JP6621439B2 - Shut-off valve actuator - Google Patents
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Description
本発明は流体の遮断装置に使用される遮断弁アクチュエータに関し、特にステッピングモータを動力源とした遮断弁アクチュエータに関する。 The present invention relates to a shut-off valve actuator used in a fluid shut-off device, and more particularly to a shut-off valve actuator using a stepping motor as a power source.
従来、ガス遮断装置の遮断機構として使用される遮断弁として、ステッピングモータを動力源とした遮断弁が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
Conventionally, a shut-off valve using a stepping motor as a power source is known as a shut-off valve used as a shut-off mechanism of a gas shut-off device (see, for example,
特許文献1に記載の技術では、リア側軸受として機能するインナーブッシュ12がロータの内側に収納される構造のため、マグネットの体積を大きくすることができない。特許文献2の技術では、ふた40とふた40の内側に装着した軸受39の一部がステータ36の内側に収納され、かつロータ43の内側に収納される構造のため、マグネットの体積を大きくすることができない。ところで、ガス遮断装置に限らずこの種の技術では、装置全体の小型化が求められており、そのため駆動用のモータも小型化が求められている。
In the technique described in
このように小型化が求められている状況において、上述した特許文献1及び特許文献2の技術では、ステータ径が限定されるので、ロータのマグネットの体積を増やすことができず、モータの推力を大きくできない。つまり、遮断弁を駆動する駆動源の推力を大きくできない。
In the situation where miniaturization is required in this way, in the techniques of
このような背景において、本発明は、小型化しても大きな推力を得られる遮断弁アクチュエータを得ることを目的とする。 In such a background, an object of the present invention is to obtain a shut-off valve actuator that can obtain a large thrust even if it is downsized.
本発明は、シャフトおよびマグネットを備えたロータと、前記ロータの回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレートからなる弁体と、前記可動プレートの回転を防止しつつ前記可動プレートの軸方向への移動を許容するように前記可動プレートと係合したフロントハウジングと、前記シャフトを回転自在な状態で支持する軸受とを備え、前記フロントハウジングの基部と前記軸受とが径方向で隣接し、軸に垂直な方向から見て、前記マグネットと前記軸受とが重ならない位置にあり、前記可動プレートは、前記フロントハウジングの方向に突出する突出部を備え、 前記フロントハウジングは、前記可動プレートの前記突出部を収容する軸方向に延在する凹部を備え、軸に垂直な方向から見て、前記凹部の一部と前記軸受とが重なる位置関係にある流体の遮断弁アクチュエータである。 The present invention includes a rotor including a shaft and a magnet, a screw mechanism that converts rotation of the rotor into axial movement, a valve body that includes a valve portion and a movable plate that is movable in the axial direction by the screw mechanism, A front housing engaged with the movable plate so as to allow movement of the movable plate in an axial direction while preventing rotation of the movable plate; and a bearing for supporting the shaft in a rotatable state. The base of the housing and the bearing are adjacent to each other in the radial direction, and the magnet and the bearing are positioned so as not to overlap each other when viewed from the direction perpendicular to the shaft, and the movable plate protrudes in the direction of the front housing. The front housing includes a recess extending in the axial direction for accommodating the protruding portion of the movable plate, and the front housing is in a direction perpendicular to the axis. As seen from the above, it is a fluid shut-off valve actuator in which a part of the concave portion and the bearing overlap .
また、本発明は、シャフトおよびマグネットを備えたロータと、前記ロータの回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレートからなる弁体と、前記可動プレートの回転を防止しつつ前記可動プレートの軸方向への移動を許容するように前記可動プレートと係合したフロントハウジングと、前記シャフトを回転自在な状態で支持する軸受とを備え、前記フロントハウジングの基部と前記軸受とが径方向で隣接し、軸に垂直な方向から見て、前記マグネットと前記軸受とが重ならない位置にあり、前記軸受は外周にフランジを備え、前記フランジに前記フロントハウジングが接触することで前記フロントハウジングの軸方向における位置が決められている流体の遮断弁アクチュエータである。 The present invention also provides a rotor including a shaft and a magnet, a screw mechanism that converts rotation of the rotor into axial movement, a valve body that includes a valve portion and a movable plate that is movable in the axial direction by the screw mechanism. A front housing engaged with the movable plate so as to allow movement of the movable plate in the axial direction while preventing rotation of the movable plate, and a bearing that supports the shaft in a rotatable state. The base of the front housing and the bearing are adjacent to each other in the radial direction, and the magnet and the bearing are positioned so as not to overlap each other when viewed from the direction perpendicular to the shaft. is shut-off valve actuator of the fluid located in the axial direction of the front housing by said front housing is in contact is determined
本発明によれば、小型化しても大きな推力を得られる遮断弁アクチュエータが得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a shut-off valve actuator that can obtain a large thrust even if it is downsized.
