JP2003161661A - 電動バルブアクチュエータにおける負荷連続検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電動バルブアクチュエータにおけるモータ負
荷のトルク計測を、駆動方向の双方向において、出力特
性を均一、かつ正確にして、絶対精度を、多数のバルブ
アクチュエータ間において確保する。 【解決手段】 モータにより回転させられるウオーム軸
４に、回転不能かつ軸方向に摺動可能として嵌合した筒
状ウオーム５をもって弁体を開閉させるようにし、かつ
前記筒状ウオーム５の軸線方向と直交するとともに、前
記筒状ウオーム５の軸線方向の送りに基づく推力を受け
るようにした受圧片２１に、歪みゲージを取付け、この
受圧片２１の変形に伴う歪みゲージの抵抗変化によっ
て、前記モータのトルクを検出するようにした電動バル
ブアクチュエータにおいて、前記受圧片２１における軸
線方向の送りに基づく推力を受けて変形する変形部位
に、軸線からの距離を異にする複数の歪みゲージ２８を
取り付ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電プラント等に
おいて数多く使用されている電動バルブアクチュエータ
における負荷連続検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電プラントや石油化学プラントにおい
て使用されている数多くのバルブの駆動装置としては、
一般に、電動バルブアクチュエータが使用されている。

【０００３】この電動バルブアクチュエータには、弁体
が異物を噛み込んで、そのトルクが一定値以上に達した
際に、これを検出して、駆動源を停止させるためのトル
クリミットスイッチが設けられている。これにより、バ
ルブの損傷は回避させられるようになっている。

【０００４】電動バルブアクチュエータにおけるトルク
検出手段としては、モータのトルクが設定値に到達した
ときに作動する単なるオン・オフスイッチが、一般的に
使用されている。

【０００５】一方、現場においては、電動アクチュエー
タを分解することなく、その作動の健全性を絶えず確認
したいという強い要求がある。このような要求に応える
ためには、トルクを、連続的に、かつ電気信号として検
出することが必要となる。

【０００６】しかし、上記したような単なるオン・オフ
スイッチ型式のトルク検出手段では、モータのトルクの
変化を連続的に検出することはできない。また、微妙な
バルブ制御を行ったり、トルクスイッチ自体の健全性を
絶えず確認するためにも、トルクを連続量として検出す
ることが必要である。

【０００７】しかし、仮りにトルクスイッチに代えて、
ポテンショメータ等の連続量検出手段を使用したとして
も、圧縮ばねには通常予圧がかけられているため、モー
タのトルクと、圧縮ばねの変形量との関係には、極端な
非線形性があり、モータの出力トルクの値を、連続量と
して検出することはできない。

【０００８】そこで、従来は、図５に示すように、上記
モータのトルクを、連続的にかつ電気的に検出するため
に、モータで駆動される筒状ウオーム（軸端のみ示す）
(01)の軸線方向と直交し、かつ前記筒状ウオーム(01)の
軸線方向の送りに基づく推力を、圧縮バネ(02)の間で受
けるようにした受圧片(03)を設けるとともに、この受圧
片(03)に歪みゲージ(04)を取付け、この受圧片(03)の変
形に伴う歪みゲージ(04)の抵抗変化によって、筒状ウオ
ーム(01)を回転させるモータのトルクを検出するように
している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、バルブアクチ
ュエータにおいては、筒状ウオームは、バルブの開方向
と閉方向の双方向に軸線方向へ推力を発生するので、発
生するトルクを、バルブの開閉双方向に関して検出しな
ければならない。しかし、受圧片(03)の歪み部位の中心
に、歪みゲージ(04)を取り付けただけでは、開方向と閉
方向に対して、歪みゲージ(04)の出力に、感度差や出力
特性に基づく相異が生じ、開閉双方向に対して均一な対
称特性を得ることはできない。

【００１０】詳言すると、受圧片(03)は、変形を生じ難
い大径の伝圧軸(05)と、変形を生じ難い小径のスリーブ
(06)の突き合わせ端部を連結する壁体(07)に設けた薄肉
部(08)からなっているため、受圧片(03)は、両端支持型
のビーム構造をなし、筒状ウオーム(01)の軸線方向の推
力の方向に応じて、変位曲線の曲がり方向が反転するこ
ととなる。

