JP6727641B1 - サーボ弁ユニット及び機器 - Google Patents

Abstract

第１端部（６１ａ）及び第２端部（６１ｂ）を有するユニットボディ（１０）と、第１弁部（２０Ｒ）と、第２弁部（２０Ｌ）と、第１弁部（２０Ｒ）を開閉する第１シール部材（２２）と、第２弁部（２０Ｌ）を開閉する第２シール部材（２２）と、第１電気パルス（Ｓ１）により第１シール部材（２２）を駆動する第１駆動機構と、第２電気パルス（Ｓ２）により第２シール部材（２２）を駆動する第２駆動機構と、第１端部（６１ａ）と第１弁部（２０Ｒ）の間で延在する供給流路（１２）と、第２端部（６１ｂ）と第２弁部（２０Ｌ）の間で延在する排気流路（１３）と、第１弁部（２０Ｒ）及び第２弁部（２０Ｌ）を介して供給流路（１２）及び排気流路（１３）に接続された共通流路（１１）と、空圧アクチュエータ（４０）に接続される駆動流路（１４）を有するサーボ弁ユニット（２０）。

Description

本発明は、サーボ弁ユニットに関し、特に、人型ロボット等に使用される空圧シリンダ駆動用のサーボ弁ユニット及びこれを用いた機器に関する。

多くの大企業や有能な研究者が少なくとも５０年以上に渡ってロボットの研究を行ってきたが、災害現場や介護現場、家庭等で実際に人間の代わりに作業できる実用的な人型ロボットは未だに実現されていない。

［人型ロボット実現の条件］
人型ロボットを実現するには、関節数に応じた多数のアクチュエータとその関連部品を人間と同程度の重量で設計するとともに、人間と同程度の体積に収容することが必要であり、しかも、個々のアクチュエータには、作業に応じた強力なパワーが求められる。

［アクチュエータの方式］
アクチュエータの方式は、電気、油圧、空圧の三種類であるが、以下に述べる理由から、いずれの方式においても上記の条件を満たすアクチュエータは実現されていない。

［電気サーボモーター制御技術］
最も進化した制御技術であり、産業界で広く使用されている。電気サーボモーターを用いた人型ロボットも多くの研究者が開発を行っており、ＡＩ等を駆使することで、人に近いパフォーマンスを行うロボットも開発されている。その一方、モーターや減速器が非常に重いため、アクチュエータ単位体積あたりのパワーが小さい。パワーを大きくしようとするとアクチュエータが更に大きく重くなり、その効果を相殺してしまう。パワーを出すため、小型のアクチュエータに大電流を流すと、発熱量が増加して破損を生じる。これを防ぐには、冷却が必要となり、結局重量・体積が増加してしまう。このように重量と体積の問題のみを考えても、電気サーボモーターを多用する人型ロボットは実現不可能である。その上、動作制御にはサーボアンプが必要であり、過負荷、反力が掛かったときの破損防止のためにトルク検出や保護回路が必要であり、構造が複雑化し、高額になる問題がある。

［油圧サーボ制御技術］
電気サーボモーター制御技術と同様に産業界で広く使用されており、工作機械や産業用機械に欠かせない技術である。最大の利点は、アクチュエータ単位体積あたりのパワーが大きいことである。制御機器も豊富で、油圧のサーボ技術も高度に進化している。その一方、人型ロボットへの適用の観点では、油圧源を搭載しなくてはならないことが最大の欠点である。油圧源はモーターやエンジンで駆動するため、重量・体積が非常に大きくなる。サーボアンプも必要である。従って、油圧駆動方式で人型ロボットを実現するのは非常に難しい。また、油圧は圧縮性に乏しく過負荷により周囲の物や人に被害を及ぼす危険や油漏れで周りを汚す可能性もあり、対人用途の利用は困難である。

［空圧サーボ制御技術］
空圧シリンダ（空圧式アクチュエータ）は、主要部品にアルミを採用できるために軽量化が可能であり、単位体積あたりのパワーが大きい利点があり、様々な分野で駆動源として広く利用されている。しかし、空圧シリンダのサーボ制御は非常に難しい技術である。サーボの目的はピストン位置及び／又は速度の制御であるが、基本的に空圧シリンダの駆動には圧縮性と摩擦が伴うため、電気や油圧方式と比較すると、正確な制御は難しい。

図１１に従来の空圧サーボ制御のブロック図を示す。このブロック図は電気サーボ、油圧サーボにおいても基本的に同じである。ここで、位置センサーの出力信号はデジタルでもアナログでも良い。通常、指令信号はデジタル信号が一般的であろう。

空圧サーボアンプは一般的に、指令信号と位置センサー情報の差を検出し、最適制御であるＰＩＤ等のデジタル演算処理に基づいて空圧サーボ弁を制御する。しかし、現在通常入手可能な空圧サーボ弁はアナログ方式に限られている。現在利用可能な空圧サーボ弁としては、スプール式サーボ弁（特許文献１）とフラッパ式サーボ弁（特許文献２）が主であるが、いずれもアナログ式である。

図１２は、特許文献１のスプール式サーボ弁であり、供給流路４０，排気ポート４２及び負荷流路４４を有するスリーブ１６と３つのランド部２０，２２，２４を有するスプール１４を備え、ソレノイド式のリニアモーター５０によりスプール１４がＸ方向に駆動される。ランド２２を負荷流路４４と一致させた状態から＋Ｘ方向に移動させると空圧源Ｐｓから空圧シリンダ（不図示）に空気Ｐａが供給され、−Ｘ方向に移動させると空圧シリンダから空気が排気され、ランド２２を負荷流路４４と一致させると、給排気は停止する。空圧シリンダの位置又は速度は、ランド２２の移動による負荷流路４４の開度により調整される。

