JP2020153406A - 電動アクチュエータおよび劣化指標計算方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動アクチュエータの動力伝達部の劣化状態を示す劣化指標を容易に計算する。【解決手段】開度制御部１９Ａが、モータ１３を駆動制御して出力軸１６を回動し、劣化指標処理部１９Ｂが、出力軸１６を回動中の所定の計測タイミングにモータ１３に生じたモータトルクＴｍと、当該計測タイミングにおける出力軸１６の出力軸トルクＴｏとに基づいて、動力伝達部１４の劣化指標として、動力伝達部１４の動力伝達トルクＴｄを計算する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電動アクチュエータに関し、特に、電動アクチュエータの動力伝達部に関する劣化状態の判定に用いる劣化指標を計算するための劣化指標計算技術に関する。

バルブやダンパーなどの操作端を電動で開閉制御する電動アクチュエータは、動力伝達部を介してモータで出力軸を回動させて操作端の開度を調整する。例えば、電動アクチュエータの適用例の１つである流量制御弁は、空調システム等の設備で用いられて、配管を流れる冷温水の流量を制御する電動バルブであり、主に弁本体とアクチュエータとから構成されている。弁本体は、流体が流れる流路が内部に形成された金属管からなり、流路の途中には流体の流量を制御するための弁体が回動自在に取り付けられている。アクチュエータは、この弁体の実際の弁開度を検出し、得られた弁開度に基づいて弁体を回動制御することにより、流量制御を行うものとなっている（例えば、特許文献１など参照）。

特開２０１５−１９４１６６号公報 特開２０１５−１２５０３８号公報 特開２０１５−１１４１８８号公報

通常、電動アクチュエータで用いられる動力伝達部は、減速ギヤで構成されており、長期間にわたり十分な耐久性を持つと考えられる。このため、動力伝達部の劣化状態を検出する必要性は低く、従来より電動アクチュエータの劣化判定機能として具体化されていない。
一方、電動アクチュエータなどのフィールド機器には保証期間が設定されていて、保証期間の満了に応じて新たなものに交換する必要がある。しかし、実際には保証期間を超えて長期間にわたり使用される場合もある。

このような保証期間を超えて長期にわたり使用した場合、電動アクチュエータの動力伝達部が劣化して故障や経年変化などにより設計当初の動力伝達トルクが得られない場合も考えられる。このような場合、操作端を精度よく開閉制御できなくなったり、出力軸を全閉位置や全開位置などの所定の回動位置まで確実に戻せなくなったりする可能性がある。このため、動力伝達部の劣化状態を把握しておくことが重要となる。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、電動アクチュエータの動力伝達部の劣化状態を示す劣化指標を容易に計算できる劣化指標計算技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる電動アクチュエータは、弁体を回動するための出力軸と、動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記モータを駆動制御して前記出力軸を回動する開度制御部と、前記出力軸を回動中の所定の計測タイミングに前記モータに生じたモータトルクと、前記計測タイミングにおける前記出力軸の出力軸トルクとに基づいて、前記動力伝達部の劣化指標として、前記動力伝達部の動力伝達トルクを計算する劣化指標処理部とを有している。

また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記出力軸の出力軸トルクを検出するトルクセンサをさらに備えている。

また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記劣化指標処理部が、前記計測タイミングに前記トルクセンサで検出された出力軸トルクから、前記計測タイミングに前記モータに生じたモータトルクを減算し、得られた差分を前記動力伝達トルクとして計算するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記劣化指標処理部が、前記計測タイミングに前記モータに流れたモータ電流に基づいて、前記モータトルクを計算するようにしたものである。

また、本発明にかかる劣化指標計算方法は、弁体を回動するための出力軸と、動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路とを備える電動アクチュエータで用いられる劣化指標計算方法であって、前記制御回路の開度制御部が、前記モータを駆動制御して前記出力軸を回動する開度制御ステップと、前記制御回路の劣化指標処理部が、前記出力軸を回動中の所定の計測タイミングに前記モータに生じたモータトルクと、前記計測タイミングにおける前記出力軸の出力軸トルクとに基づいて、前記動力伝達部の劣化指標として、前記動力伝達部の動力伝達トルクを計算する劣化指標処理ステップとを備えている。

また、本発明にかかる上記劣化指標計算方法の一構成例は、前記劣化指標処理ステップが、前記計測タイミングに、前記出力軸の出力軸トルクを検出するトルクセンサで検出された出力軸トルクから、前記計測タイミングに前記モータに生じたモータトルクを減算し、得られた差分を前記動力伝達トルクとして計算するステップを含んでいる。

