JP4668755B2

JP4668755B2 - 電磁比例弁

Info

Publication number: JP4668755B2
Application number: JP2005288025A
Authority: JP
Inventors: 保山崎; 重利中島; 一登相原
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP2007100740A

Description

この発明は、電磁比例弁に関し、特に、微少量の流量制御を高精度に行う必要がある分析器等において用いられる電磁比例弁に関するものである。

クロマトグラフィー等の分析器に用いられる流量制御弁として、電磁比例弁が知られている。この種の電磁比例弁としては、弁室、弁ポートを有する弁ハウジングと、前記弁ハウジングに取り付けられたプランジャチューブ内に軸線方向に移動可能に設けられたプランジャを含むリニア型の電磁アクチュエータと、前記弁室内に設けられて前記プランジャに連結され、前記プランジャの軸線方向により前記弁ポートの開度を変化させる弁体と、前記プランジャ及び前記弁体の連結体と前記弁ハウジングとの間に組み込まれた板ばねとを有し、前記電磁アクチュエータが発生する電磁力と前記板ばねのばね力との平衡関係によって前記弁体の軸線方向移動位置が決まって前記弁体の開閉位置が決まり、前記電磁アクチュエータに供給する電流に比例した流量制御を行うものがある（例えば、特許文献１、２）。

上述の電磁比例弁で、個体ごとに流量制御にばらつきがなく、安定した高精度な微少量の流量制御を行うためには、電磁比例弁に組み込まれる板ばねが前記連結体に与えるばね荷重特性にばらつきがないこと、そして、流量制御動作時に前記板ばねが前記連結体に与えるばね荷重が不規則に変動せず、定常性を有していることが重要である。

このことに対して、従来の電磁比例弁では、板ばねは、外縁側を固定リングを用いるなどして弁ハウジングに固定され、内縁側を弁体にかしめ等によって固定結合されているため、その固定状態のばらつき（組み付け誤差）によって初期ばね荷重特性に、ばらつきが生じる可能性がある。このことにより、従来の電磁比例弁では、個体ごとに流量制御特性がばらつき、安定した高精度な微少量の流量制御を行うことができない。

また、プランジャチューブとプランジャとの間には、プランジャの軸線方向移動のために、不可避の径方向クリアランスがあるから、外部からの振動によってプランジャが不規則な動きをすることにより、流量制御特性が安定しない。

このことに対して、プランジャの長さ（軸長）Ｈと直径Ｗとの比を、２：１〜３：１、好ましくは、２．４：１〜２．９：１に設定することにより、動作時の振動によるプランジャの傾きを抑制し、プランジャが安定して動作すること、プランジャの摺動抵抗が低減することにより、流量制御特性の安定化を図ったものがある（例えば、特許文献３）。

また、板ばねをプランジャ及び弁体の連結体に対して固定連結せず、板ばねが連結体のフランジ端面に当接係合するだけの構造とすることにより、連結体と板ばねとの固定状態にばらつき（組み付け誤差）が生じないようにし、個体ごとに流量制御特性がばらつかないようにしたものがある（例えば、特許文献４）。
特開２００２−７１０４５号公報特開２００２−３５７２８０号公報特開２００４−６０６２２号公報特開２００５−１４７３１５号公報

しかし、従来のものは、何れのものも、プランジャがプランジャチューブの内周面に当接するから、動作時に摺動抵抗が生じる。このため、流量制御特性にヒステリシスが生じ、出力流量が安定せず、安定した高精度な微少量の流量制御に限界がある。また、動作時の摺動抵抗によって発振が起き、このことによっても出力流量が安定しない。

この発明が解決しようとする課題は、電磁比例弁において、プランジャがプランジャチューブの内周面に当接することによって摺動抵抗が生じることを回避し、流量制御特性にばらつきがなく、安定した高精度な微少量の流量制御を行うことである。

