JP2022537615A - リニアドライブシステム - Google Patents

Abstract

アクチュエータ（１０）を備えたリニアドライブシステムであって、アクチュエータ（１０）は、電気式駆動装置（１２）によって並進移動可能であり、ばね（３２）の形態を成す機械式エネルギー貯蔵装置（１６）と連結され、エネルギー損失時又は非常時運転中において、所定の位置を占めて駆動力を奏するリニアドライブシステムにおいて、ばね（３２）は、一方の端部でスピンドルハウジング（２０）の自由端に支持され、他方の端部でアクチュエータ（１０）の閉鎖端部（３６）に又はアクチュエータ自体に支持され、アクチュエータ（１０）の各移動位置で張力をかけられていることを特徴とする、リニアドライブシステムを開示する。

Description

本発明は、アクチュエータを備えたリニアドライブシステムであって、アクチュエータは、電気式駆動装置によって並進移動可能であり、ばねの形態を成す機械式エネルギー貯蔵装置と連結されており、電気式駆動装置のエネルギー損失時又は非常時運転中において、所定の位置に移動して駆動力を加え、前記電気式駆動装置はアクチュエータを並進して移動させるスピンドル駆動装置を制御するために使用され、前記スピンドル駆動装置はスピンドルハウジング内で回転可能に案内されたねじ付きスピンドルを有し、前記ねじ付きスピンドルは、このねじ付きスピンドルと係合する調節ナットを介してアクチュエータと相互作用してそれを動作させ、前記調節ナットは、回転不能ではあるが前記スピンドルハウジング内で並進運動可能であり、アクチュエータは円柱パイプを有し、円柱パイプはその各移動位置で部分的に前記スピンドルハウジング内で前記調節ナットを介して案内され、前記円柱パイプの自由端が前記スピンドルハウジングから突出している、リニアドライブシステムに関する。

特許文献１に基づき、リニアドライブシステムとして電気式シリンダが公知である。電気式シリンダは、直線アクチュエータと、アクチュエータと結合された、アクチュエータを駆動するための電気モータとを有している。アクチュエータはハウジングを有しており、ハウジング内には並進運動可能なピストンロッドが組み付けられている。ハウジングは、電気モータの近くに配置され、電気モータに結合されたリアヘッド装置と、中間エレメント又はスリーブと、電気モータからより大きく隔たったフロントヘッド装置と、を有している。ヘッド装置において、ピストンロッドの先端はハウジングから出ている。スピンドルとスピンドルナットとを有するスピンドル駆動装置が、電気モータとピストンロッドとの間に配置されている。これによれば、公知の解決手段において、電気モータの回転運動がスピンドル駆動装置によって直線運動に変換される。

特許文献２は、電気モータによって駆動可能なハイブリッドシリンダを備えたリニアドライブシステムを示している。ハイブリッドシリンダは、中空スピンドルと、アクチュエータとして中空孔付きのピストンロッドと、を有している。ピストンロッドは中空スピンドル上に直線移動可能に配置されている。ハイブリッドシリンダ内にはガススプリングが組み込まれている。ガススプリングの一方の端部は中空スピンドルのベースベアリングに、そして他方の端部はピストンロッドに支持されている。

ガススプリングは、電気式シリンダのメカニズム全体を変更することなしにハイブリッドシリンダの推力を高めるための支持エレメントとして役立つと同時に非常時機能を果たすことができる。非常時機能において、ピストンロッドはシステムの故障時、例えば停電時に、規定可能な「ホーミング（Homing）」位置に移動し、その場所で力によって保持される。

この公知の解決手段の場合、ガススプリングに関してはガス損失が生じることがある。このことはそのばね特性を変化させ、メンテナンス作業の枠内で作業ガスの形態を成す作動媒体を補充することは、関連設備を停止させ、相応の手間を発生させることになる。ガススプリングにおいて使用される作業ガスは圧縮性媒体であるので、システムは周囲温度の変化に反応する。このことはやはりばね特性を変化させ、これにより運転確実性全体が損なわれることがある。

