(57)【要約】【課題】  従来のバッテリタイプ絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダでは、主電源ＯＦＦ時の絶対位置データを保持するために使用するバックアップ用バッテリには有限の時間制約が存在し、また、一定稼動期間後には寿命劣化による交換作業が必要であった。【解決手段】  本発明は、主電源ＯＦＦ時に、サーボモータ軸を停止保持するブレーキ機構、あるいは、シリンダの回転−直動機構に台形ネジ機構を用いることにより、その機構が本来的に有する機械機能であるセルフロック機能を活用し、主電源ＯＦＦ後にバックアップ電源よりの電力供給を微小時間通電（ブレーキが作動するまでの時間）し、その後はバックアップ電源よりの電力を停止し、バッテリの電力消費を著しく減少させることによって、無限の再充電性能を有する電気二重層コンデンサをバッテリのかわりに使用することを可能とし、バッテリの交換作業を取り除くようにした。【選択図】図１
2007192785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶対位置検出装置と電動サーボシリンダとからなる絶対位置検出装置付き電動
サーボシリンダで、絶対位置検出装置はインクリメンタルエンコーダと絶対位置計測用カウンタ回路とバックアップ電源と電源コントロール回路とサーボモータ軸用ブレーキ回路とからなり、主電源ＯＦＦ後サーボモータ軸用ブレーキを作動させる装置とサーボモータ軸完全停止後の最終カウント値を記憶し、主電源の電力供給がない場合でもその値を保持する回路とブラシレスサーボアンプ内の巻線励磁位相を保全する回路とカウント値をカウンタにセットする回路と、前記カウント値からブラシレスサーボアンプ内の巻線励磁位相を決定する回路手段とカウンタセット完了後サーボモータ軸用ブレーキを開放する装置とを具備したことを特長とする絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダ。
【請求項２】
請求項１のサーボモータ軸用ブレーキを用いるかわりにシリンダ部の回転−直動変換機構を台形ネジ機構で構成することにより、台形ネジ回転−直動変換機構が有する本来的なセルフロック機能をサーボモータ軸用ブレーキとして用いたことを特長とする絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダ。
【請求項３】
請求項１及び請求項２の絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダにおいて、バックアップ電源に電気二重層コンデンサを使用することを特長とする絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は空圧シリンダに換わってその駆動エネルギ消費を大幅に削減し、かつ、多点停止、移動中速度可変等の制御性を著しく改善した電動サーボシリンダに関する。
【背景技術】
【０００２】  作業開始時または停電後の再スタート時に原点復帰動作を必要としない絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダはその利便性の点から強い需要がある。【０００３】  インクリメンタルエンコーダの出力とインクリメンタルエンコーダによって移動量が検出される移動体の移動方向とに基づいて移動体の絶対位置データを求める従来の絶対位置検出装置では、電源の停電または事故等で主電源からの給電が停止された場合でも絶対位置データを維持できるようにするためにバックアップ電源を備えている。バックアップ電源はバッテリから構成されるため停電や事故の復旧が遅れるとバックアップ電源の出力電圧が低下して電源バックアップをすることができなくなる。そこで、電源が主電源からバックアップ電源に変更された時に絶対位置検出装置内部の電子回路をチョッパー動作させることによりバックアップ時の消費電力を低下させることが従来行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  上記のような従来の手段では構成の複雑なチョッパー回路を必要とする上に回路部品点数が多くなる。