JP2007064474A - 電磁駆動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな電磁力を発生させ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、バルブステム１２と連動する一方端３２から他方端３３へ延び、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とバルブステム１２との間に介在する非磁性体１１２とを備える。
【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、実機に搭載する場合には、高出力化と搭載性（小型化）を両立する必要があったが、高出力化すれば大型化し、小型化すれば高出力化ができない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、高出力化と搭載性を両立することが可能な電磁駆動弁を提供することを目的とする。

この発明の１つの局面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へ延び、他方端で延びる中心軸を中心に揺動する揺動部材と、揺動部材と弁軸との間に介在する非磁性体とを備える。

このように構成された電磁駆動弁では、揺動部材と弁軸との間に非磁性体が介在するため、弁軸側へ磁束が漏れることを防止することができる。その結果、電磁力を確保しつつ小型化を達成することができる。

この発明の別の局面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へ延び、他方端で延びる中心軸を中心に揺動する揺動部材とを備え、弁軸と連動する揺動部材の部分は、他の部分に比べて一方端側へ突出している。このように構成された電磁駆動弁では、一方端側へ突出した揺動部材の部分が弁軸と連動するため、この連動する部分が磁気回路の妨げになることを防止することができる。その結果、磁路の面積を確保し、電磁力を向上させるとともに、搭載性を向上することができる。

好ましくは、電磁駆動弁は、揺動部材を駆動する電磁石をさらに備える。電磁石は磁性材料からなるコアと、コアに巻付けられたコイルとを有し、一方端側のコアの一部分が他方端側へ向かって切り欠かれて凹部が設けられ、凹部にステムが配置される。この場合一方端から他方端へ向かう幅方向の小型化が可能となる。

好ましくは、電磁駆動弁は、揺動部材を保持するトーションバーをさらに備える。トーションバーのゼロ荷重点は、揺動部材の中立点にほぼ一致する。この場合駆動弁を押圧するばねが不要となり、駆動弁の軸方向の小型化が可能となる。

この発明に従えば、高出力化と小型化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、この発明の実施の形態１に従った電磁駆動弁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の間に配置されていて、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、電磁力により駆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駆動弁１４と、バルブステム１２と連動する一方端３２から他方端３３へ延び、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とバルブステム１２との間に介在する非磁性体１１２とを備える。

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を説明しているが、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上に取付けられる。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ってコイル１６２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を引付け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に巻き付けられるコイル６２，１６１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３０ａ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は常に中立位置で位置決めされる。

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に本体５１が固着されている。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には、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。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。

図２は、図１中のＩＩで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。コイル１６２に電流が流れると、矢印で示すように磁気回路１１６１が発生する。この磁気回路１１６１を構成する磁束が漏れなければ大きな電磁力を発生し、ディスク３０のアーム部３１を強い力で引付けることができる。非磁性体１１２は磁気的なバリアとなり、非磁性体から外部へ磁気が漏れることがない。すなわち、点線で示すようにバルブステム１２側へ磁束が漏れると電磁力が低下するが、本発明では、ＳＵＳ材（ステンレス鋼）などの非磁性体１１２を一方端３２側でバルブステム１２を覆うように設けているため、磁束の漏れを防止することができる。図２で示すように、非磁性体１１２はバルブステム１２の頭部に被せられキャップ形状となっている。実施の形態１では、ディスク３０の出力端と、バルブステム１２の力の伝達部材を非磁性体１１２で構成することにより、漏れ磁束を低減し、電磁力を向上させ、消費電力を低減している。

次に、実施の形態１に従った電磁駆動弁１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、アーム部３１と接続された非磁性体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によりねじり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が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３０ａ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。

このように構成された、実施の形態１に従った電磁駆動弁１では非磁性体１１２により磁束の漏れを防ぎ、電磁力を向上させ、消費電力を低減するとともに、対角の増加を防止することができる。

（実施の形態２）
図３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４は、図３中の矢印ＩＶで示す方向から見た電磁駆動弁の平面図である。図３および図４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１では、ディスク３０に突出部２０３１が設けられ、この突出部２０３１が非磁性体１１２を介してバルブステム１２を押圧している。突出部２０３１はアーム部３１の一部分であり、アーム部３１の回転軸としての中心軸３５方向のほぼ中央に位置している。アーム部３１の上側表面１３１よりも一方端３２側へ突出している。すなわち、実施の形態２に従った電磁駆動弁１は、電磁力により作動する電磁駆動弁１であって、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、バルブステム１２と連動する一方端３２から他方端３３へ延び、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とを備え、バルブステム１２と連動するディスク３０の突出部２０３１は、他の部分に比べて一方端３２側へ突出している。

