JP2003247654A - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高精度で高速に且つ高い分解能を持って弁の開
閉を制御することができる流量制御弁を提供する。 【解決手段】ロータＲの内側に雌ねじ部１７ａを有する
内筒１７が設けられ、内筒１７の雌ねじ部に弁軸１６の
雄ねじ部１６ａを螺合させ、ステップモータＭの回転駆
動によりロータＲが回転し弁軸１６が軸方向に移動し
て、弁体７を開閉動作させる流量制御弁である。ステッ
プモータＭがハイブリッド型ステップモータにより構成
される。ステップモータＭのロータＲを回転自在に支持
するころがり軸受の可動部を軸方向の一方に付勢する付
勢手段が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のアイド
ル回転数制御弁等に適用され、ステップモータによって
軸方向に移動するリフト式の弁体を備えた流量制御弁に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば内燃機関のアイドル回転数
制御弁に使用される流量制御弁として、ステップモータ
によって軸方向に移動するリフト式の弁体を備えた流量
制御弁が知られている（例えば実開昭５７−５４６３６
号公報等参照）。

【０００３】この流量制御弁は、弁体が軸受により軸方
向に摺動可能に支持された弁軸の先端に固定され、弁軸
の末端部に雄ねじ部が形成され、弁体と弁ハウジング間
にコイルばねが弁の閉鎖方向に弁軸を付勢するように装
着される。そして、この弁軸を軸方向に移動させて弁の
開閉駆動を行なうために、ステップモータが弁ハウジン
グ上に固定される。

【０００４】このステップモータは、モータハウジング
内にステータコイルを巻装したステータが固定され、ス
テータの内側に複数の永久磁石を有するロータが軸受を
介して回転自在に支持され、ロータの内側に雌ねじ部を
有する内筒が取り付けられ、内筒内に弁軸の雄ねじ部を
挿入して螺合させ、弁軸の回転を阻止しながらロータと
内筒を回転させ、弁軸をその軸方向に移動させるように
構成される。

【０００５】このようなアイドル回転数制御弁は、ステ
ップモータの回転駆動により、ロータが回転し、その内
側の雌ねじ部が回転することにより、その内側で螺合す
る雄ねじ部を有する弁軸が軸方向に移動し、これによっ
て、弁体がリニアに移動して、弁ハウジング内に設けた
ポートが開閉される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種のリ
ニアに移動する弁体を備えた流量制御弁の駆動モータと
して、従来、ＰＭ型のステップモータが使用されてい
た。このＰＭ型ステップモータは、ロータに突極歯がな
く、ロータの永久磁石が円周方向に磁化されているた
め、ロータの磁極数を多くすることができず、また、ス
テータの磁極数も多くすることができないため、１ステ
ップ当りのロータの回転角度は、最小としても約１５度
程度となり、ステップモータを駆動して弁の開度を制御
するためのパルス数に対するモータの回転角の分解能が
低いという問題があった。

【０００７】また、従来の流量制御弁に使用されるＰＭ
型ステップモータは、ロータとステータの組み付けにが
たつきが発生しやすく、ステータとロータの間隙（エア
ギャップ）を最小に設定することが困難であった。この
ために、ステータとロータ間のエアギャップが比較的大
きくなり、ディテントトルク（無励磁時最大静止トル
ク）が減少し、モータの回転速度を上げると、脱調が発
生しやすいという問題があった。このような理由から、
流量制御弁の弁を開閉駆動するＰＭ型ステップモータへ
のパルスの指令入力は、最大で約200pps（毎秒あたりの
パルス数）が限度であり、より速い速度で高精度に弁の
開閉を行う制御弁の開発要求があった。

