JP3822937B2 - 小型電磁弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、弁を通過する流体のクリーン度を低下することなく、ストロークの小さい範囲で小型で大きな吸着力を要する電磁弁を提供することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、クリーン度を要求されている電磁弁、例えば、クリーンルーム内で使用される電磁弁等においては、弁を通過する流体（エア・特殊気体・水道水または純粋等）にゴミ等が混入されたり、また、電磁弁自体からのゴミが発生したりすることがないよう各種の努力がなされている。例えば、弁においては弁と弁座との間で摺動可能に構成されるスプール弁を使用せずに、先端部がテーパ状に形成され、流体流入口をテーパ面で開閉するポペット弁が使用されたり、また、ソレノイドからの摩耗粉が混入しないように、ポペット弁が移動する弁室内を分割するようにダイアフラム等が配置されていたりする。さらに、長ストロークを必要とする場合には、ポペット弁を作動させるためにエアシリンダをポペット弁に接続し、エアシリンダの作動をソレノイドで行なうように構成するものもある。
【０００３】
ダイアフラムが使用される従来の電磁弁７１は、図８に示されるように、ソレノイドがプランジャタイプ、つまり、コイル体７３内に可動プランジャ７４が配設され、可動プランジャ７４に固定されるピン７５がポペット弁７６に接続され、固定鉄心７７に吸着された可動プランジャ７４を復帰するために渦巻ばね７８が配設されるソレノイド７２が主に使用されていた。そして、ポペット弁７６が移動される中空部７９には、ソレノイド側の大気室７９ａと反ソレノイド側の弁室７９ｂとを分割するダイアフラム８０が配設されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の電磁弁７１は、コイル体７３が固定鉄心７７または可動プランジャ７４の外周面を嵌合するように配設されるタイプのソレノイド７２を使用しているので電磁弁７１自体が大型化されていた。さらに大型のソレノイドに伴って、ダイアフラム８０も大きなものが取り付けられることになる。そのためダイアフラム８０が受ける流体からの圧力も大きくなり、渦巻ばね７８の付勢力もその分強くしなければならないので、電磁弁がさらに大型化されてしまう。また、シリンダが配置されている弁においても、シリンダのスペース分大型化されてしまう。
【０００５】
この発明は、上述の課題を解決するものであり、短ストロークの範囲で使用され、クリーン度を低下することなく小型でしかも吸着力を大きくできる小型電磁弁を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかわる小型電磁弁では、上記の課題を解決するため、以下のように構成するものである。すなわち、
弁室内を移動する弁と、前記弁によって開閉可能な流体通路口を有する弁座と、を含む弁部と、
固定鉄心と、コイルの励磁により前記固定鉄心に対して吸着可能な可動鉄心と、を有して構成されるソレノイドと、
前記ソレノイドのコイルを制御する回路基板を有する回路室と、を備えて構成される小型電磁弁であって、
前記弁部には、前記ソレノイド側に中空部が形成され、前記中空部を前記ソレノイド側の大気室と反ソレノイド側の弁室に分割するようにダイアフラムが配置され、
前記固定鉄心が、中央部にセンターヨーク及び周辺部に円筒ヨークを有する断面Ｅ状に形成され、前記可動鉄心が、中央部にセンターヨーク及び周辺部に円筒ヨークを有する断面Ｅ状に形成されるかまたは平面状に形成されるとともに、前記センターヨークと前記円筒ヨークとの間にはコイルが巻回され、
