JP2009092187A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】アーマチャと弁体が一体化された電磁弁において、磁気サイドフォースの影響によるバルブボディと可動部材との間の摺動抵抗を抑制する。
【解決手段】バルブボディ１００に往復動自在に収納・保持される可動部材１１０は、ボディ１００に非摺動状態で収納されるアーマチャ１１２と、アーマチャ１１２の一端側に配置されて流路を開閉する弁体１１１と、アーマチャ１１２の他端側に配置されたストッパ１１３とを備え、アーマチャ１１２、弁体１１１、およびストッパ１１３が一体化されている。ボディ１００と摺動する弁体１１１およびストッパ１１３がアーマチャ１１２の両側に配置されているため、アーマチャ１１２が磁気サイドフォースを受けても可動部材１１０は傾かず、アーマチャ１１２における吸引力発生点のギャップ偏りは摺動部クリアランスまでで抑えられるため、磁気サイドフォースの影響が小さくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、アーマチャと弁体が一体化された電磁弁に関する。

従来より、例えばディーゼルエンジン用燃料噴射システムとして知られるコモンレール式燃料噴射システムでは、コモンレール内に高圧燃料を蓄え、このコモンレール内に蓄えられた高圧燃料をインジェクタを介して内燃機関の各気筒の燃焼室内に噴射供給するように構成されている。コモンレールには燃料の噴射圧力に相当する高圧燃料を常時蓄える必要があるために、低圧ポンプにて燃料を高圧ポンプに供給し、高圧ポンプにて燃料を加圧し高圧化して高圧燃料をコモンレールに供給するように構成されている。

ここで、低圧ポンプから高圧ポンプに至る燃料経路の流路開口面積を電磁弁にて調整することにより、高圧ポンプに供給される燃料の量、ひいては高圧ポンプから吐出される燃料の量を調整するようになっている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された電磁弁であり、この電磁弁は、バルブボディ１００内で往復動する可動部材１１０を備えている。そして、この可動部材１１０は、バルブボディ１００に非摺動状態で収納されて磁路を形成するアーマチャ１１２と、バルブボディ１００に摺動自在に保持されて流路を開閉する弁体１１１とが一体化されている。
特開２００２−１０６７４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された電磁弁は、以下のような問題がある。図４において、ａはアーマチャ１１２において吸引力が発生する点（以下、吸引力発生点という）であり、アーマチャ１１２においてステータ部１０２側の端部近傍の部位である。ｂは可動部材１１０が傾く際の支点であり、弁体１１１の摺動面のうちステータ部１０２側の端部である。

そして、可動部材１１０は磁気サイドフォースによる偏荷重を受けて傾き、吸引力発生点ａにおけるギャップ（すなわち、可動部材１１０とステータ部１０２との間の径方向のクリアランス）の偏りが発生する。換言すると、可動部材１１０が傾くことにより、吸引力発生点ａにおいては、その周方向の一部はギャップが大きくなり、周方向の反対側部位ではギャップが小さくなる。このギャップの偏りにより磁気サイドフォースが増加し、バルブボディ１００と弁体１１１との間の摺動抵抗が増加する。

ここで、吸引力発生点ａにおけるギャップの偏り（すなわち、最大ギャップと最小ギャップの差）をΔＧ、バルブボディ１００と弁体１１１との径方向の摺動部クリアランスをＣ、弁体１１１の摺動面の長さをＬ１、弁体１１１の摺動面における反ステータ部側の端部から吸引力発生点ａまでの長さをＬ２とすると、ΔＧ＝Ｃ×Ｌ２／Ｌ１である。すなわち、ギャップの偏りΔＧは、摺動部クリアランスＣよりも大きくなる。

本発明は上記点に鑑みて、アーマチャと弁体が一体化された電磁弁において、磁気サイドフォースの影響によるバルブボディと可動部材との間の摺動抵抗を抑制することを目的とする。

本発明は、バルブボディ（１００）に往復動自在に収納・保持される可動部材（１１０）は、バルブボディ（１００）に非摺動状態で収納されて磁路を形成するアーマチャ（１１２）と、このアーマチャ（１１２）の一端側に配置され、バルブボディ（１００）に摺動自在に保持されて流路を開閉する弁体（１１１）と、アーマチャ（１１２）の他端側に配置され、バルブボディ（１００）に摺動自在に保持されたストッパ（１１３）とを備え、アーマチャ（１１２）、弁体（１１１）、およびストッパ（１１３）が一体化されていることを特徴とする。

