(57)【要約】【課題】本発明は、複合動作を高負荷で精度よく行うことができる流体作動装置を提供することを目的とする。【解決手段】流体作動装置は、内部に作動流体を導入する流路が形成されたシリンダ部１と、シリンダ部１の内部に収容されるとともに出力ロッド３を有するピストン部２とを備え、ピストン部２の両側に形成された圧力室１４及び１６に作動流体を導入してピストン部２を軸方向に移動させて出力ロッド３の直動動作を行う。また、ピストン部２には、内部に作動流体を導入する流路に連通する回動空間２４及び２５が形成されており、回動空間２４及び２５には、出力ロッド３と接続された回動部材２１が収容されている。回動空間２４及び２５に作動流体を導入して回動部材２１を回動させて出力軸ロッド３の回動動作を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に作動流体を導入する流路が形成されたシリンダ部と、前記シリンダ部の内部に収容されるとともに出力軸を有するピストン部とを備え、作動流体により前記ピストン部を軸方向に移動させて前記出力軸の直動動作を行う流体作動装置において、前記ピストン部は、内部に作動流体を導入する流路及び当該流路に連通する回動空間が形成されており、前記回動空間には、前記出力軸と接続された回動部材が収容されており、前記回動空間に導入された作動流体により前記回動部材が回動して前記出力軸の回動動作を行う流体作動装置。
【請求項２】
前記ピストン部は、周方向に回動可能に取り付けられるとともに内部に前記回動部材を収容して前記回動空間を画定する内筒部材を備えており、前記内筒部材は、前記シリンダ部の内周面に軸方向にのみ摺動可能に保持されている請求項１に記載の流体作動装置。
【請求項３】
前記回動部材は、軸部分から径方向に立設する作動部分を備えており、前記作動部分は、先端部が周方向に幅広く形成されて前記内筒部材の内周面に密着している請求項２に記載の流体作動装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の流体作動装置を備えた多軸負荷試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧油、圧縮空気等の作動流体の流体エネルギーにより出力部材の回動動作及び往復動作を行う流体作動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧油、圧縮空気等の流体エネルギーにより作動する流体作動装置は、高出力を必要とする土木機械、建設機械、農業機械等の駆動装置として用いられている。また、生産機械、試験機械においても荷重を印加する装置として使用されており、様々な分野で実用化されている。
【０００３】
流体作動装置としては、シリンダ内にピストンを配置し、ピストンを流体圧により作動させる形式のものが実用化されている。ピストンに出力ロッドを取り付けておけば、シリンダ内をピストンが流体圧により往復運動するのに伴い出力ロッドが作動するようになり、流体エネルギーを出力ロッドの動きにより機械的な動力に変換して出力することができる。
【０００４】
こうした形式の流体作動装置では、出力ロッドの往復運動による直動動作以外に出力ロッドを軸回りに回動させる回動動作を行うようにしたものが提案されている。例えば、特許文献１では、シリンダ内のピストンを油圧によって直進動作させるとともに、ピストン及びロッド内に収容されたトルクモータ軸を油圧により回動させてアクチュエータを動作させる機構が記載されている。また、特許文献２では、シリンダ内のピストンを油圧により直進動作させるとともに、ピストンに取り付けたピストンシャフトの周囲に回転駆動体及び伸延シャフトを設けて油圧により伸延シャフトを回転させるようにした駆動体が記載されている。また、特許文献３では、ロータリシャフト内に直動部シリンダを形成してシリンダ内に挿入したピストン軸を油圧により作動させるようにしたアクチュエータが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭４９−２１９３６号公報
