JP2001336598A - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 弁開度等を示す出力軸の変位に影響を与える
ことなく、出力軸に作用するスラストを高い精度で検出
することが可能なスラスト検出機能を有する電動アクチ
ュエータを提供する。 【解決手段】 筒状のねじ軸１５の中空部に挿入した出
力軸１０の端部を、ステムナット２２の閉鎖端に設けた
孔２６に挿通するとともに軸線方向の摺動を許容してス
テムナット２２に係止し、ステムナット２２と出力軸１
０との間のスラスト方向にばね２８、２９を配設して、
出力軸１０に作用するスラストに応じてばね２８、２９
を変位させ、ステムナット２２と出力軸１０との相対変
位からスラスト量を検出するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モータの回転運動
を直線運動に変換する電動アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】モータの回転運動を直線運動に変換する
電動アクチュエータは、例えばバルブの開閉を行うアク
チュエータとして、数多くのものが実用化されている。

【０００３】この種の電動アクチュエータでは、モータ
の回転数を減速する機構として、１段で大きな減速比が
得られるウオーム歯車を用いたものが多い。その一例と
して、図３に示す従来構造があげられる。この従来構造
において、ウオームホイール(１)は、図示してない電動
アクチュエータのねじ軸に固着されており、ウオームホ
イール(１)は、ウオーム(２)、ヘリカルギア(３)を介し
てモータ(４)により減速回転させられる。

【０００４】このようなウオームホイール(１)を用いて
いるのは、上述の理由の他に、ウオーム(２)を負荷の大
きさに応じて軸線方向に変位させ得る構造として、ウオ
ーム(２)の変位量から、ウオームホイール(１)に作用す
るトルクをトルクスイッチ(５)により検出できるからで
ある。

【０００５】一方、特開平４ー１６５１７２号公報や、
特許第２５８３４６９号公報には、ハウジングに対する
ステムナットの変位に相当する値から、スラスト量を求
める装置が開示されている。具体的に言うと、特開平４
ー１６５１７２号公報には、スラスト軸受の外輪に作用
する負荷を検出可能な装置、及び可撓体を介してスラス
ト軸受の外輪を変位させ、その変位量からスラストを検
出可能な装置が開示されている。また、特許第２５８３
４６９号公報には、ハウジングに対する出力軸の変位量
から、スラスト検出が可能な装置が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ウオームの変
位量からウオームホイールに作用するトルクを検出して
も、ウオームホイールの回転運動を出力軸の直線運動に
変換するねじ部分に、摩擦係数μの摩擦が存在するた
め、μの変動の影響を強く受ける。

【０００７】通常、ステムナットには、銅合金材料が用
いられ、ねじ軸には、鉄鋼材料が用いられる。これらの
材料間で摺動した場合には、代表的な摩擦係数μの値と
して０．１５が採用されている。しかしながら、μの値
は、潤滑状態の如何によって影響を受け、０．１から
０．３程度の範囲で変動することが知られている。

【０００８】したがって、ウオームホイールに作用する
トルクを検出したとしても、これが必ずしも出力軸のス
ラスト量に比例するものではないので、バルブの保護を
図れない場合もある。

【０００９】現実にウオームホイールに作用するトルク
を検出して、バルブの保護を行っているプラントにおい
ても、過大スラストによりバルブが損傷を受ける事故が
絶えない。

【００１０】そのため、ウオームホイールに作用するト
ルクではなく、出力軸に作用するスラストを直接に検出
したいという要望が強い。

【００１１】特開平４ー１６５１７２に開示されている
ものでは、歯車が固着された軸の軸受自体とハウジング
との間に可撓体が挿入されているため、軸の支持剛性が
低下して歯車の噛み合いに悪影響を及ぼすという欠点が
ある。また、軸受の外輪には、スラスト荷重のみなら
ず、ラジアル荷重も作用するため、ハウジングに対して
軸受外輪の移動が円滑に行われないという欠点がある。

【００１２】特許第２５８３４６９号公報に開示されて
いるものは、構造が極めて複雑で高価になるという欠点
がある。

【００１３】さらに上記各公報に記載の装置において
は、開度信号をばねの変位とは独立に、ウオームホイー
ルの回転数から得ているため、ばねが変位すると実際の
開度と開度信号との間に誤差が生じることになる。特
に、大きなスラストが発生するバルブ締め切り時に、誤
差が大きくなるという欠点がある。