このようにすれば、バルブボディ（１００）と摺動する弁体（１１１）およびストッパ（１１３）がアーマチャ（１１２）の両側に配置されているため、アーマチャ（１１２）が磁気サイドフォースを受けた場合、弁体（１１１）およびストッパ（１１３）は周方向において同一の位置でバルブボディ（１００）に当接する。したがって、アーマチャ（１１２）が磁気サイドフォースを受けても可動部材（１１０）は傾かず、アーマチャ（１１２）における吸引力発生点のギャップ偏りは摺動部クリアランスまでで抑えられる。

すなわち、従来の電磁弁においては、前述したようにアーマチャにおける吸引力発生点のギャップ偏りは摺動部クリアランスよりも大きくなるのに対し、本発明では、アーマチャ（１１２）における吸引力発生点のギャップ偏りは摺動部クリアランスまでで抑えられるため、磁気サイドフォースの影響によるバルブボディ（１００）と可動部材（１１０）との間の摺動抵抗を抑制することができる。

この場合、弁体（１１１）およびストッパ（１１３）を非磁性材料製にすれば、摺動部品である弁体（１１１）およびストッパ（１１３）の磁束が弱まり、弁体（１１１）およびストッパ（１１３）に磁性異物が吸着されにくくなるため、異物による摺動不良を防止することができる。

また、可動部材（１１０）を付勢するスプリング（１３０）を備える場合、弁体（１１１）およびストッパ（１１３）のうちスプリング（１３０）が当接する部材を、焼き入れ処理もしくは冷間加工された鉄系材料とすることができる。

このようにすれば、従来の電磁弁のように軟磁性材料よりなるアーマチャ（１１２）にスプリング（１３０）が当接する場合よりも、スプリング（１３０）が当接する部材の摩耗が抑制される。

また、弁体（１１１）に対して、アーマチャ（１１２）およびストッパ（１１３）を接合することができる。

このようにすれば、摺動部品である弁体（１１１）とストッパ（１１３）の同軸度（データム軸直線と同一直線上にあるべき軸線のデータム軸直線からの狂いの大きさ）を容易に小さくすることができる。さらに、アーマチャ（１１２）とストッパ（１１３）とを接合する場合は、アーマチャ（１１２）における吸引力発生点近傍にて両者が接合されることになり、その結果、接合時の塑性変形等により吸引力発生点付近に残留応力が発生し、アーマチャ（１１２）の磁気特性が低下するのに対し、弁体（１１１）とアーマチャ（１１２）とを接合する場合は、アーマチャ（１１２）における吸引力発生点から離れた位置で両者を接合することができるため、アーマチャ（１１２）の磁気特性の低下を防止することができる。

この場合、弁体（１１１）は、バルブボディ（１００）に摺動自在に保持される弁体大径部（１１１ａ）と、この弁体大径部（１１１ａ）よりも小径の弁体小径部（１１１ｂ）とを備え、アーマチャ（１１２）は、円筒状にして弁体小径部（１１１ｂ）の外周側に配置し、ストッパ（１１３）は、弁体小径部（１１１ｂ）の端部に配置し、アーマチャ（１１２）およびストッパ（１１３）を、弁体（１１１）に対して圧入することにより、弁体（１１１）に対してアーマチャ（１１２）およびストッパ（１１３）を接合することができる。

また、弁体（１１１）とアーマチャ（１１２）を同一部材とし、ストッパ（１１３）を非磁性材料製とすることができる。

このようにすれば、部品点数低減によりコストを削減しながら、吸引力発生点のギャップ偏りを抑え、吸引力発生点付近で磁束の集中しているストッパ（１１３）部の磁性異物の吸着を防ぐことができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る電磁弁を用いたコモンレール式燃料噴射システムの全体構成を示す図である。

