WO2019065160A1 - 異常検知装置 - Google Patents

Abstract

本発明の流体圧アクチュエータ（Ａ）の異常検知装置（１）は、伸縮縮可能な流体圧アクチュエータ（Ａ）の変位を検知する変位検知器（２）と、流体圧アクチュエータ（Ａ）におけるポンプ（Ｐ）を駆動するモータ（Ｍ）の動作量を検知する動作量検知器（３）と、変位と動作量とに基づいて流体圧アクチュエータ（Ａ）の異常を検知する異常検知器（４）とを備えて構成される。

Description

異常検知装置

　本発明は、流体圧アクチュエータの異常を検知する異常検知装置に関する。

　油圧アクチュエータは、一般的には、シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されるピストンと、シリンダ内に挿入されてピストンに連結されるロッドと、シリンダ内にピストンで区画した伸側室と圧側室と、ポンプが吐出する作動油を伸側室と圧側室へ選択的に供給する切換弁と、ポンプを駆動するモータとを備えている。

　このような油圧アクチュエータを駆動制御する場合、たとえば、ＪＰＨ１１－１７１４７７Ａに開示されているように、伸びきりや縮みきりを検知するリミットスイッチを設けて、リミットスイッチで油圧アクチュエータの伸切或いは縮切を検知するとモータの駆動を停止させる方法がとられる。

　従来の油圧アクチュエータにあっては動作には何ら問題はないものの、シリンダとピストンとの間で作動油中のコンタミナントを噛み込むなどしてシリンダに対してピストンが移動不能となる固着が生じても、これを異常として検知する術はなかった。

　そこで、本発明は、流体圧アクチュエータの異常を検知可能な流体圧アクチュエータの異常検知装置の提供を目的とする。

　本発明の異常検知装置は、伸縮縮可能な流体圧アクチュエータの変位を検知する変位検知器と、流体圧アクチュエータにおけるポンプを駆動するモータの動作量を検知する動作量検知器と、変位と動作量とに基づいて流体圧アクチュエータの異常を検知する異常検知器とを備えて構成される。このように構成された異常検知装置にあっては、流体圧アクチュエータの異常を検知できる。

図１は、一実施の形態における異常検知装置を示した図である。 図２は、一実施の形態の第一変形例における異常検知装置を示した図である。 図３は、一実施の形態の第二変形例における異常検知装置を示した図である。 図４は、流体圧アクチュエータを伸縮させる際のモータの回転数と駆動時間とを関係を示した図である。 図５は、一実施の形態の第三変形例における異常検知装置を示した図である。

　以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。本実施の形態における異常検知装置１は、図１に示すように、伸縮可能な流体圧アクチュエータＡの変位を検知する変位検知器２と、流体圧アクチュエータＡにおけるポンプＰを駆動するモータＭの動作量を検知する動作量検知器３と、流体圧アクチュエータＡの異常を検知する異常検知器４とを備えて構成されている。

　この異常検知装置１が適用される流体圧アクチュエータＡは、本例では、油圧アクチュエータとされており、テレスコピック型の伸縮体Ｅと、モータＭによって駆動されるポンプＰと、作動油を貯留するタンクＴと、切換弁Ｖと、モータＭと切換弁Ｖを制御するコントローラＣとを備えている。なお、流体圧アクチュエータＡにおける作動流体は、作動油以外の流体の利用も可能であり、気体であっても作動油以外の液体であってもよい。

　伸縮体Ｅは、シリンダ１０と、シリンダ１０内に移動自在に挿入されてシリンダ１０内を伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２とに区画するピストン１１と、一端がシリンダ１０内に挿入されてピストン１１に連結されるロッド１２とを備えており、伸縮作動する。

　ポンプＰは、モータＭによって駆動されると吸込口に接続されるタンクＴから作動油を吸込んで吐出口から圧油を吐出する。モータＭは、本例では、同期モータとされており、電源ＢからモータＭへ供給する電流を制御するコントローラＣによって駆動される。

　切換弁Ｖは、３位置４ポートの切換弁とされており、ポンプＰの吐出口を伸側室Ｒ１に接続するとともにタンクＴを圧側室Ｒ２に接続する伸側供給ポジションと、ポンプＰの吐出口を圧側室Ｒ２に接続するとともにタンクＴを伸側室Ｒ１に接続する圧側供給ポジションと、ポンプＰの吐出口とタンクＴと伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の全ての連通を断つ遮断ポジションとを備えている。切換弁Ｖは、コントローラＣによって切換制御される。

