JP4612059B2 - 比例電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、流路内を流れる圧縮空気や液体の流量や圧力を無段階に変化させるための比例電磁弁に関する。

空気圧制御回路には流路内を流れる圧縮空気の流量や圧力を無段階に制御するために比例電磁弁が使用されている。比例電磁弁は空気圧制御回路を構成する流体流路のバルブ開度を調整する弁体と、コイルに供給される駆動電流に応じた磁力を発生させるソレノイドとを有している。比例電磁弁の弁体にはばね部材により流体流路を閉じる方向または開く方向のばね力が加えられており、ばね力に抗してソレノイドに発生する磁力により弁体は磁力の大きさに応じて流体流路の開度を無段階に変化させる。

比例電磁弁のコイル内部には、特許文献１に記載されるように、固定鉄心つまりコアと可動鉄心つまりプランジャとが組み込まれ、可動鉄心には弁体が設けられている。コイルに通電すると、コイルの外側に配置される磁気フレームを介して固定鉄心と可動鉄心は励磁されて、可動鉄心はばね力に抗して固定鉄心に向けて軸方向に駆動され、弁開度が制御される。
特開２００４−３２４７８８号公報

弁開度はコイルに供給される駆動電流によって制御されるので、駆動電流と弁開度とを高精度で対応させるようにできれば、流体の流量や圧力を高い精度で制御することができる。しかしながら、可動鉄心の軸方向の位置に応じて、可動鉄心の基端面とこれに対向する固定鉄心の先端面との間の距離が変化するので、固定鉄心と可動鉄心との間に作用する磁力が可動鉄心の位置により変化することになる。このため、可動鉄心のストロークにより設定されるバルブ開度は、駆動電流の変化に対して一定とはならず、駆動電流とバルブ開度との間に直線性が得られなくなる。

固定鉄心の先端部に凹部を形成し、可動鉄心の基端部に形成された小径部を凹部内に入り込ませることにより、固定鉄心の先端部と可動鉄心の基端部とを軸方向に一部オーバーラップさせると、オーバーラップした部分において径方向に横断する磁界が形成されることになり、駆動電流と弁開度との間の直線性が向上することが判明しているが、空気圧作動機器や液体圧作動機器によっては、より十分な直線性を持った比例電磁弁が求められている。

本発明の目的は、弁開度の変化量がコイルに供給される駆動電流の変化量に直線的に変化する高精度の比例電磁弁を提供することにある。

本発明の比例電磁弁は、固定鉄心が内部に固定されるコイルと、前記コイルの内部に前記固定鉄心と同軸状に軸方向に摺動自在に組み込まれる可動鉄心と、前記可動鉄心の先端に設けられるとともに、弁座に接触して一次側流路と二次側流路との連通開度を調整する弁体と、前記可動鉄心と前記固定鉄心との間に配置され前記弁体を初期位置に付勢するばね部材とを有する比例電磁弁であって、前記固定鉄心の先端部に凹部を形成する一方、前記可動鉄心の基端部に前記凹部の内周面に隙間を介して対向する外周面が形成された嵌合部を前記可動鉄心の基端部に形成し、前記固定鉄心の先端部の外周面に先端面に向けて小径となるテーパ面を形成する一方、前記可動鉄心の基端部に前記嵌合部から連なり前記可動鉄心の先端部に向けて大径となるテーパ面を形成し、前記固定鉄心の前記内周面を先端面に向けて大径となる方向に傾斜させる一方、前記嵌合部の前記外周面を基端面に向けて小径となる方向に傾斜させるとともに、前記外周面の傾斜角度を前記内周面の傾斜角度よりも大きく傾斜させ、前記弁体が前記弁座に接触し前記流路が閉じられた状態から前記弁体が前記弁座から離れて前記可動鉄心が前記固定鉄心に向けて吸引されるに従って前記内周面と前記外周面の間を径方向に横断する無効磁界を大きくすることを特徴とする。

