昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可

平成29年５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

May.2017 Vol.

48 No.3

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「モデルベース開発とその活用事例」

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

LUID POWER SYSTEISSN 1346―7719

第48巻 第 3 号 2017年 5 月

日本フルードパワーシステム学会誌

フルードパワーシステム
目次

特集「モデルベース開発とその活用事例」【巻頭言】「モデルベース開発とその活用事例」の発刊にあたって

塚越 秀行

118

眞田 一志

119

自動車業界でのモデルベースデザイン適用事例

秋葉 博幸

124

油圧システムのモデリング

林

光昭

130

1DCAEの考え方に基づくモデルベース開発

大富 浩一

134

大学のフルードパワー研究・教育におけるディジタルコントローラの活用

佐藤 恭一

139

1DCAEによるフルードパワーシステム設計に関する研究委員会

桜井 康雄

142

【総論】
フルードパワーシステムとモデルベース開発【解説】

コンバインのエンジン振動，騒音低減へのCAEモデルの適用
HILS技術を用いた仮想走行試験手法の基礎研究

辻内 伸好，明井 政博 145
渡辺 信行

150

山梨講演会2016におけるフルードパワー技術研究

吉田 和弘

153

ICMT2016会議報告

嚴

祥仁

155

建設機械における日・米・欧の排出ガス規制対応技術の変遷と今後

田村 好美

157

細径人工筋肉の研究と実用化

鈴森 康一

162

特許文献を調べる・特許情報プラットフォーム…特許文献を見る4

木原 和幸

166

【会議報告】【トピックス】

東北大学流体科学研究所 中野・田研究室

中野 政身

170

和田 重伸

174

【企画行事】
平成28年度オータムセミナー開催報告「生産技術に貢献するフルードパワー inトヨタ産業技術記念館」【会告】
平成29年春季フルードパワーシステム講演会 併設セミナー「フルードパワーに役立つセンシング技術」

169

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29年春季フルードパワーシステム講演会

169

共催・協賛行事のお知らせ

178

その他

177，180，181，182■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

LUID POWER SYSTE【研究室紹介】ISSN 1346―7719

Vol．48，No. 3

May 2017

JOURNAL OF THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY

FLUID POWER SYSTEM
Contents
Special Issue “Model Based Development and Its Examples of Utilization”【Preface】

On the Special Issue“Model Based Development and Its Examples of Utilization”
Hideyuki TSUKAGOSHI【Survey】

Fluid Power System and Model Base Development

118

Kazushi SANADA

119

Model-based Design in the Automotive Industry
Hiroyuki AKIBA
Modeling for Hydraulic Systems
Mitsuaki HAYASHI
Model Based Development by 1DCAE Concept
Koichi OHTOMIPractical Use of Digital Controller in Academic Research and Education
Yasukazu SATO
Research Committee on Design of Fluid Power System by 1DCAE
Yasuo SAKURAI
Application of CAE Model to Combine Engine Vibration and Noise Reduction

Nobutaka TSUJIUCHI, Masahiro AKEI
Fundamental Study of Virtual Running Test Environment for Railway Vehicle using HILS TechniqueNobuyuki WATANABE

124
130
134
139
142

【Review】【Conference Report】

Researches of Fluid Power Technologies in Yamanashi District Conference 2016 Kazuhiro YOSHIDA
Report on ICMT2016
EOM SangIn

145
150

153
155

【Topics】

History and Future Trend of Emission Reduction Technologies on Construction Machineryfor Japan/USA/EU Emission Regulation
Yoshimi TAMURA
Development and Commercialization of Thin Artificial Muscles
Koichi SUZUMORI
Investigation of the Patent Documents/ Japan Platform for Patent Information－Patent Literature reference 4
Kazuyuki KIHARA【Laboratory Tour】

Nakano & Tian Laboratory, Institute of Fluid Science, Tohoku University

【JFPS Activities】

Autumn Seminar 2016

【JFPS News】


157
162
166

Masami NAKANO

170

Shigenobu WADA

174

169, 177, 178, 180, 181, 182

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

118

フルードパワーシステム

巻 頭 言

特集「モデルベース開発とその活用事例」の発行にあたって著者

紹可能となる．そして今，このような開発手法が，自

介
つか

ごし

塚 越

ひで

秀

ゆき

行

東京工業大学大学院〒152-8552 東京都目黒区大岡山２－12－１－S５－19
E-mail：htsuka@cm.ctrl.titech.ac.jp
1998年東京工業大学大学院工学研究科博士課程修了．同大学助手を経て，2004年同大学工学部助教授，准教授, 現在に至る．レスキューロ
ボット，流体アクチュエータの研究に従事．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）．

数ある製造業のなかでとりわけ熾烈な国際競争を繰り広げてきた自動車産業において，大きな変革をもたらす製品開発手法として「モデルベース開発（MBD）」が注目を浴びている．
MBDは実機試作を極力行わず，実験からの統計
データや物理現象などを記述する数式などの「モデル」をもとに，バーチャルな試作により製品開発を行う手法である．設計・試作・実験・改良を繰り返す従来型の非効率的な開発プロセスとは異なり，
MBDでは試作前の段階で無数のアイデアを机上で簡便に比較検討できる．このため，設計の最適解をスピーディーに見つけ出すことが可能な夢の開発プ
ロセスといわれている．
従来の自動車の設計は，車両全体・エンジン・ト
ランスミッション，さらにそれらを構成するコン
ポーネントというように，上流から下流へ階層的に分化されながら進められ，その試作評価は逆順に遡って行われてきた．各試作の過程で検証や改良は行われるものの，車両全体の検証が行われるのは試作の最終段階である．それゆえ，もしこの最終段階

動車産業以外の様々な分野に適用されつつある．
そこで本特集号では，｢モデルベース開発とその活用事例｣ と題し，MBDの適用事例に関する最新情報を紹介する．MBDをフルードパワーシステム
や様々な機械システムに巧みに適用されている研究者・技術者にその斬新な発想をご紹介いただいたう
えで，MBDの新たな可能性を探求することが本特集号の目的である．
真田一志氏（横浜国大）には，総論としてモデル
ベース開発の概念を概説していただいたうえで，フルードパワーシステムにおけるその適用事例をご紹介していただく．秋葉博幸氏（MathWroksJapan）には，自動車業界で適用されてきたモデルベース開発の適用事例をご紹介いただく．林光昭氏（株式会社IHI）には，油圧シミュレーションのモデルを構築するうえで必要となる油圧の基礎的事項をまとめて解説していただく．大富浩一氏（東大）には，製品開発の上流段階で全体適正設計を可能とする１
DCAEの考え方を解説いただくとともに，宇宙機器開発への適用事例をご紹介していただく．佐藤恭一
氏（横浜国大）には，大学の教育・研究で実践されてきたディジタル・コントローラを活用したモデル
ベース開発をご紹介していただく．桜井康雄氏（足利工業大）には，平成28年４月に設置された「１DCAEによるフルードパワーシステム設計に関する研究委員会」の設立趣旨とその活動内容をご紹介していただく．辻内伸好氏（同志社大）と明井政博氏（ヤンマー株式会社）には，農業機械の乗心地性能

で問題が発覚すると，初めから設計・試作の工程が向上のためのシステム設計に適用されたモデルベース開発を解説していただく．そして，渡辺信行氏（鉄道総研）には，HILS技術を用いた鉄道車両の仮やり直されるというプロセスをたどり，１つの開発
プロジェクトに５年から６年もの期間とそれに応じた人員やコストが費やされてきた．

想走行試験手法をご紹介していただく．
末筆ながら，ご多忙のなかご寄稿いただいた執筆者のみなさまに厚く御礼申し上げる．本特集号が，これに対して，MBDでは設計段階からバーチャ
ルな試作を行い，あらゆる選択肢のなかから本当に品質のよい設計パラメータを採用しながら開発を進モデルベース開発とその活用事例に関する最新情報の提供に資すれば，望外の喜びである．

められるため，短期間に効率よく開発を行うことが

4

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）（原稿受付：2017年 4 月20日）

眞田一志：フルードパワーシステムとモデルベース開発

119

総 論

フルードパワーシステムとモデルベース開発

著

者

紹

行可能な状況まで到達することができる．このまま，

介
さな

だ

眞 田

かず

一

し

志

横浜国立大学大学院〒240-8501 横浜市保土ケ谷区常盤台79－５
E-mail : sanada-kazushi-sn@ynu.ac.jp

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．博士（工学）．

1．は じ め に「モデルベース開発」は，制御システムの効率的な開発手法として知られており，図１に示すVプロセス
でその開発段階が説明されている．機械を電子制御するとき，機械と制御プログラムが統合されて，はじめて機能が発揮される．通常，機械と制御プログ
ラムは別々に開発され，後工程で組み合わせて機能が確認（検証）されることになる．Vプロセスでは，開発初期の仕様設計の段階からモデルを用いた解析技術を導入し，ECUへの実装と検証から適合へと，制御プログラムのテストを行う場合もあるが，制御プログラムの効率向上を目指して，制御ブロック線図の改良や，ダウンロードされる制御プログラムの
ソースコードに改良を加える場合もある．
Vプロセスの右側は，そのECU実装からスタート
して，実物を対象とした検証と適合のプロセスへと続いている．「実装検証」は，ECUに制御プログラ
ムが正しく実装されているかを検証する．その後の「適合」が重要なプロセスとして位置づけられており，制御パラメータの合わせ込みが行われる．特に，機械の非線形性を補償するためマップを利用する場
合，マップの各要素の調整を行う必要があり，膨大な工数が見込まれるプロセスである．

一連の開発段階を経ることが推奨されている．その各段階で，プラントのモデル（シミュレーションモデ
ル）を利用して，開発技術の確認と検証を段階的に進めることで，別々に開発されている機械と制御プ

図１

モデルベース開発のVプロセス

ログラムの統合を円滑に行うことを目的としている．
Vプロセスの左側の開発プロセスは，仕様設計か

Vプロセスで表わされるモデル－ベース開発では，機械の実物がまだ存在しない初期の仕様設計の段階ら開始される．これから開発する機械に求められる要求事項を精査し，仕様として整理する．次に，仕様に基づいてコンポーネントとシステムの設計が進められる．左側の最下段では，要求仕様にもとづいて設計された制御プログラムをECUに実装する．そから，機械の動作を模擬するシミュレーションモデ
ルを開発して，各設計プロセスを進めていくことが特徴である．設計の段階が進むにつれて，機械の動作を模擬するシミュレーションモデルも複雑に，そして実物の機械の挙動をより高度に再現できるモデこで利用されるツールは，ブロック線図をもとにしルへと進化する．

たシミュレーションソフトウェアであり，コント
ローラのブロック線図をソフトウェアのウィンドウ
画面で作成し，メニューのダウンロード機能を起動すれば，マウスのクリックひとつで制御プログラム
がターゲットのECUにダウンロードされ，即座に実モデルベース開発は，自動車開発で広く利用されてきた．さらに，最近では，建設機械や産業用機械でもモデルベース開発が利用されるようになり，急速に利用範囲が広がっている．モデルベース開発では，モデリング技術と制御技術は必須の技術である．

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

5

120

フルードパワーシステム

特に，対象となる機械をより深く理解することは，
より良いモデルを開発するためには欠くことのでき

本研究を契機として，自動変速機の非線形制御の国際共同研究6）-8）が実施された．

ない必須の要件である．制御対象，制御工学とモデリングの相互の関係を三角形で表わした図を，図２に示す．モデリングにより，システムの静特性と動特性を明らかにし，最適化を行うことができる．例
えば，作業機械の一種のフォアワーダの車両全体モ
デルを，油圧回路とマルチボディダイナミックスを考慮して作成し，コ・シミュレーションを実施した
研究1）が報告されている．また，機械構造物，油圧システムと制御を統合した連成シミュレーションを行い，制御システムを最適化する研究2）や，高速シ
ミュレーションを活用することでシミュレーションだけでなくテストにも利用した研究3）や，システムの内部における流れの詳細をCFDにより解析する研究4）が報告されている．フルードパワーシステムの制御には，線形制御や非線形制御がある．本稿では，
フルードパワーシステムのモデリングと制御に関する研究論文をレビューする．

図３

自動変速機のロバスト変速制御5）2.2 水圧駆動樹脂封止プレス
水圧駆動樹脂封止プレスは，直径12インチのウェ
ハ上に薄い樹脂皮膜をプレスで成形する半導体製造
装置のひとつである．ウェハと同じ直径のラムシリ
ンダでプレスすれば，パスカルの原理によって一様な荷重分布を得ることができ，皮膜の成形にとって大きなメリットとなる．樹脂封止プレスはクリーンルームで使用されることから，清浄度を重視して，
油圧作動油の代わりに水道水を作動流体として使用
する水圧駆動が採用された．金型の荷重制御においては，はじめは流動性の高い樹脂が，プレスするこ
図２

モデリングと制御工学の三角形

2．フルードパワーシステムの制御
2.1 自動変速機
自動変速機のブレーキやクラッチの操作に，油圧とで固化し，弾性係数が時間とともに大きくなる．
荷重制御にとっては，負荷のばね定数が時間とともに変化することに相当し，弾性係数の変動を考慮したロバスト制御が導入され，水圧駆動樹脂封止プレス（図４）が開発された9）．

バルブや油圧アクチュエータが利用されている．ブ
レーキやクラッチの摩擦係数は，滑り速度，温度やその他の要因により，ばらつきを示す．シリンダに油圧を供給する比例減圧弁の動特性は，動作圧に依存する．クラッチ油圧をシーケンスによりパターン
として与える場合，変速時間に大きなばらつきが生じる．そこで，ロバスト制御理論を適用して，各種の不確かな要因をノミナルモデルのモデル誤差として定量的に評価し，μシンセシスによって変速制御系を構成する方法が提案されている5）．制御対象である自動変速機を含む駆動系を実時間でシミュレー
ションし，設計したコントローラの検証を行った．

6

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

図４

水圧駆動樹脂封止プレス9）

眞田一志：フルードパワーシステムとモデルベース開発

3．フルードパワーシステムのモデリング
3.1 コモンレール燃料噴射装置
コモンレール燃料噴射装置は，図５に示すように，パイプ状のコモンレール容器に燃料ポンプによって高圧に加圧された燃料を蓄積し，電子制御された噴射弁から燃料を噴射する装置である．一つの気筒の噴射弁から燃料が噴射されると，その噴射弁の元圧が減少し，圧力低下波がコモンレールを介して次に噴射する燃料噴射弁の元圧を変動させる．その結果，
燃料噴射率の制御精度を劣化させることになり，マップを利用した各種の補償のための制御手法が開発されてきた．そのマップは，開発段階で多くの工数を費やして作成しなければならず，エンジン制御

121

料噴射装置は，固定容量形油圧ポンプをACサーボ
モータで駆動し，油圧シリンダを駆動する．燃料ポ
ンプを油圧シリンダで押下するタイミングと押下量を，ACサーボモータへの印可電圧で制御することができる．燃料噴射量は，その実験結果を図７に示すように，ACサーボモータ印可電圧のパラメータ
によって制御可能であり，DDVC方式燃料噴射装置
が 電 子 制 御 に 適 し た 装 置 で あ る こ と が わ か る．
DDVC燃料噴射装置を適用したエンジンの出力軸の回転数制御と，船舶の航行速度制御への適用可能性
をシミュレーションにより示している．

の高度化にともなってマップ作成の負担が課題となっている．マップの代わりに，シミュレーション
モデルを利用することができれば，多様な条件下で，要求された燃料噴射の制御精度を補償する制御プロ
グラムを比較的少ない工数で実現できると期待された．シミュレーションモデルで課題となるのはコモ
ンレールを伝播する圧力波の伝播を再現する数学モデルであり，管路動特性の最適化有限要素モデルが適用された10）．
図６

図５

DDVC燃料噴射装置11）

コモンレール燃料噴射装置10）3.2 船舶用燃料噴射装置
大形タンカーは巨大なエンジンを搭載しており，
燃料噴射装置も大形になる．エンジン出力軸の回転運動をカムとリンク機構を介してプランジャーポン
プを押下し，燃料を加圧して燃料噴射弁を開き，燃料を噴射する．これは，機械式の燃料噴射装置である．最近，船舶の排ガス規制が厳格化されたため，燃料噴射の電子制御化が進められている．そのひとつの方法がコモンレール燃料噴射装置であるが，高圧の燃料を蓄積するコモンレール自体が大形化し，また圧力伝播の影響を補償する必要があるなどの技
術的課題がある．そこで，著者らは，図６に示す
DDVC方式燃料噴射装置11）を考案し，実験およびシ
ミュレーションによる研究を行った．DDVC方式燃図７

燃料噴射量制御の実験結果11）

3.3 シリンダクッション
モデリング技術は，フルードパワーシステムの最適設計に適用することができる．建設機械のシリン
ダクッションの最適化12）にモデリング技術が適用された．油圧ショベルのアームシリンダには，ストロークエンドでピストンを減速するクッション機構が組み込まれている．クッションにはさまざまな機構があるが，ここでは，図８に示すプランジャー

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

7

122

フルードパワーシステム

クッションが取り上げられた．ピストンに取り付けられたプランジャーが，シリンダカバーに穿たれた穴に挿入されることで，油路が絞られ，クッション
圧力が生じ，ピストンが減速される仕組みである．
その際，プランジャーと穴の隙間がクッション圧に影響するため，プランジャー直径の設計が，クッションの効果にとって重要な要因となる．アームシ
リンダとプランジャークッションを考慮したシミュ
レーションモデルを構築して，減速時のピストン速度の目標波形とモデルのピストン速度の誤差面積を評価量として最小化するように，プランジャー直径を 最 適 化 す る 手 法12）が 提 案 さ れ て い る． プ ラ ン
ジャーは，図８に示すように，軸方向に10分割され，各区間の直径が定義されている．目標速度との誤差が最小になるように，プランジャー直径の分布を自動的に調整し，プランジャーの最適化を実施した．

図９

油圧ポンプのインペラー周囲のCFD解析13）

リング技術，制御技術とフルードパワーシステムの関係について，研究事例を交えながら述べてきた．
本稿が，モデルベース開発についての紹介となれば，
著者の望外の喜びである．

図８

クッションプランジャーの最適化12）

3.4 ポンプインペラー
要素機器の内部流れを３次元解析することで，より詳細な情報を得ることができる．一例として，ポンプインペラーの流れ解析13）を紹介する．油圧ポン
プの吸い込み圧を加圧する方法のひとつに，インペラーがある．吸込み口にインペラーを取り付け，ポンプの回転でインペラーを回すことで，吸い込み圧を加圧する機構である．インペラー周囲の流れを調整して渦損失によるエネルギー消費を避けるため，
CFD解析を行った．CFDの解析モデルを，図９に示す．流れ解析により流線を求めれば，渦の有無を可視化することができる．流線を見ながら流路形状を調整して渦の発生を抑えることで，消費動力を削減することができる．

4．お わ り に
モデルベース開発で重要な役割を果たすモデリン
グ技術と制御技術は，洗練されたシミュレーション
ソフトウェア，制御系開発ソフトとコンピュータの発展により，急速に進歩している．本稿では，モデ8

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

参考文献
１ ）Braun, R., Ericson, L., Krus, P.：Full vehicle
simulation of forwarder with semi-active suspension
using co-simulation, Proceedings of the ASME/BATH
2015 Symposium on Fluid Power and Motion Control,
FPMC2015-9588（2015）
２ ）Schulze, T., Weber, J., Großmann, K., Penter, L.,
Schenke, C.：Hydraulic die cushions in deep drawing
press-analysis and optimization using coupledsimulation, Proceedings of the ASME/BATH 2015
Symposium on Fluid Power and Motion Control,
FPMC2015-9623（2015）
３ ）Pettersson, K., Larsson, L. V., Larsson, K. V., Krus, P.：
Simulation aided design and testing of hydromechanicaltransmissions, Proceedings of the 9th JFPS International
Symposium on Fluid Power, 2C2-1（2014）
４ ）Takahashi, M., Nomura, R., Aoki, M., Okahashi, T.：
Unsteady CFD simulation of pure-tone noise
generated by a hydraulic relief valve, Proceedings of
the 9th JFPS International Symposium on Fluid
Power, 3A2-1（2014）５ ）Sanada, K. and Kitagawa, A.：A study of two-degreeof-freedom control of rotating speed in an automatictransmission, considering modeling errors of ahydraulic system, Control Engineering Practice,
Volume 6, Issue 9, pp. 1125-1132（1998）
６ ）Gao, B., Chen, H., Sanada, K., Hu, Y.：Design ofclutch slip controller for automatic transmission usingbackstepping, IEEE/ASME Transactions on
Mechatronics, Volume 16, Issue 3, p. 498-508（2011）７ ）Gao, B., Chen, H., Tian, L., Sanada, K.：A nonlinear
clutch pressure observer for automatic transmission：considering drive-shaft compliance, Transactions of
the ASME, Journal of Dynamic Systems,
Measurement, and Control, Vol.134, No.1, 011018（ ８pages）（2012）８ ）Gao, B., Chen, H., Ma, Y., Sanada, K.：Design ofnonlinear shaft torque observer for trucks with
Automated Manual Transmission, Mechatronics, 21,

2017年５月（平成29年）

眞田一志：フルードパワーシステムとモデルベース開発

pp. 1034-1042（2011）９ ）Sanada, K.：A method of designing a robust force
controller of a water-hydraulic servo system,
Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers, Part I：Journal of Systems and Control
Engineering, Vol. 216, No. 2, pp. 135-141（2002）
10）Akiyama, H., Yuasa, H., Kato, A., Saiki, T., Sanada, K.,
Kado, N.：Precise fuel control of diesel common-railsystem by using OFEM, SAE Technical Paper, 201001-0876（2010）11）Sanada, K., Miyazaki, T.：Application of DDVC Fuel
Injection System to Ship Speed Control, Proceedings

123of Bath/ASME Symposium on Fluid Power andMotion Control, FPMC2016-1760（2016）12）Sanada, K., Huang, R.：A study of a simulation modelof a cylinder cushion for construction machinery,Transactions of the Japan Fluid Power System
Society, Vol. 40，No.2，pp. 22-29（2009）13）Sanada, K., Yamaguchi, N.：CFD analysis of inlet
flow around an impeller of an oil-hydraulic pump,
Proceedings of the 8th JFPS International Symposiumon Fluid Power Okinawa, pp. 188-195（2011）

フルードパワーシステム（原稿受付：2017年 １ 月28日）

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

9

124

フルードパワーシステム

解 説

自動車業界でのモデルベースデザイン適用事例

著

者

紹

るモデルベースデザインの適用事例をご紹介する．

介
あき

ば

秋 葉

ひろ

博

ゆき

幸

MathWorks Japan
〒107-0052 東京都港区赤坂４－15－１
赤坂ガーデンシティ 7FE-mail : Hiroyuki.Akiba@mathworks.com
1995年に日本電気株式会社（NEC）に入社し通信インフラのシステム構築・ソフトウェア開発を担当，その後2000年より株式会社本田技術研究所にて四輪車・二輪車のパワートレイン制
御システム開発に従事．2015年にMathWorks入社，現在に至る．

1．は じ め に
現在の乗用車にどれほどの制御システムが搭載されているかご存知だろうか？
小型車でも50個，高級車になると200個を超えるとも言われている．代表的なものは以下の通りである．
パワートレイン制御：
エ ンジン・トランスミッション・走行用モー
ター／発電機・バッテリーなど
シャーシ制御： SC（Electric Stability Control：車両挙動安定E化 制 御 シ ス テ ム ） やABS（Anti-lock Brake
System：車輪ロック抑止制御システム），EPS（Electric Power Steering：電気式パワーステアリング）などボディエレクトロニクス：
 イパーやパワーウィンドウ，エアコン，電動
ワ
スライドドア／バックドア，メーターなど
安全・便利：
エアバッグ，自動パーキングシステム，クルー
ズコントロール（定車速制御システム），ADAS

2．背景と課題
車両にはすでに多くの制御システムが搭載されており，今後自動運転を実現するに当たっては更に多くの制御システムが搭載される事が見込まれる．
また，それぞれの制御システムにおいては，シス
テムの性能を向上させるため，新たにセンサやアクチュエータを追加する，あるいは制御アルゴリズムを改良するなど，より制御が複雑化し開発するソフ
トウェアが増大する傾向にある．
更には，グローバルに展開する車両が多く開発されるようになることで，販売地域ごとに異なる多くの仕様を設定しなければならなくなっている．これにはシステムを構成する制御仕様の組み合わせを変更する，あるいは設定パラメータを変更することが必要となる．多くの組合せを用意し，それぞれの組合せに対して動作が正しく行われることを検証しなければならないため，非常に多くの開発工数が必要となっている．
品質や安全性の担保もまた当然ながら必須であり，
特に安全性については機能安全規格ISO26262が制定され，これに準拠する事が求められている．
また，同時により一層の開発期間の短縮やコストの低減も求められている．
以上の内容をまとめると，制御システムの開発には課題が山積していることがわかる．
・制御システムの増加
・制御アルゴリズムの複雑化
・ソフトウェア開発規模の増大
・コスト削減・開発期間の短縮
・安全性の担保―機能安全規格への対応
これらの中には相反する要求も存在している．こ（Advanced Driver Assistance System： 先 進 運

れらの課題に対応するために導入・適用が進んでい転支援システム）などるのがモデルベースデザインの技術である．
上記のものはあくまで代表的なものであり更に多3．モデルベースデザインの適用
くのものが存在している．車の至る所に制御システ
ムが存在していることをおわかりいただけたと思う． 3.1 モデルベースデザインとは「構想・設計・試作・検証といった開発プロセスを本章では，自動車業界での制御システム開発におけ

10

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

秋葉博幸：自動車業界でのモデルベースデザイン適用事例

125

モデル＆シミュレーションに基づき実施する設計・開発手法」をモデルベースデザインと呼んでいる．

認したいのであれば，コントローラモデル単体でシ
ミュレーションし確認を行う事も可能である．この自動車メーカーでのパワートレイン制御システム
開発での適用に端を発し，現在では非常に多くの制御システムの開発において適用されている．また，こ場合は，制御システム全体としてのモデル・シミュ
レーションを使用した検証はできないのは言うまでもなく，モデルベースデザイン適用のメリットは非

れ ら の シ ス テ ム を 納 入， あ る い はECU（ElectricControl Unit）を納入するサプライヤにおいても，自動車メーカーからの要請に基づき適用が進んでいる

常に限定的である．
3.4.1 コントローラモデリング
モデルベースデザインを適用しコントローラをモ状況である．また，ISO26262への対応もモデルベー
スデザインの適用を推進する原動力となっている．
3.2 ワークフロー
一般的な制御システムの開発のワークフローと各デル化することにより「動く仕様書」を作成することが可能となる．モデルを作成するに際しては「ブロック線図」や「状態遷移図」を用いて，必要なア
ルゴリズムを実装する．

フェーズにおいて適用されるモデルベースデザインの要素技術を以下に示す．

図１

モデルベースデザインワークフローと要素技術

ワークフローについては各社で異なる場合が多い
ことから，以降の章では図１で定義された各フェーズで適用される要素技術について具体的な説明をしたい．
3.3 要求定義
制御対象を分析して，制御システムが持つべき機能や動作の内容を要求として定義する．ここでの要求定義に基づき下流工程の設計や検証方法が決まる
ことから，非常に重要な作業と言える．

図２

ブロック線図の一例

図３

状態遷移図の一例

制御システムの動作を表現するための手法として，
OMG（Object Management Group）が定義している・UML
Unified Modeling Language
・SysML
Systems Modeling Language
といったモデリング手法が用いられることが多い．
3.4 モデリング
制御システムの設計を行うにあたっては，要求定義に基づいて適切な動作を行うコントローラの設計が必要だが，その動作が正しいかどうかを確認するためにモデルとシミュレーションが必要となる．
シミュレーションを行うには，制御を行うコント
ローラのモデルと制御対象であるプラントのモデルが必要となる．両方のモデルがあってはじめてシ
ミュレーションが行えるのである．
ただし，アルゴリズム単体の確からしさだけを確」Stateflow®」
これらモデリングの作業は「Simulink®「を用いて行われていることが多い．
アルゴリズムはPID制御にはじまり，現代制御やモ
デル予測制御など幅広い制御技術が適用されている．
昨今はより高度な技術を用いた高性能なコント
ローラが求められる場合が多く，モデルベースデザ
イン適用の重要性・必要性が更に高まっている．
作成したコントローラモデルは，次項で説明する

