JP7141050B2 - 流体駆動システム、吸収機構、および外力検出機構 - Google Patents
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Description
液圧駆動シリンダシステムは、液体の非圧縮性によって、シリンダの停止精度や応答性が良いという特徴がある。
また、エア駆動シリンダシステムでは、エアの圧縮性によって、バルブを閉じて配管回路内が密閉状態のときに、予期せぬ外力が作用し、シリンダが過負荷を受けた場合においても、外力による変位に対して圧力上昇は穏やかであって、機器や配管が受ける衝撃あるいはダメージが小さいという特徴がある。
特許文献1には、シリンダーの内部で可動のピストンを有する液圧シリンダーの技術が開示されている。
特許文献2には、空圧シリンダ駆動による被移動物体の高速移動方法として、空圧シリンダの技術が開示されている。
また、特許文献2に記載の技術においては、エアシリンダを用いているので、エアの圧縮性により、停止精度や応答性が不充分であるという課題がある。
すなわち、本発明の流体駆動システムは、液体供給源と液体バルブと液体バルブと第1のシリンダとを有する液圧駆動シリンダと、気体バルブと気体バルブと液体バルブと第2のシリンダとを有する吸収機構と、を備え、前記吸収機構の前記液体バルブは、前記第1のシリンダと前記第2のシリンダとの間に配置され、前記吸収機構の第2のシリンダは、シリンダ弁の一方が液圧駆動されて、前記吸収機構の前記液体バルブに配管され、シリンダ弁の他方が空圧駆動されて、前記吸収機構の前記気体バルブと前記気体バルブに配管され、前記液圧駆動シリンダの前記液体バルブは、前記第1のシリンダと前記液体供給源との間に配置され、前記液圧駆動シリンダの前記液体バルブは、圧力調整器およびポンプを介して前記液体供給源との間に配置され、前記吸収機構の前記気体バルブは、前記第2のシリンダと大気との間に配置され、前記吸収機構の前記気体バルブは、圧力調整器を介してエア供給源との間に配置される、ことを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る流体駆動システム10の構成例を示す図である。
図1において、流体駆動システム10は、水圧駆動単動シリンダ11と吸収機構12とを備えて構成されている。
次に、水圧駆動単動シリンダ11と吸収機構12の構成、および流体駆動システム10の動作について、順に詳しく説明する。
水圧駆動単動シリンダ(液圧駆動単動シリンダ)11は、単動シリンダ(第1のシリンダ)111、液体バルブ(バルブ)V1,V2、圧力調整器114、ポンプ115、水供給源(液体供給源)116、圧力計117、配管11A,11B,11C,11D,11Eを備えて構成されている。
単動シリンダ111のシリンダ弁の一方はロッドを介して外力Fが加わる。また、シリンダ弁の他方はシリンダの内空部に水(液体)が充填されていて配管11Aに接続されている。
配管11Aは、液体バルブV1と液体バルブV2のそれぞれの第1の配管口に接続されている。液体バルブV1の第2の配管口は、配管11Cを介して、圧力調整器114とポンプ115に接続されている。
また、圧力調整器114とポンプ115は、それぞれ配管11Dと配管11Eを介して水供給源(液体供給源)116に接続されている。
液体バルブV2の第2の配管口は、配管11Bを介して、水供給源(液体供給源)116に接続されている。
すなわち、液体バルブV1を閉じて、液体バルブV2を開くと、水供給源(液体供給源)116から所定の水圧(液圧)の水(液体)がシリンダ弁の他方に供給されて、単動シリンダ111は、戻りの状態となる。
また、液体バルブV2を閉じて、液体バルブV1を開き、圧力調整器114で圧力(水圧)を調整しながらポンプ115を作動して、液体バルブV1から水(液体)を単動シリンダ111の他方の弁の側の内空部に供給することによって、単動シリンダ111は動作状態となる。
液体バルブV3が開いた状態で、水圧駆動単動シリンダ11と吸収機構12とが相互作用する場合の動作については後記する。
図1において、吸収機構(リリーフ)12は、複動シリンダ(第2のシリンダ)121、リニアゲージ122、液体バルブ(バルブ)V3、気体バルブ(バルブ)V4,V5、圧力計126、圧力調整器127、エア供給源128を備えている。
複動シリンダ121のシリンダ弁の一方は、水(液体)が充填された配管12Aに接続されている。またシリンダ弁の他方は、エア(気体)が充填された配管12Bと配管12Cに接続されている。
配管12Aは、液体バルブV3の第1の配管口に接続されている。配管12Bは、気体バルブV4の第1の配管口に接続されている。配管12Cは、圧力計126と気体バルブV5の第1の配管口に接続されている。
気体バルブV4の第2の配管口は、大気開放となっている。
気体バルブV5の第2の配管口は、圧力調整器127の出口に接続されている。圧力調整器127の入口は、配管12Eを介して、エア供給源128に接続されている。
リニアゲージ122は、複動シリンダ121の変位を測定している。
また、複動シリンダ121におけるシリンダ弁のエア(気体)が充填された側のシリンダ内空部の圧力(気圧)に如何に設定するかによって、外力の急峻な変動を吸収する機能、いわば剛性を調整することができる。
なお、リニアゲージ122は、複動シリンダ121のシリンダ弁の変位を計測する。
次に、水圧駆動単動シリンダ11と吸収機構12とを併せた流体駆動システム10の動作について説明する。
前記したように、水圧駆動単動シリンダ11を停止精度や応答性を高く確保しながら、シリンダにおける外力の過負荷による機器のダメージを防止するために、水圧駆動単動シリンダ11と吸収機構12を組み合わせて用いる。
流体駆動システム10の実際の動作を次の手順のように実施する。
〈1〉吸収機構12における液体バルブV3を閉じる。
〈2〉気体バルブV4,V5と圧力計126と圧力調整器127による調整によって、複動シリンダ121におけるシリンダ弁のエア(気体)が充填された側のシリンダ内空部の圧力(気圧)を圧力Pa0に設定する。
