JP2009174651A - 電磁弁およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉部が形成された筒状のステータを用いた電磁弁において、吸引力を増加せるとともに、低コスト、高信頼性を達成する。
【解決手段】ステータ１に低電流で磁気飽和させるため、薄肉部１３のみに透磁率を低下させる表面処理を施す。これによると、薄肉部１３の透磁率は低下し、ステータ１のうち薄肉部１３以外の部位の透磁率は低下しないため、吸引力を増加させることができる。また、ステータ１の一部に低電流であっても磁気飽和させるために、永久磁石を用いたり、薄肉部に穴を形成したりしないため、低コスト、高信頼性の電磁弁とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流量を制御するための電磁弁に関わり、例えばディーゼルエンジン用のコモンレールシステムに用いる高圧ポンプにおいて、同ポンプの燃料吐出流量を調整するための電磁弁に用いて好適である。

軸方向中間部に薄肉部が形成された筒状のステータを用いた電磁弁では、薄肉部が磁気飽和するまでは可動コアに磁束が流れず、吸引力は発生しない。また、薄肉部を流れる磁束の分だけ吸引力が低減してしまう。

そこで、特許文献１に示された電磁弁は、吸引力の低下を回避するため、ステータに軟窒化処理を施して薄肉部の磁気抵抗を上げるようにしている。すなわち、軟窒化処理を施すと硬化層、拡散層が形成されるが、硬化層、拡散層は透磁率が低く、流れる磁束が少なくなるため、低電流で薄肉部が磁気飽和し、薄肉部を流れる磁束を低減することができる。

また、特許文献２に示された電磁弁は、吸引力の低下を回避するため、薄肉部の外周側に永久磁石を配置して薄肉部を磁気飽和させるようにしている。さらに、特許文献３に示された電磁弁は、吸引力の低下を回避するため、薄肉部に複数の穴を形成して薄肉部の磁気抵抗を増大させるようにしている。
特開２００２−１０６７４０号公報 特開２００１−６８３３５号公報 特開２００２−２４３０５７号公報

しかしながら、特許文献１に示された電磁弁は、ステータ全体を軟窒化処理するため、薄肉部以外の表面の磁気抵抗も一様に上がり、吸引力が低下するという問題があった。

また、特許文献２に示された電磁弁は、永久磁石が必要であるためその分高コストとなり、かつ、振動などで永久磁石が破損する虞があった。

さらに、特許文献３に示された電磁弁は、穴開け加工が必要であるためその分コストが高くなり、かつ、貫通穴とした場合は、コイル側に液体が侵入し、ドライコイル化ができない。また、穴を開けることで薄肉部分の機械強度も低下してしまう。

本発明は上記点に鑑みて、薄肉部が形成された筒状のステータを用いた電磁弁において、吸引力を増加させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、磁路を形成するとともに軸方向中間部に薄肉部（１３）が形成された筒状のステータ（１）と、ステータ（１）の外周側に配置されて通電時に磁界を形成するコイル（３）と、 ステータ（１）の内周側に配置されてコイル（３）への通電により一方の向きに吸引される可動コア（２）とを備え、ステータ（１）のうち薄肉部（１３）のみに透磁率を低下させる表面処理が施されていることを特徴とする。

これによると、薄肉部（１３）の透磁率は低下し、ステータ（１）のうち薄肉部（１３）以外の肉厚の部位における透磁率は低下しないため、吸引力を増加させることができる。このため、永久磁石を用いて吸引力を増大させたり、薄肉部（１３）に、あえて穴を形成することで低電流で磁気飽和させることなく、十分に吸引力を増加させた電磁弁を得ることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の電磁弁において、表面処理は、プラズマ窒化処理であることを特徴とする。これによると、薄肉部（１３）のみの窒化処理を容易に行うことができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電磁弁において、ステータ（１）は軟質磁性材料から成り、ステータ（１）の内周面に、表面を硬化させる表面硬化処理が施されていることを特徴とする。

これによると、可動コア（２）がステータ（１）に直接摺動する形態の電磁弁において、摺動部の耐摩耗性を向上させることができる。

請求項５に記載の発明では、磁路を形成するとともに軸方向中間部に薄肉部（１３）が形成された筒状のステータ（１）と、ステータ（１）の外周側に配置されて通電時に磁界を形成するコイル（３）と、ステータ（１）の内周側に配置されてコイル（３）への通電により一方の向きに吸引される可動コア（２）とを備える電磁弁の製造方法であって、ステータ（１）を最終仕上がり形状に加工する第１工程と、この第１工程の後に、ステータ（１）における薄肉部（１３）以外の部位を、治具（６ａ〜６ｄ）により隙間が２ｍｍ以下の状態でマスキングする第２工程と、マスキングされた状態のステータ（１）との間でグロー放電を行う第３工程とを備え、ステータ（１）のうち薄肉部（１３）のみにプラズマ窒化処理を行うことを特徴とする。

