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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-24
(45)【発行日】2023-11-01
(54)【発明の名称】容積型電磁ポンプ
(51)【国際特許分類】
   F04B 17/04 20060101AFI20231025BHJP
【FI】
F04B17/04
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2019196912
(22)【出願日】2019-10-30
(65)【公開番号】P2021071068
(43)【公開日】2021-05-06
【審査請求日】2022-08-09
(73)【特許権者】
【識別番号】000002059
【氏名又は名称】シンフォニアテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001841
【氏名又は名称】弁理士法人ATEN
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 章洋
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 瞬也
(72)【発明者】
【氏名】有賀 信雄
(72)【発明者】
【氏名】藤井 隆良
【審査官】中村 大輔
(56)【参考文献】
【文献】特開平04-262075(JP,A)
【文献】特開平06-264864(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F04B 17/04
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
容積型電磁ポンプから供給される作動流体によって動作部が動作するように構成された流体駆動システムであって、
前記容積型電磁ポンプは、
作動空間に面して配置された複数の可動部と、
前記可動部に連結された可動子を有し、前記可動子が往復移動することで前記可動部を往復移動させる複数の直動アクチュエータと、
前記可動部及び前記可動子のうち少なくとも何れかの状態量を検出するセンサと、
前記センサで検出された前記状態量に基づいて、前記複数の直動アクチュエータをフィードバック制御する複数の駆動制御部と、
を備えており、
前記動作部に所望の動作を行わせるための制御指令を前記複数の駆動制御部に発する上位制御装置を有することを特徴とする流体駆動システム
【請求項2】
前記センサは、前記状態量として前記可動部又は前記可動子の位置を検出し、
前記複数の駆動制御部は、前記センサで検出された前記可動部又は前記可動子の位置に基づいて、前記各可動部の前記作動空間の中心からの距離が同じになるように、前記複数の直動アクチュエータをフィードバック制御することを特徴とする請求項1に記載の流体駆動システム。
【請求項3】
前記動作部の状態量を前記複数の駆動制御部に直接フィードバック制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の流体駆動システム。
【請求項4】
前記作動空間の前記作動流体が、前記動作部の供給空間に供給されるように構成されており、
前記作動空間は前記供給空間と閉空間を構成していることを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載の流体駆動システム
【請求項5】
前記複数の直動アクチュエータとして、対向配置された2つの直動アクチュエータを有することを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載の流体駆動システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、作動空間に面して配置された複数の可動部が往復移動することにより、作動空間内の作動流体を供給する容積型電磁ポンプに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、特許文献1に開示されているリニア圧縮機は、シリンダ内に2つのピストン(可動部)が対向配置されており、各ピストンに連結されたリニアアクチュエータが逆向きに往復移動することで、振動が低減可能となっている。また、特許文献2に記載されている振動型アクチュエータでは、各リニアモータの可動子の位相を調整するための抵抗を設けることにより、対向配置されたピストンの動作を確実に同期させ、振動を効果的に低減できるものとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2006-280156号公報
【文献】特開2010-48150号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1に記載のリニア圧縮機では、高推力や高応答性の要求に伴って2つの可動子の移動量に差が生じ、作動流体の圧力や流量を制御できないという問題がある。また、特許文献2の振動型アクチュエータでは、振動を低減するために位相調整用の抵抗を用いて可動子の位相を調整してピストンの動作を同期させるため、作動流体の圧力や流量を制御できないという問題があった。
