JP2664859B2 - 電磁弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用の機械設備に使
用される電磁弁に関し、さらに詳細には、高い繰り返し
頻度で使用される電磁弁の寿命を長くすることに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、産業用の機械設備において多
数の電磁弁が使用されている。電磁弁の構造を図１に示
す。電磁弁は、上半分のソレノイド部２２と下半分の弁
本体２１とより構成されている。ソレノイド部２２の中
心には、両端部にフランジを有する中空円筒状のコイル
ボビン１４の胴部に銅線が巻かれたコイル１３がある。
コイル１３の外周を囲んで、磁気枠１５が固設されてい
る。コイルボビン１４の上側中空孔に固定鉄心１１が挿
入され固定されている。固定鉄心１１の鍔部は、磁気枠
１に当接し、磁気通路を形成している。

【０００３】コイルボビン１４の下側中空孔には、可動
鉄心１２が摺動可能に嵌合されている。可動鉄心１２の
下側には、ゴム等の弾性体からなる弁体１７が埋め込ま
れて固設されている。可動鉄心１２は、復帰バネ１６に
より下向きに付勢されており、弁体１７が弁座１８に当
接されている。弁本体２１には、弁座１８の中央孔に連
通する入力ポート１９と、弁室２３に連通する出力ポー
ト２０とが形成されている。図１は、コイル１３に通電
されていない状態を示している。すなわち、可動鉄心１
２は、復帰バネ１６により下向きに付勢されており、弁
体１７が弁座１８に当接されている。この状態で、入力
ポート１９の出力ポート２０とは連通していない。コイ
ル１３に通電されると、可動鉄心１２が固定鉄心１１に
吸引され、可動鉄心１２は固定鉄心１１に当接する。こ
れにより、弁体１７が弁座１８から離間され、入力ポー
ト１９と出力ポート２０とが連通される。

【０００４】ここで、可動鉄心１２が固定鉄心１１に当
接されるときに発生する衝突音を小さくし、かつ固定鉄
心１１に吸着されている可動鉄心１２が固定鉄心１１か
ら離脱する応答性を高くすることが一般的に要求されて
いる。また、交流用コイルにおいては、可動鉄心１２が
固定鉄心１１に吸着されているときに、コイル１３に通
電される交流周波数に応じて固定鉄心１１の吸引力が変
化するために発生する、可動鉄心１２の振動音を小さく
することが要求されている。従来より、可動鉄心１２と
固定鉄心１１が当接する面１１ａ，１２ａの平面度が悪
い場合や面粗さが大きい場合に、真の接触面積が少なく
なると共に空隙が多くなることによって、振動音が大き
くなることが知られていた。振動音が大きくなって使用
できなくなった電磁弁を分解して可動鉄心１２の当接面
１２ａを観察すると、表面粗さが最大高さ粗さＲｍａｘ
＝２０μｍを越えているからである。そのため、従来の
電磁弁では、当接面１１ａおよび１２ａを研削加工等に
より、平面度を上げると共に表面粗さを小さくすること
で、上記振動音を小さくできると考え、当接面１１ａお
よび１２ａを研削仕上げにより最大高さ粗さＲｍａｘ＝
２〜６μｍ，中心線平均粗さＲａ＝０．２〜０．６μｍ
程度としていた。

【０００５】図５に従来の電磁弁の当接面１２ａの表面
形状の測定データを示す。図５の（ａ）は研削方向と直
角方向にトレースした時のデータであり、（ｂ）は研削
方向と平行方向にトレースした時のデータである。研削
方向と直角方向にトレースした場合の凹凸は、研削方向
と平行方向にトレースした場合の凹凸と比較してかなり
大きい。このように、直交する方向で凹凸の形状が大き
く異なる面を二次元的な凹凸と称する。当接面１１ａも
当接面１２ａと同様である。上記した最大高さ粗さＲｍ
ａｘ＝２〜６μｍ，中心線平均粗さＲａ＝０．２〜０．
６μｍのデータは研削方向と直交する方向にトレースし
た場合の凹凸のデータである。

