JP6465809B2 - 回転斜板の位置センサ機構 - Google Patents

Description

本発明は、可変容量型油圧ポンプに旋回可能に設置された回転斜板の、現在の回転斜板角度を検出するためのセンサ機構、可変容量型油圧ポンプに旋回可能に設置された回転斜板の、現在の回転斜板角度を検出するための測定方法、可変容量型油圧ポンプの制御ピストンの動作を制御する制御装置、及び、可変容量型油圧ポンプに関するものである。

軸方向ピストン式可変容量型ポンプ等の可変容量型油圧ポンプは、油圧装置に広く使用されており、加圧された作動油を様々な用途のために提供する。例を挙げると、油圧式の土工用及び建設用機械、例えば、掘削機、ブルドーザ、ローダといったものは、油圧装置に強く依存して操作が行われるため、必要な加圧流体を提供するために、可変容量型油圧ポンプを用いることが多い。これらのポンプは、機械的な軸系、例えばエンジンによって駆動され、又、吐出量及びその圧力は、ポンプに旋回可能に設置された回転斜板の角度を制御することによって調整される。しかしながら、ポンプの動作は、要求される負荷の変動に起因する、圧力及び流出の変動に従わなければならない。油圧装置の動作が十分機能し予想できるものであるように、一貫した方法でポンプの吐出量を維持することが好ましい。このため、ポンプのストロークと故にその吐出量とに関連する、回転斜板の旋回角度を回転センサが検出することによって、回転斜板の位置を検出するステップを含む、制御工程を築く試みがなされてきた。

米国特許第６，６２３，２４７号明細書Ｂ２版には、ポンプに旋回可能に設置された回転斜板を有する、可変容量型油圧ポンプを制御するための方法及び装置が開示されている。これらの方法及び装置は、ポンプの限界力に応じて所望の回転斜板角度を決定すること、現在の回転斜板角度を測定すること、ポンプの吐出圧値を測定すること、所望の回転斜板角度と現在の回転斜板角度と吐出圧とに応じて、サーボ弁のスプールを所望の位置へ移動すること、及び、所望の回転斜板角度の位置へ回転斜板を応答性よく移動すること、を含んでいる。現在の回転斜板角度を測定する手段は、回転斜板の角度センサ（例えば、分解器やひずみゲージ）を利用して回転斜板の角度を測定するように適応している。

米国特許第６，６２３，２４７号明細書

比例弁が制御装置によって駆動されていること、比例弁が制御ピストンを移動すること、制御ピストンが位置部材を介して回転斜板を旋回させること、そして最後に、制御装置へのフィードバック信号として回転斜板の旋回角度を検出すること、を含む制御ループによって、問題が生じるが、その理由は、制御ループ内のクリアランス（clearances）の数により、制御工程の不安定な動作が引き起こされる虞があるためである。

そこで、本発明は、可変容量型油圧ポンプの、より安定した制御を提供することを目的とするものである。

その目的は、独立クレームに係るセンサ機構及び測定方法によって達成される。好適な及び有利な実施形態は、従属クレームに従う。

本発明に係る、可変容量型油圧ポンプに旋回可能に設置された回転斜板の、現在の回転斜板角度を測定するセンサ機構は、ポンプに対する回転斜板の角度を制御するように動作可能な制御ピストンと、制御ピストンに設置される位置マーカと、位置マーカの移動を検出するように制御ピストンに沿って配置されるセンサと、を含んでいる。このようなセンサ機構を利用することによって、制御ループ内の全てのクリアランスが、好適に除外される。これにより、既存の設計と比較して、より安定したポンプ制御が可能となる。

好ましい実施形態によれば、センサは、位置マーカの移動を非接触方式で検出するように適応している。非接触のセンサ機構は、完全に摩耗しない形態を好適に提供する。

より好ましくは、センサが、制御ピストンの移動方向と略平行又は同軸に配置されている。具体的には、センサが線形磁歪位置センサ（linear magnetostrictive position sensor）であり、位置マーカが磁石である。

