JP2007120475A - 往復動型ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】往復動型ポンプにおいて、小型化及び高効率化を達成する。
【解決手段】シリンダ１７にピストン１８を摺動可能に嵌装し、シリンダ１７の両端部にコイル２２Ａ、２２Ｂを配置する。環状のアウタヨーク１９Ａ、１９Ｂ及びインナヨーク２０Ａ、２０Ｂによってコイル２２Ａ、２２Ｂの磁路を形成し、これらの間の環状空間２９Ａ、２９Ｂによってピストン１８に取付けられた環状のプランジャ２８Ａ、２８Ｂを吸引する。コイル２２Ａ、２２Ｂを交互に通電して励磁し、ピストン１８を往復運動させることによってポンプ動作を行う。環状のアウタヨーク１９Ａ、１９Ｂとインナヨーク２０Ａ、２０Ｂとの間の環状空間２９Ａ、２９Ｂによって環状のプランジャ２８Ａ、２８Ｂを吸引することにより、磁束の通路を拡大すると共に、漏れ磁束を減少させて、吸引力を増大させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の制動装置の気圧式倍力装置の負圧源等として使用することができる往復動型ポンプに関するものである。

一般的に、自動車の制動装置においては、制動力を高めるために気圧式倍力装置が設けられている。気圧式倍力装置は、エンジンの吸気装置、真空ポンプ等の負圧源によって発生した負圧を定圧室（負圧室）に導入し、この負圧と大気圧との差圧によってパワーピストンに推力を発生させて、制動装置の操作力を補助する。

気圧式倍力装置の負圧源として使用される真空ポンプとしては、一般的に、構造が簡単で、堅牢かつ安価であることから、例えば特許文献１に記載されているようなソレノイド駆動の往復動型真空ポンプが使用されている。
特開昭５６−２０７８５号公報

上記特許文献１に記載された往復動型真空ポンプは、可動シリンダの内部に固定ピストンを嵌装して、可動シリンダ内の固定ピストンの両側に２つのポンプ室を形成し、可動シリンダの外周部の両側に２つのコイルを配置した構造となっている。これにより、２つのコイルに交互に通電して励磁することよって、可動シリンダを交互に吸引して往復運動させ、２つのポンプ室を拡縮させてポンプ動作を行う。

しかしながら、上記特許文献１に記載された往復動型真空ポンプでは、可動シリンダの外周部にコイルが配置されているため、巻線が長く、電気抵抗が大きいので、作動電圧を大きくする必要があり、車載には適していない。

そこで、本出願人は、図４に示すような往復動型真空ポンプ１を提案している。往復動型真空ポンプ１は、図４に示すように、シリンダ２内にピストン３を摺動可能に嵌装して、シリンダ２内のピストン３の両側にポンプ室４Ａ、４Ｂを形成し、シリンダ２の両端部に２つのコイル５、６を配置した構造となっている。ポンプ室４Ａ、４Ｂには、吸気弁７及び排気弁８が設けられている。ピストン３及び２つのコイル５、６の中心には、ガイドロッド９が挿通され、ガイドロッド９に案内されたプランジャ１０がピストン３に連結されている。これにより、２つのコイル５、６に交互に通電して励磁することによって、プランジャ１０を交互に吸引してピストン３を往復運動させ、ポンプ室４Ａ、４Ｂを拡縮してポンプ動作を行う。このように、コイル５、６をシリンダ２の両端部に配置したことにより、コイル５、６の小径化が可能になり、巻線を短くして電気抵抗を小さくして、作動電圧を低くすることができる。

