JP4683467B2 - シート形２段式電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、主弁に配置されたポペットをパイロット弁によって作動させて作動流体をアクチュエータへと送給するシート形２段式電磁弁に関するものであり、該電磁弁の駆動中において発生が不可避な騒音、作動流体の脈動を効果的に軽減しようとするものである。

駆動システムを作動させるための作動流体（圧力媒体）としては従来、鉱物油等の油が使用されてきたが、近年では、システムの安全性や環境保護に対する要求や規制がより厳しくなる傾向にあり、油漏れによる環境汚染や火災等の危険性を回避すべく、水を作動流体とする水圧システムの開発が望まれている。

水は鉱物油とは物性が大きく異なるため、機器の性能や耐久性に関し解決すべき問題を多々含んでいるが、最新の材料技術や加工技術、設計等の工夫により水圧ポンプ、水圧用アクチュエータ、水圧サーボ弁の如き水圧機器への適用が可能であると考えられており、水圧システムの実用化への取り組みが積極的に進められている。

作動流体として油を使用する電磁弁としては、低電力化のためにバランスピストンを配置した構成のものが知られている。かかる構造のものは、供給側経路とつながるＰポートと送給側経路につながるＡポートを有する二方向油圧電磁弁であって、高速で作動させることができるとともに内部漏れも非常に少ない利点があり、油圧システムの制御において幅広く使用されている。

ところで、上記の電磁弁は、作動流体を水とする水圧システムに適用した場合、弁体が閉塞位置にあるにもかかわらず供給圧力が一定の値（２ＭＰａ程度）を超えるとＡポートから相当量の水が漏れ出てしまうのが避けられない不具合があった。

これは、バランスピストンにはシール部材としてのＯリングが配置されておらず、水は油に比較して粘度が低いためであると考えられるが、上記の電磁弁は、このような内部漏れの回避は勿論のこと、高速作動性や錆び、潤滑、キャビテーション壊食などの問題をも考慮することが不可欠であって、従来の電磁弁を単に水圧用として使用することは今のところ不可能であった。

この点に関する先行技術としては、電磁弁を構成するボディ内に第１の空間領域、第２の空間領域をそれぞれ設け、第１の空間領域に、スプリングを介して弾性支持された主弁（ポペット）を配置し、第２の空間領域に補助弁（ボール弁）を配置し、補助弁の作動（PWM制御）にてバルブシートの通路を開閉させ、その通路の開閉に伴う第１の空間領域内の圧力変化に追随させて主弁のバルブシートを開閉して作動流体をアクチュエータへ送給する２段式電磁弁が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００３─１５６１７０号公報

上記２段式電磁弁は、作動流体として水を用いた場合においても内部漏れがなく、しかも、高速で作動させることができる利点があり、水圧システムを容易に構築できる可能性を有している。

しかしながら、この種の電磁弁は、主弁が往復動する際に、その後端が補助弁のバルブシートの背面に衝突して騒音を発するのが不可避であり、また、作動流体の脈動も避けられないことから未だ多少の改善の余地が残されていた。

本発明の課題は、内部漏れの防止、高速作動、省電力化が可能であるだけでなく、とくに上記のような騒音や脈動の軽減をも図ることができる新規なシート形２段式電磁弁を提案するところにある。

本発明は、ソレノイド、コア及びヨークを組み合せた駆動機構にて弁体を往復動させてそれに適合する第１のバルブシートの通路を開閉するパイロット弁と、前記パイロット弁の通路の開閉に従い往復移動させてそれに適合する第２のバルブシートの送給口を開閉する主弁とを備えた電磁弁であって、
前記主弁は、アクチュエータに向けて作動流体を送給する送給口を形成した前記第２のバルブシートと、前記作動流体の供給口を有し一端を前記第２のバルブシートに連結し他端を前記パイロット弁の前記第１のバルブシートの背面に連結したスリーブと、前記スリーブ内で弾性部材を介して往復移動可能に支持され初期姿勢において前記送給口を閉塞するポペットからなり、
前記ポペットは、前記送給口に適合して前記送給口を閉塞させる円錐状の頭部と、前記頭部につながる円筒状の胴体とを備え、前記胴体に、前記ポペットの軸心に沿いその先端から後端に向けて伸延し制御絞り口を形成する少なくとも一本の溝と前記胴体の回りに沿う少なくとも１本の環状溝とを形成するとともに、下記条件により求まる往復移動の際の変位量（Ｘ）が、前記ポペットの後端から前記背面に至るまでの間に設けられた隙間よりも常に小さくなるように設定されている、ことを特徴とするシート形２段式電磁弁である。
記

