JP2667046B2 - 直線運動比例ソレノイド装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は概ね、ソレノイドで作動する流体制御バルブ
に関し、詳細には、流体流れが直流の低入力電流の印加
に応答し厳密に比例した制御がなされるバルブ及びそれ
に関連した変位制御ソレノイド構造の形状に関する。

（従来の技術） 宇宙航空機システム用の燃料供給ユニットや病院で使
用する酸素／空気測定ユニットのような精密流体流れ制
御装置は、典型的には、（入力制御電流に応答する）所
望の直線流体制御を行う、ある形式のソレノイド作動バ
ルブを組み込んでいる。流体流れが印加電流にほぼ直線
的に比例しなければならないことに加えて、（バルブの
作動に望ましくないデットバント（dead band）を生ず
る）制御電流特性に対する流量のヒステリシスがある最
小値内に維持されなければならない。

この目的のため、一つの慣用手段は、ソレノイドの移
動自在電機子を、テフロンリングのような低摩擦ベアリ
ングにより周囲の駆動コイル内に物理的に支持すること
であった。しかし、このような材料を使用してもデット
バンドはなお無視できず（例えば約45mA）、バルブ作動
の正確さ多びそれによる適用の正確さの度合いが制限さ
れる。

この物理的な接触で生ずるヒステリシス問題を取扱う
ための一つの提案は、電機子支持機構を、（電機子支持
ベアリングの望ましくない摩擦が遭遇する）励起コイル
内から、コイルの端部に移動しかつ電機子をコイルの外
側で支持されるばね機構に取り付けることである。この
ようなバルブ形状の例は、1984年７月31日に公告された
エベレット（Everett）の米国特許第4,463,332号に見ら
れる。この特許された設計によれば、バルブは、円筒ハ
ウジング内で軸線方向に移動できるように支持された電
機子組立体の一端に取付けられ、該電機子組立体は、電
磁コイルと該コイルを取囲むリング状永久磁石とを有し
ている。ソレノイドの一端はリングとばねの電機子組立
体を含み、該組立体は、励起コイルの（高磁束密度）孔
のほぼ外側に配置され、その位置を変更して磁気回路の
磁束空隙及びそれによってバルブに加わる力を調整する
ことができる。しかし、摩擦によるヒステリシス問題を
低減するため、移動自在電機子を励起コイルの高磁束密
度のほぼ外側位置に移動すると、磁束を増加させる部品
が必要になるという短所を生じ、特許された設計では永
久磁石の形式で提供されている。従って、このような構
造が意図する機能は透磁率を調整することができ電機子
を取付けたバルブの作動の線形性を維持できるけれど
も、ソレノイド構造全体の設計やソレノイドを構成する
各部品、特に（それ自身複雑なろう付け部品である）リ
ングばね電機子組立体の設計及び永久磁石の使用は複雑
であり低コストの加工及び組立技術を用いて容易に製造
することができず、１ユニットあたり高価格となる。

（課題を解決するための手段） 本発明により、前述したような従来の比例ソレノイド
機構の設計及び構造上の短所が、新規でかつ改善された
直線運動比例ソレノイド組立体により克服される。その
組立体では、移動自在電機子が、ヒステリシスを生ずる
従来のベアリングを使用することなく、発生した電磁場
内で密接に連結され（かつそれによって永久磁石の必要
性をなくす）ように、周囲の励起コイル内にうまく支持
され、移動自在電機子に与えられる力は、電機子と隣接
する磁極部品との間の（所定範囲の）軸線方向空隙の大
きさにかかわらずほぼ一定である。

この目的のため、本発明のソレノイド組立体は、縦方
向の同軸孔を有する電磁コイルを収容したほぼ円筒形状
のハウジングから成る。コイルを取囲むハウジングの部
分は、コイルによって生ずる磁場用の磁束経路を形成す
るため、磁性材料を含んでいる。ほぼ円筒形の磁極部品
が孔内に挿入され、磁性材料でできた移動自在な（円筒
形）電機子組立体が、電磁コイル内でかつその軸線方向
に移動できるように、孔内に支持されている。孔の軸線
に対し横方向の第１の半径方向空隙が、電機子組立体の
第１の円筒部とハウジングの内部円筒壁部との間に形成
される。第２の軸線方向空隙が、電機子組立体の一端と
隣接する極部品との間に形成される。

電機子変位と印加コイル電流との線形比例特性は、軸
線方向空隙に隣接して配置された補助的円筒極部品領域
によって得られる。補助的円筒極部品領域は軸線方向の
厚さを変化させるために先細であり、普通は電機子組立
体と極片部品との間の軸線方向空隙を横切って通る磁束
の一部を、磁気抵抗が低い経路に分流する役目をし、そ
の結果、（意図している電機子組立体の変位の作動範囲
に対応する）所定の軸線方向空隙の範囲における空隙対
力特性が直線化すなわち平坦化される。

コイル孔内の電機子組立体のための支持は、一対の薄
くて高可撓性を有する環状の片持ち吊ばね部材によって
行われ、各ばね部材は、移動自在電機子組立体の軸線方
向で隔てられた位置に連結され、ハウジングの孔部内に
保持されている。各吊ばね部材は、外方リング部と、該
外方リング部から隔てられかつ片持ち形式で外方リング
部に固定された複数の環状リング部とから成る。内部の
（スポーク状）部分が環状リング部に取り付けられてい
る。内部部分は電機子組立体に取り付けられ、外方リン
グ部はハウジングの孔の円筒壁に取り付けて固定されて
いる。

ハウジングは、電機子組立体が軸線方向に移動できる
ように支持された、第１のほぼ円筒形の空洞を有する基
礎部材を有し、該空洞は、ハウジングの第１の部分に対
応して磁性材料を含み、電機子組立体の第１の円筒壁部
から隔てられて半径方向空隙を形成する、第１の円筒側
壁部を有している。非磁性材料でできたほぼ円筒形の部
材が、第１の空洞の第１の円筒側壁から極部品に延びか
つ連結している。磁極部品内には、電機子組立体に制御
可能な軸力を与えるための調節可能なばね付勢組立体が
配置されている。ばね付勢組立体は、圧縮ばね部材と、
該圧縮ばねを圧縮して電機子組立体に調節可能な軸力を
連結する調節ねじとを有している。

