特許 7196649 電動アクチュエータ及びその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-19

(45)【発行日】2022-12-27

(54)【発明の名称】電動アクチュエータ及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/04 20060101AFI20221220BHJP

【ＦＩ】

F16K31/04 K

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019016752

(22)【出願日】2019-02-01

(65)【公開番号】P2020125765

(43)【公開日】2020-08-20

【審査請求日】2022-01-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】日立金属株式会社

(72)【発明者】

【氏名】山本 浩史

【審査官】清水 康

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－３１７９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭４９－０２７９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－０３８７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－２９６２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／００４０７９８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００８－５１９９５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ３１／００ － ３１／０５

Ｆ１６Ｋ ３７／００

Ｆ１６Ｋ ５／００ － ５／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

弁体が連結される主軸と、前記主軸を回転させる電動モータと、前記電動モータに制動力を与える制動部と、前記主軸の回転が目標停止角度の手前に設けられた所定の回転角度に到達したときに到達信号を出力する位置検出部と、前記電動モータ及び前記制動部を制御する制御部と、を有する電動アクチュエータにおいて、
制御部は、
前記制動部に制動信号が出力されて前記電動モータが停止したときの主軸の回転角度と、前記電動モータの回転速度とに関わる制動情報が記憶された記憶部と、
前記電動モータからの回転速度信号が入力される回転速度入力部と、
前記位置検出部からの前記到達信号が入力される到達信号入力部と、
前記到達信号が入力されてから制動部に制動信号を出力するまでの時間である制動開始時間を、前記電動モータの回転速度と前記制動情報とに基づいて求める制動開始時間演算部と、
前記制動開始時間をカウントするタイマ部と、
前記制動部に前記制動信号を出力する制動信号出力部と、を有し、
前記制動信号は、前記位置検出部から前記到達信号が入力されてから前記制動開始時間が経過したときに、前記制動部に出力されることを特徴とする電動アクチュエータ。

【請求項2】

弁体が連結される主軸と、前記主軸を回転させる電動モータと、前記電動モータに制動力を与える制動部と、前記主軸の回転が目標停止角度の手前に設けられた所定の回転角度に到達したときに到達信号を出力する位置検出部と、を有する電動アクチュエータの制御方法であって、
前記主軸の回転速度を検出するステップと、
前記主軸が所定の回転角度に到達したことを検出するステップと、
前記主軸の回転速度を参照して、前記主軸が前記所定の回転角度に到達してから前記制動部に制動信号を出力するまでの時間である制動開始時間を求めるステップと、
前記主軸が前記所定の回転角度に到達したことを検出して前記制動開始時間が経過したときに、前記制動部に前記制動信号を出力するステップと、
を有する電動アクチュエータの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バルブの開閉動作をおこなうための電動アクチュエータ及びその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスや水などの各種流体を流す流路には、流路を遮断又は開放するためにボールバルブやバタフライバルブなどのバルブが使用されている。従来から、これらのバルブの開閉動作をおこなうために、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている電動アクチュエータが使用されている。一般的に、電動アクチュエータは、電動モータと、弁体と連結される主軸と、電動モータの回転速度を所望の回転速度に減速して主軸に伝える減速ギヤセットと、弁体が開の位置に到達したことを検出する開側リミットスイッチと、弁体が閉の位置に到達したことを検出する閉側リミットスイッチと、電動モータを制動して停止時に主軸の停止位置を保持する制動部を備えている。

【0003】

この電動アクチュエータは、弁体が開の位置又は閉の位置に到達するまで電動モータを回転させ、弁体が開の位置又は閉の位置に到達したときに電動モータへの給電を停止し、さらに制動部を作動させて電動モータの回転を停止させることでバルブを開閉することができる。電動モータは、給電の停止及び制動部の作動がされたあとも直ちに停止することができず少しの間は慣性によって回転し、制動部を作動させてから一定の時間が経過したあとに停止する。そのため、電動モータへの給電が停止される開の位置及び閉の位置は、バルブが全開又は全閉になる位置で弁体が停止するように、その時間差が考慮されて調整される。

【0004】

この電動アクチュエータによれば、単一のバルブ開閉速度で動作させる場合は、そのバルブ開閉速度に応じて開の位置又は閉の位置を調整することで、バルブが全開又は全閉となる位置で弁体を精度よく停止させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１３－５７３９４号公報

