JP5133623B2 - 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。

従来より、ボールバルブやバタフライバルブ等の回転弁に搭載し、減速機構により減速するようにしたバルブ用アクチュエータが各種提案されている。例えば、駆動機構であるモータと出力軸の間に歯車列を有する減速機構を設け、この減速機構を介して、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するようにしたアクチュエータがある。

この種のアクチュエータは、減速機構に加えて、電動モータからなる駆動源を有し、更に、アクチュエータとしての機能性を十分に発揮するために、手動操作の必要な際に自動操作と手動操作を切り換え可能にした手動切換機構と、出力軸を所定範囲の角度で回転規制できるようにしたストッパ機構を有しているのが通常である。

そして、これらの各機構を内装した上で、全体を小型化できるようにしたアクチュエータがある（例えば、特許文献１参照。）。
このアクチュエータは、減速機構が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を有し、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ものと、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、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回転断続機構を備えている。
このアクチュエータによると、小型の減速機構で高い減速比を得ることができるため、アクチュエータ全体のコンパクト化が可能になっている。

この種のアクチュエータは、通常は、比較的小さいサイズのバルブ用として用いられ、小型バルブに搭載する際には、バルブのステムがアクチュエータ側に形成したバルブ取付け用のフランジやストッパ機構の寸法と重なるため、このステムの長さ寸法は、これらに吸収される。このように、小型バルブの場合、ステムが短かいことから、そのまま接続しても接続後の全体のコンパクト性を維持できる。そのため、アクチュエータ側の出力軸は、駆動機構の偏心体の下方まで設けられ、この出力軸の下方にステムを接続する構造になっている。

特開２００２−１１５７４８号公報

しかしながら、仮に、特許文献１のアクチュエータを比較的大型のバルブに搭載しようとすると、大型であることでステムが長くなるため、取付けフランジを厚く形成する必要が生じ、これによってアクチュエータの高さが大きくなって全体が大型化するおそれがあった。
また、この種のアクチュエータを小型バルブ用として設ける際の出力トルクを、例えば、約６００Ｎ・ｍ程度とすると、これよりも大型のバルブを駆動する場合には出力トルクが更に増大し、このトルクに耐え得る強度を有するために手動操作機構も大型になることになる。
更に、ストッパ機構は、例えば、ボルトやプレート等のストッパ構造によって構成されるが、トルクが大きくなることによってこれらのストッパ構造が小型であると確実に係止できなくなるおそれもあり、このストッパ機構も大型化する可能性がある。

また、これらの各機構の大型化により、アクチュエータ全体のバランスが悪くなる可能性があり、例えば、アクチュエータの高さ寸法が高くなった上に、各機構の取付け位置が高くなるとアクチュエータの重心が上方に移動して不安定になるおそれがある。また、重量の増加と重心の上昇に伴って、振動に対しても弱くなり、この振動に対して安定して動作するために内部に補強構造をあらたに設ける必要が生じる場合もある。更に、各構成部品の大型化によってコストアップの要因となる可能性もあり、全体が大型化することにより、設置場所や、メンテナンススペースの確保も困難になっていた。

本発明は、従来の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、小型から大型までの何れのバルブに搭載する場合であってもコンパクト性を維持しながら高減速比によって優れた動力伝達性能を発揮でき、内部機構を合理的に組み込むことで全体のバランスを保ちながら安定した状態でバルブ操作できるバルブ用アクチュエータを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、電動モータ等の回転駆動源からの回転力を、ケーシング内に配設した内接噛合遊星歯車減速機構を介して出力軸に減速して伝達し、この出力軸の回転によりバルブのステムを回動開閉させるバルブ用アクチュエータにおいて、前記歯車減速機構は、回転駆動源からの回転力の伝達により回転する偏心体と、この偏心体を介して揺動回転可能に設けた外歯歯車と、この外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、前記外歯歯車の揺動回転から自転回転を取り出して出力軸に伝える回転伝達機構からなり、前記偏心体は、当該偏心体の下部に偏心量ｅにより偏心した偏心部を設けて構成すると共に、前記出力軸と同軸にバルブのステム挿入固定用の挿入穴を設け、この挿入穴の内側上端は、前記偏心部を設けた前記偏心体の下部位置まで延設し、かつ前記偏心部は、前記偏心穴を形成した前記出力軸の外周との間に介在部材を介して前記偏心部と前記出力軸とを別々に回転可能に設けたバルブ用アクチュエータである。

