JP5991930B2 - 三方電磁弁 - Google Patents

Description

この発明は、３つのポートを電気的に切り替えて、アクチュエータ等の圧力の切り替えを行う三方電磁弁（三方ソレノイドバルブ）に関するものである。

従来の三方電磁弁（例えば、特許文献１，２参照）において、可動子を付勢するスプリングは当該可動子の凹みと固定鉄心の凹みとの間に装入されている。この設置構造の場合、スプリング脱落の懸念があるため、固定鉄心の凹みに開口している流体導入通路の内径を拡大することができない。よって、コイルへの通電を遮断した電磁弁オフ時に、固定鉄心の凹みに開口している流体導入通路から流体導出通路へ流れるオフ流量の大流量化が困難であった。そのため、通電をオンからオフに切り替えたときの流量不足により、三方電磁弁から流体供給を受けて動作する被供給装置（例えば、アクチュエータ）の応答性低下を招いていた。

また、従来は、バルブシートと可動子との同軸を確保するために、可動子を摺動可能に保持する摺動部との隙間を小さくしていた。このことは、電磁弁オフ時に可動子と摺動部との隙間を流れるオフ流量が抑制される一因となる。

オフ流量不足に対する１つの解決手段として、可動子およびバルブシート等を大型化する案があるが、その場合、コイルも大型化する必要がある。他方、被供給装置の動作時には三方電磁弁を連続通電駆動するため、省電力が望ましいが、コイルの大型化は発熱および消費電力増大の問題があった。

特開平１−３２０３８３号公報（第６図） 特開平２−２０９６８３号公報（第６図）

従来の三方電磁弁は以上のように構成されているので、体格を大型化させることなく、オフ流量を大流量化することが難しいという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、体格を大型化させることなく、オフ流量を大流量化した三方電磁弁を提供することを目的とする。

この発明に係る三方電磁弁は、一方の端部が可動子内部で保持され、もう一方の端部が第３の流体通路の開口部に形成された段部で保持され、可動子側の端部より第３の流体通路側の端部が大径のスプリングを使用するものである。

この発明によれば、第３の流体通路の開口部に形成された段部に設置するスプリングの端部を大径にしたので、この端部の座面径に合わせて段部の内径を拡径することによって第３の流体通路の内径も拡径でき、圧力損失を抑制することができる。従って、体格を大型化させることなくオフ流量を大流量化した三方電磁弁を提供することができる。

この発明によれば、バルブシート摺動部と可動子との隙間形状を周方向に不均一に形成したので、小さい隙間でバルブシートと可動子の同軸を確保しつつ、大きい隙間で流路面積を拡大して圧力損失を抑制することができ、体格を大型化させることなくオフ流量を大流量化した三方電磁弁を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る三方電磁弁の構成を示す断面図であり、電磁弁オフ時の状態を示す。 図１に示す三方電磁弁のスプリング周辺の拡大図である。 図２に示すＩ−Ｉ線に沿って切断した可動子とバルブシートの断面図である。 実施の形態１に係る三方電磁弁の構成を示す断面図であり、電磁弁オン時の状態を示す。 実施の形態１に係る三方電磁弁の理解を助けるための参考図であり、両端座面径が等しいスプリングを用いた例である。 実施の形態１に係る三方電磁弁の理解を助けるための参考図であり、可動子のストッパとなるピンを用いた例である。 実施の形態１に係る三方電磁弁のスプリングの変形例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る三方電磁弁の可動子とバルブシートを図２のＩ−Ｉ線に相当する位置で切断した断面図である。 実施の形態２に係る三方電磁弁の可動子とバルブシートを図２のＩ−Ｉ線に相当する位置で切断した断面図である。 実施の形態２に係る三方電磁弁の可動子とバルブシートを図２のＩ−Ｉ線に相当する位置で切断した断面図である。 実施の形態２に係る三方電磁弁の可動子とバルブシートを図２のＩ−Ｉ線に相当する位置で切断した断面図である。

実施の形態１．
図１の断面図に示すように、本実施の形態１に係る三方電磁弁は、アクチュエータ等の被供給装置に連通された圧力供給通路１（第１の流体通路）と、負圧源に連通された負圧導入通路２（第２の流体通路）と、大気圧源（正圧源）に連通された大気圧導入通路３（第３の流体通路）とを備え、負圧導入通路２と圧力供給通路１との接続または大気圧導入通路３と圧力供給通路１との接続を切り替えてアクチュエータに負圧または大気圧を供給するものである。アクチュエータは、例えばエンジンの吸気フラップを開閉するダイヤフラム弁であり、三方電磁弁がダイヤフラム室内の圧力を制御することにより、アクチュエータが動作して吸気フラップを開閉する。

