JP2008109720A - シャフトモータおよびその制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】ベアリングにかかわるトラブルを生じることなく低摩擦、高精度であるシャフトモータおよびその制御システムを提供する。
【解決手段】筒状をなすコイル９の中心軸上に設けられたシャフト２を軸方向移動可能に支持する流体軸受け４を備え、流体軸受け４は、シャフト２の表面に対しラジアル方向に流体を噴射する複数個のノズル15を備えている構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転駆動を経ることなく直線駆動を得るシャフトモータに係り、ＬＭ（リニアモータ）ガイドやボールネジを使わないシャフトモータおよびその制御システムに関する。

原子力発電所や再処理施設などでは水中溶接構造物が多く、これらの水中溶接構造物の多くは、高レベルの放射線環境下にあり、溶接部の健全性の点検や保全作業は遠隔運転の作業装置で実施されることが多い。原子力発電所の圧力容器内部の炉内構造物は、その健全性を維持するために供期間中溶接部を中心にひび欠陥等の補修、予防保全対策などを必要としている。一般的に行われている作業は、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接などの溶接作業、回転ブラシによる磨き作業やＥＤＭ欠陥除去作業、応力改善のためのピーニング作業などである。

これらの各種補修・保全作業の多くは、作業員の放射線被爆を低減するために原子炉内に水を満たした状態で行われ、作業環境は水中となる。このような作業環境の中で、簡易な構成を有し動作精度が高く故障の少ない炉内作業ロボットの１機構として、例えば円筒形の永久磁石を一直線に並べ中心にボルトを通して結合しシャフト状に形成したコアシャフトに、円筒形の電磁コイルからなる可動子を通してリニアモータを形成してなるシャフトモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この炉内作業ロボットは、ほぼ円筒状をなす本体ケース内の軸方向に駆動される可動子と、可動子に基端を回転自在に結合されＶ型リンクを形成するアーム装置と、アーム装置の先端に取り付けられ工具を保持する手首機構とを備えた構成となっている。

上記のような原子力施設での作業においては、作業装置が損傷し、部品が水中に落下（落下部品はルーズパーツと称する）した場合は、作業の一時中断が要求され、喪失した部品の回収を完了するまで作業再開ができないケースが多く、施設の運営に大きな影響を与える。例えば、このような課題への対策として、ＬＭガイドなどのベアリングを有するガイド機構が不要なシャフトモータの採用が考えられている（特許文献２参照）。
特開２００５−１０３６９５号公報 特開２００４−３４０８号公報

上述したＬＭガイドによるガイド機構を有するシャフトモータについては、ＬＭガイドは外れると簡単にベアリングが飛び出し喪失するという欠点がある。特にサイズの小さいＬＭガイドなどではベアリング粒径が１ｍｍ程度と寸法が小さく、かつ何処までも転がり易いので、一旦喪失すると回収が極めて困難である。また、大きなサイズのＬＭガイドなどはベアリング保持器をつけることが可能で、ＬＭガイドが壊れても簡単にはベアリングが飛び出すことはないが、ミニチュアサイズのＬＭガイドなどは寸法的に保持器をつけるスペースがなく、簡単にベアリングが飛び出す構造となっている、という課題がある。

このような課題に対する対策として、ＬＭガイド等を滑りガイドに置換する方法が考えられる。滑りガイドは、ベアリングを使わずにスライドガイドを実現するが、ＬＭガイドに比べ、ガタが大きく、動作精度が悪くなることや、滑り面の状態や調整具合によってすべり摩擦抵抗が大きく変化するため、モータ出力に余裕がない場合などは、少しかじっただけでモータ負荷が過負荷となり動作しなくなるなど、ＬＭガイドの完全な代用となっていないところに課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ベアリングにかかわるトラブルを生じることなく低摩擦、高精度であるシャフトモータおよびその制御システムを提供することを目的とする。

