JP5097036B2 - 空気圧式アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は空気圧式アクチュエータに係り、特に、ピストンの動作を空気圧とばね反力とで行うスプリングリターン型の空気圧式アクチュエータに関する。

一般に、ハウジングの内部にピストンを設け、このピストンを空気圧で往復動作させ、この往復直線運動を回転運動に変換して出力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空気圧式アクチュエータが多く用いられている。このような空気圧式アクチュエータにおいては、ピストンの一方向への動作を空気圧で行うとともに、ピストンの他方向への動作をばね反力により行うスプリングリターン型の空気圧式アクチュエータがある。

このような空気圧式アクチュエータにおいては、ばねの付勢力によりピストンを動作させる際に、ばねが収容されたばね室内部圧力が増減することから、従来から、このばね室と外部とを連通させてばね室の内部圧力を調整するための吸排気孔が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、このような空気圧式アクチュエータを屋外に設置した場合や、散水設備の周囲に設置した場合に、空気式アクチュエータに水がかかってしまうことがある。このような場合に、吸排気孔から水が浸入してしまい、ばね室の内部が浸水してしまうという問題を有している。このようにばね室の内部が浸水すると、内部のばねが錆びてしまったり、潤滑用のグリスが劣化したり、さらには冬季などにおいて、水の凍結を招き、空気圧式アクチュエータの動作不良を招くといった不都合が生じていた。

そのため、従来から、吸排気孔にチューブを接続し、液体が流入しない位置に吸排気部分を離すようにした技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、通気流路を曲折し、内部に異物が侵入しないようにした技術も開示されている（例えば、特許文献３参照。）。

再公表特許２００３−１０６８４６号公報 特開２００６−０７７９３６号公報 実用新案登録第２５４６３５３号公報

しかしながら、前記特許文献２に記載の発明においては、チューブの設置スペースが必要であるため設置が困難であり、チューブの内部に水が侵入した場合には、本体の内部への浸水を確実に防止することはできないという問題を有している。また、特許文献３に記載の発明においては、曲折した流路により、通気が妨げられるおそれがあり、しかも、流路の設置構造が複雑となり、製造が困難となってしまう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、簡単でかつコンパクトな構造で、確実に浸水を防止することのできる空気圧式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、ハウジングの内部に往復動自在に収容されたピストンと、このピストンの一側に形成され空気が供給される空気室と、前記ピストンの他側に形成され前記ピストンを前記空気室側に付勢するばねが収容されたばね室と、前記ばね室に形成された外部と連通する吸排気孔とを備えた空気圧式アクチュエータにおいて、
前記吸排気孔に取付けられる水浸入防止部材を備え、
前記水浸入防止部材は、前記吸排気孔に取付けられる取付部と、この取付部より大径に形成された大径部とを備えていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記水浸入防止部材の前記大径部を介して前記吸排気孔に吸気される吸気速度は、６ｍ／ｓｅｃ以下であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２において、前記水浸入防止部材の前記大径部の内径Ｄと前記大径部の長さＬとは、
Ｄ≦Ｌ≦２Ｄ
の関係を満たすことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項または請求項２において、前記水浸入防止部材は、前記大径部の先端縁に前記大径部の外側が内側より突出したテーパ面が形成されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項において、前記水浸入防止部材は、大径部の先端部を斜めにしてなる傾斜部が形成されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項において、前記水浸入防止部材は、前記吸排気孔に取付けられたエルボ部材を介して取付けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、取付部と取付部より大径に形成された大径部とからなる水浸入防止部材を吸排気口に取付け、水浸入防止部材の大径部により、ピストンが往復動作する際に生じる吸引エアの吸引速度を低減させることにより、ばね室への水の浸入を確実に防止することができ、しかも、構造が簡単であり、製造も容易となる。

請求項２に係る発明によれば、水浸入防止部材の大径部を介して吸排気孔に吸気される吸気速度を、６ｍ／ｓｅｃ以下としているので、ばね室への水の浸入を確実に防止することができる。

請求項３に係る発明によれば、水浸入防止部材の大径部の内径Ｄと大径部の長さＬが、Ｄ≦Ｌ≦２Ｄの関係を満たすようにしているので、吸排気孔に吸気される吸気速度を低減させることができるとともに、地面などからはね返った水が水浸入防止部材から浸入することを防止することができ、ばね室への水の浸入を確実に防止することができる。

