JP6175715B2 - Stepping motor driven control valve - Google Patents
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Description
本発明はステッピングモータ駆動式の制御弁に関し、特に車両への搭載に好適な制御弁に関する。 The present invention relates to a control valve driven by a stepping motor, and more particularly to a control valve suitable for mounting on a vehicle.
車両用冷暖房装置は、圧縮機、室外熱交換器、蒸発器、室内熱交換器等を含む冷凍サイクルを有し、暖房運転時と冷房運転時とで室外熱交換器の機能が切り替えられる。暖房運転時においては室外熱交換器が蒸発器として機能する。その際、冷凍サイクルを冷媒が循環する過程で室内熱交換器が放熱し、その熱により車室内の空気が加熱される。一方、冷房運転時においては室外熱交換器が凝縮器として機能する。その際、室外熱交換器にて凝縮された冷媒が蒸発器にて蒸発し、その蒸発潜熱により車室内の空気が冷却される。その際、除湿も行われる。 The vehicle air conditioner has a refrigeration cycle including a compressor, an outdoor heat exchanger, an evaporator, an indoor heat exchanger, and the like, and the function of the outdoor heat exchanger is switched between a heating operation and a cooling operation. During the heating operation, the outdoor heat exchanger functions as an evaporator. At that time, the indoor heat exchanger dissipates heat while the refrigerant circulates through the refrigeration cycle, and the air in the passenger compartment is heated by the heat. On the other hand, the outdoor heat exchanger functions as a condenser during the cooling operation. At that time, the refrigerant condensed in the outdoor heat exchanger evaporates in the evaporator, and the air in the passenger compartment is cooled by the latent heat of evaporation. At that time, dehumidification is also performed.
このように冷凍サイクルの運転状態によって複数の蒸発器が機能する場合、各蒸発器を流れる冷媒流量の割合を調整する必要がある。複数の凝縮器が機能する場合も同様である。このため、冷媒循環通路の特定位置に弁開度を電気的に調整可能な制御弁を設けることがある。特に弁開度の精密な制御が必要となる場合には、住宅用冷暖房装置に多くみられるようなステッピングモータ駆動式の制御弁が用いられる。ステップ数(駆動パルス数)の設定により弁体の変位量、ひいては弁開度を正確に調整できるからである。 Thus, when a plurality of evaporators function depending on the operation state of the refrigeration cycle, it is necessary to adjust the ratio of the refrigerant flow rate flowing through each evaporator. The same applies when a plurality of condensers function. For this reason, a control valve capable of electrically adjusting the valve opening degree may be provided at a specific position in the refrigerant circulation passage. In particular, when precise control of the valve opening is required, a stepping motor driven control valve, which is often found in residential air conditioners, is used. This is because the amount of displacement of the valve body and thus the valve opening can be adjusted accurately by setting the number of steps (number of drive pulses).
このような制御弁として、ロータの回転運動を駆動軸の並進運動に変換して弁体を弁部の開閉方向に駆動する作動変換機構を有するものがある。ただし、弁体の駆動量を設定範囲に制限する必要があるため、ロータの一方向および他方向への回転をそれぞれ規制するためのストッパ機構が設けられる。例えば、ボディから延びる螺旋状のガイド部に一巻きコイル状の回転ストッパを係合させ、その回転ストッパをロータとともに回転させつつ軸線方向に変位させ、ガイド部の端部で係止させることによりロータの回転を停止させるものがある(例えば特許文献1参照)。また、ボディから延びるガイド雄ねじに回転スライダを螺合させ、その回転スライダをロータとともに回転させつつ軸線方向に変位させ、ガイド雄ねじの端部で係止させることによりロータの回転を停止させるものもある(例えば特許文献2参照)。 As such a control valve, there is one having an operation conversion mechanism that converts the rotational motion of the rotor into the translational motion of the drive shaft to drive the valve body in the opening / closing direction of the valve portion. However, since it is necessary to limit the driving amount of the valve body to the set range, a stopper mechanism is provided for restricting the rotation of the rotor in one direction and the other direction. For example, a one-turn coiled rotation stopper is engaged with a spiral guide portion extending from the body, the rotation stopper is rotated with the rotor, displaced in the axial direction, and locked at the end of the guide portion. Is stopped (see, for example, Patent Document 1). There is also a type in which a rotary slider is screwed into a guide male screw extending from the body, the rotary slider is rotated with the rotor, displaced in the axial direction, and stopped at the end of the guide male screw to stop the rotation of the rotor. (For example, refer to Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1に記載の構成では、回転ストッパがコイル状であるためガイド部との遊びが大きく、車両から伝わる振動の影響を受けやすいため、この回転ストッパの振動により耳障りな異音が発生し易い。また、回転ストッパの剛性が小さいため、ガイド部の端部に係止されたときの撓みが大きく、ロータの停止位置に基づく制御上の原点位置が定まり難いといった問題があった。この点、特許文献2に記載の回転スライダは剛性の面では有利となるが、並進とともに回転する構成であるため挙動が安定せず、車両から伝わる振動の影響も受け易い。このため、異音を発生させ易いといった問題は残る。
However, in the configuration described in
本発明の目的の一つは、ステッピングモータ駆動式の制御弁において、弁体の駆動範囲を制限するストッパ機構を安定に機能させることにある。 One of the objects of the present invention is to stably operate a stopper mechanism for limiting the driving range of a valve body in a control valve driven by a stepping motor.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の制御弁は、ステッピングモータ駆動式の制御弁において、上流側から流体を導入する導入ポートと、下流側へ流体を導出する導出ポートと、導入ポートと導出ポートとを連通する流体通路とを有するボディと、流体通路に設けられた弁部を開閉する弁体と、弁体を弁部の開閉方向に駆動するためのロータを含むステッピングモータと、ロータに同軸状に設けられ、先端部にて弁体を支持するシャフトと、シャフトの一方向および他方向への回転量を制限するためのストッパ機構と、を備える。 In order to solve the above-described problem, a control valve according to an aspect of the present invention is a stepping motor-driven control valve, wherein an introduction port for introducing fluid from the upstream side, a lead-out port for leading fluid to the downstream side, and introduction A body having a fluid passage communicating the port and the outlet port, a valve body for opening and closing a valve portion provided in the fluid passage, and a stepping motor including a rotor for driving the valve body in the opening and closing direction of the valve portion; The shaft is provided coaxially with the rotor and supports the valve body at the tip, and a stopper mechanism for limiting the amount of rotation in one direction and the other direction of the shaft.