本発明によれば、動力伝達部の劣化指標として、動力伝達部の動力伝達トルクを容易に把握できるため、当初の設計値からの乖離幅に応じて、動力伝達部の劣化状態を容易に把握することができる。したがって、乖離幅が大きくなって劣化が進んだ場合には、故障発生する前に適切な対応をとることができ、極めて効果的な予知保全を実現することが可能となる。これにより、保証期間を超える長期使用を想定した場合でも、一定の信頼性を提供することが可能となる。また、動力伝達トルクの経時変化を、劣化指標処理部や上位装置でモニタすることにより、動力伝達部の劣化時期すなわち交換時期を予測でき、電動アクチュエータの予知保全に極めて有用である。

図１は、電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。 図２は、トルクセンサ（歪みゲージ）を示す説明図である。 図３は、流量制御処理を示すフローチャートである。 図４は、弁側センサ出力値と弁側開度との関係を示すグラフである。 図５は、劣化指標処理を示すフローチャートである。 図６は、劣化指標処理動作を示す説明図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［本実施の形態］
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ１０について説明する。図１は、電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。

この電動アクチュエータ１０は、例えば、空調システム等の設備において、配管を流れる冷温水の流量を制御する流量制御バルブや、空気の風量を調整する風量調整ダンパーなどの弁体を電動制御する装置である。以下では、図１に示すように、流量制御バルブの弁本体２０に電動アクチュエータ１０を取り付けた場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、風量調整ダンパーなど、電動制御可能な弁体を有する他の機器に取り付けた場合にも、同様にして適用可能である。

［弁本体］
弁本体２０は、流体が流れる流路２１が内部に形成された金属管からなり、流路２１の途中には流体の流量を制御するための弁体２２が回動自在に取り付けられている。弁体２２には、弁本体２０の外部へ一端が導出された弁軸２６が結合されており、この弁軸２６の回動操作により弁体２２が回動し、流路２１の断面積、すなわち弁開度が変化して、流体の流量が制御される。

流路２１の内壁２３のうち、弁体２２の一次側（流体上流側）には圧力センサＳ１が配置されており、弁体２２の二次側（流体下流側）には圧力センサＳ２が配置されている。これら圧力センサＳ１，Ｓ２は、それぞれ流路２１の一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２を検出し、得られた検出結果を示す圧力検出信号を電動アクチュエータ１０へ出力する。これら一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２と、弁開度に相当する出力側開度θａからなる開度現在値θとに基づいて流路２１を流れる流体の流量が計測される。

［電動アクチュエータ］
電動アクチュエータ１０は、ヨーク３１を介して弁本体２０の本体上面２４に取り付けられており、継手３０を介して弁軸２６と接続されている出力軸１６を回動制御することにより、弁体２２の弁開度を制御して、流体の流量制御を行う機能を有している。
電動アクチュエータ１０には、主な構成として、設定回路１１、モータ駆動回路１２、モータ１３、動力伝達部１４、出力軸１６、出力側角度センサ１７Ａ、弁側角度センサ１７Ｖ、トルクセンサ１７Ｔ、記憶回路１８、および制御回路１９が設けられている。

設定回路１１は、上位装置（図示せず）から受信した流量目標信号などの設定信号に含まれる、流量目標値Ｑｒｅｆなどの設定値を取得し、制御回路１９へ出力する機能を有している。
モータ駆動回路１２は、制御回路１９から出力されたモータ制御信号に基づいて、モータ１３を駆動する機能を有している。

モータ１３は、ＤＣモータ、ＡＣモータ、ステッピングモータなどの制御用モータからなり、モータ駆動回路１２からの駆動信号により、指定された方向へ指定された角度分だけシャフト１３Ａを回転させる機能を有している。
動力伝達部１４は、歯数の異なる複数の歯車が噛合されたギヤボックスなどの動力伝達機構からなり、モータ１３のシャフト１３Ａの回転速度を減速して出力軸１６を回動させる機能を有している。

これにより、制御回路１９から出力されたモータ制御信号に基づいて、モータ駆動回路１２から駆動信号がモータ１３に出力される。また、この駆動信号に応じてモータ１３のシャフト１３Ａが回転し、その回転出力が動力伝達部１４で減速されて出力軸１６を回動させ、継手３０および弁軸２６を介して弁体２２が所定の回動角度すなわち弁開度まで回動することになる。

