バルブ用アクチュエータ
【課題】コンパクト性を発揮しながら過負荷時にトルクリミッタで動力の伝達を機械的に遮断して内部機構を保護するアクチュエータであり、簡単な内部機構により過負荷の発生と遮断時におけるバルブの回転方向とを検知して回転を制御することができるバルブ用アクチュエータを提供する。
【解決手段】歯車減速機構４の中間軸６にトルクリミッタ７を設け、このトルクリミッタ７は、通常時にはモータ１からの回転を出力軸５側に伝達し、出力軸５に過負荷が生じたときにこの出力軸５との接続が切り離されるクラッチ部１５と、過負荷発生時にクラッチ部１５と連動してこのクラッチ部１５の回転方向に回転して回転側に設けた制御用スイッチ３６、３７を作動するカム部１７とを有するバルブ用アクチュエータである。
【解決手段】歯車減速機構４の中間軸６にトルクリミッタ７を設け、このトルクリミッタ７は、通常時にはモータ１からの回転を出力軸５側に伝達し、出力軸５に過負荷が生じたときにこの出力軸５との接続が切り離されるクラッチ部１５と、過負荷発生時にクラッチ部１５と連動してこのクラッチ部１５の回転方向に回転して回転側に設けた制御用スイッチ３６、３７を作動するカム部１７とを有するバルブ用アクチュエータである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールバルブやバタフライバルブ等の回転弁に搭載するバルブ用アクチュエータに関し、特に、大型の回転弁に適したバルブ用アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、大減速比により全体のコンパクト性を維持しながら大型の回転弁を自動操作するためのバルブ用アクチュエータとして、例えば、ウォームギアを使用した歯車機構や、内接式遊星歯車機構を有するアクチュエータが知られている。この種の歯車機構を有するアクチュエータは、より大型用になるにつれて出力軸にかかるトルクが大きくなるため、トルク対策としてトルクリミッタを搭載することが通常になっている。トルクリミッタは、一般に、バルブに異物が噛み込んだ場合など、アクチュエータの出力軸に過大な負荷が加わった場合に、モータから出力軸への動力伝達を遮断することにより、出力軸を保護するものである。
【０００３】
ウォームギアを有する歯車機構のアクチュエータにトルクリミッタを設ける場合には、スライディング式のウォームギアを利用した機構が用いられることが多い。このウォームギアは、通常、歯車機構の最終段に設けられる。歯車機構は、発生した過負荷に対して、ウォームギアがスプリングを圧縮しながらスライドし、このときのスライド量をリミットスイッチで検出するようになっている。更に、場合によっては、直交する歯車等を用いて、リミットスイッチ検出用の軸を、回転方向の動きに変換してリミットスイッチを作動させるようにしたものもある。
この種のウォームギアを用いたアクチュエータとして、例えば、特許文献１の弁駆動用アクチュエータがある。
【０００４】
また、内接式遊星歯車機構を有するアクチュエータにトルクリミッタを設けたものとして、例えば、遊星歯車の内歯歯車の外周をばねで固定したものがある。このアクチュエータは、過負荷が発生すると、この過負荷に対して外周の回転しようとする力がばねによる保持力を超え、この回転力をリミットスイッチで検出するものである。
【０００５】
一方、トルクリミッタを有するその他の構造のアクチュエータとして、特許文献２のバルブ用アクチュエータがある。このアクチュエータは、モータの回転トルクが異常になったときにモータを停止させるトルクリミッタと、制御回路とを有している。制御回路は、回転トルクの異常値発生時にバルブの異常信号を出力する開閉信号弁別回路と、その異常信号によりモータの駆動を停止するモータ駆動回路と、トルクリミッタ作動時にモータを元の位置に復帰させるタイマー回路とを含んでいる。
【０００６】
このアクチュエータのトルクリミッタは、歯車機構の中間段に設けられ、ボール（硬球）を用いた機構になっている。ボールは、円錐状の穴に嵌っており、過負荷が生じたときにこのボールを押し込んでいるばねの弾発力に抗して穴から抜け出すようになっており、ボールが穴から抜け出したときの軸方向への移動量がセンサにより検出されて過負荷の発生が検出される。
【０００７】
【特許文献１】特許第３３８６４０９号公報
【特許文献２】特開２００４−２３２８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のようなウォームギア使用のアクチュエータや遊星歯車の内歯歯車をリミットスイッチで検出するアクチュエータは、機械的に噛み合った状態を常時維持する構造になっている。このため、過負荷が生じたときにリミットスイッチの作動により電気的に動力を遮断しない限り、トルクがギアやバルブに伝達されて故障に至ることがある。
更に、ウォームギア使用のアクチュエータは、最終段のウォームギアに対してスプリングを設けているため負荷が大きくなって、スプリングが強い弾性力を有する必要があり、また、ウォームギアをスライドさせる構造であるため広い空間が必要になって全体が大型化していた。
【０００９】
一方、同文献２のようなボールを用いたトルクリミッタは、ボール移動時の軸方向への移動量をセンサにより検知し、直動方向の１つの信号を検知するようにしているため、過負荷時におけるモータ（出力軸）の開・閉の回転方向の信号の検知が困難になっている。このため、過負荷時における出力軸の回転方向を確認し難く、バルブの異常停止を解消する際に、バルブをトルクが作動した方向と反対方向に作動させることが難しくなっている。よって、過負荷が生じてアクチュエータが停止した場合には、自動制御による復旧ができずに作業者が設置現場まで出向いて回転方向を確認した上で、直接アクチュエータを回転して復旧させなければならなかった。更に、この種のアクチュエータは、停止時における回転方向を外方から目視して確認することも難しくなっている。
【００１０】
このため、同文献２のアクチュエータは、制御回路（制御基板）を設けて判定用のバルブ開閉信号を記憶し、異常発生後の再起動時に予め記憶したバルブの開閉信号に基づいて判定しているが、この制御回路をあらたに設ける必要があるため構造が複雑化し、全体も大型化していた。更に、この制御基板を動作させるための専用の電源が必要になり、これらの停電やノイズ対策も必要になっていた。
【００１１】
本発明は、従来の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、コンパクト性を発揮しながら過負荷時にトルクリミッタで動力の伝達を機械的に遮断して内部機構を保護するアクチュエータであり、簡単な内部機構により過負荷の発生と遮断時におけるバルブの回転方向とを検知して回転を制御することができるバルブ用アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、モータと、このモータからの回転を減速する歯車減速機構と、この歯車減速機構からの回転を出力する出力軸とを有するバルブ用アクチュエータであって、歯車減速機構の中間軸にトルクリミッタを設け、このトルクリミッタは、通常時にはモータからの回転を出力軸側に伝達し、出力軸に過負荷が生じたときにこの出力軸との接続が切り離されるクラッチ部と、過負荷発生時にクラッチ部と連動してこのクラッチ部の回転方向に回転して回転側に設けた制御用スイッチを作動させるカム部とを有するバルブ用アクチュエータである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、クラッチ部の出力側にボールガイドを設け、このボールガイドは、回転方向に傾斜する溝部を有し、クラッチ部側からの押圧により溝部とクラッチ部との間にボールを保持してモータ側からの回転をクラッチ部に伝達すると共に、過負荷時にはボールが溝部の頂部側に形成された平面部に乗り上げてクラッチ部への回転伝達を遮断するようにしたバルブ用アクチュエータである。
【００１４】
請求項３に係る発明は、クラッチ部に磁性体を設け、ボールの乗り上げによりクラッチ部がカム部側に移動したときにこのクラッチ部とカム部とが磁性体により磁着するようにしたバルブ用アクチュエータである。
【００１５】
請求項４に係る発明は、溝部の底側に設けた直線部と平面部との間に曲線部を設け、この曲線部の半径をボールの直径の少なくとも１／２以上に設けたバルブ用アクチュエータである。
【００１６】
請求項５に係る発明は、カム部を回転可能に芯出し保持する保持部材を設け、この保持部材にカム部を自動復帰させる戻りばねを装着したバルブ用アクチュエータである。
【００１７】
請求項６に係る発明は、歯車減速機構は、中間軸に設けた中間歯車からの回転が入力されたときに揺動回転する外歯歯車と、この外歯歯車と内接噛合する内歯歯車とを備え、出力軸に外歯歯車の揺動回転から取り出された自転回転を伝達する内接噛合遊星歯車伝達機構であるバルブ用アクチュエータである。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に係る発明によると、コンパクト性を発揮しながら過負荷時にトルクリミッタで動力の伝達を機械的に遮断して内部機構を保護するアクチュエータであり、簡単な内部機構により過負荷の発生と遮断時の回転方向を検知して回転を制御することができるバルブ用アクチュエータである。従って、トルクリミッタの作動後に、仮に開閉の動作を繰り返すような確認動作をおこなったとしてもバルブや本体の内部機構が破損することが防がれるバルブ用アクチュエータである。
