JP2832175B2 - 電磁弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流れを制御
する電磁弁に関し、特に、高い圧力の流体を少ない電圧
で制御できる小型の電磁弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、流体制御に関して様々な形態
の電磁弁が使用されてきているが、その一例を図面を参
照して説明する。図７は、電磁弁の第１従来例を示した
断面図である。この電磁弁５１は、コイル５２が巻回さ
れた磁気枠５３に固定鉄心５４が固定され、その磁気枠
５３内であって固定鉄心５４に対して下方同軸上には、
固定鉄心５４に接離可能なように可動鉄心５５が嵌挿さ
れたソレノイド部が構成されている。また、ソレノイド
部の外周面は、樹脂によって形成されたカバー５６によ
り全体が一体化するようにモールド固定されている。

【０００３】可動鉄心５５は、その下端に弁体５７が挟
持され、フランジの上面とガイドパイプ５８とに当接す
るスプリング５９によって下方へ付勢されている。そし
て、スプリング５９に付勢される可動鉄心５５の下方に
は、弁体５７に対する弁座６０がボディ６１に形成さ
れ、更にボディ６０には、流体の流入する入力ポート６
２と、弁座６０の弁孔に連通する出力ポート６３が形成
されている。

【０００４】ところで、電磁弁は、コイルへの通電によ
って可動鉄心を吸引する瞬間の吸引初期は、固定鉄心と
可動鉄心とが最も離れた位置にあるため、その時点での
吸引力が最も弱い。従って、第１従来例の電磁弁５１で
は、ボディ６１内を流れる流体の圧力が高いものとなる
に従って、弁体５７を弁座６０へ気密に当接させている
力も大きくなる。しかし、そのように、流体圧力に比例
して可動鉄心５５を下方へ付勢する力が大きくなれば、
それに反して固定鉄心５４側へ吸引しようとするコイル
５２への作動電圧も大きなものとする必要があるため、
圧力の高い流体への使用には大電力を必要とした。

【０００５】そこで、このような問題点を解決すべく特
開平１−１４５４８４号公報に開示された電磁弁につい
て図面を参照して説明する。図８は、当該公報によって
開示された第２従来例の電磁弁の断面図である。この電
磁弁７１は、可動鉄心７２上端と固定鉄心７３下端には
それぞれ凹部が形成され、両者を離隔するように付勢す
る第１のスプリング７４が嵌装されている。一方、可動
鉄心７２下端側には、弁体７５と一体の弁棒７６が摺動
する摺動孔７２ａが軸芯部に形成され、そこへ下方から
挿入された弁棒７６が、同じく摺動孔７２ａ内に嵌挿さ
れた第２のスプリング７７によって、その摺動孔７２ａ
の天井に当接するよう付勢されている。また、弁体７５
に対する弁座７８の形成されたボディ７９には、流体の
流入する入力ポート８０と、弁座７８の弁孔に連通する
出力ポート８１が形成されている。

【０００６】このような構成からなる電磁弁７１は、コ
イル５２への非通電時には、第１のスプリング７４によ
って下方へ付勢された可動鉄心７２によって、その摺動
孔７２ａ内に挿入された弁棒７６が同じ様に下方へ付勢
される。そのため、弁棒７６下端に一体に設けられた弁
体７５が弁座７８に当接して閉弁状態となる。一方、コ
イル５２が通電されると、第１のスプリング７４に付勢
さた可動鉄心７２が、その力に反し励磁された固定鉄心
７３の吸引力によって上昇することとなる。その際、弁
体７５はボディ７９内に流入する流体の圧力によって弁
座７８に圧接されているため、可動鉄心７２のみが上昇
し、弁体７５に一体の弁棒７６が摺動孔７２ａ内を第２
のスプリング７７を圧縮させながら摺動することとな
る。

【０００７】そして、ある程度第２のスプリング７７が
圧縮され、固定鉄心７３と可動鉄心７２との距離が縮ま
ると、固定鉄心７３及び可動鉄心７２間の吸引力が大き
くなり、弁体７５にかかる弁座７８側への流体圧力に反
して弁体７５が弁座７８から離間して開弁状態となる。
その後、縮められた第２のスプリング７７が弾拡するこ
とによって更に弁棒７６が上昇して、弁が大きく開くこ
ととなる。また、コイル５２への通電を止めれば、第１
のスプリング７４の弾拡力によって可動鉄心７２及び弁
棒７６は下降し、弁体７５が弁座７８に当接し、再び図
に示すような閉弁状態となる。

