JP6276817B1 - 故障検出用センサ付きアクチュエータ及びアクチュエータの故障検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】兼用のセンサでリニアガイド部及びボールねじ部の少なくとも一方の故障を容易に検出することができる故障検出用センサ付きアクチュエータを提供する。【解決手段】可動体１が直線的に移動するのを案内するリニアガイド部４と、可動体１をねじ軸６の軸方向に駆動するボールねじ部７と、を備えるアクチュエータ１０において、アクチュエータ１０の故障を検出するためのセンサ１８を、ねじ軸６とねじ軸６を回転させるモータ１４とを連結するカップリング１２が収容されるハウジング１１に配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、故障検出用センサ付きアクチュエータ及びアクチュエータの故障検出方法に関する。

リニアガイド部とボールねじ部とを組み合わせたアクチュエータ、すなわち可動体が直線的に移動するのをリニアガイド部で案内し、可動体をボールねじ部でねじ軸の軸方向に駆動するアクチュエータが知られている。

リニアガイド部は、ボール、ローラ等の複数の転動体の転がり運動を利用して、可動体が直線的に移動するのを案内する。ボールねじ部は、ねじ軸とナットとの間に転がり運動可能に複数のボールを備え、ねじ軸を回転させることによって、ナットをねじ軸の軸方向に駆動する。

アクチュエータを長期間使用すると、リニアガイド部及びボールねじ部の少なくとも一方の転動体や転動体転走面にフレーキング、すなわち、転動体や転動体転走面の一部がうろこ状に剥離するという現象が発生する。このようなフレーキング等の故障は、可動体の円滑な移動を妨げる。このため、リニアガイド部及びボールねじ部の少なくとも一方の故障を診断することが要請される。

リニアガイド部の故障診断装置として、特許文献１には、リニアガイド部に振動センサを取り付け、この振動センサが検出した信号を信号処理部で処理する故障診断装置が開示されている。信号処理部が処理した信号の強度が所定の閾値を超えたか否かを判断することで、リニアガイド部が故障したか否かを判断することができる。

特開２０１０−９６５４１号公報

アクチュエータの故障を診断するにあたって、リニアガイド部及びボールねじ部のそれぞれに故障を検出するためのセンサを取り付けることが考えられる。しかし、リニアガイド部及びボールねじ部のそれぞれにセンサを取り付けたのでは、センサ数が増加したり、センサ用の配線の取り回しが必要になったりする。一方で、アクチュエータを交換する場合、リニアガイド部又はボールねじ部の単品の交換ではなく、アクチュエータを一括で交換することも多く、必ずしもリニアガイド部及びボールねじ部のそれぞれを個別に診断する必要はないともいえる。

それゆえ、兼用のセンサでリニアガイド部及びボールねじ部の少なくとも一方の故障を検出することが考えられる。しかし、兼用のセンサでリニアガイド部及びボールねじ部の少なくとも一方の故障を検出する場合、ボールねじ部の故障は検出し易いが、リニアガイド部の故障は検出しにくいという課題が生ずる。なぜならば、ボールねじ部に発生する振動等（振動、弾性波又は超音波）の大きさは、リニアガイド部に発生する振動等の大きさよりも大きいからである。ボールねじ部は可動体を駆動するために用いられており、ボールねじ部にはモータからトルクが働くので、ボールねじ部に発生する振動等が大きくなる。

そこで、本発明は、兼用のセンサでリニアガイド部及びボールねじ部の少なくとも一方の故障を容易に検出することができる故障検出用センサ付きアクチュエータ及びアクチュエータの故障検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、可動体が直線的に移動するのを案内するリニアガイド部と、前記可動体をねじ軸の軸方向に駆動するボールねじ部と、を備えるアクチュエータにおいて、前記アクチュエータの故障を検出するためのセンサを、前記ねじ軸と前記ねじ軸を回転させるモータとを連結するカップリングが収容されるハウジングに配置することを特徴とする故障検出用センサ付きアクチュエータである。

