強化委員であった赤井英男
氏，ならびにポリテクセンター関西の正木克典先生，
中西英明先生は，開設当初から本講座の運営のため対策を経験に基づいて講義するようなセミナーがあれば面白いが，講師のなり手がいないかもしれなにご尽力くださり，あらためて誌面をお借りして感謝の意を表します．

5．お わ り にい．
」
はじめに述べたように，関西地区での会員サービ（声４）「どのような時に，どのような油空圧回路
ス，賛助会員募集活動の一環として，またフルードにしたらいいのかなど，用途により，設計できるよ
パワーの広報・啓蒙活動のため，本講座は貴重な活
うに，より詳しい講義．回路，またはポンプの構成動であり，今後も継続して実施することが必要であ機器など，各項目においていくつかの種類・方法がる．
紹介されるが，それらを選択，使用する理由につい参 考 文 献てもう少し詳しく講義で教えてもらいたい．」
１）ポ リ テ ク セ ン タ ー 関 西：http://www3.jeed.or.jp/（声５）「油圧技術者として，社内の業務ではあまosaka/poly/
りふれることの無い回路実習により，幅広い視点で
２）熊谷英樹，正木克典：はじめての油圧システム，
業務を行えるステップとなった．」
技術評論社（2009）
以上のように，さまざまな声が寄せられた．（声１）から，関西地区でのセミナーの開催という本講座の開設趣旨が企業の方に理解されたことがわかる．
また，（声２）と（声３）からは，本実習講座を入門講座と位置づけ，初心者から受講可能なようにレベル設定した本講座の導入教育としての意義を認めていただけたことがわかる．
（声２）ではテキストのことがふれられているが，これはポリテクセンター関西の正木先生と中西先生

［著
さな

だ

眞

田 一

が作成されたものである．今回は，このテキストを使用させていただいた．
一方で（声３）と（声４）から，導入教育レベルを超えたさらに高いレベルの講義に対するニーズがあることがわかる．講師としては，初心者の受講生がいることを考慮した講義運営を優先せざるを得ず，
ときどき 脱線 として，これらのニーズに対応した話題を挿入した．講義終了後に，しばしば受講生の方が挨拶に来られ，より技術的な課題について私

第43巻

第５号

― 34 ―

かず

者

紹

介］

し

志 君
昭和61年３月東京工業大学大学院理工学研究科修士課程制御工学専攻修了．昭和61
年４月東京工業大学助手，平成10年横浜国立大学工学部生産工学科助教授，平成13年
横浜国立大学大学院助教授，平成16年横浜国立大学大学院教授，現在に至る．日本フ
ルードパワーシステム学会，日本機械学会，
計測自動制御学会などの会員．博士（工学）．

2012年９月（平成24年）

高橋

解治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の地震観測（前編）293

説

阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の地震観測＊（前編）
高

治＊＊

橋

がロッキング方向へ運動しようとするのをいかにし

1．は じ め にて抑えるかという技術的な課題も指摘されていた．

しかしながら，近年では全国的な地震観測網の整上下方向への免震は従来，自動車や鉄道車両の走1）
行中の上下振動の防振対策として研究されてきた ． 備と観測センサの精度向上に伴い，上下動についてもこれまで考えられてきたより影響が大きいことがまた，床や機器においても，半導体製造設備などの明らかとなってきている．特に，遠方の海溝型地震
超精密加工設備を設置している建築物の床部分や，に比べて，内陸の断層近傍などにおける直下型地震
振動台の浮基礎，精密機器・特殊機器・美術品陳列
ケース・貴重品収納具などを対象として，上下免震2）が適用されている事例も多い ．特に，近年では安定したデータスループットを目指したデータセン
ターの免震床として使用されるケースが増えてきている．これらは振動対象物を，コイルばねや板ばね，
防振ゴム，空気ばねといった柔らかいばねにより支持させていることから弾性支持法と呼ばれている．
弾性支持法は，1976年に振動規制法が施行された直後，プレス機械や鍛造機械などの大きな衝撃振動を発生する産業機器を擁する工場で積極的に導入された．しかしながら，その弊害も大きく，柔らかく支持することによって，振動対象となる構造物は揺動しやすくなり安定に支持することが難しくなる．また，機器を対象とする場合は機械自体が動くため作業性は害され，機械寿命にとっても好ましくないという問題もある．
建築物においては，内部機器の耐震安全性向上のために，原子力発電所の高速増殖炉（FBR）に適用する３次元免震システムの開発研究が2000年前後
から盛んに行われており3）〜 7），その研究成果がまとめられている8）．それに対し，一般建築物の場合ではデータセンターや美術館などで建築物の免震構造が広く普及してきてはいるものの，その免震システ
ムはいずれも水平方向の地震動に対してのみ有効なものである．その主な理由としては，建築物の損傷は上下動よりも水平動による影響が大きいと考えられてきたことや建築物を支持することができる大型の有効な上下免震装置が開発されていないことが挙げられる．また，上下方向の免震は地震時に建築物

では水平動と同時に大きな上下動が起こる場合があり，実際に2008年の岩手・宮城内陸地震では4,000Gal
近い上下動が観測されている9） ．
このように設計時の想定を超える大きな地震動に対する，より高度な構造安全性に加えて，たとえば，拠点医療施設では地震時における医療機器の散乱を防いで被災直後から即座に医療活動を行う必要がある．あるいは，危険物を扱う研究所や半導体製造工場等に代表される高価な内部設備を有する施設では機器の損傷を防ぐだけでなく，火災や事故の防止，
地震被災後の迅速な操業再開が要求される．
近年では建築物の基礎部で水平免震を行い，必要に応じて部分的に上下免震床を導入する例も見られるが，建築物の階数や規模によっては基礎部で水平方向と上下方向を同時に免震化した方がコストダウ
ンを見込める場合もある．また，建築物全体を水平
上下方向に同時に免震化することは美術館の絵画のように壁に取り付いている内装品に対しても免震効果が期待できる．
以上の観点から，著者等は水平方向と上下方向を同時に免震化する３次元免震システムを新たに開発設計し，実際の建築物に適用した10）〜 13）．３次元免震システムはコンピュータ室の床部分などで部分的に適用されているが，建築物全体での３次元免震は世界で初めての実績となる．本論では，３次元免震システムを適用した共同住宅である阿佐ヶ谷「知粋館（ちすいかん）」における2011年東北地方太平洋沖地震の観測記録から，３次元免震システムの地震動に対する実測効果について考察する．
2．３次元免震システム＊

平成24年２月８日

原稿受付

阿佐ヶ谷「知粋館（ちすいかん）」における３次＊＊㈱構造計画研究所構造設計部（所在地 〒164‑0012 東京都中野区本町４―38―13）
第43巻

第５号

元免震は水平および上下方向に対して免震する３次― 35 ―

2012年９月（平成24年）

294

フルードパワーシステム

元免震装置とロッキング方向への運動を抑制するた
めにクロス配管で連結したオイルダンパにより，上建築物の外観を写真１，地下ピット平面図および断面図を図３に示す．基準階の平面形状は，X（EW）

下運動を許容しながらロッキング動を抑制するシス
テムとなっている．
2.1 ３次元免震装置

方向はスパン長さ7.2m，2.7m，7.2mの３スパン，Y（NS）方向はスパン長さ4.5mの３スパン，１，２階は13.5mのPCはりでロングスパンの空間としている．

３次元免震装置は，水平方向は積層ゴムにより，
上下方向は空気ばねにより免震する装置である．図１に示すように，一般的な免震構造で用いられてい３次元免震システムは地下ピットに配置されており，建築物の基礎部において水平方向と上下方向を同時る天然ゴム系積層ゴム支承の下に鉄骨架台を組み，これらをベローズ型の空気ばねで支える構造としている．また，両方向の装置を組み合わせることによって生じる課題として，積層ゴムから鉄骨架台へ
伝わる水平力を上下方向に摺動しながら基礎に直接伝えるために，鉄骨架台に組み込まれた保持筒の中に鋼棒を通したせん断力伝達装置（スライダー）を考案した．このように，水平方向と上下方向で独立した装置を組み合わせることによって，免震層の設計時における明快さを確保するとともに，各支点下で水平および上下方向それぞれに装置を選定できる組合せの自由度を得ることができる．なお，長期使用時において，空気ばねは着座状態から+10㎝位置を規定レベルとして，自動レベリング装置により支点位置が規定レベルより高ければ空気を抜き，低け
ればコンプレッサにより空気を入れ，常に一定の高さを保つ機構を備えている．
2.2 ロッキング抑制付オイルダンパシステム
本システムのように，上下方向の剛性を小さくすることにより，建築物全体のロッキング運動が誘発される場合がある．そのようなロッキング運動を抑制するため，図２に示すように一対の上下方向のオ
イルダンパのピストンで隔離された上下のオイルタ
ンクをクロス配管で連結する，ロッキング抑制付オ

図１

イルダンパシステムを考案した．ロッキング抑制付
オイルダンパシステムは，２本のオイルダンパのタ
ンクを配管により建築物の対角線上にたすき掛けにしてつなぎ，２本のダンパ間をオイルが行き来できるようにすることで，上下動成分に対しては配管抵
抗および管路中の減衰弁による減衰で上下方向のエ
ネルギーを吸収し，ロッキング動成分に対してはダ

図２

ロッキング抑制付オイルダンパシステム
表１

竣

工：平成23年３月

用途：共同住宅

延床面積：548.78㎡

ブルによる故障や誤作動の心配がなく，高い信頼性を確保することができる．

構造形式：RC造階

数：地上３階

建物高さ：9.00m
純ラーメン構造

免震部材：３次元免震装置（天然ゴム系積層ゴム支承，空気ばね，せ3．適用建築物

ん断力伝達装置（スライダー））

３次元免震システムを適用した建築物は地上３階，
高さ9.0ｍの共同住宅である．建築物概要を表１，
第５号

建築物概要

所 在 地：東京都杉並区阿佐ヶ谷南

ンパ絞りによる減衰でロッキング動を抑制するシステムである．これらは油圧を用いた機械的な仕組みで実現できるパッシブな装置であるため，電気トラ第43巻

３次元免震装置― 36 ―

ロッキング抑制付オイルダンパシステム
水平方向用免震オイルダンパ
2012年９月（平成24年）

高橋

治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の地震観測（前編）

295ずつ加速度計を設置している．空気ばねは計28基を三つの群に分類し，それぞれの群の空気圧を圧力計により計測している．また，地下ピットの計測はX（EW）方向の両端２箇所において水平上下方向の変位を計測し，さらに地下ピットの四隅のうちの３

写真１

図３

建築物外観

地下ピット平面図および断面図
⒜

地下ピット

に免震化している．免震部材には水平方向に対しては天然ゴム系積層ゴム支承とオイルダンパ，上下方向に対しては空気ばねとスライダーおよびロッキン
グ抑制付オイルダンパを使用している．地震時に基礎部分と上部構造に相対変位が生じるため，水平方
向クリアランスを60㎝，鉛直方向クリアランスを10㎝設けている．
4．地震観測システム
本建築物では，３次元免震システムの性能を確認するため，長期観測モニタリングを行っている．表
２に計測点一覧，図４に長期観測モニタリングの測定位置図を示す．建築物内部には，RF，１F，BF（地下ピット）の各中央部と，１Fの隅角部に１台
表２
部位

計測項目

計測点（階‑X通＊Y通）
RF‑X2 Y2

X，Y，Z
X，Y，Z

＊

BF‑X3 Y3

X，Y，Z

盤 加 速 度 GL−30m（工学的基盤）

X，Y，Z

免震装置 空 気 圧 BF‑X3＊Y2

第43巻

第５号

⒞

X（EW）軸方向

方向

上部建物 加 速 度 1F‑X2＊Y2，X1＊Y1，X4＊Y4

免 震 層 相対変位

Y（NS）軸方向

計測点一覧
＊

地

⒝

BF‑X1＊Y2，X4＊Y3
BF‑X1＊Y1，X1＊Y4，X4＊Y1

―
X，Y，Z
Z

図４
― 37 ―

モニタリング位置図
2012年９月（平成24年）

296

フルードパワーシステム

箇所の３次元免震装置には上下方向のみの変位計を設置している．
5．東北地方太平洋沖地震における観測記録
2011年３月11日14時46分頃，太平洋三陸沖を震源として発生した東北地方太平洋沖地震は「知粋館」

において，継続時間全672秒ときわめて長時間の記録を残した．図５に，X（EW），Y（NS），Z（UD）
各方向の０〜 400秒区間における時刻歴加速度波形を示す．波形はBF（地下ピット），１F，RFそれぞれにおいて，建築物のほぼ中央に位置する加速度計の値である．なお，観測記録の時刻歴加速度波形にはTrifunac法による中立軸補正とバンド幅0.08Hz‑
50Hzのバンドパスフィルタによる処理を施している．BF（地下ピット）の観測記録から入力加速度
は継続時間40秒程度から徐々に振幅が大きくなり，
100秒付近において最大値を記録し，以降の振幅は小さくなるが，10gal程度の揺れがその後も長く続き，振幅こそ大きくないものの，継続時間の長さが非常に特徴的な記録である．時刻歴加速度波形の最大値に着目すると，BF（地下ピット）における入力 加 速 度 最 大 値 はNS方 向 で91.6gal，UD方 向 で47.7galであった．これに対し，１Fの最大応答加速⒜

X（EW）方向⒝

Y（NS）方向⒞

Z（UD）方向

図５
第43巻

第５号

度はNS方向で50.5gal，UD方向で33.3galとなっており，時刻歴加速度波形の最大値で比較すると，入力に対して，水平方向で45%，上下方向で30%程度低減されている．
図６に加速度フーリエスペクトルの比から求めた
BF（地下ピット）−１F間における周期伝達関数，
図７に各階の加速度フーリエスペクトルを示す．なお，スペクトル解析は時刻歴加速度波形において，最大値の１/ ５以上を継続して記録する50 〜 230秒
区間を対象とし，Perzenウィンドウによる平滑化処理を行っている．図７より，上下方向ではRFにおいても応答値はほとんど増幅していない．また，
図６の周期伝達関数より，水平方向で0.2 〜 1.0秒，
上下方向では0.2 〜 0.6秒の周期帯において，BF（地下ピット）−１F間の振動伝達率はおおむね0.5以下

図６

加速度時刻歴波形― 38 ―

BF（地下ピット）−1F間における周期伝達関数
2012年９月（平成24年）

高橋

治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の地震観測（前編）297となっており，水平および上下方向とも免震効果が発揮されていることが確認できる．本建築物の１次グを生じ，累積変形量に差が生じたものと考えられる．しかしながら，それ以降の累積変形はいずれも

固有周期は水平方向で2.3秒，上下方向で1.3秒程度と推定でき，１次固有周期近傍においても伝達率はX（EW）方向で2.1，Y（NS）方向で1.8，Z（UD）

同一勾配で変化し，ロッキングの影響は少ないといえる．

方向で1.9程度であり，水平および上下方向とも比較的高減衰の性能を有していることがわかる．
図８および図９に，免震層に設置された２点の変位計における免震層の相対変位のオービットを示す．
免震層には水平方向で最大4.2㎝程度，上下方向で最大1.3㎝程度の相対変位が生じていた．図10，
11には観測記録全672秒間の免震層の累積相対変形を示している．水平方向の最大変形量は4.2㎝程度であったが，累積変形量としては最大1,585㎝と非常に大きく，累積変形量からも継続時間の長さが確認できる．また，図11から上下方向では継続時間100秒付近において，Y1通りとY4通りに累積変形の

図８

X1＊Y2変位計における免震層の相対変位

図９

X4＊Y3変位計における免震層の相対変位差が生じている．これは入力加速度の最大値を記録する付近において，Y（NS）方向にややロッキン⒜⒝

X（EW）方向Y（NS）方向

図10

⒞
図７
第43巻

第５号

Z（UD）方向

図11

加速度フーリエスペクトル― 39 ―⒜

X1＊Y2変位計⒝

X4＊Y3変位計

免震層の累積相対水平変位

X1＊Y1，X1＊Y4，X4＊Y1変位計における免震層の累積相対上下変位
2012年９月（平成24年）

298

フルードパワーシステム

参

考

文

献

１）国枝正春：空気ばね車両の上下振動の理論と実験，
鉄道技術研究報告，第６号，車両編第３号，（1958）
２）日本振動技術協会：振動技術総覧2010,（2010）３）蔭山満ほか：発電用新型炉へ適用する３次元免震システムの研究：単独ローリングシール型：その１，Dynamics and Design Conference：機械力学・
計測制御講演論文集：D & D 2002（abstract），p.
240,（2002）４）梅木克彦ほか：発電用新型炉へ適用する３次元免震システムの研究：単独ローリングシール型：その２，
Dynamics & Design Conference 2004, p. “105‑1”‑“105‑4”，（2004）
５）柏崎昭宏ほか：発電用新型炉へ適用する３次元免図12震システムの研究：油圧機構：その１，Dynamics

空気ばねの変動内圧

and Design Conference：機械力学・計測制御講演
論文集：D & D 2002（abstract），p. 239,（2002）
６）島田貴弘ほか：発電用新型炉に適用する３次元免震システムの研究：油圧機構を用いた３次元免震システム：その２，Dynamics & Design Conference
2004, p. “103‑1”‑“103‑6”,（2004）

図13７）須原淳二ほか：発電用新型炉へ適用する３次元免２点間の時刻歴応答変位（上下方向）震システムの研究―建屋全体３次元免震システムの開発―，構造工学論文集，Vol. 52B, p. 207‑220,（2006）
８）日本原子力発電株式会社：発電用新型炉技術確証
試験事業報告書その２

３次元免震技術確証試験，

p. 3. 2. 2‑52 〜 53,（2003）

図14９）青井真，森川信之：2008年岩手・宮城内陸地震のY（NS）方向の時刻歴応答ロッキング角KiK-net一関西に於ける４ｇの強震記録，日本地震

図12に各群における空気ばねの変動内圧を示す．
地震観測直前の竣工時検査結果から空気ばねの内圧は，第１群：0.78MPa，第２群：0.72MPa，第３群：
0.65MPaであったことより，本記録における空気ば
ねの変動内圧は最大でも長期支持荷重の3.2%程度である．
図13はY1通りとY4通りそれぞれの変位計の上下変位の時刻歴応答波形を示している．変位の位相を確認するため，上下方向の最大応答変位付近の80〜 120秒区間のみを表示している．図より，２点間は同一位相で互いに追従するように変位しており，
ロッキング抑制付オイルダンパシステムにより本建
築物はロッキングを抑制しながら，上下方向に変位工学会誌，No. 9 Jan. 2009, p. 20‑24,（2009）10）高橋治ほか：３次元免震建物の開発その１〜その４，
日本建築学会大会学術講演梗概集B‑2, p. 435‑442,（2008）
11）高橋治ほか：３次元免震建物の開発その５〜その12，日本建築学会大会学術講演梗概集B‑2, p. 957‑
972,（2009）12）高橋治ほか：３次元免震建物の開発その13 〜その14，日本建築学会大会学術講演梗概集B‑2, p. 215‑
218,（2010）13）高橋治ほか：３次元免震建物の開発その15 〜その18，
日本建築学会大会学術講演梗概集B‑2, pp. 633‑640,
2011. ８

していることが確認できる．図14はY（NS）方向のロッキング角の時刻歴応答波形を示している．Y（NS）方向のロッキング角はおおむね１/2,000程度となっており，瞬間の最大値は１/1,538であった．
第43巻

第５号

― 40 ―

2012年９月（平成24年）

高橋

［著
たか

はし

おさむ

高

橋

治 君

者

治：阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の地震観測（前編）

紹

299

介］

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

会

告平成24年度一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会委員会名簿（編集委員会は別途記載）
（敬称略）
委員会名

委

員（◎委員長

○副委員長

＊幹事）

庶務委員会

◎中野政身（東北大学），香川利春（東京工業大学），大科守雄（日立建機㈱），北畠多門（SMC㈱），川嶋健嗣（東京工業大学）

企画委員会◎大内英俊（山梨大学），○高崎邦彦（㈱TAIYO），＊桜井康生（足利工業大学），饗庭健一（東京計器㈱），赤木徹也（岡山理科大学），浅野哲史（㈱本田技術研究所），荒井一則（フジサンケイ ビジ
ネスアイ），伊藤和寿（芝浦工業大学），内堀晃彦（宇部工業高等専門学校），遠藤 弘（コマツ），
曽谷康史（川崎重工業㈱），落合正巳（協立機電㈱），風戸昭人（（公財）鉄道総合技術研究所），加藤友規（福岡工業大学），川島正人（東北特殊鋼㈱），高後哲也（日本電産トーソク㈱），加藤猛美（㈱コガネイ），鈴木健児（神奈川大学），高岩昌弘（岡山大学），武田 稔（㈱ジェイテクト），竹村研治郎（慶応義塾大学），只野耕太郎（東京工業大学），田中豊（法政大学），成田 晋（KYB㈱），林 光昭（㈱IHI），兵藤訓一（東京計器㈱），山下良介（SMC㈱），和田重伸（CKD㈱），早川恭弘（奈良工業高等専門学校），小山 紀（明治大学）

会計委員会◎桜井康生（足利工業大学），伊藤（㈱コマツ）

基盤強化委員会◎川嶋健嗣（東京工業大学），＊吉満俊拓（神奈川工科大学），小山 紀（明治大），佐藤恭一（横浜国立大学），眞田一志（横浜国立大学），川上幸男（芝浦工業大学），東川智信（㈱TAIYO），布谷貞夫（コマツ），佐藤毅彦（東京計器㈱），斎藤賢治（日本大学），安木秀巳（油研工業㈱），藤田壽憲（東京電機大学），西股健一（SMC㈱），和田重伸（CKD㈱），大科守雄（日立建機㈱），大場
孝一（油研工業㈱），西海孝夫（防衛大学校），吉田伸実（㈱コマツ）

論文集委員会◎築地徹浩（上智大学），○川嶋健嗣（東京工業大学），香川利春（東京工業大学），伊藤和寿（芝浦工業大学），風間俊治（室蘭工業大学），桜井康雄（足利工業大学），田中嘉津彦（福井工業高等専
門学校），村松久己（沼津工業高等専門学校），柳田秀記（豊橋技術科学大学），竹村研治郎（慶応義塾大学），川上幸男（芝浦工業大学）

寛（㈱ジェイテクト），肥田一雄（川崎重工業㈱），吉田伸実，＊竹村研治郎（慶應義塾大学），一柳隆義（防衛大学校），嚴 祥仁
情報システム委員会 ◎藤田壽憲（東京電機大学）（東京工業大学），小山 紀（明治大学），川上幸男（芝浦工業大学），久保田 浩 ，小薮栄太郎（苫小牧工業高等専門学校），田中 豊（法政大学），塚越秀行（東京工業大学），野口恵伸（KYB㈱），吉田和弘（東京工業大学）
表彰委員会◎鈴木勝正（東京都市大学）

出版委員会◎佐藤恭一（横浜国立大学）

国際交流担当◎伊藤和寿（芝浦工業大学）

産学共同研究担当◎香川利春（東京工業大学）

第43巻

第５号

― 41 ―

2012年９月（平成24年）

300

フルードパワーシステム

FPIC会議報告

第12回日本機械学会機素潤滑設計部門講演会におけるフルードパワー技術研究＊
吉

田

和

弘＊＊

1．は じ め に易にした大腸内視鏡の開発を行っている．湾曲部に感圧センサを設置した大腸モデルを試作し，挿入実

第12回日本機械学会機素潤滑設計部門講演会（実行委員長：法政大学，田中豊教授）が，2012年４月
23，24日に松山市において開催された．本講演会は，験を行い，腸内壁に作用する負荷が小さく，挿入時間が短い剛性変化パターンを明らかにしている．
松岡ら3）は，ばね付シリンダに作動流体およびアクチュエータ／センサ，機構，歯車／伝動機構／
機械要素，およびトライボロジーを取り扱う講演会

