JP4939353B2 - 電動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は減速装置および電動アクチュエータに係り、特に、トロコイド歯車を用いて減速しバルブの開閉動作を行うための減速装置および電動アクチュエータに関する。

従来から、回転バルブなどを電動により回転制御する電動アクチュエータが多く用いられており、この電動アクチュエータは、電動モータを回転駆動させて歯車減速装置を介してバルブの開閉軸を回転動作させることにより、バルブの開閉動作を行うようになっている。

この場合に、ボールバルブにおいては、弁体を全閉状態あるいは全開状態で保持する用途に限られることから、弁体を中間開度位置に保持する、いわゆるセルフロック性は不要である。そのため、ボールバルブにおける歯車減速装置は、弁を速く開閉する点を重視し、電動モータの駆動力を高い効率で伝達するため、セルフロック性の低い平ギアの組合せで構成するようになっている。

一方、バタフライバルブにおいては、弁体を中間開度に保持する制御が必要であり、バタフライバルブの弁体に流体から圧力が加わるので、この流体からの圧力により弁体の位置が変動しないセルフロックが必要である。そのため、バタフライバルブにおいては、歯車減速装置として、セルフロック性を備えたウォームギアが用いられている。

そして、従来から、大減速比が可能であり、噛み合い率が高くショックロードに強いことから、トロコイド歯車を用いた減速装置が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

この減速装置においては、バタフライバルブのようにセルフロック性が要求される場合には、軸受にすべり軸受などの抵抗の大きい軸受を用い、セルフロック性を確保する。また、ボールバルブのようにセルフロック性が不要で回転効率を重視する場合には、軸受としてニードルベアリングなどのころがり軸受を用い、意図的に回転軸の摩擦係数を変えることにより減速装置の効率を変え、異なる用途に対応するようにしている。

特開２００３−２８７１５５号公報

しかしながら、セルフロック性を確保できるウォームギアでは、ギアが摺動により摩耗しやすいことから、耐久性が劣るという問題を有している。一方、前記特許文献１に記載の減速装置においては、摺動する部分が少ないことから、高い耐久性を有するものの、すべり軸受によりセルフロック性を持たせるようにしているので、初期の組み付け状態では、軸受と軸とがなじんでおらず、摩擦係数が高い状態となっている。そのため、意図した出力トルクを得ることが困難であり、使用前に十分ななじみ運転をし、軸受の摩擦係数を低減させて安定した状態にする必要があり、コストアップを招いてしまうという問題を有している。

また、減速装置を使用するにつれて、軸受の摩擦係数が低減してしまうため、駆動効率が上昇してしまい、初期の目的であるセルフロック性が失われてしまうおそれがあるという問題を有している。

本発明は前記した点に鑑みてなされたものであり、なじみ運転などが不要で、確実にセルフロック性を確保することのできる減速装置および電動アクチュエータを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、通電により回転動作される電動モータと、
前記電動モータの回転力を伝達する歯車伝達機構と、
前記歯車伝達機構により回転される入力軸と、前記入力軸により偏心して回転駆動され外周に外歯が形成されたトロコイド歯車と、前記トロコイド歯車の外歯が内接して噛合される内歯歯車と、前記トロコイド歯車に係合される出力ピンと、前記出力ピンに連結されバルブの弁体に連結される出力軸とを備えた減速装置と、
を備え、
前記トロコイド歯車の外歯の前記内歯歯車の内歯に対する圧力角を、４５°以上、７０°以下に設定するとともに、前記トロコイド歯車の正転時の圧力角αと逆転時の圧力角βとがα＜βの関係となるように構成し、前記減速装置または前記歯車伝達機構の機構部にバックラッシュを設けたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、トロコイド歯車の外歯の内歯に対する圧力角を４５°以上、７０°以下に設定するとともに、トロコイド歯車の正転時の圧力角αと逆転時の圧力角βとがα＜βの関係となるように構成しているので、逆転時における圧力角を増大させることにより、出力軸の位置保持力を高めることができ、セルフロック性を十分に確保することができる。また、従来のように、軸受を抵抗としてセルフロック性を確保するものではないので、なじみ運転が不要となり、コストの低減を図ることができる。また、減速装置や歯車伝達機構の機構部にバックラッシュを設け、一定の伝達ロスを生じさせるようにしているので、電動モータへの負荷が伝達ロスだけの状態で回転できることとなり、電動モータの起動トルクを低く設定しても、セルフロック性を確保した減速装置の回転を開始させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る減速装置を電動アクチュエータに適用した場合の実施形態を示したものであり、図１に示すように、本発明に係る電動アクチュエータ１は、図示しない回転バルブに装着される基台２を備えており、この基台２の一側下面には、下方に膨出する円筒状のギアケース部３が形成されている。この基台２の上方には、所定の空間が確保されるように基台２の上面を被覆するカバー部材４が着脱自在に装着されている。

