JP2011202675A

JP2011202675A - アクチュエータユニット

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Publication number: JP2011202675A
Application number: JP2010067682A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Ogawa; 小川　　貴之; Atsushi Aoki; 淳青木; Masaru Uchida; 勝内田
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: JP5486367B2

Abstract

【課題】アクチュエータの静粛性と応答性を向上しつつ発生推力を安定させることが可能なアクチュエータユニットを提供することである。
【解決手段】上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、アクチュエータＡと当該アクチュエータＡを制御する制御装置Ｃとを備えたアクチュエータユニット１において、制御装置ＣがアクチュエータＡの伸縮に伴いシリンダ２から給排される液体流量に基づいてモータ１５の回転数を補正することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータユニットの改良に関する。

従来、この種のアクチュエータユニットにあっては、たとえば、鉄道車両等の制振や建機等の駆動に使用されている。このような、アクチュエータユニットは、アクチュエータと制御装置とで構成されており、アクチュエータとしては、たとえば、シリンダと、シリンダ内に摺動自在に挿入されたピストンと、シリンダ内に挿入されてピストンに連結されるロッドと、シリンダ内にピストンで区画した二つの作動室内のいずれか一方に選択的に圧油を供給する油圧回路とを備えて片ロッド型に構成されるものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

より具体的には、油圧回路は、モータによって一方向へ回転するポンプと、ポンプから吐出される圧油を二つの作動室のうちの一方に選択的に供給する切換弁と、上記作動室へ供給する流量を制御するブリードオフ弁とを備えて構成されている。

したがって、このアクチュエータユニットによれば、切換弁にて圧油を供給する作動室を選択することにより、アクチュエータを伸縮動作させることができ、また、その推力をブリードオフ弁にて調節することができる。

特開２００８−１５７４０７号公報

ところで、上記したアクチュエータユニットにあっては、ブリードオフ弁による制御以外にもポンプの回転数を都度調節することで、その推力を調節することが可能であるが、モータの回転数を変更するとポンプの形式によっては騒音が発生する場合があり、また、モータおよびポンプの慣性モーメントが大きく推力制御における応答性に限界がある。

そこで、ポンプの吐出量を一定としてブリードオフ弁にてアクチュエータの推力制御をすると、上記問題を解決することができるのであるが、当該アクチュエータを制振用途に利用する場合、アクチュエータの伸縮に伴ってシリンダに作動油が吸い込まれたり、逆に、シリンダから作動油が排出されたりするため、アクチュエータの伸縮速度によってブリードオフ弁を通過する流量が変動する。

すると、ブリードオフ弁でアクチュエータの推力を制御しようとしても、上記流量の変動によって狙い通りに当該推力を調節することができなくなってしまう問題が新たに生じることになる。

そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、アクチュエータの静粛性と応答性を向上しつつ発生推力を安定させることが可能なアクチュエータユニットを提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、アクチュエータと当該アクチュエータを制御する制御装置とを備え、アクチュエータは、シリンダと、シリンダ内に摺動自在に挿入されるピストンと、シリンダ内に挿入されてピストンに連結されるロッドと、シリンダ内にピストンで区画したロッド側室とピストン側室と、タンクと、ロッド側室とピストン側室とを連通する第一通路の途中に設けた第一開閉弁と、ピストン側室とタンクとを連通する第二通路の途中に設けた第二開閉弁と、ロッド側室をタンクへ接続する排出通路と、排出通路の途中に開弁圧を変更可能な比例電磁リリーフ弁と、ロッド側室へ液体を供給するポンプと、ポンプを駆動するモータとを備え、制御装置は、上記モータを所定の回転速度で回転させて上記ポンプから所定流量の液体を上記シリンダ内へ供給しつつ、上記第一開閉弁、第二開閉弁および比例電磁リリーフ弁を駆動してアクチュエータの推力を制御するアクチュエータユニットにおいて、制御装置は、アクチュエータの伸縮に伴いシリンダから給排される液体流量に基づいてモータの回転数を補正することを特徴とする。

本発明のアクチュエータユニットによれば、ポンプを駆動するモータを基本的には所定の回転数で回転駆動し、アクチュエータの伸縮に伴ってシリンダから給排される液体流量に応じてモータの回転数を補正するようになっているので、ポンプの回転数変化が最小限に留められてアクチュエータの静粛性と制御応答性を損なうことが無く、アクチュエータの伸縮によって推力が変動してしまうといった問題をも解消することができる。すなわち、本発明のアクチュエータユニットにあっては、アクチュエータの静粛性と制御応答性と発生推力の安定性を高次元で両立させることができるのである。

