JP2006222199A - 比例ソレノイド及びそれを用いた流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 比例ソレノイドを大型化せずに推力を高めることができる比例ソレノイド及びそれを用いた流量制御弁を提供する。
【解決手段】 電磁コイル９と、その電磁コイル９内に移動不可に設けられ、端面の縁部に凸部１３が形成された固定ヨーク１０と、電磁コイル９内に配置され、先端部が固定ヨーク１０の凸部１３内に挿入されると共に、固定ヨーク１０に対して相対移動可能に設けられた可動ヨーク２０とを備え、電磁コイル９に印加する電流を制御することで可動ヨーク２０の位置を調節できるようにした比例ソレノイド５であって、可動ヨーク２０における固定ヨーク１０側の面の縁部に、固定ヨーク１０側に突出した突出部２１を形成すると共に、その突出部２１の内面２１ｂを、上記固定ヨーク１０側に向かうほど外方に位置するようにテーパ状に形成したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、比例ソレノイド及びそれを用いた流量制御弁に関するものであり、特に、比例ソレノイドの推力向上を図ったことを特徴とするものである。

比例ソレノイドとは、電磁コイルに印加する電流を制御することで可動ヨーク（プランジャ）の位置を自由に調節できるものであり、流量制御弁、圧力制御弁、方向切替弁等の弁駆動手段等として使用されている（特許文献１，２参照）。

図６を用いて、比例ソレノイドを用いた流量制御弁の構造を説明する。

この流量制御弁１００は、スプール弁２のスプール３を比例ソレノイド５０（弁駆動手段）により移動させてポート６の開口面積を調節し、ポート６を流れる流体の流量を制御するものである。

比例ソレノイド５０は、環状のボビン７と、そのボビン７の外周に巻回された電磁コイル９とを備え、それら電磁コイル９及びボビン７の内側に固定ヨーク１０、固定ガイド１１及び可動ヨーク１２が配置される。

固定ヨーク１０は磁性体からなり、ボビン７の内径よりも若干小さい外径を有する円柱状の挿入部１０ａと、その挿入部１０ａの一端（図の右側端部）に形成され、電磁コイル９の外径とほぼ等しい外径を有する円板状のフランジ部１０ｂとを備える。固定ヨーク１０は、その挿入部１０ａが電磁コイル９及びボビン７の内側に挿入され、フランジ部１０ｂがボビン７の一側に当接させて配置される。固定ヨーク１０は、電磁コイル９及びボビン７に対して相対移動不可に固定される。

固定ヨーク１０の挿入部１０ａの先端面（図中左側端面）の縁部には、軸方向に突出した環状の凸部１３が形成されており、この凸部１３の外周面は、先端側（可動ヨーク１２側）に向かうほど径方向内側に位置するように所定角度で傾斜したテーパ状に形成されている。

可動ヨーク１２（プランジャ）は磁性体からなり、固定ヨーク１０の凸部１３の内径よりも若干小さい外径を有する円柱状に形成される。可動ヨーク１２は、電磁コイル９及びボビン７の内側で固定ヨーク１０と対向させて配置され、その先端部（図中右側端部）が固定ヨーク１０の凸部１３内に挿入される。可動ヨーク１２は、電磁コイル９、ボビン７及び固定ヨーク１０に対して相対移動可能に設けられており、固定ヨーク１０の凸部１３の内面に沿って軸方向（図の左右方向）に移動できるようになっている。

固定ガイド１１もまた磁性体からなり、ボビン７の内径よりも若干小さい外径を有すると共に、可動ヨーク１２の外径よりも若干大きい内径を有する円筒状の挿入部１１ａと、その挿入部１１ａの一端（図の左側端部）に形成され、電磁コイル９の外径とほぼ等しい外径を有する円板状のフランジ部１１ｂとを備える。固定ガイド１１は、固定ヨーク１０と反対側において、その挿入部１１ａがボビン７と可動ヨーク１２との間に挿入される。また、固定ガイド１１のフランジ部１１ｂは、ボビン７の一側に当接させて配置される。固定ガイド１１は、電磁コイル９、ボビン７及び固定ヨーク１０に対して相対移動不可に固定される。