また、バッテリとチョッパー回路の組み合わせではバックアップ時間の増加は期待出来るものの、有限の容量を持ったバッテリの時間限界とその寿命に基づく交換作業は避けられないという不都合な点を持っている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  本発明は上記課題を解決するために移動体の移動量を検出するインクリメンタルエンコーダと、移動体の移動方向とインクリメンタルエンコーダから出力されるパルス信号とから絶対位置データを求めるカウンタ回路と、主電源からの電力の供給が停止されている期間のバックアップに用いられるバックアップ用電源と、主電源からの電力の供給が停止されると電源をバックアップ電源に切り換える電源コントロール回路とを具備してなる絶対位置検出装置を備えた絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダを改良の対象とする。【０００６】  請求項１の発明では、主電源からの電力の供給が停止された後に、サーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキが作動して、サーボモータの回転を完全に停止させる。完全停止を確認判定後に判定手段からの指令に基づき、カウンタ回路から最終カウント値を記憶手段が記憶し、
保持する。【０００７】  次に、主電源から電力が供給されると、記憶手段に記憶させた最終カウント値をセット手段によりカウンタ回路にセットする。その後、電磁ブレーキを開放する。また、電源コントロール回路は記憶手段が前記最終カウント値を記憶した後にバックアップ用電源からの電力の供給を停止するように構成する。【０００８】  請求項２では主電源ＯＦＥ後強制停止ブレーキを用いる代わりにサーボシリンダ部の回転−直動変換機構に台形ネジを用いることによってネジ機構が本来的に有している摩擦力をブレーキ機能として用い、サーボ軸が完全停止後は請求項１の動作と全く同様な動作を行う構成となっている。【０００９】  請求項３では、本発明の特長である、主電源ＯＦＦ時のバックアップ電源の電力消費が著しく少ないことから、通常のバッテリを使用する必要はなく、再充電特性に特に優れた電気二重層
コンデンサを使用することが可能となり、バッテリ交換の作業を取り除くことが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】  本発明の絶対位置検出装置によれば主電源からの給電停止後に自動的にサーボモータ出力軸は強制的に回転軸が停止されカウンタ回路が最終カウント値を計数し、最終カウント値を記憶手段に記憶し、電力の供給がない状態でも記憶値を保持し、主電源からの供給が再開されると、記憶した最終カウント値をセット手段によりカウンタ回路にセットするようにしたので主電源が復旧すると、停止時の状態から継続して支障なく絶対位置検出動作を再開することが出来る。また、本発明では電源コントロール回路は記憶手段が最終カウント値を記憶するとバックアップ電源からの給電を停止させるのでバックアップ用電源からの給電を短時間として、消費電力を著しく低減することが出来る。この低消費電力特性によって、バックアップ用電源として使用されていた通常のバッテリを使用する代わりに再充電特性に優れた電気二重層コンデンサの使用が可能となり、バッテリの交換作業を取り除くことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００１１】  以下に本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例の構成を示したもので、同図の１はインクリメンタルエンコーダ、２はカウンタ回路、３は電源コントロール回路、４ａは主電源からの電力の供給が停止された後に、カウンタ回路２が最終カウント値を計数したか否かを判定する判定手段として用いられる変移量検出回路または速度ゼロ検出回路、５は記憶回路、６はセット手段、７はブレーキ回路、８はサーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキ、９はサーボアンプ、１０はサーボアンプ９内のモータ巻線励磁位相決定回路、１１はサーボモータの回転動作を直動動作に変換する機能を有するシリンダであり１２はサーボモータである。【００１２】  インクリメンタルエンコーダ１は回転型またはリニア型のいずれでも良く移動体の移動量を検出して、位相の９０度ずれたＡチャンネル信号とＢチヤンネル信号を出力する。カウンタ回路２はアップダウンカウンタからなり、移動体の移動方向とインクリメンタルエンコーダ１から出力される９０度位相の異なるＡチャンネル、Ｂチャンネルのパルス信号から絶対位置データを算出する。電源コントロール回路３には、主電源とバッテリからなるバックアップ用電源の出力とが入力されていて、主電源からの電力の供給が停止されると電源をバックアップ用電源に切り換える。
