JP4855861B2 - 電動式コントロールバルブ - Google Patents

Description

この発明は、電動式コントロールバルブに関し、特に、電動機のロータの回転を制限する回転方向ストッパ機構を組み込まれた電動式コントロールバルブに関するものである。

電動機のロータの回転を送りねじ式に直線運動（軸線方向移動）に変換し、弁体の軸線方向移動によって弁ハウジング内に設けられている弁ポートの開度を増減する電動式コントロールバルブが知られている（例えば、特許文献１、２）。

また、上述のような電動式コントロールバルブにおいて、ロータの弁閉方向の最大回転位置である基点位置を設定する基点設定ストッパのように、ロータの回転を制限する回転方向ストッパ機構として、ロータに設けられた可動側ストッパがロータの回転によって回転しながら軸線方向に移動することにより、弁ハウジング側に設けられた固定側ストッパに当接し、ロータの回転を制限するものがある（例えば、特許文献２、３）。

この回転方向ストッパ機構では、ロータの軸線方向移動によって可動側ストッパが固定側ストッパに当たらない軸線方向位置に逃げるから、ロータの回転が１回転に制限されることがなく、ロータは、例えば、基点位置より弁開方向に多回転できる。これは、所要の全開特性（最大流量）を確保した上で、ロータの単位回転角に対する弁体の軸線方向移動量を小さくできることを意味し、きめ細かい流量制御を可能にする。
特開２００５−２９１２２３号公報 特開２００６−８４０１２号公報 特開２００５−２９９７４１号公報

上述した回転方向ストッパ機構を組み込まれた電動式コントロールバルブでは、ロータの軸線方向移動によって可動側ストッパが固定側ストッパに当たらない軸線方向位置に逃げる必要があるため、ロータは、回転可能であることに加えて弁ハウジングに対して軸線方向に移動可能でなくてはならない。

このため、ロータの軸線方向移動に拘わらず、つまり、弁ハウジングに対して固定されたステータコイルユニットの磁極歯に対して、ロータ外周部の多極着磁部が軸線方向移動により偏倚しても、所要のモータトルクを得るために必要なロータの多極着磁部とステータコイルユニットの磁極歯との有効対向長（軸線方向長さ）を確保するために、ロータの軸線方向移動量に応じて、ロータの多極着磁部あるいはステータコイルユニットの磁極歯の軸線方向長さを大きくする必要が生じる。

このことは、電動式コントロールバルブの電動モータ部分の大型化、消費電力の増加を招来し、電動式コントロールバルブの小型化、省電力化を阻害する。

この発明が解決しようとする課題は、ロータの軸線方向移動を規制とする回転方向ストッパ機構を組み込まれた電動式コントロールバルブにおいて、回転方向ストッパ機構からの離脱に必要なロータの軸線方向移動量を最小限に止め、電動モータ部分の大型化、消費電力の増加を最小限に止めることである。

この発明による電動式コントロールバルブは、弁ハウジングと、前記弁ハウジングに固定された雌ねじ部材と、前記雌ねじ部材とねじ係合する雄ねじ部材と、前記雄ねじ部材と一体的に設けられ、軸線方向移動によって前記弁ハウジング内に設けられた弁ポートの開度を増減する弁体と、前記弁ハウジングに対して固定されたキャン形状のロータケースと、前記ロータケース内に回転可能に且つ軸線方向に移動可能に配置された電動機のロータと、前記ロータケースの外周に装着された前記電動機のステータコイルユニットと有し、前記ロータの回転によって前記雄ねじ部材が回転駆動されることにより前記弁体が軸線方向に移動し、前記ロータに設けられた可動側ストッパが前記ロータの回転によって回転しながら軸線方向に移動することにより、前記弁ハウジング側に設けられた固定側ストッパに当接し、前記ロータの回転を制限する回転方向ストッパ機構が組み込まれており、前記ロータと前記雄ねじ部材とは、前記ロータの前記軸線方向における一端側において、前記ロータの回転により該ロータと前記雄ねじ部材とが軸線方向に相対変位するトルク伝達関係で接続され、前記ロータの前記軸線方向における他端側には、回転に伴い前記軸線方向に移動する前記ロータの、前記可動側ストッパが前記固定側ストッパより離れる方向への軸線方向移動を制限する軸線方向ストッパ機構が組み込まれている。

