(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体圧式アクチュエータであって、
駆動ピストン（１５）を内部に案内する流体圧式の駆動シリンダ（２０）と、
前記駆動シリンダ（２０）に流体力学的に結合された流体圧式の出力シリンダ（３５）と、
前記出力シリンダ（３５）に流体力学的に結合された圧力制限弁（８０）であって、当該圧力制限弁（８０）は、また、逆止弁（６０）と第１の絞り弁（６５）とを介して前記駆動シリンダ（２０）に流体力学的に結合された付勢流体圧シリンダ（９０）内の付勢容積（７０）と流体力学的に結合されており、前記駆動シリンダ（２０）および／または前記駆動ピストン（１５）に力が作用する作用時間に依存して前記出力シリンダ（３５）の圧力制限を行う、圧力制限弁（８０）と
を備えていることを特徴とする流体圧式アクチュエータ。
【請求項２】
前記流体圧式アクチュエータは駆動アクチュエータ（１０）を備えており、
前記駆動アクチュエータ（１０）は前記駆動シリンダまたは前記駆動ピストン（１５）に動力伝達結合されている、
請求項１記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項３】
前記駆動アクチュエータ（１０）は、圧電式アクチュエータまたは電動式アクチュエータまたは電磁式アクチュエータである、
請求項２記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項４】
前記付勢流体圧シリンダ（９０）は付勢ピストン（７５）を備えており、
前記付勢流体圧シリンダまたは前記付勢ピストンが前記圧力制限弁（８０）を作動させる、
請求項１から３までのいずれか１項記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項５】
前記付勢容積（７０）は、第２の絞り弁（８５）を介して貯蔵器（５５）に流体力学的に接続されている、
請求項１から４までのいずれか１項記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項６】
前記圧力制限弁（８０）は、貯蔵器（５５）に対して圧力制限を行うために、または貯蔵器（５５）へ圧力を逃がすために配置されている、
請求項１から５までのいずれか１項記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項７】
前記出力シリンダ（３５）内において出力ピストン（４５）が案内されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項８】
前記駆動シリンダ（２０）は、付勢された逆止弁（３０）を介して出力シリンダ（３５）に結合されている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項９】
駆動ピストン（１５）を有する流体圧式の駆動シリンダ（２０）と、
前記駆動シリンダ（２０）または駆動ピストン（１５）に動力伝達結合されている駆動アクチュエータ（１０）と
を備えた、請求項１から８までのいずれか１項記載の流体圧式アクチュエータ（５）を動作させる方法であって、
前記駆動アクチュエータ（１０）を、前記流体圧式アクチュエータ（５）の作用期間または非作用期間の時間長にわたり、変位持続時間（ｐ）で変位周波数での変位により変位させ、前記変位持続時間（ｐ）は、前記流体圧式アクチュエータ（５）の運動剛性を決定し、前記変位周波数は、得られる当該流体圧式アクチュエータの変位速度（ｖ１）を決定する
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記駆動アクチュエータ（１０）は電気的に制御可能なものである、
請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体圧式アクチュエータと、流体圧式アクチュエータの動作方法とに関する。
【０００２】
たとえば「インダストリー４．０」において、従来のマシンオートメーションのフレキシビリティを拡大する努力が払われている。最近では、いわゆる「ソフトロボット工学」が重要性を増している。かかる分野ではロボットは、製造時に人間と直接協働するものである。その前提条件は、可変の剛性と低質量とを有するアクチュエータである。かかるアクチュエータの手本は人間の身体の筋肉であり、これは使用事例に応じて緊張し、これにより剛性を増大させることができる。しかし、通常状態では筋肉は緊張していないので、剛性の物体との衝突時に身体にかかる力は最小限になり、これにより負傷の危険性も最小限になる。しかし、従来使用されているアクチュエータは高い剛性を有する。衝突発生を回避するためにさらに、障害物を検出し、危急の場合にはアクチュエータを停止させまたは障害物から方向を逸らすセンサが使用される。
