(57)【要約】  本発明は、モータ付きアクチュエータを提供するものであり、モータ（１）の動力を、ウォーム（３）及びウォーム歯車（２）又は逆駆動できない他のギア歯を介して、アクチュエータの出力シャフト（４）へと伝導するものであり、アクチュエータは、代替的な手動ドライブを有している。手動ドライブは、ハンドホイール（３７）とクラッチ（２５）とレバー（４４）とから構成され、モータによるパワードライブから手動ドライブモードへと変換する。更に、アクチュエータは、モータ（１）と出力シャフト（４）の間に中間シャフト（２４）を有する。中間シャフト（２４）を駆動するため、ハンドホイール（３７）は、シャフトにより運ばれ又は少なくとも動作可能なように中間シャフト（２４）にリンクされる。クラッチ機構は、中間シャフト（２４）と共に又は上部に備えられる。中間シャフト（２４）は、モータとウォーム（３）／ウォーム歯車（２）間に配置され、中間シャフト（２４）と共に又その上部に備え付けられたクラッチ機構は、レバー（４４）を操作して、アクチュエータを手動ドライブモードとすることにより、自由に操作される。従来のモータ出力の使用で、出力シャフトにトルクが発生し、逆駆動しないウォーム（３）／ウォーム歯車（２）の歯がロックされるものでも、本発明のクラッチ機構においてはロックされない。
2007516390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータからの動力を、逆駆動できないギア歯を介して、アクチュエータの出力シャフトへと伝えるモータ付きバルブアクチュエータであって、
前記アクチュエータは代替的な手動ドライブを備え、
前記手動ドライブはハンドホイールと、クラッチと、モータパワードライブから手動ドライブへと変換するレバーと、を備え、
前記アクチュエータは、更に、モータと、出力シャフトの間に中間シャフトと、を備え、
前記ハンドホイールは、前記中間シャフトを駆動するために、該シャフトにより運ばれ、又は少なくとも動作可能に中間シャフトにリンクされ、
前記中間シャフトは、モータとギア歯の間に配置され、それによって、アクチュエータを手動ドライブモードにするために、レバーが操作された時に、クラッチ機構が実質的に自由に動作し、出力シャフトにトルクが、従来のモータパワーの出力によって発生され、不可逆駆動ギア歯がロックされても、そのクラッチ機構は実質的にはロックされないことを特徴とするモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項２】
前記ウォーム及びウォーム歯車の構成を含むギア歯が、逆駆動できないことを特徴とする請求項１に記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項３】
前記クラッチ機構が、前記中間シャフトと共に又はその上部に備え付けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項４】
前記アクチュエータは、前記中間シャフトに結合されるギア減衰ドライブを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項５】
前記ハンドホイール、レバー及び１つ又はそれ以上のクラッチ構成材の内の少なくとも１つ以上が、プラスチック鋳型により形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項６】
前記クラッチが、動クラッチ部材及び共同する円錐状表面を備えた共同クラッチオペレータを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項７】
前記動クラッチ部材上を滑る円錐状表面とクラッチオペレータとが、少なくとも動クラッチ部材の円錐状表面を部分的に覆っているクラッチオペレータの円錐状表面によって構成されており、このため、クラッチ切り離し操作の始めには、十分な接触エリアが存在し、該エリアは、クラッチ部材が手動ドライブ位置に上がるに伴い、線状の接触へと向かい、急速に減少することを特徴とする請求項６に記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項８】
前記アクチュエータは、前記レバーにより駆動される回転カム部材を有し、該部材は、レバーにより駆動され、また、滑る円錐状表面を介してレバーの移動と動クラッチ部材の間で、機械的な有効性を変化させるために、クラッチオペレータと共同することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項９】
前記レバーの回転軸が、前記ハンドホイールと平行であって、その近接した位置に配置されていることを特徴とする先行請求項のいずれかに記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項１０】
前記レバーが曲線状の形状をしていて、前記ハンドホイールの外周円の下側に、ハンドホイール軸の周囲の一部を回転するように配設されていること特徴とする請求項９に記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項１１】
前記アクチュエータは、手動ドライブの結合において、クラッチをラッチするためのラッチ部材を含むことを特徴とする先行請求項のいずれかに記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項１２】