前記ソレノイドの可動鉄心の中心軸部に、前記可動鉄心と前記固定鉄心とを貫通するように配設され一方の端部が前記弁に接続するように形成されるピンが固定されるとともに、前記固定鉄心のセンターヨークと円筒ヨークが、前記可動鉄心との吸着力を維持するために確保される吸着面積を有するように形成され、
前記可動鉄心が吸着解除される際に、前記可動鉄心を前記固定鉄心から離隔するようにばね手段が配設され、
前記回路室内に、前記可動鉄心の吸着を検出するセンサと、前記可動鉄心と前記固定鉄心との吸着時間より長い時間を設定する電流切替タイマーとが配設され、前記回路基板に、前記センサによる前記可動鉄心の吸着の確認信号あるいは前記電流切替タイマーのいずれかの切替信号によって、コイル電流を起動電流より電流値の低い保持電流に切り替える回路を配設することを特徴とするものである。
【０００７】
また好ましくは、前記固定鉄心のセンターヨークと前記可動鉄心の吸着面積が、ソレノイドの断面積に対して少なくとも２０％以上で３０％以下の比率になるように形成されることを特徴とするものであれば良い。
【０００８】
また、前記ばね手段が、板ばねを有して構成されていることを特徴とするものであればなお良い。
【００１０】
さらに、前記弁が、ポペット弁であってもよい。
【００１１】
また、前記回路基板に、逆励磁電圧を出力する逆励磁タイマーを配設すればさらに好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。小型電磁弁（以下、電磁弁という）１は、特に短ストローク（約０．５ｍｍ程度の範囲内）で使用され、流体の流れを開閉するための弁部２と、コイルの励磁により弁を作用させるソレノイド３と、コイル電流を制御する回路室４と、を有して一体的に構成されている。
【００１３】
弁部２はソレノイド３側に中空部２１を有する弁体２２と、中空部２１内を往復直線移動するポペット弁２３とを有して構成されている。ポペット弁２３は先端部がテーパ状に形成されている円錐部２３ａと、円錐部２３ａの上方に配置される円筒状のダイアフラム固定部２３ｂとを有し、後述のソレノイド３のピンに接続される。また、中空部２１内にはソレノイド側の大気室２１ａと反ソレノイド側の弁室２１ｂに分割するゴムまたは薄肉金属板製のダイアフラム２４が配設され、中空部２１側内周面に形成される雌ねじに螺合されるダイアフラム固定ねじ２５がダイアフラム２４を固定している。ダイアフラム２４は円形のゴムまたは薄肉の金属板で形成され、中央部がポペット弁２３の円錐部２３ａとダイアフラム固定部２３ｂとの間に挿入される。そのため、ポペット弁２３の円錐部２３ａが移動する際、ダイアフラム２４は固定されている外周部に対して中央部が上下方向に移動するように撓むことになる。また、弁体２２には流体が流入される流入口２６と、流入口２６から弁室２１ｂに向かって形成される通路２７と、弁室２１ｂから流出口２８に向かって形成される通路２９と、が設けられている。そして、ポペット弁２３は通路２７に対して開閉可能に移動される。
【００１４】
ソレノイド３は、固定鉄心３１と、固定鉄心３１に対して移動可能な可動鉄心３２と、可動鉄心３２の中心軸部を貫通するように固定されるとともに、一方の端部が固定鉄心３１を貫通して板ばね３４を固定するように延設され他方の端部がポペット弁２３に接続されるピン３３とを有している。板ばね３４は、帯状に形成され、ピン３３を弁部２側に付勢するように固定鉄心３１と回路室４との狭い空間内に配設される。
【００１５】
固定鉄心３１と可動鉄心３２は、図１〜２に示されるように、それぞれ軸心と直交する方向の断面が円形で軸心方向の断面形状が略Ｅ状に形成され、中央の凸部がセンターヨーク３１ａ・３２ａとして吸着面に形成されるとともに、外側凸部が円筒ヨーク３１ｂ・３２ｂとして吸着面に形成され、お互いのセンターヨーク３１ａ・３２ａが対向するように配置される。また、センターヨーク３１ａ・３２ａと円筒ヨーク３１ｂ・３２ｂとの間に形成される凹部３１ｃ・３２ｃには、固定鉄心３１の凹部３１ｃと可動鉄心３２の凹部３２ｃに跨がるようにコイル３５が巻回される（一般にＥ型ソレノイドという）。