ヒータを入れた構造で，作動流体の液相／気相変化

で，毎年１回開催されている．２年に１回は，韓国
機械学会との共催で国際会議としている．今回は国内会議で，道後温泉近くの愛媛県県民文化会館において開催された．
本講演会では，特別講演１件，基調講演４件，12セッションにおける一般講演64件，合計69件の発表があった．このうちフルードパワー技術関連の研究
発表としては，空気圧関連３件，機能性流体関連５件の合計８件があった．以下では，各発表の概要について紹介する．
2．フルードパワー技術関連の発表内容
2.1 空気圧関連
空気圧関連では，以下のように，ソフトアクチュ
エータに関する２件，作動流体の相変化を用いたア
クチュエータ１件の合計３件の発表があった．
則次ら1）は，軽く柔軟なパワーアシストウェアのため，マッキベン形ゴム人工筋のゴムチューブとス
リーブの間にウレタン製パネルを並べた構造で，加に伴う体積変化を用いた，高温環境で使用できるアクチュエータを提案している．ばねのばね定数により駆動特性を，初期圧力により駆動温度領域を設定することができる．水を作動流体としたアクチュ
エータを試作し，その特性を実験的に明らかにするとともに，180℃雰囲気中での動作を確認している．
2.2 機能性流体関連
機能性流体関連は，以下のように，アクチュエー
タ４件，ハプティックデバイス１件，合計５件の発表があった．
金ら4）は，三角柱−スリット形電極対による不均
一電界印加により生じる電界共役流体ECFのジェット流を応用したマイクロポンプの高出力化のため，
三角柱−スリット形電極対をMEMS技術により平面集積化し，その積層により３次元集積化したマイクロポンプを提案している．直列10対，並列３対の電極対を２層有するポンプを試作し，特性実験を行い，無負荷流量が増大することを確認している．
金ら5）は，三角柱−スリット形電極対を用いた
ECFマイクロポンプにおける電極の最適形状について実験的に検討している．スリット電極の厚さお圧による収縮によりパネル間の隙間を減少させ直線状に硬化する直線硬化型空気圧ゴム人工筋を提案しよび幅，三角柱電極−スリット電極間の間隔，およている．これとマッキベン形ゴム人工筋を用いた上び三角柱電極の先端角度をパラメータとして変化さ
肢パワーアシストウェアを試作し，特性実験を行い， せたマイクロポンプをMEMS技術により試作し，
その有効性を明らかにしている．
測定した最大流量および最大吐出圧力に基づき，各
和田ら2）は，マッキベン形ゴム人工筋の繊維の角パラメータの最適値を明らかにしている．
度の設定により空気圧を印加したとき伸縮なしで剛吉田ら6）は，電界により粘度を制御できる均一系
性が変化するデバイスを直列接続した構造で，各デERFを用いたマイクログリッパ（図１）を提案，
バイスの剛性の制御により湾曲部における挿入を容開発している．本グリッパは，ERバルブを軸方向＊

平成24年５月28日 原稿受付
東京工業大学精密工学研究所（所在地 〒226‑8503 神奈川県横浜市緑区長津田町4259―R
２―42）
＊＊

第43巻

第５号

に分割し，それらをゴム製流路で接続した高い柔軟性を有するバルブ分割形フレキシブルERバルブ（FERV），および内側にひだを有し径方向の膨張を抑え軸方向に伸長するゴム製チャンバを組み合わせたもので，その特性を実験的に明らかにしている．

― 42 ―

2012年９月（平成24年）

吉田

和弘：第12回日本機械学会機素潤滑設計部門講演会におけるフルードパワー技術研究301

3．お わ り に
本稿では，第12回日本機械学会機素潤滑設計部門
講演会におけるフルードパワー技術関連の研究発表について，各概要を紹介した．本講演会では，発表に対する質疑応答，および技術情報交換会における意見交換を通じて，技術情報の交換を活発に行って⒜いた．なお，次回は2013年５月に韓国釜山において国際会議として開催予定である．

全体構造

参

考

文

献

１）則次俊郎，中川皓介，高岩昌弘，佐々木大輔：直線硬化型空気圧ゴム人工筋の開発と上肢パワーア
シストウェアへの応用，第12回日本機械学会機素
潤滑設計部門講演会講演論文集，p. 71‑72（2012）２）和田晃，脇元修一，鈴森康一，山本陽太：柔軟ラ⒝

バーデバイスを用いた可変剛性型大腸内視鏡の開アームの構造発―最適駆動パターンに関する実験的検討―，同

図１ バルブ分割形FERVを用いたマイクログリッパ6）

上，p. 73‑74（2012）
３）松岡大樹，鈴森康一：作動流体の相変化を利用した高温環境用アクチュエータ

第３報：180℃環境下での駆動，同上，p. 65‑66（2012）４）金俊完，山田嘉穂，横田眞一，枝村一弥：三角柱―スリット形電極対の三次元集積化によるECFマイクロポンプ，同上，p. 151‑152（2012）５）金俊完，王海波， 横田眞一， 枝村一弥：MEMS技術を用いたECF三角柱―スリット形電極対の性能

図２ 交流圧力源を用いたERマイク
ロアクチュエータシステム7）

評価，同上，p. 153‑154（2012）６）吉田和弘，原創太，嚴祥仁，横田眞一：バルブ分
割形FERVを用いたマイクログリッパ， 同上，p.

7）

吉田ら は，多自由度駆動マイクロシステムのため，交流圧力源を用いたERアクチュエータ（図２）を提案している．これは，交流圧力源と同期してERバルブを開閉することで交流圧力を整流しアク
チュエータを駆動するもので，１本の管路で供給および排出を行うとともに，圧力伝達を行う流体の粘155‑156（2012）７）吉田和弘，三好智也，嚴祥仁，横田眞一：交流圧力源を用いた多自由度ERマイクロアクチュエータ
システムの提案，同上，p. 157‑158（2012）８）後藤真徹， 竹村研治郎， 柿沼康弘：電気粘性流体を用いた凹凸感呈示手法，同上，p. 133‑136（2012）

度を下げ管路の小径化を図り，配管の体積を減少させている．提案システムの特性を理論的に解明して
［著

いる．

者

紹

介］

8）

後藤ら は，タッチパネルに凹凸感呈示機能を付加するため，平行に配置した電極による電界印加で

よし

だ

かず

ひろ

吉 田

和

弘 君

その間隔部分の粒子分散系ERFを固化し，凹凸感を呈示するデバイスを提案し，５種類の電極間隔を持つデバイスを試作し，３種類のERFに対し官能評価実験を行っている．その結果，提案デバイスで凹凸感を呈示できることを確認するとともに，電界強度および電極間隔と知覚率の関係を明らかにして

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．
E-mail：yoshida@pi.titech.ac.jp

いる．
第43巻

第５号

― 43 ―

2012年９月（平成24年）

302

フルードパワーシステム

FPIC会議報告

第24回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウムにおける
フルードパワー技術研究動向＊
嚴祥

1．は じ め に第24回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウ
ム（SEAD24: The 24th Symposium on
Electromagnetics and Dynamics）は電気学会（産業応用部門）が主催，日本機械学会と日本AEM学会の共催で2012年５月16日（水）〜 18日（金）まで富山国際会場において開催された．
「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウムは，「電磁力」と「ダイナミクス」に関連する異分野，異業種の研究者が一堂に会し，情報交換と対論を行うことによってこの分野の研究を総合的に発展させる場を作ることを目的としている1）．今回の「電磁力関連のダイ
ナミクス」シンポジウムでは３件の基調講演と，28個のセッションから147件の発表が行われた．また，５月17日の夜には富山市民会館で懇親会が開かれ，参加者の親睦を深める機会になった．
2．フルードパワー技術の紹介
今回の「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウ
ムでは基調講演１件を含め，全16件の講演が行われ約10％の割合を示した．特にER流体とMR流体の関連研究は「磁性流体，液晶・電気粘性流体①」と「磁性流体，液晶・電気粘性流体②」の二つの独立
セッションにおいて８件の講演が行われるなど活発な議論が行われた．
本稿ではそれぞれの講演に対してその内容を簡単に紹介する．
進士は基調講演で「対外循環用磁気浮上遠心血液ポンプの開発」という題目で，体外循環を１ヶ月以

仁＊＊

湯本らは軸方向制御型磁気軸受とロータを直接回転駆動するアキシャルフラックスモータを搭載した
遠心血液ポンプにおける軸方向流体力のアンバラン
スを解決するため，ロータ下部に複数の貫通穴を設けた場合の流体力をCFDにより計算している．また，貫通穴と同軸上にセンサプローブを配置した磁気浮上・回転実験により，貫通穴がセンサターゲッ
ト中にあっても，安定したロータの制御が可能であることを明らかにしている3）．
床井らは新しい人工心臓装着支援装置に関する研究において熱・圧力の複合低エネルギを用いた自己接合型脱血管による心筋組織との接合について実験的に検討を行っている4）．
菊池らは高齢者などが室内で安全に有酸素運動を継続的に行うためのバーチャルリアリティ自転車システム提案している．提案したバーチャルリアリ
ティ自転車システムにはMR流体ブレーキによるペダリング負荷の制御を行い，平地と登り・下り坂でのペダル踏込み力の再現することが可能である．そのため，MR流体ブレーキのトルク特性およびバーチャルリアリティ自転車システムのトルク制御について研究している5）．
山本らはノート形PCなどの小形電子機器用の液冷システムのために，可動子を配管内部に設置できるマイクロポンプを研究している．この研究では永久磁石の回転振動による弾性板の揺動を利用するもので，配管に直接ソレノイドコイルを巻いて駆動できるので省スペース化が可能である6）．
嚴らはマイクロ液圧源として機能性流体の一種である電界共役流体（Electro-conjugate ﬂuid, ECF）

により発生するECFジェットを利用するマイクロ
液圧シリンダを提案，試作し，その特性評価を行っ造，原理，各種性能評価試験法とその結果を示した． ている7）．
川上らは化学反応に有効であるスラグ流を動的にまた，今後の低コスト化，多機能化，高性能化の方
2）生成，分離するシステムおよび生成と分離に特化し向性を紹介している ．
たバルブを研究している．そして，実験においてバルブの駆動周波数を変化により任意の液相長さを生＊平成24年６月５日 原稿受付
成できることを確認している8）．
＊＊
東京工業大学精密工学研究所
上連続で，安全，安価に実現することを目標とした
磁気軸受けを搭載した使い捨て遠心血液ポンプの構（所在地 〒226‑8503 神奈川県横浜市緑区長津田町4259―R2―41）
第43巻

第５号

高田らはERゲルをクラッチ機構に応用したリニ
アアクチュエータを研究している．そのため，ER― 44 ―

2012年９月（平成24年）

嚴

祥仁：第24回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウムにおけるフルードパワー技術研究動向

ゲルを動力伝達媒体に用いた制御性のたかいクラッ
チ構造の大出力化手法とその評価方法に関して研究している9）．
小柳らはER流体を作動流体とした可制御なダンパを構築し，ダイレクトドライブシステムなどへ適用するためER流体の動的応答モデル化に関して研究している．そのため，ER流体の動的応答のモデ
ルと実験結果との比較を行い，その妥当性を検証している10）．

3．お わ り に
本稿では第24回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウムおけるフルードパワー技術関連の発表，および基調講演の各概要を紹介した．
参

クラスタリング構造の成長に関する研究を行っている．実験では異なる磁界掃引速度に対して超音波の伝搬速度を比較することで高い磁界掃引速度のときにクラスタリングの成長速度が速いのを確認してい
る12）．

考

文

献

１）作井正昭：第24回「電磁力関連のダイナミクス」
シンポジウム開催にあたって，SEAD24講演論文集,

木倉らはガラス溶融炉での電磁場影響を検証するため有限要素法を用いて，TVF炉に相当する大きさのキャビティ内のジュール加熱流場における流動挙動，応力の大きさを誘磁率の変化に対して比較検討している11）．
ISNIKURNIAWANらは磁界印可により形成する303

p. i（2012）
２）進士忠彦，土方亘，高谷節雄：体外循環用磁気浮
上 遠 心 血 液 ポ ン プ の 開 発，SEAD24講 演 論 文 集,
p. 3‑8（2012）３）湯本淳史，進士忠彦：軸方向制御型磁気軸受を搭載した遠心血液ポンプにおける流体力アンバラン
スの改善，SEAD24講演論文集, p. 115‑118（2012）４）床井宏行，増澤徹，青代敏行，橋本英子，尾関和秀，
岸田晶夫，樋上哲哉，巽英介：新しい人工心臓装着 支 援 装 置 に 関 す る 研 究，SEAD24講 演 論 文 集,
p. 123‑124（2012）

井門らはMR流体の動的な過程における粒子挙動について研究している．そのため，平行平板間単純
せん断流れ中における強磁性粒子の挙動をハイブ
リット離散粒子法解析により明らかにしている13）．
林らはMR流体を用いた減衰力可変ダンパの重量増加を抑え，弱い磁場印可で大きく減衰力を変化させるため，ダンパに用いるMR流体中にアルファセ
ルロースを混合させる方法を提案し，その効果を実験的に明らかにしている14）．

５）菊池武士，小林慧吾，杉山正雄：MR ブレーキを岩本らは回転軸方向に生じる軸力を利用した機械
要素の摩耗の低減，MR流体の磁場への感応による

８）川上佳朗，門脇信傑，鈴森康一：マイクロバルブ

潤滑液の保持を狙い，粘弾性流体とMR流体を混合した磁気粘弾性流体を提案している．そして本研究では一様磁場下でのレオロジー特性の計測が可能な測定装置を試作し，磁気粘弾性流体の角振動数や印実現，SEAD24講演論文集, p. 299‑302（2012）

可する磁場の変化によるレオロジー特性を計測し，その特性を研究している15）．
山崎らは，桑原らにより確立された電磁誘導計測法を用いたボイド率の測定による気液二層流の計測方法を応用してMR流体のような固液二層流の管内
固相濃度計測方法に関する研究を行っている16）．
岩本らは磁場および温度に感応する性質を有する
感温性磁性流体を用いた自己循環型熱運送装置に関用いた VR 自転車のトルク制御，SEAD24講演論
文集, p. 137‑140（2012）６）山本陽輔，本田崇：磁気駆動マイクロポンプを直列配置した小型液冷システムの試作，SEAD24講
演論文集, p. 293‑296（2012）７）嚴祥仁，増田弘樹，横田眞一，吉田和弘，枝村一
弥： ECF マイクロシリンダ，SEAD24講演論文集,
p. 297‑298（2012）
によるアクティブスラグ流生成／分離プロセスの９）高田悠大，小柳健一，柿沼康弘，安齊秀伸，桜井宏治，本吉達郎，大島徹：ER ゲルを用いたクラッチ機構の大出力化，SEAD24講演論文集, p. 371‑
374（2012）
10）小柳健一，高森優，本吉達郎，大島徹：ER 流体の精緻な動的応答モデルの検証，SEAD24講演論文集,
p. 375‑378（2012）11）木倉宏成，都築宣嘉，川口達也，河合秀樹，南和宏，
越智英治：有限要素法による溶融ガラス模擬流体
流 動 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン，SEAD24講 演 論 文 集,
p. 379‑382（2012）

する研究を行っている．この研究では熱運送特性を向上させるため，感温性磁性流体にその母液よりも沸点の低いn-Hexaneを混入した非共沸混合磁性流12）Ahmad ISNIKURNIAWAN, Jun KUROIWA,

体を用いて磁気駆動熱運送装置の鉛直上昇方向における熱運送特性を実験的に調査している17）．

ﬂuid under magnetic ﬁeld，SEAD24講 演 論 文 集,

第43巻

第５号

― 45 ―

Shunnosuke ABELL, Tatsuo SAWADA：
Experimental analysis of cluster growth in MR
p. 393‑394（2012）2012年９月（平成24年）

304

フルードパワーシステム

磁性流体を用いた自己循環型熱輸送装置の基本特13）井門康司，荒川和也：平行平板間の MR 流体せん

性，SEAD24講演論文集，p. 403‑404（2012）

断流れ中における強磁性粒子の挙動，SEAD24講
演論文集，p. 395‑396（2012）14）林浩一，井門康司，上野聖司，赤松渉平：アルファセルロース混合割合が磁気混合流体ダンパー減衰
力 特 性 に 与 え る 影 響，SEAD24講 演 論 文 集，［著

p. 397‑398（2012）15）岩本悠宏，安西将吾，牛小東，山口博司：磁気粘弾性流体のレオロジー特性，SEAD24講演論文集,
p. 399‑400（2012）16）山崎晴彦，牛小東，山口博司：磁性流体を用いた
固液二相流の管内固相濃度計測法，SEAD24講演
論文集，p. 401‑402（2012）

おむ

さん

嚴

祥 仁 君

者

紹

介］

いん

2009年大阪大学大学院工学研究科博士課程修了．同年東北大学助教，2010年東京工業大学助教，流体マイクロマシン，
機能性流体の研究に従事．JFPS, JSMEなどの会員．博士（工学）．
E-mail: sieom@pi.titech.ac.jp

17）岩本悠宏，奥田龍治，山口博司，牛小東：感温性会

告会 員 移 動
会員の種類

正

会 員 数
（８月10日現在）
差

引

増

海外会員

学生会員

賛助会員

901（注１）

14

144

103

＋7

0

−11

0

減

（注１）正会員の内訳

会員

名誉員14名・シニア員20名・ジュニア員178名

正会員
望月 安久（㈱神崎高級工機製作所）

坂田 浩二（㈱神崎高級工機製作所）

志村 和樹（東京計器㈱）豊田 拓也（東京計器㈱）中嶋

藤田 勝彦（東京計器㈱）守（東京計器㈱）学生会員
中口 天仁（東京電機大学）

橋本 泰隆（東京電機大学）

斉藤 健二（東京電機大学）

二坂総一郎（東京電機大学）

水野 智国（東京電機大学）

福田 岳彦（東京電機大学）

小林 現喜（東京電機大学）

美浦

坂内 亮太（東京電機大学）

柴田 敏志（山梨大学）

村松 良祐（山梨大学）

清水 健一（明治大学）

彩（東京電機大学）

前原 太平（立命館大学）

第43巻

第５号

― 46 ―

2012年９月（平成24年）

加藤

305

友規：IFK2012参加記

FPIC会議報告

IFK2012参加記＊
加

藤

友

規＊＊

Symposiumの中の空気圧に関するセッションで口
頭 発 表 さ せ て い た だ い た． ま た， 同 日 はTUDの

1．は じ め に2012年３月26日から28日，ドイツのドレスデンにて，国際会議「2012 8th International Fluid Power
Conference（IFK2012）」が開催された．筆者はこの会議に参加させていただいたので，ここに参加記
としてご報告させていただく．

Institute of Fluid Power（IFD）の施設見学会も随時行われており，筆者も興味深く見学させていただ
いた．内部のさまざまな研究設備を見学させていた
だいたが，ここでは入り口の表札のみ掲載させていただく（図１の右下）．
３ 月27日 か ら の ２ 日 間 は， 会 場 を 国 際 会 議 場

2．国際会議の概要
2.1 IFKについて
International Fluid Power Conference（IFK）は，その名の通りフルードパワー技術に関する国際会議
であり，ドイツのアーヘンで1998年３月に第１回目が開催されて以来，２年おきにアーヘン（アーヘン工科大学）とドレスデン（ドレスデン工科大学，以下TUD）で交互に開催されている．
2.2 会場と会議の概要について
会議は，３月26日のSymposiumから開始された．
Symposiumは，TUDのキャンパス内のHSZと呼ばれる講義棟で行われた（図１）．後述するとおり，
このSymposiumでは47件の講演があったが，大学
関 係 者 の 講 演 が ８ 割 で あ り， 筆 者 も こ の 初 日 の（ICD）に移して，Conferenceが行われた（図２）．
Conferenceでは，72件の講演があったが，講演者の所属は大学46％，企業54％であった．また同会議
場内では企業展示も行われた（図３）．企業展示で

図２

図１

＊

Conferenceの会場（ICD）

Symposiumの会場（HSZ）とIFDの表札

平成24年６月５日

原稿受付

＊＊

福岡工業大学工学部（所在地 〒811‑0295 福岡市東区和白東３―30―１）
第43巻

第５号

図３
― 47 ―

企業展示ブース
2012年９月（平成24年）

306

フルードパワーシステム

は，384㎡のホールに31箇所の展示ブースが設置されており，その他にポスター展示による技術紹介のコーナーもあった．たとえば最新の空気圧アクチュ
エータや水圧駆動のバルブ技術など，多数の興味深
い展示があった．
３月27日の夜は，ドレスデン市内のAlbertium（美術博物館）にて，懇親会が開催された（図４）．
この懇親会にはアーヘン工科大学のBacke名誉教授もご出席され，旧交を温める機会ともなっていた．
2.3 参加者・発表者の属性
３ 月28日 の 閉 会 式 で は，IFDのDirectorのJ.
Weber教授が，閉会のご挨拶の際に，IFK2012の参加者・発表者の専門分野や出身国等についてご説明された（図５）．興味深いデータと思われるので，一部をここにご紹介させていただく．（一部，数字

Mobile Hydraulics 19％, Pneumatics 13％, Speciﬁcに若干の矛盾があるが，ご説明された際の資料をメモした上で転記したので，ご参考までということで，Applications and Automotive ９％, Control of
F l u i d P o w e r S y s t e m s ７％, F l u i d P o w e r

ご了承いただきたい．）
・参加登録人数…700名，うちドイツ521名，その他
179名．
・外国人参加登録者の国籍…ヨーロッパ75％，アジ
ア14％，アメリカ10％，アフリカ１％．
・発表論文数…口頭発表103件，ポスター 12件．
・発表者の国籍…ドイツ人66名，外国人53名（22カ国）
・発表者の国籍…ドイツ55％，ドイツ以外のヨー
ロッパ31％，アメリカ５％，アジア８％，アフリ
カ１％．
・ 発 表 論 文 の 分 野 …Industrial Hydraulics 10％,

Components 23％, Fundamental & Simulation 19％．
なお．今回のIFK2012では，日本からの参加者は少なかったようで，筆者がお会いした限りでは，筆者を含め５名であると見受けられた（もし他にご参加されていた方がいらしたら，何卒ご容赦いただき
たい）．

図５

閉会の挨拶（Prof. J. Weber）

3．お わ り に
筆者は前回はIFK2006（アーヘン）に出席したので，２度目のIFKであった．ドレスデンは初めてであったが，ドレスデンは美しい古都であり，ソーセージやビールも美味しく，とても充実した滞在で
あった．

［著
とう

とも

のり

加 藤

か

友

規 君

者

紹

介］

2007年東京工業大学大学院博士課程修了．
都立高専助手〜助教を経て，2010年福岡工業大学工学部知能機械工学科助教，2012年
同准教授となり現在に至る．本学会（企画委員・編集委員），精密工学会などの会員．
博士（工学），技術士（機械部門）．
E-mail：t-kato@ﬁt.ac.jp

図４

第43巻

第５号

懇親会にて

― 48 ―

2012年９月（平成24年）

大橋

教

彰：おもしろ油圧機構

第８回

307

油圧モータ

室

おもしろ油圧機構
大第８回

油圧モータ＊

彰＊＊橋

1．は じ め に外観を有している．高速形には，斜軸式のほか図３に示す斜板式アキシアルピストン形，および外接歯

油圧モータは，油圧のエネルギーを入力とし，機械的な回転エネルギーを出力する油圧アクチュエー

車形，ベーン形などがあり，これらはポンプと類似の形状と構造を有している．

タの一種である．アクチュエータの中でも，油圧機器の代表格であり直線運動を得意とする油圧シリン
ダに対し，複雑な機構を有し種類も多い．油圧モータには，出力軸の回転運動の角度が制限されている形式の油圧アクチュエータも含まれ，揺動形アクチュエータと称される．
2．油圧モータの種類
図１は，油圧モータと搖動形アクチュエータの図記号であり，頂点が円または半円の内部に向けられた▲記号は，油が機器に流れ込むことを意味する．
また二つの▲は，IN/OUTポートを入れ換えることができ，出力軸が両方向に回転または搖動が可能なことを示す．破線はモータ本体からタンクへ油が戻るドレン配管である．

図１

油圧モータ・搖動形アクチュエータ図記号

油圧モータには，油圧ポンプとほとんど同じ外観･ 構造のものと，その基本要素を利用して大容量化を図り，独特の減速機構を有しているものなど多くの種類がある．後者の低速･高トルク形と呼ばれる油圧モータが機構的な面白さを有している．
図２に，各種油圧モータの外観形状を示す．上段
左の斜軸式アキシアルピストン形以外の５機種は低速･高トルク形に分類され，それぞれ独特の構造と＊平成24年５月７日

