JP6560992B2 - ピストン装置及び油圧機械 - Google Patents

Description

本開示はピストン装置及び油圧機械に関する。

シリンダと、シリンダ内を往復運動するピストンとにより構成されるピストン装置が広く用いられている。
例えば、特許文献１には、シリンダと、シリンダ内を往復運動可能に構成されたピストンとを備える油圧ポンプ（ピストン装置）が記載されている。この油圧ポンプでは、回転軸とともに回転するカムにピストンが係合しており、カムの回転に伴ってピストンがシリンダ内を往復することによって、シリンダとピストンとにより形成される作動室内の作動油を昇圧するようになっている。

特表２０１４−５３２１３４号公報

典型的なピストン装置では、特許文献１に記載のピストン装置と同様に、カムやクランクシャフト等を含む機械要素を介して回転軸に接続されたピストンの往復運動を利用して、回転軸の回転運動エネルギーと流体の圧力エネルギーとが変換されるようになっている。
ここで、典型的な従来のピストン装置とは異なる原理で作動するピストン装置が得られれば、より多様な製品への応用が期待できる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、従来とは異なる原理で作動するピストン装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るピストン装置は、
静止シリンダと、
前記静止シリンダ内に往復運動可能に設けられた主ピストンと、
前記主ピストンとともに動くように構成された可動シリンダと、
前記可動シリンダ内に往復運動可能に設けられた副ピストンと、
前記可動シリンダ及び前記副ピストンによって形成される副油圧室からの副作動油の流出入が規制された連通規制状態と、前記副作動油の前記副油圧室からの流出入が許容される連通許容状態と、で前記副油圧室の状態を切り替えるように構成された連通状態切替え部と、を備える。

上記（１）の構成のピストン装置において、連通許容状態では、主ピストン又は副ピストンの往復運動に伴って、主ピストンとともに動く可動シリンダと副ピストンとにより形成される副油圧室の容積が変化し、この副油圧室の容積変化に対応して副油圧室から副作動油が流出入する。この場合、主ピストンは実質的に仕事をしない。
一方、副作動油の副油圧室からの流出入が規制された連通規制状態では、副油圧室を含む油圧回路の剛性（システムばね定数）が大きくなり、主ピストン又は副ピストンの一方に作用する力が副油圧室内の副作動油を介して主ピストン又は副ピストンの他方に伝達されて、主ピストンと副ピストンとが一体的に動く。この場合、主ピストンは押しのけた油量に応じた仕事をする。
よって、上記（１）の構成によれば、連通状態切替え部によって副油圧室の連通状態を連通規制状態と連通許容状態との間で切り替えて副油圧室を含む油圧回路の剛性を調節することにより、主ピストンと副ピストンとの間で力を伝達させるか否か（主ピストンに仕事をさせるか否か）を選択することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記連通状態切替え部は、前記副油圧室に接続される副油ラインに設けられる電磁弁を含む。
上記（２）の構成によれば、電磁弁のソレノイドを励磁状態と非励磁状態との間で切り替えることで、副油圧室の連通状態を切り替えることができる。このため、電磁弁を含む簡素な構成により副油圧室の連通状態を切り替えて副油圧室を含む油圧回路の剛性を調節することにより、主ピストンに仕事をさせるか否かを選択することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記主ピストンの最大押しのけ容積は、前記副ピストンの最大押しのけ容積よりも大きい。
上記（３）の構成によれば、主ピストンの最大押しのけ容積を、副ピストンの最大押しのけ容積よりも大きくしたので、副油圧室の連通状態の切り替えにより副作動油が流通することとなる連通状態切替部（例えば電磁弁）の容量を小さくすることができる。よって、ピストン装置の大きな押しのけ容積（主ピストンの押しのけ容積）を確保しながら、連通状態切替え部を小型化できるとともに、連通状態切替え部を含むピストン装置を小型化することができる。
なお、主ピストンの最大押しのけ容積よりも副ピストンの最大押しのけ容積を小さくできるのは、次の理由による。すなわち、副油圧室の役割は、連通許容状態と連通規制状態とにおいて、副油圧室を含む油圧回路の剛性に差を持たせ、主ピストンに仕事をさせるか否かを選択可能にする点にある。このため、副油圧室のサイズには制約がなく、副油圧室の容量（および副ピストンの最大押しのけ容積）を主ピストンの最大押しのけ容積に比べて小さくすることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の何れかの構成において、前記副ピストンの位相に応じて前記連通状態切替え部を制御するためのコントローラをさらに備える。
上記（４）の構成によれば、副ピストンの位相に応じて連通状態切替え部を制御可能であるので、副油圧室を連通規制状態とする副ピストンの位相の範囲を設定できる。これにより、連通規制状態において副ピストンとともに動く主ピストンのストロークを所期の値とすることができ、ピストン装置の押しのけ容積を任意に調節することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の何れかの構成において、前記可動シリンダは、前記主ピストンの内部に前記主ピストンと同心に設けられる。
上記（５）の構成によれば、可動シリンダを主ピストンの内部に主ピストンと同心に設けたので、主ピストン及び可動シリンダに対して、副油圧室及び静止シリンダと主ピストンとにより形成される主油圧室のそれぞれから作用する油圧の作用点が主ピストンの中心軸上に並ぶことになり、副油圧室から受ける油圧と主油圧室から受ける油圧とに起因して主ピストン及び可動シリンダにモーメント荷重が発生することがない。このため、副ピストンが可動シリンダ内を円滑に摺動することができ、副ピストンと主ピストンとの間におけるエネルギーの伝達ロスを低減できる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記静止シリンダ及び前記主ピストンによって形成される主油圧室にそれぞれ連通するようにそれぞれ設けられた高圧ライン及び低圧ラインと、
前記高圧ラインに設けられた高圧弁と、
前記低圧ラインに設けられた低圧弁と、をさらに備え、
前記高圧弁又は前記低圧弁の少なくとも一方は逆止弁である。
上記（６）の構成では、高圧ライン及び低圧ラインと主油圧室との間の作動油（以降において主作動油と称する）の流出入を切り替えるための高圧弁又は低圧弁として逆止弁を用いる。よって、逆止弁を用いた簡素な構成により、上述した副油圧室を含む油圧回路の剛性を利用して、副ピストンの往復運動と主油圧室の油圧エネルギーとの変換を行うことができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記ピストン装置は、前記副ピストンの往復運動を、前記静止シリンダ及び前記主ピストンによって形成される主油圧室の圧力エネルギーに変換するように構成された油圧ポンプユニットであり、
前記主ピストンを該主ピストンの上死点から下死点に向かう方向に付勢するための第１付勢部材をさらに備える。
副油圧室を含む油圧回路の剛性は、副油圧室の容積が減少する場合（圧縮行程）よりも、副油圧室の容積が増大する場合（膨張行程）の方が小さい。このため、油圧ポンプユニットにおいては、副油圧室の膨張行程において、副油圧室を含む油圧回路の剛性が比較的小さいために、連通規制状態であるにもかかわらず副油圧室の容積が変化してしまい、副ピストンの変位量よりも主ピストンの変位量が小さくなり、主ピストンが下死点まで戻らないことがあり得る。
上記（７）の構成によれば、主ピストンを上死点から下死点に向かう方向に付勢するための第１付勢部材を設けたので、主ピストン及び副ピストンが上死点に達した後に、第１付勢部材の付勢力により、主ピストンを確実に下死点に移動させることができる。よって、油圧ポンプユニットの動作を円滑なものとすることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記ピストン装置は、前記静止シリンダ及び前記主ピストンによって形成される主油圧室の圧力エネルギーを前記副ピストンの往復運動に変換するように構成された油圧モータユニットであり、
前記主ピストンを該主ピストンの下死点から上死点に向かう方向に付勢するための第２付勢部材をさらに備える。
上述したように、副油圧室を含む油圧回路の剛性は、副油圧室の容積が減少する場合（圧縮行程）よりも、副油圧室の容積が増大する場合（膨張行程）のほうが小さい。このため、油圧モータユニットにおいては、副油圧室の膨張行程において、副油圧室を含む油圧回路の剛性が比較的小さいために、連通規制状態であるにもかかわらず副油圧室の容積が変化してしまい、副ピストンの変位量よりも主ピストンの変量が小さくなり、主ピストンが上死点まで戻らないことがあり得る。
上記（８）の構成によれば、主ピストンを下死点から上死点に向かう方向に付勢するための第２付勢部材を設けたので、主ピストン及び副ピストンが下死点に達した後に、第２付勢部材の付勢力により、主ピストンを確実に上死点に移動させることができる。よって、油圧モータユニットの動作を円滑なものとすることができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る油圧機械は、
回転軸と、
上記（１）〜（８）の何れかに記載の少なくとも一つのピストン装置と、
各々の前記ピストン装置の前記副ピストンと前記回転軸との間に設けられ、該副ピストンの往復運動と前記回転軸の回転運動との間で運動モードを変換するように構成されたＸＹ分離機構と、を備える。

