JP2007023889A - 電磁駆動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の大きさの駆動力が得られる電磁駆動弁を提供する。
【解決手段】 電磁駆動弁は、作用面２１ａおよび２１ｂを有し、磁性体よりなるディスク２１と、サイドプレートに支持され、作用面２１ａおよび２１ｂに電磁力を作用させることによってディスク２１を運動させる電磁石３０および４０と、電磁石３０および４０をサイドプレートに固定するボルト３４および３６とを備える。ボルト３４は、１つの中心軸３５上に配置されており、ボルト３６は、１つの中心軸４５上に配置されている。
【選択図】 図２

Description

この発明は、一般的には、電磁駆動弁に関し、より特定的には、回転駆動式の電磁駆動弁に関する。

従来の電磁駆動弁に関して、たとえば、米国特許第６４６７４４１号明細書には、電磁力とスプリングとの協働によって内燃機関のバルブが作動する電磁アクチュエータが開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された電磁アクチュエータは、回転駆動式と呼ばれており、揺動アームの揺動運動から直線運動を取り出し、バルブを開弁位置と閉弁位置との間で往復運動させている。揺動アームは、支持フレームのプレートに回転自在に支持されている。揺動アームの両側には、コアとそのコアの周りに巻かれたコイルとから構成される電磁石が１つずつ配置されている。電磁石は、複数のボルトによって、支持フレームのプレートに固定されている。その複数のボルトは、互いにずれた複本数の軸上に、それぞれ配置されている。

また、特開２００２−１１５５１５号公報には、車両への搭載性を向上させるとともに、重量の低減およびコストの削減を図ることを目的とした電磁駆動弁用アクチュエータが開示されている（特許文献２）。
米国特許第６４６７４４１号明細書 特開２００２−１１５５１５号公報

上述の特許文献１に開示された電磁アクチュエータでは、揺動アームと電磁石とが、それぞれ支持フレームに対して独立して取り付けられている。しかしながら、揺動アームや電磁石の組み付け時には、それぞれの部品の加工精度に起因して組み付け精度に誤差が生じる。このため、電磁石と、電磁石に引き寄せられた揺動アームとの接触面に微小な隙間が形成されるおそれがある。このような隙間が形成されると、揺動アームに作用する電磁力が低減するため、期待する駆動力が得られなくなる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、所望の大きさの駆動力が得られる電磁駆動弁を提供することである。

この発明に従った電磁駆動弁は、作用面を有し、磁性体よりなる可動子と、ベース部材に支持され、作用面に電磁力を作用させることによって可動子を運動させる電磁石と、電磁石をベース部材に固定する締結部材とを備える。その電磁石を固定する締結部材は、１つの軸上に配置されている。

このように構成された電磁駆動弁によれば、締結部材が１つの軸上に配置されているため、電磁石を、ベース部材に組み付けた後においても、その軸を中心に回転可能に設けることができる。このため、電磁駆動弁の組み立て工程時に、電磁石を可動子の作用面に倣わせるように回転させ、電磁石と、可動子の作用面とを密着させることができる。これにより、電磁駆動弁の作動時、電磁石と可動子の作用面との間に微小な隙間ができることを防止し、電磁石で発生した電磁力をより効果的に可動子に作用させることができる。このため、所望の大きさの駆動力が得られる電磁駆動弁を実現することができる。

また好ましくは、電磁石は、ベース部材に向い合って延在し、所定の位置に締結部材が結合する取付け面を有する。取付け面は、所定の位置を除いた領域でベース部材から離間するように形成されている。このように構成された電磁駆動弁によれば、電磁石の取付け面とベース部材との間に生じる摩擦力を低減することができる。これにより、電磁石をベース部材に組み付ける際に、電磁石をベース部材に対して円滑に回転させ、電磁石の軸周りの姿勢を容易に微調整することができる。

また、可動子は、内燃機関に付属する吸排気用バルブに連結されている。このように構成された電磁駆動弁によれば、吸排気用バルブを所望の駆動力で駆動させることで、内燃機関の性能を十分に発揮させることができる。

また、可動子は、電磁石で発生した電磁力により、回転軸を中心に揺動運動する。好ましくは、締結部材が配置される軸は、回転軸に平行に延びている。このように構成された電磁駆動弁では、電磁石と可動子の作用面との間に、可動子の回転軸の半径方向に片当たりが生じ易い。本発明では、電磁石をベース部材に組み付ける際、可動子の回転軸と平行に延びる軸周りに電磁石を回転させることによって、その片当たりの状態を効果的に解消することができる。

