JP2008101765A - 電動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回転と弁開度との間に生じやすいヒステリシスを解消することができ、小型で安価な電動弁を提供する。
【解決手段】電動弁１は、ロータとステータとを備えた駆動部１ａと、送りねじ機構１ｃと、弁本体部１ｄとを備えていて、送りねじ機構１ｃに内在するバックラッシュ除去のため、弁室１２内に、弁軸６０を弁座６２から離れる方向に付勢するコイルばね７０を配置している。また、コイルばね７０を収容する収容室を弁室１２内に形成するばね受け７３を設けたことで、弁本体部１ｄには広い弁室１２が確保され、流体が電動弁を通過するとき通過音を低減させる。弁軸６０とコイルばね７０との当接面は、コイルばね７０の曲げを吸収する調芯曲面とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、空気調和機の冷媒の流量を制御するのに用いられる電動弁に関する。

図１４は、特許文献１に開示されている従来の電動弁の一例を示す縦断面図である。電動弁１００は、弁室１２１及びその内部に形成された弁座１２２を有する弁本体１２０と、弁座１２２に接離して弁座１２２の開口部を開閉する弁体１２３と、弁本体１２０に固着されたキャン１４０とを備えている。キャン１４０にはロータ１３０が内蔵されているとともに、ロータ１３０を回転駆動するステータ１４２がキャン１４０に外嵌されている。弁本体１２０には、弁本体１２０の底面から下方に延出したパイプ１２０ａと、弁本体１２０の側面から水平方向に延出したパイプ１２０ｂとが設けられており、これらのパイプ１２０ａ，１２０ｂによって弁室１２１内に冷媒が導入され、弁室１２１内の冷媒が外部に導出される。

キャン１４０は非磁性の金属から形成されて有頂円筒状を呈しており、弁本体１２０の上部に固着された鍔状板１４１に溶接等により固着され、内部は気密状態に保たれている。ステータ１４２は、ステータ本体１４３と、その外側を覆う樹脂製の外装部１４４とを備えている。ステータ本体１４３は、磁性材より構成されるヨーク１５１と、このヨーク１５１にボビン１５２を介して巻回された上下のステータコイル１５３，１５３とから構成される。外装部１４４は、キャン１４０に外嵌する嵌合孔１４４ａを有している。

ニードル弁から構成される弁体１２３は弁軸１２４の下端に形成されている。ロータ１３０の回転は駆動機構によって弁体１２３の弁座１２２に接離する動作に変換される。この駆動機構は、弁本体１２０にロータ１３０の方向に突出するように固定され固定ねじ部１２５が形成された筒状のガイドブッシュ１２６と、該ガイドブッシュ１２６の固定ねじ部１２５に螺合する移動ねじ部１３１を有する弁軸ホルダ１３２とから構成されるねじ送り機構である。固定ねじ部１２５は、ガイドブッシュ１２６の外周に形成された雄ねじとして構成されている。また、移動ねじ部１３１は、弁軸ホルダ１３２の内周に形成された雌ねじとして構成されている。

弁軸ホルダ１３２は、ガイドブッシュ１２６の外側に位置し且つ下方に開口した有頂円筒形状を呈しており、その頂壁の中心に弁軸１２４の上部縮径部が嵌合してプッシュナット１３３により連結されている。弁軸１２４は、弁軸ホルダ１３２の中心に上下動可能に嵌挿されており、弁軸ホルダ１３２内に縮装された圧縮コイルばね１３４によって常時下方に付勢されている。ガイドブッシュ１２６の側壁には、弁室１２１とキャン１４０内との均圧を図る均圧孔１２６ｂが形成されている。

弁軸１２４の上端に圧入固定されたプッシュナット１３３の外周には、円筒状の圧縮コイルばねで構成される復帰ばね１３５が取り付けられている。ガイドブッシュ１２６の固定ねじ部１２５と弁軸ホルダ１３２の移動ねじ部１３１との螺合が外れたときに、復帰ばね１３５がキャン１４０の内面に当接して両ねじ部１２５，１３１の螺合を復帰させるように付勢する。

弁軸ホルダ１３２とロータ１３０とは支持リング１３６を介して結合されている。支持リング１３６の内周孔部に弁軸ホルダ１３２の上部突部が嵌合し、この上部突部の外周をかしめることにより、ロータ１３０、支持リング１３６及び弁軸ホルダ１３２が結合されている。

ガイドブッシュ１２６にはリング状の下ストッパ体１２７が固着されており、その上部に板状の下ストッパ片１２７ａが突設されている。また、弁軸ホルダ１３２にはリング状の上ストッパ体１３７が固着されており、その下部には板状の上ストッパ片１３７ａが突設され下ストッパ片１２７ａと係合可能となっている。

ステータ１４２は、ステータコイル１５３，１５３に接続された複数のリード端子１５４を有しており、このリード端子１５４に複数のリード線１５５が接続されたコネクタ１５６が連結されている。そして、コネクタ１５６を覆うカバー１５７がステータ１４２に溶着され、カバー１５７内はエポキシ樹脂等の充填材１５８で充填されている。

