JP2018091386A - 電動流体圧式リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ反転時のバックラッシの無い精密位置決めに適した電動流体圧式リニアアクチュエータを小型化すること。【解決手段】電動流体圧式リニアアクチュエータであって、複動油圧シリンダの二つのポートそれぞれにギヤポンプ３１，３２を設けこの二組のギヤポンプ３１，３２は回転軸に対して並行に配置し、複動油圧シリンダに接続するポートを内側に対向する形で格納配置し、この二組のギヤポンプ３１，３２とモータを連動させる減速ギヤ３４，３５を収納するケースには前記ギヤポンプギヤの回転軸を支持する軸受けを設け、このギヤポンプギヤを減速ギヤケースとギヤポンプケースに設けた軸受けの二点で支持すると共に、前記ギヤポンプケースのギヤポンプ収納面にはこの２組のポンプを囲繞する形で穿設された凹溝内に収納されるシールゴムを設け、モータと連動する前記２組のギヤポンプ３１，３２の排出・吸引によりシリンダを伸縮させる。【選択図】図４

Description

本発明は、電動モータで駆動される流体圧ポンプからの作動流体によって作動する電動流体圧式リニアアクチュエータであって、特に流体圧回路がアクチュエータ内で完結している製品に関するものである。

なお以下本明細書では、基本的には作動油が流れる油圧回路で説明してゆくが、この作動油は本アクチュエータの周囲温度、周囲圧力下で液体であればよく、特に油に限定されるものではない。例えば単なる水であっても良い。

従来から、油圧ポンプを電動モータで駆動し、その油圧ポンプから供給される作動油によって油圧シリンダのロッドを進退させる油圧式リニアアクチュエータが用いられている。特許文献１には、電動モータで駆動される油圧ポンプと油を貯留するタンクとが、油圧シリンダに沿って配設された油圧駆動ユニットが開示されている。この油圧駆動ユニットでは、双方向に回転する電動モータ、油圧ポンプ、周辺油圧回路によって複動油圧シリンダのロッドを進退させている。

油圧ポンプはシリンダ伸張時にシリンダのロッド側流体室からキャップ側流体室へ、逆に収縮時にはキャップ側流体室からロッド側流体室に作動油を送る動作をする。
しかしながら、ロッド側流体室断面積と、キャップ側流体室断面積はロッドの断面積分だけロッド側流体室断面積が少ないため、シリンダの吸い込み流量と吐き出し流量に差が生じる。

このため単にシリンダのロッド側流体室とキャップ側流体室の間にポンプを接続するだけでは動作せずこの流量差を吸収する手段が必要であった。

図８はこの流量差を吸収する従来の油圧回路の一例を示すものである。シリンダ１の内部空間はピストン５によって、ロッド側流体室１１とキャップ側流体室１２とに分画されている。ロッド側流体室１１とキャップ側流体室１２のそれぞれに貯留された作動油は、電動モータ４で駆動されるギヤポンプＰＵによって油圧回路内を循環し、低圧優先シャトル弁ＣＶを介して作動油タンク２に接続されている。本図では一般的な低圧優先シャトル弁を用いているが、低圧優先シャトル弁に代え連動して動作するチェック弁を用いる場合もある。しかし両者の動作に違いは無い。

代表的な低圧優先シャトル弁の構造とその機構を図１１（ａ）乃至（ｃ）に示す。低圧優先シャトル弁ＣＶはシリンダキャップ側と接続するポートＰＢとシリンダロッド側と接続するポートＰＬのうち、圧力が低い側を作動油タンク２に接続する。

また、シリンダキャップ側と接続するポートＰＢ側が高圧となると（ｂ）の状態となりシリンダロッド側と接続するポートＰＬを作動油タンク２と接続する。逆にシリンダロッド側と接続するポートＰＬ側が高圧となると（ｃ）の状態となりシリンダキャップ側と接続するポートＰＢを作動油タンク２と接続する。
これによりシリンダの圧力が低い側で生じる作動油の過不足分を作動油タンク２とやりとりし補う。

