螺线管致动器 【技术领域】
本发明涉及一种利用螺线管产生的磁力沿轴向驱动轴的螺线管致动器(solenoid actuator)。
背景技术
用于通过执行线性运动来操作例如针阀等液压设备的螺线管致动器利用线圈产生的磁力来驱动柱塞，从而在轴向上驱动被固定至柱塞的轴。
日本专利局1999年公布的JPH11-031617A提出了一种由非磁性材料制成的引导管，该引导管支撑柱塞以允许柱塞自由滑动。引导管形成为带底的圆筒状，并且柱塞以在引导管内自由滑动的方式被容纳在引导管中。由磁性材料制成的基部被设置在引导管的开口的内部。引导管被装配进卷绕有线圈的绕线筒的中空部。当线圈受到激励时，经由柱塞在线圈和基部之间形成磁通，从而使柱塞被朝向基部吸引。
引导管用作防止柱塞工作室内的压力变化被传递至位于外部的绕线筒的压力容器。从而，引导管确保螺线管致动器的压力密封性(pressure tightness)。
【发明内容】
根据该现有技术，当柱塞在引导管的内周面上滑动时，在柱塞和引导管之间不可避免地产生滑动阻力。另外，由于柱塞被由非磁性材料制成的引导管包围，因此减小了在线圈和柱塞之间形成的磁路的截面积。
这些现象可能导致螺线管致动器的驱动响应的延迟。
因此，本发明的目的是在保持螺线管致动器的压力密封性的同时提高螺线管致动器的响应性。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于安装至液压设备的螺线管致动器，该螺线管致动器包括被连接至液压设备的轴、由磁性材料制成的壳体、由非磁性材料制成并且具有中空部的绕线筒、被卷绕在绕线筒上并且被容纳在壳体中的线圈、以及由非磁性材料制成并且被装配进绕线筒的中空部中的压力管(pressure tube)。
所述轴具有中心轴线。所述压力管具有开口端。
螺线管致动器还包括：由磁性材料制成的并且被插入到压力管中的圆筒状的基部；以及由磁性材料制成的并且被设置在压力管中以在中心轴线的方向上经由磁隙与所述基部相面对的圆筒状的套筒(sleeve)。
基部和套筒由于压力管的开口端中的一个开口端被磁连接，并且基部和套筒在它们内侧形成操作室(operationchamber)。
螺线管致动器还包括由磁性材料制成的柱塞，该柱塞被固定至轴并且以相对于操作室的壁保持环状间隙的状态被容纳在操作室中，从而能够沿中心轴线自由移位。
在说明书的其他部分对本发明的细节以及其他特征和优点进行说明，并且本发明的细节以及其他特征和优点被示出在附图中。
【附图说明】
图1是根据本发明的螺线管致动器的后视图。
图2是沿图1中的线II-O-II截取的螺线管致动器的剖视图。
图3是螺线管致动器中的柱塞和周边部的放大纵向剖视图。
图4与图2相似，但是示出本发明的第二实施方式。
图5与图2相似，但是示出本发明的第三实施方式。
图6与图5相似，但是示出本发明地第四实施方式。
图7与图6相似，但是示出本发明的第五实施方式。
【具体实施方式】
参照附图的图2，根据本发明的螺线管致动器1被构造成利用容纳在壳体9中的螺线管组件10将磁力施加至柱塞4，从而沿中心轴线O的方向驱动被固定至柱塞4的轴5。
参照图1，壳体9形成为圆筒状。由壳体9的底93闭合壳体9的轴向一端。壳体9的另一端开口，并且经由在壳体9的开口的两侧横向延伸的一对凸缘部91被固定至例如阀等液压设备。为了此目的，螺栓孔98形成于每个凸缘部91，并且由贯通螺栓孔98的螺栓将螺线管致动器1固定至液压设备。
再次参照图2，螺线管组件10包括：绕线筒11，该绕线筒11形成为具有中空部且在两端具有凸缘的圆筒状；线圈12，该线圈12卷绕在绕线筒11上；一对端子13，该一对端子13电连接至线圈12的两端；以及成型树脂14，该成型树脂14包围绕线筒11、线圈12和端子13。
