JP2019522152A

JP2019522152A - 圧電液圧アクチュエータ

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Publication number: JP2019522152A
Application number: JP2018560511A
Authority: JP
Inventors: バッハマイヤー，ゲオルグ; ヴィットーリアス，イアソン; ツェルス，ヴォルフガング
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: US10690154B2; WO2017198420A1; DE102016208773A1; KR20190006016A; JP6775034B2; DK3443230T3; CN109328268A; US20190271336A1; EP3443230B1; CN109328268B; ES2786579T3; KR102140047B1; EP3443230A1

Abstract

本発明は、圧電液圧アクチュエータ（１）が４つの室を有するシステムとして構成され、第１の室が圧電アクチュエータ（５）により駆動可能で液状流体（７）を充填される入力ベローズ（３）であり、第１の逆止弁（ＲＶ１）を介して液圧的に液状流体（７）を充填された液圧シリンダ（９）として構成された第１の出力部（Ａ１）である第２の室に接続され、そのハウジングおよび液圧ピストン（１１）が液状流体（７）を充填された第２の出力部（Ａ２）である第３の室を構成する出力ベローズ（１３）に機構的に並列接続され、前記入力ベローズが第２の逆止弁（ＲＶ２）を介して液圧的に液状流体（７）を充填された貯液槽（１５）である第４の室と接続され、この貯液槽が第３の逆止弁（ＲＶ３）を介して出力ベローズ（１３）と接続され、液圧シリンダ（９）が第４の逆止弁（ＲＶ４）を介して出力ベローズ（１３）と液圧的に接続される圧電液圧アクチュエータに関する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電液圧アクチュエータ並びにその作動方法に関する。

アクチュエータでは特に次の４つの特性、すなわち力、変位、速度および構成スペースが重要である。アクチュエータの多くの用途では高い力か高い速度が必要とされる種々の作動点が存在する。工作機の取り出し工具のアクチュエータでは、アクチュエータが工具と接触するまでの変位を大きな速度で移動するが、特別大きな力は必要とされない。アクチュエータが工具と接触すると直ちに先の要求はまさに一変する。工具を取り出すには大きな力が必要となる。しかしながら大きな速度は不要となる。なぜならこのために必要なアクチュエータの変位は極めて僅かだからである。従ってアクチュエータには２つのモードが必要となる。すなわち速度モードと力モードである。このように２つのモードというコンセプトは同様にロボット工学でも益々利用されている。

従来は２つのモード、すなわち速度モードと力モードとの切換えの可能性を提供する２段ギヤが使用されている。この場合の欠点は特に負荷があるときに切換え中に回転トルクと力のばらつきがあることである。非特許文献１はギヤおよび付属のモータによりこの問題に対処するリニアアクチュエータを開示している。この場合の欠点はこの種のシステムの複雑さと能率がなお大きな改善を必要とすることにある。

これとは別に従来はたとえばロープドライブのような種々のアクチュエータ原理が提供されており、２つの異なるモードの実現に使用されている。たとえばねじれたロープはとりわけ非線形の変速比を有するので、ねじれたロープはさらに付加的なねじれを加えることにより同じモータユニットからより高い力を得るように使用することができる。この種の解決手段の利点は損失が少ないことである。特に両モードはヒステリシス状の弛緩プロセス（”relaxation process”）を介して互いに連結される。このような作用効果に対処するために研究者は付加的なモータユニットとの連結メカニズムを開発している（非特許文献２参照）。この種のシステムは同様にシステム全体の複雑性を高める。ねじれロープの使いこなしとこれに伴う非線形性は引き続き研究テーマとなっている。

A.Girard and H.Asada, A Two-Speed Actuator for Robotics with Fast Seamless Gear Shifting, 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) Y.J.Shin, H.J.Lee, K.S.Kim, S.Kim, Dual-Mode Twisting Actuation Mechanism with an Active Clutch for Active Mode-Change and Simple Relaxation Process, 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)

本発明の課題は、アクチュエータが第１のモードではアクチュエータの変位力に関して、第２のモードでは変位速度に関して最適化され、第１のモードでは力ができるだけ大きく第２のモードでは速度ができるだけ大きくなるようにした圧電液圧アクチュエータを提供することにある。さらに両モード間の中断の無い切換えが実施できなければならない。さらに自動切換えが実施できなければならない。アクチュエータは苛酷なまたは負荷が掛かる環境下で使用できなければならない。