〈3〉圧力Pa0で充填した後、気体バルブV4,V5は閉じた状態にする。
〈4〉衝撃などの異常な外力が加わらない通常の水圧駆動単動シリンダ11の動作時(通常負荷時、能動動作時)は、吸収機構12における液体バルブV3を閉じた状態のまま、液体バルブV1と液体バルブV2の開閉で動作する。
なお、圧力調整器114、ポンプ115、水供給源(液体供給源)116は、適宜、動作させる。
単動シリンダ111の停止時(液体バルブV1,V2は共に閉)においては、吸収機構12における液体バルブV3を開く。ただし、液体バルブV3を開く前に圧力計117によって直前の動作圧力を測定し、複動シリンダ121の押し下げ力に対抗できる程度の複動シリンダ121の内空部圧力に初期圧力Pa0を設定しておくことが望ましい。
この状態において、外力が単動シリンダ111に加わると、単動シリンダ111の変位量に対応して、吸収機構12における複動シリンダ121が押し下げられる(図1の図面視の下方)。
すなわち、単動シリンダ111に作用する外力Fが液体バルブV3を介して複動シリンダ121の水(液体)が充填された内空部に伝達されると、複動シリンダ121のエア(気体)が充填された内空部の圧力とがバランスして複動シリンダ121のシリンダ弁が動く。このように複動シリンダ121が押し下げられることによって、単動シリンダ111および関連する配管11Aにおいて、印加された外力の影響(例えばダメージ)が軽減される。
なお、この過程において、複動シリンダ121の内部のエアの圧縮特性により、シリンダ弁の変位につれて抵抗力(剛性)が上昇する。
また、初期の圧力Pa0を変更することで、外力変位に対する抵抗力(剛性)を変えることができる。
以上は、吸収機構12における液体バルブV3を開く場合について説明したが、単動シリンダ111の剛性を高める必要がある場合には、液体バルブV3を閉じたままにすることにより、水の非圧縮性により、最も剛性を高くすることもできる。なお、圧力Pa0の設定による外力とシリンダ変位の変化については、図2を参照して後記する。
さらに、圧力Paをリアルタイムに変更することにより、単純な空気の圧縮特性とは異なる変位-抵抗力の関係にすることも可能となる。この運用では、外力に打ち勝って、シリンダ111をエアで能動的に動かす動作も可能となる。
また、単動シリンダ111の停止時(液体バルブV1,V2は共に閉)において、吸収機構12における液体バルブV3を開いた状況で、複動シリンダ121の圧力と変位量を計測することにより、単動シリンダ111が受ける外力とそれによる変位を検出することができる。
以上の構成により、剛性可変な水圧駆動システム(液圧駆動システム、流体駆動システム)を構築できる。
図2を参照して、水圧駆動単動シリンダ11と吸収機構12とを備えて構成されている流体駆動システム10の外力と変位特性変化の概念図を説明する。
図2は、本発明の第1実施形態に係る流体駆動システム10における水圧駆動単動シリンダ11の外力と変位特性変化の関係の一例を示す概念図である。
図2において、縦軸は水圧駆動単動シリンダ11の単動シリンダ111における外力Fであり、横軸は単動シリンダ111における変位xである。また、吸収機構12における複動シリンダ121のエアの初期圧力Pa0の設定による、水圧駆動単動シリンダ11における外力と変位特性変化の関係を示す概念図である。
また、特性線2010は、液体バルブV3を閉状態として、複動シリンダ121を有する吸収機構12が機能しない場合の特性である。
特性線2010で示した吸収機構12が機能しない場合の外力Fと変位xの特性に対して、特性線2001,2002,2003は、外力Fの変化に対して、変位xが大きい。
図2の関係により、外力負荷(F)に対する剛性(変位xの変化量Δx)を可変に設定できる。
すなわち、停止精度および応答性と、外力変化に対する剛性(外力過負荷による衝撃の緩和の度合)を選択できる。
図3においては、シリンダに外力Fが加わる箇所と、その際のシリンダの変位xを示す意図のみであるので詳細な説明は省略する。
なお、前記したように、図3におけるシリンダの変位xは、単動シリンダ111の変位であって、吸収機構12における複動シリンダ121の変位とは異なる(図1参照)。
ただし、単動シリンダ111の変位と複動シリンダ121の変位とは、所定の関係があるので、図2におけるリニアゲージ122で測定された複動シリンダ121の変位によって、単動シリンダ111の変位xは、算出、もしくは推定、計測ができる。
比較例1として、水圧駆動単動シリンダの一例を説明する。
図4は、比較例1としての水圧駆動単動シリンダの構成例を示す図である。
図4において、水圧駆動単動シリンダ1100は、単動シリンダ1111、液体バルブVA,VB、圧力調整器1114、ポンプ1115、水供給源1116、配管111A,111B,111C,111D,111Eを備えている。
単動シリンダ1111のシリンダ弁の一方は外力が作用し、他方は水が充填された配管111Aに接続されている。
また、圧力調整器1114とポンプ1115は、それぞれ配管111D、配管111Eを介して、水供給源1116に接続されている。
液体バルブVBの第2の配管口は、配管111Bを介して、水供給源1116に接続されている。
すなわち、液体バルブVAを閉じて、液体バルブVBを開くと水供給源1116から所定の水圧の水がシリンダ弁の他方に供給されて、単動シリンダ1111は、戻りの状態となる。
また、液体バルブVBを閉じて、液体バルブVAを開き、圧力調整器1114で圧力(水圧)を調整しながらポンプ1115を作動して、液体バルブVAから水を単動シリンダ1111の他方の弁の側に供給することによって、単動シリンダ1111は動作状態となる。
比較例2として、空圧単動シリンダの一例を説明する。
図5は、比較例2としての空圧駆動単動シリンダの構成例を示す図である。
図5において、空圧駆動単動シリンダ2100は、単動シリンダ2111、気体バルブVC,VD、圧力調整器2114、エア供給源2116、配管211A,211B,21C,211Dを備えている。
単動シリンダ2111のシリンダ弁の一方は外力が作用し、他方はエア(空気)が充填された配管211Aに接続されている。