出力軸１６は、電動アクチュエータ１０から弁本体２０の弁体２２を回動するための軸であり、一端が動力伝達部１４に連結され、他端が継手３０および弁軸２６を介して弁体２２と連結されている。

出力側角度センサ１７Ａは、動力伝達部１４または出力軸１６に取り付けられて、出力軸１６の回動角度を検出し、回動角度に応じた出力側センサ出力値Ｓａを制御回路１９へ出力する角度センサである。
以下では、出力側角度センサ１７Ａとして、例えば円形差動トランス型角度センサ（特許文献２）や磁気抵抗型角度センサ（特許文献３）を用いた場合を例として説明する。本発明は、これら特許文献２および特許文献３に記載されたすべての内容を含むものとする。なお、出力側角度センサ１７Ａは、これに限定されるものではなく、ポテンショメータ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダなど、回転角度が計測できるセンサを出力側角度センサ１７Ａとして用いてもよい。

弁側角度センサ１７Ｖは、弁本体２０の外側である本体上面２４に取り付けられて、弁体２２付近の弁軸２６の回動角度を検出し、回動角度に応じた弁側センサ出力値Ｓｖを電動アクチュエータ１０へ出力する角度センサである。弁側角度センサ１７Ｖは、断熱材を介して弁本体２０に取り付けられており、流体温度の影響が抑制されている。
また、弁側角度センサ１７Ｖには温度センサＳ３が取り付けられており、温度センサＳ３で検出された検出温度Ｔｘに基づいて、弁側角度センサ１７Ｖの弁側開度θｖが開度現在値θに温度補正される。なお、弁側開度θｖの温度補正は、本実施の形態において必須ではなく、弁側角度センサ１７Ｖのセンサ出力が周囲温度の影響を受けない場合には、温度補正を省くこともできる。

以下では、弁側角度センサ１７Ｖとして、例えば円形差動トランス型角度センサ（特許文献２）や磁気抵抗型角度センサ（特許文献３）を用いた場合を例として説明する。本発明は、これら特許文献２および特許文献３に記載されたすべての内容を含むものとする。なお、弁側角度センサ１７Ｖは、これに限定されるものではなく、ポテンショメータ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダなど、回転角度が計測できるセンサを弁側角度センサ１７Ｖとして用いてもよい。

また、図１において破線で示すように、弁側角度センサ１７Ｖの取付位置は、本体上面２４に代えて弁本体２０の本体底面２５であってもよい。
弁体２２を弁本体２０内の流路２１に回動自在に取り付ける際、内壁２３の上側部と下側部とで弁軸２６を係止している。このため、弁軸２６の下端を本体底面２５から弁本体２０の外部へ導出することが可能であり、弁本体２０の外側へ導出した弁軸２６の下端の回動角度を弁側角度センサ１７Ｖで検出すればよい。

トルクセンサ１７Ｔは、出力軸１６に取り付けられて、出力軸１６の出力軸トルクを検出し、その出力軸トルクに応じたトルクセンサ出力値Ｖｏを電動アクチュエータ１０へ出力するセンサである。本実施の形態では、トルクセンサ１７Ｔが、電動アクチュエータ１０の内部の出力軸１６のうち、動力伝達部１４と弁体２２との間の出力軸１６に取り付けられており、動力伝達部１４と弁体２２との間の出力軸トルクを検出する場合を例として説明する。

トルクセンサ１７Ｔの具体例の１つとして歪みゲージがある。図２は、トルクセンサ（歪みゲージ）を示す説明図である。図２に示すように、歪みゲージ４０は、樹脂などの薄い電気絶縁物からなるベース４１に、折り返してパターン形成された金属箔などの抵抗体Ｒからなるゲージ４２と、抵抗体Ｒの端部に電気的に接続された２本のリード４３とからなる。
歪みゲージ４０からなるトルクセンサ１７Ｔは、出力軸１６の表面に接着剤で接着され、出力軸１６の出力軸トルクＴｏに応じて出力軸１６が歪んでベース４１も伸縮し、結果としてゲージ４２の抵抗体Ｒの抵抗値が変化する。

