シリンダ装置
【課題】高速伸縮時にあっても充分な減衰力を発生することができるとともに、モータによる回生を効率的に行うことができるシリンダ装置を提供することである。
【解決手段】上記した目的を達成するため、本発明のシリンダ装置Ｃは、シリンダ１と、シリンダ１内に移動自在に挿入されてシリンダ１内を二つの圧力室Ｒ１，Ｒ２に区画するピストン２と、二つの圧力室Ｒ１，Ｒ２を連通する流路３と、当該流路３の途中に設けられてモータ４によって駆動される双方向吐出型のポンプ５と、流路の途中に設けたポンプ５に対して並列あるいは直列、あるいは、並列およびに直列に可変絞り弁６，７を設けた。
【解決手段】上記した目的を達成するため、本発明のシリンダ装置Ｃは、シリンダ１と、シリンダ１内に移動自在に挿入されてシリンダ１内を二つの圧力室Ｒ１，Ｒ２に区画するピストン２と、二つの圧力室Ｒ１，Ｒ２を連通する流路３と、当該流路３の途中に設けられてモータ４によって駆動される双方向吐出型のポンプ５と、流路の途中に設けたポンプ５に対して並列あるいは直列、あるいは、並列およびに直列に可変絞り弁６，７を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のシリンダ装置としては、たとえば、車両の車体と車軸との間に介装されるアクティブサスペンション等に適用され、具体的には、シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの圧力室に区画するピストンと、ピストンに連結されるロッドと、二つの圧力室を連通する流路と、当該流路の途中に設けられモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを備えて構成される（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、このシリンダ装置をアクティブサスペンションに適用する場合、シリンダを車体と車軸の一方に、ロッドを車体と車軸の他方に連結し、ポンプをモータによって駆動することによってシリンダ装置を駆動して車両走行中における車体姿勢を制御する。
【０００４】
このシリンダ装置にあっては車体姿勢制御にあたり、シリンダ装置が外部入力によって強制的に伸縮する際に、流路を通過する作動油の流れに抵抗を与えるようにポンプを駆動して外部入力に抗する減衰力を発生するようになっており、外部入力の大きさに応じてモータのトルクを調整することで車体振動を抑制することが可能となっている。
【特許文献１】特開２０００−２６４０３３号公報（第４頁左欄第８行目から第２４行目まで、および図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したシリンダ装置では、ポンプを介することによってモータのトルクをシリンダ装置の制御力として利用するものであるが、モータの特性上、回転速度が高速となればなるほど発生トルクが小さくなる傾向があり、シリンダ装置が外部入力によって高速で伸縮させられる場合には振動抑制に必要な減衰力を得られない虞がある。
【０００６】
また、上記シリンダ装置では、モータが負担すべきトルク自体を独立してコントロールすることができず、シリンダ装置の伸縮速度とコントローラの指令によってモータの回転数とトルクが一義的に決まるシステムとなっているため、モータによる回生を効率的に行うことができない。
【０００７】
なお、従来のシリンダ装置では、流路の途中にポンプに対して直列して絞り弁が配置されており、この絞り弁によってある程度モータの負担が軽減されているとはいっても、上記した問題は解決できない。
【０００８】
そこで、上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、高速伸縮時にあっても充分な減衰力を発生することができるとともに、モータによる回生を効率的に行うことができるシリンダ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的を達成するため、本発明の第一の課題解決手段におけるシリンダ装置は、シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの圧力室に区画するピストンと、二つの圧力室を連通する流路と、当該流路の途中に設けられてモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを備えたシリンダ装置において、流路の途中にポンプに対して並列あるいは直列に可変絞り弁を設けた。
【００１０】
また、本発明の第二の課題解決手段におけるシリンダ装置は、シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの圧力室に区画するピストンと、二つの圧力室を連通する流路と、当該流路の途中に設けられてモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを備えたシリンダ装置において、流路の途中にポンプに対して並列および直列に可変絞り弁を設けた。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のシリンダ装置によれば、モータの回転数と負担すべきトルクの交点を可変絞り弁の絞り係数を変更することで出力可能トルク範囲内に収めることができるので、高速伸縮時にあっても充分な減衰力を発生することができるのである。
【００１２】
また、モータの回転数と負担すべきトルクの交点を可変絞り弁の絞り係数を変更することで回生領域に収めることができるので、モータを制動領域で使用する際には回生できるので、モータによる回生を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１は、一実施の形態におけるシリンダ装置の概念図である。図２は、一実施の形態におけるシリンダ装置の流量と差圧の関係を示したモデル図である。図３は、モータの回転数にポンプの通過流量に対応させるとともに、モータのトルクに流体がポンプを通過する際の差圧（圧力損失）に対応させたグラフである。図４は、制動領域でのモータの出力可能トルク範囲を示す図である。図５は、モータの回生領域を示す図である。図６は、モータのトルクと回生電流値との関係を示す図である。
【００１４】
一実施の形態におけるシリンダ装置Ｃは、図１に示すように、シリンダ１と、シリンダ１内に移動自在に挿入されてシリンダ１内を二つ圧力室Ｒ１，Ｒ２に区画するピストン２と、二つの圧力室Ｒ１，Ｒ２を連通する流路３と、当該流路３の途中に設けられモータ４によって駆動される双方向吐出型のポンプ５と、流路３の途中にポンプ５に対して直列および並列に設けられる可変絞り弁６，７とを備えて構成され、シリンダ１内には流体が充填され密閉されている。
【００１５】
また、ピストン２はシリンダ１内に移動自在に挿通されるロッド８に連結されており、このシリンダ装置Ｃの場合、シリンダ１の両端からロッド８が突出する、いわゆる、両ロッド型のシリンダ装置とされている。
【００１６】
そして、シリンダ装置Ｃを車両に適用する場合、シリンダ１を車両のバネ上部材およびバネ下部材のうち一方に連結し、ロッド８をバネ上部材およびバネ下部材のうち他方に連結して、バネ上部材とバネ下部材との間に介装すればよい。なお、シリンダ装置Ｃは、図示したところでは、両ロッド型に設定されているが、片ロッド型に設定されてもよい。
【００１７】
ポンプ５は、双方向吐出型に設定され、たとえば、ベーンポンプ、ギアポンプやアキシャルポンプ等、図示しない回転軸を備えて当該回転軸の回転によって流体を吸込んで吐出することができるとともに、逆に流体の流れによって回転軸を強制的に駆動することができるものであればよい。
