JP7465405B1

JP7465405B1 - 弁体駆動機構

Info

Publication number: JP7465405B1
Application number: JP2023181506A
Authority: JP
Inventors: 敏之石川
Original assignee: Oki Micro Engineering Co Ltd
Current assignee: Oki Micro Engineering Co Ltd
Priority date: 2023-10-21
Filing date: 2023-10-21
Publication date: 2024-04-10
Anticipated expiration: 2043-10-21

Abstract

【課題】樹脂製リードスクリューを両端部で軸支して、摩擦負荷の低減と回転軸芯の維持を可能とした弁体駆動装置を提供する。【解決手段】ステッピングモータ２の出力軸２３と直接トルクを伝達するリードスクリュー３と、リードスクリュー３の一部と係合して出力軸線Ｒに沿って直線移動させる直動送り部４０と、直動送り部４０から弁体６方向へ延設した平行一対の腕部４１ｔと、から成るキャリッジ４と、該一対の腕部４１ｔの回転を阻止する挿通口を備えるとともに、該キャリッジ４に対して相対移動する軸支ガイド５と、前記弁体６とキャリッジ４とを一体移動させる弁ガイド６１と、該弁ガイド６１と軸支ガイド５との間に配置したコイルスプリング７と、からなり、リードスクリュー３の先端部３１は、可能な限り小さい面積をもって軸支ガイド５の軸支受部５３と当接させている。【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータの回転出力を直動変換して、弁体を直線方向に進退移動させる弁体駆動機構に関する。

従来から、必要時にガス流通口を塞いで、ガス流通を遮断する弁体駆動機構は、電動モータの出力軸からの回転動力を直動変換機構によって、弁体を直線方向に進退移動させてガス流通口を閉塞及び開放する直動機構が知られている。
かかる弁体駆動機構としては、例えば、特許文献１として開示された発明がある。

この開示発明は、直動送り部の摩擦負荷を低減するため、金属材を用いて寸法精度を高く設定したリードスクリューを用いている。また、金属製リードスクリューの回転軸の軸芯を維持するとともに、軸方向の荷重による摩擦負荷を低減するために高価なボールベアリングを用いる必要があった。
一方、上記難点に鑑みてボールベアリングを廃止するとともに、リードスクリューの外周側を樹脂材で形成した発明が、特許文献２として開示されている。

これは金属製の丸棒をシャフトとして用い、その外周側に樹脂材でスクリュー部を配設する構成を採っている。その外周側の樹脂層を含めて、またはシャフトのみをロータ軸に貫通させて回転力（トルク）を伝達するものであった。

特開２００５－２３３２０３特開２０１４－１９０４５５

しかし、特許文献１の開示発明の構成では、リードスクリューを高精度の寸法で加工するとともに摩擦抵抗は低いが高価な金属製のものが使用されている。

加えて、リードスクリューの軸受部の摩擦損失を低減するため、可能な限り摩擦係数の低い部材が使用されている。特に、弁体の動作時には、回転軸方向にも負荷が掛かるため、弁体側の軸受はスラスト荷重（回転軸方向の荷重）による摩擦も低減する必要がある。そのため、従来例ではボールベアリングが使用されていた。精度の高い金属製リードスクリューや高価なボールベアリングを用いる必要があるため、製造コストの低減に課題があった。

一方、特許文献２の開示発明は、ボールベアリングを廃止して樹脂製のリードスクリューを使用したものであるが、樹脂材で形成した場合は、回転軸の芯振れを無くするため、金属製より大径で太く成形する必要があった。また、樹脂材であるため金属材に比べて摩擦係数が大きいため、螺合により摩擦負荷が大きくなるという課題があった。

そこで、本願にかかる発明（以下「本発明」）は、これらの課題に着目しその解決を目的とするものであり、リードスクリューを樹脂製として価格低減を図るとともに、リードスクリューを両端部で軸支して、摩擦負荷の低減を確保しつつ回転軸芯の維持を可能とした弁体駆動装置を提供するものである。

