(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に貫通する貫通穴を有するケーシングと、
前記ケーシングの内部に収納されて、前記貫通穴の軸方向に往復動可能に前記ケーシングに取り付けられたピストンと、
前記ケーシングの上面及び下面において、前記ケーシングと前記ピストンの間の間隙を密封するとともに、前記貫通穴の軸方向に伸縮して前記ピストンを前記貫通穴の軸方向に往復動可能に支持するダイアフラムを備えて、
前記ケーシングの上面のダイアフラムと下面のダイアフラムの間に、作動液体槽が形成され、
前記作動液体槽内の作動液体の圧力変動により前記ピストンが上昇・下降する液圧アクチュエータにおいて、
前記ケーシングは、前記ピストンがストロークエンドに到達した時に、前記ピストンと当接して前記ピストンの動作を制限する当接面を前記作動液体槽の内部に備える
ことを特徴とする液圧アクチュエータ。
【請求項２】
前記ピストンは、前記貫通穴内部の液圧を上向きに受ける上部受圧面と、前記液圧を下向きに受ける下部受圧面を有するとともに、
前記上部受圧面と前記下部受圧面の面積が異なる
ことを特徴とする請求項１に記載の液圧アクチュエータ。
【請求項３】
前記ケーシングは、上面に凹設された上部凹所及び下面に凹設された下部凹所を有して、前記上部凹所の底面と前記下部凹所の底面が前記貫通穴で連絡されるとともに、
前記上部凹所と前記下部凹所の水平断面積が異なる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液圧アクチュエータ。
【請求項４】
前記ピストンは、
前記ピストンの中間部にあって前記連絡穴に収納される大径部と、
前記ピストンの両端部にあって、前記ケーシングの上方及び下方に突出する小径部を有
するとともに、
前記大径部の端面に当接して、前記小径部に装着される支持板と、
前記支持板の外側にあって、前記小径部に装着される押圧板と、
前記押圧板の外側にあって、前記小径部に螺合するナットを備えて、
前記ダイアフラムの内縁を前記支持板と前記押圧板で挟んで保持する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液圧アクチュエータ。
【請求項５】
前記ケーシングの上方及び下方にフランジ板を有し、
前記ダイアフラムの外縁を前記フランジ板と前記ケーシングで挟んで保持する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の液圧アクチュエータ。
【請求項６】
前記ケーシングの上方及び下方の前記フランジ板は、それぞれ別のボルトで前記ケーシングに固定される
ことを特徴とする請求項５に記載の液圧アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動液体の圧力変化によってピストンを往復動作させる液圧アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロッドを有するピストンと、ピストンを軸方向に往復動可能に収容するシリンダを備えて、シリンダ内に作動流体を導入して加圧することによって、ピストンをシリンダの軸方向に往復運動させる液圧アクチュエータが知られている。この液圧アクチュエータでは、ピストンの外周面とシリンダの内周面の間にＯリングやＵパッキンのようなシール材を備えて、前記ピストンと前記シリンダの間の隙間から作動流体が漏れないようにしている（例えば、特許文献１、図６）。
【０００３】
また、この種の液圧アクチュエータでは、ピストンとシリンダの間の隙間の液密性を確保しながら、ピストンが滑らかに往復動するように、ピストンの外周面とシリンダの内周面に高精度な表面仕上げを行うとともに、これらの面をグリース等で潤滑していた。
【０００４】
しかし、高精度な表面仕上げとグリース潤滑を行ったとしても、作動速度が遅い領域ではピストンとシリンダの間の潤滑状態が不安定になりやすく、いわゆるスティックスリップ現象（しゃくり現象）が発生するという問題があった。
【０００５】
そこで、特許文献１では、ＯリングやＵパッキンに代えて、ピストンとシリンダの間をダイアフラムでシールすることを提案している（特許文献１、図１）。
【特許文献１】特開２００２−３１０１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の液圧アクチュエータは、ピストンとシリンダの間の隙間をダイアフラムでシールするので、低速域でのスティックスリップ現象が発生せず、良好な作動特性が得られるとされている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１が提案する液圧アクチュエータはピストンロッドが上下動する際に振れることのないように、ピストンロッドを軸受け材で案内している（特許文献１、００４３段落）。このため、軸受け材の潤滑状態の変動に起因する不安定現象は解消されない。
