(57)【要約】【課題】摺動面の固着の発生が生じにくく、確実に所望の動作を行うことが可能なアクチュエータを提供することを目的とする。【解決手段】アクチュエータ１は、ハウジング３と、一端側がハウジング３に収容され、他端側がハウジング３の外部に設置され、軸方向に沿って移動可能なシャフト４と、ハウジング３に収容され、一端がハウジング３内部と接続され、他端がシャフト４と接続されて、電圧の印加によって伸縮する高分子材料アクチュエータ５，６と、シャフト４の位置に応じてシャフト４の移動を調整する移動調整部とを備え、移動調整部は、ハウジング３に設置された電動モータ７と、電動モータ７と接続され電動モータ７の駆動力によって回動するカム９と、シャフト４に設けられ、カム９に当接するカムフォロワ１０とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
一端側が前記ハウジングに収容され、他端側が前記ハウジングの外部に設置され、軸方向に沿って移動可能な軸部と、
前記ハウジングに収容され、一端が前記ハウジング内部と接続され、他端が前記軸部と接続されて、電圧の印加によって伸縮する高分子材料アクチュエータと、
前記軸部の位置に応じて前記軸部の移動を調整する移動調整部と、
を備えるアクチュエータ。
【請求項２】
前記移動調整部は、
前記ハウジングに設置された電動モータと、
前記電動モータと接続され前記電動モータの駆動力によって回動するカムと、
前記軸部に設けられ、前記カムに当接するカムフォロワと、
を有する請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記高分子材料アクチュエータは、第１の方向に前記軸部を移動させる第１高分子材料アクチュエータと、前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記軸部を移動させる第２高分子材料アクチュエータとを有し、
前記第１高分子材料アクチュエータと前記第２高分子材料アクチュエータに印加する電圧又は電流量を調整する調整部とを有する請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記移動調整部は、
前記軸部の位置を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記軸部の移動を規制する規制部と、
を有する請求項１に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
航空機の舵面（操縦翼面）を駆動するため、油圧アクチュエータ又は電動アクチュエータが使用される。電動アクチュエータは、駆動源を電動モータとするが、電動モータは、油圧アクチュエータの駆動源である油圧ポンプに比べて出力密度が低い。そのため、電動アクチュエータは、減速機構及びボールねじ等を有する運動変換機構が必要である。
【０００３】
下記の特許文献１及び２では、回転運動を直線運動に変換するカム機構を有する門型動作装置（特許文献１）及びクラッチアクチュエータ（特許文献２）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３１０７４３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０６６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電動アクチュエータにおける減速機構及びボールねじ等を有する運動変換機構は、減速機構及びボールねじ等の摺動面に固着（Jamming）が生じるおそれがある。固着が生じると、アクチュエータが所望の動作を行えない。
【０００６】
電動アクチュエータで生じる固着は、電動モータと接続された減速機構の歯車と、ボールねじの双方で発生する可能性がある。歯車に関しては、機械式歯車の代わりに、磁気ギヤや磁気ギヤードモータを採用することで、異物の混入による噛み込み（摺動性能不足）を避けられ、固着を防ぐことができる。しかし、ボールねじに関しては、他の対策を採用する必要がある。
【０００７】