【００１９】
請求項２に係る発明によると、過負荷に対して簡単な機構により確実に動力を遮断でき、ボールの移動により開・閉側の異なる制御用スイッチを個別に作動でき、過負荷時におけるバルブ動作の状態を確認しながら制御用スイッチが動作した側と反対側に動作させて安全に元の状態に復帰させることができるバルブ用アクチュエータである。また、外方から容易に回転状態を視認でき、トルクリミッタを単独で内部に設けることができるため制御用スイッチの信号を簡単に取り出すこともできるバルブ用アクチュエータである。
【００２０】
請求項３に係る発明によると、ボールの位置を保持することができるため組立てが容易なバルブ用アクチュエータである。また、モータからの駆動力を確実に２次側に伝えることができ、過負荷時においてはカム部の損傷を防止することができる。更に、手動操作時においてもボールを保持した状態を維持でき、手動操作から自動操作に戻したときに確実に再駆動できるバルブ用アクチュエータである。
【００２１】
請求項４に係る発明によると、過負荷時における遮断の動作を滑らかにおこなうことができ、確実に遮断することができるバルブ用アクチュエータである。
【００２２】
請求項５に係る発明によると、戻りばねが外部にむき出しの状態になることがなく、全体のコンパクト性を維持しながら、動力遮断後にカム部を自動復帰させることができ、動作の安定を図りながら安全に使用することのできるバルブ用アクチュエータである。
【００２３】
請求項６に係る発明によると、大減速比の減速機構を構成することができ、小型でありながら大型のバルブに適用することができるバルブ用アクチュエータである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明におけるバルブ用アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１乃至４においては、本発明のバルブ用アクチュエータの好ましい一例を示している。本発明のバルブ用アクチュエータは、モータ１と、このモータ１からの回転を減速する１次側のギア２やピニオン部材３等を有する歯車減速機構４と、この歯車減速機構４からの回転を出力する出力軸５とを有している。モータ１からの回転は、歯車減速機構４を介して出力軸５に伝達される。出力軸５は、図示しないバルブのステムと接続されており、この出力軸５の回転は、ステムと接続された弁体に伝達される。これにより、バルブは、開閉又は中間開度に制御可能に設けられている。歯車減速機構４の中間軸６には、トルクリミッタ７が設けられ、バルブに過負荷が生じたときには、このトルクリミッタ７によってモータ１からの回転を遮断できるようになっている。
【００２５】
図２において、トルクリミッタ７は、ギア２と中間歯車８との間に配置され、クラッチユニット９とピニオンユニット１０により構成されている。
クラッチユニット９は、ギア２の回転軸であるシャフト１１の上部にキー１２を介して接続され、一方、ピニオンユニット１０は、ギア２とクラッチユニット９との中間位置であり、且つ、シャフト１１の外周側に配設されている。本実施形態では、図のように、クラッチユニット９を上方側、ピニオンユニット１０を下方側に配置することで、歯車減速機構４と制御用スイッチ類の区画を分けており、調整作業がしやすくなっている。
【００２６】
クラッチユニット９は、クラッチ部１５、スプリング部１６、カム部１７を有している。
クラッチ部１５は、ギア２とピニオン部材３との間に配置され、環状のクラッチ板１８とこのクラッチ板１８の上面の凸部１９に装着された環状の磁性体２０により構成される。クラッチ板１８は、下面側に略半球凹状のボール収容部２１が複数箇所に等間隔に形成され、このボール収容部２１には金属製のボール２２が回転可能に収容されている。このボール２２の個数は、クラッチ板１８の水平状態を常に維持して傾くことを防止するため、３個以上とするのがよい。
【００２７】
磁性体２０は磁石からなり、この磁性体２０がボール収容部２１付近に配置されることで磁力で磁着（吸着）してボール２２をクラッチ板１８に保持する機能を有している。これにより、アクチュエータの組立時にボール２２をクラッチ部１５と一体化しながら装着可能になっている。また、後述するように、手動操作時にも、ボール２２がクラッチ部１５に保持された状態が維持される。クラッチユニット９は、複数のボール２２を介して通常時にはモータ１からの回転を出力軸５側に伝達し、出力軸５に過負荷が生じたときにこの出力軸５との接続が切り離されるようになっている。
【００２８】
スプリング部１６は、ナット２５とスプリング押え２６とスプリング部材２７とにより構成される。ナット２５は、シャフト１１の上部に形成されたおねじ部１１ａに螺合されている。また、スプリング押え２６は、シャフト１１の外周側に装着され、且つ、ナット２５の下面に当接した状態で配置されている。スプリング部材２７は、異線形ばねを用いることで短く形成することができ、スプリング押え２６とクラッチ板１８との間に弾発状態で装着されている。
スプリング部１６は、スプリング部材２７の弾性力によりクラッチ板１８をピニオンユニット１０側に付勢しており、このスプリング部材２７によるクラッチ板１８を押圧する力はナット２５の締め込み具合を変えることにより調整可能になっている。
【００２９】
カム部１７は、環状のカム部材２８と２本のピン２９、３０により構成される。カム部材２８は、断面逆Ｌ字型の上カム板３１と、板状の下カム板３２からなり、上カム板３１の下部に形成された段部３１ａに下カム板３２を係止することにより、断面コの字型の開口部３３が外周側に向けて形成される。上カム板３１と下カム板３２は、シャフト１１の軸方向に配置された２本のねじ３４、３５により固定されている。ピン２９、３０は、カム部材２８の上面に装着され、カム部材２８の回転とともに円周方向に移動してバルブ開又は閉側となる制御用スイッチであるリミットスイッチ３６又は３７と接触するようになっている。これにより、カム部１７は、過負荷発生時にクラッチ部１５と連動してこのクラッチ部１５の回転方向に回転して回転側に設けたリミットスイッチ３６又は３７を作動できるようになっている。カム部１７は、保持部材３８により保持されている。
【００３０】
保持部材３８は、略環状に形成され、取付ボルト３９によりアクチュエータのベース体４０に固定されている。この保持部材３８には２条の円弧状溝４１、４２が形成され、これらの円弧状溝４１、４２は、同じ形状になっている。円弧状溝４１、４２には、上記した２本のねじ３４、３５が挿入され、これにより、カム部材２８が保持部材３８に対して円弧状溝４１、４２の範囲内において回転自在に保持されている。しかも、カム部材２８は、外周面側が保持部材３８の内周面側に接することにより芯出し保持され、径方向への振れが防がれている。
【００３１】
保持部材３８におけるねじ３４、３５と円弧状４１、４２の非回転規制側との間には、図５に示すように、戻りばね４３、４４が装着されている。戻りばね４３、４４は、一端側が円弧状溝４１、４２の非回転規制側の端部側に固定され、また、２本の戻りばね４３、４４は等しい弾発力になっている。この戻りばね４３、４４により、後述のようにカム部１７を自動復帰させることが可能になる。
【００３２】
一方、ピニオンユニット１０は、ピニオン部材３とボールガイド４８とにより構成される。
ピニオン部材３は、ベアリング４９を介してシャフト１１に回転自在に取付けられ、また、中間歯車８と噛合して取付けられている。
【００３３】
ボールガイド４８は、ピニオン部材３の上面側に取付ねじ５０により固定されてクラッチ部１５の出力側に設けられている。このボールガイド４８は、上面に回転方向に傾斜する略Ｖ字形状の溝部５１を所定間隔で有しており、本実施形態では、この溝部５１は３箇所に等間隔で形成されている。
【００３４】
ボールガイド４８は、スプリング部材２７によるクラッチ部１５側からの押圧により溝部５１とクラッチ部１５との間にボール２２を保持して、モータ１側からの回転をクラッチ部１５側に伝達するようになっている。また、このボールガイド４８は、過負荷時にボール２２が溝部５１の頂部側に形成された平面部５２に乗り上げてクラッチ部１５への回転伝達を遮断するように設けられている。このとき、ボール２２の乗り上げによりクラッチ部１５がカム部１７側に移動したときにこのクラッチ部１５とカム部１７とが磁性体２０により磁着するようになっている。
【００３５】
図６においては、ボールガイド４８の外観形状を示している。ここで、溝部５１の形状は、製作時と検査時におけるコスト削減も考慮し、底側の直線部５３と曲線部５４との組合わせとなっている。直線部５３は、曲線部５４を介して平面部５２と繋がっており、図７においては、直線部５３と平面部５２とを繋ぐ曲線部５４の各種の形状を示している。
【００３６】