【０００８】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、高精度で高速に且つ高い分解能を持って弁の開閉を
制御することができる流量制御弁を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の流量制御弁は、軸方向に摺動可能に支持さ
れ雄ねじ部を有する弁軸と、弁軸の先端に固定された弁
体と、弁軸をその軸方向に移動させるステップモータ
と、を備え、ステップモータのロータの内側に雌ねじ部
を有する内筒が設けられ、内筒の雌ねじ部に弁軸の雄ね
じ部を螺合させ、ステップモータの回転駆動により該弁
軸が軸方向に移動して、弁体を開閉動作させる流量制御
弁において、ステップモータがステータとロータの双方
に突状の極歯を設けたハイブリッド型ステップモータに
より構成され、ステップモータのロータを回転自在に支
持するころがり軸受の可動部を軸方向の一方に付勢する
付勢手段が設けられたことを特徴とする。

【００１０】ここで、上記付勢手段は、ロータの軸方向
の中心位置がステータの軸方向の中心位置に対しずらし
て配設されることにより、ロータに生じる磁力によりこ
ろがり軸受の可動部に軸方向の付勢力を生じさせるよう
に構成することができる。また、ロータを支持するころ
がり軸受の可動部をばね手段により軸方向に付勢して付
勢手段とすることもできる。

【００１１】また、請求項２の流量制御弁は、上記の構
成において、ステップモータのステータのステータコア
が鋼板を積層して形成され、ステータコアの外周部の一
部に僅かな突出部が形成された状態で、ステータコアを
モータケーシング内に圧入して、ステータコアが組み付
けられ、ステップモータのロータのロータコアが鋼板を
積層して形成され、ロータコアの内周部に僅かな突出部
が形成された状態で、ロータコア内に内筒を圧入して、
ロータコアが組み付けられたことを特徴とする。

【００１２】また、請求項３の流量制御弁は、上記構成
において、弁軸が内筒の内側と摺動ガイド部により軸方
向に摺動可能に支持され、弁軸と内筒間及び弁軸と摺動
ガイド部間に隙間を形成して、弁軸の先端がラジアル方
向に浮動可能な構造とし、弁軸の先端の弁体が閉鎖時に
弁座に着座する際、弁座の開口部に合わせて弁体がラジ
アル方向に動き閉弁することを特徴とする。

【００１３】

【作用】上記構成の流量制御弁は、ステップモータの回
転駆動によりロータが回転し、ロータの内側でねじ部を
介して螺合した弁軸が軸方向に移動して、弁体を開閉動
作させ、流量を制御する。この流量制御弁のステップモ
ータは、ステータとロータの双方に突状の極歯を設けた
ハイブリッド型ステップモータにより構成されるから、
従来のＰＭ型ステップモータを使用する場合より、１ス
テップあたりの回転角度を例えば約６度と小さくするこ
とができる。また、ステップモータのロータを回転自在
に支持するころがり軸受の可動部が、付勢手段により軸
方向の一方に付勢されるから、これによってころがり軸
受つまりロータのがたつきが防止される。このため、ス
テータコアの内周端とロータの外周端のエアギャップを
例えば２０μm〜１００μmと従来より大幅に縮小するこ
とができ、モータのディテントトルクを高くして、高速
でも脱調の少ない高精度の流量制御を行うことができ
る。

【００１４】また、請求項２の構成によれば、ステータ
コアのがたつきを防止できると共に、ロータのがたつき
を防止できるから、ステータコアの内周端とロータの外
周端のエアギャップをさらに縮小することができ、モー
タのディテントトルクを高くして、高速時や振動発生時
でも脱調の少ない高精度の流量制御を行うことができ
る。

【００１５】また、請求項３の構成によれば、弁軸の先
端がラジアル方向に浮動可能な構造とされ、弁軸の先端
の弁体が閉鎖時に弁座に着座する際、弁座の開口部に合
わせて弁体がラジアル方向に動き閉弁するから、弁の閉
鎖時のシール性を改善すると共に、弁体や弁座の摩耗を
防止することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は内燃機関のアイドル回転数
制御弁として使用される流量制御弁の側面図を示してい
る。この流量制御弁は、ステップモータＭの駆動により
軸方向に移動する弁軸１６とその先端のリフト式の弁体
７を有し、弁体７が弁ハウジング１の弁室２内に配置さ
れるように、ステップモータＭが固定部に取り付けられ
る。弁室２内には弁体７によって開閉される円環状の弁
座５が設けられ、弁室２の上部に出口ポート４が形成さ
れ、弁座５を通した弁室２の他側に入口ポート３が形成
されている。

