JP4926507B2

JP4926507B2 - リザーバ内蔵型アクチュエータ

Info

Publication number: JP4926507B2
Application number: JP2006067408A
Authority: JP
Inventors: 鉄司佐藤; 正人鎌田
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-03-13
Also published as: JP2007239975A; EP1835181A2; EP1835181A3; US7513112B2; EP1835181B1; US20070209357A1

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（ＥｌｅｃｔｒｏＨｙｄｒｏｓｔａｔｉｃＡｃｕｔｕａｔｏｒ）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リザーバ内蔵型アクチュエータの改良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ー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（ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｃｔｕａｔｏｒ）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、航空機用に高い信頼性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ＥＭＡで高い信頼性を確保できないため、ＥＨＡの採用が主流となっている（例えば、特許文献１）。

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ため、種々の検討が行われている。例えば、従来のアクチュエータではモータ、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。このような問題を解決するために、本出願人は、特許文献２により、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、中空構造で構成されたピストンロッドの中に内蔵する、いわゆるリザーバ内蔵型アクチュエータを、ＥＨＡ装置全体の小型化を図ったアクチュエータとして提案している。

特開２００２−５４６０４号公報特願２００４−２９６２９０

上述したように、本出願人は、ＥＨＡ装置全体の小型化を目的としたリザーバ内蔵型アクチュエータを提案しているが、ピストン内部を利用した当該リザーバ内蔵型アクチュエータでは、リザーバとアニュラス側油室を流体が流通できるように接続しているため、アクチュエータに作用する外力により、リザーバ機能に影響を及ぼすことが懸念される。

図１は、特許文献２で提案されたリザーバ内蔵型アクチュエータの構成を説明する断面構成図である。図１に示すアクチュエータは、流体配管６を内在しており、アクチュエータ１並びにモータ２、ポンプ３およびコントローラ４と一体に構成されている。また、アクチュエータは、シリンダ式のアクチュエータ本体１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とからなり、ピストンは、ピストンロッド１２ａとピストンヘッド１２ｂとを備えている。

前記ピストンロッドは中空構造で構成するとともに、その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５を内蔵する構造となっている。また、前記ピストンロッドに内蔵されるリザーバは、流体を貯留するリザーバ油室１０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となっており、ガス室への窒素（Ｎ_２）ガス等の供給は、ガスバルブ１５を通して行われる。

図１に示すアクチュエータでは、ボア側油室７へ流体を供給することにより、シリンダがピストンを外側へ（白抜き矢印）延伸させる延伸運動を行い、アニュラス側油室８へ流体を供給することにより、シリンダがピストンを内側へ（黒抜き矢印）圧縮させる圧縮運動を行う。

上記の構造でリザーバが正常に機能する場合は、延伸運動の際に、流体用のポンプの作動により、アニュラス側油室の流体がボア側油室に供給されるが、単位ストローク当たり必要となる流体量はアニュラス側油室に比べボア側油室が大きくなるため、アニュラス側油室から供給される流体に加え、リザーバ油室から流体が補充される。このときリザーバ内の流体は、フリーピストンを介し、ガス室の不活性ガスの圧力により流通孔から押し出されて供給される。

しかし、アクチュエータに、ピストンを延伸する方向の外力が作用した場合、アニュラス側油室の流体が高圧状態となり、同時に、アニュラス側油室と流通孔により接続されているリザーバ油室に貯留された流体も高圧状態となる。このような場合には、フリーピストンで密閉されたガス室の不活性ガスが流体の圧力に抗することができず、ボア側油室に供給すべき流体が、リザーバ油室から供給できなくなり、アクチュエータとしての機能に支障をきたすことになる。

さらに、本来供給されるべき流体が、リザーバ油室から供給されないため、流体量が不足し、流体の入り側に相当するポンプ部位でキャビテーションが発生することや、キャビテーションに伴うポンプの性能低下、騒音、振動、エロージョン等の発生が懸念される。

本発明は、上述した状況に鑑みなされたものであり、ＥＨＡ装置全体の小型化を実現できると共に、外力の影響によらず安定したアクチュエータとしての性能を発揮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としている。

