JP2008309309A - 流体制御用電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなく、また低コストで高い温度補正精度が可能な流体制御用電磁弁を得る。
【解決手段】この発明に係る流体制御用電磁弁は、信号処理回路部は、相対移動に伴う位置検出コイル４１と遮蔽体４２とが重なる面積の変化に応じて変化する位置検出コイル４１のインピーダンスからセンサ出力電圧を出力し、このセンサ出力電圧の値からバルブの位置が検出される流体制御用電磁弁であって、前記信号処理回路部は、温度補正抵抗体５０の温度変化に基づく抵抗値の変化を補正電圧として取り出し、この補正電圧を用いて前記センサ出力電圧の温度補正をするようになっている。
【選択図】図３

Description

この発明は、ソレノイド部に発生した電磁吸引力で弁部を作動させ、流体の流量を制御する流体制御用電磁弁に関するものである。

従来、ソレノイド部への励磁電流に比例する電磁吸引力によりバルブの開度を調整することで、エンジンへの供給空気流量を制御する流量制御用電磁弁において、バルブの位置を検出するバルブ位置検出手段を内蔵したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このバルブ位置検出手段は、磁束を発生する位置検出コイル、バルブの移動に連動し位置検出コイルに対して相対移動し、位置検出コイルの磁束を遮蔽することができる遮蔽体を有しており、位置検出コイルと遮蔽体との重なり面積の変化に応じて変化する位置検出コイルのインピーダンスに基づく電圧をセンサ出力信号としており、このセンサ出力をソレノイドへの励磁電流にフィードバックすることで、バルブの開度を制御している。

特開２００６−２７５２３５号公報

この流量制御用電磁弁では、バルブの位置を検出することで、流量制御の精度を向上させることでできるものの、位置検出コイルは、流路内に配置されており、流体温度の変化やエンジン等からの受熱によって、位置検出コイルの抵抗値が変化し、センサ出力信号は温度変動の影響を受けてしまい、その結果として流量制御にばらつきが生じるという問題点があった。

ここで、例えば負の温度特性を有するサーミスタ等の温度補正センサを信号処理回路部に設けて、センサ出力の温度の影響を低減させることができるが、実装部品の新たな追加により製造コストが嵩むという問題点がある。
また、例えば温度補正センサ自身の特性ばらつきや、温度に対して非線形な特性を持つ場合には、温度補正への誤差が生じやすいという問題点もある。
さらに、流路内に配置された位置検出コイルから離れた部位に温度補正センサが設置された場合には、温度補正センサ及び位置検出コイルのそれぞれが検知する検知温度が異なり、温度補正の精度が低下するという問題点もある。

この温度差に対しては、位置検出コイルの近傍に温度補正センサを設置することで、温度補正精度を高める方法もあるが、この場合は、温度補正センサを実装する、スペース及び手段が必要となり、大型化するとともに製造コストが嵩むという問題点もある。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、大型化することなく、また低コストで高い温度補正精度が可能な流体制御用電磁弁を提供することを目的とする。

この発明に係る流体制御用電磁弁では、流体が流れる配管内部に配置される、電磁吸引力を発生させるソレノイド部と、このソレノイド部と一体に設けられ、前記電磁吸引力により前記配管の内壁面に形成されたシート部に接離するバルブを有する弁部と、前記バルブの位置を検出するバルブ位置検出手段とを備え、前記バルブ位置検出手段は、磁束を発生させる位置検出コイル及びこの位置検出コイルの近傍に設けられ温度変化に応じて抵抗値が変化する温度補正抵抗体を含む信号処理回路部と、前記位置検出コイルと対向して設けられ、前記磁束を遮蔽するとともに前記バルブの移動に連動して位置検出コイルに対して相対移動する遮蔽体とを有し、前記信号処理回路部は、前記相対移動に伴う前記位置検出コイルと前記遮蔽体とが重なる面積の変化に応じて変化する前記位置検出コイルのインピーダンスからセンサ出力電圧を出力し、このセンサ出力電圧の値から前記バルブの位置が検出される流体制御用電磁弁であって、前記信号処理回路部は、前記温度補正抵抗体の温度変化に基づく抵抗値の変化を補正電圧として取り出し、この補正電圧を用いて前記センサ出力電圧の温度補正をするようになっている。

