JP2007040162A - 電磁駆動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 消費電力を低減することが可能な電磁駆動弁を提供する。
【解決手段】 電磁駆動弁１は、バルブステム１２を有し、バルブステム１２が延びる方向に沿って往復運動する駆動弁１４と、駆動弁１４と距離を隔てた位置に設けられた本体５１と、バルブステム１２と連動する一方端３２と、本体５１に揺動自在に支持された他方端３３とを有し、他方端３３で延びる中心軸３５を中心に揺動するディスク３０と、ディスク３０と向かい合うように配置される下側電磁石１６０とを備える。下側電磁石１６０は、磁性体からなるコア１６１と、そのコアに巻かれたコイル１６２とを有し、中心軸３５はディスク３０の一部分を構成する円筒形状の磁性材料から構成される軸受部３８で取り囲まれる。軸受部３８と向かい合うコア１６１の部分は円筒面５１６１で形成される。
【選択図】 図１

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、内燃機関に用いられる、弾性力と電磁力とによって駆動する回転式の電磁駆動弁に関するものである。

従来、電磁駆動弁は、たとえば米国特許第６，４６７，４４１号明細書（特許文献１）に開示されている。
米国特許第６，４６７，４４１号明細書

従来の電磁駆動弁では、回転軸側でのディスクと電磁石との間の隙間（ギャップ）が大きく、電磁力が小さいので初期駆動力を得にくい。初期駆動力を得るためには電流量を大きくする必要があり、消費電力が増大するという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、消費電力の低減を図ることができる電磁駆動弁を提供することを目的とする。

この発明に従った電磁駆動弁は、電磁力により作動する電磁駆動弁であって、弁軸を有し、弁軸が延びる方向に沿って往復運動する駆動弁と、弁軸と連動する一方端から他方端まで延び、他方端で延びる中心軸を中心に揺動する揺動部材と、揺動部材を支持する支持部材と、揺動部材と向かい合うように配置される電磁石とを備える。電磁石は、磁性体からなるコアと、そのコアに巻かれたコイルとを有し、中心軸は揺動部材の一部分を構成する円筒形状の磁性材料で取り囲まれ、コアの円筒形状と向かい合う揺動部材の部分は円筒形状に構成される。

このように構成された電磁駆動弁では中心軸側およびコア側の両方が円筒形状で構成されるため、揺動部材が最大限に駆動してもこれらの二つの円筒形状の間の距離を小さいまま一定に保つことができ、必要な電磁力を確保することができる。その結果、消費電力を低減させることができる。

好ましくは、電磁駆動弁は、揺動部材の上側と下側とに位置する二つの電磁石と、二つの電磁石の一方端側に設けられて揺動部材に向かって延びる磁性材料からなる突起とを備え、揺動部材の中立位置において、揺動部材の円筒形状と対向するコアの円筒形状との距離、および、上下のコアの一方端側に設けられた突起と揺動部材との距離は、上下方向で異なる。この場合、上下方向での距離の違いにより中立位置での電磁力を一方側に強くすることで、初期駆動時の消費電力を低減することができる。

好ましくは、揺動部材の円筒形状とコアの円筒形状との距離は、揺動部材の揺動により変化する。この場合所定の回転角度で必要な電磁力が得られる。

好ましくは、揺動部材の円筒形状にスリットが設けられている。この場合、漏れ磁束を低減し、電磁力を確保することができる。

この発明に従えば、消費電力を低減させることが可能な電磁駆動弁を提供することができる。

以下、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、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った電磁駆動弁の断面図である。図１を参照して、電磁駆動弁１は、本体５１と、本体５１に取付けられた上側電磁石６０および下側電磁石１６０と、上側電磁石６０および下側電磁石１６０に挟まれた位置に設けられるディスク３０と、ディスク３０により駆動される駆動弁１４とを有する。