(1)遮断弁アクチュエータの構造
図1は、実施形態の遮断弁アクチュエータを適用したガス遮断装置の断面図である。図2は、図1に示す遮断弁アクチュエータの平面図である。図3は、図1に示す遮断弁アクチュエータの断面図である。図4は、図3の一部を拡大した拡大断面図である。
(1) Structure of shut-off valve actuator FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas shut-off device to which the shut-off valve actuator of the embodiment is applied. FIG. 2 is a plan view of the shut-off valve actuator shown in FIG. 3 is a cross-sectional view of the shut-off valve actuator shown in FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view in which a part of FIG. 3 is enlarged.
図1には、ガス遮断装置10が示されている。ガス遮断装置10は、ガス流路201,202が設けられた筐体200を有する。ガス流路201と202の間には、エッジ構造の弁座203が設けられている。この弁座203に、遮断弁アクチュエータ100により図1の左右の方向に駆動される弁部を構成する弁ゴム315が接触することで、ガスの流路が遮断(閉塞)される。また、弁座203から弁ゴム315が離れることで、ガスの流路が開放される。
FIG. 1 shows a gas shut-off
遮断弁アクチュエータ100は、弁ゴム315を駆動するPM型ステッピングモータ300を備えている。PM型ステッピングモータ300は、通常の2相のPM型ステッピングモータと同様な構造を有している。PM型ステッピングモータ300は、ステータAとステータBにより構成される2相のステータ301とロータ304を備えている。
The shut-off
ステータAは、図3に示すように、カップ状の外ヨーク401と円板状の内ヨーク402を備えている。カップ状の外ヨーク401は中央に開口を有し、開口の周縁には軸方向(シャフト307の延在方向)に延伸する複数の極歯を有している。円板状の内ヨーク402は中央に開口を有し、開口の周縁には軸方向に延伸する複数の極歯を有している。外ヨーク401の極歯と内ヨーク402の極歯は周方向において、交互に隙間を有した状態で噛み合って配置されている。外ヨーク401の極歯と内ヨーク402の極歯の外側には樹脂製のボビン403に巻回されたコイル404が配設されている。以上がステータAの構造であるが、ステータBもステータAと同じ構造を有している。また、外ヨーク401には、回路基板407を備えた端子台406が固定されている。ボビン403には端子ピン405が埋め込まれ、端子ピン405は、外ヨーク401に形成された切欠部から外部に突出し、更に回路基板407を貫通している。回路基板407には、外部からの配線が接続されるコネクタ408が配置されている。コネクタ408は、回路基板407上のプリント配線により、端子ピン405に接続されている。
As shown in FIG. 3, the stator A includes a cup-shaped
ステータAとステータBの内ヨーク同士を背中あわせで軸方向に当接した状態で、ステータAとステータBを樹脂(たとえば、PBT樹脂)で一体に形成してステータ301が構成される。ステータAとステータBを樹脂で一体に形成する際、ステータAの上面には複数の突起部323が樹脂で同時に一体成形され、ステータB側にはリアブラケット301aが同時に一体成形される。この技術に関しては、例えば、特開2004−169879号の段落「0067」に記載されている。
The
ステータ301の内側には、金属材料(アルミ合金、非磁性ステンレス鋼等)からなる有底カップ状のロータケース302が配置されている。有底カップ状のロータケース302は一方側(図1の右側)が閉鎖され、この閉鎖された底部近くには小径部302bが形成されている。小径部302bの他方側(図1の左側)が開口部で、開口部の周縁は径外方に延在するフランジ部302aが設けられている(図3参照)。ロータケース302の小径部302bの内側には、フランジが付いた玉軸受316が装着されている。
Inside the
ロータケース302の内側にはロータ304が回転自在な状態で配置されている。ロータ304は、マグネット305とスリーブ306とシャフト307から構成されている。スリーブ306の外側にはロータマグネットとなる円筒形状のマグネット305が装着されており、シャフト307にスリーブ306が固定されている。シャフト307の一方側(先端側)の外周面には雄ネジが形成され、リードスクリュー部308が形成されている。マグネット305は、周方向にN極とS極が交互に多極着磁されている。シャフト307は、玉軸受303,316によって回転自在な状態で保持されている。マグネット305の外周とロータケース302との間には、僅かな隙間が設けられ、ロータケース302に対するロータ304の回転が可能となっている。
A
ステータAの上面には金属製のフロントプレート309が配設されている。ステータAとステータBを樹脂で一体形成する際、ステータAの上面には複数の突起部323が樹脂で同時に一体成形される。この突起部323をフロントプレート309に形成された貫通孔にそれぞれ挿通することで、フロントプレート309の位置が決められている。
A
図4に示すように、玉軸受303の外輪はフランジ部303aを有し、このフランジ部303aには、フロントハウジング311が係合し、更に固着プレート310の環状突起部310aによって、フロントハウジング311がロータ304の方向に押し付けられることで、フロントハウジング311が玉軸受303の外輪に固定されている。フロントハウジング311は、中空の円筒形状を有した金属製であり、一方端側(マグネット305の側)には径外方に延在し、中央に穴311aが形成された基部となる円板形状の大径部311dを有し、また段差部311cが設けられている。
