WO2011102257A1 - 電磁弁用ソレノイド - Google Patents

Abstract

　可動鉄心と磁気プレートとの間の隙間に起因する磁気抵抗を低減させ、磁気効率を向上させた電磁弁用ソレノイドを得る。このため、可動鉄心の周囲に配設されて磁気枠と該可動鉄心との間の磁路を形成する磁気プレートに、該可動鉄心の表面に沿って固定鉄心の方向に延出する延出部を形成し、該可動鉄心の外周の上記磁気プレートの内周面と対面する対面部分の面積Ｓａと、該可動鉄心の断面積Ｓｂとを、Ｋ＝Ｓａ／Ｓｂ，Ｋ＞１とし、且つ、上記磁気プレートの内周面の軸線方向長さをｈ、固定鉄心から離間した位置にある可動鉄心の吸引力作用面から上記磁気プレートの前端部までの長さをＬとするとき、２≦Ｋ≦〔ｈ＝ＬとなるときのＫの値〕に設定する。

Description

電磁弁用ソレノイド

　本発明は、励磁コイルの励磁及び消磁により可動鉄心を駆動する電磁弁用ソレノイドに関するものであり、更に具体的には、既存の電磁弁用ソレノイドに格別の部品を付加することなく、単純な構造の変更により磁気効率を向上させるようにした電磁弁用ソレノイドに関するものである。

　従来から、例えば特許文献１等により知られている電磁弁用ソレノイドのように、励磁コイルを巻いたボビンの中心孔に固定鉄心を装着すると共に、該中心孔に可動鉄心を摺動自在に挿入し、上記ボビンを囲むカバー状に形成された磁気枠と上記固定鉄心の可動鉄心とは反対側端において磁路が繋がり、また、上記可動鉄心における固定鉄心との吸引力作用面とは反対側の周囲に、上記磁気枠と可動鉄心との間の磁路を形成する磁気プレートを配設し、上記励磁コイルへの電流の通断により可動鉄心を固定鉄心側に吸引させ、あるいは、復帰スプリングの付勢力により該固定鉄心から離間させて、弁部材を開閉駆動するようにしたものにおいて、上記磁気プレートにおける可動鉄心の外周面との対面部分を可動鉄心の表面に沿って固定鉄心側に延出させたものは、既に知られている。

　上記電磁弁用ソレノイドにおいては、固定鉄心からボビンを囲む磁気枠及び磁気プレート内を通して可動鉄心に至り、固定鉄心に戻る磁路が形成されるが、この磁路中での大きな磁気抵抗になるのは、可動鉄心と固定鉄心との間のギャップと、可動鉄心と磁気プレートとの間の隙間であり、他に磁気抵抗が比較的大きくなる部分があっても構造の改変でそれを小さくすることが比較的容易なものである。

　そして、上記可動鉄心と固定鉄心との間のギャップは、励磁コイルへの通電時における可動鉄心のストローク分であるため、弁構造等によってそのストロークをできるだけ小さくすることにより磁気抵抗を小さくすることができるにしても、本来必要不可欠のものであり、一方、上記可動鉄心と磁気プレートとの間の隙間も大きな磁気抵抗になるが、その隙間は可動鉄心をその磁気プレートに接触させることなくストロークさせるために必要なものであり、しかしながら、何らかの手段でこの磁気抵抗を小さくすることにより電磁弁用ソレノイドの磁気効率を向上させることができる。

特開２００２－１８８７４５号公報

　本発明の技術的課題は、既存の電磁弁用ソレノイドに格別の部品を付加することなく、単純な構造の変更により可動鉄心と磁気プレートとの間の隙間に起因する磁気抵抗を低減させ、それによって磁気効率を向上させるようにした電磁弁用ソレノイドを提供することにある。

