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JP5994925B2 - 電磁弁 - Google Patents

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Description

本発明は、電磁力を用いて弁体ユニットを動作させる電磁弁の構造に関する。
下記特許文献1には、この種の電磁弁の一例として車両に搭載される電磁弁が開示されている。この電磁弁ではハウジングに弁体ユニット及び電磁コイルが収容され、弁体ユニットはハウジング内を摺動するプランジャを備え、このプランジャを貫通する連通路を通じて弁室とバネ室とが連通するように構成されている。
特開2011−38542号公報
上記特許文献1に開示の弁体ユニットでは、プランジャの貫通加工によって連通路を設けるためコストがかかる。一方で、コスト低減を図るべくプランジャの外周面に鍛造等の方法で凹状の溝部を設け、この溝部によって連通路を構成することも考えられる。しかしながら、この場合、外周面に凹状の溝部が設けられたプランジャは外形が真円ではなく、このプランジャを収容するハウジングのとの間の摺動抵抗が増加するため、弁体ユニットの円滑な動作の阻害要因になる。また、このような問題は、車両に搭載される電磁弁をはじめ、車両以外の各種の機器に装着される電磁弁において起こり得る。
そこで、本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、電磁力を用いて弁体ユニットを動作させる電磁弁において、弁体ユニットのコスト低減と動作性向上の両立を図るのに有効な技術を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明に係る電磁弁は、ハウジングに弁体ユニット及び電磁コイルが収容されている。弁体ユニットは、プランジャ、ロッド、スリーブ及び連通路を含む。プランジャは、円柱状の外周面に円柱軸方向に延在する溝部を有し、電磁コイルによる電磁力によって円柱軸方向に動作する部材として構成される。ロッドは、プランジャに固定され、プランジャの閉弁動作時に弁開閉のための弁座に当接し、且つプランジャの開弁動作時に弁座との当接を解除する部材として構成される。スリーブは、プランジャの外周面を被覆しプランジャと一体に構成された円筒状の部材として構成される。連通路は、プランジャの溝部とスリーブの内周面とによって区画形成されて円柱軸方向に延在する。この場合、プランジャの貫通加工によって連通路を形成する場合に比べて、連通路を形成するためのコストを抑えることできる。また、円筒状のスリーブに所望の強度を付与することによってスリーブの真円性を高めることができるため、スリーブとハウジングとの間の摺動抵抗が抑えられ、その結果、弁体ユニットの動作性向上を図ることができる。
本発明に係る電磁弁の更なる形態では、弁体ユニットは、プランジャの周方向に関する溝部の開口円弧長さがスリーブの径方向に関する肉厚の20倍以下になるように構成されているのが好ましい。この場合、溝部の開口円弧長さをスリーブの肉厚に見合った値に設定することによって、スリーブの所望の真円性をより確実に確保することができる。例えば、スリーブの真円度(円形体の幾何学的に正しい円からの狂いの大きさ)を1[μm]程度に抑えることができる。これに対して、溝部の開口円弧長さがスリーブの肉厚の20倍を上回ると、スリーブのうち溝部の開口部分に対向する円弧部分が直線状に変形し易くなり、スリーブの所望の真円性を確保するのが難しい。
本発明に係る電磁弁の更なる形態では、スリーブは非磁性材料からなり、且つスリーブの径方向の肉厚が当該スリーブの外周面とハウジングとの間の摺動隙間の寸法以上に設定されているのが好ましい。これにより、電磁コイルの磁力は非磁性材料からなるスリーブに作用しないため、スリーブの外周面とハウジングとの間に生じる摩擦(摺動抵抗)を抑えることができる。この場合、スリーブの肉厚をスリーブの外周面とハウジングとの間の摺動隙間に見合った値に設定することができる。