図７（ａ）は、曲線部５４をゼロに設けた場合を示している。この場合、直線部５３と平面部５２との境界でボール２２とボールガイド４８との接触点の位置が急激に変化してボール２２が垂直方向に移動することになる。このため、ボール２２（クラッチ板１８）に対して衝撃の大きい荷重が一度に加わることになる。このとき、スプリング部材２７は、この動きに対して追従し難くなって動作不能に陥ったり動作時の荷重が安定し難くなるという問題が生じる。
【００３７】
一方、図７（ｂ）〜図７（ｄ）においては、直線部５３と平面部５２とを所定の曲線部５４で繋いで衝撃を緩和しようとしたものである。図７（ｂ）においては、曲線部５４の半径Ｒをボールの直径Ｄの１／２、図７（ｃ）においては、曲線部５４の半径Ｒをボール直径Ｄと等しくし、また、図７（ｄ）においては、曲線部５４の半径Ｒをボール直径Ｄの５倍に設けたものである。
図に示すように、曲線部５４をより大きく設けた場合には直線部５３と平面部５２との繋ぎ部位におけるボール２２との接触点の位置変化がなだらかとなり、急激な荷重の変化が発生し難くなる。図において、曲線部５４は、少なくともボール直径Ｄの１／２以上に設けるのがよく、望ましくは、ボール直径Ｄと同等以上とするのがよい。
【００３８】
また、クラッチ部１５の上昇量は、溝部５１の深さＧとボール直径Ｄとにより決定されるため、クラッチ部１５が上昇したときにリミットスイッチ３６、３７を作動させるためにはこれらを所定以上の寸法に設ける必要がある。このとき、図７（ｄ）のように直線部５３から曲線部５４までの距離を短くし、また、曲線部５４を大きくすることが望ましい。
【００３９】
これにより、作動トルクが比例するように増加するゾーンである直線部５３の距離も短くなり耐久性も向上する。更に、曲線部５４を大径に形成することで上昇量もより大きくできるようになっている。
また、曲線部５４は、スプリング部材２７の弾性力やクラッチ部１５の回転数などに基づいて適宜設定し、動力遮断時にボール２２が確実に溝部５１から外れるようにする。
更に、溝部５１の傾斜角θを変えることでトルクリミッタ７の作動トルクを変更することもでき、また、この溝部５１の長さを左右（回転方向）で変えることにより、開・閉時の作動トルクに差を設けることも可能になっている。
【００４０】
なお、本実施形態のアクチュエータ内に搭載される歯車減速機構４は、図８に示すように、中間軸６に設けた中間歯車８からの回転が入力されたときに偏心量ｅにより揺動回転する外歯歯車５５と、この外歯歯車５５と内接噛合する内歯歯車５６とを備え、出力軸５に外歯歯車５５の揺動回転から取り出された自転回転を伝達する内接噛合遊星歯車伝達機構である。
【００４１】
以上の構成により、図３において、モータ１を回転させると、この回転力は、ギア２、シャフト１１、キー１２、クラッチユニット９のクラッチ部１５、ボール２２、ピニオンユニット１０を介し、中間歯車８を経由して出力軸５に伝達される。
【００４２】
一方、図２において、バルブに異物が噛み込むなどの原因により出力軸５に過負荷が加わってピニオンユニット１０がロックした場合には、回転を継続するクラッチ部１５によりボール２２がボールガイド４８の溝部５１を乗り越えるようにして外れ、クラッチ部１５とカム部１７とが縁切りされる。これにより、モータ１から出力軸５への動力の伝達が遮断され、過負荷が継続的に加わることが防がれ、出力軸５の損傷や故障が防止される。
【００４３】
また、トルクリミッタ７を中間軸６に設けているため負荷を小さくでき、このトルクリミッタ７は、クラッチ部１５がスプリング部材２７の弾発力に抗してシャフト１１に沿って上下動する構造であるため、全体のコンパクト性も維持される。
動力遮断時には、過負荷が発生したことと上昇したクラッチ部１５の回転方向がリミットスイッチ３６、３７により直接検出され、動力遮断後の再起動時の反転方向が決定される。
以下に、トルクリミッタ７を介して動力が伝達する場合と、トルクリミッタ７により動力が遮断される場合について、より詳細なメカニズムを説明する。
【００４４】
先ず、図３に示すように、トルクリミッタ７を介して動力が伝達される場合には、クラッチ部１５がスプリング部１６により押し下げられ、クラッチ部１５のボール収容部２１に収容されたボール２２が、ピニオンユニット１０のボールガイド４８の溝部５１に嵌合している。
このとき、カム部１７は、上カム板３１が保持部材３８に下側で支えられて中吊り状態となり、クラッチ部１５から離間した状態になっている。従って、図において、シャフト１１が回転したときに、クラッチ部１５は、ボール２２を介してピニオンユニット１０と共に回転するが、カム部１７は回転しない。
【００４５】
次いで、トルクリミッタ７が作動して動力伝達が断たれる場合には、ボール２２が溝部５１から外れ、クラッチ部１５はこのボール２２によってスプリング部１６の弾発力に抗して押し上げられる。押し上げられたクラッチは、カム部１７に当接し、このカム部１７には磁性体２０が配置されていることから、クラッチ部１５とカム部１７とが密着状態となる。
このように、磁性体２０の磁性を利用してクラッチ部１５をカム部１７に引き上げていることから、クラッチ部１５の上昇が不安定な場合でも磁性体２０の磁力によって確実にカム部１７と密着させることができる。
【００４６】
続いて、クラッチ部１５は、常にキー１２を介してシャフト１１に接続されているため、押し上げられた状態においてもシャフト１１と共に回転する。このとき、上記のように、このクラッチ部１５の回転に伴ってカム部１７も回転するため、カム部１７の上面に配置されたピン２９又は３０が、開又は閉の何れかのリミットスイッチ３６、３７を作動させる。
【００４７】
ここで、上記のように、クラッチ部１５とカム部１７との連動が可能となる条件について述べる。図３に示す動力伝達時のクラッチ部１５とカム部１７との離間距離をＳ、この離間距離Ｓを有する場合の保持部材３８と下カム板３２との離間距離をＴとする。一方、図２におけるトルクリミッタ７作動時のクラッチ部１５の上昇量をＬとする。
【００４８】
図２に示すトルクリミッタ７作動時において、クラッチ部１５がカム部１７に当接するための条件として、離間距離Ｓの寸法は、離間距離Ｓ≦上昇量Ｌの関係が満たされるように設定している。また、下カム板３２が保持部材３８を下方側から突き上げないための条件として、上昇量Ｔの寸法は、離間距離Ｌ＜離間距離Ｓ＋上昇量Ｔ、すなわち、上昇量Ｔ＞離間距離Ｌ−離間距離Ｓの関係を満たすように設定する。
【００４９】
更に、図５は、図２におけるトルクリミッタ７におけるカム部材２８の代表的な状態を示したものである。この図５では、便宜上、主要部品としてカム部材２８と保持部材３８の断面形状、及びリミットスイッチ３６、３７の外観形状を記載している。また、カム部材２８の上面に設けられているピン２９、３０を断面として記載している。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）の各図の下方には、クラッチ部１５のボール２２とピニオンユニット１０のボールガイド４８との関係を示している。
【００５０】
図５（ａ）においては、トルクリミッタ７を介して動力が伝達されている場合、すなわち、クラッチ部１５に収容されたボール２２がボールガイド４８の溝部５１に嵌合している状態を示している。この場合、カム部１７は、クラッチ部１５とは接触しておらず、やや弾発状態に配置されている戻りばね４３、４４により、保持部材３８に対して左右均等の中立状態に配置されている。
【００５１】
図５（ｂ）においては、トルクリミッタ７が作動し、動力伝達が断たれた場合、すなわち、クラッチ部１５に収容されたボール２２が、ボールガイド４８の溝部５１を乗り越えて外れた場合を示している。この場合、カム部１７は、クラッチ部１５と密着状態となり、クラッチ部１５と共に回転する。この図においては、カム部１７が時計回りに回転した状態を示している。
このときのカム部１７のピン２９をバルブ開側とすると、このピン２９が開側のリミットスイッチ３６の作動片３６ａを押圧したときに、このリミットスイッチ３６が作動してモータ１への電力供給回路を開放し、モータ１が停止する。
【００５２】
このリミットスイッチ３６の作動により、バルブが開方向に作動中であることと、トルクリミッタ７が作動したことの２つの情報を得ることができる。この情報は、リミットスイッチ３６による電気信号となり、更に、図１において、アクチュエータを外方から直接視認することでも確認できる。本実施形態においては、図１に示すようにリミットスイッチ３６、３７を上下に積層し、この上下のリミットスイッチ３６、３７のうち一方をモータ１への電力供給用とし、他方を電気信号の検出用として用いている。
そして、図５（ｂ）の状態になったときには、開側の電力供給用リミットスイッチ３６の作動により、開側の電力供給回路を解放する一方、閉側の電力供給回路を閉じることにより、再起動時における反転動作を直ちにおこなうようにしている。
【００５３】
このとき、カム部材２８は、図５（ｂ）においてリミットスイッチ３６の作動位置よりも更にやや時計回りに回転するように設けており、カム部材２８と一体に回転していたねじ３４が保持部材３８における円弧状溝４１の端部に当接するようにしている。このように、いわゆるメカストッパ機能を発揮させているためカム部材２８の回転が規制され、過度なカム部材２８の回転によるリミットスイッチ３６の損傷が防止される。
