JPH0488892A - 開閉駆動装置 - 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、各種弁やダンパ等の開閉機構に適用される開
閉駆動装置に関する。

（従来の技術） 給湯器や、便器に付加して用いる衛生洗浄装置等には、
水路を開閉することによって流量を制御する流量制御弁
が用いられる。また、カーエアコンなどには外気や冷気
などの流路を開閉するダンパが用いられる。このような
流量制御弁やダンパなどを開閉させるために開閉駆動機
構が用いられる。そして、その駆動源としては、一般に
直流モータが用いられる。

（発明が解決しようとする課題） 流量制御弁やダンパなどを開閉させようとする場合、起
動時に大きなトルクを特徴とする特許旦起動した後は小
さなトルクで足りる。特に流量制御弁等においては、完
全に「閉」の状態から起動して「開」にしようとすると
、起動時にゴムブツシュ等のロック解除のためにかなり
大きなトルクが必要であり、−旦起動してロックが解除
され、多少なりとも開き始めると小さなトルクで足りる
。

逆に完全に「開」の状態から起動して「閉」にする場合
も同様である。上記ロック解除に必要なトルクは、一般
に、ロック解除後の開閉動作に必要なトルクの２倍以上
である。そこで、開閉駆動装置の駆動源としては、上記
ロック解除に必要なトルクが得られることが条件となり
、駆動源が大型化するという難点があった。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解消するためにな
されたもので、駆動源の制御手段を工夫することにより
起動時の所定範囲Ｑみ高トルクが得られるようにし、も
って、比較的小型の駆動源で足りる開閉駆動装置を提供
することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、モータのロータに一体に形成さｔたピニオン
と、このピニオンに連繋された歯車列と、この歯車列中
の歯車と噛み合う出力歯車を有すると共に被能動体であ
る開閉体を駆動するために開閉体に連繋された出力軸と
、ピニオンから出力軸までの回転伝達経路中の回転部材
の回転位置を検出して開閉体の開閉状態を検出する開閉
検出機構と、この開閉検出機構から開または閉状態検出
信号が入力されたときモータを停止させると共に、モー
タの起動から所定範囲のみ高出力トルクとなるようにこ
のモータを駆動する制御手段とを備えたことを特徴とす
る。

上記開閉検出機構は、回転伝達経路中の回転部材の回転
に伴って回転するカムとこのカムに摺接するスイッチ手
段を有してなるスイッチ機構で構成することができる。

（作　用） 特許請求の範囲第１項記載の発明によれば、開閉体が「
開」または「閉」の状態から開閉指令が出されると、制
御手段がモータを起動し、このモータの回転力が、ピニ
オンと、歯車列と、出力軸を開して開閉体に伝達され、
開閉体が開閉駆動される。上記制御手段は、モータの起
動から所定の範囲のみ高出力トルクとなるようにモータ
を駆動し、開閉体のロックを解除する。ロック解除後は
平常のトルクで開閉体が開閉されるように、上記制御手
段がモータを駆動する。開閉体が開または閉状態になる
と、これを開閉検出機構が検出し、この検出信号により
上記制御手段□がモータを停止させる。

特許請求の範囲第２項記載の発明によれば、回転伝達経
路中の回転部材の回転に伴ってカムが回転し、このカム
に摺接するスイッチ手段が開閉体の開状態または閉状態
を検出する。この検出信号によって制御手段がモータの
起動または停止を制御し、また、モータの起動から所定
の範囲のみ高出力トルクとなるようにモータを駆動する
。

（実施例） 以下、図面を参照しながら本発明にかかる開閉駆動装置
の実施例について説明する。

第１図、第２図において、符号１は駆動源としてのステ
ッピングモータを示しており、このステッピングモータ
１のロータと一体の回転軸２にはピニオン３が一体に設
けられている。ピニオン３には大径歯車４が噛み合い、
大径歯車４と一体の小径歯車５には大径歯車６が噛み合
い、大径歯車６と一体の小径歯車７には大径歯車８が噛
み合っている。歯車８は出力歯車を構成している。出力
歯車８はその中心孔が管軸９に嵌合固着され、管軸９に
はまた歯車９の下側において二つのカム１１．１２が嵌
合固着されている。管軸９の中心孔には出力軸２１の突
出軸部が下端側から嵌合固着さ九ている。出力軸２１の
本体部分には軸孔２２が形成されて管軸状になっており
、この軸孔２２に波間動体としての開閉体が連繋され、
この開閉体が開閉駆動されるようになっている。