ステータ１４２の外装部１４４の嵌合孔１４４ａにはキャン１４０が嵌合し、外装部１４４の下面に溶着された回り止め部材１５９により弁本体１２０及びキャン１４０に対する回転が阻止されている。回り止め部材１５９は、図示を省略するが、水平な頂壁と、この頂壁の両側縁より下方に延出する２つの腕部を有している。頂壁には、その一端から上方に突出する位置決め部が形成されている。回り止め部材１５９は、その頂壁に形成された取付け孔にステータ１４２の下面から突出した突起を挿入してこの突起を超音波ウェルダにより押し潰すことにより固定される。符号１４５’は押し潰された突起を示している。ステータ１４２はその嵌合孔１４４ａをキャン１４０に嵌合させて弁本体１２０方向に押し込むことにより、回り止め部材１５９の２つの腕部が水平方向のパイプ１２０ｂを径方向に挟み込んで保持した状態となるので、ステータ１４２は弁本体１２０及びキャン１４０に極めて容易に、しかも確実に固定することができる。

この電動弁１００においては、弁軸１２４のスムーズな動作を行わせるためには、通常、上記のような送りねじ機構が採用されており、ロータ１３０の回転は送りねじ機構によって弁体１２３の上下移動に変換され、弁開度を変更することによって流体の流量制御を行っている。送りねじ機構には、構造上、雄ねじと雌ねじのねじ係合部分にある程度のガタ（バックラッシュ）が生じるのが避けられない。

送りねじ機構の一部を拡大した断面図が図１５に示されている。閉弁時には、ロータ（固定ねじ部１２５）の回転によって移動ねじ部１３１を押し下げる。図１４において流れ方向がパイプ１２０ｂからパイプ１２０ａへと流れる場合、流体の圧力に起因した上方向の力はそれほど生じない。その結果、移動ねじ部１３１に加わる荷重は主に下方向である。即ち、図１５（ａ）に示すように、固定ねじ部１２５の下側螺旋面１２５ｂが移動ねじ部１３１の上側螺旋面１３１ａに当接して移動ねじ部１３１を押し下げて、弁座に当接させている。この状態から開弁をするには、まず、図１５（ｂ）の状態になるまで固定ねじ部１２５を回転してガタを吸収させなければならない。

流れ方向が図１４において、パイプ１２０ａからパイプ１２０ｂへと流れる場合には、ねじに加わる荷重は、冷媒流れによる力のために上方向であるため、図１５（ａ）に示すように、ねじ当たりが上側のまま開弁する。上当たり状態にあるねじは、開弁後、流れから受ける上方向の荷重の減少に基づく荷重のバランスによって、下側に移動することもある。

上述のように、流れ方向の違いによって、ねじの当たり方が変化するため、流体の流れ方向によって開弁点の違いが生じる。また、制御中にねじの当たり面が変化することにより、流量特性曲線に違いが表れる。パルスモータに加えられる駆動パルスの１パルス当たりの弁軸のリフト量が大きいと、ガタによる影響は比較的少ない。しかしながら、この種の電動弁にあっては、昨今の精密な流量制御の要求に応じて、モータと送りねじ機構との間に減速機構を設けるなどの対応が採られ、駆動パルスの１パルス当たりの弁軸のリフト量が小さくなる傾向にある。モータに加えられる１パルス当たりの弁軸のリフト量が極めて小さくなると、弁の開き始めと閉じ終わりの時期で一致しない、所謂ヒステリシス（流量差）を生じさせ、この流量差が流量制御において無視できなくなっている。

既存の電動弁の一形態として、冷媒に対して隔壁を構成するベローズを採用しているものがあり、図１６にその一例の要部が断面図として示されている。電動弁の上部の構造は、図１４に示すものと同等であってよいので、図示を省略している。ステッピングモータの出力が伝達される移動ねじ部１３１は固定ねじ部１２５とねじ係合している。弁軸１２４の外側にはベローズ１６０が配設されており、ベローズ１６０の上端１６１はリング部材１６７を介して弁本体にカシメ加工やはんだ付けにより固着され、ベローズ１６０の下端１６２は弁棒１２４に固着されている。ベローズ１６０は、弁室１２１に連通する室１６３内に導入される冷媒が電動弁の上部に設けられるキャン内に浸入するのを防止している。弁軸１２４の上端部には、ボール１６５を受けるボール受け部材１６６が挿入固定されている。ボール１６５の上部には、ねじ軸である移動ねじ部１３１が当接し、ねじ機構によるねじ送り作用による軸方向の推力はボール１６５及びボール受け部材１６６を経て弁軸１２４側へ伝達される。ベローズ１６０の弾性力及びベローズ１６０の内外の圧力差に基づいた受圧荷重により、弁軸１２４には上方に引き上げられる力が作用する。したがって、移動ねじ部１３１は常に上方向に押されてねじ部に存在するガタに起因したヒステリシスが緩和されている。しかしながら、ベローズ１６０は高価な部品であって、成形性が悪く、はんだ付け等の煩雑な組立作業を必要としており、電動弁の製造コスト低減のネックになっている。

