特開 2024-115880 流量調整弁及びそれを用いる流量制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024115880

(43)【公開日】2024-08-27

(54)【発明の名称】流量調整弁及びそれを用いる流量制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 11/10 20060101AFI20240820BHJP

【ＦＩ】

F02D11/10 Q

F02D11/10 U

F02D11/10 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023021761

(22)【出願日】2023-02-15

(71)【出願人】

【識別番号】000153122

【氏名又は名称】株式会社ニッキ

(74)【代理人】

【識別番号】110002354

【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 真史

(72)【発明者】

【氏名】金子 直和

【テーマコード（参考）】

3G065

【Ｆターム（参考）】

3G065BA03

3G065CA06

3G065CA39

3G065GA41

3G065KA11

(57)【要約】      （修正有）

【課題】流体の流量を調整しながら制御を行うための流量調整弁について、簡易な構成で高精度な流量制御を行えるようにする。
【解決手段】流体が通過する流体通路を形成したボディ１０と、弁体２１と、弁軸２２と、ＡＣサーボモータ４０と、を有し、開度センサで前記弁体２１の開度を検知しながら前記ＡＣサーボモータ４０を回動操作することで前記弁体２１の開度を変更して前記流体の流量を調整する流量調整弁１Ａにおいて、前記開度センサは、前記ＡＣサーボモータ４０に付設された角度位置センサ５０が兼ねるものとされ、前記弁体２１側及び前記弁軸２２側に開度センサを備えていない。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体が通過する流体通路を形成したボディと、
前記流体通路を開閉する弁体と、
回動可能に前記ボディに支持されるとともに前記弁体と結合した弁軸と、
出力軸が前記弁軸に接続されたＡＣサーボモータと、を有し、
前記弁体の開度を開度センサで検知しながら前記ＡＣサーボモータの前記出力軸を回動操作することで、前記弁軸を介して前記弁体の開度を変更して前記流体の流量を調整する流量調整弁において、
前記開度センサは、前記ＡＣサーボモータに付設された角度位置センサが兼ねるものとされ、前記弁体側及び前記弁軸側に開度センサを備えていない、ことを特徴とした流量調整弁。

【請求項2】

前記出力軸と前記弁軸の間には歯車が介装されており、前記角度位置センサが検出した角度位置に前記出力軸と前記弁軸の回転比率に応じた係数を掛けることにより、前記弁体の開度を推定しながら前記流体の流量の調整を行う、ことを特徴とする請求項１に記載した流量調整弁。

【請求項3】

請求項２記載の前記流量調整弁に付設又は接続されて前記角度位置センサの検出データが入力されるとともに前記ＡＣサーボモータの駆動操作を行う流量制御装置であって、前記角度位置センサが検出した前記角度位置に前記出力軸と前記弁軸の回転比率に応じた係数を掛けて前記弁体の開度を推定しながら前記流量調整弁の制御を実行する、ことを特徴とした流量制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流量調整弁及びそれを用いる流量制御装置に関し、殊に、ＡＣサーボモータを使用して弁体の精密な開閉操作を行う流量調整弁、及びそれに接続されてそれを制御に用いる流量制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

空気やエンジンの排気ガスなどの流体による流量を調整する弁（バルブ）を、例えばＤＣモータやステッピングモータなどの電動モータ駆動で精密に開閉操作する方式を採用した流量調整弁が周知であるが、例えば図６に示した、ＤＣモータ４０Ｂを用いた流量調整弁１Ｂのように、弁体２１の開閉角度であるバルブ開度を検知するために、前記弁体２１と結合した弁軸２２の軸線上に開度センサ（角度位置センサ）３１および検知用のマグネット３２を搭載しているのが一般的である。

【0003】

前記開度センサには、接触式（抵抗式）や非接触式（磁力式）など、様々な方式のものが採用されており、いずれの方式においても、弁体の開度を検知するための種々の部品を搭載する必要があるため、流量調整弁のコンパクト化や低コスト化を困難にする一つの要因となっている。

【0004】

また、流量調整弁における弁体の駆動手段として使用される電動モータとして、モータの回動状態に応じたその出力軸の角度位置を正確に制御することができるＡＣサーボモータを用いることも知られている。

【0005】

例えば図７に示した、ＡＣサーボモータ４０Ｃを用いた流量調整弁１Ｃのように、前記ＡＣサーボモータ４０Ｃは、出力軸４１と、前記出力軸４１の周りに設置したロータ４２およびステータ４３と、前記出力軸４１が回動した角度位置を検出する角度位置センサ５０とを備えているのが通常であり、前記出力軸４１の回動角度を検出する出力側の角度位置センサ（エンコーダ）５０と、弁軸２２の回動角度を弁体２１の開度として検出する前記弁体２１側の開度センサ３１の２つのセンサを備えていることから、部品点数が増加しており、構造の複雑化や製品コストの高騰に繋がっている。

