JP2019019966A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化または軽量化が可能な電磁弁を提供する。【解決手段】スリーブ２０と、スプール３０と、バネ部材８０と、ソレノイド７０と、を備え、スリーブ２０は、軸方向に沿ってバネ部材８０側から順に、排出ポート２４と、出力ポート２３と、入力ポート２２とを有し、スプール３０は、軸方向に沿ってバネ部材８０側から順に、第１の径Ｌ１を有し排出ポート２４と出力ポート２３との間を開閉する第１ランド部３１と、第１の径Ｌ１よりも小さい第２の径Ｌ２を有し出力ポート２３と入力ポート２２との間を開閉する第２ランド部３２と、を有し、ソレノイド７０が非励磁状態にあるとき、出力ポート２３と入力ポート２２との間が繋がり、出力ポート２３と排出ポート２４との間が遮断される、電磁弁。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁弁に関する。

従来、径の異なる３つのランドを有するスプールを用いた電磁弁が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１４−７０７２７号公報

従来の電磁弁では、出力圧を安定させるためのフィードバック機構を搭載するために、３つのランドを有するスプールが必要であった。そのため、電磁弁の全長が長く、重量も重くなっていた。

本発明の一態様は、小型化または軽量化が可能な電磁弁を提供することを目的の一つとする。

本発明の１つの態様によれば、流体が流通する複数のポートを有し中心軸に沿って配置されるスリーブと、前記スリーブに収容され軸方向の移動に伴い前記ポートを開閉するスプールと、前記スプールを軸方向の一方側へ押すバネ部材と、前記バネ部材の弾性力に対抗して前記スプールを押すソレノイドと、を備え、前記スリーブは、軸方向に沿って前記バネ部材側から順に、排出ポートと、出力ポートと、入力ポートとを有し、前記スプールは、軸方向に沿って前記バネ部材側から順に、第１の径を有し前記排出ポートと出力ポートとの間を開閉する第１ランド部と、前記第１の径よりも小さい第２の径を有し前記出力ポートと前記入力ポートとの間を開閉する第２ランド部と、を有し、前記ソレノイドが非励磁状態にあるとき、前記出力ポートと前記入力ポートとの間が繋がり、前記出力ポートと前記排出ポートとの間が遮断される、電磁弁が提供される。

本発明の態様によれば、小型化または軽量化が可能な電磁弁が提供される。

図１は、実施形態の電磁弁を示す断面図である。 図２は、スプールの側面図および断面図である。 図３は、実施形態の電磁弁における励磁状態を示す断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態の電磁弁を示す断面図である。図２は、スプールの側面図および断面図である。図３は、本実施形態の電磁弁における励磁状態を示す断面図である。

本実施形態において、中心軸Ｊは、図１から図３における左右方向に延びる。以下の説明においては、中心軸Ｊの軸方向を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。

本実施形態の電磁弁１は、スプールバルブ１０と、スプールバルブ１０を駆動するソレノイド７０とを有する。電磁弁１は、ソレノイド７０のコイルへの通電を遮断しているときに弁が開いた状態となるノーマルオープン型のソレノイドバルブである。

スプールバルブ１０は、スリーブ２０と、スプール３０と、固定部５０と、バネ部材８０と、を有する。スリーブ２０は、図示左側の一方の端部においてソレノイド７０に接続される。スリーブ２０内にスプール３０およびバネ部材８０が収容される。固定部５０は、スリーブ２０のソレノイド７０とは反対側の端部に固定される。

スリーブ２０は、中心軸Ｊを中心として軸方向に延びるスプール穴部２１を有する。スプール穴部２１は、スリーブ２０の軸方向両側に開口する。スプール穴部２１の軸方向と直交する断面形状は、円形状である。

スリーブ２０は、入力ポート２２と、出力ポート２３と、第１排出ポート２４と、第２排出ポート２６と、を有する。入力ポート２２、出力ポート２３、第１排出ポート２４、および第２排出ポート２６は、スリーブ２０の径方向外側面からスプール穴部２１の径方向内側面まで貫通する孔であり、スリーブ２０の外部とスプール穴部２１の内部とを繋ぐ。スリーブ２０の周方向において各ポートが開口する位置は、適宜変更可能である。入力ポート２２、出力ポート２３、第１排出ポート２４、および第２排出ポート２６は、軸方向において、ソレノイド７０側から固定部５０側に向かってこの順に配置される。

スプール３０は、中心軸Ｊを中心として軸方向に延びる円柱状である。スプール３０は、中心軸Ｊに沿ってスプール穴部２１内で軸方向に移動可能に配置される。スプール３０のソレノイド７０側の端部は、ソレノイド７０のピン７１と接する。スプール３０の固定部５０側の端部は、バネ部材８０と接する。スプール３０は、固定部５０側から順に、第１ランド部３１と、グルーブ部３０ａと、第２ランド部３２と、を有する。

