JP2012211642A - 弁装置のロック機構 - Google Patents

Abstract

【課題】非通電で弁体を所定の開度位置に保持できると共に、弁体の所定の開度位置での保持を解除するために特別の駆動機構を必要としない弁装置のロック機構を提供する。
【解決手段】ロック機構７０は、弁体５５を駆動するための弁体駆動軸４７と共に回転可能な回転軸７２を有し切欠き溝７４が形成された円板７１と、切欠き溝７４内に配置されるボール７７と、円板７１の一方の端面７５に対向する軸方向規制面７９、及び円板７１の外周面７３に対向する内周面８０を有するボディ部材７８と、円板７１の他方の端面７６に対向して配置され、ボール７７の方に向けて徐々に外径が減少すると共にボール７７と当接し得る当接面８２を有するホルダ部材８１と、ホルダ部材８１を付勢するばね部材８３と、を備え、ボール７７をホルダ部材８１の当接面８２と軸方向規制面７９と内周面８０との間で挟持することにより、回転軸７２の回転方向位置を保持する。
【選択図】図２

Description

本発明は、弁装置のロック機構に関し、より詳しくは、流体通路を開閉する弁体を有する弁装置の前記弁体を所定の開度位置に保持するためのロック機構に関する。

近年、水素がアノードに、酸素を含む空気がカソードに、それぞれ供給されることで発電する燃料電池の開発が盛んである。かかる燃料電池を用いたシステムでは、水素や酸素を含む空気等の流体が流れる流体通路を開閉する弁体を有する弁装置が用いられている。ここで、燃料電池から排出されるカソードオフガスの流路には、弁装置としての背圧弁が設けられており、背圧弁は、燃料電池から排出されるカソードオフガスの圧力を所定圧に調整するものである。背圧弁としては、例えば、円板状の弁体により流体通路の開閉を行うバタフライバルブが使用されており、設定した弁開度を安定して維持するためには、弁体を駆動するための弁体駆動軸の回転方向位置を保持する必要がある。

一方、回転軸の回転方向位置を保持するためのロック機構として、無励磁状態の場合には、ステータ側をロータ側に連結し、ロータ側に装着された回転軸を制動してブレーキ作動を行い、励磁状態の場合には、ステータ側をロータ側から引き離して回転軸に対するブレーキ作動を解除する無励磁作動型の電磁ブレーキが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この無励磁作動型の電磁ブレーキは、電磁石が無励磁状態である非通電時には、制動ばねの弾発力でアーマチュアをロータ側に圧接してブレーキ作動を行うと共に、電磁石が励磁状態である通電時には、アーマチュアを吸着してロータ側から引き離してブレーキ作動を解除するものである。このような電磁ブレーキによれば、非通電で回転軸の回転方向位置を保持することができる。

特開２００５−６９３９１号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の技術は、回転軸の回転方向位置が保持された状態（ロック状態）から、回転軸の回転方向位置の保持が解除された状態（アンロック状態）に移行させる際に、電磁石等の特別の駆動機構が必要になるという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、非通電で弁体を所定の開度位置に保持できると共に、弁体の所定の開度位置での保持を解除するために特別の駆動機構を必要としない弁装置のロック機構を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、流体通路を開閉する弁体を有する弁装置の前記弁体を所定の開度位置に保持するためのロック機構であって、前記弁体を駆動するための弁体駆動軸と共に回転可能な回転軸を有し、外周面に切欠き溝が形成された円板と、前記切欠き溝内に配置されるボールと、前記円板の軸方向の一方の端面に対向して位置される軸方向規制面、及び前記円板の外周面に対向して位置される内周面を有するボディ部材と、前記円板の軸方向の他方の端面に対向して配置され、前記ボールの方に向けて徐々に外径が減少すると共に前記ボールと当接し得る当接面を有するホルダ部材と、前記ホルダ部材を前記ボールに向けて付勢するばね部材と、を備え、前記ボールを、前記ばね部材の付勢力を受ける前記ホルダ部材の当接面と前記軸方向規制面と前記内周面との間で挟持することにより、前記回転軸の回転方向位置を保持することを特徴とする。

