JP2010091095A

JP2010091095A - 遊星歯車式減速装置及びそれを備えたキャンド遊星歯車式電動弁

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Publication number: JP2010091095A
Application number: JP2008264463A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Arai; 裕介荒井; Takemoto Tabuchi; 健資田渕
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-10
Also published as: JP5255977B2

Abstract

【課題】遊星歯車式減速装置を構成するギアの種類に応じて用いる材質を特定して組み合わせることにより、強度や耐久性・耐摩耗性を備えた遊星歯車式減速装置を低コストで提供する。
【解決手段】固定ギア４４及び出力ギア４５はＰＰＳやＰＥＥＫ等の樹脂であるスーパーエンジニアリングプラスチックで構成され、量産性やコスト面、耐薬品性に優れている。また、太陽ギア４１はギア径が最も小さいために一歯当たりの噛み合い回数が最も大きいので、カーボンファイバー（ＣＦ）を添加し、更に強度を向上させている。遊星ギア４３は、歯数差がある固定ギア４４と出力ギア４５とからねじれ力を受けるので亜鉛ダイカスト又はＭＩＭ等の金属成形によって製作され、ねじれ荷重に対する強度が確保され、更にＮｉ−Ｐ／ＰＴＦＥメッキを施すことで耐摩耗性や潤滑性が向上される。
【選択図】図２

Description

本発明は、固定ギアと出力ギアとに歯数差が存在する遊星歯車式減速装置及びそれを備えたキャンド遊星歯車式電動弁に関する。

電動モータを介して弁の開閉を行ういわゆる電動弁としては、ロータの回転を減速装置で減速してねじ機構に伝達する減速装置を備える型式のものがあり、減速装置として、固定ギアと出力ギアとに歯数差が存在する遊星歯車式減速装置を採用し、弁装置の小型化と弁開度の高分解能化を図ることが、例えば特許文献１や特許文献２等に開示されている。

上記の電動弁に用いられる遊星歯車式減速装置は冷媒雰囲気中に使用されるので、一般的にギアの材質として使用されるポリアセタール（ＰＯＭ）等の汎用エンジニアリングプラスチックは、耐摩耗性の面ではよいが膨潤性の面で使用できないので、結果、好ましくない。
特開２００６−２２６３６９号公報特開２００８−１０１７６５号公報

そこで、特に小型の遊星歯車式減速装置については、量産性や軽量化の観点から各種ギアを樹脂製とすることが避けられないが、その場合であっても、構成するギアの種類に応じて求められる特性を考慮することによって、遊星歯車式減速装置としての特性の向上や更なるコスト低減を図る点で改善の余地がある。この発明の目的は、遊星歯車式減速装置を構成するギアの種類に応じて用いる材質を特定して組み合わせることにより、強度や耐久性を向上するとともに更なるコスト低減を図ることができる遊星歯車式減速装置を提供することである。

上記の目的を達成解決するため、この発明による遊星歯車式減速装置は、回転駆動される太陽ギアと、この太陽ギアと同心的に固定されるリングギアを有する固定ギアと、前記太陽ギアと前記固定ギアに同時に噛み合う遊星ギアと、底板部から一体的に立設された支軸によって前記遊星ギアを回転自在に支持するキャリアと、前記遊星ギアに噛み合うリングギアを有する出力ギアとを備えており、
前記出力ギアと前記固定ギアとはＰＰＳやＰＥＥＫ等のスーパーエンジニアリングプラスチックに添加剤としてＰＴＦＥを加えて製作したギアであり、前記遊星ギアは亜鉛ダイカスト又はＭＩＭ等の金属成形によって製作された金属ギアにＮｉ−Ｐ／ＰＴＦＥメッキを施して製作したギアであり、更に、前記太陽ギアはＰＰＳやＰＥＥＫ等のスーパーエンジニアリングプラスチックに添加剤としてＰＴＦＥとカーボンファイバーとを加えて製作したギアであることを特徴としている。

この遊星歯車式減速装置によれば、固定ギア及び出力ギアは、プラスチックの中で機械的強度と耐薬品性に優れたＰＰＳやＰＥＥＫ等の樹脂であるスーパーエンジニアリングプラスチックで構成されているので、量産性やコスト面、耐薬品性に優れている。また、太陽ギアはギア径が最も小さいために一歯当たりの噛み合い回数が最も大きいので、強度アップと潤滑性向上のためにカーボンファイバー（ＣＦ）を添加し、強度と耐摩耗性を向上させている。遊星ギアは、歯数差がある固定ギアと出力ギアとからねじれ力を受けるので、機械的強度の観点から亜鉛ダイカスト又はＭＩＭ等の金属成形によって製作された金属ギアとして製作されてねじれ荷重に対する強度が確保され、更に低摩擦性と耐薬品性のあるＮｉ−Ｐ／ＰＴＦＥメッキを施すことで耐摩耗性や潤滑性・耐摩耗性が向上される。

