JP2007278365A - 電磁駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁駆動装置の吸引時の応答性の向上を図る。
【解決手段】磁気回路を形成するバルブボデー１２は、アーマチャ１３が収納される第１筒部１２ａおよびコイル３１が収納される第２筒部１２ｂを有し、第１筒部１２ａの外周面には、アーマチャ１３の外周面に対向する位置に凹部１２８が環状に設けられ、この凹部１２８の最小外径は、第２筒部１２ｂの内径よりも小さくなっている。このようにすれば、第１筒部１２ａにおけるアーマチャ１３に対向する面から第２筒部１２ｂに磁束が流れる際に、遠回りしようとする磁束の流れが凹部１２８によって阻止されるため磁路が短くなり、吸引時の応答性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気吸引力によりアーマチャを駆動する電磁駆動装置に関する。

従来、ディーゼルエンジンの蓄圧式燃料噴射装置は、減速時に減圧弁を開弁させて蓄圧器内の高圧燃料を燃料タンクに排出し、蓄圧器内の圧力を目標値まで急速に低下させるようになっている。

図６は、本発明者らが試作検討を行った減圧弁であり、コイル３１に通電すると磁束が発生し、ステータコア１８とアーマチャ１３との間に吸引力が発生し、アーマチャ１３がステータコア１８側に吸引されることにより排出流路が開かれ、蓄圧器内の燃料が燃料タンクに排出されるようになっている。

そして、蓄圧式燃料噴射装置の減圧弁は、減速時に蓄圧器内の圧力を速やかに低下させる必要から、開弁時の応答性の向上が望まれている。また、一般的な電磁弁の電磁駆動装置においても、同様に応答性の更なる向上が望まれている。

本発明は上記点に鑑みて、電磁駆動装置の吸引時の応答性の向上を図ることを目的とする。

本発明者らは、応答性を悪化させている要因について検討を行った。図６に示す減圧弁においては、磁束はステータコア１８からアーマチャ１３を経由して、アーマチャ１３が収納された第１筒部１２ａへと流れていく。アーマチャ１３とステータコア１８および第１筒部１２ａの間には、アーマチャ１３が可動できるように所定の空間が設けられている。磁束がこの空間を横切るときには、空間が抵抗となる為、出来るだけ広い面積を使って流れようとする。このため、アーマチャ１３から第１筒部１２ａに流れる磁束は、図６に矢印で示すようにアーマチャ軸方向（図６の紙面左右方向）に広がって流れることになる。

そして、第１筒部１２ａにおけるアーマチャ１３に対向する面から、コイル３１が収納された第２筒部１２ｂに磁束が流れる際に、磁束は最短経路から離れた経路を流れ、このため磁路が長くなり、応答性を悪化させていることが分かった。

本発明は、この検討結果に基づいてなされたものであり、磁気回路を形成するバルブボデー（１２）は、アーマチャ（１３）が収納される第１筒部（１２ａ）およびコイル（３１）が収納される第２筒部（１２ｂ）を有し、第１筒部（１２ａ）の外周面には、アーマチャ（１３）の外周面に対向する位置に凹部（１２８）が環状に設けられ、この凹部（１２８）の最小外径は、第２筒部（１２ｂ）の内径よりも小さくなっていることを特徴とする。

このようにすれば、第１筒部（１２ａ）におけるアーマチャ（１３）に対向する面から第２筒部（１２ｂ）に磁束が流れる際に、遠回りしようとする磁束の流れが凹部（１２８）によって阻止されるため磁路が短くなり、吸引時の応答性を向上させることができる。

この場合、第１筒部（１２ａ）の内周面のうちアーマチャ（１３）における反コイル側の外周角部に対向する部位を第１位置（ａ）とし、第２筒部（１２ｂ）の内周面のうちアーマチャ側の内周角部を第２位置（ｂ）としたとき、凹部（１２８）は、第１位置（ａ）と第２位置（ｂ）とを結ぶ境界線（ｚ）の外側のみに設けることができる。

そして、凹部（１２８）を境界線（ｚ）の内側まで設けると、磁路面積が狭くなって磁束密度が上がり磁束が絞られてしまうため応答性が悪化してしまうが、凹部（１２８）を境界線（ｚ）の外側のみに設けた場合、磁路面積が狭くならないため吸引時の応答性を確実に向上させることができる。