抵抗値の変化率と歪み量は比例関係にあるため、抵抗体Ｒの抵抗値を検出すれば歪み量を計算でき、これにより出力軸トルクを検出できる。抵抗体Ｒの抵抗値は、一般的なホイートストーンブリッジ回路４５を用いて電圧に変換でき、これを制御回路１９で検出すればよい。ホイートストーンブリッジ回路４５は、制御回路１９内に設けてもよく、制御回路１９とトルクセンサ１７Ｔとの間に設けてもよい。一定の入力電圧Ｖｉｎをホイートストーンブリッジ回路４５に入力しておけば、抵抗体Ｒの抵抗値の変化に応じて出力電圧すなわちトルクセンサ出力値Ｖｏが変化する。
なお、トルクセンサ１７Ｔについては、歪みゲージ４０に限定されるものではない。例えば、トルク検出部位の両側に設けた歯車やシリンダーの位相差（ねじれ）の大きさに基づいてトルクを検出する方式など、他の方式に基づく公知のトルクセンサを用いてもよい。

記憶回路１８は、不揮発性の半導体メモリからなり、流量現在値Ｑの計算に用いる弁体２２に固有の流量係数Ｃｖを特定するための特性テーブルなど、流量制御や劣化指標計算に用いる各種の処理データを記憶する機能を有している。この特性テーブルには、流路２１の一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２の差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２と弁体２２の開度現在値θとの組み合わせごとに、弁体２２に固有の流量係数Ｃｖが予め登録されている。これら特性テーブルの各データは、形状や材質などの弁体２２の特徴に基づいて別途計算されたものである。

制御回路１９は、ＣＰＵとその周辺回路を有し、ＣＰＵとプログラムとを協働させることにより、流量制御や劣化指標計算のため処理を実行する各種の処理部を実現する機能を有している。
制御回路１９は、主な処理部として、開度制御部１９Ａと劣化指標処理部１９Ｂとを備えている。

開度制御部１９Ａは、圧力センサＳ１，Ｓ２から出力された圧力検出信号が示す一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２と開度現在値θとに基づいて、流路２１を流れる流体の流量現在値Ｑを計算する機能と、この流量現在値Ｑと流量目標値Ｑｒｅｆとの流量偏差ΔＱに基づいて、所定のモータ制御信号をモータ駆動回路１２へ出力してモータ１３を駆動制御することにより、弁体２２の弁開度を調整して流量現在値Ｑを制御する機能と、劣化指標計算時、任意の制御開度から異なる任意の制御開度へ向けて、出力軸１６を回動する機能とを有している。

以下では、劣化指標計算時に出力軸１６の回動を開始し、その後の計測タイミングの到来時点に検出した出力側開度θａｘに基づいて動力伝達トルクＴｄを計算する場合を例として説明する。なお、計測タイミングにおける制御開度がθｘであり、その時の出力側開度がθａｘであるものとする。
計測タイミングについては、回動開始から出力軸１６を所定の開度まで回動した時点や、回動開始から所定の時間だけ経過した時点など、任意のタイミングを用いればよく、制御開度θｘや出力側開度θａｘを特定の値とする必要はない。また、計測タイミングにおける出力軸１６は、回動中であるものとする。

劣化指標処理部１９Ｂは、開度制御部１９Ａにより出力軸１６を回動中に、所定の計測タイミングの到来に応じて、当該計測タイミングにモータ１３に生じたモータトルクＴｍと、当該計測タイミングにトルクセンサ１７Ｔで検出された出力軸トルクＴｏとに基づいて、動力伝達部１４の劣化指標として、動力伝達部１４の動力伝達トルクＴｄを計算する機能と、得られた動力伝達トルクＴｄと予め設定されている正常範囲Ｅとに基づいて、動力伝達部１４の劣化状態を判定する機能とを有している。

具体的には、劣化指標処理部１９Ｂは、当該計測タイミングにトルクセンサ１７Ｔで検出された出力軸トルクＴｏから、当該計測タイミングにモータ１３に生じたモータトルクＴｍを減して得られた差分を、動力伝達トルクＴｄとして計算する機能と、任意の制御開度θｘでモータ１３に流れるモータ電流に基づいてモータトルクＴｍを計算する機能とを有している。なお、以下では、モータ電流に基づきモータトルクＴｍを計算する場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、他の手法でモータトルクＴｍを特定してもよい。

本発明において、制御開度は、開度制御部１９Ａが開度制御に用いる目標値であり、出力側開度は、出力側角度センサ１７Ａで検出された出力軸１６の回動角度を示す検出値であるものとする。なお、開度は全閉状態と全開状態との間を百分率で表した値であり、回動角度は開度を角度で表した値であるが、両者は一意に対応するものであり、本発明において、制御開度、出力側開度、あるいは弁側開度を、単に回動角度という場合もある。

