JP2005188650A - 電磁駆動バルブ - Google Patents

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喜代治 中村
Takashi Deo
隆志 出尾
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Abstract

【課題】リフトセンサの組込みによりアーマチャステムの軸方向に長くなるのを抑制して搭載性向上を図ることのできる電磁駆動バルブを提供する。
【解決手段】アーマチャ33が固定されたアーマチャステム21は、吸気バルブ又は排気バルブとして機能するバルブ11と同軸上に配置されている。閉駆動用電磁アクチュエータ35は、アーマチャステム21の周囲に配置され、その電磁力をアーマチャ33に作用させることによりアーマチャステム21を軸方向へ変位させてバルブ11を開閉駆動する。リフトセンサ38は、アーマチャステム21の変位に伴うセンサコイル42及びセンサコア46の軸方向への相対移動によりアーマチャステム21の軸方向における変位量を検出する。さらに、アーマチャステム21にはその上端面に開口する凹部39が設けられ、センサコイル42及びセンサコア46の各々の少なくとも一部が凹部39内にそれぞれ配置されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、例えば内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブを構成する機構として好適な電磁駆動バルブに関するものである。
例えば、内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブとして、カムシャフトの回転に基づいて開閉駆動されるバルブに代えて、電磁力によって開閉駆動される電磁駆動バルブを採用することが考えられている。この電磁駆動バルブは、吸気バルブ又は排気バルブとして機能するバルブ、バルブと同軸上に配置され、かつアーマチャを有するアーマチャステム、アーマチャを中立位置に付勢する一対のスプリング、及びアーマチャの変位方向に配設される一対の電磁アクチュエータを備える。この電磁駆動バルブでは、電磁アクチュエータへの通電により励磁電流が流れると、アーマチャに対し電磁アクチュエータに向かう電磁力が作用する。従って、両電磁アクチュエータに交互に励磁電流が流されることによりバルブが開閉駆動される。
こうした電磁駆動バルブに関し、例えば特許文献1には、アーマチャステムの先端側(上端側)にリフトセンサを配設し、アーマチャステムの先端(上端)に取付けられたニードル状被検出体の軸方向における変位量をリフトセンサによって検出し、その検出値に基づき電磁アクチュエータへの通電を制御する技術が記載されている。
特開2000−8895号公報
ところが、上記特許文献1では、アーマチャステムの先端(上端)にニードル状の被検出体を取付ける構成を採用しているため、その被検出体の軸方向の変位量を検出するリフトセンサの配置箇所はアーマチャステムの先端(上端)側に制限される。そのため、電磁駆動バルブではアーマチャステム等を収容するケースから、アーマチャステムの軸方向先端側へリフトセンサが大きく飛び出すこととなる。その分、電磁駆動バルブが軸方向に長くなり、内燃機関に組込んだ場合に軸方向に大きなスペースを必要とし、搭載性の低下を招いてしまう。
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、リフトセンサの組込みによりアーマチャステムの軸方向に長くなるのを抑制して搭載性向上を図ることのできる電磁駆動バルブを提供することにある。
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明では、バルブと、前記バルブと同軸上に配置され、かつアーマチャが固定されるアーマチャステムと、前記アーマチャステムの周囲に配置され、電磁力を前記アーマチャに作用させることにより前記アーマチャステムを軸方向へ変位させて前記バルブを開閉駆動する電磁アクチュエータと、前記アーマチャステムの変位に伴うセンサコイル及びセンサコアの前記軸方向への相対移動により前記アーマチャステムの前記軸方向における変位量を検出するリフトセンサとを備える電磁駆動バルブにおいて、前記アーマチャステムの前記バルブとは反対側の端部にはその端面に開口する凹部を設け、前記センサコイル及び前記センサコアの各々の少なくとも一部を前記凹部内にそれぞれ配置するものとする。