【０００６】また、少量のタービン油等の潤滑油を当接
面１２ａに塗布することで潤滑作用およびダンパー作用
により、衝突音や振動音を軽減しようとしていた。ここ
で、潤滑油の粘度が高いと可動鉄心１２が固定鉄心１１
と密着し、可動鉄心１２が固定鉄心１１から離間する時
に、遅れ時間が発生する。その遅れ時間の発生を防止す
るため、当接面に塗布する潤滑油は、工業用潤滑油粘度
分類Ｋ２００１において、ＩＳＯ粘度グレードＶＧ＝５
〜１０程度の粘度の低いさらさらしたものが使用されて
いた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電磁弁では、乾燥度のきわめて高いエアを使用し、少量
の潤滑油を塗布した場合で、寿命は２００万〜５００万
回のものもあり、潤滑油を塗布しない場合には、寿命は
その１／１０程度にとどまっていた。ここで、寿命は、
可動鉄心１２と固定鉄心１１とが当接しているときの振
動音の大きさが所定の値以下であること、および通電が
遮断された時に可動鉄心１２が固定鉄心１１から離脱す
る時間が所定時間以下であることを条件としている。

【０００８】従来、振動音を小さくするため、当接面１
２ａの表面粗さを、研削仕上げにより最大高さ粗さＲｍ
ａｘ＝２〜６μｍ，中心線平均粗さＲａ＝０．２〜０．
６μｍ程度とし、少量の潤滑油を当接面１２ａに塗布し
ていたが、可動鉄心１２が固定鉄心１１に当接離間する
ことを繰り返すことにより塗布された潤滑油が減少し、
それに伴い衝突音が加速度的に増大していた。潤滑油と
して低粘度ＶＧ＝５程度のものを使用していたため、潤
滑油の当接面１２ａへの付着力が小さく、潤滑油が速く
消失する原因となっていた。潤滑油が減少すると衝突音
が加速度的に増大するのは、潤滑油が減少すると、潤滑
効果がなくなり、面同士が直接接触するようになり、摩
耗粉の発生が多くなり、その摩耗粉が研磨材の役割をし
て面の表面粗さが加速度的に増大するためと考えられ
る。

【０００９】このことは、近年、自動製造装置等の高速
化に伴い、電磁弁の使用頻度が急速に増大し、電磁弁の
寿命が短いことが特に問題となっている。例えば、２秒
タクトの自動組立機を２４時間稼働させた場合、１日の
稼働回数は約４万回であり、１及至３カ月程度しか寿命
がないため、電磁弁の交換頻度が短く、また、多数の電
磁弁を使用しているため、交換が煩雑であった。

【００１０】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、耐久性能をアップした電磁弁を
提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の電磁弁は、コイルボビンの外周に導線が巻
かれてなるコイルと、コイルボビン孔の一端に嵌合され
る固定鉄心と、コイルボビン孔の他端に摺動可能に嵌合
され、コイル通電時に固定鉄心に吸着される可動鉄心
と、該可動鉄心の駆動により開閉されて、ポートの連通
を切り換える弁座とを有する電磁弁において、（１）可
動鉄心の固定鉄心と当接する面の表面が、平面度が良
く、最大表面粗さが７以上２０μｍ以下である三次元的
な凹凸面であること、（２）三次元的な凹凸面の凹部に
ＩＳＯ粘度グレードＶＧが２０及至６４の潤滑油が継続
して潤滑するに十分な量付着されていることを特徴とす
る。

【００１２】

【作用】上記の構成よりなる本発明の電磁弁のコイル
は、励磁されると、コイルボビン孔の一端に嵌合される
固定鉄心と共に、コイルボビン孔の他端にガイドスリー
ブを介して摺動可能に嵌合される可動鉄心を吸引する。
弁座は該可動鉄心の駆動により開閉されて、ポートの連
通を切り換える。電磁弁は、この開閉動作が繰り返し行
う。この開閉動作毎に可動鉄心と固定鉄心とが衝突を繰
り返すため、摩耗粉が発生する。そして、摩耗粉が研磨
剤の役割をするため、可動鉄心と固定鉄心の当接面が荒
れる。当接面の表面粗さが最大高さ粗さＲｍａｘ＝２０
μｍを越えたあたりから、吸着中の振動音が大きくな
り、使用できなくなる。

