JP2011038558A - 電動流体圧アクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力部の位置を保持するためのモータの電力消費を小さく抑えるという圧力補償機構の本来の機能を制限なしに利用することができながらも、構成の複雑化等を伴うことなく、モータの鉄損を抑制する。
【解決手段】ピストン１５を有するシリンダ１２と、斜板式の可変容量形のポンプ１３とで閉じた流路を形成する。圧力Ｐ１とＰ２との差圧力が設定値Ｐｃ以上となったときに、差圧力に応じてポンプ１３の容量を低下させる圧力補償機構２０を設ける。制御装置１９は、入力される位置指令信号と位置センサ１６によるピストン１５の位置検出信号とに基づいて、ポンプ１３を駆動するサーボモータ１４の回転数や回転方向等を制御する。このとき、ピストン１５が目標位置近傍に位置している（目標位置までの移動距離全体の９５％以上に至った）ときには、サーボモータ１４の回転数を所定値以下に制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体圧アクチュエータに、可変容量形の流体圧ポンプ及びサーボモータを一体化した構造を備える電動流体圧アクチュエータ装置に関する。

例えば運輸機器やプレス装置等に用いられるアクチュエータとして、近年では、従来の油圧式のものに代えて、流体圧シリンダ、流体圧ポンプ及びサーボモータを備えるＥＨＡ（Electro Hydrostatic Actuator）と略称される電動流体圧アクチュエータ装置が供されてきている。このＥＨＡは、長い油圧配管が不要となると共に、全体が小型，軽量になり、またメンテナンス性も良い等のメリットがある。

図７（ａ）は、この種のＥＨＡの基本構成（第１の従来例）を示している。即ち、油圧シリンダ１は、ピストン２によって左室１ａ及び右室１ｂの二室に区切られ、両方向からの作動油の吐出、吸入が可能な油圧ポンプ３の２つの出入口が、それら左室１ａ及び右室１ｂに夫々接続されている。油圧ポンプ３を駆動するモータ４は、制御器５によって、回転数Ｎ、回転方向等が制御される。前記制御器５には、位置指令信号Ｅｃｏｍが入力されると共に、前記ピストン２（ピストンロッド２ａ）の位置を検出する位置センサ６からのフィードバック信号Ｅｘｐが入力される。

これにて、制御器５は、位置指令信号Ｅｃｏｍとフィードバック信号Ｅｘｐとの差に応じた指令を出力し、モータ４は、その指令に応じた回転数Ｎｍで回転し、ポンプ３が、ｑｔｈ（１回転当りの吐出容量）×Ｎｍの流量Ｑを生ずる。図７（ａ）の矢印方向に流量Ｑが発生した場合には、シリンダ１の左室１ａに作動油が流入し、ピストン２は矢印Ｘｐ方向に移動する。このとき、右室１ｂの容積減少分の作動油がポンプ３に吸入される。位置指令信号Ｅｃｏｍとフィードバック信号Ｅｘｐとが一致した状態で、モータ４への指令は０となり、位置制御ループが構成される。

また、このときの時間経過に伴う、位置指令Ｅｃｏｍ、ピストン２の変位Ｘｐ、モータ４の回転数Ｎの挙動は、図８に示す通りとなる。尚、図７（ａ）では、位置センサ６をピストン２と同軸配置した場合を例示したが、その他にも、図７（ｂ）に示すように、位置センサ６´をピストン２と並列配置する場合もあり得る。

ところで、上記ＥＨＡの構成において、ピストン２に白抜き矢印の方向の外力（外部負荷）Ｆが作用した場合には、シリンダ１の左室１ａ内の圧力Ｐ１と右室１ｂ内の圧力Ｐ２との間に、Ｐ１＞Ｐ２となる圧力の差ΔＰが生じなければ、ピストン２の位置Ｘｐを指令位置に保持することができない。このときの差圧力ΔＰは、ピストン２の受圧面積をＡｃｙとすると、Ａｃｙ×（Ｐ１−Ｐ２）＝Ｆを満たす値になる必要がある。油圧系に漏れのない理想的な状態では、差圧力ΔＰは、ポンプ３が、ｑｔｈ×（Ｐ１−Ｐ２）＝Ｔｐというトルクで作動油を押し出し続けることで維持される。このトルクＴｐを発生し続けるためには、ポンプ３の吐出流量をゼロとしたまま、モータ４のコイルに電流を流し続ける必要がある。そのため、ピストン２の位置を保持するための電力消費が比較的大きくなる問題点があった。