本発明者らは、先に提案したリザーバ内蔵型アクチュエータの改良に関して種々の検討を行った。その結果、シリンダ内にピストンロッド内周面と嵌合するようにスタンドパイプを設置し、その内面にリザーバを内蔵すれば、リザーバ油室をアニュラス側油室およびボア側油室から分離することが可能となる。これと同時に、ボア側油室を貫通するスタンドパイプを設置することで、ボア側油室の作動に要する流体量が減少し、アニュラス側油室とボア側油室の単位ストローク当たり必要となる流体量の差が小さくなり、必要なリザーバの容積を小さくできることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）〜（３）のリザーバ内蔵型アクチュエータを要旨としている。
（１）シリンダ式のアクチュエータ本体と、中空構造で構成され、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ロッドを有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、前記ピストンロッド内周面と嵌合するようにスタンドパイプを配置し、そのスタンドパイプ内面に前記リザーバを内蔵するリザーバ内蔵型アクチュエータ。
（２）上記（１）に記載のリザーバ内蔵型アクチュエータにおいて、前記シリンダが、圧縮運動を行う際に流体が供給されるアニュラス側油室と、延伸運動を行う際に流体が供給されるボア側油室とを形成し、前記リザーバが、これらアニュラス側油室およびボア側油室から分離しており、流体配管を介して接続する装置構成とすれば、リザーバ油室が外力に起因する流体の高圧化による影響を受けることがないので望ましい。
（３）上記（１）または（２）に記載のリザーバ内蔵型アクチュエータにおいて、前記リザーバが流体を貯留するリザーバ油室と、フリーピストンにより仕切られた弾性支持部とからなる二重構造であり、前記弾性支持部が弾性支持体としてコイルばねを備える構造であれば、必要な流体量に応じてリザーバ油室から流体を供給できるので望ましい。

図２は、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの全体構成例を示す斜視図である。本発明のアクチュエータは、リザーバをスタンドパイプの内面に内蔵するため、リザーバを外付けで装備する必要がなく、さらに、上述したスタンドパイプの効果で、必要なリザーバの容積を小さくできるため、同図に示すように、コンパクトな形状が可能となる。

また、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータは、リザーバ油室がボア側油室およびアニュラス側油室から分離する構成を採用しているが、図２に示すように、通常のアクチュエータが有する圧縮側流路入口１８および延伸側流路入口１９に加え、リザーバ流路入口２０を設けることにより、複雑な加工や設備を要することなく、流体配管を介してリザーバ油室を接続することが容易となる。

本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータによれば、中空構造のピストンロッド内周面に嵌合するようにスタンドパイプを配置し、そのスタンドパイプの内面にリザーバを内蔵することで、ＥＨＡ装置全体の小型化が可能になると共に、スタンドパイプに内蔵されたリザーバ油室がアニュラス側油室およびボア側油室から分離しているので、外力に起因する流体の高圧化による影響を受けることなく、安定したリザーバ性能が期待できる。

また、シリンダ内にスタンドパイプを備えることによって、アニュラス側油室とボア側油室の単位ストローク当たりで必要となる流体量の差が小さくなり、必要とされるリザーバ油室の容積を小さくできる。

以下に、本発明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３は、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの一実施形態を示す断面構成図である。本発明のアクチュエータは、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単数また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。

図３に示すように、本発明のアクチュエータは、シリンダ式のアクチュエータ本体１と、アクチュエータ本体１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、両者を結合することによって構成される。また、ピストンロッド１２ａは中空構造で構成し、スタンドパイプ１６がピストンロッド内周面と嵌合するように配置される。

同図に示すアクチュエータでは、外部から加わる負荷に対しては、ボア側油室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を外へ延伸させる延伸運動を行い、アニュラス側油室８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。

本発明のアクチュエータでは、流体配管６が設けられ、モータ２およびポンプ３が装備されている。上述の通り、アクチュエータに負荷が加わった場合、ポンプ３がモータ２の回転に応じてアクチュエータ本体１のシリンダ１１内に流体を供給し、外部から加わる負荷に対向させる。

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、ボア側油室７へ流体を供給するか、またはアニュラス側油室８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２の回転方向を切り換えるとともに、回転速度を調整する。

