JP6218029B2 - ステッピングモータ駆動式の制御弁 - Google Patents

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。

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。

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。

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。この作動変換機構としては、例えばリードねじ機構が採用される（例えば特許文献１参照）。制御弁のボディに雌ねじを形成する一方、ロータと一体のシャフトに雄ねじを形成し、そのシャフトの先端に弁体を支持するものである。ロータの回転によりシャフトを軸線方向に駆動し、弁体を並進させることができる。

特開２０１０−３８２１９号公報

しかしながら、このような制御弁は、リードねじ機構そのものがロータの軸受機能を兼ねるものが多く、特に車両に搭載される場合など振動を受けやすい環境下において十分な耐久性を得られないといった問題がある。すなわち、このような制御弁は、ロータが質量の大きい磁石を保持した状態で比較的不安定な片持ち状に保持される構成であるとともに、ステータコイルの吸引力に多少の偏心が生じることも避けられない。このため、ロータの回転作動時にその軸受部に大きなモーメントが作用する可能性がある。特に車両に搭載される場合にはさらに外部からの振動を受けるため、ロータの慣性力による振れ回りが発生し易くなる。このため、リードねじが軸受として機能するときにねじ部に負荷される荷重が大きく、十分な耐久性が得られない可能性が高い。

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、ロータの振れ回りを抑制して耐震性を向上させることにある。

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、一端部にて弁体を支持する作動ロッドと、一端側がボディに固定されるようにして立設され、他端側が作動ロッドの軸受として機能する筒状のガイド部材と、ロータの軸線周りの回転運動を作動ロッドの軸線方向の並進運動に変換することにより弁体を弁部の開閉方向に駆動する作動変換機構と、を備える。

ロータは中空形状をなし、ボディは、ロータとの対向面に弁孔と同軸に設けられた嵌合部と、弁孔と嵌合部との間に弁孔と同軸に設けられた支持部とを有する。ガイド部材は、大径部と小径部とが軸線方向に同軸に一体成形された段付筒状をなし、大径部が嵌合部に挿通されるように嵌合してボディに固定され、小径部がロータの内部空間に延出し、作動ロッドは、ロータの内部空間を貫通するように設けられ、ボディの支持部を一端側の軸受とし、ガイド部材の小径部を他端側の軸受として回転可能に支持されている。

この態様によると、ボディにおいて弁孔との同軸度が確保された嵌合部に対し、段付筒状のガイド部材の大径部が嵌合される。それにより、ガイド部材と弁孔との同軸度が高精度に得られる。一方、ボディには弁孔との同軸度が確保された支持部がさらに設けられている。ガイド部材の小径部は、大径部との同軸度が確保されている。このため、作動ロッドの一端側の軸受となるボディの支持部と、他端側の軸受となるガイド部材の小径部との同軸度を高精度に得ることができる。また、ガイド部材の小径部がロータの内部空間に延出することで、その小径部と支持部との間隔、つまり軸受間隔を十分にとることができる。すなわち、ロータの回転軸となる作動ロッド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、仮に外部からの振動を受けたとしてもロータ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、制御弁としての耐震性を高めることができる。

本発明によれば、ステッピングモータ駆動式の制御弁において、ロータの振れ回りを抑制して耐震性を向上させることができる。

実施形態に係る制御弁の構成を表す一断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 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。 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。 ロータコアの構成を詳細に示す図である。 ラックガイドの構成を詳細に示す図である。 ラックの構成を詳細に示す図である。 ストッパの構成を詳細に示す図である。 ラックの動作を模式的にに示す図である。 制御弁の動作を表す断面図である。

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。
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。

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。

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。

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。

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。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。

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（「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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、 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。

Claims (4)

