JP4998315B2

JP4998315B2 - 電磁弁

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Publication number: JP4998315B2
Application number: JP2008038160A
Authority: JP
Inventors: 正哉瀬木; 勝鈴木; 幹夫鈴木; かおり藤田; 孝一高西; 進黒木
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: JP2009197848A

Description

本発明は、コイルに供給される電流に応じたプランジャの移動によりスプールを作動させる電磁弁に関するものである。

従来より、コイルに供給される電流に応じたプランジャの移動によりスプールを作動させる電磁弁として、下記特許文献１に示す電磁弁が知られている。この電磁弁は、コイルに電流を流すことでコアに生じる電磁力により可動鉄心（プランジャ）をコア方向に移動させ、この可動鉄心の移動に応じて移動するスプールが入力ポートを塞ぐ割合を変化させることにより出力圧を調整している。

そして、この電磁弁には、ハウジング（スリーブ）のスプールと協働して入力ポートからフィードバック室への漏れをシールする部分、およびフィードバック室からコア側への漏れをシールする部分に調心溝がそれぞれ設けられている。これにより、スプールが偏心し、傾き、更にはスプールに働く円周方向の圧力のバランスが崩れることで、流体固着現象によるスプールをスリーブ内周に押し付ける力（以下、流体固着力ともいう）が生じる場合であっても、調心溝によりバランスを回復させるように流体固着力を低減している。
特開２００１−２６３５２９号公報

しかしながら、上述のように調心溝を設けるだけではスプールに作用する流体固着力を低減させるだけであり、流体固着力そのものをなくすことはできなかった。

特に、高容量化（高圧制御化）の要求に応えるためにはスプールに作用する流体固着力をなくすことが必要であり、流体固着力の低減が不十分である場合にはスプールに対する摺動抵抗が大きくなる。このとき、図５に示すように、電流が低い場合にはスプールが移動できずに制御圧が出力されない現象であるスティック等の異常が発生してしまう。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、スプールに作用する摺動抵抗を低減し得る電磁弁を提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項１の電磁弁では、コイル（２２）に供給される電流に応じてプランジャ（２４）が磁気吸引されるソレノイド部（２０）と、前記ソレノイド部に取り付けられ前記プランジャと同軸的に弁孔（７２，７３）が形成されるとともにこの弁孔に作動油を供給するための供給ポート（７６）と前記弁孔から前記作動油を排出するための排出ポート（７７）と前記供給ポートおよび前記排出ポート間に設けられて前記弁孔から制御圧としての前記作動油を出力するための出力ポート（７５）とが形成される弁スリーブ（７０）と、前記弁孔に摺動自在に案内支持されて前記プランジャの移動に応じて前記供給ポートと前記出力ポートとの間の連通及び前記出力ポートと前記排出ポートとの間の連通を制御するスプール（８０）と、を備える電磁弁であって、前記供給ポート、前記排出ポートおよび前記出力ポートを含めた前記弁孔に連通される各ポートのうち少なくとも１組の隣接するポート間における前記弁孔の内周面（７２ｂ，７２ｃ,７２ｄ，７３ａ）は、高圧側のポートから低圧側のポートに向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成され、このテーパ角度は、前記内周面の大径と小径との差（ｔ）を前記内周面の平均内径と前記スプールの外径との差（Ｃ）で除算した値（ｔ／Ｃ）が０（ゼロ）より大きく０．４以下になるように設定されることを技術的特徴とする。

請求項１の発明では、供給ポート、排出ポートおよび出力ポートを含めた弁孔に連通される各ポートのうち少なくとも１組の隣接するポート間における弁孔の内周面は、高圧側のポート（例えば、供給ポート）から低圧側のポート（例えば、出力ポート）に向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。

このようにテーパ状に形成される内周面を有する弁孔内をスプールが摺動する場合、このスプールには、図３（Ｂ）に示すように、全外周面に均一化された圧力に基づく力である調心力が作用する。このため、弁孔の内周面に適度な角度のテーパを設けることにより、スプールに作用する摺動抵抗を低減させることができる。