以上説明したように、この発明に従えば、所望の大きさの駆動力が得られる電磁駆動弁を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における電磁駆動弁を示す正面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った電磁駆動弁の断面図である。本実施の形態における電磁駆動弁は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関の機関バルブ（吸気弁または排気弁）を構成している。本実施の形態では、電磁駆動弁が排気弁を構成している場合について説明を行なうが、吸気弁を構成する場合であっても、電磁駆動弁は、同様の構造を備える。

図１および図２を参照して、電磁駆動弁１０は、電磁力によって得られた回転運動を直線運動に変換して、バルブを駆動する回転駆動式の電磁駆動弁である。電磁駆動弁１０は、排気弁である駆動弁１４と、作用された電磁力および弾性力によって揺動運動するディスク２１と、ディスク２１を挟んだ上下にそれぞれ配置され、電磁力を発生する電磁石３０および４０と、弾性力を有するトーションバー２６およびコイルバネ２０と、ディスク２１ならびに電磁石３０および４０を支持するサイドプレート５１ｓおよび５１ｔとを備える。

駆動弁１４は、一方向に延びるステム１１と、ステム１１の先端に形成された傘部１２とから構成されている。ステム１１の周りには、図示しないバルブガイドが設けられている。そのバルブガイドによって、ステム１１は、ステム１１が延びる方向に摺動可能に案内されている。駆動弁１４は、ディスク２１の揺動運動を受けて、ステム１１が延びる矢印１０１に示す方向に沿って往復運動する。

駆動弁１４は、排気ポート１６が形成されたシリンダヘッド１８に搭載されている。シリンダヘッド１８の排気ポート１６から燃焼室１７に連通する位置には、バルブシート１９が設けられている。駆動弁１４の往復運動に伴って、傘部１２がバルブシート１９に密着したり、バルブシート１９から離脱することによって、排気ポート１６の開閉が行なわれる。つまり、ステム１１が上昇することによって、駆動弁１４が閉弁位置へと位置決めされ、ステム１１が下降することによって、駆動弁１４が開弁位置へと位置決めされる。

ステム１１の外周上には、コイルバネ２０が嵌め合わされている。コイルバネ２０は、図示しないリテーナによってステム１１の軸方向に支持されており、ステム１１を上昇させる方向、つまり閉弁位置に向かわせる方向の弾性力を駆動弁１４に作用させている。

シリンダヘッド１８上には、板状の支持ベース５５が固定されている。支持ベース５５上には、支持ベース５５の頂面から直角に立ち上がるサイドプレート５１ｓとサイドプレート５１ｔとが、所定の間隔を隔てて設けられている。サイドプレート５１ｓおよび５１ｔは、互いに向い合い、平行に延在する内側面５１ｂを有する。サイドプレート５１ｓおよび５１ｔは、複数本のピン５４によって支持ベース５５に対する位置決めが行なわれた状態で、ボルト５３によって支持ベース５５に固定されている。

ディスク２１は、磁性材料から形成されている。ディスク２１は、支持部２３および連結部２２を有し、支持部２３から連結部２２に向けて延びている。支持部２３と連結部２２との間には、略矩形形状を有し、互いに反対側に面する作用面２１ａおよび２１ｂが形成されている。支持部２３には、ディスク２１の揺動運動の中心となる中心軸２５が規定されている。中心軸２５は、ステム１１が延びる方向の直交方向に延びている。連結部２２において、傘部１２が形成された先端とは反対側のステム１１の先端１１ｄが、作用面２１ｂに当接している。

図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った電磁駆動弁の断面図である。図１から図３を参照して、支持部２３の両端は、サイドプレート５１ｓおよび５１ｔに形成された開口部８５に、メタルブッシュ８３を介して嵌め合わされている。支持部２３には、中心軸２５に沿って延びるトーションバー２６が接続されている。支持部２３に対する中心軸２５周りのトーションバー２６の位置は、トーションバー２６と支持部２３との接触部分に形成された図示しないセレーション機構によって固定されている。

支持部２３の一方端から突出するトーションバー２６の先端は、トーションバー固定具６１に接続されている。トーションバー固定具６１に対する中心軸２５周りのトーションバー２６の位置は、トーションバー２６とトーションバー固定具６１との接触部分に形成された図示しないセレーション機構によって固定されている。トーションバー固定具６１は、複数本のボルト６２によってサイドプレート５１ｓに固定されている。

