JP4614544B2 - アクチュエータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力流体により出力軸に往復運動を発生させて機械的仕事を行うアクチュエータ装置に関する。
【０００２】
従来よりポンプをサーボモータで制御することによって、アクチュエータの位置と速度を制御するシステムが利用されている。この一般的なシステムは、図４に示すようなものである。このシステムは、ポンプＰをサーボモータＭで駆動し、直接アクチュエータＡを駆動しているため、アクチュエータＡの推力と速度はモータＭの回転数とトルク及びポンプ吐出量によって決まってしまう。このため推力と速度を大きくするためには、吐出量と吐出圧力を大きくする必要があり、モータの出力も大きくしなければならない。
【０００３】
この従来のシステムは、推力は必要だが速度はあまり必要でなく、高圧少流量で制御でき、定圧で保持するようなプレス関連の機器等には多く利用されているが、大型工作機械、及びシミュレーター装置やアミューズメント装置等の機器のような大きな速度を必要とするものには、アクチュエータの速度を出すには大きな流量を必要とすることからシステムが大型化してしまい、あまり利用されていなかった。また、このような装置には、当然推力も必要であり、このためモータも数１０KWの大型のものが必要であり、ポンプ自体も大型化してしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、大型工作機械及びシミュレーター装置やアミューズメント装置等の機器に利用できる高速・高推力が得られると共にシステムの小型化が計れ、かつ省エネルギー効果の高いアクチュエータ装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題に鑑み、本発明者は、従来のシステムを大型工作機械及びシミュレーター装置やアミューズメント装置等の機器に利用するには、アクチュエータに掛る負荷分は速度を上げるには全く無駄な力となっているので、この負荷分をバランスさせることで効率的に速度を上げることが可能であり、システムの小型化が計れるのではないかと考え、本発明に致ったものである。
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のアクチュエータ装置を提供する。
【０００６】
請求項１に記載のアクチュエータ装置は、アクチュエータの構造をロッド部外部側、ロッド部内部及びピストン側の３つの作動室を有する二重構造アクチュエータとすると共に、ロッド部内部の作動室とロッド部外部側作動室とに接続された加圧流体の制御回路と、ピストン側作動室に接続され、アキュムレータを含む圧力保持回路又は圧力制御回路と、目的又は負荷に応じて自動的に圧力を調整するように負荷検出手段とを具備したものである。このようにアクチュエータ構造を二重構造にして容積を小さくすることによって、吐出量を増やさずに高速応答できると共に、加圧流体の加圧制御装置であるポンプ及びサーボモータを小型化できる。また、２重構造アクチュエータと圧力保持回路又は圧力制御回路を併用して、高速で高推力のアクチュエータ装置を得ることができる。また、負荷検出手段を設けているので、アミューズメント装置等のように搭乗人数が変わる場合においても、負荷の数量をカウントまたは搭乗質量を計測して、サポート力を調整することができる。
【０００７】
請求項２のアクチュエータ装置は、加圧流体の制御回路が、二重構造アクチュエータへの流入側と流出側とをそれぞれ逆止弁を向い合わせた形で配置して接続し、それらの逆止弁間にリザーバを接続して、流出入の差分の加圧流体を逆止弁を開けてリザーバに戻す回路を備えるようにしたものである。
請求項３のアクチュエータ装置は、加圧流体の制御回路と、圧力保持回路又は圧力制御回路とを、該制御回路の逆止弁間で接続し、リザーバを省略したものである。即ち、加圧流体の制御回路における二重構造アクチュエータへの加圧流体の流出入の差分を、圧力保持回路又は圧力制御回路のアキュムレータに戻すようにすることで、リザーバの省略を可能としたものである。
【０００８】
請求項４のアクチュエータ装置は、ロッド部外部側作動室とロッド部内部の作動室の受圧面積を同一としたものであり、これにより、両ロッド型のアクチュエータと同様となるので、ロッド部の伸縮に伴う加圧流体の流入、流出量が均等になり、その制御が容易となる。また、この場合においては、加圧流体の流出入量が同一であるので、基本的にはリザーバが不用である。
請求項５のアクチュエータ装置は、圧力保持回路又は圧力制御回路を更にロッド部外部側作動室に接続したものであり、圧力保持回路又は圧力制御回路の流体をロッド部外部側作動室に通すようにして、加圧流体の制御回路の誤作動や負荷の変動により、ロッド部が伸びるのを防止すると共に、加圧流体が無くなった場合には、ロッド部を縮める役割をする。
【０００９】
