JP7175049B2 - 電動弁 - Google Patents

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JP7175049B2 JP2021511279A JP2021511279A JP7175049B2 JP 7175049 B2 JP7175049 B2 JP 7175049B2 JP 2021511279 A JP2021511279 A JP 2021511279A JP 2021511279 A JP2021511279 A JP 2021511279A JP 7175049 B2 JP7175049 B2 JP 7175049B2
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聡 上原
岳史 細谷
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Description

本発明は、電動弁に関する。
従来から、電動で弁の開閉を行ういわゆる電動弁として、ステッピングモータの回転力を減速装置で減速し或いは直接ねじ機構に伝達する動力伝達装置を備えたものが知られている（特許文献１参照）。
このような電動弁のステッピングモータは、ハウジング内に密封された状態で収容され、回路基板などへの水分や異物等の付着を回避している。
特開２０１８－１３５９０８号公報
ここで、特許文献１に示す電動弁では、筒状部材と、これを覆うカバー部材とでハウジング部材が形成されており、更にハウジング部材内の密封性を確保するために、筒状部材とカバー部材との間にパッキンを配置している。このため、組み付け部品点数が増えることによる製造工数の増大に加え、パッキンを配置する周溝や、筒状部材とカバー部材とを相互に固定するスナップフィット構造等を設けたことによるハウジングの大型化を招いているという問題がある。
そこで本発明は、製造工数を抑えつつ、さらに小型化を図れる電動弁を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の電動弁は、
ロータ部材と、前記ロータ部材に対して回転力を付与するステータ部材とを含むモータと、
前記ロータ部材の回転運動を、弁体の軸線方向運動に変換する動力伝達機構と、
前記モータと前記動力伝達機構を収容するハウジングと、
前記ハウジングに連結され、前記弁体が離間または着座する弁座を備えたベース部材と、
を有し、
前記ハウジングは、第１の素材から形成された発熱部と、第２の素材から形成され前記発熱部に接合された受熱部と、を含み、前記第１の素材におけるレーザ光の透過率は、前記第２の素材におけるレーザ光の透過率よりも低く、
前記ハウジングは、筒状部材と、前記筒状部材を遮蔽するカバー部材と、外部と接続可能なコネクタ部とを有し、
前記発熱部は前記筒状部材の一部であり、前記受熱部は前記カバー部材の一部であり、
前記カバー部材は、前記筒状部材の端部内側に嵌合する挿入部を備え、前記挿入部の外周面にリブを形成しており、
前記モータが、前記筒状部材に配置されており、
前記ロータ部材の回転角度を検出する角度センサが、前記カバー部材に配置されている。
本発明によれば、製造工数を抑えつつ、さらに小型化を図れる電動弁を提供することができる。
図１は、第１の実施形態における電動弁の概要を示す概略断面図である。 図２は、カバー部材の下面図である。 図３は、カバー部材の斜視図である。 図４（ａ）は、カバー部材と筒状部材とを示す断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に矢印Ａで示す部位を拡大して示す断面図である。 図５は、第２の実施形態における電動弁の概要を示す概略断面図である。 図６は、ハウジングの製造工程における電動弁の一部を拡大して示す断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態にかかる電動弁について説明する。なお、本明細書では、ロータから弁座に向かう方向を下方とし、その逆方向を上方とする。
