(57)【要約】【課題】スプリングによりバルブを動作可能であり、動力伝達時の損失を抑えて高効率でスムーズに手動操作でき、内部への過大な負荷の発生を防いで損傷を回避できるスプリングリターン型バルブ用アクチュエータを提供する。【解決手段】スプリング機構３内に設けたスプリング１８をピストンロッド７の端部に取付けたスプリングリテーナ３８で引き上げてバルブを開又は閉にする構造である。このバルブ用アクチュエータは、スプリングリテーナ３８をスプリング機構３内に配設したスプリングガイドロッド４３で案内自在に設けてピストンロッド７の回転を防止すると共に、スプリング機構３の外端に手動操作機構４を設け、手動操作機構４は、手動ギア部６０の手動操作により進退するスピンドル５２より成り、このスピンドル５２の先端部をスプリングリテーナ３８に当接させて、スピンドル５２でスプリングリテーナ３８を押圧してスピンドル５２の回転を阻止した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプリング機構内に設けたスプリングをピストンロッドの端部に取付けたスプリングリテーナで引き上げてバルブを開又は閉にする構造のスプリングリターン型バルブ用アクチュエータにおいて、前記スプリングリテーナを前記スプリング機構内に配設したスプリングガイドロッドで案内自在に設けて前記ピストンロッドの回転を防止すると共に、前記スプリング機構の外端に手動操作機構を設け、この手動操作機構は、手動ギア部の手動操作により進退するスピンドルより成り、このスピンドルの先端部を前記スプリングリテーナに当接させて、スピンドルでスプリングリテーナを押圧することによりスピンドルの回転を阻止するようにしたことを特徴とするスプリングリターン型バルブ用アクチュエータ。
【請求項２】
前記スピンドルの先端部に円錐台穴形状の凹状テーパ面部を設け、前記スプリングリテーナの中央位置に連結部材を設け、この連結部材に前記凹状テーパ面部に対応して面接触状態で当接する円錐台形状の当接テーパ面部を設けて前記凹状テーパ面部を前記当接テーパ面部に当接連動させた請求項１に記載のスプリングリターン型バルブ用アクチュエータ。
【請求項３】
前記スピンドルの先端部に円錐台形状の当接テーパ面部を設け、前記スプリングリテーナの中央位置に連結部材を設け、この連結部材に前記当接テーパ面部に対応して面接触状態で当接する円錐台穴形状の凹状テーパ面部を設けて、前記当接テーパ面部を前記凹状テーパ面部に当接連動させた請求項１に記載のスプリングリターン型バルブ用アクチュエータ。
【請求項４】
前記当接テーパ面部と前記凹状テーパ面部のテーパ角度を軸方向に対して３〜３０°のテーパにした請求項２又は３に記載のスプリングリターン型バルブ用アクチュエータ。
【請求項５】
前記スピンドルの先端側外周面に円錐面部を設け、この円錐面部が嵌合状態で当接する嵌合面部を前記手動操作機構のスピンドル移動位置に設けた請求項１乃至４の何れか１項に記載のスプリングリターン型バルブ用アクチュエータ。
【請求項６】
前記スピンドルの後端側外周にストッパリングをスピンドルの軸方向に調整可能に設け、前記手動操作機構側にストッパ部を設け、アクチュエータ側のストッパ機構が機能する前に前記ストッパリングを前記ストッパ部に当接させて手動操作機構側のストッパ機能を発揮させるようにした請求項１乃至５の何れか１項に記載のスプリングリターン型バルブ用アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブ用アクチュエータに関し、特に、スプリングの弾性力に抗してバルブを開又は閉操作し、このスプリングの弾性力によりバルブを動作可能なスプリングリターン型バルブ用アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種のアクチュエータは、例えば、プラント設備に設置されたバルブを全開状態に保持するために用いられ、通常、操作源からの空気圧が無い状態でアクチュエータ内部に装着されたスプリングの弾性力に抗してバルブを手動操作可能になっている。このアクチュエータはスピンドルを有し、スピンドルの外周に形成された雄ねじに減速ギアを噛み合わせ、ハンドホイールを回転することで減速ギアにより手動操作時の回転力を増幅して伝達するようにした構造になっている場合が一般的である。このようなアクチュエータでは、スピンドルにキー溝が設けられて、このキー溝にキーが嵌め込まれており、スピンドルが回転しようとするときの力は、キーとキー溝とにより回転止めされてスピンドルの軸方向の進退移動に変換される。このスピンドルの移動により、スピンドルに接続されたピストンロッドを軸方向に移動してバルブの開又は閉操作することが可能になっている。
【０００３】
特許文献１のスプリング式アクチュエータにおいては、シリンダ側からピストンロッドを手動操作する構造になっている。このアクチュエータでは、内側スピンドルと外側スピンドルとが螺合され、外側スピンドルは、キーとキー溝とを介して筒型部材に挿入され、この筒型部材に対して進退自在になっている。この構造により、内側スピンドルに取り付けられたハンドホイールをスプリングの弾性力に抗して操作して外側スピンドルを進退させ、この外側スピンドルに接続されたピストンロッドを移動させるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８５４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のキーとキー溝とによりスピンドルを回転止めすることで手動操作時に動力伝達するアクチュエータは、次のような問題を有している。すなわち、スピンドルを進退させるために螺合による推力の発生が必要になるが、この推力をキー及びキー溝によりスピンドルからピストンロッドに伝達しているので、推力の大きさに比例してスピンドルの回転力が大きくなり、この回転力の増大によりキーの側面に強い面圧力が発生する。この状態でスピンドルがスプリングの荷重を受けて進退すると、キー側面の面圧が増大した状態で摺動するためにこのキーとキー溝との摩擦によってハンドホイールを手動操作するための力の一部が消費される。そのため、ハンドホイールを操作するための損失が大きくなってより大きい操作力が必要になる。
