JPH09507002A - アーマチャ速度磁気制御式ソレノイド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低ノイズ・ソレノイドは、突出する隆起（２３）を持つアーマチャ（１５）を有し、この隆起は磁極片（１７）にある溝（２５）内に受け入れられるようになっている。隆起（２３）が溝（２５）に入るにつれて、アーマチャ（１５）が磁極片（１７）に衝突することなく吊り下げられたままとなる平衡状態が生じるまで、戻しばね（２１）に対抗する磁力が減少する。

Description

【発明の詳細な説明】 アーマチャ速度磁気制御式ソレノイド 発明の背景 本発明は低ノイズ・ソレノイド弁に関する。一層詳しくは、本発明は、弁の開 口時の磁極片とアーマチャの衝突および弁の閉鎖時のアーマチャの弁座との衝突 によって生じるノイズをかなり低減できるソレノイド弁に向けたものである。 ソレノイド・アーマチャの一端を弾性のある弁部材と係合させることによって 弁を開閉し、入口ポートから出口ポートへの流体の流れ経路において弁座の開口 を選択的に密封したり、露出させたりする電気ソレノイドは、この技術分野では 公知である。通常閉の弁においては、戻しばねが弁座に向かってアーマチャを常 時押圧しており、そのため、ソレノイドのコイルが付勢されていないときには、 弁部材が弁座の開口と密封係合している。コイルの付勢時、アーマチャは弁座か ら引っ込められて弁座の開口を露出させ、流体の流れを許す。 アーマチャが付勢されたコイルによって与えられる磁力によって弁座から引っ 込められたとき、アーマチャは磁極片に向かって加速され、衝突したときに「ク リック」音を発生する。その後は、ソレノイドが付勢されたままで、アーマチャ が磁極片と係合したままの場合、しばしば、「ハム」音が生じる。ハム音は、通 常、ソレノイド電流波形の振幅におけるリップルに起因する。それによって、戻 しばねの一定の力に抗してアーマチャを磁極片に対して保持する電磁力が変動す るようになる。 弁が消勢されたとき、アーマチャを磁極片に対して保持する電磁力は減衰する 。そして、戻しばねの力はアーマチャを弁座と係合する方向へ加速する。弁座と の弁部材の接触はまた別の音を生じさせ、これは望ましくないことである。 アーマチャと磁極片の間にエラストマー部材を設けて付勢に続く衝撃を吸収す ることによって弁ノイズを減らすことはこの技術分野では知られている。このア プローチは、付勢時にノイズを減らすという点に限って有効であり、消勢の結果 として生じる弁ノイズにはなんら効果がない。 従来技術において採用された別のアプローチでは、可動アーマチャを使用し、 磁極片を使用しない。この技術は付勢時の磁極片とアーマチャの接触を防ぐため に使用することができる。しかしながら、ここでも再び、消勢に続くノイズを防 ぐことはなにもしていない。さらに、この技術は磁気的に効率が悪く、所定の仕 事をするにはより大きいソレノイドを必要とする。 発明の概要 従来技術の前記問題は本発明によって克服される。そのため、本発明は、電流 源によって作動できるソレノイドを提供するそして、それは２つの端部を持つコ ア・チューブとコア・チューブを取り囲んでいる巻線を有する。固定された磁極 片がコア・チューブの１つの端部に装着され、そして、軸線方向に往復動可能な アーマチャが、巻線が付勢されているときの磁極片に隣接した付勢位置と磁極片 から遠い消勢位置との間で移動できるようにコア・チューブ内に摺動自在に装着 されている。可動アーマチャと固定磁極片のうちの一方は円形隆起の形をした軸 線方向に延びる突起を有する、そして、他方はアーマチャが付勢位置にあるとき に突起を受け入れるための円形の溝の形をした対応する溝を有する。消勢位置に 向かってアーマチャを押圧するためにアーマチャに戻り力を加えるように戻しば ねがコーン・チューブ内に装着されている。巻線は、磁極片が戻り力より大きい 磁力をアーマチャに加える動作電流レンジを有する。突起手段が溝の外にあると き、突起手段が溝に受け入れられているアーマチャの平衡位置で、磁極片は戻り 力と等しい磁気力をアーマチャに加える。 したがって、ソレノイド磁極片に対する衝撃力を減らすように制御することが できる速度を有しているアーマチャを持つ電気ソレノイド・アクチュエータを提 供することが本発明の目的である。 