JP5902121B2 - 自己保持型電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、電磁コイルに通電して開閉状態を切り換えた後、通電を停止しても切り換え後の開閉状態を維持することが可能な電磁弁（自己保持型電磁弁）に関する。

自己保持型電磁弁は、開弁状態／閉弁状態の切り換え時には電磁コイルに通電する必要があるが、切り換え完了後は電流を流し続けなくてもその状態を保持しておくことができるという優れた特性を有している。このため、電力消費を抑制することが可能であり、特に電池を用いて動作させる電磁弁として広く使用されている。

この自己保持型電磁弁は、次のような原理によって動作する。先ず、電磁コイルに通電すると、閉弁バネによって付勢されていた可動鉄心が電磁コイルに引き付けられて、可動鉄心の端部に設けられた弁体が開弁する。またこの時、可動鉄心の反対側の端部が、電磁コイルの中心軸上に設けられた固定鉄心に接触し、固定鉄心を介して永久磁石によって磁着される。このため、その後は電磁コイルへの通電を停止しても、可動鉄心が電磁コイルに引き付けられた状態（開弁状態）を保持することができる。

一方、開弁状態が保持されている状態で、上述の開弁時とは逆方向の電流を電磁コイルに通電すると、電磁コイルは永久磁石の磁力を打ち消す方向の磁力を発生させる。このため、永久磁石が可動鉄心を磁着する力が弱められ、固定鉄心に接触していた可動鉄心の端部が閉弁バネの付勢力によって引き剥がされて、可動鉄心の他端側に設けられた弁体が弁座に押し付けられて自己保持型電磁弁が閉弁する。その後は、電磁コイルの通電を停止しても、閉弁バネの付勢力によって弁体が弁座に押し付けられた状態（閉弁状態）が保持される。

また、このような自己保持型電磁弁を確実に動作（特に閉弁動作）させることを目的として、電磁コイルに複数回通電するようにした技術が提案されている（特許文献１）。

特開平５−２６６５３９号公報

しかし、自己保持型電磁弁を電池によって動作させる場合には、上記の提案されている技術では、自己保持型電磁弁を確実に且つ安定して動作させることが難しいという問題があった。これは次のような理由による。すなわち、上記提案の技術では、自己保持型電磁弁を動作させる度に、電磁コイルに複数回通電するので電池が消耗し易く、電池は消耗すると発生する電圧値が次第に低下する。そして、電池が発生する電圧値が低下してくると、電磁コイルに印加する電圧値が低下するので、通電する回数を増やしても自己保持型電磁弁を動作させることができなくなる。このため、長期的に見ると、自己保持型電磁弁を確実に且つ安定して動作させることが難しいという問題があった。

この発明は従来の技術における上述した課題に対応してなされたものであり、電池によって動作させた場合でも確実に且つ安定して動作させることが可能な自己保持型電磁弁の提供を目的とする。

上述した課題を解決するために本発明の自己保持型電磁弁は次の構成を採用した。すなわち、
電線を巻回して中空の略円柱形状に形成された電磁コイルと、該電磁コイルの中心軸内に摺動可能な状態で挿入されて、流路を開閉する弁体が一端側に取り付けられた可動鉄心と、前記弁体が該流路を閉じる方向に前記可動鉄心を付勢する閉弁バネと、該弁体が該流路を開く方向に前記可動鉄心が引き込まれるように前記電磁コイルに駆動電圧を印加する電圧印加部と、前記電磁コイルの中心軸内に固定されて該電磁コイルによって引き込まれた前記可動鉄心が当接する固定鉄心と、前記電磁コイルで引き込まれた前記可動鉄心を保持する永久磁石とを備える自己保持型電磁弁において、
前記永久磁石は、前記可動鉄心が当接する側と反対側で前記固定鉄心に接触させた状態で設けられており、前記電磁コイルで前記可動鉄心が引き込まれると、前記固定鉄心を介して前記可動鉄心を保持する永久磁石であり、
前記電圧印加部は、前記流路を閉じる場合には該流路を開く場合よりも、電圧値の絶対値が小さく、且つ、印加時間の短い前記駆動電圧を印加する
ことを特徴とする。