　上記課題を解決するため、本発明によれば、励磁コイルを巻いたボビンと、該ボビンの中心孔内に装着されて前端に吸引力作用面を有する固定鉄心と、該ボビンの中心孔内に摺動可能に挿入されて、上記固定鉄心の吸引力作用面に対向する吸引力作用面を有し、上記励磁コイルへの通電により該固定鉄心に吸引され、復帰スプリングにより該固定鉄心から離間する方向に付勢される可動鉄心と、上記ボビンを囲むカバー状に形成され、上記固定鉄心の後端側において該固定鉄心と磁路で連なっている磁気枠と、上記可動鉄心の周囲に配設されて上記磁気枠と該可動鉄心との間の磁路を形成する磁気プレートとを備えた電磁弁用ソレノイドにおいて、上記磁気プレートは、外周が上記磁気枠に接触するプレート本体と、該プレート本体の内周側に上記可動鉄心の表面に沿って上記固定鉄心の方向に延出するように形成された延出部とを有し、上記可動鉄心の外周の上記磁気プレートの内周面と対面する対面部分の面積Ｓａと、該可動鉄心の軸線と直交する断面の断面積Ｓｂとを、
　　Ｋ＝Ｓａ／Ｓｂ ，　Ｋ＞１
とし、且つ、上記磁気プレートの内周面の軸線方向長さをｈとし、復帰スプリングにより固定鉄心から離間させられた位置にある可動鉄心の上記吸引力作用面から上記磁気プレートの前端部までの長さをＬとするとき、
　　２≦Ｋ≦〔ｈ＝ＬとなるときのＫの値〕
としたことを特徴とする電磁弁用ソレノイドが提供される。

　本発明において好ましくは、上記磁気プレートの延出部が上記プレート本体から延出する長さは、該プレート本体の厚みより大きいことである。
　本発明に係る電磁弁用ソレノイドの好ましい実施形態において、上記固定鉄心、可動鉄心、ボビンの中心孔、及び磁気プレートの内孔の各断面形状は、円形、長円形または長方形の何れかである。

　以上に詳述した本発明の電磁弁用ソレノイドによれば、既存の電磁弁用ソレノイドに格別の部品を付加することなく、単純な構造の変更により可動鉄心と磁気プレートとの間の隙間に起因する磁気抵抗を低減させ、それによって磁気効率を向上させるようにした電磁弁用ソレノイドを得ることができる。

本発明に係るソレノイドを備えた電磁弁の実施例を示す縦断面図である。 上記実施例の半断側面図である。 上記実施例の分解斜視図である。 上記実施例におけるソレノイドの形状パラメータを示した説明図である。 上記実施例における可動鉄心の形状パラメータを示した斜視説明図である。 後記（１）式の関係を示すグラフである。 後記（２）式の関係を示すグラフである。

　以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
　図１－図３は、本発明に係る電磁弁用ソレノイドを備えた電磁弁の実施例を示し、特に該電磁弁用ソレノイドを含む電磁弁の全体の具体的構成例を示している。この電磁弁は、大きく分けると、流体の流路が切り換えられる弁部１と、該弁部１における弁部材を切換駆動するソレノイド部３とによって構成されている。上記ソレノイド部３は、本発明の電磁弁用ソレノイドによって構成されるものである。なお、図１及び図２は、ソレノイド部３における励磁コイルの消磁時の状態を示している。

　上記弁部１は、弁本体１０を有し、該弁本体１０内に入力ポートＰ、出力ポートＡ及び排出ポートＲが連通する弁室１１を備えている。該弁室１１を構成する孔は、弁本体１０の上記ソレノイド部３とは反対側の端部に開放していて、該孔内の周囲がシール部材１３によりシールされた状態で弁座体１２により閉鎖されている。該弁座体１２には上記入力ポートＰに連通する流路１４が設けられ、該流路１４の内端は、上記弁室１１内の中央において、上記排出ポートＲに連通した排出弁座１６に対向する位置の供給弁座１５に連通し、上記弁室１１内における供給弁座１５と排出弁座１６との間に弁部材１７が収容されている。