独国実用新案第２０２０１４１０４７３５（Ｕ１）号明細書 国際公開第２０１１／１３０８６３号

このような従来技術から出発して、本発明の根底を成す課題は、公知のリニアドライブシステムをさらに改善することである。

このような課題は、請求項１の特徴部を有するリニアドライブシステムが全体として解決する。

請求項１の特徴部分の特徴によれば、ばねが一方の端部でスピンドルハウジングの自由端に支持され、そして他方の端部で前記アクチュエータの閉鎖部分に又は前記アクチュエータ自体に支持され、そして前記アクチュエータの各移動位置で張力をかけられることによって、長時間継続する運転中にも、そして周囲条件、例えば温度の場合によっては生じ得る変化から自由に、妨げなしにその機能を守るリニアドライブシステムが作り出されている。ガス貯蔵装置の代わりに機械的エネルギー貯蔵装置を使用することにより、純粋に機械式解決手段が作り出される。この解決手段は基本的には、その機能のために、例えば公知のガススプリングにおける作業ガスの補充のような付加的なメンテナンスの手間を必要とすることがない。アクチュエータを作動制御するためのばねが、互いに並進移動可能なリニアドライブシステム構成部分の外部に位置していることにより、特に細い駆動装置が達成される。この構想において、スピンドルハウジングと調節伝動装置との間の同軸的な環状ギャップ内には専ら調節ナットが位置している。閉鎖部分はアクチュエータの自由端で張り出して配置されていると有利である。

基本的には、本発明によるリニアドライブシステムは、例えば弁又はコック類（Armatur）の形態を成すいわゆる力変換器（force transducer）を制御又は作動させることを意図している。電気式駆動装置のための給電網の損失に由来するいわゆる非常時には、力変換器は所定の安全な位置へ、且つ／又は所定の保持力によって移動させなければならず、これにより例えばロード装置（consumer）への加圧下の流体流が遮断される。このような安全状態は短い、有利には数十分の１秒の範囲内にある予め定義された時間内に達成されなければならない。

本発明によるリニアドライブシステムの場合、機械式エネルギー貯蔵装置はばねである。ばねは一方の端部でスピンドルハウジングの自由端に支持され、そして他方の端部でアクチュエータの閉鎖部分に又はアクチュエータ自体に支持され、アクチュエータの各移動位置で張力をかけられている。このようなばねはコイルばね又は皿ばねとして設計されている。このばねは永続的に張力をかけられており、正常運転中には、電気式シリンダは、そのメカニズム全体を変更することなしに、このばねと一緒に又はこのばねに抗して作業する。原理的には２つの事例を区別しなければならない。すなわち、
ａ）非常時において、アクチュエータは最大限に延ばされるようになっている。この場合、機械式エネルギー貯蔵装置はばねの形態で常に「押す」ように力変換器に作用し、これに相応して電気式シリンダはそのスピンドル駆動装置を介して常に張力をかけなければならない。
ｂ）非常時において、アクチュエータは最大限に延ばされるようになっている。この場合、機械式エネルギー貯蔵装置はばねの形態で常に「引く」ように力変換器に作用し、これに相応して電気式シリンダはスピンドル駆動装置を介して常に押圧力を付与しなければならない。

すなわち、ばねの形態を成す機械式エネルギー貯蔵装置によって、特に停電の非常時もカバーすることができる。このような場合には、ばねはアクチュエータを相応の位置に引くか、もしくは押す。このことは、スピンドル駆動装置のスピンドルを回転させ、ひいては同時に連結された電気式駆動装置のロータを回転させることができる。駆動制御装置又はモータ制御装置が相応に構成されていると、モータのステータのコイルに電流が生じることがなく、ひいては、モータが発電機モードにあるため、直線運動時の望まれない制動効果が生じることもない。相応のパワーストロークを有する所望の非常時位置にはこのように妨げられることなしに接近することができる。有利にここで提供された永久的な連結の代わりに、電気式駆動装置をスピンドル駆動装置から、例えば相応の連結を介して、非常時には定義された状態で離すこともできる。例えば停電による上記非常事態が解決されるとすぐに、又は調節駆動装置を介したアクチュエータによる相応の復帰動作後に、再び正常運転のための調整に移行することができる。

本発明によるリニアドライブシステムのさらなる有利な実施形態が、他の従属請求項の対象となっている。

図面に示された実施例によって本発明による解決手段を詳述する。図面は原理的に示されたものであり、原寸に比例してはいない。

図１は本発明によるリニアドライブシステムを示す斜視図である。 図２は図１のリニアドライブシステムを部分的に示す部分縦断面図である。

容易に一体化できること及びメンテナンスフリーであるため、電気式シリンダが直線運動を実現するためにしばしば提案される。これらのシリンダにおいて、ねじ駆動装置が、電気式駆動装置の駆動シャフトの回転運動をアクチュエータの直線運動に変換するために使用される。このような電気式シリンダは、従来技術、例えば独国実用新案第２０２０１４１０４７３５（Ｕ１）号明細書に基づき公知である。