また、モータの出力回転を弁体の軸方向変位に変換する送りねじ機構に存在するねじのバックラッシュを除去する弾性手段としてのコイルばねを、弁ホルダや弁本体とステムや弁軸との間に配置したものも提案されている。これらの例では、そのコイルばねの配置位置が弁室の上方位置とされている（特許文献２、３）。この場合、電動弁の上下方向の寸法が大きくなるという難点がある。
特開２０００−３４６２２６号公報 特開平８−２２６５６４号公報 特開２００５−４８７７９号公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの回転と弁開度との間に生じやすいヒステリシスを解消することができ、小型で安価な電動弁を提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明による電動弁は、弁室及びその内部に形成された弁座を有する弁本体と、前記弁座に接離して流体の通過流量を調整する弁体と、ロータ及び該ロータを回転駆動するステータを有する駆動部と、前記ロータの回転を前記弁体の前記弁座に対する接離動作に変換する送りねじ機構と、前記送りねじ機構に内在するバックラッシュ除去のため、前記弁体を前記弁座から離れる方向に付勢するばねとを備え、前記ばねを前記弁室内に配置したことを特徴とする。

この電動弁によれば、弁室内にばねを配置したので、送りねじ機構の螺旋状のねじ面間に存在するバックラッシュを吸収して、閉弁終了時及び開弁開始時における送りねじ機構の回転と弁体の移動量との関係においてヒステリシスが生じず、送りねじ機構に無効なストロークを生じるのを防ぐことができる。また、弁室の上方にばねを配置するものと比べて上下方向の寸法を小さくすることができる。

図１は、本発明による電動弁の全体構造を示す断面図である。全体を符号１で示す電動弁は、励磁機能で作用しステータとロータとから成るモータを備える駆動部１ａと、当該駆動部１ａによる回転駆動力が入力されて歯車減速を行い減速した回転を出力するギア減速機部１ｂと、当該ギア減速機部１ｂからの減速回転をねじ作用によってねじ軸方向の変位に変換して出力する送りねじ機構部１ｃとを備えている。

符号３０は受け部材２０を介して弁本体１０に固着された気密容器である有頂円筒状のキャンであり、駆動部１ａは、キャン３０の外周部に配設されており且つボビンに巻き付けられて電動モータのステータを構成するコイル３が樹脂と一体にモールドされたモータ励磁装置２と、キャン３０の内部に回転自在に支持されており且つモータ励磁装置２によって回転駆動される永久磁石型のロータ組立体８とを有している。モータ励磁装置２とロータ組立体８とは、電動モータの一例としてのステッピングモータを構成している。

モータ励磁装置２は、板ばねにより形成された取付具５によりキャン３０に対して着脱自在に嵌装される。この例では、キャン３０に形成された凸部６が取付具５に形成された係合孔７に弾性的に嵌合して位置決めされている。モータ励磁装置２は、ステータを励磁するため、コイル３がコネクタ４及びリードを介して外部の電源に接続されて給電を受ける。弁本体１０は、その内部に弁室１２が形成されるとともに、その底部１５には弁本体１０の底面に開口するオリフィス１４が形成されている。弁本体１０には、弁室１２の側面に連通するパイプ１８ａ、及びオリフィス１４の下端に連通するパイプ１８ｂが固着されている。

ギア減速機部１ｂは、ロータ組立体８の回転を減速する遊星歯車式減速機構（以下、「減速機構」と略す）４０から成っている。減速機構４０は、ロータ組立体８と一体のサンギア４１、キャリア４２に回転自在に支持され且つサンギア４１と噛み合う複数の遊星ギア４３と、弁本体１０に固定支持されており且つ遊星ギア４３の一部と噛み合うリングギア４４と、リングギア４４の歯数と僅かに歯数が異なる出力内歯ギア４５とを備えている。減速機構４０によって減速されたロータ組立体８の回転は、出力内歯ギア４５を介して送りねじ機構１ｃの出力軸４６に伝達される。なお、本実施例では減速機構４０として遊星歯車式減速機構を設けたが、遊星歯車式減速機構の代わりに直列に噛み合い配置された歯車列機構であってもよい。或いは、減速機構４０は必ずしも必要ではなく、ロータの回転を直接にねじ機構に入力させてもよい。以下、図３〜図９を参照して、減速機構４０と送りねじ機構１ｃとについて詳細に説明する。

図３は、シャフト２０１とロータ組立体８の詳細を示す断面図である。ステッピングモータの永久磁石型ロータであるロータ組立体８は、キャン３０の内部においてシャフト２０１によって回転自在に配設される。ロータ組立体８は、磁性材料を含有するプラスチック材料によって有頂筒状に形成され、周壁としての筒体２０２と中央に配設されるサンギア部材２０４とが一体に成型される。サンギア部材２０４には、中心に垂直下方に延びると共にシャフト２０１のための貫通孔２０３を有するボス２０５が設けられている。ボス２０５の外側には減速機構４０の一構成要素であるサンギア４１が形成されている。