上記電磁駆動バルブでは、アーマチャステムの周囲の電磁アクチュエータによる電磁力がアーマチャに作用すると、アーマチャステムが軸方向へ変位し、そのアーマチャステムと同軸上のバルブが開閉駆動される。この際、リフトセンサでは、アーマチャステムの変位に伴いセンサコイル及びセンサコアが相対移動し、アーマチャステムの軸方向における変位量が検出される。
ここで、請求項1に記載の発明では、リフトセンサの構成部品であるセンサコイル及びセンサコアの各々の少なくとも一部がアーマチャステムの凹部内に入り込んでいる。この凹部は、アーマチャステムのバルブとは反対側の端部に設けられ、その端面において開口している。そのため、電磁駆動バルブは、センサコイル及びセンサコアが軸方向についてアーマチャステムの端面よりも外方に設けられている場合に比べ、前記のように凹部内に入り込んでいる分短くなり、搭載性が向上する。
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の発明において、前記センサコイルは、前記電磁アクチュエータを収容する収容ケースに取付けられており、前記センサコアは前記センサコイルを取り囲んだ状態で前記凹部内に取付けられているとする。
上記の構成によれば、アーマチャステムが軸方向へ変位すると、凹部内に取付けられたセンサコアがそのアーマチャステムと一体となって同方向へ変位する。これに対し、センサコイルはケースに取付けられていて変位しない。従って、リフトセンサでは、アーマチャステムの変位に伴いセンサコア及びセンサコイルが相対移動し、アーマチャステムの軸方向における変位量が検出される。
請求項3に記載の発明では、請求項1に記載の発明において、前記センサコアは、前記電磁アクチュエータを収容するケースに取付けられており、前記センサコイルは前記センサコアを取り囲んだ状態で前記凹部内に取付けられているとする。
上記の構成によれば、アーマチャステムが軸方向へ変位すると、凹部内に取付けられたセンサコイルがそのアーマチャステムと一体となって同方向へ変位する。これに対し、センサコアはケースに取付けられていて変位しない。従って、リフトセンサでは、アーマチャステムの変位に伴いセンサコア及びセンサコイルが相対移動し、アーマチャステムの軸方向における変位量が検出される。
請求項4に記載の発明では、請求項1〜3のいずれか1つに記載の発明において、前記電磁アクチュエータと前記リフトセンサとの間には磁気遮蔽材料からなる磁気シールド部材が設けられているとする。
上記の構成によれば、電磁駆動バルブでは電磁力によってアーマチャ及びアーマチャステムが駆動される。このとき、電磁アクチュエータに電流が流れることにより磁界が発生するが、その磁束の凹部内への侵入は、電磁アクチュエータ及びリフトセンサ間に設けられた磁気シールド部材によって遮られる。その結果、リフトセンサが電磁アクチュエータによる磁束から受ける影響を少なくして検出能力を確保することができる。
請求項5に記載の発明では、請求項4に記載の発明において、前記磁気シールド部材は、前記アーマチャステムを取り囲んだ状態で前記電磁アクチュエータ及び前記アーマチャステム間に配置されているとする。
上記の構成によれば、電磁アクチュエータへの通電により発生する磁束の凹部内への侵入は、アーマチャステムを取り囲んだ状態で電磁アクチュエータ及びアーマチャステム間に配置された磁気シールド部材によって遮られる。そのため、リフトセンサが電磁アクチュエータによる磁束から受ける影響を少なくすることができる。
請求項6に記載の発明では、請求項4又は5に記載の発明において、前記磁気シールド部材は、前記凹部の内底面と前記センサコイル及び前記センサコアとの間に配置されているとする。
上記の構成によれば、電磁アクチュエータへの通電により発生する磁束の凹部内への侵入は、その凹部の内底面とセンサコイル及びセンサコアとの間に配置された磁気シールド部材によって遮られる。そのため、リフトセンサが電磁アクチュエータによる磁束から受ける影響を少なくすることができる。
以下、本発明の電磁駆動バルブを具体化した一実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。