本発明の比例電磁弁においては、前記外周面の傾斜角度は５度であり、前記内周面の傾斜角度は４度であることを特徴とする。

本発明の比例電磁弁においては、前記固定鉄心の前記凹部の底面である対向面の深さ寸法は２．５mmであることを特徴とする。

本発明によれば、固定鉄心の凹部の内周面を先端面に向けて大径となる方向に傾斜させる一方、可動鉄心の嵌合部の外周面を基端面に向けて小径となる方向に傾斜させるとともに、可動鉄心の嵌合部の外周面の傾斜角度を固定鉄心の凹部の内周面の傾斜角度よりも大きく傾斜させることにより、弁開度の変化量をコイルに供給される駆動電流の変化量に対し直線的に変化させることができ、比例電磁弁の作動特性を高精度とすることができる。特に、可動鉄心の固定鉄心の外周面の傾斜角度を５度とし内周面の傾斜角度を４度とすることにより、作動特性を高めることができ、さらに、凹部の深さ寸法を２．５mmとすることにより作動特性を高めることができる。

本発明の一実施の形態である比例電磁弁を示す斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図２の一部拡大断面図である。 圧縮コイルばねを取り除いた状態における図４の一部拡大断面図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、比例電磁弁の作動特性を示す特性線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、比例電磁弁１０は、流路ブロック１１とこれに取り付けられるソレノイド１２とを有し、ソレノイド１２に固定される締結プレート１３を流路ブロック１１にねじ止めすることによりソレノイド１２は流路ブロック１１に取り付けられている。流路ブロック１１はほぼ直方体の金属材料により形成されており、図３に示されるように、流路ブロック１１には一次側流路つまり一次側ポート１４と、二次側流路つまり二次側ポート１５とが長手方向に同軸状に形成されている。一次側ポート１４は弁室１６の中心部に連通孔１７を介して連通され、二次側ポート１５は弁室１６の外周部に連通孔１８を介して連通されている。連通孔１７の弁室１６側の開口部周囲は弁座１９となっており、連通孔１７の内径Ｔは弁座１９の内径となっている。

図２に示すように、ソレノイド１２は樹脂モールド体２１により覆われるソレノイド組立体２２を有している。ソレノイド組立体２２は円筒部２３ａとこれの両端に一体に設けられたフランジ２３ｂ，２３ｃとを備えたボビン２３を有し、ボビン２３の外側にはコイル２４が巻き付けられている。ボビン２３は磁気フレーム２５の内部に組み込まれており、磁気フレーム２５は鉄製の板材を四辺形に折り曲げ加工することにより、正面壁２５ａ、背面壁２５ｂおよび上下の端壁２５ｃ，２５ｄとを有する断面四辺形となっている。ボビン２３はそのフランジ２３ｂが端壁２５ｃの内面に接触し、フランジ２３ｃが端壁２５ｄの内面に接触した状態となって磁気フレーム２５内に組み込まれる。ボビン２３は端壁２５ｃ，２５ｄに形成された貫通孔２６に嵌合する磁気リング２７により磁気フレーム２５に固定される。

磁気フレーム２５の正面壁２５ａには、２つの給電端子２８ａ，２８ｂが固定されたプリント基板２９が配置され、プリント基板２９にはコイル２４の両端部が接続されるようになっており、プリント基板２９にはコイル２４の両端部をそれぞれの給電端子２８ａ，２８ｂに電気的に接続するための配線パターンが設けられている。プリント基板２９の表面にはＬ字形状に折り曲げられたアース端子３０が配置され、このアース端子３０には磁気フレーム２５の係合孔に係合する係合片３０ａが設けられている。プリント基板２９とアース端子３０は磁気フレーム２５にねじ部材３１により固定されている。

図２に示すようにねじ部材３１の基端部には磁気フレーム２５に形成されたねじ孔に締結される雄ねじ部３１ａが設けられ、先端の露出面３２に開口するねじ孔３３がねじ部材３１の先端部に形成されている。このように、ソレノイド組立体２２はボビン２３に巻き付けられたコイル２４と磁気フレーム２５とを有しており、ソレノイド組立体２２を樹脂成形用の金型内に配置して溶融樹脂を金型内に充填することによりソレノイド組立体２２と樹脂モールド体２１とを有するソレノイド１２を製造することができる。樹脂成形時には、ねじ部材３１の露出面３２を金型内面に接触させることにより金型内でのソレノイド組立体２２のずれが防止される。ただし、樹脂モールド体２１を設けることなく、磁気フレーム２５をケースとした比例電磁弁としても良い。