かかる本発明の自己保持型電磁弁においては、流路を閉じる場合（閉弁時）には、流路を開く場合（開弁時）よりも電圧値の絶対値が小さく、且つ、印加時間が短い駆動電圧を電磁コイルに印加する。詳細な理由については後述するが、自己保持型電磁弁は、開弁時よりも電圧値の絶対値が小さく、且つ、印加時間が短い駆動電圧で閉弁可能なことが見出された。従って、閉弁時に印加する駆動電圧を、開弁時に印加する駆動電圧よりも電圧値の絶対値が小さく、且つ、印加時間が短い駆動電圧としておけば、自己保持型電磁弁を動作させるための電池の消耗を抑制することができる。その結果、電池を用いて自己保持型電磁弁を動作させた場合でも、長期間に亘って確実に且つ安定して動作させることが可能となる。

本実施例のラッチ弁１００の内部構造および動作原理についての説明図である。 電磁コイル１０２に駆動電圧を印加する電圧波形を示した説明図である。 ラッチ弁１００の開弁時に電磁コイル１０２が発生させるべき電磁力の大きさについての説明図である。 ラッチ弁１００の閉弁時に電磁コイル１０２が発生させるべき電磁力の大きさについての説明図である。 変形例の電圧波形を例示した説明図である。

図１は、本実施例の自己保持型電磁弁（以下、ラッチ弁）１００の内部構造および動作原理を示した説明図である。図１（ａ）には、閉弁状態のラッチ弁１００の断面図が示されており、図１（ｂ）には開弁状態のラッチ弁１００の断面図が示されている。先ず始めに、図１（ａ）を参照しながら、ラッチ弁１００の大まかな内部構造について説明する。

図１（ａ）に示されるようにラッチ弁１００は、電線を巻回して中空の略円柱形状に形成された電磁コイル１０２と、電磁コイル１０２の中心軸内に摺動可能な状態で挿入された可動鉄心１０４と、電磁コイル１０２の中心軸内で可動鉄心１０４よりも上方に固定された固定鉄心１０６と、固定鉄心１０６の上端に接触させて設けられた円板形状の永久磁石１０８と、可動鉄心１０４の下端に取り付けられた弁体１１０と、可動鉄心１０４を電磁コイル１０２の中心軸内から引き出す方向に付勢する閉弁バネ１１２と、電磁コイル１０２に駆動電圧を印加する電圧印加部１１４とを備えている。また、弁体１１０に対向する位置には、流路２００の開口部２０２が設けられており、図１（ａ）に示したラッチ弁１００の閉弁状態では、閉弁バネ１１２で付勢された弁体１１０によって開口部２０２が塞がれて、流路２００が閉じた状態となっている。

このような構造のラッチ弁１００は、次のように動作する。先ず、図１（ａ）に示した閉弁状態で、電圧印加部１１４から電磁コイル１０２に正方向の駆動電圧を印加する。ここで「正方向の電圧」とは、電磁コイル１０２が発生する磁力の向きが、永久磁石１０８の磁力の向きと同じになるような方向の電圧である。すると、閉弁バネ１１２によって付勢されていた可動鉄心１０４が、電磁コイル１０２の磁力によって引き上げられ、その結果、弁体１１０が流路２００の開口部２０２から離れてラッチ弁１００が開弁状態となる（図１（ｂ）参照）。

また、電磁コイル１０２によって可動鉄心１０４が引き上げられると、可動鉄心１０４の上端が固定鉄心１０６の下端に当接する。すると、永久磁石１０８の磁力が固定鉄心１０６を介して可動鉄心１０４に効率よく作用するようになり、永久磁石１０８の磁力で可動鉄心１０４が固定鉄心１０６に磁着される。こうして可動鉄心１０４が磁着された後は、電圧印加部１１４から電磁コイル１０２への通電を停止しても、図１（ｂ）に示したように可動鉄心１０４が引き上げられた状態（開弁状態）が保持される。

