JP2005291223A - 電動式コントロールバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータやロータ軸受部、ねじ係合部の回転抵抗を増加することなく、ロータの回転振動がねじ係合部に伝わることを回避して騒音を低減し、併せて優れた動作安定性、耐久性を得ること。
【解決手段】ステッピングモータのロータ３１と、送りねじ機構のうちロータ３１によって回転駆動される側のねじ部材（雄ねじ部材２９）との間に、ロータ回転方向のクリアランスＣを設ける。
【選択図】図２

Description

この発明は、電動式コントロールバルブに関し、特に、ステッピングモータ等の電動機によって駆動される電動式コントロールバルブの騒音低減に関するものである。

流量制御等を行う弁装置として、ステッピングモータ等の電動機のロータの回転を雄ねじ部材と雌ねじ部材とのねじ係合による送りねじ機構によって弁リフト方向の直線運動に変換し、当該直線運動によって弁体を弁リフト方向に移動させる電動式コントロールバルブが知られている（例えば、特許文献１〜４）。

上述のような電動式コントロールバルブでは、ステッピングモータの各励磁相（例えば、Ａ相、ＡＢ相、Ｂ相）への通電により、ステッピングモータのロータがオーバシュートを伴う間欠回転運動を行い、この間欠回転運動（回転振動）が送りねじ機構に直接伝達されるため、ねじ係合部の摺動音を音源とする騒音（動作音）が生じ、静粛性が損なわれる。ステッピングモータのロータの間欠回転運動を状態を図１１に模式的に示している。図１１において、励磁相の変遷時に、区間Ｍで、オーバシュートを収束するロータの回転振動Ｎが生じる。

この問題を解決するために、ロータを合成樹脂製の軸受パッキンによって回転可能に支持し、軸受パッキンのダンピング効果によってロータの回転振動を抑制するもの（例えば、特許文献５）、ロータをブッシュ軸受とシャフト軸受とによる両端軸受構造によって回転および位置移動可能に支持してロータの回転振動を抑制するもの（例えば、特許文献６）、ロータに圧縮コイルばねによる負荷を与えてロータ回転に摺動抵抗を与え、ロータの回転振動を抑制するもの（例えば、特許文献７）がある。

しかし、軸受パッキンによるもの（例えば、特許文献５）は、軸受パッキンによってロータ回転の摺動抵抗を増やしてロータの回転振動を低減するものであるため、ロータの回転抵抗が増え、安定した動作を得ることが難しくなる。また、合成樹脂製の軸受パッキンを用いているため、経年変化によって軸受パッキンによる回転振動の低減効果が低下し、耐久性に問題がある。

両端軸受構造によるもの（例えば、特許文献６）は、軸受部の同心管理、クリアランス管理が難しく、ロータの回転振動を軸受部で抑制するため、摺動抵抗が発生し、作動が不安定になる。このことに対して軸受部の摺動抵抗を少なくすると、ロータの回転振動がねじ係合部に伝達することを抑制する効果が低減し、騒音低減効果を期待できなくなる。

ロータに圧縮コイルばねによる負荷を与えてロータの回転振動を抑制するもの（例えば、特許文献７）は、ロータの回転抵抗が増加するばかりでなく、圧縮コイルばねによる負荷がねじ係合部にも作用するために、ねじ部の回転抵抗も増加し、耐久性が低下する。

従来のものは、何れも、ロータやロータ軸受部、ねじ係合部の回転抵抗が増加するため、ロータの回転に必要なトルクが増大し、コイル部の大型化、消費電力の増加を招く。
特開２０００−２９１８１７号公報 特開２０００−３４６２２５号公報 特開２００１−３４３０８３号公報 特開２００３−２５４４６１号公報 特許２７５５５３８号公報 特許３１８１１１８号公報 特開平６−３２３４６０号公報

この発明が解決しようとする課題は、ロータやロータ軸受部、ねじ係合部の回転抵抗を増加することなく、ロータの回転振動がねじ係合部に伝わることを回避して騒音を低減し、併せて優れた動作安定性、耐久性を得ることである。

