JP2021011826A - 作動機械 - Google Patents

Abstract

【課題】作動室に圧力センサを設けることなく、作動室の圧力状態を検知することが可能な作動機械を提供する。【解決手段】作動機械は、シリンダと、シリンダと共に作動室を形成するピストンと、圧力ポートを有する本体と、圧力ポートと作動室とを開閉可能に配置される弁体と、作動室の圧力状態を検出する検出部と、を備え、本体は、密閉空間を画成する密閉空間画成部を有し、弁体は、作動室と密閉空間とを連通する連通部を有し、検出部は、密閉空間の圧力状態を検出することで、作動室の圧力状態を検出する。【選択図】図１

Description

本開示は、作動機械に関する。

例えば、特許文献１には、回転軸の回転に連動し並進運動するピストンと、ピストンとで作動室を形成し、ピストンの並進運動によって作動室の容積が変化するシリンダと、作動室と低圧ポートとの連通を制御する低圧側の電磁弁と、作動室と高圧ポートとの連通を制御する高圧側の電磁弁と、を備えた作動機械が開示されている。

ここで、低圧側の電磁弁は、作動室から低圧ポートへの流れを妨げるように設けられたポペットバルブである。また、高圧側の電磁弁は、高圧ポートから作動室への流れを妨げるように設けられたポペットバルブである。低圧側の電磁弁および高圧側の電磁弁は、ポンピングモータ又はモータリングするために、シフトの回転角に連動するように制御されている。

上記の作動機械では、例えば、高圧側の電磁弁が閉じられるタイミングで閉じられなかった場合、作動室が高圧状態のままで回転することで、回転軸とピストンとに異常な摩擦が発生する場合がある。これにより、ピストンなどが焼き付きによって損傷するおそれがある。また、作動機械の性能が低下するおそれがある。

例えば、特許文献２には、作動室の圧力を検出するための圧力センサと、圧力センサの検出結果に基づいて、作動機械の異常を判定する異常判定部とが開示されている。

特許第６２６７３１０号公報 特開２０１５−１２８４８号公報

しかし、上記特許文献２に記載の作動機械では、作動室に圧力センサが設けられているため、例えば、圧力センサを取り付けるための孔、および、孔と圧力センサとの間の隙間を塞ぐための高圧シールが必要となり、製造コストが嵩むという問題がある。

本開示の目的は、作動室に圧力センサを設けることなく、作動室の圧力状態を検知することが可能な作動機械を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における作動機械は、
シリンダと、
前記シリンダと共に作動室を形成するピストンと、
圧力ポートを有する本体と、
前記圧力ポートと前記作動室とを開閉可能に配置される弁体と、
前記作動室の圧力状態を検出する検出部と、
を備え、
前記本体は、密閉空間を画成する密閉空間画成部を有し、
前記弁体は、前記作動室と前記密閉空間とを連通する連通部を有し、
前記検出部は、前記密閉空間の圧力状態を検出することで、前記作動室の圧力状態を検出する。

本開示における作動機械によれば、作動室に圧力センサを設けることなく、作動室の圧力状態を検知することができる。

図１は、本開示の実施の形態に係る作動機械の構成の一部を概略的に示す図である。 図２は、低圧バルブを閉状態、高圧バルブを開状態とした場合の作動機械の構成の一部を概略的に示す図である。 図３Ａは、制御信号の出力状態に対する検出部の出力振幅の一例を示す図である。 図３Ｂは、制御信号の出力状態に対する検出部の出力振幅の一例を示す図である。 図３Ｃは、制御信号の出力状態に対する検出部の出力振幅の一例を示す図である。 図４は、作動室の圧力状態の判定処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本開示の実施の形態に係る作動機械１００の構成の一部を概略的に示す図である。図１には、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸が描かれている。図１において、左右方向をＸ方向、カム軸径方向又は弁体軸方向といい、右方向を「＋Ｘ方向」、「カム軸径方向内側」又は「弁体軸方向一端側」、左方向を「−Ｘ方向」、「カム軸径方向外側」又は「弁体軸方向他端側」という。図１において、上下方向をＹ方向といい、上方向を「＋Ｙ方向」、下方向を「−Ｙ方向」という。図１において、紙面に直交する方向をＺ方向または奥行き方向といい、手前方向を「＋Ｚ方向」、奥方向を「−Ｚ方向」という。なお、弁体軸方向に対する直交する方向を「弁体軸径方向」という。

