JP6492194B2 - 開閉弁 - Google Patents

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Description

本発明は、入力ポートと出力ポートとを連通させる開状態と連通を遮断する閉状態とに作動する開閉弁に関する。
圧縮空気を被供給部材に供給する状態と供給を停止する状態とに切り換えるために、開閉弁が使用される。開閉弁は、バルブボディとバルブボディに組み付けられるソレノイドブロックとを有している。空気圧供給源に接続される入力ポート、被供給部材に接続される出力ポート、および入力ポートと出力ポートとを仕切る弁座部がバルブボディに設けられている。ソレノイドブロックは、コイルが巻き付けられた固定鉄心を備え、固定鉄心の磁気吸着面つまり吸着面に対向して、可動鉄心からなる弁部材がバルブボディ内に配置される。コイルに通電すると、弁部材は弁座部から離れて入力ポートは出力ポートに連通し、コイルへの通電を停止すると、弁部材は弁座部に当接して入力ポートと出力ポートの連通が遮断される。
弁部材の開閉ストロークを小さくし、開閉動作を高速で行うようにした開閉バルブが特許文献1に記載されており、この開閉バルブにおいては、弁部材が固定鉄心の磁気吸着面に直接当接する。特許文献2に記載された電磁弁は、固定磁極部材と可動鉄心とを備えたソレノイド部と、可動鉄心により開閉動作する弁部材を備えた弁部とを有する。固定磁極部材と可動鉄心との間には、シート状の衝撃緩衝材が装着され、可動鉄心の当接面全体が衝撃緩衝材を介して固定磁極部材の磁気吸着面に当接する。特許文献3は、固定鉄心の磁気吸着面に樹脂製のフィルムが接着された電磁弁を開示する。
特開2014−137118号公報 特開2009−275811号公報 特許第5502240号公報
特許文献1に記載されるように、可動鉄心を固定鉄心の磁気吸着面に直接当接させるようにすると、圧縮空気の中に含まれる水分により磁気吸着面が腐食し、可動鉄心の開閉作動特性が経年変化してしまう。磁気特性の良い材料が固定鉄心に用いられるが、そのような材料はさびやすい。このため、開閉弁の耐久性を向上することができない。また、特許文献2に記載されるように、可動鉄心の当接面全体が衝撃緩衝材に当接するようにすると、コイルへの通電を停止して可動鉄心を衝撃緩衝材から離して開状態から閉状態に電磁弁を切り換えるときに、可動鉄心が衝撃緩衝材から離れにくくなる。可動鉄心の当接面全体が衝撃緩衝材に当接・密着しているので、コイルへの通電を停止しても、可動鉄心の当接面全体と衝撃緩衝材の間に空気が入り込みにくいからである。このため、可動鉄心の閉動作の動作時間を短くすることができない。さらに、特許文献3に記載されるように、固定鉄心の磁気吸着面のみに樹脂性のシートを接着する形態においては、磁気吸着面に接着剤層とシート層とが積層され、磁気吸着面が積層された厚い被覆層で覆われるので、固定鉄心と可動鉄心の間の距離が長くなる。すると、可動鉄心を吸引するには強い磁力を必要とするので、ソレノイドや磁気回路を大形にする必要がある。
本発明の目的は、可動鉄心の応答性を高めることができる開閉弁を提供することにある。特に、ソレノイド電流を停止した際に、可動鉄心が固定鉄心から離脱して弁座を閉じる閉動作時間を短縮することにある。
本発明の他の目的は、耐久性を高めることができる開閉弁を提供することにある。特に、固定鉄心の磁気吸着面がさびることを防ぎ、耐久性を高めることにある。
本発明の開閉弁は、弁座部を備えたバルブボディと、前記バルブボディとの間で弁室を区画するソレノイドブロックと、コイルが巻き付けられる固定鉄心の磁気吸着面が設けられ、前記バルブボディに対向して前記ソレノイドブロックに設けられる対向端面と、前記弁室に設けられ、前記コイルが通電されると前記磁気吸着面に吸引される可動子と、前記対向端面に設けられ、少なくとも一部が前記可動子に対向する凹部と、前記対向端面に装着され、前記磁気吸着面と前記凹部を覆う樹脂製のシートと、を有し、前記シートと前記凹部により空気室が形成される。