図１３は、特許文献２のフラッパ式サーボ弁であり、ソレノイド式のリニアモーター１４によるフラッパ２２のＸ方向移動により排気ポート３２が開閉され、排気ポート３２の開度に応じて減圧された背圧Ｐａを空圧シリンダ２に供給することで可動体６が位置制御される。

いずれのサーボ弁も、ソレノイドによってスプール１４又はフラッパ２２を制御することで弁開度を調整するアナログ方式であり、サーボアンプが必須である。また、弁開度を精密に制御しなければならないため、非常に高度な加工技術と制御技術が要求される。さらに、いずれのサーボ弁も、摩擦軽減等のために空気をブリードさせながら動作させる必要があることから、サーボ弁の数が増えると圧縮空気の使用量が膨大となる。人型ロボットなどの一定以上の精度で位置制御が要求される分野でこれまで空圧シリンダが殆ど検討されてこなかったのは、これらが理由と思われる。

上記した電気サーボと油圧サーボの欠点は根源的なものであり、どんなに努力しても避けられない原理的なものである。精密制御の容易性等から、今後も電気サーボ制御を使用した人型ロボットが検討され続けるであろうが、莫大な予算と大勢の人材を投入しても、実現は不可能であると本発明者は考えている。電気サーボの場合は、まずコイルの作用で磁力に変換した後、磁力と磁力の反発によってモーターを回転させる。この時、流れている電流値そのものが出力パワーの源泉である。電流が流れると発熱して一部が熱エネルギーとなり、更に高速で回転させた回転エネルギーを再び減速するのであるが、そのため力を出そうとして減速すればするほど加速度的にエネルギー効率が落ちる。発熱でパワーを落とし、更に減速すればするほど利用できるエネルギーは減っていくのである。

人工筋肉と呼び得るハイパワーのアクチュエータが開発されれば、新しい展開があると考える。人間の筋肉が現に存在するのだから、同等のものをやがて人工的に造ることができるようになるはずである。しかし、そのようなアクチュエータが存在しない現状では、空圧サーボ制御方式が人型ロボット実現のための唯一の選択肢であると本発明者は考えている。

圧縮空気は、電気モーターで圧縮機を一定時間回転させて造られる。この時、電気モーターと圧縮機の大きさとパワーの上限に制限は無い。つまり圧縮空気は高密度のエネルギーそのものであり、シリンダの駆動に対して直接作用する。それ故、体積・重量を増加させることなく人型ロボットに必要なパワーを発生させることが可能なのである。空圧方式の欠点は上述の通りであるが、いずれも、根元的なものではない。空圧サーボにおいて圧縮性は避けられないが、シリンダの摩擦は設計次第で極限まで下げられる。また、人型ロボットにおいて、工作機械や産業用機械のような正確な制御は必要ない。何故なら、人間はそのような正確な動きを全くしていないからである。従来の空圧サーボ弁において、サーボアンプや極めて高度な加工技術が必要であったのは、アナログ式で空圧を制御する方式だからである。

特開２００７−１８７２９６号公報 特開２００６−０５７７１９号公報

本発明者は、上記考察に基づき、上記した空圧サーボ制御技術の欠点のすべて、あるいは、少なくとも重大な欠点を解決したサーボ弁ユニットを実現するために鋭意開発を行い、本願発明を完成するに至った。

本発明は、サーボアンプを用いずに空圧シリンダの位置制御が可能であり、及び／又は、加工精度への要求が緩和され、及び／又は、空気のブリードが不要なサーボ弁ユニットを提供すること、及び／又は、大きなパワーで空圧シリンダを駆動できる小型・軽量のサーボ弁ユニットを提供することを目的とする。これらの目的を達成することにより、上記［人型ロボット実現の条件］で述べた条件の達成が可能になる。

本願には、
空圧アクチュエータを駆動するためのサーボ弁ユニットであって、
第１端部及び第２端部を有するユニットボディと、
第１弁部と、
第２弁部と、
前記第１弁部を開閉する第１シール部材と、
前記第２弁部を開閉する第２シール部材と、
第１電気パルスにより前記第１シール部材を駆動する第１駆動機構と、
第２電気パルスにより前記第２シール部材を駆動する第２駆動機構と、
前記第１端部と前記第１弁部の間で延在する供給流路と、
前記第２端部と前記第２弁部の間で延在する排気流路と、
前記第１弁部及び前記第２弁部を介して前記供給流路及び前記排気流路に接続された共通流路と、
前記空圧アクチュエータに接続される駆動流路を有し、
前記第１駆動機構及び第２駆動機構は、前記第１端部と前記第２端部の間に位置する駆動機構配置部に配置され、
前記駆動流路は、
前記駆動機構配置部と前記第１端部の間に位置する分岐部で前記共通流路から分岐して前記第１端部まで延在し、又は、
前記駆動機構配置部と前記第２端部の間に位置する分岐部で前記共通流路から分岐して前記第２端部まで延在する、サーボ弁ユニットが開示される。

好ましい態様では、前記分岐部は、前記駆動機構配置部と前記第１端部の間に位置し、前記供給流路と前記駆動流路は、前記第１端部において前記ユニットボディの軸方向に延在する。