【００５４】
なお、上記のメカストッパ機能が働いたとしても、クラッチ部１５には依然として回転による慣性力が加わった状態であることから、クラッチ部１５は回転を続け、図５（ｂ）の下方の図に示されるように、ボール２２がボールガイド４８上を惰走する場合が想定される。この場合でも、クラッチ部１５のみがカム部１７に当接しつつ回転方向に移動する一方、カム部１７はメカストッパにより回転を規制されているので、リミットスイッチ３６の損傷が防止される。なお、クラッチ部１５の回転は、カム部１７との摩擦力と、磁性による保持力により制動されて速やかに停止するようになっている。
【００５５】
次に、トルクリミッタ７を再起動する場合、すなわち動力伝達を再開する場合には、予め閉方向への電力供給回路が形成されていることから、電力供給により直ちに反転動作が行われる。しかも、カム部材２８も、図５（ｂ）に示すように、閉側の戻りばね４４が圧縮状態となっていることから、この弾発力を利用して中立状態への復帰を開始する。
【００５６】
一方、クラッチ部１５は、常にスプリング部材２７によってピニオン部材３側に押圧されていることから、ボール２２がボールガイド４８の溝部５１と対向する位置まで移動すると、クラッチ部１５はピニオンユニット１０側に下がり、カム部１７と離れる。これにより、トルクリミッタ７を介した動力伝達が再開される。ここで、磁性体２０によるカム部１７の保持力は、ボール２２がボールガイド４８の溝部５１と対向する位置において、クラッチ部１５がカム部１７から離れるように予めスプリング部材２７の弾発力よりも小さくなるように設定している。
【００５７】
続いて、図５（ｃ）に示すように、クラッチ部１５が惰走してカム部材２８が反時計方向に行き過ぎたとしても、開側の戻りばね４３の弾性力により、図５（ａ）の中立状態までカム部材２８が自動的に復帰するようになっている。
本例においては、カム部１７のピン２９が開側のリミットスイッチ３６を作動させる場合を説明したが、閉側のリミットスイッチ３７を作動させる場合においてもカム部１７の回転方向が逆になるだけで上記と同様の動作が行われる。
【００５８】
このように、トルクリミッタ７により、過負荷が発生したことに加えて遮断時の回転方向も検出することができるため、過負荷が発生してバルブが停止した際には、外部から停止方向と逆方向にバルブを回転させる自動制御をおこなって、容易に復旧させることができる。
【００５９】
次に、上記のトルクリミッタ７を装着したアクチュエータを横向きに配置する場合、又は、逆さに配置する場合におけるクラッチ部１５とカム部１７との連動条件を以下に説明する。
ここで、図３に示したように動力伝達時におけるクラッチ部１５とカム部１７との離間距離をＳ、この離間距離Ｓを有する場合の保持部材３８と下カム板３２との離間距離をＴ、また、図２に示したようにトルクリミッタ７作動時におけるクラッチ部１５の上昇量をＬとしたときに、図２に示すトルクリミッタ７作動時におけるクラッチ部１５とカム部１７との離間距離Ｓ１は、離間距離Ｓ１＝離間距離Ｓ＋離間距離Ｔ−上昇量Ｌと表すことができる。
また、クラッチ部１５に装着した磁性体２０による磁着力（吸着力）をＦｚ、カム部１７と保持部材３８との間の摩擦力をＦｍ（＝カム部１７の自重×摩擦係数）とする。
【００６０】
アクチュエータを横向きに配置する場合には、磁性体２０は、図２に示すトルクリミッタ７作動時において、クラッチ部１５とカム部１７とが離間距離Ｓ１において離間していても、吸着力Ｆｚ＞摩擦力Ｆｍの関係を維持できるように吸着力Ｆｚの下限値を設定する。これにより、アクチュエータが横向きである場合にも、クラッチ部１５とカム部１７とを連動させることが可能となる。なお、図３の動力伝達時においては、クラッチ部１５とカム部１７とが離間して離間距離Ｓを確保できるような磁性体２０の吸着力Ｆｚの上限値を設定する。
【００６１】
一方、アクチュエータを逆さに配置する場合には、トルクリミッタ７作動時において、磁性体２０がカム部１７をクラッチ部１５側に引き上げることができるように、この磁性体２０の吸着力Ｆｚの下限値を設定する。
【００６２】
なお、アクチュエータを手動操作する場合には、図２又は図３の状態からクラッチ板１８を図示しない手動機構により動力伝達の状態を切断することで実施できる。この場合、クラッチ板１８のリフト量が極めて大きくなってボール２２とボールガイド４８との隙間が大きくなる場合にはクラッチ板１８の外周縁に図示しない環状突部を設けることが望ましい。この場合、環状突部によりボール２２がクラッチ板１８の外周側に飛び出すことが防がれ、ボール２２の脱落を防ぐことができる。また、上記実施形態のように、ボール２２とボールガイド４８との隙間が小さい場合には、この環状突部を設けることなく磁性体２０の磁力によりボール２２を吸着することができ、ボール２２の脱落防止部材等を設ける必要がない。
【００６３】
また、磁性体は、本実施形態のようにクラッチ部側に設ける以外にも、カム部側に設けることもできる。
更に、クラッチ部は、上記実施形態のように磁力を利用した磁性体２０以外であってもよく、例えば、ばね力を利用したボールプランジャを用いて機械的に結合することもできる。この場合、例えば、クラッチ部１５の上面側に３個のボールプランジャを等間隔に配置し、一方、下カム板３２の下面側に１６個の円錐状の穴を等間隔に設けるようにする。これにより、３個の各ボールプランジャが円錐穴と噛合って動力を伝達することができる。また、動力遮断後に復帰させる場合には、１６個の細かく位相をずらした円錐穴に対してボールプランジャが噛合うためボールガイド４８の空転を極力少なくして迅速に動力を伝達させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明におけるバルブ用アクチュエータの一例を示した斜視図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】図２のバルブ用アクチュエータが作動した状態を示す断面図である。
【図４】トルクリミッタの分解斜視図である。
【図５】カム部の状態を示した要部説明図である。（ａ）は、正常回転時のカム部の状態を示した説明図である。（ｂ）は、過負荷発生時のカム部の状態を示した説明図である。（ｃ）は、カム部の自動復帰直後の状態を示した説明図である。
【図６】ボールガイドを示した斜視図である。
【図７】溝部とボールとの関係を示した模式図である。
【図８】内接式遊星歯車機構を示した概略図である
【符号の説明】
【００６５】
１ モータ
４ 歯車減速機構
５ 出力軸
６ 中間軸
７ トルクリミッタ
８ 中間歯車
１５ クラッチ部
２０ 磁石（磁性体）
２２ ボール
２８ カム部
３６、３７ リミットスイッチ（制御用スイッチ）
３８ 保持部材
４３、４４ 戻りばね
４８ ボールガイド
５１ 溝部
５２ 平面部
５３ 直線部
５４ 曲線部
５５ 外歯歯車
５６ 内歯歯車
Ｄ ボール直径
Ｒ 半径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールバルブやバタフライバルブ等の回転弁に搭載するバルブ用アクチュエータに関し、特に、大型の回転弁に適したバルブ用アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、大減速比により全体のコンパクト性を維持しながら大型の回転弁を自動操作するためのバルブ用アクチュエータとして、例えば、ウォームギアを使用した歯車機構や、内接式遊星歯車機構を有するアクチュエータが知られている。この種の歯車機構を有するアクチュエータは、より大型用になるにつれて出力軸にかかるトルクが大きくなるため、トルク対策としてトルクリミッタを搭載することが通常になっている。トルクリミッタは、一般に、バルブに異物が噛み込んだ場合など、アクチュエータの出力軸に過大な負荷が加わった場合に、モータから出力軸への動力伝達を遮断することにより、出力軸を保護するものである。
【０００３】
ウォームギアを有する歯車機構のアクチュエータにトルクリミッタを設ける場合には、スライディング式のウォームギアを利用した機構が用いられることが多い。このウォームギアは、通常、歯車機構の最終段に設けられる。歯車機構は、発生した過負荷に対して、ウォームギアがスプリングを圧縮しながらスライドし、このときのスライド量をリミットスイッチで検出するようになっている。更に、場合によっては、直交する歯車等を用いて、リミットスイッチ検出用の軸を、回転方向の動きに変換してリミットスイッチを作動させるようにしたものもある。
この種のウォームギアを用いたアクチュエータとして、例えば、特許文献１の弁駆動用アクチュエータがある。
【０００４】
また、内接式遊星歯車機構を有するアクチュエータにトルクリミッタを設けたものとして、例えば、遊星歯車の内歯歯車の外周をばねで固定したものがある。このアクチュエータは、過負荷が発生すると、この過負荷に対して外周の回転しようとする力がばねによる保持力を超え、この回転力をリミットスイッチで検出するものである。
【０００５】