【００１６】
そして、コイル３５が励磁されると、対向する位置にあるそれぞれのセンターヨーク３１ａ・３２ａ及び円筒ヨーク３１ｂ・３２ｂが吸着することになり、特に、センターヨーク３１ａ・３２ａの吸着面積が小型ソレノイドの吸着効率に大きく影響する。この吸着効率はいくつかの実験結果により明らかになっている。図３のグラフに示されるように、一定の電流値（２Ａ）における吸着力は約１４ｋｇ／Ａ以上であれば良く、望ましくは約１６ｋｇ／Ａ以上あれば良く、そのためにセンターヨーク吸着断面積に対するソレノイドの断面積の比率は２０％〜３０％であれば良く、望ましくは２２％〜２６％にすることが良いことがわかっている。そのため、本形態においては、ソレノイドの外径が約３７ｍｍに対して、センターヨークの外径が約１８ｍｍに設定している。
【００１７】
なお、可動鉄心は上記の形態に限らす、図４に示されるように、断面形状が平面状の可動鉄心５２でも良い（一般に平型ソレノイドという）。この場合では、固定鉄心５１は、センターヨーク５１ａと円筒ヨーク５１ｂとの間に形成される凹部５１ｃにコイル３５がすべて巻回される。そのため、固定鉄心５１は図１に示される固定鉄心３１に比べて全長が長くなる。可動鉄心５２の中心軸部にはピン５３が固定され、前述と同様に、一方の端部が固定鉄心５１を貫通して板ばね３４を押し上げるように取り付けられ、他方の端部がポペット弁２３の円錐部２３ａに接続される。そして、固定鉄心５１と可動鉄心５２との吸着力は、固定鉄心５１のセンターヨーク５１ａと円筒ヨーク５１ｂの断面積による。
【００１８】
回路室４には、ソレノイド３の固定鉄心３１にボルトで固定される回路ボックス４１が配設され、回路ボックス４１内にコイル３５の電流を制御する回路基板４２と、可動鉄心３２に固定されているピン３３の上端面の直上に配置されピン３３の移動を検出するセンサ４３と、が配設されている。センサ４３はホール素子、または磁気抵抗素子、またはリードスイッチ等が使用され、ピン３３の上端部に配設された永久磁石３６の位置を検出できるようにセンサ台４４に取り付けられている。また、センサ台４４にはコイル３５に接続されているリード線が配線される。
【００１９】
回路室４の上部にカバー５が取り付けられ、カバー５の一部を貫通するように一端が回路室４内に配線されるリード線４５が外部の電源及び信号源に接続される。
【００２０】
なお、ソレノイド３と可動鉄心３２の外周面には非磁性の薄肉円筒状の連結パイプ６が配設され、連結パイプ６は上部に固定鉄心３１の外周面に形成される雄ねじと、また、下部に弁部２の弁体２２の外周面に形成される雄ねじに螺合されて弁部２とソレノイド３とを一体化している。
【００２１】
次に、ソレノイド３の制御回路及び電磁弁１の作用について、図５のブロック図、及び図６の電磁弁作動図、さらに図７のタイミングチャートに従って説明する。
【００２２】
ソレノイドＯＮ／ＯＦＦの端子にＯＮ信号（例えば５Ｖ）が入ると、レベル切替部６１で「起動」の高レベルの信号電圧（例えば５Ｖ）が出されると、その信号は比較器６２に入力されＰＷＭ発振器６３から出された信号と比較される。そして、高レベル信号のため、ドライブ回路６４の「正」を出力するとソレノイドコイル３５はパルスは幅変調されない全電圧が印加され、コイル３５に始動電流が流れる。コイル３５に電流が流れると可動鉄心３２はピン３３とともに板ばね３４の付勢力に抗して固定鉄心３１側に吸着され、図６に示される位置に達する。この状態ではダイアフラム２４の中央部は外周部に対して上方に移動され、ポペット弁２３の円錐部２３ａは流体の通路２７を解放するので、流体は、流入口２６から通路２７を通って弁室２１に入り、通路２９を通って流出口２８から流出される。
