JP2798306B2 - 電磁作動弁 - Google Patents

電磁作動弁

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JP2798306B2
JP2798306B2 JP7503107A JP50310795A JP2798306B2 JP 2798306 B2 JP2798306 B2 JP 2798306B2 JP 7503107 A JP7503107 A JP 7503107A JP 50310795 A JP50310795 A JP 50310795A JP 2798306 B2 JP2798306 B2 JP 2798306B2
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ソートール,クリストファー
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オーラ システムズ,インコーポレーテッド
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Description

【発明の詳細な説明】 関連出願データ 本出願は、所有者を共通とし、本明細書の中にも参考
として取り入れられている1992年10月5日出願の名称
「電磁作動弁」による同時係属米国出願番号第07/957,1
94号の一部継続出願である。
発明の分野 本発明は概括的には電磁作動弁に関し、さらに特定す
れば弁座圧力の精密制御を可能にする電磁作動弁に関す
る。
発明の背景 従来、弁ばねの作用と電磁石を組み合わせる開閉機構
のために設計されてきた。たとえば、ピシンジャー(Pi
schinger)に対し発行された米国特許第4,614,170号明
細書には、電磁作動弁において開放位置から閉鎖位置
へ、また、逆に閉鎖位置から開放位置へ切り替えるため
にばねを使用することが開示されている。それらの弁で
は、コアは2つの電磁石の間の中心平衡位置にある。弁
を閉鎖すべきときには、第1の電磁石を励磁して、コア
を第1の電磁石の方へ引き付け、ばねを圧縮する。弁を
開放するときには、励磁されている第1の電磁石をター
ンオフし、第2の電磁石を励磁する。先に応力を受けて
いたばねの力によって、コアは第2の電磁石に向かって
加速されるので、コアを第1の電磁石から引き離すため
に要求される磁力は減少される。
以前の弁設計に伴う問題の1つは内燃機関の吸気弁及
び排気弁の開閉に必要とされる十分な速度、力又は行程
でもって、あるいはガス圧縮機に要求される力と行程を
得るために弁を開放、閉鎖するのに十分なほど迅速に弁
が作動しなことであった。従って、最新の内燃機関のよ
うな所望の用途に対して十分な速度で加速できる効率の
良い構成の運動コアアセンブリを提供する弁構造が必要
とされていた。
電磁作動弁の構造において起こるもう1つの問題は、
弁が適正に弁座に当接したときに上部電磁石のギャップ
をなくすために要求される厳密な機械的許容差を得るこ
とである。この問題は、弁の作動中に発生する熱膨張に
よって一層深刻になる。試験では、電磁作動装置の弁棒
は熱膨張のために約0.3ミリメートル(12/1000インチ)
伸長した。弁が閉鎖すると、磁極面は上部電磁石に接触
するが、弁棒が伸長してしまっているために弁が弁座に
正しく当接しないこともある。あるいは、コア要素が上
部電磁石に達する前に弁が弁座に当接し、弁のギャップ
がゼロにならないこともある。ギャップをなくすことは
電力消費を低レベルに維持するために望まれることであ
り、従って、弁が所望の効率レベルでは作動していな
い。
従来の構造の弁に伴う別の問題は、運動しているコア
アセンブリが作動中でないときに初期中立位置へ戻らな
ければならないことである。コア要素の初期中立位置は
第1の電磁石と第2の電磁石の双方から等距離になけれ
ばならない。前述した通り、コアアセンブリをこの中立
位置へ偏向するためにばねを使用することが知られてい
る。ところが、ばねの張力の変化は避けられず、そのた
めに、電磁石間の中央にコア要素の中立位置を得るのは
困難になっている。従って、中心中立位置を実現するた
めにコア要素の位置を手動操作で調整する手段を設ける
ことが望ましい。
発明の概要 従って、本発明の主な目的は、従来の技術の1つ又は