【0006】

一方、上述した流量調整弁１Ｂ，１Ｃや、例えば特開平６－９３８８８号公報（特許文献１）に記載された発明のように、モータ側の出力軸と弁体側の弁軸の間には、回動速度変換用の歯車６１，７１，７２，８１等が介装されているのが一般的であることから（図６，図７参照）、前記弁体２１側の前記開度センサ３１で検出した角度と出力側の前記角度位置センサ５０で検出した角度は一致しないため、前記開度センサ３１による検出データをそのまま使用してモータの駆動制御を実行することはできない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平６－９３８８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、流体の流量を調整しながら制御を行うための流量調整弁について、簡易な構成で高精度な流量制御を行えるようにすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するためになされた本発明は、流体が通過する流体通路を形成したボディと、前記流体通路を開閉する弁体と、回動可能に前記ボディに支持されるとともに前記弁体と結合した弁軸と、出力軸が前記弁軸に接続されたＡＣサーボモータと、を有し、前記弁体の開度を開度センサで検知しながら前記ＡＣサーボモータの前記出力軸を回動操作することで、前記弁軸を介して前記弁体の開度を変更して前記流体の流量を調整する流量調整弁において、前記開度センサは、前記ＡＣサーボモータに付設された角度位置センサが兼ねるものとされ、前記弁体側及び前記弁軸側に開度センサを備えていない、ことを特徴とする。

【0010】

このように、流量調整弁に備えられたＡＣサーボモータに付設されている角度位置センサによる検出データを、弁体の開度（バルブ角度）を検知するためのデータとして前記弁体の開閉制御に使用するものとして、前記弁体や前記弁軸側に開度センサを備えていない構成の流量調整弁としたことにより、簡易な構成で高精度な流量制御が可能となり、また、製品のコンパクト化も可能となる。

【0011】

本発明において、前記出力軸と前記弁軸の間には歯車が介装されており、前記角度位置センサが検出した角度位置に前記出力軸と前記弁軸の回転比率に応じた係数を掛けることにより、前記弁体の開度を推定しながら前記流体の流量の調整を行う場合、前記流量調整弁の制御を実行する制御装置に過剰な処理負担をかけることなく、前記弁体の開度を正確に検知しながら前記流量調整弁の精密な制御を実行可能なものとなる。

【0012】

更に、前記流量調整弁を用いる本発明である流量制御装置は、前記流量調整弁に付設又は接続されて前記角度位置センサによる検出データが入力されるとともに前記ＡＣサーボモータの駆動操作を行うものであって、前記角度位置センサが検出した角度位置に前記出力軸と前記弁軸の回転比率に応じた係数を掛けて前記弁体の開度を推定しながら前記流量調整弁の開閉制御を実行することで、手動による操作等を加えることなく精密な制御を自動的に行うことができる。

【発明の効果】

【0013】

ＡＣサーボモータの角度位置センサによる検出データを弁体の開閉制御に使用する構成として、弁体や弁軸側に開度センサを備えないものとした本発明によると、簡易な構成で高精度な流量制御を行え、製品のコンパクト化も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明における実施の形態である流量調整弁の縦断面図。

【図2】図１に示した流量調整弁における蓋部材を外した状態の中間ギアの上段歯車とピニオンギアの連結状態を示す図。

【図3】図１に示した流量調整弁における蓋部材を外した状態の中間ギアの下段歯車と駆動ギアの連結状態を示す図。

【図4】図１に示した流量調整弁におけるピニオンギア，中間ギア，駆動ギアの連結状態を示す説明図。

【図5】図１の流量調整弁におけるＡＣサーボモータの出力軸の角度位置と弁軸の角度位置の関係を示す一例としてのグラフ。

【図6】ＤＣモータを備えた従来の流量調整弁の一例を示す縦断面図。

【図7】ＡＣサーボモータを備えた従来の流量調整弁の一例を示す縦断面図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。

【0016】

図１は、本実施の形態である流量調整弁１Ａを縦断面図で示している。前記流量調整弁１Ａは、流体が通過する流体通路１１を形成したボディ１０と、前記流体通路１１を開閉する弁体２１と、回動可能に前記ボディ１０に支持されるとともに前記弁体２１と結合した弁軸２２と、出力軸４１が前記弁軸２２に接続されたＡＣサーボモータ４０と、を有し、エンジン等における空気や排気ガス等の流体の流量を調整して制御を行うために用いられる装置であり、図示しない電子制御装置（流量制御装置）が、前記ＡＣサーボモータ４０を操作しながら前記流体通路１１に配置した前記弁体２１を精密に開閉制御するものである。

【0017】

即ち、この流量調整弁１Ａは、前記弁体２１の開度（角度位置）を開度センサで検知しながら、前記ＡＣサーボモータ４０の前記出力軸４１を回動操作することにより、ピニオンギア（歯車６１），中間ギア（歯車７１，７２），駆動ギア（歯車８１）を介して接続された前記弁軸２２を回転させることで、前記弁体２１を回動させながらその開度を調整して、流体の流量を制御する構造である。

