JP2006138453A - 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、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、モータの回転に応じて流体を供給するポンプと、ピストンの運動に応じてモータの回転を制御するコントローラと、ピストン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、シリンダのアニュラス側であり、かつピストンのピストンヘッドの摺動後退位置から外れる部位のシリンダ内径を拡径し、さらにピストンロッドを中空構造で構成し、リザーバをシリンダのアニュラス側部位およびピストンロッドを中空部位に内蔵していることを特徴とするアクチュエータである。
【選択図】図３

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、ピストン１２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内のボア(Bore)側流体室６とアニュラス(Annulus)側流体室７には容積差があることから、ピストン１２の運動に応じてそれぞれの流体室６、７に供給される流体量を調整する機能を有する。そのため、当該ピストン１２の運動ストローク、およびボア側流体室６とアニュラス側流体室７の容積差に応じて、リザーバ３が必要とする容量は異なることになる。

コントローラ４は、ピストン１２の運動に応じてモータ１の回転方向および回転速度を制御する。ＥＨＡの一般的な構造においては、図１に示すように、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。

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、ピストンロッド径の寸法に拘わらず、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。

本発明者らは、上記目的を達成するため、高出力を要するＥＨＡ構造について種々の検討を加えた結果、装置構成を小型化および軽量化するには、リザーバをアクチュエータ本体に内蔵するのが有効であることに着目した。

本発明の第１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、前記ピストン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、前記ピストン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、前記シリンダのアニュラス側であり、かつ前記ピストンのピストンヘッドの摺動後退位置から外れる部位のシリンダ内径を拡径し、前記リザーバを内蔵する構造からなる。

第１のリザーバ内蔵型アクチュエータは、シリンダのアニュラス側で、かつピストンヘッドの摺動後退位置から外れる部位のシリンダ内径を拡径することにより、リザーバをシリンダのアニュラス側に内蔵する構造としたので、ピストンロッド径の寸法に拘わらずＥＨＡ装置の小型化および軽量化を図ることができる。

例えば、ピストンロッドが小径であり、ピストンロッドを中空構造にすることが困難な場合、または、アクチュエータへの負荷が過大であることから、ピストンロッドの撓み、変形が懸念され、中実材を使用せざるを得ない場合においても、第１のリザーバ内蔵型アクチュエータの構造であれば、何らの支障を生ずることなく採用できることになる。

通常、ＥＨＡ装置の設計に際しては、ピストンロッドを中実材で構成すると、装置の小型化および軽量化には不利な要因になることから、ピストンロッドとして中空材が多用されるようになる。しかし、中空材のピストンロッドを用いてピストンを構成する場合には、ピストンロッド内の防錆が必要になる。このため、ピストンを組み立てる場合には、ピストンロッド内の防錆処理をしたのち、中空部分に不要な流体が流入しないように、ピストンロッドをピストンヘッドにシール結合することが必要になる。

このような点を考慮し、本発明の第２のリザーバ内蔵型アクチュエータは、第１のリザーバ内蔵型アクチュエータの構造に加え、さらに、ピストンのピストンロッドを中空構造で構成し、周方向の複数箇所に径方向に貫通した流通孔を設けることにより、リザーバをピストンロッドの中空部位にも内蔵することとしている。

すなわち、第２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、前記ピストン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、前記ピストン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、前記シリンダのアニュラス側であり、かつ前記ピストンのピストンヘッドの摺動後退位置から外れる部位のシリンダ内径を拡径し、さらに、前記ピストンのピストンロッドを中空構造で構成し、周方向の複数箇所に径方向に貫通した流通孔を設けており、前記リザーバをシリンダのアニュラス側部位およびピストンロッドの中空部位に内蔵する構造からなる。

第２のリザーバ内蔵型アクチュエータでは、さらに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も内蔵する構造としたので、必要以上にシリンダのアニュラス側での拡径を要せず、ＥＨＡ装置の小型化および軽量化に一層有利になる。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。

本発明の第１、第２のリザーバ内蔵型アクチュエータでは、リザーバの端部に、不活性ガスを保持するガス室とフリーピストンとを設けることにより、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構成することにより、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、シリンダのアニュラス側を拡径して内蔵する構造としたので、ピストンロッド径の寸法に拘わらず、ＥＨＡ装置の小型化および軽量化を図ることができる。

さらに、ピストンを中空構造として、リザーバをピストンにも内蔵できる構造としたので、より一層の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。以下では、具体的に本発明の第１、第２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、本発明の第１のリザーバ内蔵型アクチュエータ（以下、単に「第１のアクチュエータ」という）の実施形態を示す断面構成図である。同図に示すように、第１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に示す第１のアクチュエータ１０では、外部から加わる負荷に対しては、ボア側流体室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、アニュラス側流体室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。

第１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、ボア側流体室６へ流体を供給するか、またはアニュラス側流体室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。

第１のアクチュエータ１０では、シリンダ１１のアニュラス側であり、かつ前記ピストンのピストンヘッド１２ｂの摺動後退位置から外れる部位のシリンダ内径を拡径し、リザーバ３をシリンダ１１のアニュラス側部位に内蔵する構造とした。シリンダ１１のアニュラス側の拡径量はＥＨＡ装置の外観寸法に直接影響を及ぼすことから、装着される機器の寸法取り合わせにより、適宜設計することができる。一方、シリンダ１１のアニュラス側の拡径部位は、ピストンヘッド１２ｂの摺動位置および後退限位置から外すことが必要になる。

さらに、シリンダ１１のアニュラス側に内蔵されるリザーバ３は、その端部にフリーピストン１４を設けて、流体を貯留する流体室８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（Ｎ₂）ガス等の供給は、ガスバルブ１５を通して行われる。このとき、グランドナット１６は、ピストンの摺動後退限におけるストッパーの役割を発揮させるため、図１に示す形状にするのが望ましい。

