JP2014196810A - ステッピングモータ駆動式の制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】必要な耐圧性、耐振性を満たしつつ、小型化に寄与できるステッピングモータ駆動式の制御弁を提供する。
【解決手段】冷媒を導入する導入ポート１４と、冷媒を導出する導出ポート１２と、導入ポート１４と導出ポート１２とを連通する弁孔とを有するボディ１８と、弁孔に接離して弁部を開閉する弁体２８と、弁体２８を弁部の開閉方向に駆動する駆動機構３８と、駆動機構を作動させるロータ４７と、ロータ４７を回転駆動させるステータ２０とを含むステッピングモータ１６と、弁体２８と駆動機構３８が配置される空間を覆うと共にロータ４７を内包する筒状部材であって、冷媒の圧力が作用する圧力空間と作用しない非圧力空間とを画定するキャン２２と、を備える。キャン２２は、ボディ１８にリングねじ６０で固定され、ステータ２０は、キャン２２の外周に配置されると共に、ボディ１８にねじ部材２４で固定される。
【選択図】図２

Description

本発明はステッピングモータ駆動式の制御弁に関し、特に必要な耐圧性および振動に強い構造（耐振性）を維持しつつ小型化が可能な制御弁に関する。

車両用冷暖房装置は、圧縮機、室外熱交換器、蒸発器、室内熱交換器等を含む冷凍サイクルを有し、暖房運転時と冷房運転時とで室外熱交換器の機能が切り替えられる。暖房運転時においては室外熱交換器が蒸発器として機能する。その際、冷凍サイクルを冷媒が循環する過程で室内熱交換器が放熱し、その熱により車室内の空気が加熱される。一方、冷房運転時においては室外熱交換器が凝縮器として機能する。その際、室外熱交換器にて凝縮された冷媒が蒸発器にて蒸発し、その蒸発潜熱により車室内の空気が冷却される。その際、除湿も行われる。

このように冷凍サイクルの運転状態によって複数の蒸発器が機能する場合、各蒸発器を流れる冷媒流量の割合を調整する必要がある。複数の凝縮器が機能する場合も同様である。このため、冷媒循環通路の特定位置に弁開度を電気的に調整可能な制御弁を設けることがあるが、一般には比較的低コストで大きな駆動力が得られるソレノイド駆動の電磁弁が用いられることが多い。しかし、特に弁開度の精密な制御が必要となる場合には、住宅用冷暖房装置に多くみられるようにステッピングモータ駆動式の制御弁を用いることが好ましい。

ところで、車両用冷暖房装置は車両走行時の振動の影響を大きく受けるため、住宅用冷暖房装置とは異なり設置環境が安定しない。また、制御弁を構成する弁体やその弁体を駆動する駆動機構は、冷媒の圧力が作用する冷媒通路内に配置される。そのため、ステッピングモータを含む制御弁の駆動機構は、冷媒の漏れ防止を確実に行えるように耐圧性のあるハウジング内に配置されていた。また、車両から受ける振動にも十分に耐え得る振動に強い構造（耐振性の高い構造）を確保するためにハウジングを制御弁のボディに強固に固定していた（例えば特許文献１，２参照）。

特開２０１２−６２９５２号公報 特開２０１２−６２９５３号公報

しかし、ステッピングモータ駆動式の制御弁において、前述したような冷媒漏れを確実に防止しつつ、ステッピングモータやこのステッピングモータによって作動する駆動機構をボディに強固に固定しようとすると、それらを収納するハウジングに十分な耐圧性を持たせる必要があり、ハウジング自体の大型化を招く。また、そのハウジングが固定されるボディの大きさもハウジングの大きさに応じて大型化することになる。さらに、ハウジングをボディに固定するための締結構造も大型化、高強度化する必要がある。その結果、このような耐圧構造、耐振構造が制御弁全体の大型化の原因になっていた。

本発明の目的は、必要な耐圧性、耐振性を満たしつつ、小型化に寄与できるステッピングモータ駆動式の制御弁を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の制御弁は、ステッピングモータ駆動式の制御弁において、上流側から冷媒を導入する導入ポートと、下流側へ冷媒を導出する導出ポートと、導入ポートと導出ポートとを連通する弁孔とを有するボディと、弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、弁体を弁部の開閉方向に駆動する駆動機構と、駆動機構を作動させるロータと、当該ロータを回転駆動させるステータとを含むステッピングモータと、弁体と駆動機構が配置される空間を覆うと共にロータを内包する筒状部材であって、冷媒の圧力が作用する圧力空間と作用しない非圧力空間とを画定するキャンと、を備える。キャンは、ボディに第１固定手段で固定され、ステータは、キャンの外周に配置されると共に、ボディに第２固定手段で固定される。