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

11

126

フルードパワーシステム

プラントモデルと組み合わせてシミュレーションし
適切な動作が行われているかを確認する．

流体系のプラントモデルを構成する場合，流体系
だけでなく機械的要素，電気的要素，熱などの多く

また，検証技術を用いて不具合のないコントロー
ラとなっているかについても確認を行う．
3.4.2 プラントモデリングのドメインが関係するため，それぞれをモデルとして表現し統合して，制御系を構成するシステム全体
でシミュレーションできることが必要であり，重要先に述べた通り，モデルベースデザインを適用するにあたり，コントローラモデルと共に重要であるのが制御対象をモデル化した「プラントモデル」でである．
3.5 システムシミュレーション
プラントモデルとコントローラモデルが準備できある．
プラントモデルを作成するに当たっては，以下の３つの手法が用いられる．
・ホワイトボックスモデリング

るとそれらを結合してシステム全体のシミュレー
ションが可能となる．このような状況でぜひ活用して貰いたいのが「システムシミュレーション」である．
自動車メーカーは，ワークフロー上のより上流の・ブラックボックスモデリング・グレーボックスモデリング設計に注力しようとしており，システムの性能を定義・評価するプロセスであるシステムシミュレー

以下に各手法の概略を述べる．
ホワイトボックスモデリング物理原理・法則に基づいて数式化することでモデリングする手法．運動方程式や回路方程式，

ションも注力ポイントの一つである．
定義された要求にマッチする制御システムとする
ため，システムシミュレーションを活用し，制御ア
ルゴリズム見直しやパラメータ変更をしながら繰りエネルギー保存則などを用いて数式化する．
ブラックボックスモデリング
モデル化対象の入力と出力のみに着目し，統計的な手法でモデリングする手法．システム同定とも呼ばれる．
グレーボックスモデリングホワイトボックスモデリングとブラックボック
スモデリングを組み合わせたモデリング手法．
部分的に物理原理・法則を用い，統計的手法で補完する．現実的な手法であり，多く用いられている．
プラントモデルの作成に当たっては実際の制御対
象とプラントモデルとの同一性を問われる場合が多い．厳密に一致させるためには非常に詳細なモデルとなるため，一般的にシミュレーション時間を要す

返しシミュレーションを行うことで機能や性能の絞り込みや作り込みが行われており，これがシステムを開発する上で非常に重要となっている．定量的な要求（たとえば燃費10%改善）があれば，評価関数を用いて最適化シミュレーションを行うことで最適値を求めることができ，どの部分に着目して設計すべきかを把握する事も可能となる．これは，コント
ローラだけでなく，プラント，場合によってはセンサやアクチュエータの特性なども含めて最適解を求めることも行われる．
たとえば，ホイールローダでの目標性能達成可否をシミュレーションで見積もる場合を考える．

る．制御システム開発において必要なプラントモデ
ルの詳細度やシミュレーション時間を考慮したモデ
リングが重要である．

図５

システムシミュレーション用モデル

まずは，コントローラとプラントを組み合わせたシステム全体のシミュレーション用モデルを準備する．
「SimscapeTM」，「Simscape FluidsTM」といったプ
ラントモデリングツールを利用すると図６のように，
図４12プラントモデリングツールの一例

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

流体系だけでなく機械・電気・熱など複数のドメインにまたがった可読性の高いモデリングが可能とな
2017年５月（平成29年）

秋葉博幸：自動車業界でのモデルベースデザイン適用事例

127

り，Simulinkとの連携によりシームレスに制御設
計・シミュレーションを簡便に実施することが可能の制御対象と制御システムを構成し，テストを行うも の で あ る． ラ ピ ッ ド プ ロ ト タ イ ピ ン グ を 行 うとなる．

フェーズでECUのハードウェアが準備されていればそれを使うが，一般的にはこのフェーズでは用意が間に合わない場合が多いため，市販のラピッドプロ
トタイピング用のハードウェアを用いる場合が多い．
3.7 自動コード生成
ここで述べるコード生成の対象は製品化するに際して使用するコントローラ用ハードウェアである
ECUに実装する組み込み用のC言語のコードである．
ROMやRAMの使用量，実行効率に配慮したコードをツールにより自動的に生成させる．
図６

自動車業界では，AUTOSAR（AUTomotive Open
System ARchitecture）というECU内のソフトウェ

ホイールローダーモデル

アアーキテクチャ規格の適用が最近増えている．生成したコードをAUTOSARプラットフォームのECUに実装するものである．理由は開発の効率化やECU
サプライヤを広く選択出来ることなどが挙げられる．
モデルベースデザインとは異なる技術であるが，モデルベースデザインと共に効率的な開発を主眼に適用されるケースが多く見られる．

図７

バケット部の作動シミュレーション

複数のドメインを組み合わせたシステム全体でシ
ミュレーションを行い，最終的な挙動を確認して，要求に見合ったシステムであるかどうかを確認する．
結果として
 実機・試作機作成前の仕様検討
 新規開発制御ロジックのコンセプト検討
 メカ・エレ・制御並行開発で全体最適化が可能となるのである．
システムシミュレーションを行うことで，より良いシステムをより短期間で設計することが可能となるのである．モデルベースデザインの利点の一つである．

図８

自動コード生成の一例

3.8 シミュレーション手法
シミュレーションを実行するコントローラモデル

3.6 ラピッドプロトタイピングとプラントモデル，およびそれを実行する環境によ設計したコントローラモデルを机上で確認した後， り，以下の４つのシミュレーション手法がある．
すぐに実際の制御対象と組み合わせてテストを行い・MILS：Model In-the-Loop Simulation
たくなるものである．
この作業がラピッドプロトタイピングである．
モデルからの自動コード生成の技術により，コン
トローラモデルからC言語のコードを生成し，コン
パイルして実行ファイルを生成した後，ラピッドプ
ロトタイピング用の専用ハードウェアを用いて実際

・SILS：Software In-the-Loop Simulation
・PILS：Processor In-the-Loop Simulation
・HILS：Hardware In-the-Loop Simulation
3.8.1 MILS
PC上で行うシミュレーションである．
コントローラとプラントのいずれもモデルを用いフルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

13

128

フルードパワーシステム

たシミュレーションの手法である．
3.8.2 SILS

HILシミュレータのセットアップ，ハードウェアやソフトウェア，プラントモデルの維持管理には多く

PC上で行うシミュレーションである．
MILSに対して，プラントは同一のモデルを使用するが，コントローラはモデルから自動生成したの工数を要することから，専門の部門を置いている
自動車メーカーも多い．
3.9 検
証

ECU組み込み用のC言語のコードを用いたシミュ
レーションの手法である．MILSでのシミュレーショ
ン結果と比較し，同等の動作であることを中心に確バイワイヤ技術の発展・適用が進み，車両における「走る・曲がる・止まる」の基本要素が全て電子制御を基本とするものとなりつつあり，安全な制御認を行う．
システムであることの重要性がより高まっている．
3.8.3 PILS
ここで重要となるのが「検証」である．
PCとCPUを用いたシミュレーションである．ECU
シミュレーション可能であるため，モデル上で多に実装する前にCPU単体でコントローラを動作させ， くの検証が可能となり品質向上や自動化などにより確認するシミュレーション手法である．
SILSに対して，プラントは同一のモデルを使用す

開発工数・コストの低減に貢献できる．
この章で述べる検証とは，プラントモデルは用いるが，コントローラはSILSで用いたC言語のコードを使用するCPUに応じたコンパイラでコンパイルし実行可能なバイナリファイルを準備する．これをターゲットのCPUに書き込み，PCと接続してPC上ず，コントローラモデルを対象とした検証手法である．
3.9.1 モデル検証
制御システムの設計者は，システムのあるべき挙動を理解していることからテストシナリオ・テスト

でプラントモデルを動作させ，CPU側でコントロー
ラを動作させて処理ステップを同期させながらシ
ミュレーションを行う．

ケースを作成でき，これをコントローラモデルに注入して動作の検証を行っている．

図10
図９

モデル検証の一例

PILSの一例

また，モデルの隠れた設計エラーを特定したり，
3.8.4 HILSECUとプラントモデルを実行するための専用ハー
ドウェア（HILシミュレータと以後記述する）を用

整数オーバーフロー，デッド ロジック，配列アクセス違反，ゼロ除算および要求仕様違反を引き起こす要因を特定したりすることで更に品質を高める取いたシミュレーション手法である．
実際の制御対象を用いたテストを行う前のシミュ
レーションとなる．コントローラには実際のECUをり組みをしている．更に形式的手法により設計エ
ラーを特定したり，テストケースを自動的に生成したり，要求仕様に対する設計の検証などを実施して用いるが，ECUには実際の制御対象を制御しているように理解させる必要がある．このため，ECUにPILSで用いた実行可能なバイナリファイルを書きいる．
C言語でのコーディングルールに相当するモデリン
グ標準に対する準拠チェックを実施している例も
込み，一方，制御対象についてはECUに接続可能で， 多い．北米のMAAB（MathWorks Automot ive
Advisory Board）やJMAAB（Japan MBD Automotive
センサ・アクチュエータの信号の入出力が可能な
Advisory Board）で規定されたモデリングガイドラ
ハードウェアであるHILシミュレータを用いて模擬インを適用，あるいは各社でこれをカスタマイズしする．
たモデリング標準を規定し，これに準拠しているか
こうすることで，ECUはあたかも実際の制御対象を制御しているように動作させることが可能となる． どうかをツールで確認を行い，同様に品質の向上に

14

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

秋葉博幸：自動車業界でのモデルベースデザイン適用事例

129

役立てている．
日本の自動車業界は世界的に見ても特にこの分野に注力し，牽引している状況である．
3.9.2 コード検証
更なる品質の向上のため，コントローラモデルと自動コード生成されたC言語のコードとの一致性を検証されるケースが特にECUサプライヤを中心に行われる場合がある．
また，C言語のコードに対して静的解析ツールを用いて，実行時エラーの有無を確認している．

図12

4．事

図11

コード検証の一例

3.10 適合コントローラモデルには多くの場合，適合パラメー
タが含まれている．PID制御のゲインなどがこれに相当する．適切なプラントモデルが用意されている場
合には，実際の制御対象とのテストを行う前にこれらの適合パラメータを用意する事が可能である．
システムシミュレーションの中で既に適合パラメータの最適値が求められている事もある．
当然実際の制御対象とのテストにおいての調整は必要になるが，初期値としてパラメータを用意しておくだけでもテスト工数は大幅に低減される．
また，昨今のコントローラは適合パラメータが非常に多く，また多次元のマップを持つ場合もあり，工数や設定の難度の観点で課題となっている．シ
ミュレーションを用いた適合パラメータの決定はこういった課題に対する一つの対応策として用いられている．

適合パラメータ検討の一例

例

ここまでの内容で自動車業界での制御システムの開発におけるモデルベースデザインの適用の実際を理解していただけたと思う．
自動車業界での適用事例を個別に説明する事が今
回は紙面の都合できないため，以下のリンク先を参照されたい．日本だけでなく，世界の自動車業界における幅広い領域の多くの事例を垣間見ることができる．
h ttps://jp.mathworks.com/company/user_stories.
html
上記リンク先にある事例は実際に使われている中のあくまでほんの一部である．自動車業界では非常に多くの領域で用いられており標準的な制御開発手法となっていることをぜひご理解いただきたいと思う．

5．お わ り に
今回は具体的な作業内容を中心に自動車業界におけるモデルベースデザイン適用事例をご紹介させていただいた．
モデルベースデザインを用いた開発が将来の製品開発～更に複雑化する機能開発，品質向上，安全性向上など～に向け一層貢献できること，自動車業界だけでなくより多くの業界・技術者の方々に使用していただけることを切に願うばかりである．


フルードパワーシステム（原稿受付：2017年 2 月15日）

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

15

130

フルードパワーシステム

解 説

油圧システムのモデリング

著

者

紹

介
はやし

林

みつ

光

あき

昭

株式会社IHI〒235-8501 神奈川県横浜市磯子区新中原町１E-mail : mitsuaki_hayashio@ihi.co.jp
1989年明治大学大学大学院修士課程修了．同
年石川島播磨重工業株式会社（現・株式会社
IHI）入社，現在に至る．油圧装置／システムに関する研究開発に従事．日本フルードパワーシ
ステム学会会員

的な挙動を扱う油圧シミュレーションにおいては，その影響を無視することはできない．圧縮性に関する作動流体特性としては，体積弾性係数の値で扱われることが一般的であり，作動流体容積が圧縮/膨張する際の圧力変化量が示される．
dP = －K ×

dVV⑴

K：体積弾性係数，dP：圧力変化

dV：体積変化，V：初期体積
体積弾性係数は，実際には圧力および温度によって変化するが4），一般産業用の油圧装置が対象の場
1．は じ め に合，定数値として差し支えなく，油圧系作動油であPCが普及して机上で数値計算が行われるようにれば1,700MPaの値が知られている．
なった当初，シミュレーションには，そのモデルを
2.1.2 密度導出して１階連立常微分方程式に書き下す事から始作動流体の密度は，基準状態（大気圧）での値とまり，積分演算やプリポスト処理のプログラムまで， して与えられるが，体積弾性係数の定義からは，圧
すべて自前で賄う必要があった．GUIによるPC操作
力状態に応じて変化する値となる．
が当たり前になった今日，その環境をベースとした
m
dρ
ρ=
=ρ/K
→
⑵
V
dP

様々な工学分野におけるシミュレーションソフトが提供されるようになり，油圧に関しても，より複雑で大規模なシミュレーションが取り扱えるようになった1）．シミュレーションソフトの恩恵は，本来の目的であるモデル作りやモデルベースでの検討を実現するにあたり，それに必要な手間や労力を激減できたことにある．その結果として，以前では考えられなかった複雑で大規模なシミュレーションを行えるようになったが，根幹となるモデル自体の内容
は，自前で苦労していた時代と変わりない．そこで必要とされた知識は無用になったわけでなく，シミュレーションソフトを使う上での素地として，有用かつ必要な知識になったと言える．本稿では，油圧システムの「モデルベース開発」にあたり，目的にあった適切なモデルを用意する上で，必要と思われる基本的な事柄について紹介する．

2．基 本 要 素2.1 作動流体特性2）3）
2.1.1 圧縮性
一般的に非圧縮性流体に分類される作動油も，動16フルードパワーシステム

第48巻

第３号

（m：流体質量，ρ：密度，V：流体体積）
作動圧力領域が，低圧～高圧まで幅広い範囲で変化する状況を想定すれば，圧縮性と密度は式⑵のよ
うに互いに関連する値となり，それぞれ独立した特性値にはならない．体積弾性係数の値を定義したとすれば，密度は基準値からの圧力変化により，体積弾性係数で決定される事となる．一方で，圧力に応じた密度変化を定義すれば，体積弾性係数は，その密度変化で決定される値となる．
2.1.3 粘度
作動流体粘度がISO粘度グレード（VG）で示される場合，この値は油温40℃における動粘度（cSt）の値であり，作動温度条件が異なる場合には，その温度条件に応じた動粘度を設定する必要がある．一
般的にはVG値に加えて，異なる温度条件（40℃，100℃）での動粘度が示されるので，この値から，
ASTM粘度温度図表5）等を用いる事により，作動温度条件における動粘度を知ることができる．
2.1.4 熱物性値
本稿解説では触れないが，油圧システム内での作

2017年５月（平成29年）

林

動油発熱や放熱等の現象を考慮する熱油圧解析にあたっては，比熱や熱膨張係数等を始めとする，作動

光昭：油圧システムのモデリング

（

）

K
dp
dx
· A·
 ＝
－qout
V（x）
dt
dt

131

⑸

流体の各種熱物性値の定義が必要となる．熱油圧解析においては，圧力損失要素や冷却器等での熱収支に応じた作動流体の温度変化に加えて，作動流体の圧縮／膨張に伴う温度変化が考慮される．
2.2 圧力損失
各種制御弁による絞りや，配管抵抗に代表される

図２

プランジャ動作

モデル化要素であり，前者は流れが乱される事によ
図３で示すポペット弁を例とすれば，ポペット弁
る作動流体の運動エネルギー散逸による損失であるでの発生流量は，絞り部流路を圧力損失要素としてので，流速の二乗に比例した圧力損失となる．後者
は作動流体の流れに伴う摩擦による損失であるので， モデル化されるが，その弁体に作用する軸力には，
絞り部流路での差圧に加えて，絞り部を通過する作流速に比例した圧力損失となる．したがって，その動流体による流体力が作用する6）7）．
損失要因に応じて，作用する圧力差またはその平方
fK＝AP · ∆p－ρ · q · u · cosθ⑹
根に比例して，発生する流量が決定されるモデルで現される．
⑶
q＝QR · Δp または q＝QR · Δp（q：発生流量，∆p：圧力差，QR：流量係数）
ここで流量係数の値は，配管抵抗であれば，その形状（径，長さ）と作動流体粘度による値であり，制御弁等であれば，その仕様（流路面積，圧力損失量，圧力流量特性など）に基づいた値となる．
2.3 容積（圧力状態）
油圧回路内での圧力状態は，作動流体経路に存在する容積に出入りする流体流量の収支と，その圧縮性（体積弾性係数）により決定される．図１での容積の場合，容積内の圧力応答は，以下の微分方程式に基づいたモデルとなる．
dp
K· in－qout）
 ＝ （q
⑷
V
dt

図３

ポペット弁

また，ポペット開閉による弁体動作が発生すれば，その圧力流量特性に基づく流量に加えて，絞り部流路を境として，その上流側と下流側に，弁体移動容
積分の作動流体の流動が発生する事になる．
下流側への流入流量：qD ＝q＋AP ·

dx
dt


dx
上流側での流出流量：qU ＝q－AP ·dt⑺

3．油圧機器／要素のモデル化
図１

ポンプ／制御弁／アクチュエータ等．油圧装置の構成要素は多種多様ではあるが，その作動原理は前容積（圧力状態）モデル

2.4 流体運動
プランジャ，ピストン，弁体（スプール，ポペット）など，油圧装置内部の可動部では，その動作に応じた作動流体の流動が発生し，可動部には作動流体の流動に応じた流体力が作用する．
図２のプランジャ動作を例とすれば，シリンダ室
内にはプランジャ動作に応じた流量が流入することとなり，シリンダ室内の圧力は，プランジャ動作とシリンダ出入口での流出入流量の収支により変化して，プランジャには容積内圧力による力が作用する事となる．

章で示した基本要素に還元されると考えられ，それら基本要素の組合せによりモデル化される．ここでは，前章で示した基本要素モデルをベースとした，
油圧機器／要素のモデル化方法を取り上げる．
3.1 制 御 弁
圧力損失要素において，その流量特性を操作することにより，各種制御弁がモデルできる．切換弁であれば，各ポート流路の圧力流量特性に基づく流量係数が，バルブ切換操作に連動して変化するモデル
であり，逆止弁や圧力制御弁であれば，制御ポート
流路の流量係数が，作動圧力状態に連動して変化するモデルとなる．ここで，制御弁自体の動特性の考慮が必要な場合には，この流量係数の変化に，制御

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

17

132

フルードパワーシステム

弁動特性を現すモデルが追加される．
3.1.1 逆止弁を構築する事も考えられるが，仕様等によりその特性が予め与えられるのであれば，図５に示すような

前章図３のポペット弁による逆止弁の動特性を考慮する場合，式⑹で示される作用力より，逆止弁の開閉動作が発生すると考えて，軸方向の弁体慣性の簡易モデルで代替するのが現実的である．この例では，サーボ弁応答を２次遅れとして，駆動力の制約や摩擦に相当する非線形特性を付加することにより，運動方程式により，逆止弁の動特性をモデル化する事ができる．

振幅依存の応答やヒステリシス，スレッショルド等の特性をモデル化している．

m


d 2x
＝－fK ＋AP ·Δp－ρ· q · u · cosθ
dt 2⑻

ここで，式⑻における∆pは，絞り部流路における差圧であるが，弁体動作に伴い，その∆pの応答は，式⑺による流量の影響を受ける．すなわち，弁体速度に比例して，下流側への流入流量は増加/上流側
での流出流量は減少して，その流量変化により，下流側圧力は上昇/上流側圧力は低下するので，弁体動作への減衰力として作用する事になる．
3.1.2 サーボ弁
サーボ弁の動特性を示す特性として，応答周波数で示される場合があるが，各種作動条件に対応したモデルとしては，その周波数応答を考慮するだけでは不充分である場合がある．一般的に，サーボ弁応
答周波数として示される値は，ある一定の指令値振幅での周波数応答を計測した結果の値であり，その応答は図４⒜のように，指令値振幅の大きさによって変化する8）．ステップ応答によるサーボ弁応答は，一般的に図４⒝に示されるような特性となり，出力の変化率が制限されるような挙動を示す．これは，サーボ弁スプール駆動機構（ノズルフラッパー，ソ
レノイドなど）の駆動能力に起因した挙動と考えられるが，その影響の結果として，周波数応答特性の振幅依存性が発生すると考えられる.

図５

サーボ弁動特性モデル

3.2 油圧シリンダ
油圧シリンダは，そのストロークに応じて内部容積が変化するモデルとして，前章図⑵のプランジャと同様なモデル式⑸が適用できるが，複動型シリンダでは，キャップ側／ヘッド側の各室の容積モデル
により，以下のようにモデル化する事ができる．
FC ＝AC · pC－AH · pH

（

K
dpC
dx
qC － AC＝
AC · x
dt
dt

図６

⒜

（

K
dpH
dx
qH + AH
＝
A
（L－x）
dt
H
 dt

（

（

⑻

複動型シリンダ

4．油圧回路／システムのモデル化

周波数応答

前章までのような構成要素モデルを組み合わせれば，油圧装置／システムのシミュレーションモデル
となる．各構成要素モデルは，それぞれ個別のモデ
ルとして機能するが，モデルでの入出力として定義された状態量の受渡により，油圧装置／システムとしてのモデルが実現される．図７を例とすれば，油⒝
図４

圧シリンダと圧力損失の要素モデルから，式⑼のようなモデルで現すことができる．

ステップ応答サーボ弁応答特性

このような応答特性のモデル化には，前節ポペッ
ト弁の例と同様に，サーボ弁内部機構の詳細モデル

18

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

林

光昭：油圧システムのモデリング133

で対応することができる．

5．お わ り に
これまでに油圧シミュレーションに携わってきた経験から，シミュレーションモデルを構築する上で

図７の着目点，見落としがちな要素などを意識して，油圧シミュレーションにおけるモデル作りに関する基本的な事項を紹介させていただいた．内容的には，

油圧回路／システム1d 2x＝ （A · p－M · g）
M
dt 2

）

K
dx
dp
q－A
＝
A·x
dt
dt
q＝QR · i ·

PS－p

（

⑼

ただきたい．

また，制御系設計で必要となる伝達関数等のモデ
ル導出が必要な場合には．作動点を［x, p, i］=［X0 ,P0 , I0 ,］として，以下のような線形近似を行えば良い．
∂q∂qq（p, i）≈ q（P , I ） ＋
· Δi＋
· Δp
∂p （P , I ）∂i （P , I ）
0

0

0



0

∂q
＝QR · PS－P0∂i （P , I ）QR · I0∂q＝－∂p （P , I ）2 PS－P00000

その前提条件や仮定が曖昧な部分や，理論的な厳密性に欠ける点があると思うが，筆者の認識不足と紙面制約の都合もあり，詳細は参考文献を参照してい

0

0

⑽

ここでは説明のために単純化した油圧回路を例としたが，より現実的で複雑な油圧回路構成においても，そのモデル化要素が増えるだけで，基本要素の組合せで構成される事に変わりなく，同様の考え方

参考文献
１ ）桜井康雄：油圧機器･回路設計に用いられるCAE,フルー
ドパワーシステム，Vol. 43，No. 1，p. 23-25（2012）２ ）新井澄夫：新版 油圧作動油，日刊工業新聞社（1970）
３ ）Hodges：Hydraulic Fluids, Butterworth-Heinemann（1996）
４ ）（一社）日本フルードパワー工業会編：実用油圧ポケッ
トブック，p. 252（2012）
５ ）ASTM 規 格 D341，Standard Practice for ViscosityTemperature Chart for Liquid Petroleum Products６ ）竹中利夫，浦田暎三：油力学，養賢堂，p. 47-50（1970）
７ ）小波倭文朗，西海孝夫：油圧制御システム，東京電機
大学出版局，p. 117-119（1999）
８ ）（社）日本油空圧学会編：新版･油空圧便覧，オーム社，
p332-333（1989）


フルードパワーシステム（原稿受付：2016年 ２ 月 ６ 日）

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

19

134

フルードパワーシステム

解 説

1DCAEの考え方に基づくモデルベース開発

著

者

紹

物事の本質を的確に捉え，見通しの良い形式でシン

介
おお

とみ

大 富

こう

浩

いち

一

東京大学大学院〒113-8656 東京都文京区本郷７－３－１
E-mail : koichi.ohtomi@delight.t.u-tokyo.ac.jp

1979年，東北大大学大学院工学研究科機械工学専攻博士課程修了 工学博士 1979年から2014
年まで大手総合電機メーカの本社研究所に勤務
この間，原子力，宇宙機器から家電機器等の製品開発に従事 これらを通して，設計に関する広範な研究開発を実施 専門は機械力学，設計工学．
現在は1DCAEの普及啓蒙活動に注力．

１．は じ め に
1DCAEに基づくモデルベース開発について紹介する．モデルベース開発は元々，航空宇宙機器のように試作が困難で，実験による検証も容易でない製品に対して，できるだけ精度の良いモデルを構築して，設計段階で性能／課題を予測可能とすることにより，製品のリスク，コスト，開発期間を最小化する考え方と理解している．また，一般にはシステム
ズエンジニアリングの一手法とも捉えられている．
システムズエンジニアリングもモデルベース開発もプルに表現することを意味する．1DCAEにより，設計の上流から下流までCAEで評価可能となる．ここで言うCAEはいわゆるシミュレーションだけでなく，本来のComputer-Aided Engineering を意味す
る．1DCAEでは，製品設計を行うに当たって（形を作る前に）機能ベースで対象とする製品（システム）全体を表現し，評価解析可能とすることにより，製品開発上流段階での全体適正設計を可能とする．
全体適正設計を受けて（この結果を入力として）個
別設計を実施，個別設計の結果を全体適正設計に戻しシステム検証を行う．』としている．
1DCAEでは，図１に示すように製品設計を行うに当たって（形を作る前に）機能ベースで対象とする製品（システム）全体を表現し，評価解析可能とすることにより，製品開発上流段階での全体適正設計を可能とする．全体適正設計を受けて（この結果を入力として）個別設計を実施，個別設計の結果を全体適正設計に戻しシステム検証を行う．

元来，欧米的なトップダウン開発を前提として手法
であり，ボトムアップ，擦り合わせを基本とした日本のものづくりには馴染まない．恐らく適用しても欧米に近づくことはあっても，追いつき追い越すとも難しいと考える．そこで，システムズエンジニア
リング，モデルベース開発の考え方も踏襲しつつ，より日本のものづくりに合った形で同様の効果を実現する考え方が1DCAEである．ここでは，1DCAEの考え方を紹介するとともに，事例として宇宙機器開発を紹介する．実は，1DCAEの提案時期と宇宙機器開発の時期は逆転しているが，元来，1DCAEという考え方は潜在的に存在したものである．

図１

1DCAEの位置づけ

1DCAEでは製品開発目標を設定，これに則って概念設計，機能設計を行う．製品の機能を考えるこ

1DCAEの定義は，『1DCAEとは上流段階から適用可能な設計支援の考え方，手法，ツールで，1Dはとにより，設計仕様を仮決定し，3D-CAE部分に受け渡す．3D-CAEでは1DCAEから受取った仕様に基づ い て 配 置 設 計， 構 造 設 計， 製 造 設 計 を 行 う．
3D-CAEはいわゆる構造を考える部分であり，従来

特に一次元であることを意味しているわけではなく，のCAD/CAEが 威 力 を 発 揮 す る．3D-CAEの 結 果 は

2．1DCAEによる全体適正設計１），２）

20

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

大富浩一：1DCAEの考え方に基づくモデルベース開発

135

1DCAEに戻され，システムとしての機能検証を行う．この1DCAEと3D-CAEの関係を図２に示す．

図２

図３

1DCAEと3D-CAEの関係

1Dと3Dの比較

広 義 の1DCAEと は こ の1DCAEを 起 点 と し た
3D-CAEも含む設計の枠組みである．1DCAEは対象

ンパターン化し，価値ある製品の創出にブレーキがかかってしまった．1DCAEはこのような現状の課とする製品の価値，機能，現象をハード，ソフトに関わらずもれなく記述し，パラメータサーベイを可能とする環境を構築する．目的に応じて，製品を使用する消費者，社会，経済，流通といった非物理現題に対して，一つの解を示してくれる可能性のある
考え方，手法，ツールである．物理的なことを理解していれば1DCAEを用いて短時間で対象製品をモ

