JP5699618B2 - 電動シリンダシステム - Google Patents

Description

本発明は、電動機の回転運動を直線運動に変換する電動シリンダを有する電動シリンダシステムに関する。

従来、各種装置に用いられる電動シリンダとして、例えば特開平８−１１７９７０号公報やＣＮ１０７４８２０Ｃに記載されたものがある。この電動シリンダは、ねじ棒に螺合されたボールナットに取り付けられたピストンと、ねじ棒を回転制御するモータと、ピストンの前面に設けられた中空ロッドと、中空ロッドの中空部に挿入され、ねじ棒の先端に回転自在に設けた支持体と、を備える。中空ロッドの先端のロッドヘッドには、取付板を介してウレタンゴムが取り付けられ、このウレタンゴムの先端には金属保護板が設けられている。この電動シリンダは、高温に強く、且つ衝撃を弱めることができるので、重量のある高温状態の物体を押し出す押し出し装置や、受け止める受け止め装置に用いられるのに適している。

また、電動シリンダ等を用いた電動シリンダシステムとして、例えば特開２００５−２５４２９０号公報に記載されたものがある。この電動シリンダシステムは、図１３に示すように、モータ３０５ｂの回転により昇降する昇降ロッド３０５ｃを有する電動シリンダ３０５と、昇降ロッド３０５ｃに連結された荷重検出器としてのロードセル３０６と、昇降ロッド３０５ｃの位置を検出する位置検出器（エンコーダ３０５ａ）と、ロードセル３０６に電気的に接続された演算手段３０８と、この演算手段３０８、モータ３０５ｂ及び位置検出器（エンコーダ３０５ａ）に電気的に接続された制御手段３０９とを備える。また、電動シリンダシステムは、下部フレーム３０１、ガイドロッド３０２、上部フレーム３０３、可動フレーム３０４、ホルダ３０４ａ、及び押圧部材３０７を備える。押圧部材３０７は、ロードセル３０６の先端に取り付けられ、ワーク３１１を保持する。下部フレーム３０１には、ワーク３１１の下方にワーク３１２が載置されている。

この電動シリンダシステムにおいては、次のような方法で制御がなされる。すなわち、該方法は、加圧速度と目標荷重を設定する工程と、該設定された加圧速度と目標荷重から、荷重が増加するにしたがって該加圧速度が比例して減速されて該目標荷重到達時に該加圧速度が零になる速度パターンを演算手段で演算する工程と、制御手段からモータに指令を出し、演算された速度パターンで電動シリンダを作動させてワークを加圧する工程とを有する。また、速度パターンに少なくとも一つの減速率変更点を設定し、荷重が増加するにしたがって比例して原則される加圧速度の減速率を減速率変更点で変更するようにされている。

しかしながら、荷重検出のため、例えば図１４（ａ）に示すように電動シリンダ４０１のロッド４０３の先端にロードセル４１０を設けた場合（治具４１２の手前に設けた場合）には、以下のような問題がある。図１４（ａ）に示すように、ロードセル４１０には出力ケーブル４１１が接続されることとなり、外筒体４０２に対するロッド４０３の繰り返しの往復運動によるケーブル４１１の屈曲動作により、このケーブル４１０が断線（Ｐ１部分等）する等の問題が生じる可能性がある。また、この装置による加工対象によってはロードセル自体や、出力ケーブルが干渉（Ｐ２部分等）する場合があり、干渉を回避するために例えば図１４（ａ）に示す治具４１２に換えて図１４（ｂ）に示すように必要以上に長い治具４１３を用いる必要が生じる等の問題が生じる可能性がある。また、軸方向の制限があるために長い治具で対応ができない場合には、電動シリンダを使用できなくなる場面も生じうるといった問題がある。また、ロードセルを設けるために上部フレームやガイドロッドが必要になることがあり、これにより装置の構成の複雑化や大型化を招くことがあり、さらにシステム構成の制限が増えてしまう等の問題があった。このように、荷重検出を必要とする場合に、構成を簡素化することや、軸方向の長さを縮小して小型化を実現することは困難であり、システム構成も制限されていた。

特開平８−１１７９７０号公報 特開２００５−２５４２９０号公報

本発明の目的は、荷重検出及び位置検出を可能としながら、システム構成を簡素化でき、且つ小型化を実現する電動シリンダシステムを提供することにある。

本発明に係る電動シリンダシステムは、電動シリンダと、前記電動シリンダを制御する制御手段とを備え、前記電動シリンダは、一端側に当該電動シリンダの取付箇所に固定するための固定部を有した外筒体と、前記外筒体の一端側の開口から軸方向に伸縮可能とされたロッドと、前記外筒体の内部に設けられた軸受と、前記軸受に回転可能に支持されるとともに、電動機の駆動力により回転駆動される回転軸と、前記回転軸の回転運動を前記ロッドの直線運動に変換して伝達するねじ機構と、前記軸受が設けられた位置と前記固定部との間の位置に設けられ、前記ロッドからねじ機構を経由して伝達された前記ロッドに加わる軸方向の荷重を検出する荷重検出手段とを有し、前記制御手段は、第１のコントローラと、前記第１のコントローラに接続された第２のコントローラと、前記第１のコントローラに接続され、前記電動機を駆動させるモータドライバとを含み、前記第１のコントローラが、前記電動機のエンコーダからの信号と、前記荷重検出手段からの信号とを受信し、前記第２のコントローラが前記第１のコントローラからの情報を受信するとともに前記第１のコントローラに対して指示を行い、前記第１のコントローラが前記第２のコントローラからの前記指示に基づいて前記モータドライバを制御することによって、電動シリンダを制御する。