図９はシリンダの動作方向とシリンダに加わる外力の向きで生じる（Ａ）〜（Ｄ）の４つの状態における低圧優先シャトル弁ＣＶの切替状態を表した図である。シリンダ１の斜線の有る側が各状態における高圧となる側である。

図１０は摩擦の有る重量物を油圧シリンダで押し、引きする図である。
押している状態では低圧優先シャトル弁は図９（Ｃ）の状態となり、作動油タンク２はシリンダロッド側と接続するポートＰＬと接続される。

また、引いている状態では低圧優先シャトル弁は図９（Ｂ）の状態となり、作動油タンク２はシリンダキャップ側と接続するポートＰＢと接続される。

ここで引いている状態（図９（Ｂ））からモータを反転し、押す状態（図１１（ｃ））への切替えを行うとき低圧優先シャトル弁ＣＶの反転が生じ、切替り分の容積（図１１（ｃ）のＶで示す容積）分モータは回転しているがシリンダは動かないバックラッシが発生する。

低圧優先シャトル弁ＣＶを連動したチェックバルブに置き換えている油圧回路（特許文献１）においても、切り替わる瞬間においてロッド側ポートＰＬ、キャップ側ポートＰＢ、作動油タンク２が同時に繋がる瞬間が生じるため同様の現象が発生する。
これはシリンダを微量の伸張、収縮をさせたい精密制御の用途において応答遅れと精度の低下を招いていた。

またこの低圧優先シャトル弁の切り替わりに起因するバックラッシが生じない方法として、図１２（ａ）（ｂ）に示す複動油圧シリンダのロッド側ポートＰＬとキャップ側ポートＰＢの流量の違いを連動して動作する２個のポンプを用いて吸収する方法が知られている。（特許文献２・特許文献３）

図１２（ａ）では流量が多いキャップ側ポートＰＢ用にギヤポンプ（ＰＵ１）、流量が少ないロッド側ポートＰＬ用にギヤポンプ（ＰＵ２）の専用ポンプを設け、ギヤポンプ（ＰＵ１）とギヤポンプ（ＰＵ２）の送り量の比がキャップ側流体室断面積とロッド側流体室断面積の比となるようギヤポンプのギヤ幅を変え調整することによってシリンダ各ポートの流量差を吸収する油圧回路である。

図１２（ｂ）では流量が多いキャップ側ポートＰＢと流量が少ないロッド側ポートＰＬ間にロッド側ポートＰＬの流量に合わせたギヤポンプ（ＰＵ１）を接続し、キャップ側ポートＰＢとロッド側ポートＰＬ流量の差分用にギヤポンプ（ＰＵ２）を設け、ギヤポンプ（ＰＵ１）とギヤポンプ（ＰＵ２）の送り量の和とギヤポンプ（ＰＵ１）の送り量の比がキャップ側流体室断面積とロッド側流体室断面積の比となるようギヤポンプのギヤ幅を変え調整することによってシリンダ各ポートの流量差を吸収する油圧回路である。

またこの１つのモータに対してポンプを２個接続する方式としては図１３（ａ）乃至（ｆ）に示すように電動モータ４の出力軸方向にギヤポンプＰＵを２個連結する方法が知られている。
この方法はモータ出力軸とポンプとを直結できるメリットはあるもののギヤポンプ回転軸方向の長さが長くなるというデメリットがある。

また油圧式リニアアクチュエータにあってはアクチュエータを組み込む最終製品設計上の要求からよりコンパクト化が図られており、油圧の高圧化によるシリンダ径の縮小、作動油タンクの容量をぎりぎりまで抑えるといった策が講じられている。

特開２００１−１１６０１０号公報 特開２０１４−１８１７２９号公報 特開平０１−１４５９９９号公報

この油圧アクチュエータのバックラッシが起きない図１２に示すポンプ構成はギヤポンプを２つ内蔵することによってギヤポンプ自身の形状が大きくなることからこれまで小型化が要求される電動流体圧式リニアアクチュエータでは使われてこなかった。

それ故に本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、低圧優先シャトル弁の切り替わりに起因するシバックラッシが生じないが故に精密位置決めに適した油圧式リニアアクチュエータにあっても小型化が図れる構造を提供することにある。

