JPH0228250Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、ボールバルブ等の遮断弁の開閉制御
に適した電気−油圧式トルクアクチユエータに関
する。

電気−油圧式トルクアクチユエータは、モータ
ポンプによつて油圧を発生させ、その油圧でシリ
ンダを動作させて回転力に変換するものであり、
燃料ガス等の遮断弁としてのボールバルブを遠隔
制御するのに適している。

このようなアクチユエータにおいては、停電時
または故障時に備えて、油圧の発生が停止したと
きにはばねの反力によつて自己復帰し、バルブを
閉止できるようにしなければならない。一方、操
作制御されるボールバルブは、弁体とハウジング
との摺動抵抗のためにバルブ開閉動作の初期と終
期における各角度部分で特に大きな駆動トルクを
必要とする。そのため、復帰のためのばねを大形
化せざるを得ず、ひいては、アクチユエータ全体
が大形化してしまう欠点があつた。

したがつて本考案の主な目的は、小形でかつ復
帰トルクの大きなトルクアクチユエータを提供す
ることである。

本考案は、ハウジングの側部に固定したシリン
ダチユーブ内に移動可能にピストンを設け、その
ピストンロツドを主復帰ばねで流体圧作用方向と
は逆方向に付勢し、該ハウジングに回転自在に支
持された駆動軸に直角に固定されたアームの遊端
をピストンロツドにピン枢支したトルクアクチユ
エータにおいて、駆動軸は、ピストンロツドの全
ストロークの縮退時に遮断弁を全閉状態とし、ピ
ストンロツドの全ストロークの伸長時に遮断弁を
全開状態とし、ピストンロツドの前記縮退時から
前記伸長時にわたつてアームの前記遊端は、駆動
軸の軸線を通るピストンロツドに直角な基線に、
交差して角変位し、ピストンロツドの前記縮退時
に前記基線と、アームの前記遊端とのなす角度θ1
は、ピストンロツドの前記伸長時に前記基線とア
ームの前記遊端とのなす角度θ2よりも小さく選ば
れることを特徴とするトルクアクチユエータであ
る。

以下、図面を参照して本考案の実施例を説明す
る。第１図は本考案の一実施例の断面図であり、
第２図は第１図の切断面線−から見た断面図
である。このトルクアクチユエータ１は上下２つ
に区切られた２つの室２０および２１を有するハ
ウジング２を備え、その室２１内には駆動軸３が
回転自在に支持されている。駆動軸３の一端（第
１図における下側）はボールバルブの弁軸に接続
し得るようにハウジング２の外方に突出されてい
る。

ハウジング２の室２１における駆動軸３に直角
な方向の一方側（第１図において左方側）には、
流体圧シリンダ４が駆動軸３の軸心とずらせて取
り付けられている。また室２１の他方側にはばね
ハウジング５が流体圧シリンダ４と同心に取り付
けられている。流体圧シリンダ４は、両端にエン
ドカバー４１および４２が嵌合されたシリンダチ
ユーブ４０と、そのシリンダチユーブ４０内で移
動可能なピストン４３と、ハウジング２内を貫通
して一端がばねハウジング５内に延設されかつ他
端がピストン４３に固定されたピストンロツド４
４とを備える。

ピストンロツド４４の他端部にはばね受４５が
固着される。ばねハウジング５内には主復帰ばね
６が収納される。この主復帰ばね６は、たとえば
２つのつる巻きばねが同心に配置されて成る。ば
ね受４５およびピストンロツド４４は主復帰ばね
６によつて第１図の左方に向けて弾発付勢されて
いる。

シリンダチユーブ４内には、ピストン４３に関
してシリンダ室４６と反対側の空間４７におい
て、補助復帰ばね７が設けられる。この補助復帰
ばね７はピストン４３に形成されたリセス４３０
内に嵌合されており、その長さはピストン４３の
ストロークよりも短く選ばれている。

ハウジング２には、前記流体圧シリンダ４、ば
ねハウジング５、主復帰ばね６、および補助復帰
ばね７と同様に構成された流体圧シリンダ４ａ、
ばねハウジング５ａ、主復帰ばね６ａ、および補
助復帰ばね７ａが、第２図に示すごとく駆動軸３
を挾んで並列にしかも逆向きに取り付けられる。