【０００６】
しかも、アクチュエータが大型で高出力になると、この高出力に比例してスプリング荷重も大きくなるため、手動操作に必要な力も比例して大きくなって回転止めの摩擦で損失する力がより大きくなる。更に、キー側面の面圧が高くなり過ぎた場合には、キーとキー溝との間の摩耗が増大し、キーとキー溝間に焼き付きが生じるなどの内部損傷が発生して操作不能になるおそれもあった。
【０００７】
本発明は、上記の課題点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、スプリングによりバルブを動作可能なスプリングリターン型バルブ用アクチュエータであり、動力伝達時の損失を抑えて高効率でスムーズに手動操作でき、内部への過大な負荷の発生を防いで損傷を回避できるスプリングリターン型バルブ用アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、スプリング機構内に設けたスプリングをピストンロッドの端部に取付けたスプリングリテーナで引き上げてバルブを開又は閉にする構造のスプリングリターン型バルブ用アクチュエータにおいて、スプリングリテーナをスプリング機構内に配設したスプリングガイドロッドで案内自在に設けてピストンロッドの回転を防止すると共に、スプリング機構の外端に手動操作機構を設け、この手動操作機構は、手動ギア部の手動操作により進退するスピンドルより成り、このスピンドルの先端部をスプリングリテーナに当接させて、スピンドルでスプリングリテーナを押圧することによりスピンドルの回転を阻止するようにしたスプリングリターン型バルブ用アクチュエータである。
【０００９】
請求項２に係る発明は、スピンドルの先端部に円錐台穴形状の凹状テーパ面部を設け、スプリングリテーナの中央位置に連結部材を設け、この連結部材に凹状テーパ面部に対応して面接触状態で当接する円錐台形状の当接テーパ面部を設けて凹状テーパ面部を当接テーパ面部に当接連動させたスプリングリターン型バルブ用アクチュエータである。
【００１０】
請求項３に係る発明は、スピンドルの先端部に円錐台形状の当接テーパ面部を設け、スプリングリテーナの中央位置に連結部材を設け、この連結部材に当接テーパ面部に対応して面接触状態で当接する円錐台穴形状の凹状テーパ面部を設けて、当接テーパ面部を凹状テーパ面部に当接連動させたスプリングリターン型バルブ用アクチュエータである。
【００１１】
請求項４に係る発明は、当接テーパ面部と凹状テーパ面部のテーパ角度を軸方向に対して３〜３０°のテーパにしたスプリングリターン型バルブ用アクチュエータである。
【００１２】
請求項５に係る発明は、スピンドルの先端側外周面に円錐面部を設け、この円錐面部が嵌合状態で当接する嵌合面部を手動操作機構のスピンドル移動位置に設けたスプリングリターン型バルブ用アクチュエータである。
【００１３】
請求項６に係る発明は、スピンドルの後端側外周にストッパリングをスピンドルの軸方向に調整可能に設け、手動操作機構側にストッパ部を設け、アクチュエータ側のストッパ機構が機能する前にストッパリングをストッパ部に当接させて手動操作機構側のストッパ機能を発揮させるようにしたスプリングリターン型バルブ用アクチュエータである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によると、スプリングリテーナとスプリングガイドロッドとによって回転を防止した状態でピストンロッドを案内し、このピストンロッドに手動操作機構のスピンドルの先端部を当接させて手動操作時にスピンドルでスプリングリテーナを押圧することによりスピンドルの回転を阻止しているので、スピンドルによる手動操作時の動力伝達力の損失を抑えて効率的に動力を伝達でき、必要最小限の操作力でスムーズに手動操作できる。このとき、スプリングの弾性力によりスピンドルにピストンロッドを押圧しているので、手動操作機構の操作に伴ってスプリングを圧縮して押圧力を増加させることができ、動力の伝達力をより高めることができる。しかも、手動ギア部を介してスピンドルを進退させているため、この手動ギア部で減速させることによりスプリングの弾性力に抗して小さい操作力で容易に手動操作できる。手動操作機構の内部に過大な負荷が加わることを防いで損傷を回避して、長期に渡って優れた操作性を維持できるスプリングリターン型バルブ用アクチュエータを提供できる。
【００１５】
請求項２又は３に係る発明によると、スピンドルの先端部に形成した凹状テーパ面部又は当接テーパ面部と、スプリングリテーナの連結部材に形成した当接テーパ面部又は凹状テーパ面部とが、互いの円錐面形状によって当接連動するため、両円錐部分に発生する楔効果により回転時の伝達力を増大させることができ、スピンドルからの回転力を確実にピストンロッドに伝達して手動操作機構への負荷を低減できる。
【００１６】
請求項４に係る発明によると、楔効果による回転時の伝達力を効果的に高めることができ、かつ、手動操作を停止して自動操作の状態に戻すときに、当接テーパ面部と凹状テーパ面部とを抜けやすくして、スピンドルとピストンロッドとを自動操作可能な所定位置まで容易に復帰させることが可能になる。
【００１７】