ストッパ機構は、シャフトに一体に設けられたウォームと、ウォームと噛合するラックと、ボディに一体に設けられ、ラックをウォームの軸線と平行に並進させるようにガイドするラックガイドと、ウォームの一端側にてシャフトと一体に設けられ、一方向に移動してきたラックと互いを係止することによりシャフトの回転を規制する第1ストッパと、ウォームの他端側にてシャフトと一体に設けられ、他方向に移動してきたラックと互いを係止することによりシャフトの回転を規制する第2ストッパと、を含む。 The stopper mechanism includes a worm integrally provided on the shaft, a rack that meshes with the worm, a rack guide that is integrally provided on the body and guides the rack to translate parallel to the axis of the worm, and one end side of the worm The first stopper that is provided integrally with the shaft at the other end of the worm, and is provided integrally with the shaft at the other end of the worm. A rack that has moved in the direction and a second stopper that restricts the rotation of the shaft by locking each other.
この態様によると、ウォーム、ラック、第1ストッパ、第2ストッパの組合せにより、シャフトの回転範囲を規制するストッパ機構が実現される。そして特に、ラックを採用したことで、構造上十分な剛性を確保することができる。また、ボディに一体に設けられたラックガイドに沿ってラックを並進方向にガイドするようにしたため、ラックの挙動を安定に維持することができる。その結果、ストッパ機構を安定に機能させることができる。 According to this aspect, the stopper mechanism that restricts the rotation range of the shaft is realized by a combination of the worm, the rack, the first stopper, and the second stopper. In particular, by adopting a rack, sufficient structural rigidity can be ensured. Further, since the rack is guided in the translation direction along the rack guide provided integrally with the body, the behavior of the rack can be stably maintained. As a result, the stopper mechanism can function stably.
本発明によれば、ステッピングモータ駆動式の制御弁において、弁体の駆動範囲を制限するストッパ機構を安定に機能させることができる。 According to the present invention, in the stepping motor driven control valve, the stopper mechanism for limiting the driving range of the valve body can be stably functioned.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、実施形態に係る制御弁の構成を表す一断面図である。図2は、図1のA−A矢視断面図である。図3は、制御弁の外観および内部構成を説明するために部分的に切り欠かれた状態を示す斜視図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a control valve according to the embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. FIG. 3 is a perspective view showing a state in which the control valve is partially cut away in order to explain the appearance and the internal configuration of the control valve.
制御弁1は、例えば車両に搭載されるヒートポンプ式の冷暖房装置に適用される。この車両用冷暖房装置は、圧縮機、室内凝縮器、室外熱交換器、蒸発器およびアキュムレータを配管にて接続した冷凍サイクル(冷媒循環回路)を備える。冷媒が冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する過程でなされる熱交換により車室内の空調が行われる。冷媒循環回路には冷暖房を適切に制御するための各種制御弁が配設されており、制御弁1はその一つを構成する。制御弁1は、その開度が設定開度に調整される比例弁として構成され、上流側から下流側へ流れる冷媒の流量を調整する。
The
図1に示すように、制御弁1は、ステッピングモータ駆動式の電動弁として構成され、弁本体2とモータユニット4とを組み付けて構成されている。弁本体2は、弁部を収容するボディ5を有する。モータユニット4は、ボディ5の上端開口部を封止するように取り付けられている。ボディ5は、角柱状の第1ボディ6の上半部に段付円筒状の第2ボディ8を組み付けて構成される。第1ボディ6はアルミニウム合金からなり、第2ボディ8は銅合金からなる。なお、変形例においては、第2ボディ8をステンレス鋼(以下「SUS」と表記する)にて構成してもよい。
As shown in FIG. 1, the
第1ボディ6の一側面の上部には上流側から冷媒を導入する導入ポート10が設けられ、反対側面の下部には下流側へ冷媒を導出する導出ポート12が設けられている。第1ボディ6の中央には上下方向の接続通路14が形成され、その上流側通路16が導入ポート10に連通し、下流側通路18が導出ポート12に連通している。第1ボディ6の上半部には、上方に向けて段階的に拡径する段付円孔状の取付孔20が形成されている。接続通路14は、取付孔20の一部を構成する。
An
一方、第2ボディ8は、その外径および内径が下方に向けて段階的に縮径する段付円筒状をなし、取付孔20と相補形状の外形を有する。第2ボディ8は、第1ボディ6の上方から取付孔20に嵌合させるようにして取り付けられる。第1ボディ6と第2ボディ8との間には、接続通路14の位置にシール用のOリング22が介装されている。
On the other hand, the
第2ボディ8の下端部には弁孔24が設けられ、その上端開口部に弁座26が形成されている。第2ボディ8における導入ポート10との対向面には、内外を連通する連通孔28が設けられている。弁孔24は、この連通孔28を介して上流側通路16と連通する。また、連通孔28の外側には第2ボディ8を上下に貫通する連通路30が設けられ、上流側通路16の冷媒をモータユニット4側にも導入できるようにされている。
