JP2022181654A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】ソレノイド装置の大型化を防止し、スプール弁を大径化し、流体の流量を増大させるとともに、スプール弁の円滑な移動が可能な電磁弁を提供する。【解決手段】弁機構１０は貫通孔２００と側孔２０１とを備える筒状のノズル２０と、貫通孔２００に挿入され、貫通孔３００と軸Ｏ方向に沿った移動により側孔２０１との連通状態および非連通状態をとり得る側孔３０１１とを備えるスプール弁３０とを有する。スプール弁３０は、プランジャ３に連結され、ノズル２０と離間して配置された小径部３０２と、外径および内径が前記小径部３０２の外径および内径より大きい大径部３０１とを備える。大径部３０１は第２側孔３０１１を備え、小径部３０２は径方向外側に開口して小径部３０２とノズル２０との間の空間２０３と繋がる第３側孔３０２１を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁弁に関する。

流路の開閉を行う調量弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の調量弁は、開口部の開口面積を調整する弁体と、弁体を所定の方向へ付勢する付勢手段と、コイルに通電されると、弁体を付勢手段の付勢力に抗して吸引するステータとを備えている。

特開２００７－９２７１４号公報

しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献１に記載の調量弁では、流体の流量を大きくすべく弁体を大径化すれば、ステータ等を含む電磁部も大型化する必要がある。
本発明の目的は、ソレノイド装置の大型化を防止しつつ、スプール弁を大径化することで、弁機構を通過する流体の流量を増大させるとともに、スプール弁の円滑な移動が可能な電磁弁を提供することにある。

本発明の電磁弁の一つの態様は、ソレノイド装置と、前記ソレノイド装置に装着された弁機構とを備え、
前記ソレノイド装置は、
筒状のボビンと、
前記ボビンの軸方向一方側に挿入され、軸方向に沿って移動可能なプランジャと、
前記ボビンの軸方向他方側に挿入されたヨークと、
前記ボビンの外周部に巻き回され、通電に伴い磁力を生じて前記プランジャを軸方向に移動させるコイルとを有し、
前記弁機構は、
軸方向に沿って貫通した第１貫通孔と、径方向外側に開口する第１側孔とを有する筒状のノズルと、
前記第１貫通孔に挿入され、前記プランジャとともに軸方向に沿って移動可能なスプール弁であって、軸方向に沿って貫通した第２貫通孔と、径方向外側に開口するとともに、軸方向に沿った移動により前記第１側孔との連通状態および非連通状態をとり得る第２側孔とを備える筒状のスプール弁とを有し、
前記スプール弁は、前記プランジャに連結されるとともに、前記ノズルと離間して配置された小径部と、前記小径部より軸方向一方側に位置に位置するとともに、外径および内径が前記小径部の外径および内径より大きい大径部とを備え、
前記大径部は、前記第２側孔を備え、前記小径部は、径方向外側に開口して前記小径部と前記ノズルとの間の空間と繋がる第３側孔を備えることを特徴とする。

本発明の電磁弁の一つの態様によれば、スプール弁を大径部と小径部とを有する構成としたので、ソレノイド装置の大型化を防止しつつ、スプール弁を大径化することにより、弁機構を通過する流体の流量を増大させ得る。特に、スプール弁の小径部に側孔を設けたので、大径部と小径部との間に存在する段差部の軸方向の両側にかかる流体による圧力差を相殺して、スプール弁に対する流体による負荷の軽減により、ソレノイド装置の必要推力が増大するのを抑制することができる。

図１は、電磁弁の実施形態を示す断面図である。

図１を参照して、本発明の電磁弁の実施形態について説明する。
なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定する。一例として、Ｘ軸とＹ軸とを含むＸＹ平面が水平、Ｚ軸が鉛直となっている。
また、Ｘ軸方向が「軸Ｏ方向」であり、軸Ｏを中心とする径方向を単に「径方向」と言い、軸Ｏを中心とする周方向を単に「周方向」と言うことがある。

そして、Ｘ軸方向正側が「軸Ｏ方向一方側」に対応し、Ｘ軸方向負側が「軸Ｏ方向他方側」に対応する。
本明細書中において、上下方向、水平方向、上側および下側とは、単に各部の相対的な位置関係を説明するために使用する用語である。したがって、各部の実際の位置関係等は、これらの用語で示される位置関係等と異なっていてもよい。

