KR20130034646A

KR20130034646A - 액추에이터

Info

Publication number: KR20130034646A
Application number: KR1020127015145A
Authority: KR
Inventors: 마사카즈 모리; 다이스케 구키타; 세이야 시마다
Original assignee: 세이부덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2013-04-05
Also published as: EP2418765A1; CN102687390A; US20120235618A1; US8847533B2; TW201202574A; KR101683661B1; JPWO2011125813A1; JP5643812B2; TWI531740B; WO2011125813A1; CN102687390B

Abstract

본 발명은, 전동기에 의해 회전 구동되는 웜(worm)에 대하여, 전동기로부터 회전각(回轉角) 속도의 변동이 반복되는 상태를 부여하고, 웜이 마치 회전 방향으로 진동하면서 회전하도록 하여, 웜과 웜 휠(worm wheel)과의 접촉에서의 마찰을 줄여, 웜 기어의 전동(轉動) 효율을 향상시키는 액추에이터이다. 본래는 속도 지령에 근거한 목표하는 회전각 속도로 출력축(21)이 회전하도록 제어되는 전동기(20)에 대하여, 구동 제어부(40)가, 출력축(21)의 회전각 속도를 목표 속도에 대하여 증감시키는 변화가 반복되는 상태로 제어하여, 웜(11)의 회전각 속도에 극미한 떨림을 부여하므로, 회전하는 웜(11)이 회전 방향으로 미소 진동하고 있는 것으로 볼 수 있는 상태로 되어, 웜(11)과 웜 휠(12)과의 치면(齒面)끼리의 마찰을 저감하여, 웜 기어로서의 전동 효율을 향상시켜, 액추에이터로서 구동 대상물에 주어지는 구동력이나 토크를 증대시킨다.

Description

액추에이터{ACTUATOR}

본 발명은, 유체(流體)의 유로(流路)에 설치되는 밸브나 게이트의 개폐 용도 등에 이용되는 액추에이터에 관한 것이며, 특히, 전동기를 사용하고, 또한 이 전동기의 회전 출력의 감속 기구로서 웜 기어(worm gear)를 사용하는 액추에이터에 관한 것이다.

물 등의 유체가 흐르는 관 등의 유로에 설치되고, 개폐 제어되어 유체의 흐름을 조절하는 밸브나 게이트는, 일반적으로 전동기나 유압 기구(機構) 등을 구동원으로 하는 액추에이터를 사용하여 자동 개폐되지만, 대형의 것은, 필요한 구동력을 얻기 위해 전동기 등의 출력을 감속하여 사용하고 있다.

이러한 밸브나 게이트의 액추에이터에서의 감속 기구로서는, 밸브나 게이트를 원활하게 작동시키기 위한 큰 감속비를 필요 최소한의 단수(段數)로 얻기 쉽고, 또한 밸브나 게이트에 가해지는 유체로부터의 힘이나 중력 등에 의해 이들이 뜻하지 않게 작동되는 것을 방지하기 위해, 출력측에 가해진 힘에 의해 반대로 입력측을 작동시킬 수 없는 셀프 록(self-lock) 특성이 있는, 웜 기어를 사용하는 경우가 많다.

그러나, 웜과 웜 휠(worm wheel)이 슬라이드 접촉하여 회전을 전달하는 웜 기어는, 셀프 록 특성이 부여되는 진행각을 취하는 경우, 마찰의 영향으로 전동 효율이 일반적으로 평(平) 기어 등과 비교하여 낮아지게 되므로, 보다 한층의 효율의 향상이 요구되고 있었다. 종래부터, 이러한 웜 기어에서의 전동 효율 향상을 도모하기 위해, 치면(齒面)의 특수 가공, 처리나 윤활의 연구 등이 행해지고 있었으나, 이들은 효율의 대폭적인 향상으로는 연결되지 않았다.

이러한 것 중, 웜 또는 웜 휠에 초음파 진동을 부여하고, 미끄러짐면의 마찰을 저감하여, 웜 기어의 전동 효율 향상을 도모하는 기술이 제안되어 있다. 이와 같은 종래의 웜 기어의 예로서, 일본공개특허 1996―145126호 공보에 기재된 것이 있다.

상기 종래의 웜 기어에서는, 초음파 진동자에 의해 발생한 진동을, 그 진폭을 확대한 후, 웜 휠에 전달하고 있고, 웜을 회전 구동시켜 이것과 맞물리는 웜 휠을 회전 동작시키면, 초음파를 부여하지 않는 경우와 비교하여 치면 간의 마찰 계수가 감소하여, 전동 효율이 대폭 향상되는 것으로 되어 있다.