本発明の開閉弁は、固定鉄心の磁気吸着面が樹脂製のシートにより覆われるので、圧縮空気に含まれる水分により磁気吸着面が腐食されることがない。これにより、可動子の開作動時間と閉作動時間が長期間に渡って変わることなく維持される。こうして、開閉弁の耐久性が向上される。また、コイルへの通電を停止したときには、空気室内の圧縮空気によって可動子は弁座部に向けて迅速に駆動される。これにより、可動子が固定鉄心から離脱して弁座を閉じる閉動作時間が短縮される。さらに、シートは接着剤を用いることなく対向端面に装着されるので、接着剤の厚みが不要となり、可動子と固定鉄心の間の距離は短縮される。従って、コイルには大きな磁力が要求されず、コイルを大形化する必要がなく、開閉弁の小型化が実現できる。
一実施の形態である開閉弁を示す一部切欠き正面図である。 図1におけるA−A線断面図である。 図1に示されたソレノイドブロックの対向端面を示す底面図である。 図1のB−B線断面図である。 (A)は図1のC部拡大断面図であり、(B)は(A)のD−D線方向から見たシールの底面図である。 (A)〜(D)は、それぞれ対向端面31に設けられる凹部46の変形例を示すソレノイドブロックの底面図である。 バルブボディとソレノイドブロックを離して隙間をあけ、その隙間に樹脂製のシートを配置した状態を示す断面図である。 (A)はソレノイドブロックの対向端面に樹脂製のシートを介してバルブボディを突き当てた状態を示す断面図であり、(B)は弁室に圧縮空気を供給し凹部内にシートを入り込ませた状態を示す断面図である。 (A)は対向端面に樹脂製のシートが接触されたソレノイドブロックと成形型とを示す断面図であり、(B)は成形型により凹部内にシートを入り込ませた状態を示す断面図である。 (A)は対向端面に樹脂製のシートが接触されたソレノイドブロックと成形用の弾性部材とを示す断面図であり、(B)は弾性部材をシートに押し付けて凹部内にシートを入り込ませた状態を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。開閉弁10は、図1に示されるように、バルブボディ11とソレノイドブロック12とを備えている。バルブボディ11は基部11aとスペーサ11bとを備え、樹脂により成形される。バルブボディ11はソレノイドブロック12に組み付けられる。バルブボディ11は、図2に示されるように、全体的にほぼ長方形であり、ソレノイドブロック12の横断面もほぼ長方形である。バルブボディ11とソレノイドブロック12とを組み立てるために、ソレノイドブロック12の図1における左右両端部内にナット13が設けられる。それぞれのナット13にねじ結合されるねじ部材14が、バルブボディ11の基部11aとスペーサ11bに設けられた貫通孔15に挿入される。なお、基部11aとスペーサ11bとが一体となったバルブボディ11としても良い。ねじ部材14がタッピングねじの場合には、ナット13は不要である。
2つの入力ポート16a,16bと出力ポート17とがバルブボディ11に設けられ、出力ポート17は両方の入力ポート16a,16bの間に設けられている。図1および図2に示されるように、取付孔18がバルブボディ11の両端部に設けられている。それぞれの取付孔18に挿入されるねじ部材19によって、バルブボディ11は図示しない支持部材に装着される。2つの入力ポート16a,16bの一方または双方は、空気圧供給源に接続される。一方、出力ポート17は、図示しない被供給部材に接続され、入力ポートから供給された圧縮空気を被供給部材に流出する。
ソレノイドブロック12は、コイル21が巻き付けられる固定鉄心22を備え、コイル21と固定鉄心22は樹脂製の封止材からなるケース部材23の内部に組み込まれる。固定鉄心22は、平行に延びる脚部22aと、それぞれの脚部22aの基端部を連結する基部22bとを有し、U字形状となっている。コイル21が巻き付けられたボビン24がそれぞれの脚部22aに装着される。カバー25がソレノイドブロック12に装着され、ソケット26がカバー25に設けられている。外部からコイル21に駆動電流を送るためのケーブル27を有するコネクタ28が、ソケット26に着脱自在に装着される。
