JPS589307B2 - 比例形電磁弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自動車の排出ガス浄化システム等に用いられる
比例形電磁弁の改良に関するものである。

第１図は従来提案されていた比例形電磁弁の断面図で、
犬別して電磁駆動体１と流量制御機構２との２部分で構
成されている。

電磁駆動体１は円筒形のコイル３の中心部に固定鉄心４
と可動鉄心５とを配置し、その対向端面ば互いに平行な
円錐面を形成させている。

６はエンドプレートでケース７と共に磁気回路を形成し
、可動鉄心５のストロークに応じて磁気回路の合計パー
ミアンスが一定になるように補正する構造となっている
。

可動鉄心５の中心部には機械的出力を得るための出力軸
８が固着され、軸受け９によって支持されている。

一方流量制御機構２は、制御通路１０に設けたシート部
１１．１２に出力軸８に取付けた円錐形の流量制御弁１
３．１４が対向し、出力軸８が移動すると流路断面積が
変化するように構成されている。

出力軸８の先端はガイドふた１５の管状突起部内を移動
し、このガイドふた１５と流量制御弁１４との間にはス
プリング１７が設置されている。

非磁性金属で作られたボデー１６はガイ下ぶた１５と共
に制御通路１０を形成し、その左端はケース７に接続さ
れている。

なお、シート部１１，１２を通過する流体の流量制御弁
１３．１４に及ぼす推力は矢印に示すように流線を対向
させているので互いに打消される。

第２図は比例形電磁弁のコイル電流と制御流量との理想
的な関係を示す線図で、コイル電流■の広範囲に亘って
電流に比例した制御流量Ｑａが得られることが要求され
る。

しかし従来の比例形電磁弁においてはこのような特性を
得ることは困難で、その理由を第１図を用いて説明する
。

即ち、コイル３に所定の定電圧電流を与えるとそれに比
例した電磁力が働らき、可動鉄心５がスプリング１７の
ばね力に抗して矢印１９の方向に移動して開弁ずるが、
電磁力とスプリング１７の力がバランスした位置で停止
する。

更にコイル３に与える電流を増加させると可動鉄心５が
固定鉄心４に接近し、電流を断ては可動鉄心５はスプリ
ング１７によって矢印１８の方向に戻され流量制御弁１
３．１４がシート１１．１２を開止するようになる。

しかし実際には、電磁力の非直線性、可動部の摩擦抵抗
、スプリング１７のばね力の非直線性等によって、電流
一出力軸８のストロークは比例関係とはならない。

また、シート部１１．１２は丸孔であるので流量制御弁
１３．１４を円錐形にしたときは、両者が形成する流路
断面積である環状の隙間面積は出力軸８のストロークに
比例しないことになる。

以上の２つが原因となって第２図に示すような電流一制
御流量特性を得ることは困難となり、次に示す第３図の
ような特性を示していた。

第３図は従来の比例形電磁弁のコイル電流■と制御流量
Ｑａとの関係を示す線図で、スプリング１７のばね定数
が小（柔いばね）であるときは、曲線ａで示すように小
電流の範囲で急速に制御流量Ｑａが増加して飽和状態と
なり、電流を停止しても流量制御弁１３．１４が完全に
閉止しない。

また、電流■を増減したときのヒステリシス幅Ｃが犬と
なっている。

これとは反対にばね定数が太きいばね（剛いばね）をス
プリング１７に用いたときは、セット荷重（ばねが変形
し初める荷重）が必然的に大きくなり電流がｄになった
ときに初めて可動鉄心５が動き初めるようになり、電流
■を増加させても可動鉄心５はあまり移動しない。

即ち、曲線ｂは電流ｄだけずれた所からゆるやかに立上
り流量制御弁１３．１４を全開させることができないよ
うになる。

そこで流量制御弁１３，１４の動きを全開状態まで拡大
させるためにコイル３に供給する電流を増加させると、
駆動回路のパワートランジスタが発熱する等の問題点を
生じてくる。