請求項６，７のアクチュエータ装置は、ストロークセンサをアクチュエータに組み込んでアクチュエータの位置を計測できるようにしたものであって、請求項６と請求項７とはそれぞれセンサの取付位置を変えたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態のアクチュエータ装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態のアクチュエータ装置の全体構成の回路図である。本発明のアクチュエータ装置１は、二重構造アクチュエータ２と、この二重構造アクチュエータ２に接続される加圧流体の制御回路３と、同じく二重構造アクチュエータ２に接続される圧力保持回路又は圧力制御回路４とから構成される。
【００１１】
この二重構造アクチュエータ２は、筒状のシリンダチューブ２１と、ピストン部２２ａと片側ロッド部２２ｂとからなり、このシリンダチューブ２１内に往復動自在（摺動可能）に配置されるピストン２２と、シリンダチューブ２１の一端からピストン２２の内部に形成された筒状孔部２２Ｃ内にまで延設された管状部材２３とから基本的に構成されている。
シリンダチューブ２１の一端側は、その端面に管状部材２３のための開口２１ａが設けられると共に、他端側は、ピストン２２のロッド部２２ｂが端面から突出している。シリンダチューブ２１内には、ピストン２２によって区画されたピストン側作動室２４とロッド部外部側作動室２５が形成されている。
【００１２】
ピストン２２には、その中央内部に長手方向にピストン部２２ａからロッド部２２ｂに到る円筒状孔部２２ｃが形成されている。この孔部２２ｃのピストン側開口から管状部材２３が挿入されている。この管状部材２３の先端部は、固定ピストン２３ａを形成しており、孔部壁との間でシール材２６によってシールされている。これにより、管状部材２３の先端より先に孔部２２ｃによってロッド部内部作動室２７が形成される。なお、シリンダチューブ２１の他端側上部にロッド部２２ｂを取り囲む室２８を設けて、シリンダチューブ２１からの加圧流体の漏れを回収しドレン槽２９に戻してもよい。
【００１３】
加圧流体の制御回路３は、ポンプＰ２とサーボモータＭ、切換弁Ｖ１、２つの逆止弁３１，３２、及びリザーバ３３とから構成されている。なお、符号３４，３５は、この回路３に設けられている圧力センサである。図１は、システムの停止状態であり、切換弁Ｖ１を切り換えてポンプＰ２の作動状態においてポンプＰ２の一方の側は切換弁Ｖ１を介してロッド部外部側作動室２５に接続しており、他方の側はロッド部内部作動室２７に接続していて閉回路を形成している。ポンプＰ２の流出側と流入側とは、二重構造アクチュエータ２と並列に配置されて互いに向き合う逆止弁３１，３２を介して接続されており、これらの逆止弁間がリザーバ３３につながっている。そして、図１においては、ロッド部外部側作動室２５の流入量よりロッド部内部作動室２７の容積が大きい場合は、その差分量をパイロットにより逆止弁を開いてリザーバ３３に流し込むことで、ピストン２２を完全に縮めることができる。また、ピストン２２を伸す場合には、ロッド部内部作動室２７への流入量はロッド部外部側作動室２５の流出量だけでは不足するので、不足分は逆止弁３１を介してリザーバ３３から吸い上げられる。ロッド部外部側作動室２５とロッド部内部作動室２７が同一容積であれば逆止弁３２のパイロットは不要である。なお、図１はポンプＰ２の流入側と流出側は、切換弁Ｖ２によって閉じられた状態になっており、この状態は、ポンプＰ２の非作動状態であり、切換弁Ｖ２を切り換えることで作動状態に変えられる。
【００１４】
このようにアクチュエータを２重構造にすることによって、アクチュエータのロッド部２２ｂを伸縮する場合のロッド部外部側作動室２５とロッド部内部作動室２７との容積差及び受圧面積差が、片ロッド型アクチュエータよりも小さくなるので、ポンプを小型化できるという利点がある。特にポンプＰ２をサーボモータＭで制御するシステムにおいては、システムを小型化できる。更に、これらの容積差又は受圧面積差を同一にした場合には、両ロッド型アクチュエータと同様になるので、ロッド部２２ｂの伸縮に伴う加圧流体の流入、流出量が均等になり、制御が容易となる。なお、切換弁Ｖ１が図１の状態においては、ロッド部内部作動室２７は、切換弁Ｖ１及び流量制御弁３６を介してタンク４５に接続している。
【００１５】
圧力保持回路又は圧力制御回路４は、ポンプＰ１、逆止弁４１、アキュムレータ４２、切換弁Ｖ２、流量制御弁４３、リリーフ弁４４及びタンク４５とから構成されている。ポンプＰ１の吐出流体は、逆止弁４１及びアキュムレータ４２を通って二重構造アキュムレータ２のピストン側作動室２４に流入する。また、図１においては、アキュムレータ４２の上流側がバイパスされてロッド部外部側作動室２５に接続している。したがって、ポンプＰ１からの流体は、ピストン側作動室２４とロッド部外部側作動室２５とに流入するが、両者の作動室２４と２５の受圧面積差により、無負荷の状態ではロッド部２２ｂが伸びる方向に作動する。しかし、負荷のある状態では、負荷とピストン側作動室２４の推力をバランスさせておけば、ロッド部外部側作動室２５の推力により縮む方向に作動する。逆止弁４１の前後には、リリーフ弁４４によるバイパス路と、切換弁Ｖ２及び流量制御弁４３によるバイパス路とが設けられ、それぞれタンク４５に接続している。