本発明のシャフトモータは、筒状をなすコイルの中心軸上に設けられたシャフトを軸方向移動可能に支持する流体軸受けを備え、前記流体軸受けは、前記シャフトの表面に対しラジアル方向に流体を噴射する複数個のノズルを備えている構成とする。

本発明のシャフトモータの制御システムは、前記コイルの表面近傍に設けられた熱電対と、リニアセンサの出力信号から前記シャフトの位置データとアップダウンカウントデータを発生する増幅器と、前記アップダウンカウンタ信号と前記熱電対の出力信号を入力し２つのシャフトをサーボ制御するＡＣサーボドライバと、前記流体軸受けに所定流量の流体を送給する流体送給システムと、前記増幅器と前記ＡＣサーボドライバと前記流体送給システムを入出力制御する運転制御用計算機機とを備えている構成とする。

本発明によれば、ベアリングにかかわるトラブルを生じることなく低摩擦、高精度であるシャフトモータおよびその制御システムを提供することができる。

以下、本発明の第１ないし第８の実施の形態のシャフトモータおよびその制御システムについて、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本実施の形態のシャフトモータは図１に示すように、シャフト２と、可動子３で構成され、可動子３はコイル部１０の両端に流体軸受け４が設けられ、流体軸受けコネクタ１６を介してホース１７が接続されている。

シャフトモータの構造は図２に示すようになっている。まず、シャフト２は、軸方向にＮ極とＳ極を有するように磁化された円筒状の複数個の磁石５と、これを軸方向に整列させ一体的に保持する通しボルト６およびナット７と、全体を覆う保護カバー８で構成されている。コイル部１０は、シャフト２の保護カバー８の外径よりやや大きめの内径を有する円筒状で巻数と形状・寸法が同一の３個のコイル９をＵ，Ｖ，Ｗ相の１セットとして積層し配線したコイル群と、非磁性体のモータケース１１と、蓋１２と、内筒１３、で構成されている。

流体軸受け４は、コイル部１０の両端、すなわちモータケース１１の底面と、蓋１２に各１個ずつボルト１４(図3参照)で固定されている。流体軸受け４の形状は、コイル部１０と同様に内側にシャフト２が通過可能な穴があり、その穴径はシャフト２の外径に対し隙間公差（凡そ０．１ｍｍ以下で公差±２ｍｍ程度）で管理し、内筒１３との嵌め合いにより同芯度を保証可能な構造となっている。

流体軸受け４の構造は図３に示すようになっている。ノズル１５が軸受け円板２０の外周面から中心に向かって、直角にラジアル方向に設けられている。ノズル１５は周方向に３個以上の複数を等ピッチで配置してある。図３は３個の場合を示している。ノズル１５には、流体注入用のコネクタ１６およびホース１７が各々接続されており、これは図１に示すように、分岐箱１８を経て、一系統の流体送給ライン１９から流体を供給するように配管がなされている。

このような構成の流体軸受けつきのシャフトモータでは、ノズル１５から油、水等の液体あるいは気体をシャフト２に向かって噴射し、そのジェット噴射圧によりシャフト２から可動子３を浮遊させる作用がある。

この流体軸受け４の作用により、本実施の形態のシャフトモータでは、まず第一に、ＬＭガイドのようなスライドガイドが不要となり、ベアリングを使用しない直線駆動機構を提供することができる。また、流体軸受け４の作動流体がコイル発熱の冷却材として機能する効果がある。さらに、シャフト２の表面に付着しているごみが流体の噴射圧により吹き飛ばされ、ごみの混入、噛み込みを防止する効果があり、特に、鉄さびや砂鉄などの磁性体粉が存在する鉄製配管中での水中作業などへの適用性が向上する効果がある。また、一般的に流体軸受けの効果として、摩擦ロスがない、動作が静か、高精度、長寿命などの効果もある。

