KR20020079573A

KR20020079573A - 전동식 액추에이터

Info

Publication number: KR20020079573A
Application number: KR1020020019546A
Authority: KR
Inventors: 야마다토미노리; 오가타후미히로
Original assignee: 가부시키가이샤 나무
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2002-10-19
Also published as: US20020149268A1; EP1249921A1; CN1381682A; JP2002374653A; TW552362B

Abstract

단순구조로 저코스트이면서도 에너지(energy)효율이 높아 빈번한 기동·정지를 실현할 수 있는 전동식 액추에이터(actuator) 를 제공한다.

저부하운전상태로 되는 귀환 행정에 있어서, 전동모터(2)가 발생한 에너지와 가동부가 정지할 때의 당해 가동부의 운동 에너지와를 코일스프링(11)에 흡수·축적한다. 이로써, 전기식 또는 기계식 브레이크등에 의해 제동력을 부여할 필요성을 없게 하며, 또한 발열 대책등의 확실한 제동력을 부여하기 위한 구성도 필요없게 됨으로써 선형 액추에이터(1)의 가동부를 급속하게 정지시킬 수 있다. 한편, 작동 행정에 있어서는 코일스프링(11)이 신장함으로서 코일스프링(11)에 축적된 에너지를 운동 에너지로 방출하여, 전동모터(2)로 얻어지는 구동력을 감소시킨다.

Description

전동식 액추에이터{Electric actuator}

본 발명은, 고빈도(高頻度)에서 왕복운동을 하는데 적합한 전동식 액추에이터에 관한 것이다.

예를 들면, 사출성형기의 실린더 또는 가압실린더의 구동수단으로서 사용되는 것과 같은 중간정도의 행정(stroke) 사이를 고빈도로 왕복운동을 하며 비교적 큰 작동력이 요구되는 액추에이터는, 많은 경우, 유압으로 작동되는 것이 사용되어 왔다. 그러나, 오늘날의 에너지절약의 요구와 제어의 용이함을 고려하여, 이러한 액추에이터에 대한 시장의 요구는 급속하게 전동식 액추에이터로 계속 교체되어 가고 있다.

이러한 전동식 액추에이터로는, 고속회전을 하는 전동모터의 회전을 치차감속장치로 감속하여 직선운동으로 출력을 얻는 선형 액추에이터(linear actuator)와, 회전 운동으로 출력을 얻는 회전 액추에이터(rotary actuator)가 있다. 선형 액추에이터는 전동모터의 회전 운동을 볼나사(ball screw)등으로 직선운동으로 변환하여 볼나사의 선단부를 피구동부재에 결합하여 사용하는 것이다. 한편, 회전 액추에이터는 저속측의 끝단에 피구동축을 결합하여 사용하는 것이다.

그리고, 이들 액추에이터는, ①고빈도의 왕복운동에 견디며, ②동작 및 귀환의 각 행정 끝단에 있어서 용이하며 또한 신속하게 정지하고, ③고속 모터회전자에 축적된 에너지를 유효하게 이용 가능하며, ④저코스트일 것, 이 요구되고 있다.

그런데, 종래의 전동식 액추에이터는(유압식도 마찬가지이지만), 왕복운동의 한쪽 행정에만 소망하는 출력이 요구되는 것 같은 조건에서 사용되는 경우에, 당해 한쪽 행정(이하, 「작동 행정」이라고 함)에서는 액추에이터에 큰 부하하중(負荷荷重)이 작용하기 때문에, 작동 행정의 끝단부 위치에서의 정지를 비교적 용이하게 행할 수 있다. 그러나, 다른 쪽의 행정(이하, 「귀환 행정」이라고 함)의 경우에는, 부하하중이 작용하지 않기 때문에 액추에이터의 가동부의 관성의 영향이 커져서 작동 행정의 끝단부 위치에서 급속하게 정지시키기 위해서는 액추에이터에 대하여 의도적으로 제동력을 부여할 필요가 있다.

예를 들면, 유압식 액추에이터의 경우에는 귀환측의 유압회로를 닫고, 실린더에 역압(逆壓)을 작용시킴으로서 이러한 제동력을 부여할 수 있다. 그러나, 많은 경우에 있어, 피스톤과 피스톤의 피구동부재와의 속도가 동일하기 때문에 피구동부재의 관성질량이 실린더내의 압력을 과대하게 상승시켜 유압회로에 큰 부담을 주게 된다.

한편, 전동식 액추에이터의 경우에는, 일반적으로 전동모터의 동력은 감속기를 통하여 출력되기 때문에 모터회전자등, 가동부의 관성모멘트 가 커지며, 전기식 브레이크나 기계식의 전자 브레이크등을 이용하여 제동력을 부여할 필요가 있다. 그런데, 이 브레이크를 빈번하게 작동시키면 대량의 열이 발생하여 제동력을 지수적(指數的)으로 감소시키기 때문에 열의 발산·제거 대책이 필요불가결하게 된다.또한, 전동식 액추에이터가 기동할 때에는 단시간에 소정의 회전수까지 가속시키기 위하여 전동모터에는 단시간에 대량의 에너지가 투입되지만, 이 때에도 대량의 열이 생긴다. 따라서, 고빈도의 왕복운동이 요구되는 경우에는 열의 발산·제거 대책에 만전을 기하지 않으면 전동모터의 녹아 붙음(seizure)을 유발하게도 된다.

따라서, 전동식 액추에이터를, 예를 들면, 10여초 이하의 짧은 사이클타임(cycle time)으로의 기동·정지가 요구되는 조건에서 사용하는 경우에는 전동모터 및 그 제어회로는 복잡화, 고도화, 비싼 코스트를 피할 수 없게 된다.

