JPH0580975B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は油圧機械用の差圧計に係わり、特に油
圧シヨベル等の油圧機械において油圧回路の電子
制御装置に用いて好適な差圧計に関する。

〔従来の技術〕

今日、油圧シヨベル等の油圧機械においては、
油圧回路の制御装置の電子化が益々盛んに行われ
つつある。一方、油圧シヨベル等の油圧機械に装
備される油圧回路の制御装置には、油圧回路内の
２つの部位の圧力を導き、その差圧により油圧回
路を制御するものである。例えば、油圧ポンプの
吐出圧力を油圧アクチユエータの負荷圧力よりも
所定値だけ高く保持するロードセンシングレギユ
レータ等がそれである。そこでこのような制御装
置を電子化しようとした場合、高圧同士のわずか
な圧力差を高精度に検出する必要がある。

従来、２つの部位の圧力差を検出する場合に
は、ダイヤフラムに歪ゲージを添着した２つの高
圧圧力センサーを用い、両者の出力の差を計測す
ることが行われていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の差圧計には次の欠点
がある。

高圧圧力センサーは高圧による破損を防止する
ため、ダイヤフラムの板厚を厚くしており、この
ため圧力に対する出力の非直線性に基づく誤差、
圧力の増減に対するヒステリシスの誤差等があ
る。これらの誤差は、高精度なものでも測定圧力
の0.5％程度はある。従つて、例えば400Kg／cm²の
高圧下で20Kg／cm²程度のわずかな差圧を計測する
場合、最大±４Kg／cm²の誤差が発生し、正確なキ
ヤリブレーシヨンや温度等の補正が必要となる。
一方、ダイヤフラムの板厚を薄くすれば測定精度
は向上するが、高圧で破損し易くなるので、高圧
同士の差圧を測定する差圧計としては使用できな
い。

本発明の目的は、高圧による破損を生じること
なく、高圧同士のわずかの圧力差を高精度に検出
することができる丈夫で信頼性の高い油圧機械用
の差圧計を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的は、油圧回路内の２つの部位の圧力差
を検出する油圧機械用の差圧計において、前記２
つの部位の圧力が導かれる２つの圧油通路を有す
るシリンダ本体と、両側に面積の等しい受圧部を
形成した外周ピストン部分及びこの外周ピストン
部分の軸方向両側に突出する２つの中央ピストン
部分を有し、これら外周及び中央ピストン部分が
前記シリンダ本体内に軸方向に密封移動可能に収
容され、前記外周ピストン部分と前記シリンダ本
体の内壁との間に前記２つの圧油通路がそれぞれ
開口するシリンダ室を形成する段付ピストンと、
前記段付ピストンを軸方向の移動に対抗して付勢
する付勢手段と、前記段付ピストンの軸方向一方
の側に配置され、該段付ピストンの軸方向の変位
を電気的に検出する変位検出手段であつて、前記
シリンダ本体内に前記中央ピストン部分の軸方向
移動を許容するよう形成されかつ前記シリンダ本
体の端壁に開口する軸方向穴、前記段付ピストン
と一体に軸方向に移動する前記軸方向穴に配置さ
れかつ前記中央ピストン部分の反対側の端部が前
記軸方向穴の開口より前記シリンダ本体の端壁外
に突出する非磁性体からなるシヤフト、前記シヤ
フトの前記突出部分に設けられた磁性体コア、前
記シリンダ本体の端壁外で前記軸方向穴の開口を
閉じかつ前記シヤフトの突出部分及び磁性体コア
を囲繞する非磁性体からなるケース、及び前記ケ
ースの外周に装着され前記コアの変位を検出する
変位センサーを有するものと、前記中央ピストン
部分の端壁、前記軸方向穴及び前記ケースの内側
をタンクに連通させる通路手段とを備えることに
よつて達成される。

〔作用〕

本発明では、２つの圧力が作用する部分として
シリンダ本体及び段付ピストンからなるシリン
ダ・ピストン構造を採用する。本発明の構造にお
いて、２つの圧油通路の圧力が段付ピストンの外
周ピストン部分の受圧部に作用すると、段付ピス
トンには２つの圧力の差に比例した力が作用す
る。この力は付勢手段に伝えられ、付勢手段は段
付ピストンをその力に比例して変位させる。この
変位は変位検出手段で検出され、その検出値が電
気信号として出力される。ここで、２つの圧力の
差は付勢手段を介して段付ピストンの変位に直線
的に比例する関係にあり、これにより高精度の差
圧の検出が可能となる。

