JP6621439B2 - 遮断弁アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は流体の遮断装置に使用される遮断弁アクチュエータに関し、特にステッピングモータを動力源とした遮断弁アクチュエータに関する。

従来、ガス遮断装置の遮断機構として使用される遮断弁として、ステッピングモータを動力源とした遮断弁が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平１１−２３５１号公報 特開２０１４−２３１８６６号公報

特許文献１に記載の技術では、リア側軸受として機能するインナーブッシュ１２がロータの内側に収納される構造のため、マグネットの体積を大きくすることができない。特許文献２の技術では、ふた４０とふた４０の内側に装着した軸受３９の一部がステータ３６の内側に収納され、かつロータ４３の内側に収納される構造のため、マグネットの体積を大きくすることができない。ところで、ガス遮断装置に限らずこの種の技術では、装置全体の小型化が求められており、そのため駆動用のモータも小型化が求められている。

このように小型化が求められている状況において、上述した特許文献１及び特許文献２の技術では、ステータ径が限定されるので、ロータのマグネットの体積を増やすことができず、モータの推力を大きくできない。つまり、遮断弁を駆動する駆動源の推力を大きくできない。

このような背景において、本発明は、小型化しても大きな推力を得られる遮断弁アクチュエータを得ることを目的とする。

本発明は、シャフトおよびマグネットを備えたロータと、前記ロータの回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレートからなる弁体と、前記可動プレートの回転を防止しつつ前記可動プレートの軸方向への移動を許容するように前記可動プレートと係合したフロントハウジングと、前記シャフトを回転自在な状態で支持する軸受とを備え、前記フロントハウジングの基部と前記軸受とが径方向で隣接し、軸に垂直な方向から見て、前記マグネットと前記軸受とが重ならない位置にあり、前記可動プレートは、前記フロントハウジングの方向に突出する突出部を備え、 前記フロントハウジングは、前記可動プレートの前記突出部を収容する軸方向に延在する凹部を備え、軸に垂直な方向から見て、前記凹部の一部と前記軸受とが重なる位置関係にある流体の遮断弁アクチュエータである。

また、本発明は、シャフトおよびマグネットを備えたロータと、前記ロータの回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレートからなる弁体と、前記可動プレートの回転を防止しつつ前記可動プレートの軸方向への移動を許容するように前記可動プレートと係合したフロントハウジングと、前記シャフトを回転自在な状態で支持する軸受とを備え、前記フロントハウジングの基部と前記軸受とが径方向で隣接し、軸に垂直な方向から見て、前記マグネットと前記軸受とが重ならない位置にあり、前記軸受は外周にフランジを備え、前記フランジに前記フロントハウジングが接触することで前記フロントハウジングの軸方向における位置が決められている流体の遮断弁アクチュエータである。

本発明によれば、小型化しても大きな推力を得られる遮断弁アクチュエータが得られる。

実施形態の遮断弁アクチュエータを適用したガス遮断装置の断面図である。 図１に示す遮断弁アクチュエータの平面図である。 図１に示す遮断弁アクチュエータの断面図である。 図３の一部を拡大した拡大断面図である。

（１）遮断弁アクチュエータの構造
図１は、実施形態の遮断弁アクチュエータを適用したガス遮断装置の断面図である。図２は、図１に示す遮断弁アクチュエータの平面図である。図３は、図１に示す遮断弁アクチュエータの断面図である。図４は、図３の一部を拡大した拡大断面図である。

図１には、ガス遮断装置１０が示されている。ガス遮断装置１０は、ガス流路２０１，２０２が設けられた筐体２００を有する。ガス流路２０１と２０２の間には、エッジ構造の弁座２０３が設けられている。この弁座２０３に、遮断弁アクチュエータ１００により図１の左右の方向に駆動される弁部を構成する弁ゴム３１５が接触することで、ガスの流路が遮断（閉塞）される。また、弁座２０３から弁ゴム３１５が離れることで、ガスの流路が開放される。

遮断弁アクチュエータ１００は、弁ゴム３１５を駆動するＰＭ型ステッピングモータ３００を備えている。ＰＭ型ステッピングモータ３００は、通常の２相のＰＭ型ステッピングモータと同様な構造を有している。ＰＭ型ステッピングモータ３００は、ステータＡとステータＢにより構成される２相のステータ３０１とロータ３０４を備えている。