この発明による遊星歯車式減速装置によれば、上記したようなギアの種類に応じて選択された材質で各種ギアを製作し、そうして製作されたギアを組み合わせて減速装置が構成されるので、ギアの種類の特性に応じて適切なギアが用意され、小型で複雑なギアであっても、量産性と精度が良好であり、更にギアの種類に応じた求められる強度・耐摩耗性・耐薬品性を備えた遊星歯車式減速装置を提供することができる。

また、遊星歯車式減速装置を備えるキャンド遊星歯車式電動弁によれば、電動弁等のキャン内に装着される小型の遊星歯車式減速装置を、ギアの種類に応じて適切な材質を選定することによって低トルクでの駆動を達成すると同時に高強度と高精度をもって製造することができる。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による遊星歯車式減速装置を適用した実施例について説明する。図１はこの発明による遊星歯車式減速装置をキャン内部に備えるキャンド遊星歯車式電動弁の全体構造の一例を示す縦断面図である。先ず機械的構成から以下で説明する。

図２に示すように、遊星歯車式減速装置４０は、モータ等の駆動源によって回転駆動される太陽ギア（ピニオンギア）４１と、リングギアが形成された固定ギア４４と、太陽ギア４１と固定ギア４４との間に配置された複数の遊星ギア４３とを備えている。遊星ギア４３には、固定ギア４４と軸方向に離れた部分でリングギアが形成された出力ギア４５が噛み合っている。出力ギア４５の歯数は固定ギア４４の歯数と僅かに異なるように設定されているので、出力ギア４５は大きく減速された回転を出力する。

太陽ギア４１がモータで駆動されると、固定ギア４４と噛み合う遊星ギア４３がキャリア４２に支持されながら自転しつつ公転し、出力ギア４５には固定ギア４４との歯数差に応じて減速された回転が出力される。この遊星歯車式減速装置４０が電動弁の減速機構に適用された場合には、出力ギア４５の減速回転出力はねじ機構に伝達され、この回転出力はねじ機構によって弁軸の軸方向移動に変換される。この減速装置は小型でありながら減速比が大きいため、弁軸の移動、即ち、弁開度を高い分解能で制御することができる。

図１に示すキャンド遊星歯車式電動弁によれば、全体を符号１で示すキャンド遊星歯車式電動弁（以下「電動弁」という。）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及びリード線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装置（以下「減速装置」と略す）４０から成っている。減速装置４０は、既に説明したように、ロータ組立体８の内部空間に配置された装置であって、ロータ組立体８と一体に形成されている太陽ギア４１、キャリア４２に回転自在に支持され且つ太陽ギア４１と噛み合う複数の遊星ギア４３と、弁本体１０に対して直接的に又は間接的に固定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を有する固定ギア４４と、固定ギア４４の歯数と僅かに歯数が異なるリングギアを有する出力ギア４５とを備えている。減速装置４０によって減速されたロータ組立体８の回転は、出力ギア４５を介して送りねじ機構１ｃの出力軸４６に伝達される。減速装置４０によって大きな減速比で減速された回転出力が送りねじ機構１ｃに入力される。なお、固定ギア４４は、弁本体１０の上部に嵌合されたギアケース２２０の上部に固着されており、また、ロータ組立体８との間に配設される皿ばね２４０によって浮き上がりが防止されている。遊星ギア４３を回転自在に支持するキャリア４２の上面には環状プレート２５４が被せられている。

送りねじ機構１ｃを構成する筒状軸受５０は、下側の外周部が弁本体１０に形成されている弁穴６３の上部に嵌入する状態で固定支持されており、下端外縁部分において、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が形成されている。筒状軸受５０の上端面は減速装置４０の出力ギア４５を下側から支えており、筒状軸受５０の上側内周部には減速装置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は上部に減速装置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、下部の凹部にはボール６５が固着されている。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、ねじ軸５２の回転として受け、この回転入力をねじ作用によって軸方向移動に変換し、ボール６５及びボール受け部材６６を介して弁体６０側へ伝達し、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ばね受け本体７４と、その上端に外側に屈曲する態様で形成された上側フランジ部７５と、ばね受け本体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。ばね受け本体７４の外を向いた上側フランジ部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との間のシールとして機能するリング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する、或いはキャン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、ねじガタ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。

［固定ギアと出力ギア］
固定ギア４４と出力ギア４５とは、構成上、負荷が高い（回転数が０又は十分低いので、高いトルクとその反力を受ける）ため、量産性やコスト面に加えて、機械的強度や耐薬品性に優れていることを考慮して、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の樹脂材、即ち、スーパーエンジニアリングプラスチックで構成してある。上記樹脂材の強度向上には、一般的にはガラスファイバーやウィスカー等の添加剤が使用されるが、これらの添加剤は一旦摩耗すると動作中に磨耗粉として外に出現し、それがその他のギア部の摩耗を促進させるため好ましくない。そこで、これらの添加剤を含まず、固体潤滑性のあるポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標）；ＰＴＦＥ）を添加剤として使用している。その添加の割合は重量比で１０〜３０重量％が好ましい。