この発明によれば、ボールの挟持によってボールと当該ボールに当接する各点（３点）との間に静止摩擦力が発生し、当該静止摩擦力に回転中心からボールと当接する各点までの距離を乗じた保持モーメント（保持力）が各当接点に作用する。この保持モーメントによってボールが拘束され、拘束されたボールが切欠き溝内に位置していることによって、回転軸の回転方向位置が保持される。したがって、非通電で弁体を所定の開度位置に保持することができ、消費電力が低減される。しかも、弁体の所定の開度位置での保持を解除するために特別の駆動機構を必要としないため、簡素な構造を実現でき、小型軽量化及び低コスト化が可能となる。
すなわち、非通電で弁体を所定の開度位置に保持できると共に、弁体の所定の開度位置での保持を解除するために特別の駆動機構を必要としない弁装置のロック機構を提供できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の弁装置のロック機構において、前記ホルダ部材には、前記ボディ部材に当接することにより前記ホルダ部材の前記ボール側への移動を規制する移動規制部が設けられており、前記回転軸の回転方向位置の保持が解除された状態において、前記移動規制部が前記ボディ部材に当接し、前記ばね部材の付勢力は前記移動規制部を介して前記ボディ部材に加わることを特徴とする。

この発明によれば、回転軸の回転方向位置の保持が解除された状態では、ばね部材の付勢力はボールに伝達されない。このため、ボールはその動きを拘束されることはない。この結果、回転軸、ひいては弁体駆動軸は少ない摺動抵抗で滑らかに回転できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の弁装置のロック機構において、前記ボディ部材の内周面は、内方に突出する凸部を有し、前記ボールが前記凸部に対向する位置に存在する状態において、前記ボールが前記ばね部材の付勢力を受ける前記ホルダ部材の当接面と前記軸方向規制面と前記凸部との間で挟持されることにより、前記回転軸の回転方向位置を保持することを特徴とする。

この発明によれば、円板の回転軸が回転されて、切欠き溝内に配置されているボールがボディ部材の内周面に形成された凸部に当接すると、ボールは、半径方向内方に移動させられると共に、ホルダ部材の当接面に当接して軸方向に移動させられ、ボディ部材の軸方向規制面に当接した後、ホルダ部材を軸方向規制面と反対側にばね部材の付勢力に抗して移動させる。この際、ボールは、当該ボールと当接する３点で接触して挟持されるため、保持モーメントが各当接点に作用する。この結果、回転軸の回転方向位置が保持される。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の弁装置のロック機構において、前記円板には複数の切欠き溝が形成されており、前記複数の切欠き溝内に複数のボールがそれぞれ配置され、前記ホルダ部材の当接面は、前記ボールの方に向けて直線的に外径が減少するテーパ形状を呈していることを特徴とする。

この発明によれば、簡易な形状の当接面によって、ばね部材の付勢力を複数個のボールに振り分けることができる。したがって、ボールの数だけ保持モーメントが発生し、回転軸が円周方向の複数個所で安定的に保持されることになるため、回転軸の回転方向位置をより確実に保持することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の弁装置のロック機構において、前記回転軸の回転方向位置の保持を解除する場合、前記ボールを挟持することによる保持モーメントよりも大きい回転駆動力を、前記弁体駆動軸を回転駆動させる回転駆動源に発生させることを特徴とする。

この発明によれば、保持モーメントよりも大きい回転駆動力を回転駆動源に発生させるだけで、特別の駆動機構を必要とすることなく、回転軸の回転方向位置の保持を解除することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の弁装置のロック機構において、前記ボールを挟持することによる保持モーメントは、前記ばね部材のばね荷重により設定されることを特徴とする。

この発明によれば、ばね部材のばね荷重を変更することで、回転軸、ひいては弁体駆動軸の回転方向位置を保持するための保持モーメントを調整することが可能となる。

本発明によれば、非通電で弁体を所定の開度位置に保持できると共に、弁体の所定の開度位置での保持を解除するために特別の駆動機構を必要としない弁装置のロック機構を提供できる。

