JP7572230B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関し、より具体的には、カップリングにより連結された複数のシャフトを有するアクチュエータに関する。

カップリングにより連結された第１シャフト及び第２シャフトを有するアクチュエータが知られている。このようなアクチュエータの例として、流量制御弁が挙げられる。流量制御弁は、モータにより回転させられる出力軸（第１シャフト）と、当該出力軸にカップリングにより連結された弁軸（第２シャフト）と、弁軸に接続され、管内を流れる流体の流量を制御する弁体と、を有する。このような流量制御弁は、弁体及び弁軸を出力軸に対して相対回転させる弁体トルクを検出するトルクセンサを備えることがある。

他方、特許文献１には、回転軸に加わるトルクを回転軸に設けた起歪部及び歪みゲージにより検出する発明が開示されている。特許文献１には、当該発明により、負荷側との軸継手が不要との記載（段落００１８）がある。

特開２０１６－８８２７号公報

上記流量制御弁のようなトルクセンサを有するアクチュエータでは、第１シャフトと第２シャフトとの間にトルクセンサが配置され、トルクセンサと第１シャフト及び第２シャフトそれぞれとを連結する２つのカップリングが設けられることになる。しかしながら、このような構成では、アクチュエータの軸線方向の全長が長くなってしまうとの問題がある。ここで、上述のように、特許文献１には負荷側との軸継手が不要との記載があり、この記載によれば、回転軸の軸線方向における全長を短くし得るので、上記問題を解決し得る。しかし、特許文献１に記載の発明は、そもそも第１シャフト及び第２シャフトといった複数のシャフトを前提とした構造でないため、上記アクチュエータに適用することができない。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、第２シャフトを第１シャフトに対して相対的に回転させるトルクを検出可能なアクチュエータの軸線方向の全長が長くなることを抑制することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るアクチュエータは、第１シャフトと、前記第１シャフトと同軸の第２シャフトと、前記第１シャフトと前記第２シャフトとが一体で回転するよう前記第１シャフトと前記第２シャフトとを連結するカップリングと、前記カップリングの前記表面に配置され、前記第２シャフトが前記第１シャフトに対して相対的に回転したときに前記表面に生じる歪みを検出するように構成された歪みゲージと、を備える。

前記カップリングは、前記第１シャフトの一端部が挿入される第１孔が開口する第１表面と、前記第２シャフトの一端部が挿入される第２孔が開口する前記第１面と反対側の第２表面と、前記第１表面と前記第２表面とを繋ぐ第３表面と、を備え、前記歪みゲージは、前記第３表面に配置されている、ようにしてもよい。

前記カップリングは、前記第１孔と前記第２孔とが連通する連通孔を有する筒形状であり、前記第１シャフトの前記一端部と前記第２シャフトの前記一端部とは、前記連通孔内で離間しており、前記歪みゲージは、前記第１シャフトの軸線方向において、前記第１シャフトの前記一端部と前記第２シャフトの前記一端部との間に配置されている、ようにしてもよい。

前記アクチュエータは、前記歪みゲージにより検出された前記歪みに基づいて、前記第２シャフトに加わるトルクを導出するように構成されたトルク導出部をさらに備え、前記第１シャフトは、駆動源により駆動されて回転する駆動軸であり、前記第２シャフトは、前記第１シャフトの回転に従動して回転することで回転対象物を回転させる従動軸であり、前記トルクは、前記回転対象物への負荷により前記第２シャフトに加わる、ようにしてもよい。

前記アクチュエータは流量制御弁であり、前記回転対象物は、菅内を流れる流体の流量を制御する弁体であり、前記第２シャフトに加わる前記トルクは、前記弁体に加わる弁体トルクである、ようにしてもよい。

前記アクチュエータは、前記カップリングの前記歪みゲージの近傍の温度を検出するように構成された温度センサをさらに備え、前記トルク導出部は、前記歪みと、前記温度センサにより検出された前記温度とに基づいて前記トルクを導出するように構成されている、ようにしてもよい。

前記アクチュエータは、前記駆動源と、前記駆動源を制御する制御部と、前記駆動源及び前記制御部を収容している筐体と、を備え、前記トルク導出部は、前記筐体の外に配置されている回路基板により構成されている、ようにしてもよい。