ソレノイド機構は、電機子を、入口と出口に連通して
いるチャンバを有するような流体バルブ組立体に連結す
ることにより、流内流れを制御するのに用いることがで
きる。バルブポペットを電機子組立体に取り付けて、チ
ャンバから出口に延びるチューブ部材の一端を、ソレノ
イドコイルに電流を印加することによる電機子組立体の
軸線移動により、制御自在に開閉することができる。

（実施例） 今度は図面を参照すると、第１図は本発明を実施する
組み立てられた比例電気−空気ソレノイドバルブ機構の
縦断面図であり、第２図乃至21図はこの各部品の断面図
である。（以下の説明では不要な混乱を避けるため、第
１図には、原則として第２図乃至第21図に用いる参照番
号全てつけることはせず、第１図の各部品は第２図乃至
第21図で参照番号を詳細に付した。）好ましい実施例に
よれば、この機構は円筒形のものであり、特記なき限り
各図面の断面図は円筒対称−軸線Ａを含む平面に沿った
ものとする。

第１図に示すように、比例ソレノイド制御バルブ機構
は、全体を10で示すステンレス鋼のような非磁性材料で
できたバルブユニットと、全体を20で示す主として磁性
鋼のような磁性材から成るソレノイドユニットとを備え
ており、ソレノイドユニットは、バルブソレノイドユニ
ット10の作動を電気的に制御しそれによって一又は二以
上のバルブ入口11とバルブ出口12との間の流体流れを制
御するため、バルブソレノイドユニット10に機械的に連
結されている。バルブユニット10は、（底端部及び側面
断面図を各々第２図及び第３図に示した）バルブシート
13と、軸線Ａの回りに円形状に分布している複数の入口
11を含む円筒下部30と、軸線Ａと同軸の円筒出口12とを
有している。出口12は階段状円筒孔22の口部21によって
形成され、該円筒孔22は、内部チャンバ25まで延びかつ
チューブ形インサート14をぴったり受け入れるように寸
法決めされているので、孔22の円筒内壁は、チューブ形
インサート14の円筒内壁とほぼ同一の空間の広がりとな
っている。インサート14と孔22との間の流体シールが孔
22の環状凹部27に収容されるＯリング26によって形成さ
れる。第４図に示すように、チューブ形インサート14の
挿入された端部28は先細となっており、孔22への進入を
容易にしている。インサート14の反対側端部29でほぼ平
坦なすなわち水平面を有しているので、（第５図に単独
で示す）ポペット16のほぼ平らな下面31がしっかりと係
合したときにチューブ形インサート14の上端が流れを止
めそれによって密封される。

チューブ形インサート14の円筒外面と孔22との間のシ
ールを形成することに加えて、Ｏリングは、インサート
の位置の微調整、特にポペット16の下面31とのインサー
トの端面29の整合を図ることができる。チューブ形イン
サート14のバルブシート13の円筒下部30に挿入した後、
ソレノイドユニット20を作動して電機子60従ってポペッ
ト16をチューブ形インサート14の端面29に密着するよう
に押圧し、内部チャンバ25を出口12から孤立させる。イ
ンサート14の端面29とポペット16の下面31との間に最初
に多少の不整合があっても、この作用によって自動的に
修正されるので、インサート14はポペット16と適正に整
合し、電機子が軸線方向に変位してポペット16をチュー
ブ形インサート14に接触させたときはいつでも、ポペッ
ト16の底面31による端面29の完全な閉鎖が行われる。

円形に分布する複数の流体入口孔11は、上方円筒部40
の下面32から内部チャンバ25まで延び、ソレノイドバル
ブにより流れが制御される流体は、該入口孔を通って入
口11と出口12との間を流れる。内部チャンバ25はほぼ円
筒形をしており、スペーサ15（第６図に単独で示す）の
ほぼ平坦な下端面35がバルブシート13のほぼ平坦な上端
面36に接触して隣接したときに、概ね、バルブシートの
上方円筒部40の内部円筒側壁33とバルブシートスペーサ
15の内部円筒壁34とに形成される。スペーサ15とバルブ
シート13との間の流体シールを確保するため、Ｏ−リン
グ37が、スペーサ15の下端面35に設けた環状凹部38に形
成される。

バルブシート13の上部円筒部40は更に、外方円筒側壁
ねじ切り部39を有しており、該ねじ切り部の直径はソレ
ノイドユニット20（第７図に示す）の基部50の円筒孔42
のねじ切り部41とねじ係合するように寸法決めされ、該
ソレノイドユニット20は磁性鋼のような磁性材でつくら
れ（第１図に示すように）バルブシート13のぴったりと
受け入れるように寸法決めされている。基部50の下方円
筒部は雄ねじ付きリング部43を有しており、該リング部
により、バルブ機構を、流れを制御する酸素流れ装置
（図示せず）のような流体伝達装置の同様にねじ切りさ
れた円筒壁受け入れ部にねじ込むことができる。典型的
には、このような流体伝達構造は階段状内部円筒孔を有
しており、該孔の隔てられた円形かつ環状の部分が流れ
を制御する流体連通口を形成する。流体伝達ユニットの
円筒通路との密封係合を確保するため、バルブシート13
の上方部分40及び下方部分30は、各々Ｏリング（図示せ
ず）を収容する環状凹部45及び44を備えるのがよい。

前に指摘したように、チャンバ25及びインサート24を
通る入口11から出口12への流体の流れは、ポペット16の
下面31がチューブ状インサート14の端面29に押圧された
ときに遮断される。第５図に示すように、ポペット16は
板状のＴ形部46及び該Ｔ形部と連続する円筒基部47を有
するほぼ中実のＴ形断面をしている。基部47の端面54か
ら雄ねじ付きのナブ48が延び、該ナブ48は、ほぼ中実の
Ｔ形ポペットホルダ17（第８図に単独で示す）の雌ねじ
付き円筒軸線方向孔49とねじ係合し、ポペットホルダ17
の下端部51はダイヤフラム18の頂面52に隣接し、ダイヤ
フラム18は、バルブユニット10の内部チャンバ25とソレ
ノイドユニット20（の移動自在な電機子）との可撓性シ
ールを形成する。ダイヤフラム18の底面53は、ポペット
のナブをポペットホルダ17の軸線方向孔49にねじ込む
と、ダイヤフラム18の中央領域がポペットホルダ17とポ
ペット16の間に捕えられすなわちはさまれるように、ポ
ペット16の端面54に隣接して配置される。

