JP2007278077A - 電磁駆動弁 - Google Patents

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忍 嶋▲崎▼
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Abstract

【課題】バルブの適正かつ円滑な駆動が実現される電磁駆動弁を提供する。
【解決手段】電磁駆動弁は、中心軸25に沿って延びるトーションバー31と、トーションバー31に接続されたシャフト部23を有し、中心軸25を中心に揺動することにより駆動弁を駆動するディスク21と、シャフト部23を回転自在に支持するとともに、中心軸25を一定の位置に保持し、調芯機構として機能するメタルブッシュ33およびスプリング36とを備える。
【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、電磁力とトーションバーの弾性力との協働によって作動する、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の弾性力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て、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。回転自在に支持された揺動アームの第1端部には、円筒状の管部材が配設されている。その管部材には、バルブを開状態に向けて付勢するトーションバーが挿入されている。管部材は、サポートフレームを形成するプレート上で回転するように、ころ軸受けを介在させて搭載されている。
米国特許第6467441号明細書
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、揺動アームに弾性力を作用させるためにトーションバーが用いられている。しかしながら、管部材ところ軸受けとの間にクリアランスが存在した場合、揺動アームが、揺動中心で軸ずれを起こしたまま揺動運動することになる。これにより、バルブを適正かつ円滑に往復運動させることができないおそれが生じる。
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、バルブの適正かつ円滑な駆動が実現さ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、所定の軸に沿って延びるトーションバーと、トーションバーに接続されたシャフト部を有し、所定の軸を中心に揺動することによりバルブを駆動する揺動部材と、シャフト部を回転自在に支持するとともに、所定の軸を一定の位置に保持する調芯機構とを備える。
このように構成された電磁駆動弁によれば、調芯機構を設けることによって、揺動部材が、揺動中心で軸ずれを起こした状態で揺動することを防止できる。これにより、バルブを適正かつ円滑に駆動させることができる。
また好ましくは、電磁駆動弁は、揺動部材が取り付けられるベース部材をさらに備える。トーションバーの一方端は、ベース部材に対して固定されている。トーションバーの他方端は、シャフト部を介して調芯機構に回転自在に支持されている。このように構成された電磁駆動弁によれば、調芯機構によって、トーションバーの一方端から他方端に向けて延びる所定の軸を一定の位置に保持しつつ、トーションバーの他方端を回転自在に支持することができる。
また好ましくは、シャフト部は、所定の軸に対して傾斜し、その軸周りで延在するテーパ面を含む。調芯機構は、テーパ面に対向する表面を含む支持部材と、シャフト部を所定の軸方向に付勢し、テーパ面を表面に押圧する第1の弾性部材とを有する。このように構成された電磁駆動弁によれば、第1の弾性部材がシャフト部を付勢することによって、所定の軸は、テーパ面と表面とが面接触する一定の位置に保持される。このため、調芯機構による調芯機能が発揮され、バルブを適正かつ円滑に駆動させることができる。
また好ましくは、シャフト部は、所定の軸に対して傾斜し、その軸周りで延在するテーパ面を含む。調芯機構は、テーパ面に対向する表面を含む支持部材と、支持部材を所定の軸方向に付勢し、表面をテーパ面に押圧する第2の弾性部材とを有する。このように構成された電磁駆動弁によれば、第2の弾性部材が支持部材を付勢することによって、所定の軸は、テーパ面と表面とが面接触する一定の位置に保持される。このため、調芯機構による調芯機能が発揮され、バルブを適正かつ円滑に駆動させることができる。
また好ましくは、テーパ面および表面の少なくともいずれか一方に、ダイヤモンドライクカーボン(DLC:Diamond Like Carbon)コーティングが施されている。なお、ダイヤモンドライクカーボンは、アモルファス(非結晶質)の結晶構造を有し、炭素元素同士の接続状態が、ダイヤモンド構造(SP結合)とグラファイト構造(SP)との両方になる。
また好ましくは、テーパ面および表面の少なくともいずれか一方に、所定の軸を中心に螺旋状に延びる溝が形成され、その溝に流体が供給される。