【０００８】従って、第２従来例として挙げた特開平１
−１４５４８４号公報に記載された構成の電磁弁７１に
よれば、固定鉄心７３と可動鉄心７２とが最離れた吸引
力の弱い吸引初期の段階においては、可動鉄心７２のみ
が、第１のスプリング７４及び第２のスプリングの付勢
力に抗して上昇する一方、固定鉄心７３と可動鉄心７２
との吸着直前から吸着までの吸引力が大きくなる過程に
おいて、弁体７５を流体の圧力に反して上昇させ弁座７
８から離間するようにしたため、流体圧力の大きなもの
に対しても微少電力で開弁することが可能としたもので
ある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第２従来例の
電磁弁７１では、可動鉄心７２と弁体７５とを独立して
移動するよう構成したため、上述したように圧力の高い
流体に使用した場合でも、第１従来例の電磁弁５１に比
べて弁の開閉には微少電力で開弁が可能なものとなった
が、次のような問題点を伴うものであった。先ず、固定
鉄心７３が可動鉄心７２を吸引する際、コイル５２への
通電が開始された吸引力の弱い吸引初期において、第１
のスプリング７４と第２のスプリング７７の両方を圧縮
させなければならないため、２つの加算されたバネ力に
対するコイル５２への作動電圧が必要であった。

【００１０】また、可動鉄心７２のみ固定鉄心７３の吸
引によって一旦上昇した後、可動鉄心７２と固定鉄心７
３との吸着直前から吸着までの吸引力の大きい過程にお
いて弁体７５を流体圧力に反して弁座から離間するが、
その際、弁棒７６が第２のスプリング７７を介して可動
鉄心７２に引き上げられる。そのため、流体圧力が大き
ければ、その分第２のスプリング７７の受ける力が大き
く圧縮する量も大きくなり、弁の開閉の繰り返しによっ
て第２のスプリング７７生じる「摩耗」や「へたり」の
発生が生じ易く、電磁弁７１自体が寿命の短いものとな
るおそれがある。一方、第２のスプリング７７の強度を
高くしたのでは、上述したように吸引初期において第１
のスプリング７４とともに第２のスプリング７７をも圧
縮するため大きな吸引力が必要となって、上記効果を没
却してしまうこととなる。

【００１１】また、電磁弁７１を固定鉄心７３等の軸線
方向に見た場合、固定鉄心７３と可動鉄心７２の間に第
１のスプリング７４を介在するよう構成したため、その
分電磁弁７１自身が大型化してしまった。また、固定鉄
心７３と可動鉄心７２との間に第１のスプリング７４が
介在し、可動鉄心７２と弁体７５との間にも第２のスプ
リング７７が介在するため、弁体７５にかかる力のバラ
ンスがくずれ易く、弁座７８に当接する弁体７５の安定
性が悪くなりシール性が低下するおそれがある。

【００１２】本発明は、上記問題点を解消した、少ない
電力で高い圧力の流体制御が可能で、寿命の長い、また
コンパクトな電磁弁を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、導電性コイル
の巻回されるソレノイド部に固定的に設けられた固定鉄
心と、ソレノイド部への通電により固定鉄心に発生され
る電磁力により固定鉄心側に吸引される可動鉄心と、そ
の固定鉄心に吸引される可動鉄心の動きに連動する弁体
と弁座との当接または離間によって開閉動作を行なう弁
機構を有するものであって、下端に前記弁体を備えた弁
棒と、前記可動鉄心または前記弁棒の一方が、その他方
に開口して形成された挿入孔内に挿入され、その挿入孔
内であって可動鉄心と弁棒との間に嵌挿された第１付勢
部材と、前記可動鉄心に対して固定され、前記弁棒に対
して所定の隙間を介して遊嵌された前記第１付勢部材の
下端を支持する支持部材と、前記弁棒を前記弁座方向に
付勢する第２付勢部材とを有することを特徴とする。ま
た、本発明の電磁弁は、前記支持部材が、軸芯部を垂直
に貫通する前記可動鉄心に形成された同径の嵌入孔と、
軸芯部を垂直に貫通する前記弁棒に形成された広径の嵌
挿孔とを介して配設されたピンであることが望ましい。

