JPS5933762B2 - 環形状シリンダチユ−ブを有するアクチユエ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転作動角度が９０°である環状シリンダチュ
ーブを利用したアクチュエータの改良に係わる。

回転作動角を得るためのアクチュエータでは出力トルク
が大きいもの程全体装置の重量と嵩の問題若しくは作動
流体の密封の問題に悩まされる傾向にある。

これは高い作動流体圧力に耐える密封性を重視しようと
すれば、いきおい直線作動を行う円筒型シリンダを利用
し、直線運動を回転運動に変換する手段によらざるを得
す、一方直接回転運動を得る云わゆるロータリーアクチ
ュエータ型式を採用するものでは作動流体の密封性等に
問題が残るためであった。

そこでシリンダチューブ自体を環状に屈曲させ直接回転
力を取り出す構成とすれば、直線運動を回転運動に変換
する機構は不要であり、少くとも作動流体の密封性の問
題も解決し得るであろうことが予想される。

この様な機構の原形としては例えば特許公告公報昭和３
５年第１７１０号に示された構成を見ることができる。

この構成においては作動室は７室しか設けられない。

７室だけによる駆動方式ではどちらか一方の室のみが高
圧作動流体で満されるので、回転力を得る上で不平衝な
力が生じ、環状に屈曲したピストンロッドは高い剛性を
必要とする。

また高圧作動流体によってピストンに加わった全圧力に
等しいだげの力が出力軸にそのままラジアル荷重として
加わることになる。

この点は耐摩耗性、耐久性が要求される機構としては重
大な問題である。

更に作動角が９０°であるこの種機構に作動室が７室し
かないことは必ずしもこの種機構の簡素な特長を十分に
生かしているとはいえない。

そこで四室の作動室を出力軸芯を中心とした対称な位置
に配置しようとすると、出力軸の作動角が著しく制限さ
れ、９０°の作動角を得ることは不可能となってしまう
。

この種アクチュエータの使用目的、例えば弁、コック等
の自動運転に備えるには最低限度９０°の作動角を確保
する必要があるので、前記公報に示された構成を利用す
るには成る限界が存在する。

上記の問題を解決するため環状に屈曲したシリンダチュ
ーブとピストンロッドとを利用し、小型軽量で信頼性の
高い機構を実用化するにあたっては次の三点の改良が望
まれる。

即ち、第一は不平衡力を極力減少させる点であり、第二
はピストンロッド自体を小径化して作動室の増加に備え
る点であり、第三は限られた空間の中で最低限９０°の
作動角を確保しながら不平衡力の極端な増大を招かない
ように作動室を７室から四室へと増加させ無理なく出力
を増大させる点である。

、本発明の目的は正にこれらの諸点の問題を解決し信頼
性の高い優れたアクチュエータを実用化することにある
。

このために本発明者は環状に屈曲したピストンロッドを
完全な円環状にし、ピストンロッドは固定壁である隔壁
を貫通させ、ピストンの背後にも二枚の隔壁を設けるこ
とによって作動室を四室とする基本構成を提案するもの
であり、更に出力軸と環状のピストンロッドとを結合す
る出力取出ステー、隔壁、ピストン等を成る一定条件の
下に構成し、配置することによって前記の問題点を解決
せんとする。

本発明の基本概念は以下に添付図面第１図を参照して説
明する。

この第１図では図示の便宜上ピストンロッド、ピストン
、隔壁等を線によって略示しである。

第１図示の通りピストンロッド取付ステー５は中心Ｏよ
り水平方向左方、即ちＸ−Ｘ軸上に配置され、加えて中
央隔壁６もステー５とは反対側のＸ軸上に配置されてい
る。

二枚のビス）・ン２，２と他の二枚の隔壁６，６とはＸ
軸に対して全く対称に配置される。

議論の簡単のために次の仮定を導入する。

ピストン２０面積中心点は図上丁度ピストンロッド３が
ピストンに結合されている点Ｐ、Ｐ’にあるものとし、
この点Ｐ、Ｐ’上に該点からピストンロッドが形成する
円周の接線方向に向うベクトルＰ Ａ 、 Ｐ’Ａ’な
る等しい大きさの力が加わっているものとする。

ベクトル「■。ｎ′はＸ軸方向成分と縦軸をなすＹ軸方
向成分とに分解し、ベクトルＰＢ 、 ＢＡ 、 Ｐ’
Ｂ’ 、 Ｂ’Ａ’について議論を進めることとし、次
いでＢ 、 Ｂ’よりベクトルＰＡ、Ｐ’Ａ’に下した
垂線の足をｃ、ｃ’とする。

