JP4171110B2 - 電極歪ブレーキ要素を有するアクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、停電の場合にアクチュエータを所定のデフォルト位置へ戻す収縮機能を有する電気機械式アクチュエータに関し、特に、電力がブレーキ要素に加えられている通常運転中はアクチュエータがデフォルト位置へ収縮されるのを防止し、電力が中断されたときにアクチュエータを所定の状態に戻す電極歪ブレーキ要素を有するアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
収縮機能を有する従来のアクチュエータは、火事等の緊急事態時に空気の流れを制御するために使用するダンパーまたは弁を作動するために、加熱、換気及び空調（ＨＶＡＣ）設備に主に使用される。収縮機能を使用すると、アクチュエータへの電力が終結したときは、操作者が意図的に止めたときでも停電のときでも、アクチュエータはダンパーを所定のデフォルト位置へ位置決めする。このようにして、アクチュエータはダンパーを電力なしで保護位置へ自動的に変位し、予め制定された防災計画によって指定された区域へ炎及び煙を封じるまたは経路を定める助けをする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、多くの従来のアクチュエータの収縮機能は、アクチュエータに含まれるバネ等の機構によって一般に実行される。バネの収縮機能を抑えてダンパーを通常運転位置に維持するために、アクチュエータ内の最初にダンパーをデフォルト位置から離れて変位させるモータと同一モータに電力を加え続ける。そのため、モータは、ダンパーをデフォルト位置から離れて変位させる間電力を消費し、通常運転位置を規定する機械的終端にダンパーが達するときの停止状態においても電力を消費し続ける。
【０００４】
そのため、モータが比較的大量の電力を消費するため不利であり、複数の同一型アクチュエータを大規模ＨＶＡＣシステムに使用するときには電力消費は更に増える。耐用年数中にわたるこれらのアクチュエータの全電力消費は極めて高く、高価なものになる。
【０００５】
あるいは、ダンパーを通常運転中にその位置に維持する方法としてソレノイドを使用することが知られている。付勢されると、ソレノイドに接続された係止機構はモータに係合し、モータが回転することを防止し、このようにしてダンパーをその通常運転位置に係止する。このアプローチがモータへ連続して電力を供給することを必要としない一方、同量の電力をソレノイドへ提供し続ける必要がある。従って、電力の節約は実現されない。
【０００６】
このアクチュエータは、温度の上昇により、ソレノイド内の非類似材料が不均一に膨張するか、または、コアを磁化する程付勢状態が長引く結果として、ソレノイドが係合位置で動かなくなるまたは貼り付くという更なる欠陥もある。従って、例えば火事による停電が発生すると、ダンパーは、その火事を制御または封じる所定の所望の位置へ戻ることはできない。
【０００７】
従って、通常運転中にダンパーをその位置に維持するのに実質的に電力を消費せず、設計が容易で製造が比較的安価なブレーキ装置を有する改良されたアクチュエータを提供することが、本発明の第１の目的である。
【０００８】
別の目的は、停電の場合に、所望の所定の位置へ戻ることができるそのような改良されたアクチュエータを提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、貼り付く傾向がなく信頼性の高いブレーキ装置を有するそのような改良されたアクチュエータを提供することである。
【００１０】
