JP4511572B2

JP4511572B2 - 流体圧式駆動装置

Info

Publication number: JP4511572B2
Application number: JP2007125442A
Authority: JP
Inventors: 定之中西; 正宏横見
Original assignee: 株式会社ティクス
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: JP2008281100A

Description

本発明は、ボールバルブのように回転作動するバルブの流体圧式駆動装置に関するものである。

従来において、流体圧駆動装置として、ラック・ピニオン式駆動装置やスコッチヨーク式駆動装置が一般的に知られている。ラック・ピニオン式駆動装置は、出力トルクが小さいため、小口径バルブに使用されている。一方、スコッチヨーク式駆動装置は、ラック・ピニオン式駆動装置に比べて出力トルクが大きいため、大口径バルブに使用されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−２７７９５８号公報

図５には、上記特許文献１に記載されたスコッチヨーク式駆動装置を示している。図５において、符号１００は本体、符号１０２は往復動軸、符号１０３はステム（回転軸）、符号１０４はスコッチヨークレバー、符号１０５、１０６はピンを示す。スコッチヨークレバー１０４は、ステム１０３に設けられており、半径方向に伸びる押圧部１０４ａ及び１０４ｂを有している。往復動軸１０２はステム１０３の軸線方向に対して直角に配置されており、この軸線方向に伸びるピン１０５，１０６を有している。

この駆動装置は、シリンダ１０７とシリンダ１０８とに流体圧が適宜作用し、往復動軸１０２が図において左右方向に往復するようになっており、往復動軸１０２に設けられたピン１０５又は１０６が、往復動軸１０２の往復動によってスコッチヨークレバー１０４の押圧部１０４ａ又は１０４ｂを押し、スコッチヨークレバー１０４を回動軸１０３と共に回動させるようになっている。なお、シリンダ１０７及び１０８の外側に設けられた調節ねじ１０９及び１１０は、往復動軸１０２のストロークを調節するためのものであり、この調節によって、スコッチヨークレバー１０４の回動角度が９０度になるように調節され、駆動装置がボールバルブなどのバルブを全開から全閉へ、また、全閉から全開へ９０度回動させるようになっている。

しかしながら、上記従来のスコッチヨーク式駆動装置の構造は、回転軸（ステム）から該回転軸の半径方向に伸びた一つのスコッチヨークレバーだけで回転軸を回動させているため、出力トルクの大きさに限界がある。

本発明は、上述のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、従来におけるスコッチヨーク式駆動装置の出力トルクよりもさらに大きな出力トルクを得るようにし、もって、更に大きな大口径バルブの駆動用として使用することができると共に、装置を小型化しても従来の駆動装置と同様の大きな出力トルクを得ることができる流体圧駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、流体圧力を動力源としてバルブを作動する流体圧駆動装置において、一対のシリンダを有する本体部と、前記本体部内に回動可能に設けられたバルブステムと、前記各シリンダ内に摺動可能にそれぞれ設けられた、ピストンロッドを有するピストンと、前記バルブステムと一体に可動可能に設けられたスコッチヨークとを備え、前記各ピストンの前記ピストンロッドには、貫通穴がそれぞれ形成されており、前記スコッチヨークは、
左右対称となる一対のスコッチヨークレバーを有し、各スコッチヨークレバーは、前記各ピストンのピストンロッドの貫通穴をそれぞれ貫通しており、前記貫通穴は、平らな上面と、平らな下面と、該貫通穴内に突出した左右一対の湾曲側面とで構成されており、前記各スコッチヨークレバーは前記貫通穴の該湾曲側面と接触している。さらに、本発明は、前記各シリンダ内に摺動可能にそれぞれ設けられたピストンは、前記流体圧力の作用により互いに反対方向に往復動するようになっており、この往復動の際に、前記各スコッチヨークレバーが前記ピストンロッドの前記貫通穴とそれぞれ接触し、この二つの接触による、各スコッチヨークレバーに伝達される前記ピストンの駆動力の偶力によって、前記スコッチヨークが前記ステムと共に回動することを特徴とする流体圧駆動装置を提供する。

また、前記貫通穴は、平らな上面と、平らな下面と、該貫通穴内に突出した左右一対の湾曲側面とで構成されており、前記各スコッチヨークレバーは前記貫通穴の該湾曲側面と接触している。また、前記貫通穴の前記湾曲側面の形状は、前記スコッチヨークの回転軌道に対応するような湾曲形状となっている。また、前記湾曲側面の形状は、前記スコッチヨークレバーと接する頂点部が、前記ピストンロッドの軸方向に対して直交する方向でできるだけ外方になるように形成されている方が好ましい。また、前記バルブステムには、該バルブステムの軸方向に離間配置された一対のスライドベッドがベアリングを介して嵌合されており、このスライドベッドの外周面は、前記ピストンロッドの内面と接面するようになっている。さらに、前記ピストンロッドの軸方向の長さは、前期ピストンが前記シリンダ内で最も外方に位置したときに、前記ピストンロッドの先端が前記ステムの中心を越える長さに設定されている。

