WO2023203905A1

WO2023203905A1 - 電動弁の制御装置、電動弁及びそれを用いた電動弁ユニット

Info

Publication number: WO2023203905A1
Application number: PCT/JP2023/008697
Authority: WO
Inventors: 勇介石塚; 文太成川
Original assignee: 株式会社不二工機
Priority date: 2022-04-19
Filing date: 2023-03-08
Publication date: 2023-10-26
Also published as: JP7438593B1; JP2024040262A; JPWO2023203905A1; EP4339493A1

Abstract

ヒステリシス量に応じてステッピングモータの制御を変更することにより、適切な流量制御を行える電動弁の制御装置、電動弁及びそれを用いた電動弁ユニットを提供する。　弁座に対して接近する方向または離間する方向に移動可能な弁体と、駆動パルスを入力することにより動作するステッピングモータと、前記ステッピングモータから出力された駆動力によって前記弁体を駆動する駆動機構と、ヒステリシス量を記憶する不揮発性の記憶部と、外部から入力された動作指示情報に応じて前記ステッピングモータを駆動する制御部と、を備える。前記制御部は、外部から入力された動作指示情報に基づき、前記弁体を直前の移動方向とは異なる方向に移動させるときは、前記記憶部に記憶された前記ヒステリシス量に対応したパルス数を、前記弁体の目標移動量に対応した目標パルス数に加算した実効パルス数の駆動パルスを、前記ステッピングモータに入力する。

Description

電動弁の制御装置、電動弁及びそれを用いた電動弁ユニット

　本発明は、電動弁の制御装置、電動弁及びそれを用いた電動弁ユニットに関する。

　従来、空調機や冷蔵・冷凍ショーケース等に使用される冷凍サイクルシステムにおいては、冷房能力を安定させ、過熱度を一定にして効率良く運転するなどの目的から、ステッピングモータにより弁体を動作させる電動弁を用いて循環冷媒の流量調整を行っている。

　このような電動弁の制御にあたっては、通常、電源を投入したときなどにイニシャライズ処理（原点位置出し、基点位置出し、又は初期化などともいう）を実行し、弁体の位置出しを行ってから開度の制御を開始するようにしている（例えば、特許文献１参照）。ここで、イニシャライズ処理とは、全開位置から全閉位置又は全閉位置から全開位置に至るまでの全ストロークを超えるパルス数だけ、詳しくは、例えばステッピングモータのロータが確実にストッパと呼ばれる回り止めに衝突して回転を停止するパルス数だけ、ステッピングモータを閉弁方向又は開弁方向に十分に回転させる処理であり、これにより電動弁の０パルス又は最大パルスの初期位置を確定することができる。

特許第４０３２９９３号公報

　ところで、一般的な電動弁は、ステッピングモータのロータの回転移動を軸線方向移動に変換して、弁体を軸線方向に駆動する。また、ロータの回転移動をギヤを用いて減速したのち、軸線方向移動に変換して弁体を駆動する電動弁もある。このような電動弁においては、開弁から閉弁に、又は閉弁から開弁に回転方向が逆転する場合に、動力伝達経路に存在するバックラッシに起因するヒステリシスにより、弁体を目標位置に精度良く到達させることができないという問題がある。弁体を目標位置に対して精度良く到達させるためには、ヒステリシス量を求めて駆動パルス数の補正を行う必要があるが、ヒステリシス量を高い精度で取得することが困難という実情がある。

　本発明は、ヒステリシス量に応じてステッピングモータの制御を変更することにより、適切な流量制御を行える電動弁の制御装置、電動弁及びそれを用いた電動弁ユニットを提供すること目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明による電動弁の制御装置は、
　弁座に対して接近する方向または離間する方向に移動可能な弁体と、駆動パルスを入力することにより動作するステッピングモータと、前記ステッピングモータから出力された駆動力によって前記弁体を駆動する駆動機構と、不揮発性の記憶部と、外部から入力された動作指示情報に応じて前記ステッピングモータを駆動する制御部と、を備えた電動弁の制御装置であって、
　前記記憶部はヒステリシス量を記憶し、
　前記制御部は、外部から入力された動作指示情報に基づき、前記弁体を直前の移動方向とは異なる方向に移動させるときは、前記記憶部に記憶された前記ヒステリシス量に対応したパルス数を、前記弁体の目標移動量に対応した目標パルス数に加算した実効パルス数の駆動パルスを、前記ステッピングモータに入力する、ことを特徴とする。

　本発明による電動弁は、
　弁座に対して接近する方向または離間する方向に移動可能な弁体と、駆動パルスを入力することにより動作するステッピングモータと、前記ステッピングモータから出力された駆動力によって前記弁体を駆動する駆動機構と、不揮発性の記憶部と、外部から入力された動作指示情報に応じて前記ステッピングモータを駆動する制御部と、を備え、
　前記記憶部はヒステリシス量を記憶し、
　前記制御部は、外部から入力された動作指示情報に基づき、前記弁体を直前の移動方向とは異なる方向に移動させるときは、前記記憶部に記憶された前記ヒステリシス量に対応するパルス数を、前記弁体の目標移動量に対応した目標パルス数に加算した実効パルス数の駆動パルスを、前記ステッピングモータに入力する、ことを特徴とする。
　上記した本発明による電動弁は、いわゆるプロダクト・バイ・プロセス形式により、物の発明が特定されているという見方もできる。ここで、ヒステリシス量を記憶した電動弁を、製品から判別することが困難な場合がある。したがって、物をその構造又は特性により直接特定することが不可能であるか、又はおよそ実際的でないという事情（「不可能・非実際的事情」）が存在するものである。

　本発明によれば、ヒステリシス量に応じてステッピングモータの制御を変更することにより、適切な流量制御を行える電動弁の制御装置、電動弁及びそれを用いた電動弁ユニットを提供することができる。

