JP4482762B2

JP4482762B2 - ポペット式２ポート電磁弁

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Publication number: JP4482762B2
Application number: JP2005154347A
Authority: JP
Inventors: 親一芳村
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: DE102006023645A1; CN1869483A; CN100513838C; US7520488B2; JP2006329335A; KR100751268B1; TW200714826A; TWI299386B; DE102006023645B4; US20060266968A1; KR20060122709A

Description

本発明は、プレート状の弁部材で弁座をポペット式に開閉するようにしたポペット式２ポート電磁弁に関するものである。

例えば特許文献１には、長孔状をした出力オリフィスを、電磁操作される細長いプレート状の弁部材でポペット式に開閉するようにした２ポート電磁弁が開示されている。この電磁弁は、励磁コイルへ通電すると、上記弁部材が固定鉄心に吸引されて上記出力オリフィスを開放し、通電を解除すると、この弁部材が、流体圧力の作用により固定鉄心から離れて上記出力オリフィスの回りの弁座に押し付けられ、それによってこの出力オリフィスを閉鎖するものである。

このような構成の電磁弁は、弁部材の開閉ストロークが小さいために応答性に勝れるという特性があるが、近年では、更なる応答性の改善が要求されている。
しかし、上記弁部材が弁座を開放する時の操作力は電磁力であるから、開弁時の応答性は電磁力を強めることによって比較的簡単に改善することができるが、上記弁部材が弁座を閉鎖するときの操作力は流体圧力であるため、閉弁時の応答性を速めるのは非常に難しい。弁部材のストロークを更に小さくすることによって応答性を速めることはできるが、それに伴って圧力流体の流量低下を来すため、好ましいことではない。
特開２００４−３３２８７６号公報

本発明の目的は、プレート状の弁部材を電磁力と流体圧力とにより操作して弁座を開閉する方式の２ポート電磁弁において、上記弁部材が流体圧力の作用で弁座を閉じるときの応答性を速めることにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、ボビンに巻かれた励磁コイルと、該ボビンの中心孔内に収容された固定鉄心とを有し、該固定鉄心が一方向に細長い形状の磁極面を先端に有する電磁操作部；該電磁操作部との間の弁室内に開口する上記磁極面と同方向に長い長孔状の出力オリフィスと、該出力オリフィスの回りを取り囲む弁座と、該弁座の回りに開口する入力オリフィスとを有する弁主体部；上記弁室内に可動に収容され、励磁コイルへ通電すると上記固定鉄心の磁極面に吸引されて上記出力オリフィスを開放し、通電を解除すると流体圧の作用により上記弁座に押し付けられて該出力オリフィスをポペット式に閉鎖する上記出力オリフィスと同方向に細長いプレート状の弁部材；を有し、上記固定鉄心の磁極面の一部に、弁部材が磁極面に吸引されている状態においても、上記入力オリフィスからの圧力流体を導入して弁部材に閉弁方向の流体圧を作用させる流体室が、該磁極面を短手方向に横切る溝状の切り欠きにより形成されていることを特徴とするポペット式２ポート電磁弁が提供される。

本発明において好ましくは、上記固定鉄心の流体室を形成する溝状の切り欠きが、上記磁極面における長手方向の中間位置に設けられる。

また、本発明においては、上記弁部材の相対する一対の長辺の中間位置に、弁室との間の隙間を拡大して上記流体室への圧力流体の導入を容易にするための凹部が設けられていることが望ましい。

さらに、本発明においては、上記ボビンの端面に、上記固定鉄心の磁極面の回りを取り囲む縁枠状の弁当接部が形成され、この弁当接部は、上記磁極面より弁室側に突出していて、弁部材が固定鉄心に吸引されたときこの弁部材に当接して該弁部材の開放端の位置を規定し、該弁部材と上記磁極面との間にギャップを形成させるようになっている。

本発明の好ましい構成態様においては、上記弁主体部と電磁操作部との間にスペーサが介設されていて、このスペーサによって上記弁室が区画形成されている。

本発明によれば、固定鉄心の磁極面に流体室を形成し、この流体室に入力オリフィスからの圧力流体を導入するようにしたので、励磁コイルへの通電を解除したとき、上記流体室に導入される圧力流体の作用によって弁部材が速やかに固定鉄心から離反させられると共に、弁座に押し付けられ、出力オリフィスを高速で閉鎖する。この結果、上記流体室が形成されていない場合に比べ、上記弁部材の応答性が速められることになる。