【００１４】上記構成を有する本発明の電磁弁は、導電
性コイルの巻回されるソレノイド部への通電により発生
する電磁力によって固定鉄心側に可動鉄心が吸引される
ため、可動鉄心の動きに連動する弁体と弁座との当接ま
たは離間によって弁の開閉動作が操作されるが、その開
弁の際、先ずソレノイド部が通電された吸引初期には、
可動鉄心のみが、支持部材を介して加わる第１付勢部材
の付勢力に抗して吸引される一方、弁棒は、第２付勢部
材により弁体が弁座に当接するよう付勢された状態を維
持し、そして、可動鉄心に固定された支持部材が遊嵌さ
れた弁棒との隙間分だけ移動した後、弁棒が、支持部材
を介して可動鉄心に引っ張られるようにして第２付勢部
材の付勢力に抗して移動する。従って、吸引初期には可
動鉄心を第１付勢部材の付勢力に反する吸引力のみでよ
いため、少ない電力で高い圧力の流体制御が可能となっ
た。

【００１５】また、本発明の電磁弁は、開弁の際、支持
部材であるピンが、可動鉄心の嵌入孔内に嵌入されて固
定されているため、可動鉄心が固定鉄心に吸引されれば
ともに移動する一方、弁体に形成された広径の嵌挿孔と
の間には隙間が生じ、可動鉄心の所定距離の移動に対し
て連動することなく静止状態を維持するため、その弁棒
に加わる第２付勢部材及び流体圧力による付勢力が可動
鉄心の吸引に影響することがない。従って、吸引初期に
は可動鉄心を第１付勢部材の付勢力に反する吸引力のみ
でよいため、少ない電力で高い圧力の流体制御が可能と
なった。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の電磁弁の一実施の
形態について図面を参照して説明する。図１乃至図４
は、本実施の形態の電磁弁を示した断面図であり、図１
の閉弁状態から図４の開弁状態にかけての弁の開く様子
を示している。本実施の形態の電磁弁１は、大きく分け
て上半分のソレノイド部１０と下半分の弁部２０とによ
り構成される。このソレノイド部１０と弁部２０とは、
ソレノイド部１０の下方に延設されたガイドパイプ１４
と弁部２０を構成するボディ２１とが、ロックナット３
０によっ上下一体に固定されている。

【００１７】このソレノイド部１０は、中空円筒形状の
コイルボビン１１の胴部に銅線が巻かれたコイル１２を
有し、その外周を囲むように磁気枠１３が形成されてい
る。そのコイルボビン１１の円筒内には、上述したよう
にロックナット３０を介してボディ２１に一体に固定す
べく、下端フランジ部を有する中空円筒形状のガイドパ
イプ１４が挿入固定されている。このコイルボビン１１
及びガイドパイプ１４からなる中空部には、その上方か
ら固定鉄心１５がコイル１２のほぼ中央付近まで挿入さ
れ固定されている。一方、下方からは、弁体２５を備え
た弁棒３と係設された可動鉄心２が、ガイドパイプ１４
内を上下方向に摺動可能に嵌挿保持されている。そし
て、ソレノイド部１０の外周面は、樹脂によって形成さ
れたカバー１７により全体が一体化するようにモールド
固定されている。

【００１８】次に、弁部２０は、電磁弁１のボディ２１
内に流体を流入させる入力ポート２２、ボディ２１内の
流体を吐出する出力ポート２３が形成され、そのボディ
２１内には入力ポート２２と出力ポート２３とを連通す
る弁孔が形成された弁座２４とが設けられている。この
弁座２４は、固定鉄心１５及び可動鉄心２と同軸上に形
成されている。そして、ボディ２１には、弁座２４を囲
むように突設された円筒形の固定部２１ａが上方に開口
して形成され、その固定部２１ａの側面に切られたネジ
にガイドパイプ１４を介してロックナット３０が螺設さ
れ、電磁弁１が構成されている。