上記ピニオン３から出力軸２１までの回転伝達経路中の
出力歯車８は、一つの回転部材を構成している。この歯
車８と実質一体に構成された上記カム１１．１２は、そ
れぞれのカム１１．１２に摺接する板ばね１５，１６お
よびそれぞれの板ばね１５，１６の動きに連動してオン
、オフするスイッチｓｗｌ、５ｗ２（第８図参照）と共
にスイッチ機構を構成している。そして、このスイッチ
機構は、上記回転部材としての出力歯車８の回転位置を
検出して上記開閉体の開閉状態を検出する開閉検出機構
５５を構成している。これをより具体的に説明する。カ
ム１１．１２は全体としては円板状であるが、それぞれ
外周に突起１３．１４が周方向の位置をずらして形成さ
れている。一方、各板ばね１５，１６は先端寄りの位置
に形成された７字状の折曲部がそれぞれカム１１．１２
の局面にその弾力により摺接し、各板ばね１５，１６の
先端部には、カム１１．１２との摺接側とは反対側にお
いてそれぞれスイッチｓｗ１．ｓｗ２の操作片１８．１
９　（第６図参照）がその付勢力によって圧接している
。従って、歯車８と共にカム１１が回転して、板ばね１
５の折曲部がカム１１の突起１３に摺接すると、板ばね
１５はその弾力に抗してカム１１の外径側に押され、板
ばね１５の先端部がスイッチＳＷ□の操作片ユ８をその
付勢力に抗し押してスイッチＳＷよをオン・させる。

同様に、板ばね１６の折曲部がカム１２の突起１４に摺
接すると、スイ″ツチＳＷ２をオンさせる。

このスイッチｓｗ、、ｓｗ２のオン信号が開閉体の開状
態検出信号または閉状態検出信号となり、後で詳細に説
明するように、この検出信号に基ついてモータ１の起動
、停止および出力トルク切り換えが行われる。

なお、開閉検出機構５５としては、上記のようなスイッ
チ機構に限らず、例えば第１図に鎖線で示すように、回
転部材としての歯車８との対向位置に二つのホール素子
５７．５８を歯車８の回転方向に位置をずらして固定し
、歯車８にはマグネットを固着し、このマグネットにホ
ール素子５７またはホール素子５８が対向する位置まで
歯車８が回転したとき、ホール素子５７またはホール素
子５８から検出信号が出力されるようにした磁気式検出
装置を用いてもよい。そのほか、光学式横比装置を用い
てもよい。

前記出力軸２１に連繋される被駆動体としての開閉体は
、流量制御弁やダンパその他各種のものがある。第３図
ないし第５図は、流量制御弁の各種例を示す。

第３図の例は、流体の流入口と流出口２６を有する弁胴
２４内に、先端が円錐形の弁体２５を軸線方向に移動可
能に設けたものである。前記出力軸２１の回転運動を直
線運動に変換して弁体２５を直線運動させるようにする
。

第４図の例は、弁胴２４内に弁体２７を回転可能に設け
、弁体２７には水路２８を設けて、弁体２７の回転位置
によって流出路２６からの流出量を調節するようにした
ものである。弁体２７を前記出力軸２１に連結する。

第５図の例は、弁胴２４内に球状の弁体２９を回転可能
に設け、弁体２９には水路３０を設け、弁体２９の回転
位置によって流出路２６からの流出量を調節するように
したものである。弁体２９を前記出力軸２１に連結する
。

前記ステッピングモータ１は次のように構成されている
。第１図において、ステッピングモータ１のステータは
、対をなすモータケース３５、ステータコア３７と、別
の対をなすモータケース４１、ステータコア３９と、上
記モータケース３５、ステータコア３７間にボビンを介
して巻回されたコイル巻線４３と、上記モータケース４
丁、ステータコア３９間にボビンを介して巻回されたコ
イル巻線４４とを有してなる。対をなすモータケース３
５、ステータコア３７と、別の対をなすモータケース４
１、ステータコア３９は、回転軸２方向に重なっている
。モータケース３５、ステータコア３７、ステータコア
３９、モータケース４１はそれぞれ内周側に切り起こし
による櫛歯状の極歯３６，３８，４０，４２を有する。