この課題は、主請求項に記載の圧電液圧アクチュエータによりおよび副請求項に記載の圧電液圧アクチュエータの作動方法により解決される。

第１の課題の観点によれば、圧電液圧アクチュエータは４つの室を有するシステムとして構成され、第１の室が圧電アクチュエータにより駆動可能で液状流体を充填された入力ベローズであり、該ベローズは第１の逆止弁を介して液圧的に液状流体を充填された液圧シリンダとして構成された第１の出力部である第２の室に接続され、ハウジングおよび液圧ピストンは液状流体を充填された第２の出力部である第３の室を構成する出力ベローズに機構的に並列接続され、前記入力ベローズは液状流体を充填された貯液槽である第４の室に第２の逆止弁を介して液圧的に接続され、該貯液槽が第３の逆止弁を介して前記出力ベローズに接続され、前記液圧シリンダが第４の逆止弁を介して出力ベローズに液圧的に接続される圧電液圧アクチュエータが提案される。

ここで入力ベローズとは特に液体を包含し特に運動方向に弾性的な貯液槽のことであり、この貯液槽に力が加えられるようになっている。

ここで出力ベローズとは特に液体を包含し特に運動方向に弾性的な貯液槽のことであり、この貯液槽から力が出されるようになっている。

第２の課題の観点によれば、圧電液圧アクチュエータが４つの室を有するシステムとして構成され、第１の室が圧電アクチュエータにより駆動可能な液状流体を充填された入力ベローズであり、このベローズは第１の逆止弁を介して液圧的に液状流体を充填された液圧シリンダとして構成された第１の出力部である第２の室に接続され、該出力部のハウジングおよび液圧ピストンは液状流体を充填された第２の出力部である第３の室を構成する出力ベローズに機械的に並列接続され、前記入力ベローズは液状流体を充填された貯液槽ベローズである第４の室に第２の逆止弁を介して液圧的に接続され、該貯液槽が第３の逆止弁を介して前記出力ベローズに接続され、前記液圧シリンダが第４の逆止弁を介して前記出力ベローズに液圧的に接続される圧電液圧アクチュエータの作動方法において、前記圧電アクチュエータの膨張により生じる液状流体の圧縮と第１の逆止弁に対する液状流体の加圧により、該逆止弁が一定の圧力に達すると開いて液状流体が前記液圧シリンダに流れ、圧電ストロークのステップアップまたはステップダウンが実施され、前記圧電アクチュエータの収縮により負圧が前記入力ベローズ内に作られ、液状流体が前記貯液槽から前記入力ベローズに流れ、それによりポンピングの繰り返しサイクルが行われる圧電液圧アクチュエータの作動方法が提案される。

本発明による圧電液圧アクチュエータは、これにより力的に並びに速度的に最適に変位することができるという利点を有する。ギヤ段で作動する従来の解決方法と比較した利点は、上述のシステムが速度モードと力モードとの自動的な切換えが可能であることにある。特に両モード間の中断の無い切換えが可能である。さらにこのアクチュエータは、金属ベローズによる金属製のカプセル化を使用すれば、たとえば強い振動やひどい汚れなどの苛酷な環境に対しても好適である。

他の有利な実施形態は従属請求項との関連で提案されている。

有利な一実施形態によれば、液圧ピストンの液体横断面は出力ベローズとして構成された第３の室の液体横断面よりも小さく、入力ベローズとして構成された第１の室の液体横断面よりも小さくすることができる。

ここで構成部の液体横断面とは特に、圧力の形成に必要な力が垂直方向に作用し運動方向に垂直に向けられた該構成部から作られた面のことである。

別の有利な実施形態によれば、第４の逆止弁は、第１の出力部の圧力上昇時に外部の反力により開き、液状流体が付加的に第２の出力部にポンピングされるように設計される。

別の有利な実施形態によれば、第３の逆止弁は、出力ベローズから貯液槽へ液状流体を戻すための漏出路を構成することができる。

別の有利な実施形態によれば、第３の逆止弁に並列に出力ベローズから貯液槽への液状流体を漏出させるための絞りが液圧的に接続されるようにすることができる。

別の有利な実施形態によれば、機構的な出力部は液圧ピストンの一つの面によって提供されるようにすることができる。

別の有利な実施形態によれば、機構的な出力部は出力ベローズとして構成された第３の室の一つの面によって提供され、液圧ピストンが特に嵌合または摩擦結合的に出力ベローズの前記面に接続されるようにすることができる。

