吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁
【課題】作動流体として水を使用する場合であっても内部漏れがなく、しかも高速作動、省電力化を可能としつつも、騒音、弁部の摩耗、作動流体の脈動の軽減を図ることができる、吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁を提案する。
【解決手段】電磁弁のボディ１内に、アクチュエータへつながる空間領域K１と、バイパス経路１７を備えた第２の空間領域K２とを形成し、第１の空間領域K１に、ポペット５を配置し、第２の空間領域K２に、パイロット弁８を配置する。ポペット５に、その先端部、後端部に開孔端を有し、パイロット弁８の駆動により作動流体の流れを生じさせポペット５の先端、後端の圧力均衡を崩して該ポペット５を弁座から離反させて第１の空間領域K１と作動流体送給経路１６とを連通させる少なくとも一本の胴部貫通経路５ｃを形成する。
【解決手段】電磁弁のボディ１内に、アクチュエータへつながる空間領域K１と、バイパス経路１７を備えた第２の空間領域K２とを形成し、第１の空間領域K１に、ポペット５を配置し、第２の空間領域K２に、パイロット弁８を配置する。ポペット５に、その先端部、後端部に開孔端を有し、パイロット弁８の駆動により作動流体の流れを生じさせポペット５の先端、後端の圧力均衡を崩して該ポペット５を弁座から離反させて第１の空間領域K１と作動流体送給経路１６とを連通させる少なくとも一本の胴部貫通経路５ｃを形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポペットをパイロット弁によって作動させて作動流体をアクチュエータへと送給する、吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁に関するものであり、該電磁弁の駆動中において発生が不可避な騒音、ポペットの摩耗、作動流体の脈動、内部漏れ等を効果的に軽減しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
駆動システムを作動させるための作動流体（圧力媒体）としては従来、鉱物油等の油が使用されてきたが、近年では、システムの安全性や環境保護に対する要求や規制がより厳しくなる傾向にあり、油漏れによる環境汚染や火災等の危険性を回避すべく、水を作動流体とする水圧システムの開発が望まれている。
【０００３】
水は鉱物油とは物性が大きく異なるため、機器の性能や耐久性に関し解決すべき問題を多々含んでいるが、最新の材料技術や加工技術、設計等の工夫により水圧ポンプ、水圧用アクチュエータ、水圧サーボ弁の如き水圧機器への適用が可能であると考えられており、水圧システムの実用化への取り組みが積極的に進められている。
【０００４】
作動流体として油を使用する電磁弁としては、低電力化のためにバランスピストンを配置した構造のものが知られている。かかる構造のものは、供給側経路とつながるＰポートと送給側経路につながるＡポートを有する二方向油圧電磁弁であって、高速で作動させることができるとともに内部漏れも非常に少ない利点があり、油圧システムの制御において幅広く使用されている。
【０００５】
ところで、上記従来の電磁弁は、作動流体を水とする水圧システムに適用した場合、弁体が閉塞位置にあるにもかかわらず供給圧力が一定の値（２ＭＰａ程度）を超えるとＡポートから相当量の水が漏れ出てしまうのが避けられない不具合があった。
【０００６】
これは、バランスピストンにはシール部材としてのＯリングが配置されておらず、水は油に比較して粘度が低いためであると考えられるが、上記の電磁弁は、このような内部漏れの回避は勿論のこと、高速作動性や錆び、潤滑、キャビテーション壊食などの問題をも考慮することが不可欠であって、従来の電磁弁を単に水圧用として使用することは今のところ難しい状況にあった。
【０００７】
この点に関する先行技術としては、電磁弁のボディ内に第１の空間領域、第２の空間領域をそれぞれ設け、第１の空間領域に、スプリングを介して弾性支持された主弁（ポペット）を配置し、第２の空間領域に補助弁（ボール弁）を配置し、補助弁の作動（PWM制御）にてバルブシートの通路を開閉させ、それに伴う第１の空間領域内の圧力変化に追随させて主弁のバルブシートを開閉することで作動流体をアクチュエータへ送給する構造になる２段式電磁弁が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
上記２段式電磁弁は、作動流体として水を用いた場合においても内部漏れがなく、しかも、高速で作動させることができる利点があり、水圧システムを容易に構築できる可能性を有しているが、この種の電磁弁は、主弁が往復動する際に、その後端が補助弁のバルブシートの背面に衝突して騒音を発するのが不可避であるばかりでなく、それに伴う弁部の摩耗も著しいうえ、作動流体の脈動の発生も避け難い不具合があり未だ改善の余地が残されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３─１５６１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、作動流体として水を使用する場合であっても内部漏れがなく、しかも高速作動、省電力化を可能としつつも、騒音、弁部の摩耗、作動流体の脈動の軽減を図ることができる吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁を提案するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、ソレノイド、コア及びヨークとの組み合わせからなる駆動系にてパイロット弁を駆動することによってボディ内に配置したポペットを作動させてアクチュエータへつながる経路を開閉制御する二段式電磁弁であって、
前記ボディ内に、作動流体供給経路とアクチュエータへつながる作動体送給経路とを合流させる第１の空間領域と、前記作動流体供給経路につながるバイパス経路を備えた第２の空間領域とをそれぞれ形成する仕切り壁を設け、
前記第１の空間領域に、アクチュエータに向けて作動流体を送給する送給口を有するバルブシートと、前記作動流体の供給口を有し一端を前記バルブシートに連結し他端を前記仕切り壁に連結したスリーブと、前記スリーブ内で弾性部材を介して往復移動可能に支持され初期姿勢において前記バルブシートの送給口を閉塞するポペットを配置し、
前記第２の空間領域に、スプリングを介して弾性支持され前記駆動系にて駆動されるパイロット弁を配置し、
前記仕切り壁に、前記第１の空間領域につながる細径の入側通路と、前記第2の空間領域につながり該パイロット弁の駆動によって開通可能な細径の出側通路と、前記入側通路及び前記出側通路にそれぞれつながりその相互間にて容積の拡大された空間領域を形成する空隙部を設け、
前記ポペットに、その先端部、後端部に開孔端を有し、前記パイロット弁の駆動により作動流体の流れを誘導し該ポペットの先端、後端の圧力均衡を崩して該ポペットを弁座から離反させて第１の空間領域と作動流体送給経路とを連通させる少なくとも一本の胴部貫通経路（制御絞り）を形成したことを特徴とする吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁であり、前記入側通路（絞り）、出側通路（絞り）及び空隙部とによって圧力振動を軽減するための吸振器が構成される。
【００１２】
上記ポペットの胴部の外表面には、該胴部を周回する少なくとも一つの環状溝（ラビリンス溝）を設けることができる。
【発明の効果】
【００１３】