モータケース３５の極歯３６とステータコア３７の極歯
３８は回転軸２を中心とする円に沿って交互に配置さｔ
、同様に、モータケース４１の極歯４２とステータコア
３９の極歯４０が回転軸２を中心とする円に沿って交互
に配置されている。

回転軸２は、上記ステータの両端に固定された端板３４
，４５により軸受４９，５０を介して回転自在に支持さ
れている。回転軸２は、各極歯３６９３ｓ、　４ｏ、４
２で囲まれる円筒状空間内に進出しており、この回転軸
２にはロータボス４７を介して円筒状のロータマグネッ
ト４８が固着されでいる。ロータボス４７とロータマグ
ネット４８によりステッピングモータ１のロータを構成
している。ロータマグネット４８にはＮ極とＳ極でなる
磁極が円周方向に交互に形成されている。このように、
ステッピングモータ１はＰＭ型のステッピングモータに
なっている。その回転原理は周知であるから、説明は省
略する。

次に、上記ステッピングモータ１の制御回路の例につい
て説明する。第８図において、ステッピングモータ１は
４相構成になっていて、４個のコイル巻線ｃ１．ｃ２．
ｃ３．ｃ、を有してなる。４個のコイル巻線ｃ、、ｃ、
、ｃ３．ｃ４の各一端側は、駆動回路５２によってオン
・オフ１動されるトランジスタＴ　ｒ、、　Ｔ　ｒ２．
　Ｔ　ｒ３．　Ｔ　ｒ４を介して低電圧電源Ｅ１と高電
圧電源Ｅ２のマイナス側に接続されている。低電圧電源
Ｅ工のプラス側は、ダイオードＤ１を順方向に介してコ
イル巻線Ｃ□、Ｃ２の他端側に接続されると共に、ダイ
オードＤ２を順方向に介してコイル巻線Ｃ３，Ｃ４の他
端側に接続されている。一方、高電圧電源Ｅ２のプラス
側はトランジスタＴｒを介してコイル巻線Ｃよ、Ｃ２゜
Ｃ，、Ｃ４の他端側に接続されている。トランジスタＴ
ｒはマイコン５１によってオン・オフ制御される。マイ
コン５１には前記開閉検出機構５５を構成するスイッチ
ＳＷ工、ＳＷ２のオン・オフ信号が入力され、このオン
・オフ信号によって上記トランジスタＴｒをオン・オフ
制御する。また、マイコン５１は、駆動回路５２に制御
信号を入力して上記トランジスタＴ　ｒａｇ　Ｔ　ｒ２
＋　Ｔ　ｒ３１　Ｔ　ｒ４を順にオン・オフ制御するよ
うになっている。

次に、以上説明した実施例の動作を第９図、第１０を併
せて参照しながら説明する。

流量制御弁が完全に閉じているときは、第６図に示すよ
うに、カム１１の突起１３が板ばね１５を押し、板ばね
１５が操作片１８を押してスイッチＳＷよをオンさせる
。一方、流量制御弁が完全に開いているときは、第７図
に示すように、カム１２の突起１４が板ばね１６を押し
、板ばね１６が操作片１９を押してスイッチＳＷ２をオ
ンさせる。

いま、起動信号が入力されると、マイコン５工はスイッ
チＳＷ１．ＳＷ、ｌのオン・オフ状態から流量制御弁が
開状態であるかまたは閉状態であるかを判定し、判定結
果に基づいて回転方向を決定する。マイコン５１は、決
定された回転方向に従って、駆動回路５２を介し各トラ
ンジスタＴｒ工。

