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1. WO2020158352 - UNITÉ DE SERVOVALVE, ET APPAREIL

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明 細 書

発明の名称 サーボ弁ユニット及び機器

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015  

先行技術文献

特許文献

0016  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0017   0018  

課題を解決するための手段

0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026  

図面の簡単な説明

0027  

発明を実施するための形態

0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065  

符号の説明

0066  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13  

明 細 書

発明の名称 : サーボ弁ユニット及び機器

技術分野

[0001]
 本発明は、サーボ弁ユニットに関し、特に、人型ロボット等に使用される空圧シリンダ駆動用のサーボ弁ユニット及びこれを用いた機器に関する。

背景技術

[0002]
 多くの大企業や有能な研究者が少なくとも50年以上に渡ってロボットの研究を行ってきたが、災害現場や介護現場、家庭等で実際に人間の代わりに作業できる実用的な人型ロボットは未だに実現されていない。
[0003]
[人型ロボット実現の条件]
 人型ロボットを実現するには、関節数に応じた多数のアクチュエータとその関連部品を人間と同程度の重量で設計するとともに、人間と同程度の体積に収容することが必要であり、しかも、個々のアクチュエータには、作業に応じた強力なパワーが求められる。
[0004]
[アクチュエータの方式]
 アクチュエータの方式は、電気、油圧、空圧の三種類であるが、以下に述べる理由から、いずれの方式においても上記の条件を満たすアクチュエータは実現されていない。
[0005]
[電気サーボモーター制御技術]
 最も進化した制御技術であり、産業界で広く使用されている。電気サーボモーターを用いた人型ロボットも多くの研究者が開発を行っており、AI等を駆使することで、人に近いパフォーマンスを行うロボットも開発されている。その一方、モーターや減速器が非常に重いため、アクチュエータ単位体積あたりのパワーが小さい。パワーを大きくしようとするとアクチュエータが更に大きく重くなり、その効果を相殺してしまう。パワーを出すため、小型のアクチュエータに大電流を流すと、発熱量が増加して破損を生じる。これを防ぐには、冷却が必要となり、結局重量・体積が増加してしまう。このように重量と体積の問題のみを考えても、電気サーボモーターを多用する人型ロボットは実現不可能である。その上、動作制御にはサーボアンプが必要であり、過負荷、反力が掛かったときの破損防止のためにトルク検出や保護回路が必要であり、構造が複雑化し、高額になる問題がある。
[0006]
[油圧サーボ制御技術]
 電気サーボモーター制御技術と同様に産業界で広く使用されており、工作機械や産業用機械に欠かせない技術である。最大の利点は、アクチュエータ単位体積あたりのパワーが大きいことである。制御機器も豊富で、油圧のサーボ技術も高度に進化している。その一方、人型ロボットへの適用の観点では、油圧源を搭載しなくてはならないことが最大の欠点である。油圧源はモーターやエンジンで駆動するため、重量・体積が非常に大きくなる。サーボアンプも必要である。従って、油圧駆動方式で人型ロボットを実現するのは非常に難しい。また、油圧は圧縮性に乏しく過負荷により周囲の物や人に被害を及ぼす危険や油漏れで周りを汚す可能性もあり、対人用途の利用は困難である。
[0007]
[空圧サーボ制御技術]
 空圧シリンダ(空圧式アクチュエータ)は、主要部品にアルミを採用できるために軽量化が可能であり、単位体積あたりのパワーが大きい利点があり、様々な分野で駆動源として広く利用されている。しかし、空圧シリンダのサーボ制御は非常に難しい技術である。サーボの目的はピストン位置及び/又は速度の制御であるが、基本的に空圧シリンダの駆動には圧縮性と摩擦が伴うため、電気や油圧方式と比較すると、正確な制御は難しい。