　上記弁部材１７は、上記ソレノイド部３への通電または通電の解除により上記供給弁座１５及び排出弁座１６に接離して流路を開閉するものである。該ソレノイド部３により該弁部材１７を開閉動作させるため、該弁部材１７は、それを保持するホルダー１８に収容され、該ホルダー１８と一体化された一対のプッシュロッド１９が、排出弁座１６を跨ぐ位置において弁本体１０中をソレノイド部３側に導出され、その先端が、弁本体１０に形成された上記ソレノイド部３との間の凹部１０ａ内において、ソレノイド部３の後述する可動鉄心３６に当接している。また、上記弁部材１７と弁座体１２における供給弁座１５の周囲におけるばね受け部２０との間に、弁部材１７を排出弁座１６側に付勢する弁ばね２１が設けられている。なお、図中２３は弁座体１２を弁本体１０に固定するための抑え材である。

　一方、上記ソレノイド部３は、横断面形状が略矩形状をした中空の磁気枠３０を備えている。該磁気枠３０の一端は開放して他端は閉じられ、この磁気枠３０の内部に中空状のボビン３２が収容され、該ボビン３２の端部は上記磁気枠３０の内奥部にシール部材３１を介して当接し、該ボビン３２の外周には励磁コイル３３が巻回され、該励磁コイル３３の両端がコイル端子３３ａ（図３参照）に接続されている。

　上記ボビン３２の長円形状をした中心孔３２ａ内には、固定鉄心３５が、フランジ部３５ｂが形成されている後端側の端面を磁気枠３０の内面に接触させて配設され、また、該ボビン３２の中心孔３２ａ内には、上記固定鉄心３５に接離する方向に摺動自在に可動鉄心３６が嵌挿されている。上記固定鉄心３５と該可動鉄心３６とは、何れも長円形の断面形状を有するもので、該固定鉄心３５と可動鉄心３６との相対する端面には、それぞれ平坦な吸引力作用面３５ａ，３６ａが形成され、上記励磁コイル３３への通電時に、該吸引力作用面３５ａ，３６ａに作用する磁気吸引力によって可動鉄心３６が固定鉄心３５に吸引されるものである。

　上記固定鉄心３５の断面形状は、上記フランジ部３５ｂが形成されている後端部分を除いて均一であり、また、上記可動鉄心３６も、後述するキャップ３８が係止するフランジ部３６ｂが形成されている前端部分を除いて均一である。

　上記磁気枠３０は、上記ボビン３２を囲むカバー状に形成され、固定鉄心３５の上記吸引力作用面３５ａと反対側の後端面に接触することにより、該固定鉄心３５と磁路で繋がっている。該磁気枠３０は、また、上記可動鉄心３６の吸引力作用面３６ａと反対側の前端部近くで該可動鉄心３６の周囲に配設された中空状の磁気プレート３７により、該可動鉄心３６と磁路で繋がっている。

　上記磁気プレート３７は、矩形の外周形状を有するプレート本体３７ａと、該プレート本体３７ａの内周側に上記可動鉄心３６の表面に沿って上記固定鉄心３５側に向けて延出するように一体に形成された延出部３７ｂと、長円形状をした内孔３７ｃとを有するもので、上記プレート本体３７ａの外周面が上記磁気枠３０の開口端側において該磁気枠３０の内周面に接触している。上記延出部３７ｂは、先端側ほど厚みが次第に薄くなるように形成され、また、該延出部３７ｂがプレート本体３７ａから延出する長さは、該プレート本体３７ａの厚みより大きく形成されている。上記磁気プレート３７の内孔３７ｃは全長にわたって均一な孔形状を有し、該磁気プレート３７の内周面３７ｄは、上記可動鉄心３６の外周面の一部に隙間ａを介して可及的に近接した状態で対面している。

