JP2022054502A - 液圧駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】液圧アクチュエータの高精度化と、省エネ化を実現することができる液圧駆動回路を提供する。【解決手段】圧液を吐出するメインポンプ２と、メインポンプ２より吐出された圧液が供給される液圧アクチュエータ４と、メインポンプ２と、液圧アクチュエータ４との間に配置され、該メインポンプ２より吐出された圧液を該液圧アクチュエータ４に供給するサーボ弁３と、サーボ弁３と、メインポンプ２との間に配置され、該メインポンプ２から吐出された圧液を、必要に応じて、所定分、増圧してサーボ弁３に供給するサブポンプ５と、を有し、サブポンプ５は、液圧アクチュエータ４に供給される圧液が所定圧以内であれば、サーボ弁３に圧液を供給せず、該所定圧以上になれば、サーボ弁３に圧液を供給してなる。【選択図】図１

Description

本発明は、液圧（油圧や水圧等）駆動機械に用いられる液圧駆動回路に関する。

近年、油圧システムは、大出力が必要な機器や装置に広く用いられている。例えば、一般産業用マニピュレータ、油圧ショベルや特装車のロボットアームなどのロボット、航空機、宇宙機、或いは、トラクター等の農業機械などの走行車両等に用いられている。

このような油圧システムとして、例えば、特許文献１に記載のようなものが知られている。この特許文献１に記載の発明は、液圧アクチュエータの一種であるシリンダと、ポンプが吐出する作動油をシリンダへ供給してシリンダを伸縮作動させるサーボ弁とを備えているものである。

特開２０２０－４１６４９号公報

ところで、このような油圧システムをロボットに適用させる場合、ロボットは、昨今多軸化していることから、軸毎に、シリンダとサーボ弁を用意する必要がある。この際、メインポンプから吐出された作動油が分岐して、各軸に用意されているシリンダとサーボ弁に供給されることとなる。それゆえ、メインポンプで必要な圧力と流量を全て賄う必要があることから、メインポンプのサイズとコストが増大する。しかも、多軸で用いる場合、想定される最高圧力に設定しなければならないことから、負荷圧が低い軸では無駄にエネルギーが捨てられてしまうという問題があった。さらに、サーボ弁は、バルブを閉じていても、その構造上、中立位置における隙間が大きく、経年変化によって、隙間がさらに単調に増加することとなる。それゆえ、理想的には、電流０で流量も０であるが、隙間があるため漏れてしまい、もって、差圧が大きい場合に、タンクに捨てられる（熱となって失う）エネルギーが相当大きくなるといった問題があった。

そこで、このような問題を解決すべく、サーボ弁として、ロータリーサーボ弁を使用することが考えられる。ロータリーサーボ弁は、中立位置における漏れが少ないことが知られていることから、有用である。

しかしながら、サーボ弁として、ロータリーサーボ弁を使用したとしても、多軸で用いる場合におけるエネルギーロスを回避することができず、結局、上記のような問題を解決することができないという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、液圧アクチュエータの高精度化と、省エネ化を実現することができる液圧駆動回路を提供することを目的としている。

上記本発明の目的は、以下の手段によって達成される。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

請求項１に係る液圧駆動回路は、圧液を吐出するメインポンプ（２）と、
前記メインポンプ（２）より吐出された圧液が供給される液圧アクチュエータ（４）と、
前記メインポンプ（２）と、前記液圧アクチュエータ（４）との間に配置され、該メインポンプ（２）より吐出された圧液を該液圧アクチュエータ（４）に供給するサーボ弁（３）と、
前記サーボ弁（３）と、前記メインポンプ（２）との間に配置され、該メインポンプ（２）から吐出された圧液を、所定分、増圧して前記サーボ弁（３）に供給するサブポンプ（５）と、
前記メインポンプ（２）から吐出された圧液が通るメイン経路（メイン配管経路１０）と、
前記サーボ弁（３）より排出された圧液が通る排出経路（排出管路１１）と、を有し、
前記サブポンプ（５）は、前記液圧アクチュエータ（４）に供給される圧液が所定圧（Ｐ_Ｌ）以内であれば、前記サーボ弁（３）に圧液を供給せず、該所定圧（Ｐ_Ｌ）以上になれば、前記サーボ弁（３）に圧液を供給してなることを特徴としている。

また、請求項２に係る液圧駆動回路は、上記請求項１に記載の液圧駆動回路において、前記サブポンプ（５）にて所定分増圧された圧液が通るサブ経路（サブ配管経路１３）と、をさらに有し、
前記メイン経路（メイン配管経路１０）と、前記サブ経路（サブ配管経路１３）との間には、逆止弁（６）が配置されてなることを特徴としている。