[0008]
 図11に従来の空圧サーボ制御のブロック図を示す。このブロック図は電気サーボ、油圧サーボにおいても基本的に同じである。ここで、位置センサーの出力信号はデジタルでもアナログでも良い。通常、指令信号はデジタル信号が一般的であろう。
[0009]
 空圧サーボアンプは一般的に、指令信号と位置センサー情報の差を検出し、最適制御であるPID等のデジタル演算処理に基づいて空圧サーボ弁を制御する。しかし、現在通常入手可能な空圧サーボ弁はアナログ方式に限られている。現在利用可能な空圧サーボ弁としては、スプール式サーボ弁(特許文献1)とフラッパ式サーボ弁(特許文献2)が主であるが、いずれもアナログ式である。
[0010]
 図12は、特許文献1のスプール式サーボ弁であり、供給流路40,排気ポート42及び負荷流路44を有するスリーブ16と3つのランド部20,22,24を有するスプール14を備え、ソレノイド式のリニアモーター50によりスプール14がX方向に駆動される。ランド22を負荷流路44と一致させた状態から+X方向に移動させると空圧源Psから空圧シリンダ(不図示)に空気Paが供給され、-X方向に移動させると空圧シリンダから空気が排気され、ランド22を負荷流路44と一致させると、給排気は停止する。空圧シリンダの位置又は速度は、ランド22の移動による負荷流路44の開度により調整される。
[0011]
 図13は、特許文献2のフラッパ式サーボ弁であり、ソレノイド式のリニアモーター14によるフラッパ22のX方向移動により排気ポート32が開閉され、排気ポート32の開度に応じて減圧された背圧Paを空圧シリンダ2に供給することで可動体6が位置制御される。
[0012]
 いずれのサーボ弁も、ソレノイドによってスプール14又はフラッパ22を制御することで弁開度を調整するアナログ方式であり、サーボアンプが必須である。また、弁開度を精密に制御しなければならないため、非常に高度な加工技術と制御技術が要求される。さらに、いずれのサーボ弁も、摩擦軽減等のために空気をブリードさせながら動作させる必要があることから、サーボ弁の数が増えると圧縮空気の使用量が膨大となる。人型ロボットなどの一定以上の精度で位置制御が要求される分野でこれまで空圧シリンダが殆ど検討されてこなかったのは、これらが理由と思われる。
[0013]
 上記した電気サーボと油圧サーボの欠点は根源的なものであり、どんなに努力しても避けられない原理的なものである。精密制御の容易性等から、今後も電気サーボ制御を使用した人型ロボットが検討され続けるであろうが、莫大な予算と大勢の人材を投入しても、実現は不可能であると本発明者は考えている。電気サーボの場合は、まずコイルの作用で磁力に変換した後、磁力と磁力の反発によってモーターを回転させる。この時、流れている電流値そのものが出力パワーの源泉である。電流が流れると発熱して一部が熱エネルギーとなり、更に高速で回転させた回転エネルギーを再び減速するのであるが、そのため力を出そうとして減速すればするほど加速度的にエネルギー効率が落ちる。発熱でパワーを落とし、更に減速すればするほど利用できるエネルギーは減っていくのである。
[0014]
 人工筋肉と呼び得るハイパワーのアクチュエータが開発されれば、新しい展開があると考える。人間の筋肉が現に存在するのだから、同等のものをやがて人工的に造ることができるようになるはずである。しかし、そのようなアクチュエータが存在しない現状では、空圧サーボ制御方式が人型ロボット実現のための唯一の選択肢であると本発明者は考えている。
[0015]
 圧縮空気は、電気モーターで圧縮機を一定時間回転させて造られる。この時、電気モーターと圧縮機の大きさとパワーの上限に制限は無い。つまり圧縮空気は高密度のエネルギーそのものであり、シリンダの駆動に対して直接作用する。それ故、体積・重量を増加させることなく人型ロボットに必要なパワーを発生させることが可能なのである。空圧方式の欠点は上述の通りであるが、いずれも、根元的なものではない。空圧サーボにおいて圧縮性は避けられないが、シリンダの摩擦は設計次第で極限まで下げられる。また、人型ロボットにおいて、工作機械や産業用機械のような正確な制御は必要ない。何故なら、人間はそのような正確な動きを全くしていないからである。従来の空圧サーボ弁において、サーボアンプや極めて高度な加工技術が必要であったのは、アナログ式で空圧を制御する方式だからである。

