JP5317171B2 - トルクリミッタを搭載したバルブ用アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、クラッチ部分にボールを使用したトルクリミッタに関し、特に、バルブ用アクチュエータに好適なトルクリミッタとこのトルクリミッタを搭載したバルブ用アクチュエータに関する。

この種のトルクリミッタをバルブ用アクチュエータに搭載した場合、このバルブ用アクチュエータは、バルブへの異物の噛み込みなどにより出力軸に過負荷が加わったときにモータからの動力伝達を遮断して出力軸を保護でき、また、動力伝達時には、高い精度でトルクを伝達し、トルク調整も容易であるため高い精度で弁体を駆動制御できるようになっている。このため、トルクリミッタは、特に大型をはじめとするバルブ用アクチュエータに搭載されることが多い。

このようなトルクリミッタとしては、例えば、特許文献１のオーバーロードクラッチや特許文献２のボールクラッチがある。同文献１、２のトルクリミッタにおいては、図９に示すように、ボール１はボールガイド２の上を移動し、このボールガイド２には直線状の傾斜部３と平面部４が設けられ、この傾斜部３と平面部４とを結ぶ接続部分にはエッジ状の角部５が形成されている。また、ボール１は、ボールガイド２との他方側において図示しないボール保持板に保持されている。

また、特許文献３のトルクリミターでは、ボールガイドのＶ溝（ポケット部）におけるテーパ面が第１、第２傾斜面の２段の傾斜面として形成されている。同文献３は、この２段構成の傾斜面により、傾斜面同士の交差角度や、傾斜面と平面部との交差角度が大きくなっている。

特公平６−１０８６号公報 特公平７−３７８１７号公報 特開２００７−３２７５７１号公報

しかしながら、特許文献１、２のトルクリミッタをバルブ用アクチュエータに搭載した場合、過負荷発生時にボールの移動が不安定になり、動力伝達の遮断が確実におこなわれずに誤作動を生じることがあった。このときのボールの動作を、図９において説明する。

図９（ａ）において、特許文献１、２のトルクリミッタは、過負荷発生時にボール１が傾斜部３を移動し、角部５を通過した後に平面部４に移動することにより動力伝達の遮断がおこなわれるようになっている。先ず、ボール１が傾斜部３を移動する際には、ボール１と傾斜部３との接触位置Ｐ１は、ボール１の移動方向に対して変化せず、ボール１の最下点Ｂから角度θ傾いた位置となる。

続いて、図９（ｂ）に示すように、ボール１が角部５に達すると、接触位置がＰ２の位置となり、ボール１は、接触位置Ｐ２が最下点Ｂの位置に移りながら、この接触位置Ｐ２を中心として瞬間的に回転する。このため、ボール１は、ボールガイド２の上の転動や摺動を伴うことなく瞬間的に二点鎖線の位置まで上昇移動する。
この瞬間的なボール１の移動により、作動トルクが瞬間的に急上昇するため、ボール１を弾発付勢している図示しないスプリングが反応できずにボール１を押し戻して動力伝達の遮断ができなくなることがある

また、上記のように、ボール１が傾斜部３を移動する際には接触位置Ｐ１が変化しないため、スプリングの弾発付勢力は、ボール１が角部５に達するまで比例的に増加することになる。このため、ボール１は、弾発付勢力によって押し戻され易くなっている。また、ボール１の押し戻しを防ぐためにスプリングの弾発付勢力を小さくすると、ボール１を傾斜部３に保持する力が弱くなるため、所定のトルクに達する前に動力伝達が遮断される危険性が生じる。また、長期に亘ってこのトルクリミッタを使用した場合にも、角部５の摩耗が激しくなって所定トルク以下で動力伝達の遮断がおこなわれることがある。

更に、このトルクリミッタは、ボール１が傾斜部３を十分に助走することなく直ちに角部５を乗り越えて平面部４に進む構造であるためスプリングの弾発力が弱く設定され、且つ、ボール１が角部５を乗り越えることができるようにするために傾斜部３の深さが浅く形成されている。この構造により、ボール１が角部５を乗り越えるときのボールガイド２に対するボール保持板のリフト量が小さくなっていた。