（第２の実施の形態）
次に、図４，図５を用いて本発明の第２の実施の形態のシャフトモータを説明する。図４に示すように、可動子３のコイル部１０に内蔵されたコイル９の相互間に板厚が薄い非磁性体の金属板２１をはさむ。図４のＶ−Ｖ線に沿う縦断面である図５に示すように、金属板２１には数箇所、ラジアル方向に切れ目を設け、流路２２を形成している。また、モータケース１１の流路２２の出口に相当する箇所には通し穴２３が開けてある。内筒１３にも通し穴２４が開けてあり、金属板２１の外周とモータケース１１の内面との間には周方向間隙２５が設けられている。更に、コイル９の表面、およびコイルとモータケーブル間の接続部は絶縁性の接着剤で覆い、外部との絶縁性を確保している。

本実施の形態のシャフトモータは、このような構成にすることにより、コイル９間の金属板２１を介する伝導によってコイル９で発生する熱の放散が良くなる作用がある。また、金属板２１に流路２２を設けることにより、流体軸受け４に使用される作動流体は、シャフト２の表面から可動子３内部のこの流路２２を通過して外に出る流れが発生し、この流れでコイル９に発生する熱が冷却される。

シャフトモータの推力限界は可動子３の許容温度から決まり、コイル９の冷却性が良いほど、高出力のシャフトモータが得られる。本実施の形態では、流体軸受け４に流す作動流体を積極的に冷却材として機能させることにより、シャフトモータの出力アップの効果が得られる。しかも、コイル９間に冷却用の金属板２１を挟み、この金属板２１に沿って作動流体が外に流れ出る構成とすることにより飛躍的に冷却性能が上がり、同形状の従来型のシャフトモータに比較し、数倍の出力を発生することも可能となる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態のシャフトモータは、前記第２の実施の形態の構成のほかに、図６，図７に示すように、軸受け円板２０に設けられるノズル１５をやや内側（コイル部１０のある方向）向きに傾けた構成である。

本実施の形態のシャフトモータは、ノズル１５が内側に向いており、しかも可動子３の内部には貫通した流路２２が設けられているので、ノズル１５から噴射した作動流体は、流体軸受け４の側面から外へ直接噴き出る量が減り、主にシャフト２表面に沿って可動子３の内側に入り流路２２を通過して可動子３の周面から外に出る量が増える作用がある。したがって、コイル９の冷却性が更に高められる。

（第４の実施の形態）
本実施の形態のシャフトモータは、前記第２の実施の形態の構成のほかに、図８に示すように、軸受け円板２０に設けるノズル１５をシャフト２の内側に向けてスラスト方向と周方向（ラジアル方向）のいずれにも数度傾けた構成である。ラジアル方向に傾ける方向は、一つの流体軸受け４の中ではいずれも同じ方向に傾け、かつ、左右の流体軸受け４，４で逆向きとする。

このような構成とすることによって、流体軸受け４に供給される作動流体は螺旋流となってシャフト２の表面を通過し、可動子３の内部に入り流路２２を通過して可動子３の周面から外に出る量が増える作用がある。したがって、シャフト２の全面を作動流体が流れるようになり、作動流体がコイル群１０と接する表面積が増え、冷却性が更に上がる。また、左右の流体軸受け４のノズル１５を逆向きとすることにより、作動流体噴射力によってシャフト２を回すモーメントは打ち消されることになり、螺旋流の中でもシャフト２は静定する。

（第５の実施の形態）
本実施の形態のシャフトモータは、図９に示すように、前記第２、第３または第４の実施の形態の構成のほかに、可動子３のコイル部１０において内筒１３の内面に軸方向に沿って軸方向溝２６を設けた構成である。

本実施の形態のシャフトモータは、可動子３のコイル部１０の内筒１３に軸方向溝２６を設けてあるので、流体軸受け４の作動流体が流れやすくなり、軸方向溝２６がない場合に比較して、可動子３内部に流入する作動流体が増える作用がある。したがって、コイル９の冷却性が向上する。