他の目的及び利点は、添付図面を参照しながら、下記詳細説明を読めば明らかである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、この発明では、電気機械式アクチュエータであって、該アクチュエータに電力が加えられるときに該アクチュエータが接続される外部装置を運転位置に維持して、電力が除去されるときに該外部装置をデフォルト位置に戻すアクチュエータにおいて、ハウジングと、該ハウジングに回転可能に装着され前記外部装置に接続されるように構成され、前記外部装置を前記運転位置と前記デフォルト位置との間に変位させる出力カップリングと、該ハウジングに装着される駆動手段であって、回転可能に取り付けられたはずみ車を有する電気モータを具え、該駆動手段が付勢されるときに該出力カップリングにトルクを提供して、前記外部装置を前記デフォルト位置と前記運転位置との間に変位させる駆動手段と、該駆動手段と前記出力カップリングとの間に協働的に係合して位置し、前記トルクを該駆動手段から前記出力カップリングへ伝達するとともにトルクを変えるトルク伝達手段と、該トルク伝達手段に作用的に接続される収縮手段であって、電力が該アクチュエータから除去されるときに前記収縮手段の機械力によって前記はずみ車を回転させて前記トルク伝達手段を介して前記外部装置を前記デフォルト位置へ戻すように構成されるクロックバネからなる収縮手段と、ビーム構造物を含む圧電気ブレーキ手段であって、前記ビーム構造物に電力が加えられるとブレーキ力が前記駆動手段の前記はずみ車に加えられ、これにより前記収縮手段の機械力に対して前記外部装置を前記運転位置に維持し、前記圧電気ブレーキ手段への電力が中断すると前記ブレーキ力を解除して、前記収縮手段の機械力によって前記出力カップリングを介して外部装置をデフォルト位置に戻す圧電気ブレーキ手段とを具え、前記圧電気ブレーキ手段は、さらに静止支柱を含み、前記ビーム構造物は該静止支柱に固定して取り付けられた第１の端と、前記ビーム構造物に電力が加えられると前記駆動手段の前記はずみ車に前記ブレーキ力をはたらかせるよう配列され構成された第２の端とを有し、前記はずみ車は縁に形成物を有し、前記第２の端は、前記ビーム構造物に電力が加えられた場合に該形成物にラッチ止めするようにしている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、アクチュエータへの電力が中断されたときにアクチュエータをデフォルト位置へ戻す非電気的収縮機能を有する型の電気機械式アクチュエータに関する。本発明は、ダンパー及び弁が電気機械式アクチュエータによって作用する多くの異なった使用に適するが、本発明は、特に、火事及び／または煙が蓄積した場合に、安全基準に合致する所望の方法で建物を通る流れを制御するために、ＨＶＡＣシステムのエアダクトのダンパーを開閉するのに適用される。本願で使用されるダンパー及びアクチュエータは、アクチュエータへの電力が中断されると、アクチュエータが電力を使用せずに自動的にダンパーを所定のデフォルト位置へ変位させる。
【００１３】
概略すると、本発明は電気機械式アクチュエータを有する改良されたアクチュエータに関し、アクチュエータは、アクチュエータに電力加えると、アクチュエータが接続された外部装置を運転位置に維持し、電力が中断すると外部装置をデフォルト位置へ戻す。アクチュエータの中にはハウジングが含まれ、その中に出力カップリングが回転可能に装着される。出力カップリングは、外部装置に接続するように構成され、外部装置を運転位置とデフォルト位置との間に変位させる。駆動装置がハウジング内に装着され、出力カップリングへトルクを提供し、駆動装置が付勢されるときに外部装置を運転位置とデフォルト位置との間に変位させる。トルクを駆動装置から出力カップリングへ伝達して変えるトルク伝達装置も設けられる。トルク伝達装置は、駆動装置と出力カップリングとの間に協働的に係合して位置する。トルク伝達装置に協働的に接続する収縮装置は、電力がアクチュエータから除去されるときに、収縮力をはたらかせて、伝達装置を介して外部装置をデフォルト位置へ戻らせる。本発明の重要な特徴は、駆動装置にブレーキ力をはたらかせる圧電気ブレーキ装置である。ブレーキ装置の作動時にはブレーキ力は収縮装置によってはたらく収縮力を超えるが、ブレーキ装置の非作動時にはブレーキ力は消失する。
【００１４】
本発明の新規な特徴は、火事または煙の蓄積がない通常運転の間に、ダンパーがデフォルト位置に配置されるのを防止するために必要な電力はモータまたはソレノイドから圧電気ブレーキ装置に運ばれることである。圧電気ブレーキ装置は極めて低い電力で作用し、それによって、外部装置を通常運転位置に維持するのに必要な電力量を効果的に減少する。更に、圧電気ブレーキ装置は、互いに貼り付く可動部がないため、従来のソレノイドよりも信頼性が高い。
