JP4936228B2 - 電動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は各種のバルブを駆動する電動アクチュエータに関し、特に電動駆動部と手動操作部とを有する電動アクチュエータに関する。

発電プラント等においては数多くのバルブが使用されており、それらのバルブの駆動には主として電動アクチュエータが用いられている。電動アクチュエータは、モータの回転を歯車列により減速してバルブのステムを駆動するものである。

電動アクチュエータを用いてバルブを開閉操作する場合、通常の運転はモータに通電することによって行われる。しかし、調整運転時や非常時にはモータを用いることなく、手動操作によりバルブを開閉できるよう手動操作部が備えられている。したがって、モータによる電動運転時には手動操作ができないようにするとともに、手動操作時にはモータによる電動運転ができないようにする必要がある。このような事情から、電動駆動部と手動操作部とを備える電動アクチュエータでは、嵌脱機構たるクラッチが内蔵されている。

従来技術による電動アクチュエータでは、複数の平歯車等からなる減速歯車機構と、クラッチ機構とを介して、ウォーム軸はモータに連係され、モータの作動により正逆回転させられるとともに、１対の平歯車を介して手動操作用のハンドルが設けられたハンドル軸にも連係され、クラッチ機構を切った状態で、ハンドルを回転させることによっても正逆回転させられるようになっていた（例えば、特許文献１の図３、段落０００４参照）。

また、電動駆動される減速歯車列と噛み合う手動歯車軸を備え、該手動歯車軸にクラッチ機構を設けて電動運転と手動操作を切り換えるようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）
特開平７−３１０８４５号公報 特開２００４−２１８７３５号公報

しかし、従来技術による電動アクチュエータでは、電動運転時においても手動操作用クラッチのハンドルは操作不能の状態にされていなかった。このような電動アクチュエータであっても、電動運転時においてはクラッチの被動側は回転しており、手動ハンドルに連繋された手動軸を結合する方向に操作しても被動側と連結されることはない。しかし、誤操作または落下物等により電動運転中に手動ハンドルが操作されることにより、クラッチの結合突起部に損傷が生じることがあった。

電動アクチュエータにおいて手動操作が必要となる頻度は決して多いとはいえないが、発電所等におけるバルブの手動操作は緊急時に必要となるものである。したがって、操作には高い信頼性と安全性が求められる。緊急時に手動操作しようとしたらクラッチの結合突起部に損傷があって、手動操作に支障が来たすようなことがあってはならないものである。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、電動運転時には手動操作部が電動駆動部と確実に離脱しており、結合突起部を損傷する恐れがない電動アクチュエータを提供することを課題とする。また、コンパクトで経済性に富んだ電動運転と手動操作の切換え機構を備えた電動アクチュエータを提供することを課題とする。

請求項１記載の発明は、モータの回転を減速歯車列により減速してバルブを駆動する電動駆動部と、前記減速歯車列の駆動軸に嵌脱自在に結合してバルブを駆動する手動操作部とを備える電動アクチュエータであって、前記手動操作部はハンドル軸ハウジングが前記駆動軸の軸方向に移動することにより前記駆動軸と嵌脱し、脱位置において前記ハンドル軸ハウジングがロック軸により係止され、前記ハンドル軸ハウジングの外周面に軸直角方向の切欠溝を設け、該切欠溝に前記ロック軸を挿通し、前記ロック軸に切欠部を設け、該切欠部位置を前記ハンドル軸ハウジングの軸芯位置と一致させることにより前記ハンドル軸ハウジングが軸方向に移動可能となることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動アクチュエータにおいて、前記手動操作部は電動アクチュエータの本体に対して引き出された位置で前記駆動軸と嵌合し、押し込まれた位置で離脱することを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の電動アクチュエータにおいて、前記ロック軸の軸方向位置を検出する位置センサを設けたことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動アクチュエータにおいて、前記手動操作部に減速機を組み込んだことを特徴とするものである。

請求項１記載の電動アクチュエータによれば、手動操作部はハンドル軸ハウジングが前記駆動軸の軸方向に移動することにより前記駆動軸と嵌脱し、脱位置において前記ハンドル軸ハウジングがロック軸により確実に拘束される。また、ハンドル軸ハウジングの外周面に設けた軸直角方向の切欠溝にロック軸を挿通し、前記ロック軸に設けた切欠部の位置を前記ハンドル軸ハウジングの軸芯位置と一致させることにより前記ハンドル軸ハウジングが軸方向に移動可能となる。そのため脱位置においてロック軸による拘束を解除しなければハンドル軸ハウジングを移動することができず、手動操作部が駆動軸と嵌合することがない。したがって、高い信頼性と安全性が求められる電動アクチュエータを実現することができる。