【００１６】
したがって、図１の状態において、ポンプＰ１を停止し、切換弁Ｖ２を作動してバイパス路を閉じると、アクチュエータはアキュムレータ４２内の圧力に保持された状態となる。また通常の状態では、図１に示されるように圧力保持回路又は圧力制御回路４が作動し、ポンプＰ１からの流体がピストン側作動室２４に入りサポート圧が掛かると共に、ロッド部外部側作動室２５にも流体が流れて行き、ロッド部２２ｂを縮める方向に作用する。このとき、切換弁Ｖ１は図１の状態にあるので、ポンプＰ２が誤作動してもロッド部２２ｂが伸びることが無いし、負荷の掛り方が変化してもロッド部２２ｂが伸びることが無い。
【００１７】
図２は、本発明の第２の実施の形態のアクチュエータ装置の全体構成の回路図である。この第２の実施の形態では、加圧流体の制御回路３の逆止弁３１と３２間と、圧力保持回路又は圧力制御回路４のアキュムレータ４２の上流側とを接続し、リザーバ３３を除いたものである。他の構成は全て第１の実施の形態と同じである。このような構成を採用することによって、ロッド部外部側作動室２５に入る流入量より、ロッド部内部作動室２７より出る流出量が多い場合は、その差分量がパイロット圧によって開いた逆止弁３２を通ってアキュムレータ４２に流れ込むので、リザーバ３３を省略することができる。
【００１８】
また、本発明のアクチュエータ装置においては、圧力保持回路又は圧力制御回路４が目的に応じて自動的に圧力と負荷とを調整するように負荷検出手段（図示せず）が設けられている。従って、負荷とバランスするようにサポート力を調整することによって負荷変動に対応するシステムとすることができる。
更に、できるだけ少ない駆動推力（制御回路３側）と小型のサポートシステム（圧力保持回路又は圧力制御回路４側）を使用した場合、負荷に応じてサポート力を可変させないと、制御回路３側の推力だけでは不足する場合があるので、以下のような方法を用いる。
（１）負荷の数量をカウント又は搭乗質量を計測して、サポート力を調整する。
（２）負荷を持上げる時の駆動推力を検知して、駆動推力が最小になるようにサポート力を調整する。
（３）アミューズメント装置又はシュミレーター装置のように、構造体や座席等のような一定負荷と搭乗者等の変動負荷がある場合、搭乗時間終了毎に圧力保持回路又は圧力制御回路の圧力を全て抜く方法と、変動負荷に見合った圧力だけを抜き、開始前に再度加圧する方法とがある。
【００１９】
また本発明のアクチュエータ装置においては、ストロークセンサをアクチュエータに組み込んで、ロッドの位置を計測できるようにしている。従来、例えば磁歪センサを片ロッドアクチュエータで使用する場合は、図３（ａ）に示すようにアクチュエータ外部のピストン側にストロークセンサ本体であるセンサ５を固定し、位置検出手段である磁石部６をピストン部に固定して位置を計測していた。しかしながら、二重構造アクチュエータでは、従来のような方法でセンサ５を取付けることができない。そこで図２（ｂ）に示される方法では、ロッド部２２ｂの先端外部にセンサ５を取り付け、磁石部６を管状部材２３の先端に固定している。また別の実施例では、図２（ｃ）に示されるようにセンサ５は従来と同じようにアクチュエータ外部のピストン側に取り付け、磁石部６をロッド部２２ｂの内部にチューブ７を設けて、その先端に取り付けるようにしている。なお、この場合には、ロッド部内部の作動室２７と連通する管状部材２３は、Ｌ字状に曲げられシリンダチューブ２１側部に取り付けられる。
【００２０】
上述したように、本発明のアクチュエータ装置は、２重構造アクチュエータのロッドの外側とロッドの内部側に夫々加圧流体を通すことによって、アクチュエータの制御を行っており、二重構造にして容積を小さくすることによって吐出量を増やさずに高速応答できるようになる。また受圧面積が小さくなり、推力が減少するので、外側のピストン部側を圧力保持回路又は圧力制御回路に接続して推力の不足分を補うサポートシステムを併用するようにしている。したがって、圧力保持回路又は圧力制御回路に流体を供給するポンプ又は空圧コンプレッサ等は、所定の圧力に達するまで加圧し、その後は供給回路を閉じて閉回路として使用するので、小型のポンプ又はコンプレッサ等で十分であり、システム作動中は停止しておける。即ち、本発明のアクチュエータ装置は、小型モータで高速・高推力が得られるので、省エネルギー効果も高い。また従来のシステムに比べて流体が少なくてすむ。
【００２１】
