JP2004003599A

JP2004003599A - 電磁駆動装置

Info

Publication number: JP2004003599A
Application number: JP2002370696A
Authority: JP
Inventors: Noboru Matsuzaka; 松坂　昇; Hiroyuki Nakane; 中根　浩幸; Koji Iwase; 岩瀬　厚司
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-01-08
Also published as: US6987437B2; DE10314186A1; US20030184422A1

Abstract

【課題】可動コアとその収容部とが直接摺接する摺接面の摩耗を低減すること。
【解決手段】電磁駆動装置１００は、可動コア３０と、可動コア３０を往復移動自在に収容する収容部１２と往復移動方向の一方向へ可動コア３０を吸引する磁力を可動コア３０に作用する吸引部１３とを有し、可動コア３０と共に磁気回路を形成する固定子１０とを備える。収容部１２と可動コア３０とが摺接する摺接面１２ａ，３０ａの少なくとも一方は、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理又は窒化処理が施されており、処理後の面粗さが所定の範囲内に設定されている。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動装置、詳しくは、可動コアを収容する収容部に磁気回路の一部を形成させる電磁駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁駆動装置として、特開２００１−３３２４１９に記載されるように、可動コアを往復移動自在に収容する収容部と往復移動方向の一方向へ可動コアを吸引する磁力を可動コアに作用する吸引部とを有する固定子を備え、固定子に、コイルへの通電により発生した磁束の磁気回路を可動コアと共に形成させるよう構成させた電磁駆動装置が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような電磁駆動装置では、収容部と可動コアとが直接摺接するようになるため、両者の摺接面の摩耗が問題となる。
【０００４】
そして、本発明者らは、摺接面の耐摩耗性を向上させるために、可動コア側の摺接面にＮｉ−Ｐめっき又はＮｉ−Ｐめっきと熱処理を施すとともに、収容部側の摺接面にガス軟窒化処理を施すようにした場合、次に述べるような問題を生じることを見出した。つまり、上記のような表面処理を施した摺接面を有する比例電磁弁である電磁駆動装置を、車両用自動変速機の油圧制御装置に供給する作動油の油圧を制御する油圧制御弁に使用した場合、コイル電流に対する作動油圧力特性が、厳しい公差規格内に収まるものの、同一のコイル電流値に対する可動コアの位置が、可動コアの移動方向によって合致せず、比較的大きなヒステリシス（吸引力ヒステリシス）が発生することを見出した。
【０００５】
本発明者らは、上記のようなヒステリシスの発生原因について鋭意検討をしたところ、ガス軟窒化処理が施された摺接面の最表面に多孔質層が１〜２μｍの厚さで形成されており、この多孔質層の存在によって割合大きなヒステリシスが発生することを見出した。
【０００６】
また、電磁駆動装置を長期にわたって駆動すると、多孔質層が剥がれ落ち、摺動異常を引き起こす。この対策として、特開平４−２２１８１０号公報に開示された電磁弁では、可動鉄心を窒化処理（タフトライド処理）をして表面硬度を上げた後、ラップ処理をして表面粗さを上げて、ガイド材との摩擦を抑えるようにしているが、このように多孔質層を無作為に削除することは生産性を低減させる原因となる。本発明者らは、この点に関して、さらに検討を行った結果、面粗さと摩耗量の関係は図５に示すように３．２Ｒｚ以下で摩耗量が大きく低減されることを見出した。
【０００７】
