JP2005325959A - 電気油圧アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンロッドの高速低駆動と低速高駆動の切替え位置の制御が正確で、複数台の油圧シリンダの同調制御も正確に行える電気油圧アクチュエータを提供する。
【解決手段】油圧シリンダ１と、油圧シリンダ１のピストンロッド３に連結され、ピストンロッド３を進退させるネジ棒・ナット式螺進機構と、ネジ棒５を回転させるサーボモータ９とからなる。サーボモータ９でネジ棒５を正逆回転させると、ピストンロッド３が進退し、この動作はサーボモータ９で行うので動きが速く、位置制御も正確に行える。油圧シリンダ１のピストンロッド３を油圧動作でも進退させうるが、この動作は低速であっても大きな出力が得られる。よって、高速低出力動作も低速高出力動作も可能であり、しかもサーボモータ駆動の場合は、外付けの位置検出器を用いることなく正確な位置制御が行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気油圧アクチュエータに関する。油圧シリンダは、作動速度が遅く正確な位置制御が難しいという欠点があるが、比較的簡単な構造で大きな力を発生させることができ、また、そのストロークの全域にわたりどの位置においても同じ力を発生させることができる。しかしながら、ストロークの全域にわたって最大の力を出す必要がない場合が多く、一般的には、ストロークの最終段階あるいはストロークの初期段階で大きな力を発生できればよい場合が多い。本発明は、このような用途に適し、高速・低駆動力と、低速・高駆動力の切替え位置を精度よく行える電気油圧アクチュエータに関する。

従来より、高速低出力と低速高出力を切替えるため、図６に示すような２段シリンダが用いられている。この２段シリンダ100は、親シリンダ101の内部に子シリンダ102を組み込んだもので、高速低出力で作動させるときは子シリンダ102を使い、低速高出力で作動させるときは親シリンダ101を使うようにしたアクチュエータである。低速モードと高速モードの切替えは、予めセットされた位置を位置検出器で検出し、その信号を動力源に組み込まれた電磁弁などにより行われている。

上記の高速・低荷重から低速・高荷重モードへの切替え位置の精度は、とくに複数本のシリンダの同調が必要な場合には、困難である。
例えば、対抗成形を行う装置では、対抗する金型を、２台の２段シリンダ100を左右対称に配置し、２本の子シリンダ102のロッドにそれぞれ金型103,103を取付け、２個の金型103,103同士を向き合うように配置して構成されている。中心線104は成形位置であるが、待機位置から成形位置直前までは、金型103,103を早く接近させ、金型間に素材を挟んだ後は、低速で高い出力で金型103同士を押し付け合うといった使い方がされる。
上記のごとき使い方をする場合、高速モードと低速モードの切替え点や最終到達点位置を正確に制御しなければならないが、油圧を介在しているため、油圧の圧縮性などの問題があって、位置制御はかなり困難であり、その精度は満足できるものではない。

金型に作用する力も理論的には全く同一であるが、シリンダが作動を開始し成形し始めるまでの間や成形初期においては、被成形物から受ける力に対して、パッキン抵抗やパンチ（金型）の摺動面での抵抗力がかなりの割合を占め、ピストンを動作させるのに必要な力が異なる。
したがって、これまで、シリンダピストンの位置を測定し、進みの速い側のシリンダへの給油量を絞り、逆に遅い方のシリンダへの給油量を多くして同調制御を行っている。このような油圧制御は、例えば、サーボバルブを使用して実施され、その応答速度やバルブサイズからくる許容流量などの制限により、さまざまな問題が出てくる。例えば、つぎのとおりである。
１）位置制御から加圧力制御への切替え
成形初期（ソフトタッチタイミング）の摩擦の影響が大きい段階での位置制御が重要で、この制御を正確に行い、摩擦の影響が無視できる程度に成形負荷が大きくなれば、低速・高荷重モードに切替えるが、これには複雑な制御を要する。
２）シリンダの圧力による加圧制御
摩擦などの力が成形力に対して小さくなった際に、複数台の油圧シリンダに同一の油圧源から油を供給した場合、配管抵抗差などによりそのストロークにはバラツキが出てくる。したがって、一般的には、個別にサーボバルブなどを設け供給流量制御による位置制御が必要であった。

