JP2013072498A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁アクチュエータの作動速度を速める。
【解決手段】 本体７０にコイル６８を収納し、コイル６８の内側に内円筒状部９８ａを配置し、コイル６８により吸引されるアーマチャ８０を、内円筒状部９８ａと間隙を空けて配置し、内円筒状部９８ａと間隙を空けて、コイル６８のアーマチャ８０側に磁束集中部材１００を配置し、アーマチャ８０と内円筒状部９８ａとの間隙よりも、内円筒状部９８ａと磁束集中部材１００との間隙の方が大きく形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電磁アクチュエータに関し、例えば燃料噴射弁に使用されるものに関する。

燃料噴射弁、特にコモンレールシステムに使用される燃料噴射弁に使用されている電磁アクチュエータの一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の燃料噴射弁は、図４に示すように、ノズルボディ２、ニードル３、ホルダボディ４、オリフィスプレート６及び電磁ユニット８等から構成されている。ノズルボディ２は、オリフィスプレート６を介してホルダボディ４の下端にリテーニングナット１０によって結合されている。ノズルボディ２の上端面から先端部に向かって、ニードル３を摺動自在に収容するガイド孔１２が形成され、ガイド孔１２の先端にはニードル３のリフト時に燃料を噴射する噴射口１４が形成されている。ガイド孔１２内周面とニードル３の外周面との隙間により、噴射口１４へ高圧燃料を導く高圧通路１６が形成され、ガイド孔１２の中途には内径を拡大した燃料溜め室１８が形成されている。高圧通路１６の上端は、ノズルボディ２の上端面に開口し、オリフィスプレート６の高圧通路２０に接続されている。高圧通路２０は、ホルダボディ４内の高圧通路２２を介してホルダボディ４の上端に設けた配管継手２４に接続され、配管継手２４にはコモンレールから高圧燃料が供給される。

ガイド孔１２には円筒形状のスプリング台座２６が圧入固定され、スプリング台座２６とニードル３との間にニードル３を閉弁方向（図４の下方）に付勢するスプリング２８が配置されている。スプリング台座２６の内周面には、ニードル３の上端面に高圧燃料圧力を背圧として付与する背圧室３０が形成され、この背圧によってもニードル３は、閉弁方向に付勢されている。また、燃料溜め室１８の高圧燃料の圧力は、ニードル３を開弁方向（図４の上方）に付勢している。

図５に示すように、オリフィスプレート６には、高圧通路２０から背圧室３０へ高圧燃料を流入させる流入通路３２と、背圧室３０から高圧燃料を低圧側へ流出させる流出通路３４とが形成されている。

ホルダボディ４には、電磁ユニット８が収容されている。電磁ユニット８は、樹脂製ボビンに巻回された電磁コイル３６を有するステータ３８と、このステータ３８に対向して稼動するアーマチャ４０と、アーマチャ４０と一体に稼動して流出通路３４を開閉するボール弁４２とを備えている。ステータ３８の中心部には、上下方向に伸びるスプリング収容孔４４が形成され、これにスプリング４６が収容され、ボール弁４２を流出通路３４側に押圧するようにアーマチャ４０を押圧している。ステータ３８の下方は、ボール弁４２を収容する弁室として機能し、この弁室には流出通路３４から流出した低圧燃料で満たされている。オリフィスプレート６の上面には環状の溝４８が形成され、この溝４８から外側方向に伸びる溝５０を介して弁室の低圧燃料は、低圧通路５２に流出する。

アーマチャ４０は、円板部５４を有し、円板部５４は、ステータ３８と対向配置されて、ステータ３８と共に磁気回路を形成している。円板部５４の中央には台座部５６が形成され、これからボール弁４２に向かって当接部５８が形成され、その内部にボール弁４２が収容されている。円板部５４には、その中心の回りに同心的に複数の貫通孔６０が形成され、これらのうち何本かには、ガイドピン６２が挿入され、ガイドピン６２は、オリフィスプレート６に固定されている。貫通孔６０は、円板部５４とステータ３８とが形成する磁気回路を中断させる位置に形成されている。電磁コイル３６の下面には、磁性部材６２が配置されている。磁性部材６２は、ステータ３８の下部に形成した突出部６４に嵌められており、ステータ３８の外周囲から段部６４に到達する環状のもので、突出部６４に接触している。

