JP4167936B2

JP4167936B2 - 電磁比例弁及び圧力制御装置

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Publication number: JP4167936B2
Application number: JP2003136408A
Authority: JP
Inventors: 宏菊池; 博之水野
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP2004340224A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁比例弁及びそれを用いた圧力制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電磁比例弁は、電圧や電流の制御によって開閉量が調整されることで流体の流量を制御している（特許文献１参照）。又、電磁比例弁を用いたものとして圧力制御装置が知られており、圧力制御装置は電磁比例弁による流量制御によって二次側の流体圧力を制御している。上述した電磁比例弁の構成として種々の方式が提案されている。例えば、図４に示すように、電磁比例弁７１には電磁駆動部７２が設けられている。電磁駆動部７２は、電磁コイル７３と、その電磁コイル７３の内部に設けられた固定子７４及び可動子７５とから構成されている。可動子７５は、戻しバネ７６によって弁部７７を閉じる方向に付勢されている。電磁コイル７３が励磁されると、固定子７４と可動子７５との間に電磁吸引力が生じ、可動子７５が戻しバネ７６の弾性力に抗して所定の制御位置に移動し、この移動量に応じて弁部７７の開度を制御される。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−０６５７３２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術に示す電磁比例弁７１において、電磁コイル７３の電磁吸引力と戻しバネ７６の弾性力とが相反する方向に作用するため、可動子７５の制御位置は、電磁コイル７３の電磁吸引力と戻しバネ７６の弾性力とがバランスすることで決定される。ここで、図５に示されるように電磁吸引力は、固定子７４から可動子７５までの距離の２乗に反比例する関係がある。従って、可動子７５の制御位置が固定子７４に近いほど、電磁吸引力は急激に大きくなる。これに対して、戻しバネ７６の弾性力は固定子７４から可動子７５までの距離に比例する関係があるため、可動子７５の制御位置が固定子７４から遠くなるほど戻しバネ７６の弾性力は小さくなる。このような力関係において、電磁コイル７３の電磁吸引力と戻しバネ７６の弾性力とをバランスする範囲（可動子７５の制御範囲）が固定子７４から離れた位置に設定されると、電磁コイル７３から突出している可動子７５の突出量が大きくなるため、電磁比例弁７１の大型化を招く。
【０００５】
そこで、図５に二点差線で示すバネ定数の大きい戻しバネ７６、つまり大型の戻しバネ７６を使用すれば、可動子７５の制御範囲を固定子７４よりにすることができる。しかしながら、バネ定数の大きい戻しバネ７６は形状が大きく、その収容スペースを確保することができない。そのため、戻しバネ７６のバネ定数を大きくすることに限界があることから、バネ定数の小さい戻しバネ７６を使用するためには電磁吸引力が小さい位置、つまり可動子７５が固定子７４から離れた位置に配置されることとなる。この結果、固定子７４と可動子７５との間の空間ギャップ（図４に示す符号Ｇ２）が大きくなると、上述したように電磁比例弁７１の大型化を解消することができないばかりか、電磁比例弁７１の消費電力が大きくなる。
【０００６】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、消費電力を小さくできるとともに小型化を図ることができる電磁比例弁及び圧力制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の発明）
請求項１に記載の発明では、電磁コイルの内側に設けられ磁性材料からなる固定子と、固定子の内端面と対峙するように電磁コイルの内側に設けられるとともに同電磁コイルの軸線方向に沿って移動可能な可動子と、可動子の移動に連動して開閉する弁部と、弁部を電磁コイルが励磁される前の状態に復帰させる弾性部材とを備え、前記電磁コイルに電流を印加して発生する電磁吸引力により可動子を弾性部材の弾性力に抗して移動させ、その電磁吸引力と前記弾性部材の弾性力とをバランスさせることにより前記弁部の開度量が制御される電磁比例弁において、前記固定子は、その軸線方向に沿って形成された有底状をなす穴部と、この穴部の周りを囲むように前記固定子の外周面に形成されるとともに、前記電磁コイルが巻回されるコイルボビンと前記固定子との間をシールするパッキンを収容する環状溝とを有し、前記固定子を含む磁路が形成される部位全体において、前記穴部と前記環状溝との間に位置する箇所を、磁路断面積が最小なる唯一の磁路部とすることによって前記固定子の磁束量を制限することを要旨とする。
