JPH08502338A - 低摩擦電磁アクチュエーター及びバルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内部キャビティ４８を囲むハウジングチューブ２６を含むバルブのためのアクチュエーター。プランジャー４２は内部キャビティ内を移動するように装着される。プランジャーは４本のスロット５０を有する。回転可能な球５８はステイクドエリア６２の間のスロット内に位置する。コイル３４を流れる電流により発生した磁界がプランジャーを下方に動かして制御素子２０を通る流体の流れを解放する。制御素子を通る流れは入口１４から出口１６へと制御されたものとなる。アクチュエーターの構造はプランジャーに働く摺動摩擦を実質的に取り除き、ヒステリシス及びプランジャーを動かすのに必要な力を減少させ、制御素子を通過する流体の流動率の正確な制御を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 低摩擦電磁アクチュエーター及びバルブ 技術分野 本発明は通過する流体の流れを制御する電磁駆動バルブに関するものである。 特に本発明は摩擦が小さく、しかもバルブの流体制御素子を正確に位置決めでき るバルブ用の電磁アクチュエーターに関するものである。 技術背景 バルブを通過する流体の流れを制御するために使用される従来の電磁アクチュ エーターには主に二種類の異なるタイプのものがある。最も一般的なものは二つ の位置の間を移動するプランジャーを有する二位置アクチュエーターである。ア クチュエーターのコイルに電流が流れていないときにはプランジャーは第１の位 置にある。電流がコイルを流れるとプランジャーは電磁力により第２の位置に移 動させられる。電流が流れなくなるとプランジャーはバネの力により元の位置ま で戻される。このような“オン−オフ”アクチュエーターは二位置流体制御バル ブによく用いられる。 電磁アクチュエーターの第２のタイプは比例バルブにおいて用いられる。この タイプのアクチュエーターはアクチュエーターのコイルに伝達される制御信号に 応じてある位置範囲を選択的に移動するプランジャーまたはその他の可動素子を 有する。比例アクチュエーター（proportional acluator）は流速（rate of flo w）を計測するバルブに用いられる。 従来の電磁アクチュエーターのいずれのタイプにも問題点は存在する。アクチ ュエーター内に用いられるプランジャー・エレメントは管状に形成されたハウジ ング内を移動することを強いられる。プランジャー・エレメントを所望の軸線方 向に動かす磁力は、プランジャー・エレメントを横方向に動かす力をも発生させ る。この力はプランジャーをハウジングの壁に対して押しつける傾向にあり、こ れが摩擦を増大させる。この摩擦抵抗はプランジャーを動かすのに必要な力を増 大させ、またこれに応じてプランジャーを動かすためにより大きな力を発生する コイルが必要になる。 従来のアクチュエーターのもう一つの問題は、プランジャー・エレメントに生 じる摩擦力がプランジャー・エレメント及びプランジャー・エレメントに接続さ れるバルブの流れ制御素子の正確な位置決めに害をおよぼすことである。これは ヒステリシス（hysteresis）のある比例アクチュエーターにおいては特に問題で ある。また摩擦力は同じ制御信号に応答して同じ位置に移動するというプランジ ャー・エレメントの能力を制限する。 従来の電磁アクチュエーターではプランジャーを僅かに振動させて、摩擦を減 少させるディザ（dither）と呼ばれる技術を使用してきた。しかしながら摩擦に 関連する問題は依然として存在している。他のものでは摩擦を減少させる試みと して米国特許第4,525,695号に示されるようなプランジヤー・エレメントを支え るボールベアリング支持体を用いている。この試みは有用であったが、支持体の 構造がまだ望ましからぬレベルの摩擦を生じさせている。これは実際に事実であ り、その理由はボールベアリングタイプの支持体が存在するにも拘らず、可動素 子は各ボールベアリングの一点において摺動摩擦を受けるためである。 このように摩擦を減少させることができ、より小さい力で動作し、さらに正確 な制御を達成することができる電磁アクチュエーターが必要とされている。 発明の開示 本発明の目的は、少ない抵抗で移動する可動プランジャー・エレメントを備え た電磁アクチュエーターを提供することにある。 