게다가 전동식 액추에이터의 각 가동부에 축적된 운동 에너지가 정지할 때에 브레이크를 통하여 열로서 방출되는 것에 의한 에너지 손실은 에너지 절약이 요구되는 오늘날에 있어서 무시할 수 없는 것이다.

그 위에, 상기 액추에이터는 전동모터의 기계적 강도나 수명을 확보하기 위하여 오로지 작동 행정에 있어서의 부하하중을 기준으로 하여 각부의 규격이 결정된다. 따라서, 큰 하중이 걸리지 않는 귀환 행정에 관해서는 전동모터 및 많은 기계부품은 과잉으로 사용되어 이 점도 종래의 전동식 액추에이터의 코스트를 비싸게 하는 요인이 되고 있다.

본 발명은, 상기 과제를 감안하여 된 것으로, 그 목적은 단순한 구조로 저코스트, 그리고, 에너지 효율, 작동정밀도를 높이고 빈번한 기동·정지를 실현하는 것이 가능한 전동식 액추에이터를 제공하는 데에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 청구항 1에 관한 전동식 액추에이터는 왕복운동을 하는 액추에이터로서 저부하 운전시에 전동모터가 발생한 에너지와 가동부가 정지할 때의 당해 가동부의 운동에너지를 스프링으로 흡수·축적하는 축에너지(蓄energy) 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상기 축에너지 수단으로 저부하 운전시에 전동모터가 발생시키는 에너지와 가동부가 정지할 때의 당해 가동부의 운동에너지를 흡수·축적함으로서 상기 가동부의 정지에 필요한 제동력을 작게(또는 무시할 수 있을 정도로) 할 수 있다. 따라서, 제동력 부여를 위한 구성을 간소화함과 동시에 액추에이터의 가동부를 급속하게 정지시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 청구항 2에 관한 전동식 액추에이터는, 청구항 1에 기재된 전동식 액추에이터에 있어서, 상기 축에너지 수단은, 상기 액추에이터의 귀환 행정에 있어서, 전동모터가 발생시키는 에너지와 가동부가 정지할 때의 당해 가동부의 운동에너지를 축적하여 상기 액추에이터의 작동 행정으로 축적된 에너지를 동작 에너지로 방출하는 것이다.

본 발명에 의하면, 상기 액추에이터의 귀환 행정이 정지할 때에, 가동부의 운동에너지를 흡수·축적함으로서 상기 가동부의 정지에 필요한 제동력의 흡수량을 작게(또는 무시할 수 있을 정도로) 할 수 있다. 따라서, 제동력 부여를 위한 구성을 간소화함과 동시에 액추에이터의 가동부를 급속하게 정지시킬 수 있다. 또, 상기 액추에이터의 귀환 행정으로 축적된 에너지를, 작동 행정에 있어서 방출하여 에너지를 재순환(recycle)함으로서 전동식 액추에이터의 기동시에 투입하는 전기 에너지를 계속 작게 하여 단시간에 소정의 회전수까지 가속시키는 동시에 작동 행정시에는 전동모터에 요구되는 구동력을 감소시킨다.

또, 본 발명의 청구항 3에 관한 전동식 액추에이터는, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 전동식 액추에이터에 있어서, 상기 축에너지 수단은 축방향의 슬라이드가이드로 지지되며, 또한 상기 전동모터로 구동되는 볼나사의 선단부에 고정되어 축방향으로 이동하는 가이드부재와 이 가이드부재에 한쪽 끝단부를 걸어 맞추는 스프링을 가지고 있다.

본 발명에 의하면, 상기 볼나사의 선단부에 고정시킨 슬라이드가이드에, 일단부를 걸어 맞춘 당해 스프링에 의해 귀환 행정에 있어서 전동모터가 발생시킨 에너지와, 상기 가동부가 정지할 때에, 상기 볼나사를 포함한 가동부의 운동에너지와를, 상기 스프링에 흡수·축적한다. 그리고, 상기 가동부의 정지에 필요한 제동력을 작게(또는 무시할 수 있을 정도로)함과 동시에 작동 행정에 있어서 기동 에너지과 구동력으로 재순환할 수 있다.

또, 본 발명의 청구항 4에 관한 전동식 액추에이터는, 청구항 3에 기재된 전동식 액추에이터에 있어서, 상기 스프링을, 상기 가이드부재와, 상기 전동모터의 동력을 감속시켜 상기 볼나사에 전달하는 감속기의 케이싱 또는 당해 케이싱에 고정된 부재와의 사이에 배치한 것이다.

본 발명에 의하면, 상기 액추에이터의 귀환 행정에 있어서, 상기 볼나사를 포함한 가동부의 운동에너지를, 상기 가이드부재와 감속기의 케이싱 또는 당해 케이싱에 고정된 부재와의 사이에 배치한 스프링이 압축되는 것에 의하여 흡수·축적한다. 그리고, 상기 가동부의 정지에 필요한 제동력을 작게(또는 무시할 수 있을 정도로)할 수 있다. 한편, 상기 액추에이터의 작동 행정에 있어서는, 상기 스프링에 축적된 에너지를, 상기 스프링이 늘어날 때에, 상기 가동부의 동작 에너지로 방출한다. 그리고, 상기 액추에이터가 기동할 때에 필요한 전기 에너지를 감소시킨다. 또, 작동 행정시의 전동모터에 요구되는 구동력을 감소시킨다.

