JP2007113626A

JP2007113626A - 電動アクチュエータ

Info

Publication number: JP2007113626A
Application number: JP2005304102A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sekine; 浩一関根; Akira Saruwatari; 亮猿渡
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-05-10
Also published as: CN1952459A; CN1952459B

Abstract

【課題】部品点数の削減と共通化を図り、小型、軽量化を可能にした電動アクチュエータを提供する。
【解決手段】上ケース２１とギアケース２３とで電動アクチュエータ２のハウジング６を形成し、上ケース２１内に駆動モータ１１を配置する。一方、ギアケース２３には、積層された２つの遊星歯車ユニットＵ１，Ｕ２からなる減速歯車機構１２を収納する。また、駆動モータ１１に近い遊星歯車ユニットＵ１の遊星歯車３１の個数を、回転軸３に近い遊星歯車ユニットＵ２の遊星歯車３９の個数より少なくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、温水、冷水、水蒸気等の流体の流量を制御する電動弁やダンパ等に用いられる電動アクチュエータに関するものである。

各種流体の流量を制御するバルブやダンパの開度調整を行う電動式のアクチュエータは、制御部からの駆動信号によって駆動する駆動モータと、この駆動モータの回転を減速し制御対象であるバルブやダンパ等の回転軸に伝達する減速歯車機構と、前記回転軸の現在の動作角（または動作範囲）を検出する動作角検出機構を備えている（例えば、特許文献１参照）。

電動アクチュエータの減速歯車機構としては、通常多数の平歯車を多段に積層して構成したものとか、前記特許文献１に記載された太陽歯車、遊星歯車および内歯車とからなる遊星歯車機構を用いたものが知られている。

特許文献１に記載されている電動アクチュエータは、太陽歯車、遊星歯車およびギアベースからなる遊星歯車ユニットを多段に積層して構成した遊星歯車機構を、内壁に内歯車を形成してなるケーシング内に収納し、このケーシングをアクチュエータのケース内に組込み、駆動モータの回転を遊星歯車機構によって減速するようにしている。ケースは駆動モータを収納する上ケースと、ケーシングを収納する下ケースとで構成され、上ケースと下ケース間を保持板によって仕切り、駆動モータの駆動軸の回転を最上段の遊星歯車ユニットの太陽歯車に伝達するようにしている。

特開２００２−３１２５９号公報

しかしながら、従来の二段平歯車を用いた減速歯車機構は、噛合いが一箇所で負荷が大きくなるためコスト高な高強度材からなる大きな平歯車となり、駆動モータ、減速歯車機構等を収納するハウジングが大型化し、アクチュエータを小型、軽量化することができないという問題があった。

一方、前記特許文献１に記載されている電動アクチュエータは遊星歯車機構を用いているため、二段平歯車を用いた減速歯車機構に比べて負荷を分散できるため歯車を小型化できるとしている。
しかしながら、この減速歯車機構は入力側と出力側の減速比が全て同一の遊星歯車ユニットを単に所要段数積層して構成しているだけであるため、部品点数の増加と重量化および大型化を招くという問題があった。すなわち、減速歯車機構を構成する各段の遊星歯車ユニットの遊星歯車にかかる負荷は一様ではなく、駆動モータ側から弁の回転軸側に向かって大きくなるものである。このため、実際の設計に際しては各段の負荷に応じて遊星歯車ユニットを設計することが望ましい。しかしながら、全ての遊星歯車機構を同一に設計する場合は、最終段の負荷を基準にして設計する必要があるため、負荷が小さくなる最終段以外の遊星歯車ユニットについては負荷能力が余剰となり、部品点数の削減、軽量化および小型化の大きな障害となる。

また、駆動モータ側は負荷が小さいことから遊星歯車の歯数を大きくして太陽歯車の歯数を少なくすることができるにもかかわらず最終段の遊星歯車の歯数に合わせているため、減速歯車機構全体の減速比が非効率となり、電動アクチュエータの重量、大きさ、部品点数を増大させることになる。