この発明による電動式コントロールバルブは、雄ねじ部材と雌ねじ部材の何れか一方を電動機のロータによって回転駆動され、前記ロータの回転を前記雄ねじ部材と前記雌ねじ部材とのねじ係合による送りねじ機構によって弁リフト方向の直線運動に変換し、当該直線運動によって弁体を弁リフト方向に移動させる電動式コントロールバルブにおいて、前記ロータと前記送りねじ機構のうちロータによって回転駆動される側のねじ部材との間にロータ回転方向のクリアランスが設けられている。

この発明による電動式コントロールバルブの電動機はステッピングモータである。

この発明による電動式コントロールバルブは、前記ロータと前記送りねじ機構のうちロータによって回転駆動される側のねじ部材との接続部に前記クリアランスが設定されている、或いは前記ロータをロータケースより回転可能に支持し前記ロータによって回転駆動される側のねじ部材とトルク伝達関係で連結されるロータ軸を有し、当該ロータ軸と前記ロータとの間に前記クリアランスが設定されている、或いは前記ロータをロータケースより回転可能に支持し前記ロータによって回転駆動される側のねじ部材とトルク伝達関係で連結されるロータ軸を有し、当該ロータ軸と前記ねじ部材との間に前記クリアランスが設定されている。

この発明による電動式コントロールバルブは、更に、前記クリアランスにゴム状弾性部材が配置されている。

この発明による電動式コントロールバルブは、ロータとねじ部材との間にロータ回転方向のクリアランスが設けられていることにより、ロータの振動、つまり、ロータの微少角による往復回転がクリアランスによるロータの空転により吸収され、ロータ振動が送りねじ機構のねじ係合部に伝わることが回避される。

これにより、ロータ（多極着磁マグネット）の種類、大きさ、重さ、相励磁速度の如何に拘わらず、ねじ係合部の摺動音を音源とする騒音（動作音）が低減する。また、単純にクリアランスによって振動伝達を絶縁（遮断）するから、ロータやロータ軸受部、ねじ係合部の回転抵抗を増加することがなく、優れた動作安定性、耐久性を得ることができ、コイル部の大型化、消費電力の増加を招くこともない。

この発明による電動式コントロールバルブの一つの実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。

この実施形態による電動式コントロールバルブは、図１に示されているように、弁ハウジング１１を有し、弁ハウジング１１は、弁室１２、弁座部１３、弁ポート１４を形成している。弁ハウジング１１には、弁室１２に直接連通する管継手１５と、弁ポート１４に直接連通する管継手１６とが接続されている。

弁ハウジング１１には溶接等によって弁体支持部材１７が固定装着されている。弁体支持部材１７は、支持孔１８によって弁体２０の軸状のステム部２０Ｂを上下方向（軸線方向）、つまり弁リフト方向に移動可能に支持している。

弁体２０は、ステム部２０Ｂの下端側にニードル弁部２０Ａを有し、ニードル弁部２０Ａによって弁ポート１４の開閉、開度調整を行う。

ステム部２０Ｂの上端には送りねじ機構の雄ねじ部材２９が同心に一体に設けられている。雄ねじ部材２９は、弁体支持部材１７の上側に支持孔１８と同心に形成された雌ねじ孔１９にねじ係合し、回転により、ねじピッチによって弁体２０を軸線方向、つまり、弁リフト方向に駆動する。

すなわち、弁体支持部材１７が送りねじ機構の雌ねじ部材を兼ねており、雌ねじ孔１９と雄ねじ部材２９とのねじ係合による送りねじ機構によって後述のステッピングモータ３０のロータ３１の回転を弁リフト方向の直線運動に変換し、当該直線運動によって弁体２０を弁リフト方向に移動させる。