電磁コイル９、ボビン７、固定ヨーク１０及び固定ガイド１１は、非磁性体からなる円筒状のケース１５により一体的に連結される。

なお、図例では示されていないが、固定ヨーク１０の凸部１３と固定ガイド１１の挿入部１１ａとの間に、非磁性体からなる部材を介在させても良い。

一方、スプール弁２は、流体を通過させるためのポート６が開口形成されたスリーブ１６と、そのスリーブ１６内で軸方向にスライド自在に配置されたスプール３と、スプール３を比例ソレノイド５０側に付勢する付勢手段１７（図例ではコイルスプリング）とを備える。

スプール３の長手方向中央部には、ポート６を閉じるためのランド３ａが形成されており、スプール３をスリーブ１６に対して相対移動させることで、ポート６の開口面積を調節できるようになっている。

スプール３の一端（図の左側端部）には、比例ソレノイド５０の固定ヨーク１０に形成された貫通穴１９を通って延出するロッド部３ｂが設けられており、このロッド部３ｂは可動ヨーク１２の先端面に連結される。

この流量制御弁１００において、比例ソレノイド５０の電磁コイル９に電流を印加すると、固定ヨーク１０、固定ガイド１１及び可動ヨーク１２を流れる磁気回路が形成され、固定ヨーク１０と可動ヨーク１２との間に印加電流に比例した磁力・吸引力が発生する。この吸引力が、可動ヨーク１２を固定ヨーク１０側へと付勢する推力Ｆｔとして作用する。この推力Ｆｔにより可動ヨーク１２及びそれに連結されたスプール３が図の右方に移動するとコイルスプリング１７が圧縮され、可動ヨーク１２を推力Ｆｔと逆方向に付勢する反力Ｆｒが発生する。

結果として、可動ヨーク１２及びスプール３は、比例ソレノイド５０による推力Ｆｔとコイルスプリング１７による反力Ｆｒとが釣り合った位置で停止することになる。

比例ソレノイド５０による推力Ｆｔは、電磁コイル９に印加する電流の大きさに比例するので、電磁コイル９に対する印加電流を制御することで可動ヨーク１２及びスプール３の位置を調節することができる。従って、電磁コイル９に対する印加電流を制御すれば、スプール３のランド３ａの位置を調節して、ポート６の開口面積を任意に調節することができる訳である。

このような比例ソレノイド５０及びそれを用いた流量制御弁１００では、可動ヨーク１２及びスプール３のストローク（往復範囲）を、可動ヨーク１２及びスプール３の位置に関わらず推力Ｆｔが一定となる範囲に設定するのが一般的である。

これを図７を用いて説明する。

図７は、比例ソレノイド５０の電磁コイル９に所定の電圧を印加したときの、可動ヨーク１２のストローク（固定ヨーク１０に対して最も近づいた位置をゼロとしたときの可動ヨーク１２の位置であり、固定ヨーク１０と可動ヨーク１２との間隔と言い換えることもできる）と、可動ヨーク１２に作用する推力Ｆｔとの関係を表すグラフである。

図から分かるように、電磁コイル９に対する印加電流が一定である場合、可動ヨーク１２のストローク（可動ヨーク１２と固定ヨーク１０との間隔）が小さくなると、ある点を境として、可動ヨーク１２に作用する推力Ｆｔが急激に大きくなる。また、可動ヨーク１２のストロークが大きくなると、ある点を境として、可動ヨーク１２に作用する推力Ｆｔが急激に低下する。

一方、図中矢印で示す中間ストローク領域では、可動ヨーク１２に作用する推力Ｆｔは、可動ヨーク１２の位置（ストローク）に関わらずほぼ一定となる。この領域をコントロール範囲と呼び、通常、可動ヨーク１２のストローク（往復範囲）はこの範囲に設定される。

次に、参考として、図６に示した流量制御弁１００における、比例ソレノイド５０による推力Ｆｔとコイルスプリング１７による反力Ｆｒとの関係を、図８に基づいて説明する。

図のラインＦｔ１〜Ｆｔ７は比例ソレノイド５０による推力を示しており、電磁コイル９に対する印加電流が大きくなる程（ラインの番号が大きくなる程）、推力が大きくなることが分かる。