一方、請求項３に係る液圧駆動回路は、上記請求項１又は２に記載の液圧駆動回路において、多軸ロボットで使用する場合、前記液圧アクチュエータ（４）と、前記サーボ弁（３）と、前記サブポンプ（５）と、前記メイン経路（メイン配管経路１０）と、前記排出経路（排出管路１１）と、を軸毎に用意し、並列に並べた上で、該軸毎のメイン経路（メイン配管経路１０）同士を接続し、該軸毎の排出経路（排出管路１１）同士を接続してなることを特徴としている。

次に、本発明の効果について、図面の参照符号を付して説明する。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

請求項１に係る発明によれば、液圧アクチュエータ（４）に供給される圧液が所定圧（Ｐ_Ｌ）以内であれば、サブポンプ（５）は、サーボ弁（３）に圧液を供給しないようになっている。それゆえ、所定圧（Ｐ_Ｌ）以内は、メインポンプ（２）のみによって、圧液がサーボ弁（３）に供給されることとなる。しかるに、メインポンプ（２）による圧力（Ｐ_Ｌ）内の負荷においては、サーボ弁（３）によって高応答、且つ、高速運動を実現することができる。これにより、液圧アクチュエータ（４）は、公知の油圧サーボ技術と同等の性能を発揮することができる。

また、液圧アクチュエータ（４）に供給される圧液が所定圧（Ｐ_Ｌ）以上になれば、サブポンプ（５）は、サーボ弁（３）に圧液を供給するようにしている。これにより、液圧駆動回路（１）を多軸ロボットに適用するにあたって、メイン経路（メイン配管経路１０）は、他の軸に存するメイン経路（メイン配管経路１０）と接続され、排出経路（排出管路１１）は、他の軸に存する排出経路（排出管路１１）と接続され、もって、所定圧（Ｐ_Ｌ）は共通の圧力となる。それゆえ、サブポンプ（５）によって、局所的に圧液が増圧されても、他の軸とは非干渉であることから、従来のようなエネルギーロスを回避することが可能となる。

しかして、本発明によれば、液圧アクチュエータの高精度化と、省エネ化を実現することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、メイン経路（メイン配管経路１０）と、サブ経路（サブ配管経路１３）との間に、逆止弁（６）が配置されているから、合流点（１０ｂ）にて合流した、増圧されていない圧液が、メインポンプ（２）に逆流してくる事態を防止することができる。これにより、液圧駆動回路（１）を多軸ロボットに適用している場合、他の軸に、所定圧（Ｐ_Ｌ）以上の圧液が流れることによる流体的な干渉を防ぐことができ、さらに、メインポンプ（２）が誤作動を起こしてしまう事態を低減させることができる。

一方、請求項３に係る発明によれば、多軸ロボットで使用する場合、液圧アクチュエータ（４）と、サーボ弁（３）と、サブポンプ（５）と、メイン経路（メイン配管経路１０）と、排出経路（排出管路１１）と、を軸毎に用意し、並列に並べた上で、該軸毎のメイン経路（メイン配管経路１０）同士を接続し、該軸毎の排出経路（排出管路１１）同士を接続している。これにより、液圧駆動回路１を多軸ロボットに適用することが可能となる。

本発明に係る液圧駆動回路の回路図である。 サブポンプとメインポンプが生成する供給パワーを示した図である。 同実施形態に係る液圧アクチュエータが伸長動作する場合について説明するための図である。 同実施形態に係る液圧駆動回路の制御手順を示すフローチャート図である。

以下、本発明に係る液圧駆動回路の一実施形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明において、上下左右の方向を示す場合は、図示正面から見た場合の上下左右をいうものとする。

本実施形態における液圧駆動回路は、一般産業用マニピュレータ、油圧ショベルや特装車のロボットアームなどのロボット、航空機、宇宙機、或いは、トラクター等の農業機械などの走行車両等に用いられるものである。具体的には、図１に示すように、液圧駆動回路１は、メインポンプ２と、サーボ弁３と、液圧アクチュエータ４と、サブポンプ５と、で主に構成されている。メインポンプ２は、図１に示すサーボモータＭ１によって駆動され、メインポンプ２に接続されているメイン配管経路１０へ高圧の圧液を吐出する。この圧液は、例えば、作動油からなり、図１に示すタンクＴに貯留されている。これにより、メインポンプ２は、サーボモータＭ１によって駆動されると、タンクＴから圧液を吸入し、メイン配管経路１０へ高圧の圧液を吐出することとなる。なお、タンクＴは、図１に示すように、加圧エアポンプＴａが接続されており、加圧エアポンプＴａにて加圧されるようになっている。これにより、メインポンプ２による圧液の吸入が良くなり、もって、キャビテーションを防止することができると共に、騒音を低減させることができる。

