JP2019196799A - Opening/closing position setting structure of electric actuator for valve and its opening/closing position setting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バルブ用電動アクチュエータの開閉位置を設定する構造に関し、特に、ボール弁等の回転弁の開閉位置を設定する場合に適した開閉位置設定構造とその開閉位置設定方法に関する。 The present invention relates to a structure for setting an opening / closing position of an electric actuator for a valve, and more particularly to an opening / closing position setting structure suitable for setting an opening / closing position of a rotary valve such as a ball valve and an opening / closing position setting method thereof.
従来、ボール弁等の回転弁に電動アクチュエータを搭載する場合、このバルブを正確に回転制御するためには、電動アクチュエータの出力軸に連結したバルブのステム(弁体)の動作角度を調整する必要がある。この場合、一般には、アクチュエータの出力軸をバルブの全開及び全閉位置となるように調整し、これによりアクチュエータ駆動時に、バルブを全開、全閉、及び任意の中間開度に流量制御することが可能になっている。 Conventionally, when an electric actuator is mounted on a rotary valve such as a ball valve, it is necessary to adjust the operating angle of the valve stem connected to the output shaft of the electric actuator in order to accurately control the rotation of the valve. There is. In this case, generally, the output shaft of the actuator is adjusted so as to be in the fully open and fully closed positions of the valve so that when the actuator is driven, the valve is fully opened, fully closed, and the flow rate can be controlled to an arbitrary intermediate opening. It is possible.
このようなアクチュエータの開閉位置の設定を実施する場合、マイクロスイッチとカムとによる接触型の位置検出装置や、光学式や磁気式などのロータリーエンコーダによる非接触型の位置検出装置を利用して調整することが多く、或はステッピングモータを用いて出力軸の回転角度を制御する技術も知られている。 When setting the opening / closing position of such an actuator, adjustment is made using a contact-type position detection device using a micro switch and a cam, or a non-contact type position detection device using a rotary encoder such as an optical or magnetic type. In many cases, a technique for controlling the rotation angle of the output shaft using a stepping motor is also known.
このうち、接触型の位置検出装置を用いた位置調整の場合、全閉、全開の各停止位置を正確に設定するためには、特にカムの位置調整に多大な時間と工数が必要となる。これに加えて、シロキサンガス等のガスの発生する環境下でバルブを使用すると、接点部に絶縁物の生成付着や接点部金属の酸化、腐食により接点障害などが発生して位置検出が不正確になり、寿命も低下しやすくなるという問題も有している。
一方、ステッピングモータを用いて出力軸の回転を制御する場合、ステッピングモータの搭載によりアクチュエータ全体が大型化し、しかも、ステッピングモータが高価であることから汎用的ではない。
これらに比較して、非接触型の位置検出装置を用いる場合、汎用的な直流モータを使用して全体のコンパクト性を確保しつつアクチュエータを構成し、接触型の位置検出装置の問題を解消した状態で出力軸の回転制御が可能になっている。
Among these, in the case of position adjustment using a contact-type position detecting device, in order to accurately set the fully closed and fully opened stop positions, particularly time and man-hours are required for cam position adjustment. In addition, if the valve is used in an environment where a gas such as siloxane gas is generated, contact failure may occur due to the formation of an insulator on the contact part, oxidation of the contact part metal, or corrosion, resulting in inaccurate position detection. Therefore, there is a problem that the life is likely to be reduced.
On the other hand, when the rotation of the output shaft is controlled using a stepping motor, the overall size of the actuator is increased due to the mounting of the stepping motor, and the stepping motor is expensive, which is not general.
Compared to these, when using a non-contact type position detection device, a general-purpose DC motor was used to configure the actuator while ensuring the overall compactness, and the problem of the contact type position detection device was solved. The rotation control of the output shaft is possible in this state.
この種の非接触型の位置検出装置を用いてバルブを回転制御するものとして、例えば、特許文献1におけるバルブ用アクチュエータが開示されている。このバルブ用アクチュエータの全閉位置設定装置では、位置検出装置として非接触型のロータリーエンコーダが用いられ、このロータリーエンコーダで出力軸の回転角度を計測し、バルブの全閉時の角度のずれを補正することで、バルブの開放角度を指令角度に近づけようとするものである。
このようにロータリーエンコーダでアクチュエータの出力軸を回転制御する場合には、ロータリーエンコーダが設置された出力軸をバルブのステムの開閉状態に調整する必要がある。
As an example of controlling the rotation of a valve using this type of non-contact type position detection device, for example, a valve actuator in Patent Document 1 is disclosed. This valve actuator fully-closed position setting device uses a non-contact rotary encoder as the position detection device. This rotary encoder measures the rotation angle of the output shaft and corrects the angle deviation when the valve is fully closed. By doing so, the opening angle of the valve is made closer to the command angle.
Thus, when the output shaft of the actuator is rotationally controlled by the rotary encoder, it is necessary to adjust the output shaft on which the rotary encoder is installed to the open / close state of the valve stem.
しかしながら、特許文献1のアクチュエータの場合、出力軸を全閉・全開状態に調整する際に、この出力軸には回転が規制されていない状態のバルブステムが接続されるため、出力軸が全閉及び全開位置以上に回転するようになっている。このため、ステムを開閉状態に正確に合わせた状態にしつつ、出力軸を介してアクチュエータをバルブ開閉位置に調整する必要があり、正確に設定するためには手間がかかる。 However, in the case of the actuator of Patent Document 1, when the output shaft is adjusted to the fully closed / open state, a valve stem in a state where the rotation is not restricted is connected to the output shaft. And it is designed to rotate beyond the fully open position. For this reason, it is necessary to adjust the actuator to the valve open / close position via the output shaft while accurately adjusting the stem to the open / closed state, and it takes time and effort to set it accurately.
