(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のポートを連通する連通ポートをプランジャの進退により開閉する電磁弁であって、前記プランジャの一端側にテーパ部を設け且つ他端側に軸状部を設けると共に、前記連通ポートの内壁にテーパ状のシート部を設け、前記プランジャのテーパ部を前記シート部に着座させることにより前記連通ポートを閉じるようにし、且つ、前記プランジャの軸状部を圧力作用室に収容し、該圧力作用室と前記連通ポートとを前記プランジャの軸状部の外周に配されたシール部材により仕切り、前記プランジャに前記連通ポートと前記圧力作用室とを連通する連通通路を設け、前記シート部の最小内径と前記プランジャの軸状部の外径とを等しくして、前記シート部に着座した前記プランジャのテーパ部における前記シート部よりも縮径側の部分の軸方向投影面積である前記連通ポート内の前記圧力作用室側への推力発生面積と、前記圧力作用室内の前記連通ポート側への推力発生面積とを等しくし、
前記連通ポートにおいて、前記シート部より流体流れ方向下流側の流体通路を絞り、該流体通路の出口部に前記連通通路の一端を臨ませ、前記圧力作用室に前記連通通路を介して開弁時の流体流れに応じた負圧が作用されるようにしたことを特徴とする電磁弁。
【請求項２】
複数のポートを連通する連通ポートをプランジャの進退により開閉する電磁弁であって、前記プランジャの一端側にテーパ部を設け且つ他端側に軸状部を設けると共に、前記連通ポートの内壁にテーパ状のシート部を設け、前記プランジャのテーパ部を前記シート部に着座させることにより前記連通ポートを閉じるようにし、且つ、前記プランジャの軸状部を圧力作用室に収容し、該圧力作用室と前記連通ポートとを前記プランジャの軸状部の外周に配されたシール部材により仕切り、前記プランジャに前記連通ポートと前記圧力作用室とを連通する連通通路を設け、前記シート部の最小内径と前記プランジャの軸状部の外径とを等しくして、前記シート部に着座した前記プランジャのテーパ部における前記シート部よりも縮径側の部分の軸方向投影面積である前記連通ポート内の前記圧力作用室側への推力発生面積と、前記圧力作用室内の前記連通ポート側への推力発生面積とを等しくし、
前記連通ポートにおいて、前記シート部の流体出口部の位置に前記連通通路の一端を臨ませ、前記圧力作用室に前記連通通路を介して開弁時の流体流れに応じた負圧が作用されるようにしたことを特徴とする電磁弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁弁に係り、特に、エア等の流体の流量制御に用いられる電磁弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電磁弁としては従来図９に示すようなものがある。これはバルブボディ５１内のスリーブ５２にスプール５３を摺動自在且つ往復動自在に設け、電磁コイル５４への印加電圧（又は電流）を制御することにより、電磁コイル５４による反発力とスプリング５５による押圧力とのバランスを変化させ、スプール５３を所定位置に移動し、第１ポート５６又は第２ポート５７の断面積を変えて流体流量を制御する、というものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この構造だと以下の欠点がある。
【０００４】
▲１▼  スプール５３が、穴の開いたスリーブ５２の内面を摺動するため、パッキン等が使用できず、完全なシールが行えない。
【０００５】
▲２▼  摺動を可能とするにはある程度のクリアランスが必要で、このことからも完全なシールが行えない。
【０００６】
▲３▼  各パーツの形状が複雑である。
【０００７】
