JP2006090441A - リニアソレノイドバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】部品の組み付けなどによるばらつきの影響の少ないリニアソレノイドバルブの構成を提供すること。
【解決手段】流体経路が形成される略円筒状のスリーブと、スリーブ内を摺動して流体経路を変化するスプール弁と、スプール弁と略同軸に配置されかつ当接するとともにコイルの内周側に配置されるプランジャとを有するリニアソレノイドバルブにおいて、一端がスプール弁に当接する第１のバネと、一端がスリーブに当接する第２のバネとを有するとともに、第２のバネおよび第１のバネの他端に当接するバネシートを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バルブハウジングのポートを流動する流体の流量や圧力を制御する電磁アクチュエータにより制御されるリニアソレノイドバルブの構造に関する。

流体の流量や圧力を制御するリニアソレノイドバルブは、例えば、複数のポートを有する円筒状のスリーブと、そのスリーブ内で軸方向に摺動可動する円柱状のスプールとからなり、一般には内蔵されるバネと電磁力によるソレノイドの吸引力の釣り合いで、スリーブ内におけるスプール位置を決定することにより、スリーブのポートに対するスプールの位置が変化して、各ポート間の連通状態が切り替わり、流体の流量や圧力が制御される構造となっている。（例えば、特開２００３−８３４６４号公報の図１参照）
特開２００３−８３４６４号公報

上記した特許文献１では、リニアソレノイドバルブのスリーブ内のスプール位置は、ソレノイドの電磁力による吸引力とバネ力の釣り合いで決定される。一般に使用されるリニアソレノイドバルブは、その線形特性を利用しているが、用途によっては、その特性の所定の領域で、より流量や圧力の制御精度が要求される。しかし、リニアソレノイドバルブを構成する部品を組み付けたときの寸法精度によって生じる吸引力のばらつきや、バネ荷重のばらつきによって、スプール位置の制御ずれが生じて充分な制御精度が得られず、所期のリニア特性が得られないことがあった。

このような不具合を解決するには、ソレノイドバルブ本体、あるいは、制御対象にセンサを設け、フィードバック制御を行なうことで、スプールの制御位置を補正する方法が考えられる。ところが、この方法によるとセンサ追加によるコストアップを招来してしまう。また、制御によって、上記のようにスプール位置を補正することが困難な場合においては、予め、確実に制御可能となるように、すべてのばらつきを考慮したスプールの制御位置を寸法に盛り込んで設計を行なう必要がある。このような設計手法を採用すると、スプールが移動するバルブボディー部が大型化するという問題があった。

そこで、本発明は前記した不具合が惹起されないように、リニアソレノイドバルブの位置制御特性が、部品の組み付けや構成部品によるばらつきにより影響を受けない新規な構成を有するリニアソレノイドバルブを提供することを技術的課題とした。

前記技術的課題を解決するために講じた第１の技術的手段は、
電磁アクチュエータに固定される略円筒形のスリーブと、
電磁アクチュエータのプランジャに駆動されるスリーブ内に摺動自在に挿嵌されるスプールと、スリーブ内に摺動自在に挿嵌されるバネシートと、バネシートとスプールとの間に張設され、電磁アクチュエータのプランジャを電磁アクチュエータの非励磁状態に押圧付勢する第１のバネ、および、バネシートとスリーブとの間に張設され、電磁アクチュエータが励磁されプランジャの動作に連動してスプールとバネシートが係合するまでスプールを押圧付勢する第２のバネを有するリニアソレノイドバルブとしたことである。

技術的課題を解決するために講じた第２の技術的手段は、
電磁アクチュエータを構成するフロントヨークおよびリアヨークと、リアヨーク内に摺動自在に挿嵌されるプランジャと、プランジャに対して摺動自在に配設されたバネシートと、バネシートとプランジャとの間に張設され、プランジャを電磁アクチュエータの非励磁状態に押圧付勢する第１のバネ、および、バネシートとフロントヨークとの間に張設され、電磁アクチュエータが励磁されプランジャとバネシートが係合するまでリアヨークを押圧付勢する第２のバネを有するリニアソレノイドバルブとしたことである。

