JP3778882B2 - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーマチャが軸方向へ駆動される電磁アクチュエータに関し、例えば燃料噴射装置のインジェクタに用いて好適な技術である。
【０００２】
【従来の技術】
可動子の駆動力を大きくするには、アーマチャの吸引力を高めるためにステータの有効磁路面積、あるいはアーマチャの磁路面積を大きくする必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステータあるいはアーマチャの有効磁路面積を大きくすると、電磁コイルのON-OFF時に発生する渦電流損失が大きくなるため、応答性が悪化してしまう。
応答性を高めるために、応答性に大きく作用するステータやアーマチャの材料に焼結磁性材を用いる提案が成されている。焼結磁性材は、図１２に示すように、絶縁皮膜（例えば、酸化物等）で覆われた磁性体金属粉（例えば、鉄粉等）と樹脂との複合材であり、これらを圧縮して所定の形状（ステータ形状やアーマチャ形状）に作成したものである。
【０００４】
この焼結磁性材は、渦電流の発生が少ないという利点がある反面、強度や硬度が小さく、且つ脆いという欠点がある。
このため、ステータがアーマチャを吸引して、アーマチャがステータに衝突した衝突エネルギーによって焼結磁性材製のステータやアーマチャが破損する可能性があった。
【０００５】
上記の不具合を、燃料噴射装置を例に説明する。
例えば、ディーゼルエンジン用のコモンレール式燃料噴射装置では、一般にインジェクタ（燃料噴射弁）として電磁式が用いられる。従来のインジェクタは、弁体の背面に設けた圧力制御室に高圧燃料を導入し、この圧力制御室の高圧燃料を噴射毎に低圧側にリークさせることで弁体の開弁動作を実現させていた。そのため、噴射毎に燃料のリークが発生する。
【０００６】
一方、近年では、軽油の代替燃料として、燃料の気化性や発火燃焼性、エミッション等を考慮してＤＭＥ（ジメチルエーテル）や、セタン価向上のための添加剤を加えたＬＰＧ（液化石油ガス）といった液化ガス燃料を使用することが検討されている。
【０００７】
液化ガス燃料を用いる場合、噴射燃料の漏れ量が特に増える傾向にあり、インジェクタから漏れ燃料を回収するための装置が必要になる。具体的な例を示すと、気化した液化燃料を回収するためのパージタンクや、パージタンク内のガス燃料（気体）を圧縮して液化させるための圧縮ポンプ等が必要になる。このため、燃料噴射装置としてのコストが上昇してしまう。
【０００８】
そこで、特願２００１−１４４２５２で提案したように、燃料のリークレス化を図るべく、電磁アクチュエータによりニードルを直接動かす、いわゆる直接駆動方式のインジェクタを採用することが考えられる。その構成を図１０を参照して説明する。
【０００９】
図１０に示すインジェクタ１００のニードル１０１は、図中上下方向に延びる長尺状をなし、ニードル１０１の上端には、アーマチャ１０２がレーザー溶接等により固着されている。ボディ１０３およびノズルボディ１０４には、貫通孔１０５、１０６が設けられ、その貫通孔１０５、１０６にニードル１０１が収容されている。アーマチャ１０２に対向してステータ１０７が配置されており、電磁コイル１０８の通電時にアーマチャ１０２がステータ１０７に吸引されると、ニードル１０１がスプリング１０９の付勢力に抗して図示の閉弁位置から開弁位置に移動する。これにより、噴孔１１０が開放されて、コモンレール等より供給される高圧燃料が噴射される。
上記図１０の構成のインジェクタ１００では、燃料リークが生じないことから、漏れ燃料の回収装置（パージタンク、圧縮ポンプ等）が不要になり、高コスト化が抑制できる。
【００１０】
しかしながら、高圧燃料が与えられるインジェクタ１００においてアーマチャ１０２を作動させるには、ステータ１０７に大きな吸引力が要求される。このため、ステータ１０７の有効磁路面積を大きくする必要が生じる。
しかし、上述したように、ステータ１０７の有効磁路面積を大きくすると、電磁コイル１０８のON-OFF時に発生する渦電流損失が大きくなるため、応答性が悪化してしまい、特に小噴射量での調量精度が悪くなってしまう。
【００１１】
インジェクタ１００の応答性を高めるために、応答性に大きく作用するステータ１０７に焼結磁性材を用いることが考えられる。しかし、焼結磁性材は、上述したように強度や硬度が小さく、且つ脆いために、液化ガス燃料が漏れないようにするための極めて強い力による押しつけ固定、溶接、圧入等の結合手段を用いることができなく、組付けが困難であり、焼結磁性材製のステータ１０７をインジェクタ１００に搭載するのが困難であった。
【００１２】
また、特願２００１−３０８４９５（図１１参照）で提案したように、アーマチャ１０２の周囲の薄肉円筒部１１１（磁気絞り）をステータ１０７と一体化する構造では、焼結磁性材が脆いため、薄肉円筒部１１１の加工が困難であり、さらにインジェクタ１００の作動時においてアーマチャ１０２がステータ１０７に衝突した衝突エネルギーによって焼結磁性材よりなるステータ１０７が破損する可能性があり、焼結磁性材製のステータ１０７では実使用できないといった問題もある。
【００１３】
【発明の目的】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、第１の目的は、ステータの材料に、渦電流の発生が少ないが、脆くて破損しやすい焼結磁性材を用いて応答性を高めるとともに、ステータがアーマチャを吸引した際に発生する衝突エネルギーを焼結磁性材製のステータに与えずにハウジングに逃がすことで焼結磁性材の破損を防ぐことのできる電磁アクチュエータの提供にある。
また、本発明の第２の目的は、アーマチャの材料に、渦電流の発生が少ないが、脆くて破損しやすい焼結磁性材を用いて応答性を高めるとともに、ステータがアーマチャを吸引した際に発生する衝突エネルギーを焼結磁性材製のアーマチャに直接与えないようにして焼結磁性材の破損を防ぐことのできる電磁アクチュエータの提供にある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