また、第１筒部（１２ａ）の内周面のうちアーマチャ（１３）に対向する部位の面積を第１磁路面積とし、第２位置（ｂ）からコイル軸方向に延ばした線が凹部（１２８）と交差する部位を第３位置（ｃ）とし、第２位置（ｂ）と第３位置（ｃ）との間の面積を第２磁路面積としたとき、凹部（１２８）におけるコイル側の面（１２８ｂ）は、第２磁路面積が第１磁路面積以上になるようにして、アーマチャ（１３）が吸引される向きに沿って拡がるテーパ形状にすることができる。

このようにすれば、第２磁路面積が狭くなるのを回避しつつ、凹部（１２８）により磁束の広がりを適切に防止して、吸引時の応答性を確実に向上させることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る電磁駆動装置を備える蓄圧式燃料噴射装置の全体構成を示す図である。この燃料噴射装置は、高圧燃料が蓄圧される略円筒状の蓄圧器１を備えており、蓄圧器１には、図示しない内燃機関（より詳細には、ディーゼルエンジン）の各気筒毎に設けられる複数の燃料噴射弁２が接続され、蓄圧器１内に蓄圧される高圧燃料が各燃料噴射弁２から対応する気筒に噴射されるようになっている。燃料噴射弁２の開弁時期および開弁時間は、図示しない電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）によって制御される。

ＥＣＵは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶された各種処理を順に実行する。そして、ＥＣＵには、エンジン回転数や図示しないアクセルペダルの踏み込み量等の情報が入力され、ＥＣＵは、それらの情報に基づいて、燃料噴射弁２や、後述する圧送量制御弁７、減圧弁９の作動を制御する。

蓄圧器１内には、燃料ポンプ３から圧送される高圧燃料が、燃料の噴射圧力に相当する所定圧で蓄圧される。燃料ポンプ３としては、公知の構造の可変吐出量高圧ポンプが用いられ、低圧部としての燃料タンク４からフィードポンプ５を経て吸入される低圧燃料を高圧に加圧する。ＥＣＵは、蓄圧器１に設けた圧力センサ６からの信号を基に燃料ポンプ３に設けた圧送量制御弁７を駆動して、噴射圧力が負荷や回転数に応じて定めた所定値となるように圧送量を制御する。

蓄圧器１は、排出流路を構成するリークパイプ８を介して燃料タンク４に接続されている。また、蓄圧器１における長手方向の一端側には、排出流路を開閉する減圧弁９が装着されている。減圧弁９は、ＥＣＵによって内燃機関の運転状態に応じて制御され、開弁時に蓄圧器１内の高圧燃料を排出流路を介して燃料タンク４に戻すことにより、蓄圧器１の圧力を目標値まで低減するものである。

次に、減圧弁９について図２に基づいて説明する。図２は減圧弁９を蓄圧器１に装着した状態を示す断面図である。

減圧弁９は、排出通路を開閉する弁体１１を含む弁部ユニット１０と、コイル３１に通電されたときに弁体１１を開弁方向に吸引するコイルユニット３０とに分割可能に構成されている。

まず、弁部ユニット１０について説明する。弁部ユニット１０は、蓄圧器１に締結される磁性体金属製の筒状のバルブボデー１２を備えている。このバルブボデー１２には、筒状の第１筒部１２ａと筒状の第２筒部１２ｂとが、軸方向に連続して形成されている。第１筒部１２ａ内に形成された円柱状の第１空間１２１には、円柱状の弁体１１および円柱状のアーマチャ１３が収納されている。第２筒部１２ｂ内に形成された円柱状の第２空間１２２には、コイルユニット３０のコイル３１が収納されている。

第１空間１２１には、弁体１１を摺動自在に支持する円筒状のガイド１４が挿入されている。なお、アーマチャ１３は磁性体金属よりなり、弁体１１とアーマチャ１３は、圧入もしくは溶接により接合されている。

第１筒部１２ａの端部には、バルブシート１５がかしめまたは圧入により固定されている。そして、第１空間１２１は、バルブシート１５に形成された貫通穴１５１によって蓄圧器１の内部に接続されている。また、第１空間１２１は、ガイド１４に形成された貫通穴１４１およびバルブボデー１２に形成された貫通穴１２３を介して蓄圧器１の貫通穴１ａに接続されている。さらに、排出流路を構成する蓄圧器１の貫通穴１ａは、リークパイプ８に接続されている。