請求項３に係る発明によれば、水浸入防止部材の大径部の先端縁に、大径部の外側が内側より突出したテーパ面を形成するようにしているので、水浸入防止部材の外面および内面に付着した水が水浸入防止部材の先端部外側に集まり、落下しやすくなり、ばね室への水の浸入をより確実に防止することができる。

請求項４に係る発明によれば、水浸入防止部材に大径部の先端部を斜めにしてなる傾斜部を形成するようにしているので、水浸入防止部材の外面および内面に付着した水が傾斜部の先端部に集まり、落下しやすくなり、ばね室への水の浸入をより確実に防止することができる。

請求項５に係る発明によれば、水浸入防止部材を、吸排気孔に取付けられたエルボ部材を介して取付けるようにしているので、エルボ部材を回転させることにより、空気圧式アクチュエータの設置位置にかかわらず、水浸入防止部材の先端部を常に下方に向けて設置することができ、水浸入防止部材の外面および内面に付着した水を先端部に集めることにより、ばね室への水の浸入をより確実に防止することができる。

以下、本発明に係る空気圧式アクチュエータの実施形態を図面を参照して説明する。

図１および図２は本発明に係る空気圧式アクチュエータの実施形態を示したものであり、この空気圧式アクチュエータ１は、円筒状のハウジング２を備えている。ハウジング２のほぼ中央部分の側面には、ハウジング２を貫通する出力軸３が回転動作自在に取付けられており、この出力軸３には、図示しないバルブが接続されるように構成されている。

図３および図４に示すように、ハウジング２の内部には、ピストン４がハウジング２の軸方向に沿って往復動作自在に配設されており、このピストン４は、軸方向に延在するラック板５の両端部に円板状のピストン板６，６をボルト７により固着して一体に形成されている。各ピストン板６，６の間には、出力軸３が位置するように配置されており、ラック板５の一辺には、軸方向に沿ってラックギア８が形成されている。出力軸３のハウジング２の内側部分の外周には、ラックギア８に噛合されるピニオンギア９が取付けられており、ピストン４の往復動作により、ラックギア８およびピニオンギア９を介して出力軸３を回転動作させることができるように構成されている。

ハウジング２の内部一端側には、一方のピストン板６との間に空気室１０が形成されている。ハウジング２の他端側には、ばねカバー部材１１が取付けられており、ばねカバー部材１１の内部は、ばね室１２とされている。このばね室１２の内部には、他方のピストン板６に当接しピストン４をハウジング２の空気室１０側に付勢するばね１３が収容されており、ばねカバー部材１１には、外部と連通する吸排気孔１４が形成されている。

また、ハウジング２の外側面には、２つの空気供給孔１５，１５がハウジング２から突出するように形成されており、これら各空気供給孔１５の一方は、ハウジング２の壁面の内部に形成された図示しない流路を介して空気室１０に連通するように構成されている。なお、空気供給孔１５の他方は、ピストン４の他側、すなわち本実施形態においては、ばね室１２側に連通されるものであり、ピストン４の両側に空気を供給することにより、ピストン４を往復動させるものであるが、本実施形態においては、ピストン４の空気室１０方向への動作をばね１３により行う構造であるため、本実施形態においては、この他方の空気供給孔１５は、ボルトなどで閉塞しておく。

また、吸排気孔１４には、本実施形態においては、ほぼ直角に曲成されたエルボ部材１６が取付けられており、このエルボ部材１６は、吸排気孔１４の中心軸を中心として回転自在とされている。なお、吸排気孔１４は、本実施形態においては、ハウジング２から突出して形成される空気供給孔１５の形成箇所に合わせて形成されるようになっている。これにより、吸排気孔１４にエルボ部材１６を取り付けた場合でも、エルボ部材１６が邪魔にならず、空気圧式アクチュエータ１の設置を容易に行うことができるものである。

