JP2005315326A - 小型電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】通電時から非通電時に切り換える際に揺動弁に作用する繰り返し荷重を緩和して、耐久性を向上させることができる小型電磁弁を提供すること。
【解決手段】第１〜第３流路５ａ，５ｂ，５ｃが弁室１２を介して相互に連通するハウジングに第１弁座６ａと第２弁座６ｂとを設け、弁室１２の揺動弁７に作用する第１バネ２１のバネ力と第２バネ２５のバネ力とのバランスをソレノイド機構１６によって変動させることにより揺動弁７を揺動させ、第１〜第３流路５ａ，５ｂ，５ｃの連通状態を切り換える小型電磁弁１において、ソレノイド機構１６の可動鉄心２０を第１バネ２１により固定鉄心１９から離間する方向に常時付勢し、可動鉄心２０と揺動弁７との間に第１押圧部材１４を軸方向に移動可能に保持して揺動弁７に点接触させるとともに、第１バネ２１よりバネ力が小さく設定されるクッションバネ２２を可動鉄心２０と第１押圧部材１４との間に設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の流れ方向を制御することが可能な小型電磁弁に関する。

従来より、流体の流れ方向を制御することが可能な小型電磁弁は、例えば図５に示す液体分析装置５０の分注制御に使用される。分注とは、血液や体液、希釈水用の純水や生理食塩水、反応させる試薬などを反応セルに移すことをいう。液体分析装置５０では、数μＬの分注精度で流量制御を行うためにシリンジポンプ５２を使用している。シリンジポンプ５２は、シリンジ（注射器）で純水などを設定された流量で持続的に注入するものであり、注入速度を容易に調節することができる利点があるからである。

シリンジポンプ５２は、小型電磁弁１００を介して純水ポンプ５１と、反応セル５３とにそれぞれ接続している。小型電磁弁１００と反応セル５３との間にはノズル５４が配設され、反応セル５３に純水を正確な流量で供給できるようにしている。こうした小型電磁弁１００は、数μＬから数十μＬ程度で純水の流量を制御することが要求されている（非特許文献１参照。）。

図６は、従来の小型電磁弁１００の断面図である。
小型電磁弁１００は、第１流路１０３ａが純水ポンプ５１に接続し、第２流路１０３ａがシリンジポンプ５２に接続し、第３流路１０３ｃが反応セル５３に接続する。小型電磁弁１００は、ソレノイド部１１１への通電を制御することにより、第１流路１０３ａ、第２流路１０３ｂ、第３流路１０３ｃとの連通状態を切り替えるようになっている。

小型電磁弁１００の流路ブロック１０２には、第１流路１０３ａと第３流路１０３ｃに連通するように第１弁座１０６ａと第２弁座１０６ｂが形成されている。流路ブロック１０２に連結する弁ブロック１０１には、支軸１０８が架設され、ダイアフラム組立１０４を揺動可能に軸支している。ダイアフラム組立１０４は、揺動部材１０９にダイアフラム１０７を固着したものである。ダイアフラム１０７は、外縁部が流路ブロック１０２と弁ブロック１０３との間で狭持されて弁室１０５を形成し、揺動部材１０９の揺動に従って第１弁座１０６ａと第２弁座１０６ｂに相対的に当接又は離間するよう構成されている。

一方、ソレノイド部１１１には、可動鉄心１１４が摺動可能に挿通されている。可動鉄心１１４は、第１バネ１１５のバネ力でソレノイド部１１１からボディ１０１側へ突き出し、ボディ１０１に摺動可能に装填された変位部材１１６に突き当てられている。変位部材１１６には、第１押圧部材１１７ａが固設されるとともに、第２押圧部材１１７ｂが摺動可能に保持されている。第２押圧部材１１７ｂは、第１バネ１１５よりバネ力の小さい第２バネ１１８によって図中Ｄ方向の力が常時作用している。そのため、ソレノイド部１１１への通電を制御して可動鉄心１１４を摺動させれば、第１バネ１１５と第２バネ１１８との圧力バランスが変動し、ダイアフラム組立１０４が揺動する。

こうした小型電磁弁１００は、ソレノイド部１１１に通電すると、可動鉄心１１４が第１バネ１１５に抗して図中Ｃ方向に移動する。第１バネ１１５は、次第にバネ力が小さくなり、やがて第２バネ１１８のバネ力が第１バネ１１５のバネ力に打ち勝つ。すると、ダイアフラム組立１０４は、第２押圧バネ１１７ｂにより図中Ｄ方向に押し下げられて揺動する。そして、ダイアフラム１０７が、第１弁座１０６ａから離間して第１流路１０３ａと第２流路１０３ｂを連通させる一方、第２弁座１０６ｂに当接して第２流路１０３ｂと第３流路１０３ｃとを遮断する。これにより、第１〜第３流路１０３ａ〜１０３ｃの連通状態が切り替えられ、純水ポンプ５１からシリンジポンプ５２に流体が充填される。

その後、ソレノイド部１１１への通電を停止すると、第１バネ１１５のバネ力で変位部材１１６を図中Ｄ方向に押圧する。第１バネ１１５は第２バネ１１８よりバネ力が大きいため、可動鉄心１１４が変位部材１１６を図中Ｄ方向に押し下げる。ダイアフラム組立１０４は、第１押圧部材１１７ａにより図中Ｄ方向に押し下げられ、第２バネ１１８を圧縮しながら揺動する。そして、ダイアフラム１０７が、第１弁座１０６ａに当接して第１流路１０３ａと第２流路１０３ｂを遮断する一方、第２弁座１０６ｂから離間して第２流路１０３ｂと第３流路１０３ｃとを連通させる。これにより、第１〜第３流路１０３ａ〜１０３ｃの連通状態が切り替えられ、シリンジポンプ５２から反応セル５３に流体が供給される（例えば、特許文献１参照。）。