또, 본 발명의 청구항 5에 관한 전동식 액추에이터는, 청구항 3 또는 청구항 4에 기재된 전동식 액추에이터에 있어서, 상기 볼나사의 선단부와 상기 가이드부재와를, 가요축을 개재하여 고정한 것이다.

본 발명에 의하면, 다른 조립 기준에 따라 별도로 구성된 상기 볼나사와, 상기 가이드부와를 서로 맞추어 조립할 때에 생기는 위치의 엇갈림을, 상기 가요축의 휨에 의해서 흡수한다. 그리고, 상기 볼나사와 상기 가이드부의 어디라도 스트레스(stress)를 주는 일 없이 확실하게 양자를 연결하여, 상기 볼나사와 상기 가이드부와의 힘의 전달을 확실하게 실행한다.

또, 본 발명의 청구항 6에 관한 전동식 액추에이터는, 청구항 5에 기재된 전동식 액추에이터에 있어서, 상기 가요축을 로드셀(load cell)로 이용한 것이다. 예를 들면, 상기 가요축에 스트레인게이지(strain gauge)등을 붙여 놓음으로서 상기 가요축의 휨을 검출할 수 있다.

또, 본 발명의 청구항 7에 관한 전동식 액추에이터는, 청구항 1에서 6항까지 중 어느 하나의 항에 기재된 전동식 액추에이터에 있어서, 상기 액추에이터는 피구동부재에 대하여 일체적으로 탈착(脫着)이 가능하게 되어 있다.

본 발명에 의하면, 상기 액추에이터의 조립, 운반, 관리(maintenance)등을 상기 액추에이터의 피구동부재에 대하여 독립하여 행할 수 있다.

또한, 본 발명의 청구항 8에 관한 전동식 액추에이터는 청구항 1에서 7항까지 중 어느 하나의 항에 기재된 전동식 액추에이터에 있어서, 상기 모터에 벡터(vector)제어방식인 인버터(inverter)에 의해 구동되는 유도모터를 사용하는 것이다.

본 발명에서는 범용유도(汎用誘導)모터를 사용하는 것으로 모터코스트를 억제함과 동시에 유도모터에는 불가피한, 부하에 따르는 슬립(slip)의 발생으로 생기는 속도제어성의 저하를 인버터가 갖는 벡터제어방식을 이용하여 보완하고 속도적응성이 좋은 고정밀도의 속도제어를 행한다.

즉, 유도모터는 부하에 의하여 슬립률이 변화하기 때문에 여기(勵起)주파수가 일정해도, 부하에 의하여 회전수는 변동한다. 그 위에, 본 발명에 관한 전동 액추에이터는, 상기 가동부가 이동할 때에 상기 스프링을 압축·신장시키기 때문에 액추에이터의 구동력이 일정하다고 해도 상기 가동부의 이동에 의해 상기 스프링이 발생시키는 탄성력은 변화하며, 따라서 유도모터의 부하도 변화한다. 그 결과, 유도모터로 구동되는 당해 액추에이터의 회전속도를 전반적으로 유지하기 위하여 무언가의 대책을 세우는 것이 바람직하다. 이러한 결점을 보완하기 위하여 벡터제어방식인 인버터를 적용한다. 즉, 인버터에 있어 벡터제어는 유도모터의 슬립을 보정하여 회전속도를 일정하게 유지하는 것을 가능하게 하는 제어방식이므로 이 결점을 보완할 수 있다.

또, 벡터제어방식인 인버터에 의해 구동되는 일반적인 유도모터를, 회전정지를 높은 빈도로 반복하는(즉, 고빈도의 급속한 정지가 필요하게 되는) 조건에서 사용할 때에는 기계식 브레이크의 적용은 곤란함으로 회생(回生)저항에 의하여 유도모터를 급속하게 정지시키는 것으로 된다.

그러나, 회생저항을 사용한 경우에는 정지할 때마다 에너지 손실이 생기게 된다. 그래서, 본 발명에서는 상기 축에너지 수단에 의해 가동부의 운동에너지를 흡수·축적함으로서 회생저항을 사용한 전기 브레이크를 사용하지 않고도 효율적으로 상기 모터의 회전을 멈추게 하여 상기 에너지 손실의 발생을 막을 수 있다.

또, 본 발명의 청구항 9에 관한 전동식 액추에이터는, 청구항 3에서 8항까지 중 어느 하나의 항에 기재된 전동식 액추에이터에 있어서, 상기 스프링과 병렬로 설치되며, 또한 상기 스프링과 같이 상기 가이드부재를 구동하는 부재에 가하여지는 축력과 당해 부재 및 상기 스프링의 힘을 일괄하여 받아내며, 부하부(負荷部)에 직접 작용하는 부재에 가하여지는 축력을 측정하여, 당해 측정치를 기초로 하여, 상기 스프링의 행정을 구해, 상기 속도제어로 피드백하는 위치제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상기 두 개의 부재에 관련되는 힘을 측정하여, 작동 행정에 피드백함으로서 당해 전동 액추에이터의 작동정밀도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 가압실린더의 구동수단으로서 사용되는 선형 액추에이터를 나타내는 모식도(模式圖)이다.

도 2는 도 1에 나타낸 선형 액추에이터에 있어서, 전동모터로 발생시키는 구동력과 코일스프링으로 발생하는 탄성력과의 관계를 나타낸 설명도면이다.

도 3은 도 1에 나타낸 선형 액추에이터의 응용예를 나타낸 모식도이다.