［流量制御動作］
次に、図３を参照して、弁側角度センサ１７Ｖで検出した弁側開度θｖを用いた、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ１０の流量制御動作について説明する。図３は、流量制御処理を示すフローチャートである。
制御回路１９は、流路２１を流れる流体の流量を制御する場合、図３の流量制御処理を実行する。

図３の流量制御処理の開始時において、設定回路１１には、予め流量目標値Ｑｒｅｆが設定されているものとする。また、記憶回路１８には、弁体２２に関する特性テーブルが予め登録されているものとする。
また、制御回路１９内の記憶部（図示せず）には、弁側角度センサ１７Ｖの弁側センサ出力値Ｓｖと弁体２２の弁開度との対応関係の基準となる弁側出力基準値Ｓｓが予め設定されているものとする。

図４は、弁側センサ出力値と弁側開度との関係を示すグラフである。弁側角度センサ１７Ｖとして用いられる、円形差動トランス型角度センサおよび磁気抵抗型角度センサは、弁軸２６の中間位置角度すなわち５０％開度を中心として、全閉方向および全開方向に対称となる弁側センサ出力値Ｓｖを出力する構造を有している。したがって、図４に示すように、弁側センサ出力値Ｓｖと弁側開度θｖとの関係は線形比例するとともに、全閉および全開を示す電圧値は、５０％開度を示す電圧値＝０ｖを中心として、等しい電圧幅Ｓｓだけ離れた電圧値−Ｓｓ，Ｓｓとなる。

まず、開度制御部１９Ａは、弁側角度センサ１７Ｖから弁側センサ出力値Ｓｖを取得し（ステップＳ１００）、予め設定されている弁側出力基準値Ｓｓに基づいて、Ｓｖから開度現在値θ（弁側開度θｖ）＝５０×（１＋Ｓｖ／Ｓｓ）［％］を計算する（ステップＳ１０１）。

この際、弁側角度センサ１７Ｖに取り付けられた温度センサＳ３で検出された検出温度Ｔｘに基づいて、弁側角度センサ１７Ｖの開度現在値θ（弁側開度θｖ）が温度補正される。なお、開度現在値θの温度補正は、本実施の形態において必須ではなく、弁側角度センサ１７Ｖのセンサ出力が周囲温度の影響を受けない場合には、温度補正を省くこともできる。

次に、開度制御部１９Ａは、圧力センサＳ１，Ｓ２から出力された圧力検出信号が示す一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２を取得し（ステップＳ１０２）、これらＰ１，Ｐ２の差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２を計算する（ステップＳ１０３）。
続いて、開度制御部１９Ａは、差圧ΔＰと開度現在値θに対応する流量係数Ｃｖを記憶回路１８の特性テーブルから取得し（ステップＳ１０４）、流量係数Ｃｖと差圧ΔＰに基づいて、流路２１を流れる流体の流量現在値Ｑを計算する（ステップＳ１０５）。この際、流路２１の口径などによって定まる定数をＡとした場合、流量現在値Ｑは、Ｑ＝Ａ・Ｃｖ・（ΔＰ）^1/2で求められる。

この後、開度制御部１９Ａは、ＱとＱｒｅｆの流量偏差ΔＱ＝Ｑ−Ｑｒｅｆを計算し（ステップＳ１０６）、ΔＱとゼロとを比較する（ステップＳ１０７）。
ここで、ΔＱがゼロと等しくΔＱ＝０である場合（ステップＳ１０７：ΔＱ＝０）、開度制御部１９Ａは、弁開度を変更することはないが、流量目標値Ｑｒｅｆが変更にならなくても、管路の状態により流量現在値Ｑが変化するため、ステップＳ１００に戻る。

一方、ΔＱがゼロより小さくΔＱ＜０である場合（ステップＳ１０７：ΔＱ＜０）、開度制御部１９Ａは、所定のモータ制御信号をモータ駆動回路１２へ出力することにより、モータ１３をΔＱに相当する弁開度分だけ開方向に駆動し（ステップＳ１０８）、ステップＳ１００に戻る。
また、ΔＱがゼロより大きくΔＱ＞０である場合（ステップＳ１０７：ΔＱ＞０）、開度制御部１９Ａは、所定のモータ制御信号をモータ駆動回路１２へ出力することにより、モータ１３をΔＱに相当する弁開度分だけ閉方向に駆動し（ステップＳ１０９）、ステップＳ１００に戻る。