一方、油圧シリンダの位置制御の精度向上を意図した従来技術として、図７に示す電気油圧ステッピングシリンダ200がある（非特許文献１）。
この従来技術は、シリンダ201内に単ロッド型のピストンロッド202を入れ、ピストン203内に３ポート型のスプール204を組み込んでいる。そして、スプール204のポートａはロッド側油室Ａに通じ、さらにシリンダに形成された供給ポートＰｓに通じている。ポートｂはピストン側油室Ｂに通じている。ポートｃはシリンダに形成された戻りポートＰｔに通じている。スプール204には送りネジ205を介してパルスモータ206に連結されており、スプール204はこのパルスモータ206で移動される。
Ａ部には常に供給圧ＰＳがかかり、Ｂ部にはメカニカルフィードバック機構によってＡ部で発生した力、および負荷にバランスするように制御圧が発生する。
この電気油圧ステッピングシリンダ200において、前進指令の電気パルス１つをパルスモータ206に加えると、送りネジ205が回転しスプール204は分解能（0.1ｍｍ）だけ移動する。そうするとポートａが僅かに開き、Ａ部の圧力（Ｐｓ）はポートａ→ポートｂを通じＢ部に流れる。その結果、Ｂ部の圧力はバランス点よりも増大して、ピストンロッド202は前進方向に押されスプール204のポートを閉じて、再びバランスして停止する。
後退時は、ポートｃを開き、Ｂ部の制御圧（Ｐ_Ｂ）がポートｂ→ポートｃを通じ戻り側に逃げる。その結果、Ｂ部の圧力はバランス点よりも減少してピストンロッド202は後退方向に戻され、スプール204のポートを閉じて再びバランスして停止する。

しかるに、上記従来例は、つぎのような欠点がある。
１）ピストンロッドの停止位置は油圧のバランスで決まるので、位置決め精度が低く、位置制御を実施しようとする場合、外付けの検出器が必要である。
２）スプールを作動させてピストンを作動させる機構であるため、加圧力の同調が非常に難しい。
３）流体の制御をスプールの位置で制御しているため、作動圧力を大きくすると漏れの影響が大きくなる。また、ロッド側には常に供給圧力が作用しているため、大出力のシリンダには不向きである。
４）シリンダのピストン内部にサーボバルブを組み込んだ機構であるため、構造が複雑でメンテナンス性が非常に悪く、スプール摺動部の隙間の確保のため油の汚れの管理が必要である。

刊行物「機械設計」 １９８３年１１月臨時増刊号 128〜130頁

本発明は上記事情に鑑み、ピストンロッドの進退動作の位置制御が外付けの位置検出器を用いることなく正確に行え、高速低駆動力と低速高駆動力の切替え位置の制御も正確で、複数台の油圧シリンダの同調制御が可能な電気油圧アクチュエータを提供することを目的とする。

第１発明の電気油圧アクチュエータは、油圧シリンダと、該油圧シリンダのピストンロッドに連結され、該ピストンロッドを進退させるネジ棒・ナット式螺進機構と、前記ネジ棒・ナット式螺進機構の前記ネジ棒を回転させるサーボモータとからなることを特徴とする。
第２発明の電気油圧アクチュエータは、第１発明において、前記油圧シリンダが、出力側のロッドと非出力側のロッドがピストンに連結された両ロッド型であり、前記非出力側のロッドに前記ネジ棒・ナット式螺進機構のナットが結合され、該ナットに前記ネジ棒・ナット式螺進機構のネジ棒が螺合されていることを特徴とする。
第３発明の電気油圧アクチュエータは、第２発明において、前記油圧シリンダに油圧制御回路が設けられており、該油圧制御回路が、前記油圧シリンダのピストン側油室およびロッド側油室と、油圧ポンプおよびタンクとの間の給排管に切換弁を介装したものであり、該切換弁は、四ポート３位置の方向制御弁であって、中心位置において２ポート連結型であることを特徴とする。
第４発明の電気油圧アクチュエータは、第２発明において、前記油圧シリンダに油圧制御回路が設けられており、該油圧制御回路が、前記油圧シリンダのピストン側油室およびロッド側油室と、油圧ポンプおよびタンクとの間の給排管に切換弁を介装したものであり、該切換弁は、四ポート３位置の方向制御弁でり、前記ピストン側油室とタンク間に接続されたバイバス路と前記ロッド側油室とタンク間に接続されたバイバス路のそれぞれに、パイロット操作型の逆止弁を介装していることを特徴とする。
第５発明の電気油圧アクチュエータは、第１発明において、前記油圧シリンダが、出力側のラムに非出力側のロッドが連結された両ロッド型であり、前記非出力側のロッドに前記ネジ棒・ナット式螺進機構のナットが結合され、該ナットに前記ネジ棒・ナット式螺進機構のネジ棒が螺合されていることを特徴とする。
第６発明の電気油圧アクチュエータは、第５発明において、前記油圧シリンダに油圧制御回路が設けられており、該油圧制御回路が、前記油圧シリンダのピストン側油室と、油圧ポンプおよびタンクとの間の給排管に切換弁を介装したものであり、該切換弁は、３ポート２位置の方向制御弁であることを特徴とする。

