JP2915578B2 - 電磁作動弁の改良されたコア構造 - Google Patents

電磁作動弁の改良されたコア構造

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Description

【発明の詳細な説明】 関連出願データ 本出願は、所有者を共通とし、本明細書の中にも参考
として取り入れられている1992年10月５日出願の名称
「電磁作動弁」による同時係属米国出願番号第07/957,1
94号の一部継続出願である。
発明の分野 本発明は概括的には電磁作動弁に関し、さらに特定す
れば電磁作動弁の改良されたコア構造に関する。
発明の背景 従来、弁はばねの作用を電磁石と組み合わせる開閉機
構のために設計されてきた。ところが、初期の構造とは
弁は十分な速度をもって十分迅速に開閉するようには作
動していなかった。たとえば、ばね作用を利用する弁を
内燃機関の吸気弁及び排気弁の開閉に通常要求される速
度を出すように設計するのは不可能であったし、あるい
は、空気圧縮機について必要とされる速度を得るように
設計することもできなかった。
初期の弁の構造が所望の高速で作動できなかった理由
の１つは、運動するコアアセンブリの質量にある。以前
の構成におては、磁束の戻り経路を形成する運動するコ
ア部材の質量は十分に小さくなかったので、最新の内燃
機関のようないくつかの用途ではコア部材を所望の速度
と同程度に急速に加速することはできなかった。従っ
て、電磁作動弁で使用するための軽量コア構造が必要と
されていた。
従来技術の弁に伴うもう１つの問題はヒステリシス、
すなわち、磁化力の変化に起因する磁性材料の磁化の値
の遅延によって起こる。さらに詳細に言えば、従来の構
造の電磁作動装置においては、弁の中の電磁石が消磁さ
れたときにうず電流と残留磁束が磁性材料に残ってしま
うためにコアの解放が遅れ、その結果、弁が減速され
る。従って、残留磁束を排除し、それにより、作動装置
がより迅速に反応するように磁力を瞬時にゼロにまで減
衰させることが望ましい。
発明の概要 従って、本発明の主な目的は、従来技術の１つ又は複
数の欠点及び制限を克服することである。
本発明の別の目的は、従来技術と比べて弁をより高速
且つより高い周波数で作動させるために十分に小さい運
動コア質量を有する電磁作動装置を提供することであ
る。
本発明のさらに別の目的は、作動装置の磁力に及ぼさ
れるヒステリシス効果を低減させる電磁作動装置を提供
することである。
本発明の広い実施態様によれば、電磁作動装置のコア
要素の構成が改良されている。電磁作動弁は電磁石要素
及びその電磁石要素の中に配置されたコイルを有する少
なくとも１つの電磁石アセンブリと、中心軸を有し且つ
電磁石要素から初期離間関係で偏向されている少なくと
も１つのコア要素とを含む。この改良は、電磁石要素と
コア要素との中間に配置された非磁性で、構造が安定し
ている材料から成る層を具備して成る。本発明の別の実
施態様は、コア要素が中心軸からはずれた少なくとも１
つの開口を有することである。図示する実施例において
は、コア要素は半径方向に向いた開口と、軸方向に向い
た開口の双方を有する。
本発明の上記の目的、利点及び特徴並びにその他の目
的、利点及び特徴は、以下の好ましい例示実施例の説明
を添付の図面及び添付の請求の範囲と関連させて読み、
検討することによって当業者には容易に明らかになるで
あろう。
図面の簡単な説明 図１は、本発明の改良されたコア構造の開口と、非磁
性材料から成る層とを示す電磁作動弁の一実施例の横断
面図である。
図２は、本発明の電磁作動弁の改良されたコア構造の
平面図である。
図３は、本発明の電磁作動弁の改良されたコア構造の
側面図である。
好ましい例示実施例の説明 そこで図１を参照すると、本発明の弁10の一実施例が
横断面で示されている。図示した実施例では、弁10は二
対の電磁石要素12と、複数のコイル14a,14bと、コア要
素16と、支えばね20と、弁棒22と、弁胴24とを含む。各
々の電磁石要素12は環状の形状を有するのが好ましい。
環状形状の電磁石要素12は中心チャンバ26を有し、弁棒
22はそのチャンバを貫通している。中心チャンバ26はさ
らにコア要素16の中心縦軸28を有する。
電磁石要素12はそれぞれ２つの開口面36を有し、それ
らの開口面は電磁石要素12の中心溝通路30に通じてい
る。開口面36は電磁石の極面領域を形成する。コイル要
素14a,14bは電磁石要素の溝通路30内に突出している。
各対の電磁石要素12はさらに上部電磁石要素32と、下
部電磁石要素34とから構成されている。上下の電磁石要
素は互いに対称関係にあり、上部電磁石要素と下部電磁
石要素の中心溝通路30は互いに対向する関係にある。
上部電磁石要素と下部電磁石要素32、34の中間にはコ