さらには、アクチュエータ内の減速歯車列のバックラッシによって出力軸の回転にずれが生じたり、或は直流モータを動力としたときにその電機子の慣性モーメントが高くなったりモータ自体の回転数が多くなって停止時にオーバーランが生じることもあるため、出力軸の調整がより困難になって微調整の必要が生じる。
上記の出力軸の位置調整は、弁種やバルブの個体差などに応じてバルブごとに実施する必要があるため、その都度、バルブにアクチュエータを搭載してステムに連結した状態の出力軸を調整することになる。
In addition, the output shaft rotation is deviated due to backlash of the reduction gear train in the actuator, or when the DC motor is used as power, the armature's moment of inertia increases or the motor itself rotates more. Since an overrun may occur during stoppage, the output shaft becomes more difficult to adjust and needs to be finely adjusted.
The above-mentioned position adjustment of the output shaft needs to be performed for each valve according to the valve type and individual differences of the valve, so each time the output shaft is connected to the stem with an actuator mounted on the valve. Will do.
これに加えて、特許文献1のアクチュエータでは、出力軸の計測用として、いわゆるアブソリュート形と呼ばれる絶対角度計測用のロータリーエンコーダが用いられている。このタイプのエンコーダを用いた場合、出力軸のゼロ合わせをするために微細な調整が必要になり、アクチュエータ内部の構造が複雑になってアクチュエータ全体の大型化することになる。 In addition, in the actuator of Patent Document 1, a rotary encoder for measuring an absolute angle called a so-called absolute type is used for measuring an output shaft. When this type of encoder is used, fine adjustment is required to zero-align the output shaft, which complicates the internal structure of the actuator and increases the size of the entire actuator.
アブソリュート形を用いる場合、高精度、高分解能で出力軸を設定するためには光学式ロータリーエンコーダを用いることが多く、この光学式ロータリーエンコーダは、ガスによる生成物の付着、粉塵や油分などの汚染に弱いことから微調整が一層難しくなり、高分解能化するためには光学系や内部機構が複雑になってエンコーダ全体が大型化したり高価格化にもつながる。
一方、光学式に比較して簡易型である磁気式のロータリーエンコーダを使用しようとしても、その精度が光学式よりも劣ることから、アクチュエータ出力軸の全閉及び全開位置の設定が難しくなり設定時間も長くなる。
When the absolute type is used, an optical rotary encoder is often used to set the output shaft with high accuracy and high resolution. This optical rotary encoder is used for contamination of products such as gas, dust and oil. This makes it difficult to make fine adjustments, and in order to increase the resolution, the optical system and internal mechanism become complicated, leading to an increase in the size and cost of the entire encoder.
On the other hand, even if an attempt is made to use a magnetic rotary encoder that is simpler than the optical type, the accuracy is inferior to that of the optical type, making it difficult to set the fully closed and fully open positions of the actuator output shaft. Also gets longer.
本発明は、従来の課題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、バルブ用電動アクチュエータの出力軸をバルブのステムの開閉位置に調整する設定構造であり、アクチュエータの大型化や内部構造の複雑化を防ぎつつ、出力軸側を全閉又は全開状態に高精度に規制して出力軸のバルブ開閉状態を正確かつ簡便に調整でき、しかも、バルブを必要とすることなくアクチュエータ単独で開閉位置を調整できるバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定構造とその開閉位置設定方法を提供することにある。 The present invention has been developed in order to solve the conventional problems. The object of the present invention is a setting structure that adjusts the output shaft of the valve electric actuator to the open / close position of the valve stem. The output shaft side can be adjusted to the fully closed or fully open state with high accuracy, and the valve open / closed state of the output shaft can be adjusted accurately and easily without the need for a valve. It is an object of the present invention to provide an open / close position setting structure and an open / close position setting method for an electric actuator for a valve that can adjust the open / close position by an actuator alone.
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、電動モータの回転が減速歯車列を介して出力軸に伝達されるアクチュエータと、このアクチュエータの出力軸に弁体のステムが接続されて回転駆動されるバルブとの開閉位置を設定するための開閉位置設定構造であって、出力軸と同軸に設けられた制御軸の回転角度を計測するロータリーエンコーダと、出力軸側のバルブの固定位置に着脱自在に固定されて出力軸をバルブ開閉位置に回転規制する治具とが設けられ、この治具で出力軸の回転が規制されたときの制御軸の状態をロータリーエンコーダで計測してアクチュエータのバルブ開閉位置が設定されるバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定構造である。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is directed to an actuator in which the rotation of the electric motor is transmitted to the output shaft via the reduction gear train, and the valve stem is connected to the output shaft of the actuator. An open / close position setting structure for setting the open / close position of the driven valve, and a rotary encoder for measuring the rotation angle of the control shaft provided coaxially with the output shaft, and a fixed position of the valve on the output shaft side. A jig that is detachably fixed and restricts the rotation of the output shaft to the valve opening / closing position is provided. When the rotation of the output shaft is restricted by this jig, the state of the control shaft is measured by a rotary encoder, and It is an opening / closing position setting structure of the electric actuator for valves in which the valve opening / closing position is set.
請求項2に係る発明は、治具は、アクチュエータに形成されたバルブ固定用の雌螺子に挿着可能な突起部を有し、この突起部を介してアクチュエータのバルブ取付け位置に固定されるバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定構造である。
In the invention according to
請求項3に係る発明は、治具は、アクチュエータへの取付け用の取付部材を有し、この取付部材に形成された規制溝に対して回転する回転部材が取付けられ、この回転部材は、出力軸の端部に形成された凹状溝に凹凸嵌合して出力軸と同軸に回転させる嵌合部を有し、この嵌合部の遠心方向に突出して形成された規制部が規制溝のバルブ開閉位置で当接して出力軸をステムの回転角度に規制する状態に設けられたバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定構造である。 In the invention according to claim 3, the jig has a mounting member for mounting to the actuator, and a rotating member that rotates with respect to the regulation groove formed in the mounting member is mounted. It has a fitting part that is concavo-convexly fitted into a concave groove formed at the end of the shaft and rotates coaxially with the output shaft, and the restriction part that protrudes in the centrifugal direction of this fitting part is a valve of the restriction groove This is an opening / closing position setting structure of the valve electric actuator provided in a state where it abuts at the opening / closing position and regulates the output shaft to the rotation angle of the stem.