これによると、薄肉部（１３）のみの窒化処理が容易に行える。薄肉部（１３）の透磁率は低下し、ステータ（１）のうち薄肉部（１３）以外の肉厚の部位における透磁率は低下しないため、吸引力を増加させることができる。このため、永久磁石を用いて吸引力を増大させたり、薄肉部（１３）に、あえて穴を形成することで低電流で磁気飽和ことなく、十分に吸引力を増加させた電磁弁を得ることができる。

請求項６に記載の発明では、磁路を形成するとともに軸方向中間部に薄肉部（１３）が形成された筒状のステータ（１）と、ステータ（１）の外周側に配置されて通電時に磁界を形成するコイル（３）と、ステータ（１）の内周側に配置されてコイル（３）への通電により一方の向きに吸引される可動コア（２）とを備える電磁弁の製造方法であって、ステータ（１）を最終仕上がり形状に加工する第１工程と、この第１工程の後に、ステータ（１）における薄肉部（１３）以外の部位をめっきによりマスキングする第２工程と、マスキングされた状態でステータ（１）に対して透磁率を低下させる表面処理を施す第３工程とを備えることを特徴とする。

これによると、ステータ（１）のうち薄肉部（１３）のみ透磁率を低下させた電磁弁を製造することができる。

請求項７に記載の発明では、磁路を形成するとともに軸方向中間部に薄肉部（１３）が形成された筒状のステータ（１）と、ステータ（１）の外周側に配置されて通電時に磁界を形成するコイル（３）と、ステータ（１）の内周側に配置されてコイル（３）への通電により一方の向きに吸引される可動コア（２）とを備える電磁弁の製造方法であって、ステータ（１）における薄肉部（１３）を最終仕上がり形状に加工するとともに、ステータ（１）における薄肉部（１３）以外の部位を肉付けした形状に加工する第１工程と、この第１工程の後に、ステータ（１）に対して透磁率を低下させる表面処理を施す第２工程と、この第２工程の後に、ステータ（１）における薄肉部（１３）以外の部位を最終仕上がり形状に加工する第３工程とを備えることを特徴とする。

これによると、ステータ（１）のうち薄肉部（１３）のみ透磁率を低下させた電磁弁を製造することができる。

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は第１実施形態に係る電磁弁の断面図である。

図１に示すように、電磁弁は、主要構成部品として、ステータ１、可動コア２、コイル３、およびハウジング４を備えている。

ステータ１は、磁路を形成するものであり、電磁ステンレス鋼（フェライト系のステンレス鋼ＳＵＳ１３等）や低炭素鋼（Ｓ１０Ｃ等）などの軟質磁性材料からなる。ステータ１は有底円筒状であり、より詳細には、ステータ１の内部には可動コア２が摺動自在に挿入される円柱状のシリンダ孔１１がステータ軸方向に延びるように形成されており、このシリンダ孔１１の一端は底部１２により閉塞され、シリンダ孔１１の他端は開口部となっている。

ステータ１は、ステータ軸方向中間部に形成された薄肉部１３により、２つのステータ部１４、１５が形成されている。以下、薄肉部１３よりも底部１２側に位置するステータ部１４を第１ステータ部といい、薄肉部１３よりも反底部側（すなわち、シリンダ孔１１の開口部側）に位置するステータ部１５を第２ステータ部という。

第２ステータ部１５の外周側にはフランジ部１６が形成されている。第２ステータ部１５には、フランジ部１６よりも反底部側（すなわち、シリンダ孔１１の開口部側）に、第２ステータ部１５の外周側とシリンダ孔１１とを連通させるステータ連通孔１７が形成されている。

可動コア２は、磁路を形成するものであり、純鉄又は低炭素鋼などの軟質磁性材料からなる。可動コア２は円筒状であり、より詳細には、可動コア２には、可動コア軸方向の一端から他端まで貫通する縦孔２１が形成されるとともに、この縦孔２１と可動コア２の外周面とを連通する可動コア連通孔２２が形成されている。