本発明の一実施形態に係る弁装置のロック機構が適用された燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池システムに組み込まれる背圧弁の概略縦断面図である。 ロック機構の動作を説明するための弁体が全閉位置にある状態を示す概略断面図であり、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｏ線に沿う要部を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。 ロック機構の動作を説明するための弁体が全開位置にある状態を示す概略断面図であり、（ａ）は（ｂ）のＤ−Ｏ線に沿う要部を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う横断面図であり、（ｃ）は（ｂ）の符号Ｊで示す部分の詳細図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る弁装置のロック機構が適用された燃料電池システムの全体構成図である。なお、本実施形態では、車両に搭載された燃料電池に組み込まれる弁装置を以下に例示して説明しているが、これに限定されるものでなく、例えば、船舶や航空機等、又は業務用や家庭用の定置式の燃料電池等に組み込まれる各種の弁装置に適用することができる。

図１に示すように、本実施形態に係る弁装置のロック機構が適用された燃料電池システム１０は、燃料電池１２、アノード系１４、カソード系１６、図示しない制御系等を備えて構成されている。なお、以下においては、弁装置のロック機構を、燃料電池システム１０のカソード系１６の背圧弁３８に適用した場合を例として説明する。

燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）からなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しないセパレータで挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）、これを挟持するカソード及びアノード等を備える。前記カソード及びアノードは、例えば、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持された電極触媒層からなる。また、各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路２２及びカソード流路２４が形成されている。

このような燃料電池１２では、アノードに水素（反応ガス、燃料ガス）が供給され、一方、カソードに酸素を含むエア（反応ガス、酸化剤ガス）が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１２が発電可能な状態となる。

前記燃料電池１２は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、前記外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１２が発電するようになっている。なお、前記外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置、後記するエアポンプ２６等である。

アノード系１４は、水素タンク２８、遮断弁３０、パージ弁３２、配管ａ１〜ａ４等によって構成される。

水素タンク２８は、高純度の水素を高圧で貯蔵するものであり、配管ａ１を介して下流側の遮断弁３０と接続されている。前記遮断弁３０は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ２を介して下流側の燃料電池１２のアノード流路２２の入口と接続されている。

パージ弁３２は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ３を介して上流側の燃料電池１２のアノード流路２２の出口と接続されている。

カソード系１６は、エアポンプ２６、開閉弁３６ａ，３６ｂ、背圧弁３８、配管（酸化剤ガス流路）ｃ１〜ｃ５等で構成されている。

エアポンプ２６は、例えば、図示しないモータで駆動される機械式の過給器であり、取り込んだ外気（エア）を圧縮して燃料電池１２に供給する。

開閉弁３６ａは、酸化剤ガスの供給側に設けられ、配管ｃ１を介して上流側のエアポンプ２６と接続されると共に、配管ｃ２を介して下流側の燃料電池１２のカソード流路２４の入口と接続されている。また、開閉弁３６ｂは、酸化剤ガスの排出側に設けられ、配管ｃ３を介して上流側の燃料電池１２のカソード流路２４の出口と接続されると共に、配管ｃ４を介して下流側の背圧弁３８と接続されている。

なお、図１では図示を省略しているが、配管ａ３からの水素は配管ａ２に戻されてリサイクルされるようになっている。そして、配管ａ４から適宜のタイミングで一部の水素が配管ｃ５上に設置される希釈器（図示せず）へと排出され、燃料電池１２に供給される水素の純度を適正なものとしている。

背圧弁３８は、ここでは、円板状の弁体により流体通路の開閉を行うバタフライバルブであり、カソード流路２４の出口側に接続されている。背圧弁３８は、下流側の希釈器（図示せず）を通じて大気側に排気されるエアの排出量を調節し、同時に、燃料電池１２のカソード流路２４に供給されるエアの圧力を制御する機能を有している。

図２は、燃料電池システムに組み込まれる背圧弁の概略縦断面図である。
図２に示すように、背圧弁３８は、流体通路４４が内部に形成されたハウジング４２を有しており、このハウジング４２内に、ステッピングモータやＤＣサーボモータ等からなる回転駆動源４５、回転駆動源４５からの回転駆動力が伝達されるギアプレート４６、ギアプレート４６の中央下部に固定される弁体駆動軸４７等を備えている。なお、ハウジング４２の図２中上方の端面にはカバー部材（図示せず）が取り付けられる。