以上では、図３を参照して、弁側角度センサ１７Ｖで検出した弁側開度θｖを用いた流量制御動作について説明したが、弁側開度θｖに代えて出力側角度センサ１７Ａで検出した出力側開度θａを用いて、流量制御動作を実行してもよい。

具体的には、図３のステップＳ１００−Ｓ１０１において、出力側角度センサ１７Ａから出力側センサ出力値Ｓａを取得し（ステップＳ１００）、予め設定されている出力側出力基準値Ｓｂに基づいて、Ｓａから開度現在値θ（出力側開度θａ）＝５０×（１＋Ｓａ／Ｓｂ）［％］を計算する（ステップＳ１０１）。なお、制御回路１９内の記憶部（図示せず）には、出力側角度センサ１７Ａの出力側センサ出力値Ｓａと弁体２２の弁開度との対応関係の基準となる出力側出力基準値Ｓｂが予め設定されているものとする。

出力側出力基準値Ｓｂは、弁側出力基準値Ｓｓに代えて用いられるものである。出力側角度センサ１７Ａとして、円形差動トランス型角度センサや磁気抵抗型角度センサを用いた場合、前述した図４と同様に、出力側センサ出力値Ｓａと出力側開度θａとの関係は線形比例するとともに、全閉および全開を示す電圧値は、５０％開度を示す電圧値＝０ｖを中心として、等しい電圧幅Ｓｂだけ離れた電圧値−Ｓｂ，Ｓｂとなる。
図３におけるこのほかのステップについては、前述と同様であり、ここでの説明は省略する。

［劣化指標処理動作］
次に、図５および図６を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ１０の劣化指標処理動作について説明する。図５は、劣化指標処理を示すフローチャートである。図６は、劣化指標処理動作を示す説明図である。
制御回路１９は、動力伝達部１４の劣化指標を計算する際、図５の劣化指標処理を実行する。

まず、劣化指標処理部１９Ｂは、計測タイミングが到来するまで待機する（ステップＳ１５０：ＮＯ）。計測タイミングが到来した場合（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、劣化指標処理部１９Ｂは、出力側角度センサ１７Ａの出力側センサ出力値Ｓａから得られた出力側開度θａｘを取得し（ステップＳ１５１）、計測タイミングが到来した時点にモータ１３に流れたモータ電流に基づいて、出力側開度θａｘにモータ１３で生じたモータトルクＴｍを計算するとともに（ステップＳ１５２）、トルクセンサ１７Ｔのトルクセンサ出力値Ｖｏに基づいて、出力側開度θａｘにおける出力軸トルクＴｏを取得する（ステップＳ１５３）。

この際、計測タイミングにおいて、出力軸１６は回動中であってもよく、あるいは、任意の一定開度で保持されている状態であってもよい。したがって、劣化指標処理動作と並行して実行している動作、例えば流量制御動作により、計測タイミングに出力軸１６が回動されている場合、劣化指標処理動作で出力軸１６を一時的に保持する必要はない。なお、計測タイミングにおいて、弁側角度センサ１７Ｖの弁側センサ出力値Ｓｖから得られた弁側開度θｖを取得し、以下の劣化指標の計算処理において、出力側開度θａｘの代わりに弁側開度θｖを用いてもよい。

この後、劣化指標処理部１９Ｂは、モータトルクＴｍと出力軸トルクＴｏとに基づいて、動力伝達部１４の劣化指標として、動力伝達部１４にかかる動力伝達トルクＴｄを計算する（ステップＳ１５４）。

通常、出力軸１６が回動している場合、モータ１３、動力伝達部１４、および弁体２２で発生するそれぞれのトルクは、互いにつり合った状態にあり、これらトルクの総和はゼロとなる。図６に示すように、例えば、任意の出力側開度θａｘにおけるモータ１３のモータトルクをＴｍとし、動力伝達部１４における動力伝達トルクをＴｄとし、弁体２２の弁体トルクをＴｖとした場合、任意の制御開度θｘにおけるこれらトルクのつり合いは、次の式（１）で表される。

一方、動力伝達部１４と弁体２２との間の出力軸１６の出力軸トルクＴｏは、トルクのつり合いで見れば、次の式（２）に示すように、弁体２２の弁体トルクＴｖに等しい。

この際、出力軸トルクＴｏは、トルクセンサ１７Ｔで検出できる。したがって、これら式（１）および式（２）に基づいて、動力伝達トルクＴｄは、次の式（３）で表される。これにより、動力伝達トルクＴｄは、次の式（４）により、出力軸トルクＴｏからモータトルクＴｍを減算して得られた差分から計算できることが分かる。