更に所定の流量を得るために可動鉄心５のストロークを
増大させると固定鉄心４、可動鉄心５の対向円錐面のテ
ーパー角を小にしなければならず、電磁駆動体１が大形
化する等の欠点を生ずる。

以上のことは１個のスプリング１７で可動鉄心５と連動
する流量制御弁の動きを好適に制御することは不可能で
あることを示すものである。

本発明は入力電気量に比例した流体流量を得るに好適な
比例形電磁弁を提供することを目的とし、円筒形のコイ
ルの中心部に対向斜面を平行な円錐形に形成した固定鉄
心と可動鉄心とを配置し、上記コイルに供給する入力電
気量に対し上記可動鉄心のストロークが比例関係を有す
る電磁駆動体と、制御通路内に設けた少くとも１個のシ
ート部にそれぞれ対向する円錐形の流量制御弁をもつ出
力軸の一端を上記可動鉄心に取付けると共に、上記出力
軸の上記流量制御弁を上記シート部を閉止させる方向に
押すコイル状のスプリングを上記出力軸の端部に設置し
た流量制御機構とを備えた比例形電磁弁において、上記
可動鉄心の上記出力軸とは反対側に上記出力軸の上記流
量制御弁を開弁させる方向に作用する第２のスプリング
を設置すると共に、そのはね定数を上記コイル状のスプ
リングのはね定数の１／２〜１／１０の値に設定し、上
記流量制御弁を変形円錐状に形成してなることを特徴と
するものである。

即ち、コイル状のスプリング（第１のスプリング）と第
２のスプリングとを共通の出力軸の反対方向にばね力が
作用するように配置し、そのばね力がバランスした時に
流量制御弁がシート部を閉止するように構成する。

このようにすれば、コイルに通電を開始した時点から流
量制御弁を開弁させることができると共に、コイル電流
値が犬となる迄広い範囲に亘って電流に比例した流量制
御弁の変位量を得ることが可能となる。

いま、第１のスプリングのはね定数をＫ１、第２のスプ
リングのはね定数をＫ２、夫々のばねのセット長を１１
，ｌ２、自由長をＨ，，Ｈ２とすると、夫々のたわみ量
は（Ｈｌ一１１），（Ｈ２一ｔ２）となり、コイルに電
流を通していないセット時の各スプリングの荷重は次式
で表わされる。

ｆｌ＝Ｋｔ（Ｈｔ一１ｔ）……（１） ｆ２＝Ｋ２（Ｈ２一１２）……（２） したがって、セット時の合成荷重は次のようになる。

ｆ１−７ｆ２一Ｋ１（Ｈ０−１１）一Ｋ２（Ｈ２一１２
）一〇…（３）次にコイルに通電して可動鉄心と出力軸
が流量制御弁が開弁ずる方向にＸだけ移動したときの第
？のスプリングと第２のスプリングの夫々の荷重は、 Ｆ１−Ｋ，｛Ｈｌ−（１２−Ｘ）｝……（４）Ｆ２−Ｋ
２｛Ｈ２−（ＩＩ−Ｘ））……（５）となる。

したがって、この場合の合成荷重Ｆは次式で示される。

Ｆ＝Ｆ，−Ｆ２＝（Ｋｔ一Ｋ２）Ｘ―Ｋ＋（Ｈ１一１）
”２（Ｈ２一’２）……（６） 即ち、合成のはね定数は両スプリングのばね定数の差（
方向が互いに反対であるので絶対値は和となる）として
示され、はね定数Ｋの１個のスプリングと同様に作用す
る。

Ｋ−Ｋ１−Ｋ２……（７） 即ち、自動車等の振動があっても安定に作動するには成
程度のセット荷重とばね定数Ｋが必要であるが、これを
１個のスプリングで達成することはできないので、強弱
１対のスプリングを組合わせ使用して目的を達成してい
る。

