气压式致动器的制作方法

本发明涉及气压式致动器。

背景技术：

气压式致动器根据供给的空气压力动作而动作。

例如，在专利文献1中记载有一种气压式致动器，该气压式致动器通过向缸部供气使活塞往动而使活塞杆往动，或是利用被压缩的弹簧的作用力使活塞复动而使活塞杆复动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：

日本专利特开2012-67800号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

气压式致动器的动作特性能通过供给的空气压力与杆的行程的关系来表示。以下，将上述动作特性简称为特性。

但是，在气压式致动器动作时，弹簧不仅会变成压缩状态，还会变成弯曲的状态。弹簧若发生弯曲，则会产生用于消除该弯曲的复原力。该复原力成为对气压式致动器的特性造成影响的要素。

而且，弹簧的与弯曲对应的复原力因弹簧弯曲的方向不同而显示出不同的值。然而，如上述专利文献1那样，在现有的气压式致动器中，并未特别考虑到对弹簧的旋转进行限制。因此，在气压式致动器动作时，弹簧旋转，弯曲的方向变得各不相同，与弯曲对应的复原力对特性造成的影响也随情况而变化，从而特性会发生预料之外的急剧变化。

如此，在气压式致动器中存在特性变得不稳定这一技术问题。若特性不稳定，则气压式致动器的动作不稳定，控制性会恶化。

本发明为解决上述技术问题而作，其目的在于获得一种能使特性稳定的气压式致动器。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的气压式致动器包括：外壳，该外壳在内部施加有空气压力；弹簧保持件，该弹簧保持件设置在外壳的内部，并利用施加的空气压力经由隔膜往复动作；杆，该杆固定于弹簧保持件，并与弹簧保持件一体地往复动作；弹簧，该弹簧设置在外壳的内部，并利用弹簧保持件的往复动作而伸缩，从而施加作用力；以及旋转限制部，该旋转限制部限制弹簧的旋转。

发明效果

根据本发明，气压式致动器的特性稳定。

附图说明

图1是本发明实施方式1的气压式致动器的剖视图。

图2是说明弹簧弯曲时的复原力的图。

图3是示出气压式致动器的特性的图表。

图4是弹簧的平面图。

图5是弹簧保持件的立体图。

图6是示出利用图5所示的弹簧保持件来保持图4所示的弹簧的状态的平面图。

图7是示出弹簧的第一变形例的平面图。

图8是示出弹簧保持件的第一变形例的立体图。

图9是示出利用图8所示的弹簧保持件来保持图7所示的弹簧的状态的平面图。

图10是示出利用第二变形例的弹簧保持件来保持图7所示的弹簧的状态的平面图。

图11是示出弹簧的第二变形例的立体图。

图12是示出利用第三变形例的弹簧保持件来保持图11所示的弹簧的状态的立体图。

图13是示出利用第四变形例的弹簧保持件来保持图11所示的弹簧的状态的立体图。

图14是示出弹簧的第三变形例的立体图。

图15是示出利用第五变形例的弹簧保持件来保持图14所示的弹簧的状态的立体图。

具体实施方式

以下，为了更详细地说明本发明，参照附图，对用于实施本发明的方式进行说明。

实施方式1

图1是本发明实施方式1的气压式致动器的剖视图，其例示出将气压式致动器安装于涡轮增压器的情况。

气压式致动器具有外壳1，该外壳1由第一外壳10和第二外壳11构成为箱状。在外壳1的内部设置有例如由橡胶制成且呈圆板状的隔膜2。隔膜2以其周缘部被第一外壳10和第二外壳11夹持的状态设置，并且该隔膜2将外壳1的内部分割成大气压室3a和负压室3b。大气压室3a经由未图示的大气孔而朝大气开放。经由安装于第一外壳10的负压导入管4对负压室3b施加负压。