図１に示すように、負圧導入通路２および圧力供給通路１を構成するバルブＡＳＳＹは、磁性体のプレート９と樹脂材のバルブシート４を一体成形したものである。ハウジング５は、ボビン１４に導線を巻回してなるコイル部６と、その導線の端部に取り付けられた給電端子１０を樹脂材により一体成形したものである。ハウジング５の内側には、外部電源から給電端子１０を介したコイル部６への通電により励磁される固定鉄心７と、固定鉄心７と共に磁路を形成する外鉄ヨーク部８が設置され、外鉄ヨーク部８とプレート９を介し、バルブＡＳＳＹとハウジング５が連結されている。また、ハウジング５と外鉄ヨーク部８との間、およびハウジング５とバルブＡＳＳＹとの間には、弾性部材で構成されたＯリング１５，１６が設置されている。

ハウジング５に固定されたコイル部６の内側には固定鉄心７が設置され、この固定鉄心７を貫通するように大気圧導入通路３が形成されている。この大気圧導入通路３の一方の開口部は大気圧源に連通され、もう一方の開口部はバルブシート４の内部空間に連通されている。バルブシート４の内部空間には、金属製の可動子（いわゆるプランジャ）１１が摺動可能に収容されている。可動子１１を摺動させるバルブシート４の内周面を、バルブシート摺動部４ａと称す。

図２に、スプリング１３とその周辺部分を拡大した図を示す。可動子１１のバルブシート４側の端面に、ゴム等の弾性体が焼付け等により固定されて、弁体１２が構成されている。可動子１１は弁体１２で構成される底部を有する筒体であって、スプリング１３により大気圧導入通路３の開口部から離間する方向（開弁方向）に付勢されている。可動子１１のバルブシート４側の端面に、弁体１２となる弾性体が設けられているが、反対側の端面にも弾性体を設けて可動子１１が大気圧導入通路３の開口部に直接当接しないようにしている。そのため、可動子１１が大気圧導入通路３側に移動したときに生じる金属同士の作動音を低減することができる。

スプリング１３は、一方の端部１３ａが可動子１１の内部で弁体１２に保持され、もう一方の端部１３ｂが大気圧導入通路３の開口部に形成された段部３ａに保持されている。また、このスプリング１３は、端部１３ａの座面径より端部１３ｂの座面径が大きいテーパ形状である。そのため、この端部１３ｂの座面径に合わせて段部３ａの内径を大きくすることによって、大気圧導入通路３の内径ｄ１を大きくすることができる。大気圧導入通路３の内径ｄ１を拡径したとしても、スプリング１３の端部１３ｂが段部３ａに掛止されるので脱落を防止できる。

図３は、図２のＩ−Ｉ線に沿って切断したバルブシート４と可動子１１の断面図である。なお、図３においてスプリング１３は図示を省略している。バルブシート４のバルブシート摺動部４ａと可動子１１との間には隙間ｃ１が形成されている。バルブシート４に対する可動子１１の同軸を確保するため、および傾きを抑制するため、この隙間ｃ１を小さくしてバルブシート摺動部４ａと可動子１１との密着性を高めることが望ましい。

図１および図２に示すように、コイル部６に通電されていないとき（電磁弁オフ時）には、可動子１１がスプリング１３に付勢されて、弁体１２がバルブシート４に押し付けられ、負圧源方向への流路を閉弁する。このとき、大気圧導入通路３と圧力供給通路１とが連通され、大気圧源からアクチュエータ方向への流路が確保される。従って、矢印Ａのように、大気圧が大気圧導入通路３から導入され、大気圧導入通路３と可動子１１の隙間を通過し、バルブシート摺動部４ａと可動子１１の隙間ｃ１（図３）を流れて圧力供給通路１からアクチュエータへ導出される。
この矢印Ａで示す流路を流れる大気圧の流量をオフ流量と称す。