本願にはさらに、
軸方向に配列された複数のボディパーツで構成されユニットボディであって、
第１弁部、
第２弁部、
前記第１弁部を開閉する第１シール部材、
前記第２弁部を開閉する第２シール部材、
第１電気パルスにより前記第１シール部材を前記軸方向に駆動する第１駆動機構、
第２電気パルスにより前記第２シール部材を前記軸方向に駆動する第２駆動機構、
前記ユニットボディの一端と前記第１弁部の間で前記軸方向に延在する供給流路、
前記ユニットボディの他端と前記第２弁部の間で前記軸方向に延在する排気流路、
前記第１弁部及び前記第２弁部を介して前記供給流路及び前記排気流路に接続された共通流路、及び、
空圧アクチュエータに接続される駆動流路を
有する前記ユニットボディと、
前記複数のボディパーツを前記軸方向で締め付ける締付具を有する、空圧アクチュエータを駆動するためのサーボ弁ユニットが開示される。

好ましい態様では、上記各発明において、２つの前記ユニットボディが対向配置され、
前記２つのユニットボディの前記供給流路が相互に接続され、前記供給流路と、前記２つのユニットボディの２つの前記駆動流路が前記ユニットボディの側面から引き出される。

好ましい態様では、上記各発明において、前記第１電気パルス及び前記第２電気パルスの周波数が１００Ｈｚ以上である。

好ましい態様では、上記各発明において、前記第１駆動機構及び第２駆動機構がソレノイドを有し、前記第１駆動機構及び第２駆動機構の前記ソレノイドが単一の磁性板部を挟んで隣接配置されている。

本願にはさらに上記のいずれかに記載のサーボ弁ユニットと、前記空圧アクチュエータと、前記空圧アクチュエータにより動作する可動部材を有する機器が開示される。

上記発明では、サーボアンプを用いずに空圧シリンダの位置制御が可能であり、及び／又は、加工精度への要求が緩和され、及び／又は、空気のブリードが不要であり、及び／又は、大きなパワーで空圧シリンダを駆動できるサーボ弁ユニットを実現でき、さらには、サーボ弁ユニットの顕著な小型化及び／又は耐久性能の向上達成できる。

図１は、本発明の１実施形態に従うサーボ弁ユニット２及びこれを用いた空圧制御装置１を示す。 図２は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ａを示す。 図３は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ｂを示す。 図４は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ｃ及びこれを用いた空圧制御装置１Ｃを示す。 図５は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ｄを示す。 図６は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ｅを示す。 図７は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ｆを示す。 図８は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ｇを示す。 図９は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ｈを示す。 図１０は、例示的なボディーパーツ７２〜７４を示す。 図１１は、従来の空圧サーボ制御のブロック図を示す。 図１２は、従来技術のスプール式サーボ弁を示す。 図１３は、従来技術のフラッパ式サーボ弁を示す。

図１は、本発明の１実施形態に従うサーボ弁ユニット２及びこれを用いた空圧制御装置１を示す。空圧制御装置１は、サーボ弁ユニット２と、空圧シリンダ４０と、コントローラ５０を有する。サーボ弁ユニット２は、共通流路１１、供給流路１２、排気流路１３、駆動流路１４等の中空空間が形成されたバルブボディ１０を有する。ユニットボディ１０は、金属やプラスチックからなる複数のパーツの組立体であり得る。

供給流路１２の一端は、第１の電気パルスＳ１に従うパルス式の開閉動作が可能な第１弁部２０Ｒを介して共通流路１１に接続されている。他端は、高圧空気Ｓを供給するためのコンプレッサやボンベ等の高圧空気源に接続するための接続部（ジョイント等）１２ａを有し得る。接続部１２ａは、ユニットボディ１０の第１端部１０ａに形成し得る。排気流路１３の一端は、第２の電気パルスＳ２に従うパルス式の開閉動作が可能な第２弁部２０Ｌを介して共通流路１１に接続されている。排気流路１３の他端は、ユニットボディ１０の外壁１０ｂの開口１３ａを経て外部（例えば、大気圧）に接続する。駆動流路１４の一端は、後述の分岐点６４で共通流路１１に接続されている。駆動流路１４の他端は、空圧シリンダ４０の一方のシリンダ室４１に接続するための接続部（ジョイント等）１４ａを有し得る。接続部１４ａは、ユニットボディ１０の第１端部１０ａに形成し得る。図では、共通流路１１、供給流路１２及び排気流路１３は、ユニットボディ１０の軸方向Ｘに延伸し、駆動流路１４は、共通流路１１の適宜個所から半径方向に引き出されている。

本実施形態の第１弁部２０Ｒ及び第２弁部２０Ｌは左右対称（線対称）の同一構造を有する。図では、簡略のため、第２弁部２０Ｌの一部部材の符号は省略されている。以下では、第１弁部２０Ｒ及び第２弁部２０Ｌを区別する必要が無い場合、単に弁部２０と言う。本実施形態の弁部２０は、供給流路１２及び排気流路１３の先端に形成されたノズル（弁座）２１と、ノズル２１の先端（弁座）に当接／離間することで弁部２０を開閉するシール部材（弁体）２２と、シール部材２２と一体に軸方向Ｘに移動可能な磁性体２３と、シール部材２２及び磁性体２３を軸方向Ｘに付勢するバネ等の付勢部材２４と、ノズル２１から軸方向Ｘに離間して配置された固定磁心２５と、固定磁心２５を励磁するソレノイド２６を有する。磁性体２３は、磁性体２３の軸方向移動を案内するため、ノズル２１の外形に相補的な側壁２３ａを有するとよい。

ソレノイド２６に通電しない状態では、付勢部材２４の力でシール部材２２がノズル２１に当接するので弁部２０はＯＦＦ（閉じた状態）であり、ソレノイド２６に通電すると、固定磁心２５の磁力でシール部材２２がノズル２１から離間して弁部２０はＯＮ（開いた状態）になる。

