JP7254509B2

JP7254509B2 - 状態監視装置及び流体圧駆動装置

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Publication number: JP7254509B2
Application number: JP2018246007A
Authority: JP
Inventors: 豊久保山; 聖川谷; 貴章川瀬
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2023-04-10
Anticipated expiration: 2038-12-27
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Description

本発明は、状態監視装置及び流体圧駆動装置に関する。

作動油の吐出量を制御する流量制御弁の故障の一つに、流量制御弁のスプール（弁体とも呼ばれる）の摩耗による作動油漏れがある。本来、スプールは、中立位置のときは、確実に作動油をシールし、スプールが中立位置から移動すると、作動油を吐出しなければならない。

ところが、流量制御弁内の作動油中に異物が混入している場合は、異物によってスプールの表面が削れてしまい、スプールが中立位置に移動しても、スプールの摩耗によって生じた隙間から作動油が漏れ出すおそれがある。

スプールが中立位置に移動しても、作動油が漏れ出す場合、流量制御弁によって駆動される駆動部や、駆動部によって制御されるアクチュエータを誤動作させる要因になる。また、作動油の漏出量が過大になると、作動油の供給が不足し、十分な作動油圧が得られなくなって、駆動部やアクチュエータの効率が低下してしまう。

流量制御弁を分解せずに、スプールの摩耗の度合いを調べることができれば、保守費用の削減が図れるため、望ましい。

特開２０１６－５０７８５号公報

本発明が解決しようとする課題は、簡易かつ正確にスプール等の可動部の摩耗の度合いを調べることができる状態監視装置及び流体圧駆動装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、第１可動部の位置に応じて作動流体の吐出量を制御する流量制御弁における前記第１可動部の位置を取得する第１情報取得部と、
前記流量制御弁から吐出された作動流体に応じて位置を移動させる第２可動部を有するアクチュエータにおける前記第２可動部の位置を取得する第２情報取得部と、
前記第１情報取得部で取得した前記第1可動部の位置が前記アクチュエータに対して作動流体の供給を停止する中立位置であるか否かを判断する状態判断部と、
前記状態判断部により前記中立位置と判断されたときに前記第２可動部の単位時間あたりの変位に基づいて前記第１可動部の状態を推定する状態推定部と
を備えた状態監視装置が提供される。

前記第１可動部が前記アクチュエータへの作動流体の供給を停止する前記中立位置に位置することを検出する検出部を備え、
前記状態判断部は、前記検出部にて前記中立位置に位置することが検出されたときに、前記第１可動部の位置が前記中立位置であると判断してもよい。

前記第１可動部を前記中立位置に移動させる指令を検出する検出部を備え、
前記状態判断部は、前記検出部にて前記指令が検出されたときに、前記第１可動部の位置が前記中立位置であると判断してもよい。

本発明の他の一態様では、第１可動部の位置に応じて作動流体の吐出量を制御する流量制御弁と、
前記流量制御弁から吐出された作動流体に応じて位置を移動させる第２可動部を有するアクチュエータと、
前記第２可動部の位置を検出する位置検出部と、
前記流量制御弁から前記アクチュエータに対して前記作動流体の供給を停止した状態において前記位置検出部で検出した前記第２可動部の位置から算出した前記第２可動部の単位時間あたりの変位に基づいて前記第１可動部の状態を推定する状態推定部と
を備えた流体圧駆動装置が提供される。

前記変位は、前記第２可動部の変位速度と前記第２可動部を所定位置で静止させる指令を受けてから移動し始めるまでの時間との少なくとも一方であってもよい。

前記変位が所定の閾値を超えた場合に所定の警告を行う警告部を備えてもよい。

前記状態推定部で所定期間にわたって推定した前記第１可動部の状態に基づいて前記第１可動部の寿命を予測する寿命予測部を備えてもよい。

前記アクチュエータは、鉛直方向に配置されており、
前記第２可動部は、前記第２可動部を所定位置で静止させる指令を受け、かつ、前記流量制御弁から前記アクチュエータへの作動流体の供給を停止した状態で自重により下降してもよい。