　よって、モータＭでポンプＰを駆動しつつ、切換弁Ｖを伸側供給ポジションとすると、伸側室Ｒ１に圧油が供給されて圧側室Ｒ２がタンクＴに連通されるので、伸縮体Ｅが収縮する、つまり、流体圧アクチュエータＡが収縮作動する。これに対して、モータＭでポンプＰを駆動しつつ、切換弁Ｖを圧側供給ポジションとすると、圧側室Ｒ２に圧油が供給されて伸側室Ｒ１がタンクＴに連通されるので、伸縮体Ｅが伸長する、つまり、流体圧アクチュエータＡが伸長作動する。さらに、切換弁Ｖが遮断ポジションを採ると、伸縮体Ｅにおける伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２とがともに閉鎖されて伸縮体Ｅの伸縮が規制されるロック状態となる。なお、モータＭでポンプＰを駆動中に吐出圧が過剰となると、ポンプＰの吐出口とタンクＴとの間に設けたリリーフ弁ＲＶが開弁して、流体圧アクチュエータＡのシステムを保護できる。

　変位検知器２は、本例では、伸縮体Ｅのシリンダ１０の両端に設置されたリミットスイッチ２１，２２とされており、ピストン１１の当接によりオン信号をコントローラＣおよび異常検知器４へ出力し、ピストン１１に当接しないとオン信号を出力しない。なお、リミットスイッチ２１，２２は、非接触型のスイッチであってもよい。一方のリミットスイッチ２１は、ピストン１１がシリンダ１０の左端まで変位すると、ピストン１１に当接して流体圧アクチュエータＡの最伸長位置への変位を検知してオン信号を出力する。他方のリミットスイッチ２２は、ピストン１１がシリンダ１０の右端まで変位すると、ピストン１１に当接して流体圧アクチュエータＡの最収縮位置への変位を検知してオン信号を出力する。つまり、本例の変位検知器２は、流体圧アクチュエータＡにおける変位のうち最伸長位置と最収縮位置を検知するようになっている。

　本例のコントローラＣは、モータＭと切換弁Ｖを制御し、流体圧アクチュエータＡを最伸長と最収縮させるように駆動する。そして、コントローラＣは、外部からの指令により流体圧アクチュエータＡを伸長させる場合には、切換弁Ｖを圧側供給ポジションに切換えて、リミットスイッチ２１がオン信号を出力するまでモータＭを駆動して流体圧アクチュエータＡを伸長作動させる。この状態でリミットスイッチ２１のオン信号を受け取るとコントローラＣは、モータＭを停止させて切換弁Ｖを遮断ポジションとして流体圧アクチュエータＡの伸長作動を停止させる。よって、コントローラＣは、外部から流体圧アクチュエータＡを伸長させる指令を受け取ると、流体圧アクチュエータＡを伸長作動させ、流体圧アクチュエータＡが最伸長位置まで変位すると動作を停止させてその状態に維持する。

　反対に、コントローラＣは、外部からの指令により流体圧アクチュエータＡを収縮させる場合には、切換弁Ｖを伸側供給ポジションに切換えて、リミットスイッチ２２がオン信号を出力するまでモータＭを駆動して流体圧アクチュエータＡを収縮作動させる。この状態でリミットスイッチ２２のオン信号を受け取るとコントローラＣは、モータＭを停止させて切換弁Ｖを遮断ポジションとして流体圧アクチュエータＡの収縮作動を停止させる。よって、コントローラＣは、外部から流体圧アクチュエータＡを収縮させる指令を受け取ると、流体圧アクチュエータＡを収縮作動させ、流体圧アクチュエータＡが最収縮位置まで変位すると動作を停止させてその状態に維持する。

　動作量検知器３は、本例では、コントローラＣが流体圧アクチュエータＡを停止状態から伸長或いは収縮させるべくモータＭを駆動する際のモータＭの回転量を検知する。つまり、動作量検知器３は、流体圧アクチュエータＡを伸長或いは収縮動作させるために駆動されると、モータＭが何回回転したかをカウントし、モータＭが現在までに何回回転したかを示す量である回転量を異常検知器４へ出力する。具体的には、本例における動作量検知器３は、図示はしないが、レゾルバ等といったモータＭの回転を検出可能なセンサとモータＭの回転回数を数えるカウンタとを備えており、回転量を異常検知器４へ出力する。

　異常検知器４は、動作量検知器３から受け取ったモータＭの回転量が閾値以上となり、かつ、リミットスイッチ２１，２２からオン信号の入力がない場合に、流体圧アクチュエータＡが伸縮不能な異常状態であると判断して、流体圧アクチュエータＡの異常を検知する。異常検知器４は、流体圧アクチュエータＡの異常を検知すると異常信号をコントローラＣへ出力し、コントローラＣは、異常信号を受信するとモータＭを停止させて切換弁Ｖを遮断ポジションとして流体圧アクチュエータＡの駆動を停止する。