【００１７】ステップモータＭは、ステータとロータの
双方に突状の極歯を設けたハイブリッド（Hybrid）型ス
テップモータとして構成され、円筒型のモータハウジン
グ９の前部にフランジ１０が形成されると共に、弁軸１
６の先端部をガイドする小径部が段状に形成され、フラ
ンジ１０を介して固定部に固定される。モータハウジン
グ９内には、ステータＳのステータコア１１が固定され
ている。ステータコア１１は、図３に示すような平面形
状に打ち抜かれた珪素鋼板製の積層板を所定の厚さに積
層して構成され、ここでは円周上に８個の突状の極歯１
１ａが形成され、各極歯１１ａには２個の小歯１１ｂが
突設され、1６極のステータが形成される。

【００１８】各極歯１１ａと極歯１１ａ間に８個のスロ
ット１１ｃが形成され、スロット１１ｃ内にスロット絶
縁体３０が装着され、スロット絶縁体３０内にステータ
コイル１２が巻装されている。ステータコア１１は上記
のように積層鋼板を所定の厚さに積層して形成されてい
るが、図４に示すように、その中の一部の積層板には、
その外周部に僅かに突出する突出部１１ｄが形成されて
いる。

【００１９】このような突出部１１ｄを有するステータ
コア１２を円筒型のモータハウジング９内に圧入する
と、突出部１１ｄが圧入部となり、それ以外の部分がガ
イド部となって、ステータコア１１を円滑にハウジング
内に圧入することができる。また、ハウジングの内径寸
法やコアの外形寸法にばらつきがある場合でも、ステー
タコア１１をがたつきを生じさせずに、強固にハウジン
グ内に装着することができる。

【００２０】モータハウジング９の末端部には、コネク
タピン２８を設けたコネクタ２７が嵌着され、そのコネ
クタピン２８にステータコイル１２の接続線が接続され
る。コネクタ２７は、合成樹脂によりモータハウジング
９の末端に嵌入可能な形状に成形され、シール材２９を
介してハウジング内に嵌合され、固定ねじにより固定さ
れている。

【００２１】モータハウジング９内でステータＳの内側
位置には、前部と後部に各々軸受支持部１３，１４が取
り付けられ、前部の軸受支持部１３には、さらに摺動ガ
イド部１５がモータハウジング９の先端位置で固定され
ている。この前後の軸受支持部１３，１４内に、ころが
り軸受２１，２２を介してロータＲが回転自在に取付ら
れる。

【００２２】ロータＲは、内筒１７の外周にロータコア
１８と永久磁石１９を嵌着して構成される。ロータコア
１８は左右に分けて形成され、間に永久磁石１９を挟む
ように装着される。左右のロータコア１８は、例えば８
個の突極部１８ａを有する形状に打ち抜かれた珪素鋼板
製の積層板を所定の厚さ積層して構成され、相互に半ス
ロット分（ここでは２２．５度）だけずらして装着する
ことにより、ロータＲとしてはステータＳに対応した１
６個の突極部１８ａを形成している。

【００２３】両側のロータコア１８の間に挟まれて配設
された永久磁石１９は軸方向（厚さ方向）にｓ極とｎ極
が着磁されており、両側のロータコア１８に相違した磁
極を生じさせることにより、ロータコア１８の各突極部
１８ａにｓ極とｎ極を交互に形成している。

【００２４】また、このロータコア１８の場合も上記ス
テータコア１１と同様に、内筒１７の外周部に外嵌する
際、圧入部を設けてがたつきなく装着している。すなわ
ち、図５に示すように、ロータコア１８中の一部の積層
板には、その内周部に僅かに突出する突出部１８ｂが形
成されている。このような突出部１８ｂを内周部に有す
るロータコア１８を内筒１７の外周部に外嵌させるよう
に圧入すると、突出部１８ｂが圧入部となり、それ以外
の部分がガイド部となって、ロータコア１８を円滑に内
筒１７の外周部に圧入することができる。また、ロータ
コア１８の内径寸法やコア内筒１７の外形寸法にばらつ
きがある場合でも、ロータコア１８をがたつきを生じさ
せずに装着することができる。

