弁装置用の弁本体構造及びその製造方法

【課題】樹脂同士の超音波溶着を利用することで、金属部品である内機部品と樹脂製の弁本体を簡単で且つ安価な工程で一体化させることができる弁装置用の弁本体構造とその製造方法を提供する。
【解決手段】弁座部材５は、環状の弁座５ａを提供する金属製の環状の弁シート３０の外側にインサート成形する等して樹脂層３１を予め形成することで構成されている。樹脂層３１は、弁本体２と同じ樹脂製とするのが好ましい。超音波ホーンで発生された超音波振動を弁シート３０に与えながら、弁座部材５を弁本体２の配管接続部３内に押し込むことで、樹脂層３１と弁本体２との寸法上重なる樹脂部分が摩擦熱によって溶融し溶け合って、冷却時に一体化される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属部品と樹脂部品とを結合させてなる複合部品としての弁装置用の弁本体構造、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、部品同士を一体化する結合として、金属部品同士の結合の場合には、一方の部品を他方の部品内に圧入する手法がよく用いられている。金属部品と樹脂部品との一体的な結合の場合には、型の中に金属を置いて周囲に樹脂を流し込み樹脂が硬化したときに金属部品が樹脂と一体化されるインサート成形という手法が用いられている。
【０００３】
内包する部品を組み付けた後からインサートするという手法がある。この手法では、樹脂部品の内径に対して金属部品の外形を大きくしておき、金属部品に振動を与えて、金属部品が径の重なった部分の樹脂を溶かしながら金属部品を樹脂部品内に入れて結合する。この手法も、広義のインサート成形と称されている。この手法には、溶けた樹脂をどこかに収容しなくてはならないとう難点が存在する。また、この手法では位置精度を治工具に頼らなければならない、という問題がある。こうした製造手法を、例えば弁の製造に適用した場合、溶融した樹脂がバリとして周囲に飛び出る現象が生じ、弁漏れや、シール不良の原因になることがある。また、位置精度（横方向）を得にくいという問題もある。
【０００４】
温度式膨張弁として、弁本体と、オリフィス、弁体及び該弁体を作動させる作動棒からなる絞り機構と、蒸発器から圧縮機に向かって送り出される冷媒の温度に応じて絞り機構を制御する制御機構とを備えており、金属部材にて形成されたオリフィスを樹脂で形成されている弁本体にインサート成形によって固定したものが提案されている（特許文献１参照）。
また、金属製の弁座部材に弁孔を画定し且つ外周面に雄ねじを形成された円筒部を設け、円筒部を合成樹脂製のハウジング本体に形成された弁孔下穴にねじ込むことにより、ハウジング本体の成形型構造を複雑にすることなく、弁座部材を成形完了後のハウジング本体に配置位置をインサート成形による場合よりも高精度に固定することを図った温度膨張弁が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平０９−０８９１５４号公報
【特許文献２】特開平１１−３２５３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、流量制御弁のように弁体が接離する弁シート（弁座）を持つ弁については、弁シートを樹脂製シートとした場合、扱う流体によってはエロージョン、コロージョンを受け易くなり、また樹脂製であると軟らかいために、弁体が繰り返して接離することに起因して摩耗をする。したがって、弁シートについては金属製とすることが求められる。また、弁体を駆動する手段として送りねじ機構が用いられるが、ねじ部品を樹脂にすると、摩耗することに起因して動作不良や流量の制御性が悪化するおそれがあるので、金属製とすることが望まれている。金属ねじを先に金型に入れて樹脂成形すると、弁棒やコイルのような内機部品の外径がねじ部内径よりも大きい場合には、ねじ移動機構を構成する雄ねじやばね等の部品を後から組み込むことが困難になる。
【０００６】
そこで、弁装置用の弁本体構造とその製造において、金属部品である内機部品と樹脂部品である弁本体とを結合させて、一体化した複合部品としての弁装置用の弁本体構造を得るために、内機部品と弁本体とを直接に一体化させるのではなく、樹脂同士の超音波溶着を利用することができる手法を案出する点で解決すべき課題がある。
【０００７】