前記第１可動部の状態推定を行うときに前記状態推定部は前記流量制御弁から前記アクチュエータに対して前記作動流体の供給を停止する位置に第１可動部を移動させた後に、前記第２可動部の前記変位を検出してもよい。

前記アクチュエータは、前記第２可動部の位置に応じて前記アクチュエータから供給される作動流体により駆動される他のアクチュエータへの作動流体の供給量を制御する弁であってもよい。

前記第１可動部の状態推定を行うテストモードを選択可能なモード選択部を備え、
前記状態推定部は、前記モード選択部にて前記テストモードが選択されると、前記第２可動部を中立位置に移動させた後に、前記第１可動部を中立位置に移動させるとともに、前記第２可動部の位置情報を前記流量制御弁に帰還させる制御を停止させた状態で、前記第１可動部の状態を推定してもよい。

本発明によれば、簡易かつ正確にスプール等の可動部の摩耗の度合いを調べることができる。

第１の実施形態による状態監視装置を備えた流体圧駆動装置の概略構成を示すブロック図。第２の実施形態による流体圧駆動装置の概略構成を示すブロック図。（ａ）と（ｂ）は作動油の漏れ出す経路がそれぞれ異なる例を示す図。第３の実施形態による流体圧駆動装置の概略構成を示す図。第４の実施形態による流体圧駆動装置の概略構成を示す図。

以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による状態監視装置１５を備えた流体圧駆動装置１の概略構成を示すブロック図である。図１の流体圧駆動装置１は、流量制御弁２と、アクチュエータ３と、状態監視装置１５とを備えている。

流量制御弁２は、１つ以上のスプール２ａ（第１可動部）を有する弁棒２ｂを備えている。流量制御弁２は、コントローラ６の指令により、弁棒２ｂを移動させてスプール２ａを所望の位置に移動させる。弁棒２ｂは、例えば不図示の電磁コイルに流れる電流により、図示の左右に移動制御される。なお、弁棒２ｂは、必ずしも電磁コイル等の電気制御で移動させる必要はなく、他の制御手法（例えば、油圧制御）により移動させてもよい。スプール２ａの移動位置の一つは中立位置である。スプール２ａが中立位置に移動した場合には、流量制御弁２に流入する作動油と、流量制御弁２から流出される作動油のいずれも遮断される。よって、コントローラ６は、流量制御弁２とアクチュエータ３との間での作動油の流れをシールしたい場合に、スプール２ａを中立位置に移動させる指令を出す。

コントローラ６は、流量制御弁２の弁棒２ｂの位置を検出する位置検出部７の検出信号に基づいてスプール２ａの位置を検出し、検出されたスプール２ａの位置が、予め定めた目標位置に一致するように帰還制御を行ってもよい。目標位置とは、コントローラ６の指令位置である。

図１の流量制御弁２には、作動油が流入出する複数のポートが設けられており、スプール２ａの位置に応じて、各ポートからの作動油の流入出が制御される。例えば、流量制御弁２は、アクチュエータ３からの作動油が流れ込むポートＰ１と、流量制御弁２からアクチュエータ３に作動油を供給するポートＰ２と、流量制御弁２からタンクに作動油を排出するポートＰ３とを有する。なお、流量制御弁２に設けられるポートの種類と数は任意である。

アクチュエータ３は、例えば中空のスリーブ３ａ内を移動可能な可動部（第２可動部）３ｂを有する。アクチュエータ３は、流量制御弁２からの作動油の吐出量に応じて可動部３ｂの位置を可変させる。図１では、アクチュエータ３内の可動部３ｂの動きにより、燃料噴射弁８と排気弁９を制御する例を示しているが、これは一例であり、アクチュエータ３が駆動する対象物は任意である。