以上の理由により、同文献１、２のトルクリミッタをバルブ用アクチュエータに搭載した場合、動力伝達の遮断が確実におこなわれずに出力軸に負荷が加わり続けて故障の原因となったり、或は、通常の動力伝達時に動力伝達の遮断がおこなわれてバルブ駆動時に停止する危険性があった。また、ボール保持板のリフト量が小さいと、このリフト量を利用したリミットスイッチ等による動力遮断の検出が難しくなったり、利用できるリミットスイッチが限定されるという問題があった。

一方、特許文献３は、２段の傾斜面を設けることにより、この傾斜面をボールが移動するときの衝撃を小さくし、また、摩耗や変形を生じ難くしようとするものである。しかし、同文献３は、ボールがエッジ状の角部を乗り越える構造である以上、同文献１、２と同様に瞬間的な作動トルクの急上昇を防ぐことは難しい。
また、このトルクリミターは、テーパ面が２段に形成されていることから、作動トルクの急上昇が生ずる部位が２箇所に増えてしまうことに加え、第２傾斜面が浅い傾斜角によって設けられているためボールがこの部分で進退を繰り返して動作が不安定になるおそれもある。
これらの理由により、同文献３のトルクリミターもバルブ用アクチュエータに適用することには適していない。

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、通常時には確実に動力を伝達できると共に、過負荷発生時には作動トルクの急上昇を抑制して確実に動力伝達を遮断でき、しかも、動力伝達の遮断時にはボールのリフト量を大きく確保できるトルクリミッタであり、バルブ用アクチュエータに搭載したときには、優れた安定性によりその機能性を発揮できるトルクリミッタとこれを搭載したバルブ用アクチュエータを提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、モータの回転力を回転伝達し、又は回転伝達を遮断するトルクリミッタを搭載し、かつ、モータの回転力を歯車減速機構で減速させてバルブ用ステムに接続する出力軸に伝達するバルブ用アクチュエータであって、前記トルクリミッタは、ボールとこのボールが移動可能な溝部を有するボールガイドと、前記ボールにより前記ボールガイドとの回転を伝達又は遮断するクラッチ板とからなり、通常時には、前記クラッチ板との間に前記ボールを保持して回転を伝達し、過負荷発生時には前記ボールが移動又は摺動しながら乗り上げて回転伝達を遮断するアール面部を設け、前記アール面部は、前記溝部から頂部側に設けた平面部に向け前記斜面部に続けて連設し、前記アール面部の円弧半径Ｒをボール半径ｒに対して大きく形成して前記斜面部を短くすることにより、前記斜面部に対する前記アール面部の割合を多くすると共に、前記アール面部の始点を回転伝達時の前記ボールの近傍位置に配置したことを特徴とす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、通常時には確実に動力を伝達でき、また、過負荷発生時には作動トルクの急上昇を抑制して確実に動力伝達を遮断できるトルクリミッタである。しかも、動力伝達の遮断時にはボールのリフト量を大きく確保できるため、この動力遮断をリミットスイッチ等を用いて容易に検出でき、バルブ用アクチュエータに搭載したときに優れた安定性によりその機能性を発揮できる。

しかも、動力伝達時から動力遮断時にかけてスムーズに動作でき、また、簡単な加工により容易に製作できる。

また、動力伝達の遮断時においてボールが移動する際に作動トルクが急上昇することを抑えて、安定して動作する。

動力伝達の遮断時にボールが溝部のアール面部を移動することでボールガイドとクラッチ板とを緩やかに離間させることができる。

さらには、動力伝達時には高精度によりバルブを回転制御でき、また、過負荷発生時にはモータからの動力伝達を遮断して出力軸を保護して、優れた機能性を発揮しながら安全に使用できるトルクリミッタを搭載したバルブ用アクチュエータであり、このトルクリミッタを搭載したバルブ用アクチュエータは、大型であってもよい。

