JP2017534821A - 内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステム - Google Patents

Abstract

本発明の内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステムは、液圧シリンダと、サーボモータへの回転子の速度／位置のフィードバックを備えるゼロＲＰＭから最大定格ＲＰＭの定格トルクを生成するように構成されるサーボモータと、ポンプと、モータを運転することなく液圧シリンダがその位置を維持することを可能にするソレノイドバルブとを含む。システムは、ソレノイドバルブを使用してモータの動作なしに負荷を定位置に保持する能力を有し、したがって、モータの運転時間を最小化することによって、エネルギーを節約し、モータの寿命を延ばす。

Description

本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１４年１０月１０日に出願された、「Self-Contained Energy Efficient Hydraulic Actuator System」という題名の、米国出願第１４／５１１，４６３号明細書に基づき、その優先権を主張する。

本明細書に開示され教示される発明は、一般に、内蔵型のアクチュエータシステムに関し、詳細には、内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステムに関する。

アクチュエータとは、制御システムが環境に作用するメカニズムである。アクチュエータは、典型的には、電流、モータ、液圧流体圧力、又は空気圧といったエネルギー源によって動作し、そのエネルギーを運動へと変換する。

液圧アクチュエータは、典型的には、機械的な動作を容易にするための、液圧動力を使用するシリンダからなる。機械的な運動は、直線、回転又は振動性の運動として、出力を出す。液圧シリンダは、ピストンが摺動することができる中空の円筒形チューブからなる。ピストンの両側に圧力が印加されるときに、複動という用語が使用される。ピストンの両側の間の圧力差が、いずれかの側へのピストンの運動をもたらす。流体圧力がピストンのただ一方の側に印加されるときに、単動という用語が使用される。ピストンが単に１つの方向に動く場合、ピストンに戻りのストロークを与えるために、ばねがしばしば使用される。

従来では、液圧リニアアクチュエータは、閉じたパイプネットワーク及び制御バルブを通して、圧力がかかった液圧流体の遠隔供給源に接続される。しかし、液圧リニアアクチュエータが、独立で移動可能であり、原動機、液圧ポンプ、及び閉じた液圧流体制御システムの全てが、リニアアクチュエータに一体化され、リニアアクチュエータに近接して設置されることが望ましい用途がある。そのようなコンパクトで独立したアクチュエータは、工業用のバルブ用途、及びそのようなバルブを設置することができる遠隔位置に特に好適である。

従来技術の独立した液圧アクチュエータは、McLeodの米国特許第２，６４０，３２３号明細書及び第２，６４０，４２６号明細書、Scanderbeg et al.の米国特許第５，１４４，８０１号明細書、Ramsey et al.の米国特許第８，３３６，６１３号明細書、並びにSilva et al.の米国特許第６，８９２，５３４号明細書に開示されている。

閉じた液圧システムを有する内蔵型の液圧アクチュエータシステムは、サーボバルブを組み込むことができる。サーボバルブは、システム中の流体の方向を変え、したがって、複動液圧シリンダの運動を制御する。流体の方向を変更するためにサーボバルブを使用することの欠点の１つは、原動機駆動されるポンプからの液圧流体の連続的な供給を必要とする、サーボバルブの連続的な内部漏洩である。液圧サーボバルブは、サーボバルブの可動構成要素間の密な隙間の中へと運ばれる場合がある、粒子汚染のために機能しない場合もある。

内蔵型の液圧アクチュエータシステムは、液圧ポンプ（例えば、双方向液圧ポンプ）を組み込むこともできる。これらのシステムは、液圧ポンプを駆動する双方向モータを必要とする。複動液圧シリンダの運動は、流体がシステムを通って流れるときの、液圧ポンプの速度及び方向によって制御される。

Debusの米国特許公開出願第２００７／０１０１７１１号明細書は、可変周波数駆動（ＶＦＤ, variable frequency drive）によって駆動されるＡＣ誘導モータの使用を開示しており、液圧ポンプの速度及び方向は、モータによって制御される。しかし、ＶＦＤ駆動モータは、低ＲＰＭにおいて使用可能なトルクが限られており、負荷の下では始動できず、急速なＲＰＭの変化及び方向の変化には抵抗する。Debusの出願は、アクチュエータが静止しているときにモータが何らかの最小ＲＰＭで運転することを可能にするバイパスリーク経路の使用を開示しているが、負荷ロックについての別個の備えがないため、モータは、保持位置においてでさえ、連続的に運転することが必要である。モータの連続的な運転は、不必要なエネルギーの消費、モータの寿命の短縮、頻繁な修理、及び最終的に余分の費用をもたらす。

Arbelの米国特許第７，６４０，７３６号明細書は、実質的に一定の速度で単一の方向に回転するように構成されるポンプを含む、液圧リニアアクチュエータシステムを記載する。Arbelは、単一方向モータ及び双方向ステッパモータを使用して、ポンプの方向及び流体の流れを変化させる。流体の方向及び流速の両方は、ポンプの固定子と回転子との間の位置関係を調節することによって制御される。しかし、Arbelは、負荷ロックについて備えることができない。Arbelの別の欠点は、ポンプと原動機の両方が、アクチュエータの静止位置を維持するために運転しなければならないことである。

Scanderbeg et al.の米国特許第５，１４４，８０１号明細書は、電気モータが液圧流体リザーバ中に配設されて液圧流体ポンプを駆動するために接続される独立した電気−液圧アクチュエータを開示する。Scanderbegは、電気モータが、液圧ポンプを「オンデマンドで（要望に応じて）」駆動することを開示する。オンデマンドベースとは、モータ速度が、「要求される圧力及び流れのみの生成」を変化させるが、オンとオフとを繰り返さないことに関する。アクチュエータが所望の位置に到達すると、モータは減速するが、位置を維持するためにゆっくりと運転し続ける。Scanderbergは、負荷ロックについての別個の備えを提供することができない。