請求項２に係る発明は、介在部材は、前記出力軸と前記偏心部の間に設けた空隙又はベアリングであるバルブ用アクチュエータである。

請求項１に係る発明によると、内接噛合遊星歯車減速機構により、コンパクトでありながら大きい減速比を発揮してボールバルブやバタフライバルブ等の回転弁を円滑に回転操作できるアクチュエータであり、このアクチュエータを大型のバルブに搭載するために仕様を変更した場合でも、大型バルブの長いステムを効果的に挿入してフランジが厚くなったり構成部品が大きくなったりするのを防いで全体のコンパクト性を維持でき、また、内部の減速機構や駆動機構、切換機構やストッパ機構などの各機構を合理的に組み込むことができるため全体が大型化するのを防ぐことができる。また、重心を下方に確保して安定した状態でバルブに搭載できると共に、動作時にも振れたりすることがなく安定して動作できるバルブ用アクチュエータを提供できる。

請求項２に係る発明によると、出力軸と偏心体を上下に近接させてもそれぞれスムーズに回転でき、これらを重ねた構造の歯車減速機構を設けることができる。これにより、大型のバルブに搭載する場合でも高さ方向の寸法を低くでき、コンパクト性を確保できる。

以下に、本発明のバルブ用アクチュエータの一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明におけるアクチュエータ本体１０は、内接噛合遊星歯車減速機構３０を介して出力軸３８に減速して伝達し、この出力軸３８の回転により図示しないバルブ弁体を回動開閉させるものである。
アクチュエータ本体１０は、電動モータからなる回転駆動源２０と、この電動モータ２０の回転が伝達される歯車減速機構３０をケーシング１０ａ内に配設している。図３において、電動モータ２０は、双方向回転、又は一方向に回転可能であり、図示しないボルト等の固着手段で図１のベース体１１に設けた取付板１７の上面側に固着されている。駆動軸（ピニオンギヤ）２１は、電動モータ２０の出力側に取付け、中間歯車２２と噛合している。電動モータ２０からの回転力は、駆動軸２１を介して中間歯車２２に伝達され、この中間歯車２２は、歯車減速機構３０の出力軸と同軸の入力歯車３１と噛合し、回転駆動源２０からの回転は、駆動軸２１と中間歯車２２によって減速された後に入力歯車３１に伝達される。

歯車減速機構３０は、入力歯車３１、偏心体３２、外歯歯車からなる曲線板３３、内歯歯車３４、出力軸を有する回転伝達機構３６から構成している。入力歯車３１は、偏心体３２と一体に形成し、この偏心体３２の下部には、偏心量ｅにより偏心した偏心部３２ａを設けている。これにより、偏心部３２ａは、偏心した構造によって回転駆動源２０からの動力を偏心して伝達できるようになっている。偏心体３２（入力歯車３１）は、ベース体１１内に固定された地板１２に対して軸受１３を介して取付け、ベース体１１に対して回転自在になっている。また、偏心部３２ａの外周側には、ベアリング１４を装着しており、このベアリング１４を介して曲線板３３を取付けている。偏心体３２が回転すると、偏心部３２ａの偏心回転によって曲線板３３が内歯歯車３４に対して揺動回転可能になっており、このとき、曲線板３３の外周側に形成したトロコイド系の歯形３３ａが内歯歯車３４に噛合可能になっている。

内歯歯車３４は、内周側に所定間隔でピン３５を取付け、このピン３５により円弧歯形３４ａを形成している。円弧歯形３４ａは、上記のように、曲線板３３の歯形３３ａと内接噛合可能になっている。本実施形態においては、内歯歯車３４は、ベース体１１に一体に形成しているが、別体に設けるようにしてもよい。また、円弧歯形３４ａは、ピン３５によって設けているが、歯形を直接形成してもよい。

回転伝達機構３６は、曲線板３３に形成された複数の出力ピン孔３３ｂと、この出力ピン孔３３ｂ内を遊嵌する出力ピン３７と、この出力ピン３７を当該位置に形成した取付孔３８ａに挿入固着した出力軸３８とからなり、曲線板３３が回転したときに、この曲線板３３の揺動回転から自転回転を取り出して出力軸３８に伝達することが可能になっている。出力軸３８と偏心体３２の間にはベアリングからなる介在部材１５を設けており、このベアリング１５により両者を別々に回転できるようにして、偏心体３２の回転により出力軸３８が回転するときに、この回転動作が滑らかになるようにしている。出力軸３８と偏心体３２の間には空隙を設けるようにしてもよく、逆回転となる偏心体３２と出力軸３８が干渉することなくスムーズに回転できればその態様には拘らない。