以下に、本発明におけるトルクリミッタとこのトルクリミッタを搭載した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。
バルブ用アクチュエータ本体１４は、モータ１５と、このモータ１５からの回転を減速する１次側のギア１６やピニオン部材１７等を有する歯車減速機構１８と、歯車減速機構１８からの回転を出力する図示しない出力軸とを有している。モータ１５の回転は、歯車減速機構１８を介して出力軸に伝達される。出力軸は、図示しないバルブのステムと接続されており、この出力軸の回転は、ステムと接続された図示しない弁体に伝達される。これにより、バルブが開閉又は中間開度に制御可能となる。
本発明のトルクリミッタは、このバルブ用アクチュエータ本体１４に搭載されることに適しており、例えば、このバルブ用アクチュエータ本体１４のギア１６と歯車減速機構１８の中間段に配設される中間歯車２０との間に搭載される。

トルクリミッタ本体１０は、クラッチユニット２１と、ピニオンユニット２２とを有している。
クラッチユニット２１は、ギア１６の回転軸であるシャフト２３の上部にキー２４を介して設けられ、クラッチ部１２と、スプリング部２５、及びカム部２６とを有している。

クラッチ部１２は、ギア１６とピニオン部材１７との間に後述のボールガイド１１と同軸に回転可能に設けられ、このボールガイド１１の回転を伝達又は遮断するクラッチ板２７と、クラッチ板２７の上面の凸部２８に装着された環状の磁性体２９により構成される。クラッチ板２７は、下面側に略半球凹状のボール収容部３０が複数箇所に等間隔に形成され、このボール収容部３０にボール１３が回転可能に装着されている。

ボール１３は金属製であり、クラッチ板２７に装着された状態でこのクラッチ板２７とボールガイド１１との間に位置している。ボール１３は、クラッチ板２７を常に水平状態に維持し、傾くことを防止するために３個以上の個数とすることがよい。

磁性体２９は、磁石からなり、ボール収容部３０付近に配置されることにより、ボール１３を磁力により磁着（吸着）してクラッチ板２７に保持する機能を有している。これにより、バルブ用アクチュエータ本体１４を組付ける際にボール１３をクラッチ部１２と一体化できるようになっている。また、後述するように、手動操作時にも、ボール１３はクラッチ板２７に保持された状態が維持されるようになっている。

スプリング部２５は、ナット３２とスプリング押え３３とスプリング部材３４とにより構成される。ナット３２は、シャフト２３の上部に形成されたおねじ部２３ａに螺合されている。また、スプリング押え３３は、シャフト２３の外周側に装着され、且つ、ナット３２の下面に当接した状態で配置されている。スプリング部材３４は、異線形ばね形状により短く形成され、スプリング押え３３とクラッチ板２７との間に弾発付勢した状態で装着されている。スプリング部２５は、スプリング部材３４の弾発付勢力によりクラッチ板２７をピニオンユニット２２側に押圧しており、この押圧力は、ナット３２の締め込み具合を変えることにより調整可能になっている。トルクリミッタ本体１０が回転伝達を遮断するときの作動トルクは、スプリング部材３４の弾発付勢力に比例するようになっている。

ピニオンユニット２２は、ギア１６とクラッチユニット２１との中間位置であり、且つ、シャフト２３の外周側に配設されている。本実施形態では、図のように、クラッチユニット２１を上方側、ピニオンユニット２２を下方側に配置することで、歯車減速機構１８と図示しない制御用スイッチ類の区画を分けて、調整作業をしやすくしているが、この配置は逆であってもよい。ピニオンユニット２２は、ピニオン部材１７とボールガイド１１とを有している。

ピニオン部材１７は、図示しないベアリングを介してシャフト２３に回転自在に取付けられ、かつ、中間歯車２０と噛合して取付けられている。

ボールガイド１１は、図３、４に示すように、ピニオン部材１７の上面側に取付ねじ４３により固定され、クラッチ部１２の出力側に回転軸２３を中心に回転可能に設けられる。また、このボールガイド１１には、ボール１３が移動可能な溝部４４が設けられている。