即ち本発明は、外接式ギヤポンプを成す２個のギヤを２組並列に格納してなるギヤポンプケースと、該ギヤポンプケースのギヤ格納面を覆うギヤポンプカバーとによりなるポンプ部材を有する流体圧式リニアアクチュエータであって、ギヤポンプケースのギヤ格納面には該２組のギヤポンプを囲繞する形で穿設された凹溝内に収納されるシールゴムが設けられており、それぞれのギヤポンプは複動シリンダのキャップ側ポート、ロッド側ポートに個々に接続され、２組のギヤポンプのシリンダに接続する側のポートを内側に対向する形で格納配置されているものであることを特徴とする電動流体圧式リニアアクチュエータである。

尚、ギヤポンプの構成要素であるギヤと、モータからポンプへの動力伝達で用いるギヤを区別するため、ギヤポンプの構成要素であるギヤを単にギヤ、モータからポンプへの動力伝達で用いるギヤを減速ギヤと呼び以降区別する。

また、この２セットのギヤポンプはシリンダのキャップ側流体室断面積、ロッド側流体室断面積の比率に応じた送り流量比となるよう、ギヤの大きさ、減速ギヤの歯数比で調整されモータと接続されている。更にこの２セットのギヤポンプは片側がシリンダへの吐出時に、もう片方はシリンダからの吸入となるよう、回転方向についても減速ギヤによって調整されていることを特徴とする。

さらに好ましくは、ギヤポンプケースには該２セットのギヤポンプとシールゴムの間に、ギヤポンプケースとギヤポンプカバー間の隙間から漏れでた作動油を作動油タンクに戻すもう一つの溝、ドレン流路が設けられている。
前記ドレン流路は前記シールゴムを格納する溝を内側に拡張し設けられ一つの凹部となっている。

さらに好ましくは、ギヤポンプケースにはオイルタンクと接続するポートを減速ギヤケース内を繋ぐ穴を設け、減速ギヤケース内の空間をギヤの回転軸を通って減速ギヤケースに漏れた作動油をオイルタンクに戻すドレン流路としても利用することを特徴とする。

さらに好ましくは、減速ギヤを収納する減速ギヤケースにはギヤポンプのギヤ軸を支持する軸受けが設けられており、ギヤポンプケースに開いている軸受けと共に２点でギヤ軸を支持すると共に、ギヤポンプカバー側ではこの回転軸を支持しないことを特徴とする。

内蔵する２セットのギヤポンプは、ギヤポンプケース外周側に向くポートを常圧であるタンクと接続する向きに配置しているため、ギヤ収納部の外接壁とドレン流路の圧力差が小さいためこの間隔（後述する図４ ＤＬ）を短くしてもこの間のギヤポンプケースとギヤポンプカバー間の隙間を通る作動油量を少なくすることが出来、ギヤ回転軸に対して幅方向の寸法の小型化が可能となる。

更に、２組のギヤポンプを双方向に回転可能な電動モータに接続し、シリンダのキャップ側流体室、ロッド側流体室断面積比となるよう該２組のポンプの回転比、ギヤの大きさを設計して流量調整するという構造を採用することによってバッククラッシをなくした場合には、寸法の小型化はより容易に成し得る。

また、ギヤポンプケースのシールゴムの内側に、該２組のギヤポンプ囲繞する形で穿設されたドレン回収溝を設け、この溝をギヤポンプの常圧側に接続しておくと、万一作動油漏れが発生してもより確実に回収することができる。

或いは、シールゴムを内蔵する凹溝形状はシールゴムを保持する段差を確保しつつ内側に溝を広げドレン回収流路を確保するという構造を採用した場合には、ギヤポンプ外周に設けるドレン流路溝形状とシールゴムを格納する溝形状間の仕切りをなくしつつ、連続した凹形状とすることとなるので、仕切りの幅分回転軸に対して幅方向の外形を小さくする事が可能となる。

