JP2019504266A - フェールセーフ動作モードを有する電気式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

本開示の実施態様は、電気式アクチュエータであって、トランスミッションによって形成された第１の経路を介して出力部に結合された第１の駆動源と、電気式アクチュエータが電気式アクチュエータの電力喪失時に、出力部をフェールセーフ位置に位置決めさせる、トランスミッションによって形成された第２の経路を介して出力部に結合された第２の駆動源と、トランスミッションによって形成された第３の経路を介して第１の駆動源および第２の駆動源に結合されて、第１の駆動源からのエネルギーを第２の駆動源に蓄積する、差動装置と、第１の経路、第２の経路、および第３の経路の間でトランスミッションの切り替えを制御するように構成された切替コントローラと、を備える、電気式アクチュエータを提供する。

Description

本出願は、概して、流量制御アクチュエータの改良に関する。より詳細には、本開示は、電力喪失時に出力部をフェールセーフ位置に駆動できる電気式アクチュエータに関する改良に関する。

一般に、電気式アクチュエータは、弁、ゲートなどの装置の位置決めを制御するための工業的用途に使用される。化学、石油、ガス、および関連産業では、アクチュエータは、ある場所から別の場所への液体の流れを制御するために使用される。例えば、ボイラー関連の用途では、流量制御弁を介してタービンへの蒸気流量を制御することができる。特定の状況では、ある場所から別の場所への危険な化学物質の流れを制御することができる。そのような用途では、燃料の喪失および／または汚染もしくは汚濁の望ましくない影響を防止するために、電力喪失などの緊急事態には流体の流れを遮断する必要があり得る。

アクチュエータの技術は、電力喪失時のフェールセーフ機能を備えて設計できる。アクチュエータのフェールセーフ機能は、電力喪失または他の外部故障条件によってアクチュエータが弁を所定の位置に動かす場合に、外部電力の助けがなくても作動させることができる。フェールセーフ作動は、いくつかの仕方で取り組まれてきた。一部の手法は、閉位置などの所定の位置に弁やダンパーを移動させるために使用されるばねなどのエネルギー蓄積技法を含む。例えば、米国特許第６４３１３１７号明細書では、フェールセーフ作動手法は、所望の出力を達成するために、ばねに蓄えられたポテンシャルエネルギーを伝達するために使用されるトランスミッションおよびカムクラッチ系統を含む。しかしながら、そのようなトランスミッション系統は、大きな空間を占有し、大きなトルクを必要とし、複雑であり、故障の影響を受け易い。

米国特許第６４３１３１７号明細書

本開示の一実施形態によれば、フェールセーフ動作モードを有する電気式アクチュエータが提供される。電気式アクチュエータは、トランスミッションによって形成された第１の経路を介して出力部に結合された第１の駆動源と、電気式アクチュエータの電力喪失時に出力部をフェールセーフ位置に位置決めさせるトランスミッションによって形成された第２の経路を介して出力部に結合された第２の駆動源と、を備える。トランスミッションによって形成された第３の経路を介して第１の駆動源および第２の駆動源に結合された差動装置が、第１の駆動源からのエネルギーを第２の駆動源に蓄積するために使用される。次いで、電気式アクチュエータはまた、第１の経路、第２の経路、および第３の経路の間でトランスミッションの切替を制御するように構成された切替コントローラを備えることもできる。

さらに、本開示の一実施形態によれば、電気式アクチュエータを駆動するための方法が提供される。本方法は、出力部または第２の駆動源に結合されたトランスミッションを駆動する差動装置に結合された第１の駆動源に電力を供給するステップと、電気式アクチュエータの第１のブレーキを係脱させ、第２のブレーキを係合させて、第１の駆動源に差動装置を駆動させてトランスミッションに出力部を駆動させる第１の経路を確立する、ステップと、を含む。本方法は、電気式アクチュエータの電力喪失時に電気式アクチュエータの第１のブレーキおよび第２のブレーキを係脱させて、第２の駆動源に差動装置を駆動させてトランスミッションに出力部を駆動させる第２の経路を確立する、ステップと、第１のブレーキを係合させ、第２のブレーキを係脱させて、第１の駆動源に差動装置を駆動させてトランスミッションに第２の駆動源を駆動させる第３の経路を確立するステップと、をさらに含み得る。

例示的な実装の上述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、本開示の教示の例示的な実施態様に過ぎず、限定するためのものではない。

例として提案される本開示の様々な実施形態が、以下の各図を参照して詳細に説明され、ここで、同様の参照番号は同様の要素を参照する。

本開示の一実施形態による電気式アクチュエータの例示的なブロック図である。 本開示の一実施形態による例示的な電気式アクチュエータの斜視図である。 本開示の一実施形態による電気式アクチュエータの例示的な差動装置の分解図である。 本開示の一実施形態による電気式アクチュエータの例示的な第１のブレーキの分解図である。 本開示の一実施形態による非通電状態の第１のブレーキを示す図である。 本開示の一実施形態による通電状態の第１のブレーキを示す図である。 本開示の一実施形態によるトランスミッションに接続された例示的な第２のブレーキを示す図である。 本開示の一実施形態による電気式アクチュエータの例示的なエネルギー蓄積モードを示す図である。 本開示の一実施形態による電気式アクチュエータの例示的な通常動作モードを示す図である。 本開示の一実施形態による電気式アクチュエータの例示的なフェールセーフモードを示す図である。 本開示の一実施形態による電気式アクチュエータの例示的な切替プロセスの流れ図である。 本開示の一実施形態による機械式停止装置アタッチメントを備えた例示的な電気式アクチュエータの図である。