【００１５】
図面を参照すると、特に図１には、全体として１０で示されるダンパーアクチュエータが分解斜視図で示される。アクチュエータ１０は、カップリング穴１６を通る回転可能な出力カプラ１４を受けるよう構成されるハウジング１２を含む。カプラ１４は、ダンパー（図示せず）を作用的に連結し、カプラが回転するときにダンパーをデフォルト位置と所望の運転位置との間に変位させる。カプラ１４に出力セグメント１８が取り付けられ、出力セグメント１８は回転の範囲にわたってカプラを回転させ、その境界は一対の停止装置１９、２０によって規定される。図示していないが、セグメント１８の外弓形面は、歯車２２の歯に係合する歯を有する。
【００１６】
全体として２４で示される歯車列は、出力セグメント１８に係合する歯車２２と、駆動モータ２８の駆動ピニオン２６に作用的に係合する歯車３０とを含む（図２、３に最良に示す）。追加歯車３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは、歯車２２、３０の間に作用的に係合して位置し、歯車列２４を完成する。歯車列２４の歯車の各々は、それに取り付けられる伝達ピニオン３４を有する（すべてのピニオンは示していない）。
【００１７】
歯車列２４は、歯車２２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３０の軸が、モータ２８からカプラ１４へジグザグ線を主に形成するよう配列される（図３に最良に示す）。このようにして、モータ２８が付勢され、歯車３０を回転するとき、モータによって生成されるトルクは、歯車３２Ｃ、３２Ｂ、３２Ａ、２２を介して出力セグメント１８へ伝達される。好適な歯車列２４は５つの歯車及びそれぞれの伝達ピニオン３４の相互接続を使用して配列されるが、歯車列２４は５つの歯車より多くても少なくてもよく、モータ２８から出力セグメント１８へトルクが伝達するかまたは変わるかする様々な他の構成に配列してもよいことを、当業者は認識することに注目すべきである。
【００１８】
細長いシャフト３６は、歯車３２Ａの軸と同軸であり、そこから突出し、収縮バネ３８の端に接続される（接続は図示せず）。収縮バネ３８の他端はハウジングに接続される（接続は図示せず）。ダンパーが出力カプラ１４によってデフォルト位置から離れて変位されるとき、収縮バネ３８は捩り状態で配置され、出力カプラ１４に力をかけてダンパーをそのデフォルト位置へ戻す。好適な実施例では収縮バネ３８はクロックバネであるが、他のバネを使用してもよいと考えられている。
【００１９】
ハウジング１２の中に置かれる収縮バネ３８は、シャフト３６をバネ３８に接続するように構成される保持プレート４０によってその位置に保持される。保持プレート４０上に直接位置するのがトルク旋回プレート４２であり、駆動モータ２８の軸の周りを旋回するよう構成される。好適な実施例において、旋回プレート４２は、旋回プレート４２の頂４６に固定される３つの車軸を含み、３つの歯車３０、３２Ｂ、３２Ｃの車軸に対応して配列され、歯車をその上で回転させる（図２に最良に示す）。バネ４８は一端で旋回プレート４２に留められ、他端では保持プレート４０に固定して装着される支柱５０に留められる。旋回プレート４２の底部５２にマイクロスイッチ５４があり、マイクロスイッチ５４は、保持プレート４０から突出する静止垂直接触アーム５６に接触するとき及び接触を失うとき、スイッチ切換する。
【００２０】
操作において、ダンパーが通常運転位置に達すると、出力セグメント１８は、出力セグメントの境界を規定する停止装置１９、２０の１つと接触する。この点で、出力セグメント１８は、更に回転することを妨げられるが、モータ２８は遊星歯車様の動きで回転を続け、それによって、旋回プレート４２をバネ４８の力に対してモータの駆動ピニオン２６の周りを旋回させ、接触アーム５６から離れさせる。結果として、マイクロスイッチ５４は接触アーム５６との接触を失い、マイクロスイッチ５４をスイッチ切換させ、それによって、駆動モータ２６を消勢させ、同時にブレーキ装置５８を作動する。