前記ラッチ部材が、歯を備え、該歯は、手動ドライブモードにおいて、アクチュエータにラッチするため、アクチュエータのドライブトレインにあるギアホイールの歯と結合し、それによって、手動ドライブ時には、確実な結合がなされ、パワードライブモードへと戻る時には、確実に切り離すための動力がもたらされることを特徴とする請求項１１に記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項１３】
前記ギアホイールは、モータにより駆動され、中間シャフトと共に又はその上部に備え付けられ、前記ギアホイールが、クラッチの操作により、中間シャフトを駆動するために、選択的に中間シャフトに結合されることを特徴とする請求項１２に記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項１４】
前記ラッチ部材は、枢軸の中心に置かれ、その近接にはラッチ部材と共同する平面バネ手段を備え、前記平面バネ手段は、手動ドライブに結合するラッチ位置になるよう、ラッチ部材にバイアスを与えて、回転させることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項１５】
前記ラッチ部材は、切子面の突起を備え、該突起が、平面バネ手段と共同するため、「トレイリング」切り離し位置において、前記ラッチ部材は、その部材と確実に接触しないように固定され、もしくは、手動ドライブに結合するラッチ位置に結合することを特徴とする請求項１４に記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項１６】
前記アクチュエータのラッチ機構が、少なくとも、１つの静的なポストを含み、該ポストは、「トレイリング」位置からラッチした位置へとラッチ部材を確実に回転させるために、レバーが操作されるのに伴う前記ラッチ部材の移動と関連することを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれかに記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項１７】
前記ラッチ機構は、１組の所定距離にある静的なペグを備え、該１組のペグは、２つの「トレイリング」位置のいずれかから中央のラッチした位置へとラッチ部材を確実に回転させるために、レバーが操作されるのに伴ってラッチ部材が移動する間にあることを特徴とする請求項１６に記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項１８】
前記クラッチは、動クラッチ部材を含み、前記中間シャフトは、ウォーム又はウォーム歯車を駆動するためのシャフトの共同ギアに共同するためにピニオンギア歯を有し、更に、中間シャフトは、動クラッチ部材と共同するスプラインを備え、それによって、前記動クラッチ部材は、中間シャフトの縦方向を、回転しながら滑ることができ、前記ピニオンギア歯は、中間シャフトの縦方向に延伸され、ピニオンギア歯の縦方向に延伸した部分にはスプラインが形成されることを特徴とする先行請求項のいずれかに記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項１９】
前記中間シャフト上のピニオンギア歯を縦方向に延伸したことで、直径方向にはスリム化されることを特徴とする請求項１６に記載のモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項２０】
代替的な手動ドライブを備えたタイプのモータ付きバルブアクチュエータであって、
前記手動ドライブは、ハンドホイールと、クラッチと、モータパワードライブから手動ドライブモードへと変換するレバーと、を含み、
前記アクチュエータは、手動ドライブ又はモータドライブのための結合において、前記クラッチにラッチするラッチ部材を含み、
前記ラッチ部材は、歯を備え、該歯は、手動ドライブ時に確実な結合をなすため、アクチュエータのドライブトレインにあるギアホイールの歯と結合し、それよって、手動ドライブ時には、正確な結合がなされ、パワードライブモードへと戻る時に、確実に切り離す動力がもたらされることを特徴とするモータ付きバルブアクチュエータ。
【請求項２１】
代替的な手動ドライブを備えたタイプのモータ付きバルブアクチュエータであって、
前記手動ドライブは、ハンドホイールと、クラッチと、モータパワードライブから手動ドライブモードへと変換するレバーと、を含み、
前記アクチュエータは、手動ドライブ又はモータドライブのための結合において、前記クラッチにラッチするラッチ部材を含み、
前記ラッチ部材は、レバーが動かされるのに相応して、固定されたポストによって、ラッチされる手動ドライブ位置のラッチとなるよう折り曲げられ、バネ手段が、ラッチ部材にバイアスを与えて手動ドライブで結合されるラッチ位置にまで、十分に曲げることを特徴とするモータ付きバルブアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転部材から、被回転部材へと動力を伝達するための駆動装置に関するものであり、特に、バルブや水門、導水路及び流体の流れを制御する装置を操作するために用いられることに限られるものではない。本文における「流体」とは、サスペンションにおける液体、ガス、蒸気及び固体を含んだ液体といった複状流体を含むものである。
【背景技術】
【０００２】
