JPH03117758A - バルブアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、バルブアクチュエータ等として利用される自
動制御用電動駆動機に関するものである。

［従来の技術］ 一般的な電動駆動機は、電動モータの回転動力を出力軸
の進退動作に変換するための歯車列等からなる減速機構
を備えている。歯車には本来的にセルフロック機能があ
るものを使用する等して、電動モータへの通電が断たれ
ると、出力軸に保持力が働いて負荷側から電動モータが
駆動されないようにしている。

一方、自動制御用に用いられる電動駆動機は、制御機構
によって電動モータが制御されるもので、駆動端に位置
リミットスイッチを配置して出力軸の動作範囲を設定し
ておき、出力軸が目標位置に達すると、位置リミットス
イッチが働いて制御機構が電動モータへの通電を断つよ
うになっている。

また、この種電動駆動機は、通常の電動駆動機と比較し
て遥かに動作頻度が高く、且つ負荷変動の大きい箇所で
使用されることが少なくない。例えば、発電所のボイラ
に流量調節用バルブアクチュエータとして組み付けられ
ている電動駆動機では、高温高圧蒸気が作用している弁
を頻繁に駆動する必要があり、しかも、弁軸が蒸気に触
れて熱膨張することで出力軸に大きな負荷が作用するこ
とがある。このため、従来の歯車式減速機構を持つ自動
制御用電動駆動機では、先ず、電動モータに高速多回転
形のものを採用し、減速機構には多数の減速に関する部
品を組み込んで出力軸に高トルクが得られるようにして
おり、さらに、これに付帯して出力軸に異常負荷が加わ
った時に動作するトルクリミットスイッチ機構を設け、
モータを焼損から保護するようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、減速機構の構成部品が多いと機構的に複雑にな
り、これに伴って潤滑油やグリースの使用量も増える。

このため、従来の自動制御用電動駆動機はケースが密封
構造の大形のものになることを余儀なくされている。し
かも、セルフロック機能を利用して出力軸を位置決めし
ているため、電動モータが停止しているにも拘らず出力
軸に加わる負荷により歯車のガタつき（バックラッシュ
）分だけ出力軸が目標位置から変動することがあり、被
駆動体である弁体が弁座から離れて漏れを生じさせる等
、制御系が不安定になり易い欠点がある。

さらに、出力軸に加わる負荷が過大になって歯車減速機
構に逆駆動トルクとして作用すると、減速機構に無理が
生じて破損する危険性もある。一方、トルクリミットス
イッチは、バネの移動世を検知してスイッチが働き電動
モータを停止させる構造であるために、複雑であり、信
頼性を保つためには頻繁な点検が必要となる。

本発明は、このような種々の問題点に着目してなされた
ものであって、これらを有効に解決することを目的とし
ている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる目的を達成するために、次のような構
造を採用したものである。

すなわち、本発明の自動制御用電動駆動機は、電動モー
タの回転動力を出力軸の進退動作に変換するセルフロッ
ク機能を持たないボールねじ機構と、前記電動モータの
回転子をロックするブレーキ機構と、前記電動モータへ
通電している時は前記ブレーキ機構のブレーキを解除し
該電動モータへの通電を断った時は該ブレーキ機構のブ
レーキを作動させる操作を交互に繰返し行う制御機構と
を具備してなることを特徴としている。

［作用］ ボールねじ機構は、簡易な構成で比較的大きな減速比を
得ることができるため、従来の複雑な歯車減速機構に代
えて電動モータと出力軸との間にコンパクトに組込むこ
とができ、潤滑油の使用も最少限に抑えることができる
。

