JP2015081640A - 電磁弁、及び、ダイアフラム組立と駆動軸の連結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】固体間でのストロークのバラツキをなくすことができる電磁弁、及び、ダイアフラム組立と駆動軸の連結構造を提供すること。【解決手段】弁座２ｃが設けられたバルブボディ２と、弁座２ｃに当接又は離間するダイアフラム４に軸部材５が固定されるダイアフラム組立３と、バルブボディ２との間でダイアフラム４の外縁部４ｃを保持するものであって、軸部材５が挿通されるダイアフラム保持部材７と、ダイアフラム保持部材７に当接し、可動鉄心１４が第１圧縮ばね１８により弁座方向に付勢されるソレノイド１０とを備え、可動鉄心１４と共に軸部材５を移動させてダイアフラム４を弁座２ｃに当接又は離間させる電磁弁１に、第１圧縮ばね１８より付勢力が小さく、ダイアフラム組立３を反弁座方向に常時付勢する第２圧縮ばね９を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、弁座が設けられたバルブボディと、弁座に当接又は離間するダイアフラムに軸部材が固定されるダイアフラム組立と、バルブボディとの間でダイアフラムの外縁部を保持するものであって、軸部材が挿通されるダイアフラム保持部材と、ダイアフラム保持部材に当接し、可動鉄心が第１付勢部材により弁座方向に付勢されるソレノイドとを備え、可動鉄心と共に軸部材を移動させてダイアフラムを弁座に当接又は離間させる電磁弁、及び、ダイアフラム組立と駆動軸の連結構造に関する。

例えば、医療装置では、殺菌や洗浄のために、電磁弁で流量制御された次亜塩素酸や酢酸などの薬液が流される。電磁弁は、接液部をメタルフリーにするために、ダイアフラムが用いられる。医療機器は、コンパクト化が進み、電磁弁の設置スペースが狭くなっている。よって、電磁弁には、小型化が要求されている。

例えば、図４に示す電磁弁１０１は、バルブボディ１０２とダイアフラム保持部材１０３との間で、弁座１１１に当接又は離間するダイアフラム１０４が狭持されている。ソレノイド１０７は、可動鉄心１０８がダイアフラム保持部材１０３内に突出し、圧縮ばね１１０が弁座１１１側に向かって可動鉄心１０８を常時付勢している。

小型の電磁弁１０１は、ダイアフラム１０４の直径が５ｍｍ程度の極小さい。そのため、ダイアフラム１０４は、可動鉄心１０８に直接連結して駆動力を伝達されるための強度を十分に確保できない。そこで、ダイアフラム１０４は、硬い樹脂又は金属からなる軸部材１０５をインサート成形等で固定され、ダイアフラム組立１０６を構成している。ダイアフラム組立１０６は、軸部材１０５が連結部材１０９を介してソレノイド１０７の可動鉄心１０８に連結されている。

図５に示すように、連結部材１０９は、係合孔１０９ａが外周面から図中水平方向に形成され、その係合孔１０９ａに可動鉄心１０８の係止凸部１０８ａを嵌め込まれて、可動鉄心１０８に連結されている。一方、連結部材１０９は、図中下端面から軸線に沿って形成された挿入孔１０９ｂの途中に、中心部へ向かって突出するように楔部１０９ｃが設けられている。軸部材１０５は、楔部１０９ｃに圧入するようにして挿入孔１０９ｂに挿入され、楔部１０９ｃに小径部１０５ａを引っ掛けるようにして係合させることにより、連結部材１０９に連結されている。

しかしながら、従来の電磁弁１０１は、係止凸部１０８ａを係合孔１０９ａにスライドさせて係合させるためのガタを設ける必要があり、図５に示すように、弁閉時に、係止凸部１０８ａと係合孔１０９ａの内壁との間にクリアランスＣ１が形成されていた。また、電磁弁１０１は、軸部材１０５の先端部を楔部１０９ｃに圧入するためのガタを設ける必要があり、図５に示すように、弁閉時に、小径部１０５ａの内壁と楔部１０９ｃの端面との間にクリアランスＣ２が形成されていた。