請求項５に係る発明によると、嵌合面部に円錐面部を嵌合状態で当接させることでスピンドルの復帰位置を規制して強制的にスピンドルの動作を所定位置で停止させることができ、スピンドルが自動運転時に中立位置から移動することを回避できる。
【００１８】
請求項６に係る発明によると、アクチュエータ側のストッパ機構が機能する前にストッパリングをストッパ部に当接させることでストッパ機能を発揮しているので、手動操作時における終端位置で更に操作力を加えた場合でも、アクチュエータのストッパ機構に過大な操作力が加わることを防いで内部部品の損傷やハウジングの損壊を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のスプリングリターン型バルブ用アクチュエータを示す縦断面図である。
【図２】図１のアクチュエータが復動終了した状態を示す一部拡大縦断面図である。
【図３】図１のアクチュエータが手動操作時に往動終了した状態を示す一部拡大縦断面図である。
【図４】手動操作機構付近の拡大分解図である。
【図５】手動操作機構を示す断面図である。
【図６】スピンドルと連結部材との当接構造の一例を示した要部断面図である。
【図７】手動操作時のスピンドルの状態を示した一部拡大断面図である。
【図８】自動運転時におけるスピンドルの状態を示した一部拡大断面図である。
【図９】図４のＡ−Ａ断面図である。
【図１０】回転が伝達するときの作用を示した模式図である。
【図１１】スピンドルと連結部材との当接構造の他例を示した要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明におけるスプリングリターン型バルブ用アクチュエータの好ましい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、本発明のスプリングリターン型バルブ用アクチュエータの縦断面図を示しており、図２は、図１のアクチュエータが復動終了した状態、図３は、図１のアクチュエータが往動終了した状態を示している。
【００２１】
図において、本発明のスプリングリターン型バルブ用アクチュエータ（以下、アクチュエータ）は、ハウジング部１と、シリンダ部２と、スプリング機構３とを有し、スプリング機構３には手動操作機構４が設けられている。
ハウジング部１はハウジングケース５を有し、このハウジングケース５内部には変換機構６が内蔵されている。変換機構６は、ピストンロッド７、このピストンロッド７に固定された係止ピン８、スコッチヨーク９、出力軸１０を有し、また、ハウジングケース５にはストッパ機構であるストッパボルト１１が設けられている。
【００２２】
ピストンロッド７は、ハウジングケース５に対して往復動可能に取付けられ、このピストンロッド７の所定位置にその往復動の方向と直交する向きに係止ピン８が突出して装着されている。このピストンロッド７は、単一部材で構成されていてもよいが、モジュール化や組立容易性の観点から分割構造とすることが望ましい。本実施形態では、ピストンロッド７は、雌ねじ１３を有する第１ロッド１４と、雌ねじ１３に螺合する雄ねじ１５を有する第２ロッド１６とからなっており、雌ねじ１３と雄ねじ１５との螺合により、第１ロッド１４と第２ロッド１６とがハウジング部１の外方で接続可能になっている。なお、本実施形態において、ピストンロッド７が後述するスプリング１８の弾性力に抗する向きに作動する場合を往動、スプリング１８の弾性力の向きに作動する場合を復動とする。
【００２３】
出力軸１０は、ピストンロッド７と直交する方向に回動自在に設けられており、ボールバルブやバタフライバルブ等の図示しないバルブの回転軸に接続可能に設けられている。出力軸１０には挿着穴１０ａが設けられ、この挿着穴１０ａは、回転軸の径に応じて出力軸１０に加工され、この挿着穴１０ａに図示しないキーを介して回転軸を固着可能になっている。出力軸１０は、スコッチヨーク９に挿着により固着され、または一体で形成されており、このスコッチヨーク９と一体に回転可能になっている。スコッチヨーク９には凹状の係合部９ａが形成されている。この係合部９ａは係止ピン８に係合可能であり、この係止ピン８と係合部９ａとの係合によりピストンロッド７が往復動したときにスコッチヨーク９が係止ピン８に押されて回転し、この回転によりスコッチヨーク９と一体に出力軸１０が回動する。このようにして、ピストンロッド７の往復動作が変換機構６により出力軸１０の回動に変換される。
【００２４】
ストッパボルト１１は、回転時のスコッチヨーク９が当接可能な位置に螺合によりハウジングケース５に取付けられる。スコッチヨーク９の回転時には、このスコッチヨーク９がストッパボルト１１に当接することで出力軸１０の回転範囲が規制されてストッパ機構となる。ストッパボルト１１は、ハウジングケース５に対する螺入量を調節可能であるため、この螺入量の調節によりスコッチヨーク９の回転角度を細かく規制してバルブの動作範囲を調節できる。
【００２５】
シリンダ部２は、筒状のシリンダケース２５、円板状のピストン２６、エンドカバー２７、シリンダロッドガイド２８を有し、シリンダケース２５の開口両端にエンドカバー２７、シリンダロッドガイド２８がそれぞれ取付けられ、これらの間にピストン２６が内蔵されている。
【００２６】
ピストン２６には、ナット部材２９によりピストンロッド７の一側となる第１ロッド１４が固定され、この第１ロッド１４は、シリンダロッドガイド２８に形成された貫通穴２８ａに装着されたベアリング３０、Ｏリング３１を介してシリンダ部２内に装着される。ピストン２６には２つの連通穴２６ａ、２６ａが形成され、この連通穴２６ａにもベアリング３０、Ｏリング３１が装着されている。シリンダケース２５内のピストン２６とシリンダロッドガイド２８との間には図示しない給排気口が設けられ、この給排気口より圧縮エアを給排気することによってピストン２６がシリンダケース２５内を往復動し、この往復動によりピストン２６に一体に固定されたピストンロッド７が往復動可能になっている。
