JP2900280B2

JP2900280B2 - 開閉駆動装置

Info

Publication number: JP2900280B2
Application number: JP2200043A
Authority: JP
Inventors: 勝夫橋元
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1990-07-27
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: JPH0488892A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、各種弁やダンパ等の開閉機構に適用される
開閉駆動装置に関する。

（従来の技術）給湯器や、便器に付加して用いる衛生洗浄装置等に
は、水路を開閉することによって流量を制御する流量制
御弁が用いられる。また、カーエアコンなどには外気や
冷気などの流路を開閉するダンパが用いられる。このよ
うな流量制御弁やダンパなどを開閉させるために開閉駆
動機構が用いられる。そして、その駆動源としては、一
般に直流モータが用いられる。

（発明が解決しようとする課題）流量制御弁やダンパなどを開閉させようとする場合、
起動時に大きなトルクを必要とするが、一旦起動した後
は小さなトルクで足りる。特に流量制御弁等において
は、完全に「閉」の状態から起動して「開」にしようと
すると、起動時にゴムブッシュ等のロック解除のために
かなり大きなトルクが必要であり、一旦起動してロック
が解除され、多少なりとも開き始めると小さなトルクで
足りる。逆に完全に「開」の状態から起動して「閉」に
する場合も同様である。上記ロック解除に必要なトルク
は、一般に、ロック解除後の開閉動作に必要なトルクの
２倍以上である。そこで、開閉駆動装置の駆動源として
は、上記ロック解除に必要なトルクが得られることが条
件となり、駆動源が大型化するという難点があった。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解消するために
なされたもので、駆動源の制御手段を工夫することによ
り起動時の所定範囲のみ高トルクが得られるようにし、
もって、比較的小型の駆動源で足りる開閉駆動装置を提
供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）本発明は、ステッピングモータと、このステッピング
モータのロータに一体に設けられたピニオンと、このピ
ニオンに連繋された歯車列と、この歯車列中の歯車と噛
み合う出力歯車を有すると共に被駆動体である開閉体を
駆動するために開閉体に連繋された出力軸と、上記ピニ
オンから上記出力軸までの回転伝達経路中の回転部材の
回転位置を検出して上記開閉体の開閉状態を検出する開
閉検出機構と、この開閉検出機構から開または閉状態検
出信号が入力されたとき上記ステッピングモータを停止
させると共に、上記ステッピングモータの起動から駆動
パルスが所定数に達するまでの範囲のみ高出力トルクと
なるように上記駆動パルスの周期を長くして上記ステッ
ピングモータを駆動する制御手段とを備えたことを特徴
とする。

上記開閉検出機構は、回転伝達経路中の回転部材の回
転に伴って回転するカムとこのカムに摺接するスイッチ
手段を有してなるスイッチ機構で構成することができ
る。

（作用）特許請求の範囲第１項記載の発明によれば、開閉体が
「開」または「閉」の状態から開閉指令が出されると、
制御手段がステッピングモータを起動し、このモータの
回転力が、ピニオンと、歯車列と、出力軸を介して開閉
体に伝達され、開閉体が開閉駆動される。上記制御手段
は、ステッピングモータの起動から所定の範囲のみ高出
力トルクとなるようにモータを駆動し、開閉体のロック
を解除する。ロック解除後は平常のトルクで開閉体が開
閉されるように、上記制御手段がモータを駆動する。開
閉体が開または閉状態になると、これを開閉検出機構が
検出し、この検出信号により上記制御手段がモータを停
止させる。

特許請求の範囲第２項記載の発明によれば、回転伝達
経路中の回転部材の回転に伴ってカムが回転し、このカ
ムに摺接するスイッチ手段が開閉体の開状態または閉状
態を検出する。この検出信号によって制御手段がステッ
ピングモータの起動または停止を制御し、また、モータ
の起動から所定の範囲のみ高出力トルクとなるようにモ
ータを駆動する。