A
第2ボディ8の内方には、モータユニット4のロータ31から同軸状に延びる作動ロッド32(主軸)が挿通されている。作動ロッド32は、一端部(下端部)にニードル状の弁体34を支持している。弁体34が弁座26に上流側から着脱することにより弁部を開閉する。
An operation rod 32 (main shaft) extending coaxially from the
第2ボディ8の軸線方向中段には円筒状の滑り軸受36が圧入され、その直上段には円筒状のガイド部材38(「円筒部材」として機能する)が圧入されている。本実施形態では滑り軸受36として、筒状の金属メッシュを芯材として補強した樹脂軸受を用いている。滑り軸受36は、その樹脂材としてポリテトラフルオロエチレン(以下「PTFE」と表記する)を用いた無給油軸受(自己潤滑性を有する軸受)である。滑り軸受36は、サイジング加工を施すことにより、内径の寸法精度および第2ボディ8との同軸性が高められている。このような工夫により、滑り軸受36の低摩擦および耐摩耗性を維持するとともに、耐荷重性能を高めている。なお、変形例においては、金属メッシュに代えて鋼板材を芯材としてもよい。
A cylindrical slide bearing 36 is press-fitted in the middle stage in the axial direction of the
ガイド部材38の内周面には雌ねじ39(「雌ねじ部」として機能する)が形成されている。ガイド部材38は、SUSからなる管材の内周面に雌ねじ39を切削加工して得られる。本実施形態では、雌ねじ39を推力が大きく耐摩耗に優れた台形ねじにて構成している。変形例においては、雌ねじ39を三角ねじにて構成してもよい。ガイド部材38の軸線方向中央には半径方向外向きに突出するフランジ部40が設けられ、そのフランジ部40の下面が第2ボディ8の段部に係止されることにより、その圧入量が規制されている。より詳細には、ガイド部材38は第2ボディ8に対して軽圧入されており、第2ボディ8の上端に締結される小径のリングねじ42によって上方から押さえられるように固定されている。なお、変形例においては、ガイド部材38を第2ボディ8に対して圧入のみにより固定してもよい。
A female screw 39 (functioning as a “female screw portion”) is formed on the inner peripheral surface of the
図2にも示すように、第2ボディ8の上面にはラックガイド44(「ガイド部材」として機能する)が立設されている。ラックガイド44は、下半部が大径部46、上半部が小径部48とされており、下端部が第2ボディ8の上面に固定されている。より詳細には、第2ボディ8の上面に環状の嵌合溝50を成形することにより得られた円ボス部52にラックガイド44の下端部を外挿嵌合させ、第2ボディ8の上端に締結される大径のリングねじ54によって上方から押さえるように固定している。円ボス部52は、弁孔24と同軸に形成された「嵌合部」として機能する。なお、変形例においては、ラックガイド44を第2ボディ8に対して圧入又は加締めにより固定してもよい。
As shown in FIG. 2, a rack guide 44 (functioning as a “guide member”) is erected on the upper surface of the
本実施形態では、第2ボディ8を旋盤による旋削加工により成形しているため、弁孔24(弁座26)、滑り軸受36が圧入される段部の嵌合孔、ガイド部材38が圧入される段部の嵌合孔、および円ボス部52が同軸となる。このため、滑り軸受36、ガイド部材38およびラックガイド44の弁孔24(弁座26)に対する同軸度が高い。滑り軸受36は、シャフト60の下端部を支持する「支持部」として機能する。
In the present embodiment, since the
作動ロッド32は、シャフト60、ウォーム62およびストッパ64を組み付けて構成される。シャフト60は、SUSからなる棒材を切削加工して得られ、下半部が拡径されて円筒状に形成されており、その外周面に雄ねじ66が形成されている。本実施形態では、雄ねじ66を推力が大きく耐摩耗性に優れた台形ねじにて構成している。変形例においては、雄ねじ66を三角ねじにて構成してもよい。この雄ねじ66は、ガイド部材38の雌ねじ39と螺合する。すなわち、シャフト60の下半部が「雄ねじ部」として機能する。なお、本実施形態では、雄ねじ66および雌ねじ39に対してDLC(ダイヤモンドライクカーボン)処理を施してその耐荷重性能を高めている。なお、変形例においては、DLC処理に代えて耐荷重性能、耐摩耗性、摺動抵抗低減に優れた他の表面処理を採用してもよい。あるいは、析出硬化型のステンレスを採用してもよい。
The operating
シャフト60の上半部にストッパ64およびウォーム62が外挿されている。シャフト60の上半部の断面が非円形に構成され、ストッパ64およびウォーム62も同形状の挿通孔を有する。このため、ストッパ64およびウォーム62がシャフト60に挿通嵌合された後にそれらが相対変位することが防止されている。ストッパ64は、シャフト60の下半部とウォーム62との間に挟持されている。
A
シャフト60の下半部内方には、上方からスプリング63(「付勢部材」として機能する)、ばね受け65、弁体34が収容されている。シャフト60の下端開口部には、円筒状の圧入ブッシュ67が同心状に圧入され、弁体34を摺動可能に下方から支持する。弁体34はSUSからなり、ばね受け65および圧入ブッシュ67は銅合金からなる。
A spring 63 (functioning as an “urging member”), a
弁体34は、圧入ブッシュ67を貫通するが、その上端部に半径方向外向きに突出するフランジ部69を有する。そのフランジ部69の下面が圧入ブッシュ67の上面に係止されることにより、弁体34の下方への脱落が防止されている。ばね受け65は、スプリング63による下方(閉弁方向)への付勢力を弁体34に伝達する。なお、弁体34の上端は半球状の曲面となっており、ばね受け65の底面に点接触状態となる。このような構成により、ばね受け65が多少傾いたとしても弁体34の軸線方向の動きに影響が及ばないようにされている。また、弁体34は、弁座26に接触していない状態においては圧入ブッシュ67およびばね受け65と一体に回転するが、弁座26に接触した状態においては回転が規制される。弁体34の曲面形状は、このようなときにばね受け65との間に摩耗が発生することを抑制する。
The
図3にも示すように、ラックガイド44は、小径部48における周方向の1箇所が半径方向外向きに凹状に窪み、所定幅にて上下にフラットに延びるガイド部68となっている。ガイド部68は、ウォーム62の軸線と平行に延在し、小片状のラック70が収容されている。ラック70は角柱状の本体71を有する。その本体71は、ガイド部68と相補形状となる断面長方形状をなし、その内面側においてウォーム62と噛合する。ラック70は、ウォーム62の回転に伴ってガイド部68にガイドされつつ上下方向に並進する。本体71の上面にはラック70が上死点に位置したときに係止される係止部72が突設され、下面にはラック70が下死点に位置したときに係止される係止部74が突設されている。このラック70の構成および動作の詳細については後述する。
