JP4749811B2 - スプリングリターン式ロータリアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、スプリングリターン式ロータリアクチュエータに関し、特に、ボールバルブやバタフライバルブ等の回転弁に用いるアクチュエータの改良に関する。

従来、この種のスプリングリターン式ロータリアクチュエータは、シリンダとばね装置とを直列に配設し、一方向にはシリンダ内への空気、油等の流体圧力によって作動させ、他方向にはばね装置のばねの弾性反発力によって作動できるようにしている。ばね装置内のばねは、弾発力に抗して収縮させた状態で収納されている。
このようなロータリアクチュエータとして、例えば、特許文献１における図８〜図１０の従来例のように、ばねを圧縮した状態でケーシング内に収納し、このケーシングの両側の被蓋部位をタイロッドと呼ばれるロッドをケーシングの外側に設けた状態でナット等により締付け固定したものがある。この場合、タイロッドは、ばねの最大伸長の長さよりも短く形成しており、このタイロッドを締付け固定することによりばねの弾性反発力を維持した状態でばね装置内に収納している。

このため、メンテナンス等においてこのアクチュエータを分解する場合、タイロッドを取り外したときにばねの弾性反発力によってばねを抑えつけている蓋部分が飛ばされたり、ばねが飛び出したりして作業者が怪我をしたり器物を破損したりする危険性がある。
これを防ぐため、特許文献１のシリンダ式アクチュエータは、ロッドを長いねじ込み長さを有するようにおねじとめねじを螺合させてなり、この螺合が外れるまで弛めたときにばねが既に自由長にまで伸長されるように構成している。これにより、ばね装置の分解時などにロッドを弛めたときにばねの弾性反発力が残存するのを防いで、ばねの飛び出し等を防止している。

また、特許文献２のロータリアクチュエータは、図示されていないが、スプリング部とシリンダ部はスプリング部の外部に設けられたタイロッドで固定され、スプリング部をカートリッジ式とすることでこのスプリング部をシリンダ部から取付け・取外し可能に設けている。これにより、スプリング部をシリンダ部から取り外したときに、スプリング部からスプリングが跳ね出すのを防止している。
実公平３−３１８４２号公報 特開平５−５２２０５号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２のアクチュエータは、何れもタイロッドがアクチュエータの外部側に装着されているため簡単にタイロッドを緩めたり締めたりすることができ、このためアクチュエータを分解する際に誤って外されたり、外部からの接触などによって螺着部分が自然に緩んだり、或は、悪戯などによって故意に取り外されたりするおそれがあるため、安全性に問題があった。スプリング部がシリンダ部から取り外されると、スプリング部によるスプリングリターン機能が働かなくなるため、これを防ぐ必要がある。

更に、特許文献１のシリンダ式アクチュエータにおいては、シリンダとばね装置が一体化した構造であるため、組立てや分解が複雑であり、メンテナンスが面倒であるという問題もあった。
一方、特許文献２のロータリアクチュエータは、スプリング部をカートリッジ式にすることでスプリング部とシリンダ部との分解が可能になり、メンテナンス等を行いやすくしているが、タイロッドがスプリングカートリッジの外側に取り付けられているという前述の問題が残っていた。

本発明は、従来の課題点に鑑みて開発したものであり、その目的とするところは、分解時にばねや部品が飛び出したりするのを防いで容易にメンテナンス等を行うことができるアクチュエータであって、外部からのタイロッドの取り外しを防いで高い安全性を発揮することができ、分解や組立ても容易なスプリングリターン式ロータリアクチュエータを提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ピストンロッドを収納したシリンダ装置にスプリングを内蔵したスプリングカートリッジ部を設けて、前記ピストンロッドの運動を前記シリンダ装置内に内装した変換機構で回転運動に変換するようにしたスプリングリターン式ロータリアクチュエータにおいて、前記スプリングカートリッジ部の内部に配設したタイロッドでスプリングカートリッジ部を構成し、前記タイロッドのシリンダ装置側の接続部位を前記シリンダ装置の内部に配設し、前記スプリングの前記シリンダ装置側の一端部を前記スプリングカートリッジ部に収納したリテーナに装着すると共に、前記リテーナに前記ピストンロッドの端部を装入し、このリテーナに前記タイロッドを挿通させるガイド穴を形成し、このガイド穴を前記スプリングの巻き方向に沿って略円弧状に形成して前記リテーナと前記タイロッドが干渉しないようにしたスプリングリターン式ロータリアクチュエータである。