「コ」の字形の本体５１はベース部材であり、本体５１にさまざまな機器が取付けられる。上側電磁石６０および下側電磁石１６０の各々は、磁性体からなるコア６１，１６１と、そのコア６１，１６１に巻付けられたコイル６２，１６２とを有する。コイル６２，１６２に通電されることで磁界が発生し、この磁界によりディスク３０を駆動させる。ディスク３０は上側電磁石６０および下側電磁石１６０の間に配置されて、上側電磁石６０および下側電磁石１６０の吸引力によりいずれか一方に吸引される。これにより、上側電磁石６０および下側電磁石１６０間でディスク３０が往復運動する。ディスク３０の往復運動はバルブステム１２に伝えられる。

電磁駆動弁１は電磁力により作動する電磁駆動弁であって、弁軸としてのバルブステム１２を有し、バルブステム１２が延びる方向（矢印１０）に沿って往復運動する複数の駆動弁１４と、駆動弁１４と距離を隔てた位置に設けられた支持部材としての本体５１と、バルブステム１２に連動する一方端３２と、本体５１に揺動自在に支持された他方端３３とを有し、他方端３３で延びる中心軸３５を中心に揺動する揺動部材としてのディスク３０と、ディスク３０と向かい合うように配置される上側電磁石６０および下側電磁石１６０とを備える。上側電磁石６０および下側電磁石１６０は、磁性体からなるコア６１，１６１と、そのコア６１，１６１に巻かれたコイル６２，１６２とを有する。中心軸３５は、ディスク３０の一部分を構成する円筒形状の磁性材料である軸受部３８で取り囲まれ、軸受部３８と向かい合うコア６１，１６１の部分は円筒形状の円筒面５０６１，５１６１によって構成される。本実施の形態における電磁駆動弁１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吸排気バルブ（吸気弁または排気弁）を構成している。この実施の形態では、吸気ポート１８に設けられる吸気弁としての駆動弁１４の場合を説明するが、排気弁としての駆動弁に本発明を適用してもよい。

電磁駆動弁１は、回転駆動式の電磁駆動弁であり、その運動機構としてディスク３０を用いている。本体５１はシリンダヘッド４１上に設けられる。本体５１では、下側に下側電磁石１６０が設けられ、上側に上側電磁石６０が設けられる。下側電磁石１６０は鉄製のコア１６１と、コア１６１に巻かれたコイル１６２とを有する。コイル１６２に電流を流すことによりコイル１６２で囲まれた領域に磁界が発生し、この磁界によりディスク３０を引付けることが可能である。上側電磁石６０は鉄製のコア６１と、コア６１に巻付けられたコイル６２とを有する。コイル６２に電流を流すことによってコイル６２で取り囲まれた領域に磁界が発生し、この磁界によりディスク３０を引寄せることが可能である。

上側電磁石６０のコイル６２と下側電磁石１６０のコイル１６２とは接続されていてもよく、また分離されていてもよい。コア６１，１６１に巻付けられるコイル６２，１６２のターン数は、特に限定されるものではない。

ディスク３０はアーム部３１と軸受部３８とを有し、アーム部３１が一方端３２から他方端３３へ延びている。アーム部３１は上側電磁石６０および下側電磁石１６０により吸引されて矢印３０ｄで示す方向に揺動（回動）する部材である。アーム部３１の端部に軸受部３８が取付けられている。アーム部３１は軸受部３８を中心として回動する。アーム部３１の上側表面１３１は上側電磁石６０と当接可能であり、下側表面２３１は下側電磁石１６０と当接可能である。また、下側表面２３１は非磁性体１１２と接触している。

軸受部３８は円筒形状であり、その内部にはトーションバー３６が収納されている。トーションバー３６の第一の端部は本体５１にスプライン嵌合で嵌め合わされ、他方の端部は軸受部３８に嵌め合わせられている。これにより軸受部３８が回動しようとすると、この回動に逆らう力がトーションバー３６から軸受部３８へ加えられる。そのため、軸受部３８は常に中立状態で位置決めされる。