【０００８】
特に、液圧アクチュエータに所望の推力を発生させようとする場合、液圧とアクチュエータの発生推力の間に線形性があることが望ましいが、前述の不安定現象は線形性を損ねるので好ましくない。
【０００９】
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、液圧アクチュエータの固定部と可動部の間の潤滑状態の変動に起因する不安定現象を排除して、液圧と推力の間の線形性の高い液圧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】
本発明に係る液圧アクチュエータは、上下に貫通する貫通穴を有するケーシングと、前記ケーシングの内部に収納されて、前記貫通穴の軸方向に往復動可能に前記ケーシングに取り付けられたピストンと、前記ケーシングの上面及び下面において、前記ケーシングと前記ピストンの間の間隙を密封するとともに、前記貫通穴の軸方向に伸縮して前記ピストンを前記貫通穴の軸方向に往復動可能に支持するダイアフラムを備えて、前記ケーシングの上面のダイアフラムと下面のダイアフラムの間に、作動液体槽が形成され、前記作動液体槽内の作動液体の圧力変動により前記ピストンが上昇・下降する液圧アクチュエータにおいて、前記ケーシングは、前記ピストンがストロークエンドに到達した時に、前記ピストンと当接して前記ピストンの動作を制限する当接面を前記作動液体槽の内部に備えることを特徴とするものである。
【００１１】
なお、ここでは説明の便宜のために、ピストンが垂直になるように液圧アクチュエータを配置した状態で構成を説明しているが、本発明はピストンを垂直に配置した液圧アクチュエータに限られるものではない。
【００１２】
また、前記ピストンは、前記貫通穴内部の液圧を上向きに受ける上部受圧面と、前記液圧を下向きに受ける下部受圧面を有するとともに、前記上部受圧面と前記下部受圧面の面積が異なるようにする。
【００１３】
また、前記ケーシングは、上面に凹設された上部凹所及び下面に凹設された下部凹所を有して、前記上部凹所の底面と前記下部凹所の底面が前記貫通穴で連絡されるとともに、前記上部凹所と前記下部凹所の水平断面積が異なるようにしてもよい。
【００１４】
また、前記ピストンは、前記ピストンの中間部にあって前記連絡穴に収納される大径部と、前記ピストンの両端部にあって、前記ケーシングの上方及び下方に突出する小径部を有するとともに、前記大径部の端面に当接して、前記小径部に装着される支持板と、前記支持板の外側にあって、前記小径部に装着される押圧板と、前記押圧板の外側にあって、前記小径部に螺合するナットを備えて、前記ダイアフラムの内縁を前記支持板と前記押圧板で挟んで保持するようにしてもよい。
【００１５】
また、前記ケーシングの上方及び下方にフランジ板を有し、前記ダイアフラムの外縁を前記フランジ板と前記ケーシングで挟んで保持してもよい。
【００１６】
また、前記ケーシングの上方及び下方の前記フランジ板を、それぞれ別のボルトで前記ケーシングに固定するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る液圧アクチュエータの固定部と可動部の間には摺動部分がないので、摺動部分の潤滑状態の変動等に起因する不安定現象が生じない。そのため、作動流体の圧力と液圧アクチュエータの発生推力の間の線形性が良好になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。    
【００１９】
図１は、本発明に係る油圧アクチュエータの構造を示す側断面図である。また、図２及び図３は図１の部分拡大図であり、図２は該油圧アクチュエータの上方部分を、図３は下方部分を示す。図１に示すように、油圧アクチュエータ１は、ケーシング２とスピンドル３を備え、ケーシング２は上下方向に貫通する貫通穴４を有し、スピンドル３は貫通穴４に収容されて、上下に往復動する。したがって、ケーシング２は油圧アクチュエータ１のシリンダに相当し、スピンドル３はピストンに相当する。
【００２０】
ケーシング２とスピンドル３の間の隙間は、ケーシング２の上面及び下面に取り付けられた上部ダイアフラム５及び下部ダイアフラム６で密封されている。
【００２１】
また、ケーシング２の上面には上部凹所７が、下面には下部凹所８がそれぞれ設けられ、上部凹所７と下部凹所８の間は貫通穴４で連絡されている。なお、上部凹所７の径は下部凹所８の径よりも大きく、上部凹所７の水平断面積が下部凹所８の水平断面積よりも大きくなるように設定されている。
【００２２】
