JP2022065797A - 回転制限機構、モータ及び電動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】モータのコンパクト化が求められている。【解決手段】本開示の電動弁１０では、螺旋ガイド３１と、螺旋ガイド３１に係合（螺合）したストッパリング３５と、を有する回転制御機構３０において、螺旋ガイド３１が、隣合う第１線材３１Ｓ同士が当接するように巻回されていて、ストッパリング３５は、螺旋ガイド３１の外側に配され、螺旋ガイド３１の隣合う第１線材３１Ｓの間の外側の螺旋溝３１Ｍに螺合している。【選択図】図３

Description

本開示は、モータに内蔵されてロータの回転量を制限する回転制限機構、その回転制限機構を有するモータ、及び、そのモータを駆動源として備える電動弁に関する。

従来、この種の回転制限機構として、ステータに固定された螺旋ガイドの線材間に係合した一巻きコイル状の回転ストッパがロータの回転によってロータの回転軸方向で移動し、可動範囲の端部でストッパに係止されるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開２０１２／０３２７３９号（図３等）

上述した従来の回転制限機構においては、モータのコンパクト化が求められている。

本開示の回転制限機構は、モータに内蔵されてロータの回転量を制限する回転制限機構であって、前記モータのステータ又はロータの一方に固定され、第１線材を前記ロータの回転軸回りに螺旋状に巻回してなる螺旋ガイドと、前記モータのステータ又はロータの他方に設けられ、前記螺旋ガイドと平行に延びる当接部と、第２線材を前記螺旋ガイドの外側又は内側に巻回してなり、前記螺旋ガイドの隣合う前記第１線材の間の外側又は内側の螺旋溝に螺合する螺合リング及び、その螺合リングから延長されて前記当接部に当接する延長アームを有する遊動子と、前記モータのステータ又はロータの一方に設けられ、前記遊動子の前記螺旋ガイドに対する回転を止める１対のストッパと、を備える回転制限機構である。

本開示に係る電動弁の側断面図 弁口が開いた状態の電動弁の側断面図 回転制御機構周辺の拡大図 弁口が開いた状態の回転制御機構周辺の拡大図 変形例に係る電動弁の側断面図 変形例に係る回転制御機構の一部拡大図 変形例に係る電動弁の側断面図

以下、図１～図４を参照して本開示の回転制御機構３０を備えた電動弁１０について説明する。図１に示される電動弁１０は、駆動源としてモータ１１を備えている。このモータ１１は、ステータ１２とロータ２０とから構成されている。

ステータ１２は、概円筒状のバルブボディ１３の中間部分に、電磁コイル１２Ａを複数収容する環状ケース１２Ｃが取り付けられてなる。バルブボディ１３は、一端有底の円筒ケース１３Ａと、円筒ケース１３Ａの底壁１３Ｂに形成された貫通孔１３Ｄを貫通して延びた内筒部１３Ｎと、を有している。円筒ケース１３Ａの上端開口１３Ｃは蓋体１３Ｆにより閉塞されている。環状ケース１２Ｃは円筒ケース１３Ａの下端部に配されている。

内筒部１３Ｎの外面には、軸方向の中央部に、下方部が段付き状に縮径してなる段差部１３Ｍが形成されていて、この段差部１３Ｍが円筒ケース１３Ａの底壁１３Ｂのうち貫通孔１３Ｄの開口縁に内側から突き当てられている。内筒部１３Ｎの下端部には、弁口１３Ｋが形成されていて、内筒部１３Ｎの下面には、弁口１３Ｋを囲うように第１接続管１４Ａが取り付けられている。また、内筒部１３Ｎの外側面のうち段差部１３Ｍの下方には、横孔１３Ｌが形成されていて、この横孔１３Ｌには、第２接続管１４Ｂが取り付けられている。

内筒部１３Ｎの上部には、内側に延長管１５が圧入されている。延長管１５は、内筒部１３Ｎの段差部１３Ｍより上方位置から内筒部１３Ｎの上端よりも上方まで延びている。また、延長管１５の下部の内面には、雌螺子部１５Ｎが形成されている。

図１に示すように、ロータ２０は、上端有底円筒状の永久磁石２０Ａと、永久磁石２０Ａの上端壁に貫通固定されたシャフト部材２５とからなり、円筒ケース１３Ａの内側に回転可能に収容されている。シャフト部材２５のうち永久磁石２０Ａへの固定部分より下側には、下方へ開放した弁体収容部屋２５Ｕが形成されている。弁体収容部屋２５Ｕには、内筒部１３Ｎの軸方向に延びる弁体部材２６の基端部と、弁体部材２６の基端部より奥側に配された圧縮コイルバネ２７と、が収容され、弁体収容部屋２５Ｕの開口側端部には、筒状の弁体抜止部材２５Ｔが固定されている。弁体部材２６の基端部は、弁体抜止部材２５Ｔの内径よりも側方に張り出していて、弁体部材２６は圧縮コイルバネ２７により下方へ付勢され、弁体抜止部材２５Ｔに押し当てられている。弁体部材２６の先端部は、先細りした弁体２６Ａとなっている。

