TWI531740B - 致動器 - Google Patents

Description

致動器

本發明係關於一種配設於流體流路被利用作閥(valve)或閘(gate)之開關用途等之致動器，尤其，係關於一種在使用電動機之同時使用蝸形齒輪(worm gear)作為此電動機之旋轉輸出之減速機構的致動器。

設置於供水等流體流動之管等流路，進行開關控制以調節流體流動之閥或閘，通常使用以電動機或油壓機構等作為驅動源之致動器來進行自動開關，但大型之致動器則是為了獲得所需之驅動力，而使用於將電動機等之輸出進行減速之後。

作為如此之閥或閘之致動器中之減速機構，為了以所需之最小限度之段數來容易獲得使閥或閘順利移動之較大減速比，又，為了防止對閥或閘所施加之來自流體之力或重力等而導致此等不小心造成移動之情況，所以會常使用無法以施加至輸出側之力卻相反地使輸入側移動且具有自鎖(self lock)性之蝸形齒輪。

然而，蝸桿與蝸輪(worm wheel)進行滑動接觸而傳達旋轉之蝸形齒輪，若採取賦予自鎖性之導程角(lead angle)時，會由於摩擦之影響使傳動效率較一般之正齒輪等低，故有需要更進一步提高效率。從先前以來，為了提高在如此之蝸形齒輪中之傳動效率，進行了齒面之特殊加工、處理或潤滑之方法等，但是此等方法未能大幅度地提高效率。

在此情形下，有對蝸桿或蝸輪賦予超音波振動，並降低滑動面之摩擦，進而提高蝸形齒輪傳動效率之技術之提案。而作為此類習知之蝸形齒輪之例，有日本專利特開平8-145126號公報所揭示之蝸形齒輪。

於上述習知之蝸形齒輪中，若將超音波振動器中所產生振動之振幅放大，將其傳達至蝸輪，使蝸桿進行旋轉驅動使得與此蝸桿相契合之蝸輪進行旋轉動作，則與不賦予超音波時相比，齒面間之摩擦係數會減少，傳動效率將大幅度提高。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平8-145126號公報

於將蝸形齒輪用作減速機構之致動器中，當應用如上述專利文獻所示之蝸形齒輪賦予超音波振動之技術時，雖然可預測到降低蝸桿與蝸輪之齒面間之摩擦係數能提高傳動效率之情形，但是因蝸桿或蝸輪作為整體進行振動，故存在如，成為對旋動可能地軸支著蝸桿或蝸輪之徑向軸承或推力軸承始終施加振動之狀態而成為負擔，導致壽命減短或異音產生之問題。又，存在如，與電動機等驅動源不同地，必須設置用以產生賦予蝸桿或蝸輪之超音波振動之超音波振動器，又，為了對旋轉中之蝸桿或蝸輪傳達超音波振動，亦必須採用特殊之結構，為此就使作為致動器之機構變複雜，而導致高成本之問題。

本發明係為解決上述問題所開發而成者，其目的在於提供一種致動器，其係對利用電動機進行旋轉驅動之蝸桿，自電動機賦予旋轉角速度重複變動之狀態，使蝸桿以宛如朝旋轉方向振動之狀態進行旋轉，從而減少蝸桿與蝸輪接觸所產生之摩擦，不需使用特別之結構便可提高蝸形齒輪之傳動效率。

本發明之致動器，係將電動機中產生之旋轉驅動力利用蝸形齒輪減速機構加以減速並傳達至規定之驅動對象物，使該驅動對象物進行動作者，該致動器具備有驅動控制部，其將上述電動機之輸出軸中之旋轉角速度，相對於根據與上述驅動對象物之動作相關之速度指令所設定之目標速度，於規定範圍內增減，且重複產生該增減變化，而上述電動機，係將輸出軸直接連接於蝸形齒輪減速機構之蝸桿而成。