先行技術文献

特許文献

[0016]
特許文献1 : 特開2007-187296号公報
特許文献2 : 特開2006-057719号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0017]
 本発明者は、上記考察に基づき、上記した空圧サーボ制御技術の欠点のすべて、あるいは、少なくとも重大な欠点を解決したサーボ弁ユニットを実現するために鋭意開発を行い、本願発明を完成するに至った。
[0018]
 本発明は、サーボアンプを用いずに空圧シリンダの位置制御が可能であり、及び/又は、加工精度への要求が緩和され、及び/又は、空気のブリードが不要なサーボ弁ユニットを提供すること、及び/又は、大きなパワーで空圧シリンダを駆動できる小型・軽量のサーボ弁ユニットを提供することを目的とする。これらの目的を達成することにより、上記[人型ロボット実現の条件]で述べた条件の達成が可能になる。

課題を解決するための手段

[0019]
 本願には、
 空圧アクチュエータを駆動するためのサーボ弁ユニットであって、
 第1端部及び第2端部を有するユニットボディと、
 第1弁部と、
 第2弁部と、
 前記第1弁部を開閉する第1シール部材と、
 前記第2弁部を開閉する第2シール部材と、
 第1電気パルスにより前記第1シール部材を駆動する第1駆動機構と、
 第2電気パルスにより前記第2シール部材を駆動する第2駆動機構と、
 前記第1端部と前記第1弁部の間で延在する供給流路と、
 前記第2端部と前記第2弁部の間で延在する排気流路と、
 前記第1弁部及び前記第2弁部を介して前記供給流路及び前記排気流路に接続された共通流路と、
 前記空圧アクチュエータに接続される駆動流路を有し、
 前記第1駆動機構及び第2駆動機構は、前記第1端部と前記第2端部の間に位置する駆動機構配置部に配置され、
 前記駆動流路は、
 前記駆動機構配置部と前記第1端部の間に位置する分岐部で前記共通流路から分岐して前記第1端部まで延在し、又は、
 前記駆動機構配置部と前記第2端部の間に位置する分岐部で前記共通流路から分岐して前記第2端部まで延在する、サーボ弁ユニットが開示される。
[0020]
 好ましい態様では、前記分岐部は、前記駆動機構配置部と前記第1端部の間に位置し、前記供給流路と前記駆動流路は、前記第1端部において前記ユニットボディの軸方向に延在する。
[0021]
 本願にはさらに、
 軸方向に配列された複数のボディパーツで構成されユニットボディであって、
 第1弁部、
 第2弁部、
 前記第1弁部を開閉する第1シール部材、
 前記第2弁部を開閉する第2シール部材、
 第1電気パルスにより前記第1シール部材を前記軸方向に駆動する第1駆動機構、
 第2電気パルスにより前記第2シール部材を前記軸方向に駆動する第2駆動機構、
 前記ユニットボディの一端と前記第1弁部の間で前記軸方向に延在する供給流路、
 前記ユニットボディの他端と前記第2弁部の間で前記軸方向に延在する排気流路、
 前記第1弁部及び前記第2弁部を介して前記供給流路及び前記排気流路に接続された共通流路、及び、
 前記空圧アクチュエータに接続される駆動流路を
有する前記ユニットボディと、
 前記複数のボディパーツを前記軸方向で締め付ける締付具を有する、空圧アクチュエータを駆動するためのサーボ弁ユニットが開示される。
[0022]
 好ましい態様では、上記各発明において、2つの前記ユニットボディが対向配置され、
 前記2つのユニットボディの前記供給流路が相互に接続され、前記供給流路と、前記2つのユニットボディの2つの前記駆動流路が前記ユニットボディの側面から引き出される。
[0023]
 好ましい態様では、上記各発明において、前記第1電気パルス及び前記第2電気パルスの周波数が100Hz以上である。
[0024]
 好ましい態様では、上記各発明において、前記第1駆動機構及び第2駆動機構がソレノイドを有し、前記第1駆動機構及び第2駆動機構の前記ソレノイドが単一の磁性板部を挟んで隣接配置されている。
[0025]
 本願にはさらに上記のいずれかに記載のサーボ弁ユニットと、前記空圧アクチュエータと、前記空圧アクチュエータにより動作する可動部材を有する機器が開示される。
[0026]
 上記発明では、サーボアンプを用いずに空圧シリンダの位置制御が可能であり、及び/又は、加工精度への要求が緩和され、及び/又は、空気のブリードが不要であり、及び/又は、大きなパワーで空圧シリンダを駆動できるサーボ弁ユニットを実現でき、さらには、サーボ弁ユニットの顕著な小型化及び/又は耐久性能の向上達成できる。

図面の簡単な説明

[0027]
[図1] 図1は、本発明の1実施形態に従うサーボ弁ユニット2及びこれを用いた空圧制御装置1を示す。
[図2] 図2は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2Aを示す。
[図3] 図3は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2Bを示す。
[図4] 図4は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2C及びこれを用いた空圧制御装置1Cを示す。
[図5] 図5は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2Dを示す。
[図6] 図6は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2Eを示す。
[図7] 図7は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2Fを示す。
[図8] 図8は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2Gを示す。
[図9] 図9は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2Hを示す。
[図10] 図10は、例示的なボディーパーツ72~74を示す。
[図11] 図11は、従来の空圧サーボ制御のブロック図を示す。
[図12] 図12は、従来技術のスプール式サーボ弁を示す。
[図13] 図13は、従来技術のフラッパ式サーボ弁を示す。