【００１１】そのため、歪みゲージ(04)の取付け部位の
いかんによっては、受圧片(03)の歪み部に、圧縮歪みと
伸張歪みの両方が、歪みゲージ(04)に加わることにな
り、また推力方向の反転時にも、同様に、取付け位置に
よっては、圧縮歪みと伸張歪みの両方が、歪みゲージ(0
4)に加わることになる。このことにより、歪みゲージの
取付け位置によって、歪みゲージに、圧縮、伸張の歪み
が複雑に生じ、歪みゲージ(04)の出力特性は、歪みゲー
ジ(04)の取付位置によって、開閉方向に非対称に変化す
るとともに、いずれか一方の推力の方向についても、安
定した再現性の高い取付け位置を求めるのが困難となっ
ている。

【００１２】さらに、出力特性を１つのバルブアクチュ
エータの開閉双方向について、高精度に合致させること
は困難となっており、複数のバルブアクチュエータ相互
間の特性についても、均等に平衡させるべく、補償もし
くは調整することは、非常に困難である。

【００１３】特に、発電プラントや石油化学プラントに
おいては、多数のバルブアクチュエータが使用され、そ
れらからは、従来の負荷連続検出装置から出力される電
気信号に基づいて、通信回線を介して一元管理されるよ
うになっているが、その際の各バルブアクチュエータか
ら出力されるトルク対出力電気値の特性が不揃いである
と、正確な制御管理ができなくなるとともに、制御系に
誤動作を発生する危険もある。

【００１４】本発明は、上記課題を解決し、電動バルブ
アクチュエータにおけるモータ負荷のトルクの計測を、
駆動方向の双方向に対して、均一かつ正確として、多数
のバルブアクチュエータ間において、基準に合致しうる
絶対精度を確保しうるように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ウオーム軸に、回転
不能かつ軸方向に摺動可能として嵌合した筒状ウオーム
をもって弁体を開閉させるようにし、かつ前記筒状ウオ
ームの軸線方向と直交するとともに、前記筒状ウオーム
の軸線方向の送りに基づく推力を受けるようにした受圧
片に歪みゲージを取付け、この受圧片の変形に伴う歪み
ゲージの抵抗変化によって、前記モータのトルクを検出
するようにした電動バルブアクチュエータにおいて、前
記受圧片における軸線方向の送りに基づく推力を受けて
変形する変形部位に、軸線からの距離を異にする複数の
歪みゲージを取り付ける。

【００１６】(２) 上記(１)項において、変形部位を、
大径の筒体と小径の筒体の突き合わせ端面を連結する壁
面に設けた、両筒体の軸線を中心とする円環状薄肉部と
する。

【００１７】(３) 上記(２)項において、円環状薄肉部
を、壁面に設けた軸線方向に凹入する円環状溝とする。

【００１８】(４) 上記(１)〜(３)項のいずれかにおい
て、複数の歪みゲージを、互いに曲率半径の異なる対を
なす円環状帯体とし、かつ変形部位に、軸線と同心的に
配置してある。

【００１９】(５) 上記(１)〜(３)項のいずれかにおい
て、複数の歪みゲージを、互いに曲率半径の異なる円弧
状帯体とし、かつ変形部位に、軸線と同心的に、かつ曲
率半径の異なるものを、周方向に交互に配置してある。

【００２０】(６) 上記(５)項において、曲率半径の異
なるもの同士を、周方向に交互に配置するとともに、そ
の合わせ目を、若干重ね合わせてある。

【００２１】(７) 上記(１)〜(６)項において、複数の
歪みゲージを、互いに曲率半径の異なる円弧状帯体と
し、かつ対をなす同一曲率半径のもの同士を、軸線に対
して互いに対向させて円環状溝に配置し、かつそれらの
電気抵抗部を、ブリッヂ回路接続してある。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面を参照しながら説明する。図１は、図２と図３に
示す本発明の一実施形態である負荷連続検出装置が組み
込まれたバルブアクチュエータを示す図である。