【００１８】
さらに、ポンプ５の回転軸は、モータ４に接続されており、モータ４は、通電によって駆動することができるとともに、ポンプ５側からの入力によって強制的に回転駆動させられると発電してポンプ５の回転を抑制するトルクを発生するモータであればよく、直流、交流を問わず、種々の形式のモータ、たとえば、ブラシレスモータ、誘導モータ、同期モータ等を採用することができる。
【００１９】
そして、モータ４は、制御装置１０に接続されており、モータ４を駆動してポンプ５で流体を圧力室Ｒ１から圧力室Ｒ２へ、あるいは、圧力室Ｒ２から圧力室Ｒ１へ送り込むことで、シリンダ装置Ｃを伸縮させることができ、また、シリンダ装置Ｃが外部入力によって強制的に伸縮させられる場合、圧力室Ｒ１から圧力室Ｒ２へ、あるいは、圧力室Ｒ２から圧力室Ｒ１へ、流路３を介して移動する流体の流れにモータ４のトルクが伝達されるポンプ５で抵抗を与えて減衰力を発生することができる。
【００２０】
さらに、シリンダ装置Ｃが強制的に伸縮させられる場合、流路３を行き来する流体の流れによってポンプ５を介してモータ４が強制的に駆動されるため、モータ４によって流体の運動エネルギを電気エネルギに変換する回生を行うことができるようになっている。なお、モータ４によって回生した電力は、外部機器へ送電してもよいし、蓄電器に蓄電するようにしてもよい。
【００２１】
転じて、可変絞り弁６は、流路３の途中であってポンプ５に直列して設けられ、可変絞り弁７は、ポンプ５を迂回する迂回路９の途中に設けられ、ポンプ５および可変絞り弁６に対して並列に配置されている。これら可変絞り弁６，７は、開度や弁通路長を変更することで、圧力損失に対する通過流量の比である絞り係数を変更することができるようになっており、具体的にはたとえば、可変チョークや可変オリフィスといった種々の弁を使用することができ、また、図示しない弁体をソレノイドやモータ等の駆動源で駆動することによって絞り係数を変更できるようになっている。これら可変絞り弁６，７は、絞り係数を変更する駆動源は制御装置１０に接続されており、モータ４とともに制御装置１０によって駆動される。
【００２２】
さて、このように構成されたシリンダ装置Ｃは、モータ４に外部から電力供給してポンプ５を駆動させる場合には、自ら伸縮するアクチュエータとして機能することができるが、反対に、シリンダ装置Ｃに外部入力で伸縮させられる場合、モータ４のトルクでポンプ５の回転を抑制する、すなわち、モータを制動領域で使用してモータ４にポンプ５の回転方向とは逆のトルクを発生させるようにし、モータ４と可変絞り弁６，７とで協働して減衰力を発生することができるようになっている。そして、これら可変絞り弁６，７を制御して当該可変絞り弁６，７における絞り係数を調節することによってモータ４の負担をコントロールすることが可能である。
【００２３】
なお、シリンダ装置Ｃをアクチュエータとして機能させる場合、可変絞り弁７を全閉として迂回路９を介しての圧力室Ｒ１，Ｒ２同士の連通を断つとともに、可変絞り弁６を全開として可変絞り弁６によって流体の流れに無用な抵抗を与えてエネルギ損失を生じないように配慮される。
【００２４】
ここで、シリンダ装置Ｃが外部入力で伸縮させられる場合におけるモータ４の負荷（回転数と負担すべきトルク）のコントロールについて、図２に示すモデル図を使用して説明する。
【００２５】
なお、ポンプ５は、モータ４から伝達されるトルクによって流体の流れに抵抗を与え、流体通過時に圧力損失を生じさせることから、可変絞り弁と同等に取り扱うことができるため、図２中では、モータ４およびポンプを一つの可変絞り弁Ｍとして記載している。
【００２６】
そして、シリンダ装置Ｃの伸縮時における一方の圧力室Ｒ１と他方の圧力室Ｒ２との差圧をＰとし、一方の圧力室Ｒ１から流出する流体の単位時間当たりの流量（以下、単に流量という）をＱとし、可変絞り弁７を通過する流体の流量ｑ１を可変絞り弁７で生じる差圧（圧力損失）Ｐで除した比である絞り係数をＣ１とし、可変絞り弁６を通過する流体の流量ｑ２を可変絞り弁６で生じる差圧（圧力損失）ｐ２で除した比である絞り係数をＣ２とし、モータ４とポンプ５でなる可変絞り弁Ｍを通過する流体の流量ｑ２を可変絞り弁Ｍで生じる差圧（圧力損失）ｐｍで除した比である絞り係数をＣｍとすると、下記（１）式が得られる。
【数１】
ここで、Ｃ＝Ｃ２×Ｃｍ／（Ｃ２＋Ｃｍ）とおくと、（１）式は下記（２）式と書くことができる。
【数２】
さらに、全体の流量Ｑ＝ｑ１＋ｑ２が成り立ち、可変絞り弁７で生じる差圧Ｐは、可変絞り弁６とモータ４とポンプ５でなる可変絞り弁Ｍの全体で生じる差圧に等しいので、以下の（３）式が成立する。
【数３】
（３）式を（２）式に代入してまとめると、以下の（４）式を得る。
【数４】
そして、上記（４）式から理解できるように、流量Ｑおよび差圧Ｐを変化させない場合、絞り係数Ｃ１を変更することで、流量ｑ２を変更することができる。
【００２７】
つまり、絞り係数Ｃ１を変更することによってポンプ５を迂回する可変絞り弁７における流量ｑ１を調整することで、可変絞り弁Ｍを通過する流量ｑ２を変更することができ、たとえば、可変絞り弁７を全閉状態から全開状態に移行する場合、流量ｑ２を増減させて、モータ４の回転数を増減させることができる。
【００２８】
また、可変絞り弁６と可変絞り弁Ｍにおける流量はｑ２であり、全体の差圧はＰであり、可変絞り弁Ｍにおける差圧（圧力損失）はｐｍであり、可変絞り弁６と可変絞り弁Ｍの合成絞り係数Ｃは、上述のようにＣ＝Ｃ２×Ｃｍ／（Ｃ２＋Ｃｍ）となるため、可変絞り弁６と可変絞り弁Ｍにのみ着目して整理すると、下記（５）式を得る。
【数５】
そして、上記（５）式から理解できるように、流量ｑ２および差圧Ｐを変化させない場合、絞り係数Ｃ２を変更することで、可変絞り弁Ｍにおける差圧ｐｍを変更することができる。
【００２９】
つまり、絞り係数Ｃ２を変更することによってポンプ５を流体が通過する際に生じる差圧ｐｍを変更することができ、たとえば、可変絞り弁６を全閉状態から全開状態に移行する場合、差圧ｐｍを増減させて、モータ４で負担すべきトルクを増減させることができる。
【００３０】
以上のことを、流量Ｑおよび差圧Ｐを一定にした状態において、モータ４の回転数にポンプ５の通過流量に対応させるとともに、モータ４のトルクに流体がポンプ５を通過する際の差圧（圧力損失）に対応させた図３に示すグラフを参照して説明すると、可変絞り弁６の絞り係数Ｃ２を変更することでモータ４の負担すべきトルク（負担トルク）を縦軸に沿って調節でき、可変絞り弁７の絞り係数Ｃ１を変更することでモータ４の回転数を横軸に沿って調節することができるということになる。
【００３１】
詳しくは、図３中の点ａは、可変絞り弁６を全開にして絞り係数Ｃ２を最大にし、可変絞り弁７を全閉にして絞り係数Ｃ１を最小にした状態におけるモータ４の回転数と負担トルクとの関係を示し、点ｂは、可変絞り弁６を全開にして絞り係数Ｃ２を最大にし、可変絞り弁７を全開にして絞り係数Ｃ１を最大にした状態におけるモータ４の回転数と負担トルクとの関係を示し、点ｃは、可変絞り弁６を全閉にして絞り係数Ｃ２を最小にし、可変絞り弁７を全閉にして絞り係数Ｃ１を最小にした状態におけるモータ４の回転数と負担トルクとの関係を示し、点ｄは、可変絞り弁６を全閉にして絞り係数Ｃ２を最小にし、可変絞り弁７を全開にして絞り係数Ｃ１を最大にした状態におけるモータ４の回転数と負担トルクとの関係を示している。すなわち、可変絞り弁６，７における絞り係数Ｃ１，Ｃ２を変更することで点ａ，ｂ，ｃ，ｄで囲まれる範囲でモータ４の回転数と負担トルクを調節することができる。
【００３２】