アクチュエータ３は、可動部３ｂの位置を検出する位置検出部１０を備えていてもよい。位置検出部１０は、例えば可動部３ｂの一端部側に配置されており、可動部３ｂとの距離を非接触で検出する。
状態監視装置１５は、第１情報取得部１６と、第２情報取得部１７と、状態判断部１８と、状態推定部５とを備えている。また、状態監視装置１５は、指令検出部１９を備えていてもよい。第１情報取得部１６と、第２情報取得部１７と、状態判断部１８と、状態推定部５とは、コントローラ６に内蔵されていてもよい。
第１情報取得部１６は、スプール（第１可動部）２ａの位置に応じて作動流体の吐出量を制御する流量制御弁２におけるスプール２ａの位置を取得する。
第２情報取得部１７は、流量制御弁２から吐出された作動流体に応じて位置を移動させる可動部（第２可動部）３ｂを有するアクチュエータ３における可動部３ｂの位置を取得する。
状態判断部１８は、第１情報取得部１６で取得したスプール２ａの位置がアクチュエータ３に対して作動流体の供給を停止する中立位置であるか否かを判断する。
状態推定部５は、状態判断部１８により中立位置と判断されたときに可動部３ｂの単位時間あたりの変位に基づいてスプール２ａの状態を推定する。
位置検出部７は、スプール２ａがアクチュエータ３への作動流体の供給を停止する中立位置に位置することを検出することができる。よって、状態判断部１８は、位置検出部７にて中立位置に位置することが検出されたときに、スプール２ａの位置が中立位置であると判断してもよい。
指令検出部１９は、スプール２ａを中立位置に移動させる指令を検出することができる。よって、状態判断部１８は、指令検出部１９にて指令が検出されたときに、スプール２ａの位置が中立位置であると判断してもよい。
このように、図１の状態監視装置１５は、スプール２ａが中立位置に位置すると判断されるときのアクチュエータ３の可動部３ｂの変位に基づいて、スプール２ａの状態を推定するため、流量制御弁２を分解してスプール２ａを取り出さなくても、スプール２ａの摩耗度合いを精度よく判断できる。

（第２の実施形態）
図２は第２の実施形態による流体圧駆動装置１の概略構成を示すブロック図である。図２の流体圧駆動装置１は、流量制御弁２と、アクチュエータ３と、変位検出部４と、状態推定部５とを備えている。状態推定部５は、例えばコントローラ６の一部を構成している。

図２の流量制御弁２とアクチュエータ３は、図１の流量制御弁２とアクチュエータ３と同様であり、詳細な説明を省略する。

変位検出部４は、アクチェータ３内の可動部３ｂの変位を検出する。ここで、変位とは、可動部３ｂの変位速度と、可動部３ｂが移動指令を受けてから移動し始めるまでの時間との少なくとも一方である。例えば、可動部３ｂの位置を検出する位置検出部１０が設けられている場合には、変位検出部４は、位置検出部１０で検出された可動部３ｂの位置を微分処理することで、可動部３ｂの変位速度を検出できる。あるいは、変位検出部４は、可動部３ｂの変位速度を直接的に検出する速度センサを含んでいてもよい。

状態推定部５は、流量制御弁２からアクチュエータ３に対して作動流体の供給を停止した状態において位置検出部１０で検出した可動部（第２可動部）３ｂの位置から算出した可動部３ｂの単位時間あたりの変位に基づいてスプール（第１可動部）２ａの状態を推定する。変位は、可動部３ｂの変位速度と可動部３ｂを所定位置で静止させる指令を受けてから移動し始めるまでの時間との少なくとも一方である。より具体的には、状態推定部５は、変位検出部４で検出された変位に基づいて、流量制御弁２のスプール２ａの状態を推定する。スプール２ａが中立位置にいるときは、流量制御弁２は作動油をシールするため、本来的には流量制御弁２とアクチュエータ３との間で作動油の流入出は生じないはずである。しかしながら、スプール２ａが摩耗すると、図３（ａ）又は図３（ｂ）の矢印に示すように、スプール２ａが中立位置にいても、スプール２ａの隙間から作動油が漏れ出してしまう。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、スプール２ａの摩耗する場所によって、作動油が漏れ出す方向も変化することが考えられる。作動油が漏れ出す方向によって、アクチュエータ３の可動部３ｂを上に上げようとする力が働いたり、下に下げようとする力が働いたりする。状態推定部５は、流量制御弁２からアクチュエータ３に対して作動流体の供給を停止する位置にスプール２ａを移動させた後に、可動部３ｂの変位を検出してもよい。