【００２５】さらに、このようなロータコア１８と内筒
１７からなるロータＲをモータハウジング９内に装着す
る場合、ころがり軸受２１，２２を介してロータＲは回
転自在に取り付けられるが、一般に使用されるころがり
軸受２１，２２にはそのアウターレースとボール間、そ
のインナーレースとボール間に僅かながら隙間があり、
この隙間によってロータＲにがたつきが生じる。このよ
うなころがり軸受２１，２２に起因したロータＲのがた
つきを防止するために、ころがり軸受２１，２２の可動
部（ここではインナーレース）つまりロータに、その軸
方向への付勢力を常に生じさせ、ころがり軸受内の隙間
を最小にしている。

【００２６】すなわち、図６に示すように、ステータＳ
の軸方向の中心位置Ｃ１に対し、ロータＲの軸方向の中
心位置Ｃ２が僅かに軸方向にずらして装着されている。
ステータＳの中心位置Ｃ１とロータＲの中心位置Ｃ２を
軸方向にずらして装着すると、ロータＲとステータＳは
磁力により相互に吸引される状態にあるから、ロータＲ
にはそのずれを解消する軸方向に付勢力が発生する。

【００２７】この軸方向の付勢力はこの場合、図７に示
すように、内筒１７を含むロータＲを左側に押すように
作用し、これによって、ころがり軸受２１，２２は、そ
のインナーレースがアウターレースに対し軸方向に僅か
にずれる。このずれによって、ころがり軸受２１，２２
のアウターレースとボール間、インナーレースとボール
間の隙間を最小にし、ロータＲのがたつきを防止するこ
とができる。

【００２８】このようなロータＲの中心位置Ｃ２をステ
ータＳの中心位置Ｃ１に対して軸方向にずらす手段とし
ては、ころがり軸受２１または２２のインナーレースを
スプリングシムまたはスプリングワッシャ等により、軸
方向に付勢して行うこともできる。

【００２９】一方、内筒１７内には雌ねじ部１７ａが形
成されており、この雌ねじ部１７ａに螺合するように、
雄ねじ部１６ａを設けた弁軸１６が内筒１７内に挿入さ
れる。弁軸１６の先端部付近には、凸条１６ｂが軸方向
に形成され、この凸条１６ｂが、軸受支持部１３に固定
された摺動ガイド部１５のキー溝に摺動可能に嵌合す
る。これにより、弁軸１６は、摺動ガイド部１５によっ
て回転を阻止されて軸方向に移動可能に支持される。

【００３０】したがって、ステップモータＭが作動して
ロータＲが回転すると、雌ねじ部１７ａ、雄ねじ部１６
ａを介して弁軸１６を軸方向へ移動させる力が生じ、弁
軸１６が軸方向に移動する。弁軸１６の先端には略円錐
型の弁体７が固定され、弁体７の末端にはばね保持用カ
ップ２５が取り付けられ、その中にコイルばね２４が装
着される。このコイルばね２４より弁体７は常時ケーシ
ング９から突出する側つまり閉弁側に付勢される。

【００３１】このような構造のステップモータＭは、上
記のごとく、ステータＳのステータコア１１ががたつき
なく圧入・固定され、ロータＲのロータコア１８もがた
つきを抑えて内筒１７に圧入・固定されているから、ス
テータコア１１の内周端とロータコア１８の外周端との
間隙（エアギャップ）は、例えば２０μm〜１００μmと
僅かな隙間に設定することができる。