【0005】
本発明は、上述の課題を鑑みて、複数の可動部を有する容積型電磁ポンプにおいて、作動流体の圧力や流量を自在に制御できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る容積型電磁ポンプは、作動空間に面して配置された複数の可動部が往復移動することにより、前記作動空間内の作動流体を供給する容積型電磁ポンプであって、前記可動部に連結された可動子を有し、前記可動子が往復移動することで前記可動部を往復移動させる複数の直動アクチュエータと、前記可動部及び前記可動子のうち少なくとも何れかの状態量を検出するセンサと、前記センサで検出された前記状態量に基づいて、前記複数の直動アクチュエータをフィードバック制御する複数の駆動制御部と、を備えることを特徴とする。
【0007】
本発明に係る容積型電磁ポンプでは、可動部、直動アクチュエータの可動子、及び、動作部の少なくとも一部の状態量(例えば位置、速度、加速度など)に基づいて、複数の直動アクチュエータをフィードバック制御する複数の駆動制御部が設けられている。このような駆動制御部を設けることで、作動流体の圧力や流量を自在に制御できるようになる。
【0008】
本発明において、前記センサは、前記状態量として前記可動部又は前記可動子の位置を検出するとよい。
【0009】
このように、可動部又は可動子の位置に基づいてフィードバック制御を行うことにより、作動流体の圧力や流量の制御が簡単となる。
【0010】
本発明において、前記複数の駆動制御部は、前記センサで検出された前記可動部又は前記可動子の位置に基づいて、前記各可動部の前記作動空間の中心からの距離が同じになるように、前記複数の直動アクチュエータをフィードバック制御するとよい。
【0011】
このようなフィードバック制御を行うことで、可動部及び可動子の往復移動に伴う反力を打ち消し合って、装置に生じる振動を抑えることができる。
【0012】
本発明において、前記作動空間の前記作動流体が、所定の動作部の供給空間に供給されるように構成されており、前記作動空間は前記供給空間と閉空間を構成しているとよい。
【0013】
かかる構成によれば、作動空間や供給空間から作動流体が排出されないため、作動空間が閉空間で構成されていない場合に比べ、局所的に作動流体の圧力や流量を制御できるので、動作部をより精密に動作させることができる。また、この構成は、作動流体が環境負荷や安全性などにより外部に流出できない場合においても有効である。
【0014】
本発明において、前記複数の直動アクチュエータとして、対向配置された2つの直動アクチュエータを有するとよい。
【0015】
このように、2つの直動アクチュエータを対向配置させる構成を採用することで、直動アクチュエータの個数を最小限にとどめ、構成の単純化やコスト低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】本実施形態の流体駆動システムの一部断面図である。
図2】本実施形態の流体駆動システムの電気的構成を示すブロック図である。
図3】ピストンの動作を説明するための図である。
図4】ピストンの動作の変形例を示す図である。
図5】駆動制御部で実行されるフィードバック制御を示すフローチャートである。
図6】変形例における流体駆動システムの電気的構成を示すブロック図である。
図7】容積型電磁ポンプの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
(流体駆動システムの構成)
以下、本発明に係る容積型電磁ポンプを採用した流体駆動システムの一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施形態の流体駆動システムの一部断面図である。図2は、本実施形態の流体駆動システムの電気的構成を示すブロック図である。本実施形態の流体駆動システム100は、容積型電磁ポンプ1から供給された作動流体によって動作する部分(動作部101)に作動流体が移動する構成となっている。動作部101としては、バルーン、ピストン、流体型モータ、シリンダ、吸着パッド、ロボットハンド、エアブロワ等が考えられる。
【0018】
容積型電磁ポンプ1は、作動空間10に面するように対向配置された2つのピストン11(11A、11B、本発明の可動部に相当する。以降、ピストンを例に説明する。)と、2つのピストン11(11A、11B)の中心軸に沿う方向(以下、軸方向と言う)に往復移動させる2つの直動アクチュエータ12(12A、12B)と、を主要な構成として備える。直動アクチュエータ12Aがピストン11Aを軸方向に往復移動させるとともに、直動アクチュエータ12Bがピストン11Bを軸方向に往復移動させることで、作動空間10と動作部101の間で作動流体が移動する。これにより、動作部101が所望の動作を行う。