【００２１】
図４を参照すると、ブレーキ装置５８は、圧電気ビーム６０を含み、これは、好適な実施例では多層圧セラミックビーム構造物である。ビーム６０の一端は、ハウジング１２の側で片持ちマウント６２に固定的に装着され、一方、他端はそれに取り付けられたブレーキパッド６４を有する。一対の電気リード線６６もマウント６２でビーム６０に接続される。ブレーキパッド６４は、はずみ車６８に隣接し、はずみ車６８はその縁に形成されるノッチ７０を含む。ノッチ７０は、はずみ車６８が矢印７２で示す方向に回転するときにブレーキパッド６４が滑らずにノッチに嵌め合い係止するように、また、万が一、駆動モータ２８が一時的な電力中断の後、再係合して矢印７２の反対方向に回転する場合、ブレーキパッドがノッチに捉えられるのを妨げるように、構成され寸法を決められる。駆動モータ２８ははずみ車６８に連結され（図１に最良に示す）、はずみ車を駆動する。モータ２８自体はハウジング１２内に装着され、好適な実施例ではくま取り磁極交流モータであるが、直流ブラシモータ、交流同期モータまたはブラシレス直流モータ等の他の適切なモータも考えられている。
【００２２】
上述のように、マイクロスイッチ５４のスイッチ切換の結果としてリード線６６を介してビーム６０に電圧が加えられるとき、ビーム６０ははずみ車６８に向けて曲がり、ブレーキパッド６４はノッチ７０に係止する。結果として、矢印７２で示す方向へのはずみ車６８の回転は停止する。はずみ車６８のこの方向へ回転する傾向は、ダンパーをデフォルト位置へ向けて変位させる方向であるが、歯車列２４及び消勢された駆動モータ２６を介する収縮バネ３８の機械力によって起こされる。
【００２３】
ひとたびビーム６０がはずみ車６８に係止すると、火事または煙蓄積信号が発せられた結果としてビーム６０に加えられた電圧が中断するまで、アクチュエータ１０はこの浮遊状態のままである。これによって、ビーム６０ははずみ車６８への係止を解除し、電圧が加えられる前の形態に戻り、はずみ車６８から離れ、そのとき収縮バネ３８が出力カプラ１４をしてダンパーをデフォルト位置に導く。
【００２４】
図５を参照すると、圧電気ビーム６０を制御するための、全体として７４で示される回路の１つの実施例を概略図式で示す。整流器ダイオード７６がスイッチ５４の下流に接続され、入力源７８の交流電圧から圧電気ビーム６０へ供給される直流電圧へ転換する。一対の放電ダイオード７９、８０も含まれビーム６０に接続されて、ダイオード７６からの直流電圧出力がそこから除去されるときにビーム６０を放電する。
【００２５】
スイッチ５４は二極双投スイッチであり、交流入力源７８をモータ２８及び放電ダイオード７９、８０に接続し、図５の位置Ａに示すように、レジスタ８２を介して接地し、ダンパーを通常運転位置に配置する。スイッチ５４がこの位置にあるとき、圧電気ビーム６０への入力直流電圧の供給は中断され、ビームに電荷があれば放電ダイオード７９、８０を介して接地へ放電される。ダンパーがひとたび運転位置へ達すると、スイッチ５４は入力電圧源を７８整流器ダイオード７６に接続し、図５の位置Ｂに示すように、放電ダイオード７９、８０を接地から断絶する。回路７４をこの構成に配置するとき、ビーム６０は作動し、はずみ車６８へ向けて曲がり、ノッチ７０に係止する（図４に最良に示す）。ビーム６０は、スイッチ５４が位置Ｂにあるとき回路７４から効果的に排除されるため、ダイオード７９、８０を介して放電することはできない。
【００２６】
図６を参照すると、本発明の別の実施例が示され、はずみ車６８はノッチ７０を有さない（図５に示す特徴を記述するのには、図４に使用したのと同一の符号を使用する）。図４に示す実施例と同様に、図５の圧電気ブレーキ装置５８は、ビーム６０に加えられる電圧に左右されて、はずみ車６８に向けて曲がったり、離れたりする。不必要なときに、ダンパーがデフォルト位置へ戻るのを防止するために、本実施例のブレーキ装置５８は、ブレーキパッド６４がはずみ車に接触するときに、はずみ車６８に実質的な摩擦負荷を加える。例えば、はずみ車の周囲に固着された瘤または他の突出物等の、追加の方法を使用して、はずみ車６８の回転を停止することができることを当業者は認める。