この発明の目的は、樹脂同士の超音波溶着を利用することで、簡単で且つ安価な工程で金属部品である内機部品と樹脂部品である弁本体とを一体化させることができる弁装置用の弁本体構造及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、この発明による弁装置用の弁本体構造の製造方法は、前記内機部品の前記弁本体との結合予定部位に予め樹脂層を形成し、前記樹脂層と前記弁本体とを超音波溶着によって結合することを特徴としている。
【０００９】
また、この発明による弁装置用の弁本体構造は、前記内機部品と前記弁本体とを、前記内機部品に形成されている樹脂層が前記弁本体に超音波溶着することで結合されていることを特徴としている。
【００１０】
この弁装置用の弁本体構造とその製造方法によれば、金属部品である内機部品にインサート成形等の手法によって予め樹脂層を成形しておく。そうして製作された樹脂層を持つ内機部品を樹脂部品である弁本体に対して、従来の樹脂と樹脂との結合方法である超音波溶着をそのまま利用して樹脂部品と樹脂層とを結合することにより、弁本体と内機部品とが結合される。
【発明の効果】
【００１１】
この発明による弁装置用の弁本体構造及びその製造方法は、上記のように構成されているので、樹脂同士に対して施し得る従来の超音波溶着の技術をそのまま利用して、金属部品である内機部品に設けられた樹脂層と樹脂部品である弁本体とを溶着して一体化することができ、その結果、内機部品を弁本体に対して結合した弁装置用の弁本体構造を得ることができる。製造方法としては、そのような弁本体構造を樹脂同士の溶着という簡単な工程で且つ低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付した図面に基づいて、この発明による弁装置用の弁本体構造及びその製造方法の実施例を説明する。図１は、本発明による弁本体構造が適用されている流量調整弁の一例を示す縦断面図である。
【００１３】
図１に示す流量調整弁１は、暖房機器等の温水の配管系統の途中に介在されて流量調整を行う温水弁であって、駆動軸８等を含む駆動機構を収容するホルダ部２ｂを備える弁本体２と、弁本体２に互いに略略直角をなすように備えられる配管接続部３，４と、弁本体２の上部のフランジ１１を介して載置固定されたパルスモータ等の電動機１４とを備えている。なお、流量調整弁１は、フランジ１１においてリベット１３等を用いることで上面視矩形状の取付け部１２に対して固定される。
【００１４】
弁本体２の内部には、配管接続部３の入口側流路３ａと配管接続部４の入口側流路４ａとに連通するように弁室６が形成されている。流量調整弁１は更に、弁本体２内においてその上部開口部に摺動可能に支持されており電動機１４によって駆動される弁棒１５と、弁棒１５の下端部に固定された弁体１９と、弁本体２の配管接続部３側の開口部に固定されており環状の弁座５ａを含む弁座部材５とを備えている。弁室６の上部は、Ｏリング１６及びリング１８によって閉鎖されている。リング１８は樹脂製であって、超音波溶着によって弁本体２に固定されている。
【００１５】
弁棒１５の中間部は、Ｏリング１６及びリング１８を介して弁本体２に摺動可能に軸支され、弁棒１５の上端は拡径されて環状突起部１５ａを形成している。弁棒１５の天井部には、凹状部１５ｂが形成され、凹状部１５ｂ内には、剛球体２０を介して駆動軸８の下端部が接触し、駆動軸８の上端部は、電動機１４の回転軸９に係合している。また、駆動軸８には、雄ねじ部８ａが螺設され、弁本体２の上部空間に固定された駆動軸案内部材１０の雌ねじ部１０ａに螺合している。弁棒１５の環状突起部１５ａと、弁本体２の上部空間の底面との間にはコイルばね１７が圧縮状態に装着されており、弁棒１５を常時上方に付勢している。
【００１６】
弁棒１５は、下部に弁体１９を固定する軸端部１５ｃを備え、弁体１９は、ゴム材、フッ素樹脂等の合成樹脂又はＳＵＳ等の金属でリング状に形成されており、弁座５ａに接触したときに弁を閉鎖可能な弁部材１９ａを有する。
【００１７】
次に、上記流量調整弁１の動作について説明する。暖房機器の供給源からの水又は温水等の流体は、入口側通路３ａから供給され、環状の弁座５ａと弁体１９の弁部材１９ａとの間の間隙を通過した後、弁室６を介して出口側流路４ａを通って暖房器等の機器に送出される。この時、パルスモータ等の電動機１４をパルス信号等の回転制御信号に基づいて適宜回動させると、電動機１４の回転軸が回転し、回転軸９と螺合している駆動軸８が回転する。駆動軸８は、その回転によって自身が上下方向に移動し、剛球体２０を介して弁棒１５を上下動させる。弁棒１５は、前記回転制御信号の制御量に比例した量だけ上下方向に移動し、弁座１５ａと弁部材１９ａとの間の間隙幅を調整し、この間隙を流れる流体の流量を調整する。