また、圧力調整器2114は配管211Dを介して、エア供給源2116に接続されている。
気体バルブVDの第2の配管口は、配管211Bを介して、大気開放されている。
すなわち、気体バルブVC、もしくは気体バルブVDを介して、エア供給源2116から所定の気圧のエア(空気)がシリンダ弁の他方に供給されて、単動シリンダ2111は、戻りの状態となる。
また、気体バルブVDを閉じて、気体バルブVCを開き、圧力調整器2114で圧力(気圧)を調整しながら、気体バルブVCからエア(空気)を単動シリンダ2111の他方のシリンダ弁の側の内空部(シリンダ内空部)に供給することによって、単動シリンダ2111は動作状態となる。
第1実施形態の流体駆動システム10におけるシリンダ111および水圧駆動単動シリンダ11の実際の動作例を図18~図26を参照して説明する。なお、図6~図17については、後記する。
流体駆動システム10におけるシリンダ111(水圧駆動単動シリンダ11)が通常の負荷(通常外力)に対する動作と予期せぬ負荷(異常な外力)に対する動作例を図18~図20を参照して説明する。
図18は、シリンダ111(水圧駆動単動シリンダ11)が負荷となるトロッコ501と作用していない状況を示す図である。
図18において、斜面510に、シリンダ111(水圧駆動単動シリンダ11)が設置され、トロッコ501が停止装置511に停留されている。なお、シリンダ111のロッド111Rは、トロッコ501と接していない。
図19において、トロッコ501は、ロッド111Rに押され始めた状態であり、停止装置511を離れ始めている。この後、トロッコ501は、斜面510を登りだす。
図20において、シリンダ111(水圧駆動単動シリンダ11)は、ロッド111Rを介してトロッコ501の通常の負荷(通常外力)以外に予期しない異常な負荷(異常外力)を受ける。
また、図19に示したシリンダ111のロッド111Rが、負荷であるトロッコ501に接触した時間をt=t1とする。
また、図19の状態において、シリンダ111がロッド111Rを介して負荷(トロッコ501)を動かし始めた時間をt=t2とする。
また、図19の状態から図20の状態に移行する過程で、トロッコ501が岩601(予期せぬ負荷)に遭遇した時間をt=taとする。
以上に述べた状況(図18~図20)の「吸収機構なしの場合」、すなわち、第1実施形態の流体駆動システム10(図1)において、吸収機構12の液体バルブV3を閉めた場合、あるいは比較例1(図4)の場合におけるシリンダの移動量と圧力について、図21と図22を参照して説明する。
なお、前記したように、第1実施形態の流体駆動システム10(図1)においては、吸収機構12の液体バルブV3を閉めた状態である。
図21においては、初期状態の時間t=0からシリンダ111が所定の値になると、シリンダ111のロッド111Rを伸ばして、t=t1で、負荷であるトロッコ501に接触する。
また、t1≒t2として、シリンダ111はロッド111Rを介して負荷であるトロッコ501を押す。
さらにt=taで、負荷であるトロッコ501が岩601(予期せぬ負荷、異常外力)と遭遇する。このため、t>taにおいて、シリンダ111は、ロッド111Rをさらに伸ばせない状況となっている。
なお、前記したように、第1実施形態の流体駆動システム10(図1)においては、吸収機構12の液体バルブV3を閉めた状態である。
図22においては、初期状態の時間t=0からシリンダ111のロッド111Rを伸ばして、t=t1で、負荷であるトロッコ501に接触する。この間、シリンダ111の圧力は概ねロッド111Rを伸ばすために必要な所定の圧力PC1を保つ。
また、t1≒t2において、シリンダ111がロッド111Rを介して負荷であるトロッコ501を押していく。この間、シリンダ111の圧力は概ね負荷であるトロッコ501を押すに必要な所定の圧力PC2を保つ。
そして、t=taで、負荷であるトロッコ501が岩601(予期せぬ負荷、異常外力)と遭遇すると、それでもシリンダ111はロッド111Rを押し続けるのでシリンダ111の内部の圧力は急上昇する。シリンダ111の圧力が過負荷ラインを超えるとシリンダ111が損傷する場合がある。
前記した状況(図18~図20)の「吸収機構ありの場合」、すなわち、第1実施形態の流体駆動システム10(図1)において、吸収機構12の液体バルブV3を開けた場合におけるシリンダ111およびシリンダ121の移動量と圧力について、図23~図26を参照して説明する。
なお、前記したように、第1実施形態の流体駆動システム10(図1)においては、吸収機構12の液体バルブV3を開けた状態である。また、吸収機構12がある場合には、t1≠t2となる。
図23においては、初期状態の時間t=0からシリンダ111が所定の値になると、シリンダ111のロッド111Rを伸ばして、t=t1で、負荷であるトロッコ501に接触する。
このとき、図24で後記するように吸収機構12の作用により、穏やかに圧力が上昇する。その間、図23のt1~t2では、シリンダ111は動かない。
t=t2となって、シリンダ111が所定の圧力Pd2となると、図23に示すように、シリンダ111のロッド111Rを介して負荷であるトロッコ501を押す。すなわち、シリンダ111の移動量が再び増加している。
さらにt=taで、負荷であるトロッコ501が岩601(予期せぬ負荷、異常外力)と遭遇する。このとき、後記するように、吸収機構12の作用により、ta~tbにおいては、シリンダ111は、ロッド111Rをさらに伸ばせない状況となる。その理由は、後記する吸収機構12の作用によって、過負荷を検出してロッド111Rが伸びるのを停止するからである。
なお、前記したように、第1実施形態の流体駆動システム10(図1)においては、吸収機構12の液体バルブV3を開けた状態である。
図24においては、初期状態の時間t=0からシリンダ111のロッド111Rを伸ばして、t=t1で、負荷であるトロッコ501に接触する。この間、シリンダ111の圧力は概ねロッド111Rを伸ばすために必要な所定の圧力Pd1を保つ。
また、t1~t2においては、吸収機構12の作用により、穏やかに圧力が上昇する。