本発明の他の態様は、可動体が直線的に移動するのを案内するリニアガイド部と、前記可動体をねじ軸の軸方向に駆動するボールねじ部と、を備えるアクチュエータの故障検出方法において、前記アクチュエータの故障を検出するためのセンサを、前記ねじ軸と前記ねじ軸を回転させるモータとを連結するカップリングが収容されるハウジングに配置することを特徴とするアクチュエータの故障検出方法である。

本発明によれば、故障に起因してボールねじ部に発生する振動等（振動、弾性波又は超音波）は、ハウジングのベアリングにて減衰されてハウジングに伝わる。一方、故障に起因してリニアガイド部に発生する振動等はボールねじ部ほど減衰されずにハウジングに伝わる。ボールねじ部からハウジングに伝わる振動等の大きさがリニアガイド部からハウジングに伝わる振動等の大きさに近づくので、兼用のセンサでリニアガイド部及びボールねじ部の少なくとも一方の故障を容易に検出することができる。

本発明の第１の実施形態の故障検出用センサ付きアクチュエータの模式側面図である。 モータを取り外した上記実施形態のアクチュエータの斜視図である。 モータを取り外した上記実施形態のアクチュエータの詳細図（図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のｃ−ｃ線断面図、図３（ｄ）は正面図）である。 本発明の第２の実施形態の故障検出用センサ付きアクチュエータの模式平面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態の故障検出用センサ付きアクチュエータ及びアクチュエータの故障検出方法を詳細に説明する。ただし、本発明の故障検出用センサ付きアクチュエータ及びアクチュエータの故障検出方法は、種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
（本発明の第１の実施形態の故障検出用センサ付きアクチュエータ）

図１は、本発明の第１の実施形態の故障検出用センサ付きアクチュエータ１０の模式側面図である。本実施形態のアクチュエータ１０は、可動体としてのブロック１が直線的に移動するのを案内するリニアガイド部４と、可動体としてのブロック１をねじ軸６の軸方向に駆動するボールねじ部７と、を備える。

リニアガイド部４は、軌道レール３と、ボール又はローラからなる複数の転動体を介して軌道レール３に長さ方向に移動可能に組み付けられる移動ブロック２と、を備える。軌道レール３は、ベース８に取り付けられる。移動ブロック２は、ブロック１に取り付けられる。なお、リニアガイド部４の軌道レール３をベース８に一体にし、移動ブロック２を可動体としてのブロック１に一体にすることもできる。

ボールねじ部７は、ねじ軸６と、ねじ軸６に複数のボールを介して螺合するナット５と、を備える。複数のボールは、ねじ軸６のボール転走溝とナット５のボール転走溝との間に入れられる。ナット５は、可動体としてのブロック１に取り付けられる。ねじ軸６の軸方向の一端部は、ハウジング１１に回転可能に支持される。ハウジング１１は、ベース８又は軌道レール３に固定される。ねじ軸６の軸方向の他端部は、端部壁１３に回転可能に支持される。端部壁１３は、ベース８又は軌道レール３に固定される。

ねじ軸６は、モータ１４によって回転駆動される。モータ１４は、ハウジング１１に取り付けられる。ねじ軸６とモータ１４とは、カップリング１２で連結される。カップリング１２は、ハウジング１１に収容される。

モータ１４がねじ軸６を回転駆動させると、ねじ軸６に螺合するナット５がねじ軸６の軸方向に移動する。ナット５はブロック１に取り付けられているので、ナット５と共にブロック１がねじ軸６の軸方向に移動する。