Duffの米国特許第ＲＥ３９，１５８号明細書は、本体と、本体中の釣合重りと、本体中の流量コントローラとを有する液圧システムマニホルドを開示する。Duffの特許は、モータを使用することなく、釣合重り及び機械的な流出ロックバルブを有するマニホルドの使用を介する、負荷ロックを実現するアクチュエータを対象とする。Duffの流出ロックバルブは、システム又はライン圧力で動作し、モータがオフであるときに、アクチュエータを定位置に保持する。しかし、パイロット作動型逆流防止バルブは、位置調整分解能問題をもたらす。Glomeauの米国特許第４，７６６，７２８号明細書は、フローマッチングバルブの開示で、パイロット作動型逆流防止バルブの位置調整分解能問題を克服する。

従来技術中の開示に関連して、いくつかの欠点がある。１つの重要な欠点は、アクチュエータの保持能力が、液圧シリンダ中の流体量をロックする、原動機又は機械的制御バルブの連続動作に全面的に依存することである。従来の独立した液圧リニアアクチュエータは、負荷ロックのタスクを達成するための、必須のモータ、ポンプ、及び／又はバルブ構成を通常は有しておらず、したがって、負荷ロックのため流体圧力を維持するために原動機に依存する。これは、原動機及びポンプが連続的に動作することが必要であるので、電力消費を増加させ、構成要素の寿命を減らす。

別の重要な欠点は、サーボバルブ漏洩速度を埋め合わせるために、原動機及びポンプが頻繁に、いくつかの用途では連続的に動作することである。これは、アクチュエータの周波数応答及び位置調整精度、並びに再現性を大きく制限する。

米国特許第２，６４０，３２３号明細書 米国特許第２，６４０，４２６号明細書 米国特許第５，１４４，８０１号明細書 米国特許第８，３３６，６１３号明細書 米国特許第６，８９２，５３４号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１０１７１１号明細書 米国特許第７，６４０，７３６号明細書 米国特許第ＲＥ３９，１５８号明細書 米国特許第４，７６６，７２８号明細書

したがって、当技術分野では、任意の向きで動作することができ、サーボバルブの必要なしに負荷ロックを可能にする、エネルギー効率の良いアクチュエータシステムであって、ピストンの静止状態でモータを停止し、負荷の下でゼロＲＰＭからモータを再始動する能力を有するシステムを提供する必要がある。

本開示は、内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステムを対象とする。原動機（モータ）、液圧リザーバ、及び全ての他の液圧構成要素は、全てが一緒に一体化され、液圧動力源（ＨＰＳ, Hydraulic Power Source）を形成する。システムは、発明性のあるやり方で、少なくとも１つのソレノイドバルブ、好ましくは２つのソレノイドバルブを利用して、モータの動作なしに、負荷を定位置に保持する。特に、本発明は、サーボモータに動作可能に接続される、双方向液圧ポンプを提供する。液圧ポンプ／サーボモータ及びソレノイドバルブと一緒に、コントローラが、フロー動作を順に行う。サーボモータ及び双方向液圧ポンプは、それに応じて、流体流及び方向を制御するように動作し、一方ソレノイドバルブは、アクチュエータシステムのロック機能を実施する。

本発明によれば、結果として得られるアクチュエータの速度は、液圧ポンプの押し退け量、及び液圧シリンダの押し退け量の関数である。

第１の実施形態では、開示される内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステムは、少なくとも１つのピストンと、ピストンに液圧流体を提供し、ピストンの位置を制御するため、ピストンと流体連通する少なくとも１つの双方向液圧ポンプとを含む。少なくとも１つの液圧流体入口、及び少なくとも１つの液圧流体出口、並びにポンプを駆動するためにポンプに動作可能に接続されるサーボモータを有し、少なくとも１つのソレノイドバルブが、ピストンと双方向ポンプとの間の液圧流体を制御するように構成される、双方向液圧ポンプ。サーボモータがポンプを駆動しないときに、ピストンの位置を維持することができるように、ソレノイドバルブ及びサーボモータを制御するための、コントローラ（コントローラユニット）を有するアクチュエータシステム。

好ましくは、液圧シリンダは、ダブルロッドエンド型ピストンを有しており、そのことによって、ピストンがシリンダ中でいずれかの方向に動くときに、押し退けられる体積差を最小化するため、ピストンの両面で液圧シリンダ中に形成される均等な環状区域又はチャンバがもうけられる。

別の好ましい実施形態によれば、第１の好ましい実施形態中の双方向液圧ポンプは、可逆歯車ポンプである。

別の好ましい実施形態によれば、双方向液圧ポンプからの平滑な又は脈動のない出力が必要である。

さらに別の好ましい実施形態によれば、第１の好ましい実施形態中のソレノイドバルブは、サーボモータを運転することなく負荷を保持するように構成される。

さらに別の好ましい実施形態によれば、第１の好ましい実施形態中のサーボモータは、ＡＣブラシレス永久磁石モータである。

さらに別の好ましい実施形態によれば、第１の好ましい実施形態中のコントローラは、サーボモータのサーボモータフィードバックユニット、ソレノイドバルブ、並びに液圧シリンダに取り付けられアクチュエータ／ピストン／ロッド及び液圧シリンダの位置を検知するように構成される位置センサに、制御信号を送受信するように構成される、制御用電子回路ユニット（control electronics unit）とサーボ駆動ユニットとを備える。

さらに別の好ましい実施形態によれば、第１の好ましい実施形態は、液圧流体及びシステムの熱膨張及び収縮に起因する体積変化を埋め合わせるように構成される、密閉リザーバをさらに含む。

さらに別の実施形態によれば、本発明は、サーボモータ及び少なくとも１つのソレノイドバルブを有する液圧アクチュエータシステムのエネルギー消費を削減する方法を提供する。方法は、コントローラにおいてシステムの機能の所望の動作に対応する入力信号を受信するステップと、コントローラによってシステムについての動作限界（すなわち、アクチュエータ／ピストン／ロッドの位置）を決定するステップと、サーボモータ及びソレノイドバルブを動作限界において同時に制御するステップとを含む。この方法の液圧アクチュエータシステムは、少なくとも１つのピストンと、ピストンに液圧流体を提供し、ピストンの位置を制御するため、ピストンと流体連通する少なくとも１つの双方向液圧ポンプであって、少なくとも１つの液圧流体入口及び少なくとも１つの液圧流体出口を有するポンプと、ポンプを駆動するためにポンプに動作可能に接続されるサーボモータと、前記ピストンと前記双方向ポンプとの間の液圧流体を制御するように構成される少なくとも１つのソレノイドバルブとを有し、前記コントローラがソレノイドバルブ及びサーボモータを制御し、サーボモータがポンプを駆動していないときにピストンの位置を維持することができる。