【００２７】
シリンダ部２の内部には少なくとも２本のセンターバー３３、３３が設けられ、このセンターバー３３は、ピストンロッド７と平行に、エンドカバー２７側のセンターバー３３に形成された雄螺子３３ａとエンドカバー２７に形成された雌螺子２７ａとの螺着と、シリンダロッドガイド２８側の固着ナット３４の螺着により固着されている。前記ピストン２６は、センターバー３３に装着支持された状態でシリンダケース２５内を往復動する。
【００２８】
スプリング機構３は、ハウジング部１におけるシリンダ部２との他側に設けられ、筒状のスプリングケース３５、円板状のスプリングロッドガイド３６、スプリングカバー３７を有し、スプリングロッドガイド３６、スプリングカバー３７がスプリングケース３５の開口両端にそれぞれ取付けられている。スプリング機構３内にはスプリングロッドガイド３６に形成された貫通穴３６ａに装着されたベアリング３０、Ｏリング３１を介してピストンロッド７が装入され、また、２つの略円板状のスプリングリテーナ３８である第１リテーナ３９、第２リテーナ４０を介してスプリング１８が内蔵されている。
【００２９】
第１リテーナ３９、第２リテーナ４０にはピストン２６と同様に２つの貫通穴３９ａ、４０ａがそれぞれ形成され、この貫通穴３９ａ、４０ａにはベアリング３０が装着されている。さらに、第１リテーナ３９の中央には取付穴３９ｂ、第２リテーナ４０の中央には第２ロッド１６の外径よりもやや大きい内径の穴部４０ｂが設けられ、第１リテーナ３９は、取付穴３９ｂより突出させた第２ロッド１６端部に固定ナット４１により固定されてピストンロッド７の端部に取付けられる。第２リテーナ４０は、第１リテーナ３９とスプリングロッドガイド３６との間に穴部４０ｂを介して第２ロッド１６に摺動自在に装着されている。この装着構造により、第１リテーナ３９は、ピストンロッド７と一体にスプリング機構３内を往復動自在になり、第２リテーナ４０は、第１リテーナ３９の往復動に応じてスプリング１８を拡縮しながらピストンロッド７を摺動する。何れのリテーナ３９、４０も、ベアリング３０を介して後述のスプリングガイドロッド４３に装着され、このスプリングガイドロッド４３に対して摺動自在になっている。
【００３０】
本発明のバルブ用アクチュエータは、シリンダ部２において往動するピストン２６に接続されたピストンロッド７を介して、スプリング機構３内に設けたスプリング１８をピストンロッド７の端部のスプリングリテーナ３８で引き上げて、その弾性力を蓄積しつつバルブを開又は閉にする構造になっている。
【００３１】
スプリングリテーナ３８のうち、後部側の第１リテーナ３９の中央位置には図６に示した連結部材５０が配設されている。連結部材５０は、後端側に円錐台形状の当接テーパ面部５１が形成され、この当接テーパ面部５１は、後述するスピンドル５２の凹状テーパ面部５３に対応して面接触状態で当接可能になっている。一方、連結部材５０の先方側には固定ナット４１を収納可能な凹部５４が形成されている。図４に示すように、連結部材５０は、固定ネジ５５によって固定ナット４１の上から第１リテーナ３９に固定されることでピストンロッド７の後端側に配設されて、このピストンロッド７と一体に移動可能になる。この連結部材５０により、スピンドル５２が固定ナット４１に当接するのを防止しつつ、スピンドル５２とピストンロッド７とを同軸上に接続することができる。
【００３２】
当接テーパ面部５１のテーパ角度αは、本実施形態においては、軸方向に対して１５°のテーパになっている。この場合、テーパ角度αを大きくした場合には伝達力は一倍に近づくが軸方向の長さが最少になり、テーパ角度αを小さくした場合には伝達力は無限大に近づくが長さも無限大に近づくように大きくなる。例えば、伝達力を大きくするためには、それに比例して当接面部位の面圧が高くなり、このときの許容面圧を一定以下に保つために当接面部位を広く設ける必要が生じてテーパの長さが必要以上に長くなる。そのため、アクチュエータが長さ方向に大きくなるという問題が生じる。更に、テーパ角度αが３°を下回ると面圧が高くなり過ぎ、スピンドル５２と連結部材５０との当接を解除して自動運転に復帰することが困難になる。
これらを勘案すると、テーパ角度αが軸方向に対して３〜３０°のテーパであることが好ましく、この場合において適切な伝達力を得ることができ、かつ、アクチュエータの長さ方向の寸法を適度な長さに抑えることができる。
本実施形態では、ねじ部分のリード角の反力に対する回り止めに必要な面圧をスピンドルの外形寸法にできるだけ近い寸法により算出した結果、テーパ角度αを１５とした。
【００３３】
スプリング１８は、大径スプリング４４、小径スプリング４５からなり、各スプリング４４、４５は２つに分割されている。これによってスプリング１８（大径スプリング４４、小径スプリング４５）は、ピストンロッド７の往復動方向に直列に２組配置される。分割した各スプリング１８は、第１リテーナ３９と第２リテーナ４０との間、第２リテーナ４０とスプリングロッドガイド３６との間にそれぞれ装着され、この分割スプリング１８の間に第２リテーナ４０が配設される。４本のスプリング１８は、スプリングリテーナ３８により芯出しされながら保持されて倒れが防止された状態で設置され、ピストンロッド７のスムーズな作動が可能になっている。
【００３４】
これにより、スプリング１８は、外端面がスプリングリテーナ３８に当接し、このスプリングリテーナ３８とハウジング部１取付け側との間に弾発した状態で保持されている。