エルボ部材１６の先端部には、水浸入防止部材１７が取付けられており、水浸入防止部材１７は、本実施形態においては、図５に示すように、エルボ部材１６に取付けられる取付部１８と、この取付部１８より内径が大きく形成された大径部１９とから構成されている。水浸入防止部材１７は、エルボ部材１６を回転させることにより、水浸入防止部材１７の大径部１９の先端部が下方に位置するように設置するようになっている。なお、水浸入防止部材１７自体をエルボ形状に形成してもよいが、エルボ部材１６を用いる構造の方が、円筒状の水浸入防止部材１７を吸排気孔１４に対して回転して取付ける必要がないため、取付けスペースが小さくて済む。

水浸入防止部材１７の大径部１９は、ピストン４の動作によりばね室１２の内部に吸排気孔１４から空気が吸引された場合に、空気が吸引される際の流速を低減させるように機能するものである。空気圧式アクチュエータ１を屋外に設置した場合や、周囲に散水設備があるような場合など、水浸入防止部材１７の外面や内面に水がかかった場合に、水滴が大径部１９の先端部に集まるが、前述のように空気の吸引流速を低減させることにより、吸排気孔１４からの水の吸引を防止するものである。

水浸入防止部材１７の大径部１９の長さ寸法は、大径部１９の径にもよるが、水の吸引が発生しない程度に吸排気孔１４からの距離を確保するように設定されるものである。

ここで、水浸入防止部材１７の内径および長さ寸法について考察する。
まず、ばねカバー部材１１に形成された吸排気孔径をＤ０、スプリングケースに開けられた吸排気口の面積をＡ＝πＤ０^２／４、シリンダボア径をＤｂ、アクチェータストロークをＳ、スプリングリターン作動1ストロークで変化する内部容積をＱ＝（πＤｂ^２／４)×Ｓ、スプリングリターン作動1ストロークの作動時間をｔ、吸排気口での吸気速度をＶとすると、以下の式が成り立つ。
Ｑ＝Ｖ×Ａ×ｔ・・・（１）
この式を変形し、以下の仮想吸気速度Vを得る。
Ｖ＝Ｑ／（Ａ×ｔ）・・・（２）

この式（２）から算出した仮想吸気速度と実測した吸水量との関係を下記表１に示すとともに、図６にグラフで示す。

これら試験結果より、仮想吸気速度が６ｍ／ｓｅｃ以下であればアクチェータ内部への水の浸入は防ぐことができることが確認された。ここで、仮想吸気速度とは、空気の圧縮が起こらないと仮定して算出した速度をいう。本来、空気は圧縮性流体であるが、本発明においては、流路が短く、吸気が円滑に行われることから、この仮定を用いている。

また、図５に示すように、水浸入防止部材１７により、アクチュエータ内部に水が浸入しないように設計するためには、大径部の内径φＤと大径部の長さLを考慮する必要がある。内径φＤは仮想吸気速度を計算する際の吸排気口径となるため、仮想吸気速度が６ｍ／ｓｅｃ以下になる寸法を選定するのがよい。また、部品をコンパクトに設計するためには長さＬは短い方がよい。しかし、長さＬが短すぎると、取付部の内径φｄにより実際の吸気速度が決定されてしまい、吸気速度を低減させるための大径部を形成している目的が達成されない。

水浸入防止部材１７の長さLを変更して浸水の有無を調べた結果を下記表２に示す。この実験結果によれば、長さＬ＝５ｍｍではわずかな浸水が確認されたが、Ｌ＝１５ｍｍおよびＬ＝２５ｍｍでは浸水が確認されなかった。一方、Lが長すぎると、アクチュエータを設置する際に、配管など他の部品と干渉が起こる可能性がある。

さらに、アクチェータに水がかかる場合、地面、構造材などで水がはね返り、水滴が吸排気孔から内部に浸入する可能性があるが、大径部の長さＬをある程度の長さに設定することで、水のはね返りに対する浸入防止効果を期待することができる。

表３および図７は、はね返った水の浸入可能角度とLとの関係を調べた結果を示したものであり、図８ははね返った水の浸入可能角度を示したものである。

この実験結果によれば、水浸入防止部材１７を装着しない場合には、図８中一点鎖線で示すように、水の浸入可能角度θ’は６３°であるのにに対して、長さＬ＝５ｍｍおよび１５ｍｍでは、図８中破線で示すように、浸入可能角度θは２６°まで狭まっている。そして、長さＬが１０ｍｍ伸びる毎に約３〜４°ずつ浸入可能角度が縮小し、長さＬ＝２５ｍｍでは、浸入可能角度は２２°となる。なお、Ｌ＝５ｍｍおよび１５ｍｍが同じ角度になるのは、φＤではなくφｄにより角度が決まるためであり、水浸入防止部材１７の長さＬを１５ｍｍ以上に延長しても、浸入可能角度を縮小する効果は小さい。