弁ハウジング１１には、弁体支持部材１７を内蔵する形態で、溶接等によってステッピングモータ３０のキャン状のロータケース３２が固定されている。ロータケース３２内には天井部より頭部（フランジ３３Ｃ）付きのロータ軸３３が吊り下げ固定されている。ロータ３１は、ロータケース３２内にあってその中心孔３１Ａにロータ軸３３を通され、ロータ軸３３によってロータケース３２より吊り下げ式に回転可能に支持されている。ロータ３１の上面には滑り座金３５が配置され、滑り座金３５とロータケース３２の天井部との間に、ロータ３１の軸線方向のがた付き移動を抑制する圧縮コイルばね３６が設けられている。

ロータケース３２の外側にはステッピングモータ３０のステータコイル装置３４が取り付けられている。ステータコイル装置３４は、図示されてないが、ステッピングモータ用の多磁極歯構造の一般的構造のもので、Ａ相、ＡＢ相、Ｂ相等の励磁相を有するものであり、ロータ３１が多極着磁されたマグネットであることにより、パルス通電によってロータ３１を所定の分解能をもって分割回転駆動する。

ロータ３１の下側には、中心孔３１Ａと同心に円柱状のトルク伝達孔３７が形成されている。このトルク伝達孔３７の周面には、図１のＡ−Ａ線断面図である図２及び図３に示されているように、ロータ３１の回転方向に１８０度位相をずらして一対の扇形状部３７Ａが膨出形成されている。

雄ねじ部材２９の上端には、図３に示されているように、トルク伝達駒２１が固定（固着）されている。トルク伝達駒２１は、トルク伝達孔３７と同じく円柱状を呈しており、トルク伝達駒２１の周面には、ロータ３１の回転方向に１８０度位相をずらして一対の扇形状部２１Ａが膨出形成されている。このトルク伝達駒２１は、図２に示されているように、ロータ３１のトルク伝達孔３７に、軸線方向に変位可能に、滑りキー式にトルク伝達関係で係合している。

ここで重要なことは、トルク伝達孔３７の扇形状部３７Ａの両端に形成されたトルク伝達面３８とトルク伝達駒２１の扇形状部２１Ａの両端に形成されたトルク授与面２２との間に、即ち、ロータ回転方向に相対向するトルク伝達面３８とトルク授与面２２との間に、各々、ロータ回転方向のクリアランス（間隙）Ｃが設けられていることである。クリアランスＣは、一方の扇形状部３７Ａ、２１Ａの２つのトルク伝達面３８及びトルク授与面２２間にできる２つのクリアランスＣの合計で、通常動作下で生じるロータ３１の回転振動の振幅より少し大きい値に設定されている。

これにより、ステッピングモータ３０の励磁相の変遷時に、ロータ３１が回転方向に振動しても、つまり、ロータ３１が微少角による往復回転を繰り返しても、クリアランスＣの範囲で、ロータ３１だけが回転（空転）することにより、このロータ３１の微少角による往復回転が、トルク伝達駒２１、雄ねじ部材２９に伝わることがない。

これにより、ロータ３１の多極着磁の種類、大きさ、重さ、相励磁速度の如何に拘わらず、雄ねじ部材２９と雌ねじ孔２０とのねじ係合部の摺動音を音源とする騒音（動作音）が低減する。

また、単純に、クリアランスＣによってロータ３１の回転振動が雄ねじ部材２９の側に伝わることを絶縁（遮断）するから、ロータ３１やロータ軸受部、ねじ係合部の回転抵抗を増加することがなく、優れた動作安定性、耐久性を得ることができ、ステータコイル装置３４の大型化、消費電力の増加を招くこともないと云う効果が得られる。

なお、図４に示されているように、トルク伝達駒２１の扇形状部２１Ａに、適度の硬度、弾性を有する合成樹脂、ゴム等によるゴム状弾性部材２３を貼り付け、ゴム状弾性部材２３をクリアランスＣ、つまり、トルク伝達孔３７のトルク伝達面３８とトルク伝達駒２１のトルク授与面２２との間に配置してもよい。

この場合には、ロータ３１の回転振動によってゴム状弾性部材２３が弾性変形することにより、防振ゴムの作用が得られ、ロータ３１の回転振動を減衰する効果も得られる。また、トルク伝達孔３７のトルク伝達面３８とトルク伝達駒２１のトルク授与面２２とが直接衝突することが避けられ、衝突音の発生も避けられる。

