JP2018189112A - 遮断弁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化しても大きな推力を得られる遮断弁アクチュエータを得る。
【解決手段】シャフト３０７およびマグネット３０５を備えたロータ３０４と、シャフト３０７を回転支持する玉軸受３０３と、ロータ３０４を回転可能に収容するロータケース３０２と、ロータ３０４の回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、弁部とネジ機構により軸方向に可動する可動プレート３１２からなる弁体３００と、可動プレートの回転を防止するストッパーハウジング３２４と、弾性リング３１３を介してロータケース３０２に押し付けられた固着プレート３１０と、ロータケース３０２の内側に嵌合することで固定されたフロントハウジング３１１とを備え、フロントハウジング３１１の基部と玉軸受３０３とが径方向で隣接し、軸に垂直な方向から見て、マグネット３０５と玉軸受３０３とが重ならない位置にある流体の遮断弁アクチュエータ。
【選択図】図１

Description

本発明はステッピングモータを動力源とした遮断弁アクチュエータに関する。

従来、ガス遮断装置の遮断機構として使用される遮断弁として、ステッピングモータを動力源とした遮断弁が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平１１−２３５１号公報 特開２０１４−２３１８６６号公報

しかしながら、特許文献１は、リア側軸受として機能するインナーブッシュ１２がロータの内側に収納される構造のため、マグネットの体積を大きくすることができない。特許文献２は、ふた４０とふた４０の内側に装着した軸受３９の一部がステータ３６の内側に収納され、かつロータ４３の内側に収納される構造のため、マグネットの体積を大きくすることができない。このため、特許文献１及び特許文献２ともに、ステータ径が規定された場合、ロータのマグネットの体積を増やすことができないため、モータの推力を大きくできない。

このような背景において、本発明は、小型化しても大きな推力を得られる遮断弁アクチュエータを得ることを目的とする。

本発明は、シャフトおよびロータマグネットを備えたロータと、前記シャフトを回転自在な状態で支持する軸受と、前記ロータを回転可能な状態で収容するロータケースと、前記ロータの回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレートからなる弁体と、前記可動プレートの回転を防止しつつ前記可動プレートの軸方向への移動を許容するように前記可動プレートと係合した第１のハウジングと、前記第１のハウジングと軸方向で接触し、弾性リングを介して前記ロータケースに押し付けられたプレート部材と、前記第１のハウジングと軸方向で隣接し、前記ロータケースの内側に嵌合することで固定された第２のハウジングとを備え、前記第２のハウジングの基部と前記軸受とが径方向で隣接し、軸に垂直な方向から見て、前記ロータマグネットと前記軸受とが重ならない位置にある流体の遮断弁アクチュエータである。

本発明において、前記軸受は外周にフランジを備え、前記フランジに前記第２のハウジングが接触している態様は好ましい。また本発明において、前記第１のハウジングと前記第２のハウジングとの間に隙間が設けられている態様は好ましい。

小型化しても大きな推力を得られる遮断弁アクチュエータが得られる。

実施形態の遮断弁アクチュエータを適用した実施形態を示す断面図である。 図１に示す遮断弁アクチュエータの平面図である。 図１に示す遮断弁アクチュエータの断面図である。

図１は、本発明を利用した遮断弁アクチュエータを適用した実施形態を示す断面図である。図２は、図１に示す遮断弁アクチュエータの平面図である。図３は、図１に示す遮断弁アクチュエータの断面図である。

（１）遮断弁アクチュエータの構造
図１には、発明を利用したガスの遮断装置が示されている。このガスの遮断装置は、遮断弁アクチュエータ１００によって駆動される、遮断弁アクチュエータ１００は、２相のＰＭ型ステッピングモータを利用して構成されている。このＰＭ型ステッピングモータは、ステータ３０１を備えている。ステータ３０１は、通常の２相のＰＭ型ステッピングモータのステータと同じ構造である。

ステータ３０１は、ステータＡとステータＢにより構成されている。ステータＡは、カップ状の外ヨーク４０１と円板状の内ヨーク４０２を備えている。外ヨーク４０１は中央に開口を有し、開口の周縁には軸方向に延伸する複数の極歯を有している。内ヨーク４０２は中央に開口を有し、開口の周縁には軸方向に延伸する複数の極歯を有している。外ヨーク４０１の極歯と内ヨーク４０２の極歯は周方向において、交互に隙間を有した状態で噛み合って配置されている。外ヨーク４０１の極歯と内ヨーク４０２の極歯の外側にはボビン４０３に巻回されたコイル４０４が配設されている。

ボビン４０３には端子台４０６が固定され、またボビン４０３には端子ピン４０５が埋め込まれている。端子ピン４０５は、外ヨーク４０１に形成された切欠部から外部に突出し、端子台４０６と端子台４０６上の回路基板４０７を貫通している。回路基板４０７上には、外部への接続端子となるコネクタ４０８が設けられている。コネクタ４０８は、プリント配線を介して端子ピン４０５に接続されている。

