JP2007198372A - 制御弁及びその初期調整方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ステッピングモータを駆動源とし直線的に往復動して開閉する制御弁の初期調整を容易にかつ確実に行えるようにする。
【解決手段】ステッピングモータのロータ130に螺合し軸線方向Lにのみ往復動する弁シャフト110、弁シャフト110の先端に設けられ通路3aを開閉する弁体100、ステッピングモータを駆動制御する制御手段を備えた制御弁の初期調整を行うに際し、制御手段は、ステッピングモータを、所定の第1トルクで駆動して弁体100を移動端3b(又は150)に当接させて基準位置を設定した後に、所定の第1トルクよりも大きい所定の第2トルクで逆向きに駆動して弁体100を移動端から離脱させ、所定ステップ数の位置に達したとき駆動を停止して弁体の待機位置を設定する。これにより、弁シャフトがロック状態にあっても、このロック状態が容易に解除される。
【選択図】図3

Description

本発明は、ステッピングモータの回転を直線的な往復動に変換して通路を開閉する制御弁及びその初期調整方法に関し、特に、内燃エンジンの空気量制御等に用いるべく、組み付け時に初期化される制御弁及びその初期調整方法に関する。
内燃エンジンのアイドル空気量を制御する制御弁としては、駆動源としてのステッピングモータ、ステッピングモータのロータと螺合すると共に軸線方向にのみ往復動自在に支持された弁シャフト、弁シャフトの先端に固定されてバイパス用の空気通路を開閉する弁体等を備え、ステッピングモータが一方向に回転することにより弁シャフトが繰り出されて、弁体が弁座に着座して空気通路を閉鎖し、ステッピングモータが他方向に回転することにより弁シャフトが繰り込まれて、弁体が弁座から離れて空気通路を開放するようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
そして、この制御弁を制御ユニットで駆動制御する場合、その初期化(原点合わせ)を行う必要があり、その初期化手法としては、ステッピングモータを第1設定パルス数による第1駆動速度で駆動した後に第2設定パルス数による第1駆動速度よりも遅い第2駆動速度で駆動して弁体を閉弁位置まで移動(弁座に着座)させ、その後、ステッピングモータを逆回転させて、弁体と弁座に設けられたスイッチが導通状態から遮断状態に変化した時点でステッピングモータのパルス数をリセットして基準位置(原点位置)とするようにしている。
また、エンジンのスロットルバルブを開閉駆動するステッピングモータの励磁制御方法として、駆動速度を高めて制御対象の追従性を向上させる場合に2相励磁を採用し、分解能を高めて高精度に駆動制御する場合に1−2相励磁を採用するものが知られている(例えば、特許文献2参照)。
一方、ステッピングモータは、一般に図6に示すような周波数‐トルク特性をもっている。すなわち、入力信号に同期した回転数に引き込むときに必要なトルク(プルイントルク)に対して、自起動領域(A)から周波数を増加させたときあるいは負荷トルクを増加させたときに、入力信号に同期を保って回転する場合の最大のトルク(あるいは脱調するときのトルク)(プルアウトトルク)が大きくなる特性を備えている。
ところで、上記のような制御弁の駆動に際して、ステッピングモータは、弁体が弁座に着座する(突き当たる)時は、プルアウトトルクで弁シャフトを駆動して脱調を生じ、一方、弁体を弁座から引き離す時は、プルイントルクで弁シャフトを駆動することになる。
また、弁体が弁座に突き当たると、その反力により、弁シャフトとロータとは雄ネジと雌ネジの関係により噛み付き合うと共に、弁シャフトには軸力が発生する。
したがって、この軸力が発生した状態において、プルイントルクで弁体を弁座から引き離そうとする(すなわち弁シャウトを繰り込もうとする)と、プルイントルク<プルアウトトルクの関係により、雄ネジと雌ネジの噛み付き(ロック状態)を解除することができず、開弁できない虞がある。
特開平11−280526号公報 特開2005−269711号公報