本発明に係る、可変容量型油圧ポンプに旋回可能に設置された回転斜板の、現在の回転斜板角度を測定する測定方法は、制御ピストンがポンプに対する回転斜板の角度を制御するように動作可能であり、そして、制御ピストンに沿って配置したセンサによって、制御ピストンに設置した位置マーカの位置を検出するステップと、センサに対する位置マーカの変動から、制御ピストンの線形移動（linear translation）を算出するステップとを含んでいる。特に、回転斜板の現在の回転斜板角度を、制御ピストンの線形移動から算出する。好ましくは、本発明に係るセンサ機構を利用する。

本発明の別の対象は、可変容量型油圧ポンプの制御ピストンの動作を制御する制御装置に関連しており、その制御ピストンが、ポンプに対する回転斜板の角度を制御するように動作可能であり、現在の回転斜板角度が、本発明に係るセンサ機構で、及び／又は、本発明に係る方法によって測定されるものである。好ましくは、制御ピストンが比例弁によって駆動される。

本発明の更に別の対象は、可変容量型油圧ポンプに関連しており、制御ピストンがポンプに対する回転斜板の角度を制御するように動作可能であり、ポンプが本発明に係る制御装置を含んでいるものである。

添付の図面に関連して説明される、本発明に係る実施形態から、更なる利点や詳細な点が明らかになるであろう。

本技術の形態に係る回転センサを備えた可変容量型油圧ポンプの断面図である。 本発明に係るセンサ機構の実施形態を備えた可変容量型油圧ポンプの断面図である。 センサ機構の詳細を示す概略図である。

図面を参照すると、図１には、本技術の形態に係る回転センサＳを備えた、可変容量型油圧ポンプ１０のＸ−Ｙ面の断面図が示されている。本発明に係るセンサ機構については、同様の可変容量型油圧ポンプ１０がＹ−Ｚ面の断面図で示された、図２に関連して説明することとする。以下の説明では、本発明に係る方法及び装置の双方について言及している。

特に図１及び図２を参照すると、可変容量型油圧ポンプ１０（以下、「ポンプ１０」ともいう）は、シリンダブロック８内に環状に配列された複数（例えば、７つ又は９つ）のピストン１１を有する、軸方向ピストン回転斜板式の油圧ポンプ１０であることが好ましい。好ましくは、ピストン１１は、ブロック８の縦方向中心軸に設置されるシャフト６の周囲に、等間隔に配置される。シリンダブロック８は、シリンダブロック・スプリング１４により、バルブプレート２０と反対側に強く付勢されている。バルブプレートは、吸入口２４及び吐出口２６を含んでいる。ピストン１１の各々は、好ましくはボール及びソケット継手２３によって、滑り部材１２と接続されている。各滑り部材１２は、回転斜板１との接触状態が維持されている。回転斜板１は、ポンプ１０に傾斜可能に取り付けられ、その傾斜角度は制御性よく調整可能である。引き続き図１及び図２を参照すると、ポンプ１０の動作が示されている。シリンダブロック８は、一定の角速度で回転する。結果として、各ピストン１１が、バルブプレート２０の吸入口２４及び吐出口２６の各々の上を周期的に通過する。回転斜板１の傾斜角は、ピストン１１をシリンダブロック８の内外に振動変位（oscillatory displacement）させるため、作動油が、低圧ポートである吸入口２４内に流入すると共に、高圧ポートである吐出口２６の外側に流出する。好ましい実施形態において、回転斜板１の傾斜角は、回転斜板の旋回軸まわりにＸ方向に傾斜し、制御ピストン２によって制御される。この制御ピストン２は、回転斜板１の傾斜角度を増大させるように動作し、これにより、ポンプ１０のストロークが増大される。ポンプ１０は、加圧された作動油を、バルブプレート２０の吐出口２６へ供給する。