（第１の実施形態）
図１を参照して、第１の実施形態における電動弁１について説明する。図１は、第１の実施形態における電動弁１の概略を示す概略断面図である。
電動弁１は、ハウジング４に収容された、ドライバ３０と、回転シャフト５０と、回転シャフト５０に回転力を伝達するステッピングモータ６０と、回転シャフト５０の回転運動を弁体１０の軸線方向運動に変換して伝達する動力伝達機構１２０と、回転シャフト５０に共に回転するよう取り付けられた永久磁石７０と、永久磁石７０の回転角度を検出する角度センサ８０と、下側ベース部材２に収容された弁体１０及び弁座２０を備える。
下側ベース部材２は、第１流路１１２と第２流路１１４とを備える。弁体１０が弁座２０から離間しているとき、換言すれば、弁体１０が上方位置にあるとき、流体が、第１流路１１２を介して弁室１１３内に流入し、第２流路１１４を介して排出される。他方、弁体１０が弁座２０に着座しているとき、換言すれば、弁体１０が下方位置にあるとき、第１流路１１２と第２流路１１４とは互いに非連通状態となる。
ステッピングモータ６０は、コイル６１を含むステータ部材６２と、ロータ部材６４とを備える。コイル６１には、ステッピングモータ６０を駆動する駆動回路を備えた制御基板３から給電部６３を介してパルス信号が入力される。そして、コイル６１にパルス信号が入力されると、ロータ部材６４は、パルス信号のパルス数に対応する回転角度だけ回転する。
（動力伝達機構）
動力伝達機構１２０は、ロータ部材６４と回転シャフト５０との間を動力伝達可能に連結する部材である。動力伝達機構１２０は、複数の歯車を含む。動力伝達機構１２０は、遊星歯車機構を備えていてもよい。
ステータ部材６２は、キャン１００の側壁に固着されている。ロータ部材６４は、キャン１００の側壁の内側に、キャン１００に対して回転自在に配置されている。ロータ部材６４は、磁性材料によって形成され、同軸に軸孔を有する太陽ギヤ体１２１に連結される。
太陽ギヤ体１２１の軸孔には、回転シャフト５０が相対回転自在に配置されている。太陽ギヤ体１２１の外歯は、複数の遊星ギヤ１２２と噛み合う。各遊星ギヤ１２２は、キャリア１２３によって支持されたシャフト１２４に回転自在に支持されている。各遊星ギヤ１２２の外歯は、環状のリングギヤ１２５と噛み合う。
リングギヤ１２５は、キャン１００に対して相対回転不能な部材である。リングギヤ１２５は、円筒状の支持部材１２６を介してホルダ１５０に支持されている。
また、遊星ギヤ１２２は、環状の第２リングギヤ１２７とも噛み合っている。第２リングギヤ１２７が回転シャフト５０に固着される出力ギヤとして機能している。
上述の歯車構成は、いわゆる不思議遊星歯車機構を構成している。不思議遊星歯車機構を用いた減速装置においては、第２リングギヤ１２７の歯数を、リングギヤ１２５の歯数とわずかに異なる歯数とすることにより、太陽ギヤ体１２１の回転数を大きな減速比で減速して、第２リングギヤ１２７に伝達することができる。
なお、動力伝達機構１２０として不思議遊星歯車機構を用いたが、ロータ部材６４と回転シャフト５０との間の動力伝達機構として、任意の動力伝達機構を採用することが可能である。動力伝達機構１２０として、不思議遊星歯車機構以外の遊星歯車機構が採用されてもよい。
回転シャフト５０の下端には連結部材５２が取り付けられており、連結部材５２と、ドライバ３０の上端とは、回転方向に一体的に回転するが、軸線方向に相対移動可能なように連結されている。