ピストン２のＰ点に加わるベクトルＰＡなる力はモーメ
ントＯＰ −ＰＡとして出力軸の回転出力になり得るの
であるが、ベクトルＰＡをベクトルＰＣとＣＡとに分解
して議論することになる。

ＰＣ＆！ＰＢに相当し、ＣＡはＢＡに相当する。

更にベクトルＰＢ 、 Ｐ’Ｂ’は平行移動してＹ軸上
に移すこととし、点Ｐ、Ｐ’からＹ軸上に下した垂線の
足り、Ｄ’を始点とするベクトルＤＥ、Ｄ’Ｅ’を考慮
する。

八〇ＤＰと△ＰＣＢとは相似形である。何故ならば／Ｄ
ＰＯ＋／ＢＰＣ−／Ｒであり、／ＰＯＤ−／ＢＰＣだか
らである。

よって次の関係式が成り立つ。

上式の関係は次の事実を示唆するものである。

即ち、ベクトル「■の一部であるベクトル「テと距離Ｏ
Ｐの積によって表わされるモーメント、換言すれば回転
出力はベクトルＤＥ（ＰＢ）と距離ＣＤとの積による回
転モーメントに置換できるという点である。

これは点Ｐ′においても同様であり、ベクトル面′によ
る回転出力はベクトル面′と距離σがとの積による回転
モーメントに置換できる。

そこでベクトルＤＥとＤ／Ｅ／とを比較してみる。

この両者は大きさが相等しく互いに逆方向に向いており
、中心０からの距離も等しい。

即ち、両者は回転偶力として釣合っており、何らの補助
的な作用力も必要とすることなく、従って全く摩擦抵抗
を生ぜずにそのまま全部回転出力に変換される。

一方、ベクトルＡＢ 、 Ａ’Ｂ’を考察してみよう。

これらの力はそれぞれ点Ｐ、Ｐ’上に互いに同じ向きに
加わっている力であるから、釣合うことはなく機構全体
のどこかに加わることになる。

例えばピストンロッド３全体とステー５及びこれらの連
結部が強固であると、ベクトルＡＢ＋ベクトルＡＢに相
当する力が出力軸にそのままラジアル荷重として加わる
。

これは図上ベクトルＴで表わす。ピストンロッド３とス
テー５との連結部が比較的低い強度であれば図上ベクト
ルＳ１．Ｓ２，８１′、８２′として示す位置に分散し
て荷重が加わることになる。

この荷重はベクトルＰＡ 、 Ｐ’Ａ’の一部であるベ
クトルＣＡ、Ｃ’Ａ’が回転出力となる上で必要となる
荷重であり、摩擦抵抗を生ずる。

従ってベクトルＰＢに相当する力はできる限り大きく、
ベクトルＡＢに相当する力はできる限り小さいことが望
ましい。

これを支配する因子は図示の角度θ（／ＤＯＰ）である
。

図示の状態においてＸ軸に対して対称に二個のピストン
が配置されたことによる摩擦力の低減効果を考察するに
はベクトルＰＡとベクトルＢＡとの大きさの比較を行え
ばよい。

第２図に示す従来機構においてはピストンに加わる力の
全部が不平衡な力であって軸受部にはベクトル「Ｘに相
当するそのままの大きさの力がラジアル荷重として作用
した。

それ故第１図示の機構では ＡＢ ／ＰＡ ＝ ｓｉｎθ だけ摩擦力が低減されることを示している。

また第１図示機構の作動回転角を９０°とする限りθに
も限度があって、θは ０〈θ〈４５゜ の範囲しかとることができない。

この範囲の中でθはでき得る限りＯに近いことが不平衡
力を低減する上で望ましい。

本発明の基本構成は不平衡力の向きが従来構造のものと
異なる点も一つの特徴をなしている。

第２図示の従来例ではピストン面に垂直な方向の向きの
力が加わるだけであり、ピストンロッドはこの方向の力
を実質的に殆んど歪を生じない状態で全部出力軸に伝達
し得るだけの強度が要求される。

本発明では不平衡力は角度θをなしてピストン２の横方
向に働いている。

従って不平衡力の大部分はピストン２自身が受は持つこ
ととなり、ピストンロッド３にはそのまま回転出力とな
る回転偶力以外の余計な力は僅かしか加わらないように
構成されている。

