JP2006183822A - ロータリアクチュエータの連結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータの出力軸とコネクタとを堅固に連結して双方向回転の回転駆動時にバックラッシュ等の現象が生じることなく、例えば、回転弁に適用したとき、精度の高い開閉機能と流量制御機能が発揮され、しかも、出力軸の連結を凹凸部兼用に用いることができ、経済性にも優れ、その連結作業も容易且つ確実に行うことができる連結構造を提供する。
【解決手段】アクチュエータ本体２０の出力軸１に横断面矩形状の凹部２を形成し、一方、負荷側連結用コネクタ３に前記凹部２に嵌合する横断面矩形状の凸部４を形成する。前記凸部４の軸芯に内向き状のテーパ穴面７を設け、このテーパ穴面７に球体８を圧入する。この球体８の下部に押圧ボルト９を螺入して前記球体８を軸心方向に移動させる。これにより、前記凸部４の断面矩形の対角に形成した割溝５を押し拡げ、該凸部４を前記凹部２内に堅固に係合させたロータリアクチュエータの連結構造である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、電動モータ式、空圧式、油圧式或はギヤー式等のアクチュエータの出力軸とバタフライバルブやボールバルブ等の回転弁のステムをコネクタを介して連結するためのロータリアクチュエータの連結構造に関する。

この種のロータリアクチュエータと回転弁のステム連結構造は、アクチュエータの出力軸と回転弁のステムとを直接連結する場合もあるが、両者をコネクタで嵌め合い連結する構造も知られている。この場合、アクチュエータの出力軸下端の角部をコネクタの角穴に嵌め合いする場合（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）と、アクチュエータの出力軸下端の角穴とステムやコネクタの角部を嵌め合いする場合（例えば、特許文献３参照）とがある。

特許文献１は、連結部分に案内片を設けた連結装置であり、特許文献２は、コネクタにガイドピンとコイルばねを設けて弁棒とコネクタの振れを防止したものである。特許文献３は、アクチュエータのステムの角穴と弁棒の角部を嵌合し、弁箱の下面からクランプを装着して緊締した取付構造である。これらの公報は、いずれも嵌め合い連結構造であるが、嵌め合い部分を堅固に係合連結することを目的としたものではない。

通常、出力軸とコネクタの連結状態には、次のような問題を有する。図６は、従来構造の出力軸とコネクタとの連結状態を示した概略説明図である。図６（ａ）に示すように、出力軸３０の矩形穴部３１内にコネクタ３２の矩形突部３３を嵌め入れるために、矩形穴部３１と矩形突部３３との間に所定の隙間Ｍを要するが、この隙間Ｍによって、図６（ｂ）において矢印で示すように、回転駆動時にバックラッシュが生じる。このような回転駆動時に生じるバックラッシュは、特に流量制御機能に悪影響を与えるため、解決を要する課題である。

特許文献４及び特許文献５は、アクチュエータの出力軸の角穴とコネクタの角部との連結構造ではないが、前者の公報は、弁棒の角部をキャップの角穴に嵌合し、止めねじを螺合して角部の側面と角穴の側面とを当接させた構造であり、一方、特許文献５は、弁体と弁棒の接合構造であって、ボルト等の露出部分をなくすために、弁棒の下端に放射方向の割りを設け、弁棒に設けた貫通穴に圧入ピンを圧入して弁棒の先端部の割りを強制的に拡げ、弁体の穴に密着させるようにした接合構造である。
特公平７−１２２４７１号公報 実開平６−４５１７９号公報 実用新案登録第２５３４５６１号公報 特開平１１−２７０７３８号公報 実開平５−２５０７６号公報