前記回路基板は、前記第１シャフト又は前記第２シャフトが通る貫通孔又は切り欠きを有し、前記カップリングに固定されている、ようにしてもよい。

前記制御部は、前記トルク導出部と有線で通信し、かつ、前記トルク導出部に有線で電力を供給するように構成されている、ようにしてもよい。

前記制御部は、前記トルク導出部と無線で通信し、かつ、前記トルク導出部に無線で電力を供給するように構成されている、ようにしてもよい。

本発明によれば、第２シャフトと第１シャフトとを連結するカップリングの表面に歪みゲージを配置したので、トルクセンサを第２シャフトと第１シャフトとの間にカップリングとは別に設けるといったことが不要となっている。従って、本発明によれば、アクチュエータの軸線方向の全長が長くならない。さらに、本発明によれば、歪みゲージにより、第２シャフトが第１シャフトに対して相対的に回転したときにカップリングの表面に生じる歪みを検出する。この歪みは、第２シャフトを１シャフトに対して相対的に回転させるトルクによるものである。従って、前記の歪みを検出する歪みゲージは、第２シャフトを１シャフトに対して相対的に回転させるトルクを検出しているともいえる。以上の通り、本発明によれば、第２シャフトを第１シャフトに対して相対的に回転させるトルクを検出可能なアクチュエータの軸線方向の全長が長くなることが抑制される。

図１は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示すブロック図である。 図２は、図１のアクチュエータの一部の断面図である。 図３は、図１のアクチュエータのカップリング付近の立面拡大図である。 図４は、図１の第１制御部が実行するトルク導出処理のフローチャートである。 図５は、変形例に係るアクチュエータの一部の構成を示すブロック図である。 図６は、変形例に係るアクチュエータの一部の構成を示すブロック図である。 図７は、変形例に係るアクチュエータの一部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ１０について図１から図４を参照して説明する。本発明の実施の形態に係るアクチュエータ１０は、空調システム等の設備において、配管を流れる冷温水の流量を制御する流量制御弁として構成されている。以下の説明では、図１に示すように後述の第１シャフト４３及び第２シャフト４４が延びている方向を上下方向とし、後述の弁本体２０側を下として説明する。この上下方向は実際の天地方向と一致しなくてもよい。

図１に示すように、アクチュエータ１０は、内部を流れる流体の流量を制御する弁本体２０と、弁本体２０を駆動する駆動装置３０と、弁本体２０に取り付けられ、駆動装置３０を支持するヨーク９０と、を備える。

弁本体２０は、流体が流れる流路２１Ａを形成している円筒状の管継手２１と、当該管継手２１の内部つまり流路２１Ａの途中に配置された弁体２２と、を備える。弁体２２は、駆動装置３０により駆動されて回転する。弁体２２は、回転することで流路２１Ａの開口面積を変化させることで、流路２１Ａを流れる流体の流量を制御する。

駆動装置３０は、弁体２２を駆動する駆動機構４０と、駆動機構４０を制御する制御機構５０と、弁体２２に加わるトルクである弁体トルクを検出するトルク検出機構６０と、を備える。駆動機構４０の一部、及び、制御機構５０は、駆動装置３０の筐体３１内に収容され、トルク検出機構６０は、駆動機構４０の構成部材であって筐体３１の外側に配置された後述のカップリング４５上に配置されている。

弁体２２を駆動する駆動機構４０は、駆動源４１、第１シャフト４３、第２シャフト４４、及び、カップリング４５を備える。

駆動源４１は、第１シャフト４３を駆動して回転させる機構であり、モータ４１Ａ及び減速機４１Ｂを含んで構成されている。モータ４１Ａは、特定のモータに限定されず、例えば、ＤＣモータ、ＡＣモータ、ステッピングモータなどの各種の制御用モータであればよい。モータ４１Ａは、回転軸４１ＡＡを備える。モータ４１Ａは、制御機構５０により制御され、回転軸４１ＡＡを回転させる。減速機４１Ｂは、噛合された、歯数の異なる複数の歯車を含むギヤボックスなどの動力伝達機構からなる。減速機４１Ｂは、モータ４１Ａの回転軸４１ＡＡの回転を、減速して第１シャフト４３に伝達し、第１シャフト４３を回転させる。

第１シャフト４３及び第２シャフト４４は、棒形状を有する。第１シャフト４３及び第２シャフト４４は、同軸に配置され、これらの中心軸が同じ軸線上に位置している。第１シャフト４３及び第２シャフト４４は、カップリング４５により連結されている。この連結により、第１シャフト４３、カップリング４５、及び、第２シャフト４４は、一体で回転する。第２シャフト４４の下端部には、弁本体２０の弁体２２が接続されている。モータ４１Ａが減速機４１Ｂを介して第１シャフト４３を回転させることで、この回転がカップリング４５及び第２シャフト４４を介して弁体２２に伝わり、弁体２２が回転する。従って、第１シャフト４３は、駆動源４１により駆動されて回転する駆動軸となっている。第２シャフト４４は、第１シャフト４３の回転に従動して回転することで回転対象物としての弁体２２を回転させる従動軸となっている。弁体２２の回転角度つまり弁開度は、モータ４１Ａの回転軸４１ＡＡの回転角度により調整される。

ここで、第１シャフト４３、第２シャフト４４及びカップリング４５の構造等を、図２を参照して説明する。

第１シャフト４３には、減速機４１Ｂを構成するギア４１ＢＡが固定されている。また、第１シャフト４３は、筐体３１の下部３１ＡによりベアリングＢを介して回転可能に支持されている。第１シャフト４３の下端側の一部は、筐体３１の外側に突き出ている。