そして、テーパ角度は、弁孔の内周面の大径と小径との差を弁孔の内周面の平均内径とスプールの外径との差で除算した値（以下、ｔ／Ｃともいう）が０（ゼロ）より大きく０．４以下になるように設定されている。これは、図４に示すように、ｔ／Ｃとスプールに作用する径方向の力および高圧側の作動油がスプールに有効に作用せずに低圧側へ漏れてしまう量（以下、漏れ量ともいう）との関係を解析したところ、０＜ｔ／Ｃ≦０．４である場合に、スプールに作用する調心力が増加するとともに漏れ量が十分に抑制されるからである。
したがって、スプールに作用する摺動抵抗を低減することができる。

請求項２の発明では、弁スリーブには、上記制御圧をスプールに形成した面積差を有するフィードバック部に導くフィードバックポートが弁孔に連通するように形成されている。そして、このフィードバックポートを含めた各ポートのうち少なくとも１組の隣接するポート間における前記弁孔の内周面は、高圧側のポート（例えば、供給ポート）から低圧側のポート（例えば、フィードバックポート）に向かってその内径が小さくなるように上述したテーパ角度に応じてテーパ状に形成されている。

これにより、制御圧をスプールに形成した面積差を有するフィードバック部に導くフィードバックポートが弁孔に連通するように形成される電磁弁においても、請求項１に記載の発明と同様に、スプールに作用する摺動抵抗を低減することができる。

以下、本発明の一実施形態について図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る電磁弁１０の構成概要を示す断面図である。
電磁弁１０は、例えば、車両用自動変速機のオイルパン内部において出力する作動油を制御して油圧制御を実現するもので、ソレノイド部２０と、そのソレノイド部２０の一端に設けられたスプール部６０とによって構成されている。ソレノイド部２０は、主に、磁性材料により有底円筒状に形成されるカバー２１、コイル２２、ステータコア２３およびプランジャ２４等を備えており、スプール部６０は弁スリーブ７０とスプール８０等を備えている。

ステータコア２３は、磁性材料よりなるヨーク部３０及びコア部４０を備えており、ヨーク部３０およびコア部４０は、磁気抵抗部（エアギャップ）５１により磁気的に分離された状態にて、非磁性材料、例えば、ステンレスにより形成されるリング５２を介して互いに同軸的に配置されている。なお、リング５２は、ステンレスにより形成されることに限らず、アルミや銅等の非磁性材料で形成されてもよい。

ヨーク部３０は、環状のフランジ部３１とこのフランジ部３１の中央から円筒状に突出する円筒部３２とを備えている。

コア部４０は、環状のフランジ部４１の中央から吸引部４２が突出するように形成されている。吸引部４２は、プランジャ２４に対して磁気吸引力を発揮する役割を果たすもので、この吸引部４２には、要求される吸引力特性等に応じて所定の勾配を有するようにテーパ部４２ａが形成されている。コア部４０には、同軸であって径の異なる２つの中心穴４３，４４が形成されている。中心穴４３は、その内径がヨーク部３０の中心穴の内径に等しくあるいはそれ以上になるように形成されており、その深さがプランジャ２４に必要なストロークより僅かに大きくなるように設定されている。

ヨーク部３０は、フランジ部３１がカバー２１の底部に嵌合するようにカバー２１に収納されている。また、コア部４０は、フランジ部４１がカバー２１の開口端に嵌合されるようにカバー２１に収納されている。フランジ部３１とフランジ部４１との間であって円筒部３２および吸引部４２の外周にはボビンに巻回されたコイル２２が配置されている。

ヨーク部３０の円筒部３２とコア部４０の吸引部４２との内周には、磁性材料からなるプランジャ２４が同軸的であって摺動可能に挿入されており、このプランジャ２４は、吸引部４２との間に生じる磁気吸引力により当該吸引部４２に近接する軸方向に移動する。

このようにソレノイド部２０が構成されることにより、コイル２２への通電に応じて、カバー２１、ステータコア２３およびプランジャ２４とでもって磁気回路が構成されることとなる。

