JP2017194120A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁比例弁の閉止性能およびシール性能を良好に維持できる構成を提供する。【解決手段】電磁弁１は、弁孔１４に接離して弁部を開閉する弁体２２と、固定鉄心４６と可動鉄心４８とを同軸状に有し、固定鉄心４６がボディ５に対して固定され、可動鉄心４８に弁体２２に向けて延在する作動連結部５４が設けられたソレノイド３と、可動鉄心４８に向けて同軸状に延出する非磁性のガイド部材５２と、を備える。可動鉄心４８は、作動連結部５４とは反対側端部に筒状部５６を有する。作動連結部５４が弁体２２に点接触態様で接続される一方、ガイド部材５２が軸受として筒状部５６に挿通されることにより、可動鉄心４８は、一端側が点支持され、他端側が軸線方向に摺動可能に支持される。【選択図】図１

Description

本発明は流体の流れを制御する電磁弁に関する。

従来、種々の用途に電磁弁が採用されている。例えば特許文献１には、弁開度を調整可能な電磁比例弁が開示されている。この電磁弁は、非磁性のスリーブに可動鉄心を摺動可能に挿通する。可動鉄心の先端には弁体が一体に設けられる。ソレノイドへの通電により可動鉄心が作動することにより弁体が弁座に着脱して弁部を開閉する。

特開２００９−９７５６８号公報

このような電磁弁は、弁体が可動鉄心の軸ずれや傾きの影響を直接受け、弁部の閉止性能およびシール性能を高く維持する点で改善の余地があった。

本発明の目的は、電磁比例弁の閉止性能およびシール性能を良好に維持できる構成を提供することにある。

本発明のある態様の電磁弁は、流体を導入するための導入ポートと、流体を導出するための導出ポートと、導入ポートと導出ポートとをつなぐ流体通路に設けられた弁孔と、を有するボディと、弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、固定鉄心と可動鉄心とを同軸状に有し、固定鉄心がボディに対して固定され、可動鉄心に弁体に向けて延在する作動連結部が設けられたソレノイドと、弁体および可動鉄心の一方を他方に向けて付勢する付勢部材と、可動鉄心に向けて同軸状に延出する非磁性のガイド部材と、を備える。

可動鉄心は、作動連結部とは反対側端部に筒状部を有する。作動連結部が弁体に点接触態様で接続される一方、ガイド部材が軸受として筒状部に挿通されることにより、可動鉄心は、一端側が点支持され、他端側が軸線方向に摺動可能に支持される。

この態様によれば、可動鉄心と弁体とが別体とされ、作動連結可能に構成されている。そして、可動鉄心の一端側が弁体により点支持され、他端側がガイド部材により摺動可能に支持されている。このため、可動鉄心と弁体とが点接触状態となり、仮に可動鉄心に軸ずれや傾きが生じたとしても、弁体に与える影響は少ない。そのため、開弁時における弁体の作動を安定に保ち、閉弁時における弁体によるシール性能を良好に維持することができる。

本発明によれば、電磁比例弁の閉止性能およびシール性能を良好に維持できる構成を提供することができる。

第１実施形態に係る電磁弁の構成を表す断面図である。 調心機構を構成する板ばねを表す図である。 図１のＡ部拡大図である。 電磁弁の動作を表す図である。 弁ストロークと弁開度および受圧力との関係を表す図である。 第２実施形態に係る電磁弁の構成を表す部分拡大断面図である。 第３実施形態に係る電磁弁の構成を表す断面図である。 電磁弁の動作を表す図である。 第４実施形態およびその変形例に係る可動鉄心の支持構成を表す部分拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。
［第１実施形態］
本実施形態は、本発明の電磁弁を燃料電池車に搭載する制御弁として具体化したものである。この電磁弁は、反応ガスの供給源と燃料電池とをつなぐ反応ガス供給経路に設置される。そして、ソレノイドへの通電状態に応じて弁開度が調整され、燃料電池への反応ガスの供給量を調整する。

図１は、第１実施形態に係る電磁弁の構成を表す断面図である。図２は、調心機構を構成する板ばねを表す図である。図２（Ａ）は正面図を示し、図２（Ｂ）は平面図を示している。図３は、図１のＡ部拡大図である。

図１に示すように、電磁弁１は、弁本体２とソレノイド３とを組み付けて構成される。電磁弁１は、常閉型の弁（非通電時に閉弁状態となる弁）であり、ソレノイド３への供給電流値に応じてその開度を比例的に変化させる比例弁として機能する。弁本体２は、ブロック状のボディ５を有し、そのボディ５の上端開口部を封止するようにソレノイド３が組み付けられている。ボディ５は、金属製の素材を切削加工して得られる。

ボディ５の一側面には、上流側（供給源側）から反応ガス（水素ガス）を導入するための導入ポート１０が設けられ、その反対側面には、下流側（燃料電池側）へ反応ガスを導出する導出ポート１２が設けられている。導入ポート１０と導出ポート１２とをつなぐ流体通路の中途には弁孔１４が設けられている。

