JP5643812B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、流体の流路に配設されるバルブやゲートの開閉用途等に利用されるアクチュエータに関し、特に、電動機を用いると共にこの電動機の回転出力の減速機構としてウォームギヤを使用するアクチュエータに関する。

水等の流体を流す管等の流路に設けられ、開閉制御されて流体の流れを調節するバルブやゲートは、一般に電動機や油圧機構等を駆動源とするアクチュエータを用いて自動開閉されるが、大型のものは、必要な駆動力を得るために電動機等の出力を減速して用いている。

こうしたバルブやゲートのアクチュエータにおける減速機構としては、バルブやゲートをスムーズに動かすための大きな減速比を必要最小限の段数で得やすく、また、バルブやゲートに加わる流体からの力や重力等でこれらが不用意に動いてしまうのを防ぐために、出力側に加えられた力で逆に入力側を動かすことができないセルフロック性のある、ウォームギヤを用いる場合が多い。

しかし、ウォームとウォームホイールが滑り接触して回転を伝達するウォームギヤは、セルフロック性を与えられる進み角をとる場合、摩擦の影響で伝動効率が一般に平歯車等に比べて低くなることから、より一層の効率の向上が求められていた。従来から、こうしたウォームギヤでの伝動効率向上を図るために、歯面の特殊加工、処理や潤滑の工夫等がなされていたものの、これらは効率の大幅な向上には繋がらなかった。

こうした中、ウォーム又はウォームホイールに超音波振動を付与し、滑り面の摩擦を低減して、ウォームギヤの伝動効率向上を図る技術が提案されている。このような従来のウォームギヤの例として、特開平８−１４５１２６号公報に記載されるものがある。

前記従来のウォームギヤでは、超音波振動子で発生した振動を、その振幅を拡大した上で、ウォームホイールに伝えており、ウォームを回転駆動させてこれと噛合うウォームホイールを回転動作させると、超音波を付与しない場合に比べて歯面間の摩擦係数が減少し、伝動効率が大幅に向上するとされている。

特開平８−１４５１２６号公報

ウォームギヤを減速機構として用いたアクチュエータにおいて、前記特許文献に示すようなウォームギヤに超音波振動を付与する技術を適用した場合、ウォームとウォームホイールの歯面間の摩擦係数を低減して伝動効率を向上させられることが予想されるものの、ウォーム又はウォームホイールが全体として振動することから、ウォームやウォームホイールを回動可能に軸支するラジアル軸受やスラスト軸受には常に振動が加わる状態となって負担となり、寿命の低下や異音の発生につながるという課題を有していた。また、電動機等の駆動源とは別に、ウォーム又はウォームホイールに付与する超音波振動を発生させるための超音波振動子を設ける必要があり、また、回転中のウォーム又はウォームホイールに超音波振動を伝えるために特殊な構造を採用する必要もあり、その分だけアクチュエータとしての機構が複雑化し、高コストとなってしまうという課題を有していた。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、電動機で回転駆動されるウォームに対し、電動機から回転角速度の変動が繰返す状態を与え、ウォームをあたかも回転方向に振動するような状態で回転させて、ウォームとウォームホイールとの接触における摩擦を減らし、特別な構造を用いることなくウォームギヤの伝動効率を向上させられるアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係るアクチュエータは、電動機で発生させた回転駆動力をウォームギヤ減速機構で減速して所定の駆動対象物に伝達し、当該駆動対象物を動作させるアクチュエータにおいて、前記駆動対象物の動作に係る速度指令に基づいて目標速度を設定し、目標速度で出力軸が回転するように前記電動機を制御する駆動制御部を備え、前記電動機が、出力軸をウォームギヤ減速機構のウォームに直結されてなり、前記駆動制御部が、前記速度指令として与えられる速度指令信号に対し、所定周波数で且つ所定の微小振幅の滑らかな連続波形となる変動信号成分を加算し、元の速度指令信号に変動する波形が重畳した状態となった加算後の速度指令信号による電動機の制御を行い、電動機の出力軸が、前記速度指令に基づく回転方向と同じ方向の回転を維持しながら、電動機の出力軸における回転角速度が、目標速度に対し、所定範囲内で増減し、且つ当該増減変化を所定周波数で繰返し生じて、回転角速度が目標速度から高速側と低速側に細かくぶれる状態とされ、前記出力軸における回転角速度の増減変化の周波数を、１〜１０ｋＨｚとするものである。

