JP2015507158A - Rotary actuator - Google Patents
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Abstract
基準構造体110と、基準構造体に対する回転運動を行うために配置された出力部材113と、概して直線方向に沿って離れるように第1のモータ部材119及び第2のモータ部材122を動かす出力を選択的に加えるように配置され、第1の方向に、出力部材と基準構造体との間でトルクを引き起こすように構成且つ配置された、第1のリニア・モータ116と、概して直線方向に沿って離れるように第2のリニア・モータの第1の部材134及び第2のモータ部材137を動かす出力を選択的に加えるように配置され、第1の方向とは反対方向に、出力部材と基準構造体との間でトルクを引き起こすように構成且つ配置された、第2のリニア・モータ137と、を有するロータリー・アクチュエータ100が提供される。A reference structure 110, an output member 113 arranged for rotational movement relative to the reference structure, and an output for moving the first motor member 119 and the second motor member 122 away from each other along a generally linear direction. A first linear motor 116 arranged and arranged to selectively apply and configured and arranged to cause torque between the output member and the reference structure in a first direction, generally along a linear direction Arranged to selectively apply an output that moves the first member 134 and the second motor member 137 of the second linear motor away from each other and in a direction opposite to the first direction, A rotary actuator 100 is provided having a second linear motor 137 configured and arranged to cause torque with the structure.
Description
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、2012年2月9日に出願した米国仮特許出願第61/597,141号の優先権を主張するものである。 This application claims priority from US Provisional Patent Application No. 61 / 597,141, filed February 9, 2012, which is incorporated herein by reference.
本発明は概して、ロータリー・アクチュエータの分野に関し、より具体的には、高性能小型ロータリー・アクチュエータに関する。 The present invention relates generally to the field of rotary actuators, and more specifically to high performance miniature rotary actuators.
概して、いくつかのタイプのロータリー・アクチュエータが知られている。例えば、ベーンベースのロータリー油圧アクチュエータが、純電気モータベースのロータリー・アクチュエータと同様に生産されている。 In general, several types of rotary actuators are known. For example, vane-based rotary hydraulic actuators are produced similar to pure electric motor-based rotary actuators.
限定ではなく、単に例示を目的とする開示された実施例の部品、部分、又は表面に対応する括弧付き符号を参照すると、基準構造体(110)と、軸線を中心にした基準構造体に対する回転運動を行うために配置された出力部材(113)と、第1の部材(119)及び第2の部材(122)を有する第1のリニア・モータ(116)であって、概して直線方向に沿って離れるように第1の部材及び第2の部材を動かす出力を選択的に加えるように構成且つ配置され、第1のリニア・モータの第1の部材は基準構造体に結合され、第1のリニア・モータの第2の部材は、出力部材に結合されて、第1のリニア・モータが出力を加えると、第1の方向に、軸線を中心にして、出力部材と基準構造体との間でトルクを引き起こすように構成且つ配置された、第1のリニア・モータ(116)と、第1の部材(134)及び第2の部材(137)を有する第2のリニア・モータ(131)であって、概して直線方向に沿って離れている第2のリニア・モータの第1の部材及び第2のリニア・モータの第2の部材を動かす出力を選択的に加えるように構成且つ配置され、第2のリニア・モータの第1の部材は基準構造体に結合され、第2のリニア・モータの第2の部材は、出力部材に結合されて、第2のリニア・モータの出力が加えられると、軸線を中心にして第1の方向とは反対方向に、出力部材と基準構造体との間でトルクを引き起こすように構成且つ配置された、第2のリニア・モータ(131)と、を有するロータリー・アクチュエータ(100)が提供される。 With reference to the bracketed symbols corresponding to parts, portions, or surfaces of the disclosed embodiment for purposes of illustration and not limitation, reference structure (110) and rotation relative to the reference structure about an axis. A first linear motor (116) having an output member (113) and a first member (119) and a second member (122) arranged to perform movement, generally along a linear direction Configured and arranged to selectively apply an output to move the first member and the second member away from each other, the first member of the first linear motor being coupled to the reference structure, The second member of the linear motor is coupled to the output member so that when the first linear motor applies an output, the first member moves between the output member and the reference structure about the axis in the first direction. Configured and arranged to cause torque at A first linear motor (116) and a second linear motor (131) having a first member (134) and a second member (137), generally along a linear direction Configured and arranged to selectively apply an output for moving a first member of a second linear motor and a second member of a second linear motor that are separated, and a first of the second linear motor The second member of the second linear motor is coupled to the output member, and when the output of the second linear motor is applied, the first member around the axis is coupled to the reference structure. A rotary actuator (100) having a second linear motor (131) constructed and arranged to cause torque between the output member and the reference structure in a direction opposite to the direction of Is done.
第1のリニア・モータ(216)は、単動油圧モータを備えることができる。第1のリニア・モータの第1の部材は、角柱状チャンバを有することができ、及び/又は、第1のリニア・モータの第2の部材は、ピストン(222)を有することができる。角柱状チャンバはシリンダ(219)であってよい。第1のリニア・モータは、ピストンと出力部材との間に配置されたピストン・リンク(248)を有することができる。第1のリニア・モータの第1の部材を、基準構造体に堅く(リジッドに)装着させることができる。ピストン・リンク及び/又はピストンは、玉継手を通して連結されてよい。ピストン・リンク及び出力部材は、ピボット継手(228)又はピン継手を通して連結されてよい。第1のリニア・モータ及び第2のリニア・モータはそれぞれ、概して平行とすることができる作用方向を有することができる。出力部材は、シャフトを有することができる。出力部材は、第1のモータの第2の部材に結合される第1のピボット軸受(228)、及び/又は、第2のモータの第2の部材に結合される第2のピボット軸受(240)を有することができる。第1のピボット軸受及び第2のピボット軸受は、軸線に平行なディメンション(次元;dimention)において所定のオフセットだけ分離されてよい。 The first linear motor (216) may comprise a single acting hydraulic motor. The first member of the first linear motor can have a prismatic chamber and / or the second member of the first linear motor can have a piston (222). The prismatic chamber may be a cylinder (219). The first linear motor can have a piston link (248) disposed between the piston and the output member. The first member of the first linear motor can be rigidly attached to the reference structure. The piston link and / or the piston may be connected through a ball joint. The piston link and output member may be connected through a pivot joint (228) or pin joint. Each of the first linear motor and the second linear motor can have a direction of action that can be generally parallel. The output member can have a shaft. The output member may include a first pivot bearing (228) coupled to a second member of the first motor and / or a second pivot bearing (240) coupled to a second member of the second motor. ). The first pivot bearing and the second pivot bearing may be separated by a predetermined offset in a dimension parallel to the axis.
第1のピボット軸受、第2のピボット軸受、及び、軸線は、同一直線上にあってよい。第1のリニア・モータの第1の部材はシリンダを有することができ、第1のリニア・モータの第2の部材はピストンを有することができ、ピストンは第1の表面及び第2の表面を有する。第1の表面は、シリンダと共に第1のチャンバ(245)を形成することができ、第2の表面は、シリンダと共に第2のチャンバ(255)を形成することができる。シリンダは、概して円筒面を有することができる。円筒面は、ピストンの第1の表面とピストンの第2の表面との間に穴を有することができる。ロータリー・アクチュエータはさらに、ピストンに結合されたドライブ・リンクを有することができる。ドライブ・リンクは穴を横断してよい。 The first pivot bearing, the second pivot bearing, and the axis may be collinear. The first member of the first linear motor can have a cylinder, the second member of the first linear motor can have a piston, and the piston has a first surface and a second surface. Have. The first surface can form a first chamber (245) with the cylinder and the second surface can form a second chamber (255) with the cylinder. The cylinder can have a generally cylindrical surface. The cylindrical surface can have a hole between the first surface of the piston and the second surface of the piston. The rotary actuator can further have a drive link coupled to the piston. The drive link may cross the hole.
第2のリニア・モータ(231)は、単動油圧モータを有することができる。所定のリニア・モータの作動直線距離で変位する、第1のリニア・モータ及び第2のリニア・モータは、同等の油圧油量を有することができる。第1のリニア・モータ及び第2のリニア・モータは、油圧で平衡を保つことができる。出力部材は、航空機操縦翼面に結合されてよい。ロータリー・アクチュエータはさらに、出力部材と基準構造体との間の角度を測定するように構成且つ配置されたポジション・センサを有することができる。ロータリー・アクチュエータはさらに、サーボ制御装置を有することができる。 The second linear motor (231) can comprise a single acting hydraulic motor. The first linear motor and the second linear motor, which are displaced by the predetermined linear motor operating linear distance, can have the same amount of hydraulic oil. The first linear motor and the second linear motor can be balanced by hydraulic pressure. The output member may be coupled to the aircraft control wing surface. The rotary actuator can further include a position sensor configured and arranged to measure the angle between the output member and the reference structure. The rotary actuator can further have a servo controller.