以上のことから、水浸入防止部材１７の寸法は、φＤ≒Ｌとなる寸法設定がよく、施工性およびその効果を考慮するとφＤの２倍を超えるＬの長さは不要である。そのため、ＤとＬとの関係は、Ｄ≦Ｌ≦２Ｄであればよいことになる。

ここで、表４は、水浸入防止部材１７の取付部１８の内径φｄに対して、仮想吸気速度が６ｍ／ｓ以下となる最小の大径部１９の内径φＤを算出した結果を示したものである。

この算出結果によれば、アクチュエータの出力トルクが大きくなるにつれて水浸入防止部材１７の取付部１８の内径φｄも大きく形成され、大径部１９の内径φＤも取付部１８の内径φｄに対応して大きく形成される。そのため、対象となるアクチュエータの出力トルクが１０〜４２００の範囲においては、取付部１８の内径φｄに対して大径部１９の内径φＤは、約２〜３倍に設定するのが好ましいことがわかる。

そして、このようにアクチュエータの出力トルクに応じて取付部１８の内径φｄが決まれば、大径部１９の内径φＤを仮想吸気速度が６ｍ／ｓ以下となるように設定することができ、これにより、水浸入防止部材１７の長さＬも決定することができ、水の浸入のない適正な水浸入防止部材１７を得ることが可能となる。

また、水浸入防止部材１７は、図９に示すように、大径部１９の先端縁に大径部１９の外側が内側より突出したテーパ面２０を形成するようにしてもよい。さらに、図１０に示すように、水浸入防止部材１７は、大径部１９の先端部を斜めにしてなる傾斜面２１を形成するようにしてもよい。

次に、本実施形態の作用について説明する。
まず、空気圧式アクチュエータ１をバルブに装着した状態で、通常状態では、ばね１３の付勢力により、ピストン４は、ハウジング２の内部において空気室１０側に位置している。

この状態で、空気供給孔１５を介して空気室１０に空気を供給することにより、ばね１３の付勢力に抗してピストン４がばね室１２側に移動され、これに伴って、ラックギア８およびピニオンギア９を介して出力軸３が回転され、バルブの動作が行われる。

そして、空気室１０から空気供給孔１５を介して空気を抜くことにより、ばね１３の付勢力により、ピストン４は空気室１０側に移動され、出力軸３が逆方向に回転されてバルブの動作が行われる。

このとき、ばね１３によりピストン４が空気室１０側に移動されると、ばね室１２の圧力が低下するため、吸排気孔１４から外部空気がばね室１２の内部に流入される。本実施形態においては、水浸入防止部材１７の大径部１９により、空気が吸引される際の流速を低減させるようにしているので、水浸入防止部材１７の外面や内面に水がかかった場合に、吸排気孔１４からの水の吸引を確実に防止することができるものである。

次に、空気圧式アクチュエータ１に対して散水を行いながら、ピストン４の往復動作を繰り返して行い、ばね室１２に浸入する水量を測定した結果を下記表５に示す。なお、散水量は、１７５０ｍｌ／ｍｉｎ、ピストン４の動作回数は１０００回とした。

試料１は、長さ寸法が５ｍｍで端面形状が平面の水浸入防止部材１７、試料２は、長さ寸法が１５ｍｍで端面形状が平面の水浸入防止部材１７（図５参照）、試料３は、長さ寸法が１５ｍｍで端面形状がテーパ面２０とされた水浸入防止部材１７（図９参照）、試料４は、長さ寸法が１５ｍｍで端面形状が傾斜面とされた水浸入防止部材１７（図１０参照）である。また、比較例１は、エルボ部材１６に長さ寸法が２００ｍｍ、内径が６ｍｍの樹脂チューブを取り付けたもの、比較例２は、エルボ部材１６に長さ寸法が２５０ｍｍ、内径が６．５ｍｍの樹脂チューブを取り付けたものである。なお、いずれの供試品においてはも、取付部１８の内径φｄは６ｍｍである。