図１に示すように、電磁弁１００は、ソレノイド装置１と、ソレノイド装置１のＸ軸方向正側に装着された弁機構１０とを備えている。
電磁弁１００は、例えば自動車に搭載され、液体、気体等の流体Ｑの通過と遮断とを切り換える切換装置として用いられる。
ソレノイド装置１は、ボビン２と、プランジャ３と、コイル４と、ヨーク（固定コア）５と、リング部材７と、コイルバネ（付勢部材）８と、ケース９とを有している。
ボビン２は、貫通孔２１を有する筒状の部材である。貫通孔２１は、Ｘ軸方向に沿ってボビン２を貫通している。また、貫通孔２１の直径は、Ｘ軸方向に沿ってほぼ一定である。

ボビン２は、例えば、ポリエステルやポリイミド等の各種樹脂材料で構成されている。
ボビン２の外周部２２には、導電性を有する線材が巻回されることにより形成されたコイル４が配置されている。
ボビン２の貫通孔２１には、Ｘ軸方向正側からプランジャ３が、また、Ｘ軸方向負側からヨーク５がそれぞれ挿入されている。
プランジャ３およびヨーク５は、それぞれ、例えば、鉄のような磁性材料（磁性を有する金属材料）で構成されている。

上記コイル４への通電に伴って、磁界（磁力）が発生することによりヨーク５が励磁される。そして、この励磁されたヨーク５にプランジャ３が吸引される。これにより、プランジャ３をＸ軸方向に沿って移動させることができる。すなわち、プランジャ３は、Ｘ軸方向に沿って移動可能にボビン２に支持されている。
ヨーク５は、そのＸ軸方向負側の端部に、径方向外側に向かって突出する固定部５９を有している。この固定部５９がボビン２に接触することにより、ヨーク５がボビン２（コイル４）に対してＸ軸方向における位置決めがなされている。

ヨーク５は、そのＸ軸方向正側の面に、Ｘ軸方向負側に凹む凹部５１を有している。この凹部５１は、軸Ｏ（Ｘ軸）に直交する底面５１１と、内周面（第２傾斜面）５１２とを備えている。
内周面５１２は、Ｘ軸方向負側から正側に向かって軸Ｏから遠ざかるように、軸Ｏに対して傾斜している。換言すれば、凹部５１の直径は、Ｘ軸方向負側から正側に向かって漸増している。
底面５１１の径方向中心部には、Ｘ軸方向負側に凹む凹部５２が形成されている。この凹部５２は、コイルバネ８を収容する収容部の一部を構成する。

ヨーク５の固定部５９とボビン２との間にはガスケット６１が、また、リング部材７とボビン２との間にはガスケット６２が、それぞれ圧縮された状態で配置されている。
これらのガスケット６１、６２は、リング状をなし、ボビン２の貫通孔２１と同心状に配置されている。ガスケット６１、６２の存在により、ボビン２と、固定部５９およびリング部材７との間を気密的に封止している。
なお、ガスケット６１、６２は、例えば、ウレタンゴム等の弾性材料で構成されている。

プランジャ３は、そのＸ軸方向正側の面に、Ｘ軸方向負側に凹む凹部３１を有している。この凹部３１に、弁機構１０のスプール弁３０（小径部３０２）が圧入されている。これにより、スプール弁３０は、プランジャ３に連結され、プランジャ３とともにＸ軸方向に沿って移動することができる。
また、プランジャ３は、そのＸ軸方向負側の面に、Ｘ軸方向正側に凹む凹部３２を有している。この凹部３２は、コイルバネ８を収容する収容部の一部を構成する。
本実施形態では、凹部３１と凹部３２とは、プランジャ３のＸ軸方向に沿って貫通する貫通孔で繋がっている。この貫通孔の直径は、凹部３１および凹部３２の直径より小さく設定されている。このため、凹部３１と凹部３２との境界部には、突出部３３が形成されている。

プランジャ３は、そのＸ軸方向負側の端部に、外周面（第１傾斜面）３４を有している。外周面３４は、Ｘ軸方向正側から負側に向かって軸Ｏに近づくように、軸Ｏに対して傾斜している。換言すれば、プランジャ３のＸ軸方向負側の端部の外径は、Ｘ軸方向正側から負側に向かって漸減している。
プランジャ３が最もヨーク５に接近した状態で、プランジャ３のＸ軸方向負側の端部は、ヨーク５の凹部５１内に位置する。そして、プランジャ３の外周面３４は、凹部５１の内周面５１２と対向する。かかる構成により、プランジャ３とヨーク５との間に干渉が生じ難くして、これらの接近および離間を円滑に行うことができる。