特に航空機舵面の駆動に用いられる電動アクチュエータは、舵面の傾斜角を調整するため、狭い範囲内で往復動する頻度が高い。そのため、ボールねじの摺動面において潤滑油が流出したまま不足したり、局所的な面圧増加によってボールねじのボール又は摺動溝が破損又は変形したりすることによって、固着が生じる可能性が高い。また、多数設けられたボールの一つでも破損してしまうと機能不全に陥る。
【０００８】
なお、ボールねじには、ねじ軸及びナットそれぞれを別のモータで駆動する速度サミング機構が適用されるものがある。しかし、ボールや摺動溝の破損等に起因する固着の場合、速度サミング機構は、固着の発生に対して抜本的な対策とならない。また、固着の発生に対抗するため、電動モータのトルクが高いものを設置することが考えられるが、装置全体が大型化し重量が増加する。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、摺動面の固着の発生が生じにくく、確実に所望の動作を行うことが可能なアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のアクチュエータは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るアクチュエータは、ハウジングと、一端側が前記ハウジングに収容され、他端側が前記ハウジングの外部に設置され、軸方向に沿って移動可能な軸部と、前記ハウジングに収容され、一端が前記ハウジング内部と接続され、他端が前記軸部と接続されて、電圧の印加によって伸縮する高分子材料アクチュエータと、前記軸部の位置に応じて前記軸部の移動を調整する移動調整部とを備える。
【００１１】
この構成によれば、高分子材料アクチュエータの一端がハウジング内部と接続され、他端が軸方向に沿って移動可能な軸部と接続されており、高分子材料アクチュエータが電圧の印加によって伸縮することによって、軸部が軸方向に沿って移動する。軸部は、一端側がハウジングに収容され、他端側がハウジングの外部に設置されているため、軸部の他端はハウジングの外部で直線状に往復動する。また、移動調整部によって、軸部の位置に応じて軸部の移動が調整される。よって、摺動面の固着の発生が生じにくく、確実に所望の動作を行うことができる。また、移動調整部によって軸部の位置が決定されることから、高分子材料アクチュエータのみによって軸部の位置決めを行う場合に比べて、位置決め精度を高めることができる。
【００１２】
上記発明において、前記移動調整部は、前記ハウジングに設置された電動モータと、前記電動モータと接続され前記電動モータの駆動力によって回動するカムと、前記軸部に設けられ、前記カムに当接するカムフォロワとを有してもよい。
【００１３】
この構成によれば、電動モータと接続されたカムが、電動モータの駆動力によって回動し、カムに当接するカムフォロワが軸部に設けられている。これにより、カムが電動モータによって回動することによって、カムフォロワが設けられた軸部が移動する。すなわち、軸部は、電動モータと高分子材料アクチュエータから生じる推力によって、直線運動する。また、電動モータ、カム及びカムフォロワによって軸部の位置が決定されることから、高分子材料アクチュエータのみによって軸部の位置決めを行う場合に比べて、位置決め精度を高めることができる。
【００１４】
上記発明において、前記高分子材料アクチュエータは、第１の方向に前記軸部を移動させる第１高分子材料アクチュエータと、前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記軸部を移動させる第２高分子材料アクチュエータとを有し、前記第１高分子材料アクチュエータと前記第２高分子材料アクチュエータに印加する電圧又は電流量を調整する調整部とを有してもよい。
【００１５】
この構成によれば、第１高分子材料アクチュエータと第２高分子材料アクチュエータに印加される電圧又は電流量が調整され、調整された電圧又は電流量に応じて第１高分子材料アクチュエータ又は第２高分子材料アクチュエータが伸張又は収縮することによって、軸部が軸方向に沿って第１の方向に移動したり、第１の方向とは反対の第２の方向に移動したりする。
【００１６】
上記発明において、前記移動調整部は、前記軸部の位置を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記軸部の移動を規制する規制部とを有してもよい。