【００２３】
可動鉄心３２が固定鉄心３１に吸着されると、センサ４３はピン３３の上端部に配置される永久磁石３６の位置を検出すると同時に、センサ４３から吸着信号ＯＮが出力される。吸着信号がＯＮされると、保持電流信号６５によってレベル切替部６１で「保持」の低レベルの信号電圧（例えば１Ｖ）が出力され、比較器６２でＰＷＭ発振器６３の信号と比較されてパルス幅変調された信号がドライブ回路６４の「正」に送り出される。それによってコイル電圧は、幅の狭いパルスとなって出力され、コイル電流を始動電流より電流値の低い保持電流に下げる。コイルは起動時の大電流から温度上昇の安全な低電流に切り替えられることになる。
【００２４】
一方、ソレノイドＯＮの信号が出されると同時に電流切替タイマー６６が作動される。タイマーの設定時間は、可動鉄心３２が固定鉄心３１に吸着される時間より長く設定され、もし、可動鉄心３２が吸着されずに、コイル電流が保持電流に下がらない場合に、ソレノイド３の保護のため、電流切替タイマー６６によりコイル電流を保持電流に切り替える役目をする。従って、コイル電流はセンサ４３の信号かあるいは電流切替タイマー６６の信号のいずれかの早い方の信号により、また、コイル電圧はいずれか早い信号によって幅の狭いパルス電圧に変り、よって電流は安全な低い値の保持電流に変わる。
【００２５】
次に、ソレノイド３にＯＦＦの信号が入力されると、吸着信号もＯＦＦになる。
【００２６】
一般に、本発明のような全面吸着を行なう鉄心においては、残留磁気吸引力が大きいので消磁を行なう必要がある。すなわちこの場合、逆励磁タイマー６７によって、吸着信号ＯＦＦと同時に、ソレノイドの回路には逆励磁電圧が出される。逆励磁タイマー６７から出力された信号はドライブ回路６４で「逆」を出力して、逆励磁の電圧を設定された時間ソレノイドコイル３５に入力する。そのため、可動鉄心３２と固定鉄心３１との間に流れる残留磁気は速やかに除去され、可動鉄心３２は板ばね３４の付勢力によって下方に移動され、固定鉄心３１から即座に離脱することができる。
【００２７】
下方に向かって移動される可動鉄心３２はピン３３を下方に移動させ、ピン３３の下端に接続されるポペット弁２３の円錐部２３ａを下方に移動させ通路２７を閉じる。そのため流体はその流れを停止する。
【００２８】
なお、上記の作用はＥ型ソレノイドを使用した形態で説明したが、平型ソレノイドを使用した場合の作用も同様である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の小型電磁弁によれば、小型電磁弁は、
弁を有する弁部と、固定鉄心・可動鉄心を有するソレノイドと、回路基板を有する回路室と、を備えて一体的に構成されている。
【００３０】
しかも、前記弁部の中空部に、前記ソレノイド側の大気室と反ソレノイド側の弁室に分割するようにダイアフラムが配置され、前記ソレノイドにＥ型ソレノイドあるいは平型ソレノイドが使用されるとともに、前記固定鉄心と前記可動鉄心が、適宜な吸着力を維持するために確保される吸着面積を有するように形成されている。そのため、ソレノイド側から排出される摩耗粉等のゴミが流体内に混入されずクリーン度を低下させることがなく、小型で吸着効率の良い電磁石を提供することができる。
【００３１】
また、前記ソレノイドの固定鉄心のセンターヨークと可動鉄心との吸着面積に対するソレノイド全断面積の比率が、実験結果に基づく極めて効率の良い２０％〜３０％（望ましくは２２％〜２６％）の間に形成されているので、小型であっても大きい吸着力が確保できる。しかも、起動時には大きな力を発生し、吸着すると低い保持電流に切り替えることができるのでソレノイドを保護できる。さらにこの電磁弁は小型にするために、回路室が一体化されるとともに可動鉄心の固定鉄心に対する離脱を従来の渦巻ばねから板ばねに変更することにより軸方向のスペースを小さくし、クリーン度をさらに増すようにポペット弁を使用するように構成されている。
