JP2016098925A - 電動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステッピングモータ駆動式の電動弁において、簡易な構成にてステータの位置決め精度を向上させる。
【解決手段】 制御弁１は、弁体３４に駆動力を伝達するためのシャフト６０と、シャフト６０の回転量を規制するためのストッパ機構と、ロータ３１を内包する一方、ステータコイル３３が同軸状に外挿されるキャン３５と、を備える。ストッパ機構の作動によりシャフト６０が停止されるときのステータコイル３３とロータ３１との回転方向の位置関係が、互いの磁極が正対する基準位置として設定される。ロータ３１は、ストッパ機構の配置構成により基準位置にて停止されるように設けられる。ステータコイル３３は、ボディ５との取付面に設けられた嵌合部と、キャン３５への挿通部との位置関係によりボディ５に対する位置決めがなされ、基準位置にてロータ３１と互いの磁極を正対させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ステッピングモータ駆動式の電動弁に関する。

自動車用空調装置の冷凍サイクルには一般に、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサ、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサ、凝縮された液冷媒を絞り膨張させて霧状の気液混合冷媒にして送出する膨張弁、その霧状の冷媒を蒸発させてその蒸発潜熱により車室内の空気を冷却するエバポレータ等が設けられている。膨張弁としては、エバポレータの出口側の冷媒の温度および圧力を感知して弁部が自律的に開閉する機械式の膨張弁が広く用いられている。一方、近年の電気自動車やハイブリッド車両の普及に伴い、駆動部にステッピングモータを用いて弁開度の精密な制御を実現する電動弁も採用されつつある。

このような電動弁は、ロータの回転運動をシャフトの並進運動に変換して弁体を駆動する。弁体はシャフトの先端に支持され、冷媒通路の途中に形成された弁座に着脱して弁部を開閉する。弁体が弁座に着座するときの衝撃を緩和するために、弁体はシャフトに相対変位可能に支持される。具体的には、シャフトの先端部が中空形状とされ、弁体が部分的に挿通される形で摺動可能に支持される。シャフトの内部空間には、弁体を閉弁方向、つまり弁体をシャフトから突出させる方向に付勢するスプリングが配設されている。弁体が着座する際には、そのスプリングが弾性変形することにより衝撃を吸収する。

ところで、このような電動弁は、ステッピングモータにより弁開度を高精度に制御するために、ロータの回転位置を特定するための基準位置が設定されている。例えば、閉弁状態にてステータとロータの互いの磁極が正対するよう両者の位置決めがなされている。それにより、閉弁状態にて通電が遮断されたときにロータが基準位置にて停止される。通電が再開されたときには、その基準位置を原点として弁開度の制御がなされる。

このような位置決めを実現するために、例えば電動弁を構成するキャンと、ステータに取り付けたブラケットとの間に位置決め用の嵌合構造を設けるものがある（例えば特許文献１参照）。また、ステータの特定位置に回り止め部材を設け、ボディに接続された配管にその回り止め部材を接続することにより位置決めが実現されるものもある（例えば特許文献２参照）。これらの構成により、例えば閉弁時の磁極のずれによって生じるバウンズバック現象を抑制でき、基準位置でのロータの停止を安定に確保できる可能性がある（例えば特許文献３参照）。

特開２００１−３０４４４５号公報 特開２００５−９０５７１号公報 特開２００４−３５７４０９号公報

しかしながら、上述したブラケットの嵌合部や回り止部材の接続部は、位置決め対象である磁極から大きく離れた位置にあるため、それらによって磁極の位置決め精度を高めるには限界があった。また、嵌合部や接続部がステータの外部に設けられることで、電動弁の小型化に不利となる可能性があった。

本発明の目的の一つは、ステッピングモータ駆動式の電動弁において、簡易な構成にてステータの位置決め精度を向上させることにある。

本発明のある態様は、ステッピングモータ駆動式の電動弁である。この電動弁は、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させる弁孔とを有するボディと、弁孔に接離して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と、ボディの端面に取り付けられ、ロータを回転駆動させるステータと、を含むステッピングモータと、ロータに同軸状に接続され、弁体に駆動力を伝達するためのシャフトと、シャフトの回転量を規制するためのストッパ機構と、ボディに固定され、弁体、シャフトおよびストッパ機構が配置される空間を覆うとともにロータを内包する筒状部材であって、流体の圧力が作用する内部空間と作用しない外部空間とを画定する一方、ステータが同軸状に外挿されるキャンと、を備える。