該リードスクリューのスクリュー部の一部と係合して出力軸線に沿って直線移動させる直動送り部と、該直動送り部から前記出力軸線に沿って前記弁体方向へ延設した平行一対の腕部と、から成るキャリッジと、
該キャリッジの腕部の挿通を許容する挿通口を有するとともに、該キャリッジに対して出力軸線上を相対移動する軸支受部を備えた軸支ガイドと、
前記弁体を保持するとともに前記キャリッジと結合して一体移動する弁ガイドと、
該弁ガイドと前記軸支ガイドとの間に拡張付勢力をもって配置したバネ手段と、からなり、
前記リードスクリューの先端部は、球体を介して、又は前記出力軸線上で回転摩擦抵抗を低減させる狭小面積をもって、前記軸支受部に当接して回転自在に支持されていることを特徴としている。
前記該リードスクリューのスクリュー部の一部と係合して前記キャリッジを出力軸線上に沿って直線移動させる直動送り部の構成としては、
前記リードスクリューと前記キャリッジとの螺合構成、または前記スクリュー部の螺旋溝を倣い移動する凸状部を前記キャリッジの内側に形成する構成を採ってもよい。

該リードスクリューのスクリュー部の一部と係合して出力軸線に沿って直線移動させる直動送り部と、該直動送り部から前記出力軸線に沿って前記弁体方向へ延設した平行一対の腕部と、から成るキャリッジと、
該キャリッジの腕部の挿通を許容する挿通口を有するとともに、該キャリッジに対して出力軸線上を相対移動する軸支受部を備えた軸支ガイドと、
前記弁体を保持するとともに前記キャリッジと結合して一体移動する弁ガイドと、
該弁ガイドと前記軸支ガイドとの間に拡張付勢力をもって配置したバネ手段と、からなり、
前記リードスクリューの先端部は、前記出力軸線上で可能な限り小さい面積をもって前記軸支ガイドの軸支受部と当接してなることを特徴としている。
前記該リードスクリューのスクリュー部の一部と係合して前記キャリッジを出力軸線上に沿って直線移動させる直動送り部の構成としては、
前記リードスクリューと前記キャリッジとの螺合構成、または前記スクリュー部の螺旋溝を倣い移動する凸状部を前記キャリッジの内側に形成する構成を採ってもよい。

ここで、前記リードスクリューの電動モータの出力軸への結合の具体例としては、一端側を非円形断面形に形成したリードスクリューの軸支ロッドを、前記出力軸に嵌入する構成としてもよい。

加えて、前記リードスクリューの先端部と前記軸支受部との当接においては、球体を介在させて行うことが好ましい。これより球体の自転と相俟って、リードスクリューと軸支受部との回転摩擦を低減することができる。

なお、上記球体の介在の他に、前記リードスクリューの先端部の端面及び前記軸支受部の面のいずれか一方、または両方に切頭円錐台状、半球状、または漸次縮形状の山型状のいずれかの形状を形成して当接させてもよい。

さらに、必要により前記リードスクリュー内の出力軸線上に、金属製シャフトを電動モータの出力軸からリードスクリューの先端部を非貫通の状態で内在（又は挿入）させた構成を採ってもよい。これによりリードスクリューの回転軸（＝出力軸）の軸芯維持と強度の向上を図ることができる。

上記金属シャフトを内在させたリードスクリューの電動モータ出力軸への結合は、スクリュー部の出力軸側端部に一体形成した外嵌部（樹脂製）を形成して嵌合させる構成を採ってもよい。これにより、リードスクリューへの直接トルク伝達がより適切となる。

上記構成により、樹脂製リードスクリューを使用しても負荷の上昇が抑えられるため、コスト高となる金属製リードスクリュー及びボールベアリングを使用することなく低電力で駆動でき、低コストの弁体駆動機構を実現することができる。特に、電源を電池とした場合は、電池の容量低減に寄与する。

