JP4453044B2 - 電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、電磁操作部の可動鉄心によって弁部材を直動的に開閉操作するタイプの電磁弁に関するものである。

電磁操作部の可動鉄心によって弁部材を直動的に開閉操作するタイプの電磁弁は、例えば特許文献１に開示されているように従来より公知である。
この種の電磁弁は、一般に、励磁コイルへの通電により発生する磁気力によって相互に吸着し合う固定鉄心及び可動鉄心と、該可動鉄心の作用で弁座に接離して流路を開閉するポペット式の弁部材と、上記可動鉄心を固定鉄心から離反する初期位置（弁部材が弁座に当接する弁閉位置）に向けて付勢する鉄心復帰ばねと、上記弁部材を弁座から離反させる方向に付勢する弁復帰ばねとを有している。

そして、上記励磁コイルが非通電の時は、上記鉄心復帰ばねの付勢力によって可動鉄心が固定鉄心から離反させられると共に、該可動鉄心を介して上記弁部材が弁座に押し付けられることにより流路が閉鎖し、上記励磁コイルに通電すると、上記可動鉄心が固定鉄心に吸着されて鉄心復帰ばねの付勢力が弁部材に作用しなくなるため、この弁部材が上記弁復帰ばねの付勢力により弁座から離反させられて上記流路が開放するように構成されている。
特開２００４−１５６７０９号公報

ところが、上記電磁弁において、励磁コイルに通電した弁開状態では、上記鉄心復帰ばねが可動鉄心により圧縮された状態となっていて、この状態から上記励磁コイルへの通電を断って弁閉状態に切り換えると、上記鉄心復帰ばねの付勢力によって可動鉄心が勢い良く固定鉄心から離反させられるため、該可動鉄心の慣性力によって弁部材が大きな力で弁座に衝突することになる。このため、該弁部材の摩耗が発生し易いという問題があり、また、上記可動鉄心と弁部材との間に介在して該可動鉄心の作用力を弁部材に伝える伝達部材（プッシュロッド）も消耗し易いという問題もあった。

そこで本発明の目的は、電磁弁における上記従来の問題点を解消し、弁部材や伝達部材の摩耗を軽減して耐久性を高めると共に、応答性を高めることにある。

上記目的を達成するため、本発明の電磁弁は、励磁コイルへの通電により発生する磁気力で相互に吸着し合う固定鉄心及び可動鉄心組立体と、流路に形成された弁座と、上記可動鉄心組立体の作用で該弁座に接離することにより上記流路を開閉する弁部材と、上記可動鉄心組立体の作用力を該弁部材に伝える伝達部材とを、バルブ軸線に沿って配設することにより構成されている。
上記可動鉄心組立体は、上記固定鉄心に吸着される可動鉄心と、この可動鉄心の前端部に取り付けられた中空のキャップと、このキャップの内部の押圧部材収容室に、該キャップに当接する位置と上記可動鉄心に当接する位置との間で前後進自在なるように嵌合し、上記伝達部材を介して上記弁部材を弁座に押し付けるように作用する円盤形の押圧部材とを有している。
そして、上記可動鉄心が前端部外周に係止用のフランジ部を有すると共に、上記キャップがその内部に上記可動鉄心が嵌合する鉄心嵌合孔と上記フランジ部が係止する鉄心係止部とを有していて、該キャップを可動鉄心の後端部側から嵌合させて可動鉄心のフランジ部に上記鉄心係止部を係止させることにより、該キャップが可動鉄心に取り付けられている。
更に、上記押圧部材は、上記押圧部材収容室に、キャップの前面側から可動鉄心との間に緩衝ばねを圧縮状態で介在させて挿入したうえで、その軸線の回りに回転させて、該押圧部材の直径方向の両側面に延設された当接段部を押圧部材収容室の孔壁に形成した当接座面に当接、係止させている。
そして、上記キャップは、鉄心復帰ばねによって上記可動鉄心を固定鉄心から離反させる方向に付勢され、上記弁部材は、弁復帰ばねによって上記弁座から離反する方向に付勢されていて、上記鉄心復帰ばねと緩衝ばねと弁復帰ばねとの付勢力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３がＦ１＞Ｆ２＞Ｆ３であるように関係づけられている。
また、上記励磁コイルへの非通電時に上記可動鉄心組立体が上記鉄心復帰ばねの付勢力により初期位置を占めて、上記押圧部材が伝達部材を介して上記弁部材を弁座に押し付けているとき、該押圧部材と上記可動鉄心との間、及び該押圧部材と上記キャップとの間にそれぞれ、空隙が介在するように構成されている。

