JP2017089824A - バルブアクチュエータ - Google Patents

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Abstract

【課題】ポペットバルブの開閉に必要な開閉速度と閉弁に必要な締切力とを両立することができるバルブアクチュエータを提供する。【解決手段】本発明に係るバルブアクチュエータ１は、ポペットバルブ２を開閉駆動するバルブアクチュエータ１であって、モータ１２と、モータ１２の駆動力をポペットバルブ２に伝達する伝達機構１３と、を備える。伝達機構１３は、倍力機構１５を含み、倍力機構１５は、シリンダ１６と、シリンダ１６内で軸線ＣＬを中心に回転する入力盤１７と、シリンダ１６内で軸線ＣＬ方向に沿って往復動する出力盤１８と、入力盤１７と出力盤１８とを繋ぐリンク１９と、を含む立体トグル機構である。【選択図】図１

Description

本発明は、バルブアクチュエータに関する。
従来から、いわゆるポペットバルブを開閉駆動するバルブアクチュエータが公知である（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載のバルブアクチュエータでは、電動モータを駆動源とし、電動モータによる回転運動を、ボールねじを用いて直線運動に変換して、ポペットバルブの弁体をストロークに依らず一定の速度および一定の力で作動させるように構成される。
特許第５６００７６０号公報
前記特許文献１に記載のバルブアクチュエータでは、閉弁に必要な締切力を得るために弁体を作動させる力を大きくしようとするとポペットバルブの開閉速度が遅くなり、その一方で、ポペットバルブの開閉速度を速くしようとすると弁体を作動させる力が小さくなり、閉弁に必要な締切力が得られないことがある。
そこで、本発明は、ポペットバルブの開閉に必要な開閉速度と閉弁に必要な締切力とを両立することができるバルブアクチュエータを提供することを目的とする。
請求項１に係るバルブアクチュエータは、ポペットバルブを開閉駆動するバルブアクチュエータであって、モータと、前記モータの駆動力を前記ポペットバルブに伝達する伝達機構と、を備え、前記伝達機構は、倍力機構を含み、前記倍力機構は、シリンダと、前記シリンダ内で軸線を中心に回転する入力盤と、前記シリンダ内で軸線方向に沿って往復動する出力盤と、前記入力盤と前記出力盤とを繋ぐリンクと、を含む立体トグル機構であることを特徴とする。
請求項２に係るバルブアクチュエータでは、前記倍力機構は、ボールジョイントを含み、前記ボールジョイントは、前記入力盤の外縁部と前記リンクの一端とを連結するとともに、前記出力盤の外縁部と前記リンクの他端とを連結し、前記シリンダの内周面に当接するように前記シリンダ内に配設されることを特徴とする。
請求項３に係るバルブアクチュエータでは、前記倍力機構は、前記出力盤と前記ポペットバルブの弁体との間に設けられ、前記出力盤から前記弁体を介して弁座シートに伝わる荷重を制限するロードリミッタを含むことを特徴とする。
請求項４に係るバルブアクチュエータでは、前記倍力機構は、前記シリンダの内周面に形成され、前記リンクの移動を規制するストッパを含むことを特徴とする。
本発明に係るバルブアクチュエータによれば、ポペットバルブの開閉に必要な開閉速度と閉弁に必要な締切力とを両立することができる。
本発明の実施形態に係るバルブアクチュエータの概略を示す断面図である。 立体トグル機構の概略を示す斜視図である。 ストッパの概略を示す説明図である。 倍力機構より出力される力と弁体の位置との関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面とともに詳述する。
本実施形態に係るバルブアクチュエータ１は、図１に示すポペットバルブ２を開閉駆動するものである。ポペットバルブ２は、弁体が弁座シート面から直角方向に移動する形式のバルブである（ＪＩＳ規格）。このポペットバルブ２は、例えば、ロケットエンジンに燃料を供給する流路を開閉するために用いられる。
図１に示すように、ポペットバルブ２は、内部に流体の流路３が形成されたバルブハウジング４を含み、流路３の途中に弁座シート５が配設される。バルブハウジング４内には、弁座シート５を開閉する弁体６が配設される。弁体６は、弁体６の軸部分であるバルブステム７と、バルブステム７の先端部に装着された傘部８と、から構成される。なお、図１において、符号９ａは後述する出力盤１８に設けられた弁体６の結合用穴部を示し、符号９ｂは弁体６の結合用ナットを示し、符号１０は弁体６の調心機構を示し、符号１１はベローズを示す。
本実施形態に係るバルブアクチュエータ１は、モータ１２と、モータ１２の駆動力をポペットバルブ２に伝達する伝達機構１３と、を備える。
モータ１２は、例えば、ステッピングモータである。バルブアクチュエータ１の外部に備えられた電源ドライバ（図示せず）からモータ１２に電気信号が送信されて、バルブアクチュエータ１に備えられたモータ１２が作動する。なお、モータ１２は、ステッピングモータに限定されず、ステッピングモータ以外のモータであってもよい。
伝達機構１３は、減速機１４と、倍力機構１５と、を含む。
減速機１４は、例えば、遊星ギア機構である。モータ１２の回転は、減速機１４により回転数を落としトルクを高めて、倍力機構１５に伝達される。なお、減速機１４は、遊星ギア機構に限定されず、一般的なギア変速機、無段変速機、カムなどを用いた形式の変速機であってもよい。
倍力機構１５は、シリンダ１６と、シリンダ１６内で軸線ＣＬを中心に回転する入力盤１７と、シリンダ１６内で軸線ＣＬ方向に沿って往復動する出力盤１８と、入力盤１７と出力盤１８とを繋ぐリンク１９と、を含む立体トグル機構である。入力盤１７に、減速機１４の出力軸が結合され、出力盤１８には、ポペットバルブ２の弁体６が結合される。
入力盤１７は、シリンダ１６の軸線ＣＬを中心とする回転が可能であり、かつ、軸線ＣＬ方向に対する往復動が不能である。その一方で、出力盤１８は、シリンダ１６の軸線ＣＬを中心とする回転が不能であり、かつ、軸線ＣＬ方向に対する往復動が可能である。本実施形態では、入力盤１７および出力盤１８は、円形状に形成されている。しかしながら、これに限定されず、入力盤１７および出力盤１８は、円形状以外の形状としてもよい。
入力盤１７と出力盤１８とは、図２に示すように、３本のリンク１９により繋がっており、入力盤１７の外縁部とリンク１９の一端との間、出力盤１８の外縁部とリンク１９の他端との間は、ボールジョイント２０により連結される。ボールジョイント２０は、入力盤１７および出力盤１８の外縁部に設けられたボール２１と、リンク１９の端部に設けられた半球状の受け皿２２と、から構成される。このボールジョイント２０は、シリンダ１６の内周面に当接するようにシリンダ１６内に配設される。