具体的には、モータ４の回転数と負担トルクの交点が点ａにあるときに、可変絞り弁７における絞り係数Ｃ１を大きくしていくと、点ｂ側へシフトさせることができ、可変絞り弁６における絞り係数Ｃ２を小さくしていくと、点ｃ側へシフトさせることができ、可変絞り弁７における絞り係数Ｃ１を大きくし可変絞り弁６における絞り係数Ｃ２を小さくしていくと点ｄ側へシフトさせることができるのである。つまり、可変絞り弁６，７を制御することで、モータ４の回転数と負担トルクをコントロールすることができるのである。
【００３３】
なお、図３の説明において流量Ｑおよび差圧Ｐを一定にした状態を仮定しているため、モータ４の負担トルクが０であるのに回転している状態や回転数が０であるのに負担トルクがある状態は生じないので、点ｂと点ｄを結ぶ線および点ｄと点ｃを結ぶ線は、モータ４における回転数と負担トルクの交点が採りえる範囲の境界を示しており、モータ４における回転数と負担トルクの交点は、上記線上の値を採ることは無い。
【００３４】
ところで、制動領域においてモータ４の任意の回転数に対して出力することが可能なトルク範囲は、トルクを縦軸に採り回転数を横軸に採ると、図４に示すように、縦軸と、横軸と、横軸に平行な線ｅと、線ｅに連なる曲線ｆとで囲まれる斜線で示す領域となる。なお、線ｅは、モータ４のトルクの上限を示しており、制御装置１０内に設けられる図示しない電流リミッタによって電流が制限されることに起因して生じる境界である。曲線ｆもまた、発生可能なトルク領域と不可能なトルク領域とを仕切る線であり、図示しない電源電圧、モータ４の誘起電力等の特性によって決せられる境界線である。この図４から理解できるように、モータ４は、回転数が高くなればなるほど出力可能なトルクの上限が小さくなる。すなわち、流路３を通過する全流量をポンプ５に流す場合、シリンダ装置Ｃの伸縮速度が高くなればなるほど、モータ４の回転数も高くなりモータ４の出力トルクが小さくなることになる。
【００３５】
ここで、可変絞り弁７を全閉し、可変絞り弁６を全開状態として、シリンダ装置Ｃの伸縮によって生じる流体流れの全流量をポンプ５へ流すことを考える。すると、ポンプ５を全流量が通過することからシリンダ装置Ｃの伸縮速度からモータ４の回転数が決せられ、シリンダ装置Ｃの伸縮を抑制する際に要求される減衰力からモータ４が負担すべきトルクが決せられることになる。
【００３６】
このように、モータ４に求められる回転数と負担トルクの交点である点ｇが、図４に示した出力可能トルク範囲を逸脱している場合、モータ４を如何に制御しても、そのままでは要求される減衰力を発揮することができない。
【００３７】
このような場合、シリンダ装置Ｃでは、制御装置１０が、可変絞り弁６の絞り係数Ｃ２を小さく調節するか、可変絞り弁７の絞り係数Ｃ１を大きく調節するか、または、その両方の調節を行い、図４に示すように、モータ４に求められる回転数と負担トルクの交点を、出力可能トルク範囲に誘導し、たとえば、当該範囲内の点ｇ’にまで変更するようにする。すなわち、このシリンダ装置Ｃでは、モータ４の回転数に対して負担すべきトルクが出力し得ない状態となると、上述のような可変絞り弁６，７の制御によって、モータ４の回転数あるいは負担すべきトルクあるいはその両方を調節して、モータ４が負担すべきトルクを出力可能なトルク範囲内に収めることができ、シリンダ装置Ｃの発生減衰力が不足となる事態を阻止できる。
【００３８】
したがって、このシリンダ装置Ｃでは、高速伸縮時にあっても充分な減衰力を発生することができるのである。
【００３９】
ところで、シリンダ装置Ｃが外部入力により伸縮され、流体がポンプ５を回転駆動することによって、モータ４の図示しないロータが回転すると、モータ４の図示しない巻線に誘導起電力が生じて回生電流が流れることになるが、モータ４の巻線の誘導起電力によって回生を行うことができる回生領域は、図５に示すように、トルクを縦軸に採り回転数を横軸に採ると、原点を通りモータ４の短絡特性Ｔにおける回転数トルク曲線に対して接する接線Ｓと横軸とで囲まれる図５中の斜線部分の範囲となる。なお、モータ４をＰＷＭ駆動することを念頭にする場合、モータ４の回転数が無負荷最大回転数を超える領域では、ＰＷＭ出力が飽和した状態でモータ４をコントロールできない状態となってトルクを発生できない領域が発生し、誘起電力が生じても電力を回生できなくなってしまうため、図５中曲線ｈより右側では電力を回生できない領域が生じている。また、本明細書で短絡特性という場合、モータ４の巻線を短絡した状態におけるモータ４の回転数に対して出力するトルクの関係を言う。
【００４０】
上記したところから理解できるように、モータ４を制動領域で使用する際に、上記した可変絞り弁６，７の制御を行って、回生領域でモータ４を使用すれば、電力を回生してエネルギを回収することが可能となる。このことから、制御装置１０は、モータ４に求められる回転数と負担トルクの交点が、出力可能トルク範囲を逸脱している場合、単に、この交点を出力可能トルク範囲内に位置するように調節するのみならず、さらに、当該交点を狭い回生領域に誘導して、電力を回生できるようにしている。したがって、このシリンダ装置Ｃによれば、モータ４が制動領域で使用される際には、必ずモータ４による回生を実現することができ、回生を効率的に行うことができるのである。
【００４１】
さらに、回生効率を高めるには、回生電流値が最大となるライン上にモータ４の回転数と負担トルクの交点を乗せるようにすればよい。具体的には、モータのトルクに対する回生電流値の関係を示した図６から理解できるように、回生電流値が０以上となるトルク範囲で回生電流値が最大値をとるのは、最大トルクの半分のトルクのときであり、回生領域における最大トルクは図５中の接線Ｓ上にあることから、回生効率が最大となるのは、接線Ｓの２分の１の傾きの図５中直線ｉとなる。つまり、この直線ｉ上にモータ４の回転数と負担トルクの交点が来るように可変絞り弁６，７の絞り係数Ｃ１，Ｃ２を制御すれば、回生電流値が最大となって回生効率を高めることができる。
【００４２】
このため、制御装置１０は、回生効率が最大となるモータ４の回転数とトルクをマップとして保有しており、このマップを参照して、可変絞り弁６，７の制御を行って、モータ４の回転数と負担トルクの交点が図５に示した直線ｉ上に乗るように調節するようになっている。
【００４３】
具体的には、モータ４の回転数か負担トルクのいずれか一方を優先させて回生効率が最大となる可能性がある範囲内に誘導し、その後、回転数か負担トルクのいずれかの他方を調節してモータ４の回転数と負担トルクの交点を直線ｉ上に乗せるようにすればよい。
【００４４】
また、上記の如く、モータ４の回転数と負担トルクの交点を直線ｉ上に乗せると回生効率が最大となるのであるが、モータ４の回転数と負担トルクの交点を直線ｊと直線ｋで囲まれた回生効率５０％以上となる範囲内に誘導するようにしても回生効率を高めることができる。
【００４５】
なお、回生効率が５０％以上であることは、図６に示すように、モータ４が任意の回転数で発生するトルクに対して生じる回生電流値が最大値となることをもって１００％とすると、回生電流値が回生電流最大値の５０％以上の値となることであって、図５中、直線ｊと直線ｋは、回転数と回生効率５０％を実現するトルクとで決まる点の軌跡である。なお、この回生効率５０％以上の範囲内にモータ４の回転数と負担トルクの交点を誘導するに際しては、上記回生効率１００％の直線ｉ上に誘導するのと同様にすればよい。
【００４６】
上記したところから、制御装置１０においてモータ４の回転数と負担トルクの交点を調節するのに必要な情報は、モータ４および可変絞り弁６，７の特性以外には、流量Ｑとモータ４を制動領域で使用する際に発生が要求される減衰力を実現する圧力室Ｒ１と圧力室Ｒ２の差圧Ｐである。
【００４７】
