JP4958008B2 - 電磁駆動装置およびそれを用いた流体制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、電磁駆動装置およびこれを用いた流体制御弁に関する。

従来より、可動子を収容する収容部と可動子を吸引する吸引部との軸心ずれをなくし、可動子の往復運動を滑らかにし、またソレノイドの組み付けを容易にするため、収容部と吸引部とを例えば切削等により一体に形成する固定子を備えた電磁駆動装置が知られている。このような電磁駆動装置では、コイルへの通電をオンすることにより発生する磁束のうち、吸引部と可動子との間を流れず、収容部と吸引部との間を流れる磁束が多くなることで磁気吸引力が低下する。

このため、収容部と吸引部の間の磁気絞り部に１つまたは複数の通孔を設けて磁気絞り部の磁気抵抗を大きくする電磁駆動装置が知られている（特許文献１参照）。しかし、特許文献１では、磁気絞り部に通孔を軸方向に並べて設けているので、軸方向の強度低下を招くこととなる。磁気絞り部の強度が低下すると、固定子の組み付け時に磁気絞り部が変形し、可動子の往復運動を妨げる恐れがある。磁気絞り部の強度低下を抑制するために通孔の径を小さくすると所望の磁気抵抗が得られずに電磁駆動装置の大型化を招くこととなる。
特開２００１−２６３５２１号公報

本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、磁気吸引力の大きい電磁駆動装置およびこれを用いた流体制御弁を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、固定子の強度低下を抑制した流体制御弁を提供することにある。

請求項１に記載の発明によると、電磁駆動装置は、通電することにより磁力を発生するコイルと、外周面によって軸方向へ摺動自在に支持される磁性体製の可動子と、コイルの径内側に設けられ、可動子とともに軸方向に磁束の流れる磁気回路を形成し、可動子を軸方向へ摺動自在に収容する円筒状の収容部、軸方向の一方向に可動子を磁力にて吸引する吸引部、及び収容部と吸引部との間で収容部よりも肉厚が薄く円筒状に形成された磁気絞り部を一体に形成した磁性体製の固定子とを備える。この磁気絞り部には、周方向所定間隔に磁気絞り部の内周面から外周面まで通じる複数の通孔を設けた第一通孔列と、同じく周方向所定間隔に磁気絞り部の内周面から外周面まで通じる複数の通孔を設けた第二通孔列とを有し、第一通孔列と第二通孔列とは互いに所定距離を置くとともに、第一通孔列と第二通孔列との通孔の周方向位置が各通孔列同士で軸方向に一致しないように配置されていることで、前記磁気絞り部の磁気抵抗を増加し前記可動子と前記吸引部との間に流れる磁束を増加する。

コイルに通電すると、第一通孔列の各通孔の間を流れる磁束は第二通孔列の各通孔が磁束の流れる障害となり、第二通孔列の各通孔の両側に磁束線が誘導される。これにより、磁気抵抗が大きくなり、固定子の磁気絞り部を軸方向に流れる磁束が可動子と吸引部との間を流れる傾向が作り出されるので、固定子の磁気吸引力が大きくなる。

請求項２に記載の発明によると、第一通孔列の通孔および第二通孔列の通孔の間を流れる磁束の磁気抵抗は、第一通孔列と第二通孔列との関係が固定子の軸方向に２列または３列あることでさらに大きくなる。これにより、磁気抵抗が大きくなり、固定子の磁気吸引力を大きくすることができる。また、この固定子によると、第一通孔列と第二通孔列との関係が軸方向に２列または３列あるので、各通孔の間はトラス構造を構成し、通孔を設けることによる固定子の強度低下を抑制することができる。また、固定子の強度低下を抑制することにより第一通孔と第二通孔との距離を短くすることができるため、固定子の磁気抵抗を大きくすることができ、磁気吸引力が大きくなる。

請求項３に記載の発明によると、第一通孔列のうちの隣り合う通孔の周方向の間隔より、第一通孔列の通孔とこれに隣接する第二通孔列の通孔との間隔が小さい。
隣り合う第一通孔列の通孔の間を流れる磁束は、第一通孔列の通孔と第二通孔列の通孔の間を流れるとき、圧縮される。これにより、電磁駆動装置は、固定子の磁気抵抗を大きくすることができ、磁気吸引力が大きくなる。