このように本発明によれば、駆動源となる電動機及びその駆動制御部が、ウォームギヤからなる減速機構と共に配設され、本来は駆動対象物の動作に係る速度指令に基づいて駆動対象物の状況に応じた目標の回転角速度で出力軸が回転するよう制御される電動機に対し、駆動制御部が、電動機出力軸の回転角速度を、駆動対象物の動作に係る速度指令に基づく目標速度に対し、所定範囲内で増減する変化が繰返す状態に制御し、電動機出力軸に直結するウォームを回転させる中、その回転角速度に細かなぶれを与えることにより、ウォームが回転方向に微小振動していると見なせる状態を伴いつつ回転することとなり、こうした略振動状態の発生に伴ってウォームとウォームホイールとの歯面同士の接触状態を改善し、歯面のすべり接触における摩擦を低減してウォームギヤとしての伝動効率を向上させられ、アクチュエータとして駆動対象物に与えられる駆動力やトルクを、同等の電動機や減速機構を用いた従来のものより増大させられ、仮に電動機や減速機構を小型化したとしても、実際の駆動力やトルクを増大させられる分、定格性能の高いより大型のアクチュエータを要求されていた状況でも使用でき、性能低下を招くことなくアクチュエータ全体の小型化が図れる。また、駆動制御部による電動機制御でウォームに略振動状態を生じさせられることで、振動を付加する手段を特別に設ける必要がなく、性能強化を図りながら従来同様の構造を維持して高コスト化を避けられる。

また、本発明に係るアクチュエータは必要に応じて、前記電動機出力軸の回転状態を検出して信号として出力する回転検出器を備え、前記駆動制御部が、前記回転検出器の出力信号に基づいて電動機をサーボ制御すると共に、前記速度指令信号に対し前記変動信号成分を加算して、前記電動機出力軸の回転角速度の増減変化を生じさせるものである。

このように本発明によれば、駆動制御部が回転検出器を併用して電動機のサーボ制御を行いつつ、駆動対象物の動作に係る速度指令として与えられる速度指令信号に変動信号成分を加算して、制御結果として電動機出力軸の回転角速度の増減変化を生じさせ、ウォームを回転方向への略振動状態で回転させることにより、駆動対象物に対応させて電動機を適切に回転させる中で、速度指令信号に変動成分を加えるのみで、容易にウォームの略振動状態が得られることとなり、摩擦低減によるウォームギヤの伝動効率向上を簡略な制御で実現して、低コストでアクチュエータとしての性能強化が図れる。

また、本発明に係るアクチュエータは必要に応じて、前記駆動対象物が、流体の流路を開閉するバルブであり、前記駆動制御部が、前記バルブの閉状態からの開放開始時、及び／又は閉止直前の微小開状態からの完全閉止時には、前記電動機出力軸の回転角速度を前記増減変化状態とする一方、バルブの他の開動作及び閉動作では回転角速度を前記速度指令に基づいて設定される目標速度のままとする制御を行うものである。

このように本発明によれば、駆動対象物を流路開閉用のバルブとし、バルブの駆動において最もトルクを必要とする開放開始時や閉止終了時に、電動機出力軸の回転角速度を増減変化状態に制御し、ウォームを回転方向への略振動状態で回転させるようにすることにより、必要時にウォームギヤ減速機構における摩擦を減らして伝動効率を高め、必要十分なトルクを発生させ、バルブを問題なく駆動して動作させられると共に、トルクをそれほど必要としない中間負荷の状態では電動機を定格運転させれば済むこととなり、必要なトルクを定格で発生させられることを基準として従来選定されていた電動機や減速機構を、必要時にのみ要求に見合う最大トルクを与えられるものとすれば足り、ウォームを略振動状態としない定格状態での出力を抑えた小型の電動機等を採用でき、コストダウンが図れると共に、アクチュエータ全体の構造をコンパクト化できる。

また、本発明に係る電動機の制御方法は、発生させた回転駆動力が歯車機構を介して後段側の駆動対象物に伝達される、電動機の制御方法において、出力軸を歯車機構の入力側歯車に直結されてなる電動機に対し、前記駆動対象物の動作に係る速度指令に基づいて目標速度を設定し、目標速度で出力軸が回転するようにすると共に、前記速度指令として与えられる速度指令信号に対し、所定周波数で且つ所定の微小振幅の滑らかな連続波形となる変動信号成分を加算し、元の速度指令信号に変動する波形が重畳した状態となった加算後の速度指令信号による制御を行い、前記電動機の出力軸を、前記速度指令に基づく回転方向と同じ方向の回転を維持させながら、電動機の出力軸における回転角速度を、前記目標速度に対し、所定範囲内で増減させ、且つ当該増減変化を所定周波数で繰返させて、回転角速度が目標速度から高速側と低速側に細かくぶれる状態を生じさせ、前記出力軸における回転角速度の増減変化の周波数を、１〜１０ｋＨｚとするものである。