モータ付きバルブを操作するのに用いられるために設計されたアクチュエータドライブの典型的な例としては、駆動部材は、電気モータであり、また、被駆動シャフトの減衰ドライブは、ウォーム及びウォーム歯車の形状であり、後者は、バルブの動力構成要素を操作するアクチュエータの出力シャフト又は「カラム」に適合又はそうでなければ固定されている。
【０００３】
バルブアクチュエータ技術において、回転駆動部材又はアクチュエータの部材によって生じた力やねじれは、被回転部材のギアリングを通じて伝達されるようにした配置が一般的に行われていて、これは、駆動部材に動力が供給されなかったり、バルブ内の圧縮流体が過剰になりアンバランスな力が発生したときに起こりうる問題を解消するものであって、バルブ駆動部材の作用により、「バックドライブ」となったアクチュエータギアトレインに対して、静止状態又はバルブアクチュエータの最後の操作によって決定された流体経路の最終位置から、置換されたバルブ駆動部材により生じる。
【０００４】
アクチュエータギアトレインにおける逆駆動の可能性を解決するのに用いられる、ある一般的な方法は、ウォーム／ウォーム歯車の歯に十分な減衰比を用いることであり、その結果、トルクがウォーム歯車側の駆動に適応されるとき、ドライブのロックを引き起こす歯の表面において、通常の摩擦係数で結合されるウォームのリード角度は低い値となる。
【０００５】
モータ付きバルブにおいて、繰り返しの操作の後に残存している、この「ロックイン」したトルクは、かなりの強さになりうるものであり、特に、バルブ部の上流及び下流の間における流体の漏れを除去するために、駆動部材が配置されているバルブにおいて生じる。
【０００６】
力が不足したときにもバルブの操作を可能とするために、又は、パイプライン装置の設置や修理の時に、２箇所クラッチ及び手動操作ハンドルが備えられる。これらの部材は、通常、ウォーム歯車を動かすアクチュエータ出力シャフトに備えられる。クラッチは手動レバーで操作される。そのレバーは、静止状態でバイアスのかかったバネであり、駆動装置の通常状態をパワードライブモードに切り替えるものである。操作角いっぱいにレバーを操作することにより、クラッチ動部材が、パワードライブ位置から切り離されて、それを手動ドライブ位置に移動させる。同時にレバーは、ラッチ機構を操作して、レバーが解除されて静止位置に戻る時に、クラッチを手動ドライブモードに留まることを確実にする。ラッチ機構は、再びパワードライブに結合されるまでの間、アクチュエータを手動ドライブ状態に維持するよう設計されている。ドライブトレインのクラッチ切り離し部材の回転により、自動的にラッチ機構が解除され、クラッチ動部材がバネの負荷の下で、元のパワードライブ位置へと戻ることを可能とする。
【０００７】
このパワードライブモードへの自動反転は、バルブ操作技術の一般的な特徴であり、また、点検等の後に、うっかり手動ドライブモードにしたままになったバルブアクチュエータの確認をするために、時には離れた場所にある、無人サイトにオペレーティングスタッフを送る必要を避けるものである。
【０００８】
既知のクラッチ部材が、出力シャフトに配置されていたり、静止したバルブとウォーム歯車上でロックされた歯の間における力／トルク経路の一部となっている時には、アクチュエータの出力シャフトで発生した高いトルク及び不可逆動ウォーム／ウォーム歯車の歯によってシャフトをロックされたままになることは、クラッチ結合部材に強い力を発生させる。
【０００９】
さらに、大口径のバルブでは、静止及び非静止状態のバルブの両者を用いるためには、相当な力が必要となり、クラッチをパワーモードから切り離して手動ドライブモードへと移動させるレバーと同じく、ハンドホイールに設けられた出力シャフトは、全て金属の構造といった、アクチュエータのサイズや重さに応じた、相当なものが必要となる。
【００１０】
この問題の一つの解決策が、米国特許広報４,３７０,９０２において明らかにされており、それによると、ウォーム歯車シャフトとアクチュエータの出力シャフトの間、又はカラムに付加的なスパーギア減衰トレインが挿入されるものである。これは、ウォーム歯車シャフトのねじれを、凡そ付加的スパーギアにおける各々の歯車部材に比例して減らすものであり、静止したバルブ軸からのトルクが依然として残存しているが、これは、アクチュエータクラッチのパワードライブ側においてロックされたギアドライブ比の減少によるものである。
【００１１】
本発明は、クラッチ構成のパワードライブ側からのトルクによるロックを解消し、さらに、ハンドホイールで必須の操作トルクを削減し、手動でレバーやハンドルを操作する苦労の必要なく、クラッチ、レバー及びハンドホイールの構成を形成する構成材の小型化を実現し、もし必要なら、プラスチックや強化プラスチック材料の形成鋳型による製造をも可能とする。
【００１２】
レバー操作の後の手動モードにおいて、アクチュエータドライブを支えるバルブアクチュエーション技術に用いられ、ドライブモータが回転し始めると即座に自動的にパワードライブに変換する、典型的な既存方法は、ウォーム歯車の一面とクラッチ動部材との間の支持機構を備えることにより達成される。この機構は、ハンドドライブ位置にあるクラッチ動部材とパワードライブ位置のクラッチ動部材を押しやる圧縮バネの手法とによるものである。それを支持する機構の基本的な特徴は、軸となるラッチ部材であり、これはウォーム歯車に近接した支持材の端部を形成するものである。ラッチ部材には、軽いセンタリングバネが備えられ、これは、手動操作が選択された時に、ウォーム歯車の表面に正確な角度で部材を固定するものである。
【００１３】