発明を実施するための形態

[0028]
 図1は、本発明の1実施形態に従うサーボ弁ユニット2及びこれを用いた空圧制御装置1を示す。空圧制御装置1は、サーボ弁ユニット2と、空圧シリンダ40と、コントローラ50を有する。サーボ弁ユニット2は、共通流路11、供給流路12、排気流路13、駆動流路14等の中空空間が形成されたバルブボディ10を有する。ユニットボディ10は、金属やプラスチックからなる複数のパーツの組立体であり得る。
[0029]
 供給流路12の一端は、第1の電気パルスS1に従うパルス式の開閉動作が可能な第1弁部20Rを介して共通流路11に接続されている。他端は、高圧空気Sを供給するためのコンプレッサやボンベ等の高圧空気源に接続するための接続部(ジョイント等)12aを有し得る。接続部12aは、ユニットボディ10の第1端部10aに形成し得る。排気流路13の一端は、第2の電気パルスS2に従うパルス式の開閉動作が可能な第2弁部20Lを介して共通流路11に接続されている。排気流路13の他端は、ユニットボディ10の外壁10bの開口13aを経て外部(例えば、大気圧)に接続する。駆動流路14の一端は、後述の分岐点64で共通流路11に接続されている。駆動流路14の他端は、空圧シリンダ40の一方のシリンダ室41に接続するための接続部(ジョイント等)14aを有し得る。接続部14aは、ユニットボディ10の第1端部10aに形成し得る。図では、共通流路11、供給流路12及び排気流路13は、ユニットボディ10の軸方向Xに延伸し、駆動流路14は、共通流路11の適宜個所から半径方向に引き出されている。
[0030]
 本実施形態の第1弁部20R及び第2弁部20Lは左右対称(線対称)の同一構造を有する。図では、簡略のため、第2弁部20Lの一部部材の符号は省略されている。以下では、第1弁部20R及び第2弁部20Lを区別する必要が無い場合、単に弁部20と言う。本実施形態の弁部20は、供給流路12及び排気流路13の先端に形成されたノズル(弁座)21と、ノズル21の先端(弁座)に当接/離間することで弁部20を開閉するシール部材(弁体)22と、シール部材22と一体に軸方向Xに移動可能な磁性体23と、シール部材22及び磁性体23を軸方向Xに付勢するバネ等の付勢部材24と、ノズル21から軸方向Xに離間して配置された固定磁心25と、固定磁心25を励磁するソレノイド26を有する。磁性体23は、磁性体23の軸方向移動を案内するため、ノズル21の外形に相補的な側壁23aを有するとよい。
[0031]
 ソレノイド26に通電しない状態では、付勢部材24の力でシール部材22がノズル21に当接するので弁部20はOFF(閉じた状態)であり、ソレノイド26に通電すると、固定磁心25の磁力でシール部材22がノズル21から離間して弁部20はON(開いた状態)になる。
[0032]
 第1弁部20Rのシール部材22周囲のノズル空間11aと第2弁部20Lのシール部材22周囲のノズル空間11aの間の空間は、共通流路11により常に接続されている。すなわち、ノズル空間11aと固定磁心25周囲の外周空間11bは、ノズル21側面に形成した軸方向Xの通溝11cを介して接続され、外周空間11bと付勢部材24を収容するバネ空間11dは、径方向の通孔11eで連絡されている。通溝11c及び通孔11eは、ノズル21の周方向に間隔を空けて複数形成し得る。左右の弁部20R,20Lのバネ空間11d同士は、連絡通路11fで接続されている。
[0033]
 図1に示すように、ユニットボディ10は、X方向の両端に位置する第1端部61a及び第2端部61bと、第1端部61aと第2端部61bの間に位置する第1駆動機構配置部62a及び第2駆動機構配置部62bと、第1駆動機構配置部62aと第2駆動機構配置部62bの間に位置する中間部63を有する。
[0034]
 本願では、シール部材22を駆動するための構造、要素、部材(例えば、本実施形態の付勢部材24、固定磁心25及びソレノイド26)を「駆動機構」と呼び、第1弁部20R及び第2弁部20Lの駆動機構をそれぞれ、「第1駆動機構」及び「第2駆動機構」と呼ぶ。ユニットボディ10における第1駆動機構配置部62aから第2駆動機構配置部62bまでの部分(すなわち、第1駆動機構配置部62a、中間部63及び第2駆動機構配置部62bの部分)を「駆動機構配置部」と呼ぶ。本実施形態では、第1駆動機構及び第2駆動機構はそれぞれ第1駆動機構配置部62a及び第2駆動機構配置部62bに配置されている。好ましくは、第1駆動機構配置部62a及び第2駆動機構配置部62bに形成された空間に駆動機構が収容される。
[0035]
 図1に示すように、サーボ弁ユニット2の駆動流路14は、共通流路11上の分岐点64で共通流路11から分岐している。分岐点64は、第1駆動機構収容部62aと第1端部61aの間(又は、第1駆動機構収容部62aとノズル21の先端の間)に位置する。本実施形態の駆動流路14は、分岐点64から第1端面10a(又は、第1端部61a)まで延在する。
[0036]
 本実施形態では、共通流路11は駆動機構収容部をX方向に貫通して延在し、供給流路12及び駆動流路14は第1端部61aをX方向に平行に貫通して平行に延在し、排気流路13は第2端部61bをX方向に貫通して延在している。駆動流路14は、共通流路11の経路上における所定位置(分岐点64)で共通流路11から分岐し、当該分岐点64から第1端部61a(又は第1端面10a)まで延び延在している。分岐点64は、第1端部61a(又は第1端面10a)と第1駆動機構収容部62aの間に位置することが好ましい。追加的に又は代替的に、分岐点64は、共通流路11の経路上における第1弁部20Rのノズル21先端と第1駆動機構収容部62aの間に位置することが好ましい。
[0037]
