JP5773075B2

JP5773075B2 - 常閉型電磁弁

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Publication number: JP5773075B2
Application number: JP2014520845A
Authority: JP
Inventors: 正輝七原; 田中　義人; 義人田中; 佐藤　圭; 圭佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: CN104487749A; US20150041694A1; CN104487749B; JPWO2013186859A1; US9366354B2; WO2013186859A1

Description

本発明は、常閉型電磁弁、特に、細かな調圧や流量制御が可能な常閉型電磁弁に関する。

この種の常閉型電磁弁は、例えば、下記特許文献１に示されている。下記特許文献１に記載されている常閉型電磁弁は、ハウジング（流体の流入口および流出口と、これらを連通させる通路が設けられているとともに、一端部に弁座を有する弁孔が前記通路中に設けられているもの）と、弁体（前記弁座に対して着座・離座可能に設けられていて、前記流入口から前記流出口に流れる流体からの力を、弁体が弁座から離れる方向（離座方向）に受けるもの）と、可動コア（前記弁体と連係していて、前記ハウジングのシリンダ部に軸方向にて移動可能に組付けられているもの）と、第１スプリング（前記可動コアを前記弁座に向けて付勢するもの）と、コイルおよび固定コア（前記可動コアに対して前記第１スプリングの荷重（付勢力）に抗した電磁力を通電により発生させるもの）を備えるとともに、第２スプリング（前記弁体と前記可動コア間に設けられていて、前記弁体と前記可動コアを連係させており、前記弁体を前記弁座に向けて付勢するとともに、前記可動コアを前記固定コアに向けて付勢する（前記第１スプリングの荷重に抗して付勢する）もの）を備えている。

特開２００５−２９１３６１号公報

上記特許文献１に記載されている常閉型電磁弁では、弁座に対して着座・離座可能な弁体が、ハウジングに設けた流入口から流出口に流れる流体からの力を離座方向に受けるように構成されているとともに、弁体と可動コア間に設けられて弁体と可動コアを連係させている第２スプリングが、弁体を弁座に向けて付勢するとともに可動コアを固定コアに向けて付勢するように構成されている。

このため、自開方向流れ（すなわち、ハウジングに設けた流入口から流出口に流れる流体からの力を、弁体が離座方向に受ける場合の流体の流れ）での流体制御においては、上記した流体からの力、両スプリングの荷重（付勢力）、電磁力（コイルへの通電電流の増減に応じて増減変化する力）等が調和して、細かな調圧や流量制御が可能である。しかし、自閉方向流れ（すなわち、ハウジングに設けた流入口から流出口に流れる流体からの力を、弁体が着座方向に受ける場合の流体の流れ）での流体制御においては、上記した流体からの力、両スプリングの荷重、電磁力等が調和しなくて（上記した流体からの力と第２スプリングの荷重が、弁座に向けて弁体に付与されていて、電磁力を如何に調整しても弁体が弁座から離座しなくて）、細かな調圧や流量制御ができない。

本発明は、上記した課題を解決すべくなされたもの（すなわち、自開方向流れでの流体制御においては勿論のこと、自閉方向流れでの流体制御においても、細かな調圧や流量制御が可能な常閉型電磁弁を提供すべくなされたもの）である。

本発明に係る常閉型電磁弁は、
流体の流入口および流出口と、これらを連通させる通路が設けられているとともに、一端部に弁座を有する弁孔が前記通路中に設けられているハウジングと、
前記弁座に対して着座・離座可能に設けられている弁体と、
この弁体と一体で前記ハウジングのシリンダ部に軸方向にて移動可能に組付けられている可動コアと、
前記弁体と前記可動コアを前記弁座に向けて付勢する第１スプリングと、
前記可動コアに対して前記第１スプリングの荷重に抗した電磁力を通電により発生させるコイルおよび固定コアを備えるとともに、
前記第１スプリングの荷重に比して小さくて同荷重に抗した荷重を前記弁体と前記可動コアに付与する第２スプリングと、
前記第１スプリングの取付荷重を調整可能な荷重調整機構と、
前記弁体の前記弁座からの離座ストロークを調整可能なストローク調整機構を備えている。