【０００３】
よって本発明の課題は、従来技術より改善されたアクチュエータ、特に可変の剛性を有するアクチュエータを実現することである。また本発明は、かかるアクチュエータの動作方法を実現することも課題とする。
【０００４】
前記課題は、請求項１に記載された構成を有する流体圧式アクチュエータと、請求項９に記載された特徴を有する方法とによって解決される。本発明の有利な実施形態は、その従属請求項と、以下の説明と、図面とから明らかである。
【０００５】
本発明の流体圧式アクチュエータは、特に駆動ピストンを有する流体圧式駆動シリンダと、当該駆動シリンダに流体力学的に結合された流体圧式出力シリンダと、力が駆動シリンダおよび／または駆動ピストンに作用する作用時間に依存して出力シリンダの圧力制限を行う圧力制限弁とを備えている。
【０００６】
本発明のかかる流体圧式アクチュエータにより、力が駆動ピストンに作用する作用時間を使用して圧力制限弁を制御することができる。出力シリンダの圧力制限を行う圧力制限弁は、その圧力制限に基づいて流体圧式アクチュエータの剛性を調整する。よって、力が駆動ピストンに作用する作用時間を用いて、流体圧式アクチュエータの剛性を調整することができる。
【０００７】
好適には、本発明の流体圧式アクチュエータは駆動アクチュエータを備えており、この駆動アクチュエータは駆動シリンダまたは駆動ピストンに動力伝達結合されている。好適には、流体圧式アクチュエータは電気的に制御可能なものである。特に有利なのは、本発明の流体圧式アクチュエータが圧電式アクチュエータまたは電動式アクチュエータまたは電磁式アクチュエータであることである。かかるアクチュエータは、特に容易に電気的に制御することができる。
【０００８】
有利には、本発明の流体圧式アクチュエータの駆動シリンダは逆止弁と第１の絞り弁とを介して、付勢流体圧シリンダ内の付勢容積に流体力学的に結合されている。この付勢流体圧シリンダはとりわけ付勢ピストンを備えており、付勢流体圧シリンダまたは付勢ピストンが圧力制限弁を作動させる。かかる構成により、力が駆動ピストンに作用する作用時間を用いて、逆止弁と絞り弁とを介して付勢容積を簡単に流体圧により調整することができ、この付勢容積は付勢ピストンを用いて圧力制限弁を適切に作動させる。
【０００９】
好適には、流体圧式アクチュエータの付勢容積は第２の絞り弁を介して貯蔵器に流体力学的に接続されている。かかる構成により、適切な作用時間の場合には貯蔵器から付勢容積に供給することができ、または付勢容積から貯蔵器へ排出することもできる。
【００１０】
特に有利な実施形態では流体圧式アクチュエータの圧力制限弁は、貯蔵器に対して、または当該貯蔵器内へ圧力を逃がすよう、圧力制限を行うべく配置されている。かかる構成により、流体圧式アクチュエータの剛性が小さい場合、出力シリンダが圧力を貯蔵器内に逃がすことができ、または圧力制限弁の位置に応じて高い剛性を保存することもできる。
【００１１】
理想的には、本発明の流体圧式アクチュエータの出力シリンダ内において出力ピストンが案内される。このようにして、出力ピストンは本発明の流体圧式アクチュエータの作用要素として機能する。これに代えて、出力シリンダにベローズを備えつけることにより、出力シリンダの少なくとも一部が本発明の流体圧式アクチュエータの作用要素となり、かかる構成は有利でもある。
【００１２】
本発明の流体圧式アクチュエータの有利な一実施形態では、出力シリンダは、付勢された逆止弁を介して駆動シリンダに結合されている。かかる構成により、駆動シリンダと出力シリンダとの間に十分な圧力差がある場合、駆動シリンダまたは駆動ピストンの駆動力を伝達することができる。また圧力比によっては、たとえば駆動シリンダまたは駆動ピストンの周期的運動に基づき、出力シリンダによって大きな直線往復運動を達成するように、出力シリンダに直接の影響を及ぼすことなく駆動力を減衰させることもできる。
【００１３】
特に駆動ピストンを有する流体圧式駆動シリンダと、駆動シリンダまたは駆動ピストンに動力伝達結合されている駆動アクチュエータとを備えた流体圧式アクチュエータを動作させる本発明の方法は、特に、上述の流体圧式アクチュエータを動作させる方法である。当該方法では駆動アクチュエータを、流体圧式アクチュエータの作用期間または非作用期間の時間長にわたり、変位持続時間で変位周波数での変位により変位させ、この変位持続時間は、流体圧式アクチュエータの運動剛性を決定し、変位周波数は、それにより得られる当該流体圧式アクチュエータの変位速度を決定する。
【００１４】