この発明による電磁比例弁は、弁室、弁ポートを有する弁ハウジングと、前記弁ハウジングに取り付けられた円筒状のプランジャチューブ内に軸線方向に移動可能に設けられた円柱状のプランジャを含むリニア型の電磁アクチュエータと、前記弁室内に設けられて前記プランジャに連結され、軸線方向移動により前記弁ポートの開度を変化させる弁体と、前記プランジャ及び前記弁体の連結体と前記弁ハウジングとの間に組み込まれた板ばねとを有し、前記電磁アクチュエータが発生する電磁力と前記板ばねのばね力との平衡関係によって前記弁体の軸線方向移動位置が決まり、流量制御を行う電磁比例弁において、前記板ばねは、円環状で、内周縁側で前記連結体の円周状の外周に遊嵌合し、その円環部の外周縁と内周縁との間に、外周縁側と内周縁側の各々に所定の径方向幅を残した形態で、複数個のスリットを開口形成されており、前記スリットは、所定の円周方向幅及び所定の径方向長さを有し放射線状に等間隔に設けられ、外周縁側と内周縁側の所定径方向幅寸法範囲内で、前記スリットの部分を含むことなく周方向に連続した面を有し、外周縁側の前記連続した面をもって、前記弁ハウジングに形成された円環状の端面に当接係合し、内周縁側の前記連続した面をもって、前記連結体に形成された円環状の端面に当接係合し、前記プランジャチューブの内径と前記プランジャの外径との差によって前記プランジャチューブと前記プランジャとの間に径方向クリアランスＡが設けられ、前記板ばねが遊嵌合する部分の前記連結体の外径と前記板ばねの内径との差によって前記連結体と前記板ばねとの間に径方向クリアランスＢが設けられ、前記板ばねが当接係合する部分の円周状の前記弁ハウジングの内径と前記板ばねの外径との差によって前記弁ハウジングと前記板ばねとの間に径方向クリアランスＣが設けられ、前記径方向クリアランスＡと前記径方向クリアランスＢと前記径方向クリアランスＣが、Ａ＞（Ｂ＋Ｃ）の条件を満たすように設定されている。

この発明による電磁比例弁は、好ましくは、前記プランジャの軸長Ｈと前記プランジャの外径Ｄｂとの比Ｈ：Ｄｂが１：１〜３：１である。

この発明による電磁比例弁は、好ましくは、前記板ばねは、前記連結体を弁閉方向に付勢する弁閉ばねとして設けられ、最大弁閉状態において、前記連結体の前記端面と前記弁ハウジングの前記端面との相対的な軸線方向位置の偏倚により円錐状に弾性変形して予荷重を与えられ、その円錐状の弾性変形により、板面が前記連結体の前記端面および前記弁ハウジングの前記端面に対して傾斜した状態で、これら端面に当接係合している。

この発明による電磁比例弁は、板ばねが、プランジャと弁体との連結体に対して固定連結されず、連結体のフランジ端面に当接係合するだけであるから、板ばねの固定状態に、ばらつき（組み付け誤差）が生じることがない。

この取付構造により、プランジャはプランジャチューブに対して径方向に自由に移動するが、径方向クリアランスＡと径方向クリアランスＢと径方向クリアランスＣが、Ａ＞（Ｂ＋Ｃ）の条件を満たすように設定されていることにより、プランジャがプランジャチューブに対して最大限（Ｂ＋Ｃ）、径方向に移動しても、プランジャがプランジャチューブの内周面に接触することがない。これにより、動作時の摺動抵抗が皆無になり、流量制御特性にヒステリシスが生じることがなくなり、出力流量も安定する。

この発明による電磁比例弁の一つの実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。

図１に示されているように、電磁比例弁は、弁ハウジング１１を有する。弁ハウジング１１は、ハウジング本体１２と、ねじ部１３によってハウジング本体１２に固定された蓋部材１４との組立体により構成されている。ハウジング本体１２と蓋部材１４とは、Ｏリング１５Ａによって気密された弁室１６を画定する。弁室１６にはＯリング１５Ｂを介して多孔質材等による円筒状のフィルタ部材１７が配置されている。