ストッパ機構の作動によりシャフトが停止されるときのステータとロータとの回転方向の位置関係が、互いの磁極が正対する基準位置として設定される。ロータは、ストッパ機構の配置構成により基準位置にて停止されるように設けられる。ステータは、ボディとの取付面に設けられた嵌合部と、キャンへの挿通部との位置関係によりボディに対する位置決めがなされ、基準位置にてロータと互いの磁極を正対させるように設けられている。

この態様によると、ステータの位置決めのための嵌合部が、ステータとボディとの取付面に設けられる。このため、その位置決めのためにステータの外部に別途スペースを確保する必要がなく、また、その嵌合部と磁極とを近づけることができる。このため、簡易な構成にてステータの位置決め精度を向上させることができる。

本発明によれば、ステッピングモータ駆動式の電動弁において、簡易な構成にてステータの位置決め精度を向上させることができる。

実施形態に係る制御弁の外観を表す図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 ロータおよび作動ロッドの構成部品を表す分解斜視図である。 図１のＡ−Ｏ−Ｂ矢視断面図である。 ステータコイルの構成を詳細に示す図である。 ステータコイルの樹脂モールド前の構成を示す図である。 ヨークおよびコイルユニットの構成を表す分解斜視図である。 第１ヨークの外ヨークの構成を詳細に示す図である。 ロータとステータコイルとの間の基準位置の設定に関する説明図である。 基準位置にてロータが停止され、通電が遮断される直前の励磁状態を示す図である。

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。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。

図１は、実施形態に係る制御弁の外観を表す図である。（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は正面図である。図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。本実施形態は、本発明の電動弁を自動車用空調装置の冷凍サイクルに適用される制御弁（膨張弁）として具体化している。この冷凍サイクルには、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサ、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサ、凝縮された液冷媒を絞り膨張させて霧状の気液混合冷媒にして送出する膨張弁、その霧状の冷媒を蒸発させてその蒸発潜熱により車室内の空気を冷却するエバポレータ等が設けられている。なお、以下では便宜上、主要構成である制御弁の構造を中心に説明し、それ以外の詳細な説明については省略する。

図１（Ａ）および（Ｂ）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膨張弁として構成され、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の上端開口部を閉止するように取り付けられている。

図２に示すように、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第２ボディ８の上面にはラックガイド４４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。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。

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、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。

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。

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。

シャフト６０の下半部は、下方（つまりシャフト６０の先端側）に向けて開口する内部空間Ｓが形成された中空構造となっている。内部空間Ｓ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。すなわち、シャフト６０の下半部は、それらを収容する「収容部」として機能する。シャフト６０の下端開口部には、円筒状のブッシュ６７（圧入ブッシュ）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およびブッシュ６７は銅合金からなる。なお、シャフト６０とブッシュ６７が一体であるため、両者を合わせて広義に「シャフト」と捉えることもできる。ブッシュ６７の下端開口部は、そのシャフトの「先端開口部」を構成する。

弁体３４は、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。

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。なお、係止部７２は、実際には図示の断面の紙面手前側に位置するため、二点鎖線（想像線）にて表している。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。

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（内部空間）と作用しない外方の非圧力空間（外部空間）とを画定する。

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。

ステータコイル３３は、励磁コイル８８を樹脂モールドすることにより円筒状に構成され、キャン３５に同軸状に外挿されている。ステータコイル３３は、シール部材としてのパッキン３７を間に挟むようにしてボディ５に固定されている。ステータコイル３３は、環状の押さえ部材８３により上方から押し付けられるようにしてボディ５に固定されている。押さえ部材８３と端部材８２との間には板ばね８５が介装され、その板ばね８５が押さえ部材８３に付勢力を付与している。なお、ステータコイル３３のボディ５に対する接続は、この他にも、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。

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。本実施形態では、マグネット９２はその円周方向に複数極（本実施形態では２４極）に磁化（着磁）されている。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。

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。

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。

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。

図３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。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。