このようなスプリングの組合わせは制御対象の流体や比
例制御弁の大きさ等によって変化するがＫ２をばね力の
強い方とすると、Ｋ１／Ｋ２を１／２〜１／１０の広範
囲に亘って所期の目的を達成することが可能となる。

一方、流量制御弁の変位量と燃料流量との比例性は、制
御弁が円錐形の場合は得られない。

一般に円錐体の中心軸に垂直な断面積はその半径の自乗
に比例して変化するので、この発明では、流量制御弁と
円形のシート部（開口）との間の流路断面積を流量制御
弁の移動量に比例させるために、流量制御弁の断面を２
次曲線状（変形円錐状）に形成する。

第４図は本発明の一実施例である比例形電磁弁の断面図
で、第１図と同じ部分には同一符号を付してある。

可動鉄心５の左端に設けた空間２１に第２のスプリング
２０が設置されている。

この第２のスプリングは出力軸８に対し矢印１９の方向
にばね力が作用する圧縮ばねで、スプリング１７のばね
力の方向である矢印１８の力を打消すように作用する。

この力関係を線図で示すと第５図のようになる。

第５図は第４図の比例形電磁弁の出力軸のストロークと
ばね力および電磁力との関係を示すもので、横軸は出力
軸のストローク、縦軸はばね力および電磁駆動体１に働
らく電磁力を正負の方向で示している。

ｅをスプリング１７の特性線とするとぞの勾配ははね定
数であり、ｅ１はセット荷重である。

同様にｆを第２のスプリング２０の特性線とすると、そ
の勾配であるばね定数はスプリング１γより小さく、セ
ット荷重ｆ１はｅ１と同じで反対方向に働く。

スプリング１７と第２のスプリング２０との合成特性線
はｇであり、各々のセット荷重ｅ１＋ｆ１が等しいので
セット荷重が零の状態から出力軸８を始動させることに
なる。

そして両スプリングの合成特性線ｇは各ストロークにお
ける両スプリングのばね力の和で表わされ、ｇ線の勾配
は仮想合成ばねのはね定数に相当する。

また、出力軸８のストロークと電磁力との関係はｈ線で
示され、電磁力が零である原点から出力軸８を移動させ
ることが可能となる。

発明者等の実験結果によれば、第２のスプリング２０の
ばね定数はスプリング１７のばね定数の１／２〜１／１
０にすることが好適で、特に１／５程度が最も好適であ
る。

このようにすれば第３図の線ａが示すように流量制御弁
１３，１４を閉止不能になったり、線ｂが示すように電
流がｄになってから流量制御弁１３．１４が開弁し始め
ることもない。

また電磁駆動体１を大形化させる必要も生じない。

さて、上記のように流量制御弁１３．１４の変位とコイ
ル３に流す電流との間に比例関係を持たせることが第２
図のように制御流量Ｑａと電流■とを比例させる基本的
事項であるが、これだけでは不十分である。

伺故ならば前記のように丸孔であるシート部Ｉ１，１２
に円錐形の流量制御弁１３．１４を対向設置させた場合
は、両者が形成する環状隙間面積は直線的に変化しない
からである。

この点を解決したのが次に述べる流量制御弁の改良であ
る。

第６図は第４図の流量制御弁１３．１４の形状を説明す
る図である。

シート部１１の開口直径が流量制御弁１３のＫ−Ｋ’の
直径寸法に等しく出力軸８の直径をｊ−ｊ’とし、流量
制御弁１３の移動距離をＬとすると、流量制御弁１３の
ｊ−ｋ間を２次曲線状の断面をもつふくらんだ円錐面と
することによって出力軸８のストロークと環状の流路断
面積とを比例させることができる。