成型树脂14包括：包围绕线筒11和线圈12的包围部(wrapping portion)16，以及从包围部16的末端部(tip)沿径向突出并且具有开口的连接器部15。一对端子13从绕线筒11径向地突出到连接器部15中。电源线的连接器被插入到连接器部15中，从而连接至连接器部15内的端子13。也可以利用引线来将电力供给至线圈12，而不设置一对端子13。连接器部15经由形成于壳体9的切口97从壳体9径向地突出。
通过将电力供给至线圈12，线圈12受到激励，并且在线圈12周围产生磁通。
壳体9、基部2、柱塞4和套筒3用作用于传递由励磁线圈(energized coil)12产生的磁通的磁路形成构件。所有这些构件均由磁性材料制成。
在图1和图2中，凸缘部91形成于垂直于中心轴线O的平面中。连接器部15在垂直于中心轴线O的方向上从壳体9突出。
根据螺线管致动器1所固定到的液压设备的形状，可以对凸缘部91的突出方向和连接器部15的突出方向进行变型。例如，连接器部15可以沿中心轴线O突出，使得电源线的连接器与中心轴线O平行地插入到连接器部15中。
基部2和套筒3分别形成为圆筒状。基部2和套筒3经由间隙与中心轴线O同轴地设置于壳体9。基部2被设置在壳体9的液压设备侧，并且套筒3被设置在壳体9的底93侧。
凸缘21以与液压设备接触的方式形成于基部2。凸缘21被装配进形成于壳体9的末端部的凹部94，从而形成与液压设备接触并且与凸缘部91连续的接触面。
环状台阶部92形成于凹部94。通过将凸缘21的边缘22装在环状台阶部92而将凸缘21装配进凹部。
环状台阶部24形成于凸缘21的外周面23。在凹部94的外侧，靠近凸缘21在壳体9中形成环状槽，从而壳体9的在凹部94和环状槽之间的末端部用作弯边部(crimp portion)95。弯边部95向内弯曲，以抓住环状台阶部24，从而防止基部2从壳体9脱落。
从底面93与中心轴线O同轴地突出进壳体9中的内筒部36形成于壳体9。套筒3被压配合(press-fit)至内筒部36的外周面38。套筒3的内周面33和内筒部36的外周面38之间的接触部用作金属密封部。
相对于中心轴线O倾斜的锥形面45形成于基部2的面对套筒3的后端部。套筒3的面对锥形面45的前端面35形成于与中心轴线O垂直的环状平面内。锥形面45和前端面35之间的空间用作基部2和套筒3之间的磁隙。前端面35不必形成在与中心轴线O垂直的环状平面内，而是可以与锥形面45的情况一样地形成在倾斜面上。
磁隙填充有由非磁性材料制成的磁隙填充体6。磁隙填充体6与基部2的锥形面45和套筒3的前端面35紧密接触。
由非磁性金属材料制成的薄圆筒状的压力管17经由塑性层状密封构件(plastic laminar sealing member)19被装配至基部2的外周面25和套筒3的外周面31。塑性层状密封构件19根据压力变形，并且延伸以填充压力管17的内周面18和基部2的外周面25之间的缝隙、以及压力管17的内周面18和套筒3的外周面31之间的缝隙。通过以这种方式使压力管17与基部2和套筒3紧密接触，即使磁隙不被磁隙填充体6填充，也能使形成在基部2和套筒3内的柱塞4的操作空间被紧密地密封。
压力管17在中心轴线O的方向上的长度与绕线筒11在中心轴线O的方向上的长度相等。压力管17的开口端17a与基部2的凸缘21紧密接触。压力管17的另一个开口端17b与壳体9的底93紧密接触。根据上述构造，压力管17用作防止形成于基部2和套筒3的室内的工作油泄漏至外部的金属密封件。壳体9、基部2、套筒3和压力管17形成被装配进绕线筒11的中空部内的用于容纳轴5的一部分和柱塞4的压力容器。
