JP2014072909A - 電動シリンダ - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータの制御が停電などにより不能となった時に圧縮空気等の流体圧を利用することなくシリンダロッドを初期位置に自動復帰させることのできる電動シリンダを提供する。
【解決手段】電動モータ１１の駆動力により直線運動するラックギヤ１５を有するラック・ピニオン機構１４と、ラックギヤ１５の一端に連結されたシリンダロッド１８とを備えた電動シリンダ１０において、電動モータ１１の制御が不能であるときに電磁クラッチ２３により電動モータ１１をラック・ピニオン機構１４から切り離し、付勢部材２１の付勢力によりシリンダロッド１８を初期位置に戻すようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータを駆動源とする電動シリンダに関する。

従来、アクチュエータ用のシリンダとしては、空圧駆動のエアーシリンダや油圧駆動の油圧シリンダが一般的に使用され、特に大きな駆動力を必要としないものについては、エアーシリンダが多用されている。しかし、エアーシリンダ等のように流体圧で駆動する方式のシリンダは電気配線と流体配管が付属し、設置数が多い場合には、その分工事量が増大し、設置及び保全に必要なスペースも拡大する。

流体圧駆動のシリンダに代わるものとしては、電動モータを駆動源とする電動シリンダが知られている。しかし、ほとんどの電動シリンダはシリンダロッドを進退駆動する手段としてボールねじを使用しているため、電動モータの制御が停電などにより不能になった場合には、シリンダロッドを元の初期位置に自動的に戻すことができないという問題がある。
このような問題を解消するため、特許文献１には、電動モータの駆動が停電などにより停止したときにピストンロッドを前後方向に移動可能とした電動シリンダが記載されている。

特開２００２−２１３４０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたものは、電動モータが使用不能な場合に圧縮空気等の流体をシリンダケース内に導入してピストンロッドを前後方向に移動可能とする構成であるため、配管不要という当初の電動シリンダの利点が失われる。
例えば炉設備等の燃料や燃焼用空気の供給ラインに用いられるバルブは、停電等の異常時に災害防止及び設備保全のため、バルブを全閉または全開とする必要がある。しかし、現在の電動シリンダにはその機能がないため、そのような装置のアクチュエータには使用できない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電動モータの制御が停電などにより不能となった時に圧縮空気等の流体圧を利用することなくシリンダロッドを初期位置に自動復帰させることのできる電動シリンダを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様は、電動モータの駆動力により直線運動する直動部材を有する動力伝達機構と、前記直動部材に連結されたシリンダロッドと、前記シリンダロッドを前進方向または後退方向に付勢する付勢部材と、前記電動モータの制御が不能であるときに前記動力伝達機構に対するモータ負荷を低減するモータ負荷低減手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様において、前記モータ負荷低減手段は、前記電動モータの制御が不能であるときに前記電動モータを前記動力伝達機構から切り離す電磁クラッチであることが望ましい。

また、前記電動モータは電磁ブレーキ付電動モータであって、前記モータ負荷低減手段は、前記電動モータの制御が不能であるときに前記電動モータの電磁ブレーキを開放状態に制御する電磁ブレーキ制御手段であることが望ましい。
また、前記動力伝達機構はラック・ピニオン機構であり、前記直動部材はラックギヤであることが好ましい。

本発明の一態様によれば、電動モータの制御が停電などにより不能になると動力伝達機構に対するモータ負荷がモータ負荷低減手段により低減され、これにより、付勢部材の付勢力によりシリンダロッドを初期位置に戻すことが可能となる。したがって、電動モータの制御が停電などにより不能となった時に圧縮空気等の流体圧を利用することなくシリンダロッドを初期位置に自動復帰させることができる。また、シリンダケースに流体配管を付設する必要もないので、工事費用と設置スペースの低減を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る電動シリンダの概略構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電動シリンダの概略構成を示す図である。 図２に示す電動シリンダの要部を示す図である。 本発明の第３の実施形態の要部を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の電動シリンダを開閉弁開閉用アクチュエータとして適用した第１の実施形態を示す図である。図１に示されるように、本発明の第１の実施形態に係る電動シリンダ１０は、電動モータ１１を駆動源とするものであって、ラック・ピニオン機構１４、シリンダロッド１８、付勢部材２１および電磁クラッチ２３を備えている。
電動モータ１１は回転軸１２及び電磁ブレーキ１３を有し、電動モータ１１が回転停止状態にあるときには電磁ブレーキ１３のブレーキ力により回転軸１２が回転不能な状態に保持されている。