図４は、（ａ）送りねじ機構１ｃを構成する筒状軸受５０と、（ｂ）ねじ軸５２及びボール６５の詳細を示す断面図である。筒状軸受５０は、下側の外周部２０７が弁本体１０内に嵌入しており、下端外縁部分において、後述するばね受け本体７４の上側フランジ部７５を介して、弁本体１０の段差部６４に支持されている。筒状軸受５０の外周の取付部２０６は、プレス加工等の手段によって弁本体１０側から抜け出し不能に取り付けられる。また、外周部２０７にはシール及び異物除去用のフィルタとして機能し、発泡金属等により形成されるリング５６が嵌め込まれる環状凹部２０８が形成されている。筒状軸受５０の上端面２０９は減速機構４０の出力内歯ギア４５を下側から支えており、筒状軸受５０の上側内周部２１０には減速機構４０の出力軸４６が嵌合している。筒状軸受５０はその内周の下部分に形成されている雌ねじ部５１を有しており、雌ねじ部５１はねじ軸５２の外周に形成されている雄ねじ部５３と螺合している。ねじ軸５２は上部に減速機構４０の出力軸４６の平ドライバ部である凸部５４が差し込まれるスリット状の凹部５５が形成されており、下部の凹部２１１にはボール６５が固着されている。ねじ軸５２の回転は、軸方向の移動に変換され、ボール６５を介して弁体６０側へ伝達される。

図５は、減速機構４０を構成するギアケース２２０の詳細を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。ギアケース２２０は、円筒状の部材であり、下部が弁本体１０（図１参照）の上部に嵌合されている。ギアケース２２０の上端縁２２１から上方に突出して形成されている４本の舌片２２２は、先端２２２ａが根元２２２ｂに比べて幅が広い逆テーパ状に形成されており、その両側縁部にアンダーカット部が形成されている。この舌片２２２ａを図１１に示すリングギア４４の凹部２３４（図６参照）に差し込んで加熱することで、リングギア４４の素材のプラスチックが溶融し、リングギア４４が確実にギアケース２２０に固着される。

図６は、リングギア４４の詳細を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ´断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ方向側面図である。リングギア４４は、例えばプラスチックを成型加工して作られたリング状のもので、外周部にはフランジ２３３が形成されるとともに、ギアケース２２０の上部に固定されるための凹部２３４及び凸部２３２が周方向に交互に形成されている。リングギア４４の内周側には、減速機構４０を構成する要素の一つであるリングギア歯２３５が形成されている。

図７は、リングギア４４の浮き上り及びロータ回転時の振動による騒音を抑制する皿ばね２４０の詳細を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図１にも示したように、ギアケース２２０の上部に嵌装されたリングギア４４については、ロータ組立体８との間に配設される皿ばね２４０によって、浮き上りが防止される。また、ロータ回転時に発生する振動を皿ばね２４０のばね性により低減し、振動による騒音を抑制することができる。皿ばね２４０は、ロータ組立体８のサンギア４１が設けられたボス２０５が貫通する孔２４１を有するリング状のもので、その外周から３方へ延びるばね部２４２を有する。

図８は、減速機構４０を構成するキャリア４２と遊星ギア４３の詳細を示す図であって、（ａ）はキャリア４２の平面図、（ｂ）は遊星ギア４３の断面図、（ｃ）はキャリア４２の断面図、（ｄ）はプレート２５４を被せたキャリア４２の平面図である。キャリア４２は、例えばプラスチックを成型加工して形成され、中心部にシャフト２０１が貫通する孔２５０を有する円盤を備え、その上面の周縁部には上方に向けて延びる３本のマスト２５１と３個の隔壁２５２が周方向に交互に設けられている。遊星ギア４３は筒状に形成され、中心部にはキャリア４２のマスト２５１に回転自在に嵌合される孔２５２を有し、外周部にはギア部２５３を有する。各マスト２５１に遊星ギア４３を嵌合したキャリア４２の上面には、一枚のワッシャ状のプレート２５４が被せられ、マスト２５１と隔壁２５２の頂部の凸部がプレート２５４の孔２５５に圧入され、固定される。

図９は、減速機構４０を構成する出力内歯ギア４５及びこれと一体の出力軸４６の詳細を示す断面図である。出力内歯ギア４５は有底円筒状で、底壁の中心には出力軸４６の円柱部２６２が圧入される孔２６０が形成されている。出力内歯ギア４５の内周には、内歯ギア２６１が形成されている。出力軸４６は、シャフト２０１を受け入れる有底の穴２６３と、穴２６３が形成される側と反対側にマイナスドライバー形状の平ドライバ部としての凸部５４が形成されている。平ドライバ部としての凸部５４は、図１に示すように、ねじ軸５２のスリット状の凹部５５に挿入されて係合状態となる。なお、ねじ軸５２側に凸部を設け、出力軸４６側にこの凸部に係合する凹部を設けるようにしてもよい。

