JP4576908B2 - ソレノイドエアーバルブ - Google Patents

Description

この発明考案は、血圧計等に使用されるソレノイドエアーバルブの構造に関する。

血圧計測に際しては、人体（上腕、手首）に空気袋を巻き付け、空気を送圧し人体を圧迫させて得られる動脈情報から血圧を測定している。エアーポンプで送圧する際にはエアーを漏れないように閉じ、測定時に減圧コントロールし、測定終了時に圧迫した空気袋を減圧し拘束から開放する必要があり、その際にソレノイドエアーバルブがよく利用される。従来の技術としては以下に示す特許文献１および特許文献２に開示されるエアーバルブ構造が挙げられる。

特許文献１に開示されるエアーバルブ構造は、可動するプランジャーの先端に設けたパッキン部に、スプリング等により所定弾性力でニップルを圧接することで、エア流量をコントロールさせる構造が開示されている。また、特許文献２に開示されるエアーバルブ構造は、可動鉄心または可動コイルで駆動する構造で、ニップルにパッキンを接触させ、流れる空気圧をコントロールし、その可動鉄心または可動コイルとソレノイド固定部材の間に粘性部材を有し、スムーズにエア流量をコントロールする構造が開示されている。このように、従来構造のエアーバルブは、空気の加圧中は漏気が無いように十分な駆動力で空気の出口であるニップルを押さえて閉じ、測定および終了時にはパッキンを移動させて減圧コントロールおよび空気圧開放を行なっている。

近年、血圧計においても携帯性を向上させるために、本体の小型化が要求され、内蔵するエアーバルブも小型化する必要がある。しかしながら、従来の構造にあっては、空気を閉じるためニップル部を十分に覆うパッキンが必要でありパッキンを接触および圧接させる可動鉄心に直接接続させ、可動鉄心を小型のため細くしていくと磁気抵抗が増加し、パッキンを押さえるための必要な駆動力が減少し、十分な密閉が出来なくなり小型化が出来ないという問題がある。

ここで、図５および図６に、従来のソレノイドエアーバルブ２００の断面構造を示す。フレーム２０１は、フレーム本体２０２とフレームカバ２０３とを有し、フレーム本体２０２内には、ボビン２４１が収容され、ボビン２４１の外周面とフレーム本体２０２の内周面との間には、コイル体２６０が収容されている。また、ボビン２４１の内部には、固定鉄心２１０とスライダーとしての可動鉄心２２０とが同軸上に配置され、固定鉄心２１０と可動鉄心２２０との間には、両者の間を引き離す方向に付勢するコイルばね２３０が収容されている。固定鉄心には、エア通路２１１が設けられ、可動鉄心２２０に対向する位置には、凸形状のニップル（空気出口部）２１２が設けられ、可動鉄心２２０のニップル２１２に対向する位置には、ゴムパッキン２５０が埋設されている。

通常状態（コイル体２６０に電流が流れていない状態）では、図６に示すように、コイルばね２３０により、可動鉄心２２０のゴムパッキン２５０と固定鉄心２１０のニップル２１２とは引き離された状態となり、エア通路２１１からエアの放出が可能な状態となる。一方、閉鎖状態においては、図７に示すように、コイル体２６０に電流が流されることにより、コイル体２６０の励磁により磁束が発生し、可動鉄心２２０が固定鉄心２１０に吸着され、ゴムパッキン２５０によりニップル２１２が押え付けられて、エア通路２１１を閉鎖することとなる。

ここで、上記構造からなるエアーバルブ２００の小型化を考えた場合には、図８に示すように、フレーム２０１の外径を細くする一方で、コイル体２６０の体積を確保するために、固定鉄心２１０および可動鉄心２２０の外径φ１を細くすることが考えられる。しかし、ニップル２１２の内径は、エア流量の関係から小さくすることはできず、ニップル２１２を閉鎖するためのゴムパッキン２５０の径も変更することはできない。そのため、図９に示すように、ゴムパッキン２５０の周囲における可動鉄心２２０の磁極面積が小さくなってしまう。これにより、磁束Ｍは、ゴムパッキン２５０の周囲の狭い領域に集中し磁気抵抗が増加して磁気回路の効率が悪くなり、駆動力が減少する結果、固定鉄心２１０による可動鉄心２２０の吸着力が極端に低下するおそれがある。その結果、ニップル２１２からの漏気が発生してしまうことになる。一方、図８に示す小型化された構造で、従来と同等の吸着力を得るためには、電流を増加させる必要が生じ、電流値の増加を招く結果となる。

