JP6000444B2 - 直線運動可能な部材の位置を調整するためのアクチュエータ装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、直線運動を発生させるためのアクチュエータ装置、および、直線運動可能な部材の位置を調整するための方法に関する。

特定の位置調整作業では、可能な限り正確な直線調整を行うことができるアクチュエータが必要である。この種のアクチュエータは、可能な限り小型であり、電動式であり、周辺条件に対して、特に汚染に対して耐性を有し、可能な限り低摩耗性であるのが理想的である。

このような位置調整作業を手動で行うこと、ないしは、電磁式のリニアアクチュエータ、スピンドル駆動装置、または空気圧‐油圧アクチュエータを設けることが公知であり、上述の位置調整作業を手動で行うのは面倒である。圧電アクチュエータまたは磁気抵抗式アクチュエータを用いることも公知である。比較的大きな変位を行うためには、インチウォーム動作原理の圧電アクチュエータも公知である。こうするためには通常、前後に１つずつ設けられたクランプアクチュエータ部と、前進用のアクチュエータという３つのアクチュエータが必要である。

公知のアクチュエータは通常は複雑であり、汚染や摩耗に対して耐性を有さない。

上述の種類のアクチュエータの他にも、質量体とクランプ部品と１つのアクチュエータ素子だけで機能する直線駆動装置が公知である。前記質量体とクランプ部品との間に圧電アクチュエータを配置し、駆動電圧により生じる変位力によって質量体が加速するが、この力は、当該アクチュエータを押さえ付けるクランプ部品の静止摩擦より下回ったままであるように、当該駆動電圧を上昇させながら前記圧電アクチュエータを駆動する。圧電素子が最大変位に達すると、この駆動電圧は迅速に低下していき、それにより圧電素子の引きつけ圧縮が生じることによって負の加速力が生じる。圧電素子が最大変位に達すると、この駆動電圧は迅速に低下していき、それにより圧電素子の引きつけ圧縮が生じることによって負の加速力が生じる。この負の加速力は質量体の動きを小さくするが、クランプ部品の静止摩擦を超えるほど大きい。すなわち、クランプ部品が運動方向に引き摺られるが、次の変位フェーズでは、運動方向にシフトした新たな押さえ付け位置になるほど大きい。「変位が緩慢で収縮が迅速」という駆動推移ではなく、この順序が入れ替わると、上述のリニアモータの運動方向も反転する。

このような手法の欠点は、変位が、クランプ部品の実際の静止摩擦の大きさに依存することである。特に、オイルまたは汚れの混入により静止摩擦特性が変化すると、所望の精度や、調整装置全体の機能性も失われてしまう可能性がある。上述のシステムはさらに、２つの面が相互に摩擦し合う全てのメカニカルシステムと同様、長期的に見て摩擦に影響を受けやすく、よって、長期的にはシステム特性の変化にも影響を受けやすい。

ここで先行技術文献として、特開２０００−３１４４０２、特開２００１−０１２４０２、ＤＥ１０２００８０４６５６２Ａ１、特開昭６２−２８５０７、ＥＰ１１９０８２９Ａ２を挙げる。

特開２０００−３１４４０２に記載された、直線運動を発生させるためのアクチュエータ装置は、アクチュエータを作動させるための第１のピストン部材と、直線運動を発生させるための第２のピストン部材とを有する流体圧アクチュエータを備え、当該各ピストン部材に対し、流体連通された作動室が設けられており、各作動室の容量は、各ピストン部材の動きによって変化する。同文献のアクチュエータ装置では、前記第１のピストン部材に力を加えるための圧電アクチュエータも設けられている。さらに各作動室は、逆向きの２つの逆止弁を介して連通されている。

特開２００１−０１２４０２に記載されたアクチュエータ装置は２つのピストン部材を有し、これらの各ピストン部材にはそれぞれ、流体結合された作動室が設けられている。各ピストン部材の動きにより、各作動室の各容積を変化させることができる。さらに、両ピストン部材のうちいずれかに力を加えるための磁気部材も設けられている。