第１発明によれば、サーボモータでネジ棒を正逆回転させると、ピストンロッドが進退し、この動作はサーボモータで行うので動きが速く、位置制御も正確に行える。油圧シリンダのピストンロッドを油圧動作でも進退させうるが、この動作は低速であっても大きな出力が得られる。よって、高速低出力動作も低速高出力動作も可能である。しかもサーボモータ駆動の場合は、外付けの位置検出器を用いることなく正確な位置制御が行えるので、高速低駆動力と低速高駆動力の切替え位置の制御も正確で、複数の油圧シリンダの同調制御も可能となる。
第２発明によれば、サーボモータで回転されるネジ棒の動きはナットでピストンロッドの進退動作に変換される。したがって、サーボモータの回転数とピストンロッドの進退量は機械的な比例関係が成立するので、ピストンロッドの移動量を正確に制御でき、高速低駆動力と低速高駆動力の切替え位置の制御も正確で、複数の油圧シリンダの同調制御も正確に行える。
第３発明によれば、切換弁の操作によって、油圧シリンダの伸長動作と縮小動作における低速高駆動動作が行え、かつサーボモータによる高速駆動時に、切換弁の中立位置を通じて油圧シリンダのピストン側油室とロッド側油室との間で作動油の交換ができ、またタンクからの作動油を吸引することもできるので、油圧シリンダの伸縮動作が円滑に行える。
第４発明によれば、切換弁の操作によって、油圧シリンダの伸長動作と縮小動作における低速高駆動動作が行え、かつサーボモータによる高速駆動時に、パイロット逆止弁を開いておけば、油圧シリンダのピストン側油室からもロッド側油室からもタンクへ排油できるので、油圧シリンダの伸縮動作が円滑に行える。
第５発明によれば、サーボモータで回転されるネジ棒の動きはナットでラムの進退動作に変換される。したがって、サーボモータの回転数とラムの進退量は機械的な比例関係が成立するので、ラムの移動量を正確に制御でき、高速低駆動力と低速高駆動力の切替え位置の制御も正確で、複数の油圧シリンダの同調制御も正確に行える。
第６発明によれば、切換弁の操作によって、ラム型の油圧シリンダの伸長動作における低速高駆動動作が行え、かつサーボモータによる高速駆動時に、油圧シリンダのピストン側油室とタンク間で作動油の給排ができるので、油圧シリンダの伸縮動作が円滑に行える。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る電気油圧アクチュエータの構成説明図である。図２は同電気油圧アクチュエータの伸長時動作説明図である。図３は同電気油圧アクチュエータの縮小時動作説明図である。

図１において、１は油圧シリンダであり、シリンダ２とピストンロッド３から構成されている。ピストンロッド３は両ロッドタイプで、ピストン３Ａを中心に一方に出力側のロッド３Ｂが設けられ、反対側に非出力側のロッド３Ｃが設けられている。前期出力側のロッド３Ｂは作業用機器となる金型、スライドなどが取付けられるようになっている。
前記非出力側のロッド３Ｃの先端には、同軸にナット４が固定されており、ネジ棒５がナット４に螺合されている。このナット４とネジ棒５は、特許請求の範囲にいうネジ棒・ナット式螺進機構を構成している。なお、非出力側のロッド３Ｃの内部には、ネジ棒５の一端部が進入する中空部３１が形成されている。
前記ネジ棒５はベアリング６を介して軸受部７で支持されている。またネジ棒５の他端部は、カップリング８を介してサーボモータ９に結合されている。サーボモータ９の出力軸には、必要に応じ、減速機１０が取付けられる。

