JPH10274351A - 弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複雑な制御回路を必要とせず動作が確実でかつ
低消費電力の弁を提供することを目的とする。 【解決手段】開口１２が形成された弁座１、軸方向Ａに
移動自在な弁棒２、弁棒２に取り付けられ弁棒２の軸方
向Ａへの移動に応じて弁座１に接離することにより開口
１２を開閉する弁体３、弁棒２もしくは弁体３を、弁体
３が開口１２を閉塞する方向に付勢するスプリング４、
スプリング４の付勢力に抗して弁体３が開口１２を解放
する方向に弁棒２を移動させるためのモータ５、および
モータ５と弁棒２との間に介在し、弁棒２を閉弁位置か
ら開弁位置に移動させるにあたり、閉弁位置から開弁位
置に向かう初期はモータ５の単位回転量当たりの弁棒２
の移動量が相対的に小さく、初期を過ぎた後はモータ５
の単位回転量当たりの弁棒２の移動量が相対的に大きく
なるように形状が定められたカム６を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスなどの流体の
流れを開閉する弁に関し、特に小電力で作動可能な電動
式の弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスなどの流体の流れを開閉する
ための弁として、電動式のねじ駆動機構によって弁体を
弁座に接離する方式の弁が知られている。この方式の弁
は、弁の開閉に大きな力を要するため、消費電力が大き
くかつ特殊な駆動機構を必要とするという問題がある。
例えば、都市ガスなどにおける利用者末端の管路に用い
られる口径２８ｍｍの弁で差圧５００ｍｍＨ₂ Ｏのガス
を開閉するのに要する力を計算すると、この弁の閉弁状
態では弁体には約３４０ｇの背圧が作用しているので、
この弁を開弁するためには、弁抑え用のスプリング力を
加え開弁初期には約５００ｇ程度の力で弁体を移動させ
る必要がある。その開弁初期を過ぎ、弁体が移動して弁
体と弁座との間に間隙が生じると、その間隙により背圧
が減少しその後は小さい力で弁体を開弁位置に移動させ
ることができるが、モータの選定に当たっては、開弁初
期の最大負荷時を基準とする必要があり、消費電力の大
きなモータを使用する必要がある。

【０００３】そこで、例えば、実開平−３８４４６号公
報には、モータを駆動源とするガス遮断弁において、モ
ータの回転軸に設けられた、ピッチが漸増するリードス
クリュウと、このリードスクリュウの溝と係合するボー
ルと、このボールを保持する弁体とを備えた可変ピッチ
スクリュウ方式の弁が開示されている。この弁では、開
弁初期の高背圧時には弁体を低速度・高トルクで移動さ
せ、開弁後期の低背圧時には弁体を高速度・低トルクで
移動させることにより、モータの消費電力を低減させて
いる。

【０００４】しかし、この方式は、複雑な機構を必要と
する上、閉弁時には低負荷であるにもかかわらず開弁時
と同じスクリュウ機構を用いるので、閉弁後期には弁体
を低速度・高トルクで移動させることとなり、無駄な電
力を消費するという問題がある。これらの問題を解決す
るため、特開平５−７１６５６号公報には、駆動モータ
としてステッピングモータを用い、開弁初期には低パル
スレートでモータを回転させることにより弁体を低速度
・高トルクで移動させ、開弁後期には高パルスレートで
モータをさせることにより弁体を高速度・低トルクで移
動させる方式を採用した弁が開示されている。

【０００５】図４は、従来方式の、ステッピングモータ
を用いた弁の開弁時（ａ）および閉弁時（ｂ）の電流波
形を示すグラフである。図４（ａ）に示すように、この
弁では、開弁初期Ａには、背圧に打ち勝つに必要なモー
タトルクを得るため、モータは広いパルス幅（低パルス
レート）で駆動され、弁体が少し移動して弁体と弁座と
の間に間隙が生じて背圧負荷が抜けた後は高トルクは不
要となるので、モータはパルスレートを上げて（狭いパ
ルス幅で）駆動される（開弁後期Ｂ）。モータをこのよ
うに駆動することにより開弁初期Ａには弁体は低速度・
高トルクで移動し、開弁後期Ｂには弁体は高速度・低ト
ルクで移動する。一方、閉弁時には背圧負荷がかからな
いので、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の開弁初
期Ａよりも狭いパルス幅でモータを駆動することにより
弁体は高速度・低トルクで移動する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記方式の弁
では、開弁初期、開弁後期および閉弁時の各段階でパル
スレートを切り替える必要があり、そのための制御回路
が必要であるという問題がある。また、開弁時と閉弁時
とではモータの回転方向は互いに逆方向であるため、モ
ータの回転方向を逆転させる必要があり、そのための制
御回路が必要である。

