JP2005147314A

JP2005147314A - 磁歪式電磁弁

Info

Publication number: JP2005147314A
Application number: JP2003387785A
Authority: JP
Inventors: Teruo Mori; 輝夫森; Toshihiro Suzuki; 利博鈴木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2005-06-09
Also published as: WO2005050073A1

Abstract

【課題】部品点数の削減が可能でありながら、同時に、流体の流量調整を高精度、且つ、高速で行うことができる簡易構造の磁歪式電磁弁を提供する。
【解決手段】略筒状のケーシング１２と、このケーシング１２の外周を囲むように配設された電磁コイル２０と、ケーシング１２の内側空間１２Ａ内に配設され、且つ、電磁コイル２０から印加される磁界の変化に伴って変位し、内側空間１２Ａ内を流れる流体の流量を調整可能な磁歪部材からなる弁体１４と、を有してなる磁歪式電磁弁１０とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁歪素子を用いて流体の流量調整を行う磁歪式電磁弁に関する。

従来、図７に示されるような、磁歪素子を用いて流体の流量調整を行う磁歪式電磁弁が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この従来公知の磁歪式電磁弁１は、流体が流れる管路２Ａが形成されたケーシング２と、管路２Ａ内に配設され、磁界印加コイル３によって印加される磁界の大きさに対応して伸縮する磁歪素子４と、この磁歪素子４の軸方向に配設された弾性部材からなる弁体５と、を備えている。

この磁歪式電磁弁１では、図７（Ａ）に示されるように、磁歪素子４に磁界が印加されていない場合には、磁歪素子４は軸方向に収縮し、ケーシング２と弁体５との間に流体通路が形成され、流体が管路２Ａを流れ得る状態となる。一方、図７（Ｂ）に示されるように、磁歪素子４に磁界が印加されている場合には、磁歪素子４は軸方向に伸長し、これにより弁体５が弾性変形し流体の流量が制限される。

このように、磁歪式電磁弁１は、磁歪素子４の伸縮によって弁体５を弾性変形させることで流体通路の面積を変化させ、流体の流量を調整できるようになっている。

特開平６−１７４１２８号公報

しかしながら、この従来公知の磁歪式電磁弁１は、弾性部材からなる弁体５によって流体通路の面積を変化させているため、弁体５の経時変化や、温度に伴う変形によって流体の流量調整に誤差が生じやすい上に、弁体５の応答速度（弾性変形に要する速度）の向上には限界があり、流量調整を高速で行うことができないといった問題点があった。又、部品点数が多く、構造が複雑化しやすいため、コスト高になってしまうといった問題点もあった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、部品点数の削減が可能でありながら、同時に、流体の流量調整を高精度、且つ、高速で行うことができる簡易構造の磁歪式電磁弁を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、流体の流量調整を高精度、且つ、高速で行うことができる簡易構造の磁歪式電磁弁を見出した。

即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。

（１）略筒状のケーシングと、該ケーシングの内側空間内に配設された磁歪部材からなる弁体と、前記ケーシングの外側を囲むように配置され、前記弁体に磁界を印加する電磁コイルと、を有してなり、該電磁コイルによって前記弁体を前記内側空間の径方向に変位させ、該内側空間内を流れる流体の流量を調整するようにしたことを特徴とする磁歪式電磁弁。

（２）前記弁体によって前記内側空間を閉鎖可能としたことを特徴とする前記（１）記載の磁歪式電磁弁。

（３）前記弁体は前記内側空間の径方向に沿って配設された板状体からなり、且つ、該弁体の厚さ方向両側に柱状の軟磁性部材を同軸的に配設したことを特徴とする前記（１）又は（２）記載の磁歪式電磁弁。

（４）前記弁体は前記ケーシングと同軸的に配設された筒状体からなり、且つ、該弁体の内側空間内を貫通するように柱状の軟磁性部材を配設したことを特徴とする前記（１）又は（２）記載の磁歪式電磁弁。

（５）前記ケーシング及び前記弁体の熱膨張係数を略同一としたことを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の磁歪式電磁弁。

（６）前記弁体における前記電磁コイルの磁界方向に予荷重を印加可能としたことを特徴とする前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の磁歪式電磁弁。

（７）前記弁体は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とする前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の磁歪式電磁弁。