また、リードスクリューをその先端部と、ロータの出力軸の間で掛け渡し状に支持する構成であるため、リードスクリューの芯振れを抑制することができるとともに、樹脂製のリードスクリューであってもスクリュー部のキャリッジとの螺合長さを少なくして摩擦による回転負荷を低減することができる。

本発明にかかる実施形態例（以下、「本実施例」という。）に係る弁体駆動機構の縦断面である。図１の矢印Ａで示した領域の拡大断面図である。本実施例に係る弁体駆動機構の分解斜視図である。弁体駆動機構を構成する弁ガイド、軸支ガイド、及びキャリッジの組立状態を示す縦断面図（Ａ）であり、（Ｂ）は弁ガイドの断面図、（Ｃ）は軸支ガイドの断面図、及び（Ｄ）はキャリッジの断面図である。（Ａ）はリードスクリューの他の実施例を示す断面図、（Ｂ）はこれを取り付けた弁体駆動機構の縦断面図である。リードスクリューの先端部と前記軸支受部との当接状態を示した断面図であって、（Ａ）は前記軸支受部の平坦面と半球体の当接状態、（Ｂ）は切頭錘台状どうしの当接状態を示したものである。本実施例に係る弁体駆動機構の作動を示す断面図であって、（Ａ）はガス流通口への弁体の閉塞過程、（Ｂ）はガス流通口からの弁体の開放過程を示したものである。

以下に、本実施例について、図面を基に説明する。

なお、本実施例の設置は、上下位置及び水平垂直の設置制限は無いが、説明の便宜のため、出力軸線を水平方向として示した図１を基準として上下左右方向を用いる。
［全体構成］

図１に示す弁体駆動装置１は、気密部材１１により気密状態を維持してガス流通路に付設されている。電動モータとしてのステッピングモータ２の回転出力を、リードスクリュー３に直接にトルク伝達し、該リードスクリュー３と係合したキャリッジ４を直動させることによって、該キャリッジ４と係合した弁体６を、出力軸線に沿って直線方向に進退移動させて、ガス流通口１０を閉塞及び開放する機構である。
［駆動源の構成］
駆動源となるステッピングモータ２は、一般的な公知構成のものである。

外周囲にコイル２０ｃを巻回して配置構成したステータ２０と、外周囲に永久磁石２２ｍを配置したロータ２２を、前記ステータ２０とエアーギャップをもって軸回転自在に配置している。該ステッピングモータ２は、気密部材１１を介して取付板２４に気密状態でガス流路内のガス流通口１０に対向して配置される。

該ステッピングモータ２は、電池（図示省略。）を電源としているが、これに限定するものではなく外部供給の電源でも良い。ただし、地震等の災害時の停電を考慮すると電池（乾電池や蓄電池）が好ましい。
［出力軸構成］

前記ロータ２２の出力軸２３には、直接的にトルク伝達が可能となるように構成した樹脂製のリードスクリュー３を取り付けている。該リードスクリュー３は、先端部３１付近からロータ２２方向に形成した所定長さのスクリュー部３０と、該スクリュー部３０の端部からロータ２２側に延設した軸支ロッド３２（図面右側）とを一体的に形成している。該軸支ロッド３２は、トルク伝達のため断面形を非円形断面形（例えば、矩形断面又はＤ断面形）の棒状体に形成して、ロータ２２の出力軸２３に密着嵌入している。なお、この他、軸支ロッド３２にキー溝（図示省略。）を形成する構成としてもよい。

上記構成により、リードスクリュー３は、ロータ２２の出力軸２３と一体化して駆動回転する。別言すると、軸支ロッド３２は、ロータ２２の出力軸上を密着状態で貫通し、そしてロータ２２の右側端部から露出してステータ２０の内底部に形成された軸受２１により、回転自在にして支持されている。