複数の欠点及び制限を克服することである。
本発明の重大な目的は、さらに効率の良いコアアセン
ブリ構造を形成する電磁弁を提供することである。
本発明の別の目的は、作動装置の作動中の熱膨張を補
償する電磁作動装置を提供することである。
本発明の別の目的は、厳密な機械的許容差を得るため
の手動操作調整を伴う電磁作動装置を提供することであ
る。
本発明の広い実施態様によれば、電磁作動装置は少な
くとも1つの電磁石と、電磁石がオフ状態であるときは
電磁石から離間した第1の通常偏向初期位置をとり且つ
電磁石がオンであるときには電磁石に近い第2の固定停
止位置をとる少なくとも1つのコア要素と、第1の通常
偏向位置へ前記コア要素を偏向する第1の弾性部材と、
電磁石をコアから離間するように偏向する第2の弾性部
材とを具備する。第1の弾性部材の弾性は第2の弾性部
材より大きい。従って、電磁石がオンであるとき、コア
は第2の停止位置に達するまで電磁石に近付き、電磁石
はその後もコアを第2の停止位置に近付ける。作動装置
は、第2の弾性部材に抗して電磁石の圧力を制御し、そ
れにより、電磁石の軸方向位置を制御するように電磁石
と係合する調整部材をさらに含んでいても良い。
本発明の特徴は、第1の弾性部材と第2の弾性部材の
組み合わせによって作動装置内で動いているアセンブリ
の熱膨張の補償を行うことである。
本発明の別の特徴は、調整装置がコアアセンブリの中
立位置を厳密に設定させることである。
本発明の別の特徴は、運動コアアセンブリの作動装置
の急速な加速を可能にすることである。
本発明の上記の目的、利点及び特徴並びにその他の目
的、利点及び特徴は、以下の好ましい例示実施例の説明
を添付の図面及び添付の請求の範囲と関連させて読み、
検討することによって当業者には容易に明らかになるで
あろう。
図面の簡単な説明 図1は、弁座圧力の精密制御を実行する本発明の電磁
作動弁の一実施例の横断面図である。
図2は、効率の良いコア構造を有する本発明の電磁作
動弁の別の実施例の横断面図である。
好ましい例示実施例の説明 そこで図1を参照すると、本発明の電磁作動弁10の一
実施例が横断面で示されている。図示した実施例では、
弁10は二対の電磁石要素12と、複数のコイル14と、コア
要素、すなわち、電機子要素16と、支えばね20と、弁棒
22と、弁胴24とを含む。各々の電磁石要素12は環状の形
状であるのが好ましく、中心チャンバ26を有している。
中心チャンバ26は中心縦軸28をさらに有する。
図1に示す実施例では、各対の電磁石要素12は上部電
磁石要素32と、下部電磁石要素34とからさらに構成され
ている。上下の電磁石要素は互いに対称関係にあり、上
部電磁石要素と下部電磁石要素の中心溝通路30は互いに
対向する関係にある。
上部電磁石要素と下部電磁石要素32、34の中間にはコ
ア要素16が配置されている。コア要素16は水平方向横断
面形状が環状であるのが好ましい。コア要素16は2つの
磁極面42を形成する。
コア要素16は弁棒22と内部結合している。弁棒22は電
磁石要素12の中心チャンバ26の中心縦軸28と軸方向に一
直線となるように据え付けられるのが好ましい。弁胴24
は弁を取り囲んでいる。
支えばね20も中心チャンバ26の中に配置され、弁棒22
を取り囲んでいるのが好ましい。図示した実施例では、
支えばねの下端部は弁胴24と接触する。弁は2つのコン
プライアンスばね(服従ばね)50をさらに含む。図示し
た実施例においては、コンプライアンスばねは弁胴24の
一部と下部電磁石34に接触する。上下の電磁石32、34は
スペーサ52により結合されている。スペーサ52は上部電
磁石と下部電磁石32、34との間を一定に距離に維持す
る。従って、上下の電磁石は1つのアセンブリとして作
動する。
コンプライアンスばね50は弁棒における熱膨張を補償
するために使用される。さらに詳細に言えば、弁頭54が
適正に弁座に当接したとき、コア要素16は上部電磁石32
と接触しているべきである。弁棒が膨張すれば、コア要
素は弁頭54が適正に弁座に当接する前に上部電磁石32と
接触してしまう。しかしながら、熱膨張に対応するため
に弁棒を短くした場合には、弁頭はコア要素16が上部電
磁石に接触する前に弁座に当接するであろう。
この問題を解決するために、支えばねを使用してコア
要素を第1の通常偏向位置へ偏向する。支えばねは弾性