図１に示すように、ソレノイド１２の正面には給電端子２８ａ，２８ｂとアース端子３０とが突出しており、これらの端子２８ａ，２８ｂ，３０にはコネクタ３４がゴム製のシール部材３５を介して装着されるようになっている。コネクタ３４には給電ケーブル３６ａ，３６ｂとアースケーブル３７とが設けられ、それぞれの端子２８ａ，２８ｂ，３０をコネクタ３４に設けられた凹部に挿入させると、それぞれの端子２８ａ，２８ｂ，３０はケーブル３６ａ，３６ｂ，３７にそれぞれ電気的に接続される。コネクタ３４をソレノイド１２に締結するために、コネクタ３４には貫通孔３８が形成され、コネクタ３４にはねじ部材３１に形成されたねじ孔３３にねじ止めされるねじ部材３９が貫通孔３８に取り付けられるようになっている。

図２に示すように、ソレノイド１２には固定鉄心４０が組み込まれ、固定鉄心４０の基端部にねじ止めされるナット４１により固定鉄心４０はソレノイド１２に固定されるようになっている。固定鉄心４０には図２および図４に示すように、非磁性であるステンレス製のガイドチューブ４２が固定されている。このガイドチューブ４２の中には軸方向に移動自在に可動鉄心４３が固定鉄心４０と同軸状に組み込まれるとともに固定鉄心４０と可動鉄心４３との間には圧縮コイルばね４４つまりばね部材が組み込まれようになっている。圧縮コイルばね４４は可動鉄心４３に形成された収容孔４３ａ内に先端部が収容されている。

可動鉄心４３にはガイドチューブ４２の内周面に摺動接触するウエアリング４５が装着され、可動鉄心４３の先端部には、流路ブロック１１に形成された弁座１９に接触するポペットタイプの弁体４６が取り付けられている。弁体４６がばね力に抗して弁座１９から離れる距離に応じて弁開度が設定される。したがって、この比例電磁弁１０は、弁体４６が弁座１９に接触する閉弁時を初期位置として、コイル２４に通電すると、ばね力に抗して弁体４６が弁座１９から離れて開弁状態となる。

固定鉄心４０は中空部材により形成されており、圧縮コイルばね４４のばね力を調整するために、圧縮コイルばね４４の端部に接触する調整ねじ４７が固定鉄心４０の中空孔４０ａに組み込まれ、固定鉄心４０に形成された雌ねじ４０ｂに調整ねじ４７の雄ねじ４７ａがねじ結合されている。したがって、調整ねじ４７を回転させて固定鉄心４０に対する調整ねじ４７の軸方向位置を変化させることによって圧縮コイルばね４４により可動鉄心４３に加えられるばね力が調整される。可動鉄心４３には可動鉄心４３と固定鉄心４０との間の隙間と弁室１６とを連通させるために連通孔４８が形成されており、可動鉄心４３に加えられる弁室１６内の圧力は連通孔４８を介して可動鉄心４３の両端面に加わる。つまり、可動鉄心４３に軸方向に加わる圧力は相殺されるので、可動鉄心４３には弁室１６内の圧力による軸方向推力は加わらない。

比例電磁弁１０の弁開度は駆動電流値を変化させることにより制御され、駆動電流は駆動電圧のパルス幅をＰＷＭ制御によって変化される。このように、ＰＷＭ制御によって駆動電流値を制御すると、可動鉄心４３は微振動しながら軸方向に駆動されることになり、駆動電流を変化させることにより、一次側ポート１４から二次側ポート１５に流れる圧縮空気や液体の圧力や流量が調整され、駆動電流値が所定値以下となると、ばね力によって弁体４６が弁座１９に接触して流体の流れが遮断される。

図４および図５に示されるように、固定鉄心４０の先端部には、環状の先端面５０に向かうに従って外径が小径となる固定側のテーパ面５１が形成されるとともに中心部に凹部５２が形成され、凹部５２内には非磁性材料からなるスペーサ５３が設けられている。このスペーサ５３は凹部５２の底面である対向面５４に接触している。図５に示すように、固定鉄心４０の外径寸法はＤ1、先端面５０の外径寸法はＤ2、先端面５０の内径寸法はＤ3、凹部５２の深さ寸法はＰとなっており、スペーサ５３の厚み寸法はＲとなっている。