次に、第１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アクチュエータ１０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、ボア側流体室６およびアニュラス側流体室７の流体が解放される。

流体用のポンプ２の作動により、アニュラス側流体室７の流体がボア側流体室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アニュラス側流体室７に比べボア側流体室６が大きくなるため、アニュラス側流体室７から供給される流体に加え、リザーバ３の流体室８から流体が補充される。このようにして、ボア側流体室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アクチュエータ１０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。その状態で、ボア側流体室６およびアニュラス側流体室７の流体が解放される。

流体用のポンプ２の作動により、ボア側流体室６の流体がアニュラス側流体室７に供給されるが、ストロークに必要な流体量はボア側流体室６に比べアニュラス側流体室７の方が小さくなるため、ボア側流体室６から供給される流体一部は、リザーバ３の流体室８に貯留される。

このようにして、アニュラス側流体室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。

本発明の第１の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、シリンダのアニュラス側に内蔵する構造としたので、ピストンロッド径の寸法に拘わらず、ＥＨＡ装置の小型化および軽量化を図ることができる。

図３は、本発明の第２のリザーバ内蔵型アクチュエータ（以下、単に「第２のアクチュエータ」という）の実施形態を示す断面構成図である。同図に示すように、第２のアクチュエータ１０では、前記図２に示す第１のアクチュエータの構造に加え、さらに、ピストン１２のピストンロッド１２ａを中空構造で構成し、周方向の複数箇所に径方向に貫通した流通孔９を設けることにより、リザーバ３ｐをピストンロッド１２ａの中空部位にも内蔵するようにしている。

すなわち、第２のアクチュエータでは、シリンダ１１のアニュラス側であり、かつピストン１２のピストンヘッド１２ｂの摺動後退位置から外れる部位のシリンダ内径を拡径し、リザーバ３ｃをシリンダ１１のアニュラス側部位に内蔵すると同時に、さらにピストン１２のピストンロッド１２ａを中空構造で構成し、周方向の複数箇所に径方向に貫通した流通孔９を設けており、リザーバ３ｐをピストンロッド１２aの中空部位に内蔵することとした。

ピストンロッド１２ａの周方向に設けられる流通孔９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、シリンダ１１のアニュラス側に内蔵されるリザーバ３ｃおよびピストンロッド１２ａに内蔵されるリザーバ３ｐは、流体を貯留する流体室８ｃ、８ｐと、フリーピストン１４ｃ、１４ｐを介して不活性ガスを保持するガス室１３ｃ、１３ｐとを設けて二重構造にすることができる。ガス室１３ｃ、１３ｐへの窒素（Ｎ₂）ガス等の供給は、ガスバルブ１５ｃ、１５ｐを通して行われる。

第２のアクチュエータの動作は、前記図２に示す第１のアクチュエータの場合と同様である。まず、アクチュエータ１０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、ボア側流体室６およびアニュラス側流体室７の流体が解放される。

流体用のポンプ２の作動により、アニュラス側流体室７の流体がボア側流体室６に供給されるが、必要となる流体量を調整するため、アニュラス側流体室７から供給される流体に加え、リザーバ３ｃの流体室８ｃおよびリザーバ３ｐの流体室８ｐから流体が補充される。このようにして、ボア側流体室６に流体が十分に供給されると、ピストン１２が延伸側へ移動する。

一方、アクチュエータ１０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。その状態で、ボア側流体室６およびアニュラス側流体室７の流体が解放される。

流体用のポンプ２の作動により、ボア側流体室６の流体がアニュラス側流体室７に供給されるが、ストロークに必要な流体量を調整するため、ボア側流体室６から供給されて過剰となった流体は、リザーバ３ｃの流体室８ｃに貯留されるとともに、流通孔９を通してリザーバ３ｐの流体室８ｐに貯留される。

このようにして、アニュラス側流体室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。

本発明の第２の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３を、シリンダのアニュラス側部位およびピストンロッドの中空部位に二分して内蔵する構造としたので、より一層効率的にＥＨＡ装置の小型化および軽量化を図ることができる。

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、本発明の第２の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、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、シリンダのアニュラス側を拡径して内蔵する構造としたので、ピストンロッド径の寸法に拘わらず、ＥＨＡ装置の小型化および軽量化を図ることができる。

さらに、ピストンを中空構造として、リザーバをピストンにも内蔵できる構造としたので、より一層の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。これらにより、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。 本発明の第１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。 本発明の第２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、３ｃ、３ｐ：リザーバ、 ４：コントローラ
５：流体配管、 ６：ボア側流体室
７：アニュラス側流体室、 ８、８ｃ、８ｐ：流体室
９：流通孔、 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、１３ｃ、１３ｐ：ガス室
１４、１４ｃ、１４ｐ：フリーピストン
１５、１５ｃ、１５ｐ：ガスバルブ
１６：グランドナット

Claims (3)

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、前記ピストン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、前記ピストン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、
   前記シリンダのアニュラス側であり、かつ前記ピストンのピストンヘッドの摺動後退位置から外れる部位のシリンダ内径を拡径し、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. 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、前記ピストン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、前記ピストン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、
   前記シリンダのアニュラス側であり、かつ前記ピストンのピストンヘッドの摺動後退位置から外れる部位のシリンダ内径を拡径し、
   さらに、前記ピストンのピストンロッドを中空構造で構成し、周方向の複数箇所に径方向に貫通した流通孔を設けており、前記リザーバをシリンダのアニュラス側部位およびピストンロッドの中空部位に内蔵していることを特徴とするアクチュエータ。
3. 前記リザーバの端部に不活性ガスを保持するガス室とフリーピストンとを設けて、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構成することを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
   

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