そこで、上記不具合を解決するために、例えば特許文献１では、ＥＨＡに圧力補償機構を設けることが提案されている（第２の従来例）。この圧力補償機構は、図９に示すように、上記ポンプ３に代えて、斜板制御機構によって斜板の傾斜角を変更することにより吐出量の変更が可能な、周知の斜板式の可変容量形ポンプ８を採用すると共に、シリンダ１の左室１ａ内の圧力Ｐ１と右室１ｂ内の圧力Ｐ２とのうち高い方の圧力を斜板制御機構に導くシャトル弁９を設けて構成される。

このとき、図１０に示すように、差圧力ΔＰ（圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差）がＰｃ以上となったときに、圧力補償機構が作動してポンプ８の吐出容量が小さくなる。これにより、モータ４が発生しなければならないトルク、ひいては電流が小さくなるため、消費電力を抑えることができる。尚、実際には、ポンプ８における作動油の漏れが生ずるため、タンク（アキュムレータ）及び第２のシャトル弁を設けて、油圧系に作動油を補給する必要がある。

特許第４０２２０３２号公報

しかしながら、上記のような圧力補償機構を設けたＥＨＡでは、次のような不具合の発生が予測される。即ち、図９に示した圧力補償機構を設けたＥＨＡにおいては、時間経過に伴う、位置指令Ｅｃｏｍ、ピストン２の変位Ｘｐ、モータ４の回転数Ｎ、斜板角αの挙動が、図１１に示すようになる。今、ピストン２に対し外力Ｆが作用し,差圧力ΔＰがＰｃを越えた場合（時刻ｔ１）には、斜板角αが小さくなってモータ４の負荷トルクを減少させる。このとき、モータ４のＴ・Ｎ特性は、図１２に示す通りであり、負荷トルクＴが小さくなるに従って、モータ４の回転数Ｎは上昇する。

この場合、差圧力ΔＰがＰ０に近くなるような大きな外力Ｆが作用した場合、ポンプ８の吐出量がゼロに近付くため、ピストン２の位置を保持するためにポンプ８の漏れを補償しようとして、モータ４の回転数Ｎが最高回転数まで上昇することになる。その結果、ポンプ８の容量が小さくなるため、モータ４の必要トルクつまり必要電流は小さくなるが、モータ４の鉄損が大きくなり、ひいては、モータ４の発熱により、巻線の絶縁被覆がダメージを受ける等の問題が発生する。

また、このようなモータ４の鉄損の問題を解決するためには、斜板角αを制限する（最小の斜板角αまで角度変更させない）ことが考えられる。これによれば、モータ４にある程度の負荷トルクがかかるようになること、及び、ポンプ８の漏れを補償するためのモータ４の必要回転数が小さくて済むことから、モータ４の回転数Ｎが最大値まで上昇することがなくなり、鉄損を抑制することができる。ところが、この方法では、モータ４の負荷トルクの減少に制限がかかるため、その分だけモータ４の消費電力が大きくなってしまう。これと共に、本来の圧力補償機能が働かなくなるため、システムの上限圧力を制御する（余分な作動油を逃がす）ためのリリーフ弁を追加する必要があり、構成の複雑化や無駄なエネルギの消費を招いてしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、出力部の位置を保持するためのモータの電力消費を小さく抑えるという圧力補償機構の本来の機能を制限なしに利用することができながらも、構成の複雑化等を伴うことなく、モータの鉄損を抑制することができる電動流体圧アクチュエータ装置を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の電動流体圧アクチュエータ装置は、往復直線運動又は回転運動を行う出力部を有した流体圧アクチュエータと、この流体圧アクチュエータとの間で閉じた流路を形成する可変容量形の流体圧ポンプと、この流体圧ポンプを駆動するサーボモータと、前記流体圧アクチュエータの出力部の位置を検出する位置センサと、この位置センサの検出に基づいて前記流体圧アクチュエータの出力部を目標位置に移動させると共にその位置を保持するように前記サーボモータを制御する制御装置とを備えたものにおいて、前記流体圧ポンプの吐出側と吸入側との間の差圧力が設定値Ｐｃ以上となったときに、その差圧力の大きさに応じて前記流体圧ポンプの容量を低下させる圧力補償機構を設けると共に、前記流体圧アクチュエータの出力部が目標位置近傍に位置しているときには、前記サーボモータの回転数を所定値以下に制限する制限手段を設けたところに特徴を有する。

