JP4001376B2 - 押し付け停止型電動シリンダ - Google Patents

Description

この発明は、モータによる回転運動を、ネジ軸とそれに螺合するナットとにより直線運動に変換し、ロッドを伸張及び収縮させる電動シリンダに関し、さらに詳しくは、ロッドに過負荷が加わった時に自動的にモータを停止させる機能を有した押し付け停止型電動シリンダに関している。

回転駆動されるネジ軸にナットを螺合させてロッドを伸縮させる、いわゆる電動シリンダにおいては、ロッドの過負荷を防止することが必要である。そのため、回転駆動用のモータとして、給電を停止することによって回転軸を強制的に制動するブレーキを備えたブレーキ機構付きモータを用いると共に、バネ機構によりネジ軸を軸方向に付勢しながら移動可能に支持し、ロッドの押し付け時におけるバネの撓みをリミットスイッチで検出することによって、モータへの給電を停止させるリミットスイッチ方式の電動シリンダが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、ロッドの押し付け時におけるモータ電流の上昇を検出することにより、ブレーキ機構付きモータへの給電を停止させるモータ電流検出方式の電動シリンダも知られている（例えば、特許文献２参照）。
特公昭５８−３３４３１号公報 特開２００２−１７６７４６号公報

ところが、このような従来のリミットスイッチ方式の電動シリンダにおいては、バネの撓みによりストライカを動かし、リミットスイッチを動作させるため、リミットスイッチの動作点を調整するのに多くの工数を要すると共に、押し付け力の調整や変更が困難であった。また、リミットスイッチから制御装置までの配線が必要となるため、装置構成の小型・軽量化、製造コスト削減等の点で改善が求められていた。さらに、ブレーキの動作時間を短縮するためにブレーキ用整流回路と電磁ブレーキの間を接点で開閉すると、ブレーキ用整流回路を収納した制御装置と電磁ブレーキとの間に配線が必要となり、制御装置内のモータとブレーキを開閉する回路が複雑であり、その簡素化が課題であった。

また、リミットスイッチ方式及びモータ電流検出方式のいずれの電動シリンダにおいても、モータへの給電停止と同時にブレーキ機構による制動が行われるため、すなわち、モータの回転軸が慣性により回転している最中に、ブレーキ機構による制動動作が行われるため、ブレーキ機構のライニングの摩耗が激しく、装置の長寿命化及びメンテナンスフリー化を妨げていた。

さらに、モータへの給電停止時から、ブレーキ機構による制動によりモータの回転が完全に停止するまでに要する制動時間中の回転軸の回転により、ロッドの押し付け力が変化するため、正確な押し付け力の制御が困難であった。

そこで、本発明の目的は、装置の小型化・軽量化・長寿命化を図り、製造コスト・製造工程数・メンテナンス負担を削減し、簡単な操作で押し付け力の正確な制御が可能である押し付け停止型電動シリンダを提供することにある。

上述した従来の電動シリンダの課題を解決するために、請求項１に係る押し付け停止型電動シリンダは、ハウジングに対して出没自在に支持されたロッドと、前記ロッドに固定したナットに螺合するネジ軸と、前記ネジ軸を正逆回転駆動するブレーキ機構付きモータと、前記モータを制御する制御装置を備えており、前記ネジ軸が、前記ハウジングに対して軸方向に遊動可能に支持され、前記ネジ軸の軸方向の遊動により生じる軸方向の力を吸収するバネ機構が、前記ネジ軸と前記モータの回転軸の間に装着され、前記制御装置が、モータ電流が所定の時間継続して基準値を超えたことを検出することにより、前記回転軸の停止状態であることを検出する機能を有すると共に、外部から入力される正逆転信号に従って前記モータを正逆転制御する正転用及び逆転用の各半導体スイッチ並びに前記モータのブレーキ電流をＯＮ・ＯＦＦするブレーキ電流開閉用半導体スイッチを有し、前記回転軸の停止状態が検出された後に、前記ブレーキ電流開閉用半導体スイッチにより前記ブレーキ電流を遮断し、前記モータのブレーキ機構を作動させ前記回転軸をロックし、前記回転軸がロックされた後に前記モータへの給電を停止するという一連のモータ制御を行うものであることを特徴としている。

また、請求項２に係る押し付け停止型電動シリンダは、請求項１に係る押し付け停止型電動シリンダの構成に加えて、制御装置が、外部から入力される前記正逆転信号が時間的に重なっても、前記モータを正逆転制御する前記正転用及び前記逆転用の各半導体スイッチが同時に通電しないようにインターロックを有していることにより、上述した課題を一層解決するものである。

