JPH0473411A - 空気アクチュエータのフェイルセーフ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、空気アクチュエータのフェイルセーフ装置に
関する。

【従来の技術】

アクチュエータの作動媒体としては、従来液体（油）あ
るいは空気が広く用いられている。 作動媒体として空気を用いるアクチュエータは、速度調
整やストロークの中間位置停止等の制御が困難であると
いう問題を有する反面、当該アクチュエータの圧縮空気
源として通常工場に設備されている空圧ラインが使用で
き、駆動源を別途用意する必要がないこと、油を扱わな
いため清潔である等の利点がある。 従来開示されている空気アクチュエータとしては、ＰＴ
Ｐ方式（ｐｏｉｎｔ　ｔｏ　ｐｏｉｎｔ方式）、あるい
はサーボ方式がある。 又、特開昭６２−２７０８０１号公報においては、位置
制御系をメカニカルに構成し、応答性の向上と位置決め
精度の向上を図るようにした空気サーボシリンダが提案
されている。 ところで、このような空気アクチュエータにあっては、
フェイル時、即ち、何等かの原因で圧縮空気源からの空
気の供給が跡絶えた時に、アクチュエータの駆動ロッド
を所定の位置（ストロークエンド）に持っていき、連結
されている機械装置等の安全性を確保することが要請さ
れる場合が多い このような場合、従来の一般的なフェイルセーフに対応
する考え方として次のようなもがある。 その１つの方法は、例えば第５図に示されるように、シ
リンダ１内のピストン２に対してばね３を配！するとい
うものである。このような構成を取ることにより、圧縮
空気源４からの空気の供給が跡絶えたときにこのばね３
の作用によって、ピストン２（及びこれと一体化された
駆動ロッド５）を所定の位置（ストロークエンド）に持
っていくことができる。 もう１つの方法は、例えば第６図に示させるように、空
気タンク６を別途用意し、圧縮空気源７からの空気の供
給が跡絶えたときにはこの空気タンク６の側からシリン
ダ７内に空気を供給し、ピストン８（及びこれと一体化
された駆動ロッド９）を所定の位！（ストロークエンド
）に持っていくというものである。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、上記第５図のばね３を用いる方法は、こ
のばね３の付勢力が（フェイル時でない）通常作動時に
おいても常時ビントン２に付加されているため、これに
打勝つだけの駆動力を発生するためにシリンダサイズが
大型化するという問題がある。又、制御系の中にばね要
素が入るため応答性が低下するという問題も生じる。 一方、上記第６図の空気タンク６を付設する方法は、付
帯投錨が増加し、コスト増が避けられないという問題が
ある。 本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたもの
であって、通常作動時においてはアクチュエータの作動
系に全く影響を及ぼさず、しかも空気タンク等の大型の
付帯設備を設けることなく、駆動ロヅドを確実に所定位
置（ストロークエンド）に持っていくことのできる空気
アクチュエータのフェイルセーフ装置を捉洪することを
目的とする。

【課題を解決するための手段】

本発明は、摺動自在に配！された部材を備えると共に、
圧縮空気源からの空気を利用してこの摺動部材の位１に
応じた駆動ロッドの位置決めを行う空気アクチュエータ
のフェイルセーフにおいて、前記摺動部材の二端側に、
該摺動部材の摺動方向と同一の方向に摺動自在にプラン
ジャを設けると共に、該１ランジヤの灰層動部材側にば
ねを設けて、このばねの付勢力によりプランジャを介し
て前記摺動部材を押圧・摺動可能とし、且つ、該プラン
ジャの摺動部材側に前記圧縮空気源の受圧部を形成し、
空気アクチュエータの非フェイル時に前記ばねの付勢力
に打勝って前記プランジャを灰層動部材方向に付勢可能
としたことにより上記目的を達成したちである。

【作用】

本発明の作用を第１図を用いて説明する。 本発明においては、摺動部材（第１図の例ではピストン
１０）の一端側に該摺動部材の摺動方向と同一の方向に
プランジャ１２が設けられている。 このプランジャ１２の灰層動部材側にはばね１４か設け
られており、このばね１４の付勢力によりプランジャ１
２を介して摺動部材１０を押圧・摺動できるようになっ
ている。従って、何等かの原因で圧縮空気源１３からの
空気の供給が跡絶えた場合には、このばね１４の機能に
より摺動部材１０が図の左側に移動させられ、駆動ロッ
ド１６を所定の位置（ストロークエンド）に持っていく
ため、フェイルセーフ機能が果される。 一方、このプランジャ１２の摺動部材１０側には、圧縮
空気源１３受圧部１２Ａが形成されており、この受圧部
１２Ａから受ける圧縮空気源１３からの圧力により非フ
ェイル時においてはプランジャ１２がばね１４の付勢力
に打勝って灰層動部材方向に付勢されるようになってい
る。そのため、このプランジャ１２の存在は非フェイル
時には摺動部材１０の作動に全く影響を及ぼさず、従っ
て、通常の作動時において常にばね１４の付勢力を受け
ながら摺動部材１０が駆動されるというようなことがな
くなり、又、ばね１４の存在により応答性が損われる恐
れもなくなる。更には別途タンク投錨を備えるものでも
ないため、コストの上昇を抑えることができる。 なお、上記説明においては、「摺動部材」としてピスト
ンが選択されていたが、本発明においては、この摺動部
材として必ずしも「ピストン」自体を採用する必要はな
く、要は「駆動ロッドの位置決めを行うために摺動する
部材」であるならば、どのような部材であっても構わな
いものである。

