(57)【要約】【課題】小型化を実現できるバルブ装置を提供すること。【解決手段】本発明のバルブ装置においては、モータ１２とプーリギア（太陽歯車）９とリードスクリュー（シャフト）４０とが同軸上に配置されるとともに、モータ軸１２ａがプーリギア９を貫通して延びているため、バルブ装置１の構成要素を軸方向にコンパクトに収めることができるとともに、バルブ装置１が遊星歯車機構Ｇの幅方向で大型化することを回避でき、装置全体の小型化及び構成の簡略化を実現することができる。【選択図】図２
2007225091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を開閉する開閉機構と、モータと、前記モータの動力を前記開閉機構に伝達するための遊星歯車機構とを備えたバルブ装置であって、前記開閉機構は、回転駆動されるシャフトと、このシャフトの回転に伴ってシャフトの軸方向に沿って移動することにより前記流路の開口を開閉する弁体とを有し、前記遊星歯車機構は、前記モータの動力により回転する太陽歯車と、この太陽歯車と螺合するとともに太陽歯車の周りで公転することにより回転力を前記シャフトに伝える遊星歯車とを有し、前記モータと前記太陽歯車と前記シャフトとが同軸上に配置されるとともに、前記モータの回転軸が前記太陽歯車を貫通して延在することを特徴とするバルブ装置。
【請求項２】
前記モータの回転軸の先端が前記シャフトの一端に当接していることを特徴とする請求項１記載のバルブ装置。
【請求項３】
前記モータの回転軸の先端と前記シャフトとの間にスペーサが介挿されていることを特徴とする請求項２記載のバルブ装置。
【請求項４】
前記モータの回転軸と対向する前記シャフトの一端部に凹部が形成され、この凹部内に前記モータの回転軸が遊嵌状態で挿入されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のバルブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの駆動力を用いて弁体を移動させることにより流路を開閉するバルブ装置に関し、特に燃料電池における使用に適したバルブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、モータの駆動力を用いて弁体を移動させ、当該弁体により流路を開閉するバルブ装置は数多く提案されている。例えば、特許文献１には、流路を開閉する開閉機構と、モータと、前記モータの動力を前記開閉機構に伝達するための遊星歯車機構とを備えたバルブ装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１９９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に開示されたバルブ装置では、モータが遊星歯車機構の側方に隣接して配置されているため、装置全体が遊星歯車機構の幅方向で大型化するという問題がある。
【０００４】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、遊星歯車機構の幅方向で大型化することがないコンパクトなバルブ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のバルブ装置は、流路を開閉する開閉機構と、モータと、前記モータの動力を前記開閉機構に伝達するための遊星歯車機構とを備えたバルブ装置であって、前記開閉機構は、回転駆動されるシャフトと、このシャフトの回転に伴ってシャフトの軸方向に沿って移動することにより前記流路の開口を開閉する弁体とを有し、前記遊星歯車機構は、前記モータの動力により回転する太陽歯車と、この太陽歯車と螺合するとともに太陽歯車の周りで公転することにより回転力を前記シャフトに伝える遊星歯車とを有し、前記モータと前記太陽歯車と前記シャフトとが同軸上に配置されるとともに、前記モータの回転軸が前記太陽歯車を貫通して延在することを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、モータと太陽歯車とシャフトとが同軸上に配置され、しかも、モータの回転軸が太陽歯車を貫通して延びているため、バルブ装置の構成要素を軸方向にコンパクトに収めることができるとともに、バルブ装置が遊星歯車機構の幅方向で大型化することを回避でき、装置全体の小型化及び構成の簡略化を実現することができる。
【０００７】
本発明のバルブ装置においては、前記モータの回転軸の先端が前記シャフトの一端に当接していることが好ましい。この構成によれば、既存の構成要素によりシャフトの軸方向の移動を確実に規制することができ、したがって、シャフトの回転に伴う弁体の円滑な移動を確保できる。