このように構成された電磁駆動弁によれば、テーパ面と表面との間の摩擦が低減される。これにより、調芯機構による調芯機能がより効果的に発揮され、バルブを適正かつ円滑に駆動させることができる。
以上説明したように、この発明に従えば、バルブの適正かつ円滑な駆動が実現さ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断面図である。本実施の形態における電磁駆動弁は、車両に搭載される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を参照して、電磁駆動弁10は、電磁力と弾性力との協働によって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、一方向に延びるステム11を有する駆動弁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51および52と、中心軸25に沿って延び、弾性力を有するトーションバー31とを備える。駆動弁14は、ディスク21の揺動運動を受けて、ステム11が延びる方向(矢印101に示す方向)に往復運動する。
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。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は、さらに、ステム11の先端に形成された傘部12を有する。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。本実施の形態では、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。
電磁駆動弁10には、ステム11を軸方向に摺動可能なように案内するバルブガイド41および42が設けられている。バルブガイド41および42は、ステム11との高速摺動に耐えられるように、たとえば、ステンレスなどの金属材料から形成されている。
ステム11の外周上には、鍔状のロアリテーナ44が嵌め合わされている。シリンダヘッド18には、頂面側に開口する開口部46が形成されている。開口部46には、開口部46の底面とロアリテーナ44との間に挟まれてロアスプリング43が収容されている。ロアスプリング43は、コイルばねから形成されている。ロアスプリング43は、ロアリテーナ44が開口部46の底面から離れる方向、つまり、ステム11を上昇さ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の頂面上には、ベース部材としてのディスク支持台48が固定されている。ディスク支持台48には、電磁石51および52が設けられている。電磁石51は、コイル57と、コイル57が巻回されたコア部56とから構成されている。同様に、電磁石52は、コイル57とコア部56とから構成されている。
電磁石51を構成するコイル57と、電磁石52を構成するコイル57とは、連続する単一のコイル線から形成されても良いし、別々のコイル線から形成されても良い。コア部56は、磁性材料から形成されており、本実施の形態では、積層された複数の電磁鋼板から形成されている。コア部56は、電磁鋼板以外の磁性材料、たとえば磁性粉末の圧粉体から形成されても良い。
電磁石51および52は、それぞれ、互いに距離を隔てて向い合う吸着面51aおよび52aを有する。吸着面51aと吸着面52aとの間には、ディスク21が揺動する空間が規定されている。
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、シャフト部23および連結部22を有し、シャフト部23から連結部22に向けてステム11に交差する方向に延びている。シャフト部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表面21aおよび21bが形成されている。表面21aは、電磁石51の吸着面51aに向い合い、表面21bは、電磁石52の吸着面52aに向い合っている。シャフト部23には、トーションバー31が接続されている。ディスク21は、トーションバー31が延びる中心軸25を中心に揺動運動する。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11cが、ディスク21の表面21bに当接している。
電磁石51のコイル57に電流が流れると、電磁石51のコア部56とディスク21との間に磁気回路が形成される。これにより、電磁石51は、ディスク21を吸着面51aに引き寄せる電磁力を発生させる。また、電磁石52のコイル57に電流が流れると、電磁石52のコア部56とディスク21との間に磁気回路が形成される。これにより、電磁石52は、ディスク21を吸着面52aに引き寄せる電磁力を発生させる。
トーションバー31は、中心軸25を中心として反時計周りの弾性力をディスク21に作用させている。つまり、トーションバー31は、ステム11を下降させる方向の弾性力を、ディスク21を介して駆動弁14に作用させている。ディスク21に電磁力が作用していない状態で、ディスク21は、ロアスプリング43およびトーションバー31の弾性力により、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。