一方端３２側では非磁性体１１２を介してディスク３０がバルブステム１２を押圧している。バルブステム１２はステムガイド４３により案内される。

シリンダヘッド４１上に本体５１が取付けられる。シリンダヘッド４１の下部には吸気ポート１８が設けられ、吸気ポート１８は吸気を燃焼室内へ導入するための経路であり、吸気ポート１８内を混合気または空気が通過する。吸気ポート１８と燃焼室との間にはバルブシート４２が設けられ、バルブシート４２により駆動弁１４の密閉性を高めることができる。

シリンダヘッド４１は、吸気バルブとしての駆動弁１４が取付けられている。駆動弁１４は長手方向に延びるバルブステム１２と、バルブステム１２の端部に取付けられた傘部１３とを有する。バルブステム１２はステムガイド４３により案内される。駆動弁１４は矢印１０で示す方向に往復運動することが可能である。

上側電磁石６０および下側電磁石１６０には、磁性体からなる突起６６１，７６１が設けられて、突起６６１，７６１はディスク３０に向かって延びている。

図２は、図１中の下側電磁石およびディスクの斜視図である。図２を参照して、下側電磁石１６０は凹部を有するコア１６１と、前記凹部に巻付けられたコイル１６２とを有し、コア１６１に突起７６１が取付けられる。突起７６１はたとえば電磁鋼板からなるコア１６１に溶接される磁性材料であり、一方端３２側で延びている。突起７６１はディスク３０との距離（ギャップ）を小さくするための部材であり、必ずしも突起７６１を設ける必要がない。なお、図１中の突起６６１も必ずしも設ける必要はない。突起７６１はディスク３０と接触しないように設けられる。

図３は、下側電磁石およびディスクを拡大して示す断面図である。図３を参照して、下側電磁石１６０は「Ｅ」形状のコア１６１と、コア１６１に巻かれるコイル１６２とを有する。コア１６１において、軸受部３８近傍に円筒面５１６１が形成されている。円筒面５１６１は円筒形状の軸受部３８の外周面に沿った形状であり、点線で示す磁気回路２１６１の一部分を構成している。磁気回路２１６１が通過する部分は磁性材料で構成される。この磁気回路が形成されることでアーム部３１が下側電磁石１６０に引付けられる。ディスク３０と下側電磁石１６０との距離（ギャップ）が小さいほど強い電磁力が働く。この実施の形態では、トーションバー３６の周囲を円筒形状の磁性体からなる軸受部３８で構成している。軸受部３８に向かい合うコア１６１の部分も円筒面５１６１であり、円筒面５１６１と軸受部３８との距離は小さく、常にこの距離が一定である。そのため、ディスク３０がいかなる位置にあったとしても、常にギャップが小さくなり、磁束密度が向上する。すなわち、図３で示すようにディスク３０とコア１６１が離れている状態での電磁力を向上させ、使用電流および消費電力を低減する構成となる。

図４は、比較例に従った下側電磁石およびディスクの断面図である。図４を参照して、従来の構成では、ディスク３０がリフトした場合、コア１６１の中心部および他方端３３側でギャップが大きくなる。その際の電磁力は小さくなる。このような電磁力が小さくなることを補うためには大きな電流を流す必要があり、消費電力が大きくなる。

次に、実施の形態１に従った電磁駆動弁の動作について説明する。まず、電磁駆動弁１を駆動させる場合には、上側電磁石６０および下側電磁石１６０のいずれかを構成するコイル６２，１６２のいずれかに電流を流す。たとえば、実施の形態１では、コイル６２に電流を流すこととする。これにより、コイル６２において磁界が発生し、磁性体から構成されるディスク３０のアーム部３１は上側電磁石６０に引付けられる。アーム部３１が上方向へ回動すれば、トーションバー３６がねじられて、このトーションバー３６が逆方向へアーム部３１を動かそうとする。しかしながら、上側電磁石６０による引付け力が強いため、アーム部３１は上方向へ回動し、最後には上側表面１３１が上側電磁石６０と接触する。アーム部３１が上方向に動くにつれて、非磁性体１１２およびバルブステム１２も上方向に移動する。これにより駆動弁１４が閉じられる。

