(57)【要約】【課題】電動モータで発生させた回転運動により往復運動を発生させる電動推力発生装置の起動時および停止時における過渡特性を改善する。【解決手段】作業行程では、ボールネジ４、ガイド部材８Ａ、８Ｂ、可倒軸９等の往復運動要素の運動エネルギを、コイルバネ１１Ａによって吸収する。戻り行程ではコイルバネ１１Ｂによって吸収する。前記往復運動要素を、停止状態から起動させる場合には、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂに蓄えたエネルギを前記往復運動要素の運動エネルギとして利用することで、電動モータ２に要求される起動時の駆動力を減少させる。前記往復運動要素が一定速度で運動する際の運動エネルギーを、電動モータ２と各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂとの間で循環させて再利用することが可能となる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータにより駆動される往復運動要素の運動方向と平行に作用するバネを設けた電動推力発生装置であって、前記往復運動要素の往路および復路の各行程において圧縮するバネと伸長するバネとを、各バネの反力の均衡点が、前記往復運動要素の往復行程の途中に位置するように設けたことを特徴とする電動推力発生装置。
【請求項２】
前記バネを、前記往復運動要素の往復運動方向に前後して配置したことを特徴とする請求項１記載の電動推力発生装置。
【請求項３】
前記バネは、前記往復運動要素が往路および復路の端部に位置する状態においても、自由長へは復帰しないように配置されることを特徴とする請求項１または２記載の電動推力発生装置。
【請求項４】
電動モータにより駆動される往復運動要素の運動方向と平行に作用するバネを設けた電動推力発生装置であって、前記往復運動要素の往路および復路の各行程において、前記往復運動要素の往復行程の端部近傍でのみ前記往復運動要素に当接する圧縮バネを設けたことを特徴とする電動推力発生装置。
【請求項５】
前記電動モータにベクトル制御方式のインバータによって駆動される誘導モータを用いることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の電動推力発生装置。
【請求項６】
前記バネと並列に設けられ、かつ、前記バネと共に前記往復運動要素を駆動する部材に加わる軸力と、当該部材及び前記バネの力を一括して受け止め、負荷部へ直接作用する部材に加わる軸力とを測定し、当該測定値に基き、前記バネのストロークを求め、前記電動モータの速度制御にフィードバックする、位置制御手段を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の電動推力発生装置。
【請求項７】
前記電動モータが設定速度に達した時点で、前記バネから前記往復運動要素へと与えられる弾性力が当該設定速度を超えて前記往復運動要素を加速させるように作用する場合に、前記モータへの電力供給を止め、電動モータが設定速度で運転中に、前記バネから前記運動往復要素へと与えられる弾性力が当該設定速度以下に前記往復運動要素を減速させるように作用する場合に、設定速度を維持するための電力を前記モータへと供給する制御手段を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の電動推力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータで発生させた回転運動により往復運動を発生させる「電動推力発生装置」に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電動モータで発生させた回転運動をネジまたはラックピニオンなどを介して機械的に直線運動へと変換して推力を発生させる電動推力発生装置の場合、往復運動要素を起動する際には電動モータの駆動力を増大させ、往復運動要素を停止させる際には当該電動推力発生装置の持つ運動エネルギを他の何らかのエネルギに変換する必要がある。通常、電動モータの回転数はそれによって駆動される往復運動要素の直線運動速度に比較して大きなものとなる。ここで、物体の運動エネルギは速度の自乗に比例することから、運転中の電動モータの持つ運動エネルギは、往復運動要素のもつ運動エネルギに比べ極めて大きなものとなる。その結果として、電動推力発生装置の場合、以下のような課題を包含したものとなっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
まず、▲１▼起動時にモータロータに大きな運動エネルギを与える必要があるため、起動に長い時間を要するものであった。また、▲２▼停止時にモータロータの持つ大きな運動エネルギを吸収する必要があることから、停止にも長い時間を要するものであった。また、▲３▼停止時に運動エネルギを放出するための何らかの仕掛け（ブレーキ等）を用いる必要があった。さらに、▲４▼停止頻度の高い用途においては、停止時に放出される運動エネルギの量も多くなり、放散する熱量も増大することから、熱吸収のための対策が必要不可欠となる。▲５▼その結果として、機械装置としての効率の低下が無視できないものとなっていた。