実線で示すｊ−１−ｋ線はこのような変形円錐面である
が、面の工作を簡略化するためにｊと１．１とｋを別個
の直線で結んだ形状にしても近似的な効果が得られる。

以上本実施例の比例形電磁弁は、可動鉄心の出力軸を流
量制御弁が閉じる方向に押しているスプリングの反対側
に比例的はね力の弱い第２のスプリングを設置すると共
に、流量制御弁をふくらませた円錐形状に形成すること
によって、電磁駆動体に流す電流と制御流量とを正比例
する関係に改善できるという効果が得られる。

第７図は第６図の変形例である流量制御弁１３，１４の
形状を説明する図で、第６図と同一部分には同じ符号を
付してある。

この流量制御弁１３は出力軸８のストロークと電磁駆動
体１に流す電流との比例性を更に向上させるために円錐
面のふくらむ形を実験の結果求めたものであり、ｊ−ｋ
線は波形に形成させてある。

これは出力軸８のストロークが大になった時に生ずる制
御流量Ｑａの低下を補正するために特に出力軸８に近い
方を変形させたものである。

このように比例形電磁弁の流体の制御流量の補正を流量
制御弁の円錐面の形状を変形させることによって行い、
出力軸８のストロークに対する制御流量との比例性を向
上させることができるが、必要な場合は特定の出力軸８
の移動位置において制御流量を特に増減させて自動車の
運転性の向上や排気組成の浄化に役立たせるということ
も、流量制御弁の形状を調節することによって可能とな
る。

なお、この比例形電磁弁は自動車の排気ガス浄化システ
ム用の空気量制御に用いられるものとして説明したが、
これに限ることなく液体燃料等の流量制御用としても使
用することができる。

本発明の比例制御弁は、流量制御弁を形成している出力
軸を開弁ずる方向に移動させる第１のスプリングに対抗
する第２のスプリングを設置し、そのばね力が均衡した
時に流量制御弁がシート部を閉止するように構成してい
るので、コイルに通電を開始した時から電流に比例して
出力軸を移動させて開弁ずることができる。

また、流量制御弁の形状をふくらんだ円錐形に形成する
ことによって、出力軸のストローク、即ち、コイル電流
と制御流量とを比例させることができる（第２図参照）
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の比例形電磁弁の断面図、第２図は比例形
電磁弁の理想的なコイル電流と制御流量との関係を示す
線図、第３図は第１図の比例形電磁弁のコイル電流と制
御流量との関係を示す線図、第４図は本発明の一実施例
である比例形電磁弁の断面図、第５図は第４図の比例形
電磁弁の出力軸のストロークとばね力および電磁力との
関係を示す線図、第６図は第４図の流量制御弁の形状を
説明する図、第７図は第６図の変形例である流量制御弁
の形状を説明する図である。 １…一電磁駆動体、２……流量制御機構、３ｗ…コイル
、４……固定鉄心、５……可動鉄心、８……出力軸、１
０……制御通路、１１．１２……シート部、１３，１４
……流量制御弁、１７……スプリング、２０……第２の
スプリング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 円筒形のコイルの中心部に対向斜面を平行な円錐形
   に形成した固定鉄心と可動鉄心とを配置し、上記コイル
   に供給する入力電気量に対し上記可動鉄心のストローク
   が比例関係を有する電磁駆動体と、制御通路内に設けた
   少くとも１個のシート部にそれぞれ対向する円錐形の流
   量制御弁をもつ出力軸の一端を上記可動鉄心に取付ける
   と共に、上記出力軸の上記流量制御弁を上記シート部を
   閉止させる方向に押すコイル状のスプリングを上記出力
   軸の端部に設置した流量制御機構とを備えた比例形電磁
   弁において、上記可動鉄心の上記出力軸とは反対側に上
   記出力軸の上記流量制御弁を開弁させる方向に作用する
   第２のスプリングを設置すると共に、そのばね定数を上
   記コイル状のスプリングのぱね定数の１／２〜１／１０
   の値に設定し上記流量制御弁を変形円錐状に形成してな
   ることを特徴とする比例形電磁弁。