図のラインＦｒは、コイルスプリング１７による反力を示しており、可動ヨーク１２のストロークが小さくなる（可動ヨーク１２が固定ヨーク１０に近づく）程、反力が大きくなることが分かる。

この図において、各推力ラインＦｔ１〜Ｆｔ７と反力ラインＦｒとが交差するポイント（図の丸印）が両者のバランス点であり、可動ヨーク１２はこの位置で停止することになる。

特開２００４−２１８８１６号公報 特開平９−６９４３２号公報

ところで、このような比例ソレノイド５０及びそれを用いた流量制御弁１００では、可動ヨーク１２と固定ヨーク１０及び固定ガイド１１との間の摩擦力や、スプール３とスリーブ１６との間の摩擦力などにより、可動ヨーク１２及びスプール３の作動にヒステリシスが発生する。つまり、比例ソレノイド５０の電磁コイル９に印加する電流を制御して可動ヨーク１２及びスプール３を往復移動させたときに、ある電流値において推力の往復差が発生してしまうのである。このヒステリシスがあまりに大きくなるとスプール弁２の作動不良につながるため、ヒステリシスをなくす、又は小さくする必要があるが、そのためには、比例ソレノイド５０の推力Ｆｔを高める必要がある。

また、スプール弁２の応答性を高めるために、比例ソレノイド５０の推力Ｆｔを高めることが要求される場合もある。

比例ソレノイド５０の推力Ｆｔを高めるためには、比例ソレノイド５０を大型化して電磁コイル９に対する印加電流を大きくすることが考えられるが、その場合、装置の大型化・高コスト化を招いてしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、比例ソレノイドを大型化せずに推力を高めることができる比例ソレノイド及びそれを用いた流量制御弁を提供することにある。

上記目的を達成するために考案された請求項１の発明は、電磁コイルと、その電磁コイル内に移動不可に設けられ、端面の縁部に凸部が形成された固定ヨークと、上記電磁コイル内に配置され、先端部が上記固定ヨークの上記凸部内に挿入されると共に、上記固定ヨークに対して相対移動可能に設けられた可動ヨークとを備え、上記電磁コイルに印加する電流を制御することで上記可動ヨークの位置を調節できるようにした比例ソレノイドであって、上記可動ヨークにおける上記固定ヨーク側の面の縁部に、上記固定ヨーク側に突出した突出部を形成すると共に、その突出部の内面を、上記固定ヨーク側に向かうほど外方に位置するようにテーパ状に形成したものである。

請求項２の発明は、上記突出部の外面を、上記可動ヨークの軸線とほぼ平行に延出させて形成したものである。

請求項３の発明は、上記可動ヨークの軸線と上記突出部の内面とのなす角度を、３５〜６０度の範囲内としたものである。

請求項４の発明は、上記突出部の先端に、上記可動ヨークの軸線とほぼ直交する方向に延出する端面を形成したものである。

請求項５の発明は、上記可動ヨークが所定外径を有する円柱体であり、上記端面の径方向長さを、上記可動ヨークの外径の５％以下に形成したものである。

請求項６の発明は、流体を通過させるためのポートが開口形成されたスリーブと、そのスリーブ内にスライド自在に配置され、上記ポートを開閉するためのスプールと、そのスプールを一方向に移動させるための弁駆動手段と、スプールを上記弁駆動手段とは逆方向に付勢する付勢手段とを備えた流量制御弁であって、上記弁駆動手段が、上記請求項１〜５いずれかに記載された比例ソレノイドであり、その比例ソレノイドの上記可動ヨークに上記スプールが連結され、上記比例ソレノイドの上記電磁コイルに印加する電流を制御することで、上記可動ヨークに連結された上記スプールの位置を調節できるようにしたものである。

請求項７の発明は、上記可動ヨーク及びスプールは所定ストロークで往復移動するものであり、上記可動ヨークの上記突出部の長さを、上記ストロークの約１／２の長さとしたものである。