本発明においては、上記押圧部材の側面とキャップの孔壁とに、相互に係合し合って回り止めの機能を果たす突起と係合溝とを設けることもできる。

本発明の電磁弁は、上記鉄心復帰ばねと緩衝ばねと弁復帰ばねとの付勢力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３がＦ１＞Ｆ２＞Ｆ３であるように関係づけられ、また、上記可動鉄心組立体が初期位置にあるとき、上記押圧部材と可動鉄心との間及び該押圧部材とキャップとの間にそれぞれ空隙が介在するように構成されているため、上記可動鉄心組立体を、励磁コイルに通電して作動位置にある状態から、該励磁コイルを非通電にして上記初期位置に切り換えるとき、鉄心復帰ばねの付勢力で固定鉄心から離れた可動鉄心の作用力は、上記緩衝ばね及び押圧部材を介して伝達部材に作用し、上記緩衝ばねを圧縮させながら弁部材を弁座に当接させる。

この結果、上記可動鉄心の慣性力は、上記緩衝ばねを圧縮することによって吸収されるため、この慣性力によって上記弁部材が弁座に激しく衝突したり、押圧部材が伝達部材に衝撃的に当接するといったようなことがなく、上記弁部材や伝達部材の摩耗が防止され、耐久性に勝れる。
また、励磁コイルに通電して上記可動鉄心組立体を初期位置から作動位置へと切り換えるときは、圧縮された状態にある上記緩衝ばねが可動鉄心を固定鉄心側に向けて押圧し、吸引動作を助長するように作用するため、該可動鉄心の始動が迅速かつ容易で応答性にも勝れる。

図１には、本発明に係る電磁弁の一つの代表的な実施形態として３ポート式の電磁弁が示されている。この電磁弁は、２つの弁座３，４に接離して流路を開閉するポペット式の弁部材５を備えた主弁部１と、上記弁部材５を操作するための電磁操作部２とで構成されていて、これらの主弁部１と電磁操作部２とが、電磁弁の中心軸線であるバルブ軸線Ｌに沿って直列に結合されている。

上記主弁部１は、実質的に四角いブロックからなるバルブボディ８を有し、このバルブボディ８の一つの側面に供給ポートＰ、出力ポートＡ、排出ポートＲが形成されている。また、上記バルブボディ８には、電磁操作部２を連結した端面の反対側の端面８ａから該バルブボディ８の内部に向けて、弁室９を形成する円形の孔９ａが設けられ、この孔９ａに円形の弁座ブロック１０が装着され、この弁座ブロック１０が、上記端面８ａに取付けられた止め金具１１によって上記孔９ａ内に固定されている。また、上記弁座ブロック１０で上記孔９ａ内に区画された弁室９内には、上記弁部材５がバルブ軸線Ｌに沿って往復移動可能に配設されている。

図２からも分かるように、上記弁座ブロック１０には、供給ポートＰと弁室９とを連通させる供給流路１３が形成されている。一方、上記バルブボディ８には、排出ポートＲと弁室９とを連通させる排出流路１４が形成されている。そして、上記供給流路１３の開口の回りの供給弁座３と、排出流路１４の開口の回りの排出弁座４とは、上記バルブ軸線Ｌ上にあって弁室９内の相対する位置を占め、これらの弁座３，４間に上記弁部材５が変位自在に介在している。また、上記出力ポートＡと弁室９とを連通させる出力流路は、該弁室９の側壁に開口している。