ハウジング４２に形成された流体通路４４は、断面円形状に形成されており、流体通路４４の両側に、配管ｃ４，ｃ５（図１参照）がそれぞれ接続されるように構成されている。

回転駆動源４５は、ハウジング４２に形成された凹部４８に収容されており、その出力軸４９には、駆動ギア５０が固定されており、この駆動ギア５０が、アイドルシャフト５１に軸支されるアイドルギア５２に設けられた大径ギア部５３に噛合する。

弁体駆動軸４７は、ハウジング４２に設けられた貫通孔５４，５４に挿通されており、流体通路４４内に位置される部位には、流体通路４４を開閉する弁体５５が連結されている。弁体５５は、流体通路４４の断面形状に対応した円形形状を呈しており、弁体駆動軸４７に形成された断面長四角形状（スリット状）の貫通孔５６に挿通された状態で、ねじ部材５７，５７によって固定される。

弁体５５が固定された弁体駆動軸４７は、ベアリング５８とカラー部材８８とを介して、ハウジング４２及び後記するボディ部材７８に軸支される。そして、ハウジング４２には、流体通路４４からハウジング４２の外部へのガス漏れを防止するためのシール部材６０と、流体通路４４からハウジング４２内のギアプレート４６等が収容される空間部へのガス漏れを防止するためのシール部材６１とが装着されている。

弁体駆動軸４７のギアプレート４６側の外周部には、弁体５５を閉弁方向に回動するように付勢するばね部材（図示せず）が設置されている。すなわち、ここでは、背圧弁３８は、通常時（回転駆動源４５の非通電時）に弁体５５が前記ばね部材の付勢力により流体通路４４を全面的に閉止する全閉位置に保持されるノーマルクローズタイプの弁装置である。なお、図２は、弁体５５が流体通路４４を全面的に開放する全開位置に保持された状態を示している。

ギアプレート４６は、弁体駆動軸４７の上端部に、ねじ部材６２により固定されている。なお、ギアプレート４６の回転方向位置が回転センサ（図示せず）により検出されることにより、弁体５５の開度が検知されるようになっている。

ギアプレート４６は、硬質樹脂製のギアであり、アイドルギア５２の回動力を受けて回動駆動されるように構成されている。ギアプレート４６は、その外周部の一部にギア部６３を有しており、このギア部６３がアイドルギア５２に設けられた小径ギア部６４に噛合する。

次に、ロック機構７０について説明する。
ロック機構７０は、円板７１、ボール７７、ボディ部材７８、ホルダ部材８１、及びばね部材８３を備えている。このロック機構７０は、ボール７７を、ばね部材８３の付勢力を受けるホルダ部材８１の当接面８２と、ボディ部材７８の軸方向規制面７９及び内周面８０との間で挟持することにより、円板７１の回転軸７２の回転方向位置を保持するものである。

円板７１は、弁体５５を駆動するための弁体駆動軸４７と共に回転可能な回転軸７２を有している。回転軸７２の弁体駆動軸４７側の端部には、直方体形状の突起部７２ａが設けられており、この突起部７２ａが、弁体駆動軸４７の回転軸７２側の端部に設けられた直線状の断面矩形の溝部４７ａに嵌入することによって、弁体駆動軸４７と回転軸７２とが共に回転可能な係合状態となる。但し、弁体駆動軸４７と回転軸７２とを一体成形するようにしてもよい。

また、円板７１の外周面７３には、Ｕ字形状の切欠き溝７４（図３（ｂ）参照）が半径方向に沿って形成されている。ボール７７は、この切欠き溝７４内に配置される。ボール７７としては例えば鋼球が使用される。ここで、切欠き溝７４の溝幅Ｗ（図３（ｂ）参照）は、ボール７７の直径に対応した寸法、すなわちボール７７の直径よりも僅かに大きい寸法に設定されている。したがって、ボール７７は、切欠き溝７４内において、半径方向に移動可能であるが、円周方向には切欠き溝７４の溝壁によって移動が規制されるようになっている。

ここでは、３個のボール７７が、円板７１の円周上等間隔に形成された３つの切欠き溝７４内にそれぞれ配置されている。但し、ボール７７及び切欠き溝７４の数は適宜設定可能である。