図１は、本実施の形態にかかる電動弁の閉弁状態を示す縦断面図に、制御装置及び検査装置の概略構成を加えた図である。図２は、電動弁の減速部を平面視した図である。図３は、電動弁のヒステリシス量を測定するフローを示すフローチャートである。図４は、電動弁のステッピングモータに入力される駆動パルスと流量との関係を示すヒステリシス線図である。図５は、電動弁のステッピングモータに入力される駆動パルスと流量との関係を示すヒステリシス線図である。図６は、電動弁のステッピングモータに入力される駆動パルスと流量との関係を示すヒステリシス線図である。図７は、駆動パルスの積算値とヒステリシス量とを対応付けて示すグラフである。図８は、本実施形態の変形例にかかるヒステリシス線図である。図９は、本実施形態の変形例にかかるヒステリシス線図である。

　以下、図面を参照して、本発明にかかる実施形態の電動弁１、制御装置１００及び検査装置２００について説明する。本実施形態の電動弁１は、冷凍サイクル装置の循環路内に設置され、該循環路内を流れる冷媒の流量を制御する。電動弁１と制御装置１００とにより電動弁ユニットを構成し、制御装置１００と検査装置２００とにより電動弁１の測定装置を構成する。

（電動弁）
　図１は、本実施の形態にかかる電動弁１の閉弁状態を示す縦断面図に、制御装置１００及び検査装置２００の概略構成を加えた図である。図２は、電動弁１の減速部２０を平面視した図である。電動弁１と制御装置１００とは固有の組み合わせにて、冷凍サイクル装置に組み込まれる。図１を参照して、電動弁１について説明する。

（電動弁の構成）
　電動弁１は、駆動部１０と、減速部２０と、弁機構部３０とを有する。弁機構部３０の軸線をＬとする。また、モータ側を上方とし、弁体側を下方として説明する。

　まず、駆動部１０について説明する。図において、駆動部１０は、駆動部ケース１１と、駆動部ケース１１の内側に取り付けられたステータ１２と、ステータ１２の径方向内側に配置されたロータ１３と、ロータ１３に固定された駆動軸１４とを有する。ステータ１２とロータ１３とで、ステッピングモータを構成する。なお、ステッピングモータとは、駆動パルスを入力されることにより、入力された駆動パルスに応じて精密な回転角度分、ロータを回転させるものをいう。

　駆動部ケース１１は有頂円筒状に形成され、その頂部中央下面に軸受１５を固定保持している。軸受１５は、駆動軸１４を回転可能に保持する。ステータ１２及びロータ１３の下方において、駆動部ケース１１の内周に嵌合するように、有頂円筒状の支持筒１６が配設されている。支持筒１６の下端が、駆動部ケース１１をふさぐ環状部材１７の上面に当接しており、駆動部ケース１１の下端と環状部材１７の外周とは、カシメにより固定されている。

　支持筒１６は、頂部中央下面に形成された中空円筒部１６ａと、貫通孔（不図示）とを有する。駆動軸１４の下端は、支持筒１６の貫通孔を貫通すると共に、貫通孔により回転可能に支持されている。

　次に、減速部２０について説明する。
　減速部２０は、支持筒１６の頂部下面と環状部材１７の上面に両端をそれぞれ保持された第１軸２１及び第２軸２２と、支持筒１６の貫通孔を貫通した駆動軸１４の下端に固定された駆動ギヤ２３と、第１軸２１に対して回転可能に保持された第１伝達ギヤ２４と、第２軸２２に対して回転可能に保持された第２伝達ギヤ２５と、最終ギヤ２６と、雄ねじ軸２７と、雌ねじ筒２８とを有する。雄ねじ軸２７は、最終ギヤ２６に圧入固定され一体とされている。

　第１軸２１及び第２軸２２は、駆動軸１４と平行に配設されている。第１伝達ギヤ２４は、駆動ギヤ２３に噛合する第１入力ギヤ部２４ａと、第１出力ギヤ部２４ｂとを同軸に連結してなる。第２伝達ギヤ２５は、第１出力ギヤ部２４ｂに噛合する第２入力ギヤ部２５ａと、最終ギヤ２６に噛合する第２出力ギヤ部２５ｂとを同軸に連結してなる。なお、各軸を金属製、各ギヤを樹脂製とすることができる。駆動ギヤ２３、第１伝達ギヤ２４、第２伝達ギヤ２５，最終ギヤ２６によりギヤ列を構成する。なお、減速部２０は、駆動軸１４（または入力軸）に入力された駆動力を減速して最終ギヤ２６（または雄ねじ軸２７、もしくは出力軸）に出力する構成であればよく上記構成に限定されない。例えば、遊星ギヤを有する減速装置を用いてもよい。

　図２を参照して、最終ギヤ２６は、その下面に雄ねじ軸２７を取り巻くように、円弧溝２６ａを備えている。円弧溝２６ａの周方向の一端を端部２６ｂとし、その他端を端部２６ｃとする。端部２６ｂから端部２６ｃまでの角度は、所与の値となっている。

　図１，２において、環状部材１７の上面に穴１７ａが形成され、ピン２９の下端が穴１７ａに嵌合固定されている。また、ピン２９の上端が、円弧溝２６ａ内に位置するように配設されている。

　雄ねじ軸２７は、その上端を支持筒１６の中空円筒部１６ａの内周に嵌合させ、中空円筒部１６ａ内で相対回転及び軸線方向に変位可能に配設されている。また、雄ねじ軸２７の中間位置において最終ギヤ２６が嵌合固定されており、その下端側の外周には雄ねじ２７ａが形成されている。

　中空円筒状である雌ねじ筒２８は、縮径した上端側において環状部材１７の内周に嵌合して固定されており、軸線Ｌに沿って貫通する貫通孔２８ａを備える。貫通孔２８ａの下端側には、雄ねじ２７ａに螺合する雌ねじ２８ｂが形成されている。雌ねじ筒２８は環状部材１７に固定されているため、雄ねじ軸２７が回転すると、雄ねじ２７ａが雌ねじ２８ｂに対して螺動し、これにより雌ねじ筒２８から軸線方向力が付与される。このため、雄ねじ軸２７は、自身の回転角度に応じた量だけ軸線方向に変位することとなる。雄ねじ軸２７と雌ねじ筒２８とで、変換機構を構成する。ギヤ列と変換機構で、駆動機構を構成する。

　雌ねじ筒２８は、その下端に拡径した薄肉円筒部２８ｃを備える。また、雌ねじ筒２８の外周に、円筒状の連結部材３４が配設されている。連結部材３４は、雌ねじ筒２８の外周に嵌合する縮径した上端部３４ａと、下端内周の内ねじ部３４ｂとを備える。

