JP2008274848A - 電磁駆動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】始動性を確保でき、かつ応答性が高い電磁駆動弁を提供する。
【解決手段】電磁駆動弁１は、駆動弁１４、ディスク３０、上側電磁石６０および下側電磁石１６０を備える。上側電磁石６０は、第一コア６１と第一コイル６２とを有する。下側電磁石１６０は第二コア１６１と、第二コイル１６２とを有する。第一コイル６１および第二コイル１６１のターン数は同じで互いに接続される。ディスク３０の中立位置において、第二コア１６１とディスク３０との距離Ｌ２は、第一コア６１とディスク３０との距離Ｌ１よりも小さい。
【選択図】図２

Description

この発明は、電磁駆動弁に関し、より特定的には、車両に搭載される電磁駆動弁に関するものである。

従来、電磁駆動弁は、たとえば特開２００７−３２４３６号公報（特許文献１）、特開２００６−１３５０２５号公報（特許文献２）、ドイツ公開公報１００２５４９１（特許文献３）、米国特許第７０８８２０９号明細書（特許文献４）、米国特許第６５７１８２３号明細書（特許文献５）、米国特許第６４６７４４１号明細書（特許文献６）、米国特許第６４８１３９６号明細書（特許文献７）に開示されている。
特開２００７−３２４３６号公報 特開２００６−１３５０２５号公報 ドイツ公開公報１００２５４９１ 米国特許第７０８８２０９号明細書 米国特許第６５７１８２３号明細書 米国特許第６４６７４４１号明細書 米国特許第６４８１３９６号明細書

モノコイルで構成される電磁駆動弁においては、上下同時に通電され、上下ともに電磁力が生じる。これにより、特にその始動時にはばね力に打ち勝つ始動電磁力を発生することは困難である。

また、上下電磁力の差を生じさせるためにコイルターン数に差を設けるとターン数が大きい方では電磁力の応答性が悪化し、所望の動作を実現することが困難になるという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、電磁力の応答性を悪化させずに始動性を向上させる電磁駆動弁を提供することを目的とする。

この発明に従った電磁駆動弁は、電磁力により作動する電磁駆動弁であって、ステムを有し、ステムが延びる方向に沿って往復運動をする駆動弁と、ステムと連動する第一端部から第二端部まで延び、第二端部側で延在する中心軸を中心に揺動する揺動部材と、揺動部材を挟んで向かい合うように配置される第一および第二電磁石とを備える。第一および第二電磁石は、磁性体からなる第一および第二コアと、第一および第二コアに巻かれた第一および第二コイルとを有する。第一および第二コイルのターン数は同じで互いに接続されている。第二端部側での第二コアの磁路幅は第一コアの磁路幅よりも大きい。揺動部材の中立位置において第二コアと揺動部材との距離Ｌ２は第一コアと揺動部材との距離Ｌ１よりも小さい。

このように構成された電磁駆動弁では、第一および第二コイルのターン数が同じであるため応答性の悪化を防止することができる。さらに、揺動部材の中立位置において第二コアと揺動部材との距離Ｌ２は第一コアと揺動部材との距離Ｌ１よりも小さいため、第二コアが揺動部材を始動時に確実に吸引することができ始動性が向上する。

好ましくは、第二コアの第二端部側に切欠が設けられる。
好ましくは、第一コアは第二コアより鉛直方向上側に設けられる。

好ましくは、第一および第二コイルは共通の１つのコイルで構成される。
好ましくは、第二コアに冷媒通路が設けられる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。また、各実施の形態を組合せることも可能である。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った電磁駆動弁の模式図である。図１を参照して、電磁駆動弁１は、本体５１と、本体５１に取付けられた、上側電磁石６０および下側電磁石１６０と、上側電磁石６０および下側電磁石１６０に挟まれたディスク３０とを有する。

「コ」の字形の本体５１はベース部材であり、本体５１にさまざまな要素が取付けられる。上側電磁石６０および下側電磁石１６０の各々は、磁性体からなる第一コア６１，第二コア１６１と、その第一コア６１および第二コア１６１に巻付けられた第一コイル６２および第二コイル１６２とを有する。第一コイル６２および第二コイル１６２に通電されることで磁力が発生し、この電磁力によりディスク３０が駆動される。

ディスク３０は上側電磁石６０および下側電磁石１６０の間に配置されて上側電磁石６０および下側電磁石１６０の吸引によりいずれか一方に吸引される。これにより、上側電磁石６０および下側電磁石１６０間でディスク３０が往復運動する。ディスク３０の往復運動はステム１２に伝えられる。