図１は、アクチュエータ１０を備えた本発明によるリニアドライブシステムを示している。リニアドライブシステムは、電気モータ１４の形態を成す電気式駆動装置１２によって並進移動可能である。電気式駆動装置１２のエネルギー損失時すなわち非常時運転中にアクチュエータ１０が規定可能な位置を占めて駆動力を加えるように、アクチュエータ１０は機械式エネルギー貯蔵装置１６と連結されている。このために、電気式駆動装置１２は、アクチュエータ１０を並進運動させて、スピンドル駆動装置１８を制御するために使用され得る。

スピンドル駆動装置１８は、スピンドルハウジング２０内で回転可能に案内されたねじ付きスピンドル２２を有している。ねじ付きスピンドルは、ねじ付きスピンドルと係合して位置する調節ナット２４を介して、ねじ付きスピンドル２２の長手方向軸線２６の方向におけるアクチュエータの運動のためにアクチュエータ１０と協働する。調節ナット２４は長手方向軸線２６を中心として回転不能であるが、しかし長手方向軸線２６に沿って並進運動可能に、スピンドルハウジング２０内で案内されている。このために、スピンドルハウジング２０は中空に形成されており、非回転対称的な、特に方形の、有利には正方形の内側横断面を、特に丸く面取りされた縁部とともに有している。調節ナット２４の外側横断面はスピンドルハウジング２０の内側横断面にほぼ相当するので、調節ナットは回転不能にスピンドルハウジング２０内で案内されている。ねじ付きスピンドル２２は、調節ナット２４の内周面に設けられたねじ山と螺合するねじ山を外周面に有する円柱ロッドとして形成されている。アクチュエータ１０は円柱パイプ３０を有している。円柱パイプは調節ナット２４を介して回転不能に案内されている。円柱パイプ３０は、円柱パイプの移動位置の各位置で、部分的にスピンドルハウジング２０内に配置されていて、円柱パイプの自由端３１はスピンドルハウジング２０から部分的に突出している。スピンドルハウジングの自由端３３はねじ付きスピンドル２２の自由端３５と面一になっている。

機械式エネルギー貯蔵装置１６は圧縮コイルばね３２として形成されている。圧縮コイルばねは、一方の自由端でスピンドルハウジング２０の自由端面３４に支持され、そして他方の自由端で端部３６に支持されている。端部は、アクチュエータ１０の長手方向軸線２６に対して横方向に配置され、アクチュエータ１０の自由端３１を閉鎖しており、円板３７として形成されている。円板の半径はアクチュエータ１０の円柱パイプ３０の半径よりも大きい。圧縮コイルばね３２は少なくとも正常運転中にアクチュエータ１０の各移動位置で張力をかけられている。図示された圧縮コイルばね３２の代わりに、皿ばね又は皿ばねパッケージ（両方とも図示せず）を使用することもできる。

電気式駆動装置１２に十分な電流が供給される正常運転中において、スピンドル駆動装置１８は、スピンドルハウジング２０内に格納されている時に圧縮コイルばね３２に抗して働き、電気式駆動装置１２の作用下で、スピンドルハウジング２０に対して引く力をアクチュエータ１０に付与し、又は、スピンドルハウジング２０から延びている時には圧縮コイルばね３２によって支持され、すなわち電気式駆動装置１２の作用下でスピンドルハウジング２０に対して量的により小さな引く力をアクチュエータ１０に付与する。正常運転中、アクチュエータ１０の各移動位置では、圧縮コイルばね３２は常に張力をかけられている。

これに対して、電気式駆動装置１２が停電を被った非常時運転中において、電気式駆動装置１２はアクチュエータ１０に対して作用せず、張力の軽減された圧縮コイルばね３２のばね力の作用下で、圧力負荷された円板３７によって、アクチュエータ１０はスピンドルハウジング２０から延びる。「延びた」正常運転中において、電気式直線駆動装置は、圧縮コイルばね３２がブロックされるか、又は調節ナット２４がスピンドルハウジング２０の自由端３３に衝突するまで、スピンドル駆動装置１８を介して、最大限に引っ込み、又は延びることができる。しかしながら、本発明による解決手段の場合、スピンドル駆動装置１８のアクチュエータ１０の最大限の自由な引っ込み及び延びは、システムに接続された又は操作可能な力受動部（図示せず）、例えば弁の非常時作動が保証される程度に、圧縮ばね３２がその固有の張力を保持するように、選択されている。