ステータ１のシリンダ孔１１に可動コア２が挿入され、可動コア２と底部１２との間の空間にスプリング５が収容され、シリンダ孔１１の開口部には、可動コア２の抜け止め用のストッパ１８が圧入固定されている。そして、可動コア２は、スプリング５によりストッパ１８に当接する向きに付勢されている。

コイル３は、ボビンにコイルワイヤを巻いて円筒状に形成され、ステータ１の外周側に配置されて通電時に磁界を形成する。ハウジング４は、磁路を形成するものであり、磁性金属材料からなり、略円筒状に形成されてコイル３を取り囲むように配置されている。

ステータ１は、ステータ１のうち薄肉部１３のみに透磁率を低下させる表面処理が施されている。透磁率を低下させるための処理としては、浸炭処理、窒化処理、軟窒化処理などが有効であり、特に、窒化性雰囲気中でグロー放電によってプラズマを発生させることにより材料表面に窒化物を形成するプラズマ窒化処理が望ましい。

ここで、ステータ１のうち薄肉部１３のみにプラズマ窒化処理を施す方法について、図２に基づいて説明する。なお、図２はプラズマ窒化処理を施す際の途中の行程（マスキング行程）を示す要部の断面図である。

図２に示すように、ステータ１を最終仕上がり形状に加工した後、ステータ１における薄肉部１３以外の部位を金属等の治具６ａ〜６ｄでマスキングする。このとき、グロー放電は２ｍｍ以下の隙間では起こらないため、窒化処理したくない部分（すなわちステータ１における薄肉部１３以外の部位）と治具６ａ〜６ｄとの隙間が２ｍｍ以下になるようにマスキングする。

そして、図２のようにマスキングしたステータ１を、窒化性雰囲気のケース内に入れ、陰極としたステータ１と陽極との間でグロー放電を行わせる。このグロー放電により発生したプラズマにより、ステータ１における薄肉部１３のみに窒化処理が施される。

上記構成になる電磁弁は、コイル３の非通電時には、図１に示すようにスプリング５により可動コア２がストッパ１８に当接する位置まで付勢されており、このときにはステータ連通孔１７と可動コア連通孔２２との連通が遮断された状態（すなわち閉弁状態）になる。

一方、コイル３に通電されると、ハウジング４、第１ステータ部１４、可動コア２、第２ステータ部１５、およびフランジ部１６を経路とする磁路が形成されて吸引力が発生し、可動コア２は底部１２側に向かって吸引される。すなわち、コイル３の通電時には、可動コア２がスプリング５の付勢力に抗して底部１２側に向かって吸引され、ステータ連通孔１７と可動コア連通孔２２との間が連通する。このとき、吸引力とスプリング５の付勢力とが釣り合う点で可動コア２が停止する。なお、コイル３に供給される電流量により可動コア２の停止位置が決定され、電流量を増加するとステータ連通孔１７と可動コア連通孔２２との連通面積（すなわち流路面積）が増加する。

ここで、ステータ１は、ステータ１のうち薄肉部１３のみに透磁率を低下させる表面処理が施されているため、薄肉部１３の透磁率は低下している。このため、低電流であっても薄肉部１３が磁気飽和し、薄肉部１３を流れる磁束が少なくなる。また、ステータ１のうち薄肉部１３以外の肉厚の部位の透磁率は低下していないため、薄肉部１３以外を流れる磁束は減少しない。このように、薄肉部１３を流れる磁束（吸引力発生に寄与しない磁束）が少なくなり、且つ薄肉部１３以外を流れる磁束（吸引力発生に寄与できる磁束）は減少しないため、吸引力が増加する。

図３は本実施形態の電磁弁の吸引力と従来の電磁弁の吸引力を示す特性図である。本実施形態の電磁弁は、ステータ１のうち薄肉部１３のみに透磁率を低下させる表面処理が施されたものであり、従来の電磁弁はステータ１全体に透磁率を低下させる表面処理を施したものである。そして、電流値を４段階（１Ａ、１．５Ａ、２Ａ、２．５Ａ）設定して吸引力を測定した。なお、図３中、実線は本実施形態の電磁弁の吸引力の測定結果であり、破線は従来の電磁弁の吸引力の測定結果である。

この図３から明らかなように、本実施形態の電磁弁は従来の電磁弁よりも吸引力が増加することが確認された。例えば、電流値が１Ａの場合、本実施形態の電磁弁は従来の電磁弁よりも吸引力が１４％増加した。

