JP2006105364A - リザーバ内蔵型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、軽量化が図れるモータとポンプとアクチュエータとコントローラとを一体化したＥＨＡを提供する。
【解決手段】シリンダ式のアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体のシリンダ内を摺動するピストンとからなるアクチュエータであって、モータと、前記モータの回転に応じて流体を供給するポンプと、前記シリンダの運動に応じて前記モータの回転を制御するコントローラと、前記シリンダの運動に応じて生ずる流量差に対応し流体の供給量を調整するリザーバとを備え、前記ピストンはそのピストンロッドを中空構造で構成され、周方向の複数箇所に流通孔が設けられており、前記リザーバを内蔵していることを特徴とするアクチュエータである。前記リザーバは流体を貯留する流体室と、ガス室とからなる二重構造にするのが望ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータとポンプとアクチュエータとコントローラとを一体化したＥＨＡ（Electro Hydrostatic Actuator）に関し、さらに詳しくは、装置の小型化および軽量化を図り、特にスペースの制約が厳しい航空機に対応できるアクチュエータに関するものである。

従来、中型以上の航空機では油圧供給系統を装備し、その油圧力を利用して舵面の操作、降着装置の揚降、ブレーキおよび脚ステアリング操作を行っている。最近では、従来のエンジンの軸出力により駆動される油圧源を廃除し、燃費向上を図った全電動化の方向に向かっている。

航空機に装備された油圧供給系統を廃し、個々のアクチュエータが電力で自己完結的な作動を行えるようになれば、燃費向上と共に次世代の信頼性飛行システムとして注目されることになる。例えば、従来の油圧供給系統では、アクチュエータの作動または非作動に関わらず、常に高圧の流体を供給し続けなければならなかったが、アクチュエータ作動が必要な時にだけ電力を与えればよいことから、運用面での省エネルギ化に貢献できるとともに、高圧油圧配管という潜在的な危険要因を排除できることになる。

現在では、このようなアクチュエータとして２種類のタイプが実用化されており、その一つがＥＨＡであり、もう一つがＥＭＡ（Electro Mechanical Actuator）である。ＥＨＡは、アクチュエータ内部に油圧系統が存在しており、これを作動させる油圧ポンプ用のモータには外部から電力で動力が供給される。一方、ＥＭＡは、電気モータで作動させる構造であり、完全に油圧系統を排除したものとなっている。

ＥＨＡとＥＭＡを比較した場合、油圧系統を内在させないことから、ＥＭＡの方がシンプルな構造となり、小型化、軽量化の面でより有利であるとされている。しかし、高出力が要求されるアクチュエータでは、ＥＨＡが多く採用されているように、現在の技術レベルでは小型・高出力のモータには限界があり、高出力を要求されるアクチュエータでは、ＥＨＡの採用が主流となっている。

特開２００２−８１３７０号公報 特開２００２−５４６０４号公報

前述の通り、高出力を要するアクチュエータはＥＨＡが主流となっているが、その構造について十分な検討が進んでいない。航空機で使用されるアクチュエータでは、小型化および軽量化に対する要求が強いが、モータ、ポンプおよびリザーバ機構は、一般に外付けで装備されており、ＥＨＡ装置の小型化、さらに軽量化を阻害する要因になっている。

図１は、ＥＨＡの一般的な構造を説明する図である。ＥＨＡは流体配管５を内在しており、アクチュエータ１０、並びにモータ１、ポンプ２およびリザーバ３と一体に構成されている。そのアクチュエータ１０の本体は、シリンダ１１と、シリンダ１１内を軸方向に摺動するピストン１２とからなり、ピストン１２は、ピストンロッド１２ａおよびピストンヘッド１２ｂで構成される。

図１に示すＥＨＡにおいて、アクチュエータ１０に延伸または圧縮の負荷が加わった場合に、流体用のポンプ２が、モータ１の回転に応じてアクチュエータ１０本体に流体配管５を通して流体を供給することにより、シリンダ１１に延伸運動または圧縮運動を作動させて、アクチュエータ１０を負荷に対向させる。

このとき、リザーバ３はシリンダ１１内の延伸側ポート６と圧縮側ポート７には容積差があることから、シリンダ１１の運動に応じてそれぞれのポート６、７に供給される流体量を調整する機能を発揮する。そのため、当該シリンダ１１の運動ストローク、および延伸側ポート６と圧縮側ポート７の容積差に応じて必要となるリザーバ容量が異なる。