【０００８】
本発明のバルブ装置においては、前記モータの回転軸の先端と前記シャフトとの間にスペーサが介挿されていることが好ましい。この構成によれば、スペーサにより、シャフトに対するモータ回転軸の食い込みを防止することができる。
【０００９】
本発明のバルブ装置においては、前記モータの回転軸と対向する前記シャフトの一端部に凹部が形成され、この凹部内に前記モータの回転軸が遊嵌状態で挿入されていることが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、シャフトの凹部内に挿入されるモータ回転軸の長さ分だけ装置の軸方向長さを短くすることができるため、装置全体のさらなる小型化を図ることができる。また、凹部内に挿入されるモータの回転軸がシャフトのための軸受として機能することができるため、弁体の移動に伴ってシャフトに作用する負荷をモータ回転軸で受けることができ、したがって、シャフトに回転力を伝える遊星歯車機構に対して大きな負荷を与えずに済み、遊星歯車機構の円滑な動作を確保できるようになる。また、シャフトのための軸受を別個に設ける必要もないため、部品点数を削減して製造コストの低減を図ることもできる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、モータと太陽歯車とシャフトとが同軸上に配置され、しかも、モータの回転軸が太陽歯車を貫通して延びているため、バルブ装置の構成要素を軸方向にコンパクトに収めることができるとともに、バルブ装置が遊星歯車機構の幅方向で大型化することを回避でき、装置全体の小型化及び構成の簡略化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１及び図２に示されるように、本実施の形態に係るバルブ装置１は、モータ１２の駆動力を用いて弁体１４を移動させることにより流路Ｆを開閉するための装置であり、後述する弁作動機構を収容するハウジング１００を備えている。ハウジング１００は、モータ１２が固定支持されるモータ支持ケース４と、このモータ支持ケース４に結合されるバルブ収容ケース２とで構成されている。なお、モータ支持ケース４とバルブ収容ケース２との結合部にはパッキン１８が介挿されている。
【００１３】
モータ支持ケース４は、弁作動機構の主に遊星歯車機構Ｇを収容するためのケース本体部４ａと、キャップ１０によってカバーされたモータ１２が載置される支持プレート部４ｂとで構成されている。また、バルブ収容ケース２は、弁作動機構の主に弁体部分（流路開閉機構）を収容するためのケース本体部２ａと、流路Ｆを形成する管状部２ｂとで構成されている。
【００１４】
図１及び図３に明確に示されるように、モータ１２は、例えばＤＣモータによって構成されており、制御部８からの電気信号が入力（電圧が印加）される複数の端子１２ｂを有している。これらの端子１２ｂは、半田９０により、配線回路（導電ライン）６ａが形成された、例えばプリント配線板６に対して電気的に接続されている。また、モータ１２は取付固定部９２を有しており、この取付固定部９２をネジ７０を介してケース本体部４ａに固定することにより、モータ１２がケース本体部４ａに対して取り付けられる。
【００１５】
モータ１２のモータ軸（回転軸）１２ａは、モータ支持ケース４のケース本体部４ａに形成された中心貫通孔１０２（図２及び図７参照）を通じてケース本体部４ａ内へと突出している。ケース本体部４ａ内に位置するモータ軸１２ａの外周には、遊星歯車機構Ｇを構成する太陽歯車としてのプーリギア９が同軸的に被嵌して固定されている。また、図５に明確に示されるように、プーリギア９は、その外周に位置する３つの遊星歯車６２と噛み合っている。これらの遊星歯車６２は、プーリギア９の周方向に沿って等しい角度間隔をもって配置されており、ギアホルダ３２によって固定的に支持されるとともに、ケース本体部４ａの内周面に全周にわたって形成された外歯９７（図２及び図７参照）とも噛み合っている。この場合、ギアホルダ３２は、略円環状をなしており、３つの各遊星歯車６２をプーリギア９の周方向に等しい角度間隔をもって保持固定するための３つのギア保持突起３２ａをその一方側の面に有している。したがって、このような構成では、モータ軸１２ａと共にプーリギア９が回転（自転）すると、プーリギア９と噛み合う遊星歯車６２がプーリギア９の周りで公転するため、遊星歯車６２と一体をなすギアホルダ３２が前記公転方向に回転する。このとき、モータ軸１２ａの回転力は、遊星歯車６２により減速された状態でギアホルダ３２に伝えられる。なお、ギアホルダ３２のギア保持突起３２ａには、ギア保持突起３２ａからの遊星歯車６２の脱落を防止するためのギアプレート６０（図３参照）が嵌め付けられている。