本発明は、上記のような知見に基づきなされたものであり、少なくとも一方の摺接面の硬度を高めて長寿命化を図るとともに、その面粗さを最適化して生産性を向上させることができる電磁駆動装置を提供することを主な目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、可動コアと、前記可動コアを往復移動自在に収容する収容部と、往復移動方向の一方向へ前記可動コアを吸引する磁力を該可動コアに作用する吸引部とを有し、前記可動コアと共に磁気回路を形成する固定子とを備え、前記収容部と前記可動コアとが摺接する摺接面の少なくとも一方は、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理又は窒化処理が施されており、処理後の面粗さが所定の範囲内に設定されていることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、摺接面の少なくとも一方に、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理又は窒化処理を施すようにしたため、ガス軟窒化処理等が施された摺接面の硬度が高まるとともに面粗さを所定の範囲内にしたことで他方の摺接面の摩耗量を低減させることができ、両摺接面の摩耗が減少する。その結果、ヒステリシスが低減し、特に、比例制御式の電磁弁に適用した場合には、その作動特性を良好に維持することが可能となる。
【００１０】
尚、面粗さの範囲としては３．２Ｒｚ以下が望ましい。この面粗さを３．２Ｒｚ以下に設定する方法としては、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理又は窒化処理を施した後に多孔質層除去加工を行う、あるいは、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理又は窒化処理が施される前の面粗さを３．２Ｒｚ以下にすることで行うことができる。特に、後者の場合には、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理又は窒化処理後の表面の多孔質層除去加工は施す必要がないという利点がある。
【００１１】
さらに、窒化処理された摺接面の面粗さを最適化することで、必要最低限の加工工数で電磁駆動装置を製造することができ、生産性を向上させることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、一実施形態に係る電磁駆動装置が組み込まれた流量制御装置の断面図を示す。この流量制御装置は、例えば車両等の自動変速機の油圧制御装置に供給する作動油の油圧を制御するスプール型油圧制御弁である。
【００１４】
図１において、流量制御装置は、電磁駆動装置１００と弁部２００とから構成される。
【００１５】
（１）電磁駆動装置１００
電磁駆動装置１００は、リニアソレノイドを構成しており、固定子１０と円柱状の可動コア（プランジャ）３０とを備える。
【００１６】
固定子１０は、磁性材からなる山高帽子状の中空なステータコア１１を有する。ステータコア１１は、可動コア３０を図１における上下方向へ往復移動自在に収容する収容部１２と、この収容部１２から弁部２００に向かって延設され、収容部１２よりも小さな内径をもち、可動コア２００に磁気吸引力を作用する吸引部１３とを有する。
【００１７】
収容部１２の表面には、図２に示すように、非磁性層１２ａが形成されている。非磁性層１２ａは、図３に示すように、ステータコア１１の母材例えば硬度４００Ｈｖ程度の鉄材１２ｂに、ガス軟窒化処理（内部に窒素やアンモニアが入っている炉内にステータコア１１を入れ、所定温度例えば５８０℃下に所定時間例えば８５分間ステータコア１１を放置する処理）を施して鉄材１２ｂの表面に厚さ約７〜２０μｍ、硬度１０００Ｈｖ程度の窒化層１２ｄを形成した後、その表面の厚さ１〜２μｍの多孔質層１２ｃ（図３図示二点鎖線から上の部分）を除去加工することによって形成され、その面粗さは３．２Ｒｚ以下に設定されている。
【００１８】
収容部１２と吸引部１３との境界付近は、薄肉に形成され、吸引部１３から収容部１２へ向かう磁束を制限することによって吸引部１３の磁気吸引力を確保する磁気抵抗部１４を構成している。
【００１９】
ステータコア１１の外周側の凹部１１ａには、インサート成形により樹脂成形体１５が固着されており、この樹脂成形体１５には、コネクタ（図示せず）を介して外部から給電を受けるコイル１６が埋設されている。樹脂成形体１５は、吸引部１３を囲くるんでおり、可動コア３０と対向する部位は、可動コア３０の弁部２００に向かう方向への移動を規制するストッパー１７を構成する。
【００２０】
ステータコア１１および樹脂成形体１５は、磁性材からなる有底円筒状のヨーク１８の内部に収容されている。ヨーク１８の開口端１８ａは、樹脂成形体１５の弁部側の端面１５ａに弁部２００のハウジング（スリーブ）５０の樹脂成形体側の端面５０ａを合わせた状態でかしめられ、電磁駆動装置１００と弁部２００とが一体化されている。