このように本発明によれば、歯車列からなる歯車機構と共に配設され、本来は駆動対象物の動作に係る速度指令に基づいて駆動対象物の状況に応じた目標の回転角速度で出力軸が回転するよう制御される電動機に対し、その電動機出力軸の回転角速度を、駆動対象物の動作に係る速度指令に基づく目標速度に対し、所定範囲内で増減する変化が繰返す状態に制御し、電動機出力軸に直結する入力側歯車を回転させる中、その回転角速度に細かなぶれを与えることにより、入力側歯車が回転方向に微小振動していると見なせる状態を伴いつつ回転することとなり、こうした略振動状態の発生に伴って入力側歯車とこれに噛合う歯車との歯面同士の接触状態を変化させられ、特に歯車機構が、入力側歯車をウォームとしたウォームギヤ減速機構の場合、歯面のすべり接触における摩擦を低減してウォームギヤとしての伝動効率を向上させられ、駆動対象物に与えられる駆動力やトルクを、同等の電動機や減速機構を用いた従来のものより増大させられ、仮に電動機や減速機構を小型化したとしても、実際の駆動力やトルクを増大させられる分、定格性能の高いより大型の電動機や減速機構を要求されていた状況でも使用でき、性能低下を招くことなく電動機や減速機構の小型化が図れる。また、電動機の制御で入力側歯車に略振動状態を生じさせられることで、振動を付加する手段を特別に設ける必要がなく、性能強化を図りながら従来同様の構造を維持して高コスト化を避けられる。

本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの概略構成説明図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの駆動制御部における速度指令信号の時間変化波形を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータにおけるバルブ開度に応じた制御切換状態の説明図である。

（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータを、図１及び図２に基づいて説明する。
前記各図において本実施形態に係るアクチュエータは、前記駆動対象物としてのバルブ７０と一体に回動可能として支持される支持軸７１にバルブ動作用の駆動力を伝達するウォームギヤ減速機構１０と、このウォームギヤ減速機構１０に連結され、ウォームギヤ減速機構１０を介してバルブ７０に駆動力を与える電動機２０と、この電動機２０の出力軸２１の回転情報を検出する回転検出器３０と、この回転検出器３０の出力信号に基づいて電動機２０を制御する駆動制御部４０と、外部からバルブ７０の所定開度までの動作指令を受けて駆動制御部４０への速度指令信号を出力するコントローラ部５０とを備える構成である。

前記ウォームギヤ減速機構１０は、電動機２０の出力軸２１に連結されて回動するウォーム１１と、このウォーム１１と噛合う状態で配設され、前記バルブ７０の支持軸７１と連結されて一体に回動可能とされるウォームホイール１２とを備え、電動機２０から得た回転駆動力をウォーム１１からウォームホイール１２に伝える過程で減速しつつ支持軸７１に伝え、バルブ７０を支持軸７１と共に所定角度回転させてバルブ７０を開閉動作させる公知の機構であり、詳細な説明を省略する。

なお、このウォームギヤ減速機構１０については、バルブ７０に連結する支持軸７１をウォームホイール１２とも連結させてこれを回動させ、バルブ７０を開閉する機構としているが、こうしたバルブ７０を回動させて開閉を行うバタフライ弁や玉型弁等の機構に限らず、電動機の回転を利用してバルブの開閉を行うものであれば、仕切弁等、バルブ７０を上下動などスライドさせて開閉する機構など、他方式の機構でもかまわない。例えば、バルブが仕切弁等の場合、支持軸は雄ねじ部分を備え、この雄ねじ部分に対してウォームホイールと連結した雌ねじ部を螺合させ、この雌ねじ部をウォームギヤ減速機構を介して電動機で回転駆動することで支持軸を直線移動させ、バルブを開閉する機構となる。

前記電動機２０は、その出力軸２１をウォームギヤ減速機構１０のウォーム１１に直結されるサーボモータであり、駆動制御部４０と電気的に接続され、その制御下で回転する構成である。この電動機２０で発生させた回転駆動力は、ウォームギヤ減速機構１０で減速して前記駆動対象物であるバルブ７０の支持軸７１に伝達され、バルブ７０を所定角度回転させる仕組みである。

前記回転検出器３０は、電動機２０の端部近傍等に配設され、電動機出力軸２１の回転変位を電気的信号の変化に変換し、この信号を出力するエンコーダやレゾルバ等の公知のセンサである。この回転検出器３０は、駆動制御部４０やコントローラ部５０に対し信号出力可能に接続され、駆動制御部４０やコントローラ部５０による電動機２０のサーボ制御に用いられるが、この他、回転検出器３０の出力信号からバルブの開度を別途演算して把握可能とすることもできる。

なお、この回転検出器３０は、電動機２０の構成部品としてはじめから電動機２０と一体に設けられて外部にサーボ制御用の信号を出力するセンサ類を、そのまま回転検出器として利用するようにしてもかまわない。