As shown in FIG. 3, the
図1に示すように、ラックガイド44の大径部46と小径部48との境界である段部には、内外を連通する連通孔76が設けられている。また、ラックガイド44の下端部の内周面には、内外を連通するための連通溝77が形成されている。この連通溝77は、連通路30と連通し、上流側通路16の冷媒をモータユニット4側にも導入できるようにされている。大径部46は、ロータ31の下端部に小さなクリアランスをあけて挿通されている。そのクリアランスは、ロータ31の触れ回りを防止できる程度に設定されている。
As shown in FIG. 1, a
一方、モータユニット4は、ロータ31とステータコイル33とを含むステッピングモータとして構成されている。モータユニット4は、有底円筒状のキャン35を有し、そのキャン35の内方にロータ31を配置し、外方にステータコイル33を配置して構成されている。キャン35は、弁体34およびその駆動機構が配置される空間を覆うとともにロータ31を内包する筒状部材であり、冷媒の圧力が作用する内方の圧力空間と作用しない外方の非圧力空間とを画定する。
On the other hand, the motor unit 4 is configured as a stepping motor including a
キャン35は、非磁性である円筒状の本体80と、本体80の上端開口部を閉止する円板状の端部材82と、本体80の下端に連設された環状の接続部材84とを含む。接続部材84は、その下端部に雄ねじが形成されており、リングねじとしても機能する。第1ボディ6の上端部にはこの雄ねじと螺合可能な雌ねじが形成されており、接続部材84を第1ボディ6に螺合して締結することにより、モータユニット4をボディ5に対して固定することができる。図示のように、接続部材84は、第2ボディ8の上半部に外挿されるようにして組み付けられる。第1ボディ6の上端部と接続部材84との間にはシール用のOリング86が介装され、導入ポート10から導入された冷媒が、キャン35とボディ5との間を通って外部に漏洩することが防止されている。なお、変形例においては、キャン35(接続部材84)を第1ボディ6に対して圧入、加締め、溶接等により固定してもよい。
The
ステータコイル33は、励磁コイル88を収容し、キャン35の外周に配設されている。ステータコイル33は、ボディ5に対して固定されている。なお、ステータコイル33のボディ5に対する接続は、例えばねじ止めや溶接、蝋付け、カシメ等により行うことができる。ステータコイル33は、冷媒の圧力の影響を受けない大気中に配置されるため、制御弁1が適用される環境、例えば自動車搭載環境下での振動に耐え得る強度で固定されれば十分であり、耐圧固定が必要なキャン35ほどの固定強度は必要ない。
The
ロータ31は、シャフト60を軸線とする円筒状のロータコア90と、ロータコア90の外周に沿って設けられたマグネット92を備える。ロータコア90の内方にはそのほぼ全長にわたる内部空間が形成されている。ロータコア90の内周面には、軸線に平行に延びるガイド部94が周方向に45度おきに設けられている。ガイド部94は、軸線に平行に延びる突条(リブ)により構成されている。
The
複数のガイド部94の上端部が半径方向内向きに延出し、円筒軸96にて連結されている。この円筒軸96が、作動ロッド32(主軸)の上端部に同軸状に固定されている。この固定は、円筒軸96を作動ロッド32の上端部に嵌合させ、ナット98を締結することにより行われる。円筒軸96の所定箇所には、ラック70の上死点を規定するためのストッパ99が設けられている。
Upper end portions of the plurality of
以上のような構成により、ロータ31は、その回転軸となる作動ロッド32がラックガイド44の小径部48と滑り軸受36とにより2点支持される。また、ラックガイド44の大径部46とガイド部94とのクリアランスがロータ31の振れを制限可能となるように設定されている。このため、制御弁1が車両に搭載されても、ロータ31は、振動の影響を受け難く、軸線周りに安定に回転することができる。なお、作動ロッド32は、ウォーム62の位置においてラックガイド44に軸支されることになるが、ウォーム62とラックガイド44とがいずれも自己潤滑性の樹脂材からなるため、両者間に摩耗の問題が生じることはない。
With the configuration described above, the
ロータ31の回転に伴ってラック70は上下に並進する。ロータ31の一方向への回転に伴ってラック70が上昇し、予め定める上死点に到達すると、ラック70とストッパ99とが互いを係止することによりシャフト60の回転を規制する。それにより、シャフト60の下方(閉弁方向)への変位が規制される。また、ロータ31の他方向(反対方向)への回転に伴ってラック70が下降し、予め定める下死点に到達すると、ラック70とストッパ64とが互いを係止することによりシャフト60の回転を規制する。それにより、シャフト60の上方(開弁方向)への変位が規制される。すなわち、本実施形態において、ストッパ99が「第1ストッパ」として機能し、ストッパ64が「第2ストッパ」として機能する。そして、ウォーム62、ラック70、ストッパ64およびストッパ99が、シャフト60の一方向および他方向への回転量を制限するための「ストッパ機構」として機能する。
The
次に、制御弁1を構成する各部の詳細について説明する。
図4は、ロータ31および作動ロッド32の構成部品を表す分解斜視図である。
図示のように、シャフト60は、下方から上方に向けて段階的に小径化する段付円柱状の概形を有する。シャフト60における雄ねじ66の直上段には、非円形の断面を有する(いわゆるDカット構造)嵌合部102が設けられている。シャフト60の上端部には雄ねじ104が形成されている。シャフト60の下端開口部からスプリング63、ばね受け65、弁体34が順次挿入され、これらが圧入ブッシュ67を圧入することによりシャフト60内に保持される。
Next, the detail of each part which comprises the
FIG. 4 is an exploded perspective view showing components of the
As shown in the drawing, the
作動ロッド32は、このシャフト60の上方からストッパ64、ウォーム62を順次挿通して組み付けられる。ストッパ64およびウォーム62は、それぞれガラス繊維を含有したポリフェニレンサルファイド(以下「PPS」と表記する)等の樹脂材(ガラス繊維強化樹脂)を射出成形することにより得られ、嵌合部102と相補形状の挿通孔が設けられている。このため、ストッパ64およびウォーム62は、シャフト60への組み付けと同時に位置決めがなされ、また組み付け後のずれが防止される。
The operating