また、本実施形態の電磁弁は、従来の電磁弁のように、永久磁石を用いたり、薄肉部１３に穴を形成したりしないため、低コスト、高信頼性の電磁弁とすることができる。

さらに、グロー放電を使うプラズマ窒化処理は薄肉部１３以外を金属等の治具でマスキングすることで、薄肉部１３のみの窒化処理が容易に行える。また、２ｍｍ以下の隙間ではグロー放電は起こらないため、処理したくない部分を２ｍｍ以下の隙間になるようにマスキングを行えばよい。すなわち、最大２ｍｍの隙間が許されるので、マスキングの治具６ａ〜６ｄの精度はラフでよく、容易に実施することができる。

なお、本実施形態の電磁弁では、可動コア２とステータ１とが直接摺動する形態であるため、薄肉部１３の透磁率を低下させる表面処理を行ったのち、ステータ１の内周面（すなわちシリンダ孔１１）に耐摩耗性向上のために、硬質Ｃｒめっきや無電解Ｎｉめっき等の表面硬化処理を施すのが望ましい。

また、本実施形態では、ステータ１のうち薄肉部１３のみに透磁率を低下させる表面処理としてプラズマ窒化処理を採用したが、窒化処理したくない部分（すなわちステータ１における薄肉部１３以外の部位）と治具６ａ〜６ｄとの隙間を数ミクロンにすればその隙間に処理液または処理ガスの出入りがし難くなるため、窒化処理したくない部分と治具６ａ〜６ｄとの隙間を数ミクロンにして、塩浴軟窒化、ガス軟窒化を用いることも出来る。

（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４は第２実施形態に係る電磁弁におけるステータ１の製造方法を示す断面図である。なお、本実施形態は、ステータ１のうち薄肉部１３のみに透磁率を低下させる表面処理を施す方法を変更したものであり、その他の点は第１実施形態と同一である。

図４に示すように、ステータ１を最終仕上がり形状に加工した後、ステータ１における薄肉部１３以外の部位（図４中の破線部）にＮｉめっき等でマスキングを施し、薄肉部１３だけを露出させる（すなわち、薄肉部１３のみ非マスキング状態とする）。その状態で、透磁率を低下させる表面処理（例えばガス軟窒化）をすることにより、薄肉部１３のみに表面処理が施される。

したがって、ステータ１のうち薄肉部１３のみ透磁率が低下し、ステータ１のうち薄肉部１３以外の部位の透磁率は低下していないため、薄肉部１３を流れる磁束が少なくなり、且つ薄肉部１３以外を流れる磁束は減少せず、よって吸引力が増加する。

なお、マスキングのためのＮｉめっきは、そのまま残しても良いし、上記の表面処理を施した後に剥離しても良い。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図５は第３実施形態に係る電磁弁におけるステータ１の製造方法を示す断面図である。なお、本実施形態は、ステータ１のうち薄肉部１３のみに透磁率を低下させる表面処理を施す方法を変更したものであり、その他の点は第１実施形態と同一である。

図５に示すように、まず、ステータ１における薄肉部１３以外の部位を肉付けした形状にステータ１を加工する。具体的には、図５中に鎖線で示すステータ１の最終仕上がり形状に対して薄肉部１３以外は例えば０．３ｍｍの余肉を付けて仮切削する。次に、この肉付けした形状のステータ１に対して、透磁率を低下させる表面処理（例えばガス軟窒化）を施す。その後、肉付けした部分を切削して、ステータ１を最終仕上がり寸法に仕上げ加工する。このように、肉付けした部分を切削することにより、その部分の表面処理による硬化層や拡散層が除去され、ステータ１は薄肉部１３のみに表面処理による硬化層や拡散層が残った状態となる。

したがって、ステータ１のうち薄肉部１３のみ透磁率が低下し、ステータ１のうち薄肉部１３以外の部位の透磁率は低下していないため、薄肉部１３を流れる磁束が少なくなり、且つ薄肉部１３以外を流れる磁束は減少せず、よって吸引力が増加する。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。図６は第４実施形態に係る電磁弁の断面図である。第１実施形態では、可動コア２とステータ１とが直接摺動するようにしたが、本実施形態は、可動コア２とステータ１とが直接摺動しないようにしたものである。なお、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。

本実施形態の電磁弁は、図６に示すように、可動コア２にロッド２３が圧入等により固定されている。ステータ１における第１ステータ部１４の内部に第１軸受け７１が配設されている。ステータ１における第２ステータ部１５の内部には、円筒状に形成された金属製のバルブボディ８１が配置され、このバルブボディ８１内には、第２軸受け７２が配設されるとともに、有底円筒状に形成された金属製の弁体８２が摺動自在に挿入されている。ロッド２３が第１軸受け７１と第２軸受け７２とにより摺動自在に保持されており、可動コア２とステータ１とは摺動しないようになっている。ロッド２３は弁体８２に当接しており、可動コア２およびロッド２３の移動に伴って弁体８２が追従して移動するようになっている。

