JP2004308871A - 歯車のバックラッシュ除去構造およびアクチュエータ - Google Patents
歯車のバックラッシュ除去構造およびアクチュエータ Download PDFInfo
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Abstract
【課題】簡単な構造で歯車間のバックラッシュを除去し、適正な噛合関係を保持し得るようにした歯車のバックラッシュ除去構造および同機構を備えたアクチュエータを提供する。
【解決手段】出力軸７に駆動歯車３３を固定する。シャーシ１５上に支持軸３７を回動中心とする回動自在な回動プレート３５を設け、このプレート３５に出力軸７の回動角度を検出する回転型のポテンショメータ３０を固定する。また、ポテンショメータ３０の出力軸３１に従動歯車３４を固定する。回動プレート３５を出力軸７側に所要角度回動させて従動歯車４３を駆動歯車３３にバックラッシュがなくなるように噛み合わせる。そして、回動プレート３５を２本の止めねじ３８Ａ，３８Ｂによってシャーシ１５に固定する。
【選択図】 図４
【解決手段】出力軸７に駆動歯車３３を固定する。シャーシ１５上に支持軸３７を回動中心とする回動自在な回動プレート３５を設け、このプレート３５に出力軸７の回動角度を検出する回転型のポテンショメータ３０を固定する。また、ポテンショメータ３０の出力軸３１に従動歯車３４を固定する。回動プレート３５を出力軸７側に所要角度回動させて従動歯車４３を駆動歯車３３にバックラッシュがなくなるように噛み合わせる。そして、回動プレート３５を２本の止めねじ３８Ａ，３８Ｂによってシャーシ１５に固定する。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯車のバックラッシュ除去構造およびアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、バタフライバルブ、ボールバルブ等の弁の開度調整を行う電動式のアクチュエータにおいては、その出力軸の実回動角度を動作位置検出手段によって検出し、検出信号を制御部にフィードバックしている。動作位置検出手段としては、通常回転型のポテンショメータを用い、その回転軸にアクチュエータの出力軸の回転を歯車列を介して伝達するようにしている。その場合、歯車どうしを噛み合わせると、通常バックラッシュが生じ、騒音や振動の原因となるばかりか検出精度に大きく影響を及ぼす。そこで、極力騒音や振動の発生を防止したり、高精度な角度検出を行う必要がある場合は、歯車のバックラッシュを除去する機構を付加している（例えば、特許文献１，２，３参照）。なお、出願人は本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に密接に関連する先行技術文献を出願時までに見つけ出すことはできなかった。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−８２６６８号公報
【特許文献２】
特開平６−２２６８０３号公報
【特許文献３】
特開平１１−０８２６９８号公報
【０００４】
上記した特開平６−８２６６８号公報は、レンズ駆動装置及びカメラのレンズ移動装置に関するもので、駆動源となるモータおよびポテンショメータの出力側にそれぞれ設けた歯車と、これらの歯車に噛合する遊び歯車とをユニット台に設け、前記ユニット台を駆動部本体に回動可能に取付け、かつばね機構によって前記ユニット台を付勢することにより前記歯車どうしの間に生じるバックラッシュを自動的に除去するようにしたものである。
【０００５】
上記した特開平６−２２６８０３号公報は、成形機の位置決め装置に関するもので、駆動手段にラックおよびラック支持部材を取付け、前記ラックと噛合いかつ回転型ポテンショメータに連結するピニオンを固定部材に、一端が揺動可能に軸支された揺動部材を介して回転可能に取付け、前記ピニオンがラックを押圧するとともにラックの軸方向への分力が生じるように前記揺動部材の他端を前記固定部材にばねによって付勢するようにしたものである。
【０００６】
上記した特開平１１−０８２６９８号公報は、歯車のバッククラッシュ除去構造に関するもので、シリンダブロックに従動歯車を固設している回転軸の位置決め用穴を、シリンダブロックに設けられている駆動歯車を軸承した固定軸の嵌合穴を基準にして駆動歯車と従動歯車がバックラッシュを除去した適正な噛合関係を保持する軸心間距離をもって開設し、回転軸の軸心に位置決め部を形成した貫通穴を設け、この貫通穴に位置決め部と位置決め穴に嵌合する治具部を備えた位置決め用軸を挿通し、前記位置決め部と前記位置決め穴に前記治具部が嵌合した状態で回転軸および従動歯車のケーシングをシリンダブロックに組み付けるように構成したものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開平６−８２６６８号公報および特開平６−２２６８０３号公報に開示された従来のバックラッシュを除去する機構は、いずれも揺動自在な部材をばねによって付勢することにより歯車どうしを噛み合わせてバックラッシュを取り除くようにしているため、部品点数がばねの分だけ増加し構造が複雑になるとともに高価になり、またばねの組付け作業も面倒であるという問題があった。