本発明は、荷重検出手段が、ロッドからねじ機構を経由して伝達された位置でロッドに加わる軸方向の荷重を検出するので、ロッド先端にロードセルを設ける必要がなくなり、構成を簡素化できる。また、ロッド先端にロードセルを設けた場合に必要な出力ケーブル等を設ける必要もなくなり、このケーブルが繰り返される屈曲により断線する等の不具合も防止できる。よって、本発明は、荷重検出及び位置検出を必要とするシステムにおいて、構成を簡素化できるとともに、小型化を実現する。また、本発明は、システム構成の柔軟化や、システム全体のフレキシブルな外部構成を実現する。

本発明が適用された電動シリンダを有する電動シリンダシステムの概略図である。 電動シリンダの概略断面図である。 電動シリンダを構成する歪検出部を説明するための図である。（ａ）は、歪ゲージが外筒体に取り付けられた状態の一例を示す斜視図である。（ｂ）は、各歪ゲージを接続する配線の状態を示す概略図である。（ｃ）は、各歪ゲージ及び配線によりホイートストンブリッジが形成されていることを示すための配線図である。 電動シリンダのロッドの回転を規制している部材を説明するための図である。（ａ）は、ロッド外面に形成された溝部と、外筒体に圧入されるブッシュ部材に設けられた突出部との関係を示す斜視図である。（ｂ）は、該ブッシュ部材、ロッド及び外筒体の断面図である。（ｃ）は、（ｂ）の要部である溝部と突出部の拡大断面図である。（ｄ）は、揺動防止用のブッシュ部材、ロッド及び外筒体の断面図である。 電動シリンダのロッドの回転を規制する部材の他の例を示す図であり、スプライン形状の溝部及び突出部を採用した例の図である。（ａ）は、当該変形例におけるロッド外面に形成された溝部と、外筒体に圧入されるブッシュ部材に設けられた突出部との関係を示す斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示すブッシュ部材の断面図である。 電動シリンダのロッドの回転を規制する構造の他の例を示す図であり、滑りキーを用いた構造を採用した例の図である。（ａ）は、当該変形例におけるロッド外面に形成された溝部と、キー部材との関係を示す斜視図である。（ｂ）は、このキー部材と、外筒体とを示す側面図である。（ｃ）は、このキー部材と、外筒体と、ロッド部材との関係を示す正面方向からの断面図である。（ｄ）は、このキー部材と、外筒体との関係を示すロッド先端側から基端側に向けた方向の断面図である。 図４及び図５に示したブッシュ構造の回転規制機構と、図６に示した滑りキー構造の回転規制機構とを比較するための図である。（ａ）は、図６に示す滑りキー構造の回転規制機構を示す断面図であり、（ｂ）は、図４に示すブッシュ構造の回転規制機構を示す断面図である。 反力としてロッドに加わる軸方向の荷重が、ロッドからねじ機構を経由して伝達される範囲を説明するための図である。 図１の電動シリンダシステムに用いることができる電動シリンダの他の例の概略断面図である。 図９の電動シリンダシステムを構成する歪検出部を説明するための図である。（ａ）は、歪検出部である歪ゲージを取り付ける歪ゲージ取付部材の斜視図である。（ｂ）は、歪ゲージ取付部材の平面図である。 図９の電動シリンダシステムを構成する歪検出部の他の例を示す図である。（ａ）は、歪検出部である歪ゲージを取り付ける歪ゲージ取付部材の斜視図である。（ｂ）は、歪ゲージ取付部材の平面図である。（ｃ）は、歪ゲージ取付部材の断面図である。（ｄ）は、歪ゲージ取付部材の変形部と、変形部に取り付けた歪ゲージの一例を示す斜視図である。 図１１に示す歪ゲージ取付部材と外筒体との関係を示す分解斜視図である。 従来の電動シリンダシステムの一例を示す図である。 電動シリンダのロッド先端にロードセルを設けた場合の問題点を示す図である。

以下、本発明を適用した電動シリンダ１を有する電動シリンダシステム１００について図面を参照して説明する。電動シリンダシステム１００は、図１に示すように、電動シリンダ１と、電動シリンダを制御する制御手段１０１と、電動シリンダ１を取り付けるためのシステム本体フレーム１０２とを有する。

