カム式アクチュエータおよびこれを備えたバルブユニットと扉開閉装置

【課題】回動軸の回動開始時および停止時における衝撃を抑える。
【解決手段】ピストン１１１の進退動に伴って進退動するカム板１２１に溝カム１２３を形成し、軸心を中心に回動自在に配設された回動軸１３にレバー１３１を設け、このレバー１３１のカムフォロア１３２を溝カム１２３に摺動自在に装着する。さらに、カム板１２１が進退動することで、レバー１３１が溝カム１２３に押されて揺動して回動軸１３が回動するように、溝カム１２３のカム曲線を設定する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ピストンなどの直進運動（進退動）を軸の回転運動（回動）に変換するアクチュエータに関し、特に、カム機構によって回転運動に変換するカム式アクチュエータと、このカム式アクチュエータを備えたバルブユニットと扉開閉装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、流体の流れを制御するバタフライバルブを開閉するアクチュエータとして、スコッチヨーク式のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このスコッチヨーク式アクチュエータは、例えば、回動軸に半径方向に延びるレバー（スコッチヨーク）が設けられ、この回動軸から一定距離離して回動軸に直角に設けられた往復動軸に、これに直交する２組のピンが設けられている。そして、往復動軸が軸線方向の一方へ移動する際に、一方のピンがレバーの一方の面を押して回動軸を一方へ回動させ、往復動軸が軸線方向の他方へ移動する際に、他方のピンがレバーの他方の面を押して回動軸を他方へ回動させるものである。
【特許文献１】特開平０８−２７７９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献１に記載されているようなスコッチヨーク式アクチュエータでは、往復動軸に設けられたピンでレバーを押すことで回動軸を回動させている。すなわち、往復動軸の直進運動を回動軸の回転運動に直接変換している。このため、往復動軸の直進開始時には、急激に回動軸が回動を開始し、往復動軸の直進停止時には、急激に回動軸が回動を停止することになる。つまり、回動軸の回動開始時および停止時に、往復動軸の直進力（直進加速度）に応じた大きな衝撃が発生することになる。この結果、このようなアクチュエータを弁や扉の開閉などに使用した場合には、大きな衝撃音が発生したり、弁や扉などに大きな衝撃力を与えたりする、などの不具合が発生する。
【０００４】
そこでこの発明は、回動軸の回動開始時および停止時における衝撃を抑えることが可能なカム式アクチュエータおよび、このカム式アクチュエータを備えたバルブユニットと扉開閉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】
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、進退動自在に配設され、カム部が設けられた進退動部材と、前記進退動部材を進退動させる駆動手段と、軸心を中心に回動自在に配設され、前記カム部に当接するレバーが設けられた回動軸と、を備え、前記進退動部材が進退動することで、前記レバーが前記カム部に押されて揺動して前記回動軸が回動するように、前記カム部のカム曲線が設定されている、ことを特徴とするカム式アクチュエータである。
【０００６】