部材であり、既知の弾性値を有する。さらに、コンプラ
イアンスばねを使用して上部電磁石をコアから引き離す
ように偏向する。コンプライアンスばねも弾性部材であ
り、その弾性値もわかっている。支えばね20とコンプラ
イアンスばね50は、支えばね20の弾性がコンプライアン
スばね50の弾性より大きくなるように選択されている。
従って、電磁石がオンであるとき、コア16は弁頭が弁座
に当接するまで上部電磁石に向かって上方へ移動する。
この時点で、コア要素16と上部電磁石32との間のギャッ
プがゼロになるまで、上記電磁石は下方のコア要素16に
向かって引き付けられる。
さらに図1を参照すると、弁は下部電磁石34と弁胴24
との間の下部コンプライアンス空間56と、上部電磁石32
と弁胴24との間の上部コンプラインアンス空間58とを含
む。コンプライアンス空間56、58があるために、上下の
電磁石はコンプライアンスばね50に抗して、弁胴24と接
触せずに動くことができる。
コンプライアンスばねは任意の弾性部材から構成され
ていれば良く、また、先に説明したのと同じ熱膨張補償
の特徴を発揮したままで、上下の電磁石アセンブリのい
ずれかの部分と係合すれば良いということを理解すべき
である。
図1を今一度参照して、本発明の別の特徴を詳細に説
明する。この特徴は電磁石調整部材60であり、コア要
素、弁棒又は弁胴の軸方向位置に影響を与えずに上下の
電磁石アセンブリを軸方向に調整することができる。従
って、弁を組み立てた後、電磁石の位置決めに必要な厳
密な機械的許容差が手動操作で得られるであろう。図示
した実施例では、電磁石調整部材60は弁胴24と螺合する
中空のねじ山付きボルト62を含む。ボルト62は中空であ
り、支えばね20を遊びをもって収納するボルト空洞64を
画成している。図示した実施例においては、ボルトを締
め付けたとき、ボルトは上部電磁石32に圧力を加えるこ
とにより、電磁石アセンブリを軸方向下向きの位置へ押
し、コンプライアンスばね50を圧縮する。同様に、ボル
ト62をゆるめたときには、コンプライアンスばね50は必
然的に電磁石アセンブリを軸方向上向きに動かすであろ
う。電磁石アセンブリの別の場所に圧力を加えるように
ボルト62を設計しても良いが、上部電磁石と下部電磁石
はスペーサ52によって内部結合されているために、電磁
石調整部材60は上下の電磁石に同時に影響を及ぼす。電
磁石調整部材60はボルト62を適正な位置に固着するため
の第1のナット65をさらに含んでいても良い。
本発明の別の特徴は支えばね調整部材66である。支え
ばね調整部材66は図1には中空のねじ部材68から構成さ
れるものとして示されている。中空のねじ部材68はボル
ト空洞64の中に螺合する。図示した実施例では、中空ね
じ部材68は支えばね20の上端部と係合する。支えばね20
はコア要素16と係合している。従って、ねじ部材68を締
め付けると、支えばねは圧縮されて、コア要素を軸方向
下向きの位置へ移動させる。ねじ部材68をゆるめたとき
には、支えばねが伸長し、コア要素を軸方向上向きの位
置へ移動させる。支えばね調整部材66はねじ部材68を所
定の位置に固着するための第2のナット72を含んでいて
も良い。
支えばね調整部材66の機能は、コア要素16を上部電磁
石と下部電磁石32、34の間に正確に位置決めすることで
ある。先に説明した通り、コア要素は両電磁石の厳密に
中間の位置にあるべきである。支えばね調整部材66は弁
を組み立てた後のコア要素の手動操作による位置決めを
可能にする。支えばね調整部材66は別の領域で支えばね
と接触していても、なお同じコア位置決め機能を果たす
ことに注意すべきである。
弁10の作動は、共に本出願の譲受人に譲渡され且つ本
明細書中に参考として取り入れられている1992年10月5
日出願の米国出願番号第07/957,194号及び1992年12月9
日出願の米国出願番号第07/988,280号の中に詳細に説明
されている。
次に図2を参照すると、独特のコア要素と電磁石の構
造が詳細に示されている。図2に示すように、電磁石要
素12は第1の面70を有する。第1の面70は中心にある溝
通路30を有する。コイル14は溝通路30内に配置される。
電磁石の第1の面70はほぼ凸型であるのが好ましい。電
機子、すなわち、コア要素16は電磁石要素12から離間し
