JP2021136779A

JP2021136779A - 電動アクチュエータ

Info

Publication number: JP2021136779A
Application number: JP2020031362A
Authority: JP
Inventors: 将武藤; Susumu Muto
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2021-09-13

Abstract

【課題】モータの回転運動を移動部材の直線運動に変換する機構を備える電動アクチュエータにおいて、移動部材が停止位置において正常に停止しているか否かを判定する。
【解決手段】電動アクチュエータは、モータと、移動部材と、変換機構と、停止部材と、制御装置とを備える。変換機構は、モータの回転運動を移動部材の直線運動に変換する。停止部材は、モータの回転運動の回転軸方向において移動部材と対向するように停止位置に固定されている。制御装置は、移動部材が停止位置に到達してから第１時間間隔ＴＳ_５が経過以降にモータへの電力供給を停止する。制御装置は、移動部材が停止位置に到達してから第１時間間隔ＴＳ_５の間において、モータを流れる電流の振幅に関する停止条件が成立しない場合、異常情報を報知する。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータの回転運動を移動部材の直線運動に変換する機構を備える電動アクチュエータに関する。

従来、モータの回転運動を移動部材の直線運動に変換する機構を備える電動アクチュエータが知られている。たとえば、特開２０１８−９１３７９号公報（特許文献１）には、電動モータに流れる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出力する電動アクチュエータが開示されている。当該電動アクチュエータによれば、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することができる。

特開２０１８−９１３７９号公報

電動アクチュエータの変換機構の異常によってストローク端（停止位置）において移動部材が微少な振動を繰り返す等、移動部材がストローク端において正常に停止されない場合がある。しかし、特許文献１に開示されている電動アクチュエータにおいては、停止位置において移動部材が正常に停止しているか否かについて考慮されていない。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、モータの回転運動を移動部材の直線運動に変換する機構を備える電動アクチュエータにおいて、移動部材が停止位置において正常に停止しているか否かを判定することである。

本発明に係る電動アクチュエータは、モータと、移動部材と、変換機構と、停止部材と、制御装置とを備える。モータは、回転運動をする。移動部材は、モータの回転運動の回転軸に沿って直線運動をする。変換機構は、モータの回転運動を移動部材の直線運動に変換する。停止部材は、モータの回転運動の回転軸方向において移動部材と対向するように停止位置に固定されている。制御装置は、モータを制御して移動部材を移動させる。制御装置は、移動部材が停止位置に到達してから第１時間間隔が経過以降にモータへの電力供給を停止する。制御装置は、移動部材が停止位置に到達してから第１時間間隔の間において、モータを流れる電流の振幅に関する停止条件が成立しない場合、異常情報を報知する。

本発明に係る電動アクチュエータによれば、移動部材が停止位置に到達してから第１時間間隔の間において、モータを流れる電流の振幅に関する停止条件が成立するか否かを判定することにより、移動部材が停止位置において正常に停止しているか否かを判定することができる。

実施の形態に係る電動アクチュエータの構成を示す機能ブロック図である。図１のモータの起動からの経過時間とモータに流れる電流値との関係を示すグラフである。図１の制御部によって行われる停止判定処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、実施の形態に係る電動アクチュエータ１００の構成を示す機能ブロック図である。図１においてＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は互いに直交している。

図１に示されるように、電動アクチュエータ１００は、モータ１０と、ボールねじ機構（変換機構）２０と、停止部材２４，２５と、ガイド部材２６と、制御装置３０と、電流センサ４０とを備える。ボールねじ機構２０は、ねじ軸２１と、ナット２２と、移動部材２３とを含む。

モータ１０には、不図示の電源から電力が供給される。モータ１０は、Ｙ軸に平行な回転軸ＡＸ１を中心に回転運動をする。ガイド部材２６は、回転軸ＡＸ１に沿って延在している。停止部材２４，２５は、ガイド部材２６の両端においてそれぞれ固定されている。ねじ軸２１は、回転軸ＡＸ１に沿って延在している。ねじ軸２１の両端は、回転軸ＡＸ１を中心に回転可能なように停止部材２４，２５によってそれぞれ支持されている。