（実施例）以下、図面を参照しながら本発明にかかる開閉駆動装
置の実施例について説明する。

第１図、第２図において、符号１は駆動源としてのス
テッピングモータを示しており、このステッピングモー
タ１のロータと一体の回転軸２にはピニオン３が一体に
設けられている。ピニオン３には大径歯車４が噛み合
い、大径歯車４と一体の小径歯車５には大径歯車６が噛
み合い、大径歯車６と一体の小径歯車７には大径歯車８
が噛み合っている。歯車８は出力歯車を構成している。
出力歯車８はその中心孔が管軸９に嵌合固着され、管軸
９にはまた歯車９の下側において二つのカム11,12が嵌
合固着されている。管軸９の中心孔には出力軸21の突出
軸部が下端側から嵌合固着されている。出力軸21の本体
部分には軸孔22が形成されて管軸状になっており、この
軸孔22に被駆動体としての開閉体が連繋され、この開閉
体が開閉駆動されるようになっている。

上記ピニオン３から出力軸21までの回転伝達経路中の
出力歯車８は、一つの回転部材を構成している。この歯
車８と実質一体に構成された上記カム11,12は、それぞ
れのカム11,12に摺接する板ばね15,16およびそれぞれの
板ばね15,16の動きに連動してオン、オフするスイッチS
W₁,SW₂（第８図参照）と共にスイッチ機構を構成してい
る。そして、このスイッチ機構は、上記回転部材として
の出力歯車８の回転位置を検出して上記開閉体の開閉状
態を検出する開閉検出機構55を構成している。これをよ
り具体的に説明する。カム11,12は全体としては円板状
であるが、それぞれ外周に突起13,14が周方向の位置を
ずらして形成されている。一方、各板ばね15,16は先端
寄りの位置に形成されたＶ字状の折曲部がそれぞれカム
11,12の周面にその弾力により摺接し、各板ばね15,16の
先端部には、カム11,12との摺接側とは反対側において
それぞれスイッチSW₁,SW₂の操作片18,19（第６図参照）
がその付勢力によって圧接している。従って、歯車８と
共にカム11が回転して、板ばね15の折曲部がカム11の突
起13に摺接すると、板ばね15はその弾力に抗してカム11
の外径側に押され、板ばね15の先端部がスイッチSW₁の
操作片18をその付勢力に抗し押してスイッチSW₁をオン
・させる。同様に、板ばね16の折曲部がカム12の突起14
に摺接すると、スイッチSW₂をオンさせる。このスイッ
チSW₁,SW₂のオン信号が開閉体の開状態検出信号または
閉状態検出信号となり、後で詳細に説明するように、こ
の検出信号に基づいてモータ１の起動、停止および出力
トルク切り換えが行われる。

なお、開閉検出機構55としては、上記のようなスイッ
チ機構に限らず、例えば第１図に鎖線で示すように、回
転部材としての歯車８との対向位置に二つのホール素子
57,58を歯車８の回転方向に位置をずらして固定し、歯
車８にはマグネットを固着し、このマグネットにホール
素子57またはホール素子58が対向する位置まで歯車８が
回転したとき、ホール素子57またはホール素子58から検
出信号が出力されるようにした磁気式検出装置を用いて
もよい。そのほか、光学式検出装置を用いてもよい。

前記出力軸21に連繋される被駆動体としての開閉体
は、流量制御弁やダンパその他各種のものがある。第３
図ないし第５図は、流量制御弁の各種例を示す。

第３図の例は、流体の流入口と流出口26を有する弁胴
24内に、先端が円錐形の弁体25を軸線方向に移動可能に
設けたものである。前記出力軸21の回転運動を直線運動
に変換して弁体25を直線運動させるようにする。

第４図の例は、弁胴24内に弁体27を回転可能に設け、
弁体27には水路28を設けて、弁体27の回転位置によって
流出路26からの流出量を調節するようにしたものであ
る。弁体27を前記出力軸21に連結する。

第５図の例は、弁胴24内に球状の弁体29を回転可能に
設け、弁体29には水路30を設け、弁体29の回転位置によ
って流出路26からの流出量を調節するようにしたもので
ある。弁体29を前記出力軸21に連結する。