しかるに、制御装置１０は、上記した制御を実現するため、モータ４と可変絞り弁６，７とを駆動することができるよう図示しない駆動回路を備えるとともに、シリンダ装置Ｃの伸縮速度あるいは流路３を通過する流量をモニタするセンサ１１を備え、伸縮速度あるいは流量とシリンダ装置Ｃが発生すべき減衰力とから、モータ４の回転数と負担トルクの交点を出力可能トルク範囲内、あるいは、回生領域内、あるいは、回生効率５０％以上の範囲内へ誘導可能な絞り係数Ｃ１，Ｃ２を算出して、モータ４の回転数と負担トルクを求め、可変絞り弁６，７およびモータ４を制御すればよい。
【００４８】
また、モータ４については、制御装置１０で求められた回転数と負担すべきトルクを実現すべく、駆動回路を介して制御されることになるが、絞り係数Ｃ１，Ｃ２を演算する際に、単に、モータ４の回転数と負担トルクの交点を出力可能トルク範囲に収めるには、モータ４の特性をマップ化して保有しておき、マップ演算によって求めてもよいし、予め、出力可能トルク範囲内や回生領域内に設定した点に誘導するように絞り係数Ｃ１，Ｃ２を求めてもよい。
【００４９】
モータ４の制御に当たっては、トルク制御となるので、可変絞り弁６，７とは別に、モータ４の電流をフィードバックする周知の制御体系で制御すればよい。なお、モータ４がブラシレスモータの場合には、制御に当たり、電流のほかロータの電気角を取り込むようにすればよい。可変絞り弁６，７については、たとえば、駆動源がソレノイドである場合には、制御装置１０でソレノイドへ供給する電流と絞り係数Ｃ１，Ｃ２との関係をマップとして保有しておき、演算によって求めた絞り係数Ｃ１，Ｃ２からマップ演算してソレノイドへ供給すべき電流を求め、駆動回路を通じて当該求めた電流を供給するようにすれば良く、ソレノイドに流れる電流をフィードバックして制御するようにしてもよい。なお、制御装置１０は、シリンダ装置Ｃをアクティブに駆動する場合は、上述したように、可変絞り弁７を全閉にし可変絞り弁６を全開にし、シリンダ装置Ｃで出力すべき推力と速度に基づいてモータ４の回転数とトルクを制御するようにすればよい。また、制御装置１０は、シリンダ装置Ｃが発生すべき減衰力を自身で求めるようにしてもよいし、外部装置からの入力を受けてもよい。
【００５０】
ちなみに、制御装置１０は、ハードウェアとして、具体的にはたとえば、センサ１１が出力する信号を増幅するためのアンプと、アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、上記ＣＰＵに記憶領域を提供するＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、上記各部の処理を行うためＣＰＵが実行するアプリケーションやオペレーティングシステム等のプログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、モータ４および可変絞り弁６，７の駆動源を駆動する駆動回路とを備えて構成されればよく、上記制御を行う上で必要となる処理をＣＰＵがアプリケーションプログラムを実行することで実現するようにすればよい。
【００５１】
なお、迂回路９および可変絞り弁７を廃止してポンプ５に直列する可変絞り弁６のみを設けることでも、モータ４の負担トルクを変更することができるため、モータ４の回転数と負担トルクの交点を回生領域や出力可能トルク範囲内に収めることができ、本願発明の効果は失われず、また、可変絞り弁６を廃止してポンプ５に並列される可変絞り弁７のみを設けることでも、モータ４の回転数を変更することができるため、モータ４の回転数と負担トルクの交点を回生領域や出力可能トルク範囲内に収めることができ、本願発明の効果は失われず、さらには、上述したところでは、可変絞り弁７が可変絞り弁６およびポンプ５に対して並列配置されているが、可変絞り弁７を可変絞り弁６に対しては直列配置しポンプ５のみに対して並列配置しても、モータ４の回転数と負担トルクの交点を回生領域や出力可能トルク範囲内に収めることができ、本願発明の効果は失われない。
【００５２】
また、ポンプ５と可変絞り弁６の配置関係であるが、ポンプ５は圧力室Ｒ１と圧力室Ｒ２のいずれに側に配置してもよい。また、シリンダ１内に充填される流体は、たとえば、油、水、水溶液、気体等、どのような流体を使用しても良い。
【００５３】
以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】一実施の形態におけるシリンダ装置の概念図である。
【図２】一実施の形態におけるシリンダ装置の流量と差圧の関係を示したモデル図である。
【図３】モータの回転数にポンプの通過流量に対応させるとともに、モータのトルクに流体がポンプを通過する際の差圧（圧力損失）に対応させたグラフである。
【図４】制動領域でのモータの出力可能トルク範囲を示す図である。
【図５】モータの回生領域を示す図である。
【図６】モータのトルクと回生電流値との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ シリンダ
２ ピストン
３ 流路
４ モータ
５ ポンプ
６，７ 可変絞り弁
８ ロッド
９ 迂回路
１０ 制御装置
１１ センサ
Ｃ シリンダ装置
Ｒ１，Ｒ２ 圧力室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のシリンダ装置としては、たとえば、車両の車体と車軸との間に介装されるアクティブサスペンション等に適用され、具体的には、シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの圧力室に区画するピストンと、ピストンに連結されるロッドと、二つの圧力室を連通する流路と、当該流路の途中に設けられモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを備えて構成される（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、このシリンダ装置をアクティブサスペンションに適用する場合、シリンダを車体と車軸の一方に、ロッドを車体と車軸の他方に連結し、ポンプをモータによって駆動することによってシリンダ装置を駆動して車両走行中における車体姿勢を制御する。
【０００４】
このシリンダ装置にあっては車体姿勢制御にあたり、シリンダ装置が外部入力によって強制的に伸縮する際に、流路を通過する作動油の流れに抵抗を与えるようにポンプを駆動して外部入力に抗する減衰力を発生するようになっており、外部入力の大きさに応じてモータのトルクを調整することで車体振動を抑制することが可能となっている。
【特許文献１】特開２０００−２６４０３３号公報（第４頁左欄第８行目から第２４行目まで、および図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したシリンダ装置では、ポンプを介することによってモータのトルクをシリンダ装置の制御力として利用するものであるが、モータの特性上、回転速度が高速となればなるほど発生トルクが小さくなる傾向があり、シリンダ装置が外部入力によって高速で伸縮させられる場合には振動抑制に必要な減衰力を得られない虞がある。
【０００６】
また、上記シリンダ装置では、モータが負担すべきトルク自体を独立してコントロールすることができず、シリンダ装置の伸縮速度とコントローラの指令によってモータの回転数とトルクが一義的に決まるシステムとなっているため、モータによる回生を効率的に行うことができない。
【０００７】
なお、従来のシリンダ装置では、流路の途中にポンプに対して直列して絞り弁が配置されており、この絞り弁によってある程度モータの負担が軽減されているとはいっても、上記した問題は解決できない。