主電源がＯＦＦになるとブレーキ回路７よりブレーキ保持信号が出力され、サーボモータ１２の回転を強制的に停止するようにブレーキ８が動作する。サーボモータ１２が回転停止すると、エンコーダ１からのパルス信号の出力が停止するので、カウンタ回路２の計数値の変化が不変になる。変化量検出回路即ち速度ゼロ検出回路４ａは、主電源からの電力の供給が停止された後に、カウンタ回路２が最終カウント値を計数したか否かを、所定時間内におけるカウント値の変化量を検出して変化量がゼロであれば、その時の値が最終カウント値であると判断する。【００１３】  記憶回路５は、速度ゼロ検出回路４からの指令に応じて前記の最終カウント値を記憶し、電力の供給がない状態でも記憶値を保持する。このような電力の供給がない状態でも記憶値を保持する事が出来る記憶回路５の記憶手段としてはＥＥＰＲＯＭを用いることが出来る。【００１４】  電源コントロール回路３は記憶回路５が最終カウント値を記憶した後にバックアップ用電源からの電力の供給を停止するように動作する。具体的には速度ゼロ検出回路４が所定時間内におけるカウント値の変化速度または変化量がゼロになった事を検出して、記憶回路５が最終カウント値の記憶を完了した後に、バックアップ用電源からの電力の供給を停止するように、電源コントロール回路３が構成されている。図２は電源コントロール回路３の構成の一例をしめしたもので、３ａはスイッチングレギュレータ（ＳＷレギュレータ）、３ｂはリレー、３ｃ，３ｄはダイオード、３ｅはレギュレータである。同図において、主電源１３がＯＮ状態の場合即ち主電源１３から電力の供給がある場合には、スイッチングレギュレータ３ａからの出力を受けた判定手段４（図１の実施例では速度ゼロ検出回路４ａ）の出力で、リレー３ｂはＯＦＦ状態（開状態）になっている。この時スイッチングレギュレータ３ａは、主電源１３からの交流電力を直流電力に変換し、直流電力はダイオード３ｃを通してレギュレータ３ｅに入力され、レギュレータ３ｅからエンコーダ１及び制御回路へと供給される。主電源１３がＯＦＦ状態（主電源からの電力の供給が停止された状態）になると、スイッチングレギュレータ３ａの出力が無くなって判定手段４が判定動作を開始すると同時にリレー３ｂがＯＮ状態（閉状態）となり、瞬時にバックアップ用電源１４の出力がダイオード３ｄを通してレギュレータ３ｅに供給され、レギュレータ３ｅからエンコーダ１及びその制御回路へ給電は続けられる。その後、判定手段４が判定動作を完了して、記憶回路５が最終カウント値を記憶すると、判定手段４からの出力でリレー３ｂはＯＦＦ状態となり、バックアップ用電源１４からの給電が停止される。判定手段４が記憶回路５に最終カウント値を記憶させた後に、リレー３ｂがＯＦＦ状態となるようにするためには、リレー３ｂに遅延回路またはタイマー回路を内蔵させればよい。図２の例では、スイッチングレギュレータ３ａからの出力で判定手段４が判定動作を開始すると同時にリレー３ｂが動作するように構成されているが、リレー３ｂの構造を主電源１３からの電力の供給の有無を直接検出して、主電源１３の電力の供給がなくなると直接ＯＮ状態になる構造としてもよい。【００��５】  図１に戻って、主電源１３からの電力供給が再開されると、セット手段６が動作して、記憶回路５に記憶させた最終カウント値をカウンタ回路２にセットする。セット手段６は、主電源１３から電力が供給されたときにセット動作を行うように構成されている。これにより、主電源の復旧後、カウンタ回路２は主電源の停止時に検出した移動体の絶対位置データから継続して、支障なく絶対位置検出データの出力を再開する。上述のように、電源コントロール回路３は記憶回路５が最終カウント値を記憶するとバックアップ用電源からの電力の供給を停止するように動作するので、バックアップ用電源の電力消費を大幅に軽減することができる。特に、本実施例においては、サーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキ８と判定手段として速度ゼロ検出回路４ａを用いているために、最も短い時間で最終カウント値を記憶回路５に記憶させる事ができ、バックアップ用電源の電力消費を最小に抑えることが可能になる。また、サーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキ８を使用しているために、主電源の供給が停止されている際に、外部よりシリンダ軸を動かすような外乱に対しても、サーボ軸は動く事がなく絶対位置データは正しく保存される。