一方、永久磁石１０８の磁力で可動鉄心１０４が引き上げられた状態で、電圧印加部１１４から電磁コイル１０２に負方向の駆動電圧を印加する。ここで「負方向の電圧」とは、電磁コイル１０２が発生する磁力の向きが、永久磁石１０８の磁力の向きと逆になるような方向の電圧である。すると、永久磁石１０８の磁力が電磁コイル１０２の磁力によって打ち消されるため、押し縮められた閉弁バネ１１２のバネ反力に抗して可動鉄心１０４を磁着しておくことができなくなる。その結果、固定鉄心１０６に磁着されていた可動鉄心１０４の上端が、閉弁バネ１１２のバネ反力によって固定鉄心１０６から引き離されて、可動鉄心１０４の下端の弁体１１０が流路２００の開口部２０２に押しつけられた状態（閉弁状態）となる。こうしてラッチ弁１００が閉弁状態となった後は、電磁コイル１０２への通電を停止しても、閉弁バネ１１２が弁体１１０を押し付ける力によって閉弁状態が保持される（図１（ａ）参照）。

以上のようにして動作するラッチ弁１００では、開弁させる際に印加する駆動電圧（以下、開弁時の駆動電圧）の正負を逆にして、閉弁させる際に印加する駆動電圧（以下、閉弁時の駆動電圧）として用いることが一般的である。しかし、本実施例では、開弁時の駆動電圧の正負を逆にするだけでなく、電圧値（正確には電圧値の絶対値）を小さくし、印加時間も短くした駆動電圧を、閉弁時の駆動電圧として使用する。

図２には、本実施例のラッチ弁１００で開弁時あるいは閉弁時に用いる駆動電圧が示されている。すなわち、開弁時の駆動電圧は電圧値がＶａ、印加時間がＴｏに設定されており、閉弁時の駆動電圧は電圧値が−Ｖｂ、印加時間がＴｃに設定されている。ここで、閉弁時の駆動電圧が「負」の電圧値となっているのは、開弁時の駆動電圧とは電圧の向きが逆であることを示している。また、電磁コイル１０２に流れる電流は印加した電圧値に比例するから、閉弁時に電磁コイル１０２に流れる電流は、開弁時に流れる電流よりも小さくなる。その結果、閉弁時の駆動電圧の電力量（＝電圧値×電流値×印加時間）は、開弁時の駆動電圧の電力量よりも小さくなるので、電池の消耗を抑制することが可能となる。また、ラッチ弁１００は、以下の理由から、閉弁時の駆動電圧は開弁時の駆動電圧より小さな電力量でも確実に動作させることができる。

図３は、ラッチ弁１００を開弁させるために必要な電磁コイル１０２の電磁力（開弁時電磁力）の大きさを示す説明図である。図３（ａ）には、ラッチ弁１００を開弁させる前の状態（閉弁状態）が示されている。また、図３（ｂ）には、ラッチ弁１００が開弁状態となる直前（可動鉄心１０４が固定鉄心１０６に接触する直前）の状態が示されている。尚、図３（ａ）（ｂ）では、図が煩雑となることを避けるために、電磁コイル１０２や流路２００の開口部２０２は図示が省略されている。