電磁弁１０１は、弁閉時にソレノイド１０７に通電されると、可動鉄心１０８がクリアランスＣ１分上昇してから、係止凸部１０８ａを係合孔１０９ａの上側内壁に当接させ、圧縮ばね１１０に抗して連結部材１０９を引き上げ始める。連結部材１０９がクリアランスＣ２分引き上げられたところで、小径部１０５ａの側壁に楔部１０９ｃが当接し、ダイアフラム組立１０６が連結部材１０９を介して可動鉄心１０８に引き上げられ、ダイアフラム１０４を弁座１１１から離間させ始める。つまり、電磁弁１０１は、可動鉄心１０８が連結部材１０９を介してダイアフラム組立１０６に間接的に連結されているので、弁閉状態から弁を開いて設定流量を制御する場合に、可動鉄心１０８がクリアランスＣ１，Ｃ２分上昇してからダイアフラム組立１０６を引き上げ始め、設定流量の制御に必要なストロークにクリアランスＣ１，Ｃ２を加えたストロークだけ可動鉄心１０８を移動させる必要があった。

クリアランスＣ１，Ｃ２の大きさは、可動鉄心１０８と連結部材１０９と軸部材１０５の寸法公差の積み重ねにより決まるため、固体間でばらつく。そのため、電磁弁１０１は、可動鉄心１０８のストロークが固体間でばらついていた。小型の電磁弁１０１は、制御流量が微細であるので、固体間でのストロークのばらつきが微小でも、制御流量に１０％程度の誤差が生じる。この誤差を解消するために、従来の電磁弁１０１は、クリアランスＣ１，Ｃ２を大きく見積もってソレノイド１０７の大きさを決めており、十分な小型化を図ることができなかった。

そこで、本出願の発明者らは、図６に記載するように、ダイアフラム組立２０６の軸部材２０５を連結部材２０９に貫き通し、軸部材２０５の雄ねじ部２０５ａを可動鉄心２０８に形成した雌ねじ部２０８ａに螺合させることにより、ダイアフラム組立２０６と可動鉄心２０８を直結する電磁弁２０１を考案した。係る電磁弁２０１は、連結部材２０９と軸部材２０５との間にクリアランスがなく、可動鉄心２０８と連結部材２０９との間のクリアランスＣ１と無関係に可動鉄心２０８がダイアフラム組立２０６を直接引き上げるので、設定流量に必要なストロークに則してソレノイド１０７の大きさを選択でき、電磁弁２０１の小型化を図ることができる。

ところが、係る電磁弁２０１は、弁開閉動作を繰り返す間に、可動鉄心２０８の上下動や圧縮ばね１１０の伸び縮みにより可動鉄心２０８に回転力が働き、ねじが緩んでストロークを変化させることがあった。電磁弁２０１に要求される耐久回数は、５００万回から１０００万回であるが、電磁弁２０１は、最悪、耐久回数前に弁が開かなくなる恐れがあった。また、軸部材２０５は、直径が１．８ｍｍ程度と非常に細い。そのため、雄ねじ部２０５ａや雌ねじ部２０８ａを非常に小さいピッチで加工しなければならず、ねじ加工しにくかった。

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、固体間でのストロークのバラツキをなくすことができる電磁弁、及び、ダイアフラム組立と駆動軸の連結構造を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、次のような構成を有している。
（１）弁座が設けられたバルブボディと、前記弁座に当接又は離間するダイアフラムに軸部材が固定されるダイアフラム組立と、前記バルブボディとの間で前記ダイアフラムの外縁部を保持するものであって、前記軸部材が挿通されるダイアフラム保持部材と、前記ダイアフラム保持部材に当接し、可動鉄心が第１付勢部材により弁座方向に付勢されるソレノイドとを備え、前記可動鉄心と共に前記軸部材を移動させて前記ダイアフラムを前記弁座に当接又は離間させる電磁弁において、前記第１付勢部材より付勢力が小さく、前記ダイアフラム組立を反弁座方向に常時付勢する第２付勢部材を有すことを特徴とする。

（２）（１）に記載の構成において、好ましくは、前記第２付勢部材が前記軸部材の外周に取り付けられる圧縮ばねであり、前記可動鉄心の弁座側端面に、前記軸部材と前記第２付勢部材を収納する収納孔部を形成する。

（３）（２）に記載の構成において、好ましくは、前記ダイアフラムを前記弁座に当接させた状態で前記軸部材が前記ダイアフラム保持部材のソレノイド側端面からソレノイド側に突出している。

（４）弁座に当接又は離間するダイアフラムに軸部材が固定されるダイアフラム組立と、第１付勢部材により弁座方向に付勢されて前記ダイアフラム組立に駆動力を伝達する駆動軸とを連結するダイアフラム組立と駆動軸との連結構造において、前記第１付勢部材より付勢力が小さく、前記ダイアフラム組立を反弁座方向に常時付勢する第２付勢部材を有することを特徴とする。