この発明による電動式コントロールバルブは、好ましくは、前記可動側ストッパが前記固定側ストッパより離間するのに必要な前記ロータの軸線方向移動を許し、それ以上の前記ロータの軸線方向移動を制限するものである。

この発明による電動式コントロールバルブは、更に、前記ロータケースより回転可能に支持されて前記ロータの前記他端側を軸線方向に移動可能に支持するロータ受け部材を有し、前記ロータ受け部材には前記ロータの前記他端側の端面と対向して前記軸線方向ストッパ機構をなすストッパ端面が形成されている。

この発明による電動式コントロールバルブによれば、可動側ストッパが固定側ストッパより離間する分だけロータが軸線方向移動したのち、軸線方向ストッパ機構によって、可動側ストッパが固定側ストッパより離れる方向のロータの回転における当該ロータの軸線方向移動が制限され、それ以上の同方向のロータ回転においては、ロータに対して雄ねじ部材が相対的に軸線方向に変位する。

これにより、ロータの軸線方向移動を最小限に止め、電動モータ部分の大型化、消費電力の増加を最小限に止めることができる。

この発明による電動式コントロールバルブの一つの実施形態を、図１、図２を参照して説明する。

図１に示されているように、この実施形態の電動式コントロールバルブは、プレス成形品による金属製のカップ状の弁ハウジング１１を有する。弁ハウジング１１は、側部に横継手１２、下底部に下継手１３をろう付け等によって固定装着されている。弁ハウジング１１は、後述する雌ねじ部材１８と共働して円筒状空間の弁室１４を画定している。

弁ハウジング１１の下底部には弁ポート１５を形成された弁座部材１６がろう付け等によって固定装着されている。弁ポート１５は、弁室１４の中心位置と同位置にあり、弁室１４と下継手１３とを連通接続している。横継手１２は弁室１４に直接連通している。

弁ハウジング１１の上部にはプレス成形品による金属製の固定金具１７によって雌ねじ部材１８が弁室１４の中心位置に回り止め固定されている。

雌ねじ部材１８には当該雌ねじ部材１８の中心部を軸線方向（図１にて上下方向）に貫通する雌ねじ１９が形成されている。

雌ねじ１９には弁棒状の雄ねじ部材２０の雄ねじ２１がねじ係合している。雄ねじ部材２０の一端（下端）にはニードル弁体２２が一体形成されている。ニードル弁体２２は、弁室１４内にあり、軸線方向移動によって弁ポート１５の開度を増減する。これにより、横継手１２と下継手１３との間を流れる流体の流量制御が行われる。

弁ハウジング１１の上部には、ステッピングモータ３０の金属製のロータケース３１が溶接等によって固定装着されている。ロータケース３１は円筒部３１Ａとドーム部３１Ｂとを有するキャン形状をなしており、ドーム部３１Ｂの中央部にロータ回転受け凹部３１Ｃを形成されている。

ロータケース３１の円筒部３１Ａの内側、つまりロータ室３２にはステッピングモータ３０のロータ３３が回転可能に且つ軸線方向に移動可能に配置されている。ロータ３３は、弁ハウジング１１側に有底状のカップ形状をなし、外周部３３Ａを多極着磁されている。

ロータケース３１の円筒部３１Ａの外側にはステッピングモータ３０のステータコイルユニット３５が固定装着されている。ステータコイルユニット３５は、詳細な図示を省略しているが、コイル、多数の磁極歯等を有する一般的構造のものである。ステータコイルユニット３５のコイルにパルス通電が行われることにより、パルス数に応じた回転角をもってロータ３３が回転する。

ロータ３３の内側には、略Ｈ形（図２参照）のトルク伝達形状部３４が、底面側から所定の軸線方向長さ範囲で形成されている。雄ねじ部材２０の他端（上端）はロータ３３の底部中央に貫通形成された貫通孔３３Ｂを貫通してロータ３３の内側に突出している。雄ねじ部材２０の上端にはトルク伝達形状部３４の補形（図２参照）をなす形状のトルク伝達板２３が固定装着されている。トルク伝達板２３はロータ３３のトルク伝達形状部３４に軸線方向に変位可能に係合している。これにより、ロータ３３と雄ねじ部材２０とは、ロータ３３の一端側（下端側）において、ロータ３３の回転によりロータ３３と雄ねじ部材２０とが軸線方向に相対変位するトルク伝達関係で接続されている。