【００１３】本実施例の電磁弁の可動鉄心の当接面は、
三次元的な凹凸であり、最大高さ粗さＲｍａｘ＝７〜２
０μｍであるので、（１）粘度の高い潤滑油が可動鉄心
の当接面に付着し続け、長い期間に渡って潤滑作用を発
揮すること、（２）面の凹凸が大きいため、実際の密着
面積は微少なものとなり、また、凹凸が方向性を持たな
いため、凹部内を潤滑油が自由に流動でき、その結果、
油分による当接面の密着が軽減されること、（３）使用
初期に発生する当りなじみの時の摩耗粉等が凹部内に収
納され、吸着面に異物として作用することがないこと、
というように作用する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例である電
磁弁について図面を参照しながら説明する。本実施例の
電磁弁の構成は、従来の電磁弁の構成とほぼ同一であ
り、異なっているのは、可動鉄心１２が固定鉄心１１と
当接する当接面１２ａの構成である。従来の電磁弁と同
一部分については、同一の符号を付して説明する。図１
に本発明の一実施例である電磁弁の断面図を示す。電磁
弁は、上半分のソレノイド部２２と下半分の弁本体２１
とより構成されている。ソレノイド部２２の中心には、
両端部にフランジを有する中空円筒状のコイルボビン１
４の胴部に銅線が巻かれたコイル１３がある。コイル１
３の外周を囲んで、磁気枠１５が固設されている。コイ
ルボビン１４の上側中空孔に固定鉄心１１が挿入され固
定されている。固定鉄心１１の鍔部は、磁気枠１に当接
し、磁気通路を形成している。

【００１５】コイルボビン１４の下側中空孔には、可動
鉄心１２が摺動可能に嵌合されている。可動鉄心１２の
下側には、ゴム等の弾性体からなる弁体１７が埋め込ま
れて固設されている。可動鉄心１２は、復帰バネ１６に
より下向きに付勢されており、弁体１７が弁座１８に当
接されている。弁本体２１には、弁座１８の中央孔に連
通する入力ポート１９と、弁室２３に連通する出力ポー
ト２０とが形成されている。図１は、コイル１３に通電
されていない状態を示している。すなわち、可動鉄心１
２は、復帰バネ１６により下向きに付勢されており、弁
体１７が弁座１８に当接されている。この状態で、入力
ポート１９の出力ポート２０とは連通していない。コイ
ル１３に通電されると、可動鉄心１２が固定鉄心１１に
吸引され、可動鉄心１２は固定鉄心１１に当接する。こ
れにより、弁体１７が弁座１８から離間され、入力ポー
ト１９と出力ポート２０とが連通される。

【００１６】本実施例の電磁弁の可動鉄心１２が固定鉄
心１１と当接する当接面１２ａは、平面度を確保するた
めに研削加工した後、高い硬度を有する硬質ビーズを高
い噴射速度で当接面１２ａに噴き付けるショットピーニ
ング加工を行っている。硬質ビーズは直径８０〜２４０
ミクロンのものを使用し、当接面１２ａの表面粗さを、
最大高さ粗さＲｍａｘ＝７〜２０μｍ、中心線平均粗さ
をＲａ＝０．７〜２．０μｍとしている。最大高さ粗さ
を２０μｍ以下としている理由を説明する。図７に当接
面粗さと振動音レベルとの関係を示す。このデータは、
潤滑油を塗布しないで実験したデータを示している。図
中Ｋで示すように、当接面粗さが２０ミクロン以下であ
れば、無潤滑であっても振動音が小さいことが確認され
ているからである。

