JP2021060072A - ロータリアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で回動角度が９０°の２方弁と１８０°の３方弁の両方に兼用して使用することのできるロータリアクチュエータを提供すること。【解決手段】内部にシリンダ室２ａを備えた本体２と、このシリンダ室２ａ内で作動流体によって移動するピストン３と、ピストン３に取り付けられ一側面にラック４０が刻設されたロッド４と、本体１の外部に延設される回転軸５に嵌合し、ラック４０に噛合するピニオン５０とを備え、ロッド４には、ロッド４の移動方向と平行に溝部４１が形成され、本体２には、溝部４１に先端が進入可能なネジ部材６が螺合する雌ネジ孔２４を形成する。【選択図】図１

Description

この発明は、作動流体によって作動するロータリアクチュエータに関する。

化学物質をサンプリングし、分析するためのアナライザサンプリングシステム等においては、化学物質を含有した流体の流入・停止や流路の切り替えを行うために２方弁や３方弁が多数設けられている。これら２方弁、３方弁としては、ボール弁が用いられ、２方弁においては流路の開放と閉鎖、３方弁においては流路の切り替えを本体内に配設されるボールの回動によって行うようにしている。

この種の２方弁、３方弁の回動は、ボールから延設されるステムを回転させることで行われるが、ステムを回転させるアクチュエータとして、直進運動を回転運動に変換するラックピニオン型のロータリアクチュエータが用いられている（特許文献１〜２参照）。

特許文献１に記載のロータリアクチュエータは、本体内に回転可能に設けられたピニオンと、このピニオンに噛合するラックが刻設されたロッドとが配設され、ロッドは作動流体によって移動するピストンに取り付けられている、所謂単ロッドタイプとして構成されている。そして、作動流体の流入、流出によってロッドが直進運動をし、ロッドに刻設されたラックと噛合するピニオンが回転し、ピニオンの中心軸として設けられた回転軸が回転することで回転軸と接続される２方弁、３方弁のステムが回転する。

図５に２方弁９Ａ、３方弁９Ｂのボール９０の動きを示す。２本弁では流入口９２に対し、流出口９３が一つであるのに対し、３方弁では流入口９２に対し、流出口は流出口９３ａ、９３ｂの２箇所が存在する。２方弁９Ａでは、流入口９２から流出口９３に流体流路を開閉するもので、ボール９０の回動角度は本体９１に対して９０°である。一方、３方弁９Ｂでは流入口９２からの流体を流出口９３ａ、９３ｂの何れかに流す、両方に流す、何れにも流さない（流出口９３a、９３ｂが連通）の切り替えを行うことができる。図に示すような流出口切替式の３方弁の場合は、ボール９０の回動角度が本体９１に対し、１８０°である（２７０°、３６０°回動可能ものもある）。このように、２方弁９Ａ、３方弁９Ｂに用いられるロータリアクチュエータは、ピニオンに取り付けられる回転軸が９０°と１８０°となるようにロッドの移動距離が異なる２種類のアクチュエータが使用されている。

しかし、２種類のアクチュエータは、ロッドのストローク（回転軸の回転角度）が異なるだけで外観は同じであり、取り付けミスを生じる可能性がある他、在庫管理に手数や費用を要するという問題があった。

これらの問題を解消するために適用可能な単ロッドタイプのロータリアクチュエータとして、中間位置で停止するタイプのロータリアクチュエータが存在する（特許文献３参照）。

特許文献３に記載の従来例として、回転軸にレバーを配設し、エアシリンダによって出没するストッパをレバーに当接させることでロータリアクチュエータの回転を中間位置で停止させるようにしている。また、ロッドの両端にシールを設けたピストンとし、ロッドの一端と当接可能でエアの流入によってロッドの一端との距離を変動させるストッパピストンを配設することでロータリアクチュエータの回転を中間位置で停止させる構成が記載されている。

特開昭５１−１４１９７２号公報 特開２００２−１３９００４号公報 特開平０２−１９９３０３号公報

しかし、特許文献３に記載のロータリアクチュエータでは、回転軸に取り付けたレバーと当接するストッパをエアシリンダで動作させる必要があり、また、ロッドをピストンとし、その一端と当接するストッパピストンもエア駆動させる必要がある。このような構成では、ステムの回転が９０°又は１８０°の何れかとするだけで十分であるロータリアクチュエータの使用用途では構成が複雑で、製品の費用が嵩み、目的とする使用用途にはそぐわないという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構造で回動角度が９０°の２方弁と１８０°の３方弁の両方に兼用して使用することのできるロータリアクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明に係るロータリアクチュエータは、
内部にシリンダ室を備えた本体と、
前記シリンダ室内で作動流体によって移動するピストンと、
該ピストンに取り付けられ一側面にラックが刻設されたロッドと、
前記本体外部に延設される回転軸に嵌合し、前記ラックに噛合するピニオンとを備え、
前記ロッドには、ロッドの移動方向と平行に溝部が形成され、
前記本体には、前記溝部に先端が進入可能なネジ部材が螺合する雌ネジ孔を形成している。