サーボモータの動作なしにソレノイドバルブを使用して負荷を定位置に保持する能力と、ゼロＲＰＭから最大ＲＰＭへのトルクを生成する能力と、負荷の下でゼロＲＰＭから始動する能力とを含む本発明の液圧アクチュエータシステムによって、本発明のいくつかの利点が達成及び到達されることが理解されよう。特に、ゼロＲＰＭにおいて、サーボモータがエネルギーを利用せず、エネルギー節約及びサーボモータ寿命の延長をもたらす一方、サーボモータの運転時間を最小化する。本発明のアクチュエータは、デューティサイクルの制限なしに、迅速で連続的にＲＰＭ及び方向を変えることがさらにできる。

本発明の別の利点は、原動機（すなわち、サーボモータ）動力を制御することにより液圧ポンプへの動力入力を調整すること、したがって機械的な圧力調整の必要をなくすことによって液圧流体圧力を制御する能力である。

本発明の別の利点は、アクチュエータの出力速度が、可変速度サーボモータによって電気的に制御されることである。このことによって、各個別用途のため性能を最適化するための、可変の加速度、速度、及び減速度が可能になる。

別の利点は、サーボモータの速度が必要なアクチュエータの運動に比例するため、アクチュエータが動いているときにのみ動作する原動機（すなわち、サーボモータ）の、低エネルギー消費及び長寿命である。

本発明は、ここで、添付図面を参照して、例としてのみ記載される。
内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステムの好ましい実施形態の概略図である。 内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステムの別の好ましい実施形態の概略図である。

本発明は、サーボモータ４及び双方向液圧ポンプ１を有する内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステム１００であり、そのポンプアセンブリは、システムを通る流体流の速度及び方向、並びに流体流に応答する液圧シリンダ２を制御するように調整可能である。

本発明は、少なくとも１つのアクチュエータ、すなわち、ピストン１４及びロッド１５を備え、液圧流体の流入又は流出のため、第１のシリンダポート１２（入口）及び第２のシリンダポート１３（入口）を介した、少なくとも１つの液圧流体入力及び少なくとも１つの液圧流体出力を有する、液圧シリンダ２と、液圧シリンダ２と流体連通し、液圧シリンダ２に液圧流体を提供し、ロッド１５の位置を制御する少なくとも１つの双方向液圧ポンプ１と、双方向液圧ポンプ１に動作可能に接続されて液圧ポンプ１を駆動するサーボモータ４と、液圧アクチュエータシステム１００を制御するためのコントローラユニット６とを含む、液圧システムを提供する。アクチュエータの出力及び速度は、コントローラユニット６の制御用電子回路ユニット６Ａがサーボ駆動ユニット６Ｂを介してサーボモータ４の速度を変えることによって、電気的に制御される。このことによって、各個別用途のため性能を最適化するための、可変の加速度、速度、及び減速度が可能になる。

双方向液圧ポンプ１とサーボモータ４とは、直接的及び連続的に接続される。双方向ポンプ１からの平滑な又は脈動のない出力が好ましい。この点について、ピストンタイプのポンプは、圧力／フローパルスのために、問題があることになる。それは、双方向液圧ポンプ１のＲＰＭ及び方向が、サーボモータのＲＰＭ及び方向と常に等しいことを意味する、１対１の接続比である。液圧アクチュエータシステム１００は、異なるサイズのサーボモータ及び双方向液圧ポンプを、様々な押し退け量で使用することができる。例えば、０．２５、０．８１、及び１．６４ｈｐの定格馬力、並びにそれぞれ、３．９、１２．７７、及び２５．８７インチポンドの定格トルクを有するサーボモータ。上記のモータで有用となる双方向液圧ポンプとしては、例えば、それぞれ、１回転当たり０．００９８、０．０３２１、及び０．０６５立方インチの押し退け量を有するものが挙げられる。サーボモータ４及び液圧ポンプ１は、必ずしも連結歯車又はトランスミッションを必要としないが、必要に応じて適合することができる。

液圧流体圧力は、サーボモータ４の動力を制御することにより双方向液圧ポンプ２への動力入力を調整することによって制御又は制限される。双方向液圧ポンプ１は、少なくとも２つのポート、すなわち、第１のポート８及び第２のポート９を有し、（液圧流体の流出又は流入のため）ポートを通していずれかの方向に流体をポンプ送出することができる。双方向液圧ポンプ１は、液圧シリンダ２に動作可能に接続される。双方向液圧ポンプ１が液圧流体をポンプ送出すると、液圧流体は、液圧シリンダ２のピストン１４及びロッド１５を駆動し、圧力差を変えることによって、液圧アクチュエータシステム１００の運動及び位置を制御する。

本明細書で使用するサーボモータ４とは、その速度又は他の動作パラメータを変えることによって制御信号に応答する任意のモータが挙げられる。この発明によれば、サーボモータ４は、双方向液圧ポンプ１を制御するために使用される。サーボモータ４は、瞬間的及び連続的に、方向を逆転し、速度を変え、一定のＲＰＭを維持する能力を有する。サーボモータ４は、負荷の下でゼロＲＰＭから最大定格ＲＰＭの定格トルクを生成するように構成される。