ダイヤフラム18は、スペーサ15の頂面56と基部50の孔
42のへこんだ表面部57との間に捕えられている外方環状
部55を有している。一対のリング58及び59はスペーサ15
の（ダイヤフラム18の近傍の）表面56及び表面61の上に
各々配置され、バルブユニット10とソレノイドユニット
20との間の確実なシール係合を形成し、それによって、
ソレノイドユニット20とバルブユニット10の内部チャン
バ25との流体連通を阻止し、その結果、ソレノイドユニ
ット20の内部からバルブユニット10により制御して測定
される流体に（例えば微少な鉄くずのような）異物が侵
入することはない。

ソレノイドユニット20内では、バルブユニット10のポ
ペットホルダ17は、ヘッド62とシャフト63とねじ付き端
部64とを有する磁性材料でできた位置決めねじ70（第11
図に示す）により、ほぼ中実の円筒磁性鋼電機子60（第
９図に断面を示し第10図に斜視図として示す）と係合し
て固定されている。位置決めねじ70は、シャフト63が電
機子60の内部円筒孔65を貫通できるように寸法決めされ
ており、ねじ付き端部64により、ポペットホルダ17の内
部にねじ付き孔49とねじ係合し、その結果、ポペットホ
ルダ17の上面66は電機子60の底部円筒平坦領域68の下面
67に引き寄せられる。

第10図及び第11図に示すように、電機子60の底部円筒
平坦領域68及び同様の頂部円筒平坦領域69には、孔65か
ら各々環状表面領域73及び74に向かって半径方向に延び
るスロット71及び72が設けられている。スロット71及び
72は、一対の薄くて可撓性を有する非磁性（例えばベリ
リウム銅）吊ばね80B及び80T（単独のものは後で説明す
る第21図に詳細に示す）でてきた、半径方向に延びるス
ポーク部75及び76（第９図に破線で示す）をぴったりと
受け入れるように寸法決めされている。下方ばね80Bの
スポーク部75は、電機子60のスロット71とポペットホル
ダ17の面66との間に捕えられ、上方ばね80Tのスポーク
部76は、スロット72と磁性電機子キャップ180（後で説
明する第13図に示す）との間に捕えられている。

電機子60はソレノイド20の内部で吊ばね80B及び80Tに
より支持され、制御された磁場の発生に応答して（軸線
Ａに沿った）軸線方向に変位するようになっている。電
機子60が軸線方向に変位すると、電機子60の底部平坦部
68の面67と連続しているポペットホルダ17及びポペット
ホルダ17にねじ込まれているポペット16も又、軸線方向
に変位する。ポペット16の軸線方向変位はポペット16の
面31とチューブ状インサート14の上面29との間の分離を
制御し、従って、バルブユニット10のチャンバ25へのチ
ューブ状インサート14の開口の度合いを制御する。その
結果、電機子60の軸線方向変位は、入口11及び出口12の
間の加圧流体の流れを制御する。

電機子60を軸線方向に移動自在に支持するため、基部
50は、磁性材でできたインサート90（第14図に示す）を
受け入れるように寸法決めされている階段状頂部孔77を
有している。インサート90は、ほぼ逆Ｌ形の外方に段が
つけられた円筒壁部78を有しており、該壁部78は、磁性
インサート90の外方環状面領域79が基部50の環状平坦部
81の上に載るように、基部50の段付円筒孔77と係合す
る。インサート90の底面部82は、基部50の段付円筒孔部
77のへこんだ面部83により支持されかつ隣接している。
底面部82に隣接するインサート90の内部環状凹部84は吊
ばね80Bの円周環状領域を受け入れるように寸法決めさ
れ、その結果、ばね80Bを基部50のへこんだ面部83と磁
性インサート90との間に捕えることができる。

基部50の段付頂部孔部は更に、直径がポペットホルダ
17の直径よりも大きな段付内部円筒側壁85及び86と、側
壁85と86をつなぐ環状表面領域87とを有しており、その
結果、中空の円筒領域88を形成して電機子60の移動の間
ポペットホルダ17の軸線方向変位が妨げられることはな
い。

インサート90の頂部91は、しんちゅうやステンレス鋼
のような非磁性材でできた円筒スリーブ又はチューブ10
0（第15図に示す）の拡がった部分93を受け入れるよう
に寸法決めされた環状凹部92を有している。チューブ10
0は、直径がインサート90の内部円筒側壁部95の直径と
ほぼ連続している第１の内部円筒側壁部94を有してお
り、中実円筒電機子60がソレノイドユニット20の内部に
軸線方向移動自在に挿入することができる連続円筒通路
すなわち孔を形成する。電機子60の円筒側壁96と磁性イ
ンサート90の内部円筒側壁95との間のわずかな隙間（約
10mm）は、軸線Ａに対して横方向すなわちソレノイドユ
ニット20の半径方向に延びる空隙97を形成する。チュー
ブ100は非磁性材料から成るため、基部50と磁性インサ
ート90を通る磁束は、チューブ100の非磁性材に入る経
路よりも、空隙97と電機子60を横切る経路の方が磁気抵
抗は低くなることがわかる。

非磁性チューブ100の上方内部側壁部98は磁性材でで
きたほぼ円筒状のスリーブ110（第16図）によって係合
され、その外方円筒側壁部99はチューブ100の直径と同
一であり、励起巻線すなわちコイル130が回りに形成さ
れる円筒支持体120を形成する。コイル130は、下方部10
1が基部50の環状平坦領域102に支持され上方環状凹部10
3が磁性材でできたほぼ円板状のコイルカバーキャップ1
50を受け入れるように寸法決めされている。磁性材でで
きた円筒カバー140（第17図に示す）によって取り囲ま
れている。コイルカバーキャップ150は軸線方向円筒開
口部又は通路104を有しており、該通路を通って円筒磁
性鋼極部品160（第18図に示す）と該極部品にねじ込ま
れた中実磁性材（磁性鋼）調整ねじ170（第19図に示
す）とが磁性スリーブ110の雌ねじ付き円筒壁105に挿入
され係合する。詳細には、中空円筒極部品160の外方円
筒壁111は磁性スリーブ110の雌ねじ付き部分105とねじ
係合し、極部品160と磁性スリーブ110との相対的な軸線
方向変位の調整が可能となる。一方、この調整は、電機
子キャップ180の頂面121に対する極部品端部領域113の
底面112の軸線方向空隙の分離を制御する。