一方、図４に、コイル部６に通電したとき（電磁弁オン時）の三方電磁弁を示す。電磁弁オン時には、可動子１１はスプリング１３の付勢力に抗して固定鉄心７に電磁吸引され、弁体１２が大気圧導入通路３を閉塞し、大気圧源方向への流路を閉弁する。このとき、負圧導入通路２と圧力供給通路１とが連通され、アクチュエータから負圧源方向への流路が確保される。従って、負圧導入通路２に負圧を導入することにより、矢印Ｂのように、アクチュエータの空気が圧力供給通路１へ吸気され、バルブシート４を流れて負圧導入通路２から導出される。
即ち、電磁弁オフ時にはアクチュエータ内が大気圧に制御され、電磁弁オン時にはアクチュエータ内が負圧に制御されることにより、アクチュエータが動作する。

ここで、本実施の形態１に係る三方電磁弁のオフ流量の大流量化について、図５および図６を参照しながら説明する。
図５は、実施の形態１の理解を助けるための参考図であり、両端座面径の異なるスプリング１３に代えて、両端座面径が等しいスプリング２０を用いた三方電磁弁の一部拡大図である。なお、図５において、図１〜図４と同一または相当の部分については同一の符号を付す。スプリング２０は、一方の端部２０ａが可動子１１の内部で弁体１２に保持され、もう一方の端部２０ｂが大気圧導入通路３の内壁面に形成された段部３ａに保持されている。両端部２０ａ，２０ｂの座面径が同じスプリング２０を使用した場合、スプリング２０が脱落する懸念があるため、大気圧導入通路３の内径ｄ２を、図２に示す大気圧導入通路３の内径ｄ１まで拡大することはできない。

図６は、実施の形態１の理解を助けるための参考図であり、大気圧導入通路３の開口部に、可動子１１のストッパとなるピン２１を圧入固定した場合の三方電磁弁の一部拡大図である。なお、図６において、図１〜図５と同一または相当の部分については同一の符号を付す。電磁弁オン時に固定鉄心７の方向へ可動子１１が吸引されたとき、可動子１１が固定鉄心７に当接するより前に弁体１２をピン２１に当接させて、金属同士の作動音を抑制する構成である。この構成において、可動子１１の内部にスプリング２０の端部２０ａを取り付け、そのスプリング２０の内側にピン２１を挿入するため、結果的にピン２１の内径ｄ３は小さくなる。そのためｄ１＞ｄ３になる。さらに、矢印Ｃで示すように、大気圧導入通路３から圧力供給通路１へ流れる大気圧の流路は、入れ子状態になった可動子１１とピン２１に沿って蛇行しているため、圧力損失が大きい。

図５および図６の参考例に対し、本実施の形態１ではテーパ形状のスプリング１３を使用して、大気圧導入通路３側の端部１３ｂの座面径を大きくしたことにより、大気圧導入通路３の内径ｄ１を内径ｄ２，ｄ３に比べて拡大することができる。これにより、圧力損失を低減することができ、大気圧導入通路３から圧力供給通路１へ流れるオフ流量を大流量化することができる。

なお、図５において、スプリング２０の両端部２０ａ，２０ｂの座面径を拡大することによって大気圧導入通路３の内径ｄ２を拡径した場合、端部２０ａを装入する可動子１１の内径も拡径する必要がある。そうすると可動子１１が薄肉になり、電磁吸引力の低下を引き起こす。これに対し、本実施の形態１では、大気圧導入通路３側の端部１３ｂの座面径を拡大する一方で可動子１１側の端部１３ａの座面径を小さくすることが可能なため、可動子１１を厚肉にでき、充分な電磁吸引力を確保できる。

また、本実施の形態１では、図６のピン２１を廃止することで、大気圧導入通路３から圧力供給通路１へ流れる大気圧の流路が蛇行せず、最短化することができる。これにより、圧力損失が低減され、オフ流量の大流量化が可能となる。なお、図２に示すように可動子１１の両端面を弁体１２と同じ弾性体で被覆しているので、ピン２１を廃止しても、可動子１１と大気圧導入通路３が当接する作動音を抑制することができる。