Ｃ_Ｐ ：パイロット弁の流量係数
Ｃ_Ｃ ：制御絞り口の流量係数
ｎ ：溝の本数
Ｗ_Ｃ ：溝の幅（mm）
Ａ_Ｐ ：パイロット弁における第１のバルブシートの通路の開口面積（mm^２）
Ｓ_１ ：Ａ_ｍ１／Ａ_ｍ０ （Ａ_ｍ１：送給口の開口面積，Ａ_ｍ０：ポペットの胴体の
径方向断面積）
S_２ ：Ａ_ｍ２／Ａ_ｍ０ （Ａ_ｍ２：Ａ_ｍ０−Ａ _ｍ１ ）

主弁を構成するポペットの往復動の際の変位量（Ｘ）を、パイロット弁のバルブシートにおける通路の開口面積、主弁を構成するポペットの溝の幅、溝の数、を調整して自由に設定できるため、ポペットの後端からパイロット弁のバルブシートの背面に至るまでの隙間の範囲内でポペットが往復移動する最大変位量（Ｘ_max）を設定することでポペットの末端での衝突が防止され、それに起因した騒音がなくなる（ただし、ポペットの先端がバルブシートに衝突するときの音及びパイロット弁の弁体がバルブシートに衝突するときの音は除かれる。）。

また、ポペットの変位量に制限が加えられるため作動流体の脈動も軽減される。

以下、図面を用いて本発明をより具体的に説明する。
図１は、シート形２段式電磁弁の実施の形態を模式的に示したものである。

図における１はハウジングＨ内に組み込まれたパイロット弁である。このパイロット弁１は表裏において貫通した通路ｒを有する第１のバルブシートとしてのバルブシート１ａと、このバルブシート１ａに連結して内部空間を形成するシリンダー（非磁性材）１ｂと、このシリンダー１ｂの大径筒部１ｂ_１の内部で弾性部材（スプリング等）ｓ_１を介して摺動可能に支持され該通路ｒを閉塞状態に保持する弁体１ｃと、この弁体１ｃの後端に一体連結してシリンダー１ｂの小径筒部１ｂ_２を通りその先端部を該小径筒部１ｂ_２より極わずかに突出させたプランジャー１ｄからなる。プランジャー１ｄと弁体１ｃにはその周りに作用する圧力が常に一定になるように作動流体を通すための貫通孔１ｄ_１、１ｃ_１が設けられる。

また、２はパイロット弁１の駆動機構である。この駆動機構２はシリンダー１ｂの少なくとも小径筒部１ｂ_２を取り囲む磁性材からなるスペーサ２ａと、このスペーサ２ａの末端に配置されシリンダー１ｂの小径筒部から突出したプランジャー１ｄの先端部を取り囲む非磁性材よりなるリング２ｂと、プランジャー１ｄの先端面で隙間ｈを隔ててリング２ａに配置されるコア２ｃと、コア２ｃに連結して磁路を形成するヨーク２ｄと、コア２ｃ及びプランジャー１ｄの端面で形成された隙間ｈを取り囲むように巻き回されたソレノイド２ｅからなる。

また、３はシリンダー１ｂをスペーサ２ａとともにハウジングＨにねじ止め保持する固定リング、４は主弁である。主弁４はアクチュエータに向けて作動流体を送給する送給口を形成した第２のバルブシートとしてのバルブシート４ａと、作動流体の供給口ｃを有し一端をバルブシート４ａに連結し他端をパイロット弁１のバルブシート１ａの背面に連結したスリーブ４ｂと、このスリーブ４ｂ内でスプリング等の弾性部材ｓ_２を介して往復移動可能に支持され初期姿勢においてバルブシート４ａの送給口を閉塞するポペット４ｃからなる。

ポペット４ｃはバルブシート４ａの送給口に適合してそれを閉塞させる円錐状の頭部４ｃ_１と、この頭部４ｃ_１につながる円柱状の胴体４ｃ_２を有するもので、胴体４ｃ_２には軸心に沿いその先端から後端に向けて伸延し制御絞り口を成形するための溝４ｃ_３が設けられている。