【００２７】
使用するブレーキ装置５８の型に関係なく、駆動モータ２８またはソレノイド（図示せず）の代わりに上述の新規の圧電気ブレーキ装置５８を使用して、はずみ車６８の回転を停止し、それによってダンパーを所望の位置に維持することによって、実質的な電力節約が実現されることに留意するのが重要である。例えば、ダンパーをデフォルト位置から浮遊させるために駆動モータ２８またはソレノイドに約５〜１０ワットが必要である。対照的に、ダンパーを通常運転位置に保つのにブレーキ装置５８には約０．６４０ミリワットしか必要ではなく、これは、特に、何百ものアクチュエータが１つのＨＶＡＣシステムに使用される事実を鑑みて、極めて少ないと見なされる。
【００２８】
前述の記述により、ダクトのエアダンパーを制御するためのアクチュエータを示し記載してきたが、多くの有利な操作特性を有し、操作に信頼性があると認識される。収縮バネの力を大幅に抑える圧電気ビームの使用により、電力を保存し、ソレノイドのような可動部が貼り付く問題が排除されるため操作の簡便性と信頼性に寄与する。
【００２９】
本発明の様々な実施例を示し記載したが、他の変形例、代用例、代替例も当業者には明らかであると理解されるべきである。
【００３０】
そのような変形例、代用例、代替例は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなくなされ、添付の請求の範囲によって決定されるものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、通常運転中にダンパーをその位置に維持するのに実質的に電力を消費せず、設計が容易で製造が比較的安価なブレーキ装置を有するアクチュエータを提供することができる。
【００３２】
また、この発明によれば、停電の場合に、所望の所定の位置へ戻ることができるアクチュエータを提供することができる。
【００３３】
また、この発明によれば、貼り付く傾向がなく信頼性の高いブレーキ装置を有するアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ブレーキ装置を備えたアクチュエータを示す本発明の１つの実施例の分解斜視図。
【図２】図２は、図１に示す本発明の実施例の組立斜視図。
【図３】図３は、図１に示す本発明の実施例の上面図。
【図４】図４は、本発明のブレーキ装置の実施例の上面図であり、明瞭にするために一部を除去した図。
【図５】図５は、ブレーキ装置を制御する回路の実施例の概略図式。
【図６】図６は、本発明のブレーキ装置の別の実施例の上面図であり、これも明瞭にするために一部を除去した図。
【符号の説明】
１０…アクチュエータ
１２…ハウジング
１４…出力カップリング
２８…駆動手段
２４…トルク伝達手段、歯車列
３８…収縮手段、クロックバネ
５８…圧電気ブレーキ手段
６８…はずみ車
７０…形成物、ノッチ
５４…スイッチ手段、マイクロスイッチ
４２…トルクプレート
６２…静止支柱
６０…ビーム構造物、圧電セラミック片
７４…制御回路
６４…パッド

Claims (12)

1. 電気機械式アクチュエータであって、該アクチュエータに電力が加えられるときに該アクチュエータが接続される外部装置を運転位置に維持して、電力が除去されるときに該外部装置をデフォルト位置に戻すアクチュエータにおいて、
   ハウジングと、
   該ハウジングに回転可能に装着され前記外部装置に接続されるように構成され、前記外部装置を前記運転位置と前記デフォルト位置との間に変位させる出力カップリングと、
   該ハウジングに装着される駆動手段であって、回転可能に取り付けられたはずみ車を有する電気モータを具え、該駆動手段が付勢されるときに該出力カップリングにトルクを提供して、前記外部装置を前記デフォルト位置と前記運転位置との間に変位させる駆動手段と、
   該駆動手段と前記出力カップリングとの間に協働的に係合して位置し、前記トルクを該駆動手段から前記出力カップリングへ伝達するとともにトルクを変えるトルク伝達手段と、