象も含む場合がある．また，1DCAEと３D-CAEの関係は車（自転車）の両輪と考えることもできる．
1DCAEにより目標設定を正しく行うための方向付けを行い，３D-CAEにより目標に向かって加速する
ことにより，全体として高い目標を設定でき，かつ，
最短でゴールすることを可能とする．
1DCAEが 目 指 す と こ ろ を そ の ま ま 具 体 化 す る
ツールはまだ存在しない．しかしながら，物理モデ
ルシミュレーションは1DCAEの考え方を具現化してくれる一つのツールとして有力である．一例として，物理モデルシミュレーションを用いた1DCAEによる稼働ステージの設計イメージを図３に示す．
稼働ステージは稼働テーブル，これを駆動するモー
タ，機構，モータを駆動する制御（ソフト）からなっている．これを1DCAEの一つの姿である物理

デ ル 化 す る こ と が 可 能 で あ る． こ こ で 目 指 す
1DCAEは上記の機能も有しながらより広範囲により柔軟に設計を支援する概念である．

3．1DCAEの考え方に基づくモデルベース
開発
1DCAEの考え方に基づくモデルベース開発の事
例として宇宙機器を紹介する．宇宙機器は単品生産品で，事前の検証／試作が困難な場合が多い．したがって，通常の設計手法に加えて，固有の設計手法が必要となる．特に，宇宙機器の場合には打ち上げ後のトラブル対応が重要である．当然，最善の努力を払ってトラブルが発生しないよう設計をするわけであるが，不幸にしてトラブルが発生する可能性はまったくゼロではない．そのような場合に，対応できるような仕組み，構造を考慮する設計法が必要と

モデルシミュレーションで表現すると図のようになる．この段階ではメカ部分の形状は気にしなくてよ
く，質量，バネ定数といった離散情報だけが必要でなる．また，宇宙機器開発の場合には，実物での検証が困難な場合が多く，シミュレーションが強力な

1DCAEは特殊な考え方ではない．昔から，技術協調の場合，日本人には言語の壁という大きな弊害が存在する．これを最小化する意味でも設計手法の意義は大きい．
上記の視点から，図４に示す宇宙機器に1DCAEの考え方に基づくモデルベース開発を適用した．こ設計ツールとなる．しかしながら，シミュレーショ
ある．この1DCAEで最適な質量，バネ定数を決定し， ンは予測された事象についてのみ解を提示するわけであるから，いかにして発生するであろう事象を予これを実現するように左上の3D-CAD／CAEを用い測するかがポイントである．また，宇宙機器に限らて形にしていく．ここで決定された詳細情報から最ないが，国際協調，異分野との協調，顧客／下請け
終的な質量，バネ定数を1DCAEに戻し，稼働ステー
連携といったいわゆる協調設計も重要である．国際
ジとしての機能を検証する．
者は対象としている製品をモデル化したいと考え，
自分の能力の範囲で時間をかけてモデル化，パラ
メータサーベイをしていた．しかしながら，最近は製品開発のサイクルが短くなり，このようなことでは間に合わなくなった．また，（狭義の）CAEの普及で開発効率は上がったものの，技術者の思考がワの機器は国際宇宙ステーションへの搭載を目的に，
JAXA／NASAで共同開発したものである．NASAのフルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

21

136

フルードパワーシステム

運用計画の見直し等により，残念ながら，最終段階
で中止となったが，宇宙機器開発として有益な知見が得られた．

図５
図４

対象とする宇宙機器

振動制御のための二つの機構

この機器は，宇宙環境下，重力の大きさをパラメータとした生物実験を行うことを目的としたもの
で，将来，月，火星での人類の長期滞在を見据えた

以下のとおりである．不釣合いによる回転体の振動
は，柔構造のVIMの振動変位（並進２軸，回転２
軸：並進の回転軸方向は不釣合いによって励起されない）として検知される．振動変位を並進成分，倒計画である．人工重力は，生物飼育箱を回転させる
ことによって実現する．最大回転数42rpmで，最大重力２gを発生する．人工重力を発生させる本体をCR（Centrifuge Rotor），CRを格納するモジュー
ルを CAM（Centrifuge Accommodation Module）と 呼 ぶ．CAMは 国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン（ISS：International Space Station） の 一 部 を 構 成 す る．
このうち，人工重力発生装置（以下，CRと略す）が対象となる機器である．
CRは直径約2.5m，質量1,200㎏の回転体で，内部に生物飼育箱，回転駆動装置，その他の種々の機器を搭載する．回転体として，生物飼育箱の初期の不釣合いに加えて，生物飼育箱内部の動植物の成長に伴う漸次的質量の変化，動物の動きに伴う質量重心の変化による不釣合いが発生する．この様な不釣れ成分に分離，これに相当する不釣合い補正量（並進の場合は力，倒れの場合はモーメント）を算出す
る．一方，回転体内部には，図５に示すように，静バランサ，動バランサの２種類（それぞれ２軸）の不釣合い修正機構があり，それぞれ，VIM振動変位から算出された不釣合い補正量（力，モーメント）に相当する修正不釣合いを発生するように機械的に駆動される．静バランサは修正不釣合い力を発生す
るように並進２軸方向に，動バランサは修正不釣合
いモーメントを発生するように回転２軸方向に，それぞれ動くように機構的に構成されている．上記の振動変位計測／不釣合い量算出／修正不釣合い量算
出／静バランサ・動バランサ駆動 といった一連の作業は，フィードバック制御系によって実現される．
CRの設計は1DCAEの考え方に基づき，以下に示合いが存在すると，CRが振動し，生物飼育箱の動すプロセスで実施された．
植物に悪影響を及ぼすばかりでなく，CRの振動がA 概念設計：全体をどのような機構にするか，回ISSに伝わり，ISS内の他の試験装置に影響を与える．
転体の駆動方法は，回転体をどのように柔支持
そこで，これに対する対策が必要となる．
CRでは基本的に，外部への振動を最小化するために振動絶縁機構（VIM：Vibration Isolation Mechanism）

Bという非常に柔軟な機構で支持されている．図５に示すように，VIMは並進３軸，倒れ２軸の独立したばねで支持され，さらに共振点通過時の変位を最小場合，顧客の振動スペックを満足するか，等の基本性能を満足していることを確認．
C 配置設計：機構を構成するスペースは限られて化するために，減衰機構を付加している．減衰機構
はVoice Coil Motorを用いたアクティブ減衰機構と，
磁気ダンパによるパッシブ減衰機構から成る．

いる．この限られたスペースの中に，機能を満足する機械システムを構築．
D 構造設計：機械システムは種々の外乱に対して，

また，回転体の不釣合いの除去に対しては，自動バランスシステム（ABS：Auto-Balancing System）
が回転体内部に搭載されている．ABSの動作原理は十分な構造強度を有している必要がある．材料の選定，構造の決定，運用期間を考慮した構造
強度設計の実施．

22

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

するか，等のCRのアウトラインを決定．
機能設計：回転体を柔支持するとして，どの程度のばね定数／減衰定数にしたら良いか，この2017年５月（平成29年）

大富浩一：1DCAEの考え方に基づくモデルベース開発

137

E 製
 造設計：構造設計で決定した構造を製造する
手順の決定．
上記の開発のプロセスをイメージ的に示したのが，
図６である3）．このうち，開発初期段階での全体機能最適化とシステム構成がほぼ決まった段階での統合シミュレーションについて以下説明する．

図７

全体機能最適化のためのモデル

１D／3D統合シミュレーション4）
宇宙機器は重力の影響のため，地上でその性能を検証することは困難である．そこで，シミュレー
ションが性能検証の有効な手段となる．CRの場合には，機構，構造，制御，流体，電磁，騒音，衝突
図６ 開発のプロセスといった物理現象が絡むため，いわゆる，統合シ
ミュレーションが必要となる．図８にCR統合シミュ全体機能最適化
レーションの概略モデルを示す．CRのシミュレー
CRの心臓部である支持系の機能を左右するばねションの難しさは，上記の物理現象のモデリングの定数／減衰定数をパラメータ最適化によって決定し
みならず，CRがISSと連成していること，地球の周た．機能設計段階では，モデルは詳細である必要はりを回っていることもモデリングする必要がある点ないので，図７に示すように，回転部を剛体，支持部を並進２自由度（水平２自由度は同一定数のため， である．つぎに，疑問となるのは，大変な思いをして統合シミュレーションを実施したが，本当にそこ
１自由度と換算），倒れ１自由度（実際は２自由度で得られる結果は正しいのかということである．そだが，同一定数のため，１自由度と換算）の計３自
こで，重力の影響を可能な限り排除した地上試験を由度でモデル化する．最適化計算は変位（できるだ実施した．この地上試験装置の統合シミュレーショ
け小さくしたい）を目的関数とし，加速度（顧客のンモデルを作成，シミュレーションを実施した．こ
スペックを満足）を制約条件とし，６個の設計パラのシミュレーション結果と，地上試験の結果を比較
メータ（３自由度xばね定数／減衰定数）に関してすることにより，統合シミュレーションモデルの妥実施する．対象とする解析モデルは３自由度の質点系モデルで表現される．最適化の手法は色々あるが， 当性を確認した．このようにして，妥当性の確認された地上試験装置用統合シミュレーションモデルを，
ここでは市販の最適化ツールを用いた．この一連の宇宙用統合シミュレーションモデルに拡張した．こ計算により，ばね定数／減衰定数が決定される．
最適設計で最も重要なことは，目的関数，制約条
件をどのようにして決めるかということであるが，同様に，設計パラメータの上下限の設定も重要である．なぜなら，設計パラメータは自由に選べるわけ
でなく，この場合には，具体的な構造をイメージし，ばね定数は最低どの程度まで可能か，減衰定数は最
大どの程度まで可能かを判断する必要がある．そして多くの場合，最適化された設計パラメータは，この上下限のいずれかに張り付く．
最適設計の最大の効果は，このようにして得られた設計値そのものにあるのではなく，最適設計の手順を踏むことにより，設計者がそれまで曖昧にしていた設計決定プロセスを明らかにし，論理的手順に従って設計解を自ら導出するところにある．
フルードパワーシステム

図８

1D／3D統合シミュレーション

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

23

138

フルードパワーシステムの手順は，その妥当性を数学的に証明するものでな
いが，このようにして得られた統合シミュレーショ
ンモデルは設計に有効であった．

4．お わ り に

現時点では物理モデルシミュレーションツール（いわゆる1D-CAE）を適用することにより，効率的かつ精度よく実行することが可能になっている．今後も， 考 え 方， ツ ー ル， 適 用 事 例 の 三 位 一 体 で
1DCAEの普及啓蒙活動を進めていく所存である．

1DCAEの考え方を紹介するとともに，事例として宇宙機器開発を紹介した．最初に述べたように，宇宙機器の開発時期は1DCAEの提案時期より前であるが，ここで紹介したように“1DCAEの考え方に基づくモデルベース開発”を先取りした形になっている．これはモデルベース開発，システムズエン
ジニアリングが特別なものでなく，日本のものづくりにおいてはごく自然に行われていることを意味する．これはこれで重要なのだが，この考え方，手法を普及させていくには皆が共有，理解できる考え方
が 必 要 と 考 え る． こ れ が“1DCAE” で あ る．

参考文献
１ ）大富浩一，羽藤武宏，“1DCAEによるものづくりの革新”，
東芝レビュー Vol. 67 No. 7 （2012）２ ）日本機械学会：1DCAE概念に基づくものづくり設計教
育, 日本機械学会講習会，13-75（2013）３ ）Ohtomi, K., Collaborative Design in New ProductDevelopment, 24th International Symposium on SpaceTechnology and Science,（2004）
４ ）Ohtomi, K., Kanzawa, T., Roy Hampton, andKawamoto, O. “Centrifuge Rotor Integrated Analysis”.
SPIE Defense & Security Symposium, Modeling,
Simulation and Calibration of Space-based systems,
5420-01.（2004）

1DCAEの考え方の普及とともに，これを具体化するツールも発展している．宇宙機器開発時点では機構解析を基本に統合シミュレーションを実施したが，

24

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）（原稿受付：2017年 ２ 月 7 日）

佐藤恭一：大学のフルードパワー研究・教育におけるディジタルコントローラの活用

139

解 説

大学のフルードパワー研究・教育におけるディジタルコントローラの活用

著

者

紹

介
さ

とう

佐 藤

やす

恭

かず

一

横浜国立大学大学院〒240-8501 神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台79－５
E-mail：sato-yasukazu-zm@ynu.ac.jp
1992年横浜国立大学大学院工学研究科博士課
程後期修了．同大学講師，准教授を経て，2012
年同大大学院工学研究院教授，現在に至る．油圧動力の伝達，制御，メカトロニクスに関する研究に従事．日本フルードパワーシステム学会，
日本機械学会などの会員．博士（工学）．

図１

1．は じ め に
産業界では，モデルベース開発（MBD：Model
Based Development）の導入が話題となっている．
一般に，ある製品の開発には，システム設計，コン
ポーネント設計，要素（部品）設計といった上流レ
ベルから下流レベルへの各設計工程，制御コードの生成と実装，下流レベルから上流レベルへの種々の検査，検証が行われ，多くの技術者が関わっており，よく知られるＶ字モデル（図１）のプロセスが進められている．従来の開発工程は，各設計工程を進めていき，制御コード生成，実装を経て，各種検証を行い，不具合があれば該当する設計工程にフィードバックされる．各設計，検証のレベル間の要求仕様の伝達は，レベル間の特有の仕様書や図面であり，
制御コードの生成も人がコードを書くという作業を含んでいる．レベルが移るたびに人の手が入り工数の増加，効率の悪化の要因となり，人的ミスの原因を生んでいると言われている．一方，MBDは，仕様書に代わって全レベルに共通するモデルを用い，Ｖ字モデルの開発，検証工程

図２

モデルベース開発

るであろう．本報では，大学の立場で，筆者の研究室で教育研究におけるMBD活用事例を紹介する．

2．大学におけるモデルベース開発
2.1

研究室の学生のバックグラウンド

筆者の研究室は機械工学系の学科に属しており，シミュレーションによる性能評価，検証も併用する． ４年次に卒業論文の指導で研究室に配属されてくる
学生は，機械工学の基礎を学んできている．コン
各レベル間では，従来の仕様書が表現する文面でのピューティング関連の授業でプログラミングの基本要求や，図面が表現する精度だけでなく，共通モデは学んでおり，微分方程式，行列式，代数方程式なルが表現する性能，静特性，動特性，制御方法も的どをプログラムで解く数値解析の経験はある．また，確に伝達していくことができる（図２）．
開発対象により，MBDの導入が有効な場合と，効果が得にくい場合があると言われている．また，ものづくりの観点でも，量産品を生み出す企業での研究開発と大学での教育研究では事情の異なりがあ制御の授業で，信号の伝達，変換を，ブロック線図，
伝達関数で表現することも経験している．しかしながら，自身で制御対象を駆動するためのプログラム
コードを書き，DSP（Digital Signal Processor）な

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

25

140

フルードパワーシステム

どの制御デバイスに実装し，実際にハードウェアを構成するということはほとんど経験していない．そのため，研究室に配属されてから，初めてハード
ウェアの制御方法を実体験する．実機を操作するまでに，独学で制御プログラムを作成し，デバッグすることに多大な時間を要し，その分，実験や解析の時間が圧迫されている．
当研究室では，学生一名に一研究テーマを担当してもらっているので，前述の図１に示すＶ字モデル

図４

ディジタルコントローラの概要の設計，検証工程によれば，全工程を一人で担当していることになる．その中で制御プログラムの完成に長時間を要すると，卒業までの研究期間は決まっているので研究全体の内容が薄くなる．
また，数年にわたる研究テーマの場合は，学部学生は４年生の卒業研究の１年間，大学院生は修士課

図５ 製品・市販品を利用したアクチュエータシステム
既
の構成

図６

 ードウェア開発を伴うアクチュエータシステムのハ
構成

程の２年間で研究室を巣立っていくので，研究の継続性も重要な観点となるが，実情は図３のようであり，担当学生間の十分な引き継ぎができないことが多い．

性能のディジタルコントローラが市販されている．
ディジタルコントローラを動かすプログラムは，設計者が記述言語でプログラムコードを書き，それから演算ユニット上で動くバイナリコードを生成する
ものがほとんどだが，市販のシミュレーションソフ
トのブロック線図で表現したモデルをから，バイナ
リコードを自動的に生成できるものもある．このブロック線図のモデルが扱えることが，プログラム
コードを手入力で作成していくのが苦手な機械工学系学生にとって，比較的容易に短期間でプログラムを創り上げることができ，都合がよい．
2.3 アクチュエータ開発を例に1）
筆者の研究室の研究テーマの一つにアクチュエー
タの開発がある．制御理論，駆動方法の検証などは，
図３

2.2

研究の継続と学生間のノウハウ・技術の伝承

ディジタルコントローラの活用

ディジタルコントローラは，中枢のMPU（Microprocessing unit），DSP，FPGA（Field-Programmable
Gate Array）などの演算ユニットと，ADC（AnalogDigital Converter）やDAC（Digital-Analog Converter）などのインターフェースで構成される．多様な種類，

26

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

市販のアクチュエータ，コントローラでシステムを構成し，その分，制御指令の生成に注力することができる（図５）．
一方，新原理，新構造のアクチュエータを対象とする研究の場合は，ハードウェアの市販品がなく，すべて試作によるところが多い（図６）．このよう研究過程では，制御法の構築から対象アクチュエー
タの試作，関連するセンサー，ドライバ，コント
ローラの作製を学生が一人で担当する．併せて，学2017年５月（平成29年）

佐藤恭一：大学のフルードパワー研究・教育におけるディジタルコントローラの活用

141

生がシステム全体を表現するモデルを作成し，ハードウェアの試作前に，シミュレーションでこのシス

今回，シミュレーションで作動が検証された全体モ
デルからコントローラのモデルのみを抜き出し，そテムの作動を検証する．アクチュエータの動特性を把握でき，アクチュエータの構造，ドライバ，コン
トローラの仕様を改善できる．

のブロック線図で表現されたモデルを直接ディジタ
ルコントローラに実装することにより，図７に示す
ように容易にモータ駆動用コントローラを創り上げ

さらに，システム全体のモデルの一部を既存のハードウェアに置き換え，残りのモデルをディジタ
ルコントローラ内に構築すれば，HILS（Hardware

ることができ，SRMの駆動システム全体のハード
ウェアを構成することができた．
3.3 モデルベース開発と研究拡張

In the Loop Simulation）が活用できる．ハードウェ
アとディジタルコントローラの間のインターフェースの仕様（電圧，電流，カウンター信号など）が明確になっているので，すべて一人の学生で担当する

学生Ｃは回転駆動のみであったSRM駆動システ
ムの全体モデルを改良し，回転と直動の二自由度運動を実現する回転直動二自由度SRMを開発した2）．
回転直動二自由度SRMの全体モデルをシミュレー

研究テーマであっても，ハードウェアの準備，接続などは他の学生の協力を得ることができる．

ションで作動検証することにより，コントローラの作製も，SRM駆動用のディジタルコントローラ内に構築されたモデルを二自由度SRMのコントロー

3．モータ駆動システム，油圧ポンプ駆動シ
ステムの研究開発例
3.1 システム全体のモデル作成
スイッチトリラクタンスモータ（SRM, Switched
Reluctance Motor）の駆動システムの開発例を紹介する．SRMは永久磁石を用いない交流同期モータである．作動原理の紹介から制御法の提案，産業機械駆動への応用など，多くの文献があるが，研究に適当な市販品がないため，当研究室では，モータ本体，ドライバ，コントローラなどシステム全体のハードウェアを自作した．その過程で，学生Aは，
SRM本体および駆動システムの全体モデルを作成し，シミュレーションにより作動を検証し，各種パラメータのモータの動特性への影響の研究をまとめた．
3.2 システム全体のハードウェアの構成
学生Ｂは，学生Ａの研究の成果を用いてモータ本

ラモデルに修正するだけで対応できた．
学生Ｄは，SRMの駆動に正逆両方向回転と回生・発電の機能を付加し，図８に示す閉回路用油圧ポン
プの回転数制御に適用した3）．これもコントローラ
は，ディジタルコントローラ内に構築されたモデルの修正で対応できた．

図８

SRM駆動閉回路用油圧ポンプの流量制御

4．お わ り に体を設計して試作した．また，ドライバ等のパワー
エレクトロニクス部分を，モデルに基づいて実際の電気回路で構成した．従来，モータ駆動用コント
ローラには，学生が書いたプログラムコードを実装

大学の教育，研究におけるモデルを実装できる
ディジタルコントローラの活用事例を紹介した．
ディジタルコントローラの利用は教育，研究に便利であるが，学生がモデル作成のもとにある物理原理

したディジタルコントローラを用いていたが，デバッグに時間を要し，また，他の学生にとってはそや信号処理を理解し，ブラックボックスとならない
ように指導することが肝要と考える．

のプログラムコードは理解に難儀するものであった．

図７ ブ
 ロック線図表現のモデルを用いたモータ駆動用ディジタルコントローラ

参考文献
１ ）佐藤，フルードパワー道場 8 「フルードパワーに生かせる電子回路技術⑵」第 3 回テキスト，日本フルード
パワーシステム学会，（2013）
２ ）Y. Sato, et al., Sensorless Torque and Thrust Estimationof a Rotational/Linear Two Degrees-of Freedom
Switched Reluctance Motor, IEEE Transactions on
Magnetics Vol. 52, No. 7, Paper No. 8204504（2016）３ ）佐藤，角谷，鄭，油圧ポンプ駆動用SRモータのサーボ
機能付加による油圧閉回路流量制御，平成28年秋季フルードパワーシステム講演会論文集，p. 25-27（2016）

フルードパワーシステム（原稿受付：2017年 3 月27日）
第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

27

142

フルードパワーシステム

解 説

1DCAEによるフルードパワーシステム設計に関する
研究委員会

著

者

紹

表１

介
さくら

い

桜 井

やす

康

お

演題

雄

足利工業大学工学部〒326-8558 足利市大前町268－１
E-mail : ysakurai@ashitech.ac.jp
昭和61年上智大学大学院理工学研究科博士前期課程機械工学専攻修了．富士重工業㈱，上智
大学助手等を経て平成12年足利工業大学講師，
平成13年同大学助教授，平成19年同大准教授，
平成21年同大教授，現在に至る．博士（工学）．

紹介されたソフトウェア

話題提供企業

紹介された
ソフト

熱・流れ・磁場解析と アンシス・

FLUENT

システムへの応用

ジャパン㈱

CFX

㈱IDAJ

CONVERGE™

熱流体解析プログラム
CONVERGE™の紹介㈱電通国際情CADデータを用いた流 報サービスエ

1．は じ め に
1DCAEによるフルードパワーシステム設計に関する研究委員会は，委員長 田中和博先生（九州工業大学），幹事 桜井康雄（足利工業大学）を含め，大学側委員７名，企業側委員11名で構成されている．なお，本委員会は，平成28年４月から活動を始めた研究委員会である．
ここでは，本研究委員会の設立の経緯，設立趣旨
およびその活動内容について紹介する．

体解析ソフトXFlowのンタープライ XFlow

紹介

ズソリュー
ション

STAR-CCM+とSTAR-CCM+

AMESim，MATLAB等，
1Dベースツールとの連成事例紹介および油㈱CD-adapco

AMESim
MATLAB

圧，空気圧事例紹介

2．研究委員会の設立の経緯
本研究委員会は平成25年４月から平成28年３月まで実施した油空圧のシミュレーション委員会を発展させた委員会である．油空圧のシミュレーション
委員会の委員長は中田毅先生（東京電機大学），幹事は田中和博先生（九州工業大学）であった．
油空圧のシミュレーション委員会では，CAEツー

図１

1DCAEに基づいた設計の流れ1）ルとして近年大きく進展してきたCFDソフトウェア
をはじめとして要素機器ならびにシステムの動特性把握に対して有効と考えられるさまざまなシミュ
レーション・ソフトウェアやシミュレーション技術
およびその応用例の話題提供を受けることにより，今後のCAEツールおよびその利用方法の発展の方向

いて表１にまとめた．次年度は，システシミュレー性を探ることを目的としていた．
最初の年度は，ソフトウェアやシミュレーション

ションの応用の現状について理解を深めるため，大学側委員による油空圧システムのシミュレーション

技術の現状の把握を目的として，CAEツールおよびCFDソフトウェアのベンダーを中心に話題提供をお願いした．この年度に紹介されたソフトウェアにつ解析技術に関する話題提供を中心に委員会を実施した．１年間の研究委員会の延長を行い，これらの年度で得られた本研究委員会の成果を活用して今後の28

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

図２

2017年５月（平成29年）

1DCAEと3DCAEの関係1）

桜井康雄：1DCAEによるフルードパワーシステム設計に関する研究委員会

143

発展の方向性と必要技術の検討を行った．最後の年
度の第３回目の委員会における話題提供は，CAE
ツールおよびCFDソフトウェアを系統的に利用した設計開発の発展の方向を探るため，「1DCAEの考え方に基づくモデルベース開発」と題した大富浩一先生（東京大学）による話題提供であった．大富先生が説明したものづくりの流れは図１に示した通りで
あ る1）． ま た，1DCAEと3DCAEの 関 係 を 図 ２ に 示す1）．1DCAEは概念設計を行う0Dからスタートする．その後の1Dでは0Dで明確にされた仕様を満足するための全体適正設計（上流設計）が行われる．
全体適正設計により明確にされたシステムを構成す
る要素の性能を満足するよう個別設計（詳細設計）
が3DCADと3DCAEを用いて行われる．3DCAEの結果は1DCAEに戻され，システムとしての機能の確認が行われる．この「1DCAEを取り入れたシステ
ム設計」が種々の業種で取り入れられつつあるとのことであった．
この話題提供の内容を受けて，フルードパワーシ
ステムの設計開発にこのような手法をとり入れることの可能性を探索することが必要であるということを認識するに至った．これが本研究委員会設置の動機のひとつである．
さらに，本研究委員会委員長田中和博先生（九州工業大学）による「CFDを用いることにより流体シ
ステム全体の設計は，高精度化，高速化，効率化したのであろうか？」，「CFDの真価が問われる時代で2）ある」という指摘 にも本研究委員会設置の動機がある．
CFDの利用範囲の拡大は急速に進んでおり，現在
では，研究，開発，設計・生産現場の様々な面で利用されるようになってきているとのことである．理論・実験・CFDの３本柱で活動できるようなり，分野によっては，CFDが実験に取って代わる発想も出現した．モデルの不完全性や解析精度不足のために検証ツールとしての実験は必要との認識が一般的ではあるものの，実験の測定精度にも限界があるため，
CFDは実験解析に追いつこうとしている状況であると考えることもできるとのことである．しかしながら，CFDを利用することにより，流体システム全体の設計が合理化されたとは言い難いのが現状であるとのことである．CFDは実験の補完的役割を果たしているに過ぎないとのことである．また，地球シ
ミュレータを活用したプロジェクトが何件か立ち上がったが，その成果により技術のブレークスルーが起きたということはまだ聞かれないとのことである．
CFDを設計プロセスに上手く利用するために，既存の設計プロセスに対しCFDを当てはめるという考え

図３

CFD，1D-CAE，設計の関係2）

では無く，設計プロセスそのものを大きく変革できるか，製品のイノベーションに結び付く設計プロセスを提案できるか，CFD側からのアプローチも必要とのことである．よって，このような問題点を解決するために1DCAEを捉えたらどうであろうかということが提案されている．さらに，フルードパワー
システムの設計に際しては，システム制御あるいはシステムダイナミクスについて考慮する必要がある．
これらのシミュレートする際にモデルベースデザイ
ンソフトAmesim3）, Simulation-X4）などが力を発揮する．これらの領域とCFDの領域を整理すると図３のようになるとのことである．
この図より，フルードパワーの設計開発においても1DCAEの概念を適用し，1DCAEと3DCAEを上手く利用した設計の流れについて検討する必要性を強く認識するに至った．
そこで，田中和博先生に本研究委員会の委員長をお願いし，本委員会の設置を学会に提案した．

3．研究委員会の設立主旨と活動内容
前述した通り，1DCAEとは物事の本質を的確にとらえ見通しの良い形式でシステムを表現し全体の適正設計を行った後，3DCAEによりシステム構成
要素個々の詳細設計行い，その結果を全体適正設計に戻し再度システムの評価を行う設計手法である．
この設計手法は種々の業種で取り入れられつつあることから，フルードパワーシステムの分野でもこの設計手法に関する技術および情報を一元的に取り纏める必要があるとの観点から本研委員会を設置した．
本研究員会では曖昧なものを具体化する0Dおよび
1DCAEに着目し，この設計手法をフルードパワー
システムに適用できるか検討することを目標としている．そこで，まず，1DCAEの中の1D（機能設計）を行うために必要なマルチドメインソフトウェアのフルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