　上記ボビン３２の中心孔３２ａと磁気プレート３７の内孔３７ｃは同一形状である。また、上記可動鉄心３６の弁部１側の先端外周には、合成樹脂からなる上記キャップ３８が吸引力作用面３６ａ側から嵌着され、該可動鉄心３６の前端のフランジ部３６bに係止することによって前方に抜け出さないようになっており、該キャップ３８と上記磁気プレート３７との間に復帰スプリング３９が装着され、該復帰スプリング３９により該可動鉄心３６が固定鉄心３５から離間する方向に付勢されている。

　したがって、上記固定鉄心３５からボビン３２を囲む磁気枠３０及び磁気プレート３７内を通して可動鉄心３６に至り、更に、該可動鉄心３６からギャップｂを介して上記固定鉄心３５に戻る磁路が形成されている。上記ギャップｂは、励磁コイル３３への通電時における可動鉄心３６のストロークに相当する。また、可動鉄心３６の外周面と磁気プレート３７の内周面３７ｄとの間には、該可動鉄心３６を磁気プレート３７に接触させることなくストロークさせるために必要な上記隙間ａが形成されている（図４参照）。

　上記ソレノイド部３は、弁本体１０の上部に、上記磁気枠３０の一部３０ａを折曲係止させることにより取り付けられ、それによって、上記可動鉄心３６の先端が、弁本体１０における上記ソレノイド部３との間の凹部１０ａ内において、前記弁部材１７のホルダー１８と一体化された一対のプッシュロッド１９の先端に対して当接する位置に配設されている。

　上記構成を有する電磁弁において、励磁コイル３３に非通電のときには、図１及び図２に示すように、復帰スプリング３９の付勢力により可動鉄心３６が固定鉄心３５から離間する位置に移動し、プッシュロッド１９を介して弁部材１７を押圧するので、該弁部材１７が供給弁座１５を閉鎖し、排出弁座１６が開放される。なお、上記キャップ３８と磁気プレート３７との間に装着した可動鉄心３６の復帰スプリング３９は、その付勢力が弁部材１７を排出弁座１６側に付勢する弁ばね２１の付勢力より大きく設定されている。
　一方、上記励磁コイル３３に通電してそれを励磁すると、該復帰スプリング３９の付勢力に抗して可動鉄心３６が固定鉄心３５に吸着されるので、弁部材１７が弁ばね２１の付勢力により上記供給弁座１５を開放すると共に排出弁座１６が閉鎖される。

　図１－図３に示す実施例では、固定鉄心３５、可動鉄心３６、ボビン３２の中心孔３２ａ、及び磁気プレート３７の内孔３７ｃの断面形状を、二つの向かい合う半円の端部同士を直線で結んだ形状である長円形としているが、当該断面形状は、上記長円形に限らず、図５に示す可動鉄心３６のような円形にすることも、あるいは略長方形にすることもできる。

　上記電磁弁においては、従来の電磁弁用ソレノイドに比して、単純な構造の変更を施すこだけで可動鉄心３６と磁気プレート３７との間の隙間ａに起因する磁気抵抗を低減させるため、図４－図７を参照して以下に説明するような構成を採用している。なお、図４及び５では、便宜上、可動鉄心３６、固定鉄心３５、及び磁気プレート３７の内孔３７ｃの断面形状が円形である場合が示されているが、該断面形状が長円形や矩形であっても同様である。

　上記磁気抵抗を低減させる構成は、結論的に、図５に示すように、上記可動鉄心３６の外周における上記磁気プレート３７の内周面３７ｄと対面する対面部分３６ｃ（斜線の部分）の面積Ｓ_ａと、該可動鉄心３６における軸線と直交する断面の断面積Ｓ_ｂとを、
　　Ｋ＝Ｓ_ａ／Ｓ_ｂ ，　Ｋ＞１
とし、且つ、図４に示すように、上記磁気プレート３７の内周面３７ｄ（したがって可動鉄心３６の対面部分３６ｃ）の軸線方向長さをｈとし、復帰スプリング３９により固定鉄心３５から離間させられた位置にある可動鉄心３６の上記吸引力作用面３６ａから上記磁気プレート３７の前端部３７ｅまでの長さをＬとするとき、
　　２≦Ｋ≦〔ｈ＝ＬとなるときのＫの値〕
となるようにするものである。