この発明によれば、駆動手段よって進退動部材が進退動すると、進退動部材のカム部が回動軸のレバーを押し、レバーが揺動して、回動軸が回動する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のカム式アクチュエータにおいて、前記進退動部材は板状で、前記カム部は前記進退動部材の板面側に形成された溝カムで、前記溝カムに前記レバーの自由端部が摺動自在に装着されている、ことを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれか１項に記載のカム式アクチュエータを備えたバルブユニットであって、前記回動軸にバルブの弁体が連結され、前記回動軸の回動に伴って前記弁体が開閉する、ことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、駆動手段よって進退動部材が進退動すると、カム部がレバーを押し、回動軸が回動して弁体が開閉する。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２のいずれか１項に記載のカム式アクチュエータを備えた扉開閉装置であって、前記回動軸に板状の開閉扉が連結され、前記回動軸の回動に伴って前記開閉扉が開閉する、ことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、駆動手段よって進退動部材が進退動すると、カム部がレバーを押し、回動軸が回動して開閉扉が開閉する。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、レバーがカム部に押されて揺動し、回動軸が回動する。すなわち、カム部のカム曲線に従ってレバーが揺動し、回動軸が回動するため、カム曲線を変えることで、回動軸の回動タイミング（回動速度）を変えることができる。例えば、カム曲線を変形正弦波曲線に設定することで、進退動部材の進退動の開始時には回動軸をゆっくり回動させ、進退動の停止時には回動軸をゆっくり停止させることが可能となる。この結果、回動軸の回動開始時および停止時における衝撃を抑えることが可能となる。また、カム曲線を変えることで、回動軸の回動開始時および停止時におけるトルクを大きくすることが可能となる。このため、このカム式アクチュエータをバルブなどに適用した場合に、バルブの開閉などをより適正に行うことが可能となる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、進退動部材が板状で、溝カムが進退動部材の板面側に形成されているだけであるため、構成が簡易で、しかもカム式アクチュエータを小型化することが可能となる。
【００１４】
請求項３および４に記載の発明によれば、カム式アクチュエータの回動軸の回動開始時および停止時における衝撃が抑えられるため、弁体や開閉扉が開閉する際に大きな衝撃音が発生したり、大きな衝撃力が加わることが抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１、２は、この実施の形態に係わるカム式アクチュエータ１を備えたバルブユニット（以下、「バルブユニット」という）１０を示す斜視図（一部内部図）である。このバルブユニット１０は、カム式アクチュエータ１とバタフライバルブ（バルブ）２とから構成され、カム式アクチュエータ１によってバタフライバルブ２のジスク（弁体）２３が開閉されるものである。
【００１７】
カム式アクチュエータ１は、図３〜８に示すように、エアシリンダ１１と主ケーシング１２とが連結され、エアシリンダ１１内にピストン１１１がエアシリンダ１１の軸方向に進退動自在に配設されている。また、エアシリンダ１１には、エア（圧縮空気）を出し入れする２つのポート１１ａ、１１ｂが設けられている。ピストン１１１には、エアシリンダ１１の軸方向に沿って主ケーシング１２側に延びるピストンロッド１１２が配設され、ロッド受け１１３によって進退動自在に支持されている。このようなエアシリンダ１１とピストン１１１とピストンロッド１１２とによって、駆動手段が構成されている。また、ピストンロッド１１２の主ケーシング１２側の先端部には、カム板（進退動部材）１２１が取り付けられている。
【００１８】
このカム板１２１は平板状で、図９に示すように、両側面に円弧状のスライド溝１２１ａが形成され、このスライド溝１２１ａに丸棒状のガイド棒１２２が嵌合している。そして、ピストンロッド１１２（ピストン１１１）の進退動に伴って、ガイド棒１２２でガイドされながらカム板１２１が進退動するようになっている。また、後述するレバー１３１からの力が溝カム１２３に加わっても、ガイド棒１２２によってカム板１２１が回転しないようになっている。つまり、ガイド棒１２２が、カム板１２１のガイドと回転防止とを兼ねている。