【００２３】図１において、モータ(１)の回転は、ヘリ
カルギア(２)(３)によって減速され、ヘリカルギア(３)
と一体をなす水平のウオーム軸(４)へ相対回転不能に嵌
合された筒状ウオーム(５)を介して、水平のウオームホ
イール(７)に伝達される。

【００２４】ウオームホイール(７)の中心の孔には、筒
状のステムナット(６)が、スプラインを介して、相対回
転不能として嵌合されている。ステムナット(６)のめね
じ孔には、バルブステム(８)が螺合されている。

【００２５】かくして、モータ(１)の回転により、バル
ブステム(８)は昇降させられる。なお筒状ウオーム(５)
は、ウオーム軸(４)に切られた軸方向のスプライン(９)
と噛合しており、筒状ウオーム(５)は、ウオーム軸(４)
上を軸方向に移動することはできるが、ウオーム軸(４)
に対して、相対的に回転することはできないようになっ
ている。

【００２６】筒状ウオーム(５)の前面には、複数の皿ば
ねを順次逆向きとして重合してなる圧縮ばね(10)が、直
接的または間接的に当接され、モータ(１)のトルクの方
向とその大きさに対応して、筒状ウオーム(５)がウオー
ム軸(４)上を前後に移動すると、その移動量に応じて、
圧縮ばね(10)は圧縮されて変形するようになっている。

【００２７】図２に示す如く、筒状ウオーム(５)の前端
外周は、小径部(12)となっており、小径部(12)の前端部
外周には、おねじ(13)が切られている。

【００２８】前記小径部(12)の後端には、ボールベアリ
ング(14)が嵌合され、かつおねじ(13)へ締付リング(15)
を螺合することにより、ボールベアリング(14)のインナ
ーレースは小径部(12)上へ固定されている。締付リング
(15)は、ノックボルト(16)によって固定されている。

【００２９】ボールベアリング(14)の外周には、外周面
に軸線方向の環状ラック(17)を有する伝圧筒(18)が、前
方より嵌合されている。環状ラック(17)にはピニオン(1
9)が噛合されており、ピニオン(19)はトルクスイッチ(1
1)と連係されている。

【００３０】伝圧筒(18)の内周前端部には、保持筒(20)
が嵌合されている。保持筒(20)は、ボールベアリング(1
4)のアウターレースを押圧し、伝圧筒(18)を、筒状ウオ
ーム(５)に対して軸線方向の適正な位置に保持してい
る。

【００３１】伝圧筒(18)の前端と、ウオーム軸(４)と同
軸をなして前方を向く小径スリーブ(22)の後端は、両端
の突き合わせ部において、その軸線と直交して求心方向
を向く壁体をもって連結されている。これにより、伝圧
筒(18)と小径スリーブ(22)は、一体構造となっており、
かつ両方を連結する壁体の部分は、受圧片(21)となって
いる。

【００３２】小径スリーブ(22)の前端は、圧縮ばね(10)
の前端を受ける受止片(23)を緩く貫通し、小径スリーブ
(22)の受止片(23)から突出する部分に切ったおねじ(24)
にナット(25)を螺合することにより、小径スリーブ(22)
は、受止片(23)に抜け止めされている。

【００３３】小径スリーブ(22)の後端には、前記受圧片
(21)の前面内周部に当接するリング状の押圧片(26)が緩
く嵌合されている。押圧片(26)と受止片(23)との間にお
いて、小径スリーブ(22)には、複数の皿ばねを順次逆向
きとして重合してなる圧縮ばね(10)が、やや圧縮状態に
予圧されて嵌合されている。

【００３４】前記受圧片(21)の前面には、後方を向く環
状凹溝(27)を形成することにより、薄肉部を形成し、か
つ環状凹溝(27)内には、複数の歪みゲージ(28)を貼着し
てある。

【００３５】モータ(１)を起動して、筒状ウオーム(５)
を正逆いずれかの方向へ回転させると、そのトルクによ
り、筒状ウオーム(５)のねじ山の角度に応じて、前方ま
たは後方を向く軸方向の分力が発生する。