この特徴は本発明のピストンロッド３を完全な円環形状
となすことについて理由あらしめる点であり、ピストン
ロッド自身の小径化に大きく寄与している。

本発明は以下に具体的な実施例を図示する第３図乃至第
７図を参照して説明する。

第３図は本発明の特徴的なピストン２、ピストンロッド
３、隔壁６の配置を示す断面図である。

中心に位置する出力軸４の周囲に環形状をなすシリンダ
チューブ１が配置される。

この環形状シリンダチューブ１はこれに固定される三枚
の隔壁６，６，６によって区切られ、中間に位置する隔
壁６は図上中央横断線上に配置されている。

この中間の隔壁６と１８０°をなす位置には同様に図上
の中央横断線上にピストンロッド取付ステー５が位置し
ている。

ピストンロッド取付ステー５はキー７によって出力軸４
に固定され、上下に位置する二枚の隔壁６゜６の間を９
０°だけ揺動可能である。

ピストンロッド３のステー５に対向する端部はピストン
２や隔壁６を受入れるだけの間隔があり、二個のピスト
ン２，２と三個の隔壁６，６，６等を貫通させた後にピ
ストンロッド取付部材８を介してステー５に固定される
。

ピストンロッド３は二本の取付ピン９，９によって取付
部材８に固定される一方、二個のピストン２，２を夫々
二枚の取付板１０゜１０によって自身に固定している。

ピストンロッド３の取付板１０に相当する位置には取付
板１０と係合する溝を形成してあって、二枚の取付板１
０．１０によってピストン２を挟むようにロッド３と取
付板１０とを係合させればピストン２はロッド３上に固
定される。

隔壁６，６，６は図示の位置に破線で示すボルト１５に
よって固定される。

図示実施例では先に述べたシリンダチューブ１は二つの
側構造としてあり、多数のボルト１６゜１６、・・・・
・・によって気密性を保つように組合せられる。

ピストン２における気密性は小径のＯリング１１と大径
のＯリング１３とによって保たれ、隔壁６の気密性は同
様に小径のＯリング１２と大径のＯリング１４とによっ
て保たれる。

ピストン２における小径のＯリング１１と隔壁６におけ
る大径のＯリング１４とは気密面で摺接作用を伴わない
から弾圧特性の優れたゴム系材質の０１，１ングが使用
され、ピストン２における大径のＯリング１３と隔壁６
における小径の０リング１２とは摩擦・摩耗特性の優れ
た弗素樹脂系材質の０１Ｊングが使用される。

第４図第５図は第３図の上下位置にある各部材や構造を
示しており、シリンダチューブ１には更にその中央部に
出力軸４を軸支する軸受部２２，２２が上下に設けられ
ブツシュ２１が嵌装される。

出力軸４の上端と下端には被駆動軸等との結合を行うた
めの四角柱形状を形成しである。

第４図に示すようにシリンダチューブ１の上方外面には
アクチュエータ全体を取付けるための複数の取付用ねじ
穴１７．１７が設げである。

更にシリンダチューブ１の下方側にはチューブ１内部に
形成される作動室内に作動流体を送り込んだり該室から
排出したりする作動流体出入口１８が隔壁６０両側に設
けられ、出力軸４の下方端部には出力軸４の揺動角（回
転作動角）を微調整するための舌片１９が固定される。

２０は舌片１９の揺動範囲内を囲むフランジであり、該
部のより詳細な構造は後述の第６図から明らかとなろう
。

第３図と第４図から判るようにピストンロッド取付部材
８はステー５に設けられた溝内に嵌入した上でボルト２
３によってステー５に固定される。

第５図はピストン２附近の断面を示しであるが、図示の
ように取付板１０は平行溝２４を有していてピストンロ
ッド３に設けた溝に係入する。

第６図は第４図の下面に表われる各部を示しており、作
動流体出入口１８は四室の作動室の夫々の隔壁６．６，
６に接する位置に臨む図示の四箇処に設けられる。

前記の舌片１９を取囲むフランジ２０は図上の上下端部
で出力軸４の中心方向に曲げられてねじ孔２５，２５が
形成され、ねじ孔２５゜２５には出力軸４に固定された
舌片１９の回転作動終端域で舌片１９と当接して出力軸
４の回転作動角を決定するすりわり付止めねじ２６．２
６がねじ込まれており、止めねじ２６の位置はナツト２
７．２７の緊締作用により保持される。

上記の構成よりなる本発明のアクチュエータは、作動的
に他のアクチュエータと実質的に異なるところはない。

四室の作動室の内の、隣りの作動室を介して対向する一
対づつの作動室内に交互に高圧作動流体が作動流体出入
口１８を通って導入され、出力軸４が揺動して目的の角
度、本発明では特に９０°の回転作動角を得ることは容
易に理解できよう。

