JP2007303659A - マイクロ電磁バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】敏捷な切換え動作を行い得るマイクロ電磁バルブを提供することにある。
【解決手段】軸線方向中間部と軸線方向両端部とにポートを持つシリンダ１と、そのシリンダの軸線方向に往復移動可能にそのシリンダ内に収容されるとともに永久磁石を有し、前記シリンダの軸線方向両端部のポートを選択的に閉止するプランジャ２と、前記シリンダの軸線方向中間部のポートを挟んだ両側の部分の少なくとも一方の周囲に設けられた電磁石６と、前記シリンダの内周面に形成され、そのシリンダの軸線方向に延在するとともに前記軸線方向中間部のポートに連通する一または複数の通路溝１ｅと、を具えてなるマイクロ電磁バルブである。
【選択図】図１

Description

この発明は、電磁石の作用によりシリンダ内でプランジャが往復移動することで３ポート２位置切り換え弁として機能するシャトルバルブ型の電磁バルブに関し、特にはマイクロリアクタ、化学装置、空圧制御機器等に適するようにバルブ全体の小型化を進めたマイクロ電磁バルブに関するものである。

上述の如きシャトルバルブ型の電磁バルブとしては従来、例えば特許文献１記載のものが知られており、この電磁バルブは、軸線方向中間部と軸線方向両端部とにポートを持つシリンダと、そのシリンダ内にそのシリンダの軸線方向に往復移動可能に収容されるとともに内部に永久磁石を埋設され、さらに周囲にその移動方向へ延在する複数の通路溝を形成されたプランジャと、シリンダの軸線方向中央部を挟んだ両側の部分の周囲に設けられた二つの電磁石とを具えている。

かかる従来のシャトルバルブ型の電磁バルブでは、二つの電磁石にシリンダの軸線方向両端部の磁極がある互いに同一の極性になるように通電すると、プランジャ内の永久磁石の一方の端部がシリンダの一方の端部に磁力で引かれるとともにプランジャ内の永久磁石の他方の端部がシリンダの他方の端部から磁力で反発されて、プランジャがシリンダのその一方の端部に押し付けられてその一方の端部のポートを閉止し、その一方でシリンダの他方の端部のポートとシリンダの軸線方向中間部のポートとがプランジャの周囲の通路溝を介して連通する。

また、二つの電磁石にシリンダの軸線方向両端部の磁極が上記と逆の互いに同一の極性になるように通電すると、同様にしてプランジャがシリンダの上記他方の端部に押し付けられてその他方の端部のポートを閉止し、その一方でシリンダの上記一方の端部のポートとシリンダの軸線方向中間部のポートとがプランジャの周囲の通路溝を介して連通する。

従ってこの従来の電磁バルブは、二つの電磁石への通電状態の切換えにより、シリンダの軸線方向中間部のポートを両端部のポートに選択的に連通させる２位置電磁バルブとして機能する。
特開平８−１３８９３２号公報

ところで、上記従来のシャトルバルブ型の電磁バルブは、流体が満ちているシリンダ内を押し退けながらプランジャが移動し、その際プランジャの周囲の表面積の大きい通路溝内をその表面に接触しつつ流体が通過することから、流体の粘性による摩擦抵抗の影響を大きく受ける。一般に粘性の影響は小型化するほど顕著になるので、この問題は電磁バルブの小型化を進めると特に重大な問題となってくる。それゆえ、電磁バルブの小型化のためにプランジャを小型化した場合には敏捷な切換え動作が困難になるという問題があった。

また、シャトルバルブ型の電磁バルブひいてはプランジャを小型化しつつ、流量の確保のために通路溝の断面積を大きくすると、内部の永久磁石を小さくせざるを得ず、このことも敏捷な切換え動作を妨げるという問題があった。

さらに、上記従来のシャトルバルブ型の電磁バルブは、電磁石のみでプランジャをシリンダの何れか一方の端部に維持するものであるため、プランジャの位置を保持し続けるには電磁石への通電を常に続ける必要があり、電磁石の発熱が大きな問題となった。特に、小型の電磁石ではこの問題は重大であった。また、通電をやめるとプランジャが自由になり、バルブとして機能しなくなるという問題もあった。