また、該２組のギヤポンプのポンプを成す４個のギヤ回転軸を、モータと該２組のギヤポンプとを連動する連動用歯車を収納する連動ギヤケースに設けられた軸受けと、ギヤポンプケースに設けられた軸受けの２箇所で支持するようにし、ギヤポンプカバーでは支持しない構造とした場合には、ギヤポンプカバーの軸受け長分、ギヤポンプカバーのギヤ回転軸方向の長さ方向を短くし小型化が可能となる。

またその場合、ギヤ端面から軸が飛び出さず面一に出来るため、平面研磨によるギヤ幅の微調整が容易となり、ギヤポンプケースとギヤ側面の隙間をギリギリまで研磨調整する事によりこの隙間を介した吐出側から流入側への作動油のギヤ側面を介したリークを抑えエネルギーロスの少ないポンプが作れる二次的効果も生ずる。

図４に示す構造の場合、ギヤポンプカバー３７に２組のギヤポンプと接続する４つのポート、作動油タンク、シリンダキャップ側流体室、ロッド側流体室への各配管を集中出来ること、また同カバーはギヤ軸受けによる配管の制約も受けないことから最短の作動油流路を形成出来、同カバーのギヤ回転軸方向の長さを最小に出来る。

本発明に係る電動流体圧式リニアアクチュエータの一例を示す概略斜視図である。 （ａ）は図１のアクチュエータの概略断面図、（ｂ）（ｃ）はこのアクチュエータのシリンダ部分の構造を明確にするために断面したいずれも概略端面図である。 （ａ）は本発明に係る電動流体圧式リニアアクチュエータの一例の斜視図、（ｂ）はそのポンプ構造を示すため一部を断面した概略斜視図である。 （ａ）は本発明に係る電動流体圧式リニアアクチュエータのポンプ構造部分の一例を示す概略側面図、（ｂ）（ｃ）はこれを２方向で断面したいずれも概略断面図である。 本発明に係る電動流体圧式リニアアクチュエータのポンプ構造部分の一例におけるシリンダ伸張時の作動油の流れを示すための概略分解斜視図である。 本発明に係る電動流体圧式リニアアクチュエータのポンプ構造部分の一例におけるシリンダ収縮時の作動油の流れを示すための概略分解斜視図である。 本発明に係る電動流体圧式リニアアクチュエータのポンプ構造部分のシールゴムとドレン流路の配置の一例を示すため一部を断面した概略斜視図であって、一部拡大概略斜視図を含む。 従来のギヤポンプの一例を示す回路図である。 図３の例のギヤポンプの、伸縮方向・外力の向きの組合せにおける低圧優先シャトル弁の接続を示した４つの回路形態を表形式にまとめた図である。 （ａ）（ｂ）は、電動流体圧式リニアアクチュエータへの負荷の加わり方の一例と、作動油の流れを示すためのいずれも概略図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、典型的な低圧優先シャトル弁での流路切り替え状態を概略的に示すためのいずれも概略断面図である。 （ａ）（ｂ）は、いずれも２個のギヤポンプを用いた従来例を示す回路図である。 （ａ）（ｂ）は従来の多連ポンプの一例を概略的に示す側面図及び正面図、（ｃ）はそのＡ−Ａ断面図、（ｄ）はＢ−Ｂ断面図、（ｅ）はＣ−Ｃ断面図、（ｆ）はＤ−Ｄ断面図であり、その中（ｃ）に関してはこのポンプを用いた場合の油圧回路の一例を追加描出している。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、あくまで、本発明を実施するための具体的な一例を挙げるものであって、本発明を限定的に解釈させるものではない。

図１及び図２は、本発明に係る電動流体圧式リニアアクチュエータ（以下本発明アクチュエータという）を示すものであり図１はその概略斜視図、図２は概略断面図である。そしてこれらの図より明らかなように本発明アクチュエータは、下側にシリンダ１があり、その上に作動油タンク２、作動油ポンプユニット３、電動モータ４等々がレイアウトされてなるものである。