請求項4に係る発明は、規制溝が略90°或は略180°に形成されたバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定構造である。
The invention according to
請求項5に係る発明は、ロータリーエンコーダは、非接触のエンコーダICを有し、このエンコーダICに対向して制御軸の上端側に被検出体が一体に装着されたバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定構造である。 According to the fifth aspect of the present invention, the rotary encoder has a non-contact encoder IC, and the open / close position of the electric actuator for the valve in which the detected body is integrally mounted on the upper end side of the control shaft facing the encoder IC. It is a setting structure.
請求項6に係る発明は、電動モータの回転が減速歯車列を介して出力軸に伝達されるアクチュエータと、このアクチュエータの出力軸に弁体のステムが接続されて回転駆動されるバルブとの開閉位置を設定する開閉位置設定方法であって、出力軸と同軸に設けられた制御軸にその回転角度を計測するロータリーエンコーダを設けると共に、出力軸側のバルブ固定位置に出力軸をバルブ開閉位置に規制する治具を着脱自在に固定し、この治具で出力軸の回転を規制したときの制御軸の状態をロータリーエンコーダで計測し、アクチュエータのバルブ開閉位置を設定するようにしたバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定方法である。
The invention according to
請求項7に係る発明は、治具をアクチュエータから取外し、この治具の取付け位置にバルブを接続してこのバルブのステムを出力軸と同軸に回転させるようにしたバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定方法である。
In the invention according to
請求項8に係る発明は、出力軸が治具で規制される直前で、出力軸の回転を減速させるようにしたバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定方法である。 The invention according to claim 8 is the open / close position setting method of the electric actuator for valves, wherein the rotation of the output shaft is decelerated immediately before the output shaft is regulated by the jig.
請求項1に係る発明によると、ロータリーエンコーダと治具とを用いてバルブ用電動アクチュエータの出力軸をバルブのステムの開閉位置に調整でき、アクチュエータの大型化や内部構造の複雑化を防ぎつつ、出力軸側のバルブ固定位置に固定した治具を介して出力軸を全閉又は全開状態に高精度に規制した状態で、この出力軸と同軸の制御軸の回転をロータリーエンコーダで計測して出力軸のバルブ開閉状態の調整を正確かつ簡便に実施可能となる。この場合、治具で出力軸の回転を規制していることで、バルブに搭載することなくアクチュエータ単独で開閉位置を調整できる。 According to the first aspect of the present invention, the output shaft of the electric actuator for the valve can be adjusted to the open / close position of the valve stem using the rotary encoder and the jig, and the enlargement of the actuator and the complexity of the internal structure are prevented, With the output shaft fully closed or fully open, the rotation of the control shaft coaxial with this output shaft is measured with a rotary encoder and output via a jig fixed at the valve fixing position on the output shaft side. Adjustment of the valve open / close state of the shaft can be performed accurately and easily. In this case, since the rotation of the output shaft is regulated by the jig, the opening / closing position can be adjusted by the actuator alone without being mounted on the valve.
請求項2に係る発明によると、突起部をバルブ固定用の雌螺子に挿着することで、アクチュエータのバルブ固定位置に治具を固定した状態で、この治具によりアクチュエータの出力軸の回転を規制できる。このため、出力軸を雌螺子に固定されるバルブの開閉角度に正確に規制でき、この出力軸の開閉状態をロータリーエンコーダで調整可能になる。 According to the second aspect of the present invention, the protrusion is inserted into the female screw for fixing the valve so that the output shaft of the actuator can be rotated by this jig while the jig is fixed at the valve fixing position of the actuator. Can be regulated. For this reason, the output shaft can be accurately regulated to the opening / closing angle of the valve fixed to the female screw, and the opening / closing state of the output shaft can be adjusted by the rotary encoder.
請求項3に係る発明によると、取付部材の規制溝を回転部材が回転し、この回転部材の嵌合部がアクチュエータの出力軸の凹状溝に凹凸嵌合しつつ、規制部が規制溝のバルブ開閉位置で当接して出力軸をステムの回転角度に規制することにより、治具を装着するのみで出力軸の回転角度をバルブの開閉状態に強制的かつ正確に合わせて出力軸を高精度に位置合わせできる。 According to the invention of claim 3, the rotating member rotates in the restricting groove of the mounting member, and the fitting portion of the rotating member engages with the concave groove of the output shaft of the actuator, while the restricting portion is the valve of the restricting groove. By restricting the output shaft to the rotation angle of the stem by abutting at the open / close position, the output shaft can be forcibly and accurately matched to the open / closed state of the valve simply by mounting a jig, and the output shaft can be made highly accurate. Can be aligned.
請求項4に係る発明によると、規制溝を略90°に設けることでバルブを装着することなく二方型のボール弁の全閉及び全開位置に合わせて出力軸を正確に調整でき、また、規制溝を略180°に設けることで出力軸を三方切換式のボール弁の流路に合わせて切換え可能になる。
According to the invention of
請求項5に係る発明によると、非接触のロータリーエンコーダと被検出体とを有するロータリーエンコーダを用いることにより、構成を簡略化して全体をコンパクト化でき、ガスの発生環境下であってもこのガスによる悪影響を抑えた状態で位置検出し、長期に渡って正確に開閉制御できる。被検出体をマグネットとし、エンコーダICを磁気式エンコーダICとし、マグネットを装着した制御軸と磁気式エンコーダICとの相対的角度を検出するインクリメンタル形とすることで、出力軸のゼロ合わせをおこなうことなく、開閉位置の調整の手間を省いて自動化を図れるため調整工数を大幅に削減でき、また、製造も容易となる。ロータリーエンコーダの小型化を図りながら、微細に調整して正確に開閉制御できる。
According to the invention of
請求項6に係る発明によると、ロータリーエンコーダと治具とを用いてバルブ用電動アクチュエータの出力軸をバルブのステムの開閉位置に調整でき、アクチュエータの大型化や内部構造の複雑化を防ぎつつ、治具を介して出力軸を全閉又は全開状態に高精度に規制した状態で、この出力軸のバルブ開閉状態の調整を正確かつ簡便に実施可能となる。しかも、アクチュエータに対して治具を容易に着脱可能であり、この治具で出力軸の回転を規制していることで、バルブに搭載することなくアクチュエータ単独で開閉位置を調整できる。
According to the invention of
請求項7に係る発明によると、治具を用いてアクチュエータ出力軸の全開及び全閉位置を正確に調整した後に、バルブを接続して出力軸からの回転量を正確にステムを介して伝達して開閉位置を高精度に制御可能となる。一つの治具で多数のアクチュエータのバルブ開閉位置の設定をおこなうこともき、治具の着脱も容易であるため、設定作業も容易になる。 According to the seventh aspect of the present invention, after the fully open and fully closed positions of the actuator output shaft are accurately adjusted using a jig, a valve is connected to accurately transmit the rotation amount from the output shaft through the stem. Thus, the opening / closing position can be controlled with high accuracy. A single jig can be used to set the valve opening / closing positions of a large number of actuators, and the jig can be easily attached and detached, so that the setting work is facilitated.
