JP5374029B2

JP5374029B2 - スライド式ソレノイドバルブ

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Publication number: JP5374029B2
Application number: JP2007161448A
Authority: JP
Inventors: 直也浅井; 博之杉浦; 直樹齋藤
Original assignee: Takasago Electric Inc
Current assignee: Takasago Electric Inc
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2027-06-19
Also published as: JP2009002383A

Description

本発明は、流路を開放及び遮断し、あるいは、流路を切替えるスライド式ソレノイドバルブに関する。

化学検査装置、環境分析装置、生命工学研究機器などの各種分析装置において、精度の向上、検査速度の向上、検体、試薬の極小化、装置の小型化などが最重要課題とされており、各種分析装置に使用される流体制御のためのソレノイドバルブに対して性能の向上が求められている。とりわけ、バルブの弁体の開閉による内部容積の変化量（ポンピングボリューム）が、検体、試薬の極小化に伴う微量な流体の制御に影響を与えており、ポンピングボリュームを極小又はゼロにすることが各種分析装置の精度向上に必要不可欠とされる。

従来、各種分析装置に使用されるソレノイドバルブは、優れた耐薬品性、小さな内部容積などを考慮して、弁の機構にダイアフラムを使用している。ダイアフラムは、流体と駆動源とを分離する隔壁を構成し、外部からスプリングなどの駆動力を受けて流路の孔（ポート）を閉塞して流路を遮断するとともにソレノイドの駆動力を受けて流路の孔を開放して流路を開放する。

しかし、上記のようなダイアフラム式ソレノイドバルブは、動作時のダイアフラムの膜部の弾性変形に伴い内部容積が変化し、この内部容積の変化量（ポンピングボリューム）だけ流体が外部のポートへ押し出されるようになるため、精度などの点で問題がある。

このため、従来から、ダイアフラムの膜部の縮小化を図ることにより、ポンピングボリュームを減少させていたが、ポンピングボリュームをゼロにすることを達成することはできず、また、膜部の縮小に伴い膜部の伸縮率が増大するため、ダイアフラムの寿命が短くなるという問題があった。

また、ダイアフラム式ソレノイドバルブ以外で各種分析装置に使用されるバルブとして、スライド動作や回転動作により流路の方向を切替える多ポートバルブが知られている（例えば、特許文献１参照）。この多ポートバルブによると、ポンピングボリュームはゼロとなるが、手動で駆動し、あるいはサーボモータ、ステッピングモータなどを駆動源とし、装置の大型化、高コスト化を招いていた。また、モータの制御回路として専用の電子回路を必要とする場合が多いため、さらに高コストになり、また、制御が容易ではないという問題があった。
特開２００５−１０６２８６公報

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、ポンピングボリュームがゼロになり、また、装置の小型化、低コスト化、制御の容易化を図ることができる各種分析装置に好適なスライド式ソレノイドバルブを提供することを目的とする。

本発明の請求項１のスライド式ソレノイドバルブは、第１流路と該第１流路のポートが形成された端面とを有する流路構成部材と、前記流路構成部材の前記端面上を摺動可能とされ、前記第１流路の前記ポートに対して連通及び遮断可能とされる第２流路を有するスライドシール部材と、前記スライドシール部材の摺動方向と直交する方向から該スライドシール部材に対して弾性押圧力を常時加え、該スライドシール部材を前記端面に押付けるバネと、前記スライドシール部材の摺動方向に沿った方向から該スライドシール部材に対して原点復帰力を加え、該スライドシール部材を原点位置に復帰させる原点復帰用バネと、前記原点復帰用バネの原点復帰力とは反対の方向に向けて前記スライドシール部材に対して駆動力を加え、該スライドシール部材を前記原点位置から移動させるソレノイドと、を備え、前記スライドシール部材は板状に形成され、該板状のスライドシール部材は、該スライドシール部材の板厚よりも肉厚の薄い保持板の保持孔に保持され、前記スライドシール部材と前記バネとの間に、該バネによる前記弾性押圧力と直交する方向への移動が規制された押圧部材が設けられ、該バネは、該押圧部材を介して該スライドシール部材に弾性押圧力を加え、前記スライドシール部材の摺動による流路の開閉または切替時、前記第１流路の各ポートは常時、該スライドシール部材の摺動面または前記第２流路に摺接することを特徴とする。