図１〜図４は本発明に係るポペット式２ポート電磁弁の好ましい一実施形態を示すものである。この電磁弁は、スペーサ３を介して相互に結合された弁主体部１及び電磁操作部２と、これらの弁主体部１と電磁操作部２との間に介在する弁室４内に収容された弁部材５とを備えていて、その平面視形状が、縦横の一方向（図示の例では「横方向」）に細長い略矩形をなしている。

上記弁主体部１は、横に長い略矩形の平面視形状をしたハウジング１０を有している。このハウジング１０の上面には、上記弁室４内に開口する横長の長孔状をした出力オリフィス１１と、該出力オリフィス１１の回りを取り囲む横長の長円形状をした弁座１２と、該弁座１２の回りを取り囲むように弁室４内に開口する入力オリフィス１３とを備えている。また、該ハウジング１０の底面には、上記出力オリフィス１１に連通する出力ポート１１ａと、上記入力オリフィス１３に連通する入力ポート１３ａとが設けられている。

上記弁部材５は、鉄などの磁性材によって横に長い略矩形のプレート状に形成されたもので、全体としてほぼ均一な厚さを有しており、上記スペーサ３の内部の矩形の内孔３ａで構成される上記弁室４の内部に、上下方向に変位自在なるように収容され、上記弁座１２に接離することによって上記出力オリフィス１１を開閉するものである。この弁部材５の表面には、少なくとも上記弁座１２を開閉する下面に、ニッケルやクロムなどをメッキすることによって被覆処理を施しておくことが望ましい。
なお、上記弁部材５が上記弁座１２から離れて出力オリフィス１１を開放する動作は、上記電磁操作部２からの電磁力の作用により行われ、上記弁座１２に当接して該出力オリフィス１１を閉鎖する動作は、該弁部材５に作用する流体圧力により行われる。

上記内孔３ａは、弁部材５よりは縦横両方向に僅かに大きく形成されていて、該内孔３ａの内側面には、上記弁部材５の動作を安定的に行わせるため、上下方向に延びるガイド用の突条１４が複数形成されている。
また、上記弁部材５の周縁部下面を下から支持してその傾きを防止するため、上記弁室４の室壁には、上記弁座１２を取り囲むように位置する複数の突起１５が、該弁座１２と同じ高さか又は僅かに低い位置を占めるように形成されている。

上記電磁操作部２は、横長の平面視形状を有する非磁性のボビン１７に巻かれた励磁コイル１８と、該ボビン１７の中心孔１７ａ内に収容された固定鉄心１９と、該ボビン１７の上面及び長手方向の両側面を覆う略コ字形をした磁気フレーム２０とを有していて、これらのボビン１７と励磁コイル１８と固定鉄心１９と磁気フレーム２０とによって電磁アセンブリ１６が形成されている。この電磁アセンブリ１６の上面と側面全体は、合成樹脂製の封止材２１でコーティングされており、該封止材２１の平らな上面２１ａからは上記励磁コイル１８に電気的に導通する一対のコイル端子２２が突出し、これらのコイル端子２２にはリード線２３がそれぞれ接続され、これらのコイル端子２２とリード線２３との接続部を覆うように上記封止材２１の上面２１ａにカバー２４が着脱自在なるように取り付けられている。

上記スペーサ３は、上記弁主体部１のハウジング１０の上面と電磁操作部２の封止材２１の下面との間にそれぞれガスケット２７を介して配設され、ボルト２５でこれらの弁主体部１と電磁操作部２とを相互に結合することにより、それらの間に挟持状態に固定されている。また、該スペーサ３の長手方向の両端部の上下両面には、例えば矩形と円形といったように該スペーサの一端側と他端側とで互いに形の異なる位置決めピン２８ａ，２８ｂがそれぞれ形成され、これに対して上記ハウジング１０側と封止材２１側には、これらの位置決めピン２８ａ，２８ｂが嵌合する位置決め孔２９ａ，２９ｂが形成されていて、これらの位置決めピン２８ａ，２８ｂと位置決め孔２９ａ，２９ｂとを嵌合させることにより、上記弁主体部１と電磁操作部２とが上記スペーサ３を介して位置決めされた状態で一体に結合されている。
なお、上記スペーサ３は、弁主体部１又は電磁操作部２の何れかと一体に形成することもできる。