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。

制御弁１の組み付けの際には、図２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。

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膨張弁として機能する。すなわち、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。

具体的には、図２に示した制御弁１の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、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、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。

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、図２に示したようにラック７０が上死点に到達すると、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。

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。

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。

なお、本実施形態において、シャフト６０とガイド部材３８との間のねじ機構は、ステータコイル３３とロータ３１の互いの磁極（後述する極歯）が正対した状態にてステータコイル３３への通電が遮断されたときに、いわゆるセルフロックをするようリード角が設定されている。このセルフロックは、スプリング６３の付勢力により押し戻される形でシャフト６０が回転することを防止するものであり、ガイド部材３８と雌ねじ３９との噛合部の各歯面に作用する力により実現される。この歯面に作用する力の大きさは、リード角に応じて変化することが知られている。本実施形態では、このようなセルフロックを生じさせるよう、ねじ機構のリード角を小さく設定している。

制御弁１には、エバポレータの出口温度等に基づいて演算された弁開度に基づく指令信号が入力される。制御弁１は、その指令信号に基づいて弁開度を制御する。コンデンサ側から導入ポート１０を介して制御弁１に導入された液冷媒は、その弁部を通過することにより絞り膨張（断熱膨張）されて霧状の気液混合冷媒となり、導出ポート１２からエバポレータに向けて導出される。

次に、本実施形態の主要構成について詳細に説明する。
図４は、図１のＡ−Ｏ−Ｂ矢視断面図である。本実施形態では、モータユニット４により弁開度を高精度に制御するために、ステータコイル３３とロータ３１との位置決めの原点となる基準位置が設定されている。具体的には、ストッパ機構の作動によりシャフト６０が停止されるときのステータコイル３３とロータ３１との回転方向の位置関係が、互いの磁極が正対するように基準位置が設定されている。つまり、閉弁状態においてステータコイル３３とロータ３１との互いの磁極が正対するように位置決めされている。それにより、閉弁時に通電が遮断されたときに、ロータ３１が基準位置にて安定に停止できるようにされている。これを実現するために、ロータ３１は、ストッパ機構の配置構成により基準位置に停止されるように設けられている。一方、ステータコイル３３は、基準位置にてロータ３１と互いの磁極を正対させるように位置決めされて設置される。

具体的には図示のように、ボディ５（第１ボディ６）の上端面の特定箇所に嵌合穴１１０が設けられ、それに対向するステータコイル３３の下端面にはピン１１２が突設されている。これらピン１１２と嵌合穴１１０により「嵌合部」が構成される。嵌合穴１１０は、第１ボディ６の上端面の対角線上に形成されている（図１参照）。すなわち、角柱状に形成された第１ボディ６の角部近傍の空きスペースを有効利用する形で嵌合部が設けられている。ピン１１２と嵌合穴１１０とが、ボディ５とステータコイル３３との対向面に設けられているため、嵌合部のために別途スペースを確保する必要がない。このような構成は、制御弁１の小型化に寄与する。

図５は、ステータコイル３３の構成を詳細に示す図である。（Ａ）は上方からみた斜視図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は底面図である。（Ｄ）は正面図であり、（Ｅ）は側面図である。（Ｆ）は（Ｅ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。図６は、ステータコイル３３の樹脂モールド前の構成を示す図である。（Ａ）は上方からみた斜視図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は底面図である。（Ｄ）は正面図であり、（Ｅ）は側面図である。（Ｆ）は（Ｅ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。

図５に示すように、ステータコイル３３は、２つのヨーク（第１ヨーク１２１，第２ヨーク１２２）を軸線方向に組み付けて得られたヨークユニット１２０と、各ヨークに組み付けられるボビン１２４と、各ボビン１２４に巻回された励磁コイル８８と、励磁コイル８８が接続される端子が保持される端子台１２６と、これらを外側から保護するようにインサートするモールド部１２８とを含む。端子台１２６は、ヨークの側面に設けられ、その外側がモールド部１２８に覆われる形で保護されている。そして、第１ヨーク１２１の下端面から下方に突出するようにピン１１２が設けられている。