また、シリンダ・ピストン構造は基本的にダイ
ヤフラムに比べて高圧に強く破損しにくい。

また、段付ピストンの軸方向一方の側に変位検
出手段を配置することにより、高圧が作用する段
付ピストン部分とその変位を検出する変位検出部
分とを軸方向に分け、変位検出部分に高圧が作用
しない構造とする。

すなわち、シリンダ本体内に中央ピストン部分
の軸方向の移動を許容するよう、反中央ピストン
側でシリンダ本体の端壁に開口する軸方向穴を形
成し、その軸方向穴に一端が軸方向穴の開口より
シリンダ本体の端壁外に突出するよう、段付ピス
トンと一体に軸方向に移動する非磁性体からなる
シヤフトを配置し、そのシヤフトのシリンダ本体
端壁外への突出部分に磁性体コアを設ける。ま
た、軸方向穴の開口を、シヤフトの突出部分及び
磁性体コアを囲繞する非磁性体からなるケーで閉
じ、磁性体コアの変位をケース外周に設けられた
変位センサーで検出する。ここで、軸方向穴は、
段付ピストンの中央ピストン部分とシリンダ本体
とが密封移動関係にあるためその密封移動部でシ
リンダ室から油圧的に隔離され、シリンダ室の高
圧が作用することはなく、軸方向穴及びケースの
内側をタンクに連通させることにより、これらの
部分はタンク圧に保持される。これにより、ケー
ス内側に高圧が作用することが回避されケースの
破損が防止されるとともに、ケースの板厚を薄く
できるので高精度な変位の検出が可能となる。

一方、段付ピストン部分においては変位検出手
段を配置する必要がない上、シリンダ・ピストン
を非磁性体で作る必要もなく、それらの材質及び
形状を自由に設計して十分な強度を得ることがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。

第１図において、符号１は差圧計のボデーであ
り、ボデー１には、差圧を測定する２つの圧力が
導かれる２つの圧油ポート２，３と、タンクに接
続される排出ポート４とが形成されている。ボデ
ー１にはシリンダ本体５が取り付けられ、このシ
リンダ本体５には、圧油ポート２，３にそれぞれ
連通する圧油通路５ａ，５ｂが形成されている。
また、このシリンダ本体５内には、両側に面積の
等しい受圧部６，７を形成した外周ピストン部分
８ａ及びこの外周ピストン部分８ａの軸方向両側
に突出する２つの中央ピストン部分８ｂ，８ｃを
有する段付ピストン８が軸方向に密封移動可能に
収納されている。外周ピストン部分８ａの受圧部
６，７とシリンダ本体５の内壁との間には上記２
つの圧油通路５ａ，５ｂがそれぞれ開口するシリ
ンダ室９，１０が形成されている。このシリンダ
室９，１０は圧油通路５ａ，５ｂを介してそれぞ
れ圧油ポート２，３に連通し、そこに導かれた圧
力を受圧部６，７に作用させる。

シリンダ本体５内には、また、段付ピストン８
の図示右方の中央ピストン部分８ｂの軸方向移動
を許容する低圧室５ｃが形成され、シリンダ本体
５内及びシリンダ本体５とボデー１との間には図
示左方の中央ピストン部分８ｃの軸方向移動を許
容する低圧室５ｄが形成されている。低圧室５ｃ
と低圧室５ｄの一部はシリンダ本体の中央部に形
成された軸方向穴５Ａで形成され、この軸方向穴
５Ａはシリンダ本体５の図示右側の端壁で開口し
ている。シリンダ本体５内の低圧室５ｃには非磁
性体からなるシヤフト１１が配置され、シヤフト
１１の図面左方の端部は拡径基部１２とされかつ
中央ピストン部分８ｃの端面に当接し、図面右方
の端部すなわち中央ピストン部分８ｃの反対側の
端部はシリンダ本体端壁の上記軸方向穴５Ａの開
口を越えてその外側に突出し、その端部には磁性
体からなるコア１３が取り付けられている。ま
た、その軸方向穴５Ａの開口には、当該開口を閉
じかつシヤフト１１の突出部分及びコア１３の囲
繞する非磁性体からなるケース１４が取付けら
れ、ケース１４内にはシヤフト１１とコア１４の
軸方向移動を許容する室１４ａが形成されてい
る。