【実施例】

以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する
。 この実施例装置に係る空気アクチュエータは、いわゆる
電気−空気サーボアクチュエータに属するもので、電気
信号に応じた位置にスプールを摺動・位置決めし、この
スプールの摺動・位置決めにより駆動ロッドを位置決め
する構成がとられている。 この実施例では、プランジャが設けられる「摺動部材」
としてスプールが選択されている。 この電気−空気サーボアクチュエータは、これ自体末公
知であるため、まず、この電気−空気サーボアクチュエ
ータの構成から説明する。 第２図において、円筒形のシリンダボディ１０２の中に
気密に且つ摺動自在にピストン１０４が組込まれている
。該ピストン１０４には同軸にスリーブ１０６が一体的
に固定され、且つ負荷に連結される駆動ロッド１０８が
このスリーブ１０６に一体的に連結されている。この駆
動ロッド１０８はシリンダボディ１０２の底面部１０２
Ａを貫通しており、軸受部１０２Ｂによって摺動自在に
支持されている。なお符号１１０はロッドシールである
。 ピストン１０４の内部、具体的にはこれと一体化されて
いるスリーブ１０６の内部には、該ピストン１０４の摺
動方向と同一の方向に活動可能なようにスプール１１２
が組込まれている。このスプール１１２には〜回り止め
のキー１１４か取付けられている。又、スプール１１２
のピストン１０４に対する軸方向の偏位を制限するため
にストッパ１１６が設けられている。 スプール１１２にはナツト１１８が固定されており、ボ
ールねじシャフト１２０が螺合している。 このボールねじシャフト１２０の軸端はベアリング１２
２によりカバー１３２に回転自在に取付けられており、
且つカップリング１２４を介してステッピングモータ１
２８と連結されている。 ピストン１０４のステッピングモータ１２８側には、キ
ー溝１３０が切られており、カバー１３２に固定された
キー１３４との係合により、該ピストン１０４の摺動の
案内及び回転の防止がなされるようになっている。 カバー１３２、ピストン１０４、及びスリーブ１０６の
内部には空気が通る通路１５１〜１５８が設けられ、圧
縮空気源１３６、シリンダボディ１０２内でピストン１
０４によって分割されてで゛きた第１、第２気密室１３
８．１４０、及び大気１４２の４者の間を連結している
。これらの通路１５１〜１５８は、スプール１１２の外
周に形成された溝部１１２Ａ、１１２Ｂにより、スプー
ル１１２の位置に依存して各通路１５１〜１５８を通る
空気の流れ方向を切換える構成とされている。 ここにおいて、スプール１１２の一端側にはプランジャ
２００か設けられている。このプランジャ２００は、ス
プール１１２の摺動方向と同一の方向に摺動自在とされ
ている。 プランジャ２００の反スプール側にばばね２０２が設け
られている。このばね２０２は、圧縮空気源１３６から
の空気の供給が跡絶えた時にプランジャ２００を介して
スプール１１２を押圧し、該スプール１１２をストロー
クエンドの位置まで移動させられるだけの付勢力とされ
ている。 なお、このばね２０２の付勢力によってスプール１１２
を移動させるためには、該移動が許容できるような構成
となっていなければならない、この具体的な構成として
は、ナツト１１８にばね２０２による軸方向の力が加わ
ったときに、ボールねじの遊動率は１に近く直進運動を
回転運動に変換することも容易に可能であるため、ナツ
ト１１８が移動してボールねじシャフト１２０が逆回転
する。ただし、このときモータは回転を止めようとする
トルクを発生するなめ、それに打ち勝つだけの力を発生
できるばねを選定する必要がある。 又、ボールねじベアリング部は上記の力に対し十分な強
度を持つものを選定しなければならない。 一方、このプランジャ２００のスプール１１２側には圧
縮空気源１３６の受圧部２００Ａが形成されている。即
ち通路１５２からは通路１５９が分岐されていて、圧縮
空気源１３６からの空気が第３気密室２０４に導かれて
おり、この第３気密室２０４の圧力がプランジャ２００
の受圧部２００Ａに係るようになっている。この受圧部
２００Ａの受圧面積は、当該電気−空気サーボアクチュ
エータの通常作動時、即ち、圧縮空気源１３６から所定
の供給圧が供給されているときに、ばね２０２の付勢力
に打勝ってプランジャ２００をスプール１１２と反対の