シリンダ111の圧力が負荷であるトロッコ501を押すに必要な所定の圧力Pd2に達すると、圧力Pd2を保ちながら、負荷であるトロッコ501を押す。
そしてt=taで、負荷であるトロッコ501が岩601(予期せぬ負荷、異常外力)と遭遇すると、シリンダ111の圧力はta~tbの区間において、上昇する。
しかしながら、吸収機構12の作用により、シリンダ111の圧力は過負荷ラインの圧力に達することはない。そのため、シリンダ111は損傷を受けない。
なお、前記したように、第1実施形態の流体駆動システム10(図1)においては、吸収機構12の液体バルブV3を開けた状態である。
図25において、tが0~t1においては、シリンダ121は殆ど移動しない。
シリンダ111がt=t1で、負荷であるトロッコ501に接触すると、液体バルブV3を介して、シリンダ111の圧力がシリンダ121に伝達され、シリンダ121(リニアゲージ122)が動作する。それとともにシリンダ121は、所定の変位xe1だけ移動する。そして、シリンダ111の圧力が負荷であるトロッコ501を押すに必要な所定の圧力Pd2に達すると、シリンダ121は、所定の変位xe1を保って均衡する。
そしてt=taで、負荷であるトロッコ501が岩601(予期せぬ負荷、異常外力)と遭遇すると、シリンダ111の圧力が上昇するので、シリンダ121は、ta~tbの区間で、再び圧力を高めるために移動する。
図26に示すように、シリンダ121は、t=0で初期圧力Pa0に設定しておく。そして、t=t1でシリンダ121の圧力は緩やかに上昇する。そしてt=t2になって負荷検出がされる圧力まで上昇する。その後、シリンダ121の圧力は負荷検出がされた圧力を保つ。t=taで、負荷であるトロッコ501が岩601(予期せぬ負荷、異常外力)と遭遇すると、シリンダ121の圧力は上昇する。しかし、過負荷ラインより低く設定された許容設定圧(予め決めておく)に達した時点で、シリンダ121からシリンダ111に供給している液圧を止める。この動作により、シリンダ121およびシリンダ111の損傷を防止する。
前記したように、本発明の第1実施形態の流体駆動システム10は、図1に示すように、水圧駆動単動シリンダ11に吸収機構12を備えて構成されている。この吸収機構12を備える構成は、前記した比較例1および比較例2にはない構成である。
この水圧駆動単動シリンダ11と吸収機構12とを備える構成のため、本発明の第1実施形態の流体駆動システム10は、水圧駆動単動シリンダ11の停止精度や応答性が良いという特徴と、予期せぬ外力によりシリンダが過負荷を受けた場合においても機器がダメージを受け難い(衝撃が小さい)という特徴を併せて有する。
また、吸収機構12における初期圧力Pa0を適宜、所定の圧力に設定することにより、剛性を可変できるので、位置決め精度を良くしたり、あるいは外力に対する耐性を高くしたり、追従性を付加したり、柔軟に各種の特性を定めることができる。
また、水圧駆動単動シリンダ1100に、変位センサや力覚センサを取り付けた場合には、水中や、放射線環境下での使用が難しいことがある。
それに対して、本発明の第1実施形態の流体駆動システム10では、図1に示すように、水圧駆動単動シリンダ11と吸収機構12とを備えている。そのため、吸収機構12におけるリニアゲージ122で測定した変位や、圧力計126で測定した圧力によって、水圧駆動単動シリンダ11もしくは単動シリンダ111が密閉された状況で用いられる際の外力(衝撃を含む)があった場合における水圧駆動単動シリンダ11もしくは単動シリンダ111の受ける力や変位を算出(推定)できる効果がある。
また、吸収機構12を比較例1のような従来の機構に追加可能であって、本発明の第1実施形態の流体駆動システム10は、構造がシンプルである。
図6は、本発明の第2実施形態に係る流体駆動システム20の構成例を示す図である。
図6において、流体駆動システム20は、水圧駆動複動シリンダ21と吸収機構22とを備えて構成されている。
次に、水圧駆動複動シリンダ21と吸収機構22の構成、およびそれらの相互作用、動作について、順に詳しく説明する。
水圧駆動複動シリンダ21は、複動シリンダ211、液体バルブV11,V12,V13,V14、圧力調整器214、ポンプ215、水供給源(液体供給源)216、配管21A,21B,21C,21D,21E,21F,21G,21H,21BH,21CGを備えている。
配管21Aは、液体バルブV11と液体バルブV12のそれぞれの第1の配管口に接続されている。
液体バルブV11の第2の配管口は、配管21Cと配管21CGとを介して、圧力調整器214とポンプ215に接続されている。
また、圧力調整器214とポンプ215は、それぞれ配管21Dと配管21Eを介して水供給源(液体供給源)216に接続されている。
液体バルブV12の第2の配管口は、配管21Bと配管21BHとを介して、水供給源(液体供給源)216に接続されている。
液体バルブV13の第2の配管口は、配管21Gに接続されている。配管21Gは、前記した配管21Cと合流して配管21CGとなる。配管21CGの接続先は前記したとおりである。
液体バルブV14の第2の配管口は、配管21Hに接続されている。配管21Hは、前記した配管21Bと合流して配管21BHとなる。配管21BHの接続先は前記したように水供給源(液体供給源)216に接続されている。
以上の構成によって、液体バルブV11,V12,V13,V14の開閉と、圧力調整器214とポンプ215とを、適宜、選択して作動されることにより、複動シリンダ211は、所望の動作をする。
液体バルブV23と液体バルブV26が開いた状態で、水圧駆動複動シリンダ21と吸収機構22とが相互作用する場合の動作については後記する。
図6を参照して、吸収機構22について説明する。
図6において、吸収機構22は、複動シリンダ221,241、リニアゲージ222,242、液体バルブV23,V26、気体バルブV24,V25,V27,V28、圧力計226,246、圧力調整器227,247、エア供給源228、配管22A,22B,22C,22D,22E,24A,24B,24C,24D,24E,224Eを備えている。