低圧室５ｃ内においてケース１４とシヤフト１
１の拡径基部１２との間には、段付ピストン８を
その右方変位に対抗して付勢するスプリング１５
が予め圧縮した状態で配装されている。また、低
圧室５ｄ内において段付ピストン８の中央ピスト
ン部分８ｃの端部とボデー１との間には段付ピス
トン８をその左方変位に対抗して付勢するスプリ
ング１６がやはり予め圧縮した状態で配装されて
いる。

以上の構成により、段付ピストン８の変位はシ
ヤフト１１及びコア１３に伝えられ、コア１３は
ケース１４の室１４ａ内において段付ピストン８
と同じ変位をする。また、段付ピストン８は、シ
リンダ室９，１０に圧力が導かれていない時、又
は導かれた圧力が等しい時は、中立位置に保持さ
れ、シリンダ室９，１０に異なる圧力が導かれる
と、その差圧に比例した力がスプリング１５又は
１６に伝えられ、このスプリングの付勢によりそ
の力に比例して変位する。

ケース１４の外周にはコア１３の変位を感知
し、それに比例した電気信号を出力する変位セン
サー１７が装着されている。

シリンダ本体５の外端には、ケース１４を囲繞
するカバー１８を取り付けられ、このカバー１８
内には、変位センサー１７からの電気信号を増幅
し、リード線１９ａ，１９ｂにより外部へ出力す
るアンプ２０が収納されている。

段付ピストン８、シヤフト１１及びコア１３内
には、同軸の中央孔２１，２２，２３が軸線方向
に貫通形成され、低圧室５ｄは排出ポート４に連
通している。これにより低圧室５ｃ、シヤフト１
１とケース１４との間の環状〓間及び室１４ａは
中央穴２１，２２，２３を介して低圧室５ｄに連
通し、さらに低圧室５ｄと共に排出ポート４を介
してタンクに連通している。このような通路構成
により、低圧室５ｃ及び室１４ａにリークした作
動油は、中央孔２１，２２，２３を介して低圧室
５ｄにリークした油と共に排出ポート４よりタン
クに排出され、低圧室５ｃ，５ｄ及びケース１４
内の室１４ａはタンク圧に保たれる。

変位センサー１７としては、差動トランス方式
又は磁気抵抗素子方式のものが使用されている。
このためシヤフト１１及びケース１４は非磁性体
から作られ、コア１３は磁性体からなつている。
このような非接触式の変位センサーを使用するこ
とにより、変位するコア１３の部分に油が存在し
ていていも、コア１３の変位を適切に検出するこ
とができる。

このように構成された差圧計において、圧油ポ
ート２，３に圧力が導かれると、その圧力は、圧
油通路５ａ，５ｂを介してシリンダ室９，１０に
伝えられ、シリンダ室９，１０において段付ピス
トン８の外周ピストン部分８ａの受圧部６，７に
それぞれ作用する。このとき圧油ポート２に導か
れる圧力をP1とし、圧油ポート３に導かれる圧
力をP2とし、かつ受圧部６，７の受圧面積をＡ
とすると、受圧部６に作用する圧力P1によりＡ
×P1の力が、段付ピストン８を図面を右方に動
かす力として作用し、受圧部７に作用する圧力
P2によりＡ×P2の力が、段付ピストン８を図面
左方に動かす力として作用する。一方、中央ピス
トン部分８ｂ，８ｃの端面及び段付ピストン８と
一体に軸方向に移動するシヤフト１１の端面は前
述したようにタンク圧にされているので、この部
分に作用する力は無視することができる。

従つて圧力P1＞P2とすると、段付ピストン８
には図面右方向にＡ×（P1−P2）の力が作用す
る。これによりピストン８は、スプリング１５，
１６により中立位置に保持されていたのが、スプ
リング１５に抗して変位する。２つのスプリング
１５，１６のばね定数をK1，K2とすると、この
段付ピストン８の変位をＳは、 Ｓ＝Ａ×（P1−P2）／（K1＋K2） となる。

この変位は、シヤフト１１を介してコア１３に
伝えられ、コア１３も段付ピストン８と同じ変位
をする。

変位センサー１７はこの変位を感知し、それを
電気信号に変換し、アンプ２０で増幅し出力す
る。変位センサー１７は、差同トランス方式、磁
気抵抗素子方式のいずれも、変位Ｓに対する電気
信号レベルＥの関係は直線性がよく、一次比例関
係にある。従つて比例定数をＫとすると、電気信
号レベルＥは、 Ｅ＝Ｋ・Ｓ ＝｛Ｋ・Ａ／（K1＋K2）｝（P1−P2） となる。ここでＡ，K1，K2は全て定数なので、
電子信号レベルＥは２つの圧力の差圧（P1−P2）
に比例した値となる。