磁性スリーブ110は更に、電機子キャップ180の面121
に直接に隣接する分流磁性領域を形成するため、端部領
域125で先細になっている先細端部領域125は、吊ばね80
Tの頂面の外方環状部分に当接しその底面がチューブ100
の内部環状口部127に載るように非磁性チューブ100に挿
入された非磁性材（例えばステンレス鋼）でできた環状
スリーブ又はリング190で終っている。

電機子60の平坦部69の頂面131に対してほぼ円板状の
電機子キャップ180（第13図に示す）が隣接し、該キャ
ップは、位置決めねじ70が電機子キャップ180と電機子6
0に完全に挿入されたときに吊ばね80Tがそれらの間に捕
えられるように位置決めねじ70の頭部62を収容するため
の中央円筒段付孔部133を有し、ねじ頭部の頂部は面131
と同一平面である。電機子キャップ180と電機子60は、
各々、第21図を参照して後で説明するように、ばね80T
を撓ませることができる環状空隙すなわち変位領域138
を形成するため、互いに向い合う環状凹部141及び143を
有している。この環状撓み領域138は、ばね80Bがインサ
ート90と基部50の表面領域83との間に捕えられている、
ポペットホルダ17に隣接した基部50内の領域88と同様で
ある。前に簡単に説明したように、一対の薄くて可撓性
を有する支持ばね80Bと80Tを使用することにより、電機
子60は、従来の摩擦ベアリングを用いる必要なしに周囲
の励起コイル内にうまく支持され、それによって、ヒス
テリシス問題も、移動自在電機子が概ねコイル孔の高磁
束密度領域の外方で支持されている上述の特許の設計に
用いたような磁場励起回路を高める永久磁石の必要性も
実質的に取り除かれる。

中空円筒極部品160の端部領域113は、Ｔ形非磁性ばね
保持器200（第12図に示す）の中央脚151が貫通するため
の円筒開口部145を有している。ばね保持器200の上部板
状部153は、螺線圧縮ばね210の内部円筒領域161内に嵌
まるように寸法決めされた円形平坦部155を有してい
る。ばね保持器200の中央脚部151の長さは、極部品160
の領域113とばね保持器200のＴ形部153との分離165を形
成する。脚部151は、位置決めねじ70の頭部62の凹部163
との機械的係合を容易にするため、曲がった底部すなわ
ち端部157を有している。

中実調整ねじ170は、極部品160の内部円筒ねじ切り部
173とねじ係合する、雄ねじ付き円筒壁部171を有してい
る。調整ねじ170の下面175は、ほぼ円板状の上部ばね保
持器220（第20図に示す）の上面181に隣接し、該保持器
の直径の小さい下部円形平坦部183は圧縮ばね210の中空
円筒内部内に嵌まるように寸法決めされているので、上
部ばね保持器220はばね210と機械的に係合し、下部ばね
保持器200とともに圧縮ばね210を両者の間に捕える。

極部品160及びそれに関連して機械的に連結されたソ
レノイドユニット20の部品は、極部品160の雄ねじ付き
円筒壁111と係合しかつコイルカバーキャップ150と摩擦
係合するロックナット230によって固定される。

各スプリング80T及び80Bが電機子60の端面に係合し電
機子60をソレノイドユニット20内に軸線移動自在に支持
する方法を、ばね80T及び80Bの一方の形状の頂部すなわ
ち平面図を示しかつ電機子60の端部位置での各スロット
とばねとの係合を示した第21図を参照して説明する。第
21図に示すように、各ばねは、電機子60の孔65と一致す
る内部開口部335を有する中央環状ハブ304から延びる３
つのスポーク301、302及び303から成る。スポーク301、
302及び303は電機子円筒60の端部平坦部68及び69のスロ
ット331、332及び333内に各々捕えられかつ固定されて
いる。各スポークの外方位置から環状セグメント341、3
42及び343が各々延びている。環状セグメント341はタブ
361により外方連続リング365に接続されている。同様
に、環状セグメント342はタブ362により、環状セグメン
ト343はタブ363により連続リング365に接続されてい
る。環状開口部すなわち可撓性領域351、352及び353は
各々、弧状セグメント341、342及び343の各々を外方リ
ング365から分離する。環状セグメント341はタブ371に
よりスポーク301に連結されている。同様に環状セグメ
ント342はタブ372によりスポーク302に、環状セグメン
ト343はタブ373によりスポーク303に連結されている。
電機子60の端部平坦位置68及び69の各直径は環状セグメ
ント341、342及び343の直径よりも小さいので、電機子6
0と支持ばねの環状セグメント341、342及び343との間に
環状分離領域381、382及び383が各々存在する。

各ばね80T及び80Bによって生ずる可撓性支持機能を示
すため、軸線Ａに沿って電機子60に力を加え電機子を第
21図の図心のＸ軸方向に示すように同図の方向に移動さ
せることを考える。電機子を図の方向に移動させる力は
スポーク301、302及び303の各端部のタブ371、372、373
を軸線方向変位に平行にかつ同図の紙面方向に移動させ
るであろう。この力は、各弧状セグメント341、342及び
343を、弧状又は円周セグメントに沿って片方で支持さ
れたタブ361、362及び363から、電機子60の円筒側壁を
囲む可撓性領域内で撓ませる。支持ばね部材80T及び80B
の可撓性と円周上に片方支持された形状のため、ヒステ
リシスを発生させるベアリングを使用することなく、電
機子60の可撓性支持をソレノイドユニット20の円筒中空
内に挿入することができ、その結果、電機子はコイル20
によって生ずる磁場と磁気的に密接な連結をする。前述
したように、本発明のこの特徴は、前に参照した特許の
形状を上回る顕著な利点を提供し、該特許では、磁場発
生回路の一部として永久磁石を必要とし、円板状電機子
部材を使用する必要性のために使用すべきばね支持機構
をコイル内に挿入することができないがコイルの端部の
外方及び端部で保持しなければならず、ソレノイドの磁
束との磁気相互作用が実質的に減少し、永久磁石の使用
が必要になる。