請求項４に記載の発明によると、流量制御弁は、吸入口および排出口と、請求項１〜３のいずれか一項記載の電磁駆動装置と、電磁駆動装置の可動子に連結される弁体と、この弁体が着座または離座する弁座とを備える。
流量制御弁は、磁気吸引力が大きく、強度低下を抑制した固定子を備える電磁駆動装置を備えることにより、小型にでき、高い流量応答性能とすることができる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による電磁駆動装置としての電磁アクチュエータを流体制御弁としてのパージバルブに適用したものを、図１から図５を参照して説明する。図２に示すように、自動車には、燃料タンク３で気化した燃料を吸着して保持するキャニスタ４が設けられている。このキャニスタ４は、大気導入通路５を介して大気を導入可能に設けられている。また、キャニスタ４は、パージ通路６を介して吸気管７の負圧発生部分となるスロットルバルブ８の下流に接続されている。そして、エンジンの運転中に、大気導入通路５に設けられた弁９を開いて、外部からフィルタ１１を通してキャニスタ４内に空気を導入するとともに、パージ通路６に設けられたパージバルブ１を開いて、キャニスタ４内に保持された気化燃料をフィルタ１０を通して吸気管７へ導く。

次に、図３を参照してパージバルブ１の説明をする。パージバルブ１は通電されるとパージ通路６の上流と下流を連通させる常閉型の電磁弁である。以下、パージバルブ１の説明では便宜上、図３の上側を上、図３の下側を下として説明する。
パージバルブ１は、パージ通路６の吸気管側に接続される出力ポート１３が形成された出口通路キャップ１２と、出力ポート１３に通じる弁口１４を開閉する弁体１５と、パージ通路６のキャニスタ４側に接続される入力ポート１７が形成されるハウジング１６に覆われて弁体１５を駆動して弁口１４を開閉させる電磁アクチュエータ２等からなる。

出口通路キャップ１２とハウジング１６との間には、入力ポート１７と連通し、容積室を成す空間としてのチャンバ１８が形成されている。チャンバ１８内まで延びて形成された出力ポート１３の端部となる弁口１４は、電磁アクチュエータ２の可動子としてのムービングコア２２に取り付けられたゴム製の弁体１５によって開閉される。即ち、出力ポート１３の下部が弁口１４を成し、弁体１５が弁口１４に着座することでパージ通路６の連通が遮断され、弁体１５が弁口１４から離座することでパージ通路６が連通される。

チャンバ１８の内部には、フィルタ１９が取り付けられており、入力ポート１７からチャンバ１８内に流入した気体燃料は、フィルタ１９を通過して弁口１４へ導かれるようになっている。
電磁アクチュエータ２は、弁体１５が取り付けられたムービングコア２２の他に、このムービングコア２２を弁体１５が弁口１４に着座する方向に付勢するリターンスプリング２３と、このリターンスプリング２３の付勢力に抗してムービングコア２２を開弁方向へ磁気吸引するソレノイド２４とを備える。

ムービングコア２２は、上端に弁体１５が取り付けられたカップ形状の可動子であり、例えば鉄などの磁性体金属よりなる。
リターンスプリング２３は、ムービングコア２２を閉弁方向へ付勢する圧縮コイルスプリングであり、一端がムービングコア２２に当接し、他端がムービングコア２２内に設けられたスプリング保持部２７に当接する。

スプリング保持部２７は、弁体１５のリフト量が所定量に達すると、スプリング保持部２７の上端がムービングコア２２内に挿入された弁体１５に当接し、弁体１５の最大リフト量を決定する。
ソレノイド２４は、コイル２５、ヨーク２９、固定子としてのステータ３０を備え、コネクタ２０によって通電制御されるものであり、これらはソレノイド２４のハウジング１６を成す二次成形によって樹脂モールドされている。