出力軸３８の内部には、この出力軸３８と同軸にバルブのステム１００を挿入するための挿入穴３９を設けており、この挿入穴３９は、歯車減速機構３０の上方まで延伸形成している。これにより、この挿入穴３９にステム１００を挿入したときに、ステム１００の先方側を出力軸３８の内部に収納できるようにしている。
ステム１００は、図１、図２のようなキー１０１、又は図示しないスプラインによって挿入穴３９に取付け可能に設けており、出力軸３８が回転したときにこの出力軸３８と一体回転できるようにしている。

また、出力軸３８の上方には、制御軸４０を一体に延設しており、この制御軸４０には、カム部材４１を装着している。また、カム部材と対応するベース体１１の位置には、リミットスイッチ等の弁開度検出部材１６を設けており、このリミットスイッチ１６をカム部材４１がオン・オフすることにより制御軸４０の回転状態を検知でき、弁開度を検出できるようにしている。リミットスイッチ１６は、取付板１７の上面側に配置してこれらをユニットとして構成しており、取付板１７をベース体１１に取付け固定することでこのユニットをベース体１１と一体化している。なお、制御軸４０は、出力軸３８とは別体に設けることもできる。
出力軸３８は、軸受１８を介してベース体１１に取付けており、この軸受１８により出力軸３８がベース体１１に対して滑らかに回転できるようになっている。また、シール部材１９は、出力軸３８とベース体１１の間をシールしている。

入力歯車３１の上方には環状突部３１ａを設けており、この環状突部３１ａにストッパ片４２、４３、を装着している。一方、ベース体１１側には、このストッパ片４２、４３が入力歯車３１の回転時に当接係止する図示しない回動規制部を設けている。アクチュエータ本体１０は、ストッパ片４２、４３と回転規制部によるストッパ機構４４を有しており、このストッパ機構４４によりバルブ弁体が所定範囲内の角度で回転動作できるようにしている。

ストッパ片４２、４３は、各々突設部４２ａ、４３ａを突出して設けており、ストッパ片４２、４３の環状突部３１ａへの装着時には、突設部４２ａ、４３ａを所定角度に開口した状態に調整して取付けることにより、入力歯車３１が回転したときにこの突設部４２ａ、４３ａが回動規制部の図示しない係止面に当接係止して所定角度に回動規制される。 取付板１７は、ストッパ片４２、４３側が空間を有するような形状に設けており、このような形状によって、ストッパ片４２、４３が環状凸部３１ａから挿脱自在となり、突設部４２ａ、４３ａの開口角度を容易に調整可能に設けている。

また、図３に示すように、入力歯車３１には、ハンドル軸４６のギア部４７を噛合しており、このギア部４７を介してハンドル軸４６により入力歯車３１を手動回転可能にしている。この手動切換機構４５により、手動操作が必要な際に応じて自動操作と手動操作を切り換えることができるようになっている。

続いて、このアクチュエータ本体１０の自動操作時における動作を述べる。ベース体１１に配設された電動モータ２０が駆動すると、この電動モータ２０に設けたピニオンギヤ２１が回転し、このピニオンギヤ２１の回転によりこのピニオンギヤ２１と噛合する中間歯車２２を介して入力歯車３１が回転する。入力歯車３１は、偏心体３２と一体であるためこの入力歯車３１の回転により偏心体３２が回転する。

偏心体３２が回転すると、この回転により曲線板３３が出力軸３８の周りで揺動回転をしようとするが、ベース体１１に固定された内歯歯車３４によってこのときの回転が拘束され、曲線板３３は内歯歯車３４に内接噛合するように揺動する。

このとき、例えば、曲線板３３の歯数をＮ、内歯歯車３４の歯数をＮ＋１とすると、この歯数差は１となり、偏心体３２の１回転毎に曲線板３３は内歯歯車３４に対して１歯分ずれることになる。即ち、自転回転が生じる。これにより、偏心体３２の１回転が曲線板３３の−１／Ｎの回転に減速されたことになる。

