JP2021014888A - 流体圧アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸からの回転トルクとピストンロッドからの直線往復駆動力とを同時に容易に取り出すことのできる流体圧アクチュエータを提供すること。【解決手段】両ロッドシリンダ１１および直線・回転変換装置１２によって構成され、ピストンロッド２５はシリンダチューブ２１に対し周方向に回転不能に規制され、直線・回転変換装置１２は、ピストンロッドの挿入孔２５ａの端部に取り付けられた雌ネジ３１、雌ネジ３１に螺合する雄ネジを有し挿入孔に進入することが可能に配置された回転軸３２、および回転軸３２を回転可能にかつ軸方向移動不能に支持する軸支持部３３を有し、ピストン２４の軸方向移動にともなって、ピストンロッド２５が第１のカバー２２および第２のカバー２３を貫通した状態で軸方向移動するとともに、雌ネジ３１と雄ネジとの螺合により回転軸３２が回転するように構成される。【選択図】図５

Description

本発明は、流体圧による直線往復駆動を回転駆動に変換する流体圧アクチュエータに関する。

従来より、流体圧による直線往復駆動を回転駆動（揺動駆動）に変換する流体圧アクチュエータは、土木建設機械、輸送機械、精密機械、その他の各種産業機械に利用されている。

この種の従来の流体圧アクチュエータとして、流体圧シリンダによってラックを直線往復駆動させ、ピニオンによって回転駆動に変換する形式のものがある。しかしこの形式のものは、流体圧シリンダとラックとによる全長が長くなって大型化する難点がある。

また、流体圧シリンダのピストンにボールネジ機構を内設し、ピストンの直線往復運動をボールネジ機構と螺合関係にあるねじ棒の回転運動に変換し、回転トルクとして取り出す流体圧アクチュエータがシリンダ装置として提案されている（特許文献１）。

また、ケーシングに収容されたピストンの油圧による直線往復運動をシャフトの正逆切換えの回転である揺動運動に変換する油圧アクチュエータが提案されている（特許文献２）。

特開２００８−２５９３号公報 特開２００９−４１７２６号公報

しかし、上に述べた特許文献１および２の流体圧アクチュエータでは、流体圧による直線往復運動を回転運動に変換して回転トルクを得ることができるが、回転トルクと同時に直線往復駆動力を取り出すことができなかった。

したがって、例えば搬送部材のハンドリングなどにおいて、搬送部材を回転させかつ移動させる場合に、回転トルクを出力する流体圧アクチュエータと直線往復駆動力を出力する流体圧シリンダの２つの駆動手段が必要となる。

また、従来の流体圧アクチュエータを使用した際に、回転トルクが一時的に不足となった場合に所定の回転動作を行えなくなることがある。そのような場合には、定格圧力の範囲内で流体圧を増大したり、駆動力のより大きな流体圧アクチュエータに取り替えることとなり、対応と作業が面倒であって現実的には極めて困難である。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、回転軸からの回転トルクとピストンロッドからの直線往復駆動力とを同時に容易に取り出すことのできる流体圧アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る流体圧アクチュエータは、シリンダチューブと、前記シリンダチューブの一方の端面を閉塞するように前記シリンダチューブに固定された第１のカバーと、前記シリンダチューブの他方の端面を閉塞するように前記シリンダチューブに固定された第２のカバーと、前記シリンダチューブの内周面に沿って軸方向に摺動可能なピストンと、中心部に軸方向の挿入孔が設けられ、前記ピストンと一体的に連結され、前記第１のカバーおよび前記第２のカバーを軸方向に貫通して摺動するとともに、前記シリンダチューブに対し周方向に回転不能に規制された、ピストンロッドと、前記ピストンロッドの前記挿入孔の端部に取り付けられた雌ネジと、前記雌ネジに螺合する雄ネジを有し前記挿入孔に進入することが可能に配置された回転軸と、前記シリンダチューブに対して固定的に設けられ、前記回転軸を回転可能にかつ軸方向移動不能に支持する軸支持部と、を有し、前記ピストンの軸方向移動にともなって、前記ピストンロッドが前記第１のカバーおよび前記第２のカバーを貫通した状態で軸方向移動するとともに、前記雌ネジと前記雄ネジとの螺合により前記回転軸が回転するように構成されてなる。