添付の図面に関連して以下に記載される説明は、開示される発明の主題の様々な実施形態の説明として意図され、必ずしも唯一の実施形態（複数可）を表すことを意図するものではない。ある場合には、説明は、開示された実施形態（複数可）の理解を提供する目的で具体的な詳細を含む。しかしながら、開示された実施形態（複数可）は、それらの具体的な詳細なしに実施され得ることは、当業者には明らかなはずである。場合によっては、開示された発明の主題の概念を不明瞭にすることを避けるために、周知の構造および構成要素をブロック図形式で示す場合もある。

図１は、本開示の一実施形態による電気式アクチュエータ１０のブロック図である。電気式アクチュエータ１０は、第１の駆動源１００と、差動装置２００と、第２の駆動源４００と、出力部３００と、第１のブレーキ５００と、第２のブレーキ６００と、を備えることができる。第１の駆動源１００は、差動装置２００および出力ギヤトレーン（図１には示さず）を介して出力部３００を駆動する電動モータとすることができる。電動モータは、差動装置２００およびばねギヤトレーン（図１には示さず）を介して、ばねなどの第２の駆動源４００を駆動することができる。ばねは、第２の駆動源４００として働き、モータへの電力が失われたときに出力部３００を駆動することができる。異なる駆動源および出力部３００の間の切り換えは、必要に応じて第１のブレーキ５００および第２のブレーキ６００を作動および作動停止することによって可能できる。

第１の駆動源１００は、システムを駆動し、二次的な駆動源にエネルギーを供給できる任意の装置とすることができる。第１の駆動源は、電力、機械的動力、磁場、油圧動力などによって動作させることができる。例えば、第１の駆動源１００は、電気駆動直流（ＤＣ）モータとすることができる。モータは、磁性体固定子内で回転する電機子を含む永久磁石ＤＣモータを含む、様々なタイプのモータとすることができることを理解されたい。ＤＣモータは、定速モータであっても可変速度モータであってもよい。モータ速度制御は、磁束制御、電機子制御、および電圧制御などの様々な方法で制御することができる。

例示的な実施形態では、差動装置２００は、ハウジング内に取り付けられた複数のベベルギヤを備える。例えば、差動装置２００は、２つのベベルギヤが垂直軸を中心に回転し、残りの２つが水平軸を中心に回転するように配置された４つのベベルギヤを備えることができる。ベベルギヤのうちの１つはモータによって回転させることができ、この回転は、他のベベルギヤまたはハウジングにさらに伝達させることができる。さらに、ベベルギヤのうちの１つを固定して、ハウジングにおいて回転速度、回転方向、およびトルクの異なる組み合わせを得ることができる。ハウジングには、ハウジングの回転をさらに伝達するための外ギヤを取り付けることができる。例えば、外ギヤは、出力ギヤトレーンを介して出力部３００に接続されて、出力部３００を駆動することができる。ハウジングの外ギヤはまた、ばねギヤトレーンを介してばね４００に接続されて、ばね４００を圧縮するように回転させることもできる。

第２の駆動源４００は、システムを駆動するために、エネルギーを蓄積し、必要に応じて、または電力が失われた場合にエネルギーを供給できる、任意の装置とすることができる。例えば、第２の駆動源４００は、ばね、電池、圧縮空気などであってもよい。一実施形態では、第２の駆動源４００は、モータ（第１の駆動源１００）からのエネルギーを蓄積し、第１の駆動源１００への電力が失われたときにトランスミッション系統を駆動するためのエネルギーを供給するばねである。圧縮ばね、ラジアルばねなどの多くの種類のばねがあることを理解されたい。ばねは、圧縮状態にあるときに、ポテンシャルエネルギーの形でエネルギーを蓄積する。あるいは、圧縮空気、フライホイール、電池などの異なる第２の駆動源４００を使用することもできる。

ばねおよび出力部３００の回転は、それぞれ、第１のブレーキ５００および第２のブレーキ６００などのブレーキを使用して停止することができる。ブレーキは、必要に応じて同時に、または順番に動作させることができる。一実施形態では、ブレーキは、コントローラによって制御することができる、ソレノイドなどの電磁装置とすることができる。電磁ブレーキは、電力がオンまたはオフのときに負荷を停止または保持することができる。あるいは、ブレーキをばねで動作させてもよいし、手動で動作させてもよい。さらに、ブレーキは必要に応じて自動的にまたは手動で作動させることができる。