駆動弁１４を開ける場合には、アーム部３１を下方向へ動かす必要がある。この場合には、まずコイル６２に流れる電流を止めるか、または小さくする。これにより、上側電磁石６０とアーム部３１とで働く電磁力が小さくなる。アーム部３１には、トーションバー３６によりねじれ力が働いているため、このねじり力（弾性力）が電磁力に打ち勝ち、アーム部３１は図１中の中立位置まで移動する。次に、下側電磁石１６０を構成するコイル１６２に電流を流す。これにより、コイル１６２の周囲で磁界が発生し、磁性体からなるアーム部３１は下側電磁石１６０に引付けられる。なお、このときも駆動弁１４のバルブステム１２がアーム部３１に押されるため下方向に移動する。コイル１６２による引付け力がトーションバー３６によるねじり力に打ち勝ち、最終的には、下側電磁石１６０に下側表面２３１が接触する。このとき駆動弁１４の下方向へ動き開弁状態となる。

このように、上方向の動きと下方向の動きとを繰返すことにより、アーム部３１は矢印３０ｄで示す方向に往復運動して回動する。アーム部３１が回動すると、アーム部３１と接続される軸受部３８も回動する。

以上のように、実施の形態１では、トーションバー３６周囲を磁性材で円筒状に構成することにより、ギャップ量を低減させ、電磁力を向上させる。その結果、消費電力を低減することができる。

（実施の形態２）
図５は、この発明の実施の形態２に従った電磁駆動弁の断面図である。図５を参照して、この発明の実施の形態２に従った電磁駆動弁では、上下のギャップｄ１、ｄ２、ｄ３およびｄ４に差が生じている。コア６１の円筒面５０６１と軸受部３８との距離（ギャップ）をｄ１とし、下側電磁石１６０のコア１６１と軸受部３８との距離（ギャップ）をｄ２とし、突起６６１とアーム部３１との距離（ギャップ）をｄ３とし、突起７６１とアーム部３１との間の距離（ギャップ）をｄ４とすると、ｄ１をｄ２より小さくし、ｄ３をｄ４より小さくしている。すなわち、実施の形態２に従った電磁駆動弁１は、上側電磁石６０および下側電磁石１６０の一方端３２側に設けられてディスク３０に向かって延びる突起６６１，７６１を備える。ディスク３０の中立位置において、ディスク３０の円筒状の軸受部３８と対向するコア１６１の円筒面５０６１，５１６１との距離ｄ１，ｄ２、および、上下のコア６１，１６１の一方端３２側に設けられた突起６６１，７６１とアーム部３１との距離ｄ３，ｄ４は上下方向で異なる。この実施の形態では、上側の距離ｄ１，ｄ３を短くしているが、下側の距離ｄ２，ｄ４を短くしてもよい。ギャップ量を上下のコア６１，１６１で異ならせることにより、上下での電磁力の差を発生させ、初期駆動時の電流を低減し消費電力を低減する。

図６は、図５で示す電磁駆動弁でのリフト量と電磁力との関係を示すグラフである。図６中の点線は上下のギャップが等しい電磁駆動弁のリフト量と電磁力との関係を示し、実線は図５で示す電磁駆動弁のリフト量と電磁力との関係を示す。図６を参照して、実施の形態２に従った電磁駆動弁１では、中立位置での電磁力が大きくなっている。これは、中立位置において、上側のギャップｄ１，ｄ３が小さいため、上側で電磁力が大きく働くためである。すなわち、初期駆動時（中立時）に大きな電磁力を発生させることができ、消費電力を低減することができる。