【００１７】
この構成によれば、検出部によって軸部の位置が検出され、検出部の検出結果に基づいて、規制部によって軸部の移動が規制される。これにより、検出部及び規制部によって軸部の位置が決定されることから、高分子材料アクチュエータのみによって軸部の位置決めを行う場合に比べて、位置決め精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高分子材料アクチュエータによって、軸部が軸方向に沿って移動し、移動調整部によって軸部の位置に応じて軸部の位置が決定されるため、摺動面の固着の発生が生じにくく、確実に所望の動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータを示す縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータを示す縦断面図であり、図１の切断面に対して垂直な面で切断した図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの変形例を示す縦断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの変形例を示す縦断面図であり、図３の切断面に対して垂直な面で切断した図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るアクチュエータを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係るアクチュエータ１について、図１及び図２を用いて説明する。
アクチュエータ１は、例えば航空機の舵面（操縦翼面）を駆動するために用いられる。この場合、アクチュエータ１は、一端が航空機の機体（主翼等）５１側に設けられ、他端が航空機の舵面側に設けられる。舵面は、アクチュエータ１によって上下動するなど所定の動作を行う。アクチュエータ１と機体５１の間、又は、アクチュエータ１と舵面の間には、力を伝達することが可能な他の部材が設置される。
【００２１】
アクチュエータ１は、ハウジング３と、ハウジング３の内外を出入するシャフト（軸部）４と、高分子材料アクチュエータ５，６と、電動モータ７と、カム機構８などを備える。
なお、本実施形態では、ハウジング３の一端側と他端側とでシャフト４がそれぞれ１本ずつ出入する。シャフト４を出入させる機構は、両側とも同じであるため、以下では、一方の構成について説明する。なお、本発明はこの例に限定されず、ハウジングの一端側のみでシャフト４が出入する構成でもよい。
【００２２】
電動モータ７、及び、カム９とカムフォロワ１０を有するカム機構８によって、本発明に係る移動調整部が構成される。したがって、電動モータ７とカム機構８によって、シャフト４の位置に応じてシャフト４の移動が調整される。
【００２３】
ハウジング３は、シャフト４の軸方向に沿って一方向に長い筒形状を有し、内部にシャフト４の一端側が収容される。ハウジング３の内部には、シャフト４のほかに高分子材料アクチュエータ５，６が設置される。また、ハウジング３の内部には、潤滑油が収容されており、潤滑油は、シャフト４の支持部材１３，１４の外周面とハウジング３の内周面との間の摺動面を潤滑させる。
【００２４】
シャフト４は、軸状部材であり、ハウジング３の端壁３Ｂに形成された開口部１１に貫通して設置される。開口部１１には、オイルシール１２がシャフト４との間に設置され、オイルシール１２によって潤滑油が内部から外部へ漏洩することを防止する。
【００２５】
支持部材１３，１４は、板状部材であり、外周面がハウジング３の内周面と接触して設けられる。支持部材１３は、シャフト４の後端部側にて、板面が軸方向に対して垂直となるように設けられ、支持部材１４は、シャフト４の前端部側にて、板面が軸方向に対して垂直となるように設けられる。支持部材１３，１４は、間隔を空け、互いに対向して平行に設置される。なお、シャフト４の前端部側とは、ハウジング３に対してシャフト４が出入する端部側であり、シャフト４の後端部側とは、シャフト４が出入する端部側とは反対の端部側である。
【００２６】