曲線板３３の回転は、この曲線板３３に形成された出力ピン孔３３ｂ、及び、出力ピン３７の隙間によって揺動成分が吸収され、自転回転が出力ピン１８を介して出力軸３８に伝達される。従って、曲線板１２の自転回転−１／Ｎの回転が出力軸３８へ伝達されることになり、この出力軸８と連結されたステム１００を回転させる。

出力軸３８が回転すると、この出力軸３８の上部に一体又は別体に延設して設けた制御軸４０も回転し、この制御軸４０に設けたカム部材４１によってリミットスイッチ１６をオン・オフ操作して、図示しないバルブ弁体を全開、全閉状態にできるようになっている。

さらに、この全開、全閉時には、ストッパ片４２、４３の突設部４２ａ、４３ａが回転規制部に当接係止することで、出力軸３８を所定角度内（９０°、或は、１８０°）に回転規制可能になっている。これにより、特に、手動操作時においてハンドル軸４６を回転操作したときに確実に所定角度内で規制できるため、必要以上にハンドル軸を操作して弁体が所定角度以上に動作することがない。なお、アクチュエータ本体１０は、中間開度にも操作可能であることは勿論であり、ハンドル軸４６の回転操作により任意の中間開度に操作できる。

次に、本発明におけるバルブ用アクチュエータの上記実施形態における作用を説明する。
本発明におけるアクチュエータ本体１０は、出力軸３８の内部に、歯車減速機構３０の上方まで延伸形成した挿入穴３９を設け、この挿入穴３９をバルブのステム１００挿入用としているので、ステム１００が長い場合でも、このステム１００を出力軸３８の内部に収納することができる。これにより、アクチュエータ本体１０を大型のバルブ用として設けた場合にも、長尺状になったステムを出力軸３８内に収納して全体が高くなるのを抑えることができ、大型バルブ用でありながら全体の大型化や内部の構成部品の大型化を防いでコストアップも防ぐことができる。また、設置場所を小さくすることができ、メンテナンススペースの確保も容易となる。

しかも、アクチュエータ本体１０は、ステム１００を深く挿入した状態で固定できるため、出力軸３８のトルクをステム側に効果的に伝達できる。また、アクチュエータ本体１０内に、電動モータ２０や歯車減速機構３０、手動切換機構４５、ストッパ機構４４を、各機構の機能を確実に発揮させながら組み込むことができ、また、各機構の組込み位置を大きく変えることなくコンパクト性を維持しながら組み込むことができる。このため、アクチュエータ本体１０の重心が上方に移動することがなく、良好なバランスを維持しながら機能することができる。また、振動に対しても強くでき、補強構造を設けたりすることなく安定した動作を維持することができる。

本発明におけるバルブ用アクチュエータの一実施形態を示した断面図である。 図１のＡ−Ａ拡大断面図である。 アクチュエータ内の動力伝達経路における入力歯車列を示した斜視図である。

１０ アクチュエータ本体
１０ａ ケーシング
１５ ベアリング（介在部材）
１６ リミットスイッチ（弁開度検出部材）
２０ 電動モータ（回転駆動源）
３０ 歯車減速機構
３２ 偏心体
３２ａ 偏心部
３４ 内歯歯車
３６ 回転伝達機構
３８ 出力軸
３９ 挿入穴
４０ 制御軸
１００ ステム

Claims (2)

1. 電動モータ等の回転駆動源からの回転力を、ケーシング内に配設した内接噛合遊星歯車減速機構を介して出力軸に減速して伝達し、この出力軸の回転によりバルブのステムを回動開閉させるバルブ用アクチュエータにおいて、前記歯車減速機構は、回転駆動源からの回転力の伝達により回転する偏心体と、この偏心体を介して揺動回転可能に設けた外歯歯車と、この外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、前記外歯歯車の揺動回転から自転回転を取り出して出力軸に伝える回転伝達機構からなり、前記偏心体は、当該偏心体の下部に偏心量ｅにより偏心した偏心部を設けて構成すると共に、前記出力軸と同軸にバルブのステム挿入固定用の挿入穴を設け、この挿入穴の内側上端は、前記偏心部を設けた前記偏心体の下部位置まで延設し、かつ前記偏心部は、前記偏心穴を形成した前記出力軸の外周との間に介在部材を介して前記偏心部と前記出力軸とを別々に回転可能に設けたことを特徴とするバルブ用アクチュエータ。
2. 前記介在部材は、前記出力軸と前記偏心部の間に設けた空隙又はベアリングである請求項１記載のバルブ用アクチュエータ。

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