JP4554183B2 - バルブ用アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、ボールバルブ、バタフライバルブ等の回転弁に搭載するためのバルブ用アクチュエータであって、特に、電動モータ等を動力源とし、減速機構を介してボールバルブ、バタフライバルブ等の回転弁に共用可能なバルブ用アクチュエータに関する。

従来のバルブ用アクチュエータは、モータからの回転力を減速して出力軸に伝達するために、出力軸とモータの回転軸との間に平歯車列を多段等に噛合して連結配設した減速機構を有しており、この減速機構を介することにより、モータからの回転力を減速して出力軸に伝達し、この出力軸と連結した弁軸に伝達して、弁体であるボールやジスクを開閉操作していた。

しかし、前記減速機構を内蔵したバルブ用アクチュエータにあっては、多数の平歯車を多段等に噛合して連結配設した構造であるため、出力軸とモータの回転軸との間に広いスペースを確保しなければならず、アクチュエータの大型化につながると共に、構造が複雑になり、かつ部品点数も多くなるため、コスト的にも問題を有していた。

そこで、前記問題を解決するものとして、例えば、少ない歯車数で大きな減速比を得ることができる減速機構を内蔵したアクチュエータがある（例えば、特許文献１参照。）。
この減速機構は、ハウジング外へ回転を伝える出力軸の周りに同軸に設けられ、モータによって前記出力軸と相対的に回転することができると共に、回転軸に対して偏心した外周円を持った偏心体と、外内周が前記出力軸と同軸になっており、内周面に沿って内歯車を有し、ハウジングに対して出力軸の周りに回転することができる円環状太陽内歯車と、前記偏心体の外周円と同軸になった内孔円と外周にある外歯車とを持った遊星外歯車であって、前記偏心体と相対回転可能に外挿して設けられ、外歯車を前記円環状太陽内歯車に部分的に噛合わせて太陽内歯車の内周に沿って公転運動をすることができるようになっているものと、前記遊星外歯車の自転を前記出力軸に伝える回転伝達機構と、前記円環状太陽内歯車のハウジングに対する回転を拘束及び開放することができる回転断続機構とからなる減速機構を内蔵するものであり、アクチュエータのコンパクト化を可能にしている。

このアクチュエータは、一般に出力軸側には、バルブの回転を制御するために軸の回転状態を検出するためのリミットセンサ等の制御スイッチが設けられ、出力軸が回転したときには、この制御スイッチがオンオフされることによってバルブの開閉状態又は中間開度を検出するようにしている。このため、出力軸は通常アクチュエータの上方に延設されており、この延設部分に突状部位を有するプレート等を取付け、このプレートが制御スイッチに接触することによってオンオフを行うようにしている。
特開２００２−１１５７４８号公報

しかしながら、特許文献１などのように、遊星歯車機構を内蔵した従来のアクチュエータにあっては、外歯車が内歯車に内接するように噛合してこの外歯車の揺動運動によって出力軸への回転出力を得るようにしているため、偏心回転体であるキャリアが回転して円環状太陽内歯車を押すときには出力軸には揺動運動によるラジアル荷重が加わる。
従って、出力軸には軸心方向に対して垂直方向に振れる方向に力が働き、出力軸が振れる現象、いわゆる軸ぶれが発生するおそれがあった。

出力軸が軸ぶれすると、出力軸の延設部分に設けているプレート等も振れることになり、この振れによって制御スイッチのオンオフを正確に行うことが難しくなる。このため出力軸の回転状態を正確に検出することが難しくなり、作動不良等を生じたりして、弁開閉動作時において、弁開、弁閉或は所定の中間開度状態に弁体を制御しようとしたときに正確な制御が行えなくなるという問題も有していた。