本発明の他の目的は、プランジャー・エレメントを動かす力が小さくなる電磁 アクチュエーターを提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、プランジャー・エレメントのより正確な位置決め を可能にし、しかもヒステリシスを最小にすることができる電磁アクチュエータ ーを提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、小さい力で正確な制御を達成するアクチュエータ ーを有する電磁駆動バルブを提供することにある。 本発明のその他の目的は、以下に詳述する発明を実施するための最適な実施態 様の記載及び添付の特許請求の範囲の記載から明らかになるであろう。 前述の諸目的は好ましい実施態様に記載の、流体入口及び流体出口を有する本 体からなるバルブによって達成される。可動制御素子は本体内に位置し、入り口 から出口への流体の流れを制御する。制御素子は可動部を有し、その部分は制御 素子を通る流れを通すように第１の直線方向に動くことができる。その制御素子 の可動部はバネによって流れを封じる方向へバイアスされている。当然他の実施 例では制御素子は全開の位置あるいは中間位置に向けてバイアスされていてもよ い。 本発明の電磁アクチュエーターはバルブに取り付けるものである。アクチュエ ーターは円筒状の内壁を持つハウジングチューブを備えている。その内壁は内部 キャビティとを画定する。電磁コイルがハウジングチューブを囲むように位置す る。 磁性材料からなるプランジャーはプランジャーチューブ内を移動するように配 備される。プランジャーはチューブ内を制御素子の可動部と共通する直線方向に 動くことが可能である。プランジャーはほぼ円筒形の外面を持ち、ハウジングの 内壁ときわめて近接する。等しく間隔をあけて配置された４つのスロットがプラ ンジャーの外周面のまわりを長手方向に延びている。各々のスロットはほぼｕ字 型をなすが、スロットのオープンサイド近傍に内側にテーパーの付いた部分を有 する。 回転体（rollable bodies）として用いられる２個のローラーベアリングがそ れぞれのスロットに装着されている。１個の球がスロットの両端部近くに装着さ れその通路に沿って動くことが可能である。スロットのステイクドエリア（stak ed areas）が各球の移動をその通路内に限定している。球はその一部がスロット のオープンサイドから外へ出るように寸法が定められている。 プランジャーはハウジングチューブの内側に取り付けられ、好ましい実施例で はバルブの制御素子の上に位置する。電流がコイルを流れるとプランジャーが制 御素子の可動部に対して動き、可動部を閉位置に向かってバイアスするバネのプ ランジャーが上回る。プランジャーが制御素子の可動部を動かす程度（extent） はバルブを通る電流のの割合により決められる。同じようにコイルを通る電流を 減少させると、制御素子のバイアス手段がプランジャーを動かし、バルブを通る 流れを止める。 プランジャーの動きに対する摩擦抵抗は、球がスロットの表面とハウジングチ ューブの内壁との両方に接触し回転するので減少する。これは摺動摩擦を全て除 きプランジャーの動きがより少ない電力でなされるようにするものである。本発 明のアクチュエーターの構造は比例電磁アクチュエーターにおいて、より正確で 繰り返し可能なプランジャーの位置ぎめを可能にする。 本発明は二位置バルブ及び比例バルブの両方でうまく用いることができる。本 発明はまた、常開または常閉に設計されたバルブにも適している。 図面の簡単な説明 第１図は本発明の電磁アクチュエーターの好ましい実施例に組み込まれた電磁 駆動バルブの断面図である。 第２図は電磁アクチュエーターのプランジャー及び回転体の等角図である。 第３図はプランジャー及び回転体アセンブリの側面図である。 第４図は第３図に示すプランジャー及び回転体アセンブリの平面図である。 第５図は第３図の５−５線断面図である。 第６図は第３図の６−６線断面図である。 発明の最適な実施態様 図面、特に第１図を参照すると、第１図に符号１０で示したものが電磁駆動バ ルブである。バルブは本体１２を有している。この本体は入口１４と出口１６と を備え、さらに入口と出口とを連通する内部チャンバ１８を有する。制御素子２ ０（control element）はチャンバ１８内に位置してバルブの入口から出口への 流体の流れを制御する。バルブの好ましい実施例では、制御素子が第１図に示す ようにバネ２２により上側に向かってバイアスされている可動部２１を備えてい る。 制御素子２０は、第１図に示されるように可動部２１が最上部に位置するとき にバルブを通る流れが阻止されるように形成されている。可動部２１がバネ２２ の力に抗して下方に向かって移動すると、バルブの入口から出口に流体が流れる ようになる。