【００１８】
上記の流量制御弁１において、弁本体２とそれに対して固定される弁座部材５、及び弁本体２とそれに対して結合された駆動軸案内部材１０とが、本発明による弁本体構造に該当する。弁座部材５及び駆動軸案内部材１０が流量制御弁１における内機部品である。弁本体２とそれに結合された弁座部材５、或いは弁本体２とそれに結合された駆動軸案内部材１０が、それぞれ金属部品と樹脂部品とを一体化した複合部品として構成されている。
【００１９】
図２及び図３は、図１に示した流量制御弁１の金属部品である弁座部材５を樹脂製の弁本体２に結合させる製造方法の一実施形態を説明する図である。図３（ａ）は結合前の状態を示す要部の拡大断面図、図２（ｂ）は結合後の状態を示す拡大断面図である。図２に示すように、弁座部材５は、弁本体２への組立前においては、環状の弁座を提供している金属製の環状の弁シート３０の外側にインサート成形する等して樹脂層３１を予め形成することで構成されている。樹脂層３１は、弁本体２と同じ樹脂製とするのが好ましい。この実施形態では、弁本体２の配管接続部３には、外側に対して内径が拡大する二段の段部３２，３３が形成されており、これに対応して、弁座部材５も弁室６から遠い側の端部の外径が広げられた構造とされている。この二段の段部については、必須の構造ではなく、後述するように、図４に示すような一段の突き当たりを持つ段部に形成してもよい。
【００２０】
弁本体２や樹脂層３１を構成する樹脂材としては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）や、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン樹脂）からなる部品とすることができる。また、弁シート３０を構成する金属部品としては、ステンレスや、真鍮にメッキを施したものとすることができる。金属部品に施される樹脂層としては、そうした金属に上記のＰＰＳやＳＰＳ樹脂をコーティングしたものとすることができる。
【００２１】
図３に示すように、樹脂層３１を被覆した弁シート３０の外側形状については、段差構造による小径部分５ｂにおける樹脂層３１の円筒面状の側面３１ｂの径が、弁本体２における段部３２よりも奥側の弁室６に連なる円筒面状の内周面３２ｂの径に等しく設定されている。また、当該段差構造による大径部分５ｃにおける樹脂層３１の円筒面状の側面３１ｃの径が、弁本体２における段部３２と段差３３との間に形成されている円筒面状の内周面３２ｃの径に等しく設定されている。したがって、当該側面３１ｂ，３１ｃは、内周面３２ｂ，３２ｃと協働して弁本体２に対する弁シート３０のガイド面となっている。弁座部材５を配管接続部３の下に向いた開口端側から挿入して弁本体２に押し込む際には、弁座部材５は押し込み方向に距離を置いた２つの領域における当該ガイド面によってガイドされる。このガイドは、後の超音波溶着の前後においても確保され、弁座部材５の弁本体２に対する径方向の振れが極めて少なくなり、位置決めを正確に行うことができる。
【００２２】
弁本体２の段部３２においては、内周面３２ｂと直角に交差して径方向に環状に広がる段差面３２ａと、段差面３２ａから内周面３２ｃに接続するテーパ面３２ｄとが形成されている。一方、弁座部材５において、樹脂層３１は小径部分５ｂと大径部分５ｃとに対して直角に交差した端面３１ａとなっており、テーパ面３２ｄに対応して予め後退した部分は形成されていない。したがって、弁座部材５を弁本体２に対して押し込んで所定の結合位置に置いたとしたときには、樹脂層３１の角部と段部３２の角部とにおいて、重なり部分３１ｅ，３２ｅが生じる。
【００２３】
弁座部材５を配管接続部３の開口側から挿入し、ガイド面である側面３１ｂ，３１ｃを弁本体２の内周面３２ｂ，３２ｃに案内させながら押し込むと、樹脂層３１の角部である重なり部分３１ａで段部３２のテーパ面部分３２ｄに突き当たる。超音波ホーンを弁座部材５に（図に示す状態では下方から）当てて、その状態で超音波ホーンで発生された超音波振動を弁シート３０に与えながら、弁座部材５を更に弁本体２内に押し込む。このとき、樹脂層３１と弁本体２との重なり部分３１ｅ，３２ｅが摩擦熱によって溶融し溶け合う。余剰の溶融樹脂は、弁座部材５と弁本体２との間に僅かに形成される隙間に流れる。弁座部材５の配管接続部３内への押し込みは、弁座部材５の端面３１ａが弁本体２の段差面３２ａでの突き当たりによって限界され、その押し込み位置が弁座部材５の配管接続部３内での結合位置とされ、弁座部材５と弁本体２とは樹脂の冷却時に一体化される。このように、側面３１ｂ，３１ｃと内周面３２ｂ，３２ｃとによるガイドと、端面３１ａと段差面３２ａとの突き当たりによって、弁座部材５は弁本体２に対して径方向にも押込み方向にも高い精度で位置決めがなされる。