【００２１】
可動コア３０の表面には、図２に示すように非磁性層３０ａが形成されている。非磁性層３０ａは、磁性材からなる可動コア３０の母材例えば純鉄材３０ｂの表面に、Ｎｉ−Ｐめっきを施し、さらに、硬度を９００Ｈｖ程度まで高めるための熱処理を施すことによって形成されている。なお、熱処理は加えなくてもよい。
【００２２】
上記のように構成される電磁駆動装置１００において、コイル１６に電流が供給されると、ヨーク１８、ステータコア１１および可動コア３０によって構成される磁気回路に磁束が流れ、ステータコア１１の吸引部１３から可動コア３０に対して磁気吸引力が作用し、可動コア３０は図１の下方へ移動する。そして、この可動コア３０の下方への移動は、ストッパー１７によって規制される。また、コイル１６への通電が遮断されると、磁気吸引力が消失し、可動コア３０は、後述するスプリング６０の付勢力によって図１の上方へ移動する。
【００２３】
このような可動コア３０の往復移動時、可動コア３０の非磁性層３０ａおよび収容部１２の非磁性層１２ａは、互いに摺接する摺接面となる。
【００２４】
（２）弁部２００
弁部２００は、可動コア３０の軸線の延長線上に軸線が位置するスプール４０と、このスプール４０を図１における上下方向へ往復移動自在に収容するハウジング５０と、このハウジング５０の先端に配置されスプール４０を可動コア３０に向けて常時押圧するスプリング６０とを備える。
【００２５】
スプール４０は、可動コア３０とスプリング６０との間に配され、電磁駆動装置１００の内部へ突出し可動コア３０の端面に常時当接しているロッド部４１と、このロッド部４１から軸方向へ延設された小径ランド部４２と、この小径ランド部４２から軸方向へ延設された、小径ランド部４２より小径なフィードバック室形成用小径連結部４３と、この小径連結部４３から軸方向へ延設された入力側大径ランド部４４と、この大径ランド部４４から軸方向へ延設された出力室形成用小径連結部４５と、この小径連結部４５から軸方向へ延設されたドレイン側大径ランド部４６と、この大径ランド部４６から軸方向へ延設されたスプリング受部４７とを有する。
【００２６】
ハウジング５０は、フィードバック室形成用小径連結部４３の外周面に対向して開口したフィードバックポート５１と、入力側大径ランド部４４の外周面に対向して開口した入力ポート５２と、出力室形成用小径連結部４５の外周面に対向して開口した出力ポート５３と、ドレイン側大径ランド部４６の外周面に対向して開口したドレインポート５４とを有する。入力ポート５２は、図示しないタンクからポンプによって供給される作動油が流入するポートである。出力ポート５３は、図示しない自動変速機の係合装置に作動油を供給するポートである。フィードバックポート５１は、図示しない箇所で出力ポート５３と連通しており、出力ポート５３から流出した作動油の一部を導入するポートである。ドレインポート５４は、タンクに作動油を排出するポートである。
【００２７】
上記のように構成される弁部２００において、電磁駆動装置１００のコイル１６に電流が供給されていないときには、可動コア３０に上記磁気吸引力が作用しないため、スプール４０は可動コア３０から付勢力を受けない。このとき、スプール４０は、スプリング６０によって可動コア３０に向かう方向の付勢力を受けるとともに、入力側大径ランド部４４の端面面積と小径ランド部４２の端面面積との面積差に基づきフィードバックポート５１のフィードバック作動油によってスプリング６０に向かう方向の付勢力を受け、両付勢力が釣り合う位置に位置する。このとき、入力ポート５２、出力ポート５３間のハウジング周壁部５５と入力側大径ランド部４４とが対面している箇所の軸方向長さつまりシール長は、フィードバック作動油の油圧が同一であるときのコイル通電時のシール長よりも短く、入力ポート５２から出力ポート５３へ流れる作動油の量は多い。また、出力ポート５３、ドレインポート５４間のハウジング周壁部５６とドレイン側大径ランド部４６とが対面している箇所の軸方向長さつまりシール長は、フィードバック作動油の油圧が同一であるときのコイル通電時のシール長よりも長く、出力ポート５３からドレインポート５４へ流れる作動油の量は少ない。
【００２８】