また、図１０に示すように、可動鉄心２２０の固定鉄心２１０とは反対側の端面部分は、非磁性体の材質で構成された樹脂製のボビン２４１に覆われた状態となっている。そのため、磁気回路を構成するフレームカバ２０３と可動鉄心２２０との間に、樹脂肉厚に相当するギャップＬ１が発生するため、このギャップＬ１での磁気抵抗が上昇し、磁気回路の効率を低下させる要因となるおそれがある。
特開平０９−１３５８１７号公報 特開２０００−９７３６４号公報

この発明が解決しようとする課題は、ソレノイドエアーバルブを小型化する際に生じる、駆動力の低下問題、および、磁気回路の効率の低下問題にある。したがって、この発明の目的は、ソレノイドエアーバルブを小型化する際にコイル体の体積を確保するため可動鉄心を細くしても、磁極面積を十分確保することができる構造を有するソレノイドエアーバルブを提供することにある。

この発明に基づいたソレノイドエアーバルブにおいては、磁性体材料からなるフレームの内部に固着された固定鉄心と、上記フレームの内部において、非磁性体材料からなるボビンにより軸方向に移動可能に収容された可動鉄心と、上記固定鉄心の上記可動鉄心との対向面に設けられる気体出口と、上記可動鉄心の上記気体出口の対向面に設けられるパッキンと、上記可動鉄心を上記固定鉄心から離れる方向に付勢するための付勢手段と、上記可動鉄心が上記固定鉄心側に吸着される力を発生させるための磁気回路を形成するため、磁束を発生させるためのコイル体とを備えるソレノイドエアーバルブであって、上記可動鉄心は、第１の径からなるフランジ部と、第１の径よりも細い第２の径からなる軸部とを有し、上記フランジ部に上記パッキンが設けられるとともに、上記軸部を取囲む上記ボビンの外周面と上記フレームの内周面との間の空間に上記コイル体を収容し、上記ボビンは、上記軸部に沿って設けられる軸部領域と、上記フランジ部に沿って設けられるフランジ部領域と、上記フランジ部の外周側面に沿って設けられる側部領域と含み、上記フランジ部の外周側面と上記フレームの内周面との間に、上記ボビンの上記側部領域が延在するように設けられる。

この発明に基づいたソレノイドエアーバルブによれば、可動鉄心の形状として、第１の径からなるフランジ部と、第１の径よりも細い第２の径からなる軸部とを有し、このフランジ部にパッキンを設けることにより、大きい径からなるフランジ部と固定鉄心とが対向することで、磁極面積の減少を解消し、パッキンによる気体出口を閉じるための駆動力を十分確保することが可能となる。また、軸部を取囲むボビンの外周面とフレームの内周面との間の空間にコイル体を収容することで、コイル部体積を確保しながらも、フレームの外径寸法の小型化を可能とし、その結果、ソレノイドエアーバルブの小型化を可能とする。

以下、この発明に基づいた実施の形態におけるソレノイドエアーバルブの構成について、図１から図３を参照しながら説明する。なお、図１は、本実施の形態におけるソレノイドエアーバルブの構成を示す断面図であり、図２は、図１中のＩＩで囲まれる領域の部分拡大断面図であり、図３は、図１中のＩＩＩで囲まれる領域の部分拡大断面図である。

まず、図１を参照して、本実施の形態におけるソレノイドエアーバルブ１００の構成について説明する。このソレノイドエアーバルブ１００は、磁性体材料からなるフレーム１０１を備え、このフレーム１０１は、フレーム本体１０２と、一方の端部を塞ぐフレームカバ１０３とを有している。フレーム本体１０２およびフレームカバ１０３を構成する磁性体材料としては、たとえばＳＵＹＢ−１（電磁鋼鉄）等が用いられる。フレーム本体１０２の他方端側の内部には、その一部が外方に向かって突出するように、固定鉄心１１０が固着されている。固定鉄心１１０には、エア通路１１１が設けられ、後述の可動鉄心１２０に対向する位置には、凸形状のニップル（空気出口部）１１２が設けられている。また、フレーム本体１０２の内部には、非磁性体材料からなるボビン１４０により軸方向に移動可能に収容された可動鉄心１２０が収容されている。