さらに、上述したように、バッテリバックアップ時間が著しく短時間（最大でも１秒程度）であるために、バックアップ用電源を構成する手段は一般のバッテリの必要はなく、電気二重層コンデンサ等を用いて構成することが可能となり、バッテリ寿命交換の手間が省けることになる。【００１６】このように構成され、動作する絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダにおいては一般のブラシレスサーボモータが有する、モータ巻線励磁位相決定前の初動時の発生トルクが低下する制約が存在しなくなる性能が得られることになる。以下その理由について説明する。実施例の図１において、カウンタ回路２は主電源の有る無しに関わらず常にサーボモータ回転軸の絶対位置データが保存されている。この絶対位置データをサーボアンプ９内のモータ巻線励磁位相決定回路１０に導くことにより、どのような場合でも最適な励磁位相を決定できることが可能になる。
もちろん、ブラシレスサーボモータと絶対位置検出装置とサーボアンプを最初に組み合わせるシステム製造段階では、３者の組み合わせ調整が必要であることは自明の理である。この組み合わせが一度実行された後に上記の効果が出てくることになる。【００１７】  図３は、図１の実施例をマイクロコンピュータを利用して実現する場合のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。このフローチャートの各ステップを説明すると、先ず、本実施例ではステップＳＴ１において主電源のＯＦＦを検出し、主電源がＯＦＦの場合はステップＳＴ２でバックアップ電源をＯＮさせ、ステップＳＴ３で軸ブレーキを作動させる。そしてステップＳＴ４で速度ゼロ検出回路４ａによりカウント値の変化速度がゼロか否かを検出する。速度ゼロが検出されると、ステップＳＴ５で記憶回路５にカウンタ回路２のカウント値を記憶させる。その後、ステップＳＴ６でバックアップ用電源をＯＦＦにする。そしてステップＳＴ７で主電源がＯＮになったら、ステップＳＴ８でセット手段６の作用によりカウンタ回路２に記憶されたカウント値をプリセットする。【００１８】  図４は、本発明の基本構成の一つである回転−直動変換機構に用いられる台形ネジ機構の断面図であり、図５は回転−直動変換機構を構成する場合に一般的に使用されるボールネジ機構の断面図を示している。図４の台形ネジ機構の断面図で、１５はナットの断面であり、１６はネジの断面である。台形ネジ機構を回転−直動変換機構として用いる場合には、ネジ１６がサーボモータ１２により回転駆動された際に、回転防止機構によりナット１５は回転しないように組み付けされている。このことによって、ナット１５はネジ１６の回転軸に平行な直進運動を行うようになる。図５に示すボールネジ機構も同じく、ナット１７の回転を止める機構により、ナット１７の直進運動をおこなうことは台形ネジ機構の場合と同様である。同じ回転−直動変換機構である台形ネジ機構とボールネジ機構の相違点は両方式の動力伝達方式にある。台形ネジ機構は図４の断面図より回転するネジ１６と回転防止機構が設けられているナット１５の間の面の摩擦力を介して回転軸に平行な直進力に変換される機構であり、図５のボールネジ機構の場合はネジ１９とナット１７間に挿入されているボール１８の転がり摩擦を介して、回転力が直進力に変換される。従って両方式の摩擦力を比較した場合、当然、台形ネジ機構方式の方が摩擦力は大きくなる。一般には摩擦力が大きいということは、効率が悪いとして敬遠される傾向にあるが、シリンダ用途に使用した場合には、台形ネジ機構１５，１６のこのマイナス面をプラス面に変える事が可能である。なぜならば、摩擦力が大きいことがセルフロック機能（ナット１５に加えられるシリンダ外部からの外乱的な直進力によりネジ１６が逆回転させられる動作を防止する機能）を本来的に有し、また、接触面を介しての動力の伝達方式であることから耐衝撃性能がボール１８を介しての点接触で動力伝達を行うボールネジ機構方式より飛躍的に優れている。本発明においてはこのセルフロック機能を極めて有効に活用することによって、外部ブレーキを使用しないでサーボモータ軸を停止させ、その状態を保持させることが可能��ある。逆に、ボールネジ機構を使用する場合は外部に軸停止用ブレーキを用いることは図１に示すようにセルフロック機能を持たないために必要なことである。【００１９】  図６はバックアップ用電源に電気二重層コンデンサを用いた場合のブロック図である。