請求項8に係る発明によると、出力軸等の内部部品や治具の消耗及び損傷を防ぎ、バルブの開閉位置を正確に制御可能となる。 According to the eighth aspect of the present invention, it is possible to prevent wear and damage of internal parts such as the output shaft and jigs, and to control the open / close position of the valve accurately.
以下に、本発明におけるバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定構造とその開閉位置設定方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1においては、アクチュエータに治具を装着する前の状態を示し、図2は、治具装着部付近の要部拡大図を示している。本発明は、アクチュエータとこのアクチュエータで回転するバルブとの開閉位置を設定するための開閉位置設定構造であり、治具を用いてアクチュエータの開閉位置を正確に設定するものである。
Embodiments of an opening / closing position setting structure and an opening / closing position setting method for an electric actuator for a valve according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a state before the jig is mounted on the actuator, and FIG. 2 shows an enlarged view of the main part near the jig mounting portion. The present invention is an open / close position setting structure for setting an open / close position between an actuator and a valve rotated by the actuator, and accurately sets the open / close position of the actuator using a jig.
図1において、バルブ用電動アクチュエータ(以下、アクチュエータという)1は、電動モータ2、減速歯車列3、出力軸4、制御用基板5、内部を覆うためのカバー7を有し、このアクチュエータ1に治具6が取付けられる。出力軸4には、ボール弁よりなるバルブ10の弁体11のステム12が接続可能に設けられる。
In FIG. 1, a valve electric actuator (hereinafter referred to as an actuator) 1 has an
図5において、アクチュエータ1は円形枠状の基台15を有し、この基台15の内部に減速歯車列3が収容され、この減速歯車列3の上方に円板状の仕切板16が取付けられ、この仕切板16の上面から柱状のスペーサ17が適宜間隔で複数箇所に立設され、このスペーサ17に基板5が固定されている。これにより、基板5は、仕切板16から所定間隔で配置される。図1に示すように、基台15の底面には、図7のバルブ10の取付フランジ13をネジ19で固定するための2つの雌螺子14が所定間隔で設けられている。
In FIG. 5, the actuator 1 has a circular frame-shaped
電動モータ2は、一般的な構造のDC(直流)ブラシレスモータよりなり、仕切板16の上面に固定される。電動モータをDCブラシレスモータとした場合、機械的に摺動する接点部分がなく、整流時に火花やアーク放電の発生を回避して絶縁物の生成を抑え、動作時のデッドポイントを防止する。これにより、開閉位置を調整した出力軸をその回転範囲で高精度に回転させ、信頼性の高い電動バルブを提供可能になる。また、絶縁低下を防いで長期に渡って動作を高精度に維持する。電動モータ2には、アクチュエータ1の外部からケーブル18が接続可能に設けられ、このケーブル18並びに制御用基板5を介して図示しない外部電源から電圧が供給されて回転するようになっている。
The
図5において、減速歯車列3は、図示しない入力軸と、出力軸4とを有し、電動モータ2からの回転が入力軸に入力され、その減速回転が出力軸4にトルクが増幅された状態で伝達される。
In FIG. 5, the reduction gear train 3 has an input shaft (not shown) and an
出力軸4は、基台15の底面から突出して設けられ、その下端部には凹状溝20が形成される。この凹状溝20には、バルブ10のステム12の上端に形成された平行二面部21が嵌合可能に設けられ、これら凹状溝20と平行二面部21との凹凸嵌合により、出力軸4にステム12が接続される。これらの接続により、減速歯車列3により減速された電動モータ2の回転は、出力軸4からステム12に伝達され、このステム12に接続された弁体11が回転駆動される。
その際に、本発明のアクチュエータの開閉位置設定構造によって、アクチュエータ1の出力軸4とバルブ10との開閉位置が設定される。
The
At that time, the opening / closing position between the
出力軸4には、同軸に制御軸22が設けられ、この制御軸22が出力軸4と一体に連動して回転する。制御軸22は、その上端側が仕切板16から突出して基板5に対向するように配置され、これら基板5と制御軸22との間にロータリーエンコーダ30が設けられる。
The
ロータリーエンコーダ30は、制御軸22(出力軸4)の回転角度を計測するために設けられ、本例では、非接触の磁気式からなり、非接触の磁気式のエンコーダIC31、このエンコーダICより検出される被検出体であるマグネット32を有している。ロータリーエンコーダは、被接触式であれば磁気式に限ることはなく、例えば光学式を用いるようにしてもよい。
The
図5、図6において、エンコーダIC31は、基板5の制御軸22との対向側に配置され、マグネット(被検出体)32の回転角度を検出可能な情報が記録されている。マグネット32は、例えば、φ8mm〜φ10mm程度の略円筒形状の永久磁石からなり、N極とS極とが厚み方向に二極面着磁され、制御軸22の上端側に保持用ホルダ33を介して装着される。
5 and 6, the
図5(b)に示すように、ホルダ33は略円筒状に形成され、このホルダ33の上部と下部には切欠溝34が軸方向に沿って交互に設けられ、この切欠溝34によりホルダ33は径方向に拡縮変形可能に設けられる。ホルダ33は切欠溝34を介して、上部にマグネット32が装着された状態で、その下部が制御軸22の上端部に固定される。このホルダ33を介して、マグネット32が制御軸22に任意の着磁角度で取付けられ、制御軸22が回転したときには、この制御軸22と一体にマグネット32が回転する。マグネットはエンコーダIC31から数ミリ程度の間隙を介して対向状態で配置される。
As shown in FIG. 5B, the
制御軸22(出力軸4)の回転角度の検出は、マグネット32のN極とS極とによる漏洩磁束をエンコーダIC31に鎖交させて、このエンコーダIC31の内部に配置された図示しないホール素子からの出力電圧より連続してベクトル演算して角度アナログ信号を得た後、この角度アナログ信号をデジタル信号に変換することで得られる。
