JP7209384B2 - 電動弁 - Google Patents

Description

本発明は、電動弁に関し、例えば、冷凍サイクルに組み込まれて冷媒等の流体の流量制御に用いられる電動弁に関する。

従来から、電動モータを用いて弁の開閉を行ういわゆる電動弁として、ロータの回転を直接ねじ機構に伝達して弁の開閉を行うようにしたものが知られている。このような電動弁に対し、より高負荷の条件で弁を開閉させ、あるいは弁開度の分解能をさらに高めることが求められている。

これに対し本出願人は、特許文献１に示すように、ロータの回転を遊星ギヤ式減速機構で減速してねじ機構に伝達するようにした電動弁を提案している。かかる電動弁では、ロータの単位回転当たりのトルクが大きくなるので、負荷が高い条件下でも使用でき、また１駆動パルス当たりの弁開度の分解能を高くすることができる。

特許第４８１７６７１号明細書

ところで、太陽ギヤの上端に一体に形成された太陽ギヤ部材の下面とリングギヤの上面とを対向して配置している遊星ギヤ式減速機構においては、その構造上、両者を当接させると摺動が生じる。一方で、コスト低減の観点からは、一般的には太陽ギヤとリングギヤとを樹脂素材から形成することが好ましいとされる。ところが、同じ樹脂素材から形成した太陽ギヤ部材の下面とリングギヤの上面とを摺動させると、これらの部材の摺動面間の相対速度が高いため早期摩耗を招く虞れがある。そこで特許文献１では、板ばねを設置して太陽ギヤ部材を一方向に付勢し、リングギヤから太陽ギヤ部材を離間させるようにしている。しかしながら、コスト削減の観点から板ばねを省略したいという要請がなされている。

本発明の目的は、コストを抑制しつつ、耐摩耗性に優れた電動弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による電動弁は、
弁座を有する弁本体と、
前記弁本体に固定されたステータおよび前記ステータに対して回転駆動されるロータを有するモータと、
前記ロータの回転を減速して出力ギヤに伝達する遊星ギヤ式減速機構と、
前記弁座に対して接離するように軸線方向に移動可能となっている弁体と、
前記出力ギヤの回転移動を前記弁体の軸線方向移動に変換する送りねじ機構と、
を備えた電動弁において、
前記遊星ギヤ式減速機構は、
前記ロータに連結された太陽ギヤと、
前記太陽ギヤに噛合する遊星ギヤと、
前記遊星ギヤを回転自在に支持するキャリヤと、
前記遊星ギヤに噛合する環状のリングギヤと、
前記太陽ギヤの軸線方向端に当接する摺動部材と、
を備え、
前記出力ギヤは、前記リングギヤと異なる歯数を備え、且つ前記遊星ギヤに噛合しており、
前記摺動部材は、前記太陽ギヤの素材とは異なる異種素材から形成されており、
前記摺動部材は、前記太陽ギヤと前記キャリヤとの間に配置され、これら少なくとも一方に対して摺動する環状体であり、
前記遊星ギヤ式減速機構は、前記ロータと前記太陽ギヤとを連結する太陽ギヤ部材とをさらに備え、
前記リングギヤは、前記太陽ギヤ部材と対面して配置され、
前記摺動部材は、前記太陽ギヤと前記キャリヤとに当接することで、前記太陽ギヤ部材の下面と前記リングギヤの上面とを離間させ、
前記リングギヤと前記太陽ギヤとを互いに離間させる付勢部材を有しない、ことを特徴とする。

さらに前記摺動部材は、前記太陽ギヤと前記キャリヤとの間に配置され、これら少なくとも一方に対して摺動する環状体であることを特徴とする。

前記摺動部材は、前記太陽ギヤの軸線方向端に対して摺動するとともに、前記出力ギヤに連結され、前記送りねじ機構に回転力を伝達する出力軸であると好ましい。
ことを特徴とする。