これにより、ロータ３３の回転は、雄ねじ部材２０に伝達され、雄ねじ部材２０の雄ねじ２１と雌ねじ部材１８の雌ねじ１９とのねじ係合により、雄ねじ部材２０の回転に伴って雄ねじ部材２０と一体のニードル弁体２２が軸線方向に移動する。

ロータケース３１内のドーム部３１Ｂ側にはロータ受け部材３６が設けられている。ロータ受け部材３６はピポット軸部３６Ａをもってドーム部３１Ｂの中央部のロータ回転受け凹部３１Ｃに回転可能に係合し、当該係合によってロータケース３１より回転可能に支持されている。ロータ受け部材３６は、ピポット軸部３６Ａとは反対側に形成された円柱部３６Ｂをもってロータ３３の内筒部３３Ｃに軸線方向に移動可能に嵌合している。これによりロータ受け部材３６はロータ３３の他端側（上端側）を軸線方向に移動可能に支持している。なお、ロータ受け部材３６には、ロータケース３１内とロータ３３内の全体の圧力均一化のための均圧孔３７が形成されている。

トルク伝達板２３とロータ受け部材３６との間には圧縮コイルばね３８が設けられている。圧縮コイルばね３８はトルク伝達板２３とロータ受け部材３６との間に作用してロータ受け部材３６を常にドーム部３１Ｂ側（上側）に付勢している。これにより、ピポット軸部３６Ａとロータ回転受け凹部３１Ｃとの係合が保たれる。

ロータ３３と雌ねじ部材１８との間には圧縮コイルばね３９が設けられている。圧縮コイルばね３９はロータ３３と雌ねじ部材１８との間に作用してロータ３３を常にドーム部３１Ｂ側（上側）に付勢している。

圧縮コイルばね３９のロータ３３側の巻端は、ロータ３３の下底部に形成された凹部３３Ｄに係合して、ロータ３３に設けられた可動側ストッパ片４０をなしている。弁ハウジング１１には固定金具１７によって固定側ストッパ部材４１が固定装着されている。固定側ストッパ部材４１には固定側ストッパ片４２が起立形成されている。

可動側ストッパ片４０は、ロータ３３の弁閉方向の回転によってロータ３３と共に回転しながら軸線方向に移動（降下移動）することにより、固定側ストッパ片４２に当接し、ロータ３３の弁閉方向の回転を制限する。

これら可動側ストッパ片４０及び固定側ストッパ片４２により、回転方向ストッパ機構が構成され、このストッパは、ロータ３３の弁閉方向の最大回転位置である基点位置を設定する基点設定ストッパをなす。

可動側ストッパ片４０は、ロータ３３の弁開方向の１回転以内の回転によってロータ３３と共に回転しながら軸線方向に移動（上昇移動）することにより、固定側ストッパ片４２に当たらない軸線方向位置に逃げるようになっている。これにより、ロータ３３の回転が１回転に制限されることがなく、ロータ３３は、基点位置より弁開方向に多回転できる。

なお、この実施形態では、回転方向ストッパ機構の可動側ストッパ片４０は、圧縮コイルばね３９のロータ３３側の巻端をロータ３３の下底部に形成された凹部３３Ｄに係合させることにより構成されているが、回転方向ストッパ機構の可動側ストッパ要素は、図６、図７に示されているように、ロータ３３の下底部に一体形成された突出片４６によって直接的に構成されてもよい。

ロータ受け部材３６にはフランジ部３６Ｃによってロータ３３の他端側（上端側）の端面４３と対向するストッパ端面４４が形成されている。ロータ３３の端面４３とストッパ端面４４とは、ロータ３３が基点位置（０パルス位置）に位置している図１の状態において、軸線方向間隙４５をおいて対向し、可動側ストッパ片４０が固定側ストッパ片４２より離れる方向のロータ３３の回転（弁開方向の回転）におけるロータ３３の軸線方向移動（上昇移動）を軸線方向間隙４５の軸線方向長さに制限する。これにより、軸線方向ストッパ機構が構成される。