The rotation angle of the control shaft 22 (output shaft 4) is detected from a hall element (not shown) arranged inside the
この場合、エンコーダIC31の角度アナログ信号は、高速シリアル通信によりMPUに基板上の銅箔パターンを通じてデジタル信号に伝達され、これによって出力軸の正確な回転角度のデータが得られる。
In this case, the angle analog signal of the
このように、エンコーダIC31を介して、制御軸22のマグネット32の回転を信号として後述のMPU(中央演算処理装置)40に取り込むことで、アクチュエータ1の出力開度の絶対値をデジタル値として得るようにし、制御軸22の回転状態を計測する。前述のマグネット32は、ホルダ33により制御軸22(出力軸4)の軸心と一致した状態で取付けられて制御軸22(出力軸4)と同軸に回転する。このマグネット32の回転を非接触式のエンコーダIC31で計測することで、電子式無接点の状態になって接点障害が防がれている。
In this way, the absolute value of the output opening of the actuator 1 is obtained as a digital value by taking the rotation of the
このようにして、図6に示すエンコーダIC31とマグネット32との関係において、例えば、図6(a)から図6(d)までの何れの制御軸22(マグネット32)の回転状態であっても、エンコーダIC31により高精度に計測可能となる。図6(a)、図6(b)、図6(c)、図6(d)は、制御軸22がそれぞれ、0°、90°、180°、270°回転したときのマグネット32の極性を示しており、バルブ10が90°開閉式の2方ボール弁の場合には、図6(a)を弁閉状態、図6(b)を弁開状態とすればよい。また、3方ボール弁の場合、制御軸22が、図6(a)から図6(c)までの180°回転するときのマグネット32の極性により回転状態を計測可能になっている。
In this way, in the relationship between the
図1〜図3において、治具6は、アクチュエータ1への取付け用の取付部材41と、この取付部材41に回転自在に装着される回転部材42を有している。
1 to 3, the
取付部材41は、コンパクトな矩形状に形成され、アクチュエータ1への取付け側に2つの小円柱状の突起部43が形成される。突起部43は、アクチュエータ1(基台15)のバルブ10固定用の2つの雌螺子14に対応する位置に形成され、この雌螺子14に挿着可能に設けられる。治具6は、突起部の43雌螺子14への挿着を介して、アクチュエータ1の所定のバルブ取付け位置にずれを防いだ状態で固定可能となる。
The
取付部材41の取付け面側には、略扇状で有底の規制溝45が形成される。図3(a)において、規制溝45は、バルブ10の開閉角度である90°或は開閉時のあそびを含めた90°以上に形成され、この規制溝45に回転部材42が取付けられる。また、図3(b)においては、規制溝の他例を示しており、この規制溝46は、180°或は開閉時のあそびを含めた180°以上に形成された状態を示している。
On the attachment surface side of the
このように、規制溝は、略90°或は略180°に形成され、或はこれら以外の角度に形成されていてもよい。図3(a)における規制溝45、図3(b)における規制溝46の各両端側には、規制端面47がそれぞれ形成され、この各規制端面47に回転部材42が当接可能になっている。
As described above, the restriction groove may be formed at approximately 90 ° or approximately 180 °, or may be formed at an angle other than these. A
図2に示す回転部材42は、回転軸部50、嵌合部51を有し、回転軸部50の端部に矩形状の嵌合部51が一体に形成される。回転軸部50は、回転部材42を規制溝45(46)に取付けたときの回転中心であり、出力軸4と同軸となる位置に設けられる。嵌合部51は、出力軸4の凹状溝20に凹凸嵌合可能な幅に形成され、これら嵌合部51、凹状溝20の凹凸嵌合を介して回転部材42が出力軸4と同軸に回転するように取付けられる。嵌合部51の遠心方向には、この嵌合部51と一体に規制部52が突出して形成される。
The rotating
回転部材42は、嵌合部51が凹状溝20に装着された状態で規制溝45に回転可能に取付けられ、規制部52が規制溝45のバルブ開閉位置となる規制端面47、47に当接することで、回転部材42に接続される出力軸4がステム12の回転角度に規制される。図示しないが、嵌合部51はくさび状に形成されていてもよく、この場合、嵌合部51が凹状溝20に食い込むように嵌合し、回転部材42が出力軸4に対してガタの無い状態で一体に回転する。
The rotating
図1〜図3において、治具6は、突起部43の雌螺子14への挿着により出力軸4側のバルブ10の固定位置に着脱自在に固定され、この状態で出力軸4がバルブ10の開閉位置に回転規制される。この治具6を用いて出力軸4の回転を所定の開閉状態に強制的に規制し、このときの制御軸22の回転状態をロータリーエンコーダ30で計測することで、アクチュエータ1のバルブ開閉位置を設定可能に設けている。
1 to 3, the
図4において、前述の基板5には、エンコーダIC31以外にも、モータ駆動回路60、モータ回生制動回路61、モータトルク制御回路62、自動角度設定機能選択スイッチ63、入出力インターフェース回路64、電源回路65、モード設定回路66が設けられ、これらはそれぞれ前述したMPU40に接続される。
4, in addition to the
MPU40は、基板5上の回路に接続され、アクチュエータ1全体の制御をおこなうようになっている。MPU40の内部にはEEPROM70が内蔵され、このEEPROM70には、制御軸22を所定の開閉角度に制御するための制御角度データが格納(記録)されている。
The
モータ駆動回路60は、電動モータ2駆動用の回路として電動モータ2に接続される。モータ回生制動回路61は、電動モータ2に制動を加えるために設けられる。このモータ回生制動回路61を、慣性モーメントの低いエンコーダIC31及びDCブラシレスモータ(電動モータ)2に組み合わせることで、惰走量を抑えて精度の高い位置検出を可能にし、ステム12回転時のトルクの増減変化の影響を受けることなく、バルブ10を安定してタイトシャット、フルオープン動作させる。
The
モータトルク制御回路62は、治具6で出力軸4を全閉から全開位置までの回転範囲に規制するときに、減速歯車列3、出力軸4、電動モータ2、モータ駆動回路60、電源回路65へのストレスを抑えるために、電動モータ2の最大出力トルク値の低減用として設けられる。一方、治具6の非装着状態で回転の規制が必要でない場合には、アクチュエータ1の許容最大トルク値以上のトルクの発生を抑えるために、電流制限をおこなうようになっている。
The motor
自動角度設定機能選択スイッチ63は、アクチュエータ1の自動角度を切替える機能を備えている。このスイッチ63により、本実施形態では、「自動角度設定モード」、或は「通常動作モード」の各モードに切替え可能になっており、MPU40の内部に備えられたファームウェア(ソフトウェア)のフローを切替えることで各モードを選択可能になっている。「自動角度設定モード」は、アクチュエータ1の開閉位置設定方法で出力軸4の開閉位置を設定するときに使用する運転モードであり、一方、「通常動作モード」は、開閉位置の設定後にアクチュエータ1にバルブ10を取付け、このバルブ10を通常時に開閉制御するときの運転モードを表している。