本明細書で使用する、コントローラユニット６は、制御用電子回路ユニット６Ａ及びサーボ駆動ユニット６Ｂを備え、液圧シリンダ２上に設置される位置センサ２２からの位置のフィードバック信号を監視し、予期される挙動からのずれを連続的に調整する。多くのタイプのデバイスを、位置センサ２２として使用するために考えることができる。例えば、ポテンショメータを位置センサ２２として使用することができる。サーボ駆動ユニット６Ｂは、サーボモータ４を動作させるために使用され、負荷が増加する状況及び負荷が超過する状況の下でモータＲＰＭを維持し、サーボモータフィードバックユニット５との間の信号を利用して、サーボモータの回転子の位置、方向、及びサーボモータの速度の閉ループ制御を実現する。サーボモータの回転子、すなわち、双方向液圧ポンプ１に取り付けられる出力軸を含む、サーボモータの全回転部分。サーボモータ４のサーボモータフィードバックユニット５は、デジタルエンコーダを利用して、サーボ駆動ユニット６Ｂに、回転子の速度、方向、及び位置のフィードバックを提供する。デジタルエンコーダ（図示せず）は、サーボモータ４の回転子の端部に接続される、サーボモータフィードバックユニット５内のデジタルデバイスである。デジタルエンコーダは、サーボ駆動ユニット６Ｂに、サーボモータの速度、方向、及び回転子の角度位置のフィードバックを提供する。しかし、本液圧アクチュエータシステム１００は、回転子のフィードバック情報の角度位置部分を必ずしも必要とせず、動作するために、回転子の速度及び方向だけを必要とする。サーボモータフィードバックユニット５、制御用電子回路ユニット６Ａ、及びサーボ駆動ユニット６Ｂによって、可変の負荷状態の下で、正確なＲＰＭ制御が確実になる。液圧流体圧力は、液圧ポンプ１に接続される、サーボモータ４への動力入力を調整することによって、制御又は制限され、このことによって、機械的な圧力調整器又はアキュムレータのいずれかの必要がなくなる。アキュムレータは、液圧蓄電池のような、圧力の下で液圧流体を蓄積する、蓄積エネルギーデバイスである。本発明によれば、アキュムレータは、緊急停止（ＥＳＤ, Emergency Shut Down）状態のために使用することができるが、通常動作では必要ない。液圧アクチュエータシステム１００が、アキュムレータの蓄積したエネルギーを利用することによって、電力の喪失などのある種の状況下で、そのバルブ又はデバイスを指定される位置に位置調整できることを意味する。

本双方向液圧ポンプ１及びサーボモータ４は、組み合わせて、サーボバルブとして機能し、流体流速及び方向を制御する。その結果、サーボバルブの必要がなくなる。

本明細書で使用する、ソレノイドバルブ３は、電気機械的に動作するバルブである。ソレノイドバルブ３は、ソレノイドを通る電流によって制御される。ソレノイドバルブ３を使用することによって、アクチュエータシステムが、サーボモータ４の動作なしに負荷を定位置に保持すること、及び位置を維持するためにサーボモータ４を運転する必要がないことが可能になる。

サーボモータ４／液圧ポンプ１は、ソレノイドバルブ３の作動／開の前、数ミリ秒に始動する。このタイミング及び順序付けは、瞬間的な逆方向への運動がないように、ソレノイドバルブ３の後側の圧力を負荷側と等しくするように実施される。

さらに、現在特許請求されるアクチュエータは、ソレノイドバルブを使用することで負荷に対する位置を保持する能力、又は全くバルブを使用することなく位置を保持する能力を有することによって、デュアルモード（又は、デュオモード）動作で働くことができる。第１のモードの位置は、ソレノイドバルブが閉であるときに、液圧シリンダ２内に作り出される液圧ロックによって保持される。第２のモードの動作では、位置は、原動機（すなわち、サーボモータ）４／液圧ポンプ１の速度のみを制御することによって保持される。サーボモータ４／液圧ポンプ１は、第２のモードにおいて、液圧ポンプ１の内部漏洩を押し退けるのに必要な速度でのみ回転する。しかし、位置を保持するのに必要な正確な圧力は、第１のモードにおける、アクチュエータシリンダとの間の、ゼロの流体流で維持される。アクチュエータの周波数応答及び位置調整分解能は、ソレノイドバルブ３の応答時間及び応答毎の最小流体流による制限を受けない。

ソレノイドバルブが機械的なデバイスであるために、電気信号がソレノイドバルブ３に送信されたときから、ソレノイドバルブ３が実際に動く又は開くときには、遅延又は遅れがある。これは、主に、機械的部品の物理的な慣性に起因する。遅延期間は極めて短い、すなわちミリ秒であるものの、遅延は、アクチュエータがどれだけ迅速に制御信号の変化に応答できるかにやはり影響を及ぼすことになる。

周波数応答は、液圧アクチュエータシステム１００が、どれだけ多くの変化に、所与の期間中に応答できるかについての測度であり、期間は、一般に秒、すなわちサイクル／秒又はヘルツで測定される。ソレノイドのアクションが遅れる又はソレノイドのアクションを待つのに費やされる時間が少ないほど、所与の期間中にアクチュエータの運動がより変化すること、又はより速い周波数応答が可能になる。

分解能は、アクチュエータが所与の入力信号の変化で通過させることができる流体の最小量によって決定される。ソレノイドバルブ３は、開くための遅れ時間及び閉じるための遅れ時間を有するので、流体がソレノイドバルブ３を通って流れることができる最小期間がある。この流体の最小量が、アクチュエータの運動の最小量、又はソレノイドバルブ３を使用するときの分解能を決定する。バルブを閉じないこと又は使用しないことによって、分解能及び周波数応答へのその限界がなくなる。こうして、コントローラユニット６は、入力信号の変化の周波数に依存して、ソレノイドバルブ３を使用する、又は使用しない。

本発明によれば、動作のシーケンスは以下のようになる。休止している液圧アクチュエータシステム１００で開始する。コントローラユニット６の制御用電子回路ユニット６Ａは、コントローラユニット６に送信される入力制御信号（遠隔の発生源、すなわちプラント制御室（図示せず）からの４〜２０ｍＡ）のものに対する値によって表される、位置センサ２２の位置センサフィードバック信号２２Ａによって、液圧シリンダ２内のロッド１５／ピストン１４の位置を連続的に比較する内部比較器デバイス（図示せず）を有する。入力制御信号が変化し、許容されるずれよりも大きい量だけ位置センサフィードバック信号２２Ａと異なる（不感帯を超える）とき、コントローラユニット６の制御用電子回路ユニット６Ａは、サーボモータ４を特定の方向に動かし始める、サーボモータフィードバックユニット５への制御用電子回路信号６Ｃを開始する。入力制御信号及び位置センサフィードバック信号２２Ａの大きさ及び方向の変化に基づいて、制御用電子回路ユニット６Ａは、第１に、サーボモータ４の速度及び方向、すなわち「運転速度」を決定する。