図１に示すように、燃料噴射システムは、高圧燃料が蓄圧される蓄圧器１を備え、この蓄圧器１には複数のインジェクタ２が接続されている。インジェクタ２は、制御装置（以下、ＥＣＵという）３に制御されて所定の時期に所定の期間開弁して、蓄圧器１から供給される高圧燃料をディーゼルエンジン（図示せず）の各気筒内に噴射する。ここでは、４気筒エンジンの１つに対応するインジェクタ２のみを示し、他の気筒に対応するインジェクタについては図示を省略している。

蓄圧器１に蓄圧される高圧燃料は、高圧通路４を介して燃料供給手段Ｐから供給される。燃料供給手段Ｐは、燃料を加圧して蓄圧器１に吐出する高圧ポンプ、燃料タンク５からフィルタ６を介して吸入した燃料を高圧ポンプへ供給する低圧ポンプ、および、この低圧ポンプから高圧ポンプへ供給される燃料の流量を調整する吸入調量弁を備えている。高圧ポンプは、燃料の吸入量が調整されることにより燃料の吐出量が調整される形式のポンプである。吸入調量弁の詳細については後述する。なお、吸入調量弁は本発明の電磁弁に相当する。

インジェクタ２には、インジェクタ２からのリーク燃料を燃料タンク５へ戻すための戻し燃料通路７が接続されている。また、燃料供給手段Ｐには、燃料供給手段Ｐからのリーク燃料を燃料タンク５へ戻すための戻し燃料通路８が接続されている。

ＥＣＵ３は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。ＥＣＵ３には、蓄圧器１内の圧力を検出する燃料圧センサ９からの信号が入力されるとともに、各種センサＳからエンジン回転数、アクセル開度等の種々の情報が随時入力される。

そして、ＥＣＵ３は、エンジンや車両の運転状態に応じた最適の噴射時期、噴射量（噴射期間）を算出して、各インジェクタ２の開弁時期および開弁期間を制御する。また、ＥＣＵ３は、燃料供給手段Ｐの目標吐出量を算出して燃料供給手段Ｐの吸入調量弁に制御信号を出力し、燃料供給手段Ｐの吐出量を制御することにより、蓄圧器１内の燃料圧力（所謂コモンレール圧力）を制御する。

図２は図１の燃料供給手段Ｐにおける吸入調量弁を示す断面図である。この図２に示すように、吸入調量弁１０は、有底円筒状のバルブボディ１００を備えている。このバルブボディ１００は、可動部材１１０（詳細後述）を摺動自在に収容・保持する円筒状の収容部１０１と、磁路形成のための有底円筒状のステータ部１０２とを備え、収容部１０１とステータ部１０２との間には薄肉部１０３が設けられている。バルブボディ１００は、ステータ部１０２をステータとして機能させるために、その材質をフェライト系ステンレス等の軟磁性材料としている。また、収容部１０１の内周面にニッケル燐メッキ等の硬化層を施して、耐摩耗性の向上および表面硬さの向上を図っている。

収容部１０１の一端には、低圧ポンプから燃料が送り込まれる入口側ポート１０４が形成されている。収容部１０１の側壁には、高圧ポンプに接続される環状の出口側溝１０５と、この出口側溝１０５と収容部１０１の内部とを連通させる軸方向に細長いスリット形状の調量溝１０６が形成されている。

ステータ部１０２の円筒状部および薄肉部１０３の外周側には、通電時に磁界を形成するコイル１２０が配置されており、このコイル１２０への通電により可動部材１１０がステータ部１０２側に吸引されるようになっている。ステータ部１０２の内側には、可動部材１１０を反吸引向きに付勢するスプリング１３０が配置されている。

可動部材１１０は、バルブボディ１１０に摺動自在に保持されて調量溝１０６の流路開口面積を調整する円筒状の弁体１１１と、バルブボディ１１０に非摺動状態で収納されて磁路を形成する円筒状のアーマチャ１１２と、バルブボディ１１０に摺動自在に保持されたリング状のストッパ１１３とを備えている。

弁体１１１は、オーステナイト系ステンレス等の非磁性材料よりなり、バルブボディ１００の収容部１０１に摺動自在に保持される弁体大径部１１１ａと、この弁体大径部１１１ａよりも小径の弁体小径部１１１ｂとを備えている。弁体大径部１１１ａと弁体小径部１１１ｂは、弁体１１１の軸方向に沿って直列に配置され、弁体小径部１１１ｂが弁体大径部１１１ａよりもステータ部１０２側に位置している。

