JP2615021B2 - ステツピングモータバルブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電動式膨張弁のニードル弁等を作動させるス
テッピングモータにおいて、前記ニードル弁の最終停止
位置を精度良く一定にさせるようにしたステッピングモ
ータバルブに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、ステッピングモータにより膨張弁のニードル弁
を弁座に対して離開し、流体の流量を制御するものとし
て第10図に示すものがある。

以下、このステッピングモータを使用した電動式膨張
弁について説明する。

この電動式膨張弁は、バルブ部Ｖとステッピングモー
タ部Ｍより成る。バルブ部Ｖにおいて、弁本体１の一次
口1aと二次口1b間の隔壁２に弁座2aが設けられ、該弁座
2aに対してニードル弁３が接離するもので、該ニードル
弁３は前記二次口1b側において弁本体１に螺着された雄
螺子管４内において軸方向に摺動自在に支持されてい
る。

弁本体１の上部には雄螺子管４を中心にした状態にお
いて下蓋５が設けられ、該下蓋５上にステッピングモー
タ部Ｍにおける密閉型ケース６が固定される。ケース６
の外周部にはコイル７を内蔵して周方向に等間隔を存し
て多数の歯（又はクローポール）8aを配列したステータ
が着脱自在に設けられる。ケース６内においてロータ９
が上記雄螺子管４により回動自在に支持して設けられ
る。ロータ９は支持筒10の外周部に同じく筒状の永久磁
石11を嵌合してから上縁部10aを該永久磁石11上に拡開
して両者を一体化したものであり、支持筒10の内側下方
に嵌合固定した雌螺子管12を前記雄螺子管４に螺合して
回動、かつ軸方向に移動可能に設けられている。永久磁
石11には周方向においてＮ極とＳ極が交互に着磁されて
いる。

支持筒10内の軸方向の中間部には連結壁10bが形成さ
れ、その孔10cにニードル弁３の小径部3aを挿通した
後、Ｅリング13にて止着している。ニードル弁３の小径
部3aには圧着コイルバネ14がその段部3bと連結壁10bと
の間において捲装されている。

ロータ９の上部において、ケース６に止着した心棒15
に螺旋状案内リング16が捲着され、該螺旋状案内リング
16に対してスライダー17が回動、かつ上下動自在に係合
されており、該スライダー17の外端はロータ９に立設し
た係止杆18に係合している。

上記構成において、ステータ８のコイル７に通電する
とロータ９が回転し、ロータ９の回転に応じてスライダ
ー17が螺旋状案内リング16に沿って上下動し、その上下
端のストッパー16a,16bに衝合した位置でロータ９の回
動並びにニードル弁３の移動は停止する。また、ニード
ル弁３が弁座2aを閉止した際には、コイルバネ14のバネ
力によりニードル弁３が弁座2aが若干圧着させるように
構成されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、前記電動式膨張弁に使用されるステッピン
グモータにおけるロータ９の永久磁石11の磁極を24極と
なし、ステータ８のコイル７を１−２相励磁によって駆
動した場合について動作を説明する。なお、永久磁石11
の磁極を24極としたので、該永久磁石11の極間は15度と
なり、かつステータ８の歯の間は7.5度となるので、１
ステップ毎のロータ９の回転角は3.75度となる。

今、第３図の原理図に示すステッピングモータにおけ
るコイル７に第４図に示す１−２相励磁による電流を流
すと、ロータ９は第６図〜第９図に示す如き回転を行
う。

すなわち、第６図〜第９図は励磁順序に従って動くロ
ータ９の歯の極を表すもので、図中、○印はロータ９の
係止杆18であるストッパ（△印で示す）がステータ８の
励磁によって動く位置を示すもので、○印内およびわき
の数字は第５図に示す原点からのパルス数を示す。ま
た、▼印はステータ８のストッパ、すなわち、固定側の
ストッパ16bを示し、ロータ９のストッパ△はステータ
８のストッパ▼の位置より図において右方向に動けない
ものとする。そして、同図は全てロータ９を上から見て
時計方向に動く状態を示している。

第６図に示すものはロータ９のストッパ△は、永久磁
石11のＳ極中心に設けられている。今、ロータ９のスト
ッパ△に着目すると、該ストッパ△は図に示す○印内の
数字の励磁順序に従って左方から右方に向かって移動す
る。そして、○印の数字が０になった時に、ステータ８
のストッパ▼の所にロータ９のストッパ△が位置する
（図示の状態）。さらに、コイル７への通電が続けられ
ているので、マイナスの数字を付けた数字順の動きをす
る。すなわち、−３まではストッパ▼の位置に停止して
いて、−４で15度反転すると共に、それ以後はストッパ
▼に当たる前の順番通りに動き０に戻る。そして、この
状態は８パルス毎に前記動作を繰り返すものである。