再び第１図を参照してハウジング２の室２０は
流体圧シリンダ４ａ用の作動油を蓄える油槽を形
成し、その中にはポンプ９０、ポンプを駆動する
モータ９１、圧力スイツチ９２、およびリリーフ
弁９３を有する油圧ユニツト９が収納される。こ
の油圧ユニツト９はポンプ９０の動作によつて圧
油を導管９４を介して油圧シリンダ４，４ａのシ
リンダ室４６，４６ａ内に導入する。油圧シリン
ダ４，４ａの空間４７，４７ａは導管９５を介し
て油槽２０に連通されている。

駆動軸３にはその一直径線に沿つて延びるアー
ム８０が固着され、そのアーム８０両端には溝８
１がそれぞれ形成される。ピストンロツド４４お
よび４４ａにはピン８２，８２ａがそれぞれ突設
されており、それらのピン８２，８２ａはアーム
８０の溝８１内に受けられる。このように構成す
ることにより、ピストンロツド４４，４４ａの軸
線に沿う直線運動が駆動軸３の回転運動に変換さ
れる。

ハウジング２の室２１内には流体圧シリンダの
動作状態を検出する位置検出スイツチ１００が設
けられる。

上記トルクアクチユエータにおいて、油圧ユニ
ツト９の作動スイツチ（図示せず）が「オン」に
されると、モータ９１およびポンプ９０が始動し
始めるとともにリリーフ弁９３が閉となる。ポン
プ９０によつて加圧された圧油は導管９４を介し
て流体圧シリンダ４，４ａの各シリンダ室４６，
４６ａに供給される。したがつて流体圧シリンダ
４のピストン４３およびピストンロツド４４は矢
符Ｘ方向に移動し、かつ流体圧シリンダ４ａのピ
ストン４３ａおよびピストンロツド４４ａは矢符
Ｙ方向に同時に移動し、それにより駆動軸３が矢
符Ｚ方向に回動される。そして駆動軸３にボール
バルブが連結されているとき、ボールバルブは各
ピストン４３，４３ａが最終位置まで移動した時
点で全開状態となる。この全開状態になつたとき
を、位置検出スイツチ１００で検出し、モータ９
１およびポンプ９０の動作を停止して、ピストン
４３，４３ａを押圧した状態すなわちボールバル
ブを全開の状態に保持する。

上述のごとき全開状態を保持した状態で、何ら
かの原因により油圧ユニツト９のリリーフ弁９３
の電源が切れリリーフ弁９３が開弁した状態を想
定する。そうなると、シリンダ室４６，４６ａ内
の圧油はリリーフ弁を介して油槽２０（大気圧と
同圧になつている）に逃げる。そのため、各流体
圧シリンダ４４ａのピストン４３，４３ａおよび
ピストンロツド４４，４４ａは、主および補助復
帰ばね６，６ａおよび７，７ａのばね力によつて
瞬時に元の位置に戻り、したがつてボールバルブ
が閉弁される。

しかも、ピストン等の復帰開始の際には補助復
帰ばね７，７ａがエンドカバー４２，４２ａに当
接して圧縮されているので、主復帰ばね６，６ａ
の復元力を有効に補助する。そのため、ボールバ
ルブ始動時の抵抗力に打ち勝つためのトルクを一
時的に増大させることができ、ボールバルブは迅
速かつ確実に閉止される。しかも補助復帰ばねは
ピストンの復帰開始時のみ作用すればよいので小
形ですみ、したがつてアクチユエータ自体も小形
化される。

このようなトルクアクチユエータにおいて、ボ
ールバルブを全開状態にするために、流体圧シリ
ンダ４，４ａを駆動したときには、補助復帰ばね
７，７ａにエンドカバー４２，４２ａが当接す
る。そのため、開弁動作時においては、それらの
補助復帰ばね７，７ａのばね力に打ち勝つために
一時的にトルクを増大させねばならない。