カバー２１の開口端側に位置するフランジ部４１の外側面には、スプール８０を摺動可能に嵌装する弁スリーブ７０が配設されている。そして、カバー２１の開口側筒状端部２１ａを、弁スリーブ７０に形成されたフランジ部７１とフランジ部４１とを接合させた状態でかしめることにより、ソレノイド部２０とスプール部６０とが一体結合されている。

弁スリーブ７０には、径の異なる第１弁孔７２と第２弁孔７３が形成されるとともに、この第２弁孔７３に接続するばね収容孔７４が形成されている。これら各弁孔７２、７３およびばね収容孔７４は、ステータコア２３およびプランジャ２４と同軸上に延びるように形成されている。

スプール８０には、第１弁孔７２に嵌合する第１ランド部８１および第２ランド部８２と、第２弁孔７３に嵌合する第３ランド部８３が設けられている。

第１ランド部８１および第２ランド部８２は軸方向に所定量離間して設けられ、小径部８４によって互いに連結されている。第１弁孔７２には、小径部８４に対応して環状溝７２ａが形成されており、この環状溝７２ａには、制御圧としての作動油を出力する出力ポート７５が連通されている。

弁スリーブ７０には、第１ランド部８１および第２ランド部８２の互いに対向する端面にそれぞれ対応して第１弁孔７２に作動油を供給するための供給ポート７６および第１弁孔７２から作動油を排出するための排出ポート７７が形成されている。

第２ランド部８２と第３ランド部８３との間には段差部８５が設けられており、この段差部８５に連通するフィードバックポート７８が弁スリーブ７０に形成されている。このフィードバックポート７８は、図略の連通路を介して出力ポート７５に連通されている。

また、弁スリーブ７０には、ばね収容孔７４に連通するドレンポート７９が形成されている。なお、スプール８０の一端には、コア部４０の中心穴４３，４４を貫通してプランジャ２４に当接するシャフト部８６が突設されている。

ばね収容孔７４の開口端はその内周面に形成されたねじ孔に螺合するプラグ９０によって閉塞され、このプラグ９０とスプール８０の間にばね９１が設けられている。スプール８０は、ばね９１の付勢力によってプランジャ２４に向けて押圧され、これにより、スプール８０のシャフト部８６を介してプランジャ２４が、通常カバー２１の底面に当接する初期位置に保持されている。かかるプランジャ２４の初期位置において、プランジャ２４のスプール側端縁は、コア部４０の吸引部４２の端部に軸方向にてほぼ一致するように配置されている（図１参照）。

ここで、弁スリーブ７０の第１弁孔７２および第２弁孔７３の形状について、図２を用いて詳細に説明する。図２は、第１弁孔７２および第２弁孔７３を示す拡大断面図である。なお、図２においては、説明のために第１弁孔７２および第２弁孔７３の各内周面に設けられるテーパの角度を誇張して示している。

図２に示すように、出力ポート７５と供給ポート７６間における第１弁孔７２の内周面７２ｂは、高圧側である供給ポート７６から低圧側である出力ポート７５に向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。また、出力ポート７５と排出ポート７７間における第１弁孔７２の内周面７２ｃは、高圧側である出力ポート７５から低圧側である排出ポート７７に向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。

また、供給ポート７６とフィードバックポート７８間における第１弁孔７２の内周面７２ｄは、高圧側である供給ポート７６から低圧側であるフィードバックポート７８に向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。また、フィードバックポート７８とドレンポート７９間における第２弁孔７３の内周面７３ａは、高圧側であるフィードバックポート７８から低圧側であるドレンポート７９に向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。

図３は、弁孔内を摺動するスプールＳに作用する力を示す概念図であって、図３（Ａ）は、高圧側から低圧側に向かって内径が大きくなるようにテーパ状に形成される弁孔Ｈ_１内を摺動するスプールＳに作用する流体固着力Ｆ_１を示す概念図であり、図３（Ｂ）は、高圧側から低圧側に向かって内径が小さくなるようにテーパ状に形成される弁孔Ｈ_２内を摺動するスプールＳに作用する調心力Ｆ_２を示す概念図である。