本発明によれば、スプールに一端が当接する第１のバネと、スリーブに一端が当接する第２のバネの間に、両バネの変位量を規制するバネシートが介在するので、バネの移動とバネにかかる荷重との関係において、非線形の特性を作り出すことが可能となる。つまり、バネが動く範囲をストロークとすれば、両バネの変位量を規制するバネシートが、第１のバネと第２のバネの間に配置されて、それぞれのバネのストローク範囲をバネシートで分けることが可能となる。即ち、両バネを単に直列に配置するのとは異なり、両バネが受ける荷重変化に対して、線形性を有しない領域を作ることができる。そのため、たとえば、スプール位置の制御精度を必要とする領域に対して、両バネが受ける荷重変化に対して、線形性を有しない特性を利用すれば、構成されるバネ荷重とソレノイドの吸引力の釣り合いが設計どおりとならない場合においても、両バネが受ける荷重が変化しても、スプール位置が変化しない制御を行なうことが可能となる。しかして、本発明のリニアソレノイドバルブにおいては、スプールの位置を精度良く制御できるため、所定の特性領域で精度良く流体の流量や圧力を制御することが可能となる。

以下、本発明を適用した一実施例であるリニアソレノイドバルブ１に基づき発明の説明をする。リニアソレノイドバルブ１は、流動する流体の流れを制御するバルブボディ部２と、内部に収納されるプランジャ１５を電磁力で可動させるソレノイド部３から構成されている。

図１に示されたスリーブ１０の左端部には、第１のバネであるバネ６、第２のバネであるバネ７、および、両バネの間に配設されるバネシート５が配設されている。バネ鋼のスナップリング９に支持されたスプリングシート８にバネ７の一端が支持されると共に、スリーブ１０とスプール１１の間にバネシート５を介して張設されている。第１のバネが縮み終わる荷重よりも第２のバネが縮み始める荷重が大きくなるよう第１及び第２のバネが選択されている。円筒状のスリーブ１０の内径には、円筒状を有する非磁性材料のスプール１１がスリーブ１０と同軸となるように摺動自在に挿嵌されている。そして、スプール１１の図１示右端には、ボール１２がスプール１１に圧入固定されている。スプールの構成によっては、ボール１２は不要である。また、スプール１１は円筒や円柱の形状に加工することが可能である。

電磁アクチュエータを構成するソレノイド部３のコイル１９は、ボビン２０に巻回されるケース１６に収容されている。フロントヨーク１７およびリアヨーク１８の内周側に配置されるプランジャ１５には、シャフト１４およびシャフト２４が略同軸に圧入固定されている。プランジャ１５に圧入固定されたシャフト１４は、ブッシュ２１で軸方向に移動可能となるように軸支されており、また、別にプランジャ１５自身も、ブッシュ２２で支持されており、軸方向のみに可動となっている。これらブッシュ２１、２２は、シャフト１４およびプランジャ１５に対する摺動性を向上させるために、母材となる金属材料の表面にテトラフロロエチレン等でコーティングが施されている。なお、フロントヨーク１７とリアヨーク１８との間には非磁性材料からなるプラグ２３が配設され、両ヨーク１７、１８間に磁気回路を形成するように機能する。スリーブ１０の外周上の電磁アクチュエータ３に近接する部分にはシール部材１３が配設され、スリーブ１０が組み付けられる図示しないハウジングとの間の液密性を確保している。

プランジャ１５、ケース１６、フロントヨーク１７およびリアヨーク１８は、磁性材料で構成されており、フロントヨーク１７、ケース１６、リアヨーク１８、およびプランジャ１５で磁気回路を構成している。また、シャフト１４は非磁性材料で構成されている。図１に示すプランジャ１５の右端には流体をシールするために、略皿状のキャップ２８がリアヨーク１８に嵌着圧入されている。

コイル１９への通電のために、接点スプリング２５がコイル１９の端部に接続されている。この接点スプリング２５は、リニアソレノイドバルブ１の外部から給電を受けるためのターミナル２７と圧接されるような構造となっている。そして、このような構造とすることで、ケース１６、コネクタハウジング２６、フロントヨーク１７あるいはリアヨーク１８などの部品組み付け時の累積公差を接点スプリング２５で吸収し、電気的な接続を確実とすることが可能となるように工夫されている。コネクタハウジング２６とケース１６との間には、シール部材２６が配設されており、電磁アクチュエータ３の外部とを液密的に隔絶するように機能する。