図３（ａ）に示されるように、ラッチ弁１００の閉弁状態では、閉弁バネ１１２によって、弁体１１０が流路２００の開口部２０２に押し付けられた状態となっている。ラッチ弁１００を開弁させるためには、この状態から閉弁バネ１１２を圧縮しながら可動鉄心１０４を引き上げなければならない。このため電磁コイル１０２は、可動鉄心１０４が引き上げられるに従って大きな電磁力を発生させる必要がある。もちろん、可動鉄心１０４が固定鉄心１０６に接触してラッチ弁１００が開弁状態となった後は、永久磁石１０８の磁力で可動鉄心１０４を保持することができるが、可動鉄心１０４が固定鉄心１０６に接触する直前までは、永久磁石１０８の磁力を可動鉄心１０４に効果的に作用させることができない。このため、図３（ｂ）に示されるように、ラッチ弁１００が開弁状態となる直前の状態では、電磁コイル１０２の発生させる電磁力が最大（圧縮された閉弁バネ１１２のバネ反力と同等以上の大きさ）となる。そして周知のように、電磁コイル１０２の電磁力は電磁コイル１０２の電流値に比例し、電流値は電磁コイル１０２に印加する電圧値に比例するから、大きな電磁力を発生させるためには高い電圧値の電圧を電磁コイル１０２に印加しなければならない。一般にラッチ弁１００の開弁時の駆動電圧は、このように最大の電磁力（図３（ｂ）の電磁力）を発生させることが可能な電圧値に設定されている。

図４は、ラッチ弁１００を閉弁させるために必要な電磁コイル１０２の電磁力（閉弁時電磁力）の大きさを示す説明図である。図４（ａ）には、ラッチ弁１００を閉弁させる前の状態（開弁状態）が示されている。また、図４（ｂ）には、閉弁時の駆動電圧を電磁コイル１０２に印加した瞬間の状態が示されている。尚、図４（ａ）（ｂ）においても、図が煩雑となることを避けるために、電磁コイル１０２は図示が省略されている。

図４（ａ）に示されるように、ラッチ弁１００の開弁状態では、永久磁石１０８の磁力によって可動鉄心１０４が固定鉄心１０６に磁着している。このとき永久磁石１０８が可動鉄心１０４に及ぼす磁着力の大きさは、押し縮められた閉弁バネ１１２のバネ反力よりも大きく設定されているので、ラッチ弁１００は開弁状態に維持されている。この状態からラッチ弁１００を閉弁させるためには、図４（ｂ）に示すように、永久磁石１０８の磁着力を打ち消す方向の電磁力を発生させて、磁着力が閉弁バネ１１２のバネ反力を下回るようにすればよい。すなわち、図中に黒塗りの矢印で示した磁着力の絶対値と、図中に斜線付の矢印で示したバネ反力の絶対値との差よりも大きな電磁力で磁着力を打ち消してやれば、固定鉄心１０６に磁着している可動鉄心１０４を固定鉄心１０６から引き剥がすことができる。そして、可動鉄心１０４が固定鉄心１０６から離れれば、可動鉄心１０４には永久磁石１０８の磁力が働かなくなるので、閉弁バネ１１２のバネ反力によってラッチ弁１００を閉弁させることができる。

以上の説明から明らかなように、ラッチ弁１００を開弁させるためには、閉弁バネ１１２のバネ反力に抗して可動鉄心１０４を引き上げるだけの大きな電磁力が必要となるのに対して、ラッチ弁１００を閉弁させるためには、永久磁石１０８の磁着力と閉弁バネ１１２のバネ反力との差に相当する大きさの電磁力を発生させればよい。このため、閉弁時の駆動電圧の電圧値の絶対値（図２中のＶｂ）は、開弁時の駆動電圧の電圧値の絶対値（図２中のＶａ）よりも小さな値にすることができる。また、開弁時には、可動鉄心１０４が固定鉄心１０６に接触するまで駆動電圧を印加し続けなければならないが、閉弁時には、固定鉄心１０６から可動鉄心１０４を引き剥がす時にだけ駆動電圧を印加すればよい。このため、閉弁時の駆動電圧の印加時間（図２中のＴｃ）は、開弁時の駆動電圧の印加時間（図２中のＴｏ）よりも短くすることができる。その結果、閉弁時の駆動電圧の電力量（＝電圧値×電流値×印加時間）が小さくなるので、電池の消耗を抑制することができる。このような理由から、本実施例のラッチ弁１００は、電池を用いて動作させた場合でも、長期間に亘って確実に且つ安定して動作させることが可能となる。