上記電磁弁及びダイアフラム組立と駆動軸の連結構造では、第１付勢部材より付勢力が小さい第２付勢部材がダイアフラム組立の軸部材を第１付勢部材と反対方向に付勢して可動鉄心（駆動軸）に常時接触させるように、ダイアフラム組立と可動鉄心がガタ無く組み上げる。そして、弁開閉動作時にも、軸部材が可動鉄心に常時接触し、可動鉄心とダイアフラム組立が一体的に変位する。弁開閉動作を繰り返す間に可動鉄心の変位や第１付勢部材の伸び縮みにより可動鉄心が回転しても、第２付勢部材の付勢力でダイアフラム組立を可動鉄心に接触させ続けるので、ストロークが変化することがない。よって、上記電磁弁及びダイアフラム組立と駆動軸の連結構造によれば、固体間でのストロークのバラツキをなくすことができる。

また、上記電磁弁によれば、軸部材の外周面に取り付けた第２付勢部材を可動鉄心の収納孔部に収納するので、全高を抑えながらダイアフラム組立と可動鉄心を常時接触させることができ、装置サイズをコンパクトにできる。

また、上記電磁弁によれば、ダイアフラムを弁座に当接させた状態で軸部材がダイアフラム保持部材のソレノイド側端面からソレノイド側に突出するので、バルブボディからダイアフラム組立、ダイアフラム保持部材、第２付勢部材、ソレノイドの順に組み上げることができ、組立性が良い。

本発明の実施形態に係る電磁弁の断面図である。 図１のダイアフラム組立と可動鉄心の連結構造を拡大して示す断面図であって、弁閉状態を示す。 図２に示す拡大断面図の弁開状態を示す。 従来の電磁弁の断面図である。 図４のダイアフラム組立と可動鉄心の連結構造を拡大して示す断面図である。 ダイアフラム組立と可動鉄心の連結構造に関する参考例の拡大断面図である。

以下に、本発明に係る電磁弁及びダイアフラムと駆動軸の連結構造の実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電磁弁１の断面図である。図２は、図１のダイアフラム組立３と可動鉄心１４の連結構造を拡大して示す断面図であって、弁閉状態を示す。図３は、図２に示す拡大断面図の弁開状態を示す

電磁弁１は、例えば、医療機器に用いられ、次亜塩素酸や酢酸等の薬液を制御する。電磁弁１は、バルブボディ２にダイアフラム保持部材７を介してソレノイド１０が取り付けられている。カバー２０は、非磁性材で形成され、ソレノイド１０とダイアフラム保持部材７を覆うように取り付けられている。電磁弁１は、バルブボディ２とダイアフラム保持部材７との間で保持されるダイアフラム組立３にソレノイド１０の駆動力を付与することにより、流体を制御する。

バルブボディ２は、フッ素樹脂等の耐腐食性のある材料で形成され、第１ポート２ａと第２ポート２ｂが弁座２ｃを介して連通している。ダイアフラム４は、耐腐食性のあるゴムや樹脂等を材質とし、弁座２ｃに当接又は離間する弁体部４ａと、弁体部４ａの外周面から外向きに延設された薄膜部４ｂと、薄膜部４ｂの外縁部に設けられた外縁部４ｃを備える。ダイアフラム４は、直径が５ｍｍ程度と小さく、ソレノイド１０に直接連結できないので、金属や硬い樹脂を材質とする軸部材５が弁体部４ａにインサート成形等で固定され、ダイアフラム組立３を構成している。ダイアフラム保持部材７は、フッ素樹脂等の耐腐食性のある材料で形成され、ダイアフラム４の外縁部４ｃをバルブボディ２との間で気密に狭持している。

ソレノイド１０は、中空孔１２ａを備えるコイルボビン１２にコイル１１を巻回されている。ソレノイド１０は、中空孔１２ａの上端開口部に固定鉄心１３が固定され、中空孔１２ａの下端開口部から可動鉄心１４が摺動可能に装填されている。コイル１１は、磁性カバー１５と磁性プレート１６で周囲を覆われ、固定鉄心１３が可動鉄心１４を吸引するための磁路が形成されやすくなっている。

可動鉄心１４は、磁性プレート１６に貫き通され、先端部がダイアフラム保持部材７側に突出している。可動鉄心１４と磁性プレート１６との間には、磁性部材１７が配設され、磁性プレート１６から可動鉄心１４の下端部に磁路が形成されるようになっている。可動鉄心１４の下端には、フランジ部１４ｃが設けられている。第１圧縮ばね１８（第１付勢部材の一例）は、フランジ部１４ｃと磁性部材１７との間に縮設され、可動鉄心１４を弁座方向に常時付勢している。