【００１９】また、弁部２０には、ボディ２１内に流入
した流体の流れを制御すべく、弁体２５が弁座２４に当
接する位置に配設されている。この弁体２５は、可動鉄
心２に係設された弁棒３の下端部に挟持されている。可
動鉄心２は、下方に開口した挿入孔２ａが形成された円
柱形状の棒材によって形成されている。一方、弁棒３
は、可動鉄心２の挿入孔２ａ内に挿入される上部の棒部
３ａと、合成ゴム等によって成形された弁体２５を挟持
した下部の弁体部３ｂとから構成されている。そして、
挿入孔２ａに挿入された棒部３ａとの間には、径の寸法
差の分だけ隙間が設けられ、そこには第１スプリング４
が嵌挿されている。また、この挿入孔２ａと棒部３ａと
の隙間には、第１スプリング４を上下で支持する円筒形
状のスプリング受５，６が、第１スプリング４の両端に
嵌挿されている。このスプリング受５，６は、それぞれ
ピン７，８によって位置決めされている。

【００２０】上方に位置するスプリング受５は、弁棒３
を垂直に貫いて固定されたピン７によって位置決めされ
ている。一方、下方に位置するスプリング受６は、可動
鉄心２及び弁棒３を垂直に貫いたピン８によって位置決
めされている。但し、このピン８は、可動鉄心２には固
定されているが、弁棒３に対しては、棒部３ａに形成さ
れたピン８の径よりも大きい寸法の貫通孔３ｃ内をフリ
ーな状態で貫通している。従って、ピン８と弁棒３との
間には、上下方向にＳ１の寸法の隙間が生じることとな
る。また、弁体部３ｂをなす弁棒３の下端には、外側に
フランジ３ｄが形成され、そこへはガイドパイプ１４と
の間で支持しあう第２スプリング９が、弁体２５を弁座
２４へ当接させるべく弁棒３を下方へ付勢するよう嵌装
されている。

【００２１】次に、このような構成からなる電磁弁１の
作用について説明する。先ず、図１に示すコイル１２へ
の非通電時には、第２スプリング９の弾拡力によって弁
棒３が下方に付勢され、その弁棒３に挟持された弁体２
５が弁座２４に当接した状態で閉弁されている。そのた
め、入力ポート２２からボディ２１内に流入した流体の
流れが遮断され、出力ポート２３から流出するようなこ
とはない。このような非通電時には、第２スプリング９
が、弁棒３を下方へ付勢するとともに、第１スプリング
４が、ピン８を介して可動鉄心２を下方へ付勢すること
となる。従って、ピン８は、弁棒３の貫通孔３ｃの下側
に当接され、上側に寸法Ｓ１の隙間が生じる。また、可
動鉄心２と固定鉄心１５との間には、寸法Ｓｔの隙間が
生じている。

【００２２】ここで、図５は、固定鉄心１５と可動鉄心
２との距離（ストローク）に対して、固定鉄心１５と可
動鉄心２との間に生じる吸引力との関係（グラフＡ）及
び弁棒３にかかる弁座２４方向への負荷との関係（グラ
フＢ）を示した図である。弁棒３にかかる負荷は、主に
第２スプリング９による付勢力及び弁体２５を弁座２４
に気密に当接させる流体圧力である。そこで、コイル１
２への通電が行なわれると、固定鉄心１５の上下方向に
発生する磁界によって、固定鉄心１５は電磁石となって
可動鉄心２を吸引する吸引力が生じる。このとき図１に
示した閉弁状態では、図５から分かるように、コイル１
２への通電によって生じる吸引力よりも弁棒３にかかる
負荷のほうが大きい（Ｐ点）。

【００２３】しかし、本実施の形態の電磁弁１では、こ
のように吸引力の小さい吸引初期には、貫通孔３ｃに生
じた隙間のＳ１の距離だけ弁棒３とは別に可動鉄心２の
みが吸引されて移動する。従って、固定鉄心１５に吸引
された可動鉄心２は、ピン８を介して受ける第１スプリ
ング４の弾拡力に抗して上昇する。一方、弁棒３には、
フランジ３ｄにかかる第２スプリング９の下方への付勢
力と流体圧力が加わり、弁体２５が、弁座２４に当接し
た閉弁状態が維持される（図２）。