本発明の別の目的は、コイルが付勢されたときにアーマチャに加えられる電磁 力がアーマチャが磁極片に接近するにつれて減る電気ソレノイド・アクチュエー タを提供することにある。 本発明のまた別の目的は、コイルが付勢されたときに磁極片に向かってアーマ チャを押圧する電磁力が磁極片との係合位置付近でアーマチャに加えられる戻り 力の大きさに近づく電気ソレノイド・アクチュエータを提供することにある。 本発明のさらに別の目的は、磁極片からの距離の関数として作用する磁力を変 えるジオメトリーを有するアーマチャを持つ電気ソレノイド・アクチュエータを 提供することにある。 本発明のまたさらに別の目的は、相互係合位置付近でのアーマチャ、磁極片間 の吸引力を減らすように協動相互作用を与えるアーマチャのジオメトリーに対応 するジオメトリーを有する磁極片を備えた電気ソレノイド・アクチュエータを提 供することにある。 本発明の他目的およびさらに別の目的は、本発明の好ましい実施例についての 以下の図面および説明から明らかとなろう。図面において、種々の図を通じて同 様の参照数字が同様の部分を示すのに用いられている。 図面の説明 第１図は、第１の配置における本発明の第１の好ましい実施例の立断面図であ る。 第２図は、第２の配置における本発明の第１の好ましい実施例の立断面図であ る。 第３図は、第１の配置における本発明の第２の好ましい実施例の部分立断面図 である。 第４図は、第２の配置における本発明の第２の好ましい実施例の部分 立断面図である。 第５図は、本発明の好ましい実施例の力対行程の特徴を示す グラフである。 好ましい実施例の説明 図面の第１、２図を参照して、ここには、第１図において閉じており、第２図 において開いている通常閉の二方向ソレノイド弁１が示してある。ソレノイド弁 １は、磁性材料のヨーク５と電気コイル７とを含むアクチュエータを有する。コ イル７は、ボビン１１と巻線９を有する。ボビン１１は、アーマチャ・ガイドの 役目を果たすコア・チューブ１３を有する。コア・チューブ１３の円筒状の内径 孔１２内には軸線方向に往復動可能なアーマチャ１５がある。アーマチャ１５の 下端には弾力のある弁部材１６が装着されている。 磁性材料のプラグ・ナット１７の形の磁極片がアーマチャ・ガイド１３の上部 に固着されており、これは内径孔１２内に延びている。アーマチャ１５は、円筒 状のめくら孔１９を有する。めくら孔１９内には、自由端を有するコイルばね２ １がプラグ・ナット１７と係合した状態で配置してある。ばね２１は、通常、弁 座２２に向かって、すなわち、弁１の通常閉の位置にアーマチャ１５を押圧して いる。この位置で、第１図でわかるように、弁部材１６が弁座の開口を密封する 。 周方向隆起２３の形の突起が、アーマチャ内径孔１９の開いた端部を取り囲み 、アーマチャ１５の上端から、第１、２図で見て上方へ延びている。隆起２３は 、アーマチャ１５と同じ磁性材料で一体に形成されている。 周方向の溝２５が、第１、２図に示す配置において、プラグ・ナット１７の下 端に形成されており、この周溝は、アーマチャ１５が第１図に示す閉位置から第 ２図に示す開位置に向かって上昇するとき、隆起２３が溝２５に入れるように隆 起２３の幅よりやや大きい幅を持つ流路を構成する。 隆起２３が溝２５に入るにつれて、アーマチャにプラグ・ナットによって加え られた力の成分が軸線方向から直径方向に変わる。その結果、アーマチャ１５に 加えられた正味の軸線方向の持ち上げ力が減ることになる。 アーマチャがプラグ・ナット１７と接触する直前の付勢位置まで上昇したとき にアーマチャにかかる磁力がばね２１によって加えられる戻り力と実質的に等し くなるまで戻しばね２１の対抗力より大であるプラグ・ナット１７とアーマチャ １５１間の吸引の力が減少できるように隆起２３および溝２５を戻しばね２１の ばね定数に従って寸法決めするとよい。 使用にあたって、ソレノイド１は、通常、第１図に示すように弁座２２の開口 を通る流体の流れを阻止する閉じた状態にある。閉じた状態において、ばね２１ は、第１図で見て下方へ、弁部材１６が弁座２２と係合する消勢位置までアーマ チャを押圧する。 コイル７が付勢されると、プラグ・ナット１７は、ばね２１の下向きの力を克 服するのに十分な上向きの磁力をアーマチャ１５に加える。