アクチュエータ３が、例えば図２に示すように、可動部３ｂを鉛直方向に移動させる向きに配置されている場合、流量制御弁２のスプール２ａが中立位置にいる場合には、本来的には可動部３ｂは自重により下方に一定速度で落下する。一方、スプール２ａが摩耗している場合、スプール２ａが中立位置にいても、スプール２ａの隙間からアクチュエータ３側に作動油が漏れ出すため、可動部３ｂの落下速度が変化する。例えば、図３（ａ）の向きに作動油が漏れ出した場合、可動部３ｂの落下速度はより速くなる。一方、図３（ｂ）の向きに作動油が漏れ出した場合、可動部３ｂの落下速度はより遅くなる。

このように、流量制御弁２のスプール２ａを中立位置に移動させる指令を受けた場合に、アクチュエータ３の可動部３ｂの変位を検出することにより、スプール２ａが摩耗しているか否かを判断することができる。そこで、状態推定部５は、例えば、可動部３ｂの変位速度が、予め想定した変位速度と異なる場合には、スプール２ａが摩耗したと推定する。また、スプール２ａの摩耗の度合いが大きいほど、可動部３ｂの変位速度がより大きく変化するため、可動部３ｂの変位速度によって、スプール２ａの摩耗の度合いも推定できる。

図２の流体圧駆動装置１は、破線で示す警告部１１を備えていてもよい。警告部１１は、状態推定部５が、スプール２ａの変位が所定の閾値を超えたと判断した場合に、所定の警告処理を行う。警告処理の具体的な内容は任意であるが、例えば、流量制御弁２の管理を行う不図示の管理サーバ等に、無線又は有線のネットワークを介して、警告信号を送信して、管理サーバ等の表示装置に警告内容を表示してもよい。あるいは、流量制御弁２に接続された表示装置やスピーカにて、警告内容を表示又は音声出力してもよい。警告内容の一例は、スプール２ａの点検を促すものであってもよい。

このように、第２の実施形態では、流量制御弁２のスプール２ａを中立位置に移動させる指令を受けた場合に、アクチュエータ３の可動部３ｂの変位を検出し、検出された変位をスプール２ａに摩耗がない場合の変位と比較することで、スプール２ａが摩耗したか否か、すなわち、スプール２ａが中立位置のときに作動油の漏れが生じているか否かを判断できる。また、可動部３ｂの変位の大きさにより、スプール２ａの摩耗の度合い、すなわち作動油の漏れ量も推定できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、状態推定部５で推定した状態に基づいて、流量制御弁２のスプール２ａの寿命を予測するものである。

図４は第３の実施形態による流体圧駆動装置１の概略構成を示す図である。図４の流体圧駆動装置１は、図２の構成に加えて、寿命予測部１２を備えている。

寿命予測部１２は、状態推定部５で所定期間にわたって推定した流量制御弁２のスプール２ａの状態に基づいて、スプール２ａの寿命を予測する。一般には、スプール２ａは使用している間に徐々に摩耗していくため、スプール２ａが中立位置のときに漏れ出す作動油の量も徐々に増えることが予想される。ただし、作動油中に含まれる異物がスプール２ａに噛み込んだりすると、急激に作動油の漏出量が増えることがありうる。作動油の漏出量が増えるほど、アクチュエータ３の可動部３ｂの変位も大きくなる。