在隔膜2中的靠负压室3b一侧的表面上设置有呈碟状且例如由铁制成的弹簧保持件5。在弹簧保持件5保持有弹簧6的一端部。此时，弹簧6以绕自身的轴的旋转被限制的状态保持于弹簧保持件5。弹簧6的另一端部被与弹簧保持件5相向的第一外壳10的底面10a保持。弹簧6是例如将铁制的线状构件卷绕成螺旋状而成的构件。

在弹簧保持件5固定有杆7的一端部。杆7贯穿第二外壳11，并且该杆7的另一端部露出至外部。杆7通过设置在第二外壳11的内部的轴承部8保持为能沿轴向滑动。

杆7的端部中的露出至外部一侧的端部经由长度调节臂20与未图示的涡轮增压器的柄30连接。杆7的该端部在外周面形成有阳螺纹，通过对该阳螺纹与形成于长度调节臂20的阴螺纹的拧入量进行调节，能对杆7和长度调节臂20的整体的长度进行调节。柄30通过销轴31安装于长度调节臂20，并以旋转中心o为支点进行旋转。

涡轮增压器是用于利用内燃机的排气气体将大量的空气送入内燃机的装置。气压式致动器使杆7沿轴向移动而操作柄30，而对涡轮增压器抽入的排气气体进行控制，从而对涡轮增压器的动作进行控制。

气压式致动器通过将第二外壳11螺纹紧固于支架40，从而固定于支架40。

以下对气压式致动器的动作进行说明。

若对负压室3b施加负压，则隔膜2中的除了周缘部以外的部分以及设置于隔膜2的弹簧保持件5一边使弹簧6收缩，一边朝使负压室3b的容积减少的方向移动。伴随于此，杆7朝被拉入外壳1内部的方向即拉入方向移动。于是，涡轮增压器的柄30以旋转中心o为支点绕图1中的顺时针旋转。

另一方面，若对负压室3b施加的负压降低，则隔膜2中的除了周缘部以外的部分以及设置于隔膜2的弹簧保持件5通过欲从收缩状态伸展的弹簧6的作用力而朝使负压室3b的容积增加的方向移动。伴随于此，杆7朝被推向外壳1外部的方向即推出方向移动。于是，涡轮增压器的柄30以旋转中心o为支点绕图1中的逆时针旋转。

如此，涡轮增压器的柄30因杆7的移动而进行以旋转中心o为支点的旋转运动。在上述旋转运动中，柄30所描绘的圆弧状的轨迹是图1中的圆c的一部分。因此，严格来说，杆7不仅沿着图1所示的气压式致动器的中心轴a移动，还会沿着相对于中心轴a倾斜的倾斜轴b移动。即，杆7在与中心轴a垂直的图1中的d方向上摆动。

在杆7摆动且其轴处于与中心轴a不一致而朝倾斜轴b一侧倾斜的状态的情况下，弹簧保持件5倾斜，弹簧6发生弯曲。此时，弹簧6产生为了消除该弯曲的复原力f。由于复原力f，在杆7与轴承部8之间产生与中心轴a垂直的方向的阻力，会对气压式致动器的特性造成影响。

使用图2对弹簧6的复原力f进行说明。图2(a)和图2(b)是从彼此不同的侧面观察弹簧6时的平面图。图2(a)示出弹簧6朝弹簧6中的沿着轴线p1的部分伸展而沿着轴线p2的部分收缩这样的方向弯曲的状态。图2(b)示出弹簧6朝弹簧6中的沿着轴线q1的部分伸展而沿着轴线q2的部分收缩这样的方向弯曲的状态。

轴线p1、p2、q1、q2的位置关系如图2(c)所示。图2(c)是从轴向观察处于未弯曲状态的弹簧6时的平面图。另外，在图2(c)中，为了简单而省略了弹簧6的卷绕前端部，因此，将弹簧6单纯地以圆环形式示出。