バルブボデー１２の外周面には、蓄圧器１の雌ねじ１ｂに螺合される第１雄ねじ１２４、貫通穴１２３と第１雄ねじ１２４との間に位置して、Ｏリング等のシール部材１６が挿入される環状の溝１２５、蓄圧器１の外に位置する六角部１２６、バルブボデー１２の端部に位置して、後述するリテーニングナット３４が螺合される第２雄ねじ１２７が形成されている。さらに、バルブボデー１２の外周面には、第１雄ねじ１２４と六角部１２６との間に凹部１２８が形成されている。なお、凹部１２８の詳細については後述する。

第１空間１２１と第２空間１２２の境界部には、非磁性金属製の環状の接合部材１７が配置され、第２空間１２２内には、磁性体金属製のステータコア１８がアーマチャ１３と対向して配置されている。そして、バルブボデー１２と接合部材１７は、溶接またはろう付け等で気密的に接合され、ステータコア１８と接合部材１７も、溶接またはろう付け等で気密的に接合されている。換言すると、第１空間１２１と第２空間１２２は、ステータコア１８と接合部材１７とによって気密的に分離されている。また、ステータコア１８とバルブシート１５とによって弁体１１とアーマチャ１３が保持される構成になっている。

ステータコア１８は、スプリング収納穴１８１を有する有底円筒状であり、スプリング収納穴１８１内に配置されたスプリング１９により、弁体１１およびアーマチャ１３がバルブシート１５側に付勢されている。

次に、コイルユニット３０について説明する。コイルユニット３０は、コイル３１、コネクタ３２、プレート３３、およびリテーニングナット３４からなる。コイル３１とコネクタ３２は、プレート３３を挟んだ状態で、またプレート３３の外縁部分を露出させた状態で、さらには、コネクタ３２のターミナル３２１とコイル３１のワイヤとを接続した状態で、樹脂モールドにより一体化されている。

コイル３１は円筒状に形成されており、バルブボデー１２とステータコア１８と接合部材１７とによって形成される円筒状の空間内で、周方向に回転可能になっている。換言すると、コイル３１はバルブボデー１２に対する周方向の位置を任意に設定することができ、ひいては、コネクタ３２のターミナル３２１の向きを任意に設定することが可能になっている。

プレート３３は、磁性金属製で円板形状に形成されるとともに、バルブボデー１２およびステータコア１８に対向して配置され、バルブボデー１２やステータコア１８とともに磁気回路を形成する。

締結手段としてのリテーニングナット３４は、雌ねじ３４１が形成された円筒部３４２と、円筒部３４２の一端から径方向内側に向かって延びる鍔部３４３とを備えている。リテーニングナット３４は、コイル３１とコネクタ３２とプレート３３が一体化された後に、その一体化されたコイル３１等の部材にプレート３３の外縁部分を抱え込む状態で装着される。

次に、バルブボデー１２に形成された凹部１２８について、図３にて説明する。図３は減圧弁９における凹部近傍の拡大断面図である。

凹部１２８は、第１筒部１２ａの外周面において、アーマチャ１３の外周面に対向する部位、すなわちアーマチャ１３の径方向外側の部位に配置されている。

凹部１２８における底面１２８ａは、コイル軸方向に延びる円柱形状であり、凹部１２８におけるコイル側の面１２８ｂは、コイル軸線に対して直交する平面であり、凹部１２８における反コイル側の面１２８ｃは、アーマチャ１３が吸引される向きに沿って狭まるテーパ形状になっている。凹部１２８の最小外径、すなわち凹部１２８における底面１２８ａの外径は、第２筒部１２ｂの内径よりも小さくなっている。

ここで、コイル３１への通電が断たれている状態（すなわち、アーマチャ１３がステータコア１８側に吸引されていない状態）において、第１筒部１２ａの内周面のうちアーマチャ１３における反コイル側の外周角部に対向する部位を第１位置ａとする。また、第２筒部１２ｂの内周面のうちアーマチャ側の内周角部を第２位置ｂとすると、凹部１２８は、第１位置ａと第２位置ｂとを結ぶ境界線ｚの外側のみに設けられている。