この後、劣化指標処理部１９Ｂは、得られた動力伝達トルクＴｄと予め設定されている動力伝達トルクＴｄの正常範囲Ｅとを比較し（ステップＳ１５５）、動力伝達トルクＴｄが正常範囲Ｅ内である場合には（ステップＳ１５５：ＹＥＳ）、動力伝達部１４の劣化状態は正常であると判定し（ステップＳ１５６）、一連の劣化指標処理を終了する。正常範囲Ｅについては、動力伝達部１４の設計時に算出した、動力伝達トルクＴｄの初期値と許容範囲とに基づいて決定すればよい。

一方、動力伝達トルクＴｄが正常範囲Ｅ外である場合には（ステップＳ１５５：ＮＯ）、動力伝達部１４の劣化状態は異常であると判定し（ステップＳ１５７）、一連の劣化指標処理を終了する。得られた劣化状態判定結果については、劣化指標処理部１９ＢがＬＣＤやＬＥＤを用いた表示部（図示せず）でアラーム表示してもよく、データ通信により上位装置へ通知してもよい。

この際、劣化指標処理部１９Ｂが、動力伝達トルクＴｄの経時変化を定期的に計算し、データ通信により上位装置へ順次通知してもよい。さらには、劣化指標処理部１９Ｂが、計算した動力伝達トルクＴｄを記憶回路１８に時系列データとして順次保存しておき、この時系列データから生成した近似関数に基づき将来の動力伝達トルクＴｄの推定値Ｔｄ’を推定し、推定値Ｔｄ’が正常範囲Ｅから離脱する時期を注意点として予測するようにしてもよい。これにより、動力伝達部１４の劣化時期すなわち交換時期を予測することができる。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、開度制御部１９Ａが、モータ１３を駆動制御して出力軸１６を回動し、劣化指標処理部１９Ｂが、出力軸１６を回動中の所定の計測タイミングにモータ１３に生じたモータトルクＴｍと、当該計測タイミングにおける出力軸１６の出力軸トルクＴｏとに基づいて、動力伝達部１４の劣化指標として、動力伝達部１４の動力伝達トルクＴｄを計算するようにしたものである。

電動アクチュエータ１０が、保証期間を超えて長期にわたり使用された場合、動力伝達部１４が劣化して故障や経年変化などにより設計当初の性能が得られない場合も考えられる。設計当初の性能が得られない場合、電動アクチュエータ１０から弁体２２を精度よく開閉制御できなくなったり、出力軸１６を全閉位置や全開位置などの所定の回動位置まで確実に戻せなくなったりする可能性がある。このため、動力伝達部１４や弁体２２の劣化状態を把握しておくことが重要となる。

本実施の形態によれば、動力伝達部１４の劣化指標として、動力伝達部１４の動力伝達トルクＴｄを容易に把握できるため、当初の設計値からの乖離幅に応じて、動力伝達部１４の劣化状態を容易に把握することができる。したがって、乖離幅が大きくなって劣化が進んだ場合には、故障発生する前に適切な対応をとることができ、極めて効果的な予知保全を実現することが可能となる。これにより、保証期間を超える長期使用を想定した場合でも、一定の信頼性を提供することが可能となる。また、動力伝達トルクＴｄの経時変化を、劣化指標処理部１９Ｂや上位装置でモニタすることにより、動力伝達部１４の劣化時期すなわち交換時期を予測でき、電動アクチュエータ１０の予知保全に極めて有用である。

また、トルクセンサ１７Ｔを電動アクチュエータ１０の内部に実装でき、トルクセンサ１７Ｔの劣化を低減できるとともに、電動アクチュエータ１０と弁本体２０との全体の小型化や、トルクセンサ１７Ｔと制御回路１９との間の配線を短縮できるため、耐ノイズ性の向上に貢献できる。なお、トルクセンサ１７Ｔについては、電動アクチュエータ１０の外部に実装してもよい。これにより、既存の電動アクチュエータ１０の内部構成を変更することなく、さらには、トルクセンサ１７Ｔを内蔵するために電動アクチュエータ１０を大型化することなく、動力伝達部１４の動力伝達トルクＴｄを得ることができる。また、既設の電動アクチュエータ１０の外部に後付でトルクセンサ１７Ｔを実装でき、初期投資の抑制、および予知保全の向上に貢献できる。