電磁弁のボディ内を仕切り壁により第１の空間領域と、第２の空間領域とに区分し、前記第１の空間領域に、アクチュエータに向けて作動流体を送給する送給口を有するバルブシートと、前記作動流体の供給口を有し一端を前記バルブシートに連結し他端を前記仕切り壁に連結したスリーブと、前記スリーブ内で弾性部材を介して往復移動可能に支持され初期姿勢において前記バルブシートの送給口を閉塞するポペットを配置し、前記第２の空間領域に、スプリングを介して弾性支持され前記駆動系にて駆動されるパイロット弁を配置するとともに該第２の空間領域と前記作動流体送給経路とをバイパス経路を介して連結したため、作動流体として水を用いた場合であっても内部漏れが全くなく、しかも高速で作動させることが可能となり、水圧システムの構築が容易になる。
【００１４】
作動流体として水を適用することができるので電気駆動や油圧駆動の電磁弁と異なり耐火性、耐熱性に優れ、とくに油圧駆動式のものにおいて懸念された環境汚染を効果的に回避することが可能であり、食品加工産業、防災産業、半導体産業はもとより、農業機械や水中機械を扱う産業などにおいて幅広く適用し得る。
【００１５】
仕切り壁に、入側通路（絞り）、出側通路（絞り）と、これらの通路につながりその相互間にて容積の拡大された空間領域を形成する空隙部を設けて吸振器を構成することにより主弁として機能するポペットが作動しても制御室（第１の空間領域のポペットの後端部側に形成される空間）の圧力振動が減衰されるため該ポペットが穏やかに変位（ストロークエンド及び弁座におけるポペットの急激な衝突が避けられる。）し、駆動条件によってはストロークエンド、先端部での衝突を避けることができる結果、作動音の低減、摩耗の軽減し得るとともに作動流体の脈動も小さくなる。
【００１６】
また、制御絞りとして機能する通路（胴部貫通経路）をポペットの内部に設けることにより、ポペットの外周面とスリーブとの間に形成される隙間（摺動隙間）を小さくすることが可能となり、その隙間からの作動流体の漏れが低減され、正確な流量制御が行える。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明にしたがう吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁の実施の形態をその断面について模式的に示した図である。
【図２】図１に示した高速電磁弁の要部を拡大して示した図である。
【図３】本発明にしたがう高速電磁弁の作動状況の説明図である。
【図４】本は発明に用いて好適なポペットの外観斜視図である。
【図５】本発明にしたがう高速電磁弁を使用した水圧回路を模式的に示した図である。
【図６】パイロット弁の作動遅れ特性の調査を行った結果を示したグラフである。
【図７】デューティとパイロット流量の関係を示したグラフである。
【図８】デューティとメイン流量（ポペットの流量）との関係を調査した結果を示したグラフである。
【図９】本発明にしたがう高速電磁弁のポペットの流動変動を示したグラフである。
【図１０】本発明にしたがう高速電磁弁の作動流体の漏れ状況を調査した結果を示したグラフである。
【図１１】本発明にしたがう高速電磁弁を作動させた場合におけるポペット変位を計測したグラフである。
【図１２】本発明にしたがう高速電磁弁を作動させた場合における平均流量の変化を計測したグラフである。
【図１３】（ａ）（ｂ）は、本発明に適用して好適なポペットを示した図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を用いて本発明をより具体的に説明する。
図１は本発明にしたがう、吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁の実施の形態をその断面につき模式的に示したものである。
【００１９】
図において１は電磁弁のボディである。ボディ１はその内部に後述するパイロット弁、主弁として機能するポペットを組み入れるための空間が設けられている。
【００２０】
また、２は、ボディ１内に配置され、ボディ１内の空間を、第１の空間領域Ｋ１と、第２の空間領域Ｋ２に区分する仕切り壁である。この仕切り壁２は、下向きに開放された凹所を有する壁本体２ａと、この壁本体２ａの下面にОリングの如きシール部材を介して合わさり該凹所を密閉して仕切り壁２の内部に空隙部２ｂを形成する蓋体２ｃから構成されている。そして該蓋体２ｃの中央部には、第１の空間領域Ｋ１につながる細径の入側通路（絞り）２ｃ１が形成され、該ブロック２ａの中央部には、第２の空間領域Ｋ２につながる細径の出側通路２ａ１が形成されていて該入側通路２ｃ１及び出側通路２ａ１はそれぞれ空隙部２ｂにつながっている。ここに、入側通路２ｃ１、出側通路２ａ１、空隙部２ｂは、第１の空間領域Ｋ１と第２の空間領域Ｋ２をつなぎ、ここを通して作動流体を流す導通路を形成するものであり、この導通路は、空隙部２ｂによってその部位の容積（体積）を拡大する空間領域を形成するようになっており、入側通路２ｃ１、出側通路２ａ１及び空隙部２ｂによって吸振器を構成する。
【００２１】
３は、第１の空間領域Ｋ１に配置されたバルブシートである。このバルブシート３とボディ１の内壁面との間には液密状態を保持するためＯリング等のシール部材が配置されており、その中心部にはアクチュエータに向けて作動流体を送給する送給口３ａが設けられている。４は、第１の空間領域Ｋ１に配置されたスリーブである。このスリーブ４は、作動流体の供給口４ａを有し、一端がバルブシート３に連結され他端が仕切り壁２に連結された筒体から構成されている。
【００２２】
また、５は、スリーブ４内に配置されたポペット（主弁）である。このポペット５は、スリーブ４の内壁との間で極僅かな隙間（作動流体が漏れ出てポペット５の制御性に影響を与えない程度の隙間）を形成する径からなる円柱状の胴部５ａと、この胴部５ａの先端に設けられバルブシート３の送給口３ａに直接当接して該送給口３ａを閉塞する円錐状の弁部５ｂとからなり、ポペット５の後端でスリーブ４及び仕切り壁２によって取り囲まれた空間を制御室Mとして構成されるものであり、該ポペット５の先端（図中下側）と後端（図中上側）の受圧面積はほぼ等しいか後端のほうが少し大きくなるように設定されている。
【００２３】
ポペット５の胴部５ａには、その先端部から後端部に向けて内部を貫き、電磁弁の制御絞りを形成する胴部貫通経路５ｃが設けられており、弁部５ｂには、胴部貫通経路５ｃの入口を形成する入側開孔端５ｃ１が、また、後端部の側壁には、胴部貫通経路５ｃの出口を形成する出側開孔端５ｃ２がそれぞれ形成されている。出側開孔端５ｃ２は、ポペット５の作動停止状態においてスリーブ４との間で極僅かな隙間を形成するように、図２に示すようなオーバーラップ代ｔを確保する位置に設けられている（オーバーラップ代ｔを調整することでポペット５の制御特性を変更することができる。）。胴部貫通経路５ｃの本体部分、入側開孔端５ｃ１の形状については、円形あるは角型（正方形や長方形等の四角）形状など任意の形状を適用することができるが、とくに、出側開孔端５ｃ２については該出側開孔端５ｃ２を通過する作動流体の流量に比例してポペット５が変位するように角型（四角）形状とするのが望ましい。
【００２４】
６は、仕切り壁２の中央部に設けられた凹所６ａに着座してポペット５をスリーブ４内で往復移動可能に支持する弾性部材である。この弾性部材６によって支持されたポペット５は、バルブシート３の送給口３ａを閉塞しており、これがポペット５の初期姿勢となる。
【００２５】
７は、前半部が第２の空間領域Ｋ２に入り込み、後半部が第２の空間領域Ｋ２から突出した非磁性材からなるスリーブ、８は、スリーブ７の前半部の内側に配置されたパイロット弁、９は、パイロット弁８をスリーブ７内において往復移動可能に支持する弾性部材である。
【００２６】