図２は、図１のバルブボディ部２の左端部を模式的に表したものである。図２の構成に示すように、第１のバネ６、第２のバネ７の２段バネ機構となっている。スプール１１の位置精度が要求される制御位置ｂ点、すなわち第２のバネ７がバネシート５をスリーブ１０に押し付けた状態で、バネ６が最も伸びた状態に合わせて、構成部品の寸法が決定されている。２つのバネ６、７の間には、バネシート５が挟まれている。スリーブ１０の内周面に形成された段差４によって、バネシート５は可動できるストローク範囲が予め規制されており、ｂ−ｃ間しか可動できない。

次に、本発明のリニアソレノイドバルブ１で、コイル１９の吸引力変化に伴うスプール１１、バネシート５の動作について、図２の（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）を参照して説明する。

リニアソレノイドバルブ１のコイル１９に通電して、吸引力を徐々に上げていくと、プランジャ１５が図１にて左方にスライドし、プランジャ１５に固定したシャフト１４がスプール１１に固定したボール１２に当接し、その結果スプール１１が図２の左方向に動き出し、セット荷重が小さい方の第１のバネ６が初めに縮み始める。（図２（ａ）の状態）ここで言うセット荷重とは、組み付けされた第１、第２のバネ６、７が縮み始めるのに必要な荷重である。このとき、リニアソレノイドバルブ１のコイル１９による吸引力は、バネ７のセット荷重よりも小さいので、バネシート５はバネ７によって、スリーブ１０の段差４の端に押し付けられてｂ点で停止している。そして、スプール１１はバネ６を押し縮めてａ点からｂ点まで左方向に動く。さらに、コイル１９による吸引力を上げていくと、スプール１１の端部がｂ点でバネシート５と当接する。そして、スプール１１がバネシート５を押し付ける荷重が、セット荷重に達するまでは、スプール１１はｂ点で停止したままとなる。（図２（ｂ）の状態）このとき、バネ６にはバネ６のセット荷重より大きな力がかかっているので、自然長よりも縮んだ状態となっている。

スプール１１がバネシート５を押し付ける荷重すなわちコイル１９による吸引力が、バネ７のセット荷重を超えると、スプール１１は、今までスリーブ１０の段差４の端部で留まっていたバネシート５と一体で動き出す。このとき、セット荷重の小さいバネ６は、スプール１１に押し付けられて縮んだままで作用せず、第２のバネ７のみが機能する。即ち、バネ６はスプール１１およびバネシート５に挟まれた状態で縮んだままで左方向に移動する。セット荷重の大きい方のバネ７は、バネシート５がスリーブ１０に当接するｂ点からやがて縮み始め、バネシート５がスリーブ１０の図２の左端９に当接するｃ点（図２（ｃ）の状態）まで縮む。

図３はスプール１１が荷重を受けるときの荷重の大きさと、スプール１１のストローク量との関係を示す特性図である。スプール１１がａ点からｃ点まで動くとき、バネ６は図３のａ−ｂ間で、また、バネ７はｂ’−ｃ間でのみ作用する。両バネ６、７が受ける荷重が変化しても、ｂ−ｂ’間の荷重範囲では、スプール１１はバネシート５を押したままで接しており動かない。即ち、ａ〜ｂ点間では第１のバネ６が機能し、ｂ’〜ｃ点間では第２のバネ７が機能する。ｂ〜ｂ’間は電磁アクチュエータに通電された状態であってもバネシート５が静止する状態である。この荷重範囲においては、コイル１９の吸引力やバネ７のバネ荷重にばらつきが生じても、スプール１１はｂｂ’点で動かないため精度良く位置決めすることが可能となる。

上記した実施の形態においては、バネ６のセット荷重がバネ７のセット荷重よりも小さい例で説明したが、リニアソレノイドバルブ１の仕様に応じては、バネ７のセット荷重の方がバネ６のセット荷重よりも小さくても構わないし、また、両バネ６，７が同じセット荷重であってもよい。また、バネ６、７が縮み始めてから縮み終わるまでに荷重が変化する値は、両バネ６、７で同じでもよいし、異なっていてもよいが、同じ荷重において両バネ６、７が作用しないように構成されなければならない。