　次に、弁機構部３０について説明する。
　弁機構部３０は、弁本体３１と、弁軸３２と、弁体３３と、を有する。

　金属製の弁本体３１は、比較的肉厚の中空円筒状であり、上端外周に縮径部３１ａを備え、縮径部３１ａの下方外周に、外ねじ部３１ｂを備える。縮径部３１ａの外周に薄肉円筒部２８ｃが嵌合する。雌ねじ筒２８の外周に嵌合させた連結部材３４の内ねじ部３４ｂを、外ねじ部３１ｂに螺合させ、連結部材３４をねじ込むことで、その縮径した上端部３４ａの下面が薄肉円筒部２８ｃの上端段部に当接係合する。これにより弁本体３１に対して雌ねじ筒２８を連結固定することができる。

　薄肉円筒部２８ｃの内周における雌ねじ筒２８の下面と、弁本体３１の上端との間にはスペーサ３５が配置され、連結固定時の弁本体３１と雌ねじ筒２８との間隔を調整できるようになっている。

　弁本体３１の下端近傍外周に形成された開口３１ｃに、軸線Ｌに直交するように第１流路を構成する第１配管５１が連結されている。第１配管５１の軸線をＯとする。

　また、弁本体３１の下端において軸線Ｌと同軸に形成された開口が、オリフィス３１ｄを構成する。また、オリフィス３１ｄの上端が、弁座３１ｅを構成する。オリフィス３１ｄに連通するようにして、第２配管５２が弁本体３１に連結されている。

　弁本体３１の内側に弁軸３２が配設されている。弁軸３２は、小径部３２ａと、大径部３２ｂと、鍔部３２ｃと、小径凸部３２ｄとを同軸に連設してなる。雄ねじ軸２７の下端に対向する小径部３２ａの上端には、弁軸３２とは別体であるボール保持部３２ｅが取り付けられている。雄ねじ軸２７の下端中央の凹部と、ボール保持部３２ｅの上端中央の凹部との間に、金属製のボール３７が配置される。

　弁本体３１の上端内周に、環状板３６がカシメ固定されている。弁軸３２の小径部３２ａを囲うようにして、金属製のベローズ３８が、環状板３６の下面と、弁軸３２の大径部３２ｂの上端外周とを連結している。このため電動弁１の使用時に、弁本体３１の内部において、ベローズ３８の外側は冷媒と接するが、ベローズ３８の内側は大気に接することとなる。弁本体３１の内部であってベローズ３８の外側が、弁室Ｃを構成する。

　弁軸３２の下方には、有底円筒状の弁体３３が配置されている。弁体３３は、弁本体３１の内周に対して摺動可能な上端側の大円筒部３３ａと、下端側の小円筒部３３ｂと、底部３３ｃとを連設してなる。底部３３ｃの下面側は、軸線Ｌに軸対称であるテーパ面３３ｄが形成されている。大円筒部３３ａの上端は、環状のスライド板４０の外周にカシメ固定されている。スライド板４０は、弁軸３２の大径部３２ｂに、軸線Ｌ方向に沿って摺動可能に嵌合しているが、鍔部３２ｃに当接することで、それ以上弁軸３２の下方に移動することはない。弁軸３２と弁体３３とは、軸線方向に所定距離だけ相対変位可能である。

　弁体３３の小円筒部３３ｂの内周側において、付勢部材であるコイルバネ３９が配設されている。コイルバネ３９の上端は、小径凸部３２ｄの周囲にて弁軸３２の下端に当接し、コイルバネ３９の下端は、弁体３３の底部３３ｃの上面に当接している。このため、コイルバネ３９により、弁体３３は弁軸３２に対して常に下方に付勢されている。

　次に、制御装置１００について説明する。
　制御装置１００は電動弁１に取り付けることにより、電動弁１とともに冷凍サイクルへの使用に適した電動弁ユニットを構成し、例えば、車載エアコン等の電動弁（膨張弁）として使用される。車載エアコンに電動弁ユニットが使用される場合には、電動弁ユニットの制御ユニット１００は車載エアコンを制御する通信ケーブルに接続され、エアコンシステムの制御装置（エアコンＥＣＵ）の指示に従って電動弁１の駆動制御を行う。

　また、後述するように開弁パルスやヒステリシス量を決定する際、制御装置１００は検査装置２００に接続され、電動弁１の測定装置を構成する。電動弁１の完成後に工場から出荷されるときの検査（出荷検査）において、制御装置１００は検査装置２００に接続されて各種測定データを不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ１１１ｅ）に入力する。この場合は、検査装置２００の制御装置（ＥＣＵ）の指示に従って電動弁１の駆動制御を行う。

　制御装置１００には電源が接続されるとともに、工場の検査装置２００や車両などの冷凍サイクルの通信回線が接続されている。電動弁１の測定装置を構成する場合は例えば、制御装置１００は工場内のＬＡＮ等のネットワーク、検査装置との通信ケーブルなど、通信回線に接続される。また、電動弁ユニットを構成する場合は、制御装置１００は車両等のエアコンシステムを制御する通信回線（例えば、ＬＩＮバス（又はＣＡＮバスもしくはＦｌｅｘＲａｙバス）１１４の通信バス）に接続される。制御装置１００は、検査装置２００やエアコンから見てスレーブノードとして動作する。検査装置２００に接続された場合は、制御装置１００は、検査装置２００の一部を構成するＥＣＵ１１６から送信される通信信号を介して、電動弁１のステッピングモータのパルス数やイニシャライズ動作指示の信号等の命令を受信し、電動弁１の開度（弁開度）を制御する。なお、以下の説明で通信バスとしてＬＩＮバスを例にとり説明するが、ＬＩＮ以外の通信バスでもよいことはもちろんである。

