JP4440433B2

JP4440433B2 - 電動アクチュエータ

Info

Publication number: JP4440433B2
Application number: JP2000160388A
Authority: JP
Inventors: 栄松清水
Original assignee: 日本ギア工業株式会社
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: JP2001336598A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの回転運動を直線運動に変換する電動アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの回転運動を直線運動に変換する電動アクチュエータは、例えばバルブの開閉を行うアクチュエータとして、数多くのものが実用化されている。
【０００３】
この種の電動アクチュエータでは、モータの回転数を減速する機構として、１段で大きな減速比が得られるウオーム歯車を用いたものが多い。
その一例として、図３に示す従来構造があげられる。この従来構造において、ウオームホイール(１)は、図示してない電動アクチュエータのねじ軸に固着されており、ウオームホイール(１)は、ウオーム(２)、ヘリカルギア(３)を介してモータ(４)により減速回転させられる。
【０００４】
このようなウオームホイール(１)を用いているのは、上述の理由の他に、ウオーム(２)を負荷の大きさに応じて軸線方向に変位させ得る構造として、ウオーム(２)の変位量から、ウオームホイール(１)に作用するトルクをトルクスイッチ(５)により検出できるからである。
【０００５】
一方、特開平４ー１６５１７２号公報や、特許第２５８３４６９号公報には、ハウジングに対するステムナットの変位に相当する値から、スラスト量を求める装置が開示されている。
具体的に言うと、特開平４ー１６５１７２号公報には、スラスト軸受の外輪に作用する負荷を検出可能な装置、及び可撓体を介してスラスト軸受の外輪を変位させ、その変位量からスラストを検出可能な装置が開示されている。また、特許第２５８３４６９号公報には、ハウジングに対する出力軸の変位量から、スラスト検出が可能な装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ウオームの変位量からウオームホイールに作用するトルクを検出しても、ウオームホイールの回転運動を出力軸の直線運動に変換するねじ部分に、摩擦係数μの摩擦が存在するため、μの変動の影響を強く受ける。
【０００７】
通常、ステムナットには、銅合金材料が用いられ、ねじ軸には、鉄鋼材料が用いられる。これらの材料間で摺動した場合には、代表的な摩擦係数μの値として０．１５が採用されている。しかしながら、μの値は、潤滑状態の如何によって影響を受け、０．１から０．３程度の範囲で変動することが知られている。
【０００８】
したがって、ウオームホイールに作用するトルクを検出したとしても、これが必ずしも出力軸のスラスト量に比例するものではないので、バルブの保護を図れない場合もある。
【０００９】
現実にウオームホイールに作用するトルクを検出して、バルブの保護を行っているプラントにおいても、過大スラストによりバルブが損傷を受ける事故が絶えない。
【００１０】
そのため、ウオームホイールに作用するトルクではなく、出力軸に作用するスラストを直接に検出したいという要望が強い。
【００１１】
特開平４ー１６５１７２に開示されているものでは、歯車が固着された軸の軸受自体とハウジングとの間に可撓体が挿入されているため、軸の支持剛性が低下して歯車の噛み合いに悪影響を及ぼすという欠点がある。また、軸受の外輪には、スラスト荷重のみならず、ラジアル荷重も作用するため、ハウジングに対して軸受外輪の移動が円滑に行われないという欠点がある。
【００１２】
特許第２５８３４６９号公報に開示されているものは、構造が極めて複雑で高価になるという欠点がある。
【００１３】
さらに上記各公報に記載の装置においては、開度信号をばねの変位とは独立に、ウオームホイールの回転数から得ているため、ばねが変位すると実際の開度と開度信号との間に誤差が生じることになる。特に、大きなスラストが発生するバルブ締め切り時に、誤差が大きくなるという欠点がある。
【００１４】
