特許 7216524 シリンダ変位制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-24

(45)【発行日】2023-02-01

(54)【発明の名称】シリンダ変位制御システム

(51)【国際特許分類】

   F15B 15/28 20060101AFI20230125BHJP

【ＦＩ】

F15B15/28 H

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2018215269

(22)【出願日】2018-11-16

(65)【公開番号】P2020085022

(43)【公開日】2020-06-04

【審査請求日】2021-09-28

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】小田井 正樹

(72)【発明者】

【氏名】黒澤 孝一

(72)【発明者】

【氏名】平野 克彦

(72)【発明者】

【氏名】小林 亮介

(72)【発明者】

【氏名】大野 諭

(72)【発明者】

【氏名】長井 隆浩

【審査官】高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２６４５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０５４８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１５９７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－１９８７３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－２１５００２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１５Ｂ １５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダ及び該シリンダ内に配置されたピストンから成り、駆動液により駆動されるアクチュエータシリンダと、
該アクチュエータシリンダの前記シリンダ又は前記ピストンが移動することに伴う前記アクチュエータシリンダの変位を制御する制御装置と、
該制御装置の制御に合致するように、前記駆動液を前記アクチュエータシリンダに供給する配管と、
該配管及び／又は前記駆動液、前記配管の周囲環境の少なくとも１つの状態を観測する配管観測器とを備え、
前記制御装置は、前記アクチュエータシリンダの変位指令と前記配管観測器の観測結果とに基づき、前記配管に供給する駆動液の配管供給液量を制御するものであり、
前記配管観測器は前記配管の径を観測し、この配管の径から配管体積変化を演算して出力することを特徴とするシリンダ変位制御システム。

【請求項2】

請求項１に記載のシリンダ変位制御システムにおいて、
前記制御装置は、前記配管観測器で演算して出力された前記配管体積変化と上位制御装置からのシリンダ変位指令に基づいて前記配管供給液量を算出し、この配管供給液量を駆動液として前記配管に供給することを特徴とするシリンダ変位制御システム。

【請求項3】

請求項２に記載のシリンダ変位制御システムにおいて、
前記配管への前記駆動液は、前記配管上に設置され、前記駆動液を貯蔵しているタンクに接続されているポンプにより供給され、
前記ポンプは、前記タンク内の前記駆動液を前記配管に設置されている弁の開度に応じて前記配管に供給するものであり、
前記配管に設置されている流量計の観測した前記駆動液の流量を時間積分して配管供給液量の観測値を演算し、前記配管供給液量の指令値となるよう前記弁の開度を制御する弁制御器を備えていることを特徴とするシリンダ変位制御システム。

【請求項4】

請求項２に記載のシリンダ変位制御システムにおいて、
前記配管上にポンプシリンダとポンプピストンから成るシリンジポンプを備え、
前記シリンジポンプは、前記ポンプピストンの変位に応じて前記ポンプシリンダ内の駆動液を前記配管に供給するものであり、
前記ポンプピストンの変位を観測するピストン変位観測器で観測した前記ポンプピストンの変位が、前記配管供給液量の指令値から演算した前記ポンプピストンの変位の指令値となるよう、ピストン駆動装置を駆動することで前記ポンプピストンを変位させるピストン変位制御器を備えていることを特徴とするシリンダ変位制御システム。

【請求項5】

シリンダ及び該シリンダ内に配置されたピストンから成り、駆動液により駆動されるアクチュエータシリンダと、
該アクチュエータシリンダの前記シリンダ又は前記ピストンが移動することに伴う前記アクチュエータシリンダの変位を制御する制御装置と、
該制御装置の制御に合致するように、前記駆動液を前記アクチュエータシリンダに供給する配管と、
該配管及び／又は前記駆動液、前記配管の周囲環境の少なくとも１つの状態を観測する配管観測器とを備え、
前記制御装置は、前記アクチュエータシリンダの変位指令と前記配管観測器の観測結果とに基づき、前記配管に供給する駆動液の配管供給液量を制御するものであり、
前記配管観測器は、配管条件観測器と環境条件観測器とから構成され、前記配管条件観測器で観測した観測結果の出力と前記環境条件観測器で観測した観測結果の出力とに基づいて配管体積変化を演算して出力し、この出力結果を前記制御装置に送信することを特徴とするシリンダ変位制御システム。