如此，根據本發明，將成為驅動源之電動機及其驅動控制部與包含蝸形齒輪之減速機構一起配設，本來對根據與驅動對象物之動作相關之速度指令以對應驅動對象物情況之目標之旋轉角速度使輸出軸進行旋轉之方式所控制之電動機，驅動控制部，係將電動機輸出軸之旋轉角速度相對於基於與驅動對象物之動作相關之速度指令之目標速度，於規定範圍內增減之變化控制為重複之狀態，並使直接連接至電動機輸出軸之蝸桿在進行旋轉之中，對其旋轉角速度賦予細微之晃動，藉此成為一邊伴隨可視為蝸桿朝旋轉方向進行微小振動之狀態一邊進行旋轉，隨著如此近似振動狀態之發生而改善蝸桿與蝸輪之齒面彼此間之接觸狀態，以降低齒面在滑動接觸時之摩擦而提高作為蝸形齒輪之傳動效率，使作為致動器對驅動對象物所賦予之驅動力或轉矩，與使用同等之電動機或減速機構之習知致動器相比更為增大，假設即便使電動機或減速機構小型化，由於使實際之驅動力或轉矩增大之部分，使得在被要求額定性能較高且更大型之致動器時亦可使用，不會導致性能下降，可實現致動器整體之小型化。又，藉由驅動控制部之電動機控制而使蝸桿產生近似振動之狀態，由此不必特別設置附加振動之手段，可一面實現性能之強化，一面維持與習知相同之結構，避免高成本化。

又，本發明之致動器係視需要具備檢測上述電動機輸出軸之旋轉狀態作為信號輸出之旋轉檢測器，而上述驅動控制部，根據上述旋轉檢測器之輸出信號對電動機進行伺服控制，同時對作為與上述驅動對象物之動作相關之速度指令所賦予之速度指令信號，加上成為規定頻率且規定之微小振幅之波形之變動信號成分，產生上述電動機輸出軸之旋轉角速度之增減變化。

如此，根據本發明，將驅動控制部與旋轉檢測器並用，一邊進行電動機之伺服控制，一邊對作為與驅動對象物之動作相關之速度指令所賦予之速度指令信號加上變動信號成分，作為控制結果產生電動機輸出軸之旋轉角速度之增減變化，使蝸桿以朝旋轉方向之近似振動之狀態進行旋轉，藉此使與驅動對象物相對應之電動機在適當旋轉中，僅藉由對速度指令信號加上變動成分，便可容易獲得蝸桿之近似振動狀態，以簡單之控制實現藉由摩擦降低所提高蝸形齒輪之傳動效率，以低成本實現作為致動器之性能強化。

又，本發明之致動器係視需要，上述驅動對象物係開閉流體流路之閥，上述驅動控制部係於自上述閥之關閉狀態之開始開放時，及/或自正要封閉前之微小開啟狀態之完全封閉時，將上述電動機輸出軸之旋轉角速度設為上述增減變化狀態之同時，於閥其他之開啟動作及關閉動作時，將旋轉角速度設為根據上述速度指令所設定之目標速度直接進行控制。

如此，根據本發明，使驅動對象物為流路開關用之閥，於閥之驅動中最需要轉矩之開放開始時或封閉結束時，將電動機輸出軸之旋轉角速度控制為增減變化之狀態，使蝸桿以朝旋轉方向之近似振動狀態進行旋轉，藉此在必要時減少蝸形齒輪減速機構中產生之摩擦而提高傳動效率，產生足夠所需之轉矩，使閥無問題地進行驅動而動作，同時於不太需要轉矩之中間負荷之狀態下，只要使電動機進行額定運轉便可，使習知以額定產生所需轉矩為基準所選定之電動機或減速機構，僅於必要時賦予合乎要求之最大轉矩即足夠，可採用使蝸桿以未處於近似振動狀態之額定狀態之抑制輸出的小型電動機等，除了可實現成本下降，同時可使致動器整體之結構精簡化。

又，本發明之電動機之控制方法，係將所產生之旋轉驅動力經由齒輪機構傳達至後段側之驅動對象物，在電動機之控制方法中相對於將輸出軸直接連接於齒輪機構之輸入側齒輪而成之電動機，將該電動機之輸出軸之旋轉角速度，相對於根據與上述驅動對象物之動作相關之速度指令所設定之目標速度，於規定範圍內增減，且重複產生該增減之變化。

如此，根據本發明，與包含齒輪系之齒輪機構一起配設，本來對根據與驅動對象物之動作相關之速度指令以對應驅動對象物情況之目標之旋轉角速度使輸出軸進行旋轉之方式所控制之電動機，將其電動機輸出軸之旋轉角速度相對於基於與驅動對象物之動作相關之速度指令之目標速度，於規定範圍內增減之變化控制為重複之狀態，並使直接連接至電動機輸出軸之輸入側齒輪在進行旋轉之中，對其旋轉角速度賦予細微之晃動，藉此成為一邊伴隨可視為輸入側齒輪朝旋轉方向進行微小振動之狀態一邊進行旋轉，隨著如此近似振動狀態之發生而改變輸入側齒輪和與此相契合之齒輪之齒面彼此間之接觸狀態，尤其是於齒輪機構，將輸入側齒輪設為蝸桿之蝸形齒輪減速機構時，降低齒面之滑動接觸時所產生之摩擦而提高作為蝸形齒輪之傳動效率，使對驅動對象物所賦予之驅動力或轉矩，與使用同等之電動機或減速機構之習知致動器相比更為增大，假設即便使電動機或減速機構小型化，由於使實際之驅動力或轉矩增大之部分，使得在被要求額定性能較高且更大型之電動機或減速機構時亦可使用，不會導致性能下降便可實現電動機或減速機構之小型化。又，藉由電動機之控制使輸入側齒輪產生近似振動之狀態，由此不必特別設置附加振動之手段，可一面實現性能之強化，一面維持與習知相同之結構，避免高成本化。