前記駆動制御部４０は、回転検出器３０の出力信号に基づいて電動機２０をサーボ制御すると共に、電動機２０における出力軸２１の回転角速度を、バルブ７０の動作に係る速度指令に基づいて設定される目標速度に対し、所定範囲内で増減させ、且つこの増減変化を繰返し生じる状態に制御する構成である。

具体的には、サーボモータである電動機２０のサーボ制御における、速度制御やフィルタ制御、電流制御等を行いつつ電動機に電流を供給する制御・ドライブ手段４１の前段側における、回転検出器３０での実際の検出に基づく速度情報のフィードバックがなされるより前の過程で、駆動対象物であるバルブ７０の動作に係る速度指令としてコントローラ部５０から与えられる速度指令信号に対し、変動付加手段４２により所定の高い周波数で且つ所定の微小振幅の連続波形（例えば、正弦波状）となる変動信号成分を加算することで、制御結果として電動機出力軸２１の回転角速度の増減変化を得ることとなる。

通常、駆動制御部４０に対し、バルブ７０の動作に係る電動機２０への速度指令信号は電流として与えられるため、この指令電流に対し、駆動制御部４０は、所定の変動する電流成分を加算した上で、電動機２０を制御することとなる。

こうした駆動制御部４０での制御に伴い、電動機２０の出力軸２１は、速度指令に基づく回転方向と同じ方向の回転を維持しながら、その回転角速度が目標速度から所定の範囲内で少しだけ速くなったり遅くなったりする増減変化がごく短い周期で繰返し生じる、すなわち回転角速度が細かくぶれる変動状態となる。出力軸２１は、この回転角速度のぶれで、回転方向に微小振動していると見なせ、出力軸２１と一体に回転するウォーム１１にもこの回転方向への略振動状態が生じているため、通常の単純な振動が加わる場合と同様に、ウォーム１１とウォームホイール１２の各歯面間の接触状態が改善され、歯面間の摩擦が低減する。

このような、電動機２０の出力軸２１及びウォーム１１において、実際の回転角速度を速度指令に基づく目標の速度に対し増減変化させる状態は、測定の容易な回転数を基準として言換えると、速度指令に基づく目標の回転数に対し増減変動する回転差を生じさせつつ出力軸２１及びウォーム１１を回転させる、と言える。

駆動制御部４０で速度指令信号に対し加算される変動信号成分の振幅は、実際の出力軸の回転における目標回転数からの回転差の取り得る範囲、すなわち、出力軸の回転角速度の増減変化の範囲（増減変動波形の振幅）を規定するものである。また、変動信号成分の周波数は、出力軸における回転角速度の増減変化の周波数を規定するものである。

そして、この駆動制御部４０では、速度指令信号に対し加算する変動信号成分の振幅と、実際に出力軸の回転に生じる目標回転数からの最大の回転差との関係、及び、前記変動信号成分の周波数と、実際の出力軸における回転角速度の増減変化する周波数との関係をそれぞれあらかじめ取得した上で、実際の出力軸及びウォームで所望の略振動状態に相当する回転角速度の増減変化が生じるように、変動付加手段４２で適切な振幅と周波数の波形に設定された変動信号成分を速度指令電流に加算する。

例えば、電動機２０の目標回転数（定格回転数）が３０００ｒｐｍの場合、出力軸２１における回転角速度の増減変化の周波数は１〜１０ｋＨｚ、目標回転数からの最大回転差（オフセット回転数）は２５０ｒｐｍとするのが好ましく、駆動制御部４０は、こうした制御結果が得られることをあらかじめ確認済の所定振幅及び周波数を有する変動信号成分を速度指令信号に加算することとなる。加算後の指令信号は、元の速度指令信号に、高い周波数で且つ小振幅の正弦波状の変動波形が重畳した状態となる。特に、電動機がＡＣサーボモータの場合は、図２に示すように、交流波形となる速度指令信号に、この速度指令信号の周波数より極めて高く且つその振幅より極めて小さい振幅の波形が重畳して、出力軸に回転角速度の増減変化による略振動状態を与えつつも、目標回転数付近の回転数を維持するサーボ制御には影響を与えない状態とする。

なお、駆動制御部４０の電動機２０に対するサーボ制御は、回転検出器３０の出力信号から得られる電動機出力軸２１の回転の速度の情報をフィードバックで受け、これと速度指令信号に基づいて電動機２０の回転を制御する公知のものであり、詳細な説明を省略する。

前記コントローラ部５０は、外部の操作、指示制御手段等から電線や光ケーブルによる有線通信、もしくは無線通信等によりバルブ７０の所定開度までの動作指令を受け、また回転検出器３０の出力信号からバルブの開度位置情報を取得し、位置制御等を行った上で駆動制御部４０に速度指令信号を出力するものである。