Ｔ　ｒ２．　Ｔ　ｒ３．　Ｔ　ｒ４を所定の位相差をも
って順にオン・オフ制御する。回転方向が逆の場合はト
ランジスタＴ　ｒ、、　Ｔ　ｒＺ＋　Ｔ　ｒ、、　Ｔ　
ｆ”、のオン・オフ制御順序は逆になる。マイコン５１
は、トランジスタＴ　ｒ、、　Ｔ　ｒ２．　Ｔ　ｒ３．
　Ｔ　ｒ、のオン・オフ制御と同時にトランジスタＴｒ
のオン・オフ制御も行う。モータ１を起動するときおよ
び起動から所定の範囲まではトランジスタＴｒをオンさ
せることにより、モータ１のコイル巻線Ｃ工、Ｃ２゜Ｃ
，、Ｃ，に高電圧電源Ｅ２を供給し、モータ１が高出力
トルクとなるようにモータ１を駆動する。

このとき、ダイオードＤ１．Ｄ２によって高電圧電ｇ　
Ｅ　２から低電圧電源Ｅ工への逆流が防止される。

上記所定の範囲とは、モータ１の駆動パルスが所定数に
達するまでの範囲である。所定のパルスが発生するとト
ランジスタＴｒをオフに制御し、モータ１のコイル巻線
ｃ１．ｃ２．ｃ３．ｃ４に低電圧電源Ｅ１を供給する。

こうして、駆動パルスごとに低電圧電源Ｅよからモータ
ｌのコイル巻線ｃ１゜Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に給電して平常
の出力トルクを得る。流量制御弁が閉状態または開状態
になってスイッチＳＷ□またはスイッチＳｗ２がら信号
が出力されると、モータ１への駆動パルスを停止してモ
ータ１を停止させる。第１０図はモータ駆動時と平常の
駆動時の供給電圧の関係を示すもので、起動から所定範
囲のみ高電圧Ｅ２が供給され、それ以後停止するまでは
低電圧Ｅ□が供給されることを示している。

このように、上記実施例によれば、被睡動体である開閉
体を開閉するためにモータ１を起動するに当たり、起動
から所定範囲のみ高出力トルクとなるように高電圧電源
を供給するようにしたから、平常運転時の出力トルクが
比較的小さいモータを用いても、大きなトルクを必要と
する起動時に十分大きなトルクを得ることができ、よっ
て、比較的小さなモータであっても差し支えない。

このことは、特に、第１図ないし第７図に示した機構に
おいてより好都合である′。即ち、板ばね１５．１６が
その弾力によってカム１１．１２の面に摺接し、さらに
、スイッチｓｗ１．ｓｗ２の操作片１８．１９も板ばね
１５，１６をカム１１゜１２の面に向かって押している
ため、カム１１゜１２の突起１３．１４と板ばね１５．
１６の折曲部とが対峙し、突起１３．１４が付勢力に抗
し板ばね１５．１６を持ち上げて大きく弾性変形させて
いるときは、突起１３．１４以外のカム面と対峙してい
るときよりも、その反力として付勢力が大きくなる。こ
の状態はモータ起動時の状態であり、この状態からカム
１１．１２を駆動しようとすると、上記の大きな付勢力
が抵抗となるため、より高いモータトルクが必要になる
。しかるに、前記実施例によれば、起動時に十分大きな
トルクを得ることができるため、起動時に大きなトルク
を必要とする第１図ないし第７図の機構に好適である。

また、板ばね１５．１６を介在させることなく、スイッ
チｓｗ、、ｓｗ２の操作片１８．１９を直接カム１１．
１２の面に摺接させたものにも同様のことがいえる。

第１図ないし第７図の機構では、突起１３，１４と板ば
ね１５，１６の折曲部が対峙してモータが停止するとき
も上記の理由によって大きなトルクを必要とする。この
場合は、ステッピングモータのパルス数が所定数に達し
たときから停止までの間、モータが高トルクを発生する
ように制御すればよい。