【００１４】本発明は、上述の問題点に鑑み、弁開度等
を示す出力軸の変位に影響を与えることなく、出力軸に
作用するスラストを高い精度で検出することが可能なス
ラスト検出機能を有する電動アクチュエータを提供する
ことを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題は、次のようにして解決される。 (１) モータにより回転させられるようにしたねじ軸
と、このねじ軸と同軸にねじ係合しているステムナット
とを有し、前記ステムナットを、軸線方向には摺動可能
に、かつ回転方向には回転不能に係止して、前記モータ
の回転運動を前記ステムナットの直線運動に変換するよ
うにした電動アクチュエータにおいて、前記ねじ軸を中
空部を有する筒状とし、この中空部に挿入した出力軸の
端部を、前記ステムナットの閉鎖端に設けた孔に挿通す
るとともに、軸線方向の摺動を許容して前記ステムナッ
トに係止し、かつ前記ステムナットと前記出力軸との間
のスラスト方向にばねを配設して、前記出力軸に作用す
るスラストに応ずる前記ばねの変位に伴う前記ステムナ
ットと前記出力軸との相対変位により、スラスト量を検
出するようにする。

【００１６】(２) 上記(１)項において、出力軸の縮径
端部のねじ部にロックナットを螺合し、このロックナッ
トとステムナットの外面との間及び前記出力軸の縮径肩
部と前記ステムナットの閉鎖端内面との間に圧縮ばねを
配設する。

【００１７】(３) 上記(１)または(２)項において、ス
ラストが作用する出力軸とステムナットとのそれぞれの
上端に、側面にラックを有するロッドを固着し、前記ラ
ックと噛み合うピニオンにより、前記出力軸と前記ステ
ムナットとの相対変位を回転運動に変換して検出する手
段を設ける。

【００１８】(４) 上記(１)〜(３)項のいずれかにおい
て、出力軸とステムナットとの相対変位を、ポテンショ
メータ、差動トランス、渦電流式変位計等の電気信号と
して検出する手段により検出するようにする。

【００１９】(５) 上記(１)または(２)項において、ス
ラストが作用する出力軸とステムナットとのそれぞれの
上端に、ロッドを固着し、かつ一方のロッドにリミット
スイッチを固着し、他方のロッドの動きにより、前記リ
ミットスイッチを作動させるようにして、前記出力軸に
過大スラストが作用したことを検出しうるようにする。

【００２０】(６) 上記(１)または(２)項において、ス
テムナット及び出力軸を覆うカバーにリミットスイッチ
を取り付け、前記出力軸の移動量が規定値を越えると、
前記出力軸に取り付けたロッドにより、前記リミットス
イッチが作動するようにする。

【００２１】(７) 上記(１)〜(６)項のいずれかにおい
て、出力軸とステムナットとの間に配設するばねを皿ば
ねとする。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１及び図２は、本発明の一実施
例の要部の断面を示すものである。電動アクチュエータ
(Ａ)は、下部が弁装置（図示略）に結合されている出力
軸(10)を有している。出力軸(10)は、上部ハウジング(1
1)及び下部ハウジング(12)内に上下部の軸受(13)(14)に
より枢支された中空筒状のねじ軸(15)の中空部内に、ね
じ軸の軸線方向に摺動可能、かつ同軸線まわりに相対回
転可能として挿入されている。

【００２３】ねじ軸(15)の下部には、大径歯車(16)が同
軸に固着されており、ねじ軸(15)は、この大径歯車(16)
とこれに噛合するピニオン(17)を介して、モータ(18)に
連結されている。

【００２４】ピニオン(17)は、通常はモータ(18)により
回転駆動されるが、必要に応じて、手動操作も可能とな
るように、傘歯車(19a)(19b)を介して駆動できる手動操
作軸(20)も設けられている。手動操作軸(20)は、常時は
戻しばね(21)の力で後退位置にあり、傘歯車(19a)(19b)
は互いに離れた不作動位置にある。

【００２５】ねじ軸(15)の上部外周面には、雄ねじが刻
設され、この雄ねじは、内周面に雌ねじが刻設されたス
テムナット(22)と螺合されている。この雄ねじと雌ねじ
との螺合部を、符号(15a)により示す。

【００２６】ステムナット(22)の外周面は円筒状をな
し、同じく円筒状のカバー(23)内に収容されている。ス
テムナット(22)の外周面に設けたキー溝(24)には、カバ
ー(23)に固着されたキー(25)が当接されており、大径歯
車(16)に伴うねじ軸(15)の回転運動は、ステムナット(2
2)の直線運動に変換される。