スプール２ａの変位が、それぞれどのくらいの値になったら、スプール２ａの寿命と判断するかは、流量制御弁２の種類や用途等によって異なる。そこで、寿命予測部１２は、スプール２ａの寿命と判断する閾値を設けてもよい。例えば、寿命予測部１２は、スプール２ａの変位速度が閾値を超えた場合に、スプール２ａの寿命と判断してもよい。

また、寿命予測部１２は、作動油の漏出量が急激に増える兆候が見られた時点で、スプール２ａの寿命であると判断してもよい。より具体的には、時間の経過とともに、スプール２ａの変位速度がほぼ線形的に増大する傾向であったのに、ある時点を境に、変位速度の増大する傾きがより大きくなった場合は、その時点でスプール２ａの寿命と判断してもよい。

このように、寿命予測部１２がスプール２ａの寿命と判断する基準は、種々考えられるが、いったん寿命と判断した場合には、何らかの手段でスプール２ａの交換時期であることを報知するのが望ましい。報知の仕方は、図２の警告部１１による警告処理と同様に、種々の手法が考えられる。

また、寿命予測部１２は、スプール２ａが寿命に到達する前に、寿命が近づいたことを報知してもよく、その際にいつ頃寿命になるかの情報も合わせて提供してもよい。

このように、第３の実施形態では、状態推定部５で推定した状態に基づいて、スプール２ａの寿命を予測する寿命予測部１２を設けるため、流量制御弁２の使用中に、作動油が大量に漏れ出すような不具合を未然に防止できる。また、流量制御弁２を分解してスプール２ａ自体を検査しなくても、スプール２ａの交換時期を把握できるため、流量制御弁２の保守管理費用を削減できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、流量制御弁２に複数の動作モードがあり、そのうちの一つがスプール２ａの状態推定を行う状態推定モードであって、この状態推定モードが選択された場合に、スプール２ａの状態推定を行うものである。

図５は第４の実施形態による流体圧駆動装置１の概略構成を示す図である。図５の流体圧駆動装置１は、図４の構成に加えて、コントローラ６内にモード選択部１３を設けている。なお、第４の実施形態による流体圧駆動装置１は、図２の構成にモード選択部１３を付加してもよい。

コントローラ６内のモード選択部１３は、複数の動作モードのうち、任意の一つを選択することができる。複数の動作モードのうち一つは、スプール２ａの状態推定を行う状態推定モードである。状態推定モード以外に、どのような動作モードを設けるかは、アクチュエータ３の構成及び動作に依存する。本実施形態では、コントローラ６が状態推定モードを選択した場合の流体圧駆動装置１の動作を説明する。

コントローラ６が状態推定モードを選択すると、コントローラ６は流量制御弁２のスプール２ａを中立位置に移動させる指令を出す。この指令に従って、スプール２ａが中立位置に移動した状態で、変位検出部４は、アクチュエータ３の可動部３ｂの変位を検出し、検出された変位に基づいて、状態推定部５は、スプール２ａの状態を推定する。状態推定部５は、モード選択部１３にてテストモードが選択されると、可動部３ｂを中立位置に移動させた後に、スプール２ａを中立位置に移動させるとともに、可動部３ｂの位置情報を流量制御弁２に帰還させる制御を停止させた状態で、スプール２ａの状態を推定してもよい。

流量制御弁２の動作モードの選択は、例えば不図示のボタン操作やタッチ操作で行うことができる。よって、作業者は、状態推定モードを簡易な操作で選択することができる。作業者が状態推定モードを選択すれば、自動的にスプール２ａが中立位置に移動して、アクチュエータ３の可動部３ｂの変位を検出して、スプール２ａの状態を推定することができる。