第１弁部２０Ｒのシール部材２２周囲のノズル空間１１ａと第２弁部２０Ｌのシール部材２２周囲のノズル空間１１ａの間の空間は、共通流路１１により常に接続されている。すなわち、ノズル空間１１ａと固定磁心２５周囲の外周空間１１ｂは、ノズル２１側面に形成した軸方向Ｘの通溝１１ｃを介して接続され、外周空間１１ｂと付勢部材２４を収容するバネ空間１１ｄは、径方向の通孔１１ｅで連絡されている。通溝１１ｃ及び通孔１１ｅは、ノズル２１の周方向に間隔を空けて複数形成し得る。左右の弁部２０Ｒ，２０Ｌのバネ空間１１ｄ同士は、連絡通路１１ｆで接続されている。

図１に示すように、ユニットボディ１０は、Ｘ方向の両端に位置する第１端部６１ａ及び第２端部６１ｂと、第１端部６１ａと第２端部６１ｂの間に位置する第１駆動機構配置部６２ａ及び第２駆動機構配置部６２ｂと、第１駆動機構配置部６２ａと第２駆動機構配置部６２ｂの間に位置する中間部６３を有する。

本願では、シール部材２２を駆動するための構造、要素、部材（例えば、本実施形態の付勢部材２４、固定磁心２５及びソレノイド２６）を「駆動機構」と呼び、第１弁部２０Ｒ及び第２弁部２０Ｌの駆動機構をそれぞれ、「第１駆動機構」及び「第２駆動機構」と呼ぶ。ユニットボディ１０における第１駆動機構配置部６２ａから第２駆動機構配置部６２ｂまでの部分（すなわち、第１駆動機構配置部６２ａ、中間部６３及び第２駆動機構配置部６２ｂの部分）を「駆動機構配置部」と呼ぶ。本実施形態では、第１駆動機構及び第２駆動機構はそれぞれ第１駆動機構配置部６２ａ及び第２駆動機構配置部６２ｂに配置されている。好ましくは、第１駆動機構配置部６２ａ及び第２駆動機構配置部６２ｂに形成された空間に駆動機構が収容される。

図１に示すように、サーボ弁ユニット２の駆動流路１４は、共通流路１１上の分岐点６４で共通流路１１から分岐している。分岐点６４は、第１駆動機構収容部６２ａと第１端部６１ａの間（又は、第１駆動機構収容部６２ａとノズル２１の先端の間）に位置する。本実施形態の駆動流路１４は、分岐点６４から第１端面１０ａ（又は、第１端部６１ａ）まで延在する。

本実施形態では、共通流路１１は駆動機構収容部をＸ方向に貫通して延在し、供給流路１２及び駆動流路１４は第１端部６１ａをＸ方向に平行に貫通して平行に延在し、排気流路１３は第２端部６１ｂをＸ方向に貫通して延在している。駆動流路１４は、共通流路１１の経路上における所定位置（分岐点６４）で共通流路１１から分岐し、当該分岐点６４から第１端部６１ａ（又は第１端面１０ａ）まで延び延在している。分岐点６４は、第１端部６１ａ（又は第１端面１０ａ）と第１駆動機構収容部６２ａの間に位置することが好ましい。追加的に又は代替的に、分岐点６４は、共通流路１１の経路上における第１弁部２０Ｒのノズル２１先端と第１駆動機構収容部６２ａの間に位置することが好ましい。

他の態様では、分岐点６４を第２端部６１ｂ（又は第２端面１０ｂ）と第２駆動機構収容部６２ｂの間、あるいは、共通流路１１の経路上における第２弁部２０Ｌのノズル２１先端と第２駆動機構収容部６２ｂの間に配置することが可能である。この場合、駆動流路１４は、当該分岐点６４から第２端部６１ｂ（又は第２端面１０ｂ）まで延在することが好ましく、第２端部６１ｂ内を排気流路１３と駆動流路１４がＸ方向に平行に貫通して延在することが好ましい。

上記した分岐点６４の位置や駆動流路１４の配置、第１端部６１ａにおける供給流路１２及び駆動流路１４の延在方向は、後述のサーボ弁ユニット２Ａ〜２Ｈにおいても同様とすることができる。

以下、サーボ弁ユニット２の左半分及び右半分の部分をサーボ弁素子３Ａ，３Ｂと称する場合がある。

空圧シリンダ４０は、シリンダ室４１，４２とピストン４３とピストン４３を付勢するバネ等の付勢手段４４を有し、ピストン４３の軸方向位置は、位置センサー４５により検出可能である。シリンダ室４１，４２の形状は任意であり、円筒形以外の形状でもよい。コントローラ５０は、第１及び第２の電気パルス（ＤＣパルス）Ｓ１，Ｓ２を発生させる。第１及び第２の電気パルスＳ１，Ｓ２は、ピストン４３の位置、所望の速度等に応じた信号であり得る。第１及び第２の電気パルスＳ１，Ｓ２は、ピストン４３の位置又は速度に応じたデューティー比を有し得る。コントローラ５０は、例えば、コンピュータで構成できる。

電気パルスＳ１をＯＮ・電気パルスＳ２をＯＦＦにすると、第１弁部２０ＲがＯＮ・第２弁部２０ＬがＯＦＦとなり、高圧空気Ｓが供給流路１２から共通流路１１及び駆動流路１４を経てシリンダ室４１に供給され、ピストン４３を左方に移動させることができる。電気パルスＳ１をＯＦＦ・電気パルスＳ２をＯＮにすると、第１弁部２０ＲがＯＦＦ・第２弁部２０ＬがＯＮとなり、シリンダ室４１の空気が駆動流路１４、共通流路１１及び排気流路１３を経て開口１３ａから外部に排出され、付勢手段４４の力でピストン４３が右方に移動する。両方の電気パルスＳ１，Ｓ２をＯＦＦにするとシリンダ室４１への給排気は停止状態になる。