本発明による常閉型電磁弁おいては、弁体と可動コアが一体でハウジングのシリンダ部に軸方向にて移動可能に組付けられている。また、第２スプリングの荷重が、第１スプリングの荷重に比して小さくて、第１スプリングの荷重に抗して弁体と可動コアに付与される。このため、本発明による常閉型電磁弁では、自開方向流れでの流体制御においては勿論のこと、自閉方向流れでの流体制御においても、コイルへの通電によって電磁力が発生して、弁体と可動コアが一体で第１スプリングの荷重に抗して移動すると、弁体が弁座から離座する。

また、本発明による常閉型電磁弁では、荷重調整機構によって第１スプリングの取付荷重を調整可能であるとともに、ストローク調整機構によって弁体の弁座からの離座ストローク（以下において、単にストロークということもある）を調整可能である。したがって、本発明による常閉型電磁弁では、自開方向流れでの流体制御においては勿論のこと、自閉方向流れでの流体制御においても、上記した流体からの力、両スプリングの荷重、電磁力等が調和して、電磁力の細かな調整により細かな調圧や流量制御が可能である。

上記した本発明の実施に際して、前記第２スプリングの荷重は、前記弁体の前記弁座からの離座ストロークが最大となる以前（最大ストローク前）に、ゼロとなるように設定されていることも可能である。この場合には、例えば、第２スプリングの荷重が、弁体の弁座からの離座ストロークが最大となる時点（最大ストローク時）でゼロとなるように設定されている場合に比して、最大ストローク時における第１スプリングの荷重を減少させることができるため、弁体と可動コアを最大ストロークさせるに要する必要電磁力（必要電流）を減少させることができて、当該常閉型電磁弁を省電力タイプとすることが可能である。

また、上記した本発明の実施に際して、前記弁孔の一端部側（弁座側）が前記流入口に連通し、前記弁孔の他端部側が前記流出口に連通していることも可能である。この場合には、キャビテーション・エロージョンの発生部位がシール部（弁体が弁座に着座する部位）よりも下流となるため、シール部近傍でのエロージョンの発生を防止することができて、当該常閉型電磁弁を耐エロージョンタイプとすること（シール部へのダメージを軽微として、当該常閉型電磁弁の長寿命化を図ること）が可能である。