配管22Aは、液体バルブV23の第1の配管口に接続されている。配管22Bは、気体バルブV24の第1の配管口に接続されている。配管22Cは、圧力計226と気体バルブV25の第1の配管口に接続されている。
気体バルブV24の第2の配管口は、大気開放となっている。
気体バルブV25の第2の配管口は、圧力調整器227の出口に接続されている。圧力調整器227の入口は、配管22Eと配管224Eを介して、エア供給源228に接続されている。
リニアゲージ222は、複動シリンダ221の変位を測定している。
配管24Aは、液体バルブV26の第1の配管口に接続されている。配管24Bは、気体バルブV27の第1の配管口に接続されている。配管24Cは、圧力計246と気体バルブV28の第1の配管口に接続されている。
気体バルブV27の第2の配管口は、大気開放となっている。
気体バルブV28の第2の配管口は、圧力調整器247の出口に接続されている。圧力調整器247の入口は、配管24Eと配管224Eを介して、エア供給源228に接続されている。
リニアゲージ242は、複動シリンダ241の変位を測定している。
なお、配管22Eと配管24Eは合流して配管224Eに接続されている。配管224Eは、エア供給源228に接続されている。
複動シリンダ221においては、気体バルブV24,V25と圧力計226と圧力調整器227、およびエア供給源228とによって、複動シリンダ221におけるシリンダ弁のエア(気体)が充填された側のシリンダ内空部を所定の圧力(気圧)に設定する。
そして、液体バルブV23を開くことにより、配管21Aを介して水圧駆動複動シリンダ21から到来する外力の急峻な変動を吸収する機能を有する。
また、複動シリンダ241においては、気体バルブV27,V28と圧力計246と圧力調整器247、およびエア供給源228とによって、複動シリンダ241におけるシリンダ弁のエア(気体)が充填された側のシリンダ内空部を所定の圧力(気圧)に設定する。
そして、液体バルブV26を開くことにより、配管21Fを介して水圧駆動複動シリンダ21から到来する外力の急峻な変動を吸収する機能を有する。
また、複動シリンダ221および複動シリンダ241におけるシリンダ弁のエア(気体)が充填された側のシリンダ内空部の圧力(気圧)を如何に設定するかによって、外力の急峻な変動を吸収する機能、いわば剛力を調整することができる。
なお、前記したように、リニアゲージ222,242は、それぞれ複動シリンダ221,241のシリンダ部の変位を計測する。この変位を計測することにより、水圧駆動複動シリンダ21の複動シリンダ211における変位を算出、計測できる。
比較例3として、水圧駆動複動シリンダの一例を説明する。
図7は、比較例3としての水圧駆動複動シリンダ3200の構成例を示す図である。
水圧駆動複動シリンダ3200は、複動シリンダ3211、液体バルブVE,VF,VG,VH、圧力調整器3214、ポンプ3215、水供給源(液体供給源)3216を備えている。
以上の構成は、図6に示した水圧駆動複動シリンダ21における、複動シリンダ211、液体バルブV11,V12,V13,V14、圧力調整器214、ポンプ215、水供給源(液体供給源)216にそれぞれ対応している。
すなわち、比較例3としての水圧駆動複動シリンダ3200は、図6で示した第2実施形態の流体駆動システム20において、吸収機構22を除いた、水圧駆動複動シリンダ21と実質的に等価の構成である。そのため事実上、重複する説明は省略する。
その反面、バルブ閉(配管回路内が密閉)状態のときに予期せぬ外力によりシリンダが過負荷を受けた場合に、微小な変位で回路内の圧力が急上昇し、機器がダメージを受ける可能性がある(衝撃が大きい)。
比較例4として、空圧駆動複動シリンダの一例を説明する。
図8は、比較例4としての空圧駆動複動シリンダ4200の構成例を示す図である。
図8において、空圧駆動複動シリンダ4200は、複動シリンダ4211、気体バルブVI,VJ,VK,VL、圧力調整器4214、エア供給源4216を備えている。
図8に示した比較例4の空圧駆動複動シリンダ4200の構成は、比較例2における空圧駆動単動シリンダ2100の構成を、複動シリンダ4211を用いること、および気体バルブVK,VIを追加したことによって、空圧駆動複動シリンダとしたことである。
比較例4の構成は、空圧駆動であること、複動シリンダであることが特徴であるが、一般的に知られているので、詳細な説明は省略する。
前記したように、本発明の第2実施形態の流体駆動システム20は、図6に示すように、水圧駆動複動シリンダ21に吸収機構22を備えて構成されている。この吸収機構22を備える構成は、前記した比較例3および比較例4にはない構成である。
この水圧駆動複動シリンダ21と吸収機構22とを備える構成のため、本発明の第2実施形態の流体駆動システム20は、水圧駆動シリンダの停止精度や応答性が良いという特徴と、予期せぬ外力によりシリンダが過負荷を受けた場合においても機器がダメージを受け難い(衝撃が小さい)という特徴を併せて有している。
また、水圧駆動複動シリンダ3200に、変位センサや力覚センサを取り付けた場合には、水中や、放射線環境下での使用が難しいことがある。
それに対して、本発明の第2実施形態の流体駆動システム20では、図6に示すように、水圧駆動複動シリンダ21と吸収機構22とを備えている。そのため、吸収機構22におけるリニアゲージ222,242で測定した変位や、圧力計226,246で測定した圧力によって、水圧駆動複動シリンダ21もしくは複動シリンダ211が密閉された状況で用いられる際の外力(衝撃を含む)や干渉があった場合における水圧駆動複動シリンダ21もしくは複動シリンダ211の受ける力や変位を算出(推定)できる効果がある。
図9は、本発明の第3実施形態に係る流体駆動システム30の構成例を示す図である。
図9において、流体駆動システム30は、直動型の液圧シリンダ301(第1のシリンダ)と駆動系(駆動機構)302と吸収機構303とを備えて構成されている。また、吸収機構303は、駆動系(駆動機構)302に連結されている。