ソレノイドユニットの各部品の組立は、第22図乃至28
図を参照して以下に概略を示す順序で行うのが好まし
い。

第22図に示すように、電機子60用の支持部品は、支持
ばね80T及び80Bの各々の３つのスポークアームを、電機
子60の底部及び頂部平坦位置のスロット内にろう付けす
ることにより組み立てることから始める。電機子60の両
側のスロットに支持ばね80T及び80Bが接着されると、ば
ね80Tの頂面は電機子の頂面131と同一平面になり、ばね
80Bの頂面は電機子の底面67の同一平面になる。次に、
電機子キャップ180を電機子60の頂面に配置しねじ70を
電機子キャップの中央開口部133と電機子60の孔65に貫
通させて挿入し、ねじ70の頭部62の頂面を電機子キャッ
プ180の頂面121と同一の平面にする。この同一平面形状
では、位置決めねじ70のねじ付き端部64が電機子60の底
面67を越えて突き出る。ここで、位置決めねじ70の頭部
62を、電機子キャップ180と同一平面に取り付けた所定
の位置にろう付けするのが好ましい。

次に第23図に示すように、第22図で組み立てた部品を
非磁性チューブ100の中に挿入して、ばね80Tの外方環状
リング部365を、チューブ100の内部環状口部127と同一
の平面にする。次に、ステンレス鋼リング190をチュー
ブ100の中に挿入して、内部円筒壁90内でかつばね80Tの
外方環状リング部365の上にきちんと捕える。次いで、
ばね80Tの外方環状部365とリング190をチューブ100に接
着する。この取付け形状では、電機子60はばね80Tによ
りチューブ100内に吊り下げられ、ばね80Tは、第21図に
示すように、弧状セグメント341、342及び343による前
述の分割された円周片持ち可撓性部材を形成する。次い
で、第23図に示す組立体を磁性鋼インサート90の凹部92
の中に挿入し、チューブ100とインサート90をろう付け
する。

次に、第25図に示すように、下方吊ばね80Bを電機子6
0に連結してばねのスポークをスロット71に収容し、ス
ポークをスロットにろう付けしてばねの外方環状リング
部365をインサート90の凹部84に接着する。この形状で
は、電機子60はばね80T及び80Bにより両端で支持され、
第21図を参照して前述したように、各ばねの片持ち環状
セグメント341、342及び343により、軸線方向に撓むこ
とができる。ここでポペットホルダ17は位置決めねじ70
にねじ込まれ、電機子60の底面に接着される。

次に、第26図に示すように、第25図で組み立てられた
部品を基部50の内部段付円筒孔の中に挿入し、インサー
ト90の外方環状面79を基部50の頂部ステップ81に載せ、
その位置で２つのユニットを相互に接着する。インサー
ト90の底面82と基部50の孔の段付部分とを更に接着して
もよい。

電機子を基部50に取り付けたので、今度は、極部品を
第27図に示すように組み立てる。詳細には、下方ばね保
持器200を極部品160の開口部145に通して挿入し、圧縮
ばね210を下方ばね保持器200の上面の所定位置に落し込
み、上方ばね保持器220をばねの頂部の中に挿入する。
次いで、極部品160を、極部品領域113がスリーブ110の
分流領域123の先細125から所定の（変位測定）距離にく
るまで、磁性スリーブ110の内部ねじ切り孔の中にねじ
込む。

次に、極部品160を非磁性チューブ100に挿入して先細
部125の終端をリング190に接触させる。磁性スリーブ11
0の先細端部125の長さはリング190の頂部とチューブ100
の頂部との距離よりもわずかに長いので、チューブ100
に挿入したときに、磁性スリーブ110は常に先細領域125
をリング190て終らせ、それによって電機子キャップ180
の真近で終らせるであろう。スリーブ110はチューブ100
にろう付けされるのが好ましく、それによって、２つの
円筒部品が互いに固定され電磁コイル130の取付用支持
シリンダを形成する。

次いで、コイル130を磁性スリーブ110とステンレス鋼
チューブ100とから成る内部チューブユニットの周囲に
配置し、コイルカバー140及びコイルカバーキャップ150
を基部50に取り付ける（接着する）。次に、調整ねじ17
0が上方ばね保持器220に接触するまで該ねじを極部品16
0の内部孔部の中にねじ込む。この形状において、第28
図に示すように、ソレノイドユニットの全ての部品を軸
線Ａに整合させ下方ばね保持器200を位置決めねじ70の
頂部の凹部に押圧する。ロックナット230を極部品160の
外方円筒部の上にねじ込みユニットを互いに固定する。
調整ねじ170を極部品160のねじ付き孔内で（時計回り又
は反時計回りに）回転することにより、所定のばねの付
勢力を電機子60にかける。

バルブユニット10を第29図に示すように組み立てる。
詳細には、Ｏ−リング26を所定位置に配置して、チュー
ブ状インサート14を、バルブシート13の上方円筒部40の
内部チャンバ25に貫通させ、下方円筒部30の内孔22にき
ちんと嵌まってそこに保持されるまで、該内孔22に挿入
する。ダイヤフラム18をポペットホルダ17と基部50に固
定し、その内部で、ポペットホルダ17の内孔49にねじ込
まれるポペット16により捕える。次に、スペーサ15を基
部50内の所定位置にろう付けする。Ｏ−リング37に所定
位置に配置して、バルブシート13の上方円筒部40を、ス
ペーサ15とバルブシート13の上方円筒部40が互いに同一
平面となって密封されるように、基部50の雄ねじ付き壁
内にねじ込む。ユニットの組立はこれで完了する。

前に指摘したように、本発明のソレノイド組立体の形
状の特徴の一つは、電機子／極部品組立体の形状により
達成される、厳密な作動比例特性（印加されたコイルの
励起に対する電機子の変位／応力）である。この特徴は
第30図及び第31図に示す特徴で比較され、各々、先細分
流設計でない場合の、軸線方向空隙に対する印加電磁力
及び印加コイル電流に対する電機子変位の関係を示して
いる。