前記ステッピングモータ１は次のように構成されてい
る。第１図において、ステッピングモータ１のステータ
は、対をなすモータケース35、ステータコア37と、別の
対をなすモータケース41、ステータコア39と、上記モー
タケース35、ステータコア37間にボビンを介して巻回さ
れたコイル巻線43と。上記モータケース41、ステータコ
ア39間にボビンを介して巻回されたコイル巻線44とを有
してなる。対をなすモータケース35、ステータコア37
と、別の対をなすモータケース41、ステータコア39は、
回転軸２方向に重なっている。モータケース35、ステー
タコア37、ステータコア39、モータケース41はそれぞれ
内周側に切り起こしによる櫛歯状の極歯36,38,40,42を
有する。モータケース35の極歯36とステータコア37の極
歯38は回転軸２を中心とする円に沿って交互に配置さ
れ、同様に、モータケース41の極歯42とステータコア39
の極歯40が回転軸２を中心とする円に沿って交互に配置
されている。

回転軸２は、上記ステータの両端に固定された端板3
4,45により軸受49,50を介して回転自在に支持されてい
る。回転軸２は、各極歯36,38,40,42で囲まれる円筒状
空間内に進出しており、この回転軸２にはロータボス47
を介して円筒状のロータマグネット48が固着されてい
る。ロータボス47とロータマグネット48によりステッピ
ングモータ１のロータを構成している。ロータマグネッ
ト48にはＮ極とＳ極でなる磁極が円周方向に交互に形成
されている。このように、ステッピングモータ１はPM型
のステッピングモータになっている。その回転原理は周
知であるから、説明は省略する。

次に、上記ステッピングモータ１の制御回路の例につ
いて説明する。第８図において、ステッピングモータ１
は４相構成になっていて、４個のコイル巻線C₁,C₂,C₃,C
₄を有してなる。４個のコイル巻線C₁,C₂,C₃,C₄の各一端
側は、駆動回路52によってオン・オフ駆動されるトラン
ジスタTr₁,Tr₂,Tr₃,Tr₄を介して低電圧電源E₁と高電圧
電源E₂のマイナス側に接続されている。低電圧電源E₃の
プラス側は、ダイオードD₁を順方向に介してコイル巻線
C₁,C₂の他端側に接続されると共に、ダイオードD₂を順
方向に介してコイル巻線C₃,C₄の他端側に接続されてい
る。一方、高電圧電源E₂のプラス側はトランジスタTrを
介してコイル巻線C₁,C₂,C₃,C₄の他端側に接続されてい
る。トランジスタTrはマイコン51によってオン・オフ制
御される。マイコン51には前記開閉検出機構55を構成す
るスイッチSW₁,SW₂のオン・オフ信号が入力され、この
オン・オフ信号によって上記トランジスタTrをオン・オ
フ制御する。また、マイコン51は、駆動回路52に制御信
号を入力して上記トランジスタTr₁,Tr₂,Tr₃,Tr₄を順に
オン・オフ制御するようになっている。

次に、以上説明した実施例の動作を第９図、第10を併
せて参照しながら説明する。

流量制御弁が完全に閉じているときは、第６図に示す
ように、カム11の突起13が板ばね15を押し、板ばね15が
操作片18を押してスイッチSW₁をオンさせる。一方、流
量制御弁が完全に開いているときは、第７図に示すよう
に、カム12の突起14が板ばね16を押し、板ばね16が操作
片19を押してスイッチSW₂をオンさせる。