上記構成によれば、制御装置により、流体圧ポンプを駆動するサーボモータを制御することで流体圧アクチュエータの出力部を任意の位置に移動させ、その位置を保持することできる。そして、流体圧アクチュエータの出力部が外力を受けて流体圧ポンプの吐出側と吸入側との間の圧力の差が設定値Ｐｃ以上となったときには、圧力補償機構により、可変容量形の流体圧ポンプの吐出量が低下されるので、サーボモータの電流が小さくなり、消費電力を抑えることができる。

ここで、圧力補償機構により流体圧ポンプの吐出容量が低下されると、サーボモータの負荷トルクが減少するが、本発明においては、流体圧アクチュエータの出力部が目標位置近傍に位置しているときには、制限手段により、サーボモータの回転数が所定値以下に制限されるようになる。この場合、一般的な制御系では、図８に示したように、出力部（ピストン）が目標位置に達すると、サーボモータの回転数はゼロになる。つまり、目標位置近傍では、サーボモータの回転数が小さくなるから、目標位置近傍でサーボモータの回転数を小さい値に制限しても、何ら実害はない。

そして、サーボモータの回転数が低くなって、流体圧ポンプの吐出量がシステムの要求する流量よりも小さい場合には、システム圧力が下がるため、圧力補償機構の本来の機能によって、流体圧ポンプの吐出量が大きくなって流体の供給流量を増やし、以て、必要な圧力が維持される。この圧力補償機構は出力部の位置制御を行うものではないが、外力に対して出力部の力が不足して出力部の位置が目標位置と違ってくる（目標位置近傍の範囲から外れる）と、制御装置の制御によって、サーボモータが回転して出力部の位置が維持されるようになる。制御装置に新たな目標位置の位置指令が入れば、出力部の現在位置が目標位置近傍ではなくなるため、サーボモータの回転数の制限が外され、通常の制御に復帰できることは勿論である。

従って、圧力補償機構の本来の機能を制限なしに利用することができながら、負荷トルクの減少に伴ってサーボモータの回転数が最大値まで上昇することを未然に防止することができ、サーボモータの鉄損の問題を解決することができる。しかも、リリーフ弁の追加等の構成の複雑化を招くこともない。

尚、本発明における「流体圧アクチュエータ」には、流体圧（油圧、空気圧）シリンダ、及び、流体圧（油圧、空気圧）モータを含んでおり、更には揺動形のアクチュエータも含んでいる。流体圧シリンダの場合、往復直線移動するピストン（ピストンロッド）が出力部となり、流体圧モータの場合、回転運動する出力軸が出力部となる。また、本発明における、出力部の「目標位置近傍」とは、位置指令の入力時点の出力部の位置から、目標位置まで移動するにあたり、移動距離全体の例えば９５％以上に達したら近傍に至ったとすることができる。制御対象や仕様に応じて、その数値を任意に設定、調整することができる。

そして、サーボモータの回転数を所定値以下に制限する際の、制限回転数についても、例えば、サーボモータの最大回転数に対し、例えば、１％以上、５０％以下の範囲内で、所定の回転数に決めることができる。このときの制限回転数を決定するにあたっては、システムの作動液の漏れ量、作動特性などの要求条件と、流体圧ポンプの容量とにより、勘案することができる。

より具体的には、流体圧ポンプに斜板式の可変容量形ポンプを採用した場合、制限回転数は、最大出力で出力部の位置が一定に維持される状態で、制限回転数でのモータ損失と、そのときの安定斜板角でポンプが消費する動力のための電力消費との合計が、極力少なく収まるように決定することができる。制限回転数が低すぎると、斜板角が大きい位置で安定して、動力のための電力消費が大きくなる。一方、制限回転数が高すぎると、斜板角は小さい位置で安定し、動力の消費する電力が小さくなるが、モータの鉄損等の消費電力が大きくなる。