本発明の方法では特に、駆動アクチュエータは電気的に制御可能なものであり、とりわけ圧電式アクチュエータまたは電動式アクチュエータまたは電磁式アクチュエータである。
【００１５】
本発明の他の一実施形態では、流体圧式駆動シリンダおよび／または流体圧式出力シリンダおよび／または付勢流体圧シリンダはそれぞれ、ベローズを有するように構成されている。
【００１６】
以下、図面に示された実施例を参酌して本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の流体圧式アクチュエータの概略的な流体回路図である。
【図２】図１の流体圧式アクチュエータの動作モード（ａ），（ｂ）および（ｃ）を示す概略的なグラフである。
【００１８】
図１に示されている本発明の流体圧式アクチュエータ５は圧電式アクチュエータ１０を備えており、この圧電式アクチュエータ１０は、流体圧式駆動シリンダ２０の駆動ピストン１５に動力伝達結合されている。
【００１９】
駆動シリンダ２０は流体圧式駆動容積２５を有し、この流体圧式駆動容積２５には、自明のように作動油が充填されている。この駆動容積２５は、開弁圧が十分に大きい場合には逆止弁３０の開弁により、流体圧式出力シリンダ３５に流体力学的に結合される。この逆止弁３０は、そのために適切に付勢されている。出力シリンダ３５は駆動側に出力容積４０を有し、これは、出力側に位置する出力ピストン４５を動かす。
【００２０】
駆動容積はさらに、逆止弁５０を介して貯蔵器５５に、供給を受けられるように結合されている。
【００２１】
駆動容積２５はさらに、逆止弁６０と、順方向において当該逆止弁６０より下流に配置された絞り弁６５とを介して、流体圧式付勢シリンダ９０の付勢容積７０に供給することもでき、これは、付勢ピストン７５を用いて圧力制限弁８０を制御する。第２の絞り弁８５を介して、付勢容積７０は貯蔵器５５に結合されている。圧力制限弁８０は、貯蔵器５５内に向かう方向に、または貯蔵器５５に対して、出力容積の圧力制限または減圧を行う。
【００２２】
図１に示された本発明の流体圧式アクチュエータ５は、本発明では下記のように動作する：各動作モードは、下記にて詳細に説明する、図２の作動距離‐時間グラフ（ａ），（ｂ）および（ｃ）から分かるように、圧電式アクチュエータ１０の駆動制御により特徴付けられる。
【００２３】
第１の動作モードでは、流体圧式アクチュエータは小さいシステム剛性で動作し、０ではない作動速度ｖ１で作動される。
【００２４】
こうするためには、図２（ａ）の曲線Ｃ１によってグラフ表示されているように、圧電式アクチュエータ１０を調整する。圧電式アクチュエータ１０は高速度で変位する（すなわち、作動距離ｓａｎは時間ｔと共に大きい勾配ｈＳで増大する）。これにより駆動シリンダ２０の駆動容積２５内の圧力が上昇して、駆動容積２５と出力容積４０とを結合する逆止弁３０、および、駆動容積２５と付勢容積７０とを結合する逆止弁６０が開弁する。この第１の動作モードでは、圧電式アクチュエータ１０の変位は非常に短時間のみであり、よって駆動容積２５における昇圧も非常に短時間のみであるから、駆動容積２５と付勢容積７０とを結合する逆止弁６０によって、直列に組み付けられた絞り弁６５により、作動油は付勢容積７０の方向にはほぼ流れることがなく、その作動油の小さい流れは、付勢容積７０と貯蔵器とを結合する絞り弁８５を介して流出して貯蔵器５５内に戻る。このことにより、付勢容積７０内にはほぼ圧力が生じない。よって、作動油はほとんど出力容積４０内にのみ流れ、これにより得られる、流体圧式アクチュエータ５の作動距離ｓａｎで、出力ピストン４５は押し出される。
【００２５】
その後、圧電式アクチュエータ１０の変位は再び急峻に（図２（ａ）の曲線Ｃ１の大きな負の勾配ｈＡ）減少し、これにより、駆動容積２５と出力容積４０とを結合する逆止弁３０、および、駆動容積２５と付勢容積７０とを結合する逆止弁６０が閉弁する。駆動容積２５において作動油が減少することにより負圧が生じ、これにより、駆動容積２５と貯蔵器５５とを結合する逆止弁５０が開弁し、その不足分の作動油が貯蔵器５５から駆動容積２５内へ流れることができる。
【００２６】
第１の動作モードにおいて上述のサイクル（すなわち、圧電式アクチュエータ１０の高速の変位および復帰）を繰り返すと、出力ピストン４５の連続的な変位が生じる。出力ピストン４５には反力が加わると、この反力と出力シリンダ３５の流体力学的断面とに応じて、出力容積４０において圧力が上昇する。付勢容積７０において圧力が不足していることにより、圧力制限弁８０における閾値は非常に低くなっているので、出力ピストン４５にかかる反力が小さくても既に、作動油は出力容積４０から圧力制限弁８０を介して貯蔵器５５内に戻る。
【００２７】