一方、トルクリミッタを有するその他の構造のアクチュエータとして、特許文献２のバルブ用アクチュエータがある。このアクチュエータは、モータの回転トルクが異常になったときにモータを停止させるトルクリミッタと、制御回路とを有している。制御回路は、回転トルクの異常値発生時にバルブの異常信号を出力する開閉信号弁別回路と、その異常信号によりモータの駆動を停止するモータ駆動回路と、トルクリミッタ作動時にモータを元の位置に復帰させるタイマー回路とを含んでいる。
【０００６】
このアクチュエータのトルクリミッタは、歯車機構の中間段に設けられ、ボール（硬球）を用いた機構になっている。ボールは、円錐状の穴に嵌っており、過負荷が生じたときにこのボールを押し込んでいるばねの弾発力に抗して穴から抜け出すようになっており、ボールが穴から抜け出したときの軸方向への移動量がセンサにより検出されて過負荷の発生が検出される。
【０００７】
【特許文献１】特許第３３８６４０９号公報
【特許文献２】特開２００４−２３２８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のようなウォームギア使用のアクチュエータや遊星歯車の内歯歯車をリミットスイッチで検出するアクチュエータは、機械的に噛み合った状態を常時維持する構造になっている。このため、過負荷が生じたときにリミットスイッチの作動により電気的に動力を遮断しない限り、トルクがギアやバルブに伝達されて故障に至ることがある。
更に、ウォームギア使用のアクチュエータは、最終段のウォームギアに対してスプリングを設けているため負荷が大きくなって、スプリングが強い弾性力を有する必要があり、また、ウォームギアをスライドさせる構造であるため広い空間が必要になって全体が大型化していた。
【０００９】
一方、同文献２のようなボールを用いたトルクリミッタは、ボール移動時の軸方向への移動量をセンサにより検知し、直動方向の１つの信号を検知するようにしているため、過負荷時におけるモータ（出力軸）の開・閉の回転方向の信号の検知が困難になっている。このため、過負荷時における出力軸の回転方向を確認し難く、バルブの異常停止を解消する際に、バルブをトルクが作動した方向と反対方向に作動させることが難しくなっている。よって、過負荷が生じてアクチュエータが停止した場合には、自動制御による復旧ができずに作業者が設置現場まで出向いて回転方向を確認した上で、直接アクチュエータを回転して復旧させなければならなかった。更に、この種のアクチュエータは、停止時における回転方向を外方から目視して確認することも難しくなっている。
【００１０】
このため、同文献２のアクチュエータは、制御回路（制御基板）を設けて判定用のバルブ開閉信号を記憶し、異常発生後の再起動時に予め記憶したバルブの開閉信号に基づいて判定しているが、この制御回路をあらたに設ける必要があるため構造が複雑化し、全体も大型化していた。更に、この制御基板を動作させるための専用の電源が必要になり、これらの停電やノイズ対策も必要になっていた。
【００１１】
本発明は、従来の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、コンパクト性を発揮しながら過負荷時にトルクリミッタで動力の伝達を機械的に遮断して内部機構を保護するアクチュエータであり、簡単な内部機構により過負荷の発生と遮断時におけるバルブの回転方向とを検知して回転を制御することができるバルブ用アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、モータと、このモータからの回転を減速する歯車減速機構と、この歯車減速機構からの回転を出力する出力軸とを有するバルブ用アクチュエータであって、歯車減速機構の中間軸にトルクリミッタを設け、このトルクリミッタは、通常時にはモータからの回転を出力軸側に伝達し、出力軸に過負荷が生じたときにこの出力軸との接続が切り離されるクラッチ部と、過負荷発生時にクラッチ部と連動してこのクラッチ部の回転方向に回転して回転側に設けた制御用スイッチを作動させるカム部とを有するバルブ用アクチュエータである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、クラッチ部の出力側にボールガイドを設け、このボールガイドは、回転方向に傾斜する溝部を有し、クラッチ部側からの押圧により溝部とクラッチ部との間にボールを保持してモータ側からの回転をクラッチ部に伝達すると共に、過負荷時にはボールが溝部の頂部側に形成された平面部に乗り上げてクラッチ部への回転伝達を遮断するようにしたバルブ用アクチュエータである。
【００１４】
請求項３に係る発明は、クラッチ部に磁性体を設け、ボールの乗り上げによりクラッチ部がカム部側に移動したときにこのクラッチ部とカム部とが磁性体により磁着するようにしたバルブ用アクチュエータである。
【００１５】
請求項４に係る発明は、溝部の底側に設けた直線部と平面部との間に曲線部を設け、この曲線部の半径をボールの直径の少なくとも１／２以上に設けたバルブ用アクチュエータである。
【００１６】
請求項５に係る発明は、カム部を回転可能に芯出し保持する保持部材を設け、この保持部材にカム部を自動復帰させる戻りばねを装着したバルブ用アクチュエータである。
【００１７】
請求項６に係る発明は、歯車減速機構は、中間軸に設けた中間歯車からの回転が入力されたときに揺動回転する外歯歯車と、この外歯歯車と内接噛合する内歯歯車とを備え、出力軸に外歯歯車の揺動回転から取り出された自転回転を伝達する内接噛合遊星歯車伝達機構であるバルブ用アクチュエータである。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に係る発明によると、コンパクト性を発揮しながら過負荷時にトルクリミッタで動力の伝達を機械的に遮断して内部機構を保護するアクチュエータであり、簡単な内部機構により過負荷の発生と遮断時の回転方向を検知して回転を制御することができるバルブ用アクチュエータである。従って、トルクリミッタの作動後に、仮に開閉の動作を繰り返すような確認動作をおこなったとしてもバルブや本体の内部機構が破損することが防がれるバルブ用アクチュエータである。
【００１９】
請求項２に係る発明によると、過負荷に対して簡単な機構により確実に動力を遮断でき、ボールの移動により開・閉側の異なる制御用スイッチを個別に作動でき、過負荷時におけるバルブ動作の状態を確認しながら制御用スイッチが動作した側と反対側に動作させて安全に元の状態に復帰させることができるバルブ用アクチュエータである。また、外方から容易に回転状態を視認でき、トルクリミッタを単独で内部に設けることができるため制御用スイッチの信号を簡単に取り出すこともできるバルブ用アクチュエータである。
【００２０】
請求項３に係る発明によると、ボールの位置を保持することができるため組立てが容易なバルブ用アクチュエータである。また、モータからの駆動力を確実に２次側に伝えることができ、過負荷時においてはカム部の損傷を防止することができる。更に、手動操作時においてもボールを保持した状態を維持でき、手動操作から自動操作に戻したときに確実に再駆動できるバルブ用アクチュエータである。
【００２１】
請求項４に係る発明によると、過負荷時における遮断の動作を滑らかにおこなうことができ、確実に遮断することができるバルブ用アクチュエータである。
【００２２】
請求項５に係る発明によると、戻りばねが外部にむき出しの状態になることがなく、全体のコンパクト性を維持しながら、動力遮断後にカム部を自動復帰させることができ、動作の安定を図りながら安全に使用することのできるバルブ用アクチュエータである。
【００２３】
請求項６に係る発明によると、大減速比の減速機構を構成することができ、小型でありながら大型のバルブに適用することができるバルブ用アクチュエータである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明におけるバルブ用アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１乃至４においては、本発明のバルブ用アクチュエータの好ましい一例を示している。本発明のバルブ用アクチュエータは、モータ１と、このモータ１からの回転を減速する１次側のギア２やピニオン部材３等を有する歯車減速機構４と、この歯車減速機構４からの回転を出力する出力軸５とを有している。モータ１からの回転は、歯車減速機構４を介して出力軸５に伝達される。出力軸５は、図示しないバルブのステムと接続されており、この出力軸５の回転は、ステムと接続された弁体に伝達される。これにより、バルブは、開閉又は中間開度に制御可能に設けられている。歯車減速機構４の中間軸６には、トルクリミッタ７が設けられ、バルブに過負荷が生じたときには、このトルクリミッタ７によってモータ１からの回転を遮断できるようになっている。
【００２５】
図２において、トルクリミッタ７は、ギア２と中間歯車８との間に配置され、クラッチユニット９とピニオンユニット１０により構成されている。
クラッチユニット９は、ギア２の回転軸であるシャフト１１の上部にキー１２を介して接続され、一方、ピニオンユニット１０は、ギア２とクラッチユニット９との中間位置であり、且つ、シャフト１１の外周側に配設されている。本実施形態では、図のように、クラッチユニット９を上方側、ピニオンユニット１０を下方側に配置することで、歯車減速機構４と制御用スイッチ類の区画を分けており、調整作業がしやすくなっている。