このコントローラ部５０と駆動制御部４０により電動機２０を作動させ、バルブ７０を開閉動作させて所定の開度に到達させた後、電動機２０を停止させるまでの、一連の基本的な動作制御については、公知のバルブ開度調整に係るサーボ制御であり、詳細な説明を省略する。

なお、コントローラ部５０では、内部に記憶保持している、設定データや、動作回数などの履歴情報といったデータを、外部での管理や分析のために、メモリカード等の汎用の記録媒体を介して外部の機器に移行させられるように、こうした媒体の入出力手段を設けるなどすることもでき、アクチュエータの運用により蓄積されたデータを容易に取得して有効に活用できることとなる。

次に、本実施形態に係るアクチュエータの動作について説明する。前提として、外部からバルブ７０の開又は閉動作の指令信号がコントローラ部５０に入力され、コントローラ部５０から駆動制御部４０に速度指令信号が伝達されると、駆動制御部４０は電動機２０を起動状態とし、電動機２０は回転を開始し、ウォームギヤ減速機構１０を介してバルブ７０の支持軸７１に駆動力を与えるものとする。

電動機２０が回転すると、回転検出器３０から出力された信号に基づいて駆動制御部４０がコントローラ部５０と共にサーボ制御を実行する一方、駆動制御部４０は、バルブ７０の動作に係る電動機２０への速度指令信号に対し、あらかじめ設定された適切な振幅と周波数をもつ波形の変動信号成分を加算する。

加算後の指令信号による制御の結果として、電動機２０の出力軸２１は、速度指令に基づく回転方向に回転しつつ、その回転角速度が目標速度から前記変動信号成分の振幅から想定される範囲内で増減し、且つこの増減変化が前記変動信号成分の周波数から想定される周波数で繰返される状態となっている。なお、出力軸２１の回転角速度の増減を回転数を基準として言換えると、出力軸２１の実際の回転数が目標回転数から前記変動信号成分の振幅から想定される回転差の範囲内で増減する、となる。

出力軸２１で、回転角速度の増減変化が繰返し生じている状態、すなわち回転角速度が高速側と低速側に細かくぶれる状態は、出力軸２１が回転方向に微小振動しているといえ、こうした出力軸２１の略振動状態は、出力軸２１と一体のウォーム１１においても生じていることから、ウォームギヤ減速機構１０では、通常の単純な振動が加わる場合と同様に、ウォーム１１とウォームホイール１２の各歯面同士の摩擦が低減し、伝動効率が向上する。また、出力軸２１とウォーム１１の回転方向における略振動状態となっていることで、出力軸２１やウォーム１１の軸受に、スラスト方向やラジアル方向への不要な力が加わりにくく、悪影響を抑えられる。

このウォームギヤ減速機構１０における伝動効率の向上に伴い、同じ電動機や減速機構を用いつつも、ウォーム１１の略振動状態を生じさせない従来同様のサーボ制御を行う場合と比べて、アクチュエータの出力トルクを増大させた状態でバルブ７０の駆動を実行することができる。なお、通常のバルブ開閉制御と同様、あらかじめ指令された開度位置までバルブ７０が動いたら、電動機２０が停止して開閉動作は完了となる。

このように、本実施形態に係るアクチュエータにおいては、駆動源となる電動機２０及びその駆動制御部３０が、ウォームギヤからなる減速機構１０と共に配設され、バルブ動作に係る速度指令に基づいてバルブ７０の状況に応じた目標の回転角速度で出力軸２１が回転するよう制御される電動機２０に対し、駆動制御部４０が、電動機出力軸２１の回転角速度を、バルブ７０の動作に係る速度指令に基づく目標速度に対し、所定範囲内で増減する変化が繰返す状態に制御し、電動機出力軸２１に直結するウォーム１１を回転させる中、その回転角速度に細かなぶれを与えることから、ウォーム１１が回転方向に微小振動していると見なせる状態を伴いつつ回転することとなり、こうした略振動状態の発生に伴ってウォーム１１とウォームホイール１２との歯面同士の接触状態を改善し、歯面のすべり接触における摩擦を低減してウォームギヤとしての伝動効率を向上させられ、アクチュエータとしてバルブに与えられる駆動力やトルクを、同等の電動機や減速機構を用いた従来のものより増大させられ、仮に電動機や減速機構を小型化したとしても、実際の駆動力やトルクを増大させられる分、定格性能の高いより大型のアクチュエータを要求されていた状況でも使用でき、性能低下を招くことなくアクチュエータ全体の小型化が図れる。