　上述したところを数式を用いて更に具体的に説明すると、まず、上記可動鉄心３６の外周面と磁気プレート３７の内周面３７ｄとの間の隙間ａにおける磁気抵抗Ｒ_ａ、及び固定鉄心３５と可動鉄心３６との間のギャップ（可動鉄心３６のストローク）ｂにおける磁気抵抗Ｒ_ｂは、
　　Ｒ_ａ＝Ｃ・ａ／Ｓ_ａ
　　Ｒ_ｂ＝Ｃ・ｂ／Ｓ_ｂ
　　　但し、Ｃ＝１／μ＝１／μ_ｏ・μ_ｓ
 　　 μ＝透磁率［Ｈ／ｍ］
　　　μ_ｏ＝真空の透磁率＝４π×１０^－７［Ｈ／ｍ］
　　　μ_ｓ＝比透磁率
と表される。

　そして、上記両磁気抵抗Ｒ_ａ，Ｒ_ｂの合成抵抗をＲ_ｔとすると、
　　Ｒ_ｔ＝Ｒ_ａ＋Ｒ_ｂ＝Ｃ（ａ／Ｓ_ａ＋ｂ／Ｓ_ｂ）
であり、ここで、Ｃ≒１とみなすと、
　　Ｒ_ｔ≒（ａ・Ｓ_ｂ＋ｂ・Ｓ_ａ）／Ｓ_ａ・Ｓ_ｂ
と表すことができる。

　上式において、磁気プレート３７の内周面３７ｄと可動鉄心３６との間の隙間ａと、固定鉄心３５と可動鉄心３６との間のギャップｂとは、いずれも磁気効率を低下させるものではあるが、ギャップｂは実際の可動鉄心３６のストロークであって、一般的にはａ≦ｂに設計される。そして、上記ギャップ以外の部分（隙間ａ等）において、少なくとも可動鉄心のストロークのための上記ギャップｂよりも磁気抵抗が大きくならないようにする必要があることから、上式による計算を簡単化するにあたって、ａ＝ｂとして、次式を得ることができる。
　　Ｒ_ｔ′＝（Ｓ_ｂ＋Ｓ_ａ）／Ｓ_ａ・Ｓ_ｂ
　　　但し、Ｒ_ｔ′＝Ｒ_ｔ／ｂ

　ここで、前述したように、図５に示す上記可動鉄心３６の外周における対面部分３６ｃの面積Ｓ_ａと、該可動鉄心３６の断面積Ｓｂとを、
　　Ｋ＝Ｓ_ａ／Ｓ_ｂ ，　Ｋ＞１
とし、つまり、Ｓ_ａをＳ_ｂのＫ倍であるとして、それを上記Ｒｔ′の式に代入したうえで整理すると、
　　Ｒ_ｔ′×Ｓ_ｂ＝Ｒ_ｔ″＝（Ｋ＋１）／Ｋ＝１／Ｙ
　　Ｙ＝Ｋ／（Ｋ＋１）　　　　　　　　　　　・・・（１）
を得る。上記（１）式からすれば、Ｙが大きいほど効率がよいことになる。

　そこで、上記（１）式におけるＫが変化したときのＹの変化率を見るために，同式を微分すると、
　　Ｙ′＝１／（Ｋ＋１）^２　　　　　　　　　　・・・（２）
を得る。
　図６及び図７は、上記（１）式のＹ及び（２）式のＹ′の変化を可視化するためのグラフであり、図７によれば、Ｋ≧２において変化率の変動が小さくなって当該変化率が１０％以下になり、６５％以上の効率を得ることができる。
　従って、上述したように、長さＬを図４に示すように設定すると、
　　２≦Ｋ≦〔ｈ＝ＬとなるときのＫの値〕　　・・・（３）
となるようにするのが効率的に望ましいことになる。