ア要素16が配置されている。コア要素16は磁極面領域41
を有する。図示した実施例においては、コア要素16は、
好ましくはコア要素16の中心で、弁棒22に固着されてい
る。弁棒22は中心チャンバ26の中心縦軸28と軸方向に一
直線上となるように据え付けるのが好ましい。
支えばね20も中心チャンバ26の中に配置され、弁棒22
を取り囲んでいるのが好ましい。弁は弁胴24によって包
囲されており、弁胴24は支えばね20が接触する上部38及
び下部40を有する。
次に、図１、図２及び図３を参照して、本発明の独特
なコア構造の利点を論じる。図１に示す通り、コア要素
16は上面42と、下面44と、それら上下の面を結合する外
縁面46とを含んでいても良い。コア要素16はコア要素16
の上面42から下面44へと延出する複数の軸方向に伸びる
開口48を含む。図２及び図３に示す実施例では、コア要
素16の周囲に沿って等間隔に八つの軸方向に伸びる開口
48が配置されている。軸方向に伸びる開口48は、それぞ
れ、コア要素16の外縁部から約6.35mm（約1/4インチ）
離間して配置されている。
軸方向に伸びる開口48の目的は２つある。第一の目的
は、十分な磁束経路面積をなお保ちつつコア要素16の質
量を減少させることである。従って、軸方向に向いた開
口48によって、弁の作動を速めることができる。軸方向
に伸びる開口48の第二の目的は、コア要素が電磁石要素
32、34に近づくにつれてコア要素16に空気を流通させる
ことである。この結果、弁の作動中にコア要素と電磁石
要素との間に発生する空気ばね効果は低減される。
コア要素16は、コア要素16の周囲に沿って等間隔に配
列された16個の半径方向に伸びる開口50をさらに含む。
半径方向に伸びる開口50は外縁面46から約6.35mm（約1/
4インチ）の長さで、中心軸28に向かって延出している
のが好ましい。半径方向に伸びる開口もコア要素の質量
を減少させる働きをする。
好ましい実施例において使用される、以上説明した開
口48、50の数、寸法及び場所は単なる例であり、本発明
に関してそれとは異なる数、寸法、場所をもつ開口を使
用できるであろうということに注意すべきである。ま
た、コア要素の形状が単なる例であることにも注意す
る。たとえば、1992年10月５日に出願され且つ本出願の
譲受人に譲渡された米国特許出願番号第07/957,194号明
細書の中で開示されているコア要素に、コア要素の中心
縦軸からある角度を成してコア要素を貫通する複数の開
口を設けても良い。
そこで図１を参照すると、本発明の別の特徴が示され
ている。図１に示すように、作動装置は電磁石要素32、
34とコア要素16との中間に配置された非磁性で、構造が
安定している材料から成る薄い層52を含む。この薄い層
52はカプトン（Kapton:ポリイミド膜）又はクロムから
形成されているのが好ましい。材料層52の厚さは約0.05
mmから約0.07mm（約2/1000から3/1000インチ）であるの
が好ましい。図１では、層52は、弁が閉鎖しているとき
に被覆膜が電磁石要素とコア要素との中間に位置するよ
うに、電磁石要素32、34の磁極面領域を被覆するものと
して示されている。次に図２及び図３を参照すると、非
磁性材料から成る層52はコア要素16を直接に被覆してい
ても良い。コア要素を非磁性材料で被覆する場合、弁が
閉鎖したときに電磁石要素とコア要素との中間に材料層
52を配置することも可能になる。
非磁性材料から成る層52の機能は、最小ギャップにお
けるインダクタンスを減少させることである。さらに特
定して言えば、弁が閉鎖し、電磁石要素がコア要素と接
触したとき、電磁石要素とコア要素との間に閉鎖磁束経
路が発生する。ところが、電流が遮断されると、うず電
流が発生して、磁界の変化に対抗する。従って、磁界は
すぐにはゼロにまで減衰せず、磁束が存在し続け、力を
発生させる。そのため、弁の磁化値は弁に加わる磁化力
の遅延効果の影響を受ける。
電磁石が消磁されたときのうず電流を排除するために
は、磁界の減衰時間の値を最小にすることが必要であ
る。本発明においては、これは最小ギャップにおけるイ
ンダクタンスを減少させ且つコア要素の材料の抵抗を増
加させることにより実現される。さらに詳細に言えば、
非磁性で、構造が安定している材料から成る層52をコア
要素と電磁石要素との中間に配置することによって、イ
ンダクタンスを減少させる。層52は弁の出力に重大な影
響を与えないように薄い層であるのが好ましい。層52は
電磁石とコア要素との間に、磁界のインダクタンスを減
少させるギャップを形成する。
減衰時間をさらに短縮するために、コア要素及び電磁
石要素の材料の電気固有抵抗を増加させることが望まし
い。本発明の好ましい実施例では、電気固有抵抗の高い