減速機構４０においては、ロータ組立体８のサンギア４１が入力ギアとなり、キャリア４２に支持された遊星ギア４３が、サンギア４１、固定ギアとしての内歯が形成されているリングギア４４、及び内周に内歯１６１が形成されている出力内歯ギア４５に同時に噛み合う。キャリア４２全体は、出力内歯ギア４５上で自由に回転できるように支持されている。リングギア４４と出力内歯ギア４５とは互いに転位した関係にあり、互いに歯数が僅かに相違する。遊星ギア４３が固定のリングギア４４と噛み合いながら自転しつつ公転するとき、歯数の相違に基づいてリングギア４４に対して出力内歯ギア４５が回転する。したがって、減速機構４０では、サンギア４１の入力が減速されて出力内歯ギア４５に出力され、例えば５０対１程度の大きな減速比で減速を行う。ロータ組立体８の回転は、例えば５０分の１に減速されて、出力軸４６に、そして更にはねじ軸５２に伝達される。ねじ軸５２は微少回転数での回転が可能となり、その回転に応じたねじ軸５２の軸方向変位は微小変位で制御可能となり、分解能の高い弁開度制御が達成される。

図１０は、電動弁１の主要部の分解斜視図である。弁本体１０には２本の配管１８ａ，１８ｂが液密に取り付けられている。弁本体１０の上部外周には、キャン３０を取り付けるための受け部材２０が溶着されている。弁本体１０の筒状上部は受け部材２０を貫通して上方に延びており、当該筒状上部には、図１に示すように、ねじ軸５２と、ねじ軸にねじ係合する筒状軸受け５０とを含む送りねじ機構１ｃが嵌装される。弁本体１０の筒状上部には、ギアケース２２０の下端部が嵌装される。ギアケース２２０の内部において、送りねじ機構１ｃの上方には減速機構４０が配置される。ギアケース２２０の上部には４本の舌片２２２と凹部２２１が形成されており、舌片２２２の先端部２２２ａは根元部２２２ｂより幅寸法が大きくなるように形成されている。減速機構４０の一構成要素であり且つ樹脂等で作られる固定のリングギア４４は、内周面にリングギア歯２３５が形成され、外周部には４つの凹部２３４が形成されている。リングギア１２０は、この凹部２３４をギアケース２２０の舌片２２２に差し込み、この部分を加熱してプラスチック製の固定ギアを溶融させることにより堅固に固定される。

本発明による電動弁の実施例として、以下のものが挙げられる。本電動弁においては、減速機構４０に用いられるギアの歯の大きさを定めるギアモジュールｍとして０．２〜０．４とすることが好ましい。ギアモジュールｍをこの範囲よりも小さくし過ぎると、ギアの歯の大きさが小さ過ぎて製造が困難になり、また伝達トルクの大きさに耐えるには、軸方向の長さを長くする必要が生じ、減速機構４０の長さが長くなる。また、逆にギアモジュールｍを上記範囲よりも大きくすると、製造し易くなるが、ギア径が大きくなり、減速機構４０の径、即ち、電動弁のサイズも大きくなる。減速機構４０の構成として、リングギア４４と出力内歯ギア４５との歯数を僅かに異ならせた、所謂、不思議歯車機構を採用することにより、ギア外形、例えばリングギア４４の歯底円径として１５φ以下というような極めて小型でありながら、ギア減速比が３０〜１００であるような大きな減速比を得ることができる。送りねじ機構１ｃのねじ軸５２としては、ねじピッチが０．５〜１．５ｍｍであるＭ３〜Ｍ７の小型の三角ねじ（又は、台形ねじ、角ねじでも可能）とすることができる。

減速装置４０にあって、出力内歯ギア４５の歯数がリングギア４４の歯数より多い場合は、モータ励磁装置２の作動によってサンギア４１がロータ組立体８と共に時計廻り（ＣＷ）に一体的に回転すると、サンギア４１とリングギア４４とに噛み合っている遊星ギア４３は、反時計廻り（ＣＣＷ）に回転（自転）しながらサンギア４１の回りを公転する。その結果、キャリア４２は減速されて時計廻り（ＣＷ）に回転する。遊星ギア４３と噛み合っている出力内歯ギア４５は、リングギア４４との歯数の差に基づいて時計廻り（ＣＷ）に更に減速されて回転する。減速機構４０にあっては、サンギア４１、遊星ギア４３、リングギア４４、出力内歯ギア４５の歯数をそれぞれＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４としたとき、出力内歯ギア４５の出力ギア比、即ち、減速比は次式で表される。
減速比＝［Ｚ４・（Ｚ１＋Ｚ３）］／［Ｚ１（Ｚ４−Ｚ３）］
ただし、 Ｚ３≠Ｚ４
Ｚ１・Ｚ４で分母・分子を割って、以下のように表されることもある。
減速比＝（１＋Ｚ３／Ｚ１）／（１−Ｚ３／Ｚ４）

リングギア４４の歯数と、出力内歯ギア４５の歯数との差は少ない方が減速比を大きくすることができるので、減速比を大きくしたいときには、遊星数が３の場合には、［Ｚ４−Ｚ３］＝３とする。また、Ｚ３／Ｚ１が大きい方が減速比を大きく取れるので、サンギア４１の歯数Ｚ１を少なくし、必要な減速比を得るためにリングギア４４の歯数Ｚ３及び出力内歯ギア４５の歯数Ｚ４を、更に遊星ギア４３の歯数Ｚ２をそれぞれ決定することになる。