電気式アクチュエータ１０は、第１の駆動源１００と第２の駆動源４００と出力部３００との間に形成される経路に応じて異なる動作モードを有することができる。例えば、第１の動作モード（通常動作モードとも呼ばれる）では、モータ（第１の駆動源１００）は出力部３００を駆動することができ、ばね（第２の駆動源４００）は第２のブレーキ６００によって適所に保持することができる。第２の動作モード（エネルギー蓄積モードとも呼ばれる）では、モータはばねを駆動することができ、出力部は第１のブレーキ５００によって適所に保持することができる。第３の動作モード（フェールセーフモードとも呼ばれる）では、電気式アクチュエータ１０は電力喪失を経験し、ばねは出力部３００を駆動できる。

異なる動作モードは、切替コントローラ７００によって制御することができる。切替コントローラ７００は、必要に応じて、第１のブレーキ５００および第２のブレーキ６００を作動または作動停止させることができる。さらに、切替コントローラ７００は、第１の駆動源１００への電力供給を制御することができる。場合により、切替コントローラ７００は、第２の駆動源４００に蓄積されたエネルギーの量を計算および制御することができる。

図２は、本開示の一実施形態による例示的な電気式アクチュエータの斜視図である。電気式アクチュエータ１０は、電動モータ１０１の速度を所望のレベルに調整するための第１のトランスミッションを備えたモータギヤボックス１２０が取り付けられた電動モータ１０１を備える。モータギヤボックス１２０は、ばね４０１または出力部３００に動きをさらに伝達するための差動装置２００の原動軸２０１（図３に示す）に接続され得る。特定の実施形態では、電動モータ１０１を差動装置２００に直接接続することができる。

差動装置２００は、外部キャリヤギヤ２１０を備えたキャリヤ２０５を備える。キャリヤギヤ２１０は、ばねギヤトレーン４５０を回転させて、ばね軸４１０にばね４０１を圧縮させることができる。ばね４０１が圧縮されると、ばね４０１は、電気式アクチュエータ１０への電力喪失の際に出力部３００を駆動するために使用され得るポテンシャルエネルギーを蓄積する。

ばね４０１は、第２のブレーキ６００を係合させることによって圧縮状態に維持することができる。第２のブレーキ６００は、ばねギヤトレーン４５０に接続することができる。第２のブレーキ６００は、ばねギヤトレーン４５０の動きを停止させ、これにより、ばね４０１を圧縮状態にロックすることができる。第２のブレーキ６００が係脱された場合、ばね４０１は、ばねギヤトレーン４５０に動きを差動装置２００へさらに伝達させることができる。

本開示では、ばね４０１は、時計回り方向に回転させると圧縮され、反時計回り方向に回転させると復元して、出力部３００が電力喪失時に所定のフェールセーフ状態になるように構成することができる。フェールセーフ状態は、閉弁位置とすることもできるし開弁位置とすることもできる。異なる実施形態では、ばね４０１は、反時計回りの方向に回転させると圧縮され、時計回りに回転させると復元するように構成することができる。

ばね４０１は、ばねの一端にねじり力が加えられたときにねじれる、ねじりばねとすることができる。例えば、ばね軸４１０を回転させることによってねじり力が作用する。別の実施形態では、異なるタイプのばねおよび対応する圧縮機構を適用して、ポテンシャルエネルギーを蓄積することができる。例えば、コイルばねの上にボールねじまたはプレートを配置し、ボールねじを回す、またはコードでプレートを引っ張ってコイルばねに圧縮を引き起こすことにより、コイルばねを圧縮することができる。別の実施形態では、シリンダ内のピストンに接続されたばねなどのガススプリング装置を開発して、ばねを圧縮することができる。

差動装置２００は、出力部３００を駆動するためのデフピニオン２５０を備えることができる。デフピニオン２５０は、電動モータ１０１またはばね４０１によって駆動させることができる。デフピニオン２５０は、出力ギヤトレーン３５０を介して出力部３００を駆動することができる。出力ギヤトレーン３５０は、第１のブレーキ５００に接続されて、要望通りに、出力部３００の回転を停止することができる。

図３は、本開示の一実施形態による差動装置の分解図である。差動装置２００は、複数のベベルギヤＢ１〜Ｂ４と、キャリヤ２０５と、キャリヤギヤ２１０と、を備える。複数のベベルギヤＢ１〜Ｂ４は、ベベルギヤＢ１およびＢ４が垂直軸を中心に回転でき、ベベルギヤＢ２およびＢ３が水平軸を中心に回転できるように構成することができる。さらに、ベベルギヤＢ１は、差動装置２００への入力部として作用する原動軸２０１に固定することができる。ベベルギヤＢ４は、差動装置２００の出力部として作用する従動軸２０７に固定することができる。複数のベベルギヤＢ１〜Ｂ４は、キャリヤ２０５内で互いに噛み合っている。ベベルギヤＢ１〜Ｂ４のうちの１つ以上の回転は、キャリヤ２０５の回転を引き起こすように停止させることができる。例えば、ベベルギヤＢ４が固定され、原動軸２０１が反時計回り方向に回転すると仮定すると、ベベルギヤＢ１の回転は噛み合うベベルギヤＢ２およびＢ３に力をかける。この力の接線成分は、ベベルギヤＢ２およびＢ３の反対方向（すなわち、時計回り方向）への回転を引き起こす。ベベルギヤＢ４は固定されているため、ベベルギヤＢ２およびＢ３に作用する力の接線成分は、キャリヤ２０５を時計方向に回転させる。ベベルギヤＢ２およびＢ３が停止すると、差動装置２００のすべてのギヤがロックされる。