轴线p1与轴线p2处于以夹着弹簧6的中心轴r的方式相向的位置关系。同样地，轴线q1与轴线q2也处于以夹着弹簧6的中心轴r的方式相向的位置关系。此外，轴线p1与轴线q1从中心轴r观察分开了角度α。α取除了0以外的值，因而，轴线p1与轴线q1并非同一轴线。

在朝图2(a)所示的方向弯曲的情况下，在弹簧6的两端部产生复原力f1。在朝图2(b)所示的方向弯曲的情况下，在弹簧6的两端部产生复原力f2。螺旋状的弹簧6由于卷绕前端部的存在等而不能形成完全对称的形状，因此复原力f1和复原力f2并非相同的值，在图示的例子中，朝图2(b)所示的方向弯曲的情况下的复原力f2是更大的值。

如此，弹簧6产生的复原力因弯曲的方向不同而不同。

另外，在图1中，在弹簧6中的底面10a一侧的端部产生的复原力省略了图示。这是因为在底面10a一侧的端部产生的复原力对在杆7与轴承部8之间产生的与中心轴a垂直的方向的阻力造成的影响较小。

图3是示出气压式致动器的特性的图表。横轴表示施加的负压的空气压力，纵轴表示杆7的行程。上述特性也包括因弹簧6弯曲产生的复原力而造成的影响。在图3中，分别示出了弹簧6朝彼此不同的方向弯曲的情况下的特性。

由实线表示的特性s1是弹簧6朝例如图2(a)的方向弯曲的情况下的特性。由虚线表示的特性s2是弹簧6朝例如图2(b)的方向弯曲的情况下的特性。

如图3所示，无论在特性s1、s2中的哪种情况下，杆7朝拉入方向移动时的特性与杆7朝推出方向移动时的特性都彼此不同。因杆7的移动方向不同产生这样的特性的差异，是因为在杆7的轴向上产生的弹簧6的作用力以下述方式发挥作用，即在杆7朝拉入方向移动时变成针对该移动的阻力，另一方面，在杆7朝推出方向移动时对该移动进行辅助。

此外，进一步来说，即使在杆7的移动方向相同的情况下，在特性s1与特性s2中也示出不同的轨迹。在杆7的拉入方向的情况下，以行程为0的位置为基准来定义杆7的行程变化量。在杆7被拉入时，即使施加的压力相同，杆7的行程变化量也是特性s1更大。此外，在杆7的推出方向的情况下，以杆7被最大限度拉入的行程最大位置为基准来定义杆7的行程变化量。在杆7被推出时，即使施加的压力相同，杆7的行程变化量也是特性s1更大。此外，就因杆7的移动方向不同而导致的空气压力之差而言，在特性s2的情况下的差h2比在特性s1的情况下的差h1大。这是因为，如图2所示，由于弹簧6的复原力在朝图2(b)的方向弯曲的情况下更，大，因此在杆7与轴承部8之间产生的与中心轴a垂直的方向的阻力变大，杆7移动时受到的阻力变大。

另外，以下，将因杆7的移动方向不同而导致的空气压力之差称作滞后。

如上所述，设置于本发明的气压式致动器的弹簧6绕自身的轴的旋转被限制，但若在弹簧6的绕轴旋转未被限制的状态下设置有弹簧6，则来自外部的振动和气压式致动器自身的动作等会导致弹簧6绕轴旋转。因此，例如，即使在施加负压而使杆7开始朝拉入方向移动时示出沿着特性s1的轨迹，弹簧6在中途也会旋转，从该时刻开始气压式致动器以沿着特性s2的轨迹进行动作。此外，在进行了将杆7从行程为0的位置最大限度拉入并从最大限度拉入位置再次返回行程为0的位置的一个循环的动作之后，再进行一次相同的一个循环的动作时，在第一次循环结束之后至开始第二次循环之间，若弹簧6旋转，则杆7在第一次循环和第二次循环中会进行沿着不同的特性的动作。如此，气压式致动器的特性会出乎预料且急剧地变化，特性变得不稳定。