（実施の形態３）
図７は、この発明の実施の形態３に従った電磁駆動弁の断面図である。図７を参照して、この発明の実施の形態３に従った電磁駆動弁１では、軸受部３８に凹部１３８が設けられている点で、実施の形態１に従った電磁駆動弁１と異なる。凹部１３８は軸受部３８の本体５１側で設けられており、この部分では、軸受部３８の外周径が小さくなっている。

図８は、図７で示すディスクを拡大して示す断面図である。図８を参照して、ディスク３０の軸受部３８の円筒面に段差としての凹部１３８が設けられている。さらに、中心軸３５と円筒の中心とがオフセットしている。これにより、図７中のコア６１，１６１の円筒面５０６１，５１６１と軸受部３８の外周面との間のギャップがリフト中に可変する。なお、中心軸３５と円筒中心とは必ずしもオフセットしている必要はない。

図９および図１０は、図７で示す電磁駆動弁の動作を説明するための断面図である。図９を参照して、閉弁時には、ディスク３０が上側電磁石６０に引付けられる。この場合には、磁気回路２１６１はコア６１、軸受部３８およびアーム部３１を通って構成される。このとき、上側電磁石６０の円筒面５０６１と軸受部３８との距離が小さいので、この部分のギャップにおいてこのギャップを磁気回路が容易に通過することができる。これに対して、下側電磁石１６０における円筒面５１６１と軸受部３８とのギャップが大きくなるため、下側電磁石１６０には磁気回路が発生しない。

図１０を参照して、開弁状態では、図９とは逆に下側電磁石１６０のコア１６１と軸受部３８との距離（ギャップ）が小さく、上側電磁石６０のコア６１と軸受部３８との距離が大きい。これにより、下側電磁石１６０側で磁気回路２１６１が確実に形成され、上側電磁石６０側では磁気回路が形成されない。

このように構成された電磁駆動弁１では、可変ギャップを用いることにより、電磁力をアップさせ、使用電力および消費電力を低減することができる。

（実施の形態４）
図１１は、この発明の実施の形態４に従って電磁駆動弁の断面図である。図１２は、図１１中のディスクを拡大して示す図である。図１１および図１２を参照して、この発明の実施の形態４に従った電磁駆動弁１では、軸受部３８にスリット２３８が設けられている点で、実施の形態１に従った電磁駆動弁と異なる。スリット２３８は軸受部３８の一部分を完全に断ち切っており、スリット２３８によりトーションバー３６が露出している。軸受部３８は「Ｃ」形状となり、スリット２３８は円筒形状の軸受部３８のうち、アーム部３１が設けられる側と反対に設けられる。スリット２３８を設けることで、トーションバー３６および中心軸３５を取り囲むような磁界の発生を防止する。また、軸受部３８の後側（アーム部３１と反対側）へ流れる磁界の発生を防止することができる。

図１３は、図１１で示す電磁駆動弁の動作を説明するための断面図である。図１３を参照して、ディスク３０が上側電磁石６０に引付けられたコア６１、軸受部３８およびアーム部３１を経由するように磁界が発生する。このとき、軸受部３８を通過する磁束がトーションバー３６の後側（スリット２３８が設けられた側）へ回り込むことがない。そのため、磁束の漏れを防止することができ、電磁力を向上させることができる。なお、ディスク３０が下側電磁石１６０に引付けられた場合であっても、スリット２３８により、磁束の漏れを低下させることができる。

図１４は、別の電磁駆動弁の断面図である。図１４を参照して、スリットが設けられていない場合には、点線で示すように磁束が漏れ、磁気回路３１６１が生じる。この漏れた磁束により、下側電磁石１６０がディスク３０を引付けようとするため、電磁力が低下するおそれがある。

このように構成された実施の形態４に従った電磁駆動弁では、軸受部３８外側にスリット２３８を設けることにより、漏れ磁束を低減し、電磁力を向上させ、消費電力を低減することができる。