取代将塑性层状密封构件19应用于基部2和套筒3的整个外周面25、31，塑性层状密封构件19可以仅应用至覆盖磁隙填充体6的外周面及其附近的区域。
轴5从基部2的位于基部2的与锥形面45所在侧相反的一侧的前端面49朝向液压设备突出。
轴5由非磁性材料制成。由基部2中的第一轴承7和套筒3中的第二轴承8以允许轴5沿中心轴线O自由滑动的方式支撑轴5。柱塞4位于第一轴承7和第二轴承8之间。第一轴承7和第二轴承8均由非磁性材料制成。
基部2包括内周面26至29，这些内周面的直径以台阶形式朝向锥形面45逐台阶增大。
具有最小直径的内周面26经由环状缝隙56覆盖轴5的外周面51。具有第二小(second smallest)直径的内周面27支撑第一轴承7的外周面71。内周面29被形成为具有与套筒3的内周面33和磁隙填充体6的内周面相同的直径。柱塞4被容纳在由套筒3的内周面33、磁隙填充体6的内周面和基部2的内周面29形成的操作室内。
具有第三小直径的内周面28形成在基部2中的具有最大直径的内周面29和具有第二小直径的内周面27之间。
参照图3，通过励磁线圈12的磁力吸引柱塞4的磁力吸引面(magnetically attracting surface)46形成于基部2。磁力吸引面46对应于形成在内周面28和内周面29之间的环状台阶部。磁力吸引面46形成与轴5的中心轴线O垂直的平面。内周面28的直径被设定成小于柱塞4的直径，使得磁力吸引面46面对柱塞4的前端面47。
再次参照图2，在由基部2、磁隙填充体6、套筒3和壳体9形成的上述压力容器中，第一轴承前室73、柱塞前室74、柱塞后室75和第二轴承后室76形成为面对轴5和/或柱塞4。所有这些室73至76填充有从液压设备导入的工作油。关于这些室的名称，“前”是指液压设备侧，“后”是指相反侧。
柱塞前室74和柱塞后室75是操作室的一部分。
第一轴承前室73在第一轴承7的前方形成于内周面27。第一轴承前室73连接至缝隙56。缝隙56形成基部油通道62，该基部油通道62连接液压设备和第一轴承前室73。通过增大基部2的限定缝隙56的内周面26的直径以使基部油通道62具有较大的截面积，可以将基部油通道62设计成用于存储污染物。
柱塞前室74形成于柱塞4的前端面47和第一轴承7之间。柱塞前室74对应于内周面28的内侧和内周面29的最前部。第一轴承7不具有油通道，因此第一轴承前室73和柱塞前室74之间的工作油连通被第一轴承7遮断。
柱塞后室75在套筒3的内周面33的内侧形成于柱塞4的后端面48和第二轴承8之间。
柱塞前室74和柱塞后室75被柱塞4分开。在操作室的壁和柱塞4的外周面41之间设置环状缝隙55，从而使柱塞4不会因为磁力而与套筒3接触。这里，操作室的壁对应于套筒3的内周面33、磁隙填充体6的内周面和基部2的内周面29。缝隙55形成柱塞外周油通道63，该柱塞外周油通道63连接柱塞前室74和柱塞后室75。
多个槽42与中心轴线O平行地形成于柱塞4的外周面41，以作为柱塞外周油通道63的一部分。工作油经由如此构造的柱塞外周油通道63在柱塞前室74和柱塞后室75之间流动。
通过在柱塞4的外周面41形成多个槽42，能够在不减小工作油的流动截面积的情况下使缝隙55的宽度变窄。使缝隙55变窄提高了柱塞4的驱动效率。
第二轴承后室76在内筒部36的内部形成于第二轴承8和底93之间。
第二轴承8具有由内筒部36的内周面37支撑的外周面81。多个槽82与中心轴线O平行地形成于第二轴承8的外周面81。槽82形成连接柱塞后室75和第二轴承后室76的第二轴承油通道64。
纵向通孔53沿中心轴线O的方向贯通轴5。垂直于中心轴线O的横向通孔54贯通轴5的从基部2突出的突出部52。纵向通孔53和横向通孔54形成将液压设备连接至第二轴承后室76的轴贯通油通道65。