(本發明之第1實施形態)

以下，基於圖1及圖2，對本發明之第1實施形態之致動器進行說明。

於下述各圖式中，本實施形態之致動器之構成包括：蝸形齒輪減速機構10，其對作為上述驅動對象物之閥70及以可一體旋動之方式支撐之支撐軸71傳達閥動作用之驅動力；電動機20，其連結於此蝸形齒輪減速機構10，經由蝸形齒輪減速機構10對閥70賦予驅動力；旋轉檢測器30，其檢測此電動機20之輸出軸21之旋轉資訊；驅動控制部40，其根據此旋轉檢測器30之輸出信號控制電動機20；以及控制器部50，其自外部接受閥70之規定開度為止之動作指令而向驅動控制部40輸出速度指令信號。

上述蝸形齒輪減速機構10，其包括連結於電動機20之輸出軸21而進行旋動之蝸桿11，以及被配置成與此蝸桿11相契合之狀態，且與上述閥70之支撐軸71連結成可一體旋動之蝸輪12，於將自電動機20所獲得之旋轉驅動力從蝸桿11傳達至蝸輪12之過程中一邊進行減速，一邊傳達至支撐軸71，使閥70與支撐軸71一起進行規定角度之旋轉而使閥70進行開關之動作，係為眾所周知之機構省略詳細之說明。

再者，關於此蝸形齒輪減速機構10，使連結於閥70之支撐軸71亦與蝸輪12連結並使此進行旋動，作為開啟及關閉閥70之機構，但不限定於使如此之閥70進行旋動而開啟及關閉之蝶形閥或球形閥等機構，只要係利用電動機之旋轉進行閥之開啟及關閉者，如閘閥等，使閥70進行上下移動等滑動而開啟及關閉之機構等，其他方式之機構亦可。例如，當閥為閘閥等之時，支撐軸包含外螺紋部分，對此外螺紋部分使與蝸輪連結之內螺紋部進行螺合，而此內螺紋部介由蝸形齒輪減速機構利用電動機進行旋轉驅動，藉此使支撐軸直線移動，成為開啟及關閉閥之機構。

上述電動機20，係將其輸出軸21直接連接於蝸形齒輪減速機構10之蝸桿11之伺服馬達，成為與驅動控制部40進行電性連接，並於其控制下進行旋轉之機構。在此電動機20中所產生之旋轉驅動力，係藉由蝸形齒輪減速機構10進行減速並傳達至為上述驅動對象物之閥70之支撐軸71，而使閥70旋轉規定角度之結構。

上述旋轉檢測器30，係配設於電動機20之端部附近等，將電動機輸出軸21之轉動位移轉換成電信號之變化，並輸出此信號之編碼器(encoder)或分解器(resolver)等眾所周知之感測器。此旋轉檢測器30，係以可輸出信號之方式被連接於驅動控制部40或控制器部50，用於藉由驅動控制部40或控制器部50之電動機20之伺服控制，但此外，亦可根據旋轉檢測器30之輸出信號另行運算閥之開度而予以把握。

再者，此旋轉檢測器30，係作為電動機20之構成零件從一開始就被設置為與電動機20一體而對外部輸出伺服控制用之信號之感測器類，直接當作旋轉檢測器利用亦無妨。

上述驅動控制部40之構成為，根據旋轉檢測器30之輸出信號對電動機20進行伺服控制，同時將電動機20之輸出軸21之旋轉角速度，控制為相對於根據與閥70之動作相關之速度指令所設定之目標速度，於規定範圍內增減，且重複產生此增減變化之狀態。