第１ランド部３１は、第１の径Ｌ１を有する。第２ランド部３２は、第１の径Ｌ１よりも小さい第２の径Ｌ２を有する。グルーブ部３０ａは、第１の径Ｌ１および第２の径Ｌ２よりも小さい径を有する。第１ランド部３１および第２ランド部３２の外径は、それぞれが収容される位置におけるスプール穴部２１の内径とほぼ同じである。

スプール穴部２１は、第１ランド部３１、第２ランド部３２および固定部５０により軸方向に区画される調圧室２１ａとスプリング室２１ｂとを有する。調圧室２１ａは、入力ポート２２、出力ポート２３および第１排出ポート２４に繋がる。スプリング室２１ｂは第２排出ポート２６に繋がる。

グルーブ部３０ａは、第１ランド部３１と第２ランド部３２との間に位置し、調圧室２１ａ内に位置する。グルーブ部３０ａは、第１ランド部３１側の部分において、出力ポート２３と第１排出ポート２４とを通じさせる。グルーブ部３０ａは、第２ランド部３２側の部分において、入力ポート２２と出力ポート２３とを通じさせる。

第２ランド部３２は、図１および図２に示すように、グルーブ部３０ａ側（出力ポート２３側）の端部に、２つのノッチ３５を有する。２つのノッチ３５は、第２ランド部３２の周方向に１８０°間隔で配置される。ノッチ３５は、第２ランド部３２の出力ポート２３側の端面３２ａから第２ランド部３２の外周面に達する。ノッチ３５は、第２ランド部３２の出力ポート２３側の角部を部分的に斜めに切り欠いた形状を有する。すなわちノッチ３５は、軸方向に対して傾斜する斜面部を含む。

２つのノッチ３５が周方向に１８０°隔てて配置されることで、ノッチ３５を流体が通る際に、流体から第２ランド部３２に作用する力が径方向で釣り合う。これにより、スプール３０の傾きが抑制され、スプールバルブ１０は円滑に動作可能である。なお、ノッチ３５の数は３つ以上であってもよい。複数のノッチ３５が軸周りの回転対称位置に配置されることで、スプール３０の傾きが抑制される。

固定部５０は、スリーブ２０のソレノイド７０と反対側の端部に固定され、スプール穴部２１の開口部を閉塞する。
バネ部材８０は、本実施形態ではコイルスプリングである。バネ部材８０は、スプリング室２１ｂに収容される。バネ部材８０は、スプール穴部２１内のスプール３０と固定部５０との間に圧縮された状態で収容され、スプール３０をソレノイド７０側へ押す。

ソレノイド７０は、軸方向に移動可能なピン７１と、ピン７１を駆動する駆動部７２と、駆動部７２とスリーブ２０とを固定するハウジング７３と、駆動部７２に接続されるコネクタ７５と、を有する。

ピン７１は、非磁性材料からなる円柱状のピンである。ピン７１は、中心軸Ｊに沿って配置され、一部が駆動部７２内に挿入される。ピン７１の駆動部７２から突出する部分は、スリーブ２０のスプール穴部２１に挿入される。スプール穴部２１内において、ピン７１とスプール３０とが軸方向に接触する。

駆動部７２は、図示しないプランジャ、コイルおよびコアを有する。プランジャは強磁性材料からなる円柱状の部材であり、円筒状のコアの内側に配置され、駆動部７２内で軸方向に移動可能である。プランジャは、ピン７１のスプール３０と反対側の端部に接触または連結される。コネクタ７５は、駆動部７２のコイルと電気的に接続される。

駆動部７２において、コネクタ７５を介して供給される電力によりコイルが通電されると、コイルにより発生する磁力により、プランジャが軸方向に沿ってスプール３０側へ移動し、ピン７１をスプール３０側へ押す。ピン７１は、バネ部材８０のバネ力に対抗してスプール３０を固定部５０側へ移動させる。

スプール３０がスリーブ２０に対して軸方向に移動することで、入力ポート２２、出力ポート２３、および第１排出ポート２４の連結状態が変化する。
図１に示す状態では、第１ランド部３１によって出力ポート２３と第１排出ポート２４との間が閉塞され、グルーブ部３０ａによって入力ポート２２と出力ポート２３とが連結される。入力ポート２２から流入した流体が出力ポート２３に流出する。
図１に示す状態からスプール３０がスリーブ２０に対して右側に移動すると、図３に示すように、第２ランド部３２によって入力ポート２２と出力ポート２３との間が閉塞され、グルーブ部３０ａによって出力ポート２３と第１排出ポート２４とが連結される。出力ポート２３の流体はグルーブ部３０ａを介して第１排出ポート２４へ流出する。