ドライバ３０の外周面には雄ねじ３１が設けられている。雄ねじ３１は、ドライバを案内する案内部材４０に設けられた雌ねじ４１に螺合している。このため、回転シャフト５０およびドライバ３０が軸線回りに回転すると、ドライバ３０は、案内部材４０によって案内されつつ上下動する。これに対して、回転シャフト５０は、太陽ギヤ体１２１あるいは案内部材４０によって回転自在に支持され、軸線方向には移動不能である。
ドライバ３０を案内する案内部材４０は、ホルダ１５０によって支持されている。
ドライバ３０の下端部は、弁体１０の上端部に対し、ボール１６０を介して回転可能に接続されている。ドライバ３０が軸線回りに回転しながら上方又は下方に移動すると、弁体１０は、軸線回りに回転することなく上方又は下方に移動する。
弁体１０は、下側ベース部材２の開口２ａに取り付けられたばね受け部材１７２と、弁体１０との間に配置されたばね部材１７０によって、上方に付勢されている。
ドライバ３０が下方に移動すると、ばね部材１７０の付勢力に抗して弁体１０が下方に押圧されて変位する。一方、ドライバ３０が上方に移動すると、コイルばね１７０の付勢力によって弁体１０が上方に押圧されて変位する。
キャン１００の内部に、仕切り部材１３０が配置されている。そして、仕切り部材１３０によって形成されたキャン１００の上部空間に、永久磁石７０が配置されている。永久磁石７０は、仕切り部材１３０を貫通した回転シャフト５０の上端近傍に連結されている。
以上の構成により、ステッピングモータ６０からの動力を用いて、弁体１０を駆動させることが可能である。弁体１０の軸線Ｌに沿う方向の移動量は、回転シャフト５０および永久磁石７０の回転量に比例する。このため、永久磁石７０の軸線回りの回転角度を、制御基板３の下面に取り付けられた角度センサ８０によって測定することにより、弁体１０の軸線Ｌに沿う方向の位置を正確に求めることが可能である。
回転シャフト５０および永久磁石７０は、角度センサ８０に対して上下動しないため、角度センサ８０を用いて、永久磁石７０の回転角度を正確に算出することが可能である。
中空円筒状のホルダ１５０の下部は、下側ベース部材２の開口２ａ内に配置されている。ホルダ１５０と下側ベース部材２との間には、パッキン１５２が配置されている。
さらにホルダ１５０は、ハウジング４の内壁部に接するように配置されている。そして、ホルダ１５０とハウジング４の内壁部との間には、パッキン１５４が配置されている。
このためホルダ１５０は、ステータ部材６２等が配置される空間内に液体が浸入することを防止するとともに、弁体１０の上端部１２を収容する機能を有する。
（ハウジング）
次に、ハウジング４について説明する。ハウジング４は、カバー部材４ａと、筒状部材４ｂとを有する。ハウジング４の筒状部材４ｂは、下側ベース部材２に一端をねじ止めされてなる、Ｌ字状に折り曲げられた板状のステー５を介して支持されている。
図２はカバー部材４ａの下面図であり、図３はカバー部材４ａの斜視図である。カバー部材４ａは、台形と矩形を接合した形状の平板である蓋部４ｃと、蓋部４ｃに類似した筒断面形状の挿入部４ｄとを連設してなる。蓋部４ｃの厚さは０．５～１．５ｍｍであると、後述するレーザ光が透過しやすいので好ましい。
カバー部材４ａは、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）又はＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）を基材とする樹脂であって、例えばレーザ光の透過率が２０～４０％である第２の素材から形成されると好ましい。なお、カバー部材４ａは、素材のナチュラル色であってもよいが、カーボンブラックなどの顔料を素材に加えることにより黒色とすることが望ましい。
図２，３において、挿入部４ｄの外周には、長手方向に沿った一対の外周面以外の外周面に、外周面の一部が隆起した細長いリブ４ｇが複数個形成されている。