ここで、連続的に駆動していた励磁を止めると、スト
ッパ△の位置は駆動を止めた時の相に応じて０〜−８ま
での数字で示した位置で停止する。そこで、停止する時
の相を、例えばＡ相と決めれば、ストッパ△が停止する
位置は一定となり、第６図に示す位置で必ず停止するこ
ととなる。

次に、第７図に示すロータ９のストッパ△を永久磁石
11のＮ極の中心に設けると、停止させる時の相をＡ相と
決めると、僅かな差でロータ９のストッパ△の止まる位
置は、第７図の破線で示した△の位置と、ステータ８の
ストッパ▼の位置との２位置で停止することとなる。

ここで言う僅かな差とは、ロータ９のストッパと本体
のストッパとのお互の相互関係の差と、印加電流等のト
ルクに影響を及ぼす要素の差である。電流が変ると釣り
合い位置が変る。そこで、ロータ９のストッパ△とステ
ータ８のストッパ▼を、仮にロータ９のトルクに対して
剛性の大きいものを用いても、ロータ９の動きは磁力に
よるバネ系であるので、現実的には電流等の差により、
前記した２つの位置に停止することは避けられないこと
となる。従って、ロータ９のストッパ△を永久磁石のＮ
極中心に設けたのでは、一定した位置で停止させること
はできない。

また、第８図、第９図はロータ９のストッパ△を永久
磁石11のＮ極とＳ極の間に設けた場合を示しているが、
この場合、駆動パルスをＡ相で止めると、ロータ９のス
トッパ△の停止位置は一定となる。しかし、何れの場合
であっても、ロータ９のダンピング特性により、反転時
にオーバシュートして、次のパルスで８パルス以上反対
方向へ移動した時は、この限りではなくなる。

以上の説明より明らかな如く、ステッピングモータに
おいて、回転方向にストッパを設け位置検出を行う場
合、位置出しの原点の精度は、次の３項目となる。

（１） 駆動を停止する時の励磁相を一定にする。

（２） 反転時のダンピング特性を向上させる。

（３） ロータ９の永久磁石11のN,S極と、ステータ８
の磁極歯との相対位置を、駆動を停止した時の励磁相で
ロータ９が反転しない位置とする。

ところで、前記した項目の（１）については、制御回
路のソフトウェアーで解決でき、また、項目（２）につ
いては、摩擦抵抗、慣性負荷の変更、駆動回路によるダ
ンピングおよびダンピング特性を考慮してイニシャライ
ズ時の励磁速度を遅くしたり、あるいはイニシャライズ
時の励磁終了間際のみ速度を落とす等ソフト的に解決す
ることができる。

しかし、項目（３）については、駆動を停止したとき
に互いに異なる極性をもったステータの磁極歯とロータ
の永久磁石の磁極とが対向した位置でロータ９が停止す
ることが必要になる。

よって本発明は、上述した点に鑑み、弁座に対するニ
ードル弁の移動を停止した状態でステッピングモータの
駆動を停止したときに、ステータの磁極歯とロータの永
久磁石の磁極の異極が互いに対向する位置で確実に停止
されるものが簡単な組立作業により得ることができるよ
うにしたステッピングモータバルブを提供することを目
的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明によりなされたステ
ッピングモータバルブは、弁本体の弁座に対して設けら
れたニードル弁をステッピングモータの永久磁石を有す
るロータの動作により軸方向に移動させるとともに、ロ
ータの回転をストッパなどにより機械的に制止させるよ
うにしたステッピングモータバルブにおいて、コイルを
内蔵するステータの磁極歯の一定位置に一致させてステ
ータに設けられたステータ側位置決め部と、前記ロータ
を内蔵するケースの周面の一定位置に設けられ前記ステ
ータ側位置決め部が嵌合固定されるケース側位置決め部
と、前記ケースに設けられたストッパと、前記永久磁石
の予め定めた磁極上に形成された溝等のマークからなる
目印と、該目印に対して所定の関係で取付けられ前記ケ
ースのストッパと衝合してロータの回転を停止させるロ
ータ側ストッパ部材とを有し、前記ケースのストッパ、
前記ステータ側位置決め部、前記ケース側位置決め部及
び前記ストッパ部材が、前記ケースのストッパと前記ス
トッパ部材との衝合により前記ロータの回転が機械的に
制止されたとき、互いに異なる極性をもったステータの
磁極歯とロータの永久磁石の磁極とが対向する所定位置
でロータの回転を停止させるようにそれぞれ設けられて
いることを特徴としている。