本発明は、上述の問題点に鑑み、弁開度等を示す出力軸の変位に影響を与えることなく、出力軸に作用するスラストを高い精度で検出することが可能なスラスト検出機能を有する電動アクチュエータを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
(１) モータにより回転させられるようにしたねじ軸と、このねじ軸と同軸にねじ係合しているステムナットとを有し、前記ステムナットを、軸線方向には摺動可能に、かつ回転方向には回転不能に係止して、前記モータの回転運動を前記ステムナットの直線運動に変換するようにした電動アクチュエータにおいて、前記ねじ軸を中空部を有する筒状とし、この中空部に挿入した出力軸の端部を、前記ステムナットの閉鎖端に設けた孔に挿通するとともに、軸線方向の摺動を許容して前記ステムナットに係止し、かつ前記ステムナットと前記出力軸との間のスラスト方向にばねを配設して、前記出力軸に作用するスラストに応ずる前記ばねの変位に伴う前記ステムナットと前記出力軸との相対変位により、スラスト量を検出するようにする。
【００１６】
(２) 上記(１)項において、出力軸の縮径端部のねじ部にロックナットを螺合し、このロックナットとステムナットの外面との間及び前記出力軸の縮径肩部と前記ステムナットの閉鎖端内面との間に圧縮ばねを配設する。
【００１７】
(３) 上記(１)または(２)項において、スラストが作用する出力軸とステムナットとのそれぞれの上端に、側面にラックを有するロッドを固着し、前記ラックと噛み合うピニオンにより、前記出力軸と前記ステムナットとの相対変位を回転運動に変換して検出する手段を設ける。
【００１８】
(４) 上記(１)〜(３)項のいずれかにおいて、出力軸とステムナットとの相対変位を、ポテンショメータ、差動トランス、渦電流式変位計等の電気信号として検出する手段により検出するようにする。
【００１９】
(５) 上記(１)または(２)項において、スラストが作用する出力軸とステムナットとのそれぞれの上端に、ロッドを固着し、かつ一方のロッドにリミットスイッチを固着し、他方のロッドの動きにより、前記リミットスイッチを作動させるようにして、前記出力軸に過大スラストが作用したことを検出しうるようにする。
【００２０】
(６) 上記(１)または(２)項において、ステムナット及び出力軸を覆うカバーにリミットスイッチを取り付け、前記出力軸の移動量が規定値を越えると、前記出力軸に取り付けたロッドにより、前記リミットスイッチが作動するようにする。
【００２１】
(７) 上記(１)〜(６)項のいずれかにおいて、出力軸とステムナットとの間に配設するばねを皿ばねとする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の一実施例の要部の断面を示すものである。
電動アクチュエータ(Ａ)は、下部が弁装置（図示略）に結合されている出力軸(10)を有している。出力軸(10)は、上部ハウジング(11)及び下部ハウジング(12)内に上下部の軸受(13)(14)により枢支された中空筒状のねじ軸(15)の中空部内に、ねじ軸の軸線方向に摺動可能、かつ同軸線まわりに相対回転可能として挿入されている。
【００２３】
ねじ軸(15)の下部には、大径歯車(16)が同軸に固着されており、ねじ軸(15)は、この大径歯車(16)とこれに噛合するピニオン(17)を介して、モータ(18)に連結されている。
【００２４】
ピニオン(17)は、通常はモータ(18)により回転駆動されるが、必要に応じて、手動操作も可能となるように、傘歯車(19a)(19b)を介して駆動できる手動操作軸(20)も設けられている。手動操作軸(20)は、常時は戻しばね(21)の力で後退位置にあり、傘歯車(19a)(19b)は互いに離れた不作動位置にある。
【００２５】
ねじ軸(15)の上部外周面には、雄ねじが刻設され、この雄ねじは、内周面に雌ねじが刻設されたステムナット(22)と螺合されている。この雄ねじと雌ねじとの螺合部を、符号(15a)により示す。
【００２６】
ステムナット(22)の外周面は円筒状をなし、同じく円筒状のカバー(23)内に収容されている。ステムナット(22)の外周面に設けたキー溝(24)には、カバー(23)に固着されたキー(25)が当接されており、大径歯車(16)に伴うねじ軸(15)の回転運動は、ステムナット(22)の直線運動に変換される。
【００２７】