それ故、アーマチャ が上向きの差力によって持ち上げられ、これにより弁部材１６を弁座２２から持 ち上げて離し、弁座２２の開口を通って流体の流れるのを許す。 前述の作動は従来技術の弁の代表的な動作である。従来技術の弁においては、 プラグ・ナット１７に係合するまでアーマチャ１５がその上昇移動を続けて「ク リック」音を発生する。 本発明の弁においては、アーマチャが上向きの差力によって持ち上げられて弁 部材１６を弁座２２から持ち上げ、離した後、隆起２３が溝２５に入り始める。 そのとき、磁気持ち上げ力とばね２１によって加えられる戻り力とが平衡するま で、アーマチャ１５にかかるプラグ・ナット１７の吸引力は減り始める。平衡状 態はアーマチャ１５とプラグ・ナット１７の係合に先立って生じる。次いで、ア ーマチャは、コア・チューブ１３の内径孔１２内で、プラグ・ナット１７に隣接 しているが係合していない付勢位置において静かに浮遊する。 本発明の第１の好ましい実施例についての前述の説明は、コイル電流が一定の レベルを有し、プラグ・ナット１７に対するアーマチャの任意の位置においてア ーマチャ１５に加えられた磁力が一定である直流用途で使用するのに最適である 。しかしながら、整流器が使用される交流ソレノイド・アクチュエータにおいて は、コイル電流におけるリップルがアーマチャ持ち上げ磁力の変動を引き起こす 可能性がある。これは、弁が開いている間、コア・チューブ１３内のアーマチャ １５に電磁誘導振動を生じさせる可能性がある。振動の振幅は、アーマチャ１５ の隆起２３とプラグ・ナット１７の溝２５の底面とを周期的に係合させるほどと なり、「うなり」音を発生する可能性がある。前述の交流ソレノイドに関連した 問題は、第３、４図に示す本発明の第２の好ましい実施例によって解決される。 図面の第３、４図を参照して、ここには、第３図では閉じた状態で、第４図で は開放された状態で通常閉のソレノイド・アクチュエータ１′が示してある。ソ レノイド・アクチュエータ１′は磁性材料のヨーク５′と電気のコイル７′を含 む。コイル７′はボビン１１′と巻線９′を有する。ボビン１１はアーマチャ・ ガイドの役目を果たすコア・チューブ１３′を有する。コア・チューブ１３′の 円筒状の内径孔１２′内には軸線方向に往復動可能なアーマチャ１５′がある。 磁性材料のプラグ・ナット１７′の形の磁極片がアーマチャ・ガイド１３′の 上部に固着され、内径孔１２′内へ延びている。アーマチャ１５′は円筒状のめ くら孔１９′を有し、このめくら孔内にはプラグ・ナット１７′と係合している 自由端を有するコイルばね２１′が配置してある。ばね２１′は、通常、弁１′ の通常閉位置に向かってアーマチャ１５′を押圧している。 周方向の隆起２３′がアーマチャ内径孔１９′の開いた端部を取り囲み、第３ 、４図でみて上方へアーマチャ１５′上端から延びている。隆起２３′はアーマ チャ１５′と同じ磁性材料から一体に形成されている。 第３、４図に示された配置において、周方向の溝２５′がプラグ・ナット１７ ′の下端内に形成されている。ソレノイド弁１のアクチュエータとソレノイド・ アクチュエータ１′の構造は以下の点を除いて同じである。 弾力のあるゴムかプラスチック材で作られたリング２６′が溝２５′内に着座 している。第３、４図の配置におけるリング２６′の軸線方向の厚さは溝２５′ の軸線方向の高さより小さく、周方向溝２８′を残している。アーマチャ１５′ が第３図に示すその閉位置から第４図に示すその開位置に向かって持ち上げられ たとき、隆起２３′はくぼみ２８′内に入ることができる。 隆起２３′がくぼみ２８′に入ると、プラグ・ナットによってアーマチャに加 えられる力の成分が軸線方向から直径方向に変わる。その結果、隆起２３′がく ぼみ２８′に入ると、アーマチャ１５′に加えられた正味の軸線方向の持ち上げ 力が減ることになる。アーマチャ１５′が隆起２３′とリング２６′の接触位置 まで持ち上げられたときアーマチャ１５′にかかる断えず変動している磁力の最 低値がばね２１′によって加えられる戻り力よりほんのわずかに大きくなるまで 戻しばね２１′の対抗力より大きな、プラグ・ナット１７′、アーマチャ１５′ 間の吸引力を減らせることができるように、隆起２３′、溝２５′、リング２６ ′を戻しばね２１′のばね定数に従って寸法決めするとよい。 コイル７′が付勢されると、プラグ・ナット１７′は、ばね２１′の下向きの 力を克服するのに十分大きな上向きの磁気の力をアーマチャ１５′に加える。