本発明は上述のごとく、主電源１３がＯＦＦすると、直ちに、バックアップ用電源（電気二重層コンデンサ）２０に切り換る。バックアップ電源２０からの電力の供給はサーボモータの回転軸がサーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキ８または台形ネジ機構のセルフロック機能により極めて短い時間である。従って、この期間に消費される電力も極めて微小な電力である。消費電力が極めて小であることから、このバックアップ用電源には通常のバッテリではなく、近年その性能改善が著しく進んだ電気二重層コンデンサを使用することが可能となる。また、電気二重層コンデンサは原理的に無限回数の再充電特性を有しているために、充電回数の制約がある一般のバッテリを使用した場合とは違って、寿命による交換が不要となり、装置のメンテナンス性能が著しく改善される。スイッチングレギュレータ３ａから電気二重層コンデンサ２０に接続されている配線は主電源がＯＮ時に電気二重層コンデンサを再充電するための回路である。
【産業上の利用可能性】
【００２０】  絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダは多軸使用のシステムにおいてその特長を発揮する。即ち、多軸ロボット等のアプリケーションにおいて瞬時停電が発生した場合、作業途中でロボットが瞬間停止をする例は生産工場においては度々見かける現象である。このような場合にインクリメンタルエンコーダを使用しているロボットシステムでは電源復旧時に、瞬時停電前に行っていた作業を中断し、全てのロボット軸を一度、原点復帰させてから作業に戻る必要が有る。使用するロボットの台数が多い生産工場においては、この原点復帰作業に要する時間損失は耐えられないものである。然るに、絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダを用いたロボットシステムを採用していた場合には、電源復旧時、瞬時停電で停止していた場所から原点復帰動作を行うことなく中断していた作業を継続再開することが可能である。本発明はかかる利便性の高い絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダの一定時間稼動後のバッテリ交換作業を不要とし、さらに、機械構造と電気回路を簡単にし、且つ、安価に供給することを可能としたものであり、その産業界に於ける効果は計り知れないものがある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】は本発明の絶対位置検出装置付き電動サーボシリンダの実施例を示すブロック図である。
【図２】は図１の実施例のブロック図内の電源コントロール回路３の内部ブロック図である。
【図３】は図１の実施例をマイクロコンピュータを利用して実現する場合のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
【図４】は本発明の基本構成要素である台形ネジ機構の断面構造図である。
【図５】は回転−直動変換機構として一般的に使用されているボールネジ機構の断面構造図である。
【図６】はバックアップ電源をバッテリから本発明の構成要素である電気二重層コンデンサに換えた場合の電源コントロール回路周辺のブロック図である。
【符号の説明】
【００２２】１  インクリメンタルエンコーダ
２  カウンタ回路
３  電源コントロール回路
３ａ  スイッチング（ＳＷ）レギュレータ
３ｂ  リレー
３ｃ  ダイオード
３ｄ  ダイオード
３ｅ  レギュレータ
４ａ  は速度ゼロ検出回路
４  判定手段
５  記憶回路
６  セット手段
７  ブレーキ回路
８  サーボモータ出力軸強制停止用電磁ブレーキ
９  サーボアンプ
１０  サーボアンプ９内のモータ巻線励磁位相決定回路
１１  シリンダ（回転−直動変換機構部）
１２  サーボモータ
１３  主電源
１４  バックアップ電源
１５  台形ネジ機構のナット
１６  台形ネジ機構のネジ
１７  ボールネジ機構のナット
１８  ボールネジ機構のボール
１９  ボールネジ機構のネジ
２０  電気二重層コンデンサ
【図１】
2007192785.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2007192785.tif 000006
【図５】
2007192785.tif 000007
【図６】
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