本実施形態の電磁弁では、可動コア２とステータ１とが摺動しないため、ステータ１の内周面（すなわちシリンダ孔１１）の耐摩耗性を考慮する必要はなく、したがって、ステータ１の内周面に硬質Ｃｒめっきや無電解Ｎｉめっき等の表面硬化処理を施す必要がない。

本発明の第１実施形態に係る電磁弁の断面図である。 図１の電磁弁におけるステータ１の製造方法を示す断面図である。 第１実施形態の電磁弁と従来の電磁弁の吸引力を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係る電磁弁におけるステータ１の製造方法を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電磁弁におけるステータ１の製造方法を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る電磁弁の断面図である。

符号の説明

１ ステータ
２ 可動コア
３ コイル
１３ 薄肉部

Claims (7)

1. 磁路を形成するとともに軸方向中間部に薄肉部（１３）が形成された筒状のステータ（１）と、
   前記ステータ（１）の外周側に配置されて通電時に磁界を形成するコイル（３）と、
   前記ステータ（１）の内周側に配置されて前記コイル（３）への通電により一方の向きに吸引される可動コア（２）とを備え、
   前記ステータ（１）のうち前記薄肉部（１３）のみに透磁率を低下させる表面処理が施されていることを特徴とする電磁弁。
2. 前記表面処理は、浸炭処理、窒化処理、および軟窒化処理のいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記表面処理は、プラズマ窒化処理であることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
4. 前記ステータ（１）は軟質磁性材料から成り、
   前記ステータ（１）の内周面に、表面を硬化させる表面硬化処理が施されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電磁弁。
5. 磁路を形成するとともに軸方向中間部に薄肉部（１３）が形成された筒状のステータ（１）と、
   前記ステータ（１）の外周側に配置されて通電時に磁界を形成するコイル（３）と、
   前記ステータ（１）の内周側に配置されて前記コイル（３）への通電により一方の向きに吸引される可動コア（２）とを備える電磁弁の製造方法であって、
   前記ステータ（１）を最終仕上がり形状に加工する第１工程と、
   この第１工程の後に、前記ステータ（１）における前記薄肉部（１３）以外の部位を、治具（６ａ〜６ｄ）により隙間が２ｍｍ以下の状態でマスキングする第２工程と、
   マスキングされた状態の前記ステータ（１）との間でグロー放電を行う第３工程とを備え、
   前記ステータ（１）のうち前記薄肉部（１３）のみにプラズマ窒化処理を行うことを特徴とする電磁弁の製造方法。
6. 磁路を形成するとともに軸方向中間部に薄肉部（１３）が形成された筒状のステータ（１）と、
   前記ステータ（１）の外周側に配置されて通電時に磁界を形成するコイル（３）と、
   前記ステータ（１）の内周側に配置されて前記コイル（３）への通電により一方の向きに吸引される可動コア（２）とを備える電磁弁の製造方法であって、
   前記ステータ（１）を最終仕上がり形状に加工する第１工程と、
   この第１工程の後に、前記ステータ（１）における前記薄肉部（１３）以外の部位をめっきによりマスキングする第２工程と、
   マスキングされた状態で前記ステータ（１）に対して透磁率を低下させる表面処理を施す第３工程とを備えることを特徴とする電磁弁の製造方法。
7. 磁路を形成するとともに軸方向中間部に薄肉部（１３）が形成された筒状のステータ（１）と、
   前記ステータ（１）の外周側に配置されて通電時に磁界を形成するコイル（３）と、
   前記ステータ（１）の内周側に配置されて前記コイル（３）への通電により一方の向きに吸引される可動コア（２）とを備える電磁弁の製造方法であって、
   前記ステータ（１）における前記薄肉部（１３）を最終仕上がり形状に加工するとともに、前記ステータ（１）における前記薄肉部（１３）以外の部位を肉付けした形状に加工する第１工程と、
   この第１工程の後に、前記ステータ（１）に対して透磁率を低下させる表面処理を施す第２工程と、
   この第２工程の後に、前記ステータ（１）における前記薄肉部（１３）以外の部位を最終仕上がり形状に加工する第３工程とを備えることを特徴とする電磁弁の製造方法。

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