一実施の形態におけるアクチュエータユニットを鉄道車両の車体と台車との間に介装した状態を示す図である。一実施の形態におけるアクチュエータユニットの詳細図である。比例電磁リリーフ弁の圧力流量特性図である。一実施の形態のアクチュエータユニットにおける制御装置の制御ブロック図である。一実施の形態におけるアクチュエータユニットの制御内容の一部を説明する図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態におけるアクチュエータユニット１は、たとえば、鉄道車両Ｔの車体Ｂの制振装置として使用され、本明細書では、アクチュエータユニット１が鉄道車両Ｔの車体Ｂの制振装置として使用される場合を例にして当該アクチュエータユニット１について説明する。一実施の形態におけるアクチュエータユニット１は、図１に示すように、車体Ｂと台車Wとの間に対として介装されるアクチュエータＡと、各アクチュエータＡを制御する制御装置Ｃとを備えて構成されている。アクチュエータＡは、詳細には、鉄道車両Ｔの場合、車体Ｂの下方に垂下されるピンＰに連結され、車体Ｂと台車Ｗとの間で対を成して並列に介装されている。

そして、このアクチュエータユニット１は、基本的には、アクティブ制御で車体Ｂの車両進行方向に対して水平横方向の振動を抑制するようになっており、たとえば、スカイフック制御を行って、上記車体Ｂの横方向の振動を抑制するようになっている。具体的には、アクチュエータユニット１は、車体Ｂの車両進行方向に対して水平横方向の速度と、車体Ｂと台車Ｗの相対速度とからアクチュエータＡで発生すべき推力を制御装置Ｃで求め、制御装置Ｃで上記求めた推力通りにアクチュエータＡの推力を制御することで車体Ｂの上記横方向の振動を抑制する。

そのため、制御装置Ｃは、車体Ｂの水平横方向の加速度を検知する加速度センサ４０と、アクチュエータＡの変位を検知するストロークセンサ４１とを備えていて、加速度センサ４０で検知した加速度を積分して車体Ｂの横方向の速度を得るとともに、ストロークセンサ４１で検知したアクチュエータＡの変位を微分して車体Ｂと台車Ｗの相対速度を得るようになっている。なお、車体Ｂの横方向の速度と、車体Ｂと台車Ｗの相対速度を求めるのに他のセンサ、手段を用いてもよい。

つづいて、各部の具体的な例を用いて説明する。アクチュエータＡは、図２に示すように、シリンダ２と、シリンダ２内に摺動自在に挿入されるピストン３と、シリンダ２内に挿入されてピストン３に連結されるロッド４と、シリンダ２内にピストン３で区画したロッド側室５とピストン側室６と、タンク７と、ロッド側室５とピストン側室６とを連通する第一通路８の途中に設けた第一開閉弁９と、ピストン側室６とタンク７とを連通する第二通路１０の途中に設けた第二開閉弁１１と、ロッド側室５へ液体を供給するポンプ１２と、ポンプ１２を駆動するモータ１５と、ピストン側室６からロッド側室５へ向かう液体の流れのみを許容する整流通路１８と、タンク７からピストン側室６へ向かう液体の流れのみを許容する吸込通路１９とを備えており、片ロッド型のアクチュエータとして構成されている。また、上記ロッド側室５とピストン側室６には作動油等の液体が充填されるとともに、タンク７には、液体のほかに気体が充填されている。なお、タンク７内は、特に、気体を圧縮して充填することによって加圧状態とする必要は無い。

そして、基本的には、第一開閉弁９で第一通路８を連通状態とするとともに第二開閉弁１１を閉じた状態でポンプ１２を駆動することで、このアクチュエータＡを伸長駆動させることができ、第二開閉弁１１で第二通路１０を連通状態とするとともに第一開閉弁９を閉じた状態でポンプ１２を駆動することで、アクチュエータＡを収縮駆動させることができるようになっている。