ステータＢもステータＡと同じ構造を有している。ステータＡとステータＢの内ヨーク同士を背中あわせで軸方向に当接した状態で、ステータＡとステータＢを樹脂で一体に形成してステータ３０１が構成される。ステータＡとステータＢを樹脂で一体に形成する際、樹脂にてステータＢ側にリアブラケット３０１ａが同時に一体成形される。樹脂によるステータの一体形成については、例えば特開２００４−１６９８７９号公報の段落「００６７」に記載されている。

ステータＡの上面にはフロントプレート３０９が配設されている。ステータＡとステータＢを樹脂で一体形成する際、ステータＡの上面には複数の突起部３２３が樹脂で一体成形される。この突起部３２３をフロントプレート３０９に形成された貫通孔にそれぞれ挿通することで、フロントプレート３０９が位置決めされる。

ステータ３０１の内側には、金属材料（アルミ合金、非磁性ステンレス鋼、等）からなる有底カップ状のロータケース３０２が配置されている。有底カップ状のロータケース３０２は一方側が閉鎖され、底部で小径部が形成されており、他方側が開口部で、開口部の周縁は径外方に延在するフランジ部３０２ａを備えている。ロータケース３０２の小径部の内側には玉軸受３１６が配置されている。

ロータケース３０２の内側には、ロータ３０４がロータケース３０２に対して回転自在な状態で配置されている。ロータ３０４は、スリーブ３０６とマグネット３０５とシャフト３０７から構成されている。スリーブ３０６の外側に円筒形状のマグネット３０５が装着されており、シャフト３０７にスリーブ３０６が固定されている。シャフト３０７の一方側（先端側）の外周面にはネジが形成され、リードスクリュー部３０８を形成している。マグネット３０５は周方向にＮ極Ｓ極が交互に多極着磁されている。

フロントプレートの３０９上面には固着プレート３１０が配設されている。固着プレート３１０は、中央に環状突起部を備え、中央には段付き孔を有している。段付き孔はフロントハウジング３１１が挿通する貫通孔と、貫通孔よりも大径の環状凹部を有している。固着プレート３１０をフロントプレート３０９の上面に載置し固着プレート３１０の環状突起部をフロントハウジング３１１の大径部の上面に密着配置し、固着プレート３１０をフロントプレート３０９にカシメ固定する。図２には、６カ所のカシメ位置３２１が示されている。このカシメ固定は、固着プレート３１０に形成した突起（図示せず）をフロントプレート３０９に形成した貫通孔（図示せず）に挿通し、フロントプレート３０９から突出した突起の先端を潰すことで行われる。

固着プレート３１０をフロントプレート３０９にカシメ固定した際、固着プレート３１０の環状凹部に配設した弾性リング（Ｏリング）３１３がフロントプレート３０９の上面に載置されたロータケース３０２のフランジ部３０２ａと固着プレート３１０によって軸方向に押圧され、変形する。この弾性リング３１３の変形により、ロータケース３０２と固着プレート３１０との間がシールされる。固着プレート３１０には機器に取り付けるためのボルト（またはねじ）を挿通するための孔３２２（図２参照）が形成されている。図１および図３の構造では、機器を構成する筐体２０４に、ボルト孔３２２（図２参照）を利用してボルトによりシールドリング３２０を介して固着プレート３１０が固定されることで、当該機器への遮断弁アクチュエータ１００の取り付けおよび固定が行われている。

フロントハウジング３１１は中空の円筒形状を有し、外周の一方端側（ロータ３０４の側）に基部となる大径部を有している。中空の一方端側の開放端（基部の内側）には玉軸受３０３が装着されている。玉軸受３０３は、外輪の外周にフランジ３０３ａを備えている。フロントハウジング３１１は、ロータケース３０２の内側に圧入されて嵌合し、さらに玉軸受３０３のフランジ３０３ａに軸方向で接触することで、ロータケース３０２の内側に固定されている。またこの構造により、フロントハウジング３１１とシャフト３０７との同軸が取られている。

フロントハウジング３１１の軸方向一方端（フロントハウジング３１１から見て、弁体３００の側）には円筒形状を有するストッパーハウジング３２４が僅かな隙間（数μｍ〜数十μｍ程度）を介して配設されている。ストッパーハウジング３２４の中央に形成された段付き孔の大径部にフロントハウジング３１１が圧入されることで、フロントハウジング３１１にストッパーハウジング３２４が固定されている。この状態において、ストッパーハウジング３２４は、固着プレート３１０の上面に当接している。また、ストッパーハウジング３２４は、両端部を貫通する貫通孔を有しており、この貫通孔には弁体３００の回転防止機構となるピン３１２ａが軸方向に移動可能な状態で挿入されている。