このような構成により、電磁石51および52で発生する電磁力と、ロアスプリング43およびトーションバー31の弾性力とによって、ディスク21を中心軸25を中心に揺動させ、駆動弁14を往復運動させる。ディスク21が電磁石51の吸着面51aに引き寄せられると、ステム11が上昇し、駆動弁14が閉弁位置へと位置決めされる。ディスク21が電磁石52の吸着面52aに引き寄せられると、ステム11が下降し、駆動弁14が開弁位置へと位置決めされる。
図2は、図1中のトーションバーが延びる中心軸に沿った電磁駆動弁の断面図である。図1および図2を参照して、ディスク支持台48は、中心軸25の軸方向に間隔を設けて配設された側部48mおよび48nを有する。ディスク21は、側部48mと側部48nとの間に配置されている。
トーションバー31は、捩りばねから形成されている。シャフト部23には、トーションバー31が圧入される孔27が形成されている。トーションバー31は、中心軸25の軸方向に沿った両端に、一方端としての固定端31pと他方端としての回転端31qとを有する。トーションバー31が孔27に圧入された状態で、固定端31pは、孔27の外側に突出し、回転端31qは、孔27の内側に配置されている。固定端31pは、図示しないスプライン構造等によって、側部48mに固定されている。
シャフト部23は、中心軸25を中心に鍔状に広がる鍔部24を有する。鍔部24には、中心軸25に対して傾斜し、中心軸25の軸周りで延在するテーパ面24aが形成されている。テーパ面24aは、中心軸25とテーパ面24aとの間の距離が、側部48mから側部48nに向かう方向に沿って徐々に小さくなるように形成されている。
側部48nには、滑り軸受けとしてのメタルブッシュ33が固定されている。シャフト部23とメタルブッシュ33とは、中心軸25の軸方向に並んで配置されている。メタルブッシュ33は、テーパ面24aに対向し、中心軸25の軸周りで延在する内周面33aを有する。
トーションバー31の外周上であって、側部48mとシャフト部23との間には、コイルばねからなるスプリング36が配設されている。スプリング36は、圧縮変形した状態で設けられている。スプリング36の弾性力によって、シャフト部23はメタルブッシュ33に向けて付勢されている。これにより、テーパ面24aが内周面33aを押圧し、両者が面接触している。トーションバー31の回転端31qは、シャフト部23を介してメタルブッシュ33に回転自在に支持されている。
なお、テーパ面24aは、中心軸25とテーパ面24aとの間の距離が、側部48mから側部48nに向かう方向に沿って徐々に大きくなるように形成されても良い。この場合、スプリング36は、鍔部24に対してトーションバー31の反対側に配設され、鍔部24をメタルブッシュ33に向けて付勢する。
メタルブッシュ33の内周面33aには、低摩擦係数部材としてのダイヤモンドライクカーボン(DLC)コーティングが施されている。DLCコーティングは、カーボン(炭素)材料により構成される。DLCコーティングは、ダイヤモンドに類似した高硬度、および電気絶縁性を有する。DLCコーティングは、炭素を主成分とし、若干の水素を含有したアモルファス構造であり、ダイヤモンド結合とグラファイト結合とが混在している。
DLCコーティングの製造方法として、真空チャンバ内にベンゼンなどの炭化水素ガスを導入し、直流アーク放電でこのガスをプラズマ化して炭化水素イオンを発生させ、このイオンを被処理物に衝突させることで成膜することが可能である。DLCコーティングは、アモルファス構造であるため結晶粒界を持たず、結晶性の材料と比較して平滑な表面を有している。DLCコーティングは、耐久性および成膜時の厚みの制御性に優れる。
なお、DLCコーティングは、鍔部24のテーパ面24aに施されても良いし、内周面33aおよびテーパ面24aの双方に施されても良い。
このような構成により、支持部材としてのメタルブッシュ33および第1の弾性部材としてのスプリング36が、ディスク21の揺動時に中心軸25の位置を一定に保持する調芯機構として機能する。すなわち、スプリング36の弾性力によって、ディスク21は、テーパ面24aを内周面33aに面接触させた状態を維持しながら揺動運動する。このため、中心軸25の位置が一定に保持される。
また、本実施の形態では、内周面33aにDLCコーティングが施されているため、内周面33aとテーパ面24aとの間の摩擦抵抗を低減させることができる。これにより、メタルブッシュ33およびスプリング36の調芯機構としての機能を、より効果的に発揮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、所定の軸としての中心軸25に沿って延びるトーションバー31と、トーションバー31に接続されたシャフト部23を有し、中心軸25を中心に揺動することによりバルブとしての駆動弁14を駆動する揺動部材としてのディスク21と、シャフト部23を回転自在に支持するとともに、中心軸25を一定の位置に保持する調芯機構としてのメタルブッシュ33およびスプリング36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、ディスク21の揺動中心となる中心軸25の位置を一定に保持した状態で、ディスク21を揺動運動させることができる。