このように、電気パルスＳ１，Ｓ２の制御によって弁部２０Ｒ，２０Ｌをパルス式に開閉することで、空気圧をデジタルで供給し、及び／又は、パルス式にシリンダ室４１の給排気を行うことができる。給排気の切換（給気／停止の切換、排気／停止の切換）を高速化することにより、ピストン４３の精密・円滑な位置制御が達成される。基本的には、電気パルスＳ１又はＳ２のデューティー比を大きくするとピストン４３の駆動速度（又は駆動力）が大きくなり、デューティー比を小さくするとピストン４３の駆動速度が小さくなる。よって、ピストン４３の現在位置と目標位置の差Δｄが大きいときにはデューティー比を大きくしてピストン４３を高速移動させ、差Δｄが小さくなるとデューティー比を小さくしてピストン４３を減速させ、デューティー比ゼロ（信号停止）にすることでピストン４３を停止させることができる。しかし、迅速な位置決めや追従制御のためには、移動開始は速度が遅く、徐々に加速し、減速して停止する等の制御が必要である。また、ロボットの作業内容等に応じて速度を自在に変化させる制御が必要である。これらの制御では、給排気切換の高速化が必須であり、給排気切換の最大周波数は、１００Ｈｚ以上、好ましくは３００Ｈｚ以上、更に好ましくは５００Ｈｚ以上、特に好ましくは１０００Ｈｚ以上であることが望ましい。本実施形態のサーボ弁ユニット２では、試作段階で３００〜５００Ｈｚの高速切換を実現しており、サーボ弁ユニット２で駆動される空圧シリンダを内蔵した人型ロボットの腕ユニットの試作機において人間に近い動作を実現できることを確認している。本願発明者は、今後の改良により１０００Ｈｚも達成可能と考えている。

上記サーボ弁ユニット２では、駆動機構配置部に分岐点６４若しくは駆動流路１４を設ける必要がない。駆動機構配置部（特に、中間部６３）は、駆動機構の形状や配線引き回し等のため、構造が複雑であるため、そのような構造が複雑な部分に分岐点６４や駆動流路１４を設けないことにより、駆動機構配置部の加工・組立が容易となり、また、中間部６３の寸法（特にＸ方向の寸法）を小さくすることが可能である。これにより、サーボ弁ユニット２の全体を小型化することができる。また、供給流路１２と駆動流路１４（あるいは、排気流路１３と駆動流路１４）が平行であることで、第１端部６１ａ（あるいは、第２端部６１ｂ）の形成が容易となる。後述のサーボ弁ユニット２Ａ〜２Ｈにおいて分岐点６４の位置や駆動流路１４の配置、第１端部６１ａにおける供給流路１２及び駆動流路１４の延在方向等をサーボ弁ユニット２と同様とした場合も、サーボ弁ユニット２の場合と同様の効果を達成できる。

サーボ弁ユニット２は、排気音を軽減するための消音板１６を更に有し得る。消音板１６は、開口１３ａと重なる位置（開口１３ａを塞ぐ位置）で第１端部１０ｂの外壁から隙間Ｇを空けてバルブボディ１０に取り付けられる。消音板１６は、開口１３ａより十分に面積が大きく、第１端部１０ｂと平行であることが望ましい。排気流路１３は、開口１３ａ側に、断面積の大きい空洞部１３ｂを有し得る。ノズル２１から空洞部１３ｂを経て隙間Ｇの外周に行くに従い排気される空気が徐々に膨張するため、大気解放時の破裂音を効果的に緩和できる。空洞部１３ｂの円周長をＬ、隙間をＧ、ノズル２１の開口面積をＳＡ１としたとき、Ｌ×ＧがＳＡ１と概略等しいことが望ましい。ノズル２１から開口１３ａに向けて排気流路１３の断面積を多段階又は連続的に増加させてもよい。バネ性を有する弾性体１６ａで消音板１６を固定するなどによって排気圧力に応じて隙間Ｇが増減するようにすれば、更に排気圧力を平準化して消音効果を向上する。上記構成は、１００％の消音ではないが、本発明の大きな目的である省スペースを達成しながらかなりの消音効果を達成できる。

図２は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ａであり、サーボ弁ユニット２と共通の部材は、同一の符号が付され、又は、簡略のため一部符号が省略されている。サーボ弁ユニット２Ａは、左右の弁部２０Ａを除いてサーボ弁ユニット２と同様の構造を有し得る。各弁部２０Ａは、左右対称の同一構造を有し得る。

弁部２０Ａでは、弁部２０のシール部材２２及び磁性体２３の代わりに円盤状弾性体２２Ａ及び磁性体２３Ａが使用されている。円盤状弾性体２２Ａは、外周部分２２Ａ１がユニットボディ１０に固定され、中央部分がノズル２１を閉塞できるシール部材２２Ａ２を構成し、その中間に複数の開口２２Ａ３が形成されている。開口２２Ａ３は、ノズル空間１１ａと外周空間１１ｂを連絡するためのものである。円盤状弾性体２２Ａは、ダイアフラムと同様の材料で形成できる。磁性体２３Ａは、円盤状弾性体２２Ａと一体に形成されている。

ソレノイド２６に通電しない状態では、付勢部材２４の力でシール部材２２Ａ２がノズル２１に当接して弁部２０ＡはＯＦＦになり、ソレノイド２６に通電すると、固定磁心２５の磁力でシール部材２２Ａ２がノズル２１から離間して弁部２０ＡはＯＮになる。弁部２０Ａは、弁部２０と同様に確実かつ高速でノズル２１を開閉できる。外周部分２２Ａ１がユニットボディ１０に固定されているため、シール部材２２Ａ２の移動を軸方向に限定することができる。