【００２６】
クラッチユニット９は、クラッチ部１５、スプリング部１６、カム部１７を有している。
クラッチ部１５は、ギア２とピニオン部材３との間に配置され、環状のクラッチ板１８とこのクラッチ板１８の上面の凸部１９に装着された環状の磁性体２０により構成される。クラッチ板１８は、下面側に略半球凹状のボール収容部２１が複数箇所に等間隔に形成され、このボール収容部２１には金属製のボール２２が回転可能に収容されている。このボール２２の個数は、クラッチ板１８の水平状態を常に維持して傾くことを防止するため、３個以上とするのがよい。
【００２７】
磁性体２０は磁石からなり、この磁性体２０がボール収容部２１付近に配置されることで磁力で磁着（吸着）してボール２２をクラッチ板１８に保持する機能を有している。これにより、アクチュエータの組立時にボール２２をクラッチ部１５と一体化しながら装着可能になっている。また、後述するように、手動操作時にも、ボール２２がクラッチ部１５に保持された状態が維持される。クラッチユニット９は、複数のボール２２を介して通常時にはモータ１からの回転を出力軸５側に伝達し、出力軸５に過負荷が生じたときにこの出力軸５との接続が切り離されるようになっている。
【００２８】
スプリング部１６は、ナット２５とスプリング押え２６とスプリング部材２７とにより構成される。ナット２５は、シャフト１１の上部に形成されたおねじ部１１ａに螺合されている。また、スプリング押え２６は、シャフト１１の外周側に装着され、且つ、ナット２５の下面に当接した状態で配置されている。スプリング部材２７は、異線形ばねを用いることで短く形成することができ、スプリング押え２６とクラッチ板１８との間に弾発状態で装着されている。
スプリング部１６は、スプリング部材２７の弾性力によりクラッチ板１８をピニオンユニット１０側に付勢しており、このスプリング部材２７によるクラッチ板１８を押圧する力はナット２５の締め込み具合を変えることにより調整可能になっている。
【００２９】
カム部１７は、環状のカム部材２８と２本のピン２９、３０により構成される。カム部材２８は、断面逆Ｌ字型の上カム板３１と、板状の下カム板３２からなり、上カム板３１の下部に形成された段部３１ａに下カム板３２を係止することにより、断面コの字型の開口部３３が外周側に向けて形成される。上カム板３１と下カム板３２は、シャフト１１の軸方向に配置された２本のねじ３４、３５により固定されている。ピン２９、３０は、カム部材２８の上面に装着され、カム部材２８の回転とともに円周方向に移動してバルブ開又は閉側となる制御用スイッチであるリミットスイッチ３６又は３７と接触するようになっている。これにより、カム部１７は、過負荷発生時にクラッチ部１５と連動してこのクラッチ部１５の回転方向に回転して回転側に設けたリミットスイッチ３６又は３７を作動できるようになっている。カム部１７は、保持部材３８により保持されている。
【００３０】
保持部材３８は、略環状に形成され、取付ボルト３９によりアクチュエータのベース体４０に固定されている。この保持部材３８には２条の円弧状溝４１、４２が形成され、これらの円弧状溝４１、４２は、同じ形状になっている。円弧状溝４１、４２には、上記した２本のねじ３４、３５が挿入され、これにより、カム部材２８が保持部材３８に対して円弧状溝４１、４２の範囲内において回転自在に保持されている。しかも、カム部材２８は、外周面側が保持部材３８の内周面側に接することにより芯出し保持され、径方向への振れが防がれている。
【００３１】
保持部材３８におけるねじ３４、３５と円弧状４１、４２の非回転規制側との間には、図５に示すように、戻りばね４３、４４が装着されている。戻りばね４３、４４は、一端側が円弧状溝４１、４２の非回転規制側の端部側に固定され、また、２本の戻りばね４３、４４は等しい弾発力になっている。この戻りばね４３、４４により、後述のようにカム部１７を自動復帰させることが可能になる。
【００３２】
一方、ピニオンユニット１０は、ピニオン部材３とボールガイド４８とにより構成される。
ピニオン部材３は、ベアリング４９を介してシャフト１１に回転自在に取付けられ、また、中間歯車８と噛合して取付けられている。
【００３３】
ボールガイド４８は、ピニオン部材３の上面側に取付ねじ５０により固定されてクラッチ部１５の出力側に設けられている。このボールガイド４８は、上面に回転方向に傾斜する略Ｖ字形状の溝部５１を所定間隔で有しており、本実施形態では、この溝部５１は３箇所に等間隔で形成されている。
【００３４】
ボールガイド４８は、スプリング部材２７によるクラッチ部１５側からの押圧により溝部５１とクラッチ部１５との間にボール２２を保持して、モータ１側からの回転をクラッチ部１５側に伝達するようになっている。また、このボールガイド４８は、過負荷時にボール２２が溝部５１の頂部側に形成された平面部５２に乗り上げてクラッチ部１５への回転伝達を遮断するように設けられている。このとき、ボール２２の乗り上げによりクラッチ部１５がカム部１７側に移動したときにこのクラッチ部１５とカム部１７とが磁性体２０により磁着するようになっている。
【００３５】
図６においては、ボールガイド４８の外観形状を示している。ここで、溝部５１の形状は、製作時と検査時におけるコスト削減も考慮し、底側の直線部５３と曲線部５４との組合わせとなっている。直線部５３は、曲線部５４を介して平面部５２と繋がっており、図７においては、直線部５３と平面部５２とを繋ぐ曲線部５４の各種の形状を示している。
【００３６】
図７（ａ）は、曲線部５４をゼロに設けた場合を示している。この場合、直線部５３と平面部５２との境界でボール２２とボールガイド４８との接触点の位置が急激に変化してボール２２が垂直方向に移動することになる。このため、ボール２２（クラッチ板１８）に対して衝撃の大きい荷重が一度に加わることになる。このとき、スプリング部材２７は、この動きに対して追従し難くなって動作不能に陥ったり動作時の荷重が安定し難くなるという問題が生じる。
【００３７】
一方、図７（ｂ）〜図７（ｄ）においては、直線部５３と平面部５２とを所定の曲線部５４で繋いで衝撃を緩和しようとしたものである。図７（ｂ）においては、曲線部５４の半径Ｒをボールの直径Ｄの１／２、図７（ｃ）においては、曲線部５４の半径Ｒをボール直径Ｄと等しくし、また、図７（ｄ）においては、曲線部５４の半径Ｒをボール直径Ｄの５倍に設けたものである。
図に示すように、曲線部５４をより大きく設けた場合には直線部５３と平面部５２との繋ぎ部位におけるボール２２との接触点の位置変化がなだらかとなり、急激な荷重の変化が発生し難くなる。図において、曲線部５４は、少なくともボール直径Ｄの１／２以上に設けるのがよく、望ましくは、ボール直径Ｄと同等以上とするのがよい。
【００３８】
また、クラッチ部１５の上昇量は、溝部５１の深さＧとボール直径Ｄとにより決定されるため、クラッチ部１５が上昇したときにリミットスイッチ３６、３７を作動させるためにはこれらを所定以上の寸法に設ける必要がある。このとき、図７（ｄ）のように直線部５３から曲線部５４までの距離を短くし、また、曲線部５４を大きくすることが望ましい。
【００３９】
これにより、作動トルクが比例するように増加するゾーンである直線部５３の距離も短くなり耐久性も向上する。更に、曲線部５４を大径に形成することで上昇量もより大きくできるようになっている。
また、曲線部５４は、スプリング部材２７の弾性力やクラッチ部１５の回転数などに基づいて適宜設定し、動力遮断時にボール２２が確実に溝部５１から外れるようにする。
更に、溝部５１の傾斜角θを変えることでトルクリミッタ７の作動トルクを変更することもでき、また、この溝部５１の長さを左右（回転方向）で変えることにより、開・閉時の作動トルクに差を設けることも可能になっている。
【００４０】
なお、本実施形態のアクチュエータ内に搭載される歯車減速機構４は、図８に示すように、中間軸６に設けた中間歯車８からの回転が入力されたときに偏心量ｅにより揺動回転する外歯歯車５５と、この外歯歯車５５と内接噛合する内歯歯車５６とを備え、出力軸５に外歯歯車５５の揺動回転から取り出された自転回転を伝達する内接噛合遊星歯車伝達機構である。
【００４１】
以上の構成により、図３において、モータ１を回転させると、この回転力は、ギア２、シャフト１１、キー１２、クラッチユニット９のクラッチ部１５、ボール２２、ピニオンユニット１０を介し、中間歯車８を経由して出力軸５に伝達される。
【００４２】
一方、図２において、バルブに異物が噛み込むなどの原因により出力軸５に過負荷が加わってピニオンユニット１０がロックした場合には、回転を継続するクラッチ部１５によりボール２２がボールガイド４８の溝部５１を乗り越えるようにして外れ、クラッチ部１５とカム部１７とが縁切りされる。これにより、モータ１から出力軸５への動力の伝達が遮断され、過負荷が継続的に加わることが防がれ、出力軸５の損傷や故障が防止される。
【００４３】
また、トルクリミッタ７を中間軸６に設けているため負荷を小さくでき、このトルクリミッタ７は、クラッチ部１５がスプリング部材２７の弾発力に抗してシャフト１１に沿って上下動する構造であるため、全体のコンパクト性も維持される。