電磁コイル３６へ通電停止の状態では、ボール弁４２が流出通路３４を閉弁しているので、ニードル３を閉弁方向へ付勢する背圧室３０の油圧とスプリング２８の付勢力が、ニードル３を開弁方向に付勢する燃料溜め室１８の油圧よりも大きく、ニードル３が噴射口１４を閉じ、燃料は噴射されない。電磁コイル３６へ通電すると、電磁コイル３６の回りに磁束が発生し、ステータ３８、アーマチャ４０が磁化され、アーマチャ４０が吸引され、スプリング４６の付勢力に抗して、ガイドピン６２にガイドされながらアーマチャ４０がステータ３８側に移動する。これによって背圧室３０の油圧を受けてボール弁４２が流出通路３４を開弁し、背圧室３０の高圧燃料がボール弁４２の弁室に開放される。背圧室３０の油圧が低下し、ニードル３を開弁する力が大きくなり、ニードル３が上昇し、燃料が噴射口１４から噴射される。

特開２０１０−１７４８２０号公報

特許文献１の電磁弁によれば、電磁コイル３６が通電されたとき、電磁コイル３６が発生した磁束は、磁性部材６４、アーマチャ４０、ステータ３８の突出部６４と流れると共に、磁性部材６２から直接に突出部６４へも流れる。その結果、電磁コイル３６が発生した磁力の一部しかアーマチャ４０の吸引力として機能せず、アーマチャ４０を高速にステータ３８側に移動させることができない。高速にコモンレールシステムに使用される電磁弁は、高速化が要求されており、特許文献１の技術では、この要求を満たすことができない。

本発明は、作動速度を速めることができる電磁アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の一態様の電磁弁は、本体を有し、この本体にはコイルが収納されている。このコイルの内側に第１磁性部材が配置されている。前記コイルにより吸引されるアーマチャが、第１磁性部材と間隙を空けて配置されている。アーマチャには一体に作動部が形成されている。第１磁性部材と間隙を空けて、第２磁性部材が前記コイルのアーマチャ側に配置されている。第２磁性部材の一部は、アーマチャの一部、例えば外周部と重なり合うことが望ましく、アーマチャの一部は第１磁性部材の一部と重なり合うことが望ましい。アーマチャとコイルとの間隙よりも、第１磁性部材と第２磁性部材との間隙の方が大きく形成されている。

このように構成された電磁アクチュエータでは、第１磁性部材と第２磁性部材との間の間隙が、アーマチャと第１磁性部材との間隙よりも大きいので、コイルが励磁されたときコイルによって発生し、第２磁性部材を通過した磁束は、第１磁性部材に直接に殆ど入らずに、アーマチャに入り、アーマチャから第１磁性部材に入る。その結果、良好にアーマチャが磁化されて、高速に第１磁性部材側に移動し、アーマチャに設けられている作動部も高速に移動する。

第２磁性部材の第１磁性部材と対向する端面は、前記コイル側が前記アーマチャ側よりも前記第１磁性部材から離れているように構成することもできる。このように構成することにより、第２磁性部材から第１磁性部材に直接に向かう磁束を少なくすることができ、より多くの磁束をアーマチャ側に向かわせることができ、更に高速にアーマチャを移動させることができる。

以上のように、本発明による電磁弁では、アーマチャの移動を高速化することができ、例えばコモンレールシステムにおいて使用するのに適した電磁弁を得ることができる。

本発明の１実施形態の電磁アクチュエータの部分省略拡大断面図である。 図１の電磁アクチュエータの一部をさらに拡大した部分省略拡大断面図である。 図１の電磁アクチュエータで使用するアーマチャの横断面図である。 従来の電磁アクチュエータを使用した燃料噴射弁の側面図である。 図４の燃料噴射弁の部分省略拡大断面図である。

本発明の１実施形態の電磁アクチュエータは、上述した従来技術と同様に、コモンレールシステムで使用される燃料噴射弁に設けられている。この電磁アクチュエータでは、コイルに通電することによってアーマチャを移動させることによって、高圧流体を低圧流路に流す。これによって、噴射口を閉じているノズルを上昇させて、噴射口から高圧燃料をディーゼルエンジンのシリンダに供給する。

この電磁アクチュエータでは、図１に示すように、本体部７０を有し、この本体部７０は、ベース部７０ａ、胴部７０ｂ、結合部７０ｃ、頭部７０ｄ等からなる。ベース部７０の上面中央に設けた凹所に弁座形成部７２が配置されている。この弁座形成部７２の一端、図１においては上端の中央に弁座７４が形成されている。弁座７４には弁座形成部７２内に弁座７４側からそれぞれ形成したオリフィス７６、流出通路７８からなる高圧通路を介して高圧流体が供給されている。