本発明によれば、比例ソレノイドを大型化せずに推力を高めることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態は比例ソレノイドを弁駆動手段として用いた流量制御弁に適用したものであり、図１にその断面図を示す。なお、図２は本実施形態の流量制御弁の特徴部分の拡大図である。

この流量制御弁１の基本的な構造は、図６に示したものと同様であるので、図６と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。

図１及び図２から分かるように、本実施形態の流量制御弁１の特徴は、比例ソレノイド５の可動ヨーク２０にある。

具体的に説明すると、本実施形態の比例ソレノイド５の可動ヨーク２０は、その先端面、つまり固定ヨーク１０と対向する面の縁部に、固定ヨーク１０側に突出した突出部２１を有している。

突出部２１は、可動ヨーク２０の全周に亘って環状に形成されており、図２に示すように、その外周面２１ａは可動ヨーク２０の軸線ＡＬとほぼ平行に延出する。

一方、突出部２１の内周面２１ｂは、先端側、つまり固定ヨーク１０側に向かうほど径方向外側に位置するように、可動ヨーク２０の軸線ＡＬに対して所定角度θで傾斜したテーパ状に形成される。

また、突出部２１の先端には、可動ヨーク２０の軸線ＡＬとほぼ直交する方向に延出する端面２１ｃが形成される。

このように、本実施形態の流量制御弁１は、比例ソレノイド５の可動ヨーク２０の先端に、内面がテーパ状に形成された環状の突出部２１を形成したことを特徴としており、この特徴により、電磁コイル９に電流を印加したときに可動ヨーク２０に作用する推力を、図６に示した従来の流量制御弁１００（比例ソレノイド５０）と比べて高めることができる。以下、この点について説明する。

まず、図３を用いて、従来の流量制御弁１００（図６）の比例ソレノイド５０の電磁コイル９に電流を印加したときに、可動ヨーク１２と固定ヨーク１０との間を流れる磁束について説明する。

図３は、可動ヨーク１２のストロークが極小さいとき、つまり可動ヨーク１２と固定ヨーク１０との間隔が極小さいときの状態を示しており、図の点線が可動ヨーク１２と固定ヨーク１０との間を流れる磁束を概略的に示している。

図から分かるように、可動ヨーク１２の先端面が可動ヨーク１２の軸線ＡＬとほぼ直交して延出する（固定ヨーク１０の先端面とほぼ平行に延出する）従来の流量制御弁１００では、可動ヨーク１２の先端から固定ヨーク１０の先端へと軸方向に流れる軸方向磁束Φ１が、可動ヨーク１２の外周面から固定ヨーク１０の凸部１３の内周面へと径方向に流れる径方向磁束Φ２よりも大きくなる（Φ１＞Φ２）。従って、軸方向磁束Φ１により可動ヨーク１２に作用する推力（吸引力）Ｆ１の方が、径方向磁束Φ２により可動ヨーク１２に作用する推力Ｆ２よりも大きくなる。つまり、可動ヨーク１２に作用する推力は主に軸方向磁束Φ１に基づいて発生することになる。

ここで、可動ヨーク１２のストロークが変化すると可動ヨーク１２の先端と固定ヨーク１０の先端との間隔が変化するため、軸方向磁束Φ１により発生する推力Ｆ１は、可動ヨーク１２のストロークに大きな影響を受ける。このため、可動ヨーク１２のストロークが小さい領域において、可動ヨーク１２のストロークが大きくなると可動ヨーク１２に作用する推力が急激に小さくなる（図７参照）。従って、コントロール範囲は、この推力が急激に変化（低減）する領域よりもストロークの大きい側に位置することになる。

次に、図４を用いて、上述した本実施形態の流量制御弁１（図１及び図２）の比例ソレノイド５の電磁コイル９に電流を印加したときに可動ヨーク２０と固定ヨーク１０との間を流れる磁束について説明する。

図４は、可動ヨーク２０のストロークが極小さいとき、つまり可動ヨーク２０と固定ヨーク１０との間隔が極小さいときの状態を示しており、図の点線が可動ヨーク２０と固定ヨーク１０との間を流れる磁束を概略的に示している。