図１は、本発明に係る常閉型電磁弁の一実施形態を示した縦断断面図である。図２の（ａ）は、図１に示した常閉型電磁弁を自閉方向流れでの流体制御に用いた場合の、弁体と可動コアに作用する紙面（図示）上方向の力（離座方向の力）と、弁開度（紙面上方向のストローク）の関係を概略的に示した線図であり、図２の（ｂ）は、図１に示した第２スプリングを無くして図１と同様の常閉型電磁弁を構成した場合（比較例の常閉型電磁弁）において、同常閉型電磁弁を自閉方向流れでの流体制御に用いた場合の、弁体と可動コアに作用する紙面上方向の力（離座方向の力）と、弁開度（紙面上方向のストローク）の関係を概略的に示した線図である。図３の（ａ）は、図１に示した常閉型電磁弁を自閉方向流れでの流体制御に用いた場合の、コイルに供給される電流と、弁開度（ストローク）の関係を概略的に示した線図であり、図３の（ｂ）は、上記した比較例の常閉型電磁弁を自閉方向流れでの流体制御に用いた場合の、コイルに供給される電流と、弁開度（ストローク）の関係を概略的に示した線図である。図４の（ａ）は、図１に示した常閉型電磁弁を自開方向流れでの流体制御に用いた場合の、弁体と可動コアに作用する紙面上方向の力（離座方向の力）と、弁開度（紙面上方向のストローク）の関係を概略的に示した線図であり、図４の（ｂ）は、上記した比較例の常閉型電磁弁を自開方向流れでの流体制御に用いた場合の、弁体と可動コアに作用する紙面上方向の力（離座方向の力）と、弁開度（紙面上方向のストローク）の関係を概略的に示した線図である。図５の（ａ）は、図１に示した常閉型電磁弁を自開方向流れでの流体制御に用いた場合の、コイルに供給される電流と、弁開度（ストローク）の関係を概略的に示した線図であり、図５の（ｂ）は、上記した比較例の常閉型電磁弁を自開方向流れでの流体制御に用いた場合の、コイルに供給される電流と、弁開度（ストローク）の関係を概略的に示した線図である。図６の（ａ）は、図１に示した常閉型電磁弁の各スプリングの荷重とストローク（弁体と可動コアの軸方向移動量）の関係と、最大ストロークを得るに必要な電磁力（必要電流）の関係を概略的に示した線図であり、図６の（ｂ）は、図１に示した常閉型電磁弁における第２スプリングの荷重が最大ストローク時にゼロとなるように設定した場合の各スプリングの荷重とストローク（弁体と可動コアの軸方向移動量）の関係と、最大ストロークを得るに必要な電磁力（必要電流）の関係を概略的に示した線図である。図７は図１に示した常閉型電磁弁の要部拡大作動説明図であって、図７の（ａ）は弁体が弁座に着座している状態（ストロークがゼロである状態）の図であり、図７の（ｂ）は弁体が弁座から離座している状態（ストロークが最大である状態）の図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る常閉型電磁弁の一実施形態を示していて、この常閉型電磁弁１００は、例えば、車両用液圧ブレーキ装置の液圧制御機器に組付けられて、ブレーキ液の液圧制御に用いられる。また、この常閉型電磁弁１００では、ハウジング１０に弁体２１、可動コア２２、第１スプリング２３、第２スプリング２４、コイル２５、固定コア２６等が組付けられている。

ハウジング１０は、筒状のガイド部材１１と、このガイド部材１１の図１下端部内周に上下方向にて位置調整可能に組付けた筒状のシート部材１２と、ガイド部材１１の図１上端部外周に移動不能に組付けたスリーブ１３を備えている。ガイド部材１１は、磁性体からなり、中間部側方には流体の流入口１１ａが設けられている。シート部材１２は、非磁性体からなり、軸心部には、流体の流出口１２ａが設けられているとともに、弁孔１２ｂと弁座１２ｃが流出口１２ａに対して同軸的に設けられている。スリーブ１３は、非磁性体からなり、図１下端部にてガイド部材１１の上端部に固定され、図１上端部にて固定コア２６の下端部に固定されている。

流体の流入口１１ａと流出口１２ａは、ハウジング１０内に設けた通路Ｐを通して連通可能であり、この通路Ｐ中には、一端部（図示上端部）に弁座１２ｃを有する弁孔１２ｂが設けられている。また、流入口１１ａと流出口１２ａには、各フィルタ１４，１５がそれぞれ装着されている。このため、この実施形態では、常閉型電磁弁１００が開いたとき（弁体２１が弁座１２ｃから上方に離れたとき）、フィルタ１４を通して流入口１１ａに流れる流体（ブレーキ液）が、通路Ｐに設けた弁座１２ｃと弁孔１２ｂを通して流出口１２ａに流れて（自閉方向に流れて）、フィルタ１５を通してハウジング１０外に流れる。

弁体２１は、非磁性体からなり、弁座１２ｃに対して着座・離座可能（図示上下動可能）に設けられている。また、弁体２１は、可動コア２２の下端部に設けた取付孔２２ａに嵌合固定されていて、可動コア２２と一体的に移動可能とされている。可動コア２２は、磁性体からなり、ガイド部材１１（ハウジング１０）のシリンダ部１１ｂに軸方向にて移動可能（図示上下方向にて摺動可能）に組付けられている。なお、可動コア２２の外周には、非磁性体からなる薄肉スリーブ２２ｂが組付けられていて、可動コア２２のシリンダ部１１ｂに対する移動性（摺動性）が良好とされている。また、可動コア２２には、その図示下端（下方の流体室）と図示上端（上方の流体室）を連通させる連通孔２２ｃが設けられている。

