| 【発明の名称】 |
ソレノイドバルブ |
| 【発明者】 |
【氏名】近藤 靖裕
【氏名】鈴木 秀之
【氏名】倉橋 哲郎
【氏名】宮崎 徹也
【氏名】志村 周
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| 【要約】 |
【課題】流体力の変動を抑制しリニア弁として使用可能にする。
【解決手段】ポペットの先端部に球面部を設け、開弁時に、シート面と球面部との間にシート面と前球面部との接触部を起点とした短い第１の流路が流出側に形成されると共に、第１の流路と連続し、かつ第１の流路から急激に流路断面積が拡大する第２の流路が形成されるようにし、第１の流路のポペットの移動方向と直交する平面への投影面積Ａ１と、球面部の直径と同一の直径の円の面積Ａｂとの比Ａ１／Ａｂが、以下の式を満足するようにする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】下流側が拡開したシート面が形成されたシート部と、前記シート部のシート面に対して接近及び離反する方向に移動して流路を開閉する弁体と、を備えたソレノイドバルブにおいて、開弁時に、前記シート面と前記弁体の先端部との間に前記シート面と前記弁体の先端部との接触部を起点とした短い第１の流路が流出側に形成されると共に、該第１の流路と連続し、かつ該第１の流路から急激に流路断面積が拡大する第２の流路が形成されるようにしたことを特徴とするソレノイドバルブ。
【請求項２】前記第１の流路の前記弁体の移動方向と直交する平面への投影面積Ａ１と、前記弁体の流体力が作用する部分の前記平面への投影面積Ａ２との比Ａ１／Ａ２が、以下の式を満足するようにしたことを特徴とする請求項１記載のソレノイドバルブ。
０．０２≦Ａ１／Ａ２≦０．２【請求項３】前記弁体の先端部に球面部を設け、前記第１の流路の前記弁体の移動方向と直交する平面への投影面積Ａ１と、直径が前記弁体の球面部の直径と同一の円の面積Ａｂとの比Ａ１／Ａｂが、以下の式を満足するようにしたことを特徴とする請求項１記載のソレノイドバルブ。
０．０２≦Ａ１／Ａｂ≦０．２ |
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ソレノイドバルブに係り、特に、ブレーキの油圧を制御するソレノイドバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ソレノイドバルブは、下流側が拡開したシート面が形成されたシート部、シート部の下流側に設けられ、シート面に対して接近及び離反する方向に移動して流路を開閉する先端に球面部が形成された弁体、弁体の基端に固定された鉄心、鉄心を介して弁体をシート面方向に常時付勢するばね、及び鉄心を吸引して弁体を移動させるソレノイドで構成されている。このソレノイドバルブは、ソレノイドに通電する電流の制御によりソレノイドの吸引力を制御して弁体を移動し、弁体に作用する力（ソレノイドの吸引力、ばねの弾性力、流体力）の釣り合いを利用して出口流量を制御することにより、出口圧を制御している。なお、この流体力は、弁体の先端部に作用する流体の圧力と弁体の先端部の流体の圧力が作用している部分の面積との積で表される。
【０００３】従来よりソレノイドバルブの一種である弁体としてポペットを用いたポペット弁は、ＡＢＳ制御時の増減圧の切り換えに用いられており、リニア弁としてではなく、オンオフ制御弁（すなわち、開度を全閉、全開に制御する弁）として用いられているため、制御性に対しては流体力の影響を考慮する必要はなかった。
【０００４】ところが、ポペット弁を全開、全閉するだけでなく、その間の開度も制御する場合には、制御性に対して流体力が大きく影響することになる。
【０００５】この場合、流体力の変動が大きい場合には、フィードフォワード制御だけでは目標ブレーキ圧に制御することが困難なため、フィードバック制御が必要となり、フィードバック制御分だけ応答性が悪化する。一方、流体力の変動が小さい場合には、フィードフォワード制御だけで目標ブレーキ圧に制御することができ、フィードバック制御があまり必要とならないため、応答性が向上する。このため、圧力を精度良く制御するためには、流体力の変動が小さいポペット弁が必要になる。
【０００６】ブレーキは、種々の入口圧と出口圧の組み合わせで使用されるが、従来のポペット弁では図１に示すように圧力条件により開度に対する流体力が変動する。したがって、実際の制御において流体力を精度良く予測することが困難となり、これにより電流−流量の制御精度が悪化する、という問題があった。