図示されていない実施例では、圧縮コイルばね３２は引張ばねとして作られてもよい。ばねの一方の自由端はスピンドルハウジング２０と、そして他方の自由端はアクチュエータ１０の端部３６と堅く結合されている。正常運転中、スピンドル駆動装置１８は圧縮コイルばね３２に関して前述したものとは反対に、スピンドルハウジング２０内に格納されている時には引張ばねによって支援され、スピンドルハウジング２０からの延出時にはその引張ばねに抗する。正常運転中のアクチュエータ１０の各移動位置では、ここでも引張ばねは常に固有の張力下に保持されている。非常時運転中には、アクチュエータ１０に対する電気式駆動装置１２の作用はやはりなくなるので、引張ばねの力の作用を受けて、アクチュエータ１０はスピンドルハウジング２０内に格納される。言うまでもなく、このような場合には、力受動部は、非常時において弁がその流体遮断位置に押圧される圧縮コイルばね３２の事例とは異なる「フェイル・セーフ」構造に構成されていなければならない。

力受動部のための規定の作動位置へ圧縮コイルばね３２がアクチュエータ１０を押し、又は引張ばねがアクチュエータ１０を引く一方、非常時において、無電流の電気式駆動装置１２のロータはねじ付きスピンドル２２の回転を介して発電機のように受動的に駆動される。しかしながらこれがアクチュエータ１０の運動を阻むことはない。

電気式駆動装置１２はベルト駆動装置３８を介してねじ付きスピンドル２２と作用結合している。電気式駆動装置１２のさらなる長手方向軸線４０は、スピンドル駆動装置１８の長手方向軸線２６に対して平行に配置されている。２つの摩擦ディスク４４（駆動側及び被駆動側）を介して案内され、又は歯付きベルト４６として２つの歯車４８を介して案内された駆動ベルト４２を備えたベルト駆動装置３８の代わりに、ベルト４２を省きつつ、互いに噛み合う歯車（図示せず）を備えた歯車伝動装置を使用することもできる。

電気モータ１４のロータ軸又は出力軸５０は、ねじ付きスピンドル２２の駆動軸５２に対して平行に延びている。駆動軸は端部側で一般的な構造の軸受内で案内されている。しかしながら、電気モータ１４及びねじ付きスピンドル２２は互いにＵ字形又はＬ字形に配置されていてもよい。駆動軸５２を含む、この駆動軸５２のための全ての伝動構成部分は、外側から閉鎖されたコンソール５６内で案内されている。コンソールは、脚部５８を介して旋回可能に、床上又は機械部分に設置され得る。

非常時運転中、アクチュエータ１０は、図示されていない力変換器、例えば弁又はコック類に作用し、力変換器は、規定可能な時間以内で規定可能な位置へもたらされ、必要な場合に、この位置にストッパによって保持される。このために、アクチュエータ１０は力変換器に場合によっては不動に結合され得る。

図示されていない周波数インバータが設けられていると有利である。周波数インバータは、電気式駆動装置１２と作用結合しており、電気式駆動装置１２のトルク及び／又は回転数を制御又は調整する。電気式駆動装置１２は、同期的又は非同期的な電気モータ１４として作られている。電気モータはインバータを介して作動制御することができる。このために、図示されていないコントローラが周波数インバータを制御するために設けられている。

位置制御システムにおいて、力変換器の調整部分の位置を割り出すためのコントローラが、入口側で調整装置及び／又はアクチュエータ１０の移動距離を検出するエンコーダシステム又は距離測定システムに電気的に接続されていてよい。また、コントローラは、電気モータ１４の位置を検出するためのセンサ、及び／又は電気モータ１４の回転数及び／又は回転角度を検出するためのセンサに接続されていることも考えられる。あるいは、モータの位置及び／又は回転数は、保存されたモータモデルを用いて評価することもできる。モータ１４の位置及び／又は回転数、並びにねじ付きスピンドル２２のねじ山ピッチに応じて、コントローラは、直線駆動装置の調整装置及びアクチュエータ１０の移動位置を、関連する制御システムを介して、制御することがで、しかも変位エンコーダを用いなくても相応に制御することができる。

力制御システムでは、コントローラの入力側にロードセルやトルク測定ピンを接続して、アクチュエータ１０が発揮する力を求めることができる。また、モータモデルを用いて、モータ１５のトルクを推定することも可能です。トルクとネジ付きスピンドル２２のネジピッチに応じて、力を決定することができ、アクチュエータ１０が発揮する力は、リニアアクチュエータの制御に使用される。