（第６の実施の形態）
図１０，１１を用いて本発明の第６の実施の形態を説明する。本実施の形態のシャフトモータは、前記第１ないし第５の実施の形態のシャフトモータを２台結合した構成であり、図１０に示すように１つのケース３１の中に2セットのコイル部１０が動作軸を平行にして組み込まれており、これに合わせてシャフト２も２本軸平行に設けられ両端を連結部材３２で連結した構成である。

電気接続の概念図を図１１に示すように、モータケーブル３３は、シールドつき３芯とアース線を有する複合ケーブル１本とし、各相給電線３３ｕ、３３ｖ、３３ｗは、分岐されてモータケース１１の中でコイル９に並列に配線され、アース線３３ｇはモータケース１１に接続する。

流体軸受けつきのシャフトモータは、ＬＭガイドなどのようなスライドガイドがなくてもシャフト動作が可能となるが、単体ではシャフトが自在に回転するので、負荷がラジアル方向に回ってしまう可能性があるが、本実施の形態のように２つの同じ構成のシャフト２と可動子３を平行に並べそれぞれ結合することで、シャフト２は自在に回転できなくなり、ワークの姿勢は完全に固定される作用がある。

したがって、ワークの回転止めの機構を別に設ける必要がなくなり、シャフトモータだけで直動機構を構成することができる。また、２つの可動子３とシャフト２の形状、寸法を全く同じとし、並行に配置することで、双方の位相は一致するので、Ｕ，Ｖ、Ｗ相への三相励磁は同期することになり、モータケーブル、モータドライバーは一つにまとめることができ、全体として一つのシャフトモータであるかのように使用することができる。

（第７の実施の形態）
図１２を用いて、本発明の第７の実施の形態を説明する。本実施の形態のシャフトモータは、第６の実施の形態で説明した２つの可動子３を収容するケース３１の中に磁気式のリニアセンサ（リニアインダクトコーダ）３４のセンサヘッド３５を２本のシャフト２，２と平行に設けた構成である。

リニアセンサ３４はコイル部１０内のコイル９からの磁気の影響を受けやすいので、コイル部１０の外周側面全体と、センサヘッド３５の外周側面全体を強磁性体の金属板３７，３８で覆い、コイル９からの磁気を遮断する。また、リニアセンサ３４のセンサロッド３６はセンサヘッド３５を通過するように構成して、その両端を連結部材３２で２本のシャフト２，２と連結する。

本実施の形態によれば、シャフト２に対する可動子３の移動位置をリニアセンサ３４で検出することができ、モータの位相検出が可能となり、サーボ制御が可能となる。また、リニアセンサ３４は、同時に多点式リミットスイッチとしての位置信号を設定することができるので、サーボ制御に必要な原点復帰用の原点リミットスイッチや、動作限界リミット用のリミットスイッチの信号も設定可能となり、このリニアセンサ３４を備えることによって、サーボ駆動に必要なセンサをすべて満足することができ、構成要素が少なく、小型、低コストな直動機構を提供できる。なお、本実施の形態の構成は、直動型であり、回転式モータ機構のようにバックラッシュやガタが発生しないので、高精度の位置決め、原点位置出しが可能である。

（第８の実施の形態）
本実施の形態は、シャフトモータの制御システムに関する。すなわち、図１３に示すように、コイル部１０内のコイル９の表面近傍に熱電対４１を貼り付け、絶縁性の接着剤により固め、モータケース１１と一体化する。また、モータケース１１にはアース線３３ｇをつける。熱電対４１、およびモータケーブル３３は、サーボ制御装置４２に接続される。