サーボ弁３は、図１に示すように、４ポート３位置のサーボ弁であって、供給ポート３ａがメイン配管経路１０に、排出ポート３ｂが排出管路１１に、制御ポート３ｃが、液圧アクチュエータ４の収縮側室４ａに、制御ポート３ｄが、液圧アクチュエータ４の伸長側室４ｂに、それぞれ連通されている。なお、排出管路１１は、図１に示すように、タンクＴに接続されており、排出された圧液をタンクＴに戻すようになっている。

また、サーボ弁３は、詳しくは図示しないが、ソレノイドによって駆動されるスプールを備えており、スプールの位置によって伸側供給ポジションから縮側供給ポジションまで流路と開口面積を連続的かつ高応答に変化させることができるようになっている。しかして、このようなサーボ弁３は、伸側供給ポジションでは、収縮側室４ａを排出管路１１へ連通すると共に、伸長側室４ｂを、メイン配管経路１０へ連通する。そして、縮側供給ポジションでは、収縮側室４ａをメイン配管経路１０へ連通すると共に、伸長側室４ｂを、排出管路１１へ連通する。そしてさらに、遮断ポジションでは、収縮側室４ａと伸長側室４ｂを、メイン配管経路１０と、排出管路１１の双方への連通を阻止する。他方、サーボ弁３は、伸側供給ポジションと縮側供給ポジションとのそれぞれで通過流量の調整ができるようになっている。なお、このようなサーボ弁３は、応答性が良いことが知られており、負荷が急激にかかっても、圧液を逃がしたり、ブレーキをかけたりすることができるようになっている。

液圧アクチュエータ４は、例えば、シリンダからなり、図１に示すように、チューブ４０と、チューブ４０内に移動自在に挿入されるとともにチューブ４０内を収縮側室４ａと伸長側室４ｂとに区画するピストン４１と、チューブ４０内に移動自在に挿入されるとともにピストン４１に連結されるロッド４２とを備えている。しかして、このように構成される液圧アクチュエータ４は、メイン配管経路１０を通って供給された圧液が、チューブ４０内へ供給されることによって伸縮動作することとなる。具体的には、上述したサーボ弁３の制御によって、メイン配管経路１０を通って供給された圧液が、収縮側室４ａへ供給され、伸長側室４ｂが排出管路１１へ連通されると、液圧アクチュエータ４は収縮動作することとなる。そして、反対に、上述したサーボ弁３の制御によって、メイン配管経路１０を通って供給された圧液が、伸長側室４ｂへ供給されて、収縮側室４ａが排出管路１１へ連通されると、液圧アクチュエータ４は伸長動作することとなる。

サブポンプ５は、図１に示すサーボモータＭ２によって駆動され、メインポンプ２より吐出された圧液を所定分、増圧できるものである。より詳しく説明すると、図１に示すように、メイン配管経路１０には、分岐点１０ａを経由して、分岐配管経路１２が接続されている。この分岐配管経路１２は、サブポンプ５に接続されていることから、メインポンプ２より吐出された圧液が、メイン配管経路１０と分岐配管経路１２を通って、サブポンプ５に供給されることとなる。そして、サーボモータＭ２によって、サブポンプ５が駆動されると、メイン配管経路１０と分岐配管経路１２を通って供給された圧液が増圧され、サブポンプ５に接続されているサブ配管経路１３へ吐出される。なお、サブ配管経路１３は、図１に示すように、合流点１０ｂを経由して、メイン配管経路１０に接続されることとなる。また、サブポンプ５の容量は、液圧アクチュエータ４の収縮側室４ａの容量、及び、液圧アクチュエータ４の伸長側室４ｂの容量よりも小さくなっている。

ところで、図１に示すように、メイン配管経路１０には、メイン配管経路１０と、サブ配管経路１３との間、すなわち、分岐点１０ａと合流点１０ｂとの間に、逆止弁６が設けられている。そして、図１に示す符号Ａ１は、メインポンプ２より吐出された圧液の圧力を計測する圧力計又は圧力センサであり、符号Ａ２は、サブポンプ５より吐出された圧液の圧力を計測する圧力計又は圧力センサであり、符号Ａａは、収縮側室４ａの圧力を計測する圧力計又は圧力センサであり、符号Ａｂは、伸長側室４ｂの圧力を計測する圧力計又は圧力センサである。

かくして、このようにして液圧駆動回路１は、構成されることとなる。なお、このように構成される液圧駆動回路１を多軸ロボットに適用する場合、図１に示す破線Ｈで囲った部分が、軸毎に必要となる。すなわち、液圧駆動回路１を多軸ロボットに適用する際、図１に示すように、メインポンプ２と、タンクＴ以外のものが必要となる。それゆえ、メインポンプ２と、タンクＴ以外のもの（図１に示す破線Ｈで囲った部分）を並列に並べ、メイン配管経路１０同士を接続し、排出管路１１同士を接続するようにすれば、液圧駆動回路１を多軸ロボットに適用することが可能となる。