弁体大径部１１１ａには、調量溝１０６と連通可能な環状の弁体部溝１１１ｃと、この弁体部溝１１１ｃと弁体大径部１１１ａの内部とを連通させる弁体部穴１１１ｄが形成されている。また、弁体大径部１１１ａの内部は、入口側ポート１０４に常時連通している。

そして、可動部材１１０の移動位置に応じて弁体部溝１１１ｃと調量溝１０６との連通面積が変化し、これにより、調量溝１０６の流路開口面積が調整される。なお、可動部材１１０は、バルブボディ１００の入口側ポート１０４側に圧入固定された円環状の止め輪１０６によって初期位置が規定されている。図２の状態では、可動部材１１０はスプリング１３０に付勢されて止め輪１０６に当接していて、調量溝１０６の流路開口面積は最大になっている。

アーマチャ１１２は、純鉄等の軟磁性材料よりなり、弁体小径部１１１ａの外周側に配置されている。また、アーマチャ１１２は、アーマチャ１１２における弁体大径部１１１ａ側に、すなわち、アーマチャ１１２における吸引力発生点から離れた位置に、圧入部となる圧入用円筒部１１２ａが形成されている。そして、圧入用円筒部１１２ａが弁体小径部１１１ａに圧入されて、弁体１１１とアーマチャ１１２が一体化されている。

ストッパ１１３は、オーステナイト系ステンレス等の非磁性材料よりなり、弁体小径部１１１ａの外周側で、且つアーマチャ１１２よりもステータ部１０２側に配置されている。また、ストッパ１１３は、弁体小径部１１１ａに圧入されて弁体１１１と一体化されている。

弁体大径部１１１ａの外径とストッパ１１３の外径は同径であり、弁体大径部１１１ａとストッパ１１３はバルブボディ１１０と摺動する。また、アーマチャ１１２の外径は弁体大径部１１１ａやストッパ１１３の外径よりも小径であり、バルブボディ１１０とは摺動しないようになっている。

スプリング１３０は、その一端が弁体小径部１１１ａにおけるステータ部１０２側の端部に当接し、他端がステータ部１０２に当接している。なお、スプリング１３０の一端が、ストッパ１１３に当接するようにしてもよい。

上記構成になる吸入調量弁１０は、コイル１２０に電圧が印可されるとアーマチャ１１２が電磁力によってステータ部１０２側に吸引され、可動部材１１０がステータ部１０２側に移動する。そして、コイル１２０に供給される電流がＥＣＵ３によって制御されることにより電磁力が制御され、その電磁力に応じて可動部材１１０の位置が連続的に変化し、調量溝１０６の流路開口面積は電流値に応じた開口面積に調整される。具体的には、コイル１２０に供給される電流が増加するのに伴って調量溝１０６の流路開口面積が減少し、高圧ポンプへ供給される燃料の流量が減少し、高圧ポンプから蓄圧器１へ吐出される燃料の量が減少する。

ここで、バルブボディ１００と摺動する弁体１１１およびストッパ１１３がアーマチャ１１２の両側に配置されているため、アーマチャ１１２が磁気サイドフォースを受けた場合、弁体１１１およびストッパ１１３は周方向において同一の位置でバルブボディ１００に当接する。したがって、アーマチャ１１２が磁気サイドフォースを受けても可動部材１１０は傾かず、アーマチャ１１２における吸引力発生点のギャップ偏りは摺動部クリアランスまでで抑えられるため、磁気サイドフォースの影響によるバルブボディ１００と可動部材１１０との間の摺動抵抗を抑制することができる。

また、摺動部品である弁体１１１およびストッパ１１３は非磁性材料からなるため、弁体１１１およびストッパ１１３は磁束が弱まって磁性異物が吸着されにくくなり、異物による摺動不良を防止することができる。

また、弁体１１１に対してアーマチャ１１２およびストッパ１１３が接合されているため、換言すると、弁体１１１とストッパ１１３は他の部材を介さずに接合されているため、弁体１１１とストッパ１１３の同軸度を容易に小さくすることができる。