【００１９】
カム板１２１の平面（板面）側には、カム部としての溝カム１２３が形成されている。この溝カム１２３は、図５、６に示すように、カム板１２１を貫通し、変形正弦波曲線（ＭＳ曲線）状のカム曲線（軌跡）を有している。具体的には、後述するように、カム板１２１が進退動することで、レバー１３１が溝カム１２３に押されて揺動し、回動軸１３が９０度の範囲で回動（往復回転）するように、溝カム１２３のカム曲線が設定されている。さらに、カム板１２１の進退動の開始時には回動軸１３がゆっくり回動し始め、その後早く回動し、カム板１２１の停止時には回動軸１３がゆっくり停止するように、溝カム１２３のカム曲線が設定されている。
【００２０】
すなわち、図１０に示す回動軸１３の回転角（角度位置）と無次元力（速度や加速度に相当）との関係において、ラインＬ１に示すように、回転角が０度および９０度では無次元力がゼロ値で、回転角が４５度では無次元力が最大となるように、カム曲線が設定されている。そして、このようにカム曲線が設定されていることで、回転角が０度および９０度ではトルクが最大となり、回転角が４５度ではトルクが最小となる。すなわち、回動軸１３の回動開始時および停止時におけるトルクが最大となる。
【００２１】
ここで、図１０中ラインＬ２は、ピストン１１１の無次元力を示し、ラインＬ３は、従来のスコッチヨーク式アクチュエータにおけるスコッチヨークの無次元力を示す。このような溝カム１２３の一方の端部を第１の端部１２３ａ、他方の端部を第２の端部１２３ｂとして、以下説明する。
【００２２】
主ケーシング１２側には、回動軸１３がその軸心を中心に回動自在に配設されている。すなわち、図７〜９に示すように、主ケーシング１２の底面孔１２ａを覆うように底面カバー１４が取り付けられ、この底面カバー１４の上面に軸受ブロック１５が取り付けられている。そして、底面カバー１４と軸受ブロック１５に配設された軸受１４１、１５１で支持された状態で、回動軸１３が回動自在に配設されている。また、回動軸１３の軸心は、カム板１２１の板面およびピストンロッド１１２と直交するように配設されている。
【００２３】
このような回動軸１３に、溝カム１２３に当接する図１１〜１６に示すようなレバー１３１が配設されている。このレバー１３１は、図１３に示すように、回動軸１３の側面から上方に延び、その先端部（自由端部）にカムフォロア１３２が配設され、このカムフォロア１３２が溝カム１２３に摺動自在に装着（嵌合）されている。そして、カム板１２１が進退動することで、カムフォロア１３２が溝カム１２３に沿って摺動し、これに伴ってレバー１３１が揺動して、回動軸１３が回動するようになっている。
【００２４】
具体的には、図５、７に示すように、ピストン１１１が下死点に位置する状態では、図１１、１２に示すように、カムフォロア１３２が溝カム１２３の第１の端部１２３ａに位置する。この状態からピストン１１１が回動軸１３側に前進すると、カムフォロア１３２が溝カム１２３に沿って移動し、図１３中のＴ１方向にレバー１３１が揺動して、回動軸１３がＴ１方向に回動する。そして、ピストン１１１が前進して図６、８に示すように上死点に達すると、図１４、１５に示すように、カムフォロア１３２が溝カム１２３の第２の端部１２３ｂに位置し、回動軸１３が９０度回動した状態となる。さらに、この状態からピストン１１１が回動軸１３側から後退すると、カムフォロア１３２が溝カム１２３に沿って移動し、図１６中のＴ２方向にレバー１３１が揺動して、回動軸１３がＴ２方向に回動するものである。
【００２５】