この態様によると、冷媒の圧力を受ける圧力空間に配置される弁体、駆動機構、ロータ等を覆うキャンを第１固定手段でボディに固定し、キャンの外側で冷媒の圧力を受けない非圧力空間に配置されるステータを第２固定手段でボディの固定する。すなわち、別々の固定手段でボディに固定する。その結果、冷媒の圧力を受けないステータを固定する第２固定手段として、冷媒の圧力を受けるキャンを固定する第１固定手段より小さな固定力のものが利用可能になる。つまり、第２固定手段の小型化、簡略化が可能になり、制御弁全体の小型化に寄与できる。また、冷媒の圧力を受けないステータを固定する第２固定手段と冷媒の圧力を受けるキャンを固定する第１固定手段が、それぞれ最適な固定力を得るように選択できるので固定手段の態様の選択肢が広がり設計自由度が向上する。

本発明によれば、必要な耐圧性、耐振性を満たしつつ、小型化に寄与できるステッピングモータ駆動式の制御弁が得られる。

実施形態に係るステッピングモータ駆動式の制御弁の外観図であり、（ａ）は導出ポート側から見た図であり、（ｂ）は導入ポート側から見た図であり、（ｃ）は、ステッピングモータの上面側から見た図である。 図１（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２における弁体および駆動機構の周辺部の拡大図である。 図１（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 ステータをボディに固定するためのブラケットの斜視図である。 ステータの他の固定構造を説明する説明図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
以下に示す実施形態では、ステッピングモータ駆動式の制御弁の使用例として車両用冷暖房装置に適用する場合を説明する。

車両用冷暖房装置は、一般に、圧縮機、室内凝縮器、室外熱交換器、蒸発器およびアキュムレータを配管にて接続した冷凍サイクル（冷媒循環回路）を備える。車両用冷暖房装置は、冷媒としての代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ等）やＣＯ２等が冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する過程で、その冷媒の熱を利用して車室内の空調を行うヒートポンプ式の冷暖房装置として構成することができる。冷媒循環回路には、冷暖房を適切に制御するための各種制御弁が配設されている。特に冷媒循環回路を流れる冷媒の流量を詳細に制御する必要がある部分には、ステッピングモータを駆動源とする制御弁が用いられる。

図１は、ステッピングモータ駆動式の制御弁１０の外観図であり、図１（ａ）は制御弁を通過した冷媒の出口である導出ポート１２側から見た図である。また、図１（ｂ）は制御弁１０に供給される冷媒の入口である導入ポート１４側から見た図であり、図１（ｃ）は、ステッピングモータ１６の上面側から見た図である。

制御弁１０は、その開度がステッピングモータ１６への供給パルス数に応じた設定開度に自律的に調整される比例弁として構成されている。この制御弁１０は、例えば弁開度を絞ることで膨張装置として機能する。また、適宜開度を調整することにより、下流側へ流れる冷媒の流量調整装置として機能する。さらに、全閉状態にすることにより、経路閉鎖装置としても機能する。

図１（ａ）に示すように、制御弁１０は、弁本体であるボディ１８の一端にモータユニットを構成するステッピングモータ１６を載置する形で組み立てられている。ボディ１８は、例えばアルミニウム等の金属を切削加工することにより形成できる。ボディ１８は、上流側から冷媒を導入する導入ポート１４と、下流側へ冷媒を導出する導出ポート１２とが、ボディ１８の内部で後述する弁孔により連通されている。この弁孔に形成された弁座に弁体が接離することにより弁部の開閉、つまり、導入ポート１４と導出ポート１２との連通状態の調整および閉鎖が実現される。弁体の弁部開閉方向への駆動は、ステッピングモータ１６の回転運動を並進運動に変換する駆動機構によって行われる。ステッピングモータ１６は、駆動機構に接続されたロータ（駆動機構に直接接続されるのはロータコア）とロータを回転駆動させるステータ２０から構成されている。ロータ、弁体および弁体を駆動させる駆動機構は、冷媒流路と同じ空間に配置される。つまり、これらの構成部品は圧力空間内に配置される。ボディ１８の上面部には、冷媒の圧力が作用する圧力空間と作用しない非圧力空間とを画定するキャン２２が接続されている。キャン２２は、弁体と駆動機構が配置される空間を覆うと共にロータを内包する筒状部材である。

本実施形態の制御弁１０は、ボディ１８とキャン２２とが後述する第１固定手段、例えばねじ部材により圧力空間の気密性を維持できるように固定されている。一方、ステッピングモータ１６のステータ２０は、キャン２２の外周に配置されると共に、ボディ１８に第２固定手段、例えばねじ部材２４で固定されている。後述するが、本実施形態の場合、圧力空間を覆い耐圧構造となるキャン２２を第１固定手段で固定する一方、キャン２２の外側の非圧力空間に配置されるステータ２０を第２固定手段で固定することで、用途に応じた最適な手段で固定を行うことが可能となる。特に第２固定手段は、耐圧性能を必要としないので、低強度の固定手段が利用可能となり、制御弁１０全体としての小型化に寄与できる。また、固定手段の種類の選択範囲が広がる。