一方、可動鉄心４３の基端部には固定鉄心４０の凹部５２内に隙間を介して入り込む嵌合部５５が形成されている。この嵌合部５５は、凹部５２の内周面５６に隙間を介してオーバーラップする外周面５７を有し、可動鉄心４３の基端面５８が固定鉄心４０の凹部５２の対向面５４に対向した状態となって、可動鉄心４３は軸方向にガイドチューブ４２内を移動する。

可動鉄心４３には嵌合部５５に連なって可動鉄心４３の先端部側に向かうに従って外径が大径となる可動側のテーパ面５９が形成されており、このテーパ面５９は固定鉄心４０のテーパ面５１に対向している。このようにテーパ面５９が形成された部分と嵌合部５５とが可動鉄心４３の基端部に形成されている。図５に示すように、可動鉄心４３の外径寸法はｄ1、基端面５８の外径寸法はｄ2、基端面５８の内径寸法つまり圧縮コイルばね４４を収容する収容孔４３ａの内径はｄ3となっている。

固定鉄心４０の先端部に形成された凹部５２の内周面５６は、先端面５０に向けて内径が大きくなるように傾斜しており、その傾斜角度はα1となっている。これに対して可動鉄心４３の嵌合部５５の外周面５７は、基端面５８に向けて外径が小さくなるように傾斜しており、その傾斜角度はα2となっており、傾斜角度α2は傾斜角度α1よりも大きく設定されている。さらに、固定鉄心４０の固定側のテーパ面５１の傾斜角度はθ1となっており、可動鉄心４３の可動側のテーパ面５９の傾斜角度はθ2となっている。

図２は、可動鉄心４３の先端に設けられた弁体４６が圧縮コイルばね４４のばね力により弁座１９に接触して流路ブロック１１内の流路が閉じられている初期状態を示している。この状態のもとでコイル２４に通電すると、固定鉄心４０と可動鉄心４３が励磁されて、可動鉄心４３は固定鉄心４０に向けてばね力に抗して移動し、弁体４６は弁座１９から離れて一次側ポート１４から二次側ポート１５に向けて流体が流れることになる。弁体４６が弁座１９から離れるに従って、弁体４６と弁座１９との間により設定される弁開度は徐々に大きくなる。弁体４６が所定距離だけ離れた位置が弁開度最大となり、それ以上離れても一次側ポート１４から二次側ポート１５に流れる流体流量は増加することなくほぼ一定となる。この流量最大値となる弁体４６の最大ストロークは、弁座１９の内径Ｔに対応した値となる。

弁開度が最大となる弁体４６の最大ストロークＳは、図示する弁座１９の内径が２mmであるので、寸法のバラツキを考慮して約１．５mmに設定されている。図５において、可動鉄心４３は弁体４６が弁座１９に接触しているときに対応した位置として実線で示されており、可動鉄心４３が二点鎖線で示す最大ストロークＳの位置まで固定鉄心４０に向けて接近すると、弁開度が最大となる。この最大ストロークＳの位置は、可動鉄心４３の基端面５８がスペーサ５３には接触しない位置に設定されており、これ以上可動鉄心４３が移動すると、基端面５８が非磁性のスペーサ５３に衝突するので基端面５８が直接固定鉄心４０に衝突することが防止される。

コイル２４に通電することにより、固定鉄心４０と可動鉄心４３が励磁され、固定鉄心４０の先端部と可動鉄心４３の基端部は相互に逆極性となり、可動鉄心４３は固定鉄心４０に向けて磁力により吸引されることになる。この磁力は、コイル２４に供給する駆動電流値が大きくなると大きくなるが、駆動電流値が同じであれば、可動鉄心４３の基端面５８が固定鉄心４０に対して軸方向同一の位置となるようにすることが、弁開度の変化量をコイル２４に供給される駆動電流の変化量に直線的に変化させて高精度の比例電磁弁とするためには望ましい。