「医療・分析装置攻略 アプリケーション＆テクニカルブック」、シーケーディ株式会社、１９９８年１０月１６日、ｐ．２〜３ 特開２０００−２９７８７６号公報（第３〜５頁、第１図。）

しかしながら、従来の小型電磁弁１００は、ダイアフラム１０７が第１弁座１０６ａ及び第２弁座１０６ｂから離間する距離、すなわち、ストロークを制御することにより、流体流量を数μＬ〜数十μＬ程度の極微小流量に制御するが、構成部品の寸法が小さく、歩留まり等との関係上、寸法公差なく部品を製造することが難しかった。小型電磁弁１００は、ストローク調整機能を有しないため、部品の寸法公差が生じると、ダイアフラム１０７のストロークに直接影響し、Ｃｖ値のばらつきを生じさせていた。
この点、Ｃｖ値のばらつきを解消するために、ソレノイド部１１１の駆動力を大きくして、ダイアフラム組立１０４の揺動量を大きくすることが考えられる。しかし、ソレノイド部１１１の駆動力を大きくすると、ソレノイド部１１１が大型化して、装置サイズ全体が大きくなる問題がある。

そこで出願人らは、上記課題を解決するために、特願２００３−４０４３５２号において、ストローク調整機能を備えることによりＣｖ値のばらつきを小さくできる安価でコンパクトな小型電磁弁２００を提案した。図７は、出願人らが提案した小型電磁弁２００の断面図である。
小型電磁弁２００は、ダイアフラム組立２０１が第１バネ２０２と第２バネ２０３のバランスに応じて揺動し、第１流路２０４ａと第２流路２０４ｂと第３流路２０４ｃの連通状態を切り換える。第１バネ２０２は、第２バネ２０３よりバネ力が大きく設定され、非通電時にダイアフラム組立２０１を第１弁座２０５ａに押し付けて、第２流路２０４ｂと第３流路２０４ｃとを第２弁座２０５ｂを介して連通させる。小型電磁弁２００は、第１弁座２０５ａと同軸上にソレノイド機構２０６が配設されている。ソレノイド機構２０６に通電すると、可動鉄心２０７が第１バネ２０２に抗して図中Ｅ方向に上昇するためバネ荷重がなくなり、第２バネ２０３がダイアフラム組立２０１を第２弁座２０５ｂに押し付け、第１流路２０４ａと第２流路２０４ｂが第１弁座２０５ａを介して連通する。小型電磁弁２００は、スペーサ２１０によりダイアフラム組立２０１のストロークを調整している。

ところが、小型電磁弁２００は、ダイアフラム組立２０１が塑性変形し、ソレノイド機構２０６に規定電圧を供給しても適切な流量調整をできないことがあった。通電時の小型電磁弁２００は、第２バネ２０３のバネ力が阻害されることを防止すべく、可動鉄心２０７と第１押圧部材２０８との間に隙間を設ける。通電を停止すると、可動鉄心２０７は、第１バネ２０２の復元力によって図中Ｆ方向に下降し、先ず第１押圧部材２０８にぶつかってから、ダイアフラム組立２０１を第２バネ２０３に抗して押し下げて第１弁座２０５ａに当接させる。ダイアフラム組立２０１は、上端面が平坦に形成され、半球状に形成された第１押圧部材２０８の先端部２０８ａが点接触する。そのため、ダイアフラム組立２０１は、可動鉄心２０７が第１押圧部材２０８にぶつかる際の衝撃荷重が一点に集中的に作用し、繰り返し荷重によって塑性変形して凹みやすかった。ダイアフラム組立２０１が凹むと、非通電時に可動鉄心２０７と固定鉄心２１１との間のクリアランスが初期値より大きくなり、ソレノイド機構２０６に規定電圧を供給しても、固定鉄心２１１が可動鉄心２０７を十分に吸引することができないため、適切に流量調整できなくなる。

この点、第１押圧部材２０８とダイアフラム組立２０１との間に樹脂シートを入れることも考えられるが、樹脂シートが繰り返し荷重によって破損し、破損片によって作動不良を発生するおそれがある。また、第１押圧部材２０８やダイアフラム組立２０１を衝撃や摩耗に強い材料とすると、コスト高になる問題がある。

また、出願人らは、小型電磁弁２００がダイアフラム組立２０１を揺動させて第１弁座２０５ａと第２弁座２０５ｂをシールするため、第１弁座２０５ａと第２弁座２０５ｂとのシール力が一致すると考えて第１バネ２０２と第２バネ２０３のバネ力を設定した。すなわち、出願人らは、通電時と非通電時とでダイアフラム組立２０１に作用する第１バネ２０２と第２バネ２０３のバネ力が異なることを考慮し、第１バネ２０２のバネ力を第２バネ２０３のバネ力の２倍に設定した。このようにバネ力を設定した小型電磁弁２００に第３流路２０４ｃ側から所定圧の流体（例えば、空気）を供給して、ダイアフラム組立２０１を２〜３回揺動させた後、第１流路２０４ａに漏れ検知液を塗って流体漏れを評価した。

ところが、小型電磁弁２００は、計算上、第１弁座２０５ａと第２弁座２０５ｂのシール力が一致するにもかかわらず、第１流路２０４ａと第２流路２０４ｂを加圧したときに第１弁座２０５ａから流体漏れが発生した。第１バネ２１のバネ力を単純に大きくして第１弁座２０５ａ側のシール力を大きくすると、ソレノイド機構２０６が大型化するので、第２バネ２０３のバネ力を小さくすることにより第１弁座２０５ａのシール力を相対的に増加させたところ、第１流路２０４ａと第２流路２０４ｂの何れからも流体漏れが発生しなくなった。この評価結果より、出願人らは、非通電時のシール力を通電時のシール力より大きくする必要があることを見いだした。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、通電時から非通電時に切り換える際に揺動弁に作用する繰り返し荷重を緩和して、耐久性を向上させることができる小型電磁弁を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、適切なシール力を確保して流体漏れを防止できる小型電磁弁を提供することを第２の目的とする。