【０００８】
この構成によれば、電磁コイルが励磁されたとき、固定子側に可動子が引き寄せられる電磁吸引力は固定子に近い位置であっても急激に大きくなることはない。これにより、弾性部材の弾性力を大きくすることなく電磁吸引力とバランスさせることができるため、弁部の開閉させるのに可動子を固定子に近い位置に配置することができる。この結果、電磁比例弁の消費電力を小さくすることができるとともに、電磁比例弁の小型化を図ることが可能になる。
【００１０】
この構成によれば、穴部の径と環状溝の深さによって固定子の磁路断面積が設定され、固定子の形状が複雑にならないため、製造コストが上昇するのを抑制することができる。
【００１２】
この構成によれば、環状溝がコイルボビンと固定子との間をシールするパッキンを収容する収容部となっているため、固定子に環状溝とパッキンの収容部とをそれぞれ別々に形成する必要がない。この結果、固定子の加工工数を減らすことができるため、更なる製造コストの低減を図ることができる。
【００１３】
（請求項２の発明）
請求項２に記載の発明では、制御装置本体に、一次側ポートを有する一次側流路と、一次側流路に連通するとともに二次側ポートを有する二次側流路と、二次側流路に連通するとともに排出ポートを有する排出路とをそれぞれ設け、前記一次側流路と二次側流路とを開閉する第１電磁比例弁を設け、前記二次側流路と排出路とを開閉する第２電磁比例弁を設け、二次側流路内を流れる流体の二次側圧力を検出する圧力検出手段の検出結果に基づいて前記第１及び第２電磁比例弁を制御手段によって開閉制御するようにした圧力制御装置において、前記第１電磁比例弁及び第２電磁比例弁に請求項１に記載の電磁比例弁を用いたことを要旨とする。
【００１４】
第１及び第２電磁比例弁の消費電力を小さくすることができるとともに、電磁比例弁の小型化を図ることができるため、圧力制御装置のランニングコストを低減できるとともに、圧力制御装置全体の小型化を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１に示すように、電磁比例弁１１の比例制御弁本体１２内には磁性材料からなるコイルケース１５が設けられ、その内部にはコイルボビン１３に巻回された電磁コイル１４が収容されている。コイルボビン１３の中央部に形成された収容孔１３ａ内には、磁性材料から構成される固定子１６が設けられている。コイルボビン１３の収容孔１３ａ内には、固定子１６の内端面と所定の間隔をおいて対峙するように磁性材料からなる可動子１７が収容され、その外端部はコイルケース１５の端面から外方に突出されている。そして、可動子１７は電磁コイル１４が励磁されると固定子１６側に電磁吸引されるようになっている。
【００１７】
比例制御弁本体１２には、一端に供給口２１を有し、他端に排出口２２を有する流体通路２３が形成されており、この流体通路２３の途中にはそれを開閉する弁部２４が設けられている。排出口２２からは流体としての圧縮エアが導入され、その圧縮エアは流体通路２３を通って排出口２２から外部に排出される。この弁部２４は、流体通路２３上に形成された弁座２５とその弁座２５に対して接離可能な弁体２６とから構成されている。弁体２６は、弁体ホルダ２７を介して前記可動子１７と一体的に移動するようになっている。そして、電磁コイル１４によって可動子１７が電磁吸引されると弁座２５から弁体２６が離間して弁部２４が開く一方、電磁吸引が解除されると可動子１７が弁座２５に弁体２６が接合して弁部２４が閉じるようになっている。弁部２４には圧縮コイルバネ３０が設けられ、圧縮コイルバネ３０の一端は弁座２５に外挿支持され、他端は弁体２６に外挿支持されている。圧縮コイルバネ３０によって、弁部２４が開く方向つまり弁座２５から弁体２６を離間させる方向に付勢されている。
【００１８】
可動子１７の外端部には弾性部材としての戻しバネ３１が外挿されており、戻しバネ３１の一端はコイルケース１５の端面に形成された係止凹部１５ａに係合され、他端は可動子１７の外周面に形成された係止突部１７ａに係合されている。この戻しバネ３１によって、弁部２４を閉じる方向、つまり弁座２５に弁体２６が押し付けられる方向に付勢されている。なお、戻しバネ３１の弾性力は前記圧縮コイルバネ３０のそれと比べて明らかに大きく設定されている。そのため、電磁コイル１４が励磁されていないときに、圧縮コイルバネ３０と戻しバネ３１とが反発し合うこととなるが、弾性力の大きい戻しバネ３１によって弁部２４は閉状態となり、弁座２５に弁体２６をシールする荷重が確保される。そして、弁部２４の弁開度量は、電磁コイル１４に印加される電流の大きさに比例して変わる固定子１６に生じる電磁吸引力と、この電磁吸引力とは反対方向に働く戻しバネ３１の弾性力とをバランスさせることで可動子１７の制御位置が決まるようになっている。そして、可動子１７の制御位置に応じて排出口２２から排出される圧縮エアの流量が制御されるようになっている。