パイロット弁８は、出側通路２ｂにおけるパイロット流量を制御するためボール形式の例で示した弁体８ａと、この弁体８ａを保持しスリーブ７内で弾性部材９の付勢力に抗してスライド可能で、かつスリーブ７とともにその後端部を第２の空間領域Ｋ２から突出させたプランジャー８ｂからなっていて、該プランジャー８ｂには、その周りに作用する圧力を常に一定とする、逆Ｔ字状の貫通孔８ｂ１が形成されている。
【００２７】
１０は、非磁性材からなり、スリーブ７の後半部を取り囲むスペーサである。このスペーサ１０は、その末端に非磁性材にて形成されたリング１０ａが装着されている。
【００２８】
１１は、スリーブ７をスぺーサ１０とともにボディ１に強固にねじ止め保持する固定リング、１２は、プランジャー８ｂの端面で隙間を隔ててリング１０ａに近接配置されコア、１３は、コア１２に連結して磁路を形成するヨーク、１４は、コア１２とプランジャー８ｂの端面で形成された隙間を取り囲むように巻き回されたソレノイドであり、このソレノイド１４、コア１２、ヨーク１３との組み合わせにてパイロット弁８の駆動系を構成しており、この駆動系によってプランジャー８ｂを弁体８ａとともにコア１２側に適宜に繰返し吸引することで出側通路２ｂを開閉してパイロット流量の制御を行う。
【００２９】
また、１５は、第１の空間領域Ｋ１につながり、該第１の空間領域Ｋ１に作動流体を供給する作動流体供給経路、１６は作動流体供給経路１５を通して供給された作動流体をアクチュータへ送給する作動流体送給経路である。この作動流体供給経路１５、作動流体送給経路１６は、何れも第１の空間領域Ｋ１で合流している。
【００３０】
１７は、第２の空間領域Ｋ２と作動流体送給経路１６とをつなぐバイパス経路であり、パイロット弁８の駆動にて仕切り壁１を通り抜けた作動流体は、このバイパス経路１７を通って作動流体送給経路１６へと送り込まれる。
【００３１】
上記の構成になる電磁弁は、パルス幅変調方式（ＰＷＭ）の高速駆動専用電気回路を用いて駆動系のソレノイド１４に過励磁電圧及び消磁電圧を印加することによって作動させるものであって、ソレノイド１４に過励磁電圧及び消磁電圧を印加するとパイロット弁８が往復動し該パイロット弁８の弁体８ａに適合する仕切り壁２の出側通路２ａ１が開閉する。
【００３２】
パイロット弁８の弁体８ａの往復動において出側通路２ａ１が開放されるとその要部を図３に示すように、ポペット５の胴部貫通経路５ｃを通って制御室（コントロールチャンバー）Ｍに向かう作動流体の流れが生じ、これによりポペット５の後端側の圧力が先端側の圧力に比べて低くなり（ポペット５の先端、後端の圧力均衡が崩れる。）、該ポペット５がバルブシート３の送給口（弁座）３ａから浮き上がって開放状態となり作動流体がアクチュエータにつながる作動流体送給経路１６へと流れる。
【００３３】
一方、パイロット弁８の往復動において出側通路２ａ１が閉となると、ポペット５の後端の圧力と先端の圧力が均衡状態に保たれることとなり、弾性部材６による付勢力でもってポペット５の弁部５ｂが送給口３ａに押しつけられ作動流体のアクチュエータへの送給が停止される。
【００３４】
本発明にしたがう電磁弁は、上記のようにＰＷＭ搬送波の周波数を調整することで作動流体の流量制御を可能（パイロット弁８における流量に比例してポペット５の変位量も変動する特徴を有する）とする「比例ポペット型二段式高速電磁弁」を構成するものであって、パイロット弁８は小形のソレノイド１４を用いて低電力で高速で作動させることが可能であり、送給口３ａは、パイロット弁８の往復動に同期したポペット５の往復移動によって開閉するため、パイロット弁８が作動している限り作動流体は送給経路１６へと連続的に流れ、該パイロット弁８の駆動が停止されると、ポペット５が送給口３ａに確実に合致して作動流体の送給は停止する。
【００３５】
また、パイロット弁８の駆動によりポペット５が往復移動する際、そのストロークエンドでその後端面が仕切り壁２の蓋体２ｂに衝突する一方、その先端部が弁座を構成する送給口３ａに衝突し、その場合にはその時の衝突音が作動音となるが、本発明にしたがう電磁弁は吸振器を設けたことによって制御室Ｍにおける圧力振動が減衰されるためポペット５が穏やかに変位することとなり、パイロット弁８の駆動条件によっては該ポペット５のストロークエンドでの衝突、先端部でのバルブシート３（送給口３ａ）との衝突を避けることもでき、作動音の防止乃至は低減、衝突に伴う弁部５ｂ、弁座の摩耗の軽減、さらには作動流体の脈動の軽減が図られることになる。ここに、作動流体として水を用いると、水の体積弾性係数は油の約１．４倍であり、同じ圧力変動を吸収するにしても作動流体が水である場合には、吸振器の容積（体積）を約１．４とする必要があり、電磁弁そのものの大型化が避けられないことにもなる。このため、本発明では、吸振器内の水の有効体積弾性係数を下げる手法として吸振器の耐圧強度を確保しつつその薄肉化を図って吸振器の大型化を防ぐようにする。
【００３６】
図４は、ポペット５の外観を斜視図で示したものである。ポペット５の外表面には、胴部を周回する少なくとも一つの環状溝（ラビリンス溝）１８を設けることが可能であり、この環状溝１８によってポペット５とスリーブ７との流体固着現象及び作動不良、摩耗の防止を図ることができる。
【００３７】
ポペット５については、その胴部５ａに先端部から後端部に伸延する溝部（縦溝）を設けてスリーブ８との間に隙間（３０μm 程度）を形成し、この隙間を制御絞りとして機能させることでポペット５の先端、後端の圧力均衡を崩すことにより該送給口３ａを開放することができるが、ポペット５に、上記の如き環状溝１８を一つ又は複数本設ける場合には、環状溝１８とポペット５の胴部に形成した溝部が交差することになるため、作動流体の漏れ（隙間漏れ流量）が大きくなるとともに、摺動隙間の有効長が短縮される結果としてポペット５の制御性が劣化（パイロット流量に対するポペット５の応答性が低下（不感帯が大きくなる）することが懸念される。本発明にしたがう電磁弁は、胴部貫通経路５ｃを通して作動流体の流れを生じさせるようにしたので、作動流体の漏れ流量を少なくすることが可能となり、かつ環状溝１８を設けても該通路と交差することもない。
【００３８】
図５は、上掲図１に示した構成になる電磁弁を使用した水圧回路を模式的に示した図である。かかる水圧回路を用い、駆動系のソレノイド１４に過励磁電圧及び消磁電圧を印加するパルス幅変調方式（ＰＷＭ）の高速駆動専用電気回路にて流量制御を行い、パイロット弁８の作動遅れ特性について調査をおこなった結果を図６に示す。
【００３９】
この調査は、パイロット弁８の弁体８ａあるいはプランジャー８ｂが仕切り壁１またはコア１２に接触する瞬間に大きな衝撃が発生することに着目し、かかる衝撃を衝撃センサーを用いて測定したものであり、図６より明らかな如く、オンオフ入力信号から衝撃信号が発生するまでの約１msの時間がパイロット弁８の開閉作動遅れ時間となっており、高速で作動させることが可能であることがわかる。
【００４０】
また、図７はデューティ（入力信号におけるОＮ時間の全時間（オンオフの時間）に対する割合）とパイロット流量の関係を示したグラフである。
【００４１】
図７よりパイロット弁８におけるパイロット流量は全般的にデューティとともに直線的に増加する傾向にあるのが明らかである。
【００４２】
図８は、デューティとメイン流量（ポペット５の流量）との関係を調査した結果を示した図である。本発明の電磁弁は二段式の電磁弁であることから、パイロット流量に比較しメイン流量は多いが、パイロット流量の特性がそのまま反映され、図７と同じ傾向にあることが明らかである。
【００４３】
図５に示した水圧回路において作動流体送給経路１５に配置されたバルブの開度を調整して０〜６ＭＰａの範囲で負荷圧力を与えたときのポペット５の流量変動を示したグラフを図９に示す。図９より明らかなように全般的に負荷圧力が大きいほど流量は少ないが、負荷圧力が１ＭＰａの場合にはデューティが７０％以下では無負荷時より多くなっていて、これは、ポペット５の先端（下部）に負荷圧力が働き該ポペット５がより開くためと想定される。