本発明に係る電磁弁の更なる形態では、ハウジングは、プランジャの一方の端部との対向領域に設けられロッドを収容する弁室と、プランジャの他方の端部との対向領域に設けられ電磁コイルによる電磁力に抗してプランジャを弾性付勢するバネを収容するバネ室とを備え、これら弁室とバネ室とが連通路を通じて互いに連通しているのが好ましい。これにより、電磁弁において弁室とバネ室が互いに連通する連通路をプランジャの溝部とスリーブの内周面とによって区画形成することができる。
本発明に係る電磁弁は、車両に搭載される車両用電磁弁であり、その搭載状態でプランジャの円柱軸方向が水平方向となるように配置されるのが好ましい。この場合、プランジャは、スリーブによって溝部が被覆された被覆領域と、スリーブによって溝部が被覆されない非被覆領域とを備え、非被覆領域に対応する溝部は少なくとも水平方向(第1方向)及び水平方向に交差する交差方向(第2方向)に関してスリーブの外側空間に連通しているのが好ましい。これにより、プランジャの被覆領域と非被覆領域との間における溝部の開口面積が拡張される。その結果、スリーブの外側空間に存在する気泡を、少なくとも2方向の作動液の流れによって非被覆領域の溝部から連通路に容易に導入して排出させることができる。
以上のように、本発明によれば、電磁力を用いて弁体ユニットの開閉動作を行う電磁弁において、弁体ユニットのコスト低減と動作性向上の両立を図ることが可能になった。
本実施の形態のブレーキ制御装置10の系統図である。 本実施の形態の電磁弁100の断面構造を示す図である。 図2中の弁体ユニット110の平面図である。 図3中の弁体ユニット110のA−A線に関する断面図である。 図4の部分拡大図である。 電磁弁100の車両搭載時の弁体ユニット110の配置状態を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図1に示すブレーキ制御装置10は、車輪に付与される制動力を制御するべく車両に搭載されるものであり、運転者によるブレーキペダル11の踏み込み操作に応じて4つの車輪を独立して制御する機能を果たす。ブレーキペダル11は、その踏み込みストロークを検出するストロークセンサ12を備え、且つマスタシリンダ13に接続されている。マスタシリンダ13は、作動液(「ブレーキオイル」ともいう)を貯留するリザーバタンク14に接続される一方で、ブレーキペダル11の踏み込み操作に応じて作動液を送り出す出力ポート13a,13bを備えている。
マスタシリンダ13の一方の出力ポート13aには、電磁弁15を介してストロークシュミレータ16が接続されている。電磁弁15は、運転者によるブレーキペダル11の踏み込み操作が検出された場合に通電状態になって開弁する。ストロークシュミレータ16は、運転者によるブレーキペダル11の踏み込み操作に応じた反力を発生させる機能を果たす。また、出力ポート13aには、右前輪用の第1油圧管17が接続されている。この第1油圧管17は、右前輪に制動力を付与するホイールシリンダ21に接続されている。一方で、出力ポート13bには、左前輪用の第2油圧管18が接続されている。この第2油圧管18は、左前輪に制動力を付与するホイールシリンダ22に接続されている。電磁弁15及び油圧アクチュエータ60はいずれも電子制御ユニット(ECU)70によって制御される。
油圧アクチュエータ60では、第1油圧管17に第1マスタカット弁19が設けられ、また第2油圧管18に第2マスタカット弁20が設けられている。これら第1マスタカット弁19及び第2マスタカット弁20は、通電状態で閉弁することによって、マスタシリンダ13とホイールシリンダ21又はホイールシリンダ22との連通を阻止する。これに対して、これら第1マスタカット弁19及び第2マスタカット弁20は、通電解除状態或いは通電低減状態で開弁することによって、マスタシリンダ13とホイールシリンダ21又はホイールシリンダ22とを連通させる。
また、油圧アクチュエータ60では、第1油圧管17に右前輪側のマスタシリンダ圧を検出するための圧力センサ17aが設けられ、また第2油圧管18に左前輪側のマスタシリンダ圧を検出するための圧力センサ18aが設けられている。これら圧力センサ17a及び圧力センサ18aによって検出されたマスタシリンダ圧からブレーキペダル11の踏み込み操作力が求められる。