【0019】
作動空間10は、ピストン11A、11Bの端面、フレーム13及びベローズ14によって画定されている。フレーム13は、軸方向において容積型電磁ポンプ1の中心に配置された円環状の固定部材である。フレーム13の円周上の2ヵ所には、作動空間10に連通する流出入孔13aが形成されている。一方の流出入孔13a(図1の上側のもの)は、配管102を介して動作部101の内部の供給空間101aに接続されている。他方の流出入孔13a(図1の下側のもの)は、栓部材15によって閉塞されている。つまり、容積型電磁ポンプ1の作動空間10は、動作部101の供給空間101aと閉空間を構成している。
【0020】
ベローズ14は、軸方向に伸縮可能な蛇腹状の部材であり、フレーム13の両側においてピストン11を覆うように配置されている。図1の左側のベローズ14は、右端部がフレーム13に固定されるとともに、左端部がピストン11Aに固定されている。図1の右側のベローズ14は、左端部がフレーム13に固定されるとともに、右端部がピストン11Bに固定されている。ピストン11A、11Bが軸方向に往復移動すると、ベローズ14が軸方向に伸縮することで、作動空間10の気密性が維持された状態で作動空間10の容積が変化する。
【0021】
作動空間10の軸方向の中心には、円盤状の仕切板18が配置されている。仕切板18は、例えば樹脂製であり、ピストン11A、11Bの端面同士が接触することを防止するための緩衝材として設けられている。仕切板18には、フレーム13に形成された流出入孔13aと連通する切欠部18aが外周部の2ヵ所に形成されている。作動空間10は、切欠部18a、流出入孔13a及び配管102を介して、動作部101の供給空間101aと連通している。
【0022】
直動アクチュエータ12は、リニアアクチュエータを採用しており、固定子12a及び可動子12bを有する。固定子12aは、直動アクチュエータ12のハウジングに固定されており、不図示のコイルやシャフト、ボールスプライン等の軸受を有する。可動子12bは、鉄心によって構成されており、固定子12aのコイルに電流が供給されると、軸方向に往復移動する。可動子12bにはピストン11が連結されており、可動子12bとピストン11は一体的に往復移動する。また、本実施形態ではリニアアクチュエータを採用しているが、同等の性能を再現できるのであれば、リニアモータ、回転モータとボールねじによる直動機構等で構成してもよい。
【0023】
2つの直動アクチュエータ12(12A、12B)の動作は、2つの駆動制御部16(16A、16B)によって制御される。図2に示すように、駆動制御部16Aは、直動アクチュエータ12Aの動作を制御する。駆動制御部16Bは、直動アクチュエータ12Bの動作を制御する。具体的には、駆動制御部16は、直動アクチュエータ12の固定子12aのコイルに供給する電流を制御することで、可動子12bの動作を制御する。
【0024】
容積型電磁ポンプ1には、2つのピストン11(11A、11B)に対応して、2つの位置センサ17(17A、17B)が設けられている。位置センサ17Aは、ピストン11Aの軸方向の位置を検出する。位置センサ17Bは、ピストン11Bの軸方向の位置を検出する。後で詳細に説明するが、駆動制御部16Aは、位置センサ17Aで検出されたピストン11Aの位置に基づいて、直動アクチュエータ12Aの動作をフィードバック制御する。駆動制御部16Bは、位置センサ17Bで検出されたピストン11Bの位置に基づいて、直動アクチュエータ12Bの動作をフィードバック制御する。
【0025】
図2に示すように、流体駆動システム100は、駆動制御部16A、16Bを統括的に制御する上位制御装置103を有する。上位制御装置103は、流体駆動システム100の動作部101が所望の動作を行うために要求される作動流体の流量や圧力等に対応する制御指令(例えば、位置や速度、推力等に関する指令)を駆動制御部16A、16Bに発する。駆動制御部16A、16Bは、上位制御装置103の制御指令に基づいて、直動アクチュエータ12A、12Bを制御する。
【0026】
(フィードバック制御)
図3は、ピストン11A、11Bの動作を説明するための図である。図3のa図は、容積型電磁ポンプ1を示す模式図であり、図3のb図は、ピストン11A、11Bの位置を示すグラフである。図3のa図に示すように、軸方向における作動空間10の中心Cを原点とし、中心Cから右側を+X方向、中心Cから左側を-X方向を定義する。
【0027】
上述のように構成された容積型電磁ポンプ1では、直動アクチュエータ12A、12Bをフィードバック制御してピストン11A、11Bを軸方向に往復移動させることで、作動空間10内の作動流体を供給することができる。このとき、ピストン11A、11B及び可動子12bの往復移動に伴う反力によって振動が生じる。そこで、図3のb図に示すように、ピストン11Aの移動量AとピストンBの移動量Bが同等且つ移動方向が逆になるように、すなわちピストン11A、11Bの移動速度の時間的な変化量が同等且つ変位方向が逆になるように同期させることで、ピストン11A、11B及び可動子12bの往復移動に伴う反力の合成ベクトルが相殺され、振動を低減することができる。また、図3のb図では、ピストン11Aの移動量AとピストンBの移動量Bを同等にして周期的に変動させてフィードバック制御していたが、図4で示すように、供給する作動流体の圧力や流量に応じて、移動量を随時変動させてよい。