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、部品点数の削減と共通化を図り、小型、軽量化を可能にした電動アクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するために第１の発明は、ケース内に配設された駆動モータと、太陽歯車および遊星歯車を多段に積層してなる遊星歯車ユニットと前記遊星歯車が噛合する内歯車とからなる遊星歯車機構とを備え、この遊星歯車機構によって前記駆動モータの回転を減速し回転軸に伝達する電動アクチュエータにおいて、前記遊星歯車ユニットを、内歯車を共通として遊星歯車の個数が前記駆動モータに近いユニットほど減少する少なくとも２種類の遊星歯車ユニットで構成したものである。

第２の発明は、ケース内に配設された駆動モータと、太陽歯車および遊星歯車を多段に積層してなる遊星歯車ユニットと前記遊星歯車が噛合する内歯車とからなる遊星歯車機構とを備え、この遊星歯車機構によって前記駆動モータの回転を減速し回転軸に伝達する電動アクチュエータにおいて、前記遊星歯車ユニットは、減速比を大きくする少なくとも２種類の遊星歯車ユニットからなり、内歯車を共通として前記駆動モータに近いユニットほど遊星歯車の歯数は大きく、太陽歯車の歯数は少なくしたものである。

第３の発明は、ギアケースを備え、このギアケースは内壁に内歯車が形成され、駆動モータと遊星歯車機構を収納するケースであるとともにアクチュエータのハウジングを構成するものである。

第１の発明においては、遊星歯車にかかる負荷が駆動モータの駆動軸に近くなればなるほど低負荷となることに着目し、各段の遊星歯車の数を駆動モータ側に近いユニットほど少なくなるようにしたので、遊星歯車の数を削減でき、アクチュエータの軽量化およびコスト低減を実現することができる。

第２の発明においては、駆動モータに近い遊星歯車ユニットほど遊星歯車の歯数を大きくし、太陽歯車の歯数を少なくしたので、軽量化、小型化およびコスト低減を実現することができる。

第３の発明においては、ギアケースが駆動モータを収納するケースとともにアクチュエータのハウジングを構成しているので、部品の共用化を図ることができ、ハウジング自体を小型軽量化することができる。また、検出部や回転軸などの位置合わせが容易になる。

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は本発明に係る電動アクチュエータの一実施の形態を示す断面図、図２は同アクチュエータの主要構成部品の分解斜視図、図３（ａ）〜（ｃ）はケースの正面図、平面図および右側面図、図４（ａ）〜（ｃ）はジョイントの平面図、正面図および底面図、図５（ａ）、（ｂ）は弁開度が０％時の回動位置検出手段のＯＮ、ＯＦＦ状態を示す平面図および正面図、図６（ａ）、（ｂ）は弁開度が５０％時の回動位置検出手段のＯＮ、ＯＦＦ状態を示す平面図および正面図、図７（ａ）、（ｂ）は弁開度が１００％時の回動位置検出手段のＯＮ、ＯＦＦ状態を示す平面図および正面図である。

図１において、１は制御対象であるボールバルブ、２はボールバルブ１を駆動制御し弁開度を調整する電動アクチュエータである。

前記ボールバルブ１は従来周知の二方ボールバルブで、弁本体４の上部に一体に突設した円筒部４Ａを貫通する回転軸３を備え、その上端部が前記電動アクチュエータ２に連結され、下端側にはボールバルブ１内を流れる流体の流量を制御するボールプラグ（図示せず）が設けられている。ボールプラグの全動作角は９０°、全閉角は−４５°、全開角は＋４５°である。

図１〜図４において、前記電動アクチュエータ２は、前記円筒部４Ａ上にヨーク５を介して着脱可能に設置されたハウジング６と、このハウジング６内に収納された駆動モータ１１、減速歯車機構１２、前記回転軸３の動作角を検出する動作角検出機構１３等を備えている。