【０００７】本発明は、上記従来の問題点を解消するためになされたもので、流体力の変動を抑制してリニア弁としての使用に適したソレノイドバルブを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】流体力の変動が大きくなる原因は、ソレノイドバルブの入口圧及び出口圧の大きさによって、バルブ内部にキャビテーションが発生する条件が異なり、バルブ内部の圧力分布が変化するためであると考えられる。これにより、本発明者は、キャビテーションの発生によって生じるバルブ内部の圧力分布の変化領域を小さくするか、バルブ内部の圧力分布が変化してキャビテーションが発生したとしてもキャビテーションが発生する部分の表面積を小さくすれば、弁開度に対する流体力の変動を小さくすることができる、との知見を得た。
【０００９】本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、下流側が拡開したシート面が形成されたシート部と、前記シート部のシート面に対して接近及び離反する方向に移動して流路を開閉する弁体と、を備えたソレノイドバルブにおいて、開弁時に、前記シート面と前記弁体の先端部との間に前記シート面と前記弁体の先端部との接触部を起点とした短い第１の流路が流出側に形成されると共に、該第１の流路と連続し、かつ該第１の流路から急激に流路断面積が拡大する第２の流路が形成されるようにしたことを特徴とする。
【００１０】本発明によれば、開弁時に、シート面と弁体の先端部との間にシート面と弁体の先端部との接触部を起点とした短い第１の流路が流出側に形成されると共に、この短い流路に連続して急激に流路断面積が拡大する第２の流路が形成されるので、キャビテーションの発生を抑制すると共に、キャビテーションが発生する表面積を小さくすることができ、これにより流体力の変動を抑制することができる。なお、第１の流路は、シート面と弁体の先端部との間に形成されるシート面と弁体の先端部との接触部を起点とした流入側流路より短くすることができる。
【００１１】本発明では、前記第１の流路の前記弁体の移動方向と直交する平面への投影面積Ａ１と、前記弁体の流体力が作用する部分の前記平面への投影面積Ａ２との比Ａ１／Ａ２が、以下の式を満足するようにシート面の形状及び弁体の先端部の形状を定めるのが好ましい。
【００１２】
０．０２≦Ａ１／Ａ２≦０．２ ・・・（１）
ここで、比Ａ１／Ａ２を上記の範囲としたのは、比が０．２を越えると圧力条件の変動によって所定開度に対する流体力の変動が大きくなるので好ましくなく、比Ａ１／Ａ２は０．２以下であればよいが０．０２以上であるのがシール性、耐久性の面で実用的であるからである。
【００１３】本発明では、弁体の先端部に球面部を設けることができる。
【００１４】また、本発明において、弁体の先端部に球面部を設け、前記第１の流路の前記弁体の移動方向と直交する平面への投影面積Ａ１と、直径が前記弁体の球面部の直径と同一の円の面積Ａｂとの比Ａ１／Ａｂが、以下の式を満足するようにすることもできる。
【００１５】
０．０２≦Ａ１／Ａｂ≦０．２ ・・・（２）
投影面積Ａ２は、直径が弁体の球面部の直径と同一の円の面積Ａｂで近似できるので、上記（２）式の比Ａ１／Ａｂは、比Ａ１／Ａ２と近似した値になる。従って、比Ａ１／Ａｂを上記（２）式に示すように（１）式と同様の範囲に定めることにより、上記と同様に流体力の変動を抑制することができる。
【００１６】ここで、シート部のシート面の形状を円錐台状に形成したときのシート面の最大直径Ｄｓ、弁体の球面部の曲率から得られる直径Ｄｂ、及び弁体の先端部の直径Ｄｂのうち最小な直径をＤ、シート部と弁体の球面部とが接触して得られる円の直径をＤｔとするとき、面積Ａ１、Ａｂは、 Ａ１＝０．２５π（Ｄ2−Ｄｔ2） ・・・（３）
Ａｂ＝０．２５πＤｂ2 ・・・（４）
と表すことができる。
【００１７】本発明によれば、所定開度に対する流体力の変動を小さくすることができるので、実際の制御において弁開度に対する流体力を精度良く予測することが可能になり。これにより、電流−流量の制御精度が向上するため、フィードフォワード制御が可能になり、応答性を向上することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明をポペット弁に適用した場合の実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】図２に示すように、本実施の形態のポペット弁は、バルブ全体を収納し、かつ一端側の側面に出力ポート１０Ａが形成されると共に、非磁性体で構成されたハウジング１０を備えている。ハウジング１０内部は、隔壁１０Ｂによって２つの部屋に分割されており、この隔壁１０Ｂには２つの部屋に跨って軸方向に移動可能に略円柱状のポペット１２が支持されている。