【００４４】
図１０は、ポペットの最大ストローク０．７５ｍｍ、摺動隙間（ポペットとスリーブとの間に形成される隙間（半径））を８μｍ、摺動隙間の長さを６．５ｍｍとして、胴部５ａの外表面に二本の環状溝１８（サイズ：幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍ）と、制御絞りを形成するための溝部（サイズ：幅０．５ｍｍ、深さ１ｍｍ）を設けたポペット（比較例）を組み入れた電磁弁（環状溝１８と溝部とは交差し、オーバーラップ代は０．１７ｍｍ）と、上記条件と同じになる二本の環状溝（サイズ：幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍ）を備えた上掲図１に示したようなポペット５を備えた電磁弁（胴部貫通経路の出側開孔端は幅０．４ｍｍ、長さ０．６５ｍｍの角型形状をなしポペットの後端から４．７７ｍｍの位置に設けたものを適用、適合例）につき、作動流体の漏れ（ポペットとスリーブとの間からの漏れ）状況を調査した結果を示したグラフである。
【００４５】
図１０より明らかなように、本発明にしたがう電磁弁においては、ポペット５とスリーブ４との間における作動流体の漏れが小さいことが明らかである。
【００４６】
図１１、図１２は、制御室Ｍの体積を３３ｃｍ３、入側通路２ｃ１、出側通路２ａ１を０.６ｍｍ、空隙部の体積を３２ｃｍ３、ポペットの最大変位を０.７２ｍｍ、ポペットとスリーブとの間に形成される隙間を８μｍ（半径）とした電磁弁を用い、ＰＷＭ（パルス幅変調方式）信号（５０Ｈｚ）を入力（デューティ（比）を１０％〜９０％まで０.１秒間隔で断続的に増加させ、各デューティ（比）につき０.１秒間連続して信号を入力）してパイロット弁を駆動した場合におけるポペット変位及び平均流量を計測した結果を示した図である。
【００４７】
図１１より明らかなように、信号を連続入力している間は、デューティ（比）が１０〜９０％の範囲でポペットがストロークエンド（０．７２ｍｍ）と弁座（０ｍｍ）の間で微小振動しており、ポペットが先端部、後端部の何れにおいても衝突しておらず、吸振器を適用することによって騒音や摩耗を抑制するのに有効であることが確認できる。
【００４８】
また、ポペットの平均流量については、図１２に示したように、デューティ（比）の増加に伴って平均流量も増加しており、応答性も良好であることが確かめられた。なお、図中の基準線（デューティ（比）０％と１００％を結んだ線）に対してポペットの平均流量は若干多めであるが、これは、ポペットが弁座に対してオフセットした位置を中心に微小振動していることに起因していると考えられる。
【００４９】
本発明にしたがう電磁弁は、その構成部材は全てステンレス鋼にて構成することが可能であり、とくにポペット５とその弁座を構成する送給口３ａ及びパイロット弁８の弁体８ａとその弁座は熱処理したステンレス鋼を適用するのが好ましいが、めっき等の表面処理を施したものであれば炭素鋼の如き通常の鋼材でも適用可能であり、ステンレス鋼に限定されるものではない。
【００５０】
ポペット５は先端部に円錐状の弁部５ｂを設けたものを例として示したが、胴部５ａよりも細径化され先端先細り形状をなすロッド５ｄを設けた図１３（ａ）（ｂ）に示すような段付きポペット５を適用することも可能であり、このような構造にすると、ポペット５を軽量化して応答性を改善するのに有用であり、しかも、胴部貫通経路５ｃを加工しやすい利点がある。
【００５１】
ポペット５の流量は、基本的にはパイロット弁８のパイロット流量を制御することによって制御されるが、ポペット５に設けた胴部貫通経路５ｃについてはパイロット流量の制御範囲に大きな影響を与えるものであって、そのサイズや開口形状、通路の本数等は、電磁弁の性能や作動流体の送給条件に応じて適宜に変更される。なお、図示の例では、胴部貫通経路５ｃをポペット５の後端部で屈曲させ出側開孔端５ｃ２をポペット５の側壁に形成した場合について示したが、該通路の屈曲により作動流体の流れに影響を与えることが懸念される場合には通路を湾曲させてもよい。胴部貫通経路５ｃは、サイズや通路の断面形状にもよるが少なくとも一本設ける。ポペット５のバランスを考慮に入れると該胴部間通路５ｃは、等間隔で三本設けるのが最もよい。
【００５２】
空隙部２ｂの容積（体積）、空隙部２ｂにつながる入側経路２ｃ１、出側経路２ａ１のサイズ（開口径、長さ、断面形状、本数等）は、電磁弁の性能、ポペットのサイズ等によって適宜設定される。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
作動流体として水を使用する場合であっても内部漏れがなく、しかも高速作動、省電力化を可能としつつも、騒音、弁部の摩耗、作動流体の脈動の軽減を図り得る、吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁が提供できる。
【符号の説明】
【００５４】
１ ボディ
２ 仕切り壁
２ａ 壁本体
２ｂ 空隙部
２ｃ 蓋体
３ バルブシート
３ａ 送給口
４ スリーブ
４ａ 供給口
５ ポペット
５ａ 胴部
５ｂ 弁部
６ 弾性部材
７ スリーブ
８ パイロット弁
８ａ 弁体
８ｂ プランジャー
９ 弾性部材
１０ スペーサ
１０ａ リング
１１ 固定リング
１２ コア
１３ ヨーク
１４ ソレノイド
１５ 作動流体供給経路
１６ 作動流体送給経路
１７ バイパス経路
１８ 環状溝（ラビリンス溝）
Ｋ１ 第１の空間領域
Ｋ２ 第２の空間領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポペットをパイロット弁によって作動させて作動流体をアクチュエータへと送給する、吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁に関するものであり、該電磁弁の駆動中において発生が不可避な騒音、ポペットの摩耗、作動流体の脈動、内部漏れ等を効果的に軽減しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
駆動システムを作動させるための作動流体（圧力媒体）としては従来、鉱物油等の油が使用されてきたが、近年では、システムの安全性や環境保護に対する要求や規制がより厳しくなる傾向にあり、油漏れによる環境汚染や火災等の危険性を回避すべく、水を作動流体とする水圧システムの開発が望まれている。
【０００３】
水は鉱物油とは物性が大きく異なるため、機器の性能や耐久性に関し解決すべき問題を多々含んでいるが、最新の材料技術や加工技術、設計等の工夫により水圧ポンプ、水圧用アクチュエータ、水圧サーボ弁の如き水圧機器への適用が可能であると考えられており、水圧システムの実用化への取り組みが積極的に進められている。
【０００４】
作動流体として油を使用する電磁弁としては、低電力化のためにバランスピストンを配置した構造のものが知られている。かかる構造のものは、供給側経路とつながるＰポートと送給側経路につながるＡポートを有する二方向油圧電磁弁であって、高速で作動させることができるとともに内部漏れも非常に少ない利点があり、油圧システムの制御において幅広く使用されている。
【０００５】
ところで、上記従来の電磁弁は、作動流体を水とする水圧システムに適用した場合、弁体が閉塞位置にあるにもかかわらず供給圧力が一定の値（２ＭＰａ程度）を超えるとＡポートから相当量の水が漏れ出てしまうのが避けられない不具合があった。
【０００６】