【００３６】この際の筒状ウオーム(５)による軸方向の
荷重により、伝圧筒(18)は、ボールベアリング(14)と締
付リング(15)及び保持筒(20)を介して、前後に押し動か
される。

【００３７】伝圧筒(18)が前方へ移動させられると、受
圧片(21)及び押圧片(26)を介して、圧縮ばね(10)は受止
片(23)を押圧して圧縮される。

【００３８】この際、受止片(23)は、バルブアクチュエ
ータのケーシング(29)に、ボルト(30)で固定されたばね
室(31)のキャップ(32)の内向突端(33)に当接して、前方
には移動不可能になっており、伝圧筒(18)の前方移動
は、押圧片(26)を押して、押圧片(26)と受止片(23)の間
に挾んだ圧縮ばね(10)を圧縮し、その圧縮力の反力によ
り、受圧片(21)は圧縮方向に推力を受けて、図４の
（ａ）のように歪む。

【００３９】伝圧筒(18)が後方へ移動させられると、受
圧片(21)と小径スリーブ(22)及びナット(25)を介して、
受止片(23)は後方へ送られて、圧縮ばね(10)は押圧片(2
6)を押圧して圧縮される。

【００４０】この際、押圧片(26)の後方外周は、ケーシ
ング(29)のばね室(31)の後端の縮径段部(34)に当接し
て、後方には移動不可能になっている。伝圧筒(18)が後
方へ移動すると、小径スリーブ(22)及びナット(25)を介
して、受止片(23)の押圧片(26)の間に挟んだ圧縮ばね(1
0)は圧縮され、その圧縮力の反力により、受圧片(21)は
引張方向の推力を受けて、図４の（ｂ）のように歪む。

【００４１】図３は、受圧片(21)に、複数の歪みゲージ
(28)を取り付けた状態を示すもので、歪みを生じさせる
ための薄肉部を形成する環状凹溝(27)の径方向の溝幅
は、帯状をなす歪みゲージ(28)の幅より２倍程度広くし
てある。環状凹溝(27)の中に、半径を異にし、かつ円周
のほぼ４分の１より少し大きな弧状をなす２対の歪みゲ
ージ(28a)(28a)、(28b)(28b)を貼着してある。

【００４２】各歪みゲージ(28a)(28b)の弧の中心は、受
圧片(21)の中心と一致し、かつ大径の対をなす歪みゲー
ジ(28a)は、１８０度対向させて、環状凹溝(27)の径方
向の外周に沿って配置され、小径の歪みゲージ(28b)
は、大径の歪みゲージ(28a)と９０度位置をずらし、か
つ１８０度対向させて、環状凹溝(27)の径方向の内周に
沿って配置されている。

【００４３】各歪みゲージ(28a)(28b)の弧の長さを、９
０度より若干長くしてあり、隣接するものの端部同士
が、若干重なるようにして、全体として円弧を描くよう
に配置されている。

【００４４】図４に示す如く、大小径の異なる歪みゲー
ジ(28a)(28b)は、環状凹溝(27)の中で、歪み方向が、圧
縮歪みか、伸張歪みかの、いずれか一方の歪みの影響を
受けて、抵抗値を変化するようになっている。

【００４５】また、大小径の異なる歪みゲージ(28a)(28
b)は、互いに圧縮歪みと伸張歪みに関して、受圧片(21)
の圧縮時または引張時のいずれにおいても、双方別々に
歪みが生じ、その歪みによる抵抗変化は、互いに相補的
に作用して、誤差成分が互いに打ち消し合って、均質な
変化成分を得ることができるようになっている。

【００４６】さらに、大小径の異なる各対の歪みゲージ
(28a)(28a)、(28b)(28b)を、同一径の１対については、
電気的に互いに並列関係とし、異なる径のもの同士につ
いては、電気的に直列関係として、ブリッジ接続するこ
とにより、さらに外乱成分やノイズに対して安定させる
ことができる。

【００４７】また、推力の方向の違いによる、圧縮歪み
と伸張歪みにの不平衡等についても、大小径の異なる各
１対の歪みゲージ(28a)(28a)、(28b)(28b)は、同時に互
いに歪み特性を逆極性で発生するため、局部的な外乱要
素や、取付位置の微少な相異は、相補的に打ち消し合
い、再現性の高いトルク測定が可能となり、高精度の絶
対値計測が可能となっている。