パワードライブ下でウォーム歯車が回転し始めると即座に、ホイール動表面とラッチ部材の最下部の間の摩擦は、軽いセンタリングバネ手段に勝り、ラッチ角度を約９０度に回転させて、ウォーム歯車表面と平行な位置にする。その結果、ウォーム歯車に対して軸方向におけるラッチ部材の軸の移動は、クラッチ動部材をパワードライブに結合するのに十分なものである。
【００１４】
この既存の自動的にパワードライブに結合させる配置でも十分である一方、処置に失敗すると、小さなワイヤーセンタリングバネの使用に依存することになる。
【００１５】
また、その機構を操作するために、ラッチ部材とウォーム歯車の表面の間の表面摩擦に依存する必要性から、ラッチにおいては、手動ドライブモードにおける「確実なロック」とはならないことになる。
【００１６】
この発明の更なる目的は、摩擦力に依存せずにラッチやその他を解除して自動的にクラッチを再結合するラッチ機構を提供することであり、クラッチがパワードライブモードにある時に、ドライブの回転部材に接触していないラッチ部材に用いる機構を提供するものである。
【発明の開示】
【００１７】
本発明の第１の特徴によると、モータ付きバルブアクチュエータを提供するものであって、モータからの動力を、逆駆動できないギア歯を介して、アクチュエータの出力シャフトに伝えるもので、アクチュエータは代替的な手動ドライブを有し、手動ドライブは、ハンドホイールとクラッチ及びモータパワードライブから手動ドライブモードへと変換するレバーから構成され、更にアクチュエータは、モータ及び出力シャフトの間に中間シャフトを備え、中間シャフトを駆動するために、ハンドホイールが、それを動かすことによって又は少なくとも動作可能なように中間シャフトに結合される。特徴として、中間シャフトは、モータとギア歯の間に配置され、手動ドライブモードにおいて、アクチュエータを動かすためにレバーが操作された時、クラッチ機構は、実質的に自由に操作され、従来のモータ出力の使用で、出力シャフトにトルクが発生し、不可逆駆動となっているウォーム／ウォーム歯車の歯がロックされるような場合でも、本発明のクラッチ機構においてはロックされることはない。
【００１８】
適切には、逆駆動できないギア歯でウォーム及びウォーム歯車が構成されている。また、好ましくは、クラッチ機構が中間シャフトと共に又はその上に結合されている。
【００１９】
好ましくは、そのアクチュエータは、アクチュエータの出力シャフトを手動で駆動させることが更に容易になる中間シャフトに結合されたギア減衰ドライブを有している。
【００２０】
本発明のアクチュエータは、手動ドライブに結合する代わりに、モータからクラッチを切り離すことで、トルクによってクラッチがロックされないため、また、中間シャフトとウォームとの間に付加的な減衰ドライブを設備したことにより、必要となる手動ドライブの入力トルクが削減されるため、少なくとも１つ、また、好ましくはハンドホイール、レバー及び特定のクラッチ構成のいずれかは、強化プラスチック材料で形成される。
【００２１】
そのユニークなドライブ構造の結果、本発明のアクチュエータは、よりコスト面で効率的に構成され、また、よりコンパクトで軽く、既存のアクチュエータより、はるかに使用し易い。
【００２２】
更に、アクチュエータの改良は、動クラッチ部材と円錐状表面と共同する共同クラッチオペレータの形成も含まれ、クラッチがモータドライブ結合から、手動ドライブ結合へと、より容易に動かされるようにしたものである。動クラッチ部材上にある滑り円錐状表面及びクラッチオペレータは、好ましくは、動クラッチ部材の円錐状表面の周りの少なくとも一部を覆うような動クラッチ部材の円錐状表面により構成されているので、クラッチを切り離し操作の始めには、実質的な接触エリアが存在していて、クラッチ動部材が、手動ドライブ位置へと引き上げられて線的に接触するようになるにつれて、エリアは急速に縮小する。適切には、クラッチオペレータの円錐状表面は、動クラッチ部材の円錐表面の周りの１８０度を覆っている。
【００２３】
好ましくは、アクチュエータは、回転カム部材を有し、この部材は、レバーによって駆動され、また、レバーの移動と滑り円錐状表面を介した動クラッチ部材との間の機械的な優位性を変えるために、クラッチオペレータと共同する。このカム部材は、適切には、クラッチ切り離し操作の始めに、高い静的な摩擦係数を克服するために、高度な機械的優位性を提供するものであり、また、相対的に低い動的な摩擦係数に対して動作するとき、レバーの残りの移動のための低い機械的優位性の度合を提供する。そして、この低い機械的優位性の度合は、レバーのより小さなトータル角度の移動をもたらす。
【００２４】
特に好ましくは、レバーの回転軸は、平行で、ハンドホイールの回転軸の近くに配置され、適切には、レバーは、曲がった形状をしていて、ハンドルホイールの外周円で、ハンドホイール本体の周囲の一部に、その下側を回転するように配置される。この特長により、バルブに備え付けられた時に、アクチュエータに適合するのに必要なスペースを削減するのに用いられる。
【００２５】
好ましくは、アクチュエータは、更に、ハンドドライブ結合において、クラッチとラッチするラッチ部材を含み、また、適切には、ラッチ部材は、歯を備えており、これは、手動ドライブ状態で、アクチュエータにラッチするアクチュエータのドライブトレインのギアホイールと結合する歯であって、それによって、手動ドライブモード時には確実な結合がなされ、パワードライブモードに戻った時には、確実に結合を切り離す操作がなされる。
【００２６】