ステータ３０は、略円筒形状で例えば鉄などの磁性体金属からなり、ステータ３０の下部がヨーク２９の下部と嵌合し、磁性リング３１がヨーク２９の上部と嵌合している。吸引部３４とムービングコア２２との軸方向間には磁気吸引ギャップ２８が形成されている。
ヨーク２９は、例えば鉄などの磁性体金属からなり、コイル２５の外周を覆い、ステータ３０の上部と下部とをコイル２５の外周側において接続している。

コイル２５は、両端部にフランジが形成された筒形状を呈する一次形成樹脂のボビンの周囲に、絶縁被覆が施されたエナメル線等からなる導線を多数巻回したもので、通電されると磁力を発生して、ムービングコア２２、ヨーク２９、ステータ３０を通る磁束ループを形成させる。

コネクタ２０は、パージバルブ１を開閉制御する図示しない電子制御装置と接続線を介して電気的な接続を行う接続手段であり、その内部には、コイル２５の両端にそれぞれ接続されるコネクタ端子２１が配置されている。このコネクタ端子２１は、ハウジング１６を成す二次成形により樹脂モールドされ、一端がボビンに差し込まれ、他端がコネクタ２０内で露出する。

なお、電子制御装置は、キャニスタ４内に保持された気化燃料の濃度を算出するとともに、エンジンの運転状態からパージバルブ１を開弁した際にパージ通路６を流れる流量を算出して、パージバルブ１を開弁した際に吸気管７に導かれるパージ燃料を算出するパージ燃料算出手段を備え、パージバルブ１を開弁した際に、インジェクタから噴射される燃料の噴射量を補正し、空燃比をエンジンの運転状態に適した目標空燃比に保つように設けられている。

図１に示すように、ステータ３０は、ムービングコア２２の外周面を覆い軸方向へ摺動自在に支持する収容部３２、収容部の上部に設けられる鍔状の磁性リング３１、ムービングコア２２を軸方向の一方向に吸引する吸引部３４、及び収容部３２と吸引部３４との間で収容部よりも肉厚が薄く円筒状に形成された磁気絞り部３３からなり一体に形成されている。
ステータ３０の磁気絞り部３３には、磁気絞り部３３の内周面から外周面まで通じる複数の通孔４１、４２、４３等が磁気絞り部３３を周回して所定の間隔で設けられている。複数の通孔４１、４２、４３等により第一通孔列４０が構成されている。また、第一通孔列４０と同様、磁気絞り部３３の内周面から外周面まで通じる複数の通孔５１、５２、５３等が磁気絞り部３３を周回して所定の間隔で設けられている。複数の通孔５１、５２、５３等により第二通孔列５０が構成されている。

第一通孔列４０と第二通孔列５０とは、互いに軸方向に所定の距離を置いて設けられている。第一通孔列４０を構成する通孔４１、４２、４３等の周方向位置と、第二通孔列５０を構成する通孔５１、５２、５３等の周方向位置とは、軸方向に一致しないように配置されている。各通孔４１、４２、４３、５１、５２、５３等はレーザ照射等により形成されている。

図４の一点鎖線に示すように、磁気絞り部３３は、互い違いの千鳥状に第一通孔列４０を構成する各通孔４１、４２、４３等と第二通孔列５０を構成する各通孔５１、５２、５３等とを設けることにより、ワーレントラス構造を形成している。このため、ヨーク２９とコイル２５を巻回した樹脂製のボビンとを樹脂モールドした部材の中にステータ３０を挿入し、ヨーク２９の下部とステータ３０の下部とを嵌合させ、ヨーク２９の上部とステータ３０の上部とを嵌合させてソレノイド２４を組み付けるとき、ステータ３０が組み付けによる軸方向の力を受けても磁気絞り部３３は曲げモーメントを受けにくい。これにより、ソレノイド２４を組み付け時に磁気絞り部３３が変形することを抑制できる。そのため、ムービングコア２２はステータ３０内を滑らかに往復移動することができる。