ねじ軸２１は、ナット２２のねじ穴に挿入されている。移動部材２３は、ナット２２に固定されているとともに、回転軸ＡＸ１方向に移動可能なようにガイド部材２６に装着されている。モータ１０の回転運動はねじ軸２１に伝達される。ねじ軸２１が回転する場合、ガイド部材２６によって移動部材２３の回転が抑制される。移動部材２３に固定されているナット２２はねじ軸２１とともに回転しない。ナット２２は、回転軸ＡＸ１に沿って直線運動をする。移動部材２３はナット２２ともに移動するため、移動部材２３も回転軸ＡＸ１に沿って直線運動する。すなわち、ボールねじ機構２０は、モータ１０の回転運動を移動部材２３の直線運動に変換する。

停止部材２４，２５は、回転軸ＡＸ１方向において移動部材２３と対向するように配置されている。停止部材２４は、移動部材２３が停止位置ＳＰ１を超えて移動することを抑制する。停止部材２５は、移動部材２３が停止位置ＳＰ２を超えて移動することを抑制する。

制御装置３０は、制御部３１と、メモリ３２と、報知部３３とを含む。制御部３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなコンピュータおよび揮発性メモリを含む。制御部３１は、サンプリングタイム（たとえば２００μｓ）毎に電流センサ４０からモータ１０を流れる電流の検出値（電流値）を受け、モータ１０を制御する。メモリ３２には、制御部３１に読み出されて実行されるＯＳ（Operating System）、各種アプリケーションのプログラム、および当該プログラムによって使用される各種データが保存される。メモリ３２は、たとえば、不揮発性の半導体メモリであるフラッシュメモリ、または記憶装置であるＨＤＤ（Hard Disk Drive）を含んでもよい。報知部３３は、ディスプレイ、およびスピーカを含む。制御部３１は、報知部３３を制御して、ユーザにメッセージを報知する。

図２は、図１のモータ１０の起動からの経過時間とモータ１０に流れる電流値との関係を示すグラフである。図２において、経過時間ｔ１０において移動部材２３が停止部材２５に接触して停止位置ＳＰ２に達したとする。制御部３１は、測定時間間隔（たとえば１０ｍｓ）毎に移動部材２３が停止位置において停止したか否かの停止判定処理を行う。図２には、測定時間間隔ＴＳ_１〜ＴＳ_５が示されている。図２において測定時間間隔ＴＳ_１〜ＴＳ_５は一定である。測定時間間隔ＴＳ_１〜ＴＳ_５は一定でなくてもよい。

図２に示されるように、測定時間間隔ＴＳ_１は、モータ１０の起動から経過時間ｔ１（＞０）までの時間間隔である。測定時間間隔ＴＳ_２は、経過時間ｔ１〜ｔ２（＞ｔ１）までの時間間隔である。測定時間間隔ＴＳ_３は、経過時間ｔ２〜ｔ３（＞ｔ２）までの時間間隔である。測定時間間隔ＴＳ_４は、経過時間ｔ３〜ｔ４（＞ｔ３）までの時間間隔である。測定時間間隔ＴＳ_５は、経過時間ｔ４〜ｔ５（＞ｔ４）までの時間間隔である。経過時間ｔ１０は、測定時間間隔ＴＳ_４に含まれる。

停止しているモータ１０を回転させるためには、モータ１０の回転を継続する場合よりも大きなトルクを発生させる必要がある。そのため、モータ１０の起動直後の測定時間間隔ＴＳ_１（第２時間間隔）の電流平均値Ｉａｖｅ（ＴＳ_１）は、モータ１０の回転が継続している測定時間間隔ＴＳ_２，ＴＳ_３の電流平均値よりも大きい。