前記油圧シリンダ１のシリンダ２において、ピストン側油室２Ａに通ずるピストン側ポート２１と、ロッド側油室２Ｂに通ずるロッド側ポート２２とが、それぞれ形成されている。前記ピストン側ポート２１と前記ロッド側ポート２２には、つぎの油圧制御回路が接続されている。前記ポート２１には給排管２３が接続され、前記ポート２２には給排管２４が接続されている。一方、タンクＴ内の作動油を吐出するポンプＰの給排管２５とタンクＴへの給排管２６が設けられており、これら給排管２５，２６と前記給排管２３，２４の間には切換弁Ｖａが介装されている。この切換弁Ｖａは、４ポート３位置の方向制御弁であって、ポンプＰの吐出油をピストン側油室２Ａに送るＩ位置と、中立位置IIと、ポンプＰの吐出油をロッド側油室２Ｂに送るIII位置を選択できるようになっている。前記II位置は、給排管２３，２４が互いに連通する位置となっている。

つぎに、上記電気油圧アクチュエータの伸長・縮小動作を説明する。
（１）伸長動作を図２に基づき説明する。
ピストンロッド３の伸長動作は、油圧による動作か、サーボモータ９による動作のいずれかによって行われ、動作モードの使い分けが可能である。
ａ）低速高荷重モード
（Ａ）図に示すように、切換弁ＶａをＩ位置にし、ポンプＰの吐出した高圧油を油圧シリンダ１のピストン側油室２Ａに供給すると、ピストンロッド３が低速で伸長する。この場合、高い出力が得られる。なお、ロッド側油室２Ｂ内の作動油はタンクＴに返される。
このとき、サーボモータ９を低速回転させてネジ棒５に回転トルクを加え、ピストンロッド３の伸長動作を妨げないようにする。このときの回転は、ピストンロッド３の伸長動作に追従する回転数であればよい。
ｂ）高速低荷重モード
（Ｂ）図に示すように、サーボモータ９を高速回転させ、ネジ棒５を高速回転させて、ピストンロッド３を高速伸長させる。この場合、出力は低いが伸長速度は速くなる。
このとき、切換弁Ｖａを中立のII位置にしておくと、ロッド側油室２Ｂ内の作動油が、切換弁Ｖの中立位置における連通路を通ってピストン側油室２Ａに送られ、またタンクＴ内の作動油をビストン側油室２Ａが吸引するので、油圧シリンダ１の伸長動作を阻害することはない。
ｃ）位置制御と同調
サーボモータ９によって駆動するときは、外付けの位置検出器を用いることなく正確な位置制御が行えるので、高速低駆動力と低速高駆動力の切替え位置の制御も正確で、複数の油圧シリンダの同調制御も正確に行える。

（２）縮小動作を図３に基づき説明する。
ピストンロッド３の縮小動作も、油圧による動作か、サーボモータ９による動作のいずれかによって行え、動作モードの使い分けが可能である。
ａ）低速高荷重モード
（Ａ）図に示すように、切換弁ＶａをIII位置にし、ポンプＰの吐出した高圧油を油圧シリンダ１のロッド側油室２Ｂに供給すると、ピストンロッド３が低速で縮小する。この場合、高い出力が得られる。なお、ピストン側油室２Ａ内の作動油はタンクＴに返される。
このとき、サーボモータ９を低速回転させてネジ棒５に回転トルクを加え、ピストンロッド３の縮小動作を妨げないようにする。このときの回転は、ピストンロッド３の縮小動作に追従する回転数であればよい。
ｂ）高速低荷重モード
（Ｂ）図に示すように、サーボモータ９を高速回転させ、ネジ棒５を高速回転させて、ピストンロッド３を高速縮小させる。この場合、出力は低いが縮小速度は速くなる。
このとき、切換弁Ｖａを中立のII位置にしておくと、ピストン側油室２Ａ内の作動油が、切換弁Ｖａの中立位置における連通路を通ってロッド側油室２Ｂに送られるので、油圧シリンダ１の縮小動作を阻害することはない。
ｃ）位置制御と同調
サーボモータ駆動の場合に、高速低駆動力と低速高駆動力の切替え位置の制御と、複数の油圧シリンダの同調制御を正確に行えることは伸長動作時と同様である。