【請求項6】

請求項５に記載のシリンダ変位制御システムにおいて、
前記配管条件観測器は、前記配管の径、前記駆動液の圧力、前記駆動液の温度、前記駆動液の成分の少なくとも１つを観測して出力するものであり、
前記環境条件観測器は、環境圧力、環境温度、環境湿度、環境明度、環境紫外線強度、環境放射線強度、雰囲気成分の少なくとも１つを観測して出力するものであることを特徴とするシリンダ変位制御システム。

【請求項7】

請求項５又は６に記載のシリンダ変位制御システムにおいて、
前記制御装置は、前記配管観測器で演算して出力された前記配管体積変化と上位制御装置からのシリンダ変位指令に基づいて前記配管供給液量を算出し、この配管供給液量を駆動液として前記配管に供給することを特徴とするシリンダ変位制御システム。

【請求項8】

請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシリンダ変位制御システムにおいて、
前記配管観測器は、前記配管上に複数個設置されていることを特徴とするシリンダ変位制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はシリンダ変位制御システムに係り、主に機構（例えば、建設用機械や原子力ロボット等）を駆動するために用いられる液圧駆動シリンダに好適なシリンダ変位制御システムに関する。

【背景技術】

【0002】

シリンダ変位制御システムの一例として、例えば、特許文献１などに示すように、液圧駆動されるアクチュエータシリンダにより機構を変位する技術が知られている。

【0003】

この特許文献１に記載の機構部やアクチュエータシリンダ自身を、所望の変位とするよう制御するためには、機構部やアクチュエータシリンダの変位を観測して、所望の変位となるまで駆動液を供給するなどすればよい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－１２７５９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述した液圧駆動されるアクチュエータシリンダによる制御方法は、過酷な動作環境で機構部やアクチュエータシリンダに変位センサを配置できない場合、或いは配置した変位センサが故障した場合などで、機構部やアクチュエータシリンダの変位を観測できない場合には、変位制御が不能となる恐れがある。

【0006】

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、液圧駆動されるアクチュエータシリンダの変位が観測できない場合であっても、アクチュエータシリンダ変位を精度よく制御することができるシリンダ変位制御システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のシリンダ変位制御システムは、上記目的を達成するために、シリンダ及び該シリンダ内に配置されたピストンから成り、駆動液により駆動されるアクチュエータシリンダと、該アクチュエータシリンダの前記シリンダ又は前記ピストンが移動することに伴う前記アクチュエータシリンダの変位を制御する制御装置と、該制御装置の制御に合致するように、前記駆動液を前記アクチュエータシリンダに供給する配管と、該配管及び／又は前記駆動液、前記配管の周囲環境の少なくとも１つの状態を観測する配管観測器とを備え、
前記制御装置は、前記アクチュエータシリンダの変位指令と前記配管観測器の観測結果とに基づき、前記配管に供給する駆動液の配管供給液量を制御するものであり、前記配管観測器は前記配管の径を観測し、この配管の径から配管体積変化を演算して出力することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、液圧駆動されるアクチュエータシリンダの変位が観測できない場合であっても、アクチュエータシリンダ変位を精度よく制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明のシリンダ変位制御システムの実施例１を示す概略構成図である。

【図2】本発明のシリンダ変位制御システムの実施例１に採用される配管供給液量の制御システムの一例を示す図である。

【図3】本発明のシリンダ変位制御システムの実施例１に採用される配管供給液量の制御システムの他の例を示す図である。

【図4(a)】本発明のシリンダ変位制御システムの実施例１における効果の一例を示し、配管体積変化の補償を行わずシリンダ変位を制御した場合の特性図である。

【図4(b)】本発明のシリンダ変位制御システムの実施例１における効果の一例を示し、配管体積変化の補償を行ってシリンダ変位を制御した場合の特性図である。

【図5】本発明のシリンダ変位制御システムの実施例２を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図示した実施例に基づいて本発明のシリンダ変位制御システムついて説明する。なお、各図において同一構成部品には同符号を使用する。

【実施例1】

【0011】

図１は、本発明のシリンダ変位制御システムの実施例１の構成を示す図である。

【0012】

図１において、本実施例のシリンダ変位制御システム１００は、駆動液により駆動されるアクチュエータシリンダ１３０と、配管供給液量等を制御する制御装置１１０、駆動液が流れる配管１２０、配管１２０の外径を計測する変位計や配管１２０内の液圧を計測する液圧計等の配管観測器１４０とから概略構成されている。

【0013】

アクチュエータシリンダ１３０は、シリンダ１３１とピストン１３２とから成り、シリンダ１３１は、ピストン１３２によって伸長室１３１ａと短縮室１３１ｂとの２つの室に分けられる。

