JP4178050B2 - 小型電磁弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力の流れ方向を制御することが可能な小型電磁弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧力の流れ方向を制御することが可能な小型電磁弁は、例えば図６に示す液体分析装置５０の分注制御に使用される。分注とは、血液や体液、希釈水用の純水や生理食塩水、反応させる試薬などを反応セルに移すことをいう。液体分析装置５０では、数μＬの分注精度で流量制御を行うためにシリンジポンプ５２を使用している。シリンジポンプ５２は、シリンジ（注射器）で純水などを設定された流量で持続的に注入するものであり、注入速度を容易に調節することができる利点があるからである。
【０００３】
シリンジポンプ５２は、小型電磁弁１００を介して純水ポンプ５１と、反応セル５３とにそれぞれ接続している。小型電磁弁１００と反応セル５３との間にはノズル５４が配設され、反応セル５３に純水を正確な流量で供給できるようにしている。こうした小型電磁弁１００は、数μＬから数十μＬ程度で純水の流量を制御することが要求されている（非特許文献１参照。）。
【０００４】
図７は、従来の小型電磁弁１００の断面図である。図８は、図７のＢ部拡大図である。
小型電磁弁１００は、バルブボディ１０１を板体１０２に連結した弁本体を備え、さらにバルブボディ１０１にケーシング１１０を連結している。板体１０２には、図６に示す純水ポンプ５１と接続する第１ポート１０３ａと、図６に示すシリンジポンプ５２と接続する第２ポート１０３ｂと、図６に示す反応セル５３に接続する第３ポート１０３ｃとが平行に形成され、ダイアフラム１０４の外縁部をバルブボディ１０１と板体１０２との間で狭持することにより第１〜第３ポート１０３ａ〜１０３ｃに連通する弁室１０５を形成している。第１，第３ポート１０３ａ，１０３ｃが弁室１０５と連通する開口部には、弁座部１０６ａ，１０６ｂが形成され、その弁座部１０６ａ，１０６ｂと当接する第１，第２膨出部１０７ａ，１０７ｂがダイアフラム１０４の下端面に形成されている。ダイアフラム１０４は、バルブボディ１０１に固定された支軸１０８に揺動可能に軸支される揺動部材１０９に固着されている。
【０００５】
一方、ケーシング１１０には、電磁コイル１１１に通電すると固定鉄心１１２を励磁するコイルボビン１１３が内設され、そのコイルボビン１１３に可動鉄心１１４が摺動可能に挿通されている。可動鉄心１１４は、第１バネ１１５で常に図中Ｂ方向の力を加えられ、バルブボディ１０１に摺動可能に収納された変位部材１１６を押し下げている。変位部材１１６には、第１押圧部材１１７ａと第２押圧部材１１７ｂとが先端部を揺動部材１０９に当接するように配設されている。第１押圧部材１１７ａは、弁座部１０６ａに対応する位置に固設される一方、第２押圧部材１１７ｂは、弁座部１０６ｂに対応する位置に摺動可能に保持され、第２バネ１１８で常に図中Ｂ方向の力を加えられている。第２バネ１１８は、第１バネ１１５より付勢力が弱く、第１バネ１１５と第２バネ１１８の荷重差で揺動部材１０９が揺動するようになっている。
【０００６】
このような小型電磁弁１００に電気信号を供給すると、可動鉄心１１４が固定鉄心１１２に吸引されて第１バネ１１５を圧縮しながら図中Ａ方向に移動する。これに伴って、第１バネ１１５の荷重が小さくなるため、揺動部材１０９は、第２押圧部材１１７ｂに押し下げられて揺動し、ダイアフラム１０４の第２膨出部１０７ｂを弁座部１０６ｂに密着させる。これにより、第１ポート１０３ａと第２ポート１０３ｂとが連通し、純水ポンプ５１からシリンジポンプ５２に純水を供給することができる。
【０００７】