【０００８】
上記した特開平１１−０８２６９８号公報に開示された歯車のバックラッシュ除去構造は、嵌合穴、位置決め穴や、これらの穴に嵌合する軸、治具部を高精度に製作する必要があるため、その製造コストが高くなるという問題があった。
【０００９】
バックラッシュを除去する他の方法としては、歯車の寸法精度を高くしたり、歯厚を厚く転位させてバックラッシュをなくすようにしたノーバックラッシュ歯車を使用することも考えられるが、その場合は特注品になるため歯車のコストが高くなり好ましくない。
【００１０】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡単な構造で歯車間のバックラッシュを除去し、適正な噛合関係を確保し得るようにした歯車のバックラッシュ除去構造およびアクチュエータを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明に係る歯車のバックラッシュ除去構造は、出力軸に取付けられた駆動歯車と、前記出力軸の回動角度を検出するポテンショメータと、このポテンショメータの回転軸に取付けられた従動歯車と、前記ポテンショメータが取付けられた回動可能な回動プレートと、この回動プレートを固定部材に固定する固定手段とを備え、前記回動プレートを回動させることにより前記従動歯車を前記駆動歯車に噛合させてこれら両歯車間のバックラッシュを除去し、前記回動プレートを前記固定手段によって前記固定部材に固定するようにしたものである。
【００１２】
このような構造によれば、ばね等の付勢手段が不要となり、各部品に高い加工精度が要求されず、安価に歯車のバックラッシュを除去することができて適正な噛合関係が得られ、また組付け作業も容易である。
歯車どうしを噛合させる場合、従動歯車が設けられているプレートを直線移動させて噛合させる場合は、歯の先端面が互いに当たったとき、歯車どうしが噛合せずいずれか一方の歯車を若干回転させて噛み合わせる必要がある。これに対して、回動プレートを用いた場合はこのプレートが回動すると従動歯車もこれと一体に回動するため、従動歯車と駆動歯車の歯の先端面が互いに当たって正しく噛み合わない場合に、両歯車間に滑りが生じる。したがって、プレートを直線移動させて歯車どうしを噛合させる場合に比べて確実に噛合させることができる。
【００１３】
第２の発明に係るアクチュエータは、上記第１の発明に係る歯車のバックラッシュ除去構造を備えたものである。
【００１４】
このような構造においては、歯車間のバックラッシュが無い分だけ出力軸の実動作角度の検出精度を向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るアクチュエータを備えたバルブの正面図、図２は同アクチュエータのカバーを取り外して内部を示す分解斜視図、図３は同アクチュエータの断面図、図４は動作位置検出手段の取付構造を示す平面図、図５は同動作位置検出手段の取付け構造を示す正面図、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は歯車どうしの噛み合わせを説明するための図、図７は回動プレートの回転支点の好ましい範囲を示す図、図８は回動中心のオフセット、回動プレートの回動角度、ポテンショメータ（従動歯車）のシフト量を示す図である。
本実施の形態は、建物内の空調設備の配管中を流れる流体の流量制御を行う電動式駆動弁に用いられるアクチュエータに適用した例について説明する。
【００１６】
図１〜図３において、全体を符号１で示すものは直動型の駆動弁で、この駆動弁１は流体の流路を形成する弁本体２と、この弁本体２内に上下動自在に組み込まれ、上端が外部に突出する弁軸３と、この弁軸３の内端に取付けられ弁本体２内の流路を開閉制御する弁プラグ４等で構成され、前記弁軸３の外端がクランク機構５を介してアクチュエータ６の出力軸７に連結されている。この駆動弁１の開度は、全閉角−８０°、全開角８０°、全動作角１６０°で、アクチュエータ６による全閉角と全開角の調整可能な角度範囲は±５°で１°ずつ調整される。クランク機構５は、第１、第２のリンク５Ａ，５Ｂとからなり、前記出力軸７の回転を直線往復運動に変換して前記弁軸３に伝達する。
【００１７】
本実施の形態では、アクチュエータ６によって開閉制御される駆動弁として弁軸３が直線往復運動する直動型の駆動弁１に適用した例を示しているため、このような直動型駆動弁１においては全閉、全開状態を直接角度で表示することはできない。しかし、弁軸３のリフト量は、出力軸７（第１のリンク５Ａ）の回転角度θ、第１のリンク５Ａの回動支点Ｐ１ ，Ｐ２ 間の距離Ｒおよび第２のリンク５Ｂの回動支点Ｐ２ ，Ｐ３ 間の距離Ｌによって決まるため、ここでは出力軸７の実動作角度を駆動弁１の全閉角、全開角として示す。なお、ボール弁やバタフライ弁等の回転型駆動弁に適用した場合は、クランク機構５を必要としないため、弁軸３と出力軸７をカップリングによって直接連結すればよい。