일본공개특허 1996―145126호 공보

웜 기어를 감속 기구로서 사용한 액추에이터에 있어서, 상기 특허 문헌 1에 나타낸 바와 같은 웜 기어에 초음파 진동을 부여하는 기술을 적용한 경우, 웜과 웜 휠의 치면 간의 마찰 계수를 저감하여 전동 효율을 향상시키는 것이 예상되지만, 웜 또는 웜 휠이 전체로서 진동하므로, 웜이나 웜 휠을 회동(回動) 가능하게 축지지하는 래디얼(radial) 베어링이나 스러스트(thrust) 베어링에는 항상 진동이 가해지는 상태로 되어 부담으로 되고, 수명의 저하나 이상음의 발생으로 연결된다는 문제점을 가지고 있었다. 또한, 전동기 등의 구동원과는 별개로, 웜 또는 웜 휠에 부여하는 초음파 진동을 발생시키기 위한 초음파 진동자를 설치할 필요가 있고, 또한 회전 중인 웜 또는 웜 휠에 초음파 진동을 전달하기 위해서 특수한 구조를 채용할 필요도 있고, 그만큼 액추에이터로서의 기구가 복잡해져, 고비용으로 되는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 행해진 것이며, 전동기에 의해 회전 구동되는 웜에 대하여, 전동기로부터 회전각 속도의 변동이 반복하는 상태를 부여하고, 웜을 마치 회전 방향으로 진동하도록 한 상태로 회전시켜, 웜과 웜 휠과의 접촉에서의 마찰을 줄여, 특별한 구조를 사용하지 않고 웜 기어의 전동 효율을 향상시킬 수 있는 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 액추에이터는, 전동기에 의해 발생시킨 회전 구동력을 웜 기어 감속 기구로 감속하여 소정의 구동 대상물에 전달하고, 상기 구동 대상물을 동작시키는 액추에이터에 있어서, 상기 전동기의 출력축에서의 회전각 속도를, 상기 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령에 기초하여 설정되는 목표 속도에 대하여, 소정 범위 내에서 증감시키고, 또한 상기 증감 변화를 반복하여 생기게 하는 구동 제어부를 구비하고, 상기 전동기가, 출력축을 웜 기어 감속 기구의 웜에 직결되어 이루어지는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 구동원으로 되는 전동기 및 그 구동 제어부가, 웜 기어로 이루어지는 감속 기구와 함께 설치되고, 본래는 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령에 기초하여 구동 대상물의 상황에 따른 목표하는 회전각 속도로 출력축이 회전하도록 제어되는 전동기에 대하여, 구동 제어부가, 전동기 출력축의 회전각 속도를, 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령에 기초한 목표 속도에 대하여, 소정 범위 내에서 증감하는 변화가 반복하는 상태로 제어하고, 전동기 출력축에 직결되는 웜을 회전시키는 도중, 그 회전각 속도에 극미한 떨림(minute wobble)을 부여함으로써, 웜이 회전 방향으로 미소 진동(minutely oscillating)하고 있는 것으로 보여지는 상태를 수반하면서 회전하게 되고, 이러한 대략 진동 상태의 발생에 따라, 웜과 웜 휠과의 치면끼리의 접촉 상태를 개선하고, 치면의 미끄럼 접촉에서의 마찰을 저감하여 웜 기어로서의 전동 효율을 향상시키고, 액추에이터로서 구동 대상물에 주어지는 구동력이나 토크를, 동등한 전동기나 감속 기구를 사용한 종래의 것보다 증대시켜, 만일 전동기나 감속 기구를 소형화했다고 해도, 실제의 구동력이나 토크를 증대시키는 만큼, 정격 성능이 높은 보다 대형의 액추에이터가 요구되어 온 상황에서도 사용할 수 있어, 성능 저하를 초래하지 않고 액추에이터 전체의 소형화가 도모된다. 또한, 구동 제어부에 의한 전동기 제어로 웜에 대략 진동 상태를 생기게 하는 것에 의해, 진동을 부가하는 수단을 특별히 설치할 필요가 없어, 성능 강화를 도모하면서 종래와 동일한 구조를 유지하여 고비용화를 피할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 액추에이터는 필요에 따라, 상기 전동기 출력축의 회전 상태를 검출하여 신호로서 출력하는 회전 검출기를 구비하고, 상기 구동 제어부가, 상기 회전 검출기의 출력 신호에 기초하여 전동기를 서보 제어하고, 또한 상기 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령으로서 부여되는 속도 지령 신호에 대하여, 소정 주파수이며 또한 소정의 미소 진폭의 파형으로 되는 변동 신호 성분을 가산하여, 상기 전동기 출력축의 회전각 속도의 증감 변화를 생기게 하는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 구동 제어부가 회전 검출기를 병용하여 전동기의 서보 제어를 행하면서, 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령으로서 부여되는 속도 지령 신호에 변동 신호 성분을 가산하여, 제어 결과로서 전동기 출력축의 회전각 속도의 증감 변화를 생기게 하여, 웜을 회전 방향에 대한 대략 진동 상태로 회전시킴으로써, 구동 대상물에 대응시켜 전동기를 적절히 회전시키는 도중에서, 속도 지령 신호에 변동 성분을 가하는 것만으로, 용이하게 웜의 대략 진동 상태를 얻을 수 있게 되어, 마찰 저감에 의한 웜 기어의 전동 효율 향상을 간략한 제어로 실현하여, 저비용으로 액추에이터로서의 성능 강화가 도모된다.