【0014】

図１の例では、配管１２０から駆動液が伸長室１３１ａに供給されることで、シリンダ１３１の端部１３１ｃとピストン１３２の頭部１３２ａとの距離であるシリンダ変位Ｘは増加し、一方、駆動液が伸長室１３１ａから配管１２０に排出されることで、シリンダ変位Ｘは減少する。ピストン１３２は、建設用機械や原子力ロボット等に接続されている。

【0015】

配管１２０は、制御装置１１０の制御に合致するように、駆動液をアクチュエータシリンダ１３０に供給し、配管観測器１４０は、上記した変位計で配管１２０の外径等を計測することで配管１２０の膨張・収縮を観測し、この膨張・収縮による配管体積変化ΔＶを演算して出力する（配管観測器１４０には演算機能がある）。

【0016】

制御装置１１０は、上位制御装置（図示せず）からのシリンダ変位指令Ｘｒと配管体積変化ΔＶに基づき、シリンダ変位Ｘをシリンダ変位指令Ｘｒとする配管供給液量Ｑｒを配管１２０に供給する。

【0017】

ここで、図１の例では、アクチュエータシリンダ１３０において駆動液が供給されるのは伸長室１３１ａのみであるが、本発明の構成はその限りではない。例えば、駆動液は短縮室１３１ｂのみに供給される構成でもよい。この時、短縮室１３１ｂに駆動液が供給されるとシリンダ変位Ｘは減少し、排出されるとＸは増加する。また、伸長室１３１ａと短縮室１３１ｂの両方に駆動液が供給される構成でもよく、この場合は、配管１２０と配管観測器１４０が２系統配置される。

【0018】

また、配管観測器１４０は、配管１２０に対し複数配置されてもよい。配管１２０の複数個所で配管体積変化ｄＶを観測することで、配管体積変化ΔＶを高精度に推定でき、より精度の高いシリンダ変位制御を可能とする。

【0019】

次に、配管供給液量Ｑｒを求める手段について、数式を用いて説明する。

【0020】

図１の例において、伸長室１３１ａの有効断面積をＡとすると、シリンダ変位Ｘの時に伸長室１３１ａに満たされている駆動液の体積Ｑａは数１となる。

【0021】

【数1】

【0022】

従って、配管１２０が駆動液で満たされている場合、配管１２０が膨張・収縮しなければ、シリンダ変位Ｘを実現するために、制御装置１１０が配管１２０に供給した駆動液量である配管供給液量ＱｒはＱａとなる。

【0023】

このことから、配管１２０は、液圧によって膨張・収縮して配管体積変化ΔＶを生じた場合、シリンダ変位Ｘを実現するための配管供給液量Ｑｒは、数２となる。

【0024】

【数2】

【0025】

本実施例のシリンダ変位制御システム１００は、シリンダ変位Ｘをシリンダ変位指令Ｘｒとするよう制御している。従って、制御装置１１０は、例えば、数３に示す通り、シリンダ変位指令Ｘｒと配管体積変化ΔＶとに基づいて配管供給液量Ｑｒを算出し、この配管供給液量Ｑｒを配管１２０に駆動液として供給する。

【0026】

【数3】

【0027】

図２は、制御装置１１０において、配管供給液量Ｑｒの供給を制御するシステムの一例を示す（この図２のシステムは、図１の制御装置１１０の中に組み込まれている）。図２では、アクチュエータシリンダ１３０に正圧を印加する系統のみを記載している。

【0028】

図２において、ポンプ１１４は、タンク１１５内の駆動液を弁１１３の開度に応じて配管１２０に供給する。弁制御器１１１は、流量計１１２の観測した駆動液流量を時間積分して配管供給液量の観測値を演算し、配管供給液量Ｑｒの指令値となるよう弁１１３の開度を制御する。これにより、配管１２０に配管供給液量Ｑｒの駆動液が供給できる。

【0029】

図３は、制御装置１１０において、配管供給液量Ｑｒの供給を制御するシステムの他の例を示す。

【0030】

図３において、シリンジポンプ１１６は、ポンプピストン１１６２の変位Ｘｐに応じてポンプシリンダ１１６１内の駆動液を配管１２０に供給する。ここで、配管供給液量Ｑｒを実現するピストン変位Ｘｐｒは、ポンプシリンダ１１６１の有効断面積Ａｐを用いて数４より求まる。