29

144

フルードパワーシステム

運用事例，運用上のノウハウおよび運用上の問題点を明らかにしたいと考えている．次いで，他の業界

ム開発での留意事項について説明が行われた．最後に，モデルベース開発を実現するためのオブジェク

で1DCAEが利用されている現状を把握することを考えている．これらの情報に基づき1DCAEによるフルードパワーシステム設計に有益な情報をまとめ

ト指向異種物理系統合モデリング言語である
Modelicaの有効性と利用の現状，Modelicaに準拠した種々のモデリングツール（Amesim ，Dymola6），
Simulation-X，Maple-sim7））の特徴についての説明とともにECT，電子制御ブレーキの油圧系，将来ることが目標である．
本研究委員会は，前述した通り平成28年４月から開始した委員会である．そのため，委員会は３回開催されただけである．第１回目の委員会は平成28年６月，第２回目は平成28年８月，第３回目は平成28年11月に開催し，第４回目の委員会は平成29年３月の開催を予定している．
第１回目の委員会では，田中和博委員長により，本研究委員会の設立趣旨と目標についての説明および「CFDと1DCAE」と題した話題提供が行われた．
この話題提供では，1DCAEに基づいた開発設計および教育が日本の技術および大学の競争力が低下に歯止めをかける一助となるのではないかという見解が示された．すなわち，別の視点から1DCAEの必要性および有効性が示された．次いで，CFDの立ち
位置，および，CFDによる技術のブレークスルーは起きてはいないとのことが示された．そこで，ハードとソフトが発展して社会における今後の設計とモノづくりを考えた場合，本質を見抜いた設計手法すなわちトータルエンジニアリングの実現，すなわち，
1DCAEが必要であることが示された．最後に1DとCFDを組み合わせた具体的事例として，複雑な内部流路を有する油圧マニフォールドブロックにおいて，
CFDで1Dに必要なパラメータを推定し，その結果に基づき1Dシミュレーションを実行した結果が示された．
第２回目の委員会ではトヨタ自動車㈱平野豊氏より，「応用：Modelicaと1DCAE ～オブジェクト指向の電動化モビリティのシミュレーションの事例についての解説が行われた．
第３回委員会では，シーメンス㈱緒方洋介氏より「Amesimを用いた油圧システムのシミュレーショ
ン」と題した講演が行われた．Amesimの特徴の簡単な紹介の後，油圧ダンパと車両モデルとの連成事
例，すなわち，メカ部には３次元機構解析ソフトを使いAmesimと連成させたシミュレーションを行った結果が示された．次に，油空圧システムと様々な機構との連成事例についての解説が行われた．例えばチェック弁周りの流れをCFDで計算し流体力を求めAmesimに送り，そこで弁の位置を計算しCFDに送るというシミュレーションである．

4．お わ り に
本稿では平成28年４月に設置された「1DCAEによるフルードパワーシステム設計に関する研究委員会」の設立の経緯，設立趣旨およびその活動内容について紹介した．
1DCAEに基づいた設計手法の実現はフルードパ
ワーの世界で可能なのか？効果があるのか？等々本研究委員会を通して意見交換し考えていきたい．本研究委員会は始まって１年が経過した程度である．
1DCAEについて少しでも興味のある会員の本研究委員会への参加を期待したい．

参考文献
異種物理系モデリング言語Modelicaによるモデル
ベース開発～」と題した話題提供が行われた．まず， １ ）大富浩一：1DCAEの考え方に基づくものづくり，機械
設計，Vol. 59，No. 9，p.12-13（2015）
自動車開発のプロセスを通して1DCAEの流れの説
２ ）田中和博：CFDと流体システム，日本機械学会2015年

明が行われた．顧客要求仕様に基づき車両の特性を
EXCEL等で検討する0D-Simから始め，システム挙動の検討をModelica5），Amesim等を用いて1D-Simに よ り 検 討 し た 後，FEMあ る い はCFDに よ る
3D-Simで機構・形状設計を行うことの紹介が行われた．次いで，1D-Simで用いられるモデルベース
開発の狙い，モデルベース開発で重要となるパラメータの決定方法の実情およびモデルベースシステ

30

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

度年次大会DVD論文集，K05200（2015）３ ）https://www.plm.automation.siemens.com/ja_jp/
products/lms/imagine-lab/amesim/
４ ）http://www.newtonworks.co.jp/product/simulationx/５ ）https://www.modelica.org/
６ ）https://www.3ds.com/ja/products-services/catia/
products/dymola/
７ ）http://www.cybernet.co.jp/maple/product/maplesim/

2017年５月（平成29年）（原稿受付：2017年 ２ 月 ４ 日）

辻内・明井：コンバインのエンジン振動，騒音低減へのCAEモデルの適用

145

解 説

コンバインのエンジン振動，騒音低減への
CAEモデルの適用

著

者

紹

介
つじ

うち

辻 内

のぶ

伸

たか

好

同志社大学理工学部機械システム工学科〒610-0321 京都府京田辺市１－３E-mail : ntsujiuc@mail.doshisha.ac.jp

1982年神戸大学大学院工学研究科修士課程修了．三菱電機㈱を経て同志社大学理工学部機械
システム工学科教授，現在に至る．振動工学，
制御工学，バイオメカニクスの研究に従事．日
本機械学会，自動車技術会，日本騒音制御工学
会，IEEE，SAE，SEMなどの会員．博士（工学）．
あけ

い

明 井

まさ

政

ひろ

博

ヤンマー株式会社エンジン事業部小形エンジン
統括部〒526-0111 滋賀県長浜市川道町1009－２
E-mail : masahiro_akei@yanmar.com

2003年大阪府立大学工学部卒業後,ヤンマー株
式会社入社．2015年同志社大学大学院理工学研究科博士課程修了．ヤンマー株式会社にて産業用ディーゼルエンジンの開発に従事．日本機械学会，自動車技術会，日本騒音制御工学会，農業食料工学会，SAEなどの会員．博士（工学）．

1．は じ め にに焦点を当て，「モデル化技術の構築」「実用モデルの開発」を基盤とする「システム開発」について述
べる1）2）．

2．農業機械の振動騒音
農業機械のオペレータの耳位置での騒音レベルは，
年々低下傾向にあるもののオペレータの聴力保護の観点から現在の騒音レベルが十分であるとは言い難い．また，農業機械のオペレータに影響を与える振動には，座席の振動などの全身振動とステアリングの振動のような手腕振動がある．
農業機械の振動・騒音に関しては，エンジンからの音響・振動入力の寄与が大きいため，エンジンからの入力に対して対策をおこなうのが効果的である．
しかしながら，エンジンの性能とエンジンの低騒音，低振動化を両立するには限界がある．そこで，エンジンの開発と車体の開発の連携が重要であり，その両者を受け渡す「システム開発」技術の確立が必要である．対象の普通型コンバインを図１に示し，解析モデルと実験解析を併用した振動騒音解析のフローを図２に示す．

最近，自動車を代表として製品の設計・開発において「モデルベース開発（MBD）」という考え方が重要な地位を占めるようになっている．MBDはよく「V字モデル」で説明されることが多く，初期の概念設計でいかに有効利用可能であるかが重要となる．一方，MBDの定義や利用目的は適用分野や対象によってさまざまである．
車両の振動騒音乗り心地の性能向上に関する設計（NVH設計）についても，従来から，製品設計の開発部門と生産部門の間では，図面による情報伝達を基に，3DCAD モデルを用いることで，形状情報の効率的な共有がおこなわれてきた．最近では，これを発展させ，解析モデルを共有することで，フロン
トローディングと呼ばれる，開発早期に振動騒音の遠因となる外乱をモデルで予測し，それを最小化す
る生産品質の作り込みに反映されるようになってきている．
そこで，本論文では，特に農業機械のNVH設計

図１

普通型コンバイン

3．騒音に関する解析モデル
3.1 逆音響解析による音源同定
エンジンからの放射音の低減化には数値シミュ
レーションを用いた騒音予測が有効であるため，精フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

31

146

フルードパワーシステム

ルを示す．
3.2 騒音伝達経路解析と寄与度解析
音源モデルの構築と騒音伝達経路解析のフローを
図４に示す．逆音響解析の入力となるエンジンの周囲の音圧をエンジンベンチにて計測する.計測で得られた音圧と境界要素法で計算された音響伝達関数
を用いて逆音響解析をおこなう．逆音響解析で同定された表面振動速度を周波数領域で微分し加速度に変換する．得られた加速度と分割したエンジンの放射面の面積の積から体積加速度を算出する．次に騒
図２ 析モデルと実験解析を併用した振動騒音解析のフ解
ロー

度の良い音源モデルが必要となる．音源モデルを構築する手法の一つとして，逆音響解析が提案されて音の放射面であるエンジン表面からオペレータの耳位置までの伝達関数を計測する．最後に同定された各部の体積加速度と伝達関数を用いて，オペレータの耳位置の騒音に対する伝達経路解析をおこなう．

いる．逆音響解析は，音源の周囲に配置された観測
点の音圧の実測値から音源の表面振動速度を算出する手法であり，音源モデルを構築する有効な手法3）である．逆音響解析により構築された音源モデルと境界要素法（BEM）を用いて，騒音予測4）がおこな
われる．
音源となる構造物があるとき，構造物表面における振動速度と観測点の音圧の関係は，次式で表現することができる．
｛p｝＝［H］{v}
⑴
ここで，{p}は，観測点における音圧ベクトル，{v}は，構造物の表面における振動速度ベクトル，［H］は，構造物の表面振動と観測点の音圧の音響伝達関数である．逆音響解析は，｛p｝を既知，｛v｝
を未知として，式⑴を解く逆問題である．伝達関数
行列［H］は，正則であることが少ないため，振動速度を同定する際は，擬似逆行列を用いる．式⑴に左から伝達関数行列［H］の擬似逆行列［H］＋を掛けると音圧ベクトル｛v｝は，次式で表現すること
ができる．
＋
｛p｝

⑵
｛v｝＝［H］
擬似逆行列の算出には特異値分解を用いる．音圧

図３

図４

音源同定に用いた境界要素モデル

音源モデルの構築と騒音伝達経路解析のフロー

計測結果｛p｝に誤差がある場合，小さな特異値の影響で，音源同定結果の誤差が大きくなるため，こ

伝達経路解析は，評価点の応答に対して，寄与の大きな経路を特定する手法である．評価点におけるれを無視した近似行列を用いて，誤差が大きくなることを防ぐ．情報量と同定誤差はトレードオフの関係にあるため，適切な許容値を選定する必要がある．
そこで，許容値の選定には，L-curve手法4）を用いる．

応答は，各経路からの寄与の総和に等しいと考える．
エンジンからの放射音に着目し，オペレータ位置の騒音を応答P（ω），エンジン表面の入力点iにおける体積加速度入力をq（ω）とすると，次式で表すこと
i

境界要素法によりエンジン表面とエンジンの周囲との音響伝達関数［H］を求める．音響伝達関数

ができる．

［H］と実測で得られたエンジンの周囲音圧｛p｝を用いて，式⑵を解き，エンジン表面の振動速度｛v｝を同定する．図３に音源同定に用いた境界要素モデ

32

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

n

H（ω）
i
i
P
（ω）＝ ∑ q（ω）

i＝1

⑶

ここで，iは経路番号，nは総経路数，H（ω）は入i
力点iから評価点までの伝達関数である．伝達経路

2017年５月（平成29年）

辻内・明井：コンバインのエンジン振動，騒音低減へのCAEモデルの適用

147

解析では，入力q（ω）と伝達関数H（ω）から各経路iiの寄与を算出することで寄与の高い経路を特定する

3.3 騒音の改善
騒音改善の結果を図６に示す．黒の●のプロットことができる．
ここでは，エンジンの放射面の騒音伝達経路解析の結果を示す．エンジンの放射面は合計208の面に点が改善前を示し，三角のプロットが遮熱カバーを変えた時の騒音レベルの結果である．ひし形のプロットが遮熱カバーと吸音パネルを追加した時のオ

分割したが，騒音の改善部位が判断しやすいように
各部品の寄与を算出した．図５に騒音伝達経路解析の結果を示す．

ペレータ耳位置の騒音結果である．改善前後で，5㏈程度騒音レベルを下げることができた．
これらの結果より，音源モデルと伝達関数を用い

図５は全14部品の寄与を1/3オクターブバンドで表したものである．図５中には，騒音レベルの実測
値と騒音伝達経路解析で合成された騒音レベルを併せて示した．

て，寄与の高い部位を特定し，効率良く騒音改善をおこなうことができるといえる．

実測値および伝達経路解析で合成された騒音レベルの両者で800㎐帯域の騒音レベルが最も大きいこ

近年のCAEの発展により，機構解析を用いてエンジンの動的挙動を解析することが可能となってきた5）6）．これにより，エンジンから機械への振動伝達力に関しても数値解析で求めることができる．ことがわかる．800㎐帯域の各部品の寄与に着目すると，排気サイレンサと遮熱カバー，フライホイル，
吸気マニホールドと燃料フィルタからの放射音の寄与が高いことがわかる．他の周波数帯域においてもこれらの部位の寄与が大きいため優先対策する部位であるといえる．

図５

4．振動に関する解析モデル

こでは，エンジンの機構解析で求めた振動伝達力と実験により得られた伝達関数を用いたハイブリッド
振動伝達経路解析手法について述べる．
4.1 機構解析モデルによる振動入力の同定
まず，エンジンからコンバインのメインフレーム
への振動伝達力を計算する機構解析モデルに関して述べる．図７に機構解析モデルの概要を示す．エンジンの各要素や要素間を結合するジョイントは，そ

騒音伝達経路解析の結果

図６

騒音改善の結果

図７

ディーゼルエンジンの機構解析モデルの概要

図８

機構解析モデルの要素とジョイントの定義

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

33

148

フルードパワーシステム

れぞれの要素を3D上に配置し，図８のように各要素間をジョイントで結合している．
クランク軸，エンジン本体は，自由度を減らした
弾性体モデルとしてモデル化する．ピストン，コン
ロッドは3DCADモデルから得られた質量特性，重心位置を考慮する．筒内圧は，実験によって計測されたデータを使用する．エンジンマウントは周波数依存特性と振幅依存特性を考慮するため，３並列の測が可能であるといえる．

5．ま

と

め

本稿では農業機械のNVH設計について，解析モ
デルと実験解析を併用した振動伝達経路解析を援用
し，農業用コンバインの低振動，低騒音システム設計に適用した応用例について概説した．エンジンの高機能化技術と振動騒音特性の高度化の両立は重要な課題として今後も取り扱われる．
一般化Maxwellモデルに非線形バネを追加し，拡張
今後，ここで開発された技術やシステムモデルがモデルを構築した．各要素のバネ定数や減衰係数は，エンジンマウントの単体試験結果を元に算出した． 制御系も含んだ本来の意味での「モデルベース開発」に適用されることを期待する．
このようにエンジンマウントの周波数依存特性と振幅依存特性を考慮したモデルを用いた．

⒜

図９エンジンマウントからの振動伝達力⒝

図９にx方向の振動伝達力の予測結果と実測結果を示す．横軸が周波数，縦軸が伝達力，赤線が実測値，青線が予測値を示している．エンジン回転数の0.5次置きに伝達力のピークが発生する．３気筒エンジンの主起振力である，１次成分25㎐，1.5次成分の37㎐が大きいことがわかり，実測値と予測値は良く一致する．
4.2 オペレータ位置での振動予測
機構解析により求めた振動伝達力と実測した伝達関数を用いてオペレータ位置での振動レベルの予測をおこなった．図10に振動レベルの実測値と予測値を比較した結果を示す．ステアリング部の振動レ
ベルには，手腕系の感覚補正7）を用いている．また，シート取付け部とフロア部の振動レベルには，全身振動の感覚補正8）を用いている．実測値と予測値の差は，概ね３㏈以内であり，よく一致している．これらの結果より，エンジンの機構解析と実測した伝達関数を用いて，オペレータ位置の振動レベルの予

34

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

⒞

図10

オペレータ位置の振動レベルの予測結果

参考文献
１ ）明井政博，辻内伸好，伊藤彰人，山内貴之，逆音響解析を用いた音源モデルの構築と騒音伝達経路解析，農業食料工学会誌，Vol. 77, No. 3, pp. 186-196（2015）２ ）M. Akei, T. Koizumi, N. Tsujiuchi, T. Yamauchi,
Prediction of vibration at operator position and transfer
path analysis using engine multi body dynamics model,

2017年５月（平成29年）

辻内・明井：コンバインのエンジン振動，騒音低減へのCAEモデルの適用

SAE Technical Paper 2014-01-2316（2014）３ ）F. Martinus, D.W. Herrin, A.F. Seybert：Practicalconsiderations in reconstructing the surface vibration
using inverse numerical acoustics, SAE technicalpaper 2003-01-1456（2003）
４ ）D.W. Herrin, J. Liu, F. Martinus, D.J. Kato, S. heah：
Prediction of sound pressure in the far field using theinverse boundary element method, Noise control eng.
j., vol. 58, no. 1, pp. 75-82（2010）５ ）T. Ortjohann, M. Rebbert, F. Maassen, M. Robers,
3D-Durability Analysis of Crankshafts via Coupled149

Dynamic Simulation including Modal Reduction, SAE
Technical Paper 2006-01-0823（2006）
６ ）K. Marudachalam, N. Choudhari, P. Chandramouli, V.
Krishna Balla, Analytical Prediction and Measurementof Engine Mount Forces SAE Technical Paper 2007-320105（2007）
７ ）ISO Standards 5349-1：2001
８ ）ISO Standards 2631-1：1997


フルードパワーシステム（原稿受付：2017年 ２ 月13日）

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

35

150

フルードパワーシステム

解 説

HILS技術を用いた仮想走行試験手法の基礎研究

著

者

紹

介
わた

なべ

渡 辺

のぶ

信

ゆき

行

いない．大きく分けて，要素部品試験環境，編成試
験環境，ラピッドプロトタイプ台車に分類することができ，目的に応じて機器を選択し，試験する．

公益財団法人鉄道総合技術研究所〒185-8540 東京都国分寺市光町２－８－38
E-mail：watanabe.nobuyuki.53@rtri.or.jp

1996年東京大学大学院工学系研究科修士課程修了．同年公益財団法人鉄道総合技術研究所に入所，2016年車両構造技術研究部走り装置研究室長，現在に至る．仮想走行試験環境の構築の研究に従事．日本機械学会などの会員．

1．は じ め に
鉄道車両，あるいはその構成要素の開発においては，性能を検証する手段として営業線で実際に車両を走行させる，「現車走行試験」が多用されている．
しかし，営業線での現車走行試験は営業列車や保線作業の間合いに実施せざるを得ないことから，集中的に試験を行うことは困難である上，営業列車に支障しないように試験条件が制約されることが多い．
近年，このような制約を緩和できる試験専用線が日本にも建設されたが1），新幹線のような高速鉄道を含めたあらゆる車両の検証を1施設だけで実施することは不可能である．
一方，モデルベース開発における検証手法の１つとしてHILS技術がある．HILSでは検証対象となる
実物とシミュレーションを試験機を通じてリアルタ
イムに結合することによって仮想的な環境下での実機評価を可能とする．当研究所ではこのHILS技術を導入することによって，所内のベンチ試験機で仮

図１

試験機の全体構成

2.2 ダンパ・空気ばね試験装置と要素部品試験環境
オイルダンパや空気ばねは鉄道車両を構成する要素部品として幅広く使用され，これらの特性はダンパであればピストン伸縮方向，空気ばねであれば上下・左右（前後）方向の主たる作用軸の特性として規定されている．しかし，これらの部品が取り付けられた車体，台車は３次元の動きをするため，ダンパや空気ばねを３次元に動かすことによって，より実態に近い性能評価が可能になると考えられる．
そこで，ダンパ試験装置（図２）や空気ばね試験
装置では，供試体の加振機構としてスチュワートプ
ラットフォーム型のモーションベースを採用することによって，シミュレータが計算した3次元の動き
で供試体を加振できる構成となっている．

想的な現車試験を実現する「仮想走行試験環境」を構築するための研究を進めている．本稿ではその概要を述べる．

2．仮想走行試験環境の試験機の構成
2.1 全体構成
図１に構築中の仮想走行試験環境の全体構成を示す．各試験装置とシミュレータは光ファイバーを用いたリアルタイムネットワークで結合されているが，すべての試験装置を同時に使用することを想定して

36

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

図２

ダンパ試験装置

渡辺信行：HILS技術を用いた仮想走行試験手法の基礎研究

2.3

車体間運動模擬装置と編成試験環境

新幹線のような高速で走行する車両では隣接車両の影響を受けた挙動を示すことがあるが，１車両の特性を評価する車両試験装置ではこのような編成に起因する運動を再現することができない．そこで供試車両に隣接して，隣の車両の動きを模擬する車体
間運動模擬装置を設置し，装置と供試車両の間を実編成で用いる車体間ダンパで結合させ，シミュレー
タにより車体間運動模擬装置と車両試験装置を同時に動かすことによって編成車両状態を実現する．
車体間運動模擬装置（図３）は，パラレルリンク
で支持された２重のフレーム構造となっている．中間フレームは３本のアクチュエータによって上下・
左右・ロール運動が可能となる．隣の車体の妻面を模擬する前フレームと中間フレームとの間の２本のアクチュエータによってヨー運動を実現し，合わせて４自由度の動きが可能となっている．

図３

151

3．HILS試験を実現するための要素技術の開発
3.1 特性同定手法
通常ダンパや空気ばねは車両に複数装備されるが，前述のダンパ試験装置や空気ばね試験装置では試験できる供試体の数は１個に限定される．運動の対称性を考慮することによって１個の供試体の挙動を複数の供試体の挙動とみなしたHILS試験を実施することも可能であるが2），一般的には試験装置で加振されないダンパや空気ばねの部分を数値シミュレー
ション部分に実装しなければHILS試験を実現できない．
そこで，供試体の持つ非線形性を考慮したシミュ
レーションモデルの生成手法を検討した3）．ここでは，HILS試験で使用できる高精度なモデルを効率よく得ることを主眼に，ダイナミクスモデルを併用した階層型ニューラルネットワークを採用した．図５に１例として新幹線用ダンパの同定結果を示すが，開発した手法で良好に特性を同定できることを確認した．

車体間運動模擬装置

2.4 ラピッドプロトタイプ台車
ラピッドプロトタイプ台車（図４）は，既開発の要素部品試験環境や編成試験環境と異なり，現在開発中の台車のばね・ダンパ特性を車両試験装置で評価するための試験用台車である．台車には９本のアクチュエータが装備されており，ソフトウェア制御
によってアクチュエータの長さと推力の関係を実現
したいばね・ダンパの特性にする．このような手法
は厳密にはHILSの定義と異なるがソフトウェアとハードウェアの２つの環境がリアルタイムで結合されているという意味ではHILSと同等と考えられる．

図５

新幹線用ダンパの主軸方向の特性同定結果

3.2 軌条輪加振手法
走行中の車両の車輪とレールとの間にはクリープ
力がはたらいている．車両試験装置で走行試験を実施する際には，軌道検測車で取得した営業線での軌
道不整をもとに軌条輪を動かし，軌道不整を模擬する．しかし，
・まくら木方向のレール（軌条輪）の絶対速度
・車両進行方向のレール（軌条輪）の曲率の違いにより，営業線と車両試験装置の走行試験ではクリープ力が異なることが知られている4）．編成
試験環境では，このクリープ力の差異に起因する車両の応答差が発生しない加振方法が必要となるが，軌条輪の加振方法の工夫だけでは輪軸の動きを等価

図４

ラピッドプロトタイプ台車にすることはできない．
そこで，営業線で走行した条件と台車枠左右加速
度とヨーイング角加速度を等しくする軌条輪加振手法を開発した5）．概略を図６に示すが，軌道不整フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

37

152

フルードパワーシステム（ur）を入力とし，レール上の走行した際の車両の台車枠の応答（ yr）を出力とする伝達関数をGr，軌
条輪加振（ux）を入力とし，車両試験装置上で走行した際の応答（ yx）を出力とする伝達関数をGxとしたとき，yrとyxを等しくする条件から，urとuxの関係
は式（1）で表される．
Gr ur＝Gx ux ∴ux=Gx－1Gr ur
⑴
したがって，あらかじめ車両試験装置上で特性同

コントローラの導出手法の1つであるDynamically
Substructured Systems（DSS）手法をベースにアクチュエータの制御性能向上に取り組んでいる7）8）．
開発したコントローラを適用した台車について車両試験装置で走行試験を行った際のヨーダンパの特性を模擬するアクチュエータの応答を図８に示すが，精度よく動作できることが確認できる．今後は他のアクチュエータの制御にも適用を検討する．

定し，伝達関数を推定すれば，台車枠より上部（空気ばね等の車体支持装置や車体）の応答を営業線走行条件と同等にすることが可能となる（図７）．

図８ ヨーダンパ特性を模擬するアクチュエータの制御精度

図６

4．お わ り に

開発手法の概要

本稿では，当研究所で取り組んでいる「仮想走行試験環境」で用いている試験機の構成と，HILS試験を実現するために開発した手法について述べた．今後も研究開発を進め，試験インフラとして活用いた
だけるような実験環境にしていきたいと考えている．

図７ 営業線走行条件計算値と車両試験装置上実測値の比較

3.3 高精度なアクチュエータ制御手法
試験機の加振機構として，アクチュエータがよく用いられている．単なる加振機として使用する場合には，ゲイン特性が仕様を満足すれば十分であることが多い．しかし，実物とシミュレーションが試験機を通じてリアルタイムに結合するHILS試験では，実機と計算機との間にループ構造が存在することから，位相特性やむだ時間も実験精度に影響を及ぼし，最悪の場合には発振等危険な状態になることもある．
ラピッドプロトタイプ台車の場合，複数のアクチュエータが同一の部材（台車枠や輪軸）に取り付けられていて，それぞれが台車部品の特性に応じて動作している．当初は模擬特性の変更の容易さを優先してコントローラをアクチュエータ毎に独立させていた．その結果，アクチュエータ単体では良好に動作したが，台車として使用すると干渉と思われる
高周波の振動が観測された6）．
そこで，数値モデル出力と実機出力を同期させる

38

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

参考文献
１ ）中 村大樹：MIHARA試験センターの運用開始，日本鉄道施設協会誌，Vol. 53，No. 1，p. 4-6（2015）２ ）山口輝也：実ヨーダンパを用いたHardware-In-the-Loop
シミュレーションによる鉄道車両の蛇行動安定性試験（試験環境の構築と定性的な検証），日本機械学会論文
集C編，Vol. 79，No. 806，p. 3420-3431 （2013）
３ ） 小 金 井 玲 子， 渡 辺 信 行， 朝 比 奈 峰 之， 佐 々 木 君 章：
ニューラルネットワークを用いた鉄道車両用ダンパの特性同定，鉄道総研報告，Vol. 23，No. 4, p. 11-16（2009）４ ）宮本昌幸：車両試験台建設への道筋，RRR，Vol. 72, No.
11，p. 24-27（2015）５ ）山口輝也，下村隆行，佐々木君章：車両試験台における
実軌道走行模擬のための加振方法，鉄道総研報告, Vol.
27，No. 5，p. 11-16（2013）６ ）渡辺信行，佐々木君章，森下隼人：ラピッドプロトタイ
プ台車の基礎試験，鉄道総研報告，Vol. 26，No. 3，p.
5-10（2012）７ ）渡辺信行，D.P. Stoten：ラピッドプロトタイプ台車のアクチュエータ制御性能向上のためのDSS手法の適用，
鉄道総研報告，Vol. 29，No. 9，p. 5-10（2015）８ ）T. Yamaguchi，D.P. Stoten：Synthesised H∞/μControl Design for Dynamically Substructured
Systems，Proceeding of The 13th International
Conference on Motion and Vibration Control（MoViC
2016），DOI：10.1088/1742-6596/744/1/012205（2016）

2017年５月（平成29年）（原稿受付：2017年 １ 月23日）

吉田和弘：山梨講演会2016におけるフルードパワー技術研究

153

会議報告

山梨講演会2016におけるフルードパワー技術研究

著

者

紹

介
よし

だ

吉 田

東京工業大学

かず

和

ひろ

弘

科学技術創成研究院
未来産業技術研究所〒226-8503 横浜市緑区長津田町4259－R2－42
E-mail：yoshida@pi.titech.ac.jp

1989年東京工業大学大学院博士課程修了，同大学助手，助教授（准教授）を経て2015年４月
教 授．2008年10月 ～ 2009年 ３ 月 米 国UCSB客 員
研究員，2015年７月～９月米国MIT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．

