JP4744459B2 - 常開型電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、常開型電磁弁に関し、特にコイルに流す電流値に応じて発生差圧を変化可能なリニアソレノイドバルブに関する。

一般に、電磁弁（ソレノイドバルブ）は、コイル、固定コアおよび可動コアを有し、コイルに流す電流により磁界を発生させて可動コアと固定コアを互いに引き付け、この引き付け力により、弁の開閉を行うように構成されている。
常開型の電磁弁の場合、通常時に弁体を弁座面から引き離して流路を開けるべく、リターンスプリングが設けられ、コイルへの通電によって、弁体は弁座面に押し付けられる。

ところで、コイルに流す電流値に応じて発生差圧を変化可能なリニアソレノイドバルブにおいては、弁体が弁座面に当接したときの閉弁力が製造誤差によって変化しにくいような工夫がされている。

例えば、特許文献１や特許文献２に記載されているように、可動コアの下端面の中心に固定コアに向けて突出する凸部を設け、固定コアの上面に、この凸部を収容可能な凹部を設けている。この構造により、コイルに一定電流を流した場合に、凸部が凹部に入り込まない状態においては、磁束が凸部の角と凹部の角とに集中して固定コアと可動コアが強く引き合う。一方、凸部が凹部に入り込む直前または入り込んだ後は、これらの角部付近を通る磁束による吸引力が固定コアなどの半径方向のみに働き、可動コアを固定コア側に引き付ける力として働かないため、凸部と凹部の位置関係、言い換えれば固定コアと可動コアの距離が変わっても、ほとんど固定コアと可動コアの吸引力が変わらないようになっている。

そこで、この吸引力が変わりにくい位置関係において、弁体を弁座面に当接させることによって、部品や組立の誤差に関わらずバルブの閉弁力を安定させることができ、リニアソレノイドバルブにおいては、一般的にこのような構成がとられている。

実願昭５８−１１６１８９号（実開昭６０−２４９８３号）のマイクロフィルム 特開平１１−１０８２３０号公報

しかしながら、電磁弁は、弁体が弁座面に繰り返し当接するため、弁体と弁座面に摩耗やへたりが生じることが避けられない。そのため、電磁弁の使用開始当初においては、設計した通りの特性で電磁弁が働いても、長時間使用した後においては、作動液が弁体を押し上げる面積（「受圧面積」という）が小さくなる傾向があり、コイルに流す電流と弁体が開くための作動液の圧力の関係、つまり発生差圧が変わるという問題がある。
そこで、本発明では、長時間使用した後においても、使用開始当初と同様の特性で閉弁力を発生することができる常開型電磁弁を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するための本発明は、固定コアと、当該固定コアに対して進退可能に配置された可動コアと、電流が流れることで前記固定コアおよび前記可動コアを通過する磁界を発生するコイルと、前記可動コアと一体に移動するよう配置された弁体と、前記弁体と当接して流路を閉塞可能な漏斗状の弁座面を有する弁座部材と、前記弁体を前記弁座面から離間するように付勢するリターンスプリングとを備え、前記固定コアおよび前記可動コアの一方は、他方に対向して突出した凸部を有し、他方は、前記凸部に対向する凹部を有してなる常開型電磁弁であって、前記凸部と前記凹部の関係は、互いの距離が所定範囲にあるときに、前記弁体および前記弁座面の摩耗またはへたりに伴い前記凸部が前記凹部に近接しまたは入り込むにつれ、前記コイルの励磁力による前記固定コアと前記可動コアの吸引力が減少するように設定され、前記コイルを励磁させて前記弁体と前記弁座面とを当接させると、前記凸部と前記凹部との距離が前記所定範囲内にあることを特徴とする。