この実験結果によれば、試料１では、ばね１３に水滴が付着する程度の浸水が確認されたが、試料２から試料４では、いずれも浸水は確認されなかった。一方、比較例１では、内径の小さい樹脂チューブであるにもかかわらず約１７ｍｌの浸水が確認された。また、比較例２では、浸水は確認されなかった。ただし、比較例１および比較例２では、樹脂チューブの先端部の向きによっては、水が浸入しやすく、また、長さ寸法が水浸入防止部材１７と比べて著しく長いことから、取り回しが不便であった。

以上のことから、水浸入防止部材１７に大径部１９を設けてピストン４が往復動作する際に生じる吸引エアの流量を低減させることにより、ばね室１２への水の浸入を確実に防止することができることがわかる。

したがって、本実施形態においては、吸排気孔１４にエルボ部材１６を介して水浸入防止部材１７を取付けることにより、確実にばね室１２への水の浸入を防止することができ、しかも、構造が簡単であり、製造も容易となる。

なお、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。例えば、本実施形態においては、吸排気孔１４の設置位置を空気供給孔１５に設置箇所に合わせているが、吸排気孔１４が空気圧式アクチュエータ１の設置によって下方に位置しない場合があるので、ばねカバー部材１１の下面にばね室１２に浸入した水を排出する排水孔を形成するようにしてもよい。

本発明に係る空気圧式アクチュエータの実施形態を示す正面図である。 本発明に係る空気圧式アクチュエータの側面図である。 本発明に係る空気圧式アクチュエータの空気室に空気を供給していない状態における縦断面図である。 本発明に係る空気圧式アクチュエータの空気室に空気を供給した状態における縦断面図である。 本発明に係る空気圧式アクチュエータの水浸入防止部材を示す断面図である。 本発明に係る空気圧式アクチュエータにおける仮想吸気速度と吸水量との関係を示すグラフである。 本発明に係る空気圧式アクチュエータにおけるはね返った水の浸入可能角度と長さとの関係を示すグラフである。 本発明に係る空気圧式アクチュエータにおける水の跳ね返りによる浸水可能角度を示す説明図である。 本発明に係る空気圧式アクチュエータの水浸入防止部材のテーパ面を形成した変形例を示す断面図である。 本発明に係る空気圧式アクチュエータの水浸入防止部材の傾斜面を形成した変形例を示す断面図である。

符号の説明

１ 空気圧式アクチュエータ
２ ハウジング
３ 出力軸
４ ピストン
５ ラック板
６ ピストン板
８ ラックギア
９ ピニオンギア
１０ 空気室
１１ ばねカバー部材
１２ ばね室
１３ ばね
１４ 吸排気孔
１５ 空気供給孔
１６ エルボ部材
１７ 水浸入防止部材
１８ 取付部
１９ 大径部
２０ テーパ面
２１ 傾斜面

Claims (6)

1. ハウジングの内部に往復動自在に収容されたピストンと、このピストンの一側に形成され空気が供給される空気室と、前記ピストンの他側に形成され前記ピストンを前記空気室側に付勢するばねが収容されたばね室と、前記ばね室に形成された外部と連通する吸排気孔とを備えた空気圧式アクチュエータにおいて、
   前記吸排気孔に取付けられる水浸入防止部材を備え、
   前記水浸入防止部材は、前記吸排気孔に取付けられる取付部と、この取付部より大径に形成された大径部とを備えていることを特徴とする空気圧式アクチュエータ。
2. 前記水浸入防止部材の前記大径部を介して前記吸排気孔に吸気される吸気速度は、６ｍ／ｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１に記載の空気圧式アクチュエータ。
3. 前記水浸入防止部材の前記大径部の内径Ｄと前記大径部の長さＬとは、
   Ｄ≦Ｌ≦２Ｄ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気圧式アクチュエータ。
4. 前記水浸入防止部材は、前記大径部の先端縁に前記大径部の外側が内側より突出したテーパ面が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の空気圧式アクチュエータ。
5. 前記水浸入防止部材は、大径部の先端部を斜めにしてなる傾斜部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空気圧式アクチュエータ。
6. 前記水浸入防止部材は、前記吸排気孔に取付けられたエルボ部材を介して取付けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の空気圧式アクチュエータ。
   

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