その後、電気信号の供給を停止すると、可動鉄心１１４が第１バネ１１５の付勢力で図中Ｂ方向に移動し、変位部材１１６を図中Ｂ方向に移動させる。これに伴って、第１バネ１１５の荷重が大きくなるため、揺動部材１０９は、第２バネ１１８の付勢力に抗して第２押圧部材１１７ｂを図中Ａ方向に押し上げて揺動し、ダイアフラム１０４の第１膨出部１０７ａを弁座部１０６ａに密着させる。これにより、第２ポート１０３ｂと第３ポート１０３ｃとが連通し、シリンジポンプ５２から反応セル５３に純水を注入することができる。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【非特許文献１】
「医療・分析装置攻略 アプリケーション＆テクニカルブック」、シーケーディ株式会社、１９９８年１０月１６日、ｐ．２〜３
【特許文献１】
特開２０００−２９７８７６号公報（第３〜５頁、第１〜３図。）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の小型電磁弁１００は、一定の膜厚で形成したダイアフラムでは弾性が小さくシール性が悪いため、ダイアフラム１０４に半球状の第１，第２膨出部１０７ａ，１０７ｂを接液面側に突設することにより肉厚にし、弾性を確保していた。そのため、第１膨出部１０７ａ（又は第２膨出部１０７ｂ）は、図８に示すように、弁座部１０６ａ（又は弁座部１０６ｂ）に線接触し、局部的に劣化しやすかった。特に、第１膨張部１０７ａ（又は第２膨張部１０７ｂ）は、揺動部材１０９の揺動量によって圧接量が異なり、変形が進行しやすかった。第１膨出部１０７ａ（又は第２膨出部１０７ｂ）は、図９に示すような変形を生じると、ダイアフラム１０４と弁室１０５内壁との間の距離が、図８に示すＨ１から図９に示すＨ２へと小さくなるため、弁室１０５の内部容積が変化する問題があった。
【００１０】
この点、図１０に示すダイアフラム１７４のように、第１，第２膨出部１７７ａ，１７７ｂを略円柱形状にすれば、第１，第２膨出部１７７ａ，１７７ｂが弁座部１０６ａ，１０６ｂに面接触して劣化しにくい。ところが、第１，第２膨出部１７７ａ，１７７ｂは、接液面側に突き出しているため、ダイアフラム１７４と弁室１０５内壁との間に余分な隙間を生じ、弁室１０５の内部容積を大きくする問題がある。弁室１０５の内部容積が大きくなると、液溜まりや乱流が発生しやすく、流量制御に悪影響を与える。特に、図６の液体分析装置に使用する小型電磁弁１００は、数μＬ〜数十μＬ程度の極微小な流量を制御するため、その影響が大きい。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、弁室の内部容積の変動を抑えるとともに、内部容積を小さくすることができる小型電磁弁を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る小型電磁弁は、上記課題を解決するために以下の構成を有する。
（１）複数のポートに連通する弁室を内設する弁本体が揺動部材を揺動可能に保持し、揺動部材を駆動手段で揺動させることにより、揺動部材に固着したダイアフラムを弁室に形成した弁座に当接又は離間させ、複数のポートの連通状態を切り換える小型電磁弁において、ダイアフラムは、弁座に対応する部分が非接液面側に肉厚に形成され、接液面が平坦に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
上記構成を有する小型電磁弁では、駆動手段が揺動部材を所定方向に揺動させると、ダイアフラムは、非接液面側に肉厚にした肉厚部分を弁座に押し付ける。ダイアフラムの肉厚部分は、弾性を有するため、弁座に密着して確実にシールする。このとき、ダイアフラムは、接液面が平坦に形成され、揺動部材の揺動量が変化しても、ほぼ同じ位置を弁座に対して略同一方向に接触するため、変形しにくい。また、ダイアフラムと弁室との間に余分な隙間を形成しない。
【００１４】