（実施の形態５）
図１５は、この発明の実施の形態５に従った電磁駆動弁の断面図である。図１５を参照して、この発明の実施の形態５に従った電磁駆動弁１では、ディスク３０が上下で２枚設けられている点で、実施の形態１に従った電磁駆動弁１と異なる。それぞれのディスク３０はステム１０１２により連結されている。円筒形状の軸受部３８にコア６１の円筒面５０６１，５１６１が向かい合っている。

このように構成された実施の形態５に従った電磁駆動弁１でも実施の形態１に従った電磁駆動弁１と同様の効果がある。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。実施の形態１から４においては、１枚のディスク３０を用いた例を示したが、実施の形態５のように２枚のディスクを用いてもよい。

また、上側電磁石６０および下側電磁石１６０を構成するコイル６２，１６２は１本のコイルで構成されていてもよく、別のコイルで構成されていてもよい。

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。

この発明は、たとえば車両に搭載される内燃機関の電磁駆動弁の分野で用いることができる。

この発明の実施の形態１に従った電磁駆動弁の断面図である。 図１中の下側電磁石およびディスクの斜視図である。 下側電磁石およびディスクを拡大して示す断面図である。 比較例に従った下側電磁石およびディスクの断面図である。 この発明の実施の形態２に従った電磁駆動弁の断面図である。 図５で示す電磁駆動弁におけるリフト量と電磁力との関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態３に従った電磁駆動弁の断面図である。 図７で示すディスクを拡大して示す断面図である。 図７で示す電磁駆動弁の動作を説明するための断面図である。 図７で示す電磁駆動弁の動作を説明するための断面図である。 この発明の実施の形態４に従った電磁駆動弁の断面図である。 図１１中のディスクを拡大して示す断面図である。 図１１で示す電磁駆動弁の動作を説明するための断面図である。 別の電磁駆動弁の断面図である。 この発明の実施の形態５に従った電磁駆動弁の断面図である。

符号の説明

１ 電磁駆動弁、１２ バルブステム、１３ 傘部、１４ 駆動弁、３０ ディスク、３１ アーム部、３５ 中心軸、３６ トーションバー、３８ 軸受部、６０ 上側電磁石、６１，１６１ コア、６２，１６２ コイル、１６０ 下側電磁石、５０６１，５１６１ 円筒面。

Claims (4)

1. 電磁力により作動する電磁駆動弁であって、
   弁軸を有し、前記弁軸が延びる方向に沿って往復運動する駆動弁と、
   前記弁軸と連動する一方端から他方端まで延び、前記他方端で延びる中心軸を中心に揺動する揺動部材と、
   前記揺動部材を支持する支持部材と、
   前記揺動部材と向かい合うように配置される電磁石とを備え、
   前記電磁石は、磁性体からなるコアと、そのコアに巻かれたコイルとを有し、前記中心軸は前記コアの一部分を構成する円筒形状の磁性材料で取り囲まれ、
   前記コアの前記円筒形状と向かい合う前記揺動部材の部分は円筒形状に構成される、電磁駆動弁。
2. 前記揺動部材の上側と下側とに位置する二つの前記電磁石と、前記二つの電磁石の一方端側に設けられて前記揺動部材に向かって延びる磁性材料からなる突起とを備え、
   前記揺動部材の中立位置において、前記揺動部材の円筒形状と対向する前記コアの円筒形状との距離、および、前記上下のコアの一方端側に設けられた突起と前記揺動部材との距離は、上下方向で異なる、請求項１に記載の電磁駆動弁。
3. 前記揺動部材の円筒形状と前記コアの円筒形状との距離は、前記揺動部材の揺動により変化する、請求項１に記載の電磁駆動弁。
4. 前記揺動部材の円筒形状にスリットが設けられている、請求項１に記載の電磁駆動弁。

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