【００１７】当接面１２ａの表面形状の測定データを図
４に示す。図４の（ａ）と（ｂ）とは、直交する方向で
トレースしたときのデータを示している。ショットピー
ニング加工によると、直交する方向で表面形状がほぼ同
一のデータを示し、どの角度でトレースしても有為差が
ない。これを三次元的凹凸面と称する。本実施例では、
Ｒｍａｘ＝１０μｍとしている。当接面１２ａに形成さ
れた三次元凹凸部に、工業潤滑油粘度分類Ｋ２００１に
おいてＩＳＯ粘度グレードＶＧ＝３２のタービン油を
０．０３〜０．０４ｃｍ³だけ塗布する。これにより、
当接面１２ａに形成された凹部にタービン油が保持され
る。

【００１８】次に、上記構成を有する電磁弁の動作につ
いて説明する。図１は、コイル３に電流が流されていな
い状態を示している。可動鉄心１２は、復帰バネ１６に
より下向きに付勢され、弁体１７が弁座１８に当接して
いる。これにより、入力ポート１９と出力ポート２０と
は連通していない。一方、コイル３に電流が流される
と、固定鉄心１１の上下方向に磁界が発生し、固定鉄心
１１が可動鉄心１２を吸引する。この吸引力は、復帰バ
ネ１６のばね力よりも強いので、可動鉄心１２は、固定
鉄心１１に当接する位置まで移動する。これにより、弁
体１７が弁座１８から離れ、入力ポート１９と出力ポー
ト２０とが連通する。製造ライン等に取り付けられた電
磁弁においては、この動作が繰り返し行われる。

【００１９】本実施例の電磁弁の耐久性能を実験した結
果を図２および図３に示す。図２は、電磁弁の作動回数
と電磁弁が発生する振動音との関係を示す。図３は、電
磁弁の作動回数とコイル１３への通電をオフしたときに
可動鉄心１２が固定鉄心１１から離脱する時間との関係
を示している。図２において、振動音の測定は、実験室
において暗騒音４５ｄＢで電磁弁から５ｃｍ離れた距離
における測定値である。Ｈは、５３ｄＢの限界管理騒音
値を示している。この条件を設定したのは、電磁弁にお
いては、暗騒音４５ｄＢの実験により、５ｃｍ離れた距
離で騒音値が５３ｄＢを越えると急速に騒音値が増加す
ることが実験により確認されているからである。

【００２０】Ｂ１は、従来の電磁弁による騒音データの
平均値を示し、Ａ１は、本実施例の電磁弁による騒音デ
ータの平均値を示している。従来方式の電磁弁では、２
００万回を越えたあたりから限界管理騒音値Ｈを越える
ものが発生していた。本実施例の電磁弁によれば、１億
回を越えても限界管理騒音値Ｈを越えない。次に、その
理由を考察する。図６に示すように、当接面１２ａにお
いて、凸部Ｔと凹部Ｖとの差である最大高さ粗さＲｍａ
ｘが７〜２０μｍと大きく、かつ凸部Ｔが三次元的に存
在しているため、ミクロレベルで考えて、固定鉄心１１
と実際に当接しない凹部Ｖの割合が多いためと考えられ
る。

【００２１】すなわち、従来の電磁弁のように当接面１
２ａが研削面により形成されている場合、凸部Ｔが山脈
状に連なるため固定鉄心１１と当接する凸部Ｔの割合が
多く、そのため、当接しない凹部Ｖの面積が少ない。ま
た、表面粗さもＲｍａｘ＝２〜６μｍ程度に管理されて
いたため、可動鉄心１２が固定鉄心１１と当接している
ときに、凹部Ｖにより形成される容積は小さかった。こ
れと比較して、本実施例の電磁弁においては、可動鉄心
１２が固定鉄心１１と当接しているときに、凹部Ｖによ
り形成される容積はかなり大きい。それは、当接面１２
ａがショットピーニング加工により三次元的な凹凸を形
成していること、およびＲｍａｘ＝７〜２０μｍと表面
粗さが大きい値で管理されているからである。このこと
は、実験により確認されている。図８に当接面粗さと可
動鉄心の離脱時間との関係を示す。図中Ｉ１〜Ｉ４で示
すように、当接面粗さが７μｍ以下では、可動鉄心の離
脱時間が急激に長くなることが確認できるからである。