【００１８】
前記アクチュエータ６は、駆動弁１の上部に設けたフレーム８上にブラケット１０を介して設置される筐体９と、この筐体９の開口部を覆う図示を省略したカバーと、前記筐体９内に配設された駆動モータ１１と、この駆動モータ１１によって正逆回転される前記出力軸７と、この出力軸７の動作範囲を±５°の範囲で可変設定する動作範囲設定機構１２と、端子台１３と、回路基板組立体１４と、シャーシ（固定部材）１５と、前記出力軸７の実動作位置（角度）を検出する動作位置検出手段１６等を備えている。前記出力軸７の一端７Ａは前記筐体９の外部に突出しており、前記第１のリンク５Ａの一端が固定されている。前記出力軸７の他端部７Ｂには、前記動作範囲設定機構１２を構成する複数の部品のうちの一部が取付けられている。
【００１９】
前記動作範囲設定機構１２は、前記出力軸７の他端部７Ｂに嵌合され止めねじ２１によって固定されるカムホルダ２０と、このカムホルダ２０に対してスナップフィット機構２２とチルト機構２３とによって着脱可能かつ回動可能に取付けられるカム２４および目盛板２５と、前記回路基板組立体１４上に前記カム２４を介して対向するように固定された２つのリミットスイッチ（全閉スイッチ、全開スイッチ）２６，２７とで構成されている。全閉スイッチ２６は、弁１が全閉状態になるとカム２４の大径部２４Ａにローラ２８が乗り上げることによりＯＮし、全開スイッチ２７は、弁１が全開状態になると同じくカム２４の大径部２４Ａにローラ２９が乗り上げることによりＯＮするように配設されている。
【００２０】
図３〜図５において、前記動作位置検出手段１６としては、回転型のポテンショメータ３０が用いられ、その回転軸３１に前記出力軸７の回転が歯車列３２によって伝達されるように構成されている。歯車列３２は、出力軸７に取付けた駆動歯車３３と、回転軸３１に取付けた従動歯車３４とで構成されている。また、駆動歯車３３は、大径歯車部３３Ａと、小径歯車部３３Ｂとからなり、大径歯車部３３Ａが前記駆動モータ１１の駆動軸に設けた駆動ギアに噛合し、小径歯車部３３Ｂに前記従動歯車３４が噛合するように構成されている。そして、このようなポテンショメータ３０は、前記出力軸７に近接して配設した回動プレート３５に固定されている。
【００２１】
前記回動プレート３５は、前記シャーシ１５上に突設した支持軸３７（図４）によって前記駆動歯車３３に対し接近離間する方向に回動自在に枢支されており、前記歯車列３２のバックラッシュを除去した後、２本の止めねじ３８Ａ，３８Ｂによって前記シャーシ１５に固定される。このため、回動プレート３５には前記止めねじ３８Ａ，３８Ｂが挿通する２つの長孔３９Ａ，３９Ｂが前記支持軸３７の両側に位置するように形成されている。
【００２２】
前記駆動歯車３３（小径歯車部３３Ｂ）は、モジュールｍ＝０．５、歯数Ｚ１ ＝５７の標準の平歯車が用いられ、従動歯車３４は同じくモジュールｍ＝０．５、歯数Ｚ２ ＝２２の標準の平歯車が用いられる。
【００２３】
図６（ａ）は、駆動歯車３３と従動歯車３４が離間している状態で、このとき、回動プレート３５は図において左方に４°程度傾いている。この状態における両歯車３３，３４の軸心間距離Ａ１ は２１．２ｍｍである。
【００２４】
図６（ｂ）は、駆動歯車３３と従動歯車３４が噛み合い始めた状態を示す。このとき、回動プレート３５は水平な状態になり、両歯車３３，３４の軸心間距離Ａ２ が２０．２５ｍｍに短縮される。
【００２５】
また、この状態における回動プレート３５の回動中心Ｏ１ （支持軸３７）は、ポテンショメータ３０（従動歯車３４）の中心Ｏから鉛直方向（２つの歯車３３，３４の中心連結線４０と直交する方向）に距離ｂ（＝１３．５ｍｍ）、水平方向（前記中心連結線４０と平行な方向）に距離ａ（＝２．２５ｍｍ）だけオフセットしている。
【００２６】
図６（ｃ）は、駆動歯車３３と従動歯車３４が適正に噛み合った状態を示す。この噛合状態において、両歯車３３，３４のピッチ円は一致し、バックラッシュが除去される。このとき、回動プレート３５は右方に３°程度傾斜している。両歯車３３，３４の軸心間距離Ａは１９．７５ｍｍである。
【００２７】
前記回動プレート３５の回動中心Ｏ１ が設けられる好ましい範囲は、組付け上、調整上などの理由から図７に実線の斜線で示す範囲Ｉ内である。すなわち、この範囲Ｉは、ポテンショメータ３０の外形内の領域イと、駆動歯車３３（小径歯車部３３Ｂ）内の領域ロと、中心連結線４０を含むその近傍部でかつ従動歯車３４の駆動歯車３３とは反対側の白抜きした細長い三角形の領域ハと、止めねじ３８Ａ，３８Ｂの可動領域ニ、ホを除くその外側周辺領域である。
【００２８】