＊＊

原稿受付

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

第５号

図２

各種油圧モータの外観

最高回転速度は，低速形が数100min−1以下，高速 形 が 数100min−1か ら 概 略6,000〜7,000min−1と される．これ以上の回転速度は，容積式油圧モータでは得られず，遠心式モータの役割となる．
以下，高速形の代表例として斜板式と斜軸式アキシアルピストンモータを，低速形として図２に示す
すべての油圧モータの構造･原理をそれぞれ解説する．

― 49 ―

2012年９月（平成24年）

308

フルードパワーシステム

段階に変化させる構造になっている．
傾斜角度の範囲は，概略０〜 25°であり，斜板式の最大18 〜 20°に比して広い．この図のほか，主軸

3．アキシアルピストンモータ
3.1

斜板式アキシアルピストンモータ

図３は，定容量形の斜板式アキシアルピストン
モータの構造図例であり，回転機構は教室第２回のの右端面とシリンダブロックの左端面にベベル歯車機構を設け，シリンダブロックからの回転力を主軸

アキシアルピストンポンプと同等である．
ポンプの場合，ピストンを機械的にシリンダブ
ロ ッ ク か ら 外 に 引 き 出 す こ と に よ り 油 の 吸込 み（IN）を行うのに対し，モータの場合は，圧油の注に伝える斜軸式モータがあり，傾斜角度は40°に達する．

入（IN）によりピストンが外に押し出され，斜板部で力の方向が変換されて回転力になる．これが，ピストンの行程（ストローク）と油のIN/OUTに関するポンプとモータの相違点である．
図３の左側のINポートに圧油が入ると，ピストンはシリンダブロック内のピストン室が膨張するように作用し，斜板を押す方向に図の左半面でストロークする．この結果，シリンダブロック，スプライン
を経由して主軸に回転が伝わる．回転方向は，斜板の傾く方向によって決まり，この場合は主軸側から見て塗りつぶした矢の方向すなわち右回転となる．

図４

斜軸式アキシアルピストンモータ
4．減速機内蔵内接歯車モータ

図５に内接歯車モータの断面図を示す．流体エネ
ルギーを回転力に変換する機構部において，回転力の方向が主軸と共に連れ回る構造のモータに分類される．上図は主軸を含む横断面，下図は２種類の軸である．分配弁は，主軸の大径部分でIN/OUTポートに通じる２本の円環溝と，両溝に挟まれた大径部の複数の分配溝から成る．分配溝は交互にIN/OUT
円環部に通じ，さらにボデー内のロータとの油路を経由してロータとステータに囲まれた部屋に導かれ
図３

斜板式アキシアルピストンモータ5）

る．継手軸は，回転力を伝達するスプライン歯を両端に有している．

3.2 斜軸式アキシアルピストンモータ
図４は，図２の左上図に相当する斜軸式アキシア
ルピストンモータの断面図である．斜板式と異なり，
主軸④に対して回転部品の中心軸⑨およびシリンダ
ブロック⑩の回転軸が一直線上になく，それらが傾斜していることから斜軸式と呼ばれる．
回転力は，斜板式のようなシリンダブロック･主軸間のスプライン継手でなく，球面継手を両端に有するコンロッド⑦とピストン⑧の組立体によって伝えられる．圧油を受けたピストンの推力のうち回転方向の分力が回転力となる．
図４は２容量切換形の断面図を示し，カバー⑬内の操作ピストン⑮が変位することによって，軸⑭により分配弁⑫とシリンダブロック⑩の傾斜角度を２
第43巻

第５号

― 50 ―

図５

減速機内蔵内接ギア形モータ断面図3）

2012年９月（平成24年）

大橋

彰：おもしろ油圧機構

第８回

309

油圧モータ

図６に，外歯形状のロータと内歯形状のステータの詳細を示す．両者の中心間距離が偏心量に相当す

は，出口ポートに設置される．
また，ポンプと異なりモータの場合は停止時でもる．図５で，圧油がINポートに入り，分配弁のIN側
円環部と分配溝を経由して，図６の内歯と外歯で囲まれた塗りつぶした部屋に入ると，圧力により容積密閉された容積を確保して入口ポートからの圧油を受け入れなければならないため，通常，ベーンが自重でロータの溝内を落下することを防ぎ，ベーンをが膨張し，ロータは最上部の歯を中心として右方向に傾斜し，内歯に沿って順に右に移動していく．このためロータは左回転の自転と同時に，中心軸が右カムリング内面に押し付ける機構が必要となる．図７の場合は，左図に示すように比較的厚いベーン内部にコイルばねを複数挿入している．

回りに公転する．継手軸は，図５の右端で自転と公転を行ない，偏心していない左端で回転力を主軸に伝える自在継手となる．偏心量は公転の半径となる．

図８は通常の高速形ベーンモータの内蔵部断面であり，コウモリ状の特殊形状ばねにより２枚のベーン底面を同時に押す機構を設けた例である．

図６

ステータとロータ拡大図3）

図８

図６でロータの最上部の歯に注目すると，例えば隣の歯が最上部に来るまでに中心軸が１公転し，この繰り返しにより６公転した後，図の初期状態に達する．出力軸の１回転分に相当する押しのけ容積は，圧油の入る部屋の容積の６倍となる．このため減速機内蔵形と称され，比較的小形で低速・高トルクが得られるという特長がある．

ベーンモータのベーン押上げ機構例

6．ラジアルピストンモータ
6.1 単行程ラジアルピストンモータ
図９に単行程形モータの断面図と主要部品名称を示す．左図は，右図の矢視A-O-B断面を展開したものである．

5．低速高トルクベーンモータ
図７にベーンモータの断面図を示す．内部で膨張･ 収縮して押しのけ容積を確保するための各部屋はカムリング内面の大径と小径との間で構成され，
IN/OUTポートに直接つながっている．図７の例は，この部屋が大小２組あり，これらを組合せて，1/3〜 2/3 〜全トルクのような多段階の出力トルクを選択できる形式である．この容量選択のための切換弁

図９

単行程ラジアルピストンモータ断面図

流体エネルギーを回転力に変換する機構は，主軸と一体の偏心カムと，カム面上で揺動し推力を作用させるピストン･コンロッドとで構成される．アキシアルピストン形とは回転の原理が異なり，ピスト
ンは主軸と共に回転しない．
図10は，図９右のO点を含む垂直平面の主軸の図であり，主軸中心とカム中心の距離（偏心量）が回

図７
第43巻

低速高トルクベーンモータ断面図

第５号

転モーメントの距離となる．
連続的にモータを回転させるため，偏心カムに対し，常に偏心方向左右の片側からピストン推力の合― 51 ―

2012年９月（平成24年）

310

フルードパワーシステム

程形と呼ばれ，図７のベーンモータと同様に多段形も可能である．ピストンのリフト量により押しのけ
容積が定まり，各種モータの中でも最大級の容量が

図10得られ，低速性能はもっとも優れる．最大容量は20万cm3/revを超える．図11のケース回転形のほか中空の主軸が回転する機種もある．

主軸と偏心カム

7．対向斜板式アキシアルピストンモータ

力を作用させる．このため図９左に示す分配弁を設け，自在継手を介して主軸に接続している．分配弁

図12は，図２右上の対向斜板式モータの断面図で内の大きな点の網掛けで示した油路がIN側となり，ボデー内油路を経由してピストンの半数（２または３本）に圧油が作用し，図10のカム左側に推力が発ある．基本構造は図３の斜板式モータと同様である
が，モータ内部で主軸側とその反対側に対向する一対の斜板が配置されている．このためピストンスト

生する．残りのピストンは，分配弁内の小さな点の網掛けで示した油路を経由してOUT側につながり油を戻す．

ロークは片側斜板の場合の２倍となり，大きな押しのけ容積が得られる．ピストンのピッチ円径も大き
く，低速・高トルク用途として低速からの運転が可能である．

カムとの接触面であるコンロッドの底面には油圧ポケットが設けられ，静圧軸受を構成している．軸
受剛性を高めるため，ピストンと油圧ポケット部を結ぶ油路の一部に絞りを設けている．
6.2 多行程ラジアルピストンモータ
図11は，多行程形モータの中心軸断面と，軸と直角に放射状に配置されたピストンを含む断面の模式図である．単行程形モータと異なり，回転するケースと一体の大径カムが外側に位置する．IN/OUT
ポートを有するシリンダブロックは静止し，内部の回転分配弁は左端でケースと接続されている．

図12

対向斜板式ピストンモータ断面図2）

シリンダブロックは，高速形の斜板式アキシアル
ピストンモータと同様に主軸と共に回転する． 圧
油は，IN/OUTポートから分配弁を経由してシリン
ダブロック内部の放射状の油路からピストン穴部に導かれ，ピストンを斜板に押しつける構造である，
図の手前側にあるピストン穴に圧油が導かれた場合には，主軸の回転方向は軸側から見て左となる．
図11

8．揺動形アクチュエータ

多行程ラジアルピストンモータ断面図4）

INポートからの圧油は，図11右図のように分配

揺動形アクチュエータは，油圧シリンダをリンク機構で揺動運動させる場合に比べ，取付けが簡単で弁からシリンダブロック内のピストン室に供給される．ピストン室の膨張･収縮行程はカムの傾斜方向と同期し，ピストンを押上げてカムローラが斜面上

スペースも少なくてすみ，高トルクが得られる．内部に独特の力変換機構と減速機構を有するものもある．
8.1 ベーン形揺動モータ

で外方向に転がることによって回転力を発生する．
右図で，水平方向の対向するピストン室は圧油が供給され始めた状態であり，カムの回転方向は矢で示

図13，図14にベーン形揺動モータを示す．
図14はダブルベーン形の構造図であり，２枚のベーンとシューを有し，揺動角度は約100°である．

すように正面から見て左となる．
１回転中に複数回の往復行程を繰り返すため多行

シングルベーン形の場合は約280°となり，トルクは２枚ベーン形に対して半減する．

第43巻

第５号

― 52 ―

2012年９月（平成24年）

大橋

彰：おもしろ油圧機構

第８回

311

油圧モータ

作用すると，ボデーとピストン部に加工された一対のヘリカルギアの働きにより，ピストンは回転しながらボデー内を往復運動する．これによりピストン
内部のスプラインを介して主軸に回転力を伝え，主軸は揺動運動する．

図13

揺動角度は，ラック･ピニオン式と同様，ピスト
ンのストロークによって決まる．またピストン方式のため内部漏れが少ない，などの特長を有している．

ベーン形揺動モータ外観

図17
図14

ヘリカルスプライン式揺動モータ7）

ベーン形揺動モータ断面図
9．お わ り に

8.2 ラック･ピニオン式揺動モータ
図15にラック･ピニオン式揺動モータの外観を，
図16に断面図を示す．中央のブロック部から両側に出た油圧シリンダが圧油を受け，内部のラックが動きピニオンを回転させ主軸が揺動する．
揺動角度は，シリンダのストロークすなわちラッ
クの長さによって決まり，主軸が１回転を超えて揺動するものも製作可能である．

油圧モータは，機械･装置の駆動部に直結するアクチュエータであり，使用範囲も極低速から高速まで幅広い．低速運転時にも作動圧力にほぼ比例した大トルクが得られる．これは電動機やエンジンなどにない油圧ならではの特長である．
この解説により，さまざまな回転や揺動の原理・機構がおわかりいただければ幸いである．
なお掲載した断面図，外観写真などは，以下に示す各社の販売資料などから引用させていただいた．
ここに謝意を表す．
参

考

資

料

１）油研工業カタログ，作動原理図集より
２）イートン㈱資料より
３）Danfoss社資料より
４）Hagglunds社資料より

図15

ラック･ピニオン式揺動モータ外観6）５）Linde社資料より
６）㈱TAIYO資料より
７）三菱重工業㈱資料より

［著
おお

図16

ラック･ピニオン式揺動モータ断面図

8.3 ヘリカルスプライン式揺動モータ
図17にヘリカルスプライン式揺動モータの構造を示す．左右のポートから圧油が流入してピストンに
第43巻

第５号

はし

大 橋

6）

者

紹

介］

あきら

彰 君

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

― 53 ―

2012年９月（平成24年）

312

教

フルードパワーシステム

室

おもしろ空気圧「空気圧機器の流量特性」＊
妹

満＊＊

尾

1．流量特性の表示方法
空 気 圧 機 器 の 流 量 特 性 は，JIS B 8390：2000
空気圧―圧縮性流体用機器―流量特性の試験方法（ISO 6358：1989整合）で規定され，流量特性は，
音速コンダクタンスC［dm3/（s･bar）］と臨界圧力比b［−］のパラメータで表示する．
図１に示すように機器内部を圧縮空気が流れる場
合，上流側および下流側の絶対圧力の圧力比が１の場合には，流量は０であり，圧力比が小さくなるに
つれ，流量は０から増加する．流速が音速に達する
臨界点を臨界圧力比bといい，以降，圧力比が０になるまで，流量は一定になる．この流量が飽和する
流れをチョーク流れという．また，臨界圧力比b以上の音速に達しない流れを亜音速流れという．音速
コンダクタンスCは，チョーク流れの流量が飽和したときの流れやすさを表す指標である．
旧JIS規格の有効断面積S［㎜2］も音速コンダク
タンスCと同定義であり，C＝5Sで換算できる．
アメリカでは，ANSI/（NFPA）T3. 21. 3：1990に圧縮空気のC（ANSI）の試験方法が規定されていv
る．上流側絶対圧力6.5barで差圧が0.07bar 〜 0.14barの流量より容量係数C（ANSI）を求める．図１に示v

図１

流量特性表示p2 + 0.1≤ b のとき，チョーク流れ
p1 + 0.1
Q = 600 C( p1+ 0.1)

293
273 + T⑴

p2 + 0.1
p1 + 0.1 > b のとき，亜音速流れ

すようにC（ANSI）は亜音速流れの圧力比が１付近v

22．実用流量式

p2 + 0.1−b
Q =600 C ( p1+0.1) 1− p1 + 0.1
1−b

実 用 流 量 式 を 式 ⑴ お よ び ⑵ に 示 す． 式 ⑴ は，チョーク流れの流量式であり，式⑵は，亜音速流れの流量式である．圧力比および臨界圧力比によりど

ここで，
Q ：流量［L/min（ANR）］
C ：音速コンダクタンス［dm3/（s·bar）］

ちらの流れかを判断し，使用する．

b ：臨界圧力比［−］p1 ：上流側ゲージ圧力［MPa］
p2 ：下流側ゲージ圧力［MPa］

で測定された値である．

3．流量特性の曲線

293
273 + T⑵

T ：温度［℃］
図 ２ に 示 す よ う に， 臨 界 圧 力 比bの 値 に よ り，
チョーク流れの領域と亜音速流れの曲線形が変わる．
bの値が大きいほど膨らみが大きくなる．同じ音
亜音速流れの曲線は，楕円で近似され，臨界圧力比＊

平成24年６月15日＊＊

速コンダクタンスC であれば，臨界圧力比bの値が大きいほど，流量を多く流せる流量特性がよい機器

原稿受付

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

第５号

になる．

― 54 ―

2012年９月（平成24年）

妹尾

313

満：おもしろ空気圧「空気圧機器の流量特性」

コンダクタンスCと臨界圧力比bは小さくなる．

4．機器の流量特性1）

5．C とC vの換算

機器固有の流量特性は，製品カタログに記載されている．各メーカのカタログを確認する必要がある．

各種の電磁弁に対してJIS B 8390：2000とANSI
方向制御弁は，同じ機種でも流れ方向により値が （NFPA）T3. 21. 3：1990に基づく試験を行い，音異なるので，機器で使用する流れ方向の値をカタロ
速コンダクタンスC［dm3/（s･bar）］，臨界圧力比b［−］およびC（ANSI）の試験結果の相関を示した
グより参照する．音速コンダクタンスCは，機器のv
内部流路の大きさに比例するが，臨界圧力比bは，ものを図４に示す．図４にこの相関より求められる構造により異なる．たとえば，ポペット弁はb＝0.5回帰曲線の式を示す．C（ANSI）の定義は，臨界圧v
前後，スリーブのないスプール弁は，b＝0.3 〜 0.4，
力比b＝0.5の場合であるが，実際の機器の臨界圧力
スリーブのあるスプール弁はb＝0.2前後に分布する傾向にある．
配管は，内径と管長さで音速コンダクタンスCと比bは，0.1から0.5の間に分布しており，臨界圧力比b＝0.1の機器を推定した場合，25％過小に音速コン

臨界圧力比bが異なる．図３に樹脂配管の内径と管長さに対する音速コンダクタンスCと臨界圧力比b示す．管長さが短い時には，音速コンダクタンスCは，実内断面積に収束するが，長くなるほど，音速て推定を行えば，誤差は，±13％に減少する．臨界圧力比b＝0.3の場合の換算式は，C＝4.0C（ANSI）
vになる．

ダクタンスCが算出される．臨界圧力比b＝0.3とし

図４
図２

音速コンダクタンスCとCv（ANSI）の相関

流量特性曲線
参考

文献１）空気圧システムの省エネルギー：小根山尚武，㈶省エネルギーセンター発行

［著
せの

お

みつる

妹

尾

満 君

者

紹

介］

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

図３
第43巻

第５号

樹脂配管の流量特性― 55 ―

2012年９月（平成24年）

314

フルードパワーシステム

教

室

入門講座「流体力学」 第１回：覆水盆に返らず＊
高

勉＊＊

橋

1．入門講座「流体力学」の開始にあたり空気や水の流れは自分の身体で直接感じることができる身近な物理現象である．一方で，水や空気は透明で動きがみえないことや，ややこしい数式が出てくることなどからそれらを扱う流体力学は敷居が高いと思われがちな学問である． この講座では一般的な流体力学の教科書から離れて，流体力学で扱う諸問題を身近な例をもとに親しみやすく解説することを目指す．紹介する各問題について，答えを読むまえにご自身で考えることをお勧めする．この講座に参加して（本稿を読みいっしょに考えて）流体
力学に興味を持っていただけたなら，ぜひ，流体力学の教科書を手にとっていただきたい．本講座が，流体力学を体系的に勉強するための一助となれば幸いである．
2．流体とはなに？
それではウォーミングアップとして最初の問題を考えていただこう．
問題1‑1：水と水あめが各コップに同量入っている．どちらが水あめかを判定するにはどうすれば良いか？
２つの物質を見分ける方法はいろいろある．匂いを嗅ぐ，舐めてみる，色を見る．これらは分子構造や化学的特性をもとに判定するもので化学的分類法とよぶ．これに対してコップを軽くゆすると，ちゃぷちゃぷと波打って流動するものとほとんど動かないものがあることに気がつく．水あめは水よりもはるかに粘っこいことはよく知られているので，どちらが水あめであるかは瞬時に判断できる．固さや流コップを揺するという力を加えたときに応答よく簡
単に変形するのが水であり，水あめは同じ力を加えても変形に時間がかかる．コップを傾けてしばらく待っていると室温であれば水あめもコップの縁からゆっくりと流れ落ちる．これをビデオで撮影し早送りで再生すると水が流れるときと見分けがつかない．
つまり，水と水あめの流れ方は時間の尺度が違うけ
れども流れる様子は同じである．
問題1‑2：卵 の 白 身 は 水 と 同 じ 流 れ 方 を す る
か？
卵の白身をコップに入れ，コップを傾けるとどうなるだろうか．水と同じように流れ出るが，流れを止めようとしてコップをたててもすぐには止まらず
コップの縁を乗り越えて引っ張られているように流れる様子が見えるだろう．この様子をビデオで撮って再生速度を調整しても水の流れのようには見えない．卵の白身は流体であるが水や水あめとは種類の違う流れ方（機械的性質）を示す物体と考えられる．
流体力学や材料力学は対象物の機械的性質をもとに応力と変形の関係を明らかにする学問である．これらを総称して連続体力学という．連続体とは応力と変形がある関係で規定された仮想物体のことである．現実の物質はすべて原子・分子で構成されており，空気も微細に見れば窒素分子や酸素分子が真空中を飛び回っている状態である．しかし，流体力学
では通常はこのことを考えず，空気や水は均質で連続的な物体であると仮定してその運動を計算する．
流体を連続体の一つと考えたときの定義は⑴ 力が作用すると瞬時に変形を開始する⑵⑶

れやすさといった性質をもとに物質を分類する方法
を機械的分類法という．機械的性質は力（あるいは応力）と変形の関係と言い換えても良いであろう．
＊

平成24年６月29日

＊＊

原稿受付

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

第５号

力が作用しているあいだは変形し続ける力を除去しても変形は回復せず永久的なひずみが残るとなる．定義⑶はいったん変形した流体は元の形を忘れてしまい元には戻せない，すなわち「覆水盆に返らず」を表している．水あめは流体の定義を満たしているだろうか．コップを傾けてもすぐには流れないようにみえるが，精密に計測すると傾けた瞬間
から流動が開始している．どんなにわずかでもコッ― 56 ―

2012年９月（平成24年）

高橋

315

勉：入門講座「流体力学」 第１回：覆水盆に返らずプを傾けるとそれにあわせて液面は変形を開始する（⑴の条件を満たす）．ただ，その応答が非常に遅いの法則には時間についての規定がない（式の中に時間tが含まれない）ことから，応力の作用と同時にため人間の目では変化が検知できないだけである．
コップを傾けた場合は，重力や表面張力などの力が釣り合う状態になるまで流動は継続される（⑵の条

所定のひずみが瞬時に発生する．応力がゼロになればひずみもゼロに戻るので，⑴および⑶の定義は満たされる．⑵の定義に関しては応力がひずみの関数

件を満たす）．そして，コップを流れ出た水あめはもとの形状には戻れない（⑶の条件を満たす）．す
なわち，水あめは流体である．

で与えられればどのような関数でも良いのであるが，フック弾性則ではそれが比例であると定義している．
そこで，構成方程式σ＝kεで定義される物体をフッ

物体を固体と流体に二分するなら流体の定義に当てはまらないものはすべて固体となる．固体にもさまざまな性質を持った物体が存在するので，代表的なものとして弾性体を考えよう．弾性体の定義は流ク弾性体とよぶ．この問題に出てくるばねの構成方
程式がもしσ＝kε2のような関数で表されるとしたら答えは違ってくる．このような物体を非フック弾性体と対比すると以下のようになる．
⑴ 力が作用すると瞬時に変形を開始する⑵⑶

作用する力の大きさに依存して所定の大きさの変形が発生する力を除去すると変形は完全に回復し，もとの形状にもどる

定義⑶は「弾性体は元の形状を完全に記憶している」とも言い換えられる．水や空気は形状を記憶できる時間がほぼゼロで過去の形状や変形の履歴に依存せず今そのときの外部条件で動く楽天家，一方，弾性体は決して物忘れしない優等生（過去を忘れられず引きずる暗いやつ？）といえるかもしれない．
卵の白身は流体であるが弾性力を持つ粘弾性流体でありこれらの中間的な性質を持つ．過去のこと（形や変形履歴）をある程度の時間は記憶しており影響を受けるが，そのうち忘れてしまってだらけてしまう．この物体に親近感をもつ筆者は粘弾性流体に分類される人間のようである（しかも記憶時間がかな
り短いほうかもしれない）．

体という．そこで，先の問題の答えは正しくは「このばねがフック弾性体なら２㎝伸びる（そして非フック弾性体なら構成方程式が与えられていないので予測できない）」となる．
構成方程式はその物体の機械的性質を規定するものであり，文章による定義より厳密かつ定量的である．では，流体の構成方程式はどのような関数となるか考えよう．流体の運動を作り出す身近なものとして水鉄砲をイメージしていただきたい．水鉄砲に満たされた水はピストンを押すことにより穴から噴出する．⑴水鉄砲の機械的なまさつを無視できればどんなに弱い力であっても力が加わればピストンは動き，水を押し出す．⑵ピストンを押し続ける限り
水は飛び続ける．押す力が大きいとピストンは速く
動き，水は勢いよく飛ぶ．⑶押すことをやめるとピストンは瞬時に止まり，その位置から動かない．このように水鉄砲の特徴は流体の定義と一致する．水鉄砲と同じようにシリンダとピストンからなる装置
で力がかかると長さが変化する機械要素としてダッ3．応力と変形の関係を式で書こう
さて，弾性体であるばねの特性について以下の問
題を考えていただきたい．
問題1‑3：１グラムの荷重を加えると１㎝伸びるばねがある．このばねに２グラムの荷重を加えると伸びは何㎝か？