請求項１に係る押し付け停止型電動シリンダによれば、ハウジングに対して出没自在に支持されたロッドと、前記ロッドに固定したナットに螺合するネジ軸と、前記ネジ軸を正逆回転駆動するブレーキ機構付きモータと、前記モータを制御する制御装置を備えており、前記ネジ軸が、前記ハウジングに対して軸方向に遊動可能に支持され、前記ネジ軸の軸方向の遊動により生じる軸方向の力を吸収するバネ機構が、前記ネジ軸と前記モータの回転軸の間に装着され、前記制御装置が、モータ電流が所定の時間継続して基準値を超えたことを検出することにより、前記回転軸の停止状態を検出する機能を有すると共に、外部から入力される正逆転信号に従って前記モータを正逆転制御する正転用及び逆転用の各半導体スイッチ並びに前記モータのブレーキ電流をＯＮ・ＯＦＦするブレーキ電流開閉用半導体スイッチを有し、前記回転軸の停止状態が検出された後に、前記ブレーキ電流開閉用半導体スイッチにより前記ブレーキ電流を遮断し、前記モータのブレーキ機構を作動させ前記回転軸をロックし、前記回転軸がロックされた後に前記モータへの給電を停止するという一連のモータ制御を行うものであるとしたことにより、モータの回転軸が拘束されて、モータの回転が停止した状態で、ブレーキ機構が作動するので、ブレーキ機構のライニングの摩耗を大幅に減少させることができ、装置の長寿命化、ランニングコストの削減、静粛性の向上、押し付け力の制御精度の向上が図られる。

また、モータの正逆転制御及びブレーキの開閉制御を制御装置内の半導体スイッチにより実現しているため、長寿命化が図られると共に、電動シリンダと外部の制御盤との配線本数が少なくてすみ、配線工数を含む配線工事費が低減される。さらに、外部の制御盤においては、従来、モータ及び電磁ブレーキを開閉する電磁接触器が必要であったのに対し、本発明によれば、容量の小さな制御用リレーで良く、制御盤内の省スペース化と同時にコストの低減が図られる。

さらに、回転検出センサ等の特別な部品を装置本体内に組み込む必要がなく、装置構成の簡素化・小型化・製造コスト削減が図られるとともに、押し付け力のより正確な制御が可能となる。

請求項２に係る押し付け停止型電動シリンダによれば、請求項１に係る押し付け停止型電動シリンダが奏する効果に加えて、制動装置が、外部から入力される前記正逆転信号が時間的に重なっても、前記モータを正逆転制御する前記正転用及び前記逆転用の各半導体スイッチが同時に通電しないようにインターロック回路を有していることにより、モータ、半導体スイッチの不必要な発熱及び半導体スイッチの破損が防止される。

以下、本発明の押し付け停止型電動シリンダの一実施例について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明による押し付け停止型電動シリンダの装置構成を説明するために、装置の主要部を切断面として図示した説明図である。

この押し付け停止型電動シリンダ１０は、図１に示すように、ハウジング１２に対して出没自在に支持されたロッド１４と、このロッド１４に固定したナット１６に螺合するネジ軸１８と、このネジ軸１８を正逆回転駆動するブレーキ機構付きモータ２２と、このモータ２２を制御する制御装置２０を備えている。そして、ネジ軸１８に延設された支持軸１９とモータ２２の一方の回転軸２４ａとを連結金具２６により、それぞれの軸の端部間に隙間を持たせて連結することにより、ネジ軸１８がハウジング１２に対して軸方向に遊動可能な状態で支持されている。

モータ２２の他方の回転軸２４ｂには、ブレーキ機構４０として、給電時に回転軸の制動を解放し、給電停止時に回転軸を制動状態とする、いわゆる無励磁作動形（スプリング制動形）の電磁ブレーキが装着されている。この電磁ブレーキは、モータの回転軸２４ｂの先端に固着されたモータ空冷用のファン４２ａを兼ねる制動板４２と、非給電時には、ブレーキスプリング４４により付勢されて制動板４２に密着するライニング４１付きのアーマチュア４３と、給電により磁界を発生させるマグネットコイル４５を備えている。そして、マグネットコイル４５に給電することによって、アーマチュア４３がマグネットコイル側に瞬時に吸引され、ライニング４１と制動板４２の間にギャップが生じ、回転軸２４ｂの制動状態が完全に解かれて、モータが回転し始める。反対にマグネットコイル４５の給電を停止することによって、マグネットコイル４５の吸引力は消滅し、アーマチュア４３は、ブレーキスプリング４４により制動板４２側に押し戻されて、ライニング４１が制動板４２に接触し、両者の間に制動力が発生し、モータは制動状態となる。

なお、本実施例においては、ブレーキ機構４０として、上述したような無励磁作動形電磁ブレーキを使用しているが、停電時にブレーキが解放し、押し付け力を不要とする用途には、給電することによって制動板とライニングが接触し、制動状態となる励磁作動形電磁ブレーキを使用することも可能である。

連結金具２６により、支持軸１９の軸方向の遊動を許容しつつ、回転軸２４と連結する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、支持軸１９端部の外周面に軸方向に延びるキー（凸部）を形成し、これと摺動可能に係合するキー溝（凹部）を連結金具２６の内周面に形成し、両者を係合させることにより、支持軸１９を軸方向に遊動可能な状態で回転軸２４と連結することができる。