ボディ５の上部中央にはソレノイド３を取り付けるための取付孔１６が設けられ、上方に開口している。ボディ５の上半部中央には、弁孔１４の上流側に作動室１８が画成されている。作動室１８は、ソレノイド３の内部に連通している。作動室１８には、弁孔１４と対向するように弁体２０，２２が配設されている。弁体２０は「第１弁体」として機能し、弁体２２は「第２弁体」として機能する。

導入ポート１０および導出ポート１２は、ボディ５の下部に開口する。導入ポート１０の奥方に向けて連通路１１が設けられ、導出ポート１２の奥方に向けて連通路１３が設けられている。連通路１１，１３と作動室１８とは、隔壁１９によって仕切られている。隔壁１９の上面が作動室１８の底面を構成する。

隔壁１９の中央を軸線方向に貫通するように弁孔１４が形成されている。弁孔１４は小口径の通路からなる。弁孔１４の上端開口部には弁座２４が形成されている。隔壁１９の上面には、弁孔１４を中心とする円ボス状の支持部２６が隆起している。支持部２６は、半径方向内側に低くなる段差を有し、その段差の内側にリング状の弁座２８が嵌合するように設けられている。弁座２８は、ゴム等の弾性部材からなり、弁座２４を同心状に取り囲む。支持部２６の上段にはリング状のワッシャ３０が固定されており、弁座２８の周縁部を上方から押さえてその脱落を防止している。弁座２４は「第１弁座」として機能し、弁座２８は「第２弁座」として機能する。

弁孔１４は、ソレノイド３の軸線に沿って設けられ、連通路１３を介して導出ポート１２と連通している。隔壁１９における支持部２６の外側には、弁孔１４と平行な連通孔３２が設けられている。弁孔１４は、作動室１８，連通孔３２および連通路１１を介して導入ポート１０と連通している。弁体２０は、弁体２２に同軸状に挿通され、軸線方向に摺動可能に支持されている。弁体２０が弁座２４に着脱することにより弁部を開閉する。弁体２２は、有底段付円筒状をなし、下方に向けて外径が小さくなる形状を有する。弁体２２の下端部が弁座２８に着脱することによりシール部を開閉する。この同心状に配設された弁体２０，２２が、並列に作動する二段弁を構成する。この二段弁の構成および動作の詳細については後述する。

作動室１８の中央を径方向に延在するように板ばね３４が設けられている。板ばね３４は、その外周部がボディ５に固定され、内周部が弁体２２の上端部に接続されている。板ばね３４は、弁体２２を半径方向に支持し、弁体２２の軸線方向の動作をガイドする「調心機構」として機能する。

図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、板ばね３４は、非磁性の金属板をプレス成形により図示の形状に打ち抜き、ばね性をもたせることにより得られる。板ばね３４は、中央に挿通孔７４を有する円板状の本体７２と、本体７２の外周の３箇所からそれぞれ延設された脚部７６を有する。この３つの脚部７６は、本体７２の外周縁部から周方向（一方向）に延在し、それらの外接円が挿通孔７４と同心円となるようにされている。また、３つの脚部７６を本体７２に対して片側（上方）に延在させることで、ばね性がもたせられている。なお、図１には便宜上、図２（Ｂ）のＣ−Ｃ断面が示されている。

図１に戻り、隔壁１９と弁体２２との間には、弁体２２を開弁方向に付勢するスプリング３６（「第１付勢部材」として機能する）が介装されている。弁体２２の底部と弁体２０の上端部との間には、弁体２０を弁体２２の先端部から突出させる方向に付勢するスプリング３８（「第３付勢部材」として機能する）が介装されている。

ソレノイド３は、円筒状のボビン４０と、ボビン４０に巻回された電磁コイル４２と、電磁コイル４２を取り囲むヨーク４４と、ボビン４０に挿通された非磁性のスリーブ４５と、スリーブ４５の上端部に固定された固定鉄心４６と、スリーブ４５の内方にて固定鉄心４６と軸線方向に対向配置される可動鉄心４８とを含む。スリーブ４５は円筒状をなし、固定鉄心４６は有底円筒状をなしている。固定鉄心４６の下端部をスリーブ４５の上端部に挿通した状態で両者の接続部に外周溶接を施すことにより、両者が同軸状に固定されている。

固定鉄心４６の中央部には、下方に向けて開口する凹部５０が形成されている。凹部５０は、下方に向けて段階的に拡径する段付円孔状をなし、非磁性のガイド部材５２が下方に向けて立設されている。ガイド部材５２は、樹脂材の射出成形により得られ、下方に向けて段階的に小径化する有底段付円筒状をなす。ガイド部材５２は、その大径部が凹部５０に圧入されており、小径部が可動鉄心４８に向けて延出している。ガイド部材５２を樹脂材による中空構造とすることで、その凹部５０への圧入を容易にしている。