軸線方向ストッパ機構の軸線方向間隙４５の軸線方向長さ（初期値）は、可動側ストッパ片４０が固定側ストッパ片４２より離間するに必要な余裕をもった軸線方向移動量に応じて設定されている。これにより、軸線方向ストッパ機構は、可動側ストッパ片４０が固定側ストッパ片４２より離間するに必要な余裕をもった軸線方向移動のみのロータ３３の軸線方向移動（上昇移動）を許し、それ以上のロータ３３の軸線方向移動（上昇移動）を制限する。

つぎに、図１、図３〜図５を参照してこの実施形態による電動式コントロールバルブの動作について説明する。

図１に示されている基点位置状態（最大弁閉状態＝０パルス位置）では、可動側ストッパ片４０が固定側ストッパ片４２に当接して、ロータ３３のそれ以上の弁閉方向の回転を止められている。この基点位置状態では、ロータ３３の端面４３とロータ受け部材３６のストッパ端面４４とは軸線方向間隙４５の初期値をもって対向している。

基点位置状態よりロータ３３が弁開方向に１回転すると、第１の中間開度位置状態として、図３に示されているように、可動側ストッパ片４０は、ロータ３３と共に回転しながら軸線方向に移動（上昇移動）することにより、固定側ストッパ片４２に当たらない位置に軸線方向に逃げた位置に位置する。

この際のロータ３３の軸線方向移動は、ロータ受け部材３６に対して軸線方向に変位することにより行われ、この軸線方向移動に伴いロータ３３の端面４３とロータ受け部材３６のストッパ端面４４との軸線方向間隙４５の軸線方向長さが小さくなる。

これにより更に、ロータ３３が弁開方向に回転すると、第２の中間開度位置状態として、図４に示されているように、ロータ３３の端面４３がロータ受け部材３６のストッパ端面４４に当接し、ロータ３３のそれ以上の軸線方向移動（上昇移動）が制限される。つまり、ロータ３３は、それ以上の上昇移動ができなくなる。

この状態（ロータ３３の端面４３がロータ受け部材３６のストッパ端面４４に当接する状態）になるまでは、雄ねじ部材２０のトルク伝達板２３とロータ３３のトルク伝達形状部３４との係合部において相対的な軸線方向変位は生じず、ロータ３３より雄ねじ部材２０へトルク伝達が行われ、雄ねじ部材２０の回転によって雄ねじ部材２０、ニードル弁体２２がロータ３３と一体的に軸線方向に移動する。

これにより更に、ロータ３３が弁開方向に回転すると、最大弁開状態として、図５に示されているように、ロータ３３の上昇移動が止められていることにより、雄ねじ部材２０の回転によって、雄ねじ部材２０のトルク伝達板２３とロータ３３のトルク伝達形状部３４との係合部において相対的な軸線方向変位を生じつつ、雄ねじ部材２０、ニードル弁体２２が軸線方向に移動（上昇移動）する。

上述したように、可動側ストッパ片４０が固定側ストッパ片４２より離間するだけロータ３３が軸線方向移動したのち、ロータ３３の端面４３がロータ受け部材３６のストッパ端面４４に当接して可動側ストッパ片４０が固定側ストッパ片４２より離れる弁開方向のロータ３３の回転における当該ロータ３３の軸線方向移動が制限され、それ以上の同方向のロータ回転においては、ロータ３３に対して雄ねじ部材２０の相対的に軸線方向に変位するから、ロータ３３の軸線方向移動が、可動側ストッパ片４０が固定側ストッパ片４２より離間するのに必要な最小限に止められる。

これにより、ロータ３３が最大弁閉位置と最大弁開位置との間の全てで軸線方向に移動する場合に比して、所要のモータトルクを得るために必要なロータ３３の多極着磁部あるいはステータコイルユニット３５の磁極歯の軸線方向長さを短縮でき、ステッピングモータ部分の大型化、消費電力の増加を最小限に止めることができる。

また、ロータ受け部材３６によってロータ３３がロータケース３１より支持されているから、ロータ受け部材３６の円柱部３６Ｂとロータ３３の内筒部３３Ｃの径方向のクリアランスを制御するだけで、ロータケース３１とロータ３３との高度な同心化が図られる。

これにより、ロータケース３１とロータ３３との径方向のクリアランスを小さくでき、これに伴いロータ３３とステータコイルユニット３５のコイル内径との距離を小さくできる。この結果、モータトルクが増加し、ステッピングモータ３０の小型化、消費電力の低減が図られる。