２つの圧力がP2＞P1の場合は、段付ピストン
８の変位方向が逆になるだけで、上記説明がその
まま当てはまる。

このようにこの実施例においては、２つの圧力
を段付ピストン８の受圧部６，７に同時に作用さ
せるため、それぞれの圧力を別々の圧力センサー
に導きそれぞれの電気信号を得て、その後それら
の差を計測して差圧に相当する電気信号を得る場
合のように、圧力センサにおける圧力に対する出
力の非直線性及び圧力の増減に対するヒステリシ
スに基づく誤差が発生することがなく、高圧同士
の差圧を高精度に測定することができる。

また、高圧下での差圧を計測する場合、その高
圧で差圧計が破損してはならない。本実施例では
２つのスプリング１５，１６を用いて差圧を段付
ピストン８の変位に変換し、その変位を変位セン
サー１７で感知している。ここで、もしピストン
８が中央ピストン部分８ｂを持たず、圧油通路５
ｂから流入した高圧の圧油がケース１４内の室１
４ａにも流入する場合は、ケース１４にその高圧
が作用し、ケース１４ａが破損してしまう。ケー
ス１４ａの破損を防止するために、ケース１４ａ
の板厚を厚くすると磁性体コア１３と変位センサ
ー１７の距離が遠くなり、高精度に変位を検出す
ることができなくなる。

本実施例では、ピストン８に中央ピストン部分
８ｂ，８ｃを設け、中央ピストン部分８ｂとシリ
ンダ本体５との密封移動部でシリンダ室１０と低
圧室５ｃ及びケース１４内の室１４ａとを隔離す
るとともに、これらの室を低圧室５ｄと共にタン
クに連通している。これにより、ケース１４内の
室１４ａはタンク圧に保たれ、ケース１４の板厚
を薄くして変位センサー１７での高感度、高精度
の変位検出を可能とするとともにケース１４の破
損が防止される。

また、段付ピストン８の変位を変位センサーで
検出する場合、ピストン部分に磁性体を組み込み
し、その周囲のシリンダ本体部分に差動トランス
等の変位センサーを設定する構成が通常考えられ
る。しかし、上述したように検出感度を上げるた
めには磁性体コアと変位センサーは近接配置する
ことが必要であり、高圧が作用するピストン及び
シリンダ本体部分に磁性体コア及び変位センサー
を近接配置すると、シリンダ本体を高強度に作る
ことが難しい。

また、差動トランス等の変位センサーで変位を
電気的に検出する場合、磁性体コア以外の周囲部
分は非磁性体とする必要があり、上記のように磁
性体コア及び変位センサーを組込んだ場合、ピス
トン及びシリンダ本体は樹脂等の非磁性体で構成
しなければならない。しかし、例えば400Kｇ／
cm²の高圧下でのわずかな差圧を計測する場合、最
高で400Kｇ／cm²近くの差圧が発生することがあ
り、ピストン及びシリンダ本体を樹脂で構成する
と、この大差圧によりピストンがシリンダ本体に
衝突したときシリンダ本体の壁部やピストンが割
れるおそれがある。

本実施例では、油圧が作用するシリンダ・ピス
トン部分とピストンの変位を電気的に検出する部
分とを軸方向に分け、磁性体コア１３をシヤフト
１１に設け、シリンダ本体５の外側でケース１４
の外周部に変位センサー１７を設置している。こ
のため、シヤフト１１及びケース１４のみを非磁
性体で構成すればよくなり、段付ピストン８及び
シリンダ本体５は例えば量産に適した強度のある
鋳物で構成する等、強度上の設計を自由に行な
え、高強度のピストン・シリンダ構造を得ること
ができる。

さらに、油圧機械用の作動油の中には種々の添
加材や鉄粉、切粉等の金属粒子が混入し電気を伝
え易くなつている。このためこの作動油の圧力差
を電気的に検出する場合、その電気系統を作動油
から遮断しなければならない。本実施例では、上
記のようにシヤフト１１を用い、これに磁性体コ
ア１３を装着したので、変位センサー１７はシリ
ンダ本体５の外側に設置することができ、これに
よりたとえば室１４ａ内に漏れ出た作動油が導電
性を帯びていたとしても、それに影響されること
なく磁性体コア１３の変位を精度良く検出するこ
とができ、差圧計の信頼性を向上できる。