溝部４４は、略Ｖ字形状に形成され、所定間隔で形成されている。本実施形態においては、この溝部４４は、ボール１３の個数に対応してボールガイド１１の３箇所に形成されている。溝部４４には、回転方向に対して傾斜する斜面部４７と、頂部側においては平面部４５とが形成され、この溝部４４から平面部４５に向けてアール面部４６が連設されている。

上記のように構成されることで、トルクリミッタ本体１０は、通常時には、スプリング部材３４の押圧により溝部４４とクラッチ板２７との間にボール１３を保持してクラッチ部１２からボールガイド１１に回転を伝達する。また、出力軸に過負荷が生じた時には、クラッチ部１２に対してボールガイド１１が回転しようとする作動トルクが発生してボール１３がアール面部４６を乗り上げることにより、ボールガイド１１とクラッチ部１２との回転伝達が遮断される。このとき、ボール１３は、アール面部４６を転動又は摺動するように平面部４５まで移動する。
また、ボール１３の乗り上げにより、クラッチ板２７がカム部２６側に移動したときには、クラッチ板２７とカム部２６とが磁性体２９により磁着するようになっている。

アール面部４６の溝部４４側における始点Ｓは、回転伝達時にボール１３が位置する近傍位置に配設されている。これにより、斜面部４７が短く形成され、過負荷発生時において、ボール１３が溝部４４からアール面部４６に迅速に移動できるようになっている。

また、図２において、ボール１３が溝部４４に収納されたときのこのボール１３の下方頂部Ｃから、ボール１３が平面部４５に乗り上げたときのこのボール１３の下方頂部Ｃまでのボールガイド１１における軸方向の長さを、ボールガイド１１とクラッチ板２７とが離間するときの離間距離としている。

ここで、アール面部４６とボール１３との関係を記す。図７において、アール面部４６の円弧の半径をＲ、ボール半径をｒとすると、円弧半径Ｒが大きいほどボール１３がアール面部４６を乗り上げるときの上昇速度が低下し、ボール半径ｒが小さいほどこの上昇速度が低下する。また、ボール半径ｒを大きくした場合、円弧半径Ｒを同率で大きくすることによってボールが円弧半径Ｒを移動するときの速度を一定の水準に保てるようになっている。
また、離間距離Ｌを大きくする場合や、大きい作動トルクで作動させる際にヘルツ応力（ボール１３とアール面部４６とが押付けられたときにその接触点に働く集中応力）を下げたい場合には、ボール半径ｒを大きくすることが有効である。

図７（ａ）においては、円弧半径Ｒ＝ボール半径ｒ×１０とした場合を示している。この場合、作動トルクが上昇しやすくなる斜面部４６の長さｈ１が短くなることで作動トルクが比例的に上昇する範囲が小さくなる。
一方、図７（ｂ）においては、円弧半径Ｒ＝ボール半径ｒ×２とした場合を示している。この場合、斜面部４６の長さｈ２が図７（ａ）に比較して長くなることで作動トルクが比例的に上昇する範囲が大きくなる。

このように、作動トルクは、斜面部４７の長さに比例して上昇するため、図７（ｂ）のように、斜面部４７に対してアール面部４６の割合が少ない場合には、高負荷で使用する場合などに負荷が増減してボール１３が斜面部４７を繰り返し移動することがある。このため、この動作域内で摩耗が激しくなる。
これに対し、図７（ａ）のように、斜面部４７に対してアール面部４６の割合が多い場合には、このアール面部４６までのボール１３の移動量が少なくなり、ボール１３の無駄な移動が最小限に抑えられる。そのため、ボール１３の変位及び速度が一定水準に近づいて安定して作動し、耐久性の向上が図られる。