どんなソレノイドでも磁束が通過しなければならない
２つの空隙が存在する。これらの空隙の一つは、半径方
向空隙であり、電機子の軸線方向位置にかかわらず一定
である。前述のエベレットの特許第′332号で説明され
た形状では、半径方向空隙は、励起巻線の近傍外方のス
ロットすなわち空隙により、ソレノイドの端部に形成さ
れる。本発明では、半径方向空隙97は、電機子60の円筒
側壁96と磁性インサート90の内部円筒側壁95との間に形
成される。電機子60が軸線Ａに沿って配置されているの
で電機子60の位置にかかわらず、半径方向空隙の寸法は
変化しない。

前述のエベレットの形状では、制御する空隙は、ソレ
ノイドの外側にある一対のばねにより支持されるＴ形円
板状電機子と、ソレノイドの中央円筒孔を貫通する内部
電機子との間に形成されている。ソレノイド内の形状と
磁場の関係のため、空隙に対する力の関係及び電流変化
に対する電機子変位は、典型的には第30図及び第31図に
示す非線形特性に従う。前述のエベレット特許で説明さ
れているソレノイド構造では、非線形に対する補償は、
ソレノイドの端部の外方に位置する補完的に作動するば
ね機構によって達成される。円板状の電機子と支持ばね
機構という特性形状の結果として、エベレットのソレノ
イドは十分な線形作動を達成することができる。しかし
ながら、これを達成するには、エベレットのソレノイド
は、電機子がソレノイドの遠方端部に取り付けられほと
んどの場合ソレノイドにより発生する磁場が最大磁束密
度となる領域（コイル巻線内部）から実質的に隔てられ
ているため、コイルで発生する磁場の補助手段としての
永久磁石が必要になる。

一方、本発明によれば、薄くて可撓性を有する片持ち
吊ばねの形状により、電機子を、発生磁束密度が最大と
なるコイル巻線のコア部分内にほぼ支持することが可能
となり、これにより、永久磁石が不要になる。更に、極
部品を、軸線方向空隙97に隣接する付加的な半径方向空
隙連結領域として先細分流部123を有するように形成す
ることにより、第30図に示した従来の空隙に対する力の
非線形特性が改善され、空隙に対する力特性がほぼ平ら
になる比例範囲PZを含む、第32図に示した関係となる。
圧縮ばね210の線形ばね特性が空隙対力特性の比例範囲P
Zに（電機回路負荷ラインと同様に）重ねられると、電
流の漸次変化（i₁、i₂、i₃、・・・・）に対し、電機子
の力と変位はこれに対応して変化し、電機子の変位は、
第33図の特性に示すように、印加電流に正比例する。

第32図に示す空隙対力特性の比例範囲PZ内の平坦特性
は単純な数学的表現から説明するには複雑であるが、比
例領域の大きさは、極部品の磁性材料の透磁率及び、第
34図に概略を示したように、電機子組立体と極部品との
間の軸線方向空隙165に隣接する先細部123の角度Ｂを含
む多くの要因に依存することがわかっている。実際は、
先細部123により、普通ならば軸線方向空隙165を横切っ
て完全に軸線方向に向かう磁束の一部を、電機子と極部
品との間の補助的な半径方向空隙を結ぶ磁束経路を横切
って半径方向に差し向けるすなわち分流させる。先細部
123の厚さの変化（分流領域123の断面とテーパの変化）
により、磁性スリーブは調節可能なバイパス領域すなわ
ち磁束分流領域を形成し、該領域は、第30図の空隙対力
特性を、第32図に示す平坦な比例範囲が含まれるように
改善する。

第32図に示した関係を正確な表現で解析的に導くのは
複雑であるが、加えた力と軸線方向空隙の関係について
第30図に示した特性曲線を、分流領域が補助的な半径方
向磁束経路の形成を行う、軸線方向空隙の位置で分離し
たものと考えることができる。空隙対力特性曲線の分離
は、区間S1及びS2の部分でほぼ平坦な領域を占める中間
比例範囲PZを形成するが、分流領域については、互いに
結合したときに第30図に示す特性になるであろう。

前述の説明から理解できるように、前述したような従
来のソレノイドバルブ制御機構のヒステリシスもハード
ウェア組立と製造の複雑さも、新規でかつ改善された直
線運動比例ソレノイド組立体により克服され、該組立体
では、移動自在な電機子が、ヒステリシスを発生するベ
アリングを用いることなく、発生した電磁場内で密接に
連結され（それによって永久磁石が不要となるよう
に）、周囲の励起コイル内でうまく支持され、移動自在
電機子により与えられる力は、電機子と隣接する磁極部
品との間の（所定範囲の）軸線方向空隙の大きさにかか
わらずほぼ一定である。更に、軸線方向空隙に隣接する
補助的な半径方向極部品領域により、電機子に与えられ
る力は、電機子と隣接する磁極部品との間の（所定範囲
の）軸線方向空隙の大きさにかかわらずほぼ一定であ
る。

本発明による実施例を示しかつ説明してきたが、本発
明はそれに限定されるものではなく、当業者に知られて
いる多くの変更や改良が可能であることを理解すべきで
あり、それゆえ、ここに示したかつ説明した詳細に限定
することを望んではおらず、当業者に明らかな全ての変
更や改良を包含することを意図している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施した、組み立てられた比例電気
−空気ソレノイドバルブ機構の縦断面図である。 第２図及び第３図は、各々、バルブシートの底面図及び
縦断面図である。 第４図は、チューブ状インサートの断面図である。 第５図は、ポペットの形状の断面図である。 第６図は、バルブシートスペーサの形状の断面図であ
る。 第７図は、ソレノイド基部の形状の断面図である。 第８図は、Ｔ形ポペットホルダ17の断面図である。 第９図及び第10図は、各々、電機子の断面図及び斜視図
である。 第11図は、位置決めねじの断面図である。 第12図は、Ｔ形ばね保持器の断面図である。 第13図は、円板状電機子キャップの断面である。 第14図は、磁性インサートの断面図である。 第15図は、非磁性インサートの断面図である。 第16図は、円筒スリーブの断面図である。 第17図は、円筒コイルカバーの断面図である。 第18図は、円筒極部品の断面図である。 第19図は、中実磁性調節ねじの断面図である。 第20図は、上方ばね保持器の断面図である。 第21図は、吊ばねの形状の平面図である。 第22図乃至第28図は、第１図のソレノイドユニットの各
部品の組立順序を示した略図である。 第29図は、バルブユニットの組立図である。 第30図及び第31図は、各々、従来技術における軸線方向
空隙に対する電機子に加えられた力の関係と、印加コイ
ル電流に対する電機子変位の関係を示す図である。 第32図は、本発明の比例ソレノイド組立体によって得ら
れかつほぼ平坦な比例範囲を有する空隙対力特性を示す
図である。 第33図は、本発明のソレノイド組立体を生ずる電機子変
位と印加電流との間の線形性を示す特性図である。 第34図は、極部品の先細分流領域が、軸線方向空隙磁束
の一部を、補助的半径方向空隙を渡る磁束経路を半径方
向に横切るように変更させる様子を示した略図である。 10……バルブユニット、 11……バルブ入口、 13……バルブ出口、 13……バルブシート、 14……チューブ形インサート、 16……ポペット、 17……ポペットホルダ、 20……ソレノイドユニット、 25……内部チャンバ、 60……電機子、 70……位置決めねじ、 80B、80T……吊ばね、 90……磁性インサート、 100……非磁性チューブ、 110……磁性スリーブ、 123……分流領域、 130……コイル、 160……極部品、 170……調整ねじ。