次に、上記構成よりなるパージバルブの基本動作を図１および図３に基づいて説明する。
電子制御装置により、電磁アクチュエータ２のコイル２５に通電され、パージバルブがオンされると、コイル２５に磁束が発生する。この磁束は、磁性リング３１、収容部３２、磁気絞り部３３、ムービングコア２２、吸引部３４、ヨーク２９によって構成された磁気回路に流れ、磁束ループを形成する。収容部３２の磁性リング３１側から吸引部３４側へ流れる磁束は、磁気絞り部３３の肉厚が薄く磁路面積が小さいことより圧縮され、並びに磁気絞り部３３に第一通孔列４０および第二通孔列５０が設けられ、磁束が各通孔の両側に誘引されることにより抵抗が大きくなる。

磁気絞り部３３の磁束が飽和すると、ムービングコア２２と吸引部３４との間に磁束は放出される。ムービングコア２２と吸引部３４との間を磁束が流れ、磁気吸引ギャップ２８に強い磁場が発生し、ムービングコア２２は、リターンスプリング２３の付勢力に抗して吸引部３４に磁気吸引され図３の下方の開弁方向に移動する。その結果、ムービングコア２２に取り付けられた弁体１５も開弁方向へ移動し、弁体１５が弁口１４を開く。これにより、入力ポート１７と出力ポート１３が弁口１４を経由して連通し、パージ通路６が連通する。このため、キャニスタ４に保持されていた気化燃料が吸気負圧により吸気管７内に吸引される。

電子制御装置により、パージバルブ１がオフされると、コイル２５の発生していた磁束が喪失するため、リターンスプリング２３の付勢力によってムービングコア２２が閉弁方向へ移動する。その結果、ムービングコア２２に取り付けられた弁体１５も閉弁方向へ移動し、弁体１５が弁口１４を閉塞する。これによって、入力ポート１７と出力ポート１３が遮断され、パージ通路６が遮断される。これにより、キャニスタ４に保持されていた気化燃料は吸気管７内に吸引されなくなる。

次に、ステータ３０の磁気絞り部３３に流れる磁束の流れを図５を参照して説明する。
収容部３２側から流れる磁束の多くは第一通孔列４０を構成する各通孔４１、４２、４３等が磁気抵抗となり、第一通孔列の各通孔の両側に誘導される。つまり、磁束７１、７２は通孔４１の両側に誘導される。また、収容部３２側から通孔４２に流れる磁束７３、７４は通孔４２の両側に誘導される。次に、第一通孔列４０の各通孔４１、４２、４３等の間を通った磁束は第二通孔列５０を構成する各通孔５１、５２、５３等が磁気抵抗となり、各通孔の両側に誘導される。つまり、通孔４１の周壁と通孔４２の周壁との間を通る磁束７２、７３は通孔５１の両側に誘導される。通孔４１の周壁と通孔５１の周壁との間を磁束７７が流れ、通孔４２の周壁と通孔５１の周壁との間を磁束７８が流れる。

磁気絞り部３３に第一通孔列４０および第二通孔列５０が設けられていることで、磁気絞り部の磁路面積が狭くなり、磁束が圧縮される。また、第一通孔列４０および第二通孔列５０を構成する各通孔が磁束の流れの障害となり、磁束が第一通孔列４０を構成する各通孔４１、４２、４３等および第二通孔列５０を構成する各通孔５１、５２、５３等の両側に誘導されることで、磁気絞り部３３の磁気抵抗が大きくなる。これにより、磁束は磁気絞り部を流れず、ムービングコア２２と吸引部３４との間を流れる傾向が作り出されるので、ステータ３０の磁気吸引力を大きくすることができる。

第一実施形態によるステータの磁気吸引力を示す作用を図６に示す
ステータ３０の磁気絞り部３３には、磁気障害となる第一通孔列４０および第二通孔列５０が設けられ、磁気絞り部３３の磁気抵抗を大きくしている。ステータ３０の収容部３２側から磁気絞り部３３を経由して吸引部３４に流れる磁束Ａは、磁気絞り部３３の第一通孔列４０および第二通孔列５０で磁気飽和し、ムービングコア２２に流れる傾向が作り出される。収容部３２および磁気絞り部３３からムービングコア２２を経由し吸引部３４の肩部に流れる磁束Ｂは、ムービングコア２２と吸引部３４との間に強い磁場を発生させる。これにより、ムービングコア２２は吸引部３４の方向に移動する。