従って、円弧半径Ｒは、ボール半径ｒに対して大きく形成して斜面部４７を短くし、アール面部４６の始点Ｓを回転遮断時のボール１３の移動開始位置にできるだけ近づけることが望ましい。この場合、斜面部４７を設けること無く、溝部４４に続けて直接アール面部４６を設けるようにしてもよい。更に、円弧半径Ｒは、スプリング部材３４の弾発付勢力やクラッチ板２７の回転速度等にも基づいて設定するようにし、ボール１３が溝部４４を確実に乗り越えるように設定する。
また、離間距離Ｌは、ボール１３が溝部４４におけるアール面部４６を移動する距離とボール１３の直径とにより影響を受けるため、これらを適宜設定して必要なリフト量を確保する必要もある。

本実施形態においては、ボール半径ｒ：円弧半径Ｒを１：５以上とし、これにより、リフト量を大きく確保でき、また、ヘルツ応力を下げて安定した動作を行い得るようになっている。更に、図７（ｂ）において、斜面部４７の平面部４５からの角度を圧力角αとし、この圧力角αが例えば３０°である場合には、圧力角３０°の斜面部４７をボール１３が乗り上げる上昇速度と円弧半径Ｒをボール１３が乗り上げるときの上昇速度の最大値とを同等にするために、ボール半径ｒ：円弧半径Ｒを１：２以上に設けようにする。

なお、カム部２６は、環状のカム部材５０とピン５１とにより構成される。カム部材５０は、断面逆Ｌ字型の上カム板５３と、板状の下カム板５４からなり、上カム板５３の下部に形成された段部５３ａに下カム板５４を係止することにより、断面コの字型の開口部５５が外周側に向けて形成される。上カム板５３と下カム板５４は、シャフト２３の軸方向に配置された２本のねじ５６、５６により固定されている。ピン５１は、カム部材５０の上面に装着され、カム部材５０の回転とともに円周方向に移動してリミットスイッチ５８と接触するようになっている。これにより、カム部２６は、過負荷発生時にクラッチ部１２と連動して、このクラッチ部１２の回転方向に回転してリミットスイッチ５８を作動できるようになっている。また、カム部２６は、保持部材６０により保持されている。

保持部材６０は、略環状に形成され、取付ボルト６１によりアクチュエータ１４のベース体６２に固定されている。保持部材６０には２条の図示しない円弧状溝が形成され、これらの円弧状溝は、同じ形状になっている。円弧状溝には、上記の２本のねじが挿入され、これにより、カム部材５０が保持部材６０に対して円弧状溝の範囲内において回転自在に保持されている。しかも、カム部材５０は、外周面側が保持部材５０の内周面側に接することにより芯出し保持され、径方向への振れが防がれている。

保持部材５０におけるねじと円弧状溝の非回転規制側との間には、図示しない２つの戻りばねが装着されている。戻りばねは、等しい弾発力であり、一端側が円弧状溝の非回転規制側の端部側に固定されている。この戻りばねにより、カム部を自動復帰させている。

続いて、本発明のトルクリミッタとこれを搭載したバルブ用アクチュエータの上記実施形態における動作並びに作用を説明する。
図１のバルブ用アクチュエータ本体１４において、モータ１５を回転させると、この回転力は、ギア１６、シャフト２３、キー２４、クラッチ板２７、ボール１３、ピニオンユニット２２を介して、中間歯車２０を経由して出力軸に伝達される。
このとき、トルクリミッタ本体１０により動力が伝達される。その際、クラッチ部１２は、スプリング部２５により押し下げられ、クラッチ板２７に装着されたボール１３は、ピニオンユニット２２のボールガイド１１の溝部４４に嵌合している。
これにより、バルブ用アクチュエータ本体１４は、動力伝達状態を維持することができ、出力軸が所定回転量で回転してバルブを開閉制御できる。

なお、カム部２６は、上カム板５３が保持部材６０に下側で支えられて中吊り状態となり、クラッチ板２７から離間した状態になっている。このため、図において、シャフト２３が回転したときに、クラッチ部１２は、ボール１３を介してピニオンユニット２２と共に回転するが、カム部２６は回転しない。