また、ネジ軸１８の軸方向の遊動により生じる軸方向の力を吸収するバネ機構３０が、ネジ軸１８とモータの回転軸２４ａの間に装着されている。バネ機構３０は、ネジ軸１８の軸方向の遊動を円滑に吸収でき、要求される押し付け力と拮抗する弾性力を創出することが可能なものであれば、その構造やバネの種類については、特に限定されるものではない。本実施例に用いているバネ機構３０は、図１に示したように、底面の中央に挿通孔を穿孔した一対の有底円筒状バネホルダ３４をそれぞれの底面外側にラジアルボールベアリング３２を固着し開口側を対峙させて、両バネホルダ３４の内側に伸縮動作が可能なコイルバネ３８を装填している。そして、このバネホルダ３４をハウジング１２内に固設された段状端部３６ａを有する単一の円筒状部材３６の内周面に摺接させて、２つのラジアルボールベアリング３２で支持軸１９を軸承している。ネジ軸１８の端部には、拡径形状に形成されたストッパ１７が固着され、一方のラジアルボールベアリング３２に当接している。

このような構造のバネ機構３０を用いているため、支持軸１９は、バネ機構３０の存在に影響されることなく円滑に回転すると共に、バネホルダ３４の軸方向の移動が確実に行われる。さらに、コイルバネ３８の端面全体がバネホルダ３４の底面に当接するため、コイルバネの伸縮に際し、こじれや捻れが発生することがない。

次に、本発明による押し付け停止型電動シリンダの動作について、図２に示した動作説明図及び図３に示したタイミングチャートに基づき説明する。

図２（ａ）は、ロッド１４に被駆動部材を接合せずに、無負荷状態で電動シリンダを駆動し、ロッド１４の先端が固定位置Ｓより突出した状態を示している。すなわち、バネ機構３０がフリーの状態にあり、ロッド１４の先端部には、押し付け力は生じていない。

図２（ｂ）は、ロッド１４に被駆動部材５０を接合して電動シリンダを駆動し、ロッド１４の先端が固定位置Ｓで押し付け状態となった様子を示している。すなわち、モータ２２の駆動力によりネジ軸１８が回転しているにも関わらず、ロッド１４が固定位置Ｓで制止されているため、ロッド１４に固着されているナット１６は前進することができず、その反作用として軸方向に遊動可能に支持されているネジ軸１８が後退する。その結果、バネ機構３０が縮退し、フックの法則（Hooke's law）に従う弾性力が押し付け力としてロッド１４に生じる。さらに、モータ２２の回転を継続すると、最終的にモータ２２のトルクと押し付け力とが拮抗し、モータ２２の回転が拘束される。

モータ２２の回転軸２４ａが拘束されたことが検出された後に、モータ２２のブレーキ機構４０を作動させて、図２（ｃ）に示したように、回転軸２４ｂを制動状態にする。この時、既にモータ２２の回転軸２４ａが拘束されることによって、制動板４２の回転が停止しているため、制動板４２とライニング４１が摺動することなく密着し回転軸２４ｂがロックされる。したがって、モータが回転中にブレーキを作動する場合に比べて、ライニングの摩耗が格段に少なく、電動シリンダの寿命を飛躍的に延ばすことが可能になる。このようにして、回転軸がブレーキ機構４０によりロックされた後に、モータ２２への給電が停止される。そのため、モータ２２への給電停止後に回転軸が逆転して、押し付け力が低下することなく、バネ機構３０の弾性力により創出される押し付け力が維持される。

上述したモータ２２に関する一連の制御は、電動シリンダに付属する制御装置２０により行われる。ここで回転軸の拘束状態の検出は、回転センサによる検出等、種々の方法が考えられるが、モータ電流を検出し、その電流値の変化に基づき、回転軸が拘束状態となったことを検出する機能を制御装置２０に持たせることにより、装置構成の簡素化及び押し付け力の正確な制御が可能となるため、特に好ましい。さらに、モータの起動後一定時間経過後に回転軸の拘束状態を検出する機能を制御装置２０に持たせることにより、始動時におけるモータ電流の過渡的上昇によって、回転軸が拘束状態になったと誤検出することが回避されるため、装置の信頼性を一層向上させることが可能になる。

このような制御装置２０によって行われる一連のモータ制御について、図３に示したタイムチャートを用いて詳述する。図３（ａ）はモータの回転速度の変化を、図３（ｂ）はモータのブレーキ電流を、図３（ｃ）は電磁ブレーキの動作状態を、図３（ｄ）は制御電源回路２１０の直流電圧Ｖｃｃを所定の時定数の積分回路に入力した時の出力電圧、図３（ｅ）はモータ電流に比例した電圧値を、さらに、図３（ｆ）は、電動シリンダによって発生する押し付け力を示しており、縦軸にそれぞれの値の変化を、横軸にモータ起動開始からの時刻を対応させて示している。

時刻０において電動シリンダが起動されると同時にモータが駆動電源に接続されると共に図３（ｂ）のようにブレーキ機構に電流が流れ、図３（ｃ）に示すように時刻ｔ１には、電磁ブレーキが完全に解放されて、モータの回転軸のロックが解かれる。回転軸のロックが解放されることにより、図３（ａ）に示すようにモータの回転速度が次第に上昇し、時刻ｔ２に定常速度に到達し、モータの端子間電圧及びモータ電流も定常値に到達する。