電動シリンダ１は、図２に示すように、外筒体２と、ロッド３と、軸受４と、回転軸５と、ねじ機構６と、歪検出部７とを備える。外筒体２は、例えば円筒状のケーシングであり、一端側２ａに当該電動シリンダ１の取付箇所（システム本体フレーム１０２の取付部１０３）に固定するための固定部１１を有している。固定部１１は、例えばフランジ等であり、ねじ１０等によりフレーム１０２の取付部１０３に締結され、電動シリンダ１がシステムに固定される。

ロッド３は、外筒体２の一端側（一端２ａが設けられた側）の開口２ｂから軸方向に伸縮可能とされている。ロッド３の伸縮とは、開口２ｂから軸方向に伸びるように突出することと、軸方向に縮むように開口２ｂより内部に引っ込むこと（外筒体２から突出した部分が小さくなる方向に縮むこと）とを意味する。

軸受４は、外筒体２の他端側（他端２ｃが設けられた側）であって内部に設けられている。回転軸５は、軸受４に回転可能に支持されるとともに、電動機１２の駆動力により回転駆動される。ねじ機構６は、回転軸５の回転運動をロッド３の直線運動に変換して伝達する。歪検出部７は、外筒体２の外周であって軸受４が設けられた位置と固定部１１との間の位置に設けられる。

具体的に、歪検出部７は、軸受４の外周に位置して軸受４を保持する軸受保持部材１３の固定部１１側の端部１３ａと、固定部１１との間の位置に設けられる。これは、歪検出部７の軸方向の位置が、軸受４の引張り方向の力を受ける位置と固定部１１との間の位置で、且つ軸受４の圧縮方向の力を受ける位置と固定部１１との間の位置であることが必要であるからである。軸受保持部材１３は、軸受４により受けたスラスト方向（圧縮方向及び引っ張り方向）の荷重を外筒体２に伝達する部材であり、外筒体２内にセットされるとともに軸受４を保持する部材である。尚、ここで説明する電動シリンダ１においては、軸受４と外筒体２との間に軸受保持部材１３を設けるように構成したが、軸受保持部材を設けないように構成してもよい。その場合には、歪検出部は、軸受の固定部側の端部と、固定部との間の位置に設けられる。

また、歪検出部７は、外筒体２の軸受４の取付位置と固定部１１との間の部分に加わる軸方向の荷重を検出して電気信号に変換する。外筒体２は、歪検出部７を取り付ける部分２ｄの外径が小さくされた薄肉状とされている。このような形状とされていることにより、外筒体２の歪検出部７を取り付ける部分２ｄに、保護カバーを設けたときに外形寸法を小さく抑えることを可能とする。また、この部分２ｄは、推力に耐えうる断面積となるような厚さで且つ後述の歪ゲージによって外筒体２に掛かる反力を検出可能な程度の薄さにすることが要求されるが、この観点においても薄肉状とすることが都合がよい。

歪検出部７は、例えば、図３に示すように配置された複数の歪ゲージＲｇ１〜Ｒｇ４からなる。尚、図３は説明の分かり易さのため外筒体２の薄肉形状とされた検出部の取り付け用の部分２ｄのみを図示しているが、実際にはその上下に連続的に同一部材が設けられる。歪検出部７は、各歪ゲージＲｇ１〜Ｒｇ４を接続する接続配線７ａと、必要に応じて端子台７ｂとを有する。そして、例えば図３（ｂ）や図３（ｃ）に示す（１）と（２）との間のＥが印加電圧であり、（３）と（４）との間のｅ０が出力電圧である。図３（ｃ）に示すように各ゲージによりホイートストンブリッジを形成することで、印加電圧に比例し、且つひずみに比例する電圧信号が出力される。歪検出部７の出力は、図１に示すように制御手段１０１の第１のコントローラ１０４に送られる。

ロッド３は、回転軸５が挿通可能な筒状に形成される。ロッド３の外径は、外筒体２の内径より小さく形成される。ねじ機構６は、ボールねじである。尚、ねじ機構６は、例えば台形ネジや角ネジであってもよい。台形ネジは、雄ネジ及び雌ネジの断面が台形であるネジをいい、角ネジは、雄ネジ及び雌ネジの断面が矩形であるネジをいう。また、その他軸方向の荷重を受け、回転運動を直線運動へ変換する機械要素を用いても良い。ここで説明するロッド３には、ボールねじであるねじ機構６のナット部材１５が一体とされている。回転軸５に一体とされる雄ねじ部分１６は、ナット部材１５及びボール１７とともにボールねじを構成している。

ロッド３の端部３ａの外周には、軸方向に形成された溝部１８が一又は複数設けられる。ここでは、図４（ａ）に示すように、溝部１８が円周方向に等間隔で３箇所設けられている。この端部３ａは、外筒体２の一端側２ａの開口２ｂから飛び出す側の端部である。一方、外筒体２の一端側２ａの開口２ｂの内側には、圧入（締りばめ）により嵌合されたブッシュ部材１９が取り付けられている。ブッシュ部材１９の内面には、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、溝部１８に対応する一又は複数の突出部２０が形成されている。ここでは、３箇所の突出部２０が設けられている。ブッシュ部材１９は円筒の内面に軸方向に形成された突出部２０を有する形状である。突出部２０は、溝部１８と係合することでロッド３の回転を規制する。尚、突出部２０及び溝部１８の間には、図４（ｃ）に示すように、ロッド３が外筒体２に対して軸方向に摺動可能な程度の微小な隙間が形成されている。また、同様に、ブッシュ部材１９の内面とロッド３の外面との間にも、ロッド３が外筒体２に対して軸方向に摺動可能な程度の微小な隙間が形成されている。尚、図４（ａ）に示すように、ロッド３の先端である端部３ａには、電動シリンダシステム１００の構成の必要に応じて治具（例えば図１の圧入用治具１０８）を取り付けるためのボルト穴２１が設けられている。