本発明においてはピストンロッド３は略完全な円環形状
をなし、三個の隔壁６，６，６を悉く貫通しているので
、四室の作動室の有効断面積は相等しく、第１図に関し
て説明を行ったように二個のピストン２，２の適当な配
置によって、摩擦力による動力損失を低く抑えながら効
率の良い円滑な回転運動を得ている。

不平衡力によって生じる摩擦力も大部分がピストン２に
加わるため、ピストンロッド３に残された不平衡力は極
く小さなものになり、ロッド３には殆んど回転偶力だけ
が作用していると見做すこともできる。

それ故ピストンロッド３が略完全な円環形状をとること
はピストンロッド３の直径を小さくし、作動室の有効断
面積を増大させる上で有利である。

隔壁６は図示実施例においてシリンダチューブ１の外周
壁側でだけボルト１５により固定されている。

この隔壁６にはせん断力に加えてボルト１５で固定され
た外端部を曲げ中心とする曲げモーメントが附加される
。

ところが大径の０リング１４を挟んでいる両端のランド
部は隔壁全体としての十分な厚みがあるので、両ランド
部がシリンダチューブ１の内周壁面に密着した状態で取
付けられている限り、曲げモーメントによる過大な変形
は両ランド部における楔作用によって阻止されることに
なり、ボルト１５による隔壁６の固定作用については主
としてせん断力を考慮して設計すればよいことになる。

ピストン２をピストンロッド３に固定するための取付板
１０はピストン２０両側からこれを挟んで４本のボルト
２８によって強固に固定されており、ピストン自身の機
械的強度を高める作用がある。

このような構造により２枚の取付板１０，１０は前記の
角度θを圧迫しないようにピストン２をロッド３に固定
している。

前記第１図の説明で述べたように、二個のピストン２，
２ができる限り一直線状に近い位置に配置することが摩
擦力低減、信頼性向上の上で有利である。

これを制限する設計上の因子はステー５、隔壁６、ピス
トン２の厚みであった。

具体的には前述のθは極限状態において １ − ・ θ＝ （ｉ （ステーの厚み＋１個のピストンの厚み）
＋（１個の隔壁の厚み）） となる。

図示実施例にあってはθは約２６°となった。

５ｉｎ２６°共０．４３８．ｔａｎ２６°共０．４８８
であるから前述のＰＡ、ＰＢ、ＡＢの相対的な比率は次
のようになる。

。ＡＢ／ＰＡ＝０．４３８ 、ＡＢ／ＰＢ＝０．４ ｓ
ｓ本発明実施例におけるアクチュエータと第２図示の
従来型アクチュエータとを比較すると、両者の間の摩擦
上の条件を同一と考えれば、本発明アクチュエータによ
って一挙に摩擦力を５４係程度低減できることになり、
信頼性の上でも大きな効果を収めることができた。

なお図示実施例では作動流体として空気圧を使用した。

作動流体圧力が適度な範囲にある限り従来殆んど使用さ
れることのなかったこの種環状シリンダチューブを有す
るアクチュエータを十分な信頼性を以って実用に供し得
ることを本発明の実施例によって確認することができた
。

本発明は図示の唯一の実施例を例示し説明してきたが、
本発明の技術的範囲は図示実施例によって制限されるも
のではない。

例えばシリンダチューブ１の断面形状は必ずしも円形で
ある必要はなく、長円形状、楕円形状、矩形状、三角形
状等であってもよく、ピストンロッド取付ステーはシリ
ンダチューブ１を取巻くように形成してチューブの外周
側からロッドを固定してもよい。

更には両端に位置する二個の隔壁をシリンダチューブの
両端開口部を塞ぐように被せる形式であってもよい３隔
壁はまたシリンダチューブに環状の溝を形成してこの溝
に嵌入させる形式でもよく、シリンダチューブ自体をダ
イキャスト等の製作方法により一体に形成してもよい。