本発明は、上記従来技術の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、ステッピングモータの回転を弁シャフトの直線的な往復動に変換して通路を開閉する制御弁において、構造の簡略化、部品点数の削減、調整作業の容易化及び単純化等を図りつつ、駆動制御する際の初期化(原点合わせ)を確実に行うことができる制御弁及びその初期調整方法を提供することにある。
本発明の制御弁は、ステッピングモータと、ステッピングモータのロータに螺合し軸線方向にのみ往復動する弁シャフトと、弁シャフトの先端に設けられ通路を開閉する弁体と、ステッピングモータを駆動制御する制御手段とを備えた制御弁であって、上記制御手段は、ステッピングモータを、所定の第1トルクで駆動して弁体を一方の移動端まで移動させて基準位置を設定した後に、所定の第1トルクよりも大きい所定の第2トルクで逆向きに駆動して弁体を逆向きに移動させ、所定ステップ数の位置に達したとき弁体の待機位置として駆動を停止する、ことを特徴としている。
この構成によれば、制御弁の初期調整に際して、先ずステッピングモータが第1トルクで駆動されて、弁体が一方の移動端まで移動した時点をもって基準位置が設定され、その後、ステッピングモータが逆向きに第1トルクよりも大きい第2トルクで所定ステップ数だけ逆向きに駆動されて、所定の位置に至ったところで停止されて待機位置とされる。
このように、移動端から離脱させる離脱駆動時のトルクが移動端に当接させる当接駆動時のトルクよりも大きく設定されるため、弁体が通路の弁座(又は全開ストッパ)に着座(又は当接)して弁シャフトに軸力が発生した状態(ロック状態)にあっても、この弁シャフトのロック状態(ステッピングモータのロータと弁シャフトとのネジ同士の噛み合いによる動作不能状態)は容易に解除されて、開弁又は閉弁動作を行うことができる。
上記構成の装置において、第1トルク及び第2トルクは、ステッピングモータに流す電流又は電圧あるいはステッピングモータに与える駆動周波数を変化させることにより設定される、構成を採用することができる。
この構成によれば、移動端から離脱させる離脱駆動時の第2トルクを移動端に当接させる当接駆動時の第1トルクよりも大きくする際に、ステッピングモータに流す電流を大きく又は電圧を大きくあるいは駆動周波数を小さくするだけでよいため、トルクの大小の設定が容易であり、駆動回路等を簡略化できる。
上記構成の装置において、第1トルクでの駆動は、1相励磁又は1−2相励磁により駆動され、第2トルクでの駆動は、2相励磁により駆動される、構成を採用することができる。
この構成によれば、一般に、1相励磁又は1−2相励磁ではトルク及び回転力が弱く、2相励磁ではトルク及び回転力が強くなるため、第2トルク>第1トルクの設定が容易になり、又、第1トルクでの駆動の際に1−2相励磁を採用することで、きめ細かい制御が可能となり、弁体を安定して当接(着座)させることができる。
上記構成の装置において、第1トルクでの駆動は、所定ステップ数に亘って2相励磁により駆動された後に1相励磁又は1−2相励磁により駆動され、第2トルクでの駆動は、2相励磁により駆動される、構成を採用することができる。
この構成によれば、制御弁を組み付けた状態において、弁体が移動端に当接する(例えば、弁座に着座する)までのストロークが長い場合に、動作の開始時から所定ステップ数に亘って2相励磁とすることで、素早く弁体を駆動することができ、移動端への当接(着座)直前の領域を1相励磁又は1−2相励磁とすることで、弱いトルクで又きめ細かい制御を行いつつ弁体を安定して当接(着座)させることができる。
上記構成の装置において、1相励磁又は1−2相励磁による第1トルクでの駆動は、弁体が移動端に当接した後に所定ステップ数に亘って連続して行われる、構成を採用することができる。
この構成によれば、弁体が移動端に当接して停止した(例えば、弁座に着座して閉弁した)後に所定ステップ数に亘って空打ちを行うことにより、弁体を確実に停止(着座)させることができ、これにより、基準位置をより高精度に設定することができる。