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、この発明のマイクロ電磁バルブは、電磁石の作用によりシリンダ内でプランジャが往復移動することで３ポート２位置切り換え弁として機能するシャトルバルブ型の電磁バルブであって、軸線方向中間部と軸線方向両端部とにポートを持つシリンダと、そのシリンダの軸線方向に往復移動可能にそのシリンダ内に収容されるとともに永久磁石を有し、前記シリンダの軸線方向両端部のポートを選択的に閉止するプランジャ（プランジャ自体が永久磁石の場合も含む）と、前記シリンダの軸線方向中間部のポートを挟んだ両側の部分の少なくとも一方の周囲に設けられた電磁石と、前記シリンダの内周面に形成され、そのシリンダの軸線方向に延在するとともに前記軸線方向中間部のポートに連通する一または複数の通路溝と、を具えてなるものである。

かかるこの発明のシャトルバルブ型のマイクロ電磁バルブは、シリンダの軸線方向中間部のポートを挟んだ両側の部分の一方のみに電磁石を具える場合には、その電磁石に近い側の、シリンダの軸線方向一端部の磁極が、シリンダ内のプランジャの永久磁石の、そのシリンダの軸線方向一端部に対向する側の端部の磁極と異なる磁性になるようにその電磁石に通電すると、シリンダ内のプランジャの永久磁石の、シリンダの上記一端部に対向する端部がシリンダの上記一端部に磁力で引かれてプランジャがその一端部に移動して、その一端部のポートを閉止し、これによりシリンダの軸線方向中間部のポートがシリンダの軸線方向他端部のポートとのみ、シリンダ内周面の通路溝を介して連通する。そして電磁石の通電方向を上記と逆にすれば、シリンダ内のプランジャの永久磁石の、シリンダの上記一端部に対向する端部がシリンダの上記一端部から磁力で反発されてシリンダの他端部に移動して、その他端部のポートを閉止し、これによりシリンダの軸線方向中間部のポートがシリンダの軸線方向の上記一端部のポートとのみ、シリンダ内周面の通路溝を介して連通する。

またシリンダの軸線方向中間部のポートを挟んだ両側の部分の両方に電磁石を具える場合には、それらのうちの一方の電磁石に近い側のシリンダの軸線方向一端部の磁極が、シリンダ内のプランジャの永久磁石の、そのシリンダの軸線方向一端部に対向する側の端部の磁極と異なる磁性になるとともに、それらのうちの他方の電磁石に近い側のシリンダの軸線方向他端部の磁極が、シリンダ内のプランジャの永久磁石の、そのシリンダの軸線方向他端部に対向する側の端部の磁極と同じ磁性になるように通電すると、シリンダ内のプランジャの永久磁石の、シリンダの上記一端部に対向する端部が磁力で引かれるとともにそのプランジャの永久磁石の他方の端部がシリンダの軸線方向他端部から磁力で反発されてプランジャがシリンダの軸線方向のその一端部のポートを閉止し、これによりシリンダの軸線方向中間部のポートがシリンダの軸線方向他端部のポートとのみ、シリンダ内周面の通路溝を介して連通する。そして両方の電磁石の通電方向を上記と逆にすれば、シリンダ内のプランジャの永久磁石の、シリンダの上記一端部に対向する端部がシリンダの上記一端部から磁力で反発されるとともにそのプランジャの永久磁石の他方の端部がシリンダの軸線方向他端部に磁力で引かれてプランジャがシリンダの軸線方向のその他端部のポートを閉止し、これによりシリンダの軸線方向中間部のポートがシリンダの軸線方向の上記一端部のポートとのみ、シリンダ内周面の通路溝を介して連通する。

従って、この発明のマイクロ電磁バルブによれば、電磁石がシリンダの軸線方向中間部のポートを挟んだ片側のみの場合も両側にある場合も何れも、その電磁石への通電状態の切換えにより、シリンダの軸線方向中間部のポートを両端部のポートに選択的に連通させる２位置電磁バルブとして機能することができる。