前記ヨーク５は、前記円筒部４Ａの上端に一体に設けたフランジ部４Ｂ上に位置決めされて設置されており、係合エレメント１５によって着脱可能に固定されている。ヨーク５の底面には、複数個の位置決めピン１６が一体に突設されており、これらの位置決めピン１６をフランジ部４Ｂの上面に形成した凹部１７に嵌合することにより、ヨーク５をフランジ部４Ｂ上に位置決めしている。

前記係合エレメント１５は、前記ヨーク５の内部に嵌め込み固定されており、フランジ部４Ｂ側に設けた係合部（図示せず）に係合する係合部と、係合エレメント１５をフランジ部４Ｂに対して係止する操作ノブ１８を備えている。操作ノブ１８は、ヨーク５の下部に形成した開口部２０から外部に突出しており、この操作ノブ１８を水平方向に回動操作してフランジ部４Ｂと係合エレメント１５の係合状態を解除すると、ヨーク５をフランジ部４Ｂから取り外すことができる。

前記ハウジング６は、前記駆動モータ１１および動作角検出機構１３を収納する上ケース２１と、この上ケース２１の下端部外周面に嵌装されたリング２２と、前記減速歯車機構１２を収納するギアケース２３とで構成されている。

上ケース２１は、前記ヨーク５の上面にリング２２およびギアケース２３とともに着脱可能に固定されており、下面側開口部が前記ギアケース２３によって覆われている。

ギアケース２３は、内部に前記減速歯車機構１２を収納して外周縁部が前記ヨーク５の上面に固定され、上端側開口部２３ａが取付板２４によって閉塞されている。ギアケース２３の下端側開口部２３ｂは、後述するキャリア４３を回転自在に軸支する軸孔を形成している。

前記駆動モータ１１は、前記ギアケース２３の取付板２４上に設置されることにより、上ケース２１内に位置している。また、駆動モータ１１は取付板２４上に下向きに設置されることにより、駆動軸２５が取付板２４に設けた挿通孔を貫通してギアケース２３内に挿入され、その挿入端部に駆動軸２５の回転を前記減速歯車機構１２に伝達するピニオン２６が固定されている。

前記減速歯車機構１２は、二段に積層された第１、第２の遊星歯車ユニットＵ１，Ｕ２と、前記キャリア４３等によって構成されており、前記ギアケース２３に収納されている。

上方に位置し駆動モータ１１の駆動軸２５に近い第１の遊星歯車ユニットＵ１は、太陽歯車３０と、３個の遊星歯車３１と、キャリア３２と、内歯車４０（図３（ｂ））等で構成されている。駆動モータ１１と遊星歯車ユニットＵ１への噛合の伝達には、二段ギア２７（２７ａ，２７ｂ）と、ギア２９が介在する。二段ギア２７の第１ギア２７ａは前記ピニオン２６に噛合し、第２ギア２７ｂには前記ギア２９が噛合している。太陽歯車３０は、ギア２９と一体に形成されており、遊星歯車３１がそれぞれ噛合している。各遊星歯車３１は、第１のキャリア３２の上面に突設した３本の支持ピン３３によってそれぞれ回転自在に軸支されている。また、第１のキャリア３２の中央には、前記ギア２９を回転自在に軸支する軸ピン３４が立設されている。

下方側に位置し前記ボールバルブ１の回転軸３に近い第２の遊星歯車ユニットＵ２は、太陽歯車３８と、この太陽歯車３８にそれぞれ噛合する４個の遊星歯車３９と、これらの遊星歯車３９が噛合する前記内歯車４０と、第２のキャリア４３等で構成されている。太陽歯車３８は、前記第１のキャリア３２の下面に一体に設けられている。各遊星歯車３９は、前記第２のキャリア４３に突設した軸ピン４４によってそれぞれ回転自在に軸支されている。また、遊星歯車３９は、第１の遊星歯車ユニットＵ１の遊星歯車３１より歯幅を厚く形成されている。これは、ボールバルブ１の回転軸３に近い遊星歯車ユニットほど太陽歯車に加わる負荷が大きくなるため、遊星歯車３９の歯幅を厚くして負荷に耐え得るようにしている（面圧の低減）。前記内歯車４０は、前記ギアケース２３の内壁に形成された固定歯車からなり、前記遊星歯車３１，３９が共通に噛合している。