内燃機関のシリンダヘッドには、吸気通路の一部又は排気通路の一部をなすポートが形成されている。ポートの燃焼室側の端部には、図1に示すバルブシート9が設けられている。シリンダヘッド10には、吸気バルブ又は排気バルブとして機能するバルブ11が設けられている。バルブ11は、バルブガイド13により軸方向(図の上下方向)への往復動可能に支持されたバルブステム11Aと、そのバルブステム11Aの下端に設けられた弁体11Bとを備える。ポートはバルブステム11Aが下方へ変位して弁体11Bがバルブシート9から離座することにより燃焼室と連通(開弁)状態となる。また、ポートは、バルブステム11Aが上方へ変位して弁体11Bがバルブシート9に着座することにより燃焼室と遮断(閉弁)状態となる。
バルブステム11Aの上部にはロアリテーナ14が取付けられている。シリンダヘッド10とロアリテーナ14との間であってバルブステム11Aの周りには、ロアスプリング15が圧縮状態で配置されており、このロアスプリング15によってバルブ11が閉弁方向(上方)へ常に付勢されている。
シリンダヘッド10において、ロアリテーナ14から上方へ離間した箇所には電磁駆動バルブ16のケース17が配置されている。ケース17は上下2つの部材(上側に位置する第1収容部18と下側に位置する第2収容部19)に分割されている。ケース17は、第1収容部18及び第2収容部19を互いに接合させた状態で、ボルト等の締結部材(図示略)によってシリンダヘッド10に締結されている。
バルブステム11Aと同軸上には、非磁性材料からなるアーマチャステム21が第2収容部19を貫通した状態で軸方向への往復動可能に配置されている。アーマチャステム21の下端部にはアッパリテーナ22が取付けられている。第2収容部19の直下にはスプリングシート23が配置されており、これらのアッパリテーナ22とスプリングシート23との間であってアーマチャステム21の回りにはアッパスプリング24が圧縮状態で介装されている。アッパリテーナ22及びアーマチャステム21はこのアッパスプリング24により常にバルブ11側(下側)へ付勢されている。
アーマチャステム21の下端部とバルブステム11Aとの間にはラッシュアジャスタ25が配置されている。ラッシュアジャスタ25は、弁体11Bとシリンダヘッド10との間の熱膨張差や、バルブシート9及び弁体11Bの摩耗に起因するバルブステム11Aとアーマチャステム21との相対変位等を吸収することにより、これらバルブステム11A,アーマチャステム21間に隙間が生ずるのを防止するためのものである。
第1収容部18内にはアッパコア26が固定され、第2収容部19内にはロアコア27が固定されている。アッパコア26及びロアコア27は、例えば電磁鋼板を積層することによって形成されている。アッパコア26及びロアコア27の各中央部分には上下に貫通する孔28,29がそれぞれ設けられており、これらの孔28,29に直接又は間接的に取付けられた滑り軸受(ブッシュ)31,32を介してアーマチャステム21が軸方向への往復動可能に支持されている。
アッパコア26及びロアコア27間であってアーマチャステム21上には、高透磁率材料からなるアーマチャ33が形成されている。
アッパコア26には電磁コイルからなるアッパコイル34が巻装されている。そして、これらのアッパコア26及びアッパコイル34により、バルブ11を閉弁方向(図の上方)に駆動するための閉駆動用電磁アクチュエータ35が構成されている。同様に、ロアコア27には電磁コイルからなるロアコイル36が巻装されている。そして、これらのロアコア27及びロアコイル36により、バルブ11を開弁方向(図の下方)に駆動するための開駆動用電磁アクチュエータ37が構成されている。
以上が電磁駆動バルブ16の基本構造である。この基本構造に加え、電磁駆動バルブ16の上部には、アーマチャステム21(バルブ11)の軸方向における変位量(リフト量)を検出するリフトセンサ38が設けられている。このリフトセンサ38の取付けのために、図2及び図3に示すようにアーマチャステム21のバルブ11とは反対側の端部(上端部)には、その端面(上端面)において開口する凹部39が設けられている。また、第1収容部18においてアーマチャステム21に対応する箇所にはセンサ取付孔41があけられている。