さらに、従来のウォームギヤでは、通常、ウォームとウォームホイールの材質を異ならせるなどして、歯面のすべり接触における摩擦を適切な状態となるようにしており、例えば、ウォームには鋼、ウォームホイールにはリン青銅などの銅合金といった比較的コストの高い材質を用いて、適切な摩擦係数を得るようにしていた。これに対し、本実施形態の場合、電動機２０の制御で、回転するウォーム１１の回転角速度に細かなぶれを与えて、ウォーム１１とウォームホイール１２との歯面同士の接触状態を改善し、歯面のすべり接触における摩擦を低減できることから、ウォームギヤを摩擦の小さい特殊な材質製とせずに済み、特にウォームホイールの材質には、入手しやすい鉄などを用いることができ、ウォームギヤの機構について大幅に低コスト化が図れることとなる。

加えて、こうした歯面同士の摩擦を低減できることにより、潤滑条件も緩和され、従来のウォームギヤのように、歯面がすべり接触する厳しい潤滑条件下で摩擦を抑えるための特殊な潤滑剤、例えば極圧添加剤を用いた潤滑剤等を使用する必要がなくなり、潤滑の面でもコストを低減できると共に、環境負荷の大きい物質からなることの多い極圧添加剤を使用せずに済むことで、環境への影響もより小さくできる。

（本発明の第２の実施形態）
なお、前記第１の実施形態に係るアクチュエータにおいては、バルブ７０の動作に係る指令に基づいて電動機２０が回転する間、駆動制御部４０は常に電動機２０の出力軸２１の回転角速度を増減変化状態に制御し、出力軸２１及びウォーム１１の回転方向への略振動状態を生じさせる構成としているが、これに限らず、第２の実施形態として、バルブの開度によって、駆動制御部４０が電動機２０の出力軸２１の回転角速度を増減変化状態に制御する場合と、この制御を実行せず出力軸２１の回転角速度を速度指令に基づいて設定される目標速度のままとする場合とを切換える構成とすることもできる。

バルブの場合、バルブの閉状態からの開放開始時には始動トルク、閉止直前の微小開状態からの完全閉止時には締切りトルクとして、これら以外のバルブ開度において必要となる定格のトルクよりも大きいトルクが、バルブ動作に必要であることが知られているが、こうした特性に対応して、図３に示すように、バルブ７０の閉状態からの開放開始時や、閉止直前の微小開状態からの完全閉止時にのみ、駆動制御部４０が電動機２０の出力軸２１の回転角速度を増減変化状態に制御し、これら以外のバルブ７０の開動作及び閉動作においては、駆動制御部４０は制御状態を切換え、出力軸２１の回転角速度を速度指令に基づいて設定される目標速度のままとする制御を実行する。

電動機２０が動作してバルブ７０が開閉動作している場合、回転検出器３０からは電動機２０の回転変位に対応した信号が出力され、この信号からバルブの開度を演算取得できるため、バルブ７０の開度を監視し、例えば閉動作の際に、前記締切りトルク等の大きいトルクが必要となった開度に達した場合に、駆動制御部４０で出力軸２１の回転角速度を目標速度とする制御状態から、回転角速度を増減変化状態に制御する状態に切換えることとなる。また、逆に開動作の際に、前記始動トルク等の大きいトルクが必要な状態から定格以下のトルクで済む開度に達した場合には、駆動制御部４０で出力軸２１の回転角速度を増減変化状態とする制御から、回転角速度を目標速度とする制御に切換える。

こうして、バルブの駆動において最もトルクを必要とする開放開始時や閉止終了時に、駆動制御部４０で電動機２０の出力軸２１の回転角速度を増減変化状態に制御し、ウォーム１１を回転方向への略振動状態で回転させるようにすることにより、必要時にウォームギヤ減速機構１０における摩擦を減らして伝動効率を高め、必要十分なトルクを発生させ、バルブ７０を問題なく駆動して動作させられると共に、トルクをそれほど必要としない中間負荷の状態では電動機２０を定格運転させれば済むこととなり、必要なトルクを定格で発生させられることを基準として従来選定されていた電動機やウォーム減速機構を、必要時にのみ要求に見合う最大トルクを与えられるものとすれば足り、ウォームを略振動状態としない定格状態での出力を抑えた小型の電動機等を採用でき、コストダウンが図れると共に、アクチュエータ全体の構造をコンパクト化できる。

またこの場合、バルブの閉状態からの開放開始時と、閉止直前の微小開状態からの完全閉止時の両方で、電動機の出力軸の回転角速度を前記増減変化状態に制御するようにしているが、この他、前記バルブの閉状態からの開放開始時、又は閉止直前の微小開状態からの完全閉止時のいずれか一方のみで、電動機出力軸の回転角速度を前記増減変化状態とする制御を行う構成とすることもできる。