サーボ制御装置４２は、リニアセンサ用の増幅器４３、熱電対用の増幅器５９、ＡＣサーボドライバ４４、制御用シーケンサ４５、運転制御用計算機４６、入出力表示器４７、Ａ／Ｄ入出力回路４８，４９およびインバータ５５を備えている。リニアセンサ用の増幅器４３にはリニアセンサ３４の信号ライン４０を接続し、ＡＣサーボドライバ４４には、モータケーブル３３を接続する。また、アース線３３ｇはＡＣサーボドライバ４４のアースラインに落とす。

このような接続によって、リニアセンサ３４の正逆移動信号をリニアセンサ用の増幅器４３でアップダウンのラインドライブに変換したアップダウンのカウンタ信号５０がＡＣサーボドライバ４４に入力される。また、リニアセンサ用の増幅器４３のリミット接点出力信号５１は、原点リミット信号、正方向動作限界リミット信号、負方向動作限界リミット信号などであるが、これらの信号がＡＣサーボドライバ４４に入力される。

増幅器４３の初期設定指令や現在位置のデジタル位置データは入出力ライン５２を通して、またＡＣサーボドライバ４４の状態信号や制御指令コマンドは入出力ライン５３を通して、制御用シーケンサ４５から入出力される。制御用シーケンサ４５は運転制御用計算機４６に接続され、運転制御用計算機４６より動作プログラムのダウンロードや運転開始指令を受ける。

熱電対４１の出力は、熱電対用の増幅器５９の入力側に入り、増幅器５９の出力信号はＡ／Ｄ入出力回路４８を経て、制御用シーケンサ４５に取り込まれる。

制御用シーケンサ４５にはまたＡ／Ｄ入出力回路４９が接続され、Ａ／Ｄ入出力回路４９は制御弁５４、ポンプ５８駆動用のインバータ５５、流量計６５、圧力計５７などと接続されている。流体軸受け４のノズル１５に接続された流体送給ライン１９は、モータケーブル３３などと共にサーボ制御装置４２側までつながっており、その送り側は、圧力計５７、流量計５６、制御弁５４をへて、ポンプ５８の出力側に接続されている。ポンプ５８はインバータ５５で駆動され、流体送給量が調整される。

このようにして本実施形態のシャフトモータの制御システムにおいては、運転制御用計算機４６で制御用シーケンサ４５の入出力を制御し、制御用シーケンサ４５を介して、ＡＣサーボドライバ４４、リニアセンサ用の増幅器４３およびポンプ駆動用のインバータ５５を制御する。

本実施の形態によれば、流体軸受けつきのシャフトモータをサーボ制御するデジタル制御システムを提供することができる。本実施の形態では、流体軸受け４に流す作動流体の冷却効果により通常よりも大きな電流をコイル９に流すことができる。この許容電流値は、外気温度や、運転状態によって変化するが、本実施の形態の制御システムは、熱電対４１によってコイル９の温度状態を直接計測することができる構成となっているので、このコイル表面温度で電流リミットをリアルタイムに調整することが可能でき、常に、その時の適用環境で許容される最大の推力を得ることができ、高い出力が得られる。

さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、各実施の形態を組み合わせて、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の第１の実施の形態のシャフトモータの全体構成を示す図。 本発明の第１の実施の形態のシャフトモータの構造を示す、図１のII−II線に沿う断面図。 本発明の第１の実施の形態のシャフトモータに備えられる流体軸受けの構造を示す、図２のIII−III線に沿う断面図。 本発明の第２の実施の形態のシャフトモータに備えられる可動子の構造を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態のシャフトモータに備えられるコイル部の構造を示す、図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図。 本発明の第３の実施の形態のシャフトモータに備えられる流体軸受けの構造を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。 本発明の第３の実施の形態のシャフトモータに備えられる可動子の構造を示す上半断面図。 本発明の第４の実施の形態のシャフトモータに備えられる流体軸受けの構造を示し、（ａ）は軸に垂直な面による断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。 本発明の第５の実施の形態のシャフトモータに備えられるコイル部の構造を示す断面図。 本発明の第６の実施の形態のシャフトモータの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。 本発明の第６の実施の形態のシャフトモータの電力供給のためのケーブル接続を示す断面図。 本発明の第７の実施の形態のシャフトモータの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。 本発明の第８の実施の形態のシャフトモータの制御システムを示すブロック図。