好ましい実施例である第１図に示したバルブは、バルブを通る冷媒 の流れの制御に用いられる。本発明の他の実施例では他のタイプの流体の流れの 制御も行うことができ、また他のタイプの制御素子を用いることもできる。本発 明は、比例バルブ及び二位置バルブ、常開または常閉のバルブの何れにも等しく 好適用することができる。 電磁アクチュエーター２４は本体１２に固着されている。アクチュエーター２ ４は上端２８が閉じられている円筒形ハウジングチューブ２６を備えている。開 口しているハウジングチューブの下端は外側に延びるフランジ部３０を有してい る。フランジ部３０は本体１２の凹部に嵌合する。フランジ部３０の下にはシー ル部材３２が配設されており、このシール部材３２はハウジングチューブ２６を チャンバ１８にシールした関係で保持する働きをする。好ましい実施例ではハウ ジングチューブ２６は非磁性材料で形成される。 アクチュエーター２４はさらにフレーム３６内に支持されたコイル３４を有し ている。コイル３４はハウジングチューブ２６の上端まで延びるスリーブ部材３ ８と内側を接している。フラックスワッシャー（flux washer）４０はフレーム ３６の下で、本体１２の凹部内のフランジ部３０の上に位置している。本発明の 好ましい形状ではフレーム３６、スリーブ部材３８及びフラックスワッシャー４ ０は磁性材料により形成されている。 プランジャー４２はハウジングチューブ２６の中に位置している。第２図乃至 第６図に示されるように、プランジャー４２は断面図形状がほぼ円形をなしてお り、円筒状の外面４４を有している。円筒状の外面４４は、ハウジングチューブ ２６内の内部キャビティ４８を画定する円筒状の内壁４６とごく僅かのスペース をあけるようにそのサイズが定められている。プランジャー４２はハウジングチ ューブ２６内を長手方向に移動可能で、プランジャー４２の下端は第１図に示す ように制御素子２０の可動部２１と当接している。 プランジャー４２の外面４４には等しい間隔をあけて長手方向に延びる４本の スロット５０が設けられている。断面図で見たスロット５０はクローズサイド５ ２とオープンサイド５４を有し、スロット５０はさらに断面図で見ると両側壁５ ６で画定されている（第５図参照）。 回転体（rollable bodies）として用いられる球（sphere）５８はプランジャ ー４２の両端近くのスロット５０内に装着されている。球５８はスロットのオー プンサイド５４から延びる寸法を有している。側壁５６の内側に向かってテーパ ーの付いた部分６０は球５８がスロット５０から外へ出るのを阻止している。プ ランジャー４２がハウジングチューブ２６の内部キャビティ４８内に位置すると きに、球５８がハウジングチューブの内壁４６と接触するように球５８の寸法が 定められている。本発明の好ましい形状ではプランジャー４２は磁性材料で作ら れており、球５８は非磁性材料で作られている。 プランジャー４２内の各スロット５０は複数のステイクドエリア６２（staked areas）、即ち杭打ちされた領域を含んでいる。これらのステイクドエリア６２ はステイクドエリア６２間を延びる通路６４における球５８の通行を制限する働 きをする。ステイクドエリア６２はプランジャーを取り付ける際、またはハウジ ングチューブ２６内から取り除くときにスロット５０から球５８が落ちるのを防 いでいる。またステイクドエリアはプランジャー４２がコックしたり（cock）傾 斜したり、その他の動きをしないように球がスロットの中に位置決めされること を保障しており、その結果プランジャーの外面４４とハウジングチューブの内壁 ４６とは接触することがない。 本発明のアクチュエーターの好ましい実施例では４本の等間隔に配置されたス ロットを有しているが、本発明の他の実施例では３本のスロットを用いる。さら に別の実施例では４本以上のスロットを用いることも有り得る。これらの実施例 は、回転体がプランジャーの壁面とその収容物との接触を阻止する限りにおいて 、充分に機能する。 アクチュエーター及びバルブの動作の中で、電流がコイル３４に供給されて電 磁界が発生する。磁力はプランジャー４２を磁力の強さに比例して下方に動かす 。プランジャーの力はバネ２２の抗する力を上回って、制御素子の可動部２１を 動かす。可動部２１が下方に向かって動くと、入口から出口へと流体がバルブを 流れる。バルブを流れる流体の量は、プランジャーによって制御素子の可動部分 が 動いた分に比例する。コイル３４を流れる電流を減らすとプランジャー４２の磁 力が弱まりバネ２２が制御素子を閉位置に向かって動かす。 本発明の基本的な利点は、プランジャーが実質的に摩擦なしで移動することが できることである。