バタフライバルブ２は、図１７に示すように、主として、ボディ２１と、ステム２２と、ジスク２３とを備えている。ボディ２１は、リング状の弁座部２１１と、円筒状のガイド部２１２とが一体的に形成されている。また、弁座部２１１の内面には、はめ込みシート２４が配設されている。ステム２２は直進の棒状で、ボディ２１のガイド部２１２内に回動自在に配設されている。ジスク２３は円板状で、ステム２２の下端部に取り付けられ、ボディ２１の弁座部２１１内に配設されている。そして、ステム２２の回動に伴ってジスク２３が回動し、ジスク２３の板面が弁座部２１１と平行に位置した状態（図１参照）では、ジスク２３が弁座部２１１を塞ぎ、バタフライバルブ２が閉状態となる。また、ジスク２３の板面が弁座部２１１と平行でない状態では、ジスク２３と弁座部２１１との間に隙間が形成され、バタフライバルブ２が開状態となる。特に、ジスク２３の板面が弁座部２１１と直交する状態（図２参照）では、バタフライバルブ２が全開状態となる。
【００２６】
このようなバタフライバルブ２のステム２２と、カム式アクチュエータ１の回動軸１３とが、カラー２５を介して接続され、回動軸１３とステム２２とが連動するようになっている。このように、ステム２２を介して回動軸１３にジスク２３が連結され、回動軸１３の回動に伴ってステム２２が回動し、ジスク２３が開閉するようになっている。さらに、ピストン１１１が下死点に位置する状態でジスク２３が閉じ、ピストン１１１が上死点に位置する状態で、ジスク２３が全開となるように回動軸１３とステム２２とが連結されている。また、カム式アクチュエータ１とバタフライバルブ２とは、連結ブロック２６を介して連結されている。
【００２７】
次に、このような構成のバルブユニット１０の動作などについて説明する。
【００２８】
第１のポート１１ａからエアシリンダ１１内にエアを供給し、ピストン１１１が下死点に位置する状態では、図１１、１２に示すように、カムフォロア１３２が溝カム１２３の第１の端部１２３ａに位置し、図１に示すように、ジスク２３が閉じた（全閉した）状態となる。この状態から第２のポート１１ｂからエアシリンダ１１内にエアを供給し、ピストン１１１を回動軸１３側に前進させると、上記のようにしてレバー１３１が揺動し、回動軸１３がＴ１方向に回動する。この回転に伴ってステム２２が回動し、ジスク２３が開いていく。そして、ピストン１１１が上死点に達すると、図１４、１５に示すように、カムフォロア１３２が溝カム１２３の第２の端部１２３ｂに位置し、回動軸１３が９０度回動して、図２に示すように、ジスク２３が全開となる。
【００２９】
このような開弁動作において、溝カム１２３のカム曲線が上記のように設定されているため、ピストン１１１の前進開始時には回動軸１３がゆっくり回動し始め、ジスク２３もゆっくり開弁し始める。その後回動軸１３が早く回動するためジスク２３も速く開弁し、ピストン１１１の停止時には回動軸１３がゆっくり停止するため、ジスク２３もゆっくり開弁を停止する。
【００３０】
さらに、この状態から第１のポート１１ａからエアシリンダ１１内にエアを供給し、ピストン１１１を回動軸１３側から後退させると、上記のようにしてレバー１３１が揺動して、回動軸１３がＴ２方向に回動する。この回転に伴ってステム２２が回動し、ジスク２３が閉じていく。そして、ピストン１１１が下死点に達すると、上記と同様にジスク２３が全閉した状態となる。このような閉弁動作において、溝カム１２３のカム曲線が上記のように設定されているため、ピストン１１１の後退開始時には回動軸１３がゆっくり回動し始め、ジスク２３もゆっくり閉弁し始める。その後回動軸１３が早く回動するためジスク２３も速く閉弁し、ピストン１１１の停止時には回動軸１３がゆっくり停止するため、ジスク２３もゆっくり閉弁を停止する。このようにして、ピストン１１１の進退動に伴って回動軸１３が回動し、ジスク２３が開閉するものである。
【００３１】
以上のようにこのバルブユニット１０によれば、ピストン１１１の進退動の開始時には回動軸１３がゆっくり回動し、ジスク２３もゆっくり開弁または閉弁し、ピストン１１１の進退動の停止時には回動軸１３がゆっくり停止し、ジスク２３もゆっくり開弁または閉弁を終了する。このため、ジスク２３が開閉する際に大きな衝撃音が発生したり、大きな衝撃力が加わることが抑制される。これに対し、従来のスコッチヨーク式アクチュエータでは、図１０のラインＬ３で示すように、回動軸の回転開始時および停止時における無次元力が大きいため、回動軸の回転開始時および停止時に大きな衝撃が生じる。