　なお、ＥＣＵ１１６と制御装置１００との間の通信方式としては、前記のようなシリアルインターフェイスへの入出力（ＬＩＮ通信、ＣＡＮ通信又はＦｌｅｘＲａｙ通信など：「以下、ＬＩＮ通信等」とする）、デジタル信号によるＩ／Ｏポートへの入出力（ＯＮ－ＯＦＦ信号など）、無線（Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）、ブルートゥース（登録商標）など）などによる入出力などがあり、ＬＩＮ通信等に限定されない。ただし図１では、制御装置１００の制御に用いられる、電源切断信号の受信、スリープモード移行信号の受信、電源切断可能信号の送信、およびスリープモード移行許可信号の送信等は、ＬＩＮ通信で行われる。このように既存の車載ＬＡＮであるＬＩＮ通信等を用いることで、新たな送受信の信号線の取付けが不要となる。

　制御装置１００は、主に電源から制御装置１００の内部の回路で使用する電源＋Ｖｃ（例えば＋５Ｖｄｃ）を発生させるレギュレータ１１１ａと、ＬＩＮバス１１４を通してＥＣＵ１１６から送信されるＬＩＮ通信信号に基づいて、電動弁１のステッピングモータの回転を制御するプログラム等を格納するＲＯＭ、ＲＯＭに格納したプログラムの実行や演算処理を行うＣＰＵ、イニシャライズ動作の状況や通信データ等のプログラムの実行に必要なデータを一時的に記憶するＲＡＭ、周辺回路との入出力を行うＩ／Ｏ回路、割り込み処理等の時間を計測するタイマー、アナログ信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器等を備えた演算部としてのマイコン（制御部）１１１ｂと、ＬＩＮバス１１４に接続され、ＬＩＮバス１１４の電圧レベルを制御装置１００内部の回路電圧レベルに変換し、マイコン１１１ｂとのＬＩＮ通信を可能にする送受信部としてのＬＩＮトランシーバ１１１ｃと、マイコン１１１ｂからの制御信号に基づいて電動弁１のステッピングモータの回転を制御するために駆動パルスを出力するステッピングモータドライバ１１１ｄと、マイコン１１１ｂに接続され、マイコン１１１ｂのＲＡＭデータのうち、電源が切断されても保持する必要があるデータ（例えば、電動弁１の現在の弁開度に関する弁開度情報やその回転方向、後述する異常終了フラグなど）を記憶する記憶部としての不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ（不揮発性の記憶部）１１１ｅとが、不図示の基板上に搭載されて構成される。

　なお、レギュレータ１１１ａ、ＬＩＮトランシーバ１１１ｃ、ステッピングモータドライバ１１１ｄ、ＥＥＰＲＯＭ１１１ｅ、マイコン１１１ｂの２つ以上を一体的に構成したＩＣを用いてもよく、その場合は、さらなる装置の小型化が可能になる。

　制御装置１００の具体的構成は、上記構成に限定されるものではなく、本発明を実施可能であれば、如何なる構成でも良い。

(検査装置）
　検査装置２００は、ＥＣＵ１１６に加え、コンプレッサ２０１と、減圧弁２０２と、圧力センサ２０３と、流量計２０４と、これらを制御するプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）２０５と、を有する。これらは、通信バス（ＣＡＮやＲＳ２３２Ｃ）を介してＥＣＵ１１６に接続されている。なお、検査装置２００は、電動弁１の完成後に工場から出荷される検査工程の検査装置として以下の説明を行うが、電動弁ユニットが搭載された冷凍サイクル装置が流量測定可能な装置があれば冷凍サイクル装置に組付けられた状態で同様の検査工程を行ってもよい。

　コンプレッサ２０１が空気を圧縮し、圧縮された空気は、ＰＬＣ２０５の制御下で動作する減圧弁２０２により一定圧に減圧され、電動弁１の配管５１に供給される。この時、配管５１に供給される空気圧は、圧力センサ２０３により測定され、その測定信号がＰＬＣ２０５に入力されて一定の圧力となっているかチェックされ、一定の圧力でない場合には、一定の圧力となるようにＰＬＣ２０５は減圧弁２０２を制御する。

　一方、流量計２０４は配管５２に接続され、弁座３１ｅと弁体３３との間を通過した空気量を測定し、その測定信号をＥＣＵ１１６を介して制御装置１００に出力する。ここでは、流量測定のために空気を用いたが、冷媒を用いて流量測定を行ってもよい。

　電動弁１の初期位置として例えば０パルスを決める必要がある。制御装置１００を検査装置２００に接続した場合は、電動弁１のステッピングモータを例えば最大パルス数以上閉弁方向に回転させるイニシャライズ動作を実行する命令（イニシャライズ指示信号）を、ＥＣＵ１１６はＬＩＮバス１１４を介してＬＩＮ通信信号で制御装置１００に送信することができる。

　また、ＬＩＮバス１１４を介して制御装置１００から電動弁１の弁開度（つまり、電動弁１のステッピングモータの現在位置（パルス数））やステッピングモータの回転方向が送信されていれば、その弁開度や回転方向はＬＩＮバス１１４を介してＥＣＵ１１６に送信される（知らされる）こともできる。

　ここで、弁開度情報とは、電動弁１の弁開度に関連する情報であり、例えば、電動弁１のステッピングモータの回転位置、パルス数、電動弁１の弁体位置などの情報が含まれる。また、最大パルス数とは、弁体の下限位置（弁体が下方向に移動できる限界位置）から上限位置（弁体が上方向に移動できる限界位置）まで移動する間に電動弁１のステッピングモータに印加されるパルスの数、もしくは弁体の上限位置から下限位置まで移動する間に電動弁１のステッピングモータに印加されるパルスの数であり、例えば、弁体の下限位置は全閉位置、上限位置は全開位置である。弁体の現在位置とは、弁体の下限位置を０パルスとして、全閉位置から全開位置の間で弁体を移動させるために開弁又は閉弁方向に印加（増減）したパルス数である。もちろん、弁体の上限位置を０パルスとして印加したパルス数をカウントしてもよい。

(車載エアコン）
　電動弁ユニットが搭載される冷凍サイクルの例として、出荷検査後の電動弁（電動弁ユニット）が車載エアコンに膨張弁として組付けられた場合について説明する。制御ユニット１００は車載エアコンを制御する制御装置（エアコンＥＣＵ）との間で信号を送受信しながら、エアコンＥＣＵからの指示に従い電動弁１の開閉制御をすることでオリフィス３１ｄを通過する冷媒の流量制御を行う。なお、このときの制御装置１００の不揮発メモリ（ＥＥＰＲＯＭ１１１ｅ）には検査工程で測定したヒステリシス量（またはそれに対応するパルス数）が少なくとも記憶されており、さらに開弁パルスも記憶されていると望ましい。