図４（ａ）〜図４（ｃ）で説明したブッシュ部材１９は、回転規制用のブッシュ部材である。外筒体２には、さらに、揺動防止用のブッシュ部材２２が設けられている。このブッシュ部材２２は、図４（ｄ）に示すように、円筒状に形成され、圧入により外筒体２内に嵌合される。ブッシュ部材２２の内面とロッド３の外面との間には、ロッド３が外筒体２に対して摺動可能な程度の微小な隙間が形成されている。ブッシュ部材１９及びブッシュ部材２２は、図１に示すように、所定の距離を有して配置されている。ブッシュ部材１９及びブッシュ部材２２は、ロッド部材２が軸に対して傾斜するように揺動動作することを防止する。ロッド部材２が揺動動作してしまうと、ねじ機構６の機能が発揮できず、すなわちボールねじ部に不必要な力が発生することとなり、さらに、ボールねじ部の各部品に偏った磨耗等が発生してねじ機構が損傷する問題が発生するおそれがある。ブッシュ部材１９及びブッシュ部材２２は、このような問題を防止する。以上のようにブッシュ部材１９は、回転規制機能と、揺動防止機能を兼ね備える。

尚、電動シリンダ１を構成する回転規制用のブッシュ部材と、溝部の構成はこれに限られるものではない。例えば、ＪＩＳＢ１６０１の角形スプライン、Ｂ１６０３のインボリュートスプライン、Ｂ１１９３のボールスプライン等のスプライン形状の溝及び突出部を有するブッシュ部材を構成するようにしてもよい。例えば、上述した溝部１８及びブッシュ部材１９に換えて、図５に示すような溝部２８及びブッシュ部材２９を有するように構成しても良い。図５（ａ）に示すように、溝部２８が、溝部１８と同様に、ロッド３の外周に、端部３ａから軸方向に設けられている。溝部２８は、円周方向に等間隔で８箇所設けられている。外筒体２に圧入されるブッシュ部材２９の内面には、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、溝部２８に対応する複数の突出部３０が形成されている。ここでは、８箇所の突出部３０が設けられており、溝部２８と係合することでロッド３の回転を規制する。尚、突出部３０及び溝部２８の間には、適度の隙間が形成され、ブッシュ部材２９の内面とロッド３の外面との間にも、適度の隙間が形成され、ロッド３が外筒体２に対して軸方向に摺動可能とされている。

また、電動シリンダ１を構成する回転規制機構は、上述のブッシュ部材１９，２９を用いたブッシュ構造に限られるものではない。すなわち、図６に示すような滑りキーを用いた構造としてもよい。すなわち、上述した溝部１８及びブッシュ部材１９に換えて、溝部３２及びキー部材３３を有するように構成してもよい。滑りキー構造とする場合には、上述したブッシュ部材２２と同様の揺動防止機能のみを有する円筒状のブッシュ部材３４を設ける必要がある。キー部材３３は、外筒体２に設けた開口部３３ａにねじ部材３３ｂにより取り付けられる。キー部材３３は、外筒体２に取り付けられたときに、溝部３２側に突出する突出部３３ｃを有している。突出部３３ｃは、溝部３２と係合することでロッド３の回転を規制する。突出部３３ｃ及び溝部１８の間には、ロッド３が外筒体２に対して軸方向に摺動可能な程度の微小な隙間が形成される。

上述の回転規制機構のうち、ブッシュ部材１９，２９を用いたブッシュ構造は、キー部材３３を用いた滑りキー構造に比べて電動シリンダ１の軸方向の長さを短縮するという観点及び構成の簡素化という観点からは有利である。この点について図７を用いて説明する。図７（ａ）に示すように滑りキー構造を採用した場合（キー部材３３等を用いた場合）には、ロッド３に設けた溝部３２の内、揺動防止用のブッシュ部材３４の部分は、回転規制として使用できない。その一方で図７（ｂ）に示すようにブッシュ構造を採用した場合（ブッシュ部材１９等を用いた場合）には、ロッド３に設けた溝部１８は、先端まで回転規制用として用いることができる。よって、ブッシュ構造を採用した方が、図７に示すＬ１分だけ軸方向の寸法を短縮することができる。