方向に付勢し得るような押圧力が発生する大きさとされ
ている。 なお、プランジャ２００に貫通孔２００Ｂが設けられて
いるのは、ばね室内の圧を大気に解放することによりプ
ランジャ２００の摺動がスプール１１２との間の空間の
圧力に影響されないようにしたなめである。 次にこの実施例の作用を説明する。 先ず電気−空気サーボアクチュエータの作用から説明す
る。 ステッピングモータ１２８が軸側から見て時計方向に回
転すると、ボールねじシャフト１２０も一体的に回転す
る。このボールねじシャフト１２０に螺合しているナツ
ト１１８は、スプール１１２に固定されており、且つこ
のスプール１１２はキー１１４によってピストン１０４
に対して回り止めがなされ、このピストン１０４はキー
１３４によってカバー１３２に対して周り止めされてい
る。そのため結局ナツト１１８は前記ボールねじシャフ
ト１２０の回転によって前進を開始する。 又このナツト１１８の前進によってスプール１１２も一
体的に前進する。この結果スプール１１２の溝部１１２
Ａ、１１２Ｂとスリーブ１０６の通路１５４〜１５６と
の間に偏差が生じ、第１図破線に示されるような状態と
なる。このなめ通路１５１、第１気密室１３８、通路１
５２．１５３、及びスプール１１２の溝部１１２Ａが閉
じた空間となるなめ、圧縮空気源１３６からの空気の流
入が阻止される。 一方、第２気密室１４０の空気は通路１５４．１５５、
溝部１１２Ｂ、通路１５６．１５７．１５８を介して大
気へ放出される。 従って第２気密室１４０の空気圧が下がり、ピストン１
０４の前後方向のカバランスが崩れ、該ピストン１０４
がスリーブ１０６、駆動ロッド１０８と共に前進する。 しかしながら、スプール１１２はこれらと共には移動し
ないため、やがてスプール１１２の溝部１１２Ａ、１１
２Ｂとスリーブ１０６の通路１５４〜１５６との偏差が
再びＯとなったところで第１気密室の空気の流出が止ま
り、ピストン１０４の移動も停止する。 この結果、結局電動モータ１２８によってボールねじシ
ャフト１２０を回転し、ナツト１１８を任意の位置で位
置決めすると、この位置決めされた軸方向位置に対応し
て駆動ロッド１０８が摺動・位置決めされることになる
。 逆に電動モータ１２８が反時計方向に回転し、スプール
１１２が後退すると、スプール１１２の溝部１１２Ａ、
１１２Ｂとスリーブ１０６の通路１５４〜１５６との間
に前進時と逆側に偏差が生じ、第２気密室１４０の空気
の大気への放出が阻止されると共に、圧縮空気源１３８
に連通されている第１気密室１３８の空気が通路１５２
．１５３、溝部１１２Ａ、通路１５５．１５４を介して
第２気密室１４０に流れ込む、これにより第２気密室１
４０の空気圧が上がり、ピストン１０４の前後方向のカ
バランスが崩れ、該ピストン１０４は後退する。この後
退によりスプール１１２の溝部１１２Ａ、１１２Ｂとス
リーブ１０６の通路１５４〜１５６との偏差が再びＯに
なったところでそれ以上の空気の移動が阻止され、ピス
トン１０４の後退が完了する。 当該アクチュエータがこのように正常に作動している間
は、プランジャ２００は受圧部２００Ａに係る圧縮空気
源１３６からの圧力により常にスプール１１２と反対す
る方向に付勢されており、スプール１１２の作動には何
ら影響を及ぼさない。 しかしながら、空気の供給にフェイルが発生すると、以
下のような作用がなされる。 圧縮空気源１３６からの空気の供給がフェイルしたとし
ても、空気圧は瞬時にして大気圧にまで下がることはな
く、一般に徐々に大気圧にまで低下してくる。今、第３
図に示されるように、圧縮空気源１３６からの供給圧を
ＰＳ、プランジャ２００のスリーブ１０６に対する相対
偏位をＸｐ、スプール１１２のプランジャ２００による
偏位をΔＸ、ピストン１０４の偏位をＸとした場合、供
給圧Ｐｓが徐々に低下したときの各特性値は第４図の実
線で示されるようになる。 先ず、供給圧ｐｓが、ＰＳ＋まで低下するまでは（正常
時を含む）、前述したようにプランジャ２００はこの供
給圧ｐｓを受け、ばね２０２に打勝ってスプール１１２
と逆側に押付けられている。 この状態ではスプール１１２の動作に全く影響を及ぼさ
ない。 供給圧Ｐｓ　ｊがｐｓ　ｓ以下にまで下ってくると（Ａ
点）、ばね２０２とのカバランスが崩れ、プランジャ２
００がスプール１１２の方向に動き出す、これよりグラ
ンジャ２００は供給圧Ｐｓの低下に比例してスプール１