本発明に係る小型電磁弁は、上記第１の目的を達成するために次のような構成を有している。
（１）第１流路と第２流路と第３流路が弁室を介して相互に連通するハウジングに、第１流路に連通する第１弁座と第３流路に連通する第２弁座とを設け、弁室内に揺動可能に軸支される揺動弁に第１バネのバネ力と第１バネよりバネ力が小さく設定された第２バネのバネ力とが作用しており、第１バネのバネ力をソレノイド機構によって変動させることにより、揺動弁を第１弁座と第２弁座に相対的に当接又は離間させるように揺動させ、第１流路と第２流路と第３流路の連通状態を切り換える小型電磁弁において、第１バネが、ソレノイド機構に摺動可能に保持される可動鉄心を固定鉄心から離間する方向に常時付勢し、可動鉄心と揺動弁との間に軸方向に移動可能に保持され、揺動弁に点接触する第１押圧手段と、第１バネよりバネ力が小さく設定され、可動鉄心と第１押圧手段との間に配設されるクッション手段と、を有することを特徴とすることを特徴とする。

（２）（１）に記載の発明において、可動鉄心と第１押圧手段が第１弁座と同軸上に設けられ、第２弁座と同軸上に移動可能に保持される第２押圧部材が、第２バネにより第２弁座方向に付勢されて、揺動弁に点接触していることを特徴とする。

（３）第１流路と第２流路と第３流路が弁室を介して相互に連通するハウジングに、第１流路に連通する第１弁座と第３流路に連通する第２弁座とを設け、弁室に収納される弁部材が、電磁コイルを励磁又は消磁することにより第１弁座と第２弁座に相対的に当接又は離間する小型電磁弁において、電磁コイルを消磁したときに弁部材が第１弁座をシールするシール力が、電磁コイルを励磁したときに弁部材が第２弁座をシールするシール力より大きく設定されていること、を特徴とする。

（４）（３）に記載の発明において、弁部材が、弁室に揺動可能に軸支される揺動弁であり、揺動弁に第１バネのバネ力と、第１バネよりバネ力が小さく設定された第２バネのバネ力とが作用しており、電磁コイルを備えるソレノイド機構が第１バネのバネ力を変動させることにより、揺動弁が揺動して第１弁座又は第２弁座に相対的に当接又は離間するものであって、電磁コイルを消磁しているときに、揺動弁が第１弁座に当接し、第１バネのバネ力から第２バネのバネ力を減算して求められるシール力が第１弁座に作用し、電磁コイルを励磁しているときに、揺動弁が第２弁座に当接し、第２バネのバネ力から第１バネのバネ力を減算して求められるシール力が第２弁座に作用することを特徴とする。

（５）（３）又は（４）に記載の発明において、通電時のシール力は、非通電時のシール力の０．８倍以下であることを特徴とする。

（６）（４）又は（５）に記載の発明において、ソレノイド機構に備えられた可動鉄心が、第１弁座と同軸上に摺動可能に保持され、第１バネにより第１弁座側に常時付勢され、可動鉄心と揺動弁との間に摺動可能に保持される第１押圧手段と、第２弁座と同軸上に摺動可能に保持され、第２バネにより第２弁座方向に常時付勢されて揺動弁に接触する第２押圧手段と、を有することを特徴とする。

（７）（６）に記載の発明において、第１バネよりバネ力が小さく設定され、可動鉄心と第１押圧手段との間に配設されるクッション手段を有することを特徴とする。

次に、上記構成を有する小型電磁弁の作用効果について説明する。
小型電磁弁は、ソレノイド機構に通電すると、固定鉄心が第１バネに抗して可動鉄心を吸引するため、第１バネのバネ力がなくなり、第２バネが揺動弁を所定方向と逆方向に揺動させる。このとき、クッション手段は、第１バネのバネ力が弱められるのに従って可動鉄心と第１押圧手段との間で復元する。
その後、ソレノイド機構への通電を停止すると、可動鉄心が第１バネに付勢されて固定鉄心から離間する方向に押し下げられ、第１押圧手段を介して揺動弁を押圧する。揺動弁には、第１バネのバネ力と第２バネのバネ力が作用するが、第１バネが第２バネよりバネ力が大きいため、揺動弁は第２バネに抗して所定方向に揺動する。
このように、小型電磁弁は、ソレノイド機構への通電を制御することにより、揺動弁が揺動して第１弁座と第２弁座に相対的に当接又は離間し、第１流路と第２流路と第３流路との連通状態を切り換える。

ここで、小型電磁弁は、ソレノイド機構に通電しているときに、可動鉄心が第１押圧手段から離間すると、ソレノイド機構への通電を停止したときに、可動鉄心が第１バネに付勢されて第１押圧手段に衝突する。このとき、可動鉄心は、クッション手段を弾性変形させながら第１押圧手段側に移動して第１押圧手段に衝突するため、ソレノイド機構への通電を停止してから可動鉄心が第１押圧手段に衝突するまでの衝突時間がクッション手段を配設しない場合より遅くなる。そのため、第１押圧手段に衝突するときの衝撃荷重がクッション手段によって緩和され、揺動弁が第１押圧手段から受ける繰り返し荷重が小さくなる。これにより、揺動弁は、塑性変形の進行が遅れて耐久性が向上し、非通電時における可動鉄心と固定鉄心との間に形成される隙間が初期値に維持される。この結果、小型電磁弁は、従来の小型電磁弁より長い期間、ソレノイド機構に規定電圧を供給したときに固定鉄心が可動鉄心を十分に吸引し、流体を所定流量に制御することが可能になる。
従って、本発明によれば、通電時から非通電時に切り換える際に揺動弁に作用する繰り返し荷重を緩和して、耐久性を向上させることができる。