請求項２記載の電動アクチュエータによれば、手動操作部は電動アクチュエータの本体に対して引き出された位置で前記駆動軸と嵌合し、押し込まれた位置で離脱することから、手動操作時以外は手動操作部が電動アクチュエータの本体に対して押し込まれた位置にある。したがって、電動駆動が通常状態である本発明のような電動アクチュエータにおいてはコンパクトな外観形状とすることができる。

請求項３記載の電動アクチュエータによれば、位置センサによりロック軸の軸方向位置を検出し、モータの制御回路に対するインターロック信号として利用できる。したがって、安全性の高いバルブ操作を実現することができる。

請求項４記載の電動アクチュエータによれば、手動操作部に減速機を組み込んだことから、手動ハンドルの操作トルクを適正な大きさに調整することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る電動アクチュエータの実施例を示す概略構成図であり、バルブのステムに対する直交面の一部断面図である。この電動アクチュエータ１は、モータ２の回転をウォーム軸３とウォームホイール４により減速してバルブのステム５を駆動する電動駆動部６と、前記ウォーム軸３に嵌脱自在に結合してバルブのステム５を駆動する手動操作部７とを備えている。電動アクチュエータの本体８の一端にはモータ２が取り付けられ、モータ２の回転軸は電動アクチュエータの本体８内に軸支されたウォーム軸３に連結されている。また、電動アクチュエータの他端には手動操作部７が取り付けられている。

図２は、本発明に係る電動アクチュエータの手動操作部７を示す断面図である。手動操作部７は、電動アクチュエータの本体８に固定されたアダプタ11と、該アダプタ11に設けられた孔12内において軸方向に摺動可能に挿通されたハンドル軸アッセンブリ13と、該ハンドル軸アッセンブリ13の軸方向移動を拘束するロック軸アッセンブリ14とから構成されている。

ハンドル軸アッセンブリ13は、アダプタ11に設けられた孔12内において軸方向に摺動できるが、回転不能に挿通されたハンドル軸ハウジング15内にハンドル軸16を軸支したものである。円筒形状のハンドル軸ハウジング15の外周面には、軸方向に長いキー溝状の溝17が設けられており、該溝17にはアダプタ11に固定された移動制限用ピン18の先端部が係合されている。このことにより、ハンドル軸ハウジング15はアダプタ11に設けられた孔12内において、軸方向には摺動できるが回転不能に挿通されることになる。

円筒形状のハンドル軸ハウジング15の内部には、ハンドル軸16が軸受19,19により軸支されている。ハンドル軸16のウォーム軸側の端部16aには、略円筒形状の嵌脱部材20が固着されている。該嵌脱部材20の一端には、ウォーム軸３の軸端に設けられた外歯歯車21と同数の歯数を有する内歯歯車22が形成されている。すなわち、これらの外歯歯車21と内歯歯車22とは歯車継手の機能を有するように構成されている。また、嵌脱部材20の軸方向中央部には、ウォーム軸の軸端に設けられた外歯歯車21を、余裕をもって収納し得る空間23が確保されている。さらに、ウォーム軸の外歯歯車21は、嵌脱部材20の一端に形成された内歯歯車22の歯先径より小さな外径を有する頸部24を介してウォーム軸３の端部に形成されている。このような構成により、ハンドル軸アッセンブリ13を軸方向に移動させると、前記外歯歯車21と内歯歯車22とを嵌脱させることが可能となる。なお、ハンドル軸アッセンブリ13の軸方向移動量は、ハンドル軸ハウジング15の外周面に設けられた溝17とアダプタ11に固定された移動制限用ピン18によって規制されることになる。

ハンドル軸ハウジング15内に軸支されたハンドル軸16の他端、すなわち嵌脱部材20が固着された反対側の軸端16bには、手動操作を行うためのハンドル25が固着されている。ハンドル25はハンドル軸16に対して固く固定されており、ハンドル25を軸方向に押し引きすることによりハンドル軸アッセンブリ13全体を軸方向に移動させ、外歯歯車21と内歯歯車22とを嵌脱させることができる。