キャリヤ２０５は、形状が明確に円筒形であり、内部に複数のベベルギヤＢ１〜Ｂ４を組み付けることができる中空部分を備える。キャリヤ２０５には、ベベルギヤＢ１を支持すると共にキャリヤ２０５の上側の開口部を覆う上板２２５が取り付けられている。キャリヤ２０５は、ベベルギヤＢ２およびＢ３を支持するために円周に沿って穴を備えることができる。ベベルギヤＢ１〜Ｂ４には、ベベルギヤＢ１〜Ｂ４を支持し、自由回転を可能にするべく、ベアリング２３１〜２３４をそれぞれ取り付けることができる。ベベルギヤＢ１〜Ｂ４は、キャリヤ２０５の中空部分内で自由に回転できる。キャリヤ２０５は、ダウエル（ｄｏｗｅｌ）ピン２１５および２１７、ならびにねじ２１９および２２１などの締結具を使用して、キャリヤギヤ２１０と一体化する、またはキャリヤギヤ２１０に固定させることができる。キャリヤギヤ２１０は、キャリヤ２０５の底側の開口部を囲む。

図４は、本開示の一実施形態による電気式アクチュエータ１０の例示的な第１のブレーキ５００の分解図である。第１のブレーキ５００は、軸、ギヤなどの回転構成要素の動きを制限または阻止する任意の装置とすることができる。例えば、本開示の第１のブレーキ５００は、出力ギヤ３０１が回転するのを阻止するために係合させることができる。第１のブレーキ５００は、例えば、ソレノイド、空気圧、油圧、リンケージベースおよび／または電磁方式のブレーキを含むことができる。図４では、第１のブレーキ５００は、ソレノイド軸５０３と、レバー５０５と、出力ブレーキ５２０と、ブレーキハウジング５３０と、ブラケット５３５と、ブレーキばね５３７と、を有する第１のソレノイド５０１を備える。第１のソレノイド５０１は、ブラケット５３５に取り付けることができる。第１のソレノイド５０１のソレノイド軸５０３は、一端でレバー５０５に接続され、出力ブレーキ５２０がレバー５０５の他端に接続され得る。レバー５０５は、ピボットねじ５３１によってブレーキハウジング５３０にヒンジ止めすることができる。このように、レバー５０５は、ピボットねじ５３１を中心に旋回することができる。さらに、ねじ、スタッド、リベットなどの締結具を使用して、異なる構成要素を接続することができる。

レバー５０５は、一方の脚が他方の脚よりも短い、明確なＬ字形にすることができる。レバー５０５の長い脚部の第１の端部には、ソレノイドスロット５０７を設けて、ソレノイド軸５０３をロールピン５１０で固定することができる。レバー５０５の短い脚部の第２の端部には、ロールピン５２５を用いて出力ブレーキ５２０を固定するためのブレーキスロット５１１を設けることができる。レバー５０５の角には、ピボットねじ５３１に接続するためのピボット孔５０９を設けることができる。

レバー５０５のＬ字型は機械的利点を提供する。ソレノイドスロット５０７に力が加えられると、レバー５０５は、ピボットねじ５３１を中心として旋回し、力をブレーキスロット５１１に伝達する。力がレバー５００の長い脚部の第１の端部（ソレノイドスロット５０７）に加えられるとき、レバー５０５の短い脚の第２の端部（ブレーキスロット５１１）に伝達される力は加えられた力よりも大きい。

出力ブレーキ５２０は、一方の端部にレバースロット５２１を有し、他方の端部に歯５２２を有する中実の矩形のブロックであり得る。レバースロット５２１の幅は、レバー５０５の短い脚部の厚さよりも大きいか、または有意に等しい。レバー５０５は、レバースロット５０１を通って案内され、出力ブレーキ５２０の穴５２３およびレバー５０５のブレーキスロット５１１を貫通するロールピン５２５を使用して出力ブレーキ５２０に接続される。

ブレーキハウジング５３０は、出力ブレーキ５２０およびレバー５０５のそれぞれの取り付けを可能にする２つのスロット、すなわち、ブロックスロット５２０ｓおよびＬスロット５０５ｓを備える。レバー５０５は、ブレーキハウジング５３０のＬスロット５０５ｓに案内され、ブレーキハウジング５３０およびレバー５０５のピボット孔５０９を通ってピボットねじ５３１を摺動させることによってヒンジ結合することができる。出力ブレーキ５２０は、レバー５０５の短い脚部に接続されており、ブロックスロット５２０ｓの内外を自由に摺動することができる。