【００１９】
本実施形態の要部について説明する。
図１に示すように、固定子１６の外周面には環状をなすパッキン収容溝（環状溝）３４が形成され、このパッキン収容溝３４内にはコイルボビン１３の収容孔１３ａと固定子１６との間から圧縮エアが漏れないようにシールするためのパッキン３３が収容されている。固定子１６の外端面には、その軸線方向に沿って中央部付近まで延びる有底状の穴部３５が形成され、穴部３５の内底部はパッキン収容溝３４が形成されている付近に位置している。固定子１６においてパッキン収容溝３４と穴部３５との間に位置する箇所が磁路断面積の最も小さい部分である磁路部３６となっている。磁路部３６の磁路断面積の大きさによって、固定子１６の磁束量が所定値以下に設定される。ちなみに、本実施形態において、固定子１６の磁路断面積は、穴部３５が無い場合と比較して２０〜５０％以下に抑えられている。
【００２０】
上述したように、固定子１６の一部に磁路断面積が最小なる磁路部３６が形成されていることにより、電磁コイル１４に通電したときに電流値が所定値を越えると固定子１６の磁路部３６における磁束密度は飽和状態に達するが、比較的小さい電流値で固定子１６の磁束密度が飽和するようになっている。これにより、電磁コイル１４が励磁されたときに固定子１６と可動子１７との間には、一定値以上の電磁吸引力が生じることがない。つまり、図２に示すように、電磁吸引力は、固定子１６から可動子１７までの距離の２乗に反比例する関係にあるため、可動子１７が固定子１６近いほど、電磁吸引力は大きくなるが、この電磁吸引力は従来技術で説明した図５に示す電磁吸引力曲線と比較すると緩やかな傾きとなっている。従って、最大電磁吸引力及び戻しバネ３１の弾性力によるバランス点Ｂ１と、最小電磁吸引力及び戻しバネ３１の弾性力によるバランス点Ｂ２との間における可動子１７の制御範囲を、固定子１６に近い位置に設定することが可能となっている。従って、固定子１６と可動子１７との間の空間ギャップＧ１を小さく設定することができる。
【００２１】
次に上記のように構成された電磁比例弁１１の作用について説明する。
電磁コイル１４が励磁されると、固定子１６と可動子１７との間に磁力が生じ、固定子１６に対して可動子１７が電磁吸引される。電磁吸引力の大きさは電磁コイル１４に印加される電流値の２乗に比例しているため、電磁コイル１４に印加される電流値が大きいと電磁吸引力も大きくなり、電磁コイル１４に印加される電流値が小さいと電磁吸引力も小さくなる。そして、電磁吸引力と戻しバネ３１との弾性力がバランスする制御位置で弁部２４の開度量が決定される。電磁吸引力が大きいと、弁部２４の開度量が大きくなり、排出口２２から排出される圧縮エアの流量は多くなる。これに対して、電磁吸引力が小さいと、弁部２４の開度量が小さくなり、排出口２２から排出される圧縮エアの流量は少なくなる。
【００２２】
従って、本実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）電磁コイル１４の電磁吸引力と戻しバネ３１とのバランス点Ｂ１，Ｂ２を固定子１６寄りに設定することができるため、固定子１６と可動子１７との間の空間ギャップＧ１を小さく設定することができる。従って、コイルケース１５の端面から可動子１７の突出量を小さくすることができ、電磁比例弁１１の小型化を図ることができるとともに、少ない消費電力でもって可動子１７を可動させることができる。
【００２３】
（２）磁路部３６は、固定子１６に穴部３５とパッキン収容溝３４とを形成するという簡単な加工でもって形成されている。そのため、製造コストが上昇するのを抑えることができる。しかも、穴部３５は固定子１６の両端面に亘って貫通させるのではなく、固定子１６の中央部付近までしか凹設されていないため、穴部３５の切削加工に伴うバリが発生するのを防止できる。
【００２４】
（第２実施形態）
第２実施形態を、前記実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図３に示すように、圧力制御装置４１は制御装置本体４２を備えており、その両側には第１電磁比例弁としての給気側電磁比例弁１１Ａと、第２電磁比例弁としての排気側電磁比例弁１１Ｂとが設けられている。給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂは、前記実施形態で説明した電磁比例弁１１と同一構成であるため、電磁比例弁１１と同一符号を付しその説明を省略する。
【００２５】