前記太陽ギヤが樹脂の素材であり、前記摺動部材は、金属、セラミックまたはガラスの素材であると好ましい。

本発明によれば、コストを抑制しつつ、耐摩耗性に優れた電動弁を提供することができる。

本実施の形態にかかる電動弁を示す全体縦断面図である。 図１に示す電動弁に用いられている遊星ギヤ式減速機構を分解して示す斜視図である。 図２に示す遊星ギヤ式減速機構の遊星ギヤとキャリヤを分解して示す斜視図である。 図１の構成におけるキャン３０内部を拡大して示す図である。 別な実施の形態にかかる電動弁の図４と同様な断面図である。

以下、図面を参照して、本発明にかかる実施形態における電動弁について説明する。なお、以下の実施形態及び比較例の説明において、同一の機能を有する部位、部材については同一の符号を付し、同一の符号が付された部位、部材についての繰り返しとなる説明は省略する。

（異種素材及び軸線方向の定義）
ここで、２つの部材同士を摺動させたとき「凝着摩耗」が発生する場合、その部材が形成される素材を同種素材という。また、「異種素材」とは同種素材でない素材をいい、すなわち２つの部材同士を摺動させたとき「凝着摩耗」が発生しない場合には、一方の部材の素材に対して他方の部材の素材が異種素材に相当する。異種素材の例としては、例えば任意の素材を金属、樹脂、セラミック、ガラス等のカテゴリーに分類したとき、カテゴリー違いの素材同士が相当する。また、「軸線方向」とは、ここでは弁本体の軸線方向をいうものとする。

（実施形態１）
図１は、本実施の形態にかかる電動弁を示す全体縦断面図である。図２は、図１に示す電動弁に用いられている遊星ギヤ式減速機構を分解して示す斜視図であるが、理解しやすいように一部をカットして示している。図３は、図２に示す遊星ギヤ式減速機構の遊星ギヤとキャリヤを分解して示す斜視図である。

電動弁１は、励磁作用により動作しステータ２とロータ組立体（ロータともいう）８とから成るモータを備える駆動部１ａと、当該駆動部１ａによる回転駆動力が入力されて歯車減速を行い減速した回転力を出力するギヤ減速機部１ｂと、当該ギヤ減速機部１ｂで減速された回転をねじ作用によって軸線方向の変位に変換して出力する送りねじ機構１ｃとを備えている。

キャン３０は、受け部材６８を介して弁本体１０に固着された気密容器であって、薄肉の有頂円筒状を有する。駆動部１ａは、ステータ２と、ステータ２によって回転駆動される永久磁石型のロータ組立体８とを有している。ステータ２は、キャン３０の外周部に固定配設されており且つボビンに巻き付けられたコイル１４０が樹脂と一体にモールドされて構成された電動モータの励磁装置である。ロータ組立体８は、キャン３０の内部に回転自在に支持されている。ステータ２とロータ組立体８とにより、電動モータの一例としてのステッピングモータを構成している。

ステータ２は、板ばねにより形成された取付用金具１８０によりキャン３０に対して着脱自在に嵌装される。この例では、キャン３０に形成されたドーム部１０２が取付用金具１８０に形成された穴１８２に弾性的に嵌合し、それによりステータ２がキャン３０に対して位置決めされている。ステータ２の励磁のため、コイル１４０にはリード１４２を介して外部の電源から給電される。

弁本体１０は、その内部に弁室１４が形成されるとともに、その底部１５には弁本体１０の底面に開口するオリフィス１６が形成されている。弁本体１０には、弁室１４の側面に連通する配管２２、及びオリフィス１６の下端に連通する配管２０が固着されている。

ギヤ減速機部１ｂは、ロータ組立体８の回転を減速する遊星ギヤ式減速機構（以下、「減速機構」と略す）４０から成っている。

減速機構４０は、図２に示すように、ロータ組立体８と一体の太陽ギヤ４１と、例えばプラスチックを成型加工して形成されているキャリヤ４２に回転自在に支持され且つ太陽ギヤ４１と噛み合う複数（この例では３個）の軸線方向に長い遊星ギヤ４３と、太陽ギヤと同心に配置されていて弁本体１０に対して固定支持されており且つ各遊星ギヤ４３の一部分（上側部分）と噛み合うリングギヤ４４と、有底円筒状に形成されておりリングギヤ４４の歯数と僅かに歯数が異なる内歯が内周に形成された（即ち、リングギヤ４４とは転位関係にある）出力ギヤ４５とを備えている。太陽ギヤ４１、キャリヤ４２、リングギヤ４４及び出力ギヤ４５は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）から形成されている。