好ましくは、ギアホイールは、モータによって駆動され、中間シャフトと共に又はその上に配設され、ギアホイールは、クラッチの操作により、中間シャフトを動かすため、選択的に中間シャフトと結合することができる。
【００２７】
有効なこととしては、ラッチ部材は、軸の上に置かれ、その近くにラッチ部材と共同する平面バネ手段を有し、平面バネ手段は、ラッチ部材にバイアスを与えて、手動ドライブに応じて回転させてラッチ位置に結合されるようにする。
【００２８】
好ましくは、ラッチ部材は、切子面体の突起を備え、これは、平面バネ手段により操作される。そのため、「トレイリング」の切り離し位置において、ラッチ部材は、その部材とは確実には接触がない状態になり、そうでなければ、手動ドライブでのラッチ位置に結合される。
【００２９】
適切には、ラッチ部材は、ラッチ部材に３つの静止位置を提供するために、平面バネと共同する。これらは、ギアホイール２９の回転方向に依存する２つの「トレイリング」位置と、手動ドライブモードで機構がラッチされた時の中心に結合位置である。
【００３０】
切子面体の突起は、好ましくは、実質的には長方形又は四角形である。
【００３１】
適切には、ラッチ部材は、中軸であり、更に、アクチュエータのラッチ機構は、少なくとも１つの静的なポストを含み、これは、「トレイリング」位置から実質的に切り離して、確実にラッチ位置へ回転させるよう、ラッチ部材を屈折させるためである。また、好ましくは、離れた位置にある１組の静的ポストが存在する。ことにより、レバーの操作に応じてラッチ部材を２つのトレイリング位置のいずれかから動かされる。
【００３２】
クラッチは動クラッチ部材を有しているのに対して、中間シャフトは、適切には、ピニオンギア歯を有し、これはウォーム／ウォーム歯車を動かすためのシャフトにある結合ギアに結合するためのものであり、また、中間シャフトは、適切には、動クラッチ部材に結合するスプラインを有し、それにより、動クラッチ部材が、中間シャフトの縦方向にスライド可能となり、それと共に回転し、ピニオンギアが、特に好ましくは、中間シャフトの縦方向に延伸され、それによってスプラインは、このピニオンギアの歯の延伸により形成されることになる。
【００３３】
好ましくは、中間シャフトにおけるピニオンギア歯を縦方向への延伸は、直径方向には縮小するようにスリム化するものである。延伸による直径方向の縮小は、ドライブモードにより動かされるギアホイールが自由に回転するような中間シャフトの配置をもたらし、また、隣接ステップが備えられ、これはモータ被駆動ギアホイールのため、又は干渉スラストワッシャのために、軸方向の配置することを可能とする。
【００３４】
本発明の更なる特徴としては、代替的な手動ドライブを有するタイプのモータ付きバルブアクチュエータの提供があり、手動ドライブは、ハンドホイールとクラッチ及びモータパワードライブから手動ドライブモードへと変換するレバーから構成され、アクチュエータは、手動ドライブ又はモータドライブのためのクラッチにラッチするラッチ部材を備え、そのラッチ部材には、アクチュエータのドライブトレインのギアホイールの歯に結合するためのもの歯が備えられ、これは、手動ドライブ時には積極的に結合し、パワードライブモードに戻る時にも積極的な切り離しがなされるためである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
はじめに、先行技術について、図１を参照して、説明する。これは、現在用いられているバルブアクチュエータの動作ラインを簡略化して示したものであり、電気モータがウォーム３を介してウォーム歯車２を動かしている。ウォーム歯車２はアクチュエータの出力シャフト４上を自由に回転する。動クラッチ部材５は、出力シャフト４の軸方向には自由に動くが、キー又はスプライン６によって放射方向にはロックされている。
【００３６】
ハンドホイール７もまた、出力シャフト４上に配置されており、シャフトとは独立して自由に回転する。動クラッチ部材５は、ドッグ８及びスロット８により、ウォーム歯車２に結合して動かされ、又はドッグ１０及びスロット１１によってハンドホイール７に結合して動かされる。
【００３７】
ウォーム歯車の歯と噛み合うウォーム３のリード角度は、通常は、トルクがシャフト４に印加されたときに、装置の逆駆動を防止するのに足りる小ささである。ウォーム歯車２のドッグ８がクラッチ部材５に結合して、この非ドライブモードとなっている場合に、出力シャフト４にロックされたトルクは、ドッグ８及び９を介してウォーム歯車とウォームの歯に伝達される。この結果、パワードライブモードからクラッチを切り離すには強力な軸方向の力が必要とされる。
【００３８】
クラッチをパワードライブから切り離して手動ドライブモードへと移動させることにより、ハンドホイール７は、アクチュエータの出力シャフトを介して、バルブの操作が可能となる。ここで、ハンドホイールのトルクは、パワーモードによって供給されるのと同等のトルクが必要とされる。これが理由で、中型や大型のバルブ装置においては、延長スポーク１２を備えたハンドホイールにより、手動でバルブを操作するのに必要な強力なトルクを発生させることができる。
【００３９】
図２は、ハンドルトルクが減少する問題の一部を解決する既知手段を示しており、このハンドルトルクの減少は、ハンドホイールが、中間シャフト１３上にあるクラッチ機構及びウォーム歯車と結合されたハンドホイールを駆動することにより生じる。また、中間シャフト１３は、アクチュエータ出力シャフト１６上に配置されたギアホイール１５と噛み合っているピニオンギア１４を動かすものである。また、図２は、モータ１の駆動時に、自動的にパワードライブに再結合するのに用いられる既知機構の一形態を示している。