ムービングコア２２が二点鎖線Ｒに示す位置にある場合、ムービングコア２２と吸引部３４とのストロークが短く、磁場が安定し、図６のグラフに示すように磁気吸引力は小さくなる。また、ムービングコア２２が二点鎖線Ｑに示す位置に移動した場合、ムービングコア２２と吸引部３４とのストロークが長くなり、磁場が弱くなり、磁気吸引力は小さくなる。
したがって、ムービングコア２２は、吸引部３４の磁気吸引力が最大となる位置Ｐに設けられている。このムービングコア２２を設置する位置に第一通孔列４０および第通孔二列５０を構成する各通孔を互い違いの千鳥状に設けることで、所望の位置で磁気抵抗を大きくすることができる。このため、ステータ３０の磁気吸引力を大きくすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による電磁駆動装置のステータを図７に示す。第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。第２実施形態では、第二通孔列５０の吸引部３４側で軸方向に所定の距離を置き、第二通孔列５０を構成する各通孔５１、５２、５３等の間に通孔６１、６２、６３等が設けられている。通孔６１、６２、６３等により第三通孔列６０が構成されている。第三通孔列６０は第一通孔列４０および第二通孔列５０と同様に、磁気絞り部３３を周回して所定の間隔で設けられている。

第一通孔列４０および第二通孔列５０の各通孔の間を通った磁束は、第三通孔列６０を構成する各通孔６１、６２、６３等の両側に誘導される。
磁気絞り部３３に第三通孔列６０が設けられていることで、磁気絞り部３３を設ける部分が長くなり、また、磁束が各通孔の両側に誘導される回数が多くなることで、磁気絞り部３３の磁気抵抗は大きくなる。

磁気絞り部３３は、第三通孔列６０の各通孔を第一通孔列４０の各通孔と第二通孔列５０との各通孔と互い違いの千鳥状に設けることにより、ワーレントラス構造を構成している。このため、ステータ３０が軸方向の外力を受けても磁気絞り部３３は曲げモーメントを受けにくいため、磁気絞り部に通孔を設けることによる強度低下を最小限に抑えることができ、ソレノイド２４を組み付け時に磁気絞り部３３が変形することが抑制される。そのため、ムービングコア２２がステータ３０内を滑らかに往復移動することができる。

また、第一通孔列４０と第二通孔列５０と第三通孔列６０との距離を小さくすることができ、磁束の飽和する部分を短かくすることができる。これにより、ステータ３０の磁気吸引力の最も大きくなる位置にムービンゴコア２２を設置し、第一通孔列４０、第二通孔列５０および第三通孔列６０を設けることができる。このため、ステータ３０とムービウングコア２２とを所望の相対位置にあるときに磁気抵抗を大きくすることができるので、電磁アクチュエータ２の磁気吸引力を大きくすることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による電磁駆動装置のステータを図８に示す。第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。第３実施形態では、隣り合う第一通孔列４０の各通孔間の磁路面積より、第一通孔列４０と第二通孔列５０との各通孔間の磁路面積が小さい。
第一通孔列４０を構成する通孔４１の周壁と通孔４１に隣り合う通孔４２の周壁との最短距離を距離ａとし、通孔４１の周壁と通孔４１および通孔４２の間に設けられ第二通孔列５０を構成する通孔５１の周壁との最短距離を距離ｂとすると、距離ｂは距離ａより小さい。通孔４２の周壁と通孔５１の周壁との最短距離を距離ｃとすると、距離ｃは距離ａより小さい。また、距離ｂと距離ｃを合計した距離は、距離ａよりも小さい。通孔５１の周壁と通孔５１に隣り合い第二通孔列５０を構成する通孔５２の周壁との最短距離を距離ｄとすると、距離ａと距離ｄは略同じ大きさである。このため、第一通孔列４０の各通孔の間を通った磁束は、第一通孔列４０と第二通孔列５０との間でさらに圧縮され、磁気絞り部の磁気抵抗が大きくなる。