上記電磁操作部２における固定鉄心１９は、図５からも分かるように、横に長い矩形の断面形状を有するもので、上記ボビン１７の矩形の孔形状を有する中心孔１７ａ内に収容され、上端の接合面を上記磁気フレーム２０の天板部２０ａの内面に当接させると共に、接合面の中央部に形成された係止用突起３１を天板部２０ａの係止孔３２内に嵌合させ、該突起３１を外向きに変形させて係止孔３２の外縁に係止させることにより、この磁気フレーム２０に磁気結合された状態で固定的に取り付けられている。この固定鉄心１９の表面には、ニッケルやクロムなどをメッキすることによって被覆処理が施されている。

上記固定鉄心１９の先端面即ち下端面は、上記弁部材５に磁気吸引力を作用させるための横に長い矩形の磁極面３４となっている。また、上記磁気フレーム２０における左右の側板部２０ｂ，２０ｂの下端面２０ｃ，２０ｃも、上記弁部材５に磁気吸引力を作用させるための磁極面として機能するものである。これら固定鉄心１９の磁極面３４と磁気フレーム２０の下端面２０ｃ，２０ｃとは互いに同じ平面上に位置しており、また、上記弁部材５の長さ方向の両端部は、上記磁気フレーム２０の両下端面２０ｃ，２０ｃと相対峙する位置まで延びている。

上記ボビン１７における上記弁室４側の端面には、上記固定鉄心１９の磁極面３４の回りを取り囲む矩形の縁枠状をした弁当接部３５が形成されている。この弁当接部３５は、上記磁極面３４より弁室４側に若干突出していて、弁部材５が固定鉄心１９に吸引されたときこの弁部材５に当接し、該弁部材５をその位置に停止させるもので、該弁部材５が弁座１２を開放するときのストローク端の位置を規定するものである。そして、このように弁部材５が弁当接部３５に当接した位置を占めるとき、該弁部材５の上面と上記固定鉄心１９の磁極面３４及び磁気フレーム２０の下端面２０ｃとの間には、それぞれ僅かなギャップｇが形成される。

いま、上記電磁操作部２の励磁コイル１８へ通電すると、固定鉄心１９の磁極面３４と磁気フレーム２０の下端面２０ｃとに発生する磁気力によって上記弁部材５が吸引され、弁座１２から離れて上記出力オリフィス１１を開放する。このため、入力オリフィス１３からの圧力流体は出力オリフィス１１に流入し、出力ポート１１ａからシリンダなどのアクチュエータに出力される。このとき、上記弁部材５はボビン１７の下端の弁当接部３５に当接し、その位置に停止するため、該弁部材５と上記固定鉄心１９の磁極面３４及び磁気フレーム２０の下端面２０ｃとの間には、僅かなギャップｇが形成されている。これらのギャップｇは入力オリフィス１３と連通しているため、該入力オリフィス１３からの圧力流体が該ギャップｇ内に流入している。

その状態から上記励磁コイル１８への通電を解除すると、弁部材５に作用する流体圧力によって該弁部材５が弁座１２に押し付けられ、出力オリフィス１１をポペット式に閉鎖する。このため、出力ポート１１ａからの圧力流体の出力は停止する。

ここで、上記弁部材５が弁座１２を閉鎖するときの動作は、主として、該弁部材５の上面の上記弁座１２と対応する部分に作用する流体圧力により行われ、従って、その操作力の大きさは該弁座１２の開口面積にほぼ比例する。このため、上記励磁コイル１８への通電を解除した際に、弁部材５の上面の上記弁座１２と対応する部分に閉弁動作に必要な流体圧力が直ちに作用するようにしておけば、応答速度が速められるはずである。

そこで、上記固定鉄心１９の磁極面３４の一部に、上記入力オリフィス１３からの圧力流体を導入して弁部材５に作用させるための流体室３７が形成されている。この流体室３７は、固定鉄心１９を短手方向（幅方向）に横切る溝状の切り欠きによって形成され、該固定鉄心１９の両側面方向に開放しており、その開口部分は、上記ボビン１７の中心孔１７ａの孔壁によって覆われている。
このような流体室３７を固定鉄心１９の磁極面３４に形成することにより、該磁極面３４と弁部材５との間のギャップｇの容積が拡大され、上記励磁コイル１８への通電を解除したとき、この流体室３７に導入される流体圧力の作用で弁部材５が素早く固定鉄心１９から離れて弁座１２に当接することになり、応答性が非常に良くなる。

