JP2008539373A - 小型弁ユニット用に細長く構成される空気弁においてとりわけパイロット弁として使用される電空カートリッジ弁 - Google Patents

Abstract

小型弁ユニット用に細長く構成される空気圧弁（１）において、とりわけパイロット弁として使用される空気圧カートリッジ弁が開示される。上記空気圧カートリッジ弁は、電磁コイル（３）を包囲すると共に、円形断面及び外側圧縮空空気連結部を備えた弁部（２ｂ）を作動させる駆動部（２ａ）を含む。上記加圧空気連結部（６）は、弁部（２ｂ）の円柱状外面の部分で、外方に向けられる。駆動部（２ａ）は、弁部（２ｂ）と関連する略矩形断面を有しており、この矩形断面の短縁の長さ（Ｂ）は、電磁コイル（３）の巻き径によって決められる。

Description

本発明は電空カートリッジ弁に関し、とりわけ小型弁ユニット用細長空気弁のパイロット弁として使用され、電磁コイルを含む駆動部を有しており、この駆動部は円形断面及び少なくとも２個の外部加圧空気ポートを有する弁部を駆動する。

本発明の利用分野は主として、連続に且つ隣り合って配置され、本質的に直方体の形状をなす弁ユニットを形成する細長空気圧弁に及ぶ。このような弁ユニットは、送り圧力の供給及び個々の空気圧弁によってもたらされる排気の通気が集中され得る、という利点を有する。弁ユニットがより小型になるほど、個々の空気圧弁はより細長く構成される。空気圧弁が本目的に使用される場合には、空気圧弁を切り替えるために、電気駆動信号に基づいて、対応する空気圧制御圧を発生させるという目的を有するパイロット弁の２個の選択設計方式が一般的に知られている。一方では、パイロット弁は、ボルトによって空気圧弁の本体に略取り外し可能に固定されるヨークタイプ弁として構成されてよい。或いは、パイロット弁をカートリッジ弁として形成することも可能であり、このカートリッジ弁は、空気圧弁本体の対応する凹部に収容される。本発明は、この後者の構成を対象とする。

可能な限り小型の弁ユニット構成のための空気圧弁では、各空気圧弁の最小構造幅は、主要な最適化基準である。従って、空気圧弁は、限られた空間内で可能な限り多くの切り替え機能を実現し、ひいては、極めて小型の弁ユニット構成が達成され得ることを目的とする連続的な構成である。

空気圧弁の構造幅は、言い換えると、主にパイロット弁の構造幅によって決定される。使用されるパイロット弁は、主に電磁タイプのものであるので、このアクチュエータ方式の物理的状況が、構造幅の最適化に考慮されなければならない。アクチュエータによって生じさせられる駆動力はとりわけ、作用空気間隙において達成可能な磁気誘導によって、また作用空気間隙の領域におけるアーマチュアの断面積によって決定される。

達成可能な磁気誘導は、磁束伝導に利用可能な断面や磁気回路に使用される材料特性だけでなく、電磁コイルのアンペアターン値によっても限定される。考えられる小型化パイロット弁の電力消費量は、とりわけ熱応力の理由のために、極めて低い値に制限されるので、電磁コイルの巻回数及び作用空気間隙の断面積は、パイロット弁の最適な電磁力形態を達成するために、可能な限り大きくなるように選択されるべきである。

特許文献１から、一般的な空気圧カートリッジ弁が知られており、この空気圧カートリッジ弁はまた、パイロット弁としても使用され得る。従来技術のカートリッジ弁は本質的に、全般的な円柱形状を有しており、弁機構を含む弁部と合わせて、電磁コイルを含む駆動部は、本質的に円柱状外輪郭が結果的にパイロット弁として使用されることとなり、その軸方向長さに亘り、僅かな直径変化のみを有すると共に、空気圧弁本体の側方に段付きボアとして形成される凹部に挿入されるように形成される。

電磁コイルを含むカートリッジ弁の駆動部は、磁束を再利用するように作用するフェラスメタルの外側シースを有する。シースはまた、一体化された電磁コイルを完全に包囲し、従ってハウジング機能も有する。腐食からの保護のために、シースには樹脂材料の被膜が設けられる。この構成によれば、電磁コイルの有用な巻線窓が、シースの壁厚プラス被膜によって、また電磁コイルの巻き外径及びシースの内径の間に必要な距離によって、外
部に限定される。更に、密封リングを受け入れるために、環状溝が弁の部分に設けられる。この従来技術の欠点としては、周知の空気圧カートリッジ弁の外径が実質的に極めて大きく、その結果、とりわけ当初に説明したタイプの細長い弁体には不適切である。周知の構造タイプのカートリッジ弁の継続する最小化では、アクチュエータの利用可能な駆動力は一層小さくなる。
ドイツ実用新案登録第２０１２０６０８号明細書