또한, 본 발명에 관한 액추에이터는 필요에 따라, 상기 구동 대상물이, 유체의 유로를 개폐하는 밸브이며, 상기 구동 제어부가, 상기 밸브의 폐쇄 상태로부터의 개방 개시 시, 및/또는 폐지(閉止) 직전의 미소하게 열린 상태로부터의 완전 폐지 시에는, 상기 전동기 출력축의 회전각 속도를 상기 증감 변화 상태로 하는 한편, 밸브의 다른 개방 동작 및 폐쇄 동작에서는 회전각 속도를 상기 속도 지령에 기초하여 설정되는 목표 속도인 채로 하는 제어를 행하는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 구동 대상물을 유로 개폐용의 밸브로 하고, 밸브의 구동에 있어서 가장 토크를 필요로 하는 개방 개시 시나 폐지 종료 시에, 전동기 출력축의 회전각 속도를 증감 변화 상태로 제어하고, 웜을 회전 방향에 대한 대략 진동 상태로 회전시키도록 함으로써, 필요 시에 웜 기어 감속 기구에서의 마찰을 줄여 전동 효율을 높여 필요 충분한 토크를 발생시켜, 밸브를 문제없이 구동하여 동작하게 하고, 또한 토크를 그만큼 필요로 하지 않는 중간 부하의 상태에서는 전동기를 정격 운전시키면 되므로, 필요한 토크를 정격으로 발생시키는 것을 기준으로 하여 종래 선정되어 있었던 전동기나 감속 기구를, 필요 시에만 요구에 알맞는 최대 토크를 부여되는 것으로 하면 되고, 웜을 대략 진동 상태로 하지 않는 정격 상태에서의 출력을 억제한 소형의 전동기 등을 채용할 수 있어, 비용 다운이 도모되고, 또한 액추에이터 전체의 구조를 컴팩트화할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 전동기의 제어 방법은, 발생시킨 회전 구동력이 기어 기구를 통하여 후단측의 구동 대상물에 전달되는, 전동기의 제어 방법에 있어서, 출력축을 기어 기구의 입력측 기어에 직결되어 이루어지는 전동기에 대하여, 상기 전동기의 출력축에서의 회전각 속도를, 상기 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령에 기초하여 설정되는 목표 속도에 대하여, 소정 범위 내에서 증감시키고, 또한 상기 증감 변화를 반복하여 생기게 하는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 기어열로 이루어지는 기어 기구와 함께 설치되고, 본래는 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령에 기초하여 구동 대상물의 상황에 따른 목표하는 회전각 속도로 출력축이 회전하도록 제어되는 전동기에 대하여, 그 전동기 출력축의 회전각 속도를, 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령에 기초한 목표 속도에 대하여, 소정 범위 내에서 증감하는 변화가 반복하는 상태로 제어하고, 전동기 출력축에 직결되는 입력측 기어를 회전시키는 도중, 그 회전각 속도에 극미한 떨림을 부여함으로써, 입력측 기어가 회전 방향으로 미소 진동하고 있는 것으로 보여지는 상태를 수반하면서 회전하게 되고, 이러한 대략 진동 상태의 발생에 따라, 입력측 기어와 이에 맞물리는 기어와의 치면끼리의 접촉 상태를 변화시켜, 특히 기어 기구가, 입력측 기어를 웜으로 한 웜 기어 감속 기구의 경우, 치면의 미끄럼 접촉에서의 마찰을 저감하여 웜 기어로서의 전동 효율을 향상시키고, 구동 대상물에 주어지는 구동력이나 토크를, 동등한 전동기나 감속 기구를 사용한 종래의 것보다 증대되어, 만일 전동기나 감속 기구를 소형화했다고 해도, 실제의 구동력이나 토크를 증대시키는 만큼, 정격 성능이 높은 보다 대형의 전동기나 감속 기구를 요구되어 온 상황에서도 사용할 수 있어, 성능 저하를 초래하지 않고 전동기나 감속 기구의 소형화가 도모된다. 또한, 전동기의 제어로 입력측 기어에 대략 진동 상태를 생기게 함으로써, 진동을 부가하는 수단을 특별히 설치할 필요가 없어, 성능 강화를 도모하면서 종래 동일한 구조를 유지하여 고비용화를 피할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 액추에이터의 개략적인 구성 설명도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 액추에이터의 구동 제어부에서의 속도 지령 신호의 시간 변화 파형을 나타낸 설명도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 액추에이터에서의 밸브 개도(開度)에 따른 제어 전환 상태의 설명도이다.

(본 발명의 제1 실시형태)

이하, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 액추에이터를, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.

상기 각 도면에 있어서 본 실시형태에 관한 액추에이터는, 상기 구동 대상물로서의 밸브(70)와 일체로 회동 가능하게 하여 지지되는 지지축(71)에 밸브 동작용의 구동력을 전달하는 웜 기어 감속 기구(10)와, 이 웜 기어 감속 기구(10)에 연결되고, 웜 기어 감속 기구(10)를 통하여 밸브(70)에 구동력을 부여하는 전동기(20)와, 이 전동기(20)의 출력축(21)의 회전 정보를 검출하는 회전 검출기(30)와, 이 회전 검출기(30)의 출력 신호에 기초하여 전동기(20)를 제어하는 구동 제어부(40)와, 외부로부터 밸브(70)의 소정 개도까지의 동작 지령을 받아 구동 제어부(40)에 대한 속도 지령 신호를 출력하는 컨트롤러부(50)를 구비하는 구성이다.

상기 웜 기어 감속 기구(10)는, 전동기(20)의 출력축(21)에 연결되어 회동하는 웜(11)과, 이 웜(11)과 맞물리는 상태로 설치되고, 상기 밸브(70)의 지지축(71)과 연결되어 일체로 회동 가능하게 되는 웜 휠(12)을 구비하고, 전동기(20)로부터 얻은 회전 구동력을 웜(11)으로부터 웜 휠(12)에 전달하는 과정에서 감속하면서 지지축(71)에 전달하고, 밸브(70)를 지지축(71)과 함께 소정 각도 회전시켜 밸브(70)를 개폐 동작시키는 공지의 기구이며, 상세한 설명을 생략한다.

그리고, 이 웜 기어 감속 기구(10)에 대해서는, 밸브(70)에 연결하는 지지축(71)을 웜 휠(12)과도 연결시키고 이것을 회동시켜, 밸브(70)를 개폐하는 기구로 하고 있지만, 이러한 밸브(70)를 회동시켜 개폐를 행하는 버터플라이 밸브나 글로브(globe valve) 밸브 등의 기구에 한정되지 않고, 전동기의 회전을 이용하여 밸브의 개폐를 행하는 것이면, 게이트 밸브(gate valve) 등, 밸브(70)를 상하 이동 등 슬라이드시켜 개폐하는 기구 등, 다른 방식의 기구라도 상관없다. 예를 들면, 밸브가 게이트 밸브 등의 경우, 지지축은 수나사 부분을 구비하고, 이 수나사 부분에 대하여 웜 휠과 연결한 암나사부를 나사결합시키고, 이 암나사부를 웜 기어 감속 기구를 통하여 전동기에 의해 회전 구동함으로써 지지축을 직선 이동시켜, 밸브를 개폐하는 기구로 된다.

상기 전동기(20)는, 그 출력축(21)이 웜 기어 감속 기구(10)의 웜(11)에 직결되는 서보 모터이며, 구동 제어부(40)와 전기적으로 접속되고, 그 제어 하에 회전하는 구성이다. 이 전동기(20)에 의해 발생시킨 회전 구동력은, 웜 기어 감속 기구(10)로 감속하여 상기 구동 대상물인 밸브(70)의 지지축(71)에 전달되어, 밸브(70)를 소정 각도 회전시키는 구성이다.