　車載エアコンの膨張弁として電動弁ユニットが使用される場合、イニシャライズ指示信号を受信した制御装置１００は、電動弁１が制御可能な最大パルス数（例えば５００パルス）に、ロータが確実にストッパ（回り止め）に衝突するために十分なパルス数を加えたパルス数（例えば７００パルス以上）だけ電動弁１のステッピングモータを閉弁方向に回転させるイニシャライズ処理（電動弁１のイニシャライズ動作）（０パルスの初期位置出し）を行う。ストッパを有しない電動弁の場合には、弁体を弁座に着座させて静止した位置をストッパに衝突した位置とみなす。

　なお、電動弁１のステッピングモータを閉弁方向に回転させるイニシャライズ処理に替えて開弁方向に回転させるイニシャライズ処理を行ってもよい。また、電動弁１のステッピングモータの現在位置（パルス数）等がＥＥＰＲＯＭ１１１ｅに記憶されている場合、その情報をＥＥＰＲＯＭ１１１ｅから読み出して使用することもできる。制御装置１００が電動弁１のステッピングモータの現在位置（パルス数）が判らないときに、エアコンＥＣＵ等の上位制御装置から弁開度を変更する支持を受けることによりイニシャライズを実行するようにしてもよい。

　制御装置１００のマイコン１１１ｂは、通常時は、信号の送受信ラインである通信バス（例えばＬＩＮバス）を介してエアコンＥＣＵ（以下、単にＥＣＵということがある）から送信される制御信号に基づいて、電動弁１の弁開度を制御するが、ＥＣＵから電源切断信号又はスリープモード移行信号を受信した場合には、例えば動作中である電動弁１の動作を停止して、その時の（現在の）電動弁１の弁開度情報およびその（電動弁１のステッピングモータの）回転方向のＥＥＰＲＯＭ１１１ｅへの記憶を実行することもできる。また、マイコン１１１ｂには、例えばリード線の短絡や切断等による突然の電源切断などといった制御装置１００の終了状態を知らせるための異常終了フラグが予め用意されており、マイコン１１１ｂは、その異常終了フラグの状態も当該ＥＥＰＲＯＭ１１１ｅに記憶させておくこともできる。

　また、ＬＩＮバスを介して制御装置１００から電動弁１の弁開度（つまり、電動弁１のステッピングモータの現在位置（パルス数））やステッピングモータの回転方向が送信されていれば、その弁開度や回転方向はＬＩＮバスを介してＥＣＵ１１６に送信される（知らされる）こともできる。

(測定装置による開弁パルスとヒステリシス量の測定)
　次に、制御装置１００及び検査装置２００からなる測定装置を用いたヒステリシス量の測定について説明する。測定装置によるヒステリシス量の測定は、電動弁１が完成したのち、対応する制御装置１００と組み合わされて、出荷前に実施される。測定に供した電動弁１と制御装置１００は、対応付けて出荷される。

　図３は、ヒステリシス量を測定するフローを示すフローチャートである。図４，５は、電動弁１のステッピングモータに入力される駆動パルスと流量との関係を示すヒステリシス線図である。ヒステリシス量は、電動弁１のギヤ列または変換機構のバックラッシなどにより個体差があるため、ヒステリシス量の測定は電動弁１ごとに行う。

　まず、測定制御部であるＥＣＵ１１６は、図３のステップＳ１０１にて、測定対象となる電動弁１にてヒステリシス量の測定を行ったか否かを判断する。ヒステリシス量の測定を行ったという情報は、測定対象となる電動弁１の制御装置１００におけるＥＥＰＲＯＭ１１１ｅに記載されているため、ＥＣＵ１１６は該情報を読み出すことで、測定対象となる電動弁１にてヒステリシス量の測定を行ったか否かを確認できる。測定対象となる電動弁１にてヒステリシス量の測定を行っていた場合（判断Ｙｅｓ）、直ちにフローを終了する。一方、測定対象となる電動弁１にてヒステリシス量の測定を行っていない場合（判断Ｎｏ）、フローをステップＳ１０２へと進める。

　ＥＣＵ１１６は、ステップＳ１０２でイニシャライズ後開弁動作が実行されたか否かを判断する。イニシャライズ後開弁動作が実行されていない場合、（判断Ｎｏ）、直ちにフローを終了する。一方、イニシャライズ後開弁動作が実行されていた場合（判断Ｙｅｓ）、フローをステップＳ１０３へと進める。

　イニシャライズ後開弁動作について説明する。ＥＣＵ１１６が制御装置１００を介して電動弁１にイニシャライズ指示を出力すると、開弁状態から、ステッピングモータに所定のパルス数の駆動パルスを入力することで弁体３３が閉弁方向に向かう(図４の矢印Ａ）。このとき、制御装置１００の流量計２０４が電動弁１を流れる空気の量を測定する(ステップＳ１０３）。流量計２０４が測定した空気の量がゼロであるとき、閉弁状態となる。このとき弁体３３は、この閉弁位置（イニシャライズ）で停止した位置に静止し、電動弁１の初期位置（０パルス）である。

　閉弁状態から、ＥＣＵ１１６は、開弁させるために、制御装置１００を介して電動弁１のステッピングモータに対しパルス数を１パルスずつ増大して駆動パルスを入力し(図４の矢印Ｂ）、その都度流量計２０４が電動弁１を流れる空気の量を測定する。

　ステップＳ１０４で、ＥＣＵ１１６は、流量計２０４が計測する流量が所定値以上となったか否かを判断する。ここで、パルス数がある値を超えたとき(図４の矢印Ｃに沿ってパルス数が９パルスとなったとき）、制御装置１００の流量計２０４がゼロを超える流量を計測したものとする。ＥＣＵ１１６が流量は所定値未満と判断すれば、フローをステップＳ１０２に戻す。