〔作用〕

上記構成において、コイルを内蔵するステータにはそ
の磁極歯の一定位置に一致させてステータ側位置決め部
が設けられ、前記ロータを内蔵するケースにはその周面
の一定位置に前記ステータ側位置決め部が嵌合固定され
るケース側位置決め部が設けられているので、ステータ
側位置決め部がケース側位置決め部に嵌合固定されて組
立てられることによって、ステータの磁極歯の一定位置
とケースの周面の一定位置が相互に位置出しされる。

また、永久磁石の予め定めた磁極上に形成された溝等
のマークからなる目印に所定の関係で取付けられたロー
タ側ストッパ部材が、ケースのストッパと衝合してロー
タの回転を停止させる。しかも、ストッパ、ステータ側
位置決め部、前記ケース側位置決め部及びストッパ部材
が、ケースのストッパとロータ側ストッパ部材との衝合
によりロータの回転が機械的に制止されたとき、ステー
タの磁極歯とロータの永久磁石の磁極との互いに異なる
極性をもった磁極が対向する所定位置でロータの回転を
停止させる位置にそれぞれ設けられている。

従って、簡単な組立作業によって、弁座に対するニー
ドル弁の移動を停止した状態でステッピングモータの駆
動を停止したときに、ステータの磁極歯とロータの永久
磁石の磁極の異極が互いに対向する位置で確実に停止さ
れるものが得られる。

〔実施例〕

本発明に係るステッピングモータを利用したバルブは
前記した従来例に対して第１図に示す如き構造となって
いる。

すなわち、従来例の第10図と相違する点は、ケース６
の外周部の所望位置に位置固定用のケース側位置決め部
としての係合凹部6aを形成し、一方、ステータ８の上部
には該係合凹部6aに係入するステータ側位置決め部とし
ての係止部19aを有する弾性杆19が該係止部19aをステー
タ８の磁極歯8a中心線上に一致させて取付けたことであ
る。

また、本発明にあっては、永久磁石11のＮ極にストッ
パ部材である係止杆18を立設するために、第２図
（ａ），（ｂ）に示す如く、円筒状の磁石材料の一個所
に溝等のマーク11aを形成し、このマーク11aがＮ極とな
るように着磁すると共に、その後マーク11aに係止杆18
を立設し、ロータ９を組立て、あるいは円筒状の磁石材
料の一個所に予め係止杆18を立設し、その後ロータ９を
組立てるようにしたことを特徴とするものである。

次に、本発明におけるステッピングモータバルブの組
立方法について説明するに、まず、ロータ９を回転さ
せ、該ロータ９によって上下動するニードル弁３を所望
の位置まで下降させておく。

次いで、スライダー17を回転して、前記ロータ９と同
様に所望の位置まで下降させた後、係止杆18がスライダ
ー17に当接する状態でケース６をロータ９に被せる。そ
して、前記したステータ８と同様に構成した、すなわ
ち、係止部19aを有する治具をケース６に被せる。

この状態において、治具のコイルにパルス信号（ロー
タ９がニードル弁３を全開から全閉状態にするパルス数
よりも多いパルス数）を印加して、ロータ９をニードル
弁３が閉じる方向に回転させる。これにより、ニードル
弁３は弁座2aを閉じると共に、ロータ９は案内リング16
によるバネ分だけ係止杆18がスライダー17を回転させる
ために、ニードル弁３が弁座2aを閉じた後も少し回転す
る。そして、この状態がロータ９の原点となる。

次ぎに、弁を開放する方向の所望周波数のパルス信号
を、前記治具のコイルに印加する。これにより、ロータ
９が前記したとは逆の方向に回転して、ニードル弁３が
弁座2aより離れ弁は少し開放される。この時、弁を介し
て流れる流体の流量が、予め設定した流量となるように
治具を回転する。すなわち、治具内のコイルに電圧を印
加したまま治具を回転すると、ケース６内のロータ９も
治具と一体に回転し弁の開度は変化するので、この調整
を行って前記予め設定した流量とする。

このように、弁の開度が原点の状態から、予め定めら
れた周波数のパルス信号を印加した時の流量が予め定め
られた流量となるように調整したらば、次ぎに、治具を
ケース６から外し、該ケース６の開口部と下蓋５とを溶
接して固定する。これにより、治具と同じように構成さ
れたステータ８の係止部19aをケース６の係合凹部6aに
係合し固定すれば、閉鎖状態にあるバルブ部Ｖとステー
タ８との位置関係が常に一致する。従って、ステータ８
内のコイル７を交換する等のためにバルブ部Ｖとモータ
部Ｍとを分離しても両者の位置関係は常に一致するもの
である。