回転駆動式の電磁駆動弁では、シャフト部23を一般的な軸受けで受けた場合、部品の熱収縮や部品精度のばらつき、摩耗の進行等に起因して、シャフト部23と軸受けとの間にクリアランスが発生するおそれがある。特に電磁駆動弁10は、極低温下での使用が想定される車両に搭載されるため、部品の熱収縮によってクリアランスの発生が顕著となることがある。この場合、シャフト部23と軸受けとの間にがたつきが生じ、ディスク21の揺動運動を妨げる抵抗となる。これにより、駆動弁14の制御性が低下したり、その制御性を維持するために電磁石51および52で消費される電力が増大したりする。また、電磁駆動弁で発生する騒音が大きくなったり、シャフト部23や軸受けの耐久性が損なわれたりする。
これに対して、本実施の形態における電磁駆動弁10では、メタルブッシュ33とスプリング36とからなる調芯機構によって、このクリアランスの発生を防止できる。このため、上述の問題点を解決し、駆動弁14を適正かつ円滑に往復運動させることができる。
続いて、図2中の電磁駆動弁10の各種変形例について説明を行なう。
図3は、図2中の電磁駆動弁の第1の変形例を示す断面図である。図3を参照して、本変形例では、図2中のメタルブッシュ33に替えて、転がり軸受けとしてのアンギュラベアリング35が配設されている。アンギュラベアリング35の内輪には、テーパ面24aに対向する内周面35aが形成されている。
なお、図中では、アンギュラベアリング35の内輪に内周面35aが形成されているが、内周面35aが形成された筒部材をアンギュラベアリングの内輪に嵌め合わせても良い。
図4は、図2中の電磁駆動弁の第2の変形例を示す断面図である。図4を参照して、本変形例では、図2中のスプリング36に替えて、第2の弾性部材としてのスプリング38が設けられている。スプリング38は、鍔部24に対してトーションバー31の反対側に配設され、メタルブッシュ33を鍔部24に向けて付勢する。このような構成によっても、メタルブッシュ33およびスプリング38により、中心軸25の位置を一定に保持する調芯機構を構成することができる。なお、図2中に示す電磁駆動弁10では、スプリング36がトーションバー31の外周上に配設されるため、本変形例と比較して調芯機構を簡易に構成することができる。
図5は、図2中の電磁駆動弁の第3の変形例を示す断面図である。図6は、図5中のディスクのシャフト部を示す斜視図である。図5および図6を参照して、本変形例では、メタルブッシュ33を設ける替わりに、側部48nにテーパ面24aに対向する表面48aが形成されている。すなわち、本変形例では、ディスク21が取り付けられるディスク支持台48が、調芯機構としても機能している。
鍔部24には、テーパ面24aから凹む溝26が形成されている。溝26は、中心軸25を中心に螺旋状に延びている。テーパ面24aと表面48aとの間には、オイルや空気等の流体が供給される。溝26は、この流体の通り道となり、流体を中心軸25の軸周りの全周に行き渡らせる。
このような構成により、表面48aとテーパ面24aとの間に付加される空油圧を利用して、中心軸25の位置を一定に保持することができる。また、本実施の形態では、中心軸25の軸周りで延びる溝26によって、流体が局所的に供給されることを防止できる。これにより、中心軸25の位置を一定に保持する調芯機能を向上させることができる。
なお、以上に説明した電磁駆動弁10およびその変形例の構成を組み合わせて、新たな電磁駆動弁を構成しても良い。
(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模式的に示す断面図である。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成を備える。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1中のディスク21とほぼ同様の形状を備えるアッパディスク21pおよびロアディスク21qが、互いに間隔を隔てて平行に配置されている。アッパディスク21pおよびロアディスク21qの連結部22は、ステム11の異なる位置にそれぞれ回動自在に連結されている。アッパディスク21pは、シャフト部23に規定された中心軸25pを中心に揺動運動し、ロアディスク21qは、シャフト部23に規定された中心軸25qを中心に揺動運動する。
アッパディスク21pおよびロアディスク21qのシャフト部23には、それぞれ中心軸25pおよび25qに沿って延びるトーションバー31が設けられている。アッパディスク21pに設けられたトーションバー31は、中心軸25pを中心に反時計周りの弾性力をアッパディスク21pに作用させている。つまり、アッパディスク21pに設けられたトーションバー31は、ステム11を下降させる方向の弾性力を、アッパディスク21pを介して駆動弁14に作用させている。ロアディスク21qに設けられたトーションバー31は、中心軸25qを中心に時計周りの弾性力をロアディスク21qに作用させている。つまり、ロアディスク21qに設けられたトーションバー31は、ステム11を上昇させる方向の弾性力を、ロアディスク21qを介して駆動弁14に作用させている。本実施の形態では、図1中のロアスプリング43が設けられていない。