固定鉄心４０から可動鉄心４３に対して軸方向の推力となる磁力は、両方の鉄心の間を軸方向に形成される磁界の強度に大きく依存しており、固定鉄心４０の先端部の内周面５６と可動鉄心４３の嵌合部５５の外周面５７とがオーバーラップする領域には径方向に磁界が横断することになり可動鉄心４３を軸方向に固定鉄心４０に向けて吸引させる推力には寄与しない無効磁界となる。

上述のように、固定鉄心４０の先端部には先端面５０に向けて小径となるように角度θ1で傾斜した固定側のテーパ面５１が形成されるとともに凹部５２が形成されている。一方、可動鉄心４３の基端部には可動鉄心４３の凹部５２の内周面５６に隙間を介して入り込む嵌合部５５が形成されるとともに嵌合部５５の外周面５７に連なって可動鉄心４３の先端部に向けて大径となるように角度θ2で傾斜した可動側のテーパ面５９が形成されている。さらに、可動鉄心４３の外周面５７の傾斜角度α2は、固定鉄心４０の内周面５６の傾斜角度α1よりも大きく設定されている。

これにより、弁体４６が弁座１９に接触して流路が閉じられた状態から弁体４６が弁座１９から離れて固定鉄心４０に向けて移動するときには、主として対向面５４と基端面５８との間を軸方向に横断する磁界によって可動鉄心４３は固定鉄心４０に向けて吸引されることになるが、可動鉄心４３が吸引されるに従い、内周面５６と外周面５７とのオーバーラップ寸法が大きくなるので、その部分で径方向に横断する無効磁界も大きくなる。

このように、固定鉄心４０にテーパ面５１が形成され可動鉄心４３にテーパ面５９が形成されていることと相俟って、外周面５７の傾斜角度α2を内周面５６の傾斜角度α1よりも大きく設定すると、可動鉄心４３が固定鉄心４０に接近しても、無効磁界が大きくなることから、可動鉄心４３に固定鉄心４０から加えられる吸引力は一定に保持される。しかも、外周面５７の傾斜角度α2が内周面５６の傾斜角度α1よりも大きく設定されているので、可動鉄心４３が固定鉄心４０に接近するに従って、その基端面５８の外周エッジは内周面５６から離れることになり、可動鉄心４３が駆動電流によって微振動しても、嵌合部５５が内周面５６に接触することが防止される。これにより、コイル２４に供給される駆動電流値の変化量と弁体４６の開度とが直線的に変化し高精度の比例電磁弁となる。

図６（Ａ）〜図６（Ｆ）は本発明の比例電磁弁の作動特性を示す特性線図である。図６（Ａ）〜図６（Ｆ）は実施例１〜６を示し、それぞれの実施例においては、内周面５６の傾斜角度α1を４度とし、外周面５７の傾斜角度α2をα1よりも１度大きい５度とした。さらに、固定鉄心４０の外径寸法Ｄ1を１２mmとし、先端面５０の外径寸法Ｄ2を９．５mmとし、先端面５０の内径寸法Ｄ3を９mmとした。また、可動鉄心４３の外径寸法はｄ1を１１．３mmとし、基端面５８の外径寸法はｄ2を８．２mmとし、基端面５８の内径寸法ｄ3を４mmとした。傾斜角度θ2はそれぞれの実施例において４５度である。

実施例１〜３においてはテーパ面５１の傾斜角度θ１を２５度とし、実施例４〜６においてはテーパ面５１の傾斜角度θ1を３０度とした。

実施例１〜３では、凹部５２の深さ寸法Ｐを２．５と３．０と３．５に相違させ、可動鉄心４３がスペーサ５３に接触したときにおける可動鉄心４３の基端面５８と固定鉄心４０の対向面５４との距離が１mmとなるように、凹部５２の深さ寸法Ｐに対応させてスペーサ５３の厚みを相違させた。同様に、実施例４〜６においても、凹部５２の深さ寸法を２．５と３．０と３．５に相違させ、可動鉄心４３がスペーサ５３に接触したときにおける可動鉄心４３の基端面５８と固定鉄心４０の対向面５４との距離が１mmとなるように、凹部５２の深さ寸法Ｐに対応させてスペーサ５３の厚みを相違させた。

