JP6644670B2 - 電動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電動モータの回転運動により移動部材を直線往復動する電動アクチュエータに関する。

電動アクチュエータには、ハウジングに設けられた移動部材を電動モータにより直線方向に往復動する形態がある。ねじ軸は、移動部材に設けられたナットにねじ結合され、電動モータにより回転駆動される。電動モータによるねじ軸の回転運動は、ナットにより移動部材の直線往復運動に変換される。移動部材の直線往復動を、往復動端つまりストローク端で停止するためのストッパがハウジングに設けられている。電動モータにより駆動された移動部材の直線運動はストッパにより規制され、移動部材は停止される。

特許文献１には、直線往復動する可動部の位置をリニアエンコーダにより検出するリニアモータが記載されている。リニアエンコーダは、位置情報が記録されたリニアスケールと、このリニアスケールを読み取る検出ヘッドとを備えている。リニアスケールの両端から所定距離の２箇所に原点位置を示すための第１の基準点情報がリニアスケールに記録され、この第１の基準点情報の位置よりもリニアスケールの両端近傍には第２の基準点情報が記録され、可動部の原点位置とモータの磁極基準位置とを検出するようにしている。

特許文献２には、ねじ軸の回転運動を直線往復運動にするナットおよびナットに取り付けられるマグネットの位置を検出する磁気センサをハウジングに設けた電動ハンドが記載されている。この電動ハンドは、ナットが組み込まれた駆動軸の直線往復運動を、フィンガーの開閉運動に変換してワークを把持でき、フィンガーでワークを把持してからさらにナットが前進移動して前進限位置まで移動する。ナットが前進限位置まで移動すると、ワークはばね力によって把持される。磁気センサは、ナットが前進限位置まで移動したことを検出するので、ワークが所定の把持力で把持されたことを検出する。また、この電動ハンドのねじ軸はトルクリミッターを介してモータ主軸によって回転することで、電動モータの過熱を防止している。

特開２００５−５１８５６号公報 特開２０１６−１１２６６１号公報

ねじ軸の回転運動を移動部材の直線運動に変換するようにした電動アクチュエータにおいては、ねじ軸にロータリエンコーダを設けることにより、移動部材の位置を検出することができる。また、移動部材のストローク端の位置に対応させてセンサをハウジングに設けると、移動部材が往復動ストローク端に移動したことをセンサにより検出することができる。

しかしながら、エンコーダやセンサを電動アクチュエータに設けると、電動モータへの給電線に加えて、エンコーダやセンサの信号線を電動アクチュエータに設ける必要がある。その結果、給電線と信号線の合計本数が多くなり、ケーブル全体の重量が嵩む。さらに、これらのケーブルを束ねると、束ねられて太くなったケーブルの湾曲変形によりいずれかのケーブルが断線し易くなる。

本発明の目的は、信号線を設けることなく、移動部材がストローク端に移動したことを検出し得る電動アクチュエータを提供することにある。

本発明の電動アクチュエータは、ハウジングに往復動自在に装着された移動部材と、前記移動部材に設けられたナットにねじ結合されるねじ軸と、前記ねじ軸を回転駆動する電動モータとを備える電動アクチュエータであって、前記電動モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、前記モータ電流が定常電流値よりも高いホールド閾値を越えたときに通知信号を、他の制御機器に出力する制御部と、を有し、前記電動モータへの通電開始から一定の電流検出開始時間が経過するまで、前記制御機器に対する前記制御部の通知信号出力を停止させ、前記電流検出開始時間が経過した後に前記モータ電流が定常電流値よりも高いホールド閾値を越えたときに、前記制御機器に対して前記制御部から前記通知信号を出力し、前記移動部材がストローク端位置に到達したことを前記制御機器に通知する。
本発明の電動アクチュエータは、ハウジングに往復動自在に装着された移動部材と、前記移動部材に設けられたナットにねじ結合されるねじ軸と、前記ねじ軸を回転駆動する電動モータとを備える電動アクチュエータであって、前記電動モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、前記モータ電流が定常電流値よりも高いホールド閾値を越えたときに通知信号を、他の制御機器に出力する制御部と、を有し、前記電動モータへの通電開始から前記モータ電流が２回目に前記ホールド閾値を越えたときに、前記制御機器に対して前記制御部から前記通知信号を出力し、前記移動部材がストローク端位置に到達したことを前記制御機器に通知する。
本発明の電動アクチュエータは、ハウジングに往復動自在に装着された移動部材と、前記移動部材に設けられたナットにねじ結合されるねじ軸と、前記ねじ軸を回転駆動する電動モータとを備える電動アクチュエータであって、前記電動モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、前記移動部材がストローク端位置に到達することにより前記モータ電流が定常電流値よりも高いホールド閾値を越えたときに通知信号を、制御機器に出力する制御部と、を有し、前記制御部は、前記制御機器に対する前記通知信号を出力するとともに、前記モータ電流を前記電動モータの回転が強制的に停止されたときに流れる電流値よりも低くする。