【００３２】ここで、エアギャップを２０μm以上とす
ることにより、空気中の塵の粒径より隙間を僅かに大き
くし、エアギャップに空気中の塵が噛み込むことがない
ようにしている。また、ステータＳとロータＲ間のエア
ギャップを２０μm〜１００μmと小さくすることによ
り、ステップモータＭの無励磁時最大静止トルク（ディ
テントトルク）を増大させ、高速回転時や振動発生時の
脱調を防止し、正確に弁を駆動制御することができる。

【００３３】また、ステップモータＭをハイブリッド型
とし、そのロータＲとステータＳに突状の極歯を設ける
と共に、それらの極数を多くして、１ステップあたりの
回転角度を例えば５〜６度にすることにより、モータの
コントローラへの駆動パルス信号の供給を例えば800pps
まで高め、モータの最大回転速度を高めると共に、弁開
度制御の分解能を高めることができる。

【００３４】このような流量制御弁のステップモータＭ
は、その先端部にシール材２６を嵌挿し、図１のよう
に、弁ハウジング１の弁室２の開口部にその先端部を差
し込むように装着され、フランジ１０を介して固定ボル
トで締付固定される。ステップモータＭの作動により、
ロータＲが回転して弁軸１６が前進すると、その先端の
弁体７が円環状の弁座５内に進入し、着座して閉弁され
るが、この弁体７が弁座５に着座する際の弁体のシール
性を、弁軸１６の先端をラジアル方向に浮動構造とする
ことにより、改善している。

【００３５】すなわち、ステップモータＭの寸法のばら
つき、ステップモータＭを弁ハウジング１に取り付けた
際の取付位置寸法のばらつきなどにより、弁体７の配設
位置にラジアル方向のばらつきが発生する。この弁体７
のラジアル方向の位置のばらつきは、弁体７が弁座５の
内部に進入し着座したとき、弁体７と弁座５に隙間つま
り弁のシール性不良を生じさせる。

【００３６】このような弁のシール性不良を改善するた
めに、この流量制御弁では、弁軸１６の先端つまり弁体
７を、ラジアル方向にばらつき寸法の範囲で動き得る浮
動構造としている。すなわち、弁軸１６の先端部付近を
支持する摺動ガイド部１５と弁軸１６間に隙間を形成
し、弁体７が閉弁時にそのラジアル方向に例えば０．５
mm〜１．０mmの範囲で動き得る構造としている。これに
より、閉弁時に、弁体７が弁座５内に進入して着座する
際、その位置ずれを補正する方向にずれて着座し、閉弁
時のシール性を良好にする。

【００３７】上記構成の流量制御弁は、アイドル回転数
制御弁の制御弁として、図１のように、内燃機関の吸気
管の一部に設けたアイドル用バイパス通路の弁ハウジン
グ１の開口部に差し込むように取り付けられる。ステッ
プモータＭは図示しないコントローラに接続され、コン
トローラは、内燃機関の冷却水温度などに基づき算出さ
れた回転数になるように、ドライバ回路を介してステッ
プモータＭを回転駆動し、弁の開度を制御する。

【００３８】このような構造の流量制御弁は、上記のよ
うにステップモータＭのロータＲとステータＳのがたつ
きをなくし、その間の隙間を例えば２０〜１００μmと
極小に設定することが可能であるから、ディテントトル
クを高くして脱調を防止すると共に、ステータ・ロータ
の磁極数の増大により１ステップあたりの回転角度を例
えば５〜６度と小さくし、駆動パルス信号の供給を最大
で800ppsとすることができる。