動力遮断時には、過負荷が発生したことと上昇したクラッチ部１５の回転方向がリミットスイッチ３６、３７により直接検出され、動力遮断後の再起動時の反転方向が決定される。
以下に、トルクリミッタ７を介して動力が伝達する場合と、トルクリミッタ７により動力が遮断される場合について、より詳細なメカニズムを説明する。
【００４４】
先ず、図３に示すように、トルクリミッタ７を介して動力が伝達される場合には、クラッチ部１５がスプリング部１６により押し下げられ、クラッチ部１５のボール収容部２１に収容されたボール２２が、ピニオンユニット１０のボールガイド４８の溝部５１に嵌合している。
このとき、カム部１７は、上カム板３１が保持部材３８に下側で支えられて中吊り状態となり、クラッチ部１５から離間した状態になっている。従って、図において、シャフト１１が回転したときに、クラッチ部１５は、ボール２２を介してピニオンユニット１０と共に回転するが、カム部１７は回転しない。
【００４５】
次いで、トルクリミッタ７が作動して動力伝達が断たれる場合には、ボール２２が溝部５１から外れ、クラッチ部１５はこのボール２２によってスプリング部１６の弾発力に抗して押し上げられる。押し上げられたクラッチは、カム部１７に当接し、このカム部１７には磁性体２０が配置されていることから、クラッチ部１５とカム部１７とが密着状態となる。
このように、磁性体２０の磁性を利用してクラッチ部１５をカム部１７に引き上げていることから、クラッチ部１５の上昇が不安定な場合でも磁性体２０の磁力によって確実にカム部１７と密着させることができる。
【００４６】
続いて、クラッチ部１５は、常にキー１２を介してシャフト１１に接続されているため、押し上げられた状態においてもシャフト１１と共に回転する。このとき、上記のように、このクラッチ部１５の回転に伴ってカム部１７も回転するため、カム部１７の上面に配置されたピン２９又は３０が、開又は閉の何れかのリミットスイッチ３６、３７を作動させる。
【００４７】
ここで、上記のように、クラッチ部１５とカム部１７との連動が可能となる条件について述べる。図３に示す動力伝達時のクラッチ部１５とカム部１７との離間距離をＳ、この離間距離Ｓを有する場合の保持部材３８と下カム板３２との離間距離をＴとする。一方、図２におけるトルクリミッタ７作動時のクラッチ部１５の上昇量をＬとする。
【００４８】
図２に示すトルクリミッタ７作動時において、クラッチ部１５がカム部１７に当接するための条件として、離間距離Ｓの寸法は、離間距離Ｓ≦上昇量Ｌの関係が満たされるように設定している。また、下カム板３２が保持部材３８を下方側から突き上げないための条件として、上昇量Ｔの寸法は、離間距離Ｌ＜離間距離Ｓ＋上昇量Ｔ、すなわち、上昇量Ｔ＞離間距離Ｌ−離間距離Ｓの関係を満たすように設定する。
【００４９】
更に、図５は、図２におけるトルクリミッタ７におけるカム部材２８の代表的な状態を示したものである。この図５では、便宜上、主要部品としてカム部材２８と保持部材３８の断面形状、及びリミットスイッチ３６、３７の外観形状を記載している。また、カム部材２８の上面に設けられているピン２９、３０を断面として記載している。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）の各図の下方には、クラッチ部１５のボール２２とピニオンユニット１０のボールガイド４８との関係を示している。
【００５０】
図５（ａ）においては、トルクリミッタ７を介して動力が伝達されている場合、すなわち、クラッチ部１５に収容されたボール２２がボールガイド４８の溝部５１に嵌合している状態を示している。この場合、カム部１７は、クラッチ部１５とは接触しておらず、やや弾発状態に配置されている戻りばね４３、４４により、保持部材３８に対して左右均等の中立状態に配置されている。
【００５１】
図５（ｂ）においては、トルクリミッタ７が作動し、動力伝達が断たれた場合、すなわち、クラッチ部１５に収容されたボール２２が、ボールガイド４８の溝部５１を乗り越えて外れた場合を示している。この場合、カム部１７は、クラッチ部１５と密着状態となり、クラッチ部１５と共に回転する。この図においては、カム部１７が時計回りに回転した状態を示している。
このときのカム部１７のピン２９をバルブ開側とすると、このピン２９が開側のリミットスイッチ３６の作動片３６ａを押圧したときに、このリミットスイッチ３６が作動してモータ１への電力供給回路を開放し、モータ１が停止する。
【００５２】
このリミットスイッチ３６の作動により、バルブが開方向に作動中であることと、トルクリミッタ７が作動したことの２つの情報を得ることができる。この情報は、リミットスイッチ３６による電気信号となり、更に、図１において、アクチュエータを外方から直接視認することでも確認できる。本実施形態においては、図１に示すようにリミットスイッチ３６、３７を上下に積層し、この上下のリミットスイッチ３６、３７のうち一方をモータ１への電力供給用とし、他方を電気信号の検出用として用いている。
そして、図５（ｂ）の状態になったときには、開側の電力供給用リミットスイッチ３６の作動により、開側の電力供給回路を解放する一方、閉側の電力供給回路を閉じることにより、再起動時における反転動作を直ちにおこなうようにしている。
【００５３】
このとき、カム部材２８は、図５（ｂ）においてリミットスイッチ３６の作動位置よりも更にやや時計回りに回転するように設けており、カム部材２８と一体に回転していたねじ３４が保持部材３８における円弧状溝４１の端部に当接するようにしている。このように、いわゆるメカストッパ機能を発揮させているためカム部材２８の回転が規制され、過度なカム部材２８の回転によるリミットスイッチ３６の損傷が防止される。
【００５４】
なお、上記のメカストッパ機能が働いたとしても、クラッチ部１５には依然として回転による慣性力が加わった状態であることから、クラッチ部１５は回転を続け、図５（ｂ）の下方の図に示されるように、ボール２２がボールガイド４８上を惰走する場合が想定される。この場合でも、クラッチ部１５のみがカム部１７に当接しつつ回転方向に移動する一方、カム部１７はメカストッパにより回転を規制されているので、リミットスイッチ３６の損傷が防止される。なお、クラッチ部１５の回転は、カム部１７との摩擦力と、磁性による保持力により制動されて速やかに停止するようになっている。
【００５５】
次に、トルクリミッタ７を再起動する場合、すなわち動力伝達を再開する場合には、予め閉方向への電力供給回路が形成されていることから、電力供給により直ちに反転動作が行われる。しかも、カム部材２８も、図５（ｂ）に示すように、閉側の戻りばね４４が圧縮状態となっていることから、この弾発力を利用して中立状態への復帰を開始する。
【００５６】
一方、クラッチ部１５は、常にスプリング部材２７によってピニオン部材３側に押圧されていることから、ボール２２がボールガイド４８の溝部５１と対向する位置まで移動すると、クラッチ部１５はピニオンユニット１０側に下がり、カム部１７と離れる。これにより、トルクリミッタ７を介した動力伝達が再開される。ここで、磁性体２０によるカム部１７の保持力は、ボール２２がボールガイド４８の溝部５１と対向する位置において、クラッチ部１５がカム部１７から離れるように予めスプリング部材２７の弾発力よりも小さくなるように設定している。
【００５７】
続いて、図５（ｃ）に示すように、クラッチ部１５が惰走してカム部材２８が反時計方向に行き過ぎたとしても、開側の戻りばね４３の弾性力により、図５（ａ）の中立状態までカム部材２８が自動的に復帰するようになっている。
本例においては、カム部１７のピン２９が開側のリミットスイッチ３６を作動させる場合を説明したが、閉側のリミットスイッチ３７を作動させる場合においてもカム部１７の回転方向が逆になるだけで上記と同様の動作が行われる。
【００５８】
このように、トルクリミッタ７により、過負荷が発生したことに加えて遮断時の回転方向も検出することができるため、過負荷が発生してバルブが停止した際には、外部から停止方向と逆方向にバルブを回転させる自動制御をおこなって、容易に復旧させることができる。
【００５９】
次に、上記のトルクリミッタ７を装着したアクチュエータを横向きに配置する場合、又は、逆さに配置する場合におけるクラッチ部１５とカム部１７との連動条件を以下に説明する。
ここで、図３に示したように動力伝達時におけるクラッチ部１５とカム部１７との離間距離をＳ、この離間距離Ｓを有する場合の保持部材３８と下カム板３２との離間距離をＴ、また、図２に示したようにトルクリミッタ７作動時におけるクラッチ部１５の上昇量をＬとしたときに、図２に示すトルクリミッタ７作動時におけるクラッチ部１５とカム部１７との離間距離Ｓ１は、離間距離Ｓ１＝離間距離Ｓ＋離間距離Ｔ−上昇量Ｌと表すことができる。
また、クラッチ部１５に装着した磁性体２０による磁着力（吸着力）をＦｚ、カム部１７と保持部材３８との間の摩擦力をＦｍ（＝カム部１７の自重×摩擦係数）とする。
【００６０】