ところで、電動機１２は、モータ本体３７と、出力軸３８と、エンコーダ３９とを有する。また、電動シリンダ１は、電動機１２の出力軸３８の回転力を回転軸５に伝達する伝達機構４０を備えている。伝達機構４０は、出力軸３８に接続されるタイミングプーリ４１と、回転軸５に接続されるタイミングプーリ４２と、タイミングプーリ４１，４２間に巻き回されるタイミングベルト４３とを有する。伝達機構４０は、出力軸３８の回転力を、回転軸５に伝達することができる。この際、タイミングプーリ４１，４２の径の大きさの関係を変更することで、所望の減速率で減速又は増速することができる。回転軸５は、外筒体２及び伝達機構４０において複数の軸受４６により回転方向の力を受けるようにされている。軸受４６は、所謂ラジアル軸受である。一方、上述した軸受４は、回転軸５にかかる推力を受けるようにされている。この軸受４は、所謂スラスト軸受であり、ベアリングナット４７により、回転軸５と一体とされる。また、軸受４は、上述した軸受保持部材１３に嵌合されている。

電動機１２は、出力軸３８が回転軸５と平行となるように配置されるとともに、外筒体２に対して軸方向に直交する位置に設けられる。すなわち、出力軸３８と回転軸５が一致しておらず、全体としてコ字状（Ｕ字状）となるように配置されている。換言すると、回転軸５及び出力軸３８は、伝達機構４０に対してともに同じ方向に向けて配置されている。よって、外筒体２及びモータ本体３７が軸方向に重なる位置に配置でき、すなわち装置全体の軸方向の寸法を小さくすることができる。尚、電動シリンダ１において、伝達機構４０を設けずに、出力軸３８と回転軸５が一致（互いに延長線上に位置）するように配置して、全体としてＩ字状となるように配置するようにしてもよい。この場合、伝達機構４０は不要となるが、装置全体の軸方向の寸法は図２を用いて説明した上述の方が短くでき、この観点からは有利である。電動機１２と回転機構４０は、ボルト４８で一体となるように固定されている。外筒体２と回転機構４０は、ボルト４９で一体となるように固定されている。

回転軸５と伝達機構４０との間には、減速機４４が配置されている。電動シリンダ１は、減速機４４を備えることにより、所望の力及び速度で回転軸５を回転でき、所望の推力及び速度でロッド３を出し入れすることが可能である。また、電動シリンダ１は、伝達機構４０の減速のみに頼ると伝達機構のプーリが大きくなり装置全体が大きくなりすぎるおそれがあるが、減速機４４を有することによりこのような問題を解消して装置の小型化を可能とする。また、減速機は、電動機１２と伝達機構４０との間に配置することも可能であるが、図２に示すように回転軸５と伝達機構４０との間に配置することにより次の効果がある。すなわち、減速機を電動機１２側に配置した場合には、電動機１２の端部（図２では下端部）が電動シリンダシステム１００のシステム本体フレーム１０２側に近づく。システム全体の都合により、外筒体２の取付部である固定部１１を伝達機構４０側（図２では上側）に移動するように設計変更したい場合があるが、減速機を電動機１２側に配置すると、電動機１２が本体フレーム１０２に干渉し、上述の設計変更ができないこととなる。すなわち、システム全体の自由度が低下することとなる。図２に示す電動シリンダ１は、減速機４４が回転軸５と伝達機構４０との間に配置されているため、該問題を防止でき、すなわち、電動シリンダシステム１００のシステム全体の自由度を向上させることができる。

以上のような電動シリンダ１により、例えば図８に示すように被加工物１２０を押圧するとその押圧荷重Ｘ１が反力となって、矢印Ｘ２〜Ｘ８に示すように各部材を伝達することとなる。そして固定部１１において固定されている外筒体２の矢印Ｙ１で示される部分に引っ張り力が発生することとなる。また、電動シリンダ１が例えば図８と逆方向に力が掛かるように用いられる場合には、矢印Ｘ２〜Ｘ５の部分に反力が各部材を伝達し、軸受保持部材１３の固定部１１側の端部１３ａから図中下方向に、外筒体２の当接部２ｅに、その反力が伝達することとなる。そして固定部１１において固定されている外筒体２の矢印Ｙ２で示される部分に圧縮力が発生することとなる。歪検出部７は、図２に示すようにボールねじのナット部材１５の外側に位置しており、すなわち、軸受４の外周に位置して軸受を保持する軸受保持部材１３の固定部１１側の端部１３ａと、固定部１１との間の位置に設けられている。よって、歪検出部７は、上述したＹ１で示される引っ張り力が加わる範囲を考慮した場合にもＹ２で示される圧縮力が加わる範囲を考慮した場合にもそのロッド２に加わる軸方向の荷重（反力）を検出することが可能である。

尚、この電動シリンダ１において、外筒体２は、金属材料から削り出されることにより、すなわち固定部１１を含めて所謂一体物（単一の部材）で形成されている。よって構成を簡素化するとともに、上述の反力が適切に伝わるので、これを歪検出部７で検出することを実現する。尚、円筒状の部材と、固定部１１となるフランジ部材とを一体物となるように溶接により構成するようにしてもよい。また、電動シリンダ特有の構造、すなわち外筒体２には上述の反力以外の外力が発生しないことに鑑みて、この外筒体２の上述したような引張り力も圧縮力も反力として掛かる部分に歪検出部７を設けた点にも特徴を有する。すなわち、ケーシングとしての外筒体２を歪検出部の取付部として兼用させ、その構成の簡素化及び適切な軸方向の荷重検出を実現したものである。