本発明のアクチュエータでは、スタンドパイプ１６を中空構造のピストンロッド内周面に嵌合するように構成し、リザーバ５をスタンドパイプ１６の内面に内蔵する構造とした。このように構成することで、リザーバを外付けで装備することを回避できると共に、リザーバ油室１０をボア側油室７およびアニュラス側油室８から分離できるので、アクチュエータに作用する外力の影響がリザーバに作用することがない。このため、本発明で採用されるポンプ３は、アニュラス側油室８と接続する流体配管とポンプ部位３ａで、ボア側油室７と接続する流体配管とポンプ部位３ｂで、リザーバ油室１０と接続する流体配管とポンプ部位３ｃでそれぞれ接続している。

さらに、スタンドパイプ１６の内面に内蔵されるリザーバ５は、流体を貯留するリザーバ油室１０と、フリーピストン１４を介して弾性支持体１７を設けた弾性支持部との二重構造にすることができる。弾性支持体は、特に限定しないが、慣用されるコイルばねが適用可能である。コイルばねを使用する場合は、必要長を有する一本のコイルばねを用いる形式や、スペーサーを挟んで複数のコイルばねを必要長だけ直列する形式等が適宜選択できる。

次に、本発明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抗するためシリンダ１１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部位３ａおよびポンプ部位３ｃが入り側に、ポンプ部位３ｂが出側になるようにモータ２の回転が切り換えられる。その状態で、ボア側油室７、アニュラス側油室８およびリザーバ油室１０の流体が解放される。

流体用のポンプ３の作動により、アニュラス側油室８の流体がボア側油室７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油室８に比べボア側油室７が大きくなるため、アニュラス側油室８から供給される流体に加え、リザーバ油室１０からも流体が補充される。このようにして、ボア側油室７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シリンダ１１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部位３ｂが入り側に、ポンプ部位３ａおよびポンプ部位３ｃが出側になるようにモータ２の回転が切り換えられる。そして、ボア側油室７、アニュラス側油室８およびリザーバ油室１０の流体が解放される。

流体用のポンプ３の作動により、ボア側油室７の流体がアニュラス側油室８に供給されるが、ストロークに必要な流体量はボア側油室７に比べアニュラス側油室８の方が小さくなるため、ボア側油室７から供給される流体一部は、流体配管６を通してリザーバ油室１０に貯留される。このようにして、アニュラス側油室８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。

続いて、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの圧縮および延伸運動における流体流れの一例を、油圧回路図を用いて説明する。

図４は、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの一実施形態の油圧回路図であり、同（ａ）はシリンダが延伸する場合の流体流れを示す図であり、同（ｂ）はシリンダが圧縮する場合の流体流れを示す図である。ただし、同図のモータ２の回転方向は、本発明の油圧回路におけるモータの動作を説明するために便宜的に設定したものであり、シリンダの延伸および圧縮運動とモータの回転方向との関係を特定するものではない。

まず、シリンダ１１が延伸する場合には、図４（ａ）に示すように、コントローラ４からの信号により、モータ２が時計回り（矢印Ａ）に回転し、ポンプ部位３ａが入り側に、ポンプ部位３ｄが出側になり、これと同時に、ボア側油室７、アニュラス側油室８およびリザーバ油室１０の流体が解放される。

図４（ａ）に示すポンプ３の作動により、アニュラス側油室８に貯留された流体は、圧縮側流路入口１８からポンプ３を経由して分岐点２３ｃに到達し（同図の黒抜き矢印）、リザーバ油室１０に貯留された流体は、リザーバ流路入口２０から逆流防止弁２１を経由して分岐点２３ｃに到達する（同図の白抜き矢印）。分岐点２３ｃにおいて、アニュラス側油室８からの供給に加え、リザーバ油室１０からも補充された流体は、分岐点２３ｃから延伸側流路入口１９に到達し、ボア側油室７に供給される（同図の斜線を施した矢印）。このようにして、ボア側油室７に流体が十分に供給されるのにともなって、ピストン１２が延伸側へ移動する。

一方、シリンダ１１を圧縮する場合には、図４（ｂ）に示すように、コントローラ４からの信号により、モータ２が反時計回り（矢印Ｂ）に回転するように切り替えられ、ポンプ部位３ａが出側に、ポンプ部位３ｄが入り側になる。そして、ボア側油室７、アニュラス側油室８およびリザーバ油室１０の流体が解放される。