カップリング４５は、第１孔４５Ａが開口した上面（第１表面）４５Ｂ、第２孔４５Ｃが開口した、上面４５Ｂの反対側の下面（第２表面）４５Ｄ、及び、上面４５Ｂと下面４５Ｄとをつなぐ側面（第３表面）４５Ｅを備える。第１孔４５Ａと第２孔４５Ｃとは、連通しており、連通孔４５Ｇを構成している。従って、カップリング４５は、連通孔４５Ｇの内壁を内周壁とする円筒形状を有する。

第１孔４５Ａには、第１シャフト４３の下端部４３Ａが挿入された状態で、カップリング４５に固定される。第２孔４５Ｃには、第２シャフト４４の上端部４４Ａが挿入された状態で、カップリング４５に固定される。第１シャフト４３の下端部４３Ａ及び第２シャフト４４の上端部４４Ａは、連通孔４５Ｇ内で間隔Ｄを空けてつまり離間して対向した状態で固定される。下端部４３Ａ及び上端部４４Ａの固定方法は任意である。例えば、下端部４３Ａ及び上端部４４Ａは、カップリング４５に締結されることにより、第１孔４５Ａ又は第２孔４５Ｃに固定される。例えば、下端部４３Ａ及び上端部４４Ａは、Ｄ形状の断面を有し、Ｄ形状の平面部が、円筒状のカップリング４５を径方向に貫通する不図示のボルトにより押さえられることによりカップリング４５に締結される。締結の方法は、任意であり、クランプ締結、面圧締結、又は、ピン締結などであってもよい。

図１に示すように、制御機構５０は、信号処理回路５１と、電源回路５２と、モータ駆動回路５３と、回転位置センサ５４と、第１制御部５５と、を備えている。

信号処理回路５１は、上位装置ＵＤと第１制御部５５との通信を中継するために各種の信号を処理する。信号処理回路５１には、上位装置ＵＤから、弁体２２の開度の目標値を示す開度目標信号が入力される。信号処理回路５１は、入力された開度目標信号を処理して当該開度目標信号が示す前記目標値を抽出して第１制御部５５に出力する。信号処理回路５１は、さらに、第１制御部５５から後述の警告情報が入力されたときに、当該警告情報を示す信号を生成して上位装置ＵＤに送信する。

電源回路５２は、電源ＰＳから供給される電力を、アクチュエータ１０の各部を動作させるための電力に変換して出力する。特に、電源回路５２は、電源ＰＳからの電力を、モータ駆動回路５３用の電力、及び、第１制御部５５用の電力に変換し、変換後の電力を、モータ駆動回路５３、及び、第１制御部５５にそれぞれ供給する。

モータ駆動回路５３は、電源回路５２からの電力により動作し、後述のように第１制御部５５からの制御信号に基づいてモータ４１Ａを駆動する。

回転位置センサ５４は、減速機４１Ｂに取り付けられ、第１シャフト４３の回転角度を検出し、検出した回転角度を第１制御部５５に出力する。回転位置センサ５４は、回転角度を検出可能なセンサであればどのようなセンサでもよい。このようなセンサとして、例えば、円形差動トランス型角度センサ、磁気抵抗型角度センサ、ポテンショメータ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダなどが挙げられる。

第１制御部５５は、マイクロコンピュータ等の各種のコンピュータにより構成されており、アクチュエータ１０全体を制御する。第１制御部５５は、電源回路５２からの電力により動作し、モータ駆動回路５３に制御信号を供給することで、モータ駆動回路５３によるモータ４１Ａの駆動を制御する。第１制御部５５は、信号処理回路５１から供給される弁体２２の開度の目標値と、回転位置センサ５４から供給される第１シャフト４３の回動角度とに基づいて、第１シャフト４３の回転角度を前記の目標値に対応する回転角度に近づける制御信号をモータ駆動回路５３に供給する。モータ駆動回路５３は、当該制御信号に従ってモータ４１Ａを駆動する。第１制御部５５は、このようなフィードバック制御によりモータ４１Ａを制御し、弁体２２の開度が上位装置ＵＤから供給される目標値となるよう第１シャフト４３の回転角度を制御する。

第１制御部５５は、さらに、トルク検出機構６０に電力を供給するとともに、トルク検出機構６０から後述の弁体トルクのトルク値を取得する。第１制御部５５は、取得した弁体トルクのトルク値が所定の閾値を超えたときなどに所定の動作をする。この点については、トルク検出機構６０を説明してから詳述する。

図１に示すように、弁体２２に加わる弁体トルクを検出するトルク検出機構６０は、歪みゲージ６１と、温度センサ６２と、アナログ処理回路６３と、第２制御部６４と、を備える。アナログ処理回路６３と第２制御部６４とは、図２及び図３に示す回路基板６５により構成されている。第２制御部６４は、回路基板６５に実装されているマイクロコンピュータ等から構成されている。なお、図２及び図３では、回路基板６５が簡略化して描かれており、実際に実装されている回路素子等は省略されている。