符号の説明

２…シャフト、３…可動子、４…流体軸受け、５…磁石、６…通しボルト、７…ナット、８…保護カバー、９…コイル、１０…コイル部、１１…モータケース、１２…蓋、１３…内筒、１４…ボルト、１５…ノズル、１６…コネクタ、１７…ホース、１８…分岐箱、１９…流体送給ライン、２０…軸受け円板、２１…金属板、２２…流路、２３，２４…通し穴、２５…周方向間隙、２６…軸方向溝、３１…ケース、３２…連結部材、３３…モータケーブル、３３ｕ、３３ｖ、３３ｗ…各相給電線、３３g…アース線、３４…リニアセンサ、３５…センサヘッド、３６…センサロッド、３７，３８…金属板、４０…リニアセンサ信号線、４１…熱電対、４２…サーボ制御装置、４３…増幅器、４４…ＡＣサーボドライバ、４５…制御用シーケンサ、４６…運転制御用計算機、４７…入出力表示器、４８，４９…Ａ／Ｄ入出力回路、５０…カウンタ信号、５１…リミット接点出力信号、５２，５３…入出力ライン、５４…制御弁、５５…インバータ、５６…流量計、５７…圧力計、５８…ポンプ、５９…増幅器。

Claims (8)

1. 筒状をなすコイルの中心軸上に設けられたシャフトを軸方向移動可能に支持する流体軸受けを備え、前記流体軸受けは、前記シャフトの表面に対しラジアル方向に流体を噴射する複数個のノズルを備えていることを特徴とするシャフトモータ。
2. 前記コイルは互いに異なる位相の磁界を発生する複数個のものが相互間に非磁性体の金属板を挟んで同心軸上長さ方向に配置されて内筒とモータケースで囲まれたスペース内に設けられ、前記内筒と前記モータケースと前記金属板に前記流体を通す通し穴または流路が形成されていることを特徴とする請求項１記載のシャフトモータ。
3. 前記ノズルは、前記流体を前記シャフトと前記内筒の間に供給する向きに傾いていることを特徴とする請求項２記載のシャフトモータ。
4. 前記ノズルは前記シャフトの円周面の接線方向に向いた傾きを有し、前記コイルケースの両側部に設けられた流体軸受けにおいて前記接線方向傾斜の向きは逆であることを特徴とする請求項２または３に記載のシャフトモータ。
5. 前記内筒の内周面の軸方向に溝が形成されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のシャフトモータ。
6. 前記コイルおよび前記流体軸受けを備えてなる可動子を２個並置結合し、前記２個の可動子内に設けられた２本のシャフトの端部を並列に連結したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のシャフトモータ。
7. 前記２個の可動子の間にリニアセンサのセンサヘッドを取り付け、前記リニアセンサのセンサロッドを前記２本のシャフトと平行に配置し、前記センサロッドの端部を前記２本のシャフトの端部に連結したことを特徴とする請求項６記載のシャフトモータ。
8. 請求項１ないし７のいずれか記載のシャフトモータを制御するシャフトモータの制御システムであって、前記コイルの表面近傍に設けられた熱電対と、前記リニアセンサの出力信号から前記シャフトの位置データとアップダウンカウントデータを発生する増幅器と、前記アップダウンカウンタ信号と前記熱電対の出力信号を入力し前記２つのシャフトをサーボ制御するＡＣサーボドライバと、前記流体軸受けに所定流量の流体を送給する流体送給システムと、前記増幅器と前記ＡＣサーボドライバと前記流体送給システムを入出力制御する運転制御用計算機とを備えることを特徴とするシャフトモータの制御システム。

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