ポテンショメータ３０の取付けに際しては、予め２本の止めねじ３８Ａ，３８Ｂを緩めて回動プレート３５をシャーシ１５に対して回動自在にした後、この状態でポテンショメータ３０を回動プレート３５に設置固定する。このとき、図６（ａ）に示すように従動歯車３４が駆動歯車３３に噛合しないように回動プレート３５を出力軸７から離間する方向に最大角度（４°程度）回動させておく。
【００２９】
次に、回動プレート３５を時計方向に所要角度回動させて従動歯車３４を駆動歯車３３に噛み合わせる。回動プレート３５が時計方向に略４°回動して水平になると、従動歯車３４は駆動歯車３３に噛み合い始める（図６（ｂ））。さらに小角度（３°程度）回動させると、完全に噛み合って駆動歯車３３と従動歯車３４のピッチ円が一致し、これら両歯車間のバックラッシュを除去する（図６（ｃ））。そして、この状態で止めねじ３８Ａ，３８Ｂを締め付けて回動プレート３５をシャーシ１５に固定すると、アクチュエータ６に対するポテンショメータ３０の組付け作業が終了する。
【００３０】
次に、ポテンショメータ３０を出力軸７に対してセットする場合の設置条件について検討する。
図８において、ポテンショメータ３０（従動歯車３４）の中心Ｏから回動プレート３５の回動中心Ｏ１ が鉛直方向（中心連結線４０と直交する方向）と水平方向にそれぞれオフセットしている距離をａ、ｂ、回動プレート３５の回動中心Ｏ１ を通る鉛直線と、噛み合い直前におけるポテンショメータ３０の中心Ｏと回動プレート３５の回動中心Ｏ１ とを結ぶ線とのなす角度をθ１ 、噛み合い直前におけるポテンショメータ３０の中心Ｏと回動プレート３５の回動中心Ｏ１ とを結ぶ線と、噛み合い後のポテンショメータ３０の中心Ｏと回動プレート３５の回動中心Ｏ１ とを結ぶ線とのなす角度をθ、回動プレート３５を回動させて歯車３３，３４どうしを噛合させたときのポテンショメータ３０の中心Ｏの水平方向の移動量をΔｘとすると、
下記の（１）〜（４）式の関係が成り立つ。
【００３１】
【数１】
【００３２】
【数２】
【００３３】
【数３】
【００３４】
【数４】
【００３５】
上記（１）〜（４）式よりΔｘとθとの関係を求めると、次の（５）式となる。
【００３６】
【数５】
【００３７】
そこで、Δｘ＞０となるような条件（ポテンショメータ組立をθだけ動かした時、歯車３３，３４の中心間距離Ａが近づく条件）を求めると、図７に示した調整上等から好ましい範囲Ｉが求まる。
【００３８】
ここで、上記（５）式を満たすための条件式は、次の不等式（６）で示され、この不等式を満足するようにａ，ｂ、θの値を決定する。
【００３９】
【数６】
【００４０】
このような構造からなる歯車のバックラッシュ除去構造を備えたアクチュエータ６においては、駆動歯車３３と従動歯車３４間のバックラッシュを除去することができ、両歯車を適正に噛合させることができるため、出力軸７の実動作角度を高精度に検出することができ、動作位置検出手段１６による検出精度を向上させることができる。
【００４１】
また、回動プレート３５を回動させて従動歯車３４を駆動歯車３３にピッチ円どうしが一致するように噛合させ、この状態で回動プレート３５を止めねじ３８Ａ，３８Ｂによってシャーシ１５に固定するだけでよいので、ばね等の付勢手段を必要とせず、構造簡易にして部品点数およびばねの組付け工数を削減することができる。
【００４２】
さらに、回動プレート３５の回動によって従動歯車３４を駆動歯車３３に噛合させると、両歯車の歯の先端面どうしが互いに当たって噛み合わない場合でも回転自在な従動歯車３３の回転により両歯車間に滑りが生じるため、従動歯車３４を駆動歯車３３に対して自動的に噛合させることができ、直線移動によって噛合させる場合に比べて有利である。すなわち、直線移動によって噛合させる場合は、両歯車の歯の先端面どうしが互いに当たっても両歯車間に回転による滑りは生じず、作業者が手で歯車を回動させて噛み合わせる必要がある。
【００４３】
なお、上記した実施の形態では、アクチュエータ６を空調設備の電動式駆動弁に適用したが、これに限らず例えば燃焼装置やダクトの排気口を開閉するダンパに用いることも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る歯車のバックラッシュの除去構造およびアクチュエータは、簡単な構造で歯車間のバックラッシュを確実に除去することができて適正な噛合関係を確保することができ、出力軸の実動作角度を高精度に検出することができる。また、ばね等を必要としないため、部品点数を削減することができ、安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアクチュエータを備えたバルブの正面図である。
【図２】同アクチュエータのカバーを取り外して内部を示す分解斜視図である。
【図３】同アクチュエータの断面図である。
【図４】動作位置検出手段の取付構造を示す平面図である。
【図５】同動作位置検出手段の取付構造を示す正面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は歯車どうしの噛み合わせを説明するための図である。
【図７】回動プレートの回転支点の好ましい範囲を示す図である。