本発明によれば、従来におけるスコッチヨーク式駆動装置の出力トルクをさらに大きな出力トルクを得るようにし、もって、更に大きな大口径バルブの駆動用として使用することができると共に、装置を小型化しても従来の駆動装置と同様の大きな出力トルクを得ることができる。

以下、本発明にかかる流体圧駆動装置を実施するための最良の形態について図面を参照しながら述べる。図１には、本発明にかかる流体圧駆動装置の横断面図を示し、図２には、その縦断面図を示す。図１及び図２に示すように、流体圧駆動装置１は、ボールバルブ等のバルブ（図示せず）を作動するために用いられるものである。流体圧駆動装置１は、本体部３０の両側に一対のシリンダ２、３を有している。図１において右側に位置するシリンダ２内には、ピストン４が摺動可能に設けられており、このピストン４には、ピストンロッド５が取り付けられている。同様に、図１において左側に位置するシリンダ３内には、ピストン６が摺動可能に設けられており、このピストン６には、ピストンロッド７が取り付けられている。図示のように、ピストン４とピストン６は、互いに向き合う状態で各シリンダ内に摺動可能に設けられている。なお、図１には、左側のシリンダ３部分は部分的に省略してある。

図３には、ピストン４，６の斜視図を示している。図示のように、ピストン４，６は、その各底部にピストンロッド５，７が取り付けられており、このピストンロッド５，７には、その先端側に、ピストンロッド５，７の軸方向に長い貫通穴８がそれぞれ形成されている。この貫通穴８は、平らな上面８ａと、平らな下面８ｂと、貫通穴９内に突出した左右一対の湾曲側面８ｃ、８ｄとで構成されている。この湾曲側面８ｃ、８ｄの形状は、後述するスコッチヨーク２０の回転軌道に対応するような湾曲形状となっている。

また、ピストンロッド５，７の軸方向の長さは、ピストン４，６がシリンダ２，３内で最も外方に位置したときの、ピストンロッド５，７の基端と先端との距離が、ピストンロッド５，７の基端と後述するステム９の中心との距離よりも長くなるように設定されている。換言すれば、ピストンロッド５，７の軸方向の長さは、ピストン４，６がシリンダ２，３内で最も外方に位置したときに、ピストンロッド５，７の先端が後述するステム９の中心を越える長さに設定されている。

図１及び図２に示すように、装置１の本体部３０内の中心部には、装置１の上下方向に伸びるバルブステム９が回動可能に設けられており、ステム９の下端は、図示しないバルブ本体と嵌合するステム穴部３１に挿通されている。そして、ステム穴部３１の上部に位置するステム９の外周には、バルブの開・閉位置を決めるストッパ３２が設けられている。このステム９のほぼ中心位置には、上下方向（軸方向）に離間配置された一対の矩形状のスライドベッド１０，１１がベアリング２１を介して嵌合されている。このスライドベッド１０，１１の外周面は、ピストンロッド５，７の内面と接面するようになっている。また、ピストンロッド５，７の外面は、シリンダ２，３の内周面に接面するようになっている。従って、ピストンロッド５，７は、その内面がスライドベッド１０，１１の外周面と接面し、その外面がシリンダ２，３の内周面に接面した状態でスライド移動することができるようになっている。なお、ステム９の外周面と接する各部品には、スラストベアリングやシム、スペーサ等が設けられている。

ステム９には、スライドベッド１０とスライドベッド１１との間に、スコッチヨーク２０がステム９と一体に回動可能なように設けられている。このスコッチヨーク２０は、図１、２及び４に示すように、その中心部を中心とした左右対称となる一対のスコッチヨークレバー２０ａ、２０ｂを有している。そして、スコッチヨークレバー２０ａは、ピストンロッド５の貫通穴８を貫通し、スコッチヨークレバー２０ｂは、ピストンロッド７の貫通穴８を貫通した状態で、スコッチヨーク２０はステム９に該ステム９と一体に回動可能なように設けられている。

本発明の駆動装置１は、シリンダ２及びシリンダ３内に流体圧が適宜作用し、ピストン４がシリンダ２内において外方（図１において右方向）に動くと、ピストン６はシリンダ３内において外方（図１において左方向）に動き、一方、ピストン４がシリンダ２内において内方（図１において左方向）に動くと、ピストン６はシリンダ３内において内方（図１において右方向）に動くように、ピストン４，６が往復動するようになっている。