当螺线管致动器1被安装至液压设备时，由液压设备闭合纵向通孔53的形成于突出部52的开口。然而，当螺线管致动器1被安装于液压设备时，横向通孔54暴露至液压设备的内部。
当螺线管致动器1被安装至液压设备时，螺线管致动器1以如下方式填充工作油。
-来自液压设备的工作油经由基部油通道62填充第一轴承前室73；
-来自液压设备的工作油经由轴贯通油通道65填充第二轴承后室76；
-第二轴承后室76中的工作油经由第二轴承油通道64填充柱塞后室75；以及
-柱塞后室75中的工作油经由柱塞外周油通道63填充柱塞前室74。
螺线管致动器1利用由线圈12产生的磁力驱动柱塞4，从而沿轴向驱动被固定至柱塞4的轴5。
当线圈12不受激励时，由液压设备的反作用力使轴5保持在后退位置(retreated position)。这里的后退位置对应于轴5的初始位置。
当线圈12受到激励时，通过形成于线圈12内部的磁场的作用，柱塞4被朝向磁力吸引面46吸引。由磁场产生的推力使柱塞4朝向磁力吸引面46移动，从而向前驱动轴5，以操作液压设备。液压设备的操作例如是指阀的开/闭。图2示出轴5从初始位置稍微向前行进(stroke)的状态。
当柱塞4与轴5一起向前行进时，与轴5从第二轴承后室76离开的体积对应的工作油从液压设备经由轴贯通油通道65流入第二轴承后室76中。
另外，与柱塞4的行进体积对应的工作油从缩小的柱塞前室74经由柱塞外周油通道63移动到扩大的柱塞后室75。
当停止对线圈12的激励时，轴5由于液压设备的反作用力而向后行进，这是与由励磁线圈12驱动轴5的方向相反的方向。
由于轴5向后行进，与轴5进入第二轴承后室76中的侵入体积对应的工作油从第二轴承后室76经由轴贯通油通道65排出到液压设备中。
另外，随着柱塞4的向后行进，与柱塞4的行进体积对应的工作油从缩小的柱塞后室75经由柱塞外周油通道63移动至扩大的柱塞前室74。
根据上述构造，压力管17、基部2、套筒3和壳体9形成紧密闭合的压力容器，从而防止从液压设备流入压力容器的工作油泄漏至外部。压力容器通过防止压力从压力容器传递至绕线筒11来确保螺线管致动器1的压力密封性。
根据该螺线管致动器1，由非磁性金属材料制成的压力管17介于绕线筒11和基部2之间并且介于绕线筒11和套筒3之间。然而，由于套筒3由于压力管17的开口端17b与壳体9的内筒部36接触，并且基部2的凸缘21延伸以覆盖绕线筒11的端面，因此，由非磁性金属材料制成的压力管17不会遮断通过壳体9、套筒3、柱塞4和基部2循环的磁通。
另外，柱塞4被容纳在由基部2的内周面29、磁隙填充体6的内周面和套筒3的内周面33形成的操作室内，并且环状缝隙55被设置在操作室的壁和柱塞4的外周面41之间。因此，柱塞4在不会受到操作室的壁的摩擦阻力的情况下行进。
因此，根据该螺线管致动器1，在保持压力容器的压力密封性的同时提高了液压设备的操作响应性。
参照图4，将对本发明的第二实施方式进行说明。
对该实施方式中的具有与图1-3所示的第一实施方式中的组成部件相同的结构的组成部件分配相同的附图标记，这里省略对这些相同结构的组成部件的说明。
在根据该实施方式的螺线管致动器1中，压力管17在中心轴线O的方向上的长度被设定成比第一实施方式中的压力管17在中心轴线O的方向上的长度短。这里，压力管17被设定成具有仅覆盖基部2和套筒3之间的磁隙填充体6及其附近的长度。
环状的凹部2a形成于基部2的后端部的外周面25，环状的凹部3a形成于套筒3的前端部的外周面31。压力管17被压配合进凹部2a、3a。
作为压配合的结果，压力管17的内周面18与凹部2a和凹部3a紧密接触，从而起到紧密闭合压力容器的金属密封部的作用。因此，根据该实施方式，不需要塑性层状密封构件19。