図２および図３を用いて制御弁１０の構造を詳細に説明する。図２は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。また、図３は、図２における弁体および駆動機構の周辺拡大図である。

ボディ１８は、有底筒状であり、ボディ１８の一方の側部には導入ポート１４が設けられ、他方の側部には導出ポート１２が設けられ、この導入ポート１４と導出ポート１２とが連通路２６で接続されている。連通路２６はボディ１８の軸線（ボディ１８の中心軸）に沿って図中上下方向に形成され、上部に開口端部２６ａを有すると共に、側面部に導入ポート１４と連通する連通孔２６ｂを有し、底部に導出ポート１２と連通する連通孔２６ｃを有している。連通路２６には、弁体２８を着脱自在に受け入れる弁孔として機能する中空孔を有すると共に弁座Ｍを含むガイド部材３０が配置されている。ガイド部材３０は、段付き筒状の部材であり、連通路２６の開口端部２６ａから突出する位置に開口端部３０ａを有する。また、側面部には、導入ポート１４用の連通孔２６ｂに対応する位置に連通孔３０ｂを有し、底面部には、導出ポート１２用の連通孔２６ｃに対応する位置に連通孔３０ｃを有している。

ガイド部材３０に形成された中空孔は、上部側（ステッピングモータ１６配置側）から順に、段付大径部３２、中径部３４、小径部３６が形成されている。小径部３６が弁孔として機能する。段付大径部３２には、弁体２８を開閉方向に駆動するために駆動機構３８が収容され、中径部３４には弁体２８の大径部２８ａが収容され、小径部３６には、弁体２８のニードル部２８ｂが収容される。

段付大径部３２の外周には、径方向外側に延設されたフランジ３２ａが形成され、駆動機構３８を構成する外筒４０と共に例えば複数のねじ４２によりボディ１８に固定されている。中径部３４と小径部３６との切替り部分が弁体２８と当接する弁座Ｍとなる。なお、小径部３６の外周面と連通路２６との内周面との間にはシール部材として、例えばＯリング４４が介装され、導入ポート１４から導入された冷媒がガイド部材３０内部を通過せずに導出ポート１２側へ流れることを防止している。つまり、導入ポート１４から導入される冷媒は、弁体２８がガイド部材３０の弁座Ｍから離れた場合のみ導出ポート１２側に流れるようにしている。また、外筒４０やガイド部材３０をボディ１８に固定する場合、固定強度が確保できれば上述したねじ４２に代えて圧入やカシメ等の固定手段を用いてもよい。

駆動機構３８は、ボディ１８にガイド部材３０と共に固定される外筒４０と当該外筒４０に内包される内筒４６で構成されている。外筒４０の内周面には雌ねじ４０ａが形成され、外周部にはガイド部材３０のフランジ３２ａと共にボディ１８に締結されるフランジ４０ｂが形成されている。内筒４６の外周面には、外筒４０の雌ねじ４０ａと噛合する雄ねじ４６ａが形成されている。内筒４６は、小径部４６ｂ、大径部４６ｃおよび先端部４６ｄで構成される。小径部４６ｂは、ステッピングモータ１６のロータ４７を構成する筒状のロータコア４８の下端部に形成された固定孔４８ａに挿入され、上端部でナット５０等の締結部材で固定されてロータコア４８と一体化されている。したがって、内筒４６はロータ４７と一体的に回転する。外筒４０はボディ１８に固定されているので、外筒４０と噛合する内筒４６がロータ４７と共に回転することにより、当該内筒４６はねじピッチにしたがって弁体２８の開閉方向に並進運動することになる。つまり、ステッピングモータ１６の回転量を制御することにより弁体２８の開弁量の制御が可能になる。また、大径部４６ｃの外周面には雄ねじ４６ａが形成される一方、内周には、スプリング５２およびボール５４を収納している。そして、先端部４６ｄには、固定ブッシュ５６が圧入等で固定され、弁体２８を摺動自在に支持している。弁体２８の上端部にはフランジ２８ｃが形成され、このフランジ２８ｃが固定ブッシュ５６と係合することにより、弁体２８が内筒４６から脱落しないようになっている。