図１に示すように、作動機械１００は、回転軸１０と、シリンダブロック２０と、シリンダ３０と、ピストン４０と、カム５０と、本体６０と、低圧バルブ７０と、高圧バルブ８０と、検出部９０と、制御部２００とを備える。本実施の形態に係る作動機械１００は、作動流体の流体エネルギーと回転軸１０の回転エネルギーとの間で変換可能に構成される。ここで、作動流体は、液体（例えば、オイル）及び気体（例えば、エア）を含む。

（回転軸１０）
回転軸１０は、Ｚ方向に延在している。回転軸１０は、例えば、クランクシャフトである。なお、回転軸１０に対して円板状のカム５０の中心軸（カム軸）は、ＸＹ平面上で偏心している。

（シリンダブロック２０）
シリンダブロック２０は、カム軸の外周方向に環状に配置されている。図１に、環状に配置されるシリンダブロック２０の一部を示す。シリンダブロック２０は、シリンダ３０が嵌め込まれる嵌合穴２２と、低圧ポート２４とを有している。

低圧ポート２４は、嵌合穴２２の周囲に設けられている。低圧ポート２４は、シリンダブロック２０をカム軸径方向内側からカム軸径方向外側へ貫通している。これにより、低圧ポート２４は、シリンダブロック２０とカム５０との間の隙間であるカム室２６と作動室２８（後述する）とを連通する。カム室２６は、低圧流体ライン（不図示）を構成する。

（シリンダ３０）
シリンダ３０は、嵌合穴２２に嵌め込まれ、固定されている。なお、カム５０の周方向に沿って複数組（例えば、８組）のシリンダ３０およびピストン４０が配列されている。図１に、複数組のうちの１組のシリンダ３０およびピストン４０を示す。図１に示すように、シリンダ３０の中心軸は、カム軸径方向（Ｘ方向）に沿って延在している。

（ピストン４０）
ピストン４０は、シリンダ３０と共に作動室２８を形成し、シリンダ３０に案内されてカム軸径方向（Ｘ方向）に沿ってシリンダ３０内を往復運動可能に配置されている。ピストン４０のカム５０側の端部（＋Ｘ側端部）がカム５０のカム面に当接している。これにより、ピストン４０の往復運動と回転軸１０の回転運動とが交換可能となる。

（カム５０）
カム５０は、回転軸１０と一体的に回転する。カム５０は、例えば、円板を有し、円板の中心が回転軸１０の軸中心から所定距離だけ離間する偏心カムである。カム５０及びカム５０が取り付けられた回転軸１０は、ピストン４０がＸ方向に一往復する間に一回転するように構成される。

（本体６０）
本体６０は、鉄等の磁性材料からなる。本体６０は、バルブブロック６１およびエンドブロック６２を有している。複数個（例えば８個）のバルブブロック６１は、シリンダブロック２０の外周方向（カム軸の周方向）に沿って所定の間隔で配置されている。図１に、複数個のうちの１つのバルブブロック６１を示す。また、バルブブロック６１のカム軸回りの方向一端側およびカム軸回りの方向他端側を省略して示す。バルブブロック６１は、図１に示すように、シリンダブロック２０よりもカム軸径方向外側（−Ｘ方向）に配置されている。

バルブブロック６１は、カム軸径方向内側壁面６１１と、第１円周状壁面６１２と、環状壁面６１３と、第２円周状壁面６１４と、カム軸径方向外側壁面６１５と、高圧ポート６１８（本開示の「圧力ポート」に対応する）とを有している。