【００４０】
この機構において、レバー１８によって、軸方向の可動シャフト１７は、クラッチ動部材１９を押してウォーム歯車２との結合を解除して、ハンドホイール２０及び収縮したバネ２１に結合するよう引き上げられる。
【００４１】
ラッチ部材２２の軸となるシャフト１７の下部末端においては、まだウォーム歯車に結合しているクラッチに対するトレイリング（trailing）状態となっていることが示される。このラッチ部材は、軸２３の回りにあるワイヤー状のねじれバネ（図示せず）のセンタリングにより、左又は右ハンドトレイリング位置（ウォーム歯車の回転半径による）から、垂直位置に押しやられる。
【００４２】
電気モータ１の静止状態で、アクチュエータを手動ドライブに切り替えるため、レバー１８が操作されると、シャフト１７は、ラッチ２２をその中心位置で、シャフト１７に対して軸方向に回転するように引き上げられる。この状態で、ラッチ部材２２は、シャフト１７を介して、クラッチ駆動部材１９を手動ドライブモードにロックする「プロップ」として働く。
【００４３】
モータ１の再駆動で、ラッチ部材２２の末端部分とウォーム歯車２の回転表面との間における摩擦力は、センタリングバネにより軸２３で生じるセンタリングトルクを十分に克服するものになり、ラッチ部材を、２つの「トレイリング」位置（ウォーム歯車の回転方向による）の内の１つにおいて回転させるようにし、また、バネ２１の作用下で、シャフト１７及びクラッチ動部材１９をパワードライブ位置に押し下げる。
【００４４】
アクチュエータ駆動ラインの構成について様々な改善を行ったものが、図３及び図４に示されていて、図３は、ドライブの主要シャフトの中心を通した断面図であり、図４は、クラッチ機構の構成をより明らかにするための、同じ大きさの垂直展開図である。その断面図によると、中間シャフトは、動クラッチ部材２５を動かし、インテグラルピニオン２６を備える。モータシャフト２７は、ギアホイール２９を動作するインテグラルピニオン２８を有し、中間シャフト２４に配置され、シャフト２４とは無関係に配置され、また独自に自由に回転する。
【００４５】
動クラッチ部材２５は、スプライン３０を備え、これはスプライン３１に結合されていて、動クラッチ部材がシャフトに対して回転方向にはロックされているものの、シャフト２４に対しては自由にスライドすることができる。断面図によると、図３に示すように、駆動クラッチ部材２５は、ギアホイール２９に形成された円形の穴に結合する突っ張りペグ３２又は弧状に型取られたブラインドスロット３３と共に、パワードライブ位置へと押し下げられる。このモードで、モータ１は、ピニオン２８及びギアホイール２９の噛み合わせを介して中間シャフト２４を動作させることができ、そのトルクは、シャフト２４を延伸したスプライン３１と噛み合っているクラッチ駆動部材２５上の穴又はブラインドスロット３３及びスプライン３０と結合したペグ３２を介して、シャフト２４に伝えられる。
【００４６】
中間シャフト２４は、ウォーム３に繋がるシャフト３５から、ギアホイール３４に噛み合うピニオン２６を介して、アクチュエータ出力シャフト４と永続的に結合される。ウォーム歯車２にあるウォーム歯は、その後段が固定又はアクチュエータ出力シャフト４に永続的に取り付けられる。
【００４７】
図３に示されるアクチュエータドライブのある重要な優位点は、ウォーム又はウォーム歯車シャフトから、中間ギア減衰トレイン（ピニオン２６及びギアホイール３４）に適合した既知のウォームシャフト３５を駆動する中間シャフトまでの、クラッチ構成を排除したことである。図１及び図２に示されたアクチュエータドライブと異なり、逆駆動しないウォーム及びウォーム歯車の歯からのトルクによるロックは、もはやクラッチのドックやスロットに伝えられることがない。更に、モータから中間シャフトへの減衰ドライブは、モータ１のアーマチュアを回転させるために逆駆動される複雑なギアの歯（ピニオン２８及びギアホイール２９において）を介しているため、パワードライブモードで、モータのパワーが切られ、クラッチのドック及びスロットがロックされたままとなった時に、駆動トルクが全く伝えられない。
【００４８】
それゆえ、パワードライブから手動ドライブモードへのクラッチの切り離しは、従前の動力サイクルにより、ギアトレインに生じる力による大きなロックを全く克服することなく可能となる。結果として、クラッチの構成やレバー３６を軽い構造に造形することができ、特に、図１及び図２に示されるデザインにおける比較的重い金属構成材に取って代わって、プラスチック形成を用いることができる。更に、中間シャフトを介した付加的なギア減衰ドライブにより、ハンドホイールの構成を図１に示されるデザインよりも軽い構造とすることができ、延伸スポーク１２や及び大型のハンドホイール７の代わりに、適度な大きさのホイール３７及びターニングハンドル３８を用いることができる。
【００４９】
もっとも小さな容積で可能なアクチュエータハウジングを確保し、また、ハンドホイールやレバーによって達成される縮小サイズのものでも同等とするため、クラッチ及びレバーの構成の新たなコンパクトデザインが図３及び図４に示されている。このコンパクトデザインを成し遂げる上で重要なステップになるのが、レバー３６の回転軸をアレンジして平行にして、ハンドホイール３７を、軸中心から離れた位置、必要ならば、図７に示されるように、ハンドホイールの周囲直径の位置にレバー軸を配置するように調節したことである。レバーの曲がった形状がそのコンパクトデザインの特徴であり、静止状態では、レバーの外形はハンドホイール本体の外周曲線に沿っているので、その一部が、ハンドホイールの下部に隠れるようになっている。