 他の態様では、分岐点64を第2端部61b(又は第2端面10b)と第2駆動機構収容部62bの間、あるいは、共通流路11の経路上における第2弁部20Lのノズル21先端と第2駆動機構収容部62bの間に配置することが可能である。この場合、駆動流路14は、当該分岐点64から第2端部61b(又は第2端面10b)まで延在することが好ましく、第2端部61b内を排気流路13と駆動流路14がX方向に平行に貫通して延在することが好ましい。
[0038]
 上記した分岐点64の位置や駆動流路14の配置、第1端部61aにおける供給流路12及び駆動流路14の延在方向は、後述のサーボ弁ユニット2A~2Hにおいても同様とすることができる。
[0039]
 以下、サーボ弁ユニット2の左半分及び右半分の部分をサーボ弁素子3A,3Bと称する場合がある。
[0040]
 空圧シリンダ40は、シリンダ室41,42とピストン43とピストン43を付勢するバネ等の付勢手段44を有し、ピストン43の軸方向位置は、位置センサー45により検出可能である。シリンダ室41,42の形状は任意であり、円筒形以外の形状でもよい。コントローラ50は、第1及び第2の電気パルス(DCパルス)S1,S2を発生させる。第1及び第2の電気パルスS1,S2は、ピストン43の位置、所望の速度等に応じた信号であり得る。第1及び第2の電気パルスS1,S2は、ピストン43の位置又は速度に応じたデューティー比を有し得る。コントローラ50は、例えば、コンピュータで構成できる。
[0041]
 電気パルスS1をON・電気パルスS2をOFFにすると、第1弁部20RがON・第2弁部20LがOFFとなり、高圧空気Sが供給流路12から共通流路11及び駆動流路14を経てシリンダ室41に供給され、ピストン43を左方に移動させることができる。電気パルスS1をOFF・電気パルスS2をONにすると、第1弁部20RがOFF・第2弁部20LがONとなり、シリンダ室41の空気が駆動流路14、共通流路11及び排気流路13を経て開口13aから外部に排出され、付勢手段44の力でピストン43が右方に移動する。両方の電気パルスS1,S2をOFFにするとシリンダ室41への給排気は停止状態になる。
[0042]
 このように、電気パルスS1,S2の制御によって弁部20R,20Lをパルス式に開閉することで、空気圧をデジタルで供給し、及び/又は、パルス式にシリンダ室41の給排気を行うことができる。給排気の切換(給気/停止の切換、排気/停止の切換)を高速化することにより、ピストン43の精密・円滑な位置制御が達成される。基本的には、電気パルスS1又はS2のデューティー比を大きくするとピストン43の駆動速度(又は駆動力)が大きくなり、デューティー比を小さくするとピストン43の駆動速度が小さくなる。よって、ピストン43の現在位置と目標位置の差Δdが大きいときにはデューティー比を大きくしてピストン43を高速移動させ、差Δdが小さくなるとデューティー比を小さくしてピストン43を減速させ、デューティー比ゼロ(信号停止)にすることでピストン43を停止させることができる。しかし、迅速な位置決めや追従制御のためには、移動開始は速度が遅く、徐々に加速し、減速して停止する等の制御が必要である。また、ロボットの作業内容等に応じて速度を自在に変化させる制御が必要である。これらの制御では、給排気切換の高速化が必須であり、給排気切換の最大周波数は、100Hz以上、好ましくは300Hz以上、更に好ましくは500Hz以上、特に好ましくは1000Hz以上であることが望ましい。本実施形態のサーボ弁ユニット2では、試作段階で300~500Hzの高速切換を実現しており、サーボ弁ユニット2で駆動される空圧シリンダを内蔵した人型ロボットの腕ユニットの試作機において人間に近い動作を実現できることを確認している。本願発明者は、今後の改良により1000Hzも達成可能と考えている。
[0043]
 上記サーボ弁ユニット2では、駆動機構配置部に分岐点64若しくは駆動流路14を設ける必要がない。駆動機構配置部(特に、中間部63)は、駆動機構の形状や配線引き回し等のため、構造が複雑であるため、そのような構造が複雑な部分に分岐点64や駆動流路14を設けないことにより、駆動機構配置部の加工・組立が容易となり、また、中間部63の寸法(特にX方向の寸法)を小さくすることが可能である。これにより、サーボ弁ユニット2の全体を小型化することができる。また、供給流路12と駆動流路14(あるいは、排気流路13と駆動流路14)が平行であることで、第1端部61a(あるいは、第2端部61b)の形成が容易となる。後述のサーボ弁ユニット2A~2Hにおいて分岐点64の位置や駆動流路14の配置、第1端部61aにおける供給流路12及び駆動流路14の延在方向等をサーボ弁ユニット2と同様とした場合も、サーボ弁ユニット2の場合と同様の効果を達成できる。
[0044]
 サーボ弁ユニット2は、排気音を軽減するための消音板16を更に有し得る。消音板16は、開口13aと重なる位置(開口13aを塞ぐ位置)で第1端部10bの外壁から隙間Gを空けてバルブボディ10に取り付けられる。消音板16は、開口13aより十分に面積が大きく、第1端部10bと平行であることが望ましい。排気流路13は、開口13a側に、断面積の大きい空洞部13bを有し得る。ノズル21から空洞部13bを経て隙間Gの外周に行くに従い排気される空気が徐々に膨張するため、大気解放時の破裂音を効果的に緩和できる。空洞部13bの円周長をL、隙間をG、ノズル21の開口面積をSA1としたとき、L×GがSA1と概略等しいことが望ましい。ノズル21から開口13aに向けて排気流路13の断面積を多段階又は連続的に増加させてもよい。バネ性を有する弾性体16aで消音板16を固定するなどによって排気圧力に応じて隙間Gが増減するようにすれば、更に排気圧力を平準化して消音効果を向上する。上記構成は、100%の消音ではないが、本発明の大きな目的である省スペースを達成しながらかなりの消音効果を達成できる。
[0045]
