JP2016095200A - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】電動アクチュエータの過負荷やロック状態の検知をエンコーダよりも低コストで、かつ、構造も複雑にならず、しかも、形状も大型化しなくてもできるようにする。
【解決手段】モータ１と出力軸２を複数の歯車３を介して接続し、出力軸２の先端に弁体４を取り付けた遮断弁の出力軸２の平歯車３ａに、歯先に対向するようにして歯車センサ５を設ける。そして、前記歯車センサ５で平歯車３ａの回転を計数して過負荷またはロック状態を検出することで、前記検出がエンコーダを設けるよりも低コストで、かつ、構造も複雑にならず、しかも、形状も大型化しないようにする。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、弁などの開閉に用いられる電動アクチュエータに関するものである。

電動アクチュエータは、出力軸がロックすると過負荷が生じて損傷する。また、例えば、出力軸の先端に弁体を取り付けて遮断弁として用いた場合は、閉動作の際に異物をかみ込んでロックすると流量の制御ができなくなるなどの深刻な問題を生じる。
このような問題を解決する一つの方法として、タイマ手段を備えて開閉時間を計時する方法がある。この方法は、タイマ手段でアクチュエータの作動時間を計時し、計時した時間が規定の時間を超えても全閉または全開位置に達しない場合は、過負荷状態やロック状態を生じていると見なす。
しかし、この方法では、例えば、開閉に掛かる時間がｔ秒であれば、少なくともｔ秒計時してからでないと過負荷状態あるいはロック状態であると検出できないため、時間が掛かり過ぎてしまうという問題がある。
そこで、機械的にトルクを検出し、一定トルク以上でスイッチを作動させて過負荷を検出する方法も考えられるが、機械構造部品を必要とするため、構造が複雑となりコスト面や耐久性で大きな問題がある。
そのため、他の方法として、モータの電流を計測して過負荷を検出することが考えられる。この場合、直流モータは、比較的簡単に過負荷によるモータの過電流を検出できる。これに対して、交流（誘導）モータの場合は、その構造から定格負荷と過負荷の違いを検出することが難しく、使用するモータの種類によって使用できないという問題がある。
この問題を解決する方法として、例えば特許文献１に、アクチュエータのモータにエンコーダを取り付ける方法が記載されている。
この方法では、エンコーダの出力は、モータの回転が速ければパルスの周期は短くなる。逆に、モータの回転が遅ければパルスの周期は長くなる。したがって、このパルス周期の変化を判定値と比較すれば負荷を検出できるため、モータの種類に係わらず、過負荷状態あるいはロック状態であることを検出できる。

特開平７−１６６７６５号公報（段落番号００２１）

しかしながら、上記のエンコーダを用いる方法では、エンコーダが高価なことから、アクチュエータに採用するのはコスト面で問題がある。また、エンコーダをアクチュエータへ取り付けるためには、エンコーダを連動させるための歯車機構などを新たに設けなければならず、構造が複雑になったりコストがアップしたりする問題がある。さらに、新たにエンコーダを取り付けるためには、組み込むためのスペースを確保しなければならす、アクチュエータが大型化する問題も生じる。

そこで、この発明の課題は、エンコーダを設けるよりも低コストで、かつ、構造も複雑にならず、しかも、形状も大型化しないようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、モータと出力軸を複数の歯車を介して接続し、前記出力軸を作動する電動アクチュエータであって、前記複数の歯車の一つの歯車の歯先に近接させた歯車センサを設け、前記センサで計数した歯車の回転に基づいてアクチュエータの負荷を検出するという構成を採用したのである。

このような構成を採用することにより、歯車の歯先に接近させた歯車センサは、前記歯車が回転すると、回転する歯先の数に応じたパルス信号を出力する。このとき、出力されるパルス信号は、前記歯車が、モータと出力軸を接続する複数の歯車の一つなので、モータの回転に対応した出力である。そのため、回転が負荷により変動すると、変動に応じてパルス信号の間隔（周期）が変わり回転数が変わるため、その回転数や間隔に基づいてアクチュエータの負荷を検出することができる。