このような構成により、ディスク２１は、サイドプレート５１ｓおよび５１ｔに対して、中心軸２５を中心に回転自在に設けられている。トーションバー２６は、図２中に示す断面において、中心軸２５を中心に反時計周りに回転する方向の弾性力をディスク２１に作用させている。つまり、駆動弁１４は、トーションバー２６の弾性力によって、開弁位置に向かう方向に付勢されている。電磁石３０および４０による電磁力が加わっていない状態で、ディスク２１は、トーションバー２６およびコイルバネ２０の弾性力によって、開弁側の揺動端と閉弁側の揺動端との中間位置に位置決めされる。

図４は、図１中に示す電磁石の斜視図である。図５は、図１中の矢印Ｖに示す方向から見た電磁駆動弁の上面図である。さらに図４および図５を参照して、電磁石３０は、コイル３２と、磁性材料から形成されたコア３１とから構成されている。コア３１は、積層鋼板から形成され、コイル３２が巻回される軸部３１ｍと、ステンレス鋼板から形成され、溶接によって軸部３１ｍに接合された基部３１ｎとからなる。なお、コア３１は、このような構造に限定されず、たとえば全体が１つの磁性材料から形成されていても良い。

基部３１ｎは、ディスク２１に対して相対的に遠くに位置決めされ、軸部３１ｍは、ディスク２１に対して相対的に近くに位置決めされる。軸部３１ｍは、ディスク２１の作用面２１ａに向い合う吸着面３０ａを有する。基部３１ｎは、サイドプレート５１ｓおよび５１ｔの内側面５１ｂにそれぞれ向い合う取付け面３０ｂおよび３０ｃを有する。

電磁石３０には、取付け面３０ｂおよび取付け面３０ｃに１つずつ開口する２つのねじ孔７２と、取付け面３０ｂに開口する１つのピン孔７１とが形成されている。２つのねじ孔７２は、共に中心軸３５の軸上に延びるように形成されている。中心軸３５は、中心軸２５と平行に延びている。ピン孔７１は、中心軸３５の軸上からずれた位置で、ねじ孔７２と平行に延びるように形成されている。

サイドプレート５１ｓおよび５１ｔに挿通されたボルト３４が、ねじ孔７２に螺合されることによって、電磁石３０が、サイドプレート５１ｓとサイドプレート５１ｔとの間に固定されている。電磁石３０がサイドプレート５１ｓおよび５１ｔに固定された状態で、軸部３１ｍは、サイドプレート５１ｓおよび５１ｔから離間するように位置決めされる。ピン孔７１に挿入されたピン３７によって、サイドプレート５１ｓとサイドプレート５１ｔとの間における電磁石３０の大まかな位置が決定されている。このような構成により、ボルト３４をねじ孔７２に軽く締め込んだ状態では、電磁石３０が、中心軸３５を中心に微小な角度だけ回転可能となる。

取付け面３０ｂおよび３０ｃは、内側面５１ｂに対して、中心軸３５が交わる位置で凸となり、中心軸３５が交わる位置から離れるに従って凹となるように湾曲して形成されている。つまり、取付け面３０ｂおよび３０ｃと内側面５１ｂとの間の距離は、中心軸３５が取付け面３０ｂおよび３０ｃに交わる位置で０となり、中心軸３５が交わる位置から離れるに従って大きくなる。このような構成により、取付け面３０ｂおよび３０ｃと内側面５１ｂとは、ボルト３４が取付け面３０ｂおよび３０ｃに結合する位置１１０で接触し、それ以外の領域１１２で離間する。

なお、図５中では取付け面３０ｂおよび３０ｃの湾曲面が誇張して描かれているが、湾曲の度合いは、取付け面３０ｂおよび３０ｃと内側面５１ｂとの間の距離Ｃが、たとえば、取付け面３０ｂおよび３０ｃの両端で０．１ｍｍとなる程度で良い。また、湾曲面に限定されず、取付け面３０ｂおよび３０ｃにそれぞれ段差を設けることによって、取付け面３０ｂおよび３０ｃと内側面５１ｂとが、位置１１０で接触し、領域１１２で離間する構造を実現しても良い。

電磁石４０は、電磁石３０と同様の形状に形成されており、ディスク２１に対して電磁石３０の反対側に配置されている。電磁石４０は、電磁石３０の吸着面３０ａに対応して、ディスク２１の作用面２１ｂに向い合う吸着面４０ａを有する。電磁石３０および４０は、吸着面３０ａと吸着面４０ａとが互いに距離を隔てて向い合うように配置されている。吸着面３０ａと吸着面４０ａとの間には、ディスク２１が揺動する空間が形成されている。