第２の動作モードでは、流体圧式アクチュエータ５は大きいシステム剛性で動作し、０ではない作動速度ｖ１で作動される。
【００２８】
こうするためには、図２（ｂ）の曲線Ｃ２によってグラフ表示されているように、圧電式アクチュエータ１０を調整する。圧電式アクチュエータ１０は上記と同様、高速度で変位する（すなわち、第２の動作モードでも作動距離ｓａｎは時間ｔと共に大きい勾配ｈＳで増大する）。
【００２９】
これにより駆動容積２５内の圧力が上昇して、駆動容積２５と出力容積４０とを結合する逆止弁３０、および、駆動容積２５と付勢容積７０とを結合する逆止弁６０が開弁する。作動油が出力容積４０内へ流出することにより、駆動容積２５における圧力は、上記の動作モードと同様に低下する。
【００３０】
上記の動作モードとの相違点として、本動作モードでは、圧電式アクチュエータ１０の変位を所定の時間にわたって一定に維持する（図２（ｂ）の曲線Ｃ２の部分ｐを参照のこと）。駆動容積２５と出力容積４０とを結合する逆止弁３０は、決まった開弁圧を有するので、駆動容積２５と出力容積４０との間の圧力差が逆止弁３０の開弁圧を下回ると、当該逆止弁３０は閉弁する。圧電式アクチュエータ１０は依然として変位しているので、駆動容積２５と付勢容積とを結合する逆止弁６０に、その残りの圧力が加わる。駆動容積２５と付勢容積７０とを結合する逆止弁６０は付勢されていないので、付勢容積７０と駆動容積２５との間の圧力差の方が大きくなるまで、この逆止弁６０と、当該逆止弁６０の下流に配置されている絞り弁６５とを介して作動油が流れることができる。一部の少量の作動油は、付勢容積７０と貯蔵器５５とを結合する絞り弁８５を介して貯蔵器５５内に戻るにもかかわらず、付勢容積７０における圧力は上昇する。これにより、圧力制限弁８０の開弁閾値は上昇する。
【００３１】
所定の時間の経過後、圧電式アクチュエータ１０を再び最初の作動距離ｓａｎに急峻に戻す（図２（ｂ）の曲線Ｃ２の大きな負の勾配ｈＡ）。これにより、上記の第１の動作モードと同様、貯蔵器５５から作動油が駆動容積２５内へ吸引される。付勢容積７０と貯蔵器５５とを結合する絞り弁８５が組み付けられていないと、貯蔵器５５からだけではなく付勢容積７０からも作動油が吸引されることになる。
【００３２】
その後、上述のサイクル（圧電式アクチュエータ１０の変位および復帰）を繰り返す。かかる場合において出力ピストン４５に反力が作用すると、出力容積４０において圧力が再び上昇する。しかし、付勢容積７０の圧力が上昇したことによって圧力制限弁８０の閾値は上述の動作モードより高くなっているので、駆動ピストン１５にかかる力をより大きく発生させることができ、出力容積４０からの作動油の流出が低減する。これにより、本発明の流体圧式アクチュエータ５のシステム剛性が増大する。よって、この剛性の大きさは圧電式アクチュエータ１０の駆動制御推移によって調整される。
【００３３】
第３の動作モードでは、流体圧式アクチュエータ５のシステム剛性は大きくなっており、作動しない（すなわち、作動速度ｖ０＝０）。
【００３４】
こうするためには、図２（ｃ）の曲線Ｃ３によってグラフ表示されているように、圧電式アクチュエータ１０を調整する。
【００３５】
圧電式アクチュエータ１０が低速（比較的小さい勾配ｎＳ）で変位することにより、駆動容積２５内の圧力はほとんど上昇せず、これにより、駆動容積２５と付勢容積７０とを結合する逆止弁６０のみが開弁し、駆動容積２５と出力容積とを結合する逆止弁３０は開弁しない。このことにより、出力容積４０内へは作動油は押し出されず、付勢容積７０内にのみ押し出され、これにより圧力制限弁８０の閾値が上昇し、出力ピストン４５が変位することなく流体圧式アクチュエータ５のシステム剛性が上昇する。
【００３６】
所定の時間の経過後、圧電式アクチュエータ１０を再び最初の作動距離ｓａｎに急峻に戻す（図２（ｃ）の曲線Ｃ３の大きな負の勾配ｈＡ）。
【００３７】
他の点については図１および図２に示された実施例と一致する、個別に示されていない他の一実施例では、圧電式アクチュエータ１０に代えて択一的に、電動式アクチュエータまたは電磁式アクチュエータが設けられている。
【００３８】
個別に示されていない他の一実施例では、内部にてピストンを案内する流体圧シリンダを駆動シリンダおよび／または出力シリンダおよび／または付勢シリンダに用いる代わりに、内部に案内するピストンを有しないベローズの形態の流体圧シリンダを設けることも可能であることが理解できる。
【図１】
0006448764.tif 000002
【図２（ａ）】
0006448764.tif 000003
【図２（ｂ）】
0006448764.tif 000004
【図２（ｃ）】
0006448764.tif 000005