サーボ弁ユニット２Ａにおいても、サーボ弁ユニット２と同様の高速開閉動作が可能であり、さらに、円盤状弾性体２２Ａの使用で弁部２０Ａの耐久性向上が期待できる。

図３は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ｂを示す。サーボ弁ユニット２Ｂは、共通流路１１Ｂと、供給流路１２Ｂと、排気流路１３Ｂと、駆動流路１４Ｂと、左右対称の２つの弁部２０Ｂを有する。各弁部２０Ｂは、共通流路１１Ｂ及び排気流路１３Ｂの先端のノズル２１Ｂと、シール部材２２Ｂと、伸縮部材２３Ｂを有する。

伸縮部材２３Ｂは、印加電圧などによって伸縮する素材である。伸縮部材２３Ｂは圧電素子や導電性樹脂で構成できる。伸縮部材２３Ｂは、軸方向に一定寸法を有する単一片の伸縮素材を使用してもよいが、伸縮素材を複数積層することで伸縮量を大きくできる。

伸縮部材２３Ｂが伸張するとシール部材２２Ｂがノズル２１Ｂに当接して弁部２０ＢはＯＦＦになり、伸縮部材２３Ｂが収縮するとシール部材２２Ｂがノズル２１Ｂから離間して弁部２０ＢはＯＮになる。サーボ弁ユニット２Ｂにおいても、サーボ弁ユニット２と同様の高速開閉動作を達成できる。

図４は、他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ｃ及びこれを用いた空圧制御装置１Ｃを示す。サーボ弁ユニット２Ｃは、供給流路１２同士が対向するように２つのサーボ弁ユニット２Ｒ，２Ｌを配置して単一のユニットボディ１０に収容した構造であり、４つのサーボ弁素子３ＡＬ，３ＡＲ，３ＢＬ，３ＢＲで構成される。サーボ弁ユニット２Ｒ，２Ｌは、サーボ弁ユニット２と同様の構成を有するが、２つの供給流路１２は中央で連結されてユニットボディ１０の側面から引き出されている。駆動流路１４は、それぞれバルブボディ１０の側面から引き出され、空圧シリンダ４０の各シリンダ室に接続される。供給流路１２と駆動流路１４の接続部１２ａ，１４ａをバルブボディ１０の同一側面及び／又は隣接する位置に設けることが好ましい。

コントローラ５０は、空圧シリンダ４０のピストン位置、所望のピストン速度等に応じた電気パルスＳ１，Ｓ２を左右のサーボ弁ユニット２Ｒ，２Ｌに印加する。本例では、電気パルスＳ１がサーボ弁素子３ＡＬ及び３ＢＲに印可され、電気パルスＳ２がサーボ弁素子３ＢＬ及び３ＡＲに印可される。これにより、サーボ弁ユニット２Ｒ，２Ｌがサーボ弁ユニット２と同様に動作してピストン４３を左右に駆動する。なお、図の配線では、サーボ弁素子３ＡＬとサーボ弁素子３ＢＲ、サーボ弁素子３ＢＬとサーボ弁素子３ＡＲが同時に励磁されるが、それぞれ独立に励磁してもよく、各サーボ弁素子３ＡＬ，３ＡＲ，３ＢＬ，３ＢＲへの各電気パルスのパルス数を変えてもよい。

図４のサーボ弁ユニット２Ｃは、サーボ弁ユニット２と同様の弁部２０を有するが、これを弁部２０Ａ又は２０Ｂに変更したサーボ弁ユニット２Ｄ，２Ｅ（図５，６）も可能である。サーボ弁ユニット２Ｒ，２Ｌの一方に弁部２０Ａ〜２０Ｃのいずれかを使用し、他方にそれと異なる弁部２０Ａ〜２０Ｃを使用してもよい。高速開閉が可能であれば他の態様の弁部を使用してもよい。

図７は、更に他の実施形態のサーボ弁ユニット２Ｆを示す。サーボ弁ユニット２Ｆでは、板状のユニットボディ１０Ｆの一方の面に２つのサーボ弁ユニット２Ｆ１，２Ｆ２が配置されている。サーボ弁素子３ＡＬ，３ＡＲ，３ＢＬ，３ＢＲの配置は一例であり、他の配置も可能である。一方の面にサーボ弁ユニット２Ｆ１を配置し、他方の面にサーボ弁ユニット２Ｆ２を配置してもよく、一方の面にサーボ弁素子３ＡＬ，３ＡＲを配置し、他方の面にサーボ弁素子３ＢＬ，３ＢＲを配置してもよい。各流路の連絡は、前記各実施形態に準じて行い得る。

サーボ弁ユニット２，２Ａ〜２Ｆでは、共通流路１１、供給流路１２、排気流路１３、駆動流路１４の延在方向がすべてＸ方向であることから、サーボ弁ユニット２，２Ａ〜２Ｆ内部で生じる負荷の作用方向は主としてＸ方向となる。そのため、Ｘ方向の強度（耐荷重性や耐衝撃性）を高めるだけで、サーボ弁ユニット２，２Ａ〜２Ｆの耐久性・耐故障性能を高めることができる。ユニットボディ１０を複数のボディパーツで構成した場合に上記効果が顕著であり、例えば、
１．共通流路１１、供給流路１２、排気流路１３及び／又は駆動流路１４が複数のボディパーツに跨って延在する場合、
２．共通流路１１、供給流路１２、排気流路１３及び／又は駆動流路１４の端部が隣接するボディパーツの境界に位置する場合、
３．付勢部材２４やシール部材２６等により隣接するボディパーツ間での力が作用する場合
には、上記効果が特に顕著である。