도 4는 도면 1에 나타낸 선형 액추에이터의 또 다른 응용예를 나타낸 모식도이다.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♣

1, 1’,1” 선형 액추에이터 2 전동모터

3, 3’ 감속기 4 볼나사

5 프레임 6 가압실린더

7 슬라이드가이드 7a 가이드바

7b 브라켓 7c 슬라이드베어링

8 가이드부재 9,14 가요축

10 감속기케이싱 11,11’ 코일스프링

12 플런저 13 중간케이싱

이하, 본 발명의 실시형태를 첨부 도면을 기초로 하여 설명한다. 여기에서 종래의 기술과 동일한 부분 또는 그에 상당하는 부분에 대해서는 동일한 부호로 표시하고, 상세한 설명은 생략한다.

도 1에는, 본 발명의 실시형태에 관한 사출성형기의 실린더(사출실린더등)나, 플런저펌프(plunger pump)(이후, 가압실린더로 칭함)의 구동 수단으로서 사용되는 선형 액추에이터(1)를 나타내고 있다. 당해 선형 액추에이터(1)는, 감속기(3)으로서, 유성기아감속기등의, 입력축과 출력축이 같은 축 위에 위치하는 감속기를 사용함으로서, 전동모터(2), 감속기(3), 볼나사(4)의 축심을 전부 일직선 위에 배치하고 있다. 더구나, 전동모터(2)의 회전자 및 감속기(3)의 회전축을 중공축(中空軸)으로 하여, 당해 중공축을 관통하는 볼나사(4)를 축 방향으로 이동시키는(출력을 직선운동으로 얻음) 것이다.

또, 전동 모터(2)와 감속기(3)와는 일체로 고정함과 동시에 감속기(3)는 프레임(5)에 고정되어 있다. 프레임(5)은 축 방향으로 연장되며, 가압실린더(6)를 볼나사(4)와 축심을 일치시키도록 하여 지지하고 있다. 아울러 프레임(5)에는, 축 방향의 슬라이드가이드(7)가 설치되어 있다. 슬라이드가이드(7)는, 브라켓(7b)으로 프레임(5)에 고정되는, 축 방향으로 병행한 복수(본 실시형태에서는 4개)의 가이드바(7a)와, 각 가이드바(7a)에 의해 안내되어 축 방향으로 미끄럼 운동하는 슬라이드베어링(7c)을 가지고 있다. 그리고, 각 슬라이드베어링(7c)에 의하여, 판모양의 가이드부재(8)를 , 각 가이드바(7a)와 직교하는 자세를 유지한 채, 슬라이드를 지지하는 것이다.

그 위에, 볼나사(4)의 선단부와 가이드부재(8)를, 가요축(9)을 개재하여 고정하고 있다. 그리고, 코일스프링(11)을, 감속기케이싱(10)의 하부를 둘러싸는 것과 같이 해서 당해 케이싱의 일단부에 걸어 맞추어, 가이드부재(8)에 다른 일단부를 걸어 맞추도록 하여 배치하고 있다. 또, 도시한 바와 같이, 코일스프링(11)은볼나사(4) 및 가요축(9)의 주위를 둘러쌀 수 있는 직경으로 슬라이드가이드(7)에 지지되는 가이드부재(8)의 모든 행정의 전진한도위치(前進限度位置)에 있어서도, 가이드부재(8)와 감속기케이싱(10)의 사이에 약간의 여압(pressurization)을 부여하는 것이 가능한 전장(全長)을 가지고 있다. 본 발명의 구성에 있어서 위에 상기 슬라이드가이드(7), 가이드부재(8), 코일스프링(11)은 다음에 설명할 축에너지 수단을 구성한다.

그리고, 가요축(9)에 스트레인게이지등(도시생략)을 붙임으로서, 가요축(9)을 로드셀로서 사용할 수 있다. 또, 가압실린더(6)의 플런저 (12)는, 볼조인트(ball joint)(도시생략)등의 조인트를 개재하여 가이드부재(8)와 연결한다.

여기에서, 도 2를 참조하면서, 선형 액추에이터(1)에 의해 가압실린더를 구동할 때의, 전동모터(2)에서 발생시키는 구동력과 코일스프링(11)에서 발생하는 탄성력과의 관계에 대해서 설명한다. 그리고, 도 2에 있어서 선형 액추에이터(1)의 행정L을 나타내는 횡축에 대하여 상방은 전동모터(2)의 구동력의 크기를, 하방의 코일스프링(11)의 탄성력의 크기를 각각 나타내고 있다.

도 2(a)에는, 코일스프링(11)을 사용하지 않고, 전동모터(2)만으로 가압실린더(6)를 구동시키는 것을 가정했을 경우의 전동모터(2)에 요구되는 구동력을 나타내고 있다. 이 경우에는, 선형 액추에이터(1)의 전 행정의 후퇴한도위치 LO에서 전진한도위치 L₁에 이르는 작동 행정에 있어서, 전동모터(2)에는 일정한 힘F의 구동력이 요구된다. 한편, 선형 액추에이터(1)의 전 행정의 전진한도위치 L₁에서후퇴한도위치 LO에 이르는 귀환 행정에 있어서는 전동모터(2)에 요구되는 구동력은 거의 0으로 된다.

한편, 선형 액추에이터(1)의 감속기케이싱(10)과 가이드부재(8)와 의 사이에 설치한 코일스프링(11)은, 도면 2(b)에 나타낸 바와 같이, 선형 액추에이터(1)의 전 행정의 전진한도위치 L₁에 있어서, 가이드부재(8)를 전진한도위치방향으로 밀어내는 방향의 탄성력 Fc₁이 발생하고 있다. 그리고, 전진한도위치 L₁에서 후퇴한도위치 LO에 이르는 귀환 행정에 있어서, 코일스프링(11)이 압축함으로서 코일스프링(11)의 탄성력은 증가하며, 후퇴한도위치 LO에 있어서는, 가이드부재(8)를 전진한도위치 방향으로 밀어내는 방향의 탄성력 Fco(Fc₁＜ Fco)를 발생하고 있다.