図２に示すように、スプリング５２はボール５４を介して弁体２８を常時閉弁方向に付勢してフランジ２８ｃを固定ブッシュ５６に押しつけている。したがって、ロータ４７の回転に伴い内筒４６と共に弁体２８が閉弁方向に移動した場合、まず、弁体２８の大径部２８ａの下端、つまりニードル部２８ｂの根元（段部）が弁座Ｍに当接する。当接後もロータ４７の回転が継続した場合、内筒４６が固定ブッシュ５６と共に、閉弁方向にさらに移動するため、弁体２８は弁座Ｍに当接した状態を維持したまま、フランジ２８ｃが固定ブッシュ５６から離脱する。その一方で、弁体２８はスプリング５２により付勢されているボール５４の付勢力を受けるので、確実な閉弁を実現する。なお、スプリング５２の圧縮動作がクッション効果を有するので弁体２８が弁座Ｍに過剰に押しつけられることがなく、摩耗の抑制に寄与できる。また、スプリング５２と弁体２８との間にボール５４を介装することで、内筒４６の回転に伴いスプリング５２が捩れてしまった場合でも当該スプリング５２の捩れ力はボール５４で吸収され弁体２８に伝達されることがない。その結果、着座後の弁体２８の姿勢バランスを崩すことなく安定した閉弁方向の付勢が実現できる。

ステッピングモータ１６は、ロータ４７とステータ２０とを含む。ステッピングモータ１６は、冷媒の圧力が作用する圧力空間と作用しない非圧力空間とを画定する有底円筒状のキャン２２の内方にロータ４７を回転自在に支持するようにして構成されている。キャン２２の外周には、励磁コイル５８を収容したステータ２０が設けられている。キャン２２は、その下端開口部が第２固定手段としてのねじ部材、具体的にはリングねじ６０によって、ボディ１８との間に挟まれることで固定されている。

図４に、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図を示す。図４は、リングねじ６０の断面図を含む。円環状のリングねじ６０は、外周面に形成された雄ねじ６０ａがボディ１８に形成された収納孔１８ａの内周面に形成された雌ねじ１８ｂと螺合する。また、リングねじ６０には、複数の工具挿入孔６０ｂが形成され、この工具挿入孔６０ｂに例えばホーク形状の工具を挿入することにより、リングねじ６０を回転させて締め込みおよび緩めることができる。なお、収納孔１８ａの深さは、リングねじ６０の締め込みによりＯリング６２が所定量圧縮変形されたとき、つまり、十分なシール機能が確保される位置まで、リングねじ６０がねじ込まれたときに、収納孔１８ａの開口端からリングねじ６０が突出しないような深さとすることが望ましい。この構造により、制御弁１０の組立時にリングねじ６０の締め込み不足の発生を容易に防止できると共に、組立作業効率の向上ができる。また、キャン２２の固定部２２ｃは、リングねじ６０により固定された場合に、その底部がＯリング６２を収納する溝１８ｃの外方に形成された段部１８ｄに当接するようになっている。つまり、Ｏリング６２を適度に潰す位置でキャン２２を固定できるように構成されている。

図２に戻り、本実施形態の場合、キャン２２はキャップ部２２ａ、薄肉胴体部２２ｂ、固定部２２ｃで構成され、溶接等の接合手段により接続されて密閉容器を形成している。固定部２２ｃは、径方向に外側に延設されたフランジを有し、このフランジ部分がリングねじ６０とボディ１８との間に挟まれ固定される。なお、固定部２２ｃの下面には、キャン２２の密閉性を維持向上させるために、Ｏリング６２等のシール部材が介在されている。

キャン２２の内部には、ロータ４７が回転自在に収納されている。ロータ４７は、円筒状に形成されたロータコア４８と、そのロータコア４８の外周に配設されたマグネット６４を備える。

ロータコア４８の内方にはキャン２２の軸線と平行に延びるガイド部６６が設けられている。ガイド部６６は、後述する回転ストッパと係合するための突部を形成するものであり、軸線に平行に延びる一つの突条により構成されている。

ロータコア４８の内方には、その軸線に沿って長尺状のシャフト６８が配設されている。シャフト６８は、その上端部がキャン２２のキャップ部２２ａの中央にねじ止め、溶接または圧入等により片持ち状に固定され、ガイド部６６に平行にキャン２２の内部空間に延在している。シャフト６８は、弁体２８と同一軸線上に配置されている。シャフト６８には、そのほぼ全長にわたって延在する螺旋状のガイド部７０が設けられている。ガイド部７０は、コイル状の部材からなり、シャフト６８の外面に嵌着されている。ガイド部７０の上端部は折り返されて係止部７０ａとなっている。

ガイド部７０には、螺旋状の回転ストッパ７２が回転可能に係合している。回転ストッパ７２は、ガイド部７０に係合する螺旋状の係合部７２ａと、ロータコア４８に支持される動力伝達部７２ｂとを有する。係合部７２ａは一巻きコイルの形状をなし、その下端部に半径方向外向きに延出する動力伝達部７２ｂが連設されている。動力伝達部７２ｂの先端部がガイド部６６に係合している。すなわち、動力伝達部７２ｂは、ガイド部６６の一つの突条に当接して係止される。このため、回転ストッパ７２は、ロータコア４８により回転方向の相対変位は規制されるが、ガイド部６６に摺動しつつその軸線方向の変位が許容される。