ここで、本実施形態の特徴とするところは、サブポンプ５に関するところであるため、このサブポンプとメインポンプとの関係について、図２を参照してより詳しく説明する。

図２は、サブポンプ５とメインポンプ２が生成する供給パワーを示している。図２に示すように、メインポンプ２の容量は、サブポンプ５の容量よりも大きくなっている。そして、このようなメインポンプ２を、図１に示すサーボモータＭ１によって駆動する一方で、サブポンプ５を、アイドリング又は停止させると、図２に示すように、供給圧は、Ｐ_Ｌに制限され、流量もＱ_Ｈに制限されることとなる。これは、メインポンプ２の能力によるものである。なお、メインポンプ２の出口側にアキュムレータを設けた場合は、メインポンプ２と追加したアキュムレータの能力によるところとなる。

次いで、サブポンプ５を、図１に示すサーボモータＭ２によって駆動すると、メインポンプ２より吐出された圧液が所定分、増圧されることとなる。すなわち、メインポンプ２を、図１に示すサーボモータＭ１によって駆動させていると、メインポンプ２より吐出された圧液が、メイン配管経路１０と分岐配管経路１２を通って、サブポンプ５に供給される。この際、サブポンプ５は、アイドリング又は停止しているため、圧液は、サブポンプ５に供給されたまま、その場で滞留した状態となる。そして、この状態で、図１に示すサーボモータＭ２によって、サブポンプ５が駆動されると、滞留していた圧液が、サブポンプ５によって、サブ配管経路１３へ吐出される。この際、差圧（ΔＰ）が発生し、その吐出圧は、メインポンプ２より吐出されるＰ_Ｌを必ず超える（Ｐ_Ｌ＋ΔＰ）こととなる。これにより、図１に示すように、逆止弁６を経由してメイン配管経路１０を通って流れてくるメインポンプ２より吐出された圧液と、サブ配管経路１３を通って流れてくるサブポンプ５より吐出された圧液とが、図１に示す合流点１０ｂにて合流する。この際、サブポンプ５より吐出された圧液の方が、圧力が優勢になるため、メインポンプ２より吐出された圧液はせき止められることとなる。そのため、図２に示すように、供給流量はＱ_Ｌに制限されるものの、供給圧は増圧（Ｐ_Ｈ）することとなる。

かくして、サブポンプ５とメインポンプ２とは、上記のような関係となる。なお、図２では、供給流量がＱ_Ｌに制限される例を示したが、サブポンプ５の出口側にアキュムレータを設けて流量を一時的に増やすことは可能である。

次に、サブポンプ５とメインポンプ２との関係を踏まえ、サブポンプ５とメインポンプ２とサーボ弁３を選定し、その流量と圧力を制御する必要がある。この点について、図３を参照して具体的に説明する。

図３では、図１に示す液圧アクチュエータ４が運用（パワーを外界に「発揮」、又は、外界からパワーを「吸収」）できる「負荷パワー＝負荷圧力×負荷流量」を、領域Ｒ１、領域Ｒ２、領域Ｒ３で示している。なお、図３に示す点α、点β、点γで結ばれた扇状の領域が使用できないのは、上述したように供給側であるサブポンプ５とメインポンプ２との都合によりものである。しかしながら、パワーを吸収する際、サブポンプ５とメインポンプ２の能力は無関係となるため、図３に示す左側の面積が広い領域Ｒ１が使用できることとなる。なお、以下の説明では、液圧アクチュエータ４が伸長動作（正方向）する場合について説明することとし、力の方向で場合分けすることとする。なおまた、液圧アクチュエータ４が収縮動作する場合も、液圧アクチュエータ４が伸長動作する場合と同様であるため、説明は省略することとする。

＜Ｃａｓｅ１：ポジティブ負荷の場合＞
負荷圧力が正で、圧力がＰ_Ｌ以下の場合、図３に示す領域Ｒ２を、メインポンプ２とサーボ弁３のみで制御することができる。以下では、これを、ノーマルモード（Ｎ－ｍｏｄｅ）という。

ところで、流せる負荷流量は、一般的に知られているように、オリフィスの式によって計算でき、サーボ弁３は、与えられた差圧（圧力降下）に対して、出力流量を電流によって連続的に制御できる。なお、図３に示す点αを通る曲線、点β，γを通る曲線は、オリフィスの式によって計算されたもので、サーボ弁３が最大開度（電流ｉが最大値）のとき、オリフィスの差圧Ｐ_ＺＬで流せる流量がＱ_ＺＬで、オリフィスの差圧Ｐ_ＺＨで流せる流量がＱ_ＺＨであることを示している。