第１スプリング２３は、弁体２１と可動コア２２を弁座１２ｃに向けて付勢するものであり、調整コア２７と可動コア２２間に介装されている。調整コア２７は、固定コア２６の図１上部内周に上下方向にて位置調整可能に組付けられている。第１スプリング２３の取付荷重（図１の状態にて弁体２１と可動コア２２を紙面下方向に付勢する付勢力）は、設定値ｆ１（図２の（ａ）参照）とされている。

第２スプリング２４は、第１スプリング２３の荷重に比して小さくて同荷重に抗した荷重を弁体２１と可動コア２２に付与するもの（弁体２１と可動コア２２を弁座１２ｃから離れる方向に向けて付勢するもの）であり、シート部材１２（ハウジング１０）と弁体２１のフランジ部２１ａ間に介装されている。この第２スプリング２４の取付荷重（図１の状態にて弁体２１と可動コア２２を紙面上方向に付勢する付勢力）は、設定値ｆ２（ｆ１＞ｆ２であり、図２の（ａ）参照）とされている。

コイル２５は、ガイド部材１１の図１上部外周と、スリーブ１３および固定コア２６の外周に装着されていて、ガイド部材１１、可動コア２２、固定コア２６等とによって磁路を形成するように構成されている。コイル２５と固定コア２６は、可動コア２２に対して第１スプリング２３の荷重に抗した電磁力を、コイル２５への通電により発生させるように構成されている。なお、固定コア２６の図１下端部には、非磁性体からなる環状のスペーサ２８が組付けられている。

ところで、この実施形態においては、調整コア２７が固定コア２６の図１上部内周に上下方向にて位置調整可能に組付けられていて、第１スプリング２３の取付荷重（ｆ１）が調整可能に構成されている。すなわち、調整コア２７の固定コア２６に対する組付構成が、第１スプリング２３の取付荷重を調整可能な荷重調整機構とされている。

また、この実施形態においては、シート部材１２がガイド部材１１の図１下端部内周に上下方向にて位置調整可能に組付けられているとともに、固定コア２６の図１下端部にスペーサ２８が組付けられていて、弁体２１と可動コア２２のストローク範囲（軸方向の移動可能量）が調整可能に構成されている。すなわち、シート部材１２のガイド部材１１に対する組付構成とスペーサ２８が、弁体２１の弁座１２ｃからの離座ストロークを調整可能なストローク調整機構とされている。

また、この実施形態においては、弁体２１の弁座１２ｃからのストロークが最大となる（図７の（ｂ）参照）以前に、第２スプリング２４の荷重がゼロとなる（第２スプリング２４が自由長となる）ように設定されている（図７参照）。このため、図７の（ａ）の状態（セット時）では、第２スプリング２４の軸方向長さがセット長とされて、第２スプリング２４のたわみ量が設定値Ｚとされている。また、図７の（ｂ）の状態（最大ストローク時）では、第２スプリング２４の軸方向長さが自由長とされて、第２スプリング２４の上端と弁体２１のフランジ部２１ａ間に所定の隙間が形成されている。また、弁孔１２ｂの一端部側（図７の（ｂ）の上側、すなわち、弁座１２ｃ側）が流入口１１ａに連通し、弁孔１２ｂの他端部側（図７の（ｂ）の下側）が流出口１２ａに連通している。

上記のように構成したこの実施形態の常閉型電磁弁１００においては、弁体２１と可動コア２２が一体でハウジング１０のシリンダ部１１ｂに軸方向にて移動可能に組付けられている。また、第２スプリング２４の荷重（ｆ２）が、第１スプリング２３の荷重（ｆ１）に比して小さくて、第１スプリング２３の荷重に抗して弁体２１と可動コア２２に付与される。