【図８】回動中心のオフセット、回動プレートの回動角度、ポテンショメータ（従動歯車）のシフト量を示す図である。
【符号の説明】
１…駆動弁、３…弁軸、６…アクチュエータ、７…出力軸、１５…シャーシ、１６…動作位置検出手段、３０…ポテンショメータ、３１…回転軸、３２…歯車列、３３…駆動歯車、３４…従動歯車、３５…回動プレート、３７…支持軸、３８Ａ，３８Ｂ…止めねじ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯車のバックラッシュ除去構造およびアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、バタフライバルブ、ボールバルブ等の弁の開度調整を行う電動式のアクチュエータにおいては、その出力軸の実回動角度を動作位置検出手段によって検出し、検出信号を制御部にフィードバックしている。動作位置検出手段としては、通常回転型のポテンショメータを用い、その回転軸にアクチュエータの出力軸の回転を歯車列を介して伝達するようにしている。その場合、歯車どうしを噛み合わせると、通常バックラッシュが生じ、騒音や振動の原因となるばかりか検出精度に大きく影響を及ぼす。そこで、極力騒音や振動の発生を防止したり、高精度な角度検出を行う必要がある場合は、歯車のバックラッシュを除去する機構を付加している（例えば、特許文献１，２，３参照）。なお、出願人は本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に密接に関連する先行技術文献を出願時までに見つけ出すことはできなかった。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−８２６６８号公報
【特許文献２】
特開平６−２２６８０３号公報
【特許文献３】
特開平１１−０８２６９８号公報
【０００４】
上記した特開平６−８２６６８号公報は、レンズ駆動装置及びカメラのレンズ移動装置に関するもので、駆動源となるモータおよびポテンショメータの出力側にそれぞれ設けた歯車と、これらの歯車に噛合する遊び歯車とをユニット台に設け、前記ユニット台を駆動部本体に回動可能に取付け、かつばね機構によって前記ユニット台を付勢することにより前記歯車どうしの間に生じるバックラッシュを自動的に除去するようにしたものである。
【０００５】
上記した特開平６−２２６８０３号公報は、成形機の位置決め装置に関するもので、駆動手段にラックおよびラック支持部材を取付け、前記ラックと噛合いかつ回転型ポテンショメータに連結するピニオンを固定部材に、一端が揺動可能に軸支された揺動部材を介して回転可能に取付け、前記ピニオンがラックを押圧するとともにラックの軸方向への分力が生じるように前記揺動部材の他端を前記固定部材にばねによって付勢するようにしたものである。
【０００６】
上記した特開平１１−０８２６９８号公報は、歯車のバッククラッシュ除去構造に関するもので、シリンダブロックに従動歯車を固設している回転軸の位置決め用穴を、シリンダブロックに設けられている駆動歯車を軸承した固定軸の嵌合穴を基準にして駆動歯車と従動歯車がバックラッシュを除去した適正な噛合関係を保持する軸心間距離をもって開設し、回転軸の軸心に位置決め部を形成した貫通穴を設け、この貫通穴に位置決め部と位置決め穴に嵌合する治具部を備えた位置決め用軸を挿通し、前記位置決め部と前記位置決め穴に前記治具部が嵌合した状態で回転軸および従動歯車のケーシングをシリンダブロックに組み付けるように構成したものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開平６−８２６６８号公報および特開平６−２２６８０３号公報に開示された従来のバックラッシュを除去する機構は、いずれも揺動自在な部材をばねによって付勢することにより歯車どうしを噛み合わせてバックラッシュを取り除くようにしているため、部品点数がばねの分だけ増加し構造が複雑になるとともに高価になり、またばねの組付け作業も面倒であるという問題があった。
【０００８】
上記した特開平１１−０８２６９８号公報に開示された歯車のバックラッシュ除去構造は、嵌合穴、位置決め穴や、これらの穴に嵌合する軸、治具部を高精度に製作する必要があるため、その製造コストが高くなるという問題があった。
【０００９】
バックラッシュを除去する他の方法としては、歯車の寸法精度を高くしたり、歯厚を厚く転位させてバックラッシュをなくすようにしたノーバックラッシュ歯車を使用することも考えられるが、その場合は特注品になるため歯車のコストが高くなり好ましくない。