第２に、制御用電子回路ユニット６Ａは、圧力の均等化を実現するため、ソレノイドバルブ３を開く、制御用電子回路信号６Ｄを送信する。

第３に、ソレノイドバルブ３が開き、数分の１秒以内、すなわち実質的に同時に、サーボモータ４が、以前に決定された運転速度へとランプアップする。ロッド１５／ピストン１４は、ここで、それらの新しく命令された位置に動き、ロッド１５が、液圧シリンダ２に取り付けられた位置センサ２２によって測定されて、ロッド１５の新しい位置目標の５パーセント以内になると、位置センサが位置センサフィードバック信号２２Ａを制御用電子回路ユニット６Ａに提供し、制御用電子回路ユニット６Ａが制御用電子回路信号６Ｃをサーボモータフィードバックユニット５に送信し、したがってサーボモータ４に信号伝達して速度をランプダウンさせ始める。命令された位置に到達すると、アクチュエータは、液圧ポンプ１の内部漏洩に打ち勝ち、液圧シリンダ２中の圧力を維持するために、モータ４／液圧ポンプ１の運転をちょうど十分な速さ（非常に低いＲＰＭ）でサーボ制御させることにより位置を維持する一方、ソレノイドバルブ３は開のままとする。これは、調整可能な期間に行われる。あるいは、本発明の発明性のあるプロセスでは、新しい位置が達成されてソレノイドバルブ３の調整可能な時定数が満足されると、サーボモータ４はオフになる。サーボモータ４の速度は、ロッド１５の移動の最後の「５パーセント」の間に、最大限の移動速度から「ロック」速度にランプダウンする。ランプする工程は、主に、モータが新しい位置へずっと最大限の速度で運転し、次いで単純に遮断する場合に制御するのが困難な位置のオーバシュートを回避するためにそこにある。

入力制御信号が、調整可能な期間、すなわち調整可能な時定数を超え、新しい位置の不感帯内にとどまる場合、ソレノイドバルブ３を閉じ、サーボモータ４のＲＰＭはゼロになる。液圧アクチュエータシステム１００は、新しい入力制御信号の変化、すなわち運動コマンドを待って、再び休止する。ソレノイドバルブ３が開くときの応答時間、又はソレノイド３が開く前の圧力の均等化を液圧アクチュエータシステム１００が待つ必要がないので、この調整可能な時定数によって、アクチュエータが連続的な入力制御信号の変化より速く応答することが可能になる。このことによって、連続的に変調する用途のため、アクチュエータの周波数応答が増加する。コントローラユニット６の制御用電子回路ユニット６Ａは、それらが、アナログ入力制御信号及びアナログアクチュエータフィードバック信号の両方を比較器が評価するための数値へと変換するという点で、完全にデジタルである。

本発明の一実施形態によれば、サーボモータ４は、サーボモータフィードバックユニット５からサーボモータ駆動部６Ｂに回転子の速度及び方向の情報を送信する、ホール効果サーボモータフィードバックユニット５を有する。

本発明にしたがう内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステムの原理及び動作は、図１及び図２並びに添付の記載を参照すれば、より良好に理解することができる。

図１は、双方向液圧ポンプ１と、液圧シリンダ２と、ソレノイドバルブ３と、サーボモータ４とを含み、その全部が、制御用電子回路ユニット６Ａ及びサーボ駆動ユニット６Ｂを備えるコントローラユニット６によって制御される、内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステムを図示する。

双方向液圧ポンプ１は、第１のポート８及び第２のポート９を有し、いずれかの方向に流体をポンプ送出する能力を有する。それぞれ、第１のポート８が第１の液圧流体ライン１０に接続され、第２のポート９が第２の液圧流体ライン１１に接続される。第１の液圧流体ライン１０は第１のシリンダポート１２を通して液圧シリンダ２に、第２の液圧流体ライン１１は第２のシリンダポート１３を通して液圧シリンダ２に、それぞれさらに連通する。液圧シリンダ２は、ピストン１４及びピストン１４に取り付けられるロッド１５を含み、ピストン１４は、液圧シリンダ２の内側を、第１のチャンバ２０と第２のチャンバ２１とに分割する。第１のシリンダポート１２と第２のシリンダポート１３とは、液圧シリンダ２の反対の端部に設置されており、第１のシリンダポート１２が第１のチャンバ２０と、第２のシリンダポート１３が第２のチャンバ２１とそれぞれ接続されている。双方向液圧ポンプ１が液圧流体を第２のポート９からポンプ送出すると、液圧流体は、第２のライン１１及び第２のシリンダポート１３を通って第２のチャンバ２１へと動き、ピストン１４が第１のチャンバ２０へと（又は、負荷に向かって）動く。同時に液圧流体は、第１のチャンバ２０から出て、第１のシリンダポート１２及び第１のライン１０を通って移動し、第１のポート８を通って液圧ポンプ１へと入る。双方向液圧ポンプ１が方向を変えると、液圧流体は、第１のポート８からポンプ送出され、ピストン１４を第２のチャンバ２１へと動かして駆動する。双方向ポンプ１は、ピストン１４の両側の間の圧力差を変えることによって、ピストン１４の運動及び位置を制御する。好ましい実施形態のうちの１つでは、双方向液圧ポンプ１は、可逆歯車ポンプである。液圧シリンダ２が、ダブルロッドエンド型ピストン１４を使用して、ピストン１４の両面に均等な環状区域をもうけて、ピストン１４が液圧シリンダ２中のいずれかの方向に動くときに均等な体積を維持することも好ましい。

サーボモータ４は、デューティサイクルの制限なしに、迅速で連続的に、方向を逆転し、速度を変え、一定のＲＰＭを維持するサーボモータ４の能力に起因して、この用途のために、液圧ポンプ（双方向ポンプ）１を制御するのに理想的に適している。こうして、サーボモータ４は、例えば、デューティサイクルの制限を有する誘導モータが必要とするダウンタイムなしで、制限のない始動／停止及び加速／減速（変調デューティ）機能を実現することができる。