本発明に係る簡易構造の磁歪式電磁弁は、部品点数の削減が可能でありながら、同時に、流体の流量調整を高精度、且つ、高速で行うことができるという優れた効果を有する。

本発明は、略筒状のケーシングと、該ケーシングの内側空間内に配設された磁歪部材からなる弁体と、前記ケーシングの外側を囲むように配置され、前記弁体に磁界を印加する電磁コイルと、を有してなり、該電磁コイルによって前記弁体を前記内側空間の径方向に変位させ、該内側空間内を流れる流体の流量を調整することによって、上記課題を解決したものである。

以下、本発明の実施例１、実施例２を図面に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に示されるように、本発明の実施例１に係る磁歪式電磁弁１０は、略円筒形状のケーシング１２を備え、このケーシング１２の内側空間１２Ａ内には、内側空間１２Ａの径方向に沿って配設された円板形状の超磁歪部材からなる弁体１４と、この弁体１４の厚さ方向両側に配設された円柱形状の第１、第２磁気ヨーク（軟磁性部材）１６、１８が収容されている。なお、この例では、ケーシング１２と弁体１４の熱膨張係数は略同一とされている。

又、ケーシング１２の外周には、ケーシング１２を囲むように電磁コイル２０が配設されている。更に、ケーシング１２の一端側１２Ｂのフランジ部近傍、及び他端側１２Ｃのフランジ部には、それぞれ円板形状のパンチングメタル２２Ａ、２２Ｂが取り付けられている。

弁体１４及び第１、第２磁気ヨーク１６、１８は、ポリエチレンフィルム２４を介して接着され、一体化されている。又、第１磁気ヨーク１６の一端１６Ａとパンチングメタル２２Ａとの間には、皿バネ２６Ａが配設されている。

一方、第２磁気ヨーク１８の一端１８Ａとパンチングメタル２２Ｂとの間には、パンチングメタル２２Ｃ及び皿バネ２６Ｂが、内側空間１２Ａ内を軸方向に摺動可能に配設されている。又、これらパンチングメタル２２Ｃ及び皿バネ２６Ｂは、パンチングメタル２２Ｂの中央部に取り付けられた加圧用ネジ２８によって軸方向に押されつつ、位置決めされている。

このように、弁体１４及び第１、第２磁気ヨーク１６、１８は、パンチングメタル２２Ａ、２２Ｃ及び皿バネ２６Ａ、２６Ｂ等の部材によって、内側空間１２Ａ内での軸方向の移動が規制されていると共に、弁体１４には、加圧用ネジ２８によって軸方向の所定の予荷重が印加されている。

なお、パンチングメタル２２Ａ〜２２Ｃには、それぞれオイルやガス等の流体を通すためのパンチング孔が形成されており、本実施例においては、流体がケーシング１２の内側空間１２Ａ内を図１中の左側から右側に流れるようになっている。

超磁歪部材からなる弁体１４は、超磁歪素子を材料として用いている。ここで、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいい、外部から磁界が印加されると大きな変位を生じる性質を有している。

又、この磁歪部材には、正の磁歪特性を有する正磁歪部材と、負の磁歪特性を有する負磁歪部材が存在する。正磁歪部材には、外部から磁界が印加されると磁界方向に伸長する性質があり、この磁界方向の伸長に伴って、正磁歪部材は磁界方向と直交する方向に縮小する。一方、負磁歪部材には、外部から磁界が印加されると磁界方向に縮小する性質があり、この磁界方向の縮小に伴って、負磁歪部材は、磁界方向と直交する方向に伸長する。

図３に、本実施例における弁体１４の磁歪特性を示す。なお、図における実線は、印加する磁界の大きさと、磁界方向の変位との関係を示したものであり、図における破線は、印加する磁界の大きさと、磁界方向と直交する方向の変位との関係を示したものである。

このように、本実施例においては、弁体１４として正超磁歪部材を用いており、その組成はＴｂ０．３４Ｄｙ０．６６Ｆｅ１．８８である。なお、本発明に係る弁体は正磁歪部材に限定されるものではなく、負磁歪部材も適用可能であることは言うまでもない。

電磁コイル２０は、この弁体１４に厚さ方向の磁界を印加可能であり、この磁界を変化させることによって、弁体１４を厚さ方向（磁界方向）に伸長させると共に、径方向（磁界方向と直交する方向）に縮小させる。