　流体圧アクチュエータＡを最収縮位置から最伸長位置まで、或いは、最伸長位置から最収縮位置まで変位させる場合、シリンダ１０の内径と流体圧アクチュエータＡに要求される変位量とから、ポンプＰからシリンダ１０内に供給されるべき作動油の総流量が予め分かる。流体圧アクチュエータＡを最収縮位置から最伸長位置まで、或いは、最伸長位置から最収縮位置まで変位させる場合にモータＭが回転しなければならない回転量を必要回転量とすると、必要回転量は、総流量とポンプＰの効率から求められる。ポンプＰの効率は既知であるから、総流量が分かればモータＭの必要回転量を予め求め得る。

　よって、流体圧アクチュエータＡを伸長或いは収縮させる場合、検知されるモータＭの回転量が前記必要回転量を超えているのに、リミットスイッチ２１，２２のいずれからもオン信号が出力されないと、流体圧アクチュエータＡが固着して変位不能となっているのが分かる。つまり、異常検知器４は、モータＭの回転量（動作量）が閾値以上となり、かつ、流体圧アクチュエータＡがモータＭの回転量（動作量）に対応した位置に変位していない場合に流体圧アクチュエータＡが異常であると判断する。

　したがって、前記閾値を必要回転量に設定すればよいが、圧力変動によってリリーフ弁ＲＶが開弁してポンプＰが吐出した全流量が流体圧アクチュエータＡの伸縮に寄与しない場合もあるので、実際には、閾値は、必要回転量に誤検知防止のための加算値を加えた値に設定されるとよい。加算値は、実際の流体圧アクチュエータＡに適するように決定さればよい。

　なお、本例の流体圧アクチュエータＡにおける伸縮体Ｅにあっては、所謂片ロッド型に設定されており、伸長作動時と収縮作動時とで前記した総流量が異なるので、伸長作動させる場合と収縮作動させる場合とで必要回転量が異なる。よって、閾値は、流体圧アクチュエータＡを伸長作動させる場合と収縮作動させる場合の総流量が異なる場合、伸長作動時と収縮作動時で異常判断に用いる閾値を別個の値に設定すればよい。伸縮体Ｅが圧側室Ｒ２にもロッド１２が挿通される両ロッド型に設定される場合、流体圧アクチュエータＡを伸長作動させる場合と収縮作動させる場合の総流量は等しいから、流体圧アクチュエータＡを伸長作動させる場合と収縮作動させる場合とで同じ値の閾値を用いればよい。

　また、作動油の油温が変化すると作動油の粘度が変化して、ポンプＰの効率が変化する。一般的に作動油の粘度がある程度高くなると、ポンプＰの効率が低くなる傾向となる。よって、流体圧アクチュエータＡに利用する作動流体の温度とポンプＰの効率との関係を予め把握しておき、作動流体の温度を検知すれば、前記必要回転数の値を求め得る。閾値は、必要回転数に応じて決定される値であるから、作動流体の温度によって閾値を変化させれば、作動流体の温度が変化しても正確に流体圧アクチュエータＡの異常を検知できる。

　そこで、図２に示すように、作動油の温度を検知する温度センサ５を設けて、温度センサ５で検知した作動油の温度と閾値との関係を予めマップ化したり、関数化したりしておけば、異常検知器４にて作動油の温度からその温度に適する閾値を求め得る。よって、図２に示した異常検知装置１では、作動流体の温度に適する閾値を求めて、リミットスイッチ２１，２２からのオン信号の有無を監視しつつ、求めた閾値とモータＭの回転量とを比較すれば、作動流体の温度が変化しても、流体圧アクチュエータＡの異常を正確に検知できる。なお、温度センサ５は、シリンダ１０内の温度を検知してもよいし、タンクＴ或いは油圧回路を構成する管路内の温度を検知してもよい。

　また、ポンプＰは、経年劣化により効率が悪くなっていくことが知られている。このことから、ポンプＰの積算使用時間或いはポンプＰの総回転量と効率の低下との関係を予め把握しておき、積算使用時間或いは総回転量を監視すれば前記必要回転数の値を求め得る。閾値は、必要回転数に応じて決定される値であるから、ポンプＰの積算使用時間或いは総回転量に応じて閾値を大きくすれば、ポンプＰが経年劣化によって効率が低下しても正確に流体圧アクチュエータＡの異常を検知できる。