このため、この実施形態の常閉型電磁弁１００では、上記実施形態とは流体の流れる方向が逆である自開方向流れでの流体制御（この場合には、上記実施形態の流出口１２ａから流入口１１ａに流体が流れる）においては勿論のこと、上記実施形態のように流体が流れる自閉方向流れでの流体制御（この場合には、上記実施形態の流入口１１ａから流出口１２ａに流体が流れる）においても、コイル２５への通電によって可動コア２２と固定コア２６間に電磁力が発生して、弁体２１と可動コア２２が一体で第１スプリング２３の荷重に抗して移動すると、弁体２１が弁座１２ｃから離座する。

ところで、上記実施形態のように流体が流れる自閉方向流れでの流体制御では、弁体２１に作用する流体の力（着座方向に受ける力）が図２の（ａ）に示したように弁開度の増大に応じて順次減少するため、弁体２１に作用する合力（上記した流体の力、第１スプリングの荷重、第２スプリングの荷重等によって得られる着座方向の力）が図２の（ａ）に示したように弁開度の増大に応じて順次増大し、セット時の合力が最小となり、最大ストローク時の合力が最大となる。このため、コイル２５に供給される電流と弁開度（弁体２１の弁座１２ｃからの離座量）との関係が、図３の（ａ）に示したようになって、電流の増大に応じて弁開度が順次増大する（開弁開始から全開に順次変化する）ようになる。したがって、この場合には、コイル２５に供給される電流によって弁開度を制御することができる。

なお、図１に示した第２スプリング２４を無くして図１と同様の常閉型電磁弁を構成した場合（比較例の常閉型電磁弁）においては、自閉方向流れでの流体制御に用いた場合、弁体２１に作用する合力（上記した流体の力と第１スプリングの荷重によって得られる着座方向の力）が図２の（ｂ）に示したように弁開度の増大に応じて順次減少した後に順次増大し、セット時の合力が最大となる。このため、コイル２５に供給される電流と弁開度（弁体２１の弁座１２ｃからの離座量）との関係が、図３の（ｂ）に示したようになって、電流の増大により弁開度が開弁開始に至ると瞬時に全開となるように変化する。したがって、この場合には、コイル２５に供給される電流によって弁開度を制御することができない。

一方、上記実施形態とは流体の流れる方向が逆である自開方向流れでの流体制御では、弁体２１に作用する流体の力（離座方向に受ける力）が図４の（ａ）に示したように弁開度の増大に応じて順次減少するため、弁体２１に作用する合力（上記した流体の力、第１スプリングの荷重、第２スプリングの荷重等によって得られる着座方向の力）が図４の（ａ）に示したように弁開度の増大に応じて順次増大し、セット時の合力が最小となり、最大ストローク時の合力が最大となる。このため、コイル２５に供給される電流と弁開度（弁体２１の弁座１２ｃからの離座量）との関係が、図５の（ａ）に示したようになって、電流の増大に応じて弁開度が順次増大する（開弁開始から全開に順次変化する）ようになる。したがって、この場合にも、コイル２５に供給される電流によって弁開度を制御することができる。

なお、上記した比較例の常閉型電磁弁）においては、自開方向流れでの流体制御に用いた場合、弁体２１に作用する合力（上記した流体の力と第１スプリングの荷重によって得られる着座方向の力）が図４の（ｂ）に示したように弁開度の増大に応じて順次増大し、セット時の合力が最小となり、最大ストローク時の合力が最大となる。このため、コイル２５に供給される電流と弁開度（弁体２１の弁座１２ｃからの離座量）との関係が、図５の（ｂ）に示したようになって、電流の増大に応じて弁開度が順次増大する（開弁開始から全開に順次変化する）ようになる。したがって、この場合にも、コイル２５に供給される電流によって弁開度を制御することができるものの、この場合には、上記実施形態にて得られるような良好な分解能（電流に対するストローク分解能）を得ることができない。