動力伝達機構としてのラック・ピニオン機構１４は電動モータ１１の駆動力を直線運動に変換するものであって、ラックギヤ１５を有している。また、ラック・ピニオン機構１４はラックギヤ１５と噛み合うピニオンギヤ１６と、ピニオンギヤ１６に電動モータ１１の駆動力を伝えるピニオンギヤ軸１７とを有し、ピニオンギヤ軸１７からピニオンギヤ１６に電動モータ１１の駆動力が伝わるとラックギヤ１５が図中左右方向に直線運動するようになっている。

シリンダロッド１８は、ラックギヤ１５の一端に連結されている。従って、ラックギヤ１５が直線運動すると、これに伴ってシリンダロッド１８が軸方向に進退動作するようになっている。なお、本実施形態では、ラックギヤ１５の一端が連結されたシリンダロッド１８の端部と反対側の端部（シリンダロッド１８の先端部）に、開閉弁２０が連結部材１９を介して連結されている。

付勢部材２１はシリンダロッド１８を図中左方（シリンダロッド１８の前進方向）に付勢するものであって、例えばコイルばねから形成されていると共に、ラックギヤ１５及びシリンダロッド１８を移動可能に収納するシリンダケース２２に収容されている。
モータ負荷低減手段としての電磁クラッチ２３は電動モータ１１が停電などにより制御不能であるときに電動モータ１１をラック・ピニオン機構１４から切り離すものであって、電動モータ１１の回転軸１２とラック・ピニオン機構１４のピニオンギヤ軸１７との間に設けられている。
なお、電動モータ１１としては、シリンダロッド１８にかかる負荷力をＦ１、シリンダロッド１８に作用する付勢部材２１の付勢力をＦ２とした場合、モータ駆動力ＭＴがＭＴ＞Ｆ１＋Ｆ２であるものが好ましい。

このような構成において、電動モータ１１の回転軸１２が所定方向に回転し、電動モータ１１の駆動力が電磁クラッチ２３、ピニオンギヤ軸１７及びピニオンギヤ１６を介してラックギヤ１５に伝わると、ラックギヤ１５が図中右方に直線運動する。そして、ラックギヤ１５が図中右方に直線運動すると、これに伴ってシリンダロッド１８が付勢部材２１の付勢力に抗して図１（ａ）に示す位置（初期位置）から図１（ｂ）に示す位置に移動すると共に、開閉弁２０が閉状態から開状態に切り替わる。
ラックギヤ１５及びシリンダロッド１８が図１（ｂ）に示す位置にあるときに電動モータ１１の駆動力によりラックギヤ１５が図中左方に直線運動すると、ラックギヤ１５の直線運動に伴ってシリンダロッド１８が図１（ｂ）に示す位置から図１（ａ）に示す位置（初期位置）に移動し、これにより、開閉弁２０が開状態から閉状態に切り替わる。

また、ラックギヤ１５及びシリンダロッド１８が図１（ｂ）に示す位置にあるときに図１（ｂ）に示す位置にあるときに電動モータ１１が停電などにより制御不能になると、本実施形態では、電磁クラッチ２３が開放状態となる。これにより、電動モータ１１がラック・ピニオン機構１４から切り離された状態となり、付勢部材２１の付勢力によりラックギヤ１５及びシリンダロッド１８が図１（ｂ）に示す位置から図１（ａ）に示す位置（初期位置）に戻される。