可動鉄心４８は、上方に向けて段階的に小径化される段付円柱状をなし、その下面中央に作動連結部５４が突設されている。可動鉄心４８は、作動連結部５４を介して弁体２２と接続される。可動鉄心４８の外周面とスリーブ４５の内周面との間に比較的大きな空間Ｓが形成され、可動鉄心４８の側面を介した無用な磁気漏洩が防止されている。すなわち、空間Ｓは「磁気漏洩防止空間」として機能する。

可動鉄心４８の上端部が円筒状の筒状部５６となっており、ガイド部材５２の下端部が挿通されている。ガイド部材５２は、筒状部５６を軸線方向に摺動可能に支持する滑り軸受として機能する。固定鉄心４６と可動鉄心４８との間には、可動鉄心４８を固定鉄心４６から離間する方向に付勢するスプリング５８（「第２付勢部材」として機能する）が介装されている。スプリング５８は、非磁性のステンレス鋼からなり、可動鉄心４８の小径部を挿通する形で空間Ｓに配置されている。作動連結部５４は、円錐状（テーパ状）をなし、その先端が弁体２２の上面中央に点接触態様で接続される。

ヨーク４４は、ボビン４０を下方から支持する第１ヨーク６０と、ソレノイド３の構成部品を上方から囲う第２ヨーク６２とを組み付けて構成される。第１ヨーク６０は有底円筒状をなし、その開口端を下にして取付孔１６に嵌合されている。第１ヨーク６０と取付孔１６との間には、シール用のＯリング６４が介装されている。第１ヨーク６０の底部中央を貫通するように段付孔６３が設けられている。段付孔６３の上段の大径部にスリーブ４５の下端部が圧入されている。すなわち、固定鉄心４６，スリーブ４５および第１ヨーク６０は、同軸状に気密に接合されている。可動鉄心４８の下半部は、段付孔６３を貫通して作動室１８に延出する。第１ヨーク６０の下方に作動室１８が形成されている。

第２ヨーク６２は、板状の磁性体を凸状に曲げ成形して得られたものであり、その両端部がそれぞれボディ５の上面にボルト６６を介して固定されている。これにより、第２ヨーク６２の下面が第１ヨーク６０の上面を押さえる形となり、第１ヨーク６０の脱落が防止されている。また、第２ヨーク６２の上部中央には貫通孔６８が設けられ、固定鉄心４６の上部を貫通させている。第２ヨーク６２の上部が上方からボビン４０の上面を押さえる形となり、ソレノイド３の構成部品の脱落が防止されている。

図３に示すように、弁体２２は、段付円筒状の本体８０と、その本体８０の上端開口部を閉止する円板状の支持部材８２とを含む。支持部材８２は本体８０に圧入されている。それにより、弁体２２の上端部が気密にシールされ、弁孔１４に向けて開口する内部空間Ｓ２が形成される。

本体８０の下端は縮径されており、その内周面が弁体２０を摺動可能に支持する支持部８４となっている。本体８０の上部には半径方向外向きに延出するフランジ部８６が設けられている。スプリング３６は、上方に向けて小径化するテーパスプリングからなり、その上端がフランジ部８６に連結されている。板ばね３４の挿通孔７４に弁体２２の上端部が圧入されている。板ばね３４は、その本体７２の下面がフランジ部８６の上面に当接した状態を維持しつつ、弁体２２と一体に変位する。板ばね３４は、３つの脚部７６の先端がそれぞれボディ５と第１ヨーク６０との間に挟持され、それにより半径方向に延在しつつ軸線方向に弾性変形可能とされている。板ばね３４が、複数の脚部７６により中央の本体７２を支持する形状であるため、作動室１８に導入された流体は、これらの脚部７６の間を通過してソレノイド３の内部（空間Ｓ等）にも導かれる。

支持部材８２の上面中央には逆円錐状（テーパ状、すり鉢状）の凹部８８が設けられ、作動連結部５４を受け入れ可能とされている。凹部８８は、軸線に対するテーパ角が作動連結部５４のそれよりも大きい。このため、作動連結部５４と支持部材８２（つまり弁体２２）とが互いの軸線上で点接触態様にて接続される。支持部材８２の下面中央には凸部９０が設けられ、スプリング３８の軸芯となっている。

弁体２０は、ニードル状をなし、長尺状の本体９２と、本体９２の先端側に設けられた弁形成部９４と、本体９２の後端側にて半径方向に突出するフランジ部９６とを有する。弁形成部９４は、先端に向けて断面が小さくなるテーパ形状を有する。弁形成部９４が弁孔１４に挿入されつつ弁座２４に着座する。フランジ部９６は「係止部」として機能し、その下面が支持部８４の上面に係止されることで、弁体２０の弁体２２からの脱落が防止される。フランジ部９６と支持部材８２との間にスプリング３８が介装される。弁体２２は、弁体２０を内部空間Ｓ２に部分的に収容しつつ、軸線方向に変位可能に支持する。