上記弁部材５は、ゴム又は合成ゴムからなる短円柱状をした部材であって、円筒状をした合成樹脂製の弁ホルダ１８内に嵌着されることによってこの弁ホルダ１８に保持され、該弁部材５と上記弁座ブロック１０との間に介設された弁復帰ばね１９の付勢力によって排出弁座４側に向けて付勢されている。上記弁ホルダ１８の左右両側面には、上記電磁操作部２からの作用力を弁部材５に伝える伝達部材として、バルブ軸線Ｌ方向に延びる一対の平行なプッシュロッド２０が一体に設けられ、これらのプッシュロッド２０の先端が、上記バルブボディ８と電磁操作部２との間に形成された鉄心室２１内に、該バルブボディ８に形成されたロッド孔２２を通じて延出している。上記鉄心室２１は、バルブボディ８に設けられた凹部内に形成されている。

図１において、上記電磁操作部２は、鉄などの磁性材で形成された角筒状の磁気カバー２５を有し、該磁気カバー２５の内部に、励磁コイル２６が巻かれた非磁性材製で中空のボビン２７と、このボビン２７の一端と上記バルブボディ８との間に介在する磁性材製の磁気プレート２８と、上記ボビン２７とこの磁気プレート２８とに跨って延びる内孔２９と、この内孔２９内に配設されて相互に磁気吸着し合う磁性材製の固定鉄心３０及び可動鉄心３１とを備えている。上記磁気プレート２８は、その外周部を上記磁気カバー２５の内面に当接させることによって該磁気カバー２５に磁気結合されている。

上記固定鉄心３０及び可動鉄心３１は、図３に可動鉄心３１について代表的に示すように、それらの断面形状が、円を左右に引き延ばしたような長円形、換言すれば、２つの半円の端部を平行な二辺で結んだような長円形をなすもので、それらの側面には、長円の短径方向の両側面に、浅く湾曲した溝部３２ａが形成されると共に、長円の長径方向の両側面に、平らな表面を持つ平坦部３２ｂが形成されている。また、上記両鉄心３０，３１の軸線方向の一端側には、長円形のフランジ部３０ａ，３１ａが形成されている。そして、これらの固定鉄心３０及び可動鉄心３１が、上記ボビン２７と磁気プレート２８とに跨る長円形の内孔２９の内部に、上記フランジ部３０ａ，３１ａが形成されていない側の端部を相互に対向させた状態で配設されている。なお、本発明において上記「長円形」とは、楕円形やそれに類似する形状も含むものである。

上記固定鉄心３０は、上記フランジ部３０ａをボビン２７の端部の凹段部２７ａ内に嵌合させ、該ボビン２７と磁気カバー２５の端壁部２５ａとの間に挟持させることにより、上記内孔２９の内部に固定的に配設されている。また、該固定鉄心３０は、上記フランジ部３０ａが端壁部２５ａに当接することにより、上記磁気カバー２５に磁気的に結合されている。

一方、上記可動鉄心３１は、上記内孔２９の内部にバルブ軸線Ｌに沿って移動自在なるように配設されていて、上記フランジ部３１ａを有する前端部が上記鉄心室２１内に延出している。そして、この可動鉄心３１の前端部にキャップ３３と押圧部材３４とを取り付けると共に、この押圧部材３４と可動鉄心３１との間に緩衝ばね３５を介設することにより、これらの可動鉄心３１とキャップ３３と押圧部材３４と緩衝ばね３５とによって可動鉄心組立体３１Ａが形成されている。

上記キャップ３３は、短円柱形をした中空の部材であって、その内部には、その後端部側から前端部側に向けて順次、上記可動鉄心３１が嵌合する長円形の鉄心嵌合孔３７と、該可動鉄心３１のフランジ部３１ａが係止する長円形の鉄心係止部３８と、上記押圧部材３４が収容された長円形の押圧部材収容室３９とが、同心状の位置に形成されている。このキャップ３３の上記可動鉄心３１に対する取り付けは、図３に示すように、該キャップ３３を可動鉄心３１の後端部側から嵌合させることにより行われるが、このとき、可動鉄心３１のフランジ部３１ａが上記鉄心係止部３８にキャップ３３の前面側から係止するため、該キャップ３３は、上記可動鉄心３１に対して前方への移動を規制された状態で取り付けられることになる。該キャップ３３の可動鉄心３１に対する後方への移動は自由である。
しかしながら、上記キャップ３３は、可動鉄心３１に対して後方への移動も規制された状態、即ち固定的に取り付けられていても構わない。また、該キャップ３３は長円形に形成されていても良い。
図３中の符号３７ａは、上記鉄心嵌合孔３７の内壁に形成された突部であって、可動鉄心３１の平坦部３２ｂに当接して該可動鉄心３１を安定的に支持するものである。