油圧アクチュエータ60は、モータ27によって駆動されるポンプ26を備えている。このポンプ26は、リザーバタンク14に連通する油圧管25にポンプ吸入口が接続され、且つ油圧管25から分岐した油圧管30にポンプ吐出口が接続されている。油圧管30にはアキュムレータ31、リリーフバルブ32及び圧力センサ33が設けられている。アキュムレータ31は、ポンプ26によるブレーキオイルの圧力エネルギを封入ガスの圧力エネルギに変換して蓄える。リリーフバルブ32は、高圧のブレーキオイルを油圧管25に戻すためにアキュムレータ31の圧力が所定値を上回ると開弁する。このリリーフバルブ32は、圧力センサ33によって検出されたアキュムレータ31の圧力に応じて作動する。
油圧管30は、右前輪用増圧弁41、左前輪用増圧弁42、右後輪用増圧弁43及び左後輪用増圧弁44のそれぞれを介して、ホイールシリンダ21、ホイールシリンダ22、ホイールシリンダ23及びホイールシリンダ24のそれぞれに接続されている。これら増圧弁41,42,43,44はいずれも、開弁状態でホイールシリンダ圧を増圧する一方で、閉弁状態でホイールシリンダ圧を増圧しない。ホイールシリンダ21、ホイールシリンダ22、ホイールシリンダ23及びホイールシリンダ24はそれぞれ、右前輪用減圧弁51、左前輪用減圧弁52、右後輪用減圧弁53及び左後輪用減圧弁54のそれぞれに接続されている。これら減圧弁51,52,53,54はいずれも、開弁状態でホイールシリンダ圧を減圧する一方で、閉弁状態でホイールシリンダ圧を減圧しない。ホイールシリンダ21、ホイールシリンダ22、ホイールシリンダ23及びホイールシリンダ24の圧力はそれぞれ、圧力センサ21a、圧力センサ22a、圧力センサ23a及び圧力センサ24aによって検出される。
以下、図2〜図5を参照しつつ、本実施の形態の電磁弁100の構成を詳細に説明する。この電磁弁100は、車両に搭載される各種の電磁弁として使用可能であり、例えば前述の減圧弁51,52に適用可能である。なお、他の減圧弁53,54や別の開閉弁にこの電磁弁100を適用できることは勿論である。この電磁弁100が本発明の「電磁弁」に相当する。
図2に示すように、電磁弁100では、ハウジング101に弁体ユニット110及び電磁ユニット140が収容されている。弁体ユニット110は、電磁ユニット140(電磁コイル141)の電磁力によって動作する。弁体ユニット110は、ロッド111、プランジャ120及びスリーブ122を備え、当該弁体ユニット110の動作方向である長手方向に延在している。この弁体ユニット110が本発明の「弁体ユニット」に相当する。
ロッド111は、プランジャ120に設けられた嵌合孔120aに挿入固定される挿入部111aを備え、これによりプランジャ120に固定されている。また、このロッド111は、挿入部111aとは反対側に弁開閉のための弁座(後述の弁座151)に当接可能な半球状の先端部111bを備えている。このため、ロッド111は、プランジャ120の閉弁動作時に弁座に当接し、且つプランジャ120の開弁動作時に弁座との当接を解除する。このロッド111が本発明の「ロッド」に相当する。
プランジャ120は、磁性材料からなり、ハウジング101内に形成される空間を弁室112とバネ室113とに区画する。この場合、ハウジング101は、プランジャ120の一方の端部との対向領域に弁室112を備え、プランジャ120の他方の端部との対向領域にバネ室113を備えている。弁室112にロッド111及びシート150が配置される一方で、バネ室113にバネ130が配置される。このプランジャ120は、バネ130の弾発力によって、ロッド111がシート150の弁座151に近接するように、即ち弁体ユニット110の閉弁方向D1に弾性付勢されている。また、詳細については後述するが、スリーブ122は、プランジャ120を被覆することによって、弁室112とバネ室113を互いに連通させる連通路125を形成する。ここでいうプランジャ120及びスリーブ122がそれぞれ、本発明の「プランジャ」及び「スリーブ」に相当する。