図５Ａは、本開示の一実施形態による非通電状態の第１のブレーキ５００を示す。第１のブレーキ５００は、切替コントローラ７００（図５Ａには示さず）によって通電および非通電され得る。非通電状態では、出力ブレーキ５２０は、出力ギヤ３０１に結合され得るピニオンギヤセット５５０から係脱できて、出力ギヤ３０１が自由に回転することを可能にし得る。ピニオンギヤセット５５０は、スプライン５５５と、第１のピニオン軸５６５に固定された第１のピニオン５６０と、を備える。スプライン５５５は出力ブレーキ５２０に結合することができ、第１のピニオン５６０は出力ギヤ３０１に結合することができる。

第１のソレノイド５０１が非通電にされると、ソレノイド軸５０３が伸び、レバー５０５を押して出力ブレーキ５２０をブレーキハウジング５３０内に摺動させ、これにより、出力ブレーキ５２０をスプライン５５５から係脱させる。ソレノイド軸５０３の伸長は、レバー５０５の上方に収まる圧縮状態にあり得るブレーキばね５３７によって助けることができる。

図５Ｂは、本開示の一実施形態による通電状態の第１のブレーキ５００を示す。通電状態では、出力ブレーキ５２０は、ピニオンギヤセット５５０のスプライン５５５に係合し、出力ギヤ３０１の回転を制限することができる。第１のソレノイド５０１が通電されると、ソレノイド軸５０３がレバー５０５を上方に引っ張りながら後退して、出力ブレーキ５２０がブレーキハウジング５３０の外側に摺動し、これにより、出力ブレーキ５２０がスプライン５５５に係合する。また、レバー５０５を引っ張ることにより、ブレーキばね５３７が圧縮される。

図６は、本開示の一実施形態による、ばねギヤトレーン４５０に結合された例示的な第２のブレーキ６００を示す。第２のブレーキ６００は、軸、ギヤなどの回転構成要素の動きを制限または阻止する任意の装置とすることができる。本開示における第２のブレーキ６００は、ばね軸４１０の回転を阻止する。第２のブレーキ６００は、例えば、第２のピニオン軸６０３に結合された電機子６０２およびハブ６０１を備えることができる。第２のピニオン軸６０３は、ばねギヤトレーン４５０に結合された第２のピニオン６０５に取り付けることができる。第２のブレーキ６００は、電力が供給されている場合に負荷を保持し、電力が失われたときに負荷を解放するパワーオンブレーキなどの電磁ブレーキであってもよい。

コイル６０４が通電されると、第２のピニオン軸６０３は、電機子６０１およびハブ６０１のアセンブリ内でロックされて、第２のピニオン６０５に、ばねギヤトレーン４５０およびばね軸４１０の回転を制限させる。他方、コイル６０４が非通電になると、第２のピニオン軸６０３は、電機子６０２およびハブ６０１のアセンブリからロック解除されて、第２のピニオン６０５を自由に回転させる。換言すると、第２のブレーキ６００に電力が供給されていないとき、または第２のブレーキ６００の電力が喪失したとき、第２のピニオン６０５は自由に回転することができる。従って、第２のブレーキ６００の非通電状態では、ばねギヤトレーン４５０およびばね軸４１０は自由に回転することができる。

図７は、最大ポテンシャルエネルギーモードで示される、本開示の一実施形態による電気式アクチュエータのエネルギー蓄積モードを示す。エネルギー蓄積モードでは、モータ１０１は、トランスミッションの第３の経路を介してばね４０１にエネルギーを供給することができる。第３の経路では、モータ１０１は、モータギヤボックス１２０を介して差動装置２００を駆動して、キャリヤギヤ２１０にばねギヤトレーン４５０を駆動させて、ばね４０１に接続されたばね軸４１０を回転させる。ばね軸４１０が回転すると、ばね４０１が圧縮して、ポテンシャルエネルギーを蓄積する。蓄積されるエネルギーの量は、出力ギヤトレーン３５０を駆動して、出力部３００が電力喪失時にフェールセーフ状態になるのに十分であるべきである。

モータ１０１がばね４０１を駆動している間、第１のブレーキ５００を係合させて、出力部３００に結合された出力ギヤトレーン３５０の回転を阻止し、差動装置２００のデフピニオン２５０の回転を阻止することができる。加えて、第２のブレーキ６００は、係脱されて、ばねギヤトレーン４５０の回転を可能にすることができる。

ばね軸４１０の回転数は、ばね４０１に蓄積されたエネルギーの量に関係し得る。例えば、ばね４０１に蓄積されるエネルギーの量は、ねじりばねでは、以下のエネルギー方程式１を用いて計算することができる。

ここで、Ｕは、ジュール単位の蓄積エネルギーであり、ｋは、ニュートン・メートル／ラジアン単位のばね定数であり、θは、ラジアン単位の回転数である。

別の実施形態では、ばね４０１に蓄積される必要があるエネルギーの量は、実験により予め決定することができる。実験は、ばねの種類、ばねの剛性、ばね軸の回転数などの異なるパラメータを変えるように設計することができる。実験に基づいて、最適なパラメータの組み合わせを使用して、適切なばねおよび回転数を選択することができる。