カム軸径方向内側壁面６１１は、バルブブロック６１のカム軸径方向内側（＋Ｘ方向）の端に位置し、＋Ｘ方向に面している。第１円周状壁面６１２は、カム軸径方向内側壁面６１１からカム軸径方向外側（−Ｘ方向）に延在する第１穴６１６の周壁面である。環状壁面６１３は、カム軸径方向内側壁面６１１よりもカム軸径方向外側（−Ｘ方向）に位置し、第１円周状壁面６１２のカム軸径方向外側（−Ｘ方向）の端から弁体軸径方向外側に拡径する、−Ｘ方向に面する壁面である。第１円周状壁面６１２と環状壁面６１３とが交差する角部には、面取りが施されている。

第２円周状壁面６１４は、環状壁面６１３の弁体軸径方向外側の端からカム軸径方向外側（−Ｘ方向）に延在する第２穴６１７の周壁面である。第２穴６１７の径は、第１穴６１６の径よりも大きい。カム軸径方向外側壁面６１５は、第２穴６１７のカム軸径方向外側（−Ｘ方向）の端から弁体軸径方向外側に拡径する、−Ｘ方向に面する壁面である。高圧ポート６１８は、第２円周状壁面６１４から弁体軸径方向外側に延在している。高圧ポート６１８は、高圧流体ライン（不図示）に接続されている。

エンドブロック６２は、カム軸径方向内側壁面６２１と、内周壁面６２２と、底壁面６２３と、外周壁面６２４と、カム軸径方向外側壁面６２５とを有している。エンドブロック６２は、バルブブロック６１の第２穴６１７に嵌め込まれて、固定されている。

カム軸径方向内側壁面６２１は、エンドブロック６２のカム軸径方向内側（＋Ｘ方向）の端に位置し、＋Ｘ方向に面している。内周壁面６２２は、カム軸径方向内側壁面６２１からカム軸径方向外側（−Ｘ方向）に延在する穴６２６の周壁面である。底壁面６２３は、穴６２６の底壁面であって、カム軸径方向内側壁面６２１よりもカム軸径方向外側（−Ｘ方向）に位置し、＋Ｘ方向に面している。

外周壁面６２４は、カム軸径方向内側壁面６２１の弁体軸径方向外側の端からカム軸径方向外側（−Ｘ方向）に延在するエンドブロック６２の外周壁面である。カム軸径方向外側壁面６２５は、エンドブロック６２のカム軸径方向外側（−Ｘ方向）の端に位置し、−Ｘ方向に面している。カム軸径方向外側壁面６２５は、カム軸径方向（Ｘ方向）においてバルブブロック６１のカム軸径方向外側壁面６１５と同じ位置に位置する。

（低圧バルブ７０）
低圧バルブ７０は、低圧弁体７１と、低圧弁体７１が着座可能な低圧弁シート７２とを有する。

低圧弁体７１は、鉄等の磁性材料からなる。なお、低圧弁体７１は、非磁性材料でもよい。低圧弁体７１は、円板形状を有している。

低圧弁シート７２は、低圧ポート２４の−Ｘ側端の周縁部に設けられている。

低圧バルブ７０は、例えば、低圧弁体７１を低圧弁シート７２から着座する方向に付勢する付勢部材（不図示）と、付勢部材の付勢力に抗して磁力によって低圧弁体７１をカム軸径方向外側（開弁方向、−Ｘ方向）に駆動する電磁石７３とを備えている。図１にカム軸径方向外側（開弁方向）に駆動された低圧弁体７１を示す。低圧バルブ７０は、電磁石７３への電流の供給を制御するための制御信号を出力することで、低圧弁体７１を吸引する吸引力を調整し、低圧ポート２４と作動室２８との開閉を制御する電磁弁である。なお、低圧バルブ７０の開閉状態に関係なく、第１穴６１６と作動室２８とは連通している。

（高圧バルブ８０）
高圧バルブ８０は、高圧弁体８１と、高圧弁体８１が着座可能な高圧弁シート８２とを有する。

高圧弁体８１は、鉄等の磁性材料からなる。なお、高圧弁体８１は、非磁性材料でもよい。高圧弁体８１は、第１軸部８１１と、第２軸部８１２と、円柱部８１３と、連通部８１４とを有する。