プランジャ３とヨーク５との間には、プランジャ３をＸ軸方向正側に付勢するコイルバネ８が配置されている。
コイルバネ８は、そのＸ軸方向正側がプランジャ３の凹部３２に、Ｘ軸方向負側がヨーク５の凹部５２に収容されている。すなわち、本実施形態では、凹部（プランジャ側凹部）３２と凹部（ヨーク側凹部）５２とにより、コイルバネ８を収容する収容部が構成されている。
ヨーク５の非励磁状態において、コイルバネ８は、プランジャ３をＸ軸方向正側に向かって移動させることができる。したがって、ヨーク５を励磁状態と非励磁状態とに切り換えることにより、プランジャ３をＸ軸方向に沿って負側と正側とに交互に移動（すなわち、往復動）させ得る。

本実施形態では、凹部３２は、開口３２１においてプランジャ３のＸ軸方向負側に開口し、この開口３２１側から底部３２２側に向かって（Ｘ軸方向に沿って）、その直径が漸減している。一方、凹部５２は、開口５２１においてヨーク５のＸ軸方向正側（凹部５１の底面５１１）に開口し、この開口５２１側から底部５２２に向かって（Ｘ軸方向に沿って）、その直径がほぼ一定である。
かかる構成により、仮に、コイルバネ８が傾斜しても、プランジャ３の開口３２１付近およびヨーク５の開口５２１付近に噛み込むのを防止することができる。よって、ソレノイド装置１の正確かつ安定的な動作が可能となる。

また、本実施形態では、凹部３２の開口３２１の直径は、凹部５２の開口５２１の直径とほぼ等しい。かかる構成により、コイルバネ８が、コイルバネ８のプランジャ３の開口３２１付近およびヨーク５の開口５２１付近に噛み込むのをより確実に防止することができる。
なお、本明細書中において、「ほぼ一定」とは、一定である態様の他、若干変化している態様を含む概念であり、「ほぼ等しい」とは、完全に一致する態様の他、若干サイズに違いがある態様を含む概念である。
凹部３２の開口３２１の直径および凹部５２の開口５２１の直径は、それぞれコイルバネ８の外径の１．０５～１．３倍程度であることが好ましい。

また、かかる構成において、コイルバネ８のＸ軸方向正側の端部は、突出部３３に接触するとともに、プランジャ３の凹部３２の底部３２２付近に固定されている。一方、コイルバネ８のＸ軸方向負側の端部は、ヨーク５の凹部５２に固定されることなく、軸Ｏと直交する方向に移動（変位）可能となっている。すなわち、コイルバネ８は、そのＸ軸方向正側の端が固定端であり、Ｘ軸方向負側の端が自由端である。これにより、コイルバネ８がプランジャ３に片持ち支持されるため、仮に、コイルバネ８が傾斜しても、本来の位置に円滑に戻り易くなる。
なお、凹部３２の構成と凹部５２の構成とを上記と逆の構成としてもよい。この場合、コイルバネ８がヨーク５に片持ち支持されるように構成することができる。

ケース９は、ボビン２、プランジャ３、コイル４、ヨーク５、リング部材７およびコイルバネ８等を収納している。ケース９は、ケース本体９１と、コネクタ部材９２とを有している。
ケース本体９１は、Ｘ軸方向に沿って延びる筒状の部材である。そして、ケース本体９１の２つの開口縁部をそれぞれカシメることにより、ノズル２０の固定部２０２の外周縁部およびヨーク５の固定部５９の外周縁部が覆われている。これにより、ボビン２、プランジャ３、コイル４、ヨーク５、リング部材７およびコイルバネ８等がケース９内に収容された状態で、各部が固定され、ソレノイド装置１が組み立てられる。

ケース本体９１は、ヨーク５と同様に、例えば、鉄のような磁性材料等で構成されている。
コネクタ部材９２には、コイル４への通電を行うコネクタ（図示せず）が接続される。コネクタ部材９２は、ボビン２と同様に、例えば、樹脂材料で構成されている。
以上のようなソレノイド装置１のＸ軸方向正側には、弁機構１０が装着されている。
弁機構１０は、円筒状のノズル２０と、このノズル２０内にＸ軸方向に沿って移動可能に配置された円筒状のスプール弁３０とを備えている。

ノズル２０は、Ｘ軸方向に沿って貫通した貫通孔（第１貫通孔）２００と、筒壁を貫通して径方向外側に開口する側孔（第１側孔）２０１とを有している。ノズル２０の貫通孔２００には、スプール弁３０が挿入されている。
ノズル２０は、例えば、ステンレス鋼のような非磁性材料（磁性を有さない金属材料）で構成されている。
また、ノズル２０の外周部には、複数のシール部材４０がＸ軸方向に沿って間隔を置いて配置されている。各シール部材４０は、弾性を有するリング状の部材であり、例えば、ウレタンゴム等の弾性材料で構成されている。