さて、図１を参照すると、本技術の形態に係る、現在の回転斜板角度を測定する手段は、回転斜板１の角度を測定するように適応している。図１では、現在の回転斜板角度を測定する手段が、図示の例では回転斜板１に接続された分解器（resolver）である回転斜板角度センサＳを含んでいる。

次に、図２に関連して、本発明に係るセンサ機構について説明する。本センサ機構は、ポンプ１０に対する回転斜板１の角度を制御するように動作可能な制御ピストン２と、制御ピストン２上に設置される位置マーカ３と、位置マーカ３の移動を検出するように制御ピストン２に沿って配置されるセンサ４とを含んでいる。図示の実施形態では、センサ４が、制御ピストン２の中心軸と平行に配置されている。或いは、センサ４は、制御ピストン２の内側に同軸上に設置することもできる。このようなセンサ配置を用いることによって、制御ループ内の全てのクリアランスが、好適に除外される。これにより、既存の設計と比較して、より一層安定したポンプ制御が可能となる。更に、非接触のセンサ機構を適切に適用してもよく、こうすれば完全に摩耗のない形態が提供される。

図２のセンサ機構の好適な実施形態は、制御ピストン２の移動方向と略平行に配置される線形磁歪位置センサ４を含んでおり、この場合の位置マーカ３は磁石３である。磁歪は、鉄、ニッケル、コバルトといった強磁性材料の特性である。磁界中に設置すると、これらの材料は、大きさ及び／又は形状が変化する。外部磁界と磁区との相互作用は、磁歪効果を発生させる。磁歪位置センサ４に使用されている強磁性材料は、鉄、ニッケル、コバルトといった遷移金属である。反対に、磁歪材料に圧力（stress）を加えると、それらの磁気特性（例えば、透磁率）が変化する。これは、ビラリ効果と呼ばれるものである。磁歪及びビラリ効果は、好ましくは双方とも、磁歪材料で作られた線材５（図３参照）を含む磁歪位置センサ４の製作に利用される。線材５は、保護カバー７内に密閉され、ポンプ１０の固定部分に取り付けられる。

ここで、図３の概略図に関連して、センサ機構の詳細を説明する。磁歪材料で作られた線材５の重要な特性は、ウィーデマン効果である。位置マーカ磁石３によって磁歪線材５に軸方向磁界が与えられ、更に電流が線材５を通過すると、軸方向磁界の位置にねじれ（twisting）が発生する。このねじれは、通常は永久磁石である磁石３の軸方向磁界と、線材５内の電流に起因して生じる磁歪線材５に沿った磁界との、相互作用によって引き起こされる。電流は、例えば、１又は２μ秒の短期パルスで印加され、結果として、機械的なねじれが超音波として線材５に沿って伝わる。従って、磁歪線材５は、導波路５とも呼ばれる。波は、導波材料内を音速、約３０００ｍ／秒で伝わる。磁歪位置センサ４の作用では、電流波と位置磁石３との相互作用により、歪みパルス（strain pulse）が発生し、この歪みパルスは、導波路５を下流へと伝わり、ピックアップ部材１５によって検出される。軸方向磁界は、位置磁石３によって付与される。位置磁石３は、制御ピストン２に取り付けられる。導波線材５を密閉している保護カバー７の図示は省略する。位置磁石３の位置は、導波路５に対する最初の電流パルスの印加時に検出される。電流パルスは、位置磁石３の位置で発生することとなる音波を引き起こす。音波は、ピックアップ１５によって検出されるまで、導波路５に沿って伝わる。この際、経過時間は、位置磁石３とピックアップ１５との間の距離を意味する。ピックアップ１５から離れる方向へ伝わる波からの干渉信号を回避するために、そのエネルギーを制動装置（damping device）１６によって吸収する。ピックアップ１５は、ビラリ効果を利用するものである。導波路５には、導波路５の一端の近傍に小片の磁歪材料テープ１７が接合されている。このテープ１７は、コイル１８を通過すると共に、小型の永久バイアス磁石１９によって磁化されている。音波が導波路５を下流へと伝わり、テープ１７まで達すると、波に誘発される力（stress）により、透磁率が変化した波がテープ１７内に引き起こされる。続いて、これはテープ内の磁束密度を変化させるため、ファラデー効果により、コイル１８から電圧出力パルスが提供される。電圧パルスは、コイル端子２１、２２において電子回路（図示省略）により検出され、所望の出力へ調整される。