移動部材２３が停止部材に接触すると、ねじ軸２１の回転が抑制されるため、モータ１０に流れる電流値は増加する。そこで、電動アクチュエータ１００においては、或る測定時間間隔のモータ１０に流れる電流平均値がＩａｖｅ（ＴＳ_１）より大きい場合に、制御部３１は、当該時間間隔において移動部材２３が停止部材に接触して停止位置に到達したと判定する。図２においては、測定時間間隔ＴＳ_４の電流平均値Ｉａｖｅ（ＴＳ_４）がＩａｖｅ（ＴＳ_１）より大きいため、制御部３１は、測定時間間隔ＴＳ_４において移動部材が停止部材に接触して停止したと判定する。

移動部材２３が停止部材に接触して停止位置において正常に停止する場合、ねじ軸２１の回転がほぼ停止することに伴い、モータ１０の回転もほぼ停止する。そのため、経過時間ｔ１０以降において、モータ１０を流れる電流値は、点線で示されるようにほぼ一定となる。しかし、ボールねじ機構２０、停止部材２４，２５、あるいはガイド部材２６の設計上の誤差、または経年劣化による変形あるいは破損等により、移動部材２３が停止位置において停止せず、微小な振動を繰り返す場合がある。ねじ軸２１およびモータ１０の回転も停止されないため、モータ１０を流れる電流値が増加および減少を繰り返す。すなわち、移動部材２３が停止位置に到達した後にモータ１０を流れる電流の振幅に関して、電動アクチュエータ１００に異常がある場合の当該振幅は、移動部材２３が正常に停止する場合の当該振幅よりも大きい。

そこで、電動アクチュエータ１００においては、移動部材２３が停止位置に到達したと判定された以降も或る時間間隔の間、モータ１０への電力供給を継続する。当該時間間隔の間にモータ１０を流れる電流の最大値と最小値との差が閾値より小さい場合に、移動部材２３が停止位置において正常に停止したと判定し、当該差が閾値以上である場合に電動アクチュエータ１００に異常があることを報知する。電動アクチュエータ１００によれば、移動部材２３の停止後におけるモータ１０の電流値を観測することにより、移動部材２３が停止位置において正常に停止しているか否かを判定することができる。

測定時間間隔ＴＳ_４に続くＴＳ_５（第１時間間隔）において当該時間間隔の間にモータ１０を流れる電流の最大値Ｉｍａｘ（ＴＳ_５）と最小値Ｉｍｉｎ（ＴＳ_５）との差は、Ａ_５である。制御部３１は、経過時間ｔ５においてモータ１０への電力供給を停止する。差Ａ_５は閾値Ａｔｈ（第１閾値）より大きいため、制御部３１は、電動アクチュエータ１００に異常があることを示すメッセージ（異常情報）をユーザに報知する。なお、閾値Ａｔｈは、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜決定することができる。

図３は、図１の制御部３１によって行われる停止判定処理の流れを示すフローチャートである。図３に示される処理は、電動アクチュエータ１００を統合的に制御する不図示のメインルーチンによって各測定時間間隔終了時に呼び出される。図２において当該処理は、経過時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５において呼び出される。図３においてＴＳ_ｎ（ｎ≧１）は、モータ１０が起動してからのｎ番目の測定時間間隔を意味する。電流平均値Ｉａｖｅ（ＴＳ_ｎ）は、測定時間間隔ＴＳ_ｎにおいてサンプリングタイム毎に電流センサ４０によって測定されたモータ１０に流れる電流値の平均値である。電流最大値Ｉｍａｘ（ＴＳ_ｎ）および電流最小値Ｉｍｉｎ（ＴＳ_ｎ）は、それぞれ、測定時間間隔ＴＳ_ｎにおいてサンプリングタイム毎に電流センサ４０によって測定されたモータ１０に流れる電流値の最大値および最小値である。以下ではステップを単にＳと記載する。

図３に示されるように、制御部３１は、Ｓ１０１において測定時間間隔ＴＳ_ｎの順番が１より大きいか否か（ｎが１より大きいか否か）を判定する。測定時間間隔ＴＳ_ｎの順番が１番目の場合（Ｓ１０１においてＮＯ）、制御部３１は、処理をＳ１０２において測定時間間隔ＴＳ_１の電流平均値Ｉａｖｅ（ＴＳ_１）をメモリ３２に保存し、処理をメインルーチンに返す。

