JP2598854B2 - 往復動形アクチュエータおよびその制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ポンプ等を駆動するた
めの往復動形アクチュエータおよびその制御方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】特公昭４８−２１９６４号公報（ピスト
ン形アクチュエータ）または特公昭４２−２３３０３号
公報（ダイヤフラムポンプ）に示されるように、作動流
体圧により駆動されてポンプ駆動用の作動ロッドが往復
動される往復動形アクチュエータは、作動ロッドの動き
と連動してそのストローク端で切換えられる作動流体切
換機構を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この作動ロッド連動形
の作動流体切換機構では、例えば定量ポンプにおける作
動ストロークや、高粘度ポンプにおける作動速度を変更
する必要があっても、それを容易に行うことはできな
い。

【０００４】また、電磁弁等により往復動形アクチュエ
ータの作動流体を切換える場合や、ロータリエンコーダ
によりアクチュエータの作動を制御しようとする場合
は、このアクチュエータにより作動されるポンプがガソ
リン等の可燃性流体を扱うことも考慮して、外部に設置
されたバッテリ等の外部電源との接続において防爆処理
を確実に行わなければならないが、外部電源に対する確
実な防爆処理は容易でない。

【０００５】さらに、図６に示されるように２台のアク
チュエータにより２台のポンプの脈動位相がずれるよう
に駆動することにより、そのポンプの合同吐出圧のリッ
プルを減少させようとするものは従来からあるが、従来
の脈動位相をずらすのみのアクチュエータ制御方法では
そのリップル減少にも限界があった。

【０００６】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、防爆に有利で、作動ロッドの移動ストロークや移
動速度等を容易に可変制御できる往復動形アクチュエー
タを提供することを目的とし、また、２台のポンプの合
同吐出圧でのリップルを減少させる場合に有効な往復動
形アクチュエータの制御方法を提供することを目的とす
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、作動流体圧により駆動されて作動ロッドが往復動さ
れる往復動形アクチュエータにおいて、前記作動ロッド
の移動により駆動され、作動ロッドに連動して動作検出
機能を兼ねた自己発電を行う内蔵された発電機と、流体
駆動系の中に封じ込められ、前記発電機から出力された
エネルギおよび動作検出情報の供給を受けるとともに動
作検出情報を処理する電子制御部と、この電子制御部か
ら出力された制御信号に基づき作動流体を制御する作動
流体制御弁とを具備した往復動形アクチュエータであ
る。

【０００８】請求項２に記載の発明は、流体駆動系の中
に電子制御系を封じ込め、フレキシブルな制御を実施す
るために流体駆動系の作動ロッドに連動して動作検出機
能を兼ねた自己発電を行い、電子制御系にエネルギおよ
び動作検出情報を供給し、この電子制御系により流体駆
動系を制御する往復動形アクチュエータの制御方法であ
る。

【０００９】請求項３に記載の発明は、作動流体圧によ
り駆動して作動ロッドを往復動することにより共通の吐
出口を有する一対のポンプを駆動する一対の往復動形ア
クチュエータの制御方法において、前記作動ロッドに連
動して動作検出機能を兼ねた自己発電をアクチュエータ
内蔵の発電機にて行うことにより、流体駆動系の中に封
じ込められた電子制御系にエネルギおよび動作検出情報
を供給し、前記電子制御系は、一対の往復動形アクチュ
エータの間で各作動ロッドの移動により駆動される発電
機から出力された動作検出情報を相互に情報交換し合
い、一方の往復動形アクチュエータにより駆動される一
方のポンプの吐出圧が落込む往復動切換時に、他方の往
復動形アクチュエータにより駆動される他方のポンプ吐
出圧が増加するように、各アクチュエータの作動流体制
御弁を相互に制御し合う往復動形アクチュエータの制御
方法である。

【００１０】

【作用】請求項１に記載の発明は、往復動形アクチュエ
ータの作動ロッドにより発電機を駆動し、外部より電気
エネルギの供給を受けなくとも、作動ロッドにより駆動
された発電機が流体エネルギを電気エネルギに変換する
自己発電を行うことで、発電機から電子制御部に電気エ
ネルギおよび動作検出情報を与え、この発電機から出力
された動作検出情報を基にして電子制御部により作動流
体制御弁を制御し、作動ロッドの停止位置、移動ストロ
ーク、移動速度を目標通りに制御する。