図２及び図３は、モータ１４を取り外したアクチュエータ１０の詳細図を示す。図２は斜視図を示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は断面図、図３（ｄ）は正面図を示す。図２及び図３において、リニアガイド部４の軌道レール３をベース８（図１参照）に一体にし、移動ブロック２を可動体としてのブロック１（図１参照）に一体にしたアクチュエータ１０を示す。なお、以下の説明において、説明の便宜上、アクチュエータ１０を水平面に配置した状態で、ねじ軸６の軸方向から見た方向、すなわち図２に示す上下、左右、前後の方向を用いてアクチュエータ１０の構成を説明する。もちろん、アクチュエータ１０の配置はこれに限られるものではない。

リニアガイド部４の軌道レール３は、断面Ｕ字状であり、前後方向に細長く延在する。軌道レール３は、底壁部３ａと、互いに対向する一対の側壁部３ｂと、を備える。各側壁部３ｂの内側面には、長手方向にボール転走部３ｂ１が形成される。この実施形態では、各側壁部３ｂの上下に２条のボール転走部３ｂ１が形成される。

リニアガイド部４の移動ブロック２は、軌道レール３の一対の側壁部３ｂ間に挟まれ、転動体を介して軌道レール３に長さ方向に移動可能に組み付けられる。移動ブロック２の上面には、相手部品に取り付けるためのねじ穴２ａが形成される。移動ブロック２は、トラック状の循環路を有する。トラック状の循環路は、軌道レール３のボール転走部３ｂ１に対向するボール転走部、このボール転走部と平行な戻し路、ボール転走部の一端と戻し路の一端とを接続する一対のＵ字状の方向転換路と、を備える。循環路には、転動体として複数のボールが配列される。

軌道レール３に対して移動ブロック２が直線的に移動するとき、複数のボールが軌道レール３のボール転走部と移動ブロック２のボール転走部との間を転がり運動し、循環路を循環する。ボールの転がり運動を利用することで、軌道レール３と移動ブロック２との間にがたつきがない状態で移動ブロック２を移動させることができる。

ボールねじ部７のねじ軸６は、その一端部がハウジング１１に回転可能に支持され、その他端部が端部壁１３に回転可能に支持される。ねじ軸６の外周面には、螺旋状のボール転走溝６ａが形成される。ハウジング１１には、ねじ軸６の一端部を回転可能に支持するベアリング１５（図３（ｃ）参照）が設けられる。端部壁１３には、ねじ軸６の他端部を回転可能に支持するベアリング１６（図３（ｃ）参照）が設けられる。

ねじ軸６は移動ブロック２を貫通する。移動ブロック２には、ナット５が挿入される装着孔２ｂ（図３（ｃ）参照）が形成される。ナット５は、移動ブロック２の装着孔２ｂに取り付けられる。ナット５の内周面には、ねじ軸６のボール転走溝６ａに対向する螺旋状のボール転走溝が形成される。ナット５には、ナット５の螺旋状のボール転走溝の一端と他端を接続するリターンパイプ等の循環部品が設けられる。ナット５の螺旋状のボール転走溝及び循環部品によって、ボールねじ部７の循環路が構成される。循環路には、複数のボールが配列される。

ねじ軸６が回転すると、ナット５が軸方向に移動する。ねじ軸６が回転するとき、複数のボールがねじ軸６とナット５との間を転がり運動し、循環路を循環する。ボールの転がり運動を利用することで、ねじ軸６とナット５との間にがたつきがない状態で、ナット５を軸方向に移動させることができる。

図２に示すように、ハウジング１１は、ボルト等の締結部材によってリニアガイド部４の軌道レール３に固定される。ハウジング１１は、軌道レール３と一体の底部１１ｃと、底部１１ｃから立設する枠状の壁部１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅと、を備える。壁部１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅは、ベアリング１５が設けられる第１壁部１１ａと、第１壁部１１ａと対向し、ボルト等の締結部材によってモータ１４が取り付けられる第２壁部１１ｂと、第１壁部１１ａ及び第２壁部１１ｂに直交し、互いに対向する第３壁部１１ｄ及び第４壁部１１ｅと、を備える。ハウジング１１には、ねじ軸６とモータ１４とを連結するカップリング１２（図１参照）が収容される。