なお、駆動系(駆動機構)302には、例えば第2実施形態を示した図5の水圧駆動複動シリンダ21で説明したように、バルブ、ポンプ、液体供給源などを備えている。また、吸収機構303には、シリンダ(第2のシリンダ)、気体バルブ、液体バルブなどを備えている。
第3実施形態の流体駆動システム30は、前記した第2実施形態の流体駆動システム20と同じように、吸収機構303を備えている。この構成により、液圧シリンダ301は、停止精度と応答性が良いという特徴を維持しつつ、併せて配管系が密閉状態のときの外力(特に衝撃)を受けた際にも、過大圧力を軽減し、機器の損傷を免れるという効果を有する。
図10は、本発明の第4実施形態に係る流体駆動システム31の構成例を示す図であり、(a)は回転型の液圧シリンダ311を回転する面の正面方向から見た図、(b)は回転型の液圧シリンダ311を回転する面の横方向から見た概略の図である。
図10(a)において、流体駆動システム31は、回転型の液圧シリンダ311と駆動系(駆動機構)312と吸収機構313とを備えて構成されている。また、吸収機構313は、駆動系(駆動機構)312に連結されている。
なお、駆動系(駆動機構)312には、前記したように、例えば、バルブ、ポンプ、液体供給源などを備えている。また、吸収機構313には、シリンダ(第2のシリンダ)、気体バルブ、液体バルブなどを備えている。
回転型の液圧シリンダ311は、複数のシリンダを駆動することによってモータとして回転させるシリンダ駆動回転モータである。一般的には、3個以上のシリンダを用いる。ただし、制御を複雑にすれば2個のシリンダによってモータとして回転させることも可能である。
図10に示した流体駆動システム31は、吸収機構313を備えているので、回転型の液圧シリンダ311は、停止精度と応答性が良いという特徴を維持しつつ、併せて、配管系が密閉状態のときの外力(特に衝撃)を受けた際にも、過大圧力を軽減し、機器の損傷を免れるという効果を有する。
図11は、本発明の第5実施形態に係る流体駆動システム32の構成例を示す図である。図11において、流体駆動システム32は、液圧回転モータ321と駆動系(駆動機構)322と吸収機構323とを備えて構成されている。また、吸収機構323は、駆動系(駆動機構)322に連結されている。
なお、駆動系(駆動機構)322には、前記したように、例えば、バルブ、ポンプ、液体供給源などを備えている。また、吸収機構323には、シリンダ(第2のシリンダ)、気体バルブ、液体バルブなどを備えている。
図11に示した流体駆動システム32は、吸収機構323を備えているので、液圧回転モータ321は、停止精度と応答性が良いという特徴を維持しつつ、併せて配管系が密閉状態のときの外力(特に衝撃)を受けた際にも、過大圧力を軽減し、機器の損傷を免れるという効果を有する。
図12は、本発明の第6実施形態に係る流体駆動システム33の構成例を示す図である。図12において、流体駆動システム33は、ワイヤ駆動(牽引)によるシリンダ331(第1のシリンダ)とワイヤ334,335と吸収機構333とを備えて構成されている。また、吸収機構333には、シリンダ(第2のシリンダ)、気体バルブ、液体バルブなどを備えている。
なお、シリンダ331のシリンダ弁の一方の内部には液体が充填されており、配管を介して吸収機構333に接続されている。
シリンダ331をワイヤ334,335で駆動(牽引)する際に、ワイヤ334,335の引張方向に衝撃荷重が加わると過負荷となる可能性があったが、第6実施形態に係る流体駆動システム33においては、吸収機構333を備えているので、前記の衝撃荷重を軽減することができるという特徴がある。
図13は、本発明の第7実施形態に係る流体駆動システム34の構成例を示す図である。図13において、流体駆動システム34は、シリンダ341(第1のシリンダ)と、シリンダ341を駆動するロッド344,345と、吸収機構343とを備えて構成されている。また、吸収機構343には、シリンダ(第2のシリンダ)、気体バルブ、液体バルブなどを備えている。また、シリンダ341のシリンダ弁の両側のシリンダ内空部には、それぞれ液体が充填されており、配管を介して吸収機構343に接続されている。
シリンダ341をロッド344,345で駆動(牽引)する際に、ロッド344,345に引張または圧縮の衝撃荷重が加わると過負荷となる可能性があったが、第7実施形態に係る流体駆動システム34においては、吸収機構343を備えているので、前記の衝撃荷重を軽減することができるという特徴がある。
図14は、本発明の第8実施形態に係る流体駆動システム35の構成例を示す図である。図14において、流体駆動システム35は、シリンダ351(第1のシリンダ)と、シリンダ351を駆動するリンク354,355と、吸収機構353とを備えて構成されている。また、吸収機構353には、シリンダ(第2のシリンダ)、気体バルブ、液体バルブなどを備えている
また、シリンダ351のシリンダ弁の両側のシリンダ内空部には、それぞれ液体が充填されており、配管を介して吸収機構353に接続されている。
シリンダ351をリンク354,355で駆動(牽引)する際に、リンク354,355に引張または圧縮の衝撃荷重が加わると過負荷となる可能性があったが、第8実施形態に係る流体駆動システム35においては、吸収機構353を備えているので、前記の衝撃荷重を軽減することができるという特徴がある。
図15は、本発明の第9実施形態に係る流体駆動システム36の構成例を示す図である。図15において、流体駆動システム36は、シリンダ361A,361B(第1、第2のシリンダ)と、柱366A,366B(第1、第2の柱)と、台座367と、土台(ベース)368と、吸収機構363とを備えて構成されている。また、吸収機構363には、シリンダ(第3、第4、第5、第6のシリンダ)、気体バルブ、液体バルブ(第1、第2、第3、第4の液体バルブ)などを備えている
シリンダ361A,361Bは、それぞれ柱366A,366Bを介して、共に台座367と、土台(ベース)368との間に配置されており、台座367に置かれた物体を支える構成となっている。