【００４８】上記した各１対の歪みゲージ(28a)(28a)、
(28b)(28b)を、ブリッジ接続して電気配線するには、小
径スリーブ(22)の外周に、軸線に沿った溝(35)を設けて
おき、その溝(35)から、小径スリーブ(22)の内孔(36)に
抜ける孔(37)を、おねじ(24)の後方直前に設けておけば
よい。

【００４９】小径スリーブ(22)は、おねじ(24)の前端よ
りも多少長目に突出させておき、その前端に接続コネク
タ(38)を、軸線に沿って固着し、接続コネクタ(38)の先
端を、キャップ(32)の中央に設けた孔(39)から、若干突
出させておき、かつ、接続コネクタ(38)には、前記各１
対の歪みゲージ(28a)(28a)、(28b)(28b)をブリッジ接続
する電気配線(40)を、前記溝(35)と孔(37)を介して接続
する。

【００５０】接続コネクタ(38)の部分は、小径スリーブ
(22)とともに、若干軸線方向に動くが、それを動かす力
は、計測を要するモータのトルク出力であり、接続コネ
クター(38)に懸垂するケーブルの荷重に比して、十分大
であるから、計測の外乱要素や余分な負荷となることは
ない。その代わり、歪みゲージ(28a)(28b)に、丈夫で長
期間安定して接続を維持して、信頼性の高い配線を施す
ことができる。

【００５１】上述の複数の歪みゲージ(28a)(28b)の形状
や寸法、並びに数は、上記例に限るものではなく、例え
ば、径の異なるほぼ円形状のものを１個ずつとすること
もできる。この場合、同心に配置することができ、かつ
径の大なる方の外周を環状凹溝(27)の外周に合致させ、
内径の小なる方の内周を環状凹溝(27)の内周に合致させ
ておくと、取付けの位置決めが容易になる。

【００５２】また、径の異なるほぼ半周弧状のものを１
個ずつ、もしくは１対ずつ、あるいは、円周方向に多数
に分割した曲率半径の異なるもの等としてもよい。この
ように多数に分割すると、電気回路的に各種の接続が可
能となり、回路補償操制御などを容易にすることができ
る。

【００５３】

【発明の効果】本発明によると、つぎのような効果が得
られる。 （ａ） 請求項１記載の発明によれば、軸心からの距離
を異にする複数の歪みゲージにより、互いに圧縮歪みと
伸張歪みに関して、受圧片の圧縮時または引張時のいず
れにおいても、双方別々に歪みの検出をおこない、かつ
その歪みによる抵抗変化が、互いに相補的に作用して、
誤差成分を互いに打ち消し合い、均質な変化成分を得る
ことができる。

【００５４】（ｂ） 請求項２および３記載の発明によ
れば、歪みを生じさせる部位に、圧縮歪みと伸張歪みに
を明確に生じさせる部位を形成してあるため、計測の安
定性と、再現性を図ることができる。

【００５５】（ｃ） 請求項４記載の発明によれば、軸
心からの距離を異にする複数の歪みゲージを、半径の異
なる同心円上に配置して、歪みゲージの取付け精度を高
めるとともに、位置決めを容易にすることができる。

【００５６】（ｄ） 請求項５および６記載の発明によ
れば、軸心からの距離を異にする複数の歪みゲージを、
細かに分割して、電気回路的に各種の接続を施し、電気
回路的に同相成分の除去が可能となっており、かつ電気
的、温度的その他の外乱に対して、安定な回路構成が可
能となっている。

【００５７】（ｅ） 請求項７記載の発明によれば、軸
心からの距離を異にする複数の歪みゲージを、同一特性
のものを対として、それらをブリッジ回路接続すること
により、歪み特性に対する同相成分の打ち消し、並びに
電気回路的に同相成分の除去を可能とするとともに、電
気的、温度的その他の外乱に対して、安定な回路を構成
し、絶対レベルで、安定した高精密なトルク値の測定が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の本発明の装置の実施例を備える電動バ
ルブアクチュエータの一部切開斜視図である。