ノズル２０は、そのＸ軸方向負側の端部に、径方向外側に向かって突出する固定部２０２を有している。この固定部２０２の外周縁部に、ソレノイド装置１のケース９（ケース本体９１）のＸ軸方向正側の開口縁部がカシメられている。これにより、弁機構１０がソレノイド装置１に連結されている。
また、固定部２０２とソレノイド装置１（リング部材７）との間には、ガスケット５０が圧縮された状態で配置されている。このガスケット５０の存在により、弁機構１０とソレノイド装置１との間が気密的に封止されている。なお、ガスケット５０は、例えば、ウレタンゴム等の弾性材料で構成されている。

ノズル２０は、さらに、貫通孔２００内に径方向内側に向かって突出するフランジ部２０４を有している。このフランジ部２０４は、スプール弁３０の大径部３０１とプランジャ３との間に位置している。プランジャ３がＸ軸方向正側に移動すると、フランジ部２０４に接触することにより、それ以上のＸ軸方向正側への移動が規制される。
スプール弁３０は、Ｘ軸方向に沿って貫通した貫通孔（第２貫通孔）３００を備えている。
また、スプール弁３０は、小径部３０２と、小径部３０２よりＸ軸方向正側に位置する大径部３０１とを備えている。したがって、大径部３０１と小径部３０２との間は、段差部３０３が存在する。

大径部３０１は、筒壁を貫通して径方向外側に開口する側孔（第２側孔）３０１１を有している。
かかる構成により、スプール弁３０は、Ｘ軸方向に沿って移動することにより、側孔３０１１が側孔２０１と連通した状態（連通状態）および側孔２０１との連通が遮断された状態（非連通状態）をとることができる。換言すれば、スプール弁３０は、側孔２０１の開口面積を変更することができる。これにより、スプール弁３０は、側孔２０１および側孔３０１１を介して流入した後、貫通孔３００および貫通孔２００をＸ軸方向正側に向かって通過する流体Ｑの流量を調整することができる。

大径部３０１は、その外径および内径が小径部３０２の外径および内径より大きく設定されている。かかる大径部３０１を設けることにより、スプール弁３０の大径化を図り、よって、ノズル２０（弁機構１０）を通過する流体Ｑの流量を増大させることができる。
一方、小径部３０２は、プランジャ３の凹部３２に圧入され、スプール弁３０がプランジャ３に連結されている。これにより、スプール弁３０がプランジャ３とともにＸ軸方向に沿って移動することができる。かかる小径部３０２を設けることにより、ソレノイド装置１を大型化することなく、スプール弁３０をソレノイド装置１（プランジャ３）に連結することができる。

また、小径部３０２は、ノズル２０と離間して配置されており、ノズル２０との間に空間２０３が形成されている。
小径部３０２は、筒壁を貫通して径方向外側に開口する側孔（第３側孔）３０２１を備えている。この側孔３０２１は、上記空間２０３と繋がっている。
このため、側孔２０１および側孔３０１１を介して流入する流体Ｑの一部は、貫通孔３００をＸ軸方向負側に向かって通過し、側孔３０２１を介して空間２０３に流れ込む。これにより、図１中太い矢印で示すように、段差部３０３のＸ軸方向正側の面および負側の面にかかる流体Ｑによる圧力を均等化（圧力差を相殺）することができる。よって、スプール弁３０の流体Ｑによる負荷を軽減し、ソレノイド装置１の必要推力が増大することを抑制することができる。

このような構成のスプール弁３０において、大径部３０１の外径は、ノズル２０の内径とほぼ等しく設定されている。これにより、大径部３０１とノズル２０との隙間を介して、流体Ｑが空間２０３に流れ込むのを防止または抑制して、段差部３０３のＸ軸方向正側の面および負側の面にかかる流体Ｑによる圧力をより確実に均等化することができる。
また、側孔３０２１の直径は、側孔２０１の直径より小さく設定されている。これにより、側孔２０１および側孔３０１１を介して流入した後、貫通孔３００および貫通孔２００をＸ軸方向正側に向かって通過する流体Ｑの円滑な流れを十分に確保することができる。

なお、本実施形態では、側孔３０１１の直径は、側孔３０２１の直径および側孔２０１の直径より大きく設定されている。これにより、上記効果がより良好に得られるようになっている。
また、スプール弁３０は、例えば、ステンレス鋼のような非磁性材料で構成されている。この場合、スプール弁３０が励磁（磁化）されないため、流体Ｑに鉄粉等のコンタミが混入していても、スプール弁３０に吸着し難く、コンタミによりスプール弁３０の円滑な動きが阻害されるのを防止することができる。