サーボモータの能力は、特許請求する発明にとって極めて重要である。というのは、アクチュエータが動作するときに、制御される可変速のエネルギー消散を可能にするからである。したがって、負荷の下でゼロＲＰＭから最大定格ＲＰＭの定格トルクを生成するように構成されるサーボモータ４、並びにサーボモータ４を動作させるために必要なサーボ駆動ユニット６Ｂを使用するのは、重大である。サーボモータ４はサーボモータフィードバックユニット５を有しており、サーボモータフィードバックユニット５は、そのデジタルエンコーダを介した回転子の速度及び回転子の方向のフィードバックを、フィードバック信号６Ｃを介してサーボ駆動ユニット６Ｂに提供し、そのことによって、可変の負荷状態の下で、正確なＲＰＭ制御が確実になる。具体的には、サーボモータフィードバックユニット５からのフィードバック信号６Ｃに基づいて、サーボ駆動ユニット６Ｂは、負荷が増加する状況及び負荷が超過する状況の下でサーボモータＲＰＭを維持し、回転子の方向及び回転子の速度の閉ループ制御を実現する。本質的に、液圧ポンプ１及びサーボモータ４は、組み合わせて、流体流速及び方向を制御するための方向性サーボバルブとして機能し、その結果、その組合せによってサーボバルブの必要がなくなる。好ましい実施形態のうちの１つでは、サーボモータ４は、ＡＣブラシレス永久磁石モータである。

液圧流体圧力は、サーボモータ４を介して双方向液圧ポンプ１への動力入力を調整することによって制御又は制限され、このことによって、機械的な圧力調整器又はアキュムレータのいずれかの必要がなくなる。

ソレノイドバルブ３は、液圧シリンダ２と双方向液圧ポンプ１との間の流体連通を制御するように構成される。

ソレノイドバルブ３を使用することによって、アクチュエータシステムが、サーボモータ４の動作なしに負荷を定位置に保持すること、及びアクチュエータの位置を維持するためにサーボモータ４を運転する必要がないことが可能になる。そのような能力が、エネルギー消費を最小化し、サーボモータ４及び双方向液圧ポンプ１の寿命を延ばす。

この液圧アクチュエータシステムは、デュアルモード動作の能力も有しており、アクチュエータが、ソレノイドバルブ３を使用して、又はソレノイドバルブ３を使用せずに、負荷に対して位置を保持することができる。第１のモードでは、ピストン１５、２２の位置は、ソレノイドバルブ３が閉であるときに液圧シリンダ２内に生成される液圧ロックによって保持される。第２のモードの動作では、ピストン１５、２２は、サーボモータ４及び双方向液圧ポンプ１の速度を制御することによって保持される。サーボモータ４及び液圧ポンプ１は、液圧ポンプ１の内部漏洩を押し退けるのに必要な速度でのみ回転し、液圧シリンダ２との間の、ゼロの流体流で位置を保持するのに必要な正確な圧力を維持する。周波数応答及び位置調整精度は、ソレノイドバルブ３の応答時間及び応答毎の最小流体流による制限を受けない。

アクチュエータシステムは、制御用電子回路ユニット６Ａを備えるコントローラユニット６をさらに含む。本明細書で使用する制御用電子回路ユニット６Ａは、サーボモータを始動及び停止させ、順方向又は逆方向の回転を選択し、速度を選択及び調整し、トルクを調整又は制限し、過負荷及び故障に対する保護をするための、手動又は自動の手段を含むことができる。

（制御用電子回路ユニット６Ａ及びサーボ駆動ユニット６Ｂを備える）コントローラユニット６は、液圧シリンダ２の位置センサ２２から、ピストンセンサフィードバック信号２２Ａを受信して、ソレノイドバルブ３に制御用電子回路信号６Ｄを、またサーボモータフィードバックユニット５に制御用電子回路信号６Ｃを送信及び／又は受信する。こうして、コントローラユニット６は、サーボモータ４及びソレノイドバルブ３がそれぞれ始動／停止及び開／閉するように、サーボモータ４及びソレノイドバルブ３の両方を同時に動作させる能力を有する。

コントローラユニット６の制御用電子回路ユニット６Ａは、同時に（ミリ秒以内に）ソレノイドバルブ３を閉じてサーボモータ４を停止する、あるいはほとんど同時に、ソレノイドバルブ３を開いてサーボモータ４に負荷の下でゼロＲＰＭから最大定格ＲＰＭの定格トルクを生成させるようにプログラムすることができる。制御用電子回路ユニット６Ａは、液圧シリンダ２に取り付けられる位置センサ２２から位置センサフィードバック信号２２Ａを受信する能力をやはり有し、ピストン１４／ロッド１５及び／又は液圧シリンダ２の位置を検知することによって、制御用電子回路ユニット６Ａは、サーボ駆動ユニット６Ｂに制御用電子回路信号を送信し、サーボモータ４の方向及び速度を制御することができる。こうして、サーボモータ４及び双方向液圧ポンプ１は、ソレノイドバルブ３の作動／開の前、数ミリ秒に始動する。このタイミング及び順序付けは、瞬間的な逆方向への運動がないように、ソレノイドバルブ３の後側の圧力を負荷側と等しくするように行われる。要するに、サーボモータ４は、ソレノイドバルブ３が開く前、数分の１秒で圧力を開始し、こうして、システム内の液圧の、最初の瞬間的な低下を回避する。

液圧流体リザーバ７が好ましいが、必須ではない。使用するとき、液圧流体リザーバ７は、密封され、液圧流体及びシステムの熱膨張及び収縮に起因する体積変化を埋め合わせるのに必要な体積だけがある。アクチュエータシステムが動作すると、流体は、リザーバ７の中にポンプ送入されたりリザーバ７からポンプ送出されたりせず、単に、液圧シリンダ２の一方の側から他方へと送出される。密封される液圧アクチュエータシステムは、流体汚染の全ての外部の発生源をなくし、このことによって、周期的に流体を変える必要が最小になる。

図２は、双方向液圧ポンプ１と、液圧シリンダ２と、ソレノイドバルブ３、３’、３’’と、サーボモータ４とを含み、その全部が、制御用電子回路ユニット６Ａ及びサーボ駆動ユニット６Ｂを備えるコントローラユニット６によって制御される、内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステムの別の好ましい実施形態の概略図を提供する。図２は、アクチュエータシステムの内側の、内部液圧流体圧力を維持するために使用される、吸込逆流防止バルブ２６を備える逆流防止バルブをやはり提供する。図２に示されるように、フィルタＦ１を通る逆流を防止するために逆流防止バルブ２６’及び２６’’を使用することができる。同様に、フィルタＦ２を通る逆流を防止するために、他の逆流防止バルブを使用することができる。