以上のように、電動シリンダ１は、上述したような外筒体２、ロッド３、軸受４、回転軸５、ねじ機構６、歪検出部７を備え、外筒体２に設けた歪検出部７により荷重検出を行うことができるので、別途ロードセル等を設ける必要がなくなり、構成の簡素化を実現できる。

また、電動シリンダ１は、ロッド先端にロードセルを設けた場合に必要な出力ケーブル（可動側の端部がロッド先端と一緒に動くようにたるみを有した出力ケーブル）等を設ける必要もなくなり、このケーブルが繰り返される屈曲により断線する等の不具合も防止できる。よって、電動シリンダ１は、荷重検出を必要とする場合において、構成を簡素化できるとともに、軸方向の長さを縮小して装置の小型化を実現する。

さらに、電動シリンダ１は、これを有する電動シリンダシステム１００における構成（システム構成）の柔軟化を実現でき、すなわち、電動シリンダ自体の軸方向の長さ縮小や小型化により、システム全体のフレキシブルな外部構成を実現する。

次に、この電動シリンダ１を有する電動サーボシリンダシステム１００について説明する。電動サーボシリンダシステム１００に設けられた制御手段１０１は、歪検出部７からの検出信号を受信する第１のコントローラ１０４と、周辺機器や作業状態に合わせての動作指示を行う第２のコントローラ１０５と、電動機１２を駆動制御するとともに電動機１２のエンコーダ３９からの信号を受信するモータドライバ１０６とを有する。

モータドライバ１０６は、第１のコントローラ１０４からの動作条件の指令に基づいて電動機１２の回転制御（回転指令）を行う。モータドライバ１０６は、エンコーダ３９からエンコーダパルス数の信号を受信し、この受信した情報を含めた電動機１２の各種情報を第１のコントローラ１０４に送信する。第１のコントローラ１０４は、エンコーダ３９からの情報を受信するとともに、歪検出部７からロッド３に加わる軸方向の荷重の検出出力信号を、すなわち荷重（推力）に比例した出力を受信する。第２のコントローラ１０５は、プログラマブルロジックコントローラ（Programmable Logic Controller）であり、第１のコントローラ１０４から各種情報を受け取るとともに、第１のコントローラ１０４に対して部品の投入・取り出しを行う周辺機器や作業状態に合わせての動作指示等を行う。第１のコントローラ１０４は、随時ロッド３の位置や、ロッド３に加わる軸方向の荷重をモニタし、次の制御サイクルの動作条件を設定・演算してモータドライバ１０６への指示（制御）を行う。以上のように、制御手段１０１は、電動機１２のエンコーダ３９からの信号と、荷重検出手段としての歪検出部７からの信号に基づいて電動シリンダ１を制御する。

電動サーボシリンダシステム１００は、電動シリンダ１と、電動シリンダ１を制御する制御手段１０１とを備え、電動シリンダ１は、上述したような外筒体２と、ロッド３と、軸受４と、回転軸５と、回転軸５の回転運動をロッド３の直線運動に変換して伝達するねじ機構６と、ロッド３に加わる軸方向の荷重を、ロッド３からねじ機構６を経由して伝達された位置で検出する荷重検出手段としての歪検出部７とを有し、制御手段１０１が、電動機１のエンコーダ３９からの信号と、荷重検出手段（歪検出部７）からの信号に基づいて電動シリンダ１を制御する構成に特徴を有する。電動サーボシリンダシステム１００は、システム構成を簡素化及び柔軟化するとともに、荷重検出及び位置検出を行うことを実現する。

すなわち、電動サーボシリンダシステム１００は、荷重検出手段である歪検出部７が、ロッド３からねじ機構６を経由して伝達された位置でロッド３に加わる軸方向の荷重を検出するので、ロッド３先端にロードセルを設ける必要がなくなり、構成を簡素化できる。換言すると、伸縮動作するロッド３に荷重検出手段を設けるのではなく、固定側ともいえる外筒体２側に荷重検出手段を設ける点に特徴を有する。また、ロッド先端にロードセルを設けた場合に必要な出力ケーブル等を設ける必要もなくなり、このケーブルが繰り返される屈曲により断線する等の不具合も防止できる。よって、荷重検出及び位置検出を必要とするシステムにおいて、構成を簡素化できるとともに、小型化を実現する。また、システム構成の柔軟化や、システム全体のフレキシブルな外部構成を実現する。

電動サーボシリンダシステム１００は、電動シリンダ１を用いることにより、上述した電動シリンダ１自体の有利な効果をも兼ね備えるものである。尚、この電動サーボシリンダシステム１００に用いられる電動シリンダは、上述した電動シリンダ１に限られるものではなく、外筒体と、ロッドと、軸受と、回転軸と、ねじ機構と、前記ロッドに加わる軸方向の荷重を、ロッドからねじ機構を経由して伝達された位置で検出する荷重検出手段とを有するものであればよく、例えば図９に示す電動シリンダ６１を用いてもよい。