上記キャップ３３の前端部外周には、フランジ状のばね座４６が形成され、このばね座４６と、バルブボディ８に対して固定関係にある部材である上記磁気プレート２８との間に、鉄心復帰ばね４７が介設されている。この鉄心復帰ばね４７は、該キャップ３３を介して上記可動鉄心３１を固定鉄心３０から離反させる方向に付勢するものである。

上記キャップ３３の押圧部材収容室３９内には、上記押圧部材３４が、該キャップ３３に形成された当接座面４１に当接する位置と上記可動鉄心３１の前端面３１ｂに当接する位置との間で変位自在なるように収容されている。そして、該押圧部材３４に形成された凹部３４ａと可動鉄心３１に形成されたばね収容孔３１ｃの孔底との間に、これらの押圧部材３４と可動鉄心３１とを相互に離反させる方向に付勢する上記緩衝ばね３５が介設されている。上記凹部３４ａの深さが上記緩衝ばね３５を収容するのに十分な深さである場合には、上記ばね収容孔３１ｃを省略することもできる。

上記押圧部材３４は、上記キャップ３３よりは軸線方向の長さが短い円盤形をなすもので、その直径は、長円形をした上記押圧部材収容室３９の短径方向の口径より小さい。また、その直径方向の両側面の相反する位置に、回り止め用突起４２と当接段部４３とが、該押圧部材３４の軸線方向長さの半分ずつを占めるように形成されている。このうち回り止め用突起４２は、半円柱状をしていて、該押圧部材３４の側面の軸線方向前半部側の位置に軸線方向に延設されており、また、上記当接段部４３は、円弧状をしていて、該押圧部材３４の側面の軸線方向後半部側の位置に円周方向に延設されている。

これに対し、上記キャップ３３の前端部には、上記押圧部材収容室３９における長円の短径方向の孔壁の相対する位置に、上記押圧部材３４の回り止め用突起４２が係合する半円状の係合溝４４が形成されると共に、上記孔壁の内底面に、上記当接段部４３が当接、係止する上記当接座面４１が形成されている。

上記押圧部材３４のキャップ３３に対する取り付けは次のようにして行われる。即ち、該押圧部材３４を、上記回り止め用突起４２及び当接段部４３を押圧部材収容室３９の長径方向に向けた姿勢（図３参照）にし、上記可動鉄心３１との間に上記緩衝ばね３５を介在させた状態で、該押圧部材３４を上記押圧部材収容室３９内に挿入する。そのあと、工具孔３４ｂに工具を差し込んで該押圧部材３４を軸線の回りに９０度回転させ、上記回り止め用突起４２を係合溝４４に係合させることにより、この押圧部材３４が、上記キャップ３３と可動鉄心３１との間に、上記緩衝ばね３５を圧縮した状態に配設される。

ここで、上記鉄心復帰ばね４７の付勢力Ｆ１と上記緩衝ばね３５の付勢力Ｆ２と上記弁復帰ばね１９の付勢力Ｆ３とは、Ｆ１＞Ｆ２＞Ｆ３となるように関係づけられている。
また、図１及び図２に示すように、上記励磁コイル２６が非通電の状態において、可動鉄心３１が鉄心復帰ばね４７に押されて固定鉄心３０から離反した初期位置（弁閉位置）を占めているとき、上記押圧部材３４がプッシュロッド２０を介して上記弁部材５を供給弁座３に押し付けているが、このとき、上記押圧部材３４と可動鉄心３１の前端面３１ｂとの間、及び該押圧部材３４と上記キャップ３３の当接座面４１との間に、それぞれ、空隙ｘ，ｙが介在するように構成されている。