上述のように第１弁孔７２の内周面７２ｂ〜７２ｄおよび第２弁孔７３の内周面７３ａをテーパ状にしているのは、以下の理由による。
図３（Ａ）に示すように、高圧側から低圧側に向かってその内径が大きくなるようテーパ状に形成される弁孔Ｈ_１内を円柱状のスプールＳが摺動する場合、このスプールＳには、流体固着現象による当該スプールＳをスリーブ内周に押し付ける力である流体固着力Ｆ_１が作用する。この場合、スプールＳに対する摺動抵抗が大きくなり、上述したスティック等の異常が発生してしまう。

一方、図３（Ｂ）に示すように、高圧側から低圧側に向かってその内径が小さくなるようテーパ状に形成される弁孔Ｈ_２内を上記スプールＳが摺動する場合、このスプールＳには、全外周面に均一化された圧力に基づく力である調心力Ｆ_２が作用する。このため、弁孔の内周面に適度な角度のテーパを設けることにより、スプールＳに作用する摺動抵抗を低減させることができる。

しかしながら、弁孔の内周面に単純に大きなテーパを設けただけでは、高圧側の作動油がスプールに有効に作用せずに低圧側へ漏れてしまう量（以下、漏れ量Ｑともいう）が大きくなってしまう。したがって、スプールＳに作用する摺動抵抗を低減させるためには、弁孔の内周面に適切なテーパ角度を設ける必要がある。

そこで、弁孔の内周面の大径と小径との差をｔ、弁孔の内周面の平均内径とスプールＳの外径ｄとの差をＣと設定し、これらの比であるｔ／Ｃと、スプールに作用する径方向の力Ｆおよび漏れ量Ｑとの関係を以下に示す式（１）に基づいて解析したところ、図４に示す結果が得られた。図４は、ｔ／Ｃとスプールに作用する径方向の力Ｆおよび漏れ量Ｑとの関係を示すグラフである。なお、図４において、縦軸に示すスプールに作用する径方向の力Ｆは、正側が調心力を示し、負側が流体固着力を示している。
Ｆ＝πＬｄｔ（Ｐ_１−Ｐ_２）／４Ｃ×
｛（２＋ｔ／Ｃ）／（４ｔ／Ｃ＋ｔ^２／Ｃ^２）^１／２−１｝・・・（１）
ここで、ＬはスプールＳの軸方向長さ、Ｐ_１は、高圧側（大径側）における圧力、Ｐ_２は、低圧側（小径側）における圧力を示している。

図４から判るように、ｔ／Ｃ＝０．８５である場合にスプールに作用する調心力Ｆ（図４に示す実線）が最大となるが、漏れ量Ｑ（図４に示す破線）もｔ／Ｃ＝０（内周面にテーパが形成されない状態）である場合と比較して約６倍に増加してしまう。

そこで、本実施形態においては、ｔ／Ｃ＝０．２５を目標に０＜ｔ／Ｃ≦０．４を満たすように、具体的には、例えば、ｔ＝１０μｍ，Ｃ＝４０μｍとなるように、上述した第１弁孔７２の内周面７２ｂ〜７２ｄおよび第２弁孔７３の内周面７３ａのテーパ角度が設定されている。

このように構成される本実施形態に係る電磁弁１０の作用について、以下に説明する。コイル２２が非励磁状態の場合には、スプール８０は、ばね９１の付勢力によりプランジャ２４を反スプール方向に押圧し、プランジャ２４をカバー２１の底面に当接する初期位置に保持している。この非励磁状態においては、出力ポート７５は、供給ポート７６との連通が遮断されているとともに、排出ポート７７に連通され、これによって出力ポート７５は低圧に保持されている。