次に、図４及び図５を用いて、磁歪式電磁弁１０の作用について説明する。

弁体１４に磁界が印加されていない場合には、図４（Ａ）に示されるように、弁体１４がケーシング１２の内周面に密着した状態となるため、流体Ｆはケーシング１２の内側空間１２Ａ内を通過することができない。従って、弁体１４によって内側空間１２Ａを完全に閉鎖することが可能である。

一方、電磁コイル２０によって弁体１４に厚さ方向の磁界が印加された場合には、図４（Ｂ）に示されるように、弁体１４が厚さ方向に伸長すると共に、径方向に縮小する。その結果、ケーシング１２と弁体１４との間には隙間が生じ、流体はケーシング１２の内側空間１２Ａ内を通過することができる。

なお、本発明の発明者らは、電磁コイル２０によって印加する磁界の大きさと、ケーシング１２と弁体１４との間にできる隙間面積との関係についてデータを採取した。なお、本実験においては、弁体１４として、直径２０ｍｍ、長さ５ｍｍの円板形状の超磁歪部材を用いると共に、加圧用ネジ２８によって弁体１４に６０ｋｇｆ／ｃｍ^２の予荷重を印加した。又、隙間面積は、電磁コイル２０によって磁界を印加した後、０．１ｍ秒経過後に計測した。

その結果、図５に示されるように、電磁コイル２０による磁界の大きさと隙間面積は、データを採取した０〜８０（ｋＡ／ｍ）の全範囲においてリニアな関係を有していることが見出された。換言すれば、電磁コイル２０による磁界の大きさを変化させる事によって、ケーシング１２の内側空間１２Ａ内を流れる流体Ｆの流量を高い精度で調整することができる。又、本実験によれば、磁歪式電磁弁１０は、０．１ｍ秒という短時間で隙間面積を変化させることができ、流量の調整を極めて高速に行えることが分かる。

本発明の実施例１に係る磁歪式電磁弁１０によれば、略筒状のケーシング１２と、このケーシング１２の内側空間１２Ａ内に配設された磁歪部材からなる弁体１４と、ケーシング１２の外側を囲むように配置され、弁体１４に磁界を印加する電磁コイル２０と、を有してなり、電磁コイル２０によって弁体１４を内側空間１２Ａの径方向に変位させ、内側空間１２Ａ内を流れる流体の流量を調整するようにしたため、流体の流量調整を高精度、且つ、高速で行うことができる。又、弁体１４自体がアクチュエータとしての機能を果たしているため、部品点数の削減が可能である。

特に、弁体１４は内側空間１２Ａの径方向に沿って配設された板状体からなり、且つ、弁体１４の厚さ方向両側に柱状の磁気ヨーク（軟磁性部材）１６、１８を同軸的に配設したため、電磁コイル２０が発生する磁界を弁体１４に効率的に導くことができ、流体の流量調整を更に高精度、且つ、高速で行うことができる。しかも、弁体１４を板状に成形しているため、装置の小型化が可能である上に、弁体による（流体の）流れの乱れを抑制することができる。

又、ケーシング１２と弁体１４の熱膨張係数を略同一としたため、温度変化に伴う部材の変形によって流体の流量調整に誤差が生じるのを未然に防止することができる。

更に、加圧用ネジ２８によって、弁体１４における電磁コイル２０の磁界方向に予荷重を印加可能としているため、弁体１４の変位量を増大させることができ、この点においても流量調整の精度や応答速度が高められている。

次に、本発明の実施例２に係る磁歪式電磁弁３０について説明する。

図６に示されるように、本発明の実施例２に係る磁歪式電磁弁３０は、実施例１に係る磁歪式電磁弁１０における弁体１４及び第１、第２磁気ヨーク１６、１８に代えて、ケーシング１２と同軸的に配設された円筒形状の超磁歪部材からなる弁体３２と、この弁体３２の内側空間を貫通するように配置された円柱形状の磁気ヨーク３４を備えている。又、この弁体３２と磁気ヨーク３４は、その軸方向両端に配置されたパンチングメタル３６Ａ、３６Ｂによって軸方向への移動が規制されている。なお、他の構造は実施例１に係る磁歪式電磁弁１０と同様であるため、その説明は省略する。