従って、本発明の目的は、その構造寸法に対して総体的に高い切り替え力を提供すると共に、空間を節約するように細長空気圧弁に一体化され得る空気圧カートリッジ弁を提供することにある。

この目的は、特徴的な特性と組み合わせた請求項１の前提部分に記載の空気圧カートリッジ弁に基づいて解決される。後続の従属請求項は、本発明の有利な実施形態を定義する。

本発明は、加圧空気ポートが弁部の円柱状外面の部分において外部へ及ぶと共に、駆動部は弁部と異なり、実質的に矩形断面を有しており、より短い側面の長さＢはコイルの巻き径によって決定されるという技術的教示を含む。

本発明に係る方法の利点は、空気圧カートリッジ弁の特殊な形状から生じる。構造空間の最適化の基準である駆動部は、簡単且つ空間節約的に、細長空気圧弁の狭い側において、対応する矩形凹部に収容されてよく、加圧空気ポートも、空間節約的にカートリッジ弁に連結されてもよい。パイロット弁として使用される空気圧カートリッジ弁は通常、３方向２位置機能を有しており、制御圧の送り圧ポート、排気ポート及び作動ポートが、加圧空気ポートとして設けられることが可能となる。本発明に係るカートリッジ弁の空間節約的な構造は、電磁コイルの外径が空気圧弁本体によってもたらされる空間の全幅に及ぶように、駆動部が構成されるという事実から生じる。

円柱状駆動部を備えたカートリッジ弁の通常の構成と比較して、本発明に係る構成は、同じアーマチュア直径及び長さで実質的により高い磁束速度を可能にする、電磁コイルの実質的により高い巻線窓を有する。小型化電磁弁では特に顕著なこの効果は、アクチュエータのポテンシャル力の実質的な増加をもたらす。本発明に係る空気圧カートリッジ弁の構成は、対応する凹部の構造幅Ｂに対して最適化され、これにより、構造高さの僅かな増加のみに至る。しかしながら、この寸法の増加は、弁ユニットを形成する細長空気圧弁の小型化において重大な意味をもたず、また、基板部分の構造寸法によって部分的に補償され得る。弁ハウジングは通常射出成形され、これは、矩形凹部が製造において簡単に実現され得ることを意味するので、統合にとっては構造的欠点と思われる弁駆動部の矩形断面は、とりわけ空気弁との使用において重大な意味をもたない。特に工業的規模で製造される細長空気圧弁では、本体は通常機械加工されるハウジングボアとして形成されるのではなく、樹脂材料の射出成形部品として形成される。従って、本発明のカートリッジ弁に対応する空気圧弁本体の矩形凹部の製造は、いかなる問題も生じさせない。

本発明の改良型実施形態によれば、電磁コイルの外側磁気回路の磁束伝導部は、Ｕ字形ヨークとして形成されることが規定される。ヨークは、矩形断面の２個の短辺Ｂの付近まで、即ち十分な構造的空間がある部分まで延在する。従って、電磁アクチュエータを作用させるために必要な外側磁気回路は、従来技術と異なり、円柱状シース等のように構成されない。シースに取って代わるヨークの壁厚の寸法決めに際しては、磁束の適切な伝導を
保証するために、断面積がシースと同等であるように注意が払われるべきである。

軸方向への案内及びカートリッジ弁本体への熱ブリッジをもたらすために、電磁コイル及び対応するカートリッジ弁本体の凹部の間の空気間隙を、硬化鋳物物質によって封止することも考えられる。カートリッジ弁本体における開放電磁コイルの鋳物材料による充填は、一般的な円柱状封じ込めカートリッジ弁のような構成に加えて、熱伝達を阻止し兼ねない空気層が、電磁コイル及び外側シース間に存在しないという利点を有する。コイル熱は、小型化パイロット弁の構成において主要な問題の一つであるので、このような電磁コイルの排熱の積極的な放散は、特に重要である。

本発明の別の改良型実施形態によれば、Ｕ字形ヨークは、駆動部の外側磁気回路を形成するものであり、その頂点部分において、円柱状磁心を受け入れるためのボアを有する。このボアによれば、別の方法では電磁コイルに固定される磁心が、当初は軸方向に変位可能に配置されることが可能になり、その結果、磁心は調整された後にのみ、固定された磁心に対して移動可能な、同軸を有するように隣接する磁性アーマチュアに固定され得る。