請求項２に係る発明は、スプリングカートリッジ部は、スプリングを収納したスプリングケースと両端に設けたスプリングカバーと固定フランジで組付けられ、スプリングケース内に設けたタイロッドの両端をスプリングカバーと固定フランジに止着してスプリングカートリッジ部を構成したスプリングリターン式ロータリアクチュエータである。

請求項３に係る発明は、シリンダ装置は、変換機構を収納したケース本体とシリンダ部より成り、ケース本体には、スプリングカートリッジ部の固定フランジに取付ける取付フランジを設けたスプリングリターン式ロータリアクチュエータである。

請求項１に係る発明によると、分解時にばねや部品が飛び出したりするのを防いで作業者が怪我をしたり器物を破損したりすることなく容易にメンテナンス等を行うことができるアクチュエータであって、外部からのタイロッドの取り外しを防いで高い安全性を発揮することができるスプリングリターン式ロータリアクチュエータである。
メンテナンス時には、カートリッジ式のスプリングカートリッジをシリンダ装置から自由に取外したり組立てることができ、これらを分離したときには、タイロッドの接続部位を外部に表出させて容易にメンテナンスなどを行うことができる。また、スプリングの圧縮や伸長に伴ってリテーナに回転力が加わろうとしたときの回転力を逃がすことができ、リテーナとタイロッドが干渉することがないため、スプリングの弾発力を偏心させることなくリテーナに働かせることができ、スプリングによる復動力を分散させることなく確実に伝達することができる。

請求項２に係る発明によると、タイロッドをスプリングカートリッジ内に設けることによって通常時にはスプリングカートリッジの分解を防ぐことができ、一方、メンテナンス時などにおいては、このスプリングカートリッジを容易に取外して簡単に内部部品の点検や交換を行うことができる。

請求項３に係る発明によると、シリンダ装置とスプリングカートリッジを簡単に組み立てることができ、また、分解時には、工具等を用いてばねや部品が飛び出したりするのを防ぎながら容易に分解してメンテナンス等を行うことができる。

本発明におけるスプリングリターン式ロータリアクチュエータの一実施形態とその作用を図面に基づいて説明する。
図１ないし図３において、ロータリアクチュエータ本体１は、シリンダ装置１０にスプリングカートリッジ部３０を設けて構成している。
シリンダ装置１０は、ケース本体１１とシリンダ部１２より成っている。
ケース本体１１には取付フランジ１１ａを設けており、この取付フランジ１１ａは、スプリングカートリッジ部３０に形成した固定フランジ３５に取付け可能に設けている。ケース本体１１内には、スコッチヨーク１４を有する変換機構１５が収納され、この変換機構１５でピストンロッド１３の往復運動を出力軸１６の回転運動に変換するようにしている。ピストンロッド１３は、シリンダ部１２内に形成した図示しない供給口から空気・油などが供給されたときに往運動が開始される。

変換機構１５は、スコッチヨーク１４を用いた機構以外にも、図示しないラックとピニオンによる機構や、或はギヤ機構などのその他の変換機構を用いるようにしてもよく、スプリングリターン式のロータリアクチュエータであれば、各種の変換機構１５のシリンダ装置１０とすることができる。

図において、シリンダ部１２のハウジング部位は、シリンダ筒１２ａ、蓋体１２ｂ、シリンダカバー１７を有しており、このハウジング部位とケース本体１１とを接続してシリンダ装置１０のハウジング部位を構成している。

シリンダカバー１７は、シリンダ筒１２ａの端部側にＯリング４０を介して装着され、このシリンダカバー１７に設けためねじ１７ａにはおねじ１８ａを介してストッパボルト１８が螺着している。おねじ１８ａにはナット１９が螺着されており、これによりストッパボルト１８が位置決め固定されている。ピストンロッド１３の往復動作時には、このピストンロッド１３の先端部１３ａにストッパボルト１８が当接可能に設けている。
このシリンダカバー１７は、シリンダ筒１２ａを挟んだ状態で取付ボルト２０、取付ナット２１によってケース本体１１のめねじである固着部１１ｂと固着している。Ｏリング４１は、シリンダ筒１２ａ内を摺動するピストン部材１３ｂの外周縁側に装着され、ピストン部材１３ｂとシリンダ筒１１ａとの間をシールしている。また、Ｏリング４２、４３は、蓋体１２ｂに装着され、この蓋体１２ｂとシリンダ筒１２ａ、及びケース本体１１とをシールしている。