ケーシング２の上方には、上部フランジ９があって、ボルト１０でケーシング２に固定され、ケーシング２と上部フランジ９の間で上部ダイアフラム５の外縁を挟んでいる。また、上部フランジ９と同様に、ケーシング２の下方には、下部フランジ１１があって、ボルト１２でケーシング２に固定され、ケーシング２と下部フランジ１１の間で下部ダイアフラム６の外縁を挟んでいる。
【００２３】
また、ケーシング２の側面にはカップラ１３とエア抜き弁１４が取り付けられている。カップラ１３は図示しない油圧ホースを接続する継ぎ手である。また、エア抜き弁１４は、ケーシング２の内部の空気を抜く弁であり、カップラ１３から作動油をケーシング２の内部に導入する際に開放され、ケーシング２の内部が作動油で満たされる（つまり、ケーシング２の内部が全て抜ける）と閉鎖される。
【００２４】
スピンドル３は、中間部に大径部１５を備えるとともに、大径部１５の上方及び下方に上部小径部１６及び下部小径部１７を備える軸部材である。なお、大径部１５の径は、貫通穴４内に収容されるように、貫通穴４の径より僅かに小さくされている。
【００２５】
また、大径部１５の側面にはスプリングピン１８が突設されている。スプリングピン１８は、スピンドル３が貫通穴４の内部で中心軸１９回りに回転するのを防ぐ回り止めとして機能する。
【００２６】
上部小径部１６には、上サポートプレート２０と上部プレート２１が取り付けられ、上サポートプレート２０と上部プレート２１の間には上部ダイアフラム５の内縁が挟まれている。また、上部プレート２１の上方には上部小径部１６に螺合する上部ナット２２があって、上サポートプレート２０と上部プレート２１を大径部１５の上端面に押しつけている。また、スピンドル３と上サポートプレート２０の間の隙間にはＯリング２３が、スピンドル３と上部プレート２１の間の隙間にはＯリング２４が嵌め込まれて、作動油の漏洩を防いでいる（図２参照）。
【００２７】
同様に、下部小径部１７には、下サポートプレート２５、下部プレート２６、下部ナット２７が取り付けられ、下サポートプレート２５と下部プレート２６の間には、下部ダイアフラム６の内縁が挟まれ、下部ナット２７で下サポートプレート２５と下部プレート２６を大径部１５の下端面に押しつけている。また、スピンドル３と下サポートプレート２５の間の隙間にはＯリング２８が、スピンドル３と下部プレート２６の間の隙間にはＯリング２９が嵌め込まれて、作動油の漏洩を防いでいる（図３参照）。
【００２８】
なお、上サポートプレート２０と上部プレート２１の水平断面積は、下サポートプレート２５と下部プレート２６の水平断面積より大きくなるように設定されるとともに、それぞれ、上部凹所７及び下部凹所８に収まるような寸法が選ばれる。
【００２９】
さて、図２および図３に示すように、上部ダイアフラム５および下部ダイアフラム６は、水平面において円環状をなす外縁部５a、６aと内縁部５b、６bと、外縁部５a、６aと内縁部５b、６bをつなぐ筒状部５ｃ、６ｃからなる。筒状部５ｃ、６ｃは、側断面図においてＵ字型の断面形をなしている。つまり、筒状部５ｃの断面形は外縁部５aの内周端から上部フランジ９の内側面に沿って上方に向かい、途中で反転して上部プレート２１の外側面に沿って下方に向かって延び、内縁部５bに続いている。同様に、筒状部６ｃの断面形は外縁部６aの内周端から下部フランジ１１の内側面に沿って下方に向かい、途中で反転して下部プレート２６の外側面に沿って上方に向かって延び、内縁部６bに続いている。
【００３０】
なお、上部ダイアフラム５および下部ダイアフラム６の素材は柔軟な合成ゴム、あるいは合成ゴムを布地で補強したものであり、上下方向に自在に伸縮する。
【００３１】
図４は、油圧アクチュエータ１の動作を説明する説明図であり、図４（ａ）は油圧を掛けていない状態、つまりスピンドル３が最低位置に下降した状態を、図４（ｂ）は油圧を掛けて、スピンドル３が上昇し始めた状態を、図４（ｃ）はスピンドル３が更に上昇して最高位置に達した状態を、それぞれ示している。
【００３２】
図４（ａ）に示すように、油圧が掛かっていない状態では、スピンドル３は自重で最低位置に下降して、上サポートプレート２０が上部凹所７の底面に当接する。この状態で、カップラ１３に図示しない油圧ホースを繋いで、油圧アクチュエータ１の中に作動油を導入すると、上サポートプレート２０と下サポートプレート２５には等しい圧力を受けるが、上サポートプレート２０の水平断面積（つまり受圧面積）が下サポートプレート２５の水平断面積より大きいので、スピンドル３には上向きの推力が加わる。そのため、図４（ｂ）に示すようにスピンドル３は上昇を始める。更に、油圧が加わると、図４（ｃ）に示すように、スピンドル３が更に上昇して、最高位置に達し、下サポートプレート２５が下部凹所８の底面に当接して停止する。
【００３３】