図１

一定荷重下のダッシュポットのひずみ挙動

瞬時に２㎝という答えが返ってくるはずである．
ばねはフックの法則（Hooke弾性則）が成り立ち，
荷重（応力σ）と伸び（ひずみε）の間にはσ＝kεという単純な比例関係があることを理科の時間に学んでいる．σ＝kεという式はその物体の応力と変形の関係を表す式であり，構成方程式という．kはその物体固有の定数（物質定数）である．この式は先に示した弾性体の定義⑴〜⑶に従うだろうか．フック
第43巻

第５号

― 57 ―⒜

時間とひずみの関係
図２⒝

ひずみ速度と応力の関係

一次元ニュートン流体モデルの挙動
2012年９月（平成24年）

316

フルードパワーシステム

シュポットがあり，車のサスペンションにおいて振動の減衰器として利用されている．機械的性質が流転」の二つが重ね合わされた現象で，この運動において物体は変形をしない．つまり，物体の剛体的な体と一致することからニュートン流体の一次元運動を表すモデルとしてよく用いられる．⑵の応力と変形の関係をもう一度よく考えてみる．図１に示すよ運動を表す．一方，「変形」は流動から剛体運動を取り除いたもので位置の移動は考えず純粋に変形状
態のみを表す．「変形」には「せん断」，「伸張」，

うに水鉄砲やダッシュポットでは応力が作用している間はひずみが増加し続ける．そのときのピストンの移動速度，すなわちひずみの増加速度（ひずみ速「膨張・圧縮」の３つの形態が存在する．
２つの移動と３つの変形を組み合わせたものが流動であるが，これは材料力学，塑性力学でも同じ考度）が応力に比例する．ひずみ速度 は単位時間あたりのひずみの増加量で与えられる（ ≒Δε/Δt＝∂ε/∂t）ので，これらの関係はσ＝μ という式で表さえ方ができる．固体の変形と流動の違いは変形量の大きさである．固体の場合は変形量が小さいことか
ら元の形からの偏差をひずみとして表すのに対し，れる（図２参照）．この式はニュートンの粘性則とよばれ，この式を構成方程式とする流体をニュート
ン流体という．フック弾性体の構成方程式σ＝kεと式の形は非常に良く似ているが，ひずみの関数かひ流体は元の形がわからないことから微小時間の間に生じる相対的形状変化を検討する．このためには全く異なる考え方が必要となる．また，流体の運動では渦が発生し，さまざまな現象を引き起こす．渦にずみ速度の関数かによって固体，液体に分かれる．
μは物質定数で粘度（粘性係数）とよばれる．空気，

ついては第５回に勉強する予定である．
5．流体の性質を知りたい

水，水あめはともにニュートン流体に分類され構成
方程式は同じであるが粘度μが異なる物質である．
卵の白身はニュートンの粘性法則に従わない流体であり，そのような物体は非ニュートン流体と総称される．

問題1‑4：金属の性質を知るには引っ張り試験，
せん断試験などいろんな試験方法を使う．では，流体でも引っ張り試験
が必要か？

4．
「流れる」ってどんなこと？
それではつぎに「流動」について考えよう．水や空気の流れは透明であり，形がなく動きのイメージがしにくい．そこで，ある瞬間において流れのなかにある領域に存在する流体が時間とともにどのように流れていくかを観察してみよう．図３に示すようにある瞬間に流れの中のある位置において正方形の領域を考え，その中の流体に色を付けることができたとしよう．色の付いた部分を流体要素とよぶ．時応力と変形の関係を表す式である構成方程式をそれぞれの変形形態について考えてみよう．応力は面に対して平行にずらす方向に作用する「せん断応力σs」と面を垂直に押す「法線応力σn」の二種類に分けられる．
「せん断」変形の発生には「せん断応力σs」が関係する．弾性体の場合は「せん断ひずみγ」との間にσs＝Gγ（Gは 横 弾 性 係 数 ） と い う 関 係 が あ る．

間の経過とともに流体要素は形を変えながら移動する．これを「流動」という．
「流動」により正方形
は複雑な形にゆがむが，これを単純な運動の重ね合わせで表すことができる．まず流動を「移動」とダッシュポットの例で示したとおりニュートン流体
では応力とひずみ速度が比例関係にある．せん断変「変形」に分ける．
「移動」は「平行移動」と「回形に関してはせん断応力σsとせん断ひずみ速度（せん断速度あるいはずり速度）が比例する．せん断速
度はせん断ひずみγの時間的変化量であり ＝∂γ/∂t（＝∂vx/∂y）のように表されるので，せん断に対する構成方程式はσs＝μs となるだろう．μsはせん断に対する物質定数でせん断粘度という．
「伸張」変形は固体の引っ張り試験のように物体のある面を引っ張って延ばす変形である．ある面を垂直に引っ張るので「法線応力σn」が駆動力となり，弾性体ではσn＝Eε（Eは縦弾性係数）で表される．
流体では伸びひずみの時間的変化量である伸張速度（＝∂vx/∂x）の関数となり，σn＝μe という式で与えられる．ところで，伸張変形には⒜引っ張り試験の

図３
第43巻

第５号

流れを構成する移動と変形

ように両端をつかんで引っ張り糸状に引き延ばす― 58 ―

2012年９月（平成24年）

高橋

317

勉：入門講座「流体力学」 第１回：覆水盆に返らず「一軸伸張変形」，⒝その逆で両端面を平行に保って押しつぶし同心円状に広げる「二軸伸張変形」，⒞
幅を一定に保ちながら一方向に引っ張り薄いフィル
ム状に変形させる「平面伸張変形」の３種類の形態がある．つまり，伸張粘度には一軸伸張粘度μue，
二軸伸張粘度μbeおよび平面伸張粘度μpeの３つが存在する．
「膨張・圧縮」変形は圧力により体積変化する状態である．この変形では物体の形は相似形を維持して大きさだけが変化する．風船が膨らむときをイメージしていただければよいだろう．液体はほぼ非圧縮性といえるので「膨張・圧縮」を考慮する必要はない．圧力は面に垂直に作用する応力なので法線

トピック
問題1‑6：氷は固体？

それとも流体？

物質は固体，液体，気体の三相を持つことはご存じの通りであり，氷はその中で固体に分類される．当然，上記の問題の答えは単純には固体であるが，それだけで完全正解だろうか．氷河は数百万年をかけて山から海に向かって「流れ」ている．砕けて砂利のようになって転がっているわけではなく，連続した氷のかたまりがゆっくりと河の湾曲に沿って曲がりながら流動している．数百万年かけて氷河全体を撮影し，応力の一部である．どの面にも均等に作用するので区別するために圧力の変化量をΔpとし，体積Vの時
間 変 化 率 を と す る と こ れ ま で の 関 係 か ら ΔP＝
μv という式が予測できる．
さて，粘度は全部で何種類あっただろうか．まとめるとせん断粘度，伸張粘度３つ，体積粘度で合計５個となる．液体に限定すれば４個の粘度が存在す
る．これらをすべて知るにはどうすれば良いだろう
か．金属に対しては引っ張り試験，圧縮試験，せん断試験などを行い，縦弾性係数E，横弾性係数G，
ポアソン比vを求める．流体は等方的で連続的であることからポアソン比は0.5であり，さらにニュートン流体の場合には，μue＝μbe＝3μs，μpe＝4μsという関係が成り立つ．つまりせん断粘度がわかればすべての変形に対する機械的性質が明らかになる．何種類もの測定が必要な金属などの固体物性と異なり，
ニュートン流体ならばせん断粘度を求めるだけで機械的性質が完全に把握できる．一方，卵の白身や高分子流体などの非ニュートン流体では伸張とせん断に対する粘度の関係が不明であるため各種の伸張粘度をそれぞれ測定する必要がある．化学繊維やフィる．高分子や食品，インク，液晶など複雑な流体の挙動を扱う「レオロジー」という学問では「神の目から見れば山も流れる」という言葉がよく引用される．人間の目には氷は固体にみえるが，時間を圧縮して観察できれば氷も蜂蜜のように流れる，という考え方である．
最初の問題に戻るが氷は固体だろうか，液体だろうか．答えは観察者の要求によって異なる．
数分間程度の反応を知りたいのであれば固体として扱って良いだろう．変形量が非常に小さい
ならフック弾性体として扱えるかもしれない．
長時間，たとえば数日，数ヶ月あるいはそれ以上の時間にわたって挙動を調べるなら流体（粘性体）として取り扱うべきだろう．いずれにしても氷の完全な構成方程式はいまだ不明であり，もしわかったとしても複雑な数式だと扱いづら

ルムの成形では伸張粘度が重要な物性値であり生産性や品質の向上にはこれらを知らなければならない．

いので，多くの場合は対象とする状況にもっとも適合する簡単なモデルを仮定して解析するこしかし，液体はつかんで引っ張ることができないた
め伸張粘度を測定するためには工夫が必要となる．

とになる．このときのモデルの選択を間違うと誤った結果を予測することになる．
「覆水盆に返らず」という事態を招かぬようモデルの選択にはご注意いただきたい．

問題1‑5：流体の伸張流動特性を測りたい．つ

それを早回しで再生すると水の流れにようにみえるかもしれない．「動かざること山のごとし」という言葉があるが，ヒマラヤは大陸移動のひずみとして盛り上がったものだ，という説もあ

かみ所のない流体を引っ張って延ばすにはどうしたらよいだろう？
面白い問題なので次回の講座「ものの見方を変えよう（仮題）」までの宿題としよう．ぜひ考えておいていただきたい．

第43巻

第５号

― 59 ―

2012年９月（平成24年）

318

フルードパワーシステム

［著
たか

はし

つとむ

高

橋

勉 君

者

紹

介］

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

会

告共催・協賛行事のお知らせ
協賛行事
The Twelfth International Symposium on Advanced Fluid Information and Transdisciplinary Fluid Integration（AFI/TFI‑2012）
主催：東北大学流体科学研究所
開
催：2012年９月19日〜 21日
会
場：（会場名）ホテルメトロポリタン仙台 （住 所）仙台市青葉区中央１丁目１番１号
問合せ先：（団体名）東北大学流体科学研究所 AFI/TFI‑2012 実行委員会（担当者名等）流体科学研究所研究支援室 増田
TEL：022‑217‑5883
FAX：022‑217‑5311
E-mail： shien-staﬀ@fmail.ifs.tohoku.ac.jp
第30回記念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
会期：2012年９月17日（月・祝），18日（火），19日
（水）
，20日
（木）
場
所：札幌コンベンションセンター
Ｕ Ｒ Ｌ：http://www.rsj.or.jp/rsj2012
可視化情報全国講演会
主
催：一般社団法人 可視化情報学会
開 催 日：2012年10月４日（木）〜５日（金）場
所：姫路商工会議所（兵庫県姫路市下寺町43）
問合せ先：本田逸郎（実行委員長）兵庫県立大学 工学部 機械システム工学科
TEL：079‑266‑1661（内線243） FAX：097‑267‑4830
E-mail：kashika@eng.u-hyogo.ac.jp
2012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
会
期：平成24年11月６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）
第55回 自動制御連合会講演会
主催：システム制御情報学会（幹事学会），日本機会学会，計測自動制御学会，化学工学会，精密工学会，
日本航空宇宙学会，電気学会
期日：2012年11月17日（土），18日（日）場
所：京都大学，吉田キャンパス，吉田南機構内（京都市左京区吉田二本松町）
キャビテーションに関するシンポジウム（第16回）
主
催：日本学術会議 第３部（予定）
第16回キャビテーションに関するシンポジウム実行委員会（委員長：東京大学大学院教授・松本洋一郎）
開
催：平成24年11月23日（金・祝），24日（土）会
場：金沢工業大学（〒921‑8501 石川県『野々市市扇が丘７―１』
連 絡 先：金沢工業大学工学部機械工学科 佐藤恵一教授 TEL：076‑248‑9214
FAX：076‑294‑6734
E-mail：cav16@mlist.kanazawa-it.ac.jp
第43巻

第５号

― 60 ―

2012年９月（平成24年）

五嶋

319

裕之：スマートグリッドと情報・通信の国際標準化

トピックス

スマートグリッドと情報・通信の国際標準化＊
五

嶋

裕

之＊＊

推進に向けたロードマップを策定するなど議論が活発になっている．

1．は じ め に率的に電力を供給する，いわゆる「スマートグリッ
ド」に対する関心が急速に高まっている．一方，日スマートグリッドは広範囲な技術，設備，政策が含まれるため，それぞれの思惑や断片的な議論が先行しがちである．たとえばスマートメータや電気自動車の家庭用蓄電器としての利用など，がマスコミ本の電力網は「すでに十分にスマート」であるとの認識から，米国流のスマートグリッドの導入には消で話題となっているが，個別の要素技術とそれらが相互に接続され一体的に運用されるためのルール作

極的な意見が強かった．しかし，これまで停電や電圧変動が少なく，高い品質を維持してきた日本の電力供給システムへの信頼が，今回の東日本大震災で大きく揺らいでいる．福島第１原子力発電所の大事
故に続く全原発の運転停止により，国内の電力供給が不足する事態となっており，地域，電力会社，企業，家庭などの電気利用者の壁を超えた，電力供給，消費の効率化が急務となっている．
本稿では，今後国内においても普及が予想される
スマートグリッドの概念と関連する情報・通信の国際標準化について概要の解説を行う．

り，すなわち標準化が現時点で最重要な課題である．

近年米国を中心に，電力供給の信頼性向上，地球環境問題へ対応するために，IT技術を駆使して効3．IEC TC57の標準化活動

スマートグリッドとは，最新のIT技術を活用して電力供給，需要を最適化する電力系統の概念1）で機能に優れるが結果としてガラパゴス化してしまった日本の携帯電話が，諸外国のスマートフォー
ンに苦戦を強いられている．この実例からも，国際標準やデファクト標準とどのように向き合うかが，スマートグリッドに関連する我が国の企業活動を大きく左右すると考えられる．すなわち，協調と競争を見極め，戦略的に国際標準に関与することがもっとも重要である．
現在スマートグリードに関連する国際標準化作業の中核を担っているのは，IEC TC57委員（Powersystems management and associated informationexchange：電力系統に関わる通信システム・情報

ある．具体的には図１に示すように，分散電源である太陽光，風力などの再生可能エネルギーと，従来の大規模集中発電設備と送配電網を，IT技術を活用して一体運用し，分散電源，蓄電池や需要者の情報を統合・活用して，高効率・高品質な電力供給シ

交 換 の 国 際 標 準 化 ） で あ る． な か で も， 図 ２ のIEC61850：変電所自動化システム，IEC61970/61968：
系統配電制御システム規格については，精力的に適用分野の拡大と拡張作業が行われている．これらの規格は，もともとは変電所内，あるいは電力系統内

ステムの実現を目指すものである．米国では，2007
年に策定されたエネルギー自給・安全保証法に基づの多様な機器を相互接続し運用するための通信規格としてスタートしたものであるが，たとえば，図３

2．スマートグリッドとはき，商務省のNISTがスマートグリットの相互運用に 示 すEV充 電 ス テ ー シ ョ ン と 電 力 系 統 の 接 続に関する標準の開発を推進することとされ，オバマ（IEC61850‑90‑8）や自家発電設備（風力，太陽光，政権が約45億ドルの政府支出を決定するなど，ス
蓄電池など）間の通信や管理システムとの通信規格
マートグリッド実用化への取り組みが加速している． である，分散電源用通信システム（IEC61850‑7‑
再生可能エネルギーの導入，電力自由化で先行する
欧州においても，欧州委員会がスマートグリッドの＊平成24年４月５日

＊＊

原稿受付

機械振興協会技術研究所（所在地 〒203‑0042 東京都東久留米市八幡町１―１―12）
第43巻

第５号

420）など，今後普及が期待される，分散電源，再生可能エネルギーの運用に関わる規格化が進行している．スマートグリッド関連分野では，今後インフラ市場の拡大で，大きなビジネスチャンスが期待できるため，欧米，中国，韓国なども積極的な関与を強めている．国際標準化の世界は早いもの勝ちであ― 61 ―

2012年９月（平成24年）

320

フルードパワーシステム

図１

スマートグリッドの概念1）

り，議論の主導権を握ることが重要である．自国に有利な国際ルールを制定し，標準を制することで，結果的に市場を制することが可能になる．
現在日本はEV（電気自動車）の実用化で，大きく先行しているが，仮に先行する日本企業に不利な
国際ルールが制定されると，大きな利益損失となる．
同様に，自国に有利な国際ルールを制定できれば，有利な条件でビジネスを展開することが可能なる．
3．スマートファクトリー
図２

スマートグリッドは，社会・地域におけるエネル
ギー供給と消費を最適化し，全体で効率的かつ安定

IEC TC57の規格体系2）した電力を発電・供給するシステムを目指すものである．この結果，社会・地域の構成要素でありその一員である工場についても，スマートグリッドと連携し社会・地域の安定的電力供給と省エネルギーに協力する，図４に示すような，スマートファクトリー3）といった概念が登場する．日本国内の製造現
場には，世界に先駆けたエネルギー消費の少ない製造設備やエネルギー監視装置が多く導入されていて，すでにスマート化されているようにも見える．しかし従来の発想は，自社工場内の消費エネルギー効率の追求であって，社会・地域との関係はそれほど強くない．しかしながら近未来においては，スマートグリッドの普及に伴い，製造工場自身の省エネル
ギーだけではなく，再生可能エネルギーによる発電，余剰電力の供給，蓄電といった，下記に示すような

図３

的に関与，協力することが期待される．
⑴工場内／地域内／広域でのエネルギー消費／生成の最適化（分散／抑制／電力負荷平準化）⑵工場の省エネルギーとICT化の推進による生産コ

社会・地域の安定的電力供給と省エネルギーへ積極
第43巻

第５号

2）
EVと電力系統の接続（IEC61850‑90‑8）― 62 ―

ストの削減
2012年９月（平成24年）

五嶋⑶工場（企業）の地域/社会への貢献度向上
太陽光や風力発電などは，発電量が原発と比べて小さく，天候にも大きく左右される．スマートグ
リッド，スマートファクトリーといった，地域ある
いは広域での電力の融通，効率化といったしくみが化に関する研究会，経済産業省（2010）２）田中，山岡：スマートグリッドに係わる情報・通信の国際標準化動向，平成23年電気学会全国大会
シンポジウム資料，一般社団法人電気学会
３）スマートファクトリーオートメーション専門委員

機能すれば，地域分散型の発電が見直され，地域独占の電力供給に「風穴」を開ける契機となる可能性がある．また，製造企業においても，電力大口需要会活動計画書，FAオープン推進協議会，一般財団
法人製造科学技術センター（2011）

者としての立場だけではなく，上記のような地域での電力消費，供給への社会貢献が求められるようになるのではないだろうか．
4．お わ り に
本稿では，スマートグリッドの開発・実用化に伴い中核的な役割を果たすことが見込まれる，IEC

［著
ご

とう

五

嶋 裕

TC57関連規格と，スマートグリッドの普及が企業にどのようなインパクトを与えるかについて説明を行った．本解説が，日本企業が持つ優れた技術を，グローバル展開する際の何らかの参考になれば幸い
である．
参

考

文

321

裕之：スマートグリッドと情報・通信の国際標準化

献１）次世代エネルギーシステムに係る国際標準化に向

ひろ

者

紹

介］

ゆき

之 君
1987年神奈川大学大学院工学研究科修士課程，2010年法政大学大学院システムデザ
イン研究科博士後期課程修了，博士（工学）（法政大学）．1987年株式会社日立製作所，
1990年機械振興協会技術研究所，現在，同所生産技術部 部長代理，法政大学兼任講師（非常勤）．産業オートメーション標準化推進委員会委員，ISO/TC184/SC ５/WG ６
国内対策委員会主査．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．
E-mail：goto@tri.jspmi.or.jp

けて，次世代エネルギーシステムに係る国際標準

図４
第43巻

第５号

スマートファクトリーの概念3）― 63 ―

2012年９月（平成24年）

322

フルードパワーシステム

トピックス＊
TCP/IPを用いたネットワーク通信のプログラミング（IPv6，UDP）

内

堀

晃

彦**

IPv4とIPv6の大きな違いは，そのアドレス形式にある．そのため，プロトコル依存はアドレスを扱

1．は じ め に前稿では，TCP通信の概要について説明した．
本稿では，プログラムをIP Version6（IPv6）に対応させる方法について解説を行う．また，UDP通信を行うためのプログラミングについても解説する．

う部分に多く存在する．これを解決するために，ソケットライブラリにはgetaddrinfo関数が用意されている．
#include〈netdb. h〉
int getaddrinfo（const char *hostname,

2．IPv6への対応
図１は前稿のクライアントプログラムである．図中の網掛けがされた部分は，IPv4のための関数や定数，データ構造であり，IPv6には対応していない．
それぞれにIPv6に対応したものは存在するが，それらはIPv4に対応していない．現在のようなIPv4からIPv6への移行の過渡期においては，この二つのバージョンに対応した，できればプロトコルへの依存をなくしたプログラムにすることが，その寿命を長くし，保守性を高めるために必要なことであると考える．

const char *service,
const struct addrinfo *hints,
struct addrinfo **result）;
hostnameにはホスト名またはアドレス文字列を，serviceには，サービス名またはポート番号の文字列を指定する．hintsはNULLポインタまたは通信方法の指定に必要な情報を指定する．
struct addrinfo {intai̲ﬂags;
int
ai̲family;int
ai̲socktype;int
ai̲protocol;
size̲tai̲addrlen;
struct sockaddr *ai̲addr;char*ai̲canonname;struct addrinfo *ai̲next;｝;ai̲ﬂags，ai̲family（ ア ド レ ス フ ァ ミ リ ），ai̲
socktype（ストリーム／データグラム等），ai̲protocol（プロトコル）をhintsに指定してgetaddrinfoを呼び出すと，result内にホストとの通信に必要な情報が（アドレスはai̲addrに，そのサイズはai̲addrlenに）収められる．これには，socket，bind，connectや

図１

IPv4用クライアントプログラム＊

平成24年７月26日

＊＊

原稿受付

宇部工業高等専門学校（所在地 〒755-8555 山口県宇部市常盤台２―14―１）
第43巻

第５号

この後に解説するsendto，recvfrom等に必要とされるプロトコル依存の情報が全て含まれている．このため，getaddrinfo を用いることで，プロトコル
依 存 の コ ー ド を 排 除 す る こ と が で き る． ま た，
getaddrinfoで指定されたhostnameとserviveに対応するアドレス等が複数ある場合，ai̲nextを用いて― 64 ―

2012年９月（平成24年）

内堀

晃彦：TCP/IPを用いたネットワーク通信のプログラミング（IPv6，UDP）

323

リンクリストが構成され，複数の情報がgetaddrinfo
から返される．

で信頼性のないデータグラムプロトコルである1）．
TCPは，通信時にハンドシェイク処理を行い，通図２にプロトコル独立になったクライアントのプ
ログラムを示す．gethostbynameの呼び出しが無くなり，socketやconnectの呼び出しにプロトコル依

信の信頼性を確保している．しかし，これは，時に非常に時間のかかる処理であり，リアルタイム性を重視するアプリケーションにおいては，この通信時存のデータが使用されていないのがわかる．

間の遅延が問題となることがある．UDPは信頼性の確保を行わないことにより，そのオーバーヘッドを無くした，比較的軽い通信を行うものである．
UDPにおいては，listen，accept，connect等の接続処理は行われず，クライアントはsendto関数でサーバーのアドレスを指定してデータを送信し，サーバーはbind処理の後，クライアントからのデー
タをrecvfrom関数によって受信する．
3.2 sendto関数
UDPの送信処理はsendto関数で行われる．
#include〈sys/socket.h〉
int sendto（int sd, void *buf,
size̲t nbytes, int ﬂags,
const struct sockaddr *to,socklen̲t addrlen）;
sendto関数は，send関数と同様にネットワークの先にあるホストへ，データbufをnbytesバイト送信する．UDP通信では接続が確立されていないた
め，to（サイズはaddrlenで示される）で送信先ア
ドレスとポートを指定する．
3.3 recvfrom関数
UDP の受信処理はrecvfrom関数で行われる．
#include〈sys/socket.h〉
int recvfrom（int sd, void *buf,
size̲t nbytes, int ﬂags,
struct sockaddr *from,socklen̲t *addrlen）;
recvfrom関数は，recv関数と同様にネットワー
ク の 先 に あ る ホ ス ト か ら の デ ー タ をbufに 最 大nbytesバ イ ト 受 信 す る す る． ホ ス ト の ア ド レ ス