シャフト部材２５の外側面の下部には、雄螺子部２５Ａが形成されていて、この雄螺子部２５Ａは、ステータ１２の延長管１５の雌螺子部１５Ｎと螺合している。これにより、永久磁石２０Ａと共にシャフト部材２５が回転する（即ち、ロータ２０が回転する）と、シャフト部材２５（即ち、ロータ２０）が上下方向に移動し、弁体２６Ａが弁口１３Ｋを開閉する（図１及び図２参照）。詳細には、図１に示すように、弁体２６Ａが上方から弁口１３Ｋ内に進入し、弁座１３Ｚに当接することで、弁口１３Ｋを閉塞して、第１接続管１４Ａと第２接続管１４Ｂとの間の流動を規制する。そして、図２に示すように、この弁体２６Ａが上方に移動し、弁口１３Ｋを開放することで、第１接続管１４Ａと第２接続管１４Ｂとの間の流動が可能となる。

ところで、電動弁１０には、シャフト部材２５の直動範囲即ちロータ２０の回転範囲を規制するために、回転制御機構３０が備えられている。図３に示すように、回転制御機構３０は、螺旋ガイド３１と、螺旋ガイド３１に係合（螺合）したストッパリング３５（特許請求の範囲中の「遊動子」に相当する）と、を有している。螺旋ガイド３１は、ロータ２０におけるシャフト部材２５のうち永久磁石２０Ａへの固定部分より上側（特許請求の範囲中の「支持シャフト」に相当する）に、第１線材３１Ｓを螺旋状に巻回してなる。螺旋ガイド３１は、第１線材３１Ｓの上端部をシャフト部材２５に貫通させることで、シャフト部材２５に固定されている。第１線材３１Ｓの上端部のうちシャフト部材２５から突出した部分は上部ストッパ３１Ａとなっている。また、第１線材３１Ｓの下端部は、側方へ張り出したのち下方へ屈曲した下部ストッパ３１Ｂとなっている。

ストッパリング３５は、螺旋ガイド３１の螺旋に沿って第２線材３５Ｓを巻回した螺旋リング部３５Ｒ（特許請求の範囲中の「螺合リング」に相当する）と、螺旋リング部３５Ｒの下端部から側方に張り出したストッパアーム部３５Ａ（特許請求の範囲中の「延長アーム」に相当する）と、を備える。バルブボディ１３内には、蓋体１３Ｆに取り付けられ、ロータ２０の回転軸と平行に延びた１対のリング当接部材３８（特許請求の範囲中の「当接部」に相当する）が備えられている。１対のリング当接部材３８はストッパアーム部３５Ａを挟み、ストッパリング３５の回転を規制している。これにより、ロータ２０（螺旋ガイド３１）が回転すると、ストッパリング３５が螺旋ガイド３１に対して相対回転して上下動し、螺旋ガイド３１の上端部又は下端部まで移動したときにロータ２０が回転不能となる。詳細には、図３に示すように、ストッパリング３５が螺旋ガイド３１の上端部に配されると、ストッパリング３５の上端部が上部ストッパ３１Ａに当接して回転規制され、図４に示すように、ストッパリング３５が螺旋ガイド３１の下端部に配されると、ストッパリング３５のストッパアーム部３５Ａが下部ストッパ３１Ｂに当接して回転規制される。以上により、ロータ２０の回転量が規制される。

ここで、図３及び図４に示すように、本実施形態の回転制御機構３０では、螺旋ガイド３１が、隣合う第１線材３１Ｓ同士が当接するように巻回されていて、ストッパリング３５は、螺旋ガイド３１の外側に配され、螺旋ガイド３１の隣合う第１線材３１Ｓの間の外側の螺旋溝３１Ｍに螺合している。また、ストッパリング３５の第２線材３５Ｓは、螺旋ガイド３１の第１線材３１Ｓよりも小径になっている。