一方、供給サイドであるサブポンプ５とメインポンプ２から見れば、上述したように、負荷圧力Ｐ_Ｌを超える場合、供給できる流量はＱ_Ｌに制限される（図３に示す領域Ｒ３参照）。ところで、液圧駆動回路１を多軸ロボットに適用する場合、図１に示す破線Ｈで囲った部分が、軸毎に必要となるから、図３に示す領域Ｒ３では、各軸に独立配置されたサブポンプ５が各軸のパワー供給を担うこととなる。それゆえ、サブポンプ５による体積制御と、サーボ弁３による絞り制御とをうまく協調させることにより、エネルギー消費を抑えることが可能となる。なお、以下では、領域Ｒ３をブーストモード（Ｂ－ｍｏｄｅ）という。

かくして、サブポンプ５とメインポンプ２とサーボ弁３を選定するにあたっては、流量Ｑ_ＺＨ、差圧Ｐ_ＺＨ、そして、α点の圧力と流量が基準となる。これにより、まず、流量Ｑ_ＺＨ、又は、差圧Ｐ_ＺＨ、或いは、その両方から、サーボ弁３のサイズが決定される。そして、次に、α点によって、サブポンプ５のサイズが決定されることとなる。これにより、α点を基準にして、より力が必要なときは、図１に示すサーボモータＭ２によって、サブポンプ５を動作させてブーストモード（Ｂ－ｍｏｄｅ）で制御し、より速度が必要なときは、サブポンプ５をアイドリング、又は、停止させて、ノーマルモード（Ｎ－ｍｏｄｅ）で制御することとなる。

なお、図３においては、コストの観点から、サーボ弁３を必要以上に大きくしないように、圧力降下Ｐ_Ｌにおけるサーボ弁３の最大電流が、Ｑ_Ｌに一致するように、各コンポーネントを選定した場合を示している。また、液圧駆動回路１の最大流量Ｑ_Ｈは、サーボ弁３よりも大きくとるか否か、単軸ロボットか、多軸ロボットかも含め、液圧駆動回路１を適用するアプリケーションに応じて、適宜選択するようにすれば良い。なお、アキュムレータを用いて、平滑化することもできるが、コストやスペースとの兼ね合いを考慮して選択する必要がある。また、サブポンプ５の出口側にアキュムレータを設ける場合、一時的に、流量Ｑ_Ｌを、サブポンプ５の能力以上に増やすことができる。しかしながら、余った分は、サーボ弁３のバルブを通って、図１に示す排出管路１１を通じてタンクＴに絞り捨てられることとなる。そのため、エネルギーロスが生じる可能性があることに留意が必要である。

＜Ｃａｓｅ２：ネガティブ負荷の場合＞
負荷圧力が負の場合（ブレーキ動作）、流体エネルギーは、負荷から供給される。利用できるパワーは、サブポンプ５とメインポンプ２の能力と無関係となるが、実際には、サーボ弁３の容量に制約される。図３に示す領域Ｒ１がそれを示している。このパワー領域Ｒ１で、サーボ弁３の電流を連続的に制御することで、液圧アクチュエータ４にブレーキをかけることができる。なお、負の圧力は、ブレーキ動作における排圧を意味している。

ところで、ブレーキ時は、サブポンプ５をアイドリングさせるか止めておけば良いが、液圧駆動回路１を多軸ロボットに適用する場合、メインポンプ２は、他の軸で必要な最小共通圧力として、Ｐ_Ｌに維持しておく必要がある。そのため、負荷が、Ｐ_Ｌを下回った軸では、使われなかったエネルギーが、サーボ弁３のバルブを通って、図１に示す排出管路１１を通ってタンクＴに絞り捨てられることとなる。

ところで、上記のような制御は、図示しない制御装置によって制御されることとなる。この点、図４を参照して具体的に説明することとする。なお、以下では、液圧駆動回路１を多軸ロボットに適用することを想定して説明する。

まず、制御装置は、液圧アクチュエータ４の運動方向に対して、目標とする力、或いは、実際の力の符号から、Ｃａｓｅ１：ポジティブ負荷か、Ｃａｓｅ２：ネガティブ負荷かを判別する（ステップＳ１）。なお、本実施形態においては、力は、図１に示す圧力計又は圧力センサＡａ，Ａｂから間接的に計測するか、もしくは、図１に示す液圧アクチュエータ４に設けられている図示しない力センサから直接的に計測する。

Ｃａｓｅ１：ポジティブ負荷の場合（ステップＳ１：Ｃａｓｅ１）、制御装置は、液圧アクチュエータ４に必要な圧力を確認し、図２，図３に示す圧力Ｐ_Ｌ以下であれば、Ｎ－ｍｏｄｅであると判定し、Ｐ_Ｌを超える場合、Ｂ－ｍｏｄｅであると判定する（ステップＳ２）。