図３および図４は、図２におけるＡ−Ａ矢視断面図である。アダプタ11にはハンドル軸アッセンブリ13の軸方向移動を拘束するロック軸アッセンブリ14が取り付けられている。ロック軸アッセンブリ14は、ロック軸26と、該ロック軸の軸方向位置を保持するホルダー27と、該ロック軸26と該ホルダー27との間に付勢力を付与するスプリング28と、を主たる構成部材として構成されている。

ロック軸26は、アダプタ11に設けられた孔29内に摺動可能に挿入される細径部26aと、ホルダー27内に収納される大径部26bと、ロック軸26を人手により操作するための把持部26cとからなる。細径部26aの外周面には、ハンドル軸ハウジング15の外周面と略同一の曲率半径を有する切欠部31が設けられている。また、細径部26aの先端には磁石32が取付けられ、大径部26bに繋がる根元側には圧縮コイルスプリング28が装着されている。また、ハンドル軸ハウジング15の外周面には、ロック軸の細径部26aの外径と略同一の曲率半径を有する切欠溝33が軸直角方向に設けられており、該切欠溝33はハンドル軸アッセンブリ13が電動アクチュエータの本体側に押し込まれた位置でロック軸26が挿通する部位に設けられている。

ロック軸の大径部26bは、該大径部の外径より若干大きな内径を有するホルダー27の孔34内に収納されるようになっており、外周部にはホルダー27の周壁に設けられた案内溝35と係合するピン36が固着されている。また、大径部26bの外側に繋がる端部にはロック軸26を人手により操作するための把持部26cが設けられている。

ホルダー27はアダプタ11に固着され、その中央部にはロック軸の細径部26aの外径より若干大きな内径を有する孔37がアダプタへの取付け面側に設けられている。また、アダプタへの取付け面の反対側には、ロック軸の大径部26bの外径より若干大きな内径を有する孔34が設けられている。さらに、ロック軸の大径部26bが収納される孔34の周壁には周方向の９０度にわたって螺旋状の案内溝35が設けられており、該案内溝35の両端部にはロック軸に固着されたピン36の位置を保持できるように軸方向の凹み38（図２参照）が設けられている。

図３に示す状態では、ハンドル軸ハウジング15の外周面に設けられた切欠溝33にロック軸の細径部26aが挿通されており、ハンドル軸ハウジング15の軸方向移動はロックされる。すなわち、ハンドル軸アッセンブリ13が電動アクチュエータの本体８に対して押し込まれた状態で軸方向移動が拘束され、ハンドル軸の端部に固着した嵌脱部材20の内歯歯車22とウォーム軸端の外歯歯車21とが離脱した状態になる。したがって、この状態でハンドル25を手動で回転させてもハンドルの回転によりウォーム軸３が回転することはなく、安全に電動運転を行うことができる。

図４に示す状態は、図３に示す状態から、ロック軸26を把持部26c側から見て時計方向に９０度回転したものである。ロック軸26を図３に示す状態から時計方向に９０度回転させると、ホルダー27に設けた螺旋状の案内溝35に係合するピン36によってロック軸全体が外側（図中の左側）に移動する。その結果、ロック軸の細径部26aに設けられた切欠部31はハンドル軸ハウジング15の外周面に向き合う状態になるとともに、切欠部31の中央位置がハンドル軸ハウジング15の軸芯位置上に一致するように構成されている。この状態においてはハンドル軸ハウジング15の切欠溝33内にロック軸26は存在しないことになる。したがって、ハンドル軸ハウジング15の軸方向移動はロック軸26によって拘束されることはなく、ハンドル25を電動アクチュエータの本体８から引き出す方向に力を加えることにより、ハンドル軸アッセンブリ13全体を外側に移動させるが可能となる。ハンドル軸アッセンブリ13全体が電動アクチュエータの本体８から外側に移動させられると、ハンドル軸端に固着された嵌脱部材20の内歯歯車22とウォーム軸端の外歯歯車21とが噛合い状態となり、ハンドル25の回転によりバルブを手動操作することが可能となる。

図５は、図４におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。アダプタ11にはロック軸26の軸方向位置を検出する位置センサ40が設けられている。位置センサとしては、市販されている汎用の磁気センサ40を使用することができる。ロック軸の細径部26aの先端に取付けられた永久磁石32からの磁力線の強さは、磁気センサ40と永久磁石32との距離に依存する。したがって、図３に示すロック軸26の位置と図４または図５に示すロック軸26の位置は、磁気センサ40により容易に検出識別することができる。図示は省略したが磁気センサ40からの検出信号を制御回路へ送る信号線が備えられている。このことにより、磁気センサ40からの信号を制御回路で受け、図３の状態でなければ電動アクチュエータのモータ２の電源が通電できないようにしてインターロック機能を実現することができる。