【００２４】そして、図２に示したように閉弁状態のま
ま可動鉄心２がＳ１だけ上昇し、固定鉄心１５と可動鉄
心２との距離がＳｔ−Ｓ１となったところでは、図５に
示すように、固定鉄心１５に生じる吸引力が、弁棒３に
かかる負荷を上回ることとなる（Ｒ点）。従って、貫通
孔３ｃに設けられる隙間の寸法Ｓ１は、第２スプリング
９のバネ力及び流体圧力による負荷と、可動鉄心２のス
トロークＳｔを考慮する必要がある。本実施の形態の電
磁弁１では、Ｓ１＝０．４ｍｍ，Ｓｔ＝０．８５ｍｍで
ある。そこで、Ｓ１だけ上昇した可動鉄心２には、ピン
８を介して弁棒３にかかる負荷が加わることとなるが、
可動鉄心２を上昇させる吸引力が大きいため、可動鉄心
２及び弁棒３とが一体となって上昇する。このとき、弁
体２５が上昇して弁座２４から離間した瞬間に流体が出
力ポート２３側へ流れ込むと、その流体圧力が弁棒３下
端面に上方への圧力として加わり、弁棒３にかかる負荷
が急激に下がることとなる（Ｑ点）。

【００２５】固定鉄心１５に吸引されて一体に上昇する
可動鉄心２及び弁棒３は、可動鉄心２が、固定鉄心１５
に直接吸引され上方に力が加わる一方、弁棒３には、第
２スプリング９によって下方へ力が加わっているため、
ピン８と貫通孔３ｃとは、ピン８の下側に隙間Ｓ１を設
けた関係のまま移動する。そして、そのような状態で可
動鉄心２が固定鉄心１５に当接する（図３）。可動鉄心
２が固定鉄心１５に当接した瞬間の弁体２５と弁座２４
との距離は、Ｓｔ−Ｓ１である。そして、可動鉄心２
は、固定鉄心１５に当接した位置で吸着固定されるた
め、次の瞬間には、弁棒３が、第１スプリング４の弾拡
力によって貫通孔３ｃの隙間Ｓ１だけ上昇する。従っ
て、最終的に、弁体２５と弁座２４は、Ｓｔの距離をも
って開弁することとなる（図４）。一方、コイル１２へ
の通電を止めれば、可動鉄心２と弁棒３とは図４に示し
た状態のまま下降し、弁体２５が弁座２４に当接するこ
とによって閉弁状態となる。

【００２６】以上、このような構成による本実施の形態
の電磁弁１によれば、先ず、固定鉄心１５と可動鉄心２
とが最も離れた吸引初期の状態では、コイル１２への通
電によって生じる固定鉄心１５の吸引力に対する負荷が
第１スプリング４のみであるため、コイル１２へ印加す
る電圧は非常に小さいものでよく、電力量の削減によっ
て省エネに優れたものを提供することが可能となった。
ここで、上述した図７に示した第１従来例の電磁弁７１
と比較したところ、図６に示すような結果を得ることが
できた。即ち、従来の電磁弁７１では、固定鉄心と可動
鉄心とが最も離れた吸引初期からスプリング５９の負荷
を受けた可動鉄心を一気に吸引するものであるため、初
期の吸引力を高めるべく大電力を必要とした。従って、
流体圧力を高めるに従って可動鉄心にかかる負荷も大き
くなるため、コイルへの作動電圧も大きくなり、図示し
たように流体圧力の増加に比例して作動電圧の値がが急
激に増加する結果となった。これに対し、本実施の形態
の電磁弁１では、流体圧力の影響は極めて小さいもので
あり、第１スプリング４の付勢力に抗して吸引すればよ
いので、図示の如く作動電圧の値を格段に小さいものと
することができた。