図１に戻り、以上のような構成により、可動鉄心４８，弁体２２および弁体２０が同軸状に作動連結される。作動連結部５４が弁体２２に点接触態様で接続される一方、ガイド部材５２が筒状部５６に挿通されることにより、可動鉄心４８は、一端側が点支持され、他端側が円筒支持（摺動可能に支持）される態様で軸線方向に変位する。

次に、電磁弁１の動作について説明する。
図４は、電磁弁の動作を表す図であり、図１のＢ部拡大図に対応する。図４（Ａ）および（Ｂ）は、ソレノイド３への通電開始後の開弁過程を示す。既に説明した図１は、ソレノイド３の非通電状態を示す。電磁弁１への通電制御は、ＰＷＭ制御（Pulse Width Modulation）によりなされる。このＰＷＭ制御は、図示しない制御部により実行される。この制御部は、指定したデューティ比のパルス信号を出力するＰＷＭ出力部を有するが、その構成自体には公知のものが採用されるため、詳細な説明を省略する。

図１に示すように、ソレノイド３がオフの状態（非通電状態）では、固定鉄心４６と可動鉄心４８との間に吸引力が作用しない。このため、スプリング５８の付勢力により可動鉄心４８が下方（閉弁方向）に付勢される。この付勢力が、作動連結部５４を介して弁体２２に伝達される。その結果、弁体２２が弁座２８に着座してシール部を閉じる。また、スプリング３８の付勢力により弁体２０が弁座２４に着座して弁部を閉じる。このとき、弁体２２が弁座２８に対して弾性的に押し付けられる。また、弁体２２の内部空間Ｓ２の圧力が弁部の下流側圧力Ｐ２と等しくなり、弁体２２には上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２との差圧（Ｐ１−Ｐ２）がシール部の閉方向に作用する。このため、シール部のシール機能が良好に維持される。

一方、弁体２０が弁座２４から受ける反力によりスプリング３８が押し縮められ、フランジ部９６が支持部８４から離間する。その結果、弁体２０と弁体２２との作動連結が解除される。それにより、閉弁時に弁体２０に過大な負荷が作用することが防止される。

ソレノイド３がオン（通電状態）にされると、固定鉄心４６と可動鉄心４８との間に吸引力が作用する。ソレノイド３への供給電流値を高めていくと、まず図４（Ａ）に示すように、弁体２２が開弁作動を開始し、弁部が閉じた状態でシール部が開放される。すなわち、供給電流値が所定値以下のとき、弁体２２が弁座２８から離脱してシール部を開放するが、弁体２０は弁座２４に押し付けられたままであり、弁部は閉弁状態を保つ。このとき、弁体２２のリフト量が大きくなるにしたがってその受圧面積（下流側圧力Ｐ２を受圧する面積）は小さくなる。それとともに内部空間Ｓ２の圧力が上流側圧力Ｐ１に近づき、弁体２２に作用する差圧（Ｐ１−Ｐ２）が小さくなる。このため、シール部のシール機能は徐々に弱められる。

そして、供給電流値が所定値を超えることでシール部の開度が所定開度に達すると、弁体２２が下流側圧力Ｐ２を実質的に受圧しなくなる。本実施形態では、このとき弁体２０が速やかに開弁作動を開始するように、スプリング３６，５８の荷重設定がなされている。このとき、図４（Ｂ）に示すように、支持部８４がフランジ部９６に連結される。それにより、弁体２０が弁体２２によって引き上げられるようにして開弁方向に動作する。ソレノイド３への供給電流値に応じて、弁部の開度が比例的に制御される。これにより、導入ポート１０から導入された反応ガスが弁部を通過し、流量を調整された状態で導出ポート１２から導出される。

このように、開弁作動においては、弁体２２が弁座２８から離脱してシール部を開いた後、弁体２０が弁座２４から離脱して弁部を開き、弁体２０と弁体２２とが一体変位することで弁部の開度が調整される。この開弁過程において、図中太い二点鎖線にて示すような磁気回路が形成される。すなわち、弁部の開度が所定値以上となったときに、可動鉄心４８と固定鉄心４６とが径方向にオーバラップし、弁開度が大きくなるにつれてそのオーバラップ量が大きくなる。このようにして可動鉄心４８と固定鉄心４６との間の磁気通路を半径方向にずらすことで、両者が接近してもその位置関係によって磁気吸引力が急激に増大することを防止できる。これにより、供給電流値の変化に対して吸引力を細かく変化させることができ、比例制御を精密に行えるようにしている。

なお、閉弁作動においては上記と逆の動作を経ることになる。すなわち、弁体２０が弁座２４に着座して弁部を閉じた後、弁体２２が弁座２８に着座してシール部を閉じる。このような電磁弁１の開閉動作過程において、板ばね３４により弁体２２が軸線に沿って安定にガイドされる。すなわち、板ばね３４の外周縁がボディ５にしっかりと固定されているため、板ばね３４の変形過程でその軸線が変化することが防止又は抑制される。このため、弁体２２は、板ばね３４の中央に支持される形で軸線に沿って安定にガイドされる。