このとき、上記歯車センサを近接させる歯車が、出力軸に設けられた出力ギヤである構成を採用することができる。

このような構成を採用したことにより、負荷に連結する出力軸の回転を検出することができる。このため、負荷の変動を直接検出して負荷の状態を判別できる。

またこのとき、上記モータがギヤードモータであって、上記歯車センサを近接させる歯車が前記ギヤードモータのギヤヘッドの出力軸に設けられたピニオンギヤである構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、モータに連結するギヤヘッドの出力軸の回転を検出することができる。そのため、モータの変動を直に検出することができる。

また、このとき、上記歯車センサを近接させる歯車が、ギヤードモータのギヤヘッドを形成するギヤである構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、モータに直結するギヤヘッドのギヤの回転を検出するめ、検出パルスの周波数を高くすることができる。そのため、微小な変動を直ちに検出することができる。

このとき、上記出力軸の先端に弁体を取り付けた遮断弁である構成を採用することができる。

また、このとき上記歯車センサの出力パルスを、基準とするクロックの１周期の間に計数した計測値と、予め設定した判定値とを比較し、前記比較結果に基づいてアクチュエータの過負荷を検出する方法を採用できる。

このような方法を採用することにより、歯車センサの出力パルスの周期（間隔）は、基準とするクロックの一周期の間の歯車センサの出力パルスを計数して計測する。このため、特に、歯車の回転速度が速く出力パルスの周期が短い場合でも検出精度を向上できる。

また、このとき、逆に、基準とするクロックの１周期の間に計数した計測値と、予め設定した判定値とを比較し、前記比較結果に基づいてアクチュエータの過負荷を検出するという方法を採用することができる。

このような方法を採用することにより、歯車センサの出力パルスの周期（間隔）は、出力パルスの一周期の間の基準クロックを計数して計測する。そのため、特に、歯車の回転速度が遅く歯車センサの出力パルスの間隔が広い場合でも検出精度を向上できる。

この発明は、上記のように構成したことにより、歯車センサを用いてアクチュエータの状態を検出できる。そのため、エンコーダを設けるよりも低コストで、かつ、構造も複雑にならず、しかも、形状も大型化しないようにできる。

実施形態の模式図 図１の断面図 歯車センサの断面図 図３の作用説明図 図１の回路ブロック図 フローチャート 実施形態の作用説明図 実施例１の断面図 実施例２の断面図 実施例３の斜視図 実施例４の回路ブロック図 実施例４のタイミング図 実施例４のフローチャート 実施例４の各部の波形

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本願発明の電動アクチュエータを電動弁に適用したものを模式化したものである。アクチュエータは、モータ１と出力軸２を複数の歯車３を介して接続し、出力軸２の先端に弁体（ここでは、円盤状のゲートバルブ）４を取り付けたものに歯車センサ５と検出手段６を設けた構成となっている。
すなわち、図２のように、出力軸２は、弁体４とカム７の間に平歯車３ａが取り付けられ、減速用の歯車３ｂと歯合するようになっている。減速用の歯車３ｂは、平歯車３ａとピッチの異なる伝達ギヤとすることで、所要のトルクが得られるようになっている。ここで、歯車３は、鉄などの磁性体を用いたインボリュート歯車で形成している。
また、前記出力軸２のカム７は、図１のように、２個のカム７を９０度の位相差で取り付けたもので、そのカム７に２個のマイクロスイッチ８を係合させて弁体４の全閉、全開状態を検出するようになっている。
一方、モータ１は、交流モータに減速機（ギヤヘッド）３ｃを取り付けたギヤードモータを採用しており、ギヤヘッド３ｃの軸に取り付けたピニオンギヤ３ｄが減速用歯車３ｂと歯合するようなっている。
このように、モータ１と出力軸２は、複数の歯車３を介して接続されており、出力軸の作動で弁体４を開閉できるようになっている。

歯車センサ５は、この形態の場合、図３に示すような「検出コイル１０」、「ポールピース１１」、「マグネット１２」からなる電磁ピックアップを採用しており、出力軸２の平歯車３ａに近接させてポールピース１１の設けられた検出面を前記平歯車３ａの歯先に対向するようにして設けてある。
このように歯車センサ５を配置することで、回転する平歯車３ａの山の部分が電磁ピックアップのポールピース１１に近づいたり、離れたりすると、ポールピース１１とマグネット１２で構成された磁路の状態が変化し、検出コイル１０を通る磁束が変化する。
すなわち、平歯車３ａの山がポールピース１１に接近すると検出コイル１０を通る磁束が増加し、山がポールピース１１から離れると検出コイル１０を通る磁束が減少して誘導起電力を発生する。このとき、出力信号は、図４のようなものとなり、繰り返し周波数は平歯車３ａの回転数に比例する。