このロータリアクチュエータは、溝部にネジ部材が進入していないときはロッドの移動は阻止されずにフルストローク移動（ピニオンの回動が１８０°）し、溝部にネジ部材が進入しているときは、溝部の段差にネジ部先端が当接し、ロッドの動きが阻止されることで、ロッドは半ストローク（ピニオンの回動が９０°）の移動となる。

この場合において、ネジ部材には、先端が前記溝部に進入しない位置で停止する停止機構を備えることができる。

また、これらの場合において、前記溝部と、溝部に対応する前記本体に形成する雌ネジ孔を複数設けることができる。これによって、ピニオンの回動を例えば、９０°、１８０°、２７０°に変更することができる。

本発明によれば、簡単な構造で回動角度が９０°の２方弁と１８０°の３方弁の両方に兼用して使用することのできるロータリアクチュエータを提供することができる。

本発明の実施の形態に係るロータリアクチュエータの断面図で、（ａ）３方弁対応時の初期状態を、（ｂ）は３方弁対応時の回動状態を示す。 同ロータリアクチュエータの断面図で、（ａ）２方弁対応時の初期状態を、（ｂ）は２方弁対応時の回動状態を示す。 同ロータリアクチュエータの停止機構を示す部分拡大図である。 同ロータリアクチュエータのロッドに溝部を複数形成する例を示す斜視図である。 ２方弁、３方弁の構造を示す概略図で、（ａ−１）、（ａ−２）は２方弁を、（ｂ−１）、（ｂ−２）は３方弁を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

＜実施形態１＞
図１〜図４に、本発明のロータリアクチュエータの実施形態１を示す。

［ロータリアクチュエータ］
図１に示すロータリアクチュエータ１は、内部にシリンダ室２ａを備えた本体２と、このシリンダ室２ａ内で作動流体によって移動するピストン３と、ピストン３に取り付けられ一側面にラック４０が刻設されたロッド４と、本体１の外部に延設される回転軸５に嵌合し、ラック４０に噛合するピニオン５０とを備えている。

［本体］
本体２の内部は、上方が開放されるとともに、環状の底部を有するシリンダ室２ａと、シリンダ室２ａの底部から下方に向かって形成されるラック４０の収納空間２１を備えている。また、ラック４０の収納空間２１の軸方向（ラック４０の移動方向）と直交する方向にピニオン５０及び回転軸５が収納される回転孔２２が形成され、回転軸５はこの回転孔２２に対し、ベアリング（図示省略）等の軸受部材を介し、ピニオン５０がラック４０に噛合する位置で回動自在に固定される。本体２の表面にシリンダ室２ａの底部よりも下方からシリンダ室２ａに連通する作動流体の導入口２３が開口される。

［ピストン］
ピストン３は、シリンダ室２ａの周面を摺接する円盤状で、側面にＯリング３０等のシール部材を配設し、作動流体の漏れを防止する。作動流体による圧力が付加されていない状態ではピストン３は、シリンダ室２ａの底面側に向かってバネ８によってシリンダ室２ａの底面側に付勢されている。バネ８は、一端がピストン３の表面３Ａに形成される環状溝部３１に当接し、他端が本体２の開放端側に取り付けられている蓋部材７の底面に当接している。ピストン３の裏面３Ｂの中心部は、ピストン３の厚みより薄い、若干の段差を設け、この段差にロッド４が取り付けられている。

［ロッド］
ロッド４は、ボルト等の締結手段又は溶接等の固着手段によって上述したように、ピストン３の裏面３Ｂの中心部に取り付けられている。ロッド４は中実の柱状であれば円柱形状、角柱形状の何れであっても構わない。そして、ロッド４の長手方向(ロッドの移動方向と平行な方向)にはラック４０が刻設されており、ピニオン５０と噛合する。ロッド４のラック４０が刻設されている長手方向と異なる長手方向、本実施形態ではラック４０の刻設箇所の反対面に、移動方向と平行に溝部４１が形成されている。この溝部４１の長手方向で反ピストン３側となるロッド４先端側端部は開放されておらず、壁部４１ａを有している。これによって、溝部４１に進入したネジ部材６の先端部６ａが、壁部４１ａと当接し、ロッド４の移動を規制する。

溝部４１は、ピニオン５０が回転していない初期状態においてネジ部材６の先端部６ａの進入を許容し、ピニオン５０の回動を途中規制する位置（例えば、１８０°回動可能なときに９０°の位置で規制する場合）で壁部４１ａにネジ部材６の先端部６ａが当接するように形成されている。