　これに対し、流量計２０４が計測する流量が所定値以上となった(図４ではパルス数が１０パルスとなった）と、ＥＣＵ１１６が判断すれば、ステップＳ１０５で、所定値以上の流量となったときのパルス数－１を開弁パルス（ここでは９パルス）と決定して、制御装置１００のＥＥＰＲＯＭ１１１ｅに記憶する。以上が、イニシャライズ後開弁動作である。

　本実施形態における初期位置から開弁点までのパルス数には、ギヤ列や変換機構等のバックラッシ、後述するように弁軸３２と弁体３３の相対変位および、弁体の動作開始から前記所定値流量までの動作に相当するパルス数を含んでいる。

　ギヤ列や変換機構等のバックラッシは後述のヒステリシス量αに相当し、弁軸３２と弁体３３の相対変位は閉弁押圧量δに相当する。閉弁押圧量δはスライド板４０と弁軸３２の大径部３２ｂの外周の摺動距離がほとんどであるが、弁軸や弁本体、弁座部座等の金属材料の弾性変形も含んでいる。したがって、開弁パルスは、（ヒステリシス量α＋閉弁押圧量δ）に相当するパルス数となる。以下、α（および後述するα１、α２）を、ヒステリシス量に相当するパルス数とし、δを、閉弁押圧量に相当するパルス数として説明する。

　換言すれば、イニシャライズで停止した位置（初期位置）から開弁方向にモータを回転させて行くと、バックラッシと前記相対変位を駆動した後に開弁方向に弁体が動作し、さらにその後に開弁点に到達することになる。

　なお、ギヤ列や変換機構等のバックラッシは、ギヤのバックラッシと変換機構のねじガタを含んでおり、後述するように、ギヤ列や変換機構等のバックラッシは摩耗などにより経時的に変化することがある。

　次に、ＥＣＵ１１６は、ステップＳ１０６で閉弁動作が実行されたか否かを判断する。閉弁動作が実行されていなければ、閉弁動作が開始されるのを待つ。一方、閉弁動作が実行されていた場合（すなわち開弁方向に弁体３３が駆動されたのちステッピングモータが静止し、引き続き弁体３３が閉弁方向に駆動された場合：図５参照）、フローをステップＳ１０７へと進める。

　閉弁動作について説明する。図５を参照して、ＥＣＵ１１６が制御装置１００を介して電動弁１に閉弁動作指示を出力すると、ステッピングモータに駆動パルスが入力され、現在の開弁位置から弁体３３が閉弁方向に向かう。このとき、制御装置１００の流量計２０４が電動弁１を流れる空気の量（初期流量）を測定する(ステップＳ１０７）。

　ＥＣＵ１１６は、閉弁方向に向かうように、制御装置１００を介して電動弁１に入力する駆動パルスのパルス数を１パルスずつ増大させ(図５の矢印Ｄ）、その都度流量計２０４が電動弁１を流れる空気の量を測定する。

　本実施形態では、図５のグラフは図４のグラフから続いており、図５のパルス数０は図４のパルス数１０（つまり開弁パルス）に対応するが、図５のパルス数０は開弁パルス＋１であればよい。

　ステップＳ１０８で、ＥＣＵ１１６は、流量計２０４が計測する流量が所定値（初期流量に対して所定量だけ変化した流量）を下回ったか否かを判断する。流量計２０４が計測する流量が所定値を下回らなければ、フローをステップＳ１０６に戻す。

　ここで、流量計２０４が計測する流量が所定値を下回ったとき(図５ではパルス数が６パルスとなったとき）、ＥＣＵ１１６は、ステップＳ１０９で、所定値を下回った流量となったときのパルス数－１をヒステリシス量α（ここでは５パルス）として、制御装置１００のＥＥＰＲＯＭ１１１ｅに記憶する。以上が、閉弁動作である。その後、フローを終了する。

　車載エアコンの膨張弁として電動弁ユニットが使用される場合に、上述の開弁パルスとヒステリシス量αを電動弁ユニットの開弁量制御に用いることで高い精度で流量制御ができる。

（電動弁の動作）
　冷凍サイクルに接続された状態における、本実施形態にかかる電動弁１の動作を説明する。第１配管５１と第２配管５２は、冷凍サイクルに接続されており、第１配管５１が入口側配管、第２配管５２が出口側配管であるとする。また、開弁方向とは弁体３３が弁座３１ｅから離間する方向をいい、閉弁方向とは弁体３３が弁座３１ｅに接近する方向をいう。

　冷凍サイクルのＥＣＵなどから、設定温度を実現すべく冷媒の流量を調整するように指示を受けたとき（すなわち、目標移動量だけ弁体３３が移動するように動作指示情報が入力されたとき）、制御装置１００は電動弁１のステッピングモータに対して駆動パルスを出力する。ここで、冷媒の調整流量に応じて定まる弁体３３の目標移動量から駆動機構の減速比を考慮して、ステッピングモータのロータ１３の目標回転角度が決まる。この目標回転角度を実現する駆動パルス数を、目標パルス数という。目標パルス数の演算は、マイコン１１１ｂが行う。

　ここで、弁体３３が閉弁方向に向かったのち、さらに閉弁方向（同一方向）に向かう場合、あるいは弁体３３が開弁方向に向かったのち、さらに開弁方向（同一方向）に向かう場合には、ヒステリシスを考慮しなくてよいため、制御装置１００は電動弁１のステッピングモータに対して、目標パルス数分の駆動パルスを出力する。これによりステッピングモータのロータ１３が目標回転角度分、回転する。

　これに対し弁体３３が閉弁方向に向かったのち静止して、開弁方向（逆方向）に向かう場合、あるいは弁体３３が開弁方向に向かったのち静止して、閉弁方向（逆方向）に向かう場合には、駆動機構のヒステリシスを考慮する必要がある。かかる場合、マイコン１１１ｂは、ＥＥＰＲＯＭ１１１ｅに記憶されたヒステリシス量α（５パルス）を目標パルス数βに加算して実効パルス数γを求め、制御装置１００は電動弁１のステッピングモータに対して、目標パルス数の代わりに実効パルス数γの駆動パルスを出力する。これによりステッピングモータのロータ１３はヒステリシスを考慮して目標回転角度を超えて回転するが、弁体３３は目標位置に精度良く到達する。