可動鉄心１２０は、固定鉄心１１０側に配置され、外側に張り出すように設けられ、第１の径からなるフランジ部１２２と、第１の径よりも細い第２の径からなる軸部１２１とを有している。フランジ部１２２と固定鉄心１１０との間には、両者の間を引き離す方向に付勢するため、付勢手段としてのコイルばね１３０が収容されている。また、ニップル１１２に対向する可動鉄心１２０のフランジ部１２２には、ゴムパッキン１５０が埋設されている。

ボビン１４０は、可動鉄心１２０の外周側面に沿って設けられており、可動鉄心１２０の軸部１２１に沿って設けられる軸部領域１４１と、フランジ部１２２の軸部１２１からフランジ部１２２に沿って設けられるフランジ部領域１４２と、フランジ部１２２の外周側面に沿って設けられる側部領域１４３と、フランジ部領域１４２とは反対側の領域において、フレームカバ１０３の内周面に沿って設けられるフレームカバ領域１４４とを有している。したがって、ボビン１４０においても、軸部領域１４１の外径寸法よりも、フランジ部領域１４２の外径寸法の方が大きくなるように設けられる。

また、ボビン１４０の軸部領域１４１の外周面とフレーム本体１０２の内周面との間の空間には、可動鉄心１２０が固定鉄心１１０側に吸着される力を発生させるための磁気回路を形成するため、磁束を発生させるためのコイル体１６０が収容されている。このコイル体１６０は、コイル線径約Φ０．１ｍｍ、巻き数約１０００巻き、抵抗約３０Ωであり、コイル電流は、約８０ｍＡである。

また、図１および図３を参照して、フレームカバ１０３には、開口部１０３ａが設けられ、この開口部１０３ａから、可動鉄心１２０の軸部１２１の端部が外方に向けて突出するように設けられている。また、ボビン１４０の軸部領域１４１と、フレームカバ領域１４４との交差領域には、フレームカバ１０３側に突出する凸部１４１ａが設けられ、フレームカバ１０３には、この凸部１４１ａを受入れる凹部１０３ｂが設けられている。

（作用・効果）
上記構成からなるソレノイドエアーバルブ１００において、コイル体１６０に電流を流すと、図２に示すように、可動鉄心１２０のフランジ部１２２において、ゴムパッキン１５０の周りに十分な磁極面積が確保されていることから、磁気抵抗が小さくなり、固定鉄心１１０に向かう磁束Ｍの流れをスムーズなものとしている。また、可動鉄心１２０のフランジ部１２２の外周側面に非磁性体の材質で構成されたボビン１４０の側部領域１４３を延在させることで、磁束Ｍを確実に固定鉄心１１０側に向かうように案内している。

ここで、固定電極１１０と可動鉄心１２０のフランジ部１２２との間のギャップ（Ｌ）の磁気抵抗は、下記式（１）によって表わされることが知られている。
Ｒ＝Ｌ／（Ｓμ_０） ・・・式（１）
（磁気抵抗：Ｒ、ギャップ間距離：Ｌ、磁極面積：Ｓ、空気の比透磁率：μ_０）
この式（１）から、磁気抵抗Ｒを小さくして磁気回路の効率を高めるには磁極面積（Ｓ）を大きくし、駆動力を確保する必要があることがわかる。本願発明は、ソレノイドエアーバルブの小型化を進めるにあたり、これに着目して、コイル体積を確保するため可動鉄心１２０の径（φ１）を細くしても、固定電極に対向する磁極面積を減少することなく、ニップル１１２を閉じるための駆動力が十分確保できるよう、可動鉄心１２０を軸部１２１とフランジ部１２２とからなるフランジ型にすることによって実現している。

また、可動鉄心１２０の軸部１２１を取囲むボビン１４０の軸部領域１４１の外周面とフレーム本体部１０２の内周面との間の空間にコイル体１６０を収容することで、コイル部体積を確保しながらも、フレーム１０１の外径寸法の小型化を可能とし、その結果、ソレノイドエアーバルブ１００の小型化を可能としている。

また、可動鉄心１２０にフランジ部１２２を設け、また、ボビン１４０にフランジ部１２２に沿うフランジ部領域１４２を設けることで、コイルばね１３０の付勢力により、ボビン１４０に沿って可動鉄心１２０が際に、フランジ部１２２固定鉄心１１０とは反対側の面とボビン１４０のフランジ部領域１４２とが当接することにより、可動鉄心１２０の固定鉄心１１０から離れる方向への移動距離を規定する停止領域が設けられることになる。