したがって、上述した本発明の第１の実施形態では、電動モータ１１の制御が停電などにより不能となったときに圧縮空気等の流体圧を利用することなくシリンダロッド１８を初期位置に自動復帰させることができる。また、電動モータ１１の回転軸１２が電磁ブレーキ１３により回転不能にロックされている場合でも電動モータ１１の制御が不能であるときにシリンダロッド１８を初期位置に自動復帰させることができる。さらに、シリンダケース２２に流体配管を付設する必要がないので、工事費用と設置スペースの低減を図ることができる。

次に、図２及び図３を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。
図２に示されるように、本発明の第２の実施形態に係る電動シリンダ１０は電動モータ１１を駆動源とするものであって、ラック・ピニオン機構１４、シリンダロッド１８、付勢部材２１、モータ制御器２５（図３参照）および電磁ブレーキ制御装置２７（図３参照）を備えている。
動力伝達機構としてのラック・ピニオン機構１４は電動モータ１１の駆動力を直線運動に変換するものであって、ラックギヤ１５を有している。また、ラック・ピニオン機構１４はラックギヤ１５と噛み合うピニオンギヤ１６と、ピニオンギヤ１６に電動モータ１１の駆動力を伝えるピニオンギヤ軸１７とを有し、ピニオンギヤ軸１７からピニオンギヤ１６に電動モータ１１の駆動力が伝わるとラックギヤ１５が図中左右方向に直線運動するようになっている。

シリンダロッド１８は、ラックギヤ１５の一端に連結されている。従って、ラックギヤ１５が直線運動すると、これに伴ってシリンダロッド１８が軸方向に進退動作するようになっている。なお、本実施形態では、ラックギヤ１５の一端が連結されたシリンダロッド１８の端部と反対側の端部（シリンダロッド１８の先端部）に、開閉弁２０が連結部材１９を介して連結されている。
付勢部材２１はシリンダロッド１８を図中左方（シリンダロッド１８の前進方向）に付勢するものであって、例えばコイルばねから形成されていると共に、ラックギヤ１５及びシリンダロッド１８を移動可能に収納するシリンダケース２２に収容されている。

電動モータ１１は回転軸１２を有し、この回転軸１２の先端部はカップリング２４を介してラック・ピニオン機構１４のピニオンギヤ軸１７に連結されている。また、電動モータ１１は電動モータ１１の回転停止時に回転軸１２を回転不能に保持する電磁ブレーキ１３を有し、この電磁ブレーキ１３は、例えば図３に示されるように、回転軸１２に制動力を付与する制動力付与部材１３ａと、制動力付与部材１３ａを回転軸１２に押し付けるばね部材１３ｂと、ばね部材１３ｂのばね力に抗して制動力付与部材１３ａを回転軸１２から引き離すソレノイド１３ｃとを有して構成されている。

モータ制御器２５は電動モータ１１をオンオフ制御するものであって、このモータ制御器２５には、電動モータ１１を回転させるための電力が主電源２６から供給されている。
モータ負荷低減手段としての電磁ブレーキ制御装置２７は電動モータ１１の電磁ブレーキ１３を制御するものであって、図３に示されるように、電動モータ１１の回転停止時には電磁ブレーキ１３のソレノイド１３ｃに電力を主電源２６から供給して電動モータ１１の回転軸１２を回転不能に保持し、電動モータ１１の回転時にはソレノイド１３ｃへの電力供給を遮断して電磁ブレーキ１３を開放状態に制御するように構成されている。また、電動モータ１１の制御が不能となったときには、電磁ブレーキ１３のソレノイド１３ｃにバッテリー電源２８（図３参照）の電力を供給して電磁ブレーキ１３を開放状態に制御するように構成されている。
なお、図３の（ａ）は電動モータ１１が回転停止状態にあるときの電磁ブレーキ１３の状態を示し、図３の（ｂ）は電動モータ１１の回転時や電動モータ１１の制御が不能である時の電磁ブレーキ１３の状態を示している。