図４（ｂ）に示すポンプ３の作動により、ボア側油室７に貯留された流体は、延伸側流路入口１９から分岐点２３ａに到達し（同図の斜線を施した矢印）、アニュラス側油室８に供給する流体と、リザーバ油室１０に供給する流体に各々分流される。リザーバ油室１０に供給する流体は、分岐点２３ａから分流バルブ２２に通じる流路を流れ、分流バルブ２２を通過した後、分岐点２３ｂを経由してリザーバ流路入口２０に到達し、リザーバ油室１０に貯留される（同図の白抜き矢印）。また、アニュラス側油室８に供給する流体は、分岐点２３ｃおよびポンプ３経由して圧縮側流路入口１８に到達し、アニュラス側油室８に供給される（同図の黒抜き矢印）。このようにして、アニュラス側油室８に流体が十分に供給されるのにともない、ピストン１２が圧縮側へ移動する。

上述の通り、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータによれば、従来のＥＨＡ構造では外付けで装備されていたリザーバをスタンドパイプ中に内蔵することで、ＥＨＡ装置全体の小型化を図ることが可能になると共に、スタンドパイプに内蔵されたリザーバ油室がアニュラス側油室およびボア側油室から分離しているので、外力に起因する流体の高圧化による影響を受けることなく、安定したリザーバ性能が期待できる。

さらにエネルギー消費について付言すると、アニュラス側油室とボア側油室で作用するピストンヘッドの有効面積に差が生じることから、圧縮運動よりも、延伸運動の方がより大きなエネルギーを消費することになる。

上記の消費エネルギーの不均衡は、アニュラス側油室とボア側油室で作用するピストンヘッドの有効面積の差が大きいほど顕著となる。

これに対し、本発明のアクチュエータは、スタンドパイプを配置しており、上記のピストンヘッドの有効面積の差が低減されるように設計されているので、消費エネルギーの不均衡を改善することができる。

このように本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータは、上述した小型化およびリザーバ性能の安定という観点のみならず、エネルギーの有効利用という観点からも優れたアクチュエータであると言える。

また、シリンダ内にスタンドパイプを備えることによって、アニュラス側油室とボア側油室の単位ストローク当たりで必要となる流体量の差が小さくなり、必要とされるリザーバ油室の容積を小さくできる。さらに、圧縮時と延伸時の消費エネルギーにほとんど差がないので、エネルギーの浪費を回避することができる。

このように、本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータによれば、リザーバをアクチュエータ本体の外付けに装備する必要がなくなるので、ＥＨＡ装置の小型化および軽量化が可能となるとともに、エネルギーの有効利用という観点からも、効率的なＥＨＡ装置として広く適用することが可能である。

特許文献２で提案されたリザーバ内蔵型アクチュエータの構成を説明する断面構成図である。本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの全体構成例を示す斜視図である。本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの一実施形態を示す断面構成図である。本発明のリザーバ内蔵型アクチュエータの一実施形態の油圧回路図であり、同（ａ）はシリンダが延伸する場合の流体流れを示す図であり、同（ｂ）はシリンダが圧縮する場合の流体流れを示す図である。

符号の説明

１．アクチュエータ２．モータ
３．ポンプ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ．ポンプ部位
４．コントローラ５．リザーバ
６．流体配管７．ボア側油室
８．アニュラス側油室９．流通孔
１０．リザーバ油室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．ガス室
１４．フリーピストン１５．ガスバルブ
１６．スタンドパイプ１７．弾性支持体
１８．圧縮側流路入口１９．延伸側流路入口
２０．リザーバ流路入口２１．逆流防止弁
２２．分流バルブ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ．分岐点

Claims

シリンダ式のアクチュエータ本体と、中空構造で構成され、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ロッドを有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、
前記ピストンロッド内周面と嵌合するようにスタンドパイプを配置し、そのスタンドパイプ内面に前記リザーバを内蔵することを特徴とするリザーバ内蔵型アクチュエータ。
前記シリンダが、圧縮運動を行う際に流体が供給されるアニュラス側油室と、延伸運動を行う際に流体が供給されるボア側油室とを形成し、
前記リザーバが、これらアニュラス側油室およびボア側油室から分離しており、流体配管を介して接続することを特徴とする請求項１に記載のリザーバ内蔵型アクチュエータ。
前記リザーバが流体を貯留するリザーバ油室と、フリーピストンにより仕切られた弾性支持部とからなる二重構造であり、前記弾性支持部が弾性支持体としてコイルばねを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のリザーバ内蔵型アクチュエータ。