また、予めトルク伝達孔３７のトルク伝達面３８とトルク伝達駒２１のトルク授与面２２との、ロータ回転方向の間隙を余裕をもって設定することにより、ゴム状弾性部材２３を配置してもなお、クリアランスＣを、一方の扇形状部３７Ａ、２１Ａの２つのトルク伝達面３８及びトルク授与面２２間にできる２つのクリアランスＣの合計で、通常動作下で生じるロータ３１の回転振動の振幅より大きい値に設定することもできる。

トルク伝達駒２１、トルク伝達孔３７のトルク伝達形状（横断面形状）は、図２、３に示す形状に限られることはなく、図５（ａ）〜（ｆ）に示されているような四角形、三角形、十文字形一文字形、セレーション形、変形一文字形等、真円形以外の各種形状に設定することが可能である。

つぎに、この発明による電動式コントロールバルブの他の実施形態を、図６〜図８を参照して説明する。なお、図６〜図８において、図１〜図３に対応する部分は、図１〜図３に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

この実施形態では、図６に示されているように、円筒状のロータ３１の中心孔３１Ａをロータ軸３３が軸線方向に貫通し、ロータ軸３３は、上端部３３Ａをロータケース３２の天井部に形成された軸受部３２Ａにより回転可能に支持され、下端部３３Ｂをロータケース３２に固定装着された支持板３８の軸受孔３８Ａにより回転可能に支持されている。

支持板３８の軸受孔３８Ａを貫通したロータ軸３３の下端部３３Ｂ部分にはトルク伝達凹部４４が形成され、トルク伝達凹部４４には、雄ねじ部材２９の上端に固定装着されたトルク伝達頭部２８が係合し、ロータ軸３３と雄ねじ部材２９とをトルク伝達関係でリジットに連結している。

ロータ３１の下端部には、図６のＢ−Ｂ線断面図である図７及び図８に示されているように、ロータ３１の回転方向に１８０度位相をずらした中心孔３１Ａ箇所からロータ３１の径方向に中心孔３１Ａを拡大してなる、キー溝状の一対のトルク伝達凹溝３９が形成されている。

ロータ軸３３の下端部寄りの周面部分には、図８に示されているように、ロータ３１の回転方向に１８０度位相をずらして一対のトルク伝達凸部４１がキー状に膨出形成されており、ロータ３１の中心孔３１Ａを貫通したロータ軸３３の各トルク伝達凸部４１は、対応する各トルク伝達凹溝３９にトルク伝達関係で係合している。

トルク伝達凹溝３９のトルク伝達面４０とトルク伝達凸部４１のトルク授与面４２とは、ロータ回転方向に相対向しており、このトルク伝達凹溝３９のトルク伝達面４０とトルク伝達凸部４１のトルク授与面４２との間には、ロータ回転方向のクリアランスＣが設けられている。クリアランスＣは、一方のトルク伝達凹溝３９、トルク伝達凸部４１の２つのトルク伝達面４０及びトルク授与面４２間にできる２つのクリアランスＣの合計で、通常動作下で生じるロータ３１の回転振動の振幅より少し大きい値に設定されている。

これにより、ステッピングモータ３０の励磁相の変遷時に、ロータ３１が回転方向に振動しても、つまり、ロータ３１が微少角による往復回転を繰り返しても、クリアランスＣの範囲で、ロータ３１だけが回転（空転）することにより、このロータ３１の微少角による往復回転が、ロータ軸３３、雄ねじ部材２９に伝わることがない。

これにより、ロータ３１の多極着磁の種類、大きさ、重さ、相励磁速度の如何に拘わらず、雄ねじ部材２９と雌ねじ孔２０とのねじ係合部の摺動音を音源とする騒音（動作音）が低減する。