そして、電動モータと出力軸とがこのようなセルフロッ
ク機能を持たないボールねじ機構で連結されていると、
出力軸が駆動端に達した時点で制御機構を働かせること
により、次のような作用が営まれる。先ず、出力軸が駆
動端で停止すると、電動モータへの通電を断ち、ブレー
キ機構のブレーキを働かせる。そして、一定時間後、制
御機構から電動モータへの通電が再開され、その際にブ
レーキ機構のブレーキが解除される。さらに、−定時間
後、再び電動モータへの通電が断たれ、ブレーキ機構の
ブレーキが作動する。制御機構は、以上のような操作を
繰返し行う。そして、ブレーキ機構を解除して電動モー
タに通電している状態では、その時に電動モータと負荷
が釣合っていなければ、それが適切に釣合う位置まで出
力軸の位置、推力が変動されることになる（負荷が小さ
ければ、出力軸はさらに電動モータの駆動方向に変動す
るが、負荷が大きければ、ボールねじ機構はセルフロッ
ク機能を有していなので、出力軸は逆に負荷側から駆動
されて電動モータの駆動方向とは反対方向に変動する）
。したがって、この電動駆動機は、負荷変動や被駆動体
の変化に自動的に追随補正を加える機能を備えることに
なり、電動モータに過大な負荷トルクを作用させること
なく、被駆動体を常に駆動端近傍の適切な位置に保持さ
せることができる。また、補正後はブレーキ機構によっ
て電動モータの回転子をロックするようにしているため
、補正直後にガタつきなどによって位置ずれが生じると
いった不都合を生じることもなく、安定した確実な制御
が行われることになる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本実施例の自動制御用電動駆動機を被駆動体
である制御用弁Ｖに取付けた状態の縦断面図を示してい
る。第２図は第１図における電動モータＭ部分の拡大図
であり、第３図は第２図における■−■線断面図、第４
図は制御機構を示すブロック図である。この電動駆動機
は、電動モータＭとして実開昭６１−１７１４６５号公
報に示されるものを使用している。同モータＭは、第２
図および第３図に示すように、一定の空隙をおいて対向
配置した外側固定子１および内側固定子２と、これらの
空隙間に挿入されたリング状の回転子３とからなる。外
側固定子１および内側固定子２はモータハウジングをな
す外筒４および内筒５にそれぞれ固定されている。また
、回転子３は回転台７上に立設されており、この回転台
７がベアリング６を介して前記内筒５に回転可能に支承
されている。固定子１．２の各欄１ａ、２ａと、これら
に相対する回転子３の両対向面とには、第３図に示すよ
うに櫛歯状の突極子が設けである。回転子３は永久磁石
により製作し、固定子１．２の各欄１ａ、２ａにはそれ
ぞれコイルｌｂ、２ｂが装着しである。これらのコイル
ｌｂ、２ｂは、図示しない制御電源に接続して三相交流
電流が給電されるようにしてあり、周波数をｎ〜ＯＨｚ
の範囲で可変することにより回転速度を調整し、電流伝
を可変することにより回転駆動力を調整できるようにな
っている。さらに、回転台７の一端外周部には永久磁石
で外周部を櫛歯状に加工した回転子８が固定してあり、
この回転子８の対向位置に内側面を櫛歯状に加工した固
定子９を配置している。そして、この固定子９にコイル
９ａを装着している。すなわち、回転台７が回転すると
、固定子９に巻回したコイル９ａから回転速度に対応し
たパルス電流信号が得られるものとなっている。

このように構成される電動モータＭに対して、その回転
台７に同君のセンタコラム１１を固着し、該センタコラ
ム１１の一端にブレーキ機構Ｂを構成している。ブレー
キ機構Ｂは、前記センタコラム１１の外周に一体回転可
能でかつ軸方向スライド可能に嵌合されたブレーキ回転
板１２と、このブレーキ回転板１２の一側面と対面する
位置に微少隙間を隔てて固定されたベース板１３と、前
記ブレーキ回転板１２の他側面と対面するブレーキ本体
１４底面に微少隙間を隔てて非拘束状態で配置された可
動板１７と、前記ブレーキ本体１４底面に収容され前記
可動板１７を前記ブレーキ回転板１２に向かって押圧す
るスプリング１６と、前記可動板１７を吸着すべくブレ
ーキ本体１４底面に埋設した電磁コイル１５とから構成
されている。

すなわち、電磁コイル１５に通電すると、スプリング１
６の反力に抗して可動板１７がブレーキ本体１４底面に
吸引され、各板１７．１２間（１２，１３間）に透きを
作り、ブレーキ回転板１２が自由に回転できるようにな
っている。逆に、電磁コイル１５への通電を断つと、可
動板１７に対する磁気吸引力は消え、スプリング１６の
反力によって可動板１７がブレーキ回転板１２をベース
板１３に押し付けるため、各板１７．１２間（１２，１
３間）の摩擦によりブレーキ力を発生し得るものとなる
。