別の態様では、軸線(319)を中心にしてシャフト(313)を回転させるアクチュエータ(300)が提供される。当該アクチュエータ(300)は、筐体(303)と、筐体に配され、中に第1のピストン(328)及び第1の連結リンク(349)を有する第1の単動シリンダ(322)と、軸線に取り付けられたクランク(334)と、筐体に配され、中に第2のピストン(331)及び第2の連結リンク(349)を有する第2の単動シリンダ(325)と、を有する。ここで、第1及び第2の連結リンクは、クランク上の異なる場所に取り付けられてよく、アクチュエータは、第1の単動シリンダの作動によって、クランクが第1の方向に回転するように、且つ、第2の単動シリンダの作動によって、クランクが第1の方向とは反対の第2の方向に回転するように、構成且つ配置される。 In another aspect, an actuator (300) is provided that rotates a shaft (313) about an axis (319). The actuator (300) includes a housing (303), a first single acting cylinder (322) disposed in the housing, and having a first piston (328) and a first connecting link (349) therein. A crank (334) attached to the axis, and a second single-acting cylinder (325) disposed in the housing and having a second piston (331) and a second connecting link (349) therein. Have. Here, the first and second connecting links may be mounted at different locations on the crank, and the actuator is configured such that the operation of the first single acting cylinder causes the crank to rotate in the first direction, and The crank is configured and arranged to rotate in a second direction opposite to the first direction by operation of the second single-acting cylinder.
第1及び第2のシリンダは、実質的に平行に向けられてよい。第1及び第2のシリンダは両方とも、それぞれが、バックラッシュを除去するために同じ一般的な方向に力を与える予荷重を有するように構成且つ配置されてよい。シャフトは、筐体内に配された軸受のセット上を回転することができる。シャフトは、航空機操縦翼面に連結可能である。アクチュエータは、第1の圧力チャンバ及び第2の圧力チャンバのうちの1つに追加の圧力を加えることによって、クランクを第1の位置から第2の位置まで移動させるように構成且つ配置されてよい。アクチュエータは、第1及び第2の圧力チャンバ内に実質的に等しい圧力を与えることによって、クランクの位置を維持することができるように、構成且つ配置されてよい。 The first and second cylinders may be oriented substantially parallel. Both the first and second cylinders may be configured and arranged such that each has a preload that applies force in the same general direction to eliminate backlash. The shaft can rotate on a set of bearings disposed within the housing. The shaft can be coupled to the aircraft control surface. The actuator may be configured and arranged to move the crank from the first position to the second position by applying additional pressure to one of the first pressure chamber and the second pressure chamber. . The actuator may be configured and arranged such that the crank position can be maintained by applying substantially equal pressure in the first and second pressure chambers.
アクチュエータは、油圧油が、第1の圧力チャンバ若しくは第2の圧力チャンバ内に又はそれらから流れないようにすることによってクランクの位置を維持するように、構成且つ配置可能である。第1及び第2の単動シリンダは、円形ではない場合がある断面を有することができる。第1の連結リンクは、玉継手(352)を通して第1のピストンに連結されてよい。第1の連結リンク及び出力部材は、ピボット継手又はピン継手を通して連結可能である。第1及び第2の単動シリンダは、軸線に対して平行なディメンションにおいて所定のオフセットだけ分離されてよい。第1及び第2の単動シリンダは、共通のボアを共用することができる。第1の単動シリンダが、シャフトを移動させるために、第2の単動シリンダによって引き込まれる油圧油の量に実質的に等しい量の油圧油を放出するように、アクチュエータを構成且つ配置することができる。アクチュエータはさらに、シャフトと筐体との間の角度を測定するように配置且つ構成されたポジション・センサを有することができる。アクチュエータはさらに、サーボ制御装置を有することができる。 The actuator can be configured and arranged to maintain the crank position by preventing hydraulic fluid from flowing into or out of the first pressure chamber or the second pressure chamber. The first and second single acting cylinders may have a cross section that may not be circular. The first connecting link may be connected to the first piston through a ball joint (352). The first connecting link and the output member can be connected through a pivot joint or a pin joint. The first and second single acting cylinders may be separated by a predetermined offset in a dimension parallel to the axis. The first and second single acting cylinders can share a common bore. Configuring and arranging the actuator such that the first single acting cylinder releases an amount of hydraulic oil substantially equal to the amount of hydraulic oil drawn by the second single acting cylinder to move the shaft; Can do. The actuator can further include a position sensor arranged and configured to measure the angle between the shaft and the housing. The actuator can further have a servo controller.
別の態様では、基準構造体(110)と、軸線を中心にした基準構造体に対する回転運動を行うために配置された出力部材(113)と、第1の部材(119)及び第2の部材(122)を有する第1のリニア・モータ(116)であって、概して直線方向に沿って離れるように第1の部材及び第2の部材を動かす出力を選択的に加えるように構成且つ配置され、第1のリニア・モータの第1の部材は基準構造体に結合され、第1のリニア・モータの第2の部材は、出力部材に結合されて、第1のリニア・モータが出力を加えると、第1の方向に、軸線を中心にして、出力部材と基準構造体との間でトルクを引き起こすように構成且つ配置された、第1のリニア・モータ(116)と、第1の部材(134)及び第2の部材(137)を有する第2のリニア・モータ(131)であって、概して直線方向に沿って離れるように第2のリニア・モータの第1の部材及び第2のリニア・モータの第2の部材を動かす出力を選択的に加えるように構成且つ配置され、第2のリニア・モータの第1の部材は基準構造体に結合され、第2のリニア・モータの第2の部材は、出力部材に結合されて、第2のリニア・モータの出力が加えられると、軸線を中心にして第1の方向とは反対方向に、出力部材と基準構造体との間でトルクを引き起こすように構成且つ配置された、第2のリニア・モータ(131)と、を有するアクチュエータを動作させる方法であって、第1のリニア・モータに第1の非ゼロの力を加えさせ、第2のリニア・モータに第2の非ゼロの力を加えさせ、それによって、バックラッシュを低減することができるステップを有する方法が提供される。 In another aspect, a reference structure (110), an output member (113) arranged for rotational movement relative to the reference structure about an axis, a first member (119) and a second member A first linear motor (116) having (122) configured and arranged to selectively apply an output to move the first member and the second member away from each other along a generally linear direction. The first member of the first linear motor is coupled to the reference structure, the second member of the first linear motor is coupled to the output member, and the first linear motor applies the output. A first linear motor (116) configured and arranged to cause torque between the output member and the reference structure about the axis in a first direction; and a first member (134) and second member (137) A second linear motor (131) that selects an output that moves the first member of the second linear motor and the second member of the second linear motor away from each other generally along a linear direction; The first member of the second linear motor is coupled to the reference structure, and the second member of the second linear motor is coupled to the output member, A second linear motor configured and arranged to cause torque between the output member and the reference structure in a direction opposite to the first direction about the axis when the output of the two linear motors is applied; A first non-zero force applied to the first linear motor and a second non-zero to the second linear motor. Force the power of the Comprising the step which can reduce the rush is provided.
方法は、要求された出力部材特性を受け取るステップと、出力部材が、要求された出力部材特性にマッチしない実際の特性を有する時、第1の非ゼロの力を第2の非ゼロの力に対して調整するステップとをさらに有することができる。出力部材特性は、基準構造体に対する角度であってよい。方法は、出力部材が、要求された出力部材の角度位置よりも小さい角度を有する時、第2の非ゼロの力を第1の非ゼロの力に対して大きくし、それによって、出力部材と基準構造体との間にトルクを加えることができるステップをさらに有することができる。 The method includes receiving a requested output member property and, when the output member has an actual property that does not match the requested output member property, the first non-zero force into a second non-zero force. The method may further comprise a step of adjusting for. The output member characteristic may be an angle with respect to the reference structure. The method increases the second non-zero force relative to the first non-zero force when the output member has an angle that is less than the requested angular position of the output member, thereby The method may further include a step capable of applying a torque to the reference structure.
別の態様では、長手方向軸線を中心とした概して円柱形状の内面、第1の端部、及び第2の端部を有するシリンダ(419)であって、当該内面は、第1の端部と第2の端部との間に配置された穴(470)を有する、シリンダ(419)と、シリンダ内の滑り運動を行うように構成且つ配置されたピストン(422)であって、第1の表面及び第2の表面を有し、第1の表面及び第2の表面は、長手方向軸線に沿って概して相対する方向に対向し、第1の表面はシリンダと共に第1のチャンバ(494)を形成し、第2の表面はシリンダと共に第2のチャンバ(495)を形成する、ピストン(422)と、第1のチャンバと流体連通する第1の油圧ポート(492)と、第2のチャンバと流体連通する第2の油圧ポート(493)と、第1の端部及び第2の端部を有し、穴を通るように配置されたドライブ・リンク(448)であって、ドライブ・リンクの第1の端部は、第1の表面と第2の表面との間でピストン上の位置に結合される、ドライブ・リンク(448)と、を有する油圧アクチュエータ(400)であって、当該アクチュエータは、ピストンがシリンダに対して移動する時、シリンダに対するドライブ・リンクの運動を引き起こすように構成且つ配置されてよい、油圧アクチュエータ(400)が提供される。 In another aspect, a cylinder (419) having a generally cylindrical inner surface about a longitudinal axis, a first end, and a second end, the inner surface being connected to the first end. A cylinder (419) having a hole (470) disposed between the second end and a piston (422) configured and arranged for sliding movement within the cylinder, wherein A first surface and a second surface, wherein the first surface and the second surface are opposed in a generally opposite direction along the longitudinal axis, the first surface together with the cylinder defining the first chamber (494). A piston (422), a first hydraulic port (492) in fluid communication with the first chamber, a second chamber, and a second surface forming a second chamber (495) with the cylinder A second hydraulic port (493) in fluid communication; And a second end, and a drive link (448) disposed through the hole, wherein the first end of the drive link has a first surface and a second end. A hydraulic actuator (400) having a drive link (448) coupled to a position on the piston between the surface and the actuator when the piston moves relative to the cylinder. A hydraulic actuator (400) is provided that may be configured and arranged to cause movement of the link.
