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さやなひろき
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1 IFPEX2014 セミナー油圧の魅力とその新たな可能性に迫る! 油圧の特長と最新事例の紹介法政大学デザイン工学部田中豊

2 短所油圧の特徴大きな仕事出力高い出力密度エネルギー密度高精度高応答直線駆動と回転駆動制御性要素配置の柔軟性 ( 配管接続 ) 作動油油圧源維持管理効率, 騒音, 油漏れ長所

3 Power [kw] 出力 10 4 分野別液圧アクチュエータの出力と質量 10 3 風力発電 10 2 新分野応用次世代アクチュエータ開発分野医療用機器マイクロロボット超大型からマイクロ領域まで液圧駆動は広い分野でその特長を発揮している Weight [kg] 自身の質量

4 油圧アクチュエータ高出力高速応答直線回転運動電動アクチュエータ経済性メンテナンスフリーコンタミフリー使いやすさ回転駆動と減速器油圧と電動

5 評価指標パワー密度 P d =P r / m [W/kg] P r : 定格出力 [W] m: 質量 [kg] トルク慣性比 T j =T r / J m [rad/s 2 ] T r : 定格トルク [Nm] J m : 慣性モーメント [kgm 2 ] パワーレート Q=T r2 /J m [W/s] パワーレート密度 Q d =Q/m[W/(kg s)]

6 トルク慣性比とパワーレート定義トルク慣性比 : 速応性の尺度慣性モーメントに対する発生トルクの比 T j =T r /J m T j :Torque Inertia トルク慣性比 [rad/s 2 ] T r :Rated torque 定格トルク [Nm] J m :Rotational inertia 回転子慣性モーメント [kgm 2 ] パワーレート : 減速比に無関係な真の加減速性能 ( 速応性の尺度 ) 慣性モーメントに対する発生トルクの二乗の比 P r =T r2 /J m P r :Power rate パワーレート [W/s] T r :Rated torque 定格トルク [Nm] J m :Rotational inertia 回転子慣性モーメント [kgm 2 ]

7 トルク慣性比とパワーレートの違いどちらも応答性の尺度トルク慣性比は減速装置に依存するパワーレートは減速装置に依存しない Motor J m : モータの等価慣性モーメント T m : モータ出力トルク θ m : 角度 ( 駆動側 ) Driven load J: 負荷の等価慣性モーメント T: 減速器の出力トルク θ: 角度 ( 負荷側 ) γ: 減速比 (γ<1) モータ Jm θm T Tm θ 負荷 J T/J=γ(T m /J m ), T 2 /J=T m2 /J m

8 調査研究対象 AC サーボモータ :756 機種 (6 社 ) DC サーボモータ :259 機種 (3 社 ) 合計 1015 機種油圧ピストンモータ :474 機種 (11 社 ) 空気圧モータ : 477 機種 (6 社 ) 水圧ピストンモータ : 6 機種 (2 社 ) ECF マイクロポンプモータ : 4 モデル ( 東工大横田研究室 )

定格出力と自重 10 7 10 6 P r m P r [W] 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10-1 10-2 P r 10-3 0.00001 0.

9 定格出力と自重 P r m P r [W] P r m [kg] m 4 3 Sym bol Type AC AC-Direct DC Oil Swash plate piston Oil Bent axis piston Oil Radial piston Air Vane Air Radial piston Water Swash plate piston ECF

パワー密度 10 5 100000 P d =P r / m [W/kg] P d 10 4 10000 1000 3 100 2 10 10 1 10-5 10-3 10-1 10 1 10 3 10 5 1 0.00001 0.

10 パワー密度 P d =P r / m [W/kg] P d m[kg] Sym bol Type AC AC-Direct DC Oil Swash plate piston Oil Bent axis piston Oil Radial piston Air Vane Air Radial piston Water Swash plate piston ECF

11 パワーレート密度 10 4 Q d =Q/m 10 3 Q d [kw/(kg s)] m [kg] Sym bol Type AC AC-Direct DC Oil Swash plate piston Oil Bent axis piston Oil Radial piston Air Vane Air Radial piston Water Swash plate piston ECF

12 アクチュエータの比較 ( まとめ ) フルードパワーアクチュエータと電動アクチュエータの特性を比較した. 電動アクチュエータの定格トルクは自重の3 分の4 乗に比例し, フルードパワーアクチュエータの定格トルクは自重に比例する. 油圧アクチュエータのパワー密度は電動アクチュエータや空気圧アクチュエータの10 倍以上である. ECFアクチュエータはマイクロ領域でほかのアクチュエータでは実現できないパワー密度を有する. 油圧アクチュエータのパワーレート密度は電動アクチュエータの100 倍以上である. 空気圧アクチュエータのパワーレート密度は電動アクチュエータの10 倍以上である. フルードパワーアクチュエータはパワー密度や速応性の観点から, 電動アクチュエータでは実現できない優れたアクチュエータである.

13 革新的な最新事例の紹介材料開発と3Dプリンティングエネルギー回生とアキュムレータ技術油圧ハイブリッド建設機械デジタル油圧変換器全油圧駆動人間型ロボットアトラスの衝撃? タフロボティクスチャレンジ日本の巻き返し!