コントローラ４は、シリンダ１１の運動に応じてモータの回転方向および回転速度を制御する。図１に示すように、ＥＨＡの一般的な構造においては、モータ１、ポンプ２およびリザーバ３の機構がアクチュエータ１０本体の外付けとして装備されているため、ＥＨＡ装置の小型化を阻害することになる。

通常、ピストン１２を構成するため、ピストンロッド１２ａとして中実材を用いることができる。しかし、ピストンロッド１２ａを中実材で構成すると、装置の軽量化には不利な要因になることから、ピストンロッド１２ａとして中空材が多用されるようになる。

ところが、中空材のピストンロッド１２ａを用いてピストン１２を構成する場合には、ピストンロッド１２ａ内に防錆処理をしたのち、中空部分に不必要に流体が流入しないように、ピストンロッド１２ａをピストンヘッド１２ｂにシール結合することになる。この場合シール性が不十分だと中空部に流体が漏れて中空部内で圧力が立ち、ピストンロッド１２ａの外径が膨らみ、その結果、シリンダ１１とピストンロッド１２ａとのクリアランスが小さくなり干渉を引き起こす可能性があるなど、中空材には問題が多い。

本発明は、上述したアクチュエータのＥＨＡ化にともなって要求される課題に鑑みてなされたものであり、ＥＨＡ装置の小型化および軽量化が可能であり、しかも、アクチュエータのピストン組み立ても簡易にできるリザーバ内蔵型アクチュエータを提供することを目的にしている。

上記目的を達成するため、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータは、シリンダ式のアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体のシリンダ内を摺動するピストンとからなるアクチュエータであって、モータと、前記モータの回転に応じて流体を供給するポンプと、前記シリンダの運動に応じて前記モータの回転を制御するコントローラと、前記シリンダの運動に応じて生ずる流量差に対応し流体の供給量を調整するリザーバとを備え、前記ピストンはそのピストンロッドを中空構造で構成され、周方向の複数箇所に径方向に貫通した流通孔が設けられており、前記リザーバを内蔵する構造からなる。

本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータは、ピストンロッドを中空構造で構成することにより、リザーバをピストンに内蔵する構造としたので、ＥＨＡ装置の小型化および軽量化に有利となる。さらに、リザーバをピストンロッドに内蔵する構造を採用したので、常にピストンロッドの内周面が作動油等の流体で満たされることから、内周面に施す防錆処理そのものをなくすことができる。

本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータでは、リザーバを流体を貯留する流体室と、不活性ガスを保持するガス室とからなる二重構造にすることにより、必要な流体量に応じてリザーバから流体が押し出されるように、ガス室の圧力が設定される。

本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータによれば、一般的なＥＨＡ構造としてアクチュエータ本体の外付けに装備されていたリザーバを、ピストンに内蔵される構造としたので、ＥＨＡ装置の小型化および軽量化が可能になる。しかも、常に中空構造のピストンロッドの内周面には流体で満たされることから、防錆処理を要することなく、ピストン組み立ても簡易にできる。

以下に、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの実施形態を示す断面構成図である。本発明のアクチュエータ１０は、例えば航空機の降着装置用としては、脚揚降や、前脚ステアリングや、３軸６輪型主脚の最後尾に位置する１軸２輪の回転操作や、複数の車軸を有する主脚における任意の１又は複数の車軸の回転操作に作動するＥＨＡ装置として使用される。

図２に示すように、このアクチュエータ１０は、シリンダ式のアクチュエータ本体１０と、アクチュエータ本体のシリンダ１１内を摺動するピストン１２とからなる。ピストン１２は、ピストンロッド１２ａとピストンヘッド１２ｂとを備えており、両者をシール結合することによって構成される。

図２に示すアクチュエータ１０では、外部から加わる負荷に対しては、延伸側ポート６へ流体を供給することにより、シリンダ１１がピストン１２を外へ延伸させる延伸運動を行い、収縮側ポート７へ流体を供給することにより、シリンダ１１がピストン１２を内へ圧縮させる圧縮運動を行う。

本発明のアクチュエータ１０では、流体配管５が設けられ、モータ１およびポンプ２が外付けで装備されている。上述の通り、アクチュエータ１０に負荷が加わった場合、ポンプ２がモータ１の回転に応じてアクチュエータ１０本体のシリンダ１１内に流体を供給し、アクチュエータを負荷に対向させる。

このときに、シリンダ１１に延伸運動を行わせるか圧縮運動を行わせるかは、延伸側ポート６へ流体を供給するか、または圧縮側ポート７へ流体を供給するかに依存するため、コントローラ４は、シリンダ１１の運動に応じてモータ１の回転方向を切り換えるとともに、回転速度を調整する。