５ａはポペット４ｃの後端部側でスリーブ４ｂ及びパイロット弁１のバルブシート１ａにて区画形成されたコントロールチャンバー、５ｂはポペット４ｃの先端部（頭部４ｃ_１）でスリーブ４ｂ及びバルブシート４ａにて区画形成された作動流体供給チャンバーである。コントロールチャンバー５ａにおいてポペット４ｃの後端面とバルブシート１ａとの間には図２にその要部を拡大して示す如く、隙間Ｔが設けられており、該ポペット４ｃはこの隙間Ｔの範囲内で往復移動（変位）できるようになっている。

さらに、６はスリーブ４ｂの供給口ｃにつながる作動流体供給経路、７はバルブシート４ａの送給口につながる作動流体送給経路、そして８はパイロット弁１のシリンダー１ｂと作動流体送給経路７をつなぐバイパス経路である。

ポペット４ｃはその先端と後端の受圧面積がほぼ等しいか後端のほうが少し大きくなるように設定されており、駆動機構２が停止している状態では、ポペット４ｃによってバルブシート４ａの送給口は確実に閉塞されている。

パルス幅変調方式（ＰＷＭ）の高速駆動専用電気回路等用いて駆動機構２を作動させるべく、ソレノイド２ｅに過励磁電圧及び消磁電圧を印加すると、パイロット弁１の弁体１ｃが往復動しこの弁体１ｃに適合するバルブシート１ａの通路rが開閉する。

パイロット弁１の弁体１ｃの往復動において通路ｒが開となると、主弁１においてはポペット４ｃの溝４ｃ_３を通りコントロールチャンバー５ａに向かう流れが生じ、ポペット４ｃの後端の圧力が先端の圧力に比べて低くなり、これによりポペット４ｃがパイロット弁１のシートバルブ１ａに向けて移動する（コントロールチャンバー５ａから通路ｒを経てパイロット弁１内に入った作動流体はバイパス経路８を通って送給経路７へと流れる）。このときポペット４ｃの頭部４ｃ_１がシートバルブ４ａの送給口から離反して作動流体供給チャンバー５ｂ内の流体が送給口を通してアクチュエータにつながる送給経路７へと流れる。

弁体１ｃの往復動において通路ｒが閉となると、ポペット４ｃの後端の圧力と先端の圧力が均衡状態に保たれることとなり、弾性部材による押圧力でもってポペット４ｃがバルブシート４ａに向けて押し付けられ送給口は閉となる。

バルブシート４ａの送給口は、パイロット弁１の通路ｒの開閉に同期したポペット４ｃの往復移動によって開閉するもので、パイロット弁１が作動している限り作動流体は送給経路７へと連続的に流れることになる。

ポペット４ｃが隙間Ｔの間で往復移動すると、その後端面がパイロット弁１のシートバルブ１ａの背面に衝突し、その時衝突音を発することになるが、本発明にしたがう電磁弁は、ポペット４ｃの往復移動の際の変位量（Ｘ）を、

にしたがって設定できるため、該変位量Ｘを隙間Ｔよりも小さくすることで衝突音の発生が防止される。そして変位量Ｘが隙間Ｔよりも小さくなるとそれにしたがい作動流体の脈動も軽減される。

ポペット４ｃに形成された溝４ｃ_３は制御絞り口を形成するためのものであって、その断面形状は図３に示す形状になるものが好ましく、溝深さｄについては溝幅Ｗ_Ｃよりも大きくすること（溝幅の１．２倍程度）が前提となる。

上記の構成なる電磁弁は、ＰＷＭ搬送波の周波数を調整することで作動流体の流量制御を可能（パイロット弁１における流量に比例してポペット４ｃの変位量も変動する特徴を有する）とするもので、周波数が低い場合、ポペット４ｃはバルブシート４ａの送給口を閉とする位置からストロークエンドより小さい最大変位の間で往復移動を繰り返すので最大変位位置における衝突音はなく、一方、周波数が高い場合は、ポペット４ｃはデューティにほぼ比例した変位を中心とした微小振動をするため、デューティが小さい場合を除きバルブシート１ａ及びストロークエンドにおいてもぶつかることはない。

ポペット４ｃの胴体４ｃ_２には、図４に示すような環状溝（ラビリンス溝）９を少なくとも一本設け、この環状溝９によってポペット４ｃとスリーブ４ｂの流体固着現象を防止するとともに作動不良や摩耗の防止を図ることが可能となる。