ステムナット(22)の上端は閉鎖端(22a)となっているが、その軸心には孔(26)が穿設され、この孔(26)に、出力軸(10)の縮径端部(10a)が挿入されている。縮径端部(10a)の上端部には雄ねじ(10b)が刻設され、ここに螺合したロックナット(27)により、出力軸(10)を、皿ばね(28)を介してステムナット(22)の閉鎖端(22a)の外面に取り付けている。
【００２８】
また、縮径端部(10a)を形成した出力軸(10)の肩部(10c)と、ステムナット(22)の閉鎖端(22a)の内面との間にも、皿ばね(29)が装着されている。
【００２９】
出力軸(10)の上端面、及びステムナット(22)の上端面には、それぞれロッド(30)(31)が固着され、それらの上端部は、カバー(23)を貫いて上方に突出し、その突出した部分にラック(30a)(31b)が刻設されている。
【００３０】
出力軸(10)に固着したロッド(30)の上端には、ピニオン付きポテンショメータ(32)が取り付けられ、このポテンショメータ(32)の軸に固着されたピニオンは、ステムナット(22)に固着したロッド(31)のラック(31a)と噛合している。
【００３１】
出力軸(10)のロッド(30)の上端部のラック(30a)は、カバー(23)の上部に取り付けたピニオン付きポテンショメータ(33)の軸に固着したピニオンと噛合している。
【００３２】
ロッド(30)(31)が貫通するカバー(23)の貫通部には、シール(34)が、また出力軸(10)が貫通する下部ハウジング(12)の貫通部にはシール(35)が、さらに手動操作軸(20)が貫通する上部ハウジング(11)にはシール(36)が、それぞれ装着されており、これらにより上下部ハウジング(11)(12)及びカバー(23)により潤滑油を封入する閉鎖空間が形成されている。
【００３３】
このような構造であるので、モータ(18)または手動操作軸の作動により、ピニオン(17)を回転させると、円筒歯車(16)及び中空のねじ軸(15)は一体になって回転し、ねじ軸(15)と螺合部(15a)で噛合するが、キー溝(24)とキー(25)との係合により、軸線方向には摺動可能であるが回転は不能であるステムナット(22)を、軸線方向に移動させる。
【００３４】
この移動は、中空のねじ軸(15)内に収容され、皿ばね(28)(29)を介してステムナット(22)に取り付けられた出力軸(10)に伝えられ、出力軸(10)が軸線方向に動いてバルブ（図示省略）を開閉することとなる。
【００３５】
バルブ開閉に際して出力軸(10)の負荷が大きくなれば、皿ばね(28)(29)は大きく変位して、大きなスラストが発生することとなる。出力軸(10)に固着したロッド(30)とステムナット(22)に固着したロッド(31)との間の移動量を検出するポテンショメータ(32)は、この皿ばね(28)(29)の変位量にのみ対応した値、すなわちスラスト量を連続的に検出する。
【００３６】
また、出力軸(10)に固着したロッド(30)の移動量を、カバー(23)に取り付けたポテンショメータ(33)により検出することにより、出力軸(10)の移動量、すなわちバルブ開度を知ることができる。
【００３７】
なお、ポテンショメータ(32)は、出力軸(10)側のロッド(30)に取り付けるものとして示したが、これを、ステムナット(22)側のロッド(31)に取り付け、そのピニオンをロッド(30)のラックと噛合するようにしてもよい。
【００３８】
スラスト量の検出手段として、ポテンショメータを例示したが、ポテンショメータに代えて、差動トランスや渦電流式変位計等を用いることができる。
【００３９】
ポテンショメータに代えて、リミットスイッチを一方のロッドに固着し、他方のロッドの動きにより、このリミットスイッチを作動させるようにすれば、規定スラストに対する限界信号を得ることができる。
【００４０】
また、バルブ開度信号を連続量として検出する必要がない場合であって、規定開度に対する限界信号が必要な場合には、カバー上のリミットスイッチを固定し、出力軸に固着したロッドの動きによって、このリミットスイッチを作動させるようにすればよい。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、出力軸とステムナットとの相対変位量の検出を可能とし、これにより、出力軸に作用するスラスト量を、弁開度等を示す出力軸の位置に影響を与えることなく、高精度で容易に検出することが可能となる。