コイル１６に電流が供給されているときには、可動コア３０に磁気吸引力が作用することから、スプール４０は、上記のスプリング６０による付勢力、フィードバック作動油による付勢力の他に、可動コア３０による付勢力を受ける。そして、スプール４０は、スプリング６０による付勢力と、フィードバック作動油による付勢力に可動コア３０による付勢力を加えた付勢力とが釣り合う位置に位置する。このとき、入力ポート５２、出力ポート５３間のハウジング周壁部５５と入力側大径ランド部４４とが対面している箇所の軸方向長さつまりシール長は、フィードバック作動油の油圧が同一であるときのコイル非通電時のシール長よりも長く、入力ポート５２から出力ポート５３へ流れる作動油の量は少ない。また、出力ポート５３、ドレインポート５４間のハウジング周壁部５６とドレイン側大径ランド部４６とが対面している箇所の軸方向長さつまりシール長は、フィードバック作動油の油圧が同一であるときのコイル非通電時のシール長よりも短く、出力ポート５３からドレインポート５４へ流れる作動油の量は多い。
【００２９】
また、コイル１６に電流が供給されているときには、可動コア３０に作用する磁気吸引力は電流量に比例するものとなるため、フィードバック作動油の油圧が同一であるとき、電流量が多い程、スプール４０はスプリング６０寄りになり、入力ポート５２から出力ポート５３へ流れる作動油の量は少なく、また、出力ポート５３からドレインポート５４へ流れる作動油の量は多い。
【００３０】
上述したように、可動コア３０には、母材３０ｂの表面にＮｉ−Ｐめっきを施し、必要に応じて熱処理を施すことによって、硬度９００Ｈｖ程度の非磁性層３０ａが形成されている。また、ステータコア１１の収容部１２には、母材１２ｂの表面に、ガス軟窒化処理を施して硬度１０００Ｈｖ程度の窒化層１２ｄを形成した後、その表面の多孔質層１２ｃを除去加工することによって、非磁性層１２ａが形成され、表面の粗さは３．２Ｒｚ以下に設定されている。
【００３１】
ここで、多孔質層除去加工の方法として、小粒片（鋼粒など）を加速して加工面に衝突させるショットブラストや、研磨剤を付けて加工面を磨くラップ仕上げを挙げることができる。
【００３２】
図４は、ガス軟窒化処理後の摺接面の面粗さに対する相手材摩耗量及びヒステリシスの関係を表した実験データのグラフである。ここで、相手材摩耗量は、車両を２０万ｋｍ走行させたときを想定して可動コア３０を４００万回往復動させたときに生じた可動コアの磨耗量である。
【００３３】
図４のグラフから、多孔質層１２ｃを一部除去した後の摺接面１２ａに対する相手材３０の摩耗量は、多孔質層１２ｃを除去する前の摺接面１２ｄに対する相手材３０の摩耗量より小さいことが分かる。しかし、多孔質層１２ｃを除去する前の摺接面１２ｄであっても、所定の公差規格例えば１２μｍを十分にクリアすることができた。
【００３４】
また、ガス軟窒化処理が施された摺接面１２ｄ又は１２ａと相手材３０との間に形成されるクリアランスが３０μｍのときのヒステリシスは、面粗さが０．２Ｒｚ及び１Ｒｚのときには約６Ｎ、面粗さが２Ｒｚのときには約５Ｎとなった。このことから、面粗さを向上させ過ぎてもヒステリシスが向上しないことが分かる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によると、ステータコア１１の収容部１２に対しガス軟窒化処理を施したため、摺接面１２ｄの硬度が高まるとともに、相手材３０の摺接面３０ａの摩耗量の減少を図ることができる。
【００３６】
また、多孔質層１２ｃを除去することで面粗さを３．２Ｒｚ以下にすると、吸引力ヒステリシスを減少させることができる。また、多孔質層除去により、多孔質層１２ｃが剥がれ落ちて摺動異常が発生する事態を防止できる。
【００３７】
なお、上記実施形態では、ステータコア１１の収容部１２側にガス軟窒化処理と多孔質層除去加工を施すようにしたが、可動コア３０側に同様の処理を施すようにしてもよい。
【００３８】
なお、面粗さの設定は多孔質層を除去する方法に限定されるものではなく、ガス軟窒化又は浸流窒化の処理においては、その多孔質層は１〜２μｍであるので、その処理前に摺接面の粗さを予め３．２Ｒｚ以下になるようにしておき、その後、窒化処理を行ったとしても、摺接面の粗さを３．２Ｒｚ以下に維持させることができる。そのため、多孔質層の除去加工を行う必要がなく、その結果、生産性を大きく向上させることができる。
【００３９】