【００１６】
また、ギアホルダ３２の他方側（遊星歯車６２と反対側）の面には、モータ軸１２ａと同軸に延在し、弁体１４と共に流路開閉機構を構成するリードスクリュー（シャフト）４０が固定されている。このリードスクリュー４０は、全長にわたって外周に螺旋状のネジ部が形成されたスクリューシャフト部４０ａと、ギアホルダ３２の中心孔に嵌合固定される取付筒部４０ｂとで構成されている。スクリューシャフト部４０ａの外周のネジ部にはナット部材の形態をなす筒状のチップリード（移動部材）４４が螺合状態で被嵌されている。また、取付筒部４０ｂの内孔（凹部）９３にはモータ軸１２ａの先端側が略同軸的に遊嵌された状態で挿入されている。この場合、モータ軸１２ａの先端と取付筒部４０ｂの内孔９３の端面との間には、リードスクリュー４０に対するモータ軸１２ａの食い込みを防止するためのスペーサ５０が介挿されている。すなわち、本実施の形態において、モータ軸１２ａは、プーリギア９及びギアホルダ３２を貫通して延びて取付筒部４０ｂの内孔９３の内部に挿入されるとともに、その先端がスペーサ５０に当接しており、これにより、リードスクリュー４０のための軸受としての機能を果たしている。なお、軸受としてのモータ軸１２ａの機能を補完するため、モータ軸１２ａは、モータ１２の内部で図示しない軸受けにより回転可能に支持されている。
【００１７】
また、バルブ装置１は、リードスクリュー４０の軸方向の移動を規制するための手段を有している。このような手段は、本実施の形態においては、モータケース４のケース本体部４ａに固定された円筒状のギアストッパ２６とモータ軸１２ａとによって構成されている。すなわち、ギアストッパ２６はその径方向内側に環状のストッパ面２６ｂを有しており、このストッパ面２６ｂは、リードスクリュー４０の取付筒部４０ｂの外周に形成された段差部９１に当接することにより、リードスクリュー４０の軸方向の移動を規制するようになっている。一方、モータ軸１２ａは、ギアストッパ２６の反対側からリードスクリュー４０の内孔９３の端面と当接することにより、リードスクリュー４０の軸方向の移動をストッパ面２６ｂと反対方向から規制するようになっている。なお、ギアストッパ２６は、図３及び図４に明確に示されるように、その外周面に突設された軸方向に延びる凸部２６ｃがモータケース４のケース本体部４ａの内周面に軸方向に形成された凹部８９（図７参照）と係合することにより、ケース本体部４ａに対して回り止め固定されている。
【００１８】
リードスクリュー４０に螺合されたチップリード４４は、図６に明確に示されるように、その内周面に形成されたネジ部４５を介してリードスクリュー４０に螺合される螺合部４４ａと、螺合部４４ａからモータ１２側に向かって軸方向に延在する円筒状のガタ許容部４４ｂとで構成されている。ガタ許容部４４ｂは、リードスクリュー４０の外周面との間に軸方向に延びる所定の隙間ｓを形成しており、これにより、チップリード４４の径方向でのガタを軸方向にわたって許容するようになっている。
【００１９】
チップリード４４には、弁体１４を構成するバルブ本体部３０が連結固定されている。また、このバルブ本体部３０の背面側（ギアストッパ２６と対向する側）には、バルブ本体部３０と共に弁体１４を構成するダイヤフラム支持部４２が一体に取り付け固定されている。
【００２０】
バルブ本体部３０は、流路Ｆと対向するその前端面が平坦な円形のシール面３０ｂとして形成されており、このシール面３０ｂは、流路Ｆの開口縁部の周囲に装着された環状のシール部材１６に対して密着状態で当接し得るようになっている。なお、シール部材１６は、例えばゴム材によって形成されており、バルブ収容ケース２の管状部２ｂの内周面に嵌合された管状の第１の支持部材１３の内端フランジ１３ａ及びバルブ収容ケース２のケース本体部２ａの端面に嵌め付けられた環状の第２の支持部材１５と、バルブ収容ケース２のケース本体部２ａの端面との間で挟持された状態で装着されている。
【００２１】
また、バルブ本体部３０は、シール面３０ｂの略中心部から流路Ｆに向かって前方に延びるガイド部３０ａを有している。このガイド部３０ａは、後述する弁体１４の移動に伴って流路１４の内周面に沿って摺動することにより、弁体１４を軸方向に案内するようになっている。
【００２２】
一方、弁体１４を構成するダイヤフラム支持部４２は、図４に明確に示されるように、その外周縁に一対の凹陥部４２，４２ａを有している。これらの凹陥部４２，４２ａは、ダイヤフラム支持部４２の周方向に互いに１８０度の角度間隔をもって対向位置されており、ギアストッパ２６の内周面に突設された軸方向に延びる凸部２６ａと係合することにより、ダイヤフラム支持部４２をギアストッパ２６に対して回転させることなく軸方向にスライドさせるようになっている。また、ダイヤフラム支持部４２にはダイヤフラム２４の一端が固定されている。ダイヤフラム２４の他端はギアストッパ２６に固定されている。なお、ギアストッパ２６の前方（流路Ｆ側）には、ダイヤフラム２４と当接する環状のダイヤフラムストッパ２０が配設されている。