　ポンプＰの積算使用時間は、たとえば、図３に示すように、モータＭの駆動時間をカウントするカウンタ６を設けて、カウントした駆動時間を異常検知器４へ入力し異常検知器４で積算すればよい。また、ポンプＰの総回転量を用いる場合には、本例の動作量検知器３で検知する回転量を異常検知器４で積算すればよい。そして、ポンプＰの積算使用時間或いはポンプＰの総回転量と閾値との関係を予めマップ化したり、関数化したりしておけば、異常検知器４にてポンプＰの積算使用時間或いはポンプＰの総回転量からその時のポンプＰの劣化状態に適する閾値を求め得る。よって、このように、ポンプＰの積算使用時間或いはポンプＰの総回転量に応じて閾値を求める場合、異常検知装置１では、ポンプＰが経年劣化しても、流体圧アクチュエータＡの異常を正確に検知できる。

　なお、本例では、モータＭの回転量に基づいて流体圧アクチュエータＡの異常を検知しているが、モータＭの回転量に代えてモータＭの駆動時間に基づいて流体圧アクチュエータＡの異常を検知してもよい。つまり、動作量をモータＭの駆動時間として異常を検知してもよい。この場合、動作量検知器３は、モータＭの駆動時間をカウントするカウンタとすればよい。

　コントローラＣは、本例では、モータＭを所定の回転数（回転速度）で駆動して流体圧アクチュエータＡを伸長作動或いは収縮作動させる。つまり、モータＭの回転数は、図４に示すように、停止状態の０から上昇して所定の回転数αに達し、しばらく所定の回転数のまま維持され、減速して停止状態の０になる。よって、ポンプＰから吐出された作動油が全て伸縮体Ｅの伸長或いは収縮に寄与する場合、図４に示した斜線部分の面積が必要回転量に等しくなる。したがって、モータＭの駆動時間がモータＭの回転量を必要回転量以上となるだけの時間（必要時間）であれば、流体圧アクチュエータＡが最収縮位置から最伸長位置まで、或いは、最伸長位置から最収縮位置まで変位する筈である。よって、モータＭの駆動時間を用いる場合、駆動時間に対して閾値を設定し、閾値を必要時間以上に設定しておき、駆動時間が閾値以上で且つ、リミットスイッチ２１，２２からのオン信号の入力がない場合に、異常検知器４が流体圧アクチュエータＡの異常を検知するようにすればよい。

　なお、モータＭの駆動時間を用いて流体圧アクチュエータＡの異常を検知する場合、電源Ｂの電圧が変化すると、流体圧アクチュエータＡを最収縮位置から最伸長位置まで、或いは、最伸長位置から最収縮位置まで変位させるのに要するモータＭの駆動時間が変化する。電源Ｂの電圧が低下すると、モータＭに供給される電力も低下して、モータＭの回転数を前述の所定の回転数に維持できなくなる場合がある。よって、電源Ｂの電圧と前述必要時間との関係を予め把握しておき、電圧を検知すれば、前記必要時間の値を求め得る。閾値は、必要時間に応じて決定される値であるから、電源Ｂの電圧によって閾値を変化させれば、電圧が変動しても正確に流体圧アクチュエータＡの異常を検知できる。

　よって、図５に示すように、電源Ｂの電圧を監視する電圧センサ７を設けて、電圧センサ７で検知した電源Ｂの電圧と閾値との関係を予めマップ化したり、関数化したりしておけば、異常検知器４にて電源Ｂの電圧からその電圧に適する閾値を求め得る。よって、図５に示した異常検知装置１では、電源Ｂの電圧に適する閾値を求めて、リミットスイッチ２１，２２からのオン信号の有無を監視しつつ、求めた閾値とモータＭの回転量とを比較すれば、作動流体の温度が変化しても、流体圧アクチュエータＡの異常を正確に検知できる。

　さらに、モータＭの回転量に代えて、モータＭに電源Ｂから供給される電力量に基づいて流体圧アクチュエータＡの異常を検知してもよい。つまり、動作量をモータＭに供給される電力量として異常を検知してもよい。前述の必要回転量をＮとし、モータＭのトルクをτとし、電力量をＷとすると、モータＭの電力量Ｗと必要回転量Ｎとの間には、Ｎ＝Ｗ／２πτの関係が成り立つ。モータＭのトルクτは、モータＭに流れる電流と回転数（回転速度）を監視していれば求め得る。電力量Ｗは、モータＭに印加される電圧とモータＭの巻線に流れる電流とモータＭの駆動時間を監視すれば求め得る。よって、モータＭに電源Ｂから供給される電力量Ｗに対し、Ｗ／２πτの値が必要回転量Ｎ以上となる値の閾値を設定して、異常を検知すればよい。つまり、異常検知器４は、電力量Ｗが閾値以上で且つ、リミットスイッチ２１，２２からのオン信号の入力がない場合に流体圧アクチュエータＡを異常と判断すればよい。