しかしながら、特許文献４をアクチュエータの出力軸の角穴にコネクタの角部を連結する構造に適用すると、アクチュエータ内に位置している出力軸に止めねじを設けることは困難であると共に、止めねじが使用中に緩みを生じるおそれがあり、コネクタと出力軸とが偏位した状態で連結される等の問題を有している。また、特許文献５をアクチュエータの出力軸の角穴にコネクタの角部を連結する構造に適用すると、クランプ冶具などを用いて圧入ピンで圧入しなければならず、角軸の側面と角穴の側面同士が当接状態で圧入するので、両者の接合作業が困難であると共に、ピンの後端が飛び出した状態になるので、アクチュエータの出力軸との連結手段には適用が困難である。

本発明は、アクチュエータの出力軸とコネクタとを堅固に連結して双方向回転の回転駆動時にバックラッシュ等の現象が生じることなく、例えば、回転弁に適用したとき、精度の高い開閉機能と流量制御機能が発揮され、特に、微少流量時に高精度の機能を発揮でき、しかも、出力軸の連結を凹凸部兼用に用いることができ、経済性にも優れていると共に、その連結作業も容易且つ確実に行うことができ、従来には存在しない新規有用な連結構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、アクチュエータ本体の出力軸に横断面矩形状の凹部を形成し、一方、負荷側連結用コネクタに前記凹部に嵌合する横断面矩形状の凸部を形成し、この凸部の断面矩形の対角に形成した割溝を前記コネクタの軸方向に沿って適宜長さに形成し、前記凹部に凸部を嵌合する際、前記割溝と交叉する他方の対角を押し拡げて、前記凹部内に前記凸部を堅固に係合させたロータリアクチュエータの連結構造である。

請求項２に係る発明は、凹部と凸部の矩形状は正方形であり、この横断面正方形の凸部の先端部位を横断面正方形の凹部内に嵌着させたロータリアクチュエータの連結構造である。

請求項３に係る発明において、負荷側連結用のコネクタは、バタフライバルブ、ボールバルブ等の回転弁のステムと連結するコネクタである。

請求項４に係る発明において、前記コネクタは、金属製であり、このコネクタの凸部側の上端部位を硬化処理を施した。

請求項５に係る発明は、アクチュエータ本体の出力軸に横断面矩形状の凹部を形成し、一方、負荷側連結用コネクタに前記凹部に嵌合する横断面矩形状の凸部を形成し、前記凸部の軸芯に内向き状のテーパ穴面を設け、このテーパ穴面に球体を圧入し、この球体の下部に押圧ボルトを螺入して前記球体を軸心方向に移動させることにより、前記凸部の断面矩形の対角に形成した割溝を押し拡げ、該凸部を前記凹部内に堅固に係合させたロータリアクチュエータの連結構造である。

請求項６に係る発明において、前記テーパ穴面のテーパ角度は、２〜４°の角度が好ましい。

請求項１乃至３に係る発明によると、割溝（凸部）の拡径によって、嵌め入れに要した隙間は無くなり、アクチュエータの出力軸とコネクタとを堅固に連結して、双方向回転の回転駆動時にバックラッシュ等の現象が生じることがない。これにより、例えば、バタフライバルブ、ボールバルブ等の回転弁に適用したとき、精度の高い開閉機能と流量制御機能が発揮できる。しかも、出力軸の連結を凹凸部兼用に用いることができるので経済性にも優れており、その連結作業も容易且つ確実に行うことができる。

請求項４に係る発明によると、出力軸との当接部位の変形・磨耗を防止して、耐久性に優れた連結構造を実現した。これにより、アクチュエータの出力軸とコネクタとの堅固な連結状態は確実に維持され、長期に亘って、その優れた開閉機能と流量制御機能を如何なく発揮することができる。

例えば、嵌め合い公差の範囲内で穴軸加工寸法にばらつきが生じ、この加工寸法のばらつきに伴い、角部及び面部の相対隙間が均一でない場合であっても、請求項５又は６に係る発明によると、球体がこのような異なる相対隙間に対して自在に追随し、異なる寸法の隙間をゼロにすることができる。しかも、この球体を移動させる押圧ボルトは球体と別体であるので、球体の移動に際して、球体の軸芯ブレの影響を受けることなく、連結作業を容易且つ確実に行うことができる。