上記（９）の構成によれば、回転軸から副ピストンに向かってＸＹ分離機構内を伝わる力は可動シリンダ軸方向成分（Ｘ方向成分）と可動シリンダ軸直交成分（Ｙ方向成分）とに分離されるので、副ピストンには、可動シリンダ軸方向成分（Ｘ方向成分）の力のみが伝わることになる。したがって、回転軸と副ピストンとの間に設けられるＸＹ分離機構から副ピストンに作用するサイドフォースを低減できる。よって、サイドフォースに起因する副ピストン又は副ピストンが摺動する可動シリンダの摩擦、摩耗、発熱の発生を抑制することができ、副ピストンのシリンダ軸方向（Ｘ方向）に沿った往復運動と回転軸の回転運動との間の運動モード変換の高効率化及び副ピストンの長寿命化が図れる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る油圧機械は、
回転軸と、
上記（１）〜（８）の何れかに記載の複数のピストン装置と、
各々の前記ピストン装置の前記連通状態切替え部を制御するためのコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記複数のピストン装置のそれぞれについて、前記連通状態切替え部を互いに独立して制御可能に構成される。

上記（１０）の構成によれば、油圧機械を構成する複数のピストン装置のそれぞれについて、連通状態切替え部を互いに独立して制御可能としたので、油圧機械全体としての押しのけ容積を細やかに調節することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、従来とは異なる原理で作動するピストン装置が提供される。

一実施形態に係る油圧機械を備えた発電装置を示す図である。 一実施形態に係る油圧機械の構成の概略を示す図である。 一実施形態に係るピストン装置（油圧ポンプユニット）の構成の概略を示す図である。 一実施形態に係るピストン装置（油圧モータユニット）の構成の概略を示す図である。 一実施形態に係るピストン装置の作動原理を説明するための図である。 一実施形態に係るピストン装置の作動原理を説明するための図である。 一実施形態に係る油圧機械の構成の概略を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

以下の実施形態では、一実施形態に係る油圧機械を備えた装置の一例として発電装置について説明する。

図１は、一実施形態に係る油圧機械を備えた発電装置を示す図である。同図に示すように、発電装置１は、原動機２と、回転シャフト３を介して原動機２に接続される油圧トランスミッション４と、回転シャフト５を介して油圧トランスミッション４に接続される発電機６とを備える。