この発明に係る流体制御用電磁弁によれば、大型化することなく、また低コストで高い温度補正精度が得られる。

以下、この発明の実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一または相当の部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の流体制御用電磁弁（以下、電磁弁と略称する）を示す断面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図、図３は図１の要部を切り欠いた斜視図である。
この電磁弁は、電磁吸引力を発生させるソレノイド部１と、このソレノイド部１と一体に設けられ、電磁吸引力によりボディ３の内壁面に形成されたシート部１８に接離するバルブ１０を有する弁部２と、バルブ１０の位置を検出するバルブ位置検出手段４０とを備えている。

配管であるボディ３は、電磁弁より上流側の吸気管である、上流側ボディ部３ａと、電磁弁より下流側の吸気管である下流側ボディ部３ｂとから構成されており、上流側ボディ部３ａ及び下流側ボディ部３ｂは４個のボルト２１によりガスケット１７及びプレート１５を介して一体化されている。

ソレノイド部１では、吸気管の中心軸線と同軸線で円筒状のコア４が設けられている。このコア４の外周には、ボビン２２を介してソレノイドコイル５が巻装されている。ソレノイドコイル５はヨーク６により内包されている。コア４の下流側の内部では円筒形状のプランジャ７が軸線方向に摺動可能に設けられている。コア４の上流側では調整ネジ１９が螺着された貫通孔が形成されている。この調整ネジ１９は、回転によりコア４の軸線に沿って進退することで、調整ネジ１９とパイプ９との間に設けられたスプリング２０の弾性力が調整され、ソレノイドコイル５に流れる所定の電流の大きさに応じて、バルブ１０がシート部１８に対して所定のリフト量が得られるように設定される。
ボビン２２は、ターミナル２３を有するコネクタ２４とともに樹脂により一体化されている。

ボビン２２の貫通孔に挿入されて固定されたコア４の下流側の端部には、径方向に突出したフランジ部８が形成されている。このフランジ部８の外周縁部に、ヨーク６の開口側の端部をかしめることで、ヨーク６とコア４とは一体化されている。

弁部２では、プランジャ７の貫通孔に、連通孔１１を有するパイプ９が嵌入、固定されている。パイプ９の下流側の端部には、複数個の導通孔１３を有するバルブ１０が固定されている。

バルブ１０の上流側外周縁部には、ベローズ１２の小径フランジ２７ｂが固定されている。このベローズ１２は、低剛性で軸線方向に伸縮自在の樹脂材により形成され、この伸縮により、内部の容積室２５の容積が増減する。ベローズ１２の上流側端部には大径フランジ２７ａが形成されている。フランジ部８の下流側には、外周部の断面形状がＴ形断面のリング２６が嵌着されている。このリング２６とコア４のフランジ部８との間に、ベローズ１２の大径側フランジ２７ａが挟持されている。

ベローズ１２の容積室２５、並びにコア４及びプランジャ７の内部は、バルブ１０の導通孔１３及びパイプ９の連通孔１１により、エンジンの負圧側とそれぞれ導通している。即ち、プランジャ７の上流側端面と下流側端面とはほぼ同じ圧力となり、またバルブ１０の上流側表面と下流側表面とはほぼ同じ圧力となり、圧力差によるプランジャ７及びバルブ１０の作動が防止される。

ドーナツ状のプレート１５は、その内径部がコア４のフランジ部８とボビン２２との間で挟持され、その外径部が上流側ボディ部３ａと下流側ボディ部３ｂとの間で挟持されている。プレート１５には、バルブ１０の開口面積よりも総開口面積が十分に大きな３個の通過孔１６が形成されている。

バルブ位置検出手段４０では、樹脂等の非金属材で構成された円筒形状の環状部材４４の内壁面に、図３に示すように、磁束を発生させる位置検出コイル４１及びこの位置検出コイル４１の近傍に設けられ温度変化に応じて抵抗値が変化する温度補正抵抗体５０が設けられている。環状部材４４の内側には、位置検出コイル４１と対向し磁束を遮蔽する遮蔽体４２が設けられている。
位置検出コイル４１及び温度補正抵抗体５０を含む、信号処理回路部は、位置検出コイル４１とバルブ１０の上下動に伴い移動する遮蔽体４２とが重なる面積の変化に応じて変化する位置検出コイル４１のインピーダンスからセンサ出力電圧を出力するようになっており、このセンサ出力電圧の値からバルブ１０の位置が検出される。

環状部材４４の外周壁面の上端部には、周方向に延びた溝部が形成されている。この溝部に外周端部の断面がＬ形形状の連結リング４６の下端部が係止されている。この連結リング４６の上端部は、リング２６及びフランジ部８の下端部に嵌着されている。
環状部材４４の内側では、円筒形状の遮蔽体４２がボディ３の軸線と同軸線でバルブ１０に固定されている。遮蔽体４２は、例えば銅系、アルミニウム系またはオーステナイト系ステンレス鋼で構成されている。