電磁駆動弁１は電磁力により作動する電磁駆動弁であって、弁軸としてのステム１２を有し、ステム１２が延びる方向（矢印１０で示す方向）に沿って往復運動する駆動弁１４と、駆動弁１４と距離を隔てた位置に設けられた支持部材としての本体５１と、ステム１２に連動する第一端部３２と、本体５１に揺動自在に支持された第二端部３３とを有し、第二端部３３で延びる中心軸３５を中心に揺動する揺動部材としてのディスク３０を有する。

この実施の形態における電磁駆動弁１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関の給排気バルブ（給気弁または排気弁）を構成している。この実施の形態では、吸気ポート１８に設けられる給気弁としての電磁駆動弁の場合を説明するが、排気弁としての駆動弁に本発明を適用してもよい。

図１で示す電磁駆動弁１は回転駆動式の電磁駆動弁であり、その運動機構としてディスク３０を用いている。本体５１はシリンダヘッド４１上に設けられる。本体５１では下側に下側電磁石１６０が設けられ、上側に上側電磁石６０が設けられる。下側電磁石１６０は鉄製の第二コア１６１と、第二コア１６１に巻かれた第二コイル１６２とを有する。第二コイル１６２に電流を流すことにより第二コイル１６２に囲まれた領域に磁界が発生し、この磁界によりディスク３０を引き付けることが可能である。

上側電磁石６０は、鉄製の第一コア６１と、第一コア６１に巻付けられた第一コイル６２とを有する。第一コイル６２に電流を流すことによって第一コイル６２で取囲まれた領域に磁界が発生し、この磁界によりディスク３０を引き寄せることが可能である。

上側電磁石６０の第一コイル６２と下側電磁石１６０の第二コイル１６２とは互いに接続されており、モノコイルを構成している。第一コイル６２および第二コイル１６２のターン数はともに等しい。

ディスク３０はアーム部３１と軸受部３８とを有する。アーム部３１が第一端部３２から第二端部３３へ延びている。アーム部３１は上側電磁石６０および下側電磁石１６０により吸引されて矢印３０ｄで示す方向に揺動（回動）する部材である。アーム部３１の端部に軸受部３８が設けられ、アーム部３１は軸受部３８を中心として回動する。アーム部３１の上側表面１３１は上側電磁石６０と当接可能であり、下側表面２３１は下側電磁石１６０と当接可能である。また、下側表面２３１はステム１２と接触している。

軸受部３８は円筒形状であり、その内部にはトーションバー３６が収納されている。トーションバー３６の第一の端部は本体５１にスプライン嵌合で嵌め合わされ、他方の端部は軸受部３８に嵌め合わされている。これにより、軸受部３８が回動しようとすると、その回動に逆らう力がトーションバー３６から軸受部３８へ伝えられる。このため、軸受部３８は、外力が加えられていない状態では中立位置に位置決めされる。第一端部３２ではディスク３０と接触するようにステム１２が設けられ、ステム１２はステムガイド４３により案内される。ステム１２およびディスク３０は矢印３０ｄで示す方向に揺動運動することが可能である。

シリンダヘッド４１上に本体５１が取付けられる。シリンダヘッド４１の下部には吸気ポート１８が設けられ吸気ポート１８は吸気を燃焼室へ導入するための経路であり、吸気ポート１８内を混合気または空気が通過する。吸気ポート１８と燃焼室との間にはバルブシート４２が設けられ、バルブシート４２により駆動弁１４の密閉性を高めることができる。

シリンダヘッド４１には吸気バルブとしての駆動弁１４が取付けられている。駆動弁１４は長手方向に延びるステム１２と、ステム１２の端部に取付けられた傘部１３とを有する。ステム１２はステムガイド４３により案内されている。ステム１２の上端部はスプリングリテーナ１９と嵌め合わせられており、ステム１２はスプリングリテーナ１９とともに駆動する。スプリングリテーナ１９はバルブスプリング１７により付勢されている。このため、スプリングリテーナ１９はバルブスプリング１７によって上方向に付勢されている。

上側に設けられた第一コア６１と下側に設けられた第二コア１６１の幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を比較すると、下側に設けられた第二コア１６１の幅Ｗ４は幅Ｗ１より大きい。また、幅Ｗ３は幅Ｗ２よりも大きい。