モータ１２の回転は、倍力機構１５により回転運動から直線運動に変換されるとともに、力を高めて、ポペットバルブ２の弁体６に伝達される。具体的には、減速機１４から入力盤１７に伝えられたモータ１２の回転は、出力盤１８ではシリンダ１６の軸線ＣＬ方向に沿った往復動として出力される。
図４は、倍力機構１５より出力される力と弁体６の位置との関係を示すグラフである。なお、図４において、横軸は入力盤１７の回転角度であり、リンク１９がシリンダ１６の軸線ＣＬと平行となったときの入力盤１７の回動角度を「０°」としている。また、縦軸は倍力機構１５より出力される力および弁体６の位置を示しており、グラフの下側から上側に行くに従い弁体６が弁座シート５に対して近づいていく状態を示す。
モータ１２の回転は、リンク１９を介して入力盤１７から出力盤１８に伝わる。図４から分かるように、弁体６が全閉位置に近い位置（図４の左側部分）では、弁体６の開閉速度は遅いが、倍力機構１５より出力される力（弁体６を弁座シート５に押し付ける力）は大きくなる。その一方で、弁体６の全閉位置から離れた位置（図４の右側部分）では、倍力機構１５より出力される力は小さいが、弁体６の開閉速度は速くなる。
倍力機構１５は、図３に示すように、ロードリミッタ２３と、ストッパ（メカニカルストッパ）２４と、をさらに含む。
ロードリミッタ２３は、出力盤１８とポペットバルブ２の弁体６との間に設けられ、出力盤１８から弁体６を介して弁座シート５に伝わる荷重を制限するものである。本実施形態では、倍力機構１５の出力盤１８とポペットバルブ２の弁体６との間に皿ばね２５を介在させている。このようにすることにより、この皿ばね２５が、所定以上の荷重が出力盤１８から弁体６を介して弁座シート５に伝わらないロードリミッタ２３としての機能を発揮する（図４参照）。これに対して、出力盤１８と弁体６との間に皿ばね２５がないと、図４中に破線で示すように、弁体６の全閉位置近傍において倍力機構１５より出力される力が大きくなり過ぎる可能性がある。なお、皿ばね２５の数や組み合わせ（並列、直列、並直列）を変えることにより、ロードリミッタ２３の特性を変えることができる。
ストッパ２４は、シリンダ１６の内周面に形成され、リンク１９の移動を規制するものである。本実施形態では、図３に示すように、リンク１９がシリンダ１６の軸線ＣＬと平行になる位置を少し超えた位置にストッパ２４を設け、その位置までリンク１９を移動させるように構成される。このようにすることにより、これらの皿ばね２５およびストッパ２４が、モータ１２の電源が切れても弁体６が全閉位置のままで動かないようなラッチ機構としての機能を発揮する。すなわち、弁体６が図３（ｂ）に示す状態から開方向に戻るためには、皿ばね２５で決まる力をかける必要があるため、そのような力がかからない限り弁体６が開方向に戻ることはない。
以下に、本実施形態による作用効果を説明する。
（１）本実施形態に係るバルブアクチュエータ１は、ポペットバルブ２を開閉駆動するバルブアクチュエータ１であって、モータ１２と、モータ１２の駆動力をポペットバルブ２に伝達する伝達機構１３と、を備える。伝達機構１３は、倍力機構１５を含み、倍力機構１５は、シリンダ１６と、シリンダ１６内で軸線ＣＬを中心に回転する入力盤１７と、シリンダ１６内で軸線ＣＬ方向に沿って往復動する出力盤１８と、入力盤１７と出力盤１８とを繋ぐリンク１９と、を含む立体トグル機構である。
モータ１２による回転運動を直線運動に変換するために、立体トグル機構を用いることにより、ポペットバルブ２の弁体６が弁座シート５に当接する全閉位置において閉弁に必要な締切力が得られ、かつ、ポペットバルブ２の開閉に必要な開閉速度も得ることができる。すなわち、モータ１２の回転は、リンク１９を介して入力盤１７から出力盤１８に伝わり、弁体６が全閉位置に近い位置では、弁体６の開閉速度は遅いが、倍力機構１５より出力される力は大きくなる。その一方で、弁体６の全閉位置から離れた位置では、倍力機構１５より出力される力は小さいが、弁体６の開閉速度は速くなる。したがって、ポペットバルブ２の開閉に必要な開閉速度と閉弁に必要な締切力とを両立することができる。
（２）本実施形態に係るバルブアクチュエータ１では、倍力機構１５は、ボールジョイント２０を含み、このボールジョイント２０は、入力盤１７の外縁部とリンク１９の一端とを連結するとともに、出力盤１８の外縁部とリンク１９の他端とを連結する。ボールジョイント２０は、シリンダ１６の内周面に当接するようにシリンダ１６内に配設される。
このようにすることにより、ボールジョイント２０がシリンダ１６内をシリンダ１６の内周面をガイドとして動くようになるため、ボールジョイント２０の組立状態を維持することができる。このため、ボールジョイント２０を、ねじなどを使用しないで簡易に組み立てることができる構造とすることができ、部品点数を少なくすることができる。
（３）本実施形態に係るバルブアクチュエータ１では、倍力機構１５は、出力盤１８とポペットバルブ２の弁体６との間に設けられ、出力盤１８から弁体６を介して弁座シート５に伝わる荷重を制限する皿ばね２５（ロードリミッタ２３）を含む。
倍力機構１５が皿ばね２５（ロードリミッタ２３）を含むことにより、所定以上の荷重が出力盤１８から弁体６を介して弁座シート５に伝わらないようにすることができ、弁座シート５の破損を確実に抑制することができる。
（４）本実施形態に係るバルブアクチュエータ１では、倍力機構１５は、シリンダ１６の内周面に形成され、リンク１９の移動を規制するストッパ２４を含む。
倍力機構１５がストッパ２４を含むことにより、出力盤１８に結合された弁体６を所定の位置（例えば、全閉位置）に確実に停止させることが可能になる。
ところで、本発明のバルブアクチュエータは前述の実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。
例えば、入力盤とリンクとの接続部、出力盤とリンクとの接続部は、ボールジョイントに限定されず、ユニバーサルジョイント（自在継手）などを用いることもできる。また、入力盤と出力盤とを繋ぐリンクの数は、３本に限定されず、任意に選択することができる。
１ バルブアクチュエータ
２ ポペットバルブ
５ 弁座シート
６ 弁体
１２ モータ
１３ 伝達機構
１５ 倍力機構
１６ シリンダ
１７ 入力盤
１８ 出力盤
１９ リンク
２０ ボールジョイント
２３ ロードリミッタ
２４ ストッパ
ＣＬ 軸線