　具体的には、制御装置１００は、図６に示すヒステリシス線図に従い、点Ｆの位置から、ＥＥＰＲＯＭ１１１ｅに記憶されたヒステリシス量α（５パルス）と、点Ｆから点Ｇへと弁体３３が移動するために必要な目標パルス数βとを加えた実効パルス数γの駆動パルスを、ステッピングモータに入力する。これにより、弁体３３は精度よく目標位置（点Ｈ）に到達でき、目標とする流量の流体を電動弁１を介して通過させることができる。なお、ステッピングモータが開弁方向に駆動されたのち、閉弁方向に向かう際にも、同様に求めたヒステリシス量αを目標パルス数に加えることにより、実効パルス数γを求めることができる。

（閉弁動作）
　弁体３３が任意の位置（閉弁時を除く）にある時に、駆動軸１４が閉弁方向に回転すると、減速部２０のギヤ列を介して減速されて雄ねじ軸２７に伝達される。雄ねじ軸２７に伝達された回転運動は、減速部２０の変換機構を介して軸線方向運動に変換され、これにより雄ねじ軸２７は、最終ギヤ２６とともに下方に変位する。最終ギヤ２６が軸線方向に変位しても、第２伝達ギヤ２５との噛合が外れることはない。

　雄ねじ軸２７が下方に変位すると、ボール３７を介して押されることで、弁軸３２は下方に移動する。弁軸３２が下方に移動すると、ベローズ３８が伸長し、コイルバネ３９に押された状態で弁体３３が下方に移動し、テーパ面３３ｄが弁座３１ｅに着座する。このときコイルバネ３９は、着座時の衝撃を弱める緩衝効果を発揮する。

　さらに弁軸３２が回転することで、弁軸３２が下降してコイルバネ３９が圧縮され、テーパ面３３ｄが弁座３１ｅに対して所定の付勢力で押圧される。このとき、スライド板４０が弁軸３２の大径部３２ｂの外周に沿って摺動するため、コイルバネ３９の付勢力に抗して弁軸３２と弁体３３の相対変位が許容される。以上により、所定の予圧が付与されて閉弁状態が確保されるため、第１配管５１から弁室Ｃを通過して第２配管５２へ向かう冷媒の流れが遮断される。図１の電動弁１はかかる状態（すなわち閉弁状態）である。

　またこの間、弁室Ｃ内の流体圧がベローズ３８の外表面に作用するため、所定値以上の流体圧が作用すれば、ベローズ３８を縮長方向に作用させ、弁軸３２と共に弁体３３を開方向に移動させることができる。

（開弁動作）
　弁体３３が任意の位置（最大開弁時を除く）にあるときに、制御装置１００からステッピングモータに対して駆動パルスが出力され、駆動軸１４が開弁方向に回転すると、減速部２０のギヤ列を介して減速されて雄ねじ軸２７に伝達される。

　雄ねじ軸２７に伝達された回転運動は、減速部２０の変換機構を介して軸線方向運動に変換され、これにより雄ねじ軸２７は、最終ギヤ２６とともに上方に変位する。

　雄ねじ軸２７が上方に変位すると、弁軸３２を閉弁方向に押圧する力が消失するため、弁室Ｃ内の冷媒圧を受けたベローズ３８が縮長しつつ、弁軸３２も上昇する。弁軸３２が上昇すると、スライド板４０が弁軸３２の鍔部３２ｃに係止され、その後は弁軸３２と共に弁体３３も上昇するため、テーパ面３３ｄが弁座３１ｅから離間する。

　このとき、第１配管５１から弁室Ｃに進入した冷媒は、テーパ面３３ｄと弁座３１ｅとの隙間を通過して、オリフィス３１ｄを介して第２配管５２へと流出する。テーパ面３３ｄと弁座３１ｅとの隙間は、駆動軸１４の回転角度に応じて変化するため、駆動軸１４の回転角度を調整することで、第１配管５１から第２配管５２へ流れる冷媒の量を調整できる。

（電動弁の経時変化）
　ところで、電動弁１のギヤ列や変換機構等のバックラッシは摩耗などにより経時的に変化し、一般的には増大する。したがって、初期に求めたヒステリシス量が、電動弁１の使用に伴い変化することが想定される。これに対し、本実施形態の制御装置は、ヒステリシス量の経時変化に対応できる。

　より具体的には、実験やシミュレーションを通して、例えばステッピングモータに入力される駆動パルスの積算値に対するヒステリシス量の変化を予め求め、積算値とヒステリシス量の変化とを対応付けたテーブルまたは相関式を決定し、それをＥＥＰＲＯＭ１１１ｅに記憶する。

　図７は、駆動パルスの積算値とヒステリシス量とを対応付けて示すグラフである。
　電動弁１の制御装置１００は、ステッピングモータに駆動パルスを出力するごとに、そのパルス数をカウントし、パルス数の積算値をＥＥＰＲＯＭ１１１ｅに記憶されたテーブルまたは相関式に照合して、ヒステリシス量を決定する。

　具体的に図７の例では、パルス数の積算値が０からＰＮ１の間、ヒステリシス量をα１とする。また、パルス数の積算値がＰＮ２からＰＮ３の間、ヒステリシス量をα２とする。以下、同様である。なお、積算値が増大するに従い、ヒステリシス量をリニアに増大させてもよい。また、パルス数の積算値に加え、電動弁１に供給される潤滑油の量や、閉弁時の荷重などを測定して、ヒステリシス量を調整してもよい。

　このように、パルス数の積算値に応じてヒステリシス量を決定することで、電動弁１の経時変化が生じても、高精度に弁体の制御を行うことができる。

（変形例）
　図８、９は、本実施形態の変形例にかかるヒステリシス線図である。
　電動弁１の弁体３３の可動範囲に応じて、ステッピングモータに入力可能な最小パルス数ＰＭＮと最大パルス数ＰＭＸとがそれぞれ規定値として決まっている。ここで、最小パルス数ＰＭＮを下回るか、最大パルス数ＰＭＸを上回るパルス数の駆動パルスがステッピングモータに入力されたときは、脱調現象が生じ制御が不能になる恐れがある。本変形例は、かかる不具合に対応できる。