好適には、ヨークの２個の脚部は、磁束伝導とは別に、駆動部及び空気圧制御部分の間の機械的連結としても作用する。前記ヨークは、打ち抜き及び曲げ加工部品として簡単に製造されてよく、電磁コイル端部との電気的接触を確立するためのピンは、脚部の方向と反対方向への離脱部として構成されてよい。駆動部及び弁部の間の連結をもたらすためには、弁部との解放可能な固定を形成するために、ヨークの脚部両端は半径方向内方に曲がる。ヨークの２個の脚部の端部におけるこの種のフックの形状は、軸方向への力成分を生じさせるために利用され得、ヨークのボアを包囲する部分に対する駆動部に含まれる構造要素の軸方向への押し付けを保証する。この付加的な方法により、間に置かれた弾性Ｏリングによって、軸方向への付勢力が生じさせられ得、製造誤差が簡単に補償される。しかしながら、ヨーク脚部のフック形状端部に代えて、シーミング、プレス加工等により、駆動部に含まれる構成要素の接合を実現することも可能である。

本発明の更なる改良型実施形態については、図面に関する本発明の好適な例証実施形態の説明と合わせて例示される。

図１ａによれば、空気圧弁１の本体は、駆動部２ａ及び弁部２ｂからなる空気圧カートリッジ弁が組み付けられる凹部を有する。駆動部２ａは本質的に、外側磁気回路の磁束伝導部分としてのＵ字形ヨーク４によって包囲された電磁コイル３からなる。電磁コイル３の電気的接合は、各コイル端に接合された接合ピン５を介する。

空気圧カートリッジ弁の弁部２ｂは、円形断面を有すると共に、複数の環状導管７を備えており、加圧空気ポート６はこの環状導管７に開放する。各々の加圧空気ポート６のために環状導管７を密封するように、幾つかの密封リング８が環状導管７の間に配置されており、空気圧弁１の本体と密封状態で接触する。

図１ｂによれば、駆動部２ａは弁部２ｂと異なり、短辺Ｂ及び長辺Ａを有する本質的に矩形断面を有する。電磁コイル３の巻き径は、駆動部２ａの短辺Ｂの長さを決定する。電磁コイル３は、空気圧弁１の側面の対応する凹部に、封じ込められない状態で収容される。フェラスメタル材料のＵ字形ヨーク４は、円柱状の磁心９を受け入れるために、その頂点部分にボアを有しており、磁心９は、当初はボア内に軸方向への変位可能に配置されると共に、調整された後にのみ固定される。

図２によれば、ヨーク４に固定された磁心９に隣接して、可動アーマチュア１０が設け
られており、アーマチュア１０は、電磁コイル３の励磁状態に応じて弁座１２を軸方向へ作動させるために、ロッド１１を有する。

Ｕ字形ヨーク４の２個の脚部は、磁束の伝導に加えて、駆動部２ａ及び弁部２ｂの間の機械的連結としても作用する。これは、磁束に起因して、ヨーク４の２個の脚部の端部分に力成分が存在することに起因しており、この力成分は、ヨーク４の２個の端部の間に配置される弁部２ｂに作用するクランプ力が生じさせられるように、（矢印により示されるように）半径方向内方へ脚部の表面と直角である。更に、ヨーク４の脚部の２個の端部は、弁部２ａと共に固定構造を形成するために、半径方向に内側へ曲げられる（拡大細部を参照）。内側へ曲がったヨーク４の端部の形状は、極板１３等の駆動部２ｂ内にクランプされている構成要素の軸方向への押付けを保証するものであり、誤差補償密封リング１４を介して電磁コイル３のハウジングに押し付け、このようにして軸方向付勢力を生じさせる。

空気圧カートリッジ弁は組み付け完了後に、調整されなければならない。カートリッジ弁の調整は、製造誤差の補償、及び弁座１２を作動させるのに必要なストロークと精確に適合させられるように可動磁性アーマチュア１０のストローク調整を目的とする。この調整によれば、電磁コンバータの動力最適化形態を可能にするストロークの予備が、駆動部２ａに実際には必要とされない。０．２ミリメートル以下と極度に小さいアーマチュアストロークに起因する高い電源電位が結果的に生じるように、駆動特性は設計され得る。