図６に示すように、第１ヨーク１２１は、内ヨーク１３０と外ヨーク１３２を含み、それらの間に第１コイルユニット１３４を収容する。第１コイルユニット１３４は、ボビン１２４に励磁コイル８８を巻回して構成される。内ヨーク１３０は、円環状の本体の内周部に周方向に等間隔に配列された複数の極歯１３６を有する。外ヨーク１３２は、有底円筒状の本体の底部内周部に周方向に等間隔に配列された複数の極歯１３８を有する。各極歯は、各ヨークの内端部を軸線方向に櫛歯状に切り起こすようにして形成されている。内ヨーク１３０と外ヨーク１３２は、互いの極歯を交互に組み合わせるようにして組み付けられている。両ヨークを合わせた極歯の総数は、マグネット９２の磁極数（２４極）に等しい。ボビン１２４は、それらの極歯を内挿させるように第１ヨーク１２１に組み付けられている。

一方、第２ヨーク１２２は、内ヨーク１４０と外ヨーク１４２を含み、それらの間に第２コイルユニット１４４を収容する。第２コイルユニット１４４は、ボビン１２４に励磁コイル８８を巻回して構成される。内ヨーク１４０は、円環状の本体の内周部に周方向に等間隔に配列された複数の極歯１４６を有する。外ヨーク１４２は、有底円筒状の本体の底部内周部に周方向に等間隔に配列された複数の極歯１４８を有する。各極歯は、各ヨークの内端部を軸線方向に櫛歯状に切り起こすようにして形成されている。内ヨーク１４０と外ヨーク１４２は、互いの極歯を交互に組み合わせるようにして組み付けられている。両ヨークを合わせた極歯の総数は、マグネット９２の磁極数（２４極）に等しい。ボビン１２４は、それらの極歯を内挿させるように第１ヨーク１２１に組み付けられている。ボビン１２４は、それらの極歯を内挿させるように第２ヨーク１２２に組み付けられている。

第１ヨーク１２１の励磁コイル８８は、電気的に第１相のコイルとして構成されている。一方、第２ヨーク１２２の励磁コイル８８は、電気的に第２相のコイルとして構成されている。いずれか一方のコイルが励磁される一相励磁、双方のコイルが励磁される二相励磁を順次切り替えながらステッピングモータの回転制御が行われる。

図７は、ヨークおよびコイルユニットの構成を表す分解斜視図である。（Ａ）は内ヨークと外ヨークとが分解された状態を示し、（Ｂ）は内ヨークと外ヨークとが組み付けられた状態を示す。図８は、第１ヨーク１２１の外ヨーク１３２の構成を詳細に示す図である。（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｏ−Ｆ矢視断面図である。（Ｃ）は（Ｂ）のＧ部拡大図である。（Ｄ）はピンの接合方法を示す図である。

図７（Ａ）に示すように、第１ヨーク１２１において、内ヨーク１３０と外ヨーク１３２とは位置決め用の嵌合構造を有する。すなわち、内ヨーク１３０は、その本体の外周縁部に半径方向外向きに突出する一対の嵌合突起１５０，１５０を有する。また、その本体には嵌合突起１５２と嵌合孔１５４が周方向に交互に２つずつ設けられている。一方、外ヨーク１３２は、その本体の上端部に一対の嵌合凹部１５６，１５６を有し、その本体の下面から下方に突出するようにピン１１２が設けられている。また、その本体の側壁には、端子台１２６を取り付けるための開口部１５８が設けられている。内ヨーク１３０と外ヨーク１３２とを、両者の間に第１コイルユニット１３４を介装させるようにして組み付けることで第１ヨーク１２１が得られる。その際、内ヨーク１３０の嵌合突起１５０と、外ヨーク１３２の嵌合凹部１５６とを嵌合させるようにして両者の位置決めを行う。

同様に、第２ヨーク１２２において、内ヨーク１４０と外ヨーク１４２とが位置決め用の嵌合構造を有する。内ヨーク１４０は、内ヨーク１３０と同一構造を有する。一方、外ヨーク１４２は、外ヨーク１３２とほぼ同様の構造を有するが、ピン１１２は設けられていない。内ヨーク１４０と外ヨーク１４２とを、両者の間に第２コイルユニット１４４を介装させるようにして組み付けることで第２ヨーク１２２が得られる。その際、内ヨーク１４０の嵌合突起１５０と、外ヨーク１４２の嵌合凹部１５６とを嵌合させるようにして両者の位置決めを行う。