図３（ａ）は、本発明アクチュエータを図１とは異なる方向から見た状態を示す斜視図であり、また同図（ｂ）は、その作動油ポンプユニット３の内部構造を示すものである。
本発明アクチュエータは、２組のギヤポンプ３１・３２を付帯するものであるが、図３（ｂ）では各組のギヤポンプの下側ギヤはほとんど見えない。またこの２組のギヤポンプ３１・３２は、ギヤポンプケース３３に設けられた収納凹部に格納されているが、このギヤポンプケース３３もごく一部しか描出されていない。
またギヤポンプ３１・３２の左方にはそれぞれ減速ギヤ３４・３５・３６が配置されている（但し減速ギヤ３６は本図では明らかでない）。そしてこれらの減速ギヤは、ギヤポンプ３１・３２とは異なりギヤポンプケース３３内部ではなくその裏側に存在している。

図４は、ギヤポンプ３１・３２、減速ギヤ３４・３５の構造を明らかにするための図であって、作動油ポンプユニット３の側面図である同図（ａ）をＡ−Ａで断面した図である同図（ｂ）にて減速ギヤ３４・３５の構造の一例が、同図（ｂ）をＢ−Ｂで断面した図である同図（ｃ）にてギヤポンプ３１・３２の構造の一例が明らかにされている。ギヤポンプ３１と減速ギヤ３４、ギヤポンプ３２と減速ギヤ３５は、それぞれ共に回転軸を共通する。

図４（ｂ）に基づいて減速ギヤ群の構造を説明すると、電動モータ４の出力軸に直結しているのは減速ギヤ３６である。減速ギヤ３４・３５は、それぞれ減速ギヤ３６と噛合しており回転力が伝達されることとなる。また、減速ギヤ３４・３５の歯数は異なっており、本図では右側にある減速ギヤ３４の歯数の方が多い。よって回転速度は、減速ギヤ３４の方が減速ギヤ３５よりも遅くなる。そしてこの速度比（回転数比）は、シリンダ内部空間のキャップ側流体室断面積とロッド側流体室断面積の比に合致するよう設計されている。

ギヤポンプケース３３には二組のギヤポンプ３１・３２が内蔵されている。そして各組のギヤポンプ３１・３２はそれぞれ左右に作動油のポート（流路開口）を持ち、いずれも片方のポートは作動油タンク２に、もう片方のポートはシリンダの流体室（キャップ側とロッド側の２室ある）のいずれかに接続されている。
本発明においては、シリンダの流体室に接続される側のポートが二組のギヤポンプ３１・３２の内側に向くように構成されており、これが本発明最大の特徴となっている。
図４の例では、右側に配置されているギヤポンプ３１の左側ポート３１１がシリンダロッド側流体室１１に接続されており、左側に配置されているギヤポンプ３２の右側ポート３２１がシリンダキャップ側流体室１２に接続されている。
他のポート（ギヤポンプ３１の右側ポートとギヤポンプ３２の左側ポート）は、いずれも作動油タンク２に接続される。

ギヤポンプの各ポートの内、高圧となるのは、シリンダ１に接続されるポート３１１・３２１のどちらかであるので、両ポートが互いに内側を向くように配置される本発明の場合、大きな圧力が生じる箇所が、ギヤポンプケース３３の中央側にレイアウトされることになる。
作動油タンク２に接続される他のポートは、外側に配置されることになる。

またギヤポンプケース３３には、二組のギヤポンプ３１・３２をまとめて囲繞する形で凹溝が設けられており、そこにシールゴム７が嵌め込まれている。凹溝はまた、ギヤポンプケース３３とギヤポンプカバー３７との間隙に漏れ出た作動油（ドレン）を取り込む機能も持っている。そこで、凹溝内の作動油をギヤポンプ機構内に戻すためにドレン回収溝８が設けられている。二組のギヤポンプ３１・３２の外側ポートは、作動油タンク２に接続されているので常圧である。そのため、ギヤ周囲ドレン流路との圧力差が小さくなり、この間の距離ＤＬを小さくしてもギヤポンプケースとギヤポンプカバーの隙間から漏れ出す作動油の量を少なく出来る。
また、ポート３１１・３２１間の距離ＤＨについては圧力差が大きいため一定の間隔を取る必要がある。