【０００７】また、上記の各方式においては、閉弁に多
少の時間を要し弁がゆっくり閉められるので、背圧が低
い場合などに弁が完全に閉まり切らない恐れがある。本
発明は、上記の事情に鑑み、複雑な制御回路を必要とせ
ず動作が確実でかつ低消費電力の弁を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の弁は、流体流路の一部を成す開口が形成された弁
座と、上記弁座の開口が向いた軸方向に延びその軸方向
に移動自在な弁棒と、該弁棒に取り付けられ、その弁棒
の該軸方向への移動に応じて上記弁座に接離することに
よりその弁座の開口を開閉する弁体と、上記弁棒もしく
は弁体を、その弁体が上記開口を閉塞する方向に付勢す
るスプリングと、上記スプリングの付勢力に抗して、上
記弁体が上記開口を解放する方向に上記弁棒を移動させ
るためのモータと、上記モータと上記弁棒との間に介在
し、上記弁棒を、上記弁体が上記開口を閉塞した閉弁位
置から上記弁体が上記開口から離れた開弁位置に向かっ
て移動させるにあたり、上記閉弁位置から上記開弁位置
に向かう初期は、上記モータの単位回転量当たりの上記
弁棒の移動量が相対的に小さく初期を過ぎた後は上記モ
ータの単位回転量当たりの上記弁棒の移動量が相対的に
大きくなるように形状が定められて成るカムとを備えた
ことを特徴とする。

【０００９】ここで、上記弁棒を上記開弁位置から上記
閉弁位置に向かって移動させるに当たり、上記弁棒が、
上記スプリングの付勢力により上記開弁位置から上記閉
弁位置に向かって移動するように、上記カムが、上記弁
棒を上記閉弁位置から上記開弁位置に向かって移動させ
る際の上記モータの回転方向と同一方向へのモータの回
転により、上記弁棒と上記カムとの係合を外す形状を有
するものであることが好ましい。

【００１０】また、上記弁棒を上記軸方向に交わる方向
に貫いて上記弁棒から突出した係合ピンを備え、上記カ
ムが、上記弁棒が挿入される開口を有するとともにその
開口に挿入された状態の弁棒から突出した係合ピンに係
合するカム面を有する、上記モータの回転軸に固定され
た回転円盤状のものであることも好ましい態様である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図１は、本発明の弁の一実施形態を示す断面
図である。図１に示すように、この弁は、弁座１、弁棒
２、弁体３、スプリング４、モータ５、およびカム６を
備えている。

【００１２】弁座１には流体流路１１の一部を成す開口
１２が形成されており、弁体３が弁座１に接して弁体３
が開口１２を閉塞することによりこの弁は閉弁状態とな
り、弁体３が弁座１から離れて開口１２を解放すること
によりこの弁は開弁状態となる。弁棒２は、弁座１の開
口１２が向いた軸方向Ａに延び、軸方向Ａに移動自在に
配置されている。弁棒２のモータ側の端部には、弁棒２
を貫いて、軸方向Ａに交わる方向に弁棒２から突出した
係合ピン２ａが備えられている。係合ピン２ａの作用に
ついては後述する。

【００１３】弁体３は、弁棒２に取り付けられ弁棒２の
軸方向Ａへの移動に応じて弁座１に接離し上記のとおり
弁座１の開口１２を開閉するものであり、弁座１に直接
接する弁ゴム３ａに、弁ゴムプレート３ｂを弁ゴム３ａ
の固定部３ｄに圧入固定し、弁ゴム３ａを弁棒２に装着
し、弁ゴム押さえ部材３ｃを弁棒２に取り付けた構造と
なっている。