好ましくは、前記ピストンロッドの前記雌ネジが取り付けられた側と反対側の端部には、軸方向への駆動力を負荷に伝達するための係合部が設けられている。

また、前記ピストンロッドは、前記シリンダチューブの中心位置から偏芯した位置に設けられることによって回転不能に規制されている。

また、前記軸支持部は、前記第１のカバーまたは前記第２のカバーの外端面に固定されたブラケットに取り付けられている。前記ブラケットは、円筒状部、前記円筒状部の基端部に設けられた鍔状部、および前記円筒状部の先端部に設けられた底部を有し、前記鍔状部が前記第１のカバーまたは前記第２のカバーの外端面に固定され、前記底部に前記軸支持部が取り付けられている。前記円筒状部の外形は、前記シリンダチューブの外形よりも小さくてよい。

また、前記シリンダチューブ、前記第１のカバー、前記第２のカバー、前記ピストン、および前記ピストンロッドによって両ロッドシリンダが構成され、前記雌ネジ、前記回転軸、および前記軸支持部によって直線・回転変換装置が構成され、前記雌ネジは、前記ピストンロッドの前記挿入孔の端部において前記挿入孔の内部に挿入されている。

本発明によると、回転軸からの回転トルクとピストンロッドからの直線往復駆動力とを同時に容易に取り出すことができる。

本発明の一実施形態に係る流体圧アクチュエータの外観を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る流体圧アクチュエータの平面図である。 図２の流体圧アクチュエータの右側面図である。 図２の流体圧アクチュエータの左側面図である。 図２の流体圧アクチュエータのＡーＡ線矢視断面図である。 ピストンロッドの端部の形状の他の実施例を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る流体圧アクチュエータの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る流体圧アクチュエータ１の概観を示す斜視図、図２は流体圧アクチュエータ１の平面図、図３は流体圧アクチュエータ１の右側面図、図４は流体圧アクチュエータ１の左側面、図５は図２の流体圧アクチュエータ１のＡーＡ線矢視断面図、図６はピストンロッド２５の端部の形状の他の実施例を示す断面図である。

なお、図１は流体圧アクチュエータ１の概観を示すため、図２〜図５に示す流体圧アクチュエータ１の形状とは一致しない部分もある。

図１において、流体圧アクチュエータ１は、両ロッドシリンダ１１および直線・回転変換装置１２を備える。

図１〜図５を参照して、両ロッドシリンダ１１は、シリンダチューブ２１、第１のカバー２２、第２のカバー２３、ピストン２４、およびピストンロッド２５などを備える。

シリンダチューブ２１は、鋼材、アルミニウム合金、その他の合金などの金属材料からなる円筒状のものである。セラミックスまたはプラスチックなどの材料を用いたものでもよい。

第１のカバー２２は、シリンダチューブ２１の一方の端面を閉塞するように複数のボルト２２ａによって固定され、第２のカバー２３は、シリンダチューブ２１の他方の端面を閉塞するように複数のボルト２３ａによって固定されている。

第１のカバー２２および第２のカバー２３には、ポートＰＡ，ＰＢが設けられており、ポートＰＡ，ＰＢから圧流体を供給することにより、圧流体がシリンダチューブ２１の内部のシリンダ室ＣＡ，ＣＢに流入する。

第１のカバー２２および第２のカバー２３には、ピストンロッド２５が貫通するために穴が設けられており、その内周面にはパッキン２２ｂ，２３ｂがそれぞれ設けられている。

ピストン２４は、シリンダチューブ２１の内周面に沿って軸方向に摺動可能である。ピストン２４の外周面にはパッキン２４ａが設けられ、シリンダチューブ２１の内周面との間でシールが行われている。