図２

プロトコル独立のクライアントプログラム
3．UDP 通 信

fromに，そのサイズはaddrlenに収められる．
図３および図４にUDPによるechoプログラム例
を示す．図４のサーバー側のプログラムには，同期やタイムアウト処理を行うselect関数が用いられている．誌面の関係で解説できなかったが，参考文献
等を参照されたい．

3.1 UDPについて
UDPは，TCPと同じトランスポート層にあるプロトコルである．TCPと違い，コネクションレス
第43巻

第５号

― 65 ―

2012年９月（平成24年）

324

フルードパワーシステム

図４

UDPのクライアントプログラム
参

考

文

献

１）W. Richard Stevens（著），篠田陽一（訳）：UNIX
ネットワークプログラミング第２版 Vol. 1 ネット
ワークAPI：ソケットとXTI，ピアソン・エデュ
ケーション，p. 205‑206（1999）

［著
うち

ぼり

内

堀 晃

あき

者

紹

介］

ひこ

彦 君
1998年信州大学大学院工学系研究科博士課程単位取得退学．山口大学助手，宇部工業高等専門学校講師，同校准教授，沼津工業高等専門学校准教授を経て，現在，宇部工業高等専門学校准教授．ロボット工学，
空気圧システムの開発に従事．日本フルー
ドパワーシステム学会，電気学会等の会員．
博士（工学）．
E-mail：uchibori@ube-k.ac.jp

図３

第43巻

UDPのクライアントプログラム

第５号― 66 ―

2012年９月（平成24年）

渡辺

325

直樹：シンガポール駐在員の生活トピックス

シ ン ガ ポ ー ル 駐 在 員 の 生 活＊
渡

辺

直

樹＊＊

1．は じ め に
シンガポールに駐在して１年半．シンガポールは人種では華人，印僑，マレーシア系，西欧系，産業
では金融，観光（カジノ），製造業など，いろいろな物，価値観が混在している．さらには南アジアの物流のハブであり，土地柄出張者も多く，さまざまな地域から訪問をうけている．今回はシンガポール駐在員の生活と題して，生活ぶりを紹介したいと思う．
2．観光地としてのシンガポール
No.１観光スポット
今日，シンガポールには年間1,000万人の来訪者（ シ ン ガ ポ ー ル で は 来 星 者 な ど と い う ） が あ り，
2010年の観光収入はＳ$188億（シンガポールドル，
約１兆2,220億円）と，GDPの約６％にまで達しており，シンガポールの主要産業のひとつとなっている．昔からシンガポールの観光スポットといえばマーライオン（図１）であり，コペンハーゲンの人
魚姫の像，ブリュッセルの小便小僧と並び「世界３大がっかりスポット」として有名であったが，2010
年に完成したマリーナベイサンズ（図２），セン
トーサ島にオープンしたユニバーサルスタジオシン
ガポール，およびそれらに隣接するカジノができた

図２

マリーナベイサンズあたりから，マーライオンはこれら観光施設に後塵を拝している感がある．
しかし，実際訪れた方々の感想を聞いている限り
では，「世界３大がっかりスポット」というハード
ルの低さや，その愛嬌もあってか，がっかりという反応は決してなく，むしろ皆さんに気に入っていただけているようである．ちなみに，シンガポールのカジノの売上は去年だけで４千億円以上にのぼり，今年2012年はかのラスベガスを追い抜くものと見られている．
その他観光名所
その他にも，夜に行われるF１，ナイトサファリ（世界初の夜間動物園），バードパークなど大型テー
マパークのほか，チャイナタウン，リトルインディ
ア，アラブストリートといった民族の伝統や文化を残す地域，大型商業施設や免税店が並ぶオーチャー
ド・ロード，ヨーロッパ気分が味わえるホテルやカ

図１＊

平成24年６月27日＊＊

マーライオン

原稿受付

株式会社コガネイ海外営業部（所在地 〒184‑8533 東京都小金井市緑町３―11―28）
第43巻

第５号

フェでのハイティーなどが観光名所である．
先進国ということもあるが，国が力を挙げて国民マナーの向上，ごみの管理に努めているため，非常に綺麗な国である．南の島らしさ，発展途上国のアジアンな雰囲気を期待すると期待はずれになってし
まうが，この綺麗さ，安全性は観光客が来やすい理― 67 ―

2012年９月（平成24年）

326

フルードパワーシステム

由になっているのではないか．
3．食

文

場所
これら料理は，もちろんレストランでも食べられ化るのだが，シンガポール人は自炊しない場合，一般
海外での食事は旅行の最大の楽しみの一つであり， 的にホーカー（図４．屋台村のようなところ）で食
海外で暮らす上で一番重要なことである．シンガ
事をとる．一食S $3（シンガポールドル，約200円）
ポールの食文化，食事環境について紹介する．

と非常に安価で，夫婦共働きが当たり前のシンガ
ポールでは，家で料理を作らない夫婦も多いとか．

衛星面
シンガポールは上下水道がきちんと整備されており，水道の水をそのまま飲め，食中毒になったという話はあまり聞かない（あるにはある）．これが国によっては水道の水に若干色がついていたり，匂いがしたり，バーで飲む氷が生水から作られているか確認しなければならないことがあり，それらに比べると非常に恵まれているといえる．こだわる駐在者はそれでも水道水にフィルターを通しているようである．
料理
華僑が各地に移住した華人と呼ばれる人種が３／４を占めており，さまざまな地域の中華料理が味わえる．一例を挙げれば，海南鶏飯などで有名なチキンライス（図３）で，日本で食べられる卵で包んだものとは異なる．

図４

ホーカー

宴席
年始の挨拶や重要な会議の後，宴席に招かれることがある．多くはデパートなどに入っている高級レス
トランで，華人の多い国柄，中華料理になることが多い．その場合，真ん中に回転式のテーブルがついており，大皿を取り分けながら食べることが多いのだが，ビジネスの延長線上の色濃い日本の宴席と違い，一緒に食事をすることで上下関係をなくし，家族のような雰囲気を作り出すようにされており，家族関係をもっとも大事だと捉える華人らしさを感じる．
夜の場合にはお酒も入るが，普段からあまりお酒を飲まないためか，中国本土と違い，乾杯しあうわ
けではなく，お互いマイペースで飲み，自分が招待された側であっても，お酒を注ぐことすら忘れられ図３

チキンライス

中華料理以外にも，マレーシア料理を始め，フレる場合も多々ある．また，２次会で違う場所に飲みに行くのは主に日本人で，シンガポール人たちは１
次会で帰ることが多いようだ．

ンチ，イタリアンなどの西洋料理，インド料理，タイ料理など，さまざまな国の人々が行き交うだけあり，さまざまな国の料理が食べられる．駐在員としシンガポールで食べられる料理は８割以上が日本
人がすんなり受け入れられるものであり，美味である．少なくともこれらの料理のおいしさがシンガてうれしいところなのだが，日本食がかなり容易に手に入り，すし，ラーメンだけでなく，日本式西洋料理，ちゃんこ鍋，お好み焼き，香川うどん，おでポールへの移民をすごしやすくし，旅行者をひきつけている．
ただし，中華料理がメインで，大概のものは油っんなど，非常にバリエーションの広い日本料理が提供されており，日本人が行っても満足できるクオリ
ティーのものも多い．

ぽく，少なくない日本人が日本食屋に行くか，自炊に回帰しているようである．

第43巻

第５号

― 68 ―

2012年９月（平成24年）

渡辺

327

直樹：シンガポール駐在員の生活

交通

私の場合，シンガポールがはじめての海外生活であり，すんなり適応している．発音は比較的日本語英語に近いと感じる．時々フィリピンの方なんかの綺シンガポールでは車の総数が規制されており，渋滞は他の東南アジアに比べてあまりひどくない．そ麗な英語を耳にすると逆に戸惑うこともある．
華人が国の主体なため，中国語なまりともいうべの代わり，車の価格は非常に高く，ここ最近では，
トヨタのカムリで約１千万円程度する．その分，バス，地下鉄などの公共交通機関が発達しており，慣れればＳ$1.5（シンガポールドル，約100円）で割

き英語になっているが，中国語を勉強すると，英語の文法より中国語の文法を当てはめたほうがすんな
り受け入れられることがわかるであろう．象徴的な言葉に「オッケーラ！」があるが，これは英語のとどこでも行けるようになる．また，地下鉄の拡張整備が急ピッチで進められている．地下鉄においてOKに中国語の了（ラ）や，マレー語のlahが混じっている言葉で，英語のOKよりやややわらかく感じる．

は，ローカルの人々は，待たずに乗り込むというのが普通であり，タクシー待ちでも列をつくらず，先に待っていても割り込まれることもある．
イギリスの影響を受けて，２階建てバス（図５）

そしてこのラは気分次第でロやレに変わったりもする．この言葉の曖昧さにになんともいわれぬ南国の寛容さ，シンガポールらしさを感じられればあなたももうシンガポールマスターである（私はまだ１年が数多く見受けられる．以前学生時代の友人が小さな男の子を連れてきたとき，これをみて非常に喜ん

半の若造であるが）．

でいたものだ．ただ，このバス，停車ボタンはあるのだが，バス停ごとのアナウンスなど，現在位置がわかる情報は出しておらず，観光客や目的地に行ったことがない場合は避けたほうがよい乗り物である．
タクシーも日本よりは安価で，初乗りＳ$3.2（シンガポールドル，約200円），１キロあたりＳ$0.52―
0.61（同約30円―40円）である．車の台数が制限されているためか，午後６時―８時，10時―12時のピークには流しのタクシーは殆ど拾えなくなる．予
約すれば大抵捕まえられるが，大勢でタクシーを待っている様は日本のバブルを連想させる．

余暇
私も含め，シンガポールに住む人々は運動好きである．ランニング大会は短距離から長距離まで，年に数回行われており，非常に多くのランニング愛好家が参加している．日本人でも入賞している人を見かけるし，フェースブックなどでの友人の参加率は高い．毎週末活動している走る会というのもあるようである．ランニングだけでなく，サイクリングもはやっており，海沿いの公園なんかをよく走っている．各所に市民プールがあり，百円未満でずっと泳いでいられる．ただ，やはり一番メジャーなスポー
ツはゴルフで，料金の高いシンガポールを避け，ジョホールバル，バタム，タイなどによく行ってい
るようだ．

4．生

活

5．最

後

に

駐在員の生活ということで，シンガポールの概況をまとめた．学会誌にそぐわない表現もあるかもし
れないがご容赦いただきたい．

［著

図５

２階建てバス

わた

なべ

なお

き

渡 辺

直

樹 君

言語
シンガポールでは，基本的にどこに行っても英語が通じるが，ローカライズされており，シンガポー

者

紹

介］

2005年コガネイ入社，2011年１月よりシンガポール勤務
E-mail：naoki̲watanabe@koganei-corp.com

ルのイングリッシュということで，「シングリッ
シュ」などとよくいわれる．欧米で英語を磨いてきた方々からすると非常にわかりにくいものらしいが，
第43巻

第５号

― 69 ―

2012年９月（平成24年）

328

フルードパワーシステム

トピックス

学 生 に よ る フ ル ー ド パ ワ ー 企 業 見 学 記＊
阿

部

利

章＊＊

1．は じ め に術が多用されており，省エネのために，省エアを掲げるなど，SMCの独自性が随所に見られました．

産業界において工場のラインの自動化が進む中で，クリーンで自動化に容易な適用が可能な空気圧制御
は高度な普及を見せてきました．現在では，自動車，
電機，食品といった基幹産業はもちろん，IT産業

部品加工のラインでは，まず，省エア活動の一環を見学させていただきました．NCへ材料を送るエ
アシリンダにおいて，従来は常に同じ圧力でシリンダを作動していたものを，戻り時，つまり負荷があや医療・福祉の分野など幅広い産業分野で活躍しています．そこで，今回は空気圧機器を中心に，さま

まりかからない時に減圧してシリンダを作動させることで，エア消費量を30%削減することに成功した

ざまな分野のFA機器の開発，生産を行っている
SMC株式会社の筑波工場および技術センターを，
平成24年５月30日に筆者を含む同じ大学の学生３名で見学し，学生の視点から見た空気圧機器メーカを紹介したいと思います．

というものです．部品加工のラインは，このNCのように多くの工作機械によって自動化されています
が，人のいない所は明かりを消すなど，省エネへの取り組みもしっかりと行われています．その中で，特注品の部品に関しては，人の手で作られており，機械と人が上手くすみわけられていました．
出来上がった部品は，作る製品に合わせてそれぞれ棚に納められるのですが，どの部品をどの棚に入れておくのかを，バーコードを読み取ることですぐ

2．見学先フルードパワー企業の概要
SMC株式会社は1959年に焼結金属工業株式会社として創業した，空気圧機器を中心としたFA機器
メーカであり，幅広くきめ細やかな製品群をラインアップし，ある一定の在庫を常に維持するという独特な生産管理システムを採用することで，多種多様なニーズに対応できるという強みを持っています．
また，顧客のニーズに対応し続け，FA機器というつながりのなかで，電動機器や温調機器・薬液用機器など，従来の空気圧機器以外の分野にも活躍の場を広げています．その中で今回は，主にエアシリン
ダを製造する筑波工場とSMCが力を入れる技術開発の中心地である技術センターを見学させていただ
きました．
3．工場内および技術センター見学
3.1 筑波工場
筑波工場では，２つの工場を見学させていただきました．基本的には１階で部品加工，２階で組み立てという流れで，加工された部品は工場ごとに組み立てられます．工場全体を通して，機械に空気圧技＊

平成24年６月11日

原稿受付

＊＊

横浜国立大学大学院工学府（所在地 〒240‑8501 神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台
79―１）
第43巻

第５号

― 70 ―

図１

インパクト成形機
2012年９月（平成24年）

阿部

329

利章：学生によるフルードパワー企業見学記にわかるようになっており，そういった部分での合理化も進んでいます．

それまでとはまた違った厳重な管理のもと，製品が作られていました．

これらの部品加工ラインの中で特に目を引いたのがインパクト成形機（図１）で，700tの力を持ってプレスし円柱材から底付きのシリンダ形状を作り上3.2 技術センター
技術センターには２つの棟があり，新製品などを開発・設計する設計室，これらの性能を試験する実げるその機械の大きさに圧倒されました．また，今回特別に成形後の部品を触らせていただいたのですが，その部品が熱いということをただ知っていると

験室，製品を紹介するショールームなどによって構成されています．
まず，技術センターについての簡単な説明を受けいうだけでなく，体感できたことで，現場にきて体感することは自分の持っている知識をより深めるものだと実感しました．
工場２階で行われている製品の組み立てラインでました．
技術者の方々が，顧客のニーズに応える商品づくりをするために営業と一緒に客先を訪問したりして，常にこのセンターだけで仕事をしているわけではな

目を引いたのは，薄型のシリンダの自動組立ライン（図２）です．作業者がバーコードを読み取り，部

いと伺い，顧客視点の商品開発という基本理念に対する真摯な姿勢を感じました．

品をセットするだけで製品が出来上がります．この自動組立機はSMC自身で設計しており，部品もほとんど自社の製品を使用しています．これによって，コストを大幅にカットでき，そのノウハウは次の製センター内で開発し，作成された試作品などの性能試験を行う実験室（図３）には，多くのデスクがあります．それぞれのデスクに試験できる性能を有した測定装置があり，技術者が試作品を測定する性品にも活かすことができます．また，機械で正確に組み立て，計測シリンダで0.01㎜精度の検査を行う
ことで，クレームゼロのラインを生みだすことができています．

能の測れるデスクへ移動していくことで実験を行っています．これによって，測りたい性能が変わるごとに，わざわざ自分のデスクの測定器具を変えるという手間がかかりません．

図３
図２

技術センター内実験室

もちろんこのような小さなデスクの上で測定できない性能や製品もあります．このような性能や製品

自動組立ライン

組みたてライン近くには，発注された製品がわかるように伝票がまとめられているゾーンがあり，各製品の担当者が製品の納期や個数を確認します．こは，クリーンルームや専用の測定器具のある部屋で測られます．測定器具の中には，ハイスピードカメ
ラのような，そんなものまで必要なのかと感じるよこで驚いたのは，その納期です．それらは，３〜５日の短い納期で，中には発注日当日が納期になっているものもありました．これらを納期通りに対応しうな意外なものもありました．また，このような部屋の１つであるライフ室では，製品の寿命を測るのに，繰り返し試験が必要とされるため，多くの機器ており，これがSMC独特の在庫を補充していく生
産方式につながる一番の理由なのだろうと感じられました．

が一度に大量に動いているのですが，その音はすさ
まじく，近隣の方々の迷惑にならないように，隣接する高速道路側に部屋を設置し，さらには半分地下

工場には，これらの通常の部品加工や組み立てのにするという工夫がされていました．
ラインとは別に，半導体製造用の高真空バルブの組
今回見学した棟の２階にあるショールーム（図４）
み立てのために，クリーンルームも用意されており， では，初期製品の焼結金属フィルタから，現在のさ
第43巻

第５号

― 71 ―

2012年９月（平成24年）

330

フルードパワーシステム

まざまなFA機器まで，その歴史とともにSMCの製品を見ることができます．さらにここでは，顧客のても同様なことが言え，日常の生活に活かしていけると考えます．

ニーズから生まれた製品が多数展示されています．
たとえば，それまで吸盤を使って吸い上げていたものに，吸盤の跡が残らないようにするために作ら技術センターにおいて，お話をうかがっている中で，技術者が営業について行って顧客と話すということは重要なことだという話が出ました．自分たちれ た， 空 気 の 流 れ の 力 だ け で 持 ち 上 げ る 非 接 触チャックや，空気を伝える配管が複雑に絡み合い，こんがらがることを防ぐため，アクリルの中に配管が関わり，作られた製品がどのように使われ，どのような評価を受けているのかということを直接聞く
ことで，技術者のモチベーションがあがるということ同様の役割を担う管を作った高集積樹脂マニホー
ルドなど，とことん顧客のニーズに応える製品を生み出していることが良くわかるフロアです．

とでした．私も実際に自分が物を作った時のことを考えてみると，自分の作った物が褒められたり，感謝されたりするのは嬉しいだろうなと非常に共感いたしました．また，顧客のニーズに応え続けていく
ために，人材の育成も非常に重要なファクターであるとお聞きし，ニーズに応えるということの難しさ
をより強く感じました．
私自身，大学の講義や研究で空気圧機器にあまり触れたことがなく，実際に生の生産現場を見て，空気圧技術の汎用性の高さを知ることができたのは非常にいい経験になったと思います．このような貴重な機会をくださった役員・社員の方々に，見学者一同（図５）深く感謝し，この場を借りて御礼申し上げます．ありがとうございました．

図４

ショールームの様子

見学を終えての感想
今回の見学で最初に印象に残ったのは，工場に入ってすぐに耳に入った空気のシューという音でした．これまでいくつかの工場を見学してきましたが，ここまで空気圧技術を用いた産業機械がたくさんあった所はなかったからです．そのため，今回は空気圧機器を取り扱う企業に来たのだなと強く感じました．
近年省エネは企業にとって，非常に重要なキー
ワードとなっています．特に昨年の大震災をうけてからの電力事情は厳しくなる一方で，今回の見学で図５ 見学者と案内してくださった役員・社員の方々も随所で省エネに関するキーワードが出てきました．
その中でも，先にも取り上げましたが，省エネのための省エアという言葉は新鮮で，その内容から学んだことは大変有意義なものでした．省エア活動は，機械が作動していない間のエア供給を止める，供給圧力を下げ流量自体を少なくするなど，聞いてしま

［著
あ

べ

阿

部 利

えば決して難しいことではありません．そこから学んだことは，どれだけ日々の工程を注意深くみて，当たり前の部分を変えていくのかが重要であるということです．これは省エアだけでなく，私達個人にとっても重要度を日に日に増している省エネに関し

第43巻

第５号

― 72 ―

とし

者

紹

介］

のり

章 君
2011年横浜国立大学工学部生産工学科卒．
同年横浜国立大学大学院工学府博士課程前期システム統合工学専攻機械システムコー
スに入学．日本フルードパワーシステム学会の学生会員．
E-mail：abe-toshinori-ry@ynu.jp

2012年９月（平成24年）

高岩

331

昌弘：平成24年春季フルードパワーシステム講演会報告

企画行事

平成24年春季フルードパワーシステム講演会報告＊
高

岩

昌

弘＊＊

1．は じ め に
本年５月24日（木），25日（金）の両日，機械振興会館（東京都港区芝公園３―５―８）において，平成24年春季フルードパワーシステム講演会が開催された．昨年度は東日本大震災の影響で通常の講演会 と し て は 開 催 し て お ら ず， ま た， 昨 年 はJFPS
International Symposium開催のため秋季講演会も行われていないので約１年半ぶりの学術講演会となった．会期前日の５月23日（水）には国際交流事業の一つである第２回日中共同国際ワークショップ（The 2nd Japan-China Joint Work Shop on Fluid
Power 2012）が同会場において開催され，同講演会２日目に中国側ミッションからProf. Shaoping
Wangに特別講演を行っていただいた．
本講演会における発表件数は32件と例年に比べて若干少なかったが，参加者数は100名と盛況であった．
以下では本講演会の内容を時系列的に紹介したい．

図１

講演発表の様子

図２

特別講演の様子

2．講演会スケジュール
セッションは，OS３件，一般セッション５件で構成された．OSはフルードパワーの性能向上に不可欠な要素技術や，フルードパワーならではの特徴が活かされた応用分野という観点から企画委員会において議論し，「OS1：フルードパワーシステムのトライボロジーとその周辺技術」，「OS2：ミクロとマクロでブレークスルーを支えるフルードパワー」
および「OS3：生体協調システムとしてのフルード

２日目（５月25日）午前中はOS2とOS3および一般セッションが行われた．午後14：00からは特別講演が開催された．先述したように本講演会前日に開催された第２回日中共同国際ワークショップで来日

パワー」に関する話題を募集した．一般セッション

されている中国側ミッションからの講演である．第は「空気圧」と「水圧および油圧」というカテゴリに分けて実施した．
初日（５月24日）の午前中はOS1と一般セッションを行い（図１），午後からは併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」のみが開催された．本セミ

１回の同ワークショップは２年前に中国蘭州理工大学で開催され，筆者も日本側ミッションとして参加
した．今後も本ワークショップの開催により，両国のフルードパワー関連学協会の交流と学術的な情報交換の機会が継続されることを望む．

ナーは本来，昨年度の同時期に実施予定であったものである．

特別講演では，当初予定されていた北京航空航天
大 学 のProf. Zongxia Jiaoの 代 理 で 同 大 学 のProf.