【0028】
また、本実施形態の容積型電磁ポンプ1では、作動空間10の中心Cをピストン11A、11Bの基準位置として、中心Cからのピストン11A、11Bの位置に基づいて直動アクチュエータ12A、12Bをフィードバック制御することで、振動を低減しつつ、供給する作動流体の圧力や流量を制御できるようになる。具体的には、図3のb図に示すように、作動空間10の中心Cからのピストン11A、11Bの最小位置Amin、Bmin間の距離をそれぞれ位置オフセット量A1、B1として、位置オフセット量A1とB1、ピストン11Aの移動量Aとピストン11Bの移動量Bが同等且つ移動方向が逆になるように同期させることで、ピストン11A、11B及び可動子12bの往復移動に伴う反力を相殺して振動を低減しつつ、ピストン11A、11Bの位置に基づいて作動流体の圧力や流量を制御できるようにした。
【0029】
なお、位置オフセット量A1、B1は、2つの位置センサ17(17A、17B)以外に中心Cに位置センサを設けて検出したり、位置オフセット量をパラメータとして予め制御に組み込むことなどが考えられる。また、作動空間10に圧力センサを設置したり、流出入孔13aに流量計を設置するなど、容積型電磁ポンプ1におけるピストン11A、11Bの位置以外の状態量(圧力、流量など)をフィードバック制御したり、流体駆動システム100の動作部101の状態量(変位、速度、推力など)を駆動制御部16A、16Bに直接フィードバック制御することでも供給する作動流体の圧力や流量を制御できる。
【0030】
図5は、駆動制御部16A、16Bで実行されるフィードバック制御を示すフローチャートである。駆動制御部16A、16Bで実行されるフィードバック制御は同様なので、以下では、駆動制御部16Aによるフィードバック制御についてのみ説明する。
【0031】
駆動制御部16Aは、上位制御装置103の制御指令に基づいてフィードバック制御を行う。例えば、位置センサ17Aにより直動アクチュエータ12Aの位置(ピストン11Aの位置)を検出する。次に、直動アクチュエータ12Aの可動子12bの移動方向が-X方向か+X方向かを判断する(ステップS12)。可動子12bの移動方向が+X方向の場合、ピストン11Aの検出位置が最小位置Aminに一致しているか否かを判断する。(ステップS13)。ピストン11Aの検出位置が最小位置Aminに一致している場合、ピストン11Aの移動方向を+X方向→-X方向にして、直動アクチュエータ12Aを制御する(ステップS14)。ピストン11Aの検出位置が最小位置Aminに一致していない場合、ピストン11Aの移動方向を+X方向のまま直動アクチュエータ12Aを制御する(ステップS15)。
【0032】
ステップS12で可動子12bの移動方向が-X方向の場合、ピストン11Aの検出位置が最大位置Amaxに一致しているか否かを判断する(ステップS16)。ピストン11Aの検出位置が最大位置Amaxに一致している場合、ピストン11Aの移動方向を-X方向→+X方向にして、直動アクチュエータ12Aを制御する(ステップS17)。ピストン11Aの検出位置が最大位置Amaxに一致していない場合、ピストン11Aの移動方向を-X方向のまま直動アクチュエータ12Aを制御する(ステップS18)。
【0033】
駆動制御部16A、16Bのそれぞれにおいて、ステップS11~S18に示すようなフィードバック制御が実行されることで、図3のb図や図4に示すように、ピストン11A、11Bの位置は、作動空間10の中心Cを基準位置とした絶対値が同等になる。つまり、これらの位置に基づいて直動アクチュエータ12A、12Bをフィードバック制御してピストン11A、11Bを同期させることで、振動を低減しつつ、作動流体の圧力や流量を制御できる。
【0034】
(効果)
以上のように、本実施形態に係る容積型電磁ポンプ1では、各ピストン11A、11Bの状態量(位置)に基づいて、複数の直動アクチュエータ12A、12Bをフィードバック制御する複数の駆動制御部16A、16Bが設けられている。したがって、複数の駆動制御部16A、16Bによって複数の直動アクチュエータ12A、12Bを各ピストン11A、11Bの移動量と移動方向に基づいて動作させることにより、直動アクチュエータ12A、12Bの個体差による推力特性や磁気的なバネ特性、各ベローズ14の個体差によるバネ性、軸受の転がり摩擦や摺動特性の違いなどに影響されずに、ピストン11A、11B及び可動子12bの往復移動に伴う反力を打ち消し合うことができるので、振動を低減することができる。
【0035】