1. 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、前記導入ポートと前記導出ポートとを連通す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、一端部にて前記弁体を支持する作動ロッドと、
   一端側が前記ボディに固定されるようにして立設され、他端側が前記作動ロッドの軸受として機能する筒状のガイド部材と、
   前記ロータの軸線周りの回転運動を前記作動ロッドの軸線方向の並進運動に変換することにより前記弁体を前記弁部の開閉方向に駆動する作動変換機構と、
   を備え、
   前記ロータは中空形状をなし、
   前記ボディは、前記ロータとの対向面に前記弁孔と同軸に設けられた嵌合部と、前記弁孔と前記嵌合部との間に前記弁孔と同軸に設けられた支持部とを有し、
   前記ガイド部材は、大径部と小径部とが軸線方向に同軸に一体成形された段付筒状をなし、前記大径部が前記嵌合部に挿通されるように嵌合して前記ボディに固定され、前記小径部が前記ロータの内部空間に延出し、
   前記作動ロッドは、前記ロータの内部空間を貫通するように設けられ、前記ボディの支持部を一端側の軸受とし、前記ガイド部材の小径部を他端側の軸受として回転可能に支持され、
   前記ガイド部材の大径部が前記ロータの一端部に挿通され、
   前記大径部の外周面と前記ロータの内周面とのクリアランスが、前記ロータの振れを制限可能となるように設定されていることを特徴とする制御弁。
2. 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、前記導入ポートと前記導出ポートとを連通す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、一端部にて前記弁体を支持する作動ロッドと、
   一端側が前記ボディに固定されるようにして立設され、他端側が前記作動ロッドの軸受として機能する筒状のガイド部材と、
   前記ロータの軸線周りの回転運動を前記作動ロッドの軸線方向の並進運動に変換することにより前記弁体を前記弁部の開閉方向に駆動する作動変換機構と、
   を備え、
   前記ロータは中空形状をなし、
   前記ボディは、前記ロータとの対向面に前記弁孔と同軸に設けられた嵌合部と、前記弁孔と前記嵌合部との間に前記弁孔と同軸に設けられた支持部とを有し、
   前記ガイド部材は、大径部と小径部とが軸線方向に同軸に一体成形された段付筒状をなし、前記大径部が前記嵌合部に挿通されるように嵌合して前記ボディに固定され、前記小径部が前記ロータの内部空間に延出し、
   前記作動ロッドは、前記ロータの内部空間を貫通するように設けられ、前記ボディの支持部を一端側の軸受とし、前記ガイド部材の小径部を他端側の軸受として回転可能に支持され、
   前記ボディが、前記導入ポートおよび前記導出ポートが形成された第１ボディに対し、前記弁孔が形成された第２ボディを組み付けて構成され、
   前記弁孔、前記嵌合部および前記支持部が、前記第２ボディに同軸に旋削加工された部分に設けられていることを特徴とする制御弁。
3. 前記第２ボディに前記弁孔と同軸に旋削加工された嵌合孔に嵌合するように固定された円筒部材をさらに備え、
   前記作動変換機構は、前記一端側の軸受と前記他端側の軸受との間において前記作動ロッドに一体に設けられた雄ねじ部と、前記第２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、
   前記雌ねじ部が、前記円筒部材の内周面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の制御弁。
4. 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、前記導入ポートと前記導出ポートとを連通す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、一端部にて前記弁体を支持する作動ロッドと、
   一端側が前記ボディに固定されるようにして立設され、他端側が前記作動ロッドの軸受として機能する筒状のガイド部材と、
   前記ロータの軸線周りの回転運動を前記作動ロッドの軸線方向の並進運動に変換することにより前記弁体を前記弁部の開閉方向に駆動する作動変換機構と、
   を備え、
   前記ロータは中空形状をなし、
   前記ボディは、前記ロータとの対向面に前記弁孔と同軸に設けられた嵌合部と、前記弁孔と前記嵌合部との間に前記弁孔と同軸に設けられた支持部とを有し、
   前記ガイド部材は、大径部と小径部とが軸線方向に同軸に一体成形された段付筒状をなし、前記大径部が前記嵌合部に挿通されるように嵌合して前記ボディに固定され、前記小径部が前記ロータの内部空間に延出し、
   前記作動ロッドは、前記ロータの内部空間を貫通するように設けられ、前記ボディの支持部を一端側の軸受とし、前記ガイド部材の小径部を他端側の軸受として回転可能に支持され、
   前記作動ロッドの回転範囲を制限するためのストッパ機構をさらに備え、
   前記ストッパ機構は、
   前記作動ロッドに一体に設けられ、前記ガイド部材の小径部に支持されるウォームと、
   前記ウォームと噛合し、前記ウォームの軸線と平行に並進可能となるように前記ガイド部材にガイドされるラックと、
   前記ウォームの一端側にて前記作動ロッドと一体に設けられ、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作動ロッド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作動ロッドと一体に設けられ、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作動ロッドの回転を規制する第２ストッパと、
   を含み、
   前記ラックが前記ロータ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制御弁。

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