なお、上記課題は、往復直線運動を行う電動推力発生装置に限らず、往復回転運動を行う電動推力発生装置や、他の運動を発生させる機械装置に共通した問題である。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電動モータで発生させた回転運動により往復運動を発生させる電動推力発生装置の起動時および停止時における過渡特性を改善し、エネルギ効率の高い電動推力発生装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための、本発明の請求項１に係る電動推力発生装置は、電動モータにより駆動される往復運動要素の運動方向と平行に作用するバネを設けた電動推力発生装置であって、前記往復運動要素の往路および復路の各行程において圧縮するバネと伸長するバネとを、各バネの反力の均衡点が、前記往復運動要素の往復行程の途中に位置するように設けたことを特徴とするものである。
【０００６】
本発明によれば、前記往復運動要素の（片側）両端寄りに取付けたバネは複合し、ストロークの起動時には当該往復同要素を加速し、また、ストロークの終了時には当該往復同要素を減速するように作用する。
そして、停止時に前記往復運動要素から放出すべき運動エネルギを、前記反力が増大するバネに蓄え、熱として放出される運動エネルギを減少させる。さらに、前記往復運動要素を、停止状態から起動させる場合には、前記バネに蓄えたエネルギを前記往復運動要素の運動エネルギとして利用することで、前記電動モータに要求される起動時の駆動力を減少させる。このため、前記往復運動要素が一定速度で運動する際の運動エネルギーを、電動モータとバネとの間で循環させて再利用することが可能となる。
また、前記往復運動要素が上記と逆方向へと移動する際にも、上記と同様の作用を得ることができる。
【０００７】
また、本発明の請求項２に係る電動推力発生装置は、請求項１記載の電動推力発生装置において、前記バネを前記往復運動要素の往復運動方向に前後して配置したものである。
本発明によれば、前記往復運動要素の往復運動方向に前後して、前記バネを配置することで、前記往復運動要素の往路および復路の各行程において圧縮するバネと伸長するバネとを、各バネの反力の均衡点が、前記往復運動要素の往復行程の途中に位置するように配置することができる。なお、本発明においては、前記往復運動要素の往復運動方向に前後して配置するバネは、一方を圧縮バネとした場合には他方も圧縮バネとなり、一方を引張りバネとした場合には他方も引張りバネとなることで、各バネの支持構造を共通化することができる。
【０００８】
また、本発明の請求項３に係る電動推力発生装置は、請求項１または２記載の電動推力発生装置において、前記バネは、前記往復運動要素が往路および復路の端部に位置する状態においても、自由長へは復帰しないように配置されるものである。
本発明によれば、前記往復運動要素が往路および復路の端部に位置するとき、何れのバネも前記往復運動要素に対し反力を付与することとなるので、前記バネは自ら発生する弾性力によって、その位置や姿勢を安定させることができる。
【０００９】
また、上記課題を解決するための、本発明の請求項４に係る電動推力発生装置は、電動モータにより駆動される往復運動要素の運動方向と平行に作用するバネを設けた電動推力発生装置であって、前記往復運動要素の往路および復路の各行程において、前記往復運動要素の往復行程の端部近傍でのみ前記往復運動要素に当接する圧縮バネを設けたことを特徴とするものである。
本発明によれば、前記往復運動要素が往路および復路の端部近傍、即ち、停止位置および起動位置の近傍でのみ、各バネのうちいずれか一方が有効に作用するものとなり、前記往復運動要素が往復する際のバネから受ける反力の影響を非線形のものとすることができる。
【００１０】
また、本発明の請求項５に係る電動推力発生装置は、請求項１から４のいずれか１項記載の電動推力発生装置において、前記電動モータにベクトル制御方式のインバータによって駆動される誘導モータを用いるものである。
【００１１】
本発明では、汎用誘導モータを用いることでモータコストを抑え、かつ、誘導モータには不可避の、負荷に応じたスリップの発生に起因する速度制御性の低さを、インバータの持つベクトル制御方式を利用して補い、速応性のよい高精度の速度制御を行う。
すなわち、誘導モータは負荷によってスリップ率が変化するので、励起周波数が一定であっても、負荷によって回転数は変動する。さらに本発明に係る電動推力発生装置は、前記可動部の移動の際に前記バネを圧縮・伸長させるのであるから、電動推力発生装置の駆動力が一定であったとしても前記可動部の移動によって前記バネの発生する弾性力は変化し、よって誘導モータの負荷も変化する。その結果、誘導モータで駆動される当該電動推力発生装置の回転速度を一体に保つための、何らかの対策を講ずることが好ましい。この欠点を補うためにインバータをベクトル制御方式で適用する。すなわち、インバータにおけるベクトル制御は誘導モータのスリップを補正して回転速度を一定に保つこことを可能にする制御方式であるからこの欠点を補うことができるものである。
【００１２】
また、ベクトル制御方式のインバータによって駆動される一般的な誘導モータを、回転停止を高い頻度で繰返す（すなわち、高頻度の急速停止が必要となる）条件での使用する時には機械式ブレーキの適用は困難であるから、回生抵抗によって誘導モータを急速停止させることになる。