制御装置本体４２には、図示しない圧力供給源に接続される一次側ポートＰ１と、図示しない空圧機器に接続される二次側ポートＰ２とが形成されている。一次側ポートＰ１は、制御装置本体４２に形成された一次側流路４３を介して給気側電磁比例弁１１Ａの供給口２１に連通されている。二次側ポートＰ２は、制御装置本体４２に形成された二次側流路４４を介して排気側電磁比例弁１１Ｂの排出口２２に連通されている。以上のような連通関係により、一次側ポートＰ１に供給される圧縮エアは、給気側電磁比例弁１１Ａの弁部２４を通って二次側ポートＰ２から排出される。
【００２６】
制御装置本体４２において二次側流路４４の途中には、排気側電磁比例弁１１Ｂの供給口２１が連通されている。制御装置本体４２において前記一次側ポートＰ１及び二次側ポートＰ２が設けられている面と異なる面には、排出ポートＰ３が形成され、この排出ポートＰ３は制御装置本体４２に形成された排出路４５を介して排気側電磁比例弁１１Ｂの排出口２２に連通されている。このような連通関係により、二次側流路４４を流れる圧縮エアは排気側電磁比例弁１１Ｂの弁部２４を通って大気中に排出されるようになっている。
【００２７】
制御装置本体４２において二次側流路４４に通じるフィードバック通路４６上には、二次側流路４４内の二次側圧力を検出する圧力検出手段としての圧力センサ４７が設けられている。圧力センサ４７は、給気側電磁比例弁１１Ａ、排気側電磁比例弁１１Ｂ及び制御装置本体４２に隣接して配置された制御手段としての制御基板４８に電気的に接続されている。そして、制御基板４８は、圧力センサ４７からの電気信号に基づいて給気側電磁比例弁１１Ａと排気側電磁比例弁１１Ｂとを開閉制御する。
【００２８】
次に上記のように構成された圧力制御装置４１の作用について説明する。
一次側ポートＰ１に所定の圧力を有する圧縮エアが供給されると、給気側電磁比例弁１１Ａと排気側電磁比例弁１１Ｂとによって二次側ポートＰ２から排出される圧縮エアの圧力が調節される。圧力センサ４７によって検出される二次側流路４４内の圧力が設定圧力よりも大きくなると、制御基板４８は給気側電磁比例弁１１Ａの弁部２４を閉じるとともに、排気側電磁比例弁１１Ｂの弁部２４を開く。そして、所定時間が経過した後に設定圧力に達したら、制御基板４８は、給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂを閉じるか、或いは給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂを僅かに開いた状態にする。反対に、圧力センサ４７によって検出される二次側流路４４内の圧力が設定圧力よりも小さくなると、制御基板４８は給気側電磁比例弁１１Ａの弁部２４を開くとともに、排気側電磁比例弁１１Ｂの弁部２４を閉じる。そして、所定時間が経過した後に設定圧力に達したら、制御基板４８は、給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂを閉じるか、或いは給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂを僅かに開いた状態にする。
【００２９】
二次側圧力が安定しているときにおいて、二次側圧力の僅かな微少変動に応じて開閉できるようにするために、給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂには一定以上の電流が常に印加されている。この状態においては、給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂの弁部２４は僅かに開いた状態、或いは開く寸前の状態となっている。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態の圧力制御装置４１によれば、消費電力が少なくかつ小型の給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂを用いている。そのため、圧力制御装置４１のランニングコストを低減できるとともに、圧力制御装置４１全体の小型化を図ることができる。
【００３１】
（別の実施形態）
本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・電磁比例弁１１、給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂの固定子１６に形成されている穴部３５を無くし、その代わりにパッキン収容溝３４を深く形成し、このパッキン収容溝３４で囲まれる内側部分を磁路断面積が最小なる磁路部３６としてもよい。
【００３２】
・電磁比例弁１１、給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂの固定子１６に形成されている有底状の穴部３５に代えて、固定子１６の軸線方向に沿って延びる貫通穴としてもよい。
【００３３】
・電磁比例弁１１、給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂの固定子１６に形成されている穴部３５を無くし、固定子１６の径を小さくすることにより、固定子１６の磁路断面積を小さくしてもよい。