高分子材料アクチュエータ５，６は、電圧を印加すると収縮する特性を有する導電性高分子を用いて構成される。高分子材料アクチュエータは、人工筋肉とも呼ばれる。高分子材料アクチュエータ５，６は、薄板状の素子が複数枚積層されて構成されており、これにより、大きな変位を生じさせることができる。本実施形態では、高分子材料アクチュエータ５，６として、電圧を印加した場合、一方向に収縮し、電圧を印加しない場合、元の長さに戻る、すなわち、収縮方向と反対側に伸長するものを適用する。高分子材料アクチュエータ５，６は、印加される電圧又は電流量に応じて収縮する長さを調整できる。
【００２７】
高分子材料アクチュエータ５は、ハウジング３の中間に形成された隔壁３Ａと支持部材１３との間に設置される。高分子材料アクチュエータ６は、ハウジング３の端部に形成された端壁３Ｂと支持部材１４の間に設置される。高分子材料アクチュエータ５，６に印加する電圧又は電流量を調整して、高分子材料アクチュエータ５が伸長し、高分子材料アクチュエータ６が収縮すると、シャフト４はハウジング３において前端部側へ移動する。反対に、高分子材料アクチュエータ５，６に印加する電圧又は電流量を調整して、高分子材料アクチュエータ６が伸長し、高分子材料アクチュエータ５が収縮すると、シャフト４はハウジング３において後端部側へ移動する。
【００２８】
高分子材料アクチュエータ５と高分子材料アクチュエータ６に印加する電圧又は電流量を調整することによって、シャフト４の位置を前端部側又は後端部側へ調整できる。調整部は、例えば、アクチュエータ１の駆動を制御する制御部からの駆動信号、又は、サーボモータを適用した電動モータ７からの位置情報に基づいて、高分子材料アクチュエータ５と高分子材料アクチュエータ６に印加する電圧又は電流量を調整する。
【００２９】
電動モータ７は、例えばサーボモータであり、シャフト４の位置に応じてシャフト４の移動を調整するように回転運動を出力する。電動モータ７は、アクチュエータ１の駆動を制御する制御部からの駆動信号に基づいて動作する。電動モータ７の回転軸１５の角度検知は、レゾルバ、エンコーダ又はタコジェネレータ等によって行われる。電動モータ７は、フィードバック制御によって、シャフト４が目標駆動量に到達するように制御される。
【００３０】
電動モータ７は、ハウジング３の外部に設置され、回転軸１５を介してカム機構８のカム９と接続される。電動モータ７は、磁気ギヤードモータを使用してもよい。この場合、機械的な歯車の噛み合いがなくなるため、歯車による固着（Jamming）が発生しなくなる。
【００３１】
図１及び図２に示す例では、電動モータ７の回転軸１５がシャフト４の軸方向に対して垂直方向に設置される。また、図１及び図２に示す例では、シャフト４の軸を間に挟んで二つの電動モータ７が設置される。これにより、バランス良く安定してシャフト４を移動でき、また、冗長性を確保できる。なお、１本のシャフト４に対して一つの電動モータ７が設置されてもよいし、三つ以上の電動モータ７が設置されてもよい。
【００３２】
カム機構８は、カム９とカムフォロワ１０を有する。カム９の外面とカムフォロワ１０の外面が互いに接触する。カム９は、回転軸１５を介して電動モータ７と接続され、電動モータ７の駆動力によって回動する。カムフォロワ１０は、シャフト４の外面においてカム９の両側に固定して設けられる。１枚のカム９と二つのカムフォロワ１０によって、共役カムが構成され、電動モータ７から伝達された回転運動が２方向の直線運動に変換される。すなわち、電動モータ７からの回転力によって、シャフト４は、ハウジング３において前端部側又は後端部側へ移動する。
【００３３】
次に、上述した構成を有するアクチュエータ１の動作について説明する。
アクチュエータ１を駆動させるための駆動信号がアクチュエータ１に入力されると、高分子材料アクチュエータ５，６が駆動すると共に電動モータ７が駆動する。
【００３４】
シャフト４を前端部側へ移動させる場合、高分子材料アクチュエータ５，６に印加する電圧又は電流量を調整して、高分子材料アクチュエータ５を伸長させ、高分子材料アクチュエータ６を収縮させる。シャフト４を後端部側へ移動させる場合、高分子材料アクチュエータ５，６に印加する電圧又は電流量を調整して、高分子材料アクチュエータ６を伸長させ、高分子材料アクチュエータ５を収縮させる。
【００３５】