【００１１】請求項２に記載の発明は、外部より電気エ
ネルギの供給を受けなくとも、流体駆動系が流体エネル
ギにより自己発電を行うことで、流体駆動系自身に一体
化された電子制御系に電気エネルギおよび動作検出情報
を与え、自己の動作を制御する。

【００１２】請求項３に記載の発明は、外部より電気エ
ネルギの供給を受けなくとも、作動ロッドにより駆動さ
れたアクチュエータ内蔵の発電機が自己発電を行うこと
で、この発電機から流体駆動系の中に封じ込められた電
子制御系に電気エネルギおよび動作検出情報を与え、一
対の往復動形アクチュエータの間で発電機から出力され
た動作検出情報を相互に情報交換し合い、一方の往復動
形アクチュエータにより駆動される一方のポンプの吐出
圧が落込む往復動切換時に、他方の往復動形アクチュエ
ータにより駆動される他方のポンプ吐出圧が増加するよ
うに相互に制御し合うことで、ポンプ吐出圧のリップル
を打消すように自己の動作を制御する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を図に示される実施例を参照し
て詳細に説明する。

【００１４】図１および図２は、作動流体圧（空圧）に
より駆動されて往復動されるピストンタイプの往復動形
アクチュエータの一例を示し、アクチュエータ本体11の
下部にシリンダ12が螺着され、このシリンダ12の内部に
ピストン13が摺動自在に嵌合され、このピストン13と一
体の作動ロッド14が、シリンダ12の下部開口に嵌着され
たシリンダエンド部材15との間のシール部材16を通して
下方へ突出され、図示されない往復動形ポンプの軸に接
続されている。

【００１５】前記アクチュエータ本体11の一側面には作
動流体制御弁21が取付けられ、この作動流体制御弁21の
一つの出力ポートがアクチュエータ本体11の内孔22，23
を経てピストン13より上側の作動流体室24に連通され、
また、作動流体制御弁21の他の出力ポートが外部管25お
よびシリンダエンド部材15の内孔26を経てピストン13よ
り下側の作動流体室27に連通され、そして、この作動流
体制御弁21から両方の作動流体室24，27に交互に作動流
体が給排制御される。

【００１６】前記アクチュエータ本体11の上側には交流
発電機31が一体的に設けられている。すなわちアクチュ
エータ本体11に発電機本体32が螺着され、この発電機本
体32に取付板33により固定電機子（コイル）34が取付け
られ、この固定電機子34の下側にて同心の固定軸35に嵌
着された一対の軸受36により固定電機子34との間隙を一
定に保持された回転子（多分割マグネット）37が回転自
在に取付けられている。

【００１７】前記回転子37には接続部41を介してスクリ
ュー42が同心かつ一体に取付けられ、このスクリュー42
が前記ピストン13の中央部に一体に嵌着された雌ねじ部
材43に螺合され、作動ロッド14の内孔44に嵌入されてい
る。前記スクリュー42は、ねじ山のリード（ピッチ）が
大きいため、図示されないガイド手段により回転防止さ
れた作動ロッド14が直線移動すると、この作動ロッド14
と一体の雌ねじ部材43との螺合関係により容易に回転さ
れる。

【００１８】また、前記アクチュエータ本体11の外周面
に設けられた凹溝47には、電装部48が設けられ、その内
部には前記発電機31により充電される内蔵バッテリや、
発電機31から出力された動作検出情報（正弦波信号）を
処理して前記制御弁21を動作制御する中央処理装置（Ｃ
ＰＵ）および周辺コントローラ等により回路構成された
電子制御部49が設けられている。

【００１９】図２に示されるように、前記作動流体制御
弁21は発電機31から出力された動作検出情報に基づいて
ピストン作動流体を制御する４ポート切換弁を示し、弁
本体51の内部に嵌着されたスリーブ52のさらに内部にス
プール53が摺動自在に嵌合され、このスプール53は一側
に設けられた圧縮コイルスプリング54により他側のスト
ッパ55に押圧され、さらに、このストッパ側に設けられ
たパイロット圧室56に対し、電気−空圧式比例弁（サー
ボ弁）のような電気信号入力に比例する空圧を出力する
パイロットバルブ57が設けられている。前記スプリング
側にもスプリング受けを兼ねたストッパ58が設けられて
いる。