また、この実施形態でも、単純に、クリアランスＣによってロータ３１の回転振動が雄ねじ部材２９の側に伝わることを絶縁（遮断）するから、ロータ３１やロータ軸受部、ねじ係合部の回転抵抗を増加することがなく、優れた動作安定性、耐久性を得ることができ、ステータコイル装置３４の大型化、消費電力の増加を招くこともないと云う効果が得られる。

なお、図９に示されているように、トルク伝達凸部４１に、適度の硬度、弾性を有する合成樹脂、ゴム等によるゴム状弾性部材４３を貼り付け、ゴム状弾性部材４３をクリアランスＣ、つまり、トルク伝達凹溝３９のトルク伝達面４０とトルク伝達凸部４１のトルク授与面４２との間に配置してもよい。

この場合には、ロータ３１の回転振動によってゴム状弾性部材４３が弾性変形することにより、防振ゴムの作用が得られ、ロータ３１の回転振動を減衰する効果も得られる。また、トルク伝達凹溝３９のトルク伝達面４０とトルク伝達凸部４１のトルク授与面４２とが直接衝突することが避けられ、衝突音の発生も避けられる。

また、予めトルク伝達凹溝３９のトルク伝達面４０とトルク伝達凸部４１のトルク授与面４２との、ロータ回転方向の間隙を余裕をもって設定することにより、ゴム状弾性部材４３を配置してもなお、クリアランスＣを、一方のトルク伝達凹溝３９、トルク伝達凸部４１の２つのトルク伝達面４０及びトルク授与面４２間にできる２つのクリアランスＣの合計で、通常動作下で生じるロータ３１の回転振動の振幅より大きい値に設定することもできる。

トルク伝達凹溝３９のトルク伝達面４０とトルク伝達凸部４１のトルク授与面４２との回転方向のクリアランスＣの設定は、上述の如きロータ３１とロータ軸３３とのトルク伝達部に限られることはなく、図６に示されている、ロータ軸３３と雄ねじ部材２９とをトルク伝達関係でリジットに連結しているトルク伝達凹部４４とトルク伝達頭部２８との間に、同様に設定することもできる。

つぎに、この発明による電動式コントロールバルブのもう一つの実施形態を、図１０を参照して説明する。なお、図１０において、図１〜図８に対応する部分は、図１〜図８に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

この実施形態では、図６〜図８に示されている実施形態と同様に、図７に示されているようなロータ３１の回転方向のクリアランスＣが、ロータ３１のトルク伝達凹溝３９とロータ軸３３のトルク伝達凸部４１との間に設定されている。

そして、図１０に示されているように、ロータ軸３３の下端側には雄ねじ部材４６が一体形成されている。また、弁体２０のステム部２０Ｂに、上端側に開放された中空部２０Ｃが形成されており、この中空部２０Ｃの上端寄り部分に雌ねじ部２４が形成されている。弁体２０は弁ハウジング１１に固定された支持部材２５によって軸線方向（上下方向）に移動可能に回り止めされている。雄ねじ部材４６は、回り止めされている弁体２０の雌ねじ部２４にねじ係合し、ロータ３１乃至ロータ軸３３の回転により、ねじピッチによって弁体２０を軸線方向、つまり、弁リフト方向に駆動する。

すなわち、弁体２０が送りねじ機構の雌ねじ部材を兼ねており、雌ねじ部２４と雄ねじ部材４６とのねじ係合による送りねじ機構によってステッピングモータ３０のロータ３１の回転を弁リフト方向の直線運動に変換し、当該直線運動によって弁体２０を弁リフト方向に移動させる。

なお、支持部材２５による雄ねじ部材４６の下端部の回転可能な軸受け支持部分の詳細な説明が必要ならば、特開２０００−３４６２２５号公報を参照されたい。

この実施形態でも、ステッピングモータ３０の励磁相の変遷時に、ロータ３１が回転方向に振動しても、つまり、ロータ３１が微少角による往復回転を繰り返しても、クリアランスＣの範囲で、ロータ３１だけが回転（空転）することにより、このロータ３１の微少角による往復回転が、ロータ軸３３、雄ねじ部材２９に伝わることがない。