よって、本発明によれば、ダイアフラムの耐久性を向上させて弁室の内部容積の変動を抑えるとともに、ダイアフラムと弁室内壁との間に余分な隙間を形成しないことによって弁室の内部容積を小さくすることができる。そのため、小型電磁弁は、シール性の向上及び液溜まり・乱流の発生の抑制を図ることが可能になり、例えば、数μＬ〜数十μＬ程度の極微小な流量であっても正確に制御することが可能である。
【００１５】
（２）（１）に記載の発明において、ダイアフラムの肉厚部分が、弁座のシール面積を超えて設けられていることを特徴とする。
すなわち、ダイアフラムが揺動部材の揺動に従って繰り返し変位して、しずみ込みの変形を生じた場合でも、弁座をシールすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る小型電磁弁の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、非通電時の小型電磁弁１の断面図である。図２は、通電時の小型電磁弁１の断面図である。図３は、図１のＡ部拡大図である。
小型電磁弁１は、従来技術の欄で説明した小型電磁弁１００と同様に、図６の液体分析装置５０に使用される。小型電磁弁１は、取付板２にバルブボディ３を固定して弁本体３０を設け、さらに、バルブボディ３にケーシング４を連結して外観が構成されている。
【００１７】
取付板２には、図６の純水ポンプ５１に接続する第１ポート５ａ、図６のシリンジポンプ５２に接続する第２ポート５ｂと、図６の反応セル５３に接続する第３ポート５ｃとが形成され、第１，第３ポート５ａ，５ｃの開口部の周りに弁座６ａ，６ｂが形成されている。
【００１８】
バルブボディ３は、取付板２との間で弁座６ａ，６ｂに当接又は離間するダイアフラム７を狭持している。ダイアフラム７は、耐腐食性の観点からフッ素ゴム、シリコンゴム、ＥＰＤＭ（ethylene-propylene-diene terpolymer）等を材質とし、揺動部材１０に固着される弁体部７１と、弁体部７１の下端外周に接続する薄膜部７２と、薄膜部７２の外周に肉厚に形成された外縁部７３とを備える。ダイアフラム７は、インサート成形によって弁体部７１を揺動部材１０に固着され、揺動部材１０をバルブボディ３に架設された支軸９で軸支することにより、揺動部材１０の揺動に従って弁座６ａ，６ｂに相対的に当接又は離間するよう構成されている。
【００１９】
ここで、揺動部材１０は、弁座６ａ，６ｂに対応する位置に段差１０ａ，１０ｂが設けられている。そのため、ダイアフラム７の弁体部７１は、弁座６ａ，６ｂに当接する部分の肉厚が他の部分より非接液面側に厚く形成され、肉厚部７１ａ，７１ｂを設けられている。また、ダイアフラム７は、薄膜部７２が弁体部７１の下端外周に接続するため、弁体部７１から薄膜部７２にわたって接液面全体が平坦に形成されている。肉厚部７１ａ，７１ｂは、図３に示すように、弁座６ａ，６ｂのシール面積を超えて設けられている。例えば、本実施の形態では、肉厚部７１ａ（又は肉厚部７１ｂ）は、弁座６ａ（又は弁座６ｂ）のシール面積Ｗより約１ｍｍ以上大きい領域Ｅにわたって形成されている。
【００２０】
一方、ケーシング４には、図１に示すように、揺動部材１０を揺動させるための駆動手段が内蔵されている。駆動手段は、電磁コイル１１を巻回された中空円筒形状のコイルボビン１２を備え、コイルボビン１２の中空孔の上端開口部に固定鉄心１３が固定される一方、コイルボビン１２の中空孔の下端開口部に可動鉄心１４が摺動可能に挿通されている。電磁コイル１１は、リード線１５を介して通電され、リード線１５と電磁コイル１１との間に電圧を制御する回路基板１６が配設されている場合もある。
【００２１】