このような構成において、電動モータ１１の回転軸１２が所定方向に回転し、電動モータ１１の駆動力がピニオンギヤ軸１７、ピニオンギヤ１６を介してラックギヤ１５に伝わると、ラックギヤ１５が図中右方に直線運動する。そして、ラックギヤ１５が図中右方に直線運動すると、これに伴ってシリンダロッド１８が付勢部材２１の付勢力に抗して図２（ａ）に示す位置（初期位置）から図２（ｂ）に示す位置に移動すると共に、開閉弁２０が閉状態から開状態に切り替わる。

ラックギヤ１５及びシリンダロッド１８が図２（ａ）に示す位置から図２（ｂ）に示す位置に移動し、電動モータ１１の回転が停止すると、電磁ブレーキ１３がＯＮ状態となり、図３（ａ）に示されるように、電磁ブレーキ１３の制動力付与部材１３ａがばね部材１３ｂのばね力で回転軸１２の外周面に押し付けられることによって、電動モータ１１の回転軸１２が回転不能状態に保持される。
ラックギヤ１５及びシリンダロッド１８が図２（ｂ）に示す位置にあるときに電動モータ１１の駆動力によりラックギヤ１５が図中左方に直線運動すると、ラックギヤ１５の直線運動に伴ってシリンダロッド１８が図２（ｂ）に示す位置から図２（ａ）に示す位置（初期位置）に移動し、これにより、開閉弁２０が開状態から閉状態に切り替わる。

また、ラックギヤ１５及びシリンダロッド１８が図２（ｂ）に示す位置にあるときに電動モータ１１が停電などにより制御不能になると、バッテリー電源２８の電力が電磁ブレーキ制御装置２７を介して電磁ブレーキ１３のソレノイド１３ｃに供給される。これにより、電磁ブレーキ１３のソレノイド１３ｃが励磁状態となり、図３（ｂ）に示されるように、電磁ブレーキ１３の制動力付与部材１３ａが回転軸１２の外周面から引き離されることで、電磁ブレーキ１３が開放状態となる。そして、電磁ブレーキ１３が開放状態になると、電動モータ１１の回転軸１２が回転フリーな状態となり、回転軸１２が回転フリーな状態となることによってラックギヤ１５及びシリンダロッド１８が付勢部材２１の付勢力により図２（ｂ）に示す位置から図２（ａ）に示す位置に戻される。
したがって、上述した本発明の第２の実施形態では、電動モータ１１の制御が停電などにより不能となったときに圧縮空気等の流体圧を利用することなくシリンダロッド１８を初期位置に自動復帰させることができる。また、シリンダケース２２に流体配管を付設する必要がないので、工事費用と設置スペースの低減を図ることができる。

図４は本発明の第３の実施形態に係る電動シリンダの要部を示す図であり、第３の実施形態では、電動モータ１１の電磁ブレーキ１３が、回転軸１２に制動力を付与する制動力付与部材１３ａと、制動力付与部材１３ａを回転軸１２から引き離すばね部材１３ｄと、ばね部材１３ｄのばね力に抗して制動力付与部材１３ａを回転軸１２に押し付けるソレノイド１３ｅとから構成されている。

また、電磁ブレーキ１３を制御する電磁ブレーキ制御装置２７は、モータ制御器２５からの制御信号に応じて開閉する開閉スイッチ２９を有している。この開閉スイッチ２９は、図４（ａ）に示されるように、電動モータ１１の回転が停止しているときには閉状態となり、これにより、主電源２６の電力が開閉スイッチ２９を介して電磁ブレーキ１３のソレノイド１３ｅに供給される。また、図４（ｂ）に示されるように、電動モータ１１が回転しているときには開状態となり、ソレノイド１３ｅへの電力供給が遮断されるようになっている。