本発明の電動流体圧アクチュエータ装置によれば、流体圧ポンプの吐出側と吸入側との間の差圧力が設定値Ｐｃ以上となったときに、その差圧力の大きさに応じて流体圧ポンプの容量を低下させる圧力補償機構を設けると共に、流体圧アクチュエータの出力部が目標位置近傍に位置しているときには、サーボモータの回転数を所定値以下に制限する制限手段を設けたので、出力部の位置を保持するためのモータの電力消費を小さく抑えるという圧力補償機構の本来の機能を制限なしに利用することができながらも、構成の複雑化等を伴うことなく、モータの鉄損を抑制することができるという優れた効果を奏する。

本発明の第１の実施例を示すもので、電動流体圧アクチュエータ装置のシステム構成を示す回路図 制御装置が実行するサーボモータに対する制御手順を示すフローチャート 時間経過に伴うピストン変位、モータ回転数、斜板角等の挙動を示す図 圧力補償機構による差圧力とポンプ吐出量との関係を示す図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図 本発明の第３の実施例に係る流体圧シリンダ部分を示す図 第１の従来例を示すもので、電動流体圧アクチュエータ装置の基本構成を示す回路図 時間経過に伴うピストン変位、モータ回転数の挙動を示す図 第２の従来例を示すもので、電動流体圧アクチュエータ装置の構成を示す回路図 図４相当図 時間経過に伴うピストン変位、モータ回転数、斜板角等の挙動を示す図 モータのＴ・Ｎ特性を示す図

以下、本発明を油圧式のシリンダを備えた電動流体圧アクチュエータ装置に適用した第１の実施例について、図１ないし図４を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係る電動流体圧（油圧）アクチュエータ１１（以下、ＥＨＡ１１と略称する）のシステムの構成を示しており、まず、このＥＨＡ１１の全体構成について述べる。

ＥＨＡ１１は、流体圧アクチュエータとしての流体圧（油圧）シリンダ１２、このシリンダ１２との間で閉じた流路を形成する可変容量形の流体圧（油圧）ポンプ１３、このポンプ１３を駆動するサーボモータ１４を備えている。前記シリンダ１２は、図で左右方向に往復直線移動可能な出力部としてのピストン１５を有し、該ピストン１５によって、内部が第１室（左室）１２ａと第２室（右室）１２ｂとに区画されている。前記ピストン１５は、ピストンロッド１５ａを有し、該ピストンロッド１５ａの図で左右方向の移動により負荷を駆動するようになっている。ピストン１５（ピストンロッド１５ａ）の位置は、位置センサ１６により検出されるようになっている。

前記ポンプ１３は、例えば、周知の斜板式の可変容量形ピストンポンプからなり、第１の出入口１３ａ及び第２の出入口１３ｂを有し、両方向からの作動油の吐出、吸入が可能とされている。このとき、図示はしないが、通常時においては、斜板角αが最大角度とされ、単位時間当りの吐出容量ｑｔｈが比較的大きくされているが、後述する圧力補償機構により、斜板角αが小さく変更されると、それに応じて吐出容量ｑｔｈも小さくなるように構成されている。

このポンプ１３の第１の出入口１３ａは、第１配管１７を介して前記シリンダ１２の第１室１２ａに接続され、第２の出入口１３ｂは、第２配管１８を介して前記シリンダ１２の第２室１２ｂに接続されている。前記ポンプ１３を駆動するサーボモータ１４は、ＣＰＵを含んで構成される制御装置１９によって、回転数Ｎや、回転方向等が制御される。尚、このサーボモータ１４の最大回転数は、例えば６０００ｒｐｍとされている。

前記制御装置１９には、位置指令信号Ｅｃｏｍが入力されると共に、前記位置センサ１６からのフィードバック信号（位置検出信号）Ｅｘｐが入力される。制御装置１９は、位置指令信号Ｅｃｏｍとフィードバック信号Ｅｘｐとの差に応じた指令をサーボモータ１４に出力する。サーボモータ１４は、その指令に応じた回転数Ｎｍで回転し、以て、ポンプ１３が、ｑｔｈ（１回転当りの吐出容量）×Ｎｍの流量Ｑを生ずる。