本発明のスライド式ソレノイドバルブによると、スライドシール部材を使用したため、ポンピングボリュームをゼロにすることが可能となる。さらに、スライドシール部材を使用したため、デッドボリューム（液だまり、流路以外の余分な内部容積）をなくすことが可能となる。また、小型、低コストで制御が容易なソレノイドを駆動源として使用することで、装置の小型化、低コスト化、制御の容易化を図ることができる。

さらに、バネの弾性付勢力を任意に設定することができるため、弾性付勢力の大きさによってバルブの耐圧力を任意に制御することができる。また、周囲温度や動作面積にかかわらず、バネの一定の弾性付勢力でスライドシール部材を均一に押圧するため、シール性能が向上するとともに製品寿命を改善することができる。

さらに、本発明のスライド式ソレノイドバルブによれば、スライドシール部材とバネとの間に、バネによる弾性押圧力と直交する方向への移動が規制された押圧部材が設けられ、バネが押圧部材を介してスライドシール部材に弾性押圧力を加えるから、押圧部材を介することにより、スライドシール部材に対する弾性押圧力のより一層の均一化を図ることができる。

また、請求項２のスライド式ソレノイドバルブによれば、スライドシール板の原点位置、摺動後の位置及び摺動方向を規制するために、位置決めピン及び位置決め孔を有した位置決め機構が設けられるので、この位置決め機構により、流路を確実に開放及び遮断し、あるいは、流路を正確に切替えることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブの要部側面断面図、図２は、同スライド式ソレノイドバルブの正面図、図３は、スライドシール部材の動作を説明するための断面図、図４は、スライドシール部材の構成図、図５は、本発明の第２実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブの要部側面断面図、図６は、同スライド式ソレノイドバルブの正面図、図７は、スライドシール部材の動作を説明するための断面図、図８は、スライドシール部材の構成図、図９は、第３実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブの要部断面図をそれぞれ示す。

図１〜図４に示す第１実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブは、各種分析装置に使用される小型ソレノイドバルブであり、流路を切替える三方口弁である。

スライド式ソレノイドバルブは、第１流路１が形成された流路構成部材２と、この流路構成部材２に対向配置されるハウジング部材３とを備え、流路構成部材２とハウジング部材３は、固定金具４によって互いに連結固定されている。

流路構成部材２は、ハウジング部材３と対向する端面２aに、第１流路１の３つのポート、つまりノーマルクローズポート（NCポート）１aとノーマルオープンポート（NOポート）１bとコモンポート（COMポート）１cとを有する。３つのポート１a、１b、１cは互いに接近して配置されている。

ハウジング部材３は、流路構成部材２と対向する端面３aに開口する収容室５を有する。収容室５には、弾性付勢手段６と押圧部材７が収容されている。弾性付勢手段６は、コイルバネ、皿バネ、板バネなどバネで構成され、押圧部材７に対して流路構成部材２の端面２aに向かう方向の弾性押圧力Fを加える。押圧部材７は、収容室５の壁面５aにより、弾性押圧力Fの向きに対して直交する方向への移動が規制されている。

流路構成部材２及びハウジング部材３は、PEEK、PPS、又はセラミックスなど比較的硬くて耐食性の良い材料であることが好ましい。

流路構成部材２とハウジング部材３の互いに対向する端面２a、３a間には、空間８が形成されており、この空間８に、円板状のスライドシール部材９と四角板状の保持板１０が配されている。

スライドシール部材９は、流路構成部材２の端面２aに対して摺動可能な摺動面９aを有しており、この摺動面９aに第２流路１１が形成されている。第２流路１１は、図４に示すように長溝又は丸溝形状を有しており、第２流路１１は、流路構成部材２に対するスライドシール部材９の位置によって、流路構成部材２の第１流路１のNCポート１aとCOMポート１cとの間を遮断しかつNOポート１bとCOMポート１cとの間を連通する第１のモードと、第１流路１のNCポート１aとCOMポート１cとの間を連通しかつNOポート１bとCOMポート１cとの間を遮断する第２のモードとからなる二つのモードを選択的にとり得るよう構成される。

スライドシール部材９の上記摺動面９aとは反対側の端面９bには押圧部材７の端面７aが圧接しており、スライドシール部材９は、押圧部材７を介してバネ６から弾性付勢力（弾性押圧力）を受け、流路構成部材２の端面２aに押付けられている。

スライドシール部材９は、耐薬品性に優れ、かつ、流路構成部材２の端面２a及び押圧部材７の端面７aに対して摺動抵抗が小さい材料からなるものであることが好ましい。このため、スライドシール部材９は、四フッ化エチレン樹脂などフッ素樹脂、フッ素ゴム、EPDM（エチレンプロピレンゴム）又はポリイミドなど比較的柔らかく耐食性の良い材料が好適である。なお、フッ素ゴム、EPDMは、フッ素樹脂加工すると更に良好である。