以上より、実施の形態１によれば、三方電磁弁は、圧力供給通路１と負圧導入通路２を構成するバルブシート４と、バルブシート４の対向位置に配置され磁界を発生するコイル部６と、コイル部６の内側に固定され、大気圧導入通路３を構成する固定鉄心７と、固定鉄心７との間に磁路を形成して、固定鉄心７に開口した大気圧導入通路３を閉弁する方向へ吸引される可動子１１と、可動子１１の端面に設けられ、圧力供給通路１への負圧導入通路２と大気圧導入通路３との接続の切り替えを行う弁体１２と、大気圧導入通路３を開弁する方向へ可動子１１を付勢するスプリング１３とを備え、スプリング１３は、一方の端部１３ａが可動子１１内部で保持され、もう一方の端部１３ｂが大気圧導入通路３の開口部に形成された段部３ａで保持され、可動子１１側の端部１３ａより大気圧導入通路３側の端部１３ｂが大径になるように構成した。このため、体格を大型化させることなく、オフ流量を大流量化した三方電磁弁を提供することができる。さらに、オフ流量を大流量化することにより、大気圧を効率よくアクチュエータへ伝達することができるので、アクチュエータの圧力切り替えの応答性を向上させることが可能となる。

なお、上記実施の形態１では、可動子１１側の端部１３ａより大気圧導入通路３側の端部１３ｂが大径になるスプリング１３の一例としてテーパ形状のスプリング１３を使用したが、これに限定されるものではない。例えば、図７の拡大図に示すように、可動子１１の側の端部１３ａ−１の座面径より、大気圧導入通路３の側の端部１３ｂ−１の座面径が大きいスプリング１３−１を用いてもよい。このスプリング１３−１を用いた場合でも、大気圧導入通路３の内径ｄ１を拡大してオフ流量を大流量化することができる。

また、実施の形態１によれば、バルブシート４は、大気圧導入通路３の開口部周辺において可動子１１を摺動可能に保持するバルブシート摺動部４ａを有し、大気圧導入通路３の開弁時、大気圧導入通路３の開口部と可動子１１の隙間から導入される大気圧をバルブシート摺動部４ａと可動子１１の隙間ｃ１を通して圧力供給通路１へ導出する流路が構成されるようにした。このため、可動子１１のストッパになるピン２１を使用せず、大気圧源からアクチュエータへの流路を最短化して、オフ流量の大流量化を達成することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１においては、図３に示したように、バルブシート４と可動子１１の同軸を確保するために、バルブシート摺動部４ａと可動子１１の隙間ｃ１を小さくしていた。しかし、隙間ｃ１を小さくすると、圧力損失が大きくなり、この隙間ｃ１を通過するオフ流量が制限されることになる。そこで、本実施の形態２では、バルブシート摺動部４ａと可動子１１との間の隙間形状を工夫し、同軸を確保して閉弁シール性は維持しつつ、流路面積を拡大させて圧力損失を抑制し、オフ流量の大流量化を図る。

以下、バルブシート摺動部４ａと可動子１１の隙間形状の例を説明する。図８〜図１１は、本実施の形態２に係る三方電磁弁のバルブシート４と可動子１１を、図２のＩ−Ｉ線に相当する位置で切断した断面図である。これら図８〜図１１において図１〜図７と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、可動子１１の内部に設置されるスプリング１３は図示を省略する。

図８および図９の例では、可動子１１を多角断面の筒形状にして、円筒形状のバルブシート摺動部４ａとの間の隙間がｃ１とｃ２とで不均一になるように構成している。小さい隙間ｃ１でバルブシート４と可動子１１の同軸を確保しつつ、大きい隙間ｃ２で流路面積を拡大させて圧力損失を抑制する。
なお、図８では可動子１１の断面を略四角形、図９では可動子１１の断面を八角形にしたが、形状はこれに限定されるものではなく、多角形であればよい。

図１０の例では、バルブシート摺動部４ａを多角断面の筒形状にして、円筒形状の可動子１１との間の隙間がｃ１とｃ２とで不均一になるように構成している。この構成の場合にも、小さい隙間ｃ１でバルブシート４と可動子１１の同軸を確保しつつ、大きい隙間ｃ２で流路面積を拡大させて圧力損失を抑制可能である。
なお、図１０ではバルブシート摺動部４ａの断面を四角形にしたが、形状はこれに限定されるものではなく、多角形であればよい。

図１１の例では、円筒形状の可動子１１の外周面に、軸方向にのびるリブ１１ａを複数形成して、円筒形状のバルブシート摺動部４ａとの間の隙間がｃ１とｃ２とで不均一になるように構成している。この構成の場合にも、小さい隙間ｃ１でバルブシート４と可動子１１の同軸を確保しつつ、大きい隙間ｃ２で流路面積を拡大させて圧力損失を抑制可能である。さらに、リブ１１ａ間の大きい隙間ｃ２がダストポケットの機能を持ち、仮に異物が三方電磁弁内部へ侵入してきた場合に小さい隙間ｃ１より大きい隙間ｃ２に入りやすくなるので、可動子１１が異物によりスティックする可能性が大幅に低減する。
なお、図１１では可動子１１の外周面にリブ１１ａを形成したが、バルブシート摺動部４ａの周面にリブを形成してもよい。また、リブの数は任意でよい。

以上より、実施の形態２によれば、三方電磁弁は、圧力供給通路１と負圧導入通路２を構成するバルブシート４と、バルブシート４の対向位置に配置され磁界を発生するコイル部６と、コイル部６の内側に固定され、大気圧導入通路３を構成する固定鉄心７と、固定鉄心７との間に磁路を形成して、固定鉄心７に開口した大気圧導入通路３を閉弁する方向へ吸引される可動子１１と、可動子１１の端面に設けられ、圧力供給通路１への負圧導入通路２と大気圧導入通路３との接続の切り替えを行う弁体１２と、大気圧導入通路３を開弁する方向へ可動子１１を付勢するスプリング１３とを備え、バルブシート４は、大気圧導入通路３の開口部周辺において可動子１１を摺動可能に保持するバルブシート摺動部４ａを有し、バルブシート摺動部４ａと可動子１１との隙間形状が周方向に不均一に形成されている構成にした。このため、小さい隙間ｃ１でバルブシート４と可動子１１との同軸を確保しつつ、大きい隙間ｃ２で流路面積を拡大して圧力損失を抑制することができ、体格を大型化させることなく、オフ流量を大流量化した三方電磁弁を提供することができる。さらに、オフ流量を大流量化することにより、大気圧を効率よくアクチュエータへ伝達することができるので、アクチュエータの圧力切り替えの応答性を向上させることが可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
また、上記説明では三方電磁弁を自動車に搭載する例を示したが、用途を限定するものではない。

１ 圧力供給通路（第１の流体通路）、２ 負圧導入通路（第２の流体通路）、３ 大気圧導入通路（第３の流体通路）、３ａ 段部、４ バルブシート、４ａ バルブシート摺動部、５ ハウジング、６ コイル部、７ 固定鉄心、８ 外鉄ヨーク部、９ プレート、１０ 給電端子、１１ 可動子、１１ａ リブ、１２ 弁体、１３，１３−１，２０ スプリング、１３ａ，１３ａ−１，１３ｂ，１３ｂ−１，２０ａ，２０ｂ 端部、１４ ボビン、１５，１６ Ｏリング、２１ ピン。

Claims (5)

1. 第１の流体通路と第２の流体通路を構成するバルブシートと、
   前記バルブシートの対向位置に配置され磁界を発生するコイルと、
   前記コイルの内側に固定され、第３の流体通路を構成する固定鉄心と、
   前記固定鉄心との間に磁路を形成して、前記固定鉄心に開口した前記第３の流体通路を閉弁する方向へ吸引される可動子と、
   前記可動子の端面に設けられ、前記第１の流体通路への前記第２の流体通路と前記第３の流体通路との接続の切り替えを行う弁体と、
   前記第３の流体通路を開弁する方向へ前記可動子を付勢するスプリングとを備え、
   前記スプリングは、一方の端部が前記可動子内部で保持され、もう一方の端部が前記第３の流体通路の開口部に形成された段部で保持され、前記可動子側の端部より前記第３の流体通路側の端部が大径であることを特徴とする三方電磁弁。
2. 前記バルブシートは、前記第３の流体通路の開口部周辺において前記可動子を摺動可能に保持するバルブシート摺動部を有し、前記第３の流体通路の開弁時、前記第３の流体通路の開口部と前記可動子の隙間から導入される流体を前記バルブシート摺動部と前記可動子の隙間を通して前記第１の流体通路へ導出する流路が構成されることを特徴とする請求項１記載の三方電磁弁。
3. 前記バルブシートは、前記第３の流体通路の開口部周辺において前記可動子を摺動可能に保持するバルブシート摺動部を有し、前記バルブシート摺動部と前記可動子との隙間形状が周方向に不均一に形成されていることを特徴とする請求項１記載の三方電磁弁。
4. 前記バルブシート摺動部と前記可動子のいずれか一方が円筒形状、もう一方が多角断面の筒形状であることを特徴とする請求項３記載の三方電磁弁。
5. 前記バルブシート摺動部は円筒形状、前記可動子は円筒形状であって外周面に軸方向にのびるリブが形成されていることを特徴とする請求項３記載の三方電磁弁。

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