しかしながら、回生抵抗を用いた場合には、停止の度にエネルギーロスを生ずることとなる。そこで、本発明では前記蓄エネルギー手段によって、可動部の運動エネルギーとを吸収・蓄積することで、回生抵抗を用いた電気ブレーキを使用することなく、効率的に上記モータの回転を止め、上記エネルギーロスの発生を防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明の請求項６に係る電動推力発生装置は、請求項１から５のいずれか１項記載の電動推力発生装置において、前記バネと並列に設けられ、かつ、前記バネと共に前記往復運動要素を駆動する部材に加わる軸力と、当該部材及び前記バネの力を一括して受け止め、負荷部へ直接作用する部材に加わる軸力とを測定し、当該測定値に基き、前記バネのストロークを求め、前記電動モータの速度制御にフィードバックする、位置制御手段を備えるものである。
本発明によれば、前記２つの部材にかかる力を測定して、作動ストロークにフィードバックすることにより、当該電動推力発生装置の作動精度を高めることが可能となる。
【００１４】
また、本発明の請求項７に係る電動推力発生装置は、請求項１から６のいずれか１項記載の電動推力発生装置において、前記電動モータが設定速度に達した時点で、前記バネから前記往復運動要素へと与えられる弾性力が前記往復運動要素を加速させるように作用する場合に、前記モータへの電力供給を止め、電動モータが設定速度で運転中に、前記バネから前記運動往復要素へと与えられる弾性力が前記往復運動要素を減速させるように作用する場合に、設定速度を維持するための電力を前記モータへと供給する制御手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明では、前記電動モータが設定速度に達した時点で、前記バネから前記往復運動要素へと与えられる弾性力が、当該設定速度を超えて前記往復運動要素を加速させるように作用する場合に、前記制御手段によって、前記モータへの電力供給を止める。そして、前記モータが設定速度を維持しようとして電気制動を行い、前記バネに蓄積されたエネルギを無駄に消耗することを防ぐ。
また、電動モータが設定速度で運転中に、前記バネから前記運動往復要素へと与えられる弾性力が、当該設定速度以下に前記往復運動要素を減速させるように作用する場合に、前記制御手段によって、設定速度を維持するための電力を前記モータへと供給する。そして、前記バネの反力に対抗して前記往復運動要素を往路および復路の端部近傍（減速開始位置）まで設定速度で移動させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１には、本発明の実施の形態に係る電動推力発生装置１を示している。この電動推力発生装置１は、プランジャポンプ２０の駆動装置として用いた場合を例示している。電動推力発生装置１は、電動モータ２のロータ軸および減速機３の回転軸を中空軸とし、当該中空軸を貫通したボールネジ４を軸方向に移動させる（出力を直線運動として得る）ものである。また、減速機３に平歯車を用いることにより、電動モータ２の軸心がボールネジ４の軸心に対しオフセットした状態となっている。なお、減速機３として、遊星歯車減速機等の、入力軸と出力軸とが同軸上に位置する減速機を用いることにより、電動モータ２、減速機３、ボールネジ４の軸心を、全て一直線上に配置することも可能である。
【００１８】
また、電動モータ２、減速機３、ボールネジ４、減速機ケーシング１０、スライドガイド７、ガイド部材８（８Ａ、８Ｂ）およびコイルバネ１１（１１Ａ、１１Ｂ）が、全て、中間ケーシング１３によって一体的に固定されている。そして、かかる一体部分が、プランジャポンプ２０のフレーム５に、ボールネジ４と軸心を一致させて、一体的に着脱可能となっている。
【００１９】
フレーム５は軸方向に延び、プランジャポンプ２０の加圧シリンダ６を、ボールネジ４と軸心を一致させるようにして支持している。スライドガイド７は、中間ケーシング１３に対し図１の下方へと延びる部分７Ａと、減速機ケーシング１０に対し図１の上方へと延びる部分７Ｂとを有しており、夫々、軸方向に並行な複数（本実施の形態では４本）のガイドバー７ａと、各ガイドバー７ａに案内されて軸方向に摺動するスライド軸受７ｃとを有している。そして、各スライド軸受７ｃによって、プレート状のガイド部材８（８Ａ、８Ｂ）を、各ガイドバー７ａと直交する姿勢を維持したまま、スライド支持するものである。ガイド部材８Ａは、可撓軸９を介してボールネジ４の先端部が固定されている。よって、本発明の実施の形態に係る電動推力発生装置１は、ボールネジ４、ガイド部材８Ａ、８Ｂ、可倒軸９が「往復運動要素」を構成するものである。
【００２０】
また、中間ケーシング１３とガイド部材８Ａとの間、および、減速機ケーシング１０とガイド部材８Ｂとの間に、夫々、コイルバネ１１（１１Ａ、１１Ｂ）を設けている。コイルバネ１１Ａ、１１Ｂは、何れも圧縮バネであり、各バネの反力の均衡点が、前記往復運動要素の往復行程の途中に位置するように、かつ、前記往復運動要素が往路および復路の端部に位置する状態においても、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂが自由長へと復帰しないように配置される。即ち、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂには、前記往復運用要素の往路、復路のストロークよりも自由長の長いものが用いられている。
なお、図１の例では、コイルバネ１１Ａは、複数のコイルバネを同心状に重ねて配置したものであり、コイルバネ１１Ｂは、単独のコイルバネとなっているが、適宜、必要な弾性力を確保するためにその弾性係数や用いるバネの数が決定されるものである。