これは、バランスピストンにはシール部材としてのＯリングが配置されておらず、水は油に比較して粘度が低いためであると考えられるが、上記の電磁弁は、このような内部漏れの回避は勿論のこと、高速作動性や錆び、潤滑、キャビテーション壊食などの問題をも考慮することが不可欠であって、従来の電磁弁を単に水圧用として使用することは今のところ難しい状況にあった。
【０００７】
この点に関する先行技術としては、電磁弁のボディ内に第１の空間領域、第２の空間領域をそれぞれ設け、第１の空間領域に、スプリングを介して弾性支持された主弁（ポペット）を配置し、第２の空間領域に補助弁（ボール弁）を配置し、補助弁の作動（PWM制御）にてバルブシートの通路を開閉させ、それに伴う第１の空間領域内の圧力変化に追随させて主弁のバルブシートを開閉することで作動流体をアクチュエータへ送給する構造になる２段式電磁弁が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
上記２段式電磁弁は、作動流体として水を用いた場合においても内部漏れがなく、しかも、高速で作動させることができる利点があり、水圧システムを容易に構築できる可能性を有しているが、この種の電磁弁は、主弁が往復動する際に、その後端が補助弁のバルブシートの背面に衝突して騒音を発するのが不可避であるばかりでなく、それに伴う弁部の摩耗も著しいうえ、作動流体の脈動の発生も避け難い不具合があり未だ改善の余地が残されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３─１５６１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、作動流体として水を使用する場合であっても内部漏れがなく、しかも高速作動、省電力化を可能としつつも、騒音、弁部の摩耗、作動流体の脈動の軽減を図ることができる吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁を提案するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、ソレノイド、コア及びヨークとの組み合わせからなる駆動系にてパイロット弁を駆動することによってボディ内に配置したポペットを作動させてアクチュエータへつながる経路を開閉制御する二段式電磁弁であって、
前記ボディ内に、作動流体供給経路とアクチュエータへつながる作動体送給経路とを合流させる第１の空間領域と、前記作動流体供給経路につながるバイパス経路を備えた第２の空間領域とをそれぞれ形成する仕切り壁を設け、
前記第１の空間領域に、アクチュエータに向けて作動流体を送給する送給口を有するバルブシートと、前記作動流体の供給口を有し一端を前記バルブシートに連結し他端を前記仕切り壁に連結したスリーブと、前記スリーブ内で弾性部材を介して往復移動可能に支持され初期姿勢において前記バルブシートの送給口を閉塞するポペットを配置し、
前記第２の空間領域に、スプリングを介して弾性支持され前記駆動系にて駆動されるパイロット弁を配置し、
前記仕切り壁に、前記第１の空間領域につながる細径の入側通路と、前記第2の空間領域につながり該パイロット弁の駆動によって開通可能な細径の出側通路と、前記入側通路及び前記出側通路にそれぞれつながりその相互間にて容積の拡大された空間領域を形成する空隙部を設け、
前記ポペットに、その先端部、後端部に開孔端を有し、前記パイロット弁の駆動により作動流体の流れを誘導し該ポペットの先端、後端の圧力均衡を崩して該ポペットを弁座から離反させて第１の空間領域と作動流体送給経路とを連通させる少なくとも一本の胴部貫通経路（制御絞り）を形成したことを特徴とする吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁であり、前記入側通路（絞り）、出側通路（絞り）及び空隙部とによって圧力振動を軽減するための吸振器が構成される。
【００１２】
上記ポペットの胴部の外表面には、該胴部を周回する少なくとも一つの環状溝（ラビリンス溝）を設けることができる。
【発明の効果】
【００１３】
電磁弁のボディ内を仕切り壁により第１の空間領域と、第２の空間領域とに区分し、前記第１の空間領域に、アクチュエータに向けて作動流体を送給する送給口を有するバルブシートと、前記作動流体の供給口を有し一端を前記バルブシートに連結し他端を前記仕切り壁に連結したスリーブと、前記スリーブ内で弾性部材を介して往復移動可能に支持され初期姿勢において前記バルブシートの送給口を閉塞するポペットを配置し、前記第２の空間領域に、スプリングを介して弾性支持され前記駆動系にて駆動されるパイロット弁を配置するとともに該第２の空間領域と前記作動流体送給経路とをバイパス経路を介して連結したため、作動流体として水を用いた場合であっても内部漏れが全くなく、しかも高速で作動させることが可能となり、水圧システムの構築が容易になる。
【００１４】
作動流体として水を適用することができるので電気駆動や油圧駆動の電磁弁と異なり耐火性、耐熱性に優れ、とくに油圧駆動式のものにおいて懸念された環境汚染を効果的に回避することが可能であり、食品加工産業、防災産業、半導体産業はもとより、農業機械や水中機械を扱う産業などにおいて幅広く適用し得る。
【００１５】
仕切り壁に、入側通路（絞り）、出側通路（絞り）と、これらの通路につながりその相互間にて容積の拡大された空間領域を形成する空隙部を設けて吸振器を構成することにより主弁として機能するポペットが作動しても制御室（第１の空間領域のポペットの後端部側に形成される空間）の圧力振動が減衰されるため該ポペットが穏やかに変位（ストロークエンド及び弁座におけるポペットの急激な衝突が避けられる。）し、駆動条件によってはストロークエンド、先端部での衝突を避けることができる結果、作動音の低減、摩耗の軽減し得るとともに作動流体の脈動も小さくなる。
【００１６】
また、制御絞りとして機能する通路（胴部貫通経路）をポペットの内部に設けることにより、ポペットの外周面とスリーブとの間に形成される隙間（摺動隙間）を小さくすることが可能となり、その隙間からの作動流体の漏れが低減され、正確な流量制御が行える。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明にしたがう吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁の実施の形態をその断面について模式的に示した図である。
【図２】図１に示した高速電磁弁の要部を拡大して示した図である。
【図３】本発明にしたがう高速電磁弁の作動状況の説明図である。
【図４】本は発明に用いて好適なポペットの外観斜視図である。
【図５】本発明にしたがう高速電磁弁を使用した水圧回路を模式的に示した図である。
【図６】パイロット弁の作動遅れ特性の調査を行った結果を示したグラフである。
【図７】デューティとパイロット流量の関係を示したグラフである。
【図８】デューティとメイン流量（ポペットの流量）との関係を調査した結果を示したグラフである。
【図９】本発明にしたがう高速電磁弁のポペットの流動変動を示したグラフである。
【図１０】本発明にしたがう高速電磁弁の作動流体の漏れ状況を調査した結果を示したグラフである。
【図１１】本発明にしたがう高速電磁弁を作動させた場合におけるポペット変位を計測したグラフである。
【図１２】本発明にしたがう高速電磁弁を作動させた場合における平均流量の変化を計測したグラフである。
【図１３】（ａ）（ｂ）は、本発明に適用して好適なポペットを示した図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を用いて本発明をより具体的に説明する。
図１は本発明にしたがう、吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁の実施の形態をその断面につき模式的に示したものである。