例えば図１の矢印方向に流量Ｑが発生した場合には、シリンダ１２の第１室１２ａに作動油が流入（第２室１２ｂからは流出）し、ピストン１５は矢印Ｘｐ方向に移動する。このとき、シリンダ１２の第２室１２ｂの容積減少分の作動油がポンプ１３に吸入される。ピストン１５が目標位置に移動し、位置指令信号Ｅｃｏｍとフィードバック信号Ｅｘｐとが一致した状態で、モータ１４への指令は０となり、位置制御ループが構成される。

また、ピストン１５に白抜き矢印の方向の外力（外部負荷）Ｆが作用した場合、シリンダ１２の第１室１２ａ内の圧力Ｐ１と、第２室１２ｂ内の圧力Ｐ２との間に、Ｐ１＞Ｐ２の差圧力ΔＰが生じなければ、ピストン１５の位置Ｘｐを目標位置に保持することができない。このときの差圧力ΔＰは、ピストン１５の受圧面積をＡｃｙとすると、Ａｃｙ×（Ｐ１−Ｐ２）＝Ｆを満たす値となる。この差圧力ΔＰは、ポンプ１３が、ｑｔｈ×（Ｐ１−Ｐ２）＝Ｔｐというトルクで作動油を押し出し続けることで維持される。このトルクＴｐを発生し続けるためには、ポンプ１３の吐出流量をゼロとしたまま（実際にはシステムの漏れの分だけ吐出流量が発生する）、モータ１４のコイルに電流を流し続ける必要があり、電力消費が大きくなってしまう。

そこで、本実施例のＥＨＡ１１には、ポンプ１３の吐出側と吸入側との圧力の差（圧力Ｐ１とＰ２との差圧力ΔＰ）が、設定値Ｐｃ（図４参照）以上となったときに、その差圧力ΔＰの大きさに応じて前記ポンプ１３の容量を低下させる圧力補償機構２０が設けられる。この場合、圧力補償機構２０は、図１に示すように、ポンプ１３の斜板角αを変更するための斜板制御ピストン２１、この斜板制御ピストン２１のピストン室２１ａの圧力を制御するための斜板制御弁２２、前記第１配管１７（圧力Ｐ１）及び第２配管１８（圧力Ｐ２）のうち高い方の圧力を前記斜板制御弁２２に選択的に取込むための第１のシャトル弁２３を備えて構成される。

さらに、このＥＨＡ１１には、図１に示すように、ポンプ１３とシリンダ１２との間の閉じた油圧系において、漏れによって失われた作動油を補充するために、加圧タンク（アキュムレータ）２４及び第２のシャトル弁２５が設けられる。第２のシャトル弁２５は、第１配管１７と第２配管１８との間に前記第１のシャトル弁２３と並列に設けられ、圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２のうち低い方の圧力を選択して、加圧タンク２４から油圧系に作動油を供給するように構成されている。また、加圧タンク２４は、ポンプ１３のケーシングにもつながっている。

前記圧力補償機構２０においては、圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の差圧力ΔＰが、設定差圧力Ｐｃよりも低い場合には、斜板制御弁２２の弁体２２ａが閉じており、図示のように、斜板制御ピストン２１のピストン室２１ａが加圧タンク２４につながっている。この状態では、斜板制御ピストン２１のばねによって、ポンプ１３の斜板角αが最大に維持され、ポンプ１３の吐出量Ｑも最大となる。このときの差圧力ΔＰとポンプ１３の吐出量Ｑとの関係は、図４に示す通りであり、差圧力ΔＰが設定値Ｐｃに至るまでは、吐出量Ｑが最大値（一定値）となる。圧力補償機構２０は、差圧力ΔＰが設定値Ｐｃ以上になると、Ｐ０に向けて、吐出量Ｑが次第に低下するように設定されている。

なお、図１では、斜板制御弁２２にかかる差圧力が、圧力Ｐ１，Ｐ２の高い方の圧力と、アキュムレータ２４系の油路の圧力との差となっており、Ｐ１及びＰ２の差圧力とはなっていない。実際には、シャトル弁２５により圧力Ｐ１，Ｐ２の低い方の圧力と、アキュムレータ２４系の油路の圧力とは一致するため、斜板制御弁２２にかかる差圧力は、Ｐ１及びＰ２の差圧力と一致する。