図８，９は、複数のボディパーツでユニットボディ１０を構成したサーボ弁ユニット２Ｇ，２Ｈを示す。（ａ）は正面図であり、（ｂ）は側方断面図である。サーボ弁ユニット２Ｇ，２Ｈは、バルブボディが複数（図では９つ）のボディパーツ７１，７２Ｌ，７２Ｒ，７３Ｌ，７３Ｒ，７４Ｌ，７４Ｒ，７５Ｌ，７５Ｒで構成され、各ボディパーツがボルト等の締付具７６によりＸ方向で締め付けられていることを除いてサーボ弁ユニット２Ｃ，２Ｄと同一の構成を有する。サーボ弁ユニット２Ｇ，２Ｈは左右対称のため図８（ａ），図９（ａ）には、サーボ弁ユニット２Ｇ，２Ｈの左半分のみが示されており、ボディパーツ７１の右側の一部及び右側のボディパーツ７２Ｒ，７３Ｒ，７４Ｒ，７５Ｒは図示省略されている。以下、左右を区別する必要が無い場合は、ボディパーツ７１，７２，７３，７４，７５等と表記する。

サーボ弁ユニット２Ｇ，２Ｈでは、ユニットボディ１０を複数のボディパーツに分割することで各ボディパーツの形状がシンプルになるため、製造が容易になる。そして、Ｘ方向の締付具７６の締め付けにより、動作中のユニットパーツ間の振動を防止し、耐久性・耐故障性能を高めることができる。

図１０に示すように、ボディーパーツ７２，７４は、ボビン２６ａに巻回したソレノイド２６を収容する筒状のボビンケースであり得る。ボディーパーツ７２，７４は、ボディパーツ７３側に開口７２ａ，７４ａを有し得る。ボディパーツ７３は、開口７２ａ，７４ａを塞ぐ磁性壁部７３ａと、バネ空間１１ｄ及び通孔１１ｅが形成されたロッド部７３ｂを有し得る。ボディーパーツ７２〜７４は、磁性体で形成し得る。ソレノイド２６を磁性体（ボディーパーツ７２（７４）、磁性壁部７３ａ、ロッド部７３ｂ及び磁性体２３）で取り囲むことでで磁性体２３の駆動力を高めることができる。サーボ弁ユニット２Ｇ，２Ｈでは、単一の磁性壁部７３ａを挟んで２つのソレノイド２６を隣接配置したため、一層の小型化、少部品点数化、組立容易化等を達成できる。

図８〜１０では、ユニットボディ１０を複数のボディパーツで構成した例を示したが、他の実施形態のサーボ弁ユニット２，２Ａ，２Ｂ，２Ｅ，２Ｆにおいてもサーボ弁ユニット２Ｃ，２Ｄと実質的に同態様でユニットボディ１０を複数のボディパーツで構成し、締付具でX方向に締め付けることでサーボ弁ユニット２Ｇ，２Ｈと同様の効果を達成することができる。

上記実施形態のサーボ弁ユニットでは、サーボアンプを用いずに空圧シリンダを高精度で制御可能であり、また、従来の空圧サーボ弁ほどの加工精度は不要であり、空気のブリードも不要である。特に、弁部のＯＮ／ＯＦＦの切換速度、あるいは、空圧シリンダへの給排気の切換速度を１００Ｈｚ以上にすることで、ピストン４３の円滑な移動速度及び停止位置制御が可能になる。切換速度を３００Ｈｚ以上、より好ましくは５００Ｈｚ以上、更に好ましくは１０００Ｈｚ以上とすることで、ピストン移動速度及び停止位置の制御性を一層高めることができる。なお、各シリンダ室や流路に一定の体積があり、ピストンには慣性モーメントや若干の摩擦が作用することから、給排気をパルス状に切り換えてもピストンは支障の無い滑らかさで動作する。

上記実施形態のうち、サーボ弁ユニット２Ｄ及び２Ｅの試作品を２０×２５×７０ｍｍの小型サイズで実際に作成し、最大３００〜５００Ｈｚの切換速度での安定動作、及び、径φ３０〜８０ｍｍ（ストローク長５０ｍｍ）の空圧シリンダの円滑な高精度制御を実現できることを確認した。さらに、試作した８個サーボ弁ユニットと、８個の空圧シリンダによって多関節駆動を行う人間サイズの人型ロボットの腕ユニットを実際に作成し、その先端（手掌部）に最大１２．５ｋｇの重りを持たせて自在に上げ下げ動作が可能であることを確認した。実際の動作の様子は、ビデオで撮影し、youtube（URL: https://youtu.be/mAEVIudfmno, https://youtu.be/7cVjNuoC_w8, https://youtu.be/FxbWDoIcv_k, https://youtu.be/5XO8cX9oREA, https://youtu.be/0qnxH6PFCwo）に掲載した。この腕ユニットでは、上記８個のサーボ弁ユニットがすべて上腕部分に収容されている。

位置センサーの信号はデジタルでもアナログでも良いが、超小型で分解能をある程度高くするためには、超小型のアナログセンサーを用いてコントローラ内でＡＤ変換する方が、スペースが小さくて済み、また配線も少なくできるため、複雑な多関節ロボットを設計する上で効果的である。

本発明の開発の動機は人型ロボット（人型災害ロボット）であるため、人型ロボットへの適用を主として説明したが、本発明は、人型ロボット以外の様々なロボット（例えば、トカゲやムカデ型、あるいは多足ロボット、四つ足の動物ロボットなど）にも適用できる。介護アシスト、作業アシストロボットなど、災害ロボット以外のロボットにも適用可能できる。空圧は圧縮性があるため、反力を受けたときに柔軟に対処できるという特徴があるので、人に対して優しく接触することができる。さらに、本発明は、ロボット以外の分野にも適用可能である。広く、産業用機器や家庭用機器における可動部材の駆動に適用可能である。