【０００８】
そこで、上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、高速伸縮時にあっても充分な減衰力を発生することができるとともに、モータによる回生を効率的に行うことができるシリンダ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的を達成するため、本発明の第一の課題解決手段におけるシリンダ装置は、シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの圧力室に区画するピストンと、二つの圧力室を連通する流路と、当該流路の途中に設けられてモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを備えたシリンダ装置において、流路の途中にポンプに対して並列あるいは直列に可変絞り弁を設けた。
【００１０】
また、本発明の第二の課題解決手段におけるシリンダ装置は、シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの圧力室に区画するピストンと、二つの圧力室を連通する流路と、当該流路の途中に設けられてモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを備えたシリンダ装置において、流路の途中にポンプに対して並列および直列に可変絞り弁を設けた。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のシリンダ装置によれば、モータの回転数と負担すべきトルクの交点を可変絞り弁の絞り係数を変更することで出力可能トルク範囲内に収めることができるので、高速伸縮時にあっても充分な減衰力を発生することができるのである。
【００１２】
また、モータの回転数と負担すべきトルクの交点を可変絞り弁の絞り係数を変更することで回生領域に収めることができるので、モータを制動領域で使用する際には回生できるので、モータによる回生を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１は、一実施の形態におけるシリンダ装置の概念図である。図２は、一実施の形態におけるシリンダ装置の流量と差圧の関係を示したモデル図である。図３は、モータの回転数にポンプの通過流量に対応させるとともに、モータのトルクに流体がポンプを通過する際の差圧（圧力損失）に対応させたグラフである。図４は、制動領域でのモータの出力可能トルク範囲を示す図である。図５は、モータの回生領域を示す図である。図６は、モータのトルクと回生電流値との関係を示す図である。
【００１４】
一実施の形態におけるシリンダ装置Ｃは、図１に示すように、シリンダ１と、シリンダ１内に移動自在に挿入されてシリンダ１内を二つ圧力室Ｒ１，Ｒ２に区画するピストン２と、二つの圧力室Ｒ１，Ｒ２を連通する流路３と、当該流路３の途中に設けられモータ４によって駆動される双方向吐出型のポンプ５と、流路３の途中にポンプ５に対して直列および並列に設けられる可変絞り弁６，７とを備えて構成され、シリンダ１内には流体が充填され密閉されている。
【００１５】
また、ピストン２はシリンダ１内に移動自在に挿通されるロッド８に連結されており、このシリンダ装置Ｃの場合、シリンダ１の両端からロッド８が突出する、いわゆる、両ロッド型のシリンダ装置とされている。
【００１６】
そして、シリンダ装置Ｃを車両に適用する場合、シリンダ１を車両のバネ上部材およびバネ下部材のうち一方に連結し、ロッド８をバネ上部材およびバネ下部材のうち他方に連結して、バネ上部材とバネ下部材との間に介装すればよい。なお、シリンダ装置Ｃは、図示したところでは、両ロッド型に設定されているが、片ロッド型に設定されてもよい。
【００１７】
ポンプ５は、双方向吐出型に設定され、たとえば、ベーンポンプ、ギアポンプやアキシャルポンプ等、図示しない回転軸を備えて当該回転軸の回転によって流体を吸込んで吐出することができるとともに、逆に流体の流れによって回転軸を強制的に駆動することができるものであればよい。
【００１８】
さらに、ポンプ５の回転軸は、モータ４に接続されており、モータ４は、通電によって駆動することができるとともに、ポンプ５側からの入力によって強制的に回転駆動させられると発電してポンプ５の回転を抑制するトルクを発生するモータであればよく、直流、交流を問わず、種々の形式のモータ、たとえば、ブラシレスモータ、誘導モータ、同期モータ等を採用することができる。
【００１９】
そして、モータ４は、制御装置１０に接続されており、モータ４を駆動してポンプ５で流体を圧力室Ｒ１から圧力室Ｒ２へ、あるいは、圧力室Ｒ２から圧力室Ｒ１へ送り込むことで、シリンダ装置Ｃを伸縮させることができ、また、シリンダ装置Ｃが外部入力によって強制的に伸縮させられる場合、圧力室Ｒ１から圧力室Ｒ２へ、あるいは、圧力室Ｒ２から圧力室Ｒ１へ、流路３を介して移動する流体の流れにモータ４のトルクが伝達されるポンプ５で抵抗を与えて減衰力を発生することができる。
【００２０】
さらに、シリンダ装置Ｃが強制的に伸縮させられる場合、流路３を行き来する流体の流れによってポンプ５を介してモータ４が強制的に駆動されるため、モータ４によって流体の運動エネルギを電気エネルギに変換する回生を行うことができるようになっている。なお、モータ４によって回生した電力は、外部機器へ送電してもよいし、蓄電器に蓄電するようにしてもよい。
【００２１】
転じて、可変絞り弁６は、流路３の途中であってポンプ５に直列して設けられ、可変絞り弁７は、ポンプ５を迂回する迂回路９の途中に設けられ、ポンプ５および可変絞り弁６に対して並列に配置されている。これら可変絞り弁６，７は、開度や弁通路長を変更することで、圧力損失に対する通過流量の比である絞り係数を変更することができるようになっており、具体的にはたとえば、可変チョークや可変オリフィスといった種々の弁を使用することができ、また、図示しない弁体をソレノイドやモータ等の駆動源で駆動することによって絞り係数を変更できるようになっている。これら可変絞り弁６，７は、絞り係数を変更する駆動源は制御装置１０に接続されており、モータ４とともに制御装置１０によって駆動される。
【００２２】
さて、このように構成されたシリンダ装置Ｃは、モータ４に外部から電力供給してポンプ５を駆動させる場合には、自ら伸縮するアクチュエータとして機能することができるが、反対に、シリンダ装置Ｃに外部入力で伸縮させられる場合、モータ４のトルクでポンプ５の回転を抑制する、すなわち、モータを制動領域で使用してモータ４にポンプ５の回転方向とは逆のトルクを発生させるようにし、モータ４と可変絞り弁６，７とで協働して減衰力を発生することができるようになっている。そして、これら可変絞り弁６，７を制御して当該可変絞り弁６，７における絞り係数を調節することによってモータ４の負担をコントロールすることが可能である。
【００２３】
なお、シリンダ装置Ｃをアクチュエータとして機能させる場合、可変絞り弁７を全閉として迂回路９を介しての圧力室Ｒ１，Ｒ２同士の連通を断つとともに、可変絞り弁６を全開として可変絞り弁６によって流体の流れに無用な抵抗を与えてエネルギ損失を生じないように配慮される。
【００２４】
ここで、シリンダ装置Ｃが外部入力で伸縮させられる場合におけるモータ４の負荷（回転数と負担すべきトルク）のコントロールについて、図２に示すモデル図を使用して説明する。
【００２５】
なお、ポンプ５は、モータ４から伝達されるトルクによって流体の流れに抵抗を与え、流体通過時に圧力損失を生じさせることから、可変絞り弁と同等に取り扱うことができるため、図２中では、モータ４およびポンプを一つの可変絞り弁Ｍとして記載している。