以上、本発明の電磁弁を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、電磁弁を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
例えば、プランジャ３の凹部３１と凹部３２とは繋がっていなくてもよい。
また、電磁弁１００は、流体Ｑが弁機構１０のＸ軸方向正側の大開口から流入し、貫通孔２００および貫通孔３００を通過した後、側孔３０１１および側孔２０１を介して弁機構１０の径方向外側に流出するように使用することもできる。
また、付勢部材は、コイルバネに限らず、板バネ、トーションバネ等であってもよい。

１…ソレノイド装置、２…ボビン、２１…貫通孔、２２…外周部、３…プランジャ、３１…凹部、３２…凹部、３２１…開口、３２２…底部、３３…突出部、３４…外周面、４…コイル、５…ヨーク、５１…凹部、５１１…底面、５１２…内周面、５２…凹部、５２１…開口、５３２…底部、５９…固定部、５０…ガスケット、６１、６２…ガスケット、７…リング部材、８…コイルバネ、９…ケース、９１…ケース本体、９２…コネクタ部材、Ｏ…軸、１０…弁機構、２０…ノズル、２００…貫通孔、２０１…側孔、２０２…固定部、２０３…空間、２０４…フランジ部、３０…スプール弁、３００…貫通孔、３０１…大径部、３０１１…側孔、３０２…小径部、３０２１…側孔、３０３…段差部、４０…シール部材、１００…電磁弁、Ｑ…流体

Claims (9)

1. ソレノイド装置と、前記ソレノイド装置に装着された弁機構とを備え、
   前記ソレノイド装置は、
   筒状のボビンと、
   前記ボビンの軸方向一方側に挿入され、軸方向に沿って移動可能なプランジャと、
   前記ボビンの軸方向他方側に挿入されたヨークと、
   前記ボビンの外周部に巻き回され、通電に伴い磁力を生じて前記プランジャを軸方向に移動させるコイルとを有し、
   前記弁機構は、
   軸方向に沿って貫通した第１貫通孔と、径方向外側に開口する第１側孔とを有する筒状のノズルと、
   前記第１貫通孔に挿入され、前記プランジャとともに軸方向に沿って移動可能なスプール弁であって、軸方向に沿って貫通した第２貫通孔と、径方向外側に開口するとともに、軸方向に沿った移動により前記第１側孔との連通状態および非連通状態をとり得る第２側孔とを備える筒状のスプール弁とを有し、
   前記スプール弁は、前記プランジャに連結されるとともに、前記ノズルと離間して配置された小径部と、前記小径部より軸方向一方側に位置に位置するとともに、外径および内径が前記小径部の外径および内径より大きい大径部とを備え、
   前記大径部は、前記第２側孔を備え、前記小径部は、径方向外側に開口して前記小径部と前記ノズルとの間の空間と繋がる第３側孔を備えることを特徴とする電磁弁。
2. 前記大径部の外径は、前記ノズルの内径とほぼ等しい請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記第３側孔の直径は、前記第１側孔の直径より小さい請求項１または２に記載の電磁弁。
4. 前記ノズルは、さらに、前記第１貫通孔内に径方向内側に向かって突出し、前記スプール弁の前記大径部と前記プランジャとの間に位置するフランジ部を備える請求項１～３のいずれか１項に記載の電磁弁。
5. 前記ソレノイド装置は、さらに、前記プランジャと前記ヨークとの間に配置され、前記プランジャを軸方向一方側に付勢する付勢部材を有する請求項１～４のいずれか１項に記載の電磁弁。
6. 前記ソレノイド装置は、さらに、前記付勢部材を収容する収容部を有し、
   前記収容部は、前記プランジャの軸方向他方側に開口するプランジャ側凹部と、前記ヨークの軸方向一方側に開口するヨーク側凹部とを備え、
   前記プランジャ側凹部および前記ヨーク側凹部のいずれか一方の直径が、開口側から軸方向に沿って漸減している請求項５に記載の電磁弁。
7. 前記プランジャ側凹部の前記開口の直径は、前記ヨーク側凹部の前記開口の直径とほぼ等しい請求項６に記載の電磁弁。
8. 前記付勢部材は、前記プランジャおよび前記ヨークのいずれか一方に固定されている請求項５～７のいずれか１項に記載の電磁弁。
9. 前記プランジャは、その軸方向他方側に、軸に対して傾斜する第１傾斜面を有し、
   前記ヨークは、その軸方向一方側に、軸に対して傾斜し、かつ、前記第１傾斜面と対向する第２傾斜面を有する請求項１～８のいずれか１項に記載の電磁弁。

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