ドライブ・リンクは、第1のチャンバ又は第2のチャンバを通らない。油圧アクチュエータは、基準構造体と、軸線を中心にして、ドライブ・リンクと基準構造体との間の回転運動を可能にするように構成且つ配置された、ドライブ・リンクと基準構造体との間のピボット継手とをさらに有することができる。シリンダを基準構造体に装着することができる。油圧アクチュエータは、シリンダに対する回転運動を行うように構成且つ配置されたドライブ・シャフト(413)をさらに有することができる。ドライブ・シャフトをドライブ・リンクに結合することができる。シリンダは、非円形の断面を有することができる。ドライブ・リンクは、ピボット継手又はピン継手を通してピストンに結合されてよい。ドライブ・リンクは、自在継手を通してピストンに結合されてよい。ドライブ・リンクは、玉継手を通してピストンに結合されてよい。第1のチャンバ及び第2のチャンバは、油圧で平衡を保つことができる。 The drive link does not pass through the first chamber or the second chamber. The hydraulic actuator is between the reference structure and the drive link and the reference structure configured and arranged to allow rotational movement between the drive link and the reference structure about the axis. And a pivot joint. The cylinder can be attached to the reference structure. The hydraulic actuator can further include a drive shaft (413) configured and arranged to provide rotational movement with respect to the cylinder. A drive shaft can be coupled to the drive link. The cylinder can have a non-circular cross section. The drive link may be coupled to the piston through a pivot joint or pin joint. The drive link may be coupled to the piston through a universal joint. The drive link may be coupled to the piston through a ball joint. The first chamber and the second chamber can be balanced by hydraulic pressure.
第1のチャンバが、シリンダに対するピストンの運動を行うために、第2のチャンバによって引き込まれる油圧油の量に実質的に等しい量の油圧油を放出するように、アクチュエータを構成且つ配置することができる。油圧アクチュエータは、ドライブ・リンクとシリンダとの間の角度を測定するように構成且つ配置されたポジション・センサをさらに有することができる。油圧アクチュエータは、サーボ制御装置をさらに有することができる。 The actuator may be configured and arranged such that the first chamber releases an amount of hydraulic oil substantially equal to the amount of hydraulic oil drawn by the second chamber to effect piston movement relative to the cylinder. it can. The hydraulic actuator may further comprise a position sensor configured and arranged to measure the angle between the drive link and the cylinder. The hydraulic actuator can further include a servo control device.
別の態様では、第1の油圧ポート(733)、第2の油圧ポート(735)及び入力ドライブ・シャフトを有する斜軸式油圧ポンプ(740)と、斜軸式ポンプの入力ドライブ・シャフトに機械的に結合されたギア・シャフトであって、斜軸式ポンプをギア・シャフトより遅い速度で回転させるメカニカル・アドバンテージを与えるためのギア・シャフトを有するギア組立体(750)と、を有するアクチュエータ電力系統が提供され、この場合、アクチュエータ電力系統は、ギア・シャフトが回転可能である時、第1の油圧ポートと第2の油圧ポートとの間に流体の流れを引き起こすように構成且つ配置可能である。アクチュエータ電力系統は、ギア・シャフトに結合される電気モータ(760)をさらに有することができる。アクチュエータ電力系統は、斜軸式油圧ポンプから電力が供給されるように構成且つ配置される、油圧で平衡が保たれたロータリー・アクチュエータをさらに有することができる。 In another aspect, an oblique hydraulic pump (740) having a first hydraulic port (733), a second hydraulic port (735) and an input drive shaft, and an input drive shaft for the oblique pump Actuator assembly having a mechanically coupled gear shaft having a gear shaft for providing a mechanical advantage to rotate the oblique pump at a slower speed than the gear shaft (750) A system is provided, where the actuator power system can be configured and arranged to cause fluid flow between the first hydraulic port and the second hydraulic port when the gear shaft is rotatable. is there. The actuator power system can further include an electric motor (760) coupled to the gear shaft. The actuator power system can further include a hydraulically balanced rotary actuator that is constructed and arranged to receive power from the oblique axis hydraulic pump.
最初に、同様の参照符号は、いくつかの図面を通じて一貫して同じ構造要素、部分、又は表面を特定することを意図され、要素、部分、又は表面を、明細書全体によってさらに記載又は説明することができ、そのうちのこの詳細な説明は不可欠な部分である。別段指定のない限り、図面は、明細書と共に読まれることを意図され(例えば、クロス・ハッチング、部品の配置、比率、度合いなど)、本発明の記載された説明全体のうちの一部と考えられるべきである。以下の説明において用いられる場合の、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」、及び「下」という用語、並びに、それらの形容詞形及び副詞形の派生語(例えば、「水平方向に」、「右方向に」、「上方に」、など)は、単に、特定の図面が読者に面する場合の例示された構造の向きのことを指す。同様に、「内方に」及び「外方に」という用語は、概して、必要に応じて、その伸長軸線又は回転軸線に対する表面の向きのことを指す。 Initially, like reference numerals are intended to consistently identify the same structural element, portion, or surface throughout the drawings, and the element, portion, or surface is further described or described throughout the specification. This detailed description of which can be an integral part. Unless otherwise specified, the drawings are intended to be read with the specification (eg, cross-hatching, component placement, proportions, degrees, etc.) and considered as part of the overall written description of the invention. Should be done. The terms “horizontal”, “vertical”, “left”, “right”, “upper”, and “lower”, as well as their adjective and adverb forms (for example, , “In the horizontal direction”, “in the right direction”, “upward”, etc.) simply refers to the orientation of the illustrated structure when the particular drawing faces the reader. Similarly, the terms “inward” and “outward” generally refer to the orientation of the surface relative to its extension or rotation axis, as appropriate.
開示された実施例は、リニア・モータによって駆動する高性能ロータリー・アクチュエータ及びロータリー・アクチュエータ・システムを提供する。ここで図面を、より詳細には図1を参照すると、ロータリー・アクチュエータの第1の実施例の側面図が開示されている。ロータリー・アクチュエータ100は、基準構造体110、第1のリニア・モータ116、第2のリニア・モータ131、及び出力部材113を含む。図1に示されるように、基準構造体110は概して、ラーメン又は筐体である。出力部材113はまた、概して剛構造である。出力部材113は、ピボット継手114を通して基準構造体110に結合される。ピボット継手114は、軸線115(図1に示される軸線115は、ページに垂直の方向を有する)を中心として、基準構造体110と出力要素113との間の回転運動を可能にする。ピボット継手114はまた、基準構造体110と出力部材113との間の角度及び/又はトルクを測定するセンサを含む。