【００１０】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡単な構造で歯車間のバックラッシュを除去し、適正な噛合関係を確保し得るようにした歯車のバックラッシュ除去構造およびアクチュエータを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明に係る歯車のバックラッシュ除去構造は、出力軸に取付けられた駆動歯車と、前記出力軸の回動角度を検出するポテンショメータと、このポテンショメータの回転軸に取付けられた従動歯車と、前記ポテンショメータが取付けられた回動可能な回動プレートと、この回動プレートを固定部材に固定する固定手段とを備え、前記回動プレートを回動させることにより前記従動歯車を前記駆動歯車に噛合させてこれら両歯車間のバックラッシュを除去し、前記回動プレートを前記固定手段によって前記固定部材に固定するようにしたものである。
【００１２】
このような構造によれば、ばね等の付勢手段が不要となり、各部品に高い加工精度が要求されず、安価に歯車のバックラッシュを除去することができて適正な噛合関係が得られ、また組付け作業も容易である。
歯車どうしを噛合させる場合、従動歯車が設けられているプレートを直線移動させて噛合させる場合は、歯の先端面が互いに当たったとき、歯車どうしが噛合せずいずれか一方の歯車を若干回転させて噛み合わせる必要がある。これに対して、回動プレートを用いた場合はこのプレートが回動すると従動歯車もこれと一体に回動するため、従動歯車と駆動歯車の歯の先端面が互いに当たって正しく噛み合わない場合に、両歯車間に滑りが生じる。したがって、プレートを直線移動させて歯車どうしを噛合させる場合に比べて確実に噛合させることができる。
【００１３】
第２の発明に係るアクチュエータは、上記第１の発明に係る歯車のバックラッシュ除去構造を備えたものである。
【００１４】
このような構造においては、歯車間のバックラッシュが無い分だけ出力軸の実動作角度の検出精度を向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るアクチュエータを備えたバルブの正面図、図２は同アクチュエータのカバーを取り外して内部を示す分解斜視図、図３は同アクチュエータの断面図、図４は動作位置検出手段の取付構造を示す平面図、図５は同動作位置検出手段の取付け構造を示す正面図、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は歯車どうしの噛み合わせを説明するための図、図７は回動プレートの回転支点の好ましい範囲を示す図、図８は回動中心のオフセット、回動プレートの回動角度、ポテンショメータ（従動歯車）のシフト量を示す図である。
本実施の形態は、建物内の空調設備の配管中を流れる流体の流量制御を行う電動式駆動弁に用いられるアクチュエータに適用した例について説明する。
【００１６】
図１〜図３において、全体を符号１で示すものは直動型の駆動弁で、この駆動弁１は流体の流路を形成する弁本体２と、この弁本体２内に上下動自在に組み込まれ、上端が外部に突出する弁軸３と、この弁軸３の内端に取付けられ弁本体２内の流路を開閉制御する弁プラグ４等で構成され、前記弁軸３の外端がクランク機構５を介してアクチュエータ６の出力軸７に連結されている。この駆動弁１の開度は、全閉角−８０°、全開角８０°、全動作角１６０°で、アクチュエータ６による全閉角と全開角の調整可能な角度範囲は±５°で１°ずつ調整される。クランク機構５は、第１、第２のリンク５Ａ，５Ｂとからなり、前記出力軸７の回転を直線往復運動に変換して前記弁軸３に伝達する。
【００１７】
本実施の形態では、アクチュエータ６によって開閉制御される駆動弁として弁軸３が直線往復運動する直動型の駆動弁１に適用した例を示しているため、このような直動型駆動弁１においては全閉、全開状態を直接角度で表示することはできない。しかし、弁軸３のリフト量は、出力軸７（第１のリンク５Ａ）の回転角度θ、第１のリンク５Ａの回動支点Ｐ１ ，Ｐ２ 間の距離Ｒおよび第２のリンク５Ｂの回動支点Ｐ２ ，Ｐ３ 間の距離Ｌによって決まるため、ここでは出力軸７の実動作角度を駆動弁１の全閉角、全開角として示す。なお、ボール弁やバタフライ弁等の回転型駆動弁に適用した場合は、クランク機構５を必要としないため、弁軸３と出力軸７をカップリングによって直接連結すればよい。
【００１８】
前記アクチュエータ６は、駆動弁１の上部に設けたフレーム８上にブラケット１０を介して設置される筐体９と、この筐体９の開口部を覆う図示を省略したカバーと、前記筐体９内に配設された駆動モータ１１と、この駆動モータ１１によって正逆回転される前記出力軸７と、この出力軸７の動作範囲を±５°の範囲で可変設定する動作範囲設定機構１２と、端子台１３と、回路基板組立体１４と、シャーシ（固定部材）１５と、前記出力軸７の実動作位置（角度）を検出する動作位置検出手段１６等を備えている。前記出力軸７の一端７Ａは前記筐体９の外部に突出しており、前記第１のリンク５Ａの一端が固定されている。前記出力軸７の他端部７Ｂには、前記動作範囲設定機構１２を構成する複数の部品のうちの一部が取付けられている。
【００１９】