【００２０】弁本体51には作動流体の入力ポート61、二
つの出力ポート62，63および排圧ポート64が設けられて
いる。入力ポート61は、分岐された通路65を経てスリー
ブ左側の入力ポート61a にも連通され、また、一方の出
力ポート62は、前記内孔22，23を経てピストン13より上
側の作動流体室24に連通され、また、他方の出力ポート
63は、通路66および前記外部管25を経てピストン13より
下側の作動流体室27に連通され、さらに、排圧ポート64
は外部に開口され、排気口となっている。

【００２１】そして、スプール53が実線位置にあるとき
は、入力ポート61がスリーブ52内を経て出力ポート62に
連通され、出力ポート63がスリーブ内を経て排圧ポート
64に連通されている。そのスプール53が２点鎖線位置に
切換わると、入力ポート61aがスリーブ内を経て出力ポ
ート63に連通され、出力ポート62がスリーブ内を経て排
圧ポート64に連通される。

【００２２】前記パイロットバルブ57は、その空圧出力
と圧縮コイルスプリング54との相対関係により、スプー
ル53を前記のように実線位置と２点鎖線位置との２位置
で択一的に切換えるばかりでなく、その２位置間の任意
の位置に比例制御できるから、前記入力ポート61，61a
からスリーブ52内を経て一方の出力ポート62（または6
3）に供給される作動流体および他方の出力ポート63
（または62）からスリーブ内を経て排圧ポート64に排出
される作動流体をこのスプール53により任意の流量に絞
り、前記ピストン13の移動速度を変化させることができ
る。また、このパイロットバルブ57は、往復動形アクチ
ュエータのピストン13の移動位置との関係でスプール53
の作動タイミングを制御することにより、ピストン13の
停止位置および移動ストロークを制御することもでき
る。

【００２３】そして、前記パイロットバルブ57から作動
流体制御弁21のパイロット室56に対し給排されるパイロ
ット圧を一定の周期でオンオフ制御して、スプール53を
前記２位置間で切換制御すると、往復動形アクチュエー
タのピストン13および作動ロッド14がその周期で上下動
され、作動ロッド14に接続された往復動ポンプ等が駆動
される。このとき、作動ロッド14と一体に移動される雌
ねじ部材43と螺合されたスクリュー42が回転し、交流発
電機31の回転子（マグネット）37も回転し、これと対向
する固定電機子（コイル）34から交流出力が得られるの
で、この交流出力を図示しない整流回路により整流して
内蔵バッテリを充電し、このバッテリによりパイロット
バルブ57やその制御回路（ＣＰＵを含む）等を駆動す
る。

【００２４】さらに、前記ピストン13および作動ロッド
14の移動量と比例して発電機31から出力される交流波形
（正弦波）を動作検出情報としても取扱い、その波数を
計数回路でカウントし、例えば往復動切換位置（停止位
置）からの総波数をカウントすることにより前記ピスト
ン13の移動ストロークを検出でき、また、単位時間当り
の波数からピストン13および作動ロッド14の移動速度を
検出できる。

【００２５】したがって、これらの動作検出データを基
にして電装部48内に設けられた電子制御部49により前記
作動流体制御弁21のパイロットバルブ57を制御すれば、
ピストン13の停止位置、移動ストロークおよび移動速度
を目標通りに制御できる。ピストン移動ストロークの制
御は、定量ポンプ等における吐出量の変更に対応でき、
ピストン移動速度の制御は、高粘度ポンプ等におけるポ
ンプ材料の粘性変化に対応できる。

【００２６】図３は、ダイヤフラムポンプに本発明の往
復動形アクチュエータが一体に組込まれた実施例を示
し、左右の作動流体室24，27と左右のポンプ室71，72と
を区画する一対のダイヤフラム73，74が作動ロッド14に
より連結され、左右の作動流体室24，27の間には、作動
ロッド14の移動により駆動される交流発電機31が設けら
れている。

【００２７】この発電機31は、作動ロッド14に一体形成
されたスクリュー42と、一対のスラストベアリング36に
より軸方向移動を規制された雌ねじ部43とが螺合され、
この雌ねじ部43に回転子（多分割マグネット）37が一体
に設けられ、この回転子37に固定電機子（コイル）34が
対向して設けられている。

【００２８】さらに、この発電機31の外周部には、発電
機31により充電される内蔵バッテリや、中央処理装置
（ＣＰＵ）および周辺コントローラ等からなる電子制御
部49が内装された電装部48と、作動流体制御弁21とが設
けられている。この作動流体制御弁21は、図２に示され
た電気−空圧比例式パイロットバルブ57（図３では図示
せず）を一体的に備えており、図２の場合と同様に、発
電機31から出力された動作検出情報（正弦波信号）に基
づき、管22，25を経て左右の作動流体室24，27に対し作
動流体（空気）を給排制御する。