このように弁体２２が安定に動作するため、これと同軸状に連結された可動鉄心４８および弁体２０も軸線方向に安定に動作するようになる。また、可動鉄心４８については、一端が点支持、他端が円筒支持される特殊な構造を有する。このため、仮に磁気吸引力のバランスが崩れるなどして可動鉄心４８が弁体２２の軸線に対して傾いたとしても、点支持側の弁体２２に与える影響は少ない。その結果、弁体２２は、その軸線に沿った安定した動作を維持することができる。

図５は、弁ストロークと弁開度および受圧力との関係を表す図である。同図の横軸はシール部の弁ストロークを示し、縦軸は各弁の弁開度および受圧力を示す。ここで、「弁ストローク」は弁体２２の弁座２８からのリフト量を意味する。「弁開度」は弁部およびシール部の開口面積を意味し、「受圧力」は弁体２０，２２が流体から受ける差圧を意味する。図中太線がシール部に関する結果を示し、細線が弁部に関する結果を示す。また、実線が弁開度を示し、破線が受圧力を示す。

同図によれば、電磁弁１の完全閉状態（ソレノイド３がオフの状態）において、弁部およびシール部がともに閉状態となり、各弁体の受圧力（つまり差圧（Ｐ１−Ｐ２））は最大となる。ここで、受圧面積の関係から、弁体２２の受圧力のほうが、弁体２０のそれよりも大きい。

ソレノイド３がオンにされると、電磁弁１が開弁作動を開始する。このとき、まずシール部が開き、その開度が大きくなるとともに弁体２２の受圧力が減少する。弁部の開度および受圧力は一定に保持される。そして、弁ストロークがａになると、弁体２２の受圧力がなくなり、その後、速やかに弁部が開き始める。弁部の開度が大きくなるとともに弁体２０の受圧力は減少する。そして、弁ストロークがｂになると、弁体２０の受圧力もなくなり、その後、ソレノイド３への供給電流値が高まるとともに弁ストロークが増大し、弁部の開度が大きくなる。それにより、弁開度を比例的に制御することができる。

ここで、電磁弁１の制御特性は弁部の作動に依存するところ、弁部とシール部の双方が開弁状態のときに安定する。このため、制御仕様の最大開度が図中二点鎖線にて示す値であった場合、電磁弁１による流量制御範囲は、弁部の開弁開始以降の図示の範囲となる。本実施形態では、開弁作動においてはシール部を開いた後に弁部を開き、閉弁作動においては弁部を閉じた後にシール部を閉じる構成とした。このため、この逆の作動をする制御弁と比較して流量制御範囲を大きくとることができる。また、制御の安定性の観点からも、弁体２０の受圧力がなくなる弁ストロークｂを、弁体２２の受圧力がなくなる弁ストロークａよりも大きくするのが好ましい。それにより、差圧の変動によるシール部の自開および自閉動作を防止又は抑制でき、弁部の開度を安定に維持できるためである。

以上に説明したように、本実施形態では、可動鉄心４８と弁体２２とが別体とされ、作動連結可能に構成されている。このため、可動鉄心４８と弁体２２とが点接触状態となる。さらに、弁体２０と弁体２２とが別体とされ、弁体２２が弁体２０に弾性的に支持されている。このため、仮に可動鉄心４８に軸ずれや傾きが生じたとしても、弁体２２ひいては弁体２０に与える影響は少ない。そのため、開弁時における弁体２０の作動を安定に保ち、比例制御特性を良好に維持することができる。また、閉弁時における弁体２２によるシール性能を高めることができる。

また、ガイド部材５２により可動鉄心４８の一端の内周を支持する構成としたことにより、外周を支持する構成よりも加工精度を向上させることができる。可動鉄心４８に軸ずれや傾きが弁体の作動に影響し難いことにより、逆に可動鉄心４８の加工精度を緩和することも可能となる。

［第２実施形態］
本実施形態の電磁弁は、第２弁体および調心機構の構成が第１実施形態と相異する。以下では第１実施形態との相異点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付す等してその説明を省略する。図６は、第２実施形態に係る電磁弁の構成を表す部分拡大断面図であり、第１実施形態の図３に対応する。

電磁弁２０１は、第１実施形態のような板ばね３４は設けられていない。隔壁１９から円ボス状の支持部２２６が大きく突設され、弁体２２２（「第２弁体」として機能する）が軸線方向に支持されている。弁体２２２は、支持部２２６に挿通される大径の本体２８０を有する。本体２８０の上部にフランジ部８６が設けられ、下部に支持部８４が設けられている。支持部２２６と弁孔１４とが同軸状であることから、弁体２２２は、軸線に沿って摺動可能に支持されている。すなわち、この支持部２２６によって弁体２２２をガイドする機構が、「調心機構」を構成する。また、本体２８０の外周面が部分的に切り欠かれ、弁孔１４と作動室１８とを連通させる連通路２８２が形成されている。このような構成によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
本実施形態の電磁弁は、常開型の弁（非通電時に全開状態となる弁）である点で第１実施形態と相異する。以下では第１実施形態との相異点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付す等してその説明を省略する。図７は、第３実施形態に係る電磁弁の構成を表す断面図である。