図１に示すように、ハウジング１１の内側には、アクチュエータ１０の故障を検出するためのセンサ１８が配置される。センサ１８は、ハウジング１１の底部１１ｃの上面に配置される。センサ１８は、ハウジング１１の振動を検出する振動センサ、ハウジング１１に伝わる弾性波を検出するＡＥ（Acoustic Emission）センサ、又はハウジング１１に伝わる超音波を検出する超音波センサである。本実施形態では、センサ１８は、ハウジング１１の表面の振動を検出する振動センサである。具体的には、ハウジング１１の表面の加速度を検出する加速度センサである。

本実施形態のアクチュエータの故障診断システムは、アクチュエータ１０と、信号処理部２０とを備える。センサ１８が検出した信号は、計測機器等から構成される信号処理部２０に入力される。信号処理部２０は、センサ１８が検出した信号を増幅するアンプ２１と、増幅した信号から所定範囲の周波数を抽出するフィルタ２２と、フィルタ処理した信号からｒｍｓ（Root Mean Square）強度を算出するｒｍｓ演算部２３と、センサ１８が検出した信号及び／又はフィルタ処理した信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transformation）解析するＦＦＴ解析部２４と、を備える。

フィルタ２２は、センサ１８が検出した信号（アンプ２１で増幅した信号を含む）からハウジング１１の共振周波数帯域を抽出する。リニアガイド部４及びボールねじ部７の少なくとも一方、すなわちリニアガイド部４及び／又はボールねじ部７にフレーキング等の故障が発生すると、故障に起因してリニアガイド部４及び／又はボールねじ部７が正常時の周波数と異なる周波数でも振動する。故障に起因するリニアガイド部４及び／又はボールねじ部７の振動は、ハウジング１１に伝わり、ハウジング１１を共振させる。ハウジング１１の共振周波数帯域の振動を抽出し、ｒｍｓ強度を正常時と比較することで、リニアガイド部４及び／又はボールねじ部７に故障が発生したか否かを知ることができる。

なお、フィルタ２２によりハウジング１１の共振周波数帯域の振動を抽出する替わりに、フィルタ２２により故障に起因するボールねじ部７の振動の周波数帯域を抽出し、フィルタ２２により故障に起因するリニアガイド部４の振動の周波数帯域を抽出することもできる。これらを抽出し、ｒｍｓ強度を正常時と比較することで、リニアガイド部４及び／又はボールねじ部７に故障が発生したか否かを知ることができる。

ｒｍｓ演算部２３は、例えば下記の計算式からフィルタ処理された信号の二乗平均平方根（ｒｍｓ）を算出する。
ｎは捕捉されたデータの個数であり、ｘは各データ点に対応する物理量（振幅）、ｉ＝１〜ｎである。

ｒｍｓ強度が所定の閾値を超えるか否かを判定することで、リニアガイド部４及び／又はボールねじ部７に故障が発生したか否かを知ることができる。なお、二乗平均平方根の替わりに、包絡線二乗平均平方根（Envelopment rms）を用いることもできる。

ＦＦＴ解析部２４は、ハウジング１１の振動の周波数を解析するために、センサ１８が検出した信号をＦＦＴ解析する。ＦＦＴ解析により、ハウジング１１にボールねじ部７の故障に起因する振動が伝わっているのか、リニアガイド部４の故障に起因する振動が伝わっているのかを知ることができる。なお、ＦＦＴ解析に替えて、又はＦＦＴ解析と共に、ＳＴＦＴ（Short-time Fourier Transform、Short-term Fourier Transform）解析、ウェーブレット変換（wavelet transformation）等を行うこともできる。