The automatic angle setting
入出力インターフェース回路64は、アクチュエータ1の開閉指令入力信号、開閉出力信号をユーザ回路と整合させるために設けられる。電源回路65は、図示しない電源供給端子から供給される電力を、アクチュエータ1内部で使用するモータ用電源、制御用電源の仕様に整合させて電力を供給するために設けられる。モード設定回路66は、アクチュエータ1を180°開閉動作時のモードを設定するために設けられる。
The input /
続いて、バルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定方法並びに作用を述べる。
図1〜図5において、アクチュエータ1の開閉位置を、90°開閉のボール弁よりなるバルブ10の動作角度に設定する場合、制御軸22にロータリーエンコーダ30(エンコーダIC31、マグネットからなる被検出体32)を設けると共に、出力軸4側のバルブ固定位置に治具6を固定し、この治具6により規制される出力軸4と一体に回転する制御軸22をロータリーエンコーダ30で計測することによりバルブ開閉位置を設定する。
Next, a method for setting the open / close position of the electric actuator for valves and the operation thereof will be described.
1 to 5, when the opening / closing position of the actuator 1 is set to the operating angle of the
この場合、モータトルク制御回路62により低トルク駆動モードを設定し、この低トルク駆動モードで出力軸4が治具6で回転規制される直前で、出力軸4の回転を減速させるようにしている。このように電動モータ2のトルクを低減し、この状態で出力軸4(制御軸22)に接続された回転部材42の規制部52を規制端面47に当接させて位置規制することで高精度に調整可能になって信頼性も向上する。以下に、開閉位置設定方法の手順を詳述する。
In this case, a low torque drive mode is set by the motor
アクチュエータ1の開閉角度を設定する場合、前述の「自動角度設定モード」により、以下の(1)〜(12)の手順で実施する。 When the opening / closing angle of the actuator 1 is set, the following (1) to (12) are performed according to the “automatic angle setting mode” described above.
(1)外部電源をオフにして電圧を供給していない状態で、自動角度設定機能選択スイッチ62を「自動角度調整モード」に切替える。
(1) The automatic angle setting
(2)アクチュエータ1を上下逆向きとした状態で、凹状溝20に嵌合部51を凹凸嵌合させつつ、2箇所の雌螺子14、14に突起部43、43をそれぞれ挿着させて基台15の底面に所定の向きで治具6を固定する。これによって、治具6により出力軸4(制御軸22)を回転規制可能となる。
(2) With the actuator 1 turned upside down, the
(3)この状態で外部電源をオンにすると、MPU40内に備えられたソフトウェアが「自動角度調整モード」に切り替わると同時に、モータトルク制御回路62が低トルク駆動モードとなり、電動モータ2を全閉方向に回転させる。
(3) When the external power supply is turned on in this state, the software provided in the
(4)電動モータ2の回転することで出力軸4が全閉方向に回転する。回転部材42の規制部52が規制溝45の全閉側の規制端面47に当接したときに回転が停止し、出力軸4が全閉状態となる。その際、モータトルク制御回路62の低トルク駆動モードにより、減速歯車列3、出力軸4、制御軸22が最低限のトルクで回転するように抑制している。このため、出力軸4と一体回転する規制部52が規制端面47に当接したときに、減速歯車列3、出力軸4、制御軸22、電動モータ2、図示しないモータ駆動回路等が破損や故障するおそれがない。
(4) As the
(5)出力軸4が全閉位置で停止したときには、エンコーダIC31による角度データ値の変化が停止し、この変化停止状態が予め設定された時間継続したときにバルブの全閉位置として認識され、この状態をMPU40内のEEPROM70に全閉位置データとして記録する。或は、エンコーダIC31にリセット信号を送り、角度データをゼロとし、このゼロの値をEEPROM70に全閉位置データとして記録する。
(5) When the
(6)全閉位置の記録後には、電動モータ2への通電がオフとなりその回転が停止する。
(6) After recording the fully closed position, the electric current to the
(7)次いで、モータトルク制御回路62による低トルク駆動モードを維持した状態で、電動モータ2が全開方向に回転駆動する。
(7) Next, the
(8)出力軸4が全開方向に回転し、回転部材42の規制部52が全閉側の規制端面47に当接したときに回転が停止し、出力軸4が全開状態となる。この場合にも、全閉方向の場合と同様に低トルク駆動モードにより、減速歯車列3、出力軸4、制御軸22が最低限のトルクで回転するように抑制している。このため、規制部52が規制端面47に当接したときにも、減速歯車列3、出力軸4、制御軸22、電動モータ2、モータ駆動回路等が破損や故障するおそれがない。
(8) When the
(9)出力軸4が全開位置で停止したときには、エンコーダIC31による角度データ値の変化が停止し、この変化停止状態が予め設定された時間継続したときにバルブの全開位置として認識され、この状態をEEPROM70に全開位置データとして記録する。
(9) When the
(10)全開位置の記録後には、電動モータ2への通電がオフとなり、その回転が停止する。
(10) After recording the fully open position, the electric power to the
(11)上述の動作により、「自動角度設定モード」での出力軸4の全閉位置・全開位置が設定が完了となる。これらの完了後には外部電源のオフ状態を確認し、自動角度設定機能選択スイッチ63を「自動角度設定モード」から「通常動作モード」に切り替えるようにする。
(11) With the above-described operation, the setting of the fully closed position / full open position of the
(12)アクチュエータ1から治具6を持ち上げるようにして取り外す。このとき、嵌合部51、突起部43は、凹状溝20、雌螺子14から簡単に外れるようになっている。
(12) Remove the