　例えば、図８において、閉弁方向に駆動されていた弁体３３に対し、開弁方向に駆動するために目標パルス数ＰＡの駆動パルスをステッピングモータに入力しようとするときに、制御装置１００は、目標パルス数ＰＡにヒステリシス量αを加えた実効パルス数の動作指示パルスを、現在位置（現在のパルス値）から加算する態様でステッピングモータに入力する。しかし、ＰＡ＋α＞ＰＭＸであるときは、演算された実効パルス数の駆動パルスをステッピングモータに入力することにより、脱調現象が生じる恐れがある。

　同様に図９において、開弁方向に駆動されていた弁体３３に対し、閉弁方向に駆動するために目標パルス数ＰＢの駆動パルスを入力しようとするときに、制御装置１００は、目標パルス数ＰＢにヒステリシス量αを加えた実効パルス数（ＰＢ＋α）の駆動パルスを、現在位置（現在のパルス値）から減算する態様でステッピングモータに入力する。しかし、現在位置－（ＰＢ＋α）＜ＰＭＮであるときは、実効パルス数の駆動パルスをステッピングモータに入力することにより、脱調現象が生じる恐れがある。

　そこで、制御装置１００は、実効パルス数（ＰＡ＋α），（ＰＢ＋α）を演算したときは、ＰＡ＋α＞ＰＭＸである場合には、パルス数ＰＭＸになるパルス数（ＰＡ’＋α）の駆動パルスをステッピングモータに入力し、また現在位置－（ＰＢ＋α）＜ＰＭＮである場合には、パルス数ＰＭＮになるパルス数（ＰＢ’＋α）の駆動パルスをステッピングモータに入力する。これにより、ステッピングモータの脱調現象を抑制できる。

（変形例２）
　閉弁状態から開弁点までのパルス数には、ヒステリシス量α（上述の実施形態では５パルス）と閉弁押圧量δ（上述の実施形態では４パルス）とを含んでおり、パルス数ＰＭＮから（ＰＭＮ＋δ）の間に電動弁を通過する流体の流量は、所定流量以下（実質的に流量ゼロ）であるから、ステッピングモータへ入力する駆動パルスは厳密にＰＭＮ＝０にこだわる必要はない。また、パルス数ＰＭＮはイニシャライズで停止した位置（初期位置）に相当するため、パルス数ＰＭＮをステッピングモータに入力するとギヤやねじ部に負荷が生じる。そのため、上述の制御において、目標パルス数ＰＢ（またはＰＢ＋α）の駆動パルスを入力しようとするとき｛すなわち（現在位置－（ＰＢ＋α）がパルス数ＰＭＮ以下になるとき｝には、パルス数ＰＭＮを超え、ＰＭＮ＋δ以下となる駆動パルスをステッピングモータに入力することができる。例えば、閉弁押圧量δが１パルス以上のときはＰＭＮ＋１になるようにパルス数を入力するとよい。このような制御をすることでギヤやねじ部の負荷を軽減し、電力消費や摩耗を低減することができる。

　本発明は以上の実施形態にかかわらず、種々の実施形態または変形例の適用が可能である。

１　電動弁
１０　駆動部
２０　減速部
３０　弁機構部
３１　弁本体
３２　弁軸
３３　弁体
１００　制御装置
２００　検査装置

Claims

　弁座に対して接近する方向または離間する方向に移動可能な弁体と、駆動パルスを入力することにより動作するステッピングモータと、前記ステッピングモータから出力された駆動力によって前記弁体を駆動する駆動機構と、不揮発性の記憶部と、外部から入力された動作指示情報に応じて前記ステッピングモータを駆動する制御部と、を備えた電動弁の制御装置であって、
　前記記憶部はヒステリシス量を記憶し、
　前記制御部は、外部から入力された動作指示情報に基づき、前記弁体を直前の移動方向とは異なる方向に移動させるときは、前記記憶部に記憶された前記ヒステリシス量に対応したパルス数を、前記弁体の目標移動量に対応した目標パルス数に加算した実効パルス数の駆動パルスを、前記ステッピングモータに入力する、
ことを特徴とする電動弁の制御装置。
　前記制御部は、前記弁体を一方向に移動させたのちに前記ステッピングモータを静止させ、そのときに前記弁体と前記弁座の間を通過する流体の流量を初期流量として求め、その後他方向に移動させるために前記ステッピングモータに入力する駆動パルスのパルス数を増大するごとに前記流体の流量を求め、前記初期流量に対して変化した流量が初めて所定量以上となった時点のパルス数－１を、前記ヒステリシス量として前記記憶部に記憶する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁の制御装置。
　前記制御部は、外部から入力された動作指示情報に基づき、前記弁体を直前の移動方向と同じ方向に移動させるときは、前記目標パルス数の駆動パルスを前記ステッピングモータに入力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁の制御装置。
　前記電動弁に入力される駆動パルスのパルス数の積算値に応じて、前記ヒステリシス量を変化させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁の制御装置。
　現在値に前記実効パルス数を加算した値が規定値を超えるか、または現在値から前記実効パルス数を減算した値が規定値を下回ったときは、前記規定値の駆動パルスを前記ステッピングモータに入力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁の制御装置。
　現在値から前記実効パルス数を減算した値が規定値を下回ったときは、前記規定値を超え前記規定値に閉弁押圧量に相当するパルス数を付加した値以下となる駆動パルスを前記ステッピングモータに入力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁の制御装置。
　弁座に対して接近する方向または離間する方向に移動可能な弁体と、駆動パルスを入力することにより動作するステッピングモータと、前記ステッピングモータから出力された駆動力によって前記弁体を駆動する駆動機構と、不揮発性の記憶部と、外部から入力された動作指示情報に応じて前記ステッピングモータを駆動する制御部と、を備え、
　前記記憶部はヒステリシス量を記憶し、
　前記制御部は、外部から入力された動作指示情報に基づき、前記弁体を直前の移動方向とは異なる方向に移動させるときは、前記記憶部に記憶された前記ヒステリシス量に対応したパルス数を、前記弁体の目標移動量に対応した目標パルス数に加算した実効パルス数の駆動パルスを、前記ステッピングモータに入力する、
ことを特徴とする電動弁。
　請求項１～６のいずれかに一項に記載の制御装置と、電動弁とを備えた、
ことを特徴とする電動弁ユニット。