上記構成を有する電磁弁において、上記励磁コイル２６が非通電の状態では、図１及び図２に示すように、可動鉄心組立体３１Ａが、キャップ３３を介して作用する鉄心復帰ばね４７の付勢力により、上記可動鉄心３１が固定鉄心３０から離間する初期位置を占めている。このとき、上記押圧部材３４がプッシュロッド２０に当接し、弁復帰ばね１９の付勢力に抗して該プッシュロッド２０を押圧するため、弁部材５が、供給弁座３に押し付けられて供給流路１３を閉鎖すると共に、排出弁座４から離反して排出流路１４を開放している。従って、出力ポートＡと排出ポートＲとが弁室９を介して相互に連通している。
また、上記鉄心復帰ばね４７と緩衝ばね３５と弁復帰ばね１９との付勢力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の間に、Ｆ１＞Ｆ２＞Ｆ３なる関係を持たせたことにより、上記緩衝ばね３５が可動鉄心３１と押圧部材３４との間で圧縮され、該可動鉄心３１の前端面３１ｂと押圧部材３４との間、及び該押圧部材３４の当接段部４３と上記キャップ３３の当接座面４１との間に、それぞれ空隙ｘ，ｙが介在した状態になっている。

この状態から上記励磁コイル２６に通電すると、上記可動鉄心３１が固定鉄心３０に吸着されるため、可動鉄心組立体３１Ａは、図４に示すように、該可動鉄心３１と係合するキャップ３３で上記鉄心復帰ばね４７を圧縮しながら作動位置（弁開位置）に移動する。このとき、上記キャップ３３の移動の途中で、上記当接座面４１と当接段部４３との間の空隙がゼロになった時点で該キャップ３３が押圧部材３４に係合し、該押圧部材３４を一緒に上記作動位置まで移動させる。

かくして上記可動鉄心組立体３１Ａが作動位置に移動すると、上記プッシュロッド２０に押圧部材３４の押圧力が作用しなくなるため、上記弁部材５が、弁復帰ばね１９の付勢力の作用により、上記供給弁座３から離れて供給流路１３を開放すると共に、上記排出弁座４に押し付けられて排出流路１４を閉鎖する。従って、供給ポートＰと出力ポートＡとが相互に連通し、排出ポートＲが遮断される。また、上記押圧部材３４とプッシュロッド２０との間には、僅かなギャップが介在している。

ここで注目すべきは、上記励磁コイル２６に通電して可動鉄心３１が吸着動作を開始するとき、圧縮された状態にある上記緩衝ばね３５が該可動鉄心３１を固定鉄心３０側に向けて押圧し、吸着動作を助長するように作用することであり、この作用により、該可動鉄心３１の始動が迅速かつ容易になって応答性が向上する。

上記励磁コイル２６を通電状態から非通電に切り換えると、上記可動鉄心組立体３１Ａが鉄心復帰ばね４７の付勢力で上述した初期位置に切り換わる。そのとき、可動鉄心３１の作用力は、緩衝ばね３５を介して上記押圧部材３４に作用し、この押圧部材３４をプッシュロッド２０に当接させて該プッシュロッド２０を押圧するため、弁部材５が、排出弁座４から離れて供給弁座３に当接し、排出流路１４を開放すると共に供給流路１３を閉鎖する。このとき、上記押圧部材３４は、プッシュロッド２０に当接しているため、上記弁部材５が供給弁座３に当接した位置で停止するが、可動鉄心３１は慣性力によってさらに移動を続け、上記緩衝ばね３５を圧縮した図１及び図２の位置に停止する。そして、押圧部材３４の当接段部４３とキャップ３３の当接座面４１との間に空隙ｙが形成された状態となる。

かくして、励磁コイル２６への通電を解除して上記弁部材５が供給弁座３に当接するとき、上記可動鉄心３１の慣性力は、上記緩衝ばね３５を圧縮することによって吸収され、押圧部材３４及びプッシュロッド２０に対して緩衝的に作用することになる。このため、上記可動鉄心３１の慣性力の作用で上記弁部材５が供給弁座３に激しく衝突したり、押圧部材３４がプッシュロッド２０に衝撃的に当接するというようなことがなく、この結果、上記弁部材５やプッシュロッド２０の摩耗が防止され、耐久性が向上する。