隆 起２３′はくぼみ２８′に入り、弾力のあるリング２６′に係合するまでその上 昇移動を続ける。そのとき、アーマチャ１５′にかかるプラグ・ナット１７′の 吸引の力はばね２１′によって加えられる戻り力よりほんのわずか大きい。その 最上方の軸線方向可動域で、隆起２３′はリング２６′によって強磁性のプラグ のナット１７′の表面に衝突するのを防止される。弾力のあるリング２６′は目 立つ音なしにアーマチャ隆起２３′の衝撃を吸収することができる。 上述した本発明の好ましい実施例の両方において、弁座２２、２２′にかかる 弁部材１６、１６′の衝撃は、アーマチャ１５、１５′にプラグ・ナット１７、 １７′によって加えられる電磁式引力が徐々に減少することによって和らげられ る。コイル７、７′への電流が中断されると、クランピングダイオード（図示せ ず）によって電磁力が徐々に低下する。さらに、隆起２３、２３′が溝２５、２ ５′から引っ込められるにつれて、プラグ・ナット１７、１７′とアーマチャ１ ５、１５′の間の吸引力の軸線方向成分が増大する傾向がある。その結果、ばね ２１、２１′のより強い力に抵抗する電磁力が徐々に減衰し、アーマチャ１５、 １５′の下向きの加速度を少なくし、弁座２２、２２′への弁部材１６、１６′ の衝撃を和らげる。 次に図面の第５図を参照して、ここには、ソレノイド１、１′のためのアクチ ュエータの力対行程特性のグラフが示してある。第５図において、水平軸は行程 （すなわちアーマチャ１５、１５′のプラグ・ナット１７、１７′からの距離） に対応する。垂直の軸はアーマチャ１５、１５′に加えられた力に対応する。そ れぞれの曲線は、ばね２１、２１′によって加えられた力とプラグ・ナット１７ 、１７′まわりの磁界とを示している。 ここでわかるように、アーマチャ１５、１５′が消勢された位置（すなわちプ ラグ・ナット１７、１７′から約０．１４インチのところ）にあるとき、アーマ チャ１５、１５′をおよそ２．２５ポンドの軸線方向の磁力が引っ張り、０．２ ５ポンドのばね力がアーマチャを消勢位置に向かって押圧する。２．０ポンドの 差力がアーマチャを持ち上げて弁１、１′を開く。 ソレノイド１において、アーマチャ１５がプラグ・ナット１７に接近するにつ れて、吸引磁力が減少し、ばね戻し力が増加し、平衡状態がおよそ０．０８イン チの行程で達成されるまで持ち上げ差力を弱める。この平衡状態で、磁力とばね 力が等しくなり、差力がゼロの絶対値を持つことになる。 アーマチャ１５が平衡状態位置を行き過ぎ始めるにつれて、ばね戻し力が磁気 の持ち上げ力を上回り始め、ソレノイド・アクチュエータが消勢されるまでアー マチャを平衡状態位置まで押圧してそこに残留させる。 ソレノイド１′において、アーマチャ１５′がプラグ・ナット１７′に接近す るにつれて、吸引磁力が減少し、ばね復帰力が増加し、これにより、ばね力より 磁力がほんのわずか大きなおよそ０．０９のインチの行程で隆起２３′が弾力の あるリング２５′と接触するまで持ち上げ差力を弱めルことになる。およそ０． ２５ｌｂｓの差力がリング２６′に対して隆起２３′を保持する。 ソレノイド・アクチュエータの消勢時、磁力の振幅が減るにつれて、ばね力特 性との共通部分での均衡点は、プラグ・ナット１７、１７′から徐々に離れるよ うに移動して弁座への弁部材の衝撃を和らげる。 前述説明は本発明の２つの好ましい実施例の説明であり、発明の精神と範囲か ら逸脱することなく本発明の変更、修正をなし得ることは了解されたい。たとえ ば、アーマチャが磁極片に接近するにつれて、アーマチャの溝かくぼみに受け入 れられるように突起をソレノイドの磁極片に設けてもよい。ソレノイド・アクチ ュエータを受け入れるようになっている突起と溝の寸法およびジオメトリーを変 えることによって磁極片に相対的なアーマチャの平衡状態位置を変え、意図した 用途に合わせてもよい。