別の有利な実施形態によれば、液圧シリンダおよび少なくとも部分的に液圧ピストンが出力ベローズとして作られた第３の室内に位置決めされるようにすることができる。

別の有利な実施形態によれば、圧電アクチュエータは駆動電圧のパルス幅変調により駆動されるようにすることができる。

別の有利な実施形態によれば、第３の逆止弁は、液圧シリンダへの液状流体のポンピングの結果出力ベローズ内に負圧が作られるときに開かれ、液状流体が貯液槽から出力ベローズへ流れるようにすることができる。

別の有利な実施形態によれば、第１の出力部が生じる反力、特に障害物があり、液圧シリンダ内の圧力が増大するときに、第４の逆止弁が開き、液状流体が入力ベローズから付加的に出力ベローズへ流れるようにすることができる。

別の有利な実施形態によれば、第１の出力部および第２の出力部の収縮の際に第３の逆止弁により液状流体が貯液槽ベローズに戻されるようにすることができる。

本発明を実施例のもとに図面と関連して詳細に説明する。

図１は本発明による圧電液圧アクチュエータの第１の実施例を示す。図２は本発明による圧電液圧アクチュエータの第２の実施例を示す。図３は本発明による圧電液圧アクチュエータの第３の実施例を示す。図４は本発明方法の一実施例を示す。

図１は本発明による圧電液圧アクチュエータ１の第１の実施例を示す。図１は本発明のコンセプトを示す。駆動素子としては圧電アクチュエータ５が使用され、液圧システムに接続される。液圧システムは４つの室を有する。すなわち駆動部材３、貯液槽１５、第１の出力部（Ａ１）および第２の出力部（Ａ２）である。第１の出力部（Ａ１）はこの場合液圧シリンダ９として構成され、そのハウジング並びに液圧ピストン１１で並列接続された第２の出力部（Ａ２）と機構的に固く結合されている。第１の出力部（Ａ１）は第２の出力部（Ａ２）および場合によっては駆動部３よりも小さい液体横断面を有する。アクチュエータ１を駆動するために電圧がパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse width modulation）の形で印加される。ＰＷＭ信号の電圧上昇により圧電アクチュエータ５が膨張し、その結果駆動部３内の流体７が圧縮され、圧力が準非圧縮性に基づき上昇する。これにより逆止弁ＲＶ１が開き、液状流体７の実施例として用いられる油が駆動部３から第１の出力部Ａ１に、すなわち液圧シリンダ９に流れる。駆動部３よりも出力部Ａ１の横断面が小さいために圧電ストローク（伸張）のステップアップが行われる。次に圧電アクチュエータ５のＰＷＭ電圧が再び零（ゼロ）に設定され、これにより駆動部３内の圧力が減少し、流体７の容量の減少に基づき負圧が生じる（その前に駆動部３内にある流体７の一部が出力部Ａ１にポンピングされている）。負圧の結果逆止弁ＲＶ２が開き、流体７が貯液槽１５から駆動部３へ吸い込まれる。その後ＰＷＭ電圧を再び上昇させることができ、上述のサイクルを繰り返すことができる。この繰り返しにより段階的に液状流体７の実施例としての油が貯液槽１５から駆動部３を介して出力部Ａ１にポンピングされる。液圧ピストン１１すなわち出力部Ａ１の変位により同様に出力部Ａ２も両者が機構的に結合されているので変位を受ける。符号１２は出力ベローズ（蛇腹構造の伸縮管）１３が液圧ピストン１１に機構的に接続されている取付け箇所を示す。出力部Ａ２では液圧流体７は能動的にポンピングされないので、第２の出力部Ａ２のボリュームの上昇にもかかわらず液体量は一定に保たれるので負圧が生じるであろう。これにより出力部Ａ１に反力が生じ、これにより出力部Ａ１の変位が阻止される可能性がある。この理由から出力部Ａ２と貯液槽１５の間に液圧的接続が設けられ、逆止弁ＲＶ３が設けられる。この逆止弁ＲＶ３は、液状流体７の出力部Ａ１へのポンピングの結果、第２の出力部Ａ２内に負圧が生じるときに開かれる。これにより受動的に、第２の出力部Ａ２が第１の出力部Ａ１による膨張に対しごく僅かな影響しか受けないように配慮される。