図５は、アクチュエータ伸張時のギヤポンプ内作動油の流れを示したものである。
アクチュエータ伸張時ロッド側流体室１１の作動油はギヤポンプカバー３７に設けられた接続口を通りギヤ３１が構成するギヤポンプのロッド側ポート３１１に導かれる。ロッド側ポート３１１から入った作動油はギヤの歯間の隙間に入り図示回転方向に沿って移動し作動油タンク接続ポートよりギヤポンプカバー３７に開口された穴を通って作動油タンクに排出される。

またギヤ３２が構成するギヤポンプの回転に伴い、作動油タンク接続ポートの作動油は、シリンダキャップ側流体室１２側へ送られギヤポンプカバーに設けられた接続口を通りキャップ側流体室へ送られる。

図６はアクチュエータ収縮時のギヤポンプ内作動油の流れを示したものである。収縮時は伸張時と全く逆の流れとなるのみであり詳細な説明は割愛する。

図７はシールゴム７を格納する凹溝の構造についての他の例を示すものであり、凹溝の底形状を段差付きのものとし、外側深い方にシールゴム７を格納し、内側浅い方をドレン流路９とした例である。連続した一つの凹の中にシールゴムを格納する溝とドレン流路９を設けているため間の仕切り壁分、ギヤ回転軸に対して幅方向の外形を小さくすることが可能となる。

１ シリンダ
２ 作動油タンク
３ 作動油ポンプユニット
３１ ギヤポンプ
３１１ ギヤポンプ３１のシリンダロッド側ポート
３２ ギヤポンプ
３２１ ギヤポンプ３２のシリンダキャップ側ポート
３３ ギヤポンプケース
３４ 減速ギヤ（大）
３５ 減速ギヤ（小）
３６ 減速ギヤ（モータ直結）
３７ ギヤポンプカバー
４ 電動モータ
５ ピストン
６ ロッド
７ シールゴム
８ ドレン回収溝
９ ドレン流路
ＣＶ 低圧優先シャトル弁
ＰＢ ポート（シリンダキャップ側）
ＰＬ ポート（シリンダロッド側）
ＰＵ ギヤポンプ
Ｖ 切替り分の容積

Claims (5)

1. 外接式ギヤポンプを成す２個のギヤを２組並列に格納してなるギヤポンプケースと、該ギヤポンプケースのギヤ格納面を覆うギヤポンプカバーとによりなるポンプ部材を有する流体圧式リニアアクチュエータであって、ギヤポンプケースのギヤ格納面には該２組のギヤポンプを囲繞する形で穿設された凹溝内に収納されるシールゴムが設けられており、それぞれのギヤポンプは複動シリンダのキャップ側ポート、ロッド側ポートに個々に接続され、２組のギヤポンプのシリンダに接続する側のポートを内側に対向する形で格納配置されているものであることを特徴とする電動流体圧式リニアアクチュエータ。
2. 前記２組のギヤポンプは双方向に回転可能な電動モータに接続されており、その流量はシリンダのキャップ側流体室、ロッド側流体室断面積比となるよう２つのポンプの回転比、ギヤの大きさが調整され連動して動く事を特徴とする請求項１に記載の電動流体圧式リニアアクチュエータ。
3. ギヤポンプケースのシールゴムの内側には該２組のギヤポンプ囲繞する形で穿設されたドレン回収溝が設けられており、この溝はギヤポンプの常圧側に接続されている事を特徴とする請求項２に記載の電動流体圧式リニアアクチュエータ。
4. 請求項１に記載のシールゴムを内蔵する凹溝形状はシールゴムを保持する段差を確保しつつ内側に溝を広げドレン回収流路を確保し、ギヤポンプの常圧側に接続されている事を特徴とする請求項２に記載の電動流体圧式リニアアクチュエータ。
5. 該２組のギヤポンプのポンプを成す４個のギヤ回転軸は、モータと該２組のギヤポンプとを連動する連動用歯車を収納する連動ギヤケースに設けられた軸受けと、ギヤポンプケースに設けられた軸受けの２箇所で支持され、ギヤポンプカバーでは支持しない事を特徴とする請求項２に記載の電動流体圧式リニアアクチュエータ。
   
   

Images