なお、従来一般の開閉駆動装置の駆動源としてはブラシ
付きの直流モータが用いられるが、ブラシ付きの直流モ
ータを用いた場合、次のような問題点がある。

■ブラシの摩耗等により品質が不安定であり、寿命も短
い。

■減速比を大きくして高トルクにするため、弁の開閉速
度が遅い。

０箱かな制御ができない。

■負荷が変動すると駆動速度も変動する。

■減速輪列の段数が少ないと、弁に逆負荷が働いたとき
弁をその場に止めておくことができない。

これに対して、上記実施例のように、駆動源としてステ
ッピングモータを用いれば、その特性上次のような利点
がある。

■ブラシがないので、寿命が長い。

■トルクが大きく、減速比を小さくすることができるた
め１、迅速な開閉が可能である。

■高速、高分解能のモータであるため、開閉体をきめ細
かく制御することができる。

■脱調トルク以内であれば、負荷が変動しても一定速度
で開閉することができる。

■停止状態でデイテントトルクが働いて自己保持能力が
あるため、ある程度の負荷までは無通電状態で開閉体を
その位置に保持することができる。

ステッピングモータの場合、入力パルス数に対応じてそ
の回転角度も決まるため、本来、開閉機構の開閉状態を
フィードバックして閉ループ制御する必要はないが、図
示の実施例では、より安全を期するために、開閉検出機
構を設けて閉ループ制御を行っている。

第１図に示すように、歯車列４．５，６，７゜８の軸は
ほぼ直線上に配置されている。仮りに、歯車列を直線上
ではなく、第１４図に示すように歯車列６０，６１，６
２，６３を円周方向に配置したとすると、実線の矢印お
よび鎖線の矢印で示すように、歯車の回転方向によって
歯車相互の噛み合いが浅くなる方向または深くなる方向
に力が働き、噛み合いが浅くなる回転方向では伝達効率
が悪くなる。しかしながら、第１図に示す本発明の実施
例のように、歯車列の軸をほぼ直線上に配置すれば、回
転方向によって歯車相互の噛み合い深さが変動すること
はなくなり、伝達効率が悪くなることはない。

駆動源としてステッピングモータを用いた場合、起動か
ら所定範囲内のみで高出力トルクとする方法としては、
駆動パルスの周期を変える方法がある。第１１図はその
場合の制御回路の例を示すもので、第８図の回路からト
ランジスタＴｒおよびダイオードＤｉ、Ｄ２を除去する
と共に、モータの駆動電源として電源Ｅのみを用いたも
のである。

マイコンＳ１は、モータ１の駆動から所定範囲内のみ駆
動パルスの通電周期を長くし、それ以後は通電周期を短
くするように駆動回路５２を制御する。

第１２図、第１３図は上記実施例の動作を示す。

マイコン５１は、スイッチＳＷ工、ＳＷ、のオン・オフ
状態から開閉体が開状態であるかまたは閉状態であるか
を判定し、判定結果に基づいて回転方向を決定する。マ
イコン５１は、決定された回転方向に従って、駆動回路
５２を介し各トランジスタＴ　ｒｉ、　Ｔ　ｒ２．　Ｔ
　ｒ、、　Ｔ　ｒ、を所定の位相差をもって順にオン・
オフ制御する。ステッピングモータ１の起動から所定の
範囲までは、駆動パルスのデユーティ比は一定のままそ
の周期を長くし、これを駆動回路５２に入力する。駆動
回路５２はこの駆動パルスに基づいて各トランジスタＴ
ｒ　ｔ　。

Ｔ　ｒ２．　Ｔ　ｒ、、　Ｔ　ｒ４を順ニ駆動し、コイ
ル巻線Ｃ０，Ｃ２，Ｃ１，Ｃ４に順に電源Ｅを通電する
。こうして起動から所定範囲まで駆動されて駆動パルス
を所定数カウントしたら、駆動パルスのチューティ比は
一定のまま通電周期を短くする。その後スイッチｓｗ、
、ｓｗ２のオン・オフ信号によって開閉体が開位置また
は閉位置に達したことを検出したら通電を停止してモー
タ１を停止させる。

上記のように、ステッピングモータ１の駆動パルスの周
期を長くすると、ステッピングモータ１の歩進速度は遅
くなり、出力トルクは大きくなる。

従って、大きな１動トルクを必要とする起動時は上記の
ように駆動パルスの周期を長くすることによって十分大
きな出力トルクを得ることができ、起動から所定範囲以
後は大きなトルクを必要としないので、１動パルスの周
期を短くして歩進速度を速くする。