次に、電動サーボシリンダシステム１００に用いることが可能な電動シリンダ６１について説明する。電動シリンダ６１においては、荷重検出手段の構成が異なることを除いて上述した電動シリンダ１と同様であるので、同じ部分（構成）には、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。すなわち、電動シリンダ１では、外筒体２の外周所定位置に歪検出部７が設けられているのに対し、電動シリンダ６１では、外筒体６２と一体に固定される部材に歪検出部６７が設けられている点が異なる。

具体的に、電動シリンダ６１は、図９に示すように、外筒体６２と、ロッド３と、軸受４と、回転軸５と、ねじ機構６と、歪検出部６７とを備える。外筒体６２は、筒状のケーシングである点については上述の外筒体２と同様であるが、先端側の第１の筒部７１と、第２の筒部７２とがそれぞれに設けられたフランジ部７１ａ，７２ａをボルト７３により一体に固定される構造とされている。外筒体６２は、第１の筒部７１が設けられた側の一端側２ａにシステム本体フレーム１０２の取付部１０３に固定するための固定部１１が設けられている。

歪検出部６７は、ロッド３に加わる軸方向の荷重が、ねじ機構６を経由して伝達される位置に設けられている。具体的に、歪検出部６７は、外筒体６２を構成する２つの部材（第１の筒部７１及び第２の筒部７２）に挟持される板状部材７４に設けられる。この板状部材７４は、歪ゲージ取付部材である。板状部材７４は、図１０に示すように、複数の切り抜き孔７４ｄ，７４ｅが設けられることにより、外周囲に設けられる第１及び第２の筒部７１，７２に挟持される固定部７４ａと、中央に設けられロッド３に加わる軸方向の荷重を受ける荷重受け部７４ｂと、固定部７４ａ及び荷重受け部７４ｂを結合するとともに歪を受感するための受感部７４ｃとを有するよう構成されている。尚、図１０（ａ）は、歪ゲージ取付部材としての板状部材７４の斜視図であるが、固定部７４ａ、受感部７４ｃ、荷重受け部７４ｂ等の構造の理解のため、一部破断して示している。

板状部材７４には、ボルト７３を挿通するための孔部７４ｆが設けられており、固定部７４ａ側がフランジ部７１ａ，７１ｂに挟持されることにより外筒体６２に固定される。荷重受け部７４ｂは、軸受４により受けたスラスト方向の荷重を軸受保持部材１３を介して受けることとなる。軸受４や軸受保持部材１３を介してロッド３に加わった軸方向の荷重が伝達されると、荷重受け部７４ｂは偏倚する。外筒体６２に固定された固定部７４ａと、偏倚された荷重受け部７４ｂとの間を結合する受感部７４ｃは、変形することとなる。歪検出部６７を構成する歪ゲージ６７ｇは、この受感部７４ｃの例えば側面に貼り付けられる。尚、歪ゲージの貼り付け箇所は、受感部７４ｃの側面に限られるものではなく、上面や下面であってもよい。歪ゲージ６７ｇを有する歪検出部６７は、図３で説明した歪検出部７と同様に、各ゲージによりホイートストンブリッジを形成することで、印加電圧に比例し、且つひずみに比例する電圧信号が出力される。歪検出部６７の出力は、制御手段１０１の第１のコントローラ１０４に送られる。以上のように、歪検出部６７は、ロッド３からねじ機構６を経由して板状部材７４に伝達された軸方向の荷重を検出して電気信号に変換する。

尚、電動シリンダ６１を構成する歪検出部６７を取り付けるための取付部材は、上述の平面内において矩形状の板状部材７４に限られるものではなく、例えば、図１１及び図１２に示す板状部材８４であってもよい。

歪検出部６７を取り付けるための板状部材８４は、平面内において円形状であり、外筒体６２を構成する第１及び第２の筒部７１，７２に挟持される。板状部材８４は、図１１に示すように、複数の切り抜き孔８４ｄ，８４ｅが設けられることにより、外周囲に設けられる第１及び第２の筒部７１，７２に挟持される固定部８４ａと、中央に設けられロッド３に加わる軸方向の荷重を受ける荷重受け部８４ｂと、固定部８４ａ及び荷重受け部８４ｂを結合するとともに歪を受感するための受感部８４ｃとを有するよう構成されている。固定部８４ａには、配線引き出し用の貫通孔８４ｆが設けられる。尚、図１１（ａ）は、歪ゲージ取付部材としての板状部材８４の斜視図であるが、固定部８４ａ、受感部８４ｃ、荷重受け部８４ｂ等の構造の理解のため、一部破断して示している。