ハウジング本体１２には、第１の入出ポート１８と、第２の入出ポート１９とが形成されている。ハウジング本体１２には円筒形状の弁座部材２０がフィルタ部材１７と同心に固定されている。弁座部材２０は、内部通路（内筒部）２１によって第２の入出ポート１９と連通しており、上部にフィルタ部材１７と同心の弁ポート２２を有し、上面が弁座面２３になっている。第１の入出ポート１８は弁室１６に直接連通している。

弁ハウジング１１の上部にはリニア型の電磁アクチュエータ３１が取り付けられている。電磁アクチュエータ３１は蓋部材１４にろう付け固定された円筒状のプランジャチューブ３２を有する。プランジャチューブ３２は、下端側を蓋部材１４に形成された中心貫通孔２４に嵌合挿入されてフィルタ部材１７と同心軸上に配置されている。なお、図１において、符号２５はプランジャチューブ３２のろう付け部分を示す。

プランジャチューブ３２の上端側にはプラグを兼ねた吸引子３３が嵌合固定されている。プランジャチューブ３２の外側には、外凾３４、ボビン３５、巻線３６等による電磁コイル部材３７が止め輪３８によって固定装着されている。

プランジャチューブ３２内には円柱状のプランジャ３９が軸線方向（弁開閉方向）に移動可能に設けられている。プランジャ３９の下端にはホルダ収容孔４０がフィルタ部材１７と同心軸上に形成されており、ホルダ収容孔４０には円筒状のホルダ部材４１が、やはりフィルタ部材１７と同心軸上に嵌合固定されている。

図２に示されているように、ホルダ部材４１は、下端部に、円環状の内周側フランジ４２と、同じく円環状の外周側フランジ４３とを有し、内部（内筒部）４１Ａに、弁体４４と、ステム部材４５とを収容している。

弁体４４は、内周側フランジ４２との係合によって抜け止めされ、ホルダ部材４１を介してプランジャ３９に連結されている。弁体４４は、その下底面４６をもって弁座面２３に対向し、軸線方向（上下方向）の移動によって弁ポート２２の開閉、開度調整を行う。

なお、この実施形態では、プランジャ３９とホルダ部材４１と弁体４４とステム部材４５とが一つの連結体をなしている。

蓋部材１４の下底面側には板ばね収容用の円形の大径部２６がフィルタ部材１７と同心軸上に形成されている。大径部２６には円環状の板ばね５１が配置されている。板ばね５１は、円形の中心開口５１Ａ（図５参照）をもってホルダ部材４１の円周状の外周４１Ｂに遊嵌合しており、外周縁５２側の上面にて大径部２６の下底面がなす下向きの円環状の端面（弁ハウジング１１側の端面）２７に当接係合し、内周縁５３側の下面にて外周側フランジ４３の上面がなす上向きの円環状の端面（連結体側の端面）４７に当接係合し、弁体４４を弁閉方向に付勢している。これにより、板ばね５１は弁閉ばねをなす。

板ばね５１は、端面２７、４７に当接係合するだけで、弁ハウジング１１側にも、弁体４４側、プランジャ３２側の何れにも、締結固定されていないので、板ばね５１の固定状態にばらつき（組み付け誤差）が生じることがない。

図１に示されているように、電磁アクチュエータ３１は、電磁コイル部材３７に通電が行われることにより励磁し、デューティ比制御等によって制御されるコイル電流値に応じた磁気的吸引力（電磁力）を吸引力３３に発生し、弁体４４を含むホルダ部材４１とプランジャ３９との連結体を上方、すなわち、弁開方向に駆動する。

これにより、電磁アクチュエータ３１が発生する電磁力と板ばね５１のばね力との平衡関係によって弁体４４の軸線方向位置が決まり、電磁アクチュエータ３１に供給する電流に比例した流量制御が行われる。

図２に示されているように、上述した構成では、板ばね５１は、端面２７、４７に当接係合するだけで、弁ハウジング１１側にも、弁体４４側、プランジャ３２側の何れにも、締結固定されておらず、プランジャ３９とホルダ部材４１と弁体４４とステム部材４５とによる連結体は、プランジャチューブ３２に対して径方向に自由に移動可能になっている。