上記流体室３７を設ける位置は、固定鉄心１９と弁部材５との間のギャップｇの容積を拡大できる位置であれば良いが、好ましくは、図示したように固定鉄心１９の長手方向の中間位置である。また、この流体室３７の大きさは、固定鉄心１９による磁気吸引力をできるだけ低下させないような大きさであることが望ましく、例えば、図５において、流体室３７の室長ａが鉄心長Ａの１／４〜１／２倍程度、深さｂが鉄心厚Ｃの１〜２倍程度であることが望ましい。
なお、上記流体室３７の室形状は、図示の例では円弧状又はＵ字状をしているが、Ｖ字状あるいは凹字状など、任意の形状とすることができる。

上記流体室３７をこのような位置及び大きさに形成すると、磁極面３４が２つの磁極面部分３４ａ，３４ａ（図５）に分断されることになるが、これらの磁極面部分３４ａは、上記流体室３７を挟んで対称に位置していて、互いに同一形状及び同一大きさを有するため、上記弁部材５を吸引する時には、両磁極面部分３４ａ，３４ａにより該弁部材５を等しい電磁力で均等に吸引することができる。
一方、圧力流体の作用で弁部材５が弁座１２を閉鎖するときは、上記流体室３７が該弁部材５のほぼ中央部に位置するため、該流体室３７内の圧力流体による作用力が弁部材５の背面中央部の上記弁座１２と対応する位置に効率良く作用することになり、該弁部材５はバランス良く安定的に動作することができる。

また、上記入力オリフィス１３から流体室３７への圧力流体の導入は、該弁部材５の外周と弁室４の室壁との間の隙間を通じて行われるが、その導入を容易にするため、該弁部材５における相対する一対の長辺の中間位置には、弧状に湾曲する凹部３８がそれぞれ設けられ、この凹部３８の位置で、該弁部材５の外周と弁室４の室壁との間の隙間が拡大されている。この凹部３８が形成されている部分での弁部材５の横幅は、図２からも分かるように、矩形枠状をした上記弁当接部３５の短手方向の枠幅と同じかそれより僅かに大きく形成されている。従って、上記流体室３７と入力オリフィス１３とは、この凹部３８を通じて直接連通することなく、上記弁当接部３５と弁部材５の上面との間の隙間を介して連通することになる。

なお、上記弁当接部３５には、少なくとも上記凹部３８と対応する部分に、弁部材５の上面との間の隙間を拡大して圧力流体の導入を容易にするための溝を形成しても良い。
図中３９は弁主体部１のハウジング１０の底面に取り付けられたガスケットであって、この電磁弁をマニホールドなどの流体圧機器に取り付ける際にこの流体圧機器との間に介在するものである。

図６〜図８には、固定鉄心１９に流体室３７を設けた場合と設けない場合とについて行った弁部材５の応答性に関する実験の結果が示されている。このうち図６及び図７のデータは、互いに異なる大きさの円弧状あるいはＵ字状をした流体室を設けた場合のものであり、図８のデータは、流体室を設けない場合のものである。
これらの実験に使用された電磁弁は、固定鉄心１９に流体室３７が形成されているか否かという点で相違するだけで、それ以外の構成は同じである。また、固定鉄心１９については、その基本寸法は互いに同じで、図５において、鉄心長Ａが１４ｍｍ、鉄心高Ｂが１４．３ｍｍ、鉄心厚Ｃが２．３ｍｍである。
そして、図６の実験で使用された固定鉄心の流体室は円弧状で、室長ａが７ｍｍ、深さｂが２．５ｍｍ、円弧の曲率半径が３．５ｍｍであり、図７の場合の流体室はＵ字状で、室長ａが７ｍｍ、深さｂが５ｍｍ、円弧の曲率半径が３．５ｍｍである。