そして、前記センタコラム１１に、ボールねじ機構Ａを
介してねじ棹（出力軸）１９を接続している。ボールね
じ機構Ａは、前記センタコラム１１の内周に嵌着された
ナツト部１８と、前記ねじ棹１９の一端に刻設したボル
ト部１９ａと、このボルト部１９ａと前記ナツト部１８
とを螺進退可能に連結する多数の転勤ボール１８ａとか
ら構成されている。そして、ねじ棹１９の一部に第１図
に示すような回転止め金具２０を一体突設し、この金具
２０を、ハウジング２２からねじ棹１９に平行に突設し
たガイド棒２１に係合させることにより、ねじ棹１９の
回転を禁止して、ナツト部１８の回転動力を該ねじ棹１
９の進退動作に変換し得るようにしている。

さらに、ねじ棹１９の他端にターンバックル２３を介し
て弁軸２４が接続してあり、該弁軸２４の先端に適当な
曲面を形成した弁プラグ２５が一体に取着しである。弁
プラグ２５は、弁シート２６と芯を合わせた状態で組付
けられており、進退位置に応じて該弁シート２６の開口
部との間にできる透きの面積を変化させ、弁本体２７内
を流れる流体の流量を調節し得るものである。このため
、ねじ棹１９の進退位置は、弁本体２７の中を流れる流
体の流量と特定の関数関係を持つように設定される。ま
た、ハウジング２２と弁本体蓋２８とは、ナツト２９に
よって固定されている。

一方、第４図は、本実施例の制御機構３０を示すブロッ
ク図である。３１は調節計で、目標値が与えられると、
その目標値に応じて直流電気信号またはデジタル信号ｓ
１を発信する。３２は比較回路で、前記調節計３１から
の信号ｓ１、および、ねじ棹１９の位置検出を行うため
に適当な位置に配設した位置検出手段３３からの信号ｓ
２とを比較し、差が有れば信号ｓ３を発信する。信号ｓ
４はコイル９ａより発信される電動モータＭの回転速度
に比例したパルス信号である。３４はモータ駆動回路で
あり、演算回路３５の信号Ｓ、と比較回路３２の信号Ｓ
３との差に応じた信号ｓ６が加えられる。モータ駆動回
路３４の出力はモータ駆動アンプ３６に入力されるが、
その出力は三相交流で、出力周波数がＮから零まで変化
し、これとともに駆動電圧■が変化される。このモータ
駆動回路３４に加えられる信号ｓ６が零になると、出力
周波数Ｎは零になる。モータ駆動回路３４と演算回路３
５とは常に信号ｓ７で連絡されており、この信号ｓ７と
前述した信号ｓ６とから三相交流の出力周波数Ｎと電圧
■とが決定される。

そして、このモータ駆動回路３４にタイマ回路３７を接
続している。タイマ回路３７は、電磁コイル１５への通
電とモータ駆動アンプ３６への駆動信号Ｓ９の入力とを
同時に行う状態（出力モード）と、これら両出力を断つ
状態（ブレーキモード）とをとり得るもので、モータ駆
動回路３４から出力周波数Ｎが零になった旨の信号Ｓ８
を受けて始動し、その一定時間後から周期的に出力モー
ドとブレーキモードとを切り換える。この出力を受けて
モータ駆動アンプ３６が作動する際の出力周波数Ｎと電
圧Ｖとは、予め設定した所要の値に基づ（。

なお、ねじ棹１９が駆動端（この場合は、弁プラグ２５
が弁シート２６に着座される位置）に達するまでは、ブ
レーキ機構Ｂの電磁コイル１５には終止通電が行われて
おり、電磁コイル１５への通電が断たれるのは、ねじ棹
１９が駆動端に到達した時点か、タイマ回路３７の作動
時か、若しくは停電時かに限られる。

以上のような制御機構３０によると、ねじ棹１９が駆動
端に達した時点で次のような作動が開始される。先ず、
ねじ棹１９が駆動端で停止すると、信号ｓ６が０になる
ため、電動モータＭへの通電が断たれ、これと同時に電
磁コイル１５への通電が停止してブレーキ機構Ｂのブレ
ーキが作動する。