【００２４】
図４には、図２の弁座部分と同様の部分についてのものであるが本発明による弁本体構造の別の実施形態が示されている。即ち、図２及び図３に示す実施形態では配管接続部３に二段の段部３２，３３が形成されていたが、図４に示す実施形態では、弁本体２には一段の段部３６が形成されており、それに対応して弁座部材３５もストレートな筒状形状に形成されている。弁本体２の内周面の径を弁座部材３５の樹脂層３７の外径と同じにすることで、弁座部材３５は弁本体２（配管接続部３）内への押し込みの際にガイドされる。また、結合を得る構造については、図３に示す構造と同様であるので詳細は省略するが、弁本体２側の段部３６の角部と弁座部材３５の角部とに突き当たりの際に重なる部分が設けられており、弁本体２と弁座部材３５とをその重なり部分における溶着で結合させることができる。
【００２５】
図５及び図６は、図１に示した流量制御弁１の金属部品である駆動軸案内部材１０を樹脂製の弁本体２に結合させる製造方法の別の実施形態を説明する図である。図６（ａ）は結合前の状態を示す要部の拡大断面図、図６（ｂ）は結合後の状態を示す拡大断面図である。図５に示すように、駆動軸案内部材１０は、弁本体２への組立前においては、金属製の雌ねじ体４０に、その外周側にインサート成形する等して樹脂層４１を予め形成して構成されている。樹脂層４１は、弁本体２と同じ樹脂製とするのが好ましい。弁本体２のホルダ部２ｂには、外側に対して内径が拡大する段部４２，４３が形成されている。結合に際して利用されるのは段部４２である。駆動軸案内部材１０を弁本体２に結合の後、雌ねじ体４０に雄ねじ部８ａを有する駆動軸８が螺合される。
【００２６】
樹脂層４１が施された雌ねじ体４０の外径寸法は、弁体２の段部４２，４３間の内周面４２ｂの径と同じ大きさに形成されているので、雌ねじ体４０の側面４１ｂは、当該内周面４２ｂと同様に、雌ねじ体４０を弁本体２に押し込むときのガイド面となっている。弁本体２の段部４２における角部には段差面４２ａとテーパ面４２ｄが形成されている。一方、雌ねじ体４０の樹脂層４１はストレートな形状であって、テーパ面４２ｄに対応した予めの逃げが形成されてはいない。そのため、駆動軸案内部材１０をホルダ２ｂの上に向いた開口端側から挿入するとき、樹脂層４１の角部が段部４２の角部に突き当たる。
【００２７】
また、結合を得る手順については、図３又は図４に示す構造と同様である。即ち、弁本体２側の段４２の角部と駆動軸案内部材１０の角部とに突き当たりの際に重なることになる重なり部分４１ｅ，４２ｅが設けられている。超音波ホーンを金属製の雌ねじ体４０に当てて（図に示す状態では上方から）、超音波ホーンで発生された超音波振動を雌ねじ体４０に与えながら、駆動軸案内部材１０を弁本体２のホルダ２ｂ内に押し込むと、樹脂層４１と弁本体２との寸法上重なる重なり部分４１ｅ，４２ｅの樹脂が摩擦熱によって溶融し溶け合う。駆動軸案内部材１０の弁本体２への押し込みは、端面４１ａと段差面４２ａとが突き当たるまで押し込むことによって限界付けられ、その押し込み位置が駆動軸案内部材１０のホルダ２ｂ内での固定位置とされる。溶融樹脂が冷却によって固化するとき、駆動軸案内部材１０は重なり部分４１ｅ，４２ｅにおける溶着で弁本体２に対して結合される。
【００２８】
このように、側面４１ｂと内周面４２ｂとによるガイドと、端面４１ａと段差面４２ａとの突き当たりによって、駆動軸案内部材１０は弁本体２に対して径方向にも押込み方向にも高い精度で位置決めがなされる。また、金属製の駆動軸案内部材に予め樹脂層を形成しておき、その樹脂層と樹脂製の弁本体とを樹脂の溶融固化による超音波溶着で結合するので、簡単で且つ安価な工程で弁装置用の弁本体構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による弁装置用の弁本体構造が適用されている流量調整弁の一例を示す縦断面図である。
【図２】図１に示した流量制御弁の金属部品である弁座部材を樹脂製の弁本体に結合させる製造方法の一実施形態を説明する図である。