すなわち、回転ストッパ７２は、ロータ４７と一体に回転し、その係合部７２ａがガイド部６６に沿ってガイドされることで、軸線方向に駆動される。ただし、回転ストッパ７２の軸線方向の駆動範囲はガイド部６６の両端に形成された係止部により規制される。同図には、回転ストッパ７２が下死点に位置した状態が示されている。回転ストッパ７２が上方へ変位して係止部７０ａに係止されると、その位置が上死点となる。

ロータコア４８は、その上端部がキャン２２のキャップ部２２ａに形成された軸受部７４に回転自在に支持されている。また下端部は、その下端部に接合された内筒４６の雄ねじ４６ａがボディ１８側に固定された外筒４０の雌ねじ４０ａと噛合することにより支持されている。すなわち、駆動機構３８が下端側の軸受けとして機能する。この構成により、ロータ４７を支持する軸受け部品の削減ができる。また軸受け部品の削減により実質的な摺動部分の削減が可能になり、摺動による摩耗の抑制に寄与できる。

一方、ロータ４７を回転駆動させる環状のステータ２０はキャン２２の外周に配置されると共に、当該ステータ２０は単独でボディ１８に固定されている。具体的には、ステータ２０をボディ１８に固定するために第２固定手段としてねじ部材２４が用いられている。ステータ２０は、キャン２２が固定されるボディ１８の第１壁面（ボディ１８の上面）とは異なる第２壁面（ボディ１８の側面）を用いてボディ１８に固定されている。図２に示す例では、図５に示す板状のブラケット７６をボディ１８の側面にねじ止めすることでステータ２０が固定されている。

ブラケット７６は、例えば金属板をプレス加工することにより得ることができる。図５の例の場合、薄板材の中央部にキャン２２を挿通させる開口部７６ａが形成され、四隅に固定用のねじ部材２４が挿通する孔７６ｂを有するステイ７６ｃが折り曲げ形成されている。なお、ステイ７６ｃの数は、耐振性（振動によりステータ２０がずれたり脱落したりしない振動に耐え得る性能）やステータ２０の重量等を考慮して適宜選択可能であり、例えば、対角位置に２箇所でもよいし、１箇所でもよい。また、４箇所以上（１辺に２個以上）設けてもよい。本実施形態の場合、耐振性を考慮しつつ、ねじ代をできるだけ多く確保するために、リングねじ６０の配置スペースである収納孔１８ａの位置を避けて、図４に示すように、各辺の端部寄りにステイ７６ｃを配置している。なお、ブラケット７６とステータ２０の接続は、例えばねじ止めや溶接、蝋付け、接着、カシメ等で行うことができる。

ステータ２０は冷媒の圧力の影響を受けない大気中に配置されるので、ステータ２０は制御弁１０が適用される環境、例えば自動車搭載環境下での振動に耐え得る強度で固定されれば十分なので、耐圧固定が必要なキャン２２ほどの固定強度は必要ない。したがって、ねじ部材２４のねじ代も数山で十分である。その結果、ボディ１８の大きさは導出ポート１２や導入ポート１４を形成すると共に駆動機構３８や弁体２８等を収容できる必要最小限とすることができる。つまり、ステータ２０を固定するためのねじ代を別途確保する必要がなく、ボディ１８の小型化に寄与できる。

なお、図４等の例では、ステータ２０をボディ１８に固定する手段としてねじ部材２４を用いた例を示したが、上述のようにステータ２０を冷媒圧力の影響を受けるキャン２２とは別に固定することで、大きな固定強度を必要としない。したがって、設計上必要とされる耐振性を確保できれば、第１固定手段に比べて、固定力（締結力）の小さなねじ部材の利用が可能であり、固定構造の小型化、簡略化ができる。また、設計上必要とされる耐振性を確保できれば、例えばカシメや溶接、蝋付け、接着等の固定手段を第２固定手段として利用可能であり、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、耐圧が要求されるキャン２２の固定と耐圧が要求されないステータ２０の固定とで、それぞれ固定方法が選択できるので、設計自由度の向上に寄与できると共に、キャン２２およびステータ２０がそれぞれ最適な固定力で固定できるので、制御弁１０の耐圧性、耐振性に関する信頼度が向上できる。