プランジャチューブ３２の内径Ｄａとプランジャ３９の外径Ｄｂとの差によってプランジャチューブ３２とプランジャ３９との間に径方向クリアランスＡが設けられ、板ばね５１が遊嵌合する部分のホルダ部材４１の外径（端面４７の内周縁の直径）Ｄｃと板ばね５１の内径Ｄｄとの差によってホルダ部材４１と板ばね５１との間に径方向クリアランスＢが設けられ、板ばね５１が当接係合する部分の円周状の蓋部材１４の内径（端面２７の外周縁の直径）Ｄｆと板ばね５１の外径Ｄｅとの差によって弁ハウジング１１と板ばね５１との間に径方向クリアランスＣが設けられる。

この実施形態では、径方向クリアランスＡと径方向クリアランスＢと径方向クリアランスＣが、Ａ＞（Ｂ＋Ｃ）の条件を満たすように設定されている。

プランジャ３９のプランジャチューブ３２に対する径方向の最大限移動量は（Ｂ＋Ｃ）であり、Ａ＞（Ｂ＋Ｃ）であることにより、プランジャ３９がプランジャチューブ３２に対して最大限、径方向に移動しても、プランジャ３９がプランジャチューブ３２の内周面に接触することがない。

これにより、動作時の摺動抵抗が皆無になり、流量制御特性にヒステリシスが生じることがなくなり、出力流量も安定する。

上述の構成による電磁比例弁のプランジャチューブ３２の内径Ｄａとプランジャ３９の外径Ｄｂとの比に関する評価試験を行ったところ、図３に示されているように評価結果が得られた。この評価試験は、一定の一次圧力で、制御流量１２００±０．２５ｍｌ／ｍｉｎ、サンプリング速度１８ｓｅｃによるフィードバック流量制御を、試験時間４４０秒の範囲内で行い、試験開始後、制御流量が公差（±０．２５ｍｌ／ｍｉｎ）内を維持する時間（安定時間）をもって評価した。

これにより、上述の構成による電磁比例弁では、プランジャチューブ３２の内径Ｄａとプランジャ３９の外径Ｄｂとの比Ｄａ：Ｄｂは、１．０１：１〜１．３：１、好ましくは、安定時間１８０秒程度以上を得られる１．０８：１〜１．２２：１であることが好ましいことがわかった。

また、プランジャ３９の軸長Ｈ（図１参照）とプランジャ３９の外径Ｄｂとの比Ｈ：Ｄｂ（縦横比）について、同等の評価試験を行ったところ、図４に示されているように評価結果が得られた。

これにより、プランジャ３９の軸長Ｈとプランジャ３９の外径Ｄｂとの比Ｈ：Ｄｂ（縦横比）は、１：１〜３：１、好ましくは、安定時間１８０秒程度以上を得られる１．５：１〜２．５：１に設定されていることがよいことがわかった。

このような比とすることで、振動によってプランジャ３９に作用するモーメントが小さくなり、動作時の振動によるプランジャ３９の傾きが抑制され、プランジャ３９がプランジャチューブ３２の内周面に接触しないことと相まって、プランジャ３９が安定して動作し、流量制御特性が安定する。

図５に示されているように、板ばね５１は、円形の中心開口５１Ａを有する円環板状のものであり、ばね性を有する金属材料により構成され、ばね定数の調整のために、外周縁５２と内周縁５３との間の円環部５１Ｂに、外周縁５２側と内周縁５３側の各々に所定の径方向幅Ｗａ、Ｗｂを残した形態で、径方向長さＬによる複数個のスリット５４を等間隔に放射線状に有する。これにより、板ばね５１は、外周縁５２側と内周縁５３側の各々に周方向に連続した径方向幅Ｗａ、Ｗｂによる円環帯状の連続面５１Ｄ、５１Ｅを有する。