電磁弁３０１は、弁本体２とソレノイド３０３とを組み付けて構成される。ソレノイド３０３は、ボビン４０に挿通された有底円筒状のスリーブ３４５と、第１ヨーク６０と一体に設けられた固定鉄心３４６と、スリーブ３４５の内方にて固定鉄心３４６と軸線方向に対向配置される可動鉄心３４８とを含む。可動鉄心３４８と固定鉄心３４６との上下の位置関係が、第１実施形態とは逆となっている。スリーブ３４５は、第２ヨーク６２を貫通し、その底部が上方に露出し、下端部が固定鉄心３４６に組み付けられている。

スリーブ３４５の底部には、樹脂製のガイド部材３５２が固定されている。ガイド部材３５２は、円板状の本体３１０と、本体３１０の下面中央に突設されたガイド部３１２とを有する。可動鉄心３４８の上端部が円筒状の筒状部３５６となっており、ガイド部３１２が挿通されている。ガイド部３１２は、筒状部３５６を軸線方向に摺動可能に支持する滑り軸受として機能する。

可動鉄心３４８は、下方に向けて段階的に小径化される段付円柱状をなし、その下部に連結部材３５４が同軸状に固定されている。可動鉄心３４８の下面中央には円孔状の凹部３６０が形成されている。連結部材３５４は、ロッド状をなし、その上端部が凹部３６０に圧入されている。連結部材３５４の下端部が円錐状（テーパ状）をなし、その先端が弁体２２の上面中央に点接触態様で接続される。すなわち、連結部材３５４は「作動連結部」として機能する。

可動鉄心３４８の外周面とスリーブ３４５の内周面との間には、比較的大きな空間Ｓが形成されている。空間Ｓは「磁気漏洩防止空間」として機能する。

次に、電磁弁３０１の動作について説明する。
図８は、電磁弁の動作を表す図であり、ソレノイド３０３へ通電がなされたときの状態を示す。図８（Ａ）および（Ｂ）は、閉弁過程の動作を示す。既に説明した図７は、ソレノイド３０３の非通電状態を示す。

図７に示すように、ソレノイド３０３がオフの状態では、固定鉄心３４６と可動鉄心３４８との間に吸引力が作用しない。このため、スプリング５８の付勢力により可動鉄心３４８が上方（開弁方向）に付勢される。可動鉄心３４８は、その上端面がガイド部材３５２に係止されることで、その上方への変位が規制される。このとき、スプリング３６の付勢力によって弁体２２が押し上げられ、シール部が全開状態となる。弁体２２により弁体２０も引き上げられるため、弁部も全開状態となる。

ソレノイド３０３がオンにされると、固定鉄心３４６と可動鉄心３４８との間に吸引力が作用する。ソレノイド３０３への供給電流値を高めていくと、まず図８（Ａ）に示すように、弁体２０が閉弁作動を開始し、やがて弁体２０が弁座２４に着座して弁部を閉じる。この過程において、ソレノイド３０３への供給電流値に応じて、弁部の開度が比例的に制御される。供給電流値が所定値を超えるまでは、シール部は開放された状態を保つ。

この閉弁過程において、図中太い二点鎖線にて示すような磁気回路が形成される。すなわち、弁部の開度が所定値以下となったときに、可動鉄心３４８と固定鉄心３４６とが径方向にオーバラップし、弁開度が小さくなるにつれてそのオーバラップ量が大きくなる。このようにして可動鉄心３４８と固定鉄心３４６との間の磁気通路を半径方向にずらすことで、両者が接近してもその位置関係によって磁気吸引力が急激に増大することを防止できる。これにより、供給電流値の変化に対して吸引力を細かく変化させることができ、比例制御を精密に行えるようにしている。

供給電流値が所定値を超えると、弁体２２に閉弁方向の差圧（Ｐ１−Ｐ２）が作用するようになる。その結果、図８（Ｂ）に示すように、弁体２２が速やかに閉弁作動する。なお、開弁作動においては上記と逆の動作を経ることになる。すなわち、弁体２２が弁座２８から離脱してシール部を開いた後、弁体２０が弁座２４から離脱して弁部を開く。このような電磁弁３０１の開閉動作過程において、板ばね３４により弁体２２が軸線に沿って安定にガイドされ、弁体２０も軸線方向に安定に動作する。また、可動鉄心３４８については、一端が点支持、他端が円筒支持される点で第１実施形態と同様である。このため、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第４実施形態］
本実施形態の電磁弁は、可動鉄心の点支持の構成が第１実施形態と相異する。以下では第１実施形態との相異点を中心に説明する。図９は、第４実施形態およびその変形例に係る可動鉄心の支持構成を表す部分拡大断面図である。図９（Ａ）は第４実施形態の構成を示し、図９（Ｂ）はその変形例の構成を示す。