なお、上述の例では、ステータ２０とブラケット７６とを用いる例を示したが、ステータ２０が第２固定手段によりボディ１８に固定できればよく、例えば、ステータ２０を構成するステータケース（励磁コイル５８を収納しているケース）にステイを設けて、ステータ２０を直接ボディ１８に固定するようにしてもよく、本実施形態と同様の効果を得ることができる。この場合、部品点数の削減、組立の工数の削減に寄与できる。
また、図２に示す例では、ボディ１８の側面上部で、ねじ部材２４を弁開閉方向と直交する方向にねじ込む構造を示したが、ステイ７６ｃの延設長さを適宜選択することにより、ねじ部材２４の締結位置を変えることができる。例えば、制御弁１０を搭載する冷暖房装置側の部品レイアウトにより、図２に示す位置にねじ部材２４が存在すると、他部品と干渉してしまう場合がある。このような場合は、ステイ７６ｃの長さを調節して、ねじ部材２４の位置をボディ１８の下方位置に移動してもよい。また、導出ポート１２や導入ポート１４の位置を避けながらボディ１８の底面（キャン２２が組み付けられる面とは逆側の面）までステイ７６ｃを延ばし、ボディ１８の底面にねじ部材２４をねじ込んでブラケット７６をボディ１８に固定する構造としてもよい。

以上のように構成された制御弁１０は、ステッピングモータ１６の駆動制御によってその弁開度が調整可能となる。以下、その動作について説明する。
図示しない制御部は、設定開度に応じたステッピングモータ１６の駆動ステップ数を演算し、信号線５８ａを介して励磁コイル５８に駆動電流（駆動パルス）を供給する。それによりロータ４７が回転する。図２，図３に示すように、ロータコア４８の下端に固定された内筒４６の雄ねじ４６ａは、ボディ１８に固定された外筒４０の雌ねじ４０ａと噛合している。そのため、ロータコア４８が回転することにより雄ねじ４６ａおよび雌ねじ４０ａのねじピッチにしたがって、キャン２２に支持されたシャフト６８に対して、ロータコア４８自体およびそれに固定された内筒４６が軸線方向に移動する。例えば、図２の状態から開弁方向にステッピングモータ１６が回転することにより、内筒４６が開弁方向に移動し、内筒４６の端部に固定された固定ブッシュ５６の上端に弁体２８のフランジ２８ｃの下端が当接することで、弁体２８を引き上げて開弁させる。固定ブッシュ５６とフランジ２８ｃが当接して開弁が開始された状態においては、弁体２８はスプリング５２に付勢されたボール５４によって固定ブッシュ５６に押圧されているので、内筒４６と弁体２８の相対関係は一定位置（固定位置）を維持するので内筒４６のリフトアップ量と開弁量とが比例する。すなわち、ステッピングモータ１６の回転数制御により開弁量の制御が正確にできる。

一方、閉弁させる場合は、ステッピングモータ１６を開弁時とは逆回転させることにより内筒４６が閉弁方向に移動する。この場合も弁体２８はスプリング５２に付勢されたボール５４によって固定ブッシュ５６に押圧されているので、内筒４６と弁体２８の相対関係は一定位置（固定位置）を維持するので内筒４６のリフトダウン量と開弁量とが比例する。そして、弁体２８の大径部２８ａとニードル部２８ｂとの切り替わり部が弁座Ｍに当接すると閉弁状態が成立すると共に弁体２８のフランジ２８ｃが固定ブッシュ５６から離脱する。ただし、弁体２８は、ボール５４を介してスプリング５２の付勢力を受けているので、閉弁状態は、スプリング５２の付勢力に応じた作動力で維持される。この場合、弁体２８は実質的にスプリング５２の付勢力によって弁座Ｍに押圧されているので、仮に内筒４６のリフトダウンが過剰に行われた場合でもスプリング５２の圧縮によりその過剰分を吸収するので、弁体２８やガイド部材３０の破損が防止できる。

図６は、ステータ２０の他の固定構造を説明する説明図である。なお、図２の構成に対してステータ２０の固定構造が異なるのみで、制御弁１０の基本的な構造は図２と同じなので、その説明は省略する。

図６に示すように、制御弁１０のボディ７８は、上端部にフランジ部７８ａを有する。つまり、キャン２２が固定される固定面と平行にフランジ部７８ａが延設され、第２固定手段であるねじ部材２４は、フランジ部７８ａに形成された雌ねじに螺合することで、ブラケット８０を介してステータ２０を固定している。この場合、ブラケット８０は、図５に示すブラケット７６と同様に例えば金属板をプレス加工することにより得ることができる。つまり、薄板材の中央部にキャン２２を挿通させる開口部が形成され、ねじ部材２４が挿通する孔を有するステイ８０ａが折り曲げ形成されている。この場合、ステイ８０ａは、フランジ部７８ａと平行になるように折り曲げられる。このように、ボディ７８にフランジ部７８ａを形成してステータ２０を固定する構造とすることにより、ねじ部材２４のへのアクセス方向が制御弁１０の軸方向と同じ方向とすることができる。そのため、例えば、制御弁１０を車両に搭載した後にメンテナンスや部品交換等により分解が必要になった場合、容易に分解作業を行うことができる。なお、ステータ２０は冷媒の圧力の影響を受けないので、耐振性が確保されればよい。したがって、フランジ部７８ａの強度はステッピングモータ１６全体を耐圧容器に収容する場合ほど必要なく、薄肉形状で構成できる。つまり、フランジ部７８ａの下方の領域は不要となり、フランジ部７８ａ以下のボディ７８形状（幅）は、ボディ１８と実質的に同じにすることができるので、ボディ７８の材料を削減が可能で、コストダウンおよび軽量化、小型化に寄与できる。