すなわち、ピストン４とピストン６は互いに反対方向に往復動するようになっている。そして、ピストン４がシリンダ２内において外方（図１において右方向）に動くと共に、ピストン６がシリンダ３内において外方（図１において左方向）に動くとき、スコッチヨークレバー２０ａがピストンロッド５の貫通穴８の湾曲側面８ｄと接触すると共に、スコッチヨークレバー２０ｂがピストンロッド７の貫通穴８の湾曲側面８ｄと接触し、この二つの接触によって、スコッチヨーク２０がステム９と共に時計方向に回動する。一方、ピストン４がシリンダ２内において内方（図１において左方向）に動くと共に、ピストン６がシリンダ３内において内方（図１において右方向）に動くとき、スコッチヨークレバー２０ａがピストンロッド５の貫通穴８の湾曲側面８ｃと接触すると共に、スコッチヨークレバー２０ｂがピストンロッド７の貫通穴８の湾曲側面８ｃと接触し、この二つの接触によって、スコッチヨーク２０がステム９と共に反時計方向に回動する。すなわち、スコッチヨーク２０は、スコッチヨークレバー２０ａとピストンロッド５の貫通穴８との接触によってスコッチヨークレバー２０ａに伝達されるピストン４の駆動力と、スコッチヨークレバー２０ｂとピストンロッド７の貫通穴８との接触によってスコッチヨークレバー２０ｂに伝達されるピストン６の駆動力との偶力によって、回動されるようになっており、このスコッチヨーク２０の回動によってステム９がスコッチヨーク２０と一体に回動駆動し、バルブ（図示せず）の開閉作動が行われる。

従来のスコッチヨーク式駆動装置では、図５に示すように、一つのスコッチヨークレバーだけで回転軸を回動させていたが、本発明にかかる駆動装置は、スコッチヨーク２０がその中心部を中心とした左右対称となる一対のスコッチヨークレバー２０ａ、２０ｂを有し、各スコッチヨークレバー２０ａ、２０ｂに伝達されるピストン４、６の二つの駆動力による偶力でスコッチヨーク２０を回動するようにしているため、従来のスコッチヨーク式駆動装置に比べて非常に大きなトルクを得ることができる。

また、図示の湾曲側面８ｃ、８ｄの形状は、スコッチヨークレバーと接する頂点部が、ピストンロッド５，７の肉厚の中心部になるように形成されているが、その頂点部を、ピストンロッド５，７の軸方向に対して直交する方向でできるだけ外方になるように形成すれば、さらに大きなトルクを得るようにすることができる。さらには、図示のスコッチヨークレバーは、その軸方向に同径状で伸びているが、先端方向になるにつれて径が大きくなるように、すなわち、スコッチヨークレバーの形状を先太になるようにすれば、さらに大きなトルクを得ることができる。

また、従来の流体圧式駆動装置では、バルブを全閉から全開にするためステムを９０度回動させており、従って、スコッチヨークレバーの開位置及び閉位置は中間位置に対して対称で各々の位置をθ＝４５°とすると、両端での出力トルクＴａは、
Ｔａ＝Ｆｅ／ｃｏｓ²４５°・η＝２Ｆｅηとなる。
Ｆはハンドルの回転力により発生（又は流体圧力によりピストンに作用）した力、ｅはピストンと共に作動するロッドとステムとの偏心距離、ηは効率を示す。

これに対し、本発明の駆動装置は、スコッチヨークレバー２０ａ、２０ｂの幅方向の中心位置を、開位置及び閉位置において中間位置に対してθ＝４５°にすれば、スコッチヨークレバー２０ａ、２０ｂの開位置及び閉位置は中間位置に対して対称で各々の位置はθ＝４５°＋スコッチヨークレバーの幅／２とすることができる。

ここで、例えば、スコッチヨークレバーの幅／２を５°とした場合、スコッチヨークレバー２０ａ、２０ｂの開位置及び閉位置は中間位置に対して対称で各々の位置はθ＝５０°となり、この場合の出力トルクＴｂは、
Ｔｂ＝Ｆｅ／ｃｏｓ²５０°・η＝２．４２Ｆｅηとなり、従来の出力トルクＴａに対して、２１％増加した高出力トルクとすることができる。