これはプランジャーが動くときに球５８が内壁４６上とスロ ットの底の上を回転するからである。これが摺動摩擦が起こるのを回避する。 本発明により達成された摺動摩擦の画期的減少は、バルブを開閉するためにプ ランジャーを動かすのに必要な力を減少させる。この特徴は比例アクチュエータ ー、二位置アクチュエーターのいずれにとっても大いに価値のあるものである。 また比例アクチュエーターでは、コイルを通して与えられた所定の制御電流に応 じてプランジャーが同じ位置へ動くため、またそれにより同じ量バルブが開くた め、より正確なプランジャーの位置決めが可能になる。摩擦の減少によりアクチ ュエーターの制御能力を大幅に高めることができ、ヒステリシスを低下させる。 したがって、本発明の低摩擦電磁アクチュエーター及びバルブは上記目的を達 成し、従来の装置の使用で遭遇する困難を排除し、問題点を解決しここに記載の 望ましい結果を獲得するものである。 前述の記載の中でのいくつかの用語は簡潔、明解、理解のために用いられたが 、それらは不必要な限定をつけるものではなく、記述的な目的であり、広く解釈 されるように意図したものである。さらに記載及び図解は例証のためであり、示 されたまたは記載された詳細に限るものではない。 発明の特徴、発見及び原理、使用方法、得られる利点、有益な結果を記載して きたが、新規且つ有用な構造、装置、素子、調整、部品、組み合わせ、統合、備 品、作用、方法及び関係は付随の請求の範囲に記載する。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年８月５日 【補正内容】 請求の範囲 １．内部キャビティを画定する内壁を有するハウジングチューブと、 前記ハウジングチューブと近接し且つその周囲を囲み、電気的な励磁に応じて 前記ハウジングチューブの領域に磁界を発生させる電磁コイルと、 前記ハウジングチューブの前記領域内に長手方向に動くように配置され、前記 ハウジングチューブの前記内壁にほぼ近接して延びる外面を有し、磁性材料によ り作られ、前記コイルによって作られた前記磁界に応じて前記ハウジングチュー ブ内を長手方向に移動可能なプランジャーと、 前記プランジャーの前記外面にあって長手方向に延びる複数のスロットと、 前記プランジャーと前記ハウジングチューブとに支持接触して、前記スロット に沿って動くように配設された複数の回転体とを備える電磁アクチュエーター。 ２．前記ハウジングチューブと前記プランジャーは横断面形状がほぼ円形であり 、前記スロットは前記プランジャーの前記外面の回りにそれぞれ互いに角度をも って配置され、それにより前記ハウジングチューブの前記内壁と前記プランジャ ーの前記外面との間の接触が阻止されていることを特徴とする第１項に記載の電 磁アクチュエーター。 ３．前記回転体は球からなり、前記スロットは横断面で見てオープンサイド、ク ローズドサイド及び２つの側壁を有し、前記側壁は前記オープンサイド近傍に内 側に向かってテーパーの付いた部分を有し、前記球は前記オープンサイドから径 方向外側に延びるが、前記オープンサイドを通って前記スロットから外に抜け出 ることが阻止されていることを特徴とする第２項に記載の電磁アクチュエーター 。 ４．前記複数のスロットのそれぞれは前記プランジャーの長手方向の全長に亘っ て延びているいることを特徴とする第３項に記載の電磁アクチュエーター。 ５．前記プランジャーはさらに前記スロットに複数のステイクドエリアを有し、 前記球の動きを前記ステイクドエリアの間に延びる通路に限ることを特徴とする 第４項に記載の電磁アクチュエーター。 ６．前記複数のスロットは１つの球をそれぞれ収容する複数の通路を持っことを 特徴とする第５項に記載の電磁アクチュエーター。 ７．前記プランジャーはそれぞれのスロットに一対の通路を有し、各スロット内 の１つの通路は前記プランジャーの長手方向のそれぞれの端部近傍を延びること を特徴とする第６項に記載の電磁アクチュエーター。 ８．前記プランジャーは少なくとも３個の対向するスロットを有し、前記スロッ トは前記プランジャーの周囲に径方向に等しい間隔をあけて配置されていること を特徴とする第７項に記載の電磁アクチュエーター。 ９．内部キャビティを画定する内壁を有するハウジングチューブと、 前記ハウジングチューブと近接し、電気的な励磁に応じて磁界を発生する電磁 コイルと、前記ハウジングチューブ内で長手方向に動くように装着され、前記ハ ウジングチューブの前記内壁にほぼ近接して延びる外面を有し、磁性材料で作ら れ、前記コイルによって作られる前記磁界に応じて前記ハウジングチューブ内を 長手方向に移動可能なプランジャーと、前記プランジャーの前記外面において長 手方向に延びる複数のスロットと、 互いに常に長手方向に離れて配置され、前記プランジャーと前記ハウジングチ ューブとに支持接触し、前記スロットに沿って動く複数の回転体とを備える電磁 アクチュエーター。 １０．前記プランジャーは前記ハウジングチューブ内を長手方向に第１の位置と 第２の位置との間を動き、前記スロットは前記回転体が長手方向に前記スロット より外に出ることを妨ぐ複数のステイクドエリアを有し、前記プランジャーが前 記第１の位置と前記第２の位置との間を動くとき、前記回転体は前記ステイクド エリアと係合せずに前記スロット内を動くことを特徴とする第９項に記載の電磁 アクチュエーター。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内部キャビティを画定する内壁を有するハウジングチューブと、 前記ハウジングチューブと近接し且つその周囲を囲み、電気的な励磁に応じて 前記ハウジングチューブの領域に磁界を発生させる電磁コイル手段と、 前記ハウジングチューブの前記領域内に長手方向に動くように配置され、前記 ハウジングチューブの前記内壁にほぼ近接して延びる外面を有し、磁性材料によ り作られ、前記コイル手段によって作られた前記磁界に応じて前記ハウジングチ ューブ内を長手方向に移動可能なプランジャーと、 前記プランジャーの前記外面にあって長手方向に延びる複数のスロットと、 前記プランジャーと前記ハウジングチューブとに支持接触して、前記スロット に沿って動くように配設された複数の回転体とを備える電磁アクチュエーター。 ２．前記ハウジングチューブと前記プランジャーは横断面形状がほぼ円形であり 、前記スロットは前記プランジャーの前記外面の回りにそれぞれ互いに角度をも って配置され、それにより前記ハウジングチューブの前記内壁と前記プランジャ ーの前記外面との間の接触が阻止されていることを特徴とする第１項に記載の電 磁アクチュエーター。 ３．前記回転体は球からなり、前記スロットは横断面で見てオープンサイド、ク ローズドサイド及び２つの側壁を有し、前記側壁は前記オープンサイド近傍に内 側に向かってテーパーの付いた部分を有し、前記球は前記オープンサイドから径 方向外側に延びるが、前記オープンサイドを通って前記スロットから外に抜け出 ることが阻止されていることを特徴とする第２項に記載の電磁アクチュエーター 。 ４．前記複数のスロットのそれぞれは前記プランジャーの長手方向の全長に亘っ て延びているいることを特徴とする第３項に記載の電磁アクチュエーター。 ５．前記プランジャーはさらに前記スロットに複数のステイクドエリアを有し、 前記球の動きを前記ステイクドエリアの間に延びる通路に限ることを特徴とする 第４項に記載の電磁アクチュエーター。 ６．前記複数のスロットは１つの球をそれぞれ収容する複数の通路を持つことを 特徴とする第５項に記載の電磁アクチュエーター。 ７．前記プランジャーはそれぞれのスロットに一対の通路を有し、各スロット内 の１つの通路は前記プランジャーの長手方向のそれぞれの端部近傍を延びること を特徴とする第６項に記載の電磁アクチュエーター。 ８．前記プランジャーは少なくとも３個の対向するスロットを有し、前記スロッ トは前記プランジャーの周囲に径方向に等しい間隔をあけて配置されていること を特徴とする第７項に記載の電磁アクチュエーター。 ９．内部キャビティを画定する内壁を有するハウジングチューブと、 前記ハウジングチューブと近接し、電気的な励磁に応じて磁界を発生する電磁 コイル手段と、前記ハウジングチューブ内で長手方向に動くように装着され、前 記ハウジングチューブの前記内壁にほぼ近接して延びる外面を有し、磁性材料で 作られ、前記コイル手段によって作られる前記磁界に応じて前記ハウジングチュ ーブ内を長手方向に移動可能なプランジャーと、前記プランジャーの前記外面に おいて長手方向に延びる複数のスロットと、 互いに常に長手方向に離れて配置され、前記プランジャーと前記ハウジングチ ューブとに支持接触し、前記スロットに沿って動く複数の回転体とを備える電磁 アクチュエーター。 １０．前記プランジャーは前記ハウジングチューブ内を長手方向に第１の位置と 第２の位置との間を動き、前記スロットは前記回転体が長手方向に前記スロット より外に出ることを妨ぐ阻止手段を有し、前記プランジャーが前記第１の位置と 前記第２の位置との間を動くとき、前記回転体は前記阻止手段と係合せずに前記 スロット内を動くことを特徴とする第９項に記載の電磁アクチュエーター。 １１．前記阻止手段は前記スロットの複数のステイクドエリアからなることを特 徴とする第１０項に記載の電磁アクチュエーター。