이 코일스프링의 탄성력의 증가는, 상기와 같이 전동모터(2)에 요구되는 구동력이 「거의 0이 되어야」하는 귀환 행정에 있어서, 전동모터(2)가 발생하는 구동력과, 선형 액추에이터(1)의 가동부(전동모터(2)의 회전자, 감속기(3), 볼나사(4)등) 및 그것에 연동되어 운동하는 모든 부재의 운동에너지를 흡수·축적함으로서 발생한다. 더구나, 코일스프링 (11)은 이렇게 해서 발생한 탄성력을 축적하는 축에너지 수단을 구성하고 있다. 또, 당해 축에너지 수단은 선형 액추에이터(1)의 작동 행정에 있어서, 코일스프링(11)에 축적된 에너지를 적절한 구동에너지로 하여 방출하는 것이다.

이상과 같이, 코일스프링(11)에서 발생하는 탄성력이, 전동모터(2)를 보조하게 되어, 실제로 전동모터(2)에 요구되는 구동력은, 선형 액추에이터 (1)의 전 행정의 후퇴한도위치 LO에 있어서 FMO (FMO = F-FCO)가 되며, 전진한도위치 L₁있어서 FM₁(FM₁= F-FC₁)이 된다. 또, 도 2(a)에서 사선으로 나타낸 전동모터(2)만에 의해 발생하는 에너지와, 도 2(c)에 나타낸 전동모터(2) 및 코일스프링(11)에서 발생하는 에너지의 합과는 같은 값(等價)이다.

위와 같은 실시형태를 이룬 본 발명의 실시형태에 의해 얻어지는 작용효과는 아래와 같다. 우선, 본 발명의 실시형태에 관한 선형 액추에이터(1)는, 저부하운전상태로 되는 귀환 행정(L₁에서 LO)에 있어서, 상기 축에너지 수단에 의하여, 전동모터(2)가 발생한 에너지와 가동부가 정지할 때의 당해 가동부의 운동에너지와를, 코일스프링(11)에 흡수·축적할 수 있다. 따라서, 귀환 행정에 있어서 상기 가동부의 정지에 필요한 제동력을 작게(또는 무시할 수 있을 정도로) 할 수 있다. 이로써, 종래와 같이, 전기식 또는 기계식 브레이크등으로 제동력을 부여할 필요가 없으며, 또한 발열대책등의 확실한 제동력을 부여하기 위한 구성도 필요없기 때문에 선형 액추에이터(1)의 가동부를 급속하게 정지시킬 수 있다.

또한, 상기 축에너지 수단은, 선형 액추에이터(1)의 귀환 행정에 있어 가동부의, 정지시의 운동에너지를 낭비하는 일 없이 축적하고, 선형 액추에이터(1)의 작동 행정(LO에서 L₁)에 있어서는, 코일스프링(11)이 신장함으로서 코일스프링(11)에 축적된 에너지를, 작동 에너지로서 방출할 수 있다. 이로써, 선형 액추에이터(1)의 가동부에 축적된 운동 에너지가 종래와 같이 정지할 때에 열로 방출되는 것에 의한 에너지 손실을 삭감하고, 효율적인 운전을 행할 수 있다. 이러한 운전효율의 향상의 효과는 선형 액추에이터(1)의 왕복동작의 사이클타임이 짧을수록 현저하게 된다.

그리고, 전동모터(2)에 요구되는 구동력을, 선형 액추에이터(1)의 전 행정의 후퇴한도위치 LO에 있어서 F에서 FMO (FMO = F-FCO)로, 전진한도위치 L₁있어서는 F에서 FM₁(FM₁= F-FC₁)로 감소시킬 수 있다. 이로써, 종래의 전동모터(2)의 기계적 강도나 수명을 확보하기 위한 기준이 되어 온, 작동 행정에 있어서의 부하하중이 감소에 의해, 전동모터(2)의 규격을 간소화하는 것이 가능하게 된다. 또, 작동 행정과 귀환 행정에 있어서, 액추에이터(1)의 각부(各部)에 더하는 부하가, 종래에 비해 평준화되기 때문에 선형 액추에이터(1)의 전체 구조도 간소화시킬 수 있다.

더구나, 선형 액추에이터(1)의 전 행정의 후퇴한도위치 LO에서는, 단시간에 소정의 회전수까지 가속하기 위해 전동모터(1)에는 대출력이 요구되지만, 코일스프링(11)의 탄성력은 후퇴한도위치 LO에 있어서 최대로 되기 때문에 기동시에 전동모터(2)에 투입해야 할 전기에너지를 삭감할 수 있다. 이로써, 통상은 대량의 발열을 동반하는 후퇴한도위치 LO에서의 기동시에 있어서도 열의 발생을 억제하여 전동모터(2)의 열의 발산·제거 대책을 간략화할 수 있다.

또, 본 발명의 실시형태에서는, 볼나사(4)의 선단부와 가이드부재(8)를, 가요축(9)을 개재하여 고정시킴으로서 다른 조립기준에 의거 별도로 구성되는 볼나사(4)와, 가이드부재(8)를, 서로 조립할 때에 생기는 위치의 엇갈림을 가요축(9)의 휨에 의해 흡수할 수 있다. 그리고, 볼나사(4)와 가이드부재(8)의 어느 하나에도, 스트레스를 주는 일 없이 확실하게 양자를 연결하여, 볼나사(4)와 가이드부재(8)에 힘의 전달을 확실하게 행할 수 있게 한다.