図３に示すように、歪みゲージ６１は、カップリング４５の側面４５Ｅに配置されている。歪みゲージ６１は、カップリング４５の側面４５Ｅに接着剤等により貼り付けられ、側面４５Ｅの歪みを検出する。歪みゲージ６１は、薄いシート状の電気絶縁体と、この電気絶縁体に折り返しパターンでパターン形成された金属製の抵抗体と、を有する。歪みゲージ６１の抵抗体の抵抗値は、カップリング４５の側面４５Ｅの歪みに応じて変化する。つまり、歪みゲージ６１は、歪みを前記の抵抗体の抵抗値に変換している。歪みゲージ６１は、この変換により、歪みを検出している。歪みゲージ６１として、前記の抵抗体の代わりに、前記の歪みに応じて抵抗値が変化する半導体を有する半導体歪みゲージが採用されてもよい。歪みゲージ６１の抵抗体又は半導体の抵抗値つまり歪みゲージ６１が検出した歪みは、電圧信号の形で、２本のリード線Ｌ１を介して、アナログ処理回路６３に出力される。歪みゲージ６１は、歪みを検出できれば、どのような検出器であってもよい。

カップリング４５の側面４５Ｅの歪みは、第２シャフト４４が第１シャフト４３に対して相対的に回転したときに、この相対回転によりカップリング４５がねじれることにより生じる。この相対回転は、弁体２２に加わる弁体トルクが、この弁体２２を介して第２シャフト４４に加わることで生じる。ここで、弁体トルクは、特に、第１シャフト４３に対して弁体２２を相対的に回転させるトルクをいう。弁体トルクは、第１シャフト４３が回転するときに弁体２２を回転させないように弁体２２に加わる力、つまり、第１シャフト４３とともに回転しようとする弁体２２を反対方向に回転させようとするトルクも含む。さらに、弁体トルクは、第１シャフト４３が回転していないときに弁体２２に加わるトルクを含む。弁体トルクは、弁体２２を介して第２シャフト４４に加わることから、第２シャフト４４を第１シャフト４３に対して相対的に回転させるトルクともいえる。歪みゲージ６１は、側面４５Ｅの歪みを検出することで、第２シャフト４４を第１シャフト４３に対して相対的に回転させるトルクを検出する。

歪みゲージ６１がカップリング４５の側面４５Ｅの歪みを検出することを考慮し、カップリング４５は、第１シャフト４３及び第２シャフト４４を連結するのに十分な強度を有しつつ表面歪みが大きな材料により形成される。当該材料としては、例えばジュラルミン又は超ジュラルミンが挙げられる。

歪みゲージ６１の位置は、歪みが生じる側面４５Ｅの任意の位置でよい。ここでは、歪みゲージ６１は、図３に示すように、上下方向における、第１シャフト４３の下端部４３Ａと、第２シャフト４４の上端部４４Ａとの間の位置（間隔Ｄの位置）に配置される。この位置は、前記のねじれ乃至歪みが大きい部分でもあるので、歪みゲージ６１をこの位置に配置することで、歪みが精度よく検出される。歪みゲージ６１は、カップリング４５の表面に配置されればよく、連通孔４５Ｇの内周面（この面も表面とする）に設けられてもよい。歪みゲージ６１は、連通孔４５Ｇの内周面の、第１シャフト４３の下端部４３Ａと、第２シャフト４４の上端部４４Ａとの間の位置に配置されてもよい。この場合、上記２本のリード線Ｌ１は、カップリング４５に形成された孔又は切り欠きを通って引き回される。

温度センサ６２は、カップリング４５の側面４５Ｅの歪みゲージ６１の近傍に設けられ、カップリング４５における歪みゲージ６１の近傍の温度を検出する。温度センサ６２は、温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタ等であればよい。温度センサ６２は、温度を抵抗値に変換することで当該温度を検出する。温度センサ６２の抵抗値つまり温度センサ６２により検出された温度は、電圧信号の形で、２本のリード線Ｌ２を介して、アナログ処理回路６３に出力される。温度センサ６２は、温度を検出するセンサであれば、どのようなセンサであってもよい。

図２及び図３に示すように、アナログ処理回路６３及び第２制御部６４を構成する回路基板６５は、カップリング４５の上面４５Ｂに、不図示のボルト等により固定されている。回路基板６５は、ケース等に覆われていてもよい。回路基板６５は、第１シャフト４３が通る貫通孔（又は切り欠き。以下、この貫通孔について同じ）６５Ａを有する。第１シャフト４３が貫通孔６５Ａを通ることで、回路基板６５が第１シャフト４３から一方向に向かった領域のみに偏在することを防止できる。