【図２】図１におけるバルブステム駆動用ウオームのス
ラストに基いて、モータのトルクを検出するようにした
本発明の装置の要部の拡大縦断面図である。

【図３】図２におけるIII−III線縦断面図である。

【図４】図４は、受圧片の歪み状態を、推力が受圧片の
両端部材を圧縮方向に働く場合と、引張方向に働く場合
を、（ａ）（ｂ）に分けて示す要部縦断面図。

【図５】図５は、従来の受圧片に歪みゲージを取り付け
た状態を示す要部縦断面図である。

【符号の説明】

(１) モータ (２)(３) ヘリカルギア (４) ウオーム軸 (５) 筒状ウオーム (６) ステムナット (７) ウオームホイール (８) バルブステム (９) スプライン (10) 圧縮ばね (11) トルクスイッチ (12) 小径部 (13) おねじ (14) ボールベアリング (15) 締付リング (16) ノックボルト (17) 環状ラック (18) 伝圧筒 (19) ピニオン (20) 保持筒 (21) 受圧片 (22) 小径スリーブ (23) 受止片 (24) おねじ (25) ナット (26) 押圧片 (27) 環状凹溝 (28)(28a)(28b)歪みゲージ (29) ケーシング (30) ボルト (31) ばね室 (32) キャップ (33) 内向突端 (34) 縮径段部 (35) 溝 (36) 内孔 (37) 孔 (38) コネクタ (39) 孔 (40) 電気配線

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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ウオーム軸
   に、回転不能かつ軸方向に摺動可能として嵌合した筒状
   ウオームをもって弁体を開閉させるようにし、かつ前記
   筒状ウオームの軸線方向と直交するとともに、前記筒状
   ウオームの軸線方向の送りに基づく推力を受けるように
   した受圧片に歪みゲージを取付け、この受圧片の変形に
   伴う歪みゲージの抵抗変化によって、前記モータのトル
   クを検出するようにした電動バルブアクチュエータにお
   いて、 前記受圧片における軸線方向の送りに基づく推力を受け
   て変形する変形部位に、軸線からの距離を異にする複数
   の歪みゲージを取り付けたことを特徴とする電動バルブ
   アクチュエータにおける負荷連続検出装置。
2. 【請求項２】 変形部位を、大径の筒体と小径の筒体の
   突き合わせ端面を連結する壁面に設けた、両筒体の軸線
   を中心とする円環状薄肉部とした、請求項１記載の電動
   バルブアクチュエータにおける負荷連続検出装置。
3. 【請求項３】 円環状薄肉部を、壁面に設けた軸線方向
   に凹入する円環状溝とした、請求項２記載の電動バルブ
   アクチュエータにおける負荷連続検出装置。
4. 【請求項４】 複数の歪みゲージを、互いに曲率半径の
   異なる対をなす円環状帯体とし、かつ変形部位に、軸線
   と同心的に配置してある、請求項１〜３いずれかに記載
   の電動バルブアクチュエータにおける負荷連続検出装
   置。
5. 【請求項５】 複数の歪みゲージを、互いに曲率半径の
   異なる円弧状帯体とし、かつ変形部位に、軸線と同心的
   に、かつ曲率半径の異なるものを、周方向に交互に配置
   してある、請求項１〜３いずれかに記載の電動バルブア
   クチュエータにおける負荷連続検出装置。
6. 【請求項６】 曲率半径の異なるもの同士を、周方向に
   交互に配置するとともに、その合わせ目を、若干重ね合
   わせてある、請求項５記載の電動バルブアクチュエータ
   における負荷連続検出装置。
7. 【請求項７】 複数の歪みゲージを、互いに曲率半径の
   異なる円弧状帯体とし、かつ対をなす同一曲率半径のも
   の同士を、軸線に対して互いに対向させて円環状溝に配
   置し、かつそれらの電気抵抗部を、ブリッヂ回路接続し
   てある、請求項１〜６いずれかに記載の電動バルブアク
   チュエータにおける負荷連続検出装置。