상기 회전 검출기(30)는, 전동기(20)의 단부 근방 등에 설치되고, 전동기 출력축(21)의 회전 변위를 전기적 신호의 변화로 변환하고, 이 신호를 출력하는 인코더나 리졸버(resolver) 등의 공지의 센서이다. 이 회전 검출기(30)는, 구동 제어부(40)나 컨트롤러부(50)에 대하여 신호를 출력할 수 있도록 접속되고, 구동 제어부(40)나 컨트롤러부(50)에 의한 전동기(20)의 서보 제어에 사용되지만, 이 외에, 회전 검출기(30)의 출력 신호로부터 밸브의 개도를 별개로 연산하여 파악 가능하게 할 수도 있다.

그리고, 이 회전 검출기(30)는, 전동기(20)의 구성 부품으로서 처음부터 전동기(20)와 일체로 설치되어 외부에 서보 제어용의 신호를 출력하는 센서 종류를, 그대로 회전 검출기로서 이용하도록 해도 상관없다.

상기 구동 제어부(40)는, 회전 검출기(30)의 출력 신호에 기초하여 전동기(20)를 서보 제어하고, 또한 전동기(20)에서의 출력축(21)의 회전각 속도를, 밸브(70)의 동작에 관한 속도 지령에 기초하여 설정되는 목표 속도에 대하여, 소정 범위 내에서 증감시키고, 또한 이 증감 변화를 반복하여 생기는 상태로 제어하는 구성이다.

구체적으로는, 서보 모터인 전동기(20)의 서보 제어에서의, 속도 제어나 필터 제어, 전류 제어 등을 행하면서 전동기에 전류를 공급하는 제어·드라이브 수단(41)의 전단측(前段側)에서의, 회전 검출기(30)에서의 실제의 검출에 기초한 속도 정보의 피드백이 행해지기 전의 과정에서, 구동 대상물인 밸브(70)의 동작에 관한 속도 지령으로서 컨트롤러부(50)로부터 부여되는 속도 지령 신호에 대하여, 변동 부가 수단(42)에 의해 소정의 높은 주파수이며 또한 소정의 미소 진폭의 연속파형[예를 들면, 정현파형(正弦波形)]으로 되는 변동 신호 성분을 가산함으로써, 제어 결과로서 전동기 출력축(21)의 회전각 속도의 증감 변화를 얻게 된다.

통상, 구동 제어부(40)에 대하여, 밸브(70)의 동작에 관한 전동기(20)에 대한 속도 지령 신호는 전류로서 부여되므로, 이 지령 전류에 대하여, 구동 제어부(40)는, 소정의 변동하는 전류 성분을 가산한 후에, 전동기(20)를 제어하게 된다.

이러한 구동 제어부(40)에서의 제어에 따라, 전동기(20)의 출력축(21)은, 속도 지령에 기초한 회전 방향과 같은 방향의 회전을 유지하면서, 그 회전각 속도가 목표 속도로부터 소정 범위 내에서 약간 빨라지거나 늦어지거나 하는 증감 변화가 매우 짧은 주기로 반복하여 생기는, 즉 회전각 속도가 정밀하게 떨리는 변동 상태로 된다. 출력축(21)은, 이 회전각 속도의 떨림으로, 회전 방향으로 미소 진동하고 있는 것으로 볼 때, 출력축(21)과 일체로 회전하는 웜(11)에도 이 회전 방향에 대한 대략 진동 상태가 생기고 있으므로, 통상의 단순한 진동이 가해지는 경우와 마찬가지로, 웜(11)과 웜 휠(12)의 각 치면 간의 접촉 상태가 개선되어 치면 간의 마찰이 저감된다.

이와 같은, 전동기(20)의 출력축(21) 및 웜(11)에 있어서, 실제의 회전각 속도를 속도 지령에 기초한 목표하는 속도에 대하여 증감 변화시키는 상태는, 측정이 용이한 회전수를 기준으로 하여 환언하면, 속도 지령에 기초한 목표하는 회전수에 대하여 증감 변동하는 회전차를 생기게 하면서 출력축(21) 및 웜(11)을 회전시키는 것이라고 할 수 있다.

구동 제어부(40)에 의해 속도 지령 신호에 대하여 가산되는 변동 신호 성분의 진폭은, 실제의 출력축의 회전에서의 목표 회전수로부터의 회전차가 취할 수 있는 범위, 즉 출력축의 회전각 속도의 증감 변화의 범위(증감 변동 파형의 진폭)를 규정하는 것이다. 또한, 변동 신호 성분의 주파수는, 출력축에서의 회전각 속도의 증감 변화의 주파수를 규정하는 것이다.

그리고, 이 구동 제어부(40)에서는, 속도 지령 신호에 대하여 가산하는 변동 신호 성분의 진폭과, 실제로 출력축의 회전에 생기는 목표 회전수로부터의 최대의 회전차와의 관계, 및 상기 변동 신호 성분의 주파수와 실제의 출력축에서의 회전각 속도의 증감 변화하는 주파수와의 관계를 각각 미리 취득한 후에, 실제의 출력축 및 웜에 의해 원하는 대략 진동 상태에 상당하는 회전각 속도의 증감 변화가 발생하도록, 변동 부가 수단(42)에 의해 적절한 진폭과 주파수의 파형으로 설정된 변동 신호 성분을 속도 지령 전류에 가산한다.

예를 들면, 전동기(20)의 목표 회전수(정격 회전수)가 3000rpm의 경우, 출력축(21)에서의 회전각 속도의 증감 변화의 주파수는 1~10 kHz, 목표 회전수로부터의 최대 회전차(오프셋 회전수)는 250rpm으로 하는 것이 바람직하고, 구동 제어부(40)는, 이러한 제어 결과가 얻어지는 것을 미리 확인이 끝난 소정 진폭 및 주파수를 가지는 변동 신호 성분을 속도 지령 신호에 가산하게 된다. 가산 후의 지령 신호는, 원래의 속도 지령 신호에, 높은 주파수이며 또한 소진폭의 정현파형의 변동 파형이 중첩된 상태로 된다. 특히, 전동기가 AC 서보 모터의 경우에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 교류 파형으로 되는 속도 지령 신호에, 이 속도 지령 신호의 주파수보다 극히 높고 또한 그 진폭보다 극히 작은 진폭의 파형이 중첩되어, 출력축에 회전각 속도의 증감 변화에 의한 대략 진동 상태를 주면서도, 목표 회전수 부근의 회전수를 유지하는 서보 제어에는 영향을 주지 않는 상태로 한다.