しかも、この発明のマイクロ電磁バルブによれば、シリンダ内をプランジャが移動する際にプランジャが接するのが、シリンダの内周面に形成された一または複数の通路溝内の流体であることから、プランジャの、流体が接しながら通過する面積が、プランジャ自体に通路溝が設けられた従来のシャトルバルブ型の電磁バルブの場合よりも小さくなって、流体の粘性による摩擦抵抗の影響が小さくなるので、電磁バルブひいてはそのプランジャを小型化してマイクロ電磁バルブを構成しても、敏捷な切換え動作を行うことができる。

さらに、この発明のマイクロ電磁バルブによれば、通路溝をシリンダの内周面に形成していることから、電磁バルブひいてはそのプランジャを小型化してマイクロ電磁バルブを構成しつつ、流量の確保のために通路溝の断面積を大きくしても、プランジャの永久磁石を小さくせずに済むので、この点からも敏捷な切換え動作を可能にすることができる。

なお、この発明のマイクロ電磁バルブにおいては、前記プランジャを前記シリンダの軸線方向両端部のポートへ向けて前記電磁石より弱い力で附勢するプランジャ固定用磁性体もしくはプランジャ固定用永久磁石を具えていても良く、このようにすれば、電磁石のみでなくプランジャ固定用磁性体またはプランジャ固定用永久磁石でもプランジャをシリンダの端部に維持しているため、小型の電磁石でもシリンダ端部へのプランジャの維持のための発熱が問題とならず、また停電等何らかの原因で電磁石への給電が止まった場合でも、プランジャが自由になるのを防止し得て、バルブとしての機能を維持し続けることができる。

ここで、前記プランジャ固定用磁性体および前記プランジャ固定用永久磁石は、前記シリンダの軸線方向両端部のポート近傍にそれぞれ設けられていても良く、また、前記プランジャ固定用永久磁石は、前記シリンダの軸線方向中間部に設けられていても良い。

以下、本発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１（ａ）は、この発明のマイクロ電磁バルブの第１実施例の構成をそこにおけるプランジャが電磁石に近い側の、シリンダの軸線方向一端部に移動した状態で示す断面図、また図１（ｂ）は、その第１実施例のマイクロ電磁バルブの構成をそこにおけるプランジャが電磁石から遠い近い側の、シリンダの軸線方向他端部に移動した状態で示す断面図であり、図中符号１はシリンダ、２は永久磁石で形成されたプランジャをそれぞれ示す。

この第１実施例のマイクロ電磁バルブにおける上記シリンダ１は、図では左右方向へ中心孔１ａの軸線が延在するもので、図では左端部から軸線方向中央に近い中間部まで延在する例えば外経６ｍｍで内径２ｍｍの円筒状の大径部１ｂと、図では右端部付近からその大径部１ｂまで延在する例えば外経３ｍｍで内径２ｍｍの円筒状の小径部１ｃとを一体に有するとともに、その小径部１ｃに固定されて図では右端部に位置する例えば外経６ｍｍで内径２ｍｍのワッシャ状のフランジ部１ｄを有して、例えば全長５．９ｍｍの小型形状に構成されており、それら大径部１ｂと小径部１ｃとフランジ部１ｄとは、例えばプラスチックにて形成することができる。

このシリンダ１の軸線方向両端部の中心孔１ａ内には磁性体製の円筒状のノズル３，４がそれぞれ圧入固定されており、これらのノズル３，４の中心孔が端部ポートＡ，Ｂをそれぞれ構成する。また大径部１ｂの中間部にはパイプ５が外周面から中心孔付近まで貫通して圧入固定されており、このパイプ５の中心孔が中間部ポートＳを構成している。

さらにシリンダ１は、大径部１ｂから小径部１ｃにかけて中心孔１ａの内周面に形成され、そのシリンダ１の軸線方向に延在するとともにその軸線方向中間部のポートＳに連通するここでは一本の通路溝１ｅを有しており、この通路溝１ｅは、シリンダ１の上記軸線方向両端部では外部に開口せずに閉じている。