アクチュエータ１の目標駆動量に応じて、高分子材料アクチュエータ５，６、電動モータ７がフィードバック制御を行いながら駆動し、シャフト４の移動を調整する。そして、目標駆動量に到達したとき、電動モータ７は、シャフト４の移動を停止する。このとき、電動モータ７は、高分子材料アクチュエータ５，６の駆動力に対抗して、シャフト４の位置が維持される。
【００３６】
以上、本実施形態によれば、高分子材料アクチュエータ５，６、カム９及びカムフォロワ１０を有するカム機構８によってシャフト４が直線運動し、カム機構８によってシャフト４の位置が調整されるため、アクチュエータ１においてボールねじが不要となり、ボールねじによる固着が発生しなくなる。
【００３７】
また、シャフト４は、電動モータ７と高分子材料アクチュエータ５，６から生じる推力によって、直線運動する。したがって、電動モータ単独、又は、高分子材料アクチュエータ単独で推力を得る場合に比べて、それぞれの必要最大推力を低減できる。その結果、電動モータ７及び高分子材料アクチュエータ５，６は、電動モータのみ、又は、高分子材料アクチュエータのみ設置される場合に比べて、小型化又は軽量化を図ることができる。
【００３８】
電動モータ７及び高分子材料アクチュエータ５，６のいずれかにおいて不具合が生じた場合は、推力が低減するが、不具合が生じていない電動モータ７又は高分子材料アクチュエータ５，６によってシャフト４を移動できる。そのため、本実施形態によれば、電動モータ７及び高分子材料アクチュエータ５，６の両方を備えることによって冗長性を持たせることができる。
【００３９】
さらに、電動モータ７、カム９及びカムフォロワ１０によってアクチュエータ１のシャフト４の位置が決定されることから、高分子材料アクチュエータ５，６のみによってシャフト４の位置決めを行う場合に比べて、位置決め精度を高めることができる。
【００４０】
またさらに、電動モータ７として磁気ギヤードモータを適用する場合、機械的な歯車の噛み合いがなくなるため、歯車による固着（Jamming）が発生しなくなる。
【００４１】
上述した実施形態では、電動モータ７の回転軸１５がシャフト４の軸方向に対して垂直に設けられ、かつ、カム９が板状部材である場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、図３及び図４に示すように、電動モータ７の回転軸１５がシャフト４の軸方向に対して平行に設けられてもよい。この場合、カム９及びカムフォロワ１０を有するカム機構８として立体カム機構が適用される。図３及び図４に示す例では、電動モータ７の回転軸１５をシャフト４の軸方向に対して平行に支持するため、ハウジング３の外部に更に支持用ハウジング１６が設置される。回転軸１５にはカム９が接続される。支持用ハウジング１６は、電動モータ７の回転軸１５を支持する。この変形例においても、上述した実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００４２】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るアクチュエータ２について、図５を用いて説明する。
上述した第１実施形態では、本発明に係る移動調整部が、電動モータ７、及び、カム９とカムフォロワ１０を有するカム機構８によって構成される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。第２実施形態において、本発明に係る移動調整部は、位置検出センサー２１と、クラッチ機構２２によって構成される。したがって、位置検出センサー２１とクラッチ機構２２によって、シャフト４の位置に応じてシャフト４の移動が調整される。
【００４３】
アクチュエータ２は、アクチュエータ１と同様に、例えば航空機の舵面（操縦翼面）を駆動するために用いられる。
【００４４】
アクチュエータ２は、ハウジング３と、ハウジング３の内外を出入するシャフト（軸部）４と、高分子材料アクチュエータ５，６と、位置検出センサー２１と、クラッチ機構２２などを備える。
【００４５】
ハウジング３、シャフト４、シャフト４に設置される支持部材１３，１４、高分子材料アクチュエータ５，６については、第１実施形態で説明した構成及び作用効果と同一であるため、詳細な説明を省略する。
【００４６】