また、前記各実施形態に係るアクチュエータにおいては、電動機２０からの駆動力をウォームギヤ減速機構１０を介してバルブ７０の支持軸７１に伝達し、バルブ７０を開閉する機構としているが、こうしたバルブの他、板状のゲートを上下方向又は横方向に移動させて流路の開閉を行うゲート開閉機構に適用する構成とすることもできる。さらに、バルブやゲートを支持するものが支持軸でなくチェーンやワイヤ等の支持部材である場合には、ウォームホイールとこれらチェーンやワイヤ等の支持部材との間の駆動力を伝える中間部品を、それぞれに対応した適切なものとして用いられることは言うまでもない。

さらに、前記各実施形態に係るアクチュエータとしては、電動機２０からウォームギヤ減速機構１０を介して、駆動対象物としてのバルブ７０と一体の支持軸７１に駆動力を伝える構成のみ示しているが、この他、ウォームギヤ減速機構に対して、人の駆動操作、例えば手動用ハンドルを回転させる操作など、に基づく駆動力の入力と、電動機からの駆動力の入力とを切換えられるアクチュエータ構成とすることもでき、通常の通電状態でない停電時に、電動機に代る人の駆動操作で、ウォームギヤ減速機構を介してバルブ等の支持軸を回転させられることとなる。こうした切換可能な構成の場合も、電動機の動作時における、ウォームギヤ減速機構のウォームの略振動状態を得るために、電動機出力軸とウォームが一体となっており、手動動作状態においてはウォームを介して手動用ハンドル等の操作部と電動機が連動状態となる。この点を考慮して、駆動力入力の手動側への切換に伴って動作して、電動機への電力供給が行われない状態とする、機械的なスイッチ機構であるインタロックスイッチを設けて、手動ハンドルの操作中に電動機が回転動作するのを防ぐ構成が必要となるが、仮に、こうしたスイッチ機構が破損した場合、停電状態から通常の通電状態に復帰した際に、誤って電動機に電力が供給される状態に陥り、手動ハンドルの操作中に電動機が動作して、作業者に危険が及ぶような事故の発生に繋がるおそれもある。このため、通常のインタロックスイッチとは別に、電動機出力軸が外部からの電力供給ではなく、手動操作によるウォームの回転に伴って回転している場合には、電動機への電力供給を行わないようにして、二重のインタロックを施すようにすることが好ましい。例えば、手動操作の際には手動ハンドルと電動機出力軸が連動する状態となっているため、手動ハンドルを回すことで電動機出力軸が回転し、電動機は一種の発電機となって電力を発生し、この発生した電力が駆動制御部側へ入力されることとなる。駆動制御部がこうした電力の入力を検知している場合、アクチュエータは手動操作状態にあるとして、電動機に電力供給を行わない制御を実行すると、手動ハンドルの操作中に電動機が動作することを確実に阻止でき、安全を確保できる。

上記の、電動機出力軸の回転角速度を繰返し増減変化する状態に制御する方法は、前記各実施形態のようなアクチュエータにおける電動機だけでなく、歯車機構を用いる減速装置や動力伝達装置等を駆動する電動機にも適用でき、電動機に直結する歯車機構の入力側歯車と、これに噛合う歯車との歯面同士の接触状態を調整して、歯面のすべり接触における摩擦係数を減少させ、また歯面の面圧を緩和して、許容ヘルツ応力を高くすることも期待できる。こうしたすべり接触状態の調整による摩擦係数の減少については、歯車機構がウォームギヤ以外の歯車の場合にも起こり得、歯車の滑りの面で設計に影響を与えることとなる。

本発明のアクチュエータで、電動機出力軸を回転方向に略振動状態とする制御を行った場合のトルクを測定し、伝動効率を求めて、比較例としての制御を行わない場合の測定結果等と比較評価した。

まず、本発明のアクチュエータにおける電動機単体について、電動機出力軸を回転方向に略振動状態とする制御を行った場合のトルクを測定した。電動機の目標回転数（定格回転数）は３０００［ｒｐｍ］、出力軸における回転角速度の増減変化の周波数は２５００Ｈｚ、目標回転数からの最大回転差（オフセット回転数）は２５０［ｒｐｍ］となるように制御した。
また、比較例として、電動機単体について前記制御を行わない場合のトルク測定も行った。電動機の回転数等の条件は前記制御を行った場合と同様である。

続いて、本発明のアクチュエータの、電動機をウォームギヤ減速機構と連結した本来の状態で、電動機出力軸を回転方向に略振動状態とする制御を行った場合、並びに比較例としての前記制御を行わない場合のそれぞれについて、アクチュエータの出力端（ウォームホイール）におけるトルクを測定した。アクチュエータにおけるウォームギヤ減速機構の減速比は、１／４０である。