그리고, 구동 제어부(40)의 전동기(20)에 대한 서보 제어는, 회전 검출기(30)의 출력 신호로부터 얻어지는 전동기 출력축(21)의 회전의 속도의 정보를 피드백으로 받고, 이것과 속도 지령 신호에 기초하여 전동기(20)의 회전을 제어하는 공지의 것이므로, 상세한 설명을 생략한다.

상기 컨트롤러부(50)는, 외부의 조작, 지시 제어 수단 등으로부터 전선이나 광 케이블에 의한 유선 통신, 또는 무선 통신 등에 의해 밸브(70)의 소정 개도까지의 동작 지령을 받고, 또한 회전 검출기(30)의 출력 신호로부터 밸브의 개도 위치 정보를 취득하고, 위치 제어 등을 행한 후 구동 제어부(40)에 속도 지령 신호를 출력하는 것이다.

이 컨트롤러부(50)와 구동 제어부(40)에 의해 전동기(20)를 작동시켜, 밸브(70)를 개폐 동작시켜 소정의 개도에 도달시킨 후, 전동기(20)를 정지시키기까지의, 일련의 기본적인 동작 제어에 대해서는, 공지의 밸브 개도 조정에 관한 서보 제어이며, 상세한 설명을 생략한다.

그리고, 컨트롤러부(50)에서는, 내부에 기억 유지하고 있는, 설정 데이터나, 동작 횟수 등의 이력 정보라는 데이터를, 외부에서의 관리나 분석을 위해, 메모리 카드 등의 범용의 기록 매체를 통하여 외부의 기기로 이행되도록, 이러한 매체의 입출력 수단을 설치하는 등 할 수도 있어, 액추에이터의 운용에 의해 축적된 데이터를 용이하게 취득하여 유효하게 활용할 수 있게 된다.

다음에, 본 실시형태에 관한 액추에이터의 동작에 대하여 설명한다. 전제로서, 외부로부터 밸브(70)의 개방 또는 폐쇄 동작의 지령 신호가 컨트롤러부(50)에 입력되고, 컨트롤러부(50)로부터 구동 제어부(40)에 속도 지령 신호가 전달되면, 구동 제어부(40)는 전동기(20)를 기동 상태로 하고, 전동기(20)는 회전을 개시하고, 웜 기어 감속 기구(10)를 통하여 밸브(70)의 지지축(71)에 구동력을 부여하는 것으로 한다.

전동기(20)가 회전하면, 회전 검출기(30)로부터 출력된 신호에 기초하여 구동 제어부(40)가 컨트롤러부(50)와 함께 서보 제어를 실행하는 한편, 구동 제어부(40)는, 밸브(70)의 동작에 관한 전동기(20)에 대한 속도 지령 신호에 대하여, 미리 설정된 적절한 진폭과 주파수를 가진 파형의 변동 신호 성분을 가산한다.

가산 후의 지령 신호에 의한 제어의 결과로서, 전동기(20)의 출력축(21)은, 속도 지령에 기초한 회전 방향으로 회전하면서, 그 회전각 속도가 목표 속도로부터 상기 변동 신호 성분의 진폭으로부터 상정(想定)되는 범위 내에서 증감하고, 또한 이 증감 변화가 상기 변동 신호 성분의 주파수로부터 상정되는 주파수로 반복되는 상태로 되어 있다. 그리고, 출력축(21)의 회전각 속도의 증감을 회전수를 기준으로 하여 환언하면, 출력축(21)의 실제의 회전수가 목표 회전수로부터 상기 변동 신호 성분의 진폭으로부터 상정되는 회전차의 범위 내에서 증감하게 된다.

출력축(21)에서, 회전각 속도의 증감 변화가 반복하여 생기고 있는 상태, 즉 회전각 속도가 고속측과 저속측으로 정밀하게 떨리는 상태는, 출력축(21)이 회전 방향으로 미소 진동하고 있지만, 이러한 출력축(21)의 대략 진동 상태는, 출력축(21)과 일체인 웜(11)에 있어서도 생기고 있으므로, 웜 기어 감속 기구(10)에서는, 통상의 단순한 진동이 가해지는 경우와 마찬가지로, 웜(11)과 웜 휠(12)의 각 치면끼리의 마찰이 저감되어, 전동 효율이 향상된다. 또한, 출력축(21)과 웜(11)의 회전 방향에서의 대략 진동 상태로 되어 있는 것에 의해, 출력축(21)이나 웜(11)의 베어링에, 스러스트(thrust) 방향이나 래디얼(radial) 방향에 대한 불필요한 힘이 쉽게 가해지지 않아, 악영향이 억제된다.

이 웜 기어 감속 기구(10)에서의 전동 효율의 향상에 따라, 같은 전동기나 감속 기구를 이용하면서도, 웜(11)의 대략 진동 상태를 생기게 하지 않는 종래 동일한 서보 제어를 행하는 경우와 비교하여, 액추에이터의 출력 토크를 증대시킨 상태로 밸브(70)의 구동을 실행할 수 있다. 그리고, 통상의 밸브 개폐 제어와 마찬가지로, 미리 지령된 개도 위치까지 밸브(70)가 작동하면, 전동기(20)가 정지하여 개폐 동작은 완료가 된다.