上述したように、サーボモータ４はサーボモータフィードバックユニット５を有しており、サーボモータフィードバックユニット５は、そのデジタルエンコーダを介した回転子の速度及び位置のフィードバック信号６Ｃをコントローラユニット６のサーボ駆動ユニット６Ｂに提供し、そのことによって、可変の負荷状態の下で、正確なＲＰＭ制御が確実になる。具体的には、サーボモータフィードバックユニット５からの位置のフィードバック信号６Ｃに基づいて、サーボ駆動ユニット６Ｂは、負荷が増加する状況及び負荷が超過する状況の下でモータＲＰＭを維持し、回転子の位置及び速度の閉ループ制御を実現する。

ソレノイドバルブ３は、液圧シリンダ２と液圧ポンプ（双方向ポンプ）１との間の流体連通を制御するように構成される。上述したように、制御用電子回路ユニット６Ａは、サーボモータ４及びソレノイドバルブ３がそれぞれ始動／停止及び開／閉するように、サーボモータ４及びソレノイドバルブ３の両方を動作させる能力を有する。図２は、好ましいが必須ではない液圧流体リザーバ７も示す。

図２は、液圧シリンダ２の内側の圧力を維持するために、液圧シリンダ２の他の端部に追加できる第２のソレノイドバルブ３’も示す。第３のソレノイドバルブ３’’を使用して、緊急停止ループを導入することもできる。緊急状態の下で、ソレノイドバルブ３’’が開き、液圧流体が液圧ポンプ１及びソレノイドバルブ３、３’’をバイパスして、液圧シリンダ２の一方の側（すなわち、第２のチャンバ２１）から液圧シリンダ２の他方の側（すなわち、第１のチャンバ２０）に直接移動する。ソレノイドバルブ３、３’、及び３’’は、図２中で点線６Ｄで示される制御用電子回路ユニット６Ａからの制御用電子回路信号を受信する。ソレノイドバルブ３’’は、緊急停止（ＥＳＤ）のために、太い点線で、第１のライン１０及び第２のライン１１とやはり連通していてもよい。

内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステム１００は、全ての構成要素を一緒に一体化して、機械的な運動を必要とするデバイス又はバルブ上に１つのユニットとして搭載される。内蔵型でエネルギー効率の良い液圧アクチュエータシステム１００は、モジュール式ユニットとしても設計することができ、標準的な半組立品から組み立てることができ、完成版のアクチュエータは、応用例の力及び速度要件を満たすために、好適なパワーユニット及び液圧シリンダ２を選択することによって生成される。

現在特許請求されるアクチュエータシステムのエネルギー効率は、以下の例示的な予測例中で、従来技術のシステムと比較される。

特許請求されるアクチュエータシステムと従来技術のアクチュエータシステムとの間のエネルギー消費を比較するとき、アクチュエータの設計及びその用途の両方で多くの変数を考慮しなければならない。モータ、したがってアクチュエータの効率は、負荷及びモータが動作する速度に大きく依存する。実施例のシステム間でこれらの多くの変数を説明するために、エネルギー消費の計算に以下の考察が含まれた。５０％アクチュエータ運動デューティサイクル、すなわち、アクチュエータは、計算される期間の５０％動き、５０％休止する。アクチュエータが動作している又は動いているとき、アクチュエータは、全負荷及び定常負荷で動作している、又はその原動機（モータ）は、その定格出力又は馬力を生成している。実施例は、１日に２４時間、週に７日、１年間という動作スケジュールに基づいている。全出力における実施例１のサーボモータ効率は８５％に等しい。実施例２及び実施例３は、８０％の全出力（定格ＲＰＭ）での効率を備えるＡＣ誘導モータを有し、定格ＲＰＭの１／４において、それらのＡＣ誘導モータの効率は７５％である。実施例３のシステムは、アクチュエータが動いているときに１００％負荷、休止しているとき２０％負荷といった変化する負荷、及び２０％負荷において７０％モータ効率で、１００％ＲＰＭ運転する。実施例２のシステムは、アクチュエータが動いている間は１００％ＲＰＭ、アクチュエータが静止しているときは２５％モータＲＰＭといった変化するＲＰＭで、モータを連続的に運転する。

実施例１から実施例３は、同じ電圧、すなわち２２０ＶＡＣ、３相で動作しており、１ｈｐは７４５ワットと等しく、消費される電力はキロワット時（ｋＷｈ）である。

制御用電子回路により使用される電力は、それらが全てほぼ同じ量の電力を消費するという原理に基づいて、３つの実施例全てから除かれている。３つの実施例全ては、同じ負荷に基づいて、全てのアクチュエータについて同じモータｈｐ出力を有する。

実施例１：本発明のアクチュエータシステムのワット単位の電力使用に基づく。
(1.5hp/0.85効率)x(745w/hp)=1,314ワット
(1,314ワット)x(365日)x(24時間)/1000=11,510kWh
11,510kWh/50%=5,755kWh/年

実施例２：公開された米国特許出願第２００７／０１０１７１１号明細書中に提示されたアクチュエータシステムのワット単位の電力使用に基づく。
(1.5hp/0.80効率)x(745w/hp)=1,396ワット
(1,396ワット)x(365日)x(24時間)/1000(0.5オン時間)=6,114kWh
+(1.5hp/0.75効率)x(745w/hp)x((365日)x(24時間)/1000)x(0.5オフ時間)
=12,640kWh/年

実施例３：米国特許第７，６４０，７３６号明細書中に提示されたアクチュエータシステムのワット単位の電力使用に基づく。
(1.5hp/0.80効率)x(745w/hp)=1,396ワット
((1,396ワット)x(365日)x(24時間))/(1000x(0.5オン時間))=6,114kWh
+((1.5hp/0.70効率)x(745w/hp)x((365日)x(24時間))/1000)x(0.5オフ時間)
=13,106kWh/年