The disclosed embodiment provides a high performance rotary actuator and rotary actuator system driven by a linear motor. Referring now to the drawings, and more particularly to FIG. 1, a side view of a first embodiment of a rotary actuator is disclosed. The
リニア・モータ116は、第1の部材119及び第2の部材122を含む2つの主要部分を有する。第1の部材119及び第2の部材122は、互いに対して直線運動を行うように結合される。リニア・モータ116を作動させると、方向160に沿って離れるように第1の部材119及び第2の部材122を動かす力が加えられる。
The
リニア・モータ131はリニア・モータ116と同様である。リニア・モータ131は、第1の部材134及び第2の部材137の2つの主要部分を有する。第1の部材134及び第2の部材137は、互いに対して直線運動を行うように結合される。リニア・モータ131を稼動させると、方向163に沿って離れるように第1の部材134及び第2の部材137を動かす力が加えられる。
The
リニア・モータ116の第1の部材119は、カップリング125において基準構造体110に結合される。第2の部材122は、カップリング128において出力部材113に結合される。カップリング125及び128は、ピボット継手、自在継手、又は玉継手を含むことができる。カップリング125及び128は、第1の部材119及び第2の部材122の一部が互いに対して回転可能である場合、剛性取り付け部であってよい。リニア・モータ116を作動させて、線160に沿って第1の部材119に対して右方向に駆動されるように第2の部材122を動かす。この作動によって、カップリング125及びカップリング128は効果的に離される。別の方法で述べると、リニア・モータ119は、箇所125における基準構造体110と箇所128における出力部材113との間に、その2つが離される方向に加えられる力を引き起こす。カップリング128は、カップリング125とピボット継手114との間に形成された線165より上にあるため、リニア・モータ116によって加えられた力は、基準構造体110と出力部材113との間にトルク169を引き起こす。
The
リニア・モータ131は、基準構造体110と出力要素113との間に同様に連結されるが、リニア・モータ131は、基準構造体110と出力要素113との間に加えられる、トルク169とは反対方向のトルク166を選択的に引き起こすように配置される。より具体的には、リニア・モータ131の第1の部材134は、カップリング143において基準構造体110に結合される。第2の部材137は、カップリング140において出力部材113に結合される。カップリング143及び140は、ピボット継手、自在継手、玉継手を含むことができ、又は、第1の部材134及び第2の部材137の一部が互いに対して回転可能である場合、剛性取り付け部であってもよい。リニア・モータ131を作動させて、第1の部材134に対して右方向に駆動されるように第2の部材137を動かす。この作動によって、カップリング143及びカップリング140は効果的に離される。別の方法で述べると、リニア・モータ131は、箇所143における基準構造体110と箇所140における出力部材113との間に、その2つが離される方向に加えられる力を引き起こす。ピボット継手140は、カップリング143とピボット継手114との間に形成された線167より下にあるため、リニア・モータ131によって加えられた力は、基準構造体110と出力部材113との間にトルク166を引き起こす。
The
ピボット継手140は、線165より上にあるピボット継手128と比較すると、線167より下にあるため、それぞれ各リニア・モータによって加えられたトルク166、169は、相対する方向にある。リニア・モータ116及び131は、基準構造体110と出力要素113との間に一方向に力をもたらすことができることを必要とするだけである。リニア・モータ116及び131が両方向、すなわち、「押す」及び「引く」力をもたらすことができることは必要とされない。リニア・モータ116及び131が、基準構造体110と出力要素113との間に加えられる、相対する方向のトルクを引き起こすように配置されることだけが必要である。単動リニア・モータだけがロータリー・アクチュエータ110にとって必要であるが、本発明の趣旨から逸脱することなく、複動リニア・モータをロータリー・アクチュエータ110において使用することができる。また、リニア・モータ116及び131が依然、相対するトルクをもたらすことができることになるため、当該両モータを、双方が「押す」力の代わりに「引く」力だけをもたらす単動リニア・モータと置き換えることができる。
Since the pivot joint 140 is below the
リニア・モータ116及び131は、電気モータ、単動油圧アクチュエータ、空気圧式アクチュエータ、直線駆動ねじ、又は、何か他の同様のモータ・タイプであってよい。ロータリー・アクチュエータ110はまた、サーボ制御装置を含むことができる。
ロータリー・アクチュエータ100を、複数の異なる動作モードで動作させることができる。動作の第1の方法は、低バックラッシュ・モードである。低バックラッシュ・モードでは、ロータリー・アクチュエータ100が使用されている間、各リニア・モータ116、131によって最小閾値力が常に加えられる。このモード下では、システムの機械的リンク機構が常に加圧されるため、継手114、125、128、140及び143におけるいずれの公差又は「遊び」も、それらの「遊び」の領域において「片寄る」ことになり、効果的には、バックラッシュを引き起こさないようになる。例えば、ロータリー・アクチュエータ100が最初に、出力部材113に対して時計回りのトルクを加えて、その後反時計回りのトルクを加えるように要求された場合、ロータリー・アクチュエータ100における機械的リンク機構は常に加圧されるため、かなりのバックラッシュが生じないことになる。より具体的には、時計回りのトルク169を出力部材113に加えるために、リニア・モータ116は、20Nの力を加えるように要求される場合がある一方、リニア・モータ131は、10Nの最小閾値力を加えるように要求される。よって、10Nの力は、モータ間で相殺されており、この10Nの反作用力は、モータ間の機械的リンク機構を通る。従って、ロータリー・アクチュエータ100の各要素は、反作用力によって引き起こされる加圧下にあるため、ロータリー・アクチュエータ100の継手はどれも自由に「揺れる」ことはない。次に、ロータリー・アクチュエータ100が反時計回りのトルク166を加えるように要求された場合、リニア・モータ116は、10Nの最小閾値力を加えるように要求される一方、リニア・モータ131は、20Nの力を加えるように要求される。これによって、出力部材113に対して正味トルクが引き起こされて、時計回りから反時計回りへと移行するが、ロータリー・アクチュエータ100の継手の全ては、加圧されたままである。単複動のモータを有する典型的な従来技術のロータリー・アクチュエータは、時計回りのトルクと反時計回りのトルクとを切り換えて加える場合、加圧されたその機械的リンク機構の全ての継手を維持することができないため、個々の機械的リンク機構の継手が加圧及び伸長された状態から切り換えられる時、バックラッシュにより損なわれる。
The
ロータリー・アクチュエータ100を、低摩擦モードでも動作することができ、この場合、一回につき1つのモータのみが稼動する。低バックラッシュモードの動作において存在する機械的リンク機構における連続的な伸張を防ぐことによって、個々のリンク機構の継手に生じる摩擦が低減する。低摩擦モードの動作は、継手及びリニア・モータの摩耗率を低減するのに役立つ。また、各モータは連続的に作動しないので、低バックラッシュモードの動作に比べて、低摩擦モードによって、効率を高めることもできる。
The
また、ある時間におけるシステムの特定の必要性によっては、ロータリー・アクチュエータ100の動作モードを選択的に調整することができる。
Also, depending on the specific needs of the system at a certain time, the operating mode of the
図2は、ロータリー・アクチュエータの第2の実施例の側面部分断面図である。ロータリー・アクチュエータ200は、基準フレーム210、第1の単動油圧モータ216、第2の単動油圧モータ231、及び出力部材213の主要構成要素を含む。ロータリー・アクチュエータ200は、出力部材213に堅く結合される従動部材250を駆動するように配置される。
FIG. 2 is a side sectional view of a second embodiment of the rotary actuator. The
第1の油圧モータ216は、シリンダ219及びピストン222を有する。シリンダ219は、基準フレーム210に堅く装着されている。ピストン222は、シリンダ219内で左右に摺動できるように、シリンダ219内に構成且つ配置され、ピストン222の外面と、シリンダ219の内部の円筒状壁との間の密封を維持する。ピストン222及びシリンダ219は、油圧ポート246と流体連通するチャンバ245を形成する。ピストン222は、連結リンク248の左端に結合されるピボット継手247を有する。連結リンク248の右端は、ピボット継手228を通して出力部材213に結合される。
The first
出力部材213は、ピボット継手214を通して基準構造体210に結合され、これによって、出力部材213は、軸線215を中心にして基準フレーム210に対して回転することができる。ピボット継手214は、ロータリー・ポジション・センサ217を有し、このロータリー・ポジション・センサ217は、基準フレーム210と出力部材213との間の角度を検知し、出力線218においてこの角度情報を出力する。従動部材250は、基準フレーム210に対して出力部材213と共に回転するように、出力部材213及びピボット継手214に堅く結合される。
The
第2の油圧モータ231は、基準フレーム210に堅く装着されるシリンダ234と、ピストン237とを有する。ピストン237は、シリンダ234内で左右に摺動できるように、シリンダ234内に構成且つ配置され、ピストン237の外面と、シリンダ234の内部の円筒状壁との間の密封を維持する。ピストン237及びシリンダ234は、油圧ポート256と流体連通するチャンバ255を形成する。ピストン237は、連結リンク258の左端に結合されるピボット継手257を有する。連結リンク258の右端は、ピボット継手240を通して出力部材213に結合される。
The second
ポート246及び256によって、単動リニア油圧モータ216及び231のそれぞれに、油圧油が供給される。リニア・モータ216及び231によって引き起こされた出力は、ポート246及び256における流体の圧力それぞれに、直接依存する。ポート246及び256における圧力を標準の油圧弁によって制御することができる。