リフトセンサ38は、センサコイル42を有するコイルユニット43とセンサコア46とを備えて構成されている。コイルユニット43は、センサコイル42を合成樹脂等によって被覆したコイル部44と、センサホルダ45とを備えている。センサホルダ45には、センサコイル42及び電磁駆動バルブ16外部の駆動回路を接続するためのコネクタ(図示略)が設けられている。そして、コイル部44がセンサ取付孔41に上方から挿通され、かつそのコイル部44の少なくとも下端部が凹部39内に入り込んだ状態で、センサホルダ45が第1収容部18に固定されている。センサコア46は円管状をなし、コイル部44を取り囲んだ状態(コイル部44に非接触状態)で凹部39の内周壁に取付けられている。ここでは、センサコア46の全体が凹部39内に配置されている。センサコア46の材料としては、検出性能確保及び軽量化を両立させる観点からは、例えばアルミニウム等の金属をマトリックスとする複合材料、いわゆる金属基複合材料(MMC)が好適である。このリフトセンサ38では、センサコア46がアーマチャステム21と一体となって軸方向へ変位すると、その変位量(リフト量)に応じた信号がセンサコイル42から出力される。
さらに、閉駆動用電磁アクチュエータ35とリフトセンサ38との間には、それぞれ磁気遮蔽材料(例えば軟磁性材料)からなる円管状の第1磁気シールド部材47と、平板状の第2磁気シールド部材48とが設けられている。第1磁気シールド部材47は、その上端部においてセンサホルダ45に固定されており、センサ取付孔41を貫通している。そして、第1磁気シールド部材47はアーマチャステム21を取り囲んだ状態でアッパコア26及びアーマチャステム21間に配置されている。また、第2磁気シールド部材48は、凹部39の内底面とセンサコア46との間に配置されている。
なお、アーマチャステム21をアッパコア26に支持する滑り軸受31は、ここではアッパコア26ではなく第1磁気シールド部材47の内周面に対し圧入、焼きばめ等の方法によって固定されている。このようにして、滑り軸受31は、第1磁気シールド部材47を介してアッパコア26に間接的に固定されている。
また、本実施形態では、次の条件(i),(ii)が満たされるように、リフトセンサ38及び電磁駆動バルブ16の各部の形状、寸法等が設定されている。
(i)アーマチャステム21が可動範囲の最上位置へ変位したときにセンサコア46がセンサホルダ45に接触したり、第2磁気シールド部材48がコイル部44に接触したりしないこと。
(ii)アーマチャステム21が可動範囲の最下位置へ変位したときにセンサコア46がセンサコイル42よりも下方に位置しないこと。
上記構成の電磁駆動バルブ16では、図1に示すようにアーマチャ33が開閉両駆動用電磁アクチュエータ37,35の略中央に位置するときには、弁体11Bがバルブシート9に着座する箇所と、バルブシート9から最大量下方へ離座した箇所との略中間に位置して、バルブ11が開弁している。
この状態からアッパコイル34への通電により吸引電流が流れると、アッパコア26及びアーマチャ33からなる磁気回路が形成され、アッパコイル34の周りに磁力線が生じ、アーマチャ33に対し閉駆動用電磁アクチュエータ35に向かう電磁力が作用する。この電磁力により、アーマチャ33が閉駆動用電磁アクチュエータ35に向けて変位し、その途中で弁体11Bがバルブシート9に着座し閉弁状態となる。アーマチャ33がさらに変位すると、アーマチャステム21がバルブステム11Aから離れ、アーマチャ33がアッパコア26に当接する。
前記の状態からアッパコイル34への通電が停止されると、アーマチャ33は、アッパスプリング24の付勢力により開弁方向、すなわち、開駆動用電磁アクチュエータ37に向けて変位する。これに伴いアーマチャステム21がバルブステム11Aに対して近づく側へ相対移動する。
さらに、アーマチャステム21及びアーマチャ33が変位すると、アーマチャステム21はロアスプリング15に抗してバルブステム11Aを同方向へ変位させるため、弁体11Bがバルブシート9から離座して開弁状態となる。そして、アーマチャステム21及びアーマチャ33が開弁方向に所定量変位した時点で、ロアコイル36に通電されると、ロアコア27及びアーマチャ33からなる磁気回路が形成され、ロアコイル36の周りに磁力線が生じ、アーマチャ33に対し開駆動用電磁アクチュエータ37に向かう電磁力が発生する。アーマチャ33がロアコア27に当接する位置まで変位すると、弁体11Bは全開状態となる。