【0031】

【数4】

【0032】

ピストン変位制御器１１９は、ピストン変位観測器１１８の観測したピストン変位Ｘｐが、配管供給液量Ｑｒの指令値から演算したピストン変位の指令値Ｘｐｒとなるよう、ピストン駆動装置１１７を駆動することでポンプピストン１１６２を変位させる。これにより、配管１２０に配管供給液量Ｑｒの駆動液が供給できる。

【0033】

なお、ピストン駆動装置１１７がポンプピストン１１６２を駆動する駆動力は、電気モータなどの電磁力に限るものではなく、液圧などでもよい。

【0034】

次に、配管観測器１４０が配管体積変化ΔＶを観測する手段の例を説明する。

【0035】

先ず配管観測器１４０の一例として、変位計で配管１２０の外径Ｄを観測する。配管１２０内に液圧が印加されていない場合の配管１２０の外径をＤ０とし、配管１２０の肉厚δは液圧によって変化しないと仮定した場合、単位長さｄＬ当たりの配管体積変化ｄＶは数５となる。

【0036】

【数5】

【0037】

従って、長さＬの配管１２０の配管体積変化ΔＶは、数６より観測した配管１２０の外径Ｄを用いて観測できる。

【0038】

【数6】

【0039】

さらに、駆動液の液温などにより、駆動液は体積変化することがある。配管観測器１４０は液温を観測し、液温の上昇に基づいて駆動液体積変化を導出してもよい。配管単体の配管体積変化から、この駆動液体積変化の差をとるなどの方法で、駆動液体積変化を考慮した実質的な配管体積変化ΔＶを求めることができる。なお、この駆動液体積変化と液温との関係は、例えば実験的に求めおけばよい。

【0040】

また、配管観測器１４０は、配管１２０の内径（Ｄ－δ）を観測しても配管体積変化ΔＶを観測できることは言うまでもない。

【0041】

配管観測器１４０の別の例として、配管１２０内の液圧Ｐを観測してもよい。この例では、液圧により配管１２０に印加される力と配管１２０の復元力がつり合う場合、単位長さｄＬあたりの配管体積変化ｄＶは、数７のとおり、液圧Ｐと環境圧力（配管１２０の周囲の圧力）Ｐ０との差に比例する。

【0042】

【数7】

【0043】

従って、長さＬの配管１２０の配管体積変化ΔＶは、数６より観測した液圧Ｐを用いて観測できる。なお、数７の比例係数Ｋは、使用する配管１２０に応じて理論的若しくは実験的に事前に求めておくことができる。

【0044】

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本実施例のシリンダ変位制御システムにおける効果の一例を示す図である。

【0045】

図４（ａ）は、配管体積変化ΔＶの補償を行わずシリンダ変位を制御した場合である。

【0046】

図４（ａ）に示すように、配管１２０の膨張・収縮によって、シリンダ変位はシリンダ変位指令より遅れ、変位指令に対してヒステリシスをもつ。

【0047】

図４（ｂ）は、本発明により配管体積変化ΔＶを補償してシリンダ変位を制御した場合である。

【0048】

図４（ｂ）に示すように、配管体積変化ΔＶを補償したことにより、シリンダ変位はシリンダ変位指令によく追従している。

【0049】

このように本実施例によれば、液圧駆動されるアクチュエータシリンダ１３０の変位制御システムにおいて、アクチュエータシリンダ１３０の変位を観測できない場合であっても、アクチュエータシリンダ１３０の変位を精度よく制御できる。

【0050】

また、アクチュエータシリンダ１３０によって駆動する機構部を含んだアクチュエータの変位制御においても、本実施例のシリンダ変位制御システム１００を用いてアクチュエータシリンダ１３０の変位を制御することで、機構部を含んだアクチュエータの変位を精度よく制御できる。

【実施例2】

【0051】

図５は、本発明のシリンダ変位制御システムの実施例２の構成を示す図である。

【0052】

図５において、シリンダ変位制御システム１００は、駆動液により駆動されるアクチュエータシリンダ１３０と、配管供給液量等を制御する制御装置１１０、駆動液が流れる配管１２０、後述する配管観測器１４０とから概略構成されている。

【0053】

アクチュエータシリンダ１３０は、シリンダ１３１とピストン１３２とからなり、シリンダ１３１はピストン１３２によって、伸長室１３１ａと短縮室１３１ｂとの２つの室に分けられる。