制御弁1の組み付けの際には、図1に示したように、第2ボディ8に対して滑り軸受36およびガイド部材38が順次組み付けられ、リングねじ42により固定される。この状態から上記のように組み付けられた作動ロッド32をガイド部材38に螺合して同軸状に組み付ける。その後、ラック70をウォーム62に噛合させた状態でラックガイド44を上方から組み付ける。このとき、ラック70がガイド部68に収まるよう位置合わせをしながら、ラックガイド44の下端部を円ボス部52に嵌合させ、リングねじ54により第2ボディ8に固定する。この状態からロータコア90をラックガイド44に外挿させるようにして組み付け、ロータコア90から突出した雄ねじ104にナット98を締結することにより、ロータ31を作動ロッド32に固定する。なお、変形例においては、ロータコア90とシャフト60との固定を止め輪やプッシュナットによる接合としてもよい。
When the
図5は、ロータコア90の構成を詳細に示す図である。(A)は斜視図であり、(B)は(A)を部分的に切り欠いた状態を示す図である。(C)は平面図であり、(D)は底面図である。(E)は(C)のB−B矢視断面図であり、(F)は(C)のC−C矢視断面図である。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the
ロータコア90は、PPS等の樹脂材を射出成形することにより得られ、自己潤滑性を有する。ロータコア90は、円筒状の本体106有し、その本体106の内周面に45度おきにガイド部94が突設されている。本体106の下端には半径方向外向きに突出したフランジ部108が設けられ、上端には外向きに突出した一対の爪部110が形成されている。このフランジ部108と爪部110との間に図示しないマグネット92を挟み込むようにして支持する。
The
ガイド部94は、ラックガイド44への挿入が容易となるよう、下端部がテーパ形状をなしている。複数のガイド部94の内周面を通る仮想円が、ラックガイド44の大径部46よりもやや大きくなるように構成されているが、両者のクリアランスは、ロータコア90の振れ回りが防止されるよう十分に小さく設定されている。ストッパ99は、複数のガイド部94のひとつに一体に設けられ、ロータコア90の一方の回転方向に面する係止面112(「第1被係止面」として機能する)を有する。
The
図6は、ラックガイド44の構成を詳細に示す図である。(A)は斜視図、(B)は正面図、(C)は平面図、(B)は底面図である。(E)は(B)のD−D矢視断面図である。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the
ラックガイド44は、ガラス繊維を含有したPPS等の樹脂材を射出成形することにより得られ、自己潤滑性を有する。ラックガイド44は、大径部46と小径部48との段部を上下に貫通するように3つの連通孔76が設けられている。また、大径部46の下端内周部には、所定深さの連通溝77が環状に形成されている。ガイド部68の一方の側壁の上端面には小突起からなる受圧部114が設けられ、ガイド部68の他方の側面の下端面には小突起からなる受圧部116が一体に設けられている。受圧部114は、ラック70が上死点にてロータコア90を係止する際にそのラック70を反対側から支えるものである。受圧部116は、ラック70が下死点にてストッパ64を係止する際にラック70を反対側から支えるものである。なお、ラック70による係止動作の詳細については後述する。
The
図7は、ラック70の構成を詳細に示す図である。(A)はラック70を表す斜視図である。(B)はラック70がラックガイド44に取り付けられた状態を示す図である。
図7(A)に示すように、ラック70は、PPS等の樹脂材を射出成形することにより得られ、自己潤滑性を有する。ラック70は、角柱状の本体71の片側面に複数段の歯が形成されている。
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the
As shown in FIG. 7A, the
本体71の上面の幅方向片側半部に係止部72が突設され、下面の幅方向片側半部に係止部74が突設されている。係止部72は、ロータ31の一方の回転方向に面し、ストッパ99に当接してロータコア90の回転を係止する係止面122(「第1係止面」として機能する)を有する。一方、係止部74は、ロータ31の他方の回転方向に面し、ストッパ64に当接して作動ロッド32の回転を係止する係止面124(「第2係止面」として機能する)を有する。係止面122,124は、ロータ31の回転方向に対して互いに反対向きに面している。
A locking
図7(B)に示すように、ラック70は、ガイド部68に嵌合し、長手方向(歯と交わる方向)への並進をガイドされる。ラック70の幅がガイド部68の開口幅とほぼ等しいため、ラック70はウォーム62の回転に伴って並進方向にのみ変位し、回転方向への変位は規制される。上死点においては、図示のように、係止部72が係止面122とは反対側面にて受圧部114と当接する。下死点においては、係止部74が係止面124とは反対側面にて受圧部116と当接する。
As shown in FIG. 7B, the
図8は、ストッパ64の構成を詳細に示す図である。(A)は斜視図、(B)は正面図、(C)は右側面図、(D)は左側面図、(E)は平面図、(F)は底面図である。
ストッパ64は、PPS等の樹脂材を射出成形することにより得られ、環状の本体130を有する。本体130に形成された挿通孔132は、既に述べたように、シャフト60の切欠き102と嵌合可能な非円形に形成されている。
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the
The
本体130の側面から半径方向外向きに突出するように係止部134が設けられている。係止部134は、ラック70と互いを係止して作動ロッド32の回転を停止させる部分である。係止部134には回転方向に面する係止面136(「第2被係止面」として機能する)が形成されている。本体130の上面には、ウォーム62と嵌合して互いを高精度に位置決めする嵌合突起138が設けられている。また、本体130の下面には、シャフト60と嵌合して互いを高精度に位置決めする嵌合突起140が設けられている。
A locking
図9は、ラック70の動作を模式的にに示す図である。(A)はラック70が上死点に到達したときの状態を示し、(B)はラック70が下死点に到達したときの状態を示す。なお、各図は、ラックガイド44の背面側(ガイド部68側)からみた図に相当する。
FIG. 9 is a diagram schematically showing the operation of the
図9(A)に示すように、ロータ31の正転によりラック70が上死点に到達すると、係止部72の係止面122が、ストッパ99の係止面112と当接してこれを係止する。その結果、ロータ31の回転が停止され、弁体34の閉弁方向への駆動も停止される。このとき、ストッパ99が係止部72に当接すると同時に、受圧部114がストッパ99とは反対側から係止部72を受けるため、係止部72に作用する回転方向の力を圧縮力とすることができる。それにより、係止部72に剪断力による局部的な力が作用することを防止でき、その耐久性を維持することができる。
As shown in FIG. 9A, when the
一方、図9(B)に示すように、ロータ31の逆転によりラック70が下死点に到達すると、係止部74の係止面124が、係止部134の係止面136と当接してこれを係止する。その結果、ロータ31の回転が停止され、弁体34の開弁方向への駆動も停止される。このとき、係止部134が係止部74に当接すると同時に、受圧部116が係止部134とは反対側から係止部74を受けるため、係止部74に作用する回転方向の力を圧縮力とすることができる。それにより、係止部74に剪断力による局部的な力が作用することを防止でき、その耐久性を維持することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the