【００１４】スプリング４は、弁棒２もしくは弁体３
を、弁体３が開口１２を閉塞する方向に付勢する機能を
有し、その両端は、弁本体７から延びた、流体流路１１
の内外を仕切るフレーム８および弁ゴムプレート３ｂに
固定されている。モータ５は、スプリング４の付勢力に
抗して弁体３が開口１２を解放する方向に弁棒２を移動
させるための駆動源であり、フレーム８の流体流路１１
外側に取り付けられている。本実施形態では、モータ５
としてステッピングモータが用いられている。モータ５
は、必ずしもステッピングモータに限定されるものでは
ないが、ステッピングモータは例えば通常のＤＣモータ
に比較し、小型で高トルクを得やすいという利点があり
ＤＣモータの場合必要な減速機構が不要なため高信頼性
が得られるので好ましい。

【００１５】モータ５の回転軸５ａにはモータ５の回転
をカム６に伝達させるステー６ｃが取り付けられてい
る。カム６は、カム本体６ａと、カム本体６ａの基板部
分であるカム盤６ｂとから成る。カム本体６ａは、モー
タ５と弁棒２との間に介在し、弁棒２を、弁体３が開口
１２を閉塞した閉弁位置から弁体３が開口１２から離れ
た開弁位置に向かって移動させるにあたり、閉弁位置か
ら開弁位置に向かう初期は、モータ５の単位回転量当た
りの弁棒２の移動量が相対的に小さく初期を過ぎた後は
モータ５の単位回転量当たりの弁棒２の移動量が相対的
に大きくなるように形状が定められている。カム本体６
ａの形状については後述する。

【００１６】カム盤６ｂは、カム本体６ａの基板部分を
なす回転円盤状の部材である。その平面形状を次に示
す。図２は、本実施形態のカムの平面図である。図２に
示すように、ほぼ円形のカム盤６ｂ上に、環状のカム本
体６ａが形成されている。カム盤６ｂの円周上の互いに
対称の位置にステー６ｃとカム盤６ｂとを結合するため
の結合部６ｄが凸出して形成されている。この結合部６
ｄによりカム盤６ｂとステー６ｃとが一体的に結合さ
れ、モータ５の回転がカム６に伝達される。

【００１７】図１に戻って説明を続ける。フレーム８と
弁棒２との間には、弁棒２を軸方向Ａに摺動自在に支持
する弁棒支持部材９が配置されている。弁棒支持部材９
の中央には弁棒２が挿入される貫通孔９ａが形成されて
いる。この貫通孔９ａには弁棒２が遊挿され、弁棒２か
ら突出した係合ピン２ａが上記のカム本体６ａのカム面
に係合する。弁棒２の断面形状および弁棒支持部材９の
貫通孔９ａの形状は、ともに矩形状、Ｄカット状、ある
いはダブルＤカット状などの回転止め構造の形状をして
おり、これにより、弁棒支持部材９は、弁棒２がカム盤
６ｂにつられて回転するのを防止している。

【００１８】フレーム８と弁本体７とはＯリング１３に
よってシールされている。また、この弁には、流体流路
１１の内側とモータ５側との間の弁棒２と弁棒支持部材
９との摺動部分をシールするため、蛇腹状のシール部材
１０が設置されている。なお、このシール部材１０は、
モータ５がシール構造となっている場合は省略すること
が可能である。

【００１９】図３は、本実施形態のカム本体のカム面の
形状を示す展開図である。図３には、本実施形態に用い
られるカム本体６ａを平面に展開した展開図が示されて
いる。図３に示すように、このカム本体６ａには、底面
Ｂからの高さの最も低いカム面Ｃ１、底面Ｂからの高さ
の最も高いカム面Ｃ４、カム面Ｃ１とカム面Ｃ４とをつ
なぐ緩傾斜のカム面Ｃ２および急傾斜のカム面Ｃ３、お
よびカム面Ｃ４からカム面Ｃ１につらなる垂直に切り立
ったカム面Ｃ５から成る第１の鋸歯状のカム面と、これ
と同形のカム面Ｃ１’，Ｃ２’，Ｃ３’，Ｃ４’，Ｃ
５’からなる第２の鋸歯状のカム面の２つのカム面が形
成されている。

【００２０】次に、図１および図３を参照しながら閉弁
状態から開弁状態までの各部の動作について説明する。
弁体３は、スプリング４により開口１２を閉塞する方向
に向かう付勢力が与えられているので、弁棒２の係合ピ
ン２ａが底面Ｂからの高さの最も低いカム面Ｃ１と係合
している時は、弁体３はスプリング４の付勢力により開
口１２を閉塞しており弁は閉弁状態にある。