さらに、作動空間10の中心Cを基準位置としてフィードバック制御を行うことで、流体駆動システム100で要求される作動流体の流量や圧力などに応じて作動流体の圧力や流量を自在に制御できる。つまり、本実施形態の容積型電磁ポンプ1は、通常のリニア圧縮機のように作動流体を単に圧送するだけでなく作動流体の圧力や流量を制御して供給する機能を兼ね備えているため、通常のポンプシステム(例えば、ポンプ、圧力用調整バルブや流量用調整バルブ、圧力タンク等から構成されるシステム)と同等の動作(負圧による吸込動作や正圧による吐出など)を実現できる。よって、流体駆動システム100においてポンプシステムを採用した場合に比べ、システムの簡素化、軽量化、省エネ化に繋がる。
【0036】
本実施形態では、作動空間10の作動流体が、動作部101の供給空間101aに供給されるように構成されており、作動空間10は供給空間101aと閉空間を構成している。かかる構成によれば、作動空間10や供給空間101aから作動流体が排出されないため、作動空間10が閉空間で構成されていない場合に比べ、局所的に作動流体の圧力や流量を制御できるので、流体駆動システムの動作部をより精密に動作させることができる。また、この構成は、作動流体が環境負荷や安全性などにより外部に流出できない場合においても有効である。
【0037】
(他の実施形態)
上記実施形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。
【0038】
上記実施形態では、図2に示すように、駆動制御部16A、16Bは上位制御装置103に対して並列的に接続されているものとした。しかしながら、駆動制御部16A、16Bが直列的に接続される電気的構成でもよい。例えば、図6に示すように、上位制御装置103は駆動制御部16Aのみと接続されており、駆動制御部16Aと駆動制御部16Bとが互いに接続されていてもよい。この場合、駆動制御部16Aをマスター、駆動制御部16Bをスレーブとして、制御を行ってもよい。また、上位制御装置103を省略してもよい。
【0039】
上記実施形態では、本発明の「状態量」として、ピストン11A、11Bの「位置」を検出するものとしたが、これに限定されない。例えば、位置センサ17A、17Bで検出されたピストン11A、11Bの位置に基づいて、ピストン11A、11Bの速度や加速度などを状態量として算出し、これに基づいてフィードバック制御を行ってもよい。また、ピストン11A、11Bではなく、直動アクチュエータ12A、12Bの可動子12bの位置、速度、加速度などを状態量として検出し、これに基づいてフィードバック制御を行ってもよい。
【0040】
上記実施形態では、作動空間10と供給空間101aとが閉空間を構成しているものとしたが、閉空間を構成することは必須ではない。例えば、図1の下側の流出入孔13aに取り付けた栓部材15を取り外して、この流出入孔13aが圧力流体供給源や他の流体回路などと接続される構成を採用してもよい。
【0041】
上記実施形態では、ベローズ14を用いた構成により、ピストン11A、11Bが往復移動する際にも作動空間10の気密性が維持されるものとした。しかしながら、ベローズ14を用いることは必須ではない。例えば、円筒状のシリンダ内に収容された複数のピストンが、適切なシール部材などによって気密を維持しながらシリンダ内で往復移動する構成を採用することもできる。また、上記実施形態のベローズ14とピストン11A、11Bにより構成された往復移動する構成をダイヤフラム等で代用してもよい。
【0042】
上記実施形態では、2つの直動アクチュエータ12A、12Bによって2つのピストン11A、11Bを往復駆動する構成とした。しかしながら、3つ以上のピストンを設け、3つ以上の直動アクチュエータによって各ピストンを往復駆動するようにしてもよい。この場合、例えば図7に示すように、3つの直動アクチュエータ12及び3つのピストン11を、作動空間10を囲むように120度ごとに等間隔で配置すればよい。そして、ピストン11及び可動子12bの往復移動に伴う反力の合成ベクトルがゼロとなるように、各直動アクチュエータ12を適切にフィードバック制御すれば、より振動を低減でき、供給する作動流体の容量を増加して圧力や流量を制御できる。
【0043】
上記実施形態では、容積型電磁ポンプ1における状態量や流体駆動システム100の動作部101の状態量等によりフィードバック制御しているが、これらの状態量の全て又は一部を予めテーブルデータ化として、状態量をフィードバックせずこのデータに基づいて制御も行うことも可能であり、所定のパターンで作動流体を供給する場合に有効である。また、状態量によるフィードバック制御とテーブルデータに基づく制御を必要に応じて組み合わせることで、供給する作動流体の圧力と流量をよい精密に制御することも可能である。
【符号の説明】
【0044】
1:容積型電磁ポンプ
10:作動空間
11(11A、11B):ピストン(可動部)
12(12A、12B):直動アクチュエータ
12a:固定子
12b:可動子
16(16A、16B):駆動制御部
17(17A、17B):位置センサ
101:動作部
101a:供給空間
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7