アッパディスク21pおよびロアディスク21qとの間には、電磁石53が配置されている。電磁石53は、コイル57と、コイル57が巻回されたコア部56とから構成されている。コア部56は、それぞれアッパディスク21pおよびロアディスク21qに向い合って配置された部分56pと部分56qとから構成されている。コイル57は、まず、部分56pに巻回され、さらに、部分56qに巻回されている。
アッパディスク21pおよびロアディスク21qのシャフト部23は、実施の形態1に説明した各種の調芯機構によって、中心軸25pおよび25qが一定の位置に保持されるように支持されている。
この発明の実施の形態2における電磁駆動弁では、揺動部材としてのアッパディスク21pおよびロアディスク21qが、互いに距離を隔てて複数、設けられている。アッパディスク21pとロアディスク21qとの間には、電磁石53が配置されている。電磁石53は、連続する一続きのコイル線から構成されたモノコイルとしてのコイル57を有する。
なお、本実施の形態では、コイル57がモノコイルである場合について説明したが、これに限定されず、部分56pと部分56qとのそれぞれに、別々のコイルが巻回されていても良い。
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。
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断面図である。 図1中のトーションバーが延びる中心軸に沿った電磁駆動弁の断面図である。 図2中の電磁駆動弁の第1の変形例を示す断面図である。 図2中の電磁駆動弁の第2の変形例を示す断面図である。 図2中の電磁駆動弁の第3の変形例を示す断面図である。 図5中のディスクのシャフト部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態2における電磁駆動弁を模式的に示す断面図である。
符号の説明
10 電磁駆動弁、14 駆動弁、21 ディスク、21p アッパディスク、21q ロアディスク、23 シャフト部、24a テーパ面、25,25p,25q 中心軸、26 溝、31 トーションバー、31p 固定端、31q 回転端、33 メタルブッシュ、33a,35a 内周面、35 アンギュラベアリング、36,38 スプリング、48 ディスク支持台、48a 表面。

Claims (6)

  1. 所定の軸に沿って延びるトーションバーと、
    前記トーションバーに接続されたシャフト部を有し、前記所定の軸を中心に揺動することによりバルブを駆動する揺動部材と、
    前記シャフト部を回転自在に支持するとともに、前記所定の軸を一定の位置に保持する調芯機構とを備える、電磁駆動弁。
  2. 前記揺動部材が取り付けられるベース部材をさらに備え、
    前記トーションバーの一方端は、前記ベース部材に対して固定され、前記トーションバーの他方端は、前記シャフト部を介して前記調芯機構に回転自在に支持されている、請求項1に記載の電磁駆動弁。
  3. 前記シャフト部は、前記所定の軸に対して傾斜し、その軸周りで延在するテーパ面を含み、
    前記調芯機構は、前記テーパ面に対向する表面を含む支持部材と、前記シャフト部を前記所定の軸方向に付勢し、前記テーパ面を前記表面に押圧する第1の弾性部材とを有する、請求項1または2に記載の電磁駆動弁。
  4. 前記シャフト部は、前記所定の軸に対して傾斜し、その軸周りで延在するテーパ面を含み、
    前記調芯機構は、前記テーパ面に対向する表面を含む支持部材と、前記支持部材を前記所定の軸方向に付勢し、前記表面を前記テーパ面に押圧する第2の弾性部材とを有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の電磁駆動弁。
  5. 前記テーパ面および前記表面の少なくともいずれか一方に、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)コーティングが施されている、請求項3または4に記載の電磁駆動弁。
  6. 前記テーパ面および前記表面の少なくともいずれか一方に、前記所定の軸を中心に螺旋状に延びる溝が形成され、前記溝に流体が供給される、請求項3から5のいずれか1項に記載の電磁駆動弁。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019143781A (ja) * 2018-02-23 2019-08-29 イーグル工業株式会社 スプールバルブ

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JP2019143781A (ja) * 2018-02-23 2019-08-29 イーグル工業株式会社 スプールバルブ
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