이와 같이, 본 실시형태에 관한 액추에이터에 있어서는, 구동원으로 되는 전동기(20) 및 그 구동 제어부(30)가, 웜 기어로 이루어지는 감속 기구(10)와 함께 설치되고, 밸브 동작에 관한 속도 지령에 기초하여 밸브(70)의 상황에 따른 목표하는 회전각 속도로 출력축(21)이 회전하도록 제어되는 전동기(20)에 대하여, 구동 제어부(40)가, 전동기 출력축(21)의 회전각 속도를, 밸브(70)의 동작에 관한 속도 지령에 기초한 목표 속도에 대하여, 소정 범위 내에서 증감하는 변화가 반복하는 상태로 제어하고, 전동기 출력축(21)에 직결되는 웜(11)을 회전시키는 도중, 그 회전각 속도에 극미한 떨림을 부여하므로, 웜(11)이 회전 방향으로 미소 진동하고 있는 것으로 보여지는 상태를 수반하면서 회전하게 되고, 이러한 대략 진동 상태의 발생에 따라, 웜(11)과 웜 휠(12)과의 치면끼리의 접촉 상태를 개선하고, 치면의 미끄럼 접촉에서의 마찰을 저감하여 웜 기어로서의 전동 효율을 향상시키게 되어, 액추에이터로서 밸브에 주어지는 구동력이나 토크를, 동등한 전동기나 감속 기구를 사용한 종래의 것보다 증대시켜, 만일 전동기나 감속 기구를 소형화했다고 해도, 실제의 구동력이나 토크를 증대시키는 만큼, 정격 성능의 높은 보다 대형의 액추에이터가 요구되어 온 상황에서도 사용할 수 있어, 성능 저하를 초래하지 않고 액추에이터 전체의 소형화가 도모된다.

또한, 종래의 웜 기어에서는, 통상, 웜과 웜 휠의 재질을 상이하게 하는 등 하여, 치면의 미끄럼 접촉에서의 마찰을 적절한 상태로 되도록 하고 있고, 예를 들면, 웜에는 강철, 웜 휠에는 인청동(燐靑銅) 등의 구리합금이라는 비교적 비용이 높은 재질을 사용하여, 적절한 마찰 계수를 얻도록 하고 있었다. 이에 대하여, 본 실시형태의 경우, 전동기(20)의 제어로, 회전하는 웜(11)의 회전각 속도에 극미한 떨림을 부여하여, 웜(11)과 웜 휠(12)과의 치면끼리의 접촉 상태를 개선하고, 치면의 미끄럼 접촉에서의 마찰을 저감할 수 있으므로, 웜 기어를 마찰이 작은 특수한 재질제로 하지 못하게 되므로, 특히 웜 휠의 재질에는, 입수하기 쉬운 철 등을 사용할 수 있어, 웜 기어의 기구에 대하여 대폭 저비용화가 도모되게 된다.

부가하여, 이러한 치면끼리의 마찰을 저감할 수 있는 것에 의해, 윤활 조건도 완화되어 종래의 웜 기어와 같이, 치면이 미끄럼 접촉하는 엄격한 윤활 조건 하에서 마찰을 억제하기 위한 특수한 윤활제, 예를 들면, 극압(極壓) 첨가제를 사용한 윤활제 등을 사용할 필요가 없어져, 윤활의 면에서도 비용을 저감할 수 있는 동시에, 환경 부하가 큰 물질로 이루어지는 것이 많은 극압 첨가제를 사용하지 않게 되므로, 환경에 대한 영향도 더욱 작게 할 수 있다.

(본 발명의 제2 실시형태)

그리고, 상기 제1 실시형태에 관한 액추에이터에 있어서는, 밸브(70)의 동작에 관한 지령에 기초하여 전동기(20)가 회전하는 동안, 구동 제어부(40)는 항상 전동기(20)의 출력축(21)의 회전각 속도를 증감 변화 상태로 제어하고, 출력축(21) 및 웜(11)의 회전 방향에 대한 대략 진동 상태를 생기게 하는 구성으로 하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 제2 실시형태로서, 밸브의 개도에 따라, 구동 제어부(40)가 전동기(20)의 출력축(21)의 회전각 속도를 증감 변화 상태로 제어하는 경우와, 이 제어를 실행하지 않고 출력축(21)의 회전각 속도를 속도 지령에 기초하여 설정되는 목표 속도인 채로 하는 경우를 전환하는 구성으로 할 수도 있다.

밸브의 경우, 밸브의 폐쇄 상태로부터의 개방 개시 시에는 시동 토크, 폐지 직전의 미소하게 열린 상태로부터의 완전 폐지 시에는 마감 토크로서, 이들 이외의 밸브 개도에 있어서 필요로 하는 정격의 토크보다 큰 토크가, 밸브 동작에 필요한 것으로 알려져 있지만, 이러한 특성에 대응하여, 도 3에 나타낸 바와 같이, 밸브(70)의 폐쇄 상태로부터의 개방 개시 시나, 폐지 직전의 미소하게 열린 상태로부터의 완전 폐지 시에만, 구동 제어부(40)가 전동기(20)의 출력축(21)의 회전각 속도를 증감 변화 상태로 제어하고, 이들 이외의 밸브(70)의 개방 동작 및 폐쇄 동작에 있어서는, 구동 제어부(40)는 제어 상태를 전환하고, 출력축(21)의 회전각 속도를 속도 지령에 기초하여 설정되는 목표 속도인 채로 하는 제어를 실행한다.

전동기(20)가 동작하여 밸브(70)가 개폐 동작하고 있는 경우, 회전 검출기(30)로부터는 전동기(20)의 회전 변위에 대응한 신호가 출력되고, 이 신호로부터 밸브의 개도를 연산 취득할 수 있으므로, 밸브(70)의 개도를 감시하고, 예를 들면, 폐쇄 동작 시에, 상기 마감 토크 등의 큰 토크가 필요한 개도에 도달한 경우에, 구동 제어부(40)에 의해 출력축(21)의 회전각 속도를 목표 속도로 하는 제어 상태로부터, 회전각 속도를 증감 변화 상태로 제어하는 상태로 전환하게 된다. 또한, 반대로 개방 동작 시에, 상기 시동 토크 등의 큰 토크가 필요한 상태로부터 정격 이하의 토크이면 족한 개도에 도달한 경우에는, 구동 제어부(40)와 출력축(21)의 회전각 속도를 증감 변화 상태로 하는 제어로부터, 회전각 속도를 목표 속도로 하는 제어로 전환한다.