シリンダ１の中心孔１ａ内には、その中心孔１ａの軸線方向に往復移動可能に、この実施例では永久磁石で形成された上記プランジャ２が収容され、このプランジャ２は、上記ノズル３，４の、シリンダ１の中心孔１ａ内に面した端面に、それらに対向する端面が密接することで、端部ポートＡ，Ｂを選択的に閉止する。またこのプランジャ２は、例えば図示のように右端部の磁極がＮ極になるとともに左端部の磁極がＳ極になるというように、軸線方向両端部の磁極が互いに逆の極性になるように構成されている。

さらにシリンダ１の軸線方向中間部のポートＳを挟んだ両側の部分の一方である小径部１ｂの周囲には、電磁石を構成するように巻回された銅線からなるコイル６が設けられており、このコイル６は上記フランジ部１ｄによってシリンダ１上に固定保持されている。

そしてこの実施例のマイクロ電磁バルブでは、ノズル３，４の、シリンダ１の中心孔１ａ内に面した端面が、例えば図示のようにノズル３ではＮ極になり、ノズル４ではＳ極になるというように、ノズル３，４が磁化されてプランジャ固定用永久磁石とされている。

かかる実施例のマイクロ電磁バルブにあっては、電磁石を構成するコイル６に近い側の、シリンダ１の軸線方向一端部である図では右端部の磁極が、シリンダ１内のプランジャ２の永久磁石の、そのシリンダ１の軸線方向右端部に対向する右端部の磁極であるＮ極と異なる磁性になるようにそのコイル６に通電すると、図１（ａ）に示すように、シリンダ１内のプランジャ２の永久磁石の、シリンダ１の上記右端部に対向する右端部がシリンダ１の上記右端部に磁力で引かれてプランジャ２がシリンダ１の右端部に移動して、その右端部のポートＢを閉止し、これによりシリンダ１の軸線方向中間部のポートＳがシリンダ１の左端部のポートＡとのみ、シリンダ１の中心孔１ａの内周面の通路溝１ｅを介して連通する。そしてコイル６の通電方向を上記と逆にすれば、図１（ｂ）に示すように、シリンダ１内のプランジャ２の永久磁石の、シリンダ１の上記右端部に対向する右端部がシリンダの上記右端部から磁力で反発されてシリンダ１の左端部に移動して、その左端部のポートＡを閉止し、これによりシリンダ１の軸線方向中間部のポートＳがシリンダ１の右端部のポートＢとのみ、シリンダ１の中心孔１ａの内周面の通路溝１ｅを介して連通する。

従って、この実施例のマイクロ電磁バルブによれば、コイル６への通電状態の切換えにより、シリンダ１の軸線方向中間部のポートＳを両端部のポートＡ，Ｂに選択的に連通させる２位置電磁バルブとして機能することができる。

しかも、この実施例のマイクロ電磁バルブによれば、シリンダ１内をプランジャ２が移動する際に、プランジャ２が接するのが、シリンダ１の中心孔１ａの内周面に形成された通路溝１ｅ内の流体であることから、プランジャ２の、流体が接しながら通過する面積が、プランジャ自体に通路溝が設けられた従来のシャトルバルブ型の電磁バルブの場合よりも小さくなって、流体の粘性による摩擦抵抗の影響が小さくなるので、電磁バルブひいてはそのプランジャをこの実施例のプランジャ２のように小型化してマイクロ電磁バルブを構成しても、敏捷な切換え動作を行うことができる。

さらに、この実施例のマイクロ電磁バルブによれば、通路溝１ｅをシリンダ１の中心孔１ａの内周面に形成していることから、電磁バルブひいてはそのプランジャを小型化してマイクロ電磁バルブを構成しつつ、流量の確保のために通路溝１ｅの断面積を大きくしても、プランジャ２の永久磁石を小さくせずに済むので、この点からも敏捷な切換え動作を可能にすることができる。

さらに、この実施例のマイクロ電磁バルブによれば、プランジャ２をシリンダ１の軸線方向両端部のポートＡ，Ｂへ向けてコイル６による電磁力より弱い力で附勢するプランジャ固定用永久磁石としてノズル３，４を具えていることから、コイル６のみでなくプランジャ固定用永久磁石でも、プランジャ２をシリンダ１の両端部に吸引力で維持するため、停電等何らかの原因でコイル６への給電が止まった場合でも、プランジャ２が自由になるのを防止し得て、バルブとしての機能を維持し続けることができる。