鉄を使用してコア要素と電磁石要素を製造する。一例と
しては、コア要素及び電磁石要素に珪素鉄を使用しても
良い。これにより、電磁石が消磁されると、層52によっ
て形成されるギャップの低いインダクタンスと、コア要
素及び電磁石要素の高い電気固有抵抗は磁力をゼロにま
での減衰を促進させるので、作動装置はより急速に反応
できることになる。
図１に戻って、弁10の作動を説明する。この明細書の
説明に関しては、コアアセンブリ16はコアと、特定の用
途ごとにコアに結合させるアセンブリとを含むことに注
意すべきである。動力を供給されていない中立の状態に
あるとき、ばね20はコア16を上部電磁石32と下部電磁石
34との間の途中の、平衡位置に保持する。弁10を中立位
置から閉鎖位置へ変化させるために、コイル14aに持続
時間の短い高電流パルスを印加すると、コア16を上部電
磁石32の方へ引き付ける電磁力が発生する。その電磁力
はばね20の力を上回るので、弁10は閉鎖位置へと駆動さ
れる。弁10が閉鎖位置に一度でも達したならば、弁10を
その閉鎖位置に維持するためにはごく小さい定常電流を
コイル14aに流す必要がある。
コア16と電磁石32との間の引き付け力がばね20がコア
16を中立位置へ戻そうとする力より大きい間は、コア16
は閉鎖位置にとどまる。弁10を開放すべき場合には、コ
イル14aを流れている電流を遮断する。電流が遮断され
ると、ばね20はコアアセンブリ16を中立位置に向かって
押し戻し、その速度は中立位置に近づくに従って早くな
る。しかしながら、ニュートンの運動の法則によれば、
ばね20がコアアセンブリ16に加える正味の力は中立位置
において最大速度でゼロである。従って、その速度では
コアアセンブリ16は中立位置を通り過ぎてしまう。コア
アセンブリ16が中立位置を一たん通過すれば、ばね20は
速度とは逆向きの力をコアアセンブリ16に加え、その力
はコアアセンブリ16が下部電磁石34に近づくにつれてコ
アアセンブリ16を減速させる。
摩擦が非常に小さい場合、動いているコアアセンブリ
16は中立位置を通過し、中立位置から反対側で動き始め
たときの中立位置からの距離にほぼ等しい距離をおいた
位置まで移動する。コアアセンブリ16が下部電磁石34に
近づくにつれて、コイル14bの相対的に小さい電流で
も、機械的な摩擦とばねの減衰によって失われたエネル
ギーを補償し且つ弁の両側の圧力差を上回るために要求
されるエネルギーを追加するだけの力を十分に供給でき
る。また、コイル14bの電流もまた弁を開放位置に十分
に保持する。
弁10が動力を供給された作動状態にあるときには、弁
10を開放位置から閉鎖位置へ駆動するため又は逆に弁を
閉鎖位置から開放位置へ駆動するために要求されるエネ
ルギーのほぼ全ては、圧縮状態の支えばね20に蓄積され
たエネルギーによって供給される。摩擦のために失われ
る少量のエネルギーはコアアセンブリ16の下部電磁石34
への引き付けにより与えられるが、この動きはコイル14
bに電流が供給されるとすぐに始まる。このように、コ
イル14bは弁開放シーケンスの早い段階で、コイル14aの
電流遮断のすぐ後に続いてターンオンされるのが好まし
い。
外部負荷を作動するために本発明の弁を利用すること
も可能であるという点に注意すべきである。本発明のこ
の実施例では、弁棒は外部装置に結合するアクチュエー
タロッドから構成されている。この場合、上下の電磁石
要素は共振周波数で順次励磁されて、ばね質量系を共振
させる。従って、作動装置は必要電流を小さく抑えつつ
外部負荷を作動する。
以上、本発明の原理に従った電磁作動弁１つの好まし
い励磁実施例を説明した。当業者はここで開示した発明
概念から逸脱することなく、上述の実施例の数多くの利
用方法やその変形を考えられるであろう。従って、本発
明は次に示す請求の範囲によってのみ定義されるものと
する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バルガッツ，デニス アメリカ合衆国．91355 カリフォルニ ア，レセダ，ヤーマウス アヴェニュー 6522 (56)参考文献 特開 平３−48081（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−126160（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4614170（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F16K 31/06

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電磁石要素及びその電磁石要素の中に配置
    されたコイルを含む少なくとも１つの電磁石アセンブリ