【００２１】
さらに、可撓軸９に歪ゲージ等（図示省略）を貼付することで、可撓軸９をロードセルとして用いることができる。また、加圧シリンダ６は、ボールジョイント等の継手１５を介して、ガイド部材８Ａと連結されている。
【００２２】
ここで、図２を参照しながら、電動推力発生装置１によってプランジャポンプ２０を駆動する際の、電動モータ２で発生させる駆動力とコイルバネ１１Ａ、１１Ｂで発生する弾性力との関係について説明する。なお、図２（以下の図３、図５も同様である）において、電動推力発生装置１の行程Ｌを横軸に取り、この横軸を進むときであってこの力線図を左手に見るとき、電動モータ２に負荷がかかり、この力線図を右手に見るとき、電動モータ２の動力を補助する力が与えられる状態であることを示している。また、縦軸は、電動推力発生装置１に加わる負荷またはコイルバネ１１Ａ、１１Ｂの反力の相対的な大きさを示すものである。
【００２３】
図２（ａ）は、往復行程の一方の行程（以下、「作業行程」という。）のみ負荷ＦＷを駆動し、他方の行程（以下、「戻り行程」という。）は無負荷となる場合の、電動モータ２に要求される駆動力（負荷）を示している。また、図２（ｂ）には、コイルバネ１１Ａと、コイルバネ１１Ｂが圧縮・伸張されることにより発生するバネ力ＦＡとＦＢとを示している。
そして、図２（ｃ）には、図２（ａ）および図２（ｂ）の合成図であって、図２（ａ）の負荷状態に、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂを備える電動推力発生装置１の駆動力および制動力の変化を示している。この場合には、作業行程および戻り行程の何れの行程においても、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂのバネ力は、往復運動要素の起動時には加速するように、停止時には制動するように作用する。
【００２４】
具体的には、作業行程において、起動時に電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＷ）から（ＦＷ−ＦＡ）へと減少し、停止時に電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＷ）から（ＦＷ＋ＦＢ）へと増加する。この結果として、作業行程において、起動時間が短縮され、電動推力発生装置の起動特性が改善される。また、作業行程における停止時には、より大きな制動力が電動モータ２に作用することとなり、停止特性が改善され、停止時に熱として放出される運動エネルギの量が減少し、熱吸収のための対策が不要となると共に、電動推力発生装置１の効率の低下を図ることが可能となる。
【００２５】
また、戻り行程において、起動時に電動モータ２に加わる負荷は、（０）から動力を補助する力（ＦＢ）が与えられる状態となり、停止時に電動モータ２に加わる負荷は、（０）から（ＦＡ）へと増加する。したがって、戻り行程においても作業行程と同様の作用効果が得られる。特に戻り行程の場合には、電動モータ２に負荷が作用しないために、電動推力発生装置の可動部の慣性の影響が大となり、従来、戻り行程の端部位置において急速に停止するためには、電動推力発生装置に対し意図的に制動力を付与する必要があり、運動エネルギを熱として放出することによる熱の発生を抑え、電動モータ２の熱の発散・除去対策を行うことが必要不可欠であったが、本発明の実施の形態では、かかる制動力の付与および熱対策が不要となる。
【００２６】
ところで、戻り行程の起動時には、電動モータ２負荷は負荷を受けず、逆に電動モータ２の動力を補助する力（ＦＢ）を受けることとなるので、電動モータ２による駆動を行わなくても、電動推力発生装置１は自律的に戻り行程を起動させることが可能である。しかしながら、実際には戻り行程における加速を向上させるという目的で、電動モータ２による駆動は行われる。
【００２７】
ここで、戻り行程の起動の後、図２（ｂ）、（ｃ）に示すコイルバネ１１Ａ、１１Ｂのバネ力の均衡点Ｎに到達する以前に、電動モータ２が設定速度に達してしまうような場合には、コイルバネ１１Ｂの弾性力が、前記往復運動要素を更に加速させるように作用することとなる。その結果として、電動モータ２による電力が継続して投入されている状態であれば、電動モータ２は設定速度を維持しようとして電気制動を行い、コイルバネ１１Ｂに蓄積されたエネルギを無駄に消耗することとなる。かかる場合には、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂのバネ力の均衡点Ｎに到達する以前でも、当該モータの制御手段（図示省略）によって、電動モータ２への電力供給を止める。
【００２８】
また、作業行程、戻り行程の両行程において、電動モータ２が戻り行程を設定速度で運転中に、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂのバネ力の均衡点Ｎを越えて、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂから前記運動往復要素へと与えられるバネ力が、前記往復運動要素を減速させるように作用する状態となった時点で、前記制御手段によって、設定速度を維持するための電力を電動モータ２へと供給する。そして、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂの反力に対抗して前記往復運動要素を往路および復路の端部近傍（減速開始位置）まで、設定速度で移動させる。