差圧力ΔＰが設定差圧力Ｐｃに達すると、斜板制御弁２２の弁体２２ａがばね力に抗して図で右方に変位し、その差圧力が斜板制御ピストン２１のピストン室２１ａに導入され、斜板制御ピストン２１が押下げられて斜板角αが小さくなる。これにより、ポンプ１３の吐出容量が小さくなる。ポンプ容量が小さくなりすぎて吐出量Ｑがシステム必要流量を下回ると、斜板制御弁２２の弁体２２ａがばね力により戻され、ポンプ１３の斜板角αが大きくなる。このようにして、差圧力ΔＰがＰｃとＰ０との間にあるときには、図４に示すように、漏れを含むシステム流量と、ポンプ１３の吐出量とが釣り合う状態となる。尚、図４のＰｃ−Ｐ０間の流量減少の傾きは、斜板制御系の設計により、必要に応じて、シャープにも緩やかにも設定することができる。

さて、本実施例では、次の作用説明（フローチャート説明）でも述べるように、制御装置１９は、そのソフトウエア的構成により、サーボモータ１４を制御するにあたって、前記位置センサ１６の検出に基づき、シリンダ１２のピストン１５が目標位置近傍に位置しているときには、前記サーボモータ１４の回転数Ｎを、予め決められた所定値以下に制限するようになっている。従って、制御装置１９が制限手段として機能するようになっている。

このとき、具体的には、ピストン１５の目標位置近傍として、例えば、位置指令の入力時点のピストン１５の位置から、目標位置まで移動するにあたり、移動距離全体の９５％以上に達した状態で、目標位置近傍に至ったと判断される。

また、サーボモータ１４の回転数Ｎを所定値以下に制限する際の、制限回転数（所定値）については、最大出力でピストン１５の位置が一定に維持される状態で、制限回転数でのモータ損失と、そのときの安定斜板角でポンプ１３が消費する動力のための電力消費との合計が、極力少なく収まるように決定することができる。より具体的には、サーボモータ１４の最大回転数に対し、例えば、１％以上、５０％以下の範囲内の、所定の回転数に決めることが望ましい。本実施例では、例えば、サーボモータ１４の最大回転数が６００ｒｐｍであるのに対し、制限回転数が１０００ｒｐｍとされる。

次に、上記構成の作用について、図２及び図３も参照して述べる。上記構成のＥＨＡ１１にあっては、制御装置１９は、位置指令信号Ｅｃｏｍ及びフィードバック信号Ｅｘｐに基づいて、ポンプ１３を駆動するサーボモータ１４を制御し、シリンダ１２のピストン１５を任意の目標位置に移動させ、その位置を保持することできる。このとき、次に述べるように、制御装置１９は、シリンダ１２のピストン１５が目標位置近傍（目標位置までの移動距離の９５％以上）に位置しているときには、サーボモータ１４の回転数を所定値（１０００ｒｐｍ）以下に制限するように制御する。

また、このＥＨＡ１１では、圧力補償機構２０を設けたことにより、シリンダ１２のピストン１５が外力Ｆを受けてポンプ１３の吐出側と吸入側との間の圧力の差（圧力Ｐ１とＰ２との差圧力ΔＰ）が設定値Ｐｃ以上となったときには、斜板角αが小さくなってポンプ１３の吐出量が低下されるので、サーボモータ１４の電流を小さくして消費電力を抑えることができる。

図２のフローチャートは、位置指令信号Ｅｃｏｍが入力された際に、制御装置１９が実行するサーボモータ１４の制御手順を示している。即ち、まずステップＳ１では、位置指令信号Ｅｃｏｍ及びフィードバック信号Ｅｘｐから求められる位置偏差Ｅｅｒが、０でない（０より大きい）かどうかが判断される。このときの位置偏差Ｅｅｒは、（Ｅｃｏｍ−Ｅｘｐ）の値に所定の調節量を乗算することにより求められる。

位置偏差Ｅｅｒが０より大きい場合には（ステップＳ１にてＹｅｓ）、次のステップＳ２にて、位置偏差Ｅｅｒの大きさに比例したサーボモータ１４の回転方向及び回転数の指令（具体的にはモータ印加電圧）が、サーボモータ１４に対し出力される。次のステップＳ３では、位置センサ１６からのフィードバック信号（位置検出信号）Ｅｘｐが、位置指令信号Ｅｃｏｍの９５％以上かどうか、つまりピストン１５が目標位置近傍に位置しているかどうかが判断される。