이와 같이 하여, 밸브의 구동에 있어서 가장 토크를 필요로 하는 개방 개시 시나 폐지 종료 시에, 구동 제어부(40)에 의해 전동기(20)의 출력축(21)의 회전각 속도를 증감 변화 상태로 제어하고, 웜(11)을 회전 방향에 대한 대략 진동 상태로 회전시키도록 함으로써, 필요 시에 웜 기어 감속 기구(10)에서의 마찰을 줄여 전동 효율을 높여, 필요 충분한 토크를 발생시켜, 밸브(70)를 문제없이 구동하여 동작하게 하고, 또한 토크를 그만큼 필요로 하지 않는 중간 부하의 상태에서는 전동기(20)를 정격 운전시키면 되므로, 필요한 토크를 정격으로 발생되는 것을 기준으로 하여, 종래 선정되어 있었던 전동기나 웜 감속 기구를, 필요 시에만 요구에 알맞는 최대 토크를 부여되는 것으로 하면 되므로, 웜을 대략 진동 상태로 하지 않는 정격 상태에서의 출력을 억제한 소형의 전동기 등을 채용할 수 있어, 비용 다운이 도모되고, 또한 액추에이터 전체의 구조를 컴팩트화할 수 있다.

또한, 이 경우, 밸브의 폐쇄 상태로부터의 개방 개시 시와, 폐지 직전의 미소하게 열린 상태로부터의 완전 폐지 시의 양쪽에서, 전동기의 출력축의 회전각 속도를 상기 증감 변화 상태로 제어하도록 하고 있지만, 이 외에, 상기 밸브의 폐쇄 상태로부터의 개방 개시 시, 또는 폐지 직전의 미소하게 열린 상태로부터의 완전 폐지 시 중 어느 한쪽에서만, 전동기 출력축의 회전각 속도를 상기 증감 변화 상태로 하는 제어를 행하는 구성으로 할 수도 있다.

또한, 상기 각각의 실시형태에 관한 액추에이터에 있어서는, 전동기(20)로부터의 구동력을 웜 기어 감속 기구(10)를 통하여 밸브(70)의 지지축(71)에 전달하고, 밸브(70)를 개폐하는 기구로 하고 있지만, 이러한 밸브 외에, 판형의 게이트를 상하 방향 또는 가로 방향으로 이동시켜, 유로의 개폐를 행하는 게이트 개폐 기구에 적용하는 구성으로 할 수도 있다. 또한, 밸브나 게이트를 지지하는 것이 지지축이 아니고 체인이나 와이어 등의 지지 부재인 경우에는, 웜 휠과 이들 체인이나 와이어 등의 지지 부재와의 사이의 구동력을 전하는 중간 부품이, 각각에 대응한 적절한 것으로서 사용되는 것은 물론이다.

또한, 상기 각각의 실시형태에 관한 액추에이터로서는, 전동기(20)로부터 웜 기어 감속 기구(10)를 통하여, 구동 대상물로서의 밸브(70)와 일체의 지지축(71)에 구동력을 전달하는 구성만 나타내고 있지만, 이 외에, 웜 기어 감속 기구에 대하여, 사람의 구동 조작, 예를 들면, 수동용 핸들을 회전시키는 조작 등에 기초한 구동력의 입력과, 전동기로부터의 구동력의 입력을 전환하는 액추에이터 구성으로 할 수도 있어, 통상의 통전 상태가 아닌 정전(停電) 시에, 전동기를 대신하는 사람의 구동 조작에 의해, 웜 기어 감속 기구를 통하여 밸브 등의 지지축을 회전시키게 된다. 이러한 전환 가능한 구성의 경우에도, 전동기의 동작 시에서의, 웜 기어 감속 기구의 웜의 대략 진동 상태를 얻기 위해, 전동기 출력축과 웜이 일체로 되어 있고, 수동 동작 상태에 있어서는 웜을 통하여 수동용 핸들 등의 조작부와 전동기가 연동 상태로 된다. 이 점을 고려하여, 구동력 입력의 수동 측으로의 전환에 따라, 동작하여, 전동기로의 전력 공급이 행해지지 않는 상태로 하는, 기계적인 스위치 기구인 인터록(interlock) 스위치를 설치하여, 수동 핸들의 조작 중에 전동기가 회전 동작하는 것을 방지하는 구성이 필요로 하지만, 만일, 이러한 스위치 기구가 파손된 경우, 정전 상태로부터 통상의 통전 상태로 복귀했을 때, 잘못하여 전동기에 전력이 공급되는 상태로 되어, 수동 핸들의 조작 중에 전동기가 동작하여, 작업자에게 위험이 미치는 것 같은 사고의 발생으로 연결될 염려도 있다. 그러므로, 통상의 인터록 스위치와는 별개로, 전동기 출력축이 외부로부터의 전력 공급이 아니고, 수동 조작에 의한 웜의 회전에 따라, 회전하고 있는 경우에는, 전동기에 대한 전력 공급을 행하지 않도록 하여, 이중의 인터록을 행하도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 수동 조작 시에는 수동 핸들과 전동기 출력축이 연동하는 상태로 되어 있으므로, 수동 핸들을 돌림으로써 전동기 출력축이 회전하고, 전동기는 일종의 발전기로 되어 전력을 발생하고, 이 발생한 전력이 구동 제어부 측으로 입력되게 된다. 구동 제어부가 이러한 전력의 입력을 검지하고 있는 경우, 액추에이터는 수동 조작 상태에 있는 것으로 하여, 전동기에 전력 공급을 행하지 않는 제어를 실행하면, 수동 핸들의 조작 중에 전동기가 동작하는 것을 확실하게 저지할 수 있어, 안전을 확보할 수 있다.

상기한, 전동기 출력축의 회전각 속도를 반복하여 증감 변화시키는 상태로 제어하는 방법은, 상기 각각의 실시형태와 같은 액추에이터에서의 전동기뿐아니라, 기어 기구를 사용하는 감속 장치나 동력 전달 장치 등을 구동하는 전동기에도 적용할 수 있고, 전동기에 직결하는 기어 기구의 입력측 기어와, 이에 맞물리는 기어와의 치면끼리의 접촉 상태를 조정하여, 치면의 미끄럼 접촉에서의 마찰 계수를 감소시키고, 또한 치면의 면압(面壓)을 완화하여, 허용 헤르츠(Hz)의 응력을 높게 하는 것도 기대할 수 있다. 이러한 미끄럼 접촉 상태의 조정에 의한 마찰 계수의 감소에 대해서는, 기어 기구가 웜 기어 이외의 기어의 경우에도 일어날 수 있어, 기어의 미끄러짐의 면에서 설계에 영향을 주게 된다.