【００２０】ポペット１２の先端部には曲率２／Ｄｂ（直径Ｄｂ）の球体の略１／２の球面からなる球面部１２Ａが形成され、ハウジング１０のポペット１２の先端部が位置する部屋には、シート部１４が設けられている。シート部１４には、入力ポート１４Ａと、ポペット１２の球面部１２Ａが入出可能なように、入力ポート１４Ａの下流側端部から円錐台状に拡開した空間１４Ｂとによって形成された流体の流路が形成されている。この空間１４Ｂを形成する面は、ポペット１２の球面部１２Ａが当接して流路を開閉するシート面１４Ｃとして作用する。
【００２１】ポペット１２の基端部は、ハウジング１０の他方の部屋内に位置し、ポペット１２の基端部には、この部屋内にポペット１２の軸方向に移動可能に収納された鉄心１６が固定されている。また、ハウジング１０の鉄心１６が収納された部屋には、ばね１８と磁性体１９とが収納されており、ポペット１２は鉄心１６を介してばね１８によって、シート部１４のシート面１４Ｃに当接するように常時付勢されている。
【００２２】また、ハウジング１０の外周には、鉄心１６を囲むように、ボビンに巻回されたソレノイド２０が配置されている。
【００２３】このポペット弁によれば、ソレノイド２０に通電しない状態では、ばね１８の付勢力により、ポペット１２の球面部１２Ａがシート面に当接されて常時全閉になっている。シート面１４Ｃの形状は円錐台状で、シート面に当接するポペット球面部の形状は球面であるので、シート面１４Ｃと球面部との接触部の形状は円形になる。一方、ソレノイド２０に通電すると、ソレノイドの吸引力により鉄心が吸引され、ポペットの球面部がシート面から離反する方向にポペットが移動される。
【００２４】次に、上記のポッペト弁のシート面１４Ｃとポペット１２の球面部１２Ａとの形状について図３を参照して詳細に説明する。シート面の母線方向の長さ、及び球面部の直径は、シート面１４Ｃとポペット１２の球面部１２Ａとが接触する接触部Ｐの位置が、ポペットの球面部と先端部の側面Ｓ１との境界線Ｌ１、及びシート面とシート部のポペット側の端面Ｓ２との境界線Ｌ２に近接するように定められている。また、ポペットの先端部の側面Ｓ１とシート部のポペット側の端面Ｓ２とが略直交するように形成されている。
【００２５】従って、開弁時に、シート面１４Ｃとポペット弁の球面部１２Ａとの間にシート面１４Ｃとポペット弁の球面部１２Ａとの接触部Ｐを起点とした流入側流路２４Ｂより短い第１の流路２４Ａが流出側に形成されると共に、第１の流路２４Ａと連続し、かつ第１の流路２４Ａから急激に流路断面積が拡大する第２の流路２６が形成される。
【００２６】この第１の流路２４Ａは略平行になったシート面１４Ｃと球面部１２Ａの表面とによって形成され、第２の流路２６は略直交するポペットの先端部の側面Ｓ１とシート部のポペット側の端面Ｓ２とで形成される。従って、液体が流れる流路は、第１の流路２４Ａから第２の流路２６に向かう際に略９０°に急激に拡大されることになる。
【００２７】なお、第１の流路２４Ａはシート面１４Ｃと球面部１２Ａの表面とによって形成されるため、シート面１４Ｃと球面部１２Ａとが接触する接触部Ｐの位置は、境界線Ｌ１及び境界線Ｌ２の少なくとも一方に近接するようにすればよい。
【００２８】また、上記では、ポペットの先端部の側面Ｓ１とシート部のポペット側の端面Ｓ２とが略直交するように形成したが、このポペットの先端部の側面Ｓ１とシート部のポペット側の端面Ｓ２とが成す角度は、９０°を越えるようにしてもよく、９０°未満の９０°付近の値でもよい。
【００２９】次に、上記のポペット弁においてシート面及びポペットの先端部の形状を変化させ、第１の流路２４のポペットの移動方向と直交する平面への投影面積Ａ１と、ポペットの流体力が作用する部分の平面への投影面積Ａ２との比Ａ１／Ａ２と、流体力の変動の大きさ、すなわちばらつきとの関係を調べた。本実施の形態では、ポペットの先端部の形状を半球形に近似した形状に形成したことから、計算を簡単にするために、投影面積Ａ２に代えて、ポペットの球面部の直径と同一の直径の円の面積Ａｂ（ポペットの球面部のポペットの移動方向と直交する平面への投影面積に相当する）との比Ａ１／Ａｂを用いて、この比と流体力の変動の大きさとの関係を調べた。