中心軸３５から突出部２０３１を除いたアーム部３１の端面までの距離Ｌを十分確保している。この上側表面１３１と上側電磁石６０との向かい合う面積は、上側電磁石６０とディスク３０とが引き合う力に関連し、この面積が大きくなるほど引き合う力が大きくなる。この発明では、アーム部３１からバルブステム１２への力の伝達部位をアーム部３１の外側へ配置している。これにより、上側電磁石６０の磁気回路の妨げとなることなくバルブステム１２を配置することができ、磁路の面積を確保できる。その結果、電磁力を向上させ、使用電流および消費電力を低減することができる。

（実施の形態３）
図５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６は、図５中の矢印ＶＩで示す方向から見た下側電磁石の平面図である。図５および図６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、下側電磁石１６０のコア１６１に切り込み形状の凹部１６５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。電磁鋼板を積層して構成されるコア１６１の一部分に逃がし部としての凹部１６５を設ける。凹部１６５はコア１６１の一方端３２側の端面から他方端３３へ延びるように向かって切り欠かれて構成しており、凹部１６５はコイル１６２に達している。凹部１６５にバルブステム１２および非磁性体１１２が配置されており、凹部１６５内で非磁性体１１２およびバルブステム１２が上下方向に往復運動する。すなわち、積層体からなるコア１６１に逃がし部を設け、そこへバルブステム１２を配置している。

このように構成された、実施の形態３に従った電磁駆動弁は、ディスク３０を駆動する下側電磁石１６０をさらに備え、下側電磁石１６０は磁性材料からなるコア１６１と、コア１６１に巻かれたコイル１６２とを有し、一方端３２側のコア１６１の一部分が他方端３３側へ向かって切り欠かれて凹部１６５が設けられており、凹部１６５にバルブステム１２が配置されている。

このように構成された実施の形態３に従った電磁駆動弁１では、幅方向の対角を低減することができる。その結果搭載性を向上させることができる。

（実施の形態４）
図７は、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８は、図７中のディスクを拡大して示す断面図である。図７および図８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、トーションバー３６の荷重が０の点をリフトの中立もしくはこの周辺に位置決めすることにより、駆動弁１４を駆動するためのスプリングを廃止し、高さを低減しておりアクチュエータの搭載性を向上させている。すなわち、図８で示すように、ディスク３０がねじられるとばねトルクが＋Ａから−Ａまで発生する。すなわち、電磁駆動弁１はディスク３０を保持するトーションバー３６をさらに備え、トーションバー３６のゼロ荷重点はディスク３０の中立点（上側電磁石６０と下側電磁石１６０との中間点）にほぼ一致している。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、実施の形態１に従った電磁駆動弁と同様の効果がある。

（実施の形態５）
図９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９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によって連結されている。下側のディスク３０とバルブステム１２との間に非磁性体１１２が設けられている。

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、１枚のディスク３０を用いる例を示したが、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それぞれ別に制御されていてもよい。

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ＩＩで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。 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３中の矢印ＩＶで示す方向から見たディスクの平面図である。 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５中の矢印ＶＩで示す方向から見た下側電磁石の平面図である。 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７中のディスクを拡大して示す断面図である。 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、１１２ 非磁性体、１６０ 下側電磁石。

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へ延び、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、
   前記揺動部材と前記弁軸との間に介在する非磁性体とを備えた、電磁駆動弁。
2. 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へ延び、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を備え、
   前記弁軸と連動する前記揺動部材の部分は、他の部分に比べて一方端側へ突出している、電磁駆動弁。
3. 前記揺動部材を駆動する電磁石をさらに備え、前記電磁石は磁性材料からなるコアと、前記コアに巻付けられたコイルとを有し、前記一方端側の前記コアの一部分が前記他方端側へ向かって切り欠かれて凹部が設けられ、前記凹部に前記弁軸が配置される、請求項１または２に記載の電磁駆動弁。
4. 前記揺動部材を保持するトーションバーをさらに備え、前記トーションバーのゼロ荷重点は、前記揺動部材の中立点にほぼ一致する、請求項１または２に記載の電磁駆動弁。

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