Ｂ－ｍｏｄｅである場合（ステップＳ２：Ｂ－ｍｏｄｅ）、制御装置は、各軸に設けられている図１に示す液圧アクチュエータ４のロッド４２の目標位置や速度、力を達成するために必要な目標速度Ｖｄｅｓを計算する（ステップＳ３）。なお、目標速度Ｖｄｅｓを計算するにあたっては、例えば、フィードフォワード項と、誤差フィードバック項を計算して足し合わせた２段階制御等、既存の方法を用いれば良い。

次いで、制御装置は、目標速度Ｖｄｅｓから、各軸に設けられている図１に示す液圧アクチュエータ４に流入させる流入量Ｑｉｎと、液圧アクチュエータ４から流出させる流出量Ｑｏｕｔを計算する（ステップＳ４）。

次いで、制御装置は、メインポンプ２の最低共通圧力として、Ｐ_Ｌを保ちつつ、全ての液圧アクチュエータ４の流入量Ｑｉｎの合計流量が吐出できるように、図１に示すサーボモータＭ１の回転数を制御する（ステップＳ５）。なお、メインポンプ２として、可変容量ポンプを用いる場合は、サーボモータＭ１の回転数を制御する代わりに、容積を変化させても良い。

次いで、制御装置は、各軸に設けられたサブポンプ５について、各流入量Ｑｉｎを吐出できるよう、サーボモータＭ２の回転数を制御する（ステップＳ６）。なお、必要に応じて、サーボモータＭ２の最低回転数を定めることで、低回転数領域における容量効率低下や、振動を避けることが可能となる。

次いで、制御装置は、メインポンプ２及びサブポンプ５で生成された流れが実際に必要な流れと一致するように、サーボ弁３を制御する（ステップＳ７）。具体的には、オリフィスの式を用いて、流入量Ｑｉｎと流出量Ｑｏｕｔと、圧力降下ＰｉｎとＰｏｕｔに応じた弁開度を電流制御によって行うこととなる。ここで、圧力降下Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔとは、液圧アクチュエータ４が伸長動作する場合における、圧力降下Ｐｉｎ＝図１に示す圧力計又は圧力センサＡ２の圧力値－図１に示す圧力計又は圧力センサＡａの圧力値、圧力降下Ｐｏｕｔ＝図１に示す圧力計又は圧力センサＡｂの圧力値－図１に示すタンクＴの圧力（大気圧）を示すものである。なお、圧力計又は圧力センサの値ではなく、予測値を用いることも可能であるが、一般的に、負荷変動は予測できないため、実測値を利用する方が確実である。

かくして、このようにして、Ｂ－ｍｏｄｅにおける制御が行われることとなる。

なお、本実施形態においては、フィードバック項は、目標速度Ｖｄｅｓに一括して組み込むようにしている。しかしながら、仮にサブポンプ５の回転数制御系の応答性が望ましくない場合は、メインポンプ２及びサブポンプ５側と、サーボ弁３側とで独立にフィードバック制御を行うのが好ましい。具体的には、目標速度Ｖｄｅｓは、フィードフォワード項のみとし、フィードバック制御については、メインポンプ２及びサブポンプ５側と、サーボ弁３側とで個別のフィードバック項を計算し、各指令値であるサーボモータＭ１の回転数、サーボモータＭ２の回転数、並びに、サーボ弁３のスプール電流にそれぞれ加算し、ゲインは、個別に設定することとする。この際、サブポンプ５の遅れによって、望ましい流入量Ｑｉｎの供給に遅れが生じても、高応答のサーボ弁３は、その時点の圧力降下Ｐｉｎの情報に基づいてバルブ開度を調製することで目標速度Ｖｄｅｓを達成しようとする。これにより、サブポンプ５におけるフィードバック制御と、サーボ弁３におけるフィードバック制御は、ともに誤差を打ち消す方向に働くため、相反せず、協調的に動作することとなる。

一方、Ｎ－ｍｏｄｅである場合（ステップＳ２：Ｎ－ｍｏｄｅ）、制御装置は、各軸に設けられている図１に示す液圧アクチュエータ４のロッド４２の目標位置や速度、力を達成するために必要な目標速度Ｖｄｅｓを計算する（ステップＳ８）。

次いで、制御装置は、目標速度Ｖｄｅｓから、各軸に設けられている図１に示す液圧アクチュエータ４に流入させる流入量Ｑｉｎと、液圧アクチュエータ４から流出させる流出量Ｑｏｕｔを計算する（ステップＳ９）。