弁体11Bがこの全開状態に保持された後、ロアコイル36への通電が停止されると、アーマチャ33を全開状態に保持するための磁気吸引力が消滅する。このため、アーマチャ33は、ロアスプリング15の付勢力により閉駆動用電磁アクチュエータ35に向けて変位し始める。
その後、アーマチャ33の変位量が所定値に達すると、アッパコイル34への通電が開始される。この通電によりアッパコイル34に吸引電流が流れると、アーマチャ33に対し閉駆動用電磁アクチュエータ35に向かう電磁力が作用し、アーマチャ33が同電磁アクチュエータ35に向けて変位する。アーマチャ33がさらに変位し弁体11Bがバルブシート9に着座して閉弁状態になると、バルブステム11Aはそれ以上閉弁方向に変位しなくなる。このため、その後は、アーマチャステム21のみがアッパスプリング24に抗して同方向へ変位する。その後、アーマチャ33がアッパコア26に当接すると、アーマチャステム21はそれ以上同方向に変位しなくなる。
従って、上記のように両電磁アクチュエータ35,37のコイル34,36に交互に励磁電流が流されるように通電を制御することにより、バルブ11が開閉駆動されて吸気バルブ又は排気バルブとして機能する。
ところで、上記したアッパ及びロアの両コイル34,36に対する通電制御は、リフトセンサ38のセンサコイル42から出力される信号に基づいて行われる。すなわち、電磁駆動バルブ16の作動に際しアーマチャ33及びアーマチャステム21が軸方向へ変位すると、リフトセンサ38のセンサコア46がアーマチャステム21と一体となって変位する。一方、センサコイル42はセンサホルダ45を介してケース17に固定されていて変位しない。そのため、前記センサコア46の変位に伴いセンサコイル42及びセンサコア46が相対移動し、その変位量(リフト量)に応じた信号がセンサコイル42から出力される。この際、閉駆動用電磁アクチュエータ35への通電により磁界が発生するが、その磁束の凹部39内への侵入は第1磁気シールド部材47及び第2磁気シールド部材48によって遮られる。従って、閉駆動用電磁アクチュエータ35による磁束の影響を受けていない、あるいはほとんど受けていないリフト量に応じた検出信号が電子制御装置に送られる。電子制御装置では、この信号に基づきコイル34,36に対する通電が制御される。
以上詳述した本実施形態によれば、次の効果が得られる。
(1)アーマチャステム21にその上端面において開口する凹部39を設け、リフトセンサ38の構成部品であるセンサコア46の全体、及びセンサコイル42の少なくとも一部(下部)を凹部39内に入り込ませている。そのため、電磁駆動バルブ16は、センサコイル42及びセンサコア46が軸方向についてアーマチャステム21の上端面よりも上方に設けられた場合に比べ、凹部39内に入り込んでいる分短くなる。このように、電磁駆動バルブ16の軸方向(高さ方向)における寸法に及ぼす影響を少なくしてリフトセンサ38を組込むことができる。その結果、電磁駆動バルブ16の内燃機関への搭載性が向上する。
(2)閉駆動用電磁アクチュエータ35とリフトセンサ38との間に磁気遮蔽材料からなる磁気シールド部材を設けている。この磁気シールド部材として、アーマチャステム21を取り囲んだ状態で閉駆動用電磁アクチュエータ35及びアーマチャステム21間に第1磁気シールド部材47を配置するとともに、凹部39の内底面とセンサコイル42及びセンサコア46との間に第2磁気シールド部材48を配置している。
このため、電磁駆動バルブ16において電磁力によってアーマチャ33及びアーマチャステム21を駆動する際に、閉駆動用電磁アクチュエータ35への通電により磁界が発生するが、その磁束の凹部39内への侵入を第1磁気シールド部材47及び第2磁気シールド部材48によって遮ることができる。その結果、リフトセンサ38が閉駆動用電磁アクチュエータ35による磁束から受ける影響を少なくして検出能力を確保することができる。
なお、本発明は次に示す別の実施形態に具体化することができる。
・「センサコイル42及びセンサコア46の各々の少なくとも一部が凹部39内にそれぞれ配置される」ことを条件に、センサコイル42及びセンサコア46の各位置を変更してもよい。
例えば、センサコイル42及びセンサコア46の内外位置関係を前記実施形態とは逆にしてもよい。その一例を、前記図2に対応する図4、及び前記図3に対応する図5に示す。この場合、センサコア46をセンサホルダ45を介して第1収容部18に固定する。また、センサコイル42を、センサコア46を取り囲んだ状態で凹部39の内周面に固定する。さらに、センサコア46を継電機構(図示略)によりセンサホルダ45に電気的に接続する。なお、図4及び図5において、前記実施形態と同様の部材については同一の符号が付されている。