なお、前記した実施例にあっては、バルブ部Ｖとステ
ータ８との位置決めを、ステータ８の係止部19aをケー
ス６の係合凹部6aとによって行っているものについて説
明したが、この位置決めは、例えばケース６に表示した
マークとステータ８に表示したマークとを合わせること
によって行っても良い。この場合、バルブ部Ｖとモータ
ー部Ｍとの固定は、溶接等種々なる方法によって行えば
良い。また、心棒15の外周にネジを形成し、かつ、ケー
ス６の頂部にネジ孔を形成して、前記心棒15を螺合して
前記した調整を行うようにすることも考えられる。な
お、前記調整後は心棒15をケース６に溶接等により固定
する。

前記したように、本発明にあっては係止杆18が取付け
られるロータ９の永久磁石11における磁極が常に一定の
極（本実施例ではＳ極）となるので、前記問題点で説明
した如くロータ９は常に一定の位置で停止することとな
る。

なお、前記実施例においては、係止杆18を永久磁石11
のＮ極中心上に取付けたものについて説明したが、この
取付位置は、ステータ８のコイル７に対する励磁電流の
状態によって決定されるものであるから、係止杆18の取
付位置は制御回路との関係で決定される。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、弁本体の弁座に
対して設けられたニードル弁をステッピングモータの永
久磁石を有するロータの動作により軸方向に移動させる
とともに、ロータの回転をストッパなどにより機械的に
制止させるようにしたステッピングモータバルブにおい
て、ケースのストッパに対してステータの磁極歯が所定
の関係になるように位置決めされるとともに、ロータの
停止状態で永久磁石の磁極がケースのストッパに対して
所定の位置関係になるように位置決めされ、ロータの回
転をストッパにより機械的に制止させたとき、互いに異
なる極性もったステータの磁極歯とロータの永久磁石の
磁極とが対向する所定位置で停止させることができ、ロ
ータはその停止位置が確実に保持されるようになるの
で、ニードル弁の弁座に対する位置が常に一定となり、
流量の制御を正確かつ確実に行うことのできるステッピ
ングモータバルブが得られる。

しかも、ストッパ、ステータ側位置決め部、前記ケー
ス側位置決め部及びストッパ部材は、ケースのストッパ
とロータ側ストッパ部材との衝合によりロータの回転が
機械的に制止されたとき、互いに異なる極性をもったス
テータの磁極歯とロータの永久磁石の磁極とが対向する
所定位置でロータの回転を停止させるようにそれぞれ設
けられているので、上記ステッピングモータバルブが手
順の簡単な作業によって組み立てられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のステッピングモータバルブを電動式膨
張弁に応用した場合の断面図、第２図（ａ），（ｂ）は
同上のステッピングモータバルブに組み込まれた永久磁
石の平面図と側面図、第３図は永久磁石とコイルとの関
係を示す図、第４図は同上のコイルへの通電順序を示す
線図、第５図はパルス数に対するロータの回転角度を示
す線図、第６図〜第９図はステータとロータとの関係を
ストッパとの関係を考慮して示した展開図、第10図は従
来における電動式膨張弁の断面図である。 １……弁本体、2a……弁座、３……ニードル弁、６……
ケース、6a……係合凹部（ケース側位置決め部、７……
コイル、８……ステータ、8a……歯、９……ロータ、11
……永久磁石、16a,16b……ストッパ、18……係止杆、1
9a……係止部（ステータ側位置決め部）。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弁本体の弁座に対して設けられたニードル
   弁をステッピングモータの永久磁石を有するロータの動
   作により軸方向に移動させるとともに、ロータの回転を
   ストッパなどにより機械的に制止させるようにしたステ
   ッピングモータバルブにおいて、 コイルを内蔵するステータの磁極歯の一定位置に一致さ
   せてステータに設けられたステータ側位置決め部と、 前記ロータを内蔵するケースの周面の一定位置に設けら
   れ前記ステータ側位置決め部が嵌合固定されるケース側
   位置決め部と、 前記ケースに設けられたストッパと、 前記永久磁石の予め定めた磁極上に形成された溝等のマ
   ークからなる目印と、 該目印に対して所定の関係で取付けられ前記ケースのス
   トッパと衝合してロータの回転を停止させるロータ側ス
   トッパ部材とを有し、 前記ケースのストッパ、前記ステータ側位置決め部、前
   記ケース側位置決め部及び前記ストッパ部材が、前記ケ
   ースのストッパと前記ストッパ部材との衝合により前記
   ロータの回転が機械的に制止されたとき、互いに異なる
   極性をもったステータの磁極歯とロータの永久磁石の磁
   極とが対向する所定位置でロータの回転を停止させるよ
   うにそれぞれ設けられている ことを特徴とするステッピングモータバルブ。