以下、アクチュエータＡの各部について詳細に説明する。シリンダ２は筒状であって、その図１中右端は蓋１３によって閉塞され、図１中左端には環状のロッドガイド１４が取り付けられている。また、上記ロッドガイド１４内には、シリンダ２内に移動自在に挿入されるロッド４が摺動自在に挿入されている。このロッド４は、一端をシリンダ２外へ突出させており、シリンダ２内の他端を同じくシリンダ２内に摺動自在に挿入されているピストン３に連結してある。

なお、ロッド４の外周とシリンダ２との間は図示を省略したシール部材によってシールされており、これによりシリンダ２内は密閉状体に維持されている。そして、シリンダ２内にピストン３によって区画されるロッド側室５とピストン側室６には、上述のように液体として作動油が充填されている。

また、このアクチュエータＡの場合、ロッド４の断面積をピストン３の断面積の二分の一にして、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積がピストン側室６側の受圧面積の二分の一となるようになっており、伸長駆動時と収縮駆動時とでロッド側室５の圧力を同じくすると、伸縮の双方で発生される推力が等しくなるようになっており、アクチュエータＡの変位量に対する流量も伸縮両側で同じとなる。

詳しくは、アクチュエータＡを伸長駆動させる場合、ロッド側室５とピストン側室６を連通させた状態となってロッド側室５内とピストン側室６内の圧力が等しくなって、ピストン３におけるロッド側室５側とピストン側室６側の受圧面積差に上記圧力を乗じた推力を発生し、反対に、アクチュエータＡを収縮駆動させる場合、ロッド側室５とピストン側室６との連通が断たれてピストン側室６をタンク７に連通させた状態となるので、ロッド側室５内の圧力とピストン３におけるロッド側室５側の受圧面積を乗じた推力を発生することになり、アクチュエータＡの発生推力は伸縮の双方でピストン３の断面積の二分の一にロッド側室５の圧力を乗じた値となるのである。したがって、このアクチュエータＡの推力を制御する場合、伸長駆動、収縮駆動共に、ロッド側室５の圧力を制御すればよいが、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積をピストン側室６側の受圧面積の二分の一に設定しているので、伸縮両側で同じ推力を発生する場合に伸長側と収縮側でロッド側室５の圧力が同じとなるので制御が簡素となり、加えて変位量に対する流量も同じとなるので伸縮両側で応答性が同じとなる利点がある。なお、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積をピストン側室６側の受圧面積の二分の一に設定しない場合にあっても、ロッド側室５の圧力でアクチュエータＡの伸縮両側の推力の制御をすることができる点は変わらない。

戻って、ロッド４の図１中左端とシリンダ２の右端を閉塞する蓋１３には、図示しない取付部を備えており、このアクチュエータＡを鉄道車両Ｔにおける車体と車軸との間に介装することができるようになっている。

そして、ロッド側室５とピストン側室６とは、第一通路８によって連通されており、この第一通路８の途中には、第一開閉弁９が設けられている。この第一通路８は、シリンダ２外でロッド側室５とピストン側室６とを連通しているが、ピストン３に設けられてもよい。

第一開閉弁９は、この実施の形態の場合、電磁開閉弁とされており、第一通路８を開放してロッド側室５とピストン側室６とを連通する連通ポジション９ｂと、ロッド側室５とピストン側室６との連通を遮断する遮断ポジション９ｃとを備えたバルブ９ａと、遮断ポジション９ｃを採るようにバルブ９ａを附勢するバネ９ｄと、通電時にバルブ９ａをバネ９ｄに対向して連通ポジション９ｂに切換えるソレノイド９ｅとを備えて構成されている。

つづいて、ピストン側室６とタンク７とは、第二通路１０によって連通されており、この第二通路１０の途中には、第二開閉弁１１が設けられている。第二開閉弁１１は、この実施の形態の場合、電磁開閉弁とされており、第二通路１０を開放してピストン側室６とタンク７とを連通する連通ポジション１１ｂと、ピストン側室６とタンク７との連通を遮断する遮断ポジション１１ｃとを備えたバルブ１１ａと、遮断ポジション１１ｃを採るようにバルブ１１ａを附勢するバネ１１ｄと、通電時にバルブ１１ａをバネ１１ｄに対向して連通ポジション１１ｂに切換えるソレノイド１１ｅとを備えて構成されている。

ポンプ１２は、モータ１５によって駆動されるようになっており、ポンプ１２は、一方向のみに液体を吐出するポンプとされており、その吐出口は供給通路１６によってロッド側室５へ連通され、吸込口はタンク７に通じて、モータ１５によって駆動されると、タンク７から液体を吸込んでロッド側室５へ液体を供給する。