なお、この形態では、歯車センサ５に電磁ピックアップを用いたが、これに限定されるものではない。これ以外にも、ホール素子、ホールＩＣ、磁気抵抗素子を用いたものや、センサコイルと発振器からなる渦電流センサなどを用いることもできる。この歯車センサ５の出力は、図２に示すように、検出手段６に接続されている。

検出手段６は、例えば、波形整形手段２０と処理手段２１で構成されている。波形整形手段２０は、歯車センサ５の出力信号をパルス信号に整形するためのもので、シュミットトリガなどの回路を採用することができる。
なお、歯車センサ５に、例えば、ホールＩＣを使用する場合は、ホールＩＣが波形整形手段を備えているため、検出手段６の波形整形手段２０を使用しない場合もある。

処理手段２１は、波形整形手段２０の出力からアクチュエータが過負荷あるいはロック状態であるか否かを判定するための回路で、例えば、図５に示すような回路が考えられる。
この回路は、歯車センサ５の出力を計数するカウンタ手段３０、歯車センサ５の出力のカウンタ手段３０への入力をｔ２時間許可するゲート手段３１、判定値を記憶させるレジスタ３２、前記カウンタ手段３０とレジスタ３２の値の大小を比較する比較回路３３、比較回路３３の出力を保持するラッチ手段３４及び発振回路３５で構成され、歯車センサ５の出力する回転パルスを、発振回路３５が出力する基準クロックの１周期であるｔ２時間計数（カウント）することで回転パルスの周期あるいは周波数を計測する。そして、計測した歯車センサ５の出力をｔ２時間ごとに比較回路３３で判定値と比較し、比較した結果、計数した値が判定値を下回ったとき過負荷あるいはロック状態と判定するというものである。ここでは、この回路をワンチップマイコンとワンチップマイコンが搭載するＩ／Ｏ機能を使用して構成し、次のように処理を行うことで実現する。

例えば、遮断弁の閉弁時に、モータ１が作動して回転が減速用の歯車３ｂを介して平歯車３ａへ伝達され出力軸２を回動する。すると、歯車センサ５は、平歯車３ａの回転数に比例する周波数の出力信号を発生する。
そのため、図６の「ワンチップマイコン２１の過負荷検出処理（処理１００）」では、モータ１の回転が安定するまで、タイマルーチンを実行してｔ１時間の間待機（処理１０１〜１０３）する。次に、タイマルーチンでｔ２時間ごとに歯車センサ５の出力する回転パルスを計数した内蔵カウンタのカウント値ＣＯＵＮＴを読み込んで（処理２００〜２０３）、読み込んだカウント値ＣＯＵＮＴと予め設定した判定値ＲＥＦとを比較し（処理２０４）、読み込んだカウント値ＣＯＵＮＴを判定値ＲＥＦが下回った場合は、過負荷またはロック状態（ロック状態の場合は、例えば、カウント値は「０」となる）として検出する（処理３００）。これは、弁体４にゴミなどが引っ掛かり、平歯車３ａの回転が減少していると考えられるからである。また、処理２０４でカウント値ＣＯＵＮＴが判定値ＲＥＦを下回らなかった場合は、処理１０１〜処理２０４を繰り返す。このときの各部のタイムチャートを図７に示す。

このように、この方法は、歯車センサ５の出力する回転パルスの周期の計測を、基準クロックの一周期の間の歯車センサ５の回転パルス数を検出することで行う。そのため、特に、後述の実施例１や実施例２のように歯車３の回転速度が速く回転パルスの周期が短い場合でも検出精度を向上できて有利である。

このように、モータ１と出力軸２を接続する複数の歯車３の一つに近接して歯車センサ５を設けることで、高価なエンコーダを用いることなく、交流モータや直流モータなどのモータの種別に係わらず、過負荷またはロック状態を検出することができる。そのため、過負荷やロック状態の検出がエンコーダを設けるよりも低コストで、かつ、構造も複雑にならず、しかも、形状も大型化しないようにできる。特に、出力軸２の平歯車３ａに歯車センサ５を近接して設けることで、負荷に連結する出力軸２の回転を検出することができるため、負荷の変動を直接検出できる。