板ばね５１の内径をＤｄ、板ばね５１の外径をＤｅ、複数個のスリット５４の内側の端部を結ぶ内側包絡円の直径をＤｉ、複数個のスリット５４の外側の端部を結ぶ外側包絡円の直径をＤｊとすると、スリット５４の径方向長さＬは、（Ｄｊ−Ｄｉ）／２であり、円環部５１Ｂの径方向寸法（Ｄｅ−Ｄｄ）／２より小さい。外周縁５２側の連続面５１Ｄの径方向幅Ｗａは、（Ｄｅ−Ｄｊ）／２、内周縁５３側の連続面５１Ｅの径方向幅Ｗｂは、（Ｄｉ−Ｄｄ）／２となる。

そして、外周側フランジ４３の外径（端面４７の外周縁の直径）をＤｇ、蓋部材１４の端面２７の内周縁の直径をＤｈとすると、内側包絡円の直径Ｄｉ、外側包絡円の直径Ｄｊは、下記条件を満たすように設定される。
Ｄｉ＞（Ｄｇ＋Ｂ＋Ｃ）
Ｄｊ＜（Ｄｈ−Ｂ−Ｃ）

これにより、板ばね５１は、外周縁５２側の所定径方向幅寸法（Ｗａ）範囲内で、スリット５４の部分を含むことなく、必ず円環帯状の連続面５１Ｄをもって蓋部材１４の端面２７（図２参照）に当接係合し、内周縁５３側の所定径方向幅寸法（Ｗｂ）範囲内で、スリット５４の部分を含むことなく、必ず円環帯状の連続面５１Ｅをもって外周側フランジ４３の端面４７（図２参照）に当接係合する。

このことにより、プランジャ３９とホルダ部材４１と弁体４４とによる連結体がプランジャチューブ３２の中心軸線に対して傾き、板ばね５１が蓋部材１４の端面２７や外周側フランジ４３の端面４７に対して片当たりするような状態になっても、その片当たり状態が、必ず円環帯状の連続面５２で行われ、スリット５４を含む片当たりと、スリット５４を含まない片当たりの、予測できない何れかの状態で行われることがなくなる。

これにより、弁体４４に作用する板ばね５１のばね力の不安定要素が排除され、片当たりが生じても、弁体４４に作用する板ばね５１のばね力がばらつくことがない。これは、スリット５４を含む片当たりの場合と、スリット５４を含まない片当たりの場合とで、弁体４４に作用する板ばね５１のばね力が変動するが、板ばね５１が円環帯状の連続面５１Ｄ、５１Ｅをもって端面２７、４７に当接係合することにより、このようなことにならないことを意味する。

図６の（ａ）は板ばね５１に予荷重が与えられていない状態を、（ｂ）は最大弁閉状態において板ばね５１に予荷重が与えられている状態を、（ｃ）最大弁開状態を各々示している。

図６（ｂ）に示されているように、最大弁閉状態（弁体４４が弁座面２３に当接している状態）において、板ばね５１は、蓋部材１４の端面２７と外周側フランジ４３の端面４７との相対的な軸線方向位置の偏倚により、円錐状に弾性変形して予荷重を与えられる。

この蓋部材１４の端面２７と外周側フランジ４３の端面４７との相対的な軸線方向位置の偏倚量は、図１に示されているねじ部１３による蓋部材１４の弁ハウジング本体１２に対するねじ込み量によって所要値に調整設定できる。

この円錐状の弾性変形により、板ばね５１は、板面が蓋部材１４の端面２７および外周側フランジ４３の端面４７に対して傾斜した状態で、これら端面２７、４７に、符号Ａ、Ｂで示されているように、線接触によって当接係合する。動作時には、図６（ｃ）に示されているように、板ばね５１が更に撓み、板ばね５１の端面２７、４７に対する線接触位置が変化するだけで、面接触による摺動抵抗を生じることがない。

このことによっても、流量制御特性にヒステリシスが生じることがなくなり、出力流量が安定する。

この場合、蓋部材１４の端面２７、外周側フランジ４３の端面４７の角部は、面取り加工、Ｒ加工されていてもよい。

なお、板ばねの参考例として図７に示すものがある。図７（ａ）に示されているように、幅広スリット５６が形成されているもの、図７（ｂ）に示されているように、周方向にスリット５７が形成されているもの、図７（ｃ）に示されているように、三日月状にスリット５８が形成されているもの、図７（ｄ）に示されているように、スリットが形成されていないもの等がある。