これにより、一定時間の間はねじ棹１９はその位置に保
持される。そして、一定時間経過後、タイマ回路が出力
モードとなり、モータ駆動アンプ３６を通じてコイル１
ｂ（２ｂ）への通電を再開するとともに、電磁コイル１
５に通電を行ってブレーキを解除させる。更に、それか
ら一定時間経過後、タイマ回路３７はブレーキモードと
なり、モータ駆動アンプ３６を通じてコイル１ｂ（２ｂ
）への通電を断ち、同時に電ｉ゛９ル１５への通電を断
ってブレーキを作動させる。制御機構３０は、以上のよ
うな操作を一定時間毎に繰返し行う。

そして、ブレーキ機構Ｂが解除されて電動モータＭが起
動している状態では、その時に電動モータＭと負荷が釣
合っていなければ、それが適切に釣合う位置までねじ棹
１９の位置、推力が変動されることになる。例えば、弁
プラグ２５が彫版してねじ棹１９に電動モータＭによる
駆動力よりも大きな負荷を作用させていれば、ブレーキ
が解除されることによってねじ棹１９は図中右方向に付
勢され、その付勢力がボールねじ機構Ａにより電動モー
タＭの回転動作に変換されてその付勢力を吸収すること
になる。そして、その付勢力が電動モータＭの駆動力と
釣り合う大きさまで減退したときにねじ棹１つの変動が
止まり、次のタイマ回路３７によるブレーキモード時に
は新たな位置に保持されることになる。また、以上とは
逆に、弁プラグ２５が収縮して弁シート２６との間に隙
間を生じつつあるときは、ブレーキが解除されることに
よってねじ棹１９はさらに電動モータＭによって図中左
方向に駆動され、次のブレーキモードまでに改めて弁プ
ラグ２５を弁シート２６に緊密に着座させることになる
。これらの作動は、弁プラグ２５に作用する蒸気圧が急
激に変化した場合などにも行われる。

しかして、図示電動駆動機によると、歯車列のような複
雑な機構部がなく、潤滑油やグリースの使用もボールね
じ機構において必要であるに過ぎない。このため、従来
のような密封構造の大形なケースは不必要で、コンパク
トな構成が実現可能となる。しかも、機構的に簡略な分
だけ信頼性も向上してメンテナンス上の便宜も得られる
ことになる。また、トルクリミットスイッチが不要にな
る点もコンパクト化に奏効し、且つ、これにより機械的
な調整部分が不要となって取扱も便利となる。さらに、
弁プラグ２５の状態変化等に起因して負荷変動が生じて
も、その変化に自動的に追随補正を加えつつ制御用バル
ブＶの閉止状態を確実に維持することができるため、性
能も向上された外下に長期に亘って安定した作動が要求
されるような使用目的、例えば発電所のバルブアクチュ
エータ等として有効に利用することが可能となる。

なお、上記実施例では電動モータに三和式サーボモータ
を使用しているが、パルスモータ等の他の電動制御モー
タを組み込むこともできる。また、被駆動体がバルブに
限定されないのは勿論であり、各種精密位置決め機構の
駆動機などとして有効に利用することが可能である。

［発明の効果コ 本発明は、以上のような構成であるから、次のような効
果が得られる。先ず、電動モータと出力軸の間に歯車減
速機構を介設する代わりにボールねじ機構を採用したた
め、機構的に簡略化され、外形のコンパクト化と高信頼
性とが得られる。しかも、グリース等の使用量が低減さ
れるため、従来のような密封構造の大形ケースが不要に
なる。

また、ボールねじ機構がセルフロック機能を持たないも
のであり、停止時に定期的に制御機構がブレーキ機構を
開放して出力軸の位置、推力補正を行うために、負荷変
動および被駆動体の変化に自動的に追随補正を加える機
能が備わり、駆動の適正化が図られる。さらに、トルク
リミットスイッチの如き機械的調整を要する部品が一切
ないために、取扱も極めて簡単となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を制御弁に適用した状態で示
す側断面図、第２図は第１図の部分拡大図、第３図は第
２図における■−■線断面図、第４図は制御機構を示す
ブロック図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電動モータの回転動力を出力軸の進退動作に変換するセ
   ルフロック機能を持たないボールねじ機構と、前記電動
   モータの回転子をロックするブレーキ機構と、前記電動
   モータへ通電している時は前記ブレーキ機構のブレーキ
   を解除し該電動モータへの通電を断った時は該ブレーキ
   機構のブレーキを作動させる操作を交互に繰返し行う制
   御機構とを具備してなることを特徴とする自動制御用電
   動駆動機。