次に、往復動型真空ポンプ１のコイル５、６の磁路について図５を参照して説明する。なお、コイル５、６の磁路は、左右対称であるから、一方のコイル５の磁路についてのみ説明する。図５に示すように、通電時には、強磁性体であるケース１１、ヨーク１２、プランジャ１０及びガイドロッド９によって閉じた磁路が形成され、ヨーク１２とガイドロッド９との間でプランジャ１０を吸引する。このとき、プランジャ１０に作用する吸引力は、プランジャ１０とヨーク１１との間のギャップ１３を通る磁束によって発生し、プランジャ１０とガイドロッド９との間のギャップ１４（プランジャ１０の摺動抵抗を低減するためにガイドロッド９に貼着された低摩擦のフッ素樹脂シート１５によってギャップ１４が形成されている）では、殆ど発生しない。また、プランジャ１０が吸引されるヨーク１２とガイドロッド９との間の間隔が狭いため、プランジャ１０をバイパスする漏れ磁束Ｆが多い。更に、プランジャ１０の径が小さいため磁束の通路が狭い。これらの理由から、大きな吸引力を発生させることが困難であるという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、小型かつ高効率の往復動型ポンプを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、シリンダと、該シリンダ内に摺動可能に嵌装されたピストンと、前記シリンダの両端部に配置された一対のコイルと、該コイルの磁路を形成するヨークと、前記ピストンに取付けられたプランジャとを備え、前記一対のコイルを交互に励磁して前記ヨークによって前記プランジャを吸引し、前記ピストンを往復運動させてポンプ動作を行う往復動型ポンプにおいて、
前記ヨークは、外周側に配置された環状のアウタヨークと、内周側に配置された環状のインナヨークとを含み、前記プランジャは、前記アウタヨークと前記インナヨークとの間に形成される環状空間内に所定のギャップをもって挿入可能な環状に形成されていることを特徴とする。
請求項２の発明に係る往復動型ポンプは、上記請求項１の構成において、アウタヨークの内径は、前記シリンダの内径とほぼ等しいことを特徴とする。
請求項３の発明に係る往復動型ポンプは、上記請求項１又は２の構成において、前記プランジャには、前記インナヨークの端面に対向する突出部が形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明に係る往復動型ポンプによれば、環状のアウタヨーク及びインナヨークによって環状のプランジャを吸引することにより、磁束の通路を拡大すると共に、漏れ磁束を減少させて、吸引力を増大させることができる。
請求項２の発明に係る往復動型ポンプによれば、プランジャの外径を最大限に大きくすることができる。
請求項３の発明に係る往復動型ポンプによれば、プランジャのストロークエンド付近において、インナヨークの端面によってプランジャの突出部が吸引されるので、吸引力を大きくすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係る真空ポンプ１６（往復動型ポンプ）は、気圧式倍力装置に負圧を供給するための往復動型真空ポンプであって、中央に配置されたシリンダ１７内にピストン１８が摺動可能に嵌装され、シリンダ１７の両端部に、環状のアウタヨーク１９Ａ、１９Ｂ及びインナヨーク２０Ａ、２０Ｂを介してコイルケース２１Ａ、２１Ｂが取付けられている。コイルケース２１Ａ、２１Ｂ内には、コイル２２Ａ、２２Ｂが収容されている（真空ポンプ１６は、ほぼ左右対称の構造であるから、左側の構成部材の符号にＡを付し、右側の構成部材の符号にＢを付して表す。以下同じ。）。

シリンダ１７は、非磁性体であり、かつ、絶縁体である合成樹脂製で、その側壁には、径方向に貫通する吸気通路２３及び軸方向に貫通されて径方向外側に開口部を有する排気通路２４が形成されている。シリンダ１７内には、ピストン１８、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂ及びインナヨーク２０Ａ、２０Ｂによって、ピストン１８の両側にポンプ室２５Ａ、２５Ｂが形成されている。

ピストン１８は、軸方向中央部が小径とされて、吸気通路２３に常時連通する環状の吸気弁室２６を形成している。ピストン１８のシリンダ１７への嵌合部には、ピストンリング２７Ａ、２７Ｂが取付けられている。ピストンリング２７Ａ、２７Ｂは、シリンダ１７とピストン１８との間をシールすると共に、吸気弁室２６からポンプ室２５Ａ、２５Ｂへの流体の流通を許容する逆止弁（吸気弁）として機能する。ピストンリング２７Ａ、２７Ｂは、シリンダ１７の内壁に対する摩擦力及び吸気弁室２６とポンプ室２５Ａ、２５Ｂとの間の差圧によって移動して吸気弁室２６とポンプ室２５Ａ、２５Ｂと間の流路を開閉するようになっている。ピストン１８は、非磁性体であり、その両端部に強磁性体である環状のプランジャ２８Ａ、２８Ｂが取付けられている。プランジャ２８Ａ、２８Ｂは、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂとインナヨーク２０Ａとの間の環状空間２９Ａ、２９Ｂに対向する位置に配置されており、ピストン１８の移動によってこれらの環状空間２９Ａ、２９Ｂに所定のギャップをもって挿入されるようになっている。