【００３２】
従って、この電磁弁は、小型でクリーン度が低下されず、しかも吸着力が確保されるという効果を果たすことができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態における電磁弁を示す断面図
【図２】図１における固定鉄心または可動鉄心の平面断面図
【図３】ソレノイドの吸着面積と全断面積の面積比に対する吸着力を示すグラフ
【図４】ソレノイドの別の形態を示す図
【図５】ソレノイドの制御回路を示すブロック図
【図６】図１における電磁石の作動を示す図
【図７】ソレノイドの制御回路のタイムチャート
【図８】従来の電磁弁を示す断面図
【符号の説明】
１…電磁弁
２…弁部
３…ソレノイド
４…回路室
２１…中空部
２１ａ…大気室
２１ｂ…弁室
２２…弁体
２３…ポペット弁
２４…ダイアフラム
３１、５１…固定鉄心
３２、５２…可動鉄心
３１ａ、３２ａ、５１ａ…センターヨーク
３１ｂ、３２ｂ、５１ｂ…円筒ヨーク
３３…ピン
３４…板ばね
３５…コイル
４３…センサ

Claims (5)

1. 弁室内を移動する弁と、前記弁によって開閉可能な流体通路口を有する弁座と、を含む弁部と、
   固定鉄心と、コイルの励磁により前記固定鉄心に対して吸着可能な可動鉄心と、を有して構成されるソレノイドと、
   前記ソレノイドのコイルを制御する回路基板を有する回路室と、を備えて構成される小型電磁弁であって、
   前記弁部には、前記ソレノイド側に中空部が形成され、前記中空部を前記ソレノイド側の大気室と反ソレノイド側の弁室に分割するようにダイアフラムが配置され、
   前記固定鉄心が、中央部にセンターヨーク及び周辺部に円筒ヨークを有する断面Ｅ状に形成され、前記可動鉄心が、中央部にセンターヨーク及び周辺部に円筒ヨークを有する断面Ｅ状に形成されるかまたは平面状に形成されるとともに、前記センターヨークと前記円筒ヨークとの間にはコイルが巻回され、
   前記ソレノイドの可動鉄心の中心軸部に、前記可動鉄心と前記固定鉄心とを貫通するように配設され一方の端部が前記弁に接続するように形成されるピンが固定されるとともに、前記固定鉄心のセンターヨークと円筒ヨークが、前記可動鉄心との吸着力を維持するために確保される吸着面積を有するように形成され、
   前記可動鉄心が吸着解除される際に、前記可動鉄心を前記固定鉄心から離隔するようにばね手段が配設され、
   前記回路室内に、前記可動鉄心の吸着を検出するセンサと、前記可動鉄心と前記固定鉄心との吸着時間より長い時間を設定する電流切替タイマーとが配設され、前記回路基板に、前記センサによる前記可動鉄心の吸着の確認信号あるいは前記電流切替タイマーのいずれかの切替信号によって、コイル電流を起動電流より電流値の低い保持電流に切り替える回路を配設することを特徴とする小型電磁弁。
2. 前記固定鉄心のセンターヨークと前記可動鉄心の吸着面積が、ソレノイドの断面積に対して少なくとも２０％以上で３０％以下の比率になるように形成されることを特徴とする請求項１記載の小型電磁弁。
3. 前記ばね手段が、板ばねを有して構成されていることを特徴とする請求項１記載の小型電磁弁。
4. 前記弁が、ポペット弁であることを特徴とする請求項１，２または３記載の小型電磁弁。
5. 前記回路基板に、逆励磁電圧を出力する逆励磁タイマーを配設することを特徴とする請求項１記載の小型電磁弁。

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