【特許文献２】特公昭５０−８１４０号公報
【特許文献３】特開昭５９−１５９４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献では、油圧により作動させる出力側部材について直進及び回動動作を行っているものの、こうした複合動作を高負荷で精度よく行うことは困難である。例えば、特許文献１では、出力ロッド内に収容されたトルクモータ軸を回動させるようにしており、出力ロッド自体は回動することはない。そのため、軸荷重及びねじり荷重を印加する負荷試験装置のように、出力ロッドを複合動作させることはできず、高負荷で精度のよい動作制御は難しい。同様に、特許文献２についても、ピストンシャフトではなく伸延シャフトを回動させるようにしており、ピストンシャフトを複合動作させていない。また、特許文献３についても、ロータリシャフト内に挿入したピストン軸を直進動作させるようにしており、ロータリシャフトを複合動作させていない。したがって、出力側部材が直進動作及び回動動作をそれぞれ別部材が行うように構成されているため、高負荷で精度よく動作を行うことに難点がある。
【０００７】
そこで、本発明は、複合動作を高負荷で精度よく行うことができる流体作動装置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】
【０００８】
本発明に係る流体作動装置は、内部に作動流体を導入する流路が形成されたシリンダ部と、前記シリンダ部の内部に収容されるとともに出力軸を有するピストン部とを備え、作動流体により前記ピストン部を軸方向に移動させて前記出力軸の直動動作を行う流体作動装置において、前記ピストン部は、内部に作動流体を導入する流路及び当該流路に連通する回動空間が形成されており、前記回動空間には、前記出力軸と接続された回動部材が収容されており、前記回動空間に導入された作動流体により前記回動部材が回動して前記出力軸の回動動作を行う。さらに、前記ピストン部は、周方向に回動可能に取り付けられるとともに内部に前記回動部材を収容して前記回動空間を画定する内筒部材を備えており、前記内筒部材は、前記シリンダ部の内周面に軸方向にのみ摺動可能に保持されている。さらに、前記回動部材は、軸部分から径方向に立設する作動部分を備えており、前記作動部分は、先端部が周方向に幅広く形成されて前記内筒部材の内周面に密着している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、上記のような構成を有することで、複合動作を高負荷で精度よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施形態に関する概略断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】本実施形態の内部構造を示す概略斜視図である。
【図５】本実施形態を用いた多軸負荷試験装置に関する概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態に関する軸方向に沿って切断した概略断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。本実施形態である流体作動装置は、シリンダ部１の内部にピストン部２が摺動可能に収容されている。ピストン部２の一方の側には、軸方向に沿って出力軸である出力ロッド３が接続固定されており、ピストン部２の他方の側には、軸方向に沿って取付ロッド４が接続固定されている。
【００１２】
シリンダ部１は、円筒状の外筒部材５の両側に板状の軸受部材６及び７が密着固定されている。軸受部材６に形成された軸孔８には、出力ロッド３が挿入されて摺動及び回動可能に保持されており、軸受部材７に形成された軸孔９には、取付ロッド４が挿入されて摺動及び回動可能に保持されている。軸孔８及び９の内周面には、リング状のシール部材が取り付けられており、作動流体が漏出しないようになっている。
【００１３】