以下に、本発明におけるロータリアクチュエータの連結構造の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明における連結構造の一例を示した要部拡大断面図である。同図において、図中１は、アクチュエータ本体の出力軸であり、その先端部には横断面矩形状の凹部２が形成されている。図中３は、金属製の負荷側連結用コネクタ（以下、コネクタという）であり、前記凹部２に嵌合する横断面矩形状の凸部４が形成されている。図中５は、前記凸部４の断面矩形の対角に形成された割溝であって、コネクタ３の軸方向に沿って適宜長さ（深さ）に設けてある。当該コネクタ３には軸方向に沿って後端から先端（或は先端近傍）にかけて孔部６が設けてあり、同図に示すように、この孔部６内には雌ネジ部６ａが適宜範囲にわたって形成されている。図中７は、凸部４の内方に位置し、該凸部４の軸芯に対して内向き状（コネクタ３の先端側に向けて縮径状）に形成されたテーパ穴面である。図中８は、前記テーパ穴面７に圧入される球体であり、また、図中９は、前記孔部６内に螺入して、前記球体８の下面を押圧する押圧ボルトである。

図２（ａ）は、出力軸とコネクタとの連結前の状態を示した概略説明図であり、図２（ｂ）は、出力軸とコネクタとの連結状態を示した概略説明図である。本発明の連結構造によれば、図１に示すように、押圧ボルト９の螺入によって押圧された球体８が軸心方向へと移動し、テーパ穴面７内に圧入される。本例ではテーパ穴面７のテーパ角度を２〜４°に設定している。このテーパ角度の上限を４°とした理由は、それより大きいと凸部４の拡径に必要な力が大きくなり拡径し難いためであり、また、下限を２°とした理由は、それより小さいと割溝５を押し拡げる球体８及び押圧ボルト９の押込み量が長くなるためである。図１において矢印で示されるように、球体８の圧入によって、凸部４の断面矩形の対角に形成された割溝５が押し拡げられて、この割溝５と交叉する他方の対角が外方へと拡がることとなり、出力軸１の凹部２内にコネクタ３の凸部４が堅固に係合された状態が実現される。

本実施形態では、前記凸部４の断面矩形の対角に割溝５を設けているが、これは、割溝５と交叉する他方の対角を拡径すれば、図２（ｂ）に示すように、この対角の角部１０，１０が対向する前記凹部２の隅部２ａ，２ａを強固に押圧しうる点接触を実現すると共に、前記角部１０を構成する各面部１０ａ，１０ａが対向する前記凹部２の内壁２ｂ，２ｂを強固に押圧しうる線接触を実現するためであり、特に好ましい形態と言える。また、凸部４が断面三角形の２つの角柱に分割されているので、凹部２との接触に耐え得る強度と、球体８を後退した際の復元性とを兼ね備えたものとなっている。勿論、図示しないが、他方の対角にも割溝を設けて放射形状を呈した割溝としたり、更には、対角以外の箇所に割溝を設けることもできるが、これらの場合にはコネクタの耐久性等を考慮する必要がある。コネクタ３の凸部４側の上端部位には、凹部２との当接による変形・磨耗を防止するため、焼入れ等の硬化処理が施されている。

また、図２に示すように、本実施形態では前記凹部２と凸部４の矩形状を正方形として、この横断面正方形の凸部４の先端部位を横断面正方形の凹部２内に嵌着させているが、これに限定するものではなく、実施に応じて任意であり、また、割溝５を押し拡げる球体８の他例として、図示しないが、例えば、テーパ穴面７との接触部位が球形を呈した部材を採用してもよい。図３（ａ）は、本発明におけるコネクタの一例を示す平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。

図４は、本発明におけるコネクタの他例を示した断面図である。同図に示すように、球体８と押圧ボルト９との間に円柱状のロッド１１を介在させてもよい。これにより、押圧ボルト９において、球体８との接触部付近の加工が不要となり、市販の止めねじを追加工することなく用いることができる。また、押圧ボルト９のみ、呼び径を大きくして球体８の押圧力を上げ、径の大きいコネクタ３の凸部４の拡径を容易に行うこともできる。なお、ロッド１１の材質は、押圧ボルト９による押圧力に耐えられるよう、ＳＵＪ材等を用いるのが好ましい。