ここで、遊星歯車機構を内蔵したアクチュエータにおいては、減速効率を上げるために、遊星外歯車の自転を出力軸に伝える円盤とアクチュエータのハウジングとの間にボールベアリング等の軸受を設けるのが一般的であるが、このアクチュエータをバタフライバルブ等の回転弁に搭載する場合には、回転弁の弁体を中間開度で位置保持する必要があることから、アクチュエータの減速効率を下げる必要がある。これを実現するために上記ボールベアリングを外してしまうと、遊星外歯車の自転を出力軸に伝える円盤の振れが大きくなり、これに伴って出力軸の軸ぶれが顕著になるという課題を有している。

本発明は、従来の課題点を解決するため開発したものであり、その目的とするところは、ボールバルブ、バタフライバルブ等の回転弁に搭載するためのバルブ用アクチュエータであって、特に、電動モータ等を動力源とし、少ない歯車数で大きな減速比を得ることができる内接噛合遊星歯車減速機構を介してボールバルブ、バタフライバルブ等の回転弁に共用可能なバルブ用アクチュエータであって、出力軸の軸振れを抑えて弁の角度制御を正確に行うことを可能にすると共に、弁の開閉位置を正確に検出し、さらに、構造の簡素化により、小型化と軽量化並びにコストの削減化を可能とし、さらに本発明は、出力トルクの大きさに関係なく、リミットスイッチ、ポテンショメータ等の弁開度検出部材、その他構成部材を共通化し、コンパクトで、しかも経済性に優れたバルブ用アクチュエータを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、モータに連動して偏心回転する偏心体からの偏心回転を受けて揺動回転する外歯歯車の揺動回転を内歯歯車で規制し、かつ、この外歯歯車の自転成分を出力軸から出力する構造の減速歯車機構をベース体に内蔵し、このベース体に設けた枠体内周に内歯を形成して前記内歯歯車とし、前記ベース体の上面に形成した面状載置部に支持板を位置決め固定し、前記出力軸の上端を延設して制御軸とし、前記支持板に転がり軸受を挿通し、かつ、転がり軸受の上端を突出させた状態で転がり軸受の内周に前記制御軸を軸支すると共に、リミットスイッチを搭載してユニット化した取付板の挿入孔の内周を前記転がり軸受の突出した上端外周に嵌合して前記支持板に当該取付板を位置決め固定し、この取付板により前記リミットスイッチの位置決めを行なうようにして、前記制御軸に取付けたリミットスイッチカムを前記取付板のリミットスイッチに接離するようにしたバルブ用アクチュエータである。

本発明によると、出力軸から延設された制御軸の軸ぶれを直接抑制することができ、制御軸のカム部材と取付板のリミットスイッチとを相対的に位置決め固定することができ、確実にリミットスイッチを作動させて精度の良い制御を行うことができる。
更に、アクチュエータの出力が異なる場合でも、アクチュエータの制御のための部品群をユニットとして共通化してコストの削減等に寄与できることに加え、制御軸とリミットスイッチとを相対的に位置決め固定することができ、精度の良いアクチュエータの制御を行うことができる。

また、制御軸を軸支するときの軸受位置を固定でき、しかも、この軸受位置とリミットスイッチとの位置関係を固定して精度をより高めることができる。
更に、制御軸が回転するときのラジアル荷重による軸ぶれを抑えて揺動規制効果を十分に発揮でき、しかも、低コストにて揺動規制を行なうことが可能である。この制御軸の揺動はさらに極僅かに抑えることができ、リミットスイッチに与える悪影響をより抑えることができる。

また、出力軸の揺動を抑えることによって制御軸先端側の揺動を抑制することができ、制御軸の回転によってリミットスイッチが接点不良などによって誤動作することがない。この制御軸は、支持板に設けられた転がり軸受により支持され、支持板はベース体の面状載置部に強固に固定されていることから、内接噛合遊星歯車減速機構の揺動に起因する制御軸の振れを抑制することができる。
とりわけ、ベース上方の縁部付近に設けられる面状載置部の形状を、支持板取付ボルト位置に対して内接噛合遊星歯車減速機構側に厚肉形状とすることにより、前記歯車減速機構の揺動が制御軸と転がり軸受を介して支持板に伝わっても、面状載置部の必要最小限の付肉により、アクチュエータの重量増を抑制しつつ、制御軸の振れを抑制することができる。
また、リミットスイッチをユニット化した状態で、取付板と支持板に位置決め固定することができるため、制御軸のカム部材を取付板のリミットスイッチに確実に接触させることができる。