ボディ部材７８は、円板７１とボール７７とを内部に収容する略有底円筒形状を呈しており、円板７１の軸方向の一方の端面７５に対向して位置される軸方向規制面７９と、円板７１の外周面７３に対向して位置される内周面８０とを有している。

ボディ部材７８の内周面８０は、内方に突出する凸部８４（図３（ｂ）参照）を有している。具体的には、凸部８４の内面の内半径Ｒ１は、凸部８４以外の内周面８０の内半径Ｒ２よりも小さく設定されている（図４（ｃ）参照）。また、ボール７７が凸部８４に接触する際に、ボール７７を凸部８４の内面に滑らかに導くための案内面８５（図３（ｂ）参照）が凸部８４に隣接して形成されている。そして、ボール７７が凸部８４に対向する位置に存在する状態において、ボール７７がばね部材８３の付勢力を受けるホルダ部材８１の後記する当接面８２と軸方向規制面７９と凸部８４との間で挟持されるように構成されている。

ホルダ部材８１は、円板７１の軸方向の他方の端面７６に対向して配置される。このホルダ部材８１は、ボール７７の方に向けて徐々に外径が減少すると共にボール７７と当接し得る当接面８２を有している。ここでは、当接面８２は、ボール７７の方に向けて直線的に外径が減少するテーパ形状（円錐側面形状）を呈しており、簡易な形状とされている。但し、当接面８２は、例えば球面の一部をなす形状等であってもよい。

ホルダ部材８１には、ボディ部材７８に当接することによりホルダ部材８１のボール７７側への移動を規制する移動規制部８６が設けられている。そして、回転軸７２の回転方向位置の保持が解除された状態において、移動規制部８６がボディ部材７８に当接し、ばね部材８３の付勢力は移動規制部８６を介してボディ部材７８に加わるように構成されている。

ばね部材８３は、ホルダ部材８１をボール７７に向けて付勢するものであり、例えばコイルスプリングが使用される。

さらに、ロック機構７０は、ばね部材８３の図２中での下端を受けるばね押え具８７を備えている。すなわち、ばね部材８３は、ホルダ部材８１とばね押え具８７との間に装着されており、ホルダ部材８１を図２中での上方向へ付勢する。ばね押え具８７は、ボディ部材７８の図２中での下面に、例えばねじ部材９１によって固定される。

円板７１の回転軸７２は、ボディ部材７８の中心軸に沿って形成された貫通孔の内周面に圧入されたカラー部材８８と、ばね押え具８７の中心軸に沿って形成された貫通孔の内周面に圧入されたカラー部材８９によって、摺動可能に支持される。また、ホルダ部材８１は、当該ホルダ部材８１の中心軸に沿って形成された貫通孔の内周面に圧入されたカラー部材９０によって、円板７１の回転軸７２に対して摺動可能に支持される。カラー部材８８〜９０は、例えば、焼結金属等で形成された円筒形状の部材からなり、軸受けとして機能する。

ボール７７が当接する円板７１、ボディ部材７８、及びホルダ部材８１は、例えば鉄鋼等の金属材料から形成されており、ボール７７が圧接されても損傷の無いように所定の硬度を持たせるべく熱処理等の表面硬化処理が全部又は一部に施されることが好ましい。

このように構成されたロック機構７０は、以下のように作用する。
図３は、ロック機構の動作を説明するための弁体が全閉位置にある状態を示す概略断面図であり、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｏ線に沿う要部を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。

図３では、ロック機構７０は、円板７１の回転軸７２の回転方向位置の保持が解除された状態（アンロック状態）にある。ここでは、弁体５５が全閉位置にあるとき、ロック機構７０はアンロック状態である。

図３に示すように、アンロック状態では、ばね部材８３の付勢力を伝えるホルダ部材８１は、移動規制部８６においてボディ部材７８と当接して、ボール７７側への移動が規制される。したがって、ばね部材８３の付勢力は、ボール７７に伝達されない。このため、ボール７７は、点Ｅ及び点Ｆでの２点接触状態となり、その動きを拘束されることはない。