Claims (22)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁場を発生させるための、縦軸線及び該縦
   軸線と同軸の孔をもつ電磁コイルを有し、かつ、前記磁
   場の磁束経路を形成するため、磁性材料を含むハウジン
   グと、 前記電磁コイルの前記孔内に配置された磁極部品と、 磁性材料でできた移動自在電機子組立体と、 軸線方向空隙が前記電機子組立体の第１の部分と前記磁
   極部品との間に形成されかつ半径方向空隙が前記電機子
   組立体の第２の部分と前記ハウジングの第１の部分との
   間に形成されるように、前記移動自在電機子を、前記電
   磁コイル内で軸線移動可能に前記磁極部品の一端の近傍
   の前記孔内に支持するための前記孔内の吊ばね手段と、 前記電磁コイルへの電流の印加により前記移動自在電機
   子に与えられる力を、前記軸線方向空隙の所定範囲内の
   変動における前記軸線方向空隙の大きさにかかわらず、
   ほぼ一定にするための手段と、 から成る直線運動比例ソレノイド装置。
2. 【請求項２】前記吊ばね手段は、外方リング部と、前記
   外方リング部から隔てられかつ片持ち形式で前記外方リ
   ング部に取付けられている複数の環状リング部と、前記
   環状リング部に取付けられている内部部分とから成るば
   ね部材を有し、前記内部部分は前記電機子組立体に取付
   けられ、前記外方リング部は前記孔内に固定して配置さ
   れていることを特徴とする請求項（１）に記載のソレノ
   イド装置。
3. 【請求項３】前記力をほぼ一定にする手段は、前記電機
   子と前記極部品を通って前記軸線方向に流れる磁束の一
   部を、前記軸線方向空隙を実質的に迂回する磁気抵抗の
   低い磁束経路に差し向けるための手段から成ることを特
   徴とする請求項（１）に記載のソレノイド装置。
4. 【請求項４】前記磁極部品は、前記軸線方向空隙により
   前記電機子組立体から隔てられている第１の極部品領域
   を有し、前記力をほぼ一定にする手段は前記軸線方向空
   隙の近傍の第２の極部品領域から成ることを特徴とする
   請求項（３）に記載のソレノイド装置。
5. 【請求項５】前記吊ばね手段は、外方リング部と、前記
   外方リング部から隔てられかつ片持ち形式で前記外方リ
   ング部に取付けられている複数の環状リング部と、前記
   環状リング部に取付けられている内部部分とから成るば
   ね部材を有し、前記内部部分は前記電機子組立体に取付
   けられ、前記外方リング部は前記孔内に固定して配置さ
   れていることを特徴とする請求項（４）に記載のソレノ
   イド装置。
6. 【請求項６】前記第２の極部品領域は前記縦軸線方向に
   変化する厚さを有することを特徴とする請求項（５）に
   記載のソレノイド装置。
7. 【請求項７】前記第２の極部品領域は、前記電機子組立
   体の移動方向に対して横方向の第３の空隙により、前記
   第１の極部品領域から隔てられていることを特徴とする
   請求項（６）に記載のソレノイド装置。
8. 【請求項８】前記電機子組立体はほぼ円筒形をなし、前
   記ハウジングは、前記電機子組立体が軸線移動できるよ
   うに支持される第１のほぼ円筒形の空洞を有する基部を
   有し、前記空洞は、前記ハウジングの前記第１の部分に
   対応して磁性材料を含みかつ前記半径方向空隙を形成す
   るため前記電機子組立体の第１の円筒部から隔てられて
   いる第１の円筒側壁部を有することを特徴とする請求項
   （３）に記載のソレノイド装置。
9. 【請求項９】更に、前記第１の空洞の前記第１の円筒側
   壁から前記磁性極部品に延びかつ前記磁性極部品に連結
   されている非磁性材料でできたほぼ円筒形の部材を有
   し、前記吊ばね手段は、各々前記非磁性材料でできた部
   沿及び前記基礎部材により支持されそれによっで前記電
   機子部材を前記非磁性材料部材及び前記第１の空洞内で
   軸線移動可能に支持する一対の吊ばねから成ることを特
   徴とする請求項（８）に記載のソレノイド装置。
10. 【請求項１０】前記磁極部品は、前記軸線方向空隙によ
    り前記電機子組立体の端部領域から隔てられている第１
    のほぼ円筒形の極部品領域と、前記軸線方向空隙の近傍
    の前記磁束分流領域に対応する第２のほぼ円筒形の極部
    品領域とを有することを特徴とする請求項（９）に記載
    のソレノイド装置。
11. 【請求項１１】前記電機子組立体は磁性材料でできたほ
    ぼ中実のシリンダを有し、前記吊ばね手段は、各々前記
    中実シリンダの軸線方向で隔てられた別々の部分に連結
    されかつ前記非磁性部材及び前記ハウジングにより保持
    されていることを特徴とする請求項（８）に記載のソレ
    ノイド装置。
12. 【請求項１２】前記吊りばね手段は、外方リング部と、
    前記外方リング部から隔てられかつ片持ち形式で前記外
    方リング部に取付けられている複数の環状リング部と、
    前記環状リング部に取付けられている内部部分とから成
    り、前記内部部分は磁性材料でできた前記ほぼ中実のシ
    リンダに取付けられ、前記外方リング部は非磁性材料で
    できた前記部材の一つ及び前記ハウジングに連結されて
    いることを特徴とする請求項（11）に記載のソレノイド
    装置。
13. 【請求項１３】前記磁性極部品に連結されていて、制御
    可能な軸力を前記電機子組立体に与えるための調節自在
    ばね付勢手段をさらに有することを特徴とする請求項
    （11）に記載のソレノイド装置。