このような構成により、弁体と弁座面とを当接させた状態においては、凸部と凹部が近づくほど、または入り込むほど、固定コアと可動コアの吸引力が減少する関係にあるから、例えば弁座面が摩耗して使い初めより弁体が弁座面に食い込むような関係になると、固定コアと可動コアの吸引力は当初より小さくなることになる。ところが、弁体が弁座面に食い込むことで、受圧面積も小さくなるので、流体が弁体を押し上げて流路を開こうとする力も、当初に比べれば小さくなることになる。
したがって、常開型電磁弁の使用開始時と長時間使用後とを比較すると、固定コアと可動コアの吸引力が減少するものの、これに応じて流体が弁体を押し上げる力も減少するので、弁が開く発生差圧に変化が生じにくい。
なお、上記の凸部が凹部に近接しまたは入り込むにつれ、コイルの励磁力による固定コアと可動コアの吸引力が減少する、とは、コイルに一定の電流を流しつつ、弁体と弁座面の当接を無くし、仮に凹部と凸部を近づけていった場合の吸引力が減少することをいう。

前記した常開型電磁弁は、前記コイルに流す電流値に応じて発生差圧を変化可能なリニアソレノイドバルブである場合に、電流値と弁が開く流体圧力の関係を長時間安定させることができるので有効である。
前記した常開型電磁弁は、前記可動コアと前記弁体とが一体に形成された構成とすることもできる。

本発明の常開型電磁弁によれば、一定の電流をコイルに流した場合に、使用開始当初と長時間使用後とで、弁を開く流体の圧力は変わりにくい。すなわち、長時間使用した後においても、使用開始当初と同様の特性で閉弁力を発生することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、実施形態に係る常開型電磁弁を示す縦断面図であり、図２（ａ）は、使用開始時における弁座部材と弁体の開弁時の状態を示す拡大図であり、図２（ｂ）は、同閉弁時の状態を示す拡大図であり、図３（ａ）は、長時間使用後における弁座部材と弁体の開弁時の状態を示す拡大図であり、図３（ｂ）は、同閉弁時の状態を示す拡大図である。

図１に示すように、常開型電磁弁１は、アンチロックブレーキ装置などの基体Ｂに形成された流路Ｒの閉塞・開放を切り替えるための弁であり、主に、固定コア３、コイルユニット４、弁体５、弁座部材６、および可動コア７を備えて構成されている。
この常開型電磁弁１は、通常時は、弁体５が弁座部材６から離れており、下方（便宜上、上下は図１を基準とする）につながった流路Ｒ１から側部でつながった流路Ｒ２への作動液の流れを許容している。そして、コイルユニット４への通電により弁体５が弁座部材６に当接すると、流路Ｒが閉塞されて作動液の流れが遮断される。また、本実施形態の常開型電磁弁１では、流路Ｒ１の作動液の圧力と、流路Ｒ２の作動液の圧力との差が所定値以上の場合には、その圧力差による作動液の流れが、弁体５に働く閉弁力に打ち勝って流路Ｒが開くようになっている。すなわち、常開型電磁弁１は、コイルユニット４への通電電流値に応じて、弁体５の閉塞力を制御可能なリニアソレノイドバルブ（差圧制御弁）である。

固定コア３は、各部品を収容するハウジングを兼ねており、上下に貫通した孔を有する円筒状の部材である。固定コア３は、基体Ｂに装着されるボディ部３１と、ボディ部３１より細い外径で形成されて上方に延びたコア部３２とから構成されている。ボディ部３１の内部には、弁体５および弁座部材６が収容されている。

弁体５は、先端に半球状に形成されたシール部５１が形成され、このシール部５１に円柱状の軸部５２がつながっている。軸部５２の上には、軸部５２より大きな直径で大径部５３が形成され、軸部５２と大径部５３とは、テーパ形状によりつながった形となっている。すなわち、軸部５２から大径部５３に向けて徐々に拡径している。大径部５３の上には、さらに大きな径で鍔部５４が設けられている。鍔部５４の上には、接続ピン５５が上方に延びて形成されている。

弁座部材６は、扁平な円柱形状の部材であり、上面中央に、漏斗状の弁座面６１が形成され、この弁座面６１の底から上下に貫通する流入路６２が形成されている。この流入路６２は、常開型電磁弁１の下方から弁座部材６の上部の弁室８４に作動液が流入するための通路である。また、弁座部材６には、この流入路６２から径方向外側にずれた位置に上下に貫通する戻り流路６３が形成されている。戻り流路６３の下部には、ボール弁６４が配置されて、戻り流路６３とともにチェック弁を構成している。ボール弁６４は、ボディ部３１の下端の内径に圧入されたフィルタ８３により脱落が防止されている。
このような弁座部材６は、ボディ部３１の内周に圧入されて固定されている。