第１軸部８１１は、所定の軸径を有し、弁体軸方向の中央部から一端側（＋Ｘ方向）に延在する。第２軸部８１２は、所定の軸径を有し、弁体軸方向の中央部から他端側（−Ｘ方向）に延在する。第２軸部８１２は、エンドブロック６２の穴６２６に弁体軸方向（Ｘ方向）に移動可能に嵌合している。第２軸部８１２、内周壁面６２２を含む周壁部６２２Ａ、および、底壁面６２３を含む底壁部６２３Ａによって密閉空間Ａが画成されている。密閉空間Ａは、高圧弁体８１を間にして、シリンダ３０とは反対の位置（つまり、カム軸径方向外側）に配置される。なお、以下の説明で、第２軸部８１２、周壁部６２２Ａおよび底壁部６２３Ａを「密閉空間画成部」という。

円柱部８１３は、弁体軸方向（Ｘ方向）の中央部に位置する。円柱部８１３は、第１軸部８１１の−Ｘ側端から弁体軸径方向外側に拡径し、弁径体軸径方向外側に対して−Ｘ方向に傾斜する環状壁面８１５と、第２軸部８１２の＋Ｘ側端から弁径方向外側に拡径する環状壁面８１６と、円柱部８１３の外周面を構成する円周壁面８１７とを有する。

連通部８１４は、第１軸部８１１、第２軸部８１２、円柱部８１３の各中心部を弁体軸方向（Ｘ方向）に貫通する。これにより、連通部８１４は、作動室２８と密閉空間Ａとを連通する。その結果、密閉空間Ａの圧力状態は、作動室２８の圧力状態に対応する。

高圧弁シート８２は、第１穴６１６のカム軸径方向外側（−Ｘ方向）の端の周縁部に設けられている。

高圧バルブ８０は、例えば、高圧弁体８１を高圧弁シート８２から着座する方向に付勢する付勢部材（不図示）と、付勢部材の付勢力に抗して磁力によって高圧弁体８１をカム軸径方向外側（開弁方向）に駆動する電磁石８３と、を備えている。図２にカム軸径方向外側（開弁方向）に駆動された高圧弁体８１を示す。高圧バルブ８０は、電磁石８３への電流の供給を制御する制御信号を出力することで、高圧弁体８１を吸引する吸引力を調整し、高圧ポート６１８と作動室２８との開閉を制御する電磁弁である。つまり、高圧ポート６１８と作動室２８との開閉状態は、制御信号の出力状態と対応関係にある。さらに言えば、密閉空間Ａの圧力状態（作動室２８の圧力状態）は、制御信号の出力状態と対応関係にある。

（検出部９０）
検出部９０は、密閉空間Ａの圧力状態を検出する。検出部９０は、例えば、密閉空間画成部（ここでは、底壁部６２３Ａ）の歪みを検出する歪みセンサである。検出部９０は、底壁部６２３Ａの歪みを検出することで、密閉空間Ａの圧力状態を検出し、さらに、作動室２８の圧力状態を検出することが可能となる。換言すれば、検出部９０は、底壁部６２３Ａの歪みを検出することで、高圧弁体８１が所定の位置に位置しているか否かについて推定することが可能となる。

（制御部２００）
制御部２００は、判定部２１０、および、記憶部２２０を有している。

制御部２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備える。ＣＰＵは、ＲＯＭから処理内容に応じたプログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムと協働して作動機械１００を集中制御する。制御部２００は、例えば、電磁石８３（電磁石７３）への電流の供給を制御するための制御信号を出力する。これにより、高圧ポート６１８（低圧ポート２４）と作動室２８との開閉が制御される。記憶部２２０は、例えば不揮発性の半導体メモリ（いわゆるフラッシュメモリ）やハードディスクドライブで構成される。

判定部２１０は、検出部９０の出力状態、および、電磁石８３への電流の供給を制御するための制御信号の出力状態に基づいて、作動室２８の圧力状態が異常であるか否かについて判定する。