この実施例１は、図８に示すように、モータ１と出力軸２を接続する複数の歯車３の一つとして、モータ１のピニオンギヤ３ｄに近接させて歯車センサ５を配置したものについて述べる。ここでのモータ１はギヤードモータで、ピニオンギヤ３ｄは、ギヤードモータのギヤヘッド３ｃの出力軸に設けられている。
このように実施例１では、モータ１のピニオンギヤ３ｄに近接させて歯車センサ５を配置したことにより、モータ１に連結するギヤヘッド３ｃの出力軸の回転を検出することができる。
したがって、構造も複雑にならず、しかも、形状も大型化しないので、モータ１の変動に基づいてアクチュエータの過負荷及びロック状態を短時間で検出することができる。

なお、他の構成及び作用効果は実施形態と同じなので説明は省略する。また、ここでは、モータ１にギヤードモータを使用したものについて述べたが、ギャヘッド３ｃを使用しないモータ１についても同様である。また、ここでのピニオンギヤ３ｄも磁性体を用いたインボリュート歯車である。

この実施例２は、図９に示すように、モータ１と出力軸２を接続する複数の歯車３の一つとして、ギヤードモータのギヤヘッド３ｃを形成するギヤの一つに近接させて歯車センサ５を配置したものについて述べる。
但し、図９では、理解を容易にするため、ギヤヘッド３ｃを拡大して記載している。このように、歯車センサ５をギヤードモータのギヤヘッド３ｃを形成するギヤの一つに近接させて配置することで、モータ１に直結するギヤヘッド３ｃの歯車の回転を検出する。その結果、検出するパルスの周波数が高くなり、微小な変動を素早く検出することができる。
他の構成及び作用効果については、実施形態および実施例１と同じなので説明は省略する。

なお、実施例２では、歯車センサ５をギヤヘッド３ｃのモータに直接接続されるギヤに設けているが、歯車センサ５を設けるのは、このギヤに限定されるものではない。これ以外のギヤヘッド３ｃのギヤに設けても良い。これは、平歯車３ａや減速用歯車３ｂに設けるよりも信号のパルス数を多く取れるからである。また、ギヤヘッド３ｃの歯車も磁性体で形成されたインボリュート歯車である。

この実施例３は、電動アクチュエータの他の態様として、図１０に、遊星歯車機構を用いた遮断弁を示す。この遮断弁は、電動アクチュエータのモータ１と出力軸２を接続する複数の歯車３として、インターナルギヤ３ｅの内側に遊星ギヤ３ｆと太陽ギヤ３ｇを配した遊星歯車を用いたものである。
この遮断弁では、遊星歯車機構のインターナルギヤ３ｅ、モータ１のピニオンギヤ３ｄの歯先に接近させて歯車センサ５を配置すれば、高価なエンコーダを用いることなく、過負荷やロック状態を検出することができる。そのため、エンコーダを設けるよりも低コストで、かつ、構造も複雑にならず、しかも、形状も大型化しないようにできる。
なお、この実施例３の遊星歯車機構の歯車も磁性体のインボリュート歯車で構成している。

実施例４は、歯車センサ５の出力パルスの間隔を計測する他の検出手段６について述べる。
この検出手段６は、歯車センサ５の出力パルスの１周期の間に計数した基準クロックの計測値と、予め設定した判定値とを比較し、その比較結果に基づいてアクチュエータの過負荷を検出する。

そのため、実施例４では、例えば、図１１に示すように、ダウンカウンタ４０を使用した判定回路を用いている。
すなわち、ダウンカウンタ４０は、データ入力ＩＮ_１〜ｎに判定値を設定するようになっており、判定値を設定する際に、ロード入力にロード信号を入力する。また、カウンタ４０のカウントダウン入力に発振器４１を接続して、基準のクロックを入力し、前記基準クロックが入力するごとに減算するようにしてある。この基準クロックとロード信号は、例えば、図１１のように、ＸＯＲゲートとインバータで構成されるトリガ生成回路４４と歯車センサ５の出力を用いて作成する。