電動モータにより直線方向に往復動される移動部材がストローク端の位置でストッパにより移動を規制されて停止すると、電動モータに流れるモータ電流が定常電流値よりも高くなる。モータ電流値の変化に基づいて、移動部材がストローク端で停止したことを検出するので、移動部材の位置を検出するためのエンコーダやセンサが不要となる。これにより、エンコーダやセンサの信号線を電動アクチュエータに設けることが不要となり、電動アクチュエータに設けられるケーブルの重量を軽減できる。また、束ねられたケーブルが湾曲されても、ケーブルの断線発生を抑制できる。

電動アクチュエータの一例を示す断面図である。 電動アクチュエータのコントローラを示すブロック図である。 （Ａ）は電動モータによりスライダが起動されてからストローク端位置に到達するまでにおけるモータ電流波形を示す波形図であり、（Ｂ）はスライダがストローク端位置に到達したときに通知信号を出力するタイミングを示す波形図であり、（Ｃ）はスライダがストローク端位置に到達したときに、モータ電流を電動モータの回転が強制停止されたときに流れる電流値よりも低くする場合における波形図である。 電動アクチュエータ制御のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示される電動アクチュエータ１０は台板形状のハウジング１１を有し、ガイドレール１２がハウジング１１に設けられている。移動部材としてのスライダ１３がガイドレール１２に長手方向に往復動自在に装着される。先端側と後端側の２つの支持ブラケット１４，１５がハウジング１１に設けられている。ガイドレール１２に沿ってねじ軸１６が配置されており、ねじ軸１６の一端部は支持ブラケット１４に軸受１７を介して回転自在に支持され、ねじ軸１６の他端部は支持ブラケット１５に軸受１８を介して回転自在に支持されている。

ねじ軸１６はスライダ１３に設けられた貫通孔２１を貫通しており、ねじ軸１６の雄ねじ部にねじ結合されるナット２２がスライダ１３に取り付けられている。支持ブラケット２３がハウジング１１の後端部に設けられ、電動モータ２４が支持ブラケット２３に取り付けられている。電動モータ２４の主軸２５は継手２６を介してねじ軸１６に連結されている。したがって、電動モータ２４によりねじ軸１６が回転駆動されると、ねじ軸１６の回転運動はナット２２によりスライダ１３の軸方向運動に変換されて、スライダ１３は軸方向に駆動される。電動モータ２４は、ブラシ付き直流モータ、ブラシレス直流モータである。

バンパ２７がスライダ１３の一端に設けられている。スライダ１３が支持ブラケット１４に向けて、図１の右方向に駆動されると、支持ブラケット１４に設けられたストッパ２８にバンパ２７が衝突する。これにより、スライダ１３の右方向の移動は停止され、スライダ１３は右方向のストローク端に位置決めされる。バンパ３１がスライダ１３の他端に設けられている。スライダ１３が支持ブラケット１５に向けて、図１の左方向に駆動されると、支持ブラケット１５に設けられたストッパ３２にバンパ３１が衝突する。これにより、スライダ１３は左方向のストローク端で停止する。

スライダ１３は、バンパ３１がストッパ３２に当接した状態からバンパ２７がストッパ２８に当接する位置までに移動する方向を前進方向とすると、逆方向にスライダ１３が移動する方向は後退方向である。ストッパ２８，３２が支持ブラケット１４，１５に設けられてない形態の電動アクチュエータ１０においては、バンパ２７，３１がそれぞれの支持ブラケット１４，１５に直接当接する。さらに、バンパ２７，３１もスライダ１３に設けられていない形態の電動アクチュエータ１０においては、スライダ１３が支持ブラケット１４，１５に直接当接する。

図２は、電動アクチュエータのコントローラを示すブロック図である。コントローラ３３は、外部から電力が供給される制御部３４と、制御部３４に供給された電力を電動モータ２４に供給するモータ駆動部３６と、電動モータ２４に流れるモータ電流を検出する電流検出部３７を有し、電流検出部３７はシャント抵抗器を有している。起動スイッチ３５がオンされると、電動モータ２４への通電が開始され、モータ駆動部３６を介して制御部３４から電動モータ２４に電力が供給される。電流検出部３７は電動モータ２４に流れる電流値を常時検出し、検出信号を制御部３４に送る。