前記キャリア４３は、下面に一体に突設した円筒状の軸部４３Ａを有し、この軸部４３Ａが前記ギアケース２３の下面に形成した軸孔２３ｂによって回転自在に軸支されている。また、軸部４３Ａの内面側にはスプライン溝４６が形成されており、このスプライン溝４６には前記ギアケース２３の下方に配設したジョイント４７のスプライン歯４８が噛合している。

前記ジョイント４７は、前記回転軸３と前記減速歯車機構１２とを連結することにより、減速歯車機構１２によって減速された駆動モータ１１の回転を回転軸３に伝達する回転伝達部材で、前記回転軸３の上端に設けた角柱部３ａに回転を規制するように嵌合されており、上面中央部には前記スプライン歯４８が設けられている。また、ジョイント４７には、前記回転軸３を手動回動させて動作角を調整するときに用いられる操作ハンドル５０と、前記動作角検出機構１３のレバー部材５４を傾動させる２つの操作部５１，５２とが設けられている。操作部５１，５２は、ジョイント４７の円筒部４７Ａに設けた段差部で構成されている。操作部５１と５２は、円筒部４７Ａの周方向に略９５°離間して設けられている。

前記動作角検出機構１３は、前記レバー部材５４と、このレバー部材５４の傾動によってＯＮ、ＯＦＦされる２つの回動位置検出手段６０，６１とで構成されている。回動位置検出手段６０，６１としては、ノーマルクローズタイプのマイクロスイッチが用いられる。レバー部材５４は、図３（ａ）においてギアケース２３の左右方向（矢印Ａ，Ｂ方向）に傾動自在に立設されており、前記ジョイント４７の操作部５１，５２のいずれも当接しない状態では略垂直に起立しており、前記回動位置検出手段６０，６１のいずれに対しても非接触な状態を維持している。このようなレバー部材５４は、下端寄りが回動自在に軸支され、弾性部材によって通常中点位置に保持されることにより自動復帰型のレバーを構成している。

前記回動位置検出手段６０，６１は、同じく前記ギアケース２３上に前記レバー部材５４を挟んでその傾動方向に近接して対向するように配設されている。また、２つの回動位置検出手段６０，６１のうち図５（ａ）において右側に位置する回動位置検出手段６０は、前記ジョイント４７の図５に示す最小回動位置（弁の弁開度が０％となるときの回動位置）において、前記レバー部材５４によって押圧されてＯＦＦになることにより、開度減少方向へのモータ１１への通電を停止する。それ以外の回動位置ではＯＮ状態で最小回動位置検知手段を構成している。このとき、左側に位置する回動位置検出手段６１はＯＮの状態を保持している。

左側に位置する前記回動位置検出手段６１は、前記ジョイント４７の図７に示す最大回動位置（弁開度が１００％となるときの回動位置）において、前記レバー部材５４によって押圧されてＯＦＦになることにより、開度増加方向へのモータ１１への通電を遮断する。それ以外の回動位置ではＯＮ状態で最大回動位置検知手段を構成している。このとき、右側の回動位置検出手段６０はＯＮ（導通）の状態を保持している。なお、弁開度が全閉、全開以外の中間開度においては、レバー部材５４がジョイント４７の操作部５１，５２のいずれによっても傾動されないため、回動位置検出手段６０，６１はいずれもＯＮ（導通）の状態を保持している。