これにより、リードスクリュー３は、トルク（回転力）が直接に伝達される、とともにロータ２２の出力軸線Ｒ上で、軸芯を維持されながら回転することとなる。

また、前記構成のリードスクリュー３は、キャリッジ４のロータ２２側の一部と係合させている。該キャリッジ４は、ロータ２２側のリードスクリュー３のスクリュー部３０の一部と係合する直動送り部４０と、該直動送り部４０から弁体６方向に延設した平行一対の腕部４１、４１と、からなる。

本実施例では、上記直動送り部４０における係合は、螺合によるものとしている。ただし、この螺合はリードスクリュー３の軸芯の維持よりも出力軸線Ｒに沿った直線送り作用を目的としているため、一周回程度の螺旋を形成して螺合するようにしている。

また、上記直動送り部４０における係合は、上記の螺合に限定するものではなく、キャリッジ４を出力軸線Ｒに沿って直動させる構成であれば良い。例えば、スクリュー部３０の螺旋溝（ねじ溝）に沿って移動する凸状（芯振れをなくするため少なくとも対向２箇所以上が好ましい。）を、キャリッジ４の内側に形成する構成としても良い。
［リードスクリューの他の実施例］

本実施例ではリードスクリュー３を、樹脂材のみで成形しているが、この他に、樹脂材で形成したスクリュー部内に、小径線体の金属シャフト３０１を、出力軸線Ｒに沿って非貫通状態で先端付近まで挿入して内在させた複合リードスクリュー３００を用いてもよい（図５参照）。

係る構成の金属シャフト３０１は、従来例とは異なりロータ２２からのトルクを積極的に伝達するものでなく、複合リードスクリュー３００の軸芯を維持するための補強材として用いたものである。そのため、スクリュー部３０のロータ側の端部には、直接トルク伝達を可能にするため、外嵌部３０３を一体的に形成して適合して直接外嵌するようにしている。

また、上記したように上記金属シャフト３０１は、トルクの伝達を目的としないため、その軸径は、従来例より小径線材にすることができる。これにより、複合リードスクリュー３００も小径にすることができ、回転負荷の低減が図れる。

別言すると、同一ピッチの場合、複合リードスクリュー３００の径を小さくしたほうが、ねじのリード角が大きくなり、ねじ効率が向上して低トルクで回転させることができる。このことは、回転時の慣性モーメントを低く抑えて加減速時の応答性を良くすることができる。なお、小径線材とすることは、低コスト化にも繋がる。
［直動変換構成］

前記キャリッジ４の腕部４１の先端側（図面左方向）には、軸支ガイド５を配設している。該軸支ガイド５は、前記キャリッジ４の一対の腕部４１、４１に案内されて摺動自在に直動する有底の円筒体５０を備えている。該円筒体５０の底面部５１には、前記一対の腕部４１がそれぞれ適合して挿通し得る（図面上下に）２箇所の挿通口５２、５２を形成している。さらに、前記底面部５１の中央には、弁体６側に露出させた有底円筒状の軸支受部５３を形成している。この軸支受部５３は、前記一対の腕部４１、４１の間を案内されて相対的に摺動する位置関係にある。

上記軸支ガイド５とキャリッジ４との構成により、前記キャリッジ４は、平行一対の腕部４１、４１の前記挿通口５２への挿通適合により、リードスクリュー３との螺合摩擦によって生じる従動回転が阻止されて直動する。これにより、リードスクリュー３の回転力がキャリッジ４の直動力に変換されることとなる。

また、前記軸支ガイド５の円筒体５０の外周囲には、円環状のフランジ５４を形成している。該円筒体５０は、前記取付板２４の開口部２５から露出した状態でフランジ５４が取付板２４のロータ２２側の面に当接するとともに、ロータ側には気密部材１１を介してロータ２２を内包するケース２６が取り付けられている。これにより、ガス漏出を防止している。