シリンダ部１の本体の外周面には、作動流体を流通させるマニホールド１０が取り付けられており、マニホールド１０の内部には、作動流体が流通する複数の流路１１及び１２が形成されている。流路１１は、軸受部材６側に向かって形成されており、外筒部材５に形成された連通路１３に接続し、軸受部材６とピストン部２との間に形成された圧力室１４と連通している。流路１２は、軸受部材７側に向かって形成されており、外筒部材５に形成された連通路１５に接続し、軸受部材７とピストン部２との間に形成された圧力室１６と連通している。
【００１４】
図１において、流路１１に作動流体を流通させて圧力室１４に作動流体を流入させていけば、ピストン部２はシリンダ部１内を右側に移動していき、出力ロッド３は、シリンダ部１内に引き込まれるように後退動作を行うようになる。流路１２に作動流体を流通させて圧力室１６に作動流体を流入させていけば、ピストン部２はシリンダ部１内を左側に移動していき、出力ロッド３は、シリンダ部１から突き出すように前進動作を行うようになる。
【００１５】
したがって、流路１１及び１２に流通する作動流体の量を調整することで、出力ロッド３のシリンダ部１から突出する長さを所定の長さに設定することができる。
【００１６】
ピストン部２は、出力ロッド３が接続固定された接続部分１７、外周面のほぼ中央部分において軸方向に所定の幅で形成された小径の段差部分１８及び取付ロッド４が接続された接続部分１９を備えている。段差部分１８の外周面には、円筒状の内筒部材２０が密着するように嵌合して回動可能に取り付けられており、段差部分１８と内筒部材２０との間には作動流体が漏出しないようにＯリング等の部材が配置されている。内筒部材２０の外周面は、接続部分１７及び１９の外周面と面一となるように形成されており、図２及び図３に示すように、軸方向に沿って一対の係合溝２０ａが全幅にわたって形成されている。一対の係合溝２０ａは、内筒部材２０の中心軸に対して対称となる位置に設定されており、外筒部材５の内周面から突出するように設けられた係合部材５ａが嵌合している。外周面側に嵌め込まれた取付部材５ｃと係合部材５ａとの間に配設された圧縮バネ５ｂにより、係合部材５ａは、常時係合溝２０ａと嵌合するように付勢されている。
【００１７】
内筒部材２０は、係合溝２０ａが係合部材５ａに係合されているので、軸方向に摺動可能であるが、周方向には回動しないように設定されている。また、内筒部材２０は、圧縮バネ５ｂにより両側から押圧された状態となっているので、内筒部材２０の中心軸が外筒部材５の中心軸と一致するように調整されるようになっている。
【００１８】
内筒部材２０の内部には、回動部材２１が収容されている。回動部材２１は、両側の段差部１８と接続固定されており、一体に回動可能となっている。回動部材２１は、ピストン部２の中心軸と一致する小径の軸部分２１ａ及び軸部分２１ａから径方向に一対の作動部分２１ｂが互いに反対側に立設されている。内筒部材２０の内周面には、軸方向に沿って突条部２０ｂが互いに対向する位置に中心に向かって突設されており、突条部分２０ｂの先端面は軸方向に沿うように形成されている。突条部分２０ｂの先端部には、帯状のシール部材２０ｃが埋設されており、シール部材２０ｃの側端が軸部分２１ａの外周面に密接している。
【００１９】
そのため、内筒部材２０の内周面と軸部分２１ａとの間の環状空間が突条部分２０ｂにより２つの回動空間２４及び２５に画定されている。そして、各回動空間には、作動部分２１ｂが１つずつ収容されており、作動部分２１ｂの先端部分が周方向に幅広く形成されて内筒部材２０の内周面に密着されている。そのため、回動部材２１は、作動部分２１ｂが突条部２０ｂに当接するまで各回動空間内を周方向に回動する角度範囲だけ回動可能となる。
【００２０】
取付ロッド４の内部には、軸方向に沿って一対の流路２２及び２３が形成されている。流路２２は、ピストン部２の接続部分１９の内部において２つの分岐流路２２ａ及び２２ｂが形成されており、図２に示すように、分岐流路２２ａは回動空間２４に連通し、分岐流路２２ｂは回動空間２５に連通している。流路２３は、ピストン部２の接続部分１９の内部において２つの分岐流路２３ａ及び２３ｂが形成されており、図２に示すように、分岐流路２３ａは回動空間２４に連通し、分岐流路２３ｂは回動空間２５に連通している。そして、分岐流路２２ａ及び２３ａは、回動空間２４に配置された作動部分２１ｂの両側近傍に開口し、分岐流路２２ｂ及び２３ｂは、回動空間２５に配置された作動部分２１ｂの両側近傍に開口している。