【0018】

そして、前記弁体２１の開度（角度位置）を検知する開度センサとしては、図６，図７に示した従来の流量調整弁１Ｂ，１Ｃのように、前記弁軸２１側に配置した検知用のマグネット２１ａおよび開度センサ（角度位置センサ）を用いるものではなく、前記ＡＣサーボモータ４０に予め付設されている角度位置センサ５０が兼ねるものとされ、前記弁体２１側や前記弁軸２２側に開度センサを備えていない構成とされており、この点が本発明における最大の特徴となっている。

【0019】

このように、前記流量調整弁１Ａの前記ＡＣサーボモータ４０にエンコーダとして予め設けられ、前記出力軸３１の回動による角度位置を検出する前記角度位置センサ５０が送信する検出データを、前記弁体２１の開度（バルブ角度）を検知するためのデータとしながら前記弁体２１の開閉制御に使用するものとして、従来例のように前記弁体２１や前記弁軸２２側に開度センサを備えない構成を採用したことにより、従来の流量調整弁１Ｂ，１Ｃと比べて蓋体１２の高さを削減可能となるなど、装置のサイズをコンパクトに抑えながら、低コストで簡易な構成でありつつ高精度な流量制御を実行可能としている。

【0020】

前記角度位置センサ５０に用いられるエンコーダは、例えば光学式、磁気式などの方式が知られているが、本実施の形態における前記角度位置センサ５０はその種類を問わず、従来知られたエンコーダのうち任意の方式のものを使用可能である。

【0021】

また、図２乃至図４に示すように、前記流量調整弁１Ａにおいては、前記ＡＣサーボモータ４０の前記出力軸４１と前記弁軸２２の間には前記歯車６１，７１，７２，８１が介装されているため、前記角度位置センサ５０で検出した前記ＡＣサーボモータ４０の駆動による前記出力軸４１の角度位置と、前記弁軸２２の角度位置及び前記弁体２１の開度（バルブ角度）は、必ずしも一致しないことになる。

【0022】

そこで、本実施の形態においては、前記角度位置センサ５０が検出した角度位置に、前記出力軸４１と前記弁軸２２の回転比率に応じた係数を掛けることにより、前記弁体２１の開度を推定しながら流量調整を行う方式を採用している。

【0023】

図５のグラフは、前記流量調整弁１Ａにおける前記ＡＣサーボモータ４０の前記出力軸４１の角度位置と前記弁軸２２の角度位置の関係を示しているが、前記弁体２１の全開状態の角度に前記歯車７１，６１の歯数の比（Ｂ／Ａ）と、前記歯車８１，７２の歯数の比（Ｄ／Ｃ）を掛けたものとなっている。

【0024】

即ち、前記ＡＣサーボモータ４０の前記出力軸４１に取付けられたピニオンギアである前記歯車６１の動力が、中間に配置された二段歯車状の中間ギアである歯車７１，７２を介して、前記弁体２１を固定した前記弁軸２２に取付けられた駆動ギアである前記歯車８１に伝達されて駆動するようになっており、前記ピニオンギア（前記歯車６１）と前記駆動ギア（前記歯車８１）のギア比が、前記ＡＣサーボモータ４０と前記弁体２１の回転比率になることから、前記ＡＣサーボモータ４０を作動させるための前記角度位置センサ５０で検出された角度位置データから、前記弁体２１の角度（バルブ角度）を推定することで、前記流量調整弁１Ａの制御を可能なものとしている。

【0025】

上述した制御手順は、実際には前記流量調整弁１Ａに接続された図示しない電子制御装置（流量制御装置）で実行され、前記角度位置センサ５０で連続的に検知している角度位置データを基に、フィードバック制御で前記ＡＣサーボモータ４０の駆動制御を行う方式であり、斯かる電子制御装置は、例えばエンジンの駆動制御を行う制御装置（ＥＣＵ）等が兼ねるものとして、前記電子制御装置の記憶手段に上述した制御手順を制御プログラムとして記憶させておくことが想定される。

【0026】

そして、上述した本実施の形態においては、前記流量調整弁１Ａの制御を実行するために前記電子制御装置（流量制御装置）に対し過剰な処理負担をかけることなく、前記弁体２１の開度を正確に検知（推定）しながら、前記流量調整弁１Ａの精密な制御を実行することを可能としている。

【0027】

なお、電子制御装置（流量制御装置）は前記流量調整弁１Ａ内に搭載するものとしてもよい（図示せず）。その場合、エンジンの駆動制御を行う制御装置（ＥＣＵ）に追加回路や過剰な処理などの負担をかけることなく、前記流量調整弁１Ａの制御を行うことができる。

【0028】

以上、述べたように、流体の流量を調整して制御を行うための流量調整弁について、本発明により、簡易な構成で高精度な流量制御を行え、製品のコンパクト化も可能となる。

【符号の説明】

【0029】

１Ａ 流量調整弁、１０ ボディ、１１ 流体通路、２１ 弁体、２２ 弁軸、４０ ＡＣサーボモータ、４１ 出力軸、５０ 角度位置センサ、６１，７１，７２，８１ 歯車

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】