シリンダ部２のシリンダ室に圧縮エアが給気されたときには、この圧縮エアによりピストン２６が往動し、ピストン２６と一体のピストンロッド７の往動によってスプリング１８が引き縮められてその弾性力が蓄勢される。このように、スプリング１８は、ピストンロッド７のシリンダ部２との他側にピストンロッド７の往復動により拡縮可能な状態で内蔵されている。
【００３５】
スプリングガイドロッド４３は、スプリング機構３の内部にピストンロッド７と平行に少なくとも２本配置され、このスプリングガイドロッド４３、４３は、外周側に形成された雄螺子４３ａとスプリングカバー３７に形成された雌螺子３７ａとの螺着と、スプリングロッドガイド３６側の固着ナット３４の螺着によりスプリング機構３内に配設されている。
【００３６】
図１〜３に示すように、前記したスプリングリテーナ３８は、スプリングガイドロッド４３により案内自在に設けられている。スプリングガイドロッド４３は、ピストンロッド７よりも拡径側に配置され、このスプリングガイドロッド４３とスプリングリテーナ３８との間にベアリング３０が圧入されている。
【００３７】
この２本のスプリングガイドロッド４３、４３によるスプリングリテーナ３８の支持構造により、センターバー３３でピストン２６を介してピストンロッド７の軸心を保持しつつ、スプリングリテーナ３８の回転が防止され、これによりピストンロッド７の回転が防止されている。このため、ピストンロッド７は、回転防止状態で往復動可能になっている。センターバー３３は、２本に限られることなく、例えば、３本以上設けることでピストンロッド７の回転をより確実に防止できる。一方、センターバー３３を１本にすると、このセンターバー３３がピストンロッド７の中心から偏心した状態で配設されるため好ましくない。
【００３８】
スプリングカバー３７には開口部４６が形成され、この開口部４６を介して固定ナット４１に連結部材５０を取付け可能になっている。これにより、スプリング機構３全体を分解することなくスプリングリテーナ３８の中央位置に連結部材５０を簡単に取付け、更に、このスプリング機構３に手動操作機構４を取付けることが可能になっている。開口部４６には図示しない固定用ねじを介して略円板状のキャップが着脱自在になっており、スプリング機構３に手動操作機構４を取付けない場合には、このキャップで開口部４６を閉塞できる。
【００３９】
上述した構成により、アクチュエータは、ピストンロッド７がスコッチヨーク９の両端側でそれぞれピストン２６、第１リテーナ３９により支持され、シリンダ部２への給気によりピストン２６を往動させ、スプリング機構３のスプリング１８によりピストン２６を復動させ、このピストン２６の往復動をピストンロッド７を介してハウジング部１の変換機構６に伝達し、この変換機構６によって出力軸１０の回動に変換してバルブに出力させることが可能になっている。このため、緊急時等において、スプリング１８の弾性力によって強制的にピストンロッド７を復動させてバルブを動作させることが可能になっている。
【００４０】
手動操作機構４はスプリング機構３の外端に設けられ、手動ギア部６０の手動操作により進退するスピンドル５２を有する構造から成っている。スピンドル５２の先端部には前述の円錐台穴形状の凹状テーパ面部５３が設けられ、この凹状テーパ面部５３は当接テーパ面部５１に当接して連動可能になっている。図６に示すように、凹状テーパ面部５３のテーパ角度βは、当接テーパ面部のテーパ角度αと同じであり、軸方向に対して１５°のテーパになっている。
手動操作機構４は、スピンドル５２先端部をスプリングリテーナ３８に当接させてこのスピンドル５２でスプリングリテーナ３８を押圧することにより、スピンドル５２の回転を阻止しながら往動させることが可能になっている。
【００４１】
スピンドル５２の先端側外周面５２ａには円錐面部６１が設けられ、一方、手動操作機構４のスピンドル５２移動位置である後述する取付部材６２の中央には円錐面部６１が嵌合状態で当接する嵌合面部６３が形成されている。スピンドル５２は、円錐面部６１と嵌合面部６３との嵌合により後退時の位置が規制される。円錐面部６１や嵌合面部６３のテーパ角度も、本実施形態において１５°に設定している。
【００４２】
また、スピンドル５２の円錐面部６１に続く外周部位には雄ねじ部６４が形成され、溝部６５が軸方向に切欠き形成されている。溝部６５は、少なくともスピンドル５２の先端側がピストンロッド７の後端側に当接するまでと、さらに手動操作時の移動する範囲までのスピンドル５２の移動領域に設けられる。
【００４３】
図７、８に示すように、スピンドル５２の後端側外周にはストッパリング６６が螺着され、このストッパリング６６は、調整ネジ６７によりスピンドル５２の軸方向に調整可能に設けられている。ストッパリング６６は、スピンドル５２の往動時に手動操作機構４側に設けられたストッパ部６８に当接可能な位置に配設される。スピンドル５２は、前述したアクチュエータ側のストッパボルト１１からなるストッパ機構が機能する前に、ストッパリング６６をストッパ部６８に当接させて手動操作機構４側のストッパ機構を発揮させるようになっている。
【００４４】
図５において、手動操作機構４における手動ギア部６０は、ステムナット７０、第１かさ歯車７１、第２かさ歯車７２、シャフト７３を有し、これらは手動操作機構４のベース７４内の所定位置に配設される。第１かさ歯車７１は、シャフト７３を介してベース７４に軸着され、このシャフト７３にはハンドル７５が取付けられてこのハンドル７５により回転操作される。そして、第１かさ歯車７１は第２かさ歯車７２に噛合し、この第２かさ歯車７２は、ステムナット７０と相対的に回転可能な状態で同軸に取付けられている。
【００４５】