前記動作範囲設定機構１２は、前記出力軸７の他端部７Ｂに嵌合され止めねじ２１によって固定されるカムホルダ２０と、このカムホルダ２０に対してスナップフィット機構２２とチルト機構２３とによって着脱可能かつ回動可能に取付けられるカム２４および目盛板２５と、前記回路基板組立体１４上に前記カム２４を介して対向するように固定された２つのリミットスイッチ（全閉スイッチ、全開スイッチ）２６，２７とで構成されている。全閉スイッチ２６は、弁１が全閉状態になるとカム２４の大径部２４Ａにローラ２８が乗り上げることによりＯＮし、全開スイッチ２７は、弁１が全開状態になると同じくカム２４の大径部２４Ａにローラ２９が乗り上げることによりＯＮするように配設されている。
【００２０】
図３〜図５において、前記動作位置検出手段１６としては、回転型のポテンショメータ３０が用いられ、その回転軸３１に前記出力軸７の回転が歯車列３２によって伝達されるように構成されている。歯車列３２は、出力軸７に取付けた駆動歯車３３と、回転軸３１に取付けた従動歯車３４とで構成されている。また、駆動歯車３３は、大径歯車部３３Ａと、小径歯車部３３Ｂとからなり、大径歯車部３３Ａが前記駆動モータ１１の駆動軸に設けた駆動ギアに噛合し、小径歯車部３３Ｂに前記従動歯車３４が噛合するように構成されている。そして、このようなポテンショメータ３０は、前記出力軸７に近接して配設した回動プレート３５に固定されている。
【００２１】
前記回動プレート３５は、前記シャーシ１５上に突設した支持軸３７（図４）によって前記駆動歯車３３に対し接近離間する方向に回動自在に枢支されており、前記歯車列３２のバックラッシュを除去した後、２本の止めねじ３８Ａ，３８Ｂによって前記シャーシ１５に固定される。このため、回動プレート３５には前記止めねじ３８Ａ，３８Ｂが挿通する２つの長孔３９Ａ，３９Ｂが前記支持軸３７の両側に位置するように形成されている。
【００２２】
前記駆動歯車３３（小径歯車部３３Ｂ）は、モジュールｍ＝０．５、歯数Ｚ１ ＝５７の標準の平歯車が用いられ、従動歯車３４は同じくモジュールｍ＝０．５、歯数Ｚ２ ＝２２の標準の平歯車が用いられる。
【００２３】
図６（ａ）は、駆動歯車３３と従動歯車３４が離間している状態で、このとき、回動プレート３５は図において左方に４°程度傾いている。この状態における両歯車３３，３４の軸心間距離Ａ１ は２１．２ｍｍである。
【００２４】
図６（ｂ）は、駆動歯車３３と従動歯車３４が噛み合い始めた状態を示す。このとき、回動プレート３５は水平な状態になり、両歯車３３，３４の軸心間距離Ａ２ が２０．２５ｍｍに短縮される。
【００２５】
また、この状態における回動プレート３５の回動中心Ｏ１ （支持軸３７）は、ポテンショメータ３０（従動歯車３４）の中心Ｏから鉛直方向（２つの歯車３３，３４の中心連結線４０と直交する方向）に距離ｂ（＝１３．５ｍｍ）、水平方向（前記中心連結線４０と平行な方向）に距離ａ（＝２．２５ｍｍ）だけオフセットしている。
【００２６】
図６（ｃ）は、駆動歯車３３と従動歯車３４が適正に噛み合った状態を示す。この噛合状態において、両歯車３３，３４のピッチ円は一致し、バックラッシュが除去される。このとき、回動プレート３５は右方に３°程度傾斜している。両歯車３３，３４の軸心間距離Ａは１９．７５ｍｍである。
【００２７】
前記回動プレート３５の回動中心Ｏ１ が設けられる好ましい範囲は、組付け上、調整上などの理由から図７に実線の斜線で示す範囲Ｉ内である。すなわち、この範囲Ｉは、ポテンショメータ３０の外形内の領域イと、駆動歯車３３（小径歯車部３３Ｂ）内の領域ロと、中心連結線４０を含むその近傍部でかつ従動歯車３４の駆動歯車３３とは反対側の白抜きした細長い三角形の領域ハと、止めねじ３８Ａ，３８Ｂの可動領域ニ、ホを除くその外側周辺領域である。
【００２８】
ポテンショメータ３０の取付けに際しては、予め２本の止めねじ３８Ａ，３８Ｂを緩めて回動プレート３５をシャーシ１５に対して回動自在にした後、この状態でポテンショメータ３０を回動プレート３５に設置固定する。このとき、図６（ａ）に示すように従動歯車３４が駆動歯車３３に噛合しないように回動プレート３５を出力軸７から離間する方向に最大角度（４°程度）回動させておく。
【００２９】
次に、回動プレート３５を時計方向に所要角度回動させて従動歯車３４を駆動歯車３３に噛み合わせる。回動プレート３５が時計方向に略４°回動して水平になると、従動歯車３４は駆動歯車３３に噛み合い始める（図６（ｂ））。さらに小角度（３°程度）回動させると、完全に噛み合って駆動歯車３３と従動歯車３４のピッチ円が一致し、これら両歯車間のバックラッシュを除去する（図６（ｃ））。そして、この状態で止めねじ３８Ａ，３８Ｂを締め付けて回動プレート３５をシャーシ１５に固定すると、アクチュエータ６に対するポテンショメータ３０の組付け作業が終了する。
【００３０】
次に、ポテンショメータ３０を出力軸７に対してセットする場合の設置条件について検討する。