与之相对，若弹簧6的旋转被限制，则不会表现出这样的不稳定的特性。例如，若以使弹簧6朝图2(a)的方向弯曲的方式对旋转进行限制，则特性唯一地确定为图3所示的特性s1，若以使弹簧6朝图2(b)的方向弯曲的方式对旋转进行限制，则特性唯一地确定为图3所示的特性s2。也就是说，特性稳定。

此处，具体地示出用于限制弹簧6的旋转的结构。

在图4中示出弹簧6的平面图。图4(a)是从侧面观察弹簧6时的平面图。图4(b)是从轴向观察弹簧6时的平面图。如图4(b)所示，弹簧6的卷绕前端部6a朝弹簧6的内侧弯曲。卷绕前端部6a是指卷绕成螺旋状以构成弹簧6的线状构件的端部。

图5是弹簧保持件5的立体图。弹簧保持件5是碟状的构件，在圆板面5a上设置有弹簧引导部5b。弹簧引导部5b是为了沿弹簧6的径向将其定位而形成为沿着弹簧6的内周这样的形状的凸部。弹簧引导部5b的一部分凹陷而形成凹陷部5c。

另外，圆板面5a中央的孔5d是用于安装杆7的孔。

图6是示出利用弹簧保持件5保持弹簧6的状态的平面图。弹簧6的卷绕前端部6a配置于弹簧引导部5b的凹陷部5c，并处于弹簧6的旋转被限制的状态。

弹簧引导部5b通过冲压成型而设置于圆板面5a。或者，也可通过将与弹簧引导部5b相当的形状的构件粘接于平坦的圆板面5a来设置弹簧引导部。

另外，弹簧保持件5和弹簧6也可如图7-图15所示那样变形。在图7-图15中，对于与图4-图6相同或相当的部分标注相同的符号，并省略或简化其说明。

例如，可以以图7所示的弹簧61代替弹簧6。图7(a)是从侧面观察弹簧61时的平面图。图7(b)是从轴向观察弹簧61时的平面图。在弹簧61中，卷绕前端部61a朝弹簧61的外侧延长。更详细而言，在从轴向观察时卷绕前端部61a朝弹簧6所形成的圆的切线方向延伸。

此时，使用图8中由立体图表示的弹簧保持件51代替弹簧保持件5。为了沿弹簧61的径向将其定位而在弹簧保持件51的圆板面51a上设置有弹簧引导部51b。弹簧引导部51b是沿着弹簧61的内周形成为圆环状的凸部。此外，在圆板面51a上立设有爪51c、51d。

爪51c、51d通过冲压成型而设置于圆板面51a。或者，也可通过将与爪51c、51d相当的形状的块粘接于平坦的圆板面51a来设置爪。

图9是示出利用弹簧保持件51保持弹簧61的状态的平面图。弹簧保持件51的爪51c、51d以夹着弹簧61的卷绕前端部61a的方式位于卷绕前端部61a的两侧，通过使爪51c、51d与卷绕前端部61a抵接，藉此，弹簧61的旋转被限制。

在形成弹簧61那样的情况下，如图10中的平面图所示，也可以通过弹簧保持件52来限制旋转。在弹簧保持件52的圆板面52a上设置有位于弹簧61外周的弹簧引导部52b。弹簧引导部52b是为了沿弹簧61的径向将其定位而形成为沿着弹簧61的外周这样的形状的凸部。弹簧引导部52b的一部分凹陷而形成凹陷部52c。在凹陷部52c中配置有弹簧61的卷绕前端部61a，并处于弹簧61的旋转被限制的状态。

此外，也可以以图11中由立体图表示的弹簧62代替弹簧6。在弹簧62中，卷绕前端部62a朝弹簧62的轴向突出。

此时，使用图12中由立体图表示的弹簧保持件53代替弹簧保持件5。在弹簧保持件53的圆板面53a上设置有隆起成圆环状的隆起部53c。此外，为了沿弹簧62的径向将其定位，在隆起部53c上还设置有弹簧引导部53b。弹簧引导部53b是沿着弹簧62的内周形成圆环状的凸部。在隆起部53c中形成有用于插入卷绕前端部62a的插入孔53d。