図４は本発明の他の実施形態に係る電気油圧アクチュエータの構成説明図である。
この実施形態において、油圧シリンダ１とサーボモータ９の構成は、図１の実施形態と実質同様である。また、油圧制御回路において、給排管２３，２４，２５，２６を用い、ポンプＰ、タンクＴを備える点も図１と同様である。そして、次の点で異なっている。
切換弁Ｖａは、中立位置で２ポート連通タイプである必要はなく、２ポート非連通タイプであってよい。
給排管２３にはバイパス路２７を設けパイロット逆止弁PV1を入れている。SV1はパイロット逆止弁PV1を開閉制御する操作弁である。図示のＩ位置では、パイロット逆止弁PV1にパイロット圧をかけて開弁させ、II位置に切換えると、パイロット圧が抜けてパイロット逆止弁PV1が閉弁するようになっている。
このパイロット逆止弁PV1が開いていると、油圧シリンダ１のピストン側油室２Ａ内の作動油をタンクＴに軽い抵抗で返油することができる。
また、給排管２４にはバイパス路２８を設けパイロット逆止弁PV2を入れている。SV2はパイロット逆止弁PV2を開閉制御する操作弁である。図示のＩ位置では、パイロット逆止弁PV2にパイロット圧をかけて開弁させ、II位置に切換えると、パイロット圧が抜けてパイロット逆止弁PV2が閉弁するようになっている。
このパイロット逆止弁PV2が開いていると、油圧シリンダ１のロッド側油室２Ｂ内の作動油をタンクＴに軽い抵抗で返油することができる。
したがって、この実施形態では、伸長・縮小動作ともサーボモータ９による高速駆動が円滑に行える。

図５は本発明のさらに他の実施形態に係る電気油圧アクチュエータの構成説明図である。
油圧シリンダ１のピストンロッド３は、ラムタイプであり、ラム３Ｄに非出力側のロッド３Ｃを設けたものである。本明細書における両ロッド型には、このようなラムタイプも含まれる。前記ロッド３Ｃにはナット４を取付け、このナット４にネジ棒５を螺合しており、このネジ棒５をサーボモータ９で回転させるようにした構成は図１と同様である。
ラムタイプの油圧シリンダ１は、ピストン側油室２Ａしか有しないので、油圧制御回路は、つぎの構成となっている。
ピストン側油室２Ａのポート２１には給排管２３が接続され切換弁Ｖｂが介装されている。この切換弁Ｖｂは３ポート２位置の方向制御弁で、ポンプを有する給排管２５とタンクＴに直結する給排管２６が接続されている。

つぎに、伸長・縮小動作を説明する。
ピストンロッド３の伸長動作は、油圧による動作か、サーボモータ９による動作のいずれかによって行われ、動作モードの使い分けが可能である。
（１）伸長動作
ａ）低速高荷重モード
切換弁ＶｂをＩ位置にし、ポンプＰの吐出した高圧油を油圧シリンダ１のピストン側油室２Ａに供給すると、ピストンロッド３が低速で伸長する。この場合、高い出力が得られる。
このとき、サーボモータ９を低速回転させてネジ棒５に回転トルクを加え、ピストンロッド３の伸長動作を妨げないようにする。このときの回転は、ピストンロッド３の伸長動作に追従する回転数であればよい。
ｂ）高速低荷重モード
サーボモータ９を高速回転させ、ネジ棒５を高速回転させて、ピストンロッド３を高速伸長させる。この場合、出力は低いが伸長速度は速くなる。
このとき、切換弁Ｖを中立のII位置にしておくと、タンクＴ内の作動油をビストン側油室２Ａが吸引するので、油圧シリンダ１の伸長動作を阻害することはない。
ｃ）位置制御と同調
サーボモータ９によって駆動するときは、外付けの位置検出器を用いることなく正確な位置制御が行えるので、高速低駆動力と低速高駆動力の切替え位置の制御も正確で、複数の油圧シリンダの同調制御も正確に行える。