また、可動鉄心が第１バネのバネ力により第１押圧手段を介して揺動弁を第１弁座方向に押圧し、第２押圧手段が第２バネのバネ力により揺動弁を第２弁座方向に押圧するので、第１バネと第２バネのバネ力が揺動弁から第１弁座又は第２弁座に無駄なく作用し、簡単な構造でシール性能を向上させることができる。

ところで、小型電磁弁は、揺動弁が、非通電時に第１バネのバネ力から第２バネのバネ力を減算して求められるシール力で第１弁座をシールし、非通電時に第２バネのバネ力から第１バネのバネ力を減算して求められるシール力で第２弁座をシールしており、第１バネのバネ力と第２バネのバネ力が、第１弁座に作用するシール力が第２弁座に作用するシール力より大きくなるように設定されている。そのため、非通電時に第１流路又は第２流路を加圧しても、揺動弁が第１弁座を所定のシール力でシールするため、第１弁座から流体漏れが発生せず、また、通電時に第２流路又は第３流路を加圧しても、揺動弁が第２弁座を所定のシール力でシールするため、第２弁座から流体漏れが発生しない。
従って、本発明の小型電磁弁によれば、適切なシール力を確保して流体漏れを防止することができる。

また、通電時のシール力を非通電時のシール力の０．８倍以下にすれば、ソレノイド機構を過大にすることなく流体漏れを防止することができる。

ここで、上述した流体漏れの評価実験では、第１弁座と同軸上に設けられた第１押圧手段を第１バネのバネ力で押し下げ、第２弁座と同軸上に設けられた第２押圧手段を第２バネのバネ力で押し下げる小型電磁弁を用いて、非通電時のシール力を通電時のシール力より大きく設定する必要があることが判明した。この理由は不明であるが、例えば、特開平１０−３１１４４４号公報に記載する多方弁、特開２０００−２９７８７６号公報に記載するバルブ、特開２０００−７４２４９号公報に記載する電磁弁についても同様の評価実験を行ったところ、同様の傾向が見受けられた。よって、例えば、特開平１０−３１１４４４号公報に記載する多方弁、特開２０００−２９７８７６号公報に記載するバルブ、特開２０００−７４２４９号公報に記載する電磁弁についても、非通電時のシール力を通電時のシール力より大きく設定することにより、適切なシール力を確保して流体漏れを防止しうると考えられる。

次に、本発明に係る小型電磁弁の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、小型電磁弁１の断面図であって、非通電状態を示す。図２は、小型電磁弁１の断面図であって、通電状態を示す。
小型電磁弁１は、従来技術と同様に、液体分析装置５０に使用される。小型電磁弁１は、外観が略直方体形状をなし、流路ブロック２にボディ３を連結することにより「ハウジング」が構成され、そのハウジングを覆うようにカバー４が取り付けられている。流路ブロック２には、第１流路５ａと第２流路５ｂと第３流路５ｃとが平行に形成されている。第１流路５ａと第３流路５ｃの開口部には、第１弁座６ａと第２弁座６ｂが環状に突設されている。流路ブロック２には、第１〜第３流路５ａ，５ｂ，５ｃの外側に貫通孔２ａが形成され、この貫通孔２ａにボディ３の下端面に突設された位置決め突起３ａをきっちり嵌め合わせることにより、流路ブロック２とボディ３とを位置合わせしている。

流路ブロック２とボディ３との間には、揺動弁７を収納するための収納室８が形成されている。収納室８には、支軸９が第２流路５ｂと同軸上に架設され、揺動弁７を揺動可能に軸支している。揺動弁７は、樹脂製の揺動部材１０にインサート成形によってダイアフラム１１を一体化したものである。ダイアフラム１１は、周縁部がボディ３と流路ブロック２との間に狭持されて収納室８を気密に区画し、弁室１２を形成している。弁室１２には、第１〜第３流路５ａ，５ｂ，５ｃが各々開口して相互に連通しており、揺動弁７が傾斜してダイアフラム１１を第１弁座６ａと第２弁座６ｂに相対的に当接又は離間するようになっている。ここで、第１弁座６ａと第２弁座６ｂの上端面は、揺動弁７の傾斜に合わせて斜めに形成され、シール性能の向上を図っている。また、弁室１２内壁にも、揺動弁７の傾きに合わせた傾斜が設けられ、容積変化を一定にしている。

揺動弁７には、支軸９を挟んで対称位置に第１バネ２１と第２バネ２５のバネ力が作用し、第１バネ２１のバネ力をソレノイド機構１６を用いて変動させることにより、揺動弁７が揺動するようになっている。

ボディ３には、第１貫通孔１３が第１弁座６ａと同軸上に上面から収納室８に連通するように穿設されている。第１貫通孔１３には、第１押圧部材（「第１押圧手段」に相当するもの。）１４が摺動可能に装填されている。第１押圧部材１４は、射出成形によって樹脂を一方に開口する円筒形状に成形したものであり、外径が第１貫通孔１３と略同径に設定されている。第１押圧部材１４の閉端面中央部には、先端部が半球状に形成された突起１４ａが外向きに突設されている。第１押圧部材１４は、突起１４ａが第１貫通孔１３の図中上端開口部から挿入され、揺動弁７の上端面に突き当てられて点接触している。ボディ３には、ソレノイド機構１６が磁気回路基板１５を介して第１弁座６ａと同軸上に取り付けられ、第１貫通孔１３の図中上端開口部を塞いでいる。