尚、上述した実施例では、閉弁時の駆動電圧は開弁時の駆動電圧と比べて、電圧値の絶対値が小さく、且つ印加時間が短いものとして説明した（図２参照）。しかし、電力量が小さくなるのであれば、電圧値の絶対値は小さいが印加時間は短くない駆動電圧、あるいは印加時間は短いが電圧値の絶対値は小さくない駆動電圧を用いることもできる。

図５には、このような変形例の駆動電圧が例示されている。図５（ａ）に示した例では、閉弁時の駆動電圧は開弁時の駆動電圧に対して、電圧値の絶対値は小さいが、印加時間は短くない。しかし、このような場合でも、電力量（＝電圧値×電流量×印加時間）が抑制されていれば電池の消耗も抑制することができる。従って、電池を用いた場合でも、ラッチ弁１００を長期間に亘って、確実に且つ安定して動作させることが可能となる。尚、図５（ａ）では、閉弁時の印加時間は開弁時の印加時間と同じであるものとしているが、閉弁時の印加時間を開弁時の印加時間よりも長くしても構わない。もっとも、図５（ａ）に示したように、開弁時と閉弁時とで駆動電圧の印加時間を同じにしておけば、印加時間を切り換える必要が無いので電圧印加部１１４の回路構成を簡単にすることができる。

また、図５（ｂ）に示した例では、閉弁時の駆動電圧は開弁時の駆動電圧に対して、印加時間は短いが、電圧値の絶対値は小さくない。しかし、このような場合でも、電力量が抑制されていれば電池の消耗を抑制することができる。このため、電池を用いて、長期間に亘って確実に且つ安定して、ラッチ弁１００を動作させることができる。尚、図５（ｂ）では、閉弁時の駆動電圧の電圧値は開弁時の駆動電圧の電圧値と絶対値が等しいものとしているが、閉弁時の電圧値の絶対値を開弁時の電圧値の絶対値よりも大きくしても構わない。もっとも、図５（ｂ）に示したように、開弁時の駆動電圧と閉弁時の駆動電圧とで電圧値の絶対値を等しくしておけば、絶対値の異なる複数の電圧値を発生させる必要が無いので電圧印加部１１４の回路構成を簡単にすることができる。

以上、本実施例および変形例のラッチ弁１００について説明したが、本発明は上記の実施例および変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

１００…ラッチ弁、 １０２…電磁コイル、 １０４…可動鉄心、
１０６…固定鉄心、 １０８…永久磁石、 １１０…弁体、
１１２…閉弁バネ、 １１４…電圧印加部、 ２００…流路、
２０２…開口部。

Claims (1)

1. 電線を巻回して中空の略円柱形状に形成された電磁コイルと、該電磁コイルの中心軸内に摺動可能な状態で挿入されて、流路を開閉する弁体が一端側に取り付けられた可動鉄心と、前記弁体が該流路を閉じる方向に前記可動鉄心を付勢する閉弁バネと、該弁体が該流路を開く方向に前記可動鉄心が引き込まれるように前記電磁コイルに駆動電圧を印加する電圧印加部と、前記電磁コイルの中心軸内に固定されて該電磁コイルによって引き込まれた前記可動鉄心が当接する固定鉄心と、前記電磁コイルで引き込まれた前記可動鉄心を保持する永久磁石とを備える自己保持型電磁弁において、
   前記永久磁石は、前記可動鉄心が当接する側と反対側で前記固定鉄心に接触させた状態で設けられており、前記電磁コイルで前記可動鉄心が引き込まれると、前記固定鉄心を介して前記可動鉄心を保持する永久磁石であり、
   前記電圧印加部は、前記流路を閉じる場合には該流路を開く場合よりも、電圧値の絶対値が小さく、且つ、印加時間の短い前記駆動電圧を印加する
   ことを特徴とする自己保持型電磁弁。

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