上記図６〜図８の線図において、時刻ｔ₁で電気信号がオンになって励磁コイル１８に通電されると、弁部材５が弁座１２から離れて出力オリフィス１１を開放するのに伴い、時刻ｔ₂ で出力ポート１１ａの流体流量が上昇し始め、弁座１２の全開と共に最高流量（約７０ｍＬ／ｍｉｎ）に達し、その後、時刻ｔ₃で電気信号がオフに切り換えられると、弁部材５が弁座１２に近づいて出力オリフィス１１を閉鎖する動作に伴い、時刻ｔ₄ で出力ポート１１ａの流体流量が下がり始め、時刻ｔ₅ で弁座１２の全閉と共に流量はほぼゼロになることを表している。

そこで、電気信号がオフになって出力ポート１１ａの流体流量が低下し始めるまでの時間（ｔ₄ −ｔ₃）を比較すると、図８の流体室を設けない場合は１．３ｍｓであるのに対し、流体室を設けた場合には、図６においては１．２ｍｓ、図７においては０．８ｍｓというように、何れも短縮されている。
また、電気信号がオフになってから出力ポート１１ａの流体流量がゼロになるまでの時間（ｔ₅ −ｔ₃）についても、図８の流体室を設けない場合には２．３ｍｓであるのに対し、図６の場合は２．１ｍｓ、図７の場合は１．６８ｍｓといったように、何れの場合も短縮されている。

これらの実験結果から、固定鉄心１９の磁極面３４に流体室３７を設けることにより、弁部材５が弁座１２を閉鎖するときの応答速度が、流体室を設けない場合よりは速まることが裏付けられた。

本発明に係る２ポート電磁弁の断面図である。図１のII−II線での拡大断面図である。弁主体部１の平面図である。図１の電磁弁を分解して示す斜視図である。固定鉄心の斜視図である。固定鉄心に流体室を形成した場合の応答性についての実験データを示す線図である。固定鉄心に図６の場合とは異なる大きさの流体室を形成した場合の応答性についての実験データを示す線図である。固定鉄心に流体室を形成しない場合の応答性についての比較用実験データを示す線図である。

符号の説明

１弁主体部
２電磁操作部
３スペーサ
４弁室
５弁部材
１１出力オリフィス
１２弁座
１３入力オリフィス
１７ボビン
１７ａ中心孔
１８励磁コイル
１９固定鉄心
３４磁極面
３５弁当接部
３７流体室
３８凹部
ｇギャップ

Claims

ボビンに巻かれた励磁コイルと、該ボビンの中心孔内に収容された固定鉄心とを有し、該固定鉄心が一方向に細長い形状の磁極面を先端に有する電磁操作部；該電磁操作部との間の弁室内に開口する上記磁極面と同方向に長い長孔状の出力オリフィスと、該出力オリフィスの回りを取り囲む弁座と、該弁座の回りに開口する入力オリフィスとを有する弁主体部；上記弁室内に可動に収容され、励磁コイルへ通電すると上記固定鉄心の磁極面に吸引されて上記出力オリフィスを開放し、通電を解除すると流体圧の作用により上記弁座に押し付けられて該出力オリフィスをポペット式に閉鎖する上記出力オリフィスと同方向に細長いプレート状の弁部材；を有し、
上記固定鉄心の磁極面の一部に、弁部材が磁極面に吸引されている状態においても、上記入力オリフィスからの圧力流体を導入して弁部材に閉弁方向の流体圧を作用させる流体室が、該磁極面を短手方向に横切る溝状の切り欠きにより形成されていることを特徴とするポペット式２ポート電磁弁。
上記固定鉄心の流体室を形成する溝状の切り欠きが、上記磁極面における長手方向の中間位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
上記弁部材の相対する一対の長辺の中間位置に、弁室との間の隙間を拡大して上記流体室への圧力流体の導入を容易にするための凹部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の２ポート電磁弁。
上記ボビンの端面に、上記固定鉄心の磁極面の回りを取り囲む縁枠状の弁当接部が形成され、この弁当接部は、上記磁極面より弁室側に突出していて、弁部材が固定鉄心に吸引されたときこの弁部材に当接して該弁部材の開放端の位置を規定し、該弁部材と上記磁極面との間にギャップを形成させることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の２ポート電磁弁。
上記弁主体部と電磁操作部との間にスペーサが介設されていて、このスペーサによって上記弁室が区画形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の２ポート電磁弁。