図９（Ａ）に示すように、本実施形態の電磁弁は、開弁作動時においても弁体４２２と可動鉄心４８とが互いの軸線上で点接触するよう促す支持構造を有する。なお、弁体４２２は「第２弁体」として機能する。支持部材４８２の上面中央には、円孔状の凹部４８８が設けられる。凹部４８８は、軸線方向に延出する断面円形状のガイド部４９０と、ガイド部４９０に連設された逆円錐状（テーパ状、すり鉢状）の底部４９２とを有する。

このような構成によれば、開弁時における可動鉄心４８と弁体４２２との作動連結状態をより安定化させることができる。すなわち、第１実施形態の構成では、流量制御範囲において可動鉄心４８が開弁方向に作動すると、スプリング３６の付勢力によって弁体２２がこれに追従する。このとき、磁気吸引力にアンバランス等があると、作動連結部５４の先端が凹部４８８のテーパ面に沿ってせり上がる可能性がある。そうすると、弁体２２と可動鉄心４８との相対的な位置関係が変化し、弁体２２のリフト量が制御指令値からずれ、精密な比例制御に影響を与える可能性がある。

この点、本実施形態によれば、作動連結部５４の先端が底部４９２の傾斜面に沿ってせり上がろうとしても、ガイド部４９０が作動連結部５４の側面に当接してこれを規制するように機能する。すなわち、弁体４２２が作動連結部５４の半径方向への相対変位を制限する。その結果、弁体４２２と可動鉄心４８とが互いの軸線上で点接触する状態を維持し易くなり、高精度な比例制御を維持することができる。ただし、可動鉄心４８に軸ずれや傾きが生じたときに弁体４２２ひいては弁体２０に与える影響を少なく維持できるよう、ガイド部４９０と作動連結部５４との間のクリアランスが十分に確保されている。すなわち、これらの間のクリアランスは、図１に示した可動鉄心４８と段付孔６３とのクリアランスよりも小さく、かつガイド部材５２と筒状部５６とのクリアランスよりも十分に大きくされている。

図９（Ｂ）に示す変形例では、可動鉄心５４８の下面中央に小径円柱状の作動連結部５５４が突設されている。作動連結部５５４は、円柱状の基端部５５６と、円錐状（テーパ状）の先端部５５８を有する。弁体５２２は、支持部材５８２を有し、「第２弁体」として機能する。その支持部材５８２の上面中央に円孔状の凹部５８８が設けられている。凹部５８８は、第４実施形態のガイド部４９０よりも軸線方向にやや長いガイド部５９０を有する。ガイド部５９０と作動連結部５５４との間のクリアランスは、筒状部５６とガイド部材５２とのクリアランスよりも十分に大きくされている。このような構成によっても、第４実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本実施形態および変形例は、第１実施形態のような常閉型の電磁弁に適用したが、第２実施形態のような常開型の電磁弁（図７参照）に適用してもよい。流量制御範囲において供給電流値を弱めるなどして可動鉄心４８が開弁方向に作動するときに、上述した作用効果を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上記実施形態では、作動連結部５４および連結部材３５４の凸形状として円錐状、支持部材８２の凹形状として逆円錐状（すり鉢状）を採用したが、例えば前者の凸形状として凸球面状、後者の凹形状として凹球面状を採用してもよい。その場合、凹球面の曲率半径が凸球面の曲率半径よりも大きくなるようにする。また、両者の球面の中心が軸線上に位置するようにする。

上記実施形態では、作動連結部５４および連結部材３５４の凸形状と支持部材８２の凹形状との接続により両者の点接触態様を実現したが、この凹凸形状を入れ替えてもよい。すなわち、作動連結部５４および連結部材３５４の軸線上に凹形状の接続部、支持部材８２の軸線上に凸形状の接続部をそれぞれ設け、両者の点接触態様を実現してもよい。その場合、凹凸形状をテーパ状（円錐状）としてもよいし、球面状としてもよい。

上記実施形態では、弁体２２と支持部材８２とを別部材とし、弁体２２の底部中央を支持部材８２で閉止する構成を例示した。変形例においては、弁体２２を単一部材により有底筒状に構成してもよい。

上記実施形態では、弁体２０をニードル形状とする例を示した。変形例においては、２０を球状のボール弁体とするなど、弁孔１４に向けて小径化する先端部を有する形状としてもよい。

上記第１実施形態では、調心機構として板ばね３４を設ける例を示した。変形例においては、これに代えてダイヤフラム等の圧力応動体を採用してもよい。半径方向にある程度の剛性を有するように形成すれば、調心機構として機能し得る。

上記実施形態では、弁体２０，２２が弁部の上流側に配置される構成を例示した。変形例においては、それらの弁体が弁部の下流側に配置されてもよい。ただし、差圧による弁部の高い閉止性能およびシール部の高いシール性能を実現するためには、上記実施形態のように両弁体を弁部の上流側に配置するのが好ましい。