なお、本実施形態では、シャフト60およびガイド部材38による作動変換機構のねじピッチが0.5mmに設定されているのに対し、ウォーム62およびラック70によるストッパ機構のねじピッチは1.2mmとされている。すなわち、ストッパ機構のねじピッチが、作動変換機構のねじピッチよりも大きくされている。これにより、精密な弁開度調整を可能とする一方で、シャフト60の1回転あたりのラック70の並進量を大きくすることができる。それにより、係止部72とストッパ99との当接面、および係止部74とストッパ64との当接面を大きくとることができ、それらの係止力を十分に確保できるようにされている。
In this embodiment, the screw pitch of the operation converting mechanism by the
以上のように構成された制御弁1は、モータユニット4の駆動制御によってその弁開度を調整可能なステッピングモータ作動式の制御弁として機能する。以下、制御弁1の全体動作について説明する。図10は、制御弁の動作を表す断面図である。既に説明した図1は閉弁状態を示し、図10は全開状態を示している。
The
制御弁1の流量制御において、車両用冷暖房装置の図示しない制御部は、設定開度に応じたステッピングモータの駆動ステップ数を演算し、励磁コイル88に駆動電流(駆動パルス)を供給する。それによりロータ31が回転すると、それに伴ってシャフト60も回転する。このとき、シャフト60は、ガイド部材38との間のねじ機構により上下方向、つまり弁部の開閉方向に並進し、弁部の開度が設定開度に調整される。すなわち、このねじ機構は、ロータ31の軸線周りの回転運動をシャフト60(作動ロッド32)の軸線方向の並進運動(直進運動)に変換することにより弁体34を弁部の開閉方向に駆動する「作動変換機構」として機能する。
In the flow control of the
また、ラック70がガイド部68にそって駆動されることにより、弁体34の動作範囲は、図1に示される下死点と図10に示される上死点との範囲に規制される。すなわち、図1に示す閉弁状態からロータ31が一方向に回転駆動(正転)されることにより、弁体34が開弁状態となる。すなわち、ロータ31とともに回転するシャフト60がねじ機構によって上昇し、圧入ブッシュ67が弁体34を吊り上げるようにして開弁方向に変位させる。このとき、シャフト60と一体に上昇するウォーム62に対し、ラック70は反対方向(つまり下方)に並進する。ロータ31が一方向に回転されるにつれて弁部の開度が大きくなり、ラック70が下死点に到達すると、図10に示すように、ストッパ64ひいてはロータ31の回転が係止され、弁体34は全開位置に停止される。
Further, when the
一方、ロータ31が他方向(反対方向)に回転駆動(逆転)されると、弁部の開度は小さくなる。すなわち、ロータ31とともに逆回転するシャフト60がねじ機構によって下降し、弁体34が圧入ブッシュ67に支持されたまま閉弁方向に変位する。このとき、スプリング63の付勢力がばね受け65を介して弁体34に伝達されるため、弁体34は圧入ブッシュ67と一体に安定に変位する。このとき、シャフト60と一体に下降するウォーム62に対し、ラック70は反対方向(つまり上方)に並進する。それにより、ラック70が上死点に到達すると、図1に示すように、ストッパ99ひいてはロータ31の回転が係止され、弁体34は閉弁位置に停止される。なお、弁体34が弁座26に着座すると同時に圧入ブッシュ67との係合状態が解除されるため、弁体34と弁座26との間に過度な押圧力が作用することもない。
On the other hand, when the
このように、ロータ31の回転によりシャフト60とラック70とが軸線方向に対して互いに反対向きに並進するように構成され、ラック70がロータ31の内部空間に収まるように変位する。このため、制御弁1の内部機構全体としての軸線方向の並進ストロークを小さく抑えることができ、制御弁1をコンパクトに構成することができる。
As described above, the rotation of the
ロータ31の回転数は制御指令値としての駆動ステップ数に対応するため、図示しない制御部は、制御弁1を任意の開度に制御することができる。本実施形態では、ロータ31の1回転あたり、弁体34が0.5mmストロークする。
Since the rotation speed of the
以上に説明したように、本実施形態によれば、シャフト60の回転範囲を規制するストッパ機構にラック70を採用したことで、構造上十分な剛性を確保することができる。また、ボディ5(第2ボディ8)に一体に設けられたラックガイド44に沿ってラック70を並進方向にガイドするようにしたため、ラック70の挙動を安定に維持することができる。その結果、ストッパ機構を安定に機能させることができる。また、ウォーム62、ラック70およびラックガイド44を樹脂材にて構成したため、ウォーム62が回転方向および並進方向に動作する際の作動音や、ストッパ機構が機能したときの衝突音を小さく抑えることができる。また、これらの部品が樹脂材からなるため、振動を大きくするような共振点がないといったメリットもある。
As described above, according to the present embodiment, the
また、ボディ5(第2ボディ8)において弁孔24との同軸度が確保された円ボス部52に対し、段付円筒状のラックガイド44の大径部46が嵌合される。それにより、ラックガイド44と弁孔24との同軸度が高精度に得られる。一方、ボディ5には弁孔24との同軸度が確保された滑り軸受36がさらに設けられている。ラックガイド44の小径部48は、大径部46との同軸度が確保されている。このため、作動ロッド32の一端側の軸受となる滑り軸受36と、他端側の軸受となる小径部48との同軸度を高精度に得ることができる。また、小径部48がロータ31の内部空間に延出することで、その小径部48と滑り軸受36との間隔、つまり軸受間隔を十分にとることができる。すなわち、ロータ31の回転軸となる作動ロッド32を片持ちではなく両持ち状態にて支持することができ、しかも両軸受の同軸度を確保することができる。このため、車両に搭載されて振動を受けたとしてもロータ31の振れ回りを防止又は抑制でき、その回転を安定に維持することができる。その結果、制御弁1としての耐震性を高めることができる。
Further, the large-
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention. Nor.
上記実施形態では、制御弁を、1つの導入ポートに対して1つの導出ポートを有する二方弁として構成する例を示した。変形例においては、1つの導入ポートに対して2つの導出ポートを有する三方弁、あるいは2つの導入ポートに対して2つの導出ポートを有する四方弁として構成することもできる。 In the above-described embodiment, an example in which the control valve is configured as a two-way valve having one outlet port with respect to one inlet port has been described. In a modification, it can also be configured as a three-way valve having two outlet ports for one introduction port or a four-way valve having two outlet ports for two introduction ports.