上述のようにポンプ１２は、一方向のみに液体を吐出するのみで回転方向の切換動作がないので、回転切換時に吐出量変化するといった問題は皆無であり、安価なギアポンプ等を使用することができる。さらに、ポンプ１２の回転方向が常に同一方向であるので、ポンプ１２を駆動する駆動源であるモータ１５にあっても回転切換に対する高い応答性が要求されず、その分、モータ１５も安価なものを使用することができる。

なお、供給通路１６の途中には、ロッド側室５からポンプ１２への液体の逆流を阻止する逆止弁１７を設けてある。

また、この実施の形態の場合、ロッド側室５とタンク７とが排出通路２１を通じて接続されており、この排出通路２１の途中に開弁圧を変更可能な比例電磁リリーフ弁２２を設けられている。

比例電磁リリーフ弁２２は、排出通路２１の途中に設けた弁体２２ａと、排出通路２１を遮断するように弁体２２ａを附勢するバネ２２ｂと、通電時にバネ２２ｂに対向する推力を発生する比例ソレノイド２２ｃとを備えて構成され、比例ソレノイド２２ｃに流れる電流量を調節することで開弁圧を調節することができるようになっている。

この比例電磁リリーフ弁２２は、弁体２２ａに作用させる排出通路２１の上流となるロッド側室５の圧力がリリーフ圧（開弁圧）を超えると、当該排出通路２１を開放させる方向に弁体２２ａを推す上記圧力に起因する推力と比例ソレノイド２２ｃによる推力との合力が、排出通路２１を遮断させる方向へ弁体２２ａを附勢するバネ２２ｂの附勢力に打ち勝つようになって、弁体２２ａを後退させて排出通路２１を開放するようになっている。

また、この比例電磁リリーフ弁２２にあっては、比例ソレノイド２２ｃに供給する電流量を増大させると、比例ソレノイド２２ｃが発生する推力を増大させることができるようになっており、比例ソレノイド２２ｃに供給する電流量を最大とすると開弁圧が最小となり、反対に、比例ソレノイド２２ｃに全く電流を供給しないと開弁圧が最大となる。また、比例電磁リリーフ弁２２の圧力流量特性は、図３に示すように、開弁圧を切片として圧力が流量に比例した関係（オーバーライド特性）に設定してあって、比例ソレノイド２２ｃへ与える電流量を大きくすると傾きは変化しないが開弁圧（切片）が低下する特性となっており、電流量によって図中の特性上限から特性下限の変化幅で圧力流量特性を変更することができるようになっている。

そして、比例電磁リリーフ弁２２は、第一開閉弁９および第二開閉弁１１の開閉状態に関わらず、アクチュエータＡに伸縮方向の過大な入力があって、ロッド側室５の圧力が開弁圧を超える状態となると、排出通路２１を開放してロッド側室５をタンク７へ連通し、ロッド側室５内の圧力をタンク７へ逃がして、アクチュエータＡのシステム全体を保護するようになっている。

また、ピストン側室６とロッド側室５とを連通する整流通路１８が設けられており、この整流通路１８の途中には逆止弁１８ａが設けられて、当該整流通路１８は、ピストン側室６からロッド側室５へ向かう液体の流れのみを許容する一方通行の通路に設定されている。さらに、タンク７とピストン側室６とを連通する吸込通路１９が設けられており、この吸込通路１９の途中には逆止弁１９ａが設けられて、当該吸込通路１９は、タンク７からピストン側室６へ向かう液体の流れのみを許容する一方通行の通路に設定されている。なお、整流通路１８は、第一開閉弁９の遮断ポジション９ｃを逆止弁とすることで第一通路８に集約することができ、吸込通路１９についても、第二開閉弁１１の遮断ポジション１１ｃを逆止弁とすることで第二通路１０に集約することができる。