これにより、ロータ３１の多極着磁の種類、大きさ、重さ、相励磁速度の如何に拘わらず、雄ねじ部材２９と雌ねじ孔２０とのねじ係合部の摺動音を音源とする騒音（動作音）が低減する。また、ロータ３１やロータ軸受部、ねじ係合部の回転抵抗を増加することがないから、優れた動作安定性、耐久性を得ることができ、ステータコイル装置３４の大型化、消費電力の増加を招くこともないと云う効果も同様に得られる。

なお、上述した何れの実施形態でも、雄ねじ部材２９がロータ３１側で、送りねじ機構の回転部材になっているが、送りねじ機構の雌ねじ部材がロータ３１側に設けられている型式の電動式コントロールバルブでも、上述の実施形態と同様に、ロータと送りねじ機構のうちロータ３１によって回転駆動される側のねじ部材（雌ねじ部材）との間に、ロータ回転方向のクリアランスを設定することができ、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

この発明による電動式コントロールバルブの一つの実施形態を示す縦断面図である。 図１の線Ａ−Ａに沿った断面図である。 一つの実施形態による電動式コントロールバルブの要部の分解斜視図である。 この発明による電動式コントロールバルブの応用実施形態を示す要部の斜視図である。 （ａ）〜（ｆ）は各々この発明による電動式コントロールバルブのトルク伝達部の形状例を示す図である。 この発明による電動式コントロールバルブの他の実施形態を示す縦断面図である。 図６の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。 他の実施形態による電動式コントロールバルブの要部の分解斜視図である。 この発明による電動式コントロールバルブの応用実施形態を示す要部の斜視図である。 この発明による電動式コントロールバルブのもう一つの実施形態を示す縦断面図である。 ステッピングモータの励磁相変遷時のロータの挙動を模式的に示すグラフである。

符号の説明

１１ 弁ハウジング
１４ 弁ポート
１７ 弁体支持部材
１９ 雌ねじ孔
２０ 弁体
２１ トルク伝達駒
２３ ゴム状弾性部材
２４ 雌ねじ孔
２８ トルク伝達頭部
２９ 雄ねじ部材
３０ ステッピングモータ
３１ ロータ
３２ ロータケース
３３ ロータ軸
３４ ステータコイル装置
３６ 圧縮コイルばね
３７ トルク伝達孔
３９ トルク伝達凹溝
４１ トルク伝達凸部
４３ ゴム状弾性部材
４４ トルク伝達凹部
４６ 雄ねじ部材
Ｃ クリアランス

Claims (6)

1. 雄ねじ部材と雌ねじ部材の何れか一方を電動機のロータによって回転駆動され、前記ロータの回転を前記雄ねじ部材と前記雌ねじ部材とのねじ係合による送りねじ機構によって弁リフト方向の直線運動に変換し、当該直線運動によって弁体を弁リフト方向に移動させる電動式コントロールバルブにおいて、
   前記ロータと前記送りねじ機構のうちロータによって回転駆動される側のねじ部材との間にロータ回転方向のクリアランスが設けられている電動式コントロールバルブ。
2. 前記電動機はステッピングモータである請求項１記載の電動式コントロールバルブ。
3. 前記ロータと前記送りねじ機構のうちロータによって回転駆動される側のねじ部材との接続部に前記クリアランスが設定されている請求項１または２記載の電動式コントロールバルブ。
4. 前記ロータをロータケースより回転可能に支持し前記ロータによって回転駆動される側のねじ部材とトルク伝達関係で連結されるロータ軸を有し、当該ロータ軸と前記ロータとの間に前記クリアランスが設定されている請求項１または２記載の電動式コントロールバルブ。
5. 前記ロータをロータケースより回転可能に支持し前記ロータによって回転駆動される側のねじ部材とトルク伝達関係で連結されるロータ軸を有し、当該ロータ軸と前記ねじ部材との間に前記クリアランスが設定されている請求項１または２記載の電動式コントロールバルブ。
6. 前記クリアランスにゴム状弾性部材が配置されている請求項１〜５の何れか１項記載の電動式コントロールバルブ。

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