図３において、キャリヤ４２は、３つの柱部４２ａを平行に上面外周に植設してなる下部円盤４２ｂと、環状のプレート４２ｃとを有する。柱部４２ａの上端には、円筒状の突起４２ｄが形成され、プレート４２ｃには、それに対応して３つの貫通孔４２ｅが形成されている。

一方、亜鉛合金から形成された遊星ギヤ４３は、その軸線方向両端に円筒状の凸部４３ａ（上端側のみ図示）を有する。それに対向して、下部円盤４２ｂには軸孔４２ｆが形成され、プレート４２ｃには軸孔４２ｇが形成されている。

キャリヤ４２と遊星ギヤ４３との組み付けは、以下のようにして行う。まず、凸部４３ａを軸孔４２ｆに嵌合させながら、遊星ギヤ４３を下部円盤４２ｂに組み付けた後、さらに軸孔４２ｇに凸部４３ａを嵌合させ、且つ柱部４２ａの突起４２ｄに貫通孔４２ｅを係合させるようにしてプレート４２ｃを組み付ける。その後、例えば超音波溶着手段を介して突起４２ｄを溶着することにより、プレート４２ｃを柱部４２ａに固定することができる。軸孔４２ｆ、４２ｇと凸部４３ａとは相対回転可能であるため、遊星ギヤ４３はキャリヤ４２に対して回転自在となる。なお、キャリヤ４２の組み付け手法は、以上に限られない。

図２から明らかなように、各遊星ギヤ４３は、リングギヤ４４と噛み合うと同時に、一部分（下側部分）において、出力ギヤ４５の内歯と噛み合っている。図１において、減速機構４０によって減速されたロータ組立体８の回転力は、出力ギヤ４５を介して送りねじ機構１ｃの出力軸（ドライバ）４６に伝達される。ステンレス製である出力軸４６は、その上端が出力ギヤ４５に同軸に固着されている。

ロータ組立体８は、磁性材料を含有するプラスチック材料（ここではＰＰＳ）によって、周壁としての筒体２０２と中央に配設される太陽ギヤ部材２０４とが一体に有頂筒状に成型されており、太陽ギヤ部材２０４を軸線方向に貫通するシャフト２０１によって、キャン３０内部において回転自在に配設されている。図２に示すように、太陽ギヤ部材２０４の中心に植設された円筒の外周に太陽ギヤ４１が形成されている。リングギヤ４４は、例えばプラスチックを成型加工して作られたリング状のギヤであり、下部が弁本体１０の上部に嵌合されている円筒状の部材であるギアケース２２０の上部に固着されている（図１参照）。

このような構成によれば、電動モータの出力回転が入力される太陽ギヤ４１が自転回転をすると、太陽ギヤ４１とリングギヤ４４とに噛み合う遊星ギヤ４３が自転しながら太陽ギヤ４１の回りを公転回転する。遊星ギヤ４３は、リングギヤ４４との関係で転位した関係にある出力ギヤ４５と噛み合っているので、遊星ギヤ４３のこの回転により、出力ギヤ４５は、転位の程度（歯数差）に応じてリングギヤ４４に対して例えば５０対１程度の相対的に非常に高い減速比で回転する。遊星ギヤ４３が転位した関係にあるリングギヤ４４と出力ギヤ４５とに噛み合っている遊星ギヤ機構は不思議遊星ギヤ機構と称されている。

本実施の形態によれば、太陽ギヤ４１の軸線方向端に当接する摺動部材を設けており、かかる摺動部材は、太陽ギヤ４１に対して異種素材から形成されている。したがって、太陽ギヤ４１との摺動により摩耗（主に凝着摩耗）が生じないため、ばね部材等によりキャリヤ４２に対して太陽ギヤ４１を離間する方向に付勢することなく、太陽ギヤ４１の摩耗を抑制することができる。以下、摺動部材を含めて、具体的に説明する。