アクチュエータＡに所望の伸長方向の推力を発揮させる場合、制御装置Ｃは、第一開閉弁９を連通ポジション９ｂとし第二開閉弁１１を遮断ポジション１１ｃとして、アクチュエータＡの伸縮状況に応じてモータ１５を所定の回転数から補正しつつポンプ１２からシリンダ２内へ液体を供給する。このようにすることで、ロッド側室５とピストン側室６とが連通状態におかれて両者にポンプ１２から液体が供給され、ピストン３が図２中左方へ押されアクチュエータＡは伸長方向の推力を発揮する。ロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力が比例電磁リリーフ弁２２の開弁圧を上回ると、比例電磁リリーフ弁２２が開弁して液体が排出通路２１を介してタンク７へ逃げるので、ロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力は、比例電磁リリーフ弁２２に与える電流量で決まる比例電磁リリーフ弁２２の圧力流量特性に依存して、比例電磁リリーフ弁２２を通過する流量に応じた圧力にコントロールされる。そして、アクチュエータＡは、ピストン３におけるピストン側室６側とロッド側室５側の受圧面積差に上記した比例電磁リリーフ弁２２によってコントロールされるロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力を乗じた値の伸長方向の推力を発揮する。

これに対して、アクチュエータＡに所望の収縮方向の推力を発揮させる場合、制御装置Ｃは、第一開閉弁９を遮断ポジション９ｃとし第二開閉弁１１を連通ポジション１１ｂとして、アクチュエータＡの伸縮状況に応じてモータ１５を所定の回転数から補正しつつポンプ１２からロッド側室５内へ液体を供給する。このようにすることで、ピストン側室６とタンク７が連通状態におかれるとともにロッド側室５にポンプ１２から液体が供給されるので、ピストン３が図２中右方へ押されアクチュエータＡは収縮の推力を発揮する。上記したところと同様に、比例電磁リリーフ弁２２の電流量を調節することで、アクチュエータＡは、ピストン３におけるロッド側室５側の受圧面積と比例電磁リリーフ弁２２にコントロールされるロッド側室５内の圧力を乗じた収縮方向の推力を発揮する。

制御装置Ｃは、図４に示すように、アクチュエータＡをアクティブ制御するため、モータ１５を駆動するためのドライバ３７に対して、モータ１５を所定の回転数から補正した回転数で回転するように制御指令を出力するとともに、加速度センサ４０と、ストロークセンサ４１から車体Ｂの横方向の速度と、車体Ｂと台車Ｗの横方向の相対速度を求め、スカイフック制御則に則りアクチュエータＡが発生すべき推力の大きさ、方向を求め、アクチュエータＡに当該推力を発生させるべく、第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅへ制御信号を出力するとともに比例電磁リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ電流指令を出力して、アクチュエータＡの推力を制御する。これにより、アクチュエータユニット１は、鉄道車両Ｔの車体Ｂの横方向への振動をアクティブ制御によって抑制することができる。

ここで、アクチュエータＡの推力を制御することを考えると、上記のようにスカイフック制御則等の制御理論に基づいてアクチュエータＡが発生するべき推力を求めると、この推力を実現するためのロッド側室５内の圧力が推力に対して一対一の関係となるので当該推力から上記圧力が一義的に求まり、当該圧力と上記比例電磁リリーフ弁２２を通過する液体流量とから比例電磁リリーフ弁２２の圧力流量特性から比例電磁リリーフ弁２２へ与えるべき電流量が求まるので、この電流量に対応する電流指令を比例電磁リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ出力してやればよいことになる。

つまり、比例電磁リリーフ弁２２を通過する液体の流量が一定であれば、アクチュエータＡの推力から要求されるロッド側室５内の圧力を求めれば、比例電磁リリーフ弁２２へ与えるべき電流量が求まり、アクチュエータＡの推力を狙い通りに制御することができることになる。

しかしながら、制御装置Ｃでモータ１５を予め決められた所定の回転数で定速回転させる場合、ポンプ１２の吐出流量が一定となり、比例電磁リリーフ弁２２を通過する液体流量は、ポンプ１２の吐出流量にアクチュエータＡの伸縮に伴ってシリンダ２に給排される液体流量を加算した流量となる。すると、モータ１５を所定の回転数で定速回転させると、アクチュエータＡの伸縮に伴ってシリンダ２に給排される液体流量によって比例電磁リリーフ弁２２を通過する流量が一定とならなくなる。

そこで、本実施の形態における制御装置Ｃでは、アクチュエータＡの伸縮に伴ってシリンダ２に給排される液体流量とポンプ１２の吐出流量とが一定となるように、モータ１５の所定の回転数から補正してやることで、アクチュエータＡの推力を狙い通りに制御するようになっている。