また、ガス軟窒化処理の代わりに、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理又は窒化処理を施すようにしても、硬度が高くかつ低摩擦係数で摩耗量の小さな摺接面を得ることができる。ここで、塩浴軟窒化処理は、約５００〜６００℃の塩浴中で鉄鋼材料にＮ，Ｃの元素を浸透させることによって、表面近傍に高硬度、低摩擦係数の窒化物や炭窒化物の表面を得ることができる。また、浸硫窒化処理は、最表面にＮ，Ｃ又はＮ，Ｓ，Ｃの元素を浸透させることにより、高硬度、低摩擦係数の表面を得ることができる。浸硫窒化処理によると、自己潤滑性をもつ硫化鉄が最表面に生成されるため、軟窒化処理よりも低摩擦係数の表面となる。窒化処理は、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理と比べて表面処理に数倍の時間がかかるが、窒化物を表面に生成することで、表面近傍に高硬度、低摩擦係数を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の電磁駆動装置によれば、摺接面の少なくとも一方に、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理又は窒化処理を施すようにしたため、ガス軟窒化処理等が施された摺接面の硬度が高まるとともに面粗さを所定の範囲内にしたことで他方の摺接面の摩耗量を低減させることができ、両摺接面の摩耗が減少する。その結果、ヒステリシスが低減し、特に、比例制御式の電磁弁に適用した場合には、その作動特性を良好に維持することが可能となる。また、窒化処理された摺接面の面粗さを最適化することで、必要最低限の加工工数で電磁駆動装置を製造することができ、生産性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電磁駆動装置が組み込まれた流量制御装置の断面図である。
【図２】可動コアおよびステータコアの要部の拡大断面図である。
【図３】収容部の拡大断面図である。
【図４】ガス軟窒化処理後の摺接面の面粗さに対する相手材摩耗量及びヒステリシスの関係を表した実験データのグラフである。
【図５】ガス軟窒化処理を施した場合における、表面粗さ、相手材磨耗量及びヒステリシスとの関係を表した実験データのグラフである。
【符号の説明】
１０　　固定子
１１　　ステータコア
１２　　収容部
１２ａ　　非磁性層（摺接面）
１２ｃ　　多孔質層
１２ｄ　　窒化層（摺接面）
１３　　吸引部
３０　　可動コア
３０ａ　　非磁性層（摺接面）
１００　　電磁駆動装置

Claims

可動コアと、前記可動コアを往復移動自在に収容する収容部と、往復移動方向の一方向へ前記可動コアを吸引する磁力を該可動コアに作用する吸引部とを有し、前記可動コアと共に磁気回路を形成する固定子とを備え、前記収容部と前記可動コアとが摺接する摺接面の少なくとも一方は、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理又は窒化処理が施されており、処理後の面粗さが所定の範囲内に設定されていることを特徴とする電磁駆動装置。
可動コアと、前記可動コアを往復移動自在に収容する収容部と、往復移動方向の一方向へ前記可動コアを吸引する磁力を該可動コアに作用する吸引部とを有し、前記可動コアと共に磁気回路を形成する固定子とを備え、前記収容部と前記可動コアとが摺接する摺接面の少なくとも一方は、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理、浸硫窒化処理又は窒化処理が施されたものであり、処理後の面粗さが３．２Ｒｚ以下に設定されていることを特徴とする電磁駆動装置。
前記収容部と前記可動コアとが摺接する摺接面の少なくとも一方は、前記ガス軟窒化処理、前記塩浴軟窒化処理、前記浸硫窒化処理又は前記窒化処理が施された後、多孔質層除去により所定の範囲内に設定されたものであることを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれかに記載の電磁駆動装置。
前記収容部と前記可動コアとが摺接する摺接面の少なくとも一方は、前記ガス軟窒化処理、前記塩浴軟窒化処理、前記浸硫窒化処理又は前記窒化処理が施される前の面粗さを３．２Ｒｚ以下に設定することで前記ガス軟窒化処理、前記塩浴軟窒化処理、前記浸硫窒化処理又は前記窒化処理後の表面の多孔質層除去加工を施さないことを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれかに記載の電磁駆動装置。