基台２の上方には、地板５が基台２との間に所定間隙を有するように設置されており、地板５の上面には、電動モータ６がその駆動軸７が地板５の下面側に貫通するように搭載されている。電動モータ６の駆動軸７には、駆動ギア８が設けられており、この駆動ギア８には、２つの２段歯車９，９を介して減速装置１０の入力ギア１１が噛合されている。

減速装置１０は、基台２の下面に形成されたギアケース部３の内部に収容されており、ギアケース部３の内周面には、多数のピン１２，１２…がその半円部分が内周面に露出するようにそれぞれ埋設されている。これら各ピン１２によりギアケース部３の内側に内歯を形成するようになっている。

ギアケース部３の内側には、各ピン１２の上部を保持するとともに内周面に軸受１３が固着された軸支持板１４が設けられており、ギアケース部３の内側であって軸支持板１４の下側には、環状のピン支持板１５が配設されている。このピン支持板１５の中心部には、軸受１６により支持された出力軸１７が同軸状に固着されており、ピン支持板１５の上面には、複数の出力ピン１８，１８…が周方向に等間隔で立設されている。

さらに、図２に示すように、ギアケース部３の内部であって軸支持板１４とピン支持板１５との間には、トロコイド歯車１９が配設されており、トロコイド歯車１９の外周面には、ピン１２に噛合されピン１２の数より１つ歯数が少なく形成された外歯２０が形成されている。また、トロコイド歯車１９には、出力ピン１８を受け入れる係合孔２１がそれぞれ穿設されている。

トロコイド歯車１９の中心部には、軸受孔２２が穿設されており、この軸受孔２２には、入力偏心軸２３が、例えば、ニードルローラベアリングなどの転がり軸受としての軸受２４を介して軸支されている。入力偏心軸２３は、入力側が出力軸１７と同軸状に形成されるとともに、軸受孔２２に軸支される下端部分が入力側に対して偏心するように形成されており、入力偏心軸２３の外周部分は、軸支持板１４に固着された軸受１３により回転自在に支持されている。さらに、入力偏心軸２３の外周には、２段歯車９に噛合される入力ギア１１が一体に形成されている。

ここで、圧力角とは、カム機構においてカムと従節との共通法線方向が従節の運動方向に対してなす角をいう。図３はトロコイド歯車１９を用いた本実施形態における減速装置の圧力角を示したものであり、図３において、カム（原節）はトロコイド歯車１９、従節は内歯歯車を構成するピン１２である。また、原節と従節との共通法線方向Ｓ、従節の運動方向をｔとし、Ｓとｔによりなす角を圧力角αとしている。

圧力角αは、減速装置の駆動力をＦとすると、回転方向の分力であるｆ＝Ｆｃｏｓαを決める値である。したがって、駆動力の伝達効率の高さを重視する場合には、回転方向の分力を大きく確保するため、圧力角を小さく設定する。

ここで、駆動力の伝達効率とは、減速装置が回転駆動する際の入力トルクに対する出力トルクの比であり、駆動効率ともいう。例えば、トロコイド歯車を用いた減速装置を有する公知のバルブ駆動アクチュエータでは、駆動力の伝達効率を約６０％とすると、圧力角は４５°未満に設定するのが一般的である。