上記の構成によれば、アーマチャステム21が軸方向へ変位すると、凹部39内に取付けられたセンサコイル42がそのアーマチャステム21と一体となって同方向へ変位する。これに対し、センサコア46はセンサホルダ45を介してケース17に取付けられていて変位しない。従って、リフトセンサ38ではセンサコア46及びセンサコイル42が相対移動し、アーマチャステム21の軸方向における変位量が検出される。
また、リフトセンサ38の構成部品であるセンサコイル42の全体、及びセンサコア46の少なくとも一部(下部)が、アーマチャステム21の上端面において開口する凹部39内に入り込んでいる。そのため、電磁駆動バルブ16は、センサコイル42及びセンサコア46が軸方向についてアーマチャステム21の上端面よりも上方に設けられた場合に比べ、凹部39内に入り込んでいる分短くなって、電磁駆動バルブ16の内燃機関への搭載性が向上する。
・本発明は、バルブステム11A及びアーマチャステム21間にラッシュアジャスタ25を設けていないタイプの電磁駆動バルブにも適用可能である。
・前記実施形態における第1磁気シールド部材47及び第2磁気シールド部材48のいずれか一方、又は両方を省略してもよい。
・図2におけるセンサコア46、及び図4におけるセンサコイル42は、凹部39内に完全に収容されていることが好ましいが、わずかであれば、凹部39から軸方向上方へ露出していてもよい。
本発明の一実施形態における電磁駆動バルブの断面図。 図1におけるA部の拡大図。 リフトセンサにおいて、センサコイルの周囲にセンサコアを配置する前の状態を示す部分断面図。 リフトセンサの別の実施形態を示す図であり、図2に対応する部分拡大断面図。 図4のリフトセンサにおいて、センサコアの周囲にセンサコイルを配置する前の状態を示す部分断面図。
符号の説明
11…バルブ、16…電磁駆動バルブ、17…ケース、21…アーマチャステム、33…アーマチャ、35…閉駆動用電磁アクチュエータ、37…開駆動用電磁アクチュエータ、38…リフトセンサ、39…凹部、42…センサコイル、46…センサコア、47…第1磁気シールド部材、48…第2磁気シールド部材。

Claims (6)

  1. バルブと、
    前記バルブと同軸上に配置され、かつアーマチャが固定されるアーマチャステムと、
    前記アーマチャステムの周囲に配置され、電磁力を前記アーマチャに作用させることにより前記アーマチャステムを軸方向へ変位させて前記バルブを開閉駆動する電磁アクチュエータと、
    前記アーマチャステムの変位に伴うセンサコイル及びセンサコアの前記軸方向への相対移動により前記アーマチャステムの前記軸方向における変位量を検出するリフトセンサと
    を備える電磁駆動バルブにおいて、
    前記アーマチャステムの前記バルブとは反対側の端部にはその端面に開口する凹部を設け、前記センサコイル及び前記センサコアの各々の少なくとも一部を前記凹部内にそれぞれ配置することを特徴とする電磁駆動バルブ。
  2. 前記センサコイルは、前記電磁アクチュエータを収容するケースに取付けられており、前記センサコアは前記センサコイルを取り囲んだ状態で前記凹部内に取付けられている請求項1に記載の電磁駆動バルブ。
  3. 前記センサコアは、前記電磁アクチュエータを収容するケースに取付けられており、前記センサコイルは前記センサコアを取り囲んだ状態で前記凹部内に取付けられている請求項1に記載の電磁駆動バルブ。
  4. 前記電磁アクチュエータと前記リフトセンサとの間には磁気遮蔽材料からなる磁気シールド部材が設けられている請求項1〜3のいずれか1つに記載の電磁駆動バルブ。
  5. 前記磁気シールド部材は、前記アーマチャステムを取り囲んだ状態で前記電磁アクチュエータ及び前記アーマチャステム間に配置されている請求項4に記載の電磁駆動バルブ。
  6. 前記磁気シールド部材は、前記凹部の内底面と前記センサコイル及び前記センサコアとの間に配置されている請求項4又は5に記載の電磁駆動バルブ。
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