次いで、制御装置は、メインポンプ２の最低共通圧力として、Ｐ_Ｌを保ちつつ、全ての液圧アクチュエータ４の流入量Ｑｉｎの合計流量が吐出できるように、図１に示すサーボモータＭ１の回転数を制御する（ステップＳ１０）。

次いで、制御装置は、メインポンプ２で生成された流れが実際に必要な流れと一致するように、サーボ弁３を制御する（ステップＳ１１）。

かくして、このようにして、Ｎ－ｍｏｄｅにおける制御が行われることとなる。なお、Ｎ－ｍｏｄｅにおける制御は、Ｂ－ｍｏｄｅと同様で、サブポンプ５を使用しない点が異なるだけである。

他方、Ｃａｓｅ２：ネガティブ負荷の場合（ステップＳ１：Ｃａｓｅ２）、制御装置は、制御装置は、各軸に設けられている図１に示す液圧アクチュエータ４のロッド４２の目標位置や速度、力を達成するために必要な目標速度Ｖｄｅｓを計算する（ステップＳ１２）。

次いで、制御装置は、目標速度Ｖｄｅｓから、各軸に設けられている図１に示す液圧アクチュエータ４に流入させる流入量Ｑｉｎと、液圧アクチュエータ４から流出させる流出量Ｑｏｕｔを計算する（ステップＳ１３）。

次いで、制御装置は、メインポンプ２の最低共通圧力として、Ｐ_Ｌを保ちつつ、全ての液圧アクチュエータ４の流入量Ｑｉｎの合計流量が吐出できるように、図１に示すサーボモータＭ１の回転数を制御する（ステップＳ１４）。

次いで、制御装置は、メインポンプ２で生成された流れが実際に必要な流れと一致するように、サーボ弁３を制御する（ステップＳ１５）。

かくして、このようにして、Ｃａｓｅ２：ネガティブ負荷の場合における制御が行われることとなる。なお、ネガティブ負荷では、液圧アクチュエータ４からタンクＴに流出させる流出量Ｑｏｕｔは、メインポンプ２の能力とは無関係となるが、液圧アクチュエータ４の内部と、メイン配管経路１０が圧液で満たされるよう、メインポンプ２は、Ｐ_Ｌを維持するようにしている。なお、上述したように、サブポンプ５は、アイドリング、もしくは、停止させておけば良い。

しかして、以上説明した本実施形態によれば、圧力Ｐ_Ｌ内の負荷においては、サブポンプ５を停止又はアイドリングさせ、メインポンプ２のみを駆動させているから、サーボ弁３によって高応答、且つ、高速運動を実現することができる。これにより、液圧アクチュエータ４は、公知の油圧サーボ技術と同等の性能を発揮することができる。

また、圧力Ｐ_Ｌ以上の負荷に対しては、サブポンプ５を用いて、増圧するようにしている。これにより、液圧駆動回路１を多軸ロボットに適用するにあたって、メイン配管経路１０は、他の軸に存するメイン配管経路１０と接続され、排出管路１１は、他の軸に存する排出管路１１と接続され、もって、圧力Ｐ_Ｌは共通の圧力となる。それゆえ、サブポンプ５によって、局所的に圧液が増圧されても、他の軸とは非干渉であることから、従来のようなエネルギーロスを回避することが可能となる。

しかして、本実施形態によれば、液圧アクチュエータの高精度化と、省エネ化を実現することができる。

また、本実施形態においては、エネルギーロスを回避するだけに限らず、サーボ弁３の寿命も向上することとなる。すなわち、サーボ弁３のスプールは、精密機械加工品であることから、高圧の圧液が狭い隙間を通る際に、摩耗することとなる。そのため、高圧で使用する期間が短くなればなるほど、スプール周辺部品の寿命は延びることとなり、もって、サーボ弁３の寿命も向上することとなる。なお、現在、市場に広く普及している産業用サーボ弁は、長時間の高圧にも耐えられるものであるが、高圧を短時間動作に限定すれば、構造を見直した廉価版を製造できる可能性がある。

さらに、本実施形態によれば、メインポンプ２として低圧の大流量ポンプを利用することができるため、ハイパワーなモータを必要とする高圧・大流量ポンプよりも、コスト面や騒音、発熱の面で有利である。なお、このことは、サブポンプ５の動作のＤｕｔｙ比が低ければ低いほど顕著となる。