因みに、Ｚ１＝１２、Ｚ２＝１８、Ｚ３＝４８、Ｚ４＝５４としたとき、出力内歯ギア４５の出力ギア比は、１／４５の大きな減速比となる。ロータ組立体８の回転は大きな減速比でねじ軸５２に伝達されるので、微小に、つまりは高分解能をもって弁開度を制御することが可能となる。

図１１には遊星歯車減速機構の例を示す平面図が示されている。図１１（ａ）は遊星ギア数が３である場合の図であり、図１１（ｂ）は遊星ギア数が４である場合の図である。図１１（ａ）の場合、サンギア４１の歯数は２２、遊星ギア４３の歯数は１１、リングギア４４の内歯数は４４である。図１１（ｂ）の場合、サンギア４１の歯数は１３、遊星ギア４３の歯数は１３、リングギア４４の内歯数は３９である。

送りねじ機構部１ｃは、遊星歯車式減速機構４０を介して出力軸４６に伝達されたロータ組立体８の回転を、弁体６０を弁座６２に対し接離させる直線運動に変換する。送りねじ機構部１ｃは、弁本体１０に支持されており且つ上側で出力軸４６を回転自在に支持するとともに下側内周に雌ねじ部５１が形成されている筒状軸受５０と、筒状軸受５０の雌ねじ部５１に螺合する雄ねじ部５３が形成されているねじ軸５２とを有している。筒状軸受５０は、弁本体１０に形成された弁穴６３の上部に嵌まり込む状態で固定支持されている。即ち、筒状軸受５０が固定ねじ部であり、ねじ軸５２が移動ねじ部である。出力軸４６の下端に形成された凸部５４は、ねじ軸５１の上端に形成されている凹部５５に係合しており、出力軸４６の回転をねじ軸５１に伝達する。出力軸４６の上端はロータ組立体８の回転軸に連結固定されている。

ねじ軸５２の軸方向変位は、ボール６５、ボール受け部材６６を介して弁体６０へ伝達される。送りねじ機構１ｃからの弁体６０を閉弁方向に押し下げる力は、ボール６５、ボール受け部材６６を介して伝達されるが、送りねじ機構１ｃにおいてねじ軸５２を開弁方向へ移動させるときには、雌ねじ部５１と雄ねじ部５３の間のバックラッシュを除去するため、弁本体１０には、弁体６０を開弁方向に付勢するコイルばね７０が設けられている。

コイルばね７０を支持するため、弁室１２には金属製の有底筒状のばね受け７３（ばね覆い部材）が配設されている。このばね受け７３は、弁軸６０の外周面を下端部を残して覆う筒状の周壁７４と、その上端に外側に屈曲する態様で形成された外向きフランジ部７５と、周壁７４の下端に内側に屈曲し且つ弁軸６０が貫通可能な孔７７を残す態様で形成された内向きフランジ部７６とを有している。コイルばね７０は、上端部７１が弁体６０の大径部６７に当接しており、下端部７２がばね受け７３の内向きフランジ部７６に当接することによって、圧縮された状態に支持されている。周壁７４の外向きフランジ部７５は、弁本体１０の弁穴６３の下端に形成されている段差部６４と、弁穴６３に装着された筒状軸受５０の下端部との間に挟み込まれて固定されている。

ばね受け７３に圧縮状態に保持されたコイルばね７０のばね力によって弁体６０は常に開弁方向（ねじ機構部１ｃの方向）に付勢されており、送りねじ機構１ｃからの力によって弁体６０を閉弁方向に押し下げるときには、コイルばね７０のばね力に抗して弁体６０を下げ、弁体６０の先端を弁座６２に座着させてオリフィス１４を閉じる。弁体６０の弁座６２に対する位置は、ギア減速部１ｂによって高い分解能で位置決めできるので、弁体６０とオリフィス１４の間の流路面積は高精度に制御され、通過する冷媒流量を高精度で調節することができる。送りねじ機構１ｃを開弁方向に作動させるときには、コイルばね７０のばね力によって、弁体６０はねじ軸５２の上昇に追従して移動する。弁体６０の外側には、従来、ベローズが取り付けられて弁室１２に導入される冷媒がキャン３０内に浸入するのを防止しており、ベローズに作用する流体圧やベローズ自身の弾性力で弁体６０には上方向への付勢力が与えられていた。本実施例によれば、高価な材料から製作されるベローズを用いておらず、冷媒のキャン３０への浸入は、筒状軸受５０と弁本体１０との間のシール５６によって防止可能である。また、キャン３０内の部品を冷媒によって膨潤しない材質のものとしたり、キャン３０への異物の侵入をフィルタ等によって防止するようにすれば、キャン３０内へ冷媒が浸入しても差し支えない。