ステータＡは、図３に示すように、カップ状の外ヨーク４０１と円板状の内ヨーク４０２を備えている。カップ状の外ヨーク４０１は中央に開口を有し、開口の周縁には軸方向（シャフト３０７の延在方向）に延伸する複数の極歯を有している。円板状の内ヨーク４０２は中央に開口を有し、開口の周縁には軸方向に延伸する複数の極歯を有している。外ヨーク４０１の極歯と内ヨーク４０２の極歯は周方向において、交互に隙間を有した状態で噛み合って配置されている。外ヨーク４０１の極歯と内ヨーク４０２の極歯の外側には樹脂製のボビン４０３に巻回されたコイル４０４が配設されている。以上がステータＡの構造であるが、ステータＢもステータＡと同じ構造を有している。また、外ヨーク４０１には、回路基板４０７を備えた端子台４０６が固定されている。ボビン４０３には端子ピン４０５が埋め込まれ、端子ピン４０５は、外ヨーク４０１に形成された切欠部から外部に突出し、更に回路基板４０７を貫通している。回路基板４０７には、外部からの配線が接続されるコネクタ４０８が配置されている。コネクタ４０８は、回路基板４０７上のプリント配線により、端子ピン４０５に接続されている。

ステータＡとステータＢの内ヨーク同士を背中あわせで軸方向に当接した状態で、ステータＡとステータＢを樹脂（たとえば、ＰＢＴ樹脂）で一体に形成してステータ３０１が構成される。ステータＡとステータＢを樹脂で一体に形成する際、ステータＡの上面には複数の突起部３２３が樹脂で同時に一体成形され、ステータＢ側にはリアブラケット３０１ａが同時に一体成形される。この技術に関しては、例えば、特開２００４−１６９８７９号の段落「００６７」に記載されている。

ステータ３０１の内側には、金属材料（アルミ合金、非磁性ステンレス鋼等）からなる有底カップ状のロータケース３０２が配置されている。有底カップ状のロータケース３０２は一方側（図１の右側）が閉鎖され、この閉鎖された底部近くには小径部３０２ｂが形成されている。小径部３０２ｂの他方側（図１の左側）が開口部で、開口部の周縁は径外方に延在するフランジ部３０２ａが設けられている（図３参照）。ロータケース３０２の小径部３０２ｂの内側には、フランジが付いた玉軸受３１６が装着されている。

ロータケース３０２の内側にはロータ３０４が回転自在な状態で配置されている。ロータ３０４は、マグネット３０５とスリーブ３０６とシャフト３０７から構成されている。スリーブ３０６の外側にはロータマグネットとなる円筒形状のマグネット３０５が装着されており、シャフト３０７にスリーブ３０６が固定されている。シャフト３０７の一方側（先端側）の外周面には雄ネジが形成され、リードスクリュー部３０８が形成されている。マグネット３０５は、周方向にＮ極とＳ極が交互に多極着磁されている。シャフト３０７は、玉軸受３０３，３１６によって回転自在な状態で保持されている。マグネット３０５の外周とロータケース３０２との間には、僅かな隙間が設けられ、ロータケース３０２に対するロータ３０４の回転が可能となっている。

ステータＡの上面には金属製のフロントプレート３０９が配設されている。ステータＡとステータＢを樹脂で一体形成する際、ステータＡの上面には複数の突起部３２３が樹脂で同時に一体成形される。この突起部３２３をフロントプレート３０９に形成された貫通孔にそれぞれ挿通することで、フロントプレート３０９の位置が決められている。

図４に示すように、玉軸受３０３の外輪はフランジ部３０３ａを有し、このフランジ部３０３ａには、フロントハウジング３１１が係合し、更に固着プレート３１０の環状突起部３１０ａによって、フロントハウジング３１１がロータ３０４の方向に押し付けられることで、フロントハウジング３１１が玉軸受３０３の外輪に固定されている。フロントハウジング３１１は、中空の円筒形状を有した金属製であり、一方端側（マグネット３０５の側）には径外方に延在し、中央に穴３１１ａが形成された基部となる円板形状の大径部３１１ｄを有し、また段差部３１１ｃが設けられている。