【００２７】ステムナット(22)の上端は閉鎖端(22a)と
なっているが、その軸心には孔(26)が穿設され、この孔
(26)に、出力軸(10)の縮径端部(10a)が挿入されてい
る。縮径端部(10a)の上端部には雄ねじ(10b)が刻設さ
れ、ここに螺合したロックナット(27)により、出力軸(1
0)を、皿ばね(28)を介してステムナット(22)の閉鎖端(2
2a)の外面に取り付けている。

【００２８】また、縮径端部(10a)を形成した出力軸(1
0)の肩部(10c)と、ステムナット(22)の閉鎖端(22a)の内
面との間にも、皿ばね(29)が装着されている。

【００２９】出力軸(10)の上端面、及びステムナット(2
2)の上端面には、それぞれロッド(30)(31)が固着され、
それらの上端部は、カバー(23)を貫いて上方に突出し、
その突出した部分にラック(30a)(31b)が刻設されてい
る。

【００３０】出力軸(10)に固着したロッド(30)の上端に
は、ピニオン付きポテンショメータ(32)が取り付けら
れ、このポテンショメータ(32)の軸に固着されたピニオ
ンは、ステムナット(22)に固着したロッド(31)のラック
(31a)と噛合している。

【００３１】出力軸(10)のロッド(30)の上端部のラック
(30a)は、カバー(23)の上部に取り付けたピニオン付き
ポテンショメータ(33)の軸に固着したピニオンと噛合し
ている。

【００３２】ロッド(30)(31)が貫通するカバー(23)の貫
通部には、シール(34)が、また出力軸(10)が貫通する下
部ハウジング(12)の貫通部にはシール(35)が、さらに手
動操作軸(20)が貫通する上部ハウジング(11)にはシール
(36)が、それぞれ装着されており、これらにより上下部
ハウジング(11)(12)及びカバー(23)により潤滑油を封入
する閉鎖空間が形成されている。

【００３３】このような構造であるので、モータ(18)ま
たは手動操作軸の作動により、ピニオン(17)を回転させ
ると、円筒歯車(16)及び中空のねじ軸(15)は一体になっ
て回転し、ねじ軸(15)と螺合部(15a)で噛合するが、キ
ー溝(24)とキー(25)との係合により、軸線方向には摺動
可能であるが回転は不能であるステムナット(22)を、軸
線方向に移動させる。

【００３４】この移動は、中空のねじ軸(15)内に収容さ
れ、皿ばね(28)(29)を介してステムナット(22)に取り付
けられた出力軸(10)に伝えられ、出力軸(10)が軸線方向
に動いてバルブ（図示省略）を開閉することとなる。

【００３５】バルブ開閉に際して出力軸(10)の負荷が大
きくなれば、皿ばね(28)(29)は大きく変位して、大きな
スラストが発生することとなる。出力軸(10)に固着した
ロッド(30)とステムナット(22)に固着したロッド(31)と
の間の移動量を検出するポテンショメータ(32)は、この
皿ばね(28)(29)の変位量にのみ対応した値、すなわちス
ラスト量を連続的に検出する。

【００３６】また、出力軸(10)に固着したロッド(30)の
移動量を、カバー(23)に取り付けたポテンショメータ(3
3)により検出することにより、出力軸(10)の移動量、す
なわちバルブ開度を知ることができる。

【００３７】なお、ポテンショメータ(32)は、出力軸(1
0)側のロッド(30)に取り付けるものとして示したが、こ
れを、ステムナット(22)側のロッド(31)に取り付け、そ
のピニオンをロッド(30)のラックと噛合するようにして
もよい。

【００３８】スラスト量の検出手段として、ポテンショ
メータを例示したが、ポテンショメータに代えて、差動
トランスや渦電流式変位計等を用いることができる。

【００３９】ポテンショメータに代えて、リミットスイ
ッチを一方のロッドに固着し、他方のロッドの動きによ
り、このリミットスイッチを作動させるようにすれば、
規定スラストに対する限界信号を得ることができる。

【００４０】また、バルブ開度信号を連続量として検出
する必要がない場合であって、規定開度に対する限界信
号が必要な場合には、カバー上のリミットスイッチを固
定し、出力軸に固着したロッドの動きによって、このリ
ミットスイッチを作動させるようにすればよい。

【００４１】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、出力軸と
ステムナットとの相対変位量の検出を可能とし、これに
より、出力軸に作用するスラスト量を、弁開度等を示す
出力軸の位置に影響を与えることなく、高精度で容易に
検出することが可能となる。