いま、起動信号が入力されると、マイコン51はスイッ
チSW₁,SW₂のオン・オフ状態から流量制御弁が開状態で
あるかまたは閉状態であるかを判定し、判定結果に基づ
いて回転方向を決定する。マイコン51は、決定された回
転方向に従って、駆動回路52を介し各トランジスタTr₁,
Tr₂,Tr₃,Tr₄を所定の位相差をもって順にオン・オフ制
御する。回転方向が逆の場合はトランジスタTr₁,Tr₂,Tr
₃,Tr₄のオン・オフ制御順序は逆になる。マイコン51
は、トランジスタTr₁,Tr₂,Tr₃,Tr₄のオン・オフ制御と
同時にトランジスタTrのオン・オフ制御も行う。モータ
１を起動するときおよび起動から所定の範囲まではトラ
ンジスタTrをオンさせることにより、モータ１のコイル
巻線C₁,C₂,C₃,C₄に高電圧電源E₂を供給し、モータ１が
高出力トルクとなるようにステッピングモータ１を駆動
する。このとき、ダイオードD₁,D₂によって高電圧電源E
₂から低電圧電源E₁への逆流が防止される。上記所定の
範囲とは、ステッピングモータ１の駆動パルスが所定数
に達するまでの範囲である。所定のパルスが発生すると
トランジスタTrをオフに制御し、モータ１のコイル巻線
C₁,C₂,C₃,C₄に低電圧電源E₁を供給する。こうして、駆
動パルスごとに低電圧電源E₁からモータ１のコイル巻線
C₁,C₂,C₃,C₄に給電して平常の出力トルクを得る。流量
制御弁が閉状態または開状態になってスイッチSW₁また
はスイッチSW₂から信号が出力されると、モータ１への
駆動パルスを停止してモータ１を停止させる。第10図は
モータ駆動時と平常の駆動時の供給電圧の関係を示すも
ので、起動から所定範囲のみ高電圧E₂が供給され、それ
以後停止するまでは低電圧E₁が供給されることを示して
いる。

このように、上記実施例によれば、被駆動体である開
閉体を開閉するためにモータ１を起動するに当たり、起
動から所定範囲のみ高出力トルクとなるように高電圧電
源を供給するようにしたから、平常運転時の出力トルク
が比較的小さいモータを用いても、大きなトルクを必要
とする起動時に十分大きなトルクを得ることができ、よ
って、比較的小さなモータであっても差し支えない。

このことは、特に、第１図ないし第７図に示した機構
においてより好都合である。即ち、板ばね15,16がその
弾力によってカム11,12の面に摺接し、さらに、スイッ
チSW₁,SW₂の操作片18,19も板ばね15,16をカム11,12の面
に向かって押しているため、カム11,12の突起13,14と板
ばね15,16の折曲部とが対峙し、突起13,14が付勢力に抗
し板ばね15,16を持ち上げて大きく弾性変形させている
ときは、突起13,14以外のカム面と対峙しているときよ
りも、その反力として付勢力が大きくなる。この状態は
モータ起動時の状態であり、この状態からカム11,12を
駆動しようとすると、上記の大きな付勢力が抵抗となる
ため、より高いモータトルクが必要になる。しかるに、
前記実施例によれば、起動時に十分大きなトルクを得る
ことができるため、起動時に大きなトルクを必要とする
第１図ないし第７図の機構に好適である。また、板ばね
15,16を介在させることなく、スイッチSW₁,SW₂の操作片
18,19を直接カム11,12の面に摺接させたものにも同様の
ことがいえる。

第１図ないし第７図の機構では、突起13,14と板ばね1
5,16の折曲部が対峙してモータが停止するときも上記の
理由によって大きなトルクを必要とする。この場合は、
ステッピングモータのパルス数が所定数に達したときか
ら停止までの間、モータが高トルクを発生するように制
御すればよい。

なお、従来一般の開閉駆動装置の駆動源としてはブラ
シ付きの直流モータが用いられるが、ブラシ付きの直流
モータを用いた場合、次のような問題点がある。

ブラシの摩耗等により品質が不安定であり、寿命も短
い。

減速比を大きくして高トルクにするため、弁の開閉速
度が遅い。

細かな制御ができない。

負荷が変動すると駆動速度も変動する。

減速輪列の段数が少ないと、弁に逆負荷が働いたとき
弁をその場に止めておくことができない。

これに対して、上記実施例のように、駆動源としてス
テッピングモータを用いれば、その特性上次のような利
点がある。

ブラシがないので、寿命が長い。

トルクが大きく、減速比を小さくすることができるた
め、、迅速な開閉が可能である。

高速、高分解能のモータであるため、開閉体をきめ細
かく制御することができる。

脱調トルク以内であれば、負荷が変動しても一定速度
で開閉することができる。

停止状態でディテントトルクが働いて自己保持能力が
あるため、ある程度の負荷までは無通電状態で開閉体を
その位置に保持することができる。

ステッピングモータの場合、入力パルス数に対応して
その回転角度も決まるため、本来、開閉機構の開閉状態
をフィードバックして閉ループ制御する必要はないが、
図示の実施例では、より安全を期するために、開閉検出
機構を設けて閉ループ制御を行っている。