次に、本発明におけるバルブ用アクチュエータの図面に従って説明する。
図面において、３は双方向回転又は一方向に回転可能なモータ等の回転駆動源であり、この回転駆動源３は、図示しないボルト等の固着手段でベース体２の上面側に固着されている。４は回転駆動源３の駆動軸（ピニオンギヤ）であり、この駆動軸４は中間歯車５と噛合して回転駆動源３からの動力を伝達している。中間歯車５は、出力軸８と同軸に設けた入力歯車６と噛合し、回転駆動源３からの回転は、駆動軸４、中間歯車５を介して減速された後に入力歯車６に入力される。

７は減速歯車機構であり、この減速歯車機構７は、入力歯車６、偏心体９、外歯歯車１０、枠体１１、出力軸８と、入力歯車６に噛合する中間歯車５から構成されている。偏心体９は、入力歯車６に一体に固着され、出力軸８の軸芯に対して偏心量ｅにおいて偏心するような偏心部９ａを下部に有し、回転駆動源３からの回転に連動して回転する入力歯車６に連動して偏心体９本体を偏心回転可能に設けている。

このように、本発明におけるバルブ用アクチュエータ本体１は、回転駆動源３に連動して偏心回転する偏心体９からの偏心回転を受けて揺動回転する外歯歯車１０の揺動回転を規制して、この外歯歯車１０の自転成分を出力軸８から出力可能な減速歯車機構７を用いたものにおいて、減速歯車機構７を内蔵したベース体２にリミットスイッチ２１を搭載した取付板４０を位置決め固定し、この取付板４０には、前記出力軸８から延設された制御軸２３の軸受部位に 転がり軸受２４′を配設している。なお、本実施例において、制御軸の材質はクロムモリブデン鋼、取付板の材質は鋼板、ベース板の材質はアルミダイキャスト製である。

リミットスイッチ２１は、出力軸８から延設された制御軸２３に同軸に取付けたリミットスイッチカム２５の回転に応じて接点をオンオフ可能に設けて弁体２６の開閉状態、或いは中間開度を検出するようにしている。２２ａは取付部であり、この取付部２２ａは取付板４０に突起状に設けられている。取付板４０へのリミットスイッチ２１の取付けは、このリミットスイッチ２１に設けた取付孔２１ａに取付部２２ａを挿入するようにしながら行い、この上から止め輪２８によって止着してこのリミットスイッチ２１を固定している。

出力の変更等によって、制御軸２３の軸心位置が変わったとしても、後述するピン２９と固着部材３０によって取付板４０の取付位置を変えることによって制御軸２３の位置の変更に対応してリミットスイッチ２１を適切な位置に設けることができる。このように、リミットスイッチ２１を設けた取付板４０はユニット化でき、このユニット化したものを出力が異なるアクチュエータに共通して用いることができるので、アクチュエータ全体を設計変更し直す必要がない。
取付板４０の取付後には、 転がり軸受２４′によって出力軸８と取付板４０との軸ぶれをなくし、この取付板４０に取付けたリミットスイッチ２１によって制御軸２３の回転状態を正確に検出できる。また、取付板４０は、制御軸２３を上方から押さえ込む機能を有している。

２９はピンであり、ベース体２に取付板４０を固定する場合には、先ず、ピン２９を用いて取付板４０を図３に示すように対角線状に仮固定して位置決めしつつ、次いで、ボルト等の固着部材３０で締付け固定すればよい。従って、アクチュエータの大型化によって制御軸等の位置が変わったりした際にも軸ぶれの少ない、最適な軸受位置とすることが可能となる。取付板４０を別のアクチュエータに設ける場合には、ベース体２に設けたピン穴２９ａ、めねじ３０ａの位置をそれぞれ変更することによって、この取付板４０を任意の位置に取付固定することができる。