【００３２】
しかも、このバルブユニット１０によれば、回動軸１３の回動開始時および停止時、つまりジスク２３の開閉開始時および停止時におけるトルクが最大となるため、ジスク２３の開閉をより適正に行うことが可能となる。
【００３３】
また、ジスク２３が全閉した状態ではカムフォロア１３２が溝カム１２３の第１の端部１２３ａに位置し、これ以上レバー１３１が揺動しないため、エアの供給を止めても回動軸１３の回動、ジスク２３の開弁が抑止される。同様に、ジスク２３が全開した状態ではカムフォロア１３２が溝カム１２３の第２の端部１２３ｂに位置し、これ以上レバー１３１が揺動しないため、エアの供給を止めても回動軸１３の回動、ジスク２３の閉弁が抑止される。このようにエアの供給を止めることが可能なため、省エネルギー性、環境性が向上する。また、カム板１２１が平板状で、溝カム１２３がカム板１２１に形成されているだけであるため、構成が簡易で、しかもカム式アクチュエータ１を小型化することが可能となる。
【００３４】
（実施の形態２）
図１８、１９は、この実施の形態に係わるカム式アクチュエータ１を備えた扉開閉装置（以下、「扉開閉装置」という）２０を示す斜視図（一部内部図）である。この扉開閉装置２０は、カム式アクチュエータ１と扉ユニット３とから構成され、カム式アクチュエータ１によって扉ユニット３の扉板（開閉扉）３３が開閉されるものである。カム式アクチュエータ１は、実施の形態１におけるカム式アクチュエータ１と同等の構成で、同等の構成要素には同じ符号を付することでその説明を省略する。
【００３５】
扉ユニット３は、主として、開閉軸３１と、軸支体３２と、扉板３３とを備えている。開閉軸３１の上端部は、カム式アクチュエータ１の回動軸１３と接続され、回動軸１３と開閉軸３１とが連動するようになっている。軸支体３２には筒状の軸支部３２ａが設けられ、この軸支部３２ａに開閉軸３１の下端部が装着された状態で回転自在に支持されている。扉板３３は平板状で、一方の端縁が開閉軸３１の長手方向にそって接続されている。このように、開閉軸３１を介して回動軸１３に扉板３３が連結され、回動軸１３の回動に伴って開閉軸３１が回動し、扉板３３が開閉するようになっている。さらに、ピストン１１１が下死点に位置する状態で、扉板３３の板面がピストンロッド１１２と直交して扉板３３が全閉し(図１８参照)、ピストン１１１が上死点に位置する状態で、扉板３３の板面がピストンロッド１１２と平行して扉板３３が全開となる(図１９参照)ように、回動軸１３と開閉軸３１とが連結されている。
【００３６】
このような構成の扉開閉装置２０によれば、実施の形態１と同様に、ピストン１１１の進退動の開始時には回動軸１３がゆっくり回動し、扉板３３もゆっくり開閉し始め、ピストン１１１の進退動の停止時には回動軸１３がゆっくり停止し、扉板３３もゆっくり開閉を終了する。このため、扉板３３が開閉する際に大きな衝撃音が発生したり、大きな衝撃力が加わることが抑制される。しかも、扉板３３の開閉開始時および停止時におけるトルクが最大となるため、扉板３３の開閉をより適正に行うことが可能となる。
【００３７】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、回動軸１３が９０度の範囲で回動するように溝カム１２３のカム曲線が設定されているが、より広い範囲で回動軸１３が回動するように溝カム１２３のカム曲線を設定してもよい。また、溝カム１２３がカム板１２１を貫通しているが、貫通させずに断面を凹状に形成してもよい。
【００３８】