次に、作動室２８の圧力状態の判定について、図３Ａから図３Ｃを参照して説明する。図３Ａから図３Ｃは、制御信号の出力状態に対する検出部９０の出力振幅の一例を示す図である。図３Ａから図３Ｃにおいて、横軸に時間（ｓｅｃ）、縦軸に検出部９０の出力振幅（Ｖ）を示す。また、上側に制御信号の出力状態を示し、下側に検出部９０の出力振幅を示す。また、制御信号の出力状態に対する検出部９０の出力状態（ここでは、出力振幅の変曲点）の時間的遅れを、応答遅れＴとして示す。また、変曲点における出力振幅を応答振幅ＡＭとして示す。

判定部２１０は、例えば、図３Ａに示すように、応答遅れＴが閾値を超えていない場合、作動室２８の圧力状態が正常であると判定する。

また、判定部２１０は、例えば、図３Ｂに示すように、応答遅れＴが閾値を超えている場合、作動室２８の圧力状態が異常であると判定する（異常判定条件１）。なお、判定部２１０は、制御信号の出力状態に対する検出部の応答振幅ＡＭが閾値未満である場合、作動室２８の圧力状態が異常であると判定する（異常判定条件２）。なお、異常判定条件１，２のうちの少なくとも一方により作動室２８の圧力状態を判定すればよい。

また、判定部２１０は、例えば、図３Ｃに示すように、制御信号の出力状態に対する検出部の出力振幅が予め定められた時間Ｔ１経過後に閾値Ｖｔｈを超えている場合、作動室２８の圧力状態が異常であると判定する（異常判定条件３）。なお、異常判定条件３を、上記の異常判定条件１，２の少なくとも一方と組み合わせることにより、作動室２８の圧力状態を判定してもよく、上記の異常判定条件１，２と独立して、作動室２８の圧力状態を判定してもよい。

次に、作動室の圧力状態の判定処理について図４を参照して説明する。図４は、作動室の圧力状態の判定処理の一例を示すフローチャートである。制御部２００が判定処理のプログラムを実行することにより開始される。

先ず、ステップＳ１００において、制御部２００は、検出部９０の出力状態を取得する。ここで、検出部９０の出力状態とは、検出部９０が検出した底壁部６２３Ａ（密閉空間画成部）の歪みの検出結果である。

次に、ステップＳ１１０において、制御部２００は、高圧バルブ８０の開閉を制御するための制御信号の出力状態を取得する。

次に、ステップＳ１２０において、制御部２００（判定部２１０）は、制御信号の出力状態に対する検出部９０の出力状態の時間的な遅れが閾値を超えたか否かについて判定する。制御信号の出力状態に対する検出部９０の出力状態の時間的な遅れが閾値を超えている場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１３０に遷移する。制御信号の出力状態に対する検出部９０の出力状態の時間的な遅れが閾値を超えていない場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、処理はステップＳ１４０に遷移する。

ステップＳ１３０において、制御部２００は、作動室２８の圧力状態が異常であると判定する。その後、図４に示す処理は終了する。

ステップＳ１４０において、制御部２００は、作動室２８の圧力状態が正常であると判定する。その後、図４に示す処理は終了する。

上記実施の形態に係る作動機械１００によれば、シリンダ３０と、シリンダ３０と共に作動室２８を形成するピストン４０と、高圧ポート６１８を有する本体６０と、高圧ポート６１８と作動室２８とを開閉可能に配置される高圧弁体８１と、作動室２８の圧力状態を検出する検出部９０と、を備え、本体６０は、密閉空間を画成する密閉空間画成部を有し、高圧弁体８１は、作動室２８と密閉空間Ａとを連通する連通部８１４を有し、検出部９０は、密閉空間Ａの圧力状態を検出することで、作動室２８の圧力状態を検出する。これにより、作動室２８に圧力センサを設けることなく、作動室２８の圧力状態を検知することが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

例えば、上記実施の形態においては、検出部９０として、密閉空間画成部の歪みを検出する歪みセンサを示したが、本開示は、これに限らず、例えば、密閉空間Ａに圧力センサを設けることで、密閉空間Ａの圧力状態を検出してもよい。