（２）縮小動作
縮小動作はサーボモータ９によって行う。つまり、サーボモータ９を回転させ、ネジ棒５を回転させると、ピストンロッド３は縮小する。そして、サーボモータ９を低速で回転させれば低速動作になり、高速で回転させれば高速動作となる。
このとき、切換弁Ｖを中立のII位置にしておくと、ピストン側油内の作動油をタンクＴに返すので、油圧シリンダ１の縮小動作を阻害することはない。
上記のようにサーボモータ９によって駆動するときは、外付けの位置検出器を用いることなく正確な位置制御が行えるので、高速低駆動力と低速高駆動力の切替え位置の制御も正確で、複数の油圧シリンダの同調制御も正確に行える。

本発明は、高速・低駆動力と、低速・高駆動力の切替え点を精度よく行いたいという用途であれば、どのような産業分野でも用いることができる。

本発明の一実施形態に係る電気油圧アクチュエータの構成説明図である。 同電気油圧アクチュエータの伸長時動作説明図である。 同電気油圧アクチュエータの縮小時動作説明図である。 本発明の他の実施形態に係る電気油圧アクチュエータの構成説明図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る電気油圧アクチュエータの構成説明図である。 従来例に係る２段シリンダを用いた成形装置の概略説明図である。 従来例に係る電気油圧シリンダの断面図である。

符号の説明

１ 油圧シリンダ
２ シリンダ
３ ピストンロッド
４ ナット
５ ネジ棒
９ サーボモータ
２Ａ ピストン側油室
２Ｂ ロッド側油室
Ｖａ，Ｖｂ 切換弁

Claims (6)

1. 油圧シリンダと、
   該油圧シリンダのピストンロッドに連結され、該ピストンロッドを進退させるネジ棒・ナット式螺進機構と、
   前記ネジ棒・ナット式螺進機構の前記ネジ棒を回転させるサーボモータとからなる
   ことを特徴とする電気油圧アクチュエータ。
2. 前記油圧シリンダが、出力側のロッドと非出力側のロッドがピストンに連結された両ロッド型であり、
   前記非出力側のロッドに前記ネジ棒・ナット式螺進機構のナットが結合され、該ナットに前記ネジ棒・ナット式螺進機構のネジ棒が螺合されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電気油圧アクチュエータ。
3. 前記油圧シリンダに油圧制御回路が設けられており、
   該油圧制御回路が、前記油圧シリンダのピストン側油室およびロッド側油室と、油圧ポンプおよびタンクとの間の給排管に切換弁を介装したものであり、
   該切換弁は、４ポート３位置の方向制御弁であって、中心位置において２ポート連結型である
   ことを特徴とする請求項２記載の電気油圧アクチュエータ。
4. 前記油圧シリンダに油圧制御回路が設けられており、
   該油圧制御回路が、前記油圧シリンダのピストン側油室およびロッド側油室と、油圧ポンプおよびタンクとの間の給排管に切換弁を介装したものであり、
   該切換弁は、４ポート３位置の方向制御弁であり、前記ピストン側油室とタンク間に接続されたバイバス路と前記ロッド側油室とタンク間に接続されたバイバス路のそれぞれに、パイロット操作型の逆止弁を介装している
   ことを特徴とする請求項２記載の電気油圧アクチュエータ。
5. 前記油圧シリンダが、出力側のラムに非出力側のロッドが連結された両ロッド型であり、
   前記非出力側のロッドに前記ネジ棒・ナット式螺進機構のナットが結合され、該ナットに前記ネジ棒・ナット式螺進機構のネジ棒が螺合されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電気油圧アクチュエータ。
6. 前記油圧シリンダに油圧制御回路が設けられており、該油圧制御回路が、前記油圧シリンダのピストン側油室と、油圧ポンプおよびタンクとの間の給排管に切換弁を介装したものであり、
   該切換弁は、３ポート２位置の方向制御弁である
   ことを特徴とする請求項５記載の電気油圧アクチュエータ。