JP2022024576A - 直動アクチュエータおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトの減速制御を不要にし、移動距離が短い場合でも高速に動作させることが可能な直動アクチュエータおよびその制御方法を提供する。【解決手段】本発明にかかる直動アクチュエータ１００の代表的な構成は、ケーシングと、ケーシングの内部に設けられたステータと、内面に雌ネジを有する中空ロータと、中空ロータの内部に配置され雄ネジを有するシャフトと、シャフトの側面に形成された平面部と、平面部の外周に沿う形状の穴を有する回り止めと、モータのトルク電流を制御および監視する制御部とを備え、回り止めは、平面部の端部が当接することによってシャフトのストローク限界となるストッパーとして機能し、制御部は、モータを駆動するトルク電流が所定の閾値を超えた場合にモータの駆動を停止することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータを使用した直動アクチュエータおよびその制御方法に関する。

直動アクチュエータ（リニアアクチュエータ）は、中空ロータの中にシャフト（ねじ軸）を配置して、中空ロータを回転させることによってシャフトを出し入れするアクチュエータである。特許文献１には、中空軸を有するロータ内部にねじ部を設け、ねじ部を介して出力軸を直動変換するアクチュエータにおいて、出力軸を非回転で直動させるためにケースに回り止め機構を設けた構成が開示されている。

また特許文献２に示されるように、エンコーダやリニアスケールなどを使用した位置フィードバック制御を行うことにより、目標位置まで移動する構成も開示されている。

特開２０００－３５０４０７号公報 特開２０１２－０３４５０８号公報

特許文献１には、「ストローク分（Ｂ－Ａ）の直動のみが行われる」という記載がある（段落０００９，図３）。しかしながら特許文献１には、どのようにしてストロークの限界で停止させるかの記載はない。一般には特許文献１のように位置検出機構がない場合にはステッピングモータのステップ数で移動距離を制御するが、送りすぎを防ぐためにストローク限界の手前で減速制御を行う。このため、シャフトの移動の高速化は難しいという問題がある。

また、特許文献２のようにエンコーダーなどを使用して位置制御を行ったとしても、ストローク限界（目標位置）に到達する前に減速制御を行うため、移動距離が短い場合、速度波形が三角波となる。このため、エンコーダーを備えている場合であってもシャフトの移動の高速化は難しい。

本発明は、シャフトの減速制御を不要にし、移動距離が短い場合でも高速に動作させることが可能な直動アクチュエータおよびその制御方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明にかかる直動アクチュエータの代表的な構成は、ケーシングと、ケーシングの内部に設けられたステータと、内面に雌ネジを有する中空ロータと、中空ロータの内部に配置され雄ネジを有するシャフトと、シャフトの側面に形成された平面部と、平面部の外周に沿う形状の穴を有する回り止めと、モータのトルク電流を制御および監視する制御部とを備え、回り止めは、平面部の端部が当接することによってシャフトのストローク限界となるストッパーとして機能し、制御部は、モータを駆動するトルク電流が所定の閾値を超えた場合にモータの駆動を停止することを特徴とする。

また本発明にかかる直動アクチュエータの制御方法の代表的な構成は、ケーシングと、ケーシングの内部に設けられたステータと、内面に雌ネジを有する中空ロータと、中空ロータの内部に配置され雄ネジを有するシャフトと、シャフトの側面に形成された平面部と、平面部の外周に沿う形状の穴を有する回り止めと、モータのトルク電流を制御および監視する制御部とを備え、回り止めは、平面部の端部が当接することによってシャフトのストローク限界となるストッパーとして機能する直動アクチュエータを用いて、制御部が、モータを駆動するトルク電流が所定の閾値を超えた場合にモータの駆動を停止することを特徴とする。

上記構成によれば、シャフトがストローク限界で機械的に当接したことを検知してモータの回転を停止するという、突き当て制御を行うことができる。これにより、ストローク限界（目標位置）の手前で減速制御をすることなく、目標位置まで最高速度で移動することが可能となる。

本発明によれば、シャフトの減速制御を不要にし、移動距離が短い場合でも高速に動作させることが可能な直動アクチュエータおよびその制御方法を提供することができる。

本実施形態にかかる直動アクチュエータを説明する図である。 シャフトが突出側のストローク限界に位置している状態を示す図である。 モータの回転速度とトルク電流の関係を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示または説明を省略する。

図１は本実施形態にかかる直動アクチュエータ１００を説明する図である。図１に示す直動アクチュエータ１００は、ケーシング１１０の内部にステータ１１２が固定されていて、その内側に中空ロータ１２０が配置されている。中空ロータ１２０はケーシング１１０に対してベアリング１３２を介して回転自在に取り付けられている。

中空ロータ１２０の外周に配置されたマグネット１２２（ロータ）と、ケーシング１１０に取り付けられたステータ１１２によってモータ１３０が構成される。モータ１３０は、内蔵または外付けの制御部１６０によって駆動電流を制御される。特に本実施形態においては、後述するように、制御部１６０はトルク電流を監視してモータ１３０の突き当て制御を行う。