図１において、蓋部４ｃの下面に支持部４ｆが形成され、支持部４ｆにより制御基板３を支持している。制御基板３と給電部６３とは、フレキシブル基板ＦＰ１により接続されている。
筒状部材４ｂは、挿入部４ｄと類似した断面形状の上部筒部４ｈと、上部筒部４ｈから下方に延在する下部筒部４ｉと、上部筒部４ｈの下端から水平方向に延在するコネクタ部４ｊとを有する。コネクタ部４ｊの内部に配置された端子４ｋは、フレキシブル基板ＦＰ２を介して制御基板３に接続されている。コネクタ部４ｊを、相手方のコネクタ（不図示）に接続することで、外部電源より制御基板３に給電が行われ、ステッピングモータ６０を駆動できる。
筒状部材４ｂは、ＰＰＳ又はＰＢＴを基材とする樹脂であって、レーザ光の透過率がカバー部材４ａより低くなっており、例えば透過率が３％以下である第１の素材から形成されると好ましい。
カバー部材４ａを接合したときに、制御基板３の位置決めを精度よく行えるよう、段部や曲面を用いて、筒状部材４ｂの剛性を高めている。
次に、カバー部材４ａと筒状部材４ｂとの接合について説明する。図４は、カバー部材４ａと筒状部材４ｂとの接合工程を説明するための図である。図１に示すように、必要な部品を筒状部材４ｂ内に収容した後、図４に示すように、筒状部材４ｂの上端４ｍの内側に、制御基板３を取り付けたカバー部材４ａの挿入部４ｄを嵌合させ、更に上端４ｍに蓋部４ｃを当接させる。
かかる状態で、ガラス平板ＧＳを蓋部４ｃの上面に載置して、筒状部材４ｂの上端４ｍに向かって押圧する。蓋部４ｃと上端４ｍとの間に全周にわたって隙間が生じないように押圧するには、蓋部４ｃの上面を平面とし、且つ平板を用いて蓋部４ｃを押圧することが望ましい。一方、レーザ光ＬＢを効率よく透過するには、ガラスを用いることが望ましい。そこで双方の要求を満たすべく、ガラス平板ＧＳを、蓋部４ｃを押圧する治具として用いている。
その後、図４（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢを上方から出射して、ガラス平板ＧＳ及び蓋部４ｃを透過させ、上端４ｍの表面に照射する。ここで受熱部である蓋部４ｃは、レーザ光ＬＢをほぼ透過する第２の素材から形成されている。
これに対し、発熱部である上端４ｍは、レーザ光ＬＢを吸収する第１の素材から形成されているので照射された部位が発熱し、素材のガラス転移点を超えて溶融する。又、受熱部である蓋部４ｃは、上端４ｍのレーザ光を照射された部位の発熱により加熱されて溶融する。その後、レーザ光ＬＢの照射を停止すれば、２つの溶融した素材が冷却固化し、上端４ｍと蓋部４ｃとの溶着が実現する。レーザ光ＬＢの照射は、筒状部材４ｂの上端４ｍに沿って全周に沿って行われ、複数回周回を繰り返しても良い。
この時、図４（ｂ）に示すように、蓋部４ｃの外周面が、上端４ｍの外周面から、レーザ光ＬＢの照射方向に交差する方向に沿って外側に距離Δではみ出しているため、たとえ発熱部の溶融によりバリなどが生じ外側へと成長しても、このバリにレーザ光ＬＢが干渉することが抑制される。これにより、バリの焦げ付きや外面への付着等による外観品位の低下を抑制できる。
また、カバー部材４ａの挿入部４ｄにはリブ４ｇが形成されているので、筒状部材４ｂの内側に挿入部４ｄを嵌合させたとき、挿入部４ｄに加えリブ４ｇが筒状部材４ｂの内壁に当接して位置決め機能を発揮するとともに、筒状部材４ｂに対するカバー部材４ａのガタつきを抑制できる。これにより、カバー部材４ａ側に取り付けられた角度センサ８０と、筒状部材４ｂ側に配置された永久磁石７０との位置決めを精度よく行うことができる。
また、リブ４ｇと筒状部材４ｂの内壁との当接により、筒状部材４ｂに対するカバー部材４ａのガタつきが抑制されるから、蓋部４ｃの外周面が上端４ｍの外周面から外側に距離Δではみ出していることと相まって、バリの影響を更に抑制できる。