なお、上記第１実施例ではノズル３，４を永久磁石で構成したが、この発明はこれに限定するものではない。すなわち、例えばノズル３，４を強磁性体で構成すれば、プランジャ２がノズル端面に接触したときに、プランジャ固定用磁性体としてのノズル３，４がプランジャ２を吸着し、永久磁石でノズルを構成したのと同じようにプランジャを吸引することができる。さらに、電磁石の発熱が問題とならない場合には、ノズル３，４を非磁性体材料で構成しても構わない。

図２（ａ）は、この発明のマイクロ電磁バルブの第２実施例の構成をそこにおけるプランジャが電磁石に近い側の、シリンダの軸線方向一端部に移動した状態で示す断面図、また図２（ｂ）は、その第２実施例のマイクロ電磁バルブの構成をそこにおけるプランジャが電磁石から遠い近い側の、シリンダの軸線方向他端部に移動した状態で示す断面図であり、この第２実施例のマイクロ電磁バルブは、ノズル３，４がプランジャ固定用永久磁石を構成する代わりに、シリンダ１の大径部１ｂと小径部１ｃとの結合部に、シリンダ１の中心孔１ａの内周面に隣接する半径方向内側がＳ極になり、中心孔１ａの内周面から離間する半径方向外側がＮ極になるように複数のプランジャ固定用永久磁石７をシリンダ１の周方向に互いに離間させて配置した点のみ、先の第１実施例と異なっており、他の点は先の実施例と同一の構成とされている。

かかる第２実施例のマイクロ電磁バルブによっても、先の第１実施例と同様の作用効果を奏することができ、この場合に、プランジャ固定用永久磁石７は、シリンダ１の右端部に関してはＳ極同士の反発力で、またシリンダ１の左端部に関してはＳ極とＮ極との吸引力で、プランジャ２をシリンダ１の両端部に維持する。

図３は、上記第１実施例のマイクロ電磁バルブを用いて相互流（プラグ流）を形成する実験の方法を示す説明図、図４は、その実験の結果を示す説明図であり、この実験では図３に示すように、上記第１実施例のマイクロ電磁バルブ８の端部ポートＡ，Ｂにシリンジポンプ９のシリンダ９ａ，９ｂをそれぞれチューブ１０，１１を介して接続し、その第１実施例のマイクロ電磁バルブ８の中間部ポートＳにチューブ１２を接続し、シリンジポンプ９のシリンダ９ａには着色水Ｗ、シリンダ９ｂにはシリコンオイルＯを入れ、コントローラ１３でシリンジポンプ９を連続的に作動させるとともに、その第１実施例のマイクロ電磁バルブ８のコイル６に直流電源装置１４から電流アンプ１５を介して通電し、その電流アンプ１５の出力電流を、関数発生器１６で発生させた矩形波により、所定時間毎にコイル６への通電方向が反転するように制御している。

この実験の結果、図４に示すように、中間部ポートＳに接続したチューブ１２内には着色水ＷとシリコンオイルＯとの相互流（プラグ流）が形成されており、このことは、上記第１実施例のマイクロ電磁バルブ８が、シリンジポンプ９による端部ポートＡ，Ｂ内の着色水ＷおよびシリコンオイルＯの圧力上昇に耐えて端部ポートＡ，Ｂを交互に確実に閉止および開放していたことを示している。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、通路溝１ｅは一本でなく、シリンダ１の中心孔１ａの内周面にその周方向に互いに間隔を空けて複数本並べて形成し、中間部ポートＳの位置に周方向溝を形成してそれら複数本の通路溝１ｅを中間部ポートＳに接続するようにしても良い。

また上記第２実施例におけるプランジャ固定用永久磁石７の代わりに、大径部１ｂに貫通させたパイプ５を磁化させて、そのパイプ５の、シリンダ１の中心孔１ａの内周面に隣接する端部を例えばＳ極とするとともに、そのパイプ５の配置を、シリンダ１の軸線方向模擬被疑両端部にプランジャ２を維持し得る位置に設定するようにしても良い。