ステムナット７０の内周には台形ねじからなる雌ねじ部７６が形成され、この雌ねじ部７６は、スピンドルの雄ねじ部６４に螺合可能になっている。ステムナット７０の外周側には凸部７７が設けられ、この凸部７７は、第２かさ歯車７２に設けられた凸部７８に噛合している。ステムナット７０は、前後に軸受７９、７９が装着された状態でベース７４内に回転自在に取付けられている。手動ギア部６０において、ハンドル７５を回転するとこの回転はシャフト７３を介して第１かさ歯車７１に伝達され、この第１かさ歯車７１に噛合している第２かさ歯車７２が回転する。第２かさ歯車７２の回転は、凸部７８を介して凸部７７よりステムナット７０に伝達され、このステムナット７０が回転しようとする力に減速される。続いて、この回転力がスピンドル５２に伝達される。
【００４６】
図４において、手動ギア部６０の先端側、すなわちハウジング部１への取付け側には略円板状に形成された蓋状の取付部材６２が取付けられ、この取付部材６２には８つの取付穴８０が同心円上に等間隔で形成されている。手動操作機構４は、この取付部材６２を介して取付ボルト８１によりスプリングカバー３７に固定されてスプリング機構３に一体化される。この場合、８つの取付穴８０が形成されていることにより、スプリングカバー３７に対して手動操作機構４を４５°毎に回転して取付けることができる。これにより、アクチュエータの設置場所に応じて現場で部品の交換をすることなく、取付ボルト８１を取外して手動操作機構４の向きを変更して手動ギア部６０を所望の位置に配置できる。取付穴８０は、所定の間隔で同心円上に適宜数設けてあれば８つ以外の数であってもよく、その場合にも所定角度で手動操作機構４を回転して取付けることで手動ギア部６０を所望の位置に配置可能となる。
【００４７】
図４、図９において、取付部材６２とステムナット７０との間には、円筒状の固定部材８２が図示しないボルトにより穴部８２ａを介して取付けられている。固定部材８２の求心方向には連通孔８３が形成され、この連通孔８３には先端側がステムナット７０の内周から所定量突出した状態でピン８４が圧入されている。そのため、手動ギア部６０からの回転がステムナット７０の雌ねじ部７６から雄ねじ部６４によりスピンドルに伝達されると、ピン８４が溝部６５を摺動することでこの回転運動がスピンドル５２の軸方向への直進運動に変換され、スピンドル５２が回り止め状態で進退する。
【００４８】
ベース７４における取付部材６２との他端側にはパイプからなる筒状部材８５が固着され、この筒状部材８５内をスピンドル５２が進退可能になっている。筒状部材８５の端部側にはステムカバー８６が着脱可能に設けられている。
【００４９】
なお、上記実施形態においては、変換機構６としてスコッチヨーク９・係止ピン８によってピストンロッド７の往復動を回動に変換させるスコッチヨーク機構を用いた場合を説明したが、この変換機構６はスコッチヨーク機構以外であってもよく、例えば、図示しないラック・ピニオンによる機構や、或はギア機構などの各種の変換機構を用いることも可能である。また、ピストン２６・エンドカバー２７・シリンダロッドガイド２８、スプリングロッドガイド３６・スプリングカバー３７は、それぞれ鋳物で形成可能であり、これらの鋳物部品の完成状態が同一になるように予めその形状を設定することにより、鋳物素材の共用化を図り、鋳造型の種類を低減して型費用を削減することも可能である。
【００５０】
また、上記実施形態においては、連結部材５０の材質に、強度の面からＳ４５Ｃなどの鋼材を用いている。また、スピンドル５２の材質に、摺動性やかじり防止の面からＣ６７８２Ｂなどの高力黄銅を用いている。これらの材質は、他の金属材料でも、凹状テーパ面部５３や当接テーパ面部５１を、一般的な旋盤加工により設けることができればよい。
【００５１】
続いて、本発明のバルブ用アクチュエータの上記実施形態における動作を述べる。
図１、２においては、シリンダ部２から圧縮エアが排気された状態を示している。この場合にはスプリング１８がその弾性力により伸長し、この伸長により第１リテーナ３９がスプリングカバー３７側に移動する。この第１リテーナ３９の移動によりピストンロッド７が復動し、この復動が係止ピン８、スコッチヨーク９を介して出力軸１０に伝達されてこの出力軸１０は復動方向に回転する。スコッチヨーク９の回転はストッパボルト１１により制限されるため、出力軸１０が所定の位置まで回転し、この出力軸１０の回転によりバルブが所定方向に回転する。
【００５２】
次に、給排気口からシリンダ部２に圧縮エアが供給されると、供給された圧縮エアが蓄積され、この圧縮エアの蓄積に伴ってピストン２６がエンドカバー２７の方向に移動する。このとき、図３のハウジング部１に示すように、ピストン２６の移動に伴ってピストンロッド７がスプリング１８を引き縮めながら往動し、この往動が係止ピン８、スコッチヨーク９を介して出力軸１０に伝達されて出力軸１０が往動方向に回転する。スコッチヨーク９の往動は、復動時と同様にストッパボルト１１により制限されるため、スコッチヨーク９はその制限位置まで回転した状態で停止する。このスコッチヨーク９の回転により、出力軸１０が所定の位置まで回転し、この出力軸１０の回転によりバルブが復動時の回転方向と逆方向に回転する。
【００５３】
図２においては、例えば、火災や電気信号の断裂などの緊急時や、或は、任意にバルブを操作する際に、給排気口への圧縮エアの供給が停止してシリンダ部２から圧縮エアが抜けた状態を示している。この場合、図３の状態からスプリング１８が伸長してピストンロッド７が復動する。このとき、スコッチヨーク９、出力軸１０も復動方向に回転してバルブが所定方向に回転動作する。
【００５４】
この状態で手動操作機構４のハンドル７５を回転操作すると、手動ギア部６０を介して増幅された回転力がステムナット７０に出力される。この出力は、雌ねじ部６４と雄ねじ部７６との螺合を介してスピンドル５２に伝達される。このとき、ピン８４が溝部６５を摺動することで回転運動が直進運動に変換され、スピンドル５２は、直進運動によって連結部材５０方向に前進移動する。