在该实施方式中，壳体9、基部2、压力管17和套筒3形成压力容器。压力容器防止从液压设备流入螺线管致动器1的工作油泄漏至压力容器的外部。它还使柱塞4与轴5一起根据供给至线圈12的励磁电流的通/断操作高响应性地行进。
因此，根据该实施方式，利用简单的构造能够在螺线管致动器中实现压力密封性和高操作响应性。
参照图5，将对本发明的第三实施方式进行说明。
对该实施方式中的具有与图1-3所示的第一实施方式中的组成部件相同的结构的组成部件分配相同的附图标记，这里省略对这些相同结构的组成部件的说明。
在根据该实施方式的螺线管致动器1中，由非磁性金属材料制成的压力管17通过嵌件成型(insert molding)被预先装配进由树脂制成的绕线筒11的中空部。
根据该实施方式，套筒3与壳体9的内筒部36一体地构造。第二轴承8的外周面81被装配进内筒部36的内周面37。
绕线筒11经由压力管17被压配合至套筒3的外周面31。在将第二轴承8、柱塞4和第一轴承7与轴5一起装配进压力管17之后，将磁隙填充体6插入到压力管17中，并且将基部2压配合至压力管17的内周面18。最终，径向向内弯曲弯边部95。
通过使用压配合，压力管17与基部2的外周面25和套筒3的外周面31紧密接触，从而起到金属密封件的作用。根据该实施方式，也没有使用塑性层状密封构件19。
根据该实施方式，由于压力管17被预先装配至螺线管组件10，能够更容易地组装螺线管致动器1。另外，由于套筒3与内筒部36一体地构造，因此能够使压力容器的组成部件实现高精度的同轴性(concentricity)。
参照图6，将对本发明的第四实施方式进行说明。
该实施方式与第三实施方式相似。对该实施方式中的具有与第三实施方式中的组成部件相同的结构的组成部件分配相同的附图标记，这里省略对这些相同结构的组成部件的说明。
在根据该实施方式的螺线管致动器1中，由非磁性金属材料制成的压力管17也通过嵌件成型被预先装配进由树脂制成的绕线筒11的中空部。然而，该实施方式与第三实施方式的不同之处在于绕线筒11装配至基部2和套筒3的装配结构。
具体地，绕线筒11不是被压配合至基部2和套筒3，而是经由O形环57装配至基部2的外周面25、以及经由O形环58装配至套筒3的外周面31。O形环57被容纳在形成于基部2的外周面25的环状槽2c中，O形环58被容纳在形成于套筒3的外周面31的环状槽3c中。这些O形环57、58防止压力容器内的工作油泄漏至外部。
根据该实施方式，由于绕线筒11不是压配合至基部2和套筒3的，在压力容器中不会残留伴随压配合的毛刺(flash)，并且在绕线筒11中不会出现归因于压配合的变形。
参照图7，将对本发明的第五实施方式进行说明。
该实施方式与第四实施方式相似。对该实施方式中的具有与第四实施方式中的组成部件相同的结构的组成部件分配相同的附图标记，这里省略对这些相同结构的组成部件的说明。
在根据该实施方式的螺线管致动器1中，套筒3与壳体9分开地构造。套筒3形成为具有底部3d的圆筒状。底部3d以凸缘状的形式径向向外延伸。底部3d的直径等于壳体9的内直径，从而使套筒3与中心轴线O同轴地定位。其他组成部件与第四实施方式中的组成部件相同。
在根据该实施方式的螺线管致动器1中，基部2、压力管17和套筒3形成压力容器。
换言之，壳体9不是压力容器的组成部件。结果，根据该实施方式，能够降低壳体9所需的加工精度，并且使壳体9的加工容易。
在日本的提交日为2008年11月14日的特愿2008-292296号申请的内容通过引用的方式包含于此。
尽管已经参照某些实施方式对本发明进行了说明，然而本发明不限于上述实施方式。在权利要求的范围内，本领域的普通技术人员可以对上述实施方式进行变型和变化。
本发明的要求排他性权益或特权的具体方案如权利要求所限定。