【００２７】また、本実施の形態の電磁弁１では、初期
の吸引によって可動鉄心２が上昇した後、ピン８を介し
て弁棒３が可動鉄心２に引き上げられるようにしたた
め、第１スプリング４へかかる負荷が小さく「摩耗」や
「へたり」が非常に少なくなったことにより、電磁弁１
自体の耐用時間が向上した。

【００２８】また、本実施の形態の電磁弁１では、可動
鉄心２と弁棒３との間に第１スプリング４を嵌挿する一
方、更に第２スプリング９を弁体部３ｂの周りに配設
し、それぞれ可動鉄心２及び弁棒３と同一高さに位置す
るよう構成したため、軸線方向のスペースに無駄な空間
をなくすことによって電磁弁１のコンパクト化を実現す
ることができた。更に、弁棒３下端に形成したフランジ
３ｄに直接第２スプリング９を配設し、その付勢力によ
って弁体２５を弁座２４に当接させるものであるため、
弁体２５が弁座２４へ安定した当接及び離間を繰り返す
ことによって、安定したシール性を維持することが可能
となった。

【００２９】なお、本発明は、上記実施の形態のものに
限定される訳ではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様
々な変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、
弁棒３を可動鉄心２の挿入孔内に挿入するように構成し
たが、逆に弁棒３に形成した挿入孔内に可動鉄心２を挿
入するようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、下端に前記弁体を備えた弁棒
と、可動鉄心または弁棒の一方が、他方に開口して形成
された挿入孔内に挿入され、その挿入孔内であって可動
鉄心と弁棒との間に嵌挿された第１付勢部材と、可動鉄
心に対して固定され、弁棒に対して所定の隙間を介して
遊嵌された第１付勢部材の下端を支持する支持部材と、
弁棒を弁座方向に付勢する第２付勢部材とを有するよう
構成したので、少ない電力で高い圧力の流体制御が可能
で、寿命の長い、またコンパクトな電磁弁を提供するこ
とが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電磁弁の一実施の形態を示した閉
弁時の断面図である。

【図２】本発明に係る電磁弁の一実施の形態を示した吸
引初期の断面図である。

【図３】本発明に係る電磁弁の一実施の形態を示した開
弁時の断面図である。

【図４】本発明に係る電磁弁の一実施の形態を示した全
開時の断面図である。

【図５】固定鉄心１５と可動鉄心２との距離に対する、
両者を吸引するのに必要な吸引力との関係（グラフＡ）
及び弁体２５にかかる弁座２４方向への負荷との関係
（グラフＢ）を示した図である。

【図６】流体圧力に対する可動鉄心の吸引に必要な作動
電圧との関係のグラフを示した図である。

【図７】第１従来例の電磁弁を示した断面図である。

【図８】第２従来例の電磁弁を示した断面図である。

【符号の説明】

１ 電磁弁 ２ 可動鉄心 ３ 弁棒 ４ 第１スプリング ５，６ スプリング受 ７，８ ピン ９ 第２スプリング １５ 固定鉄心 ２４ 弁座 ２５ 弁体

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性コイルの巻回されるソレノイド部
   に固定的に設けられた固定鉄心と、 ソレノイド部への通電により固定鉄心に発生される電磁
   力により固定鉄心側に吸引される可動鉄心と、 その固定鉄心に吸引される可動鉄心の動きに連動する弁
   体と弁座との当接または離間によって開閉動作を行なう
   弁機構を有する電磁弁において、 下端に前記弁体を備えた弁棒と、 前記可動鉄心または前記弁棒の一方が、その他方に開口
   して形成された挿入孔内に挿入され、その挿入孔内であ
   って可動鉄心と弁棒との間に嵌挿された第１付勢部材
   と、 前記可動鉄心に対して固定され、前記弁棒に対して所定
   の隙間を介して遊嵌された前記第１付勢部材の下端を支
   持する支持部材と、 前記弁棒を前記弁座方向に付勢する第２付勢部材とを有
   することを特徴とする電磁弁。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の電磁弁において、 前記支持部材が、 軸芯部を垂直に貫通する前記可動鉄心に形成された同径
   の嵌入孔と、 軸芯部を垂直に貫通する前記弁棒に形成された広径の嵌
   挿孔とを介して配設されたピンであることを特徴とする
   電磁弁。