【００５５】
スピンドル５２の中立位置から連結部材５０に当接するまでの間においては、スピンドル５２にスプリング荷重がかからないため無負荷であり、ハンドル７５を操作したときにスピンドル５２に発生する荷重と回転力が極めて小さくなる。そのため、スピンドル５２がスプリング１８を押す直前まで移動する際に、スピンドル５２を回転止めするために必要な力も極めて小さくなる。このように、スピンドル５２の回転止めに必要な力が小さく抑えられつつピン８４が摺動することで回り止めする。そのため、この領域における回り止め機構を単純化でき、組立ても容易になる。
【００５６】
続いて、図７に示すように、円錐台穴形状の凹状テーパ面部５３により円錐台形状の当接テーパ面部５１が案内されてスピンドル５２が連結部材５０に当接する。その際、当接テーパ面部５１と凹状テーパ面部５３とのテーパ角度αが所定の同一角度に形成されていることにより、スピンドル５２がピストンロッド７の軸心と一致した状態で当接する。このようにスピンドル５２を確実にピストンロッド７に当接できるため、組立時においてもスピンドル５２とピストンロッド７の軸心同士の角度を細かく合わせる必要がなくなる。
【００５７】
次に、スピンドル５２が連結部材５０に当接すると、この時点からスプリング荷重がスピンドル５２に作用して負荷がこのスピンドル５２に加わる。このとき、ハンドル７５の操作力がスプリング荷重に比例するように増大するが、この操作力の増大に比例して連結部材５０がスピンドル５２に当接する荷重も大きくなるためスピンドル５２を回転止めする力が増大する。このようにスプリング１８の圧縮時の負荷の変動に応じて連結部材５０がスピンドル５２を押圧する力が変動し、スピンドル５２と連結部材５０とが共回りするために必要な伝達力を常に得ることができる。スプリング１８を圧縮するための力は比例的に大きくなるが、手動ギア部６０の高い減速比によりハンドル７５の操作力が小さく抑えられ、スプリング１８の弾性力に抗してスピンドル５２を前進させることができる。
【００５８】
この動力伝達時において、スプリングガイドロッド４３でスプリングリテーナ３８を案内自在に設けてピストンロッド７の回転を防止すると共に、スプリング機構３の外端にスピンドル５２を配設し、このスピンドル５２の先端部をスプリングリテーナ３８に押圧してスピンドル５２の回転を阻止しているので、スプリング機構３内で回転防止されたピストンロッド７を利用してスピンドル５２の回転を確実に防止しながら、手動操作機構４によってアクチュエータを手動操作できる。
【００５９】
スピンドル５２の先端部に円錐台穴形状の凹状テーパ面部５３、スプリングリテーナ３８に設けた連結部材５０に凹状テーパ面部５３に対応して面接触状態で当接可能な円錐台形状の当接テーパ面部５１を設け、凹状テーパ面部５３を当接テーパ面部５１に当接連動させているので、円錐面よりなるこれらのテーパ面部同士に発生する楔効果により回転時の伝達力が向上する。凹状テーパ面部５３や当接テーパ面部５１は、一般的な旋盤加工により容易に設けることが可能であるため、製作コストも小さくなる。
【００６０】
スピンドル５２と連結部材５０とにおいて回転が伝達するときの伝達トルクＴの作用を以下に示す。図１０（ａ）において、スピンドル５２を押付ける荷重Ｆ、スピンドル５２、連結部材５０のテーパ面部５３、５１同士が当接するときの拡径側の外径Ｄ、スピンドル５２、連結部材５０のテーパ面部５３、５１同士が当接するときの縮径側の内径ｄ、当接するテーパ面部５３、５１同士の摩擦係数μ、軸方向に対するテーパ角度をγとすると、
当接面の伝達トルクＴ＝荷重Ｆ×(外径Ｄ＋内径ｄ)×１／２×摩擦係数μ×１／ｓｉｎαとなり、このときのテーパ角度γ＝１５°とすると、
テーパ面部５３、５１同士の当接面の伝達トルクＴ≒荷重Ｆ×(外径Ｄ＋内径ｄ)×１／２×摩擦係数μ×１／０．２５８８１９≒荷重Ｆ×(外径Ｄ＋内径ｄ)×１／２×摩擦係数μ×３．８６３７となる。
【００６１】
一方、テーパ面部同士が当接する場合と比較するために、平面からなる当接面５６、５７が当接する場合の伝達トルクＴ１の作用例を以下に示す。図１０（ｂ）において、スピンドル５８を押付ける荷重Ｆ、スピンドル５８、連結部材５９の当接面５６、５７同士が当接するときの拡径側の外径Ｄ、スピンドル５８、連結部材５９の当接面５６、５７同士が当接するときの縮径側の内径ｄ、当接面５６、５７同士の摩擦係数を前記テーパ面部同士の場合と同じ値の摩擦係数μとすると、
平面からなる当接面５６、５７同士の伝達トルクＴ１＝荷重Ｆ×(外径Ｄ＋内径ｄ)×１／２×摩擦係数μとなる。
従って、テーパ面部５３、５１同士を当接させる場合には、同一内外径の平面の当接面５６、５７が当接する場合に比較して、およそ３．８６３７倍の回転力の伝達が可能になる。
【００６２】
なお、テーパ角度γを３０°にした場合には、１／ｓｉｎ３０°＝２となり、上記の同一内外径の平面の当接面５６、５７が当接する場合に比較して、２倍の大きい回転力を伝達できる。しかし、例えば、テーパ角度γを４５°にした場合、１／ｓｉｎ４５°≒１．４１４２となり、およそ１．４１２倍の小さい回転力の伝達となる。一方、テーパ角度γを３°にした場合には、１／ｓｉｎ３°≒１９．１０７３となり、およそ１９．１０７３倍の大きい回転力を伝達できる。更に、テーパ角度γを３°未満にすることも可能ではあるが、この場合には、前述したとおりアクチュエータが必要以上に長さ方向に長くなるため好ましいことではない。これらのことから、テーパ角度γは、軸方向に対して３〜３０°のテーパが有効である。
【００６３】