但し、ボール７７の上端と軸方向規制面７９とが相互に押圧し合うことなく僅かに接触するようにして、ボール７７が３点接触状態とされてもよい。このようにすれば、アンロック状態においてボール７７が当接面８２と軸方向規制面７９と内周面８０との間で自由に移動して異音が発生することを防止できる。

円板７１の回転軸７２の回転方向位置が保持された状態（ロック状態）にするために、弁体駆動軸４７（図２参照）の回転により、円板７１の回転軸７２は、図３（ｂ）に示すように、矢印Ｐ方向に回転する。このとき、円板７１は、Ｕ字形状の切欠き溝７４内に配置されているボール７７を引き連れて回転する。このように、アンロック状態においては、回転軸７２、ひいては弁体駆動軸４７は少ない摺動抵抗で滑らかに回転できる。

図４は、ロック機構の動作を説明するための弁体が全開位置にある状態を示す概略断面図であり、（ａ）は（ｂ）のＤ−Ｏ線に沿う要部を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う横断面図であり、（ｃ）は（ｂ）の符号Ｊで示す部分の詳細図である。

図４では、ロック機構７０は、円板７１の回転軸７２の回転方向位置が保持された状態（ロック状態）にある。ここでは、弁体５５が全開位置にあるとき、ロック機構７０はロック状態である。

図４に示すように、円板７１の回転軸７２が回転されて、切欠き溝７４内に配置されているボール７７がボディ部材７８の内周面８０に形成された凸部８４に当接すると、ボール７７は、半径方向内方（図４（ｂ）の矢印Ｑ方向）に移動させられる。なお、回転軸７２が係合されている弁体駆動軸４７（図２参照）は、全閉位置から９０度回転した全開位置でストッパ（図示せず）により回転が規制されるため、ボール７７が凸部８４に対向する位置を越えて行き過ぎることは無い。

半径方向内方（図４（ｂ）の矢印Ｑ方向）に移動させられたボール７７は、ホルダ部材８１の当接面８２に当接して軸方向上方に移動させられ、ボディ部材７８の軸方向規制面７９に当接した後、ホルダ部材８１を軸方向規制面７９と反対側にばね部材８３の付勢力に抗して移動させる。この際、ボール７７は、当該ボール７７と当接する点Ｇ、点Ｈ、及び点Ｉの３点で接触して挟持される（３点接触状態）。

ボール７７の挟持によってボール７７と当該ボール７７に当接する各点（３点）との間に静止摩擦力が発生し、当該静止摩擦力に回転中心からボールと当接する各点までの距離を乗じた保持モーメント（保持力）が各当接点に作用する。この保持モーメントによってボール７７が拘束され、拘束されたボール７７が切欠き溝７４内に位置していることによって、回転軸７２が係合されている弁体駆動軸４７（図２参照）を全開位置で保持することができる。

ここで、ボール７７を挟持することによる保持モーメントは、ばね部材８３のばね荷重により設定される。したがって、ばね部材８３のばね荷重を変更することで、回転軸７２、ひいては弁体駆動軸４７の回転方向位置を保持するための保持モーメントを調整することが可能となる。

ロック状態の解除は、弁体駆動軸４７（図２参照）の回転により、円板７１の回転軸７２を矢印Ｐ方向（図３（ｂ））と逆方向に回転させることによって行われる。このとき、背圧弁３８は、ボール７７を挟持することによる保持モーメントよりも大きい回転駆動力を、弁体駆動軸４７を回転駆動させる回転駆動源４５（図２参照）に発生させる。このように、保持モーメントよりも大きい回転駆動力を回転駆動源４５に発生させるだけで、特別の駆動機構を必要とすることなく、回転軸７２の回転方向位置の保持、すなわちロック状態を解除することができる。

前記したように、本実施形態に係るロック機構７０は、弁体５５を駆動するための弁体駆動軸４７と共に回転可能な回転軸７２を有し外周面７３に切欠き溝７４が形成された円板７１と、切欠き溝７４内に配置されるボール７７と、円板７１の軸方向の一方の端面７５に対向して位置される軸方向規制面７９、及び円板７１の外周面７３に対向して位置される内周面８０を有するボディ部材７８と、円板７１の軸方向の他方の端面７６に対向して配置され、ボール７７の方に向けて徐々に外径が減少すると共にボール７７と当接し得る当接面８２を有するホルダ部材８１と、ホルダ部材８１をボール７７に向けて付勢するばね部材８３と、を備え、ボール７７を、ばね部材８３の付勢力を受けるホルダ部材８１の当接面８２と軸方向規制面７９と内周面８０との間で挟持することにより、回転軸７２の回転方向位置を保持する。