1．ま え が き
2016年10月22日（土）に，山梨大学工学部（甲府市武田４－３－11）において，日本機械学会関東支部および精密工学会の共催で，山梨講演会2016が開催された．本講演会では，OS（オーガナイズド
セッション）「アクチュエータシステム」10件，OS「流れの可視化と制御」５件，OS「応用熱工学」15
件，OS「切削・研削・研磨加工」５件，OS「フランジガスケット締結体の力学と密封性能評価」12
件，OS「バイオメカニクス」５件，流体工学３件，
材料力学・計測13件，表面の科学７件，振動工学３
件，加工５件，ロボット・制御・機械要素５件の研究発表と特別講演１件，合計89件の講演が行われた．
山梨講演会には長年にわたりOS「流体パワーにる．講演件数は10件で５件ずつの２セッション構成となった．図１に本セッションに出席者の集合写真を示す．研究発表の内容は，全10件のうち８件がフルードパワーを応用したアクチュエータに関するもので，その内訳は，油圧２件，水圧１件，空気圧３件．機能性流体２件であった．以下ではそれぞれの研究発表の概要について紹介する．

2．研究発表の概要
2.1 油圧および水圧関連の研究発表
油圧関連ではアクチュエータおよび周辺機器，水圧関連ではポンプの研究発表があった．
坂間らは，油中気泡が油圧アクチュエータの特性に及ぼす影響について実験的に検討している1）．圧
力容器に封入した油をサーボシリンダで加圧する実験装置を構築し，エアコンプレッサと気泡除去装置
を利用して含有する気泡の量を変化させた作動油の等価体積弾性係数を測定している．この測定結果に基づき油圧アクチュエータの容積効率について検討
し，油中気泡が多いとき，低い圧力において容積効率が低下することを定量的に示している．
桜井らは，漏れによる油圧圧力容器の圧力低下を低減する素子を開発している2）．圧力容器の作動油よる駆動と制御」が設けられていたが，今回からこれを発展させた「アクチュエータシステム」が設けを閉じ込めると圧力を維持できることは油圧システ
ムの長所の一つであるが，漏れにより圧力は低下す
る．その低減を図るため，シリコーンゴムの弾性変形により作動油を供給する低コストの圧力低下抑制素子を提案，試作し，シリコーンゴムの硬度およびられた．オーガナイザは，田中豊教授（法政大学），
石井孝明教授（山梨大学），および著者の３名であ圧力を変えて圧力低下特性を実験的に検討し，提案する素子の妥当性を明らかにしている．

図１

山梨講演会2016オーガナイズドセッション「アクチュエータシステム」の出席者
フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

39

154

フルードパワーシステム

吉田らは，水の流体慣性を応用した圧電マイクロポンプの高出力化についてシミュレーションにより検討している3）．流体慣性ポンプは，吐出側にチェッ
ク弁の代わりに管路要素を設けたダイアフラムポン
プで，流体慣性により吸入時でも吐出を継続することで高流量が得られる．このポンプに対し，バイア
ス圧力印加で圧力振幅を増大させる高出力化を提案
し，従来の数学モデルを改良して用いたシミュレー
ションによりその妥当性を明らかにしている．
2.2 空気圧関連の研究発表
空気圧関連では，システム２件および周辺機器の研究発表があった．
平原らは，工場作業者に装着してパワーアシストを行う荷重支持アームにおいて，２本のアームの協調駆動による剛性制御について検討している4）．本
装置は，空気圧シリンダで駆動されるアーム２本で中腰姿勢の作業者を支持し，身体負荷の軽減を図る．
アームごとに剛性特性のモデルを含む２自由度制御系を構築して位置制御を行い，協調駆動を行う．剛性制御実験を行った結果，荷重を目標の支持力と剛性特性で支持できることを確認している．
直井および藤田は，空気圧ベローズを用いた３自由度微動ステージの軌道制御のフィードフォワード制御による特性改善について検討している5）．本装
置は，空気圧ベローズと弾性ヒンジ案内から成るユ
ニット３個でステージを支持する構造である．従来の位置，速度，加速度のフィードバック制御系にフィードフォワード制御器を加えた制御系を構築し，操作量が滑らかになる目標軌道を与えた結果，追従性が向上することを実験的に確認している．
丸井らは，空気圧システムのドレンを除去するサ
イクロン形ドレンセパレータの特性改善のため案内羽形状について検討している6）．本装置は，空気とドレンの混合流体の旋回流を案内羽を用いて発生させ，遠心力を利用して密度差によりドレンを分離するものである．内部の圧力損失を低減し，広い流量域で使用できるようにするため，トンボの羽の形状を参考にした案内羽形状による特性について，実験およびシミュレーションにより明らかにしている．
2.3 機能性流体関連の研究発表
機能性流体関連では，基礎特性およびポンプの研究発表があった．
稲垣らは，MRF（磁気粘性流体）の電気抵抗変化を応用したリレーを提案し，MRFのクラスタの導通特性について実験的に検討している7）．MRFは，
電気絶縁性のベース液に磁性体粒子を分散させたもので，本デバイスでは磁界により磁性体粒子の集合
状態を変え電気抵抗を変化させる．固定抵抗と直列

40

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

接続したMRFの電圧降下を，電磁石にステップ電圧および方形波電圧を印加して測定し，提案するデバイスの妥当性および課題を明らかにしている．
清水らは，不均一電界印加で生じるECF（電界共役流体）の流れを応用したマイクロポンプの高出力化を図るため，DRIE（深掘り反応性イオンエッチング）を用いて高アスペクト比の三角柱－スリット形電極（TPSE）を製作している8）．DRIEを用いた
TPSEの製作プロセスを提案，開発してTPSEを試作し，試作電極側面の形状を測定して設計値からのずれの大きさを評価するとともに，その発生原因について考察を加えている．

3．あ と が き
本稿では，山梨講演会2016で発表されたフルー
ドパワー技術研究の発表について概観した．講演会
終了後にはOS「アクチュエータシステム」の出席者による懇親会が開催され，研究情報の交換を行うとともに，親交を深めることができた．2017年も山梨講演会においてOS「アクチュエータシステム」
が設けられ，フルードパワー技術関連の最新の研究成果が発表されると思われる．多数の方々のご参加，ご発表に期待したい．
参考文献
１ ）坂間清子，五嶋裕之，田中豊：油中気泡が油圧アクチュ
エータの特性におよぼす影響，山梨講演会講演論文集（CD-ROM），p. 153-154（2016）２ ）桜井康雄，兵藤訓一，饗庭健一：漏れによる容器内圧力低下抑制素子の開発，山梨講演会講演論文集（CDROM），p. 155-156（2016）３ ）吉田和弘，宝来亮汰，嚴祥仁，永田貴之，浅井勝彦：
流体慣性を応用した圧電マイクロポンプの高出力化（シミュレーションによる検討），山梨講演会講演論文集（CDROM），p. 157-158（2016）
４ ）平原雄一，飯島拓也，宮嵜哲郎，眞田一志：作業者に装着する荷重支持アームの協調制御による目標支持力剛性の実現，山梨講演会講演論文集（CD-ROM），p. 143144（2016）５ ）直井誠，藤田壽憲：空気圧ベローズを用いた ３ 自由度
微動ステージの軌道制御 ―フィードフォワード制御による改善―，山梨講演会講演論文集（CD-ROM），p.
145-146（2016）６ ）丸井裕太，村山栄治，川上幸男，土岐真人：サイクロ
ン型ドレンセパレータの案内羽形状の検討，山梨講演
会講演論文集（CD-ROM），p. 147-148（2016）７ ）稲垣亮則，村山栄治，川上幸男：MR流体のクラスタによる導通特性の実験的検討，山梨講演会講演論文集（CD-ROM），p. 159-160（2016）８ ）清水美咲，西岡國生，松谷晃宏，吉田和弘，金俊完：
DRIEによる高アスペクト比三角柱―スリット形電極（TPSE）の製作に関する研究，山梨講演会講演論文集（CD-ROM），p. 161-162（2016）

2017年５月（平成29年）（原稿受付：2017年 ２ 月 ５ 日）

嚴

祥仁：ICMT2016会議報告

155

会議報告

ICMT2016会議報告

著

者

紹

介
おむ

嚴

さん

祥

いん

仁

精密工学研究所〒226-8503 神奈川県横浜市緑区長津田町4259－R2－42
E-mail : sieom@pi.titech.ac.jp
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）．

1．は じ め に
メカトロニクス分野を中心とした幅広い分野の研究 発 表 が 行 わ れ る 国 際 会 議ICMT（International
Conference on Mechatronics Technology）は，今回2016年10月28日 か ら10月31日 ま で 中 国 のDalian
University of Technologyにおいて開催（図１）された．カン ファレ ン ス で は 中 国Dalian University ofTechnologyのDongming Guo教授と日本東京工業大学の岩附信行教授が共同で議長を務め，基調講演７件（図２）と口頭講演121件の合計128件の講演が行 わ れ た（ 表１）．また10月28日 の 夜 にWelcome
Reception，10月29日にBanquetが開催され（図３），
会議参加者の親睦を深めるよい機会になった．10月30

10
/
28

図２

基調講演の様子表１

全体プログラム

Registration/Welcome Reception
Opening Session
Keynote Speech

10
/
29

Advanced
Mechatronics
Devices⑴⑵日はCollaborative Innovation center of Major Machine
Manufacturing in Liaoningに お い てTechnical Visitが行われた（図４）．本カンファレンスはメカトロニクス
分野を中心としているので，フルードパワー技術関係の発表が少なかったため，講演会全般について紹介する．

Precision
MEMS/NEMS
Manufacturing&
Technology
3D Printing
and Control⑴⑵⑴⑵

BanquetKeynote Speech

Precision
Sensors and
10
Precision/ Manufacturing Measurement Actuators &Technology
Mechatronics
30
Technology
and Control
Control
⑴⑵
⑶⑷
⑴⑵

10
/
31

図１

Mechatronics
Control⑴⑵

Bioengineering/biomedical
Mechatronics
Renewable
Energy andEnergy Saving
Technologies/
Production
Systems

Technical Visit

開催地のDalian University of Technology
Bochuan Libraryの全景

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

41

156

フルードパワーシステム⑸

Professor Tianhong Cui, USA
Graphene Biosensors for Medical Diagnostics⑹

Professor Robert Dorey, UKAdditive manufacture printing of active micro
devices⑺

Professor Zhongde Shan, China
Hybrid Forming Manufacturing Technology ofMetal Complex Parts

2.2 テクニカルセッション
表１に示すようにテクニカルセッションはメカト
ロニクス分野を中心として構成され，本カンファレンスの特徴を表している．その中で，数件のフルー
図３

バンケットの様子

ドパワー関連の発表があり，たとえば，MR流体関連とし て，Jinghui Pengら はVibration suppression of

図４ T
 echnical Visitが 行 わ れ たCollaborative Innovation
Center of Major Machine Manufacturing in
Liaoningの内部

armature assembly in a hydraulic servo-valve
torque motor using magnetic fluidと題して 発 表 を
行 っ た1）． ま た，Xuan Ba Dangら はAn Predictive
Optimal Control Approach for an Electro-hydraulic
Systemと題して，Electro-hydraulic Systemの制御方法に関して発表を行った2）．K. YoshidaらはA Studyon a High Pressure Piezoelectric Micropump Using
Fluid Inertia for Fluid Power Sourcesと題して，新しいマイクロポンプを開発について発表した3）．ECF流体に関連してはD. HanらがDynamic Characteristics
of Hybrid 3D printed Mini Finger Embedding ECF（Electro-conjugate Fluid）Micropumpと題して，3D
プリンターで製作したECF駆動アクチュエータについて紹介した4）．このように，メカトロニクス分野においてもフルードパワー関係の研究が行われている．

2．講演会について

3．お わ り に

2.1 基調講演
講演会では７件の基調講演が行われ，メカトロニ
クス分野を中心とした各分野の最先端技術について紹介があった．行われた基調講演の講師と演題を下

本稿ではメカトロニクス分野を中心とする国際会
議ICMT2016について紹介した．

記に紹介する．
⑴ Professor K.P. Rajurkar, USA⑵ eview of Micro Electrical Discharge
R
Machining and Micro Ultra Sonic Machining
Processes and their Applications
Professor Tadahiko SHINSHI, Japan⑶

Mechatronics Technology for Artificial Hearts
Dr. Charles Wang, USA new technique for angular and linearA
measurement in 5-axis machines⑷ Professor Yuri Chugui, RussiaO ptoelectronic Precision Measuring Systems
and Laser Technologies for Science and Industry

42

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

参考文献
１ ）J. Peng, S. Li, Y. Tanaka：Vibration suppression ofarmature assembly in a hydraulic servo-valve torquemotor using magnetic fluid, Proceedings of ICMT2016,
１ （2016）
２ ）X.B. Dang，K.K. Ahn：An Predictive Optimal Control
Approach for an Electro-hydraulic System, Proceedingsof ICMT2016, 63（2016）３ ）K. Yoshida, R. Horai, S.I. Eom, T. Nagata, K. Asai：A
Study on a High Pressure Piezoelectric Micropump
Using Fluid Inertia for Fluid Power Sources,
Proceedings of ICMT2016, 82（2016）４ ）D. Han, S. Yokota, K. Edamura, J.-W. Kim：Dynamic
Characteristics of Hybrid 3Dprinted Mini Finger
Embedding ECF（Electro-conjugate Fluid）Micropump,
Proceedings of ICMT2016, 89（2016）

2017年５月（平成29年）（原稿受付：2017年 ３ 月 ６ 日）

田村好美：建設機械における日・米・欧の排出ガス規制対応技術の変遷と今後

157

トピックス

建設機械における日・米・欧の排出ガス規制対応技術の変遷と今後

著

者

紹

介
た

むら

田 村

よし

好

み

美

〒107-8414 東京都港区赤坂２－３－６
株式会社小松製作所開発本部エンジン開発センタ企画室

1．は じ め に

日本においては，同時期に当時の建設省（現国土交通省）が「排ガス対策型建設機械指定制度」として直轄工事に対する使用制限として同様な基準値を導入して規制への先鞭をつけた．国内の建設機械・産業機械・農業機械等のオフロード用機械については
特定特殊自動車として排出ガス規制が2006年に法制化され，日米欧で同様な排出ガス規制が実施されるようになった．図１に示すように1996年から５

年毎に強化されてきた排出ガス規制は，2006年か2014年度から新たな段階の排出ガス規制が日米欧で施行開始され約２年が経過しようとしている中， らの規制（米国ではTier3欧州ではStageⅢA日本では平成18年規制）が開始され，2011年からの規制
着々と規制適合車が市場導入されてきている．一方（米国ではTier4interim，欧州ではStageⅢB，日本
で，先行している自動車においては市場での排出ガ
では平成23年規制）が導入された．欧米は使用さス規制のあり方の新たな課題が出て来て，その対応れるエンジン単体の規制範囲に対して，日本は車両
策 に つ い て も 検 討 が な さ れ て い る． 建 設 機 械 用
ディーゼル機関の今までの歩みから得られた事と， も含めた規制で，異なる点が特徴として挙げられる．
2011年からの規制ではパティキュレート（以下今後の展開，なすべき課題などについて以下に記し，PM）が2006年規制の１/10にまで低減され，その何かの参考になればとの思いでまとめてみた．そも
３年後の2014年からの規制では窒素酸化物（以下
そも建設機械用ディーゼルエンジンには，信頼性・NOx）が2006年規制の１/10まで低減されること耐久性が求められ，小型から大型まで幅広いレンジになり，建設機械用エンジンから大幅低減が図られで高出力が求められ，高い熱効率も求められる．排ることとなった．出力レンジの小さい規制カテゴ
気ガスについては1996年に米国で規制が開始され，リーにおいては，規制値が異なることから，酸化触
欧州，日本が追従してきた．現在ではその他の国々
媒のみでの仕様も実用化している．
でも環境への配慮が進み，排気ガス規制が実施されるようになり，グローバルな商品という位置づけの建設機械であることから，さらなる進化と前出の課題をクリアすることで，市場で評価される．

2．排出ガス規制とその内容⑴

日米欧の排出ガス規制

欧州においては，さらに規制強化の方針が打ち出され，より厳しいPM排出量低減と粒子数を制限するPN（Particle Number） 規 制 導 入 を2019年 よ り
実施する方針が打ち出されている．本件はPM低減
技術およびPN計測技術，方法，設備導入も新たな課題，技術が必要になる．

排出ガス規制は先行する自動車の規制を追う形で施行されて来ているが，使われ方の違い，稼働環境の違いから，その内容は異なり以下については建設機械における排出ガス規制対応を主題で書いている旨を先にお断りしておきたい．
米 国 連 邦 環 境 保 護 局（EPA：Environmental
Protection Agency）は乗用車，オンロードトラッ
クの排出ガス規制に続き建設機械，産業機械等に対してはノンロードディーゼルエンジン規制として
1996年から規制を開始し，欧州連合（EU）も追従．

図１

日米欧の2014年までのオフロード排出ガス規制

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

43

158

フルードパワーシステム⑵

建設機械用エンジンの排出ガスの測定法
建設機械用ディーゼル機関の排出ガス測定モードは使われ方の違いから自動車用とは異なったモードが設定され，従来からISO8178のC1モードと呼ばれる定常８モードでの測定モード（図２）が採用さ

3．排出ガス規制対応技術の変遷（以下弊社の事例が主）⑴

排出ガス規制対応技術（～ 2010）
建設機械の排出ガス低減対応技術は規制の段階的に大きく変化してきている．また，先行してきた自れていた．2011年からの新規制では，多用途での使われ方を排気ガス試験方法に反映させる狙いから， 動車用の技術やコンポーネントをそのまま建設機械には使えないものが多々あり，状況に応じて最適化
ノンロードトランジェントサイクル（図３）と呼ばが 図 ら れ て き た． 以 下 の 技 術 事 例 は， 出 力 がれる過渡状態での測定モードが追加され，双方の130kW～560kWクラスの機関について規制対応技
モードでの測定結果がそれぞれ規制値を満足させる術の一例を述べる．2001年（2001年～）までの規必要がある．1,200秒間で，ホィールローダー，ス等々を考慮した負荷，回転数で運転する試験モード
で，日米欧の基準調和も図られている．定常試験と制対応はエンジンのみの燃焼改善を柱として達成出
来た．2006規制からはNOxとPMの低減を両立させるために，高圧噴射と排出ガス再循環システム（以して，図２のC1モードに対して，各ポイントでの頻 度 値 が 若 干 異 な り 自 動 運 転 が で き るRMC
（Ramped Modal Cycle）の試験法も追加され，いずれに試験モードで行うかエンジンメーカの選択の幅

下EGRシステム）などの導入が多くの機関で織り込
まれた．車両も含んだトータル制御をするべく電子制御化が一気に進んだ．
NOxとPMの低減とエンジン性能の両立を図るたが広げられた．
2011年規制からの対応技術として，エンジン本体の改良ではNOxあるいはPM低減を図るには厳しい規制であるため，多くのメーカが後処理装置の採用をしており，後処理装置に使われている触媒への影響が出ない低イオウ燃料が必要で，自動車用と同様に，燃料規格が変更されている．

めに，パイロット噴射やポスト噴射が可能なマルチ噴射機能がある，高圧燃料噴射装置のコモンレール
噴射システムが使われるようになったのもこの時期．
⑵ 排出ガス規制対応技術（2011 ～）第４次規制に入ると，エンジンのみの改善で出来た第３次規制対応に対して，大きく分けて二通りの方策が実用化されてきた．
第一は，EGRシステムの排出ガス循環量（EGR量）
を増やしてNOxを半減すると共にPM低減のために
パティキュレートフィルタと呼ばれる後処理装置を新たに導入するという組み合わせである（図4，9，10）．
また，コモンレール燃料噴射システムは高噴射圧化への開発が進められ，2011年規制対応エンジン
では200Mpaレベルにまで噴射圧が高められてPM

キッドステアローダー，農業機械，油圧ショベル低減を図った．
第二は，PMに低減に対してあくまで燃焼改善に
図２ ISO8178 C1モード
（丸印内に書かれている数字が頻度値を表す）

図３

44

ノンロードトランジェントサイクル（NRTC）

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

より規制値レベルまで低減し，NOxについては後処

図４

2017年５月（平成29年）

排出ガス規制対応技術の変遷（コマツの事例）

田村好美：建設機械における日・米・欧の排出ガス規制対応技術の変遷と今後

理装置を導入して規制値まで低減するという方策である（図４）．PMを規制値レベルまで燃焼改善にて

159

ジン性能の両者を改善することが狙いである（図６）．

改善するために電子制御による高圧噴射システムを
活 用 す ると 共 に 燃 焼 の マ ッ チ ン グ をNOx－PMト
レードオフ上で低PMとなるようにマッチングさせることで達成している．NOxの後処理装置としては
すでにトラック等で実用化されている還元剤として尿素水を用いたSCR（Selective Catalytic Reduction）と呼ばれる脱硝触媒を使ったシステムが主に採用されている．
第一の方策では「PMを溜める」「PMを燃やす」という基本的な機能が必要で，PMの量を検知し適当な時期に自然にまたは強制的に適宜に燃焼させることが必要になる．

図６

第二の方策では，NOx低減のための後処理装置のための，還元剤となる尿素関連装置が必要となり，
低温環境下時でも機能維持できる技術が必須となる．
また，排気ガス温度が還元に大きく影響するので，

エアハンドリングシステム

温度マネージメント技術も必要になった．

4．主な排出ガス規制対応技術の紹介⑴

排出ガス再循環システム（EGRシステム）
排出ガスの一部を冷却し，不活性ガスとして吸気と共にシリンダー内に導き，燃焼時の熱容量を増大させることによって燃焼温度を下げることでNOxを低減することができるシステムである（図５）．建設機械用としては2006年第三次規制から導入されて来ているものもあり，本システムの特徴は燃料消費の悪化を抑えつつNOxの低減が可能となることに狙いがある．EGR量を増やす意図から，後述の可変ターボチャージャの採用，EGRクーラーの大容量化などが図られている．

図７

可変ターボチャージャ

可変式により，EGR制御の精度と自由度を上げることができるだけでなく，建設機械にとって重要な過渡特性に対しても改善することができる．建設機
械にとっては負荷変動に対するエンジンの応答性は重要な特性であり，排出ガス規制の開始に伴いPMの低減やNOx低減に重要なEGRの制御特性との絡みからその改善は難しいものとなっていたので本機能の導入は非常に効果的である．一方で高度や気温など特殊な環境下やエンジン回転および負荷の急激な変動を伴う使われ方から，耐久性を確保することが非常に難しく，可変ターボチャージャについてはこれまで建設機械では積極的には導入されてこなかった経緯があった．図７はベーンをスライドさせてタービンの通路面積を可変化させるタイプの例を示
している．

可変ターボチャージャ（一例）
一般的なこれまでのターボチャージャは排気ガス電子制御式高圧燃料噴射システム
燃料噴射システムとしては，コモンレールタイプの採用が中大型への普及に続いて小型にまで普及してきている．従来と比較すると，2001年第二次規によりタービン翼を回し，同軸上にあるブースト翼で給気を押し込むものだが，可変式はタービンの制 で は 噴 射 圧 が120Ｍpa程 度 で あ っ た も の が2006年第三次規制では160Ｍpaへ，そして2011年

マッチング特性を変化させて，排出ガス特性とエンからの第四次規制では200Ｍpaまで高圧噴射が可能

図５⑶

エアハンドリング⑵

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

45

160

フルードパワーシステムとなり，噴射率の増加や噴射の分割化（マルチ噴射）が図られて，噴射率および噴射時期の可変制御の自由度が大幅に増している（図８）．

図８

コモンレール燃料噴射システム

図９

PM低減のための後処理装置

図10

パティキュレートフィルタ

このような噴射系の機能向上は単に排出ガスの低減に寄与するだけでなくエンジンの低温時を含めた始動性，環境（温度，高度）への対応，後処理装置
への排ガス温度のマネージメント，酸化剤または還元剤としてのHC供給装置の役割など従来噴射系とは大幅に異なった役割を担っている．
⑷ 排出ガス後処理装置
2011年規制から後処理装置前のエンジン出口のPMレベルをどれほどに抑えられるかにより，後処理装置はPM捕捉率を決め，PMをフィルタでため込む量が決まる．さらに溜まったPMを燃焼させて除去する仕組みをシステムとして組み込んでいる．こ
こで装置の大きさが決まり，各社でそれぞれ設定され特徴付けられる．燃焼方策としてはバーナーを使ってフィルタ内温度をPMが燃焼させる方法や酸化触媒を用いて供給燃料を酸化させて昇温しPMを燃焼させる方法などが採用されている（図９）．

を硝酸塩の形で触媒中に吸蔵し，還元雰囲気中でNOxを浄化する方式などもある．周期で還元雰囲気にする運転制御が必要で，この時のスモーク，燃費，
還元時のトルク変動などが課題と言われている．また，燃料，オイル中の硫黄分による被毒で，吸蔵性能の低下も課題はあるようだ．

図10は酸化触媒を使って温度制御を行うシステ
ムを示す．酸化剤としての燃料は装置上流側で噴射されフィルタ内の酸化触媒出口温度が目標温度となるように制御されPMを燃焼させる．また通常は排出 ガ ス 中 のNOは 酸 化 触 媒 に よ り 酸 化 さ れNO2となって，比較的低温での，PM燃焼（酸化）に寄与（自然再生と呼ばれる）し，フィルタ内のPM堆積低減効果にも寄与している．
2014年規制からはNOxの大幅低減が課せられ，
前出の２-⑵で記載した尿素を用いたSCR（Selective

図11

NOx低減のための後処理装置

Catalytic Reduction） が 主 に 実 用 化 さ れ て い る（図11）．
SCRは尿素水を排気ガスの熱によりアンモニアに⑸変換させ，それを還元剤としてNOxを浄化する．
他にも，NOx吸蔵触媒システムなどもあり，NOx

EGRシ ス テ ム はEGRバ ル ブ の 制 御 と 可 変 タ ー ボ
チャージャの電子制御化により精度よくEGR量を制

46

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

電子制御
燃料噴射装置の可変化と電子制御化が進み，燃料
噴射量，噴射時期，噴射圧の電子制御が可能となり，

2017年５月（平成29年）

田村好美：建設機械における日・米・欧の排出ガス規制対応技術の変遷と今後

161

御できるようになった．またPM低減のための後処理装置についても同様に温度・圧力等の情報を採取

チャレンジも必要になるかもしれない．
一方，日米欧以外の国々でも環境への配慮は注目

して，それに基づくシミュレーションを行ってシス
テムの制御を行っている．電子制御の導入は単に各システムの制御性の向上だけでなく，エンジントー

されていて，欧米を追従する形で規制強化が図られつつある．ただし，日米欧での最新のエンジンが搭載された機械を導入しようとしても，その国々の経

タル制御こそが最大のメリットである．排出ガスの低減を含めて環境変化や使われ方に応じたエンジンの最適制御が可能となっている．更にエンジンばか

済事情もあってイオウ分の少ない適合仕様燃料が手に入らないという事情があり，燃料中のイオウ分は触媒を使った装置への悪影響もあることから，これりでなく車両とのトータル制御を図ることで車両としての機能・性能の向上は勿論のこと電子制御の高機能化をすることで，排気ガス性状維持のためのメ
ンテナンスや故障診断に対しても大きな威力を発揮

らの地域へは排気ガス規制の一世代前の機械の導入も必要になる．
また，2015年12月に気候変動枠組条約第21回締約国会議（COP21）で採択され，翌年11月に発行した国際条約においてのCO2削減への貢献も必要になって来るものと推測する．

することになり 車載ネットワーク経由で車両の稼働情報を収集しデータ送信機能なども補ってきている．今後建設機械の自動化（ICT建設機械），AI機能化，等には必須のアイテムとなるであろう．

5．日欧米以外の国々での排気ガス規制対応と今後の規制動向予測と展望
日 米 欧 の 排 出 ガ ス 規 制 に つ い て は， 日 米 は
2014年規制以降の計画は公表されていないが，欧州 は さ ら な る 規 制 強 化 の 考 え が 示 さ れ て い て，
2019年以降に，さらに厳しいPM排出量低減，一定の大きさのPM粒子数規制するPN規制を実施する方針が示されている．PMのさらなる低減技術開発や，粒子数を抑える技術開発，測定方法，計測技術，などの新たに必要になる．また，排出ガスの測定条件についても，自動車で進められている，より現実の使われ方近い運転での評価，リアルワールドでの計測，評価も，従来の試験ベンチでの評価に加えて，使用実態の中での排出ガス計測，評価も課題として認識しておくべきではと考える．
市場導入されている建設機械用NOx低減装置においては，市場導入なされてから時間的な実績が十分とは言えず，市場実績の蓄積から得られる課題も出て来る可能性への対応も不可欠で，新たな技術への6．お わ り にディーゼル機関はまだまだ建設機械においては不可欠な動力源であるが，一方で大気環境負荷への対応も重要なことは充分認識している．先行している
日米欧以外の国々でも経済成長は目を見張るものがあるが，同時に環境への配慮は不可欠で積極的に対処している国々が増加している．これらへも充分に配慮，対処していく必要があることは，業界，メーカとして当然の使命である．各国政府，規制当局を始め，機械を使うお客様，建設機械を供給するメー
カ，それをサポートするサービス代理店までが一体で，国際的大気環境改善に取り組み，経済発展と連動させて進めていくことを切望する．
参考文献
中央環境審議会 第六次，九次，十一，十二次答申，山海堂
発行「ディーゼルエンジンテクノロジー」2006/ ４ 月号
掲載「コマツECOT3エンジンの最先端テクノロジー」，
社団法人日本建設機械化協会発行「建設の施工企画」
2011/ １ ，日本工業㈱出版「建設機械」2012/1，2013/ ８