また、ロータ受け部材３６は、ピポット軸部３６Ａをもってロータケース３１の回転受け凹部３１Ｃに回転可能に係合しているから、この部分の摩擦抵抗が少なくてすみ、ステッピングモータ３０の摩擦損失の低減が図られる。このことによっても、ステッピングモータ３０の小型化、消費電力の低減が図られる。

この発明による電動式コントロールバルブの一つの実施形態の基点位置状態（最大弁閉状態）を示す断面図である。 図１の線Ａ−Ａに沿った断面図である。 この発明による電動式コントロールバルブの一つの実施形態の第１の中間開度位置状態を示す断面図である。 この発明による電動式コントロールバルブの一つの実施形態の第２の中間開度位置状態を示す断面図である。 この発明による電動式コントロールバルブの一つの実施形態の最大弁開状態を示す断面図である。 この発明による電動式コントロールバルブの他の実施形態を示す断面図である。 他の実施形態による電動式コントロールバルブの要部の拡大断面図である。

符号の説明

１１ 弁ハウジング
１２ 横継手
１３ 下継手
１４ 弁室
１５ 弁ポート
１６ 弁座部材
１７ 固定金具
１８ 雌ねじ部材
１９ 雌ねじ
２０ 雄ねじ部材
２１ 雄ねじ
２２ ニードル弁体
２３ トルク伝達板
３０ ステッピングモータ
３１ ロータケース
３１Ａ 円筒部
３１Ｂ ドーム部
３１Ｃ 回転受け凹部
３２ ロータ室
３３ ロータ
３３Ａ 外周部
３３Ｂ 貫通孔
３３Ｃ 内筒部
３３Ｄ 凹部
３４ トルク伝達形状部
３５ ステータコイルユニット
３６ ロータ受け部材
３６Ａ ピポット軸部
３６Ｂ 円柱部
３６Ｃ フランジ部
３７ 均圧孔
３８、３９ 圧縮コイルばね
４０ 可動側ストッパ片
４１ 固定側ストッパ部材
４２ 固定側ストッパ片
４３ 端面
４４ ストッパ端面
４５ 軸線方向間隙
４６ 突出片

Claims (3)

1. 弁ハウジングと、前記弁ハウジングに固定された雌ねじ部材と、前記雌ねじ部材とねじ係合する雄ねじ部材と、前記雄ねじ部材と一体的に設けられ、軸線方向移動によって前記弁ハウジング内に設けられた弁ポートの開度を増減する弁体と、前記弁ハウジングに対して固定されたキャン形状のロータケースと、前記ロータケース内に回転可能に且つ軸線方向に移動可能に配置された電動機のロータと、前記ロータケースの外周に装着された前記電動機のステータコイルユニットと有し、
   前記ロータの回転によって前記雄ねじ部材が回転駆動されることにより前記弁体が軸線方向に移動し、
   前記ロータに設けられた可動側ストッパが前記ロータの回転によって回転しながら軸線方向に移動することにより、前記弁ハウジング側に設けられた固定側ストッパに当接し、前記ロータの回転を制限する回転方向ストッパ機構が組み込まれており、
   前記ロータと前記雄ねじ部材とは、前記ロータの前記軸線方向における一端側において、前記ロータの回転により該ロータと前記雄ねじ部材とが軸線方向に相対変位するトルク伝達関係で接続され、
   前記ロータの前記軸線方向における他端側には、回転に伴い前記軸線方向に移動する前記ロータの、前記可動側ストッパが前記固定側ストッパより離れる方向への軸線方向移動を制限する軸線方向ストッパ機構が組み込まれている電動式コントロールバルブ。
2. 前記軸線方向ストッパ機構は、前記可動側ストッパが前記固定側ストッパより離間するのに必要な前記ロータの軸線方向移動を許し、それ以上の前記ロータの軸線方向移動を制限するものである請求項１記載の電動式コントロールバルブ。
3. 前記ロータケースより回転可能に支持されて前記ロータの前記他端側を軸線方向に移動可能に支持するロータ受け部材を有し、前記ロータ受け部材には前記ロータの前記他端側の端面と対向して前記軸線方向ストッパ機構をなすストッパ端面が形成されている請求項１または２記載の電動式コントロールバルブ。

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