図３（Ａ）は、電動モータ２４によりスライダ１３が起動されてからストローク端位置に到達するまでにおけるモータ電流波形を示す波形図である。例えば、スライダ１３が図１において左側端に位置していた状態から右側のストローク端の位置まで移動するときには、電動モータ２４の起動時には、静止状態のねじ軸１６を回転駆動し始めるので、電流値が起動電流値Ｓまで上昇する。次いで、定常回転領域に入ると、電流値は起動時よりも低い定常電流値Ｖに低下してその値が保たれる。スライダ１３がストローク端の位置まで移動してバンパ２７がストッパ２８に衝突すると、電動モータ２４の主軸２５の回転が強制的に停止される。モータ電流はロック電流値Ｒまで上昇する。ロック電流値Ｒは、起動電流値Ｓとほぼ同じまたは起動電流値Ｓよりも大きい値となる。電動モータ２４にロック電流値Ｒのモータ電流を流し続けると、電動モータ２４の温度が上昇し、電動モータ２４のコイルが焼損しかねない。

そこで、図３（Ｂ）に示されるように、電動モータ２４に流れる電流を電流検出部３７により検出し、モータ電流が定常電流値Ｖよりも高いホールド閾値Ｈを越えたときには、スライダ１３がストローク端の位置となったと判定して制御部３４は通知部３８に通知信号を出力する。モータ起動時の起動電流値Ｓは、ホールド閾値Ｈよりも高い電流値となるが、起動電流値Ｓが電流検出部３７により検知されても、制御部３４は通知部３８に通知信号を出力しない。このような電動アクチュエータ１０の制御は、スライダ１３が図１において右側端に位置していた状態から左側のストローク端の位置まで移動するときにも同様である。

起動電流値Ｓが検知されても、通知信号を出力しないようにする形態としては、制御部３４内に設けられたタイマーを作動させて、電動モータ２４への通電開始から一定の電流検出開始時間Ｔが経過するまでは、制御部３４から通知部３８に通知信号を出力しない形態がある。さらにタイマーを使用しない他の形態としては、制御部３４内に設けられたカウンタを作動させて、電動モータ２４への通電開始からモータ電流が２回目にホールド閾値Ｈを越えたときに、制御部３４が通知部３８に通知信号を出力する形態がある。

通知信号に基づいて、通知部３８はブザー等の音声発生方式や、ランプ等の光点灯方式により、スライダ１３がストローク端の位置となったことを作業者に通知する。また、通知信号を、電動アクチュエータ１０を含めた他の制御機器に制御信号を送るホストコンピュータに出力しても良い。このように、通知信号は、スライダ１３がストローク端の位置となったことを検出する位置検出信号としても機能する。

スライダ１３がストローク端の位置となったときに継続的に電動モータ２４に電力が供給されると、モータ電流値はロック電流値Ｒにまで上昇する。しかし、ホールド閾値Ｈを越えたときには、警報を出力して作業者にはスライダ１３がストローク端の位置となったことが通知される。このように、スライダ１３を駆動するための電動モータ２４に流れる電流値を検出することにより、スライダ１３の位置を検出するためのエンコーダやセンサを設けることなく、スライダ１３がストローク端の位置となったことを自動的に検出することができる。

警報が出力されたときに、作業者により起動スイッチ３５が操作されて、電動モータ２４に対する電力供給が停止される。これにより、電動モータ２４の過度の発熱が抑制されるとともに、発熱によるコイルの焼損発生を防止することができる。

図３（Ｃ）は、電動アクチュエータ１０の制御方式の他の具体例を示し、スライダ１３がストローク端位置に到達したときに、モータ電流を電動モータ２４の回転が強制停止されたときに流れる電流値よりも低くする場合における電流波形図である。

図３（Ｃ）に示されるように、モータ電流が定常電流値Ｖよりも高いホールド閾値Ｈを越えたときには、スライダ１３がストローク端の位置となったと判定して制御部３４は、通知部３８に通知信号を出力する。さらに、スライダ１３がストローク端の位置となった状態のもとで、モータ電流値がホールド閾値Ｈを越えたときには、電動モータ２４に供給される電圧を定常電圧よりも低い電圧として、モータ電流をロック電流値Ｒよりも低い停止維持電流値Ｗにまで低下させる。これにより、電動モータ２４によりスライダ１３にはストッパに向かう方向の推力が加えられ、スライダ１３はストローク端の位置で保持される。しかも、停止維持電流値Ｗはロック電流値Ｒよりも低い電流値であるので、電動モータ２４の発熱やコイルの焼損の発生を防止することができる。