ソレノイドブロック12は、バルブボディ11に対向する対向端面31を有し、固定鉄心22の先端面である磁気吸着面32が対向端面31に露出している。バルブボディ11とこれに組み付けられるソレノイドブロック12との間で弁室33が区画形成される。それぞれの入力ポート16a,16bは、バルブボディ11に設けられた入力流路34により弁室33に連通し、出力ポート17はバルブボディ11に設けられた出力流路35により弁室33に連通する。入力ポート16a,16bは、弁室33を介して出力ポート17に連通しており、入力ポート16a,16bに流入した圧縮空気は、出力ポート17から外部に供給される。弁座部36が入力流路34と出力流路35との間に設けられ、弁座部36により入力ポート16a,16bと出力ポート17は仕切られている。弁座部36はバルブボディ11に設けられているが、両者は一体であってもよく、別体であってもよい。
図1、図2に示されるように、長方形の板状の金属材料からなる可動子41が弁部材として弁室33内に配置される。可動子41は、弁座部36に対向する開閉面42と、開閉面42の反対側であって対向端面31に対向する当接面43とを有し、弾性材料からなるシール部材44が開閉面42に設けられている。可動子41とスペーサ11bの内周面との間に、図1、図2に示されるように、隙間45が設けられている。隙間45は入力ポート16a,16bに連通している。したがって、コイル21に駆動電流が通電されていないときに、圧縮空気が入力ポート16a,16bに供給されると、圧縮空気は隙間45を通って、弁室33内に入り、可動子41の当接面43とソレノイドブロック12との間に入り込む。すると、圧縮空気の圧力が可動子41の当接面43に加えられる。つまり、弁座部36に向かう方向の力が可動子41に加えられる。これにより、出力ポート17は可動子41により閉じられて、入力ポート16a,16bから出力ポート17への圧縮空気の流れが遮断され、開閉弁10は閉状態となる。
一方、コイル21に駆動電流が通電されると、固定鉄心22と可動子41に磁気回路が形成され、可動子41は固定鉄心22の磁気吸着面32に向けて弁座部36から離れる。これにより、出力ポート17は開放されて開閉弁10は開状態となり、入力ポート16a,16bから出力ポート17に向けて圧縮空気が供給される。
図5(A)に示されるように、凹部46がソレノイドブロック12の対向端面31に設けられている。図3に示されるように、凹部46はそれぞれの磁気吸着面32を囲むように対向端面31に環状に設けられている。なお、図3において、二点鎖線は可動子41の外形を示し、コイル21に駆動電流が通電されると、二点鎖線の場所に可動子41が当接する。
凹部46は、図3において磁気吸着面32を囲むように、対向端面31に環状に設けられている。しかし、凹部46の形状は、磁気吸着面32を囲む形状に限定されず、また環状に限定されない。
図6(A)〜図6(D)は、それぞれ対向端面31に設けられる凹部46の変形例を示すソレノイドブロック12の底面図である。図6(A)に示される凹部46は、図3に示された凹部46が一体に連なってそれぞれの磁気吸着面32を囲む形状である。図6(B)に示される凹部46は、磁気吸着面32の両側に延びる部分46aと、磁気吸着面32の端部に近接した部分46bとを備えている。図6(C)に示される凹部46は、磁気吸着面32の外側にC字形状となっている。さらに、図6(D)に示される凹部46は、磁気吸着面32の端部に沿って延びる直線形状部46cと、磁気吸着面32の側面に沿って配置されるスポット状の部分46dとを備えている。図6に示されるように、凹部46は磁気吸着面32を囲まない形状であってもよく、凹部46が直線形状であっても良く、C字形状であっても良い。
このように、凹部46うち、少なくても一部が可動子41に対向していればよい。凹部46うち、可動子41に対向していない部分は、コイル21に駆動電流が通電され可動子41が固定鉄心22に吸引されているときにも、可動子41によって覆われることはない。