【００２１】
図２に示すように、分岐流路２２ａは回動空間２４において作動部分２１ｂの左側に配置し、分岐流路２２ｂは回動空間２５において作動部分２１ｂの右側に配置しているので、流路２２に作動流体を流通すれば、回動空間２４の左側及び回動空間２５の右側に作動流体が流入していき、回動部材２１は内筒部材２０に対して時計回りに回動するようになる。また、分岐流路２３ａは回動空間２４において作動部分２１ｂの右側に配置し、分岐流路２３ｂは回動空間２５において作動部分２１ｂの左側に配置しているので、流路２３に作動流体を流通すれば、回動空間２４の右側及び回動空間２５の左側に作動流体が流入していき、回動部材２１は内筒部材２０に対して反時計回りに回動するようになる。
【００２２】
したがって、流路２２及び２３に流通する作動流体の量を調整することで、回動部材２１を所定の回動角度に設定することができる。また、出力ロッド３及び取付ロッド４は、回動部材２１に接続されて一体化しているので、回動部材２１とともに回動動作を行うようになる。
【００２３】
また、作動部分２１ｂの先端部分を周方向に幅広くなるように形成することで、内筒部材２０の内周面との間の密着面積を広くして各回動空間内に充満した作動流体の漏出を防止している。また、軸部分２１ａと突条部２０ｂとの間にシール部材２０ｃが密着しているので、内筒部材２０及び回動部材２１により画定される２つの回動空間２４及び２５の間の作動流体の漏出を防止している。そして、シール部材２０ｃの軸部分２１ａに対する密着位置は、圧縮バネ５ｂの付勢方向の延長線上に一致するように設定されているので、安定した密着状態となる。このように、各回動空間における作動流体の漏出を防止することで、回動部材２１の回動動作を確実に行うことができる。
【００２４】
図４は、本実施形態の内部構造を示す概略斜視図である。図４では、内部構造を理解しやすくするため、外筒部材５及び内筒部材２０の一部を切り欠いて示している。流路１３及び１５から作動流体をそれぞれ圧力室１４及び１６に導入してピストン部２を軸方向に移動させることで、出力ロッド３を軸方向に進退させる直動動作を行うとともに、流路２２及び２３から作動流体をそれぞれ各回動空間に導入して出力ロッド３を軸回りに所定角度回動させる回動動作を行うことができ、回動動作及び直動動作を組み合せた複合動作をスムーズに行うことが可能となる。
【００２５】
上述したように、ピストン部２の内部に出力ロッド３の回動機構を内蔵しているので、従来技術のように回動機構を直動機構に外付けしている場合に比べてコンパクトな構成にすることができる。また、ピストン部２の両側にほぼ同じ容積の圧力室を形成することができるので、出力ロッド３による軸方向の圧縮荷重及び引張荷重を高負荷で精度よく切り換えて印加することが可能となる。また、ピストン部２の内部に回動部材２１を収容して回動部材２１と出力ロッド３とを直接接続して回動させるようにしており、出力ロッド３に対して高精度で所定の回動動作を行わせることができる。そして、回動部材２１による回動動作をピストン部２の直動動作と独立して行うことができるので、高負荷で精度のよい回動動作を行うことが可能となる。
【００２６】
以上説明した例では、内筒部材２０の内部に収容した回動部材２１に作動部分２１ｂを２つ設けているが、１つの作動部分２１ｂだけでも回動させることができる。その場合には、図２に示す回動空間２５を中実した状態とした内筒部材２０を用いればよく、回動空間２４に１つの作動部分２１ｂを収容して回動動作を行うようにする。
【００２７】
図５は、本実施形態である流体作動装置を用いた多軸負荷試験装置に関する概略構成図である。多軸負荷試験装置は、基台１０１の上面に支持フレーム１０２が立設されており、支持フレーム１０２に上部取付台１０３及び下部取付台１０４が支持されている。上部取付台１０３及び下部取付台１０４のほぼ中間には圧力容器部１０５が支持フレーム１０２に支持固定されている。筒状に形成された供試体２００は、圧力容器部１０５の収容孔１０５ａ内に設置されており、収容孔１０５ａ内には作動油が供給されて供試体２００の周囲を作動油で満たした状態となっている。