　なお、図６及び図７によれば、Ｋ≧３において７５％以上の効率を得ることができ、Ｋ≧４において８０％以上の効率を得ることができ、これらは磁気プレートの製造上の問題がなければより望ましい範囲と言うことができる。

　また、上述した（３）式に基づいてＫの値を〔ｈ＝ＬとなるときのＫの値〕に近いものにすると、磁気プレート３７の延出部３７ｂの先端から固定鉄心３５に向けて漏洩する磁束が生じる可能性があり、これは、固定鉄心３５や可動鉄心３６の形状等の各種パラメータの影響を受けるため、一概にどのような値になるかを説明できないが、そのような磁束の漏洩が生じる可能性がある程度にＫの値を大きくする場合には、磁気プレート３７の延出部３７ｂの先端から直接固定鉄心３５に向けて漏洩する磁束を抑制するに必要な距離ｄを実験等により予め求めて、
　　２≦Ｋ≦〔ｈ＝Ｌ－ｄとなるときのＫの値〕
とする必要がある。また、この場合には、磁気プレート３７の延出部３７ｂの先端側をできるだけ薄くするなど、その形状についても考慮する余地がある。

　　３０　　　磁気枠
　　３２　　　ボビン
　　３２ａ　　　中心孔
　　３３　　　励磁コイル
　　３５　　　固定鉄心
　　３６　　　可動鉄心
　　３６ｃ　　　対面部分
　　３５ａ，３６ａ　　　吸引力作用面
　　３７　　　磁気プレート
　　３７ａ　　　プレート本体
　　３７ｂ　　　延出部
　　３７ｃ　　　内孔
　　３７ｄ　　　内周面
　　３９　　復帰スプリング

Claims (3)

1. 　励磁コイルを巻いたボビンと、該ボビンの中心孔内に装着されて前端に吸引力作用面を有する固定鉄心と、該ボビンの中心孔内に摺動可能に挿入されて、上記固定鉄心の吸引力作用面に対向する吸引力作用面を有し、上記励磁コイルへの通電により該固定鉄心に吸引され、復帰スプリングにより該固定鉄心から離間する方向に付勢される可動鉄心と、上記ボビンを囲むカバー状に形成され、上記固定鉄心の後端側において該固定鉄心と磁路で連なっている磁気枠と、上記可動鉄心の周囲に配設されて上記磁気枠と該可動鉄心との間の磁路を形成する磁気プレートとを備えた電磁弁用ソレノイドにおいて、
   　上記磁気プレートは、外周が上記磁気枠に接触するプレート本体と、該プレート本体の内周側に上記可動鉄心の表面に沿って上記固定鉄心の方向に延出するように形成された延出部とを有し、
   　上記可動鉄心の外周の上記磁気プレートの内周面と対面する対面部分の面積Ｓａと、該可動鉄心の軸線と直交する断面の断面積Ｓｂとを、
   　　Ｋ＝Ｓａ／Ｓｂ ，　Ｋ＞１
   とし、且つ、上記磁気プレートの内周面の軸線方向長さをｈとし、復帰スプリングにより固定鉄心から離間させられた位置にある可動鉄心の上記吸引力作用面から上記磁気プレートの前端部までの長さをＬとするとき、
   　　２≦Ｋ≦〔ｈ＝ＬとなるときのＫの値〕
   とした、
   ことを特徴とする電磁弁用ソレノイド。
   
2. 　上記磁気プレートの延出部が上記プレート本体から延出する長さは、該プレート本体の厚みより大きいことを特徴とする請求項１に記載の電磁弁用ソレノイド。
   
3. 　上記固定鉄心、可動鉄心、ボビンの中心孔、及び磁気プレートの内孔の各断面形状は、円形、長円形または長方形の何れかであることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁弁用ソレノイド。

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