▲４▼  摺動部の隙間に埃等が噛み込むと（いわゆるコンタミ）作動不良を起こす。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題を解決すべく創案されたもので、その目的は、シール性が良好で、構造が簡易で、安定した作動を確実に行える電磁弁を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数のポートを連通する連通ポートをプランジャの進退により開閉する電磁弁であって、前記プランジャの一端側にテーパ部を設け且つ他端側に軸状部を設けると共に、前記連通ポートの内壁にテーパ状のシート部を設け、前記プランジャのテーパ部を前記シート部に着座させることにより前記連通ポートを閉じるようにし、且つ、前記プランジャの軸状部を圧力作用室に収容し、この圧力作用室と前記連通ポートとを前記プランジャの軸状部の外周に配されたシール部材により仕切り、前記プランジャに前記連通ポートと前記圧力作用室とを連通する連通通路を設け、前記シート部の最小内径と前記プランジャの軸状部の外径とを等しくして、前記シート部に着座した前記プランジャのテーパ部における前記シート部よりも縮径側の部分の軸方向投影面積である前記連通ポート内の前記圧力作用室側への推力発生面積と、前記圧力作用室内の前記連通ポート側への推力発生面積とを等しくし、前記連通ポートにおいて、前記シート部より流体流れ方向下流側の流体通路を絞り、この流体通路の出口部に前記連通通路の一端を臨ませ、前記圧力作用室に前記連通通路を介して開弁時の流体流れに応じた負圧が作用されるようにしたものである。
【００１１】
また、本発明は、複数のポートを連通する連通ポートをプランジャの進退により開閉する電磁弁であって、前記プランジャの一端側にテーパ部を設け且つ他端側に軸状部を設けると共に、前記連通ポートの内壁にテーパ状のシート部を設け、前記プランジャのテーパ部を前記シート部に着座させることにより前記連通ポートを閉じるようにし、且つ、前記プランジャの軸状部を圧力作用室に収容し、この圧力作用室と前記連通ポートとを前記プランジャの軸状部の外周に配されたシール部材により仕切り、前記プランジャに前記連通ポートと前記圧力作用室とを連通する連通通路を設け、前記シート部の最小内径と前記プランジャの軸状部の外径とを等しくして、前記シート部に着座した前記プランジャのテーパ部における前記シート部よりも縮径側の部分の軸方向投影面積である前記連通ポート内の前記圧力作用室側への推力発生面積と、前記圧力作用室内の前記連通ポート側への推力発生面積とを等しくし、前記連通ポートにおいて、前記シート部の流体出口部の位置に前記連通通路の一端を臨ませ、前記圧力作用室に前記連通通路を介して開弁時の流体流れに応じた負圧が作用されるようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１３】
図１に、本発明の実施形態の前提となる参考形態を示す。図１に示すように、本参考形態にかかる電磁弁１は、バルブボディ２に二つのポート（第１ポート３及び第２ポート４）を設け、これらポート３，４を連通ポート５で連通し、連通ポート５をプランジャ６の進退により開閉するようになっている。第１ポート３と第２ポート４のいずれか一方が入口（加圧）ポート、他方が出口（排出）ポートとされ、入口ポートから導入された流体は連通ポート５を通じて出口ポートから排出される。
【００１４】
バルブボディ２は配管取付ピース７と中間ピース８とから二分割に構成され、配管取付ピース７に第１ポート３及び第２ポート４が設けられる。第１ポート３はプランジャ軸方向と直角に設けられ、第２ポート４はプランジャ軸方向に沿って設けられる。つまり第１ポート３と第２ポート４は互いに直角に向けられ、これを直角状の連通ポート５で連通するようになっている。各ポート３，４には配管やニップル等の接続のためのメネジ９が設けられる。また各ポート３，４は連通ポート５に接続するための小径孔１０を有している。
【００１５】
中間ピース８の右側にコイルユニット１１が設けられ、これらの軸心部にプランジャ挿通穴１２が設けられる。このプランジャ挿通穴１２にプランジャ６が軸方向進退自在且つ摺動自在に挿入される。プランジャ挿通穴１２の右端はヨーク１３によって閉塞される。これによって圧力作用室１４が区画形成され、圧力作用室１４にプランジャ６の右端側が収容される。
【００１６】