Claims (4)

  1. ポペットバルブを開閉駆動するバルブアクチュエータであって、
    モータと、前記モータの駆動力を前記ポペットバルブに伝達する伝達機構と、を備え、
    前記伝達機構は、倍力機構を含み、
    前記倍力機構は、シリンダと、前記シリンダ内で軸線を中心に回転する入力盤と、前記シリンダ内で軸線方向に沿って往復動する出力盤と、前記入力盤と前記出力盤とを繋ぐリンクと、を含む立体トグル機構である
    ことを特徴とするバルブアクチュエータ。
  2. 前記倍力機構は、ボールジョイントを含み、前記ボールジョイントは、前記入力盤の外縁部と前記リンクの一端とを連結するとともに、前記出力盤の外縁部と前記リンクの他端とを連結し、前記シリンダの内周面に当接するように前記シリンダ内に配設されることを特徴とする請求項１に記載のバルブアクチュエータ。
  3. 前記倍力機構は、前記出力盤と前記ポペットバルブの弁体との間に設けられ、前記出力盤から前記弁体を介して弁座シートに伝わる荷重を制限するロードリミッタを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のバルブアクチュエータ。
  4. 前記倍力機構は、前記シリンダの内周面に形成され、前記リンクの移動を規制するストッパを含むことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のバルブアクチュエータ。
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