図７（Ｂ）に示すように、第１ヨーク１２１と第２ヨーク１２２とを軸線方向に組み付けることにより、上下２層のヨークからなるヨークユニット１２０が得られる。その際、第１ヨーク１２１と第２ヨーク１２２の一方の嵌合突起１５２を他方の嵌合孔１５４に嵌合させるようにして両者の位置決めを行う。このヨークユニット１２０を樹脂モールドすることにより、図５に示したステータコイル３３が得られる。

なお、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ピン１１２は、その上端部を外ヨーク１３２の底部に加締め接合することにより外ヨーク１３２に一体に組み付けられている。すなわち、図８（Ｄ）に示すように、外ヨーク１３２への組み付け前のピン１１２は、その上端部に半径方向外向きに突出するフランジ部１７０を有する。このピン１１２は、例えばＳＵＳの転造加工により得ることができる。一方、外ヨーク１３２の底部には、フランジ部１７０を残してピン１１２を挿通可能な挿通孔１７２が設けられている。図示のように、ピン１１２をその先端から挿通孔１７２に挿通し、フランジ部１７０を潰すように塑性変形させることで、ピン１１２を外ヨーク１３２の下面から突出させつつ固定することができる。この加締め加工の際に、フランジ部１７０の材料流動が生じることで、ピン１１２を外ヨーク１３２に対して安定に固定することができる。

以上のように構成されたステータコイル３３をボディ５に組み付ける。その際、図４に示したように、キャン３５に対してステータコイル３３を外挿させるとともに、ピン１１２を嵌合穴１１０に嵌合させる。このピン１１２と嵌合穴１１０による嵌合部と、ステータコイル３３のキャン３５への挿通部との位置関係により、ステータコイル３３のボディ５に対する位置決めがなされる。それにより、閉弁時に通電が遮断された際には、ロータ３１とステータコイル３３の互いの磁極を基準位置にて正対させることができる。言い換えれば、そのようにロータ３１とステータコイル３３の各部の位置決めがなされている。

図９は、ロータ３１とステータコイル３３との間の基準位置の設定に関する説明図である。（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は正面図である。（Ｃ）は（Ａ）のＨ−Ｈ矢視断面図であり、（Ｄ）は（Ｂ）のＩ−Ｉ矢視断面図である。（Ｅ）は底面図である。（Ｆ）は（Ｃ）のＪ−Ｊ矢視断面図であり、（Ｇ）は（Ｃ）のＫ−Ｋ矢視断面図である。図１０は、基準位置にてロータ３１が停止され、通電が遮断される直前の励磁状態を示す。（Ａ）は図９（Ｇ）に対応し、（Ｃ）はその斜視図である。（Ｂ）はステータコイル３３の励磁状態を示す説明図である。なお、説明の便宜上、各図において作動ロッド３２、励磁コイル８８、ボビン１２４、モールド部１２８等の表示を適宜省略している。

図９（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、ロータ３１とステータコイル３３とは同軸状に設けられている。閉弁時においては、ラック７０が上死点に到達してストッパ９９に係止されることでロータ３１の回転が停止される（図９（Ｄ），（Ｆ）参照）。このとき、図４に示した弁体３４が弁座２６に着座した後、さらにシャフト６０が所定量（例えば０．１５ｍｍ程度）下方に変位したときにロータ３１が停止されるよう、ステッピングモータの制御がなされる。それによって得られるスプリング６３の付勢力により、安定した閉弁状態（弁体３４の着座状態）が実現されるようにされている。

この閉弁状態においては、スプリング６３の弾性反力がシャフト６０に作用することになるが、既に述べたように、シャフト６０とガイド部材３８との間のねじ機構がセルフロック機能を有するため、通電が遮断されてもシャフト６０が押し戻されることはない。通電遮断後もロータ３１とステータコイル３３との間にはマグネット９２による磁気が残留し、また上記ねじ機構によるセルフロックも機能するため、ロータ３１を基準位置に安定に停止させることができる。それにより、通電再開時にはロータ３１をその基準位置から駆動することができ、ステッピングモータによる正確な開弁制御が実現可能となる。