上記のアクチュエータ1の開閉位置設定後に、治具6の取付け位置にバルブ10を固定し、バルブ10のステム12を出力軸4に接続してこれらを同軸に回転させることで、バルブ10が高精度に開閉動作する。この場合、前述の「通常動作モード」の運転モードによりバルブが動作する。「通常動作モード」によるバルブの動作設定の一例を以下の(13)〜(22)の手順に示す。
After the opening / closing position of the actuator 1 is set, the
(13)外部電源を投入し、開閉指令に従って電動モータ2の回転方向を定めてduty100%通電の状態でアクチュエータ1を動作させる。
(13) The external power supply is turned on, the rotation direction of the
(14)このときのエンコーダIC31からの角度データ値をMPU40で逐次読み取る。
(14) The angle data value from the
(15)開閉指令が全開方向への指令であるときには、EEPROM70に記録された全開位置データとエンコーダIC31からの角度データ読取値とを比較し、全開位置データの数%(例えば3%〜5%)手前でモータ駆動回路60のPWM制御により電動モータ2への通電率を低減させ、全開位置データの0.5%以下になったら通電を中止すると共に、モータ回生制動回路61で制動を掛けるようにする。
その際、角度データ読取値が、EEPROM70の全開位置データを超えている場合には、閉方向に電動モータ2を逆回転させ、全開位置データの+0.5%以下に収まったときに通電を中止すると共に、モータ回生制動回路61で制動を掛けるようにする。
(15) When the open / close command is a command in the fully open direction, the fully open position data recorded in the
At this time, if the angle data read value exceeds the fully open position data of the
(16)角度データ読取値が、EEPROM70の全開位置データの93%以上になったときに、入出力インターフェース回路64により、開閉出力信号として全開信号を出力する。このときの閾値である93%は、ファームウェアの設定、もしくは図示しないDIPスイッチの設定で変更するものとする。このように、ロータリーエンコーダ30で読み取る角度データを常時監視し、予め設定した閾値と比較して信号を出力する構成であるため、拡張性を発揮可能であり、閾値を任意に設定することも可能になる。
(16) When the angle data read value becomes 93% or more of the full open position data of the
(17)開方向の指令運転において、EEPROM70の全開位置データとエンコーダIC31による角度データ読取値を比較し、予め設定した時間(例えば開閉時間×1.5)を経過しても全開位置データの±0.5%以内に収まらない場合には、電動モータ2への通電をオフとし、入出力インターフェース回路64よりエラー信号を出力する。
(17) In the command operation in the opening direction, the fully open position data of the
(18)一方、手順(15)における開閉指令が全閉指令であるときには、EEPROM70に記録された全閉位置データとエンコーダIC31からの角度データ読取値を比較し、全閉位置データの数%(例えば3%〜5%)手前でモータ駆動回路60のPWM制御により電動モータ2への通電率を低減させ、全閉位置データの0.5%以下になったら通電を中止すると共に、モータ回生制動回路61で制動を掛けるようにする。
その際、角度データ読取値が、EEPROM70の全閉位置データを超えている場合には、開方向に電動モータ2を逆回転させ、全閉位置データの−0.5%以下に収まったときに通電を中止すると共に、モータ回生制動回路61で制動を掛けるようにする。
(18) On the other hand, when the opening / closing command in the procedure (15) is a full-close command, the full-close position data recorded in the
At that time, if the angle data read value exceeds the fully closed position data of the
(19)角度データ読取値が、EEPROM70の全閉位置データの7%以下になったときに、入出力インターフェース回路64より、開閉出力信号として全閉信号を出力する。このときの閾値である7%は、ファームウェアの設定、もしくはDIPスイッチの設定で変更するものとする。
(19) When the angle data read value becomes 7% or less of the fully closed position data of the
(20)閉方向の指令運転において、EEPROM70の全閉位置データとエンコーダIC31による角度データ読取値を比較し、予め設定した時間(例えば開閉時間×1.5)を経過しても全閉位置データの±0.5%以内に収まらない場合には、電動モータ2への通電をオフとし、入出力インターフェース回路64よりエラー信号を出力する。
(20) In the command operation in the closing direction, the fully closed position data of the
(21)ここで、図3(b)における略180°の規制溝46を有する治具6を用いて180°の開閉制御或は中間開度に停止させる際には、モード設定回路66で動作モードを設定する。中間開度に設定する場合、EEPROM70に記録された全開・全閉位置データの中心値を中間位置データとしてEEPROM70に演算によりあらたに記録設定し、中間位置でも停止できるようにファームウェアのルーチンを切替えて対応する。
(21) Here, when the
(22)中間位置の指令運転において、EEPROM70に記録された中間位置データとエンコーダIC31による角度データ読取値を比較し、予め設定した時間(例えば開閉時間×1.5)を経過しても中間位置データの±0.5%以内に収まらない場合には、電動モータ2への通電をオフとし、入出力インターフェース回路64によりエラー信号を出力する。
(22) In the intermediate position command operation, the intermediate position data recorded in the
本発明のバルブ用電動アクチュエータの開閉位置設定構造は、出力軸4と同軸に設けた制御軸22側にロータリーエンコーダ30を設け、ステム12と接続される出力軸4側のバルブ固定位置の基台15の雌螺子14を介して治具6を固定し、この治具6により出力軸4の回転を規制したときに、制御軸22の状態をロータリーエンコーダ30で計測してバルブ開閉位置を設定しているため、マイクロスイッチやカムを用いることなく、アクチュエータ1単独で出力軸4のバルブ開閉位置の調整をおこなうことができる。
The open / close position setting structure of the electric actuator for valve according to the present invention includes a