【文献】特開２０１４－９２１７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

要求されるバルブ開閉速度は、バルブの用途や流す流体の種類によって異なる場合がある。上記した従来の電動アクチュエータによれば、電動モータの出力トルクの範囲内であれば容易に電動モータの回転速度を変えることができるので、バルブ開閉速度を速くしたり遅くしたりすることは容易である。しかしながら、従来の電動アクチュエータは、電動モータへの給電が停止される開の位置（又は閉の位置）が単一のバルブ開閉速度用に調整されているので、異なるバルブ開閉速度で動作させた場合には、電動モータへの給電の停止と制動部の作動が、単一のバルブ開閉速度用に調整されたタイミングでなされると弁体の停止位置にずれが生じる。

【0007】

バルブの開閉速度を可変にし、かつ、バルブの開閉速度によらず弁体を確実に停止位置で停止させる手段として、例えば弁体が連結される主軸やモータの回転軸の回転位置を連続的に監視することによって弁体の位置を常に把握し、弁体の位置情報に基づいてモータを制御する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、弁体の位置を連続的に把握するための機器を別途設けたり、複雑な制御を行ったりする必要があるので電動アクチュエータが高価になる。

【0008】

本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、弁体の開閉速度を設定可能範囲内で変えて動作させた場合でも弁体を目標とする停止位置（全開位置、全閉位置）に精度よく停止させることができる、安価な電動アクチュエータ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】

【0009】

上記の目的を達成するために、本発明に係る電動アクチュエータは、弁体が連結される主軸と、主軸を回転させる電動モータと、電動モータに制動力を与える制動部と、主軸の回転が目標停止角度の手前に設けられた所定の回転位置に到達したときに到達信号を出力する位置検出部と、電動モータを制御する制御部と、を有する電動アクチュエータである。制御部は、制動部に制動信号が出力されて電動モータが停止したときの主軸の回転角度と、電動モータの回転速度とに関わる制動情報が記憶された記憶部と、
電動モータからの回転速度信号が入力される回転速度入力部と、
位置検出部からの到達信号が入力される到達信号入力部と、
到達信号が入力されてから制動部に制動信号を出力するまでの時間である制動開始時間を、電動モータの回転速度と制動情報とに基づいて求める制動開始時間演算部と、
制動開始時間をカウントするタイマ部と、
制動部に制動信号を出力する制動信号出力部と、を有する。
本発明に係る電動アクチュエータは、以上の構成を備え、位置検出部から到達信号が入力されてから制動開始時間が経過したときに、制動部に制動信号を出力するものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る電動アクチュエータ及び電動アクチュエータの制御方法は、制動部に制動信号を出力するタイミングを電動モータの回転速度を参照して求め、回転速度毎に適切なタイミングで電動モータを停止させることができるので、電動モータを異なる回転速度で動作させた場合でも弁体を目標とする停止位置に精度よく停止させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の電動アクチュエータの模式図である。

【図2】本発明の電動アクチュエータのブロック図である。

【図3】図におけるＡＡ矢視断面図である。

【図4】本発明における制動情報の一例である

【図5】本発明における制動情報の一例を示す線図である。

【図6】本発明の第２の実施の形態の電動アクチュエータの模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の詳細について、図を参照しつつ説明する。なお、ここに記載する実施の形態はあくまで例示に過ぎず本発明はこれに限られない。

【0013】

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の電動アクチュエータを簡単に示す模式図である。図２は、本発明の電動アクチュエータの制御部の詳細を示すブロック図である。図３は、図１におけるＡＡ矢視断面図である。図１では、電動アクチュエータが装着されるバルブも電動アクチュエータと共に示されている。

【0014】

図１に示すように、電動アクチュエータ１は例えばボールバルブＶなどのバルブと接続されて使用される。ボールバルブＶは、弁箱Ｖ１と、球状の弁体Ｖ２と、弁箱と弁体とを摺動可能にシールするシートリングＶ３と、弁箱内の流路と直交する方向から弁体に接続される弁棒Ｖ４とを有している。弁体Ｖ２は、弁棒Ｖ４が軸心周りに回されると、弁棒Ｖ４と共に回転して弁箱Ｖ１内の流路ＦＰを開閉する。本実施の形態では、電動アクチュエータに接続されるバルブとしてボールバルブを使用した場合について示しているが、接続されるバルブはこれに限られない。電動アクチュエータは、例えば、バタフライバルブやセグメントボールバルブにも使用することができる。

【0015】

電動アクチュエータ１は、弁体Ｖ２が連結される主軸２と、主軸２を回転させる電動モータ３と、電動モータ３に制動力を与える制動部４と、主軸２の回転が目標停止角度の手前に設けられた所定の回転角度に到達したときに到達信号Ｓ２を出力する位置検出部５と、電動モータ３を制御する制御部６と、を有する。