弁座７４には、アーマチャ８０に形成した作動部、例えば弁部８２が着座して、弁座７４を閉弁している。アーマチャ８０は、後述するように図１における上下方向に昇降可能で、上昇時に弁座７４から弁部８２が離座する。これによって、弁座７４からの高圧流体が、弁座形成部７２の周囲に胴部７０ｂによって形成された低圧通路８３に流出する。なお、低圧通路８３の低圧油は、図示していない通路を介して外部に排出される。上述した従来技術では、アーマチャとは別個に設けたボール弁が弁座の開閉を行っていたが、この実施形態では、アーマチャ８０に一体に形成した弁部８２が弁座７４の開閉を行っている。アーマチャ８０は、上述した従来技術におけるボール弁を保持するための当接部が不要で、従来技術のアーマチャよりも軽量化されている。

アーマチャ８０は、図３に示すように中央に高強度部８４を有している。高強度部８４は、円板状の比較的強度が高い高強度材、例えばスチール鋼やチタン等で構成されている。この高強度部８４には、被ガイド部、例えば貫通孔８６が穿設されている。貫通孔８６は、図１における上下方向に高強度部８４を貫通しており、複数、例えば４つ、高強度部８４の円周方向に間隔をおいて同芯状に形成されている。この高強度部８４の周囲に磁性部８８が形成されている。磁性部８８は、磁性材料、例えば圧粉材料製の環状体で、高強度部８４の外周面に一体にはめ込まれている。

本体部７０内におけるアーマチャ８０の上部には、コイル９６が配置されている。コイル９６は、コア９８に巻回され、このコア９８がステータとして機能する。コア９８は、その中央に第１磁性部材、例えば内円筒状部９８ａを有し、この内円筒状部９８ａは、アーマチャ８０の磁性部８８の上方に位置し、この内円筒状部９８ａから離れて、即ちアーマチャ８０の外周縁よりも外側に外円筒状部９８ｂを有している。これら両円筒状部９８ａ、９８ｂ間にコイル９６が巻回されている。

外円筒状部９８ｂは、内円筒状部９８ａよりも短く、この外円筒状部９８ｂに接して内円筒状部９８ａの近傍まで第２磁束部材、例えば環状の磁束集中用部材１００が配置されている。この磁束集中用部材１００は、その内周端面と内円筒状部９８ａとの間に隙間が形成されている。また、コイル９６が非通電時に、アーマチャ８０と内円筒状部９８ａとの間にも隙間が形成されている。内円筒状部９８ａと磁束集中用部材１００の内周面との間の隙間は、コイル９６の非通電時にアーマチャ８０と内円筒状部９８ａとの間に形成される隙間よりも大きい。

また、磁束集中用部材１００の内周面におけるコイル９６側の角は、面取りされ、この部分の内円筒状部９８ａとの間の間隙は、磁束集中用部材１００の内周面のアーマチャ８０側における内円筒状部９８ａとの間の隙間よりも大きく、コイル９６に近い位置で最も大きく、面取りされた部分と内円筒状部９８ａとの間の間隙はアーマチャ８０側に向かうに従って徐々に小さくなり、一定値となると、そのままアーマチャ８０側までその隙間を維持する。コイル９６に近く比較的磁力の大きい部分での磁束集中部材１００と内円筒状部９８ａとの間隔を大きくしてあるので、コイル９６の近傍で磁束集中部材１００から直接に内円筒状部９８ａに向かう磁束を粗にすることができる。

アーマチャ８０の外周部分は磁束集中用部材１００の内周面よりも外側の位置まで伸びているが、外側円筒状部９８ｂまでは伸びていない。即ち、アーマチャ８０の一部と磁束集中用部材１００の一部とが重なりあっている。また、内円筒状部９８ａの下端は、アーマチャ８０の磁性部８８の上方に位置している。

コイル９６に通電された場合、コイル９６が発生した磁束は、図２に破線で示すように、外側円筒部９８ｂ、磁束集中部材１００、アーマチャ８０の磁性部８８、内側円筒部９８ａの間に集中して密となり、磁束集中部材１００と内円筒状部９８ａとの大きい隙間に起因して、磁束集中部材１００から直接に内円筒状部９８ａに向かう磁束は非常に粗となる。従って、コイル９６に通電された場合、コイル９６が発生した磁束は、効率的にアーマチャ８０を通過して、アーマチャ８０は効率的に磁化され、コア９８に高速に吸引される。このように効率的に磁化されるので、アーマチャ８０の直径を大きくして、外円筒状部９８ｂの外周付近にアーマチャ８０の外周が位置するようにする必要が無く、アーマチャ８０を小型化することができる。なお、コア９８と磁束集中用部材１００とは、上述の形状に限定されることなく、磁束集中用部材１００と外円筒状部９８ｂとを一体に形成し、内円筒状部９８ａと外円筒状部９８ｂとを別体に形成するなど、その他別の形状で分割しても良い。