そして、ピストン１５が目標位置近傍に位置していると判断されたときには（ステップＳ３にてＹｅｓ）、ステップＳ４にて、サーボモータ１４の最高回転数が１０００ｒｐｍに制限され、ステップＳ１に戻る。ステップＳ３にて、ピストン１５が目標位置近傍に位置していないと判断された場合には（ステップＳ３にてＮｏ）、サーボモータ１４の回転数の制限がなされずに、そのままステップＳ１に戻る。ステップＳ１において、位置偏差Ｅｅｒが０と判断された場合には（ステップＳ１にてＮｏ）、ステップＳ５にて、モータ指令を０（停止）にし、ステップＳ１に戻る。

以上のような制御により、本実施例では、時間経過に伴う、ピストン変位Ｘｐ、モータ回転数Ｎ、斜板角α等の挙動は、図３に示す通りとなる。今、時刻ｔ１において、差圧力ΔＰが設定値Ｐｃを越えた場合、圧力補償機構２０の働きにより、斜板角αが小さくなっていき、ポンプ１３の吐出容量が低下されサーボモータ１４の負荷トルクＴが減少する。このとき、図１２に示したように、サーボモータ１４にあっては、負荷トルクＴが小さくなるに従って回転数Ｎが上昇する。上記した第２の従来例のＥＨＡにおいては、図１１に示したように、圧力補償機構によって、斜板角αが最小となってモータ回転数Ｎが最大回転数まで上昇してしまい、ひいてはモータの鉄損等の問題が生じていた。

ところが、本実施例では、ピストン１５が目標位置近傍に位置した、つまりピストン１５の変位Ｘｐが目標位置の９５％に達した時点で（時刻ｔ２）、サーボモータ１４の回転数に制限（１０００ｒｐｍ以下）がかけられるようになる。このため、図１１に示した挙動と異なり、斜板角αは、最小まで小さくなることはなく、サーボモータ１４の制限回転数や、システムの作動油の漏れに対応した角度に戻るようになり、圧力補償機構２０の機能を制限する（例えば斜板角の下限を設ける）必要がない。

この場合、一般的な制御系では、ピストン１５が目標位置に達すると、サーボモータ１４の回転数はゼロになる。つまり、目標位置近傍では、サーボモータ１４の回転数が小さくなるから、目標位置近傍でサーボモータ１４の回転数を小さい値に制限しても、何ら実害はない。そして、図示はしないが、サーボモータ１４の回転数が低くなって、ポンプ１３の吐出量がシステムの要求する流量よりも小さい場合には、システム圧力が下がるため、圧力補償機構２０の本来の機能によって、斜板角αが大きくなってポンプ１３の吐出量が大きくなり、作動油の供給流量を増やし、必要な圧力が維持される。

圧力補償機構２０はピストン１５の位置制御を行うものではないが、外力Ｆに対してピストン１５の力が不足してピストン１５の位置が目標位置と違ってくる（目標位置近傍の範囲から外れる）と、制御装置１９の制御によって、サーボモータ１４の回転数が上昇されてピストンの位置が維持されるようになる。制御装置１９に新たな目標位置の位置指令Ｅｃｏｍが入れば、ピストン１５の現在位置が目標位置近傍ではなくなるため、サーボモータ１４の回転数の制限が外され、通常の制御に復帰できることは勿論である。

このように本実施例によれば、斜板角αの変更角度を制限するといったことなく、サーボモータ１４の回転数の制限によって、負荷トルクの減少に伴ってサーボモータ１４の回転数が最大値まで上昇することを未然に防止することができる。従って、本実施例のＥＨＡ１１によれば、圧力補償機構２０の本来の機能を制限なしに利用することができながら、従来の懸案であったサーボモータ１４の鉄損の問題を解決することができる。しかも、システムの上限圧力を制御する（余分な作動油を逃がす）ためのリリーフ弁を追加する必要はなく、構成の複雑化や無駄なエネルギの消費を招くこともない。

図５は、本発明の第２の実施例に係る電動流体圧アクチュエータ装置３１のシステム構成を示している。この第２の実施例が、上記第１の実施例と異なるところは、流体圧アクチュエータとして、流体圧シリンダ１２に代えて、流体圧（油圧）モータ３２を採用した点にある。この流体圧モータ３２は、両方向流れの２つの出入口３２ａ、３２ｂを有し、一方の出入口３２ａが第１配管１７を介してポンプ１３の第１の出入口１３ａに接続され、他方の出入口３２ｂが第２配管１８を介してポンプ１３の第２の出入口１３ｂに接続されている。