上記の信号処理部２０により、例えば以下の判定が可能になる。
（１）リニアガイド部４が故障した場合
（ａ）ハウジング１１の振動のｒｍｓ強度により、リニアガイド部４が故障したのかボールねじ部７が故障したのか両方が故障したのかはわからないが、少なくとも一方が故障したと判定する。
（ｂ）ハウジング１１の振動のｒｍｓ強度により、リニアガイド部４が故障し、ボールねじ部７が故障していないと判定する。
（ｃ）ハウジング１１の振動のｒｍｓ強度及びＦＦＴ解析により、リニアガイド部４が故障し、ボールねじ部７が故障していないと判定する。

（２）ボールねじ部７が故障した場合
（ａ）ハウジング１１の振動のｒｍｓ強度により、リニアガイド部４が故障したのかボールねじ部７が故障したのか両方が故障したのかはわからないが、少なくとも一方が故障したと判定する。
（ｂ）ハウジング１１の振動のｒｍｓ強度により、ボールねじ部７が故障し、リニアガイド部４が故障していないと判定する。
（ｃ）ハウジング１１の振動のｒｍｓ強度及びＦＦＴ解析により、ボールねじ部７が故障し、リニアガイド部４が故障していないと判定する。

（３）リニアガイド部４及びボールねじ部７の両方が故障した場合
（ａ）ハウジング１１の振動のｒｍｓ強度により、リニアガイド部４が故障したのかボールねじ部７が故障したのか両方が故障したのかはわからないが、少なくとも一方が故障したと判定する。
（ｂ）ハウジング１１の振動のｒｍｓ強度により、リニアガイド部４及びボールねじ部７の両方が故障したと判定する。
（ｃ）ハウジング１１の振動のｒｍｓ強度及びＦＦＴ解析により、リニアガイド部４及びボールねじ部７の両方が故障したと判定する。

以上に、本発明の第１の実施形態の故障検出用センサ付きアクチュエータ１０を説明した。本実施形態によれば、以下の効果を奏する。

故障に起因してボールねじ部７に発生する振動は、ベアリングにて減衰されてハウジング１１に伝わる。一方、故障に起因してリニアガイド部４に発生する振動は、ボールねじ部７ほどは減衰されずにハウジング１１に伝わる。ボールねじ部７からハウジング１１に伝わる振動の大きさがリニアガイド部４からハウジング１１に伝わる振動の大きさに近づくので、兼用のセンサ１８でリニアガイド部４及びボールねじ部７の少なくとも一方の故障を容易に検出することができる。

また、センサ１８をハウジング１１に配置するので、センサ１８がリニアガイド部４の移動ブロック２のストロークの邪魔になることがないし、場合によってはモータ１４内部のベアリング、ハウジング１１のベアリングの故障も検出することもできる。さらに、移動ブロック２、ナット５等の移動側ではなく、固定側にセンサ１８を配置するので、配線の取り回しも不要である。

センサ１８をハウジング１１の底部１１ｃの上面に配置するので、上記の効果を奏する他、カップリング１２下部のデッドスペースを有効利用することができる。

フィルタ２２によりハウジング１１の共振周波数帯域の振動を抽出するので、リニアガイド部４及び／又はボールねじ部７の故障に起因する振動がハウジング１１に伝わり、ハウジング１１が共振するのを検出することができる。リニアガイド部４の軌道レール３の共振周波数は、移動ブロック２の位置に影響されて変化するが、ハウジング１１の共振周波数は、移動ブロック２の位置に影響されない。ハウジング１１の共振周波数帯域の振動を抽出することで、リニアガイド部４及びボールねじ部７の少なくとも一方の故障を検出することができる。
（本発明の第２の実施形態の故障検出用センサ付きアクチュエータ）

図４は、本発明の第２の実施形態の故障検出用センサ付きアクチュエータの模式平面図である。第２の実施形態のアクチュエータ３０も、可動体としてのテーブル３１が直線的に移動するのを案内するリニアガイド部３４と、可動体としてのテーブル３１をねじ軸３６の軸方向に駆動するボールねじ部３７と、を備える。