シート150は、ロッド111の先端部111bとの対向部位に設けられた弁座151と、弁座151に連通する流通路152とを備え、ハウジング101に固定されている。電磁ユニット140の作動停止状態では、バネ130の弾発力によって、弁座151にロッド111の先端部111bが当接した閉弁状態になる。この閉弁状態では流通路152における作動油の流れが遮断される。一方で、電磁ユニット140の作動状態で、バネ130の弾発力に抗して弁座151からロッド111の先端部111bが離間した開弁状態では、シート150の流通路152から弁室112を通りハウジング101の流通路101aに流出する作動油の流れが形成される。即ち、弁体ユニット110を付勢する方向は、バネ130と電磁ユニット140とでは互いに反対方向の関係にある。
電磁ユニット140は、電磁コイル141、コイルヨーク142及びリングヨーク143を含む。電磁コイル141は、ハウジング101の外側に配置されたソレノイドである。コイルヨーク142は電磁コイル141を囲むように配置され、リングヨーク143はハウジング101に固定される。これらコイルヨーク142及びリングヨーク143はいずれも磁性体である。これにより、電磁コイル141は、磁性体であるコイルヨーク142及びリングヨーク143によって囲まれる。この場合、電磁コイル141に通電されることによって電磁ユニット140が作動状態になり、弁体ユニット110のプランジャ120をバネ130の弾発力に抗して開弁方向D2に付勢する磁束(電磁力)が発生する。その結果、プランジャ120が開弁方向D2に動作する。一方で、電磁コイル141の通電が停止されることによって電磁ユニット140が非作動状態になり、弁体ユニット110のプランジャ120はバネ130の弾発力にしたがって閉弁方向D1に動作する。この電磁コイル141が本発明の「電磁コイル」に相当する。
図3及び図4に示すように、プランジャ120は、円柱状に構成されその外周面120bに円柱軸方向に延在する複数(図4では2つ)の溝部121を有する。この円柱軸方向は弁体ユニット110の移動方向(閉弁方向D1及び開弁方向D2)に合致する。溝部121は、プランジャ120の全長にわたって形成されている。スリーブ122は、プランジャ120の外周面120bを被覆しプランジャ120と一体に構成された円筒状の部材である。典型的には圧入によってプランジャ120及びスリーブ122が一体化される。このスリーブ122は、円柱軸方向の長さがプランジャ120よりも短くなるように構成され、このためプランジャ120は、スリーブ122によって溝部121が被覆された被覆領域123と、スリーブ122によって溝部121が被覆されない非被覆領域124とを備えている。その結果、プランジャ120のうち被覆領域123に対応する溝部121とスリーブ122の内周面122aとによって、プランジャ120の円柱軸方向に延在する前述の連通路125が区画形成される。この連通路125が本発明の「連通路」に相当する。一方で、プランジャ120のうち非被覆領域124に対応する溝部121はスリーブ122の内周面122aに被覆されないため溝状の形態が維持される。
ところで、この種の弁体ユニットの設計に際しては、弁体ユニットとハウジングとの間の摺動抵抗を抑えつつ前述の連通路125のような連通路を低コストで形成する技術が要請される。そこで、本実施の形態の弁体ユニット100では、プランジャ120の溝部121とスリーブ122の内周面122aとによって連通路125を区画形成している。この場合、プランジャ120の貫通加工によって連通路125を形成する場合に比べて、連通路125を形成するためのコストを抑えることできる。また、円筒状のスリーブ122に所望の強度を付与することによってスリーブ122の真円性を高めることができるため、スリーブ122とハウジング101との間の摺動抵抗が抑えられ、その結果、弁体ユニット110の動作性向上を図ることができる。