上記構成の装置において、制御弁は、内燃エンジンのアイドル空気量を制御するスロットルボディに配置される、構成を採用することができる。
この構成によれば、この制御弁が内燃エンジンのスロットルボディに適用されるため、自動車又は自動二輪車等のアイドル運転の初期調整を、簡単な調整作業にて、容易にかつ高精度に行うことができる。
本発明に係る制御弁の初期調整方法は、ステッピングモータと、ステッピングモータのロータに螺合し軸線方向にのみ往復動する弁シャフトと、弁シャフトの先端に設けられ通路を開閉する弁体と、ステッピングモータを駆動制御する制御手段とを備えた制御弁において、初期調整を行う制御弁の初期調整方法であって、上記制御手段は、ステッピングモータを、所定の第1トルクで駆動して弁体を一方の移動端まで移動させて基準位置を設定した後に、所定の第1トルクよりも大きい所定の第2トルクで逆向きに駆動して弁体を逆向きに移動させ、所定ステップ数の位置に達したとき駆動を停止して弁体の待機位置を設定する、ことを特徴としている。
この構成によれば、制御弁の初期調整に際して、先ずステッピングモータが第1トルクで駆動されて、弁体が一方の移動端まで移動した時点をもって基準位置が設定され、その後、ステッピングモータが逆向きに第1トルクよりも大きい第2トルクで所定ステップ数だけ逆向きに駆動されて、所定の位置に至ったところで停止されて待機位置とされる。
このように、移動端から離脱させる離脱駆動時のトルクが移動端に当接させる当接駆動時のトルクよりも大きく設定されるため、弁体が通路の弁座(又は全開ストッパ)に着座(当接)して弁シャフトに軸力が発生した状態(ロック状態)にあっても、この弁シャフトのロック状態(ステッピングモータのロータと弁シャフトとのネジ同士の噛み合いによる動作不能状態)は容易に解除されて、開弁又は閉弁動作を行うことができる。
上記構成をなす制御弁及びその初期調整方法によれば、ステッピングモータの回転を弁シャフトの直線的な往復動に変換して通路を開閉する制御弁において、構造の簡略化、部品点数の削減、調整作業の容易化及び単純化等を達成しつつ、駆動制御する際の初期化(原点合わせ)を確実に行うことができる制御弁を提供することができる。
以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を採用しつつ説明する。
図1ないし図3は、本発明に係る制御弁及びその初期調整方法の一実施形態を示すものであり、図1は制御弁が内燃エンジンの吸気系に適用された状態を示すシステム図、図2は制御弁の断面図、図3はステッピングモータの駆動パターンを示す図である。
この制御弁を備えたシステムは、図1に示すように、エンジンEの吸気通路1aを画定する吸気管1、吸気管1内に配置されたスロットルバルブ2、スロットルバルブ2をバイパスするバイパス通路3a及び弁座3bを画定するバイパス管3、バイパス管3に取り付けられた制御弁V、吸気管1に取り付けられた吸気圧センサ4、エンジンEのクランク角度を検出するクランク角センサ5、燃料を噴射するインジェクタ6、点火プラグ7、イグニッションコイル8、吸気管1に取り付けられた吸気温センサ9、種々の制御を司る制御ユニット(ECU)10等により構成されている。
尚、スロットルバルブ2を配置した吸気管1の一部及びバイパス管3等は、吸気管1に接続されるスロットルボディとして一体的に形成されており、制御弁Vはこのスロットルボディに対して組み付けられるようになっている。
制御弁Vは、図2に示すように、バイパス通路3aを開閉する弁体100、弁体100を一端部に固定し他端部の所定領域の外周面において雄ネジ111が形成された弁シャフト110、ハウジング120,ハウジング120に回動自在に支持されると共に内周面に雌ネジ131をもつロータ130,ロータ130の周りにおいて軸線方向Lに積層された二つのステータ140、弁体100の開弁方向の移動端(全開位置)を規定する全開ストッパ150を含むステッピングモータ等により構成されている。
尚、弁体100の閉弁方向の移動端は、弁座3bにより規定される。