＊平成24年６月14日

＊＊

原稿受付

岡山大学大学院自然科学研究科（所在地 〒700‑8530 岡山市津島中３―１―１）
第43巻

第５号

Shaoping Wangにより「Improvement methodology
on the load simulator」と題して行われた（図２）．
その後，総会が開催された後，技術懇談会が開催された（図３）．筆者は学内で産学連携推進委員な― 73 ―

2012年９月（平成24年）

332

フルードパワーシステム

情報交換という講演会が有する本来の役割は十分果たせたのではないかと思う．最後に，本講演会の開催にあたり，大内英俊委員長をはじめとする企画委員，本講演会WGの皆様，ならびに事務局スタッフのご尽力に御礼申し上げる次第である．

［著

図３

技術懇談会の様子

たか

いわ

高

岩 昌

る役を頂いているが，学術講演会の懇親会は産学連
携上，重要で必ず参加するようにという「お達し」
をいただいている．懇談会においては学術的な情報交換だけでなく産学の出会いの場でもあり，共同研
究がスタートする可能性を秘めている．
3．お わ り に
今回の講演会では発表件数が若干少なめであったが，全体的には活発な議論がなされており，学術的

第43巻

第５号

― 74 ―

まさ

者

紹

介］

ひろ

弘 君
1967年７月17日生．1992年岡山大学大学
院工学研究科修士課程生産機械工学専攻修了．同年岡山大学工学部機械工学科助手．
1996年同システム工学科助手．2000年同シ
ステム工学科講師．2005年同大学院自然科
学研究科講師，2007年同准教授．現在に至る．博士（工学）．空気圧サーボを中心とした人間支援型ロボットシステムの研究に従事．日本フルードパワーシステム学会，
計測自動制御学会，電気学会，日本バーチャルリアリティ学会などの会員
E-mail：takaiwa@sys.okayama-u.ac.jp

2012年９月（平成24年）

加藤

友規：平成24年春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」

333

企画行事
＊
平成24年春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」

加

藤

友

規＊＊

1．は じ め に
平成24年５月24日（木）午後に，平成24年春季フ
ルードパワーシステム講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」が，機械振興会館本館地下３階研修室１を会場に開催された．本セミナーは，平成23年３月に発行された本学会誌第42巻第２号の特集記事「電動とフルードの社会貢献」をテキストとして開催された．この特集記事は，フルードパワーと電動アクチュエータの性能比較やアプリケーショ
ンの棲み分け，環境保護や持続的社会の構築を視野に入れたハイブリッド技術，などについて特集したものであり，微振動制御や超微細加工技術から鉄道
台車・超大型ショベルまで，10件の幅広い内容の記事で構成されたものであった1）．
本セミナーは当初，１年前の平成23年５月に開催される予定であったが，東日本大震災の影響によりやむをえず延期となり，本年度の開催となった．な
お本セミナーは，学会講演会等の行事を企画する企画委員会と，学会誌を編集する編集委員会との第９回目の合同企画事業として企画されたものである．
以下，簡単で恐縮ではあるが，本併設セミナー当日の様子についてご報告する．

写真１

開会の挨拶（大内企画委員長挨拶）

2.2 ご 講 演
大内先生のご挨拶に引き続き，本セミナーでは７件のご講演が行われた（写真２，写真３）．講師の先生のお名前とご講演題目，ご講演内容のご紹介を，以下にご紹介させていただく．なお，各ご講演内容
はとても筆者ごときに短く纏められるようなものではなく，必ずしも正確な概要とはなっていないことを何卒ご容赦いただき，詳細については学会誌第42
巻第２号をご覧いただきたい．
① 住友金属工業株式会社 根来尚志先生「鉄道台車の空気圧を用いたサスペンション制御技術」
新幹線などの鉄道台車の乗り心地改善のために用いられるアクティブサスペンションや空気ばね車体

2．セミナーの概要
2.1 開会
セミナーは13時に開会となり，冒頭に企画委員長の大内英俊先生（山梨大学）から開会のご挨拶をいただいた（写真１）．ご挨拶の中で，学会誌第42巻

傾斜システムにおいて，電動・油圧・空気圧の各種アクチュエータが使用されている事例や比較，近年第２号の特集記事「電動とフルードの社会貢献」が発行されることになった意義や経緯，また本特集記
事が発行される前段階として，学会誌第34巻第２号（2003年３月発行）に特集記事「電動か？フルードか？」が発行されていたこと，本セミナーが大震災の影響で１年延期となったこと，お忙しい中ご出席いただいた講師の方々への謝辞などが述べられた．
＊

平成24年６月５日

原稿受付

＊＊

福岡工業大学工学部（所在地 〒811‑0295 福岡市東区和白東３―30―１）
第43巻

第５号

写真２
― 75 ―

セミナーの様子2012年９月（平成24年）

334

フルードパワーシステム

を進めるアルキメデスの渦巻き曲線の溝を設けたカムを有する小型・軽量な電動グリッパの構造・機能が説明され，電動グリッパと空気圧駆動のグリッパの使用例や比較について解説された．
⑦ 株式会社ジェイテクト 山内健太郎先生「パワーステアリングの技術動向」
まず，自動車のパワーステアリングの構造による分類・歴史・シェアなどについて解説された．特に，
パ ワ ー ス テ ア リ ン グ は 油 圧 パ ワ ー ス テ ア リング

写真３（HPS）と電動パワーステアリング（EPS）に大別されるが，油圧ポンプをエンジンではなく電動モータで駆動するH-EPSについて，構造や長所が解説さ

セミナーの様子

の技術動向について解説された．
② 長崎大学 矢澤孝哲先生「超精密加工・計測分野におけるフルードパワー技術」
超精密切削加工と計測に用いられるフルードパ
ワー技術（空気軸受・油圧軸受・タービン・除振台・ステージ装置など）についてご紹介があり，それら要素の電動との比較について，特にユーザーの視点からの意見・説明がなされた．
③ 日立建機株式会社 藤田浩二先生「超大型電動式油圧ショベル」
同社および他社が世界各地で開発・導入を進める
各種の超大型ショベルについて，超大型電動式油圧ショベル・エンジン式油圧ショベルの比較，また油
圧式ショベルとロープ式ショベルの特徴やコスト面での比較について解説された．
④ 名城大学 大道武生先生「グリーンメカトロニ
クスと液圧システム」
ロボット技術とメカトロニクス技術の普及と活用れた．市場割合はEPSが増加傾向にあるが，HPSは現時点でも世界で約50%のシェアがあり，電気的な制御技術と結合したHPS技術は省エネルギー化が進む自動車技術の中で重要な技術であることが解説さ
れた．
2.3 閉
会
講師の先生お一人当たりご講演約20分・質疑応答
約10分の計30分ということで，１件当たりの時間が比較的短いセミナーであった．しかし，どのご講演においても活発な質疑応答が行われるなど，内容の大変濃いセミナーであった．約３時間半の７件のご講演はあっという間に終了し，16時50分頃には編集委員長の眞田一志先生（横浜国立大学）より閉会のご挨拶をいただいた（写真４）．その後，講師の先生方と聴講されたご出席者全員で，記念撮影を行った（写真５）．本セミナーには，７名の講師の先生方の他に，聴講者として28名の方々にご出席いただ
いた．

によって，革新的省エネルギー技術が実現できることに着目し，それらの基盤となる各種の構築技術の紹介や環境保全への適用について提言・紹介された．
⑤ 日本電産トーソク株式会社 安田智宏先生「オートマチックトランスミッションに用いられる伝動機器」
まず，同社が開発を進めるオートマチックトラン
スミッション用油圧電磁弁の基礎的な事項（種類・分類，構造，動作原理，磁性材料）について解説された．後半は，トランスミッション用の油圧電磁弁に要求される各種性能と今後の技術動向について，解説された．
⑥

株式会社TAIYO 大石貴弘先生「小型電動グ
リッパの機能と特徴」

まず，産業用ロボットの先端部のグリッパに電動を用いるか空圧を用いるかは，機能やコストにより分かれるところであることが解説され，同社が開発
第43巻

第５号

― 76 ―

写真４

閉会の挨拶（眞田編集委員長）
2012年９月（平成24年）

加藤

友規：平成24年春季講演会併設セミナー「電動とフルードの社会貢献」

335

3．お わ り に
東日本大震災の影響で１年延期となった本セミナーであったが，無事に成功裏に終了することができた．これもひとえに，関係各位のご協力の賜物であると感じており，この場を借りて深く感謝申し上げる．特に，大変お忙しい中，講師をお引き受け下さった７名の先生方には心から謝意を表する．
また，冒頭に述べたとおり，本セミナーは学会誌

写真５第42巻第２号の特集記事「電動とフルード社会貢献」を基にしたものであり，同特集記事の主査の山崎大生先生に深く敬意を表する．

集合写真

なお最後に，僭越ながら本セミナーの主査および司会は筆者が担当させていただいた．このような大役を務める機会を与えて下さり，事前準備から当日
2.4 アンケート
次回以降のセミナーをより一層充実したものとすることを目的に，セミナー終了後に，出席者の方々にアンケートをお願いした．
本報告記事のページ数の都合上，ここではアン
ケートのうちの一部の項目について集計結果をご紹介させていただくこととする．
設問：参加された動機を教えてください．
自主的に……56%，同僚に誘われて……5.5%，上司・先生に勧められて……33%，上司・先生から強制的に……5.5%
設問：今回のセミナーをどのようにお知りになりましたか．
学会誌……28%，インターネット……39%，学会からのお知らせ……16.5%，知人からの紹介……

の運営業務までご担当下さった企画委員会・編集委
員会ならびに学会事務局の皆様に深く謝意を表する．
参

献

パワーシステム学会誌，Vol. 42，No. 2，p. 89‑137（2011）

［著
か

とう

加

藤 友

とても役立った……25%，役立った……62.5%，
普通……12.5%

第５号

文１）特集「電動とフルードの社会貢献」，日本フルード

5.5%，その他……11%
設問：今回のセミナーはお役に立ちましたか．

第43巻

考

― 77 ―

とも

者

紹

介］

のり

規 君
2007年東京工業大学大学院博士課程修了．
都立高専助手〜助教を経て，2010年福岡工業大学工学部知能機械工学科助教，2012年
同准教授となり現在に至る．本学会（企画委員・編集委員），精密工学会などの会員．
博士（工学），技術士（機械部門）．
E-mail：t-kato@ﬁt.ac.jp

2012年９月（平成24年）

336

フルードパワーシステム

編 集 室

次号予告
―特集「フルードパワーにおける組み込みシステム」―「フルードパワーにおける組み込みシステム」発行にあたって
組み込みシステムがフルードパワーにもたらすもの
歩行リハビリ訓練用高機能靴
ショックレス切換弁
電子制御ミキサ車
スマートポジショナ
デジタル電空レギュレータ EVDシリーズ〔解説〕油圧回路設計・動特性解析用シミュレーションパッケージOHC−Simの現状
阿佐ヶ谷プロジェクト―３次元免震建物の地震観測（後編）〔FPIC会議報告〕ROBOMEC2012におけるフルードパワー技術研究動向〔教室〕おもしろ油圧機構 第９回 ハイドロスタチックトランスミッション
おもしろ空気圧 「空気圧システムの合成計算」
入門講座「流体力学」 第２回：ものの見方を変えよう〔研究室紹介〕東京都市大学高機能機械制御研究室

吉満
小山
早川
北村
川島
渡邉
吉田
桜井
高橋
金
大橋
妹尾
高橋
佐川

俊拓
紀
恭弘
修
茂
崇
享平
康雄
治
俊完
彰
満
勉
祐貴

平成24年度「フルードパワーシステム」編集委員
委 員 長 吉副委員長 塚
委
員 伊
内
大
小
加
木
金
栗
五
佐
妹
多
会

田
越
藤
堀
橋
倉
藤
原
林
嶋
藤
尾
田

和
秀
雅
晃
友
和
俊
直
裕
恭
昌

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

中 野 政 身（東北大学）
西 海 孝 夫（防衛大学校）
藤 田 壽 憲（東京電機大学）
丸 田 和 弘（㈱コマツ）
村 松 久 巳（沼津工業高等専門学校）
柳 田 秀 記（豊橋技術科学大学）
山 田 真の介（㈱TAIYO）
山 田 敏 夫（㈱コガネイ）
山之内 健 司（KYB㈱）吉 満 俊 拓（神奈川工科大学）
担当理事 宮 川 新 平（KYB㈱）山 田 宏 尚（岐阜大学）
編集事務局 藤 谷 秀 次（学会事務局）
竹 内 留 美（勝美印刷㈱）（あいうえお 順）

告

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

第43巻

第５号

― 78 ―

2012年９月（平成24年）

ISSN

1880―3121

日本フルードパワーシステム学会論文集
第43巻, 第５号（2012）
平成24年９月
目次研究論文
１．微粒子励振型空気流量制御弁の非線形性補償による流量制御
廣岡

大祐，鈴森

康一，神田

岳文

117

紀

122

２．双方向型空気圧コンプレッサの開発と応用
吉満

俊拓，藤田

貴吉，小山

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

子磊，高岩

昌弘，則次

俊郎，佐々木大輔

一般社団法人日本フルードパワーシステム学会

128

ISSN

1880―3121

TRANSACTIONS OF
THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY
Vol.43, No.5

September 2012
Contents

Paper
１．Flow Rate Control using Particle Excitation Valve with Non-linear Compensation
Daisuke HIROOKA, Koichi SUZUMORI, Takefumi KANDA

117

２．Development and Application of Alternate Direction Air Compressor
Toshihiro YOSHIMITSU, Takayoshi FUJITA, Osamu OYAMA

122

３．Development of Pneumatic Quadruped Robot（1st Report: Motion Control by Introducing Disturbance Observer）
ZiLei ZHAO, Masahiro TAKAIWA, Toshiro NORITSUGU, Daisuke SASAKI

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

128

117

廣岡・鈴森・神田：微粒子励振型空気流量制御弁の非線形性補償による流量制御

研究論文

微粒子励振型空気流量制御弁の非線形性補償による流量制御＊
廣 岡 大 祐＊＊，鈴 森 康 一＊＊，神 田 岳 文＊＊
Flow Rate Control using Particle Excitation Valve with Non-linear Compensation
Daisuke HIROOKA, Koichi SUZUMORI, Takefumi KANDA
The purpose of this study is the development of a valve that can precisely control pneumatic cylinders. The valve islightweight and has simple structure. The valve uses a piezoelectric oscillator which is driven in the resonance mode, and it
can control ﬂow rate by controlling the amplitude of the particle excitation. In this report, we have designed a newprototype for the purpose of high controllability. We have applied a non-linear control algorithm to control Q-V nonlinearlityof this valve. We found that this control works well to realize linear Q-V characteristics.
Key Words: Control valve, Actuator, Pneumatics

1．緒

より圧電素子を取り付けた流量制御弁２号機の作製と，そ言の性能の確認13），14），オリフィスの配置条件，直径を変更す

空気圧シリンダは工場などで広く使用されているが，動ること段階的な流量の変化を確認した15），16）．

作端点での衝撃が問題となることがある．この問題の解決

本論文では，以上のことを踏まえ連続的な流量調整を目策として，シリンダ内にクッションを取り付ける，流量制

指しオリフィスパターンの変更を行った新たな流量制御弁

御弁を用いて供給空気圧を制御する，固定絞りの小型スを作製した．作製した流量制御弁の印加電圧に対する流量

ピードコントローラを用いたメータアウト／メータイン駆特性を確認し，非線形性を考慮して電圧パターンを最適化

動を行うなどの方法がある．しかし，クッションつきのシすることにより線形的な流量の制御を実現した．

リンダでは，質量や容積の増加が問題になることがある．

2．動 作 原 理

流量制御弁を用いた，制御では制御系が高価で大型になるという問題がある．小型のスピードコントローラはシリン

2.1 駆動原理

ダに取り付けて使用することができ，シリンダの近くで流本研究で開発している流量制御弁の動作原理をFig. 1に量を制御できるという利点がある．一方で，これらの速度示す．流量制御弁は，オリフィス板，圧電振動子，微粒子

制御弁は手動のものが多く，シリンダ駆動時に連続して流から構成されている．オリフィス板はフランジを持った構量を調整することができない．この速度制御弁に変わるも造で，圧電振動子はオリフィス板のフランジ部分の底面にのとして新しい原理の小型の流量制御弁も開発されてい取り付けられている．圧電素子の振動によりオリフィス板

1）
，
2）
，
3）
，
4）

る

．また制御弁の応答性や制御性を向上させること

内部で大きな変形が起こる構造となっている12）．

で，制御の効率化を向上させようという研究も行われていFig. 1⒜のように外部から，空気が流量制御弁内に供給

る5），6）．さらに，制御システムを高度化することにより，されると，微粒子がオリフィス開口部に押し付けられ空気

制御性の向上を目指す研究も進められている7），8），9），10），11）．

の流れを防ぐ．このため，流量制御弁は通常時に閉じた状

本研究では，流路に封入した微粒子を用いて空気管路を流態となる．このとき，圧電振動子に電圧を印加すると，れる空気流量を制御する小型で安価の新しい原理の流量制

Fig. 1⒝に示すように，オリフィス上の微粒子が励振され，御弁を開発している．微粒子の制御を圧電振動子による励振で行うことにより小型で，大流量の連続的な制御が可能となる．現在までに，動作原理を証明するための試作１号
機の製作12），小型化と高効率化を目指して，ボルト締めに＊

平成23年８月22日 原稿受付

＊＊

岡山大学
（所在地 岡山市北区津島中３―１―１）（E-mail：hirooka@act.sys.okayama-u.ac.jp）
第43巻

第５号

⒜

Closed condition

Fig. 1―1―⒝Open condition

Structure of particle-excitation variable
2012年９月（平成24年）

118

日本フルードパワーシステム学会論文集

オリフィスより離れる．本研究では，振動のモード，振動振幅，オリフィス配置条件を最適化することで，連続的な流量制御を目指す．
2.2 駆動条件
微粒子がオリフィス板を離れる際に必要な条件を計算により求める．微粒子の質量をm，空気圧をP，オリフィスの半径をｒ，としたとき微粒子がオリフィス開口部に押し付
Fig. 2

けられる力F1は以下のように表せる．
F1 ＝π r P±mg
2

Schematic of the ﬂow control valve⑴

式⑴のは流量制御弁の設置の向きによって決まる．オリ
フィスの半径を0.2㎜，空気圧を0.5MPaとすると微粒子がオ
リフィス開口部に押し付けられる力は，6.28×10−2Nとなる．
それに対して，微粒子を直径0.8㎜の鉄球とすると質量は2.11×10−6 ㎏となり，重力の影響は1.38x10−4Nであるので，制御弁が設置の向きによって特性に違いを示すことはない．
次にオリフィス板の振動により微粒子が受ける力F2を示す．振動の振幅A，角速度ωを用いるとF2は以下のように表せる14）．
F2＝−Aω2 m sin ωt

Fig. 3⑵

Model of cushion plunger

振動周波数が f のとき，ωはω=2 π f で表せる．F1よりF2が大きくなった際に，微粒子はオリフィス開口部を離れる．

3.2 オリフィス配置条件
本報では，連続的な流量の制御を目指し，オリフィスの以上の条件より，微粒子がオリフィス開口部を離れる条件であるオリフィス板の加速度 aは次の式で表せる ．
12）a＞

πr p±mgm

配置条件を決定した．Fig. 4にオリフィスの配置条件を示す．
オリフィスは合計９個，中心から0.4㎜の位置から0.2㎜間

2⑶隔で並んでいる．この結果，オリフィスごとに発生する加式⑶より，必要加速度を計算により求める．ここで，空速度に差が発生し，駆動電圧によりオリフィスの開口面積

気圧を0.7MPaとすると，オリフィスの半径0.2㎜，の際の必が変化すると考えられる．実際に製作したオリフィス板を

4

2

Fig. 5に示す．オリフィス径は0.4㎜とした．

要加速度は，4.31×10 m/s となる．
オリフィス板の構造上，中心付近での変位が大きい変形
モードが発生すると考えられる．この結果，より中心に近いオリフィス上の微粒子のほうが離れやすく，中心から離れたオリフィス上の微粒子は離れにくくなる15）．

3．流量制御弁概要
3.1 流量制御弁の構成
本報で使用する流量制御弁の構造をFig. 213），構成要素をFig. 3に示す15）．オリフィス板の材質はステンレス鋼（SUS304）で，外径10㎜，内径８㎜，高さ８㎜，質量は2.5gである．圧電素子は外径10㎜，内径8.2㎜，厚さ0.2㎜のリング状である．Fig. 2に示すようにオリフィス板と圧電素子
は間に電極を挟んだ状態で，ボルト締めで固定されている．
作製する流量制御弁は，空気圧シリンダのポートに直接取りつける構造となっており，オリフィス板のフランジ部分

Fig. 4 Oriﬁce pattern of the ﬂow control

をシリンダのポート部分と圧電素子で挟み込む構造となっている．この構造により，圧電素子の変位を効率よく伝え

3.3 振動解析
製作したオリフィス板の振動挙動を確認するため有限要ることができ，オリフィス板の中心付近で大きな振動加速度を発生させることが出来る．

素法解析により，振動のモードを確認した．境界条件として，オリフィスのフランジ上部のねじ部を完全拘束して解

第43巻

第５号

―2―

2012年９月（平成24年）

廣岡・鈴森・神田：微粒子励振型空気流量制御弁の非線形性補償による流量制御

Fig. 5Photograph of oriﬁce pattern at 0.4mm

Fig. 7

析を行った．解析により求められた変形形状をFig. 6に示

119

Relationship between acceleration of the flow
control valve and frequency

す．Fig. 6における色の違いは最大変位を示している．この図は低次共振点の振動モードを示しており，オリフィス

印加電圧を増加させ，流量の変化を測定した．排気圧は大板の中心付近で振動の腹となるモードが発生し，中心から気圧とした．静的特性を確認するために電圧を０VP-Pからの距離により変位が異なることから，オリフィスごとに加100Vp-pまで十分に遅い速度（0.4V/s）で変化させた際の流速度に差が見られることが確認される．

量特性でこの弁の静的特性を示している．実験の結果をFig. 9に示す．

4．流量制御弁特性
4.1 圧電特性評価
解析をもとに実際に製作した流量制御弁の特性の評価を行った．レーザドップラー振動計を用いて実際の共振周波数とオリフィス板の厚み方向の振動加速度を測定した．測定の条件は印加電圧を２Vp-pで固定し，駆動周波数を100kHzから200kHzの間で変化させ，オリフィス板の中心付近の加速度を測定した実験の結果をFig.7に示す．実験の結果より，駆動周波数が192kHzのとき，最も大きな加速度が確認された．今後，流量変化実験等には以下の周波数を使用するものとする．

Fig. 8Experimental system for evaluating ﬂow rate

4.2 流量特性評価
製作した流量制御弁の流量特性の測定を行った．使用し実験の結果より，非線形的ではあるが，印加電圧の増加た実験システムをFig. 8に示す．流量の測定には熱式流量に伴い流量の変化量も増加していることが確認される．流計（CKD FSM‑2）を用いて，印加空気圧をそれぞれ0.7，0.6，

量のデータに幅がある理由は，オリフィス開口部を離れた

0.5MPaで固定し，実験により求めた共振周波数において，微粒子が不規則に運動し，オリフィス開口部を不連続にふさいでいるためであると考えられる．また，印加空圧が増加すると，流量変化時に必要な振動加速度が大きくなるため，流量変化が発生する電圧は高くなる．一方で，印加空圧が高ければ，開口面積が同じ状況であれば，流れる流量は多くなる．流量増加の傾向として，30l/min付近まで，流量が増加したあとは変化の割合が緩やかになっている．これは，中心付近では空気の流速が速いため，中心に近い部
分のオリフィスが開いた際には大きな流量変化が起こるためである．

5．非線形制御
Fig. 6

Analytical results of defomation mode of the ﬂow
control valve

第43巻

第５号

前節の実験結果を基に，流量の線形的な変化を目指す．
前節の実験結果の0.7MPaにおいて，流量変化が始まる印加―3―

2012年９月（平成24年）

120

日本フルードパワーシステム学会論文集

Fig. 11

Fig. 9 Experimental results of ﬂow control valve
電圧34Vp-pから100Vp-pまでのグラフを取り出し多項式で近6．結似したものをFig. 10に示す．Fig. 10に示された多項式を，
流量をQ，電圧をVとして，３次式で以下のように表す．
Q＝K1V ＋K2V ＋K3V＋K4
3

3

Compare target ﬂow rate and actual ﬂow rate

言本研究では，小型で連続的な流量の調整が可能な流量制⑷

御弁の開発を行っている．本研究で開発している流量制御

式⑷によって表された，K1，K2，K3，K4を最小二乗法に弁は，圧電素子に印加する電圧制御し，振動の振幅を増減

3

よ り 求 め た． そ の 結 果，K1=0.005l/minV ，K2=‑0.124l/2

させることで，オリフィスの開口面積を制御することができることが確認されていた．現在までの傾向として，印加

minV ，K3=10.42l/minV，K4=‑240.6l/minVとなった．
Figure 10により求めた印加電圧目標の流量を比較したも電圧の増加と流量の増加の関係が非線形であった．そこで，のをFig. 11に示す．Fig. 11より目標の流量と，実際の流量

本報では，駆動電圧を非線形で増加させることで，流量のはほぼ等しい結果となった．一方で20l/min付近では流量と線形的な増加を目指した．まず，流量の増加パターンを多目標値との誤差が大きかった．20l/minの流量変化が起こる