このとき、スピンドル５２前進時におけるスピンドル５２と連結部材５０との押圧力による伝達力は、このスピンドル５２から連結部材５０を介してスプリングリテーナ３８にも伝達されることになる。その際には、スプリングリテーナ３８は２本の対向するスプリングガイドロッド４３で保持されて回転が防止され、更に、スプリングリテーナ３８の貫通穴３９ａ、４０ａにベアリング３０が装着され、更に、このベアリング３０をフッ素樹脂製とすることで金属製のベアリングの場合と比較しておよそ１／１０の摩擦係数に抑えることができる。このため、スピンドル５２から連結部材５０、連結部材５０からピストンロッド７を介してスプリングリテーナ３８に回転力が加わったときに、スプリングリテーナ３８は、２個のベアリング３０、３０で均等に保持されながらスプリング１８の弾性力に対してスムーズに摺動動作する。
【００６４】
しかも、２本のスプリングガイドロッド４３、４３同士の距離を、スピンドル５２のテーパ面部の外径Ｄと内径ｄとの平均値のおよそ４〜５倍の長さに設けることで、スプリングガイドガイド４３とベアリング３０との間の摺動面にかかる荷重を、平均値の逆数であるおよそ１／４〜１／５まで小さく抑えることが可能となる。
【００６５】
よって、スピンドル５２の回転力を保持する（回転止めする）ことによって消費される回転操作力は、一般的なキーとキー溝とにより回転止めしながらスピンドルを摺動する機構に比較して、およそ１／１０×１／４〜１／１０×１／５、すなわち、１／４０〜１／５０に抑えることができ、極めて軽微にできる。その結果、ハンドル７５からの操作力によって手動ギア部６０を介してスピンドル５２の雄ねじ部６４に伝達された荷重Ｆが回転止め用の力として無駄に消費されることがなく、この荷重Ｆを効率的にピストンロッド７に伝達して小さい操作力でバルブを開閉操作できる。
【００６６】
スピンドル５２の後端側外周に軸方向に調整可能なストッパリング６６を設け、このストッパリング６６をアクチュエータ側のストッパ機構１１が機能する前にストッパ部６８に当接させてストッパ機能を発揮させているので、ハンドル７５の回転によりスプリング１８の圧縮操作を継続し、このスプリング１８の反力が漸次増大するときに手動操作の終端側で過大な手動操作力を加えたとしてもストッパ機構１１にこの力が加わることがない。このため、アクチュエータ内部の部品やハウジング部分が損傷したり損壊したりすることを防止できる。
【００６７】
一方、手動操作を行わないときには、自動運転の障害になることを防ぐ目的で図８に示すようにスピンドル５２の後退方向にハンドル７５を回しきってその端部で力を加えてハンドル７５を固定すればよい。この場合、スピンドル５２の先端側外周面５２ａに円錐面部６１、手動操作機構４のスピンドル５２移動位置に円錐面部６１が嵌合状態で当接する嵌合面部６３を設けているので、嵌合面部６３に円錐面部６１が嵌合することでスピンドル５２が後退位置で回転止めされた状態となる。これにより、スピンドル５２が後退する方向に必要以上の大きい力でハンドル７５を回転操作した場合にもピン８４や溝部６５の損傷を防ぐことができ、スピンドル５２と連結部材５０とが当接していないスピンドル５２の中立位置においても、スピンドル５２の後退位置を規制してピン８４と溝部６５とに大きな力が加わることを防いでいる。そのため、中立位置におけるスピンドル５２のスムーズな進退移動が確保される。
【００６８】
図１１においては、スピンドルと連結部材との当接構造の他例を示している。この例では、スピンドル９０の先端部に円錐台形状の当接テーパ面部９１を設け、この当接テーパ面部９１に対応して、スプリングリテーナの中央位置に配設した連結部材９２に面接触状態で当接可能な円錐台穴形状の凹状テーパ面部９３を設け、当接テーパ面部９１を凹状テーパ面部９３に当接連動させたものである。この場合にも前記と同様の伝達力を発揮でき、当接テーパ面部９１と凹状テーパ面部９３は、スピンドル９０、連結部材９２の何れの側に設けられている場合にも、確実にスピンドル９０の回転を阻止しながら手動操作できる。
【００６９】
更に、この例においてもスピンドル９０の先端側外周面９０ａに円錐面部９４を設け、この円錐面部９４が嵌合状態で当接する図示しない嵌合面部を、手動操作機構のスピンドル移動位置となる取付部材に設けるようにすればよい。この場合、スピンドル９０の後退位置を規制してピンに過大な力が加わることを防ぎ、このピンや溝部の破損を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００７０】
３  スプリング機構
４  手動操作機構
７  ピストンロッド
１８  スプリング
３８  スプリングリテーナ
４３  スプリングガイドロッド
５０  連結部材
５１  当接テーパ面部
５２  スピンドル
５３  凹状テーパ面部
６０  手動ギア部
６１  円錐面部
６３  嵌合面部
６６  ストッパリング
６８  ストッパ部
α、β  テーパ角度
【図１】
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【図２】
2012137146.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012137146.tif 000006
【図５】
2012137146.tif 000007
【図６】
2012137146.tif 000008
【図７】
2012137146.tif 000009
【図８】
2012137146.tif 000010
【図９】
2012137146.tif 000011
【図１０】
2012137146.tif 000012
【図１１】
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