この小さいアーマチュアストロークに起因するシステム全体の精度（誤差連鎖）に関するこれらの厳密な要件にも拘わらず、以下に説明される調整工程により、使用される構成要素の製造誤差は、総体的にあまり重大ではない。調整を行うためには、駆動部全体及びこれに連結された弁ハウジングの上端部は、円柱状機器１５に嵌合させられ、この円柱状機器１５には、作動フォークを備えた密封要素が挿入されている。駆動フォークのロッド１１は、弁ハウジングの凹部と係合させられると共に、このロッド１１と対向する可動磁性アーマチュアの端面上で支持される。密封要素は、駆動部へ軸方向に与えられる所定の力Ｆで、弁座１２に押し付けられ、その結果、弁座は所定の付勢力で、確実に密封される。

調整自体は、Ｕ字形ヨーク４内に固定される軸方向変位磁心９によって実行される。磁心９は、作動空気間隙が零であるように、磁心９の端面が可動磁性アーマチュア１０と隣接接触するまで、Ｘ方向に変位させられる。

磁心９は更に、レーザ溶接、クランプ等の対応する接合方法によって、この位置でヨーク４に固定接合される。その結果、駆動部は、弁座１２上において、作動切り替え位置に調整される。

このような理由で、弁座１２の調整は実質的にあまり重大な意味をもたず、また簡単な誤差連鎖に起因して、構造形態だけで補償され得る。

空気圧弁の側面において、対応する凹部に組み付けられる空気圧カートリッジ弁を示す側面図。 図１ａに係る組み付けカートリッジ弁を示す平面図。 調整手段を備えたカートリッジ弁の長手方向断面図。

符号の説明

１…空気圧弁、２ａ…駆動部、２ｂ…弁部、３…電磁コイル、４…ヨーク、５…接合ピン
、６…加圧媒体ポート、７…環状導管、８…密封リング、９…磁心、１０…磁性アーマチュア、１１…ロッド、１２…弁座、１３…極板、１４…密封リング、１５…調整機器、１６…アーマチュアばね。

Claims (10)

1. 円形断面を備えると共に外部加圧空気ポート（６）を有する弁部（２ｂ）を作動させる電磁コイル（３）を含む駆動部（２ａ）を有し、小型弁ユニット用細長空気圧弁（１）において、とりわけパイロット弁として使用される電空カートリッジ弁であって、
   加圧空気ポート（６）の少なくとも一部は、弁部（２ｂ）の円柱状外面部分の外部に延在しており、駆動部（２ａ）は弁部（２ｂ）と異なり、本質的に矩形断面を有しており、その短辺（Ｂ）の長さは、電磁コイル（３）の巻き径によって決められる
   ことを特徴とする電空カートリッジ弁。
2. 前記電磁コイル（３）の外側磁気回路の磁束伝導部は、Ｕ字形ヨーク（４）として構成されることを特徴とする請求項１に記載の電空カートリッジ弁。
3. 前記電磁コイル（３）は、少なくとも弁部（２ｂ）を非封じ込め状態で包囲しつつ、前記空気圧弁（１）の対応する凹部に収容されることを特徴とする請求項１に記載の電空カートリッジ弁。
4. 前記電磁コイル（３）及び前記空気圧弁（１）の凹部の間の空気間隙は、硬化鋳物物質で密封可能であることを特徴とする請求項３に記載の電空カートリッジ弁。
5. 前記電磁コイル（３）の外側磁気回路の磁束伝導部は、その頂点部分に、円柱状磁心（９）を受け入れるためのボアを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電空カートリッジ弁。
6. 前記磁心（９）は、該磁心（９）と同軸となるように隣接して配置される可動磁性アーマチュア（１０）に対して調整された後にのみ固定されるように、前記ボア内に軸方向への変位可能に配置されることを特徴とする請求項５に記載の電空カートリッジ弁。
7. 前記ヨーク（４）の２個の脚部は、磁束を伝導するのに加えて、前記駆動部（２ａ）及び前記弁部（２ｂ）の間の機械的連結としても作用することを特徴とする請求項２に記載の電空カートリッジ弁。
8. 前記Ｕ字形ヨーク（４）の脚部は、その端部分において、本質的に間隙を有さないように、接合によって極板（１３）に連結されることを特徴とする請求項２に記載の電空カートリッジ弁。
9. 前記ヨーク（４）の脚部の２個の端部は、前記弁部（２ｂ）との強力な連結を作り出すために、半径方向内方に曲げられることを特徴とする請求項７に記載の電空カートリッジ弁。
10. 前記半径方向内方に曲げられたヨーク（４）の端部形状は、このヨーク（４）端部によって締め付けられ且つ前記駆動部（２ａ）に存在する構成要素の軸方向への押圧を保証することを特徴とする請求項９に記載の電空カートリッジ弁。

Images