時刻ｔ３にシリンダのロッド先端が固定位置に到達すると、バネ機構が縮退を始め、バネ機構の弾性力を受けて、図３（ａ）に示すようにモータの回転速度が次第に低下すると共に、モータのトルクが上昇するためモータ電流が、図３（ｅ）に示すように上昇する。この時、図３（ｆ）に示すように、ロッドにバネ機構の弾性力に等しい押し付け力が発生する。モータ電流に比例した電圧値が基準値Ｅ４に到達したことを検知したら（時刻ｔ４）、モータの回転軸がほぼ拘束されたと判断し、その後、所定の時間Ｔ２経過後（時刻ｔ６）に、図３（ｂ）に示すようにブレーキ電流を停止して回転軸をロックする。Ｔ２の値は、モータ電流に比例した電圧値Ｅ３が基準値Ｅ４となる時からモータの回転が完全に停止するまでに要する時間Ｔｓよりも大きな値に設定している。

ここで、モータの回転軸が完全に拘束された時、すなわち回転速度が０となった時におけるモータ電流に比例した電圧値Ｅ０ではなく、Ｅ０より低い値であるＥ４を基準値として、ブレーキ電流の停止を制御する理由は、電圧値Ｅ０は、臨界的な値（漸近値）であるので、何らかの原因でこの値が低下した場合、いつまでもブレーキ電流が停止されず、モータが過負荷になる恐れがあるからである。これを回避するために、基準値Ｅ４に到達後、所定の時間Ｔ２経過後にブレーキ電流を停止することにより、制御の安定性を向上させている。さらに、図３（ｅ）に示すようにモータの起動直後にモータに過渡的な始動電流が流れ、モータ電流に比例した電圧値Ｅ３が、一時的に基準値Ｅ４を越えて誤動作を起こす恐れがあるため、モータの起動後一定時間Ｔ１経過するまでは、上述したような制御を行わないようにすることで、制御の信頼性を向上させることができる。

ブレーキ電流停止後、所定の時間Ｔ３経過後（時刻ｔ８）にモータへの給電を停止することによって、一連のモータ制御が完了する。Ｔ３の値は、ブレーキ電流を停止した時から、モータの回転が完全にロックされるまでに要する時間Ｔｃよりも大きな値に設定している。

上述したような制御は、リレー回路や遅延回路を組み合わせたシーケンシャル制御装置や、マイクロコンピュータを用いたプログラム制御等、種々の方法により行うことが可能である。本実施例では、演算回路（ＯＰアンプ）や比較回路（コンパレータ）等を用いた電子回路により制御回路を構成した。以下に、本実施例で用いた制御回路について、図４乃至図７に基づき説明する。

図４は、本実施例に用いた制御装置２００の回路図を示している。この制御装置は、制御電源回路２１０、正逆転回路２３０、モータ電流検出回路２４０、押し付け検出回路２５０、ブレーキ制御回路２６０、モータ制御回路２７０及びブレーキ電源回路２８０の各回路ユニットから構成されている。また、図５は、正逆転回路２３０に含まれるインターロック回路を示している。以下、制御装置２００によるモータ制御について説明する。

図４において、Ｌ１−Ｌ２間に単相交流電源Ｖａｃが接続されると、制御電源回路２１０が立ち上がり、その出力Ｖｃｃが出力される。そして、正逆転回路に含まれる図５に示したインターロック回路において、制御電源電圧Ｖｃｃが立ち上がり、コンデンサ３１３は充電され、Ｅ３１０，Ｅ３１１及びＥ３１２はＨレベルになっている。同様に、コンデンサ３２３も充電され、Ｅ３２０，Ｅ３２１及びＥ３２２もＨレベルになっている。

正転（前進）用接点信号４ａあるいは逆転（後退）用接点信号５ａが閉じると、抵抗器２３２を通じて、フォトカプラ２３３あるいは２３４の一次側に一次電流ＩｆｘあるいはＩｒｘが流れ、インターロック回路２３１に入力される。図６に示すように、一次電流Ｉｆｘは、単相交流電源Ｖａｃが接続されたＬ１−Ｌ２間に抵抗器２３２を通じて流れるので、交流電流となり、電流値が周期的に０ゼロになる。したがって、フォトカプラ２３３の一次電流Ｉｆｘが周期的に０ゼロになるとフォトカプラ２３３の二次側は周期的にＯＦＦになり、Ｅ３１０は周期的にＨレベルになる。Ｅ３１０は当初、Ｈレベルで、正転（前進）用接点信号４ａがＯＮになると、Ｌレベルになり、周期的にＨレベルになる。