この磁歪式電磁弁３０では、弁体３２に磁界が印加されていない場合には、図６（Ａ）に示されるように、円筒形状の弁体３２がケーシング１２の内周面及び磁気ヨーク３４の外周面にそれぞれ密着した状態となるため、流体Ｆはケーシング１２の内側空間１２Ａ内を通過することができない。

一方、電磁コイル２０によって弁体３２に軸方向の磁界が印加された場合には、図６（Ｂ）に示されるように、弁体３２が軸方向に伸長すると共に、径方向に縮小するため、流体はケーシング１２の内側空間１２Ａ内を通過することができる。

実施例２に係る磁歪式電磁弁３０によれば、実施例１に係る磁歪式電磁弁１０と同様の効果を得ることができる上に、磁気ヨーク３４によって電磁コイル２０の磁界を弁体３２に効率的に導くことができ、より一層、流量調整の精度や応答速度を高めることができる。

なお、本発明に係る磁歪式電磁弁は、上記実施例１、実施例２に係る磁歪式電磁弁１０、３０の構造や形状等に限定されるものではなく、例えば、弁体１４は多角形等であってもよく、又、弁体３２は角筒形状等であってもよい。更に、流体の流量をそれ程変化させる必要が無い場合には、弁体として磁歪素子からなる磁歪部材を適用してもよい。又、流量調整をそれ程高精度に行う必要が無い場合には、磁気ヨーク１４、１６、３４や加圧用ネジ２８を設けなくてもよい。

即ち、略筒状のケーシングと、該ケーシングの内側空間内に配設された磁歪部材からなる弁体と、前記ケーシングの外側を囲むように配置され、前記弁体に磁界を印加する電磁コイルと、を有してなり、該電磁コイルによって前記弁体を前記内側空間の径方向に変位させ、該内側空間内を流れる流体の流量を調整するようにした磁歪式電磁弁であればよい。

本発明の実施例１に係る磁歪式電磁弁を示す概略側断面図図１におけるII−II線に沿った断面図図１における弁体に印加する磁界の大きさと、弁体の変位との関係を示したグラフ図１における磁歪式電磁弁の作用を示した概略側断面図図１における弁体に印加する磁界の大きさと、隙間面積との関係を示したグラフ本発明の実施例２に係る磁歪式電磁弁を示す概略側断面図従来の磁歪式電磁弁を示す概略側断面図

符号の説明

Ｆ…流体
１、１０…磁歪式電磁弁
２、１２…ケーシング
２Ａ…管路
３…磁界印加コイル
４…磁歪素子
５、３２…弁体
１２Ａ…内側空間
１４…弁体
１６…第１磁気ヨーク
１８…第２磁気ヨーク
２０…電磁コイル
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、３６Ａ、３６Ｂ…パンチングメタル
２４…ポリエチレンフィルム
２６Ａ、２６Ｂ…皿ばね
２８…加圧用ネジ
３４…磁気ヨーク

Claims

略筒状のケーシングと、該ケーシングの内側空間内に配設された磁歪部材からなる弁体と、前記ケーシングの外側を囲むように配置され、前記弁体に磁界を印加する電磁コイルと、を有してなり、該電磁コイルによって前記弁体を前記内側空間の径方向に変位させ、該内側空間内を流れる流体の流量を調整するようにしたことを特徴とする磁歪式電磁弁。
請求項１において、
前記弁体によって前記内側空間を閉鎖可能としたことを特徴とする磁歪式電磁弁。
請求項１又は２において、
前記弁体は前記内側空間の径方向に沿って配設された板状体からなり、且つ、該弁体の厚さ方向両側に柱状の軟磁性部材を同軸的に配設したことを特徴とする磁歪式電磁弁。
請求項１又は２において、
前記弁体は前記ケーシングと同軸的に配設された筒状体からなり、且つ、該弁体の内側空間内を貫通するように柱状の軟磁性部材を配設したことを特徴とする磁歪式電磁弁。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記ケーシング及び前記弁体の熱膨張係数を略同一としたことを特徴とする磁歪式電磁弁。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記弁体における前記電磁コイルの磁界方向に予荷重を印加可能としたことを特徴とする磁歪式電磁弁。
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記弁体は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とする磁歪式電磁弁。