図示した実施形態においては、固定鉄心３０と可動鉄心３１の断面形状が長円形をしているが、それらの断面形状は円形であっても良い。この場合、ボビン２７及び磁気プレート２８の内孔２９や、キャップ３３における鉄心嵌合孔３７や鉄心係止部３８など、上記固定鉄心３０及び可動鉄心３１に関連する部材や部分の形状も、それに合わせて円形に形成されることは言うまでもないことである。
また、図示した例では３ポート式の電磁弁が示されているが、２ポート式電磁弁や４ポート式電磁弁など、その他のポート数の電磁弁にも本発明は適用することができる。

本発明に係る電磁弁の一実施形態を示す断面図である。 図１の要部拡大図である。 可動鉄心組立体の分解斜視図である。 異なる動作状態を示す図１の要部拡大図である。

符号の説明

３ 供給弁座
５ 弁部材
１３ 供給流路
１９ 弁復帰ばね
２０ プッシュロッド（伝達部材）
２６ 励磁コイル
３０ 固定鉄心
３１ 可動鉄心
３１ａ フランジ部
３１Ａ 可動鉄心組立体
３３ キャップ
３４ 押圧部材
３５ 緩衝ばね
３７ 鉄心嵌合孔
３８ 鉄心係止部
３９ 押圧部材収容室
４１ 当接座面
４２ 回り止め用突起
４３ 当接段部
４４ 係合溝
４６ ばね座
４７ 鉄心復帰ばね
Ｌ バルブ軸線
ｘ，ｙ 空隙

Claims (2)

1. 励磁コイルへの通電により発生する磁気力で相互に吸着し合う固定鉄心及び可動鉄心組立体と、流路に形成された弁座と、上記可動鉄心組立体の作用で該弁座に接離することにより上記流路を開閉する弁部材と、上記可動鉄心組立体の作用力を該弁部材に伝える伝達部材とを、バルブ軸線に沿って配設することにより構成され、
   上記可動鉄心組立体は、上記固定鉄心に吸着される可動鉄心と、この可動鉄心の前端部に取り付けられた中空のキャップと、このキャップの内部の押圧部材収容室に、該キャップに当接する位置と上記可動鉄心に当接する位置との間で前後進自在なるように嵌合し、上記伝達部材を介して上記弁部材を弁座に押し付けるように作用する円盤形の押圧部材とを有し、
   上記可動鉄心が前端部外周に係止用のフランジ部を有すると共に、上記キャップがその内部に上記可動鉄心が嵌合する鉄心嵌合孔と上記フランジ部が係止する鉄心係止部とを有していて、該キャップを可動鉄心の後端部側から嵌合させて可動鉄心のフランジ部に上記鉄心係止部を係止させることにより、該キャップが可動鉄心に取り付けられており、
   上記押圧部材は、上記押圧部材収容室に、キャップの前面側から可動鉄心との間に緩衝ばねを圧縮状態で介在させて挿入したうえで、その軸線の回りに回転させて、該押圧部材の直径方向の両側面に延設された当接段部を押圧部材収容室の孔壁に形成した当接座面に当接、係止させており、
   上記キャップは、鉄心復帰ばねによって上記可動鉄心を固定鉄心から離反させる方向に付勢され、上記弁部材は、弁復帰ばねによって上記弁座から離反する方向に付勢されていて、上記鉄心復帰ばねと緩衝ばねと弁復帰ばねとの付勢力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３がＦ１＞Ｆ２＞Ｆ３であるように関係づけられており、
   また、上記励磁コイルへの非通電時に上記可動鉄心組立体が上記鉄心復帰ばねの付勢力により初期位置を占めて、上記押圧部材が伝達部材を介して上記弁部材を弁座に押し付けているとき、該押圧部材と上記可動鉄心との間、及び該押圧部材と上記キャップとの間にそれぞれ、空隙が介在するように構成されている、
   ことを特徴とする電磁弁。
2. 上記押圧部材の側面とキャップの孔壁とに、相互に係合し合って回り止めの機能を果たす突起と係合溝とが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。

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