いま、図２において、バルブに異物が噛み込むなどの原因により出力軸に過負荷が加わると、ピニオンユニット２２がロックし、続いて、回転を継続するクラッチ部１２によりボール１３がボールガイド１１の溝部４４を乗り越えるようにして外れ、クラッチ部１２とカム部２６とが磁性体２９により磁着する。このとき、ボール１３は溝部４４からアール面部４６を介して平面部４５に移動し、このボール１３によりクラッチ部１２がスプリング部２５の弾発付勢力に抗してボールガイド１１に対して押し上げられる。これにより、モータ１５から出力軸への動力の伝達が遮断され、過負荷が継続的に加わることが防がれて、出力軸の損傷や故障が防止される。また、過負荷の発生等の情報をリミットスイッチ５８により検出することができる。

この場合、図６において、ボール１３が斜面部４７を移動する際には、ボール１３と斜面部４７との接触点Ｑ１は、ボール１３の移動方向に対して変化することがなく、図６において、ボールの１３の下方頂部Ｃから角度β１傾いた状態を維持し、この状態でボール１３が転動又は摺動により斜面部４７を移動し続ける。

次いで、ボール１３が斜面部４７とアール面部４６との境界である始点Ｓに達する。この始点Ｓとボール１３との接触点をＱ２として示す。このとき、ボール１３がアール面部４６を動き出すときの作動トルクがピーク値となる。図６において、ボール１３がアール面部４６を移動する際には、接触点Ｑ２は、それまでの角度β１から角度β２において少しずつ小さくなることで、ボールの最下点に向けてＸ軸、Ｙ軸方向に少しずつ座標が減少し、ボール１３が平面部４５に達したときの接触点Ｑ３が下方頂部Ｃと一致する。

このときの、アール面部４６に対するボール１３の移動を詳述する。図５において、ボール１３の接触点Ｑ２が始点Ｓにあるときのボール１３の中心点をＯａとする。この位置からボール１３がＸ軸方向に対して距離Ｘ１の分だけアール面部４６に沿って移動すると、このボール１３の中心点はＯｂの位置に移動する。

また、斜面部４７から延長した斜面を延長斜面部４７ａとし、仮に、この延長斜面部４７ａに対してボール１３がＸ軸方向に距離Ｘ１の分だけ移動したとすると、ボール１３の中心点はＯｃの位置に移動する。

中心点Ｏｃと中心点Ｏａとの位置を比較すると、中心点Ｏｃが、ボール１３が延長斜面部４７ａに沿って高さＨ１の分だけ上昇したときの座標であることに対して、中心点Ｏｂは、ボール１３がアール面部４６に沿って上昇するときの高さＨ１と、ボール１３とアール面部４６との接触点が図６における接触点Ｑ２から接触点Ｑ３に向けて移動することでボール１３が上昇するときの高さＨ２との和になっている。

すなわち、アール面部４６を設けた場合には、このアール面部４６の上をボール１３が移動するときに接触点Ｑ２が少しずつ移り変わることで、ボール１３が上昇する高さＨ２をボール１３がアール面部４６に沿って上昇する高さＨ１に少しずつ加えることができ、これにより、ボール１３がアール面部４６を移動する際に、接触点Ｑが角度β１の位置から下方頂部Ｃの位置まで瞬間的に移動することがない。つまり、ボール１３が斜面部４７からアール面部４６を移動することで生ずる変位を、ボール１３が一定の斜面を上昇するような変位量に近づけることで安定した動作が得られる。よって、作動トルクが瞬間的に急上昇することがなく、ボール１３に衝撃が加わることなくスムーズに回転伝達を遮断できる。

しかも、角部位が無いため、スプリング部材３４の弾発付勢力を小さくする必要がなく、スプリング部材３４の弾発付勢力を高めることでボール１３が斜面部４７からアール面部４６まで確実に移動して動力を遮断できる。このとき、ボール１３移動時の摩耗が防がれ、トルクリミッタ本体１０の耐久性が向上する。従って、仮に摩耗が生じたとしても、スプリング部材３４を増し締めすることにより弾発付勢力を元の状態まで復旧でき、部品交換を伴うことなく長期に亘って使用できる。