図５は、油圧アクチュエータ１の用途を説明する図であり、蒸気タービンプラント等に備える安全弁の操作力を試験する装置に油圧アクチュエータ１を使用する例を示している。図５において、油圧アクチュエータ１は油圧ホース３１を介して油圧ポンプ３２に接続され、油圧ホース３１と油圧ポンプ３２の間にはＴピース３３が取り付けられ、Ｔピース３３には圧力計３４が接続されている。また、油圧アクチュエータ１はスペーサー３５を介して安全弁３６に固定され、油圧アクチュエータ１のスピンドル３はターンバックル３７を介して安全弁３６の弁棒３８に連結されている。
【００３４】
この状態で、油圧ポンプ３２を作動させて、油圧アクチュエータ１に与える油圧を徐々に高めていくと、弁棒３８が動き出す。弁棒３８が動き出した時に圧力計３４を読んで、
その値から油圧アクチュエータ１の推力を算出すれば、弁棒３８がどれほどの力で動き出すか、つまり、安全弁３６が規定の操作力で動作するかどうかを確かめることができる。
【００３５】
表１は、油圧アクチュエータ１に与える油圧Ｐ（ＭＰａ）と油圧アクチュエータ１で発生する推力Ｔ（ｋＮ）の関係をまとめた表である。なお、推力Ｔと油圧Ｐの比（Ｔ／Ｐ）は油圧アクチュエータ１のピストンの見かけ上の受圧面積に相当する。また、「指数」とはＴ／Ｐの値をＰ＝３．０（ＭＰａ）の時のＴ／Ｐ８．８７（ｃｍ２）を１．０００とする指数で表示するものである。
【００３６】
【表１】
0005138346.tif 000002
【００３７】
油圧アクチュエータ１は前述のような用途に用いられるので、推力Ｔと油圧Ｐの間に高い線形性があることが望ましいが、表１から明らかなように、油圧アクチュエータ１のＴ／Ｐの値は油圧Ｐの全範囲においてばらつきが非常に小さく、推力Ｔと油圧Ｐの間に高い線形性があることが理解できる。
【００３８】
ここで、参考のために従来の油圧アクチュエータ（ピストンとシリンダの間をＯリングでシールしたもの）の油圧Ｐ（ＭＰａ）と推力Ｔ（ｋＮ）の関係を表２に示す。表１と表２を比較すると、油圧アクチュエータ１のＴ／Ｐの値のばらつきが、従来の油圧アクチュエータに較べて小さい（推力Ｔと油圧Ｐの間に高い線形性がある）ことが、更にはっきりする。
【００３９】
【表２】
0005138346.tif 000003
【００４０】
以上説明したように、本発明の液圧アクチュエータはスピンドルとケーシングの間の隙間をダイアフラムで密封するとともに、スピンドルをダイアフラムで支持しているので、スピンドルとケーシングの間に摺動部が全くない。そのため、本発明の液圧アクチュエータは、スピンドルとケーシングの間の潤滑状態の変動などに起因する不安定現象が発生しないので、液圧と推力の間の線形性が良好になる。
【００４１】
また、上部フランジと下部フランジをそれぞれ別のボルトでケーシングに固定しているので、上部フランジと下部フランジを個別に取り外すことができる。そのため、上部ダイアフラムと下部ダイアフラムの一方をケーシングに固定したまま、他方を上部フランジと下部フランジを前記ダイアフラムで密封するとともに、ピストンをケーシングから取り外せるので、ダイアフラムの修理交換が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る油圧アクチュエータの構造を示す側断面図である。
【図２】図１の部分拡大図であり、油圧アクチュエータの上方を示す図である。
【図３】図１の部分拡大図であり、油圧アクチュエータの下方を示す図である。
【図４】本発明に係る油圧アクチュエータの動作を説明する説明図である。
【図５】本発明の油圧アクチュエータの用途を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  油圧アクチュエータ
２  ケーシング
３  スピンドル
４  貫通穴
５  上部ダイアフラム
６  下部ダイアフラム
７  上部凹所
８  下部凹所
９  上部フランジ
１０  ボルト
１１  下部フランジ
１２  ボルト
１３  カップラ
１４  エア抜き弁
１５  大径部
１６  上部小径部
１７  下部小径部
１８  スプリングピン
１９  中心軸
２０  上サポートプレート
２１  上部プレート
２２  上部ナット
２３，２４  Ｏリング
２５  下サポートプレート
２６  下部プレート
２７  下部ナット
２８，２９  Ｏリング
３１  油圧ホース
３２  油圧ポンプ
３３  Ｔピース
３４  圧力計
３５  スペーサー
３６  安全弁
３７  ターンバックル
３８  弁棒
【図１】
0005138346.tif 000004
【図２】
0005138346.tif 000005
【図３】
0005138346.tif 000006
【図４】
0005138346.tif 000007
【図５】
0005138346.tif 000008