ソレノイド機構１６は、中空円筒形状に形成されたコイルボビン１７に電磁コイル１８が巻回され、コイルボビン１７の一端開口部に固定鉄心１９が固設され、コイルボビン１７の他端開口部に可動鉄心２０が摺動可能に装填されている。固定鉄心１９と可動鉄心２０は、第１弁座６ａと同軸上に配設されている。可動鉄心２０は、先端部が磁気回路基板１５を貫いて第１貫通孔１３内に突き出し、可動鉄心２０の先端部と磁気回路基板１５との間に第１バネ２１が縮設されている。そのため、可動鉄心２０は、第１バネ２１により第１弁座６ａ側（図中Ｂ方向）に常時付勢され、第１押圧部材１４を介して揺動弁７を第１弁座６ａ方向に押圧している。クッションバネ（「クッション手段」に相当するもの。）２２は、第１押圧部材１４の中空孔に収納され、第１押圧部材１４と可動鉄心２０との間に縮設されており、可動鉄心２０を第１弁座６ａと反対方向（図中Ａ方向）に付勢している。

また、ボディ３には、第２貫通孔２３が第２弁座６ｂと同軸上に上面から収納室８に連通するように穿設されている。第２貫通孔２３には、第２押圧部材（「第２押圧手段」に相当するもの。）２４が摺動可能に装填されている。第２押圧部材２４は、射出成形により樹脂を一方に開口する円筒形状に成形したものであり、外径が第２貫通孔２３と略同径に設定されている。第２押圧部材２４の閉端面中央部には、先端部が半球状に形成された突起２４ａが外向きに突設されている。第２押圧部材２４は、突起２４ａが第２貫通孔２３の図中上端開口部から挿入され、揺動弁７に突き当てられて点接触している。第２バネ２５は、第２押圧部材２４の中空孔に収納された状態で第２貫通孔２３に配設され、第２貫通孔２３を図中上方から覆うようにカバー２６をボディ３に被せて固定ネジ２７で固定することにより、第２押圧部材２４とカバー２６との間で圧縮保持されている。そのため、第２押圧部材２４は、第２バネ２５のバネ力により揺動弁７を第２弁座６ｂ方向（図中Ｂ方向）に押圧している。

ここで、第１バネ２１、クッションバネ２２、第２バネ２５の関係について説明する。
小型電磁弁１は、第１バネ２１と第２バネ２５のバランスをソレノイド機構１６を用いて変動させることにより揺動弁７を第１弁座６ａと第２弁座６ｂに相対的に当接又は離間させる。そのため、第１バネ２１は、図１に示すように非通電時に第１弁座６ａをシールするように、バネ力が第２バネ２５より大きく設定される。図２に示すように通電時に可動鉄心２１が第１押圧部材１４から離間して第１バネ２１のバネ力が揺動弁７に作用しなくなるため、第２バネ２５は、通電時に第２弁座６ｂを所定のシール力でシールするようにバネ力が設定される。

例えば、小型電磁弁１が０．２０ＭＰａの純水を制御する場合には、通電時に第２弁座６ｂをシールするシール力を、非通電時に第１弁座６ａをシールするシール力の０．８倍以下にすることが望ましい。０．８倍より大きくすると、第１弁座６ａと第２弁座６ｂのシール力に対して第１バネ２１と第２バネ２５のバネ力が過大となり、ソレノイド機構１６が大型化するためである。第１バネ２１と第２バネ２５は、第１弁座６ａと第２弁座６ｂをそれぞれ所定のシール力でシールするようにバネ力が設定される。特には、小型電磁弁１が０．２０ＭＰａの純水を制御する場合には、第１バネ２１のバネ力を３０７０〜３５３０ｍＮに、第２バネ２５のバネ力を１２１０〜１３９０ｍＮに設定することが望ましい。第１弁座６ａと第２弁座６ｂの適切なシール力を確保するとともに、ソレノイド機構１６が大型化することを防止するためである。

一方、クッションバネ２２は、可動鉄心２０と第１押圧部材１４との衝撃荷重を緩和するようにバネ力が設定される。この場合に、クッションバネ２２のバネ力は、通電時及び非通電時に第１バネ２１と第２バネ２５のバネ力を阻害しないように十分に小さく設定される。特には、小型電磁弁１が０．２０ＭＰａの純水を制御する場合には、クッションバネ２２のバネ力を第１バネ２１のバネ力に対して０．０３倍以上０．１倍以下に設定することが望ましい。

こうした小型電磁弁１は、図１に示す非通電時の場合、図３に示すように揺動弁７には、第１バネ２１のバネ力が第１弁座６ａ側（図３の図中下向き、図１の図中Ｂ方向）に作用し、クッションバネ２２のバネ力が第１弁座６ａと反対側（図３の図中上向き、図１の図中Ａ方向）に作用し、第２バネ２５のバネ力が第２弁座６ｂ側（図３の図中下向き、図１の図中Ｂ方向）に作用する。従って、第１弁座６ａのシール力は、第１バネ２１のバネ力からクッションバネ２２のバネ力を減算し、さらに、その減算結果から第２バネ２５のバネ力を減算した値となる。例えば、図１に示す状態において、第１バネ２１のバネ力が３３００ｍＮ、クッションバネ２２のバネ力が２３０ｍＮ、第２バネ２５のバネ力が１６００ｍＮである場合には、第１弁座６ａのシール力は１４７０ｍＮになる。