【００２６】
そして、シリンダ装置Ｃの伸縮時における一方の圧力室Ｒ１と他方の圧力室Ｒ２との差圧をＰとし、一方の圧力室Ｒ１から流出する流体の単位時間当たりの流量（以下、単に流量という）をＱとし、可変絞り弁７を通過する流体の流量ｑ１を可変絞り弁７で生じる差圧（圧力損失）Ｐで除した比である絞り係数をＣ１とし、可変絞り弁６を通過する流体の流量ｑ２を可変絞り弁６で生じる差圧（圧力損失）ｐ２で除した比である絞り係数をＣ２とし、モータ４とポンプ５でなる可変絞り弁Ｍを通過する流体の流量ｑ２を可変絞り弁Ｍで生じる差圧（圧力損失）ｐｍで除した比である絞り係数をＣｍとすると、下記（１）式が得られる。
【数１】
ここで、Ｃ＝Ｃ２×Ｃｍ／（Ｃ２＋Ｃｍ）とおくと、（１）式は下記（２）式と書くことができる。
【数２】
さらに、全体の流量Ｑ＝ｑ１＋ｑ２が成り立ち、可変絞り弁７で生じる差圧Ｐは、可変絞り弁６とモータ４とポンプ５でなる可変絞り弁Ｍの全体で生じる差圧に等しいので、以下の（３）式が成立する。
【数３】
（３）式を（２）式に代入してまとめると、以下の（４）式を得る。
【数４】
そして、上記（４）式から理解できるように、流量Ｑおよび差圧Ｐを変化させない場合、絞り係数Ｃ１を変更することで、流量ｑ２を変更することができる。
【００２７】
つまり、絞り係数Ｃ１を変更することによってポンプ５を迂回する可変絞り弁７における流量ｑ１を調整することで、可変絞り弁Ｍを通過する流量ｑ２を変更することができ、たとえば、可変絞り弁７を全閉状態から全開状態に移行する場合、流量ｑ２を増減させて、モータ４の回転数を増減させることができる。
【００２８】
また、可変絞り弁６と可変絞り弁Ｍにおける流量はｑ２であり、全体の差圧はＰであり、可変絞り弁Ｍにおける差圧（圧力損失）はｐｍであり、可変絞り弁６と可変絞り弁Ｍの合成絞り係数Ｃは、上述のようにＣ＝Ｃ２×Ｃｍ／（Ｃ２＋Ｃｍ）となるため、可変絞り弁６と可変絞り弁Ｍにのみ着目して整理すると、下記（５）式を得る。
【数５】
そして、上記（５）式から理解できるように、流量ｑ２および差圧Ｐを変化させない場合、絞り係数Ｃ２を変更することで、可変絞り弁Ｍにおける差圧ｐｍを変更することができる。
【００２９】
つまり、絞り係数Ｃ２を変更することによってポンプ５を流体が通過する際に生じる差圧ｐｍを変更することができ、たとえば、可変絞り弁６を全閉状態から全開状態に移行する場合、差圧ｐｍを増減させて、モータ４で負担すべきトルクを増減させることができる。
【００３０】
以上のことを、流量Ｑおよび差圧Ｐを一定にした状態において、モータ４の回転数にポンプ５の通過流量に対応させるとともに、モータ４のトルクに流体がポンプ５を通過する際の差圧（圧力損失）に対応させた図３に示すグラフを参照して説明すると、可変絞り弁６の絞り係数Ｃ２を変更することでモータ４の負担すべきトルク（負担トルク）を縦軸に沿って調節でき、可変絞り弁７の絞り係数Ｃ１を変更することでモータ４の回転数を横軸に沿って調節することができるということになる。
【００３１】
詳しくは、図３中の点ａは、可変絞り弁６を全開にして絞り係数Ｃ２を最大にし、可変絞り弁７を全閉にして絞り係数Ｃ１を最小にした状態におけるモータ４の回転数と負担トルクとの関係を示し、点ｂは、可変絞り弁６を全開にして絞り係数Ｃ２を最大にし、可変絞り弁７を全開にして絞り係数Ｃ１を最大にした状態におけるモータ４の回転数と負担トルクとの関係を示し、点ｃは、可変絞り弁６を全閉にして絞り係数Ｃ２を最小にし、可変絞り弁７を全閉にして絞り係数Ｃ１を最小にした状態におけるモータ４の回転数と負担トルクとの関係を示し、点ｄは、可変絞り弁６を全閉にして絞り係数Ｃ２を最小にし、可変絞り弁７を全開にして絞り係数Ｃ１を最大にした状態におけるモータ４の回転数と負担トルクとの関係を示している。すなわち、可変絞り弁６，７における絞り係数Ｃ１，Ｃ２を変更することで点ａ，ｂ，ｃ，ｄで囲まれる範囲でモータ４の回転数と負担トルクを調節することができる。
【００３２】
具体的には、モータ４の回転数と負担トルクの交点が点ａにあるときに、可変絞り弁７における絞り係数Ｃ１を大きくしていくと、点ｂ側へシフトさせることができ、可変絞り弁６における絞り係数Ｃ２を小さくしていくと、点ｃ側へシフトさせることができ、可変絞り弁７における絞り係数Ｃ１を大きくし可変絞り弁６における絞り係数Ｃ２を小さくしていくと点ｄ側へシフトさせることができるのである。つまり、可変絞り弁６，７を制御することで、モータ４の回転数と負担トルクをコントロールすることができるのである。
【００３３】
なお、図３の説明において流量Ｑおよび差圧Ｐを一定にした状態を仮定しているため、モータ４の負担トルクが０であるのに回転している状態や回転数が０であるのに負担トルクがある状態は生じないので、点ｂと点ｄを結ぶ線および点ｄと点ｃを結ぶ線は、モータ４における回転数と負担トルクの交点が採りえる範囲の境界を示しており、モータ４における回転数と負担トルクの交点は、上記線上の値を採ることは無い。
【００３４】
ところで、制動領域においてモータ４の任意の回転数に対して出力することが可能なトルク範囲は、トルクを縦軸に採り回転数を横軸に採ると、図４に示すように、縦軸と、横軸と、横軸に平行な線ｅと、線ｅに連なる曲線ｆとで囲まれる斜線で示す領域となる。なお、線ｅは、モータ４のトルクの上限を示しており、制御装置１０内に設けられる図示しない電流リミッタによって電流が制限されることに起因して生じる境界である。曲線ｆもまた、発生可能なトルク領域と不可能なトルク領域とを仕切る線であり、図示しない電源電圧、モータ４の誘起電力等の特性によって決せられる境界線である。この図４から理解できるように、モータ４は、回転数が高くなればなるほど出力可能なトルクの上限が小さくなる。すなわち、流路３を通過する全流量をポンプ５に流す場合、シリンダ装置Ｃの伸縮速度が高くなればなるほど、モータ４の回転数も高くなりモータ４の出力トルクが小さくなることになる。
【００３５】
ここで、可変絞り弁７を全閉し、可変絞り弁６を全開状態として、シリンダ装置Ｃの伸縮によって生じる流体流れの全流量をポンプ５へ流すことを考える。すると、ポンプ５を全流量が通過することからシリンダ装置Ｃの伸縮速度からモータ４の回転数が決せられ、シリンダ装置Ｃの伸縮を抑制する際に要求される減衰力からモータ４が負担すべきトルクが決せられることになる。
【００３６】
このように、モータ４に求められる回転数と負担トルクの交点である点ｇが、図４に示した出力可能トルク範囲を逸脱している場合、モータ４を如何に制御しても、そのままでは要求される減衰力を発揮することができない。
【００３７】
このような場合、シリンダ装置Ｃでは、制御装置１０が、可変絞り弁６の絞り係数Ｃ２を小さく調節するか、可変絞り弁７の絞り係数Ｃ１を大きく調節するか、または、その両方の調節を行い、図４に示すように、モータ４に求められる回転数と負担トルクの交点を、出力可能トルク範囲に誘導し、たとえば、当該範囲内の点ｇ’にまで変更するようにする。すなわち、このシリンダ装置Ｃでは、モータ４の回転数に対して負担すべきトルクが出力し得ない状態となると、上述のような可変絞り弁６，７の制御によって、モータ４の回転数あるいは負担すべきトルクあるいはその両方を調節して、モータ４が負担すべきトルクを出力可能なトルク範囲内に収めることができ、シリンダ装置Ｃの発生減衰力が不足となる事態を阻止できる。
【００３８】
したがって、このシリンダ装置Ｃでは、高速伸縮時にあっても充分な減衰力を発生することができるのである。
【００３９】