なお、カバー部材４ａと筒状部材４ｂとの溶着には、超音波溶着技術を用いることも一案であるが、超音波の付与に起因した振動により制御基板３等のダメージが生じる虞れがある。これに対し本実施形態によれば、レーザ光ＬＢを用いて溶着を行うため、振動の影響はない。また、径を絞ったレーザ光ＬＢを照射することで、照射面積を小さく抑えることができるため、発熱部の発熱の影響が制御基板３などに及ぶことなども回避できる。
特に、径を絞ったレーザ光ＬＢを照射することで、上端４ｍの肉厚が薄い場合でも、確実に接合を行えるため、それにより小型の筒状部材であっても、また別部品であるパッキンなどを用いずとも高い密封性が得られる。
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態にかかる電動弁１Ａについて説明する。本実施形態は、上述の実施形態に対し、ハウジングの形状が異なり、また角度センサを有していない。第１の素材と第２の素材は、上述した実施形態と同様のものを用いることができる。上述した実施の形態と同様の構成については、同じ符号を付して重複説明を省略する。
図５は、第２の実施形態にかかる電動弁１Ａの概略を示す概略断面図である。ハウジング４Ａは、電動弁１Ａの駆動系を収容するハウジング本体４Ａａと、制御基板３を保持する基板保持部４Ａｂと、を有する。
中空円筒状のハウジング本体４Ａａは、外周の一部が突出して環状に突出して環状部４Ａｃを備える。環状部４Ａｃを貫いて、給電部６３が外方に突出している。
筐体状の基板保持部４Ａｂは、有底の筒状部材４Ａｄと、筒状部材４Ａｄの端部を遮蔽するカバー部材４Ａｅと、筒状部材４Ａｄに接合されたコネクタ部４Ａｆと、を有している。
筒状部材４Ａｄの底壁に、環状部４Ａｃと嵌合する円形凹部４Ａｇが形成されている。また円形凹部４Ａｇと筒状部材４Ａｄの内部とを、連通孔４Ａｈにより連通している。
カバー部材４Ａｅは、平板である蓋部４Ａｉと、筒状の挿入部４Ａｊとを連設してなる。
コネクタ部４Ａｆの内部に配置された端子４Ａｋは、その内方端が、筒状部材４Ａｄ内に配置された制御基板３に接続されている。制御基板３は、ハウジング本体４Ａａの内部より環状部４Ａｃを貫き且つ連通孔４Ａｈを介して筒状部材４Ａｄ内へと延在する給電部６３により支持され、また電気的に接合している。
次に、ハウジング４Ａの製造工程について説明する。図６は、ハウジング４Ａの製造工程を説明するための図である。
ここで、基板保持部４Ａｂの筒状部材４Ａｄは、光の透過率が低い第１の素材Ｍ１と、光の透過率が高い第２の素材Ｍ２とから形成されている。具体的には図６において、筒状部材４Ａｄの円形凹部４Ａｇの周囲（白抜き断面で示す）が、第２の素材Ｍ２から形成され、それ以外の筒状部材４Ａｄの部位（点描断面で示す）が、第１の素材Ｍ１から形成されている。
このような筒状部材４Ａｄは、第１の素材Ｍ１と第２の素材Ｍ２がそれぞれ樹脂の場合、素材を同時に射出して成形する２色成形、或いは一方の素材を他方の素材にインサートして成形するインサート成形などにより成形できる。
第１の素材Ｍ１と第２の素材Ｍ２との接合部は、三角形状又は凸形状などとすることによって、樹脂素材の密着性を高めることができる。また、インサート成形を行う場合、先に成形する樹脂素材の体積に対し、後から成形する樹脂素材の体積を小さくすることが、素材温度を維持できるので、より密着度を向上できる。
一方、ハウジング本体４Ａａ（少なくとも環状部４Ａｃ）は第１の素材Ｍ１から形成され、カバー部材４Ａｅは第２の素材Ｍ２から形成されている。
ハウジング４Ａの製造工程時には、図６（ａ）に示すように、カバー部材４Ａｅと、制御基板３とを取り外した筒状部材４Ａｄの円形凹部４Ａｇを、ハウジング本体４Ａａの環状部４Ａｃに嵌合させる。
かかる状態を維持しつつ、筒状部材４Ａｄ側からレーザ光ＬＢを出射し、第２の素材Ｍ２を透過させて、環状部４Ａｃに照射する。これにより、環状部４Ａｃを筒状部材４Ａｄに溶着させることができる。