樹脂製のシート47がバルブボディ11とソレノイドブロック12との間に挟み込まれ、対向端面31にシート47が装着される。シート47をバルブボディ11とソレノイドブロック12との間に位置決めするために、図4に示されるように、位置決め突起48がスペーサ11bに設けられ、位置決め突起48が挿入される位置決め孔49が図3に示されるようにソレノイドブロック12に設けられている。位置決め突起48と位置決め孔49に対応して、シート47には位置決め孔58が設けられる。シート47は平面形状となっており、接着剤を使用することなく、位置決め突起48と位置決め孔49によって位置決めされて、バルブボディ11とソレノイドブロック12との間に挟み込まれる。シート47がバルブボディ11とソレノイドブロック12との間に挟み込まれると、シート47は対向端面31に接するように対向端面31に装着される。シート47が対向端面31に装着されることにより、磁気吸着面32と凹部46を含む対向端面31はシート47により覆われる。
組み立てられた開閉弁10の入力ポート16aに圧縮空気が供給されると、圧縮空気の圧力によって、弁室33には膨張する方向の力が与えられる。この力によって、シート47はソレノイドブロック12に向かって張り付き、凹部46に対応する位置のシート47は、凹部46の底部に向かって変形する。その結果、シート47は凹部46に入り込み、凹部46の底部に接する。図5(A)は、シート47が凹部46の底部に向かって変形した後の形状を示す。このようにして、シート47が可動子41に対向する面には、凹部46に対応する形状の空気室52が形成される。変形後のシート47は、磁気吸着面32と凹部46を覆う被覆層51を形成する。
凹部46に対応する形状の空気室52は、コイル21に駆動電流が通電され可動子41が固定鉄心22に吸引されているときにも、可動子41によって覆われることはない。従って、可動子41が固定鉄心22に吸引されているときにも、空気室52は弁室33を介して入力流路34に連通する。したがって、空気室52に対向する可動子41の面に、圧縮空気の圧力が加えられる。弁座部36に対向する可動子41の面にも圧縮空気の圧力が加えられるので、単位面積あたりについては、両者の力は相殺されることになる。
図においては、凹部46およびシート47は、誇張して示されている。凹部46の深さは、例えば200〜500μmであり、シート47の厚みは、例えば30〜100μmである。
このように、ソレノイドブロック12の対向端面31はシート47により覆われているので、入力ポート16a,16bから弁室33内に流入した圧縮空気が固定鉄心22の磁気吸着面32に触れることがない。したがって、圧縮空気に含まれる水分により磁気吸着面32が腐食されることがなく、長期間に渡って可動子41の開閉作動特性を高精度に維持することができる。これにより、開閉弁10の耐久性を向上させることができる。
また、コイル21が通電されて、可動子41が磁気吸着面32に向けて開放移動すると、可動子41の当接面43の全体がシート47に当接することなく、可動子41は凹部46を除いた部分に当接する。しかも、可動子41が磁気吸着面32に向けて開放移動して当接した後も、空気室52は入力流路34に連通しているので、圧縮空気が入った状態となっている。したがって、コイル21への通電を停止した直後は、可動子41に関して、出力ポート17に面した開閉面42側の圧力が最初に下がり、空気室52がある磁気吸着面32に面した当接面43側の圧力は高い。つまり、開閉面42側にかかる力と、当接面43側にかかる力の差により、可動子41は弁座部36に向けて押される。この力の差が生じる時間は短いが、可動子41を弁座部36に向けて押し出すには十分な時間である。このように、空気室52内の圧縮空気の力によって、可動子41は迅速に被覆層51から離れて弁座部36に向けて移動する。これにより、可動子41が固定鉄心から離脱して弁座を閉じる閉動作時間が短縮される。1秒間に50回から400回程度の作動頻度を要求される開閉弁においては、以上の効果は著しい。