図３において、３１はコンデンサであり、また、３２は端子台、３３はこの端子台３２を収納するための端子ボックスであり、端子台３２を端子ボックス３３に収納した後に密着シール可能なガスケット３４を挟持した状態で端子ボックスカバー３５をボルト３６で固着してカバーしている。更に、この端子ボックス３３は、ガスケット３７によって密着シールしながらベース体２に取付けられている。

ここで、減速歯車機構７を構成する主要な構成要素について図１，図２と図５により説明すると、外歯歯車１０は、ベアリング１５を介して偏心体９の外周面側に組合わせ、この外歯歯車１０は、偏心体９からの偏心回転を受けて偏心回転可能に設けている。この外歯歯車１０の歯形は、エピトロコイド平行曲線からなる曲線に形成している。

枠体１１は、円形状或いは矩形状等の適宜の形状に形成され、減速歯車機構７を収納するためのベース体２に一体に形成され、本実施形態において、この枠体１１は内周側に円弧歯形からなる内歯１１ａを形成した内歯歯車としている。枠体１１は、内歯１１ａにおいて外歯歯車１０と噛合し、外歯歯車１０の偏心回転を規制して外歯歯車１０が揺動回転可能に設けている。

出力軸８は、フランジ部１８を一体に回転可能に固着している。１７はフランジ部１８に設けた嵌着孔であり、この嵌着孔１７に棒状に形成した内ピン１６の一方側を挿嵌している。また、内ピン１６の他方側は、外歯歯車１０に貫通して設けた貫通孔１０ｂに遊嵌して外歯歯車１０とフランジ部１８を重合するようにしている。

外歯歯車１０の回転運動は、貫通孔１０ｂ内を内ピン１６が転動しようとする作用によってフランジ部１８に固着された出力軸８の回転運動に変換され、出力軸８は、外歯歯車１０と連動して外歯歯車１０の自転成分を出力可能に設けている。
なお、２０は弁ステムであり、出力軸８からこの弁ステム２０を介してバルブ用弁体２６を回転自在に接続している。

バルブの開閉動作時には、回転駆動源３からの回転が駆動軸４、中間歯車５を介して入力歯車６に伝わると、入力歯車６と一体の偏心体９が回転する。偏心体９が回転すると、偏心部９ａが偏心回転し、この偏心回転は、ベアリング１５を介して外歯歯車１０に伝達され、外歯歯車１０が偏心回転を開始する。
外歯歯車１０は、偏心体９の回転により出力軸８の軸芯を中心として高速で公転しながら、同時に低速で自転しようとするが、外歯歯車１０と噛合する枠体１１と内歯１１ａの組み合わせによってこの回転が規制され、外歯歯車１０による内歯１１ａに内接するような揺動回転運動が行われ、外歯歯車１０の減速された自転成分のみを取り出して出力側に伝えることができる。

外歯歯車１０が揺動回転すると、次いで、内ピン１６が貫通孔１０ｂ内を転動しようとし、この内ピン１６を介して外歯歯車１０と連動している出力軸８に外歯歯車１０の回転を伝達して出力軸８を減速回転させることができる。このとき出力軸８には、外歯歯車１０の揺動回転によって揺動しようとする力が働くが、転がり軸受２４′によって揺動を規制している。

このバルブ用アクチュエータは、モータ等の回転駆動源３に連動して偏心回転する偏心体９からの偏心回転を受けて揺動回転する外歯歯車１０の揺動回転を規制して、この外歯歯車１０の自転成分を出力軸８から出力可能な減速歯車機構７を用いたアクチュエータにおいて、減速歯車機構７を内蔵したベース体２に出力軸８から延設された制御軸２３を軸受する鋼板製の支持板３９を固着し、この支持板３９にリミットスイッチ２１を搭載した取付板４０を位置決め固定し、この取付板４０には、前記出力軸８から延設された制御軸２３の軸受部位に転がり軸受２４′を配設している。