本発明のアクチュエータ１０では、ピストンロッド１２ａを中空構造で構成するとともに、ピストンロッド１２ａの周方向の複数箇所に径方向に貫通した流通孔８を設けることにより、リザーバ３をピストンロッド１２ａに内蔵する構造とした。ピストンロッド１２ａの周方向に設けられる流通孔８は、流体の流通を可能にするものであり、その個数を限定するものではないが、複数あることが望ましく、周方向に均等に配置される。

さらに、ピストンロッド１２ａに内蔵されるリザーバ３は、流体を貯留する流体室９と、フリーピストン１４を介して不活性ガスを保持するガス室１３とを設けて二重構造にすることができる。ガス室１３への窒素（Ｎ_２）ガス等の供給は、ガスバルブ１５を通して行われる。

次に、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの動作を説明する。まず、外部から加わった負荷に対向するためシリンダ１１が延伸する場合（白抜き矢印）には、コントローラ４からの信号でポンプ２ａ側が入り側に、ポンプ２ｂ側が出側になるようにモータ１の回転が切り換えられる。その状態で、延伸側ポート６および圧縮側ポート７の流体が解放される。

流体用のポンプ２の作動により、圧縮側ポート７の流体が延伸側ポート６に供給されるが、単位ストローク当たりで必要となる流体量は圧縮側ポート７に比べ延伸側ポート６が大きくなるため、圧縮側ポート７から供給される流体に加え、リザーバ３の流体室９から流体が補充される。このようにして、延伸側ポート６に流体が十分に供給されると、外部から加わった負荷に対向するように、ピストン１２が延伸側へ移動する。

一方、外部からの負荷に抗してシリンダ１１を圧縮する場合（黒抜き矢印）には、コントローラ４からの信号でポンプ２ｂ側が入り側に、ポンプ２ａ側が出側になるようにモータ１の回転が切り換えられる。そして、延伸側ポート６および圧縮側ポート７の流体が解放される。

流体用のポンプ２の作動により、延伸側ポート６の流体が圧縮側ポート７に供給されるが、ストロークに必要な流体量は延伸側ポート６に比べ圧縮側ポート７の方が小さくなるため、延伸側ポート６から供給される流体一部は、流通孔８を通してリザーバ３の流体室９に貯留される。

このようにして、圧縮側ポート７に流体が十分に供給されると、外部からの負荷に抗するように、ピストン１２が圧縮側へ移動する。

本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータでは、一般的なＥＨＡ構造では外付けで装備されていたリザーバを、ピストンのピストンロッド中に内蔵するので、ＥＨＡ装置全体の小型化を図ることが可能になる。また、アクチュエータを構成するピストンロッドとして中実材を用いると、軽量化が図れないことから中空材を用いることとしている。

この場合に、通常、ピストンロッドの内周面には防錆処理が必要となるが、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータでは、ピストンロッドの内周面が流体で満たされることから、防錆処理を要することなく、ピストン組み立ても簡易にできる。

本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータによれば、リザーバをピストンに内蔵される構造としたので、ＥＨＡ装置の小型化が可能になる。しかも、常に中空構造のピストンロッドの内周面には流体で満たされることから、防錆処理を要することなく、ピストン組み立ても簡易にできる。これにより、効率的なＥＨＡとして、広く適用されることになる。

ＥＨＡの一般的な構造を説明する図である。 本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの実施形態を示す断面構成図である。

符号の説明

１：モータ、 ２、２ａ、２ｂ：ポンプ
３：リザーバ、 ４：コントローラ
５：流体配管、 ６：延伸側ポート
７：圧縮側ポート、 ８：流通孔
９：流体室、 １０：アクチュエータ
１１：シリンダ、 １２：ピストン
１２ａ：ピストンロッド、 １２ｂ：ピストンヘッド
１３：ガス室、 １４：フリーピストン
１５：ガスバルブ

Claims (2)

1. シリンダ式のアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体のシリンダ内を摺動するピストンとからなるアクチュエータであって、
   モータと、前記モータの回転に応じて流体を供給するポンプと、前記シリンダの運動に応じて前記モータの回転を制御するコントローラと、前記シリンダの運動に応じて生ずる流量差に対応し流体の供給量を調整するリザーバとを備え、
   前記ピストンはそのピストンロッドを中空構造で構成され、周方向の複数箇所に径方向に貫通した流通孔が設けられており、前記リザーバを内蔵していることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記リザーバは流体を貯留する流体室と、不活性ガスを保持するガス室とからなる二重構造であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
   

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