図２及び図３に示すように、可動鉄心１４の下端部と第１圧縮ばね１８は、ダイアフラム保持部材７のソレノイド側端面７ｄに開設された開口部７ａに変位可能に収められている。ダイアフラム保持部材７は、開口部７ａと同軸上に設けられた挿通孔７ｃに軸部材５が貫き通されている。開口部７ａの底壁は、挿通孔７ｃの開口部分にボス部７ｂが設けられ、軸部材５が軸線に沿って安定して往復直線運動できるようにボス部７ｂにガイドされている。

図２に示すように、軸部材５は、弁体部４ａを弁座２ｃに当接させた状態で、上端部がダイアフラム保持部材７のソレノイド側端面７ｄから上方に突出している。第２圧縮ばね９（第２付勢部材の一例）は、ボス部７ｂの端面に設けられたばね受け段差部７ｅに突き当てるようにして軸部材５に挿通され、軸部材５に止め輪８を取り付けることにより、止め輪８とばね受け段差部７ｅとの間に縮設される。そのため、軸部材５は、第２圧縮ばね９により反弁座方向に常時付勢されている。ここで、軸部材５は、弁閉時にソレノイド側端面７ｄから突出する部分の外周面に止め輪８を取り付けられるため、バルブボディ２、ダイアフラム組立３、ダイアフラム保持部材７の順に組み上げる場合に、第２圧縮ばね９を軸部材５に装着しやすい。

可動鉄心１４は、弁座側端面に収納孔部１４ａが開設されている。軸部材５の先端部と第２圧縮ばね９は、収納孔部１４ａの内部に配設されている。第２圧縮ばね９のばね力は第１圧縮ばね１８のばね力より小さい。そのため、コイル１１に非通電の場合、第１圧縮ばね１８が第２圧縮ばね９に抗して可動鉄心１４を押し下げ、収納孔部１４ａの底面１４ｂで軸部材５を弁座方向に押してダイアフラム４を弁座２ｃに当接させている。このように弁閉時に第２圧縮ばね９が圧縮されているので、コイル１１に通電されると、図３に示すように、第２圧縮ばね９が可動鉄心１４の上昇に伴って伸張し、軸部材５を収納孔部１４ａの底面１４ｂに押し当て続ける。つまり、電磁弁１は、軸部材５と可動鉄心１４が常時隙間無く接触するように組み立てられている。

尚、収納孔部１４ａは、内周面がボス部７ｂの外周面に摺接するように、ボス部７ｂに嵌め合わせられている。そのため、可動鉄心１４は、第１及び第２圧縮ばね１８，９のばね力が強く作用する下端部をボス部７ｂに支持され、磁性部材１７に接触せずに軸方向へ安定して移動できる。

上記電磁弁１は、コイル１１に通電されると、固定鉄心１３が励磁され、第１圧縮ばね１８に抗して可動鉄心１４を吸引する。可動鉄心１４が上昇するのに追従して、第２圧縮ばね９が軸部材５を押し上げながら伸張し、軸部材５を底面１４ｂに接触させ続ける。これに伴い、ダイアフラム４は、弁体部４ａが軸部材５と共に上昇し、弁座２ｃから離間する。よって、電磁弁１は、弁開動作時に、可動鉄心１４とダイアフラム組立３が一体的に所定のストローク上昇する。

その後、コイル１１への通電を停止されると、可動鉄心１４が第１圧縮ばね１８に付勢されて下降する。このとき、第１圧縮ばね１８のばね力が第２圧縮ばね９のばね力より大きいため、応答性良く、可動鉄心１４が下降し始める。可動鉄心１４は、底面１４ｂで軸部材５を押し下げながら下降し、弁体部４ａを弁座２ｃに当接させる。弁体部４ａが弁座２ｃに当接すると、可動鉄心１４は軸部材５を介して動きを止められる。つまり、電磁弁１は、ダイアフラム組立３と可動鉄心１４が接触した状態で弁閉状態となる。

以上説明したように、電磁弁１は、第１圧縮ばね１８より付勢力が小さい第２圧縮ばね９がダイアフラム組立３の軸部材５を第１圧縮ばね１８と反対方向に付勢して可動鉄心１４（駆動軸の一例）に常時接触させるように、ダイアフラム組立３と可動鉄心１４がガタ無く組み上げられる。そして、弁開閉動作時にも、軸部材５が可動鉄心１４に常時接触し、可動鉄心１４とダイアフラム組立３が一体的に変位する。弁開閉動作を繰り返す間に可動鉄心１４の変位や第１圧縮ばね１８の伸び縮みにより可動鉄心１４が回転しても、第２圧縮ばね９の付勢力で軸部材５を可動鉄心１４に接触させ続けるので、ストロークが変化することがない。よって、上記電磁弁１及びダイアフラム組立３と可動鉄心１４の連結構造によれば、固体間でのストロークのバラツキをなくすことができる。