さらに、シート47は、ソレノイドブロック12の対向端面31とバルブボディ11との間に挟み込まれている。したがって、接着剤を用いることなく、ソレノイドブロック12の対向端面31にシート47が装着されており、接着剤の厚みはない。従って、薄いシート47だけで磁気吸着面32を被覆することができる。これにより、可動子と固定鉄心の間の距離は短縮される。従って、コイルには大きな磁力が要求されず、コイル21を大形化する必要がなく、開閉弁の小型化が実現できる。さらに、コイル21に通電したときに可動子41は短時間のうちに固定鉄心22に向けて移動するので、可動子41の応答性を高めることができる。
図7は、バルブボディ11とソレノイドブロック12との間に、樹脂製のシートが隙間を介して配置された状態を、概略的に示す断面図である。図8〜図10は、それぞれソレノイドブロック12の対向端面31にシート47を装着するための装着方式を示す概略断面図である。図7〜図10においては、凹部46の深さとシート47の厚みは誇張して示されている。
シート47はソレノイドブロック12の対向端面31の全面に渡って装着される。従って、弁室33に供給される圧縮空気は、ソレノイドブロック12の内部に入ることはない。これにより、ソレノイドブロック12の内部に、気密性を保つためのシール材などを配置する必要がない。また、シート47はバルブボディ11とソレノイドブロック12の間に挟みこまれるので、シート47はバルブボディ11とソレノイドブロック12の間をシールすることになる。従って、バルブボディ11とソレノイドブロック12の間に、気密性を保つためのシール材などを配置する必要がない。
図8に示すシート47の装着方式においては、図8(A)に示されるように、開閉弁10を組み立てる。これにより、シート47はバルブボディ11とソレノイドブロック12の対向端面31との間に挟み付けられた状態となる。この状態のもとで、2つの入力ポート16a,16bの一方または双方に圧縮空気を供給する。入力ポートに供給された圧縮空気は、隙間45を介して弁室33内に流入する。弁室33内に圧縮空気が流入すると、可動子41の当接面43とシート47との間のスペースに流入した圧縮空気によりシート47は変形し、凹部46の内面形状に倣ってシート47が凹部46内に入り込む。これにより、図8(B)に示されるように、磁気吸着面32はシート47の被覆層51の部分により覆われる。また、凹部46の内面はシート47の変形部により覆われて、空気室52がシート47により形成される。
この装着方式においては、開閉弁10を組み立てた後に、弁室33内に圧縮空気を供給することにより、対向端面31の凹凸形状に対応した形状にシート47を変形させることができる。ただし、ねじ部材14を用いて開閉弁10を組み立てることなく、シート47をバルブボディ11とソレノイドブロック12との間に挟み付けた仮組立状態として、弁室33内に圧縮空気を供給するようにしても良い。
図9に示すシート47の装着方式においては、凹部46内に入り込む突起部55が設けられた成形型56が用いられる。成形型56は、硬質樹脂や金属により形成され、対向端面31の凹凸に対応した長方形の成形面を有する。シート47をソレノイドブロック12に装着するには、ソレノイドブロック12の対向端面31にシート47を接触させた状態のもとで、成形型56をソレノイドブロック12に押し付ける。これにより、図9(B)に示されるように、突起部55がシート47を介して凹部46内に入り込んだ状態となる。成形型56がソレノイドブロック12に押し付けられると、磁気吸着面32はシート47の被覆層51により覆われる。また、凹部46の内面はシート47の変形部により覆われて、空気室52がシート47により形成される。このように、成形型56を用いる場合においては、突起部55のみをゴム等の弾性部材により成形した成形型としても良い。