また、カウンタ４０のボロー出力を、図１１のように「ＪＫ−フリップフロップ」のセット入力に接続して正論理としてある。
そして、歯車センサ５の出力する回転パルスの間隔が判定値以下であれば、カウンタ４０の出力がゼロになる前に判定値を再ロードする。逆に、歯車センサ５の検出パルスの間隔が規定以上になると、カウンタ４０の出力はゼロになるため、ボロー出力が“０”→「ＪＫ−フリップフロップ」出力が“１”になって異常を出力するというものである（後述するワンチップマイコンの処理では“０”で異常を検出する）。その様子を図１２のタイミングチャートに示す。
なお、カウンタ４０のボロー出力を、図１１のように「ＪＫ−フリップフロップ」のセット入力に接続して正論理としてある。
上記のように構成される検出手段６は、ここでは、ワンチップマイコンとワンチップマイコンが搭載するＩ／Ｏ機能を使用して構成しており、次の処理を実行することで、実現している。

まず、この実施例４の電動アクチュエータは、図１及び図２と同じ遮断弁で、歯車センサ５は、平歯車３ａの歯先に対向するように設けられており、平歯車３ａの回転数に比例する周波数の出力信号を発生する。
そのため、図１３のワンチップマイコン２１の過負荷検出処理（処理１０００）では、モータ１の回転が安定するまで、タイマルーチンを実行してｔ１時間の間待機（処理１００１〜１００３）する。
次に、過負荷の判定値をダウンカウンタ４０に設定して歯車センサ５からの回転パルスの立ち上がりで、発振回路４１のクロックによりカウンタ４０の減算を開始する（処理２０００〜２００１）。そして、次の回転パルスの立ち上がりで、カウンタ４０の値の値を読み込み（処理２００２）、読み込んだカウンタの値が０の場合は（処理２００３）、過負荷とする（処理３０００）。
一方、処理２００３でカウンタの値が０でない場合は、処理２０００〜２００３を繰り返す。このタイミングチャートを図１４に示す。図１４のタイミングチャートでは、例えば、符号（イ）の矢印のタイミングでは、カウンタ値が０になる前に回転パルスの立ち上がりを検出したので、Ｎ_ＲＥＦをプリセットする。また、符号（ロ）の矢印のタイミングでダウンカウンタが０になり過負荷を検出する（図１２参照）。

このように、歯車センサ５の出力する回転パルスの周期（間隔あるいは周波数）を、基準とするクロックを計数して計測するため、特に、歯車３の回転速度が遅く歯車センサ５の出力する回転パルスの間隔が広い場合に検出精度を向上できる。
また、このように、高価なエンコーダを用いることなく、モータの種別に係わらず、過負荷またはロック状態を検出することができるため、過負荷やロック状態の検出が低コストで、かつ、構造も複雑にならず、しかも、形状も大型化しないようにできる。

１ モータ
２ 出力軸
３ 歯車
３ａ 平歯車
３ｂ 減速用歯車
３ｃ ギヤヘッド
３ｄ ピニオンギヤ
３ｅ インターナルギヤ
３ｆ 遊星ギヤ
３ｇ 太陽ギヤ
４ 弁体
５ 歯車センサ
６ 検出手段

Claims (7)

1. モータと出力軸を複数の歯車を介して接続し、前記出力軸を作動する電動アクチュエータであって、
   前記複数の歯車の一つの歯車の歯先に近接させた歯車センサを設け、前記センサで計数した歯車の回転に基づいてアクチュエータの過負荷を検出することを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 上記歯車センサを近接させる歯車が出力軸に設けられた出力ギヤであることを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 上記モータがギヤードモータであって、上記歯車センサを近接させる歯車が前記ギヤードモータのギヤヘッドの出力軸に設けられたピニオンギヤであることを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータ。
4. 上記歯車センサを近接させる歯車がギヤードモータのギヤヘッドを形成するギヤであることを特徴とする請求項３に記載の電動アクチュエータ。
5. 上記出力軸の先端に弁体を取り付けた遮断弁であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動アクチュエータ。
6. 上記請求項１〜５のいずれかの歯車センサの出力パルスを、基準とするクロックの１周期の間に計数した計測値と、予め設定した判定値とを比較し、前記比較結果に基づいてアクチュエータの過負荷を検出する電動アクチュエータの過負荷検出方法。
7. 上記請求項１〜５のいずれかの歯車センサの出力パルスの１周期の間に計数した基準とするクロック計測値と、予め設定した判定値とを比較し、前記比較結果に基づいてアクチュエータの過負荷を検出する電動アクチュエータの過負荷検出方法。

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