【手続補正書】特許法第１８４条の４第４項 【提出日】１９９６年３月２８日 【補正内容】 請求の範囲 １． 電流源によって選択的に付勢可能なソレノイド・アクチュエータであっ て、両端を有するコア・チューブと、前記コア・チューブを取り囲んでいる巻線 と、前記コア・チューブの１端に装着された固定磁極片と、前記巻線が付勢され たときに前記磁極片に隣接する付勢位置と前記磁極片から末端側に隔たった消勢 位置との間で運動できるように前記コア・チューブ内に摺動自在に装着された軸 線方向に往復動可能なアーマチャとを包含するソレノイド・アクチュエータにお いて、前記可動アーマチャと前記固定磁極片のうちの一方が矩形横断面を有する 円形の隆起を包含する軸線方向に延びる突起手段を有し、前記可動アーマチャと 前記磁極片のうちの他方のものが前記アーマチャと固定磁極片との間をなんら機 械的に連結することなく前記アーマチャが浮遊する平衡位置で前記アーマチャが 前記付勢された位置にあるときに前記突起手段を受け入れるように前記隆起の幅 よりもやや幅を有する矩形横断面を持つ円形の流路の形をした対応溝を有するこ とを特徴とするソレノイド。 ２． 請求の範囲第１項記載のソレノイドにおいて、前記アーマチャが前記突 起手段を包含し、前記溝が前記磁極片内にあることを特徴とするソレノイド。 ３． 請求の範囲第１項記載のソレノイドにおいて、前記可動アーマチャと前 記固定された磁極片のうちの前記他方のものが、前記溝内に着座したエラストマ ー部材を包含し、前記溝が前記突起手段が受け入れられ得るくぼみを残すように 前記部材の幅より広くなっていることを特徴とするソレノイド。 ４． 請求の範囲第１項記載のソレノイドにおいて、さらに、戻り力を前記ア ーマチャに加えて前記消勢位置に向かって前記アーマチャを押圧するように前記 コア・チューブ内に装着された片寄せ手段を包含し、前記巻線が、前記突起手段 が前記溝の外にあるときに前記戻り力よりも大きな磁力を前記磁極片が前記アー マチャに加え、前記突起手段が前記溝に受け入れられている、前記アーマチャの 平衡状態位置で前記磁極片が前記戻り力と等しい磁力を前記アーマチャに加える 動作電流レンジを有することを特徴とするソレノイド。 ５． 請求の範囲第４項記載のソレノイドにおいて、前記突起手段が前記平衡 状態位置で前記溝の底面から隔たっていることを特徴とするソレノイド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｋ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 電流源によって選択的に付勢可能なソレノイド・アクチュエータであっ て、両端を有するコア・チューブと、前記コア・チューブを取り囲んでいる巻線 と、前記コア・チューブの１端に装着された固定磁極片と、前記巻線が付勢され たときに前記磁極片に隣接する付勢位置と前記磁極片から末端側に隔たった消勢 位置との間で運動できるように前記コア・チューブ内に摺動自在に装着された軸 線方向に往復動可能なアーマチャとを包含するソレノイド・アクチュエータにお いて、前記可動アーマチャと前記固定磁極片のうちの一方が軸線方向に延びる突 起手段を有し、前記可動アーマチャと前記磁極片のうちの他方のものが前記アー マチャが前記付勢された位置にあるときに前記突起手段を受け入れる対応溝を有 することを特徴とするソレノイド。 ２． 請求の範囲第１項記載のソレノイドにおいて、前記突起手段が円形の隆 起を包含し、前記溝が円形の流路の形をしていることを特徴とするソレノイド。 ３． 請求の範囲第１項記載のソレノイドにおいて、前記アーマチャが前記突 起手段を包含し、前記溝が前記磁極片内にあることを特徴とするソレノイド。 ４． 請求の範囲第１項記載のソレノイドにおいて、前記可動アーマチャと前 記固定された磁極片のうちの前記他方のものが、前記溝内に着座したエラストマ ー部材を包含し、前記溝が前記突起手段が受け入れられ得るくぼみを残すように 前記部材の幅より広くなっていることを特徴とするソレノイド。 ５． 請求の範囲第１項記載のソレノイドにおいて、さらに、戻り力を前記ア ーマチャに加えて前記消勢位置に向かって前記アーマチャを押圧するように前記 コア・チューブ内に装着された片寄せ手段を包含し、前記巻線が、前記突起手段 が前記溝の外にあるときに前記戻り力よりも大きな磁力を前記磁極片が前記アー マチャに加え、前記突起手段が前記溝に受け入れられている、前記アーマチャの 平衡状態位置で前記磁極片が前記戻り力と等しい磁力を前記アーマチャに加える 動作電流レンジを有することを特徴とするソレノイド。 ６． 請求の範囲第５項記載のソレノイドにおいて、前記突起手段が前記平衡 状態位置で前記溝の底面から隔たっていることを特徴とするソレノイド。