図から分かるように、可動ヨーク２０の先端に内周面２１ｂが傾斜した環状の突出部２１が形成された本実施形態の流量制御弁１（比例ソレノイド５）では、可動ヨーク２０の突出部２１の端面２１ｃから固定ヨーク１０の先端へと軸方向に流れる軸方向磁束Φ１が、可動ヨーク２０の突出部２１の外周面２１ａから固定ヨーク１０の凸部１３の内周面へと径方向に流れる径方向磁束Φ２よりも小さくなる（Φ１＜Φ２）。

これは、突出部２１の内周面２１ｂが、固定ヨーク１０側に向かうほど径方向外側に位置するように傾斜しているため、突出部２１を流れる磁束の向きが径方向外側へと変化することと、可動ヨーク２０の先端の中央部２３と固定ヨーク１０の先端２５との間隔が従来よりも大きくなることが原因であると考えられる。

従って、本実施形態の流量制御弁１では、軸方向磁束Φ１により可動ヨーク２０に作用する推力（吸引力）Ｆ１よりも、径方向磁束Φ２により可動ヨーク２０に作用する推力Ｆ２の方が大きくなる。つまり、本実施形態の流量制御弁１では、可動ヨーク２０に作用する推力が、主に径方向磁束Φ２に基づいて発生することになる。

ここで、可動ヨーク２０の突出部２１の外周面２１ａと、固定ヨーク１０の凸部１３の内周面との間隔は、可動ヨーク２０のストロークに関わらず一定であるので、径方向磁束Φ２により発生する推力Ｆ２は、可動ヨーク２０のストロークに関わらずほぼ一定となる（可動ヨーク２０のストロークに影響を受けない）。従って、本実施形態の流量制御弁１では、可動ヨーク２０のストロークが小さい領域において、可動ヨーク１２のストロークが大きくなっても推力は低下せず、ほぼ一定の値に維持される。結果として、本実施形態の流量制御弁１（比例ソレノイド５）において可動ヨーク２０に作用する推力は、可動ヨーク１２のストロークが大きくなると推力が急激に低下する従来の流量制御弁１００（比例ソレノイド５０）と比べて大きくなる。

これを、図５を用いて説明する。

図５は、本実施形態の流量制御弁１の比例ソレノイド５の電磁コイル９に所定電流を印加したときの、可動ヨーク２０のストロークと、可動ヨーク２０に作用する推力との関係を表している。なお、比較のため、図６に示した従来の流量制御弁１００の比例ソレノイド５０の推力を点線で示す。

図から分かるように、本実施形態の流量制御弁１では、可動ヨーク２０のストロークが小さい領域における推力の低減がほとんどなく、推力が一定の領域（コントロール範囲）の推力が従来の流量制御弁１００と比べて大幅に増加している。また、本実施形態の流量制御弁１のコントロール範囲は、従来の流量制御弁１００のコントロール範囲と比べて広く、かつストロークの小さい領域に移行している。

従って、本実施形態の流量制御弁１を用いれば、比例ソレノイド５を大型化せずとも可動ヨーク２０に作用する推力を大きくすることができ、可動ヨーク２０及びスプール３のヒステリシスをなくす、又は少なくすることが可能となる。また、スプール３に作用する推力が大きくなるので、流量制御弁１（スプール弁２）の応答性が向上する。

また、本実施形態の流量制御弁１では、コントロール範囲が従来と比べて広くなるので、可動ヨーク２０及びスプール３のストロークを従来よりも大きく設定することができる。従って、流量の制御範囲を拡大することができる上、最大流量を大きくすることができる。

本出願人は、このような効果を得るために最適な突出部２１の形状を確認すべく、突出部２１の形状を種々変えて様々な試験を行った。

その結果、突出部２１の形状を以下に述べるように設定することが好ましいことが分かった。

まず、図２に示す可動ヨーク２０の軸線ＡＬと突出部２１の内周面２１ｂとのなす角度θ（テーパ角度）については、３５〜６０度の範囲内に設定することが好ましい。

突出部２１の先端面２１ｃの径方向長さＬ１については、可動ヨーク２０の外径（直径）Ｒの５％以下となるように設定することが好ましい。

突出部２１の軸方向長さＬ２については、可動ヨーク２０及びスプール３のストローク（通常はコントロール範囲）の約１／２の長さに設定することが好ましい。

なお、以上説明した実施形態は本発明の一例として述べたものであり、本発明はこの実施形態に限定はされない。

例えば、上記実施形態では比例ソレノイド５を用いた流量制御弁１を説明したが、本発明は比例ソレノイドを弁駆動手段として利用するものであれば、圧力制御弁、方向切替弁等、他の手段に適用することもできる。