図８は、本開示の一実施形態による電気式アクチュエータの通常動作モードを示す。通常動作モードでは、モータ１０１は、トランスミッションの第１の経路を介して出力部３００にエネルギーを供給することができる。第１の経路において、モータ１０１は、モータギヤボックス１２０を介して差動装置２００を駆動して、デフピニオン２５０に出力ギヤトレーン３５０を駆動させて出力部３００を回転させる。さらに、モータ１０１が出力部３００を駆動している間に、第１のブレーキ５００が係脱されて出力部３００に結合された出力ギヤトレーン３５０の回転を可能にし、第２のブレーキ６００が係合されて、ばね４０１に結合されたばねギヤトレーン４５０の回転を阻止する。

図９は、本開示の一実施形態による電気式アクチュエータのフェールセーフモードを示す。フェールセーフモードは、電力喪失時に始動させることができる。フェールセーフモードでは、ばね４０１は、トランスミッションの第２の経路を介して出力部３００にエネルギーを供給することができる。第２の経路では、ばね４０１が差動装置２００のキャリヤギヤ２１０を駆動し、キャリヤギヤ２１０が、出力部３００に結合された出力ギヤトレーン３５０を駆動して、出力部３００を所定のフェールセーフ位置に位置決めさせる。所定のフェールセーフ位置は、開いていても閉じていてもよい。さらに、ばね４０１が出力部３００を駆動している間に、第１のブレーキ５００が係脱されて出力ギヤトレーン３５０の回転を可能にし、第２のブレーキ６００が係脱されて、ばねギヤトレーン４５０の回転を可能にする。ばねギヤトレーン４５０は差動装置２００を駆動するが、モータ１０１の内部ブレーキ能力に起因して、回転はモータ１０１に伝達されない。別の実施形態では、外部ブレーキをモータ１０１に結合して、第２の経路におけるモータ１０１の回転を阻止することができる。

図１０は、本開示の一実施形態による電気式アクチュエータ１０の例示的な切替プロセス１０００の流れ図である。プロセス１０００は、電気式アクチュエータ１０における異なる経路間の切替を自動化するために、切替コントローラ７００に実装することができる。プロセス１０００は、出力部３００がバタフライ弁などの要素に接続され、電力供給がスイッチオンされたときに開始する。ステップＳ１０では、第１の駆動源１００に電力を供給できる。例えば、電気式アクチュエータ１０のモータ１０１に電力を供給することにより、モータ１０１およびモータギヤボックス１２０を回転させることができる。ステップＳ１２において、第１のブレーキ５００を係合させることができ、第２のブレーキ６００を係脱させることができる。第１のブレーキ５００は、図４および図５Ｂに関連して説明したように、第１のソレノイド５０１を作動させることによって係合させることができる。第２のブレーキ６００は、コイル６０４への電力供給を遮断することにより、係脱させることができる。第２のブレーキ６００の係脱により、ばね４０１が巻かれて、モータ１０１に供給されたエネルギーをばね４０１（第２の駆動源４００）にポテンシャルエネルギーの形で蓄えることができる。

ステップＳ１４において、第２の駆動源４００に蓄えられたエネルギー量を計算することができる。例えば、エネルギー量は、式１を使用して決定することもできるし、図７に関して説明したように、予め実験によって決定することもできる。あるいは、ばね軸４１０にセンサ４７５を取り付けて、ばね軸４１０上の回転数またはねじり荷重などの負荷を計数することができる。センサ４７５は、切替コントローラ７００に信号を送信することができる。回転数または負荷は、予め実験によって決定され、ばね４０１に蓄えられたエネルギーの量に相互に関連付けることができる。あるいは、回転数または負荷は、出力部３００をフェールセーフ位置に配置するのに必要な回転数または負荷に相互に関連付けることができる。例えば、弁を開位置から閉じるためには、出力部３００を１０回回転させる必要があり得る。１０回の出力部３００の回転を可能にするために、ばね軸４１０は少なくとも２５回回転しなければならない場合がある。その場合、ばね軸が少なくとも２５回回転すると、コントローラは次のステップＳ１６を実行することができる。

ステップＳ１６において、エネルギー閾値に達したか否かの判定を行うことができる。エネルギー閾値は、出力部３００をフェールセーフ位置に駆動するために必要なエネルギー量に少なくとも対応する。エネルギー閾値に達していない場合、モータ１０１は、ばね４０１を巻き続け、エネルギー閾値に達するまでステップＳ１４の処理を行うことができる。

エネルギー閾値に達すると、第１の駆動源１００への電力供給をオフにすることができ、第１のブレーキ５００および第２のブレーキ６００を係合させることができる。第１の駆動源１００への電力供給が再開されると、ステップＳ１８において、第１のブレーキ５００を係脱させ、第２のブレーキ６００を係合させることができる。第１のブレーキ５００は、第１のソレノイド５０１への電力供給をオフにすることによって係脱させることができ、これにより、図４および図５Ａに関連して説明したように、出力ブレーキ５２０を、出力ギヤトレーン３５０に結合されたピニオンギヤセット５５０から係脱させることができる。