コンデンサ３１３の充電電圧Ｅ３１１は、当初はＨレベルで、Ｅ３１０がＬレベルになると、抵抗器３１１とコンデンサ３１３で定まる時定数で放電される。そして、Ｅ３１０がＨレベルになると、抵抗器３１０，３１１の定数の和とコンデンサ３１３の定数で定まる時定数で、コンデンサ３１３の充電電圧Ｅ３１１は立ち上がる。一方、一次電流Ｉｆｘが周期的に０ゼロになり、Ｅ３１０が周期的にＨレベルになるが、Ｈレベルの時間が短いので、コンデンサ３１３の充電電圧Ｅ３１１は、その間にはＨレベルにはならない。したがって、４ａがＯＦＦからＯＮになると、Ｅ３１１は遅延してＨレベルからＬレベルになり、４ａがＯＮからＯＦＦになると、Ｅ３１１は遅延してＬレベルからＨレベルになる。また、Ｅ３１２は、Ｅ３１１が抵抗器３１２を通じて出力され、Ｅ３１１と同様の電圧波形を示す。

インターロック回路の各部位の部位の電位を示すタイムチャートである図７では簡略して、Ｅ３１２はフラットなＬレベルで表している。以上では、正転（前進）用接点信号４ａがＯＮとなる場合について説明しているが、逆転（後退）用接点信号５ａが閉じた場合も同様である。

次に、図５及び図７に基づき、正転（前進）用接点信号４ａと逆転（後退）用接点信号５ａが時間的に一部重なった場合を例にインターロック回路の説明を行う。時刻ｔ１で４ａがＯＮになると、ＮＯＲゲート３１４の一方の入力端子に入力されるＥ３１２は、時刻ｔ２でＨレベルからＬレベルに立ち下がる。時刻ｔ２では５ａがＯＦＦなので、ＮＯＲゲート３２４の一方の入力端子に入力されるＥ３２２はＨレベルとなり、ＮＯＲゲート３２４の出力Ｅ３２４がＬレベルになり、Ｅ３２７もＬレベルになりＯＲゲート３２５の入力Ｅ３２４，Ｅ３２７が共にＬレベルなので、ＯＲゲート３２５の出力Ｅ３２５はＬレベルとなり、ＮＯＲゲート３１４の他方の入力端子に入力される。

ＮＯＲゲート３１４の入力Ｅ３１２，Ｅ３２５が共にＬレベルなので、ＮＯＲゲート３１４の出力Ｅ３１４はＨレベルになる。Ｅ３１４がＨレベルになると、コンデンサ３１８は抵抗器３１６を通じて充電され、コンデンサ３１８と抵抗器３１６の定数で定まる時間後の時刻ｔ３に、Ｅ３１７はＨレベルになり、ＮＡＮＤゲート３１９の入力Ｅ３１４及びＥ３１７が共にＨレベルになるのでＮＡＮＤゲート３１９の出力Ｅ３１９はＬレベルになる。Ｅ３１９がＬレベルになるとＥ３３１及びＥ３３２はＬレベルになる。

時刻ｔ４に、５ａがＯＮになると、時刻ｔ５に、Ｅ３２２はＬレベルになり、ＮＡＮＤゲートＥ３２４の一方の入力端子に入力される。ＯＲゲート３１５に入力されるＥ３１４及びＥ３１７が共にＨレベルなので、ＯＲゲート３１５の出力３１５はＨレベルになる。ＮＡＮＤゲート３２４の他方の入力端子に入力されるＥ３１５がＨレベルなので、ＮＡＮＤゲート３２４の出力Ｅ３２４は、Ｌレベルのままである。時刻ｔ６に、４ａがＯＦＦになると、時刻ｔ７に、Ｅ３１２がＨレベルになり、ＮＯＲゲート３１４の出力Ｅ３１４はＨレベルからＬレベルに立ち下がる。コンデンサ３１８に充電された電圧は、抵抗器３１６を通じて放電し、コンデンサ３１８と抵抗器３１６の定数で定まる時間後の、時刻ｔ８にＥ３１７はＬレベルになる。

時刻ｔ８に、ＯＲゲート３１５の入力Ｅ３１４及びＥ３１７が共にＬレベルになるので、ＯＲゲート３１５の出力Ｅ３１５は、Ｌレベルになる。ＯＲゲート３１５の出力Ｅ３１５がＬレベルになると、ＮＯＲゲートＥ３２４の入力Ｅ３２２及びＥ３１５が共にＬレベルになるので、ＮＯＲゲートＥ３２４の出力Ｅ３２４はＨレベルになる。Ｅ３２４がＨレベルになると、コンデンサ３２８は抵抗器３２６を通じて充電され、コンデンサ３２８と抵抗器３２６の定数で定まる時間後の時刻ｔ９にＥ３２７はＨレベルになり、ＮＡＮＤゲート３２９の入力Ｅ３２４及びＥ３２７が共にＨレベルになるので、ＮＡＮＤゲート３２９の出力Ｅ３２９はＬレベルになる。Ｅ３２９がＬレベルになるとＥ３３４及びＥ３３２はＬレベルになる。

したがって、時刻ｔ４と時刻ｔ６の間、外部より正転信号４ａと逆転信号５ａが同時にＯＮとなって入力されても、制御装置２００の内部の正転信号Ｅ３３１と逆転信号Ｅ３３４は同時にＬレベルにならず、正転信号Ｅ３３１と逆転信号Ｅ３３４が同時時刻ｔ７と時刻ｔ９の間に、同時にＨレベルになった後、逆転信号Ｅ３３４がＬレベルになる。