ピストンとロッドとの結合部を合理化する上でこれらを
一体にダイキャスト製法等で製作してもよい。

或いは図示出力軸を固定軸とし、環形状のシリンダチュ
ーブを回転させるようにしてもよく、この場合はシリン
ダチューブに把手やバンドルを設けてもよい。

このようにすれば非常時の手動操作を簡単に行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の力学的特徴をベクトルによって説明す
るための説明図であり、シリンダチューブ、ピストン、
ピストンロッド等を実線によって略本した説明図である
。 第２図は従来型の環形状シリンダチューブを有するアク
チュエータの要部を示す断面図である。 第３図は第４図上■−■線に沿って切断した本発明の一
実施例の断面図である。 第４図は第３図上のＩＶ−ＩＶ線に沿って切断しこれを
側面より見た断面図である。 第５図はピストン附近で切断した第４図同様の断面図で
あって有半のみを示す。 第６図は第４図の下方側に相当する平面図である。 １・・・・・・環形状のシリンダデユープ、２・・・・
・・ピストン、３・・・・・・ピストンロッド、４・・
・・・・出力軸、５・・・・・・ピストンロッド取付ス
テー、６・・・・・・隔壁、１０・・・・・・取付板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １１本の出力軸と、中心線が前記出力軸を取り巻く円弧
   形状をなす環形状シリンダチューブと、前記環形状シリ
   ンダチューブ内部に設けられる作動室を区切る隔壁と、
   前記作動室内を移動するピストンと、前記ピストンの出
   力を前記出力軸の回転出力に変換する環状に屈曲したピ
   ストンロッドとを有してなり、前記隔壁は３個、前記ピ
   ストンは２個設けられ、少くとも中間の隔壁を除く２個
   の隔壁を前記ピストンロッドが貫通して前記環形状シリ
   ンダチューブ内に４室の作動室を設け、該ピストンロッ
   ドと前記出力軸とを１本のピストンロッド取付ステーに
   よって結合している環形状シリンダチューブを有するア
   クチュエータ。 ２ 前記出力軸と直交する平面上において前記ピストン
   ロッド取付ステーと中間の隔壁とが一直線上にある時に
   、前記出力軸の中心を通り前記直線と直交する直線が中
   心軸を挟んで２個のピストンとなす角度は０°乃至４５
   °の範囲内にある特許請求の範囲第１項記載のアクチュ
   エータ。 ３ 前記ピストンがなす角度は０°乃至４５°の範囲内
   にあって可能な限りＯｏに近くなるようにピストンロッ
   ド取付ステー、隔壁、ピストン等を形成してなる特許請
   求の範囲第２項記載のアクチュエータ。 ４ 前記ピストンロッドは完全な円環形状をなすととも
   に、中間の隔壁をも該ピストンロッドは貫通してなる特
   許請求の範囲第１項若しくは第２項若しくは第３項に記
   載のアクチュエータ。 ５ 中心に位置する固定軸と、中心線が前記固定軸を取
   り巻く円弧形状をなして自身が回転する環形状シリンダ
   チューブと、該環形状シリンダチューブ内部に設けられ
   る作動室を区切る隔壁と、前記作動室内にあって前記環
   形状シリンダチューブとの間で相対的に移動運動するピ
   ストンと、該ピストンを前記固定軸に固定する環状に屈
   曲したピストンロッドとを有し、前記隔壁は３個、前記
   ピストンは２個設けられ、少くとも中間の隔壁を除く２
   個の隔壁を前記ピストンロッドが貫通して前記環形状シ
   リンダチューブ内に４室の作動室を設け、該ピストンロ
   ッドと前記出力軸とを１本のピストンロッド取付ステー
   によって結合してなる環形状シリンダチューブを有する
   アクチュエータ。 ６ 前記環形状シリンダチューブには手動操作に備えた
   把手が設けられる特許請求の範囲第５項に記載の環形状
   シリンダチューブを有するアクチュエータ。 ７ 前記固定軸と直交する平面上において前記ピストン
   ロッド取付ステーと中間の隔壁とが一直線上にある時に
   、前記固定軸の中心を通り前記直線と直交する直線力用
   コ心軸を挟んで２個のピストンとなす角度はＯｏ乃至４
   ５°の範囲内にある特許請求の範囲第５項記載のアクチ
   ュエータ。 ８ 前記ピストンがなす角度は０°乃至４５°の範囲内
   にあって可能な限りＯｏに近くなるようにピストンロッ
   ド取付ステー、隔壁、ピストン等を形成してなる特許請
   求の範囲第７項記載のアクチュエータ。 ９ 前記ピストンロッドは完全な円環形状をなすととも
   に、中間の隔壁をも該ビスＩ・ンロツドは貫通してなる
   特許請求の範囲第５項乃至第８項の執れかに記載のアク
   チュエータ。 １０ 前記ピストンロッドにはピストンを固定するため
   の取付板と係合する溝が設けられ、該ピストンロッドの
   溝に係入した２枚の取付板が中央にピストンを挟んでこ
   れを固定してなる特許請求の範囲第１項乃至第９項の執
   れかに記載のアクチュエータ。