一方、小型電磁弁１は、図２に示す通電時の場合、図４に示すように、揺動弁７には、クッションバネ２２のバネ力が第１弁座６ａ側（図４の図中下向き、図２の図中Ｂ方向）に作用し、第２バネ２５のバネ力が第２弁座６ｂ側（図４の図中下向き、図２の図中Ｂ方向）に作用するものの、可動鉄心２０が第１押圧部材１４から所定量のギャップＧをもって離間するため、第１バネ２１のバネ力が零である。従って、第２弁座６ｂのシール力は、第２バネ２５のバネ力からクッションバネ２２のバネ力を減算した値となる。例えば、図２に示す状態において、第２バネ２５のバネ力が１３００ｍＮ、クッションバネ２２のバネ力が２００ｍＮに設定され、第２弁座６ｂのシール力は１１００ｍＮになる。

なお、小型電磁弁１のソレノイド機構１６には、電磁コイル１８に制御基板２８を介して配線２９が接続し、配線２９がブッシュ３０から取り出されて図示しない制御装置に接続されている。制御基板２８は、配線２９から供給される交流電流を整流して電磁コイル１８に供給する。また、小型電磁弁１は、ボディ３と流路ブロック２との間に薄い板状のスペーサ３１が配設され、揺動弁７のストローク量が調整されている。

こうした小型電磁弁１は、流路ブロック２にパッキン３２が装着され、第１流路５ａに純水ポンプ５１（図５参照）を接続し、第２流路５ｂにシリンジポンプ５２（図５参照）を接続し、第３流路５ｃにノズル５４（図５参照）を介して反応セル５３（図５参照）を接続することにより、液体分析装置５０（図５参照）に組み付けられる。

次に、上記構成を有する小型電磁弁１の動作について説明する。
小型電磁弁１は、図１に示す非通電時には、固定鉄心１９と可動鉄心２０とは所定のクリアランスＳをもって離間し、揺動弁７がダイアフラム１１を第１弁座６ａに当接するように傾斜することにより、第２流路５ｂと第３流路５ｃが第２弁座６ｂを介して連通している。以下、この状態を初期状態として説明する。

図２に示すように、ソレノイド機構１６の電磁コイル１８に電圧を供給すると、固定鉄心１９が第１バネ２１に抗して可動鉄心２０を図中Ａ方向に吸引する。第１バネ２１が可動鉄心２０と第１押圧部材１４を介して揺動弁７を押し下げる力は、可動鉄心２０の上昇に従って減少する。これに対応して、第２バネ２５が第２押圧部材２４を介して揺動弁７を第２弁座６ｂ側（図中Ｂ方向）に押し下げる。可動鉄心２０が第１押圧部材１４から離間しても、クッションバネ２２が可動鉄心２０と第１押圧部材１４との間で伸長し、第１押圧部材１４を介して揺動弁７を第１弁座６ａ側に押圧する。しかし、第２バネ２５のバネ力がクッションバネ２２のバネ力より十分に大きく設定されているため、揺動弁７は、クッションバネ２２に抗してダイアフラム１１を第２弁座６ｂに当接させるように揺動して傾斜し、第１流路５ａと第２流路５ｂが第１弁座６ａを介して連通する。なおこのとき、可動鉄心２０が第１押圧部材１４から離間しているため、第２バネ２５のバネ力が阻害されず、揺動弁７は第２弁座６ｂを所定のシール力でシールする。

この状態で図５に示す液体分析装置５０の純水ポンプ５１を駆動すると、純水が純水ポンプ５１から図２に示す小型電磁弁１の第１流路５ａ、第１弁座６ａ、弁室１２、第２流路５ｂを介して図５に示すシリンジポンプ５２に供給される。小型電磁弁１は、純水の供給により第１流路５ａを加圧しても、第２弁座６ｂが所定のシール力でシールされているため、第２弁座６ｂから流体漏れが発生せず、純水を所定流量に制御することができる。

その後、図１に示すように、ソレノイド機構１６の電磁コイル１８への電圧の供給を停止すると、可動鉄心２０が第１バネ２１に付勢されて図中Ｂ方向に押圧される。第１バネ２１のバネ力がクッションバネ２２のバネ力より大きいため、可動鉄心２０は、クッションバネ２２を押し縮めて第１押圧部材１４に当接し、第１押圧部材１４を介して揺動弁７を第１弁座６ａ側（図中Ｂ方向）に押し下げる。第１バネ２１のバネ力は、図１に示す状態の第２バネ２５のバネ力より大きく設定されているため、揺動弁７は、第２バネ２５に抗してダイアラム１１を第１弁座６ａに当接させるように揺動して傾斜し、第２流路５ｂと第３流路５ｃが第２弁座６ｂを介して連通する。

この状態で図５に示す液体分析装置５０のシリンジポンプ５２を駆動すると、純水がシリンジポンプ５２から図１に示す小型電磁弁１の第２流路５ｂ、弁室１２、第２弁座６ｂ、第３流路５ｃを介して図５に示す反応セル５３に供給される。小型電磁弁１は、純水の供給により第２流路５ｂを加圧しても、第１弁座６ａが所定のシール力でシールするため、第１弁座６ａから流体漏れが発生せず、純水を所定流量に制御することができる。

ここで、図２に示すようにソレノイド機構１６に電圧を供給した後、図１に示すように電圧の供給を停止すると、可動鉄心２０は、第１押圧部材１４に衝突する際に第１押圧部材１４に衝撃荷重を与える。衝撃荷重は、Ｆ＝（２・ｆ・Ｌ・ｍ）^1/2／Δｔ（Ｆ：衝撃荷重、ｆ：バネ荷重、Ｌ：プランジャストローク、ｍ：プランジャ重量、Δｔ：衝突時間）によって求められる。