フルードパワーシステム（原稿受付：2017年 ２ 月 ６ 日）

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

47

162

フルードパワーシステム

トピックス

細径人工筋肉の研究と実用化

著

者

紹

介
すず

もり

鈴 森

こう

康

いち

一

東京工業大学工学院〒152-8550 目黒区大岡山２－12－１
E-mail : suzumori@mes.titech.ac.jp

夫することにより，最小1.8㎜の外径を持つしなやかなものになった（図１）．従来のものは外径数㎝のものが多い．
図２は製造現場の様子である．

1984年横浜国立大学大学院修士課程修了．1984
年-2001年株式会社東芝勤務．この間，1990年，
横浜国立大学大学院博士課程修了，1999-2001年
財団法人マイクロマシンセンター．2001年-2014
年岡山大学教授，2014年より東京工業大学教授．
2016年より株式会社s-muscle代表取締役兼務．日本フルードパワーシステム学会会員，日本機械学会，日本ロボット学会フェロー．工学博士．

1．は じ め に
筆者らはマッキベン型人工筋肉の細径化（1.8㎜～ 4.5㎜）とその量産化に成功し，2016年４月に東京工業大学と岡山大学の両大学発ベンチャーとして，株式会社s-muscle（エスマスル）を立ち上げ
た1）．その経緯と，起業後１年経って今考えていることを述べさせていただく．

2．細径人工筋肉
マッキベン型人工筋肉は，ゴムチューブの外周に編組を編んだ簡単な構造を持ち，ゴムチューブ内部に空気圧をかけると軸方向に縮む．1960年頃に米図２

細径人工筋肉の生産の様子

3．開発のきっかけ
筆者は古くから種々の空圧ラバーアクチュエータを開発してきた．そのなかで，従来の外径数㎝程度のマッキベン型人工筋肉を試作したり，使ったりしてきた経験があり，その特性はよく知っていた．
国で発明され，その後いくつかのメーカで生産販売，
平成23年頃，海外の電機メーカから，細く力のまたロボットやパワーサポートスーツとして利用さ大きいアクチュエータの相談を受けた．形状記憶合れてきた．
金やワイヤ駆動などいくつかの方法が頭に浮かんだ
筆者らの細径人工筋肉は，原理と構造は従来のもがどれも要求を満たせない．そこで思いついたのはのとまったく同じであるが，主に材料や製造法を工マッキベン型人工筋肉を細く作れば要求性能を満たすはずだということであった．
細く作るのは，まずは細径で弾性特性の良いゴムチ ュ ー ブ の 押 出 し 技 術 と， 細 く 正 確 な 製 紐 技 術（｢せいちゅう｣ と呼ぶ．組みひもを作る技術）が必要となる．いろいろなつてを頼って，試作に協力してくれるメーカを探した．

図１

細 径人工筋肉の一例（左：端末加工品，上から外径4.5㎜，2.5㎜，1.8㎜，右：ロール巻での出荷例）

48

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

そ の 結 果， 古 く か ら お 世 話 に な っ て い る ゴ ム
チューブメーカと，倉敷市の株式会社池田製紐所（その後一緒に起業することになる）に協力してい
ただけることになった．このご協力がなければ，そ2017年５月（平成29年）

鈴森康一：細径人工筋肉の研究と実用化

163

もそもこの研究は始めていなかったかも知れない．
｢製紐産業｣ は伝統がある一方で，なにか新しい技作っただけでしょう?と思われる方もいるかもしれない．

術を導入したいというご意向もあって，非常に熱心に対応していただいた．材料についても編み方についてもディスカッションを重ねた．たとえば，人工

とんでもない．細径化にともない，通常のマッキ
ベン型人工筋肉では問題とならなかったさまざまな技術課題を解決する必要があった．特に，品質管理

筋肉の特性を決めるうえで重要なのは繊維の編み角であるが，我々はそれを中心軸に対する角度で表現
するが，製紐業界では組紐の長さあたりの繊維の重と耐久性向上に関する問題は，細径化に伴い顕著になる．
人工筋肉が正常に動かなかったり，壊れたり，空量で指定する．このような意識合わせから始まった．
その後，無事人工筋肉は出来上がり，学会で賞をいただいたりもした2）．一方で，ロボットやパワー
サポートスーツ等さまざまな応用研究も始めた．

気漏れを起こすのにはいくつかのパターンがある．
代表的なものを図３に紹介しよう．
図３🄐は，我々が「ヘビ玉」と呼んでいる異常動作現象である．写真に写る２本の人工筋肉はともに

4．起業に至るまで

同じ空気圧をかけて縮んでいる状態であるが，上側の人工筋肉は正常に一様に径方向に膨らんでいるの学会発表やマスコミ報道を通じて，介護用具，ロ
ボット，アパレル等の多くのメーカや，大学などの研究者から，売ってほしいという問い合わせをたくさんいただくようになった．はじめのうちは，自分たちの研究用に作っているだけなので外に出す余裕がないとお断りしていたのだが，その後も熱心に言ってくださる方が多かったので，起業することを考え始めた．平成26年頃からである．ちょうど時期を同じくして，筆者が岡山大学から東京工業大学に異動することにもなり，企業体制を本格的に検討し始めた．
こうして，筆者と，一緒に開発を進めてきた岡山大学の脇元修一准教授，倉敷市の株式会社池田製紐所，それに，端末加工や空気圧制御装置を担当してもらう株式会社コガネイの４者で協力して起業した．
また，大学の研究成果を活用するベンチャー企業とし て， 東 京 工 業 大 学 と 岡 山 大 学 か ら 大 学 発 ベ ン
チャー企業として正式に認めていただいた．
会社自体はファブレスの形態をとっている．主に筆者と脇元准教授らが人工筋肉の設計を担当し，生産や販売業務は，上記の２社に委託した形式をとっている．また，大学とs-muscleと人工筋肉のユー
ザの間で共同研究契約を結び，人工筋肉の応用研究開発を進めている．共同で知財を持つとともに，人工筋肉を，介護器具，服飾，ロボット等のユーザ
メーカに買っていただく，というのが基本的なビジに対し，下側の人工筋肉は膨らんでいる箇所とあまり膨らんでいない箇所がある．通常のサイズのマッ
キベン型人工筋肉ではこのような現象は経験したことがなかった．この現象がさらにひどくなると，図３🄑のように編組内でゴムチューブが蛇行しだし，
場合によっては空気が抜けなくなる．ちょうどヘビが卵を飲み込んだように見えるので，「ヘビ玉」と呼んでいる．これは製造時に適切な処理を行わないとしばしば現れる現象であるが，この現象の解明と対策にはずいぶん悩まされた．
図３🄒は長時間繰り返し動作したときに生じることがある代表的な破壊モードである．表面に傷がついているがこれは編組を構成する繊維がゴムチュー
ブ表面に食い込んでつけている傷である．これが進むと，ちょうど糸で羊かんを切るように亀裂が進展
し，ゴムチューブに穴をあけ空気漏れを起こす．一般に大きなマッキベン型人工筋に比べて細径人工筋
肉は編組の打ち数が少ないので，編組の繊維とゴム
チューブ表面の接触部分の面圧が高くなり，この問題は特に顕著になる．
図３🄓は伸縮動作を繰り返すうちに，編組を構成する繊維に粗密ができる不具合である．これは特に端末処理付近で起こりやすく，その場合編組の粗の部分からゴムチューブが飛び出し，図３🄔のようになる．こうなると短時間のうちに飛び出した部分が破裂する．あるいは図３🄕のように完全に飛び出てしまう．
これらの現象の発生メカニズムを解析しながら，

ネススタイルである．
平成28年８月よりサンプル出荷をはじめ，潜在的なユーザメーカや研究者に試用してもらっている． 材料や製造法を工夫することで，品質向上，耐久性
平成29年４月からは，技術的改良を加えた正式バー向上を進めてきた．
ジョンの人工筋肉の販売を開始する計画である．

6．用 途 開 拓

5．耐久性・品質管理
昔からあるマッキベン型人工筋肉を単に小さく

細径人工筋肉単体の性能向上もさることながら，用途開拓も重要な事業として，ユーザ企業や大学とフルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

49

164

フルードパワーシステム

協力して進めている．
いま力を入れているのは，介護用具やパワーアシ
ストスーツと，ロボットへの応用である．東工大で進めている研究は，本誌の昨年末の号で紹介させて頂いたのでみていただきたい3）．そのほかの２例を紹介する．
図４は20m長さのアームである4）．ヘリウムを充填した樹脂袋の一部を溶着して曲がりやすい部分を20か所作り，これを関節として40本の細径人工筋
肉で拮抗駆動する．先端には小型カメラが搭載され，構造物等の検査が行える．全体で1.2㎏である．周囲にぶつかっても，万一落下しても安全である．通常のモータでは重すぎてこのようなロボットは実現できない．まさにこの細径人工筋肉だからこそできる新しいロボットである．
図５は，現在東工大と共同で進めているサポート
スーツへの応用例である5）．外骨格型のロボット
スーツに比べると大きな力のサポートは行えないが，軽く，柔らかく，着心地のよいサポートスーツの実現を目指して開発を進めている．

図４

細径委人工筋肉でしか実現できない超軽量20m長
ロボットアーム

図３ 異 常動作，破壊の代表例（Ａ，Ｂ：ヘビ玉現象，
Ｃ：繊維によるゴムチューブ表面の傷，Ｄ，Ｅ，Ｆ：編組の繊維の片寄り）細径人工筋肉

50

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

図５

パワーアシスト応用

鈴森康一：細径人工筋肉の研究と実用化

7．いま思うこと細径人工筋肉の研究に着手して以来，多くの方の支援を得て，ベンチャー設立ならびに１年の経営に至った．この場を借りて深くお礼申し上げる．
ベンチャーを起業して以来，さまざまな投資や出資のご提案をいただいた．ただ，この数年は技術の確立を中心にしっかりと事業を進め，企業としての実力をつけていただきたいと考えている．
細径人工筋肉はしなやかで，柔らかく，軽く，力が強く，色々な使い道があると思う．ぜひ大勢の方に検討していただきたい．
なお，本稿で紹介した人工筋肉の応用に関する研究の一部は，科研基盤🄐（26249028），科研挑戦
的萌芽（15K13907），ならびに，戦略的イノベー
ション創造プログラム（革新的設計生産技術）の一部として東京工業大学で実施されたものである．

165

参考文献
１ ）http://www.s-muscle.com
２ ）Masayuki Takaoka, Koichi Suzumori, Shuichi Wakimoto,Kazuo Iijima, Takahiro Tokumiya. Fabrication of Thin
McKibben Artificial Muscles with Various Design
Parameters and Their Experimental Evaluations, The 5thInternational Conference on Manufacturing，Machine
Design and Tribology（ICMDT2013），p. 82（2013）３ ）鈴森康一，研究室紹介 東京工業大学 鈴森・遠藤研究室，
フルードパワーシステム，Vol. 47，No. 6, p. 313-316（2016）４ ）Masashi Takeichi, Koichi Suzumori, Gen Endo, Hiroyuki
Nabae, Development of Giacometti Arm with Balloon
Body, IEEE Robotics and Automation Letters（RA-L），（2017 accepted）．
５ ）Akihiro Ohno, Hiroyuki Nabae, Koichi Suzumori. Static
Analysis of Powered Low-Back Orthosis driven by thinpneumatic artificial muscles considering body surface
deformation, 2015 IEEE/SICE International Symposium
on System Integration（SII 2015），p. 39-44（2015）


フルードパワーシステム（原稿受付：2017年 １ 月25日）

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

51

166

フルードパワーシステム

トピックス

特許文献を調べる・特許情報プラットフォーム…特許文献を見る４

著

者

紹

介
き

はら

木 原

かず

和

ゆき

幸

工業所有権協力センター〒135-0042 東京都江東区木場１－２－15
E-mail : k-kihara@sctv.jp

1974年神戸大学工学部計測工学科卒．東京計器入社，パワーコントロール研究室長，油空圧技術部長等を経て，現在に至る．比例弁，サー
ボ弁，ピストンポンプ等の油圧機器とそれらを制御するコントロールシステム等の開発に従事．
日本フルードパワーシステム学会会員．

招いていた．
【特許請求の範囲】【請求項１】非加圧状態に偏平断面形状となり，加圧状態に円形断面形状となる可撓性の偏平チュー
ブ１と，前記偏平チューブの座屈部1aを形成かつ保持し，該座屈部により発生する推進力により前記
偏平チューブに沿って移動可能なスライダ２とを具備するリニアアクチュエータ．
図１に代表図（構成図）を示す．

1．は じ め に前稿までに国際特許分類（IPC）および日本における特許の分類の大まかな概要を紹介し，具体的な事例として，低騒音，高圧化，耐コンタミ性に関する特許文献をキーワードから検索する方法を示した．
また，アクチュエータと流体回路に関連して，わか
りにくい点も示した．さらに，前稿までは特許文献を見るという形で，実際の特許文献にどのようなFI，
Fタームが付与されてるかを示した．前稿では一般的な作動流体ではなく．特殊流体，具体的には電気

図１

代表図

【解決手段】非加圧状態に偏平断面形状となり，加圧状態に円形断面形状となる可撓性の偏平チュー
ブと，この偏平チューブの座屈部を形成かつ保持し，座屈部により発生する推進力により偏平チューブに粘性流体などを用いたアクチュエータの例を紹介したが，本稿では，一般的な作動流体を用いたアク
チュエータおよび特別な用途に用いられるアクチュ
エータにどのようなFI，Fタームが付与されている

沿って移動可能なスライダとを具備するものである．
これにより，座屈部により発生する推進力をスライかを紹介する．

過情報の出願情報を参照すると，付与されているFI

2．特許文献１
最初に紹介する特許文献は，特開2009-29655
リニアアクチュエータであり，要介護者，介護者の支援，リハビリテーション等の場で活躍する機械，
ロボットに可撓性要素より構成されるリニアアク
チュエータで対応するものである．技術分野，課題，
請求項１，代表図，解決手段を示す．
【技術分野】偏平チューブを用いたリニアアク
チュエータに関する．
【課題】従来の可撓性ホースを用いたリニアアク
チュエータは，大型化及び摩擦力の損失が増大化を

52

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

ダの運動に変換する．
特許情報プラットフォーム1）から本特許文献の経は下記である．
①F15B15/00@Z②F15B15/10@H①，②ともにテーマコード3H081のアクチュエー
タである．表１に3H081のFIの抜粋を示す．
表１

F15B15/00

テーマコード3H081のFI抜粋

部材をある位置から他の位置へ移すための流体作動装置

F15B15/00@A

複数の流体圧アクチユエータを連結

F15B15/00@Z

その他のもの2017年５月（平成29年）

木原和幸：特許文献を調べる・特許情報プラットフォーム…特許文献を見る４

F15B15/08

・モータユニットの構造に特徴

F15B15/10

・・ダイアフラム形のモータ

F15B15/10@A

ダイヤフラムが１つ

F15B15/10@B

ダイヤフラムが２つ以上

F15B15/10@C

作動流体の給排口に特徴

F15B15/10@D

ロツドの貫通部に特徴

167

チューブ内に，その軸方向に往復摺動可能に設けられたピストンと，気体を収容するタンクと，前記タ
ンク内に気体を注入する経路に設けられた第１バル

ダイヤフラムのケースへの取付構造

ブと，前記第２開口を介して前記シリンダチューブの内部空間に気体を注入する経路に設けられた第２バルブと，前記シリンダチューブの底面に設けられ，
前記ピストンを前記シリンダチューブの底面側に引きつける磁石と，を備え，前記ピストンが前記磁石によって前記シリンダチューブの底面に引きつけらに特徴れた状態において，前記シリンダチューブ内の前記F15B15/10@G

ベローズを用いたもの

F15B15/10@H

ゴム袋を用いたもの

F15B15/10@Z

その他のものピストンの受圧面と前記シリンダチューブの内壁が形成する空間は，前記第１開口を介して前記タンクと連通する第１空間と，前記第２開口を介して前記
第２バルブと連通する第２空間とに区画されていることを特徴とするシリンダ装置．

ロツドのダイヤフラムへの取付構造

F15B15/10@Eに特徴

F15B15/10@F

すなわち，①を上位から簡略して表現すると，流体作動装置で，その他のものである．②は流体作動装置で，構造に特徴があり，ダイヤフラム形で，ゴム袋を用いたアクチュエータとなる．
付与されているFタームを表２に示す．
表２

付与されている3H081のFターム

型式
駆動手段
目的または効果AA18

弾性収縮筒（ゴム袋）

BB03

空気（圧縮性流体）

BB13

手動

CC23

小形化，軽量化，簡素化等

CC24

耐久性向上（長寿命化）

各部材の形状又 DD07 ゴム
は構造

DD14

各部材間の構造 EE08

出力部材が可撓性のあるもの
受圧部材との一体化

なお，本文献のFI，Fタームはほぼ適切であると考えられる．FIとして，上位のレベルのF15B15/00@Z，
その他が付与されていることは，下位のレベルのF15B15/10@Hゴム袋を用いたもののみの分類では，十分ではないとの判断と考えられる．

3．特許文献２
もう一つの特許文献は特開2013-139832シリン
ダ装置およびそれを用いた投擲装置である．
技術分野，課題，請求項１，代表図を示す．解決
手段は請求項と同等のため省略する．

図２

代表図

付与されているFIは下記である．
①F15B11/06@B②F15B15/14,360③F15B15/14,380@C④F15B15/22@J②～④のFIは特許文献１と同じテーマコードである．近傍のFIを表３，Fタームを表４に示す．
表３

近傍のFI

F15B15/14

・・直線シリンダ形

F15B15/14,360

ヘツドカバーそれ自体に特徴

F15B15/14,380

作動流体通路に特徴

F15B15/14,380@A
F15B15/14,380@B

シリンダ又はタイロツド内に流路を形成
ロツド内に流路を形成〔Ａが優先〕
給排ポ−トそれ自体又は給排ポー【技術分野】シリンダ装置に関する．
【課題】物体に大きな力を持続的に与え，また物

F15B15/14,380@C

体に与える力を制御可能なシリンダ装置を提供する．
【特許請求の範囲】【請求項１】その底部に第１開口および第２開口が設けられたシリンダチューブと，前記シリンダ

F15B15/14,380@D

配管部

F15B15/14,380@Z

その他のもの

F15B15/22

フルードパワーシステム

第48巻

トのとり付け位置〔Ａ，Ｂが優先〕

行程の加速または減速を目的と
するもの

第３号

2017年５月（平成29年）

53

168

フルードパワーシステム

F15B15/22@A

速度制御をするもの

た投擲に関する文献が少ないことが推定される．

F15B15/22@B

ハイドロチエツカー形

F15B15/22@C

減速手段

4．お わ り に

F15B15/22@D

行程端における緩衝を目的
加速手段，〔例．急速排気弁を

F15B15/22@J

設けたもの〕
表４

Ｆターム

型式

AA03 ピストンを有するもの

駆動手段

BB03

目的または効果
各部材の形状又は構造制御（調整）
用途

空気（圧縮性流体）

CC26 動作の迅速化，応答性の向上等
CC29 その他
DD24 ロッドカバー，ヘッドカバー等
FF13

速度または力の制御

FF27

電磁弁

HH10

その他

①はテーマコード3H089流体回路⑴である．
表５に3H089のFI抜粋，表６に付与されているF
タームを示す．
表５

テーマコード3H089のFI抜粋

F15B11/00

追従動作をしないサーボモータ系
・圧縮性の媒質，例．空気，蒸F15B11/06

気，を用いるための特有な要素をもつもの
作動流体として圧縮空気のみを

F15B11/06@A
F15B11/06@B

表６

用いる回路
・力，圧力又は速度を制御する回路

付与されている3H089のFターム

型式

AA02 供給圧制御目的または効果BB30

アクチュエータ

CC01 シリンダ形

主回路要素⑴

その他

DA04 アキュームレータ
DA05 圧縮機

主回路要素⑵

DB43 切換弁

駆動手段

GG03 空気（ガス含）

用途

JJ20

その他

本文献のFI，Fタームはほぼ適切と考えられるが，Fタームにおいて，CC29その他とHH10その他が付与されているのは，アクュエータが投擲装置であることによる．すなわち，シリンダ，流体回路を用い

54

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

本稿で紹介した特許文献は２つとも特許査定となっている．すなわち，同等の特許文献はないことになる．なお，参照文献は特許文献情報プラット
フォームの最初の画面で特許実用新案を選択し，６．
審査書類情報照会を選択，特許出願番号あるいは公開特許公報番号などを入力することにより．確認できる．あるいは最初の画面で特許実用新案を選択し，
１．特許・実用新案番号照会を選択し，特許出願番号あるいは公開特許公報番号などを入力し．特許文献を表示し，上段に表示されている審査書類情報照会を選択するにより確認できる．検索報告書，拒絶理由書などに，先行技術文献がある．ただし，本稿における特許文献２は検索報告書がなく，拒絶理由も記載不備のレベルのため，先行技術文献は提示されていない．
実際の特許文献からFI，Fタームを見るは本稿までとし，次稿からは標準的な機器を改良すれば，どのようなFI，Fタームが付与されるはずかを検討し，紹介する．
本稿をより良く理解するために，参考文献2）～ 12）に示す特許文献を調べるを参照されたい．
参考文献
１ ）特許情報プラットフォーム http://www.j-platpat.inpit.
go.jp/web/all/top/BTmTopPage
２ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用
１ …特許の基本，フルードパワーシステム，Vol. 44，
No. 4，p. 241-243（2013）
３ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用
２ …特許の基本，フルードパワーシステム，Vol. 44，
No. 6，p. 362-364（2013）
４ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用
３ …日本の分類・テーマコード １ ，フルードパワーシ
ステム，Vol. 45，No. 2，p. 81-83（2014）
５ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用
４ …日本の分類・テーマコード ２ ，フルードパワーシ
ステム，Vol. 45，No. 4，p. 184-186（2014）６ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用
５ …類似文献の検索 １ ，フルードパワーシステム，Vol．
45，No. 6，p. 285-287（2014）７ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用
６ …類似文献の検索 ２ ，フルードパワーシステム，Vol．
46，No. 2，p. 90-92（2015）８ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許情報プラットフォー
ム…特許電子図書館のサービス終了，フルードパワー
システム，Vol. 46，No. 4，p. 179-181（2015）
９ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許情報プラットフォー
ム…アクチュエータと流体回路，フルードパワーシス
テム，Vol. 46，No. 6，p. 270-272（2015）10）木原和幸：特許文献を調べる・特許情報プラットフォー
ム…特許文献を見る １ ，フルードパワーシステム，Vol.

2017年５月（平成29年）

木原和幸：特許文献を調べる・特許情報プラットフォーム…特許文献を見る４

47，No. 2，p. 82-84（2016）11）木原和幸：特許文献を調べる・特許情報プラットフォー
ム…特許文献を見る ２ ，フルードパワーシステム，Vol．
47，No. 4，p. 187-190（2016）12）木原和幸：特許文献を調べる・特許情報プラットフォー

会

告

169

ム…特許文献を見る ３ ，フルードパワーシステム，Vol.
48，No. 1，p. 47-49（2017）


（原稿受付：2017年 ２ 月16日）

詳細は学会ホームページ（http:www.jfps.jp/）をご覧ください

平成29年春季フルードパワーシステム講演会

併設セミナー「フルードパワーに役立つセンシング技術」
開催日時：平成29年５月24日（水）13：15～16：45

パワーに活用され始めた，もしくはこれから活用される可能性

開催趣旨：
平成29年春季フルードパワーシステム講演会併設セミナーの高い，センシング技術の最新情報を紹介していただきます．

を，平成29年５月24日（水）に機械振興会館（東京都港区）

詳細は学会ホームページにて，ご確認をお願いいたします．

で開催いたします．

なお，
日本フルードパワーシステム学会誌48巻２号（2017

フルードパワーの高性能化・高機能化を図るうえで，さまざ
まな物理量のセンシング技術が必要とされ始めており，計測すべき情報の種類や役割も多様化し，それに伴うセンシング技術

年３月号）が当日の講演資料となりますので，各自ご持参いただき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．

も近年飛躍的に進化しています．本併設セミナーではフルード

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29年春季フルードパワーシステム講演会
開催日：平成29年５月25日
（木）
・26日
（金）

クノロジーとその次世代FPSへの革新的展開」，「フルードパ開催趣旨：
平成29年春季フルードパワーシステム講演会は平成29年

ワーの制御システム」を企画しております．その他，製品技術

５月25日
（木）
・26日
（金）に機械振興会館（東京都港区）で紹介セッションや技術懇談会などを予定しております．詳細は開催されます．本講演会では，一般講演に加えて，東京工業大

学会ホームページをご確認いただきますようお願いいたします．

学の鈴森康一教授による特別講演「フルードパワーが拓く次世

皆様の積極的なご参加をお待ちしております．

代ロボティクス」やオーガナイズドセッション「機能性流体テ

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

55

170

フルードパワーシステム

研究室紹介

東北大学流体科学研究所

著

者

紹

中野・田研究室

介
なか

の

中 野

まさ

政

み

身

東北大学流体科学研究所〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平２－１－１
E-mail：m-nakano@fmail.ifs.tohoku.ac.jp

1982年早稲田大学大学院博士後期課程修了．
同年山形大学助手，助教授を経て，1997年同教授，2008年東北大学教授．機能性流体とその応用，流体関連振動・騒音，振動制御などの研究に従事．日本フルードパワーシステム学会（理事），
日本機械学会（フェロー）などの会員．工学博士

1．は じ め に
「流体科学の基礎研究と，それを基盤とした先端学術領域との融合，ならびに重点科学技術分野への応用において世界最高水準の研究を推進して，新しい学理を構築，社会が直面する諸問題を解決するとともに，世界で活躍する若手研究者・技術者を育成する．
」これが著者が所属している東北大学流体科学研究所1）のミッションである．併せて，国立大学附置研究所には，共同利用・共同研究の拠点化が要請されており，本研究所は流体科学分野の共同利
用・共同研究拠点として，平成22年度より「流体科学研究拠点」，そして平成28年度より「流体科学国際研究教育拠点」として文部科学省に認定されている．より多様性のある世界の知を結集し，本研究所に集う研究者が互いに刺激を受けて研究の深化と創造を行う環境を醸成する必要があることから，世界の研究者が集う流体科学分野の国際共同研究拠点化を強力に推進することを標榜している．
流体科学研究所は，流動創成研究部門，複雑流動研究部門，ナノ流動研究部門，および未到エネル
ギーセンターからなる３研究部門・１研究センターで構成されており，それぞれ６～８の研究分野からなるが，中野・田研究室は７研究分野からなる流動創成研究部門に所属しており，知能流体制御システ
ム研究分野2）を担っている．知能流体制御システム研究分野では，図１に示すように，「電磁レオロ
ジー流体」などの高度な機能性を発揮する“スマー56

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

図１

次世代型知能流体制御デバイス・システムの創成

ト流体・ソフトマテリアル”，“流れの制御”，そして“知的制御・情報科学”に関する基礎科学的研究を基軸として，これらを三位一体として融合・活用
した対環境性，省エネルギー，信頼性，安心・安全などの面で優れた「次世代型知能流体制御デバイスやシステム」の創成を目指して研究開発を推進している．このことにより，車両，生産，エネルギー，
建築，福祉・介護などの分野において，特にQOL向上に貢献することを目的としている．