弁座部材６の上面と弁体５の鍔部５４との間には、弁体５を弁座部材６から離間させる付勢力を発生させるリターンスプリング８１が配置されている。

ボディ部３１の側壁には、複数の貫通穴３３が形成され、ボディ部３１の内外を連通している。この貫通穴３３が配置されている部分の外側には、筒状のフィルタ８５が嵌合しており、貫通穴３３を通る作動液中の異物を除去している。
ボディ部３１は、基体Ｂの装着穴Ｂ１に挿入され、装着穴Ｂ１の周囲をかしめることで固定されている。

コア部３２の内部は、弁室８４より一回り小さい直径の円筒面３４が形成され、円筒面３４内には、可動コア７と弁体５とを一体に動作させるための棒状のリテーナ５６が配置されている。リテーナ５６は、下端面に接続孔５７が形成され、この接続孔５７と弁体５の接続ピン５５とが嵌合して弁体５と一体に動くようになっている。リテーナ５６は、リターンスプリング８１により弁体５とともに上方に付勢されているため、リテーナ５６の上面５８は、可動コア７の下端面７１と当接している。
リテーナ５６の側面には、複数（１つのみ図示）の溝５９が全長にわたって形成されている。この溝５９は、リテーナ５６が上下動したときに、リテーナ５６の上下にある作動液を移動可能とすることでリテーナ５６の動きをスムーズにしている。

コア部３２の上端部３５は、円筒面３４より内径が若干大きく形成されている。この内径は後述する可動コア７の凸部７２が入ることができる大きさとなっている。すなわち、コア部３２の上面には、凸部７２の先端を収容可能な凹部３６が形成されている。固定コア３は、磁性体からなり、コイルユニット４により励磁されると、可動コア７を引き付けて弁を閉じる機能を果たす。

可動コア７は、リテーナ５６の上部に配置された磁性体からなる円柱状の部材である。可動コア７の側面には、全長にわたって形成された溝７３が形成されており、可動コア７が上下動したときに、可動コア７の上下にある作動液を移動可能とすることで、可動コア７の動きをスムーズにしている。
可動コア７の下端面７１は、中央が円形の輪郭で突出して凸部７２を形成している。この凸部７２は、上述したように固定コア３の上面の凹部３６に対向し、凹部３６に入る大きさとなっている。
コア部３２には、有底円筒状のガイド筒８６が外側から嵌合され、カシメにより固定されている。可動コア７は、このガイド筒８６内に収容され、上下の進退動作がガイドされている。

コイルユニット４は、樹脂製のボビン４１にコイル４２が巻かれて構成され、ボビン４１の外側には、磁路を形成するヨーク４３が配置されている。

次に、弁座部材６と弁体５の関係について詳細に説明する。
図２（ａ）に示すように、弁体５は、シール部５１の軸部５２側の端部の直径Ｄｓが、軸部５２の直径Ｄａよりも、僅かに大きく形成されている。そのためシール部５１から軸部５２につながる部分に緩やかではあるが段差が形成されている。
図２（ａ）に示す使用開始時においては、シール部５１は、加工誤差はあるものの、完全な球形である。そして、弁座面６１は、一定勾配で拡径するような、ゆがみの無い漏斗形状である。
そのため、弁体５のシール部５１を弁座部材６の弁座面６１に当接させると、シール部５１と弁座部材６は、図２（ｂ）に示すように、流入路６２が弁座面６１につながる上端部の直径Ｄｉよりも若干大きな直径で線状に接触する。この使用開始時の接触半径をシール径Ｄ０とする。