【００３４】
・前記実施形態では、電磁コイル１４が励磁されていないときに弁部２４が閉状態をとり得るノーマルクローズ型の電磁比例弁１１、給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂに具体化した。これ以外に、電磁コイル１４が励磁されていないときに弁部２４が開状態をとり得るノーマルオープン型の電磁比例弁１１、給気側電磁比例弁１１Ａ及び排気側電磁比例弁１１Ｂに具体化することも可能である。
【００３５】
・前記実施形態では、流体を圧縮エアとしたが、これ以外の気体や液体に変更することが可能である。
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に示す。
【００３６】
（１）前記第１電磁比例弁及び第２電磁比例弁は、制御装置本体の両側にそれを挟むように配置されるとともに、前記圧力検出手段は制御装置本体において一次側ポート及び二次側ポートが設けられている面とは反対側の面に配置され、更に前記制御手段が実装されるプリント配線基板は、前記第１電磁比例弁、第２電磁比例弁及び制御装置本体に隣接して配置されていることを特徴とする圧力制御装置。この構成によれば、電磁比例弁をよりいっそう小型化にすることができる。
【００３７】
（２）電磁コイルの内側に設けられ磁性材料からなる固定子と、固定子の内端面と対峙するように電磁コイルの内側に設けられ同電磁コイルの軸線方向に沿って移動可能な可動子と、可動子の移動に連動して開閉する弁部と、電磁コイルが励磁されていないときに前記弁部を元の状態に復帰させる弾性部材とを備え、電磁コイルに印加される電流の大きさに比例して可動子を固定子側に移動させる電磁吸引力と、前記弾性部材の弾性力とをバランスさせることで前記弁部の弁開度量を制御する電磁比例弁において、前記固定子の任意の位置に、同固定子の全断面積に対する面積比率が所定値以下の磁路断面積を有する磁路部を設けたことを特徴とする電磁比例弁。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、消費電力を小さくできるとともに、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における電磁比例弁の断面図。
【図２】電磁コイルの電磁吸引力と、戻しバネの弾性力とのバランス関係を示す説明図。
【図３】第２実施形態における圧力制御装置の断面図。
【図４】従来技術における電磁比例弁の断面図。
【図５】従来技術における電磁コイルの電磁吸引力と、戻しバネの弾性力とのバランス関係を示す説明図。
【符号の説明】
Ｐ１…一次側ポート、Ｐ２…二次側ポート、Ｐ３…排出ポート、１１…電磁比例弁、１１Ａ…給気側電磁比例弁（第１電磁比例弁）、１１Ｂ…排気側電磁比例弁（第２電磁比例弁）、１３…コイルボビン、１４…電磁コイル、１６…固定子、１７…可動子、２４…弁部、３１…弾性部材（戻しバネ）、３３…パッキン、３５…穴部、３４…パッキン収容溝（環状溝）、４１…圧力制御装置、４２…制御装置本体、４３…一次側流路、４４…二次側流路、４５…排出路、４７…圧力センサ（圧力検出手段）、４８…制御基板（制御手段）。

Claims

電磁コイルの内側に設けられ磁性材料からなる固定子と、固定子の内端面と対峙するように電磁コイルの内側に設けられるとともに同電磁コイルの軸線方向に沿って移動可能な可動子と、可動子の移動に連動して開閉する弁部と、弁部を電磁コイルが励磁される前の状態に復帰させる弾性部材とを備え、前記電磁コイルに電流を印加して発生する電磁吸引力により可動子を弾性部材の弾性力に抗して移動させ、その電磁吸引力と前記弾性部材の弾性力とをバランスさせることにより前記弁部の開度量が制御される電磁比例弁において、
前記固定子は、その軸線方向に沿って形成された有底状をなす穴部と、この穴部の周りを囲むように前記固定子の外周面に形成されるとともに、前記電磁コイルが巻回されるコイルボビンと前記固定子との間をシールするパッキンを収容する環状溝とを有し、
前記固定子を含む磁路が形成される部位全体において、前記穴部と前記環状溝との間に位置する箇所を、磁路断面積が最小なる唯一の磁路部とすることによって前記固定子の磁束量を制限することを特徴とする電磁比例弁。
制御装置本体に、一次側ポートを有する一次側流路と、一次側流路に連通するとともに二次側ポートを有する二次側流路と、二次側流路に連通するとともに排出ポートを有する排出路とをそれぞれ設け、前記一次側流路と二次側流路とを開閉する第１電磁比例弁を設け、前記二次側流路と排出路とを開閉する第２電磁比例弁を設け、二次側流路内を流れる流体の二次側圧力を検出する圧力検出手段の検出結果に基づいて前記第１及び第２電磁比例弁を制御手段によって開閉制御するようにした圧力制御装置において、前記第１電磁比例弁及び第２電磁比例弁に請求項１に記載の電磁比例弁を用いたことを特徴とする圧力制御装置。