【００２３】
次に、上記構成のバルブ装置１の作用について簡単に説明する。
バルブ装置１を作動させる場合には、まず、制御部８から基板６を通じてモータ１２に電圧を印加する必要がある。図８には、本実施の形態における電圧信号の印加態様（制御部８による制御形態）の一例が示されている。図示のように、バルブを閉じる場合、すなわち、後述するように弁体１４を移動させて流路Ｆの開口を閉じる場合には、４．２Ｖの電圧を例えば８５０パルスにわたってモータ１２に印加する（図８の（ａ）参照）。一方、バルブを開く場合、すなわち、後述するように弁体１４を移動させて流路Ｆの開口を開く場合には、５．０Ｖの電圧を例えば６３０パルスにわたってモータ１２に印加する（図８の（ｂ）参照）。つまり、バルブを閉じる場合には、弁体１４をゆっくりと移動させて流路Ｆの確実且つ円滑な密閉を行なう一方で、バルブを開く際には、弁体１４を速く移動させて流路Ｆの迅速な開放を行なうようにする。
【００２４】
また、特に本実施の形態では、バルブを閉じる場合、閉方向で４．２Ｖの電圧を８５０パルスにわたってモータ１２に印加した後、開方向で５．０Ｖの電圧を４０パルス分だけモータ１２に印加するようにしている（図８の（ａ）参照）。すなわち、リードスクリュー４０を一方向に回転させて弁体１４を流路Ｆに向かって前進させることにより流路Ｆの開口を閉じた後、リードスクリュー４０を反対方向に回転させて弁体１４を僅かに後退させる（モータ１２側に引き戻す）ようにする。これは、弁体１４が流路Ｆの開口縁に対して過度に押し付けられて機械的なロック状態（メカロック）が生じることを防ぐためである。
【００２５】
また、本実施の形態では、電源投入時などに弁体１４の位置を確定させるためにイニシャライズ動作が行なわれるようになっている。また、本実施の形態では、バルブの閉位置が初期位置に設定されるため、イニシャライズ動作後は、弁体１４が閉位置に確定される。具体的には、イニシャライズ動作開始時に弁体１４が閉位置にある場合、そのまま閉方向へ弁体１４を動作させようとすると、前述したようなメカロックが発生する可能性があるため、本実施の形態では、図８の（ｃ）に示されるように、一旦、開方向で５．０Ｖの電圧を例えば１８０パルス分だけモータ１２に印加した後、閉方向で４．２Ｖの電圧を例えば１０００パルスにわたってモータ１２に印加し、その後、メカロック防止のために再び開方向で５．０Ｖの電圧を４０パルス分だけモータ１２に印加することにより、初期位置を確保するようにしている。
【００２６】
以上のような電圧信号の印加制御下で、４．２Ｖの電圧信号が閉方向に印加されると、モータ軸１２ａ及びプーリギア９が一体で例えば反時計回りに回転（自転）するとともに、プーリギア９と噛み合う遊星歯車６２がプーリギア９の周りを時計回りに公転し、遊星歯車６２と一体を成すギアホルダ３２が時計回りに回転する。したがって、ギアホルダ３２と一体を成すリードスクリュー４０も時計回りに回転する。これにより、リードスクリュー４０と螺合するチップリード４４がリードスクリュー４０の軸方向に沿って流路Ｆに向かい前進するため、チップリード４４と一体を成す弁体１４も前進し、弁体１４のシール面３０ｂがシール部材１６に圧接して流路Ｆが密閉される。
【００２７】
なお、このような弁体１４の移動時、リードスクリュー４０の組み付け誤差などに起因してリードスクリュー４０が軸方向から逸れて傾いていると、弁体１４が軸方向に沿って正確に移動できず、弁体１４のシール面３０ｂによる流路Ｆの密閉性が損なわれる虞があるが、本実施の形態では、チップリード４４のガタ許容部４４ｂがリードスクリュー４０との間に所定の隙間ｓを形成することにより、弁体１４の径方向でのガタを軸方向にわたって許容できるようになっているため、リードスクリュー４０等の組み付け誤差を隙間（ガタ）ｓによって吸収でき、弁体１４の正確な軸方向移動を確保できるようになる。しかも、本実施の形態では、弁体１４の移動に伴って流路１４の内周面に沿って摺動するガイド部３０ａが弁体１４の先端側に設けられているため、このガイド部３０ａによって弁体１４の移動方向が確実に軸方向に向けられ、弁体１４のシール面３０ｂによる流路Ｆの密閉性を確実に得ることができるようになる。
【００２８】