一実施形態では、油圧トランスミッション４は、回転シャフト３を介して原動機２に連結される油圧ポンプ８と、回転シャフト５を介して発電機６に連結される油圧モータ１０とを備える。油圧ポンプ８と油圧モータ１０とは、高圧油ライン１２及び低圧油ライン１４を介して互いに接続される。具体的には、油圧ポンプ８の出口が高圧油ライン１２を介して油圧モータ１０の入口に接続され、油圧ポンプ８の入口が低圧油ライン１４を介して油圧モータ１０の出口に接続される。油圧ポンプ８は、回転シャフト３によって駆動されて作動油を昇圧し、高圧の作動油（圧油）を生成する。油圧ポンプ８で生成された圧油は高圧油ライン１２を介して油圧モータ１０に供給され、この圧油によって油圧モータ１０が駆動される。油圧モータ１０で仕事をした後の低圧の作動油は、油圧モータ１０の出口と油圧ポンプ８の入口との間に設けられた低圧油ライン１４を経由して、油圧ポンプ８に再び戻される。
幾つかの実施形態では、油圧ポンプ８又は油圧モータ１０の少なくとも一方は、以下で説明するピストン装置を備えた油圧機械である。この場合、高圧油ライン１２及び低圧油ライン１４は、後述のピストン装置３０における高圧ライン２６及び低圧ライン２８であってもよい。

図２は、一実施形態に係るピストン装置を備えた油圧機械の構成の概略を示す図であり、図３及び図４は、それぞれ、一実施形態に係るピストン装置の構成の概略を示す図である。図３及び図４に示されるピストン装置は、それぞれ、油圧ポンプユニット及び油圧モータユニットである。

図２に示すように、一実施形態に係る油圧機械２０は、回転軸２２（図２においてはクランクシャフト）と、少なくとも１つ（図２では２つ）のピストン装置３０と、回転軸２２とピストン装置３０との間に設けられる変換機構２４とを備える。変換機構２４は、回転軸２２の回転運動と、ピストン装置３０における副ピストン３８（後述する）の往復運動との間の変換を行うための機構である。

図２に示す油圧機械２０において、変換機構２４は、後で説明するＸＹ分離機構を含む。
幾つかの実施形態では、変換機構２４は、回転軸２２に取り付けられ、ピストン装置３０の副ピストン３８に当接するカム曲面を有するカムを含んでいてもよい。このようなカムは、回転軸（クランクシャフト）２２の軸中心から偏心して設けられた偏心カムであってもよく、又は、複数のローブを有する環状のマルチローブドカムであってもよい。

図２の油圧機械２０に含まれる２つのピストン装置３０は、いずれも、後述する油圧ポンプユニット１６である。それぞれの油圧ポンプユニット１６は、高圧ライン２６及び低圧ライン２８を含み、上述の変換機構２４を介して回転軸２２よりに駆動されて、低圧ライン２８から供給された作動油（主作動油）を昇圧して、高圧ライン２６に吐出するように構成される。
油圧機械２０は、油圧ポンプユニット１６に供給される主作動油を貯留するための主作動油タンク２５と、低圧ライン２８と主作動油タンク２５とを接続する送油ライン２９とを含む。また、油圧機械２０は、高圧ライン２６に接続され、油圧ポンプユニット１６で昇圧された主作動油を外部へ送出するための高圧油送出ライン２７を含む。
さらに、油圧機械２０は、各油圧ポンプユニット１６の連通状態切替え部６０（後述する）を制御するためのコントローラ９０と、回転軸（クランクシャフト）２２の回転角度を計測するための回転センサ（位相センサ）９２とを備える。
一実施形態では、コントローラ９０は、回転センサ（位相センサ）９２の計測結果によって、各油圧ポンプユニット１６の連通状態切替え部６０を制御するように構成されていてもよい。

図３及び図４に示すように、一実施形態に係るピストン装置３０は、静止シリンダ３２と、主ピストン３４と、可動シリンダ３６と、副ピストン３８と、連通状態切替え部６０と、を備える。
主ピストン３４は、静止シリンダ３２内に往復運動可能に設けられており、静止シリンダ３２の内壁面３３とともに主油圧室４０を形成する。
可動シリンダ３６は、主ピストン３４とともに動くように構成されている。図３及び図４に示すピストン装置３０においては、可動シリンダ３６は、主ピストン３４の内部に主ピストン３４と同心に設けられている。すなわち、可動シリンダ３６と主ピストン３４とが一体をなしており、可動シリンダ３６が主ピストン３４ととともに動くようになっている。
副ピストン３８は、可動シリンダ３６内に往復運動可能の設けられており、可動シリンダ３６の内壁面３７とともに副油圧室４２を形成する。
連通状態切替え部６０は、副油圧室４２からの副作動油の流出入が規制された連通規制状態と、副作動油の副油圧室４２からの流出入が許容される連通許容状態と、で副油圧室４２の状態を切り替えるように構成されている。

連通状態切替え部６０について、より詳細に説明する。図３及び図４に示すピストン装置３０は、副作動油を貯留するための副作動油タンク５８と、該副作動油タンク５８と副油圧室４２とを接続する副油ライン５６をさらに備える。副油圧室４２と副油ライン５６とは、可動シリンダ３６に設けられた可動通路５４と、静止シリンダ３２に設けられた油溝５０及び静止通路５２とを介して、接続されている。