ここで第３図を参照して駆動軸３の駆動トルク
を説明する。第３図は図示しないボールバルブが
全閉位置にある状態を示し、仮想線で示す位置が
全開状態である。流体圧シリンダ４，４ａのピス
トンロツド４４，４４ａによる押圧力をｆとし、
駆動軸３からピン８２，８２ａまでの距離をｒと
し、駆動軸３およびピストンロツド４４，４４ａ
の距離をｌとする。駆動軸３の軸心を通り両ピス
トンロツド４４，４４ａに直角な線を基線１０１
とし、その基線１０１からの回転角度を示し、第
４図を参照して、一方のピストンロツド４４によ
つて駆動軸３に作用するトルクＴに関して説明す
る。この第４図は、第３図の構成を簡略化して示
す図であり、前記回転角度θの微小な角度をΔθ
とするとき、駆動軸３に、回転によつて与えられ
る仕事は、Ｔ・Δθであり、一方のピストンロツ
ド４４の押圧力ｆによるピストンロツド４４の軸
線方向の仕事は、ｆ・Δxである。ここでΔxは、
アーム８０が微小角度Δθだけ角変位したときに、
アーム８０の押圧力ｆが佐用する遊端がピストン
ロツド４４の軸線方向に変位する微小変位量であ
る。これらの各仕事は等しいので、第１式が成立
する。

Ｔ・Δθ＝ｆ・Δx ……(1) アーム８０が微小角度Δθだけ角変位したとき、
駆動軸３からピン８２までの距離をr1とすると
き、第２式が成立する。

r1・sinΔθ＝Δx・sin（π／２−θ）……(2) 距離ｒは、充分に大きいので、 r1≒ｒ ……(3) であり、Δθは充分小さいので、 sinΔθ＝Δθ−（Δθ）³／３！＋（Δθ）⁵／５！
… ≒Δθ ……(4) また、 sin（π／２−θ）＝cosθ ……(5) 上述の第３式〜第５式から、第２式は、次の第
６式のように書き直すことができる。

ｒ・Δθ＝Δx・cosθ ……(6) また、 ｒ≒ｌ／cosθ ……(7) であり、この第７式のｒを第６式に代入すると第
８式が成立する。

Δθ＝cos²θ／ｌ・Δx ……(8) この第８式のΔθを、第１式に代入すると、第
９式が成立する。

Ｔ・cos²θ／ｌ・Δx＝ｆ・Δx ……(9) したがつてアーム８０および駆動軸３に作用す
るトルクＴは、 Ｔ＝ｌ／cos²θ・ｆ ……(10) となる。

ピストンロツド４４の他に、もう一つのピスト
ンロツド４４ａが設けられているので、これらの
２つのピストンロツド４４，４４ａによつて駆動
軸３に作用するトルクT1は、 T1＝2f・ｌ／cos²θ ……(11) となる。

ここで、 ｆ（θ）＝１／cos²θ ……(12) とすると、 T1＝2f・ｌ・ｆ（θ） ……（13） が成立する。したがつてｆ（θ）が判れば、トル
クT1を算出することができる。以下の説明では、
θ1とθ2を総括的にθで示すことがある。

ボールバルブの全開位置と全閉位置との間の回
転角度θは90度であり、したがつて第３図のごと
く全閉位置の回転角度をθ1とし、全開位置の回転
角度をθ2とすると、 ｜θ1｜＋θ2＝90゜ ……（14） となる。ここで｜θ1｜＝θ2としたときのｆ（θ）
を示すと、第５図の破線で示す曲線１０２とな
る。またボールバルブ自体の抵抗を示すと第５図
の実線で示す曲線１０３となる。第５図から明ら
かなごとく、曲線１０２，１０３は相互に相似し
ており、本件アクチユエータ１がボールバルブの
開閉操作に適していることがわかる。

ところが、前述のごとくボールバルブの開弁操
作時においては、補助復帰ばね７，７ａのばね力
に打ち勝つために一時的にトルクを増大させる必
要がある。

そこで、本考案によれば、前述の回転角度θ1，
θ2は、同一角度ではなく、わずかな回転角度αた
とえば５〜10度だけずらされる。すなわち ｜θ1｜＝θ2−α ……（15） α＝５〜10゜ ……（16） である。

上述のごとく全閉位置の回転角度と全開位置の
回転角度とを相互に角度αだけずらせることによ
つて、開弁操作時において補助復帰ばね７，７ａ
のばね力に打ち勝つために一時的にトルクを増大
させることができる。角度αを10度とした場合に
おけるｆ（θ）を示すと、第５図の実線で示す曲
線１０４のようになる。第５図から明らかなよう
に、開弁角度θ2に近づくにつれてトルクが増大す
るのがわかる。したがつて開弁操作時に補助復帰
ばね７，７ａを、そのばね力に抗して容易に圧縮
することが判る。