スプリングカートリッジ部３０は、パイプ状に形成したスプリングケース３１内にコイル状のスプリング３２を収納し、このスプリング３２は、一端側をピストンロッド１３を押圧する部位であるリテーナ３４に当接した状態にし、他端側をスプリングケース３１を塞ぐように接続されたスプリングカバー３３の内端部に当接しながら収納している。リテーナ３４は、スプリング３２の一端側を受け、スプリング３２の弾発力によりスプリングカバー３３の取付け側と他端側に設けられた固定フランジ３５側の間に弾発された状態でピストンロッド１３に結合している。このように、スプリングカートリッジ部３０は、両側に設けたスプリングカバー３３と固定フランジ３５で組み付けられ、このスプリングカバー３３と固定フランジ３５は、スプリングケース３１との間にＯリング４４、４５をそれぞれ装着した状態で装着されている。

スプリングカバー３３の内側の複数箇所にはめねじ部３３ａを設けており、このめねじ部３３ａに棒状に形成したタイロッド３６のおねじ部３６ａを螺着している。また、タイロッド３６の他端側にはオネジ部３６ｂを設けており、このオネジ部３６ｂを締結部である固定用ナット３７のメネジ部３７ａを螺着している。固定用ナット３７は、図示しない特殊工具によって締結可能な特殊な形状とし、通常の工具では自由に緩めることが難しい状態に形成している。この固定用ナット３７は、スポット溶接等の溶着手段で固着するようにしてもよい。
また、スプリングカバー３３の中心部には、メネジ部３３ｂを設け、このメネジ部３３ｂにストッパボルト４６のおねじ部４６ａを螺着した状態でナット４７によって締付け固定している。

タイロッド３６は、リテーナ３４に貫通して設けたガイド穴３４ａに挿入するようにし、更に、固定フランジ３５に形成した貫通穴３５ａに挿入した状態でこの固定フランジ３５の外側から前記固定用ナット３７を螺着して、固定フランジ３５、スプリングケース３１、スプリングカバー３３を一体に接続している。このように、スプリングケース３１内に設けたタイロッド３６の両端をスプリングカバー３３と固定フランジ３５に止着してスプリングカートリッジ部３０を構成し、スプリング３２の弾発力を維持した状態で内装し、このスプリング３２によってシリンダ装置１０のピストンロッド１３を複運動可能に設けている。
上記のように、スプリングカートリッジ部３０は、内部に配設したタイロッド３６で構成され、タイロッド３６のシリンダ装置１０側の接続部位である固定用ナット３７をシリンダ装置１０の内部に配設しているため、この固定用ナット３７は、スプリングカートリッジ部３０をシリンダ装置１０から分離したときのみに緩めたり締付けたりすることが可能になっている。

従って、スプリングカートリッジ部３０は、接続部位である固定ナット３７をシリンダ装置１０の内部に配置していることにより、アクチュエータ本体１を分解する際に誤って外されたり、外部からの接触や振動によって螺着部分が自然に緩んだり、悪戯などによって外されたりするのを防ぐことができる。
更に、タイロッド３６をスプリングケース３１の内部に設けているため、このタイロッド３６の破損や汚れを防止することもでき、アクチュエータ本体１の塗装も容易に行うことができる。また、タイロッド３６は腐食し難いためＳＵＳ等の高価な材料を使用する必要がなく、低コストの材料を用いて設けることができる。
また、アクチュエータ本体１の分解時には、タイロッド３６が邪魔になることがないため分解作業を容易化できる。更に、全体を小型化できるため狭いスペースにアクチュエータ本体１を設置できる。

スプリング３２には、両端側のうちの少なくとも何れか一方側に摩擦抵抗の小さい、例えば、図示しないＰＴＦＥ製からなる環状のスラスト軸受板を装着してもよく、スプリング３２の圧縮・伸長時に生じる両端面間の相対的な回転運動を無理なくスムーズに行わせることができる。