ところで、駆動源としてステッピングモータを用いる場
合の問題点は、大きなトルクを得ようとすると、発熱が
多くなることと、外部回路、特にトランスなどが大型化
することである。しかし、以上説明したような本発明の
実施例によれば、高トルクを必要とする僅かな範囲のみ
高電圧電源を供給したり駆動パルス周期を短くしたりし
て大きな出力トルクを得るようにしたため、小型の外部
回路でよいし、発熱量も少なく、周辺部品への影響が少
ないとか、使用可能な環境範囲が拡大されるというよう
な利点がある。

もっとも、本発明に用いることができるモータはステッ
ピングモータに限られるものではなく、一般に使用され
ている直流モータを用いても差し支えない。その場合は
、起動から所定範囲までは駆動電圧を高くするというよ
うな方法によって出力トルクが高くなるようにする。

なお、図示の実施例では、開閉検出機構５５は開位置と
閉位置とで検品信号を出力するように二つのスイッチを
設けていたが、使用目的によっては、開位置のみ、また
は閉位置のみで検出信号を出力するようにしても差し支
えない。また、歯車８は、歯車列中の出力歯車と歯車列
中の回転部材とを兼ねていたが、出力歯車とは別に回転
部材を設け、この回転部材に開閉検出機構を設けてもよ
い。

本発明は、流量制御弁やダンパのほか、高接点圧タイマ
やカム駆動装置などのように、動作開始時の僅かの間高
トルクを必要とし、その他の大部分は低トルクで足りる
ようなものの能動装置として利用することができる。

（発明の効果） 本発明によれば、被駆動体である開閉体を開閉するため
にモータを起動するに当たり、起動から所定範囲のみ高
出力トルクとなるようにモータを制御するようにしたか
ら、平常運転時の出力１−ルクが比較的小さいモータを
用いても、必要なときは十分大きなトルクを得ることが
でき、よって、比較的小さなモータであっても差し支え
ないし、必要なときに大きなトルクを得ることができる
にもかかわらず、モータの発熱を抑制できるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる開閉駆動装置の機構部分の例を
示す平面図、第２図は同上断面正面正面図、第３図は本
発明にかかる開閉駆動装置を適用可能な流量制御弁の一
例を示す断面正面図、第４図は流量制御弁の別の例を示
す断面正面図、第５図は流量制御弁のさらに別の例を示
す断面正面図、第６図は上記機構部分中の開閉検出機構
部分の平面図、第７図は同上開閉検出機構部分の別の動
作態様を示す平面図、第８図は本発明にかかる開閉駆動
装置の制御回路の一例を示す回路図、第９図は同上回路
の動作を示すフローチャート、第１０図は同上回路によ
るモータへの供給電圧を示す線図、第１１図は本発明に
かかる開閉駆動装置の制御回路の別の例を示す回路図、
第１２図は同上回路の動作を示すフローチャート、第１
３図は同上回路によってモータに供給される駆動パルス
の例を示すタイミングチャート、第１４図は開閉駆動装
置の機構部分の別の配置例を示す平酊図である。 １・・・モータ、　　３・・・ピニオン、　　４，５，
６゜７・・・歯車列、　８・・・出力歯車、　１１．１
２・・カム、　　２１・・・出力軸、　４８・・・ロー
タ、ＳＷ工、ＳＷ２・・・スイッチ。 第１図 第３図 第４図 第 第６図 第１０ １、 第 図 第 ■ 図 １、 第 図 ５ＰＪ１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、モータと、 このモータのロータに一体に設けられたピニオンと、 このピニオンに連繋された歯車列と、 この歯車列中の歯車と噛み合う出力歯車を有すると共に
   被駆動体である開閉体を駆動するために開閉体に連繋さ
   れた出力軸と、 上記ピニオンから上記出力軸までの回転伝達経路中の回
   転部材の回転位置を検出して上記開閉体の開閉状態を検
   出する開閉検出機構と、この開閉検出機構から開または
   閉状態検出信号が入力されたとき上記モータを停止させ
   ると共に、上記モータの起動から所定範囲のみ高出力ト
   ルクとなるようにこのモータを駆動する制御手段とを備
   えたことを特徴とする開閉駆動機構。 ２、開閉検出機構は、回転伝達経路中の回転部材の回転
   に伴って回転するカムと、このカムに摺接してオン・オ
   フするスイッチ手段でなる請求項１記載の開閉駆動装置
   。