具體而言，於作為伺服馬達之電動機20之伺服控制中，在一邊進行速度控制或過濾控制、電流控制等一邊對電動機供給電流之控制‧驅動手段41之前段側，比進行基於利用旋轉檢測器30之實際檢測之速度資訊之回饋(feedback)還要早前之過程中，作為與驅動對象物即閥70之動作相關之速度指令而對於自控制器部50所賦予之速度指令信號，藉由變動附加手段42加上成為規定之高頻率且規定之微小振幅之連續波形(例如，正弦波狀)之變動信號成分，藉此作為控制結果以獲得電動機輸出軸21之旋轉角速度之增減變化。

通常，對驅動控制部40，為了將與閥70之動作相關之對電動機20之速度指令信號以電流進行賦予，故驅動控制部40，係對此指令電流，在加上規定之變動之電流成分後，控制電動機20。

伴隨如此之驅動控制部40之控制，使電動機20之輸出軸21，一面維持基於速度指令並與旋轉方向相同方向之旋轉，一面使其旋轉角速度離目標速度於規定之範圍內一下子僅少許變快一下子變慢之增減變化在極短之周期內重複產生，即成為旋轉角速度細微晃動之異動狀態。輸出軸21，由於此旋轉角速度之晃動，可視為朝旋轉方向進行微小振動，而與輸出軸21成一體旋轉之蝸桿11亦產生朝此旋轉方向之近似振動之狀態，因此和施加通常之單純振動時相同，會改善蝸桿11與蝸輪12之各齒面間之接觸狀態，降低齒面間之摩擦。

於此類電動機20之輸出軸21及蝸桿11，使實際之旋轉角速度對基於速度指令之目標之速度進行增減變化之狀態，若換成以容易測定之轉速為基準來說，可說成對基於速度指令之目標之轉速一面產生增減變動之旋轉差，一面使輸出軸21及蝸桿11進行旋轉。

利用驅動控制部40對速度指令信號所加上之變動信號成分之振幅，係規定於輸出軸之實際旋轉中之來自目標轉速之旋轉差之可取範圍，即，輸出軸之旋轉角速度之增減變化之範圍(增減變動波形之振幅)者。又，變動信號成分之頻率，係規定輸出軸之旋轉角速度之增減變化之頻率者。

又，於此驅動控制部40中，分別預先取得對速度指令信號所加上之變動信號成分之振幅，和與從實際由輸出軸之旋轉所產生之目標轉速之最大旋轉差之間的關係，以及上述變動信號成分之頻率與在實際之輸出軸中之旋轉角速度之增減變化之頻率的關係，再以在實際之輸出軸及蝸桿產生相當於所希望之近似振動狀態之旋轉角速度之增減變化之方式，藉由變動附加手段42將設定為適宜之振幅及頻率之波形之變動信號成分加上速度指令電流。

例如，當電動機20之目標轉速(額定轉速)為3000 rpm時，較佳為將在輸出軸21之旋轉角速度之增減變化之頻率設為1～10 kHz，且將來自目標轉速之最大旋轉差(偏位轉速)設為250 rpm，驅動控制部40，係將具有預先確認完可獲得如此之控制結果之規定振幅及頻率的變動信號成分加上速度指令信號。相加後之指令信號，成為在原先之速度指令信號上有較高頻率且較小振幅之正弦波狀之變動波形重疊之狀態。尤其是，於電動機為AC(Alternating Current，交流)伺服馬達時，如圖2所示，在成為交流波形之速度指令信號上，使較此速度指令信號之頻率極高且較其振幅極小之振幅之波形重疊，設為即便一邊對輸出軸賦予依據旋轉角速度之增減變化之近似振動狀態，亦不會影響維持目標轉速附近之轉速之伺服控制之狀態。

再者，對驅動控制部40之電動機20之伺服控制，係藉由回饋接受從旋轉檢測器30之輸出信號所獲得電動機輸出軸21之旋轉速度之資訊，並根據此資訊與速度指令信號來控制電動機20之旋轉為眾所周知者，省略詳細之說明。

上述控制器部50，係從外部之操作、指示控制手段等利用電線或光學電纜之電纜通信或者透過無線通信等接受閥70之到規定開度為止之動作指令，又，係從旋轉檢測器30之輸出信號取得閥之開度位置資訊，在進行位置控制等之後對驅動控制部40輸出速度指令信號者。

藉由此控制器部50及驅動控制部40使電動機20進行動作，在使閥70進行開關動作達到規定之開度後，到停止電動機20為止之一連串基本之動作控制，係眾所周知之與閥開度調整相關之伺服控制，省略詳細之說明。

再者，於控制器部50中，為了將記憶保持於內部之設定資料或例如動作次數等歷程資訊之資料在外部進行管理或分析，以經由記憶卡等通用之記錄媒體轉移到外部機器之方式，亦可設置如此之媒體之輸出入手段等，藉由致動器之運用可容易取得所儲存之資料並將其有效利用。