図10に示すシート47の装着方式においては、ゴム等の弾性部材57が用いられる。弾性部材57は対向端面31に対応した長方形の成形面を有する。シート47をソレノイドブロック12に装着するには、ソレノイドブロック12の対向端面31にシート47を接触させた状態のもとで、弾性部材57をソレノイドブロック12に押し付ける。これにより、図10(B)に示されるように、弾性部材57のうち凹部46に対応する部分は、弾性変形してシート47を介して凹部46内に入り込んだ状態となる。弾性部材57がソレノイドブロック12に押し付けられると、磁気吸着面32はシート47の被覆層51により覆われる。また、凹部46の内面はシート47の変形部により覆われて、空気室52がシート47により形成される。弾性部材57によりシート47をソレノイドブロック12に装着する場合には、弾性部材57に、図9に示されるように、突起部を設けるようにしても良い。
図8〜図10に示されるように、凹部46内にシート47の一部を変形させて入り込ませることにより、シート47は対向端面31の凹凸形状に倣った断面形状となり、接着剤を用いてシート47を対向端面31に装着することなく、確実にシート47を対向端面31に装着することができる。これにより、接着剤の厚みを排除して、薄いシート47のみによって磁気吸着面32を被覆することができるとともに、空気室52を形成することができる。薄いシート47により磁気吸着面32を被覆することができるので、可動子と固定鉄心の間の距離は短縮される。従って、可動子41の応答性を高めることができる。
なお、図1や図5において、可動子41が弁座部36に対向する面には、シール部材44が設けられているが、シール部材44を設けることなく、可動子41の平坦面が弁座部36に直接的に対向してもよい。その場合には、可動子41の平坦面が弁座部36の弁座に当接して、弁が閉じることになる。
また、固定鉄心22の磁気吸着面32は、対向端面31において露出することなく、薄い樹脂で覆われていてもよい。この場合でも、接着剤の厚みを排除できるので、可動子と固定鉄心の間の距離は短縮される。従って、可動子41の応答性を高めることができる。
この開閉弁10は、空気圧源から供給される圧縮空気を被供給部材に供給するための空気圧システムに適用される。

Claims (7)

  1. 弁座部を備えたバルブボディと、
    前記バルブボディとの間で弁室を区画するソレノイドブロックと、
    コイルが巻き付けられる固定鉄心の磁気吸着面が設けられ、前記バルブボディに対向して前記ソレノイドブロックに設けられる対向端面と、
    前記弁室に設けられ、前記コイルが通電されると前記磁気吸着面に吸引される可動子と、
    前記対向端面に設けられ、少なくとも一部が前記可動子に対向する凹部と、
    前記対向端面に装着され、前記磁気吸着面と前記凹部を覆う樹脂製のシートと、を有し、
    前記シートと前記凹部により空気室が形成される、開閉弁。
  2. 請求項1記載の開閉弁において、
    前記磁気吸着面は前記対向端面に露出して設けられ、前記樹脂製のシートで覆われる、開閉弁。
  3. 請求項1または2記載の開閉弁において、前記シートは前記バルブボディと前記ソレノイドブロックとの間に挟み付けられている、開閉弁。
  4. 請求項3記載の開閉弁において、前記シートには位置決め突起が挿入される位置決め孔が設けられる、開閉弁。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の開閉弁において、前記バルブボディと前記ソレノイドブロックとの間に装着された前記シートを、前記弁室内に供給される圧縮空気により変形させて、前記凹部内に前記空気室形成る、開閉弁。
  6. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の開閉弁において、前記ソレノイドブロックの対向端面に接触させた前記シートを、前記凹部内に入り込む突起部を有する成形型により変形させて、前記凹部内に前記空気室形成る、開閉弁。
  7. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の開閉弁において、前記ソレノイドブロックの対向端面に接触させた前記シートを、弾性部材により変形させて前記凹部内に前記空気室形成る、開閉弁。
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