第３の実施形態では、電動モータ１１の制御が停電などにより不能になると、開閉スイッチ２９が閉状態であっても主電源２６の電力が電磁ブレーキ制御装置２７の開閉スイッチ２９を介して電磁ブレーキ１３のソレノイド１３ｅに供給されなくなる。これにより、図４（ｃ）に示されるように、電磁ブレーキ１３が開放状態となり、第２の実施形態と同様に、電動モータ１１の回転軸１２が回転フリーな状態となることによって図示しないラックギヤ及びシリンダロッドが付勢部材の付勢力により初期位置に戻される。したがって、電動モータ１１の制御が停電などにより不能となったときに圧縮空気等の流体圧を利用することなくシリンダロッドを初期位置に自動復帰させることができる。

また、第２の実施形態のように、バッテリー電源を使用しなくてもシリンダロッドを初期位置に自動復帰させることができる。
なお、上述した第１及び第２の実施形態では、シリンダロッドを付勢する付勢部材としてシリンダロッドの前進方向にシリンダロッドを付勢するものを例示したが、シリンダロッドの初期位置が図１（ｂ）や図２（ｂ）に示す位置である場合には、シリンダロッドを後退方向に付勢する付勢部材を用い、この付勢部材の付勢力によりシリンダロッドを初期位置に戻すように構成してもよい。
また、第１及び第２の実施形態では、本発明を開閉弁開閉用アクチュエータに適用した場合を例示したが、これに限られるものではなく、開閉弁以外の機器を駆動するアクチュエータについても適用可能である。

加熱炉のバーナにリジェネレイティブバーナを導入するのに際し、燃料ガス用、燃焼空気用および排ガス用の各開閉弁を開閉駆動するアクチュエータとして、本発明の電動シリンダを採用した。リジェネレイティブバーナはバーナ１組（２台）に対し、それぞれ燃料ガス用、燃焼空気用、排ガス用の開閉弁が付属し、また燃料ガスを２段投入とする場合にはもう１台ずつ開閉弁が付属する。そのため、開閉弁のアクチュエータにエアーシリンダを使用する場合、エアー配管の量が多くなり、建設費用がかかるばかりでなく、圧縮空気の消費量も多く、運転費の増大要因となっている。しかし、本発明の電動シリンダを使用することにより、異常時の防災対策、設備保護の機能を確保しつつ、設備の簡素化、設備費および運転費の低減を図ることができる。

１０…電動シリンダ
１１…電動モータ
１２…回転軸
１３…電磁ブレーキ
１３ａ…制動力付与部材
１３ｂ，１３ｄ…ばね部材
１３ｃ，１３ｅ…ソレノイド
１４…ラック・ピニオン機構
１５…ラックギヤ
１６…ピニオンギヤ
１７…ピニオンギヤ軸
１８…シリンダロッド
１９…連結部材
２０…開閉弁
２１…付勢部材
２２…シリンダケース
２３…電磁クラッチ
２４…カップリング
２５…モータ制御器
２６…主電源
２７…電磁ブレーキ制御装置
２８…バッテリー電源
２９…開閉スイッチ

Claims (4)

1. 電動モータの駆動力により直線運動する直動部材を有する動力伝達機構と、前記直動部材に連結されたシリンダロッドと、前記シリンダロッドを前進方向または後退方向に付勢する付勢部材と、前記電動モータの制御が不能であるときに前記動力伝達機構に対するモータ負荷を低減するモータ負荷低減手段と、を備えたことを特徴とする電動シリンダ。
2. 前記モータ負荷低減手段は、前記電動モータの制御が不能であるときに前記電動モータを前記動力伝達機構から切り離す電磁クラッチであることを特徴とする請求項１に記載の電動シリンダ。
3. 前記電動モータは電磁ブレーキ付電動モータであって、前記モータ負荷低減手段は、前記電動モータの制御が不能であるときに前記電磁ブレーキを開放状態に制御する電磁ブレーキ制御手段であることを特徴とする請求項１に記載の電動シリンダ。
4. 前記動力伝達機構がラック・ピニオン機構であり、前記直動部材がラックギヤであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動シリンダ。

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