可動シリンダ３６（図３及び図４において主ピストン３４と同一体）に設けられる可動通路５４は、可動シリンダ３６（主ピストン３４）の外周面及び副油圧室４２を形成する可動シリンダの内壁面３７の双方に開口するように設けられている。可動通路５４は、可動シリンダ軸方向において、可動シリンダ３６の内壁面３７のうち、該軸方向において副ピストン３８と向き合う底部３９付近に設けられる。可動通路５４を底部３９付近に設けることで、主ピストン３４及び副ピストン３８がそれぞれの下死点と上死点との間で往復運動する全期間にわたって、可動通路５４の副油圧室４２側の開口が副ピストン３８によって塞がれずに、可動通路５４が副油圧室４２に開口した状態を維持することができる。例えば、副ピストン３８が上死点付近に位置するとともに主ピストン３４が下死点付近に位置するとき等、副油圧室４２の容積が小さくなったときにおいても、可動通路５４が副油圧室４２に開口した状態を維持することができるようになっている。

油溝５０は、静止シリンダ３２の内壁面３７に形成された溝であり、静止シリンダ３２の軸方向において、少なくとも、主ピストン３４が静止シリンダ３２内を往復運動する際に可動通路５４が位置する範囲にわたって延在するように、かつ、静止シリンダ３２の周方向において、可動通路５４の存在範囲の少なくとも一部に延在するように形成されている。これにより、主ピストン３４が下死点と上死点との間を往復運動する全期間において、油溝５０と可動通路５４とが連通した状態を維持することができる。
油溝５０は、静止シリンダ３２の周方向の一部に形成された溝であってもよく、あるいは、該周方向の全周にわたって連続して形成された環状溝であってもよい。
静止通路５２は、静止シリンダ３２において、油溝５０よりも外周側にて、油溝５０に開口するように形成されており、油溝５０と副油ライン５６とを接続する。

副作動油は、上述の可動通路５４、油溝５０及び静止通路５２を通って、副油圧室４２と副油ライン５６との間で、流出入可能となっている。

図３及び図４に示すピストン装置３０において、副油ライン５６には、連通状態切替え部６０としての電磁弁６１が設けられている。そして、電磁弁６１の開閉状態に応じて、副油圧室４２の状態を連通規制状態と連通許容状態との間で切り替えられるようになっている。

例えば、電磁弁６１を閉状態とすることで、副油ライン５６から副油圧室４２への副作動油の流入及び副油圧室４２から副油ライン５６への副作動油の流出が規制され、副油圧室４２が連通規制状態となる。また、電磁弁６１を開状態とすることで、副油ライン５６から副油圧室４２への副作動油の流入及び副油圧室４２から副油ライン５６への副作動油の流出が許容され、副油圧室４２は連通許容状態となる。
後で説明するように、電磁弁６１等の連通状態切替え部６０によって副油圧室４２の連通状態を連通規制状態と連通許容状態との間で切り替えて副油圧室４２を含む油圧回路の剛性を調節することにより、主ピストン３４に仕事をさせるか否かを選択することができる。

ピストン装置３０は、主油圧室４０に連通するように設けられた高圧ライン２６及び低圧ライン２８と、高圧ライン２６に設けられた高圧弁４６と、低圧ライン２８に設けられた低圧弁４８とをさらに備える。
静止シリンダ３２の内部には、高圧弁４６を介して主油圧室４０と高圧ライン２６とを連通させるための高圧連通路４３、及び、低圧弁４８を介して主油圧室４０と低圧ライン２８とを連通させるための低圧連通路４４が設けられている。
幾つかの実施形態では、高圧弁４６又は低圧弁４８の少なくとも一方は逆止弁である。

図３に示すピストン装置３０は、図２に示す油圧機械２０に含まれるピストン装置３０であり、副ピストン３８の往復運動を、静止シリンダ３２及び主ピストン３４によって形成される主油圧室４０の圧力エネルギーに変換するように構成された油圧ポンプユニット１６である。油圧ポンプユニット１６において、高圧ライン２６に設けられる高圧弁４６Ａ及び低圧ライン２８に設けられる低圧弁４８Ａは、それぞれ逆止弁である。また、該油圧ポンプユニット１６は、主ピストン３４を該主ピストン３４の上死点から下死点に向かう方向に付勢するための第１付勢部材６２（図３においてはばね）をさらに備える。

図３に示すピストン装置３０（油圧ポンプユニット１６）では、回転軸（クランクシャフト）２２（図２参照）が図示しない動力源により回転運動をするとともに、回転軸２２の回転運動は、変換機構２４によって副ピストン３８の往復運動に変換される。すなわち、副ピストン３８は、回転軸２２の回転に応じて可動シリンダ３６内にて往復運動するようになっている。
そして、副油圧室４２の連通状態が連通規制状態であるとき（即ち、電磁弁６１が閉状態であり副作動油の副油圧室４２からの流出入が規制された状態であるとき）には、主ピストン３４は、副ピストン３８の往復運動に伴って、静止シリンダ３２内において下死点と上死点との間で往復運動する。

油圧ポンプユニット１６において、高圧弁４６Ａ及び低圧弁４８Ａの開閉動作と、主油圧室４０における主作動油の流出入との関係は以下のようになる。
主ピストン３４が上死点から下死点へ向かって移動する膨張行程（吸入行程）では、主ピストン３４の移動に伴い主油圧室４０の容積が増加して主油圧室４０内の圧力が低下する。そして、主油圧室４０内の圧力が低圧ライン２８の圧力よりも低くなると、逆止弁である低圧弁４８Ａが開き、低圧ライン２８から主油圧室４０内へ低圧の主作動油が流入する。主ピストン３４が下死点付近に到達すると、主油圧室４０内の圧力と低圧ライン２８の圧力とがほぼ等しくなり、低圧弁４８Ａは閉じる。
主ピストン３４が下死点から上死点へ向かって移動する圧縮行程（吐出行程）では、主ピストン３４の移動に伴い主油圧室の容積が減少して主作動油が昇圧される。そして、主油圧室４０内の圧力が高圧ライン２６の圧力よりも高くなると、逆止弁である高圧弁４６Ａが開き、主油圧室４０内から高圧ライン２６へ高圧となった主作動油が流出する。主ピストン３４が上死点付近に到達すると、主油圧室４０内の圧力と高圧ライン２６の圧力とがほぼ等しくなり、高圧弁４６Ａは閉じる。
このようにして、油圧ポンプユニット１６では、主ピストン３４の往復運動に伴って、低圧ライン２８から主油圧室４０へ主作動油が流入し、主油圧室４０内で主作動油が昇圧され、昇圧された主作動油が高圧ライン２６に送り出されるようになっている。