ところで、シリンダ装置Ｃが外部入力により伸縮され、流体がポンプ５を回転駆動することによって、モータ４の図示しないロータが回転すると、モータ４の図示しない巻線に誘導起電力が生じて回生電流が流れることになるが、モータ４の巻線の誘導起電力によって回生を行うことができる回生領域は、図５に示すように、トルクを縦軸に採り回転数を横軸に採ると、原点を通りモータ４の短絡特性Ｔにおける回転数トルク曲線に対して接する接線Ｓと横軸とで囲まれる図５中の斜線部分の範囲となる。なお、モータ４をＰＷＭ駆動することを念頭にする場合、モータ４の回転数が無負荷最大回転数を超える領域では、ＰＷＭ出力が飽和した状態でモータ４をコントロールできない状態となってトルクを発生できない領域が発生し、誘起電力が生じても電力を回生できなくなってしまうため、図５中曲線ｈより右側では電力を回生できない領域が生じている。また、本明細書で短絡特性という場合、モータ４の巻線を短絡した状態におけるモータ４の回転数に対して出力するトルクの関係を言う。
【００４０】
上記したところから理解できるように、モータ４を制動領域で使用する際に、上記した可変絞り弁６，７の制御を行って、回生領域でモータ４を使用すれば、電力を回生してエネルギを回収することが可能となる。このことから、制御装置１０は、モータ４に求められる回転数と負担トルクの交点が、出力可能トルク範囲を逸脱している場合、単に、この交点を出力可能トルク範囲内に位置するように調節するのみならず、さらに、当該交点を狭い回生領域に誘導して、電力を回生できるようにしている。したがって、このシリンダ装置Ｃによれば、モータ４が制動領域で使用される際には、必ずモータ４による回生を実現することができ、回生を効率的に行うことができるのである。
【００４１】
さらに、回生効率を高めるには、回生電流値が最大となるライン上にモータ４の回転数と負担トルクの交点を乗せるようにすればよい。具体的には、モータのトルクに対する回生電流値の関係を示した図６から理解できるように、回生電流値が０以上となるトルク範囲で回生電流値が最大値をとるのは、最大トルクの半分のトルクのときであり、回生領域における最大トルクは図５中の接線Ｓ上にあることから、回生効率が最大となるのは、接線Ｓの２分の１の傾きの図５中直線ｉとなる。つまり、この直線ｉ上にモータ４の回転数と負担トルクの交点が来るように可変絞り弁６，７の絞り係数Ｃ１，Ｃ２を制御すれば、回生電流値が最大となって回生効率を高めることができる。
【００４２】
このため、制御装置１０は、回生効率が最大となるモータ４の回転数とトルクをマップとして保有しており、このマップを参照して、可変絞り弁６，７の制御を行って、モータ４の回転数と負担トルクの交点が図５に示した直線ｉ上に乗るように調節するようになっている。
【００４３】
具体的には、モータ４の回転数か負担トルクのいずれか一方を優先させて回生効率が最大となる可能性がある範囲内に誘導し、その後、回転数か負担トルクのいずれかの他方を調節してモータ４の回転数と負担トルクの交点を直線ｉ上に乗せるようにすればよい。
【００４４】
また、上記の如く、モータ４の回転数と負担トルクの交点を直線ｉ上に乗せると回生効率が最大となるのであるが、モータ４の回転数と負担トルクの交点を直線ｊと直線ｋで囲まれた回生効率５０％以上となる範囲内に誘導するようにしても回生効率を高めることができる。
【００４５】
なお、回生効率が５０％以上であることは、図６に示すように、モータ４が任意の回転数で発生するトルクに対して生じる回生電流値が最大値となることをもって１００％とすると、回生電流値が回生電流最大値の５０％以上の値となることであって、図５中、直線ｊと直線ｋは、回転数と回生効率５０％を実現するトルクとで決まる点の軌跡である。なお、この回生効率５０％以上の範囲内にモータ４の回転数と負担トルクの交点を誘導するに際しては、上記回生効率１００％の直線ｉ上に誘導するのと同様にすればよい。
【００４６】
上記したところから、制御装置１０においてモータ４の回転数と負担トルクの交点を調節するのに必要な情報は、モータ４および可変絞り弁６，７の特性以外には、流量Ｑとモータ４を制動領域で使用する際に発生が要求される減衰力を実現する圧力室Ｒ１と圧力室Ｒ２の差圧Ｐである。
【００４７】
しかるに、制御装置１０は、上記した制御を実現するため、モータ４と可変絞り弁６，７とを駆動することができるよう図示しない駆動回路を備えるとともに、シリンダ装置Ｃの伸縮速度あるいは流路３を通過する流量をモニタするセンサ１１を備え、伸縮速度あるいは流量とシリンダ装置Ｃが発生すべき減衰力とから、モータ４の回転数と負担トルクの交点を出力可能トルク範囲内、あるいは、回生領域内、あるいは、回生効率５０％以上の範囲内へ誘導可能な絞り係数Ｃ１，Ｃ２を算出して、モータ４の回転数と負担トルクを求め、可変絞り弁６，７およびモータ４を制御すればよい。
【００４８】
また、モータ４については、制御装置１０で求められた回転数と負担すべきトルクを実現すべく、駆動回路を介して制御されることになるが、絞り係数Ｃ１，Ｃ２を演算する際に、単に、モータ４の回転数と負担トルクの交点を出力可能トルク範囲に収めるには、モータ４の特性をマップ化して保有しておき、マップ演算によって求めてもよいし、予め、出力可能トルク範囲内や回生領域内に設定した点に誘導するように絞り係数Ｃ１，Ｃ２を求めてもよい。
【００４９】
モータ４の制御に当たっては、トルク制御となるので、可変絞り弁６，７とは別に、モータ４の電流をフィードバックする周知の制御体系で制御すればよい。なお、モータ４がブラシレスモータの場合には、制御に当たり、電流のほかロータの電気角を取り込むようにすればよい。可変絞り弁６，７については、たとえば、駆動源がソレノイドである場合には、制御装置１０でソレノイドへ供給する電流と絞り係数Ｃ１，Ｃ２との関係をマップとして保有しておき、演算によって求めた絞り係数Ｃ１，Ｃ２からマップ演算してソレノイドへ供給すべき電流を求め、駆動回路を通じて当該求めた電流を供給するようにすれば良く、ソレノイドに流れる電流をフィードバックして制御するようにしてもよい。なお、制御装置１０は、シリンダ装置Ｃをアクティブに駆動する場合は、上述したように、可変絞り弁７を全閉にし可変絞り弁６を全開にし、シリンダ装置Ｃで出力すべき推力と速度に基づいてモータ４の回転数とトルクを制御するようにすればよい。また、制御装置１０は、シリンダ装置Ｃが発生すべき減衰力を自身で求めるようにしてもよいし、外部装置からの入力を受けてもよい。
【００５０】
ちなみに、制御装置１０は、ハードウェアとして、具体的にはたとえば、センサ１１が出力する信号を増幅するためのアンプと、アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、上記ＣＰＵに記憶領域を提供するＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、上記各部の処理を行うためＣＰＵが実行するアプリケーションやオペレーティングシステム等のプログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、モータ４および可変絞り弁６，７の駆動源を駆動する駆動回路とを備えて構成されればよく、上記制御を行う上で必要となる処理をＣＰＵがアプリケーションプログラムを実行することで実現するようにすればよい。
【００５１】