「セルフロック性の確保」と「駆動力の伝達効率の向上」とは、本来、相反するものである。これに対して、本実施形態においては、電動モータの駆動に必要な最低限の効率は維持しつつ、セルフロック性を確保することができるバランス領域を新規に見いだしたものである。圧力角の数値は、図４に示すように、減速装置の駆動に伴って刻々と変化する値である。なお、図４においては、圧力角５３°の場合の例を示している。

これらのことから、本実施形態においては、駆動力の伝達が隣接する歯に移る状態、すなわち、駆動力の伝達効率が最も高い状態における圧力角を基準に減速装置を構成したものである。具体的には、トロコイド歯車１９の外歯２０のピン１２に対する圧力角は、本実施形態においては、４５°〜７０°の範囲で設定されるように構成されている。

すなわち、高効率であることを重視するならば、圧力角はなるべく小さい方がよいと考えられるが、本実施形態においては、セルフロック性を得るため、通常あえて使用しない高い圧力角に設定するようにしたものである。なお、図４においては、圧力角５３°の場合の例を示している。また、図４において、圧力角（α２）とは、圧力角（α）を有する歯に隣接する歯の圧力角を示している。

圧力角を７０°以下としたのは、圧力角を７０°を超えて設定すると、歯車の製造誤差や弾性変形などにより実際には圧力角が変化（上昇）してしまうおそれがあり、摩擦係数との関係により、電動モータ６側からの通常の動力伝達経路においても、減速効率が大幅に低下して動作不能になると考えられ好ましくないためである。

また、圧力角の設定範囲はバルブのサイズによっても変更する必要がある。これはバルブの流路径に比例して弁体に働くアンバランストルクが増加するためである。アンバランストルクとは、流体のエネルギーが、回転軸を中心として弁体の左右いずれかに偏って加わることにより発生する弁トルクのことをいう。このアンバランストルクは流路径が大きい方が大きくなることから、例えば、流路径が約１００ｍｍの寸法のバタフライバルブでは、圧力角が４８°〜７０°、流路径が約２００ｍｍの寸法のバタフライバルブでは、圧力角が５８°〜７０°、流路径が約３００ｍｍの寸法のバタフライバルブでは、圧力角が６５°〜７０°に設定するのが適当である。

また、出力軸１７の上端部には、上方に延在する制御軸２５が連結されており、制御軸２５の外周下方には、出力軸１７および制御軸２５の回転動作によりバルブの全開位置および全閉位置に対応する全開検知カム部材２６，２６および全閉検知カム部材２７，２７がそれぞれ２つずつ取付けられている。また、地板５の上面であって制御軸２５の近傍には、全開検知カム部材２６および全閉検知カム部材２７によりＯＮ・ＯＦＦ動作されるマイクロスイッチからなる全開位置検出スイッチ２８，２８および全閉位置検出スイッチ２９，２９がそれぞれ重ねて配置されている。

制御軸２５の上端部には、バルブの開度インジケータ（図示せず）が取付けられており、カバー部材４には、開度インジケータを視認するための視認窓３０が形成されている。

また、電動モータ６の近傍には、所定の駆動回路が組み込まれた図示しない回路基板が取付けられて６おり、この駆動回路基板には、図示しないバルブの開閉制御システムからの電力が供給されるように構成されている。

また、基台２の側面には、手動軸３１が基台２の側面を貫通して配設されており、この手動軸３１の基台２の内側端部には、入力ギア１１に噛合される例えば、ヘリカルギアなどの図示しないギアが図示しないクラッチ機構を介して取付けられている。手動軸３１の基台２の外側端部には、手動ハンドル３２が取付けられている。そして、手動ハンドル３２を回転操作することにより、手動軸３１を回転させて入力偏心軸２３を手動で回転させることができるように構成されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。

電動モータ６に通電すると、駆動軸７が回転駆動され、２段歯車９，９を介して減速装置１０の入力ギア１１が回転駆動される。入力ギア１１の回転に伴って入力偏心軸２３が回転されると、トロコイド歯車１９がピン１２に噛合しながら公転され、それに伴って出力ピン１８を介して出力軸１７が回転駆動される。