保持板１０は、スライドシール部材９を保持する円形状の保持孔１０aを有しており、保持孔１０aに、スライドシール部材９が接着、圧入などによって固定されている。保持板１０の肉厚は、スライドシール部材９の肉厚よりも小さく設定されており、保持板１０の両面１０b、１０cと流路構成部材２及びハウジング部材３の互いに対向する端面２a、３aとの間に隙間１２が形成されている。

保持板１０には、図２に示すように、スライドシール部材９の摺動方向（上下方向）に長い複数の位置決め孔１０dが形成されている。各位置決め孔１０dには、位置決めピン１３が挿通されている。各位置決めピン１３の両端部は、流路構成部材２とハウジング部材３の各端面２a、３aにそれぞれ設けられた横穴に保持されている。位置決めピン１３及び位置決め孔１０dは、位置決め孔１０dの上端が位置決めピン１３に当接することによってスライドシール部材９の下方への移動を禁止し（図３（B）図示の状態に対応する。）、また、位置決め孔１０dの下端が位置決めピン１３に当接することによってスライドシール部材９の上方への移動を禁止する（図３（A）図示の状態に対応する。）。位置決め孔１０d及び位置決めピン１３は、位置決め機構を構成する。

流路構成部材２及びハウジング部材３の上面には、固定金具（図示せず。）によってソレノイド１４が固定されている。

ソレノイド１４は、ヨークを構成する中空円筒状のケース１５を備える。ケース１５の上側開口部には、固定鉄心１６が固定されている。ケース１５の内周面には、ボビン１７に巻線されたコイル１８が収容されている。ボビン１７の中空部には、固定鉄心１６の下面と対向して可動鉄心１９が上下方向へ移動可能に配されている。可動鉄心１９の上面と固定鉄心１６の下面との間には、可動鉄心１９に対し常時下方への力を加える原点復帰手段としてのコイルバネなどバネ２０が配されている。

可動鉄心１９の下端部には、連結部材２１がねじ結合されている。連結部材２１は、流路構成部材２とハウジング部材３の各上面に形成された有底円筒状凹部に収容されており、保持板１０を固定保持している。

次に、上記のように構成されるスライド式ソレノイドバルブの動作を説明する。

ソレノイド１４のコイル１８に対する通電を行わないときは、バネ２０がバネ力によって可動鉄心１９を下方へ押圧し、連結部材２１を介して保持板１０の位置決め孔１０dの上端が位置決めピン１３を押圧しており、スライドシール部材９は、原点位置（後退位置、下端位置）にある。このため、図３（B）に示すように、スライドシール部材９の第２流路１１は、流路構成部材２の第１流路１のNCポート１aとCOMポート１cとの間を遮断しかつNOポート１bとCOMポート１cとの間を連通する第１のモードをとっている。

ソレノイド１４のコイル１８に対し通電を開始すると、コイル１８に磁界が発生し、可動鉄心１９はバネ２０のバネ力よりも大きな磁気吸引力を固定鉄心１６から受け、可動鉄心１９は上方へ移動する。この可動鉄心１９の移動に伴い、連結部材２１及び保持板１０を介してスライドシール部材９が流路構成部材２の端面２a及び押圧部材７の端面７aに対して摺動しながら上方へ移動し、位置決めピン１３が保持板１０の位置決め孔１０dに移動方向を規制されながら移動し、位置決め孔１０dの下端に当接したとき、スライドシール部材９は移動を停止し、スライドシール部材９は前進位置（上端位置）に保たれる。このため、図３（A）に示すように、スライドシール部材９の第２流路１１は、流路構成部材２の第１流路１のNCポート１aとCOMポート１cとの間を連通しかつNOポート１bとCOMポート１cとの間を遮断する第２のモードへと移行する。

その後、ソレノイド１４のコイル１８に対する通電を停止すると、コイル１８に発生していた磁界が消失し、可動鉄心１９に作用していた磁気吸引力が消失する。このため、バネ２０のバネ力により可動鉄心１９は下方へ移動する。この可動鉄心１９の移動に伴い、連結部材２１及び保持板１０を介してスライドシール部材９が流路構成部材２の端面２a及び押圧部材７の端面７aに対して摺動しながら下方へ移動し、保持板１０の位置決め孔１０dの上端が位置決めピン１３に当接したとき、スライドシール部材９は移動を停止し、スライドシール部材９は原点位置（後退位置、下端位置）に戻る。このため、再び、図３（B）に示すように、スライドシール部材９の第２流路１１は、流路構成部材２の第１流路１のNCポート１aとCOMポート１cとの間を遮断しかつNOポート１bとCOMポート１cとの間を連通する第１のモードに戻る。