さらに、前記取付板２４の開口部２５を貫通した状態で配置された軸支ガイド５と弁ガイド６１の間には、後述するバネ手段としての拡張付勢力をもったコイルスプリング７が環装させており、その一方側が前記開口部２５の縁周囲と当接している。

さらにまた、前記軸支ガイド５の底面部５１に有底円筒状に形成した軸支受部５３には、球体５５を回転自在にして配置している。該球体５５にはリードスクリュー３の先端部３１が当接している。それと共にリードスクリュー３の先端部３１の先端外周面３３は、軸支受部５３の有底円筒状の内周面５６と円滑な摺動状態で嵌合している。

加えてリードスクリュー３の先端部３１の当接を、球体５５を介して行うことにより、出力軸線Ｒ上の接触面を狭小面積にすることができる。球体５５の自転と相俟って先端部３１に生じる回転摩擦抵抗を可能な限り小さくすることができる。

加えてリードスクリュー３の先端部３１の当接を、球体５５を介して行うことにより、回転軸芯上の接触面を狭小面積にすることができる。球体５５の自転と相俟って先端部３１に生じる回転摩擦力を可能な限り小さくすることができる。

なお、リードスクリュー３と軸支受部５３の当接は、上記球体５５に限定するものではなく、その他、軸支受部５３の内底面５３ｂ、及びリードスクリュー３の先端部３１のいずれか一方側を平坦面として、他方側を半球状５７、切頭円錐台状５８、切頭多角錐台状、または漸次縮径の山形状としてもよい（図６（Ａ）、（Ｂ）参照）。
［弁体の構成］

弁体６は、弾性部材の弁シート６０を保持する弁ガイド６１を構成主体としている。該弁ガイド６１は、前記出力軸線Ｒを挟む中央部で平行一対の腕部４１、４１の先端部４１ｔと係合している。

詳述すると、該弁ガイド６１は、前記ガス流通口１０（通常は、円形開口）を塞ぐ円盤状の弁シート６０を保持する略円筒状の基台枠体６２を有し、該基台枠体６２の中央には、前記一対の腕部４１の先端部４１ｔが嵌合する嵌合口６３を有している。
この嵌合口６３への腕部４１の嵌合により、平行に延びる腕部４１の平行間隔を維持している。

また、前記嵌合口６３の外周位置には、キャリッジ４方向に延設し、その先端部を鍵状に加工した係止鍵部６４を形成している。この係止鍵部６４が、前記キャリッジ４の腕部４１の外側に形成した係止突起４２と係止するように構成している。

さらに、弁ガイド６１の基台枠体６２と軸支ガイド５の間には、取付板２４を挟んで拡張付勢力をもったコイルスプリング７を、弁ガイド６１に環装配置している。

上記構成により係止突起４２と係止鍵部６４との係止と、これに対向した前記コイルスプリング７の拡張力との相互作用により、弁ガイド６１とキャリッジ４とは一体になって直動することとなる。

なお、この弁ガイド６１とキャリッジ４との一体化は、腕部４１の先端部４１ｔの前記嵌合口６３への嵌合によっても行われている。
［作動］
上記構成により本実施例は、次のように作動する。

図７（Ａ）に示すようにステッピングモータ２を起動させると、ロータ２２に直結したリードスクリュー３が軸回転する（右回転Ｔｒ）。これによりスクリュー部３０の一部と螺合した直動送り部４０に、出力軸線Ｒに沿った押力が作用する。この時キャリッジ４は、腕部４１が前記嵌合口６３に嵌合しているため回転が阻止されて、直線移動力のみが作用して左移動（矢印Ｃｌ）する。この移動（図面左方向）は、リードスクリュー３の出力軸線Ｒに沿って行われる。

これにより弁ガイド６１は、キャリッジ４と一体となって左方向に直動（矢印Ｂｌ）する。この移動によって、弁体６の弁シート６０は、ガス流通口１０に接近移動（矢印Ｃ）して閉塞状態となる。さらに、この状態では、前記コイルスプリング７の拡張付勢力が付加されて、ガス流通口１０の気密閉塞をより確実なものとしている。