フロントハウジング３１１には、軸方向に延在する穴３１１ａが設けられ、この穴３１１ａには、可動プレート３１２の回転防止機構となる軸方向に延在するピン３１２ａが軸方向に移動可能な状態で挿入されている。穴３１１ａは、一方端が閉塞した構造であるが、貫通孔でも構わない。フロントハウジング３１１の中空部分の一方端側の開放端にはフランジ３０３ａ（図４参照）が付いた玉軸受３０３が装着されている。フロントハウジング３１１をロータケース３０２の内側に嵌合させることで、フロントハウジング３１１とシャフト３０７との同軸状態が確保されている。

フロントプレート３０９の上面には金属製の固着プレート３１０が配設されている。固着プレート３１０は環状突起部３１０ａを備え、中央には段付き孔を有している。段付き孔はフロントハウジング３１１が挿通する貫通孔と、貫通孔よりも大径の環状凹部３１０ｄを有している。

固着プレート３１０は、フロントプレート３０９の上面に載置され、固着プレート３１０の環状突起部３１０ａの内側の縁がフロントハウジング３１１の段差部３１１ｃに当接している。この状態で、固着プレート３１０はフロントプレート３０９に符号３２１の位置（図２参照）でカシメ固定されている。このカシメ固定は、固着プレート３１０に形成した図示しない突起をフロントプレート３０９に形成した図示しない貫通孔に挿通し、フロントプレート３０９から突出した突起の先端を潰すことで行われている。ここで、フロントプレート３０９に形成した図示しない貫通孔と、固着プレート３１０に形成した図示しない突起は、軸方向から見て、ステータ３０１よりも外側にあり、上記のカシメ位置３２１がステータ３０１と干渉しない構造となっている。

固着プレート３１０をフロントプレート３０９にカシメ固定した際、固着プレート３１０の環状凹部３１０ｄに配設したシールドリングとして機能する弾性リング（Ｏリング）３１３が、ロータケース３０２のフランジ部３０２ａと固着プレート３１０の環状突起部３１０ａによって軸方向に押圧され変形する。これにより、ロータケース３０２と固着プレート３１０との間がシールされる。また、固着プレート３１０には図示しない機器に取り付けるためのボルト（またはねじ）を挿通するための孔３２２（図２参照）が形成されている。

可動プレート３１２は、樹脂製であり、円板部３１２ｂと、円板部３１２ｂから軸方向両側にそれぞれ突出する突起部３１２ｃ，３１２ｄを備えている（図３参照）。突起部３１２ｃの中央には貫通孔を有し、貫通孔の内周面の一部には雌ネジ３１４が形成されている。雌ネジ３１４が形成されている側の突起部３１２ｃは、フロントハウジングの中空部分の中に位置し、雌ネジ３１４はシャフト３０７のリードスクリュー部３０８と螺合する。

また、円板部３１２ｂからは軸方向に延在するピン３１２ａが一体成形にて形成されているが、このピン３１２ａがフロントハウジング３１１に形成された穴３１１ａに挿入されることで、可動プレート３１２の軸回りの回転が防止された構造が得られている。

シャフト３０７のリードスクリュー部３０８と可動プレート３１２の雌ネジ３１４が螺合することで、リードスクリュー部３０８に可動プレート３１２が取り付けられている。弁体は可動プレート３１２と可動プレート３１２に装着された弁ゴム３１５から構成されている。可動プレート３１２の円板部３１２ｂには、弁ゴム３１５が被せられた状態で装着されている。弁ゴム３１５は、例えばＮＢＲゴムにより構成されている。シャフト３０７は、ロータケース３０２の小径部３０２ｂの内側に装着された玉軸受３１６と、フロントハウジング３１１の内側に装着された玉軸受３０３によって回転可能に支持され、ロータ３０４がロータケース３０２に対して回転可能とされている。リア側の玉軸受３１６とロータ３０４のスリーブ３０６との間、及びフロント側の玉軸受３０３とロータ３０４のスリーブ３０６との間には、摺動性を良くするためにそれぞれ樹脂製ワッシャ（ポリスライダー）３１７，３１８が介装されている。また、可動プレート３１２と固着プレート３１０の間にはコイルばね３１９が圧縮されて介装されている。このコイルばね３１９は、弁ゴム３１５が弁座２０３（図１参照）に当接して流体経路を閉塞した時に、弁ゴム３１５を弁座２０３に向けて付勢する。