上記実施形態では、制御弁として弁座に着脱して弁部を開閉する構造を示したが、弁孔に挿抜されて弁部を開閉するものでもよい。また、上記実施形態では、制御弁として弁体を並進させて弁部を開閉する構造を示したが、弁体を軸線周りに回動させて弁部を開閉するバタフライ弁としてもよい。その場合、ロータの回転動作をシャフトの並進動作に変換する作動変換機構は省略される。 In the above-described embodiment, the structure in which the valve portion is opened / closed by attaching / detaching to / from the valve seat as the control valve is shown. Moreover, in the said embodiment, the structure which opens and closes a valve part by translating a valve body as a control valve was shown, However, It is good also as a butterfly valve which rotates a valve body around an axis line and opens and closes a valve part. In this case, an operation conversion mechanism that converts the rotation operation of the rotor into the translation operation of the shaft is omitted.
上記実施形態では、ストッパ機構として、ロータ側のストッパが回転方向に係止される構成(ストッパおよびラックの各係止面が回転方向に面する構成)について示したが、ラックが軸線方向に係止される構成(ストッパおよびラックの各係止面が軸線方向に面する構成)としてもよい。 In the above embodiment, the stopper mechanism has been described with respect to the configuration in which the stopper on the rotor side is locked in the rotational direction (configuration in which the locking surfaces of the stopper and the rack face in the rotational direction). It is good also as a structure stopped (structure in which each locking surface of a stopper and a rack faces an axial direction).
上記実施形態では、作動変換機構のねじピッチとストッパ機構のねじピッチとを異ならせたが、これらを等しくしてもよい。 In the above embodiment, the screw pitch of the operation conversion mechanism and the screw pitch of the stopper mechanism are made different from each other.
上記実施形態では、支持部として第2ボディ8に別部材としての滑り軸受36を圧入する構成を示したが、第2ボディ8に対して支持部としての支持孔を一体成形してもよい。その場合、その支持孔に対してDLC等の固体潤滑コーティングを施してもよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the sliding
上記実施形態では、ボディ5を第1ボディ6と第2ボディ8とに分割して構成したが、一体に構成してもよい。その場合、ボディ5を旋盤にて旋削できるよう、円筒状に構成するのが好ましい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、制御弁を電気自動車の冷暖房装置に適用する例を示したが、内燃機関を搭載した自動車や、内燃機関と電動機を同載したハイブリッド式の自動車の冷暖房装置にも適用可能であることは言うまでもない。さらに、車両に限らず電気駆動弁を搭載する装置に適用可能であり、また、水やオイルなど冷媒以外の流体が流れる装置に適用可能であることはもちろんである。 In the above embodiment, an example in which the control valve is applied to an air conditioning apparatus for an electric vehicle has been described. However, the control valve can also be applied to an air conditioning apparatus for an automobile equipped with an internal combustion engine or a hybrid automobile equipped with an internal combustion engine and an electric motor. Needless to say. Furthermore, the present invention can be applied not only to a vehicle but also to a device equipped with an electrically driven valve, and can be applied to a device in which a fluid other than a refrigerant such as water or oil flows.
なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment and modification, A component can be deform | transformed and embodied in the range which does not deviate from a summary. Various inventions may be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments and modifications. Moreover, you may delete some components from all the components shown by the said embodiment and modification.