次に、この上記閉塞状態からガス流通口１０の開放は、図７（Ｂ）に示すようにリードスクリュー３を左回転（矢印Ｔｌ）させて、キャリッジ４は右移動（矢印Ｃｒ）、及び弁ガイド６１は右移動（矢印Ｂｒ）と、それぞれ逆方向に作動させることによって、弁シート６０を右方向に移動（矢印Ｏ）させることによって行う。

上記作動により、本発明はガス流通口の閉塞と、閉塞から復帰を自動または遠隔信号で行うことができる。

１弁体駆動装置
２ステッピングモータ
２０ステータ
２１軸受
２２ロータ

２３出力軸
２４取付板
３リードスクリュー
３０スクリュー部
３１先端部
３２軸支ロッド
３３先端外周面
３００複合リードスクリュー（他の実施例）
３０１金属シャフト
３０２樹脂部分
３０３外嵌部
４キャリッジ
４０直動送り部
４１腕部
５軸支ガイド
５０円筒体
５１底面部
５２挿通口
５３軸支受部
５５球体
５６内周面
６弁体
６０弁シート
６１弁ガイド
６３嵌合口
７コイルスプリング

Claims

電動モータの回転出力を直動変換して、弁体を直線進退移動させることによってガス流通口を閉塞及び開放する弁体駆動装置であって、
前記電動モータの出力軸と直接トルク伝達可能に連結した樹脂製のリードスクリューと、
該リードスクリューのスクリュー部の一部と係合して出力軸線に沿って直線移動させる直動送り部と、該直動送り部から前記出力軸線に沿って前記弁体方向へ延設した平行一対の腕部と、から成るキャリッジと、
該キャリッジの腕部の挿通を許容する挿通口を有するとともに、該キャリッジに対して出力軸線上を相対移動する軸支受部を備えた軸支ガイドと、
前記弁体を保持するとともに前記キャリッジと結合して一体移動する弁ガイドと、
該弁ガイドと前記軸支ガイドとの間に拡張付勢力をもって配置したバネ手段と、からなり、
前記リードスクリューの先端部は、球体を介して、又は前記出力軸線上で回転摩擦抵抗を低減させる狭小面積をもって、前記軸支受部に当接して回転自在に支持されていることを特徴とする弁体駆動機構。
前記該リードスクリューのスクリュー部の一部と係合して前記キャリッジを出力軸線上に沿って直線移動させる直動送り部が、
前記リードスクリューと前記キャリッジとの螺合であることを特徴とする請求項１記載の弁体駆動機構。
前記該リードスクリューのスクリュー部の一部と係合して前記キャリッジを出力軸線上を直線移動させる直動送り部が、
前記スクリュー部の螺旋溝を倣い移動する凸状部を前記キャリッジの内側に形成したことを特徴とする請求項１記載の弁体駆動機構。
前記電動モータの出力軸と直接トルク伝達可能な連結が、
一端側を非円形断面形に形成した前記リードスクリューの軸支ロッドの、前記出力軸への嵌入であることを特徴とする請求項１記載の弁体駆動機構。
前記リードスクリューの先端部の前記軸支受部における支持において、
いずれか一方の面、または両方の面に、切頭円錐台状、切頭多角錐台状、半球状、または漸次縮径の山形状に形成して行うことを特徴とする請求項１記載の弁体駆動機構。
前記リードスクリューの構成において、
前記電動モータの出力軸からリードスクリューの先端部を非貫通の状態で、金属製シャフトを出力軸線上に内在させたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の弁体駆動機構。
請求項６記載のリードスクリューの電動モータ出力軸への結合が、
スクリュー部の出力軸側の端部に一体形成した外嵌部の前記出力軸への嵌合であることを特徴とする弁体駆動機構。