ロータリー・アクチュエータ200の動作は実質的に、ロータリー・アクチュエータ100と同様である。より実際的には、油圧モータ216及び231の両方が、基準構造体210と出力部材213との間に加えられる異極性のトルクをそれぞれ引き起こす、基準構造体210と出力部材213との間の「押す」力をもたらす。同様に、ロータリー・アクチュエータ100の動作において、モータ119及び131は、基準構造体110と出力部材113との間に相対するトルクをもたらす。また、ロータリー・アクチュエータ200を、ロータリー・アクチュエータ100の動作モードと同様に、低バックラッシュ・モード及び低摩擦モードで動作させることができる。
The operation of the
リニア油圧モータ216及び231の寸法は実質的に同じである。より具体的には、シリンダ219の断面積は実質的に、シリンダ234の断面積と同じである。これらの寸法によって、ピストン222が右方向に変位した場合の、ポート246を通って流れ込む油圧油の量を、ピストン237が同じ右方向に変位した場合の、ポート256内へ流れる油圧油の量と同等になる。ピストン222がピストン237と同程度に変位するという意味で、ロータリー・アクチュエータ200が「芯出し」されると、出力部材213の回転によって、ピストン237が左方向に変位した場合と実質的に同等に、ピストン222を右方向に変位させる。ロータリー・アクチュエータ200の「平衡が保たれた変位」という特性は、ロータリー・アクチュエータ200を駆動させるために使用される油圧システム全体に対してかなり肯定的な意味合いを有する。貯油槽を除いて、油圧システム内の稼動時の全油圧量は概して、ロータリー・アクチュエータ200などの「平衡が保たれて変位」するアクチュエータのみを有するシステムにおいて一定のままとなるため、システムの効率はかなり向上する。平衡の保たれていない油圧システムと比較して、高圧流体の作業可能性は、システムの油圧量全体が減少する度に失われることはない。
The dimensions of the linear
図3〜10に移り、最初に図3を参照すると、第3の実施例のロータリー・アクチュエータ300は、シャフト313を取り囲む本体306が形成された筐体303を有する(図6及び8において最も良く示されている)。シャフト313は、両端部において軸受(図示せず)に装着されてよく、出力部材316を備えることができ、この出力部材316をシャフト313に対して一体化して形成する、又は、取り付けることができることで、出力部材316が中央の長手方向シャフト軸線319を中心にして回転する。筐体303はまた、本体306から伸長する2つのシリンダ322及び325を含む。シリンダ322及び325は、ピストン328、331のためのチャンバを画定する(図6及び8に示される)。ピストン328及び331は、シリンダ322及び325において使用されるのに適した円形の断面を有する。この実施例におけるシリンダ322及び325は、以下で詳細に説明するような単動油圧シリンダである。本開示に基づいて、シリンダという用語は、リニア・モータの胴を説明するために使用され、任意の特定の形状に限定することを意図しておらず、異なる形状のピストンを受けるチャンバの他の形状も適することは、当業者には理解されるであろう。例えば、シリンダは、非円形断面を有する胴、又は、概して角柱形状を有する胴を指す場合がある。シリンダ322及び325は、図4において最も良く示されるように、それぞれ、シャフト軸線319の両側に配された長手方向軸線323、324を有する。
Turning to FIGS. 3-10, and initially referring to FIG. 3, the
図6において、筐体303は、ピストン328及び331の配置を明確に示すために除去されている。ピストン328及び331は、中央の長手方向シャフト軸線319の両端部に配されたクランクピン334及び337に連結される。それに応じて、ピストン328の下方への移動によって、シャフト313は、図6の方向付けに対して、軸線319を中心にして反時計回りに回転し、ピストン331の下方への移動によって、シャフト313は、図6の方向付けに対して、軸線319を中心にして時計回りに回転する。図5に最も良く示されているように、シリンダ322及び325を、シャフト313の長さに沿って、異なる位置に装着することができる。さらに、図4に最も良く示されるように、ピストン322及び325を、互いに対してジグザグに又はずらして配置327することができる。
In FIG. 6, the
ピストン328は、第1の端部343において実質的に平面340を有し、これによって、ピストン328がシリンダ322内に設置されると、圧力チャンバの端壁が形成される。シリンダ322は、表面340に隣接したチャンバの部分が、作動流体にさらされた唯一の部分であるため単動する。それに応じて、ピストン328のみが、1つの圧力チャンバに対して密封されなければならず、ピストン328及び連接棒349は第2の端部346において密封されない。連接棒349は、以下でより詳細に説明する、玉及びピン構造352によってピストン328に取り付けられる。連接棒349の支持部362、365は、以下でより詳細に説明するように、シャフト313上のクランクピン334に連結される。ピストン331は、平面332を有し、シリンダ331に設置され、ピストン328と同様に、連接棒349によってクランクピン337に連結される。
The
図9に移ると、ピストン328及び連接棒349がより詳細に示されている。ピストン328の上面340が作動流体にさらされる。ピストン328は、当業者には既知のように、シリンダ内で密封係合して摺動するためのリング350、353を有する。連接棒349は、第2の端部357、358に対して下方へ且つわずかに外方へ伸長する一対の支持部362、365を有する。支持部362、365は、開口部363、366を配して、それらを通してクランクピン334又は337を受ける。開口部363、366は、典型的には、当業者には理解されるように、ブッシングなどの軸受表面367(図10A)を備える。図10Aに移ると、連接棒349が、球体359内に装着されたピン356によってピストン328に連結される。連接棒349は、球体359を受けるための開口部354を有する。球体359は、ピン356を受けるための中央開口部を有する。ピストン328は、連接棒349の第1の端部351を受けるための中央軸線方向開口部329を有し、当該ピストン328には、ピストン軸線370に対して(矢印369によって示される)横方向にピン356を受けるために、ピストン328の両側に、一対の横方向開口部364、368が配されている。ピン356は、球体359内の開口部を通り、且つ、ピストン328内の横方向開口部364、368を通って配され、連結部材373によって適所に固定される。図10Bにおいて最も良く示されているように、連結部材373は、一端部379においてフランジ377を有する主要部375と、一端部385においてフランジ383を有するキャップ381とを有する。連結部材373の2つの部分が取り付けられると、フランジ377、383は、ピストン328内の球体359及び横方向開口部364、368からピン356が滑り出さないようにする。連結部材373の主要部375は、長手方向軸線388の方向に伸長する長手部387を有する。長手部387は、末端部390の方に位置する縮幅部389を有する。縮幅部389は、部位392に対して長手部387の残部と同じ幅を有する指状部分391へと、その後、末端部390において終止する角度が付けられた部位393へと伸長する。キャップ381周辺には、開口部396を有する円筒状部393が配されている。リング397は、開口部396の反対側に形成され、リング397は、末端部399において終止する。
Turning to FIG. 9, the
中空ピン356が、ピストン328の両側において横方向開口部364、368を通して、及び、球体359を通して設置され、ピン356を通して連結部材373の主要部375を据えることによって、及び、キャップ381を主要部375の末端部390に取り付けることによって固定される。キャップ381が主要部375に係合されている場合、指状部分391の向きが内方にそれ、その後、開口部396にはめ込まれ、リング399は、主要部375上の縮幅部389に組み込まれる。
A
上述された玉及びピン構造352によって、メカニカル・アドバンテージがもたらされ、連接棒349及びピン356のサイズ並びに重量が低減される。ピン356は、圧力チャンバから受けた力を球体359内へ送り、球体359は、ピン356からの力をクランクシャフト313内へ送る。ピボット継手の代わりに球体359を使用することによって、いずれのミスアライメントからの応力も解放するのに有用なさらなる自由度が可能になる。
The ball and
当業者には明白となるように、連接棒349をピストン328に接合するための他の構造も適している場合がある。
Other structures for joining the connecting
第1、第2及び第3の実施例によって、いくつかの意外な利点がもたらされる。ロータリー・アクチュエータ100、200及び300は、低バックラッシュ・モードで選択的に動作可能であるという利点を有し、これによって、出力部材を制御する際のより高い精度がもたらされる。さらには、低バックラッシュ・モードの動作は任意であるため、その代わりに低摩耗モードの動作による精密な動作が可能である。
The first, second and third embodiments provide several surprising advantages. The
さらに、ロータリー・アクチュエータ100、200及び300は、油圧アクチュエータの平衡が保たれているという利点を有する。さらに具体的には、平衡が保たれた油圧アクチュエータ・システムにおいて、小さくなるチャンバから出ていく流体の量と同等量の油圧油が、拡張するチャンバに入る。流体及び力の平衡が保たれたアクチュエータ・システムを有することによって、複数の利点が与えられる。平衡の保たれた油圧システムはより大きい油圧ポンプの効率をもたらす。さらには、平衡の保たれた油圧動作により適した斜軸式の油圧ポンプなどの油圧ポンプを使用することができる。また、サーボ制御アルゴリズム及び油圧制御弁は、必ずしも右/左の力の差異の原因となるわけではないため、均衡した力によって、より簡易なサーボ制御装置の設計が可能となる。
Furthermore, the
ロータリー・アクチュエータ100、200及び300は、非常に細い筐体を有するという利点も有する。より具体的には、図7に示されるように、ロータリー・アクチュエータ300の横幅は類似の従来技術のシステムよりずっと小さい。シリンダ328及び331は、互いに対してジグザグに及びずらして配置されるため、シリンダ328、331がジグザグに及びずらして配置されない場合は不可能である、細いアクチュエータ筐体が実現される。さらには、ロータリー・アクチュエータ300内の各ピストンの連接棒349は、複式の支持部(図6の362及び365)のピボット継手によって連結され、且つ、高表面積を有するため、玉継手(352)の非常に大きな力を、継手を損傷せずに加えることができ、さらには、レバーをより短くし、筐体を細くすることができる。
The