このように通電遮断時にロータ３１を基準位置に安定に停止させるために、ロータ３１は、ストッパ機構の配置構成によりその基準位置にて停止されるように設けられている。一方、ステータコイル３３は、ボディ５との取付面に設けられた嵌合部と、キャン３５への挿通部との位置関係によりボディ５に対する位置決めがなされている。この嵌合部は、ボディ５の上端面に設けられた嵌合穴１１０と、ヨークユニット１２０の下面から突出するピン１１２により実現されている。ステータコイル３３は、基準位置にてロータ３１と互いの磁極を正対させるように設けられている。

具体的には、閉弁時において図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示すような励磁状態にて通電が遮断される。すなわち、ラック７０の係止部７４がストッパ９９に係止されたときに、第１ヨーク１２１の励磁コイル８８のみが通電される一相励磁状態とされる。そして、その第１ヨーク１２１に現れる２４極の磁極１６０と、ロータ３１のマグネット９２に設定された２４極の磁極１６２とが正対される。磁極１６０は、内ヨーク１３０を構成する極歯１３６と、外ヨーク１３２を構成する極歯１３８とを含む。このとき、極歯１３６がＳ極、極歯１３８がＮ極となり、それぞれマグネット９２の磁極１６２のＮ極、Ｓ極と正対される。

以上説明したように、本実施形態によれば、ステータコイル３３の位置決めのためのピン１１２（嵌合部）が、閉弁状態において磁極が形成されるヨーク（第１ヨーク１２１）に直接固定される。このため、その嵌合部の磁極に対する位置精度を高くでき、ステータコイル３３の位置決め精度を向上させることができる。また、その嵌合部が角柱状のボディ５の対角線上（角部近傍の空きスペース）に設けられるため、省スペース化による制御弁１の小型化にも有利となる。さらに、ヨークにピン１１２を一体加工すれば足りるため、モールド部の形状変化の影響を受け難いといったメリットもある。

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。

上記実施形態では、ステータコイル３３に設けられたピン１１２と、ボディ５に設けられた嵌合穴１１０とにより嵌合部を構成する例を示した。変形例においては逆に、ステータに嵌合穴を設ける一方、ボディにピンを設け、両者を嵌合させてもよい。あるいは、ステータとボディの双方に嵌合穴を設け、別途用意したピンをそれらの嵌合穴に嵌合させることにより両者を接続してもよい。

上記実施形態では、閉弁状態において基準位置を設定する例を示した。変形例においては、弁部の全開状態において基準位置を設定してもよい。そして、その基準位置にてステータとロータとの互いの磁極を正対させるようにしてもよい。その場合も、ステータは、ボディとの取付面に設けられた嵌合部と、キャンへの挿通部との位置関係によりボディに対する位置決めがなされる。

上記実施形態では、上記電動弁を膨張弁として構成したが、膨張機能を有しない開閉弁として構成してもよい。

上記実施形態では、上記電動弁を、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。その場合も、ステータは、ボディとの取付面に設けられた嵌合部と、キャンへの挿通部との位置関係によりボディに対する位置決めがなされ、基準位置にてロータと互いの磁極を正対させるように設けられる。

上記実施形態では、弁体３４がシャフト６０の先端部に同軸状に支持され、作動変換機構により軸線方向に駆動される例を示した。すなわち、電動弁が、ロータの回転運動をシャフトの並進運動に変換する作動変換機構を備える構成を示した。変形例においては、シャフトと弁体との軸線がずれる構成としてもよい。例えば、両者が平行にずれる構成としてもよい。あるいは、ロータの回転運動により弁体をその軸線周りに回動させ、その弁体の回動位置（スライド位置）に応じて弁部（弁孔）を開閉する構成としてもよい。その場合、弁体の回動位置に応じて弁開度が可変となる構成としてもよい。シャフトと弁体との間にギヤ機構を介在させてもよい。例えば、特開２０００−３４６２２７号公報に記載の電動膨張弁、あるいは、特開２０１４−１９０４９４号公報に記載の電動弁等に対し、上記実施形態や変形例に記載のロータおよびステータの位置決め構造を採用してもよい。