具体的には、制御装置Ｃは、この実施の形態の場合、図４に示すように、加速度センサ４０から得た加速度を積分して車体Ｂの速度を得る速度演算部３１と、ストロークセンサ４１から得た車体Ｂと台車Ｗの相対変位を微分して車体Ｂと台車Ｗの相対速度を得る相対速度演算部３２と、車体Ｂの速度と、車体Ｂと台車Ｗの相対速度とからスカイフック制御則に則ってアクチュエータＡが出力すべき推力を求める推力演算部３３とを備えており、推力演算部３３で得た推力に対応して要求されるロッド側室５内の圧力を圧力演算部３４で求める。

さらに、制御装置Ｃは、流量演算部３５を備えていて、当該流量演算部３５では、アクチュエータＡの伸縮速度とロッド４の断面積とからシリンダ２内に供給或いはシリンダ２内から排出される液体流量を求める。アクチュエータＡの伸縮速度は、車体Ｂと台車Ｗの相対速度であるので、相対速度演算部３２の演算結果から得ることができる。

なお、アクチュエータＡの伸縮に伴ってシリンダ２内から排出される流量の符号を正、シリンダ２内へ供給される流量の符号を負とし、この流量演算部３５で求めたシリンダ２に供排される液体流量の入力を受けてモータ制御部３６は、制御指令をモータ１５のドライバ３７へ出力する。ドライバ３７は、図示しないインバータ回路等のモータ１５の駆動に適した回路を備えており、制御指令どおりにモータ１５の回転数が当該補正後の回転数となるようにモータ１５を回転駆動する。

モータ制御部３６は、シリンダ２に供排される液体流量が０である場合には、予め決められた所定の回転数でモータ１５を定速回転させるように、ドライバ３７へ制御指令を与える。この場合、アクチュエータＡが伸縮していない状態であって、モータ１５が所定の回転数で回転しポンプ１２が吐出流量が所定流量で一定するので、比例電磁リリーフ弁２２を通過する流量は、ポンプ１２の吐出流量に一致する。

他方、シリンダ２に供排される液体流量が０でない場合には、アクチュエータＡが伸縮しており、当該シリンダ２に給排される液体流量とポンプ１２の吐出流量の合計流量が比例電磁リリーフ弁２２を通過する正味流量となるので、この正味流量が、モータ１５が所定の回転数で回転しているときのポンプ１２の吐出流量である所定流量に一致すればよい。モータ制御部３６は、モータ１５の回転数をシリンダ２に供排される液体流量に相当する分だけ補正し、補正後の回転数でモータ１５を回転させるべく、ドライバ３７へ制御指令を与えることになる。

つまり、モータ１５の回転数とポンプ１２の吐出流量は一対一の関係にあるので、モータ制御部３６は、上記所定の回転数からシリンダ２に供排される液体流量に相当する回転数を減算することで、モータ１５の回転数を補正することができる。

制御装置Ｃは、さらに電流演算部３８を備えており、電流演算部３８は、圧力演算部３４で得た圧力とモータ１５が所定の回転数で回転する際のポンプ１２の吐出流量とから比例電磁リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ与える電流量を求める。具体的には、比例電磁リリーフ弁２２の圧力流量特性は、図３に示すように、開弁圧を切片として圧力が流量に比例する比例特性を備えているので、電流演算部３８では、モータ制御部３６によって一定に制御される流量と、上記の如く推力から演算される圧力の値とから、開弁圧を求め、開弁圧から比例ソレノイド２２ｃへ与える電流量を求めればよい。つまり、図５に示すように、アクチュエータＡに要求される推力から得られた要求圧力と、比例電磁リリーフ弁２２を通過する所定流量との交点Ｘを通るように圧力流量特性線Ｌを設定し、この圧力流量特性線Ｌを実現するように比例電磁リリーフ弁２２へ電流指令を与えればよいことになる。

なお、上記圧力流量特性は、圧力＝比例係数×流量＋開弁圧の関係となっているので、簡単な計算で比例ソレノイド２２ｃへ与える電流量を求めることができるが、マップ演算をおこなうようにしてもよい。さらに、開弁圧と電流値が一対一の関係であるから、圧力流量特性を比例電磁リリーフ弁２２に与える電流値と流量との関係に置き換えて演算を行ってもよい。