このような本実施形態によれば、ボール７７の挟持によってボール７７と当該ボール７７に当接する各点（３点）との間に静止摩擦力が発生し、当該静止摩擦力に回転中心からボール７７と当接する各点までの距離を乗じた保持モーメント（保持力）が各当接点に作用する。この保持モーメントによってボール７７が拘束され、拘束されたボール７７が切欠き溝７４内に位置していることによって、回転軸７２の回転方向位置が保持される。

したがって、非通電で弁体５５を全開位置に保持することができ、消費電力が低減される。しかも、弁体５５の全開位置での保持を解除するために特別の駆動機構を必要としないため、簡素な構造を実現でき、小型軽量化及び低コスト化が可能となる。
すなわち、非通電で弁体５５を全開位置に保持できると共に、弁体５５の全開位置での保持を解除するために特別の駆動機構を必要としない弁装置のロック機構を提供できる。

また本実施形態では、ホルダ部材８１には、ボディ部材７８に当接することによりホルダ部材８１のボール７７側への移動を規制する移動規制部８６が設けられており、回転軸７２の回転方向位置の保持が解除された状態において、移動規制部８６がボディ部材７８に当接し、ばね部材８３の付勢力は移動規制部８６を介してボディ部材７８に加わる。

このような構成によれば、回転軸７２の回転方向位置の保持が解除された状態では、ばね部材８３の付勢力はボール７７に伝達されない。このため、ボール７７はその動きを拘束されることはない。この結果、回転軸７２、ひいては弁体駆動軸４７は少ない摺動抵抗で滑らかに回転できる。

また本実施形態では、ボディ部材７８の内周面８０は、内方に突出する凸部８４を有し、ボール７７が凸部８４に対向する位置に存在する状態において、ボール７７がばね部材８３の付勢力を受けるホルダ部材８１の当接面８２と軸方向規制面７９と凸部８４との間で挟持されることにより、回転軸７２の回転方向位置が保持される。

このような構成によれば、円板７１の回転軸７２が回転されて、切欠き溝７４内に配置されているボール７７がボディ部材７８の内周面８０に形成された凸部８４に当接すると、ボール７７は、半径方向内方に移動させられると共に、ホルダ部材８１の当接面８２に当接して軸方向上方に移動させられ、ボディ部材７８の軸方向規制面７９に当接した後、ホルダ部材８１を軸方向規制面７９と反対側にばね部材８３の付勢力に抗して移動させる。この際、ボール７７は、当該ボール７７と当接する３点で接触して挟持されるため、保持モーメントが各当接点に作用する。この結果、回転軸７２の回転方向位置が保持される。

また本実施形態では、円板７１には複数の切欠き溝７４が形成されており、複数の切欠き溝７４内に複数のボール７７がそれぞれ配置され、ホルダ部材８１の当接面８２は、ボール７７の方に向けて直線的に外径が減少するテーパ形状を呈している。

このような構成によれば、簡易な形状の当接面８２によって、ばね部材８３の付勢力を複数個のボール７７に振り分けることができる。したがって、ボール７７の数だけ保持モーメントが発生し、回転軸７２が円周方向の複数個所で安定的に保持されることになるため、回転軸７２の回転方向位置をより確実に保持することができる。

以上、本発明について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

例えば、前記実施形態では、ロック機構７０は、回転軸７２を弁体５５が全開位置となる回転方向位置に保持できるように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば回転軸７２を弁体５５が全閉位置となる回転方向位置に保持できるように構成されてもよい。さらには、ロック機構７０は、凸部８４の円周方向位置と設置数とを適宜変更することにより、回転軸７２を３６０度未満の任意の回転方向位置で保持できるように構成されてもよい。なお、例えば回転軸７２を弁体５５が半開位置となる回転方向位置に保持できるように、ボール７７が凸部８４に対向する位置を越えて移動し得る構成とされる場合には、案内面８５（図３（ｂ）参照）を凸部８４に隣接して両側に形成することが望ましい。