なお、従来、作動室２８に取り付けられる圧力センサの取り付けスペースは、カム回りの円周方向で隣接するバルブブロック６１間の隙間となる。このため、取り付けスペースは狭い。その結果、圧力センサの取り付けがしにくいという欠点がある。これに対して、本実施の形態に係る作動機械１００によれば、密閉空間Ａは、高圧弁体８１を間にして、シリンダ３０とは反対の位置（つまり、カム軸径方向外側）に配置される。これより、密閉空間Ａに取り付けられる圧力センサの取り付けスペースを、バルブブロック６１のカム軸径方向外側とすることができる。このため、取り付けスペースが広い。その結果、圧力センサの取り付けがしやすいという利点がある。

本開示は、作動室に圧力センサを設けることなく、作動室の圧力状態を検知することが要求される油圧機械（油圧ポンプ又は油圧モータ）や発電装置に好適に利用される。

１０ 回転軸
２０ シリンダブロック
２２ 嵌合穴
２４ 低圧ポート
２６ カム室
２８ 作動室
３０ シリンダ
４０ ピストン
５０ カム
６０ 本体
６１ バルブブロック
６２ エンドブロック
７０ 低圧バルブ
７１ 低圧弁体
７２ 低圧弁シート
７３ 電磁石
８０ 高圧バルブ
８１ 高圧弁体
８２ 高圧弁シート
８３ 電磁石
９０ 検出部
１００ 作動機械
２００ 制御部
２１０ 判定部
２２０ 記憶部
６１１ カム軸径方向内側壁面
６１２ 第１円周状壁面
６１３ 環状壁面
６１４ 第２円周状壁面
６１５ カム軸径方向外側壁面
６１６ 第１穴
６１７ 第２穴
６１８ 高圧ポート
６２１ カム軸径方向内側壁面
６２２ 内周壁面
６２２Ａ 周壁部
６２３ 底壁面
６２３Ａ 底壁部
６２４ 外周壁面
６２５ カム軸径方向外側壁面
６２６ 穴
８１１ 第１軸部
８１２ 第２軸部
８１３ 円柱部
８１４ 連通部
８１５ 環状壁面
８１６ 環状壁面
８１７ 円周壁面

Claims (7)

1. シリンダと、
   前記シリンダと共に作動室を形成するピストンと、
   圧力ポートを有する本体と、
   前記圧力ポートと前記作動室とを開閉可能に配置される弁体と、
   前記作動室の圧力状態を検出する検出部と、
   を備え、
   前記本体は、密閉空間を画成する密閉空間画成部を有し、
   前記弁体は、前記作動室と前記密閉空間とを連通する連通部を有し、
   前記検出部は、前記密閉空間の圧力状態を検出することで、前記作動室の圧力状態を検出する、
   作動機械。
2. 前記検出部は、前記密閉空間画成部の歪みを検出することで、前記密閉空間の圧力状態を検出する、
   請求項１に記載の作動機械。
3. 前記検出部の出力状態、および、前記圧力ポートと前記作動室との開閉を制御するための制御信号の出力状態に基づいて、前記作動室の圧力状態が異常であるか否かについて判定する判定部と、
   を備える、
   請求項１または２に記載の作動機械。
4. 前記判定部は、前記制御信号の出力状態に対する前記検出部の出力状態の時間的遅れが閾値を超えている場合、前記作動室の圧力状態が異常であると判定する、
   請求項３に記載の作動機械。
5. 前記判定部は、前記制御信号の出力状態に対する前記検出部の出力振幅が閾値未満である場合、前記作動室の圧力状態が異常であると判定する、
   請求項３に記載の作動機械。
6. 前記判定部は、前記制御信号の出力状態に対する前記検出部の出力振幅が予め定められた時間経過後に閾値を超えている場合、前記作動室の圧力状態が異常であると判定する、
   請求項３に記載の作動機械。
7. 前記密閉空間は、前記弁体を間にして、前記シリンダとは反対の位置に配置される、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の作動機械。
   
   

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