【００１９】
図において１は電磁弁のボディである。ボディ１はその内部に後述するパイロット弁、主弁として機能するポペットを組み入れるための空間が設けられている。
【００２０】
また、２は、ボディ１内に配置され、ボディ１内の空間を、第１の空間領域Ｋ１と、第２の空間領域Ｋ２に区分する仕切り壁である。この仕切り壁２は、下向きに開放された凹所を有する壁本体２ａと、この壁本体２ａの下面にОリングの如きシール部材を介して合わさり該凹所を密閉して仕切り壁２の内部に空隙部２ｂを形成する蓋体２ｃから構成されている。そして該蓋体２ｃの中央部には、第１の空間領域Ｋ１につながる細径の入側通路（絞り）２ｃ１が形成され、該ブロック２ａの中央部には、第２の空間領域Ｋ２につながる細径の出側通路２ａ１が形成されていて該入側通路２ｃ１及び出側通路２ａ１はそれぞれ空隙部２ｂにつながっている。ここに、入側通路２ｃ１、出側通路２ａ１、空隙部２ｂは、第１の空間領域Ｋ１と第２の空間領域Ｋ２をつなぎ、ここを通して作動流体を流す導通路を形成するものであり、この導通路は、空隙部２ｂによってその部位の容積（体積）を拡大する空間領域を形成するようになっており、入側通路２ｃ１、出側通路２ａ１及び空隙部２ｂによって吸振器を構成する。
【００２１】
３は、第１の空間領域Ｋ１に配置されたバルブシートである。このバルブシート３とボディ１の内壁面との間には液密状態を保持するためＯリング等のシール部材が配置されており、その中心部にはアクチュエータに向けて作動流体を送給する送給口３ａが設けられている。４は、第１の空間領域Ｋ１に配置されたスリーブである。このスリーブ４は、作動流体の供給口４ａを有し、一端がバルブシート３に連結され他端が仕切り壁２に連結された筒体から構成されている。
【００２２】
また、５は、スリーブ４内に配置されたポペット（主弁）である。このポペット５は、スリーブ４の内壁との間で極僅かな隙間（作動流体が漏れ出てポペット５の制御性に影響を与えない程度の隙間）を形成する径からなる円柱状の胴部５ａと、この胴部５ａの先端に設けられバルブシート３の送給口３ａに直接当接して該送給口３ａを閉塞する円錐状の弁部５ｂとからなり、ポペット５の後端でスリーブ４及び仕切り壁２によって取り囲まれた空間を制御室Mとして構成されるものであり、該ポペット５の先端（図中下側）と後端（図中上側）の受圧面積はほぼ等しいか後端のほうが少し大きくなるように設定されている。
【００２３】
ポペット５の胴部５ａには、その先端部から後端部に向けて内部を貫き、電磁弁の制御絞りを形成する胴部貫通経路５ｃが設けられており、弁部５ｂには、胴部貫通経路５ｃの入口を形成する入側開孔端５ｃ１が、また、後端部の側壁には、胴部貫通経路５ｃの出口を形成する出側開孔端５ｃ２がそれぞれ形成されている。出側開孔端５ｃ２は、ポペット５の作動停止状態においてスリーブ４との間で極僅かな隙間を形成するように、図２に示すようなオーバーラップ代ｔを確保する位置に設けられている（オーバーラップ代ｔを調整することでポペット５の制御特性を変更することができる。）。胴部貫通経路５ｃの本体部分、入側開孔端５ｃ１の形状については、円形あるは角型（正方形や長方形等の四角）形状など任意の形状を適用することができるが、とくに、出側開孔端５ｃ２については該出側開孔端５ｃ２を通過する作動流体の流量に比例してポペット５が変位するように角型（四角）形状とするのが望ましい。
【００２４】
６は、仕切り壁２の中央部に設けられた凹所６ａに着座してポペット５をスリーブ４内で往復移動可能に支持する弾性部材である。この弾性部材６によって支持されたポペット５は、バルブシート３の送給口３ａを閉塞しており、これがポペット５の初期姿勢となる。
【００２５】
７は、前半部が第２の空間領域Ｋ２に入り込み、後半部が第２の空間領域Ｋ２から突出した非磁性材からなるスリーブ、８は、スリーブ７の前半部の内側に配置されたパイロット弁、９は、パイロット弁８をスリーブ７内において往復移動可能に支持する弾性部材である。
【００２６】
パイロット弁８は、出側通路２ｂにおけるパイロット流量を制御するためボール形式の例で示した弁体８ａと、この弁体８ａを保持しスリーブ７内で弾性部材９の付勢力に抗してスライド可能で、かつスリーブ７とともにその後端部を第２の空間領域Ｋ２から突出させたプランジャー８ｂからなっていて、該プランジャー８ｂには、その周りに作用する圧力を常に一定とする、逆Ｔ字状の貫通孔８ｂ１が形成されている。
【００２７】
１０は、非磁性材からなり、スリーブ７の後半部を取り囲むスペーサである。このスペーサ１０は、その末端に非磁性材にて形成されたリング１０ａが装着されている。
【００２８】
１１は、スリーブ７をスぺーサ１０とともにボディ１に強固にねじ止め保持する固定リング、１２は、プランジャー８ｂの端面で隙間を隔ててリング１０ａに近接配置されコア、１３は、コア１２に連結して磁路を形成するヨーク、１４は、コア１２とプランジャー８ｂの端面で形成された隙間を取り囲むように巻き回されたソレノイドであり、このソレノイド１４、コア１２、ヨーク１３との組み合わせにてパイロット弁８の駆動系を構成しており、この駆動系によってプランジャー８ｂを弁体８ａとともにコア１２側に適宜に繰返し吸引することで出側通路２ｂを開閉してパイロット流量の制御を行う。
【００２９】
また、１５は、第１の空間領域Ｋ１につながり、該第１の空間領域Ｋ１に作動流体を供給する作動流体供給経路、１６は作動流体供給経路１５を通して供給された作動流体をアクチュータへ送給する作動流体送給経路である。この作動流体供給経路１５、作動流体送給経路１６は、何れも第１の空間領域Ｋ１で合流している。
【００３０】
１７は、第２の空間領域Ｋ２と作動流体送給経路１６とをつなぐバイパス経路であり、パイロット弁８の駆動にて仕切り壁１を通り抜けた作動流体は、このバイパス経路１７を通って作動流体送給経路１６へと送り込まれる。
【００３１】
上記の構成になる電磁弁は、パルス幅変調方式（ＰＷＭ）の高速駆動専用電気回路を用いて駆動系のソレノイド１４に過励磁電圧及び消磁電圧を印加することによって作動させるものであって、ソレノイド１４に過励磁電圧及び消磁電圧を印加するとパイロット弁８が往復動し該パイロット弁８の弁体８ａに適合する仕切り壁２の出側通路２ａ１が開閉する。
【００３２】
パイロット弁８の弁体８ａの往復動において出側通路２ａ１が開放されるとその要部を図３に示すように、ポペット５の胴部貫通経路５ｃを通って制御室（コントロールチャンバー）Ｍに向かう作動流体の流れが生じ、これによりポペット５の後端側の圧力が先端側の圧力に比べて低くなり（ポペット５の先端、後端の圧力均衡が崩れる。）、該ポペット５がバルブシート３の送給口（弁座）３ａから浮き上がって開放状態となり作動流体がアクチュエータにつながる作動流体送給経路１６へと流れる。
【００３３】
一方、パイロット弁８の往復動において出側通路２ａ１が閉となると、ポペット５の後端の圧力と先端の圧力が均衡状態に保たれることとなり、弾性部材６による付勢力でもってポペット５の弁部５ｂが送給口３ａに押しつけられ作動流体のアクチュエータへの送給が停止される。
【００３４】
本発明にしたがう電磁弁は、上記のようにＰＷＭ搬送波の周波数を調整することで作動流体の流量制御を可能（パイロット弁８における流量に比例してポペット５の変位量も変動する特徴を有する）とする「比例ポペット型二段式高速電磁弁」を構成するものであって、パイロット弁８は小形のソレノイド１４を用いて低電力で高速で作動させることが可能であり、送給口３ａは、パイロット弁８の往復動に同期したポペット５の往復移動によって開閉するため、パイロット弁８が作動している限り作動流体は送給経路１６へと連続的に流れ、該パイロット弁８の駆動が停止されると、ポペット５が送給口３ａに確実に合致して作動流体の送給は停止する。
【００３５】