図８において、ポテンショメータ３０（従動歯車３４）の中心Ｏから回動プレート３５の回動中心Ｏ１ が鉛直方向（中心連結線４０と直交する方向）と水平方向にそれぞれオフセットしている距離をａ、ｂ、回動プレート３５の回動中心Ｏ１ を通る鉛直線と、噛み合い直前におけるポテンショメータ３０の中心Ｏと回動プレート３５の回動中心Ｏ１ とを結ぶ線とのなす角度をθ１ 、噛み合い直前におけるポテンショメータ３０の中心Ｏと回動プレート３５の回動中心Ｏ１ とを結ぶ線と、噛み合い後のポテンショメータ３０の中心Ｏと回動プレート３５の回動中心Ｏ１ とを結ぶ線とのなす角度をθ、回動プレート３５を回動させて歯車３３，３４どうしを噛合させたときのポテンショメータ３０の中心Ｏの水平方向の移動量をΔｘとすると、
下記の（１）〜（４）式の関係が成り立つ。
【００３１】
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
上記（１）〜（４）式よりΔｘとθとの関係を求めると、次の（５）式となる。
【００３６】
【数５】
そこで、Δｘ＞０となるような条件（ポテンショメータ組立をθだけ動かした時、歯車３３，３４の中心間距離Ａが近づく条件）を求めると、図７に示した調整上等から好ましい範囲Ｉが求まる。
【００３８】
ここで、上記（５）式を満たすための条件式は、次の不等式（６）で示され、この不等式を満足するようにａ，ｂ、θの値を決定する。
【００３９】
【数６】
このような構造からなる歯車のバックラッシュ除去構造を備えたアクチュエータ６においては、駆動歯車３３と従動歯車３４間のバックラッシュを除去することができ、両歯車を適正に噛合させることができるため、出力軸７の実動作角度を高精度に検出することができ、動作位置検出手段１６による検出精度を向上させることができる。
【００４１】
また、回動プレート３５を回動させて従動歯車３４を駆動歯車３３にピッチ円どうしが一致するように噛合させ、この状態で回動プレート３５を止めねじ３８Ａ，３８Ｂによってシャーシ１５に固定するだけでよいので、ばね等の付勢手段を必要とせず、構造簡易にして部品点数およびばねの組付け工数を削減することができる。
【００４２】
さらに、回動プレート３５の回動によって従動歯車３４を駆動歯車３３に噛合させると、両歯車の歯の先端面どうしが互いに当たって噛み合わない場合でも回転自在な従動歯車３３の回転により両歯車間に滑りが生じるため、従動歯車３４を駆動歯車３３に対して自動的に噛合させることができ、直線移動によって噛合させる場合に比べて有利である。すなわち、直線移動によって噛合させる場合は、両歯車の歯の先端面どうしが互いに当たっても両歯車間に回転による滑りは生じず、作業者が手で歯車を回動させて噛み合わせる必要がある。
【００４３】
なお、上記した実施の形態では、アクチュエータ６を空調設備の電動式駆動弁に適用したが、これに限らず例えば燃焼装置やダクトの排気口を開閉するダンパに用いることも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る歯車のバックラッシュの除去構造およびアクチュエータは、簡単な構造で歯車間のバックラッシュを確実に除去することができて適正な噛合関係を確保することができ、出力軸の実動作角度を高精度に検出することができる。また、ばね等を必要としないため、部品点数を削減することができ、安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアクチュエータを備えたバルブの正面図である。
【図２】同アクチュエータのカバーを取り外して内部を示す分解斜視図である。
【図３】同アクチュエータの断面図である。
【図４】動作位置検出手段の取付構造を示す平面図である。
【図５】同動作位置検出手段の取付構造を示す正面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は歯車どうしの噛み合わせを説明するための図である。
【図７】回動プレートの回転支点の好ましい範囲を示す図である。
【図８】回動中心のオフセット、回動プレートの回動角度、ポテンショメータ（従動歯車）のシフト量を示す図である。
【符号の説明】
１…駆動弁、３…弁軸、６…アクチュエータ、７…出力軸、１５…シャーシ、１６…動作位置検出手段、３０…ポテンショメータ、３１…回転軸、３２…歯車列、３３…駆動歯車、３４…従動歯車、３５…回動プレート、３７…支持軸、３８Ａ，３８Ｂ…止めねじ。
Claims (2)
- 出力軸に取付けられた駆動歯車と、前記出力軸の回動角度を検出するポテンショメータと、このポテンショメータの回転軸に取付けられた従動歯車と、前記ポテンショメータが取付けられた回動可能な回動プレートと、この回動プレートを固定部材に固定する固定手段とを備え、前記回動プレートを回動させることにより前記従動歯車を前記駆動歯車に噛合させてこれら両歯車間のバックラッシュを除去し、前記回動プレートを前記固定手段によって前記固定部材に固定するようにしたことを特徴とする歯車のバックラッシュ除去構造。
- 請求項１記載の歯車のバックラッシュ除去構造を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
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