【００２１】モータ５が回転し始め、それとともにモー
タ軸５ａに固定されたステー６ｃ、カム盤６ｂ、および
カム本体６ａが回転し始めると、弁棒２の係合ピン２ａ
は緩傾斜のカム面Ｃ２と係合しながらその傾斜面を登り
始め、それに従い、弁棒２は、スプリング４の付勢力に
抗して軸方向Ａに沿ってモータ５側にゆっくり移動し開
弁動作を開始する。この開弁初期にはモータ５の単位回
転量当たりの弁棒２の移動量は小さいが、モータ５が弁
棒２を移動させる力は強く、弁体３にかかる高い背圧負
荷に抗して弁棒２および弁体３をスムースに移動開始さ
せることができる。なお、弁ゴム３ａおよび弁ゴムプレ
ート３ｂ，３ｃの弾性力により弁体３自身は弁座１に密
着しているので、モータの回転開始とともに直ちに開弁
状態になるわけではなく、弁棒２が少し移動した後に弁
体３が弁座１から離れ弁体３と弁座１との間に徐々に間
隙が生じる。こうして一旦間隙が生じると弁体３にかか
る背圧負荷は急速に解放される。

【００２２】さらにモータ５が回転し開弁初期が過ぎる
と、係合ピン２ａは図３に示す急傾斜のカム面Ｃ３と係
合するようになり、モータ５の単位回転量当たりの弁棒
２の移動量が大きくなるため弁棒２の移動速度は早ま
り、弁体３と弁座１との間の間隙は急速に広がるように
なる。やがて、係合ピン２ａが、底面Ｂからの高さの最
も高いカム面Ｃ４と係合するようになった時点で弁体３
は開口１２を完全に解放する開弁状態となり、この時点
でモータ５の回転は停止される。

【００２３】次に、開弁状態から閉弁状態までの各部の
動作について説明する。開弁状態、すなわち係合ピン２
ａが、底面Ｂからの高さの最も高いカム面Ｃ４と係合し
ている状態でモータ５が回転し始めると、それとともに
モータ軸５ａに固定されたステー６ｃ、カム盤６ｂ、お
よびカム本体６ａが回転し係合ピン２ａとカム面Ｃ４と
の係合が外れ、スプリング４の復元力により係合ピン２
ａは垂直に切り立ったカム面Ｃ５に沿って一気にカム面
Ｃ１’まで落下し、弁は瞬時に閉弁状態となる。

【００２４】このように、本実施形態では、弁は瞬時に
閉弁状態となるため、弁体と弁座との密着性がよく、特
に、背圧が低い場合でも完全に閉弁することができる。
また、閉弁時に、弁棒２とカム面Ｃ４，Ｃ４’との係合
が瞬時に外れ閉弁状態となるため、閉弁時のモータへの
通電時間は極めて短かく省電力となるとともにモータに
かかる負荷も軽減される。

【００２５】カム面Ｃ１’〜Ｃ５’はカム面Ｃ１〜Ｃ５
と同じ形状に形成されているので、さらに、弁を閉弁状
態から開弁状態とするには、上記の動作過程と同様に、
モータを回転させて係合ピン２ａをカム面Ｃ１’からカ
ム面Ｃ４’まで順次係合させていけばよい。また、開弁
状態から閉弁状態とするには、さらにモータを回転させ
て係合ピン２ａをカム面Ｃ４’からカム面Ｃ１に係合さ
せればよい。

【００２６】このように、本実施形態では、開弁動作の
初期には、カム面Ｃ２の傾斜をモータ５のトルクに見合
う緩傾斜とし、初期を過ぎて開口１２が開き背圧負荷が
減じた時点からモータ５の負荷はスプリング加重だけの
軽負荷となるため、背圧負荷の減少分に対応させてカム
面Ｃ３を急傾斜とする。その結果、弁体の移動速度を増
加させることによりモータの通電時間を短縮し省電力化
が達成される。また、カム面の傾斜を変えることにより
開弁の初期と後期との負荷の変化に対応させているの
で、モータの負荷が一定となり、仕事効率を最良点に設
定したモータの使用が可能となる。

【００２７】また、本実施形態では、閉弁位置から開弁
位置への弁棒２および弁体３の移動方向と、開弁位置か
ら開弁位置への弁棒２および弁体３の移動方向とが同一
方向となっているため、モータの回転方向を正逆両方向
に切り換える制御回路が不要となり、また、モータのパ
ルスレートも一定でよいのでモータの駆動、制御回路の
簡素化が可能で部品点数も大幅に削減することができ
る。