台座367に物体が置かれる、もしくは撤去される際に、振動や干渉によって柱366A,366B、ひいてはシリンダ361A,361Bに過大な力が加わり、関連機器が損傷する可能性があったが、第9実施形態に係る流体駆動システム36においては、吸収機構363を備えているので、前記の過大な力や振動を軽減することができるという特徴がある。
図16は、本発明の第10実施形態に係る流体駆動システム37の構成例を示す図である。図16において、流体駆動システム37は、シリンダ371(第1のシリンダ)と、梁378A,378Bと、吸収機構373とを備えて構成されている。また、吸収機構373には、シリンダ(第2、第3のシリンダ)、気体バルブ、液体バルブ(第1、第2、の液体バルブ)などを備えている
シリンダ371は、支持体376Aと支持体376Bとをそれぞれ介して、梁378Aと梁378Bとの間に配置されており、梁378Aと梁378Bの間隔や圧力を調整している。
また、シリンダ371は、シリンダ弁の両側のシリンダ内空部には、それぞれ液体が充填されており、配管を介して吸収機構373に接続されている。
梁378Aと梁378Bの間隔や圧力が変化した際に、振動や干渉によってシリンダ371に過大な力が加わり、損傷する可能性があったが、第10実施形態に係る流体駆動システム37においては、吸収機構373を備えているので、前記の過大な力や振動を軽減することができるという特徴がある。
図17は、本発明の第11実施形態に係る流体駆動システム38の構成例を示す図である。図17において、流体駆動システム38は、シリンダ381(第1のシリンダ)と、土台(ベース)388と、吸収機構383とを備えて構成されている。また、吸収機構383には、シリンダ(第2のシリンダ)、気体バルブ、液体バルブなどを備えている
シリンダ381の一方は、土台(ベース)388の上に配置されており、他方には、直接、あるいは、台座を介して物体が置かれる構成となっている。
また、シリンダ381は、シリンダ弁の土台側のシリンダ内空部には、液体が充填されており、配管を介して吸収機構383に接続されている。
シリンダ381の他方の側に物体が置かれる、もしくは撤去される際、あるいは地震の際に、過大な力が加わり、関連機器が損傷する可能性があったが、第11実施形態に係る流体駆動システム38においては、吸収機構383を備えているので、前記の過大な力や地震の影響を軽減することができるという特徴がある。
なお、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を追加・削除・置換をすることも可能である。
以下に、その他の実施形態や変形例について、さらに説明する。
第1実施形態においては水圧(液圧)単動シリンダ、第2実施形態において、水圧(液圧)複動シリンダの例を説明したが、水圧に限らず、非圧縮性である液体であればよい。例えば、油を用いた油圧単動シリンダ、油圧複動シリンダでもよい。
図1に示すように、吸収機構12におけるシリンダ121のシリンダ弁の一方には圧力を調整する調整材としてエアを充填しているが、エアの代わりに調整式バネを用いる方法や、水を充填する方法もある。ただし、水を充填する場合には、別途、ポンプやリリーフを必要とする。すなわちエアでなくとも圧力制御を行うことができる。
また、エアと表記したが、圧縮性の気体であればよく、所定の気体分子で構成されてもよいし、また様々な気体分子の混合気体でもよい。
第1実施形態の流体駆動システム10においては、吸収機構12に備えられたリニアゲージ122によって、水圧駆動単動シリンダ11の単動シリンダ111の変位を算出(推定)していた。
また、図6に示した第2実施形態の流体駆動システム20においては、吸収機構22に備えられたリニアゲージ222,242によって、水圧駆動複動シリンダ21の複動シリンダ211の変位を算出(推定)していた。
ただし、単動シリンダ111あるいは複動シリンダ211が可能な構造や環境で用いられる場合には、単動シリンダ111あるいは複動シリンダ211の変位を直接、測定するリニアゲージを、水圧駆動単動シリンダ11や水圧駆動複動シリンダ21に設ける方法もある。
図12に示した第6実施形態の流体駆動システム33においては、吸収機構333は、シリンダ331のシリンダ弁の片側のシリンダ内空部のみに配管されている例を示した。
ただし、片側に限定されるものではなく、シリンダ331のシリンダ弁の両側側のシリンダ内空部に吸収機構333を配管するようにしてもよい。
第1実施形態の流体駆動システム10や第2実施形態の流体駆動システムにおいては、吸収機構(12,22)に備えた圧力計(126,226,246)やリニアゲージ(122,222,242)によって、水圧駆動シリンダ(11,21)の圧力や変位や流量の情報を得ていた。すなわち、吸収機構(12,22)によって圧力や変位や流量の情報伝達あるいは情報取得が行われている。
ただし、吸収機構による情報伝達あるいは情報取得は、圧力や変位や流量の情報に限定されない。例えば、図12に示した第6実施形態の流体駆動システム33や図13に示した第7実施形態の流体駆動システム33においては、吸収機構によって、駆動する系の力や距離に相当する情報を伝達することもできる。
また、同様に、第3~第11実施形態(図9~17)における吸収機構(303,313,323,333,343,353,363,373,383)についても作業場所と離れた場所に設置することで、シリンダの遠隔監視が可能である。
また、吸収機構を備えることによって、流体駆動システムの外部から加わる外力を検出する外力検出機構を構成することができる。
11 水圧駆動シリンダ、液圧駆動シリンダ、水圧駆動単動シリンダ、液圧駆動単動シリンダ
12,22,303,313,323,333,343,353,363,373,383 吸収機構
21 水圧駆動シリンダ、液圧駆動シリンダ、水圧駆動複動シリンダ、液圧駆動複動シリンダ
111 シリンダ、第1のシリンダ、単動シリンダ
114,127,214,227,247,1114,2114,3214,4214 圧力調整器
115,215,1115,3215 ポンプ
116,216,1116,3216 水供給源、液体供給源