転がり軸受２４′は、支持板３９と取付板４０とを挿通するように取付け、この転がり軸受２４′によって支持板３９と取付板４０との双方で揺動規制している。このようにすれば、リミットスイッチ２１と制御軸２３との位置関係が適切な状態で任意の位置にリミットスイッチ２１を取付けることが可能となる。
従って、このアクチュエータは、回転出力の大きい、大型のアクチュエータの場合に特に有効である。

図５において、転がり軸受２４′を用いている。この場合、ベース体２にボルトで固定された支持板３９に転がり軸受２４′が取り付けられ、この転がり軸受２４′の外周に取付板４０の制御軸の挿入孔４０ａの内周を嵌合している。
本実施例においては、転がり軸受２４′と支持板３９とのはめあいをきつく設定している一方、転がり軸受２４′と取付板４０とのはめあいは、支持板３９とのはめあいよりもやや緩く設定することにより、制御軸２３の振れは、転がり軸受２４′を介して支持板３９で抑制しており、取付板４０には伝わらないようにしている。
従って、本発明のアクチュエータによれば、制御軸２３の振れを転がり軸受２４′を介して支持板３９により抑制すると共に、この支持板３９に位置決めされた取付板４０により、リミットスイッチ２１の位置決めを行っているので、制御軸２３に取り付けられたカム部材２５と、取付板４０に固定されたリミットスイッチ２１との相対位置のずれを小さくすることができ、バルブの弁開度を正確に検出することができる。

また、図５に示す実施形態では、透明又は半透明でありＡＢＳ等の樹脂製半球状の弁開度カバー５０をアクチュエータカバー１ａの内方から挿入し、ボルト５０ｃとリテーナ５０ｄでカバー１ａに固定する構造としている。この構造は、アクチュエータカバー上面にボルト５０ｃが突出しないので、アクチュエータの手動操作時にボルトが干渉することなく、また、外観もよくなる構造であり、この弁開度カバー５０を介して、制御軸２３の上部に装着された弁開度板をアクチュエータの外部から視認できるようにしている。
従って、このアクチュエータによれば、制御軸２３の振れが少なく、バルブの弁開度を正確に視認できると共に、制御軸２３の上部に装着された弁開度板とアクチュエータカバー１ａに固定した弁開度カバー５０との隙間を小さく設定し、弁開度部をコンパクトに構成しても両部品が制御軸の振れによって干渉することがない。

なお、図５の実施形態では、制御軸２３を別体とし、上部の制御軸２３を出力軸８に延設された下部の制御軸２３ａに螺合しており、小径の制御軸２３は、大径の出力軸８の素材を用いることなく、必要最小限の径の素材から加工することができるので、素材や加工のコストを低減することができる。また、この制御軸２３に予めアクチュエータの仕様（例えば、リミットスイッチ２個、４個、６個など）に対応した個数のカム部材２５を装着して、複数種類の制御軸２３を用意しておくことにより、アクチュエータの組立時には、必要数のカム部材２５が装着された制御軸２３を出力軸８に延設された下部の制御軸２３ａに接続するだけで済み、適宜仕様に応じたアクチュエータを短時間で組立てすることができる。

また、図４に示すように、前記ベース体２の上部に面状載置部３８を形成し、この面状載置部３８に支持板３９を位置決め固定する。
制御軸２３は、支持板３９に設けられた転がり軸受２４′により支持され、支持板３９はベース体２の面状載置部３８に強固に固定されていることから、内接噛合遊星歯車減速機構の揺動に起因する制御軸２３の振れを抑制することができる。とりわけ、ベース体２上方の縁部付近に設けられる面状載置部３８の形状を、支持板３９の取付ボルト３８ｂが螺入されるめねじ位置３８ａに対して内接噛合遊星歯車減速機構側に厚肉形状とすることにより、上記揺動が制御軸２３と転がり軸受２４′を介して支持板３９に伝わっても、面状載置部３８の必要最小限の付肉により、アクチュエータの重量増を抑制しつつ、制御軸２３の振れを抑制することができる。