次に、減圧弁９を蓄圧器１に組付ける手順を説明する。まず、弁部ユニット１０とコイルユニット３０を仮組みする。具体的には、バルブボデー１２の端面とリテーニングナット３４の鍔部３４３との間にプレート３３の外縁部分を挟持した状態で、バルブボデー１２の第２雄ねじ１２７とリテーニングナット３４の雌ねじ３４１を螺合させて、弁部ユニット１０とコイルユニット３０を一体化する。

次に、蓄圧器１の雌ねじ１ｂにバルブボデー１２の第１雄ねじ１２４を締付けて、蓄圧器１に減圧弁９を締結する。これにより、バルブシート１５の先端面１５２が蓄圧器１の端面シール部１ｃに軸力により押し付けられて、先端面１５２と端面シール部１ｃとの間がシールされる。また、シール部材１６が蓄圧器１の内周面シール部１ｄに接して、バルブボデー１２と蓄圧器１との間からの燃料の外部洩れが防止される。

その後、リテーニングナット３４を緩めて、蓄圧器１に対するコネクタ３２の向きを調整し、再度リテーニングナット３４を締め付けることにより、蓄圧器１への減圧弁９の組付けが完了する。

尚、上記の例では、弁部ユニット１０とコイルユニット３０を仮組みした後に蓄圧器１に組付けたが、弁部ユニット１０とコイルユニット３０を仮組みせずに、弁部ユニット１０のみを蓄圧器１に組付け、その後、コイルユニット３０を弁部ユニット１０に組付けても良い。

上記構成になる蓄圧器式燃料噴射装置は、内燃機関の減速時以外は、減圧弁９のコイル３１への通電が断たれており、スプリング１９によって弁体１１およびアーマチャ１３がバルブシート１５側に付勢され、弁体１１がバルブシート１５に当接してバルブシート１５の貫通穴１５１が閉じられ、排出流路が遮断されている。

一方、アクセルペダルの踏み込み量が急激に減少した場合、すなわち内燃機関の減速時には、ＥＣＵが減圧弁９を開弁させ、これにより、蓄圧器１内の高圧燃料を燃料タンク４に排出し、蓄圧器１内の圧力を目標値まで急速に低下させる。

具体的には、コネクタ３２のターミナル３２１からコイル３１に電流を流すことによりコイル３１の周りに磁束が発生し、ステータコア１８とアーマチャ１３との間に吸引力が発生することにより、スプリング１９のばね力に抗して弁体１１およびアーマチャ１３がステータコア１８側に向かって変位する。これにより、弁体１１がバルブシート１５から離れてバルブシート１５の貫通穴１５１が開かれ、蓄圧器１内の高圧燃料が、バルブシート１５の貫通穴１５１、ガイド１４の貫通穴１４１、バルブボデー１２の貫通穴１２３、蓄圧器１の貫通穴１ａ、およびリークパイプ８を介して燃料タンク４に排出される。

ここで、第１筒部１２ａの内周面におけるアーマチャ１３に対向する面から第２筒部１２ｂに磁束が流れる際に、遠回りしようとする磁束の流れが凹部１２８によって阻止されるため磁路が短くなり、弁体１１およびアーマチャ１３がステータコア１８側に吸引される時の応答性（すなわち開弁応答性）が向上する。

図４は、凹部１２８における底面１２８ａの外径をパラメータとして、本実施形態の減圧弁９の開弁応答性を評価した結果を示すものである。

なお、図３に示すように、第１筒部１２ａにおける第１雄ねじ１２４の外径をφ１、第１筒部１２ａの内周面のうちアーマチャ１３に対向する部位の内径をφ２、凹部１２８におけるコイル側の面１２８ｂを延長した線ｙと境界線ｚとの交点ｘの径をφｘとする。なお、底面１２８ａの外径＝φ１は、凹部１２８を備えていない減圧弁９に相当する。

図４に示すように、底面１２８ａの外径をφ１から次第に小さくしていくと、底面１２８ａの外径がφｘに近付くにつれて、第１位置ａ近傍を通過した磁束が最短距離で第２位置ｂに向かうようになるため、磁路が短縮され、応答性が向上する。