請求項１の手段を採用する電磁アクチュエータは、電磁コイルが通電されると、焼結磁性材製のメインステータおよび軟質磁性材製のサブステータよりなるステータに磁力が発生し、ステータにアーマチャが吸引される。すると、アーマチャがステータ側に移動して、軟質磁性材製のサブステータにアーマチャが衝突する。この衝突エネルギーは、サブステータからハウジングへ逃がされるため、焼結磁性材製のメインステータが割れ等によって破損する不具合がない。
【００１５】
また、焼結磁性材製のメインステータは、硬度が硬くて割れにくい軟質磁性材のサブステータによってハウジングに組付けられるため、溶接や圧入固定の困難な破損しやすい焼結磁性材製のメインステータをハウジングに組付けることができる。
もちろん、ステータを構成するメインステータは、渦電流の発生の少ない焼結磁性材製であるため、電磁コイルのON-OFF時に発生する渦電流損失が小さく、高い応答性を得ることができる。
【００１６】
〔請求項２の手段〕
請求項２の手段を採用する電磁アクチュエータは、サブステータが、アーマチャと直接当たる第１サブステータと、この第１サブステータを支持するとともに、アーマチャを収容するアーマチャ室を形成し、ハウジングに支持される第２サブステータとによって構成されるものであり、さらに第１サブステータにおけるアーマチャとの当接面に硬化処理が施されるものである。
このように、アーマチャに直接当たる第１サブステータを別部品で構成するため、アーマチャとの当接面に対して硬化処理（例えば、硬質クロムメッキ等）を容易に施すことができる。つまり、衝突による耐摩耗性に優れたサブステータを安価に製造でき、結果的に信頼性の高い電磁アクチュエータのコスト上昇を抑えることができる。
もちろん、アーマチャに直接当たる第１サブステータが別部品で構成されるため、第１サブステータの材質を高い硬度の軟質磁性材（例えば、電磁ステンレス鋼等）で形成することもでき、電磁アクチュエータの信頼性を高めることができる。
【００１７】
〔請求項３の手段〕
上記請求項２の手段を採用する電磁アクチュエータは、サブステータが２つの部材（第１、第２サブステータ）によって設けられるものである。
これに対し、この請求項３の手段を採用する電磁アクチュエータは、サブステータが１つの部材によって設けられるものである。
このように部品点数が抑えられるため、応答性の高い電磁アクチュエータのコストを抑えることができる。
【００１８】
〔請求項４の手段〕
請求項４の手段を採用する電磁アクチュエータは、アーマチャ室を形成する部分のサブステータに、磁気絞りとなる薄肉円筒部が設けられたものである。
本発明では、ステータを構成するメインステータは、脆い焼結磁性材製であるが、磁気絞りとなる薄肉円筒部は上述のように軟質磁性材製のサブステータに形成される。
このため、磁気絞りの薄肉円筒部を別部品で構成しなくても済むため、応答性の高い電磁アクチュエータのコストを抑えることができる。
【００１９】
〔請求項５の手段〕
請求項５の手段を採用する電磁アクチュエータは、燃料噴射装置におけるインジェクタに搭載されるものである。
このため、インジェクタの応答性を高めることができ、従来技術では調量精度の低かった小噴射領域まで高い調量精度を得ることができる。
【００２０】
〔請求項６の手段〕
請求項６の手段を採用する電磁アクチュエータは、アーマチャがインジェクタにおいて噴孔を開閉するニードルを直接駆動するものである。つまり、電磁アクチュエータがインジェクタのニードルを直接動かす、いわゆる直接駆動方式である。
このため、燃料噴射装置において燃料のリークレス化を図ることができ、燃料のリークレス化に伴ってインジェクタから漏れ燃料を回収するための装置が不要になる。
つまり、燃料のリークレス化を図った燃料噴射装置において、インジェクタの応答性（調量精度）を高めることができる。
【００２１】
〔請求項７の手段〕
請求項７の手段を採用する電磁アクチュエータは、サブステータが、アーマチャを収容するアーマチャ室を形成し、そのアーマチャ室に燃料が満たされるものであり、アーマチャ室とメインステータとはサブステータによって区画されて、アーマチャ室に満たされた燃料はメインステータに触れない構造を採用するものである。
このように、燃料が焼結磁性材製のメインステータに触れないため、燃料によって焼結磁性材を劣化させる不具合が発生しない。
具体的な一例を示すと、燃料にＤＭＥ（ジメチルエーテル）を使用する場合、ＤＭＥが焼結磁性材に触れると、焼結磁性材を構成する絶縁皮膜で覆われた磁性材粉末を接合するための樹脂を劣化させる不具合があるが、この請求項７の手段を採用することにより、燃料にＤＭＥを使用しても、そのＤＭＥが焼結磁性材に触れないため、焼結磁性材に含まれる樹脂を劣化させる不具合がない。
【００２２】
また、請求項７の手段を採用することにより、メインステータが配置された室内を通って燃料が外部に漏れる不具合が発生しない。このため、燃料漏れを防ぐシール構造を簡素化できる。
具体的な一例を示すと、燃料に液化ガス燃料を用いる場合、液化ガス燃料は超高圧であるため、通常の液体燃料よりも高いシール性が要求される。このため、シール構造に要するコストが高くなってしまうが、この請求項７の手段を採用することにより、液化ガス燃料がメインステータの配置された室側に通じる部分がないため、簡素で高いシール性を確保できる。
もう一つ具体的な一例を示すと、燃料にＤＭＥを使用する場合は、ＤＭＥがシール材を構成するＯリング等の樹脂部材を劣化させる不具合があるが、この請求項７の手段を採用することにより、ＤＭＥがメインステータの配置された室側に通じる部分がないため、Ｏリング等のシール部材を使用することなく、高いシール性を確保できる。
【００２３】
〔請求項８の手段〕
請求項８の手段を採用する電磁アクチュエータは、アーマチャが、燃料が満たされたアーマチャ室において軸方向に移動可能に支持されるものであり、サブステータとアーマチャが当接した状態においてサブステータとアーマチャの間にダンパ室が形成されるものである。