更には、アール面部４６を長くすることで溝部４４を深く形成でき、軸間距離Ｌが長くなることでリフト量が大きくなって確実に動力伝達を遮断できるようになる。この大きいリフト量を利用して各種のリミットスイッチ５８を装着でき、リミットスイッチ５８を用いて確実に動力遮断の検出を実施できる。
また、溝部４４は、斜面部４７とアール面部４６により簡単な形状に構成されていることにより安価に製作でき、検査にかかるコストも抑えられる。

続いて、クラッチ部１２は、常にキー２４を介してシャフト２３に接続されていることにより、押し上げられた状態でシャフト２３と共に回転する。このとき、上記のように、このクラッチ部１２の回転に伴ってカム部２６も回転するため、カム部２６の上面に配置されたピン５１が、リミットスイッチ５８を作動させる。例えば、このときのカム部２６のピンをバルブ開側とすると、このピンが開側のリミットスイッチ５８の図示しない作動片を押圧したときに、このリミットスイッチ５８が作動してモータ１５への電力供給回路を開放してモータ１５が停止する。

また、本発明のトルクリミッタを搭載したバルブ用アクチュエータ本体１４を手動操作する場合には、図１又は図２の状態からクラッチ板２７を図示しない手動機構で操作して動力伝達を切断することで容易に手動操作することができる。

次に、本発明のトルクリミッタの動力伝達時における特性を、特許文献１・２、及び特許文献３の特性と比較し、その優位性を述べる。
図８においては、バルブ用アクチュエータ本体１４に本発明のトルクリミッタを搭載し、動力伝達を遮断した時のボールのリフト量とクラッチ板に加わる作動トルクとの関係を示している。グラフ中、実線は本発明のトルクリミッタ、一点鎖線は特許文献１・２、二点鎖線は特許文献３を示している。先ず、本発明のトルクリミッタの特性を説明する。

何らかの理由により、出力軸に過負荷が加わってボールガイド１１の回転が停止すると、ボール１３が斜面部４７を作動トルクＴ１により移動を開始する。ボール１３が斜面部４７とアール面部４６との境界、すなわち始点Ｓに差し掛かった位置における作動トルクをＴ２とすると、ボール１３が始点Ｓを乗り越える際にこの作動トルクＴ２から作動トルクがやや上昇し、設定トルク（動力伝達を遮断する定格トルク）Ｔ３に達する。そして、ボール１３が始点Ｓを乗り越えた後、アール面部４６に沿って移動することにより、作動トルクは二次曲線を描きながら緩やかに減少していく。従って、設定トルクＴ３を超えた後には、ボール１３が斜面部４７側に押し戻されることがない。このように、ボール１３が斜面部４７からアール面部４６を移動しているため、急激な作動トルクの上昇が防がれている。

また、ボール１３がアール面部４６を移動するときの移動量が大きくなるため、リフト量が大きくなる。そのため、ボールガイド１１とクラッチ板２７との離間距離Ｌが大きくなる。
また、ボール１３が斜面部４７の移動を開始するときの始動トルクＴ１と、設定トルクＴ３との値の差が小さくなっており、ボール１３が斜面部４７を移動するまでの作動トルクの変化が抑えられる。このため、耐久性も向上している。

一方、同文献１、２のボール１が傾斜部３の移動を開始するときの始動トルクＶ１は、スプリングの弾発付勢力が小さく設定されていることにより、本発明のトルクリミッタに比較して小さくなっている。
次いで、ボール１が傾斜部３と平面部４の境界すなわち角部５に達すると、設定トルクＶ２（＝Ｔ３）に達するが、同文献１、２は、本発明と比較してこの設定トルクＶ２に達するまでにトルクが急激に上昇することになる。そのため、この急激な作動トルクの増加に予め対応して角部５の形状を調整し、ボール１が角部５を確実に乗り越えるように設定する必要がある。