【００３０】図４及び図５に示すように、シート部のシート面１４Ｃの最大直径Ｄｓ、ポペット１２の球面部１２Ａの球面の直径Ｄｂ、及びポペット１２の先端部の直径Ｄｃのうち最小な直径をＤ、シート面１４Ｃとポペットの球面部とが接触して得られる円の直径をＤｔとすると、面積Ａ１、Ａｂは、以下の式で与えられる。なお、図４は、ポペットの先端部の直径がシート面の最大直径より大きい場合を示し、図５は、ポペットの先端部の直径がシート面の最大直径より小さい場合を示すものである。
【００３１】Ａ１＝０．２５π（Ｄ2−Ｄｔ2）
Ａｂ＝０．２５πＤｂ2また、流体力の変動の大きさとしては、各開度における流体力の最大値Ｆｍａｘと最小値Ｆｍｉｎとの差を全開度に亘って積算したの総和Σ（Ｆｍａｘ−Ｆｍｉｎ）を用いた。
【００３２】図６（Ａ）に比Ａ１／Ａｂと差の総和Σ（Ｆｍａｘ−Ｆｍｉｎ）との関係、（Ｂ）に比Ａ１／Ａ２と差の総和Σ（Ｆｍａｘ−Ｆｍｉｎ）との関係を示す。図からから理解されるように、比Ａ１／Ａｂ、または比Ａ１／Ａ２が、０．２以下で流体力の変動が小さくなることが確認できた。なお、比Ａ１／Ａ２は、比Ａ１／Ａｂに近似した値であるので、比Ａ１／Ａ２を用いた場合も比Ａ１／Ａｂを用いた場合と同様の下限値を採用することができ、いずれの場合も下限値としては、０．０２がシール性、耐久性の面で実用上問題のない値であった。
【００３３】圧力の条件を次の表２の■〜■のように定め、図７（Ａ）〜図１０（Ａ）に示すポペット弁の各々について、開度（ポペットの移動量）と流体力との関係を調べたところ、図７（Ｂ）〜図１０（Ｂ）の結果が得られた。図７（Ａ）は、直径２ｍｍの球面部を備え、シート面と球面とがシート面の中央より上流側で接触する従来のポペット弁（弁１）を示し、図８（Ａ）は、図７（Ａ）に示す従来のポペット弁のシート部をポペットの移動方向と垂直な面で切り取ったポペット弁（弁２）を示すものである。なお、シート部の切り取り部分は斜線で示す。図９（Ａ）は、従来のポペット弁のポぺットの先端部の側面をポペットの移動方向を軸とする円筒面で切り取ったポペット弁（弁３）を示すものである。なお、ポペットの切り取り部分は斜線で示す。図１０（Ａ）は、シート面の拡開角度を小さい角度に変更し、シート面の拡開角度を急峻にしたポペット弁（弁４）を示すものである。なお、弁１〜弁４の比Ａ１／Ａｂは、表１示す通りであった。表１の弁３における括弧内の数字は、比Ａ１／Ａ２の値を示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
【表２】
【００３６】なお、入口圧Ｐ１及び出口圧Ｐ２は、ホイールシリンダ圧である。
【００３７】図８（Ｂ）〜図１０（Ｂ）から理解されるように、いずれの弁２〜弁４も流体力の変動の大きさは弁１の流体力の変動より小さくなっており、特に、弁４では流体力が略０からリニアな特性が得られている。
【００３８】なお、上記では、弁体として先端部に球面部が形成されたポペットを用いた例について説明したが、シート面に着座できる滑らかな形状であれば、先端部の形状は楕円面、放物面等の球面以外の滑らかな形状にすることができる。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、流体力の変動を小さくすることができるので、実際の制御において流体力を精度良く予測することが可能になり、これにより、電流−流量の制御精度を向上して、応答性を向上することができる、という効果が得られる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３６０９
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１０月２９日（１９９９．１０．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７９０４９
【弁理士】
【氏名又は名称】中島 淳 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１２４２２８（Ｐ２００１−１２４２２８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月１１日（２００１．５．１１） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３０９０９１ |
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