【００２９】
次に、作業行程のみならず戻り行程においても、電動モータ２に負荷がかかる場合の上記関係を、図３を参照しながら説明する。かかる場合には、電動モータ２は、図３（ａ）に示すように、作業行程において負荷ＦＷを駆動し、戻り行程において負荷ＦＲを駆動する。また、図３（ｂ）に示すように、コイルバネ１１Ａが圧縮されることによりバネ力ＦＡを発生し、コイルバネ１１Ｂが圧縮されることによりバネ力ＦＢを発生する。
【００３０】
そして、図３（ｃ）には、図３（ａ）および図３（ｂ）の合成図であって、図３（ａ）の負荷状態で、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂを備える電動推力発生装置１の駆動力および制動力の変化を示している。この場合においても、作業行程および戻り行程の何れの行程においても、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂのバネ力は、往復運動要素の起動時には加速するように、停止時には制動するように作用する。
【００３１】
具体的には、作業行程において、起動時に電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＷ）から（ＦＷ−ＦＡ）へと減少し、停止時に電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＷ）から（ＦＷ＋ＦＢ）へと増加することとなるのは、図２の場合と同じである。よって、作業行程において、起動時間が短縮され、電動推力発生装置の起動特性が改善される。また、作業行程における停止時には、より大きな制動力が電動モータ２に作用することとなり、停止時に熱として放出される運動エネルギの量が減少し、熱吸収のための対策が不要となると共に、電動推力発生装置１の効率の低下を図ることが可能となる。
また、戻り行程において、起動時に電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＲ）から（ＦＷ−ＦＢ）へと減少し、停止時に電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＲ）から（ＦＲ＋ＦＡ）へと増加する。したがって、電動モータ２に負荷がかかる戻り行程においても、作業行程と同様の作用効果が得られる。なお、図３の例では、ＦＷ＞ＦＲとなっているが、ＦＷ≦ＦＲであっても同様の結果を得ることができる。
【００３２】
上記構成をなす本発明の実施の形態により得られる作用効果は、以下の通りである。まず、電動推力発生装置１は、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂを、前記往復運動要素の往路および復路の各行程において圧縮するバネと伸長するバネとして備え、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂの反力の均衡点Ｎが、前記往復運動要素の往復行程の途中に位置するように設けたことで、前記往復運動要素が往路および復路の端部、即ち、停止位置および起動位置へと近づくにしたがい、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂのうちいずれか一方の反力が増大し他方の反力が減少することとなる。
【００３３】
そして、前記往復運動要素の運動エネルギを、反力が増大するバネによって吸収することで、停止時に前記往復運動要素から放出すべき運動エネルギを、前記反力が増大するバネに蓄え、熱として放出される運動エネルギを減少させることができる。さらに、前記往復運動要素を、停止状態から起動させる場合には、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂに蓄えたエネルギを前記往復運動要素の運動エネルギとして利用することで、電動モータ２に要求される起動時の駆動力を減少させる。すなわち、本発明の実施の形態によれば、前記往復運動要素が一定速度で運動する際の運動エネルギーを、電動モータ２と各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂとの間で循環させて再利用することが可能となる。
【００３４】
また、本発明の実施の形態では、中間ケーシング１３とガイド部材８Ａとの間、および、減速機ケーシング１０とガイド部材８Ｂとの間に、夫々、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂを設けている。すなわち、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂを、前記往復運動要素の往復運動方向に前後して配置することで、前記往復運動要素の往路および復路の各行程において各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂの反力の均衡点Ｎが、前記往復運動要素の往復行程の途中に位置するように配置することができる。
【００３５】