1 制御弁、 2 弁本体、 4 モータユニット、 5 ボディ、 6 第1ボディ、 8 第2ボディ、 10 導入ポート、 12 導出ポート、 20 取付孔、 24 弁孔、 26 弁座、 31 ロータ、 32 作動ロッド、 33 ステータコイル、 34 弁体、 35 キャン、 36 滑り軸受、 38 ガイド部材、 39 雌ねじ、 44 ラックガイド、 52 円ボス部、 60 シャフト、 62 ウォーム、 64 ストッパ、 66 雄ねじ、 67 圧入ブッシュ、 68 ガイド部、 70 ラック、 72,74 係止部、 99 ストッパ、 112 係止面、 114,116 受圧部、 122,124 係止面、 134 係止部、 136 係止面、 138,140 嵌合突起。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
上流側から流体を導入する導入ポートと、下流側へ流体を導出する導出ポートと、前記導入ポートと前記導出ポートとを連通する流体通路とを有するボディと、
前記流体通路に設けられた弁部を開閉する弁体と、
前記弁体を前記弁部の開閉方向に駆動するためのロータを含むステッピングモータと、
前記ロータに同軸状に設けられ、先端部にて前記弁体を支持するシャフトと、
前記シャフトの一方向および他方向への回転量を制限するためのストッパ機構と、
を備え、
前記ストッパ機構は、
前記シャフトに一体に設けられたウォームと、
前記ウォームと噛合するラックと、
前記ボディに一体に設けられ、前記ラックを前記ウォームの軸線と平行に並進させるようにガイドするラックガイドと、
前記ウォームの一端側にて前記シャフトと一体に設けられ、一方向に移動してきた前記ラックと互いを係止することにより前記シャフトの回転を規制する第1ストッパと、
前記ウォームの他端側にて前記シャフトと一体に設けられ、他方向に移動してきた前記ラックと互いを係止することにより前記シャフトの回転を規制する第2ストッパと、
を含むことを特徴とする制御弁。 In stepping motor drive type control valve,
A body having an introduction port for introducing a fluid from the upstream side, a derivation port for deriving the fluid to the downstream side, and a fluid passage communicating the introduction port and the derivation port;
A valve body for opening and closing a valve portion provided in the fluid passage;
A stepping motor including a rotor for driving the valve body in the opening and closing direction of the valve portion;
A shaft that is coaxially provided on the rotor and supports the valve body at a tip portion;
A stopper mechanism for limiting the amount of rotation in one direction and the other direction of the shaft;
With
The stopper mechanism is
A worm provided integrally with the shaft;
A rack meshing with the worm;
A rack guide that is provided integrally with the body and guides the rack to translate parallel to the axis of the worm;
A first stopper that is provided integrally with the shaft on one end side of the worm and restricts the rotation of the shaft by locking the rack that has moved in one direction;
A second stopper which is provided integrally with the shaft on the other end side of the worm and regulates the rotation of the shaft by locking the rack and the rack which have moved in the other direction;
A control valve comprising:
前記ラックは、前記ウォームよりも軸線方向に小さく構成され、前記ガイド部と嵌合することにより回転が規制され、前記ウォームの回転にともなって前記ガイド部により並進方向にガイドされることを特徴とする請求項1に記載の制御弁。 The rack guide has a guide portion extending in parallel with the axis of the worm,
The rack is configured to be smaller in the axial direction than the worm, is restricted in rotation by fitting with the guide portion, and is guided in the translational direction by the guide portion as the worm rotates. The control valve according to claim 1.
前記ウォームが、前記シャフトに外挿されるようにして固定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の制御弁。 While the shaft is made of a metal material, the worm, the rack, and the rack guide are made of a resin material,
The control valve according to claim 1, wherein the worm is fixed so as to be extrapolated to the shaft.
前記第2ストッパは、他方の回転方向に面する第2被係止面を有し、
前記ラックは、前記第1被係止面を前記一方の回転方向に係止可能な第1係止面を一端側に有し、前記第2被係止面を前記他方の回転方向に係止可能な第2係止面を他端側に有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の制御弁。 The first stopper has a first locked surface facing in one rotation direction,
The second stopper has a second locked surface facing the other rotation direction,
The rack has, on one end side, a first locking surface that can lock the first locked surface in the one rotation direction, and locks the second locked surface in the other rotation direction. The control valve according to claim 1, further comprising a second locking surface that can be provided on the other end side.
前記シャフトが前記ロータの内部空間を貫通するように設けられ、
前記ラックガイドが前記ロータの内部空間に延設されることにより、前記ラックがその内部空間において変位するように構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の制御弁。 The rotor has a hollow shape,
The shaft is provided so as to penetrate the inner space of the rotor;
The control valve according to any one of claims 1 to 4, wherein the rack guide is extended in an internal space of the rotor so that the rack is displaced in the internal space. .
前記弁体は、前記流体通路に設けられた弁孔に接離して弁部を開閉し、
前記作動変換機構は、前記シャフトに一体に設けられた雄ねじ部と、前記ボディに一体に設けられて前記雄ねじ部と噛合する雌ねじ部とを含み、
前記第1ストッパは、一方向に移動してきた前記ラックと互いを係止することにより前記シャフトの並進を規制し、
前記第2ストッパは、他方向に移動してきた前記ラックと互いを係止することにより前記シャフトの並進を規制することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の制御弁。 An operation conversion mechanism for driving the valve body in the opening / closing direction of the valve portion by converting rotational movement around the axis of the rotor into translational movement in the axial direction of the shaft;
The valve body opens and closes a valve portion in contact with and away from a valve hole provided in the fluid passage,
The operation conversion mechanism includes a male screw part integrally provided on the shaft, and a female screw part integrally provided on the body and meshing with the male screw part,
The first stopper regulates the translation of the shaft by locking the rack that has moved in one direction with each other,
The control valve according to claim 1, wherein the second stopper restricts the translation of the shaft by locking the rack that has moved in the other direction with each other.
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