さらに、上記各測定で得られた電動機単体でのトルク（電動機出力トルク）と、アクチュエータ全体としてのトルク（アクチュエータ出力トルク）と、減速比とを用いて、制御を行った場合と行わない場合のそれぞれについて、ウォームギヤの効率を求めた。このウォームギヤの効率算出式は、下記の通りとなる。
（効率）＝（アクチュエータ出力トルク）÷（電動機出力トルク）×（減速比）
上記の各トルク測定結果、及び算出したウォームギヤの効率を、表１に示す。

表１から、電動機単体でのトルクは、前記制御を行うことで若干低下するものの、アクチュエータ全体としてのトルクは、前記制御を行うことで、制御を行わない場合より増大している。また、トルクから求めた効率は、前記制御を行うことで約４０％ほど向上している。

これらから、本発明のアクチュエータで電動機出力軸を回転方向に略振動状態とする制御を行っていることで、ウォームギヤ減速機構における伝動効率を向上させ、アクチュエータとして駆動対象物に与えられるトルクを、前記制御を行わない場合より増大させられることは明らかである。

１ アクチュエータ
１０ ウォームギヤ減速機構
１１ ウォーム
１２ ウォームホイール
２０ 電動機
２１ 出力軸
３０ 回転検出器
４０ 駆動制御部
４１ 制御・ドライブ手段
４２ 変動付加手段
５０ コントローラ部
７０ バルブ
７１ 支持軸

Claims (4)

1. 電動機で発生させた回転駆動力をウォームギヤ減速機構で減速して所定の駆動対象物に伝達し、当該駆動対象物を動作させるアクチュエータにおいて、
   前記駆動対象物の動作に係る速度指令に基づいて目標速度を設定し、目標速度で出力軸が回転するように前記電動機を制御する駆動制御部を備え、
   前記電動機が、出力軸をウォームギヤ減速機構のウォームに直結されてなり、
   前記駆動制御部が、前記速度指令として与えられる速度指令信号に対し、所定周波数で且つ所定の微小振幅の滑らかな連続波形となる変動信号成分を加算し、元の速度指令信号に変動する波形が重畳した状態となった加算後の速度指令信号による電動機の制御を行い、
   電動機の出力軸が、前記速度指令に基づく回転方向と同じ方向の回転を維持しながら、電動機の出力軸における回転角速度が、目標速度に対し、所定範囲内で増減し、且つ当該増減変化を所定周波数で繰返し生じて、回転角速度が目標速度から高速側と低速側に細かくぶれる状態とされ、
   前記出力軸における回転角速度の増減変化の周波数を、１〜１０ｋＨｚとすることを
   特徴とするアクチュエータ。
2. 前記請求項１に記載のアクチュエータにおいて、
   前記電動機出力軸の回転状態を検出して信号として出力する回転検出器を備え、
   前記駆動制御部が、前記回転検出器の出力信号に基づいて電動機をサーボ制御すると共に、前記速度指令信号に対し前記変動信号成分を加算して、前記電動機出力軸の回転角速度の増減変化を生じさせることを
   特徴とするアクチュエータ。
3. 前記請求項１又は２に記載のアクチュエータにおいて、
   前記駆動対象物が、流体の流路を開閉するバルブであり、
   前記駆動制御部が、前記バルブの閉状態からの開放開始時、及び／又は閉止直前の微小開状態からの完全閉止時には、前記電動機出力軸の回転角速度を前記増減変化状態とする一方、バルブの他の開動作及び閉動作では回転角速度を前記速度指令に基づいて設定される目標速度のままとする制御を行うことを
   特徴とするアクチュエータ。
4. 発生させた回転駆動力が歯車機構を介して後段側の駆動対象物に伝達される、電動機の制御方法において、
   出力軸を歯車機構の入力側歯車に直結されてなる電動機に対し、前記駆動対象物の動作に係る速度指令に基づいて目標速度を設定し、目標速度で出力軸が回転するようにすると共に、前記速度指令として与えられる速度指令信号に対し、所定周波数で且つ所定の微小振幅の滑らかな連続波形となる変動信号成分を加算し、元の速度指令信号に変動する波形が重畳した状態となった加算後の速度指令信号による制御を行い、
   前記電動機の出力軸を、前記速度指令に基づく回転方向と同じ方向の回転を維持させながら、電動機の出力軸における回転角速度を、前記目標速度に対し、所定範囲内で増減させ、且つ当該増減変化を所定周波数で繰返させて、回転角速度が目標速度から高速側と低速側に細かくぶれる状態を生じさせ、
   前記出力軸における回転角速度の増減変化の周波数を、１〜１０ｋＨｚとすることを
   特徴とする電動機の制御方法。

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