【００４２】
請求項２記載の発明によれば、出力軸に作用するスラスト量を、ばねの変位量として検出することができる。
【００４３】
請求項３記載の発明によれば、出力軸に作用するスラスト量を、簡単かつ正確に検出することができるとともに、出力軸の変位量をも検出することができ、それによって弁開度等をも知ることができる。
【００４４】
請求項４記載の発明によれば、出力軸に作用するスラスト量を、電気信号として継続的に取り出すことができる。
【００４５】
請求項５記載の発明によれば、規定スラストに対する限界信号を得て、出力軸に過大スラストが作用するのを防止することができる。
【００４６】
請求項６記載の発明によれば、バルブ開度信号及びスラスト信号を、連続量としては検出しない場合でも、規定開度や設定スラストに対する限界信号を得ることができる。
【００４７】
請求項７記載の発明によれば、大きなばね常数を有し作動確実なばねとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す電動アクチュエータの要部縦断面図である。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。
【図３】従来の電動アクチュエータのモータ回転減速機構の１例を示す斜視図である。
【符号の説明】
(Ａ)電動アクチュエータ
(１)ウオームホイール
(２)ウオーム
(３)ヘリカルギア
(４)モータ
(５)トルクスイッチ
(10)出力軸
(10a)縮径端部
(10b)雄ねじ
(10c)肩部
(11)上部ハウジング
(12)下部ハウジング
(13)(14)軸受
(15)ねじ軸
(15a)螺合部
(16)大径歯車
(17)ピニオン
(18)モータ
(19a)(19b)傘歯車
(20)手動操作軸
(21)戻しばね
(22)ステムナット
(23)カバー
(24)キー溝
(25)キー
(26)孔
(27)ロックナット
(28)(29)皿ばね(圧縮ばね)
(30)ロッド
(30a)ラック
(31)ロッド
(31a)ラック
(32)(33)ポテンショメータ
(34)(35)(36)シール

Claims

モータにより回転させられるようにしたねじ軸と、このねじ軸と同軸にねじ係合しているステムナットとを有し、前記ステムナットを、軸線方向には摺動可能に、かつ回転方向には回転不能に係止して、前記モータの回転運動を前記ステムナットの直線運動に変換するようにした電動アクチュエータにおいて、前記ねじ軸を中空部を有する筒状とし、この中空部に挿入した出力軸の端部を、前記ステムナットの閉鎖端に設けた孔に挿通するとともに、軸線方向の摺動を許容して前記ステムナットに係止し、かつ前記ステムナットと前記出力軸との間のスラスト方向にばねを配設して、前記出力軸に作用するスラストに応ずる前記ばねの変位に伴う前記ステムナットと前記出力軸との相対変位により、スラスト量を検出するようにしたことを特徴とする電動アクチュエータ。
出力軸の縮径端部のねじ部にロックナットを螺合し、このロックナットとステムナットの外面との間、及び前記出力軸の縮径肩部と前記ステムナットの閉鎖端内面との間に、圧縮ばねを配設した、請求項１記載の電動アクチュエータ。
スラストが作用する出力軸とステムナットとのそれぞれの上端に、側面にラックを有するロッドを固着し、前記ラックと噛み合うピニオンにより、前記出力軸と前記ステムナットとの相対変位を回転運動に変換して検出する手段を設けた、請求項１または２記載の電動アクチュエータ。
出力軸とステムナットとの相対変位を、ポテンショメータ、差動トランス、渦電流式変位計等の電気信号として検出する手段により検出するようにした、請求項１〜３のいずれかに記載の電動アクチュエータ。
スラストが作用する出力軸とステムナットとのそれぞれの上端に、ロッドを固着し、かつ一方のロッドにリミットスイッチを固着し、他方のロッドの動きにより、前記リミットスイッチを作動させるようにして、前記出力軸に過大スラストが作用したことを検出しうるようにした、請求項１または２記載の電動アクチュエータ。
ステムナット及び出力軸を覆うカバーにリミットスイッチを取り付け、前記出力軸の移動量が規定値を越えると、前記出力軸に取り付けたロッドにより、前記リミットスイッチが作動するようにした、請求項１または２記載の電動アクチュエータ。
出力軸とステムナットとの間に配設するばねを皿ばねとした、請求項１〜６のいずれかに記載の電動アクチュエータ。