図１に戻り、アナログ処理回路６３は、各種のフィルタ回路、増幅回路、ホイーストンブリッジ回路等の検出回路等のアナログ回路を含んで構成される。アナログ処理回路６３は、歪みゲージ６１及び温度センサ６２から出力される各電圧信号をアナログ処理し、当該各電圧信号が示す抵抗値つまり歪みゲージ６１が検出した歪み又は温度センサ６２が温度を取得し、第２制御部６４に出力する。

第２制御部６４は、第１制御部５５と有線で接続されており、第１制御部５５から有線で供給される電力により動作するとともに、アナログ処理回路６３に必要な電力を有線で供給する。第２制御部６４は、アナログ処理回路６３からの歪み及び温度（抵抗値）をアナログ／デジタル変換し、変換後のデジタルデータとしての歪み及び温度に基づいて弁体トルクを導出する。つまり、第２制御部６４は、歪みゲージ６１が検出した歪み及び温度センサ６２が検出した温度に基づいて弁体トルクを導出するトルク導出部として動作する。第２制御部６４は、例えば、図４に示すトルク導出処理を実行することで、弁体トルクを導出する。アナログ処理回路６３からの歪み及び温度は、第２制御部６４の外部のアナログ／デジタル変換回路によりデジタルデータに変換され、第１制御部５５に入力されてもよい。

図４に示すトルク導出処理において、第２制御部６４は、まず、前記の歪みに基づいて、弁体トルクのトルク値を導出する（ステップＳ１１）。第２制御部６４は、当該トルク値を、歪みに基づく計算により導出してもよいし、歪みとトルク値とが対応付けられたテーブルを参照して導出してもよい。なお、前記の歪みは、ここでは抵抗値により示されるので、第２制御部６４は、抵抗値に基づいて計算又はテーブル等を参照して歪みの値を導出し、導出した歪みに基づいてトルク値を導出してもよい。

その後、第２制御部６４は、前記の温度に基づいて、ステップＳ１１で導出した弁体トルクのトルク値の補正値を取得する（ステップＳ１２）。第２制御部６４は、自身のメモリに、温度とトルク値の補正値とが対応付けられた補正テーブルを記憶している。この補正テーブルは、製品ごと、つまり、歪みゲージ６１乃至アクチュエータ１０ごとに固有のものであり、アクチュエータ１０の工場出荷時等において第２制御部６４のメモリに格納される。第２制御部６４は、前記の温度に基づいて補正テーブルを参照し、当該温度に対応する補正値を取得する。第２制御部６４は、温度に基づく計算により補正値を取得してもよい。なお、前記の温度は、ここでは抵抗値により示されるので、第２制御部６４は、抵抗値に基づいて計算又はテーブル等を参照して温度を導出し、導出した温度に基づいて補正値を取得してもよい。

その後、第２制御部６４は、ステップＳ１２で取得した補正値で、ステップＳ１１で導出したトルク値を補正し（ステップＳ１３）、補正後のトルク値を現在の弁体トルクのトルク値として、第１制御部５５に出力する（ステップＳ１４）。

上述のように、図１に示す第１制御部５５は、例えば弁体トルクのトルク値が予め定められた閾値を超えている場合に、所定の動作を行う。閾値は、この閾値をトルク値が超えた場合に、例えば、弁本体２０に異常が発生しているといえる値、又は、弁体２２又はカップリング４５等が破損し得る値として設定されているものとする。異常としては、弁体２２に異物が衝突して弁体トルクが上昇する異常、第１シャフト４３の回転に伴って回転しようとしたときに弁体２２に異物等による負荷がかかって弁体トルクが上昇する異常等が挙げられる。弁体２２又はカップリング４５等が破損し得る場合としては、前記異物の存在の他、管２１Ａ内の流体の流れが想定以上であり、回転する弁体２２に想定される以上の弁体トルクがかかる場合などが含まれる。第１制御部５５は、前記所定の動作として、例えば、信号処理回路５１に、弁体トルクのトルク値が想定以上の高い旨を報知する情報を出力する。信号処理回路５１は、当該情報を示す信号を生成して上位装置ＵＤに送信する。上位装置ＵＤは、当該情報に基づいて、弁体トルクのトルク値が異常値を示している旨を報知することで、ユーザにアクチュエータ１０の異常を知らせる。