項式で近似することで，実験の結果より，目標流量に対す

オリフィスの数は，４個目から５個目の間であると推定さ

る印加電圧を求めた．

れる．５個目のオリフィスはFig. 4に示される，中心から次に，求めた駆動電圧により流量制御弁を駆動させた際

1.2㎜のオリフィスである．このオリフィスは中心から0.4㎜，の流量変化を測定し，目標値との結果を行った．比較の結0.8㎜のオリフィスに接している．このため流量が増加して果から，測定された流量が目標値に近い値であることが確いく際，隣接しているオイフィスから流れる空気の影響を認された．以上の結果より流量の線形的な流量制御に成功

受け，微粒子の挙動が不安定になるためであると考えられした．

る．以上の結果が示すように，非線形の電圧パターンを印謝加することで，流量の変化を線形的に制御することに成功した．

辞

流量制御弁の試作機製作に関し，株式会社コガネイ様にご協力いただきました．
参 考 文 献１）S. Jien, S. Hirai, and K. Honda：Miniaturization Design ofPiezoelectric Vibration-Driven Pneumatic Unconstrained
Valves, Journal of Robotics and Mechatronics, Vol. 22, No.
1, p. 91 99（2010）２）T. Akagi, S. Dohta and S. Katayama：Development of
Small-sized Flexible Control Valve Using Vibration
Motor, Proc. 7th JFPS International Symposium on
Fluid Power, TOYMA, p. 2 25 (2008）３）S. Yun, K. Lee, H. Kimb, H. Sob：Development of thepneumatic valve with bimorph type PZT actuator,
Materials Chemistry and Physics 97, p. 1 4（2006）
Fig. 10

第43巻

Approximation of ﬂow rate change

第５号

４）K.‑P. Fritz, V. Mayer, T. Steﬀens, H. Kuck : Switching―4―

2012年９月（平成24年）

121

廣岡・鈴森・神田：微粒子励振型空気流量制御弁の非線形性補償による流量制御（2004）

Valve with Isolated Impact Actuator, Actuator
2010

12th

International

Conference

on

New

11）K. Ahn, S. Yokota：Intelligent switching control ofpneumatic actuator using on/oﬀ solenoid valves,

Actuator, B1.3, p. 242‑245（2010）

Mechatronics 15, p. 683 702（2005）５）M. Hoﬀmann, M. Kallenbach, K. Neumann, M. Herrig, V.
Zoppig, L. Dittrich：Resonant Ultra Low-Power Valve12）D. Hirooka, K. Suzumori, T. Kanda：Flow control valve

with High Nominal Width, Actuator 2008 11th

for pneumatic actuators using particle excitation by

International Conference on New Actuator, A4.0, p. 137,

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p. 1026 1029（2008）（2009）

６）E.-E. Topc，I. Yüksel, Z. Kamıs：Development of electro-

13）D. Hirooka, K. Suzumori, T. Kanda：Pneumatic Flowpneumatic fast switching valve and investigation of its

Control Valve Using Particle Excitation by PZTcharacteristics, Mechatronics 16, p. 365 378（2006）

Vibrator,

2009

IEEE

International

Ultrasonics

Symposium, P1‑P‑02, p. 1624 1627（2009）７）M.‑H. Chiang, C.‑C. Chen, T.‑N. Tsou：Large strokeand high precision pneumatic‒piezoelectric hybrid

14）D. Hirooka, K. Suzumori, T. Kanda：Experimental

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Analysis on Pneumatic Flow Control Valve Driven by

structure control, Mechatronics 15, p. 523 545（2005）

PZT

2010

IEEE/ASME

International

Conference on Advanced Intelligent Mechatronics,８）Y.‑T. Liu, C.C. Jian : Pneumatic actuating device with

FA1.5, p. 1041 1046（2010）

nanopositioning ability utilizing PZT impact force
coupled with diﬀerential pressure, Precision Engineering

Vibrator,

15）D. Hirooka, K. Suzumori, T. Kanda：Continuous Air
Control Using Particle Excitaion Valve, 2011 IEEE/31, p. 293 303（2007）

ASME９）M. Taghizadeh, A. Ghaﬀar, F. Najaﬁ：Modeling andInternational

Conferenceon

AdvancedIntelligent Mechatronics, WA1.5（2011）

identiﬁcation of a solenoid valve for PWM control

16）D. Hirooka, K. Suzumori, T. Kanda：Design andapplications, C. R. Mecanique 337, p. 131 140（2009）10）G. Belforte, S. Mauro, G. Mattiazzo：A method for

Evaluation of Oriﬁce Arrangement for Particle-Excitaion

increasing the dynamic performance of pneumatic servo

Flow Control Valve, Sensors and Actuators A171 p. 283‑

systems with digital valves, Mechatronics 14, p. 1105 1120

291（2011）

第43巻

第５号

―5―

2012年９月（平成24年）

122

日本フルードパワーシステム学会論文集

研究論文

双方向型空気圧コンプレッサの開発と応用＊
吉 満 俊 拓＊＊，藤 田 貴 吉＊＊＊，小 山紀＊＊＊＊

Development and Application of Alternate Direction Air Compressor
Toshihiro YOSHIMITSU, Takayoshi FUJITA, Osamu OYAMAThis paper proposes a new type of compressor that can discharge air in alternate directions. This compressor canoperate the direction/speed of a cylinder by changing the clockwise/counterclockwise rotational direction and therotational speed of the compressor, and also does not need additional solenoid control valves. The key issue here is todevelop an alternate direction air compressor having eﬀective performance. In this report, we verify the fundamental
characteristics and advantages of this compressor. We also investigate the possibility a cylinder system using this new typeof compressor.
Key words：Alternate Direction Air Compressor，Air Motor1．緒を開発する．つぎに，このコンプレッサを用いた空気圧シ

言

リンダ制御システムを構成し，予想される利点を確認してコンプレッサの形態として，運転制御により吸引と加圧ゆく．

を相互方向に切り替えできる双方向型もあり，油圧制御回2．双方向型コンプレッサの構成

路ではこのような双方向型がしばしば用いられる1），2）．しかしながら空気圧回路では使われることはなかった．

2.1 構成デバイス

空気圧回路においても，個々のアクチュエータに専用の加圧･吸引側が相互に逆転できる小型の双方向型コンプコンプレッサを配置するシステムを構成すれば，油圧の場

レッサを開発するにあたり，注目したのは空気圧モータで

3）
，
4）

合と全く異なった観点からその利点を指摘できる．油ある．これは軸の回転方向を逆転すると，排出と吸引が可と異なり空気の圧縮性は格段に大きく，この機能を用いた

逆になるベーン型であり，さらに内部が軸の回転方向に対様々な利用が考えられる．すなわち，単に，騒音や汚れなし完全に対称な構造をもつ．本来の機能はアクチュエータ

どで嫌われる排気を皆無にできるのみではない．アクチュ

であるが，電動モータとカップリングを用いて接続し可逆エータ内に空気を封じ込めたまま同じ空気を加圧・吸引し運転させて双方向型コンプレッサとして動作させた．

て用いれば，アクチュエータの動作剛性を高くすることが電動モータへの電力供給用インバータと指令信号を与えできる．この場合，付属的な制御機器，すなわち方向制御

るマイコンを加え，全体の構成を双方向型コンプレッサと弁や速度制御弁を全く必要とせず，コンプレッサの運転転呼ぶ．なお，電動モータはAC型であり，インバータから操作により，アクチュエータの動作方向や速度の制御が直印加される交流電力の周波数によりコンプレッサの回転数，接できる．また，アクチュエータの排気をコンプレッサですなわち出力が操作される．Fig. 1に双方向型コンプレッ

回収すれば，従来破棄していた圧縮空気の膨張エネルギを再利用できる．
本研究ではこのような用途に耐える双方向型コンプレッ
サが製品にはないことから，まず，双方向型コンプレッサ＊

平成23年６月30日 原稿受付
神奈川工科大学工学部ロボット･メカトロニクス学科（所在地 〒243‑0292 神奈川県厚木市下荻野1030）＊＊＊＊＊

ヤマハ発動機（所在地 〒435‑0054 静岡県浜松市中区早出町882）＊＊＊＊

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

第５号

―6―

Fig. 1

Alternate Direction Air Compressor
2012年９月（平成24年）

吉満・藤田・小山：双方向型空気圧コンプレッサの開発と応用

123

サの概略を示す．
2.2 試作した双方向型コンプレッサの特性
双方向型コンプレッサは，動作の方向が異なっても同じ能力を持つことが望ましい．コンプレッサの回転方向を正･逆両回転させ，それぞれの方向への出力特性を測定した．
インバータの発生周波数と吐出圧力･流量の関係をFig. 2とFig. 3に示す．コンプレッサの吐出側負荷は一定として内径２㎜の固定絞りを用いている．吸引側は大気圧である．

Fig. 4

Fig. 2

Suction pressure and ﬂow vs frequency（CW）

Discharged pressure and ﬂow vs frequency（CW）

Fig. 5

Suction pressure and ﬂow vs frequency（CCW）

3．双方向型コンプレッサを用いたシリンダ駆動
3.1 構成回路
双方向型コンプレッサを空気圧シリンダ駆動に用いる場
合，Fig. 6のような構成が考えられる．個々のシリンダに専用の小型コンプレッサをおく．長い配管や減圧機構は不Fig. 3 Discharged pressure and ﬂow vs frequency（CCW）

要でコンパクトにできる．専用コンプレッサでは，排気空気の持つ膨張エネルギの回生が可能である．すなわち，コ

これらの図から出力方向を切替えても同程度の能力をンプレッサの吸引側は排気側シリンダの空気が入力される．

持っていることがわかる．この負荷における最大吐出圧力

シリンダの移動方向の逆転時には高圧となっている吸引空は約0.3Mpa（ゲージ圧），このときの出力は350wとなり，気がコンプレッサの回転子を押すことでエネルギ回生がお空気圧シリンダを駆動させるには十分な能力があった．

こなわれる．
シリンダの方向制御，速度制御などは全てコンプレッサ

双方向型コンプレッサは，回転方向によって圧縮空気が吐出される方向が切替わる．空気が吐出されないほうは吸引口となる．双方向型コンプレッサの吸引特性を調べた結果をFig. 4とFig. 5に示す．吸引側は先の吐出側に用いた固定絞りを取り付け，吐出側は大気に放出させた．
吐出特性と同様に回転方向を切替えても吸引能力に差がないことが認められる．インバータ周波数を増してゆくと
約−0.8Mpa（ゲージ圧）までの負圧になる．このときの絞りからの流入量は約80ℓ/minである．試作した双方向型コンプレッサは吸引ポンプとしても使えることがわかる．負圧を利用したシステムへの応用も考えられる．

第43巻

第５号

Fig. 6―7―

Air drive circuit by alternate direction air
compressor
2012年９月（平成24年）

124

日本フルードパワーシステム学会論文集の回転制御によりおこなわれるため方向制御弁や速度制御

がシリンダ内に絶えず封止されており，移動に必要な空気弁は不要である．しかし，この構造は本質的にシリンダ内量はコンプレッサにより管理されているため，動きに対す

空気のみを使うことになるので，動作開始直後には必要なる剛性が高く，速度制御において優位であると考えられる．

空気を大気からシリンダ内に吸引する必要があり，シリン

まずはコンプレッサの回転操作でシリンダを速度制御できることを確認する．供試シリンダは内径20㎜行程150㎜

ダ両側にチェック弁を設けた．
双方向型コンプレッサを使用する場合の優位性を検証す

で横置きとした．移動方向と指定速度はTable 1のように，る目的で，同じコンプレッサを一般的な単方向型コンプ表の上から順に10段階の速度に切替えて実施する．表の左

レッサとして使用するFig. 7に示すようなシリンダ制御回は速度切替えを指示する位置，中はその時点における前の路を構成した．コンプレッサは常に正回転し吸引は大気か

指示位置からの変位である．右は指定速度でマイコンからら行い圧縮空気を供給する．これを大気吸引回路と呼ぶこのビット値で示されている．ビット値はインバータ周波数ととする．シリンダの移動方向の変更は方向制御弁を用いに比例し，ビット値が大きい程インバータの周波数は高くる．具体的な手順として，なる．すなわち，最初は０㎜の位置から75㎜まで正方向にロッド収縮時は，電磁弁①③を開・②④を閉とする．

50ビットで指示された速度で移動し，75㎜に達すると56.25

ロッド伸長時は，電磁弁①③を閉・②④を開とする．

㎜の位置まで逆方向に10ビットの速度で移動し，最終的に10段階まで種々の速度で交互方向に移動する．なお，この速度制御はインバータ周波数のみを操作しているため本質的にオープンループ制御である．
Table 1のプログラムを実行したときのシリンダ変位の様子をFig. 8に示す．指定速度ビット値，ポンプ回転数とシリンダ速度測定結果をTable 2に示す．所定の位置で相互方向に速度が切替わり，移動時には指示された速度で移動している様子がわかる．10段階の切替えを終了し，最終的に０㎜の位置まで復帰するのに約18秒費やしている．累計移
動距離（変位）が900㎜なので平均移動速度は50㎜ /sである．
空気圧シリンダの速度制御としてはかなり遅い領域であるが，図で示されるように安定して移動している様子がわか

Fig. 7

る．双方向型コンプレッサを直接制御に用い，インバータ

Air drive circuit by air suction system

周波数操作をすることで安定した速度制御ができた．ポン
双方向型コンプレッサを空気圧シリンダ駆動に用いる場

プ回転数とシリンダ速度の関係をFig. 9に示す．回転数が合の利点を整理すると，高くなるにつれシリンダ速度が速くなるが傾きが緩やかと

ⅰ）方向制御弁や速度制御弁を必要とせず，コンプレッサ

なる．トルク不足によるACモータのスリップ現象，ベーの操作のみで動作方向，速度や位置などの制御ができ

ンとハウジングとの隙間からの内部空気漏れが原因と考えるⅱ）空気の排出がないので，排気による汚染や排気音が嫌われる環境で使える

Table 1

Velocity control program chart

Switching position（㎜）

movement distance（㎜）

Speciﬁed speed
（bit）

75

75

50

56.25

−18.75−10

御によりシリンダロッドを５往復させる．そして，空気の

93.75

37.5

20

積算供給流量，消費電力量の理論値と実験値を測定し比較

37.5−56.25−30

していくことで，双方向型コンプレッサを用いたシステム

112.5

75

40

の優位性を検証していく．

18.75−93.75−15

3.2 オープンループ制御によるシリンダの速度制御

131.25

112.5

25

0

−131.25

−30

150

150

50

0

−150

−100

ⅲ）従来破棄されていた圧縮空気のエネルギ回生が行われるので省エネルギとなるである．これらを順に確認してゆく．
今回，二種類のシリンダ駆動回路を使用しマイコンの制速度制御弁を使った従来の速度制御では，予期しない二次的なシリンダ内圧力変化が発生したり，シリンダ摺動面の影響を受けやすいなどの現象が知られている．このため，
特に低速度制御が難しい．一方，提案する駆動回路は空気
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125

吉満・藤田・小山：双方向型空気圧コンプレッサの開発と応用

Table 2

Static characteristic of alternate direction air
compressor

Input sgnal

Frequency

Push velocity

Pull velocity

（bit）

（Hz）

（m/s）

（m/s）

30

21

0.114

0.173

40

28

0.215

0.265

50

35

0.298

0.332

60

42

0.367

0.381

70

50

0.369

0.395

80

57

0.420

0.430

90

64

0.443

0.465

100

71

0.446

0.472

Fig. 10

Experimental result of low speed control

いて直接シリンダ位置の制御が可能であることが既に示されている．この節での位置制御では，PI制御を用いたフィードバック制御をおこなっている．PI動作は時点kにおける目標位置r（k）とシリンダロッド位置p（k）との誤差
e
（k）
e ＝r
（k）
（k）
−p
（k）

⑴

を用い制御入力u（k）は比例ゲインKp，積分ゲインKi，サン
プリングタイムTsを用いて次式の様にあらわされる．
ku k＋1）e ］（＝K［e＋KiTs∑i＝0 （i）
p （k）

⑵

使用したシリンダは速度制御で用いたものと同じである．
位置制御では行程端から移動させてシリンダ中間位置である75㎜の位置に中間停止させた．負荷は３㎏の質量負荷とFig. 8 Experimental result of position control byalternate direction air compressor

した．Fig. 11にPIパラメータを調整して，オーバーシュー
トなく最も速やかに整定させた結果を示す．濃い線がシリンダ位置を，薄い線がPI制御器からの制御信号を表す．制
御信制御信号が段階的であることから，移動速度がやや段階的になっているかも知れない．しかし移動自体が不安定になることはなく，最終的には75㎜の位置に0.18㎜以内の誤差で整定させることができた．このような位置決めには，従来，高精度なサーボ弁の使用が必要であったが，コンプレッサを直接制御に用いて位置決めがおこなえることが示された．
整定を更に早めようとPIパラメータを調整した結果をFig. 12に示す．シリンダ移動速度を増すとオーバーシュートを発生した．この場合コンプレッサが逆方向に動作してFig. 9Velocity vs frequency

最終的には所定の精度で位置決めができているが，整定までに時間がかかっている．
空気圧シリンダのシリンダロッドの位置制御において，られる．
指定速度のビット値を更に小さくして，より低速度で移Fig. 13はシリンダ内圧力変化を示した図である．シリンダ動させたときの結果をFig. 10に示す．このときの移動速度の目標停止位置は，シリンダロッドの長さの中間程度であは1.26㎜ /sである．極端に速度が遅い場合速度の揺らぎはる75㎜の位置とする．信号入力をしてからシリンダロッド

認められるが，従来不可能であった極低速領域のシリンダが目標位置に達するまでおよそ4.5秒かかった．その後，コ

速度制御ができていることになる．

ンプレッサを低速で運転させることで十分に保持すること

3.3 空気圧シリンダの位置制御が確認された．Fig. 13に示す圧力変化ではシリンダが動き先の速度制御の結果により，双方向型コンプレッサを用
第43巻

第５号

出す瞬間に最も大きな圧力差が生じていること，そしてそ―9―

2012年９月（平成24年）

126

日本フルードパワーシステム学会論文集

Fig. 11

Experimental results of step response

Fig. 12Experimental results of step response

Fig. 14

Pneumatic cylinder reciprocating experiment byalternate direction air compressor

Fig. 15

Pneumatic cylinder reciprocating experiment by
air suction systemより調べた．条件を揃えるため基本的に同じ機器を使っている．シリンダや配管から大気への空気の漏れを直接計測することは困難なので，双方向型コンプレッサ回路（Fig.
6）ではチェック弁を通過する流量を計測する．定常状態
であれば，大気への漏れの分だけチェック弁から補充が行われると考えたからである．一方，毎回大気から吸引する
一般的な回路では，方向制御弁から大気に放出される空気
Fig. 13

Experimental results of step response（Load=3.0Kg）

量を計測した．双方向型コンプレッサを使った回路では，動作を開始後最初の１往復時に大気から殆どの空気を吸引する．それ以後は，同じく空気が繰り返し使われるためほの後圧力差が減少していることがわかる．コンプレッサのぼ定常になる．したがって，最初の動作を含む５往復まで運転を止めるとシリンダロッドは動いてしまったが，コンの空気量で比較した．双方向コンプレッサ回路の結果をプレッサを低速回転させておけばシリンダに負荷をかけてFig. 14に，一般的な回路の結果をFig. 15に示す．
Table 3に排出空気量測定結果を示す．当然のことではあも位置の固定化が可能であることが示された．

るが，毎回全ての空気を大気から吸引する場合の排気量は3.4 排出空気量の検証
双方向型コンプレッサを使って提案した回路は本質的に毎回変わらないのに対し，クローズド回路では４往復以後

空気の排出がない．排気空気に含まれるミストなどが嫌わでは毎回0.01ℓで一定になっている．初めの３往復で定常れる領域で利用できる．本研究による空気圧シリンダ駆動になったと考えられるが，それ以後でも毎回吸引が行われ回路は，全て，空気漏れを特に限定していない一般品で試ている．これがシリンダや配管からの漏れに相当すると考作している．したがって実際にはシリンダや配管からの空えられる．漏れの少ないシリンダを使うとより削減効果が気漏れが生じていると予想されるので，一般的な回路（Fig.

あるが，定常時では大気から吸引する場合のわずか５％で7）を比較対象に用いて，排気空気量の削減効果を実験に

ある．

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― 10 ―

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127

吉満・藤田・小山：双方向型空気圧コンプレッサの開発と応用

Table 3Integrated supply ﬂow rate

Table 4Comparison of theoretical and measured value of
power consumption（W･s）

Flow rate［ℓ］Alternate
1st
2nd

0.05
0.02

a）

Air suctionb）

Alternate

Reduction rate

0.23
0.23

a）

Air suctionb）

Reduction rate

Theoretical Measured Theoretical Measured Theoretical Measured

78.26%

1st

139

296

228

257

39.0%

−15.2%

91.30%

2nd

167

335

346

406

51.7%

17.5%

3rd

167

336

346

406

51.7%

17.2%

4th

165

329

346

406

52.3%

19.0%

3rd

0.02

0.21

90.48%

4th

0.01

0.22

95.45%

5th

164

330

346

406

52.6%

18.7%

total

802

1,626

1,612

1,881

50.2%

13.6%

5th

0.01

0.22

95.45%

total

0.11

1.11

90.09%a）Air drive circuit by alternate direction air compressorb）Air drive circuit by air suction systema）Air drive circuit by alternate direction air compressorb）Air drive circuit by air suction system

れる．回路構成についても検討の余地がある．

3.5 空気の圧縮エネルギ回生による省エネルギ

4．結

排気側空気を吸引利用する構成としたとき，もっとも注言目される側面として，空気の膨張エネルギを再利用できる

本研究では双方向型コンプレッサを開発し，これが実用

結果，省エネルギ効果が期待できる点にある．ただし，省的な性能を持つことを示した．つぎに，双方向型コンプ

エネルギ効果はコンプレッサの効率，運転状況も含めた広レッサを空気圧シリンダの駆動に用いたときの優位性につ範囲な観点からの論議が必要であろう．

いて評価検討をおこなった．

今回は回生による省エネルギ効果を検証した．すなわち，

まず，サーボ弁や速度制御弁など外付けの制御機器を用同一のコンプレッサを用い，双方向型コンプレッサ回路のいることなく，シリンダの動作方向，動作速度，位置決めように排気側空気を吸引利用したとき，あるいは，一般的制御ができることを示した．とくに，従来の空気圧シリンな回路のように毎回大気から吸引したとき，同じ作業内容

ダでは不可能であった１m/s程度の極低速度制御が実現でについての消費電力を比較した．Fig. 14，15より圧力・シ

きた．

リンダ速度を用いてコンプレッサの理論消費電力を算出し，さらに空気の膨張エネルギを回生すれば，大気からの吸併せて電力計により実際の消費電力を計測した．排出空気

引・排気方式に比べ省エネルギ化が計れることを示した．

量計測の場合と同様に一般的な回路の動作が定常になる，

今後より実用的な条件において試験を進める．

動作開始後５往復目までの結果で比較した．結果をTable 4に示す．

最後ではあるが，この研究に絶大なる支援をいただいた，
SMC株式会社殿ならびに関係各位様に感謝の意を表する．

事前の大まかな予測では，前者の回路では５往復合計で，

参 考 文 献

空気の膨張エネルギをそのまま大気に排出する後者の大気吸引回路に比べ，50%もの電力量を抑えることが出来そう

１）馬衛東，池尾茂：定圧力源システムにおける油圧シリであった．しかし実際に実験をしてみると低常時での削減

ンダの位置決め制御，日本フルードパワーシステム学

率は約20%ほどであった．このように予測との差が大きく

会論文集，Vol. 34, No. 5, p. 99‑105（2003）

なったのは，シリンダロッドの移動方向を切替える際に，

２）ハオ継紅，池尾茂，桜井康雄，高橋浩爾：定圧力源シ

電動モータの慣性が作用するため余計な電力を必要とした

ステムを用いたハイブリッド車両の省エネルギー効果,

ことが挙げられる．この点に関しては，電動モータの運転

日本フルードパワーシステム学会論文集，Vol. 30, No. 1,を効率よく制御することで解消できる問題であり，より多p. 20‑27（1999）

くの省電力化を目指すことが出来る．

３）韓建海，則次俊郎，高岩昌弘：ロータリアクチュエー

最初の１往復目に注目するとFig. 6の回路は，大気からタを用いた小型コンプレッサの開発，日本フルードパ

吸引するFig. 7の回路よりも15.2％も多くの電力を必要とし

ワーシステム学会論文集，
Vol. 32, No. 5, p. 111‑117（2001）

た．これはFig. 6のクローズド回路ではシリンダ動作の開４）カハルサムサク，則次俊郎：小型コンプレッサを用い始時に，シリンダ内圧力が大気圧となっている状態からのた空気圧アクティブサスペンションの制御，日本フ