一方、底面１２８ａの外径をφｘよりも小さくすると、第１位置ａ近傍を通過した磁束は凹部１２８に邪魔されて最短距離で第２位置ｂに向かうことができなくなり、かえって磁路が長くなる。また、磁路面積が狭くなって磁束密度が上がり磁束が絞られてしまう。したがって、応答性が低下する。

よって、応答性の観点からは、底面１２８ａの外径をφｘに近い値にするのが望ましい。但し、強度上必要な最小の肉厚は確保されなければならない。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図５（ａ）は本発明の第２実施形態に係る減圧弁の構成を示す断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の減圧弁における磁路断面を示す図である。第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図５に示すように、凹部１２８におけるコイル側の面１２８ｂは、アーマチャ１３が吸引される向きに沿って拡がるテーパ形状としている。これにより、第１位置ａ近傍を通過した磁束が第２位置ｂに向かう際に、磁束の広がりを適切に防止できるようにしている。

また、第１筒部１２ａの内周面のうちアーマチャ１３に対向する部位の面積を第１磁路面積とし、第２位置ｂからコイル軸方向に延ばした線が凹部１２８のコイル側の面１２８ｂと交差する部位を第３位置ｃとし、第２位置ｂと第３位置ｃとの間の面積を第２磁路面積とする。そして、第２磁路面積の必要な面積としては、少なくとも第１磁路面積と同等以上であればよい。したがって、第２磁路面積が第１磁路面積と同等以上になるように、コイル側の面１２８ｂのテーパが設定されている。

このようにすれば、第２磁路面積が狭くなるのを回避しつつ、凹部１２８により磁束の広がりを適切に防止して、吸引時の応答性を確実に向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る電磁駆動装置を備える蓄圧式燃料噴射装置の全体構成を示す図である。 図１の減圧弁の構成を示す断面図である。 図１の減圧弁における凹部近傍の拡大断面図である。 図１の減圧弁の開弁応答性を評価した結果を示す図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る減圧弁の構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の減圧弁における磁路断面を示す図である。 試作検討を行った減圧弁を示す断面図である。

符号の説明

１２…バルブボデー、１２ａ…第１筒部、１２ｂ…第２筒部、１３アーマチャ、１８…ステータコア、３１…コイル、３２…コネクタ、１２８…凹部。

Claims (3)

1. 通電時に磁界を形成する円筒状のコイル（３１）と、
   前記コイル（３１）内に収納されて磁気回路を形成するステータコア（１８）と、
   磁気吸引力により前記ステータコア（１８）側に吸引されるアーマチャ（１３）と、
   前記アーマチャ（１３）が収納される第１筒部（１２ａ）および前記コイル（３１）が収納される第２筒部（１２ｂ）を有して磁気回路を形成するバルブボデー（１２）とを備え、
   前記第１筒部（１２ａ）の外周面には、前記アーマチャ（１３）の外周面に対向する位置に凹部（１２８）が環状に設けられ、
   この凹部（１２８）の最小外径は、前記第２筒部（１２ｂ）の内径よりも小さくなっていることを特徴とする電磁駆動装置。
2. 前記第１筒部（１２ａ）の内周面のうち前記アーマチャ（１３）における反コイル側の外周角部に対向する部位を第１位置（ａ）とし、
   前記第２筒部（１２ｂ）の内周面のうちアーマチャ側の内周角部を第２位置（ｂ）としたとき、
   前記凹部（１２８）は、前記第１位置（ａ）と前記第２位置（ｂ）とを結ぶ境界線（ｚ）の外側のみに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電磁駆動装置。
3. 前記第１筒部（１２ａ）の内周面のうち前記アーマチャ（１３）に対向する部位の面積を第１磁路面積とし、
   前記第２位置（ｂ）からコイル軸方向に延ばした線が前記凹部（１２８）と交差する部位を第３位置（ｃ）とし、
   前記第２位置（ｂ）と前記第３位置（ｃ）との間の面積を第２磁路面積としたとき、
   前記凹部（１２８）におけるコイル側の面（１２８ｂ）は、前記第２磁路面積が前記第１磁路面積以上になるようにして、前記アーマチャ（１３）が吸引される向きに沿って拡がるテーパ形状にされていることを特徴とする請求項２に記載の電磁駆動装置。

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