以上説明をした実施例によれば、手動操作部７が駆動軸３と離脱した位置ある電動運転時においては、ロック軸26による拘束を解除しなければハンドル軸ハウジング15を軸方向に移動させることはできず、電動運転時に手動操作部７が駆動軸３と嵌合する方向に移動する危険性がない。すなわち、電動運転から手動操作に切り換えるためには、必ずロック軸による拘束を解除するという冗長動作が必要になる。したがって、高い信頼性と安全性を備える電動アクチュエータを実現することができる。また、コンパクトな外観形状とすることで製造コストを低減できる。さらに、位置センサ40によりロック軸26の軸方向位置を検出し、モータ２の制御回路に対するインターロック信号として利用できる。したがって、安全性の高いバルブ操作を実現することができる。

図６は、本発明に係る電動アクチュエータの第２実施例を示すものであり、手動操作部の断面図である。本実施例は手動操作部７に減速機41を組み込んだ点において、上述した実施例と異なる。その他の構成においては上述した実施例と同じであり、重複する構成の説明は省略する。ハンドル軸16の端部には、ハンドル25の回転を減速してハンドル軸16を駆動する減速機41が組み込まれている。本実施例に示す減速機41は遊星歯車式の減速機である。ハンドル25を回転させると入力軸42の先端部に形成されたサンギア43が回転する。リングギア44は減速機ハウジング45内に形成されている。サンギア43とリングギア44との間には複数のプラネットギア46が噛み合っており、該プラネットギア46を軸支するキャリア47がハンドル軸16に固着されている。したがって、ハンドル25を回転させると、ハンドルの回転は減速されてハンドル軸16に伝達されることになる。なお、減速比は減速機の歯数比によって決定されることから、減速比はハンドルを人力によって回転させるのに適したトルクになるよう選定される。

本実施例によれば、手動ハンドルの操作トルクを人力操作に最適な大きさに調整することができる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施をすることができる。例えば、電動アクチュエータの減速歯車列には、ウォーム歯車を採用することなく、平行軸歯車や傘歯車あるいは遊星歯車等を用いることもできる。また、手動操作部に組み込む減速機についても、遊星歯車式の減速機に換えて他の形式の減速機を用いることもできる。

本発明に係る電動アクチュエータの実施例を示す一部断面図である。 本発明に係る電動アクチュエータの手動操作部を示す断面図である。 図２におけるＡ−Ａ矢視断面図である。 図２におけるＡ−Ａ矢視断面図である。 図４におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明に係る電動アクチュエータの第２実施例を示す断面図である。

１ 電動アクチュエータ
２ モータ
３ 減速歯車列（ウォーム軸、駆動軸）
４ 減速歯車列（ウォームホイール）
６ 電動駆動部
７ 手動操作部
８ 本体
15 ハンドル軸ハウジング
26 ロック軸
31 切欠部
33 切欠溝
40 位置センサ（磁気センサ）
41 減速機

Claims (4)

1. モータの回転を減速歯車列により減速してバルブを駆動する電動駆動部と、前記減速歯車列の駆動軸に嵌脱自在に結合してバルブを駆動する手動操作部とを備える電動アクチュエータであって、
   前記手動操作部はハンドル軸ハウジングが前記駆動軸の軸方向に移動することにより前記駆動軸と嵌脱し、脱位置において前記ハンドル軸ハウジングがロック軸により係止され、
   前記ハンドル軸ハウジングの外周面に軸直角方向の切欠溝を設け、該切欠溝に前記ロック軸を挿通し、
   前記ロック軸に切欠部を設け、該切欠部位置を前記ハンドル軸ハウジングの軸芯位置と一致させることにより前記ハンドル軸ハウジングが軸方向に移動可能となることを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 前記手動操作部は電動アクチュエータの本体に対して引き出された位置で前記駆動軸と嵌合し、押し込まれた位置で離脱することを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 前記ロック軸の軸方向位置を検出する位置センサを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の電動アクチュエータ。
4. 前記手動操作部に減速機を組み込んだことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。 』

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