また、リニア・アクチュエータは、単動のみを必要とするため、従来技術の複動リニア・アクチュエータと比べて、部品の数が少なく、安価で、より簡易な設計となる。アクチュエータ100、200及び300において使用される単動リニア・モータはまた、低油圧漏れ量を有するという利点をもたらす。より具体的には、従来技術の複動油圧ピストンは、典型的には、ピストンの片側で作動する高圧チャンバを通るピストン・リンクを有する。このような従来技術のシステムは、ピストン・リンク表面にわたって高圧密封を必要とし、これは、設計且つ維持するのに問題点が多く、かなりの漏れに至ることが多い。開示された実施例では高圧密封のみが、ピストンの外面とシリンダの内面との間に施されているため、従来技術のピストン・リンクの密封において生じてしまうような、高レベルの油圧油の漏れはない。
Further, since the linear actuator requires only a single action, the number of parts is small, and the design is cheaper and simpler than the double-acting linear actuator of the prior art. Single acting linear motors used in
図11〜15によって、ロータリー・アクチュエータの第4の実施例の観点が提供される。図11は、図12の正面図における、断面線11−11によるロータリー・アクチュエータ400の側面断面図である。図11〜12に示されるように、ロータリー・アクチュエータ400は、筐体410、出力シャフト413、シリンダ419、ピストン422、連結リンク448、及び滑り軸受447を含む。図11はまた、左端板490及び右端板491を示している。端板490は図12において除去されている。
FIGS. 11-15 provide aspects of a fourth embodiment of a rotary actuator. FIG. 11 is a side sectional view of the
筐体410は、鋳鉄、鋼鉄、複合材料、高強度プラスチック、又は、その他の同様の材料から形成される。筐体410によって、基準構造体にアクチュエータ400をボルト留めする、又は装着する表面がもたらされる。シリンダ419は、筐体410の貫通孔として形成される。シリンダ419は、第1の端部471及び第2の端部472によって、概して中空の円筒形状を有する。第1の端部471と第2の端部472との間のほぼ中間において、シリンダ419の上壁は穴470を有する。
The
ピストン422は、シリンダ419内の摺動係合のために配置且つ構成される。図11に示されるように、ピストン422は、シリンダに切り込まれた概して矩形角柱状領域401を有する概して円筒形状を有する。より具体的には、図11の方向付けにおいて示されるように、ピストン422は、その側面に配置された一般的な形状のシリンダを有する。ピストン422は、シリンダ419の内径と実質的に同様の直径を有する左縦円形端面473を有する。シリンダ422の時計回りの外周をたどると、表面473の上縁端が水平円筒面475に連結する。水平円筒面475は、シリンダ419に対向する隆起部を有し、ピストン422とシリンダ419との間の密封を保持するように構成される。このような密封はリング形状であり、テフロン(登録商標)又は何か他の同様の材料からできている。円筒面475は右方向に伸長して、環状垂直面476に連結する。管状垂直面476は、平坦な水平面477へと下方に伸長する。平坦な水平面477は右方向に伸長して、図11に示されるように、ページに垂直に向けられた円筒軸線を有する半円筒面478に連結する。表面478は最初、下方へ、その後右方向に、そして、平坦な水平面479へと上方へと戻るように伸長する。表面479は表面477と平行であり、同じ平面にある。表面479は、環状垂直面480へと右方向に伸長する。環状面480は外径を有する。この外径は、シリンダ419の直径と実質的に等しい。表面480は上方に伸長して、水平円筒面481に連結する。水平円筒面481はまた、シリンダ419に対向する隆起部を有し、密封を保持するように構成される。表面481は、垂直円形面474へと右方向に伸長する。表面474は下方に伸長し、482における円筒面481へと戻って連結する。図11に示されるように、481及び482は、切断面による同じ円筒面を指している。481及び482によって指し示された表面はまた、475及び483で指し示されるのと同じ表面である。482における表面は483へと左方向に伸長する。483における表面は、垂直円形面473の下端と接触し、ピストン422を中心にして回る時計回りの外周を完了する。
円筒面478の中央領域を貫通しているのは、垂直方向の貫通孔485である。円筒状滑り軸受447が、円筒面478内に精密公差で配置される。滑り軸受447は、(図11において方向付けられるように)ページ内外への縦方向の摺動と、また、円筒面478の軸線を中心にした回転とを含む2つの自由度において、ピストン表面478に対して自由に摺動する。
Passing through the central region of the
滑り軸受447は、表面478の円筒軸線と同軸の円筒軸線を有する、概して円筒形状を有する。滑り軸受447は円筒状の貫通孔486を有し、これによって、摺動係合において棒状の連結リンク448の下端448aが保持される。より具体的には、リンク448は、線487に沿って滑り軸受447に対して摺動することができる。連結リンク448は、貫通孔470を通って伸張し、そこで、出力部材413に連結し、その上端448bをチャンバ403内へと続けて伸長させる。チャンバ403は、筐体410の上壁、端板490及び491、並びに、シリンダ419の上壁によって画定される。チャンバ403は、穴470、領域401、及び、筐体410の上壁に配置される流体ポート499と流体連通している。
The
出力部材413は、穴470にわたって配置され、ピボット継手414に結合される。ピボット継手414によって、出力部材413は、図11に示されるようにページに垂直に向けられた軸線415を中心にして、筐体410に対して回転することができる。出力部材413は円筒状貫通孔488を有し、これによって、密な非移動係合においてリンク448を保持するリンク部材448周りのスリーブが形成される。ピボット継手414はまた、リンク448に結合されて、軸線415を中心にした回転運動に限定されるリンク448の運動を引き起こす。
The
端板490及び491はそれぞれ、シリンダ419の左右端において配置され、且つ、筐体410に取り付けられる。油圧ポート492は、端板490を通って、シリンダ419及びピストン表面473によって形成されるチャンバ494に連結する。同様に、油圧ポート493は端板491を通って、シリンダ419及びピストン表面474によって形成されるチャンバ495に連結する。リンク448の上端448bの周りには、滑り軸受447’がある。滑り軸受447’は滑り軸受447と実質的に同様であり、図11〜15において例証目的のためだけに示される。この実施例は滑り軸受447’を有さないが、図11〜15は、いかに容易く、滑り軸受447’を、チャンバ403内のピストン422に対して対称である第2のピストンと共に加えることができるかを示す。
The
図13〜15は、図11に示されるピストン組立体の観点を示し、このピストン組立体は、ピストン422、連結リンク448、ピボット継手414、及び、滑り軸受447を含む。図13〜15において、連結リンク448は垂直に方向付けられているのに対して、図11及び12では、連結リンク448は回転させた構成にあることに留意されたい。
FIGS. 13-15 show aspects of the piston assembly shown in FIG. 11, which includes a
図11から図15までの変化を比較すると、どのように滑り軸受447が反時計回りに回転したか、及び、連結リンクの下端448aが滑り軸受447に対して下方に摺動して、ボア486へと貫入することを目にすることができる。
Comparing the changes from FIG. 11 to FIG. 15, how the sliding
ロータリー・アクチュエータ400は概して、ポート492及び493内の油圧を調整することによって動作して、ピストン422を左方向に又は右方向に移動させ、次いで、連結リンクを回転レバーとして作動させ、その後、出力リンク413も回転させる。
The
実例として、出力部材413を反時計回りに回転させるように所望された、図11に示されるような状態におけるロータリー・アクチュエータ400を考察する。第1に、ポート492及び493は、油圧制御線に連結されることになり、筐体410は、基準構造体に装着されることになり、出力シャフト/リンク413は、回転駆動される部材に連結されることになる。そして、ポート492内の油圧を増加させることになるが、ポート493内の油圧は減少させる。これによって、チャンバ494内の圧力は増加し、チャンバ495内の圧力は減少する。チャンバ494内の圧力がチャンバ495内の圧力を下回ると、正味の右方向の力は、ピストン422に対して効果的に加えられる。より実際的には、チャンバ494内の流体によってかかる圧力は、右方向の力を円筒面473に与える。同様の左方向の力が、円筒面474上でチャンバ495内の圧力によってもたらされる。494内の圧力は495より大きいため、右方向の力は左方向の力より大きく、その結果、正味の右方向の力がピストン422に加えられる。この力は、筐体410、並びに端板490及び491を通して、ピストン422上に効果的に介在する。
Illustratively, consider the
ピストン422における右方向の力は、滑り軸受447を通して連結リンク448aの下端において右方向の力として伝達される。連結リンク448は出力シャフト413に堅く結合されるため、並びに、リンク448及び出力シャフト413はピボット継手414に結合されるため、連接棒448はピボット継手414を中心にして回転するように移動することのみ可能である。連結リンク448に加えられた右方向の力は、連結リンク448を、ピボット継手414における支点を有するレバーとしての機能を果たす。従って、ピストン422によって加えられる右方向の力は、連結リンク448上の反時計回りのトルクに変換され、その後、出力シャフト413へと送られる。
The rightward force on the
ピストン422が筐体410に対して右方向に摺動するため、連結リンク448は、筐体410に対して反時計回りに回転する。連結リンク448が反時計回りに回転するため、リンク448の下端部448aは、滑り軸受447に対して下方に摺動しなければならい。換言すれば、リンクの下端部448aは、ピボット継手414に対して弧状に進まなければならないため、ピストン422に対する下端部448aの鉛直高さは、連結リンク448の回転角度が変化するにつれて、必ず変化する。また、連結リンク448が筐体410に対して反時計回りに回転するため、滑り軸受447はまた、ピストン422に対して反時計回りに必ず回転するが、これは、連結リンク448が滑り軸受447によって低い耐性で囲まれているからである。
Since the
連結リンク448、ピストン422、及びシリンダ419の間のアライメントにおいて何らかの誤りがある場合、滑り軸受447は、このようなミスアライメントを軽減するために、図11に示されるページ内へ又はページ外へ自由に摺動する。例えば、シリンダ419の右端がページ外へ、わずかに上へ傾く場合など、シリンダ419が、連結リンク448が回転する平面に完全に直交しない場合、滑り軸受447は、連結リンク448との緩んだ接触を維持するために、ピストン422が左右に移動するのにつれて、上方に/下方に摺動することができる。