プランジャ６の左端側は連通ポート５内に収容される。ここでプランジャ６は、その左端部に設けられたテーパ部１５と、テーパ部１５の右側に設けられた軸状部１６とから一体になる。軸状部１６は、テーパ部１５以降外径Ｄ1 を有して右側に延出されると共に、右端部に縮径部２１を有し、縮径部２１がヨーク１３の嵌合穴１７に嵌合されるようになっている。嵌合穴１７の底部にはゴム等の弾性体１８が嵌合固定される。
【００１７】
中間ピース８のプランジャ挿通穴１２の内面にリング溝１９が設けられ、リング溝１９にシール部材としてのシールリング２０が収容されている。シールリング２０はプランジャ６の軸状部１６に摺接し、シール径Ｄ1 を有している。このシールリング２０により連通ポート５と圧力作用室１４とが仕切られ、シールリング２０の左側が連通ポート５、右側が圧力作用室１４となる。
【００１８】
プランジャ６のテーパ部１５は、連通ポート５の内壁に設けられたテーパ状のシート部２２（図５参照）に着座可能で、着座時に連通ポート５を閉じ、離反時に連通ポート５を開くようになっている。テーパ部１５は軸方向中間位置でシート部２２に着座されると共に、第２ポート４側に向けて順次縮径され、シート部２２の縮径方向も同方向とされる。特にここでは、シート部２２のテーパ径Ｄ2 とシールリング２０のシール径Ｄ1 とが等しくされる。
【００１９】
テーパ部１５の右端は軸状部１６より大径とされ、軸状部１６から径方向外側に突出した格好となっている。このテーパ部１５の右端と中間ピース８の左端との間に、バネ部材としてのリターンスプリング２３が圧縮状態で配され、プランジャ６を閉弁方向に付勢し、通常時にプランジャ６のテーパ部１５をシート部２２に押し付けている。なおリターンスプリング２３は連通ポート５内に配置される。
【００２０】
プランジャ６には連通ポート５と圧力作用室１４とを連通する連通通路２４が設けられる。連通通路２４はプランジャ６の軸心部を貫通する中心穴２５からなる。これにより連通通路２４の一端は第２ポート４に臨まされ、連通通路２４の他端は弾性体１８に臨まされるようになる。
【００２１】
コイルユニット１１には電磁コイル２６が内蔵され、電磁コイル２６には図示しない電子制御装置から無段階の印加電圧（又は電流）が供給されるようになっている。従って電磁コイル２６に所定の印加電圧が加えられると、これに応じた磁力が発生し、この磁力はヨーク１３に集められ、プランジャ６をリターンスプリング２３の付勢力に抗じて所定量吸引する。こうしてプランジャ６は、印加電圧に比例した量だけ連通ポート５を開放する。
【００２２】
ここで、ヨーク１３の嵌合穴１７の外周壁は比較的薄肉とされ、さらにその左端部は、外周部が左が小径となるようテーパ状に切り欠かれ、エッジ部２７とされている。これによって磁力がエッジ部２７に集中し、プランジャ６に対する吸引力が増すようになる。
【００２３】
この電磁弁１の特徴は以下の通りである。まず、プランジャ６のテーパ部１５を連通ポート５内壁のシート部２２に着座させて、連通ポート５を閉じるので、パッキン等のシールが不要となり、またこれがなくてもシールを完全に行える。これによって閉弁時の流体漏れや、開弁時のシールリークによる流量不均一の問題がなくなり、正確且つ安定した流量制御が行えるようになる。なお着座部のシール強さはリターンスプリング２３の付勢力に比例する。
【００２４】
また各パーツの形状がシンプルなので加工や組立てが容易である。そしてテーパ部１５とシート部２２との間に埃等が噛み込んでも、作動中流体によって吹き飛ばすことができるので、作動不良を起こすことがない。こうしてシール性が良好で、構造が簡易で、安定した作動を確実に行える電磁弁を提供することができる。
【００２５】
一方、この電磁弁１は、後述の理由により、第１ポート３と第２ポート４のいずれを入口（加圧）ポートとしても、またいずれを出口（排出）ポートとしてもよい。使用流体もエア、オイル、水等任意である。
【００２６】
ここで仮に第２ポート４を入口とし、流体にエアを使用したとする。第２ポート４にエア圧がかかった状態で、電磁コイル２６を励磁させ連通ポート５を開放すると、エアはテーパ部１５とシート部２２との間の絞り通路２８（図５参照、ただし図のエア流れ方向は逆向き）を通過し、所定流量に制限されて第１ポート３から排出される。このとき、絞り通路２８に対し上流側（第２ポート４側）が、下流側（第１ポート３側）より高圧となるので、プランジャ６に右向きの推力が発生し、電磁コイル２６の吸引力とリターンスプリング２３の付勢力とのバランスが崩れ、好ましくない。しかし、この推力は圧力作用室１４による反対側からの加圧により、打ち消される。