また、流量制御弁１の構造も図に示したものに限定はされない。

本発明の一実施形態に係る比例ソレノイドを用いた流量制御弁の断面図である。 図１のＡ部拡大図である。 従来の流量制御弁の電磁コイルに電流を印加したときに、可動ヨークと固定ヨークとの間を流れる磁束を概略的に示したものである。 図１の流量制御弁の電磁コイルに電流を印加したときに、可動ヨークと固定ヨークとの間を流れる磁束を概略的に示したものである。 比例ソレノイドの電磁コイルに所定電流を印加したときの、可動ヨークのストロークと、可動ヨークに作用する推力との関係を示すグラフである。 従来の流量制御弁の断面図である。 従来の流量制御弁の電磁コイルに所定電流を印加したときの、可動ヨークのストロークと、可動ヨークに作用する推力との関係を示すグラフである。 比例ソレノイドによる推力と、コイルスプリングによる反力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 流量制御弁
２ スプール弁
３ スプール
５ 比例ソレノイド
６ ポート
９ 電磁コイル
１０ 固定ヨーク
１３ 凸部
１７ 付勢手段（コイルスプリング）
２０ 可動ヨーク
２１ 突出部
２１ａ 外周面
２１ｂ 内周面
２１ｃ 端面

Claims (7)

1. 電磁コイルと、その電磁コイル内に移動不可に設けられ、端面の縁部に凸部が形成された固定ヨークと、上記電磁コイル内に配置され、先端部が上記固定ヨークの上記凸部内に挿入されると共に、上記固定ヨークに対して相対移動可能に設けられた可動ヨークとを備え、上記電磁コイルに印加する電流を制御することで上記可動ヨークの位置を調節できるようにした比例ソレノイドであって、
   上記可動ヨークにおける上記固定ヨーク側の面の縁部に、上記固定ヨーク側に突出した突出部を形成すると共に、その突出部の内面を、上記固定ヨーク側に向かうほど外方に位置するようにテーパ状に形成した
   ことを特徴とする比例ソレノイド。
2. 上記突出部の外面を、上記可動ヨークの軸線とほぼ平行に延出させて形成した
   請求項１記載の比例ソレノイド。
3. 上記可動ヨークの軸線と上記突出部の内面とのなす角度を、３５〜６０度の範囲内とした
   請求項１又は２記載の比例ソレノイド。
4. 上記突出部の先端に、上記可動ヨークの軸線とほぼ直交する方向に延出する端面を形成した
   請求項１〜３いずれかに記載の比例ソレノイド。
5. 上記可動ヨークが所定外径を有する円柱体であり、上記端面の径方向長さを、上記可動ヨークの外径の５％以下に形成した
   請求項４記載の比例ソレノイド。
6. 流体を通過させるためのポートが開口形成されたスリーブと、そのスリーブ内にスライド自在に配置され、上記ポートを開閉するためのスプールと、そのスプールを一方向に移動させるための弁駆動手段と、スプールを上記弁駆動手段とは逆方向に付勢する付勢手段とを備えた流量制御弁であって、
   上記弁駆動手段が、上記請求項１〜５いずれかに記載された比例ソレノイドであり、その比例ソレノイドの上記可動ヨークに上記スプールが連結され、
   上記比例ソレノイドの上記電磁コイルに印加する電流を制御することで、上記可動ヨークに連結された上記スプールの位置を調節できるようにした
   ことを特徴とする流量制御弁。
7. 上記可動ヨーク及びスプールは所定ストロークで往復移動するものであり、
   上記可動ヨークの上記突出部の長さを、上記ストロークの約１／２の長さとした
   請求項６記載の流量制御弁。
   

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