測定時間間隔ＴＳ_ｎの順番が１より大きい場合（Ｓ１０１においてＹＥＳ）、制御部３１は、Ｓ１０３において測定時間間隔ＴＳ_ｎ−１の電流平均値Ｉａｖｅ（ＴＳ_ｎ−１）が測定時間間隔ＴＳ_１の電流平均値Ｉａｖｅ（ＴＳ_１）（第２閾値）より大きいか否かを判定する。電流平均値Ｉａｖｅ（ＴＳ_ｎ−１）がＩａｖｅ（ＴＳ_１）以下である場合（Ｓ１０３においてＮＯ）、制御部３１は、Ｓ１０２において測定時間間隔ＴＳ_ｎの電流平均値Ｉａｖｅ（ＴＳ_ｎ）をメモリ３２に保存し、処理をメインルーチンに返す。電流平均値Ｉａｖｅ（ＴＳ_ｎ−１）がＩａｖｅ（ＴＳ_１）より大きい場合（Ｓ１０３においてＹＥＳ）、制御部３１は、Ｓ１０４においてモータ１０への電力供給を停止して、処理をＳ１０５に進める。

制御部３１は、Ｓ１０５において測定時間間隔ＴＳ_ｎの電流最大値Ｉｍａｘ（ＴＳ_ｎ）と電流最小値Ｉｍｉｎ（ＴＳ_ｎ）との差が閾値Ａｔｈ（第１閾値）より小さいという停止条件が成立するか否かを判定する。当該差が閾値Ａｔｈより小さい場合（Ｓ１０５においてＹＥＳ）、制御部３１は、Ｓ１０６において移動部材２３が停止位置において正常に停止していることをユーザに報知して処理をメインルーチンに返す。当該差が閾値Ａｔｈ以上である場合（Ｓ１０５においてＮＯ）、制御部３１は、Ｓ１０７において報知部３３を制御して異常情報をユーザに報知して処理をメインルーチンに返す。

以上、実施の形態に係る電動アクチュエータによれば、移動部材が停止位置において正常に停止しているか否かを判定することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０モータ、２０ボールねじ機構、２１ねじ軸、２２ナット、２３移動部材、２４，２５停止部材、２６ガイド部材、３０制御装置、３１制御部、３２メモリ、３３報知部、４０電流センサ、１００電動アクチュエータ。

Claims

回転運動をするモータと、
前記回転運動の回転軸に沿って直線運動をする移動部材と、
前記回転運動を前記直線運動に変換する変換機構と、
前記回転軸方向において前記移動部材と対向するように停止位置に固定された停止部材と、
前記モータを制御して前記移動部材を移動させる制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記移動部材が前記停止位置に到達してから第１時間間隔が経過以降に前記モータへの電力供給を停止し、
前記移動部材が前記停止位置に到達してから前記第１時間間隔の間において、前記モータを流れる電流の振幅に関する停止条件が成立しない場合、異常情報を報知する、電動アクチュエータ。
前記停止条件が成立する場合、前記制御装置は、前記移動部材が前記停止位置において正常に停止していることを報知する、請求項１に記載の電動アクチュエータ。
前記停止条件は、前記移動部材が前記停止位置に到達してから前記第１時間間隔の間において、前記モータを流れる電流の最大値と最小値との差が第１閾値より小さいという条件を含む、請求項１または２に記載の電動アクチュエータ。
前記制御装置は、前記モータを起動してから第２時間間隔が経過以降であって、かつ、前記モータを流れる電流が第２閾値よりも大きい場合に前記移動部材が前記停止位置において停止したと判定する、請求項２または３に記載の電動アクチュエータ。
前記第２閾値は、前記モータを起動してから前記第２時間間隔の間の前記モータを流れる電流の平均値である、請求項４に記載の電動アクチュエータ。
前記変換機構は、ボールねじ機構を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。