【００２２】その結果、従来の電磁弁と比較して、本実
施例の電磁弁では、凹部Ｖが形成する容積部分に潤滑油
が多量に保持される。また、本実施例の電磁弁では、潤
滑油の粘度ＩＳＯ粘度グレードＶＧを、２０以上６４以
下としているので、潤滑油の粘度が従来と比較して高い
ため、潤滑油が凹部Ｖに粘着し、飛散されることが少な
く、使用回数が増加しても当接面１２ａに保持される。
一方、従来の電磁弁においては、潤滑油の粘度を高くす
ると、通電をオフしたときに可動鉄心１２が固定鉄心１
１から離脱する時間が長くなり、電磁弁の応答性が悪く
なるため、ＶＧ＝５程度の粘度の低いさらさらした潤滑
油が使用されていたのである。すなわち、図８に示すよ
うに、ＶＧ＝１００以上では、可動鉄心の離脱時間が長
くなることが確認できる。一方、ＶＧ＝５の潤滑油で
は、図９に示すように、恒温で加熱された場合にＪ２の
ように、短時間で蒸発してしまい、潤滑効果がなくなる
問題があり、潤滑油としては、ＶＧ＝２０以上のものを
使用する必要がある。

【００２３】従来の電磁弁では、発生した摩耗粉が潤滑
油と混合して塊状の研磨材となり、当接面１２ａの表面
を荒していたと考えられる。これに対して、本実施例の
電磁弁では、図６に示すように、発生した摩耗粉Ｍが凹
部Ｖに潤滑油と共に保持されるため、発生した摩耗粉Ｍ
により当接面１２ａが荒されることが少ない。従来の電
磁弁では凹部の容積が小さいため、摩耗粉が凸部の当接
部分に付着し、固定鉄心１１および可動鉄心１２の当接
部の表面を荒していたのに対して、本実施例の電磁弁で
は凹部の容積が大きいため、摩耗粉Ｍが凹部に保持され
固定鉄心１１および可動鉄心１２の当接部の表面を荒す
ことが少ないからである。

【００２４】次に、通電をオフしたときに可動鉄心１２
が固定鉄心１１から離脱する時間について、図３により
説明する。従来の電磁弁のデータをＢ２に示し、本実施
例の電磁弁のデータをＡ２に示す。従来の電磁弁が離脱
時間を短くするために、粘度の低い潤滑油を使用してい
るにもかかわらず、使用回数が少ない範囲において離脱
時間が０．２〜０．３秒と長くなっているのは、ミクロ
レベルで見たときに、可動鉄心１２が固定鉄心１１と実
際に当接している凸部Ｔの面積が大きいため、従来の電
磁弁では、潤滑油として粘度の高いものを使用すると、
潤滑油が可動鉄心１２と固定鉄心１１の当接部分に入っ
て密着性を強めるため、粘度の低い潤滑油を使用してい
たのである。

【００２５】従来の電磁弁において、使用回数が増加す
ると離脱時間が短くなるのは、使用回数が増加すること
により、摩耗粉が発生し、可動鉄心１２と固定鉄心１１
との当接部分の間に侵入し、可動鉄心１２と固定鉄心１
１との吸着性を悪くするためと考えられる。本実施例の
電磁弁においては、作業回数が少ないときから１億回に
至るまで、離脱時間はきわめて短時間である。これは、
当接面１２ａが三次元的な凹凸であるため、ミクロレベ
ルで見たときに可動鉄心１２と固定鉄心１１とが当接す
る部分の面積が少なく、可動鉄心１２が固定鉄心１１の
残留磁気による吸引力の影響をあまり受けないためと考
えられる。