このダンパ室は、アーマチャがステータに吸引されてステータに衝突する時に、衝撃を緩和するダンパ効果を発揮するため、衝突エネルギーを小さくすることができる。このため、インジェクタの開弁時においてアーマチャがステータに衝突して発生するバウンスが抑制される。
また、燃料に液化ガス燃料を用いる直接駆動方式の場合、液化ガス燃料は粘度が低いためにバウンスが顕著に発生する問題があるが、ダンパ室を設けたことにより上記問題を解決できる。
【００２４】
〔請求項９の手段〕
請求項９の手段を採用する電磁アクチュエータは、電磁コイルが通電されると、ステータに磁束が発生し、ステータに焼結磁性材製のアーマチャが吸引される。すると、アーマチャがステータ側に移動して、可動子の先端に設けられた一方の大径部がステータに衝突する。このように、衝突は、ステータと可動子で発生するため、焼結磁性材製のアーマチャが割れ等によって破損する不具合がない。
【００２５】
また、焼結磁性材製のアーマチャは、可動子の周囲に装着されて、可動子に設けられた２つの大径部に挟まれて固定されるものであるため、溶接や圧入固定の困難な破損しやすい焼結磁性材製のアーマチャであっても可動子に固定することができる。
もちろん、アーマチャは、渦電流の発生の少ない焼結磁性材製であるため、電磁コイルのON-OFF時に発生する渦電流損失が小さく、高い応答性を得ることができる。
【００２６】
〔請求項１０の手段〕
請求項１０の手段を採用する電磁アクチュエータは、上述した請求項５の手段と同様、燃料噴射装置におけるインジェクタに搭載されるものである。
このため、インジェクタの応答性を高めることができ、従来技術では調量精度の低かった小噴射領域まで高い調量精度を得ることができる。
【００２７】
〔請求項１１の手段〕
請求項１１の手段を採用する電磁アクチュエータは、上述した請求項６の手段と同様、アーマチャがインジェクタにおいて噴孔を開閉するニードルを直接駆動するものである。つまり、電磁アクチュエータがインジェクタのニードルを直接動かす、いわゆる直接駆動方式である。
このため、燃料噴射装置において燃料のリークレス化を図ることができ、燃料のリークレス化に伴ってインジェクタから漏れ燃料を回収するための装置が不要になる。
つまり、燃料のリークレス化を図った燃料噴射装置において、インジェクタの応答性（調量精度）を高めることができる。
【００２８】
〔請求項１２の手段〕
請求項１２の手段を採用する電磁アクチュエータは、アーマチャが、燃料が満たされたアーマチャ室において軸方向に移動可能に支持されるものであり、ステータと一方の大径部が当接した時、一方の大径部の周囲にはステータとアーマチャの間にダンパ室が形成されるものである。
このダンパ室は、上記請求項８の手段と同様、アーマチャがステータに吸引されてステータに衝突する時に、衝撃を緩和するダンパ効果を発揮するため、衝突エネルギーを小さくすることができる。このため、インジェクタの開弁時においてアーマチャがステータに衝突して発生するバウンスが抑制される。
また、燃料に液化ガス燃料を用いる直接駆動方式の場合、液化ガス燃料は粘度が低いためにバウンスが顕著に発生する問題があるが、ダンパ室を設けたことにより上記問題を解決できる。
【００２９】
〔請求項１３の手段〕
請求項１３の手段を採用する電磁アクチュエータは、インジェクタの噴射する燃料として液化ガス燃料を用いるものである。
このように、液化ガス燃料を使用する場合は、インジェクタに与えられる燃料の圧力が超高圧になるため、超高圧燃料下においてアーマチャを作動させるには、ステータに大きな吸引力が要求され、ステータおよびアーマチャの有効磁路面積を大きくする必要があるが、ステータ、アーマチャに焼結磁性材を用いているため、ステータおよびアーマチャの有効磁路面積を大きくしても電磁コイルのON-OFF時に発生する渦電流損失が小さく、高い応答性を得ることができ、特に小噴射量での調量精度を改善できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、複数の実施例と変形例を用いて説明する。
なお、以下の実施例では、ＤＭＥやＬＰＧ等の液化ガスを燃料とする車両用ディーゼルエンジンに燃料噴射を行う燃料噴射装置のインジェクタ（燃料噴射弁）に本発明を適用した例を示す。
この実施例に示すインジェクタは、電磁アクチュエータによってニードルを直接駆動する直動タイプであり、コモンレール内に蓄えられた高圧の蓄圧燃料が供給され、開弁動作に伴って液化ガス燃料を噴射するようになっている。
また、以下の実施例では、ノズル側（閉弁方向）を下、反ノズル側（開弁方向）を上として説明するが、説明の便宜上の上下であって、実際の搭載時とは関係ないものである。
【００３１】
〔第１実施例の構成〕
図１は、インジェクタ１の断面構造の構成を示す図面である。
この図１において、燃料タンク（図示しない）内に貯蔵された液化ガス燃料（ＤＭＥあるいはＬＰＧ）は、サプライポンプ（高圧ポンプ：図示しない）に内蔵されたフィードポンプ（低圧ポンプ：図示しない）によってサプライポンプへ吸引され、このサプライポンプにて高圧に圧縮された後にコモンレール（燃料蓄圧容器：図示しない）に供給される。コモンレールでは、噴射圧相当（例えば、４０ＭＰａ程度）の液化された高圧ガス燃料が蓄圧される。
コモンレールには、エンジンの各気筒に対して１つのインジェクタ１が接続されており、各インジェクタ１はＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニットの略：図示しない）からの駆動信号に従って噴射作動を行う。
【００３２】
以下においてインジェクタ１の構成を詳しく説明する。
インジェクタ１のケーシングは、ボディ２およびノズルボディ３を結合したものであり、それらはリテーニングナット４の締め付けにより一体化されている。ボディ２およびノズルボディ３には、同軸の貫通孔５、６が設けられ、その貫通孔５、６には、長尺状のニードル７が収容されている。
【００３３】
ニードル７は、上記貫通孔５、６内を上下方向に摺動するものであり、上下２箇所に摺動部８、９を有する。