なお、上述した実施の形態においては、ロッドを上に向けて使用するシステムを例にとって説明しているが、ロッドを横方向に使用するようなシステムやロッドを下に向けて使用するようなシステムでも、本発明のアクチュエータ装置は利用可能なものである。その場合、圧力保持回路又は圧力制御回路をピストン側に接続することによって駆動力を増し、押し付け力を増大させることができる。また、圧力保持回路又は圧力制御回路をロッド側に接続するようにすると、制御前の誤作動によるロッドの伸びを防止できるし、停電時等にはロッドを縮めることができる。
【００２２】
本発明のアクチュエータ装置の作動流体としては、液体でも気体でも良く、また制御回路３と圧力保持回路又は圧力制御回路４とをそれぞれ独立した回路系として、異なった種類の作動流体を使用することもできる。更に多数のアクチュエータ装置を並列して使用する場合には、前述の圧力保持回路又は圧力制御回路を並列して接続すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のアクチュエータ装置の全体構成の回路図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態のアクチュエータ装置の全体構成の回路図である。
【図３】二重構造アクチュエータにロッドの位置を計測する位置検出手段の取付方法を示したもので、（ａ）は従来例を、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ異なる実施例を示している。
【図４】ポンプをサーボモータで駆動する従来のアクチュエータ装置のシステムの概略図である。
【符号の説明】
２…二重構造アクチュエータ
２１…シリンダチューブ
２２…ピストン
２２ａ…ピストン部２２ａ
２２ｂ…ロッド部
２３…管状部材
２４…ピストン側作動室
２５…ロッド部外部側作動室
２６…シール材
２７…ロッド部内部作動室
３…制御回路
４…圧力保持回路又は圧力制御回路
４２…アキュムレータ
５…センサ
６…磁石部
Ｐ１，Ｐ２…ポンプ
Ｖ１，Ｖ２…切換弁

Claims (7)

1. シリンダチューブと、
   前記シリンダチューブ内に摺動自在に配置され、片側にのみロッド部を有するピストンであって、このピストン内部にピストン側からロッド部内部に到る迄の筒状の孔部が形成されている前記ピストンと、
   前記シリンダチューブのシリンダ端部から前記ピストンの孔部内にまで延設された管状部材であって、この管状部材がその先端部で前記孔部壁との間でシールされている前記管状部材と
   よりなる二重構造アクチュエータが、
   前記ロッド部内部に通じる前記管状部材によって形成されるロッド部内部作動室と、前記シリンダチューブのロッド部外部側作動室とに接続された加圧流体の制御回路と、
   前記シリンダチューブのピストン側作動室に接続され、アキュムレータを含む圧力保持回路又は圧力制御回路と、
   を具備していて、
   前記圧力保持回路又は圧力制御回路が、目的又は負荷に応じて自動的に圧力を調整するように負荷検出手段を有することを特徴とするアクチュエータ装置。
2. 前記加圧流体の制御回路が、前記二重構造アクチュエータへの流入側と流出側とをそれぞれ逆止弁を向い合わせた形で配置して接続し、それらの逆止弁間にリザーバが接続されており、流出入の差分の加圧流体を逆止弁を開けてリザーバに戻す回路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ装置。
3. 前記加圧流体の制御回路と、前記圧力保持回路又は圧力制御回路とが、前記制御回路の前記逆止弁間でつながっており、これによって前記リザーバを省略することを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ装置。
4. 前記シリンダチューブのロッド部外部側作動室と、ロッド部内部の作動室の受圧面積を同一とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
5. 前記圧力保持回路又は圧力制御回路を更に前記ロッド部外部側作動室に接続することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
6. 前記ピストンのロッド部の位置を計測するために、ストロークセンサ本体をロッド部側に取り付け、位置検知手段を前記管状部材の先端部に取り付けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
7. 前記ピストンのロッド部の位置を計測するために、ストロークセンサ本体をピストン側のシリンダチューブ端部に取り付け、位置検出手段をロッド部内部に設けたチューブ先端に取り付けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。

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