図２は、ディスクが中立状態の電磁駆動弁の模式図である。図２を参照して、ディスク３０の中立位置では、ディスク３０と第一コア６１とのエアギャップＬ１よりも第二コア１６１とディスク３０とのエアギャップＬ２が小さい。このように、始動側の磁路幅Ｗ３を反対側の磁路幅Ｗ２よりも大きくすることにより、始動時のディスク３０と第二コア１６１とのエアギャップを小さく構成できる。これにより、モノコイル構成においても、第一電磁石としての上側電磁石６０と第二電磁石としての下側電磁石１６０の電磁力の差を発生させることができ、アクチュエータの始動を確実にすることができる。

なお、本発明に関連する磁気回路の基礎式を列記すると下記のとおりである。

電磁力を大きくする手段の１つとしてコイルターン数Ｎを大きくすることで磁束Φおよび磁束密度Ｂを大きくする方法がある。しかし、この方法では電磁力の応答性を示す磁束の時間変化ｄΦ／ｄｔが小さくなり、応答性が悪化する。そこで、コイルターン数を変えずコア体格の因子である磁路面積Ｓを小さくする。これにより応答性への影響を最小限に抑えつつ電磁力Ｆを大きくすることができる。

但し、磁束密度Ｂは飽和特性を持つ因子であり、磁路面積Ｓと電磁力Ｆには最適解が存在する。

このことより、モノコイルで構成される電磁駆動弁（電磁アクチュエータ）において、電磁力の応答性（作動性）を悪化させずに始動電磁力を増加させるために、上下コイルのターン数を同じにして応答性を確保しつつ、かつ上下コア体格に差異を設けることが有用であるといえる。

この実施の形態では、始動側の磁路幅Ｗ３を大きくすることにより、始動時のディスク３０と第二コア１６１とのエアギャップＬ２を小さくすることができる。これにより、モノコイル構成においても上下の電磁力差を発生させ、アクチュエータの始動を確実にすることができる。

実施の形態１に従った電磁駆動弁１は、電磁力により作動する電磁駆動弁であって、ステム１２を有し、ステム１２が延びる方向に沿って往復運動する駆動弁１４と、ステム１２とを連動する第一端部３２から第二端部３３まで延び、第二端部３３で延在する中心軸３５を中心に揺動する揺動部材としてのディスク３０、ディスク３０を挟んで互いに向かい合うように配置される第一電磁石としての上側電磁石６０および第二電磁石としての下側電磁石１６０とを備える。上側電磁石６０および下側電磁石１６０は、磁性体からなる第一コア６１および第二コア１６１と、第一コア６１に巻かれた第一コイル６２ならびに第二コア１６１に巻かれた第二コイル１６２とを有する。第一コイル６２および第二コイル１６２のターン数は同じで互いに接続されている。第二端部３３側での第二コア１６１の磁路幅Ｗ３は第一コア６１の磁路幅Ｗ２よりも大きい。ディスク３０の中立位置において第二コア１６１とディスク３０との距離（エアギャップＬ２）は、第一コア６１とディスク３０との距離（エアギャップＬ１）よりも小さい。

（実施の形態２）
図３は、この発明の実施の形態２に従った電磁駆動弁の模式図である。図３を参照して、実施の形態２に従った電磁駆動弁では、第二コア１６１の第二端部３３側で段差形状の切欠１６３が設けられている点で、実施の形態１に従った電磁駆動弁と異なる。すなわち、始動時にはディスク３０は矢印３０ｅで示す方向に回動し、保持時にはディスク３０と第二コア１６１とが接触する。保持時の磁束密度を段差以外の密着部位に集中でき、保持電磁力を増加させる。その結果消費電力を低減させることができる。

図４は、切欠が設けられていない第二コアの断面図である。図４で示すように、図３の切欠が設けられていない場合には、磁力線４０１が疎らに分布し、磁束密度が低下する。これにより、図３で示す構造に比べて保持電磁力が増加する可能性がある。

（実施の形態３）
図５は、この発明の実施の形態３に従った電磁駆動弁の断面図である。図５を参照して、この発明の実施の形態３に従った電磁駆動弁では、初期駆動性を確保すべく、上下の上側電磁石６０と、下側電磁石１６０で磁路幅に差を設けた場合、保持電磁力が大きくなる、磁路幅が狭い電磁コアを上側（平面側）へ配置する。エンジンの動弁系では開弁時間より閉弁時間が長く、回転数が低い領域ではこの傾向が顕著になる。そのため、幅の狭いコアを上側に配置することにより、閉弁保持電流を低減できシステム全体の消費電力を低減でき、燃費を向上させることができる。すなわち、図５で示すように磁路幅が狭い第一コア６１は第二コア１６１より鉛直方向上側に配置されている。