【００２７】
即ち、絞り通路上流側の圧力は、連通通路２４を通じて圧力作用室１４に導入される。すると圧力作用室１４が加圧状態となり、プランジャ６には左向きの推力が発生する。即ち、プランジャ６の縮径部２１とヨーク１３の嵌合穴１７との間に、隙間或いは切欠等による図示しない通路が設けられており、連通通路２４から出たエアは嵌合穴１７からその通路を通じて縮径部２１外周側に至り、プランジャ挿通穴１２と軸状部１６の隙間を通じてシールリング２０手前までまわり込む。
【００２８】
シート部２２のテーパ径Ｄ2 とシールリング２０のシール径Ｄ1 とが等しいので、連通ポート５内の第２ポート４側の右向き推力発生面積と、圧力作用室１４内の左向き推力発生面積とが等しくなり、第２ポート４への供給エア圧の大小に拘らず、これら推力をバランスさせることができる。一方、連通ポート５内の第１ポート３側でも低圧が発生するが、ここにあるテーパ部１５のテーパ面と右端面とで圧力バランスさせることができるから、ここでも推力の発生をなくすことができる。
【００２９】
結局、連通ポート５内の第１ポート３側と第２ポート４側との差圧によっては、プランジャ６への推力が働かなくなり、電磁コイル２６の吸引力とリターンスプリング２３の付勢力とのバランスを、流体圧力、流量等によらず常に一定に保つことができる。これによって電磁弁１の作動が安定し、狙い通りの流量を得やすくなると共に、出口側ポートに残圧や２次圧が働いても問題なく使用できる。
【００３０】
また閉弁時に第２ポート４を加圧状態にしても、逆向きの同じ力が圧力作用室１４から付与されるので、プランジャ６が開動してしまうようなことがない。
【００３１】
以上の説明から、第１ポート３と第２ポートの入口、出口関係を逆にしても、同様の作用効果を生じることが明らかである。これによって配管のレイアウト性が向上する。なおこのときのエアの流れが図５に示したような方向となる。
【００３２】
この電磁弁１では絞り通路２８の通路面積をプランジャ６のストロークに比例して変化させることができる。よって図８(b) に示すように、従来（(a) ）より流量特性がリニアになり、好ましい特性とすることができる。
【００３３】
なお、プランジャ６が最大ストロークしたときは弾性体１８に当たるようになるため、衝撃が吸収され、ヨーク１３に直接当てるよりも耐久性、騒音等の点で有利となる。
【００３４】
ここで、図５に示すように、シート部２２は僅かではあるが軸方向にある一定の長さを有し、軸方向に沿って内径が変化する。よってシート部２２のテーパ径Ｄ2 とは最小内径Ｄ2minから最大内径Ｄ2maxまでの範囲をいい、シート部２２のテーパ径Ｄ2 がシールリング２０のシール径Ｄ1 （軸状部１６の外径Ｄ1 ）に等しいとは、Ｄ2min≦Ｄ1 ≦Ｄ2maxの関係を満たすことをいう。この関係を満たす限り、リターンスプリング２３のバネ力を若干調整してやるだけで、推力バランスが容易に取れるようになる。
【００３５】
なお、テーパ部１５又はシート部２２の着座面にゴムやメタル等のシールを設けてもよい。シール性を重視するなら設けた方が有利だし、耐久性を重視するなら無い方がよい。
【００３６】
ところで、この電磁弁１においても以下のような問題がある。
【００３７】
図５に示すように、仮に第１ポート３から第２ポート４に向かう流体流れがあるとすると、絞り通路２８で流体が絞られ、高速となり、負圧Ｐが発生する。よって負圧Ｐの軸方向成分Ｐｘがプランジャ６に閉弁方向の推力を与え、推力バランスが崩されるという問題がある。言い換えれば、前記参考形態では静的バランスは取られているものの、動的バランスは十分でない。
【００３８】
よって、図２に示す実施形態でこの問題を解決するようにしている。これにおいては第１ポート３が入口側、第２ポート４が出口側とされると共に、プランジャ６のテーパ部１５がより先細りとされ、シート部２２の流体流れ方向下流側の内壁３０が、テーパ部１５と平行に第２ポート４側に延出され、シート部２２より下流側の流体通路３１を絞るようになっている。流体通路３１の出口部に連通通路２４の左端が臨ませられる。他の構成は前記参考形態と同様なので、図中同一符号を付し説明を省略する。