そして、この出力軸１７の回転駆動により、出力軸１７に連結された弁体が回転され、バルブの開閉動作が行われる。

ここで、圧力角は、減速装置１０の逆転時に実質的に上昇する点について説明する。
図５の実線は、減速装置１０の正転時、すなわち、電動モータ６からの駆動力が伝達される状態を示している。図中Ｇは、トロコイド歯車１９とトロコイド歯車１９に噛合する内歯歯車としてのピン１２との接触点である。この状態における原節はトロコイド歯車１９であり、従節はピン１２である。したがって、従節の運動方向は、内歯の中心Ｐを基点とする円弧の接線方向ｔ１であり、正転時における圧力角αは、原節と従節との共通法線方向Ｓ１とｔ１とにより定まる角度となる。

これに対して、図５の破線は、減速装置１０の逆転時、すなわち、出力軸からの駆動力が伝達される状態を示している。この状態における原節はピン１２であり、従節はトロコイド歯車１９である。したがって、従節の運動方向は、内歯の中心Ｐから偏心量ｅだけ偏心したトロコイド歯車１９の中心Ｑを基点とする円弧の接線方向ｔ２であり、逆転時における圧力角βは、原節と従節との共通法線方向Ｓ２とｔ２とにより定まる角度となる。

この逆転時における従節の運動方向ｔ２は、図５に示すように、正転時における従節の運動方向ｔ１に比べてピン１２側にやや寄った方向を呈している。これにより、正転時の圧力角αと逆転時の圧力角βとは、α＜βの関係となり、逆転時には圧力角が増すことになる。

本実施形態においては、正転時における圧力角αが４５°〜７０°の範囲となるようにトロコイド歯車１９の外歯の形状を設定することで、セルフロック性を重視しながらも、電動モータ６からの駆動力の伝達効率の低下が最小限となる構造としている。そして、逆転時においては、圧力角βが、減速装置１０におけるトロコイド歯車１９の中心Ｑが内歯の中心Ｐに対して偏心していることに起因して、圧力角α（４５°〜７０°）よりも実質的に上昇した値となることから、本実施形態における減速装置１０は、正転時の駆動力の伝達効率の低下を最小限としつつ、逆転時のセルフロック性を確保する構造として、最適な構造となっている。

次に、本実施形態における減速装置１０を備えた電動アクチュエータ１について説明する。一般には、図６に示す一般的な誘導モータの特性図において、電動モータ６は停止状態から、起動トルクＡにおいて起動して減速装置１０を駆動することになる。

しかし、本実施形態におけるセルフロック性を確保した減速装置１０を駆動する場合には、減速装置１０の駆動効率が低いことから、出力の大きい電動モータ６を用いなければならない。すなわち、減速装置１０におけるバックラッシュが０であれば、起動トルク×起動効率×減速比との負荷の大小関係による動き出すか否かが決まる。そのため、バックラッシュがない場合には、例えば、図６において大きな起動トルクＣを持つ電動モータ６が必要となってしまう。

そこで、本実施形態においては、減速装置１０自体にバックラッシュを設けるように構成されている。そして、このバックラッシュにより、電動アクチュエータ１の起動時に電動モータ６をバックラッシュ分だけ空転させて回転数を上昇させ、駆動力が大きい状態とした後に、減速装置１０の回転を開始することが可能となる。そのため、電動モータ６の起動トルクを低く設定しても、減速装置１０の回転を開始することが可能となり、電動モータ６の最大トルクを超えた領域Ｂを用いた回転数で減速装置１０を回転させることが可能となる。

その結果、出力の大きい電動モータ６を用いることなく、セルフロック性を確保した減速装置１０を駆動可能な電動アクチュエータ１とすることができる。

減速装置１０におけるバックラッシュは、入力ギア１１と入力偏心軸２３との間、トロコイド歯車１９とピン１２との間、出力ピン１８と係合孔２１との間に設けることができる。