何れの場合も、板ばね５１は、連続面をもって蓋部材１４の端面２７、外周側フランジ４３の端面４７に当接係合するものであればよい。

この発明による電磁比例弁の一つの実施形態を示す縦断面図である。この発明による電磁比例弁の一つの実施形態の要部を拡大して示す縦断面図である。一つの実施形態による電磁比例弁のプランジャチューブ内径とプランジャ外径との比に関する評価試験結果を示すグラフである。一つの実施形態による電磁比例弁のプランジャの縦横比に関する評価試験結果を示すグラフである。一つの実施形態による電磁比例弁で使用される板ばねの拡大平面図である。（ａ）〜（ｃ）は、一つの実施形態による電磁比例弁の板ばね取付部の拡大断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、電磁比例弁で使用される板ばねの参考例を示す平面図である。

符号の説明

１１弁ハウジング
１６弁室
２２弁ポート
２７端面
３１電磁アクチュエータ
３２プランジャチューブ
３９プランジャ
４４弁体
４７端面
５１板ばね
５１Ｄ、５１Ｅ連続面
５４スリット

Claims

弁室、弁ポートを有する弁ハウジングと、
前記弁ハウジングに取り付けられた円筒状のプランジャチューブ内に軸線方向に移動可能に設けられた円柱状のプランジャを含むリニア型の電磁アクチュエータと、
前記弁室内に設けられて前記プランジャに連結され、軸線方向移動により前記弁ポートの開度を変化させる弁体と、
前記プランジャ及び前記弁体の連結体と前記弁ハウジングとの間に組み込まれた板ばねとを有し、
前記電磁アクチュエータが発生する電磁力と前記板ばねのばね力との平衡関係によって前記弁体の軸線方向移動位置が決まり、流量制御を行う電磁比例弁において、
前記板ばねは、円環状で、内周縁側で前記連結体の円周状の外周に遊嵌合し、その円環部の外周縁と内周縁との間に、外周縁側と内周縁側の各々に所定の径方向幅を残した形態で、複数個のスリットを開口形成されており、前記スリットは、所定の円周方向幅及び所定の径方向長さを有し放射線状に等間隔に設けられ、外周縁側と内周縁側の所定径方向幅寸法範囲内で、前記スリットの部分を含むことなく周方向に連続した面を有し、外周縁側の前記連続した面をもって、前記弁ハウジングに形成された円環状の端面に当接係合し、内周縁側の前記連続した面をもって、前記連結体に形成された円環状の端面に当接係合し、
前記プランジャチューブの内径と前記プランジャの外径との差によって前記プランジャチューブと前記プランジャとの間に径方向クリアランスＡが設けられ、
前記板ばねが遊嵌合する部分の前記連結体の外径と前記板ばねの内径との差によって前記連結体と前記板ばねとの間に径方向クリアランスＢが設けられ、
前記板ばねが当接係合する部分の円周状の前記弁ハウジングの内径と前記板ばねの外径との差によって前記弁ハウジングと前記板ばねとの間に径方向クリアランスＣが設けられ、
前記径方向クリアランスＡと前記径方向クリアランスＢと前記径方向クリアランスＣが、Ａ＞（Ｂ＋Ｃ）の条件を満たすように設定されている電磁比例弁。
前記プランジャの軸長Ｈと前記プランジャの外径Ｄｂとの比Ｈ：Ｄｂが１：１〜３：１である請求項１記載の電磁比例弁。
前記板ばねは、前記連結体を弁閉方向に付勢する弁閉ばねとして設けられ、最大弁閉状態において、前記連結体の前記端面と前記弁ハウジングの前記端面との相対的な軸線方向位置の偏倚により円錐状に弾性変形して予荷重を与えられ、その円錐状の弾性変形により、板面が前記連結体の前記端面および前記弁ハウジングの前記端面に対して傾斜した状態で、これら端面に当接係合している請求項１または２に記載の電磁比例弁。