如图12所示，弹簧62放置在隆起部53c上，卷绕前端部62a插入到插入孔53d中。如此，弹簧62的旋转被限制。

另外，设置隆起部53c是为了防止插入到插入孔53d中的卷绕前端部62a朝隔膜2一侧突出而损伤隔膜2。

在形成弹簧62那样的情况下，如图13中由立体图表示的那样，也可通过设置有隆起构件9的弹簧保持件54来限制旋转。弹簧保持件54的圆板面54a平坦且放置有隆起构件9。

隆起构件9具有圆板状的隆起部9a和设置在隆起部9a上的引导部9b。引导部9b是为了沿弹簧62的径向将其定位而沿着弹簧62的内周形成为圆环状的凸部。在隆起部9a的中央形成有用于安装杆7的孔9c。此外，在隆起部9a中的位于引导部9b的外周的部分形成有用于插入卷绕前端部62a的插入孔9d。

如图13所示，弹簧62放置在隆起部9a上，卷绕前端部62a插入到插入孔9d中。如此，弹簧62的旋转被限制。此外，与图12相同，能防止隔膜2受到损伤。

此外，也可以以图14中由立体图表示的弹簧63代替弹簧6。弹簧63是所谓的普通弹簧。与卷绕前端部6a、61a、62a不同，卷绕前端部63a与弹簧63中的除了卷绕前端部63a以外的部分连续而形成规则的螺旋。

此时，使用图15中由平面图表示的弹簧保持件55代替弹簧保持件5。为了沿弹簧63的径向将其定位，在弹簧保持件55的圆板面55a上设置有弹簧引导部55b。弹簧引导部55b是沿着弹簧63的内周形成圆环状的凸部。在圆板面55a上设置有突出的爪55c。爪55c通过冲压成型而设置于圆板面55a。此外，也可通过将与爪55c相当的形状的块粘接于平坦的圆板面55a来设置爪。

如图15所示，通过爪55c与弹簧63的卷绕前端部63a的前端面抵接，藉此，弹簧63的旋转被限制。

另外，使卷绕前端部63a的前端面与爪55c相向的图15那样的结构也可应用于图7所示的弹簧61。在该情况下，在与弹簧61的卷绕前端部61a的前端面相向的位置设置爪55c。

爪55c无法限制弹簧63朝卷绕前端部63a远离爪55c的方向旋转。也就是说，爪55c是仅对一个方向的旋转有效的结构。然而，在将气压式致动器安装于涡轮增压器等其它的装置而使用时，由于施加于气压式致动器的振动等的关系，有时弹簧63仅朝一个方向旋转。在上述情况下，通过设置爪55c，能非常简单且有效地限制弹簧63的旋转。

通过使用如上所述的结构来限制设置于气压式致动器的弹簧的旋转，能稳定气压式致动器的特性。

另外，上述用于旋转限制的结构为一例，只要能限制弹簧的旋转，则也可以适当采用除了上述以外的结构。

此外，上面示出了在弹簧保持件一侧限制弹簧的旋转的情况。然而，也可以在第一外壳10一侧限制弹簧的旋转。

例如，能应用如图13所示的由插入孔9d和卷绕前端部62a实现的旋转限制、如图15所示的由爪55c和卷绕前端部63a实现的旋转限制等结构。

另外，在上面，示出了通过限制弹簧的旋转而使气压式致动器的特性稳定的结构。

如图2和图3所示，根据是在弹簧朝图2(a)的方向弯曲的位置处对旋转进行限制，还是在弹簧朝图2(b)的方向弯曲的位置处对旋转进行限制，弹簧弯曲时产生的复原力和滞后会发生变化。较为理想的是，上述滞后越小越好，并且较为理想的是，至少在气压式致动器的使用中所允许的允许值以下。因而，更为理想的是，弹簧以朝产生滞后在允许值以下的复原力的方向弯曲的方式进行旋转方向上的定位，即进行旋转限制。实际上，以如下方式进行弹簧在旋转方向上的定位，即通过例如模拟、实验等依次获取弹簧弯曲方向与滞后的对应关系，求得滞后在允许值以下的弯曲方向，并使弹簧朝上述弯曲方向弯曲。如此，能在滞后为允许值以下的特性的基础上使气压式致动器始终动作。