上記実施形態に記載したサーボ弁ユニット又は空圧制御装置又はこれらを構成する要素の寸法、形状、配置、個数、材料、特性等は例示であり、これらは、請求の範囲に記載した発明の範囲及びその本質を変更しない範囲で適宜変更可能である。

１，１Ｃ・・・空圧制御装置
２（２Ｒ，２Ｌ），２Ａ〜２Ｆ・・・サーボ弁ユニット
３Ａ，３Ｂ，３ＡＬ，３ＡＲ，３ＢＬ，３ＢＲ・・・サーボ弁素子
１０，１０Ｆ・・・ユニットボディ（筐体）
１０ａ・・・第１端部
１０ｂ・・・第２端部
１１，１１Ｂ・・・共通流路
１１ａ・・・ノズル空間
１１ｂ・・・外周空間
１１ｃ・・・通溝
１１ｄ・・・バネ空間
１１ｅ・・・通孔
１１ｆ・・・連絡通路
１２，１２Ｂ・・・供給流路
１２ａ・・・接続部
１３，１３Ｂ・・・排気流路
１３ａ・・・開口
１３ｂ・・・空洞部
１４，１４Ｂ・・・駆動流路
１４ａ・・・接続部
１６・・・消音板
１６ａ・・・弾性体
２０，２０Ａ，２０Ｂ・・・弁部
２０Ｒ・・・第１弁部
２０Ｌ・・・第２弁部
２１，２１Ｂ・・・ノズル
２２，２２Ｂ，２２Ａ２・・・シール部材
２２Ａ・・・円盤状弾性体
２３，２３Ａ・・・磁性体
２３ａ・・・側壁
２３Ｂ・・・伸縮部材
２４・・・付勢部材
２５・・・固定磁心
２６・・・ソレノイド
４０・・・空圧シリンダ
４１，４２・・・シリンダ室
４３・・・ピストン
４４・・・付勢手段
４５・・・位置センサー
５０・・・コントローラ
Ｓ１，Ｓ２・・・電気パルス

Claims (7)

1. 空圧アクチュエータを駆動するためのサーボ弁ユニットであって、
   第１端部及び第２端部を有するユニットボディと、
   第１弁部と、
   第２弁部と、
   前記第１弁部を開閉する第１シール部材と、
   前記第２弁部を開閉する第２シール部材と、
   第１電気パルスにより前記第１シール部材を駆動する第１駆動機構と、
   第２電気パルスにより前記第２シール部材を駆動する第２駆動機構と、
   前記第１端部と前記第１弁部の間で延在する供給流路と、
   前記第２端部と前記第２弁部の間で延在する排気流路と、
   前記第１弁部及び前記第２弁部を介して前記供給流路及び前記排気流路に接続された共通流路と、
   前記空圧アクチュエータに接続される駆動流路を有し、
   前記第１駆動機構及び第２駆動機構は、前記第１端部と前記第２端部の間に位置する駆動機構配置部に配置され、
   前記駆動流路は、
   前記駆動機構配置部と前記第１端部の間に位置する分岐部で前記共通流路から分岐して前記第１端部まで延在し、又は、
   前記駆動機構配置部と前記第２端部の間に位置する分岐部で前記共通流路から分岐して前記第２端部まで延在する、サーボ弁ユニット。
2. 前記分岐部は、前記駆動機構配置部と前記第１端部の間に位置し、
   前記供給流路と前記駆動流路は、前記第１端部において前記ユニットボディの軸方向に延在する、請求項１のサーボ弁ユニット。
3. 軸方向に配列された複数のボディパーツで構成されユニットボディであって、
   第１弁部、
   第２弁部、
   前記第１弁部を開閉する第１シール部材、
   前記第２弁部を開閉する第２シール部材、
   第１電気パルスにより前記第１シール部材を前記軸方向に駆動する第１駆動機構、
   第２電気パルスにより前記第２シール部材を前記軸方向に駆動する第２駆動機構、
   前記ユニットボディの一端と前記第１弁部の間で前記軸方向に延在する供給流路、
   前記ユニットボディの他端と前記第２弁部の間で前記軸方向に延在する排気流路、
   前記第１弁部及び前記第２弁部を介して前記供給流路及び前記排気流路に接続された共通流路、及び、
   空圧アクチュエータに接続される駆動流路を
   有する前記ユニットボディと、
   前記複数のボディパーツを前記軸方向で締め付ける締付具を有する、空圧アクチュエータを駆動するためのサーボ弁ユニット。
   
4. ２つの前記ユニットボディが対向配置され、
   前記２つのユニットボディの前記供給流路が相互に接続され、
   前記供給流路と、前記２つのユニットボディの２つの前記駆動流路が前記ユニットボディの側面から引き出されている請求項１〜３のいずれかに記載のサーボ弁ユニット。
5. 前記第１電気パルス及び前記第２電気パルスの周波数が１００Ｈｚ以上である、請求項１〜４のいずれかに記載のサーボ弁ユニット。
6. 前記第１駆動機構及び第２駆動機構がソレノイドを有し、
   前記第１駆動機構及び第２駆動機構の前記ソレノイドが単一の磁性板を挟んで隣接配置されている、請求項１〜５のいずれかに記載のサーボ弁ユニット。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のサーボ弁ユニットと、
   前記空圧アクチュエータと、
   前記空圧アクチュエータにより動作する可動部材
   を有する機器。

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