上記実施形態の電動弁は、冷媒として代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ）など使用する冷凍サイクルに好適に適用されるが、二酸化炭素のように作動圧力が高い冷媒を用いる冷凍サイクルに適用することも可能である。その場合には、冷凍サイクルにコンデンサに代わってガスクーラなどの外部熱交換器が配置される。

上記実施形態では、上記電動弁を自動車用空調装置の冷凍サイクルに適用する例を示したが、車両用に限らず電動膨張弁を搭載する空調装置に適用可能である。また、冷媒以外の流体の流れを制御する電動弁として構成することもできる。

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。

１ 制御弁、 ２ 弁本体、 ４ モータユニット、 ５ ボディ、 １０ 導入ポート、 １２ 導出ポート、 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、 ３９ 雌ねじ、 ４４ ラックガイド、 ６０ シャフト、 ６２ ウォーム、 ６３ スプリング、 ６４ ストッパ、 ６６ 雄ねじ、 ６８ ガイド部、 ７０ ラック、 ７２ 係止部、 ７４ 係止部、 ８８ 励磁コイル、 ９０ ロータコア、 ９２ マグネット、 ９９ ストッパ、 １１０ 嵌合穴、 １１２ ピン、 １２０ ヨークユニット、 １２１ 第１ヨーク、 １２２ 第２ヨーク、 １２４ ボビン、 １３０ 内ヨーク、 １３２ 外ヨーク、 １３６ 極歯、 １３８ 極歯、 １４０ 内ヨーク、 １４２ 外ヨーク、 １４６ 極歯、 １４８ 極歯、 １６０ 磁極。

Claims (8)

1. ステッピングモータ駆動式の電動弁において、
   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、前記導入ポートと前記導出ポートとを連通させる弁孔とを有するボディと、
   前記弁孔に接離して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と、前記ボディの端面に取り付けられ、前記ロータを回転駆動させるステータと、を含むステッピングモータと、
   前記ロータに同軸状に接続され、前記弁体に駆動力を伝達するためのシャフトと、
   前記シャフトの回転量を規制するためのストッパ機構と、
   前記ボディに固定され、前記弁体、前記シャフトおよび前記ストッパ機構が配置される空間を覆うとともに前記ロータを内包する筒状部材であって、流体の圧力が作用する内部空間と作用しない外部空間とを画定する一方、前記ステータが同軸状に外挿されるキャンと、
   を備え、
   前記ストッパ機構の作動により前記シャフトが停止されるときの前記ステータと前記ロータとの回転方向の位置関係が、互いの磁極が正対する基準位置として設定され、
   前記ロータは、前記ストッパ機構の配置構成により前記基準位置にて停止されるように設けられ、
   前記ステータは、前記ボディとの取付面に設けられた嵌合部と、前記キャンへの挿通部との位置関係により前記ボディに対する位置決めがなされ、前記基準位置にて前記ロータと互いの磁極を正対させるように設けられていることを特徴とする電動弁。
2. 前記嵌合部が、前記ステータおよび前記ボディの一方の対向面に設けられたピンと、他方の対向面に設けられて前記ピンを嵌合させる嵌合穴とにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 前記嵌合部が、前記ステータに設けられたピンと、前記ボディに設けられた嵌合穴とにより構成されることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
4. 前記ボディが角柱状をなし、
   前記嵌合穴が、前記ボディの端面のほぼ対角線上に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電動弁。
5. 前記ステータは、
   複数の磁極が環状に配列されたヨークと、
   前記複数の磁極を挿通させるようにして前記ヨークに組み付けられるボビンと、
   前記ボビンに巻回された励磁コイルと、
   を含み、
   前記ピンが前記ヨークの端面から突出するように一体に設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の電動弁。
6. 前記ピンは、前記ヨークの端面に設けられた孔部に部分的に加締め接合されることにより、前記ヨークに一体化されていることを特徴とする請求項５に記載の電動弁。
7. 前記ロータの回転運動を前記シャフトの並進運動に変換する作動変換機構を備え、
   前記弁体が前記シャフトの先端部に支持され、
   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むねじ機構を有し、
   前記ねじ機構は、前記ステータと前記ロータの互いの磁極が正対した状態にて前記ステータへの通電が遮断されたときに、セルフロックをするようリード角が設定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電動弁。
8. 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ストッパと、
   を含むことを特徴とする請求項７に記載の電動弁。

Images