コイルケース２１Ａ、２１Ｂは、強磁性体からなる有底円筒状の部材であり、その底部にガイド部３０Ａ、３０Ｂが突出されてＥ字形の断面形状を有しており、側壁とガイド部３０Ａ、３０Ｂとの間の環状空間内にコイル２１Ａ、２２Ｂが収容されている。コイルケース２１Ａ、２１Ｂの開口端の側壁内周部には、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂ及び仕切部材３１Ａ、３１Ｂが嵌合され、ガイド部３０Ａ、３０Ｂの先端外周部には、インナヨーク２０Ａ、２０Ｂが嵌合されており、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂ、仕切部材３１Ａ、３１Ｂ及びインナヨーク２０Ａ、２０Ｂによって環状の排気弁室３２Ａ、３２Ｂが形成されている。排気弁室３２Ａ、３２Ｂは、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂとインナヨーク２０Ａ、２０Ｂとの間の環状空間２９Ａ、２９Ｂを介してポンプ室２５Ａ、２５Ｂに連通されている。なお、プランジャ２８Ａ、２８Ｂの外周部には、環状空間２９Ａ、２９Ｂによるポンプ室２５Ａ、２５Ｂと排気弁室３２Ａ、３２Ｂとの連通を確保するために切欠が設けられている。また、排気弁室３２Ａ、３２Ｂは、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂに設けられた通路３３Ａ、３３Ｂを介して排気通路２４に連通されている。インナヨーク２０Ａ、２０Ｂと仕切部材３１Ａ、３１Ｂとの間にディスク状の逆止弁３４Ａ、３４Ｂがクランプされている。逆止弁３４Ａ、３４Ｂは、合成樹脂製のバルブシートとゴム等の可撓性の弁体とを含み、ポンプ室２５Ａ、２５Ｂから排気弁室３２Ａ、３２Ｂへの流通のみを許容するようになっている。

コイルケース２１Ａ、２１Ｂのガイド部３０Ａ、３０Ｂの先端部には、非磁性体からなるガイドロッド３５Ａ、３５Ｂがねじ込まれており、ガイドロッド３５Ａ、３５Ｂは、ピストン１８の両端部に摺動可能に挿入されて、ピストン１８を案内している。ピストン１８とガイドロッド３５Ａ、３５Ｂとの間には、バネ３６Ａ、３６Ｂが介装されている。コイルケース２１Ａ、２１Ｂと、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂ及びインナヨーク２０Ａ、２０Ｂとは磁気的に密着されてコイル２２Ａ、２２Ｂの磁路を形成しており、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂとインナヨーク２０Ａ、２０Ｂとの間の環状空間２９Ａ、２９Ｂでプランジャ２８Ａ、２８Ｂを吸引する。

以上のように構成した本実施形態の作用について次に説明する。
吸気通路２３を気圧式倍力装置の負圧室（図示せず）に接続し、排気通路２４を大気に開放する。コイル２２Ａ、２２Ｂを駆動回路（図示せず）に接続して、コイル２２Ａ、２２Ｂに所定の周期で交互に通電する。

一方のコイル２２Ａに通電すると、コイル２２Ａが励磁されて、図２に示すように、コイルケース２１Ａ、アウタヨーク１９Ａ、プランジャ２８Ａ及びインナヨーク２０Ａによって形成される磁路を通る磁束（図２中の矢印参照）が生じ、プランジャ２８Ａがアウタヨーク１９Ａとインナヨーク２０Ａとの間の環状空間２９Ａに吸引されて、ピストン１８がコイル２１Ａ側へストロークしてポンプ室２５Ａを圧縮すると共にポンプ室２５Ｂを拡大する。これにより、圧縮されるポンプ室２５Ａ側では、ピストンリング２７Ａがピストン１８のシール面に押付けられて吸気通路２３とポンプ室２５Ａとを遮断し、また、逆止弁３４Ａが開いてポンプ室２５Ａの空気が排気通路２４を介して大気へ排出される。拡大されるポンプ室２５Ｂ側では、ピストンリング２７Ｂがピストン１８のシール面から離間して吸気通路２３とポンプ室２５Ｂとを連通させ、また、逆止弁３４Ｂが閉じて、吸気通路２３からポンプ室２５Ｂへ流体を吸入する。