弁体３００は、可動プレート３１２と、可動プレート３１２に装着された弁ゴム３１５から構成されている。可動プレート３１２は、円板部とボス部を備えている。ボス部の中央には軸方向に延在する突起部３１２ｂを備え、突起部中央の内周にはネジ孔が設けられている。このネジ孔の雌ネジ構造がリードスクリュー部３０８と螺合している。また、可動プレート３１２の上記ボス部は軸方向に突出するピン３１２ａが設けられている。このピン３１２ａがストッパーハウジング３２４の貫通孔に挿通されることで弁体３００の回転防止機構が構成されている。

ガス流路２０１が開放された状態から、弁体３００を弁座２０３に向けて動かし、弁部を構成する弁ゴム３１５が弁座２０３に接触した際、可動プレート３１２がストッパーハウジング３２４を押し、その力は固着プレート３１０に伝わる。この際、フロントハウジング３１１とストッパーハウジング３２４とは、軸方向において、僅かに離間しているので、上記の力はフロントハウジング３１１には直接伝達されない。

シャフト３０７のリードスクリュー部３０８と可動プレート３１２のネジ孔が螺合することで、シャフト３０７に可動プレート３１２が取り付けられる。

シャフト３０７は、ロータケース３０２の小径部の内側に配置された玉軸受３１６と、フロントハウジング３１１の内側に配置された玉軸受３０３によって回転可能に支持されている。玉軸受３１６とスリーブ３０６との間、及び玉軸受３０３とスリーブ３０６との間には、摺動性を良くするためにそれぞれ樹脂製ワッシャ（ポリスライダー）３１７，３１８が介装されている。また、可動プレート３１２と固着プレート３１０の間にはコイルばね３１９が圧縮されて介装されている。このコイルばね３１９により、弁ゴム３１５が弁座２０３に当接してガス流路２０１を閉塞した状態において、弁ゴム３１５が弁座２０３に弾性的に押し付けられる。また、このコイルバネ３１９により、弁ゴム３１５が弁座２０３に当接していない状態において、可動プレート３１２とストッパーハウジング３２４との間に少し隙間が生じる。

（２）遮断弁アクチュエータの動作
異常時には、電池などの外部入力によってステータ３０１のコイル４０４に通電してロータ３０４を正回転させ、リードスクリュー部３０８を正回転させる。この際、可動プレート３１２に形成された回転防止機構となるピン３１２ａがストッパーハウジング３２４の貫通孔に挿入されているため、リードスクリュー部３０８の回転が可動プレート３１２の直線運動に変換され、可動プレート３１２が弁座２０３の側に前進し、弁ゴム３１５が弁座２０３に当接することにより、ガス流路２０１が閉塞される。

上記の閉塞状態において、リードスクリュー部３０８を上記と逆の方向に回転させると、逆の動作が生じ、可動プレート３１２が弁座２０３から離れる方向に動き、弁ゴム３１５が弁座２０３から離れ、ガス流路２０１が開放される。

また、固着プレート３１０の環状凹部に配設した弾性リング（Ｏリング）３１３がフロントプレート３０９の上面に載置されたロータケース３０２のフランジ部３０２ａと固着プレート３１０によって軸方向に押圧され、変形して、ロータケース３０２と固着プレート３１０との間がシールされている。このため、ロータケース３０２の内部には流体の圧力がかかるが、弾性リング（Ｏリング）３１３によって大気側との間の気密が確保される。

（３）特徴
以上述べたように、本実施形態の遮断弁アクチュエータは、シャフト３０７およびマグネット３０５を備えたロータ３０４と、シャフト３０７を回転自在な状態で支持する玉軸受３０３と、ロータ３０４を回転可能な状態で収容するロータケース３０２と、ロータ３０４の回転を軸方向の動きに変換するリードスクリュー部３０８と、弁ゴム３１５と、リードスクリュー部３０８により軸方向に可動する可動プレート３１２と、可動プレート３１２の回転を防止ししつつ可動プレート３１２の軸方向への移動を許容するように可動プレート３１２と係合したストッパーハウジング３２４と、ストッパーハウジング３２４と軸方向で接触し、弾性リング３１３を介してロータケース３０２に押し付けられた固着プレート３１０と、ストッパーハウジング３２４と軸方向で隣接し、ロータ３０４の内側に嵌合することで固定されたフロントハウジング３１１とを備え、フロントハウジング３１１の基部と軸受３０３とが径方向で隣接し、軸に垂直な方向から見て、マグネット３０５と軸受３０３とが重ならない位置にある。