また、電磁弁１は、ダイアフラム４と軸部材５と可動鉄心１４が一体的に上下動するので、設計上のストロークが得られるようにソレノイド１０を選択すれば良い。よって、電磁弁１によれば、ソレノイド１０を小型にできる。

また、電磁弁１は、軸部材５の外周面に取り付けた第２圧縮ばね９を可動鉄心１４の収納孔部１４ａに収納するので、全高を抑えながらダイアフラム組立３と可動鉄心１４を常時接触させることができ、装置サイズをコンパクトにできる。

また、電磁弁１は、ダイアフラム４を弁座２ｃに当接させた状態で軸部材５がダイアフラム保持部材７のソレノイド側端面７ｄからソレノイド１０側に突出するので、バルブボディ２からダイアフラム組立３、ダイアフラム保持部材７、第２圧縮ばね９、ソレノイド１０の順に組み上げることができ、組立性が良い。すなわち、電磁弁１は、バルブボディ２にダイアフラム組立３を置いた後、軸部材５をボス部７ｂに挿通しながらダイアフラム保持部材７をバルブボディ２に当接させ、第２圧縮ばね９をばね受け段差部７ｅに突き当てるようにして軸部材５に挿通し、止め輪８を軸部材５に装着して第２圧縮ばね９を固定し、その後、ソレノイド１０をダイアフラム保持部材７に載置して固定部材で、ソレノイド１０とダイアフラム組立３とバルブボディ２を固定すれば、カバー２０内の部品を組み立てられる。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
上記実施形態の電磁弁１のダイアフラム４と可動鉄心１４（駆動軸の一例）の連結構造を、エアオペレイトバルブのダイアフラムと駆動軸の連結構造に適用しても良い。
上記実施形態では、電磁弁１を医療機器に使用したが、他の用途に使用しても良いことは言うまでもない。
上記実施形態の第２圧縮ばね９を板ばね等の付勢部材にして、第２付勢部材を構成しても良い。

１ 電磁弁
２ バルブボディ
２ｃ 弁座
３ ダイアフラム組立
４ ダイアフラム
４ｃ 外縁部
５ 軸部材
７ ダイアフラム保持部材
７ｄ ソレノイド側端面
９ 第２圧縮ばね（第２付勢部材の一例）
１０ ソレノイド
１４ 可動鉄心
１４ａ 収納孔部
１８ 第１圧縮ばね（第１付勢部材の一例）

Claims (4)

1. 弁座が設けられたバルブボディと、前記弁座に当接又は離間するダイアフラムに軸部材が固定されるダイアフラム組立と、前記バルブボディとの間で前記ダイアフラムの外縁部を保持するものであって、前記軸部材が挿通されるダイアフラム保持部材と、前記ダイアフラム保持部材に当接し、可動鉄心が第１付勢部材により弁座方向に付勢されるソレノイドとを備え、前記可動鉄心と共に前記軸部材を移動させて前記ダイアフラムを前記弁座に当接又は離間させる電磁弁において、
   前記第１付勢部材より付勢力が小さく、前記ダイアフラム組立を反弁座方向に常時付勢する第２付勢部材を有する
   ことを特徴とする電磁弁。
2. 請求項１に記載する電磁弁において、
   前記第２付勢部材が前記軸部材の外周に取り付けられる圧縮ばねであり、
   前記可動鉄心の弁座側端面に、前記軸部材と前記第２付勢部材を収納する収納孔部を形成する
   ことを特徴とする電磁弁。
3. 請求項２に記載する電磁弁において、
   前記ダイアフラムを前記弁座に当接させた状態で前記軸部材が前記ダイアフラム保持部材のソレノイド側端面からソレノイド側に突出している
   ことを特徴とする電磁弁。
4. 弁座に当接又は離間するダイアフラムに軸部材が固定されるダイアフラム組立と、第１付勢部材により弁座方向に付勢されて前記ダイアフラム組立に駆動力を伝達する駆動軸とを連結するダイアフラム組立と駆動軸との連結構造において、
   前記第１付勢部材より付勢力が小さく、前記ダイアフラム組立を反弁座方向に常時付勢する第２付勢部材を有する
   ことを特徴とするダイアフラム組立と駆動軸の連結構造。

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