電磁石４０に形成された２つのねじ孔７２は、共に中心軸４５に沿って延びている。サイドプレート５１ｓおよび５１ｔに挿通されたボルト３６が、ねじ孔７２に螺合されることによって、電磁石４０が、サイドプレート５１ｓとサイドプレート５１ｔとの間に固定されている。ボルト３６をねじ孔７２に軽く締め込んだ状態では、電磁石４０が、中心軸４５を中心に微小な角度だけ回転可能となる。

続いて、サイドプレート５１ｓおよび５１ｔに、電磁石３０および４０とディスク２１とを組み付ける工程について説明を行なう。図６は、電磁石およびディスクの組み付け工程を説明するための電磁駆動弁の断面図である。

図２および図６を参照して、支持ベース５５上に、ディスク２１を組み付けた状態のサイドプレート５１ｓおよび５１ｔを固定する。このとき、サイドプレート５１ｓには、まだトーションバー固定具６１が固定されていない。ピン３７を用いて、電磁石３０および４０をサイドプレート５１ｓとサイドプレート５１ｔとの間の適当な位置に配置する。ボルト３４および３６を締め付けトルクが発生しない程度の軽い力でねじ孔７２に対して締め込み、サイドプレート５１ｓおよび５１ｔに対して電磁石３０および４０を仮組みする。

電磁石４０のコイル３２に電流を供給し、電磁石４０で電磁力を発生させる。これにより、ディスク２１を電磁石４０に引き寄せる。このとき、ディスク２１やコア３１の加工精度に起因して、作用面２１ｂと吸着面４０ａとが若干、片当たりするおそれがある。しかしながら、本実施の形態では、中心軸４５の軸周りで回転可能に設けられた電磁石４０が、電磁力によって、作用面２１ｂと吸着面４０ａとが密着する姿勢になるまで回転する。その後、ボルト３６を強く締め込み、電磁石４０をサイドプレート５１ｓおよび５１ｔに対して強固に固定する。電磁石４０のコイル３２への電流供給を停止する。

本実施の形態では、取付け面３０ｂおよび３０ｃが湾曲して形成されているため、取付け面３０ｂおよび３０ｃと内側面５１ｂとの間に生じる摩擦抵抗を小さく抑えることができる。これにより、電磁石４０を円滑に回転させ、作用面２１ｂと吸着面４０ａとが密着した状態をより確実に得ることができる。

引き続き、電磁石３０のコイル３２に電流を供給し、先の電磁石４０の場合と同様に、作用面２１ａと吸着面３０ａとを密着させる。次に、ボルト３４を強く締め込み、電磁石３０をサイドプレート５１ｓおよび５１ｔに対して強固に固定する。電磁石３０への電流供給を停止する。電磁石３０および４０の固定が完了した後、ディスク２１が開弁側の揺動端と閉弁側の揺動端との中間位置に位置決めされる適当な位置で、トーションバー固定具６１をサイドプレート５１ｓに対して固定する。

以上に説明した工程の実施により、電磁駆動弁１０の作動時、ディスク２１が電磁石３０もしくは電磁石４０に引き寄せられた時に、作用面２１ａと吸着面３０ａとの間もしくは作用面２１ｂと吸着面４０ａとの間に、局所的な微小隙間が形成されることを防止できる。これにより、電磁石３０および４０で発生した電磁力を、より大きくディスク２１に作用させることができる。

この発明の実施の形態１における電磁駆動弁１０は、作用面２１ａおよび２１ｂを有し、磁性体よりなる可動子としてのディスク２１と、ベース部材としてのサイドプレート５１ｓおよび５１ｔに支持され、作用面２１ａおよび２１ｂに電磁力を作用させることによってディスク２１を運動させる電磁石３０および４０と、電磁石３０および４０をサイドプレート５１ｓおよび５１ｔに固定する締結部材としてのボルト３４および３６とを備える。ボルト３４は、１つの軸としての中心軸３５上に配置されており、ボルト３６は、１つの軸としての中心軸４５上に配置されている。