なお、油圧ポンプユニット１６の高圧ライン２６に設けられる高圧弁４６Ａ及び低圧ライン２８に設けられる低圧弁４８Ａとして、逆止弁に替えて、能動的に制御可能なバルブ（例えば電子制御弁）を用いて、これらのバルブの開閉を能動的に制御することによって、主油圧室４０からの主作動油の流出入を制御するようにしてもよい。

また、油圧ポンプユニット１６では、主ピストン３４を上死点から下死点に向かう方向に付勢するための第１付勢部材６２によって、主ピストン３４及び副ピストン３８が上死点に達した後に、第１付勢部材６２の付勢力により、主ピストン３４を確実に下死点に移動させることができる。よって、油圧ポンプユニット１６の動作を円滑なものとすることができる。

図４に示すピストン装置３０は、静止シリンダ３２及び主ピストン３４によって形成される主油圧室４０の圧力エネルギーを副ピストン３８の往復運動に変換するように構成された油圧モータユニット１８である。このピストン装置３０（油圧モータユニット）において、高圧ライン２６に設けられる高圧弁４６Ｂ及び低圧ライン２８に設けられる低圧弁４８Ｂは、それぞれ能動的に制御可能なバルブ（例えば電子制御弁）である。また、油圧モータユニット１８は、主ピストン３４を該主ピストン３４の下死点から上死点に向かう方向に付勢するための第２付勢部材６３（図４においてはばね）をさらに備える。

図４に示す油圧モータユニット１８は、上述の油圧ポンプユニット１６と同様に、例えば図２に示す油圧機械２０を構成することができる。この場合、油圧モータユニット１８の副ピストン３８と回転軸２２（例えばクランクシャフト）とが、変換機構２４を介して接続される。
油圧モータユニット１８では、主ピストン３４は、主油圧室４０に流入する高圧油（主作動油）から力を受けることにより静止シリンダ３２内を往復運動する。そして、副油圧室４２の連通状態が連通規制状態であるとき（即ち、電磁弁６１が閉状態であり副作動油の副油圧室４２からの流出入が規制された状態であるとき）には、副ピストン３８は、主ピストン３４の往復運動に伴って、可動シリンダ３６内を往復運動する。そして、副ピストン３８の往復運動が変換機構２４によって回転軸２２の回転運動に変換される。

油圧モータユニット１８において、高圧弁４６Ｂ及び低圧弁４８Ｂの開閉動作と、主油圧室４０における主作動油の流出入との関係は以下のようになる。
主ピストン３４が上死点から下死点へ向かって移動する膨張行程（吸入行程）では、高圧弁４６Ｂが能動的な制御により開かれて高圧ライン２６から高圧の主作動油が主油圧室４０内へ流入し、主ピストン３４が主作動油からの力を受けて下死点へ向かって移動する。そして、主ピストン３４が下死点付近に到達すると、高圧弁４６Ｂが能動的な制御により閉じられて、主油圧室４０の中にそれ以上主作動油は供給されなくなる。
次に、主ピストン３４が下死点から上死点に向かって移動する圧縮行程（吐出行程）では、低圧弁４８Ｂが能動的な制御により開かれて、主ピストン３４に対して仕事を行うことにより圧力が低下した主作動油が、主油圧室４０内から低圧ライン２８へと吐出される。そして、主ピストン３４が上死点付近に到達すると、低圧弁４８Ｂが閉じられて、それ以上、主作動油は主油圧室４０から低圧ライン２８へ吐出されなくなる。
このようにして、油圧モータユニット１８では、主ピストン３４の往復運動に伴って、高圧ライン２６から主油圧室４０へ主作動油が流入し、主作動油が主油圧室４０内で仕事をすることにより主作動油の圧力が低下し、圧力が低下した該主作動油が低圧ライン２８に送り出されるようになっている。

なお、油圧モータユニット１８の低圧ライン２８設けられる低圧弁４８Ｂとして、能動的に制御可能なバルブに替えて、逆止弁を用いて主油圧室４０からの主作動油の流出を制御するようにしてもよい。

また、油圧モータユニット１８では、主ピストン３４を下死点から上死点に向かう方向に付勢するための第２付勢部材６３によって、主ピストン３４及び副ピストン３８が下死点に達した後に、第２付勢部材６３の付勢力により、主ピストン３４を確実に下死点に移動させることができる。よって、油圧モータユニット１８の動作を円滑なものとすることができる。

上述の構成を有するピストン装置３０においては、上述したように、電磁弁６１等の連通状態切替え部６０によって副油圧室４２の連通状態を連通規制状態と連通許容状態との間で切り替えて副油圧室４２を含む油圧回路の剛性を調節することにより、主ピストン３４に仕事をさせるか否かを選択することができる。これについて、図５及び図６を参照して説明する。図５及び図６は、それぞれ、一実施形態に係るピストン装置の作動原理を説明するための図である。
なお、以下においては、ピストン装置３０の一例として上述の油圧ポンプユニット１６の作動原理について説明するが、油圧モータユニット１８を含む他のピストン装置３０の作動原理についても同様に説明できる。