また、前述した弁体１４の移動に伴って弁体１４がリードスクリュー４０の先端側に位置すると、リードスクリュー４０に大きなモーメント（負荷）がかかり、その負荷がリードスクリュー４０と一体を成す遊星歯車機構Ｇに作用して、歯車の回転動作が損なわれる虞があるが、本実施の形態では、モータ軸１２ａがリードスクリュー４０のための軸受として機能し、モータ軸１２ａがモータ１２の内部でさらに図示しない軸受により回転可能に支持されているため、リードスクリュー４０にかかる負荷をモータ軸１２ａ及びモータ１２の内部の前記軸受で受けることができ、それにより、遊星歯車機構Ｇの円滑な動作を確保することができるようになる。
【００２９】
なお、バルブが閉じられた状態から、今度は、５．０Ｖの電圧信号を開方向に印加すると、前述した動作と逆の動作を経て、弁体１４がシール部材１６から離れ、流路Ｆが開放される。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態のバルブ装置１においては、モータ１２とプーリギア（太陽歯車）９とリードスクリュー（シャフト）４０とが同軸上に配置され、しかも、モータ軸１２ａがプーリギア９を貫通して延びているため、バルブ装置１の構成要素を軸方向にコンパクトに収めることができるとともに、バルブ装置１が遊星歯車機構Ｇの幅方向で大型化することを回避でき、装置全体の小型化及び構成の簡略化を実現することができる。
【００３１】
また、本実施の形態のバルブ装置１においては、モータ軸１２ａの先端がリードスクリュー４０の一端に当接しているため、既存の構成要素（モータ軸１２ａ）によりリードスクリュー４０の軸方向の移動を確実に規制することができ、したがって、リードスクリュー４０の回転に伴う弁体１４の円滑な移動を確保できる。
【００３２】
また、本実施の形態のバルブ装置１においては、モータ軸１２ａの先端とリードスクリュー４０との間にスペーサ５０が介挿されているため、このスペーサ５０により、リードスクリュー４０に対するモータ軸１２ａの食い込みを防止することができる。
【００３３】
また、本実施の形態のバルブ装置１においては、モータ軸１２ａと対向するリードスクリュー４０の一端部に凹部９３が形成され、この凹部９３内にモータ軸１２ａが遊嵌状態で挿入されているため、凹部９３内に挿入されるモータ軸１２ａの長さ分だけ装置１の軸方向長さを短くすることができ、装置全体のさらなる小型化を図ることができる。また、凹部９３内に挿入されるモータ軸１２ａがリードスクリュー４０のための軸受として機能することができるため、弁体１４の移動に伴ってリードスクリュー４０に作用する負荷をモータ軸１２ａで受けることができ、したがって、リードスクリュー４０に回転力を伝える遊星歯車機構Ｇに対して大きな負荷を与えずに済み、遊星歯車機構Ｇの円滑な動作を確保できるようになる。また、リードスクリュー４０のための軸受を別個に設ける必要もないため、部品点数を削減して製造コストの低減を図ることもできる。
【００３４】
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、構成部材の大きさや数、取り付け態様などについては、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施の形態に係るバルブ装置の斜視図である。
【図２】図１のバルブ装置の断面図である。
【図３】流路開閉機構、モータ及び遊星歯車機構の斜視図である。
【図４】流路開閉機構、モータ及び遊星歯車機構の分解斜視図である。
【図５】モータ及び遊星歯車機構の一部の斜視図である。
【図６】リードスクリューとチップリードとの螺合部周辺を示す拡大断面図である。
【図７】モータ支持ケースの内側を示す正面図である。
【図８】図１のバルブ装置のモータに対する電圧信号の印加態様の一例を示す図であり、（ａ）はバルブを閉じる際の電圧信号波形図、（ｂ）はバルブを開く際の電圧信号波形図、（ｃ）はイニシャライズ動作時の電圧信号波形図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  バルブ装置
９  プーリギア（太陽歯車）
１２  モータ
１２ａ  モータ軸（回転軸）
１４  弁体
４０  リードスクリュー（シャフト）
５０  スペーサ
６２  遊星歯車
９３  内孔（凹部）
Ｆ  流路
Ｇ  遊星歯車機構
【図１】
2007225091.tif 000003
【図２】
2007225091.tif 000004
【図３】
2007225091.tif 000005
【図４】
2007225091.tif 000006
【図５】
2007225091.tif 000007
【図６】
2007225091.tif 000008
【図７】
2007225091.tif 000009
【図８】
2007225091.tif 000010