また、上記識別段落「００２１」には、スコッチヨークレバーの幅／２が５°の出力トルクが記載されているが、いまスコッチヨークの幅／２をスコッチヨークレバーの幅の中心として７°と３°にすると、出力トルクＴｃは、
Ｔｃ＝Ｆｅ／ｃｏｓ²５２°・η＝２．６４Ｆｅηとなり、より高出力が得られる。これは、ボールバルブの場合は、閉から開時の方が開から閉時よりも所要トルクが大きいのでバルブの特性に合わせればより効果が出る。これは、上記識別段落「００１８」に記載されたスコッチヨークレバーの形状を先太にしたのと同じ効果である。

また、前記スコッチヨークレバーと接するピストンロッドの湾曲側面８ｃ、８ｄの頂点部を図１の如くロッド中心からｆ分だけ外側に移動させ、ＦをＦ１にすれば、
Ｔｄ＝Ｆ１ｅ／ｃｏｓ²５２°・η＝Ｆ１／Ｆ・Ｔｂとなり、上記出力トルクＴｂよりもＦ１／Ｆ増加した高出力トルクを得ることができる。

また、本発明の駆動装置は、ピストンロッド５，７の軸方向の長さが、ピストン４，６がシリンダ２，３内で最も外方に位置したときに、ピストンロッド５，７の先端がステム９の中心を越える長さに設定されているため、スコッチヨークレバー２０ａ、２０ｂの回転によりピストンロッド５，７がステム９側に力を受けるがピストン４，６は支障なく作動することができる。

また、スライドベッド１０，１１は、ベアリング２１を介してステム９に取り付けてあり、一対のピストン４，６から同じ荷重を受けるので、ステム９は偶力のみの荷重を受けることとなり、スムーズな作動を行うことができる。また、ピストンロッド５，７は、その内面がスライドベッド１０，１１の外周面と接面し、その外面がシリンダ２，３の内周面に接面した状態でスライド移動することができるようになっているため、スムーズな作動を行うことができる。

図１は、本発明にかかる流体圧駆動装置の実施の形態を示す横断面図である。図２は、上記実施の形態を示す縦断面図である。図３は、上記実施の形態に適用可能なピストンの一例を示す斜視図である。図４は、上記実施の形態に適用可能なスコッチヨークの一例を示す斜視図である。図５は、従来のスコッチヨーク式駆動装置の一例を示す横断面図である。

符号の説明

１流体圧駆動装置
２シリンダ
３シリンダ
４ピストン
５ピストンロッド
６ピストン
７ピストンロッド
８貫通穴
８ａ上面
８ｂ下面
８ｃ湾曲側面
８ｄ湾曲側面
９ステム
１０スライドベッド
１１スライドベッド
２０スコッチヨーク
２０ａスコッチヨークレバー
２０ｂスコッチヨークレバー
３０本体部
３１ステム穴部
３２ストッパ

Claims

流体圧力を動力源としてバルブを作動する流体圧駆動装置において、
一対のシリンダを有する本体部と、
前記本体部内に回動可能に設けられたバルブステムと、
前記各シリンダ内に摺動可能にそれぞれ設けられた、ピストンロッドを有するピストンと、
前記バルブステムと一体に可動可能に設けられたスコッチヨークとを備え、
前記各ピストンの前記ピストンロッドには、貫通穴がそれぞれ形成されており、
前記貫通穴は、平らな上面と、平らな下面と、該貫通穴内に突出した左右一対の湾曲側面とで構成され、前記各スコッチヨークレバーは前記貫通穴の前記湾曲側面と接触するようになっており、
前記スコッチヨークは、左右対称となる一対のスコッチヨークレバーを有し、各スコッチヨークレバーは、前記各ピストンのピストンロッドの貫通穴をそれぞれ貫通しており、
前記各シリンダ内に摺動可能にそれぞれ設けられたピストンは、前記流体圧力の作用により互いに反対方向に往復動するようになっており、この往復動の際に、前記各スコッチヨークレバーが前記ピストンロッドの貫通穴とそれぞれ接触し、この二つの接触による、各スコッチヨークレバーに伝達される前記ピストンの駆動力の偶力によって、前記スコッチヨークが前記ステムと共に回動することを特徴とする流体圧駆動装置。
前記貫通穴の前記湾曲側面の形状は、前記スコッチヨークの回転軌道に対応するような湾曲形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の流体圧駆動装置。
前記湾曲側面の形状は、前記スコッチヨークレバーと接する頂点部が、前記ピストンロッドの軸方向に対して直交する方向で外方になるように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体圧駆動装置。
前記バルブステムには、該バルブステムの軸方向に離間配置された一対のスライドベッドがベアリングを介して嵌合されており、このスライドベッドの外周面は、前記ピストンロッドの内面と接面するようになっていることを特徴とする請求項１乃至３
のいずれか一つに記載の流体圧駆動装置。