 図2は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2Aであり、サーボ弁ユニット2と共通の部材は、同一の符号が付され、又は、簡略のため一部符号が省略されている。サーボ弁ユニット2Aは、左右の弁部20Aを除いてサーボ弁ユニット2と同様の構造を有し得る。各弁部20Aは、左右対称の同一構造を有し得る。
[0046]
 弁部20Aでは、弁部20のシール部材22及び磁性体23の代わりに円盤状弾性体22A及び磁性体23Aが使用されている。円盤状弾性体22Aは、外周部分22A1がユニットボディ10に固定され、中央部分がノズル21を閉塞できるシール部材22A2を構成し、その中間に複数の開口22A3が形成されている。開口22A3は、ノズル空間11aと外周空間11bを連絡するためのものである。円盤状弾性体22Aは、ダイアフラムと同様の材料で形成できる。磁性体23Aは、円盤状弾性体22Aと一体に形成されている。
[0047]
 ソレノイド26に通電しない状態では、付勢部材24の力でシール部材22A2がノズル21に当接して弁部20AはOFFになり、ソレノイド26に通電すると、固定磁心25の磁力でシール部材22A2がノズル21から離間して弁部20AはONになる。弁部20Aは、弁部20と同様に確実かつ高速でノズル21を開閉できる。外周部分22A1がユニットボディ10に固定されているため、シール部材22A2の移動を軸方向に限定することができる。
[0048]
 サーボ弁ユニット2Aにおいても、サーボ弁ユニット2と同様の高速開閉動作が可能であり、さらに、円盤状弾性体22Aの使用で弁部20Aの耐久性向上が期待できる。
[0049]
 図3は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2Bを示す。サーボ弁ユニット2Bは、共通流路11Bと、供給流路12Bと、排気流路13Bと、駆動流路14Bと、左右対称の2つの弁部20Bを有する。各弁部20Bは、共通流路11B及び排気流路13Bの先端のノズル21Bと、シール部材22Bと、伸縮部材23Bを有する。
[0050]
 伸縮部材23Bは、印加電圧などによって伸縮する素材である。伸縮部材23Bは圧電素子や導電性樹脂で構成できる。伸縮部材23Bは、軸方向に一定寸法を有する単一片の伸縮素材を使用してもよいが、伸縮素材を複数積層することで伸縮量を大きくできる。
[0051]
 伸縮部材23Bが伸張するとシール部材22Bがノズル21Bに当接して弁部20BはOFFになり、伸縮部材23Bが収縮するとシール部材22Bがノズル21Bから離間して弁部20BはONになる。サーボ弁ユニット2Bにおいても、サーボ弁ユニット2と同様の高速開閉動作を達成できる。
[0052]
 図4は、他の実施形態のサーボ弁ユニット2C及びこれを用いた空圧制御装置1Cを示す。サーボ弁ユニット2Cは、供給流路12同士が対向するように2つのサーボ弁ユニット2R,2Lを配置して単一のユニットボディ10に収容した構造であり、4つのサーボ弁素子3AL,3AR,3BL,3BRで構成される。サーボ弁ユニット2R,2Lは、サーボ弁ユニット2と同様の構成を有するが、2つの供給流路12は中央で連結されてユニットボディ10の側面から引き出されている。駆動流路14は、それぞれバルブボディ10の側面から引き出され、空圧シリンダ40の各シリンダ室に接続される。供給流路12と駆動流路14の接続部12a,14aをバルブボディ10の同一側面及び/又は隣接する位置に設けることが好ましい。
[0053]
 コントローラ50は、空圧シリンダ40のピストン位置、所望のピストン速度等に応じた電気パルスS1,S2を左右のサーボ弁ユニット2R,2Lに印加する。本例では、電気パルスS1がサーボ弁素子3AL及び3BRに印可され、電気パルスS2がサーボ弁素子3BL及び3ARに印可される。これにより、サーボ弁ユニット2R,2Lがサーボ弁ユニット2と同様に動作してピストン43を左右に駆動する。なお、図の配線では、サーボ弁素子3ALとサーボ弁素子3BR、サーボ弁素子3BLとサーボ弁素子3ARが同時に励磁されるが、それぞれ独立に励磁してもよく、各サーボ弁素子3AL,3AR,3BL,3BRへの各電気パルスのパルス数を変えてもよい。
[0054]
 図4のサーボ弁ユニット2Cは、サーボ弁ユニット2と同様の弁部20を有するが、これを弁部20A又は20Bに変更したサーボ弁ユニット2D,2E(図5,6)も可能である。サーボ弁ユニット2R,2Lの一方に弁部20A~20Cのいずれかを使用し、他方にそれと異なる弁部20A~20Cを使用してもよい。高速開閉が可能であれば他の態様の弁部を使用してもよい。
[0055]
 図7は、更に他の実施形態のサーボ弁ユニット2Fを示す。サーボ弁ユニット2Fでは、板状のユニットボディ10Fの一方の面に2つのサーボ弁ユニット2F1,2F2が配置されている。サーボ弁素子3AL,3AR,3BL,3BRの配置は一例であり、他の配置も可能である。一方の面にサーボ弁ユニット2F1を配置し、他方の面にサーボ弁ユニット2F2を配置してもよく、一方の面にサーボ弁素子3AL,3ARを配置し、他方の面にサーボ弁素子3BL,3BRを配置してもよい。各流路の連絡は、前記各実施形態に準じて行い得る。
[0056]
 サーボ弁ユニット2,2A~2Fでは、共通流路11、供給流路12、排気流路13、駆動流路14の延在方向がすべてX方向であることから、サーボ弁ユニット2,2A~2F内部で生じる負荷の作用方向は主としてX方向となる。そのため、X方向の強度(耐荷重性や耐衝撃性)を高めるだけで、サーボ弁ユニット2,2A~2Fの耐久性・耐故障性能を高めることができる。ユニットボディ10を複数のボディパーツで構成した場合に上記効果が顕著であり、例えば、
1.共通流路11、供給流路12、排気流路13及び/又は駆動流路14が複数のボディパーツに跨って延在する場合、