可動鉄心２０は、ソレノイド機構１６への通電を停止したときに、クッションバネ２２を押し縮めながら図中Ｂ方向に下降して第１押圧部材１４に衝突するため、ソレノイド機構１６への通電を停止してから第１押圧部材１４に衝突するまでの衝突時間がクッションバネ２２を配設しない場合より遅くなる。そのため、可動鉄心２０が第１押圧部材１４に衝突する際の衝撃荷重Ｆがクッションバネ２２によって緩和され、揺動弁７は、第１押圧部材１４の先端部１４ａから受ける繰り返し荷重が小さくなる。これにより、揺動弁７は、塑性変形の進行が遅れて凹みにくくなり、可動鉄心２０と固定鉄心１９との間のクリアランスが初期状態のクリアランスＳに維持される。よって、小型電磁弁１は、従来の小型電磁弁２００（図７参照）より長い期間、ソレノイド機構１６に規定電圧を供給したときに固定鉄心１９が可動鉄心２０を十分に吸引し、純水を所定流量に制御することが可能になる。

ここで、出願人らは、本実施の形態の小型電磁弁１にクッションバネ２２を配設した場合と、配設しない場合とで耐久性がどのように異なるか実験した。この実験では、クッションバネ２２を配設した小型電磁弁１と、クッションバネ２２を配設していない小型電磁弁とをそれぞれ１０００万回作動させた後、流体を所定流量に制御するためにソレノイド機構１６に供給する作動電圧を測定し、測定した作動電圧が初期電圧に対してどのように変化したかを調べた。その結果、クッションバネ２２を配設した小型電磁弁１は、クッションバネ２２を配設しない場合より作動電圧の変化量を２７％抑えられることが判明した。よって、本実施の形態の小型電磁弁１は、クッションバネ２２を配設することにより作動電圧の変化量を抑え、耐久性を向上させることが可能である。

ところで、小型電磁弁１は、非通電時に第１弁座６ａをシールするシール力が、通電時に第２弁座６ｂをシールするシール力より大きくなるように、第１バネ２１と第２バネ２５のバネ力が設定されている。また、クッションバネ２２は、通電時及び非通電時において第１バネ２１と第２バネ２５のバネ力を阻害しないように十分に小さいバネ力に設定されている。そのため、図１に示すように揺動弁７が第１弁座６ａを所定のシール力でシールしているときに、第１流路５ａ又は第２流路５ｂを加圧しても、第１弁座６ａから純水が漏れない。また、図２に示すように揺動弁７が第２弁座６ｂを所定のシール力でシールしているときに、第２流路５ｂ又は第３流路５ｃを加圧しても、第２弁座６ｂから純水が漏れない。

従って、本実施の形態の小型電磁弁１によれば、第１流路５ａと第２流路５ｂと第３流路５ｃが弁室１２を介して相互に連通する「ハウジング」に、第１流路５ａに連通する第１弁座６ａと第３流路５ｃに連通する第２弁座６ｂとを設け、弁室１２内に揺動可能に軸支される揺動弁７に第１バネ２１のバネ力と第１バネ２１よりバネ力が小さく設定された第２バネ２５のバネ力とが作用しており、第１バネ２１のバネ力をソレノイド機構１６によって変動させることにより、揺動弁７を第１弁座６ａと第２弁座６ｂに相対的に当接又は離間させるように揺動させ、第１流路５ａと第２流路５ｂと第３流路５ｃの連通状態を切り換えるものであって、第１バネ２１が、ソレノイド機構１６に摺動可能に保持される可動鉄心２０を固定鉄心１９から離間する方向に常時付勢し、可動鉄心２０と揺動弁７との間に軸方向に移動可能に保持され、揺動弁７に点接触する第１押圧部材１４と、第１バネ２１よりバネ力が小さく設定され、可動鉄心２０と第１押圧部材１４との間に配設されるクッションバネ２２と、を有するので、通電時から非通電時に切り換える際に揺動弁７に作用する繰り返し荷重を緩和して、耐久性を向上させることができる。

特に、小型電磁弁１は、可動鉄心２０と第１押圧部材１４が第１弁座６ａと同軸上に設けられ、第２弁座６ｂと同軸上に移動可能に保持される第２押圧部材２４が、第２バネ２５により第２弁座６ｂ方向に付勢されて、揺動弁７に点接触するので、第１バネ２１と第２バネ２５のバネ力が揺動弁７から第１弁座６ａ又は第２弁座６ｂに無駄なく作用し、簡単な構造でシール性能を向上させることができる。

また、本発明の小型電磁弁１は、電磁コイル１８を消磁したときに揺動弁７が第１弁座６ａをシールするシール力が、電磁コイル１８を励磁したときに揺動弁７が第２弁座６ｂをシールするシール力より大きく設定されているので、第１弁座６ａと第２弁座６ｂについて適切なシール力をそれぞれ確保して流体漏れを防止することができる。
特に、通電時に第２弁座６ｂをシールするシール力を非通電時に第１弁座６ａをシールするシール力の０．８倍以下にするので、ソレノイド機構１６を過大にすることなく流体漏れを防止することができる。

尚、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。

（１）例えば、従来の小型電磁弁１００の可動鉄心１１４下端部と変位部材１１６の上端面との間にクッション手段（例えば、スプリングコイルや板バネなど）を配設してもよい。この場合、小型電磁弁１００は、変位部材１１６と第１押圧部材１１７ａにより「第１押圧手段」が構成され、可動鉄心１１４の下端部が第１押圧部材１１７ａに衝突する際の衝撃荷重を緩和する。これにより、ダイアフラム組立１０４が塑性変形して固定鉄心１１２と可動鉄心１１４とのクリアランスが初期状態より大きくなることを防止することが可能である。