また、シリンダ２内に供給或いはシリンダ２内から排出される液体流量を求めるに際して、モータ１５に流れている電流値から求めてもよい。この電流値は、ポンプ１２の吐出圧力の変動によって変化するが、当該吐出圧力は、比例電磁リリーフ弁２２を通過する液体流量の変動によるロッド側室５内の圧力変化によって変化するので、上記電流値の変化を検知することで、シリンダ２内に供給或いはシリンダ２内から排出される液体流量を求めることができる。具体的には、シリンダ２内に供排される液体流量を詳しく求める必要は無く、モータ１５の電流値からロッド側室５内の圧力を得て、当該ロッド側室５内の圧力とアクチュエータＡの発生すべき推力に対応する圧力とに圧力差が生じる場合、アクチュエータＡが伸長作動或いは収縮作動を呈する状態であるので、当該圧力差に応じてモータ１５の回転数を補正すればよい。つまり、ロッド側室５内の圧力がアクチュエータＡの発生すべき推力に対応する圧力より高い場合には、アクチュエータＡのシリンダ２内から液体が排出されている状況なので、モータ１５の回転数を低下させる補正を行い、反対に、ロッド側室５内の圧力がアクチュエータＡの発生すべき推力に対応する圧力より低い場合には、アクチュエータＡのシリンダ２内へ液体が供給される状況なので、モータ１５の回転数を増大させる補正を行って、ロッド側室５内の圧力とアクチュエータＡの発生すべき推力に対応する圧力の両者の圧力差が減少するように制御すればよい。この場合は、アクチュエータＡのストローク速度を検知しなくともよいので、制御理論でアクチュエータＡのストロークやストローク速度、ストローク加速度といった状態量を必要としない場合、ストロークセンサ４１を設けなくともよい。

なお、制御装置Ｃは、ハードウェア資源としては、図示はしないが具体的にはたとえば、加速度センサ４０と、ストロークセンサ４１が出力する信号を取り込むためのＡ／Ｄ変換器と、上記制御に必要な処理に使用されるプログラムが格納されるＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）等の記憶装置と、上記プログラムに基づいた処理を実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）などの演算装置と、上記ＣＰＵに記憶領域を提供するＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等の記憶装置とを備えて構成されればよく、制御装置Ｃの上記の速度演算部３１、相対速度演算部３２、推力演算部３３、圧力演算部３４、流量演算部３５、モータ制御部３６および電流演算部３８の各部における構成は、ＣＰＵが各部の処理を行うためのプログラムを実行することで実現される。

このように、本実施の形態におけるアクチュエータユニット１にあっては、ポンプ１２を駆動するモータ１５を基本的には所定の回転数で回転駆動し、アクチュエータＡの伸縮に伴ってシリンダ２から給排される液体流量に応じてモータ１５の回転数を補正するようになっているので、ポンプ１２の回転数変化が最小限に留められてアクチュエータＡの静粛性と制御応答性を損なうことが無く、アクチュエータＡの伸縮によって推力が変動してしまうといった問題をも解消することができる。すなわち、本実施の形態におけるアクチュエータユニット１にあっては、アクチュエータＡの静粛性と制御応答性と発生推力の安定性を高次元で両立させることができるのである。

また、このアクチュエータＡにあっては、第一開閉弁９と第二開閉弁１１の開閉のみでダンパとして機能させることができるので、面倒かつ急峻な弁の切換動作を伴うことが無いので、応答性および信頼性が高いシステムを提供することができる。

なお、このアクチュエータＡにあっては、片ロッド型に設定されているので、両ロッド型のアクチュエータに比較してストローク長を確保しやすく、アクチュエータの全長が短くなって、鉄道車両Ｔ等の制振対象への搭載性が向上する。

また、このアクチュエータＡにおけるポンプ１２からの液体供給および伸縮作動による液体の流れは、ロッド側室５、ピストン側室６を順に通過して最終的にタンク７へ還流するようになっており、ロッド側室５あるいはピストン側室６内に気体が混入しても、アクチュエータＡの伸縮作動によって自立的にタンク７へ排出されるので、推進力発生の応答性の悪化を阻止できる。

したがって、アクチュエータＡの製造にあたって、面倒な液体中での組立や真空環境下での組立を強いられることが無く、液体の高度な脱気も不要となるので、生産性が向上するとともに製造コストを低減することができる。

さらに、ロッド側室５あるいはピストン側室６内に気体が混入しても、気体は、アクチュエータＡの伸縮作動によって自立的にタンク７へ排出されるので、性能回復のためのメンテナンスを頻繁に行う必要もなくなり、保守面における労力とコスト負担を軽減することができる。