【００５０】
レバー３６を回転させて、パワードライブ位置のバネ荷重から駆動クラッチ部材２５を引き上げる手段は以下の通りである。
【００５１】
動クラッチ部材２５は、円錐形外部表面３９を備えていて、これは、クラッチオペレータ４１の内径円錐表面４０と共同する。図３に示されるようにコーンの半角は約４５度であり、クラッチオペレータの円錐を取り囲む内径表面４０が、図４に示されるように、斜めに裁断され、駆動クラッチ部材２５を取り囲む「ラッピング」角度が等しくなり、又は、クラッチオペレータ４１が、図３で見る右側に、水平方向に移動できるようにするため、１８０度以下の角度になっている。
【００５２】
クラッチオペレータは、周辺のハウジングによって、水平平面にのみ動くように規則づけられ、右側への移動により、表面３９上にある延長円錐表面４０のスライド作用により、動クラッチ部材２５を垂直方向への引き上げるものへと変換される。また、その垂直方向の動きにより、パワードライブが切り離され、ハンドホイールシャフトの構成にある歯４３の組と共に、駆動クラッチ部材２５の放射状表面歯４２の組に結合される。
【００５３】
静止位置から操作位置４４へのレバー３６の移動（図７に見る時計回り）により、クラッチオペレータ４１は、規則的な水平方向へ動きを可能とし、これは、クラッチオペレータ４１に設けられたインテグラルポスト４７の上で、回転カム部材４６における成形スロット４５の動きによる。カム部材４６は固定され又はそうでなければレバー３６のシャフト４８に取り付けられる。形成スロット４５が加工されていることにより、静止状態からの、レバー３６の移動の大部分が、ポスト４７の小さな初期デフレクションの提供に用いられ、これは、レバー／カム形成の機械的な優位性を増進させ、クラッチを切る操作を始めた時に、オペレーティング円錐表面３９と４０の間で生じる、より高い静的な摩擦力を克服するためものである。
【００５４】
一旦、移動が始まると、滑らかになっている円錐表面の間の摩擦係数は、ある値にまで減少し、その値は、典型的には、静的係数値の約半分であって、ある低い水準にある機械的優位性であっても、レバー３６のリマインダーとして用いられることができるようにするものである。
【００５５】
メールコーン表面３９及びそれと共同する半円表面表面４０は、クラッチを切る操作の始めに、全面が接触しているのみである。これは、最大限の接触表面エリアを持つことで、より高い静的摩擦により発生した力を克服する時に、結果として最小限の表面接触圧が用いられるようにするものである。クラッチオペレータ４１が移動し始め、動クラッチ部材が上がると即座に、接触した表面エリアは早急に減少し始める。これは、接触しているコーンの水平（図３に描かれる）断面では、理論上、線的に接触している異なる直径の円を示していることになるかもしれない。実際には、操作の力によって生じる表面デフレクションは、２つの駆動円錐状表面が理論的には線的に接触する代わりに、狭い幅の接触エリアを与えていることになろう。
【００５６】
レバー３６は、バネのバイアスによるもので、解放状態では、突っ張ったハンドルホイール３７により部分的に遮断された静止位置へと戻る。図４を参照すると、これは、典型的には、コイルが張り詰めたバネ４９を用いることにより達成され、このバネは、アクチュエータハウジングに支えられた一端とカム部材４６に取り付けられた他の一端とにあって、カム部材４６において、バネの引張力が、レバーシャフト４８を介してレバー３６の方に戻ろうとする移動トルクを生じる。
【００５７】
ラッチングシステムの新しいデザインの主要な構成もまた、図３及び図４に示されており、図５及び図６には、非ラッチ（パワードライブ）時及びラッチ（手動ドライブ）時の各々におけるラッチ構成の相対的な位置を示している。
【００５８】
ポスト４７は、その基板に穴が備えられ、そこには、新デザインのラッチ部材５１のための軸として機能する小型シャフト５０を挿入させる。この最新の構成は、図２に示された既知の構成２２と同じ方式をとっているが、大きな改善をもたらすものである。
【００５９】
非ラッチのパワードライブモード（図５）では、ラッチ部材５１は、ギアホイール２９と切り離して固定される。これは、平面バネ５２の作用によるもので、ラッチ部材を、軸中心の周りにある四角型の突起５３のある側と共同することにより、３つの角度配置の内の１つに固定する。この配置により、９０度の間隔で、中央位置を「ラッチ」状態とする３つの明確な停止位置をもたらす。
【００６０】
平面バネは、スロット又は他の方法により、クラッチオペレータ４１に配置される。それゆえ、クラッチの切り離し操作の間に、軸及びシャフト５０と相対的には同じ配置関係で存在することになる。この操作の間、ラッチ部材５１は、アクチュエータハウジングに配置された２つのポスト５４の間に引っ込められることにより、約９０度回転させられる。ラッチ位置の最終的な角度は、平面バネ５２により達成されるが、このバネは、まず、回転角型突起５３の角によって、図５に示されるように折り曲げられ、その後、ラッチ部材が図６に示される位置にある最終的な僅かな角度にしむけるよう、元の平面位置に戻ることになる。この最終的なラッチ位置を達成するため、水平移動は、ラッチ及び非ラッチ位置の間の距離よりもずっと短い距離でなされる。これにより、結合前には、ラッチ部材の歯５５と、ギアホイール２０上の歯とは接触が避けられることになる。