11A~11E,12A~12E,21A~21H,21BH,22A~22E,24A~24E,224E 配管
111R,344,345 ロッド
121,221,241 シリンダ、第2のシリンダ、複動シリンダ
122,226,242 リニアゲージ
117,126,226,246 圧力計
128,228,2116,4216 エア供給源、気体供給源
211 シリンダ、第1のシリンダ、複動シリンダ
302,312,322 駆動系、駆動機構
301,331,341,351,361A,361B、371,381,1111,2111 シリンダ、
311 回転型の液圧シリンダ
321 液圧回転モータ
334,335 ワイヤ
354,355 リンク
366A,366B 柱
367 台座
368,388 土台(ベース)
376A,376B 支持体
501 負荷(トロッコ)
601 岩(異常外力)
V1~V3,V11~V14,V23,V26,VA,VB,VE~VH 液体バルブ、バルブ
V4~V5,V24,V25,V27,V28,VC,VD,VI~VL 気体バルブ、バルブ
Claims (9)
- 液体供給源(116)と液体バルブ(V1)と液体バルブ(V2)と第1のシリンダ(111)とを有する液圧駆動シリンダ(11)と、
気体バルブ(V4)と気体バルブ(V5)と液体バルブ(V3)と第2のシリンダ(121)とを有する吸収機構(12)と、
を備え、
前記吸収機構(12)の前記液体バルブ(V3)は、前記第1のシリンダ(111)と前記第2のシリンダ(121)との間に配置され、
前記吸収機構(12)の第2のシリンダ(121)は、シリンダ弁の一方が液圧駆動されて、前記吸収機構(12)の前記液体バルブ(V3)に配管され、シリンダ弁の他方が空圧駆動されて、前記吸収機構(12)の前記気体バルブ(V4)と前記気体バルブ(V5)に配管され、
前記液圧駆動シリンダ(11)の前記液体バルブ(V2)は、前記第1のシリンダ(111)と前記液体供給源(116)との間に配置され、
前記液圧駆動シリンダ(11)の前記液体バルブ(V1)は、圧力調整器(114)およびポンプ(115)を介して前記液体供給源(116)との間に配置され、
前記吸収機構(12)の前記気体バルブ(V4)は、前記第2のシリンダ(121)と大気との間に配置され、
前記吸収機構(12)の前記気体バルブ(V5)は、圧力調整器(127)を介してエア供給源(128)との間に配置される、
ことを特徴とする流体駆動システム。 - 請求項1において、
前記液圧駆動シリンダ(11)は、水を充填した水圧駆動シリンダ、又は、油を充填した油圧駆動シリンダのいずれか一つである、
ことを特徴とする流体駆動システム。 - 請求項1において、
前記液圧駆動シリンダ(11,21)に液体バルブ(V13)と液体バルブ(V14)とを有し、
前記吸収機構(12,22)に気体バルブ(V27)と気体バルブ(V28)と液体バルブ(V26)と複動シリンダ(241)とを有し、
前記吸収機構(22)の前記液体バルブ(V26)は、前記第1のシリンダ(111,211)の外力(F)が加わる側のシリンダ弁と前記複動シリンダ(241)との間に配置され、
前記吸収機構(12,22)の前記複動シリンダ(241)は、シリンダ弁の一方が液圧駆動されて、前記吸収機構(12,22)の前記液体バルブ(V26)に配管され、シリンダ弁の他方が空圧駆動されて、前記吸収機構(12,22)の前記気体バルブ(V27)と前記気体バルブ(V28)に配管され、
前記液圧駆動シリンダ(11,21)の前記液体バルブ(V14)は、前記第1のシリンダ(111,211)の外力(F)が加わる側のシリンダ弁と前記液体供給源(116,216)との間に配置され、
前記液圧駆動シリンダ(11,21)の前記液体バルブ(V13)は、圧力調整器(114,214)およびポンプ(115,215)を介して前記液体供給源(116,216)との間に配置され、
前記吸収機構(12,22)の前記気体バルブ(V27)は、前記複動シリンダ(241)と大気との間に配置され、
前記吸収機構(12,22)の前記気体バルブ(V28)は、圧力調整器(247)を介して前記エア供給源(128,228)との間に配置される、
ことを特徴とする流体駆動システム。 - 請求項1において、
前記第1のシリンダ(111)を駆動する駆動機構(302)を備え、
前記第1のシリンダ(111,301)は、直動型である、
ことを特徴とする流体駆動システム。 - 請求項1において、
前記第1のシリンダ(111)を駆動する駆動機構(312)を備え、
前記第1のシリンダ(111,311)は、回転型である、
ことを特徴とする流体駆動システム。 - 請求項3において、
前記第1のシリンダ(111)を駆動する駆動機構(312)を備え、
前記第1のシリンダ(111,311)は、回転型であり、複数のシリンダを有し、該複数のシリンダが前記駆動機構(312)によって駆動されることによって回転する、
ことを特徴とする流体駆動システム。 - 請求項1に記載の流体駆動システムにおける吸収機構であって、
シリンダ弁の一方が液圧駆動され、シリンダ弁の他方が空圧駆動される前記第2のシリンダ(121)と、
前記シリンダ弁の一方のシリンダ内空部と接続される前記液体バルブ(V3)と、
前記シリンダ弁の他方のシリンダ内空部と接続される前記気体バルブ(V4,V5)と、
前記気体バルブ(V5)に接続される前記圧力調整器(127)と、
を備えて、前記液圧駆動シリンダ(11)の前記第1のシリンダ(111)に加わった外力(F)の急峻な変動を吸収する、
ことを特徴とする吸収機構。 - 請求項7において、
前記第2のシリンダ(121)の気体圧力を計測する圧力計(126)と、
前記第2のシリンダ(121)の変位を測定するリニアゲージ(122)と、
を備える、
ことを特徴とする吸収機構。 - 請求項7または請求項8に記載の吸収機構を用いる外力検出機構であって、
圧力調整器(127)または圧力計(126)またはリニアゲージ(122)のいずれかを用いて、前記流体駆動システムに作用する外力(F)を検出する、
ことを特徴とする外力検出機構。
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