一方、コイル２２に通電して励磁すると、カバー２１、ステータコア２３およびプランジャ２４でもって磁気回路が構成されて、コア部４０の吸引部４２とプランジャ２４との間に磁気吸引力が発生する。この磁気吸引力により、プランジャ２４が吸引部４２側へ引き寄せられて、スプール８０がばね９１の付勢力に抗して反プランジャ方向に移動する。この移動により、第２ランド部８２が供給ポート７６を開口し始めるとともに、第１ランド部８１が排出ポート７７の開口面積を制限し始めるので、出力ポート７５の制御圧は次第に上昇される。

また、出力ポート７５から出力される制御圧に応じた作動油は、上記連通路を介してフィードバックポート７８に供給される。フィードバックポート７８に供給された作動油は、段差部８５に作用して、第１ランド部８１と段差部８５の面積差を乗じたフィードバック力をばね９１の付勢力と同方向にプランジャ２４に作用させる。

このように本実施形態に係る電磁弁１０では、コイル２２に通電される電流値に応じてコア部４０の吸引部４２とプランジャ２４との間で発生する磁気吸引力と、ばね９１の付勢力と、段差部８５に作用するフィードバック力とがバランスする位置にスプール８０が保持され、これによって上記制御圧はコイル２２に通電された電流値に応じた圧力に制御される。

特に、本実施形態においては、ｔ／Ｃ＝０．２５となるように、第１弁孔７２の内周面７２ｂ〜７２ｄおよび第２弁孔７３の内周面７３ａのテーパ角度が設定されている。これにより、スプール８０が第１弁孔７２および第２弁孔７３内を摺動する際にこのスプール８０に作用する調心力が増加するので、当該スプール８０に作用する摺動抵抗を減少させることができる。

以上説明したように、本第１実施形態に係る電磁弁１０では、第１弁孔７２の内周面７２ｂは、高圧側である供給ポート７６から低圧側である出力ポート７５に向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。また、第１弁孔７２の内周面７２ｃは、高圧側である出力ポート７５から低圧側である排出ポート７７に向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。また、第１弁孔７２の内周面７２ｄは、高圧側である供給ポート７６から低圧側であるフィードバックポート７８に向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。また、第２弁孔７３の内周面７３ａは、高圧側であるフィードバックポート７８から低圧側であるドレンポート７９に向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。

このように、隣接する各ポート間における第１弁孔７２の内周面７２ｂ〜７２ｄおよび第２弁孔７３の内周面７３ａは、高圧側のポートから低圧側のポートに向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成されているので、第１弁孔７２および第２弁孔７３内をスプール８０が摺動する場合、このスプール８０には、全外周面に均一化された圧力に基づく力である調心力が作用する。このため、第１弁孔７２の内周面７２ｂ〜７２ｄおよび第２弁孔７３の内周面７３ａに適度な角度のテーパを設けることにより、スプール８０に作用する摺動抵抗を低減させることができる。

特に、各テーパ角度は、弁孔の内周面の大径と小径との差ｔを弁孔の内周面の平均内径とスプールの外径ｄとの差Ｃで除算した値ｔ／Ｃがｔ／Ｃ＝０．２５を目標に０＜ｔ／Ｃ≦０．４を満たすように設定されている。これは、図４に示すように、上記式（１）に基づいて、ｔ／Ｃとスプールに作用する径方向の力Ｆおよび漏れ量Ｑとの関係を解析したところ、０＜ｔ／Ｃ≦０．４である場合に、スプールに作用する調心力Ｆが増加するとともに漏れ量Ｑが十分に抑制されるからである。
したがって、スプール８０に作用する摺動抵抗を低減することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、上記実施形態と同等の作用・効果が得られる。
（１）第１弁孔７２の内周面７２ｂ〜７２ｄおよび第２弁孔７３の内周面７３ａを上記テーパ角度にてテーパ状に形成することに限らず、第１弁孔７２および第２弁孔７３を含めた弁スリーブ７０の弁孔に連通される各ポートのうち隣接するポート間における弁孔の内周面を、高圧側のポートから低圧側のポートに向かってその内径が小さくなるように上記テーパ角度にてテーパ状に形成してもよい。