アクチュエータを横向きに配置する場合には、磁性体２０は、図２に示すトルクリミッタ７作動時において、クラッチ部１５とカム部１７とが離間距離Ｓ１において離間していても、吸着力Ｆｚ＞摩擦力Ｆｍの関係を維持できるように吸着力Ｆｚの下限値を設定する。これにより、アクチュエータが横向きである場合にも、クラッチ部１５とカム部１７とを連動させることが可能となる。なお、図３の動力伝達時においては、クラッチ部１５とカム部１７とが離間して離間距離Ｓを確保できるような磁性体２０の吸着力Ｆｚの上限値を設定する。
【００６１】
一方、アクチュエータを逆さに配置する場合には、トルクリミッタ７作動時において、磁性体２０がカム部１７をクラッチ部１５側に引き上げることができるように、この磁性体２０の吸着力Ｆｚの下限値を設定する。
【００６２】
なお、アクチュエータを手動操作する場合には、図２又は図３の状態からクラッチ板１８を図示しない手動機構により動力伝達の状態を切断することで実施できる。この場合、クラッチ板１８のリフト量が極めて大きくなってボール２２とボールガイド４８との隙間が大きくなる場合にはクラッチ板１８の外周縁に図示しない環状突部を設けることが望ましい。この場合、環状突部によりボール２２がクラッチ板１８の外周側に飛び出すことが防がれ、ボール２２の脱落を防ぐことができる。また、上記実施形態のように、ボール２２とボールガイド４８との隙間が小さい場合には、この環状突部を設けることなく磁性体２０の磁力によりボール２２を吸着することができ、ボール２２の脱落防止部材等を設ける必要がない。
【００６３】
また、磁性体は、本実施形態のようにクラッチ部側に設ける以外にも、カム部側に設けることもできる。
更に、クラッチ部は、上記実施形態のように磁力を利用した磁性体２０以外であってもよく、例えば、ばね力を利用したボールプランジャを用いて機械的に結合することもできる。この場合、例えば、クラッチ部１５の上面側に３個のボールプランジャを等間隔に配置し、一方、下カム板３２の下面側に１６個の円錐状の穴を等間隔に設けるようにする。これにより、３個の各ボールプランジャが円錐穴と噛合って動力を伝達することができる。また、動力遮断後に復帰させる場合には、１６個の細かく位相をずらした円錐穴に対してボールプランジャが噛合うためボールガイド４８の空転を極力少なくして迅速に動力を伝達させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明におけるバルブ用アクチュエータの一例を示した斜視図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】図２のバルブ用アクチュエータが作動した状態を示す断面図である。
【図４】トルクリミッタの分解斜視図である。
【図５】カム部の状態を示した要部説明図である。（ａ）は、正常回転時のカム部の状態を示した説明図である。（ｂ）は、過負荷発生時のカム部の状態を示した説明図である。（ｃ）は、カム部の自動復帰直後の状態を示した説明図である。
【図６】ボールガイドを示した斜視図である。
【図７】溝部とボールとの関係を示した模式図である。
【図８】内接式遊星歯車機構を示した概略図である
【符号の説明】
【００６５】
１ モータ
４ 歯車減速機構
５ 出力軸
６ 中間軸
７ トルクリミッタ
８ 中間歯車
１５ クラッチ部
２０ 磁石（磁性体）
２２ ボール
２８ カム部
３６、３７ リミットスイッチ（制御用スイッチ）
３８ 保持部材
４３、４４ 戻りばね
４８ ボールガイド
５１ 溝部
５２ 平面部
５３ 直線部
５４ 曲線部
５５ 外歯歯車
５６ 内歯歯車
Ｄ ボール直径
Ｒ 半径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、このモータからの回転を減速する歯車減速機構と、この歯車減速機構からの回転を出力する出力軸とを有するバルブ用アクチュエータであって、前記歯車減速機構の中間軸にトルクリミッタを設け、このトルクリミッタは、通常時には前記モータからの回転を前記出力軸側に伝達し、前記出力軸に過負荷が生じたときにこの出力軸との接続が切り離されるクラッチ部と、過負荷発生時に前記クラッチ部と連動してこのクラッチ部の回転方向に回転して回転側に設けた制御用スイッチを作動させるカム部とを有することを特徴とするバルブ用アクチュエータ。
【請求項２】
前記クラッチ部の出力側にボールガイドを設け、このボールガイドは、回転方向に傾斜する溝部を有し、前記クラッチ部側からの押圧により前記溝部とクラッチ部との間にボールを保持して前記モータ側からの回転を前記クラッチ部に伝達すると共に、過負荷時には前記ボールが前記溝部の頂部側に形成された平面部に乗り上げて前記クラッチ部への回転伝達を遮断するようにした請求項１に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項３】
前記クラッチ部に磁性体を設け、前記ボールの乗り上げにより前記クラッチ部が前記カム部側に移動したときにこのクラッチ部とカム部とが前記磁性体により磁着するようにした請求項１又は２に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項４】
前記溝部の底側に設けた直線部と前記平面部との間に曲線部を設け、この曲線部の半径を前記ボールの直径の少なくとも１／２以上に設けた請求項２又は３に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項５】
前記カム部を回転可能に芯出し保持する保持部材を設け、この保持部材に前記カム部を自動復帰させる戻りばねを装着した請求項１乃至４の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項６】
前記歯車減速機構は、前記中間軸に設けた中間歯車からの回転が入力されたときに揺動回転する外歯歯車と、この外歯歯車と内接噛合する内歯歯車とを備え、前記出力軸に前記外歯歯車の揺動回転から取り出された自転回転を伝達する内接噛合遊星歯車伝達機構である請求項１乃至５の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項１】
モータと、このモータからの回転を減速する歯車減速機構と、この歯車減速機構からの回転を出力する出力軸とを有するバルブ用アクチュエータであって、前記歯車減速機構の中間軸にトルクリミッタを設け、このトルクリミッタは、通常時には前記モータからの回転を前記出力軸側に伝達し、前記出力軸に過負荷が生じたときにこの出力軸との接続が切り離されるクラッチ部と、過負荷発生時に前記クラッチ部と連動してこのクラッチ部の回転方向に回転して回転側に設けた制御用スイッチを作動させるカム部とを有することを特徴とするバルブ用アクチュエータ。
【請求項２】
前記クラッチ部の出力側にボールガイドを設け、このボールガイドは、回転方向に傾斜する溝部を有し、前記クラッチ部側からの押圧により前記溝部とクラッチ部との間にボールを保持して前記モータ側からの回転を前記クラッチ部に伝達すると共に、過負荷時には前記ボールが前記溝部の頂部側に形成された平面部に乗り上げて前記クラッチ部への回転伝達を遮断するようにした請求項１に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項３】
前記クラッチ部に磁性体を設け、前記ボールの乗り上げにより前記クラッチ部が前記カム部側に移動したときにこのクラッチ部とカム部とが前記磁性体により磁着するようにした請求項１又は２に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項４】
前記溝部の底側に設けた直線部と前記平面部との間に曲線部を設け、この曲線部の半径を前記ボールの直径の少なくとも１／２以上に設けた請求項２又は３に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項５】
前記カム部を回転可能に芯出し保持する保持部材を設け、この保持部材に前記カム部を自動復帰させる戻りばねを装着した請求項１乃至４の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項６】
前記歯車減速機構は、前記中間軸に設けた中間歯車からの回転が入力されたときに揺動回転する外歯歯車と、この外歯歯車と内接噛合する内歯歯車とを備え、前記出力軸に前記外歯歯車の揺動回転から取り出された自転回転を伝達する内接噛合遊星歯車伝達機構である請求項１乃至５の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２２２１４０（Ｐ２００９−２２２１４０Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６７５６１（Ｐ２００８−６７５６１）
【出願日】平成２０年３月１７日（２００８．３．１７）
【出願人】（３９０００２３８１）株式会社キッツ (223)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１７日（２００８．３．１７）
【出願人】（３９０００２３８１）株式会社キッツ (223)
【Ｆターム（参考）】
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