これにより、可動鉄心端部に移動距離を規定することが不要となるため、フレームカバ１０３の開口部１０３ａから、可動鉄心１２０の軸部１２１の端部を外方に向けて突出させることが可能になる。その結果、図３に示すように、フレームカバ１０３の開口部１０３ａの端面と可動鉄心１２０の軸部１２１の側面との間の間隙（距離：Ｌ２）は、可動鉄心１２０が摺動可能なクリアランス距離を設けるだけでよいことから、この間隙（距離：Ｌ２）は可能な限り小さくすることができる。その結果、この間隙（距離）における、フレームカバ１０３と可動鉄心１２０との間の磁気抵抗を低下させて（式１参照）、磁気回路の効率を向上させることができる。

なお、フレームカバ１０３とボビン１４０との間には、両者の間の位置決めを行なうための位置決め領域として、上述した凸部１４１ａと、この凸部１４１ａを受入れる凹部１０３ｂを設けることが好ましいといえる。

なお、図４に、本実施の形態におけるソレノイドエアーバルブ１００をモデルにした、磁束密度および磁束解析結果を示す。本解析結果は、１／４のＣＡＥ解析モデルである。この解析結果からも、可動鉄心１２０のフランジ部１２２、および、フレームカバ１０３の開口部１０３ａの端面と可動鉄心１２０の軸部１２１の側面との間ギャップにおける磁束Ｍが、極端に集中することなく、スムーズに流れていることが示されている。

なお、上記実施の形態においては、可動鉄心１２０のフランジ部１２２と、ボビン１４０のフランジ部領域１４２とを用いて、停止領域を形成するようにしたが、可動鉄心１２０の固定鉄心１１０から離れる方向への移動距離を規定するため、可動鉄心１２０の側面側とボビン１４０との間に相互に係合する領域を別途設け、この係合領域を停止領域とすることも可能である。

したがって、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

本実施の形態におけるソレノイドエアーバルブの構成を示す断面図である。 図１中のＩＩで囲まれる領域の部分拡大断面図である。 図１中のＩＩＩで囲まれる領域の部分拡大断面図である。 本実施の形態におけるソレノイドエアーバルブをモデルにした、磁束密度および磁束解析結果を示す図である。 従来のソレノイドエアーバルブの構成を示す断面図である。 従来のソレノイドエアーバルブの構成を示す部分拡大断面図である（開放状態）。 従来のソレノイドエアーバルブの構成を示す部分拡大断面図である（閉鎖状態）。 従来のソレノイドエアーバルブの問題点を示す断面図である。 従来のソレノイドエアーバルブの第１の問題点を示す部分拡大断面図である。 従来のソレノイドエアーバルブの第２の問題点を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１００ ソレノイドエアーバルブ、１０１ フレーム、１０２ フレーム本体、１０３ フレームカバ、１０３ａ 開口部、１０３ｂ 凹部、１１０ 固定鉄心、１１１ エア通路、１１２ ニップル（空気出口部）、１２０ 可動鉄心、１２１ 軸部、１２２ フランジ部、１３０ コイルばね、１４０ ボビン、１４１ 軸部領域、１４１ａ 凸部、１４２ フランジ部領域、１４３ 側部領域、１４４ フレームカバ領域、１５０ ゴムパッキン。

Claims (1)

1. 磁性体材料からなるフレームの内部に固着された固定鉄心と、
   前記フレームの内部において、非磁性体材料からなるボビンにより軸方向に移動可能に収容された可動鉄心と、前記固定鉄心の前記可動鉄心との対向面に設けられる気体出口と、前記可動鉄心の前記気体出口の対向面に設けられるパッキンと、前記可動鉄心を前記固定鉄心から離れる方向に付勢するための付勢手段と、前記可動鉄心が前記固定鉄心側に吸着される力を発生させるための磁気回路を形成するため、磁束を発生させるためのコイル体と、を備えるソレノイドエアーバルブであって、
   前記可動鉄心は、第１の径からなるフランジ部と、第１の径よりも細い第２の径からなる軸部とを有し、
   前記フランジ部に前記パッキンが設けられるとともに、前記軸部を取囲む前記ボビンの外周面と前記フレームの内周面との間の空間に、前記コイル体を収容し、
   前記ボビンは、前記軸部に沿って設けられる軸部領域と、前記フランジ部に沿って設けられるフランジ部領域と、前記フランジ部の外周側面に沿って設けられる側部領域と含み、
   前記フランジ部の外周側面と前記フレームの内周面との間に、前記ボビンの前記側部領域が延在するように設けられる、ソレノイドエアーバルブ。

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