図６は、それぞれの実施例１〜６において、３００mAと２００mAと１００mAの３種類の駆動電流をそれぞれ供給し、可動鉄心４３をその基端面５８がスペーサ５３から０．３mm離れた位置から１．５mm離れた位置となるまで可動鉄心４３を移動して、それぞれについて０．１mm毎に駆動電流と可動鉄心４３に作用する吸引力との関係を測定した。基端面５８がスペーサ５３から０．３mm離れた位置では基端面５８は対向面５４から１．３mm離れた位置になり、基端面５８がスペーサ５３から０．８mm離れた位置では基端面５８は対向面５４から１．８mm離れた位置になる。

その結果、α1を４度とし、α2を５度とするとともに、凹部５２の深さ寸法Ｐを２．５mmに設定すると、図６（Ａ）（Ｄ）に示すようにθ1を２５度としても３０度としてもいずれも良好な作動特性となった。特に、θ1を２５度（図６（Ａ））とする方が、３０度（図６（Ｄ））とするよりも作動特性が良好であった。また、可動鉄心４３のストロークが０．９mmの範囲では、図６（Ｂ）に示すように凹部５２の深さ寸法Ｐを３．０mmとしても作動特性は良好であることが判明した。一方、θ1を３０度とし、凹部５２の深さ寸法Ｐを３．０mmとした場合には、図６（Ｅ）に示すように可動鉄心４３の基端面５８が対向面５４から０．８mm以上離れると、吸引力が一定とならなかった。

弁体４６が弁座１９に接触している閉弁状態から可動鉄心４３が固定鉄心４０に向けて移動して弁体４６が全開状態となるのは、図６に示すストロークでは１．０mmから０．３mmの範囲であるので、凹部５２の深さ寸法Ｐが２．５mmであって、傾斜角度θ1が２５度または３０度とすると、最適な作動特性の比例電磁弁１０が得られ。特に、傾斜角度θ1を２５度とすることが好ましいことが実測値から判明した。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。図示した比例電磁弁１０は空気圧回路に使用されるが、油圧回路に使用される比例電磁弁についても同様とすることができる。

産業上の利用分野

空気圧回路等の流体圧回路に使用され流体の流量や圧力を制御するための比例電磁弁として使用することができる。

Claims (3)

1. 固定鉄心が内部に固定されるコイルと、前記コイルの内部に前記固定鉄心と同軸状に軸方向に摺動自在に組み込まれる可動鉄心と、前記可動鉄心の先端に設けられるとともに、弁座に接触して一次側流路と二次側流路との連通開度を調整する弁体と、前記可動鉄心と前記固定鉄心との間に配置され前記弁体を初期位置に付勢するばね部材とを有する比例電磁弁であって、
   前記固定鉄心の先端部に凹部を形成する一方、前記可動鉄心の基端部に前記凹部の内周面に隙間を介して対向する外周面が形成された嵌合部を前記可動鉄心の基端部に形成し、
   前記固定鉄心の先端部の外周面に先端面に向けて小径となるテーパ面を形成する一方、前記可動鉄心の基端部に前記嵌合部から連なり前記可動鉄心の先端部に向けて大径となるテーパ面を形成し、
   前記固定鉄心の前記内周面を先端面に向けて大径となる方向に傾斜させる一方、前記嵌合部の前記外周面を基端面に向けて小径となる方向に傾斜させるとともに、前記外周面の傾斜角度を前記内周面の傾斜角度よりも大きく傾斜させ、
   前記弁体が前記弁座に接触し前記流路が閉じられた状態から前記弁体が前記弁座から離れて前記可動鉄心が前記固定鉄心に向けて吸引されるに従って前記内周面と前記外周面の間を径方向に横断する無効磁界を大きくすることを特徴とする比例電磁弁。
2. 請求項１記載の比例電磁弁において、前記外周面の傾斜角度は５度であり、前記内周面の傾斜角度は４度であることを特徴とする比例電磁弁。
3. 請求項１記載の比例電磁弁において、前記固定鉄心の前記凹部の底面である対向面の深さ寸法は２．５mmであることを特徴とする比例電磁弁。

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