図５は、副油圧室４２の連通状態が連通規制状態である場合における主ピストン３４の動作例を示す図であり、図５の（ａ）は主ピストン３４が下死点に位置するときのピストン装置３０を示し、図５の（ｂ）は主ピストン３４が上死点に位置するときのピストン装置３０を示す。

ピストン装置３０において、電磁弁６１が閉状態となり、副作動油の副油圧室４２からの流出入が規制された連通規制状態では、副油圧室４２を含む油圧回路の剛性（システムばね定数）が大きくなり、主ピストン３４又は副ピストン３８の一方に作用する力が副油圧室４２内の副作動油を介して主ピストン３４又は副ピストン３８の他方に伝達されて、主ピストン３４と副ピストン３８とが一体的に動く。

例えば、図５（ａ）に示すように、油圧ポンプユニット１６の主ピストン３４が下死点に位置し、かつ、副ピストン３８が下死点に位置する場合において、電磁弁６１が閉状態となって副油圧室４２の状態が連通規制状態となると、副油圧室４２を含む油圧回路の剛性が大きくなる。このため、回転軸２２の回転に伴って副ピストン３８が副ピストン３８の下死点（ＢＤＣ＿Ｓ）から上死点（ＴＤＣ＿Ｓ）に向かって移動しようとすると、副ピストン３８に作用する力が副油圧室４２内の副作動油を介して主ピストン３４に伝達される。このため、主ピストン３４は、副ピストン３８と一体的に、主ピストンの下死点（ＢＤＣ＿Ｍ）から上死点（ＴＤＣ＿Ｍ）に向かって移動し、図５（ｂ）に示すように、副ピストン３８及び主ピストン３４は、ともにそれぞれの下死点（ＢＤＣ＿Ｓ，ＢＤＣ＿Ｍ）に到達する。このように、主ピストン３４が下死点から上死点に移動する過程において、主ピストン３４は、主油圧室４０内の主作動油を昇圧して、高圧ライン２６に吐出させる。すなわち、主ピストン３４は、主油圧室４０内から押しのけた主作動油の油量に応じた仕事をする。

一方、図６は、副油圧室４２の連通状態が連通許容状態である場合における主ピストン３４の動作例を示す図であり、図６の（ａ）は副ピストン３８が下死点に位置するときのピストン装置３０を示し、図６の（ｂ）は副ピストン３８が上死点に位置するときのピストン装置３０を示す。

ピストン装置３０において、電磁弁６１が開状態となり、副作動油の副油圧室４２からの流出入が許容された連通許容状態では、主ピストン３４又は副ピストン３８の往復運動に伴って、主ピストン３４とともに動く可動シリンダ３６と副ピストン３８とにより形成される副油圧室４２の容積が変化し、この副油圧室４２の容積変化に対応して副油圧室４２から副作動油が流出入する。

例えば、図６（ａ）に示すように、油圧ポンプユニット１６の主ピストン３４が下死点に位置し、かつ、副ピストン３８が下死点に位置する場合において、電磁弁６１が開状態となり副油圧室４２の状態が連通許容状態であるときには、副油ライン５６及び電磁弁６１を介して副油圧室４２から副作動油が自由に流出入可能となる。このため、副ピストン３８の下死点（ＢＤＣ＿Ｓ）と上死点（ＴＤＣ＿Ｓ）との間における往復運動に伴って、副油圧室４２の容積が変化し、副油圧室４２の容積変化に対応して副油圧室４２から副作動油が流出入する。一方、副ピストン３８に作用する力は副油圧室４２内の副作動油を介して主ピストン３４に伝達されないため、可動シリンダ３６及び主ピストン３４は、静止シリンダ３２内を往復運動しない。よって、図６（ｂ）に示すように、副ピストン３８が上死点（ＴＤＣ＿Ｓ）まで移動しても、主ピストン３４は下死点（ＴＤＣ＿Ｍ）に位置したままである。すなわち、主ピストン３４は実質的に仕事をしない。

したがって、ピストン装置３０では、電磁弁６１等の連通状態切替え部６０によって副油圧室４２の連通状態を連通規制状態と連通許容状態との間で切り替えて副油圧室４２を含む油圧回路の剛性を調節することにより、主ピストン３４に仕事をさせるか否かを選択することができる。

幾つかの実施形態では、油圧ポンプユニット１６や油圧モータユニット１８等のピストン装置３０は、副ピストン３８の位相に応じて連通状態切替え部６０（例えば電磁弁６１）を制御するためのコントローラ９０（図２参照）をさらに備える。
この場合、コントローラ９０を用いて副ピストン３８の位相に応じて連通状態切替え部６０（例えば電磁弁６１）を制御可能であるので、副油圧室４２を連通規制状態とする副ピストン３８の位相の範囲を、下死点と上死点との間で任意に設定できる。これにより、連通規制状態において副ピストン３８とともに動く主ピストン３４のストロークを所期の値とすることができ、ピストン装置３０の押しのけ容積を任意に調節することができる。
なお、副ピストン３８の位相は、副ピストン３８の位置を計測するためのセンサ（不図示）により取得してもよく、あるいは、回転軸２２の位相を計測するための回転センサ（図２の回転センサ９２参照）により取得してもよい。