位置検出センサー２１は、検出部の一例であり、シャフト４の軸方向の位置を検出する。位置検出センサー２１は、例えばリニアポテンショメータであり、一端部がハウジング３に接続され、他端部がシャフト４に接続される。位置検出センサー２１によって検出されたシャフト４の位置に関する情報は、クラッチ機構２２の制御部及び高分子材料アクチュエータ５，６の調整部に出力される。
【００４７】
クラッチ機構２２は、規制部の一例であり、例えばロッド２３と、ロッド２３の先端に設置された当接部２４などを有する。ロッド２３は、棒状部材であり、軸方向が、シャフト４の軸方向に対して垂直に設けられ、ロッド２３の軸方向に対して平行に移動可能である。当接部２４は、シャフト４の外周面と接触可能な形状を有する。
【００４８】
クラッチ機構２２は、位置検出センサー２１によって検出された位置に基づいて、当接部２４がシャフト４の外周面と接触し、高分子材料アクチュエータ５，６によって推力が与えられたシャフト４の移動を制限する。高分子材料アクチュエータ５と高分子材料アクチュエータ６に印加する電圧又は電流量を調整することによって、シャフト４の位置を前端部側又は後端部側へ調整できる。調整部は、位置検出センサー２１からの位置情報に基づいて、高分子材料アクチュエータ５と高分子材料アクチュエータ６に印加する電圧又は電流量を調整する。
【００４９】
高分子材料アクチュエータ５，６及びクラッチ機構２２は、フィードバック制御によって制御され、シャフト４が目標駆動量に到達するように制御される。
【００５０】
次に、上述した構成を有するアクチュエータ２の動作について説明する。
アクチュエータ２を駆動させるための駆動信号がアクチュエータ２に入力されると、高分子材料アクチュエータ５，６が駆動する。そして、位置検出センサー２１によってシャフト４の位置が検出される。
【００５１】
シャフト４を前端部側へ移動させる場合、高分子材料アクチュエータ５，６に印加する電圧又は電流量を調整して、高分子材料アクチュエータ５を伸長させ、高分子材料アクチュエータ６を収縮させる。シャフト４を後端部側へ移動させる場合、高分子材料アクチュエータ５，６に印加する電圧又は電流量を調整して、高分子材料アクチュエータ６を伸長させ、高分子材料アクチュエータ５を収縮させる。
【００５２】
また、クラッチ機構２２が、位置検出センサー２１によって検出されたシャフト４の位置に基づいて駆動し、当接部２４をシャフト４の外周面に当接させる。
【００５３】
アクチュエータ２の目標駆動量に応じて、高分子材料アクチュエータ５，６、クラッチ機構２２がフィードバック制御を行いながら駆動し、シャフト４の移動を調整する。そして、目標駆動量に到達したとき、クラッチ機構２２は、シャフト４の移動を停止する。このとき、クラッチ機構２２は、高分子材料アクチュエータ５，６の駆動力に対抗して、シャフト４の位置が維持される。
【００５４】
以上、本実施形態によれば、高分子材料アクチュエータ５，６によってシャフト４が直線運動し、クラッチ機構２２によってシャフト４の位置が調整されるため、アクチュエータ２において歯車やボールねじが不要となり、歯車やボールねじによる固着が発生しなくなる。
【００５５】
また、位置検出センサー２１及びクラッチ機構２２によってアクチュエータ２のシャフト４の位置が決定されることから、高分子材料アクチュエータ５，６のみによってシャフト４の位置決めを行う場合に比べて、位置決め精度を高めることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１，２    ：アクチュエータ
３    ：ハウジング
３Ａ  ：隔壁
３Ｂ  ：端壁
４    ：シャフト
５，６    ：高分子材料アクチュエータ
７    ：電動モータ
８    ：カム機構
９    ：カム
１０  ：カムフォロワ
１１  ：開口部
１２  ：オイルシール
１３，１４  ：支持部材
１５  ：回転軸
１６  ：支持用ハウジング
２１  ：位置検出センサー
２２  ：クラッチ機構
２３  ：ロッド
２４  ：当接部
５１  ：機体
【図１】
2019176613.tif 000003
【図２】
2019176613.tif 000004
【図３】
2019176613.tif 000005
【図４】
2019176613.tif 000006
【図５】
2019176613.tif 000007