図４において、単相リバーシブルモータ２２１は、半導体スイッチ７が導通し、半導体スイッチ８が非導通の時、正転する。一方、半導体スイッチ８が導通し、半導体スイッチ７が非導通の時、逆転する。半導体スイッチ７、８が共に導通の時、モータに電流が流れ、モータと半導体スイッチが共に発熱はするが、モータは回転しない。

インターロック回路２３１では、誤って、４ａと５ａが同時に入力されても半導体スイッチ７、８が共に導通し、モータに電流が流れ、モータと半導体スイッチが共に発熱はするが、モータは回転しない不適切な状態になるのを回避する。また、半導体スイッチ７、８が共に導通の時、充電状態のコンデンサ２２２を短絡するので、大電流が半導体スイッチ７、８に流れ、半導体スイッチ７、８を破損する恐れがある。しかしながら、図７に示すように、誤って、４ａと５ａが同時に入力されても、インターロック回路２３１の出力Ｅ３３１，Ｅ３３４には、ｔ９−ｔ７の時間間隔が取られている。それにより、半導体スイッチ７、８の破損を回避している。

以下、正転（前進）の説明を行う。制御装置２００の端子Ｌ１−Ｌ２間に交流電圧Ｖａｃが加わり、制御電源回路２１０に入力され、直流電圧Ｖｃｃが出力される。直流電圧Ｖｃｃを抵抗器２１，２２で分圧された電圧Ｅ１は押付け検出回路２５０、ブレーキ制御回路２６０及びモータ制御回路２７０に出力される。

正逆転回路２３０では、外部の正転信号４ａがＯＮになると、フォトカプラ２３３の一次側に電流Ｉｆｘが流れ、ＬレベルのＥ３３１がモータ制御回路２７０に、ＬレベルのＥ３３２が押付け検出回路２５０に出力される。押付け検出回路２５０では、正逆転回路２３０よりＬレベルのＥ３３２が入力されると、抵抗器２５９を通じて、トランジスタ２５７にベース電流が流れ、トランジスタ２５７が導通する。モータ電流が流れていないので、モータ電流検出回路２４０の演算増幅器２４６の＋入力Ｅ３と−入力Ｅ４は、Ｅ３＜Ｅ４となっおり、演算増幅器２４６の出力Ｅ５はＬレベルになっている。Ｅ５がＬレベルなので、比較器２５６の＋入力Ｅ６はＬレベルになり、Ｅ６＜Ｅ１となり、比較器２５６の出力Ｅ７はＬレベルになり、ブレーキ制御回路２６０に出力される。

ブレーキ制御回路２６０において、ＬレベルのＥ７は、比較器２６１の＋端子に入力される。一方の−端子には、直流電圧Ｖｃｃを抵抗器２１１，２１２で分圧された電圧Ｅ１が入力される。Ｅ７＜Ｅ１となるので、比較器２６１の出力Ｅ８はＬレベルになる。比較器２６１の出力Ｅ８はＬレベルになると、直流電圧Ｖｃｃから導通しているトランジスタ２５７と抵抗器２６２を通じて、フォトカプラ２６３の一次側に電流が流れる。フォトカプラ２６３の二次側はブレーキ電源回路２８０へ出力される。一方、比較器２６１の出力Ｅ８はモータ制御回路２７０へ出力される。

ブレーキ電源回路２８０において、制御装置２００の端子Ｌ１−Ｌ２間に交流電圧Ｖａが加わると、ダイオード２８１，２８２で構成する半波整流回路より電圧Ｅ１３が出力される。抵抗器２８３、コンデンサ２８４及びツェナーダイオード２８５から構成するゲート電源回路に、電圧Ｅ１３が入力されると、ゲート電源電圧Ｅ１１が出力される。

ブレーキ制御回路２６０のフォトカプラ２６３の一次側に電流が流れると、フォトカプラ２６３の二次側が導通し、前述のゲート電源電圧Ｅ１１より、ＦＥＴ２８７のゲート・ソース間に並列に接続された抵抗器２８６に電流が流れ、ＦＥＴ２８７のゲート・ソース間の電圧がＨレベルになり、ＦＥＴ２８７は導通する。ＦＥＴ２８７が導通すると、半波整流回路から出力された電圧Ｅ１３が、電磁ブレーキ２２３のコイルに加わり、ブレーキ電流がコイルに流れ、電磁ブレーキ２２３が開放する。

モータ制御回路２７０に正逆転回路２３０よりＬレベルのＥ３３１が入力されると、抵抗器２７７ｂを通じて、トランジスタ２７７にベース電流が流れトランジスタ２７７が導通する。ブレーキ制御回路２６０よりＬレベルのＥ８が入力されると、コンデンサ２７６の充電電圧Ｅ９は抵抗器２７３、ダイオード２７２を通じて放電され、Ｌレベルになる。制御電源回路２１０の直流電圧Ｖｃｃが立ち上がると、比較器２７１の−端子には直流電圧Ｖｃｃを２１，２２抵抗器で分圧された電圧Ｅ１入力され、＋端子にはＬレベルのＥ９が入力され、Ｅ１＞Ｅ９となり、比較器２７１の出力Ｅ１０はＬレベルになり、直流電圧Ｖｃｃから導通しているトランジスタ２７７、抵抗器２７９を通じて、フォトカプラ７ａ，２７５の一次側に電流が流れ、二次側が導通する。