ピストンロッド２５は、中心部に軸方向の挿入孔２５ａが設けられ、その全長にわたって中空となっている。ピストンロッド２５はピストン２４と一体的に連結されている。つまり、ピストンロッド２５は、ピストン２４と一体に形成され、または別体に形成された後で一体となるよう連結されている。

ピストンロッド２５は、第１のカバー２２および第２のカバー２３を軸方向に貫通して摺動し、第１のカバー２２および第２のカバー２３に設けられたパッキン２２ｂ，２３ｂによってそれらの間のシールが行われている。

ピストンロッド２５は、シリンダチューブ２１に対し周方向に回転不能に規制されている。つまり、ピストンロッド２５およびこれと一体のピストン２４は、シリンダチューブ２１に対し、軸方向には移動可能であるが、周方向には回転不能となっている。

図１〜５に示す実施形態においては、ピストンロッド２５は、シリンダチューブ２１の中心位置２１ＣＴから距離Ｌ１だけ偏芯した位置が中心位置２５ＣＴとなるように設けられている。このように、ピストンロッド２５をシリンダチューブ２１に対して偏芯させることにより、部品点数を増やすことなく回り止め機能を得ることができる。

しかし、これ以外に、例えば、ピストンロッド２５を、その外形断面を四角形または六角形などの角形とすることによって回転不能となるよう規制してもよい。また、ピストン２４の外形断面を卵形や楕円形などのオーバルな形状とすることによって回転不能となるよう規制してもよい。

なお、ピストンロッド２５の端部２５ｂ，ｃに、外部の負荷を軸方向に駆動するための係合部を設けておけばよい。例えば、端部２５ｂ，ｃの外周面にネジを設けたり、端部２５ｃの内周面にネジを設けたり半径方向に貫通する孔を設けてもよい。また、端部２５ｃの端面を塞ぐカバーを設け、カバーにネジ穴などを設け、ここにフックなどを設けてもよい。

また、図６に示すように、ピストンロッド２５に設ける挿入孔２５Ｂａを、ピストンロッド２５の全長とすることなく、挿入孔２５Ｂａを端部２５Ｂｃにおいて閉塞した形状となるよう形成してもよい。そして、例えば、端部２５Ｂｃに、負荷との連結のためのネジ軸部２５Ｂｄを設けておけばよい。または、ネジ軸部２５Ｂｄに代えてネジ穴を設けてもよい。

このようにすると、直線往復駆動力を伝達するための負荷との連結が容易となる。

両ロッドシリンダ１１は、平板状の台座２６の上にシリンダチューブ２１が載置された状態で、第１のカバー２２および第２のカバー２３と台座２６との間がブラケット２７ａ，２７ｂによって取り付けられ、固定されている。

両ロッドシリンダ１１では、ピストンロッド２５は第１のカバー２２および第２のカバー２３の外端面から常時突出しており、ポートＰＡまたはＰＢから圧流体を交互に供給することにより、ピストンロッド２５が軸方向に直線往復駆動する。

次に、直線・回転変換装置１２は、雌ネジ３１、回転軸３２、および軸支持部３３などを備える。

雌ネジ３１は、ボールネジのナットであり、循環するボール３１ＢＬを備えている。雌ネジ３１は、その本体がピストンロッド２５の挿入孔２５ａの第１のカバー２２の側の端部２５ｂから内部に挿入され、雌ネジ３１の外側に設けられた鍔部３１ａが、ピストンロッド２５の端部２５ｂに当接した状態で、ボルト３１ｂが端部２５ｂに設けたネジ穴にネジ込まれることにより、ピストンロッド２５に取り付けられている。

回転軸３２は、ボール３１ＢＬを介して雌ネジ３１に螺合するネジ軸である。つまり、雌ネジ３１、ボール３１ＢＬ、および回転軸３２によってボールネジが構成されている。回転軸３２の軸心は、ピストンロッド２５の軸心と一致し、ピストンロッド２５の軸方向の移動にともなって挿入孔２５ａに進入することが可能に配置されている。