    と、上面、下面、外縁面及び中心軸を有し且つ電磁石要
    素から初期離間関係に偏向されている少なくとも１つの
    コア要素とを有する電磁作動弁において、 前記電磁石要素と前記コア要素との中間に配置された非
    磁性で、構造が安定している材料から成る層と； 少なくとも一部が上面と下面との中間でコア要素を通っ
    て半径方向に延出している少なくとも１つの半径方向開
    口とを具備して成る電磁作動弁。
  2. 【請求項２】非磁性で、構造が安定している材料から成
    る層はコア要素を被覆している請求項１記載の電磁作動
    弁。
  3. 【請求項３】非磁性で、構造が安定している材料から成
    る層は電磁石要素の一部分を被覆している請求項１記載
    の電磁作動弁。
  4. 【請求項４】非磁性で、構造が安定している材料から成
    る層はカプトンから形成されている請求項１記載の電磁
    作動弁。
  5. 【請求項５】非磁性で、構造が安定している材料から成
    る層はクロムから形成されている請求項１記載の電磁作
    動弁。
  6. 【請求項６】非磁性で、構造が安定している層の厚さは
    約0.05mmから約0.07mm（ほぼ2/1000から3/1000インチ）
    である請求項１記載の電磁作動弁。
  7. 【請求項７】コア要素及び電磁石要素が電気固有抵抗の
    高い材料から製造されることをさらに含む請求項１記載
    の電磁作動弁。
  8. 【請求項８】固有抵抗の高い材料は珪素鉄である請求項
    ７記載の電磁作動弁。
  9. 【請求項９】コア要素が少なくとも１つの半径方向に向
    いていない開口を有し、該半径方向に向いていない開口
    は前記コア要素の中心軸からはずれていることをさらに
    含む請求項１記載の電磁作動弁。
  10. 【請求項１０】半径方向に向いていない開口の直径は約
    3.1mm（約1/8インチ）である請求項９記載の電磁作動
    弁。
  11. 【請求項１１】電磁石要素と、該電磁石要素の中に配置
    されたコイルと、上面、下面、外縁面及び中心軸を有
    し、通常は電磁石から離間した関係に偏向されている環
    状のコア要素とを有する電磁作動弁において、 前記コア要素は、少なくとも一部が前記上面と前記下面
    との中間で上記コア要素を通って半径方向に延出してい
    る少なくとも１つの半径方向開口を有することから成る
    電磁作動弁。
  12. 【請求項１２】半径方向開口はコア要素の外縁面から始
    まっている請求項11記載の電磁作動弁。
  13. 【請求項１３】半径方向開口はコア要素の外縁面から中
    心軸に向かって約7.9mm（約5/16インチ）の長さで延出
    している請求項12記載の電磁作動弁。
  14. 【請求項１４】半径方向開口の直径は約3.1mm（約1/8イ
    ンチ）である請求項12記載の電磁作動弁。
  15. 【請求項１５】コア要素は少なくとも１つの軸方向に向
    いた開口をさらに有し、該軸方向に向いた開口は中心軸
    からはずれている請求項12記載の電磁作動弁。
  16. 【請求項１６】軸方向に向いた開口の直径は約3.1mm
    （約1/8インチ）である請求項15記載の電磁作動弁。
JP7503138A 1993-06-28 1994-06-28 電磁作動弁の改良されたコア構造 Expired - Lifetime JP2915578B2 (ja)

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US08/084,814 US5350153A (en) 1992-10-05 1993-06-28 Core design for electromagnetically actuated valve
US084,814 1993-06-28
US08/084,814 1993-06-28
PCT/US1994/007303 WO1995000787A1 (en) 1993-06-28 1994-06-28 Improved core design for electromagnetically actuated valve

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JPH09500436A JPH09500436A (ja) 1997-01-14
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EP (1) EP0706622A4 (ja)
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