【0054】

図５の例では、配管１２０から駆動液が伸長室１３１ａに供給されることで、シリンダ１３１の端部１３１ｃとピストン１３２の頭部１３２ａとの距離であるシリンダ変位Ｘは増加し、一方、駆動液が伸長室１３１ａから配管１２０に排出されることで、シリンダ変位Ｘは減少する。ピストン１３２は、建設用機械や原子力ロボット等に接続されている。

【0055】

配管１２０は、制御装置１１０の制御に合致するように、駆動液をアクチュエータシリンダ１３０に供給する。

【0056】

配管観測器１４０は、配管条件観測器１４１と環境条件観測器１４２とからなり、配管条件観測器１４１の観測した配管１２０や駆動液の条件（後述する配管１２０の外径や配管１２０の内径、駆動液の液圧や液温、成分等）と、環境条件観測器１４２の観測した周囲環境の条件（後述する周囲環境の圧力や温度、湿度等、配管材料の硬化などの要因となる明度、紫外線強度、放射線強度、雰囲気成分等）とから、配管体積変化ΔＶを演算して出力する。

【0057】

制御装置１１０は、シリンダ変位指令Ｘｒと配管体積変化ΔＶに基づき、シリンダ変位Ｘを変位指令Ｘｒとする配管供給液量Ｑｒを配管１２０に供給する。

【0058】

次に、配管観測器１４０において配管体積変化ΔＶを観測する方法の一例を説明する。

【0059】

配管条件観測器１４１は、例えば、配管１２０の外径や配管１２０の内径、駆動液の液圧や液温、成分などうち１つ以上の物理量を観測する。一方、環境条件観測器１４２は、例えば、周囲環境の圧力や温度、湿度など、配管材料の硬化などの要因となる明度、紫外線強度、放射線強度、雰囲気成分（配管１２０の周囲の空気成分）などのうち１つ以上の物理量を観測する。

【0060】

例えば、上記の数７を用いて単位長さｄＬでの配管体積変化ｄＶを演算する場合、配管条件観測器１４１の観測した液圧Ｐと、環境条件観測器１４２の観測した圧力Ｐ０とに基づいて配管体積変化ｄＶが観測できる。環境条件観測器１４２により圧力Ｐ０を観測して用いることで、水中での駆動といった、大気圧と大きく異なる環境においても高精度に配管体積変化ΔＶを観測できる。

【0061】

さらに、駆動液の成分及び液温などにより駆動液は、体積変化することがある。配管単体の配管体積変化から、この駆動液の体積変化の差をとるなどの方法で、駆動液の体積変化を考慮した実質的な配管体積変化ΔＶを求めることができるので、この駆動液の体積変化を、例えば、実験的に求めておくことで、高精度に配管体積変化ΔＶを観測できる。

【0062】

また、上記した数７における比例係数Ｋは、配管１２０の変形しやすさを表す係数であるため、配管１２０の材質によっては、駆動液の液温や周囲環境の温度などの条件により、変形しやすさが変わることがある。

【0063】

そこで、これら条件下での比例係数Ｋを、例えば、実験的に予め求めておくことで、様々な環境においても高精度に配管体積変化ΔＶを観測できる。

【0064】

なお、配管観測器１４０は、配管１２０上に複数個配置されてもよい。また、１つの配管観測器１４０が、それぞれ複数の配管条件観測器１４１と環境条件観測器１４２とから構成されてもよい。

【0065】

配管１２０の複数個所、環境の複数個所の条件を観測することで、配管体積変化ΔＶを高精度に推定でき、より精度の高いシリンダ変位制御が可能となる。

【0066】

このように本実施例によれば、液圧駆動されるアクチュエータシリンダの変位制御システムにおいて、アクチュエータシリンダの変位を観測できない場合にも、アクチュエータシリンダ変位を精度よく制御できる。

【0067】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0068】

１００…シリンダ変位制御システム、１１０…制御装置、１１１…弁制御器、１１２…流量計、１１３…弁、１１４…ポンプ、１１５…タンク、１１６…シリンジポンプ、１１６１…ポンプシリンダ、１１６２…ポンプピストン、１１７…ピストン駆動装置、１１８…ピストン変位観測器、１１９…ピストン変位制御器、１２０…配管、１３０…アクチュエータシリンダ、１３１…シリンダ、１３１ａ…伸長室、１３１ｂ…短縮室、１３１ｃ…シリンダの端部、１３２…ピストン、１３２ａ…ピストンの頭部、１４０…配管観測器、１４１…配管条件観測器、１４２…環境条件観測器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4(a)】

【図4(b)】

【図5】