次に、図３（ａ）に示すように、長時間使用後の弁体５と弁座部材６との関係に着目すると、弁座面６１とシール部５１が繰り返し激しく当接した結果、双方が摩耗し、またはへたる。
図３（ａ）において、シール部５１の摩耗形状ははっきり示せないが、例えば、弁座面６１は、シール部５１の球形状に倣うように摩耗して、摩耗面６１′を形成している。このため、図３（ｂ）に示すように、シール部５１を弁座面６１に当接させると、面状に接触し、使用開始時のシール径Ｄ０よりも、小さなシール径Ｄ１で接触するようになる。
このシール径Ｄ１は、シール部５１と弁座面６１（摩耗面６１′）が面で当接している部分のうち、最も内側の直径で規定している。なぜなら、流入路６２内の作動液の圧力を受ける面積は、シール部５１と弁座面６１が接触している部分のうち、最も内側の直径で定まるからである。

このように、長時間使用後においては、シール部５１の受圧面積は、使用開始時よりも小さくなる。そのため、流入路６２の作動液の圧力が同じであれば、弁体５が作動液から受ける力（開弁力）は、長時間使用後の方が使用開始時よりも小さくなる。

次に、コイル４２に通電したときの固定コア３と可動コア７の吸引力について説明する。参照する図において、図４は、固定コアと可動コアの関係を示す拡大断
面図であり、（ａ）は、凸部と凹部が離れている状態、（ｂ）は、凸部と凹部が近づいた状態、（ｃ）は、凸部が凹部に入り込んだ状態を示す。また、図５（ａ）は、凸部と凹部の距離と吸引力の関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は、凸部と凹部の距離と受圧面積の関係を示すグラフである。

凸部７２と凹部３６が離れている場合、コイル４２に通電すると、磁力線は可動コア７から固定コア３に入る際に、両者が最も近接している部分に集中して入り込む。そのため、図４（ａ）に示す矢印のように、凸部７２の外側のエッジ７２ａと固定コア３の上端部３５の内径側のエッジ３５ａをつなぐような経路に磁力線が集中して通過する。この磁力線の、常開型電磁弁１の軸方向成分（図の上下方向成分）が吸引力として作用しているため、固定コア３と可動コア７を上下方向で互いに引き付ける磁力（吸引力）として作用する。

ところが、凸部７２と凹部３６が近づくと、図４（ｂ）に示すように、エッジ７２ａとエッジ３５ａとがほぼ隣り合うようになり、両エッジ７２ａ，３５ａを通過する磁力線の向きが斜めになり、上下方向の成分が小さくなる。さらに、図４（ｃ）に示すように、凸部７２が凹部３６に入り込むと、凸部７２の側面と上端部３５の内周とが対面し、この部分が最も近くなる。しかし、この対面した部分を通る磁力線は、上下方向の成分をほとんど有さないため、固定コア３と可動コア７が引き付け合う磁力としてはほとんど寄与しなくなる。一方で、上端部３５の上面３７と、この上面３７に対面する、凸部７２の外側の部分の下端面７４とは近づくため、上面３７と下端面７４を通過する磁力線は、固定コア３と可動コア７を引き付ける磁力（吸引力）として働く。

凸部７２と凹部３６とがこのような関係にある結果、固定コア３と可動コア７の吸引力は、図５（ａ）に示すような関係を示す。図５（ａ）において、破線で示した吸引力Ｆ′は、従来の常開型電磁弁における吸引力を示し、実線で示した吸引力Ｆは、本実施形態の常開型電磁弁における吸引力を示す。横軸の距離ｄは、凹部３６を構成する壁の上端部３５の上面３７と、凸部７２の外側の部分の下端面７４との距離である（図４（ａ）〜（ｃ）参照）。なお、凹部と凸部の距離は、具体的な凹部および凸部の形状に応じてはっきりと測定しやすい位置を基準とすればよい。