（２）例えば、上記実施の形態では、クッション手段としてクッションバネ２２を用いた。これに対して、板バネなど可動鉄心及び第１押圧手段より剛性の高い弾性体を可動鉄心と第１押圧手段との間に配設してもよい。かかる弾性体は、可動鉄心が繰り返し衝突しても破損や摩耗しにくく、作動不良を誘発する可能性が低い点で有利である。

（３）例えば、特開平１０−３１１４４４号公報に記載する多方弁、特開２０００−２９７８７６号公報に記載するバルブ（図６参照）、特開２０００−７４２４９号公報に記載する電磁弁などのように電磁コイルを用いて流路の連通状態を切り換えるものについても、非通電時のシール力を通電時のシール力より大きく設定するようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係り、小型電磁弁の断面図であって、非通電状態を示す。 同じく、小型電磁弁の断面図であって、通電状態を示す。 同じく、非通電時における第１バネ、クッションバネ、第２バネの荷重関係を概念的に示す図である。 同じく、通電時における第１バネ、クッションバネ、第２バネの荷重関係を概念的に示す図である。 液体分析装置の概略構成図である。 従来の小型電磁弁の断面図である。 出願人らが提案した小型電磁弁の断面図である。

符号の説明

１ 小型電磁弁
５ａ 第１流路
５ｂ 第２流路
５ｃ 第３流路
６ａ 第１弁座
６ｂ 第２弁座
７ 揺動弁
１２ 弁室
１４ 第１押圧部材
１６ ソレノイド機構
１８ 電磁コイル
１９ 固定鉄心
２０ 可動鉄心
２１ 第１バネ
２２ クッションバネ
２４ 第２押圧部材
２５ 第２バネ

Claims (7)

1. 第１流路と第２流路と第３流路が弁室を介して相互に連通するハウジングに、前記第１流路に連通する第１弁座と前記第３流路に連通する第２弁座とを設け、前記弁室内に揺動可能に軸支される揺動弁に第１バネのバネ力と前記第１バネよりバネ力が小さく設定された第２バネのバネ力とが作用しており、前記第１バネのバネ力をソレノイド機構によって変動させることにより、前記揺動弁を前記第１弁座と前記第２弁座に相対的に当接又は離間させるように揺動させ、第１流路と第２流路と第３流路の連通状態を切り換える小型電磁弁において、
   前記第１バネが、前記ソレノイド機構に摺動可能に保持される可動鉄心を固定鉄心から離間する方向に常時付勢し、
   前記可動鉄心と前記揺動弁との間に軸方向に移動可能に保持され、前記揺動弁に点接触する第１押圧手段と、
   前記第１バネよりバネ力が小さく設定され、前記可動鉄心と前記第１押圧手段との間に配設されるクッション手段と、を有することを特徴とすることを特徴とする小型電磁弁。
2. 請求項１に記載する小型電磁弁において、
   前記可動鉄心と前記第１押圧手段が前記第１弁座と同軸上に設けられ、
   前記第２弁座と同軸上に移動可能に保持される第２押圧部材が、前記第２バネにより前記第２弁座方向に付勢されて、前記揺動弁に点接触していることを特徴とする小型電磁弁。
3. 第１流路と第２流路と第３流路が弁室を介して相互に連通するハウジングに、前記第１流路に連通する第１弁座と前記第３流路に連通する第２弁座とを設け、前記弁室に収納される弁部材が、電磁コイルを励磁又は消磁することにより前記第１弁座と前記第２弁座に相対的に当接又は離間する小型電磁弁において、
   前記電磁コイルを消磁したときに前記弁部材が前記第１弁座をシールするシール力が、前記電磁コイルを励磁したときに前記弁部材が前記第２弁座をシールするシール力より大きく設定されていること、を特徴とする小型電磁弁。
4. 請求項３に記載する小型電磁弁において、
   前記弁部材が、前記弁室に揺動可能に軸支される揺動弁であり、
   前記揺動弁に第１バネのバネ力と、前記第１バネよりバネ力が小さく設定された第２バネのバネ力とが作用しており、
   前記電磁コイルを備えるソレノイド機構が前記第１バネのバネ力を変動させることにより、前記揺動弁が揺動して前記第１弁座又は前記第２弁座に相対的に当接又は離間するものであって、
   前記電磁コイルを消磁しているときに、前記揺動弁が前記第１弁座に当接し、前記第１バネのバネ力から前記第２バネのバネ力を減算して求められるシール力が前記第１弁座に作用し、
   前記電磁コイルを励磁しているときに、前記揺動弁が前記第２弁座に当接し、前記第２バネのバネ力から前記第１バネのバネ力を減算して求められるシール力が第２弁座に作用することを特徴とする小型電磁弁。
5. 請求項３又は請求項４に記載する小型電磁弁において、
   通電時のシール力は、非通電時のシール力の０．８倍以下であることを特徴とする小型電磁弁。
6. 請求項４又は請求項５に記載する小型電磁弁において、
   前記ソレノイド機構に備えられた可動鉄心が、前記第１弁座と同軸上に摺動可能に保持され、前記第１バネにより前記第１弁座側に常時付勢され、
   前記可動鉄心と前記揺動弁との間に摺動可能に保持される第１押圧手段と、
   前記第２弁座と同軸上に摺動可能に保持され、前記第２バネにより前記第２弁座方向に常時付勢されて前記揺動弁に接触する第２押圧手段と、を有することを特徴とする小型電磁弁。
7. 請求項６に記載する小型電磁弁において、
   前記第１バネよりバネ力が小さく設定され、前記可動鉄心と前記第１押圧手段との間に配設されるクッション手段を有することを特徴とする小型電磁弁。

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