【００２８】
上部取付台１０３の上面には、軸荷重を印加するための軸圧印加部１０６が支持固定されており、軸圧印加部１０６の上部には内圧印加部１０７が設けられている。軸圧印加部１０６は、シリンダ部１０６ａ内に収容されたピストン部１０６ｂを油圧により上下動させることで、ピストン部１０６ｂの軸方向に接続された作動体１０６ｃを進退動作させる。作動体１０６ｃの下面には供試体２００の上面が接続固定されており、作動体１０６ｃの進退移動により供試体２００に対して軸方向の荷重を印加するようになっている。
【００２９】
内圧印加部１０７は、シリンダ部１０７ａ内に収容されたピストン部１０７ｂの内部に形成された油貯留部１０７ｃ内にピストン部１０６ｂと連動する連結体１０７ｄの先端部が挿入された状態に設定されている。そして、ピストン部１０７ｂの上下動により連結体１０７ｄの先端部が油貯留部１０７ｃ内に進退移動することで、油貯留部１０７ｃ内の作動油の圧力が変動し、油貯留部１０７ｃから連結体１０７ｄ及び作動体１０６ｃの内部に形成された連通路を介して連通する供試体２００の内部空間２００ａの内圧を変動させるようになっている。
【００３０】
下部取付台１０４には、本実施形態である流体作動装置１０８が取り付けられており、流体作動装置１０８の出力ロッド１０８ａは、供試体２００の下面を支持固定する当接体１１０及び接続体１０９を介して供試体２００の下部に接続固定されている。そのため、出力ロッド１０８ａの上昇により供試体２００を押し上げることで、収容孔１０５ａ内の作動油の圧力を高めて供試体２００の外周面に外圧を作用させるようになっている。また、出力ロッド１０８ａを回動させることで、供試体２００の上部が固定されて下部が回動するようになり、ねじり荷重を印加するようになる。
【００３１】
したがって、上述した多軸負荷試験装置では、軸方向の荷重（圧縮荷重及び引張荷重）、内外圧荷重及びねじり荷重を組み合せた多軸の負荷状態を設定することができる。各荷重の測定については、上部取付台１０３に取り付けた軸方向の荷重を測定するロードセル等の軸圧検知センサＳ１、収容孔１０５ａに連通する流路に取り付けた圧力計等の外圧検知センサＳ２、作動体１０６ｃの内部の連通路から分岐した流路に取り付けた圧力計等の内圧検知センサＳ３、及び、接続体１０９に設けられたロードセル等のねじり検知センサＳ４を備えており、各検知センサからの検知信号に基づいて各荷重の印加状態をフィードバック制御により調整することで、高精度で安定した負荷試験を行うことができる。また、流体作動装置１０８により外圧荷重及びねじり荷重をそれぞれ独立して印加することができるので、外圧荷重及びねじり荷重に関しても高負荷で精度のよい負荷試験を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、上述した負荷試験装置以外にも、高出力を必要とする生産機械、土木機械、建設機械、農業機械等の駆動装置としても好適であり、特に、ロボットアームのように高精度で安定した動作が必要な駆動機構に用いることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・シリンダ部、２・・・ピストン部、３・・・出力ロッド、４・・・取付ロッド、５・・・外筒部材、６・・・軸受部材、７・・・軸受部材、８・・・軸孔、９・・・軸孔、１０・・・マニホールド、１１・・・流路、１２・・・流路、１３・・・連通路、１４・・・圧力室、１５・・・連通路、１６・・・圧力室、１７・・・接続部、１８・・・段差部、１９・・・接続部、２０・・・内筒部材、２１・・・回動部材、２２・・・流路、２３・・・流路、２４・・・回動空間、２５・・・回動空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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