上記のように、コイルばね７０がそのばね力によって送りねじ機構１ｃを開弁方向に付勢しているので、筒状軸受５０の雌ねじ部５１とねじ軸５２の雄ねじ部５３との間に存在するガタは、筒状軸受５０に対してねじ軸５２が上方に寄せられることで吸収されている。それゆえ、雌ねじ部５１と雄ねじ部５３との配置関係は、図１５（ａ）に示されているものとなって、ねじガタＢが吸収された状態が維持されている。閉弁の際には、弁体６０が弁座６２に当接したとき、雄ねじ部５３からは、ねじガタＢを吸収する無効な行程を経ることなく直ちに反力が雌ねじ部５１に伝達される。また、開弁の際には、弁体６０が弁座６２から離れたときに、雄ねじ部５３は図１５（ａ）に示す態様のまま雌ねじ部５１に追従して移動する。本実施例では、コイルばね７０を弁室１２内に設けたことで、コイルばね１２を弁室１２の上方に設ける場合よりも電動弁の上下方向の寸法を小さくすることができる。

また、本実施例においては、弁室１２の内部にコイルばね７０を覆うばね受け７３を配置しており、かつ、その底部が弁室１２の底面から離間するとともにばね受け７３の周囲及び下方に断面Ｕ字形の空間を形成している。したがって、弁室１２を従来よりも広く形成し、内部に貯留される冷媒量を充分確保している。弁室１２が広い程、冷凍サイクルの運転中に冷媒の弁室１２への出入りに伴う弁室１２内の状態変化が少なくなり、冷媒の通過音が低減されるということが経験上判明しているが、本実施例の弁本体１０の構造においても、そうした通過音の低減を実現することができる。更に、ばね受け７３によってコイルばね７０の外側が覆われているので、コイルばね７０が冷媒の流れから保護されるとともに、コイルばね７０と冷媒の流れとの直接干渉がなくなる。したがって、冷媒の流れによるコイルばね７０の変形や破損、あるいは冷媒内に含まれることがあるゴミ等がコイルばね７０に付着するという事態を回避することができる。更に、コイルばね７０及びばね受け７３から成る構造はベローズに比べて安価である。

図２は、この発明による別の実施例を示す部分断面図である。図２に示す実施例においては、弁本体１０のみを断面にて示しており、駆動部１ａ、ギア減速部１ｂ及び送りねじ機構１ｃについては図１に示す例と同等であるので、図示及び説明を省略する。図２に示す例では、図１で示したようなばね受け７３が省略されている。コイルばね８０は、上端部８１が弁軸６０の大径部６７に当接されており、下端部８２が弁室１２の底面１５に直接に当接支持される。この場合、コイルばね８０の冷媒からの保護を期待できないが、部品点数や組立工数を更に削減して、製造コストを低減させることができる。なお、コイルばね８０の下端部８２を受け入れる凹溝８３を底面１５に形成することで、コイルばね８０の下端部８２の位置を安定させることができる。

図１に示す実施例におけるコイルばね７０及び図２に示す実施例におけるコイルばね８０の両端部が当接する相手部材である弁本体やばね受け、あるいは弁体の当接面は通常平坦面に形成されている。コイルばね７０，８０の端面は中心軸に対して傾斜しているためコイルばね７０，８０が弁体６０に隙間なく当接する理想的な状態を得ることは通常困難である。また、コイルばね７０，８０の組付時あるいは動作時にコイルばね７０，８０が弁体６０に対して傾くこともある。この状態では、コイルばね７０，８０は弁体６０に対して中心軸（弁開閉）方向の力だけではなく、中心軸に交差する方向の力を生じさせる。このような方向の力は、弁体６１と弁座６２にこじり力を作用させ、弁開閉の動作が円滑に行われなくなるとともに、摩耗等に起因して耐久性も低下する。

図１２は前記課題の解決を図った実施例の要部の断面図であり、コイルばね７０の上端部７１は、弁体６０と同軸状に配置されたばね受けリング９０を介して弁体６０の当接面９１に当接している。当接面９１は凸球面状に形成されている。ばね受けリング９０における、コイルばね７０の上端部７１との当接面９２は環状の平坦面に形成されており、弁体６０との当接面９３は前記凸球面に隙間なく摺接する凹球面状に形成されている。その結果、組立時に、コイルばね７０に傾きが生じようとしても、ばね受けリング９０と弁体６０との曲面同士が隙間を生じることなくすべることによる調芯作用によって、コイルばね７０の傾きが吸収される。コイルばね７０の傾きが吸収されることで、コイルばね７０から弁体６０に対してその中心軸に交差する方向の力が小さくなり、弁開閉動作の安定と耐久性の向上を図ることができる。

当接面９１，９３は、球面に代えて円錐面に形成することもできる。円錐面の場合には、面同士が隙間を完全に無くしながら相対位置がずれることは難しいが、調芯曲面同士が球面の場合に準じた調芯作用をすることができる。