14. 【請求項１４】前記調節自在ばね付勢手段は、圧縮ばね
    部材と、前記圧縮ばね部材を前記電機子組立体に機械的
    に連結するための手段と、前記圧縮ばね部材と前記磁極
    部品との間に連結されていて、前記圧縮ばね部材を調節
    自在に圧縮し前記圧縮ばね部材に前記電機子組立体へ前
    記調節自在軸力を連結させるための手段とから成ること
    を特徴とする請求項（13）に記載のソレノイド装置。
15. 【請求項１５】更に、入口と、出口と、前記入口及び出
    口の間を連結しかつ前記入口と前記出口の間の流体連続
    性を前記電磁コイルへの電流の印加に応答した前記電機
    子組立体の移動により制御するため、前記電機子組立体
    に連結されているバルブ手段とを有する流体バルブ組立
    体を有することを特徴とする請求項（１）に記載のソレ
    ノイド装置。
16. 【請求項１６】前記バルブ手段は、前記入口及び出口が
    連結されているチャンバと、前記電機子組立体に取付け
    られたポペットと、第１の端部が前記チャンバから前記
    出口に向かって延び第２の端部が第１の軸線方向の前記
    電機子組立体の移動により接近する前記ポペットに応答
    して前記ポペットにより閉じられかつ第２の軸線方向の
    前記電機子の移動により遠ざかる前記ポペットに応答し
    前記ポペットにより開かれるように、前記ポペットの近
    傍に配置されているチューブ部材とから成ることを特徴
    とする請求項（15）に記載のソレノイド装置。
17. 【請求項１７】前記バルブ手段は更に、前記ポペットが
    前記チューブの前記第２の端部に接近したとき、前記チ
    ューブの第２の端部が前記ポペットにより密封係合され
    るように、前記チューブを前記ポペットに整合させるた
    めの手段を有することを特徴とする請求項（16）に記載
    のソレノイド装置。
18. 【請求項１８】前記チューブ整合手段は、前記チューブ
    の前記第２の端部への前記ポペットの初期接近に応答し
    て、前記ポペットに対する前記チューブの整合状況を形
    成して固定するための手段から成ることを特徴とする請
    求項（17）に記載のソレノイド装置。
19. 【請求項１９】磁場を発生させるための、縦軸線をもつ
    電磁コイルを有し、かつ、前記磁場の磁束経路を形成す
    るため、磁性材料を含むハウジングと、 前記電磁コイルの軸線に沿って配置された磁極部品と、 前記電機子組立体の移動方向に対して横方向の第１の空
    隙が前記電機子組立体の第１の部分と前記ハウジングの
    第１の部分との間に形成され、前記電機子組立体の移動
    方向に平行な第２の空隙が前記電機子組立体の第２の部
    分と前記磁極部品の第１の部分との間に形成されるよう
    に、前記電磁コイル内でかつ前記電磁コイルの軸線の方
    向に移動できるように支持された磁性材料でできた移動
    自在電機子組立体と、 前記移動自在電機子組立体の軸線方向に隔てられた別々
    の部分に連結され前記ハウジングに保持されていて、前
    記電機子組立体を前記電磁コイル内で軸線方向移動がで
    きるように支持するための一対の吊ばね部材とを含み、
    該吊ばね手段は、外方リング部と、前記外方リング部か
    ら隔てられかつ片持ち形式で前記外方リング部に取付け
    られている複数の環状リング部と、前記環状リングに取
    付けられている内部部分とから成り、前記内部部分は前
    記電機子組立体に取付けられ、前記外方リング部は前記
    ハウジングに連結されている、 直線運動比例ソレノイド装置。
20. 【請求項２０】前記磁極部品は、前記第２の空隙により
    前記電機子組立体から隔てられている第１の極部品領域
    と、前記電機子と前記極部品の間の磁束を分流させるべ
    く、磁束分流経路を形成するための、前記第２の空隙の
    近傍の第２の極部品領域とを有することを特徴とする請
    求項（19）に記載のソレノイド装置。
21. 【請求項２１】縦孔を有する電磁コイルを収容し該コイ
    ルにより生ずる磁場のための磁束経路を形成するため磁
    性材料を含む円筒ハウジングと、前記孔内に配置された
    ほぼ円筒形の磁極部品と、一対の吊ばねによりコイルの
    縦軸線に沿って移動できるように前記孔内に支持され
    た、磁性材料でできた移動自在電機子組立体とから成
    り、前記ばねの一方は、軸線方向空隙が前記極部品と前
    記電機子との間に形成される前記磁極部品の一方の端部
    の近傍の孔内に配置され、前記ばねの他方は、前記電機
    子と前記ハウジングとの間に形成される半径方向空隙の
    近傍の前記ハウジング内に配置され、前記極部品は、前
    記孔に沿って通る磁束の一部を分流させ、それによって
    電磁コイルへの電流印加により前記移動自在電機子に与
    えられる力を、所定範囲の前記軸線方向空隙の変動にお
    ける前記軸線方向空隙の大きさにかかわらずほぼ一定に
    させるため、前記軸線方向空隙の近傍の磁束分流領域を
    有する直線運動比例ソレノイド組立体。
22. 【請求項２２】前記吊ばね手段は、外方リング部と、前
    記外方リング部から隔てられかつ片持ち形式で前記外方
    リング部に取付けられている複数の環状リング部と、前
    記環状リング部に取付けられている内部部分とから成
    り、前記内部部分は前記電機子組立体に取付けられ、前
    記外方リング部は前記孔内に固定して配置されているば
    ね部材を有することを特徴とする請求項（21）に記載の
    ソレノイド装置。