図３（Ｃ）においては、スライダ１３がストローク端の位置となると、停止維持電流値Ｗを保持してスライダ１３には推力を加えるようにしているが、電動モータ２４への通電が停止されるようにしても良い。

図４は、電動アクチュエータ制御のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。この制御は、図３（Ｃ）に示された制御方式を示す。起動スイッチ３５がステップＳ１でオンされると、ステップＳ２において電動モータ２４への通電が開始され、電動モータ２４は回転駆動する。ステップＳ３において、一定の電流検出開始時間Ｔが経過したときには、ステップＳ４において所定のホールド閾値Ｈに到達したか否かが判定される。電動モータ２４の回転が停止し、ホールド閾値Ｈに到達したと判定されると、ステップＳ５において通知部３８に通知信号が出力され、ステップＳ６において設定電流値である停止維持電流値Ｗとなるように、電動モータ２４に供給される電圧がＰＷＭ制御により低下される。この状態で起動スイッチ３５がオフされる（ステップＳ７）と、電動モータ２４への通電が停止される（ステップＳ８）。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。電動モータ２４を備えた電動アクチュエータ１０は図１に示される形態に限られることなく、電動アクチュエータとしては、ハウジングの上面にスライダつまり移動部材が軸方向に往復動自在に装着されたものでも良い。また、電動アクチュエータとしては、ナットが設けられた駆動軸を移動部材として、駆動軸の直線往復運動を、フィンガーの開閉移動に変換して、フィンガーで被加工物等のワークを把持するハンド型の電動アクチュエータでもよい。

１０ 電動アクチュエータ
１１ ハウジング
１２ ガイドレール
１３ スライダ
１４、１５ 支持ブラケット
１６ ねじ軸
２１ 貫通孔
２２ ナット
２３ 支持ブラケット
２４ 電動モータ
２５ 主軸
２７、３１ バンパ
２８、３２ ストッパ
３３ コントローラ
３４ 制御部
３５ 起動スイッチ
３６ モータ駆動部
３７ 電流検出部
３８ 通知部

Claims (4)

1. ハウジングに往復動自在に装着された移動部材と、前記移動部材に設けられたナットにねじ結合されるねじ軸と、前記ねじ軸を回転駆動する電動モータとを備える電動アクチュエータであって、
   前記電動モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、
   前記モータ電流が定常電流値よりも高いホールド閾値を越えたときに通知信号を、他の制御機器に出力する制御部と、を有し、
   前記電動モータへの通電開始から一定の電流検出開始時間が経過するまで、前記制御機器に対する前記制御部の通知信号出力を停止させ、前記電流検出開始時間が経過した後に前記モータ電流が定常電流値よりも高いホールド閾値を越えたときに、前記制御機器に対して前記制御部から前記通知信号を出力し、前記移動部材がストローク端位置に到達したことを前記制御機器に通知する、電動アクチュエータ。
2. ハウジングに往復動自在に装着された移動部材と、前記移動部材に設けられたナットにねじ結合されるねじ軸と、前記ねじ軸を回転駆動する電動モータとを備える電動アクチュエータであって、
   前記電動モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、
   前記モータ電流が定常電流値よりも高いホールド閾値を越えたときに通知信号を、他の制御機器に出力する制御部と、を有し、
   前記電動モータへの通電開始から前記モータ電流が２回目に前記ホールド閾値を越えたときに、前記制御機器に対して前記制御部から前記通知信号を出力し、前記移動部材がストローク端位置に到達したことを前記制御機器に通知する、電動アクチュエータ。
3. 請求項１または２記載の電動アクチュエータにおいて、前記制御機器に対する前記通知信号を出力するとともに、前記モータ電流を前記電動モータの回転が強制的に停止されたときに流れる電流値よりも低くするか、または前記電動モータへの通電を停止する、電動アクチュエータ。
4. ハウジングに往復動自在に装着された移動部材と、前記移動部材に設けられたナットにねじ結合されるねじ軸と、前記ねじ軸を回転駆動する電動モータとを備える電動アクチュエータであって、
   前記電動モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、
   前記移動部材がストローク端位置に到達することにより前記モータ電流が定常電流値よりも高いホールド閾値を越えたときに通知信号を、制御機器に出力する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記制御機器に対する前記通知信号を出力するとともに、前記モータ電流を前記電動モータの回転が強制的に停止されたときに流れる電流値よりも低くする、電動アクチュエータ。

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