【図３】図２に示す流量制御弁の弁座部材の弁本体への結合前後をそれぞれ示す要部の拡大断面図である。
【図４】本発明による弁本体構造の別の実施形態を示す縦断面図である。
【図５】図１に示されている流量調整弁の金属部品である駆動軸案内部材を樹脂製の弁本体に結合させる製造方法の一実施形態を説明する図である。
【図６】図５示す流量制御弁の駆動軸案内部材の弁本体への結合前後をそれぞれ示す要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１流量制御弁２弁本体
３，４配管接続部
５弁座部材５ａ弁座
５ｂ小径部分５ｃ大径部分
６弁室
８駆動軸８ａ雄ねじ部
９回転軸
１０駆動軸案内部材１０ａ雌ねじ部
１４電動機１５弁棒
１９弁体１９ａ弁部材
３０弁シート３１樹脂層
３１ａ端面３１ｂ，３１ｃ側面
３１ｅ重なり部分３２，３３段部
３２ａ段差面３２ｂ内周面
３２ｃ内周面３２ｄテーパ面
３２ｅ重なり部分
３６段部３７樹脂層
４０雌ねじ体４１樹脂層
４１ｂ側面４２，４３段部
４２ａ段差面４２ａ４２ｂ内周面
４２ｄテーパ面

【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部品である内機部品と樹脂製の弁本体とを結合させてなる弁装置用の弁本体構造において、
前記内機部品と前記弁本体とは、前記内機部品に形成されている樹脂層が前記弁本体に超音波溶着されることで結合されていることを特徴とする弁装置用の弁本体構造。
【請求項２】
前記樹脂層と前記弁本体とは同じ樹脂から形成されていることを特徴とする請求項１記載の弁装置用の弁本体構造。
【請求項３】
前記内機部品と前記弁本体とを結合する前記超音波溶着は、前記弁本体への前記内機部品の押し込み先端部に形成されている前記樹脂層と前記弁本体との間に生じる重なり部分においてされていることを特徴とする請求項１又は２記載の弁装置用の弁本体構造。
【請求項４】
前記内機部品は前記押込み先端部が前記弁本体に突き当たることにより前記弁本体に対して押し込み方向に規制されており、前記超音波溶着が行われている前記内機部品と前記弁本体との前記重なり部分は前記内機部品の前記押し込み先端部の隅部に形成されていることを特徴とする請求項３記載の弁装置用の弁本体構造。
【請求項５】
前記内機部品の側面は、前記内機部品の前記弁本体への押し込み方向に対してのガイド面となっていることを特徴とする請求項３又は４記載の弁装置用の弁本体構造。
【請求項６】
前記弁装置は流量調整弁であり、前記内機部品は、前記流量調整弁の弁本体内に装着されるとともに流量の制御をするため弁体が接離する相手となる弁シートであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の弁装置用の弁本体構造。
【請求項７】
前記弁装置は流量調整弁であり、前記内機部品は、前記流量調整弁の弁本体内に装着されるとともに弁体を駆動するための移動ねじとなる雄ねじと螺合する雌ねじであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の弁装置用の弁本体構造。
【請求項８】
金属部品である内機部品と樹脂製の弁本体とを結合させてなる弁装置用の弁本体構造の製造方法において、
前記内機部品の前記弁本体との結合予定部位に予め樹脂層を形成し、前記樹脂層と前記弁本体とを超音波溶着によって結合することを特徴とする弁装置用の弁本体構造の製造方法。
【請求項９】
前記樹脂層と前記弁本体とは同じ樹脂から形成されていることを特徴とする請求項８記載の弁装置用の弁本体構造の製造方法。
【請求項１０】
前記弁本体への前記内機部品の押し込み先端部に形成されている前記樹脂層と前記弁本体との間に生じる重なり部分において前記超音波溶着を行うことにより、前記内機部品と前記弁本体とが結合されることを特徴とする請求項８又は９記載の弁装置用の弁本体構造の製造方法。
【請求項１１】
前記内機部品と前記弁本体との前記重なり部分は前記内機部品の押し込み先端部の隅部に形成され、前記内機部品は当該押込み先端部が前記弁本体に突き当たることにより前記弁本体に対して押し込み方向に規制されることを特徴とする請求項１０記載の弁装置用の弁本体構造の製造方法。
【請求項１２】
前記内機部品は、前記弁本体に対して前記内機部品の側面においてガイドされながら前記弁本体に押し込まれることを特徴とする請求項１０又は１１記載の弁装置用の弁本体構造の製造方法。

【図１】