なお、迂回路９および可変絞り弁７を廃止してポンプ５に直列する可変絞り弁６のみを設けることでも、モータ４の負担トルクを変更することができるため、モータ４の回転数と負担トルクの交点を回生領域や出力可能トルク範囲内に収めることができ、本願発明の効果は失われず、また、可変絞り弁６を廃止してポンプ５に並列される可変絞り弁７のみを設けることでも、モータ４の回転数を変更することができるため、モータ４の回転数と負担トルクの交点を回生領域や出力可能トルク範囲内に収めることができ、本願発明の効果は失われず、さらには、上述したところでは、可変絞り弁７が可変絞り弁６およびポンプ５に対して並列配置されているが、可変絞り弁７を可変絞り弁６に対しては直列配置しポンプ５のみに対して並列配置しても、モータ４の回転数と負担トルクの交点を回生領域や出力可能トルク範囲内に収めることができ、本願発明の効果は失われない。
【００５２】
また、ポンプ５と可変絞り弁６の配置関係であるが、ポンプ５は圧力室Ｒ１と圧力室Ｒ２のいずれに側に配置してもよい。また、シリンダ１内に充填される流体は、たとえば、油、水、水溶液、気体等、どのような流体を使用しても良い。
【００５３】
以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】一実施の形態におけるシリンダ装置の概念図である。
【図２】一実施の形態におけるシリンダ装置の流量と差圧の関係を示したモデル図である。
【図３】モータの回転数にポンプの通過流量に対応させるとともに、モータのトルクに流体がポンプを通過する際の差圧（圧力損失）に対応させたグラフである。
【図４】制動領域でのモータの出力可能トルク範囲を示す図である。
【図５】モータの回生領域を示す図である。
【図６】モータのトルクと回生電流値との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ シリンダ
２ ピストン
３ 流路
４ モータ
５ ポンプ
６，７ 可変絞り弁
８ ロッド
９ 迂回路
１０ 制御装置
１１ センサ
Ｃ シリンダ装置
Ｒ１，Ｒ２ 圧力室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの圧力室に区画するピストンと、二つの圧力室を連通する流路と、当該流路の途中に設けられてモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを備えたシリンダ装置において、流路の途中にポンプに対して並列あるいは直列に可変絞り弁を設けたことを特徴とするシリンダ装置。
【請求項２】
シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの圧力室に区画するピストンと、二つの圧力室を連通する流路と、当該流路の途中に設けられてモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを備えたシリンダ装置において、流路の途中にポンプに対して並列および直列に可変絞り弁を設けたことを特徴とするシリンダ装置。
【請求項３】
モータを制動領域で使用する際に、可変絞り弁を制御することでモータの回転数あるいはモータが負担すべきトルクあるいはその両方を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ装置。
【請求項４】
モータを制動領域で使用する際に、モータが負担すべきトルクがモータの出力可能トルク範囲内になるように可変絞り弁を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のシリンダ装置。
【請求項５】
モータを制動領域で使用する際に、モータの回生効率を高めるように可変絞り弁を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のシリンダ装置。
【請求項６】
モータを制動領域で使用する際に、モータの回生電流値が回生電流最大値の５０％以上となるように可変絞り弁を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のシリンダ装置。
【請求項７】
モータを制動領域で使用する際に、モータの回生電流値が最大になるように可変絞り弁を制御することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のシリンダ装置。
【請求項８】
モータの回生電流値が最大となる回転数とトルクのマップを有し、モータを制動領域で使用する際に、モータの回生電流値が最大になるように可変絞り弁を制御することを特徴とする請求項７に記載のシリンダ装置。
【請求項１】
シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの圧力室に区画するピストンと、二つの圧力室を連通する流路と、当該流路の途中に設けられてモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを備えたシリンダ装置において、流路の途中にポンプに対して並列あるいは直列に可変絞り弁を設けたことを特徴とするシリンダ装置。
【請求項２】
シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの圧力室に区画するピストンと、二つの圧力室を連通する流路と、当該流路の途中に設けられてモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを備えたシリンダ装置において、流路の途中にポンプに対して並列および直列に可変絞り弁を設けたことを特徴とするシリンダ装置。
【請求項３】
モータを制動領域で使用する際に、可変絞り弁を制御することでモータの回転数あるいはモータが負担すべきトルクあるいはその両方を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ装置。
【請求項４】
モータを制動領域で使用する際に、モータが負担すべきトルクがモータの出力可能トルク範囲内になるように可変絞り弁を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のシリンダ装置。
【請求項５】
モータを制動領域で使用する際に、モータの回生効率を高めるように可変絞り弁を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のシリンダ装置。
【請求項６】
モータを制動領域で使用する際に、モータの回生電流値が回生電流最大値の５０％以上となるように可変絞り弁を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のシリンダ装置。
【請求項７】
モータを制動領域で使用する際に、モータの回生電流値が最大になるように可変絞り弁を制御することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のシリンダ装置。
【請求項８】
モータの回生電流値が最大となる回転数とトルクのマップを有し、モータを制動領域で使用する際に、モータの回生電流値が最大になるように可変絞り弁を制御することを特徴とする請求項７に記載のシリンダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１９６５９７（Ｐ２００９−１９６５９７Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４３１７２（Ｐ２００８−４３１７２）
【出願日】平成２０年２月２５日（２００８．２．２５）
【出願人】（００００００９２９）カヤバ工業株式会社 (2,151)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２５日（２００８．２．２５）
【出願人】（００００００９２９）カヤバ工業株式会社 (2,151)
【Ｆターム（参考）】
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