ノズルボディ３の先端部には、複数の噴孔１１が設けられており、ニードル７の先端がノズルボディ３に当接（着座）することで噴孔１１が閉じ、ニードル７の先端がノズルボディ３から離間（離座）することで噴孔１１が開くようになっている。
【００３４】
ボディ２の下部には、圧縮コイルスプリング１２を収容するバネ室１３が形成されており、ニードル７は、バネ受け部材１４およびニードル７に形成された鍔部１５を介して圧縮コイルスプリング１２の復元力を受け、常に下方へ付勢されている。なお、圧縮コイルスプリング１２とバネ受け部材１４との間には、シム１６が配置され、このシム１６の厚さによってニードル７の閉弁方向の付勢力が調整される。
ボディ２の下端には、バネ室１３の下部を形成するディスタンスピース１７が配置されている。このディスタンスピース１７は、リテーニングナット４の締め付け力を受けるノズルボディ３によってボディ２の下部に組付けられている。
【００３５】
ボディ２の上側には、コモンレールから高圧燃料を受けるインレット２１が取り付けられている。このインレット２１は、ガスケット２２を挟むようにしてボディ２に組付けられており、インレット２１の内部には、異物の侵入を防止するためのフィルタ２３が圧入固定されている。
【００３６】
ボディ２の上側には、インレット２１から供給された高圧燃料をニードル７と、貫通孔５、６との間のクリアランス（ニードル７の周囲）に導く第１燃料通路２４、およびこの第１燃料通路２４によって供給される高圧燃料を後述するアーマチャ室２５に導く第２燃料通路２６が形成されている。
第１燃料通路２４からニードル７の周囲に導かれた高圧燃料は、ノズルボディ３の貫通孔６とニードル７の間に形成されるノズル室２７に導かれ、ニードル７が上昇すると噴孔１１から噴射される。
【００３７】
［第１実施例の特徴］
次に本発明が適用された電磁アクチュエータ３１を図１、図２を参照して説明する。
電磁アクチュエータ３１は、請求項１に記載されたように、大別して、通電によって磁力を発生する電磁コイル３２と、この電磁コイル３２の発生する磁力によって電磁石となるステータ３３と、電磁コイル３２およびステータ３３を収容するハウジング３４（電磁アクチュエータ３１をボディ２に組付けるリテーニングナットの役割を果たすとともに、電磁コイル３２の外周に磁束を通す役割を果たす）と、軸方向（上下方向）に移動可能に支持され、磁力が与えられたステータ３３に吸引されるアーマチャ３５とを備える。
そして、ステータ３３は、表面を絶縁皮膜で覆った磁性体金属粉と樹脂との複合材を固めてなる焼結磁性材製のメインステータ３６と、このメインステータ３６をハウジング３４に固定するとともに、ステータ３３に吸引されたアーマチャ３５と衝突し、このアーマチャ３５の衝突エネルギーをハウジング３４に伝達する軟質磁性材製のサブステータ３７とによって構成される。
【００３８】
次に、上記電磁アクチュエータ３１の各部品を詳細に説明する。
電磁コイル３２は、細いエナメル線を巻回した筒状を呈するものであり、樹脂部材３８にモールドされた状態で電磁アクチュエータ３１に組み込まれている。樹脂部材３８には、電磁コイル３２のコイル端に接続された端子３９がモールドされており、ＥＣＵによって電磁コイル３２が通電されると、電磁コイル３２が磁力を発生する。
【００３９】
メインステータ３６は、表面を絶縁皮膜（例えば、樹脂皮膜）で覆った磁性体金属粉（例えば、鉄粉）をプレス機等によって所定の形状（この実施例では中心に貫通孔３６ａが形成された略円筒形状）に圧縮したものを焼結して固めたものであり、渦電流の発生は少ないが、強度や硬度が小さく、且つ脆いという欠点を有する。
【００４０】
サブステータ３７は、請求項２に記載されるように、アーマチャ３５と直接当たる第１サブステータ４１と、この第１サブステータ４１を支持するとともに、アーマチャ３５を収容するアーマチャ室２５を形成してハウジング３４に支持される第２サブステータ４２とによって構成される。
第１サブステータ４１は、アーマチャ室２５と、メインステータ３６が配置された室とを区画する円板部４１ａと、メインステータ３６の貫通孔３６ａに挿通されるピン４１ｂとを有するものであり、ピン４１ｂの上端が第２サブステータ４２の天井部４２ａに形成された凹部４２ｂ内に圧入固定されるものである。この結果、メインステータ３６が、第１サブステータ４１の円板部４１ａと、第２サブステータ４２の天井部４２ａとの間に挟まれ、メインステータ３６とサブステータ３７（第１、第２サブステータ４１、４２）とが組付けられる。
【００４１】
第１サブステータ４１におけるアーマチャ３５との当接面（下端面）には、硬化処理（例えば、クロムメッキ）が施されており、繰り返して衝突される部分の耐摩耗性が高められている。
また、第１サブステータ４１は、高い硬度の軟質磁性材（例えば、電磁ステンレス鋼等）で形成されており、これによっても繰り返して衝突される部分の耐摩耗性が高められている。
【００４２】
第２サブステータ４２は、アーマチャ室２５を形成するとともにメインステータ３６を収容する室を形成する円筒部４２ｃと、上述した天井部４２ａとを有するものであり、磁束の通過が容易な軟質磁性材（例えば、鉄等）によって形成されている。
また、この第２サブステータ４２には、第２サブステータ４２の下側とメインステータ３６が配置された上側との間の磁束流れを少なくして、アーマチャ３５の吸引力を高めるための磁気絞りとなる薄肉円筒部４３が設けられている。この薄肉円筒部４３を第２サブステータ４２と一体に設けたため、部品点数が少なくて済み、コストを抑えることが可能になる。
【００４３】
上述したように、アーマチャ３５を収容するアーマチャ室２５には、第２燃料通路２６を介して高圧燃料が供給されて、アーマチャ室２５には高圧燃料が満たされるものであるが、第１サブステータ４１の円板部４１ａの周囲が、第２サブステータ４２の円筒部４２ｃの内壁に圧入されて、アーマチャ室２５とメインステータ３６が配置される室とが区画されるようになっている。このため、アーマチャ室２５に満たされた燃料はメインステータ３６が配置された室には侵入できない構造になっている。