リテーナ３４にはテーパ状の調芯部３８を設けており、一方、固定フランジ３５には、調芯部３８が嵌合可能なテーパ案内部３９を形成している。
調芯部３８、テーパ案内部３９のテーパ角度θは、図４に示したように約４５°に形成しており、テーパ案内部３９に対して調芯部３８をスムーズに案内可能に設けている。
スプリングカートリッジ部３０が取り外された状態では、リテーナ３４がスプリング３２の弾発力によって固定フランジ３５側に移動するが、このとき図５に示すように調芯部３８がテーパ案内部３９に案内されながら嵌合し、リテーナ３４が調芯可能になるようにこれらを配置している。
このように、リテーナ３４は弾発状態において常に調芯された状態に調節され、スプリングカートリッジ部３０とシリンダ装置１０の組み付け時においては、スプリングカートリッジ部３０の固定フランジ３５とシリンダ装置１０の取付フランジ１１ａを組立て位置で重ね合わせるだけで、調芯されたリテーナ３４に形成したピストンロッド１３装入用の装入穴３４ｂに対して確実にピストンロッド１３の先端側を装入させながら組み付けることができる。また、スプリング３２が有する回転力によってリテーナ３４が位置ずれをおこした場合でも、この位置ずれを修正させながら正確な位置に復帰させることができる。

スプリングカートリッジ部３０とシリンダ装置１０は、固定フランジ３５と取付フランジ１１ａを合わせた状態で、固着部材である固着ボルト２５を固定フランジ部３５に形成した図示しない貫通穴に挿入し、この固着ボルト２５を取付フランジ１１ａに形成した図示しない取付孔に螺着することで両者を固着している。このようにシリンダ装置１０とスプリングカートリッジ部３０は、固着ボルト２５により固着しており、これによって、シリンダ装置１０とスプリングカートリッジ部３０は、固着部材２５を取外す以外に分離する手段がなく、これらを分離した時にタイロッド３６の接続部位３７が表出するようにしている。

スプリングカートリッジ部３０は、カートリッジとして独立した状態でシリンダ装置１０に取り付けられており、固着部材２５の取外し時においてはスプリング３２が飛び出すことがなく、作業者が怪我をしたり器物を破損したりすることなくシリンダ装置１０から分離することができる。本実施形態においては、スプリングカートリッジ部３０とシリンダ装置１０を固着ボルト２５によって固着するようにしているが、固着ボルト２５以外の固着手段を用いて固着するようにしてもよい。

図６に示すように、リテーナ３４のガイド穴３４ａは、スプリング３２の巻き方向に沿って略円弧状に形成しており、これにより、スプリング３２の圧縮・伸長に伴ってリテーナ３４に回転力が加わろうとしたときの回転力を逃がすことができ、リテーナ３４とタイロッド３６が干渉することがない。よって、スプリング３２の弾発力を偏心させることなくリテーナ３４に働かせることができ、スプリング３２による復動力を分散させることなく確実に伝達することができる。

スプリングカートリッジ部３０を組立てる際には、スプリングカバー３３が下に位置する状態にしながら、スプリング３２、リテーナ３４、固定フランジ３５の順序でスプリングカバー３３内に装着し、固定フランジ３５の外側から図示しない適宜のプレス機で押圧することで固定フランジ３５に形成した挿入部３５ｂをスプリングケース３１の内側に嵌挿し、この状態で前述のようにタイロッド３６をスプリングカバー３３のめねじ部３３ａに螺着し、さらにこのタイロッド３６のオネジ部３６ｂに固定用ナット３７を螺着することで組み付けられる。
このとき、スプリングケース３１と、スプリングカバー３３、及び、固定フランジ３５は強固にシールされ、Ｏリング４４、Ｏリング４５が切断したりすることはない。

一方、スプリングカートリッジ部３０を分解する際には、ストッパボルト４６からナット４７を外し、このストッパボルト４６をスプリングカバー３３から抜き取り、次いで、ストッパボルト４６の取付け位置からスプリングカートリッジ部３０の全長の長さより長い図示しないロングボルトを挿入し、固定フランジ３５の貫通穴３５ａを通した状態でこのロングボルトの先端側に図示しないナットを螺着してスプリングカートリッジ部３０を長さ方向に状態を維持しながら固定する。次いで、タイロッド３６を取外した後に、ロングボルトのナットを徐々に緩めることによってスプリングカートリッジ部３０の分解が可能になる。以上のように、アクチュエータ設置箇所における現場での組立てや分解が可能になる。
スプリングカートリッジ部３０は、カートリッジ式としていることにより、シリンダ装置１０からの取外しが簡単であり、また、組立て・分解も容易である。しかも、部品点数が少ないため安価であり、配管工事も容易となり、また、操作もし易いスプリングリターン式ロータリアクチュエータを提供することができる。