回転軸３２は、外周にネジが設けられたネジ部３２ａ、ネジが設けられていない円柱状軸部３２ｂ、円柱状軸部３２ｂよりも径小となった径小部３２ｃ、および径小部３２ｃの先端の出力軸部３２ｄを有する。ネジ部３２ａの軸方向長さは、ピストンロッド２５のストローク長さよりも長く設定されている。出力軸部３２ｄにはキー溝が設けられ、そこに外部の負荷に回転トルクを伝達するためのキー３５が装着される。

軸支持部３３は、本体ハウジング３３ａの凹所の内周面にベアリング３３ｂが嵌め込まれ、その端面にカバー３３ｃが取り付けられている。本体ハウジング３３ａはボルト３３ｄによってブラケット３４に固定され、カバー３３ｃはボルト３３ｅによって本体ハウジング３３ａに固定されている。

なお、ブラケット３４は、台座２６にボルト３４ａによって固定されている。

回転軸３２は、その径小部３２ｃがベアリング３３ｂの内周面に嵌入し、円柱状軸部３２ｂと径小部３２ｃとの段部がベアリング３３ｂの端面に当接しており、回転軸３２は回転可能でかつ軸方向移動不能に支持されている。

次に、流体圧アクチュエータ１の動作について説明する。

流体圧アクチュエータ１は、ピストン２４の軸方向移動にともなって、ピストンロッド２５が第１のカバー２２および第２のカバー２３を貫通した状態で軸方向移動するとともに、回転軸３２が回転する。

すなわち、両ロッドシリンダ１１のピストンロッド２５が直線往復駆動すると、これにともなう雌ネジ３１の直線運動が回転軸３２の回転運動に変換され、出力軸部３２ｄから回転トルクとして取り出される。

また、ピストンロッド２５は直線往復駆動するので、負荷をピストンロッド２５に連結しておくことによって、負荷を直線往復駆動をさせることができる。

つまり、回転軸３２からの回転トルクとピストンロッド２５からの直線往復駆動力とを同時に容易に取り出すことができる。

このように、流体圧アクチュエータ１は、回転トルクと直線往復駆動力とを同時に取り出すことができるので、例えば、搬送部材などの負荷を回転させかつ移動させる場合に、その駆動手段として１つの流体圧アクチュエータ１のみを用いて構成することが可能である。

また、流体圧アクチュエータ１の使用に際して、出力軸部３２ｄから回転トルクが不足した場合には、ピストンロッド２５の外側の端部２５ｃを押し、または端部２５ｃに取り付けたフックなどを引くことにより、回転トルクを増強することができる。したがって、別途標準的な流体圧シリンダを準備しておき、ピストンロッド２５の端部２５ｃに適当な加工を施しておくことにより、回転トルクが不足した場合にも容易に対応できる。

また逆に、ピストンロッド２５による直線往復駆動力が不足した場合に、回転軸３２に外部から回転トルクを与えることにより、直線往復駆動力を増強することができる。

つまり、流体圧アクチュエータ１は、直線往復駆動力と回転トルクとを相互に変換して補完することが可能である。

また、回転軸３２に発電機などを連結しておくことにより、ピストンロッド２５に加わる外部からの直線往復駆エネルギーを電気エネルギーに変換して得ることができる。したがって、流体圧アクチュエータ１をブレーキ装置などとして用いた場合に、ピストンロッド２５にかかる外力のエネルギーを電気エネルギーとして回生することが可能である。

また、ピストンロッド２５の端部２５ｃは、両ロッドシリンダ１１の第２のカバー２３から突出しているので、ここにリミットスイッチなどの位置検出センサを取り付けておくことにより、ピストンロッド２５の軸方向位置および回転軸３２の回転角度位置を容易に検出することができる。