上記実施形態では、可動鉄心の一端を点支持、他端を円筒支持（摺動支持）とするために、可動鉄心の他端を円筒状（凹状）に構成し、凸状のガイド部材を挿入する構成とした。変形例においては、その凹凸関係を逆にしてもよい。すなわち、可動鉄心の他端を凸形状とし、ガイド部材に設けた凹状部分に挿通する構成としてもよい。その場合にも、可動鉄心の他端部を固定鉄心の凹部に挿通可能にし、両者をオーバラップ可能な構成とするのが好ましい。それにより、上記磁気漏洩防止空間を大きくすることができる。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

１ 電磁弁、３ ソレノイド、５ ボディ、１０ 導入ポート、１２ 導出ポート、１４ 弁孔、１８ 作動室、２０ 弁体、２２ 弁体、２４ 弁座、２８ 弁座、３４ 板ばね、３６ スプリング、３８ スプリング、４２ 電磁コイル、４５ スリーブ、４６ 固定鉄心、４８ 可動鉄心、５０ 凹部、５２ ガイド部材、５４ 作動連結部、５６ 筒状部、５８ スプリング、８２ 支持部材、８４ 支持部、８８ 凹部、２０１ 電磁弁、２２２ 弁体、２２６ 支持部、３０１ 電磁弁、３０３ ソレノイド、３４５ スリーブ、３４６ 固定鉄心、３４８ 可動鉄心、３５２ ガイド部材、３５４ 連結部材、３５６ 筒状部、Ｓ 空間、Ｓ２ 内部空間。

Claims (9)

1. 流体を導入するための導入ポートと、流体を導出するための導出ポートと、前記導入ポートと前記導出ポートとをつなぐ流体通路に設けられた弁孔と、を有するボディと、
   前記弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、
   固定鉄心と可動鉄心とを同軸状に有し、前記固定鉄心が前記ボディに対して固定され、前記可動鉄心に前記弁体に向けて延在する作動連結部が設けられたソレノイドと、
   前記弁体および前記可動鉄心の一方を他方に向けて付勢する付勢部材と、
   前記可動鉄心に向けて同軸状に延出する非磁性のガイド部材と、
   を備え、
   前記可動鉄心は、前記作動連結部とは反対側端部に筒状部を有し、
   前記作動連結部が前記弁体に点接触態様で接続される一方、前記ガイド部材が軸受として前記筒状部に挿通されることにより、前記可動鉄心は、一端側が点支持され、他端側が軸線方向に摺動可能に支持されることを特徴とする電磁弁。
2. 前記点接触態様は、前記作動連結部と前記弁体の互いの当接面の一方に設けられた凸形状と他方に設けられた凹形状とにより実現されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記可動鉄心と前記固定鉄心とが近接したときに、両者が径方向にオーバラップすることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁弁。
4. 前記ソレノイドは、
   前記固定鉄心と同軸状に固定され、前記可動鉄心を挿通する非磁性のスリーブと、
   前記スリーブを挿通するように設けられたボビンと、
   前記ボビンに巻回された電磁コイルと、
   前記電磁コイルを外側から取り囲むヨークと、
   を含み、
   前記可動鉄心が前記固定鉄心に向けて小径化される形状を有することにより、前記可動鉄心の外周面と前記スリーブの内周面との間に磁気漏洩防止空間が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁弁。
5. 前記弁孔の上流側に前記ソレノイドの内部に連通する作動室が画成され、
   前記弁体が前記作動室に配置され、
   前記作動室に配置され、前記弁体の軸線方向の動作をガイドする調心機構をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電磁弁。
6. 前記調心機構が板ばねからなり、
   前記板ばねは、
   外周部が前記ボディに固定され、内周部が前記弁体を支持し、
   流体を軸線方向に通過させることが可能な形状を有することを特徴とする請求項５に記載の電磁弁。
7. 前記弁孔の開口端部に設けられた第１弁座と、
   前記第１弁座を同心状に取り囲むように設けられた第２弁座と、
   前記弁孔に向けて小径化する先端部を有し、前記第１弁座に接離して弁部の開度を調整する第１弁体と、
   前記弁孔に向けて開口する内部空間を有し、前記第１弁体を前記内部空間に部分的に収容しつつ軸線方向に変位可能に支持する一方、前記第２弁座に着脱してシール部を開閉する前記弁体としての第２弁体と、
   前記第１弁体を前記第２弁体の先端部から突出させる方向に付勢するもう一つの付勢部材と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電磁弁。
8. 前記弁体は、前記作動連結部の半径方向への相対変位を制限するためのガイド部を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電磁弁。
9. 前記ガイド部は、前記作動連結部の先端部を受け入れる凹部を構成し、
   前記ガイド部と前記作動連結部との間のクリアランスが、前記ガイド部材と前記筒状部とのクリアランスよりも大きくされていることを特徴とする請求項８に記載の電磁弁。

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