以上のように、この実施の形態に係るアクチュエータ１０では、第１シャフト４３と第２シャフト４４とが一体で回転するよう両者を連結するカップリング４５の側面４５Ｅに、第２シャフト４４が第１シャフト４３に対して相対的に回転したときに側面４５Ｅに生じる歪みを検出する歪みゲージ６１を設けたので、トルクセンサをカップリング４５とは別に設けるといったことが不要となっている。従って、アクチュエータ１０の軸線方向である上下方向の全長は短くなっている。さらに、歪みゲージ６１は、前記の歪みを検出することで、第２シャフトを１シャフトに対して相対的に回転させるトルクを検出できる。このように、本実施の形態によれば、第２シャフト４４を第１シャフト４３に対して相対的に回転させるトルクを検出可能なアクチュエータ１０の軸線方向（上下方向）の全長が長くなることが抑制される。また、本実施形態によれば、第１シャフト４３と第２シャフト４４との連結及び弁体トルクの検出の両機能がカップリング４５に集約され、装置構成が簡素化されており、これにより、弁体トルク計測の大幅なコストダウンが可能となっている。なお、弁体トルクをモータ４１Ａの電流値により検出する方法も考えられる。しかし、本実施の形態のアクチュエータ１０はモータ４１Ａの出力トルクを減速機４１Ｂのギアにより増幅させているため、検出したトルク上昇が、弁体２２の弁体トルクの上昇によるものか、アクチュエータの制御機構５０側で切り分けできないという問題がある。本実施の形態によれば、歪みゲージ６１の使用によって、このような不都合が解消されている。

また、カップリング４５は、第１シャフト４３の下端部４３Ａが挿入される第１孔４５Ａが開口する上面４５Ｂと、第２シャフト４４の上端部４４Ａが挿入される第２孔４５Ｃが開口する下面４５Ｄと、上面４５Ｂと下面４５Ｄとをつなぐ側面４５Ｅと、を備える。そして、歪みゲージ６１は、カップリング４５の側面４５Ｅに配置されている。このような構成により、従来からの構造のカップリング４５において、弁体トルクにより歪みが生じやすい側面４５Ｅに歪みゲージ６１を設けることができ、アクチュエータ１０の軸方向の全長が長くなることが効果的に抑制される。

さらに、カップリング４５は、第１孔４５Ａと第２孔４５Ｃとが連通した連通孔４５Ｇを有する筒形状である。このような構成により、従来からの構造のカップリング４５に歪みゲージ６１を設けることができ、アクチュエータ１０の軸方向の全長が長くなることがより効果的に抑制される。さらに、第１シャフト４３の下端部４３Ａと第２シャフト４４の上端部４４Ａとは、連通孔４５Ｇ内で離間して配置間隔をあけて配置されており、歪みゲージ６１は、上下方向において、第１シャフト４３の下端部４３Ａと第２シャフト４４の上端部４４Ａとの間の位置に配置されている。このような構成により、カップリング４５の側面４５Ｅにおいて、第２シャフト４４に弁体トルクが加わったときに比較的大きく歪む位置に歪みゲージ６１が配置されるので、歪みが検出されやすくなる。これにより、弁体トルクの検出もされやすくなる。

さらに、歪みゲージ６１により検出された歪みに基づいて、弁体２２への負荷により第２シャフト４４に加わる弁体トルクを導出する第２制御部（トルク導出部）６４を設けたことにより、弁本体２０内の異常等をトルクにより監視できる。

さらに、カップリング４５の歪みゲージ６１の近傍の温度を検出する温度センサ６２を設け、第２制御部（トルク導出部）６４は、温度センサ６２により検出された温度に基づいて弁体トルクを補正するように構成されている。歪みゲージ６１が検出した歪みに基づく弁体トルクのトルク値は、カップリング４５の熱膨張の影響を受けて真の値とはなっていないことがある。上記のようにカップリング４５の、歪みゲージ６１の近傍温度に基づいて弁体トルクのトルク値を補正することで、精度の良い弁体トルクのトルク値が得られる。なお、歪みゲージ６１の抵抗体又は半導体の抵抗値等が熱により変化し、これにより、歪みゲージ６１により検出される歪み（特に、抵抗値で示される歪み）ないしトルク値が真の値にならないことがある。このため、第２制御部６４は、前記のトルク値を導出する際に、前記温度に基づいて、前記歪みの値を補正するようにしてもよい。第２制御部６４が行う、温度に基づく補正の対象及び方法は任意である。第２制御部６４は、例えば、歪みゲージ６１が検出した歪みと温度センサ６２により検出された温度とに基づいて弁体トルクを導出するように構成されればよい。これにより、精度の良い弁体トルクが得られる。

さらに、第２制御部（トルク導出部）６４を構成する回路基板６５が、アクチュエータ１０の駆動源４１及び第１制御部５５等を収容する筐体３１の外に配置されている。これにより、第２制御部６４が壊れたときには回路基板６５を交換すればよいので、筐体３１を空けるといった手間を省くことができる。ここで、第２制御部６４が上記のように補正テーブルを記憶し、当該補正テーブルは、個々の歪みゲージ６１で異なる内容となる場合を考える。この場合、アクチュエータ１０が実際に使用されている現場において、歪みゲージ６１及び第２制御部６４のいずれかの一方でも故障すれば、歪みゲージ６１と第２制御部６４との両者を交換する必要が生じる。このような場合でも、前記の現場において、筐体３１の外に配置した回路基板６５の交換のみで第２制御部６４を交換できるので、第２制御部６４の交換作業が容易である。さらに、回路基板６５及び歪みゲージ６１がカップリング４５上に集まっているので、回路基板６５及び歪みゲージ６１の両者の交換作業が容易である。これらの優位性は、特に、トルクの導出及び補正を第１制御部５５で行う態様と比べたときにいえる。前記の態様では、歪みゲージ６１の交換に伴って、第１制御部５５が記憶する補正テーブルの更新、又は、第１制御部５５の交換等が必要になり、これらは、筐体３１を空けて行う必要があり手間がかかるからである。