この流体圧モータ３２は、回転運動を行う出力部としての出力軸３３を有しており、その出力軸３３の位置を検出する位置センサ３４（回転センサ）の信号が、制御装置１９に入力される。その他の構成、つまり、圧力補償機構２０を備える点や、制御装置１９が制限手段として機能する点などは、上記第１の実施例と同等である。この第２の実施例によっても、出力軸３３の位置を保持するためのサーボモータ１４の電力消費を小さく抑えるという圧力補償機構２０の本来の機能を制限なしに利用することができながらも、構成の複雑化等を伴うことなく、サーボモータ１４の鉄損を抑制するといった、上記第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

また、図６に示す本発明の第３の実施例のように、流体圧アクチュエータとして、いわゆる片ロッド型の流体圧（油圧）シリンダ４１を採用することもできる。このシリンダ４１は、往復直線運動を行う出力部としてのピストン４２によって、第１室４１ａと第２室４１ｂとに区画されるのであるが、ピストンロッド４２ａは、第２室４１ｂ側にのみ存在し、第１室４１ａ側には存在しない形態となっている。ピストン４２（ピストンロッド４２ａ）の位置は、位置センサ４３により検出される。

その他、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、例えば以下に述べるような、各種の拡張、変更が可能である。
即ち、サーボモータ１４の回転数を所定値以下に制限する際の制限回転数については、例えば、システムの作動液の漏れ量などの要求条件と、流体圧ポンプ１３の容量とを勘案して自在に決定することができる。このとき、斜板式の可変容量形ポンプを採用した場合、制限回転数を、最大出力でピストン位置が一定に維持される状態で、制限回転数でのモータ損失と、そのときの安定斜板角でポンプが消費する動力のための電力消費との合計が、極力少なく収まるように決定することができる。制限回転数が低すぎると、斜板角が大きい位置で安定して、動力のための電力消費が大きくなる。一方、制限回転数が高すぎると、斜板角は小さい位置で安定し、動力の消費する電力が小さくなるが、モータの鉄損等の消費電力が大きくなる。

また、上記第１の実施例では、ピストン１５の変位が、目標位置までの移動距離全体に対して９５％以上に至ったら目標位置近傍に位置していると判断するようにしたが、その数値については、例えば制御対象や仕様に応じて、任意に設定、調整することができる。その他、可変容量形の流体圧ポンプの構成や、圧力補償機構の具体的構成等についても、様々な変形が可能である等、本発明は、要旨を逸脱しない範囲内で、適宜変更して実施し得るものである。

図面中、１１はＥＨＡ（電動流体圧アクチュエータ装置）、１２，４１は流体圧シリンダ（流体圧アクチュエータ）、１３は流体圧ポンプ、１４はサーボモータ、１５、４２はピストン（出力部）、１６，３４，４３は位置センサ、１９は制御装置（制限手段）、２０は圧力補償機構、３１は電動流体圧アクチュエータ装置、３２は流体圧モータ（流体圧アクチュエータ）、３３は出力軸（出力部）を示す。

Claims (1)

1. 往復直線運動又は回転運動を行う出力部を有した流体圧アクチュエータと、
   この流体圧アクチュエータとの間で閉じた流路を形成する可変容量形の流体圧ポンプと、
   この流体圧ポンプを駆動するサーボモータと、
   前記流体圧アクチュエータの出力部の位置を検出する位置センサと、
   この位置センサの検出に基づいて、前記流体圧アクチュエータの出力部を目標位置に移動させると共にその位置を保持するように前記サーボモータを制御する制御装置とを備えた電動流体圧アクチュエータ装置において、
   前記流体圧ポンプの吐出側と吸入側との間の差圧力が設定値Ｐｃ以上となったときに、その差圧力の大きさに応じて前記流体圧ポンプの容量を低下させる圧力補償機構を設けると共に、
   前記流体圧アクチュエータの出力部が目標位置近傍に位置しているときには、前記サーボモータの回転数を所定値以下に制限する制限手段を設けたことを特徴とする電動流体圧アクチュエータ装置。

Images