このように、本実施形態の電動弁１０では、ストッパリング３５の第２線材３５Ｓが螺旋ガイド３１の隣合う第１線材３１Ｓの間の外側の螺旋溝３１Ｍに螺合しているので、従来の電動弁のように螺旋ガイド３１の隣合う第１線材３１Ｓ間の隙間にストッパリング３５の第２線材３５Ｓが配された構成よりも、回転制御機構３０の上下方向の大きさを小さくすることができるので、モータ１１をコンパクト化、しいては、電動弁１０をコンパクト化、低コスト化することができる。また、螺旋ガイド３１の隣合う第１線材３１Ｓ同士が当接するように構成されているので、隣合う第１線材３１Ｓ同士に隙間がある構成よりもコンパクト化の効果が大きくなる。ロータ２０の回転量が大きいほど、即ち、螺旋ガイド３１が長いほど、上記効果が大きくなる。

なお、回転制御機構３０の径方向の大きさは大きくなるが、回転制御機構３０の径方向の大きさよりロータ２０の径方向の大きさの方が大きいので、ロータ２０の上方空間を有効利用することが可能となる。

また、螺旋ガイド３１が、隣合う第１線材３１Ｓ同士が当接するように巻回された構成になっているので螺旋ガイド３１自体の強度も高くなると考えられる。またストッパリング３５の第２線材３５Ｓは、螺旋ガイド３１の第１線材３１Ｓよりも小径になっているので、ストッパリング３５が螺旋溝３１Ｍの奥側へ入り込みやすくなり（かかり代が大きくなり）、ストッパリング３５の螺旋ガイド３１への螺合が安定する。

また、本実施形態によれば、ストッパリング３５がシャフト部材２５に当接しないので、ストッパリング３５の第２線材３５Ｓが螺旋ガイド３１の隣合う第１線材３１Ｓ間の隙間に配され、シャフト部材２５に接触する構成よりも摩擦抵抗が小さくなり、ストッパリング３５の相対回転がスムーズになる。また、本実施形態によれば、螺旋ガイド３１のピッチの管理が不要となり、メンテナンスが容易になる。

［他の実施形態］
（１）図５に示すように、ストッパリング３５が、螺旋ガイド３１の隣合う第１線材３１Ｓの間の内側の螺旋溝３１Ｎに螺合する構成であってもよい。例えば、ロータ２０に、上方へ突出した円筒部２０Ｕを備え、第１線材３１Ｓを円筒部２０Ｕの内側面に宛がいながら巻回させることで螺旋ガイド３１を構成し、螺旋ガイド３１の内側にストッパリング３５と１対のリング当接部材３８とを配することが考えられる。なお、円筒部２０Ｕの上端開口部には、螺旋ガイド３１の抜け止め部材を取り付けることが好ましい。

（２）螺旋ガイド３１は、隣合う第１線材３１Ｓ同士の間に隙間がある構成であってもよい。この構成によれば、螺旋ガイド３１及びストッパリング３５の公差を大きくすることができ、製造が容易になる。なお、図６に示すように、第１線材３１Ｓの径をＤ、第２線材３５Ｓの径をｄ、第１線材３１Ｓ同士の隙間をＡとすると、第１線材３１Ｓ同士の隙間（Ａ）は、下記関係式を満たすように、即ち、第２線材３５Ｓの径（ｄ）より小さく、かつ、第１線材３１Ｓ同士の隙間（Ａ）と第１線材３１Ｓの径（Ｄ）との合計が第２線材３５Ｓの径（ｄ）より大きくなるように設定される。

Ａ＜ｄ＜（Ｄ＋Ａ） （式１）

（３）また、螺旋ガイド３１の第１線材３１Ｓとストッパリング３５の第２線材３５Ｓとの間に隙間を有する構成であってもよい。この場合、ストッパリング３５と螺旋ガイド３１の摺動抵抗が小さくなり、ストッパリング３５の相対回転がスムーズになる。なお、第１線材３１Ｓと第２線材３５Ｓとの間の隙間をＢとし、第２線材３５Ｓの中心を通る水平線と、第１線材３１Ｓの中心と第２線材３５Ｓの中心とを結ぶ線分との角度をΘとすると、第１線材３１Ｓと第２線材３５Ｓとの間の隙間（Ｂ）は、下記関係式を満たすように、即ち、ストッパリング３５と螺旋ガイド３１とのかかり代（Ｋ）が０．１ｍｍ以上になるように設定されることが好ましい。

（Ｄ／２＋ｄ／２）（１－ｃｏｓΘ）－ＢｃｏｓΘ≧０．１（ｍｍ） （式２）

（４）上記式１及び式２を満たせば、第１線材３１Ｓと第２線材３５Ｓとは同径であってもよいし、第２線材３５Ｓが第１線材３１Ｓより大径であってもよい。

（５）リング当接部材３８が１つのみ設けられた構成であってもよい。この場合、ロータ２０が逆回転する際は、ストッパリング３５は、略一回転したのちリング当接部材３８に反対側から再び当接する。