また、前記実施形態では、ロック機構７０は、円板状の弁体５５により流体通路の開閉を行うバタフライバルブに適用されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば貫通孔を有する球状の弁体により流体通路の開閉を行うボールバルブにも適用可能である。この場合、球状の弁体を駆動するための弁体駆動軸に、円板７１の回転軸７２が係合される。さらには、ロック機構７０は、回転駆動源の回転駆動力が伝達されるギアと、当該ギアと噛合するラック歯が設けられギアの回転運動を直線運動に変換して弁体と共に移動するラック部とを有し、弁体が弁座シート面から直角方向に移動する形式のバルブにも適用可能である。この場合、例えば弁体駆動軸としてのギアの回転軸に、円板７１の回転軸７２が係合される。

また、前記実施形態では、ロック機構７０は、燃料電池システム１０のカソード系１６に設置される背圧弁３８に適用されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種システム（装置）の任意の箇所に設置される弁装置に適用可能である。

３８ 背圧弁（弁装置） ４４ 流体通路
４５ 回転駆動源 ４７ 弁体駆動軸
５５ 弁体 ７０ ロック機構
７１ 円板 ７２ 回転軸
７３ 外周面 ７４ 切欠き溝
７５ 一方の端面 ７６ 他方の端面
７７ ボール ７８ ボディ部材
７９ 軸方向規制面 ８０ 内周面
８１ ホルダ部材 ８２ 当接面
８３ ばね部材 ８４ 凸部
８６ 移動規制部

Claims (6)

1. 流体通路を開閉する弁体を有する弁装置の前記弁体を所定の開度位置に保持するためのロック機構であって、
   前記弁体を駆動するための弁体駆動軸と共に回転可能な回転軸を有し、外周面に切欠き溝が形成された円板と、
   前記切欠き溝内に配置されるボールと、
   前記円板の軸方向の一方の端面に対向して位置される軸方向規制面、及び前記円板の外周面に対向して位置される内周面を有するボディ部材と、
   前記円板の軸方向の他方の端面に対向して配置され、前記ボールの方に向けて徐々に外径が減少すると共に前記ボールと当接し得る当接面を有するホルダ部材と、
   前記ホルダ部材を前記ボールに向けて付勢するばね部材と、を備え、
   前記ボールを、前記ばね部材の付勢力を受ける前記ホルダ部材の当接面と前記軸方向規制面と前記内周面との間で挟持することにより、前記回転軸の回転方向位置を保持することを特徴とする弁装置のロック機構。
2. 前記ホルダ部材には、前記ボディ部材に当接することにより前記ホルダ部材の前記ボール側への移動を規制する移動規制部が設けられており、
   前記回転軸の回転方向位置の保持が解除された状態において、前記移動規制部が前記ボディ部材に当接し、前記ばね部材の付勢力は前記移動規制部を介して前記ボディ部材に加わることを特徴とする請求項１に記載の弁装置のロック機構。
3. 前記ボディ部材の内周面は、内方に突出する凸部を有し、
   前記ボールが前記凸部に対向する位置に存在する状態において、前記ボールが前記ばね部材の付勢力を受ける前記ホルダ部材の当接面と前記軸方向規制面と前記凸部との間で挟持されることにより、前記回転軸の回転方向位置を保持することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の弁装置のロック機構。
4. 前記円板には複数の切欠き溝が形成されており、
   前記複数の切欠き溝内に複数のボールがそれぞれ配置され、
   前記ホルダ部材の当接面は、前記ボールの方に向けて直線的に外径が減少するテーパ形状を呈していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の弁装置のロック機構。
5. 前記回転軸の回転方向位置の保持を解除する場合、前記ボールを挟持することによる保持モーメントよりも大きい回転駆動力を、前記弁体駆動軸を回転駆動させる回転駆動源に発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の弁装置のロック機構。
6. 前記ボールを挟持することによる保持モーメントは、前記ばね部材のばね荷重により設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の弁装置のロック機構。

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