フォトカプラ７ａの二次側が導通すると、抵抗器７ｂを通じて、半導体スイッチ７のゲートに、ゲート電流Ｉｆが流れ、半導体スイッチ７が導通し、モータ２２１に電流が流れる。ブレーキ付単相リバーシブルモータ２２０のモータ２２１にモータ電流が、電磁ブレーキ２２３にブレーキ電流が流れ、電磁ブレーキ２２３は開放し、モータ２２１は始動する。半導体スイッチ７が導通し、半導体スイッチ８が非導通なので、モータ２２１は正転始動する。なお、フォトカプラ２７５の二次側は、外部にモータが運転状態であることを出力する。

モータ電流検出回路２４０において、モータ２２１に流れるモータ電流は変流器２４１で検出される。変流器２４１で検出されたモータ電流（一次電流）は交流であるが、変流器２４１の二次電流は整流平滑回路２４２に入力され、モータ電流の大きさに比例した直流電圧Ｅ３に変換され、演算増幅器２４６の＋端子に入力される。直流電圧Ｖｃｃを抵抗器２４３，２４５及び可変抵抗器２４４で分圧された直流電圧Ｅ４は演算増幅器２４６の−端子に入力される。電動シリンダが、押付け状態になり、押付け力が大きくなるとモータ電流が増えてくるが、所定の押付け力に相当するモータ電流に比例した直流電圧Ｅ４は、可変抵抗器２４４で、あらかじめ設定しておくことができる。始動電流あるいは過負荷電流が流れる時、演算増幅器２４６の＋端子に入力され、可変抵抗器２４４であらかじめ設定された直流電圧Ｅ４より、演算増幅器２４６の−端子に入力されるモータ電流の大きさに比例した直流電圧Ｅ３の方が高くなり、演算増幅器２４６の出力電圧Ｅ５は、Ｈレベルになる。正常に運転している時は、演算増幅器２４６の＋端子に入力される、可変抵抗器２４４であらかじめ設定された直流電圧Ｅ４より、演算増幅器２４６の＋端子に入力されるモータ電流の大きさに比例した直流電圧Ｅ３の方が低くなり、演算増幅器２４６の出力電圧Ｅ５は、Ｌレベルになる。

押付け検出回路２５０では、比較器２５６の−端子に、直流電圧Ｖｃｃを抵抗器２１１，２１２で分圧された電圧Ｅ１が入力される。前述したモータ電流検出回路２４０の演算増幅器２４６からの出力電圧Ｅ５は、抵抗器２５１，２５３とコンデンサ２５２とからなる積分回路に入力され、その出力である積分値Ｅ６が比較器２５６の＋端子に入力される。この積分回路では、始動電流によりモータ電流検出回路２４０のＨレベルの出力電圧Ｅ５が入力されコンデンサ２５２の充電電圧Ｅ６は上昇するが、Ｅ６＜Ｅ１となるように、抵抗器２５１、コンデンサ２５２の定数が定められている。比較器２５６の出力Ｅ７はＬレベルのままなので、前述のとおり、モータは運転を続ける。したがって、正常に始動した時は、始動電流を、押付け状態における過電流と誤って判別し、誤作動することはない。

次に、モータが回転し電動シリンダが前進し押付け状態になると、電動シリンダのバネがたわみ、モータ電流が増大し、モータ電流検出回路２４０の出力電圧Ｅ５は再びＨレベルになる。積分回路による遅延時間は、バネのたわみによる反力でモータ軸が拘束される時間より少し長い時間になるように、抵抗器２５１とコンデンサ２５２の定数で定められている。抵抗器２５１とコンデンサ２５２の定数で定められる時定数は、前述の始動電流による誤作動防止とを兼ねたものである。電動シリンダが押付け状態になり、モータ軸が拘束され、回転が停止すると、Ｅ７はＨレベルになる。４ａが入力されると、前述のとおり、正逆転回路２３０のＥ３３１がＬレベルになり、押付け検出回路２５０のトランジスタ２５７は導通している。Ｅ７がＨレベルになると、Ｖｃｃからトランジスタ２５７、抵抗器２５５、ダイオード２５４、抵抗器２５３を通じて、コンデンサ２５２に充電電流が流れ、Ｅ６＞Ｅ１となり、比較器２５６の出力がＨレベルを維持し、Ｅ７のＨレベルを維持する。また、モータ電流が遮断され、Ｅ５がＬレベルになると、Ｖｃｃからトランジスタ２５７、抵抗器２５５、ダイオード２５４、抵抗器２５３，２５１を通じて、演算増幅器２４６に電流が流れ、Ｅ６＞Ｅ１となり比較器２５６の出力がＨレベルを維持し、Ｅ７のＨレベル状態を維持する。