特に、回転軸３２の回転角度位置の検出については、回転角度が３６０度を越えるとその検出が困難であるが、ピストンロッド２５の軸方向位置は回転軸３２の回転角度位置に容易に変換できるので、ピストンロッド２５の軸方向位置を検出することによって３６０度を越える回転角度位置を容易に検出することができる。

また、そのような位置検出センサの調整およびメンテナンスも容易である。

また、両ロッドシリンダ１１におけるピストン２４のストローク端にクッション機構を設けておくことにより、ストローク端および回転端において滑らかに停止させることが容易に可能である。

上に述べた流体圧アクチュエータ１は、ピストンロッド２５を中空とし、その中に回転軸３２を収納しているので、軸方向から見た形状が全体的にほぼ円形となってコンパクトに構成される。

上述の実施形態において、雌ネジ３１および回転軸３２としてボールネジを用いたので、運動性能および選択肢の点で優れる。しかし、円滑に動作するものであれば、ボールネジ以外であってもよい。また、ボールネジを、その特性、例えば軸方向の移動距離と回転角度との関係の異なるものに取り替えることにより、種々の異なる機能を有する流体圧アクチュエータ１とすることができる。

上に述べた流体圧アクチュエータ１は、両ロッドシリンダ１１と直線・回転変換装置１２とが比較的に独立した構成となっているので、互いのメンテナンスが容易である。例えば、雌ネジ３１が磨耗して新品と交換する場合に、ボルト３１ｂを緩めて雌ネジ３１をピストンロッド２５から取り外すことにより、容易に雌ネジ３１を交換することができる。また、直線・回転変換装置１２の変換特性を変更したい場合に、直線・回転変換装置１２を容易に交換することができる。このように、これらの場合に両ロッドシリンダ１１を分解する必要がなく、メンテナンスなどが容易に行える。

次に、他の実施形態の流体圧アクチュエータ１Ｂについて説明する。

図７は本発明の他の実施形態に係る流体圧アクチュエータ１Ｂの断面図である。

図７において、図５に示した流体圧アクチュエータ１と同じ機能を有する要素には同じ符号を付して説明を省略する。

図７において、軸支持部３３は、第１のカバー２２の外端面に固定されたブラケット４１に取り付けられている。

ブラケット４１は、円筒状部４１ａ、円筒状部４１ａの基端部に設けられた鍔状部４１ｂ、および円筒状部４１ａの先端部に設けられた底部４１ｃを有する。

円筒状部４１ａの外形は、シリンダチューブ２１の外形よりも小さい。

鍔状部４１ｂは、第１のカバー２２の外端面にボルト４２により固定されており、底部４１ｃに軸支持部３３がボルト３３ｄによって取り付けられている。なお、回転軸３２の円柱状軸部３２ｂは、底部４１ｃに設けられた穴を貫通する。

なお、円筒状部４１ａ、円筒状部４ａ、鍔状部４ｂは、連続面であってもなくてもよい。つまり、例えば、円筒状部４ａの周面に複数の窓部が設けられてもよい。鍔状部４ｂはボルト４２を取り付ける部分のみでもよい。

そして、流体圧アクチュエータ１を他の装置に取り付けるために、例えば第１のカバー２２、第２のカバー２３、またはシリンダチューブ２１に取り付け用にブラケットを設けたり、ブラケット４１の鍔状部４ｂを延設して取り付け用のブラケットを兼用するようにしてもよい。

このようなブラケット４１を用いることにより、流体圧アクチュエータ１をよりコンパクトなものとすることができ、概観もすっきりしたものとなる。

上に述べた実施形態において、シリンダチューブ２１、第１のカバー２２、第２のカバー２３、ピストンロッド２５、雌ネジ３１、回転軸３２、軸支持部３３、両ロッドシリンダ１１、直線・回転変換装置１２、または流体圧アクチュエータ１の全体または各部の構成、構造、配置、個数、材質、組み合わせ、寸法などは、上に述べた以外の種々のものとすることが可能である。