以下、制御弁１０の構成部品の変形例を示す。
図３に戻り、外筒４０に形成された雌ねじ４０ａおよび内筒４６に形成された雄ねじ４６ａのねじ山形状は適宜選択可能である。例えば三角ねじとすることができる。しかし、本実施形態では、特に台形ねじとしている。三角ねじは台形ねじに比べると圧力角が大きいため、摩擦に起因するねじ効率が悪い。つまり、三角ねじの場合、台形ねじに比べてねじ山への負担が大きくなり、台形ねじに比べて摺動摩耗し易くなる。本実施形態の駆動機構３８は、高圧の冷媒に晒されるので、台形ねじを採用することで高圧環境下での高負荷加重に耐え得る構造としている。

また、本実施形態の外筒４０および内筒４６の構成母材としては、例えばステンレス材を利用して、弁体２８の開閉時の摺動による摩耗や、自動車搭載時の振動による摺動摩擦による摩耗が発生しにくくなるようにしている。さらに母材の硬度を向上させるために、表面処理を施してもよい。表面処理の種類は適宜選択可能である。例えば、窒化処理を外筒４０の雌ねじ４０ａおよび内筒４６の雄ねじ４６ａの表面に施すことで硬度の向上が可能で、耐摩耗性がさらに向上できる。窒化処理としては、例えば特開２００１−０１１６３０号公報に記載の処理を用いることができる。この場合、処理表面にカーボン被膜が形成され、このカーボン被膜が固体潤滑剤として作用可能となり、雌ねじ４０ａおよび雄ねじ４６ａの摺動摩擦を軽減することができる。また、外筒４０、内筒４６等の駆動機構３８をステンレス材で構成することにより、励磁コイル５８が発生させる磁力の影響を受けることがなく、磁力の影響による振動の発生が抑制できる。この点においても、外筒４０の雌ねじ４０ａおよび内筒４６の雄ねじ４６ａの摩耗の軽減に寄与できる。

また、ねじを形成する場合、一般的には転造を用いるが、その場合、残留応力が残る場合がある。上述したようにねじ表面に窒化処理を施す場合、高温環境で処理を行う必要があり、このときに残留応力が開放されてねじ部およびその周囲が変形してしまう場合がある。そこで、本実施形態では、外筒４０の雌ねじ４０ａおよび内筒４６の雄ねじ４６ａを切削加工によって形成して、加工時の残留応力発生を軽減している。つまり、ねじに上述のような表面処理を施した場合でも、変形が生じ難いようにしている。その結果、弁体２８の作動時の摺動摩擦を低減して、制御弁１０の高負荷加重での作動を可能にしている。なお、外筒４０の雌ねじ４０ａおよび内筒４６の雄ねじ４６ａのねじピッチは、制御弁１０の仕様によって適宜選択することが望ましい。例えば、ねじピッチを小さくすることで、弁体２８の開閉動作時の分解能を向上し高精度の弁開閉制御が可能になる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上記実施形態では、図２に示したように、シャフト６８のガイド部７０や回転ストッパ７２の係合部７２ａをいずれもコイル状の部材により螺旋状に形成する例を示した。変形例においては、例えばシャフト６８のガイド部７０を雄ねじ部とし、回転ストッパ７２の係合部７２ａを雌ねじ部とするねじ機構としてもよい。すなわち、両者により回転を並進に変換する機構が構成されればよい。

また、本実施形態では、図２、図３で説明したように、ガイド部材３０をボディ１８とは別に形成し、ボディ１８に形成された連通路２６に固定する構造を採用している。別の実施例では、ボディ１８に弁座を直接形成する構造を採用してもよい。この場合、部品点数の削減に寄与できる。一方、本実施形態のように、ガイド部材３０をボディ１８とは別に形成し、ボディ１８に形成された連通路２６に固定する構造の場合、外筒４０および内筒４６によって位置決めが行われる弁体２８の軸線とガイド部材３０の軸線を合わせる作業は、ボディ１８の連通路２６に関係なく、ボディ１８への組み付け前の段階で完了できる。その結果、各構成部品の軸線合わせ作業が容易になり、組立作業効率が向上できると共に、軸ズレに起因する冷媒漏れや弁開閉精度の低下防止ができる。