真のエネルギー消費の比較をするため、データは、比較可能な状況での実際の据え付けに由来したということを理解した上で、実施例が準備された。しかし、すばらしい効率をもたらすのは、本発明のアクチュエータシステムが、アクチュエータが動いていないときにモータを遮断するという能力である。実施例１に提示されるように、現在特許請求されるアクチュエータシステムの電力使用は、経時的に著しいエネルギー効率を可能にする。驚くべきことに、実施例１は、計算した期間にわたって、電力使用で５０パーセント以上の減少を実現する。

本記載は、全ての可能な変形形態を網羅的に列挙することは、試みてこなかった。本発明の特定の部分について代替実施形態を提示することができなかったこと、及び記載された部分の異なる組合せから代替実施形態をもたらす場合があること、又は部分について他の記載されない代替実施形態を使用可能な場合があることは、それらの代替実施形態の放棄と考えるべきではない。それらの記載されない実施形態の多くが、以下の請求項の文字通りの範囲内にあり、他のものは、均等物であることを理解されよう。

Claims (25)

1. 少なくとも１つのピストンと、
   前記ピストンに液圧流体を提供し、前記ピストンの位置を制御するため、前記ピストンと流体連通する少なくとも１つの双方向液圧ポンプであって、少なくとも１つの液圧流体入口及び少なくとも１つの液圧流体出口を有するポンプと、
   前記ポンプを駆動するために前記ポンプに動作可能に接続されるサーボモータと、
   前記ピストンと前記双方向ポンプとの間の前記液圧流体を制御するように構成される少なくとも１つのソレノイドバルブと、
   前記ソレノイドバルブ及びサーボモータを制御するためのコントローラと
   を備え、
   前記サーボモータが前記ポンプを駆動していないときに前記ピストンの位置を維持することができる、液圧アクチュエータシステム。
2. コントローラが、制御用電子回路ユニットとサーボ駆動ユニットとを備える、請求項１に記載のシステム。
3. サーボモータが、全負荷の下でゼロから最大毎分回転数（ＲＰＭ, revolutions per minute）に加速することができる、請求項１に記載のシステム。
4. ゼロＲＰＭではサーボモータがエネルギーを利用しない、請求項３に記載のシステム。
5. コントローラが、実質的に同時に、ソレノイドバルブを開きサーボモータを始動する、又は前記ソレノイドバルブを閉じ前記サーボモータを停止することができる、請求項１に記載のシステム。
6. ピストンが液圧シリンダ中に格納される、請求項１に記載のシステム。
7. ピストンが少なくとも１つのロッドを備える、請求項１に記載のシステム。
8. ソレノイドバルブが、サーボモータを運転することなく負荷を保持するように構成される、請求項１に記載のシステム。
9. サーボモータが、サーボモータフィードバックユニットを備える、請求項１に記載のシステム。
10. サーボモータが、ＡＣブラシレス永久磁石モータである、請求項１に記載のシステム。
11. 液圧シリンダが位置センサを有する、請求項６に記載のシステム。
12. 液圧シリンダが第１及び第２のチャンバを備える、請求項６に記載のシステム。
13. ポンプが第１の液圧流体ライン及び第２の液圧流体ラインによってピストンと流体連通する、請求項１に記載のシステム。
14. 液圧シリンダが第１のシリンダポート及び第２のシリンダポートを備える、請求項６に記載のシステム。
15. コントローラが、同時に、センサ及びサーボモータフィードバックユニットから信号を受信し、サーボモータ及びソレノイドバルブに制御信号を送信するように構成される、請求項１１に記載のシステム。
16. コントローラが、サーボモータ及びソレノイドバルブからフィードバック信号を受信するように構成される、請求項１５に記載のシステム。
17. 液圧流体及びシステムの熱膨張及び収縮に起因する体積変化を埋め合わせるように構成される密閉リザーバをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
18. サーボモータが、約０．１馬力〜約２．０馬力、約３〜約２８インチポンドのトルク、及び約４０００〜約５０００の最大ＲＰＭを有する、請求項１に記載のシステム。
19. 双方向液圧ポンプが、１回転当たり約０．００８０〜約０．０８立方インチの押し退け量を有する、請求項１に記載のシステム。
20. 少なくとも１つの吸込逆流防止バルブ及び少なくとも１つのフィルタをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
21. サーボモータ及び少なくとも１つのソレノイドバルブを備える液圧アクチュエータシステムのエネルギー消費を削減するための方法であって、コントローラにおいて前記システムの機能の所望の動作に対応する入力信号を受信するステップと、前記コントローラによって動作限界を決定するステップと、請求項１に記載の液圧アクチュエータシステムのサーボモータ及び少なくとも１つのソレノイドバルブを同時に制御するステップとを含む、前記方法。
22. 液圧アクチュエータシステムのエネルギー消費を削減する方法であって、
    （ｉ）コントローラにおいて、前記システムの機能の所望の動作に対応する入力信号を受信するステップと、
    （ii）前記コントローラによって、前記システムについての動作限界を決定するステップと、
    （iii）サーボモータ及びソレノイドバルブを前記動作限界において同時に制御するステップと
    を含み、
    前記液圧アクチュエータシステムが、少なくとも１つのピストンと、前記ピストンに液圧流体を提供し、前記ピストンの位置を制御するため、前記ピストンと流体連通する少なくとも１つの双方向液圧ポンプであって、少なくとも１つの液圧流体入口及び少なくとも１つの液圧流体出口を有するポンプと、前記ポンプを駆動するために前記ポンプに動作可能に接続されるサーボモータと、前記ピストンと前記双方向ポンプとの間の前記液圧流体を制御するように構成される少なくとも１つのソレノイドバルブとを備え、前記コントローラが前記ソレノイドバルブ及びサーボモータを制御し、前記サーボモータが前記ポンプを駆動していないときに前記ピストンの位置を維持することができる、前記方法。
23. サーボモータが、全負荷の下でゼロから最大毎分回転数（ＲＰＭ）に加速することができる、請求項２２に記載の方法。
24. ゼロＲＰＭではサーボモータがエネルギーを利用しない、請求項２３に記載のシステム。
25. コントローラが、実質的に同時に、ソレノイドバルブを開きサーボモータを始動する、又は前記ソレノイドバルブを閉じ前記サーボモータを停止することができる、請求項２２に記載のシステム。