銅箔による多層導体プリントパターンで形成された、位置検出コイル４１及び温度補正抵抗体５０は、多層フレキシブルプリント基板に設けられている。
位置検出コイル４１は、図４に示すように、周方向に４等分に分離されたコイル部４１ａ〜４１ｄを有している。
各コイル部４１ａ〜４１ｄは、図５及び図６に示すように、隣接した同士で互いに逆電流が流れるように、導線４５を一筆書きで巻回して構成され、かつスルーホールを通じて２層構造であり、各コイル部４１ａ〜４１ｄで発生する磁束の方向は、図４の矢印で示すように半径方向で互いに逆向きとなる。
温度補正抵抗体５０も、位置検出コイル４１と同様に導線４５を一筆書きで巻回して構成され、かつスルーホールを通じて２層構造である。
この温度補正抵抗体５０は、図７に示すように、固定抵抗体５１とともに、温度補正回路６２であるブリッジ回路を構成している。

信号処理回路部は、図８に示すように、電源回路６０と、位置検出コイル４１を含む発振回路６１と、インダクタンス変化を電圧信号として出力する検波整流回路６３と、温度補正抵抗体５０の抵抗値変化を補正電圧として出力する温度補正回路６２と、検波整流回路６３からの信号と温度補正回路６２からの温度補正信号とを加算演算し、増幅して出力する増幅回路６４とから構成されている。
位置検出コイル４１及び温度補正抵抗体５０を除く、上記信号処理回路部の各構成要素は、下流側ボディ部３ｂの外周面の凹部３３に装着された信号処理基板４３に搭載されている。この信号処理基板４３上はエポキシ系樹脂からなる絶縁樹脂３４で覆われ、また絶縁樹脂３４は蓋３５で覆われている。
信号処理基板４３は、バルブ位置検出用コネクタ４７を通じてエンジン制御ユニット（図示せず）と電気的に接続されている。

次に、上記構成の電磁弁の動作について説明する。
ソレノイドコイル５に通電される前までは、バルブ１０は、スプリング２０及びベローズ１２の合力により、シート部１８に当接している。
図示しないエンジン制御ユニットを通じてソレノイドコイル５に通電されると、コア４、ヨーク６及びプランジャ７により構成された磁気回路に磁力線が流れ、コア４にはプランジャ７を反シート部１８に吸引する電流値に比例した力が発生する。このため、プランジャ７は、コア４に磁気吸引され、プランジャ７及びパイプ９と一体のバルブ１０は、磁気吸引力と、スプリング２０及びベローズ１２の合力による反力との釣り合い位置までリフトして保持され、この結果バルブ１０はシート部１８から離間する。
一方、シリンダ（図示せず）作動によるエンジン（図示せず）側からの負圧吸引によって、吸気管内部には圧力差が発生し、吸気管内の空気は、ヨーク６、環状部材４４、及び遮蔽体４２それぞれの外側、流出口２８を通ってエンジン側に流れる。

磁気吸引力は、ソレノイドコイル５への通電電流値に比例して発生するので、バルブ１０の必要リフト量に見合った励磁電流を供給することで、所定の位置までバルブ１０はリフトし、維持される。従って、流出口２８を通ってエンジン側に流れる空気量は、ソレノイドコイル５への印加電流の値によって定まる。この必要空気量は、アクセル開度、エンジンの回転数、トルク等に基づいて決定される。

ところで、バルブ１０と遮蔽体４２とは一体であり、バルブ１０の移動とともに遮蔽体４２も上方向に移動する。
一方、位置検出コイル４１には、エンジン制御ユニットからの電流が供給され、数ＭＨｚの交番磁束が径方向に向かって発生しているので、遮蔽体４２は、交番磁束の中を移動するが、このとき遮蔽体４２の表層には、位置検出コイル４１の磁束とは逆方向の磁束が生じる渦電流が発生する。
位置検出コイル４１では、この渦電流により、上記交番磁束が影響を受けるので、位置検出コイル４１のインピーダンスが変化する。
インピーダンスの変化量は、遮蔽体４２と位置検出コイル４１とが重なる面積に比例するので、面積とバルブ１０のリフト量とは比例関係であり、位置結果としてバルブ１０の位置に比例している。
インピーダンスの変化量は、信号処理回路部でセンサ出力電圧に変換され、このセンサ出力電圧は、エンジン制御ユニットに送られる。
図９は、バルブ１０のリフト量とセンサ出力電圧との関係を示しており、バルブ１０のリフト量とセンサ出力電圧とは比例関係にある。