如上所述，根据本实施方式1的气压式致动器，弹簧的旋转被限制。因此，能使气压式致动器的特性稳定。

例如，弹簧6的卷绕前端部6a朝内侧弯曲，在弹簧保持件5上沿着弹簧6的内周形成有凸起的弹簧引导部5b。此时，弹簧引导部5b的一部分凹陷以供卷绕前端部6a配置的凹陷部5c相当于旋转限制部。根据上述结构，能使气压式致动器的特性稳定。

此外，包括：隆起部53c、9a，该隆起部53c、9a设置于弹簧保持件53、54；以及弹簧引导部53b或引导部9b，该弹簧引导部53b或该引导部9b沿着配置在隆起部53c、9a上的弹簧62的内周形成为凸起，弹簧62的卷绕前端部62a沿轴向突出。此时，形成于隆起部53c、9a且供卷绕前端部62a插入的插入孔53d、9d相当于旋转限制部。根据上述结构，能使气压式致动器的特性稳定。

此外，在弹簧保持件51、55上沿着弹簧61、63的内周形成有凸起的弹簧引导部51b、55b。此时，形成于弹簧保持件51、55并与弹簧61、63的卷绕前端部61a、63a抵接而对弹簧61、63的旋转进行限制的爪51c、51d、55c相当于旋转限制部。根据上述结构，能使气压式致动器的特性稳定。

此外，卷绕前端部61a朝弹簧61的外侧延长，爪51c、51d以夹着卷绕前端部61a的方式形成于卷绕前端部61a的两侧。根据上述结构，能使气压式致动器的特性稳定。

此外，弹簧61的卷绕前端部61a朝外侧延长，在弹簧保持件52上沿着弹簧61的外周形成有凸起的弹簧引导部52b。此时，弹簧引导部52b的一部分凹陷以供卷绕前端部61a配置的凹陷部52c相当于旋转限制部。根据上述结构，能使气压式致动器的特性稳定。

此外，弹簧在旋转方向上被定位，以使因杆7的动作方向不同而导致的空气压力之差即滞后在允许值以下。因而，能在滞后较小的稳定的特性的基础上使气压式致动器动作。

另外，本申请发明能在其保护范围内对实施方式中的任意结构要素进行变形，或是对实施方式中的任意结构要素进行省略。

(工业上的可利用性)

如上所述，由于本发明的气压式致动器能使特性稳定，因此适合用作向例如涡轮增压器提供驱动力并控制其动作的驱动装置。

(符号说明)

1外壳，2隔膜，3a大气压室，3b负压室，4负压导入管，5弹簧保持件，5a圆板面，5b弹簧引导部，5c凹陷部，5d孔，6弹簧，6a卷绕前端部，7杆，8轴承部，9隆起构件，9a隆起部，9b引导部，9c孔，9d插入孔，10第一外壳，10a底面，11第二外壳，20长度调节臂，30柄，31销轴，40支架，51弹簧保持件，51a圆板面，51b弹簧引导部，51c爪，51d爪，52弹簧保持件，52a圆板面，52b弹簧引导部，52c凹陷部，53弹簧保持件，53a圆板面，53b弹簧引导部，53c隆起部，53d插入孔，54弹簧保持件，54a圆板面，55弹簧保持件，55a圆板面，55b弹簧引导部，55c爪，61弹簧，61a卷绕前端部，62弹簧，62a卷绕前端部，63弹簧，63a卷绕前端部。