以上説明したように、第１実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブは、第１流路１と第１流路１のポート１a、１b、１cが形成された端面２aとを有する流路構成部材２と、流路構成部材２の端面２a上を摺動可能とされ、第１流路１のポート１a、１b、１cに対して連通及び遮断可能とされる第２流路１１を有するスライドシール部材９と、スライドシール部材９の摺動方向と直交する方向からスライドシール部材９に対して弾性押圧力を常時加え、スライドシール部材９を端面２aに押付ける押圧部材７及びバネ６（弾性付勢手段）と、スライドシール部材９の摺動方向に沿った方向からスライドシール部材９に対して原点復帰力を加え、スライドシール部材９を原点位置に復帰させるバネ２０（原点復帰手段）と、バネ２０の原点復帰力とは反対の方向に向けてスライドシール部材９に対して駆動力を加え、スライドシール部材９を原点位置から移動させるソレノイド１４とを備える。

本実施形態のスライド式ソレノイドバルブによると、スライドシール部材９を使用したため、ポンピングボリュームをゼロにすることが可能となる。さらに、スライドシール部材９を使用したため、デッドボリューム（液だまり、流路以外の余分な内部容積）をなくすことが可能となる。また、小型、低コストで制御が容易なソレノイドを駆動源として使用することで、装置の小型化、低コスト化、制御の容易化を図ることができる。

さらに、本実施形態のスライド式ソレノイドバルブによると、弾性付勢手段を弾性付勢力を任意に設定可能なバネ６によって構成したため、弾性付勢力の大きさによってスライドシール部材９（バルブ）の耐圧力を任意に制御することができる。また、周囲温度や動作面積にかかわらず、バネ６により一定の弾性付勢力でスライドシール部材９を均一に押圧するため、シール性能が向上するとともに製品寿命を改善することができる。

また、スライドシール部材９とバネ６（弾性付勢手段）との間に、バネ６による弾性押圧力と直交する方向への移動が規制された押圧部材７を備え、バネ６は、押圧部材７を介してスライドシール部材９に弾性押圧力を加えるよう構成したため、バネ６とスライドシール部材９との間に押圧部材７を介在させたことにより、スライドシール部材９に対する弾性押圧力の均一化を図ることができる。

また、原点復帰手段をバネ２０で構成したため、原点復帰手段をソレノイドで構成した場合よりも装置の小型化を図ることができる。

また、スライドシール部材９は板状に形成され、板状のスライドシール部材９は、スライドシール部材９の板厚よりも肉厚の薄い保持板１０の保持孔１０aに保持されるため、保持板１０と流路構成部材２とを非接触状態に保つことができ、保持板１０の摺動抵抗をゼロにすることができる。

また、スライドシール部材９の原点位置、摺動後の位置及び摺動方向を規制する位置決めピン１３及び位置決め孔１０d（位置決め機構）を備える。この位置決め機構により、流路を正確に切替えることができる。

図５〜図８に示す第２実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブは、上記第１実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブにおいて、押圧部材７を省略し、バネ６によって直接スライドシール部材９に対して弾性付勢力を加えるよう構成したことを特徴とし、その他の構成は、第１実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブと同様に構成されている。

すなわち、第２実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブは、スライドシール部材９のバネ６側の端面９bに、バネ６の端部６aと係合しバネ６の端部６aを保持する係合部９cが形成され、図７に誇張して示すように、バネ６の端部６aはスライドシール部材９の移動に伴って移動するよう構成される。

このように、第２実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブは、バネ６（弾性付勢手段）は、スライドシール部材９に係合する端部６aを有し、端部６aは、スライドシール部材９の移動に従って変位するよう構成される。このため、スライドシール部材９とバネ６との間に摺動面を設けなくて済むため、摺動抵抗が減少し、消費電力の小さな小型のソレノイドバルブを提供できる。また、第２実施形態は、その他の構成は第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と同様な作用効果を奏する。

図９に示す第３実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブは、流路を開放及び遮断するバルブである。