【００２９】このダイヤフラムポンプは、左右の作動流
体室24，27が作動流体の交互給排により膨張・縮小を繰
返すと、左右のポンプ室71，72も交互に容積変化して膨
張・縮小を繰返すので、ポンプ材料吸込口75から下側の
逆止弁76を経てポンプ材料を吸込むとともに、上側の逆
止弁77を経てポンプ材料を吐出口78へ押出す。

【００３０】このダイヤフラム形アクチュエータも、図
１および図２に示されたピストン形アクチュエータと同
様に、作動ロッド14の移動により駆動される発電機31に
より内蔵バッテリを充電し、このバッテリにより電子制
御部49や作動流体制御弁21のパイロットバルブ等に電力
を供給するとともに、作動ロッド14の移動と同期して発
電機31から出力された正弦波信号をカウントして作動ロ
ッド14の移動位置や移動速度を検出し、その動作検出情
報を基にして作動流体制御弁21のパイロットバルブを制
御することにより、往復動される作動ロッド14の停止位
置、移動ストロークおよび移動速度を目標通りに制御す
る。

【００３１】図４は、一対のポンプＡ，Ｂ（ピストンポ
ンプ、ダイヤフラムポンプ等）のポンプ材料吐出口78を
接続して共通の吐出口79とする場合において、それらの
ポンプを駆動する一対の往復動形アクチュエータの間で
相互に情報を交換し合って制御を行うインテリジェント
ポンプ制御例を示す概略図であり、各アクチュエータの
作動ロッド14の移動により駆動される発電機31から出力
された前述の動作検出情報（移動位置、移動速度等）
を、前記ＣＰＵおよび周辺コントローラ等からなる電子
制御部49により演算処理した後、アナログ制御信号に変
換して相手アクチュエータの作動流体制御弁21（電気−
空圧比例式パイロットバルブ57）に相互に提供し合っ
て、次のような制御を行う。

【００３２】例えば、図５に示されるように、一方の往
復動形アクチュエータにより駆動される一方のポンプの
吐出圧P1が落込む往復動切換時t1に、他方の往復動形ア
クチュエータにより駆動される他方のポンプ吐出圧P2が
増加するように、また、他方の往復動形アクチュエータ
により駆動される他方のポンプの吐出圧P2が落込む往復
動切換時t2に、一方の往復動形アクチュエータにより駆
動される一方のポンプ吐出圧P1が増加するように、各ア
クチュエータの作動流体制御弁21（パイロットバルブ5
7）を相互に方向制御および流量制御し合うことによ
り、その二つのポンプ材料吐出口78が合流されたポンプ
吐出口79ではポンプ吐出圧のリップルを打消すことがで
き、往復動形ポンプでも平滑なポンプ吐出圧が得られ
る。

【００３３】図６は、従来の一対のポンプを併用した場
合のポンプ吐出圧波形を示す図であり、一方のポンプの
吐出圧P1が落込む往復動切換時t1と、他方のポンプの吐
出圧P2が落込む往復動切換時t2とをずらすことにより、
二つの往復動ポンプの合流吐出口でのポンプ吐出圧のリ
ップルを減少させることはできるが、打消すことはでき
ない。

【００３４】なお、前記発電機31はロータリタイプのも
のであるが、リニアタイプの発電機（リニアモータの入
出力を逆にしたもの）をピストン13や作動ロッド14に直
結するようにしてもよい。

【００３５】さらに、前記発電機31からの交流出力を整
流する平滑コンデンサが前記バッテリに相当する機能を
有する場合もあるので、バッテリはなくてもよい。

【００３６】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、往復動
形アクチュエータの作動ロッドにより駆動される内蔵の
発電機が自己発電を行うことで、この発電機から流体駆
動系の中に封じ込められた電子制御部に必要なエネルギ
を自給自足できるから、外部電源から電力を供給される
アクチュエータに比べて、可燃性流体を扱うポンプの駆
動アクチュエータとして防爆処理を容易かつ確実にでき
る。また、作動ロッドに連動する発電機から出力された
動作検出情報に基づいて電子制御部が作動流体制御弁を
制御するので、フレキシブルな往復動制御を実施でき
る。すなわち、作動ロッドの停止位置、移動ストロー
ク、移動速度等を必要に応じて容易に可変制御でき、例
えば、移動ストロークを可変制御して定量ポンプにおけ
る吐出量の変更に簡単に対応できるとともに、移動速度
を可変制御して高粘度ポンプにおけるポンプ材料の粘性
変化に簡単に対応できる。