2.共通流路11、供給流路12、排気流路13及び/又は駆動流路14の端部が隣接するボディパーツの境界に位置する場合、
3.付勢部材24やシール部材26等により隣接するボディパーツ間での力が作用する場合
には、上記効果が特に顕著である。
[0057]
 図8,9は、複数のボディパーツでユニットボディ10を構成したサーボ弁ユニット2G,2Hを示す。(a)は正面図であり、(b)は側方断面図である。サーボ弁ユニット2G,2Hは、バルブボディが複数(図では9つ)のボディパーツ71,72L,72R,73L,73R,74L,74R,75L,75Rで構成され、各ボディパーツがボルト等の締付具76によりX方向で締め付けられていることを除いてサーボ弁ユニット2C,2Dと同一の構成を有する。サーボ弁ユニット2G,2Hは左右対称のため図8(a),図9(a)には、サーボ弁ユニット2G,2Hの左半分のみが示されており、ボディパーツ71の右側の一部及び右側のボディパーツ72R,73R,74R,75Rは図示省略されている。以下、左右を区別する必要が無い場合は、ボディパーツ71,72,73,74,75等と表記する。
[0058]
 サーボ弁ユニット2G,2Hでは、ユニットボディ10を複数のボディパーツに分割することで各ボディパーツの形状がシンプルになるため、製造が容易になる。そして、X方向の締付具76の締め付けにより、動作中のユニットパーツ間の振動を防止し、耐久性・耐故障性能を高めることができる。
[0059]
 図10に示すように、ボディーパーツ72,74は、ボビン26aに巻回したソレノイド26を収容する筒状のボビンケースであり得る。ボディーパーツ72,74は、ボディパーツ73側に開口72a,74aを有し得る。ボディパーツ73は、開口72a,74aを塞ぐ磁性壁部73aと、バネ空間11d及び通孔11eが形成されたロッド部73bを有し得る。ボディーパーツ72~74は、磁性体で形成し得る。ソレノイド26を磁性体(ボディーパーツ72(74)、磁性壁部73a、ロッド部73b及び磁性体23)で取り囲むことでで磁性体23の駆動力を高めることができる。サーボ弁ユニット2G,2Hでは、単一の磁性壁部73aを挟んで2つのソレノイド26を隣接配置したため、一層の小型化、少部品点数化、組立容易化等を達成できる。
[0060]
 図8~10では、ユニットボディ10を複数のボディパーツで構成した例を示したが、他の実施形態のサーボ弁ユニット2,2A,2B,2E,2Fにおいてもサーボ弁ユニット2C,2Dと実質的に同態様でユニットボディ10を複数のボディパーツで構成し、締付具でX方向に締め付けることでサーボ弁ユニット2G,2Hと同様の効果を達成することができる。
[0061]
 上記実施形態のサーボ弁ユニットでは、サーボアンプを用いずに空圧シリンダを高精度で制御可能であり、また、従来の空圧サーボ弁ほどの加工精度は不要であり、空気のブリードも不要である。特に、弁部のON/OFFの切換速度、あるいは、空圧シリンダへの給排気の切換速度を100Hz以上にすることで、ピストン43の円滑な移動速度及び停止位置制御が可能になる。切換速度を300Hz以上、より好ましくは500Hz以上、更に好ましくは1000Hz以上とすることで、ピストン移動速度及び停止位置の制御性を一層高めることができる。なお、各シリンダ室や流路に一定の体積があり、ピストンには慣性モーメントや若干の摩擦が作用することから、給排気をパルス状に切り換えてもピストンは支障の無い滑らかさで動作する。
[0062]
 上記実施形態のうち、サーボ弁ユニット2D及び2Eの試作品を20×25×70mmの小型サイズで実際に作成し、最大300~500Hzの切換速度での安定動作、及び、径φ30~80mm(ストローク長50mm)の空圧シリンダの円滑な高精度制御を実現できることを確認した。さらに、試作した8個サーボ弁ユニットと、8個の空圧シリンダによって多関節駆動を行う人間サイズの人型ロボットの腕ユニットを実際に作成し、その先端(手掌部)に最大12.5kgの重りを持たせて自在に上げ下げ動作が可能であることを確認した。実際の動作の様子は、ビデオで撮影し、youtube(URL: https://youtu.be/mAEVIudfmno, https://youtu.be/7cVjNuoC_w8, https://youtu.be/FxbWDoIcv_k, https://youtu.be/5XO8cX9oREA, https://youtu.be/0qnxH6PFCwo)に掲載した。この腕ユニットでは、上記8個のサーボ弁ユニットがすべて上腕部分に収容されている。
[0063]
 位置センサーの信号はデジタルでもアナログでも良いが、超小型で分解能をある程度高くするためには、超小型のアナログセンサーを用いてコントローラ内でAD変換する方が、スペースが小さくて済み、また配線も少なくできるため、複雑な多関節ロボットを設計する上で効果的である。
[0064]
 本発明の開発の動機は人型ロボット(人型災害ロボット)であるため、人型ロボットへの適用を主として説明したが、本発明は、人型ロボット以外の様々なロボット(例えば、トカゲやムカデ型、あるいは多足ロボット、四つ足の動物ロボットなど)にも適用できる。介護アシスト、作業アシストロボットなど、災害ロボット以外のロボットにも適用可能できる。空圧は圧縮性があるため、反力を受けたときに柔軟に対処できるという特徴があるので、人に対して優しく接触することができる。さらに、本発明は、ロボット以外の分野にも適用可能である。広く、産業用機器や家庭用機器における可動部材の駆動に適用可能である。
[0065]
 上記実施形態に記載したサーボ弁ユニット又は空圧制御装置又はこれらを構成する要素の寸法、形状、配置、個数、材料、特性等は例示であり、これらは、請求の範囲に記載した発明の範囲及びその本質を変更しない範囲で適宜変更可能である。