このように、第４の実施形態では、スプール２ａの状態を推定する動作モードを設けるため、作業者はこの動作モードを選択しさえすれば、自動的にスプール２ａが中立位置に移動して、アクチュエータ３の可動部３ｂの変位が検出されて、検出された変位に基づいてスプール２ａの状態を推定することができる。これにより、作業員の手間を省くことができ、必要に応じて任意のタイミングでスプール２ａの摩耗状態を調べることができる。よって、スプール２ａの寿命が来る前に、スプール２ａの摩耗異常を検出できる。

上述した各実施形態では、流量制御弁２とアクチュエータ３を備えた流体圧駆動装置１について説明したが、アクチェエータ３の構成及び動作は任意であることから、流量制御弁２から吐出される作動油を利用して種々の動作を行う流体圧駆動装置１に幅広く適用可能である。流量制御弁２は、スプール２ａを有し、スプール２ａの位置に応じて作動油の吐出量を制御するものであればよい。流量制御弁２の具体例は、上述したスプール弁の他に、ポペット弁、ボール弁、ニードル弁などにも適用可能である。アクチュエータ３は、流量制御弁２からの作動油の吐出量に応じて位置を可変可能な可動部３ｂを有し、可動部３ｂの位置に応じてアクチュエータ軸を直接駆動するもののほか、可動部３ｂは位置に応じて、別置きのアクチュエータ３に対する作動油の供給量を制御する弁であってもよい。駆動部の具体例は、上述した可動部３ｂ式のアクチュエータ３の他に、スプール弁やポペット弁でもよいし、油圧モータ等の流体圧駆動モータでもよい。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１流体圧駆動装置、２流量制御弁、３アクチュエータ、３ａスリーブ、３ｂ可動部、４変位検出部、５状態推定部、６コントローラ、７位置検出部、８燃料噴射弁、９排気弁、１０位置検出部、１１警告部、１２寿命予測部、１３モード選択部

Claims

第１可動部の位置に応じて作動流体の吐出量を制御する流量制御弁と、
前記流量制御弁から吐出された作動流体に応じて位置を移動させる第２可動部を有するアクチュエータと、
前記第１可動部を中立位置に移動させる指令を出力する出力部と、
前記指令が出力された場合に、前記第２可動部の位置を検出する位置検出部と、
前記指令に従って前記第１可動部が前記中立位置に移動した状態で、前記位置検出部で検出した前記第２可動部の位置から算出した前記第２可動部の変位速度と前記第２可動部を所定位置で静止させる指令を受けてから移動し始めるまでの時間との少なくとも一方に基づいて前記第１可動部の状態を推定する状態推定部と
を備えた流体圧駆動装置。
前記第１可動部の状態推定を行うテストモードを選択可能なモード選択部を備え、
前記出力部は、前記テストモードが選択された場合に、前記指令を出力する、請求項１に記載の流体圧駆動装置。
前記第２可動部の変位速度と前記第２可動部を所定位置で静止させる指令を受けてから移動し始めるまでの時間との少なくとも一方が所定の閾値を超えた場合に所定の警告を行う警告部を備える
請求項１又は２に記載の流体圧駆動装置。
前記状態推定部で所定期間にわたって推定した前記第１可動部の状態に基づいて前記第１可動部の寿命を予測する寿命予測部を備える
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流体圧駆動装置。
前記アクチュエータは、鉛直方向に配置されており、
前記第２可動部は、前記第２可動部を所定位置で静止させる指令を受け、かつ、前記流量制御弁から前記アクチュエータへの作動流体の供給を停止した状態で自重により下降する
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体圧駆動装置。
前記第１可動部の状態推定を行うときに前記状態推定部は前記流量制御弁から前記アクチュエータに対して前記作動流体の供給を停止する位置に第１可動部を移動させた後に、前記第２可動部の変位速度と前記第２可動部を所定位置で静止させる指令を受けてから移動し始めるまでの時間との少なくとも一方を検出する
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の流体圧駆動装置。
前記アクチュエータは、前記第２可動部の位置に応じて前記アクチュエータから供給される作動流体により駆動される他のアクチュエータへの作動流体の供給量を制御する弁である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の流体圧駆動装置。