第２の実施形態のアクチュエータでは、リニアガイド部３４は、左右一対のリニアガイド３４ａ，３４ｂから構成される。各リニアガイド３４ａ，３４ｂは、軌道レール３２と、複数の転動体を介して軌道レール３２に長さ方向に移動可能に組み付けられる移動ブロック３３と、を備える。軌道レール３２は、ベース３８に取り付けられる。移動ブロック３３は、テーブル３１に取り付けられる。

ボールねじ部３７は、ねじ軸３６と、ねじ軸３６に複数のボールを介して螺合するナット３５と、を備える。ナット３５は、可動体としてのテーブル３１に取り付けられる。ねじ軸３６の軸方向の一端部は、ベース３８の上面に固定されるハウジング４１に回転可能に支持される。ねじ軸３６の軸方向の他端部は、ベース３８の上面に固定される端部壁３９に回転可能に支持される。

ねじ軸３６は、モータ４２によって回転駆動される。モータ４２は、ハウジング４１に取り付けられる。ねじ軸３６とモータ４２とは、カップリング４３で連結される。カップリング４３は、ハウジング４１に収容される。

ハウジング４１は、底部４１ｃと、ベアリング４５が設けられる第１壁部４１ａと、モータ４２が取り付けられる第２壁部４１ｂと、第１壁部４１ａ及び第２壁部４１ｂに直交し、互いに対向する第３壁部４１ｄ及び第４壁部４１ｅと、を備える。

ハウジング４１の底部４１ｃの上面には、アクチュエータ３０の故障を検出するためのセンサ１８が配置される。センサ１８、信号処理部２０の構成は、第１の実施形態と同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまな実施形態に具現化可能である。

例えば、上記実施形態では、信号処理部がｒｍｓ強度を算出し、リニアガイド部及び／又はボールねじ部に故障が発生したか否かを判定しているが、信号処理部がｒｍｓ強度を算出するまでとし、判定を上位の信号処理部で行うようにすることもできる。

１…ブロック（可動体）、２…移動ブロック、３…軌道レール、４…リニアガイド部、５…ナット、６…ねじ軸、７…ボールねじ部、１０…アクチュエータ、１１…ハウジング、１１ａ…第１壁部、１１ｂ…第２壁部、１１ｃ…底部、１２…カップリング、１４…モータ、１５…ベアリング、１８…センサ、２０…信号処理部、２１…アンプ、２２…フィルタ、２３…ｒｍｓ演算部、２４…ＦＦＴ解析部、３０…アクチュエータ、３１…テーブル（可動体）、３２…軌道レール、３３…移動ブロック、３４…リニアガイド部、３５…ナット、３６…ねじ軸、３７…ボールねじ部、４１…ハウジング、４１ａ…第１壁部、４１ｂ…第２壁部、４１ｃ…底部、４２…モータ、４３…カップリング、４５…ベアリング

Claims (3)

1. 可動体が直線的に移動するのを案内するリニアガイド部と、前記可動体をねじ軸の軸方向に駆動するボールねじ部と、を備えるアクチュエータにおいて、
   前記アクチュエータの故障を検出するためのセンサを、前記ねじ軸と前記ねじ軸を回転させるモータとを連結するカップリングが収容されるハウジングに配置することを特徴とする故障検出用センサ付きアクチュエータ。
2. 前記ハウジングは、
   前記ねじ軸を回転可能に支持するベアリングが設けられる第１壁部と、
   前記モータが取り付けられる第２壁部と、
   前記第１壁部と前記第２壁部とに接続される底部と、を含み、
   前記センサは、前記底部の上面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の故障検出用センサ付きアクチュエータ。
3. 可動体が直線的に移動するのを案内するリニアガイド部と、前記可動体をねじ軸の軸方向に駆動するボールねじ部と、を備えるアクチュエータの故障検出方法において、
   前記アクチュエータの故障を検出するためのセンサを、前記ねじ軸と前記ねじ軸を回転させるモータとを連結するカップリングが収容されるハウジングに配置することを特徴とするアクチュエータの故障検出方法。