また、図２、図３に示す実施形態の場合、キャン２２を固定する第１固定手段としてリングねじ６０を用いる例を示した。キャン２２の固定は、内部に形成される圧力空間の気密が維持できれば、第１固定手段は適宜選択可能で、本実施形態と同様の効果を得ることができる。例えば、キャン２２の固定部２２ｃにねじ挿通用の孔を形成し、弁開閉方向にねじ込まれるねじで固定してもよい。この場合、耐圧性を確保するために複数のねじを用いて固定することが望ましい。第１固定手段として、複数のねじを用いる場合、リングねじ６０を用いる場合に比べて部品コストの低減が容易にできる。また、リングねじ６０の締め込みに必要な特殊な治具を用いることなく固定ができる。ただし、この場合、固定部２２ｃの下面のＯリング６２の配置位置を避けて、Ｏリング６２より外方にてねじ固定する必要があり、ボディ１８の幅（弁開閉方向と直交する方向の幅）の増加を招く場合がある。一方、リングねじ６０を使用する場合、ねじ部が側面に形成されているので、底面側にＯリング６２を配置することができる。つまり、弁開閉方向にねじ込まれるねじで固定する場合のようなＯリング６２への配慮が不要になり、ボディ１８の幅増加を招くことはない。

上記実施形態では、導入ポートと導出ポート間の冷媒流量を制御する制御弁を一例として示したが。冷媒の圧力が作用する圧力空間と冷媒の圧力が作用しない非圧力空間とがキャンによって画定される制御弁において、キャンの外周にステータが配置される制御弁であれば、本実施形態のステータ固定構造は適用可能であり、同様の効果を得ることができる。また、弁体２８、ガイド部材３０、駆動機構３８およびロータ４７等の構成、導出ポート１２、導入ポート１４の配置は一例であり、キャンの外周にステータが配置される制御弁であれば、形状や構造が異なる制御弁においても本実施形態のステータ固定構造は適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

本実施形態では、ステッピングモータ駆動式の制御弁を車両用冷暖房装置用として用いる例を示したが、制御弁の適用対象は、自動車に限らず種々適用できる。例えば、住宅用の冷暖房装置に適用しても本実施形態と同様の効果を得ることができる。住宅用の場合、耐振性に対する要求は、車両用ほど高くないので、ブラケット７６を固定する場合、第２固定手段として、ねじ部材２４に代えて、カシメや嵌め合わせ、スポット溶接、蝋付け等、ねじ部材２４による固定より固定力の小さい手段を用いてもよい。この場合、第２固定手段の選択範囲が広がり設計自由度が広がる。

１０ 制御弁、 １２ 導出ポート、 １４ 導入ポート、 １６ ステッピングモータ、 １８ ボディ、 １８ａ 収納孔、 ２０ ステータ、 ２２ キャン、 ２４ ねじ部材、 ２６ 連通路、 ２８ 弁体、 ２８ｃ フランジ、 ３０ ガイド部材、 ３２ａ フランジ、 ３８ 駆動機構、 ４０ 外筒、 ４０ａ 雌ねじ、 ４０ｂ フランジ、 ４２ ねじ、 ４６ 内筒、 ４６ａ 雄ねじ、 ４７ ロータ、 ５８ 励磁コイル、 ６０ リングねじ、 ７８ａ フランジ部、 ７８ ボディ、 Ｍ 弁座。

Claims (6)

1. ステッピングモータ駆動式の制御弁において、
   上流側から冷媒を導入する導入ポートと、下流側へ冷媒を導出する導出ポートと、前記導入ポートと前記導出ポートとを連通する弁孔とを有するボディと、
   前記弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、
   前記弁体を前記弁部の開閉方向に駆動する駆動機構と、
   前記駆動機構を作動させるロータと、当該ロータを回転駆動させるステータとを含むステッピングモータと、
   前記弁体と前記駆動機構が配置される空間を覆うと共に前記ロータを内包する筒状部材であって、前記冷媒の圧力が作用する圧力空間と作用しない非圧力空間とを画定するキャンと、
   を備え、
   前記キャンは、前記ボディに第１固定手段で固定され、
   前記ステータは、前記キャンの外周に配置されると共に、前記ボディに第２固定手段で固定されることを特徴とする制御弁。
2. 前記第２固定手段は、ねじ部材であることを特徴とする請求項１記載の制御弁。
3. 前記第２固定手段は、前記キャンが固定される前記ボディの第１壁面とは異なる第２壁面を用いて前記ステータを固定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の制御弁。
4. 前記ボディは、前記キャンが固定される固定面と平行に延設されるフランジ部を有し、
   前記第２固定手段は、前記フランジ部に前記ステータを固定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の制御弁。
5. 前記第１固定手段は、ねじ部材であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の制御弁。
6. 前記ねじ部材は、円環状のリングねじであり、当該リングねじの外周面に形成された雄ねじが前記ボディに形成された収納孔の内周面に形成された雌ねじと螺合することで前記キャンの下端開口部を前記リングねじと前記ボディとで挟持することを特徴とする請求項５記載の制御弁。

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