図４は、図１の構成におけるキャン３０内部を拡大して示す図である。キャリヤ４２の下部円盤４２ｂは、図４に示すように、シャフト２０１を貫通する円形開口４２ｈを中央に有している。また、シャフト２０１が軸線方向に貫通する太陽ギヤ４１は、先端（下端）に環状のボス４１ａを有している（図２に一部図示）。

さらに、環状のボス４１ａと下部円盤４２ｂとの間には、ステンレス製である薄板状の環状体４８（図４にハッチングにて図示）が配置されている。摺動部材としての環状体４８は、ボス４１ａと同径のワッシャであってよい。

図１において、送りねじ機構１ｃは、筒状軸受５０、ねじ軸５２及びボール６５を備えている。筒状軸受５０は、その下端部が弁本体１０内に嵌入しており、弁本体１０の段差部６４に対して、上側フランジ部７５を介して支持された状態で、プレス加工等の手段によって弁本体１０から抜け出し不能に取り付けられる。

筒状軸受５０は、その上端面にて減速機構４０の出力ギヤ４５を下側から支えており、筒状軸受５０の中空上部には減速機構４０の出力軸４６が挿入されている。筒状軸受５０の中空下部に形成されている雌ねじ部５１には、ねじ軸５２の外周に形成されている雄ねじ部５３が螺合している。また、ねじ軸５２に設けられている平ドライバ部である凸状部５４が減速機構４０の出力軸４６の下端部に形成されているスリット状の凹部５５に差し込まれていて、出力軸４６の回転をねじ軸５２に伝達する。ねじ軸５２の下端には凹部が形成されており、ボール６５が当該凹部に嵌まり込んだ状態でねじ軸５２に固着されている。

ねじ軸５２の回転は、筒状軸受５０との間のねじ作用によって軸線方向の移動に変換され、ボール６５及びボール受け部材６６を介して弁軸６０側へ伝達される。なお、ねじ軸５２に凹部を設け、凹部に差し込まれる凸状部を出力軸４６に設けるようにしてもよい。

送りねじ機構１ｃにおいてねじ軸５２を開弁方向へ移動させるときには、雌ねじ部５１と雄ねじ部５３の間のバックラッシュを除去するため、弁本体１０には、弁軸６０を開弁方向に付勢するコイルばね７０が設けられている。コイルばね７０を支持するため、弁室１４には金属製の有底筒状のばね受け７３が配設されている。このばね受け７３は、弁軸６０の上部外周との間に円管状の空間を開けて覆う筒状の周壁７４と、その上端から外方へ放射状に延在する上側フランジ部７５と、周壁７４の下端から弁軸６０の外周まで放射状に延在する下側フランジ部７６と、下側フランジ部７６から更に弁軸６０と同軸に延在する筒状のガイド部７８とを有している。ガイド部７８の内周が、弁軸６０の外周面に対して摺動し、弁軸６０を案内する孔７７となっている。

弁軸６０と周壁７４との間の空間に配置されたコイルばね７０は、その上端部が弁軸６０の大径部６７に当接しており、その下端部がばね受け７３の下側フランジ部７６に当接することによって、圧縮された状態に支持されている。周壁７４の上側フランジ部７５は、弁本体１０の弁穴６３の下端に形成されている段差部６４と、弁穴６３に装着された筒状軸受５０の下端部との間に挟み込まれて固定されている。

ばね受け７３に圧縮状態に保持されたコイルばね７０のばね力によって弁軸６０は常に開弁方向（送りねじ機構１ｃの方向）に付勢されており、送りねじ機構１ｃからの力によって弁軸６０を閉弁方向に押し下げるときには、コイルばね７０のばね力に抗して弁軸６０を下げ、弁軸６０の先端に形成されている弁体６１を弁座６２に座着させてオリフィス１６を閉じる。