ステップＳ２０において、電気式アクチュエータ１０が電力を失ったか否かを判定することができる。電力を失っていない場合、コントローラは電力喪失を監視し続けることができる。あるいは、コントローラは、ステップ１８の処理を実行し続けることができる。他方、電力が失われた場合、ステップＳ２２において、第１のブレーキ５００を係脱させ、第２のブレーキ６００を係脱させることができる。上述したように、第１のソレノイド５０１を係脱させることができる。第２のブレーキ６００は、コイル６０４への電力喪失により、係脱させることができる。第１のブレーキ５００および第２のブレーキ６００を係脱することにより、ばね４０１（第２の駆動源４００）が出力部３００をフェールセーフ位置に駆動することが可能になる。

図１１は、本開示の一実施形態による機械式停止装置２０が取り付けられた例示的な電気式アクチュエータ１０である。図１１において、電気式アクチュエータ１０は、カバー１２の内部に設置されている。電気式アクチュエータ１０は、電気式アクチュエータ１０の内部または外部に１つ以上のアタッチメントを備えることができる。例えば、機械式停止装置２０またはリミットスイッチを電気式アクチュエータ１０の内部または外部に取り付けることができる。

機械式停止装置２０は、リミットスイッチ（図示せず）の故障の場合に、電気式アクチュエータ１０が過度に移動する（ｏｖｅｒ−ｔｒａｖｅｌ）ことを防止し、場合によっては電気式アクチュエータ１０または電気式アクチュエータ１０に接続された弁（図示せず）に損傷を与えることを防止するように設計された任意の装置とすることができる。弁の過度の移動は、電力喪失時にばね４０１の巻きが緩んだことによって引き起こされる可能性がある。機械式停止装置２０は、弁の回転（または一般的な移動）の限界を設定することができる。例えば、弁の回転（または移動）を約０°〜９０°（±１０°）に制限することができる。機械式停止装置２０は、電気式アクチュエータ１０と弁ブラケット（図示せず）との間に装着することができる。異なる実施形態では、電気式アクチュエータ１０の内部に、例えばばね軸４１０に接続させて、機械式停止装置２０を設置することができる。

上記の説明において、流れ図におけるいかなる処理、記述またはブロックもプロセスにおける具体的な論理機能またはステップを実装するための１つ以上の実行可能命令を含むコードのモジュール、セグメントまたは部分を表すものとして理解されるべきであり、当業者に理解されるように、関連する機能性に応じて、機能が、図示または説明された順序とは、実質的に同時または逆順を含め、異なる順序で実行され得る別の実装が、本発明の例示的な実施形態の範囲内に含まれる。

特定の実施形態を説明したが、これらの実施形態は単なる一例として提示したものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。実際、本明細書に記載の新規の方法、装置およびシステムは、様々な他の形態で実施することができ、さらに、本開示の趣旨から逸脱することなく、本明細書に記載された方法および装置の形態の様々な省略、置換および変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物は、本開示の範囲および趣旨に含まれるようなそのような形態または修正を包含するように意図されている。例えば、本技術は、ネットワークを介して複数の装置間で１つの機能を共用して協働で処理するクラウドコンピューティング用に構成することができる。

Claims (20)