また、この実施形態の常閉型電磁弁１００では、上記した荷重調整機構（調整コア２７の固定コア２６に対する組付構成）によって第１スプリング２３の荷重を調整可能であるとともに、ストローク調整機構（シート部材１２のガイド部材１１に対する組付構成とスペーサ２８）によって弁体２１の弁座１２ｃからの離座ストロークを調整可能である。したがって、この実施形態の常閉型電磁弁１００では、自開方向流れでの流体制御においては勿論のこと、自閉方向流れでの流体制御においても、上記した流体からの力、両スプリング２３，２４の荷重、電磁力等が調和して、電磁力（コイル２５に供給される電流）の細かな調整により細かな調圧や流量制御が可能である。

また、この実施形態の常閉型電磁弁１００では、図６の（ａ）にて概略的に示したように、第２スプリング２４の荷重が、弁体２１の弁座１２ｃからのストロークが最大となる以前に、ゼロとなるように設定されている。このため、図６の（ｂ）にて概略的に示したように、例えば、第２スプリングの荷重が、弁体の弁座からのストロークが最大となる時点でゼロとなるように設定されている場合に比して、最大ストローク時における第１スプリング２３の荷重を減少させることができるため、弁体２１と可動コア２２を最大ストロークさせるに要する必要電磁力（必要電流）を減少させることができて、当該常閉型電磁弁１００を省電力タイプとすることが可能である。

また、この実施形態の常閉型電磁弁１００では、弁孔１２ｂの一端部側（弁座１２ｃ側）が流入口１１ａに連通し、弁孔１２ｂの他端部側が流出口１２ａに連通している。このため、キャビテーション・エロージョンの発生部位がシール部（弁体２１が弁座１２ｃに着座する部位）よりも下流となる（弁孔１２ｂ内とある）ため、シール部近傍でのエロージョンの発生を防止することができて、当該常閉型電磁弁１００を耐エロージョンタイプとすること（シール部へのダメージを軽微として、当該常閉型電磁弁１００の長寿命化を図ること）が可能である。

上記した実施形態の常閉型電磁弁１００においては、ハウジング１０が、ガイド部材１１とシート部材１２とスリーブ１３を備える構成として実施したが、ハウジングの構成は適宜変更が可能であり、上記実施形態に限定されるものではない。また、上記した実施形態の常閉型電磁弁１００においては、第２スプリング２４の荷重が、弁体２１の弁座１２ｃからのストロークが最大となる以前に、ゼロとなるように設定して実施したが、例えば、第２スプリングの荷重が、弁体の弁座からのストロークが最大となる時点でゼロとなるように設定して実施することも可能であり、第２スプリング２４の荷重がゼロとなるタイミングは、適宜設定可能である。

Claims

流体の流入口および流出口と、これらを連通させる通路が設けられているとともに、一端部に弁座を有する弁孔が前記通路中に設けられているハウジングと、
前記弁座に対して着座・離座可能に設けられている弁体と、
この弁体と一体で前記ハウジングのシリンダ部に軸方向にて移動可能に組付けられている可動コアと、
前記弁体と前記可動コアを前記弁座に向けて付勢する第１スプリングと、
前記可動コアに対して前記第１スプリングの荷重に抗した電磁力を通電により発生させるコイルおよび固定コアを備えるとともに、
前記第１スプリングの荷重に比して小さくて同荷重に抗した荷重を前記弁体と前記可動コアに付与する第２スプリングと、
前記第１スプリングの取付荷重を調整可能な荷重調整機構と、
前記弁体の前記弁座からの離座ストロークを調整可能なストローク調整機構を備えた常閉型電磁弁。
前記第２スプリングの荷重は、前記弁体の前記弁座からの離座ストロークが最大となる以前に、ゼロとなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の常閉型電磁弁。
前記弁孔の一端部側が前記流入口に連通し、前記弁孔の他端部側が前記流出口に連通していることを特徴とする請求項１または２に記載の常閉型電磁弁。