また、図5が参照されるように、本実施の形態の弁体ユニット100では、プランジャ120の周方向に関する溝部121の開口円弧長さがスリーブ122の径方向に関する肉厚の20倍以下であるという条件を満たすのが好ましい。ここで、プランジャ120の外径がd[mm]、溝部121の開口角度がθ[rad]、スリーブ122の肉厚がt[mm]であるとき、溝部121の開口円弧長さL[mm]は、d×θ/2となる。従って、上記の条件を満たす場合には、L/t=(d×θ)/(2×t)≦20という関係が成り立つ。この関係が成り立つことで、溝部121の開口円弧長さLをスリーブ122の肉厚tに見合った値に設定することができる。これにより、プランジャ120を被覆するスリーブ122の変形を抑えることができ、スリーブ122の所望の真円性を確保することができる。例えば、スリーブ122の真円度(円形体の幾何学的に正しい円からの狂いの大きさ)を1[μm]程度に抑えることができる。これに対して、溝部121の開口円弧長さLがスリーブ122の肉厚tの20倍を上回ると、スリーブ122のうち溝部121の開口部分に対向する円弧部分が直線状に変形し易くなり、スリーブ122の所望の真円性を確保するのが難しい。なお、車両に搭載される電磁弁の場合、プランジャ120の外径dは6〜20[mm]程度であるのが好ましい。
更に、本実施の形態の弁体ユニット110では、スリーブ122は非磁性材料(典型的にはステンレス材料)からなり、且つスリーブ122の外周面122bとハウジング101の内周面101bとの間の摺動隙間の寸法をs[mm]とした場合、t≧sという関係が成り立つのが好ましい。これにより、電磁コイル141の磁力は非磁性材料からなるスリーブ122に作用しないため、スリーブ122の外周面122bとハウジング101の内周面101bとの間に生じる摩擦(摺動抵抗)を抑えることができる。この場合、スリーブ122の摺動時のガタツキを抑えるような値に摺動隙間sの寸法が設定される一方で、スリーブ122の肉厚tをこの摺動隙間sの寸法に見合った値に設定することができる。
上記の電磁弁100は、種々の向きでの配置が可能である一方で、車両に搭載される車両用電磁弁である場合、図6が参照されるように、その搭載状態でプランジャ120の円柱軸方向が水平方向Xとなるように配置(横置きで配置)されるのが好ましい。この場合、プランジャ120の非被覆領域124に対応する溝部121は少なくとも水平方向X(「第1方向」ともいう)及び水平方向に交差する交差方向Y(「第2方向」ともいう)に関してバネ室113(スリーブ122の外側空間)に連通しているのが好ましい。これにより、プランジャ120の被覆領域123と非被覆領域124との間における溝部121の開口面積が拡張される。その結果、バネ室113に存在する気泡を、少なくとも2方向(第1方向X及び第2方向Y)の作動液の流れによって非被覆領域124の溝部121から被覆領域123の連通路125に容易に導入して弁室112に排出させることができる。この場合、図6では第1方向Xに流れる気泡の経路を矢印R1で示し、第2方向Yに流れる気泡の経路を矢印R2で示している。
本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。
上記実施の形態では、弁体ユニット110に2つの連通路125を設ける場合について記載したが、本発明では、連通路125の数は2つに限定されるものではなく、弁体ユニット110に1つ或いは3つ以上の連通路125を設けることもできる。特に、連通路125の数が多くなるほどに、当該連通路を貫通加工によって形成する場合に比べてコスト低減メリットが高くなる。
上記実施の形態では、弁室112とバネ室113を互いに連通する連通路125をプランジャ120の溝部121とスリーブ122の内周面122aとによって区画形成する場合について記載したが、連通路125とは異なる機能を果たす連通路の構成に本発明を適用することもできる。
上記実施の形態では、非磁性材料からなるスリーブ122を用いる場合について記載したが、必要に応じてはスリーブ122を磁性材料によってすることもできる。
上記実施の形態では、プランジャ120は、スリーブ122によって溝部121が被覆された被覆領域123と、スリーブ122によって溝部121が被覆されない非被覆領域124とを備える場合について記載したが、本発明では、プランジャ120は、非被覆領域124のない構造、即ち溝部121がスリーブ122によって完全に被覆された構造であってもよい。