図９において、流路構成部材２は、断面V字状の凹状端面２aを有しており、この凹状端面２aで形成される空間１２を挟んで直線状に第１流路１（第１分割流路１Aと第２分割流路１Bとからなる流路）が形成されている。

流路構成部材２に対し、ハウジング部材３が対向配置されている。ハウジング部材３には、収容室５が形成されており、この収容室５に弾性付勢手段としてのバネ６が収容されている。

流路構成部材２の上記空間１２には、スライドシール部材９が収容されている。スライドシール部材９は、保持板１０の保持孔１０aに固定されている。スライドシール部材９は、流路構成部材２の断面V字状の凹状端面２aに対応する断面V字状の凸状端面９aを有する。スライドシール部材９には、流路構成部材２の第１流路１と連通可能な直線状の第２流路１１が形成されている。スライドシール部材９の凸状端面９aと反対側の端面９bには、バネ６の一端部６aと係合しバネ６の一端部６aを保持する係合部９cが形成されている。

スライドシール部材９は、上記第２実施形態のスライドシール部材９と同様に動作し、図示しないが、ソレノイド１４によって駆動され、バネ２０によって原点位置に復帰する。ただし、本実施形態の場合、スライドシール部材９の摺動方向は、図面の手前と奥に向かう方向であり、また、スライドシール部材９の位置によって第２流路１１が第１流路１と連通状態及び非連通状態となり、第１流路１が開放及び遮断される点で第２実施形態と異なる。第３実施形態によっても、第１、第２実施形態と同様な作用効果を奏する。

なお、上記実施形態では、スライドシール部材９を直線移動させるよう構成したが、スライドシール部材９を回転移動させるスライド式ソレノイドバルブに対しても本発明は、適用可能である。また、第１、第２実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブは、２方口弁やインジェクタにも適用可能であり、また、第３実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブは３方口弁やインジェクタにも適用可能である。

本発明の第１実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブの要部側面断面図である。同スライド式ソレノイドバルブの正面図である。スライドシール部材の動作を説明するための断面図であり、（A）はスライドシール部材が原点位置から摺動し、摺動後の位置にあるとき、（B）はスライドシール部材が原点位置にあるときに対応している。スライドシール部材の構成図であり、（A）は正面図、（B）は（A）図示B-B断面図である。本発明の第２実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブの要部側面断面図である。同スライド式ソレノイドバルブの正面図である。スライドシール部材の動作を説明するための断面図である。スライドシール部材の構成図である。第３実施形態に係るスライド式ソレノイドバルブの要部断面図である。

符号の説明

１第１流路
１a、１b、１c ポート
２流路構成部材
２a 端面
６バネ（弾性付勢手段）
７押圧部材
９スライドシール部材
１０保持板
１０a 保持孔
１０d 位置決め孔（位置決め機構）
１１第２流路
１３位置決めピン（位置決め機構）
１４ソレノイド
２０バネ（原点復帰手段）

Claims

第１流路と該第１流路のポートが形成された端面とを有する流路構成部材と、
前記流路構成部材の前記端面上を摺動可能とされ、前記第１流路の前記ポートに対して連通及び遮断可能とされる第２流路を有するスライドシール部材と、
前記スライドシール部材の摺動方向と直交する方向から該スライドシール部材に対して弾性押圧力を常時加え、該スライドシール部材を前記端面に押付けるバネと、
前記スライドシール部材の摺動方向に沿った方向から該スライドシール部材に対して原点復帰力を加え、該スライドシール部材を原点位置に復帰させる原点復帰用バネと、
前記原点復帰用バネの原点復帰力とは反対の方向に向けて前記スライドシール部材に対して駆動力を加え、該スライドシール部材を前記原点位置から移動させるソレノイドと、
を備え、
前記スライドシール部材は板状に形成され、該板状のスライドシール部材は、該スライドシール部材の板厚よりも肉厚の薄い保持板の保持孔に保持され、
前記スライドシール部材と前記バネとの間に、該バネによる前記弾性押圧力と直交する方向への移動が規制された押圧部材が設けられ、該バネは、該押圧部材を介して該スライドシール部材に弾性押圧力を加え、
前記スライドシール部材の摺動による流路の開閉または切替時、前記第１流路の各ポートは常時、該スライドシール部材の摺動面または前記第２流路に摺接することを特徴とするスライド式ソレノイドバルブ。
前記スライドシール部材の原点位置、摺動後の位置及び摺動方向を規制するために、位置決めピン及び位置決め孔を有した位置決め機構が設けられたことを特徴とする請求項１記載のスライド式ソレノイドバルブ。