其次，對與本實施形態相關之致動器之動作進行說明。將自外部使閥70之開啟或關閉動作之指令信號被輸入至控制器部50，且當速度指令信號自控制器部50被傳達至驅動控制部40時作為前提，驅動控制部40係將電動機20設為起動狀態，電動機20將開始旋轉，經由蝸形齒輪減速機構10對閥70之支撐軸71賦予驅動力。

當電動機20進行旋轉時，根據旋轉檢測器30所輸出之信號，驅動控制部40係與控制器部50一起執行伺服控制，另一方面，驅動控制部40係對與閥70之動作相關之對電動機20之速度指令信號，加上具有預先被設定之適宜之振幅及頻率之波形之變動信號成分。

作為依據相加後之指令信號所控制之結果，電動機20之輸出軸21，係朝基於速度指令之旋轉方向一邊進行旋轉，並在其旋轉角速度於根據目標速度及上述變動信號成分之振幅所預測之範圍內一邊進行增減，且此增減變化成為以根據上述變動信號成分之頻率所預測之頻率進行重複之狀態。再者，輸出軸21之旋轉角速度之增減若換成以轉速為基準之說法，則輸出軸21之實際轉速於根據目標轉速及上述變動信號成分之振幅所預測之旋轉差之範圍內進行增減。

在輸出軸21，旋轉角速度之增減變化所重複產生之狀態，即旋轉角速度朝高速側及低速側細微晃動之狀態，可說是輸出軸21朝旋轉方向進行微小之振動，而如此之輸出軸21之近似振動狀態，由於在與輸出軸21為一體之蝸桿11亦會產生，所以於蝸形齒輪減速機構10，與施加普通之單純振動時相同地，減少蝸桿11與蝸輪12之各齒面彼此間之摩擦而提高傳動效率。又，由於在輸出軸21與蝸桿11之旋轉方向成為近似振動之狀態，由此難以對輸出軸21或蝸桿11之軸承施加朝推力方向或徑向方向之不必要之力，可抑制不良之影響。

隨著此蝸形齒輪減速機構10之傳動效率之提高，即便一邊使用相同之電動機或減速機構，與和習知相同不產生蝸桿11之近似振動狀態之伺服控制時相比，在使致動器之輸出轉矩增大之狀態下可以執行閥70之驅動。再者，與普通之閥開關控制相同，當閥70移動至預先所下指令之開度位置為止時，停止電動機20開關動作成為完成。

如此，於本實施形態之致動器中，將成為驅動源之電動機20及其驅動控制部30，與包含蝸形齒輪之減速機構10一起配設，以對應基於與閥動作相關之速度指令之閥70之情況之目標之旋轉角速度對使輸出軸21進行旋轉之方式所控制之電動機20，驅動控制部40，係將電動機輸出軸21之旋轉角速度相對於基於與閥70之動作相關之速度指令之目標速度，在規定範圍內所增減之變化控制成重複之狀態，並使直接連接於電動機輸出軸21之蝸桿11在進行旋轉之中，由於對其旋轉角速度賦予細微之晃動，使得伴隨可視為蝸桿11成為朝旋轉方向一邊進行微小振動之狀態一邊進行旋轉，隨著如此之近似振動狀態之產生而改善蝸桿11與蝸輪12之齒面彼此間之接觸狀態，降低齒面在滑動接觸時之摩擦並可提高作為蝸形齒輪之傳動效率，使作為致動器對閥所賦予之驅動力或轉矩，較使用同等之電動機或減速機構之習知之致動器相比更為增大，假設即便使電動機或減速機構小型化，由於使實際之驅動力或轉矩增大之部分，使得在被要求額定性能較高且更大型之致動器時亦可使用，不會導致性能下降就可實現致動器整體之小型化。

而且，於習知之蝸形齒輪，通常，利用使蝸桿與蝸輪之材質不同等，在齒面之滑動接觸時使摩擦成為適宜之狀態，例如，蝸桿使用鋼而蝸輪使用例如磷青銅等銅合金之成本相對較高之材質，以獲得適宜之摩擦係數。相對於此，於本實施形態之情況下，藉由電動機20之控制，對旋轉之蝸桿11之旋轉角速度賦予細微之晃動，改善蝸桿11與蝸輪12之齒面彼此間之接觸狀態，由於可降低在齒面之滑動接觸時之摩擦，所以不需將蝸形齒輪改由摩擦較小之特殊材質製造即可，尤其是蝸輪之材質可使用容易取得之鐵等，成為實現蝸形齒輪之機構大幅度之低成本化。