このように、燃料がメインステータ３６を構成する焼結磁性材に触れない構造であるため、燃料にＤＭＥを使用する場合であっても、ＤＭＥがメインステータ３６を構成する焼結磁性材に含まれる樹脂を劣化させる不具合がない。
【００４４】
また、アーマチャ室２５に満たされた燃料はサブステータ３７によって囲まれてメインステータ３６が配置された室には侵入できない構造になっているため、メインステータ３６が配置された室内を通って燃料が外部に漏れる不具合が発生しない。このため、燃料漏れを防ぐシール構造を簡素化できる。
つまり、アーマチャ室２５に満たされる液化ガス燃料は超高圧であるため、通常の液体燃料よりも高いシール性が要求され、シール構造に要するコストが高くなってしまう。これに対して本実施例では、液化ガス燃料がメインステータ３６の配置された室側に通じる部分がない構造であるため、簡素で高いシール性を確保できる。
また、燃料にＤＭＥを使用する場合は、ＤＭＥがシール材を構成するＯリング等のゴム系シール材を劣化させる不具合があるが、Ｏリング等のゴム系シール材を用いることなくアーマチャ室２５のＤＭＥをシールできるため、ＤＭＥの漏れを確実に防ぐことができる。
【００４５】
アーマチャ３５は、ステータ３３への吸引力を高めるために、強磁性体材料である軟鉄等によって形成されている。このアーマチャ３５は、短い円柱形状を呈するものであり、下面の中央に形成された凹部３５ａ内にニードル７の上端を圧入することで、ニードル７と一体化されている。このため、電磁コイル３２がONされてアーマチャ３５がステータ３３に吸引されることでニードル７が上昇し、電磁コイル３２がOFF されてステータ３３の吸引力が無くなると、圧縮コイルスプリング１２の付勢力によってニードル７が下降する。
【００４６】
ここで、サブステータ３７とアーマチャ３５が当接した状態において、サブステータ３７とアーマチャ３５の間にダンパ室４４が形成される。この構造を図２を用いて説明する。
互いに対向するサブステータ３７の端面とアーマチャ３５の端面のうち、サブステータ３７の端面は平坦に形成されている。これに対し、アーマチャ３５の端面には、外縁部に環状の突起４５が形成されている。この突起４５は、アーマチャ３５の上昇時におけるストッパの役目も担っており、ニードル７が上昇する時、アーマチャ３５の突起４５がサブステータ３７に当接する位置でニードル７の上昇位置、すなわち開弁ストローク（ニードル７のリフト量）が規定される。
なお、ステータ３３とボディ２の間に配置されたシム４６の厚さを変更することにより、ニードル７のリフト量が調整できるようになっている。
【００４７】
環状の突起４５には、少なくとも１ヵ所以上の切欠（図示しない）が形成され、ニードル７が下降する際に、ダンパ室４４内に燃料が入りやすくなっている。これによって、電磁コイル３２をOFF した時の応答性の劣化を防ぐことができる。
ここで、アーマチャ３５の変位ストロークに対するダンパ室４４の容積変化率が大きいほど、ダンパ効果が大きくなる。言い換えれば、突起４５の高さが小さい方がダンパ効果が大きくなる。だだし、突起４５の高さが小さすぎると加工精度を出すのが困難になる。そこで、この実施例では、突起４５の高さを０．１〜０．３ｍｍとしている。
【００４８】
電磁コイル３２がONされて、アーマチャ３５が上昇する過程において、アーマチャ３５の突起４５とサブステータ３７の円板部４１ａとの距離が短くなり、それに伴い、アーマチャ３５とサブステータ３７の円板部４１ａとの間の容積が小さくなる。この容積内の燃料は、突起４５とサブステータ３７の間の隙間を通って抜けるが、その隙間はアーマチャ３５のリフトとともに狭くなり、油圧ダンパとして作用する。この結果、アーマチャ３５の突起４５がサブステータ３７に衝突する際の衝撃エネルギーを小さくすることができ、開弁時におけるアーマチャ３５およびニードル７のバウンスの発生を抑制できる。
特にこの実施例では、燃料に粘度の低い液化ガス燃料を用いるため、バウンスが発生しやすいが、上述のようにダンパ室４４を設けたことによりバウンスの発生問題を解決できる。
【００４９】
ハウジング３４は、上述した電磁アクチュエータ３１の各構成部品を内部に組付けた状態でボディ２の上端に締結されるものであり、ハウジング３４をボディ２に強くねじ込むことにより、ボディ２とサブステータ３７の下端との間でシム４６が強く挟み付けられる。この結果、ゴム系のシール部材を用いることなくアーマチャ室２５のシール性を確保できる。
この実施例のハウジング３４は、メインステータ３６と同様、焼結磁性材製のものである。このように、ハウジング３４も焼結磁性材で設けることにより、渦電流損失が減少し、電磁弁の応答性をより向上することができる。この場合、アーマチャ３５の衝突エネルギーがサブステータ３７を介して焼結磁性材製のハウジング３４に伝達されるが、サブステータ３７とハウジング３４の接触面積が大きいため、衝突エネルギーの分散がなされ、ハウジング３４の破損を防ぐことができる。
なお、ハウジング３４をサブステータ３７と同様、軟質磁性材製で設けて、メインステータ３６のみを焼結磁性材で設けても良い。
【００５０】
〔第１実施例の作動〕
（開弁時）
ＥＣＵから与えられる駆動信号によって電磁コイル３２が通電されると、焼結磁性材製のメインステータ３６および軟質磁性材製のサブステータ３７よりなるステータ３３に磁力が発生し、アーマチャ３５がステータ３３に吸引され、圧縮コイルスプリング１２の付勢力に抗してニードル７が上方にリフトする。そして、アーマチャ３５がステータ３３（具体的には、サブステータ３７）に当接すると、開弁動作が終わり、それ以降は開弁状態が保持される。このニードル７の上昇によってニードル７の先端がノズルボディ３から離間（離座）し、噴孔１１が開いて液化ガス燃料が噴孔１１より噴射される。
【００５１】
（閉弁時）
ＥＣＵから与えられる駆動信号によって電磁コイル３２の通電が停止されると、ステータ３３によるアーマチャ３５の吸引力が無くなり、圧縮コイルスプリング１２の付勢力によってニードル７が下降する。そして、ニードル７がノズルボディ３のシートに当接すると、閉弁動作が終わり、それ以降は閉弁状態が保持される。このようにニードル７が下降してニードル７の先端がノズルボディ３に当接（着座）することで、噴孔１１が閉じて液化ガス燃料の噴射が停止される。