また、本実施の形態では、第２制御部（トルク導出部）６４を構成する回路基板６５が、第１シャフト４３が通る貫通孔（又は切り欠き）６５Ａを有し、カップリング４５に固定されている。回路基板６５は、カップリング４５の下面４５Ｄに固定されてもよい。この場合、貫通孔６５Ａには、第２シャフト４４が通る。第１シャフト４３又は第２シャフト４４が貫通孔６５Ａを通ることで、回路基板６５が第１シャフト４３又は第２シャフト４４から一方向に向かった領域のみに偏在することを防止できる。これにより、回転するカップリング４５が偏心することが軽減される。さらに、この実施の形態では、歪みゲージ６１及び回路基板６５をカップリング４５に設けるので、トルク検出のための構成を容易に後付けできる。第２制御部６４は、導出したトルクを第１制御部５５に送信することに代えて又は加えて、当該トルクを自身で所定の閾値等と比較してもよい。この場合、第２制御部６４は、前記のトルクが閾値等を超えたときに、スピーカ、及び表示灯等のいずれか又は２つ以上の任意の組み合わせによりその旨を出力してもよい。

さらに、第１制御部５５は、第２制御部（トルク導出部）６４と有線で通信し、かつ、第２制御部６４に有線で電力を供給することにより、通信及び電力の供給が高い確度で行われる。

本実施の形態に係るアクチュエータ１０は、流量制御弁として構成されている。流量制御弁における弁体トルクの計測は、安価に行うことが求められている。市販のトルクセンサはロボットのアーム部などで使用され、高速、多回転、高トルク、高精度の軸トルクを計測する必要があり、通常は複雑な構造で高価である。このため、前記のトルクセンサは、当該流量制御弁には向かない。他方、本実施の形態でのトルク計測は、例えば、弁体２２を５０～６０秒かけて約９０度回転させるときに行われ、さらに、弁本体２０に異常があるか否かを検知するためのものである。このため、計測精度はそれほど求められてない。このため、歪みゲージ６１によるトルク検出の構成は簡素化が可能である。

本発明は、上記実施の形態に限定されない。上記実施の形態に対して種々の変更を施してもよい。以下、上記実施の形態の変形例を説明するが、以下の変形例の少なくとも一部同士を組み合わせてもよい。

トルク検出機構６０のアナログ処理回路６３及び第２制御部６４の位置は適宜変更可能である。例えば、図５に示すように、アナログ処理回路６３及び第２制御部６４を筐体３１内に配置してもよい。なお、図５では、駆動機構４０等は省略している（図６以降も同じ）。第１制御部５５及び第２制御部６４は、共通のマイクロコンピュータ等のコンピュータにより構成されてもよい。つまり、１のコンピュータが、第１制御部５５及び第２制御部６４として動作してもよい。このような構成によれば、回路基板６５等を筐体３１の外に配置しなくてよくなり、アクチュエータ１０の装置構成が簡単となる。アナログ処理回路６３は、カップリング上の回路基板６５により構成され、第２制御部６４のみ、筐体３１内に配置されてもよい。この場合、第１制御部５５が第２制御部６４として動作してもよい。

第１制御部５５と第２制御部６４とは、無線で通信し、かつ、無線で電力の供給を行ってもよい。例えば、図６に示すように、筐体３１内には、第１制御部５５に加え、電力を無線で送信する無線給電部５９Ａと、前記のトルク値等の情報を無線で送受信する無線通信部５９Ｂを設ける。また、カップリング４５上又は回路基板６５に、無線給電部５９Ａからの電力を受電する無線受電部６９Ａと、前記のトルク値等の情報を無線で送受信する無線通信部６９Ｂを設ける。無線給電部５９Ａ及び無線受電部６９Ａは、電力を無線で供給する各種回路等により構成されている。無線通信部５９Ｂ及び６９Ｂは、それぞれ、アンテナと、変調又は復調回路と、を含んで構成される。通信及び電力の供給が無線で行われることで、第１制御部５５と第２制御部６４とを繋ぐ配線の引き回し等が不要になる。このような構成は、後述のように本発明を、第１シャフト及び第２シャフトが３６０度以上回転するロボット等、第１シャフト及び第２シャフトが多回転するすべての装置に適用する場合に有利である。これにより、第１シャフト等が回転することによって配線が絡まるといった不都合が抑制される。