【００２６】以上詳細に説明したように、本実施例の電
磁弁によれば、可動鉄心１２の固定鉄心１１と当接する
当接面１２ａの表面として三次元的な凹凸を形成し、最
大高さ粗さＲｍａｘ＝７〜２０μｍとし、かつ当接面１
２ａの凹部にＶＧ＝２０〜６４の粘度の高い潤滑油を付
着させ、発生した摩耗粉が容積の大きい凹部に収納され
るので、当接面の表面が荒れるのが防止できるため、騒
音の発生を抑えることができ、電磁弁の寿命を従来の１
０倍以上に伸ばすことができ、１億回を越える結果も得
ている。また、通電をオフしたときに可動鉄心１２が固
定鉄心１１から離脱する時間を常に短くすることができ
る。

【００２７】本実施例では、評価用モデルとして、Ｒｍ
ａｘ＝１０μｍ，潤滑油の粘度ＶＧ＝３２の場合の実験
データを示したが、実験した結果では、Ｒｍａｘ＝７〜
２０μｍ，潤滑油の粘度ＶＧ＝２０〜６４であれば、電
磁弁の作動回数を１億回としてテストしたときに、騒音
データの結果が限界管理騒音Ｈを越えることがない。従
って、その範囲であれば、本発明の効果を発揮すること
が可能である。

【００２８】本発明は、上記実施例に限定されることな
く、色々な変更が可能である。例えば、本実施例では、
三次元凹凸を形成するのに、ショットピーニング加工を
用いているが、表面凹凸が三次元的に形成できるのであ
れば、他の加工法を用いてもよい。また、本実施例で
は、潤滑油としてタービン油を使用しているが、ＩＳＯ
粘度グレードＶＧ＝２０〜６４であれば、他の潤滑油を
使用してもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の電磁弁によれば、可動鉄心の固定鉄心と当接する
表面が最大高さ粗さＲｍａｘ＝７〜２０μｍである三次
元的な凹凸面であり、かつ当接面の凹部にＶＧ＝２０〜
６４の粘度潤滑油を付着させているので、発生した摩耗
粉が容積の大きい凹部に収納され、当接面の表面が荒れ
るのが防止できるため、騒音の発生を抑えることがで
き、電磁弁の寿命を従来の１０倍以上に伸ばすことがで
きる。また、通電をオフしたときに可動鉄心が固定鉄心
から離脱する時間を常に短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である電磁弁の構成を示す断
面図である。

【図２】電磁弁の騒音データを示す図である。

【図３】電磁弁の可動鉄心の離脱時間を示すデータ図で
ある。

【図４】本発明の一実施例である電磁弁の可動鉄心の当
接面の表面形状を示すデータ図である。

【図５】従来の電磁弁可動鉄心の当接面の表面形状を示
すデータ図である。

【図６】本発明の一実施例である電磁弁の可動鉄心の当
接面の表面状態を示す概念図である。

【図７】当接面粗さと振動音レベルとの関係を示すデー
タ図である。

【図８】当接面粗さと可動鉄心の離脱時間との関係を示
すデータ図である。

【図９】加熱時間と油分残存量との関係を示すデータ図
である。

【符号の説明】

１１ 固定鉄心 １２ 可動鉄心 １２ａ 当接面 １３ コイル １７ 弁体 １８ 弁座 Ｔ 凸部 Ｖ 凹部 Ｍ 摩耗粉

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コイルボビンの外周に導線が巻かれてな
   るコイルと、 コイルボビン孔の一端に嵌合される固定鉄心と、 コイルボビン孔の他端に摺動可能に嵌合され、コイル通
   電時に固定鉄心に吸着される可動鉄心と、 該可動鉄心の駆動により開閉されて、ポートの連通を切
   り換える弁座とを有する電磁弁において、 前記可動鉄心の前記固定鉄心と当接する面の表面が、最
   大表面粗さが７以上２０μｍ以下である三次元的な凹凸
   面であること、 前記三次元的な凹凸面の凹部にＩＳＯ粘度グレードＶＧ
   が２０及至６４の潤滑油が付着されていることを特徴と
   する電磁弁。