エンジン制御ユニットでは、このセンサ出力電圧の値から、バルブ１０のリフト量を知ることができ、バルブ１０が所望のリフト量（空気量）でないときには、その所望のリフト量と実際のリフト量との差に応じて、ソレノイドコイル５に再度励磁電流を供給し、最終的には所望のバルブ１０のリフト量が設定される。

ところで、位置検出コイル４１は、吸気管内に設けられているので、位置検出コイル４１の抵抗値は、空気温度、エンジンからの受熱により変化するが、位置検出コイル４１の近傍に設けられた温度補正抵抗体５０は、位置検出コイル４１と同一の物性なので、同じ温度係数に基づいて抵抗値が変化する。
従って、信号処理回路部では、温度補正回路６２からは温度補正抵抗体５０の抵抗値変化を補正電圧として出力し、この温度補正信号と検波整流回路６３からの信号とを加算演算し、増幅回路６４で増幅してセンサ出力電圧として出力する。

以上説明したように、この電磁弁によれば、空気が流れるボディ３内に配設された環状部材４４の壁面に、位置検出コイル４１及び温度補正抵抗体５０が設けられているので、温度補正抵抗体５０は位置検出コイル４１とほぼ同じ温度環境下に存在することになり、両者５０，４１の温度差が少なくなり、温度補正の精度が向上する。

また、位置検出コイル４１及び温度補正抵抗体５０は、多層導体プリントパターンで構成され、かつこの多層導体プリントパターンは、安価な多層フレキシブルプリント基板に設けられているので、サーミスタ等の温度補正センサと比較して省スペース化が可能であるとともに、低コスト化を図ることができる。

また、温度補正抵抗体５０及び位置検出コイル４１は、同じ銅箔の導体４５で構成され、
同じ温度係数に基づいて抵抗値が変化するので、温度補正が容易であり、温度補正の精度が向上する。
また、温度補正抵抗体５０の抵抗値は、銅箔の、厚み、幅及び長さを調整することで、簡単に調整することができる。

バルブ１０の位置検出精度は、位置検出コイル４１と遮蔽体４２とのギャップが狭い程高いが、温度補正抵抗体５０は、位置検出コイル４１と同じ多層フレキシブルプリント基板に設けられているので、前記ギャップを大きくすることなく、即ちバルブ１０の位置検出精度を低下させることなく、温度補正抵抗体５０を備えることができる。

また、環状部材４４、及び遮蔽体４２は、ボディ３の軸線と同軸線で配置されているので、ボディ３内を通過孔１６を通じて流れる空気は、ボディ３内で偏流することなく、円滑に流れる。
また、ベローズ１２の外周側には、外周側に空気が流れる環状部材４４及び遮蔽体４２が設けられているので、空気が蛇腹形状のベローズ１２の外周面に衝突するようなことはなく、空気は円滑に流れる。

また、ボディ３は、金属で構成されており、外部からボディ３の内部に侵入しようとした電磁波は、ボディ３でシールドされ、バルブ位置検出手段４０に影響を与えない。

また、各コイル部４１ａ〜４１ｄは、隣接した同士で互いに逆電流が流れるように導線４５を一筆書きで巻回して構成され、各コイル部４１ａ〜４１ｄで発生する磁束は、半径方向で互いに逆向きになる。そのため、例えば外部磁束がバルブ位置検出手段４０の外部からコイル部４１ａ、コイル部４１ｃを通過した場合、外部磁束の方向は、コイル部４１ａでの発生磁束の方向とは逆であるが、コイル部４１ｃでの発生磁束の方向では同方向であるので、外部磁束は全体として相殺され、位置検出コイル４１で発生する磁束は外部磁束の影響を受けない。
また、位置検出コイル４１は、２層構造であり、それだけ限られたスペースに導線４５の長さを長くすることができ、位置検出コイル４１で発生する磁束量を増大させることができる。
また、温度補正抵抗体５０も２層構造であり、それだけ限られたスペースに導線４５の長さを長くすることができ、温度補正抵抗体５０の抵抗値を増大させることができる。
なお、層数については、３層以上であってもよい。

また、遮蔽体４２は、例えば銅系、アルミニウム系またはオーステナイト系ステンレス鋼で構成された環状中空部材であるので、位置検出コイル４１で発生した磁束は、確実に遮蔽されるとともに、空気は遮蔽体４２の外側を円滑に流れる。