【００５２】
〔第１実施例の効果〕
インジェクタ１に組み込まれた電磁アクチュエータ３１は、上述したように電磁コイル３２が通電された際、ステータ３３にアーマチャ３５が吸引されて、アーマチャ３５が軟質磁性材製のサブステータ３７に衝突するが、この衝突エネルギーは、サブステータ３７からハウジング３４へ逃がされる。このため、脆い焼結磁性材製のメインステータ３６が割れ等によって破損する不具合が発生しない。
【００５３】
また、焼結磁性材製のメインステータ３６は、上述したように割れにくい軟質磁性材のサブステータ３７によってハウジング３４に組付けられる構造であるため、溶接や圧入固定の困難な破損しやすい焼結磁性材製のメインステータ３６をインジェクタ１に組付けることができる。
【００５４】
さらに、ステータ３３を構成するメインステータ３６は、渦電流の発生の少ない焼結磁性材製であるため、電磁コイル３２のON-OFF時に発生する渦電流損失が小さく、高い応答性を得ることができる。このことを、図３、図４を参照して説明する。
図３は、ＥＣＵから与えられる駆動信号（電磁コイル３２のON-OFF制御を行う信号）と、ニードル７のリフト波形（リフト量）との関係を示すものである。
この図３から読み取ることができるように、従来（ステータの材質全てが軟質磁性材によって構成されるもの）はステータ３３に生じる渦電流損により、開弁開始および閉弁開始が遅く、ニードル波形の傾きが緩やかなことからも分かるように、ニードル７の移動時間も長い。
これに対し、本実施例のインジェクタ１は、メインステータ３６を渦電流の発生の少ない焼結磁性材で設けたため、ステータ３３に発生する渦電流損失が小さく、開弁開始および閉弁開始が早く、ニードル７の移動時間も短い。このように、本実施例のインジェクタ１は、従来より開閉弁の応答性が良い。
【００５５】
図４にＥＣＵから与えられる駆動信号幅（電磁コイル３２のON時間）に対する噴射量の関係を示す。
この図４から読み取ることができるように、従来（図中破線Ｂ）では２．３ｍｓ以下の小噴射量域の噴射量特性はリニアな特性を示さず、調量精度が良くない。
これに対し、本実施例のインジェクタ１（図中実線Ａ）は、応答性の向上（開閉弁開始時間の短縮およびニードル７の移動速度の向上）により、１．２ｍｓまでリニアな噴射量特性を示し、小噴射量での調量精度を向上できる。
【００５６】
〔第２実施例〕
図５に示す電磁アクチュエータ３１の断面構造図を参照して第２実施例を説明する。なお、以下の実施例では、上述した実施例に対して異なる主要部分を説明するものであり、同一機能物は同一符号を付して説明を省略する。
【００５７】
上記の第１施例では、サブステータ３７を２つに分けた例を示した。これに対し、この第２実施例は請求項３の手段を採用するものであり、この実施例のサブステータ３７は、１つの軟質磁性体よりなるもので、アーマチャ３５を収容するアーマチャ室２５を形成し、アーマチャ３５が直接衝突する天井部４２ａとハウジング３４との間でメインステータ３６を支持する構造を採用する。
この実施例のサブステータ３７は、ハウジング３４がボディ２に締め付けられることによって、電磁コイル３２をモールドする樹脂部材３８と、シム４６との間に挟み付けられて支持されるものであり、ステータ３３の衝突エネルギーは、樹脂部材３８およびシム４６を介してハウジング３４に伝わり、衝突エネルギ−によってメインステータ３６が破損しないように設けられている。
【００５８】
ハウジング３４は、上記の第１実施例と同様、焼結磁性材で設けても良いし、軟質磁性材で設けても良い。ハウジング３４を焼結磁性材で設ける場合は、メインステータ３６とハウジング３４を一体に形成することもできる。
【００５９】
〔第３実施例〕
図６に示す電磁アクチュエータ３１の断面構造図を参照して第３実施例を説明する。
この実施例のサブステータ３７は、第２実施例同様、１つの軟質磁性体よりなるもので、アーマチャ室２５を形成する筒状部の下部がインジェクタ１のボディ２にねじ込まれて、電磁アクチュエータ３１をボディ２に固定する構造を採用している。
【００６０】
ハウジング３４は、サブステータ３７の外側段差３７ａと電磁コイル３２をモールドする樹脂部材３８との間に挟み付けられる内向鍔３４ａを有した筒状を呈する。なお、この内向鍔３４ａは、アーマチャ３５の下側部分に磁束を与える磁路の役目も果たすものである。
メインステータ３６は、サブステータ３７の天井部３７ｂの中心部から上に延びたピン３７ｃが挿通される貫通孔３６ａを備えるとともに、ハウジング３４の上端を下方に押しつける外向鍔３６ｂが形成されている。
そして、ピン３７ｃの上端にナット５１をねじ込む構造を採用しており、ナット５１をねじ込むことにより、その力で外向鍔３６ｂと外側段差３７ａの間でメインステータ３６およびハウジング３４が強く挟まれて固定される。
【００６１】
なお、ナット５１を用いず、直接ネジ等でメインステータ３６とハウジング３４をサブステータ３７に固定しても良い。
【００６２】
〔第４実施例〕
図７に示す電磁アクチュエータ３１の要部断面構造図を参照して第４実施例を説明する。
この第４実施例は、請求項９の手段を採用して、アーマチャ３５を焼結磁性材で設けたものである。焼結磁性材は、従来技術の項でも説明したように、溶接や圧入による固定ができない。そこでこの第４実施例では、焼結磁性材製のアーマチャ３５を、ニードル７（可動子に相当する）に設けた２つの大径部５２、５３の間に挟んで固定するものである。
また、焼結磁性材製のアーマチャ３５は脆いため、ステータ３３に衝突すると、破損する可能性がある。そこでこの第４実施例では、２つの大径部５２、５３のうちの一方の大径部５２をアーマチャ３５よりもステータ３３側に突出して設け、アーマチャ３５がステータ３３に吸引された際に、ステータ３３と一方の大径部５２とが衝突するように設けられるものである。
【００６３】
焼結磁性材製のアーマチャ３５は、中心部分にニードル７（具体的には、後述するサブニードル７ａ）が挿通される貫通孔３５ｂが形成されている。