As shown in FIG. 4, the outer ring of the ball bearing 303 has a flange portion 303 a, the
フロントハウジング311には、軸方向に延在する穴311aが設けられ、この穴311aには、可動プレート312の回転防止機構となる軸方向に延在するピン312aが軸方向に移動可能な状態で挿入されている。穴311aは、一方端が閉塞した構造であるが、貫通孔でも構わない。フロントハウジング311の中空部分の一方端側の開放端にはフランジ303a(図4参照)が付いた玉軸受303が装着されている。フロントハウジング311をロータケース302の内側に嵌合させることで、フロントハウジング311とシャフト307との同軸状態が確保されている。
The
フロントプレート309の上面には金属製の固着プレート310が配設されている。固着プレート310は環状突起部310aを備え、中央には段付き孔を有している。段付き孔はフロントハウジング311が挿通する貫通孔と、貫通孔よりも大径の環状凹部310dを有している。
A
固着プレート310は、フロントプレート309の上面に載置され、固着プレート310の環状突起部310aの内側の縁がフロントハウジング311の段差部311cに当接している。この状態で、固着プレート310はフロントプレート309に符号321の位置(図2参照)でカシメ固定されている。このカシメ固定は、固着プレート310に形成した図示しない突起をフロントプレート309に形成した図示しない貫通孔に挿通し、フロントプレート309から突出した突起の先端を潰すことで行われている。ここで、フロントプレート309に形成した図示しない貫通孔と、固着プレート310に形成した図示しない突起は、軸方向から見て、ステータ301よりも外側にあり、上記のカシメ位置321がステータ301と干渉しない構造となっている。
The fixing
固着プレート310をフロントプレート309にカシメ固定した際、固着プレート310の環状凹部310dに配設したシールドリングとして機能する弾性リング(Oリング)313が、ロータケース302のフランジ部302aと固着プレート310の環状突起部310aによって軸方向に押圧され変形する。これにより、ロータケース302と固着プレート310との間がシールされる。また、固着プレート310には図示しない機器に取り付けるためのボルト(またはねじ)を挿通するための孔322(図2参照)が形成されている。
When the fixing
可動プレート312は、樹脂製であり、円板部312bと、円板部312bから軸方向両側にそれぞれ突出する突起部312c,312dを備えている(図3参照)。突起部312cの中央には貫通孔を有し、貫通孔の内周面の一部には雌ネジ314が形成されている。雌ネジ314が形成されている側の突起部312cは、フロントハウジングの中空部分の中に位置し、雌ネジ314はシャフト307のリードスクリュー部308と螺合する。
The
また、円板部312bからは軸方向に延在するピン312aが一体成形にて形成されているが、このピン312aがフロントハウジング311に形成された穴311aに挿入されることで、可動プレート312の軸回りの回転が防止された構造が得られている。
In addition, a
シャフト307のリードスクリュー部308と可動プレート312の雌ネジ314が螺合することで、リードスクリュー部308に可動プレート312が取り付けられている。弁体は可動プレート312と可動プレート312に装着された弁ゴム315から構成されている。可動プレート312の円板部312bには、弁ゴム315が被せられた状態で装着されている。弁ゴム315は、例えばNBRゴムにより構成されている。シャフト307は、ロータケース302の小径部302bの内側に装着された玉軸受316と、フロントハウジング311の内側に装着された玉軸受303によって回転可能に支持され、ロータ304がロータケース302に対して回転可能とされている。リア側の玉軸受316とロータ304のスリーブ306との間、及びフロント側の玉軸受303とロータ304のスリーブ306との間には、摺動性を良くするためにそれぞれ樹脂製ワッシャ(ポリスライダー)317,318が介装されている。また、可動プレート312と固着プレート310の間にはコイルばね319が圧縮されて介装されている。このコイルばね319は、弁ゴム315が弁座203(図1参照)に当接して流体経路を閉塞した時に、弁ゴム315を弁座203に向けて付勢する。
The
(2)遮断弁アクチュエータの動作
異常時には、電池などの外部入力によってステータ301のコイル404に通電してロータ304を正回転させ、リードスクリュー部308を正回転(弁ゴム315が弁座203に当接する方向に回転)させる。ここで、可動プレート312に形成された回転防止機構となるピン312aがフロントハウジング311の穴311aに挿入されているため、リードスクリュー部308と螺合する可動プレート312の回転が阻止され、上記のリードスクリュー部308の正回転が、可動プレート312の直線運動に変換され、弁ゴム315が弁座203に向かって前進する。そして最終的に、弁ゴム315が弁座203に当接することで、ガス経路201と202の間が閉塞され、ガスの流路が遮断される。
(2) Operation of the shut-off valve actuator When an abnormality occurs, the
上記の流路を遮断した状態から、流路を開放させる場合、上記と逆の向きにロータ304を回転させ、可動プレート312を上記と逆の方向に移動させる。可動プレート312を上記と逆の方向に移動させることで、弁ゴム315が弁座203から離れてガスの流路が開放され、ガスの供給が再開する。
When the flow path is opened from the state where the flow path is blocked, the