【００３９】
これによれば、図６に示すように、絞り通路２８を通過した後も流体通路３１内を流体が比較的高速で流れるため、流体通路３１の出口部で、高速流体に引っ張られて連通通路２４内の流体が吸引され、これによって圧力作用室１４内に負圧Ｐｑが作用され、圧力作用室１４内でプランジャ６に右向き（開弁方向）の推力を与えることができる。従って負圧Ｐの軸方向成分Ｐｘによる閉弁方向の推力が相殺され、動的バランスを取ることが可能となる。
【００４０】
この説明から分かるように、本実施形態では第１ポート３を入口、第２ポート４を出口とする使い方しかできない。しかしこの使い方をする限り、プランジャ推力の静的、動的バランスを完全に取ることが可能となり、常に印加電圧に比例した開口面積を得ることができる。
【００４１】
図３、図４は同様の考え方に沿った他の実施形態を示す。これにおいては、第１ポート３を入口、第２ポート４を出口にすると共に、連通ポート５の内壁形状及びテーパ部１５の外形状は図１の参考形態同様で、代わりに連通通路２４の形状を変えている。
【００４２】
即ち、図７にも示すように、連通通路２４は、左端が閉じられた中心穴３２と、中心穴３２の左端から延出してシート部２２（絞り通路２８）の流体出口部の位置に開口する小孔３３とからなっている。小孔３３はここでは複数が放射状に設けられるが、例えば１本としても構わない。
【００４３】
これによれば、絞り通路２８を通過した直後の高速流体で、小孔３３から連通通路２４内の流体を吸引し、圧力作用室１４に負圧Ｐｑを作用させることができる。よって小孔３３は、プランジャ６が右移動して連通ポート５を開放したとき、シート部２２（絞り通路２８）の流体出口部の位置に丁度くるよう、開口位置が定められている。
【００４４】
この構成によれば、図１の参考形態に対し、連通ポート５（バルブボディ２）の内壁形状等を変えず、穴の変更のみで済むので、図２の実施形態に比べ変更が容易となるメリットがある。
【００４５】
以上、本発明は上記実施形態以外にも種々の変形が可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００４７】
（１）  シール性が向上し、正確且つ安定した流量制御が行えるようになる。
【００４８】
（２）  構造を簡易化できる。
【００４９】
（３）  プランジャ推力の発生を防止できる。
【００５０】
（４）  プランジャ推力の静的、動的バランスを完全に取ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る電磁弁の実施の形態の前提となる参考の形態を示す縦断面図である。
【図２】  本発明に係る電磁弁の実施の形態を示す縦断面図である。
【図３】  本発明に係る電磁弁の他の実施の形態を示す縦断面図で、閉弁時の状態を示す。
【図４】  本発明に係る電磁弁の他の実施の形態を示す縦断面図で、開弁時の状態を示す。
【図５】  絞り通路における流体流れと負圧とを示す拡大図である。
【図６】  図２の実施の形態の作用を示すための概略図である。
【図７】  図３の実施の形態の作用を示すための概略図である。
【図８】  流量特性を示し、(a) は従来、(b) は本案である。
【図９】  従来の電磁弁を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  電磁弁
３  第１ポート
４  第２ポート
５  連通ポート
６  プランジャ
１４  圧力作用室
１５  テーパ部
２０  シール部材
２２  シート部
２４  連通通路
３１  流体通路
Ｄ1   シール径
Ｄ2   テーパ径
Ｐｑ  負圧
【図１】
0003921828.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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