另外，藉由可降低如此之齒面彼此之摩擦，亦可緩和潤滑條件，不必如習知之蝸形齒輪般，使用為了抑制在齒面進行滑動接觸之嚴格潤滑條件下之摩擦之特殊潤滑劑，例如使用極壓添加劑之潤滑劑等，在潤滑方面亦可降低成本，同時因為不必使用經常由對環境負荷較大之物質所組成之極壓添加劑即可，亦可更加減少對環境之影響。

(本發明之第2實施形態)

再者，上述第1實施形態之致動器之構成為，於電動機20根據與閥70之動作相關之指令進行旋轉時，驅動控制部40始終將電動機20之輸出軸21之旋轉角速度控制為增減變化之狀態，產生輸出軸21及蝸桿11朝旋轉方向之近似振動狀態，但並不限定於此，作為第2實施形態，亦可設為藉由閥之開度，使驅動控制部40可將電動機20之輸出軸21之旋轉角速度控制為增減變化狀態之情況，與不執行此控制而將輸出軸21之旋轉角速度直接以根據速度指令所設定之目標速度之情況進行切換之構成。

而為閥時，眾所周知在閥動作中所需要之轉矩有，作為自閥之關閉狀態開始開放時之起動轉矩，作為自即將閉合前之微小開啟狀態到完全閉合時之關斷轉矩，以及在除此等以外之閥開度時較所需之額定轉矩更大之轉矩，對應此特性，如圖3所示，僅於自閥70之關閉狀態開始開放時，或自即將閉合前之微小開啟狀態到完全封閉時，驅動控制部40將電動機20之輸出軸21之旋轉角速度控制為增減變化之狀態，在除此等以外之閥70之開啟動作及關閉動作時，驅動控制部40切換控制狀態，將輸出軸21之旋轉角速度直接以根據速度指令所設定之目標速度執行控制。

於電動機20進行動作使閥70進行開關動作時，自旋轉檢測器30輸出與電動機20之轉動位移相對應之信號，由於可從此信號運算取得閥之開度，所以監視閥70之開度，例如於關閉動作時，當到達需要上述關斷轉矩等較大轉矩之開度之情況，藉由驅動控制部40自將輸出軸21之旋轉角速度設為目標速度之控制狀態，切換成將旋轉角速度控制為增減變化狀態之狀態。又，反過來，於開啟動作時，當自需要上述起動轉矩等較大轉矩之狀態到達以額定以下之轉矩即可完成之開度之情況，藉由驅動控制部40自將輸出軸21之旋轉角速度設為增減變化狀態之控制，切換成將旋轉角速度設為目標速度之控制。

如此，閥之驅動在最需要轉矩之開放開始時或閉合結束時，藉由驅動控制部40將電動機20之輸出軸21之旋轉角速度控制為增減變化之狀態，藉由使蝸桿11以朝旋轉方向之近似振動狀態進行旋轉，在必要時減少蝸形齒輪減速機構10中之摩擦而提高傳動效率，產生足夠所需之轉矩，使閥70無問題地進行驅動而動作，同時於不太需要轉矩之中間負荷之狀態，使電動機20只需進行額定運轉即可，使以額定可產生所需之轉矩為基準使先前所選定之電動機或蝸桿減速機構，只於必要時賦予合乎要求之最大轉矩即可，可採用抑制未將蝸桿設為近似振動狀態之額定狀態之輸出的小型電動機等，在實現成本下降之同時，可使致動器整體之結構精簡化。

又，於此情況下，於自閥之關閉狀態之開始開放時，及自即將閉合前之微小開啟狀態之完全封閉時雙方，將電動機之輸出軸之旋轉角速度控制為上述增減變化之狀態，但在此外，亦可構成為僅於自上述閥之關閉狀態之開始開放時，或自即將閉合前之微小開啟狀態之完全封閉時之任一者，進行將電動機輸出軸之旋轉角速度設為上述增減變化狀態之控制。

又，於上述各實施形態之致動器中，將來自電動機20之驅動力經由蝸形齒輪減速機構10傳達至閥70之支撐軸71，作為開啟及關閉閥70之機構，但除如此之閥以外，亦可以構成為應用於使板狀之閘朝上下方向或橫向移動而進行流路之開啟及關閉的閘開關機構。而且，當支撐閥或閘之支撐構件為鏈條或鋼絲等支撐構件而非支撐軸時，理所當然可將傳達蝸輪與此等鏈條或鋼絲等支撐構件間之驅動力之中間零件，用作分別相對應之適宜者。