固着プレート310の環状凹部310dに配設した弾性リング(Oリング)313がフロントプレート309の上面に載置されたロータケース302のフランジ部302aと固着プレート310によって軸方向に押圧され、変形することで、ロータケース302と固着プレート310との間がシールされている。このため、ロータケース302の内部には流体(ガス)の圧力がかかるが、弾性リング(Oリング)313によって大気側との間の気密が確保される。流体としては、ガスに限定されず、液体であってもよい。
An elastic ring (O-ring) 313 disposed in the annular recess 310d of the fixing
(3)優位性
特許文献2の遮断弁は、ふた40とふた40の内側に装着した軸受39の一部がステータ36の内側に入り込んで、かつロータ43の内側に入り込んでいる。このため、径が制限された状況下において、ロータマグネットの厚みを確保できず、ロータマグネットの体積が犠牲になる。
(3) Superiority In the shut-off valve of
これに対して、図1〜図4の構造では、フロントハウジング311は、中空の円筒形状を有し、中空の一方端側の開放端にはフランジ303aが付きた玉軸受303が装着されている。玉軸受303は、中空円筒形状のフロントハウジング311の内側に位置し、フロントハウジング311は、玉軸受303のフランジ303aを利用して、軸方向の位置が決められている。そして、玉軸受303の下端面とフロントハウジング311の下端面とが略同じ高さ(略同じ軸方向の位置)になっている。このため、フロントハウジング311及び玉軸受303はステータ301の内側にも、かつロータ304の内側にも入り込んでいない。したがって、ステータ301の径が規定(限定)された場合でもマグネット305の体積を確保でき、モータの推力を大きくできる。また、マグネット305の強度が上がり、マグネット305の割れが生じ難くなる。
In contrast, in the structure of FIGS. 1 to 4, the
以上述べたように、遮断弁アクチュエータ100は、(1)シャフト307およびマグネット305を備えたロータ304、(2)ロータ304の回転を軸方向の動きに変換するネジ機構を構成するシードスクリュー部308および雌ネジ314、(3)弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレート312からなる弁体と、(4)可動プレート312の回転を防止しつつ可動プレート312の軸方向への移動を許容するように可動プレート312と係合したフロントハウジング311、(5)シャフト307を回転自在な状態で支持する軸受303,316を備えている。そして、フロントハウジング311の基部となる大径部311dと軸受303とが径方向で隣接し、軸に垂直な方向から見て、マグネット305と軸受303とが重ならない位置にある。
As described above, the shut-off
この構造によれば、軸受303とフロントハウジング311の大径部311dが径方向で重なり、軸受303の径方向外側にロータ304が位置しないので、マグネット305の体積を大きく確保できる。
According to this structure, since the
また、上記の構成において、(6)フロントハウジング311は、可動プレート312のピン312aを収容する軸方向に延在する凹部である穴311aを備え、軸に垂直な方向から見て、穴311aの一部と軸受303とが重なる位置関係にある。ここで、穴311aを軸方向に貫通させた凹部とすることも可能である。
Further, in the above configuration, (6) the
可動プレート312の可動範囲を確保する関係で、穴311aの軸方向の長さ(穴の深さ)はある程度確保する必要がある。他方で、遮断弁アクチュエータ100の軸方向の小型化も求められる。上記(6)の構造では、穴311aと軸受303を径方向で重なる位置関係とすることで、軸方向の寸法を短縮しつつ、穴311aの深さを大きく確保できる。
In order to ensure the movable range of the
また、上記(1)〜(6)の構成に加えて、(7)軸受303は外周にフランジ303aを備え、フランジ303aにフロントハウジング311の大径部311dが接触することでフロントハウジング303aの軸方向における位置が決められている。(7)の構成によれば、穴311aの深さを確保しつつ、軸方向の寸法の増大を抑えた構造においてフロントハウジング311の固定が確実に行われる。
In addition to the configurations (1) to (6) above, (7) the
10…ガス遮断装置、100…遮断弁アクチュエータ、200…筐体、201,202…ガス流路、203…弁座、300…PM型ステッピングモータ、301…ステータ、301a…リアブラケット、302…ロータケース、302a…フランジ部、302b…小径部、303…玉軸受、303a…フランジ、304…ロータ、305…マグネット、306…スリーブ、307…シャフト、308…リードスクリュー部、309…フロントプレート、310…固着プレート、310a…環状突起部、310d…環状凹部、311…フロントハウジング、311a…穴、311c…段差部、312…可動プレート、312a…ピン、312b…円板部、312c…突起部、312d…突起部、313…弾性リング、314…雌ネジ、315…弁ゴム、316…玉軸受、317,318…樹脂製ワッシャ、319…コイルばね、321…カシメ位置、322…孔、323…突起部、401…外ヨーク、402…内ヨーク、403…ボビン、404…コイル、405…端子ピン、406…端子台、407…回路基板、408…コネクタ。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記ロータの回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、
弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレートからなる弁体と、
前記可動プレートの回転を防止しつつ前記可動プレートの軸方向への移動を許容するように前記可動プレートと係合したフロントハウジングと、
前記シャフトを回転自在な状態で支持する軸受と
を備え、
前記フロントハウジングの基部と前記軸受とが径方向で隣接し、
軸に垂直な方向から見て、前記マグネットと前記軸受とが重ならない位置にあり、
前記可動プレートは、前記フロントハウジングの方向に突出する突出部を備え、
前記フロントハウジングは、前記可動プレートの前記突出部を収容する軸方向に延在する凹部を備え、
軸に垂直な方向から見て、前記凹部の一部と前記軸受とが重なる位置関係にある流体の遮断弁アクチュエータ。 A rotor with a shaft and a magnet;
A screw mechanism that converts rotation of the rotor into axial movement;
A valve body comprising a valve plate and a movable plate movable in the axial direction by the screw mechanism;
A front housing engaged with the movable plate so as to allow movement of the movable plate in the axial direction while preventing rotation of the movable plate;
A bearing that supports the shaft in a rotatable state;
The base of the front housing and the bearing are adjacent in the radial direction;
When viewed from the direction perpendicular to the shaft, the magnet and the bearing do not overlap each other,
The movable plate includes a protrusion that protrudes in the direction of the front housing,
The front housing includes an axially extending recess that accommodates the protruding portion of the movable plate,
A fluid shut-off valve actuator in which a part of the recess overlaps with the bearing when viewed from a direction perpendicular to the shaft .
前記ロータの回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、
弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレートからなる弁体と、
前記可動プレートの回転を防止しつつ前記可動プレートの軸方向への移動を許容するように前記可動プレートと係合したフロントハウジングと、
前記シャフトを回転自在な状態で支持する軸受と
を備え、
前記フロントハウジングの基部と前記軸受とが径方向で隣接し、
軸に垂直な方向から見て、前記マグネットと前記軸受とが重ならない位置にあり、
前記軸受は外周にフランジを備え、
前記フランジに前記フロントハウジングが接触することで前記フロントハウジングの軸方向における位置が決められている流体の遮断弁アクチュエータ。 A rotor with a shaft and a magnet;
A screw mechanism that converts rotation of the rotor into axial movement;
A valve body comprising a valve plate and a movable plate movable in the axial direction by the screw mechanism;
A front housing engaged with the movable plate so as to allow movement of the movable plate in the axial direction while preventing rotation of the movable plate;
A bearing that supports the shaft in a rotatable state;
With
The base of the front housing and the bearing are adjacent in the radial direction;
When viewed from the direction perpendicular to the shaft, the magnet and the bearing do not overlap each other,
The bearing has a flange on the outer periphery,
A fluid shut-off valve actuator in which a position of the front housing in the axial direction is determined by contacting the front housing with the flange.
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