更に、図６に示すように、電線５３を介してコネクタリテーナ２１ｂが接続されたリミットスイッチ（弁開度検出部材）２１を予め取付板４０に取付けてユニット化する。リミットスイッチ２１の個数は、アクチュエータの仕様によって異なるので、複数種類のユニット化された取付板４０を用意しておくとよい。
アクチュエータの組立時は、要求された仕様に対応した取付板４０を支持板３９に取り付けると共に、コネクタリテーナ２１ｂを予め端子台取付板３３ｃに固定されたコネクタベース３３ｄに嵌着することにより、端子台取付板上の端子台３２とリミットスイッチ２１とが通電可能状態に接続され、アクチュエータへのリミットスイッチ２１の組み付け作業が完了する。
このように、リミットスイッチ２１をユニットとして構成することができ、アクチュエータの組立作業を正確かつ容易に行うことができる。

本発明は、ボールバルブ、バタフライバルブ等の回転弁に搭載するためのバルブ用アクチュエータであって、特に、電動モータ等を動力源とし、減速機構を介してボールバルブ、バタフライバルブ等の回転弁の弁軸を回転操作する構造のアクチュエータにおいて、電動操作時、及び手動操作時における弁の角度制御を正確に行うことを可能にすると共に、出力トルクの大きさに関係なく、リミットスイッチ、ポテンショメータ等の弁開度検出部材、その他構成部材を共通化し、さらに、弁の開閉位置を正確に検出することを可能にしたコンパクトで、しかも経済性に優れたバルブ用アクチュエータである。
その他、回転弁以外にも、回転駆動させる装置等にも応用可能である。

本発明におけるバルブ用アクチュエータに内蔵する内接噛合遊星歯車減速機構の分離斜視図である。 本発明におけるバルブ用アクチュエータに内蔵する内接噛合遊星歯車減速機構の横断面図である。 アクチュエータの分離斜視図である。 面状載置部を示した概略平面図である。 バルブ用アクチュエータの実施形態を示した正面断面図である。 バルブ用アクチュエータの実施形態を示した斜視図である。

１ アクチュエータ本体
２ ベース体
３ 回転駆動源
７ 減速歯車機構
８ 出力軸
９ 偏心体
１０ 外歯歯車
１１ 枠体
２１ リミットスイッチ
２５ カム部材
４０ 取付板
２３ 制御軸
２４′ 転がり軸受
３９ 支持板
３８ 面状載置部
４０ａ 挿入孔

Claims (1)

1. モータに連動して偏心回転する偏心体からの偏心回転を受けて揺動回転する外歯歯車の揺動回転を内歯歯車で規制し、かつ、この外歯歯車の自転成分を出力軸から出力する構造の減速歯車機構をベース体に内蔵し、このベース体に設けた枠体内周に内歯を形成して前記内歯歯車とし、前記ベース体の上面に形成した面状載置部に支持板を位置決め固定し、前記出力軸の上端を延設して制御軸とし、前記支持板に転がり軸受を挿通し、かつ、転がり軸受の上端を突出させた状態で転がり軸受の内周に前記制御軸を軸支すると共に、リミットスイッチを搭載してユニット化した取付板の挿入孔の内周を前記転がり軸受の突出した上端外周に嵌合して前記支持板に当該取付板を位置決め固定し、この取付板により前記リミットスイッチの位置決めを行なうようにして、前記制御軸に取付けたリミットスイッチカムを前記取付板のリミットスイッチに接離するようにしたことを特徴とするバルブ用アクチュエータ。

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