1. 電気式アクチュエータであって、
   トランスミッションによって形成された第１の経路を介して出力部に結合された第１の駆動源と、
   前記電気式アクチュエータが前記電気式アクチュエータの電力喪失時に、前記出力部をフェールセーフ位置に位置決めさせる、前記トランスミッションによって形成された第２の経路を介して前記出力部に結合された第２の駆動源と、
   前記トランスミッションによって形成された第３の経路を介して前記第１の駆動源および前記第２の駆動源に結合されて、前記第１の駆動源からのエネルギーを前記第２の駆動源に蓄積する、差動装置と、
   前記第１の経路、前記第２の経路、および前記第３の経路の間の前記トランスミッションの切り替えを制御するように構成された切替コントローラと、
   を備える、電気式アクチュエータ。
2. 前記差動装置は、
   キャリヤと、
   前記キャリヤの内部に配置された３つ以上のベベルギヤであって、前記差動装置の第１のベベルギヤは、前記第１の駆動源に結合され、第２のベベルギヤは、前記出力部に結合される、前記３つ以上のベベルギヤと、
   前記キャリヤの外部に固定されたキャリヤギヤであって、前記差動装置の前記キャリヤギヤは、前記第２の駆動源に結合される、キャリヤギヤと、
   を備える、請求項１に記載の電気式アクチュエータ。
3. 前記トランスミッションを介して前記出力部に結合された第１のブレーキと、
   前記トランスミッションを介して前記第２の駆動源に結合された第２のブレーキと、
   をさらに備える、請求項１に記載の電気式アクチュエータ。
4. 前記第１のブレーキが係脱され、前記第２のブレーキが係合されて、前記第１の駆動源と前記出力部との間で前記トランスミッションを介して前記第１の経路を確立する、
   請求項３に記載の電気式アクチュエータ。
5. 前記第１のブレーキが係脱され、前記第２のブレーキが係脱されて、前記第２の駆動源と前記出力部との間で前記トランスミッションを介して前記第２の経路を確立する、
   請求項３に記載の電気式アクチュエータ。
6. 前記第１のブレーキが係合され、前記第２のブレーキが係脱されて、前記第１の駆動源と前記第２の駆動源との間で前記トランスミッションを介して前記第３の経路を確立する、
   請求項３に記載の電気式アクチュエータ。
7. 前記切替コントローラは、センサから信号を受信し、前記第２の駆動源に蓄積されたエネルギーの量を決定し、前記第１のブレーキおよび前記第２のブレーキと信号を送受信するように構成される、
   請求項１に記載の電気式アクチュエータ。
8. 蓄積されたエネルギー量は、前記第２の駆動源の回転数から計算される、
   請求項７に記載の電気式アクチュエータ。
9. 前記第２のブレーキは、前記第２のブレーキを前記トランスミッションに係合させて、前記第１の経路において前記第２の駆動源の前記回転を停止させるように電磁的に作動する、電機子と、ハブと、コイルと、を備える、
   請求項３に記載の電気式アクチュエータ。
10. 前記第１のブレーキは、
    前記切替コントローラからの信号を受信すると後退するソレノイド軸を有する第１のソレノイドと、
    レバーであって、一端で前記ソレノイド軸に接続されて、前記ソレノイド軸が後退すると前記レバーが旋回する、前記レバーと、
    前記レバーに第２の端部で接続された出力ブレーキであって、前記出力ブレーキは、前記ソレノイド軸が後退して前記レバーが旋回するときに並行移動（ｔｒａｎｓｌａｔｅ）する、前記出力ブレーキと、
    前記レバーを旋回させるように構成されたブレーキハウジングであって、前記出力ブレーキが前記ブレーキハウジングから自由に並行移動して前記トランスミッションと係合して、前記第３の経路において前記出力部の前記回転を停止させることを可能とする、前記ブレーキハウジングと、
    を備える、請求項３に記載の電気式アクチュエータ。
11. 前記第１の駆動源は電動モータであり、前記第２の駆動源はばねである、
    請求項１に記載の電気式アクチュエータ。
12. 前記出力部の過度の移動を防止するために前記電気式アクチュエータの前記出力部に結合された機械式停止装置
    をさらに備える、請求項１に記載の電気式アクチュエータ。
13. 電気式アクチュエータを駆動するための方法であって、前記方法は、
    出力部または第２の駆動源に結合されたトランスミッションを駆動する差動装置に結合された第１の駆動源に電力を供給するステップと、
    前記電気式アクチュエータの第１のブレーキを係脱させ、第２のブレーキを係合させて、前記第１の駆動源に前記差動装置を駆動させて前記トランスミッションに前記出力部を駆動させる第１の経路を確立する、ステップと、
    前記電気式アクチュエータの電力喪失時に前記電気式アクチュエータの前記第１のブレーキおよび前記第２のブレーキを係脱させて、前記第２の駆動源に前記差動装置を駆動させて前記トランスミッションに前記出力部を駆動させる第２の経路を確立する、ステップと、
    前記第１のブレーキを係合させ、前記第２のブレーキを係脱させて、前記第１の駆動源に前記差動装置を駆動させて前記トランスミッションに前記第２の駆動源を駆動させる第３の経路を確立するステップと、
    を含む、方法。
14. 前記第２の駆動源に蓄積されたエネルギー量は、前記第２の駆動源の回転数を用いて計算される、
    請求項１３に記載の電気式アクチュエータを駆動するための方法。
15. キャリヤと、前記キャリヤの内部に配置された３つ以上のベベルギヤと、前記キャリヤに固定されたキャリヤギヤと、を備えた差動装置と、
    前記差動装置の第１のベベルギヤを駆動するモータギヤトレーンと、
    前記差動装置の前記キャリヤギヤに結合されたばねギヤトレーンと、
    前記差動装置の第２のベベルギヤに結合された出力ギヤトレーンと、
    を備えた、電気式アクチュエータのトランスミッション。
16. 前記ばねギヤトレーンと前記キャリヤギヤとがロックされて、前記電気式アクチュエータにおいて、前記モータギヤトレーン、前記差動装置の前記３つ以上のベベルギヤ、および前記出力ギヤトレーンの回転を可能にする第１の経路が形成される、
    請求項１５に記載の電気式アクチュエータのトランスミッション。
17. 前記モータギヤトレーンと、前記差動装置の前記第１のベベルギヤとがロックされて、前記電気式アクチュエータにおいて、前記ばねギヤトレーン、前記差動装置の前記キャリヤギヤ、前記差動装置の前記第２のベベルギヤ、および前記出力ギヤトレーンの回転を可能にする第２の経路を形成する、
    請求項１５に記載の電気式アクチュエータのトランスミッション。
18. 前記出力ギヤトレーンと、前記差動装置の前記第２のベベルギヤとがロックされて、前記電気式アクチュエータにおいて、前記モータギヤトレーン、前記差動装置の前記キャリヤギヤ、および前記ばねギヤトレーンの回転を可能にする第３の経路を形成する、
    請求項１５に記載の電気式アクチュエータのトランスミッション。
19. 前記出力ギヤトレーンは弁に結合される、
    請求項１５に記載の電気式アクチュエータのトランスミッション。
20. 前記出力ギヤトレーンは、前記弁をフェールセーフ位置に動かす、
    請求項１７に記載の電気式アクチュエータのトランスミッション。

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