本発明における連結構造を採用するロータリアクチュエータの具体的な実施例を説明する。図５は、ロータリアクチュエータの一例を示した断面図である。同図において、図中２０は、電動アクチュエータであり、２１はブラケット、２２は継手部材、２３はパッキン押え、２４はパッキン、２５は弁箱、２６はボデーキャップ、２７はステム、２８は弁体、また、２９は下部ステムである。

本実施例におけるコネクタ３の材質はＳＣＭ４３５を採用しており、図３において、凸部４側の先端から所定寸法範囲までの領域Ｂを焼入れ・焼戻した後、有色クロメート（膜厚５〜１０μ）を塗布している。同図中、領域Ｃは、割溝５を設けた凸部４の弾性を確保するため、熱処理は施さない。テーパ穴面７は、割溝５の中央付近にそのテーパ角度を２〜４°に設定して形成されている。球体８の材質はＳＵＪ（ボールベアリングのボール材料）を採用しており、図示されるように、その径はコネクタ３に形成された雌ネジ部６ａよりも小径であり、テーパ穴面７の最大径よりも小径で、且つ、テーパ穴面７の最小径よりも大径としている。押圧ボルト９の材質はＳＣＭ４３５を採用しており、先端形状は平坦面を呈している。

次に、連結手順について説明すると、先ず、コネクタ３の組立を行う。コネクタ３の後端側からコネクタ３の孔部６内に球体８を内蔵させ、続いて押圧ボルト９を孔部６に螺入する。次いで、コネクタ３の凸部４を出力軸１の凹部２内に挿入した後、押圧ボルト９を更に螺入させる。本実施例では押圧ボルト９の先端形状は平坦面を呈しているので、球体８とは点接触した状態となり、押圧に伴う摩擦抵抗は極めて少ない。しかも、球体８とは別体であるので、球体８の移動に際して、球体８の軸芯ブレの影響を受けることがない。押圧ボルト９によって球体８が押圧されて軸心方向へと移動し、テーパ穴面７内に圧入される。同時に、凸部４の断面矩形の対角に形成された割溝５が押し拡げられ、該割溝５と交叉する他方の対角が外方へと拡がる。従って、図２（ｂ）に示すように、出力軸１の凹部２内にコネクタ３の凸部４が堅固に係合された状態が実現され、電動アクチュエータ２０の出力軸１への接続が完了する。

本実施例におけるコネクタ３とステム２７との接続には、締結手段を備えた継手部材２２を採用している。この継手部材２２は、分割体２２ａ，２２ｂで構成されており、この分割体２２ａ，２２ｂを外形角柱状のコネクタ３とステム２７の角柱状先端２７ａに跨るように配置した後、図示しないボルト・ナットを締め込むことで、コネクタ３とステム２７とが分割体２２ａ，２２ｂによって挟持され、バックラッシュなく接続される。

出力軸１との連結状態を解除する場合には、コネクタ３とステム２７との接続を解除した後、コネクタ３に螺入した押圧ボルト９を後退させれば、テーパ穴面７に圧入されていた球体８が、凸部４に生ずる弾性によって押し戻され、図２（ａ）に示すように、拡径状態にあった凸部４（割溝５）が縮径して、凹部２と凸部４との間に隙間Ｍが形成され、取り外しが可能となる。一例として、呼び寸法上の片側最大隙間を０．１ｍｍ、最大加工公差を０．１ｍｍとして、片側隙間＝０．２ｍｍ以下を吸収可能に設定する。この時の球体８の上下方向への移動量を３ｍｍとし、最大拡径量（片側）０．２ｍｍとする。