【0016】

主軸２は、弁体Ｖ２と連結されている。本発明において、主軸２と弁体Ｖ２とは直接連結されていてもよく、また図１に示すように弁体Ｖ２と連結されている弁棒Ｖ４などの他の部材を介して間接的に連結されていてもよい。主軸２と弁棒Ｖ４とは、互いの位置が相対的に移動することなく同軸上に固定することができる図示されないアダプタなどの部材で連結されている。弁体Ｖ２は、主軸２が回転することで弁棒Ｖ４と共に回転する。

【0017】

電動モータ３は、制御部６の指令によって回転と停止をすることができ、指示された回転速度で正方向及び逆方向に回転するように設けられている。電動モータ３は、例えば複数の平歯車が組み合わされた減速ギヤセットＧを介して回転軸３１が主軸２と連結され、高速で回転する回転軸３１の回転速度は減速ギヤセットＧによって減速されて主軸２に伝達される。一例として、減速比が１／３００の減速ギヤセットＧを使用した場合、回転軸３１の回転速度は１／３００に減速されて主軸２に伝達される。この場合、例えば電動モータ３の回転軸３１の回転速度が４５００ｒｐｍの場合は、主軸２の回転速度は１５ｒｐｍとなる。

【0018】

制動部４は、電動モータ３に連結され、制御部６から入力される制動信号Ｓ３によって電動モータ３を制動する部分であり、例えば励磁作動型の電磁ブレーキなどである。

【0019】

位置検出部５は、主軸２の回転角度が目標停止角度の手前に設けられた所定の回転角度に到達したときに到達信号Ｓ２を制御部６に出力する部分である。本発明において、目標停止角度とは、最終的に停止させる目標とする主軸２の回転角度のことである。例えば弁体Ｖ２を全開又は全閉の位置で停止させる場合の目標停止角度は、弁体Ｖ２が全開又は全閉となるときの主軸２の回転角度である。位置検出部５には、主軸２が回転して所定の回転角度に到達したときに、主軸２に固定されたカムによって作動してＯＮ・ＯＦＦが切り替わるリミットスイッチや、エンコーダ、ロータリーポテンショメータなどを使用することができる。

【0020】

制御部６は、バルブの動作を制御する制御回路であり、記憶部６１と、回転速度入力部６２と、到達信号入力部６３と、制動開始時間演算部６４と、タイマ部６５と、制動信号出力部６６と、を有する。

【0021】

記憶部６１には、制動部４に制動信号Ｓ３が出力されて電動モータ３が完全に停止したときの主軸２の回転角度と、電動モータ３の回転速度とに関わる制動情報が記憶されている。

【0022】

図１及び図３を参照して、流路ＦＰに対して主軸２及び弁体Ｖ２を回転角度θ＝０°から回転角度θ＝９０°に回転させてボールバルブＶを全開から全閉にする場合の制動情報の一例について具体的に説明する。ここで、回転角度θは、流路ＦＰの中心線Ｘ１と弁体Ｖ２内の空洞の中心線Ｘ２との間の角度である。図３のボールバルブＶでは、回転角度θが０°のときが全開、θ＝９０°のときが全閉の状態である。θ＝０°とθ＝９０°との間の所定の回転角度θａは、電動モータ３に停止信号Ｓ４が出力されると共に制動部４に制動信号Ｓ３が出力されるときの主軸２の回転角度である。所定の回転角度θａは、電動モータ３を使用可能な速度範囲内で最も高速で回転させた場合に、弁体Ｖ２を全閉位置又は全閉位置の手前の所定の位置で停止させることができる位置に決められている。所定の回転角度θaをこの位置にすることにより、電動モータ３の使用可能な速度範囲内のいずれの回転数で回転させても主軸２が目標停止角度を超えてしまうことがない。主軸２が所定の回転角度θａに到達することの検出は、主軸２の回転角度を位置検出部５で検出することで行われる。

【0023】

制動情報は、電動モータ３が制動されて完全に主軸２が停止する実際の回転角度θｒと目標停止角度θｔ(バルブを全閉にする場合は９０°)とのずれ量Δθと、電動モータ３の回転速度との関係を示す図４及び図５に示されるような情報であり、電動モータ３の回転速度毎に予め実測されたデータから求められた、ずれ量Δθを回転速度の関数で表した情報などである。

【0024】

回転速度入力部６２は、電動モータ３が出力する回転速度信号Ｓ１が入力される。回転速度信号Ｓ１は、例えば電動モータ３が備えるホールセンサが出力するパルス信号である。電動モータ３は、回転軸３１が一回転する毎に決まったパルス数（例えば、４パルスなど）のパルス信号が出力されるので、パルス信号の周波数と一回転当たりのパルス数から回転軸３１の回転速度を求めることができる。