If there is any misalignment in the alignment between the connecting
シリンダ419の断面は、ピストン422の左側とピストン422の右側とで同じであるため、ポート492を通って流れ込むべき流体の量は、ピストン422が右方向に運動するために、ポート493から流れ出る流体の量と必ず等しくなる。よって、ロータリー・アクチュエータ400は、平衡が保たれた油圧アクチュエータである。
Since the cross-section of the
475及び481におけるピストン422とシリンダ419との間に配置された密封材は、チャンバ494及び495からの高圧が領域401及び403内を通らないようにする。よって、出力シャフト413は、いずれの高圧チャンバとも接触しない。ポート499を使用して、出力シャフト413及び連結リンク448に注油する必要がある場合がある油を供給する、又は、ピストン422とシリンダ419との間の密封材にわたって漏れるいずれの油も徐々に排出する。
A seal disposed between
図18〜21は、円筒状の滑り軸受447が球状の滑り軸受547と置き換えられた、第2のバージョンのピストン組立体505を有するロータリー・アクチュエータ400の変形を示す。図18は、連結リンク548を取り巻く玉滑り軸受547を保持するピストン522を示す、第2のバージョンのピストン組立体505の透視図である。図19は、ピストン522内の玉滑り軸受547の配置を示す組立体505の上面図である。図20は、ピストン組立体505の側面図であり、図21は、図19における線21−21による断面側面図である。図21に示されるように、玉滑り軸受547は、レース507を通してピストン522に対する二次元回転係合で保持される。レース507は、フランジを付けた環状端止め506によってピストン522内に保持される。玉滑り軸受547によって、連結リンク548の下端548aは、玉滑り軸受547の中央貫通孔の内外へ直線的に摺動することができる。
FIGS. 18-21 illustrate a variation of the
玉滑り軸受547は、ロータリー・アクチュエータ400内の円筒状滑り軸受447に非常に類似して動作する。しかしながら、図21に見られるように、滑り軸受447のようなピストンに対するページの内外への自由度を与える代わりに、玉滑り軸受547は、玉滑り軸受547とピストン522との間の回転運動という、二自由度を与える。この第2の自由度は、連結リンク548が図21に示されるページの平面において完全に配置されない、連結リンク548のいずれのミスアライメントも軽減する。
The ball slide bearing 547 operates very similar to the cylindrical slide bearing 447 in the
図16〜17は、ロータリー・アクチュエータ400と同様であるが、4つのシリンダ及び4つのピストンを有するロータリー・アクチュエータの別の実施例を示す。図16は、平行なシリンダ619a、619b、619c、及び619dを示す、端板が除去されたアクチュエータ600の上面図である。図17は、図16における線17−17による側面断面図である。図17に示されるように、ピストン622a及び622bは、それぞれのシリンダ619a及び619bにおいて配置される。ピストン622a及びピストン622bは、ピボット継手614の軸線を中心にして実質的に対称である。時計回りのトルクが出力シャフト613において所望される時、ピストン622aは右方向に駆動されるが、ピストン622bは左方向に駆動される。油圧ポートの駆動ピストン622a及び622bは、油圧で結合されてもよいし、されなくてもよい。それらピストン622a及び622bが油圧で結合される場合、油圧位相調整はより容易くなる。それらピストン622a及び622bが油圧で結合されず、位相調整がより困難である場合、システムは、ピストン−シリンダ対のうちの1つが油圧によって危険にさらされる場合は二重化されるようにする。図示されないが、ピストン622c及び622dは、ピストン622a及び622bに対称である平面を有する。4つのピストン全てが出力軸613に結合される。
FIGS. 16-17 illustrate another embodiment of a rotary actuator similar to the
実施例400及び600は、従来技術のロータリー・アクチュエータ・システムに対していくつかの意外な利点を有する。ロータリー・アクチュエータ400及び600は、アクチュエータ100、200及び300のように、平衡が保たれた油圧アクチュエータであるという利点を有する。例えば、図11を参照すると、ピストン422が右方向に移動するため、チャンバ494に入る流体の量は、チャンバ495を出る流体の量と実質的に等しい。1つのチャンバを通るピストン棒を有する従来技術の複動ピストンにおいて、ピストン棒側のチャンバに入る/を出る流体の量は、ピストン棒の断面積によって、ピストン棒のないチャンバを出る/に入る流体よりも少なくなる。さらに、ピストン棒の断面積によって、一定の油圧に対してピストンに加えられる力は、ピストン棒のないピストン側において異なることになる。ロータリー・アクチュエータ400には、チャンバ494又は495を通るピストン棒がないため、チャンバ494内の一定の圧力に対してピストン422に加えられる力の大きさは、同等の圧力をかけられるチャンバ495によって加えられることになる反対方向の力と同等である。流体及び力の平衡が保たれたアクチュエータ・システムを有することによって、複数の利点が与えられる。平衡の保たれた油圧システムは、より大きい油圧ポンプの効率をもたらす。さらには、平衡の保たれた油圧動作により適した斜軸式の油圧ポンプなどの油圧ポンプを使用することができる。また、サーボ制御アルゴリズム及び油圧制御弁は、必ずしも右/左の力の差異の原因となるわけではないため、均衡した力によって、より簡易なサーボ制御装置の設計が可能となる。
さらには、ロータリー・アクチュエータ400及び600は、アクチュエータ100、200及び300で見られるように、薄型であり、部品の数が少ないという利点を有する。薄型によって、これらのアクチュエータを、薄翼の航空機設計、又は、その他の薄型を必要とする環境において使用することができる。
Furthermore, the
図22に示されるように、複数のロータリー・アクチュエータ300を組み合わせて、高い駆動トルク、又は、耐故障性/冗長システムを実現するために、同じ出力部材316を駆動することができる。アクチュエータ300が示されるが、それらの筐体は明確にするために除去される。2つのアクチュエータ300のアクチュエータ・シャフト313が、4つのピストン全てによって同時に作用可能である単一のユニットを形成するように連結される。
As shown in FIG. 22, multiple
図23は、アクチュエータ・システム700を示し、アクチュエータ・システム700は、1つ又は複数のロータリー・アクチュエータ720及び電気油圧式の斜軸式ポンプ・システム730を含む。システム700はまた、貯油槽725及びサーボ弁システム722を含む。ポンプ730は、具体的に、平衡の保たれた油圧システムにおける効率的な動作のために設計される。
FIG. 23 illustrates an
図24には、電気油圧式の斜軸式ポンプ・システム730の側面断面図が示されている。ポンプ・システム730は、斜軸式ポンプ740、ギア・ボックス750、電気モータ760、及び、他の構成要素のそれぞれを共に保持する筐体731の主要構成要素を含む。ポンプ・システム730は、駆動されると、油圧ポート733と735との間に圧力差及び流体の流れをもたらす。
FIG. 24 shows a side cross-sectional view of an electrohydraulic oblique
斜軸式ポンプ740は、ピストン・リンク738a及び738bそれぞれに連結されるピストン・ヘッド737a及び737bを含む。ピストン・ヘッド737a及び737bは、軸受739によって支持されるポンプ主要部内に配置される。ピストン・リンク738a及び738bは、軸受741で吊り下げたロータ744に結合される。
ギア・ボックス750は、ギア751、752、及び753を含む。ギア751、752及び753は、筐体731内に保持される。ギア・ボックス750はロータ744に機械的に結合される。モータ760は、ギア・ボックス750に結合される出力シャフト761を有する。モータ760はまた、ステータ762及びロータ763を有する。ギア・ボックス750は、斜軸式ポンプ・ロータを、モータ・シャフト761より遅い速度で回転させるメカニカル・アドバンテージが与えられるように構成される。
The
ポンプ・システム730は、詳細には、平衡の保たれた油圧アクチュエータと共に使用するのに適している。斜軸式ポンプ740は2つのポートのみを有するため、詳細には、システムの油圧油の量を増加させる又は減少させるための第3の油圧ポートに対する必要性が生じない平衡の保たれた油圧アクチュエータに適している。さらに、メカニカル・アドバンテージを与えるギア・ボックスの使用によって、ポンプ・システムの寿命は長期にわたることが可能となり、これは特に航空機の用途には適切である。
The
示された特定の実施例を、サーボ制御装置と組み合わせることもできる。標準的なサーボ制御装置を使用して、要求された出力部材のトルク/位置、及び、測定された出力部材のトルク/位置に基づいて出力された力又は位置を調整するように、リニア・モータを制御することができる。 The particular embodiment shown can also be combined with a servo controller. A linear motor to adjust the output force or position based on the required output member torque / position and the measured output member torque / position using standard servo controllers Can be controlled.
従って、ロータリー・アクチュエータ、ロータリー・アクチュエータ・システム、及びロータリー・アクチュエータを動作させる方法についての本発明の好ましい形態が開示且つ説明され、それらのいくつかの修正が説明されたが、当業者は、本発明の趣旨から逸脱することなく、種々の付加的な変更がなされてもよいことを容易に認識するであろう。
Accordingly, while preferred forms of the invention have been disclosed and described with respect to rotary actuators, rotary actuator systems, and methods of operating rotary actuators, and some modifications thereof have been described, those skilled in the art It will be readily appreciated that various additional changes may be made without departing from the spirit of the invention.