また、幾つかの実施形態では、ピストン装置３０において、主ピストン３４の最大押しのけ容積は、副ピストン３８の最大押しのけ容積よりも大きい。
主ピストン３４の最大押しのけ容積が、副ピストン３８の最大押しのけ容積よりも大きいため、副油圧室４２の連通状態の切り替えにより副作動油が流通することとなる連通状態切替え部６０（例えば電磁弁６１）の容量を小さくすることができる。よって、ピストン装置３０の大きな押しのけ容積（主ピストン３４による押しのけ容積）を確保しながら、連通状態切替え部６０を小型化できるとともに、連通状態切替え部６０を含むピストン装置３０を小型化することができる。
例えば、連通状態切替え部６０としての小型の電磁弁６１を用いれば、電磁弁６１自体が小型であり、また、電磁弁６１の開閉制御に必要な電流が小さいため、電磁弁６１において高速応答が可能となる。このため、より大きな回転数に対応可能なピストン装置３０を得ることができる。

また、図３及び図４に示すピストン装置３０では、上述したように、可動シリンダ３６は、主ピストン３４の内部において主ピストン３４と同心に設けられている。これにより、主ピストン３４及び可動シリンダ３６に対して、副油圧室４２及び主油圧室４０のそれぞれから作用する油圧の作用点が主ピストン３４の中心軸上に並ぶことになる。よって、副油圧室４２から受ける油圧と主油圧室４０から受ける油圧とに起因して主ピストン３４及び可動シリンダ３６にモーメント荷重が発生することがない。このため、副ピストン３８が可動シリンダ３６内を円滑に摺動することができ、副ピストン３８と主ピストン３４との間におけるエネルギーの伝達ロスを低減できる。

図７は、一実施形態に係る油圧機械の構成の概略を示す図である。図７に示す油圧機械２０は、回転軸２２と、上述したピストン装置３０である油圧ポンプユニット１６と、変換機構２４としてのＸＹ分離機構２３と、を備える。ＸＹ分離機構２３は、油圧ポンプユニット１６の副ピストン３８と回転軸２２との間に設けられ、副ピストン３８の往復運動と回転軸２２の回転運動との間で運動モードを変換するように構成される。

ＸＹ分離機構２３は、油圧機械２０の静止部２１に支持された移動部６４と、副ピストン３８と移動部６４との間に設けられる中間部６８と、中間部６８と移動部６４との間に設けられるスライド部７０とを含む。

移動部６４は、クランク機構７２を介して回転軸２２に連結される。クランク機構７２は、回転軸２２に一端が連結されるクランクアーム７４と、クランクアーム７４の他端を移動部６４に連結するためのクランクピン７３とを含む。
クランク機構７２を介して回転軸２２に連結された移動部６４は、回転軸２２の軸方向に対する直交平面内において、可動シリンダ軸方向のＸ方向成分と可動シリンダ軸直交方向のＹ方向成分とを合成した速度ベクトルＶで回転軸２２の回転に連動して移動する。すなわち、回転軸２２の回転に伴って、クランクピン７３は、軌跡８１を描くように、回転軸２２の軸中心の周りを移動する。ここで、軌跡８１は、半径がクランクアーム７４の長さ（回転軸２２とクランクピン７３との間の距離）の回転軸２２を中心とする円である。そのため、クランクピン７３に連結された移動部６４は、クランクピン７３の移動に伴って、回転軸２２の軸方向に対する直交平面内において速度ベクトルＶで回転軸２２の回転に連動して移動することになる。

上述した移動部６４、中間部６８、スライド部７０を備えるＸＹ分離機構２３により、副ピストン３８の可動シリンダ軸方向に沿った往復運動と回転軸２２の回転運動との間で運動モードが変換される。

移動部６４は、移動部６４と静止部２１との間に設けられる第１スライダ７６及び第２スライダ７８を介して静止部２１に支持される。第１スライダ７６は移動部６４の可動シリンダ軸方向の自在な移動を可能とし、第２スライダ７８は移動部６４の可動シリンダ軸直交方向の自在な移動を可能とする。
このように、第１スライダ７６と第２スライダ７８により、移動部６４は回転軸２２の軸方向に対する直交平面内で可動シリンダ軸方向及び可動シリンダ軸直交方向に移動可能である。したがって、移動部６４は、第１スライダ７６と第２スライダ７８を介して静止部２１に支持されながら、回転軸２２の回転に連動して回転軸２２の軸方向に対する直交平面内を移動することができる。

スライド部７０は、移動部６４に対して相対的に可動シリンダ軸直交方向に移動可能に、中間部６８を移動部６４に支持する。
なお、図７に示す実施形態では、スライド部７０と第２スライダ７８の両方の役割を、移動部６４と中間部６８の間に配置した１つのスライダ部材に担わせている。

静止部２１は、油圧機械２０において固定され静止している部材である。例えば、静止シリンダ３２を囲むシリンダブロックや、シリンダブロックに固定されるように接続された部材を静止部２１とすることができる。