第１図に示すように、歯車列4,5,6,7,8の軸はほぼ直
線上に配置されている。仮りに、歯車列を直線上ではな
く、第14図に示すように歯車列60,61,62,63を円周方向
に配置したとすると、実線の矢印および鎖線の矢印で示
すように、歯車の回転方向によって歯車相互の噛み合い
が浅くなる方向または深くなる方向に力が働き、噛み合
いが浅くなる回転方向では伝達効率が悪くなる。しかし
ながら、第１図に示す本発明の実施例のように、歯車列
の軸をほぼ直線上に配置すれば、回転方向によって歯車
相互の噛み合い深さが変動することはなくなり、伝達効
率が悪くなることはない。

駆動源としてステッピングモータを用いた場合、起動
から所定範囲内のみで高出力トルクとする方法として
は、駆動パルスの周期を変える方法がある。第11図はそ
の場合の制御回路の例を示すもので、第８図の回路から
トランジスタTrおよびダイオードD₁,D₂を除去すると共
に、モータの駆動電源として電源Ｅのみを用いたもので
ある。マイコン51は、モータ１の駆動から所定範囲内の
み駆動パルスの通電周期を長くし、それ以後は通電周期
を短くするように駆動回路52を制御する。

第12図、第13図は上記実施例の動作を示す。マイコン
51は、スイッチSW₁,SW₂のオン・オフ状態から開閉体が
開状態であるかまたは閉状態であるかを判定し、判定結
果に基づいて回転方向を決定する。マイコン51は、決定
された回転方向に従って、駆動回路52を介し各トランジ
スタTr₁,Tr₂,Tr₃,Tr₄を所定の位相差をもって順にオン
・オフ制御する。ステッピングモータ１の起動から所定
の範囲までは、駆動パルスのデューティ比は一定のまま
その周期を長くし、これを駆動回路52に入力する。駆動
回路52はこの駆動パルスに基づいて各トランジスタTr₁,
Tr₂,Tr₃,Tr₄を順に駆動し、コイル巻線C₁,C₂,C₃,C₄に順
に電源Ｅを通電する。こうして起動から所定範囲まで駆
動されて駆動パルスを所定数カウントしたら、駆動パル
スのデューティ比は一定のまま通電周期を短くする。そ
の後スイッチSW₁,SW₂のオン・オフ信号によって開閉体
が開位置または閉位置に達したことを検出したら通電を
停止してモータ１を停止させる。

上記のように、ステッピングモータ１の駆動パルスの
周期を長くすると、ステッピングモータ１の歩進速度は
遅くなり、出力トルクは大きくなる。従って、大きな駆
動トルクを必要とする起動時は上記のように駆動パルス
の周期を長くすることによって十分大きな出力トルクを
得ることができ、起動から所定範囲以後は大きなトルク
を必要としないので、駆動パルスの周期を短くして歩進
速度を速くする。

ところで、駆動源としてステッピングモータを用いる
場合の問題点は、大きなトルクを得ようとすると、発熱
が多くなることと、外部回路、特にトランスなどが大型
化することである。しかし、以上説明したような本発明
の実施例によれば、高トルクを必要とする僅かな範囲の
み高電圧電源を供給したり駆動パルス周期を長くしたり
して大きな出力トルクを得るようにしたため、小型の外
部回路でよいし、発熱量も少なく、周辺部品への影響が
少ないとか、使用可能な環境範囲が拡大されるというよ
うな利点がある。