ここで、特許文献２の遮断弁は、ふた４０とふた４０の内側に装着した軸受３９の一部がステータ３６の内側に入り込んで、かつロータ４３の内側に入り込んでいる。これに対して、本実施形態においては、フロントハウジング３１１は中空の円筒形状を有し、中空の一方端側の開放端（基部となる大径部の内側）には玉軸受３０３が装着されている。

フロントハウジング３１１の上記一方端側の開放端となる部分（基部となる大径部）の内側に玉軸受３０３が装着され、フロントハウジング３１１の基部と玉軸受３０３とが径方向で隣接している。そして、玉軸受３０３の軸方向におけるロータ３０４側の端面の位置（軸方向における位置）は、フロントハウジング３１１の軸方向における端面の位置と略同じになっている。このため、フロントハウジング３１１及び玉軸受３０３はステータ３０１の内側にも、かつロータ３０４の内側にも入り込んでおらず、軸に垂直な方向から見て、マグネット３０５と玉軸受３０３とが重ならない位置にある。

この構造では、ステータ３０１の径が規定（限定）された場合でもマグネット３０５の体積を増やすことができるため、モータの推力を大きくできる。また、マグネット３０５の強度が上がり、マグネットの割れが生じ難くなる。

さらに、上記の実施形態では、弁体３００を弁座２０３に接触させた際、弁体３００（可動プレート３１２）がストッパーハウジング３２４に衝突する。大きな推力の駆動源を用いた場合、この衝突の際の衝撃は大きくなる。

本実施形態では、ストッパーハウジング３２４が固着プレート３１０に当接し、且つ、軸方向においてストッパーハウジング３２４とフロントハウジング３１１との間に僅かな隙間が設けられているので、上記の衝突に伴う衝撃は固着プレート３１０に主に伝播される。

フロントハウジング３１１は、ロータケース３０２に圧入され、また玉軸受３０３の外輪のフランジ３０３ａで受け止められているが、大きな衝撃を伴う軸方向の力を受けることは、玉軸受３０３の損傷や変形、フロントハウジング３１１の圧入抜けを招く虞がある。しかしながら、本実施形態では、弁体３００の後退に伴う衝撃は、固着プレート３１０で受け止められ、フロントハウジング３１１への衝撃が分散されるので、上記の玉軸受の損傷や変形、フロントハウジング３１１の圧入抜けの発生が抑制される。

特に、本実施形態では、遮断弁アクチュエータ１００の駆動力が大きいので、上記の衝撃の悪影響が懸念されるが、上述したストッパーハウジング３２４で衝撃を受け止める構造とすることで、上記の玉軸受の損傷や変形、フロントハウジング３１１の圧入抜けの発生等の悪影響が抑制される。

１００…遮断弁アクチュエータ、２０１…ガス流路、２０３…弁座、３００…弁体、３０１…ステータ、３０１ａ…リアブラケット、３０２…ロータケース、３０２ａ…フランジ部、３０３…玉軸受、３０３ａ…フランジ、３０４…ロータ、３０５…マグネット、３０６…スリーブ、３０７…シャフト、３０８…リードスクリュー部、３０９…フロントプレート、３１０…固着プレート、３１１…フロントハウジング、３１２…可動プレート、３１２ａ…ピン、３１２ｂ…突起部、３１３…弾性リング、３１５…弁ゴム、３１６…玉軸受、３１７，３１８…樹脂製ワッシャ、３１９…コイルばね、３２１…カシメ位置、３２２…孔、３２３…突起部、３２４…ストッパーハウジング、４０１…外ヨーク、４０２…内ヨーク、４０３…ボビン、４０４…コイル、４０５…端子ピン、４０６…端子台、４０７…回路基板、４０８…コネクタ。

Claims (3)

1. シャフトおよびロータマグネットを備えたロータと、
   前記シャフトを回転自在な状態で支持する軸受と、
   前記ロータを回転可能な状態で収容するロータケースと、
   前記ロータの回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、
   弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレートからなる弁体と、
   前記可動プレートの回転を防止しつつ前記可動プレートの軸方向への移動を許容するように前記可動プレートと係合した第１のハウジングと、
   前記第１のハウジングと軸方向で接触し、弾性リングを介して前記ロータケースに押し付けられたプレート部材と、
   前記第１のハウジングと軸方向で隣接し、前記ロータケースの内側に嵌合することで固定された第２のハウジングと
   を備え、
   前記第２のハウジングの基部と前記軸受とが径方向で隣接し、
   軸に垂直な方向から見て、前記ロータマグネットと前記軸受とが重ならない位置にある流体の遮断弁アクチュエータ。
2. 前記軸受は外周にフランジを備え、
   前記フランジに前記第２のハウジングが接触している請求項１または２に記載の流体の遮断弁アクチュエータ。
3. 前記第１のハウジングと前記第２のハウジングとの間に隙間が設けられている請求項１または２に記載の流体の遮断弁アクチュエータ。
   
   

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