ＤＥ１０２００８０４６５６２Ａ１に記載された流体圧リニア駆動装置は、シリンダ内でスライド可能に支承されたピストンを有し、当該シリンダは、ポンプ装置により流体を当該シリンダ内に入れるための流入口を有する。このシリンダはさらに、当該シリンダ内から流体を流出させるための流出口も有する。この流体圧リニア駆動装置ではさらに、前記ポンプ装置を駆動するために、圧電アクチュエータおよび／または磁気抵抗式アクチュエータが設けられている。

特開昭６２−２８５０７には、電歪体を有するアクチュエータが公知であると記載されている。この電歪体によってロッドが移動することができる。

最後に、ＥＰ１１９０８２９Ａ２に記載された、直線運動を発生させるためのアクチュエータ装置は、シリンダ内に配置されたピストンを有する。このピストンは、作動流体を介して圧力を加えられることにより移動することができる。この作動流体は、圧電素子の駆動力によって圧力を加えられることにより、前記ピストンを駆動する。

したがって、本発明の基礎となる課題は、十分に規定通りの直線運動を特に簡単に、低コストで、高精度かつ低摩耗で発生できる、冒頭に述べた形式のアクチュエータ装置および方法を実現することである。

前記課題は、請求項１に記載の構成を有するアクチュエータ装置と、請求項５に記載の特徴を有する方法とによって解決される。

請求項１にて特定した、直線運動を発生させるためのアクチュエータ装置は、アクチュエータを作動させるための第１のピストン部材と、直線運動を発生させるための第２のピストン部材とを有する流体圧アクチュエータを備え、当該各ピストン部材に対し、流体連通された作動室が設けられており、各作動室の容量は、各ピストン部材の動きによって変化する。本発明ではさらに、前記第１のピストン部材に力を加えるための圧電アクチュエータも設けられている。圧電駆動と流体圧伝動とを上述のように連携させることにより、直線運動を特に高精度で発生させることができる。特に、両ピストン部材は、圧電素子に加わる力を、予め定められた変換比で伝えるように構成することができる。圧電作動に対する応答としての第２のピストン部材の押出しも、上述の変換比になるので、たとえば、圧電素子の比較的大きな押出し運動を比較的小さいピストン運動に変換することができ、この変換により、第２のピストン部材の特に正確な位置決めを実現し、ひいては、当該第２のピストン部材に結合された部材の特に正確な位置決めを実現することもできる。この正確な位置決めにより、上述のアクチュエータ装置は特に、高精度の位置調整プロセス等に適したものとなる。

各作動室間にて作動流体を制御しながら移動できるようにするため、各作動室は、相互に逆方向の２つの逆止弁を介して相互に連通されている。本発明では、両逆止弁の開弁力がそれぞれ異なる。

さらに、第１のピストン部材の作動室が絞り部品を介して、前記流体圧アクチュエータの作動流体用の貯蔵器に結合されている構成が好適である。

上述の構成の装置により、以下のようにして、圧電素子の運動範囲自体をも超えて直線運動を発生させることができる。第１の運動フェーズでは、圧電素子が迅速な動きを行うように当該圧電素子を駆動する。この迅速な動きは前記第１のピストンに伝わって、作動流体において、両作動室間の弁を第２の作動室の方向に開弁するのに十分な圧力を発生させる。このようにして液体は第２の作動室内に移動し、当該第２の作動室内において第２のピストン部材を動かし、所望の前進運動を発生させる。

第２の運動フェーズにおいて、前記第１の運動フェーズにおける動き方向とは逆方向に、圧電素子を緩慢に動かす。このように動かすと第１のピストン部材も逆方向に引き戻されるが、この緩慢な動きにより、第２の作動室から第１の作動室の方向を向いた逆止弁が開弁することはない。このようにして第１の作動室内に生じる容積変化はむしろ、前記貯蔵器によって絞り部品を介して相殺される。このようにして、圧電素子および第１のピストン部材は初期位置に戻るが、第２のピストン部材はその位置に留まることとなる。