（２）遮断弁アクチュエータの動作
異常時には、電池などの外部入力によってステータ３０１のコイル４０４に通電してロータ３０４を正回転させ、リードスクリュー部３０８を正回転（弁ゴム３１５が弁座２０３に当接する方向に回転）させる。ここで、可動プレート３１２に形成された回転防止機構となるピン３１２ａがフロントハウジング３１１の穴３１１ａに挿入されているため、リードスクリュー部３０８と螺合する可動プレート３１２の回転が阻止され、上記のリードスクリュー部３０８の正回転が、可動プレート３１２の直線運動に変換され、弁ゴム３１５が弁座２０３に向かって前進する。そして最終的に、弁ゴム３１５が弁座２０３に当接することで、ガス経路２０１と２０２の間が閉塞され、ガスの流路が遮断される。

上記の流路を遮断した状態から、流路を開放させる場合、上記と逆の向きにロータ３０４を回転させ、可動プレート３１２を上記と逆の方向に移動させる。可動プレート３１２を上記と逆の方向に移動させることで、弁ゴム３１５が弁座２０３から離れてガスの流路が開放され、ガスの供給が再開する。

固着プレート３１０の環状凹部３１０ｄに配設した弾性リング（Ｏリング）３１３がフロントプレート３０９の上面に載置されたロータケース３０２のフランジ部３０２ａと固着プレート３１０によって軸方向に押圧され、変形することで、ロータケース３０２と固着プレート３１０との間がシールされている。このため、ロータケース３０２の内部には流体(ガス)の圧力がかかるが、弾性リング（Ｏリング）３１３によって大気側との間の気密が確保される。流体としては、ガスに限定されず、液体であってもよい。

（３）優位性
特許文献２の遮断弁は、ふた４０とふた４０の内側に装着した軸受３９の一部がステータ３６の内側に入り込んで、かつロータ４３の内側に入り込んでいる。このため、径が制限された状況下において、ロータマグネットの厚みを確保できず、ロータマグネットの体積が犠牲になる。

これに対して、図１〜図４の構造では、フロントハウジング３１１は、中空の円筒形状を有し、中空の一方端側の開放端にはフランジ３０３ａが付きた玉軸受３０３が装着されている。玉軸受３０３は、中空円筒形状のフロントハウジング３１１の内側に位置し、フロントハウジング３１１は、玉軸受３０３のフランジ３０３ａを利用して、軸方向の位置が決められている。そして、玉軸受３０３の下端面とフロントハウジング３１１の下端面とが略同じ高さ（略同じ軸方向の位置）になっている。このため、フロントハウジング３１１及び玉軸受３０３はステータ３０１の内側にも、かつロータ３０４の内側にも入り込んでいない。したがって、ステータ３０１の径が規定（限定）された場合でもマグネット３０５の体積を確保でき、モータの推力を大きくできる。また、マグネット３０５の強度が上がり、マグネット３０５の割れが生じ難くなる。

以上述べたように、遮断弁アクチュエータ１００は、（１）シャフト３０７およびマグネット３０５を備えたロータ３０４、（２）ロータ３０４の回転を軸方向の動きに変換するネジ機構を構成するシードスクリュー部３０８および雌ネジ３１４、（３）弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレート３１２からなる弁体と、（４）可動プレート３１２の回転を防止しつつ可動プレート３１２の軸方向への移動を許容するように可動プレート３１２と係合したフロントハウジング３１１、（５）シャフト３０７を回転自在な状態で支持する軸受３０３，３１６を備えている。そして、フロントハウジング３１１の基部となる大径部３１１ｄと軸受３０３とが径方向で隣接し、軸に垂直な方向から見て、マグネット３０５と軸受３０３とが重ならない位置にある。

この構造によれば、軸受３０３とフロントハウジング３１１の大径部３１１ｄが径方向で重なり、軸受３０３の径方向外側にロータ３０４が位置しないので、マグネット３０５の体積を大きく確保できる。