電磁弁１では、図１に示すオープン状態において、調圧室２１ａ内に、第１ランド部３１のソレノイド７０側の端面３１ａと、第２ランド部３２のバネ部材８０側の端面３２ａとが、軸方向に対向して配置される。第１ランド部３１と第２ランド部３２とは外径に差があり、端面３１ａと端面３２ａの面積が異なる。そのため、グルーブ部３０ａを介して出力ポート２３に流入する流体が端面３１ａ、３２ａを押す力の差により、スプール３０にフィードバック力が生じる。電磁弁１において、出力ポート２３へ流出する流体の圧力は、上記フィードバック力と、バネ部材８０によるバネ力、およびソレノイド７０の電磁力のバランスで決定される。

電磁弁１のフィードバック機構は、入力ポート２２から流入する流体の圧力変動に応じてスプール３０を移動させ、スプールバルブ１０の開度を自動調整する。例えば、入力ポート２２から流入する流体の圧力が大きくなった場合、出力ポート２３から流出する流体の圧力が上昇する。すると、出力ポート２３に繋がる調圧室２１ａ内において、相対的に面積の大きい端面３１ａに作用する圧力が、端面３２ａに作用する圧力よりも大きくなり、スプール３０がバネ部材８０側へ移動する。スプール３０がバネ部材８０側に移動すると、入力ポート２２と出力ポート２３とを繋ぐ流路が狭くなり、出力ポート２３に流れる流体の圧力が低下する。このようにして、出力ポート２３から流出する流体の圧力が一定に維持される。

また電磁弁１では、第２ランド部３２がノッチ３５を有することにより、出力ポート２３の流体圧力の脈動が抑制される。以下、具体的に説明する。
電磁弁１は、調圧室２１ａ内にフィードバック機構を有するため、調圧室２１ａ内の流体圧力が変動するとスプール３０が敏感に反応して移動する。仮に第２ランド部３２がノッチ３５を有さない場合、スプールバルブ１０がクローズ状態からオーブン状態へ移行する際に、入力ポート２２から出力ポート２３へ流体が急激に流れ込む。そうすると、フィードバック機構によるスプール３０の移動速度が過度に大きくなり、スプール３０が停止位置の前後を往復して脈動を生じる。

これに対して、第２ランド部３２がノッチ３５を有する場合には、スプールバルブ１０がクローズ状態からオープン状態へ移行する際に、入力ポート２２の流体は、最初にノッチ３５に流入し、その後に流量が徐々に増加する。これにより、出力ポート２３へ流出する流体流量の増加速度が緩やかになる。したがってフィードバック機構によるスプール３０の移動速度が抑えられ、出力ポート２３の流体圧力の脈動が抑制される。

なお、本実施形態では、スプール３０が第２ランド部３２の角部の一部を切り欠いたノッチ３５を有する構成としたが、第２ランド部３２の端面３２ａの周縁にテーパー状の斜面部を有する構成であってもよい。この構成においても、スプールバルブ１０がクローズ状態からオープン状態に移行する際に、最初に上記斜面部を介して流体が流れるので、出力ポート２３の流体圧力の変動が緩やかになり、脈動が抑制される。

以上に説明したように、電磁弁１は、第１ランド部３１および第２ランド部３２を有するスプール３０を用いた構成により、３つのランド部を備えるスプールを用いた電磁弁と同様の機能を実現できる。したがって、電磁弁１は、従来の電磁弁と比較して、スプールバルブ１０の全長を短くでき、また軽量化が可能である。

また、電磁弁１は、ソレノイド７０が非励磁状態にあるとき出力ポート２３と入力ポート２２との間が繋がり、出力ポート２３と排出ポート２４との間が遮断されるノーマルオープン型の電磁弁であることにより、ノーマルクローズ型の電磁弁として構成する場合と比較して省電力性に優れる。以下、詳細に説明する。
電磁弁１では、図１に示すオープン状態において、ソレノイド７０が非励磁状態であり、かつ、流体圧力とバネ部材８０のバネ力が釣り合った状態である。そのため、オーブン状態から図３に示すクローズ状態に移行する際に、ソレノイド７０は、スプール３０を非常に軽い力で押すことができる。スプール３０が移動して出力ポート２３と排出ポート２４とが連結された以降は、流体圧力が低下するため、ソレノイド７０のみでバネ部材８０のバネ力に対抗することになるが、ソレノイド７０の励磁開始直後にスプール３０からピン７１に作用する力が小さいため、ピン７１の加速度が大きくなり、十分な力でスプール３０を押すことができる。したがって、電磁弁１によれば、ソレノイド７０を小さい電力で励磁しても十分な速度でスプール３０を移動させることができ、消費電力を低減できる。
上記に対して、ノーマルクローズ型の電磁弁では、ソレノイドが非励磁状態にあるときに出力ポートに流体がない。そのため、クローズ状態からオープン状態に移行する際に、ソレノイドは、停止状態のスプールをバネ部材のバネ力に対抗して押すことになる。そのため、ソレノイドの励磁に多くの電力が必要になる。