14 オークリッジ国立研究所 (Oak Ridge National Laboratory:ORNL) Digital Valve Hydraulic Pump 液圧駆動小形軽量ロボットハンド

15 2014 年 2 月 25 日, 米国オバマ大統領は米国の技術開発力を強化するため, デトロイトに軽量金属材料研究のハブ (LM31) を, シカゴにデジタルモノづくりのハブ (DMDI) を設置して, 重点的に予算を投資すること発表した. Feb. 25, press office/2014/02/25/president obamaannounces two new public private manufacturing innovatio

16 パワー密度とエネルギー密度定義パワー密度 : 単位質量あたりの出力パワーエネルギー密度 : 単位質量あたりのエネルギーパワー : 単位時間当たりの仕事 ( 仕事率 ) 瞬間的な仕事, 効率単位は [W]=[J/s] エネルギー : 仕事 ( パワー ) の時間積分仕事の積算値単位は [J] P d =P r /M P d :Power density パワー密度 [W/kg] P r :Rated power アクチュエータの定格出力 [W] M:Actuator smass アクチュエータ質量 [kg]

17 Ragone Chart エネルギー蓄積素子の性能評価チャートネルギー密度パワー密度エ

エネルギーの蓄積要素エネルギー蓄積要素の比較エネルギー密度[Wh/kg] パワー密度 [W/kg] Proc. National Conference of Fluid Power 2008 pp.531 より従来の電気的なエネルギー蓄積要素 ( 燃料電池や蓄電池 ) はパワー密度が比較的低い.

18 エネルギーの蓄積要素エネルギー蓄積要素の比較エネルギー密度[Wh/kg] パワー密度 [W/kg] Proc. National Conference of Fluid Power 2008 pp.531 より従来の電気的なエネルギー蓄積要素 ( 燃料電池や蓄電池 ) はパワー密度が比較的低い. 油圧アキュムレータはパワー密度が高く, エネルギー蓄積密度も比較的大きい. 制動や位置エネルギーの蓄積回生には油圧アキュムレータが適している. < 参考 > ハイブリッド車の Li イオン電池出力密度重視型でエネルギー密度 :70Wh/kg 出力密度 :1.8kW/kg エネルギー密度重視型でエネルギー密度 :100Wh/kg 出力密度 :0.4kW/kg NEDO 次世代自動車用技術開発ロードマップ 2008 より

19 Flow control valve Hydraulic motor Oil filled cylinder Flywheel accumulator Torque sensor Pressure sensor Encoder 油圧フライホイールアキュムレータ実験装置 Rotary union

旋回用油圧モータ圧力センサ Independent Metering Valve

20 旋回用油圧モータ圧力センサ Independent Metering Valve (IMV) 方向切替弁動力回生用アキュムレータ流量制御弁回生用切替弁従来機と比べ最大約 30% の燃費低減を実現価格は第 4 次排ガス規制に対応した機種同士で比べると 5% アップに抑え年間 1200 時間稼働すれば 3 年程度で回収できる旋回用油圧バルブユニット J. Zhang, Hydraulic Hybrid System for Swing Energy Recover and Reuse, Proc. IFPE2014 Technical Conference, No.19-2 (2014). ショベルの旋回エネルギーの動力回収と再利用のための油圧ハイブリッドシステム

21 Pressure Compensated Independent Metering Valve (IMV) J. Zhang, Pressure Compensated Independent Metering Valve for EH System, Proc. the 51st National Conference on Fluid Power, NCFP I (2008).

22 デジタル油圧トランスフォーマ US Patent: No. 7,475,538

23 (0,0,0,0) (0,1,0,0) (0,1,1,1) (1,0,1,1) (1,1,1,1) 4 ビットデジタル油圧トランスフォーマの原理

24 デジタル油圧変換器の動作 High pressure line: HI Low pressure line: LO Transform pressure line: TR ブーム上昇ブーム下降

26 ペットマン / アトラスの衝撃

27 おわりに油圧駆動のメリットを活かす取り組み油圧の可能性を日本の技術で実現小形高出力の液圧アクチュエータ高応答なデジタル制御弁の開発日本は? 戦略的な取り組みの重要性油圧の課題に取り組むプロジェクトの立案産官学による油圧の特長を活かした FP コンソーシアムの設立と強化ロボット技術への展開

28 タフロボティクスチャレンジ総合科学技術イノベーション会議の革新的研究開発プログラム (ImPACT) フィールド遠隔自律作業ロボットの小形高出力アクチュエータ油圧アクチュエータ活躍の場

86 セRH Series 型式と記号機種 :DC サーボアクチュエータ RH シリーズ型番 :5,8,11,14 バージョン記号出力軸定格回転速度 : 6r/min を示す仕様 ( インクリメンタルエンコーダ付 ) RH - 14 D E 1 A L エンコーダ出力方式 O

86 セRH Series 型式と記号機種 :DC サーボアクチュエータ RH シリーズ型番 :5,8,11,14 バージョン記号出力軸定格回転速度 : 6r/min を示す仕様 ( インクリメンタルエンコーダ付 ) RH - 14 D E 1 A L エンコーダ出力方式 O ハーモニックドライブには歯車のガタツキによるバックラッシがありませんので高精度の位置決めを可能にしています小型で高出力トルク最小型番 RH-5A のアクチュエータの外形寸法φ 2 89mm で.69N m 瞬時最大トルクと高出力です短形出力信号を 4逓倍速まで分解できますサーボドライバ高精度オプティカルエンコーダリニアアクチュエータ構造 Galvanometer Scanner