すなわち駆動軸３はピストンロツド４４，４４
ａの全ストロークの縮退時にアーム８０が第３図
の実線で示される状態となつているとき、ボール
弁などの遮断弁を全閉状態とする。またこの駆動
軸はピストンロツド４４，４４ａの全ストローク
の伸長時であつてアーム８０が第３図の仮想線で
示される状態となつているとき、遮断弁を全開状
態とする。ピストンロツド４４，４４ａの前記縮
退時から伸長時にわたつてアーム８０の参照符８
２，８２ａで示される遊端は駆動軸３の軸線を通
るピストンロツド４４，４４ａに直角な１０１に
交差して角変位する。ピストンロツドの前記縮退
時に前記基線１０１とアームの前記遊端８２との
なす角度θ1は、ピストンロツドの前記伸長時に前
記基線１０１とアーム８０の前記遊端８２とのな
す角度θ2よりも、前述のようにαだけずれて小さ
く選ばれている。第５図では参照符１０１ａは、
基線１０１の位置に関して角度θ1，θ2が等しい位
置を示す。

上述の実施例では、２組の流体圧シリンダ４，
４ａおよび復帰ばね７，７ａを用いているが、他
の実施例として１組であつてもよい。

上述の実施例では、本考案は開弁操作時に補助
復帰ばね７，７ａを、そのばね力に抗して容易に
圧縮するために、角度θ1，θ2を角度αだけずらし
て構成されているけれども、本考案はその他の態
様で実施が可能である。たとえば本考案の他の実
施例として、第３図の実線で示される位置をボー
ルバルブの全開状態とし、仮想線で示す位置をボ
ールバルブの全閉状態とし、この全閉状態におい
て、大きな力でボールバルブの弁体を角変位し
て、気密性を向上するためにもまた、本考案を実
施することができる。

以上のように本考案によれば、駆動軸に固定さ
れているアームの遊端は、駆動軸の軸線を通るピ
ストンロツドに直角な基線に、交差して角変位
し、ピストンロツドの縮退時に基線とアームの遊
端とのなす角度θ1は、ピストンロツドの伸長時に
基線とアームの遊端とのなす角度θ2よりも小さく
選び、これによつてピストンロツドの伸長時にア
ームに作用するトルクを増大することが可能にな
る。したがつてピストンを小形化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の断面図、第２図は
第１図の切断面線−から見た断面図、第３図
は駆動トルクを説明するための簡略化した断面
図、第４図は、駆動トルクを説明するための簡略
化した図、第５図は駆動トルクT1を求めるため
の関数ｆ（θ）を示すグラフである。 １……トルクアクチユエータ、２……ハウジン
グ、３……駆動軸、４，４ａ……流体圧シリン
ダ、６，６ａ……主復帰ばね、７，７ａ……補助
復帰ばね、４３，４３ａ……ピストン、４４，４
４ａ……ピストンロツド、８０……アーム、８２
……ピン。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. ハウジングの側部に固定したシリンダチユーブ
   内に移動可能にピストンを設け、そのピストンロ
   ツドを主復帰ばねで流体圧作用方向とは逆方向に
   付勢し、該ハウジングに回転自在に支持された駆
   動軸に直角に固定されたアームの遊端をピストン
   ロツドにピン枢支したトルクアクチユエータにお
   いて、駆動軸は、ピストンロツドの全ストローク
   の縮退時に遮断弁を全閉状態とし、ピストンロツ
   ドの全ストロークの伸長時に遮断弁を全開状態と
   し、ピストンロツドの前記縮退時から前記伸長時
   にわたつてアームの前記遊端は、駆動軸の軸線を
   通るピストンロツドに直角な基線に、交差して角
   変位し、ピストンロツドの前記縮退時に前記基線
   と、アームの前記遊端とのなす角度θ1は、ピスト
   ンロツドの前記伸長時に前記基線とアームの前記
   遊端とのなす角度θ2よりも小さく選ばれることを
   特徴とするトルクアクチユエータ。