（２）第１弁孔７２の内周面７２ｂ〜７２ｄおよび第２弁孔７３の内周面７３ａの全ての内周面をテーパ状に形成することに限らず、高圧側と低圧側との圧力差が大きく調心力が効果的に作用する内周面、例えば、出力ポート７５および供給ポート７６間における第１弁孔７２の内周面７２ｂのみテーパ状に形成してもよい。

（３）フィードバックポート７８を採用しない電磁弁であっても、上述のように弁孔に連通される各ポートのうち少なくとも１組の隣接するポート間における弁孔の内周面を、高圧側のポートから低圧側のポートに向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成してもよい。

（４）ステータコア２３は、ヨーク部３０とコア部４０とを磁気抵抗部（エアギャップ）５１により磁気的に分離して吸引部４２とプランジャ２４との間の磁気吸引力を増加させることに限らず、ヨーク部３０の円筒部３２とコア部４０の吸引部４２とを一体に連結する薄肉部によりヨーク部３０とコア部４０との間の磁束の漏れを低減して吸引部４２とプランジャ２４との間の磁気吸引力を増加させてもよい。

本実施形態に係る電磁弁の構成概要を示す断面図である。第１弁孔および第２弁孔を示す拡大断面図である。弁孔内を摺動するスプールに作用する力を示す概念図である。ｔ／Ｃとスプールに作用する径方向の力および漏れ量との関係を示すグラフである。従来技術において流体固着力の低減が不十分である場合の電流と制御圧の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…電磁弁
２０…ソレノイド部
６０…スプール部
７０…弁スリーブ
７２…第１弁孔
７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ…内周面
７３…第２弁孔
７３ａ…内周面
７５…出力ポート
７６…供給ポート
７７…排出ポート
７８…フィードバックポート
７９…ドレンポート
８０…スプール
８１…第１ランド部
８２…第２ランド部
８３…第３ランド部
８４…小径部
８５…段差部（フィードバック部）
Ｃ…弁孔の平均内径とスプールの外径との差
Ｆ，Ｆ_１…流体固着力
Ｆ，Ｆ_２…調心力
ｔ…弁孔の大径と小径との差
Ｑ…漏れ量

Claims

コイルに供給される電流に応じてプランジャが磁気吸引されるソレノイド部と、
前記ソレノイド部に取り付けられ前記プランジャと同軸的に弁孔が形成されるとともにこの弁孔に作動油を供給するための供給ポートと前記弁孔から前記作動油を排出するための排出ポートと前記供給ポートおよび前記排出ポート間に設けられて前記弁孔から制御圧としての前記作動油を出力するための出力ポートとが形成される弁スリーブと、
前記弁孔に摺動自在に案内支持されて前記プランジャの移動に応じて前記供給ポートと前記出力ポートとの間の連通及び前記出力ポートと前記排出ポートとの間の連通を制御するスプールと、
を備える電磁弁であって、
前記供給ポート、前記排出ポートおよび前記出力ポートを含めた前記弁孔に連通される各ポートのうち少なくとも１組の隣接するポート間における前記弁孔の内周面は、高圧側のポートから低圧側のポートに向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成され、
このテーパ角度は、前記内周面の大径と小径との差を前記内周面の平均内径と前記スプールの外径との差で除算した値が０（ゼロ）より大きく０．４以下になるように設定されることを特徴とする電磁弁。
前記弁スリーブには、前記制御圧を前記スプールに形成した面積差を有するフィードバック部に導くフィードバックポートが前記弁孔に連通するように形成され、
前記供給ポート、前記排出ポート、前記出力ポートおよび前記フィードバックポートを含めた前記弁孔に連通される各ポートのうち少なくとも１組の隣接するポート間における前記弁孔の内周面は、高圧側のポートから低圧側のポートに向かってその内径が小さくなるようにテーパ状に形成され、
このテーパ角度は、前記内周面の大径と小径との差を前記内周面の平均内径と前記スプールの外径との差で除算した値が０（ゼロ）より大きく０．４以下になるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。