이로써, 본 발명의 실시형태와 같이 선형 액추에이터(1)를 사출성형기의 가압실린더등의 구동수단으로서 사용하는 경우에는, 실린더가 후퇴할 때의 정지시에는 선형 액추에이터(1)의 가동부가 정지할 때의 운동에너지를 상기 축에너지 수단으로 흡수·축적함으로서 상기 가동부의 정지에 필요한 제동력을 작게(또는 무시할 수 있을 정도로) 할 수 있으며, 사출성형기의 가압실린더의, 후퇴한도위치에 있어서의 제동력 부여를 위한 실시형태를 간소화하는 한편, 급속하게 정지시킬 수 있다. 또, 선형 액추에이터(1)의 귀환 행정에서 축적된 에너지를 작동 행정에 있어 동작 에너지로서 방출함으로서 가압실린더의 전진개시(前進開始)할 때에 투입하는 전기 에너지를 적게 하면서, 단시간에 소정의 회전수까지 가속시켜, 사출성형의 사이클타임을 단축시킬 수 있다.

그 위에, 가요축(9)에 스트레인게이지등을 붙여서 로드셀로 사용하는 경우에는 소정의 기능을 발휘할 수 있는 것과 같이 가요축(9)은 고품질의 재료를 사용함과 동시에 고정밀도의 가공공정에 의해서 필요 최소한의 직경으로 형성되어 있는 것으로부터, 가요축(9)에 작용하는 축력에 의한 응력(應力)(또는 휨)은 크며, 필연적으로 고감도의 로드셀을 구성할 수 있다. 또, 가요축(9)은 상기의 품질 수준을 향상하기 위하여 특히 관리된 환경하에서 생산되기 때문에 스트레인게이지등을 붙이는 작업도 같은 환경 및 절차로 정성들여 행하여지기 때문에 안정된 고품질을 얻을 수 있는 한편, 교정도 용이함으로 고정밀도의 로드셀로 할 수 있다.

이를 위해, 사출성형기의 실린더의 구동수단으로서, 사출액체의 물성치(物性値)의 변화나 토출압(吐出壓)등 운전조건의 변화에 고도로 대응할 수 있는, 토출압이 일정한 제어를 필요로 하는 경우에는, 선형 액추에이터 (1)는 고감도, 고정밀도 또한 고품질의 로드셀을 구비함으로서 이러한 요구에 충분히 대응할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시형태에 관한 선형 액추에이터(1)를, 목적에 따라서 병렬로 늘어놓아 사용함으로서 큰 출력을 얻을 수도 있다. 또, 필요에 따라서 코일스프링(11)의 스프링 상수(常數)를 비선형(非線型)으로 할 수도 있다. 그 위에, 코일스프링(11)을, 감속기케이싱(10)과 가이드부재(8)의 사이에 배치하는 대신에 가이드부재(8)와 가압실린더(6)의 사이에 배치하여, 가동부의 운동에너지를 코일스프링(11)이 신장하는 것에 의해서 흡수·축적하는 구조로 하는 것도 가능하다.

도 3에는, 도 1에 나타낸 선형 액추에이터(1)의 응용예을 나타내고 있다. 도 3에서는, 도 1의 예와 동일 부분 또는 상당하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 사용하며 상세한 설명을 생략한다.

도 3에 나타낸 선형 액추에이터(1’)는, 도 1의 선형 액추에이터(1)와의 다른점으로서 감속기(3’)에 평기아를 사용함으로서 전동모터(2)의 축심이 볼나사(4)의 축심에 대하여 오프셋(off set)한 상태로 되어 있다. 또, 전동모터(2), 감속기(3’), 볼나사(4), 감속기케이싱(10), 슬라이드가이드(7), 가이드부재(8) 및 코일스프링(1’,11’)이, 전부 중간부분의 케이싱(13)에 의해 일체적으로 고정되어 있다. 그리고, 이러한 일체 부분이, 가압실린더(6)를 지지하는 프레임(5)에, 볼나사(4)와 축심을 일치시켜, 일체적으로 탈착이 가능하게 되어 있다. 그 위에, 코일스프링(11’)은, 필요한 탄성력을 확보하기 위하여 세 개의 코일스프링을 동심상(同心狀)으로 겹쳐서 배치한 것이다.

도 3에 나타낸 선형 액추에이터(1’)에 의하면, 전동모터(2), 감속기(3’), 볼나사(4), 감속기케이싱(10), 슬라이드가이드(7), 가이드부재(8) 및 코일스프링(11’)이, 전부 중간케이싱(13)에 대하여 일체로 고정되어 있으며, 피구동부재인 가압실린더(6)를 지지하는 프레임(5)에 대하여 일체적으로 탈착 가능한 것으로부터, 선형 액추에이터(1’)의 조립, 운반, 관리등을 가압실린더(6)에 대하여 독립하여 행할 수 있다. 이로써, 취급성, 범용성이 다 같이 높은 선형 액추에이터를 제공할 수 있다. 그 외에, 도 1의 선형 액추에이터(1)와 같은 작용효과에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.

그 위에, 도 1, 도 3에 나타낸 선형 액추에이터(1),(1’)의 어느 것에도 적용 가능한 응용예로서, 전동모터(2)에 벡터제어방식의 인버터에 의해 구동되는 유도모터를 채용함으로서 이하와 같은 작용효과를 얻을 수 있다.