このように、本発明の連結構造を内蔵するロータリアクチュエータによれば、電動アクチュエータ２０の出力軸１とコネクタ３とは堅固に連結されているので、双方向回転の回転駆動時にバックラッシュ等の現象が生じることはなく、精度の高い開閉機能と流量制御機能を発揮することができる。しかも、出力軸１の連結を凹凸部兼用に用いることができるので、例えば、凹部２を有する出力軸１を組み込んだロータリアクチュエータのみを在庫しておき、出荷時に本実施例におけるコネクタ３を接続して、凸部を有する出力軸としたロータリアクチュエータとすれば、経済性にも優れ、更に、その連結作業も容易且つ確実に行うことができるので、作業性にも極めて優れたロータリアクチュエータとして提供することができる。更に、弁体２８と上下各ステム２７，２９とをスプライン結合することにより、両部品を角度ズレなく回転駆動することができる。

本発明に係るロータリアクチュエータの連結構造によれば、例えば、回転弁に適用したとき、精度の高い開閉機能と流量制御機能が発揮され、特に、微少流量時に高精度の機能を発揮できる。従って、半導体製造装置、液晶製造装置、化学食品プラントなど、あらゆる分野の流量調整を行う回転弁として提供可能であり、例えば、冷熱媒、純水や薬液配送、又はその他の分野において、特に、高精度な微少流量の制御を行う必要のある用途においても、高精度な微少流量制御を実現し、長期に亘って、安全に使用できる経済性にも優れた回転弁として提供することができる。

本発明における連結構造の一例を示した要部拡大断面図である。 （ａ）は、出力軸とコネクタとの連結前の状態を示した概略説明図であり、（ｂ）は、出力軸とコネクタとの連結状態を示した概略説明図である。 （ａ）は、本発明におけるコネクタの一例を示した平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。 本発明におけるコネクタの他例を示した断面図である。 本発明における連結構造を採用したロータリアクチュエータの一例を示した断面図である。 従来構造の出力軸とコネクタとの連結状態を示した概略説明図である。

符号の説明

１ 出力軸
２ 凹部
３ コネクタ（負荷側連結用コネクタ）
４ 凸部
５ 割溝
７ テーパ穴面
８ 球体
９ 押圧ボルト
２０ アクチュエータ
２７ ステム

Claims (6)

1. アクチュエータ本体の出力軸に横断面矩形状の凹部を形成し、一方、負荷側連結用コネクタに前記凹部に嵌合する横断面矩形状の凸部を形成し、この凸部の断面矩形の対角に形成した割溝を前記コネクタの軸方向に沿って適宜長さに形成し、前記凹部に凸部を嵌合する際、前記割溝と交叉する他方の対角を押し拡げて、前記凹部内に前記凸部を堅固に係合させたことを特徴とするロータリアクチュエータの連結構造。
2. 前記凹部と凸部の矩形状は正方形であり、この横断面正方形の凸部の先端部位を横断面正方形の凹部内に嵌着させた請求項１に記載のロータリアクチュエータの連結構造。
3. 前記負荷側連結用のコネクタは、バタフライバルブ、ボールバルブ等の回転弁のステムと連結するコネクタである請求項１又は２に記載のロータリアクチュエータの連結構造。
4. 前記コネクタは、金属製であり、このコネクタの凸部側の上端部位を硬化処理を施した請求項１乃至３の何れか１項に記載のロータリアクチュエータの連結構造。
5. アクチュエータ本体の出力軸に横断面矩形状の凹部を形成し、一方、負荷側連結用コネクタに前記凹部に嵌合する横断面矩形状の凸部を形成し、前記凸部の軸芯に内向き状のテーパ穴面を設け、このテーパ穴面に球体を圧入し、この球体の下部に押圧ボルトを螺入して前記球体を軸心方向に移動させることにより、前記凸部の断面矩形の対角に形成した割溝を押し拡げ、該凸部を前記凹部内に堅固に係合させたことを特徴とするロータリアクチュエータの連結構造。
6. 前記テーパ穴面のテーパ角度は、２〜４°である請求項５に記載のロータリアクチュエータの連結構造。
   

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