た通常偏向初期位置にある。コア要素16は磁極面72をも
有する。コア磁極面74は電磁石要素の第1の面70に対応
するほぼ凹型である。
面70、74の角度は、電磁石要素とコア要素との接触を
広げるために、設けられている。弁の行程運動に対する
磁極面の角度は、弁を開放位置から閉鎖位置へ、また、
その逆に閉鎖位置から開放位置へ引くために要求される
電流の量を減少させる働きをする。従って、本明細書に
参考として取り入れられている1992年12月9日出願の米
国出願番号第07/988,280号に説明されているように、本
発明の構造は、弁を所望の回転速度で作動させるために
運動物質を十分に小さく維持しつつ、所望の力を得るた
めに十分な磁極面面積と、十分な磁束戻り経路と、十分
に大きい磁界とを形成するという問題を解決する。
また、本発明の弁10の別の実施例においては、二対の
電磁石要素を利用しても良いことに注意すべきである。
その場合、第1の対の電磁石は第2の対の電磁石の上に
積み重ねられる。複数対の電磁石要素と複数のコア要素
の使用は、磁束に割り当てられる面積を縮小せずに磁気
回路を完成するために要求される質量を減らすという意
味で重要である。従って、複数対の電磁石と複数のコア
要素によって必要な電流と電力は増加するが、総必要電
流及び電力が所望の通りに管理可能である。
以上、本発明の原理に従って電磁作動弁の好ましい1
つの例示実施例を説明した。当業者はここで開示した発
明概念から逸脱することなく、上述の実施例の数多くの
利用方法やその変形を考えられるであろう。従って、本
発明は次に示す請求の範囲の範囲によってのみ定義され
るものとする。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スチュアート,キース,オー. アメリカ合衆国.90630 カリフォルニ ア,サイプレス,ウェリントン コート 4556 (72)発明者 ソートール,クリストファー アメリカ合衆国.22901 ヴァージニア, シャルロッツヴィル,コモンウェルス ドライヴ 2257 ビー (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01F 7/16

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも1つの電磁石と; 該電磁石がオフであるときの前記電磁石から離間した第
    1の通常偏向初期位置と、前記電磁石がオンであるとき
    の前記電磁石に近い固定停止位置とを有する少なくとも
    1つのコア要素と; 第1の弾性レベルを有し、前記コア要素を前記第1の通
    常偏向位置へ偏向する第1の弾性部材と; 第2の弾性レベルを有し、前記電磁石を前記コアから離
    間させるように偏向する第2の弾性部材とを具備し、前
    記第1の弾性レベルは第2の弾性レベルより大きく、そ
    のため、前記電磁石がオンであるとき、前記コア要素は
    前記固定停止位置に到達するまで前記電磁石に近付き、
    その後、前記電磁石は前記コア要素を前記固定停止位置
    に近付ける電磁作動弁。
  2. 【請求項2】第2の弾性部材に抗して電磁石の圧力を制
    御することにより、該電磁石の軸方向位置が制御される
    ように前記電磁石と係合する電磁石調整部材をさらに具
    備する請求項1記載の電磁作動弁。
  3. 【請求項3】各対の電磁石が上記電磁石と、下部電磁石
    とからさらに構成され、該対の上部電磁石と下部電磁石
    は、前記上部電磁石と前記下部電磁石との中間にコア要
    素を挟んで互いに対称関係にある少なくとも一対の電磁
    石と; 前記対の上部電磁石と下部電磁石とを結合し、前記上部
    電磁石と前記下部電磁石との間を所定の間隔に維持する
    スペーサと; 第2の弾性部材に抗して前記下部電磁石の圧力を制御す
    ることにより、前記電磁石の軸方向位置が制御されるよ
    うに前記上部電磁石及び前記下部電磁石のうち一方と係
    合する電磁石調整部材とをさらに具備する請求項1記載
    の電磁作動弁。
  4. 【請求項4】第1の弾性部材の張力を制御することによ
    り、コア要素の中立位置が制御されるように第1の弾性
    部材と係合する弾性部材調整部材をさらに具備する請求