再者，作為上述各實施形態之致動器，僅表示有構成將驅動力自電動機20經由蝸形齒輪減速機構10傳達至與作為驅動對象物之閥70為一體之支撐軸71，但此外，亦可設為可切換對蝸形齒輪減速機構輸入基於人工驅動操作，例如使手動用把手進行旋轉之操作等之驅動力，與輸入來自電動機之驅動力的致動器構成，於並非為一般通電狀態之停電時，以代替電動機之人工驅動操作，經由蝸形齒輪減速機構使閥等支撐軸成為可被旋轉。於如此之可切換之構成之情況下，亦為了在電動機之動作時獲得蝸形齒輪減速機構之蝸桿之近似振動狀態，而使電動機輸出軸與蝸桿成為一體，在手動動作狀態中經由蝸桿使手動用把手等之操作部與電動機成為連動狀態。考慮到此方面，需要設置伴隨將驅動力輸入切換到手動側之動作而使對電動機成為不供給電力之狀態的機械式開關機構即互鎖開關(Interlock switch)，且於手動把手之操作中防止電動機進行旋轉動作之構成，但假設於如此之開關機構破損之情況下，於自停電狀態恢復成一般通電狀態時，亦有因失誤而陷入對電動機供給電力之狀態，導致在手動把手之操作中電動機進行動作，而導致發生如危及操作者之事故之虞。因此，在一般之互鎖開關之外，當電動機輸出軸在並非來自外部之電力供給，是經由手動操作伴隨蝸桿之旋轉而旋轉時，使不對電動機進行電力供給，實施雙重之互鎖為佳。例如，於手動操作時因為手動把手與電動機輸出軸成為連動之狀態，所以藉由轉動手動把手使電動機輸出軸旋轉，使電動機變成一種發電機而產生電力，此產生之電力被輸入到驅動控制部側。當驅動控制部檢測到如此之電力之輸入時，致動器會以處於手動操作狀態，若執行不對電動機供給電力之控制，就能於手動把手之操作中確實阻止電動機進行動作，而確保安全。

上述將電動機輸出軸之旋轉角速度控制為重複增減變化之狀態的方法，係不僅可應用於如上述各實施形態之致動器之電動機，還可應用於驅動使用齒輪機構之減速裝置或動力傳達裝置等電動機，調整直接連接於電動機之齒輪機構之輸入側齒輪，和與此相契合之齒輪之齒面間彼此之接觸狀態，減少齒面之滑動接觸時之摩擦係數，又，緩和齒面之面壓，亦可期待提高可容許之赫茲應力。關於利用調整如此之滑動接觸狀態之摩擦係數之減少，於齒輪機構為蝸形齒輪以外之齒輪時亦可能產生，會於齒輪滑動之方面，對設計帶來影響。

[實施例]

利用本發明之致動器，進行將電動機輸出軸設為朝旋轉方向近似振動狀態之控制時測量轉矩，求出傳動效率，與作為比較例之不進行控制時之測量結果等進行比較評價。

首先，關於本發明之致動器中之電動機單體，將電動機輸出軸設為朝旋轉方向近似振動狀態之控制時測量轉矩。控制電動機之目標轉速(額定轉速)成為3000[rpm]，於輸出軸之旋轉角速度之增減變化之頻率為2500 Hz，來自於目標轉速之最大旋轉差(偏位轉速)成為250[rpm]。

又，作為比較例，亦對電動機單體進行不進行上述控制時之轉矩測量。電動機之轉速等條件係與進行上述控制時相同。

接著，在本發明之致動器之將電動機連結到蝸形齒輪減速機構連結之本來之狀態，分別關於當進行使電動機輸出軸成為朝旋轉方向近似振動狀態之控制時，以及作為比較例之不進行上述控制時，測量在致動器之輸出端(蝸輪)之轉矩。在致動器之蝸形齒輪減速機構之減速比為1/40。

再者，使用在上述各測量所得到之以電動機單體之轉矩(電動機輸出轉矩)、作為致動器整體之轉矩(致動器輸出轉矩)及減速比，求出分別在進行控制時及不進行控制時，蝸形齒輪之效率。此蝸形齒輪之效率計算式，如下所示。

(效率)=(致動器輸出轉矩)÷(電動機輸出轉矩)×(減速比)