また、本実施例ではアンプ２０を内蔵している
ことにより、ゼロ点調正、ゲイン調整が簡単に行
なえ、温度補償回路等を付けることにより、温度
変化に対する誤差も補正され、差圧をさらに高精
度に測定することが可能となる。

また、この実施例においては、ボデー１にシリ
ンダ５を取り付け、本体部分を着脱自在のカート
リツジ方式としたため、メインテナンスが容易に
行なえる。

以上のように、本実施例によれば、高圧下で使
用しても変位センサー部分及びピストン・シリン
ダ部分の破損を生じることがなく、かつ高圧同士
のわずかの圧力差を高精度に検出することができ
る。また、メインテナンスも容易に行なえる。従
つて、差圧信号を用いる制御装置の電子化に役立
つこと大である。

なお、以上の実施例は、２つの圧力P1，P2の
大小関係が一定していない場合の例であるが、
P1≧P2の関係が常に保たれる場合には、段付ピ
ストン８の図面右方の変位だけを考えればよいの
で、スプリング１６はなくてもよく、この場合は
構造が簡単になる。なおこのときの差圧と出力電
気信号レベルＥとの関係は、 Ｅ＝｛Ｋ・Ａ／K2｝（P1−P2） となる。

また上記実施例では、アンプ２０をカートリツ
ジ１８内に設けたが、必要によつては、アンプ２
０を外部に配置することもでき、この場合は構造
がコンパクトになる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高圧下で使用しても変位セン
サー部分及びピストン等の破損を生じることがな
く、かつ高圧同士のわずかの圧力差を高精度に検
出することができ、従つて差圧信号を用いる制御
装置の電子化に役立つこと大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による差圧計の断面図
である。 図中、符号５……シリンダ本体、５ａ，５ｂ…
…２つの圧油通路、５ｃ，５ｄ……室、５Ａ……
軸方向穴、６，７……受圧部、８……段付ピスト
ン、８ａ……外周ピストン部分、８ｂ，８ｃ……
中央ピストン部分、９，１０……シリンダ室、１
１……シヤフト、１３……コア、１４……ケー
ス、１４ａ……室、１５，１６……スプリング
（付勢手段）、１７……変位センサー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 油圧回路内の２つの部位の圧力差を検出する
   油圧機械用の差圧計において、 前記２つの部位の圧力が導かれる２つの圧油通
   路を有するシリンダ本体と、 両側に面積の等しい受圧部を形成した外周ピス
   トン部分及びこの外周ピストン部分の軸方向両側
   に突出する２つの中央ピストン部分を有し、これ
   ら外周及び中央ピストン部分が前記シリンダ本体
   内に軸方向に密封移動可能に収容され、前記外周
   ピストン部分と前記シリンダ本体の内壁との間に
   前記２つの圧油通路がそれぞれ開口するシリンダ
   室を形成する段付ピストンと、 前記段付ピストンを軸方向の移動に対抗して付
   勢する付勢手段と、 前記段付ピストンの軸方向一方の側に配置さ
   れ、該段付ピストンの軸方向の変位を電気的に検
   出する変位検出手段であつて、前記シリンダ本体
   内に前記中央ピストン部分の軸方向移動を許容す
   るよう形成されかつ前記シリンダ本体の端壁に開
   口する軸方向穴、前記段付ピストンと一体に軸方
   向に移動するよう前記軸方向穴に配置されかつ前
   記中央ピストン部分の反対側の端部が前記軸方向
   穴の開口より前記シリンダ本体の端壁外に突出す
   る非磁性体からなるシヤフト、前記シヤフトの前
   記突出部分に設けられた磁性体コア、前記シリン
   ダ本体の端壁外で前記軸方向穴の開口を閉じかつ
   前記シヤフトの突出部分及び磁性体コアを囲繞す
   る非磁性体からなるケース、及び前記ケースの外
   周に装着され前記コアの変位を検出する変位セン
   サーを有するものと、 前記前記中央ピストン部分の端面、前記軸方向
   穴及び前記ケースの内側をタンクに連通させる通
   路手段と を備えることを特徴とする油圧機械用の差圧計。