[실시예]

본 발명의 액추에이터로, 전동기 출력축을 회전 방향으로 대략 진동 상태로 하는 제어를 행한 경우의 토크를 측정하고, 전동 효율을 구하여, 비교예로서의 제어를 행하지 않는 경우의 측정 결과 등과 비교 평가했다.

먼저, 본 발명의 액추에이터에서의 전동기 단체(單體)에 대하여, 전동기 출력축을 회전 방향으로 대략 진동 상태로 하는 제어를 행한 경우의 토크를 측정하였다. 전동기의 목표 회전수(정격 회전수)는 3000rpm, 출력축에서의 회전각 속도의 증감 변화의 주파수는 2500Hz, 목표 회전수로부터의 최대 회전차(오프셋 회전수)는 250rpm으로 되도록 제어하였다.

또한, 비교예로서, 전동기 단체에 대하여 상기 제어를 행하지 않는 경우의 토크 측정도 행하였다. 전동기의 회전수 등의 조건은 상기 제어를 행한 경우와 마찬가지이다.

이어서, 본 발명의 액추에이터의, 전동기를 웜 기어 감속 기구와 연결한 본래의 상태에서, 전동기 출력축을 회전 방향으로 대략 진동 상태로 하는 제어를 행한 경우, 및 비교예로서의 상기 제어를 행하지 않는 경우의 각각에 대하여, 액추에이터의 출력단(웜 휠)에서의 토크를 측정하였다. 액추에이터에서의 웜 기어 감속 기구의 감속비는, 1/40이다.

또한, 상기 각 측정에 의해 얻어진 전동기 단체에서의 토크(전동기 출력 토크)와, 액추에이터 전체로서의 토크(액추에이터 출력 토크)와, 감속비를 사용하여, 제어를 행한 경우와 행하지 않는 경우의 각각에 대하여, 웜 기어의 효율을 구하였다. 이 웜 기어의 효율 산출식은, 하기와 같이 된다.

(효율) = (액추에이터 출력 토크) ÷ (전동기 출력 토크×감속비)

상기한 각각의 토크 측정 결과, 및 산출한 웜 기어의 효율을, 표 1에 나타낸다.

표 1로부터, 전동기 단체에서의 토크는, 상기 제어를 행함으로써 약간 저하되지만, 액추에이터 전체로서의 토크는, 상기 제어를 행함으로써, 제어를 행하지 않는 경우보다 증대되어 있다. 또한, 토크로부터 구한 효율은, 상기 제어를 행함으로써 약 40%만큼 향상되어 있다.

이들로부터, 본 발명의 액추에이터로 전동기 출력축을 회전 방향으로 대략 진동 상태로 하는 제어를 행함으로써, 웜 기어 감속 기구에서의 전동 효율을 향상시켜, 액추에이터로서 구동 대상물에 주어지는 토크를, 상기 제어를 행하지 않는 경우보다 증대시키는 것은 분명하다.

1: 액추에이터
10: 웜 기어 감속 기구
11: 웜
12: 웜 휠
20: 전동기
21: 출력축
30: 회전 검출기
40: 구동 제어부
41: 제어·드라이브 수단
42: 변동 부가 수단
50: 컨트롤러부
70: 밸브
71: 지지축

Claims

전동기에 의해 발생시킨 회전 구동력을 웜 기어(worm gear) 감속 기구로 감속하여 소정의 구동 대상물에 전달하고, 상기 구동 대상물을 동작시키는 액추에이터에 있어서,
상기 전동기의 출력축에서의 회전각(回轉角) 속도를, 상기 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령에 기초하여 설정되는 목표 속도에 대하여, 소정 범위 내에서 증감시키고, 또한 상기 증감 변화를 반복하여 생기게 하는 구동 제어부를 포함하고,
상기 전동기는, 상기 출력축을 웜 기어 감속 기구의 웜에 직결되어 이루어지는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
상기 전동기 출력축의 회전 상태를 검출하여 신호로서 출력하는 회전 검출기를 더 포함하고,
상기 구동 제어부는, 상기 회전 검출기의 출력 신호에 기초하여 전동기를 서보 제어하고, 또한 상기 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령으로서 부여되는 속도 지령 신호에 대하여, 소정 주파수이며 또한 소정의 미소 진폭의 파형으로 되는 변동 신호 성분을 가산하여, 상기 전동기 출력축의 회전각 속도의 증감 변화가 생기게 하는, 액추에이터.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 구동 대상물은, 유체(流體)의 유로(流路)를 개폐하는 밸브이며,
상기 구동 제어부는, 상기 밸브의 폐쇄 상태로부터의 개방 개시 시, 및/또는 폐지(閉止) 직전의 미소하게 열린 상태로부터의 완전 폐지 시에는, 상기 전동기 출력축의 회전각(回轉角) 속도를 상기 증감 변화 상태로 하는 한편, 밸브의 다른 개방 동작 및 폐쇄 동작에서는 회전각 속도를 상기 속도 지령에 기초하여 설정되는 목표 속도인 채로 하는 제어를 행하는, 액추에이터.
발생시킨 회전 구동력이 기어 기구(機具)를 통하여 후단측의 구동 대상물에 전달되는, 전동기의 제어 방법에 있어서,
출력축을 상기 기어 기구의 입력측 기어에 직결되어 이루어지는 전동기에 대하여, 상기 전동기의 출력축에서의 회전각 속도를, 상기 구동 대상물의 동작에 관한 속도 지령에 기초하여 설정되는 목표 속도에 대하여, 소정 범위 내에서 증감시키고, 또한 상기 증감 변화를 반복하여 생기게 하는, 전동기의 제어 방법.