なお、図示の実施例では、開閉検出機構55は開位置と
閉位置とで検出信号を出力するように二つのスイッチを
設けていたが、使用目的によっては、開位置のみ、また
は閉位置のみで検出信号を出力するようにしても差し支
えない。また、歯車８は、歯車列中の出力歯車と歯車列
中の回転部材とを兼ねていたが、出力歯車とは別に回転
部材を設け、この回転部材に開閉検出機構を設けてもよ
い。

本発明は、流量制御弁やダンパのほか、高接点圧タイ
マやカム駆動装置などのように、動作開始時の僅かの間
高トルクを必要とし、その他の大部分は低トルクで足り
るようなものの駆動装置として利用することができる。

（発明の効果）本発明によれば、被駆動体である開閉体を開閉するた
めに駆動源としてのステッピングモータを起動するに当
たり、起動から所定範囲のみ高出力トルクとなるように
モータを制御するようにしたから、平常運転時の出力ト
ルクが比較的小さいモータを用いても、必要なときは十
分大きなトルクを得ることができ、よって、比較的小さ
なモータであっても差し支えないし、必要なときに大き
なトルクを得ることができるにもかかわらず、モータの
発熱を抑制できるという効果を奏する。また、駆動源と
してステッピングモータを用いたため、ステッピングモ
ータの駆動パルスを制御することにより開閉部材を任意
の位置に停止させることが可能であるとともに、上記ス
テッピングモータの起動から駆動パルスが所定数に達す
るまでの範囲のみ高出力トルクとなるように上記駆動パ
ルスの周期を長くして上記ステッピングモータを駆動す
るようにしたため、ステッピングモータの高出力トルク
化に関しては制御手段のソフトウエアによって対応する
ことができ、特別な回路素子や回路部品を付加する必要
がなく、少ない部品構成で、必要にして充分な起動時の
トルクを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる開閉駆動装置の機構部分の例を
示す平面図、第２図は同上断面正面正面図、第３図は本
発明にかかる開閉駆動装置を適用可能な流量制御弁の一
例を示す断面正面図、第４図は流量制御弁の別の例を示
す断面正面図、第５図は流量制御弁のさらに別の例を示
す断面正面図、第６図は上記機構部分中の開閉検出機構
部分の平面図、第７図は同上開閉検出機構部分の別の動
作態様を示す平面図、第８図は本発明にかかる開閉駆動
装置の制御回路の一例を示す回路図、第９図は同上回路
の動作を示すフローチャート、第10図は同上回路による
モータへの供給電圧を示す線図、第11図は本発明にかか
る開閉駆動装置の制御回路の別の例を示す回路図、第12
図は同上回路の動作を示すフローチャート、第13図は同
上回路によってモータに供給される駆動パルスの例を示
すタイミングチャート、第14図は開閉駆動装置の機構部
分の別の配置例を示す平面図である。１……モータ、３……ピニオン、4,5,6,7……歯車列、
８……出力歯車、11,12……カム、21……出力軸、48…
…ロータ、SW₁,SW₂……スイッチ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ステッピングモータと、このステッピングモータのロータに一体に設けられたピ
ニオンと、このピニオンに連繋された歯車列と、この歯車列中の歯車と噛み合う出力歯車を有すると共に
被駆動体である開閉体を駆動するために開閉体に連繋さ
れた出力軸と、上記ピニオンから上記出力軸までの回転伝達経路中の回
転部材の回転位置を検出して上記開閉体の開閉状態を検
出する開閉検出機構と、この開閉検出機構から開または閉状態検出信号が入力さ
れたとき上記ステッピングモータを停止させると共に、
上記ステッピングモータの起動から駆動パルスが所定数
に達するまでの範囲のみ高出力トルクとなるように上記
駆動パルスの周期を長くして上記ステッピングモータを
駆動する制御手段とを備えたことを特徴とする開閉駆動
装置。
【請求項２】開閉検出機構は、回転伝達経路中の回転部
材の回転に伴って回転するカムと、このカムに摺接して
オン・オフするスイッチ手段でなる請求項１記載の開閉
駆動装置。