2．研究室の概要
3）
研 究 室 に は， 筆 者（中 野）と 田 瞳 菲（Tian
Tongfei）助教の２名の教員が所属しており，研究・教育，そして社会貢献等の運営および活動を行なっている．筆者は，2008年４月に着任し，田助教はオーストラリア・ウーロンゴン大学でPh.D.を取得
し て2015年10月 に 着 任 し て い る． 田 助 教 は，「Shear-Thickening流体およびMRエラストマーの創製とそれらの応用に関する研究」が専門で，着任してから活発に研究展開をしてきており，数多くの貴重な研究成果をあげてきている．他に，フランス
INSA Lyonからの客員教授Jean-Yves Cavaille，客員准教授Gael Sebald，客員研究員Gildas Diguetの３名（図２）が滞在して，「電磁場反応性スマートソ
フト材料の開発とそれらのアクチュエータ及びエネ
ルギー分野への応用」に関する国際共同研究をそれぞれの専門性を活かしながら遂行している．これらの３名は，2016年４月から東北大学内に材料科学
および工学分野の研究連携を強化することを目的に

2017年５月（平成29年）

中野政身：東北大学流体科学研究所

中野・田研究室

171

以上のような，国内外の大学・研究機関及び企業の研究者との共同研究等を通じて，国際性豊かで社
会性に富みかつ異分野融合の研究環境の下で，幅広い見識をもった創造性豊かな人材育成はもちろんであるが，研究室の各種イベント等（図３）の企画・運営などを通じて人間味溢れる人材の養成にも心掛けた研究室運営を行なってきている．

3．研 究 紹 介
図２

ELyTMaXメンバーと研究室スタッフとの会食

本研究室の研究テーマは，大きく「流体関連振動・騒音及び流れの制御」と「機能性流体・ソフト
材料の創製とその応用」とに分類できるが，後者はさらに「電界制御流体・材料関係」と「磁場制御流体・ソフト材料関係」に分けられる．これらの分類に沿って現在取組んでいるフルードパワー関連研究の一端を紹介する．
3.1 流体関連振動・騒音及び流れの制御

図３

忘年会後のボウリング大会にて

設 立 さ れ た， フ ラ ン ス 国 立 科 学 研 究 セ ン タ ー（CNRS），リヨン大学（Université de Lyon）と連携した国際共同研究ユニットELyTMaXに所属しており，筆者もそのメンバーとして活動している．
本研究所が「流体科学国際研究教育拠点」として強力に推し進めている共同利用・共同研究拠点化のための公募共同研究も，2016年度には海外４件，国内６件が採択され，下記の国内外の共同研究員との相互連携のもとに本研究所の共通施設・設備及び研究室研究設備等を活かした幅広い異分野融合の研究展開をしている．
海外共同研究員：Prof. Miklos Zrinyi（Semmelweis
University, Hungary），Prof. Rongjia Tao（Temple
University, USA）
，Prof. Weihua Li（Wollongong
University, Australia），A. Prof. Gael Sebald（INSA
Lyon, France）

筆者の学生時代の研究テーマが“バルブから発生する振動・騒音の解明と低減化”であったことから，
バルブで発生する振動や騒音トラブルに関する企業からの相談や共同研究の依頼が多い．図４は，車両用燃料ポンプで使用される逆止弁で発生する弁プラ
グの自励振動を移動境界法CFDと弁プラグ運動の連成解析手法によって再現したもので，振動抑制に対して弁形状などの一連の設計要件を明らかにしている．これらの成果に対して，自動車技術会賞「論文賞」を受賞している．これらの手法は他の分野で使用されている各種の制御バルブ等についても適用でき，現在は，空調用機器で用いられる冷媒制御弁で発生する自励振動に関して三次元解析モデルによるシミュレーションによってその低減化対策について検討している．
円形空気噴流が同軸同径の穴の開いた平板に衝突して発生する噴流の自励発振現象をホールトーン現
象と呼び，ダクト内サイレンサ，マフラー，バルブなどさまざまな工学的分野において発生し騒音問題となっている．ブローダウン型風洞による実験と国内共同研究員：京都工芸繊維大学 田中克史教授，愛媛大学 松浦一雄准教授，山形大学 ランジェ
ム准教授，同志社大学 平田勝哉教授，東京工業大
学 塚越秀行准教授，名古屋工業大学 井門康司教授
さらに，科学研究費補助金プロジェクトの共同研
究や数社との民間共同研究なども積極的かつ活発に実施してきており，基盤的な研究による学理構築と産学連携による実用化展開に繋がる応用研究を共に推進してきている．

図４

流 体・構造連成解析による逆止弁の弁プラグ自励振
動に伴う流量変動の再現（弁座角βが大→自励振動が発生し易い）フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

57

172

フルードパワーシステム⒜

突起がない場合⒝

突起がある場合

図６

図５ 下
 流平板へのリング状突起設置によるホールトーン
自励発振現象の低減効果のDNSシミュレーションによる再現（組織的なリング渦構造⒜が微細な渦に無秩序化されている⒝）開発したER流体液圧駆動点字表示システム

DNSによる数値シミュレーションによってその発振機
構を明確にするとともに，下流の穴の開いた平板にリング状の突起を設けることによるホールトーン自励発振現象の低減効果を見出し，その効果を流体力学
的および音響学的な側面から詳細に明らかにしている（図５）．これらの成果に対して，当研究室の助教だった愛媛大学松浦一雄准教授が日本流体力学会竜門賞を受賞している．現在は，空気噴流出口に設けたプラズマアクチュエータを用いた噴流励起によるホールトーン現象のアクティブ制御に取り組んでいる．
3.2 電界制御流体・材料関連研究
電界制御流体として，電場印加により粘性の変化
するER（Electro-Rheological）流体とその応用に関する研究を展開してきており，マイクロ粒子分散系
ER流体を用いたダンパ，マイクロERバルブやER流
体液圧駆動点字表示システム（図６）などを開発してきている．最近では，ER流体を作動流体とする
Micro Fluid Power Systems（MFPS）の構築を目的に，そのアクチュエータを駆動するより微細な流路でも使用可能なER流体として，400nmのTiO2のナノ粒子ER流体をその分散媒に変性シリコーンオイ
ルを用い粒子の体積分率を適切に調整して創製することにより，低い基底粘度でER効果もより高く時性などについて検討している．また，すでに開発している成形が容易なEAPコンポジット材料を用いた
電極・ロータ一体型の小型マイクロモータに関する研究開発も展開している．
3.3 電場制御流体・ソフト材料関連研究
電場制御流体・ソフト材料としては，磁場印加により粘弾性が変化するMR（Magneto-Rheological）
流体やMRエラストマーの創製とその応用に関する研究を展開してきている．これまで，新規なMR流体コンポジットブレーキを活用したコイル巻線用テ

間的にも安定したER効果の得られるナノ粒子ER流体を開発している．

器技術振興財団論文顕彰），変位と速度に応じて減衰特性の変化するパッシブ式MRダンパ（日本機械

電界応答ポリマー EAP（Electro-Active-Polymer）
材料として，誘電液体中のDC電場下で回転運動をするEAP材料の創製を行ない，そのマイクロモータへの応用に関する研究を展開している．マイクロ学会賞（論文）受賞（大学院博士後期課程修了村上氏との共同受賞）），MR流体クラッチを用いたアクティブ負荷機を活用した下肢リハビリ用筋力評価・
訓練システム，MR流体ブレーキ膝継手を用いた随ファブリケーションにより適したエポキシ系EAP（SU8 レジスト）をロータとするマイクロモータを意電子制御大腿義足（図８）（日本義肢装具学会「土屋和夫論文賞」受賞（大学院博士後期課程修了

創製して，そのモータとしての特性を把握しその可能性について検討している．図７には，その一例として，円柱状と歯車形状のディスクロータの誘電液
体中での無負荷回転速度を測定した結果を示す．そ

引地氏との共同受賞）），免震・制振用のMR流体コ
ンポジットブレーキを用いた直動型の減衰力可変ダンパ（図９）などを研究開発してきている．
最近では，MR効果の向上を目的に，ナノ・マイの特性のロータサイズや形状及び印加電場への依存

クロ粒子混合系MR流体（特許出願）を創製し，ナ58

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

図７

 ポキシ系EAPロータ（円柱状，歯車形状）の無負
エ
荷回転速度特性

ンション制御装置（JSME東北支部「技術研究賞」受賞），モータ用のMR流体電磁ブレーキ（JSME東北支部「技術研究賞」受賞），変位に依存する減衰特性を有するパッシブ式MR流体ダンパ（油空圧機2017年５月（平成29年）

中野政身：東北大学流体科学研究所

中野・田研究室

173

図10 永 久磁石と電磁石そして磁気回路からなる積層MR
エラストマーアイソレータ

図８ MR流体ブレーキ膝継手を用いた随意電子制御大腿義足

図11開発した車両MR流体ブレーキと超小型EVへの搭載

今後，より剛性可変の大きいMRエラストマーを開発するとともに，より多様な分野への応用展開を期
ノ（100nm程度）粒子をある割合で混合することしている．
によりマイクロ粒子だけを分散したMR流体の約２MR流体クラッチ・ブレーキの動力伝達・制動系
倍のせん断応力を誘起することを見出しており，そへの応用の手始めとして，国内ブレーキメーカーとの効果をせん断流れモードでの粒子クラスター構造の共同で小型EV向けのMR流体ブレーキを設計・開形成・崩壊の可視化との関連によって検討している． 発し，そのブレーキ特性を把握するとともに，実車
また，従来のオイル等を分散楳とした鉄粒子分散系 （超小型EV）の４輪に搭載し走行試験を実施して，MR流体に代わって，分散楳を空気としたミクロン
十分なブレーキ性能とブレーキフィーリング制御のサイズの鉄粒子からなるドライMR流体を創製し，適用など高い制御性があることを実証している（図図９

 R流体コンポジットブレーキを用いた直動型減衰力
M
可変ダンパの振動台免震試験時の設置状況

その流動性向上およびそのMR効果や粒子構造形成等について検討することによって，動力伝達・制動系などに用いられるMRクラッチやMRブレーキにおける発熱等のかなり過酷な条件下でも使用可能性11）．今後，スマートモビリティなどへの実用展開が期待される．

を有する新規なMR流体（特許出願）を研究開発している．機能性ソフト材料として，磁場の印加に

以上，筆者が所属する東北大学流体科学研究所がよって特に剛性可変機能を有するMRエラストマーの創製並びにその応用研究も展開している．図10に示すのは，Wollongong Univ. のProf. Weihua Liとの共同研究で開発した，永久磁石と電磁石そして磁気回路からなる積層MRエラストマーアイソレー
タで，電磁石電流の増加に対して剛性が顕著に低下

4．お わ り に
強力に推し進めている「流体科学国際研究教育拠点化」の一助として，国内外の研究者が集い互いに刺激を受けて研究の深化と創造を行う環境を提供している中野・田研究室の運営の一端を紹介した．
参考文献
１ ）http://www.ifs.tohoku.ac.jp/jpn/index.html
２ ）http://www.ifs.tohoku.ac.jp/jpn/crfrd_ifcsl.html
３ ）http://db.tohoku.ac.jp/whois/detail/ca2d5231efc320c
9e2a2d21eaded3ba9.htmlする機能を有する．本積層MRエラストマーアイソ
レータ４台の上に物体を搭載した1DOF免震システ
ムを構築し，スカイフック制御を施すことによって，

効果的な免震制御が可能なことを明らかにしている．

フルードパワーシステム（原稿受付：2017年 4 月13日）

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

59

174

フルードパワーシステム

企画行事

平成28年度オータムセミナー開催報告「生産技術に貢献するフルードパワー
in トヨタ産業技術記念館」
著

者

紹

介
わ

だ

和 田

しげ

重

のぶ

伸

CKD株式会社〒485-8551 愛知県小牧市応時２－250

E-mail：s-wada@ckd.co.jp

1981年電気通信大学大学院修了．同年日本電気株式会社入社，精密加工技術研究や研究試作品開発等に従事，2008年CKD株式会社入社，ロボット技術の開発等に従事，現在に至る．日本
フルードパワーシステム学会会員．

1．は じ め に
平成28年度オータムセミナー「生産技術に貢献するフルードパワー in トヨタ産業技術記念館」が平成28年11月25日（金）に開催された．本稿では
本セミナーの趣旨および当日行われた各講演の概要について報告するとともに，セミナー併設で行われた見学の様子も紹介する．

もフルードパワーは多岐にわたり使われている．第一線で活躍されている講師の方にフルードパワー活用の事例を具体例を交えて講演をいただいた．
会場は名古屋駅からも近い「トヨタ産業技術記念館」，ここは元織機工場の赤れんがの建物の中に日本の近代化・工業化を支えてきた繊維機械と自動車製造に関する圧倒的な質と量の収蔵品が展示されている（図１）．
企画構成にあたっては，開催場所の特長を生かす
ため，午前に館内展示の自由見学時間を設け午後から講演形式のセミナーを行うこととし，講演選定では内容が会場の展示と関連したり，中部・北陸地域の講師にお願いする等の配慮を行った．

3．セミナーの概要
3.1 講演と参加者
セミナーは４件の講演で構成され，登録：24名，
講師と講師アシスタント：５名および事務局：１名，計30名の参加であった．全国11都道県（講師含）からの参加を得ることができた．
3.2 開会
講演形式のセミナーはホールＢにおいて13時に開始された．企画委員会委員長で東京電機大学の藤田壽憲先生から参加に対する御礼とセミナーの趣旨
説明がなされた後，講演が開始された．
3.3 自動車製造ラインで活躍する空圧機器
はじめに．SMC株式会社の岡田明彦氏より講演

図１をいただいた（図２）．
自動車製造工程では，固定，位置決め，移動を要

トヨタ産業技術記念館

今回は，いつもセミナーを開催する東京の機械振興会館を離れ，愛知県名古屋市で開催された．愛知する工程が多くあり，多くの空圧アクチュエータやこれを制御するバルブ類が用いられている．メー
カー標準品の他，用途に合わせたユニット品，特殊開発品も使用されており，また世界の自動車会社に県を含む中部地区は国内でも有数の製造業集積地域
で，特に自動車や工作機械メーカーの本社や生産拠目を向けると,メーカーの考え方，その国の設備の考え方，設備製作の技術レベルにより，同じ工程で点が多くある上，次世代産業として航空機産業やロボット産業も育ちつつあることから，今後も更なる発展が期待されている．
今回のセミナーのテーマである生産技術の分野でも使用機器が異なっている．これらの機器の特長を
データを示しつつ判りやすく説明された．
3.4 ウォータージェット加工とその応用
つぎに，株式会社スギノマシンの原島謙一氏より

2．開 催 趣 旨60

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

和田重伸：平成28年度オータムセミナー開催報告「生産技術に貢献するフルードパワー in トヨタ産業技術記念館」

175

常のCFRPで問題となる層間剥離が発生せず品質が安定することを示された．
更に，地域の中小企業と手を組んで航空機産業の大企業との橋渡しを行っていることが紹介された．

図２

岡田氏の講演講演をいただいた（図３）．
ウォータージェット加工は水または研磨材粒子を混入した水を200 ～ 600MPaに加圧し、微細なノズルから噴射して対象物を加工するもので，他の切断法では加工困難だったり，きれいに切ることが難しい場面で使われている．
（富山名物の鱒の寿司の切断にも利用されているとのこと）加圧機構，高圧化の有効性，研磨材の効果，CFRPの加工に適していること等をデータと動画で示された．
さらに，この技術の応用としてナノオーダーの微粒子を粉砕生成する技術も紹介され、機能性流体の研究をしている方にとって，興味深い話であった．

図４

川邊氏の講演

3.6 樹脂成型開発機へのフルードパワー採用事例
最後に，株式会社高橋精機工業所の高橋茂壽氏より講演をいただいた（図５）．

図５

高橋氏の講演

自動車部品は軽量化や装飾性が求められ，樹脂化
図３やユニット化が進められているため，独自に開発した設備で要求を満たす製品を実現している．金型に原島氏の講演

3.5 炭素繊維束の開繊加工技術と複合材料への応用
福井県工業技術センターの川邊和正氏より講演をいただいた（図４）．

ガラス等を挟みモール部などを一体成型するエンキャップ成形等の射出成型では，位置決め，加圧保
持，充填補助等で空圧や油圧が用いられている．また，エアインテーク部品等を熱可塑性樹脂筒の型内直径５～７㎛と非常に細い炭素繊維が数千～数万本集束した束を，弛ませた状態で空気流を当てるこで空気加圧して一体成型するブロー成形では，独自の横型NC成形で異材質一体やフィラー入り樹脂成とでこれまでの方法よりも薄く，繊維も傷付けないで広げる技術及び装置を開発されており，データと動画で紹介された．また薄い状態に広げられた炭素繊維を用いてプリプレグを作りCFRPにすると，通型にも対応していることを説明された．講演には実際の部品を持ち込んで頂いたため，参加者は手に取ることでその効果を実感することができた．

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

61

176

フルードパワーシステム

3.7 閉会
講演終了後，エントランスロビーの環状織機の前機までが系統立てて配置され，実演が可能な動態状態で展示されている（図７，図８）．

にて集合写真を撮影した．この環状織機は経済産業
省の近代化産業遺産に認定されている（図６）．

図８
図６

参加者で集合写真

参加者からのアンケートでは，「実務的な話が聞けて良かった」「あまり知らない分野でのフルード
パワー応用事例を知ることができた」等の意見が多かった．
また，東京以外でセミナーを開催すること，見学と座学のセミナーをセットにして開催することに関しては肯定的な意見がほとんどであった．

空気流で横糸を送る高速織機「自動車館」では，広大な空間で自動車づくりをさまざまな視点から紹介していたが，今回多くの参加者の興味を引いたのが自動車製造ラインの再現と，かつて実際の現場で使われていた生産設備の作動デモであった（図９）．

4．館内の展示見学
最後に，セミナー開催前に設定したトヨタ産業技術記念館内展示の自由見学の様子について報告する．
展示は「繊維機械館」と「自動車館」に分かれており，ガイドツアーや説明も充実しているため，非常にわかりやすい展示となっている．
「繊維機械館」では，大正・昭和初期の紡織工場

図９の雰囲気を残す空間に昔の道具／機械から現代の織5．謝自動車館内の鍛造装置

辞

最後に，本セミナーで貴重な講演をいただきました講師の皆様，当日会場でご討論やご意見をいただ
いた参加者の皆様，会場や備品に関する対応とさま
ざまなご配慮をしていただきましたトヨタ産業技術記念館の皆様，セミナー企画と当日の運営にご協力をいただいた本学会企画委員会委員や事務局の皆様に深く感謝申し上げます．

図７

62

繊維機械館内景

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）（原稿受付：2016年12月14日）

会告

理事会・委員会日程

会

177

告

〈理事会・委員会日程〉
4月18日

情報システム委員会

5月26日

理事会

6月29日

企画委員会

6月 6日

編集委員会

4月25日

基盤強化委員会・Vol. 48 No. 5「人に優しいフルードパワーの最新技術（仮）」・Vol. 48 No. 6「災害現場で活用されるフルードパワー
技術（仮）」・Vol. 49 No. 1「IFPEX2017」・Vol. 49 No. 2の特集案検討２）その他
・トピックスについて
・新トピックスについて
・今後の特集について〈理事会報告〉平成28年度第５回企画委員会

３月24日 14：00 ～ 16：00

３月28日 15：00 ～ 17：00 機械振興会館

機械振興会館６階６―65号室（出席者17名）

地下３階B ３―９号室（出席者19名）

１）国際シンポジウム福岡の準備状況について

１）平成28年度実施事業について

２）平成29年春季講演会の準備状況について・ウインターセミナー

３）平成28年度学会賞について

・その他

４）平成29年度予算案について

２）平成29年度実施事業について

５）平成29年度の研究委員会について

・平成29年春季講演会併設セミナー

６）50周年記念事業準備について・平成29年春季講演会

７）会員の推移について

・「製品紹介セッション」

８）その他

・オータムセミナー
・ウインターセミナー〈委員会報告〉・その他
３）その他審議・確認事項

平成28年度第５回編集委員会①講演会・セミナー等のキャンセル事の扱いについて

３月31日 14：00 ～ 17：00 東京工業大学田町CIC②講演会・セミナー等・年度表記と表紙について

５階リエゾンコーナー 501（出席者12名）③予告会告・会告について

１）会誌特集号の現状と企画

・平成29年春季講演会併設セミナー（３月号）

・Vol. 48 No. 3「モデルベース開発とその活用事例」

・平成29年春季講演会（３月号）

・Vol. 48 No. 4「フルードパワーにおけるトライボロジー

・平成29年秋季講演会「製品・技術紹介セッション」（３の展開」
・Vol. 48 E1（電子出版号）「緑陰特集」月号）
・その他

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

63

178

フルードパワーシステム

会

告共催・協賛行事のお知らせ
協賛行事
トライボロジー会議2017 春 東京
開 催 日：2017年５月15日（月）～17日（水）会
場：国立オリンピック記念青少年総合センター（〒151－0052 東京都渋谷区代々木神園町３－１センター棟）
申込み・問合せ：一般社団法人日本トライボロジー学会 事務局（〒105－0011 東京都港区芝公園３－５－８ 機械振興会館407－２号室）
TEL：03－3434－1926 FAX：03－3434－3556
E-mail：jast@tribology.jp
ホームページ http://www.tribology.jp からお申込みいただけます．
一般社団法人日本機械学会関西支部 第349回講習会「構造・強度設計における数値シミュレーションの基礎と応用」
日時：2017年5月29日（月）10：00 ～ 16：30
30日（火） ９：30 ～ 16：30
会
場：大阪科学技術センター８階中ホール［大阪市西区靭本町１－８－４／ 06－6443－5324 ／地下鉄四つ橋線「本町」駅下車，28号出口北へ400ｍ］
関西支部ホームページ：http://www.kansai.jsme.or.jp/
申 込 先：一般社団法人日本機械学会関西支部 〒550－0004 大阪市西区靭本町１－８－４ 大阪科学技術センタービル内
TEL：06－6443－2073 FAX：06－6443－6049 E-mail：info@kansai.jsme.or.jp｢EU Green Gateway to Japan｣ プロジェクト
日
程：2017年７月１日～ 2019年12月
場
所：東京
主
催：欧州連合（ＥＵ）
運営事務局：（一社）日本能率協会 産業シンクセンター
第45回可視化情報シンポジウム
開 催 日：平成29年７月18日（火）～19日（水）
開催場所：工学院大学 新宿キャンパス 東京都新宿区西新宿１－24－２
ホームページ：http://www.visualization.jp/symp2017/
一般社団法人日本機械学会 関西支部 第350回講習会「事例に学ぶ流体関連振動（トラブル事例相談会付き）」
開 催 日：2017年7月27日（木），28日（金）９：10 ～ 17：00
会
場：大阪科学技術センター４階401号室（大阪市西区靭本町１－８－４／ 06－6443－5324（代）／地下鉄四つ橋線「本町」駅下車，北へ400ｍ）
定
員：100名申込締切：2017年７月20日（木）（締切後でも定員に余裕があれば受け付けますので，問合せ下さい．
）
申込方法：関西支部ホームページ（http://www.kansai.jsme.or.jp）より申込できます．
日本混相流学会主催・学会設立30周年記年
日本混相流学会混相流シンポジウム2017講演発表募集
主催：日本混相流学会
共
催：電気通信大学
開 催 日：2017年８月18日（金）～20日（日）または19日
（土）
～21日
（月）
（決まり次第ホームページでアナウンスします）
会
場：電気通信大学（東京都調布市）
ホームページ：http:www.jsmf.gr.jp/mfsymp2017/64

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

会告共催・協賛行事のお知らせ

NO. 17－13

Dynamics and Design Conference 2017179

第15回「運動と振動の制御」シンポジウム

総合テーマ：『今，次世代を支えるダイナミクスを考える』
U R L：http://www.jsme.or.jp/conference/dmcconf17
企
画：一般社団法人機械学会 機械力学・計測制御部門
開 催 日：2017年８月29日（火）～９月１日（金）同時開催：Japan-Korea Joint Symposium on Dynamics & Control
会
場：愛知大学 豊橋キャンパス（愛知県豊橋市畑町１－１）
第35回日本ロボット学会学術講演会
主催：一般社団法人 日本ロボット学会学術講演会
会
期：2017年９月11日（月），12日（火），13日
（水）
，14日
（木）
（９月11日はオープンフォーラムのみ，12日から一般講演）
場
所：東洋大学 白山キャンパス（〒112－8606 東京都文京区白山 ５－28－20）
Ｈ
Ｐ：http://rsj2017.rsj-web.org/
NO. 17－4 第30回計算力学講演会 The 30th Computational Mechanics Conference （計算力学部門
開 催 日：2017年９月16日（土）～18日（月・祝）会
場：近畿大学東大阪キャンパス（東大阪市小若江３－４－１）
最寄りの駅からのアクセス（http://www.kindai.ac.jp/about-kindai/campus-guide/higashi-osaka.html）
近鉄大阪線・長瀬駅からの経路（徒歩15分）
近鉄奈良線・八戸ノ里駅からの経路（徒歩約20分、バス約６分）
スケジュール等の詳細は講演会ホームページでご確認下さい．
http://www.jsme.or.jp/cmd/conference/cmdconf17/index.html

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

企画）

2017年５月（平成29年）

65

180

フルードパワーシステム

会

告

会

員

移

動

会員の種類

正 会 員

海外会員

学生会員

賛助会員

会 員 数
（４月10日現在）

949

16

117

129

差 引 き 増 減

－21

±０

－20

±０

正会員の内訳 名誉員14名・シニア員40名・ジュニア員194名・その他正会員700名

賛助会員
松巳鉄工株式会社
正会員
横山 貴裕（）

正岡 孝一（川崎重工業株式会社）

丸居 英夫（川崎重工業株式会社）―

安田 好伸（川崎重工業株式会社）足立 直樹（川崎重工業株式会社）

稲山 公憲（CKD株式会社）

赤瀬 広至（ナブテスコ株式会社）

程明昭（KYB株式会社）

本多 駿太（三菱電機メカトロニクスエンジニアリング株式会社）
久保利賀剛（株式会社ジェイテクト）
学生会員

66

藤本 裕敬（豊橋技術科学大学）

綾田 直人（豊橋技術科学大学）

品川 裕次（豊橋技術科学大学）

判澤 拓実（豊橋技術科学大学）

清水自由理（早稲田大学）

塩井高橋優（信州大学）悟（信州大学）

田中友季子（信州大学）

秋吉 俊祐（上智大学）

久保 宏平（明治大学）

見上慧（東京工業大学）

中條 龍一（東京電機大学）

下岡綜（岡山理科大学）

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

会告（一社）日本フルードパワーシステム学会会

賛助会員一覧表

181

告

（一社）
日本フルードパワーシステム学会
賛助会員一覧表

アイシン・エイ・ダブリュ㈱㈱明石合銅㈱曙ブレーキ中央技術研究所
アズビル㈱湘南工場
アズビルTACO㈱㈱アドヴィックス
アネスト岩田㈱
イートン㈱
㈱IHI
出光興産㈱
イナバゴム㈱イハラサイエンス㈱㈱インターナショナル・
サーボ・データー㈱打江精機
SMC㈱
SMC㈱中国㈱荏原製作所㈱大阪ジャッキ製作所
大瀧ジャッキ㈱鹿島通商㈱KYB㈱KYBエンジニアリング･アンド･サービス㈱KYB-YS㈱㈱桂精機製作所
神威産業㈱川崎重工業㈱川重商事㈱㈱神崎高級工機製作所
キャタピラージャパン㈱旭東ダイカスト㈱協和シール工業㈱極東開発工業㈱㈱クボタ㈱クレアクト・インターナショナル
クロダニューマティクス㈱㈱ケンチク舎成増㈱古河製作所
㈱工苑
甲南電機㈱
㈱コガネイ
コスモ石油ルブリカンツ㈱㈱小松製作所㈱小松製作所試験センタ㈱小松製作所研究本部㈱小松製作所油機開発センタ㈱阪上製作所㈱鷺宮製作所
佐藤金属㈱三和テッキ㈱三輪精機㈱CKD㈱㈱島津製作所㈱ジェイテクト奈良㈱ジェイテクト刈谷
勝美印刷㈱JXエネルギー㈱ジヤトコ㈱新日鐵住金㈱交通産機品カンパニー
住友建機㈱住友重機械工業㈱住友精密工業㈱制御機材㈱千住金属工業㈱第一電気㈱㈱TAIYO
タイヨーインターナショナル㈱
㈱タカコ
㈱タダノ
ダイキン･ザウアーダンフォス㈱ダイキン工業㈱
ダイワ㈱
大生工業㈱
調和工業㈱
㈱都筑製作所
TMCシステム㈱㈱TNK
天竜丸澤㈱東京メータ㈱TOHTO㈱東北特殊鋼㈱
東明工業㈱
同和発條㈱
東京計器㈱
東京計器パワーシステム㈱
特許機器㈱
特許庁
豊興工業㈱
㈱豊田自動織機
フルードパワーシステム