次に、このような構造からなる電動アクチュエータ２の動作について説明する。
制御部からの駆動信号によって駆動モータ１１を駆動すると、その駆動軸２５の回転は減速歯車機構１２によって減速された後、ジョイント４７を介してボールバルブ１の回転軸３に伝達される。すなわち、駆動モータ１１が駆動するとその駆動軸２５の回転は、ピニオン２６を介して二段ギア２７に伝達される。また、二段ギア２７の回転はギア２９を介して太陽歯車３０に伝達され、これによって太陽歯車３０が回転して３つの遊星歯車３１を回転させる。

遊星歯車３１は太陽歯車３０の回転によって回転すると、内歯車４０に沿って公転して第１のキャリア３２を回転させ、太陽歯車３０の回転を減速する。また、遊星歯車３１が内歯車４０に沿って公転すると、太陽歯車３８も回転し、４つの遊星歯車３９を回転させる。これらの遊星歯車３９は内歯車４０に沿って公転し、第２のキャリア４３を回転させて太陽歯車３８の回転を減速する。さらに、この第２のキャリア４３の回転は、スプライン溝４６とスプライン歯４８を介してジョイント４７に伝達されるため、ジョイント４７と回転軸３は一体に回動し、これによりボールバルブ１の弁開度が調整される。なお、減速歯車機構１２による減速比は、入力側と出力側との減速比を９９７：１とし、２つの遊星歯車ユニットＵ１，Ｕ２、
１／６×１／５．３＝１／３２となる。

第１、第２の遊星歯車ユニットＵ１，Ｕ２の歯数と減速比の例を下記の表１、表２にそれぞれ示す。表１は請求項１に記載の実施の形態における歯数と減速比の一例を示す。表２は、遊星歯車と太陽歯車の歯数を駆動モータに近いユニット（段）ほど少なくした請求項２に記載の実施の形態における歯数と減速比の例を例している。

前記回転軸３が回動すると、動作角検出機構１３は回転軸３の動作角を検出する。すなわち、ボールバルブ１の弁開度が５０％の状態（回転軸３の動作角＝０°）のとき、レバー部材５４は図６（ｂ）に示すように略垂直に起立して回動位置検出手段６０と回動位置検出手段６１との中間に位置し、ジョイント４７の２つの操作部５１，５２と接触しない。このため、２つの回動位置検出手段６０，６１はいずれもレバー部材５４に接触せず、ＯＮ（導通）の状態を維持している。

弁開度５０％の状態より回転軸３が閉方向に回動するとジョイント４７も回転軸３と一体に回動する。そして、回転軸３が所定角度（−４５°）回動すると、ジョイント４７の一方の操作部５１がレバー部材５４の下端部に当接してこれを押圧し、レバー部材５４を図５（ｂ）に示すように傾動させる。このため、レバー部材５４は回動位置検出手段６０のボタンを押圧して回動位置検出手段６０をＯＦＦさせることにより全閉方向側の通電を遮断し、駆動モータ１１の駆動を停止させる。このとき、ボールバルブ１は全閉状態である。

一方、弁開度５０％の状態より回転軸３が開方向に所定角度（４５°）回動するとジョイント４７の操作部５２が図７（ｂ）に示すようにレバー部材５４を押圧して傾動させる。このため、レバー部材５４は回動位置検出手段６１のボタンを押圧して回動位置検出手段６１をＯＦＦさせることにより全開方向側の通電を遮断し、駆動モータ１１の駆動を停止させる。このとき、ボールバルブ１は全開状態である。