また、第３実施形態においても、磁気絞り部３３はワーレントラス構造を構成するので、磁気絞り部に通孔を設けることによる強度低下を最小限にできる。このため、第一通孔列４０の各通孔とこれに隣接する第二通孔列５０の各通孔との距離を小さくすることができる。これにより、ムービングコア２２とステータ３０とを所望の相対位置にあるときに磁気抵抗を大きくすることができるので、電磁アクチュエータ２の磁気吸引力を大きくすることができる。

（他の実施形態）
上記複数の実施形態では、電磁駆動装置としての電磁アクチュエータを流体制御弁としてのパージバルブに適用したものについて説明をした。本発明の電磁駆動装置は、スプール型油圧制御弁の電磁駆動部に適用することもできる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の流体制御弁に適用することができる。

本発明の第１実施形態による電磁駆動装置の固定コアの模式図。 本発明の第１実施形態による電磁駆動装置を流体制御弁に適用した内燃機関の吸気系統の構成図。 本発明の第１実施形態による電磁駆動装置を流体制御弁に適用した構成図。 本発明の第１実施形態による電磁駆動装置の固定コアの模式図。 本発明の第１実施形態による電磁駆動装置の固定コアの磁束の流れを示す模式図。 本発明の第１実施形態による電磁駆動装置の作用図。 本発明の第２実施形態による電磁駆動装置の固定コアの模式図。 本発明の第３実施形態による電磁駆動装置の固定コアの模式図。

符号の説明

１：パージバルブ（流体制御弁）、２：電磁アクチュエータ（電磁駆動装置）、２２：ムービングコア（可動子）、２４：ソレノイド、２３：リターンスプリング、２５：コイル、２８：磁気吸引ギャップ、２９：ヨーク、３０：ステータ（固定子）、３１：磁性リング、３２：収容部、３３：磁気絞り部、３４：吸引部、４０：第一通孔列、４１、４２、４３：通孔、５０：第二通孔列、５１、５２、５３：通孔

Claims (4)

1. 通電することにより磁力を発生するコイルと、
   外周面によって軸方向へ摺動自在に支持される磁性体製の可動子と、
   コイルの径内側に設けられ、可動子とともに軸方向に磁束の流れる磁気回路を形成し、前記可動子を軸方向へ摺動自在に収容する円筒状の収容部、軸方向の一方向に前記可動子を前記磁力にて吸引する吸引部、及び前記収容部と前記吸引部との間で前記収容部よりも肉厚が薄く円筒状に形成された磁気絞り部を一体に形成した磁性体製の固定子とを備え、
   前記磁気絞り部は、周方向所定間隔に前記磁気絞り部の内周面から外周面まで通じる複数の通孔を設けた第一通孔列と、同じく周方向所定間隔に前記磁気絞り部の内周面から外周面まで通じる複数の通孔を設けた第二通孔列とを有し、前記第一通孔列と前記第二通孔列とは互いに軸方向に所定距離を置くとともに、前記第一通孔列と前記第二通孔列との通孔の周方向位置が各通孔列同士で軸方向に一致しないように配置したことで、前記磁気絞り部の磁気抵抗を増加し前記可動子と前記吸引部との間に流れる磁束を増加することを特徴とする電磁駆動装置。
2. 請求項１記載の前記磁気絞り部は、前記第一通孔列と前記第二通孔列との関係が固定子の軸方向に２列または３列あることを特徴とする請求項１記載の電磁駆動装置。
3. 前記第一通孔列のうちの隣り合う通孔の周方向の間隔より、第一通孔列の通孔とこれに隣接する第二通孔列の通孔との間隔が小さいことを特徴とする電磁駆動装置。
4. 吸入口および排出口と、
   請求項１から３のいずれか一項記載の電磁駆動装置と、
   前記電磁駆動装置の前記可動子に連結される弁体と、
   前記吸入口と前記排出口との間に設けられ、前記弁体が着座または離座する弁座と、
   を備えたことを特徴とする流量制御弁。

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