一方、本実施形態においては、サブポンプ５の容量は、液圧アクチュエータ４の容量、すなわち、液圧アクチュエータ４の収縮側室４ａの容量、及び、液圧アクチュエータ４の伸長側室４ｂの容量よりも小さくなっている。これにより、サブポンプ５として、安価な小型ポンプと、小型サーボモータを利用することができる。しかして、このようなサブポンプ５によって、液圧アクチュエータ４の圧力を簡単に増圧することができ、且つ、圧液を細かく送ることができる。そのため、サーボ弁３よりも分解能を高めることができる可能性がある。それゆえ、サーボ弁３は、応答性が高く、分解能が低いものを使用することができ、もって、コストを削減することが可能となる。また、サブポンプ５の容量を、液圧アクチュエータ４の容量、すなわち、液圧アクチュエータ４の収縮側室４ａの容量、及び、液圧アクチュエータ４の伸長側室４ｂの容量よりも十分に小さく選べば、サブポンプ５は、液圧アクチュエータ４に対し、微小量の圧液を供給することが可能となる。例えば、液圧アクチュエータ４がシリンダの場合、ピストン面積が１００平方ミリのシリンダにおいて、ポンプ１回転当たり１ミリの分解能を得たい場合、ポンプの容積は１００立方ミリ、すなわち、０．１ｃｃとなる。しかして、サブポンプ５をサーボモータＭ２で駆動すれば、１／１０００回転程度の制御は容易であることから、シリンダは１ミクロンの位置分解能を実現することが可能となる。また、容量が小さくなればなるほど、小さいトルクで高圧を得ることが可能となる。

また、本実施形態においては、メイン配管経路１０には、メイン配管経路１０と、サブ配管経路１３との間、すなわち、分岐点１０ａと合流点１０ｂとの間に、逆止弁６が設けられている。これにより、逆止弁６を経由してメイン配管経路１０を通って流れてくるメインポンプ２より吐出された圧液と、サブ配管経路１３を通って流れてくるサブポンプ５より吐出された圧液とが、図１に示す合流点１０ｂにて合流した際、せき止められるメインポンプ２より吐出された圧液が、メインポンプ２に逆流してくる事態を防止することができる。しかして、このように逆止弁６を設けることにより、液圧駆動回路１を多軸ロボットに適用している場合、他の軸に、圧力Ｐ_Ｌ以上の圧液が流れることによる流体的な干渉を防ぐことができ、さらに、メインポンプ２が誤作動を起こしてしまう事態を低減させることができる。

なお、本実施形態において示した形状等はあくまで一例であり、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、本実施形態においては、サーボモータＭ１、サーボモータＭ２を使用する例を示したが、それに限らず、モータであればどのようなものを用いても良い。

また、本実施形態においては、タンクＴを加圧するにあたって、加圧エアポンプＴａにて加圧する例を示したが、それに限らず、どのような方法を用いても良い。

さらに、本実施形態においては、液圧駆動回路１を多軸ロボットに適用するにあたり、メインポンプ２が一つの構成である例を示したが、それに限らず、メインポンプ２を必要に応じて増やすようにしても良い。この場合、圧力Ｐ_Ｌに限らず、圧力をメインポンプ２の台数分だけ設定可能となる。それゆえ、バルブで流路を切り替える等して、各軸は、複数のメインポンプ２の中から、所望のメインポンプ２を自由に選択して使用することが可能となる。

１ 液圧駆動回路
２ メインポンプ
３ サーボ弁
４ 液圧アクチュエータ
５ サブポンプ
６ 逆止弁
１０ メイン配管経路（メイン経路）
１０ｂ 合流点
１１ 排出管路（排出経路）
１３ サブ配管経路（サブ経路）
Ｔ タンク

Claims (3)

1. 圧液を吐出するメインポンプと、
   前記メインポンプより吐出された圧液が供給される液圧アクチュエータと、
   前記メインポンプと、前記液圧アクチュエータとの間に配置され、該メインポンプより吐出された圧液を該液圧アクチュエータに供給するサーボ弁と、
   前記サーボ弁と、前記メインポンプとの間に配置され、該メインポンプから吐出された圧液を、所定分、増圧して前記サーボ弁に供給するサブポンプと、
   前記メインポンプから吐出された圧液が通るメイン経路と、
   前記サーボ弁より排出された圧液が通る排出経路と、を有し、
   前記サブポンプは、前記液圧アクチュエータに供給される圧液が所定圧以内であれば、前記サーボ弁に圧液を供給せず、該所定圧以上になれば、前記サーボ弁に圧液を供給してなる液圧駆動回路。
2. 前記サブポンプにて所定分増圧された圧液が通るサブ経路と、をさらに有し、
   前記メイン経路と、前記サブ経路との間には、逆止弁が配置されてなる請求項１に記載の液圧駆動回路。
3. 液圧駆動回路を多軸ロボットで使用する場合、前記液圧アクチュエータと、前記サーボ弁と、前記サブポンプと、前記メイン経路と、前記排出経路と、を軸毎に用意し、並列に並べた上で、該軸毎のメイン経路同士を接続し、該軸毎の排出経路同士を接続してなる請求項１又は２に記載の液圧駆動回路。
   

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