図５に示すようなポペットを備えた従来型の電磁弁と図１〜４に示したような本発明にしたがう電磁弁を用いて同一条件（ＰＷＭ搬送波の周波数５０Ｈｚ、デューティ５０％（デューティは入力信号におけるON時間の全時間（オンオフの時間）に対する割合をいう）、作動流体の供給圧力７ＭＰａ）のもとでパイロット弁を作動させた時の騒音レベルを比較した結果を図６に示す。

従来型の電磁弁は、騒音レベルは８６dＢＡ程度であるのに対して本発明にしたがう電磁弁の騒音レベルは８１dＢＡであり、電磁弁を作動させた時の騒音が軽減される。

また、上記の電磁弁につき、流量の変動状況を調べた結果を図７（ａ）（ｂ）に示す。

従来の電磁弁に比較し、本発明の電磁弁は流量の変動幅が小さく作動流体の脈動が軽減されていることが明らかである。

主弁において発生が不可避であったポペットの後端部での衝突に伴う騒音を防止することが可能で、全体として騒音の軽減され、かつ脈動も少ない電磁弁が提供できる。

２段式水圧用高速電磁弁の説明図である。 比例型ポペット弁の説明図である。 比例型ポペット弁に溝を形成した例の説明図である。 比例型ポペット弁に環状の溝を形成した例の説明図である。 従来型のポペット弁の例を示した図である。 従来品と本発明品との騒音レベルを比較測定した図である。 従来品と本発明品との流量の脈動を測定した図であり、（ａ）は従来品の結果を示したものであり、（ｂ）は本発明品の結果を示したものである。

符号の説明

１ パイロット弁
１ａ バルブシート
１ｂ シリンダー
１ｃ 弁体
１ｄ プランジャー
２ 駆動機構
２ａ スペーサ
２ｂ リング
２ｃ コア
２ｄ ヨーク
２ｅ ソレノイド
３ 固定リング
４ 主弁
４ａ バルブシート
４ｂ スリーブ
４ｃ ポペット
５ａ コントロールチャンバー
５ｂ 作動流体供給チャンバー
６ 作動流体供給経路
７ 作動流体送給経路
８ バイパス経路

Claims (1)

1. ソレノイド、コア及びヨークを組み合せた駆動機構にて弁体を往復動させてそれに適合する第１のバルブシートの通路を開閉するパイロット弁と、前記パイロット弁の通路の開閉に従い往復移動させてそれに適合する第２のバルブシートの送給口を開閉する主弁とを備えた電磁弁であって、
   前記主弁は、アクチュエータに向けて作動流体を送給する前記送給口を形成した前記第２のバルブシートと、前記作動流体の供給口を有し一端を前記第２のバルブシートに連結し他端を前記パイロット弁の前記第１のバルブシートの背面に連結したスリーブと、前記スリーブ内で弾性部材を介して往復移動可能に支持され初期姿勢において前記送給口を閉塞するポペットからなり、
   前記ポペットは、前記送給口に適合して前記送給口を閉塞させる円錐状の頭部と、前記頭部につながる円筒状の胴体とを備え、前記胴体に、前記ポペットの軸心に沿いその先端から後端に向けて伸延し制御絞り口を形成する少なくとも一本の溝と前記胴体の周りに沿う少なくとも１本の環状溝とを形成するとともに、下記条件により求まる往復移動の際の変位量（Ｘ）が、前記ポペットの後端から前記背面に至るまで間に設けられた隙間よりも常に小さくなるように設定されている、ことを特徴とするシート形２段式電磁弁。
   
   記
   

   

   Ｃ_Ｐ ：パイロット弁の流量係数
   Ｃ_Ｃ ：制御絞り口の流量係数
   ｎ ：溝の本数
   Ｗ_Ｃ ：溝の幅（mm）
   Ａ_Ｐ ：パイロット弁における第１のバルブシートの通路の開口面積（mm^２）
   Ｓ_１ ：Ａ_ｍ１／Ａ_ｍ０ （Ａ_ｍ１：送給口の開口面積，Ａ_ｍ０：ポペットの胴体の
   径方向断面積）
   S_２ ：Ａ_ｍ２／Ａ_ｍ０ （Ａ_ｍ２：Ａ_ｍ０−Ａ_ｍ１）

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