また本実施形態では、調圧室２１ａとスプリング室２１ｂとの間に、相対的に外径の大きい第１ランド部３１が配置される。スプール３０の外周面とスプール穴部２１の内周面との間には、スプール３０の軸方向移動を許容する程度の隙間があり、この隙間を介して流体が隣の部屋へ僅かにリークする。相対的に大きい外径を有する第１ランド部３１とスプール穴部２１との隙間は、第２ランド部３２とスプール穴部２１との隙間よりも若干大きくなるため、第１ランド部３１を介して調圧室２１ａと隣り合うスプリング室２１ｂへのリークが僅かに多くなる傾向がある。

スプリング室２１ｂにリークした流体は、スプリング室２１ｂ内に溜まる。これにより、スプリング室２１ｂ内のバネ部材８０と流体とが、スプール３０を減速させるダンパーとして機能する。その結果、入力ポート２２に流入する流体の圧力が急激に変動した場合でも、フィードバック機構によるスプール３０の移動を緩やかにすることができ、出力ポート２３の流体圧力の脈動を抑制できる。スプリング室２１ｂ内の余分の流体は、第２排出ポート２６から排出される。

また本実施形態では、スプリング室２１ｂに繋がる第２排出ポート２６の開口部の径が、第１排出ポート２４の開口部の径よりも小さい。この構成により、流体が第２排出ポート２６から外部へ流出する際の抵抗が大きくなるので、バネ部材８０と流体によるダンピング効果が高まる。その結果、出力ポート２３の流体圧力の脈動をさらに抑制できる。

１…電磁弁、２０…スリーブ、２２…入力ポート、２３…出力ポート、２４…第１排出ポート、２４…排出ポート、２６…第２排出ポート、３０…スプール、３１…第１ランド部、３１ａ，３２ａ…端面、３２…第２ランド部、３５…ノッチ、７０…ソレノイド、８０…バネ部材、Ｊ…中心軸、Ｌ１…第１の径、Ｌ２…第２の径

Claims (6)

1. 流体が流通する複数のポートを有し中心軸に沿って配置されるスリーブと、
   前記スリーブに収容され軸方向の移動に伴い前記ポートを開閉するスプールと、
   前記スプールを軸方向の一方側へ押すバネ部材と、
   前記バネ部材の弾性力に対抗して前記スプールを押すソレノイドと、
   を備え、
   前記スリーブは、軸方向に沿って前記バネ部材側から順に、排出ポートと、出力ポートと、入力ポートとを有し、
   前記スプールは、軸方向に沿って前記バネ部材側から順に、第１の径を有し前記排出ポートと出力ポートとの間を開閉する第１ランド部と、前記第１の径よりも小さい第２の径を有し前記出力ポートと前記入力ポートとの間を開閉する第２ランド部と、を有し、
   前記ソレノイドが非励磁状態にあるとき、前記出力ポートと前記入力ポートとの間が繋がり、前記出力ポートと前記排出ポートとの間が遮断される、
   電磁弁。
2. 前記第２ランド部は、前記出力ポート側の端面と前記第２ランド部の外周面との間に、軸方向に対して傾斜する斜面部を有する、請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記第２ランド部は、前記出力ポート側の端面から外周面に達するノッチを有する、請求項２に記載の電磁弁。
4. 前記第２ランド部は、前記ノッチを２つ有し、
   前記２つのノッチは、前記第２ランド部の周方向に１８０°間隔で配置される、請求項３に記載の電磁弁。
5. 前記スリーブは、軸方向に沿って前記出力ポート側よりも前記バネ部材側に位置する第１排出ポートと、前記第１排出ポートの前記バネ部材側に位置する第２排出ポートとを有し、
   前記第１ランド部は、前記出力ポートと前記第２排出ポートとの間に位置し、
   前記第１ランド部は、軸方向の移動に伴って、前記第１排出ポートと前記出力ポートとの間を開閉し、前記第１排出ポートと前記第２排出ポートとの間の遮断状態を維持する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電磁弁。
6. 前記第２排出ポートの開口部の径は、前記第１排出ポートの開口部の径よりも小さい、請求項５に記載の電磁弁。

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