【００６１】
パワードライブモードへ戻るには、モータ１によるギアホイール２９の回転によってなされる。ここで、ラッチ部材５１は回転して、ギアホイールの歯と結合して、クラッチオペレータ４１がパワードライブ位置へと戻るようにする。ほとんど回転角度がない最終的な状態では、「バネ」に対して、ラッチ部材５１を、ラッチの歯５５の全てがギアホイールの歯とは離れた状態となるような図５の位置になる。
【００６２】
バルブアクチュエータ技術に用いられる既知の機構に比べて、自動解除を特徴とするラッチ機構におけるこのデザインの重要な優位点を以下に記す。
【００６３】
１）ラッチ部材５１は、ラッチ（手動ドライブ）では、ギアホイール２９に対して確実に配置され、また、ギアホイールが回転し始めると、非ラッチ状態へと動かされる。それゆえ、手動ドライブからパワードライブへと安全に変換するためには、摩擦力に依存することがない。
【００６４】
２）パワードライブ及びモータ操作において、ラッチ部５１は、回転するギアホイールとは切り離されている。これは既知機構に対する多大な改善であり、従来は、トレイリングラッチレバーが、継続的に、パワードライブ摩擦を加えているウォーム歯車に接触してひびが入ることがあり、さらに重要なのは、長期の使用により、結果として、擦り切れた破片が注油を汚すことになる。
【００６５】
３）パワードライブモードから手動ドライブモードへは、ラッチ部材５１の回転により達成されるものであり、これは第１に、ラッチ部材が２つのポスト間を通って屈折されるという配置によるものである。これは、従来のラッチ位置を変えるのにセンタリングワイヤーバネを用いる既知の方法に依存するよりも、より確実な操作となる。ラッチ部材を狂いなく９０度回転させるのにバネ５２を用いたことにより、確実なラッチ操作が完成され、一方、ポスト５４によって手動ドライブにラッチを固定する際の危険性に対しても安全防護対策となる。
【００６６】
中間シャフト２４の製造コストを削減することを目的とした発明の、代替的な具体例を図８に示す。
【００６７】
まず、図３に戻ってこれを参照すると、図３に示されたシャフト２４は、標準的で複雑な形体の歯と、上部に記載された、動クラッチ部材２５のスプライン軸穴に結合したメールスプライン断面３１と、を持つインテグラルピニオン２６を駆動させる。歯車（ピニオン及びスプライン）の異なった組による追加的な工具費とは別に、ギアホイール２９（手動の）に関連して、シャフト２４が回転できるように大きく形成された中心直径は、歯を形成するときのブローチング操作の使用を防止するものである。
【００６８】
図８を参照すると、中間シャフト５６は、駆動ピニオンを形成するためにシャフトの下部に延伸されたギア歯の一組のみを駆動する。隣接ステップ５８は、シャフト上に形成され、歯のダウン加工により、通常は、複雑なギア円形ピッチの直径とおよそ同じの直径５９となっていて、ギア歯を余計に加工しないで済む。
【００６９】
ここで、動クラッチ部材２５の穴は、横断面の上部に示されるシャフト５６の切り取った歯の上をスライドして、スプライン軸穴を形成するように製造される。ギアホイール２９は、図８の断面図の中部に示される切り立った歯の上を回転する。スラストワッシャ６０は、隣接ステップ５８及び動クラッチ部材２５の間に差し込まれる。シャフト５６のみは、ギアホイール２９により、又は、いかなるトルクもホイールに伝えられずに、比較的低速で回転し、この時、アクチュエータは、手動ドライブにあるので、ギアホイールをシャフトの間での円状接触が中断されても、大きな磨耗はないと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
以下に、本発明の背景技術及び最良の形態について、添付図面及び図表を参照し、実施例により説明する。
【図１】図１は、既知のモータ付きバルブアクチュエータの基本的な動作ラインの構成を示している。
【図２】図２は、米国特許４，３７０，９０２を参照としたモータ付きバルブアクチュエータの基本的な動作ラインの構成を示している。この引用文献もまた、既知の技術であって、ここでは、簡略化した形態で、自動連動クラッチ機構を示している。
【図３】図３は、モータ付きバルブアクチュエータの断面図であり、クラッチ及びその機構を操作するクラッチを含んだ主要な動作ラインの構成を示している。ここでは、回転する構成部を明確にするため、１面のみを示している。
【図４】図４は、機構の一部を展開した同じ大きさの見取り図であり、クラッチ操作機構の近傍にある中間シャフトを含む、いくつかの構成部材を示している。
【図５】図５は、ラッチ及びクラッチの自動解除を構成するアクチュエータの構成部を示しており、パワードライブモードのアクチュエータに該当する相対位置となっている。
【図６】図６は、図５の構成部と同じであるが、手動ドライブモードのアクチュエータに該当する相対位置となっている。
【図７】図７は、ハンドホイールの外観を示しており、停止時及び操作時のそれぞれの操作レバー位置を示している。
【図８】図８は、中間シャフトを含む具体図であって、シャフト上のインテグラル駆動ピニオンギアが延伸され、更に、放射状に動クラッチ部材を配置したスプラインが形成されているものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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