この場合、ロータリーエンコーダ30が、非接触のエンコーダIC31、マグネット32を有し、エンコーダIC31を基板5に搭載し、このエンコーダIC31に対向してマグネット32を制御軸22の上端にホルダ33を用いて一体に装着していることにより、これらを接触させることなく配置でき、調整工数を削減しつつ簡便かつ正確に取付けできる。このため長寿命を延長でき、マイクロスイッチの接点が中立点に位置する現象による出力信号の不正な発生も防止する。
In this case, the
エンコーダIC31、φ8mm〜φ10mmによるマグネット32を使用していることで小型化したロータリーエンコーダ30を構成し、アクチュエータ1の高さ寸法を低く抑えて全体のコンパクト化に寄与する。
By using the
一組のエンコーダIC31とマグネット32とを面実装により配設していることで部品点数を削減でき、アクチュエータ1内部に複雑な配線を必要とすることもなく、これらを細かく位置決め調整しつつ配置する必要もない。
By arranging a set of
電動モータ2への電圧をモータ駆動回路内の半導体(MOS_FET、パワートランジスタ)スイッチでオンオフできることで、機械的接点部によるアーク放電を阻止し、接触抵抗の増加や発熱による各部品の接点部の摩耗、溶け込み、微溶着などによる動作不良を排除できる。これに加えて、電極の溶解を回避することで接点部分の金属転移が無く、復帰不良(ロッキング)の発生も防止する。
さらに、アクチュエータ1の使用環境に硫化ガス等のガスが存在する場合でも、接点部に絶縁物が生成付着することがない。
Since the voltage to the
Furthermore, even when a gas such as a sulfide gas exists in the environment where the actuator 1 is used, an insulator is not generated and adhered to the contact portion.
前述のようにエンコーダIC31とマグネット32とが接触していないため、アクチュエータ1が車両などの振動や衝撃が発生しやすい環境下に配置される場合にも、破損、接点障害、誤作動を防いで長寿命化を図ることができる。制御軸22にその回転を検知するための側圧が加わることもないため、長期間の使用後にも制御軸22のガタを抑えて出力軸4の回転角度が変化するおそれもない。
As described above, since the
バルブ10が、90°開閉の二方型、或は180°回転する三方型の何れのボール弁の場合でも、対応する治具6をアクチュエータ1に装着すれば容易に対応でき、アクチュエータ1の内部機構、ハードウェア、ファームウェアによって「自動角度設定モード」の角度調整時に規制溝の異なる治具6を用いるだけで、必要とするバルブの制御角度に設定できる。さらに、規制溝の角度を変えるようにすれば、任意の動作角度に設定することもできるため汎用性が高い。
Regardless of whether the
なお、前述した電動アクチュエータをボール弁以外のバルブに搭載して開閉位置を設定するようにしてもよく、例えば、バタフライ弁に搭載してその開閉位置を設定する場合、そのサイズや弁翼差値などの異なる仕様に応じて、異なる規制溝を有する治具を予め準備するようにすれば、前述の場合と同様に開閉位置の調整を簡単に実施できる。 The electric actuator described above may be mounted on a valve other than the ball valve to set the open / close position. For example, when the open / close position is set on a butterfly valve, the size or valve blade difference value may be set. If a jig having different restriction grooves is prepared in advance according to different specifications such as, the opening / closing position can be easily adjusted as in the case described above.
本発明は、ステッピングモータのような高精度のモータを使用したアクチュエータ以外の汎用的なモータで動作するアクチュエータに特に有効であり、制御角度データ格納用としてEEPROMのような不揮発性メモリを使用していれば、簡便な構造にしつつバルブ開閉位置をステッピングモータを使用した場合と同様に正確に設定することができる。 The present invention is particularly effective for an actuator that operates with a general-purpose motor other than an actuator that uses a high-precision motor such as a stepping motor, and uses a nonvolatile memory such as an EEPROM for storing control angle data. Then, the valve opening / closing position can be accurately set as in the case of using the stepping motor while having a simple structure.
上記実施形態では、出力軸(制御軸)の回転状態を計測するためにロータリーエンコーダを用いているが、例えばジャイロセンサのような出力軸の回転角度を計測する装置を用いるようにしてもよい。 In the above embodiment, the rotary encoder is used to measure the rotation state of the output shaft (control shaft). However, for example, a device that measures the rotation angle of the output shaft such as a gyro sensor may be used.
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、前記実施の形態記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the scope does not depart from the spirit of the invention described in the claims of the present invention. Thus, various changes can be made.
1 バルブ用電動アクチュエータ
2 DCブラシレスモータ(電動モータ)
3 減速歯車列
4 出力軸
6 治具
10 ボール弁(バルブ)
11 弁体
12 ステム
14 雌螺子
20 凹状溝
22 制御軸
30 ロータリーエンコーダ
31 エンコーダIC
32 マグネット(被検出体)
41 取付部材
42 回転部材
43 突起部
45 規制溝
51 嵌合部
52 規制部
1 Electric actuator for
3
11
32 Magnet (Detected object)
41 Mounting
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