図６は、閉弁時の電磁駆動弁の断面図である。なお、図５は開弁時の電磁駆動弁の断面図である。エンジンでの使用頻度が大きい閉弁時には、ディスク３０は上側電磁石６０に吸引される。このとき、上側電磁石６０の第一コア６１の幅が小さいため、磁束密度が大きくなり、保持電磁力も大きくなる。その結果、保持力を大きくすることができる。

（実施の形態４）
図７は、この発明の実施の形態４に従った電磁駆動弁の断面図である。図７を参照して、この発明の実施の形態４に従った電磁駆動弁では、Ｕ字型の第一コア６１および第二コア１６１の第一コイル６２および第二コイル１６２を１つのコイルで構成することで部品点数低減による低コスト化、アクチュエータ体格の低減およびコイル抵抗低減による消費電力の低減を図っている。

すなわち、第一コイル６２および第二コイル１６２が共通のコイルで構成される。また二点鎖線で示す位置にはコイルが設けられない。

すなわち、実施の形態４では第一および第二コイル６２，１６２は共通の１つのコイルで構成される。

（実施の形態５）
図８は、この発明の実施の形態５に従った電磁駆動弁の側面図であり、図７で示す矢印ＶＩＩＩで示す方向から見た電磁駆動弁の側面図である。図８を参照して、この発明の実施の形態５に従った電磁駆動弁では、下側に設けられた第二コア１６１に冷媒通路１６８が設けられている。冷却油路または冷却水路としての冷媒通路１６８内を矢印１６９で示す方向に冷媒は流れる。第二コイル１６２に隣接するように冷媒通路１６８を設けることで、一体となった下側電磁石１６０の下部のみを冷却して発熱を低減する。なお、上下別のコアでは上側電磁石を冷却するために冷却のための油路または水路を設ける必要があったが、この実施の形態において一体化したコイルではその必要性がなくなる。これにより、コイルの抵抗の増加を防止でき、消費電力の抑制を図る。また、コイルの耐久性を向上させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１に従った電磁駆動弁の模式図である。 ディスクが中立状態の電磁駆動弁の模式図である。 この発明の実施の形態２に従った電磁駆動弁の模式図である。 切欠が設けられていない第二コアの断面図である。 この発明の実施の形態３に従った電磁駆動弁の断面図である。 閉弁時の電磁駆動弁の断面図である。 この発明の実施の形態４に従った電磁駆動弁の断面図である。 この発明の実施の形態５に従った電磁駆動弁の側面図であり、図７で示す矢印ＶＩＩＩで示す方向から見た電磁駆動弁の側面図である。

符号の説明

１ 電磁駆動弁、１２ ステム、１３ 傘部、１４ 駆動弁、３０ ディスク、３１ アーム部、３５ 中心軸、３６ トーションバー、３８ 軸受部、６０ 上側電磁石、６１ 第一コア、６２ 第一コイル、１６０ 下側電磁石、１６１ 第二コア、１６２ 第二コイル、１６３ 切欠。

Claims (5)

1. 電磁力により作動する電磁駆動弁であって、
   ステムを有し、前記ステムが延びる方向に沿って往復運動をする駆動弁と、
   前記ステムと連動する第一端部から第二端部まで延び、前記第二端部側で延在する中心軸を中心に揺動する揺動部材と、
   前記揺動部材を挟んで互いに向かい合うように配置される第一および第二電磁石とを備え、
   前記第一および第二電磁石は、磁性体からなる第一および第二コアと、前記第一および第二コアに巻かれた第一および第二コイルとを有し、
   前記第一および第二コイルのターン数は同じで互いに接続され、
   前記第二端部側での前記第二コアの磁路幅は、前記第一コアの磁路幅より大きく、
   前記揺動部材の中立位置において前記第二コアと前記揺動部材との距離Ｌ２は前記第一コアと前記揺動部材との距離Ｌ１より小さい、電磁駆動弁。
2. 前記第二コアの前記第二端部側に切欠が設けられている、請求項１に記載の電磁駆動弁。
3. 前記第一コアは前記第二コアより鉛直方向上側に配置される、請求項１に記載の電磁駆動弁。
4. 前記第一および第二コイルは共通の１つのコイルで構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の電磁駆動弁。
5. 前記第二コアには冷媒通路が設けられる、請求項４に記載の電磁駆動弁。

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