弁体100は、図2に示すように、先端が円錐状に形成されて、弁座3bに着座するテーパ部100a、弁シャフト110に嵌合される円筒部100bを有する。そして、弁体100は、弁座3bに着座することによりバイパス通路3aを閉鎖し、弁座3bから離れることによりバイパス通路3aを開放するようになっている。
弁シャフト110は、図2に示すように、その軸線方向Lにのみ往復動自在となるようにハウジング120に支持されると共に、その雄ネジ111がロータ130の雌ネジ131に螺合した状態で保持されている。
ロータ130は、図2に示すように、両端が回動自在にハウジング120に支持され内周面に雌ネジ131をもつ円筒部132、円筒部132の周りに多極に着磁された永久磁石133等により構成されている。
二つのステータ140は、図2に示すように、それぞれ励磁用のコイル141、コイル141を巻回するボビン142、ボビン142を挟持して接合される一対の部品からなるヨーク143により構成されている。
次に、上記構成をなす制御弁の初期化を行う初期調整方法について、図3を参照しつつ説明する。尚、この初期調整は、制御手段としての専用の制御ユニットにより行われ、図3に示す全閉位置(着座位置)からのステップ数S,S,S,Sは、同一の励磁方法に換算した場合であり、実際には1−2相励磁では、2相励磁に比べてステップ数が2倍(ステップ角が1/2倍)となる。
ここで、制御弁Vのスロットルボディへの組み付けに際しては、図3に示すように、弁体100は、全開〜全閉まで全ストロークの範囲内において、弁座3bから離れて開弁した所定位置(例えば、ステッピングモータの駆動制御においてステップ数Sに相当する位置)に位置するように予め組み付けられる。
この組み付け状態において、先ず、弁体100を弁座3bに着座させる(すなわち、一方の移動端まで移動させて当接させる)ように、ステッピングモータを所定の第1トルクで閉弁駆動し(閉弁駆動ステップ)、弁体100が弁座3bに着座した(突き当たった)着座位置において基準位置を設定し、その後、弁体100を弁座3bから離すように、ステッピングモータを所定の第2トルク(第2トルク>第1トルク)で開弁駆動し(閉弁駆動ステップ)、所定ステップ数に達した時点で駆動を停止して弁体100を待機させる(待機位置を設定する)。
すなわち、全閉(着座)位置から開弁方向にステップ数Sの位置において、2相励磁(例えば、400pps/300mA)にて閉弁駆動を開始し、ステップ数(S−S)だけ駆動した時点で、1−2相励磁(例えば、200pps/300mA)の閉弁駆動に切り替える。
これにより、ステッピングモータは、弁体100を、S〜Sの領域では比較的高速で移動させ、S〜0(全閉位置)の領域では低速でかつ小さいトルク(第1トルク)で移動させる。
そして、弁体100が弁座3bに着座して閉弁位置に到達した後、続けて1−2相励磁による閉弁駆動が所定のステップ数S2に亘って(0〜Sの領域で)行われる。すなわち、弁体100が弁座3bに着座して閉弁した後に所定ステップ数S2に亘って空打ち(空打ちステップ)を行うことにより、弁体100は弁座3bに確実に着座することになる。そして、この時点でステップ数を初期化して基準位置を設定する。
尚、この閉弁駆動においては、S±ΔS>0、S±ΔS>S±ΔS、S±ΔS>0の関係が成立する限り、±ΔSの範囲で組み付け時のバラツキが許容される。
その後、全閉位置から開弁方向に向けて、2相励磁(例えば、400pps/450mA)にて開弁駆動を開始し、所定ステップ数Sの位置に達したとき、駆動を停止して弁体100を停止させ、その位置(待機位置)に待機させる。この開弁駆動においては、ステッピングモータに流す駆動電流を例えば450mAとすることにより、駆動トルクを第1トルクよりも大きい第2トルクに設定している。
尚、ステップ数Sは、ここではS>Sとして図示しているが、S<Sの関係であってもよい。また、トルクを変化させる手法としては、駆動電流を変化させる他に、駆動電圧あるいは駆動周波数を変化させてもよい。