また、弁体１１１とアーマチャ１１２は、アーマチャ１１２における吸引力発生点から離れた位置で接合されているため、吸引力発生点付近に残留応力が発生せず、アーマチャ１１２の磁気特性の低下を防止することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、弁体１１１およびストッパ１１３をオーステナイト系ステンレス等の非磁性材料としたが、図３に示す変形例のように、弁体１１１に対してアーマチャ１１２を磁性材料の同一部材とし、ストッパ１１３のみ非磁性材料としてもよい。この場合、部品点数低減によりコストを削減しながら、吸引力発生点のギャップ偏りを抑え、吸引力発生点付近で磁束の集中しているストッパ１１３部の磁性異物の吸着を防ぐことができる。

また、弁体１１１およびストッパ１１３のうちスプリング１３０が当接する部材は、オーステナイト系ステンレス等の非磁性材料を冷間加工したものや、焼き入れ処理された鉄系材料（例えば、マルテンサイト系ステンレス、クロムモリブデン鋼）にて形成してもよい。このようにすれば、スプリング１３０が当接する部材の摩耗が抑制される。

また、弁体１１１およびストッパ１１３の表面には、耐摩耗性の向上、摩擦力の低減のために必要に応じて表面処理（ＮｉＰメッキ、ＤＬＣなど）や熱処理（軟窒化など）により薄い硬化層を設けてもよい。

本発明の一実施形態に係る電磁弁を用いたコモンレール式燃料噴射システムの全体構成を示す図である。 図１の燃料供給手段Ｐにおける電磁弁（吸入調量弁）を示す断面図である。 本発明に係る電磁弁の変形例を示す断面図である。 従来の電磁弁を示す断面図である。

符号の説明

１００…バルブボディ、１１０…可動部材、１１１…弁体、１１２…アーマチャ、１１３…ストッパ、１２０…コイル。

Claims (6)

1. 通電時に磁界を形成するコイル（１２０）と、このコイル（１２０）への通電により一方の向きに吸引されて流路を開閉する可動部材（１１０）と、この可動部材（１１０）を往復動自在に収納・保持するバルブボディ（１００）とを備える電磁弁であって、
   前記可動部材（１１０）は、前記バルブボディ（１００）に非摺動状態で収納されて磁路を形成するアーマチャ（１１２）と、このアーマチャ（１１２）の一端側に配置され、前記バルブボディ（１００）に摺動自在に保持されて前記流路を開閉する弁体（１１１）と、前記アーマチャ（１１２）の他端側に配置され、前記バルブボディ（１００）に摺動自在に保持されたストッパ（１１３）とを備え、前記アーマチャ（１１２）、前記弁体（１１１）、および前記ストッパ（１１３）が一体化されていることを特徴とする電磁弁。
2. 前記弁体（１１１）および前記ストッパ（１１３）は、非磁性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記弁体（１１１）および前記ストッパ（１１３）のうちいずれか一方に当接して前記可動部材（１１０）を付勢するスプリング（１３０）を備え、
   前記弁体（１１１）および前記ストッパ（１１３）のうち前記スプリング（１３０）が当接する部材は、焼き入れ処理もしくは冷間加工された鉄系材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁弁。
4. 前記弁体（１１１）に対して、前記アーマチャ（１１２）および前記ストッパ（１１３）が接合されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電磁弁。
5. 前記弁体（１１１）は、前記バルブボディ（１００）に摺動自在に保持される弁体大径部（１１１ａ）と、この弁体大径部（１１１ａ）よりも小径の弁体小径部（１１１ｂ）とを備え、
   前記アーマチャ（１１２）は、円筒状であり、前記弁体小径部（１１１ｂ）の外周側に配置され、
   前記ストッパ（１１３）は、前記弁体小径部（１１１ｂ）の端部に配置され、
   前記アーマチャ（１１２）および前記ストッパ（１１３）は、前記弁体（１１１）に対して圧入されていることを特徴とする請求項４に記載の電磁弁。
6. 前記弁体（１１１）と前記アーマチャ（１１２）は同一部材であり、前記ストッパ（１１３）は非磁性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。

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