さらに、バルブユニット１０や扉開閉装置２０以外の装置（緊急遮断弁など）にもカム式アクチュエータ１を適用することができる。この場合、上記の実施の形態では、回動軸１３がゆっくり回動し始め、その後早く回動し、回動軸１３がゆっくり停止するように、溝カム１２３のカム曲線が設定されているが、適用する装置の機能特性や要求仕様などに応じて、所望の回動タイミング（回動速度）で回動軸１３が回動するように溝カム１２３のカム曲線（ＭＳ曲線）を設定する。また、駆動手段（ピストン１１１）の駆動源がエアである場合について説明したが、油圧や電磁力など他の駆動源であってもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の実施の形態１に係わるバルブユニットで、ジスクが全閉している状態を示す斜視図（一部内部図）である。
【図２】図１のバルブユニットのジスクが全開している状態を示す斜視図（一部内部図）である。
【図３】図１のバルブユニットのカム式アクチュエータの平面図である。
【図４】図３のカム式アクチュエータの正面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図で、ピストンが下死点に位置する状態を示す図である。
【図６】図４のＡ−Ａ断面図で、ピストンが上死点に位置する状態を示す図である。
【図７】図３のＢ−Ｂ断面図で、ピストンが下死点に位置する状態を示す図である。
【図８】図３のＢ−Ｂ断面図で、ピストンが上死点に位置する状態を示す図である。
【図９】図４のＣ−Ｃ断面図である。
【図１０】図３のカム式アクチュエータの回動軸の回転角と無次元力との関係を示す図である。
【図１１】図５の状態のカム式アクチュエータの内部を示す斜視図である。
【図１２】図１１の平面図である。
【図１３】図１１の一部を示す斜視図である。
【図１４】図６の状態のカム式アクチュエータの内部を示す斜視図である。
【図１５】図１４の平面図である。
【図１６】図１４の一部を示す斜視図である。
【図１７】図１のバルブユニットのカム式アクチュエータとバタフライバルブとの連結状態を示す断面図である。
【図１８】この発明の実施の形態２に係わる扉開閉装置で、扉板が全閉している状態を示す斜視図（一部内部図）である。
【図１９】図１８の扉開閉装置の扉板が全開している状態を示す斜視図（一部内部図）である。
【符号の説明】
【００４０】
１カム式アクチュエータ
１１エアシリンダ（駆動手段）
１１１ピストン（駆動手段）
１１２ピストンロッド（駆動手段）
１２主ケーシング
１２１カム板（進退動部材）
１２２ガイド棒
１２３溝カム（カム部）
１３回動軸
１３１レバー
１３２カムフォロア
１４底面カバー
１５軸受ブロック
２バタフライバルブ（バルブ）
２１ボディ
２２ステム
２３ジスク（弁体）
２４はめ込みシート
３扉ユニット
３１開閉軸
３２軸支体
３３扉板（開閉扉）
１０バルブユニット
２０扉開閉装置

【特許請求の範囲】
【請求項１】
進退動自在に配設され、カム部が設けられた進退動部材と、
前記進退動部材を進退動させる駆動手段と、
軸心を中心に回動自在に配設され、前記カム部に当接するレバーが設けられた回動軸と、を備え、
前記進退動部材が進退動することで、前記レバーが前記カム部に押されて揺動して前記回動軸が回動するように、前記カム部のカム曲線が設定されている、
ことを特徴とするカム式アクチュエータ。
【請求項２】
前記進退動部材は板状で、前記カム部は前記進退動部材の板面側に形成された溝カムで、前記溝カムに前記レバーの自由端部が摺動自在に装着されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のカム式アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載のカム式アクチュエータを備えたバルブユニットであって、
前記回動軸にバルブの弁体が連結され、前記回動軸の回動に伴って前記弁体が開閉する、ことを特徴とするバルブユニット。
【請求項４】
請求項１または２のいずれか１項に記載のカム式アクチュエータを備えた扉開閉装置であって、
前記回動軸に板状の開閉扉が連結され、前記回動軸の回動に伴って前記開閉扉が開閉する、ことを特徴とする扉開閉装置。

【図１】