なお、本発明の実施の形態では、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂの双方を圧縮バネとしたが、これに代えて、双方のバネを引張りバネとしても同様の作用効果を得ることができる。そして、何れの場合であっても、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂ各バネの支持構造を共通化することができ、構造の単純化、組立作業の容易化を図ることができる。
また、必要に応じて、中間ケーシング１３とガイド部材８Ａとの間、および、減速機ケーシング１０とガイド部材８Ｂとの間のいずれか一方に、圧縮バネと引張りバネとを設け、かつ、当該圧縮バネと引張りバネとの反力の均衡点を、前記往復運動要素の往復行程の途中に位置するように配置することも可能である。
【００３６】
また、本発明の実施の形態では、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂは、前記往復運動要素が往路および復路の端部に位置する状態においても、自由長へは復帰しないように配置されることから、前記往復運動要素が往路および復路の端部に位置するとき、何れのバネも前記往復運動要素に対し反力を付与することとなる。このため、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂは自ら発生する弾性力によって、その位置や姿勢を安定させることができ、前記往復運動要素が一定速度で運動する際の運動エネルギーを、電動モータ２と各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂとの間で安定的に循環させ、再利用することが可能となる。
なお、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂを、前記往復運動要素が往路および復路の端部に位置する状態において自由長または取付長を越えて伸びるように構成することも可能である。かかる場合には、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂの発生するバネ力は、非線形となる。
【００３７】
また、本発明の実施の形態では、電動モータ２が設定速度に達した時点で、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂから前記往復運動要素へと与えられる弾性力が前記往復運動要素を加速させるように作用する場合に、電動モータ２への電力供給を止め、電動モータが設定速度で運転中に、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂから前記運動往復要素へと与えられる弾性力が前記往復運動要素を減速させるように作用する場合に、設定速度を維持するための電力を電動モータ２へと供給する制御手段を備えることから、電動モータ２が設定速度を維持しようとして電気制動を行うことが無く、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂに蓄積されたエネルギを無駄に消耗することを防ぐことができる。
【００３８】
また、電動モータ２が設定速度で運転中に、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂから前記運動往復要素へと与えられる弾性力が、前記往復運動要素を減速させるように作用する場合に、前記制御手段によって、設定速度を維持するための電力を電動モータ２へと供給する。そして、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂの反力に対抗して前記往復運動要素を往路および復路の端部近傍（減速開始位置）まで設定速度で移動させることができる。
また、前記往復運動要素が一定速度で運動する際の運動エネルギーを、電動モータ２と各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂとの間で循環させて再利用することが可能となる。よって、電動推力発生装置１の可動部に蓄えられた運動エネルギーが、従来のごとく停止時に熱として放出されることによるエネルギー損失を削減し、効率的な運転を行うことが可能となる。かかる運転効率の向上の効果は、電動推力発生装置１の往復動作のサイクルタイムが短くなるほど、顕著となる。
【００３９】
また、本発明の実施の形態では、ボールネジ４の先端部とガイド部材８とを、可撓軸９を介して固定したことにより、異なる組立基準に基づき別々に構成されるボールネジ４と、ガイド部材８とを、互いに組み合わせる際に生ずる位置ズレを、可撓軸９の撓みによって吸収することができる。そして、ボールネジ４とガイド部材８の何れにも、ストレスを与えることなく確実に両者を連結し、ボールネジ４とガイド部材８との力の伝達を確実に行うことが可能となる。
【００４０】
さらに、可撓軸９に歪ゲージ等を貼付してロードセルとして用いる場合には、所定の機能を発揮し得るように、可撓軸９は高品質の材料を用いかつ高精度の加工技術によって、必要最小限の直径に形成されていることから、可撓軸９に作用する軸力による応力（または歪）は大きく、必然的に高感度のロードセルを構成することができる。また、可撓軸９は前記の品質レベルを実現するために、特に管理された環境下で生産されるため、歪ゲージ等の貼付作業も同様の環境及び手順で入念に行われるので、安定した高品質を得て、かつ、較正も容易となるので高精度のロードセルとすることができる。
【００４１】