【００４２】請求項２記載の発明によれば、出力軸に作
用するスラスト量を、ばねの変位量として検出すること
ができる。

【００４３】請求項３記載の発明によれば、出力軸に作
用するスラスト量を、簡単かつ正確に検出することがで
きるとともに、出力軸の変位量をも検出することがで
き、それによって弁開度等をも知ることができる。

【００４４】請求項４記載の発明によれば、出力軸に作
用するスラスト量を、電気信号として継続的に取り出す
ことができる。

【００４５】請求項５記載の発明によれば、規定スラス
トに対する限界信号を得て、出力軸に過大スラストが作
用するのを防止することができる。

【００４６】請求項６記載の発明によれば、バルブ開度
信号及びスラスト信号を、連続量としては検出しない場
合でも、規定開度や設定スラストに対する限界信号を得
ることができる。

【００４７】請求項７記載の発明によれば、大きなばね
常数を有し作動確実なばねとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す電動アクチュエータ
の要部縦断面図である。

【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。

【図３】従来の電動アクチュエータのモータ回転減速機
構の１例を示す斜視図である。

【符号の説明】 (Ａ)電動アクチュエータ (１)ウオームホイール (２)ウオーム (３)ヘリカルギア (４)モータ (５)トルクスイッチ (10)出力軸 (10a)縮径端部 (10b)雄ねじ (10c)肩部 (11)上部ハウジング (12)下部ハウジング (13)(14)軸受 (15)ねじ軸 (15a)螺合部 (16)大径歯車 (17)ピニオン (18)モータ (19a)(19b)傘歯車 (20)手動操作軸 (21)戻しばね (22)ステムナット (23)カバー (24)キー溝 (25)キー (26)孔 (27)ロックナット (28)(29)皿ばね(圧縮ばね) (30)ロッド (30a)ラック (31)ロッド (31a)ラック (32)(33)ポテンショメータ (34)(35)(36)シール

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータにより回転させられるようにした
   ねじ軸と、このねじ軸と同軸にねじ係合しているステム
   ナットとを有し、前記ステムナットを、軸線方向には摺
   動可能に、かつ回転方向には回転不能に係止して、前記
   モータの回転運動を前記ステムナットの直線運動に変換
   するようにした電動アクチュエータにおいて、前記ねじ
   軸を中空部を有する筒状とし、この中空部に挿入した出
   力軸の端部を、前記ステムナットの閉鎖端に設けた孔に
   挿通するとともに、軸線方向の摺動を許容して前記ステ
   ムナットに係止し、かつ前記ステムナットと前記出力軸
   との間のスラスト方向にばねを配設して、前記出力軸に
   作用するスラストに応ずる前記ばねの変位に伴う前記ス
   テムナットと前記出力軸との相対変位により、スラスト
   量を検出するようにしたことを特徴とする電動アクチュ
   エータ。
2. 【請求項２】 出力軸の縮径端部のねじ部にロックナッ
   トを螺合し、このロックナットとステムナットの外面と
   の間、及び前記出力軸の縮径肩部と前記ステムナットの
   閉鎖端内面との間に、圧縮ばねを配設した、請求項１記
   載の電動アクチュエータ。
3. 【請求項３】 スラストが作用する出力軸とステムナッ
   トとのそれぞれの上端に、側面にラックを有するロッド
   を固着し、前記ラックと噛み合うピニオンにより、前記
   出力軸と前記ステムナットとの相対変位を回転運動に変
   換して検出する手段を設けた、請求項１または２記載の
   電動アクチュエータ。
4. 【請求項４】 出力軸とステムナットとの相対変位を、
   ポテンショメータ、差動トランス、渦電流式変位計等の
   電気信号として検出する手段により検出するようにし
   た、請求項１〜３のいずれかに記載の電動アクチュエー
   タ。
5. 【請求項５】 スラストが作用する出力軸とステムナッ
   トとのそれぞれの上端に、ロッドを固着し、かつ一方の
   ロッドにリミットスイッチを固着し、他方のロッドの動
   きにより、前記リミットスイッチを作動させるようにし
   て、前記出力軸に過大スラストが作用したことを検出し
   うるようにした、請求項１または２記載の電動アクチュ
   エータ。
6. 【請求項６】 ステムナット及び出力軸を覆うカバーに
   リミットスイッチを取り付け、前記出力軸の移動量が規
   定値を越えると、前記出力軸に取り付けたロッドによ
   り、前記リミットスイッチが作動するようにした、請求
   項１または２記載の電動アクチュエータ。
7. 【請求項７】 出力軸とステムナットとの間に配設する
   ばねを皿ばねとした、請求項１〜６のいずれかに記載の
   電動アクチュエータ。