可動鉄心１４は、コイルボビン１２とバルブボディ３との間に配設された非磁性部材１７を貫通し、バルブボディ３に形成された中空孔１８に先端部が突き出すよう配設されている。中空孔１８は、弁座６ａと同軸上に形成され、変位部材１９が摺動可能に装填されている。変位部材１９は、可動鉄心１４と非磁性部材１７との間に縮設された第１バネ２０によって常に下向きの力を加えられ、先端部が揺動部材１０に突き当てられている。また、バルブボディ３には、弁座６ｂと同軸上に中空孔２１が形成され、押圧部材２２が摺動可能に装填されている。押圧部材２２は、バルブボディ３に固設された保持板２３との間に第２バネ２４を縮設され、常に下向きの力を加えられて揺動部材１０に突き当てられている。
【００２２】
ここで、第２バネ２４は、第１バネ２０よりバネ力の小さいものを使用している。そのため、揺動部材１０は、非通電時には、変位部材１９に押し下げられて傾き、ダイアフラム７の肉厚部７１ａを弁座６ａに当接させる一方、ダイアフラム７の肉厚部７１ｂを弁座６ｂから離間させている。
【００２３】
従って、本実施の形態の小型電磁弁１は、電磁コイル１１に電気信号を供給すると、図２に示すように、可動鉄心１４が固定鉄心１３に吸引されて第１バネ２０を圧縮しながら上昇し、変位部材１９への荷重を小さくする。揺動部材１０は、第２バネ２４の付勢力によって押圧部材２２に押し下げられて揺動し、ダイアフラム７の肉厚部７１ｂを弁座６ｂに押し付ける。ダイアフラム７の肉厚部７１ｂは、肉厚を非接液面側に確保されて弾性を有するため、弁座６ｂに密着して確実にシールする。このとき、ダイアフラム７は、接液面が平坦に形成され、揺動部材１０の揺動量が変化しても、ほぼ同じ位置を弁座６ｂに対して略垂直方向に面接触するため、変形しにくい。
【００２４】
一方、電磁コイル１１への電気信号の供給を停止すると、図１に示すように、可動鉄心１４が第１バネ２０の付勢力で変位部材１９を加圧する。第１バネ２０は、第２バネ２４より付勢力が大きいため、揺動部材１０は、変位部材１９に押し下げられて、第２バネ２４を圧縮しながら揺動する。ダイアフラム７は、肉厚部７１ｂを弁座６ｂから離間する一方、肉厚部７１ａを弁座６ａに押し付ける。ダイアフラム７の肉厚部７１ａは、肉厚を非接液面側に確保されて弾性を有するため、弁座６ａに密着して確実にシールする。このとき、ダイアフラム７は、接液面が平坦に形成され、揺動部材１０の揺動量が変化しても、図３に示すように、ほぼ同じ位置を弁座６ａに対して略垂直方向に面接触するため、変形しにくい。
【００２５】
ここで、本発明者らが、図７に示す従来の小型電磁弁１００と図１に示す本実施の形態の小型電磁弁１とを比較した結果、本実施の形態の小型電磁弁１は、従来の小型電磁弁１００より１５％も内部容積を小さくできることが判明した。これは、小型電磁弁１がダイアフラム７の接液面を平坦にしたことによって、ダイアフラム７と弁室８内壁との間に形成される隙間が小さくなったためと考えられる。
【００２６】
よって、本実施の形態の小型電磁弁１によれば、ダイアフラム７の耐久性を向上させて弁室８の内部容積の変動を抑えるとともに、ダイアフラム７と弁室８内壁との間に余分な隙間を形成しないことによって弁室８の内部容積を小さくすることができる。そのため、小型電磁弁１は、従来の小型電磁弁１００よりシール性の向上及び液溜まり・乱流の発生の抑制を図ることが可能になり、数μＬ〜数十μＬ程度の極微小な流量であっても正確に制御することが可能である。
【００２７】
また、ダイアフラム７の肉厚部分７１ａ，７１ｂが、弁座６ａ，６ｂのシール面積を超えて設けられているので、ダイアフラム７が揺動部材１０の揺動に従って繰り返し変位して、しずみ込みの変形を生じた場合でも、弁座６ａ，６ｂをシールすることができる。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
【００２９】