このため、射出成形機のシリンダの駆動手段として、射出液体の物性値の変化や吐出圧など運転条件の変化に高度に対応するべく、吐出圧一定の制御を要求されるような場合でも、電動推力発生装置１は高感度・高精度かつ高品質のロードセルを備えることによって、かかる要求に十分に対応することができる。
なお、本発明の実施の形態に係る電動推力発生装置１を、目的に応じて並列に並べて使用することにより、大きな出力を得ることも可能である。
【００４２】
さて、図４には、図１に示した電動推力発生装置１の応用例を示している。図３では、図１の例と同一部分若しくは相当する部分については、同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。
【００４３】
図４に示す電動推力発生装置１’が図１に示す電動推力発生装置１と構成を異にする点は、前記往復運動要素の往路および復路の各行程において、前記往復運動要素の往復行程の端部近傍でのみ前記往復運動要素に当接する自由長または取付長を有する圧縮バネを設けたことを特徴とするものである。
【００４４】
具体的には、図４（ａ）に示すように、前記往復運動要素が上死点に位置するとき、コイルバネ１１Ａの下端部とガイド部材８Ａとの間に隙間ＣＡが生ずるように、その一端を中間ケーシング１３に固定したコイルバネ１１Ａの長さを設定する。また、図４（ｂ）に示すように、前記往復運動要素が下死点に位置するとき、コイルバネ１１Ｂの上端部とガイド部材８Ａとの間に隙間ＣＢが生ずるように、その一端を変速機ケーシング１０に固定したコイルバネ１１Ｂの長さを設定する。
【００４５】
図４に示す電動推力発生装置１’においても、図３の場合と同様に、作業行程のみならず戻り行程においても電動モータ２に負荷がかかることとしたときの、電動推力発生装置１’の駆動力および制動力の変化を、図５に示す。かかる場合には、電動モータ２は、図５（ａ）に示すように、作業行程において負荷ＦＷを駆動し、戻り行程において負荷ＦＲを駆動する。また、図５（ｂ）に示すように、前記往復運動要素の往復行程の端部近傍でのみ、コイルバネ１１Ａが圧縮されることによりバネ力ＦＡを発生し、同様に、前記往復運動要素の往復行程の端部近傍コイルバネ１１Ｂが圧縮されることによりバネ力ＦＢを発生する。
【００４６】
そして、図５（ｃ）には、図５（ａ）および図５（ｂ）の合成図を示している。この場合においても、作業行程および戻り行程の何れの行程も、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂのバネ力は、往復運動要素の起動時には加速するように、停止時には制動するように作用する。
【００４７】
具体的には、作業行程において、起動時に電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＷ）から（ＦＷ−ＦＡ）へと減少し、停止時に電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＷ）から（ＦＷ＋ＦＢ）へと増加する。しかし、作業行程の中間位置においては、電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＷ）で一定となる。よって、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂのバネ力の効果を非線形に受けつつ、作業行程において起動時間が短縮され、電動推力発生装置の起動特性が改善される。また、作業行程における停止時には、より大きな制動力が作用することとなり、停止時に熱として放出される運動エネルギの量が減少し、熱吸収のための対策が不要となると共に、電動推力発生装置１の効率の低下を図ることが可能となる。
【００４８】
また、戻り行程において、起動時に電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＲ）から（ＦＷ−ＦＢ）へと減少し、停止時に電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＲ）から（ＦＲ＋ＦＡ）へと増加する。しかし、戻り行程の中間位置においては、電動モータ２に加わる負荷は、（ＦＷ）で一定となる。よって、コイルバネ１１Ａ、１１Ｂのバネ力の効果を非線形に受けつつ、電動モータ２に負荷がかかる戻り行程においても、作業行程と同様の作用効果が得られる。
すなわち、図４に示す例によれば、前記往復運動要素が往路および復路の端部近傍、即ち、停止位置および起動位置の近傍でのみ、各コイルバネ１１Ａ、１１Ｂのうちいずれか一方の反力を増大させるものとなり、前記往復運動要素が往復する際のバネから受ける反力の影響を非線形のものとすることができる。
【００４９】
さらに、図１、図４に示す電動推力発生装置１、１’の何れにも適用可能な応用例として、電動モータ２に、ベクトル制御方式のインバータによって駆動される誘導モータを採用することにより、以下のような作用効果を得ることができる。
【００５０】
まず、電動モータ２に、汎用誘導モータを用いることで、モータコストを抑え、かつ、誘導モータには不可避の、負荷に応じたスリップの発生に起因する速度制御性の低さを、インバータの持つベクトル制御方式を利用して補い、速応性のよい高精度の速度制御を行うことが可能となる。