上記２つのフェーズを交互に繰り返すことにより、圧電アクチュエータの本来の運動範囲を超えて、第２のピストン部材を任意の距離で押し出すことができる。このことにより、長距離の直線運動経路上で第２のピストン部材を特に高精度で位置決めすることができ、それと同時に、第２のピストン部材を所定位置に保持するためにエネルギーを消費する必要がなくなるという利点も奏される。また、冒頭にて述べたインチウォーム式のアクチュエータとの相違点として、関与する部品の静止摩擦に運動シーケンスが依存することがなくなり、よって、汚れや油の混入等により阻害されることもなくなる。

ここで好適には、各作動室をそれぞれ、前記ピストンを可動に収容するシリンダにより形成することができる。この構成に代わる択一的構成では、各作動室を、各ピストン部材に結合されたベローズにより形成する。この実施形態では、アクチュエータ装置のすべての重要な可動部品が封止され、これにより汚れから保護されるので、当該装置を長期間高い信頼性かつ低摩耗で動作させることができる。

本発明はさらに、直線運動可能な部材の位置を調整する方法にも関し、当該方法では、圧電アクチュエータを用いて第１のピストン部材に力を及ぼすことにより、当該第１のピストン部材に対して設けられた作動室の容積を変化させ、加わった力は、当該第１の作動室に流体結合された作動室を備えた第２のピストン部材に伝わる。

本発明の装置について既に述べたように、第２のピストン部材に結合された直線運動可能な部材は上述のようにして、圧電アクチュエータ自身の運動範囲を上回る動きをすることができる。こうするためには、既に上記にて述べたように、所定の方向に動きを行うために、第１の運動フェーズにおいて、圧電アクチュエータを迅速に当該所定の方向に動かすことにより、当該動きにより第１の作動室内にて生じる圧力が、両作動室を運動方向に流体連通した逆止弁の閉弁力を上回るようにする。このようにして、第１の運動フェーズにおける圧電アクチュエータの動きは第２のピストン部材に伝わる。

第２の運動フェーズでは、圧電アクチュエータを動かすことにより第１の作動室内にて発生する圧力が、前記運動方向とは逆方向に両作動室を流体連通する逆止弁の閉弁力を上回らないように緩慢に、当該圧電アクチュエータを前記所定の方向とは逆方向に動かす。この第２の運動フェーズでは、第１の運動フェーズと異なって両作動室が流体連通されないので、圧電アクチュエータの動きが第２のピストン部材に伝わることはない。既に述べたように、このようにして、圧電アクチュエータの本来の運動範囲を超えた運動を発生させることができ、この運動発生は、両ピストン部材の伝達比によってさらに増大させたり、また減少させることができる。

第２の運動フェーズ中に第１の作動室内に生じる容積変化を相殺するためには、当該第２の運動フェーズ中に貯蔵器内から絞り部品を介して第１の作動室に作動流体を供給するか、ないしは、そこから貯蔵器へ作動流体を排出する。

有利には、第２のピストン部材が所定の目標位置に来るまで、第１の運動フェーズと第２の運動フェーズとを交互に繰り返す。これにより、上述の方法によって、第２の運動範囲にのみ及ぶが圧電アクチュエータの最大変位によって制限されている直線運動を、任意の距離で実現することが可能となり、本発明の方法は全体として、摩耗を可能な限り小さくし、かつ、当該方法の基礎となる装置の機械的構造を可能な限りコンパクトにしながら、直線運動を可能な限り高精度で発生させることができる。

以下、図面を参照して本発明とその実施形態とを詳細に説明する。

流体圧アクチュエータとして流体圧シリンダを備えた本発明の装置の一実施例を示す概略図である。 図１の装置の流体圧等価回路である。 流体圧アクチュエータとしてベローズを備えた本発明の装置の他の択一的な一実施例を示す概略図である。 図３の装置の流体圧等価回路である。