ねじ軸５２はロータ組立体８の回転に対して、微少回転数での回転が可能となり、その回転に応じたねじ軸５２の軸線方向変位は微小変位で制御可能となるので、弁軸６０の弁座６２に対する位置はギヤ減速機部１ｂによって高い分解能で位置決めされ、弁体６１とオリフィス１６の間の流路面積は高精度に制御され、通過する冷媒流量を高精度で調節することができる。即ち、分解能の高い弁開度制御が達成される。送りねじ機構１ｃを開弁方向に作動させるときには、コイルばね７０のばね力によって、弁軸６０はねじ軸５２の上昇に追従して移動する。

図１に示された電動弁においては、ばね受け７３のガイド部７８内側（孔７７）と弁軸６０との間の微小な間隙、並びに弁本体１０及び筒状軸受５０等に適宜に設けられた間隙を通して、キャン３０内に冷媒が導入されるようになっている。ばね受け７３のガイド部７８と弁軸６０との間の微小な間隙は、冷媒に含まれる可能性のある異物がキャン３０内に侵入するのを防止する作用がある。

本実施形態の電動弁１は、出力ギヤ４５と出力軸４６が一体となって回転及び軸線方向に移動する。かかる構造を設けたため、出力ギヤと出力軸の間に複雑な継手構造を設ける必要がなく、簡素な電動弁１を提供できる。

本実施形態にかかる電動弁１の動作を説明する。開弁信号に応じて外部電源からリード１４２を介して電力が供給されると、ステータ２が磁力を発生する。かかる磁力に基づいてロータ組立体８が回転駆動され、所定方向に回転力を発生する。かかる回転力は太陽ギヤ４１に伝達され、減速機構４０を介して減速され、出力ギヤ４５に伝達される。さらに出力ギヤ４５の回転移動は、送りねじ機構１ｃを介してねじ軸５２の上昇移動に変換されるので、コイルばね７０のばね力によって付勢された弁軸６０はねじ軸５２の上昇に追従し、弁体６１が弁座６２から離間して冷媒の通過を許容する。一方、閉弁信号に応じて外部電源からリード１４２を介して逆特性の電力が供給されると、以上とは逆の動作により、コイルばね７０のばね力に抗して弁軸６０が下降し、弁体６１が弁座６２に着座して冷媒の通過を阻止するようになっている。

本実施形態においては、キャリヤ４２が出力ギヤ４５の底面上に載置されているので、出力ギヤ４５の昇降に応じて、キャリヤ４２及び遊星ギヤ４３も昇降する。

かかる場合、仮に従来技術のばね部材も、環状体４８も設けないとすると、ロータ組立体８に設けられた太陽ギヤ部材２０４の下面が、リングギヤ４４の上面に当接し、減速機構の動作中に互いに摺動することとなる。

そこで、かかる不具合を防止するために、本実施形態ではボス４１ａと下部円盤４２ｂとの間に、比較的に安価に製造できるステンレス製の環状体４８を摺動部材として配置したのである。これにより、ボス４１ａと環状体４８との間、または環状体４８と下部円盤４２ｂとの間で相対的な摺動が生じるが、ボス４１ａ及び下部円盤４２ｂと、環状体４８とは互いに異種素材となるので過酷な条件下でも摩耗が発生することがなく、ボス４１ａの早期摩耗を回避することができる。

（実施形態２）
図５は、別な実施の形態にかかる電動弁のキャン内部の断面図である。本実施の形態においては環状体が用いられておらず、その代わりとして太陽ギヤ４１のボス４１ａに摺動する摺動部材は、出力軸４６（図５にハッチングで示す）が兼ねている。つまり、出力軸４６の上端部が摺動部材として機能している。

より具体的には、キャリヤ４２の下部円盤４２ｂの中央に設けた円形開口４２ｈをより大径化し、さらに出力軸４６の上端を上方へと延長して、円形開口４２ｈに嵌合させている。このとき、下部円盤４２ｂから露出した出力軸４６の上端面は、太陽ギヤ４１のボス４１ａの下面に当接し、電動弁１の動作時に互いに摺動することとなる。ボス４１ａがＰＰＳ製であるのに対し、出力軸４６はステンレス製であるので、両者は互いに異種素材となるため摺動時に摩耗が発生することがなく、それによりボス４１ａの早期摩耗を回避することができる。本実施の形態によれば、従来技術のばね部材を省略することに加えて、部品を追加することなくボス４１ａの摩耗を抑制できるため、組立工程が簡素化される。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様である。