周波数インバータは、好ましくは、いわゆる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴｓ）を有しており、このＩＧＢＴｓは、セルフブロッキングするように設計されている。すなわち、非制御状態では、例えば、停電の場合には、「フェイルセーフ」ソリューションの意味で開放されており、これにより、発電機動作中の電気モータ１４による直線運動の望ましくない制動効果がないことを保証するのに役立つ。発電機運転時の電気モータ１４による直線運動の望ましくない制動効果がないので、緊急時に指定できるアクチュエータ10の移動位置に支障なく近づけることができる。

Claims (8)

1. アクチュエータ（１０）を備えたリニアドライブシステムであって、
   前記アクチュエータ（１０）は、電気式駆動装置（１２）によって並進移動可能であり、ばね（３２）の形態で機械式エネルギー貯蔵装置（１６）と連結されており、前記電気式駆動装置（１２）のエネルギー損失時又は非常時運転中において、前記アクチュエータ（１０）は、所定の位置に移動して駆動力を奏し、
   前記電気式駆動装置（１２）は、並進移動可能に前記アクチュエータ（１０）を動かすスピンドル駆動装置（１８）を制御するために使用され、
   前記スピンドル駆動装置（１８）は、スピンドルハウジング（２０）内で回転可能に案内されたねじ付きスピンドル（２２）を有し、
   前記ねじ付きスピンドル（２２）は、前記ねじ付きスピンドルと係合して位置する調節ナット（２４）を介して、前記アクチュエータの運動のために前記アクチュエータ（１０）と協働し、
   前記調節ナット（２４）は、回転不能ではあるが前記スピンドルハウジング（２０）内で並進運動可能であり、
   前記アクチュエータ（１０）は円柱パイプ（３０）を有し、該円柱パイプ（３０）は該円柱パイプ（３０）の移動位置の各位置で、部分的に前記スピンドルハウジング（２０）内で前記調節ナット（２４）を介して案内され、前記円柱パイプ（３０）の自由端（３１）は前記スピンドルハウジング（２０）から突出している、リニアドライブシステムにおいて、
   前記ばね（３２）は一方の自由端で前記スピンドルハウジング（２０）の自由端に支持され、そして他方の自由端で前記アクチュエータ（１０）の閉鎖端部（３６）に又は前記アクチュエータ自体に支持されており、前記アクチュエータ（１０）の各移動位置で張力をかけられていることを特徴とする、リニアドライブシステム。
2. 前記閉鎖端部（３６）は前記アクチュエータ（１０）の自由端（３１）で突出して配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のリニアドライブシステム。
3. 前記アクチュエータ（１０）は円柱パイプ（３０）を有し、該円柱パイプ（３０）は、その移動位置の各位置で、部分的に前記スピンドルハウジング（２０）内で前記調節ナット（２４）を介して案内されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のリニアドライブシステム。
4. 非常時運転中において、前記アクチュエータ（１０）は有利には最大限に引っ込み又は延びており、前記ばね（３２）は押す又は引くように前記アクチュエータ（１０）に永続的に作用し、正常運転中において、前記スピンドル駆動装置（１８）は、定置のスピンドルハウジング（２０）に対する前記アクチュエータ（１０）に、引く又は押す力を付与するために前記電気式駆動装置（１２）を使用することを特徴とする、請求項１～３の何れか一項に記載のリニアドライブシステム。
5. 非常時運転中において、前記ばね（３２）は前記アクチュエータ（１０）を引くか又は押して規定位置へもたらし、これにより、前記ねじ付きスピンドル（２２）及び該ねじ付きスピンドルと連結された前記電気式駆動装置（１２）のロータを受動的に回転させることを特徴とする、請求項１～４の何れか一項に記載のリニアドライブシステム。
6. 前記電気式駆動装置（１２）は伝動装置もしくはベルト駆動装置（３８）を介して前記ねじ付きスピンドル（２２）と作用結合されていることを特徴とする、請求項１～５の何れか一項に記載のリニアドライブシステム。
7. 前記電気式駆動装置（１２）の長手方向軸線（４０）は、前記スピンドル駆動装置（１８）の長手方向軸線（２６）に対して平行であることを特徴とする、請求項１～６の何れか一項に記載のリニアドライブシステム。
8. 前記電気式駆動装置（１２）と前記スピンドル駆動装置（１８）とは結合コンソール（５６）を介して互いに結合され、前記アクチュエータ（１０）は、少なくとも非常時運転中において、力変換器、例えば弁又はコック類に作用することを特徴とする、請求項１～７の何れか一項に記載のリニアドライブシステム。

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