さらに、電磁石を構成するコイル６を、シリンダ１の軸線方向の、中間部のポートＳの両側の位置に設けるようにしても良い。またプランジャ２の永久磁石の表面をテフロン（登録商標）等の低摩擦素材等で覆って構成しても良く、各永久磁石の磁極の極性を上記実施例と逆にしても良い。

かくしてこの発明のマイクロ電磁バルブによれば、シリンダ内をプランジャが移動する際にプランジャが接するのが、シリンダの内周面に形成された一または複数の通路溝内の流体であることから、プランジャの、流体が接しながら通過する面積が、プランジャ自体に通路溝が設けられた従来のシャトルバルブ型の電磁バルブの場合よりも小さくなって、流体の粘性による摩擦抵抗の影響が小さくなるので、電磁バルブひいてはそのプランジャを小型化してマイクロ電磁バルブを構成しても、敏捷な切換え動作を行うことができる。

しかもこの発明のマイクロ電磁バルブによれば、通路溝をシリンダの内周面に形成していることから、電磁バルブひいてはそのプランジャを小型化してマイクロ電磁バルブを構成しつつ、流量の確保のために通路溝の断面積を大きくしても、プランジャの永久磁石を小さくせずに済むので、この点からも敏捷な切換え動作を可能にすることができる。

（ａ），（ｂ）は、この発明のマイクロ電磁バルブの第１実施例の構成をそこにおけるプランジャが電磁石に近い側の、シリンダの軸線方向一端部に移動した状態および、そのプランジャが電磁石から遠い近い側の、シリンダの軸線方向他端部に移動した状態でそれぞれ示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、この発明のマイクロ電磁バルブの第２実施例の構成をそこにおけるプランジャが電磁石に近い側の、シリンダの軸線方向一端部に移動した状態および、そのプランジャが電磁石から遠い近い側の、シリンダの軸線方向他端部に移動した状態でそれぞれ示す断面図である。 上記第１実施例のマイクロ電磁バルブを用いて相互流（プラグ流）を形成する実験の方法を示す説明図である。 上記実験の結果を示す説明図である。

符号の説明

１ シリンダ
１ａ 中心孔
１ｂ 大径部
１ｃ 小径部
１ｄ フランジ部
１ｅ 通路溝
２ プランジャ
３，４ ノズル
５ パイプ
６ コイル
７ プランジャ固定用永久磁石
８ マイクロ電磁バルブ
９ シリンジポンプ
９ａ，９ｂ シリンダ
１０，１１，１２ チューブ
１３ コントローラ
１４ 直流電源装置
１５ 電流アンプ
１６ 関数発生器
Ａ，Ｂ 端部ポート
Ｓ 中間部ポート
Ｏ シリコンオイル
Ｗ 着色水

Claims (4)

1. 軸線方向中間部と軸線方向両端部とにポートを持つシリンダと、
   そのシリンダの軸線方向に往復移動可能にそのシリンダ内に収容されるとともに永久磁石を有し、前記シリンダの軸線方向両端部のポートを選択的に閉止するプランジャと、
   前記シリンダの軸線方向中間部のポートを挟んだ両側の部分の少なくとも一方の周囲に設けられた電磁石と、
   前記シリンダの内周面に形成され、そのシリンダの軸線方向に延在するとともに前記軸線方向中間部のポートに連通する一または複数の通路溝と、
   を具えてなる、マイクロ電磁バルブ。
2. 前記プランジャを前記シリンダの軸線方向両端部のポートへ向けて前記電磁石より弱い力で附勢するプランジャ固定用磁性体もしくはプランジャ固定用永久磁石を具えることを特徴とする、請求項１記載のマイクロ電磁バルブ。
3. 前記プランジャ固定用磁性体もしくはプランジャ固定用永久磁石は、前記シリンダの軸線方向両端部のポート近傍にそれぞれ設けられていることを特徴とする、請求項２記載のマイクロ電磁バルブ。
4. 前記プランジャ固定用永久磁石は、前記シリンダの軸線方向中間部に設けられていることを特徴とする、請求項２記載のマイクロ電磁バルブ。

Images