將上述各轉矩之測量結果及所計算出之蝸形齒輪之效率，表示於表1。

根據表1，以電動機單體之轉矩，雖然由於進行上述控制而稍微下降，但作為致動器整體之轉矩，由於進行上述控制，與不進行控制時相比更為增大。又，根據轉矩所求出之效率，由於進行上述控制而提高約40%左右。

根據此等，明白藉由在本發明之致動器進行將電動機輸出軸設為朝旋轉方向近似振動狀態之控制，提高在蝸形齒輪減速機構之傳動效率，使作為致動器對驅動對象物所賦予之轉矩，較不進行上述控制時更為增大。

1．．．致動器

10．．．蝸形齒輪減速機構

11．．．蝸桿

12．．．蝸輪

20．．．電動機

21．．．輸出軸

30．．．旋轉檢測器

40．．．驅動控制部

41．．．控制‧驅動手段

42．．．變動附加手段

50．．．控制器部

70．．．閥

71．．．支撐軸

圖1係本發明之第1實施形態之致動器之概略構成說明圖。

圖2係表示本發明之第1實施形態之致動器之驅動控制部中，速度指令信號之時間變化波形之說明圖。

圖3係本發明之第2實施形態之致動器中，與閥開度相應之控制切換狀態之說明圖。

1．．．致動器

10．．．蝸形齒輪減速機構

11．．．蝸桿

12．．．蝸輪

20．．．電動機

21．．．輸出軸

30．．．旋轉檢測器

40．．．驅動控制部

41．．．控制‧驅動手段

42．．．變動附加手段

50．．．控制器部

70．．．閥

71．．．支撐軸

Claims (4)

1. 一種致動器，係將由電動機所產生之旋轉驅動力利用蝸形齒輪減速機構減速並傳達至規定之驅動對象物，使該驅動對象物動作者，其特徵在於，其具備：驅動控制部，其根據與上述驅動對象物之動作相關之速度指令設定目標速度，以使輸出軸以目標速度進行旋轉之方式控制上述電動機；上述電動機係將輸出軸直接連接於蝸形齒輪減速機構之蝸桿而成，上述驅動控制部係對作為上述速度指令而賦予之速度指令信號加上既定頻率且成為既定微小振幅之波形的變動信號成分，並進行依據成為在原先之速度指令信號上有變動之波形重疊之狀態之相加後之速度指令信號的電動機之控制，電動機之輸出軸之旋轉角速度，係相對於目標速度在規定範圍內增減，且重複產生該增減變化，而成為旋轉角速度細微晃動之異動狀態，電動機之輸出軸係一面維持基於上述速度指令之與旋轉方向相同方向之旋轉，一面朝旋轉方向進行微小振動。
2. 如申請專利範圍第1項之致動器，其中，具備：旋轉檢測器，其檢測上述電動機輸出軸之旋轉狀態並作為信號而輸出；上述驅動控制部係根據上述旋轉檢測器之輸出信號而對 電動機進行伺服控制，並且對上述速度指令信號加上上述變動信號成分，而產生上述電動機輸出軸之旋轉角速度之增減變化。
3. 如申請專利範圍第1或2項之致動器，其中，上述驅動對象物係為開啟及關閉流體流路之閥，上述驅動控制部係於自上述閥之關閉狀態開始開放時，或自即將閉合前之微小開啟狀態至完全閉合時，或者，於自上述閥之關閉狀態開始開放時與自即將閉合前之微小開啟狀態至完全閉合時的兩個時間，將上述電動機輸出軸之旋轉角速度設為上述增減變化之狀態，另一方面，於閥之其他開啟動作及關閉動作時，進行將旋轉角速度直接設為根據上述速度指令所設定之目標速度之控制。
4. 一種電動機之控制方法，係將所產生之旋轉驅動力經由齒輪機構傳達至後段側之驅動對象物的電動機之控制方法，其特徵在於，對於將輸出軸直接連接到齒輪機構之輸入側齒輪而成之電動機，根據與上述驅動對象物之動作相關之速度指令設定目標速度，使輸出軸以目標速度進行旋轉，並且對作為上述速度指令而賦予之速度指令信號加上既定頻率且成為既定微小振幅之波形的變動信號成分，並進行依據成為在原先之速度指令信號上有變動之波形重疊之狀態之相加後之速度指令信號的控制， 相對於上述目標速度，使上述電動機之輸出軸之旋轉角速度在規定範圍內增減，且使該增減變化重複進行，而產生旋轉角速度細微晃動之異動狀態，一面維持基於上述速度指令之與旋轉方向相同方向之旋轉，一面使電動機之輸出軸朝旋轉方向進行微小振動。