たとえば位置調整作業等のために直線運動を発生させるための装置を全体として１０で示しており、当該装置は、流体圧アクチュエータ１２と、第１のピストン１４と、第２のピストン１８とを有する。前記第１のピストン１４は、これに対して設けられた収容室１６内にて可動であるように収容されており、前記第２のピストン１８は第２の収容室２０内で可動であるように支承されている。収容室１６は、第２の収容室２０の方向に開弁する一方向弁２４を有する第１の管路２２を介して、当該第２の収容室２０に連通されている。前記第１の収容室１６の方向に開弁する第２の一方向弁２８を有する第２の管路２６が、前記第２の収容室２０と第１の収容室１６とを連通する。第１の収容室１６はさらに、絞り弁３２を含む管路３０を介して、作動流体用の貯蔵器３４に連通されている。

第１のピストン１４を作動させるために圧電アクチュエータ３６が設けられている。この圧電アクチュエータ３６が第１のピストン１４のピストンロッド３８に及ぼした力は、第１のピストン１４から、動かす対象である部材にピストンロッド４０が結合された第２のピストン１８へ、流体圧により伝達される。

矢印４２の方向に運動を発生させるためには、圧電アクチュエータ３６を力‐時間グラフ４４にしたがって駆動する。第１の運動フェーズでは、圧電アクチュエータ３６を矢印４６の方向に迅速に動かす。この動きは第１のピストン１４に伝わり、これにより第１の収容室１６内にて生成された圧力が弁２４の閉弁力を上回ることにより、作動流体が第１の収容室１６から第２の収容室２０内に移動し、当該第２の収容室２０内において第２のピストン１８に力を及ぼし、これにより第２のピストン１８は矢印４２の方向に動く。第２の運動フェーズでは、圧電素子３６を矢印４８の方向に引き戻すが、これは、第１の運動フェーズより格段に緩慢に行う。これにより、ピストン１４も矢印４８の方向に移動するが、その緩慢な動きにより、弁２８の閉弁力を超えることはない。つまり、第２の収容室２０内から第１の収容室１６内へ作動流体が移動することはなく、第２のピストン１８はその位置に留まる。第１のピストン１４の運動による第１の収容室１６の容積変化は、作動流体が貯蔵器３４から管路３０および絞り弁３２を通って第１の収容室１６内に流入することにより相殺される。

上記２つの運動フェーズを交互に繰り返すことにより、圧電アクチュエータ３６の移動到達範囲によって決まった範囲よりもさらに遠くに、ピストン１８を押し出すことができる。その際には、ピストン１４と１８との伝達比によって、第２のピストン１８の位置決めを特に高い精度で実現することができ、その際には、ピストン１８を定位置に保持するために力を加える必要がなくなるという利点が奏される。

ピストン１８を逆方向に、つまり矢印１５の方向に引き戻す場合、上記２つの運動フェーズは、力‐時間グラフ５２にて示されているように逆になる。つまり、まず最初に圧電アクチュエータ３６を矢印４８の方向に迅速に動かすことにより、それにより第１の収容室１６内にて生じる圧力変化が一方向弁２８の閉弁力を上回り、第１の収容室２０内から第１の収容室１６内へ液体が移動し、これによりピストン１８が矢印５０の方向に動く。第２の運動フェーズでは、圧電アクチュエータ３６を矢印４６の方向に緩慢に動かすと、これによっても、一方向弁２４の閉弁力を上回ることはなく、第２のピストン１８は定位置に留まり、作動流体が第１の収容室１６内から絞り弁３２および管路３０を介して貯蔵器３４内へ戻る。その際にも、上記２つの運動フェーズを交互に繰り返すことにより、ピストン１８をさらに移動させることができる。

図３および４は、他の択一的な構成の装置１０を示す。この構成では、流体圧シリンダの代わりにベローズ５４，５６を使用し、ベローズ１４，１８はピストン部材１４，１８に結合されることにより、収容室１６，２０を形成する。貯蔵器３４もベローズ５８により形成されている。その他の点では、図３および４の装置１０の機能動作は、図１，２の装置１０の機能動作と同じである。ベローズ５４，５６，５８を用いることにより、装置１０の実質的に全体を封止した状態にすることができ、これにより、汚れや摩耗に対する装置１０の脆弱性が可能な限り小さくなる。よって、精度が変わることなく、このような構成の装置１０を特に長期間動作させることができる。

Claims (7)