［太陽ギア４１（ピニオンギア）］
太陽ギア４１は、構成上、負荷は高くない（回転数が高いため、トルクは小さくなる）が、ギア径が最も小さいために一歯当たりの噛み合い回数が最も大きい。したがって、固定ギア４４と出力ギア４５を構成するのに用いられるＰＰＳ＋ＰＴＦＥに対して更に強度向上を図ることが要求される。そこで、添加剤としてはガラスファイバーやウィスカー等ではなく、固体潤滑性もあり耐薬品性にも優れるカーボンファイバー（ＣＦ）を添加し、更なる強度向上と自己潤滑性を図っている。ＰＴＦＥを１０〜３０重量％含み、カーボンファイバーを１０〜３０重量％を含むのが好ましい。

［遊星ギア４３］
遊星ギア４３は、固定ギア４４と出力ギア４５とに対して軸方向の異なる位置で同時に噛み合っている。固定ギア４４と出力ギア４５のギアの歯数が僅かに異なるために、遊星ギア４３にはねじれ荷重が作用して剪断力を受け、偏摩耗も生じやすい。そのため、これらの力に耐えうる強度が必要である。そのため、遊星ギア４３については、金属材料で構成することが好ましいが、切削ギアでは量産性・コストの面で問題がある。そこで、遊星ギア４３は亜鉛ダイカスト、メタルインジェクション（ＭＩＭ）等の金属成形によって構成することが好ましい。金属成形によって、小型ではあるが精密な製品としての遊星ギア４３を精度高く且つ量産性を以て製作することができる。また、金属成形によって製作された金属ギアには、耐摩耗性及び潤滑性の向上のために、Ｎｉ−Ｐ／ＰＴＦＥメッキを施してある。

この発明によって得られる遊星歯車式減速装置の耐久試験結果を図３のグラフに示す。このグラフの下側の実線が、本発明による遊星歯車式減速装置において、ＰＰＳ＋ＰＴＦＥにて製作された固定ギア４４と出力ギア４５の耐久時間とギア部効率の関係を示している。従来のもの、即ち、ＰＰＳにガラスファイバー・ウィスカー等の添加剤を加えたものが上側の破線として示されている。このグラフから、本発明によれば、噛み合い損失度合いは、従来のものと比較して、特に十分な時間経過後であっても上昇せず、大きな改善が見られることが明らかである。

以上、本発明の実施例として、キャン内に遊星歯車式減速装置が組み込まれた電動弁として説明したが、本発明は、これに限ることなく、特に小型でありながら大きな減速比が求められ且つ高い強度と精度が要求される遊星歯車式減速装置であれば、どのような用途にも適用可能である。

この発明による遊星歯車式減速装置がキャン内部に適用されているキャンド遊星歯車式電動弁の全体構造の一例を示す縦断面図。遊星歯車式減速装置の一例を示す斜視図。この発明による遊星歯車式減速装置の耐久性試験結果を示すグラフ。

符号の説明

１キャンド遊星ギア式電動弁１ａ駆動部
１ｂギア減速機部１ｃ送りねじ機構部
２モータ励磁装置
３コイル４コネクタ
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底部
１８ａ，１８ｂパイプ２０受け部材
３０キャン
４０遊星歯車式減速装置４１太陽ギア
４２キャリア４３遊星ギア
４４固定ギア４５出力ギア
４６出力軸

Claims

回転駆動される太陽ギアと、この太陽ギアと同心的に固定されるリングギアを有する固定ギアと、前記太陽ギアと前記固定ギアに同時に噛み合う遊星ギアと、底板部から一体的に立設された支軸によって前記遊星ギアを回転自在に支持するキャリアと、前記遊星ギアに噛み合うリングギアを有する出力ギアとを備えた遊星歯車式減速装置において、
前記出力ギアと前記固定ギアとはＰＰＳやＰＥＥＫ等のスーパーエンジニアリングプラスチックに添加剤としてＰＴＦＥを加えて製作したギアであり、
前記遊星ギアは亜鉛ダイカスト又はＭＩＭ等の金属成形によって製作された金属ギアにＮｉ−Ｐ／ＰＴＦＥメッキを施して製作したギアであり、
更に、前記太陽ギアはＰＰＳやＰＥＥＫ等のスーパーエンジニアリングプラスチックに添加剤としてＰＴＦＥとカーボンファイバーとを加えて製作したギアである
ことを特徴とする遊星歯車式減速装置。
請求項１に記載の遊星歯車式減速装置において、
前記出力ギアと前記固定ギアとにおいて前記添加剤としての前記ＰＴＦＥを１０〜３０重量％含んでなることを特徴とする遊星歯車式減速装置。
請求項１に記載の遊星歯車式減速装置において、
前記ピニオンギアにおける前記添加物として、前記ＰＴＦＥを１０〜３０重量％含み、前記カーボンファイバーを１０〜３０重量％含んでなることを特徴とする遊星歯車式減速装置。
請求項１〜３のいずれか１項記載の遊星歯車式減速装置が、弁本体に固着されるキャン内に配置されるロータ組立体の内部空間に配置されており、前記ロータの回転を減速して、弁体がオリフィスに接近離間する軸方向移動に変換するねじ機構に伝達する歯車減速機構として適用されていることを特徴とするキャンド遊星歯車式電動弁。