引き合う磁石は、距離ｄが小さくなるに従い、磁力が大きくなるのが通常であるが、図５（ａ）に示す吸引力Ｆのように、本実施形態で固定コア３と可動コア７が引き合う力は、距離ｄが小さくなるにつれ、徐々に大きくなった後、所定距離の範囲（距離ｄ０〜ｄ１の範囲）では、距離ｄが小さくなるにつれ吸引力Ｆが小さくなり、さらに距離ｄが小さくなると、再び吸引力Ｆは大きくなるように設定されている。一方、従来の常開型電磁弁における吸引力Ｆ′は、距離ｄが小さくなるにつれ、徐々に大きくなったあと、所定距離の範囲（距離ｄ０〜ｄ１の範囲）では、吸引力Ｆ′の変化がほとんどなく、さらに距離ｄが小さくなると、再び吸引力Ｆ′が大きくなるように設定されている。
このような設定の違いは、凸部７２と凹部３６の半径方向の隙間量、凸部７２の出っ張り量や、凹部３６の凹み量などにより調整することができる。例えば、図４（ｃ）に示したような、凸部７２と凹部３６の高さ方向のラップ量ｈ１や、上端部３５の上面３７と、凸部７２の外側の部分の下端面７４の隙間ｈ２をともに大きくしたり、閉弁時凸部７２と凹部３６の半径方向の隙間量を小さくしたり、エッジ７２ａ，３５ａをできるだけシャープにしたりすることで、距離ｄが小さくなるにつれ吸引力Ｆが小さくなるような傾向にすることができる。

また、このような設定で常開型電磁弁１を組むためには、組み上げ時における凸部７２と凹部３６の距離ｄが重要であるので、距離ｄが所望の値になるように組む必要がある。

一方、長時間の使用により、シール部５１および弁座面６１が摩耗した結果、距離ｄが変化したときに、シール部５１の受圧面積がどのように変わるかについて見ると、図５（ｂ）に示すように、距離ｄが小さくなるにつれ、受圧面積は小さくなる。

そこで、本実施形態の常開型電磁弁１においては、使用開始時の設定において、弁体５を弁座面６１に当接させたときの距離ｄが前記した所定距離の範囲（ｄ０〜ｄ１）にあるようにすることで、長時間使用後にも、弁体５の閉弁力と作動液による開弁力の関係が変わりにくいようになっている。例えば、図５（ａ）に示すように、使用開始時に距離ｄがｄｓになるように設定し、長時間使用後に距離ｄがｄｅになるように設定しておく。
つまり、決まった電流をコイル４２に流した場合、使用開始時においては吸引力Ｆ、すなわち閉弁力は距離ｄｓに応じた大きなものであるが、受圧面積も大きいため、作動液による開弁力も大きい。一方、長時間使用後においては、吸引力Ｆ（閉弁力）は小さくなるが、受圧面積も小さくなるため、作動液による閉弁力も小さくなる。したがって、長時間使用後においても、コイル４２に流す通電電流と、弁が開く発生差圧の関係は変わりにくいのである。

このような関係から分かるように、距離ｄが所定範囲にあるときの吸引力Ｆのグラフの傾きは、距離ｄが所定範囲にあるときの受圧面積のグラフの傾きと等しいのが最も望ましい。この場合には、長時間使用後においても、コイル４２に流す通電電流と、弁が開く発生差圧の関係は変化しないからである。

以上のように構成された常開型電磁弁１の作用効果について説明する。
常開型電磁弁１は、通常時には、リターンスプリング８１により弁体５が弁座面６１から引き離され、流路Ｒ１から流路Ｒ２へ向け、自由に作動液が流通する。
そして、コイル４２に通電すると、固定コア３と可動コア７が励磁されて引き合い、シール部５１が弁座面６１に当接し、流路Ｒ１と流路Ｒ２を遮断する。もっとも、通電電流の大きさによりこの閉弁力は定まり、流路Ｒ１の作動液の圧力と流路Ｒ２の作動液の圧力の差が、この閉弁力から定まる発生差圧を超えると、作動液が弁体５を押し上げて流路Ｒ１から流路Ｒ２へ作動液が流れる。すなわち、リニアソレノイドバルブとしての機能を果たす。

そして、使用開始時においては、凸部７２と凹部３６の距離ｄが、ｄｓ（図５（ａ）参照）にあり、固定コア３と可動コア７が近づくにつれ、これらの吸引力Ｆが小さくなる所定範囲（ｄ０〜ｄ１）にある。