図７に示す油圧機械２０においては、回転軸２２に連動する移動部６４と副ピストン３８との間に位置する中間部６８が、スライド部７０によって、移動部６４に対して可動シリンダ軸直交方向に相対的に移動可能に移動部６４に支持される。このため、ＸＹ分離機構２３から副ピストン３８に伝わる力は基本的には可動シリンダ軸方向に沿った成分のみである。すなわち、回転軸２２から副ピストン３８に向かってＸＹ分離機構２３内を伝わる力はスライド部７０において可動シリンダ軸方向成分（Ｘ方向成分）と可動シリンダ軸直交成分（Ｙ方向成分）とに分離されるので、副ピストン３８には、中間部６８を介してスライド部７０から可動シリンダ軸方向成分（Ｘ方向成分）の力のみが伝わることになる。したがって、回転軸２２と副ピストン３８との間に設けられるＸＹ分離機構２３から副ピストン３８に作用するサイドフォースを低減できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ 発電装置
２ 原動機
３ 回転シャフト
４ 油圧トランスミッション
５ 回転シャフト
６ 発電機
８ 油圧ポンプ
１０ 油圧モータ
１２ 高圧油ライン
１４ 低圧油ライン
１６ 油圧ポンプユニット
１８ 油圧モータユニット
２０ 油圧機械
２１ 静止部
２２ 回転軸
２３ ＸＹ分離機構
２４ 変換機構
２５ 主作動油タンク
２６ 高圧ライン
２７ 高圧油送出ライン
２８ 低圧ライン
２９ 送油ライン
３０ ピストン装置
３２ 静止シリンダ
３３ 内壁面
３４ 主ピストン
３６ 可動シリンダ
３７ 内壁面
３８ 副ピストン
３９ 底部
４０ 主油圧室
４２ 副油圧室
４３ 高圧連通路
４４ 低圧連通路
４６ 高圧弁
４８ 低圧弁
５０ 油溝
５２ 静止通路
５４ 可動通路
５６ 副油ライン
５８ 副作動油タンク
６０ 連通状態切替え部
６１ 電磁弁
６２ 第１付勢部材
６３ 第２付勢部材
６４ 移動部
６８ 中間部
７０ スライド部
７２ クランク機構
７３ クランクピン
７４ クランクアーム
７６ 第１スライダ
７８ 第２スライダ
８１ 軌跡
９０ コントローラ
９２ 回転センサ

Claims (10)

1. 静止シリンダと、
   前記静止シリンダ内に往復運動可能に設けられた主ピストンと、
   前記主ピストンとともに動くように構成された可動シリンダと、
   前記可動シリンダ内に往復運動可能に設けられた副ピストンと、
   前記可動シリンダ及び前記副ピストンによって形成される副油圧室からの副作動油の流出入が規制された連通規制状態と、前記副作動油の前記副油圧室からの流出入が許容される連通許容状態と、で前記副油圧室の状態を切り替えるように構成された連通状態切替え部と、
   を備え、
   前記可動シリンダは、前記主ピストンの内部に前記主ピストンと同心に設けられた
   ことを特徴とするピストン装置。
2. 前記連通状態切替え部は、前記副油圧室に接続される副油ラインに設けられる電磁弁を含むことを特徴とする請求項１に記載のピストン装置。
3. 静止シリンダと、
   前記静止シリンダ内に往復運動可能に設けられた主ピストンと、
   前記主ピストンとともに動くように構成された可動シリンダと、
   前記可動シリンダ内に往復運動可能に設けられた副ピストンと、
   前記可動シリンダ及び前記副ピストンによって形成される副油圧室からの副作動油の流出入が規制された連通規制状態と、前記副作動油の前記副油圧室からの流出入が許容される連通許容状態と、で前記副油圧室の状態を切り替えるように構成された連通状態切替え部と、
   を備え、
   前記主ピストンの最大押しのけ容積は、前記副ピストンの最大押しのけ容積よりも大きいことを特徴とするピストン装置。
4. 静止シリンダと、
   前記静止シリンダ内に往復運動可能に設けられた主ピストンと、
   前記主ピストンとともに動くように構成された可動シリンダと、
   前記可動シリンダ内に往復運動可能に設けられた副ピストンと、
   前記可動シリンダ及び前記副ピストンによって形成される副油圧室からの副作動油の流出入が規制された連通規制状態と、前記副作動油の前記副油圧室からの流出入が許容される連通許容状態と、で前記副油圧室の状態を切り替えるように構成された連通状態切替え部と、
   を備え、
   前記副ピストンの位相に応じて前記連通状態切替え部を制御するためのコントローラをさらに備えることを特徴とするピストン装置。
5. 前記可動シリンダは、前記主ピストンの内部に前記主ピストンと同心に設けられたことを特徴とする請求項３又は４に記載のピストン装置。
6. 前記静止シリンダ及び前記主ピストンによって形成される主油圧室にそれぞれ連通するようにそれぞれ設けられた高圧ライン及び低圧ラインと、
   前記高圧ラインに設けられた高圧弁と、
   前記低圧ラインに設けられた低圧弁と、をさらに備え、
   前記高圧弁又は前記低圧弁の少なくとも一方は逆止弁であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のピストン装置。
7. 前記ピストン装置は、前記副ピストンの往復運動を、前記静止シリンダ及び前記主ピストンによって形成される主油圧室の圧力エネルギーに変換するように構成された油圧ポンプユニットであり、
   前記主ピストンを該主ピストンの上死点から下死点に向かう方向に付勢するための第１付勢部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のピストン装置。
8. 前記ピストン装置は、前記静止シリンダ及び前記主ピストンによって形成される主油圧室の圧力エネルギーを前記副ピストンの往復運動に変換するように構成された油圧モータユニットであり、
   前記主ピストンを該主ピストンの下死点から上死点に向かう方向に付勢するための第２付勢部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のピストン装置。
9. 回転軸と、
   請求項１乃至８の何れか一項に記載の少なくとも一つのピストン装置と、
   各々の前記ピストン装置の前記副ピストンと前記回転軸との間に設けられ、該副ピストンの往復運動と前記回転軸の回転運動との間で運動モードを変換するように構成されたＸＹ分離機構と、を備えることを特徴とする油圧機械。
10. 回転軸と、
    請求項１乃至８の何れか一項に記載の複数のピストン装置と、
    各々の前記ピストン装置の前記連通状態切替え部を制御するためのコントローラと、を備え、
    前記コントローラは、前記複数のピストン装置のそれぞれについて、前記連通状態切替え部を互いに独立して制御可能に構成されたことを特徴とする油圧機械。
    

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