ニードル７は、アーマチャ３５の貫通孔３５ｂに挿通されるサブニードル７ａと、このサブニードル７ａの下部に溶接あるいは圧入によって接合されたメインニードル７ｂとから構成される。
サブニードル７ａおよびメインニードル７ｂは、共にステンレス等の軟質磁性材製であり、サブニードル７ａの上側端部には、外径方向に広げられた一方の大径部５２が形成されている。
なお、一方の大径部５２の下面には、テーパ面が形成されており、アーマチャ３５がテーパ面でゆるく圧迫されるようになっている。
【００６４】
メインニードル７ｂの上端は、サブニードル７ａの下端より径大の他方の大径部５３が設けられており、その上面にはサブニードル７ａの下端を嵌め入れる凹部７ｃが形成されている。
そして、図７に示すように、焼結磁性材製のアーマチャ３５を組付けたサブニードル７ａの下端をメインニードル７ｂの凹部７ｃに嵌め入れ、その嵌め入れた部分を凹部７ｃ内に圧入あるいは溶接することで、２つの大径部５２、５３の間において焼結磁性材製のアーマチャ３５が固定される。
【００６５】
アーマチャ３５の外周の上端には、拡径部３５ｃが形成されており、拡径部３５ｃとステータ３３の薄肉円筒部４３（磁気絞り）との間のクリアランスが数μｍに設けられている。このように設けられることにより、アーマチャ３５がステータ３３に吸引され、ニードル７（具体的にはサブニードル７ａ）の頂部（拡径部３５ｃ）がステータ３３に当接する際、一方の大径部５２の周囲の空間がダンパ室４４として作用する。つまり、サブニードル７ａがステータ３３に衝突する際にダンパ室４４の圧力が増加するため、衝突エネルギーが小さくなり、開弁時のバウンスを低減することができる。
ここで、アーマチャ３５は、燃料と直接接触するため、燃料としてＤＭＥを使用する場合、アーマチャ３５の表面をメッキ等により皮膜処理することでアーマチャ３５を構成する焼結磁性材の劣化を防止できる。
【００６６】
〔第５実施例〕
図８に示す電磁アクチュエータ３１の要部断面構造図を参照して第５実施例を説明する。
この第５実施例は、上記第４実施例と同様、アーマチャ３５を焼結磁性材で設けたものである。
この第５実施例は、ニードル７は１つの部材よりなるものであり、焼結磁性材製のアーマチャ３５は、第４実施例と同様、下面にテーパ面が形成された一方の大径部５２と、ニードル７の側面に形成された被カシメ溝７ｄにカシメ付けられる他方の大径部５３との間で固定される。
【００６７】
この実施例における他方の大径部５３は、被カシメ溝７ｄにカシメ付けられることによって変形してニードル７の側面に固定されるＥリング等のカシメ部材であるが、代わりに平バネを用いても良い。
他方の大径部５３として平バネを用いる場合、閉弁時にアーマチャ３５からニードル７に伝わる慣性力を平バネの弾性力によって減衰することが可能になり、閉弁時のバウンスを低減することができる。
【００６８】
〔第６実施例〕
上記の実施例では、ＤＭＥやＬＰＧ等の液化燃料を噴射するインジェクタ１を例に示したが、それ以外の燃料を噴射するインジェクタ１に本発明を適用しても良い。すなわち、軽油やガソリンを噴射するインジェクタ１に本発明を適用してインジェクタ１の応答性を高めるようにしても良い。
そこで、第６実施例として、ガソリンを噴射するインジェクタ１に本発明を適用した例を図９を参照して説明する。
【００６９】
ガソリンを噴射するインジェクタ１は、気筒内に直接燃料を噴射するため、吸気管に燃料を噴射するタイプより高燃圧となる。このため、アーマチャ３５とメインステータ３６の対向磁路面積が大きくなり、メインステータ３６に軟質磁性材を用いると渦電流損失が大きく応答性が悪い。
そこで、軟質磁性材製のインジェクタ１のボディ２には、磁気絞りとなる薄肉円筒部４３が設けられており、この薄肉円筒部４３の内部に焼結磁性材のメインステータ３６を挿入し、サブステータ３７をボディ２の燃料通路６１内に圧入することでメインステータ３６を固定している。このように設けられることによって、開弁時に発生するアーマチャ３５の衝突エネルギーは、サブステータ３７からボディ２に伝えられ、メインステータ３６の破損が防がれる。つまり、この第６実施例では、メインステータ３６を覆うボディ２は、開弁時の衝撃をサブステータ３７を介して受け止めるハウジング（請求項１のハウジングに相当する）を兼ねるものである。
【００７０】
サブステータ３７の中心には燃料通路３７ｄが貫通しており、上側に圧縮コイルスプリング１２を保持する面が形成されている。なお、燃料通路３７ｄに別部材を挿入固定し、その挿入固定した別部材によって圧縮コイルスプリング１２を保持する構造を採用しても良い。
【００７１】
電磁コイル３２をボディ２に組付ける筒状ナット６２は、ボディ２にねじ込まれて電磁コイル３２をボディ２に固定するとともに、電磁コイル３２の外周に磁束を通すという役目からすると、第１〜第５実施例で示したハウジング３４に相当するものであるが、この発明では開弁時の衝撃をサブステータ３７を介して受け止めるのをハウジングと称しているため、この第６実施例ではハウジングとは呼ばずに、筒状ナット６２としている。
しかし、第６実施例の筒状ナット６２は、第１〜第５実施例で示したハウジング３４に相当するものであるため、この筒状ナット６２は焼結磁性材で設けられている。このように設けられることにより、メインステータ３６とともに渦電流損失を低減することができ、インジェクタ１の応答性をより高めることができる。
【００７２】
〔変形例〕
上記の実施例では、本発明の電磁アクチュエータ３１をインジェクタ１に適用した例を示したが、リニアソレノイドとして広く適用可能なものである。
上記の実施例では、ステータ３３もしくはアーマチャ３５の一方に焼結磁性材を用いた例を示したが、ステータ３３とアーマチャ３５の両方に焼結磁性材を用いても良い。つまり、第１、第２、第３、第６実施例と、第４、第５実施例を組み合わせるなどしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】インジェクタの断面図である（第１実施例）。
【図２】電磁アクチュエータの断面図である（第１実施例）。
【図３】駆動信号に対するニードルのリフト波形を示すグラフである（第１実施例）。