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、上述の実施形態の任意の構成要素の変形が可能である。また、上述の実施形態において任意の構成要素の追加または省略が可能である。

例えば、以上の実施の形態では環状体をステンレス製としたが、他の金属製、あるいはセラミック製またはガラス製としてもよい。

１ 電動弁
１ａ 駆動部
１ｂ ギヤ減速機部
１ｃ 送りねじ機構
２ ステータ
８ ロータ組立体
１０ 弁本体
１４ 弁室
１６ オリフィス
２０，２２ 配管
３０ キャン
４０ 遊星ギヤ式減速機構
４１ 太陽ギヤ
４２ キャリヤ
４３ 遊星ギヤ
４４ リングギヤ
４５ 出力ギヤ
４６ 出力軸
４８ 環状体
５０ 筒状軸受
５１ 雌ねじ部
５２ ねじ軸
５３ 雄ねじ部
５４ 凸状部
５５ 凹部
６０ 弁軸
６１ 弁体
６２ 弁座
６３ 弁穴
６４ 段差部
６５ ボール
６６ ボール受け部材
６７ 大径部
６８ 受け部材
７０ コイルばね
７３ ばね受け
７４ 周壁
７５ 上側フランジ部
７６ 下側フランジ部
７７ 孔
７８ ガイド部
１０２ ドーム部
１４０ コイル
１４２ リード
１８０ 取付用金具
１８２ 穴
２０１ シャフト
２０２ 筒体
２２０ ギアケース

Claims (4)

1. 弁座を有する弁本体と、
   前記弁本体に固定されたステータおよび前記ステータに対して回転駆動されるロータを有するモータと、
   前記ロータの回転を減速して出力ギヤに伝達する遊星ギヤ式減速機構と、
   前記弁座に対して接離するように軸線方向に移動可能となっている弁体と、
   前記出力ギヤの回転移動を前記弁体の軸線方向移動に変換する送りねじ機構と、
   を備えた電動弁において、
   前記遊星ギヤ式減速機構は、
   前記ロータに連結された太陽ギヤと、
   前記太陽ギヤに噛合する遊星ギヤと、
   前記遊星ギヤを回転自在に支持するキャリヤと、
   前記遊星ギヤに噛合する環状のリングギヤと、
   前記太陽ギヤの軸線方向端に当接する摺動部材と、
   を備え、
   前記出力ギヤは、前記リングギヤと異なる歯数を備え、且つ前記遊星ギヤに噛合しており、
   前記摺動部材は、前記太陽ギヤの素材とは異なる異種素材から形成されており、
   前記摺動部材は、前記太陽ギヤと前記キャリヤとの間に配置され、これら少なくとも一方に対して摺動する環状体であり、
   前記遊星ギヤ式減速機構は、前記ロータと前記太陽ギヤとを連結する太陽ギヤ部材とをさらに備え、
   前記リングギヤは、前記太陽ギヤ部材と対面して配置され、
   前記摺動部材は、前記太陽ギヤと前記キャリヤとに当接することで、前記太陽ギヤ部材の下面と前記リングギヤの上面とを離間させ、
   前記リングギヤと前記太陽ギヤとを互いに離間させる付勢部材を有しない、
   ことを特徴とする電動弁。
2. 前記キャリヤは前記軸線方向に昇降し、
   前記摺動部材は、前記キャリヤに備えられ、前記キャリヤが上昇した場合に前記太陽ギヤに当接する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 前記太陽ギヤの軸線方向端は、環状のボスを備え、
   前記摺動部材は、前記環状のボスの素材とは異なる異種素材から形成されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動弁。
4. 前記摺動部材は、前記環状のボスと同径のワッシャである、
   ことを特徴とする請求項３に記載の電動弁。

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