【００３７】請求項２に記載の発明によれば、流体駆動
系の中に電子制御系を封じ込め、流体駆動の作動ロッド
に連動する自己発電により電子制御系を介し自身を制御
するようにしたから、前記フレキシブルな制御を実施で
きるとともに、外部電源から電力を供給されるアクチュ
エータに比べて、可燃性流体を扱うポンプの駆動アクチ
ュエータとして防爆処理を容易かつ確実にできる。

【００３８】請求項３に記載の発明によれば、内蔵され
た発電機の自己発電により流体駆動系の中に封じ込めら
れた電子制御系に必要なエネルギを自給自足できるか
ら、外部電源から電力を供給されるアクチュエータに比
べて、可燃性流体を扱うポンプの駆動アクチュエータと
して防爆処理を容易かつ確実にできる。また、作動ロッ
ドに連動する発電機から供給された動作検出情報に基づ
いて電子制御系は、一対の往復動形アクチュエータの間
で発電機から出力された動作検出情報を相互に情報交換
し合い、一方の往復動形アクチュエータにより駆動され
る一方のポンプの吐出圧が落込む往復動切換時に、他方
の往復動形アクチュエータにより駆動される他方のポン
プ吐出圧が増加するように相互に制御し合うようにした
から、ポンプ吐出圧のリップルを打消して脈動の少ない
平滑な合同吐出圧が得られるように一対の往復動形アク
チュエータを制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の往復動形アクチュエータの一実施例を
示す断面図である。

【図２】同上アクチュエータの作動流体制御弁の断面図
である。

【図３】本発明の往復動形アクチュエータの他の実施例
を示す断面図である。

【図４】本発明の往復動形アクチュエータを一対設けた
場合の制御方法を示すブロック図である。

【図５】図４の実施例におけるポンプ吐出圧波形を示す
図である。

【図６】従来のポンプ吐出圧波形を示す図である。

【符号の説明】

14 作動ロッド 21 作動流体制御弁 31 発電機 49 電子制御部 79 共通の吐出口 Ａ，Ｂ 一対のポンプ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動流体圧により駆動されて作動ロッド
   が往復動される往復動形アクチュエータにおいて、 前記作動ロッドの移動により駆動され、作動ロッドに連
   動して動作検出機能を兼ねた自己発電を行う内蔵された
   発電機と、流体駆動系の中に封じ込められ、前記 発電機から出力さ
   れたエネルギおよび動作検出情報の供給を受けるととも
   に動作検出情報を処理する電子制御部と、 この電子制御部から出力された制御信号に基づき作動流
   体を制御する作動流体制御弁と を具備したことを特徴とする往復動形アクチュエータ。
2. 【請求項２】 流体駆動系の中に電子制御系を封じ込
   め、 フレキシブルな制御を実施するために流体駆動系の作動
   ロッドに連動して動作検出機能を兼ねた自己発電を行
   い、 電子制御系にエネルギおよび動作検出情報を供給し、 この電子制御系により流体駆動系を制御する ことを特徴とする往復動形アクチュエータの制御方法。
3. 【請求項３】 作動流体圧により駆動して作動ロッドを
   往復動することにより共通の吐出口を有する一対のポン
   プを駆動する一対の往復動形アクチュエータの制御方法
   において、前記作動ロッドに連動して動作検出機能を兼ねた自己発
   電をアクチュエータ内蔵の発電機にて行うことにより、
   流体駆動系の中に封じ込められた電子制御系にエネルギ
   および動作検出情報を供給し、 前記電子制御系は、 一対の往復動形アクチュエータの間
   で各作動ロッドの移動により駆動される発電機から出力
   された動作検出情報を相互に情報交換し合い、一方の往
   復動形アクチュエータにより駆動される一方のポンプの
   吐出圧が落込む往復動切換時に、他方の往復動形アクチ
   ュエータにより駆動される他方のポンプ吐出圧が増加す
   るように、各アクチュエータの作動流体制御弁を相互に
   制御し合うことを特徴とする往復動形アクチュエータの
   制御方法。