板状部材８４は、固定部８４ａ側がフランジ部７１ａ，７１ｂに挟持されることにより外筒体６２に固定される。荷重受け部８４ｂは、軸受４により受けたスラスト方向の荷重を軸受保持部材１３を介して受けることとなる。軸受４や軸受保持部材１３を介してロッド３に加わった軸方向の荷重が伝達されると、荷重受け部８４ｂは偏倚する。外筒体６２に固定された固定部８４ａと、偏倚された荷重受け部８４ｂとの間を結合する受感部８４ｃは、変形することとなる。歪検出部６７を構成する歪ゲージ６７ｇは、この受感部８４ｃの例えば側面に貼り付けられる。尚、歪ゲージの貼り付け箇所は、受感部８４ｃの側面に限られるものではなく、上面や下面であってもよい。以上のように、歪検出部６７は、ロッド３からねじ機構６を経由して板状部材８４に伝達された軸方向の荷重を検出して電気信号に変換する。

ところで、図９に示す電動シリンダ６１は、回転規制機構として、図６で説明した滑りキー構造を構成する溝部３２及びキー構造３３を有しているが、電動シリンダ１で説明したのと同様に、これに換えてブッシュ部材１９，２９を採用するようにしてもよい。

また、電動シリンダ６１は、モータ本体３７、出力軸３８及びエンコーダ３９を有する電動機１２や、伝達機構４０や、減速機４４等を備えている点については、電動シリンダ１と同様である。電動シリンダ６１も、上述の同様にコ字状（Ｕ字状）となるように電動機１２が配置されているが、Ｉ字状となるように出力軸３８及び回転軸５が一致するように配置してもよい。

以上のように、電動シリンダ６１は、上述したような外筒体６２、ロッド３、軸受４、回転軸５、ねじ機構６、歪検出部６７を備え、外筒体６２に設けた歪検出部６７により荷重検出を行うことができるので、別途ロードセル等を設ける必要がなくなり、構成の簡素化を実現できる。

また、電動シリンダ６１は、ロッド先端にロードセルを設けた場合に必要な出力ケーブルが断線する等の不具合も防止でき、荷重検出を必要とする場合において、構成を簡素化できるとともに、軸方向の長さを縮小して装置の小型化を実現する。さらに、電動シリンダ６１は、電動シリンダシステム１００のシステム構成の柔軟化を実現でき、システム全体のフレキシブルな外部構成を実現する。

電動シリンダ６１を有する電動サーボシリンダシステム１００は、上述と同様に、システム構成を簡素化及び柔軟化するとともに、荷重検出及び位置検出を行うことを実現する。すなわち、電動サーボシリンダシステム１００は、荷重検出手段である歪検出部６７が、ロッド３からねじ機構６を経由して伝達された位置でロッド３に加わる軸方向の荷重を検出するので、ロッド３先端にロードセルを設ける必要がなくなり、構成を簡素化できる。換言すると、伸縮動作するロッド３に荷重検出手段を設けるのではなく、固定側ともいえる外筒体６２と一体に固定される板状部材７４，８４に荷重検出手段を設ける点に特徴を有する。また、ロッド先端にロードセルを設けた場合に必要な出力ケーブル等を設ける必要もなくなり、このケーブルが繰り返される屈曲により断線する等の不具合も防止できる。よって、荷重検出及び位置検出を必要とするシステムにおいて、構成を簡素化できるとともに、小型化を実現する。また、システム構成の柔軟化や、システム全体のフレキシブルな外部構成を実現する。

１ 電動シリンダ
２ 外筒体
３ ロッド
４ 軸受
５ 回転軸
６ ねじ機構
７ 歪検出部
１１ 固定部
１００ 電動シリンダシステム

Claims (3)

1. 電動シリンダと、
   前記電動シリンダを制御する制御手段とを備え、
   前記電動シリンダは、一端側に当該電動シリンダの取付箇所に固定するための固定部を有した外筒体と、前記外筒体の一端側の開口から軸方向に伸縮可能とされたロッドと、前記外筒体の内部に設けられた軸受と、前記軸受に回転可能に支持されるとともに、電動機の駆動力により回転駆動される回転軸と、前記回転軸の回転運動を前記ロッドの直線運動に変換して伝達するねじ機構と、前記軸受が設けられた位置と前記固定部との間の位置に設けられ、前記ロッドからねじ機構を経由して伝達された前記ロッドに加わる軸方向の荷重を検出する荷重検出手段とを有し、
   前記制御手段は、第１のコントローラと、前記第１のコントローラに接続された第２のコントローラと、前記第１のコントローラに接続され、前記電動機を駆動させるモータドライバとを含み、前記第１のコントローラが、前記電動機のエンコーダからの信号と、前記荷重検出手段からの信号とを受信し、前記第２のコントローラが前記第１のコントローラからの情報を受信するとともに前記第１のコントローラに対して指示を行い、前記第１のコントローラが前記第２のコントローラからの前記指示に基づいて前記モータドライバを制御することによって、前記電動シリンダを制御する電動サーボシリンダシステム。
2. 前記荷重検出手段は、前記外筒体の外周であって前記軸受が設けられた位置と前記固定部との間の位置に設けられる歪ゲージである請求項１記載の電動サーボシリンダシステム。
3. 前記荷重検出手段は、外筒体を構成する２つの部材に挟持される板状部材の受感部に設けられる歪ゲージである請求項１記載の電動サーボシリンダシステム。