第１の出力部Ａ１が駆動する又は、たとえば障害物による反力に対して駆動すると直ちに、アクチュエータ１の作動には大きな力が形成される必要が生じる。これは第１の出力部Ａ１によっては単に限定的に可能であるにすぎない。なぜなら大きな速度変化を提供するためにとても小さな液体横断面が選定されているからである。第１の出力部Ａ１の液体領域が小さければ小さいほど、第１の出力部Ａ１内の最大圧力時の出力圧力は小さくなる。この理由から第１の出力部Ａ１と第２の出力部Ａ２との間に逆止弁ＲＶ４が構成される。第１の出力部Ａ１内の圧力が反力により上昇すると、逆止弁ＲＶ４が開き、これにより液状流体７は第１の出力部Ａ１に付加して第２の出力部Ａ２にもポンピングされる。第２の出力部Ａ２は液体断面が著しく大きいので、第１の出力部Ａ１に比して同じ圧力で第２の出力部Ａ２に加えられた出力圧力が上昇する。

第１および第２の出力部Ａ１、Ａ２の収縮はこのコンセプトによれば漏出路の実装により行われる。図１によれば第３の逆止弁ＲＶ３は簡単な漏出路を提供することにより、液状流体７が第２の出力部Ａ２から貯液槽１５へゆっくりと戻される。

図２は本発明による圧電液圧アクチュエータ１の第２の実施例を示す。この第２の実施例は図１の第１の実施例とほぼ同様の構成を有する。代替的に図２に示すように逆止弁ＲＶ３と並列に付加的に絞り１７が組込まれる。絞り１７は代替的にまたは付加的に第２の出力部Ａ２から貯液槽１５へ液状流体７の緩やかな返還を提供することができる。図２は液圧シリンダ９の液圧ピストン１１の面１９を示しており、この面１９により本発明によるアクチュエータ１の力の伝達が実施される。

図３は本発明による圧電液圧アクチュエータ１の第３の実施例を示す。この第３の実施例は図１の第１の実施例とほぼ同様のシステム構成を有する。従って、図３は図２と同様に図１と同じ符号で識別されている。図３の実施例によれば機構的な出力は図２とは異なり面１９ではなく第２の出力部Ａ２の出力ベローズ１３を介して構成される面２１を介して行われる。この場合第２の出力部Ａ２内の液圧ピストン１１は出力ベローズ１３の取付け箇所で中空シリンダ１１と嵌合または摩擦結合で接続される。

図４は本発明方法の一実施例を示す。この方法はたとえば上述の実施例による本発明による圧電液圧アクチュエータ１の作動に係わる。第１のステップＳ１により圧電アクチュエータの膨張が行われ、第１の逆止弁に対する液状流体の圧縮および加圧が行われ、逆止弁は所定の圧力で開き液状流体を液圧シリンダに流し込み、その際に圧電ストロークのステップアップまたはステップダウンが実施される。第２のステップＳ２では圧電アクチュエータの収縮が行われ、その際負圧が入力ベローズ内に作られるので、第２の逆止弁が開き液状流体が貯液槽から入力ベローズに流れ、このようにしてポンプのサイクルが行われる。ステップＳ１、Ｓ２は繰り返しサイクル的に実施することができる。

１圧電液圧アクチュエータ、３駆動部材、５圧電アクチュエータ、７液状流体、９液圧シリンダ、１１液圧ピストン、１２取り付け箇所、１３出力ベローズ、１５貯液槽、１７絞り、１９液圧ピストンの面、Ａ１第１の出力部、Ａ２第２の出力部、ＲＶ１第１の逆止弁、ＲＶ２第２の逆止弁、ＲＶ３第３の逆止弁、ＲＶ４第４の逆止弁、Ｓ１第１のステップ、Ｓ２第２のステップ

別の有利な実施形態によれば、第１の出力部が対処可能な反力、特に障害物に対して駆動し液圧シリンダ内の圧力が増大するときに、第４の逆止弁が開き、液状流体が入力ベローズから付加的に出力ベローズへ流れるようにすることができる。