中空ロータ１２０は内面に雌ネジ１２４が形成されている。中空ロータの内部にはシャフト１４０が挿入されていて、シャフト１４０の外面には雄ネジ１４２が形成されている。

またシャフト１４０の側面には平面部１４４が形成されている。平面部１４４は棒状であるシャフト１４０の両側に対称に二面形成されている。一方、ケーシング１１０の先端に取り付けられた先端キャップ１１４の中に、シャフト１４０の回り止め１５０が備えられている。図１（ｂ）に示すように、回り止め１５０は平面部１４４の外周に沿う形状の穴１５２を有する。したがって中空ロータ１２０が回転するとき、シャフト１４０は回転できないので、雌ネジ１２４と雄ネジ１４２との螺合によってシャフト１４０が軸方向に移動する。

ここで回り止め１５０は、平面部１４４の端部が当接することによってシャフト１４０のストローク限界となるストッパーとして機能する。図１（ａ）はシャフト１４０が引込側のストローク限界に位置している状態を示していて、平面部１４４の突出側の端部１４４ａが回り止め１５０に当接している。図２はシャフト１４０が突出側のストローク限界に位置している状態を示して、平面部１４４の引込側の端部１４４ｂが回り止め１５０に当接している。

次に、直動アクチュエータの制御方法について説明する。図３はモータの回転速度とトルク電流の関係を示す図である。制御部１６０がモータ１３０に（ステータ１１２に）トルク電流を印加すると、モータ１３０の回転速度が上昇し、シャフト１４０の移動速度が上昇する。

そしてシャフト１４０がストローク限界（目標位置）に到達すると、シャフト１４０が突出側に移動するときは平面部１４４の引込側の端部１４４ｂが回り止め１５０に当接し、シャフト１４０が引込側に移動するときは平面部１４４の突出側の端部１４４ａが回り止め１５０に当接する。いずれの場合もシャフト１４０はそれ以上移動できなくなり、機械的に（強制的に）モータ１３０の回転が停止し、モータ１３０のトルク電流が急激に上昇する。

そこで制御部１６０はモータ１３０を駆動するトルク電流を監視しておき、トルク電流が所定の閾値Ａ１を超えた場合に、モータ１３０の駆動を停止する。すなわち、トルク電流が所定の閾値を超えたということは、平面部の端部１４４ａ、１４４ｂが回り止め１５０に当接したと判断できるためである。

上記構成によれば、シャフト１４０がストローク限界で機械的に当接したことを検知してモータの回転を停止するという、突き当て制御を行うことができる。これにより、ストローク限界（目標位置）の手前で減速制御をすることなく、目標位置まで最高速度で移動することが可能となる。シャフト１４０の減速制御が不要になるため、移動距離が短い場合でも高速に動作させることが可能である。

なお、中空ロータ１２０の雌ネジ１２４とシャフト１４０の雄ネジ１４２に多条ネジを使用することで、モータ１３０の１回転当たりのシャフト１４０の移動量を大きくすることができる。これによりさらなる高速移動を図ることができる。

また、中空ロータ１２０の回転を検出するエンコーダを設けてもよい。図１の例では中空ロータ１２０の後端にマグネット１２６を備え、ケーシング１１０の後端キャップ１１６にエンコーダ１７０を配置している。これによりシャフト１４０を中間位置で停止させたり、シャフト１４０の移動速度を精密に制御したりすることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、電動モータを使用した直動アクチュエータおよびその制御方法として利用することができる。

１００…直動アクチュエータ、１１０…ケーシング、１１２…ステータ、１１４…先端キャップ、１１６…後端キャップ、１２０…中空ロータ、１２２…マグネット、１２４…雌ネジ、１２６…マグネット、１３０…モータ、１３２…ベアリング、１４０…シャフト、１４２…雄ネジ、１４４…平面部、１４４ａ…突出側の端部、１４４ｂ…引込側の端部、１５０…回り止め、１５２…穴、１６０…制御部、１７０…エンコーダ

Claims (2)

1. ケーシングと、
   前記ケーシングの内部に設けられたステータと、
   内面に雌ネジを有する中空ロータと、
   前記中空ロータの内部に配置され雄ネジを有するシャフトと、
   前記シャフトの側面に形成された平面部と、
   前記平面部の外周に沿う形状の穴を有する回り止めと、
   前記モータのトルク電流を制御および監視する制御部とを備え、
   前記回り止めは、前記平面部の端部が当接することによって前記シャフトのストローク限界となるストッパーとして機能し、
   前記制御部は、前記モータを駆動するトルク電流が所定の閾値を超えた場合に前記モータの駆動を停止することを特徴とする直動アクチュエータ。
2. ケーシングと、
   前記ケーシングの内部に設けられたステータと、
   内面に雌ネジを有する中空ロータと、
   前記中空ロータの内部に配置され雄ネジを有するシャフトと、
   前記シャフトの側面に形成された平面部と、
   前記平面部の外周に沿う形状の穴を有する回り止めと、
   前記モータのトルク電流を制御および監視する制御部とを備え、
   前記回り止めは、前記平面部の端部が当接することによって前記シャフトのストローク限界となるストッパーとして機能する直動アクチュエータを用いて、
   前記制御部が、前記モータを駆動するトルク電流が所定の閾値を超えた場合に前記モータの駆動を停止することを特徴とする直動アクチュエータの制御方法。

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