符号の説明

[0066]
1,1C・・・空圧制御装置
2(2R,2L),2A~2F・・・サーボ弁ユニット
3A,3B,3AL,3AR,3BL,3BR・・・サーボ弁素子
10,10F・・・ユニットボディ(筐体)
10a・・・第1端部
10b・・・第2端部
11,11B・・・共通流路
11a・・・ノズル空間
11b・・・外周空間
11c・・・通溝
11d・・・バネ空間
11e・・・通孔
11f・・・連絡通路
12,12B・・・供給流路
12a・・・接続部
13,13B・・・排気流路
13a・・・開口
13b・・・空洞部
14,14B・・・駆動流路
14a・・・接続部
16・・・消音板
16a・・・弾性体
20,20A,20B・・・弁部
20R・・・第1弁部
20L・・・第2弁部
21,21B・・・ノズル
22,22B,22A2・・・シール部材
22A・・・円盤状弾性体
23,23A・・・磁性体
23a・・・側壁
23B・・・伸縮部材
24・・・付勢部材
25・・・固定磁心
26・・・ソレノイド
40・・・空圧シリンダ
41,42・・・シリンダ室
43・・・ピストン
44・・・付勢手段
45・・・位置センサー
50・・・コントローラ
S1,S2・・・電気パルス

請求の範囲

[請求項1]
 空圧アクチュエータを駆動するためのサーボ弁ユニットであって、
 第1端部及び第2端部を有するユニットボディと、
 第1弁部と、
 第2弁部と、
 前記第1弁部を開閉する第1シール部材と、
 前記第2弁部を開閉する第2シール部材と、
 第1電気パルスにより前記第1シール部材を駆動する第1駆動機構と、
 第2電気パルスにより前記第2シール部材を駆動する第2駆動機構と、
 前記第1端部と前記第1弁部の間で延在する供給流路と、
 前記第2端部と前記第2弁部の間で延在する排気流路と、
 前記第1弁部及び前記第2弁部を介して前記供給流路及び前記排気流路に接続された共通流路と、
 前記空圧アクチュエータに接続される駆動流路を有し、
 前記第1駆動機構及び第2駆動機構は、前記第1端部と前記第2端部の間に位置する駆動機構配置部に配置され、
 前記駆動流路は、
 前記駆動機構配置部と前記第1端部の間に位置する分岐部で前記共通流路から分岐して前記第1端部まで延在し、又は、
 前記駆動機構配置部と前記第2端部の間に位置する分岐部で前記共通流路から分岐して前記第2端部まで延在する、サーボ弁ユニット。
[請求項2]
 前記分岐部は、前記駆動機構配置部と前記第1端部の間に位置し、
 前記供給流路と前記駆動流路は、前記第1端部において前記ユニットボディの軸方向に延在する、請求項1のサーボ弁ユニット。
[請求項3]
 軸方向に配列された複数のボディパーツで構成されユニットボディであって、
 第1弁部、
 第2弁部、
 前記第1弁部を開閉する第1シール部材、
 前記第2弁部を開閉する第2シール部材、
 第1電気パルスにより前記第1シール部材を前記軸方向に駆動する第1駆動機構、
 第2電気パルスにより前記第2シール部材を前記軸方向に駆動する第2駆動機構、
 前記ユニットボディの一端と前記第1弁部の間で前記軸方向に延在する供給流路、
 前記ユニットボディの他端と前記第2弁部の間で前記軸方向に延在する排気流路、
 前記第1弁部及び前記第2弁部を介して前記供給流路及び前記排気流路に接続された共通流路、及び、
 前記空圧アクチュエータに接続される駆動流路を
有する前記ユニットボディと、
 前記複数のボディパーツを前記軸方向で締め付ける締付具を有する、空圧アクチュエータを駆動するためのサーボ弁ユニット。
[請求項4]
 2つの前記ユニットボディが対向配置され、
 前記2つのユニットボディの前記供給流路が相互に接続され、
 前記供給流路と、前記2つのユニットボディの2つの前記駆動流路が前記ユニットボディの側面から引き出されている請求項1~3のいずれかに記載のサーボ弁ユニット。
[請求項5]
 前記第1電気パルス及び前記第2電気パルスの周波数が100Hz以上である、請求項1~4のいずれかに記載のサーボ弁ユニット。
[請求項6]
 前記第1駆動機構及び第2駆動機構がソレノイドを有し、
 前記第1駆動機構及び第2駆動機構の前記ソレノイドが単一の磁性板を挟んで隣接配置されている、請求項1~5のいずれかに記載のサーボ弁ユニット。
[請求項7]
 請求項1~6のいずれかに記載のサーボ弁ユニットと、
 前記空圧アクチュエータと、
 前記空圧アクチュエータにより動作する可動部材
を有する機器。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]