起動では，最初の往復時に大気からチェック弁を介して空ルードパワーシステム学会論文集，Vol. 33, No. 3, p. 63‑

気を吸引する必要がある．この際にチェック弁が負荷とな

68（2002）

り，大気吸引回路よりも多くの電力を必要としたと考えら

第43巻

第５号

― 11 ―

2012年９月（平成24年）

128

日本フルードパワーシステム学会論文集

研究論文

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

趙子 磊＊＊，高 岩 昌 弘＊＊，則 次 俊 郎＊＊，佐々木 大 輔＊＊
Development of Pneumatic Quadruped Robot（1st Report：Motion Control by Introducing Disturbance Observer）

ZiLei ZHAO, Masahiro TAKAIWA, Toshiro NORITSUGU, Daisuke SASAKIWe develop a quadruped walking robot, assuming human cooperative tasks in construction building or rescue activity indisaster environment. Pneumatic cylinders are employed as driving actuators since they have explosion proof and inherent
compliance. Owing to the compliance feature, external force is easily estimated based on the inner pressure of the cylinder.
We provided a compliance control system on each leg based on the estimated ﬂoor reaction force with disturbanceobserver. After giving an overview of the developed quadruped walking robot, we describe the kinematics, statics andcontrol system of each leg. We propose a motion control strategy based on the ﬂoor reaction force estimated using a
disturbance observer. The validity of the proposed control system is veriﬁed through some experiments.
Key words：words：Quadruped robot, Pneumatic actuator, Disturbance observer

1．緒の概要について説明した後，第４章において脚部の制御手

言法を示す．地面と接地した際に，機構的に閉ループを構成ロボットに何らかの作業を遂行させる場合，ロボットのする脚式ロボットでは脚先の位置誤差を許容するためコン移動形態は重要な要素である．脚式機構は足先の接地点をプライアンス特性を脚先部に付与することが有用であり，任意に設定できるため不整地での移動に適しており，これこれを実現するために，床反力に基づくコンプライアンス

1）

2）

3）

4）

制御系を構築する．一般に床反力の検出には力センサーを

さらにはエンターテイメントを目的とするもの などが開要するが，その導入はコストだけでなく，特にフィールド

発されている．

ロボットでは信頼性の観点からも得策でない．空気圧アクまで地雷撤去 や法面作業 ，火山活動の観測 ，森林作業 ，
5）

本研究では，対象物の搬送等の人との協調作業や環境と

チュエータは空気の圧縮性に起因する低剛性特性のため外の接触時にも自身が変形することで柔軟に動作を遂行でき力の影響が制御量に現れやすいことに着目し，従来より提るような機能を実現するため，大きさおよびパワーレベル

案されているピストン変位とシリンダ室内圧力から床反力が人と同程度である，空気圧アクチュエータを用いた４脚を推定する手法6）を導入し，これらを用いたコンプライア

移動ロボットの開発を行う．動作媒体である空気は，防爆

ンス制御系を脚の制御に導入する．また，ロボットの姿勢性を有し，環境にクリーンであるだけでなく，圧縮性に起および地面傾斜角の推定手法，ならびに荷重変動にともな因する低剛性特性のため，サーボ系を構成した場合でも高7）
うZMP（Zero Moment Point）
について考察する．第５章

周波数域の外力に対して弾性体として機能し，衝突力の吸でこれら提案された制御システムの妥当性を実機を用いた

収などの安全性を有する．さらには圧縮エネルギーを容易実験により確認する．

にアクチュエータに封入できるため，傾斜面でのロボット

2．主 な 記 号の姿勢を長時間維持するような動作においても発熱するこ

主な記号を以下に示す．添字j
（＝１，
２，
３，
４）は第 j 脚となく省エネルギーな動作が可能である．
本稿では開発した空気式４脚移動ロボットの運動制御法のパラメータを示している．
qj：関節角度ベクトル

［rad］

hj

：脚先の位置ベクトル

［m］

＊

hr j

：脚先の目標位置ベクトル

［m］

＊＊

hd j

：脚先の仮想目標位置ベクトル

Kj

：剛性行列

fr j

：シリンダの目標発生力ベクトルについて報告する．まず，第３章で開発した移動ロボット

平成23年９月１日 原稿受付

岡山大学大学院自然科学研究科（所在地 岡山市北区津島中３―１―１）（E-mail：takaiwa@sys.okayama-u.ac.jp）
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― 12 ―

［m］
［N/m］
［N］

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趙・高岩・則次・佐々木：空気圧駆動型４脚移動ロボットの開発

fg j：シリンダの発生力ベクトル

［N］

fj

：床反力ベクトル

［N］

Ja j

：ヤコビ行列τj：脚の関節トルクベクトル

uj：脚の制御信号ベクトル

Kv j：シリンダにおける圧力応答に及ぼすJ：慣性モーメント［Nms2］

D：粘性摩擦係数［Nms］

r：モーメントアーム［Nm］

ピストン速度の影響

［s/m］

⒜

Side view⒝

Leg of robot［m］

Tq , Tpq ：フィルタ時定数

［s］

Tpn

：圧力応答時定数のノミナル値

［s］

Kpn

：圧力応答定常ゲインのノミナル値［N］

3．４脚移動ロボットの概要
3.1 ロボット全体の概要
４脚移動ロボットの外観をFig. 1⒜に示す．ベースプレー
ト（縦（進行方向）1,114㎜，横773㎜）の四隅に３自由度
シリアルリンク機構を有する脚が配置されている．進行方
向に向かって，前脚右，左，後脚右，左の順に第１から第４脚と呼ぶ．脚は，ロボットの前進・後退時に同じ移動特Fig. 1

性となるように前後対称に取り付けている．ロボット全体

Developed quadrupped robotの重量は250㎏であり，脚一本の重量は33㎏である．また，ベースプレートの地面からの高さは750㎜となる時の立脚

径80㎜）のヘッド部はロータリーシャフトに，ピストン状態を基準姿勢とする．

ロッド部はleg 1に取り付けることで，cylinder 2の駆動によ

ベースプレート上には制御用の汎用PCと各種インターりleg 1は関節２の回転軸回りに運動する．また，leg 1に搭

フェースボードを挿入した拡張スロットが搭載されている．

載したcylinder 3（内径100㎜）はleg 2を関節３の回転軸回制御用PCのOSには高機能かつ安価に機械システムの制御りに駆動する．足首の関節４，
５も回転中心を同一とする系を構築できるLinux（UBUNTU 9.04）ならびにその実時

直交二軸のジンバル機構であるが能動的には駆動しておら間拡張であるRTAI3.8を適用しており，制御周期5msのサーず，回転型ダンパ（株式会社不二ラテックス製，定格トルボ制御を実装している．ロボットから遠隔に位置する操縦ク（2.0±0.3Nm 20rpm時））を取り付けている．

者は操縦用PC（Linux：UBUNTU 10. 10）から無線LANを

Fig. 2⒜に示すように，関節４，５の回転中心を脚先とし，介してロボットに搭載した制御用PCへRemote Login（ssh）

その可動範囲を計算した結果をFig. 2⒝に示す．ここで，脚して操作する．現時点では空気圧および電源は外部から供先位置は，基準座標系の原点を関節１，
２の回転中心に平給している．自律化のためにはこれらをロボット本体へ搭行移動してできる脚座標系で表現している．脚先がz＝載する必要があるが今後の課題とする．

−750㎜となる位置を維持して歩行する場合は，脚先はy軸

3.2 脚機構の概要

方向に−200〜500㎜程度の範囲で可動できる．遊脚期の脚Fig. 2⒜は前脚単体の概要を示す．ベースプレート中央にT

先移動量（歩幅）は，立脚期に胴体を前方（後方）に移動

基準座標系h＝［x，y，z，φ，θ，ψ］を設置する．ここで，yさせるのに必要な脚先の移動量を可動範囲から除いた範囲

軸はロボットの進行方向，z軸は鉛直上方とし，姿勢角は内で設定される．
Fig. 3は空気圧シリンダ単体の空気圧駆動回路を示す．両

ロール・ピッチ・ヨー角を用いて表現する．
関節１と関節２は回転中心を同一とする直交二軸のジンシリンダ室内の圧力はそれぞれ電空レギュレータ（株式会バル機構となっている．関節１の回転軸であるロータリー

社CKD製，EV2500） で 調 整 さ れ る． 制 御 対 象 をSISO

シャフトは，ベアリングを介してベースプレートに取り付（Single Input and Single Output）システムとするため，制けられている．さらに，ロータリーシャフトはリンク機構

御入力uに対して，ヘッド側電空レギュレータの入力信号を介してcylinder 1（内径80㎜）のピストンロッド先端部にをuh＋u，ピストン側電空レギュレータのそれをup−uとし連結されている．即ち，cylinder 1により脚全体がロータて い る． こ こ で，uhは 供 給 圧 力（ ps＝600kPa） の 半 分

リーシャフト回りに回転運動を行う．一方，cylinder 2（内（300kPa）となる入力値であり，upはそれにつりあうように

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日本フルードパワーシステム学会論文集⒜Mechanism of leg⒜⒝

Front view︱⎩︱︱︱︱︱ ︱⎨︱︱︱︱︱ ⎧Fig. 4⒝Fig. 2Moving area

θ1＝sin−1

Side view

Inverse kinematicsxLθ2＝cos−１

L21 ＋L2 −L22y＋sin−1L
2 L1L（

θ3＝cos−1 −L21 ＋L22 −L2
2 L1L2⑴）

4.2 脚の制御手法

Schematic diagram of leg

脚先の位置制御では，目標値に対して１型の位置サーボ系を構成するのが一般的である．このとき，位置偏差が生じると積分動作により位置偏差を低減する方向に脚先部は力を発生する．このような力の水平成分が床面との摩擦力
以下の場合は各脚間で内力を及ぼし合い，水平方向の内力のバランスが時間とともに変化し，ベースプレートは床面に対して長周期的な振動が生じる．また，脚先の発生力が摩擦力を越えると，突発的なすべりが生じる．このような問題に対応するため，脚先部に仮想コンプライアンスを設

Fig. 3

定し，脚先部の位置偏差を許容する．コンプライアンス制

Pneumatic driving circuit

御を実施するには床反力を力センサにより測定する必要が
ピストンロッド有効断面積を考慮して求めた値である．関

あるが，コストおよびメンテナンスの観点から，外乱オブ

節の回転角度はロータリエンコーダ（株式会社ムトーエン

ザーバを用いてシリンダの圧力に基づき推定する．

ジニアリング製，S-600）で検出し，シリンダ室内圧力は圧

Fig. 5⒜に脚単体に構築したコンプライアンス制御系を力センサ（株式会社キーエンス製，AP-C40）で測定する．

示す．同図⒝は⒜において二重線のブロックで示した発生力制御系を示す．シリンダの発生力F（＝pg
1 A1−p2 A2）から

4．制御系の構成

関節角度qまでの伝達部に外乱オブザーバを構成し，床反力が等価的に外乱として関節に及ぼすトルクを推定する．

4.1 逆運動学
Fig. 4は前脚の幾何学モデルを示す．脚座標系で示した脚T先の位置から各関節の回転角度q＝［θ1，θ2，θ3］を求める逆ここで，r，J，Dはそれぞれ，モーメントアーム，慣性モー
メント，粘性摩擦係数であり，外乱オブザーバのフィルタは時定数Tqの二次系とする．なお，時定数は安定範囲内で運動学は次式で与えられる．
ここで，L（＝500㎜），L（＝400㎜）はleg
1とleg 2の長さ
1
2

外乱抑圧特性および目標値追従特性が良好となるようにTq

であり，L＝ x2＋y2＋z2は脚座標系原点から脚先までの距離＝0.05sに設定した．仮想仕事の原理より求められた床反力

である．

−1
−1
Fにコンプライアンス行列K −1＝diag｛K −1
x ，K y ，K z ｝をかけてフィードバックし，内部に位置制御系を構成している．位置制御では逆運動学により目標関節角度ベクトルqr
を求め，PDコントローラを前置き補償器とする関節サー
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趙・高岩・則次・佐々木：空気圧駆動型４脚移動ロボットの開発⒜⒝

Joint servo system

Generation force control system
Fig. 5

Table 1

Control system

Moment of inertia parameter
遊脚時㎏㎡

接地時㎏㎡

joint 1

0.914

27.3

joint 2

0.80

26.9

joint 3

0.165

9.22

ベクトルnは次式のように計算される．
（h2−h3）×（h4−h3）n＝hh｜ 4−h3｜sinθ1｜ 2−h3｜⑵

式⑵は基準座標系で表現されているので，ロール・ピッ
チ・ヨー角で表現されるロボットの姿勢の回転行列をRとすると，次式の関係を満たす．
T
R・n＝［0 0 1］⑶

ロール角φ＝０として展開すると，式⑷になり，これを解いて式⑸のように姿勢角ψ，θが求まる．
nx cosθ＋ny sinθ sinψ＋nz sinθ cosψ＝0

︱
⎩ ︱
⎨ ⎧

ボを構成する．
各関節まわりの慣性モーメントをラグランジュの運動方⑷

ny cosψ−nz sinψ＝0

程式から求めた結果をTable 1に示す．ロボット本体が負荷

︱
⎨︱︱ ⎧
⎩︱︱ ︱

となる接地時と脚だけが負荷となる遊脚時では大きく異なψ＝tan−1

ることがわかる．慣性モーメントのノミナル値は接地時のものを用いている．外乱オブザーバを用いた制御系は制御

ny
nz

θ＝tan

対象のパラメータ変動の影響も外乱として補償する働きがnx−sinψ ny＋cosψ nz

（
−1

⑸

）

あるため，遊脚と立脚を繰り返す脚の運動制御において同Fig. 6⒝は，ベースプレートの目標位置，姿勢が与えられ一の制御パラメータを使用することができ，見通しのよいたときの脚先位置ベクトルの目標値を示す．実線で示した

制御系を設計することができる．

状態から点線で示した状態にベースプレートの位置・姿勢

4.3 姿勢の検出と位置姿勢制御を変位させるには上記で求めた姿勢角より求まる回転行列

歩行動作において地面の傾斜の検出は重要である．今，地面に対するベースプレートの相対的な姿勢が分かっていRを用いて以下で計算される脚先位置ベクトルhrjを目標位置とする．
T
hrj＝R（hj−p） j＝１，２，３，４

れば，加速度センサやジャイロセンサ等をベースプレート上に設置することで容易に地面の傾斜を求めることができ⑹

4.4 ZMPの検出る．そこで，本研究では地面に対するベースプレートの相ZMP（Zero Moment Point）は，ある作用点まわりに関対的姿勢を以下のようにロボットの幾何学的関係から求めして各脚に作用する床反力ベクトルからなるモーメントのる．

総和が０となる地面上の点である．静歩行の場合，ZMPは簡単のため地面は平面と仮定する．静歩行ではどの瞬間においても必ず何れか３脚が立脚状態にある．今，Fig. 6⒜重心と一致するため，歩容計画においてよく利用される．
ZMPは以下で求めることができる．
Tに示すように第１脚（右前脚）が遊脚状態とすると，第３Fig. 7に示すように，床面上の作用点p＝［px py pz］におけ

脚先からみた第２，第４脚先の位置ベクトルh2−h3，h4−h3

Tる各脚先に作用する床反力fj＝［ fjx fjy fjz］
（ j＝１, ２, ３, ４）

は地面上にあり，これらの外積から求めた地面の単位法線が生成するモーメントの総和は次式となる．

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日本フルードパワーシステム学会論文集⒜⒝Fig. 6

Orientation detection4τj＝∑（hj−p）×fj
j＝1⑺

ZMPは式⑺の右辺のx，y成分を０とおいて，px及びpyに︱⎩︱︱︱ ︱⎨︱︱︱ ⎧

Fig. 8Floor reaction force

4
j＝1

4

4

一方，Fig. 10はコンプライアンス制御性能を調べた結果である．クレーンでロボットを吊下げた状態から徐々に下（点線）および床反力（上側実線）を示している．太線はpx＝∑hjx fjz /∑fjz
j＝1

重による力（−196N）をほぼ推定していることがわかる．

ろして地面に着地させ，再び吊り上げた時のz方向の変位ついて解くことで，次のように得られる．

⑻

py＝∑hjy fjz /∑fjz
j＝1

Floor reaction force

Orientation compensation

Orientation detection and compensation

4

Fig. 7

床反力をz方向の設定剛性Kz＝50N/㎜で除したもので，目標変位に相当する．着地するまでは足先変位は目標値であるhr＝−750㎜と一致しており，着地後は，定常状態でほぼ

j＝1

脚式ロボットでは，ベースプレート上に不特定荷重が作目標位置と等しくなり，設定コンプライアンスを実現して用した状態での移動も一般に考えられ，このようなZMP

いることがわかる．このように，コンプライアンス制御の（重心）の計測は安定な歩容計画に不可欠である．

導入により，脚先に位置偏差が生じても一定の床反力で釣り合い安定に立脚できる．

5．実験結果および考察

5.3 姿勢角制御
Fig. 11はロボットの姿勢角に関するステップ応答結果を

5.1 位置制御のみの実装における問題
Fig. 8はFig. 5に示す制御系においてコンプライアンス行

示す．⒜，⒝はそれぞれ，x軸回り（ψ方向）に±0.1rad，y列の出力を０として位置制御のみを実装し，立脚させたと軸回り（θ方向）に±0.1radの目標値を矩形的に与えている．

きの様子を示す．実線は第１脚に作用する床反力のy方向

実線は式⑸によりロボットの幾何学的関係から計算で求め成分を，点線は第１脚先のy方向変位を示す．y方向の目標た姿勢を示し，灰色で若干振動的な実線は，市販の加速度

位置200㎜に対して時刻27秒程度で４㎜程度の誤差となり，

センサ（株式会社ゼットエムピー製，e-nuvo IMU-Z Lite）

脚先は床面を水平方向に急速に押し始め，35秒近辺で摩擦をベースプレート上に設置して計測した結果を示す．制御力230Nを越え，脚先がスリップしているのがわかる．

には計算値を使用している．ロボットの動作がほぼ静的で

5.2 コンプライアンス制御ある場合，加速度センサの測定値は，ほぼ重力加速度とみFig. 9は，外乱オブザーバによる外力推定性能を示したもなしてよい．このため，z軸まわりの回転角度は測定できのである．クレーンでロボットを吊下げた状態で，同図⒜ないが，ピッチ，ならびにヨー角は重力加速度の方向余弦のように脚先に20㎏の負荷をゆっくりと吊るした後，取りから求めることができる．図より，ピッチ角（θ），ヨー角

除いた．同図⒝の実線はz方向の推定力を示す．負荷の自（ψ）ともに，計算値とセンサの出力はよく一致しており，

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趙・高岩・則次・佐々木：空気圧駆動型４脚移動ロボットの開発⒜

Experimental setup
Fig. 9Fig. 10⒝

Force estimation⒜Around x-axis（ψ）⒝

Around y-axis（θ）

External force estimation

Compliance control property

Fig. 11

Step response

幾何学的計算による手法の妥当性が確認できる．
5.4 地面の傾斜角度推定
地面からの相対的なロボットの姿勢を幾何学的に計算する方法と，絶対的な姿勢を検出する加速度センサを併用す
れば，地面の傾斜角度を推定することが可能である．これを検証するために，Fig. 12⒜に示すように，ロボットの後脚を椅子（高さ50㎝固定）上に置き，前脚は足踏み式の油圧ジャッキにて上下させることで，x軸まわりの傾斜角を
virtual ground

自由に調整できる地面を実現した．地面に対するロボットの相対的な姿勢角は０となるように制御（基準姿勢のまま

Up and down

chair維持）し，ジャッキを足踏みを繰り返して椅子の高さよりjack

も20㎝程度高く上げた後，ゆっくり下げたときの結果を⒜

Fig. 12⒝に示す．図中の点線は幾何学的関係から求めたロ

Experimental setup

ボットのヨー角（ψ）の値を示す．ロボットは地面に対して基準姿勢を維持しているのでほぼ0deg.の値を示している．
一方，上側の実線は加速度センサの測定値から幾何学的に計算した値を引いたもので，地面の傾斜角に相当する．これより，脚の幾何学的関係から求めた姿勢角と加速度セン
サを併用することにより地面の傾斜角が推定できることがわかる．
また，下側の実線はx，y軸方向のZMPを示している．最
大傾斜時にy方向のZMPが130㎜程度後方へ移動している．
このように，傾斜面の歩行に不可欠な地面の傾斜角度の推⒝定，ならびに，傾斜に応じて変化する重心位置が把握でき

Fig. 12

Inclination angle and ZMP
Inclination change of ground

ることが確認できる．

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日本フルードパワーシステム学会論文集

今後は，基本的な静歩行動作8）の実現，ならびに今回提5.5 荷重によるZMP変化
搬送作業を想定し，荷重の変化によるZMPの変位について検討する．基準姿勢で立脚した状態のロボットに対して，案した地面傾斜角の推定機能を利用した不整地歩行につき検討する予定である．

両前脚上部に手を置き，人（体重72㎏）が懸垂をする恰好

参 考 文 献で荷重をかけた時のy方向のZMPをFig. 13に示す．荷重を取り除いた時のZMPはy＝30㎜であるので，その位置にロ

１）J. Estremera, J.A. Cobano, P. Gonzalez de Santos:

ボットの全重量250㎏が作用していること，また，シリン

Continuous free-crab gaits for hexapod robots on a

ダヘッド部はy＝約800㎜の位置にあり，そこに715.9Nの荷

natural terrain with forbidden zones: An application to

重が作用していることから，計算でZMPを求めるとy＝204

humanitarian demining, Robotics and Autonomous㎜となり，ほぼ妥当な結果が得られている．

System, 58, p. 700‑711（2010）
２）程島竜一，土居隆広，福田靖，広瀬茂男，岡本俊仁，
森純一：４足歩行型法面作業ロボットTITAN XIの開発（基本設計と脚機構の動作実験），日本ロボット学
会誌，Vol. 23, No. 7, p. 847‑857（2005）
３）John E. Bares, David S. Wettergreen: Dante II: Technical
Description, Results, and Lessons Learned, Int. J. of
Robotics Research, Vol. 18, No. 7, p. 621‑649（1999）４）S. Salmi, A. Halme：Implementating and Testing a
Reasoning-based Free Gait Algorithm in the Six-legged
walking Machine “MECANT”, Control Eng. Practice,Fig. 13Vol. 40, No. 4, p. 487‑492（1996）

ZMP change with payload５）Stephan K. Chalup, Craig L. Murch, Michael J. Quinlan:
Machine Learning with AIBO Robots in the Four-

6．お わ り にLegged League of RoboCup, IEEE Trans. on System,
Man, and Cybernetics, partC, Vol. 37, No. 3, p. 297‑310

本稿では，開発した空気圧駆動型４脚ロボットについて，（2007）

以下に示す基本的な運動制御手法について検討した．
⑴外乱オブザーバを応用して推定した床反力に基づくコ

６）只野耕太郎，住野亘，川嶋健嗣：空気圧駆動を用いた

ンプライアンス制御系を構成することで，脚先の位置

力覚提示機能を有する多自由度鉗子の開発，日本ロ

偏差を許容し，安定な立脚状態を維持できることを示

ボット学会誌，Vol. 27, No. 5, p. 538‑545（2009）７）H. Montes, S. Nabulsi, M. Armada: Detecting Zero

した．

Moment Point in Legged Robot, Proc. of the 7th Int.

⑵各脚の幾何学的関係から地面に対する相対的なベース

Conf. CLAWAR（2004）

プレートの姿勢を求める手法と，加速度センサを併用することで地面の傾斜角を推定できることを示した．

８）塚越秀行，広瀬茂男：間歇クロール歩容の提案とその⑶推定した床反力を用いて求めたZMPが荷重変動時にも生成原理，日本ロボット学会誌，Vol. 17, No. 2, p. 301‑

適切に変化することを示し，荷重変動時の歩容計画に309（1999）有効であることを示した．

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昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
平成24年９月15日発行（奇数月）

Vol.43 No.5
フルードパワーシステム

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