このように本発明においては、各遊星歯車ユニットＵ１，Ｕ２の遊星歯車３１，３９に加わる負荷が駆動モータ１１側において小さくボールバルブ１側に向かって大きくなることから、ボールバルブ１側の遊星歯車ユニットＵ２を基準にして設計し、駆動モータ１１側の遊星歯車ユニットＵ１の減速比を第２の遊星歯車ユニットＵ２と内歯車を共通にしながら大きくするとともに、遊星歯車３１の歯幅を遊星歯車ユニットＵ２の遊星歯車３９の歯幅より薄くし、遊星歯車３１の個数を３個として遊星歯車３９の個数より１つ少なくしたので、減速歯車機構１２全体の減速効率を高めるとともに遊星歯車３２の個数を削減でき、またこれによりアクチュエータ自体の小型化と重量軽減を図ることができる。

また、減速歯車機構１２を収納するギアケース２３は、駆動モータ１１を収納する上ケース２１とともにアクチュエータ２のハウジング６を構成しているので、部品の共用化が図れ、ジョイント４７との軸合わせが容易に可能となる上、連結部が不要であるため小型化できる。

なお、上記した実施の形態においては遊星歯車の数が異なる２種類の遊星歯車ユニットＵ１，Ｕ２を用いた例を示したが、これに限らず２種類以上の遊星歯車ユニットにも適用することができる。

本発明に係る電動アクチュエータはボールバルブに適用した例を示したが、これに限らず各種の弁に適用することができ、またバルブ以外の装置、例えば燃焼装置やダクトの排気口を開閉するダンパなどにも用いることができるのはもちろん、減速機構一体のギヤードモータのギヤユニット単体としても用いることができる。

本発明に係る電動アクチュエータの一実施の形態を示す断面図である。同アクチュエータの主要構成部品の分解斜視図である。（ａ）〜（ｃ）はケースの正面図、平面図および右側面図である。（ａ）〜（ｃ）はジョイントの平面図、正面図および底面図である。（ａ）、（ｂ）は弁開度が０％時の回動位置検出手段のＯＮ、ＯＦＦ状態を示す平面図および正面図である。（ａ）、（ｂ）は弁開度が５０％時の回動位置検出手段のＯＮ、ＯＦＦ状態を示す平面図および正面図である。（ａ）、（ｂ）は弁開度が１００％時の回動位置検出手段のＯＮ、ＯＦＦ状態を示す平面図および正面図である。

符号の説明

１…ボールバルブ、２…電動アクチュエータ、３…回転軸、６…ハウジング、１１…駆動モータ、１２…減速歯車機構、１３…動作角検出機構、２１…上ケース、２３…ギアケース、２５…駆動軸、３０…太陽歯車、３１…遊星歯車、３８…太陽歯車、３９…遊星歯車、４０…内歯車、Ｕ１，Ｕ２…遊星歯車ユニット。

Claims

ケース内に配設された駆動モータと、太陽歯車および遊星歯車を多段に積層してなる遊星歯車ユニットと前記遊星歯車が噛合する内歯車とからなる遊星歯車機構とを備え、この遊星歯車機構によって前記駆動モータの回転を減速し回転軸に伝達する電動アクチュエータにおいて、
前記遊星歯車ユニットを、内歯車を共通として遊星歯車の個数が前記駆動モータに近いユニットほど減少する少なくとも２種類の遊星歯車ユニットで構成したことを特徴とする電動アクチュエータ。
ケース内に配設された駆動モータと、太陽歯車および遊星歯車を多段に積層してなる遊星歯車ユニットと前記遊星歯車が噛合する内歯車とからなる遊星歯車機構とを備え、この遊星歯車機構によって前記駆動モータの回転を減速し回転軸に伝達する電動アクチュエータにおいて、
前記遊星歯車ユニットは、減速比を大きくする少なくとも２種類の遊星歯車ユニットからなり、内歯車を共通として前記駆動モータに近いユニットほど太陽歯車の歯数を少なくしたことを特徴とする電動アクチュエータ。
請求項１または２記載の電動アクチュエータにおいて、
ギアケースを備え、このギアケースは内壁に内歯車が形成され、駆動モータと遊星歯車機構を収納するケースであるとともにアクチュエータのハウジングを構成することを特徴とする電動アクチュエータ。