【００３９】したがって、従来のＰＭ型ステップモータ
を使用した流量制御弁の場合、１ステップあたりの流量
の変化は約０．７ｍ³/ｈであったが、本発明の流量制御
弁では、１ステップあたりの流量の変化を約0.0375ｍ³/
ｈとして、その分解能を大幅に向上させ、流量を高精度
で制御することができる。さらに、弁軸先端の弁体７を
そのラジアル方向に一定の範囲で浮動可能な構造とした
から、弁体７と弁座５の中心位置にずれが生じていて
も、閉弁時にはそのずれが補正され、弁閉鎖時のシール
性を向上させることができる。また、閉弁時の弁体７と
弁座５の位置ずれが補正されるから、弁体や弁座の摩耗
を抑制することができる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の流量制御
弁によれば、弁を駆動するステップモータのステータと
ロータの磁極数の増加により１ステップあたりの回転角
度を小さくし、ステータコアの内周端とロータの外周端
のエアギャップを従来より大幅に縮小し、これによっ
て、ステップモータのディテントトルクを高くし、高速
時や振動発生時にも、脱調の少ない高精度の流量制御を
行うことができる。また、１ステップあたりの流量の変
化を少なくして、その分解能を大幅に向上させ、高い精
度で流量を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す流量制御弁の部分断
面図である。

【図２】同流量制御弁の軸方向断面図である。

【図３】同流量制御弁の軸方向と垂直な断面図である。

【図４】ステータコアを圧入する際の断面説明図であ
る。

【図５】ロータコアを圧入する際の断面説明図である。

【図６】ロータとステータの中心位置のずれを示す拡大
断面図である。

【図７】ロータの軸方向へのずれを示す説明図である。

【符号の説明】

１−弁ハウジング ５−弁室 ７−弁体 ９−モータハウジング １１−ステータコア １２−ステータコイル １３、１４−軸受支持部 １５−摺動ガイド部 １６−弁軸 １６ａ―雄ねじ部 １７−内筒 １７ａ−雌ねじ部 １８−ロータコア １９−永久磁石 Ｍ−ステップモータ Ｒ−ロータ Ｓ−ステータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 雄一郎 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 3H062 AA02 AA15 BB33 CC02 DD01 EE06

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸方向に摺動可能に支持され雄ねじ部を
   有する弁軸と、該弁軸の先端に固定された弁体と、該弁
   軸をその軸方向に移動させるステップモータと、を備
   え、該ステップモータのロータの内側に雌ねじ部を有す
   る内筒が設けられ、該内筒の雌ねじ部に該弁軸の雄ねじ
   部を螺合させ、該ステップモータの回転駆動により該弁
   軸が軸方向に移動して、該弁体を開閉動作させる流量制
   御弁において、 前記ステップモータがステータとロータの双方に突状の
   極歯を設けたハイブリッド型ステップモータにより構成
   され、該ステップモータのロータを回転自在に支持する
   ころがり軸受の可動部を軸方向の一方に付勢する付勢手
   段が設けられたことを特徴とする流量制御弁。
2. 【請求項２】 前記ステップモータのステータのステー
   タコアが鋼板を積層して形成され、該ステータコアの外
   周部の一部に僅かな突出部が形成された状態で、該ステ
   ータコアをモータケーシング内に圧入して、該ステータ
   コアが組み付けられ、該ステップモータのロータのロー
   タコアが鋼板を積層して形成され、該ロータコアの内周
   部に僅かな突出部が形成された状態で、該ロータコア内
   に前記内筒を圧入して、該ロータコアが組み付けられた
   ことを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
3. 【請求項３】 前記弁軸が内筒の内側と摺動ガイド部に
   より軸方向に摺動可能に支持され、該弁軸と内筒間及び
   弁軸と摺動ガイド部間に隙間を形成して、該弁軸の先端
   がラジアル方向に浮動可能な構造とし、該弁軸の先端の
   弁体が閉鎖時に弁座に着座する際、該弁座の開口部に合
   わせて該弁体がラジアル方向に動き閉弁することを特徴
   とする請求項１記載の流量制御弁。
4. 【請求項４】 前記付勢手段は、前記ロータの軸方向の
   中心位置が前記ステータの軸方向の中心位置に対しずら
   して配設されることにより、該ロータに生じる磁力によ
   りころがり軸受の可動部を軸方向に付勢するように構成
   された請求項１記載の流量制御弁。
5. 【請求項５】 前記付勢手段は、前記ロータを支持する
   ころがり軸受の可動部をばね手段により軸方向に付勢す
   るように構成された請求項１記載の流量制御弁。