１：回転斜板、２：制御ピストン、３：位置マーカ（位置磁石）、４：センサ、５：線材（導波路）、６：シャフト、７：保護カバー、８：シリンダブロック、１０：可変容量型油圧ポンプ、１１：ピストン、１２：滑り部材、１４：シリンダブロック・スプリング、１５：ピックアップ部材、１６：制動装置、１７：テープ、１８：コイル、１９：永久バイアス磁石、２０：バルブプレート、２１、２２：コイル端子、２３：ボール及びソケット継手、２４：吸入口、２６：吐出口、Ｓ：分解器

Claims (6)

1. 可変容量型油圧ポンプ（１０）に旋回可能に設置された回転斜板（１）の、現在の回転斜板角度を測定するためのセンサ機構であって、
   前記ポンプに対する前記回転斜板の角度を制御するように動作可能な制御ピストン（２）と、該制御ピストン（２）に設置される位置マーカ（３）と、センサ（４）と、を含み、
   該センサは、該センサに対する前記位置マーカの変動から、前記制御ピストンの線形移動を検出するように、前記制御ピストンに沿って配置され、
   前記センサ（４）が線形磁歪位置センサであり、前記位置マーカ（３）が磁石であり、
   前記線形磁歪位置センサは、磁歪材料で作られた線材と、該線材の一端に設けられたピックアップ部材と、前記線材の他端に設けられた制動装置とを含み、
   前記ピックアップ部材は、前記線材の一端に接合された磁歪材料テープと、該磁歪材料テープが通過するように設けられたコイルと、前記磁歪材料テープを磁化させるための永久バイアス磁石とを含み、
   前記センサの作用では、前記線材を通る電流波が、前記位置マーカの軸方向磁界との相互作用により、前記ピックアップ部材へ向かって前記線材を下流へと伝わる歪みパルスを発生させ、前記ピックアップ部材が前記歪みパルスを検出するものであり、
   前記制動装置は、前記ピックアップ部材から離れる方向へ伝わる歪みパルスのエネルギーを吸収するように設置されていることを特徴とするセンサ機構。
2. 前記センサ（４）が、非接触方式で前記位置マーカ（３）の移動を検出するように適応していることを特徴とする請求項１記載のセンサ機構。
3. 前記センサ（４）が、前記制御ピストン（２）の移動方向と平行又は同軸に配置されることを特徴とする請求項１又は２記載のセンサ機構。
4. 前記制御ピストン（２）が、比例弁により駆動されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のセンサ機構。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載のセンサ機構により、前記可変容量型油圧ポンプに旋回可能に設置された前記回転斜板の、現在の回転斜板角度を測定するための測定方法であって、
   前記制御ピストン（２）が、前記ポンプに対する前記回転斜板（１）の角度を制御するように動作可能であり、
   前記制御ピストンに沿って配置した前記センサ（４）により、前記制御ピストン（２）に設置した位置マーカ（３）の位置を検出するステップと、
   前記センサに対する前記位置マーカの変動から、前記制御ピストンの線形移動を算出するステップと、を含むことを特徴とする測定方法。
6. 前記回転斜板（１）の現在の回転斜板角度を、前記制御ピストン（２）の前記線形移動から算出することを特徴とする請求項５記載の方法。

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