図４の（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）においては、別の実施の形態を示し、ソレノイド部３のプランジャ１５の動きを規制するバネ３１、３２、およびバネシート３３の構成を示す。図４においては、図２のスプール１１の動きをプランジャ１５の動きに置き換えれば、図３に示す両バネ３１、３２は、それぞれバネ６およびバネ７のストロークと対応しており、荷重との関係は図２と同様である。

本実施の形態による２段バネ構成のリニアソレノイドバルブにおいては、コイルによる吸引力と第１のバネ、および、第２のバネのバネ荷重のばらつきに対するストローク方向の余裕を考慮する必要がないので、スプールの移動ストロークを短縮できる。つまり、荷重のばらつきに対して、スプールの移動ストローク方向に余裕を有しなくてもよいので、リニアソレノイドバルブを小型化することが可能となる。

本発明の実施の形態における、リニアソレノイドバルブの断面図である。 本発明の実施の形態において、（ａ）はリニアソレノイドバルブの初期状態、（ｂ）はスプールがバネシートに当接した状態、（ｃ）はバネシートが左端に移動した状態を各々示す説明図である。 本発明の実施の形態における、スプールあるいはプランジャが受ける荷重とストローク位置の関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態において、（ａ）はリニアソレノイドバルブの初期状態、（ｂ）はプランジャがバネシートに当接した状態、（ｃ）はバネシートがフロントヨークに当接した状態を各々示す説明図である。

符号の説明

１：リニアソレノイドバルブ
５：バネシート
６：バネ（第１のバネ）
７：バネ（第２のバネ）
１０：スリーブ
１１：スプール
１５：プランジャ
１８：リアヨーク

Claims (7)

1. 略円筒状の固定部材と、固定部材と略同軸に配置されその軸方向に可動自在な可動部材と、一端が可動部材に当接する第１のバネと、一端が固定部材に当接する第２のバネとを有し、第１のバネと第２のバネの各々の他端はバネシートに当接するリニアソレノイドバルブ。
2. 電磁アクチュエータに固定される略円筒形のスリーブと、
   電磁アクチュエータのプランジャに駆動されるスリーブ内に摺動自在に挿嵌されるスプールと、
   スリーブ内に摺動自在に挿嵌されるバネシートと、
   バネシートとスプールとの間に張設され、電磁アクチュエータのプランジャを電磁アクチュエータの非励磁状態に押圧付勢する第１のバネ、および、
   バネシートとスリーブとの間に張設され、電磁アクチュエータが励磁されプランジャの動作に連動してスプールとバネシートが係合するまでスプールを押圧付勢する第２のバネを有するリニアソレノイドバルブ。
3. 第２のバネは予め自由長よりも圧縮された状態でスリーブとバネシートの間に配置される請求項２記載のリニアソレノイドバルブ。
4. 電磁アクチュエータを構成するフロントヨークおよびリアヨークと、
   リアヨーク内に摺動自在に挿嵌されるプランジャと、
   プランジャに対して摺動自在に配設されたバネシートと、
   バネシートとプランジャとの間に張設され、プランジャを電磁アクチュエータの非励磁状態に押圧付勢する第１のバネ、および、
   バネシートとフロントヨークとの間に張設され、電磁アクチュエータが励磁されプランジャとバネシートが係合するまでリアヨークを押圧付勢する第２のバネを有するリニアソレノイドバルブ。
5. 前記第２のバネは予め自由長よりも圧縮された状態でバネシートとフロントヨークとの間に配置される請求項４記載のリニアソレノイドバルブ。
6. 第１のバネが縮み始めてから縮み終わるまでに受ける荷重の変化範囲と、第２のバネが縮み始めてから縮み終わるまでに受ける荷重の変化範囲が重ならない請求項２又は請求項４記載のリニアソレノイドバルブ。
7. 第１のバネが縮み終わる荷重よりも第２のバネが縮み始める荷重が大きい請求項２又は請求項４記載のリニアソレノイドバルブ。

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