上記のように、開弁駆動時のトルク(第2トルク)が閉弁駆動時のトルク(第1トルク)よりも大きく設定されるため、弁体100がバイパス通路3aの弁座3bに着座して(突き当たって)弁シャフト110に軸力が発生した状態(ロック状態)にあっても、この弁シャフト110のロック状態(ステッピングモータのロータ130と弁シャフト110とのネジ111,131同士の噛み合いによる動作不能状態)は容易に解除されて、開弁動作を行うことができる。
また、開弁駆動時の第2トルクを閉弁駆動時の第1トルクよりも大きくする際に、ステッピングモータに流す駆動電流を大きく(又は駆動電圧を大きくあるいは駆動周波数を小さく)するだけでよいため、トルクの大小の設定が容易であり、駆動回路等を簡略化できる。
さらに、閉弁駆動は、所定ステップ数に亘って2相励磁により駆動された後に1−2相励磁により駆動されるため、素早く弁体100を駆動することができ、着座直前の領域を弱いトルクでかつきめ細かい制御を行いつつ、弁体100を安定して着座させることができる。
図4は、本発明に係る制御弁の初期調整方法の他の実施形態を示すものである。
この実施形態においては、図4に示すように、閉弁駆動を行う際に、前述のように2相励磁を採用するのではなく、1−2相励磁(例えば、200pps/300mA)だけで閉弁駆動を行い、全閉位置から開弁方向に向けて、2相励磁(例えば、400pps/450mA)にて開弁駆動を行うものである。
この場合も、小さい第1トルクで閉弁駆動を行ってきめ細かい制御が可能となり、弁体100を安定して着座させることができ、又、第1トルクよりも大きい第2トルクで開弁駆動を行うため、弁体100がバイパス通路3aの弁座3bに着座して(突き当たって)弁シャフト110に軸力が発生した状態(ロック状態)にあっても、この弁シャフト110のロック状態(ステッピングモータのロータ130と弁シャフト110とのネジ111,131同士の噛み合いによる動作不能状態)は容易に解除されて、開弁動作を行うことができる。
上記実施形態においては、閉弁駆動を行う際に、2相励磁(400pps/300mA)と1−2相励磁(200pps/300mA)の組み合わせ、又は、1−2相励磁(200pps/300mA)のみの励磁方法を示したが、これに限定されるものではく、2相励磁及び1相励磁の組み合わせ、又は、1相励磁のみの励磁手法を採用してもよい。
上記実施形態においては、駆動周波数の値として400pps,200pps、駆動電流の値として300mA,400mA,450mAを示したが、これに限定されるものではなく、その他の値を用いることができる。
上記実施形態においては、弁体100を一方の移動端まで移動させて基準位置を設定する際に、弁体100を閉弁方向に移動させてそのテーパ部100aを弁座3bに着座させる場合を示したが、これに限定されるものではなく、図5に示すように、ステッピングモータを所定の第1トルクで駆動して、弁体100を開弁方向に移動させて、その円筒部100bを移動端としての全開ストッパ150に当接させて基準位置を設定し、その後、所定の第1トルクよりも大きい所定の第2トルクで逆向きに駆動して弁体100を逆向き(閉弁方向)に移動させ、所定ステップ数の位置に達したとき駆動を停止して弁体100の待機位置を設定してもよい。
この場合も、前述の実施形態と同様に、全開ストッパ150から離脱させる離脱駆動時のトルク(第2トルク)が全開ストッパ150に当接させる当接駆動時のトルク(第1トルク)よりも大きく設定されるため、弁体100が全開ストッパ150に当接して弁シャフト110に軸力が発生した状態(ロック状態)にあっても、この弁シャフト110のロック状態(ステッピングモータのロータ130と弁シャフト110とのネジ同士の噛み合いによる動作不能状態)は容易に解除されて、開弁又は閉弁動作を行うことができる。
上記実施形態においては、制御弁Vを適用する分野として、内燃エンジンEのアイドル空気量を制御するスロットルボディに適用される場合を示したが、これに限定されるものではなく、通路の開閉により流量を制御する分野であれば、温水器の流量を制御する制御弁、あるいは、その他の機器における流体の制御弁においても、本発明を適用することができる。