（６）図７に示すように、螺旋ガイド３１がステータ１２に固定され、リング当接部３８Ｗがロータ２０に固定された構成であってもよい。同図に示す例では、蓋体１３Ｆに取り付けられた支持シャフト１３Ｓに螺旋ガイド３１が固定されている。この構成であっても、ロータ２０の回転により、ストッパリング３５が螺旋ガイド３１に対して相対回転して上下動する。なお、リング当接部３８Ｗ（リング当接部材３８）とステータ１２又はロータ２０とは、一体であってもよいし別体であってもよい。、

（７）上記実施形態では、シャフト部材２５がロータ２０に一体に固定された構成であったが、図７に示すように、シャフト部材２５とロータ２０とが別体になった構成であってもよい。図７に示される例では、シャフト部材２５がロータ２０に螺合されると共にステータ１２に回転不能に支持されていて、ロータ２０が回転駆動されると、シャフト部材２５がロータ２０との螺合により上下動する構成になっている。

なお、図７に示される例では、シャフト部材２５の上下方向の中間部分を断面Ｄ字状の摺動軸部２５Ｂとし、ステータ１２に、摺動軸部２５ＢのＤ字状の断面に対応したＤ字状のシャフト受容孔１２Ｄを設けることで、シャフト部材２５の回転が規制されている。

（８）上記実施形態では、螺旋ガイド３１がシャフト部材２５により内側から支持されていたが、シャフト部材２５が短く、螺旋ガイド３１の内側に配されない（つまり、螺旋ガイド３１を内側から支持する支持部材を有しない）構成であってもよい。本開示の螺旋ガイド３１は従来の螺旋ガイドより線材が密になっていて強度が高いので、そのような構成にすることが可能となると考えられる。

（９）また、シャフト部材２５の代わりに、螺旋ガイド３１を挿通するボルトをステータ１２又はロータ２０に取り付ける構成であってもよい。

なお、本明細書及び図面には、特許請求の範囲に含まれる技術の具体例が開示されているが、特許請求の範囲に記載の技術は、これら具体例に限定されるものではなく、具体例を様々に変形、変更したものも含み、また、具体例から一部を単独で取り出したものも含む。

１０ 電動弁
１１ モータ
１２ ステータ
２０ ロータ
２５ シャフト部材
２６Ａ 弁体
３０ 回転制御機構
３１ 螺旋ガイド
３１Ａ 上部ストッパ
３１Ｂ 下部ストッパ
３１Ｍ 螺旋溝
３１Ｎ 螺旋溝
３１Ｓ 第１線材
３５ ストッパリング（遊動子）
３５Ａ ストッパアーム部（延長アーム）
３５Ｒ 螺旋リング部（螺合リング）
３５Ｓ 第２線材
３８ リング当接部材（当接部）
３８Ｗ リング当接部（当接部）

Claims (7)

1. モータに内蔵されてロータの回転量を制限する回転制限機構であって、
   前記モータのステータ又はロータの一方に固定され、第１線材を前記ロータの回転軸回りに螺旋状に巻回してなる螺旋ガイドと、
   前記モータのステータ又はロータの他方に設けられ、前記螺旋ガイドと平行に延びる当接部と、
   第２線材を前記螺旋ガイドの外側又は内側に巻回してなり、前記螺旋ガイドの隣合う前記第１線材の間の外側又は内側の螺旋溝に螺合する螺合リング及び、その螺合リングから延長されて前記当接部に当接する延長アームを有する遊動子と、
   前記モータのステータ又はロータの一方に設けられ、前記遊動子の前記螺旋ガイドに対する回転を止める１対のストッパと、を備える回転制限機構。
2. 前記螺旋ガイドの隣合う前記第１線材同士が当接している請求項１に記載の回転制限機構。
3. 前記螺旋ガイドの隣合う前記第１線材同士の間に隙間がある請求項１に記載の回転制限機構。
4. 前記螺合リングは、前記第２線材を前記螺旋ガイドの外側に巻回してなり、
   一端部を前記モータのステータ又はロータの一方に固定されると共に、前記螺旋ガイドの内側に嵌合されて前記螺旋ガイドを支持する支持シャフト又はボルトを備える請求項１から３の何れか１の請求項に記載の回転制限機構。
5. 前記第２線材の直径は、前記第１線材の直径より小さい請求項１から４の何れか１の請求項に記載の回転制限機構。
6. 請求項１から５の何れか１の請求項に記載の回転制限機構を有するモータ。
7. 請求項６に記載のモータを駆動源として備える電動弁。

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