高強度部８４の上述した４つの貫通孔８６のうち所定のもの、例えば高強度部８４の中心を挟んで対向する２つのものには、ガイド、例えばガイドピン１０２が挿通され、それらの基端は、弁座形成部７２に形成した凹所に固定されている。上述したようにコイル９６に通電されてアーマチャ８０が上昇したり、コイル９６への通電停止によってアーマチャ８０が降下したりするとき、ガイドピン１０２がアーマチャ８０をガイドする。ガイドピン１０２をガイドするための貫通孔８６は、高強度部８４に形成されているので、貫通孔８６を形成しても、高強度部８４には割れが発生しない。また、これら貫通孔８６は、図２から明らかなように、コイル９６への通電時にアーマチャ８０において磁束が集中する部分から離れた高強度部８４に形成されているので、貫通孔８６を形成したことにより、磁束の集中が阻害されることが無く、アーマチャ８０が高速に移動する。

また、コア９６の内側円筒状部９８ａの内部には、弾性手段、例えばコイルバネ１０４が配置され、その一端はアーマチャ８０の磁性部８８に接触し、他端は、バネ受け１０６を介して本体部７０内の頭部７０ｄに接触している。このコイルバネ１０４は、コイル９６への通電によりアーマチャ８０が上昇したとき、そのバネ力に抗して圧縮され、コイル９６への通電停止時に、そのバネ力によってアーマチャ８０を弁座７４に急速に降下させるためのものである。

この電磁アクチュエータでは、上述したようにガイドピン１０２をガイドする貫通孔８６は、アーマチャ８０における磁性部８８に形成され、この磁性部８８は、コイル９６からの磁束が粗である位置に形成されているので、アーマチャ８０を吸引するための磁力が貫通孔８６によって弱められることがなく、この点からも、高速にアーマチャ８０を吸引することができる。しかも、アーマチャ８０に一体に弁部８２を形成しているので、アーマチャ８０には従来術のアーマチャのように当接部を設ける必要が無く、アーマチャを軽量化することができ、益々高速にアーマチャ８０を移動させることができる。また、アーマチャ８０の磁性部８８には圧粉材料を使用しているので、渦電流を低減することができ、その結果、磁気吸引力を高めることができ、更に高速にアーマチャ８０を移動させることができる。また、複数の貫通孔８６を設けて、そのうちの幾つかのものにガイドピン１０２を挿入する構成であるので、複数の貫通孔８６のうちガイドピン１０２に対するガイド性能のよいものを使用することができるので、ガイド性能を向上させることができる上に、ガイド性能を向上させるために貫通孔８６に対して加工の手直しをする頻度を減少させることができる。また、ガイドピン１０２が挿入されていない貫通孔８６は、油抜きとして作用し、アーマチャ８０が移動するときに、アーマチャ８０が移動する際に、上述の貫通孔８６からアーマチャ８０とコイル９６との間の油を排出または供給するように作用する。さらに、コイル９６の上方には貫通孔８６と同様に作用する油抜きのための孔９０が形成されている。

上記の実施形態では、コモンレールシステムの燃料噴射弁に、この発明を実施したが、これに限ったものではなく、弁を開くことによって高圧流体を低圧側に流す構成の弁であれば、他の弁にも使用することができるし、弁以外の作動部、例えばアーマチャ８０のステータ側への移動に従って接点を開または閉するような構成とすることもできる。

７０ 本体部
８０ アーマチャ
８２ 弁部（作動部）
９６ コイル
９８ａ 内円筒状部（第１磁性部材）
１００ 磁束集中部材（第２磁性部材）

Claims (2)

1. 本体と、
   前記本体に収納されたコイルと、
   前記コイルの内側に配置された第１磁性部材と、
   前記コイルにより吸引され、前記第１磁性部材と間隙を空けて配置されたアーマチャと、
   前記第１磁性部材と間隙を空けて、前記コイルのアーマチャ側に配置された第２磁性部材と、
   前記アーマチャと一体的に形成された作動部とを、
   備えた電磁アクチュエータにおいて、
   前記アーマチャと前記第１磁性部材との間隙よりも、前記第１磁性部材と第２磁性部材との間隙の方が大きく形成されている電磁アクチュエータ。
2. 請求項１記載の電磁アクチュエータにおいて、第２磁性部材の第１磁性部材と対向する端面は、前記コイル側が前記アーマチャ側よりも前記第１磁性部材から離れている電磁アクチュエータ。

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