우선, 전동모터(2)에 , 범용유도모터를 사용함으로서 모터코스트를 억제하는 한편, 유도모터에는 불가피한 부하에 따른 슬립의 발생으로 생기는 속도제어성의 낮음을, 인버터가 가지는 벡터제어방식을 이용하여 보완하며, 속도적응성이 좋은 고정밀도의 속도제어를 실행할 수 있게 된다.

즉, 유도모터는 부하에 의해 슬립률이 변화하기 때문에, 여기주파수가 일정하더라도 부하에 따라서 회전수는 변동한다. 그 위에 선형 액추에이터(1),(1’)은, 상기 가동부가 이동할 때에 코일스프링(11),(11’)을 압축·신장시키기 때문에, 액추에이터의 구동력이 일정하더라도 상기 가동부의 이동에 의해서 코일스프링(11),(11’)이 발생하는 탄성력은 변화하며, 이로써 전동모터(2)의 부하도 변화한다. 그 결과, 유도모터인 전동모터(2)로 구동되는 선형 액추에이터(1),(1’)의 회전속도를 일체로 유지하기 위한 무언가의 대책을 세우는 것이 바람직하다. 이러한 결점을 보완하기 위해서 벡터제어방식의 인버터를 적용한다. 즉, 인버터에 있어, 벡터제어는 유도모터의 슬립을 보정하여 회전속도를 일정하게 유지하는 것을 가능하게 하는 제어방식이기 때문에 이 결점을 보완할 수가 있다.

또, 벡터제어방식의 인버터로 구동되는 일반적인 유도모터를 회전정지를 높은 빈도로 반복하는(즉, 고빈도의 급속정지가 필요하게 되는) 조건에서 사용할 때에는 기계식 브레이크의 적용은 곤란함으로 회생저항에 의하여 유도모터를 급속하게 정지시키게 된다. 그러나, 회생저항을 사용하는 경우에는, 정지할 때마다 에너지 손실이 생기는 것은 명백하다.

그러나, 본 발명의 실시형태에서는, 앞에서 설명한 축에너지 수단으로 가동부의 운동에너지를 흡수·축적하므로서 회생저항을 이용한 전기 브레이크를 사용하지 않아도 효율적으로 모터(2)의 회전을 정지시키며, 상기 에너지 손실의 발생을 막을 수 있다. 이로써, 고효율의 선형 액추에이터(1),(1’)을, 유도모터를 동력원으로 사용하여 성립시킬 수 있다.

또, 도 4에는, 본 발명의 실시형태의 다른 응용예로서, 아래와 같이 구성되는 위치제어수단을 채용하여, 선형 액추에이터(1”)의 작동정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.

선형 액추에이터(1”)의 위치제어수단은, 코일스프링(11)과 병렬로 설치되어있으며, 또한 코일스프링(11)과 함께 가이드부재(8)를 구동하는 부재 (a)(도 4의 예에서는 가요축(9))와, 부재(a) 및 코일스프링(11)의 힘을 일괄하여 받아내며, 부하부인 가압실린더에 직접적으로 작용하는 부재(b)(도 4의 예에서는 가요축(14))를 그 구성요소로 갖는 것이다. 그리고,가요축(14)은, 가이드부재(8)와 플런저(12)와의 사이에 설치되어 있으며, 가요축(9)과 같은 스트레인게이지등(도면생략)을 붙임으로서 로드셀로서 사용할 수 있다. 또, 로드셀로서 기능하는 부재(a)에 가해지는 축력(Fa)과 같이 로드셀로서 기능하는 부재(b)에 가해지는 축력(Fb)을 측정하여, 아래의 연산을 행하는 제어수단(도시생략)을 포함하고 있다.

그런데, 코일스프링(11)의 스프링 정수(定數)를 K, 행정을 X로 하면, 부재(a)에 가해지는 축력(Fa)과, 부재(b)에 가해지는 축력(Fb)과의 사이에는,

Fb = Fa + K ×X···(1)

의 관계가 성립하며, 식(1)을 변형하여,

X = (Fb - Fa) ÷K···(2)

를 얻을 수 있다.

따라서, Fa와 Fb와를 계측하여, 식(2)에 따른 연산을 상기 제어수단으로 행하고, 스프링 행정X 즉 액추에이터의 작동 행정을 얻을 수 있다. 그리고, 구해진 스프링 행정X를, 미리 설정된 지령값(指令値)과 비교하여, 전동모터(2)의 속도제어에 피드백(feed back)함으로서 선형 액추에이터 (1”)의 작동 행정을 정확하며 용이하게 제어할 수 있다. 그리고, 선형 액추에이터(1”)의 전동모터(2)에도 앞에서 설명한 범용유도모터를 사용함으로서 위와 같은 작용효과를 얻을 수 있다.

아울러, 상세한 설명은 생략하겠지만 본 발명의 실시형태에 관한 축에너지 수단을 전동식 회전 액추에이터로 응용할 수 있다. 또한, 전동모터의 구동력을 감속기를 통하지 않고도 직접 볼나사(4)에 전달하는 구조의 액추에이터에도 적용시킬 수가 있다.