以上述べたように、本発明に係る制御弁及びその初期調整方法は、内燃エンジンの空気量を制御する分野は勿論のこと、ステッピングモータの回転を弁シャフトの直線的な往復動に変換して通路を開閉する制御弁を適用する分野であれば、その他の分野においても有用である。
本発明に係る制御弁及びその初期調整方法が適用される内燃エンジンのシステムを示すシステム図である。 本発明に係る制御弁の弁体が弁座に着座した状態を示す断面図である。 本発明に係る制御弁の初期調整方法の一実施形態を示す図である。 本発明に係る制御弁の初期調整方法の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る制御弁の弁体が全開ストッパに当接した状態を示す断面図である。 本発明に係る制御弁に含まれるステッピングモータのトルク−周波数特性を示す特性図である。
符号の説明
E 内燃エンジン
1 吸気管
2 スロットルバルブ
3 バイパス管
3a バイパス通路
3b 弁座(移動端)
V 制御弁
L 軸線方向
100 弁体
100a テーパ部
100b 円筒部
110 弁シャフト
111 雄ネジ
120 ハウジング
130 ロータ
131 雌ネジ
132 円筒部
133 永久磁石
140 ステータ
141 励磁用のコイル
142 ボビン
143 ヨーク
150 全開ストッパ(移動端)

Claims (7)

  1. ステッピングモータと、前記ステッピングモータのロータに螺合し軸線方向にのみ往復動する弁シャフトと、前記弁シャフトの先端に設けられ通路を開閉する弁体と、前記ステッピングモータを駆動制御する制御手段とを備えた制御弁であって、
    前記制御手段は、前記ステッピングモータを、所定の第1トルクで駆動して前記弁体を一方の移動端まで移動させて基準位置を設定した後に、前記所定の第1トルクよりも大きい所定の第2トルクで逆向きに駆動して前記弁体を逆向きに移動させ、所定ステップ数の位置に達したとき前記弁体の待機位置として駆動を停止する、
    ことを特徴とする制御弁。
  2. 前記第1トルク及び第2トルクは、前記ステッピングモータに流す電流又は電圧あるいは前記ステッピングモータに与える駆動周波数を変化させることにより設定される、
    ことを特徴とする請求項1記載の制御弁。
  3. 前記第1トルクでの駆動は、1相励磁又は1−2相励磁により駆動され、
    前記第2トルクでの駆動は、2相励磁により駆動される、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の制御弁。
  4. 前記第1トルクでの駆動は、所定ステップ数に亘って2相励磁により駆動された後に1相励磁又は1−2相励磁により駆動され、
    前記第2トルクでの駆動は、2相励磁により駆動される、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の制御弁。
  5. 前記1相励磁又は1−2相励磁による第1トルクでの駆動は、前記弁体が移動端に当接した後に所定ステップ数に亘って連続して行われる、
    ことを特徴とする請求項3又は4に記載の制御弁。
  6. 前記制御弁は、内燃エンジンのアイドル空気量を制御するスロットルボディに配置される、
    ことを特徴とする請求項1ないし5いずれかに記載の制御弁。
  7. ステッピングモータと、前記ステッピングモータのロータに螺合し軸線方向にのみ往復動する弁シャフトと、前記弁シャフトの先端に設けられ通路を開閉する弁体と、前記ステッピングモータを駆動制御する制御手段とを備えた制御弁において、初期調整を行う制御弁の初期調整方法であって、
    前記制御手段は、前記ステッピングモータを、所定の第1トルクで駆動して前記弁体を一方の移動端まで移動させて基準位置を設定した後に、前記所定の第1トルクよりも大きい所定の第2トルクで逆向きに駆動して前記弁体を逆向きに移動させ、所定ステップ数の位置に達したとき駆動を停止して前記弁体の待機位置を設定する、
    ことを特徴とする制御弁の初期調整方法。
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