また、上記の構成において、（６）フロントハウジング３１１は、可動プレート３１２のピン３１２ａを収容する軸方向に延在する凹部である穴３１１ａを備え、軸に垂直な方向から見て、穴３１１ａの一部と軸受３０３とが重なる位置関係にある。ここで、穴３１１ａを軸方向に貫通させた凹部とすることも可能である。

可動プレート３１２の可動範囲を確保する関係で、穴３１１ａの軸方向の長さ（穴の深さ）はある程度確保する必要がある。他方で、遮断弁アクチュエータ１００の軸方向の小型化も求められる。上記（６）の構造では、穴３１１ａと軸受３０３を径方向で重なる位置関係とすることで、軸方向の寸法を短縮しつつ、穴３１１ａの深さを大きく確保できる。

また、上記（１）〜（６）の構成に加えて、（７）軸受３０３は外周にフランジ３０３ａを備え、フランジ３０３ａにフロントハウジング３１１の大径部３１１ｄが接触することでフロントハウジング３０３ａの軸方向における位置が決められている。（７）の構成によれば、穴３１１ａの深さを確保しつつ、軸方向の寸法の増大を抑えた構造においてフロントハウジング３１１の固定が確実に行われる。

１０…ガス遮断装置、１００…遮断弁アクチュエータ、２００…筐体、２０１，２０２…ガス流路、２０３…弁座、３００…ＰＭ型ステッピングモータ、３０１…ステータ、３０１ａ…リアブラケット、３０２…ロータケース、３０２ａ…フランジ部、３０２ｂ…小径部、３０３…玉軸受、３０３ａ…フランジ、３０４…ロータ、３０５…マグネット、３０６…スリーブ、３０７…シャフト、３０８…リードスクリュー部、３０９…フロントプレート、３１０…固着プレート、３１０ａ…環状突起部、３１０ｄ…環状凹部、３１１…フロントハウジング、３１１ａ…穴、３１１ｃ…段差部、３１２…可動プレート、３１２ａ…ピン、３１２ｂ…円板部、３１２ｃ…突起部、３１２ｄ…突起部、３１３…弾性リング、３１４…雌ネジ、３１５…弁ゴム、３１６…玉軸受、３１７，３１８…樹脂製ワッシャ、３１９…コイルばね、３２１…カシメ位置、３２２…孔、３２３…突起部、４０１…外ヨーク、４０２…内ヨーク、４０３…ボビン、４０４…コイル、４０５…端子ピン、４０６…端子台、４０７…回路基板、４０８…コネクタ。

Claims (2)

1. シャフトおよびマグネットを備えたロータと、
   前記ロータの回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、
   弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレートからなる弁体と、
   前記可動プレートの回転を防止しつつ前記可動プレートの軸方向への移動を許容するように前記可動プレートと係合したフロントハウジングと、
   前記シャフトを回転自在な状態で支持する軸受と
   を備え、
   前記フロントハウジングの基部と前記軸受とが径方向で隣接し、
   軸に垂直な方向から見て、前記マグネットと前記軸受とが重ならない位置にあり、
   前記可動プレートは、前記フロントハウジングの方向に突出する突出部を備え、
   前記フロントハウジングは、前記可動プレートの前記突出部を収容する軸方向に延在する凹部を備え、
   軸に垂直な方向から見て、前記凹部の一部と前記軸受とが重なる位置関係にある流体の遮断弁アクチュエータ。
2. シャフトおよびマグネットを備えたロータと、
   前記ロータの回転を軸方向の動きに変換するネジ機構と、
   弁部と前記ネジ機構により軸方向に可動する可動プレートからなる弁体と、
   前記可動プレートの回転を防止しつつ前記可動プレートの軸方向への移動を許容するように前記可動プレートと係合したフロントハウジングと、
   前記シャフトを回転自在な状態で支持する軸受と
   を備え、
   前記フロントハウジングの基部と前記軸受とが径方向で隣接し、
   軸に垂直な方向から見て、前記マグネットと前記軸受とが重ならない位置にあり、
   前記軸受は外周にフランジを備え、
   前記フランジに前記フロントハウジングが接触することで前記フロントハウジングの軸方向における位置が決められている流体の遮断弁アクチュエータ。

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