【図４】駆動信号幅に対する噴射量を示す特性図である（第１実施例）。
【図５】電磁アクチュエータの断面図である（第２実施例）。
【図６】電磁アクチュエータの断面図である（第３実施例）。
【図７】電磁アクチュエータの要部断面図である（第４実施例）。
【図８】電磁アクチュエータの要部断面図である（第５実施例）。
【図９】インジェクタの断面図である（第６実施例）。
【図１０】インジェクタの断面図である（従来例）。
【図１１】インジェクタの断面図である（従来例）。
【図１２】焼結磁性材の概念図である。
【符号の説明】
１ インジェクタ
７ ニードル（可動子）
１１ 噴孔
２５ アーマチャ室
３１ 電磁アクチュエータ
３２ 電磁コイル
３３ ステータ
３４ ハウジング
３５ アーマチャ
３６ メインステータ
３７ サブステータ
４１ 第１サブステータ
４２ 第２サブステータ
４３ 薄肉円筒部
４４ ダンパ室
５２ 一方の大径部
５３ 他方の大径部

Claims (13)

1. 通電によって磁力を発生する電磁コイルと、
   この電磁コイルの発生する磁力が与えられて電磁石となるステータと、
   前記電磁コイルおよび前記ステータを収容するハウジングと、
   軸方向に移動可能に支持され、磁力が与えられた前記ステータに吸引されるアーマチャと、
   を備える電磁アクチュエータにおいて、
   前記ステータは、
   表面を絶縁皮膜で覆った磁性体金属粉と樹脂との複合材を固めてなる焼結磁性材製のメインステータと、
   このメインステータを前記ハウジングに固定するとともに、前記ステータに吸引された前記アーマチャと衝突し、このアーマチャの衝突エネルギーを前記ハウジングに伝達する軟質磁性材製のサブステータと、
   によって構成されることを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の電磁アクチュエータにおいて、
   前記サブステータは、
   前記アーマチャと直接当たる第１サブステータと、
   この第１サブステータを支持するとともに、前記アーマチャを収容するアーマチャ室を形成し、前記ハウジングに支持される第２サブステータと、によって構成され、
   前記第１サブステータにおける前記アーマチャとの当接面に硬化処理を施したことを特徴とする電磁アクチュエータ。
3. 請求項１に記載の電磁アクチュエータにおいて、
   前記サブステータは、
   前記アーマチャと直接当たるとともに、前記アーマチャを収容するアーマチャ室を形成し、前記ハウジングに支持される１つの部材であることを特徴とする電磁アクチュエータ。
4. 請求項２または請求項３に記載の電磁アクチュエータにおいて、
   前記アーマチャ室を形成する部分の前記サブステータには、磁気絞りとなる薄肉円筒部が設けられたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電磁アクチュエータにおいて、
   前記電磁アクチュエータは、燃料噴射装置におけるインジェクタに搭載されることを特徴とする電磁アクチュエータ。
6. 請求項５に記載の電磁アクチュエータにおいて、
   前記アーマチャは、前記インジェクタにおいて噴孔を開閉するニードルを駆動することを特徴とする電磁アクチュエータ。
7. 請求項５または請求項６に記載の電磁アクチュエータにおいて、
   前記サブステータは、前記アーマチャを収容するアーマチャ室を形成し、そのアーマチャ室に燃料が満たされるものであり、前記アーマチャ室と前記メインステータとは前記サブステータによって区画されて、前記アーマチャ室に満たされた燃料は前記メインステータに触れない構造を採用することを特徴とする電磁アクチュエータ。
8. 請求項７に記載の電磁アクチュエータにおいて、
   前記アーマチャは、燃料が満たされた前記アーマチャ室において軸方向に移動可能に支持されるものであり、
   前記サブステータと前記アーマチャが当接した状態において前記サブステータと前記アーマチャの間にダンパ室が形成されることを特徴とする電磁アクチュエータ。
9. 通電によって磁力を発生する電磁コイルと、
   この電磁コイルの発生する磁力が与えられて電磁石となるステータと、
   軸方向に移動可能に支持され、磁力が与えられた前記ステータに吸引されるアーマチャと、
   このアーマチャに固定された可動子と、
   を備える電磁アクチュエータにおいて、
   前記アーマチャは、表面を絶縁皮膜で覆った磁性体金属粉と樹脂との複合材を固めてなる焼結磁性材製であり、
   この焼結磁性材よりなる前記アーマチャは、前記可動子が貫通配置されるとともに、前記可動子に設けられた２つの大径部に挟まれて固定され、さらに前記２つの大径部のうちの一方の大径部が前記アーマチャよりも前記ステータ側に突出して設けられ、
   前記アーマチャが前記ステータに吸引された際に、前記ステータと前記一方の大径部とが衝突するように設けられることを特徴とする電磁アクチュエータ。
10. 請求項９に記載の電磁アクチュエータにおいて、
    前記電磁アクチュエータは、燃料噴射装置におけるインジェクタに搭載されることを特徴とする電磁アクチュエータ。
11. 請求項１０に記載の電磁アクチュエータにおいて、
    前記可動子は、前記インジェクタにおいて噴孔を開閉するニードルであることを特徴とする電磁アクチュエータ。
12. 請求項１０または請求項１１に記載の電磁アクチュエータにおいて、
    前記アーマチャは、燃料が満たされたアーマチャ室において軸方向に移動可能に支持されるものであり、
    前記ステータと前記一方の大径部が当接した時、前記一方の大径部の周囲には、前記ステータと前記アーマチャの間にダンパ室が形成されることを特徴とする電磁アクチュエータ。
13. 請求項５〜請求項８、請求項１０〜請求項１２のいずれかに記載の電磁アクチュエータにおいて、
    前記インジェクタの噴射する燃料は、液化ガス燃料であることを特徴とする電磁アクチュエータ。

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