1. 流体圧アクチュエータ（１２）を備えた、直線運動を発生させるためのアクチュエータ装置（１０）であって、
   前記流体圧アクチュエータ（１２）は、当該アクチュエータを作動させるための第１のピストン部材（１４）と、前記直線運動を発生させるための第２のピストン部材（１８）とを有し、
   前記各ピストン部材にはそれぞれ、流体結合された作動室（１６，２０）が設けられており、
   前記各作動室（１６，２０）の容積は、各ピストン部材（１４，１８）の動きにより変化することができ、
   前記第１のピストン部材（１４）に力を与えるための圧電アクチュエータ（３６）が設けられており、
   前記各作動室（１６，２０）は、相互に逆方向である２つの逆止弁（２４，２８）を介して連通されている、アクチュエータ装置（１０）において、
   前記両逆止弁（２４，２８）の開弁力はそれぞれ異なっており、
   第１の運動フェーズにおいて、前記圧電アクチュエータ（３６）が動かされることにより前記第１の作動室（１６）内にて発生する圧力が、両作動室（１６，２０）を運動方向に流体連通した逆止弁（２４，２８）の閉弁力を上回るように迅速に、前記圧電アクチュエータ（３６）が所定の方向に動かされ、第２の運動フェーズにおいて、前記圧電アクチュエータ（３６）が動かされることにより前記第１の作動室（１６）内にて発生する圧力が、前記運動方向とは逆方向に両作動室（１６，２０）を流体連通する逆止弁（２４，２８）の閉弁力を上回らないように緩慢に、当該圧電アクチュエータ（３６）が前記所定の方向とは逆方向に動かされることにより、
   第２のピストン部材（１８）に、前記圧電アクチュエータ（３６）によって第１のピストン部材（１４）に及ぼされた、前記所定の方向の力のみが伝えられるように構成されていることを特徴とする、アクチュエータ装置（１０）。
2. 前記第１のピストン部材（１４）の作動室（１６）は、絞り部品（３２）を介して、前記流体圧アクチュエータ（１２）の作動流体用の貯蔵器（３４）に結合されている、
   請求項１記載のアクチュエータ装置（１０）。
3. 前記各作動室（１６，２０）はそれぞれ、前記ピストン部材（１４，１８）を可動に収容するシリンダにより形成されている、
   請求項１または２記載のアクチュエータ装置（１０）。
4. 前記各作動室（１６，２０）はそれぞれベローズ（５４，５６）により形成されている、
   請求項１または２記載のアクチュエータ装置（１０）。
5. 直線運動する部材の位置を調整する方法であって、
   圧電アクチュエータ（３６）を用いて第１のピストン部材（１４）に力を及ぼすことにより、当該第１のピストン部材（１４）に対して設けられた作動室（１６）の容積を変化させ、加わった前記力は、当該第１の作動室（１６）に流体結合された作動室（２０）を備えた第２のピストン部材（１８）に伝わる方法において、
   所定の方向に動きを行うために、第１の運動フェーズにおいて、前記圧電アクチュエータ（３６）を動かすことにより前記第１の作動室（１６）内にて発生する圧力が、両作動室（１６，２０）を運動方向に流体連通した逆止弁（２４，２８）の閉弁力を上回るように迅速に、前記圧電アクチュエータ（３６）を前記所定の方向に動かし、
   第２の運動フェーズにおいて、前記圧電アクチュエータ（３６）を動かすことにより前記第１の作動室（１６）内にて発生する圧力が、前記運動方向とは逆方向に両作動室（１６，２０）を流体連通する逆止弁（２４，２８）の閉弁力を上回らないように緩慢に、当該圧電アクチュエータ（３６）を前記所定の方向とは逆方向に動かすことを特徴とする方法。
6. 前記第２の運動フェーズ中、前記第１の作動室（１６）内における容積変化を相殺するため、絞り部品（３２）により、前記第１の作動室（１６）と貯蔵器（３４）との間で作動流体を交換する、
   請求項５記載の方法。
7. 前記第２のピストン部材（１８）が所定の目標位置に来るまで、前記第１の運動フェーズと前記第２の運動フェーズとを交互に繰り返す、
   請求項５または６記載の方法。

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