また、パイロット弁８の駆動によりポペット５が往復移動する際、そのストロークエンドでその後端面が仕切り壁２の蓋体２ｂに衝突する一方、その先端部が弁座を構成する送給口３ａに衝突し、その場合にはその時の衝突音が作動音となるが、本発明にしたがう電磁弁は吸振器を設けたことによって制御室Ｍにおける圧力振動が減衰されるためポペット５が穏やかに変位することとなり、パイロット弁８の駆動条件によっては該ポペット５のストロークエンドでの衝突、先端部でのバルブシート３（送給口３ａ）との衝突を避けることもでき、作動音の防止乃至は低減、衝突に伴う弁部５ｂ、弁座の摩耗の軽減、さらには作動流体の脈動の軽減が図られることになる。ここに、作動流体として水を用いると、水の体積弾性係数は油の約１．４倍であり、同じ圧力変動を吸収するにしても作動流体が水である場合には、吸振器の容積（体積）を約１．４とする必要があり、電磁弁そのものの大型化が避けられないことにもなる。このため、本発明では、吸振器内の水の有効体積弾性係数を下げる手法として吸振器の耐圧強度を確保しつつその薄肉化を図って吸振器の大型化を防ぐようにする。
【００３６】
図４は、ポペット５の外観を斜視図で示したものである。ポペット５の外表面には、胴部を周回する少なくとも一つの環状溝（ラビリンス溝）１８を設けることが可能であり、この環状溝１８によってポペット５とスリーブ７との流体固着現象及び作動不良、摩耗の防止を図ることができる。
【００３７】
ポペット５については、その胴部５ａに先端部から後端部に伸延する溝部（縦溝）を設けてスリーブ８との間に隙間（３０μm 程度）を形成し、この隙間を制御絞りとして機能させることでポペット５の先端、後端の圧力均衡を崩すことにより該送給口３ａを開放することができるが、ポペット５に、上記の如き環状溝１８を一つ又は複数本設ける場合には、環状溝１８とポペット５の胴部に形成した溝部が交差することになるため、作動流体の漏れ（隙間漏れ流量）が大きくなるとともに、摺動隙間の有効長が短縮される結果としてポペット５の制御性が劣化（パイロット流量に対するポペット５の応答性が低下（不感帯が大きくなる）することが懸念される。本発明にしたがう電磁弁は、胴部貫通経路５ｃを通して作動流体の流れを生じさせるようにしたので、作動流体の漏れ流量を少なくすることが可能となり、かつ環状溝１８を設けても該通路と交差することもない。
【００３８】
図５は、上掲図１に示した構成になる電磁弁を使用した水圧回路を模式的に示した図である。かかる水圧回路を用い、駆動系のソレノイド１４に過励磁電圧及び消磁電圧を印加するパルス幅変調方式（ＰＷＭ）の高速駆動専用電気回路にて流量制御を行い、パイロット弁８の作動遅れ特性について調査をおこなった結果を図６に示す。
【００３９】
この調査は、パイロット弁８の弁体８ａあるいはプランジャー８ｂが仕切り壁１またはコア１２に接触する瞬間に大きな衝撃が発生することに着目し、かかる衝撃を衝撃センサーを用いて測定したものであり、図６より明らかな如く、オンオフ入力信号から衝撃信号が発生するまでの約１msの時間がパイロット弁８の開閉作動遅れ時間となっており、高速で作動させることが可能であることがわかる。
【００４０】
また、図７はデューティ（入力信号におけるОＮ時間の全時間（オンオフの時間）に対する割合）とパイロット流量の関係を示したグラフである。
【００４１】
図７よりパイロット弁８におけるパイロット流量は全般的にデューティとともに直線的に増加する傾向にあるのが明らかである。
【００４２】
図８は、デューティとメイン流量（ポペット５の流量）との関係を調査した結果を示した図である。本発明の電磁弁は二段式の電磁弁であることから、パイロット流量に比較しメイン流量は多いが、パイロット流量の特性がそのまま反映され、図７と同じ傾向にあることが明らかである。
【００４３】
図５に示した水圧回路において作動流体送給経路１５に配置されたバルブの開度を調整して０〜６ＭＰａの範囲で負荷圧力を与えたときのポペット５の流量変動を示したグラフを図９に示す。図９より明らかなように全般的に負荷圧力が大きいほど流量は少ないが、負荷圧力が１ＭＰａの場合にはデューティが７０％以下では無負荷時より多くなっていて、これは、ポペット５の先端（下部）に負荷圧力が働き該ポペット５がより開くためと想定される。
【００４４】
図１０は、ポペットの最大ストローク０．７５ｍｍ、摺動隙間（ポペットとスリーブとの間に形成される隙間（半径））を８μｍ、摺動隙間の長さを６．５ｍｍとして、胴部５ａの外表面に二本の環状溝１８（サイズ：幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍ）と、制御絞りを形成するための溝部（サイズ：幅０．５ｍｍ、深さ１ｍｍ）を設けたポペット（比較例）を組み入れた電磁弁（環状溝１８と溝部とは交差し、オーバーラップ代は０．１７ｍｍ）と、上記条件と同じになる二本の環状溝（サイズ：幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍ）を備えた上掲図１に示したようなポペット５を備えた電磁弁（胴部貫通経路の出側開孔端は幅０．４ｍｍ、長さ０．６５ｍｍの角型形状をなしポペットの後端から４．７７ｍｍの位置に設けたものを適用、適合例）につき、作動流体の漏れ（ポペットとスリーブとの間からの漏れ）状況を調査した結果を示したグラフである。
【００４５】
図１０より明らかなように、本発明にしたがう電磁弁においては、ポペット５とスリーブ４との間における作動流体の漏れが小さいことが明らかである。
【００４６】
図１１、図１２は、制御室Ｍの体積を３３ｃｍ３、入側通路２ｃ１、出側通路２ａ１を０.６ｍｍ、空隙部の体積を３２ｃｍ３、ポペットの最大変位を０.７２ｍｍ、ポペットとスリーブとの間に形成される隙間を８μｍ（半径）とした電磁弁を用い、ＰＷＭ（パルス幅変調方式）信号（５０Ｈｚ）を入力（デューティ（比）を１０％〜９０％まで０.１秒間隔で断続的に増加させ、各デューティ（比）につき０.１秒間連続して信号を入力）してパイロット弁を駆動した場合におけるポペット変位及び平均流量を計測した結果を示した図である。
【００４７】
図１１より明らかなように、信号を連続入力している間は、デューティ（比）が１０〜９０％の範囲でポペットがストロークエンド（０．７２ｍｍ）と弁座（０ｍｍ）の間で微小振動しており、ポペットが先端部、後端部の何れにおいても衝突しておらず、吸振器を適用することによって騒音や摩耗を抑制するのに有効であることが確認できる。
【００４８】
また、ポペットの平均流量については、図１２に示したように、デューティ（比）の増加に伴って平均流量も増加しており、応答性も良好であることが確かめられた。なお、図中の基準線（デューティ（比）０％と１００％を結んだ線）に対してポペットの平均流量は若干多めであるが、これは、ポペットが弁座に対してオフセットした位置を中心に微小振動していることに起因していると考えられる。
【００４９】
本発明にしたがう電磁弁は、その構成部材は全てステンレス鋼にて構成することが可能であり、とくにポペット５とその弁座を構成する送給口３ａ及びパイロット弁８の弁体８ａとその弁座は熱処理したステンレス鋼を適用するのが好ましいが、めっき等の表面処理を施したものであれば炭素鋼の如き通常の鋼材でも適用可能であり、ステンレス鋼に限定されるものではない。
【００５０】
ポペット５は先端部に円錐状の弁部５ｂを設けたものを例として示したが、胴部５ａよりも細径化され先端先細り形状をなすロッド５ｄを設けた図１３（ａ）（ｂ）に示すような段付きポペット５を適用することも可能であり、このような構造にすると、ポペット５を軽量化して応答性を改善するのに有用であり、しかも、胴部貫通経路５ｃを加工しやすい利点がある。
【００５１】