【００２８】なお、図３に示すように、本実施形態の弁
には２つの鋸歯状の形状のカム面を有するカムが備えら
れているが、必ずしもこのように２つの鋸歯状のカム面
を有するものでなければならないわけではなく、例え
ば、１つあるいは３つ以上の鋸歯状のカム面を有するも
のであってもよい。ただし、本実施形態のように２つの
鋸歯状のカム面とした場合は、係合ピン２ａが左右対称
の位置でそれぞれカム面と係合するので機構上無理がな
く、また、部品の設計、製作も容易なので２つの鋸歯状
のカム面を有するものであることが好ましい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の弁によれ
ば、開弁の初期には弁棒および弁体の移動量を相対的に
小さく、開弁の後には弁棒および弁体の移動量を相対的
に大きくするような形状のカムが備えられていることに
より、複雑な制御回路を必要とせず動作が確実でかつ低
消費電力の弁を得ることができる。

【００３０】また、カム形状を、カムが開弁状態から閉
弁状態に移行するに当たり、弁棒とカムとの係合が外れ
る形状とした場合は、開弁状態から瞬時に閉弁状態とな
るので、低背圧時にも弁体と弁座との密着性がよく、か
つ消費電力の低い弁を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の弁の一実施形態を示す断面図である。

【図２】本実施形態のカムの平面図である。

【図３】本実施形態のカム本体のカム面の形状を示す展
開図である。

【図４】従来方式の、ステッピングモータを用いた弁の
開弁時（ａ）および閉弁時（ｂ）の電流波形を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１ 弁座 ２ 弁棒 ２ａ 係合ピン ３ 弁体 ３ａ 弁ゴム ３ｂ 弁ゴムプレート ３ｃ 弁ゴム押さえ部材 ３ｄ 固定部 ４ スプリング ５ モータ ５ａ 回転軸 ６ カム ６ａ カム本体 ６ｂ カム盤 ６ｃ ステー ６ｄ 結合部 ７ 弁本体 ８ フレーム ９ 弁棒支持部材 ９ａ 貫通孔 １０ シール部材 １１ 流体流路 １２ 開口 １３ Ｏリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小布施 敦久 長野県岡谷市神明町２丁目５番５号 ティ ディエス株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体流路の一部を成す開口が形成された
   弁座と、 前記弁座の開口が向いた軸方向に延び該軸方向に移動自
   在な弁棒と、 該弁棒に取り付けられ、該弁棒の該軸方向への移動に応
   じて前記弁座に接離することにより該弁座の開口を開閉
   する弁体と、 前記弁棒もしくは弁体を、該弁体が前記開口を閉塞する
   方向に付勢するスプリングと、 前記スプリングの付勢力に抗して、前記弁体が前記開口
   を解放する方向に、前記弁棒を移動させるためのモータ
   と、 前記モータと前記弁棒との間に介在し、前記弁棒を、前
   記弁体が前記開口を閉塞した閉弁位置から前記弁体が前
   記開口から離れた開弁位置に向かって移動させるにあた
   り、前記閉弁位置から前記開弁位置に向かう初期は、前
   記モータの単位回転量当たりの前記弁棒の移動量が相対
   的に小さく該初期を過ぎた後は前記モータの単位回転量
   当たりの前記弁棒の移動量が相対的に大きくなるように
   形状が定められて成るカムとを備えたことを特徴とする
   弁。
2. 【請求項２】 前記弁棒を前記開弁位置から前記閉弁位
   置に向かって移動させるに当たり、前記弁棒が、前記ス
   プリングの付勢力により前記開弁位置から前記閉弁位置
   に向かって移動するように、前記カムが、前記弁棒を前
   記閉弁位置から前記開弁位置に向かって移動させる際の
   前記モータの回転方向と同一方向への該モータの回転に
   より、前記弁棒と前記カムとの係合を外す形状を有する
   ものであることを特徴とする請求項１記載の弁。
3. 【請求項３】 前記弁棒を前記軸方向に交わる方向に貫
   いて該弁棒から突出した係合ピンを備え、前記カムが、
   前記弁棒が挿入される開口を有するとともに該開口に挿
   入された状態の弁棒から突出した係合ピンに係合するカ
   ム面を有する、前記モータの回転軸に固定された回転円
   盤状のものであることを特徴とする請求項１記載の弁。