【0025】

到達信号入力部６３は、位置検出部５からの到達信号Ｓ２が入力される。到達信号Ｓ２は、例えば前述したリミットスイッチからのＯＮ・ＯＦＦ信号である。この場合、到達信号入力部６３に入力された到達信号Ｓ２の状態を確認することで、主軸２が所定の回転角度θａに到達したことを判断することができる。

【0026】

制動開始時間演算部６４は、制動開始時間を求める。本発明において、制御開始時間とは、到達信号Ｓ２によって主軸２が所定の回転角度θａに到達したと判断されてから、制動部４に制動信号Ｓ３の出力を開始するまでの時間のことである。本実施の形態で例示する形態の場合、制動開始時間ｔは次のようにして求めることができる。まず、到達信号Ｓ２が入力されると、電動モータ３の回転速度Ｒを参照して制動情報からずれ量Δθが求められ、次いで、求められたずれ量Δθと電動モータ３の回転速度Ｒから、その回転速度Ｒのときに主軸２がずれ量Δθを移動するために必要な時間が求められる。この時間が制動開始時間ｔである。電動アクチュエータ１は、到達信号Ｓ２が入力されてから制動開始時間ｔが経過したときに制動信号Ｓ３を制動部４に出力することで、主軸２を目標停止角度で停止させることができる。

【0027】

タイマ部６５は、到達信号Ｓ２が入力されてから、制動開始時間演算部６４で求められた制動開始時間ｔをカウントする。

【0028】

制動信号出力部６６は、位置検出部５から到達信号Ｓ２が入力されてから、タイマ部６５でカウントされた制動開始時間ｔが経過したときに制動部４に制動信号Ｓ３を出力する。

【0029】

第１の実施の形態の電動アクチュエータ１によれば、以上に説明した各部の動作により、制御部６から電動モータ３及び制動部４に電動モータ３の回転速度に応じて適切なタイミングで制動信号Ｓ３を出力して主軸２を精度よく目標停止角度で停止させることができるので、同様に弁体Ｖ２も精度よく目標とする停止位置に停止させることができる。また、弁体Ｖ２の開閉動作の途中で電動モータ３の回転速度を切り替えるような使用形態にも対応可能である。

【0030】

以上においては、一例として、目標停止角度θｔが９０°の場合、すなわちバルブにおいて弁体を全閉の位置で停止させる場合について説明しているが、本発明はこれに限られない。本発明の技術的思想には、弁体を全開の位置で停止させる場合や、任意の停止位置で停止させる場合も含まれる。

【0031】

（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態の電動アクチュエータを示す模式図である。図６において、第１の実施の形態の電動アクチュエータと共通する部分は、同一の記号を付して説明を省略する。電動アクチュエータ１ａは電動モータ３ａを有する。電動モータ３ａは、停止信号Ｓ４ａが入力されると回転が停止されると共に自身を十分に制動できる機能を有する電動モータである。すなわち、電動アクチュエータ１ａでは、第１の実施の形態における制動部４が省略されており、電動モータ３ａが制動部４を兼ねている。また、停止信号Ｓ４ａは、第１の実施の形態における制動信号Ｓ３を兼ねている。

【0032】

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、電動アクチュエータの制御方法である。電動アクチュエータの制御方法の詳細については、上記において説明を終えているのでここでは説明を省略する。本発明の電動アクチュエータの制御方法は、発明の要旨を逸脱しない範囲で他の電動アクチュエータにも適用することができ、本発明の電動アクチュエータの制御方法が適用できる電動アクチュエータは、第１の実施の形態及び第２の実施の形態で説明された電動アクチェータに限られない。例えば、本発明の電動アクチュエータの制御方法は、電動モータの回転速度Ｒと制動開始時間ｔとの関係を制動情報として予め求めておき、その制動情報と電動モータの回転速度とに基づいて制動開始時間を求めるような電動アクチュエータにも適用することができる。

【符号の説明】

【0033】

１、１ａ：電動アクチュエータ
２：主軸
３、３ａ：電動モータ
３１：回転軸
Ｇ：減速ギヤセット
４：制動部
５：位置検出部
６、６ａ：制御部
６１：記憶部、６２：回転速度入力部、６３：到達信号入力部
６４：制動開始時間演算部、６５：タイマ部、６６：制動信号出力部
Ｖ：ボールバルブ
Ｖ１：弁箱、Ｖ２：弁体、Ｖ３：シートリング、Ｖ４：弁棒
Ｓ１：回転速度信号、Ｓ２：到達信号、Ｓ３：制動信号、Ｓ４、Ｓ４ａ：停止信号
θ：回転角度、θa：所定の回転角度、θｒ：実際の回転角度、θｔ：目標回転角度
Δθ：ずれ量
Ｒ：回転速度
ｔ：制動開始時間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】