次にコイル２２Ａの通電を停止して他方のコイル２２Ｂに通電すると、コイル２２Ｂが励磁されて、コイルケース２１Ｂ、アウタヨーク１９Ｂ、プランジャ２８Ｂ及びインナヨーク２０Ｂによって形成される磁路を通る磁束が生じ、プランジャ２８Ｂがアウタヨーク１９Ｂとインナヨーク２０Ｂとの間の環状空間２９Ｂに吸引されて、ピストン１８がコイル２２Ｂ側へストロークしてポンプ室２５Ｂを圧縮すると共にポンプ室２５Ａを拡大する。これにより、圧縮されるポンプ室２５Ｂ側では、ピストンリング２７Ｂがピストン１８のシール面に押付けられて吸気通路２３とポンプ室２５Ｂとを遮断し、また、逆止弁３４Ｂが開いてポンプ室２５Ｂの空気が排気通路２４を介して大気へ排出される。拡大されるポンプ室２５Ａ側では、ピストンリング２７Ａがピストン１８のシール面から離間して吸気通路２３とポンプ室２５Ａとを連通させ、また、逆止弁３４Ａが閉じて、吸気通路２３からポンプ室２５Ａへ流体を吸入する。

そして、駆動回路によってコイル２２Ａ、２２Ｂに交互に通電することにより、ピストン１８が往復運動して、ポンプ室２５Ａ、２５Ｂの流体を交互に給排することによって、気圧式倍力装置の負圧室を吸引（負圧を供給）することができる。ピストン１３の両方向のストロークに対して、給排が可能であることから、必要な流量を確保しつつ、ポンプの小型化、省動力化が可能であり、また、脈動の発生を軽減することができる。また、２つのコイル２２Ａ、２２Ｂに交互に通電して交番駆動を行うことにより、リップル電流を低減することができる。ピストン１８が往復運動する際、バネ３６Ａ、３６Ｂの反発力によって、ピストン１８の運動方向を反転でき、振動及び衝突音を軽減し、また、運動方向の反転によるエネルギーの損失を減少させて消費電力を低減することができる。なお、バネ３６Ａ、３６Ｂの代わりに他のクッション材を用いてもよい。

アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂとインナヨーク２０Ａ、２０Ｂとの間の環状空間２９Ａ、２９Ｂでプランジャ２８Ａ、２８Ｂを吸引することにより、図２に示すように（図２には符号にＡを付した左側の部材のみを示す）、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂとプランジャ２８Ａ、２８Ｂとの間のギャップＧ１に加えてインナヨーク２０Ａ、２０Ｂとの間のギャップＧ２の磁束によってプランジャ２８Ａ、２８Ｂを吸引することができる。プランジャ２８Ａ、２８Ｂの径を大きくして磁束の通路の大きくすることができる。また、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂとインナヨーク２０Ａ、２０Ｂとの隙間を大きくすることにより、プランジャ２８Ａ、２８Ｂをバイパスする漏れ磁束３７を減少させることができる。これにより、吸引力を増大させることができる。図示の例では、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂの内径をシリンダ１７の内径にほぼ等しくすることによって最大限に大きくし、インナヨーク２０Ａ、２０Ｂの外径を適当に設定することにより必要な吸引力を得るようにしている。

ここで、インナヨーク２０Ａ、２０Ｂの外径及びプランジャ２８Ａ、２８Ｂの内径については、大きくすればプランジャ２８Ａ、２８Ｂの質量が減少するが吸引力も減少することになり、また、漏れ磁束３７が増大する。一方、プランジャ２８Ａ、２８Ｂの内径を小さくすれば、プランジャ２８Ａ、２８Ｂの質量が増大して高速作動が困難になるが吸引力が増大し、また、漏れ磁束３７は減少することになる。