なお、電動モータ６と減速装置１０との間に設けた各２段歯車９などからなる歯車伝達機構における噛合部にもバックラッシュを設けることにより、減速装置１０と歯車伝達機構とによりバックラッシュを確保するようにしてもよい。

次に、圧力角を４３°、５３°、６７°に設定し、電動モータ６からの通常の動力伝達経路における回転動作中の効率を測定した結果を表１および図７に示す。

この結果によれば、圧力角が４３°の場合と、６７°の場合とを比較した場合、回転動作中においては、効率は７％程度の差しかないことがわかる。

また、表２および図８は、圧力角が異なる場合における出力軸１７からの逆転起動効率を測定した結果を示している。ここで、逆転起動効率とは、静止状態のギアに出力軸１７側からトルクをかけ、動き出す時の効率をいう。すなわち、弁体が中間開度で停止して流体制御を行っている状態で、アンバランストルクにより弁体の停止位置が変動するような状況に相当するものである。

この結果によれば、圧力角が４３°と６７°とでは逆転起動効率の差が３５％にもなることがわかる。なお、圧力角が４３°の場合を基準として圧力角のコサインの比率から計算した結果と比較するとわかるように、この実験結果は、圧力角のコサインにほぼ一致する。

以上のことから、入力側または出力側のいずれにおいても、起動効率は圧力角により大きく変化するが、回転動作中における効率は圧力角にかかわらずほとんど変化しない。また、入力側からの起動効率の低下に対しては、前述のようにバックラッシュをもたせることにより、起動効率の悪さをカバーすることができ、起動効率を保持しつつ、セルフロック性を確保することができるものとなる。

したがって、本実施形態においては、トロコイド歯車１９の外歯２０のピン１２に対する圧力角を４５°〜７０°と大きく形成しているので、出力軸１７の位置保持力を高めることができ、セルフロック性を十分に確保することができる。また、従来のように、軸受を抵抗としてセルフロック性を確保するものではないので、なじみ運転が不要となり、低コストでの実現が可能となる。

なお、前記実施形態においては、本発明に係る減速装置１０を電動アクチュエータに適用した場合について説明したが、セルフロック性が必要な装置であれば、いずれの装置に適用してもよい。
また、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能である。

本発明に係る減速装置を適用した電動アクチュエータの実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係る減速装置を適用した電動アクチュエータの実施形態を示す図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る減速装置においてトロコイド歯車とピンとの圧力角を示す説明図である。 本発明に係る電動アクチュエータの電動モータの一般的な特性を示すグラフである。 本発明に係る減速装置においてトロコイド歯車とピンおよび出力ピンとの関係における運動方向に違いを示す説明図である。 本発明に係る電動アクチュエータの電動モータのトルク曲線を示すグラフである。 本発明に係る電動アクチュエータの電動モータによる効率を示すグラフである。 本発明に係る電動アクチュエータにおける逆転起動効率を示すグラフである。

符号の説明

１ 電動アクチュエータ
２ 基台
３ ギアケース部
６ 電動モータ
９ ２段歯車
１０ 減速装置
１１ 入力ギア
１２ ピン
１４ 軸支持板
１５ ピン支持板
１７ 出力軸
１８ 出力ピン
１９ トロコイド歯車
２０ 外歯
２３ 入力偏心軸

Claims (1)

1. 通電により回転動作される電動モータと、
   前記電動モータの回転力を伝達する歯車伝達機構と、
   前記歯車伝達機構により回転される入力軸と、前記入力軸により偏心して回転駆動され外周に外歯が形成されたトロコイド歯車と、前記トロコイド歯車の外歯が内接して噛合される内歯歯車と、前記トロコイド歯車に係合される出力ピンと、前記出力ピンに連結されバルブの弁体に連結される出力軸とを備えた減速装置と、
   を備え、
   前記トロコイド歯車の外歯の前記内歯歯車の内歯に対する圧力角を、４５°以上、７０°以下に設定するとともに、前記トロコイド歯車の正転時の圧力角αと逆転時の圧力角βとがα＜βの関係となるように構成し、前記減速装置または前記歯車伝達機構の機構部にバックラッシュを設けたことを特徴とする電動アクチュエータ。

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