Claims

圧電液圧アクチュエータ（１）が４つの室を有するシステムとして構成され、第１の室は圧電アクチュエータ（５）により駆動可能な液状流体（７）を充填された入力ベローズ（３）であり、該ベローズは第１の逆止弁（ＲＶ１）を介して液圧的に液状流体（７）を充填された液圧シリンダ（９）として構成された第１の出力部（Ａ１）である第２の室に接続され、そのハウジングおよび液圧ピストン（１１）は液状流体（７）を充填された第２の出力部（Ａ２）である第３の室を構成する出力ベローズ（１３）に機構的に並列接続され、前記入力ベローズは第２の逆止弁（ＲＶ２）を介して液圧的に液状流体（７）を充填された貯液槽（１５）である第４の室と接続され、該貯液槽が第３の逆止弁（ＲＶ３）を介して前記出力ベローズ（１３）と接続され、前記液圧シリンダ（９）が第４の逆止弁（ＲＶ４）を介して前記出力ベローズ（１３）と液圧的に接続される圧電液圧アクチュエータ（１）。
液圧ピストン（１１）の液体横断面が出力ベローズ（１３）として構成された第３の室の液体横断面より小さく、特に入力ベローズ（３）として構成された第１の室の液体横断面よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の圧電液圧アクチュエータ（１）。
第４の逆止弁（ＲＶ４）が、外部の反力による第１の出力部（Ａ１）内の圧力上昇時に開かれ、液状流体（７）が付加的に第２の出力部（Ａ２）にポンピングされるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の圧電液圧アクチュエータ。
第３の逆止弁（ＲＶ３）が出力ベローズ（１３）から貯液槽（１５）へ液状流体（７）を戻すための漏出路を有することを特徴とする請求項１、２または３記載の圧電液圧アクチュエータ。
出力ベローズ（１３）から貯液槽（１５）に液状流体（７）を戻すための絞り（１７）が、第３の逆止弁（ＲＶ３）に並列に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の圧電液圧アクチュエータ。
機構的な出力が液圧ピストン（１１）の面（１９）によって提供されることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の圧電液圧アクチュエータ。
機構的な出力が出力ベローズとして構成された第３の室の面（２１）によって提供され、液圧ピストンが特に嵌合または摩擦結合により出力ベローズの前記面に接続されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の圧電液圧アクチュエータ。
液圧シリンダと少なくとも部分的に液圧ピストンとが、出力ベローズとして構成された第３の室内に配置されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の圧電液圧アクチュエータ。
圧電アクチュエータが駆動電圧のパルス幅変調により駆動されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の圧電液圧アクチュエータ。
圧電液圧アクチュエータが４つの室を有するシステムとして構成され、第１の室は圧電アクチュエータにより駆動可能な液状流体を充填された入力ベローズであり、第１の逆止弁（ＲＶ１）を介して液圧的に液状流体を充填された入力シリンダとして構成された第１の出力部（Ａ１）である第２の室に接続され、そのハウジングおよび液圧ピストンが液状流体を充填された第２の出力部（Ａ２）である第３の室を構成する出力ベローズに機構的に並列接続され、前記入力ベローズが第２の逆止弁（ＲＶ２）を介して液圧的に液状流体を充填された貯液槽と接続され、該貯液槽が第３の逆止弁（ＲＶ３）を介して前記出力ベローズと接続され、前記液圧シリンダが第４の逆止弁（ＲＶ４）を介して前記出力ベローズと液圧的に接続される圧電液圧アクチュエータの作動方法において、圧電アクチュエータの膨張（Ｓ１）により逆止弁（ＲＶ１）に対する液状流体の圧縮および加圧が実施され、この逆止弁が圧力が生じた時に開いて液状流体が液圧シリンダに流れ、圧電ストロークのステップアップまたはステップダウンが実施され、圧電アクチュエータの収縮（Ｓ２）により負圧が入力ベローズ内に作られ、液状流体が貯液槽から入力ベローズに流れ、それによりポンピングの繰り返しサイクルが行われる圧電液圧アクチュエータの作動方法。
第３の逆止弁（ＲＶ３）が、液圧シリンダへの液状流体のポンピングにより出力ベローズに負圧が形成されるときに開き、液状流体が貯液槽から出力ベローズへ流れることを特徴とする請求項１０記載の方法。
第１の出力部（Ａ１）が生じる反力、特に障害物にあって液圧シリンダ内の圧力が増大するときに、第４の逆止弁（ＲＶ４）が開いて液状流体が入力ベローズから付加的に出力ベローズに流れることを特徴とする請求項１０または１１記載の方法。
第１の出力部（Ａ１）と第２の出力部（Ａ２）が収縮するときに第３の逆止弁（ＲＶ３）により液状流体が貯液槽ベローズに戻されることを特徴とする請求項１０、１１または１２記載の方法。