また、劣化指標計算時には、弁体２２の開度が一時的に変化するものの、その所要時間は、トルクセンサ１７Ｔで出力軸トルクＴｏを検出するという、極めて短い時間で済むため、アプリケーションによっては、通常の運転動作中であっても劣化指標計算を行うことができる。したがって、劣化指標処理動作を定期的に実行することにより、動力伝達部１４の劣化状態の変化をいち早く検出でき、迅速な対応をとることが可能となる。

また、本実施の形態において、劣化指標処理部１９Ｂが、計測タイミングにモータ１３に流れたモータ電流に基づいて、モータトルクＴｍを計算するようにしてもよい。これにより、極めて簡素な演算処理でモータトルクＴｍを計算することができる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１０…電動アクチュエータ、１１…設定回路、１２…モータ駆動回路、１３…モータ、１３Ａ…シャフト、１４…動力伝達部、１６…出力軸、１７Ａ…出力側角度センサ、１７Ｖ…弁側角度センサ、１７Ｔ…トルクセンサ、１８…記憶回路、１９…制御回路、１９Ａ…開度制御部、１９Ｂ…劣化指標処理部、２０…弁本体、２１…流路、２２…弁体、２３…内壁、２４…本体上面、２５…本体底面、２６…弁軸、３０…継手、３１…ヨーク、４０…歪みゲージ、４１…ベース、４２…ゲージ、４３…リード、４５…ホイートストーンブリッジ回路、Ｒ…抵抗体、Ｓ１，Ｓ２…圧力センサ、Ｓ３…温度センサ、Ｑｒｅｆ…流量目標値、Ｑ…流量現在値、ΔＱ…流量偏差、Ｓａ…出力側センサ出力値、Ｓｂ…出力側出力基準値、Ｓｖ…弁側センサ出力値、Ｓｓ…弁側出力基準値、Ｔｘ…検出温度、Ｐ１…一次側圧力、Ｐ２…二次側圧力、ΔＰ…差圧、Ｖｏ…トルクセンサ出力値、θｘ…制御開度、θａ，θａｘ…出力側開度、θｖ…弁側開度、Ｔｍ…モータトルク、Ｔｄ…動力伝達トルク、Ｔｖ…弁体トルク、Ｔｏ…出力軸トルク。

Claims (6)

1. 弁体を回動するための出力軸と、
   動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、
   前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、
   前記モータを駆動制御して前記出力軸を回動する開度制御部と、
   前記出力軸を回動中の所定の計測タイミングに前記モータに生じたモータトルクと、前記計測タイミングにおける前記出力軸の出力軸トルクとに基づいて、前記動力伝達部の劣化指標として、前記動力伝達部の動力伝達トルクを計算する劣化指標処理部とを有する
   ことを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の電動アクチュエータにおいて、
   前記出力軸の出力軸トルクを検出するトルクセンサをさらに備えることを特徴とする電動アクチュエータ。
3. 請求項２に記載の電動アクチュエータにおいて、
   前記劣化指標処理部は、前記計測タイミングに前記トルクセンサで検出された出力軸トルクから、前記計測タイミングに前記モータに生じたモータトルクを減算し、得られた差分を前記動力伝達トルクとして計算することを特徴とする電動アクチュエータ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電動アクチュエータにおいて、
   前記劣化指標処理部は、前記計測タイミングに前記モータに流れたモータ電流に基づいて、前記モータトルクを計算することを特徴とする電動アクチュエータ。
5. 弁体を回動するための出力軸と、動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路とを備える電動アクチュエータで用いられる劣化指標計算方法であって、
   前記制御回路の開度制御部が、前記モータを駆動制御して前記出力軸を回動する開度制御ステップと、
   前記制御回路の劣化指標処理部が、前記出力軸を回動中の所定の計測タイミングに前記モータに生じたモータトルクと、前記計測タイミングにおける前記出力軸の出力軸トルクとに基づいて、前記動力伝達部の劣化指標として、前記動力伝達部の動力伝達トルクを計算する劣化指標処理ステップと
   を備えることを特徴とする劣化指標計算方法。
6. 請求項５に記載の劣化指標計算方法において、
   前記劣化指標処理ステップは、前記計測タイミングに、前記出力軸の出力軸トルクを検出するトルクセンサで検出された出力軸トルクから、前記計測タイミングに前記モータに生じたモータトルクを減算し、得られた差分を前記動力伝達トルクとして計算するステップを含むことを特徴とする劣化指標計算方法。

Images