環状部４Ａｃの全周の溶着が完了した後、図６（ｂ）に示すように、制御基板３を、給電部６３と端子４Ａｋにはんだ付けなどで接続し、筒状部材４Ａｄ内で保持する。更に、カバー部材４Ａｅで筒状部材４Ａｄの端部を覆った後、レーザ光ＬＢを出射してカバー部材４Ａｅの蓋部４Ａｉを透過させ、筒状部材４Ａｄの端部に照射する。カバー部材４Ａｅの全周にわたってレーザ光ＬＢを照射することにより、蓋部４Ａｉに筒状部材４Ａｄを溶着させることができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
１、１Ａ ：電動弁
２ ：下側ベース部材
３ ：制御基板
４、４Ａ ：ハウジング
１０ ：弁体
２０ ：弁座
３０ ：ドライバ
３１ ：雄ねじ
４０ ：案内部材
４１ ：雌ねじ
５０ ：回転シャフト
５２ ：連結部材
６０ ：ステッピングモータ
６２ ：ステータ部材
６４ ：ロータ部材
７０ ：永久磁石
８０ ：角度センサ
１００ ：キャン
１１２ ：第１流路
１１３ ：弁室
１１４ ：第２流路
１２０ ：動力伝達機構
１２１ ：太陽ギヤ体
１２２ ：遊星ギヤ
１２３ ：キャリア
１２４ ：シャフト
１２５ ：リングギヤ
１２６ ：支持部材
１２７ ：第２リングギヤ
１２９ ：出力ギヤ
１３０ ：仕切り部材
１５０ ：ホルダ
１５２ ：パッキン
１５４ ：パッキン
１６０ ：ボール
１７０ ：ばね部材
１７２ ：ばね受け部材

Claims (6)

  1. ロータ部材と、前記ロータ部材に対して回転力を付与するステータ部材とを含むモータと、
    前記ロータ部材の回転運動を、弁体の軸線方向運動に変換する動力伝達機構と、
    前記モータと前記動力伝達機構を収容するハウジングと、
    前記ハウジングに連結され、前記弁体が離間または着座する弁座を備えたベース部材と、
    を有し、
    前記ハウジングは、第１の素材から形成された発熱部と、第２の素材から形成され前記発熱部に接合された受熱部と、を含み、前記第１の素材におけるレーザ光の透過率は、前記第２の素材におけるレーザ光の透過率よりも低く、
    前記ハウジングは、筒状部材と、前記筒状部材を遮蔽するカバー部材と、外部と接続可能なコネクタ部とを有し、
    前記発熱部は前記筒状部材の一部であり、前記受熱部は前記カバー部材の一部であり、
    前記カバー部材は、前記筒状部材の端部内側に嵌合する挿入部を備え、前記挿入部の外周面にリブを形成しており、
    前記モータが、前記筒状部材に配置されており、
    前記ロータ部材の回転角度を検出する角度センサが、前記カバー部材に配置されている、
    ことを特徴とする電動弁。
  2. 前記発熱部は、前記受熱部を透過したレーザ光を前記発熱部に照射することにより、前記受熱部に溶着されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
  3. 前記カバー部材は、前記モータを駆動する駆動回路を備えた基板を保持し、前記筒状部材に、前記コネクタ部が設けられている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
  4. 前記カバー部材は、前記筒状部材の端部を覆う蓋部を備え、前記発熱部が前記筒状部材の端部であり、前記受熱部が前記蓋部である
    ことを特徴とする請求項３に記載の電動弁。
  5. 前記蓋部は、レーザ光の照射方向に対して交差する方向に沿って前記筒状部材の端部より外側にはみ出している、
    ことを特徴とする請求項４に記載の電動弁。
  6. 前記蓋部の、前記筒状部材の端部と反対側の面は平面である、
    ことを特徴とする請求項４又は５に記載の電動弁。
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