しかも、前述したようにスプリングの弾発付勢力を小さく設定しているものの、ヘルツ応力が上昇しやすい構成であることには変わりがないため、変形や摩耗が生じやすくなっている。更に、角部５が変形・摩耗したときには、この角部５に対してボール１が乗り越え易くなるため、設定トルクＶ２の値が徐々に小さくなって小さい作動トルクでも頻繁に動力伝達が断たれることになり、正確な動力伝達の遮断ができなくなる。
また、角部５を乗り越えた直後にボール１が平面部４に移動するため、リフト量が本発明と比べて極めて少ない。そのため、リミットスイッチ等による検出も難しくなる。

特許文献３の場合、ボールガイドの回転が停止すると、ボールは始動トルクＷ１（＝Ｖ１）により第１傾斜面を移動し、同文献１・２と同様に角部に達したときに設定トルクＷ２（＝Ｔ３＝Ｖ２）に達する。しかし、同文献３は、第１傾斜面に続けて第２傾斜面を設けているので、一旦作動トルクが減少した後に、ボールが第２傾斜面を移動することにより再度作動トルクが急上昇する。この動作により、ボールの移動が不安定になる。

しかも、ボールが第１傾斜面と第２傾斜面との間で進退を繰り返すおそれのある構造であるため、ボールがこの位置にあるときにトルクが増減して動作が安定し難くなっている。更に、２箇所の角部がそれぞれ変形・摩耗することで耐久性が低くなり、破損しやすくなったり、部品交換を頻繁におこなう必要性も生じる。

また、第１、第２傾斜面により、ボールのリフト量は長くはなるが、２つの角部に対してボールを乗り越えさせるためにスプリングの弾発付勢力を上げることはできないため、動作を安定させることが難しくなる。

なお、本発明のトルクリミッタは、バルブ用アクチュエータ以外の各種の機器や装置などに利用することもでき、その場合にも、上記と同様の効果を発揮できる。

本発明におけるトルクリミッタとトルクリミッタを搭載したバルブ用アクチュエータの一実施形態を示す断面図である。 図１のトルクリミッタが作動した状態を示す断面図である。 本発明のトルクリミッタの要部を示す分解斜視図である。 ボールガイドの斜視図である。 テーパ面部付近を示した模式図である。 ボール移動時の軌跡を示した模式図である。 ボール移動時における斜面部付近を示した模式図である。 ボールのリフト量と作動トルクとの関係を示したグラフである。 従来のボールガイドを示す模式図である。

符号の説明

１０ トルクリミッタ本体
１１ ボールガイド
１３ ボール
１４ バルブ用アクチュエータ本体
２３ 回転軸
２７ クラッチ板
４４ 溝部
４５ 平面部
４６ アール面部
４７ 斜面部
Ｃ 下方頂部
Ｌ 離間距離
Ｓ 始点

Claims (1)

1. モータの回転力を回転伝達し、又は回転伝達を遮断するトルクリミッタを搭載し、かつ、モータの回転力を歯車減速機構で減速させてバルブ用ステムに接続する出力軸に伝達するバルブ用アクチュエータであって、前記トルクリミッタは、ボールとこのボールが移動可能な溝部を有するボールガイドと、前記ボールにより前記ボールガイドとの回転を伝達又は遮断するクラッチ板とからなり、通常時には、前記クラッチ板との間に前記ボールを保持して回転を伝達し、過負荷発生時には前記ボールが移動又は摺動しながら乗り上げて回転伝達を遮断するアール面部を設け、前記アール面部は、前記溝部から頂部側に設けた平面部に向け前記斜面部に続けて連設し、前記アール面部の円弧半径Ｒをボール半径ｒに対して大きく形成して前記斜面部を短くすることにより、前記斜面部に対する前記アール面部の割合を多くすると共に、前記アール面部の始点を回転伝達時の前記ボールの近傍位置に配置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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