第48巻

中西商事㈱
中村工機㈱
長津工業㈱
長野計器㈱
ナブテスコ㈱ニッタ㈱日新濾器工業㈱日本アキュムレータ㈱日本機材㈱日本クエーカー・ケミカル㈱日本工業出版㈱日本精器㈱日本電産トーソク㈱（一社）日本フルードパワー工業会
日本ムーグ㈱㈱野村商店㈱ハイダック日立建機㈱㈱日立建機テイエラ㈱日立建機カミーノ㈱日立製作所
日立住友重機械建機クレーン㈱廣瀬バルブ工業㈱フジサンケイビジネスアイ
フエスト㈱
㈱フクダ
㈱不二越
二見屋工業㈱ボッシュ・レックスロス㈱
昌富工業㈱
マサモト㈱
㈱増田製作所
マックス㈱松巳鉄工㈱三菱電線工業㈱ヤマシンフイルタ㈱ヤマハモーターハイドロリック
システム㈱
油研工業㈱
理研精機㈱
リバーフィールド㈱㈱レンタルのニッケン
ワールドインシュアランス
ブローカーズ㈱第３号

2017年５月（平成29年）

67

182

フルードパワーシステム

編 集 室

次号予告

―特集「フルードパワー分野におけるトライボロジーの展開」―〔巻頭言〕「フルードパワー分野におけるトライボロジーの展開」発刊にあたって〔総論〕流体潤滑理論
〔解説〕弾性流体潤滑理論（EHL理論）

油圧作動油の耐摩耗性，およびその評価試験方法について
転がり軸受の高速化技術
工作機械摺動面のグリース潤滑
ワイブル分布の原理と機械材料およびトライボロジーへの応用
カーボンオニオンによる潤滑特性の改善
低摩擦発現のための表面テクスチャリング
表面微細構造により誘起されるマイクロ・ナノ気体潤滑機構
ＭＲ流体用回転軸シールの開発
〔ニュース〕日中若手研究者交流報告（FPTC2016, Hangzhou, China）
〔会議報告〕FPIRC2016 におけるフルードパワー技術研究動向
〔トピックス〕モータの高効率規制
〔研究室紹介〕東京電機大学工学部 先端機械工学科 三井研究室
〔企画行事〕ウインターセミナー（H29.2.17）


山田真の介
糸魚川文広
八木 和行
永仮 光洋
藤井 健次
大関
浩
清水 茂夫
平田
敦
足立 幸志
米村
茂
鷲野誠一郎
小林
亘
野口 恵伸
深澤 雄三
三井 和幸
高後 哲也

平成28年度「フルードパワーシステム」編集委員
委 員 長 塚 越 秀
副委員長 村 松 久
委員 伊 藤 雅
上 野 朝
内 堀 晃
加 藤 猛
加 藤 友
北 村
木 原 和
栗 林 直
五 嶋 裕
佐 藤 恭
妹 尾

会

行（東京工業大学）
巳（沼津工業高等専門学校）
則（東京海洋大学）嗣（ＣＫＤ㈱）彦（宇部工業高等専門学校）
美（㈱コガネイ）規（福岡工業大学）
剛（油研工業㈱）幸（㈶工業所有権協力センター）樹（川崎重工業）之（機械振興協会）
一（横浜国立大学）
満（SMC㈱）

告

委

員 中
中
成
藤
丸
柳
山
山
吉
担当理事 伊

野
山
田
田
田
田
田
田
満
藤

政 身（東北大学）
晃（日立建機㈱）晋（ＫＹＢ㈱）壽 憲（東京電機大学）
和 弘（㈱コマツ）
秀 記（豊橋技術科学大学）
真の介（㈱TAIYO）
宏 尚（岐阜大学）俊 拓（神奈川工科大学）
和 巳（ＫＹＢ㈱）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）

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（公社）日本複写権センター（同協会より権利を再委託）と包括複写許諾契約を締結されている企業の社員による社内利用目的の複写はその必要はありません．したがって，社外頒布用の複写は許諾が必要です．
権利委託先：（一社）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．

68

フルードパワーシステム

第48巻

第３号

2017年５月（平成29年）

ISSN

1880-3121

日本フルードパワーシステム学会論文集
第48巻，第３号（2017）平成29年５月
目次

研究論文
１．炭酸水素ナトリウムとクエン酸の化学反応を用いた小型増圧ポンプを有する携帯型空気圧源の提案
奥井学，名倉裕貴，飯川伸吾，山田泰之，中村太郎

一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会

17

ISSN

1880-3121

TRANSACTIONS OF
THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY
Vol.48, No.3

May 2017
Contents

Paper
１．Proposal of Portable Pneumatic Power Source Using Chemical Reaction of Sodium
Bicarbonate and Citric Acid with Small Sized Pressure BoosterManabu OKUI, Yuki NAGURA, Shingo IIKAWA, Yasuyuki YAMADA,Taro NAKAMURA

Published by
The Japan Fluid Power System Society
c/o Kikaishinko Building
3―5―22 Shiba―koen, Minato―ku, Tokyo, 105―0011, Japan17

奥井・名倉・飯川・山田・中村：炭酸水素ナトリウムとクエン酸の化学反応を用いた小型増圧ポンプを有する携帯型空気圧源の提案

17

研究論文

炭酸水素ナトリウムとクエン酸の化学反応を用いた
小型増圧ポンプを有する携帯型空気圧源の提案＊
奥 井

学＊＊，名 倉 裕 貴＊＊，飯 川 伸 吾＊＊
山 田 泰 之＊＊，中 村 太 郎＊＊

Proposal of Portable Pneumatic Power Source Using Chemical Reaction of
Sodium Bicarbonate and Citric Acid with Small Sized Pressure Booster
Manabu OKUI, Yuki NAGURA, Shingo IIKAWA,
Yasuyuki YAMADA, Taro NAKAMURA
This paper is concerned with portable pneumatic power source using chemical reaction of sodium bicarbonate and citricacid. Carbon dioxide generated in the chemical reaction is used as the compressed air. Both sodium bicarbonate and citricacid are inexpensive, nontoxic, and readily available. This paper is organized as follows. Firstly, the characteristics of thechemical reaction is surveyed and the appropriate pneumatic power source system is discussed. Secondly, a pressure
booster that can achieve a stable air generation system without external power is described. Thirdly, the experiment using
the prototype system is conducted to confirm the effectiveness of the proposed method.
Key words：Pneumatic power source, Chemical reaction, Pump

1．緒

圧貯蔵では容器の耐圧性向上のためタンクが重くなり，低言

圧貯蔵では十分な圧縮空気量を確保するためにはタンクが空気圧駆動システムは様々な分野で用いられている．近大型化してしまう．これらを顧みて，北川らはドライアイ

年では特に，柔軟な動作が可能かつ，軽量で高出力というスの３重点を利用した空気圧源を開発している6）．本方式

特性に着目した研究が多くなされている1）,2）．これらの装置

は0.42MPaの気体を安定的に放出できることが確認されての駆動には主にエンジンや大型モータ駆動のコンプレッサ

いるが，ドライアイスを使用していることから常温下で圧により生成される圧縮空気が利用されるが，これらの大

縮空気のエネルギーを貯蔵することができないなどの課題

型／高重量の空気圧源は装置のモバイル化の障壁となってが存在する．

いる．携帯型空気圧源によりシステムのモバイル化が可能

本研究ではこれらの課題を解決するために，炭酸水素ナとなれば，空気圧システムの用途が大きく広がると考える．

トリウムとクエン酸の化学反応により発生する二酸化炭素

そのため，これまでに多くの携帯空気圧源が開発されてを利用する方法に着目した．炭酸水素ナトリウムと酸の反いる．その一つが小型のコンプレッサをバッテリーで駆動

応の空気圧源としての利用はこれまでにも検討されており，

3）する方法である ．本方式はバッテリーを電源としモータ動力を用いずに0.7MPa以上の高圧が発生可能という特性がの駆動により圧縮空気を生成する．しかし，電気エネル

確認されている7）,8）．しかし，いずれも発生最大圧力の測定

ギーから圧縮空気を生成するためエネルギー効率に課題がなどにとどまり実際の空気圧システムを駆動するといったあり，また高圧印加時に圧縮空気の吐出流量が小さいとい検討は行われていない．そこで本報では，本化学反応の空4）

う点も問題である．一方，ガスの燃焼 や燃料電池の放気圧源としての特性についてより詳細に調査し，化学反応

電／充電5）を利用した空気圧アクチュエータの駆動方法もを利用した空気圧源の構成について検討する．また外部動開発されているが，安定的に十分な圧力の圧縮空気を生成

力を用いずに反応を安定的に制御する小型増圧ポンプにつすることは実現していない．また，空気圧源の代わりにタいて述べ，最後に試作した空気圧源による空気圧人工筋肉

ンクに圧縮空気をためる手法も考えられるが，数MPaの高の駆動実験を行い，提案手法の有効性を確認する．

2．空気圧源の構成＊

平成28年10月20日 原稿受付

＊＊

中央大学
（所在地：東京都文京区春日１－13－27）（E-mail：nakamura@mech.chuo-u.ac.jp）
第48巻

第３号

2.1 化学反応の基本原理
式⑴に示すように，炭酸水素ナトリウムとクエン酸，水を混合することで二酸化炭素が発生することは広く知られ―1―

2017年５月（平成29年）

18

日本フルードパワーシステム学会論文集ている．これらの物質は一般的に清掃用に利用されており，安価で保存が容易，かつ簡易に入手および廃棄が可能である．また本反応により生成される二酸化炭素，水，クエン酸三ナトリウム（化学式：Na3C６H５O７）の混合物は無毒であり，一般的な下水に廃棄することが可能であるだけでなく，飲料用水としても利用可能である．
C６H８O７＋３NaHCO３→ Na3C６H５O７＋３H２O＋３CO２↑⑴

Fig. 1 Gas generating experimental setup

2.2 発生圧力と発生気体量
提案する化学反応を利用した空気圧源は，身に着けながら移動が可能であり，できるだけ使用者に負担を与えない

2.3 水の分量と反応速度の関係

ことが望ましい．すなわち軽量かつ小型であることが求め水を溶媒とした化学反応において，水の分量が反応速度られる．また，空気圧システムの駆動に十分な圧力を発生に影響することが広く知られている．安定した圧力と流量可能かどうかという点も重要である．そのため，発生可能を供給可能な空気圧源開発のため，気体の発生スピードとな最大圧力と混合物質量あたりの発生積算流量を実験によ

水の分量の影響について実験により調べた．

り調査した．

実験装置はFig. 1と同様ものを使用した．実験では，バ

実験装置をFig. 1に示す．装置は500mLのボトルおよび測ルブは常に開放状態にして置き，密閉容器内にクエン酸

定用空圧回路から成る．ボトルの内部には炭酸水素ナトリ

9.6g，炭酸水素ナトリウム12.6gの混合粉末と水を分離してウムとクエン酸が水と分離された状態で格納されている．

封入し，外部から磁力操作により混合した．混合開始から

ボトルAは内部に外部磁力により可動する機構を持ち，密180秒間の積算流量を測定した．水量は10mLから100mLま

封状態を保ったまま混合を行うことが可能である．実験でで５mLごとに変化させ測定した．

は，初めに２方弁を閉じた状態で磁力操作により混合を行

測定結果のうち，代表的なものをFig. 2に示す．本結果

う．次に，混合を促すためボトルを振る．圧力に変化が無から，水の分量が25mLの時に最も反応速度が速いことがくなるまでボトルを振り，その後２方弁を開放し流量を測分かった．また，水量が25mL以上の場合は反応速度は濃定する．流量計はSMC製PFMB7201-02-A-M，圧力計は度が高いほど早く，水量が25mL以下では濃度が高いほど

PISCO製SEU11-6UAを使用した．実験は25℃の屋内で行い，反応速度が低下することが分かった．そのため，本化学反標準状態気体体積の算出は大気圧を0.1013MPaとみなし計

応を空気圧源として使用する場合には，クエン酸と炭酸水

算した．実験は３回行い，その平均値を測定値とした．

素ナトリウムの濃度を上記実験条件での水の分量が25mL実験に使用した物質の分量をTable 1に，測定結果をTable 2に示す．結果より，本手法は空気圧システムの駆動の濃度，すなわち水１Lあたりそれぞれの物質を２mol，６mol混合することが望ましいことが確認できた．

に十分な圧力が発生可能なことが確認できた．また，発生気体の積算流量は6.54NLであり，これは１molの気体の体積を22.4NLとした場合の理論値である6.72NLとほぼ一致している．これは長さ180mmの軸方向繊維強化型人工筋肉7）を0.3MPaの印加圧力で約14回駆動可能な気体量であり，携帯空気圧源として使用に耐えうるだけの流量を発生可能であると考える．

Table 1

Experimental condition

Sodium bicarbonate

25.2g（0.3mol）

Citric acid19.2g（0.1mol）

Water

300mL
Table 2

Experimental result

Measured integrated flow

6.54NL

Measured pressure

1.1MPa

第48巻第３号

Fig. 2 Integrated flow rate of the chemical reaction

2.4 反応を継続させる手法
本化学反応は１MPa以上の圧縮空気を発生することが可能であるため，必要な空気量分の物質をあらかじめ混合しておく場合には空気圧源内部の圧力が１MPa以上になる可能性がある．容器内圧が１MPa以上となる場合，タンクに―2―

2017年５月（平成29年）

奥井・名倉・飯川・山田・中村：炭酸水素ナトリウムとクエン酸の化学反応を用いた小型増圧ポンプを有する携帯型空気圧源の提案

高い耐圧性が必要となるためタンクの高重量化を招く．そ

19

3．増 圧 装 置のため，発生圧力を適度に保つために，クエン酸と炭酸水
素ナトリウムを必要に応じて混合することが必要だと考え前章で提案した方式を採用する場合，クエン酸飽和水溶

る．加えて，水の分量は反応速度に影響を与えるため，ぞ液を送る増圧装置が必要となる．本章では，新たなエネル

れぞれの物質を2.3で述べた混合比で反応させることが望ま

ギー源を必要とせずにラバーアクチュエータの排気で駆動

しい．

する増圧装置について述べる．

クエン酸と炭酸水素ナトリウムを継続的に混合する手法

3.1 構造として，Fig. 3⒜に示す２物質を混合した粉体をスクリュー

空気圧ラバーアクチュエータは，ある印可圧力以下では搬送機などで水に投入する粉体投入方式が考えられる．こ動作しない特性を持つ．例としてFig. 5に軸方向繊維強化のような構成においては，水に投入する粉体量を制御する

型人工筋肉の収縮特性7）を示す．人工筋肉は約0.125MPaまことで容器内を任意の圧力に調整可能であるが，装置全体では収縮しないことがわかる．本研究ではこのラバーアク

を高圧のタンク内に密封する必要があり，構造が複雑化す

チュエータが収縮し始める圧力を基底圧力と呼び，この基る．同様の理由から，どちらか一方の物質の水溶液に，も底圧力を利用した増圧装置を提案する．

う一方の物質を粉体状態で投入する方式も課題が存在すると言える．

増圧装置の動作原理図をFig. 4に示す．本装置は軸方向
繊維強化ゴムチューブと単動空気圧シリンダ，ターミナル

システムを簡素化するために，Fig. 3⒝のような液体注

およびチェック弁から成る．軸方向繊維強化ゴムチューブ

入方式が考えられる．本方式は空気圧発生タンクにあらかはFig. 6に示す構造となっており，空気圧を印加した際にじめ粉体または液体を封入しておき，水溶液や水を注入す

軸方向が炭素繊維で拘束されているため，径方向にのみ膨る方式である．この方式の場合，圧力の高い容器内に液体張し長手方向には収縮する．シリンダ内に流体が入った状を送り込むためのポンプなどの増圧装置が必要であるが，態で軸方向繊維強化ゴムチューブに圧力を印加することでシステム全体を容器内に入れる必要がなくシステムの簡素シリンダが押され，軸方向繊維強化ゴムチューブに印加し化が期待できる．また，反応物質の注入量もバルブの開けた圧力よりも高い圧力を吐出する．

閉めなどにより容易に制御が可能である．

本増圧装置を利用した空気圧源のシステム全体図を

他にも反応を継続させる手法は考えられるが，本研究でFig. 7に示す．システムはラバーアクチュエータ，２方弁，はFig. 3⒝の構成を前提に考察を進める．この構成は，水３方弁，レギュレータ，リリーフバルブ，増圧装置，クエンと炭酸水素ナトリウムがあらかじめ封入された容器に，ク酸水溶液の入ったボトルA，重層と水の入ったボトルBからエン酸を注入する方式である．クエン酸濃度は，ポンプの成る．まず，Fig. 7に示すように３方弁は開き，２方弁は開駆動量を最小限にするために飽和水溶液となる3.8mol/Lと放状態としておき，ボトルBからの圧力によりラバーアクする．また水・クエン酸・炭酸水素ナトリウムを2.3で求めチュエータを駆動する．次に３方弁と２方弁を同時に切りた最適な分量比とするために，圧力発生容器には12.7mol/L替え，アクチュエータの排気圧力により増圧装置を駆動しの炭酸水素ナトリウム水溶液を，クエン酸と炭酸水素ナト

ボトルAのクエン酸水溶液がボトルBに注入される．これ

リウムのモル比が１：３となる分量だけ封入しておく．実

らの２つの状態を繰り返すことでラバーアクチュエータの際には炭酸水素ナトリウムの溶解度は1.1mol/Lのため，ほ駆動と増圧装置によるクエン酸の注入が交互に行われる．

とんどの炭酸水素ナトリウムは解け切らずに個体として残3.2 特性る．本構成により，常にクエン酸と炭酸水素ナトリウムの

本節では，増圧装置の特性を物理モデルから考察する．

飽和水溶液が混合され安定的な反応が可能となる．加えて装置の各パラメータをTable 3に示す．各パラメータは混合が進むにつれ，クエン酸・炭酸水素ナトリウム・水の分量比が2.3で求めた最適な比に近づいていき，最終的は2.3の比とすることが可能である．

⒜
Fig. 3
第48巻第３号⒝
Comparison of structure

Fig. 4―3―

Schematic of the pressure booster
2017年５月（平成29年）

20

日本フルードパワーシステム学会論文集

圧力に対して吐出圧力が大きく，高い増圧率を有している
ことがわかる．また，本ポンプは吐出圧力が高まるほど吐出流量が下がることがわかった．
Table 3Fig. 5

Applied pressure and shrinkage of rubber actuator

Fig. 6

Principle of straight fiber artificial muscle

Fig. 7

Parameters of pressure boosterD

Diameter of tube［㎜］L

Length of tube［㎜］ΔLShrinkage of tube［㎜］lMaximum shrinkage of tube［㎜］A

Piston area of cylinder［㎟］aCross sectional area of cylinder rod［㎟］P0Atmospheric pressure［MPa］

P1

Pressure of inflow［MPa］

P2

Pressure of outflow［MPa］

P3

Pressure of pressure booster［MPa］kSpring constant［N/㎜］

Continuous air generation system
Fig. 8Fig. 4と対応している．なお本モデルでは，ばねは押しばDischarging amount and pressure

ねを前提としたが，本増圧装置の駆動原理上ばねを有していないシリンダや引きばねを有するシリンダについても同

3.3 プロトタイプ
制作したプロトタイプの外観をFig. 9に，仕様をTable 4様の動作が可能である．
軸方向繊維チューブのシリンダを押す力をFm，シリンダに示す．シリンダはSMC製単動シリンダCJPB10-10を用い内のバネ力をFkとする．すると，力のつり合いより式⑵がた．軸方向繊維強化チューブはNRゴムとマイクロカーボ

成り立つ．

ン繊維で構成され，内径10㎜，外形13㎜，長さ45㎜である．

Fm + Fk + P（A− a）= P2 A
3⑵

3.4 特性実験
試作した増圧装置の，最大流量吐出時における吐出圧力

Fkは次の式⑶により定義される．
Fk = （lk − ΔL）
⑶

を測定し，理論値との比較を行う．実験環境をFig. 10に示

また，人工筋肉の収縮による力Fmは，軸方向繊維強化型

す．ポンプへの流入液体の圧力を一定とし，増圧ポンプを人工筋肉の力学的平行モデル9）により式⑷のように表せる．

繰り返し駆動させ，ポンプの吐出流量が最大ではなくなっ

G1, G2, G3 は人工筋の仕様と収縮量から定まる定数である．

た時点での容器内圧力を圧力計で測定した．なお，ポンプ

Fm（ΔL, P3）=｛P3G（ΔL）− G（ΔL）/G（ΔL）
｝

3
1
2

⑷

Table 4式⑵-⑷より，吐出圧力は式⑸のように表せる．
−１ −１

P2 =｛P3G（ΔL）− G（ΔL）
G（ΔL）
A
｝
3
1
2
−１

（l − ΔL）+P3 A （A − a）


−１

+ kA

⑸

式⑸を用いて，本ポンプの吐出流量と吐出圧力の関係を図示したものがFig. 8である．グラフの描画には，Table 4,5に示すパラメータを用いた．Fig. 8より，ポンプへの供給
第48巻

第３号

―4―

Specification of the pressure booster

Size

210㎜×20㎜×30㎜

Weight122g

Discharge amount of cylinder 0.78mL
Spring constant of cylinder

0.49N/㎜
2017年５月（平成29年）

奥井・名倉・飯川・山田・中村：炭酸水素ナトリウムとクエン酸の化学反応を用いた小型増圧ポンプを有する携帯型空気圧源の提案

21

物質の分量をTable 5に示す．実験では，３方弁と２方弁を周期10s，デューティ比50%のパルス信号で同時に駆動した．
本操作により人工筋肉と増圧装置が交互に駆動され，増圧装置が駆動されるごとにクエン酸飽和水溶液がボトルBに注入される．また，実験開始直後から人工筋肉の駆動及びクエン酸水溶液の注入が開始するように，ボトルAを
0.15MPa，ボトルBを0.35MPaにあらかじめ加圧した． なお，
Fig. 9

本実験で使用したクエン酸および炭酸水素ナトリウムの分

Image of pressure booster

量は，6.72NLの二酸化炭素を発生可能な物質量であり，こが最大吐出流量を吐出しているかどうかは，シリンダロッ

れは本実験で使用する人工筋肉を44回駆動することが可能

ドとシリンダが衝突する音によって判断した．流入液体のである．

圧力は0.1MPaから0.2MPaまで0.025MPaずつ変化させた．増圧ポンプの駆動にはラバーアクチュエータの排気は使用せず，別途用意した空気圧源から0.1, 0.15, 0.2MPaの３通りの圧力を加えて実験を行った．実験結果をFig. 11に示す．図中の理論値は，式⑸を用いて最大吐出量での吐出圧力を算出したものである．測定値は理論値をやや下回っているものの，3.2で導出したモデルが本増圧装置の特性を表していることが確認できた．また，理論値との差については，増圧装置に用いたウレタンチューブの弾性変形が主な要因でFig. 12あると考える．

Table 5

Fig. 10

Experimental set up

Experimental setup
Experimental conditions

Amount of citric acid in bottle A

19.2g

Water in bottle A

26mL

Sodium bicarbonate

25.2g

Water in bottle B

24mL

Volume of bottle A

0.5L

Volume of bottle B

0.5L

Volume of artificial muscle（pressurized）

0.15L

Mass of weight

1.7㎏

Driving pressure of artificial muscle

0.225MPa

4.2 結果と考察
実験の様子をFig. 13に示す．人工筋肉と増圧装置が交互に加圧されている様子が確認できる．なお，人工筋肉は１サイクル毎に重りを15㎜持ち上げることを確認した．
Fig. 14はボトルB内の圧力について，本実験の結果と，増圧システムを用いずにボトルBにあらかじめ充填された圧Fig. 11

力のみにより人工筋肉を駆動させた場合との比較である．

Characteristics of pressure booster

比較結果からわかるように，増圧システムを用いない場合の人工筋肉駆動回数が６回であるのに対し，提案システム

4．人工筋肉駆動実験

は23回の駆動が可能であり，提案手法により人工筋肉を

4.1 実験条件

0.225MPaの印加圧力で17回駆動させるだけの圧縮空気が生

提案システムの有効性を確かめるため，人工筋肉駆動実成されたことが確認できた．本実験において気体発生に使験を行った．実験装置をFig. 12に示す．なお，システム構用したクエン酸，水，炭酸水素ナトリウムの総質量は94.4g

成はFig. 7と同様である．実験装置の設定および使用したであるため，人工筋肉を一回駆動させるために，約5.6gの

第48巻

第３号

―5―

2017年５月（平成29年）

22

日本フルードパワーシステム学会論文集

反応物質が必要といえる．これは，1.5㎏の反応物質を使用

5．結したとすると約268回の駆動が可能であり，たとえば30sに一回人工筋肉を駆動させる作業を想定した際に，134min使用可能となり十分使用に耐える時間と考える．

言

化学反応を利用した圧縮空気生成手法と，増圧装置により化学反応を継続させるシステムを提案した．また試作機

Fig. 15はボトルA内圧力および増圧装置駆動圧力である．

による実験を行い，提案システムの動作を確認した．

ボトルA内の圧力が人工筋肉駆動圧力を下回ると同時に，今回行った実験は，小型のアクチュエータで評価を行っ増圧装置への供給圧力も低下し，ボトルA内圧力の上昇がており，実際のシステムの消費空気量よりも小さい．今後鈍化することが確認できる．これは，ボトルA内に注入さは増圧ポンプを大型化する，振動を加えて化学反応を促進れるクエン酸飽和水溶液の量が増圧装置の駆動圧力の低下

するなどの手法により流量増加が期待できる．

に伴い減少するからである．

謝

本実験で人工筋肉を駆動できた回数は23回であり，4.1で算出した44回に対し少ない回数であった．要因はクエン酸と炭酸水素ナトリウムが完全に反応していないことと考え

本研究は，国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の支援により実施された．

る．これは，実験終了後にボトルを振った際にボトルA内

参 考 文 献圧力が再び人工筋肉駆動圧力以上に上昇したことからも確
認できた．

辞

１）C. T. Loh, H. Tsukagoshi, “Pneumatic Big-hand Gripper
with Slip-in Tip Aimed for the Transfer Support of the
Human Body”, IEEE International Conference on
Robotics & Automation（ICRA）, 475-481（2014）２）D. Sasaki, T. Noritsugu and M. Takaiwa, “Developmentof Active Support Splint driven by Pneumatic Soft
Actuator（ASSIST）”, IEEE International Conference on
Robotics and Automation Barcelona, 520-525（2005）３）則次俊郎，韓建海，高岩昌弘，“電磁石型リニア駆動
Fig. 13

小型コンプレッサの開発”，日本フルードパワーシス

Image of experiment

テム学会論文集，vol. 33，No. 4，p. 83-90（2002）
４）R. F. Shepherd, A. A. Stokes, J. Freake, J. Barber, P. W.
Snyder, A. D. Mazzeo, L. Cademartiri, S. A. Morin and G.
M. Whitesides,” Using Explosions to Power a Soft Robot”,
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 29642968（2013）５）K. Suzumori, A. Wada and S. Wakimoto, “A new mobile
pressure control system for pneumatic actuators using
reversible chemical reactions of water,” IEEE/ASME
International Conference on Advanced Intelligent

Fig. 14

Pressure in bottle A

Mechatronics（AIM）, 122-127（2013）６）北川能，呉海帆，塚越秀行，朴聖煥，“三重点における相変化を利用した携帯型空気圧源の開発”，日本フルードパ
ワーシステム学会論文集，vol. 36，No. 6，p. 16-22，（2003）
７）多田隈建二郎，多田隈理一郎，緒方裕彦，越智康平，
東森充，金子真，“爆発的混合反応を活用した高圧気体発生機構”，第29回日本ロボット学会学術講演会講演論
文集，1P1-5（2011）８）山本孝之，鈴森康一，山田嘉昭，脇元修一，武藤明徳，“化学反応による空圧アクチュエータ用携帯ガス圧源の開発”，日本機械学会第22回バイオエンジニアリン
グ学会講演論文集，111（2010）

Fig. 15

Pressure to pressure booster and in bottle B

第48巻

第３号

９）T. Nakamura, D. Tanaka, H. Maeda, “Joint stiffness and―6―

2017年５月（平成29年）

奥井・名倉・飯川・山田・中村：炭酸水素ナトリウムとクエン酸の化学反応を用いた小型増圧ポンプを有する携帯型空気圧源の提案

position control of artificial muscle manipulator using

23

model,” Advanced Robotics, vol. 25, pp. 387–406（2011）

instantaneous loads using a mechanical equilibrium

第48巻

第３号

―7―

2017年５月（平成29年）

昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
平成29年５月15日発行（奇数月）

Vol.48 No.3
フルードパワーシステム

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

〒105
0011

東京都文京区白山一│一三│七 アクア白山ビル五階
印刷所 勝美印刷株式会社