そして、本体２には、上述した溝部４１に先端部６ａが進入可能なネジ部材６が螺合する雌ネジ孔２４が形成されている。この雌ネジ孔２４の形成する位置もピニオン５０の回動を上述した位置で規制できる箇所に形成する。

溝部４１と、溝部４１に対応する本体２に形成する雌ネジ孔２４は、例えば図４に示すように、ロッド４のラック４０が刻設されていない上面と下面の２箇所に長さの異なる溝部４１Ａ、４１Ｂを設ける等、複数設けることができる。溝部４１と雌ネジ孔２４とを２箇所に設けることで、ピニオン５０の回動を、例えば、９０°、１８０°、２７０°に変更することができる。

［停止機構］
ネジ部材６は、先端部６ａの直径が溝部４１に進入できる大きさで、一般的なネジやボルト、例えば、六角穴付きボルトを利用することができる。そして、ネジ部材６には、先端６ａが溝部４１に進入しない位置で停止する停止機構６０を備えることが好ましい。

停止機構６０は、ネジ部材６の後端側６ｂの軸部に、ネジ部材６の軸心と直交する方向に開口した貫通孔６２と、この貫通孔６２に挿通されるピン部材６１とから構成される。ロッド４の動きを規制しないとき（回転軸５を１８０°回動させるとき）にはピン部材６１を貫通孔６２に挿通し、ネジ部材６の先端部６ａが溝部４１に進入しない位置で、ネジ部材６の螺合進入を阻止する。ピン部材６１は、貫通孔６２に挿通され、所定の操作を施さない限り抜け落ちることのない構造であれば特にその構造は限定するものではなく、例えば、図例のように割りピン構造で、端部に屈曲部を形成し、端部を押さえつけることで貫通孔６２への着脱を可能にする構造が採用できる。

ネジ部材６の螺合進入を阻止する停止機構６は、ピン部材６１と貫通孔６２とに限られず、ネジ部材６の螺合進入を途中で停止させる構造であれば、例えば、ネジ部材６の後端側６ｂの外表面に溝部を形成し、この溝部に止め輪を嵌めることでネジ部材６の螺合進入を阻止することもできる。

上記構成において、図５（ｂ−１）、（ｂ−２）に示す３方弁９Ｂにロータリアクチュエータ１を取り付ける場合、図１に示すように、ネジ部材６の係止機構６０が機能するように、貫通孔６２にピン部材６１を挿通する。これによって、ネジ部材６の先端部６ａがロッド４の溝部４１に干渉することがなく、ピニオン５０及び回転軸５は、ピストン３の移動に伴って移動するロッド４の全長に亘る移動により１８０°回動する。ロッド４の全長に亘るピニオン５０の回動角度は、ラック４０及びピニオン５０の歯数によって決定するもので、１８０°に限られず２７０°、３６０°に調整することも可能である。

そして、同じアクチュエータ１を図５（a−１）、（ａ−２）に示す２方弁９Ａに使用するときは、図２に示すように、ネジ部材６の係止機構６０が機能しないよう、貫通孔６２からピン部材６１を抜き取り、ネジ部材６の先端部６ａが、溝部４２内に進入するまでを捻じ込んでいく。これによって、ピストン３の移動に伴うロッド４の移動が、ピニオン５０及び回転軸５が９０°回動する位置で停止する。

以上説明したように、本発明のロータリアクチュエータは、ロッドの移動を規制するネジ部材を備えているから、１つのロータリアクチュエータで９０°回動させる２方弁と１８０°回動させる３方弁の両方に好適に用いることができる。

１ ロータリアクチュエータ
２ 本体
２１ シリンダ室
２４ 雌ネジ孔
３ ピストン
４ ロッド
４０ ラック
４１ 溝部
５ 回転軸
５０ ピニオン
６ ネジ部材
６０ 停止機構

Claims (3)

1. 内部にシリンダ室を備えた本体と、
   前記シリンダ室内で作動流体によって移動するピストンと、
   該ピストンに取り付けられ一側面にラックが刻設されたロッドと、
   前記本体外部に延設される回転軸に嵌合し、前記ラックに噛合するピニオンとを備え、
   前記ロッドには、ロッドの移動方向と平行に溝部が形成され、
   前記本体には、前記溝部に先端が進入可能なネジ部材が螺合する雌ネジ孔を形成しているロータリアクチュエータ。
2. 前記ネジ部材には、先端が前記溝部に進入しない位置で停止する停止機構を備えた請求項１に記載のロータリアクチュエータ。
3. 前記溝部と、溝部に対応する前記本体に形成する雌ネジ孔を複数設けた請求項１又は２に記載のロータリアクチュエータ。

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