Ｅ７がＨレベルになると、ブレーキ制御回路２６０の比較器２６１に−端子に入力されるＥ１と＋端子に入力されるＥ７は、Ｅ７＞Ｅ１となり、比較器２６１の出力電圧Ｅ８がＨレベルになり、フォトカプラ２６３の一次側に流れていた電流が遮断され、ブレーキ電源回路２８０のフォトカプラ２６３の二次側が非導通となり、ゲート電圧Ｅ１２がＬレベルになり、ＦＥＴ２８７は非導通となり、ブレーキ電流が遮断される。

ブレーキ電流が遮断された時点では、モータ電流は流れているが、モータ軸は拘束状態にあり、電磁ブレーキ２２３が閉じてモータ軸を保持する時点では、モータ軸の回転は停止状態にある。したがって、モータが回転中に、ブレーキを閉じる場合と比べ、ライニングの摩耗が少なく、長寿命（動作回数）が得られる。

Ｅ８がＨレベルになると、モータ制御回路２７０のコンデンサ２７６にＶｃｃから抵抗器２７４を通じて充電電流が流れ、コンデンサ２７６の充電電圧Ｅ９が上昇し、抵抗器２７４及びコンデンサ２７６の定数で定められた時間の後、Ｅ９＞Ｅ１となり、比較器２７１のＥ１０出力はＨレベルになる。Ｅ１０出力がＨレベルになると、フォトカプラ７ａの一次側に流れる電流が遮断され、二次側が非導通となり、ゲート電流Ｉｆが遮断され、半導体スイッチ７が非導通となり、モータ電流が遮断される。モータ電流が遮断されても、モータ軸は電磁ブレーキ２２３で保持されているので、電動シリンダはバネの反力による押付け力を維持している。

以上、ブレーキ付単相リバーシブルモータ用の制御装置の例で説明したが、ブレーキ付三相モータを使用しても、同様の回路構成により押付け型電動シリンダを実現することができる。

以上は、本実施例の制御回路の概略であるが、制御回路の具体的構成については、これに限定されることはなく、本発明の技術的思想を実現できるものであれば、種々のものを適用することが可能である。

本発明の電動シリンダの一実施例を示す一部を切断した説明図である。 図１に示す電動シリンダの動作を説明する説明図である。 図１に示す電動シリンダの動作を説明するタイムチャートである。 図１に示す電動シリンダに使用した制御装置の説明図である。 図４に示す制御装置に含まれるインターロック回路の回路図である。 図５に示すインターロック回路の動作を説明するタイムチャートである。 図５に示すインターロック回路の動作を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１０ ・・・ 押し付け停止型電動シリンダ
１２ ・・・ ハウジング
１４ ・・・ ロッド
１６ ・・・ ナット
１７ ・・・ ストッパ
１８ ・・・ ネジ軸
１９ ・・・ 支持軸
２０ ・・・ 制御装置
２２ ・・・ モータ
２４ ・・・ 回転軸
２６ ・・・ 連結金具
３０ ・・・ バネ機構
３２ ・・・ ラジアルボールベアリング
３４ ・・・ バネホルダ
３６ ・・・ 円筒状部材
３６ａ ・・・ 段状端部
３８ ・・・ コイルバネ
４０ ・・・ ブレーキ機構
４１ ・・・ ライニング
４２ ・・・ 制動板
４２ａ ・・・ ファン
４３ ・・・ アーマチュア
４４ ・・・ ブレーキスプリング
４５ ・・・ マグネットコイル

Claims (2)

1. ハウジングに対して出没自在に支持されたロッドと、前記ロッドに固定したナットに螺合するネジ軸と、前記ネジ軸を正逆回転駆動するブレーキ機構付きモータと、前記モータを制御する制御装置を備えた押し付け停止型電動シリンダにおいて、
   前記ネジ軸が、前記ハウジングに対して軸方向に遊動可能に支持され、
   前記ネジ軸の軸方向の遊動により生じる軸方向の力を吸収するバネ機構が、前記ネジ軸と前記モータの回転軸の間に装着され、
   前記制御装置が、モータ電流が所定の時間継続して基準値を超えたことを検出することにより、前記回転軸が停止状態であることを検出する機能を有すると共に、外部から入力される正逆転信号に従って前記モータを正逆転制御する正転用及び逆転用の各半導体スイッチ並びに前記モータのブレーキ電流をＯＮ・ＯＦＦするブレーキ電流開閉用半導体スイッチを有し、
   前記回転軸の停止状態が検出された後に、前記ブレーキ電流開閉用半導体スイッチにより前記ブレーキ電流を遮断し、前記モータのブレーキ機構を作動させ前記回転軸をロックし、前記回転軸がロックされた後に前記モータへの給電を停止するという一連のモータ制御を行うものであることを特徴とする押し付け停止型電動シリンダ。
2. 前記制御装置が、外部から入力される前記正逆転信号が時間的に重なっても、前記モータを正逆転する前記正転用及び前記逆転用の各半導体スイッチが同時に通電しないようにインターロック回路を有していることを特徴とする請求項１に記載の押し付け停止型電動シリンダ。

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