본 발명은, 이와 같이 구성하여 아래와 같은 효과를 갖는다. 우선, 본 발명의 청구항 1에 관한 전동식 액추에이터에 의하여, 단순한 구조로 저코스트, 그리고, 에너지효율이 높아, 빈번한 기동·정지를 실현할 수 있는 전동식 액추에이터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 청구항 2에 관한 전동식 액추에이터에 의하면, 상기 축에너지 수단으로 상기 액추에이터의 귀환 행정에 있어, 전동모터가 발생한 에너지와 가동부가 정지할 때의 당해 가동부의 운동에너지를 흡수하여, 작동 행정에 있어서의 작동 에너지로서 방출함으로서 단순한 구조로 저코스트, 그리고, 에너지효율이 높아, 빈번한 기동·정지를 실현할 수 있는 전동식 액추에이터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 청구항 3에 관한 전동식 액추에이터에 의하여, 스프링과, 가이드부재와, 가이드부재를 슬라이드로 지지하는 슬라이드가이드에 의해 축에너지 수단을 구성한다. 그리고, 상기 액추에이터의 귀환 행정에 있어 전동모터가 발생한 에너지와 가동부가 정지할 때의 당해 가동부의 운동에너지를 흡수하여, 작동 행정에 있어서 작동에너지로서 방출함으로서 단순한 구조로 저코스트, 그리고, 에너지효율이 높아, 빈번한 기동·정지를 실현할 수 있는 전동식 액추에이터를 제공할수 있다.

또한, 본 발명의 청구항 4에 관한 전동식 액추에이터에 의하면, 상기 액추에이터의 귀환 행정에 있어서 상기 볼나사를 포함하는 가동부의 운동에너지등을, 상기 스프링이 압축함으로서 흡수할 수 있다. 한편, 상기 액추에이터의 작동 행정에 있어서는, 상기 스프링에 축적된 에너지를 상기 스프링이 신장할 때에, 상기 가동부의 동작 에너지로서 방출함으로서 단순한 구조로 저코스트, 그리고, 에너지효율이 높아, 빈번한 기동·정지를 실현할 수 있는 전동식 액추에이터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 청구항 5에 관한 전동식 액추에이터에 의하면, 상기 가요축에 의해 상기 볼나사와 상기 가이드부의 어디에도 스트레스를 주는 일 없이 확실하게 양자를 연결할 수 있으며, 상기 볼나사와 상기 가이드부와의 힘의 전달을 확실하게 행하여, 단순한 구조로 저코스트, 그리고, 에너지효율이 높아, 빈번한 기동·정지를 실현할 수 있는 전동식 액추에이터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 청구항 6에 관한 전동식 액추에이터에 의하면 높은 운전정밀도의 요구에도 대응할 수 있다.

또한, 본 발명의 청구항 7에 관한 전동식 액추에이터에 의하면, 피구동부재에 대하여 일체적으로 탈착이 가능함으로서, 취급성과 함께 범용성이 높은 전동식 액추에이터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 청구항 8에 관한 전동식 액추에이터에 의하면, 고효율(高效率)의 액추에이터를, 유도모터를 동력원으로 사용하여 성립시킬 수 있다.

끝으로 본 발명의 청구항 9에 관한 전동식 액추에이터에 의하면, 작동 행정을 정확하면서도 용이하게 제어할 수 있다.

Claims

왕복운동을 하는 액추에이터로서, 저부하 운전시에, 전동모터가 발생한 에너지와 가동부가 정지할 때의 당해 가동부의 운동에너지와를 스프링에 의해 흡수·축적하는, 축에너지 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전동식 액추에이터.
제 1항에 있어서,

상기 축에너지 수단은, 상기 액추에이터의 귀환 행정에 있어서 전동모터가 발생한 에너지와 가동부가 정지할 때의 당해 가동부의 운동에너지를 축적해서, 상기 액추에이터의 작동 행정으로 축적된 에너지를 동작 에너지로서 방출하는 것을 특징으로 하는 전동식 액추에이터.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 축에너지 수단은, 축방향의 슬라이드가이드로 지지되며, 또한 상기 전동모터로 구동되는 볼나사의 선단부에 고정되어 축방향으로 이동하는 가이드부재와, 당해 가이드부재의 일단부를 걸어 맞추는 스프링을 가지는 것을 특징으로 하는 전동식 액추에이터.
제 3항에 있어서,

상기 스프링을, 상기 가이드부재와, 상기 전동모터의 동력을 감속하여서 상기 볼나사에 전달하는 감속기의 케이싱 또는 당해 케이싱에 고정된 부재와의 사이에 배치한 것을 특징으로 하는 전동식 액추에이터.
제 3항 또는 제 4항에 있어서,

상기 볼나사의 선단부와 상기 가이드부재를 가요축을 개재하여 고정하는 것을 특징으로 하는 전동식 액추에이터.
제 5항에 있어서,

상기 가요축을 로드셀로서 사용하는 것을 특징으로 하는 전동식 액추에이터.
제 1항에서 제 6항까지 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 액추에이터는 피구동부재에 대하여 일체적으로 탈착이 가능한 것을 특징으로 하는 전동식 액추에이터.
제 1항에서 제 7항까지 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 전동모터에 벡터제어방식인 인버터에 의해 구동되는 유도모터를 사용하는 것을 특징으로 하는 전동식 액추에이터.
제 3항에서 제 8항까지 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 스프링과 병렬로 설치되어 있으며, 또한 상기 스프링과 함께 상기 가이드부재를 구동하는 부재에 가해지는 축력과, 당해 부재 및 상기 스프링의 힘을 일괄하여 받아내며, 부하부에 직접 작용하는 부재에 가해지는 축력을 측정하여, 당해 측정치를 기초로 하여 상기 스프링의 행정을 구하고, 상기 모터의 속도제어로 피드백하는 위치제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전동식 액추에이터.