１，１Ｂ 流体圧アクチュエータ
１１ 両ロッドシリンダ
１２ 直線・回転変換装置
２１ シリンダチューブ
２２ 第１のカバー
２３ 第２のカバー
２４ ピストン
２５ ピストンロッド
２５ａ 挿入孔
２５ｂ，２５ｃ 端部
２６ 台座
３１ 雌ネジ
３２ 回転軸
３３ 軸支持部
３４ ブラケット
２５Ｂｃ 端部
２５Ｂｄ ネジ軸部（係合部）
４１ ブラケット
４１ａ 円筒状部
４１ｂ 鍔状部
４１ｃ 底部４１ｃ

Claims (10)

1. シリンダチューブと、
   前記シリンダチューブの一方の端面を閉塞するように前記シリンダチューブに固定された第１のカバーと、
   前記シリンダチューブの他方の端面を閉塞するように前記シリンダチューブに固定された第２のカバーと、
   前記シリンダチューブの内周面に沿って軸方向に摺動可能なピストンと、
   中心部に軸方向の挿入孔が設けられ、前記ピストンと一体的に連結され、前記第１のカバーおよび前記第２のカバーを軸方向に貫通して摺動するとともに、前記シリンダチューブに対し周方向に回転不能に規制された、ピストンロッドと、
   前記ピストンロッドの前記挿入孔の端部に取り付けられた雌ネジと、
   前記雌ネジに螺合する雄ネジを有し前記挿入孔に進入することが可能に配置された回転軸と、
   前記シリンダチューブに対して固定的に設けられ、前記回転軸を回転可能にかつ軸方向移動不能に支持する軸支持部と、
   を有し、
   前記ピストンの軸方向移動にともなって、前記ピストンロッドが前記第１のカバーおよび前記第２のカバーを貫通した状態で軸方向移動するとともに、前記雌ネジと前記雄ネジとの螺合により前記回転軸が回転するように構成されてなる、
   ことを特徴とする流体圧アクチュエータ。
2. 前記ピストンロッドの前記雌ネジが取り付けられた側と反対側の端部には、軸方向への駆動力を負荷に伝達するための係合部が設けられている、
   請求項１記載の流体圧アクチュエータ。
3. 前記ピストンロッドは、前記シリンダチューブの中心位置から偏芯した位置に設けられることによって回転不能に規制されている、
   請求項１または２記載の流体圧アクチュエータ。
4. 前記ピストンロッドは、外形断面が角形であることによって回転不能に規制されている、
   請求項１または２記載の流体圧アクチュエータ。
5. 前記ピストンロッドは、前記ピストンの外形断面がオーバルであることによって回転不能に規制されている、
   請求項１または２記載の流体圧アクチュエータ。
6. 前記軸支持部は、前記シリンダチューブが固定された台座に固定されたブラケットに取り付けられている、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の流体圧アクチュエータ。
7. 前記軸支持部は、前記第１のカバーまたは前記第２のカバーの外端面に固定されたブラケットに取り付けられている、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の流体圧アクチュエータ。
8. 前記ブラケットは、円筒状部、前記円筒状部の基端部に設けられた鍔状部、および前記円筒状部の先端部に設けられた底部を有し、
   前記鍔状部が前記第１のカバーまたは前記第２のカバーの外端面に固定され、
   前記底部に前記軸支持部が取り付けられている、
   請求項７記載の流体圧アクチュエータ。
9. 前記円筒状部の外形は、前記シリンダチューブの外形よりも小さい、
   請求項８記載の流体圧アクチュエータ。
10. 前記シリンダチューブ、前記第１のカバー、前記第２のカバー、前記ピストン、および前記ピストンロッドによって両ロッドシリンダが構成され、
    前記雌ネジ、前記回転軸、および前記軸支持部によって直線・回転変換装置が構成され、
    前記雌ネジは、前記ピストンロッドの前記挿入孔の端部において前記挿入孔の内部に挿入されている、
    請求項１ないし９のいずれかに記載の流体圧アクチュエータ。

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