第１制御部５５と第２制御部６４とは、通信と電力の供給とのうち、少なくとも一方を無線で行い、他方を有線で行ってもよい。例えば、図７に示すように、電力の供給については有線で行ってもよい。電力の供給を無線で行うと環境条件により電界強度が大きくなり、これにより、無線通信に使用される電波に対して、混線等の悪影響が及ぼされるおそれがある。前記のように電力の供給を有線で行うことで、無線通信に使用される電波等の混線が防止される。

アクチュエータ１０を構成する部材の形状等は適宜変更可能である。例えば、カップリング４５の形状は、例えば、多角筒等であってもよい。カップリング４５の第１孔４５Ａ及び第２孔４５Ｃは、連通していなくてもよい。

本発明は、流量制御弁以外のアクチュエータにも適用可能である。例えば、本発明を、空気の風量を調整する弁体を有する風量調整ダンパに適用してもよい。本発明は、カップリングにより連結された第１シャフト及び第２シャフトを有するアクチュエータ全般に適用できる。第１シャフトは、例えば、モータ、エンジン等の駆動源からの駆動力が直接又は間接的に伝達されて回転する駆動軸等であればよい。第２シャフトは、例えば、第１シャフトと一体で第１シャフトに従動して回転し、所定の回転対象物（弁体、又は、ロボットのアーム等）を回転させる軸であればよい。本発明は、大型弁のアクチュエータ、各種のダンパ、及び、ロボット等の２軸以上の軸をカップリングで連結したすべての装置に適用できる。

以上、実施の形態及び変形例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記の実施の形態及び変形例に対する様々な変更が含まれる。上記実施の形態及び変形例に挙げた各構成は、矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることができる。

１０…アクチュエータ、２０…弁本体、２２…弁体、３０…駆動装置、３１…筐体、４０…駆動機構、４１…駆動源、４１Ａ…モータ、４３…第１シャフト、４４…第２シャフト、４５…カップリング、４５Ａ…第１孔、４５Ｂ…上面、４５Ｃ…第２孔、４５Ｄ…下面、４５Ｅ…側面、４５Ｇ…連通孔、５０…制御機構、５５…第１制御部、無線給電部…５９Ａ、無線通信部…５９Ｂ、６０…トルク検出機構、６１…歪みゲージ、６２…温度センサ、６４…第２制御部、無線受電部…６９Ａ、無線通信部…６９Ｂ。

Claims (6)

1. 流量制御弁として構成されたアクチュエータであって、
   駆動源と、
   前記駆動源を制御する制御部と、
   前記駆動源及び前記制御部を収容している筐体と、
   前記駆動源により駆動されて回転する駆動軸である第１シャフトと、
   前記第１シャフトと同軸で、前記第１シャフトの回転に従動して回転することで、菅内を流れる流体の流量を制御する弁体を回転させる従動軸である第２シャフトと、
   前記第１シャフトと前記第２シャフトとが一体で回転するよう前記第１シャフトと前記第２シャフトとを連結するカップリングと、
   前記カップリングの表面に配置され、前記第２シャフトが前記第１シャフトに対して相対的に回転したときに前記表面に生じる歪みを検出するように構成された歪みゲージと、
   前記歪みゲージにより検出された前記歪みに基づいて、前記弁体に加わる弁体トルクを導出するように構成されたトルク導出部と、を備え、
   前記トルク導出部は、前記筐体の外に配置されている回路基板により構成され、
   前記回路基板は、前記第１シャフト又は前記第２シャフトが通る貫通孔又は切り欠きを有し、前記カップリングに固定されている
   アクチュエータ。
2. 前記カップリングは、前記第１シャフトの一端部が挿入される第１孔が開口する第１表面と、前記第２シャフトの一端部が挿入される第２孔が開口する前記第１表面と反対側の第２表面と、前記第１表面と前記第２表面とを繋ぐ第３表面と、を備え、
   前記歪みゲージは、前記第３表面に配置されている、
   請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記カップリングは、前記第１孔と前記第２孔とが連通する連通孔を有する筒形状であり、
   前記第１シャフトの前記一端部と前記第２シャフトの前記一端部とは、前記連通孔内で離間しており、
   前記歪みゲージは、前記第１シャフトの軸線方向において、前記第１シャフトの前記一端部と前記第２シャフトの前記一端部との間に配置されている、
   請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記カップリングの前記歪みゲージの近傍の温度を検出するように構成された温度センサをさらに備え、
   前記トルク導出部は、前記歪みと、前記温度センサにより検出された前記温度とに基づいて前記トルクを導出するように構成されている、
   請求項１に記載のアクチュエータ。
5. 前記制御部は、前記トルク導出部と有線で通信し、かつ、前記トルク導出部に有線で電力を供給するように構成されている、
   請求項１に記載のアクチュエータ。
6. 前記制御部は、前記トルク導出部と無線で通信し、かつ、前記トルク導出部に無線で電力を供給するように構成されている、
   請求１に記載のアクチュエータ。

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