１２の方向に動きプランジャ偏位ＸＤが減少していく。 やがて１ランジヤ２００がスプール１１２に当ると（Ｂ
点）、ここから先はスプール１１２を押しながら変位し
ていくことになる。スプール１１２が押されたことによ
り、スプール１１２とスリーブ１０６との間に相対偏位
ΔＸが生じ、圧縮空気源１３６からの空気が通路１５１
、第１気密室１３８、通路１５２．１５３、溝部１１２
Ａ、通路１５５．１５４を介して第２気密室１４０に流
れ込み、該第２気密室１４０の室圧が上昇し、ピストン
１０４がストロークエンドまで後退させられる（０点）
、供給圧ＰＳはＤ時点で大気圧になる。 なお、第４図の２点鎖線は供給圧Ｐｓの低下が非常に速
かった場合の例を示している。この場合、グランジャ２
００が動き出す時点がＡ１となり、プランジャ２００と
スプール１１２とが接触する時点が８１となり、更にス
プール１１２の移動速度が速くなるためピストン１０４
の後退もそれだけ速く行われ、０１点においてストロー
クエンドまでの後退が終了する。従って、供給圧Ｐｓが
大気圧にまで低下する時点Ｄ１までに十分余裕を持って
後退を完了することが可能である。出願人の実験によれ
ば、はとんどのフェイルに対し、良好に対応できること
が確認されている。 なお、上記実施例では、フェイルセーフ機構の存在によ
って装置自体があまり大きくならないようにするために
、スプールに対してグランジャを配置するようにしてい
たが、本発明では、作用の項でも説明した通り、ピスト
ン１０４（あるいはスリーブ１０６）に対してプランジ
ャを設けることも十分可能である。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、通常作動時（非フ
ェイル時）においてアクチュエータ本来の駆動力や応答
性に全く影響を与えないようにしながら、万一圧縮空気
源にフェイルが生じたとしても駆動ロッドを確実にスト
ロークエンドの状態にまで後退させることができ、該駆
動ロッドに接続されている機械装置等の安全性を確保す
ることができる。又、この場合、例えば空気タンク等の
付帯設備を設ける必要もないため、コストの上昇を極力
抑えることができるという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る空気アクチュエータの原理を説
明するためのスケルトン図、 第２図は、本発明の実施例が適用された電気−空気サー
ボアクチュエータの構成を示す縦断面図、第３図は、プ
ランジャ付近の各符号の定義を説明するためのスケルト
ン図、 第４図は、供給圧、プランジャ偏位、スプール偏位、及
びピストン偏位の関係を時間軸に沿って示した線図、 第５図及び第６図は、それぞれ従来の空気アクチュエー
タのフェイルセーフ装置の原理を示す第１図相当のスケ
ルトン図である。 ２００Ａ・・・受圧部、 ２００Ｂ・・・貫通孔、 ２０２・・・ばね、 ２０４・・・第３気密室。 ０２・・・シリンダボディ、 ０４・・・ピストン、 ０６・・・スリーブ、 ０８・・・駆動ロッド、 １２・・・スプール（摺動部材）、 １２Ａ、１１２Ｂ・・・溝部、 １８・・・ナツト、 ２０・・・ボールねじシャフト、 ２８・・・ステッピングモータ、 ３６・・・圧縮空気源、 ３８・・・第１気密室（定圧室）、 ４０・・・第２気密室（制御圧室）、 ５１〜１５９・・・通路、 ００・・・プランジャ、 復代理人 牧野団博 松山圭佑 高矢 第５ 第１図 第６ ８（乙°スＹン）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）摺動自在に配置された部材を備えると共に、圧縮
   空気源からの空気を利用してこの摺動部材の位置に応じ
   た駆動ロッドの位置決めを行う空気アクチュエータのフ
   ェイルセーフ装置において、前記摺動部材の一端側に、
   該摺動部材の摺動方向と同一の方向に摺動自在にプラン
   ジャを設けると共に、 該プランジャの反摺動部材側にばねを設けて、このばね
   の付勢力によりプランジャを介して前記摺動部材を押圧
   ・摺動可能とし、且つ、 該プランジャの摺動部材側に前記圧縮空気源の受圧部を
   形成し、空気アクチュエータの非フェイル時に前記ばね
   の付勢力に打勝って前記プランジャを反摺動部材方向に
   付勢可能とした、 ことを特徴とする空気アクチュエータのフェイルセーフ
   装置。