アクチュエータの動作時には、通常は、空気圧、油圧などの動力源がシリンダ部１２内に供給され、ピストン部材１３ｂが押圧される方向に動いてピストンロッド１３が往運動させられる。空気圧、油圧等の動力源の供給が無くなると、スプリングカートリッジ部３０のスプリング３２の弾発力によってリテーナ３４が押圧され、このリテーナ３４によってピストンロッド１３が押されて復運動させられる。このようなピストンロッド１３の往復運動が、ケース本体１１内に内蔵された往復運動を回転運動に変換する変換機構１５によって出力軸１６の回転運動に変換され、図示しないボールバルブ等の回転弁のステムを回転操作可能に設けている。

この動作時には、ピストンロッド１３の先端部１３ａがストッパボルト１８に当接し、一方、ピストンロッド１３の後端側がストッパボルト４６に当接するため、各ストッパボルト１８、４６の装入する量を調節しながら位置決め固定することによりピストンロッド１３の往復時の移動量を調節し、バルブ開閉位置の出力軸１６の回転量を制限することができ、バルブを正確に開閉動作させることができる。

なお、本実施形態においては、タイロッド３６を４本装着するようにしているが、この数は適宜変更可能である。また、スプリングケース３１と、固定フランジ３５及びスプリングカバー３３は、それぞれ溶接してもよい。
調芯部３８とテーパ案内部３９のテーパ角度θは、４５°としているが、リテーナ３４がスプリング３２の弾発力で固定フランジ３５側に移動したときに調芯部３８をテーパ案内部３９に自然に案内して嵌合できる角度であればこれに限ることはなく、例えば、４５°以上の任意の角度に設けることもできる。また、凸状の調芯部をリテーナ３４側、凹状のテーパ案内部を固定フランジ３５側に設けているが、逆に設けるようにしてもよい。

本発明におけるスプリングリターン式ロータリアクチュエータの一実施形態を示した一部切欠き斜視図である。 図１の横断面図である。 図２の横断面図である。 図２の一部拡大断面図である。 図４のピストンロッドが動作した状態を示した断面図である。 リテーナの正面図である。

１ アクチュエータ本体
１０ シリンダ装置
１１ ケース本体
１１ａ 取付フランジ
１２ シリンダ部
１３ ピストンロッド
１５ 変換機構
３０ スプリングカートリッジ部
３１ スプリングケース
３２ スプリング
３３ スプリングカバー
３４ リテーナ
３５ 固定フランジ
３６ タイロッド
３８ 調芯部
３９ テーパ案内部

Claims (3)

1. ピストンロッドを収納したシリンダ装置にスプリングを内蔵したスプリングカートリッジ部を設けて、前記ピストンロッドの運動を前記シリンダ装置内に内装した変換機構で回転運動に変換するようにしたスプリングリターン式ロータリアクチュエータにおいて、前記スプリングカートリッジ部の内部に配設したタイロッドでスプリングカートリッジ部を構成し、前記タイロッドのシリンダ装置側の接続部位を前記シリンダ装置の内部に配設し、前記スプリングの前記シリンダ装置側の一端部を前記スプリングカートリッジ部に収納したリテーナに装着すると共に、前記リテーナに前記ピストンロッドの端部を装入し、このリテーナに前記タイロッドを挿通させるガイド穴を形成し、このガイド穴を前記スプリングの巻き方向に沿って略円弧状に形成して前記リテーナと前記タイロッドが干渉しないようにしたことを特徴とするスプリングリターン式ロータリアクチュエータ。
2. 前記スプリングカートリッジ部は、前記スプリングを収納したスプリングケースと両端に設けたスプリングカバーと固定フランジで組付けられ、スプリングケース内に設けたタイロッドの両端を前記スプリングカバーと固定フランジに止着して前記スプリングカートリッジ部を構成した請求項１記載のスプリングリターン式ロータリアクチュエータ。
3. 前記シリンダ装置は、前記変換機構を収納したケース本体とシリンダ部より成り、ケース本体には、前記スプリングカートリッジ部の固定フランジに取付ける取付フランジを設けた請求項１又は２に記載のスプリングリターン式ロータリアクチュエータ。

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