すなわち、誘導モータは負荷によってスリップ率が変化するので、励起周波数が一定であっても、負荷によって回転数は変動する。さらに電動推力発生装置１、１’は、前記可動部の移動の際にコイルバネ１１Ａ、１１Ｂを圧縮・伸長させるのであるから、電動モータ２の駆動力が一定であったとしても前記可動部の移動によってコイルバネ１１Ａ、１１Ｂの発生する弾性力は変化し、よって電動モータ２の負荷も変化する。その結果、誘導モータである電動モータ２で駆動される電動推力発生装置１、１’の回転速度を一体に保つための、何らかの対策を講ずることが好ましい。この欠点を補うためにベクトル制御方式のインバータを適用する。すなわち、インバータにおけるベクトル制御は誘導モータのスリップを補正して回転速度を一定に保つこことを可能にする制御方式であるからこの欠点を補うことができるものである。
【００５１】
また、ベクトル制御方式のインバータによって駆動される一般的な誘導モータを、回転停止を高い頻度で繰返す（すなわち、高頻度の急速停止が必要となる）条件での使用する時には機械式ブレーキの適用は困難であるから、回生抵抗によって誘導モータを急速停止させることになる。しかしながら、回生抵抗を用いた場合には、停止の度にエネルギーロスを生ずることとなることは明らかである。
【００５２】
しかしながら、本発明の実施の形態では、前述の蓄エネルギー手段によって、可動部の運動エネルギーを吸収・蓄積することで、回生抵抗を用いた電気ブレーキを使用することなく、効率的にモータ２の回転を止め、上記エネルギーロスの発生を防ぐことができる。よって、高効率の電動推力発生装置１，１’を、誘導モータを動力源に使用して成立させることが可能となる。
【００５３】
また、本発明の実施の形態の更なる応用例として、以下のように構成される位置制御手段を採用し、電動推力発生装置１”の作動精度を、更に向上させることも可能である。
【００５４】
図６に示す電動推力発生装置１”の位置制御手段は、コイルバネ１１Ａと並列に設けられ、かつ、コイルバネ１１と共にガイド部材８を駆動する部材ａ（図６の例では可撓軸９）と、部材ａおよびコイルバネ１１Ａの力を一括して受け止め、負荷部である加圧シリンダに直接作用する部材ｂ（図６の例では可撓軸１４）とを、構成要素として有するものである。なお、可撓軸１４は、ガイド部材８とプランジャ１２との間に設けられたものであり、可撓軸９と同様に歪ゲージ等（図示省略）を貼付することで、ロードセルとして用いることができる。また、ロードセルとして機能する部材ａに加わる軸力Ｆａと、同じくロードセルとして機能する部材ｂに加わる軸力Ｆｂとを測定し、以下の演算を行う制御手段（図示省略）を含んでいる。
【００５５】
ところで、コイルバネ１１Ａおよび１１Ｂの合成バネ定数をＫ、ストロークをＸとすると、部材ａに加わる軸力Ｆａと、部材ｂに加わる軸力Ｆｂとの間には、
Ｆｂ＝Ｆａ＋Ｋ×Ｘ　‥‥（１）
の関係が成り立ち、式（１）を変形して、
Ｘ＝（Ｆｂ−Ｆａ）÷Ｋ　‥‥（２）
を得ることができる。
【００５６】
したがって、ＦａとＦｂとを計測して、式（２）に沿った演算を前記制御手段で行い、バネストロークＸすなわち電動推力発生装置の作動ストロークを得ることが可能である。そして、求められたバネストロークＸを、予め設定された指令値と比較して、電動モータ２の速度制御にフィードバックすることで、電動推力発生装置１”の作動ストロークを、正確かつ容易に制御することが可能となる。なお、電動推力発生装置１”の電動モータ２にも、前述の汎用誘導モータを用いることにより、上述の作用効果を得ることができる。
【００５７】
なお、詳しい説明は省略するが、本発明の実施の形態に係る電動式のロータリー推力発生装置へと応用することも可能である。さらに、電動モータ２の駆動力を、減速機を介すことなく直接的にボールネジ４に伝達する構造の電動推力発生装置にも、適用させることができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明はこのように構成したので、電動モータで発生させた回転運動により往復運動を発生させる電動推力発生装置の起動時および停止時における過渡特性を改善し、エネルギ効率の高い電動推力発生装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る、電動推力発生装置を示す模式図である。
【図２】図１に示す電動推力発生装置において、「作業行程」のみ負荷を駆動し、「戻り行程」は無負荷となる場合の、電動モータで発生させる駆動力とコイルバネで発生する弾性力との関係を示す説明図である。
【図３】図１に示す電動推力発生装置において、「作業行程」、「戻り行程」の双方において負荷を駆動する場合の、電動モータで発生させる駆動力とコイルバネで発生する弾性力との関係を示す説明図である。
【図４】図１に示す電動推力発生装置の応用例を示す模式図である。
【図５】図４に示す電動推力発生装置において、「作業行程」、「戻り行程」の双方において負荷を駆動する場合の、電動モータで発生させる駆動力とコイルバネで発生する弾性力との関係を示す説明図である。
【図６】図１に示す電動推力発生装置の更なる応用例を示す模式図である。
【符号の説明】
１、１’、１”　電動推力発生装置
２　電動モータ
３　減速機
４　ボールネジ
５　フレーム
６　加圧シリンダ
７、７Ａ、７Ｂ　スライドガイド
８、８Ａ、８Ｂ　ガイド部材
９、１４　可撓軸
１０　減速機ケーシング
１１、１１Ａ、１１Ｂ　コイルバネ
１２　プランジャ
１３　中間ケーシング
１５　継手
２０　プランジャポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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