Claims (56)
軸線を中心にした前記基準構造体に対する回転運動を行うために配置された出力部材と、
第1の部材及び第2の部材を有するリニア・モータであって、前記第1の部材及び前記第2の部材を概して直線方向に沿って離れるように動かす出力を選択的に加えるように構成及び配置された第1のリニア・モータと、
前記基準構造体に結合された前記第1のリニア・モータの前記第1の部材と、
前記出力部材に結合された前記第1のリニア・モータの前記第2の部材であって、前記第1のリニア・モータが前記出力を加えると、前記軸線を中心にして、前記出力部材と前記基準構造体との間で第1の方向にトルクを引き起こすように構成及び配置された前記第1のリニア・モータの前記第2の部材と、
第1の部材及び第2の部材を有する第2のリニア・モータであって、前記第2のリニア・モータの前記第1の部材及び前記第2のリニア・モータの前記第2の部材を概して直線方向に沿って離れるように動かす出力を選択的に加えるように構成及び配置された第2のリニア・モータと、
前記基準構造体に結合された前記第2のリニア・モータの前記第1の部材と、
前記出力部材に結合された前記第2のリニア・モータの前記第2の部材であって、前記第2のリニア・モータの出力が加えられると、前記軸線を中心にして、前記出力部材と前記基準構造体との間で前記第1の方向とは反対方向にトルクを引き起こすように構成及び配置された前記第2のリニア・モータの前記第2の部材と
を有するロータリー・アクチュエータ。 A reference structure;
An output member arranged to perform a rotational motion relative to the reference structure about an axis;
A linear motor having a first member and a second member configured to selectively apply an output that moves the first member and the second member away from each other in a generally linear direction; A first linear motor disposed;
The first member of the first linear motor coupled to the reference structure;
The second member of the first linear motor coupled to the output member, and when the first linear motor applies the output, the output member and the center around the axis The second member of the first linear motor configured and arranged to cause torque in a first direction with respect to a reference structure;
A second linear motor having a first member and a second member, the first member of the second linear motor and the second member of the second linear motor generally A second linear motor constructed and arranged to selectively apply an output that moves away along a linear direction;
The first member of the second linear motor coupled to the reference structure;
The second member of the second linear motor coupled to the output member, and when the output of the second linear motor is applied, the output member and the center around the axis A rotary actuator comprising: a second member of the second linear motor configured and arranged to cause a torque with a reference structure in a direction opposite to the first direction.
筐体と、
前記筐体内に配置され、且つ内部に第1のピストン及び第1の連結リンクを有する第1の単動シリンダと、
前記シャフト上に配置されたクランクと、
前記筐体内に配置され、且つ内部に第2のピストン及び第2の連結リンクを有する第2の単動シリンダと
を有するアクチュエータであって、
前記第1及び第2の連結リンクが前記クランク上の異なる場所に取り付けられ、また
前記アクチュエータは、前記第1の単動シリンダの作動によって前記クランクが第1の方向に回転するように、また前記第2の単動シリンダの作動によって前記クランクが前記第1の方向とは反対の第2の方向に回転するように構成且つ配置される、アクチュエータ。 An actuator that rotates a shaft about an axis,
A housing,
A first single acting cylinder disposed within the housing and having a first piston and a first connecting link therein;
A crank disposed on the shaft;
An actuator having a second single-acting cylinder disposed in the housing and having a second piston and a second connecting link therein;
The first and second connecting links are mounted at different locations on the crank, and the actuator is arranged so that the crank rotates in a first direction by actuation of the first single acting cylinder. An actuator configured and arranged so that operation of a second single acting cylinder causes the crank to rotate in a second direction opposite to the first direction.
軸線を中心にした前記基準構造体に対する回転運動を行うために配置された出力部材と、
第1の部材及び第2の部材を有する第1のリニア・モータであって、前記第1の部材及び前記第2の部材を概して直線方向に沿って離れるように動かす出力を選択的に加えるように構成及び配置された第1のリニア・モータと、
前記基準構造体に結合された前記第1のリニア・モータの前記第1の部材と、
前記出力部材に結合された前記第1のリニア・モータの前記第2の部材であって、前記第1のリニア・モータが前記出力を加えると、前記軸線を中心にして、前記出力部材と前記基準構造体との間で第1の方向にトルクを引き起こすように構成及び配置された第1のリニア・モータの前記第2の部材と、
第1の部材及び第2の部材を有する第2のリニア・モータであって、前記第2のリニア・モータの第1の部材及び前記第2のリニア・モータの第2の部材を概して直線方向に沿って離れるように動かす出力を選択的に加えるように構成及び配置された第2のリニア・モータと、
前記基準構造体に結合された前記第2のリニア・モータの前記第1の部材と、
前記出力部材に結合された前記第2のリニア・モータの前記第2の部材であって、前記第2のリニア・モータの出力が加えられると、前記軸線を中心にして、前記出力部材と前記基準構造体との間で前記第1の方向とは反対方向にトルクを引き起こすように構成及び配置された前記第2のリニア・モータの前記第2の部材と
を有するアクチュエータを動作させる方法であって、
前記第1のリニア・モータに第1の非ゼロの力を加えさせ、また前記第2のリニア・モータに第2の非ゼロの力を加えさせるステップと、
それによってバックラッシュが低減されるステップと
を含む方法。 A reference structure;
An output member arranged to perform a rotational motion relative to the reference structure about an axis;
A first linear motor having a first member and a second member for selectively applying an output that moves the first member and the second member away from each other along a generally linear direction. A first linear motor constructed and arranged in
The first member of the first linear motor coupled to the reference structure;
The second member of the first linear motor coupled to the output member, and when the first linear motor applies the output, the output member and the center around the axis The second member of the first linear motor constructed and arranged to cause torque in a first direction with respect to the reference structure;
A second linear motor having a first member and a second member, wherein the first member of the second linear motor and the second member of the second linear motor are in a generally linear direction. A second linear motor configured and arranged to selectively apply an output that moves away along the line;
The first member of the second linear motor coupled to the reference structure;
The second member of the second linear motor coupled to the output member, and when the output of the second linear motor is applied, the output member and the center around the axis A method of operating an actuator having a second member of the second linear motor constructed and arranged to cause torque in a direction opposite to the first direction with a reference structure. And
Causing the first linear motor to apply a first non-zero force and causing the second linear motor to apply a second non-zero force;
Thereby reducing backlash.
前記出力部材が、前記要求された出力部材特性にマッチしない実際の特性を有する時、前記第1の非ゼロの力を前記第2の非ゼロの力に対して調整するステップと
をさらに含む、請求項38に記載の方法。 Receiving the requested output member characteristics;
Adjusting the first non-zero force with respect to the second non-zero force when the output member has an actual characteristic that does not match the requested output member characteristic; 40. The method of claim 38.
前記第1の端部と前記第2の端部との間に配置された穴を有する前記内面と、
前記シリンダ内の滑り運動を行うように構成及び配置されたピストンであって、第1の表面及び第2の表面を有し、前記第1の表面及び前記第2の表面が前記長手方向軸線に沿って概して反対方向を向いたピストンと、
前記シリンダと共に第1のチャンバを形成する前記第1の表面、及び前記シリンダと共に第2のチャンバを形成する前記第2の表面と、
前記第1のチャンバと流体連通する第1の油圧ポートと、
前記第2のチャンバと流体連通する第2の油圧ポートと、
第1の端部及び第2の端部を有し、且つ前記穴を通るように配置されたドライブ・リンクであって、前記ドライブ・リンクの第1の端部が、前記第1の表面と前記第2の表面との間で前記ピストン上の位置に結合されるドライブ・リンクと
を有する油圧アクチュエータであって、
前記アクチュエータは、前記ピストンが前記シリンダに対して移動する時、前記シリンダに対する前記ドライブ・リンクの運動を引き起こすように構成及び配置される、油圧アクチュエータ。 A cylinder having a generally cylindrical inner surface with a longitudinal axis, a first end, and a second end;
The inner surface having a hole disposed between the first end and the second end;
A piston constructed and arranged to perform a sliding motion within the cylinder, the piston having a first surface and a second surface, the first surface and the second surface being in the longitudinal axis A piston generally facing in the opposite direction,
The first surface forming a first chamber with the cylinder, and the second surface forming a second chamber with the cylinder;
A first hydraulic port in fluid communication with the first chamber;
A second hydraulic port in fluid communication with the second chamber;
A drive link having a first end and a second end and disposed through the hole, wherein the first end of the drive link is connected to the first surface; A hydraulic actuator having a drive link coupled to a position on the piston between the second surface,
The actuator is constructed and arranged to cause movement of the drive link relative to the cylinder as the piston moves relative to the cylinder.
前記斜軸式ポンプの入力ドライブ・シャフトに機械的に結合されたギア・シャフトであって、前記斜軸式ポンプを前記ギア・シャフトより遅い速度で回転させるメカニカル・アドバンテージを与えるためのギア・シャフトを有するギア組立体と
を有するアクチュエータ電力系統であって、
前記ギア・シャフトが回転されると、前記第1の油圧ポートと前記第2の油圧ポートとの間に流体の流れを引き起こすように構成及び配置されたアクチュエータ電力系統。 An oblique hydraulic pump having a first hydraulic port, a second hydraulic port and an input drive shaft;
A gear shaft mechanically coupled to an input drive shaft of the oblique shaft for providing a mechanical advantage that rotates the oblique pump at a slower speed than the gear shaft. An actuator power system having a gear assembly comprising:
An actuator power system constructed and arranged to cause fluid flow between the first hydraulic port and the second hydraulic port when the gear shaft is rotated.
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