    項1記載の電磁作動弁。
  5. 【請求項5】閉鎖位置を有し且つ熱膨張を示す弁棒を有
    する温度補償電磁作動弁において、 少なくとも1つの電磁石と; 前記弁棒に取り付けられ、前記電磁石がオフであるとき
    の前記電磁石から離間した第1の通常偏向初期位置と、
    前記電磁石がオンであるときの前記電磁石に近い第2の
    中間位置とを有し、前記第2の中間位置は弁棒の熱膨張
    に関連して変化し且つ弁閉鎖位置に対応するような構造
    の少なくとも1つのコア要素と; 第1の弾性レベルを有し、前記コア要素を前記第1の通
    常偏向位置へ偏向する第1の弾性部材と; 第2の弾性レベルを有し、前記電磁石を前記コア要素か
    ら離間するように偏向する第2の弾性部材とを具備し、
    前記第1の弾性レベルは第2の弾性レベルより大きく、
    そのため、前記電磁石がオンであるとき、前記コア要素
    は前記第2の位置に到達するまで前記電磁石に近付き、
    その後、前記電磁石は前記コア要素を前記第2の位置に
    近付ける温度補償電磁作動弁。
  6. 【請求項6】第2の弾性部材に抗して電磁石の圧力を制
    御することにより、該電磁石の軸方向位置が制御される
    ように前記電磁石と係合する電磁石調整部材をさらに具
    備する請求項5記載の温度補償電磁作動弁。
  7. 【請求項7】各対の電磁石が上部電磁石と、下部電磁石
    とからさらに構成され、該対の上部電磁石と下部電磁石
    は、前記上部電磁石と前記下部電磁石との中間にコア要
    素を挟んで互いに対称関係にある少なくとも一対の電磁
    石と; 前記対の上部電磁石と下部電磁石とを結合し、該上部電
    磁石と下部電磁石との間を所定の間隔に維持するスペー
    サと; 第2の弾性部材に抗して前記下部電磁石の圧力を制御す
    ることにより、前記電磁石の軸方向位置が制御されるよ
    うに前記上部電磁石及び前記下部電磁石のうち一方と係
    合する電磁石調整部材とをさらに具備する請求項5記載
    の温度補償電磁作動弁。
  8. 【請求項8】第1の弾性部材の張力を制御することによ
    り、コア要素の中立位置が制御されるように前記第1の
    弾性部材と係合する弾性部材調整部材をさらに具備する
    請求項5記載の温度補償電磁作動弁。
  9. 【請求項9】各対の電磁石が上部電磁石と、下部電磁石
    とからさらに構成され、各々が中心チャンバを形成する
    環状水平横断面を有し、さらに、前記対の上部電磁石と
    下部電磁石が互いに対称関係にある構造の少なくとも一
    対の電磁石と; 環状水平横断面を有し且つ前記上部電磁石と前記下部電
    磁石との中間に配置されている少なくとも1つのコア要
    素と; 電磁石の中心チャンバの中に配置され、前記コア要素を
    中立位置へ偏向するための張力を有するばねと; 該ばねの張力を制御し、それにより、前記コア要素の中
    立位置が制御されるように前記ばねと係合するばね調整
    部材とを具備する電磁作動装置。
  10. 【請求項10】対の上部電磁石と下部電磁石とを結合
    し、前記上部電磁石と前記下部電磁石との間を所定の間
    隔に維持するスペーサをさらに具備する請求項9記載の
    電磁作動装置。
  11. 【請求項11】コア及びコイルを含み、該コアは第1の
    面と、該第1の面にあり、前記コアを貫通する開口とを
    有し、前記第1の面は前記開口の周囲に延出する中心溝
    通路をさらに有し、前記コイルは該中心溝通路の中に配
    置され、前記第1の面はほぼ凸型である電磁石要素と; 該電磁石要素から離間した通常偏向初期位置にあり且つ
    さらに電機子磁極面を有しており、該電機子磁極面は前
    記電磁石要素の第1の面に対応するようにほぼ凹型であ
    る電機子要素とを具備する電磁作動装置。
JP7503107A 1993-06-28 1994-06-27 電磁作動弁 Expired - Lifetime JP2798306B2 (ja)

Applications Claiming Priority (4)

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