この発明の実施の形態１における電磁駆動弁の組み立て方法は、上記の電磁駆動弁１０の組み立て方法である。電磁駆動弁の組み立て方法は、サイドプレート５１ｓおよび５１ｔに対して、電磁石３０および４０をそれぞれ中心軸３５および４５を中心に回転可能な状態に仮組みする工程と、電磁石３０および４０を励磁することによって、ディスク２１の作用面２１ａおよび２１ｂにそれぞれ電磁力を作用させ、電磁石３０および４０にディスク２１を引き寄せる工程と、ディスク２１を引き寄せる工程の後、サイドプレート５１ｓおよび５１ｔに対して電磁石３０および４０を固定する工程とを備える。

このように構成された、この発明の実施の形態１における電磁駆動弁１０によれば、所望の大きさの電磁力をディスク２１に作用させることによって、安定した電磁駆動弁１０の作動を低消費電力で実現することができる。また、ディスク２１やコア３１の加工精度を極端に向上させることなく、作用面２１ａおよび２１ｂと吸着面３０ａおよび４０ａとをそれぞれ密着させることができる。このため、電磁駆動弁１０の製造コストを低く抑えることができる。

なお、ボルト３４および３６を設ける位置は、基部３１ｎに限定されず、たとえば、コア３１のディスク２１に隣接する位置に設けられていても良い。この場合、中心軸３５および中心軸４５が電磁力の作用点により近づくため、電磁石３０および４０の組み付け工程時に、電磁石３０および４０が回転し易くなる。

また、本実施の形態では、回転駆動式の電磁駆動弁１０について説明を行なったが、これに限定されず、電磁力により得られた直線運動によってバルブを駆動する並進駆動式の電磁駆動弁に本発明を適用しても良い。

（実施の形態２）
図７は、この発明の実施の形態２における電磁駆動弁を示す断面図である。本実施の形態における電磁駆動弁は、実施の形態１における電磁駆動弁１０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図７を参照して、本実施の形態では、図３中のメタルブッシュ８３に替えてベアリング９１が設けられている。また、電磁石３０および４０の取付け面３０ｂが平面状に形成されており、取付け面３０ｂとサイドプレート５１ｓおよび５１ｔの内側面５１ｂとが、面接触している。

このように構成された、この発明の実施の形態２における電磁駆動弁によれば、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。加えて、ベアリング９１は、ある程度のガタを持ってディスク２１を支持する。このため、トーションバー固定具６１をサイドプレート５１ｓに固定した後においても、ディスク２１が、作用面２１ａおよび２１ｂが吸着面３０ａおよび４０ａにそれぞれ倣うように微小に動く。これにより、作用面２１ａと吸着面３０ａとの間もしくは作用面２１ｂと吸着面４０ａとの間に、局所的な微小隙間が形成されることをさらに効果的に防止できる。

なお、実施の形態１において、メタルブッシュ８３とディスク２１との嵌め合いの隙間を、たとえば直径で２μｍから３μｍ程度と大き目に設定しても、上述の効果を同様に得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１における電磁駆動弁を示す正面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った電磁駆動弁の断面図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った電磁駆動弁の断面図である。 図１中に示す電磁石の斜視図である。 図１中の矢印Ｖに示す方向から見た電磁駆動弁の上面図である。 電磁石およびディスクの組み付け工程を説明するための電磁駆動弁の断面図である。 この発明の実施の形態２における電磁駆動弁を示す断面図である。

符号の説明

１０ 電磁駆動弁、１４ 駆動弁、２１ ディスク、２１ａ，２１ｂ 作用面、２５ 中心軸、３０，４０ 電磁石、３４，３６ ボルト、３５，４５ 中心軸、５１ｓ，５１ｔ サイドプレート、１１０ 位置、１１２ 領域。

Claims (4)

1. 作用面を有し、磁性体よりなる可動子と、
   ベース部材に支持され、前記作用面に電磁力を作用させることによって前記可動子を運動させる電磁石と、
   前記電磁石を前記ベース部材に固定する締結部材とを備え、
   前記締結部材は、１つの軸上に配置されている、電磁駆動弁。
2. 前記電磁石は、前記ベース部材に向い合って延在し、所定の位置に前記締結部材が結合する取付け面を有し、
   前記取付け面は、前記所定の位置を除いた領域で前記ベース部材から離間するように形成されている、請求項１に記載の電磁駆動弁。
3. 前記可動子は、内燃機関に付属する吸排気用バルブに連結されている、請求項１または２に記載の電磁駆動弁。
4. 前記可動子は、前記電磁石で発生した電磁力により、回転軸を中心に揺動運動し、
   前記締結部材が配置される前記軸は、前記回転軸に平行に延びている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電磁駆動弁。

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