なお、このアクチュエータＡにあっては、第一開閉弁９と第二開閉弁１１がともに遮断ポジション９ｃ，１１ｃを採ると、整流通路１８および吸込通路１９と排出通路２１で、ロッド側室５、ピストン側室６およびタンク７が数珠繋ぎに連通されるのでユニフロー型のダンパとして機能することになる。したがって、アクチュエータＡの各機器への通電が不能となるようなフェール時には、第一開閉弁９と第二開閉弁１１のバルブ９ａ，１１ａがバネ９ｄ，１１ｄに押圧されて、それぞれ遮断ポジション９ｃ，１１ｃを採り、比例電磁リリーフ弁２２は、開弁圧が最大に固定された圧力制御弁として機能するので、アクチュエータＡは、自動的に、パッシブダンパとして機能することができる。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論であり、本発明のアクチュエータユニット１は制振用途以外にも各種機器の駆動用途にも用いることができる。

本発明は、鉄道車両等の制振や各種機器を駆動するアクチュエータユニットに利用可能である。

１アクチュエータユニット
２シリンダ
３ピストン
４ロッド
５ロッド側室
６ピストン側室
７タンク
８第一通路
９第一開閉弁
９ａ第一開閉弁におけるバルブ
９ｂ第一開閉弁における連通ポジション
９ｃ第一開閉弁における遮断ポジション
９ｄ第一開閉弁におけるバネ
９ｅ第一開閉弁におけるソレノイド
１０第二通路
１１第二開閉弁
１１ａ第二開閉弁におけるバルブ
１１ｂ第二開閉弁における連通ポジション
１１ｃ第二開閉弁における遮断ポジション
１１ｄ第二開閉弁におけるバネ
１１ｅ第二開閉弁におけるソレノイド
１２ポンプ
１３蓋
１４ロッドガイド
１５モータ
１６供給通路
１７逆止弁
１８整流通路
１８ａ整流通路における逆止弁
１９吸込通路
１９ａ吸込通路における逆止弁
１９ｂリリーフ弁におけるバネ
２１排出通路
２２比例電磁リリーフ弁
２２ａ比例電磁リリーフ弁における弁体
２２ｂ比例電磁リリーフ弁におけるバネ
２２ｃ比例電磁リリーフ弁における比例ソレノイド
３１速度演算部
３２相対速度演算部
３３推力演算部
３４圧力演算部
３５流量演算部
３６モータ制御部
３７ドライバ
３８電流演算部
４０加速度センサ
４１ストロークセンサ
Ａアクチュエータ
Ｂ車体
Ｃ制御装置
Ｐピン
Ｔ鉄道車両
Ｗ台車

Claims

アクチュエータと当該アクチュエータを制御する制御装置とを備え、
アクチュエータは、シリンダと、シリンダ内に摺動自在に挿入されるピストンと、シリンダ内に挿入されてピストンに連結されるロッドと、シリンダ内にピストンで区画したロッド側室とピストン側室と、タンクと、ロッド側室とピストン側室とを連通する第一通路の途中に設けた第一開閉弁と、ピストン側室とタンクとを連通する第二通路の途中に設けた第二開閉弁と、ロッド側室をタンクへ接続する排出通路と、排出通路の途中に開弁圧を変更可能な比例電磁リリーフ弁と、ロッド側室へ液体を供給するポンプと、ポンプを駆動するモータとを備え、
制御装置は、上記モータを所定の回転速度で回転させて上記ポンプから所定流量の液体を上記シリンダ内へ供給しつつ、上記第一開閉弁、第二開閉弁および比例電磁リリーフ弁を駆動してアクチュエータの推力を制御するアクチュエータユニットにおいて、
制御装置は、アクチュエータの伸縮に伴いシリンダから給排される液体流量に基づいてモータの回転数を補正することを特徴とするアクチュエータユニット。
アクチュエータの伸縮速度を検知する速度検知手段を備え、当該速度検知手段で検知した伸縮速度に基づいてアクチュエータの伸縮に伴いシリンダから給排される液体流量を求めることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータユニット。
モータに与える電流からアクチュエータの推力を求め、当該推力に基づいてアクチュエータの伸縮に伴いシリンダから給排される液体流量を求めることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータユニット。