(57)【要約】ミニチュア・バルブ・アセンブリ（１０）として製造するのに適した流体バルブ。バルブは、すべて磁性材料で形成された、上側極部片（３８）、下側極部片（３６）、電機子（４２）を備える。上側、下側極部片が、電磁アクチュエータ・コイル（４０）を取り込み、その中に組立てられた可動電機子（４２）のための磁気回路を形成するためにプレスばめなどによって恒久的に接合されている。弁座部材（２４）が、アセンブリを完成させるために電機子および電機子戻りばね（４６）を取り込んでいる下側極部片上に、成型、プレスばめ、スナップ嵌合または突刺嵌合されている。意図された恒久的なアセンブリの使用と、バルブ外側ハウジングまたはケース（２０）としての磁気回路の部品の使用うることによって、他の設計のバルブを使用し、または他の組立て技術を使用して提供できるよりも比較的サイズが小さく、比較的高い動作の速度と頻度が可能であるバルブを実現することができる。
2006517280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔を有する電気アクチュエータ・コイル（４０）と、
すべて磁性材料で形成された、上側極部片（３８）、孔を有する下側極部片（３６）、電機子（４２）とを備え、
前記上側と下側極部片が、バルブ・アセンブリの外側ケース（２０）の少なくとも一部を形成し、前記アクチュエータ・コイルの外直径を磁性材料で包囲するために前記アクチュエータ・コイルの外直径の外側で恒久的に接合され、
前記電機子が、前記下側極部片の下端部の孔内で滑動する外周表面を有し、前記下側極部片の下端部の孔内で、前記アクチュエータ・コイルの孔の中へ、前記電機子の上側面が、前記上側極部材の協働して配置された面と当接する引込み位置まで上向きに滑動するように構成され、
下側極部片の下端部に恒久的に結合され、弁座部材が、前記電機子の下端部部分に面した弁座（４９）を形成し、それを通る第１のポート（３０）を形成し、また、少なくとも１つの第２のポート（３４）を形成している、弁座部材（２４）を備え、
前記電機子の下端部が、電機子が伸長位置にあるとき弁座と係合し、それに対して密封するように配置されたバルブ閉鎖部材（４４）を有し、
前記電機子と下側極部片の間に配置され、前記電機子を、前記閉鎖部材が弁座と係合し、それに対して密封する伸長位置のほうへ励磁するために初期荷重を加える戻りばね（４６）とを備える流体バルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項２】
前記バルブ閉鎖部材（４４）が、前記電機子（４２）内で維持され、前弁座（４９）と係合し、それに対して密封するために下向きに突き出ている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項３】
前記バルブ閉鎖部材（４４）が、前記電機子（４２”）の延長部（８８）によって維持されるＯリング（９０）である請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項４】
前記上側と下側極部片（３８、３６）が、互いにプレスばめされている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項５】
前記上側と下側極部片（３８、３６）が、互いに接合されている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項６】
前記上側と下側極部片（３８、３６）が、互いにプレスばめおよびセメント接合されている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項７】
前記弁座部材（２４）が、プラスチック材料で形成されている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項８】
前記弁座部材（２４）が、スナップ嵌合によって前記下側極部片（３６）の下端部と恒久的に結合されている請求項７に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項９】
前記上側極部片（３８）の上部の、前記アクチュエータ・コイル（４０）と結合された電気コネクタ（５４）をさらに備える請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１０】
前記コネクタ（５４）が、前記上側極部片（３８）の上部に成型されている請求項９に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１１】
前記戻りばね（４６）が、使用中、前記電機子（４２）が伸長位置にあるとき、前記弁座を横切る流体圧力に抗して前記弁座（４９）を係合した状態に前記バルブ閉鎖部材（４４）を保持するために必要とされるよりも大きいばね力を有し、引込み位置にあるとき、前記上側と下側極部片（３８、３６）および前記電機子内の残留磁気の結果として生じる力よりも小さいばね力を有し、電機子引込み位置に前記電機子を磁気的にラッチさせる請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１２】
前記上側極部片（３８）、前記下側極部片（３６）、前記電機子（４２）が、４１４０鋼合金材料で形成されている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１３】
前記流体バルブ・アセンブリが、長さ約１インチ未満（約２５ミリメートル未満）、直径約０．５インチ未満（約１３ミリメートル未満）である請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１４】
前記流体バルブ・アセンブリが、長さ約０．７５インチ（約１９ミリメートル）、直径約０．３５インチ（約１０ミリメートル）である請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１５】
電気アクチュエータ・コイル（４０）と、
すべて磁性材料で形成された、上側極部片（３８）、孔を備え下端部分を有する下側極部片（３６）、電機子（４２）を備え、
前記上側と下側極部片が、バルブ・アセンブリの外側ケース（２０）の少なくとも一部を形成し、前記アクチュエータ・コイルの外直径を磁性材料で包囲するために前記アクチュエータ・コイルの外直径の外側で恒久的に接合され、
前記電機子が、前記下側極部片の下端部分の孔内と、前記アクチュエータ・コイル内で滑動する第１の電機子直径を有し、前記電機子が、前記下側極部片の下端部分の孔内で前記電機子の上側面が前記上側極部材の協働するように配置された面と当接する引込み位置に上向きに滑動するように構成され、
前記下側極部片の下端部にスナップ嵌合され、前記弁座部材が前記電機子の下端部に面した前記弁座（４９）を形成し、それを通る第１のポート（３０）を形成し、少なくとも１つの第２のポート（３４）を形成しているプラスチック弁座部材（２４）とを備え、
前記電機子の下端部が、それに接続され、前記電機子が伸長位置にあるとき前記弁座と係合し、それに対して密封するポリマー製のバルブ閉鎖部材（４４）を有し、
前記電機子と下側極部片の間に配置され、前記電機子を、前記閉鎖部材が弁座と係合し、それに対して密封する伸長位置のほうへ励磁するために初期荷重を加える戻りばね（４６）と、
電磁アクチュエータ・コイルと結合され、上側極部片の上部内に成型された電気コネクタ（５４）とを備えるミニチュア・ポペット・バルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１６】
前記重合体のバルブ閉鎖部材（４４）が、前記電機子（４２）内で維持されている請求項１５に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１７】
前記重合体のバルブ閉鎖部材（４４）が、前記電機子（４２”）の延長部（８８）によって維持されるＯリング（９０）である請求項１５に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１８】
前記上側と下側極部片（３８、３６）が、互いにプレスばめされている請求項１５に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１９】
前記上側と下側極部片（３８、３６）が、互いに接合されている請求項１５に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項２０】
前記上側と下側極部片（３８、３６）が、互いにプレスばめおよび接合されている請求項１５に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項２１】
前記弁座部材（２４）が、二重のプラスチック材料で形成されている請求項１５に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項２２】
前記戻りばね（４６）が、使用中、前記電機子（４２）が伸長位置にあるとき、前記弁座を横切る流体圧力差に対抗して前記弁座（４９）と係合した前記重合体のバルブ閉鎖部材（４４）を保持するために必要とされるよりも大きいばね力を有し、引込み位置にあるとき、前記上側と下側極部片（３８、３６）および前記電機子内の残留磁気の結果として生じる力よりも小さいばね力を有し、前期電機子が、電機子引込み位置に磁気的にラッチされる請求項１５に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項２３】
前記上側極部片（３８）、前記下側極部片（３６）および前記電機子（４２）が、４１４０鋼合金材料で形成されている請求項１５に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項２４】
前記流体バルブ・アセンブリが、長さ約１インチ未満（約２５ミリメートル）、直径約０．５インチ未満（約１３ミリメートル）である請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項２５】
前記流体バルブ・アセンブリが、長さ約０．７５インチ（約１９ミリメートル）、直径約０．３５インチ（約１０ミリメートル）である請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項２６】
電気アクチュエータ・コイル（４０）と、
すべて磁性材料で形成された、上側極部片（３８）、孔を有する下側極部片（３６）および電機子（４２）とを備え、
前記上側と下側極部片が、前記バルブの外側本体（２０）の少なくとも一部を形成し、前記アクチュエータ・コイルの外直径の外側に恒久的に接合され、
前記電機子が、前記下側極部片の下端部の孔内で滑動自在であり、
前記下側極部片の下端部と恒久的に結合された弁座部材（２４）を備える流体バルブ・アセンブリ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁的に操作されるバルブ・アセンブリの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なデザインのポペット・バルブが、従来技術で公知である。このようなバルブは、バルブ開放位置とバルブ閉鎖位置の間で、弁座の平面とほぼ垂直な方向に運動可能であるバルブ部材を特徴とする。本発明で特に重要であるのは、ソレノイド駆動式ポペット・バルブである。このようなバルブは、電気的なエネルギーを加えると、バルブ部材をバルブ開放（または閉鎖）位置に移動させ、磁気回路のエネルギーが除かれると、機械的な戻りばねがバルブ部材をバルブ閉鎖（または開放）位置へ戻すアクチュエータ・コイルを有する。
【０００３】
ソレノイド駆動式ポペット・バルブの形状と構造は、意図されるバルブの用途とバルブ設計段階中に行われる様々な選択に応じて多種多様である。しかし、２つの一般的な構造の形態が、それらのいずれかまたは両方が単一のバルブ設計に組み込まれて、使用されている。ある従来型の構造では、様々な部品が、現場での分解、再組立、さらに部品の交換さえも可能にする相補的にねじ山を付けられた部材によって、互いにねじ止めされまたは互いに保持されている。別の従来型の構造では、様々な部品が、不正開封防止される、すなわち現場で容易に取外しされないように構成された、ある封入容器の形態の容器内に封入されている。この後者の構造は、同じバルブを修理するコストが交換するコストを超える小さめのポペット・バルブでより一般的に使用されている。また、製造プロセスで最終検査を通過しないようなバルブは、修理、その中の部品の回収などの目的で、工場で分解される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、分解されるバルブは余分な質量が必要となり、それにより応答能力に不利益を与えるので、上記の従来型の構造が実用的でなかったミニチュア形態で製造するのに適し、極めて高速の動作が可能なバルブ・アセンブリである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ミニチュア・バルブ・アセンブリとして製造するのに適したバルブが開示される。バルブは上側極部片、下側極部片、電機子、その他磁性材料のすべてを最低限備える。２つの極部片は、アクチュエータ・コイルを取り込み、その中に組み付けられた電機子のための磁気回路を形成するために、プレスばめ、溶接および／または接着などによって恒久的に接合されている。弁座部材が、電機子部片に成型され、スナップ嵌合または突刺嵌合され、かつアセンブリを完成させるために電機子によって取り込まれている。意図された恒久的なアセンブリの使用、およびバルブ外側ハウジングまたはケースとしての磁気回路の部品の使用は、他の設計のバルブを使用して、または他の組立て技術を使用して実際に提供できるよりも小さく、質量が小さい、高い速度能力のバルブを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、小さいサイズと小さい質量を容易にする独自の構造を有する電磁動作のバルブ・アセンブリ１０である。ここで詳細に開示される特定の好ましい実施形態では、ポペット・バルブ・アセンブリ１０は、２方向２位置タイプの流体（たとえば空気圧）バルブである。バルブ本体は、直径約０．３５インチ（約１０ミリメートル）、長さ約０．７５インチ(約１９ミリメートル)である。この実施形態では、電機子アセンブリ、戻りばね、磁気回路の２つの静止部品、弁座部材および電磁アクチュエータ・コイルを含むポペット・バルブ・アセンブリ１０の主要部品が、磁気回路の２つの主要構成部品に対して１つのプレスばめ、および弁座の上記アセンブリへの単一の「スナップ」または圧力または鬼ボルト嵌合、または上記の組合せを使用して、組立てられる。次にポッティング動作が、アクチュエータ・コイルおよびプリント回路基板コネクタを定位置に固定し、アセンブリを完成させる。図３および６に示す実施形態では電機子に直接成型されている、密封先端部が、小さい質量およびバルブ内部での小さい空間消費を可能にする。結果として、電線なしでプリント回路基板と直接接続されたプレスばめアセンブリとなり、極自体が封入容器の上側部分を形成し、好ましい実施形態では、製造時でさえも不正開封防止を一般に意図している。
【０００７】
図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態の側面図が示されている。ここに示した実施形態のミニチュア・ポペット・バルブ・アセンブリ１０は、円筒形の本体２０、端部キャップ・アセンブリ２２、弁座部材２４を有する。弁座部材２４は、Ｏリング溝内に配置されたＯリングまたはその他の密封部材２６と、同様に他のＯリング溝内に配置された第２のＯリングまたはその他の密封部材２８を有している。Ｏリング２６、２８の間の弁座部材２４のくぼんだ部分３２を通って設けられた１つまたは複数（たとえば４つ）のポート３０が、弁座部材２４の内部との流体的な連絡を提供している。また、弁座部材２４の底部に、その詳細がそれに続く図面でよりよく説明される、符号３４によって一般に示される第２のポートが設けられている。バルブの組立ては、それ自体、密封された封入容器を形成するために先端をポートに予め押し付ける。
【０００８】
ここで図３を参照すると、図１、２のミニチュア・ポペット・バルブ・アセンブリ１０の断面図が示されている。図１に示した円筒形の本体２０は、実際は図２、３の下側極部片３６であり、これは上側極部片３８とともに、ポペット・バルブ・アセンブリ１０の外側封入容器の大部分すなわち重要な部分、および磁気回路の静止部品を形成し、その中に電磁アクチュエータ・コイル４０を取り込んでいる。下側極部片３６内に、下端部に一体化されたバルブ閉鎖部材４４を有する可動電機子４２が配置されている。ニトリルまたはビトンなどの伸展性および／または軽量のゴムまたはプラスチック材料で好ましくは形成されたバルブ閉鎖部材が、電機子４２に、成形、押し付け、セメント付け、またはそうでなければ接続されている。下側極部片３６と電機子の下端部に形成された環状のショルダ４７の間で作用する戻りばね４６が、図３に示すバルブ閉鎖位置へ電機子を偏倚させ、ポート３４とポート３０の間の流体的な連絡を遮断する。しかし、アクチュエータ・コイル４０の励磁が電機子の上端部に磁気吸引力を与え、上側極部片３８の隣接する表面に対して平らに電機子を引き、ポート３４とポート３０の間の流体的な連絡を達成するために、バルブ閉鎖部材４４を隣接する弁座部材２４内の弁座４９から遠ざかるように引く。部材３８、３６、２４の「プレス（押しつけ）」および／または溶接は、３４を通過するすべての流体が３０を通って出るように、「漏出のない」バルブを作成する。
【０００９】
上側極部片３８を備える端部キャップ・アセンブリ２２（図１）の詳細が、図２の分解図で示されている。本実施形態の上側極部片３８は、その上部を横切るように形成された比較的大きなスロット４８を有し、そこにアクチュエータ・コイル４０の２本の電気リード線（図示せず）のため２つの孔５０（図２では１つしか見えていない）を備える。上側極部片３８内のスロット４８内にはめ込まれるミニチュア・コネクタ５４を形成している端子５２にそれらのリード線が接続される。コイル４０は、ボビンなしで固定部に巻き付けられてもよく、または好ましい実施形態では、ボビン５６（図２）などのボビンが使用されてもよい。
【００１０】
コネクタ５４は、上側極部片３８内のスロット４８内に嵌合され、スロットの残りは、通常、コネクタを保持し、コイル４０のためのリード線を封入するため、およびアクチュエータ・コイル４０の最終アセンブリ内でのいかなる運動も防止するために、上側極部片３８内の孔５０を通ってボビン５６を定位置に接合するために、適切な熱可塑性樹脂でポッティングされる。図２で符号５８によって一般に示されているポッティングは、固定具内で、または別法として、ほぼ図示した形状である射出成型されたキャップなどの予備成型されたキャップ内で行われ、各ポペット・バルブ用のポッティング固定具としておよびバルブの恒久的な部品としての両方で使用されてもよい。好ましくは、キャップおよび／またはポッティングは、スロット４８に限定されている（図２）。ポッティング後、バルブは、プリント回路基板と（ピンによって）直接結合されることができる。電線または中間コネクタは必要とされない。
【００１１】
ここで図５を参照すると、弁座部材２４の底面図が示されている。弁座部材は、バルブ閉鎖部材４４に対して協働するように配置された弁座を形成するためにその内端部を終点とする開口またはポート３４（図１、３も参照）を備える。ポぺットバルブ・アセンブリ１０が、バルブを装着する表面に対して平坦な端部６２を有する用途で使用されても、ポート３４と連絡している流体流通路を形成するように、ポート３４から複数の（たとえば４つの）半径方向に弁座部材２４内に形成されたスロット６０（図１、３および５）が延びている。これらのスロットはさらに、流体通路を弁座の一体部品にすることによってバルブの長さを減少させる働きをする。
【００１２】
ここで図４を参照すると、図３の領域４−４の詳細が示されている。下側極部片３６の下縁部は、その下端部に形成された比較的小さな環状の突起６３を有する。弁座部材２４は、下側極部片３６上で環状の突起６３を受けて保持するように協働するように配置された環状のくぼみ６４を有する。好ましい実施形態では、弁座部材２４は、これら２つの部片をきついスナップ嵌合とするために、下側極部片３６の下端部を弁座部材の上部へ押し込むことができる十分な伸展性を有する成型された非金属製の部材である。デルリン(Delrin)材料が、実施形態で使用されている。
【００１３】
下側極部片３６、上側極部片３８、電機子４２は磁性材料で形成されており、通常すべて同じ材料であるが必ずしもそうである必要はなく、最小の摩耗特性と高い磁気ヒステリシスを提供するように好ましく選択された好ましくは強磁性材料である。いくつかの材料のいずれが使用されてもよいが、ある有用な材料は、４１４０鋼である。
【００１４】
ここで図２を再び参照すると、本実施形態の組立ての目的で、上側極部片３８と下側極部片３６は、その間にプレスばめを形成するような寸法にされている。したがって、（図示した実施形態では、端部キャップ・アセンブリ２２の一部としてすでに組立てられている ）上側極部片３８と下側極部片３６が、アクチュエータ・コイル４０を所定の位置において、恒久的に一緒にプレスされる。必要に応じて、レーザー溶接または接着セメントなどの適切な接合技術が、これら２つの部品の接合を強化するために使用されてもよい、またはプレスばめのに対する代替として使用されてもよい。さらに別の代替形態として、またはそれに加えて下側極部片３６の上部または上側極部片３８の底部が、この目的のためにわずかな溝の中に巻き込まれてもよいが、摩耗を減少させるための少なくともいくつかの適用例では、磁性材料は、通常の巻き付け動作のためには機械的に硬すぎる。しかし、小さすぎる部品および／または固定具を組み込むことの比較的低いコスト、または必要に応じた分離と再組立てを可能にする固定技術のため、いかなる接合方法が使用されても、このジョイントが、好ましくは恒久的なジョイントとして処理されるように企図されている。
【００１５】
いったん上側極部片３８と下側極部片３６が恒久的に組立てられたあと、電機子アセンブリ（バルブ閉鎖部材４４をその上に備える電機子４２）と機械的戻りばね４６が定位置に配置される。次に、弁座部材２４が、その最終的な組立て位置に「スナップ」嵌合するために下側極部片３６の下端部にプレスされる。次にＯリング２６と２８が通常それに付加される。明らかに、Ｏリングは、特定のタイプの装着を容易にするが、他のタイプのバルブの装着と密封が、必要に応じて組み込まれてもよい。一例として、好ましくは、通常下側部片３６または弁座部材２４上にフランジを設けることによって、チューブ接続部と装着するフランジが使用されてもよい。別法として、１つの部片を形成するためにＯリングの代わりに、ゴムが３４に成型されてもよい。
【００１６】
全体的な結果は、バルブの用途に応じて、気体または液体の流れの制御に使用するのに適し、最小数の部品を有し、恒久的に組立てられたミニチュアのソレノイド動作の空気圧バルブ・アセンブリ１０である。この点で、図示された電機子４２の下端部が、戻りばね４６を捕捉するための環状のフランジ様の突起を有するが、フランジ様の突起は、弁座部材２４内の内部流体流面積を増加させ、流れおよび／またはバルブの動作を拘束する粘性効果を低減させるために領域内で波状にされてもよい、またはそうでない場合、不連続であってもよい。
【００１７】
特定のデザインの例示的な実施形態のすべての特徴を組み込むことが必要ではないが、外部接続手段または機構のないこと、電機子と弁座の一体化、磁気回路の外側での非金属材料の使用、プリント回路基板接続部の一体化は、高い「ｇ」荷重への良好な弾力性を有する、高速の動作が可能である極めて小さい質量を有するバルブ・デザインを可能にする磁気ラッチング能力を兼ね備えている。
【００１８】
本発明のバルブ・アセンブリ１０は、いずれの方向での流体流の高速制御のために使用することができる。バルブが閉鎖され、比較的高い流体圧力がポート３４上にかかり、圧力差がバルブ閉鎖部材４４を開放位置へ押しても、戻りばね４６は、バルブ閉鎖部材４４をその弁座に対して閉じた状態に保持するために十分な力を有しなければならないが、一方、バルブを開放するためのアクチュエータ・コイル４０によって発生させられる磁気力を戻りばね４６の力が超えるほどには、大きくない。バルブ閉鎖部材４４が閉鎖され、比較的低い流体圧力がポート３４上にかかる場合、バルブ閉鎖部材４４を開放するためにアクチュエータ・コイル４０によって発生させられる磁気力は、バルブ閉鎖部材を横切る圧力差と戻りばねの力の和に対して、バルブ閉鎖部材４４を閉鎖状態に保持する力を超えなければならない。いくつかの実施形態では、戻りばねは、バルブ閉鎖部材４４を閉鎖状態に保持するのを助けている流体圧力差に対してバルブ閉鎖部材４４を開放するために、アクチュエータ・コイル４０が電流パルスによってパルス動作されるように選択されている。電機子４２とバルブ閉鎖部材４４は、それらの開放位置と閉鎖位置の間で極めて高い速度と頻度で動作することが可能である。電流パルスの終了後、磁気回路の構成部品の残留磁力が、電機子４２（したがってバルブ閉鎖部材４４）を開放状態に保持する（すなわち磁気的にラッチする）ために戻りばねの力を超える磁気引力を供給する。このことは、最大の開放力に対して短い電流パルスしか使用しないで、バルブをかなりの時間開放することを可能にする。したがって、このような電流レベルが、かなりのバルブ開放時間全体を通じて維持される場合、普通ならばアクチュエータ・コイル４０を過熱させ、損傷を与える電流パルスを使用することができる。これはまた必要なアクチュエータコイル駆動回路のサイズを縮小する。いったん開放位置に磁気的にラッチされたバルブを閉鎖するために、反対方向の短い、低振幅の電流パルスが、磁気回路の構成部品を実質上消磁し、それによって戻りばねがバルブを閉鎖することを可能にするために使用される。代替となる実施形態は、ラッチ力を相殺し、バルブが閉鎖することを可能にするために、高速で減衰する正弦波の電流を使用してもよい。
【００１９】
また、ここに開示した実施形態は、直径約０．３５インチ（約１０ミリメートル）と長さ約０．７５インチ（約１９ミリメートル）であるが、同様の設計や組立て技術が、一例として直径約０．５インチ（約１３ミリメートル）と長さ約１．０インチ（約２５ミリメートル）のバルブなどの、他のサイズのバルブのために使用されてもよい。さらに大きなバルブが、本発明に従って作製されてもよいが、特に大きなバルブが、両面で使用できる組立て技術を含むように、物理的、経済的に修正可能である。
【００２０】
ここで図６を参照すると、図４の断面と同様である、代替となる実施形態断面がみられる。この実施形態は、別段の記載のない場合は、図１から５および図７の実施形態と同一である。図６の実施形態では、プラスチック部材７０、７２が、それぞれ、ばね４６と下側極部片３６の間、およびばね４６と可動電機子４２’の間に設けられている。これらのプラスチック部材は、ばねと各隣接する部材の間の金属対金属の接触を防止し、それによって、各金属部材の間の運動によって起こり得る摩耗とくずの形成を回避する。
【００２１】
図６の実施形態では、下側極部片３６’は、環状の突起７６上に形成された一体型の突刺７４を有し、この突刺７４は、弁座部材２４’の内直径との締まりばめを有する。この点で、図６の断面は、前の実施形態に対する図４の断面と同様の断面であるが、ポート３０の間で４５°、すなわち弁座部材２４’のポート３０（図１、３、４）の間の半分の角度をとることに留意されたい。図６の断面は、わかりやすくするためにいくらか拡大して示されている突刺７４が、弁座部材２４’と下側極部片３６’が、部材を互いに恒久的に保持するために組立て中に互いに押し付けられたときに、弁座部材２４’内に噛み合い、それとロックする方式を示すために、４５°の角度でとられている。弁座部材２４’自体は最初に対応するくぼみを有しても有さなくもよく、したがって、突刺は、完全に組立てられた位置で部品とともに自動的に着座する。必要に応じて、突刺の設置は、弁座部材２４’の周縁の周りに押し付けるまたは巻き付けることによって、または超音波エネルギーを付加することによって補助される。図６の実施形態では、弁座部材２４’の内直径は、バルブを通るより大きな流面積を提供するためにポート３０（図１）の領域内に成型された鉛直方向溝を有し、したがって、突刺は、ポートの間の領域内のみで弁座部材２４’の内直径と交差する。
【００２２】
ここで図７を参照すると、本発明のさらなる実施形態がみられる。この実施形態では、上側極部片７８と下側極部片８０が、溶接中に２つの部品の位置合わせを維持するために適切な固定具を使用して互いに溶接されてもよい。前の実施形態で弁座部材であったものは、２つの部材８２、８４から成り、Ｏリング８６を有する部材８０が、Ｏリングを通る空気流を制限または防止する。可動電機子４２”は、閉じているバルブを密封するエラストマー製のＯリング９０を保持する一体型の傘状の下側突起８８を備える。この実施形態では、部材８２、８４と下側極部片８０が、プレスばめを使用して互いに固定されてもよいが、これらの部品の、および／または上側と下側極部片の組立ての他の形態が、必要に応じて使用されてもよい。
【００２３】
本発明の別の態様は、可動電機子４２（または４２’または４２”）のその駆動位置への到達を感知する能力である。感知を可能にする原理を以下で示すことができる。アクチュエータ・コイル４０の抵抗（図２、３参照）が特定の値である間、磁気回路の透磁率が極めて高く、飽和と漏出効果は無視できる仮定する。理想的なコイルのインダクタンスが回路の幾何形状に応じて変化する回路では、任意の時間ｔに誘導子内で電流ｉの関数として誘導インダクタンスＬを横切る電圧は、以下の式によって与えられる。
【００２４】
【数１】
2006517280.tif 000003
【００２５】
コイルのインダクタンスは、
Ｌ＝ｋ／ｘ＝ｋｘ−1
ここで、ｋ＝ａ  定数
ｘ＝磁気回路内の隙間
となる。
【００２６】
時間ｔでのインダクタンスの変化速度は、
【００２７】
【数２】
2006517280.tif 000004
すなわち、
【００２８】
【数３】
2006517280.tif 000005
【００２９】
駆動（アクチュエータ・コイル４０への電圧ｅの印加）の際、隙間ｘはほぼゼロに向かって減少して、消滅し、電流ｉは最初にゼロから増加する。したがって、ｄｘ／ｄｔは、アクチュエータ動作中は負であり、したがって、ｄＬ／ｄｔの項は正であり、増加する。ｄＬ／ｄｔの項が印加された電圧ｅを越えた場合、アクチュエータ動作の一部の間、ｄｉ／ｄｔの項が負になる。隙間がほぼゼロになると、電機子が停止する。ここで、ｄＬ／ｄｔの項ゼロになり、したがって、前の仮定により、電流の変化速度（ｄＬ／ｄｔ）が、以下のように再び正になる。
【００３０】
【数４】
2006517280.tif 000006
【００３１】
ここで図８を参照すると、本発明によるバルブの駆動中の電流波形対時間を示す実際の軌跡のコピーがみられる。実際には後に負になる、初期運動中の減速ｄｉ／ｄｔは、極めて明白である。また、アクチュエータ移動の終了は極めて明白であり、この点でｄｉ／ｄｔが反転し、コイルの抵抗によって（または他の手段によって）制限された定常状態駆動電流に減衰する。
【００３２】
アクチュエータ内の電流の変化速度ｄｉ／ｄｔは、様々な手段によって容易に感知できる。一例として、人は、一連の抵抗などによって、コイル内の電流を感知し、アナログ回路では、１対の直列に接続された微分回路を使用してｄ2ｉ／ｄ2ｔを感知することによってｄｉ／ｄｔの突然の変化を感知する。ほぼ負の値から極めて大幅な正の値へのｄｉ／ｄｔの突然の変化は、ｄ2ｉ／ｄ2ｔの大きなスパイクとしてそれ自体示される。これは、第２の検知器がそれに続く最小電流を検知することを可能にするために、電流の第１のピークを感知することによってピーク検知器によって感知されてもよい。
【００３３】
他の構成と適用例では、ｄＬ／ｄｔの項は、アクチュエータが駆動位置に到達する前は、印加された電圧よりも大きくならない。しかし、そのときでさえも、ｄｉ／ｄｔの項は、アクチュエータが駆動位置に到達するまで減少し（しかし負にはならない）、その後、ｄｉ／ｄｔの項はより大きな正の値へステップ・ジャンプする。したがって、アクチュエータの駆動位置への到達が、駆動が開始した後、ｄｉ／ｄｔの項の突然の増加によって示され、またｄ2ｉ／ｄ2ｔのスパイクによって示される。いずれの場合も、到達の標示が、通常考えられる流出時間の後、磁気ラッチングが使用されている場合バルブへの電力を終了させる。そうでない場合、ばね力が磁気ラッチング傾向を超えた場合、駆動電流が、それよりもずっと低い保持電流へ減少される。このことは、電力消費を減少させ、速度の目的で望まれた、または必要とされた場合、コイルを過熱させることなく、コイルのオーバー・ドライブを許す。このようにして全駆動を感知することは、各バルブの駆動時間の増加または不規則性を知ることによって、診断の目的でも使用されることができる。
【００３４】
この特徴を組み込んでいる例示的なコイル励起制御回路のためのブロック線図が図９にみられる。駆動コマンドが、コイルと感知レジスタの直列の組合せに電力を供給するコイル駆動回路に供給される。感知レジスタは、簡便のためコイルと接地点の間にある。到達感知回路が、可動電機子４２（４２’、４２”）の駆動位置への到達を判定するために感知レジスタを横切る電圧を感知し、好ましくは十分な流出時間の後フィードバック信号を供給し、磁気ラッチングが使用されている場合コイル駆動を遮断する、または磁気ラッチングが使用されていない場合コイル駆動回路の出力を減少させる。この場合、保持電流の終了が、可動電機子４２（４２’、４２”）を解放する。
【００３５】
本発明のある好ましい実施形態が、高い動作頻度（１０００Ｈｚまでなど）が可能であり、高速の応答（０．４から０．６ｍｓｅｃなど）を有し、低い電力消費（１００Ｈｚでの動作時０．１２５ワットなど）を有し、サイズが小さく、低い漏出を有する、小さな値を生み出すために使用できる様々な特徴を組み込んでここで詳細に説明されてきた（丸括弧内の値は、例示的な磁気ラッチ・バルブに対して代表的な値であり、得ることができる性能の限界を必ずしも示すものではない）。しかし、個々の特徴と特徴の組合せが必要に応じて有利に結合されるため、本発明の各実施形態のすべての特徴を組み込むことは必要でないことを理解されたい。たとえば、恒久的な組立て技術が好ましいが、半恒久的な技術が必要に応じて使用されてもよい。また、駆動の完了の感知が有利であるが、本発明の実施に不可欠であるわけではなく、別法として、別段の記載のない場合本発明に従ってこれら以外のバルブで実施されてもよい。したがって、前記の説明は、本発明の限界としてではなく、例示のみを意図されている。なぜならば、本発明による数多くの別の代替となる実施形態が、当業者なら明らかであるからである。したがって、本発明のある好ましい実施形態がここで説明されてきたが、頭記の特許請求の範囲の全範囲で説明されたような形態と詳細の様々な変化が、本発明の精神および範囲を逸脱することなく本発明に行われてもよいことが、当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明によるミニチュア・ポペット・バルブ・アセンブリの一実施形態の第１の側面図である。
【図２】図１のミニチュア・ポペット・バルブ・アセンブリの分解透視図である。
【図３】図１の線３−３に沿ったミニチュア・ポペット・バルブ・アセンブリの断面図である。
【図４】図３の領域４の部分拡大図である。
【図５】図１の線５−５に沿ったミニチュア・ポペット・バルブ・アセンブリの端面図である。
【図６】本発明の代替となる実施形態の局部断面図である。
【図７】本発明の別の代替となる実施形態の局部断面図である。
【図８】本発明によるバルブ・アセンブリの動作中の、電流対時間の実際の軌跡である。
【図９】到達センサ回路を組み込んだ例示的なコイル駆動システムのブロック線図である。
【図１】
2006517280.tif 000007
【図２】
2006517280.tif 000008
【図３】
2006517280.tif 000009
【図４】
2006517280.tif 000010
【図５】
2006517280.tif 000011
【図６】
2006517280.tif 000012
【図７】
2006517280.tif 000013
【図８】
2006517280.tif 000014
【図９】
2006517280.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月2日(2004.9.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔を有する電気アクチュエータ・コイル（４０）と、
すべて磁性材料で形成された、上側極部片（３８）、孔を有する下側極部片（３６）、電機子（４２）とを備え、
前記上側と下側極部片が、バルブ・アセンブリの外側ケース（２０）の少なくとも一部を形成し、前記アクチュエータ・コイルの外直径を磁性材料で包囲するために前記アクチュエータ・コイルの外直径の外側で恒久的に接合され、
前記電機子が、前記下側極部片の下端部の孔内で滑動する外周表面を有し、前記下側極部片の下端部の孔内で、前記アクチュエータ・コイルの孔の中へ、前記電機子の上側面が、前記上側極部材の協働して配置された面と当接する引込み位置まで上向きに滑動するように構成され、
下側極部片の下端部に恒久的に結合されており、前記電機子の下端部位置に面した弁座（４９）を形成し、それを通る第１のポート（３０）を形成し、また、少なくとも１つの第２のポート（３４）を形成している、弁座部材（２４）を備え、
前記電機子の下端部が、電機子が伸長位置にあるとき弁座と係合し、それに対して密封するように配置されたバルブ閉鎖部材（４４）を有し、
前記電機子と下側極部片の間に配置され、前記電機子を、前記閉鎖部材が弁座と係合し、それに対して密封する伸長位置のほうへ励磁するために初期荷重を加える戻りばね（４６）とを備える流体バルブ・アセンブリ（１０）であって、
前記戻りばね（４６）が、使用中、前記電機子（４２）が伸長位置にあるとき、前記弁座（４９）を横切る流体差圧に逆らって前記弁座（４９）と係合している前記バルブ閉鎖部材（４４）を保持するために必要であるよりも大きいばね力を有し、引込み位置にあるとき、前記上側と下側極部片（３８、３６）および前記電機子内の残留磁気の結果生じる力よりも小さいばね力を有し、前記電機子が電機子引込み位置に磁気的にラッチされることを特徴とするバルブ・アセンブリ。
【請求項２】
前記バルブ閉鎖部材（４４）が、前記電機子（４２）内で維持され、前弁座（４９）と係合し、それに対して密封するために下向きに突き出ている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項３】
前記バルブ閉鎖部材（４４）が、前記電機子（４２”）の延長部（８８）によって維持されるＯリング（９０）である請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項４】
前記上側と下側極部片（３８、３６）が、互いにプレスばめされている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項５】
前記上側と下側極部片（３８、３６）が、互いに接合されている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項６】
前記上側と下側極部片（３８、３６）が、互いにプレスばめおよびセメント接合されている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項７】
前記弁座部材（２４）が、プラスチック材料で形成されている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項８】
前記弁座部材（２４）が、スナップ嵌合によって前記下側極部片（３６）の下端部と恒久的に結合されている請求項７に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項９】
前記上側極部片（３８）の上部の、前記アクチュエータ・コイル（４０）と結合された電気コネクタ（５４）をさらに備える請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１０】
前記コネクタ（５４）が、前記上側極部片（３８）の上部に成型されている請求項９に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１１】
前記上側極部片（３８）、前記下側極部片（３６）および前記電機子（４２）が、４１４０鋼合金材料で形成されている請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１２】
前記流体バルブ・アセンブリが、長さ約１インチ未満（約２５ミリメートル未満）、直径約０．５インチ未満（約１３ミリメートル未満）である請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【請求項１３】
前記流体バルブ・アセンブリが、長さ約０．７５インチ（約１９ミリメートル）、直径約０．３５インチ（約１０ミリメートル）である請求項１に記載のバルブ・アセンブリ（１０）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
ソレノイド駆動式ポペット・バルブの形状と構造は、意図されるバルブの用途とバルブ設計段階中に行われる様々な選択に応じて多種多様である。しかし、２つの一般的な構造の形態が、それらのいずれかまたは両方が単一のバルブ設計に組み込まれて、使用されている。ある従来型の構造では、様々な部品が、現場での分解、再組立、さらに部品の交換さえも可能にする相補的にねじ山を付けられた部材によって、互いにねじ止めされまたは互いに保持されている。別の従来型の構造では、様々な部品が、不正開封防止される、すなわち現場で容易に取外しされないように構成された、ある封入容器の形態の容器内に封入されている。この後者の構造は、同じバルブを修理するコストが交換するコストを超える小さめのポペット・バルブでより一般的に使用されている。また、製造プロセスで最終検査を通過しないようなバルブは、修理、その中の部品の回収などの目的で、工場で分解される。
別の従来型の構造が、１９８７年２月１７日にＫｏｓｕｇｉ他に対して発行された米国特許第４，６４３，３９３  Ａ号に示されている。Ｋｏｓｕｇｉ他は、すべて磁気材料で形成された、孔を有する電磁コイル（２２）と、電磁動作部材（２１）と、静止鉄芯（２４）と、孔を有する磁気プレート（２８）と、プランジャ（２６）とを備える超ミニチュア電磁バルブ・アセンブリを開示している。電磁動作部材（２１）、静止鉄芯（２４）、磁気プレート（２８）は、電磁コイル（２２）の外直径の外側に恒久的に接合され、バルブ・アセンブリの外殻を構成し、磁気材料によって電気コイル（２２）の外直径を包囲する、断面がほぼＵ字型の磁気枠（２９）を少なくとも一部を形成している。プランジャ（２６）は、磁気プレート（２８）の下端部の孔内に滑動する外周表面を有し、プランジャ（２６）は、磁気プレート（２８）の下端部の孔の中で電磁コイル（２２）の孔内へ、プランジャ（２６）の上側面が静止鉄芯（２４）の協働するように配置された面と当接する引込み位置へ上向きに滑動するように構成されている。さらに、バルブ・ケーシング（１）が、磁気プレート（２８）の下側端部と恒久的に結合され、バルブ・ケーシング（１）が、プランジャ（２６）の下端部分に面した弁座（５）を形成し、それを通る取入ポート（２）を形成している。バルブ・ケーシング（１）はまた少なくとも１つの排出ポート（３）を形成する。プランジャ（２６）の下端部は、プランジャ（２６）が伸長位置にあるとき弁座（５）と係合し、それに対して密封するように配置されたバルブ部材（２７）を有する。ばね（２５）が、プランジャ（２６）と磁気プレート（２８）の間に配置され、プランジャ（２６）を、バルブ部材（２７）が、弁座（５）と係合し、それに対して密封する伸長位置へ押しやるように初期荷重をかけられる。Ｋｏｓｕｇｉ他の１欄４６〜４８行、３欄１１〜１５行、５欄１〜１３行に示されているように、バルブ・アセンブリは、弁座（５）がバルブ部材（２７）によって閉鎖されるように、電源の中断によって、ばね（２５）がプランジャ（２６）を静止鉄芯（２４）から遠ざかるように移動させるため、磁気的にラッチしないタイプである。電磁コイルの非活動化の後すぐに閉鎖する傾向にある他の磁気的にラッチしないバルブが、１９９２年２月４日に発明者Ｏ‘Ｄｅｌｌに発行された米国特許第５，０８５，４０２号（８列６４〜６８行参照）、２０００年７月１１日に発明者Ｓｃｏｔｔ他に発行された米国特許第６，０８６，０４２号（５列６２〜６３行参照）に示されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
本発明は、ｉ）分解されるバルブは余分な質量が必要となり、およびii）バルブ部材の位置の１つを維持するために電磁コイルが連続的に電気的に励起されなければならないという必要性によって、応答能力に不利益を与えるので、上記の従来型の構造では実用的でない、ミニチュア形態で製造するのに適した、極めて高速でエネルギ効率の良い動作が可能であるバルブ・アセンブリである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
ミニチュア・バルブ・アセンブリとして製造するのに適したバルブが開示される。バルブは上側極部片、下側極部片、電機子、その他磁性材料のすべてを最低限備える。２つの極部片は、アクチュエータ・コイルを取り込み、その中に組み付けられた電機子のための磁気回路を形成するために、プレスばめ、溶接および／または接着などによって恒久的に接合されている。弁座部材が、電機子部片に成型され、スナップ嵌合または突刺嵌合され、かつアセンブリを完成させるために電機子によって取り込まれている。意図された恒久的なアセンブリの使用、およびバルブ外側ハウジングまたはケースとしての磁気回路の部品の使用は、他の設計のバルブを使用して、または他の組立て技術を使用して実際に提供できるよりも小さく、質量が小さい、高い速度能力のバルブの実現することができる。磁性回路を形成している電機子、上側極部片、下側極部片の残留磁気の使用は、電機子とバルブ閉鎖部材を、電流パルスの終了後その位置の１つに磁気的にラッチし、保持するために、戻りばねの力を超える磁気引力を供給する。したがって、このような電流レベルが、電機子とバルブ閉鎖部座がそれらの位置の１つにあり続ける時間全体を通じて保持される場合、そうでなければアクチュエータ・コイルを過熱や損傷させる電流パルスが使用されることができる。このことは、必要とされるアクチュエータ・コイル・ドライブのサイズを減少させることができる。
【国際調査報告】
2006517280.tif 000016
2006517280.tif 000017
2006517280.tif 000018