常開型電磁弁１を長時間使用した後は、図３（ｂ）に示したように、弁座面６１が摩耗し、使用開始時に比較して弁体５が弁座面６１に食い込んだ態様になる。そのため、長時間使用後に弁体５が弁座面６１に当接すると距離ｄは、使用開始時よりも小さくなっているとともに、シール径もＤ０からＤ１へと小径化してしまい、受圧面積も小さくなる。
そのため、図５（ａ）に示すように、距離ｄがｄｓからｄｅに近づくので、吸引力Ｆは使用開始時よりも小さくなるが、それに応じて、図５（ｂ）に示すように、受圧面積も小さくなっているので、作動液による開弁力も小さくなる。つまり、長時間使用後においても、コイル４２に流す通電電流と、弁が開く発生差圧の関係は変わりにくい。

このように、本実施形態の常開型電磁弁１においては、使用開始時と長時間使用後の発生差圧が変わりにくいという効果を奏する。
この効果は、常開型電磁弁一般においても有効であるが、特に本実施形態のようにコイル４２に流す電流値に応じて、弁体５の発生差圧を変化可能なリニアソレノイドバルブにおいて、有効である。

以上に本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず適宜変更して実施することができる。
例えば、前記実施形態においては、弁体５と可動コア７とを別体に構成し、これらが一体に動くようにリテーナ５６を設けたが、リテーナ５６の有無は任意であるし、弁体５と可動コア７とを一体に構成することもできる。

また、前記実施形態においては、固定コア３に凹部３６を形成し、可動コア７に凸部７２を形成したが、これとは逆に、固定コア３に凸部を形成し、可動コア７に凹部を形成することもできる。

実施形態に係る常開型電磁弁を示す縦断面図である。 （ａ）は、使用開始時における弁座部材と弁体の開弁時の状態を示す拡大図であり、（ｂ）は、同閉弁時の状態を示す拡大図である。 （ａ）は、長時間使用後における弁座部材と弁体の開弁時の状態を示す拡大図であり、（ｂ）は、同閉弁時の状態を示す拡大図である。 固定コアと可動コアの関係を示す拡大断面図であり、（ａ）は、凸部と凹部が離れている状態、（ｂ）は、凸部と凹部が近づいた状態、（ｃ）は、凸部が凹部に入り込んだ状態を示す。 （ａ）は、凸部と凹部の距離と吸引力の関係を示すグラフであり、（ｂ）凸部と凹部の距離と受圧面積の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 常開型電磁弁
３ 固定コア
４ コイルユニット
５ 弁体
６ 弁座部材
７ 可動コア
３１ ボディ部
３２ コア部
３５ 上端部
３５ａ エッジ
３６ 凹部
４２ コイル
６１ 弁座面
６１′ 摩耗面
６２ 流入路
７１ 下端面
７２ 凸部
７２ａ エッジ
８１ リターンスプリング

Claims (3)

1. 固定コアと、当該固定コアに対して進退可能に配置された可動コアと、電流が流れることで前記固定コアおよび前記可動コアを通過する磁界を発生するコイルと、前記可動コアと一体に移動するよう配置された弁体と、前記弁体と当接して流路を閉塞可能な漏斗状の弁座面を有する弁座部材と、前記弁体を前記弁座面から離間するように付勢するリターンスプリングとを備え、前記固定コアおよび前記可動コアの一方は、他方に対向して突出した凸部を有し、他方は、前記凸部に対向する凹部を有してなる常開型電磁弁であって、
   前記凸部と前記凹部の関係は、互いの距離が所定範囲にあるときに、前記弁体および前記弁座面の摩耗またはへたりに伴い前記凸部が前記凹部に近接しまたは入り込むにつれ、前記コイルの励磁力による前記固定コアと前記可動コアの吸引力が減少するように設定され、
   前記コイルを励磁させて前記弁体と前記弁座面とを当接させると、前記凸部と前記凹部との距離が前記所定範囲内にあることを特徴とする常開型電磁弁。
2. 前記コイルに流す電流値に応じて発生差圧を変化可能なリニアソレノイドバルブであることを特徴とする請求項１に記載の常開型電磁弁。
3. 前記可動コアと前記弁体とが一体に形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の常開型電磁弁。

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