図１３には、本発明の更に別の実施例が示されている。図１２に示す実施例と同等の部品及び部位には同じ符号を付すことで再度の説明を省略する。図１３に示す例では、ばね受け７３は、その下側フランジ部７６から弁体６０に沿って延びるガイド筒部７８を備えている。ガイド筒部７８によって、弁体６０のガイド長さが長くなるため、弁体６０の上下方向の直進性が向上するとともに、冷媒に含まれ得る異物が送りねじ機構１ｃ側に侵入するのを防止している。

以上、具体例を挙げて本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に種々の改変を施すことができる。

本発明の電動弁の一実施例の全体構造を示す断面図である。 本発明の電動弁の他の実施例を示す要部断面図である。 軸受け、シャフト、ロータ組立体の詳細を示す断面図。 ホルダ、ねじ軸受け、ねじ軸とボールの詳細を示す断面図。 減速装置を構成するギアケースの詳細を示す平面図及び側面図。 固定ギア１２０の詳細を示す平面図、断面図及び側面図。 固定ギアの浮き上りを防止する皿ばねの平面図及び側面図。 減速装置を構成するキャリアと遊星ギアの詳細を示す平面図及び断面図。 減速装置を構成する出力ギアと出力軸の詳細を示す断面図。 主要部の分解斜視図。 遊星歯車減速機構の例を示す平面図。 本発明の電動弁の他の実施例の要部の断面図。 本発明の電動弁の他の実施例の要部の断面図。 従来の電動弁の一例を示す断面図である。 送りねじ機構のバックラッシュとそれに起因する問題点の説明図である。 ベローズを備える従来の電動弁の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 電動弁
１ａ 駆動部 １ｂ ギア減速機部
１ｃ 送りねじ機構 １ｄ 弁本体部
２ モータ励磁装置 ３ コイル
４ 電気回路 ５ 取付具
６ 凸部 ７ 係合孔
８ ロータ組立体
１０ 弁本体 １２ 弁室
１４ オリフィス １５ 底面
１８ａ、１８ｂ 配管
２０ 受け部材 ３０ キャン
４０ 遊星歯車式減速機構
４１ サンギア ４２ キャリア
４３ 遊星ギア ４４ リングギア
４５ 出力内歯ギア ４６ 出力軸
５０ 筒状軸受 ５１ 雌ねじ部
５２ ねじ軸 ５３ 雄ねじ部
５４ 凸部 ５５ 凹部
５６ シール ６０ 弁体
６２ 弁座 ６３ 弁穴
６４ 段差部 ６５ ボール
６６ ボール受け部材 ６７ 段差部
７０ コイルばね
７１ 上端部 ７２ 他端部
７３ ばね受け（ばね覆い部材） ７４ ばね受け本体
７５ 上側フランジ部 ７６ 下側フランジ部
７７ 孔
８０ コイルばね ８１ 上端部
８２ 下端部 ８３ 凹溝
９０ ばね受けリング ９１ 当接面
９２ 当接面 ９３ 当接面
２０１ シャフト ２０２ 筒体
２０３ 貫通孔 ２０４ サンギア部材
２０５ ボス ２０６ 段付部
２０７ 外周部 ２０８ 環状凹部
２０９ 上側内周部 ２１１ 下部凹部
２２０ ギアケース ２２１ 上端縁
２２２ 舌片 ２２２ａ 先端 ２２２ｂ 根元
２３３ フランジ ２３２ 凸部
２３４ 凹部 ２３５ リングギア歯
２４０ 皿ばね ２４１ 孔
２４２ ばね部
２５０ 孔 ２５１ マスト
２５２ 隔壁 ２５３ ギア部
２５４ プレート ２５５ 孔
２６０ 孔 ２６１ 内歯
２６３ 穴

Claims (7)

1. 弁室及びその内部に形成された弁座を有する弁本体と、前記弁座に接離して流体の通過流量を調整する弁体と、ロータ及び該ロータを回転駆動するステータを有する駆動部と、前記ロータの回転を前記弁体の前記弁座に対する接離動作に変換する送りねじ機構と、前記送りねじ機構に内在するバックラッシュ除去のため、前記弁体を前記弁座から離れる方向に付勢するばねとを備え、前記ばねを前記弁室内に配置したことを特徴とする電動弁。
2. 前記ばねを覆うばね覆い部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電動弁。
3. 前記ばね覆い部材は、前記ばねの前記弁座側端部を受けるばね受けを兼ねていることを特徴とする請求項２記載の電動弁。
4. 前記ロータの回転を前記送りねじ機構に減速して伝達させるため、前記ロータと前記送りねじ機構との間を伝動連結する歯車列機構又は遊星歯車機構等から成るギア減速機部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電動弁。
5. 前記ばねは、コイルばねであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電動弁。
6. 前記コイルばねの端部が前記弁体と同軸状に配置されたばね受けリングを介して前記弁体に当接しており、このばね受けリングは、その中心軸が前記弁体の中心軸に対して傾斜した状態を取り得るように前記弁体に対して摺動自在に組み合わされていることを特徴とする請求項５記載の電動弁。
7. 前記ばね受けリングと前記弁体との摺接面が球面状に形成されていることを特徴とする請求項６記載の電動弁。

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