   該トルク伝達手段に作用的に接続される収縮手段であって、電力が該アクチュエータから除去されるときに前記収縮手段の機械力によって前記はずみ車を回転させて前記トルク伝達手段を介して前記外部装置を前記デフォルト位置へ戻すように構成されるクロックバネからなる収縮手段と、
   ビーム構造物を含む圧電気ブレーキ手段であって、前記ビーム構造物に電力が加えられるとブレーキ力が前記駆動手段の前記はずみ車に加えられ、これにより前記収縮手段の機械力に対して前記外部装置を前記運転位置に維持し、前記圧電気ブレーキ手段への電力が中断すると前記ブレーキ力を解除して、前記収縮手段の機械力によって前記出力カップリングを介して外部装置をデフォルト位置に戻す圧電気ブレーキ手段
   を具え、
   前記圧電気ブレーキ手段は、さらに静止支柱を含み、前記ビーム構造物は該静止支柱に固定して取り付けられた第１の端と、前記ビーム構造物に電力が加えられると前記駆動手段の前記はずみ車に前記ブレーキ力をはたらかせるよう配列され構成された第２の端とを有し、
   前記はずみ車は縁に形成物を有し、前記第２の端は、前記ビーム構造物に電力が加えられた場合に該形成物にラッチ止めすることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記形成物は前記はずみ車内に形成されたノッチであることを特徴とする請求項（１）記載のアクチュエータ。
3. 前記トルク伝達手段は、前記駆動手段から前記出力カップリングへ加えられる前記トルクを増大する歯車列であることを特徴とする請求項（１）又は請求項（２）に記載のアクチュエータ。
4. スイッチ手段を更に含み、該スイッチ手段が付勢されるときに前記駆動手段を消勢して前記圧電気ブレーキ手段を作動することを特徴とする請求項（１）〜請求項（３）のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 前記スイッチ手段はマイクロスイッチであることを特徴とする請求項（４）記載のアクチュエータ。
6. 前記駆動手段に旋回式に取り付けられ、前記出力カップリングが前記運転位置に達するときに前記スイッチ手段を付勢するように構成されたトルクプレートを更に含むことを特徴とする請求項（４）または（５）に記載のアクチュエータ。
7. 前記ビーム構造物は少なくとも１つの圧電セラミック片を含むことを特徴とする請求項（１）〜請求項（６）のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記圧電気ブレーキ手段は制御回路によって作動され、該制御回路は前記ビーム構造物に電圧を加えて前記第２の端を前記駆動手段に向けて撓ませることを特徴とする請求項（１）〜請求項（７）のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 前記第２の端は取り付けられたパッドを含み、該パッドは前記ビーム構造物に電力が加えられた場合に該はずみ車に摩擦接触することを特徴とする請求項（１）〜請求項（８）のいずれかに記載のアクチュエータ。
10. 前記はずみ車は形成されたノッチを有し、前記第２の端は前記ビーム構造物に電力が加えられた場合に該ノッチに嵌め合い係止することを特徴とする請求項（１）〜請求項（９）のいずれかに記載のアクチュエータ。
11. 前記収縮手段の一端は、前記歯車列の歯車の軸に接続され、前記収縮手段の他端は前記ハウジングに接続されることを特徴とする請求項（３）〜請求項（１０）のいずれかに記載のアクチュエータ。
12. 前記収縮手段を保持する保持プレートと、
    該保持プレートから突出する静止垂直接触アームと、
    前記トルクプレートに一端が留められ、前記保持プレートに固定して装着される支柱に他端が留められたバネとを具え、
    前記トルクプレートは前記保持プレート上に直接位置し、かつ前記電気モータの軸の周りを旋回し、
    前記スイッチ手段は、前記トルクプレートの底部に配設され、
    前記スイッチ手段は、前記静止垂直接触アームに接触するとき及び接触を失うときにスイッチ切り替えを行うようにしたことを特徴とする請求項（１）〜請求項（１１）のいずれかに記載のアクチュエータ。

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