なお、図２に示すように、プランジャ２８Ａ、２８Ｂの基端側内周部にインナヨーク２０Ａ、２０Ｂの端面に対向する突出部３８Ａ、３８Ｂを設けることにより、ピストン１８のストロークエンド付近での推力を増大させることができる（図２には、プランジャ２８Ａ側の突出部３８Ａのみを示す）。

磁路を形成するコイルケース２１Ａ、２１Ｂ、アウタヨーク１９Ａ、１９Ｂ及びインナヨーク２０Ａ、２０Ｂ及びプランジャ２８Ａ、２８Ｂは、体積抵抗の大きい（導電率の小さい）圧粉磁心材を使用することにより、渦電流の影響を大幅に軽減することができ、また、シリンダ１７、ピストン１８等の非磁性体として絶縁体である合成樹脂を用いることにより、誘導電流の発生を防止することができ、作動効率を高めることがきる。

次に、本発明の第２実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記第１実施形態に対して、同様の部分には同一の符号を付して異なる部分についてのみ詳細に説明する。

図３に示すように、本実施形態に係る真空ポンプ３９では、コイルケース２１Ａ、２１Ｂの案内部がインナヨーク２０Ａ、２０Ｂと一体化されている。ガイドロッド４０は、ピストン１８側に取付けられ、案内部と一体化されたインナヨーク２０Ａ、２０Ｂに摺動可能に挿入されてピストン１８を案内している。また、ガイドロッド４０の両端部とコイルケース２１Ａ、２１Ｂとの間にバネ３６Ａ、３６Ｂが設けられている。更に、吸気側の逆止弁４１Ａ、４１Ｂは、ピストンリング２７Ａ、２７Ｂとは別体とされ、ピストン１８に形成された通路４２Ａ、４２Ｂに設けられて吸気弁室２６からポンプ室２５Ａ、２５Ｂへの流体の流通のみを許容する。

このように構成したことにより、圧粉磁心材からなる案内部と一体化されたインナヨーク２０Ａ、２０Ｂを容易に成形することができる。また、バネ３６Ａ、３６Ｂの長さを長くすることにより、バネ特性の設定の自由度を広くすることができる。

なお、上記第１及び第２実施形態では、一例として、本発明を真空ポンプに適用した場合について説明しているが、本発明は、これに限らず、他の往復動型ポンプにも同様に適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る真空ポンプの縦断面図である。 図１に示す真空ポンプの一方のコイルによって形成される磁路を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る真空ポンプの縦断面図である。 従来の往復動型真空ポンプの縦断面図である。 図４に示す従来の往復動型真空ポンプの一方のコイルによって形成される磁路を示す概略図である。

符号の説明

１６ 真空ポンプ（往復動型ポンプ）、１７ シリンダ、１８ ピストン、１９Ａ、１９Ｂ アウタヨーク、２２Ａ、２２Ｂ コイル、２８Ａ、２８Ｂ プランジャ、２９Ａ、２９Ｂ 環状空間

Claims (3)

1. シリンダと、該シリンダ内に摺動可能に嵌装されたピストンと、前記シリンダの両端部に配置された一対のコイルと、該コイルの磁路を形成するヨークと、前記ピストンに取付けられたプランジャとを備え、前記一対のコイルを交互に励磁して前記ヨークによって前記プランジャを吸引し、前記ピストンを往復運動させてポンプ動作を行う往復動型ポンプにおいて、
   前記ヨークは、外周側に配置された環状のアウタヨークと、内周側に配置された環状のインナヨークとを含み、前記プランジャは、前記アウタヨークと前記インナヨークとの間に形成される環状空間内に所定のギャップをもって挿入可能な環状に形成されていることを特徴とする往復動型ポンプ。
2. 前記アウタヨークの内径は、前記シリンダの内径とほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の往復動型ポンプ。
3. 前記プランジャには、前記インナヨークの端面に対向する突出部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の往復動型ポンプ。
   

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