ポペット５の流量は、基本的にはパイロット弁８のパイロット流量を制御することによって制御されるが、ポペット５に設けた胴部貫通経路５ｃについてはパイロット流量の制御範囲に大きな影響を与えるものであって、そのサイズや開口形状、通路の本数等は、電磁弁の性能や作動流体の送給条件に応じて適宜に変更される。なお、図示の例では、胴部貫通経路５ｃをポペット５の後端部で屈曲させ出側開孔端５ｃ２をポペット５の側壁に形成した場合について示したが、該通路の屈曲により作動流体の流れに影響を与えることが懸念される場合には通路を湾曲させてもよい。胴部貫通経路５ｃは、サイズや通路の断面形状にもよるが少なくとも一本設ける。ポペット５のバランスを考慮に入れると該胴部間通路５ｃは、等間隔で三本設けるのが最もよい。
【００５２】
空隙部２ｂの容積（体積）、空隙部２ｂにつながる入側経路２ｃ１、出側経路２ａ１のサイズ（開口径、長さ、断面形状、本数等）は、電磁弁の性能、ポペットのサイズ等によって適宜設定される。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
作動流体として水を使用する場合であっても内部漏れがなく、しかも高速作動、省電力化を可能としつつも、騒音、弁部の摩耗、作動流体の脈動の軽減を図り得る、吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁が提供できる。
【符号の説明】
【００５４】
１ ボディ
２ 仕切り壁
２ａ 壁本体
２ｂ 空隙部
２ｃ 蓋体
３ バルブシート
３ａ 送給口
４ スリーブ
４ａ 供給口
５ ポペット
５ａ 胴部
５ｂ 弁部
６ 弾性部材
７ スリーブ
８ パイロット弁
８ａ 弁体
８ｂ プランジャー
９ 弾性部材
１０ スペーサ
１０ａ リング
１１ 固定リング
１２ コア
１３ ヨーク
１４ ソレノイド
１５ 作動流体供給経路
１６ 作動流体送給経路
１７ バイパス経路
１８ 環状溝（ラビリンス溝）
Ｋ１ 第１の空間領域
Ｋ２ 第２の空間領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソレノイド、コア及びヨークとの組み合わせからなる駆動系にてパイロット弁を駆動することによってボディ内に配置したポペットを作動させてアクチュエータへつながる経路を開閉制御する電磁弁であって、
前記ボディ内に、作動流体供給経路とアクチュエータへつながる作動体送給経路とを合流させる第１の空間領域と、前記作動流体供給経路につながるバイパス経路を備えた第２の空間領域とをそれぞれ形成する仕切り壁を設け、
前記第１の空間領域に、アクチュエータに向けて作動流体を送給する送給口を有するバルブシートと、前記作動流体の供給口を有し一端を前記バルブシートに連結し他端を前記仕切り壁に連結したスリーブと、前記スリーブ内で弾性部材を介して往復移動可能に支持され初期姿勢において前記バルブシートの送給口を閉塞するポペットを配置し、
前記第２の空間領域に、弾性部材を介して支持され前記駆動系にて駆動されるパイロット弁を配置し、
前記仕切り壁に、前記第１の空間領域につながる入側通路と、前記第2の空間領域につながり該パイロット弁の駆動によって開通可能な出側通路と、前記入側通路及び前記出側通路にそれぞれつながりその相互間にて容積の拡大された空間領域を形成する空隙部を設け、
前記ポペットに、その先端部、後端部に開孔端を有し、前記パイロット弁の駆動により作動流体の流れを誘導して該ポペットを弁座から離反させて第１の空間領域と作動流体送給経路とを連通させる少なくとも一本の胴部貫通経路を形成したことを特徴とする吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁。
【請求項２】
前記ポペットは、胴部の外表面を周回する少なくとも一つの環状溝を有する、請求項１記載の吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁。
【請求項１】
ソレノイド、コア及びヨークとの組み合わせからなる駆動系にてパイロット弁を駆動することによってボディ内に配置したポペットを作動させてアクチュエータへつながる経路を開閉制御する電磁弁であって、
前記ボディ内に、作動流体供給経路とアクチュエータへつながる作動体送給経路とを合流させる第１の空間領域と、前記作動流体供給経路につながるバイパス経路を備えた第２の空間領域とをそれぞれ形成する仕切り壁を設け、
前記第１の空間領域に、アクチュエータに向けて作動流体を送給する送給口を有するバルブシートと、前記作動流体の供給口を有し一端を前記バルブシートに連結し他端を前記仕切り壁に連結したスリーブと、前記スリーブ内で弾性部材を介して往復移動可能に支持され初期姿勢において前記バルブシートの送給口を閉塞するポペットを配置し、
前記第２の空間領域に、弾性部材を介して支持され前記駆動系にて駆動されるパイロット弁を配置し、
前記仕切り壁に、前記第１の空間領域につながる入側通路と、前記第2の空間領域につながり該パイロット弁の駆動によって開通可能な出側通路と、前記入側通路及び前記出側通路にそれぞれつながりその相互間にて容積の拡大された空間領域を形成する空隙部を設け、
前記ポペットに、その先端部、後端部に開孔端を有し、前記パイロット弁の駆動により作動流体の流れを誘導して該ポペットを弁座から離反させて第１の空間領域と作動流体送給経路とを連通させる少なくとも一本の胴部貫通経路を形成したことを特徴とする吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁。
【請求項２】
前記ポペットは、胴部の外表面を周回する少なくとも一つの環状溝を有する、請求項１記載の吸振器を備えた比例ポペット型二段式高速電磁弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２４１９０４（Ｐ２０１１−２４１９０４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１４７２０（Ｐ２０１０−１１４７２０）
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り １．平成２１年１１月１８日発行 社団法人 日本フルードパワーシステム学会発行 平成２１年秋季フルードパワーシステム講演会 講演論文集 第１０９ページ〜１１１ページに発表 ２．平成２１年１１月２７日公開 社団法人 日本フルードパワーシステム学会、日本機械学会主催 平成２１年秋季フルードパワーシステム講演会 講演論文集 第１０９ページ〜１１１ページ、表紙、奥付のコピー・平成２１年秋季フルードパワーシステム講演会にて発表に使用した資料のコピー
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（０００２２２０４８）東北特殊鋼株式会社 (15)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り １．平成２１年１１月１８日発行 社団法人 日本フルードパワーシステム学会発行 平成２１年秋季フルードパワーシステム講演会 講演論文集 第１０９ページ〜１１１ページに発表 ２．平成２１年１１月２７日公開 社団法人 日本フルードパワーシステム学会、日本機械学会主催 平成２１年秋季フルードパワーシステム講演会 講演論文集 第１０９ページ〜１１１ページ、表紙、奥付のコピー・平成２１年秋季フルードパワーシステム講演会にて発表に使用した資料のコピー
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（０００２２２０４８）東北特殊鋼株式会社 (15)
【Ｆターム（参考）】
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