なお、上記実施の形態では、配管として吸気管の一部を構成するボディ３の内部に電磁弁を設けたが、この電磁弁を配管として例えば排気管の内部に取り付け、排気再循環バルブ（ＥＧＲバルブ）として用いることができる。
また、上記実施の形態では、制御対象は空気流量であったが、勿論このものに限定されるものではなく、例えばバルブの開口面積、圧力であってもよい。
また、温度補正抵抗体５０及び位置検出コイル４１は、必ずしも同じ銅箔の導体４５で構成する必要性はなく、例えば温度補正抵抗体５０をアルミニウム箔、銀等の導体で構成してもよい。
また、環状部材４４をバルブ１０に設け、遮蔽体４２をソレノイド部１に設けるようにしてもよいし、また環状部材４４の外側に遮蔽体４２を設けるようにしてもよい。この場合には、当然環状部材４４の外周壁面に位置検出コイル４１及び温度補正抵抗体５０が設けられる。

この発明の実施の形態１の流体制御用電磁弁を示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。 図１の要部を切り欠いた斜視図である。 図１の位置検出コイルで発生する磁束の方向を説明する図である。 図１の位置検出コイル及び温度補正抵抗体の展開図である。 図１の位置検出コイル及び温度補正抵抗体の分解斜視図である。 図３に示された温度補正抵抗体を含む温度補償回路の回路図である。 図３に示された位置検出コイル及び温度補正抵抗体を含む信号処理回路部のブロック図である。 図１の電磁弁においてバルブリフト量とセンサ出力電圧との関係を示す特性図である。

符号の説明

１ ソレノイド部、２ 弁部、３ ボディ（配管）、３ａ 上流側ボディ、３ｂ 下流側ボディ、１０ バルブ、１２ ベローズ、１８ シート部、４０ バルブ位置検出手段、４１ 位置検出コイル、４２ 遮蔽体、４４ 環状部材、４５ 導線、５０ 温度補正抵抗体。

Claims (8)

1. 流体が流れる配管内部に配置される、電磁吸引力を発生させるソレノイド部と、
   このソレノイド部と一体に設けられ、前記電磁吸引力により前記配管の内壁面に形成されたシート部に接離するバルブを有する弁部と、
   前記バルブの位置を検出するバルブ位置検出手段とを備え、
   前記バルブ位置検出手段は、磁束を発生させる位置検出コイル及びこの位置検出コイルの近傍に設けられ温度変化に応じて抵抗値が変化する温度補正抵抗体を含む信号処理回路部と、前記位置検出コイルと対向して設けられ、前記磁束を遮蔽するとともに前記バルブの移動に連動して位置検出コイルに対して相対移動する遮蔽体とを有し、
   前記信号処理回路部は、前記相対移動に伴う前記位置検出コイルと前記遮蔽体とが重なる面積の変化に応じて変化する前記位置検出コイルのインピーダンスからセンサ出力電圧を出力し、このセンサ出力電圧の値から前記バルブの位置が検出される流体制御用電磁弁であって、
   前記信号処理回路部は、前記温度補正抵抗体の温度変化に基づく抵抗値の変化を補正電圧として取り出し、この補正電圧を用いて前記センサ出力電圧の温度補正をするようになっていることを特徴とする流体制御用電磁弁。
2. 前記検出コイル及び前記温度補正抵抗体が壁面に設けられた環状部材、及び前記遮蔽体は、前記配管と同心で配置されているとともに、前記環状部材及び前記遮蔽体の一方が前記弁部に設けられ、前記環状部材及び前記遮蔽体の他方が、前記ソレノイド部または前記配管に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流体制御用電磁弁。
3. 前記バルブと前記ソレノイド部との間には、前記バルブの上流側と下流側との間で連通して圧力差を相殺する容積室を有するベローズが設けられており、前記ベローズの外周側に前記環状部材及び前記遮蔽体が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の流体制御用電磁弁。
4. 前記位置検出コイル及び前記温度補正抵抗体は、同一物性で構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の流体制御用電磁弁。
5. 前記温度補正抵抗体の前記抵抗値は、導体の、厚み、幅及び長さにより調整されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の流体制御用電磁弁。
6. 前記位置検出コイル及び前記温度補正抵抗体は、多層導体プリントパターンで構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の流体制御用電磁弁。
7. 前記多層導体プリントパターンは、多層フレキシブルプリント基板に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の流体制御用電磁弁。
8. 前記配管は、前記流体である空気をエンジンに導く吸気管であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の流体制御用電磁弁。

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