（１）例えば、上記実施の形態では、揺動部材１０に段差１０ａ，１０ｂを設け、弁座６ａ，６ｂに当接する位置に肉厚部７１ａ，７１ｂを形成した。それに対して、図４に示すように、揺動部材８０全体の厚さを薄くし、ダイアフラム８１の弁体部８２にかかる接液面全体を肉厚にして肉厚部８３を設けるようにしてもよい。この場合、弁座６ａ，６ｂと肉厚部８３との位置決め精度を緩和し、ダイアフラム７を簡単に形成できる利点がある。また、図５に示すダイアフラム８５のように、弁体部７１の外周面に薄膜部８６を接続するようにしてもよい。この場合、薄膜部８６と弁室８内壁との間に隙間が形成されるが、弁室８の大部分を占める弁体部７１の接液面が平坦であるため、弁室８の内部容積を従来の小型電磁弁１００より小さくできる。
【００３０】
（２）例えば、上記実施の形態では、弁座６ａ，６ｂをリブ形状とした。それに対して、第１，第３ポート５ａ，５ｃと連通する開口部の周りに傾斜面を設けて弁座としてもよい。この場合、ダイアフラム７と弁室８との間の隙間をより一層小さくすることができる。
【００３１】
（３）例えば、上記実施の形態では、ダイアフラム７をインサート成形によって揺動部材１０に固着した。それに対して、揺動部材とダイアフラムとを別個に成形し、ダイアフラムに揺動部材を嵌め込んで固定するようにしてもよい。
【００３２】
（４）例えば、上記実施の形態の駆動手段を、従来技術で説明した駆動手段と同様の構造にして、揺動部材１０を揺動させるようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の小型電磁弁によれば、複数のポートに連通する弁室を内設する弁本体に揺動部材を揺動可能に保持させ、揺動部材を駆動手段で揺動させることにより、揺動部材に固着したダイアフラムを弁室に形成した弁座に当接又は離間させ、複数のポートの連通状態を切り換える小型電磁弁において、ダイアフラムは、弁座に対応する部分が非接液面側に肉厚に形成され、接液面が平坦に形成されているので、弁室の内容容積の変動を抑えるとともに、内部容積を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係り、非通電時の小型電磁弁の断面図である。
【図２】同じく、通電時の小型電磁弁の断面図である。
【図３】同じく、図１のＡ部拡大図である。
【図４】本実施の形態に係る小型電磁弁の弁部変更例を示す図である。
【図５】本実施の形態に係る小型電磁弁の弁部変更例を示す図である。
【図６】液体分析装置を示す図である。
【図７】従来の小型電磁弁の断面図である。
【図８】図７のＢ部拡大図であって、従来の小型電磁弁の作用説明図である。
【図９】図７のＢ部拡大図であって、従来の小型電磁弁の作用説明図である。
【図１０】従来の小型電磁弁を変更した断面図である。
【符号の説明】
１ 小型電磁弁
５ａ 第１ポート
５ｂ 第２ポート
５ｃ 第３ポート
６ａ 弁座
６ｂ 弁座
７ ダイアフラム７
８ 弁室
１０ 揺動部材
３０ 弁本体

Claims (2)

1. 複数のポートに連通する弁室を内設する弁本体が揺動部材を揺動可能に保持し、前記揺動部材を駆動手段で揺動させることにより、前記揺動部材に固着したダイアフラムを前記弁室に形成した弁座に当接又は離間させ、前記複数のポートの連通状態を切り換えることにより、数μＬから数十μＬの流量を制御する小型電磁弁において、
   前記ポートは中央と両側の３カ所に形成され、
   前記弁座は、前記両側のポートに形成され、
   前記ダイアフラムは、前記弁座に対応する部分が非接液面側に肉厚に形成され、前記弁座および前記中央のポートに対応する接液面が平坦に形成されていることを特徴とする小型電磁弁。
2. 請求項１に記載する小型電磁弁において、
   前記ダイアフラムの肉厚部分が、前記弁座のシール面積を超えて設けられていることを特徴とする小型電磁弁。

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