　このように異常検知器４が電力量Ｗに基づいて異常を検知する場合、動作量検知器３は、モータＭに印加される電圧、巻線に流れる電流、駆動時間、回転数をそれぞれ検知するセンサを備えればよい。なお、電力量Ｗの算出にあたっては、コントローラＣがモータＭをＰＷＭ駆動するような場合、センサを用いずにコントローラＣ内で生成される指令値から求めてもよい。

　本例では、変位検知器２は、シリンダ１０の両端に設けられて流体圧アクチュエータＡの変位を最伸長位置と最収縮位置で検知するリミットスイッチ２１，２２としているが、ストロークセンサとして流体圧アクチュエータＡの全ストローク範囲での変位を監視してもよい。そして、たとえば、流体圧アクチュエータＡを現在の位置から所望する位置へ変位させる際に、モータＭの動作量を動作量検知器３で検知して、この動作量が当該変位に必要なモータＭの動作量以上に設定される閾値となっており、かつ、ストロークセンサで検知する変位が所望する位置に達していない場合に流体圧アクチュエータＡを異常と判断してもよい。このように、変位検知器２にストロークセンサを用いる場合、流体圧アクチュエータＡの任意の位置から別の任意の位置まで変位させるような場合にも異常を検知できる。

　また、流体圧アクチュエータＡの回路構成は、本例の回路構成に限定されるものではなく、モータＭの駆動によってポンプＰが駆動されて伸縮体Ｅが伸縮するものであればよい。よって、たとえば、流体圧アクチュエータＡは、ポンプＰが双方向吐出型のポンプで正転時に伸縮体Ｅが伸長と収縮の一方の動作を行って、ポンプＰが逆転時に伸縮体Ｅが伸長と収縮の他方の動作を行うように構成されてもよい。さらに、モータＭは、本例では、同期モータとされているが、モータの構造や形式は同期モータに限定されるものではない。

　以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形及び変更が可能である。

　本願は、２０１７年９月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０１７－１８７２７５に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (7)

1. 　異常検知装置であって、
   　伸縮可能な流体圧アクチュエータの変位を検知する変位検知器と、
   　前記流体圧アクチュエータにおけるポンプを駆動するモータの動作量を検知する動作量検知器と、
   　前記変位と前記動作量とに基づいて前記流体圧アクチュエータの異常を検知する異常検知器とを備えた
   　ことを特徴とする異常検知装置。
2. 　請求項１に記載の異常検知装置であって、
   　前記動作量は、前記モータの回転量であり、
   　前記異常検知器は、前記動作量が閾値以上となり、かつ、前記流体圧アクチュエータが前記モータの動作量に対応した位置に変位していない場合に前記流体圧アクチュエータが異常であると判断する
   　異常検知装置。
3. 　請求項１に記載の異常検知装置であって、
   　前記動作量は、前記モータの駆動時間であり、
   　前記異常検知器は、前記動作量が閾値以上となり、かつ、前記流体圧アクチュエータが前記モータの動作量に対応した位置に変位していない場合に前記流体圧アクチュエータが異常であると判断する
   　異常検知装置。
4. 　請求項１に記載の異常検知装置であって、
   　前記動作量は、前記モータに供給される電力量であり、
   　前記異常検知器は、前記モータの動作量が閾値以上となり、かつ、前記流体圧アクチュエータの変位が前記モータの動作量に対応した位置に変位していない場合に前記流体圧アクチュエータが異常であると判断する
   　異常検知装置。
5. 　請求項３に記載の異常検知装置であって、
   　前記異常検知器は、前記変位、前記動作量および前記モータを駆動する電源の電圧とに基づいて前記流体圧アクチュエータの異常を検知する
   　異常検知装置。
6. 　請求項１に記載の異常検知装置であって、
   　前記異常検知器は、前記変位、前記動作量および前記流体圧アクチュエータの作動流体の温度とに基づいて異常を検知する
   　異常検知装置。
7. 　請求項１に記載の異常検知装置であって、
   　前記異常検知器は、前記変位、前記動作量および前記ポンプの積算使用時間或いは前記ポンプの総回転量とに基づいて異常を検知する
   　異常検知装置。

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