本発明では、スリーブ122の材料選定等によって所望の強度を確保できる場合には、溝部121の開口円弧長さLがスリーブ122の肉厚tの20倍を上回るように構成することもできる。
上記実施の形態では、車両に搭載される電磁弁100としてブレーキ制御装置10の減圧弁51,52を例示したが、車両に搭載されるアンチロック・ブレーキ・システム(ABS)用の電磁弁や、車両以外の各種の機器に装着される電磁弁の構成に本発明を適用することもできる。

Claims (4)

  1. ハウジングに弁体ユニット及び電磁コイルが収容された電磁弁であって、
    前記弁体ユニットは、
    円柱状の外周面に円柱軸方向に延在する溝部を有し、前記電磁コイルによる電磁力によって前記円柱軸方向に動作するプランジャと、
    前記プランジャに固定され、前記プランジャの閉弁動作時に弁開閉のための弁座に当接し、且つ前記プランジャの開弁動作時に前記弁座との当接を解除するロッドと、
    前記プランジャの外周面を被覆し前記プランジャと一体に構成された円筒状のスリーブと、
    前記プランジャの前記溝部と前記スリーブの内周面とによって区画形成されて前記円柱軸方向に延在する連通路と、を含む、電磁弁において、
    前記弁体ユニットは、前記プランジャの周方向に関する前記溝部の開口円弧長さが前記スリーブの径方向に関する肉厚の20倍以下になるように構成されている、電磁弁。
  2. ハウジングに弁体ユニット及び電磁コイルが収容された電磁弁であって、
    前記弁体ユニットは、
    円柱状の外周面に円柱軸方向に延在する溝部を有し、前記電磁コイルによる電磁力によって前記円柱軸方向に動作するプランジャと、
    前記プランジャに固定され、前記プランジャの閉弁動作時に弁開閉のための弁座に当接し、且つ前記プランジャの開弁動作時に前記弁座との当接を解除するロッドと、
    前記プランジャの外周面を被覆し前記プランジャと一体に構成された円筒状のスリーブと、
    前記プランジャの前記溝部と前記スリーブの内周面とによって区画形成されて前記円柱軸方向に延在する連通路と、を含む、電磁弁において、
    前記スリーブは非磁性材料からなり、且つ前記スリーブの径方向の肉厚が当該スリーブの外周面と前記ハウジングとの間の摺動隙間の寸法以上に設定されている、電磁弁。
  3. ハウジングに弁体ユニット及び電磁コイルが収容された電磁弁であって、
    前記弁体ユニットは、
    円柱状の外周面に円柱軸方向に延在する溝部を有し、前記電磁コイルによる電磁力によって前記円柱軸方向に動作するプランジャと、
    前記プランジャに固定され、前記プランジャの閉弁動作時に弁開閉のための弁座に当接し、且つ前記プランジャの開弁動作時に前記弁座との当接を解除するロッドと、
    前記プランジャの外周面を被覆し前記プランジャと一体に構成された円筒状のスリーブと、
    前記プランジャの前記溝部と前記スリーブの内周面とによって区画形成されて前記円柱軸方向に延在する連通路と、を含む、電磁弁において、
    車両に搭載される車両用電磁弁であり、その搭載状態で前記プランジャの前記円柱軸方向が水平方向となるように配置され、
    前記プランジャは、前記スリーブによって前記溝部が被覆された被覆領域と、前記スリーブによって前記溝部が被覆されない非被覆領域とを備え、前記非被覆領域に対応する前記溝部は少なくとも前記水平方向及び前記水平方向に交差する交差方向に関して前記スリーブの外側空間に連通している、電磁弁。
  4. 請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の電磁弁であって、
    前記ハウジングは、前記プランジャの一方の端部との対向領域に設けられ前記ロッドを収容する弁室と、前記プランジャの他方の端部との対向領域に設けられ前記電磁コイルによる電磁力に抗して前記プランジャを弾性付勢するバネを収容するバネ室とを備え、前記弁室と前記バネ室とが前記連通路を通じて互いに連通している、電磁弁。
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