JP5857878B2 - 電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、液体通路を開閉する電磁弁に関する。

従来の電磁弁は、コイルに通電している時には磁気吸引力によりアーマチャがステータコア側に吸引され、コイルに通電していない時にはスプリングによりアーマチャが反ステータコア側に駆動される。また、スプリングはステータコアに形成されたスプリング室に収容され、アーマチャはアーマチャ室に収容される。

アーマチャ室は、アーマチャによって２つの室に分割されている。具体的には、アーマチャの一端面側に位置してスプリング室と連通する第１アーマチャ室と、アーマチャの他端面側に位置する第２アーマチャ室とに分割されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２７８３６５号公報

ところで、従来の電磁弁は、アーマチャの移動に伴って第１アーマチャ室および第２アーマチャ室の圧力が変化し、その圧力の影響によって応答性が低下するという問題があった。

そこで、本出願人は、特願２０１２−４７８５（以下、先願発明という）にて、第１アーマチャ室と第２アーマチャ室とを連通させる連通路をアーマチャに形成し、アーマチャの移動に伴って連通路を介して第１アーマチャ室と第２アーマチャ室との間で液体を流通させることにより、応答性の向上を図った電磁弁を提案した。

しかしながら、先願発明の電磁弁では、連通路における第１アーマチャ室側の開口端やスプリング室壁面に、キャビテーションによるエロージョンが発生することがわかった。

本発明は上記点に鑑みて、液体通路を開閉する電磁弁において、キャビテーションによるエロージョンを防止しつつ応答性を向上させることを目的とする。

上述した先願発明の電磁弁におけるキャビテーションによるエロージョンの発生原因について検討したところ、コイルへの通電を停止した際にはアーマチャの移動に伴って第１アーマチャ室の容積が拡大し、第２アーマチャ室から連通路を介して第１アーマチャ室へ液体が流動するものの、第１アーマチャ室およびスプリング室の燃料が膨張してそれらの室の圧力が低下し、キャビテーションが発生することがわかった。

さらに詳細に検討したところ、連通路における第１アーマチャ室側の開口端がステータコアに対向した位置にあるため、コイルへの通電を停止した際には、アーマチャとステータコアとの隙間を介して第１アーマチャ室からスプリング室に燃料が流れることになるが、アーマチャとステータコアとの隙間の流路面積が連通路の流路面積に対して小さいため、第１アーマチャ室からスプリング室には燃料がスムーズに流れず、キャビテーションが発生しやすくなっていることを見出した。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、通電時に磁界を形成する筒状のコイル（１５）と、コイル内に収納されてコイルへの通電時に磁気吸引力を発生するステータコア（１０）と、一端面がステータコアに対向し、磁気吸引力によりステータコア側に吸引されるアーマチャ（１８）と、アーマチャに追従作動して液体通路を開閉する弁体（２５）と、ステータコア内に形成されたスプリング室（１９）と、スプリング室（１９）に収容されてアーマチャをステータコアから遠ざかる向きに付勢するスプリング（２１）と、アーマチャが収容されるアーマチャ室（１７）とを備える電磁弁において、アーマチャ室のうち、アーマチャの一端面側に位置してスプリング室と連通する部位を第１アーマチャ室（１７０）とし、アーマチャの他端面側に位置する部位を第２アーマチャ室（１７１）としたとき、アーマチャは、第１アーマチャ室と第２アーマチャ室とを連通させる第１連通路（１８０）を備え、第１連通路における第１アーマチャ室側の開口端は、スプリング室に対向する位置に配置されていることを特徴とする。

これによると、コイルへの通電を停止した際に、アーマチャとステータコアとの隙間を介さずにスプリング室に燃料が流れることになるため、スプリング室に燃料がスムーズに流れ、キャビテーションが発生し難くなる。したがって、キャビテーションによるエロージョンを防止しつつ応答性を向上させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲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。

本発明の第１実施形態に係る電磁弁を示す正面断面図である。 図１の電磁弁の要部を拡大して示す正面断面図である。 図１の電磁弁におけるアーマチャおよびシャフトの平面図である。 図３のＩＶ−０−ＩＶ断面図である。 本発明の第２実施形態に係る電磁弁におけるアーマチャおよびシャフトの平面図である。 図５のＶＩ−０−ＶＩ断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電磁弁を示す正面断面図である。 本発明の第４実施形態に係る電磁弁を示す正面断面図である。 本発明の第５実施形態に係る電磁弁を示す正面断面図である。 本発明の第６実施形態に係る電磁弁を示す正面断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の電磁弁は、例えば、内燃機関（より詳細にはディーゼルエンジン）に燃料を供給する燃料噴射装置の吸入調量弁として用いられる。なお、燃料噴射装置は、燃料を高圧化して圧送するポンプ、このポンプにて高圧化された燃料を蓄えるコモンレール等を備えている。そして、吸入調量弁は、ポンプへ供給される燃料の流量を調整するものである。

図１、図２に示すように、磁性体金属よりなる有底円筒状のステータコア１０と、磁性体金属よりなる円筒状のスリーブ１１が、非磁性金属よりなる円筒状のカラー１２を介して一体化されている。具体的には、ステータコア１０の開口側端部とカラー１２は、溶接またはろう付け等で気密的に接合され、スリーブ１１とカラー１２も、溶接またはろう付け等で気密的に接合されている。また、金属よりなる略円筒状のガイド１３が、スリーブ１１に溶接またはろう付け等で気密的に接合されている。

ヨーク１４は、磁性体金属よりなり、略有底円筒状に形成されている。そして、ヨーク１４は、ステータコア１０の外周側に配置され、その一端面がガイド１３の端面に当接している。

コイル１５は、通電時に磁界を形成するもので、ボビンにコイル線が巻かれて円筒状に形成されており、ステータコア１０とヨーク１４との間に配置されている。

プレート１６は、磁性体金属にて環状に形成され、ステータコア１０における底部の外周側に配置され、ステータコア１０とヨーク１４との間の磁気回路を形成している。また、プレート１６とステータコア１０とを螺合させてプレート１６とステータコア１０とを接合することにより、プレート１６とガイド１３との間にヨーク１４が挟持されている。

ステータコア１０、スリーブ１１、カラー１２、およびガイド１３によって、アーマチャ室１７が区画形成されている。このアーマチャ室１７は、アーマチャ室１７に収容されたアーマチャ１８（詳細後述）によって２つの室に分割されている。具体的には、アーマチャ１８よりもステータコア１０側に位置する第１アーマチャ室１７０と、アーマチャ１８よりも反ステータコア側に位置する第２アーマチャ室１７１とに分割されている。

ステータコア１０内には、第１アーマチャ室１７０と連通する第１スプリング室１９が形成されている。この第１スプリング室１９には、円柱状のコア側ストッパ２０、およびアーマチャ１８をステータコア１０から遠ざかる向きに付勢する第１スプリング２１が配置されている。

コア側ストッパ２０は、第１スプリング室１９の底部壁面を覆うとともに、第１スプリング２１の一端を受ける円柱状のスプリング受け部２００、および第１スプリング２１の内側に位置し、後述するシャフト２２との当接によりアーマチャ１８のステータコア１０側への移動範囲を規制する円柱状のストッパ部２０１を備えている。

アーマチャ１８は、磁性体金属よりなり、円筒状に形成されている。このアーマチャ１８には、その径方向中心部に金属製の円柱状のシャフト２２が挿入されている。アーマチャ１８とシャフト２２は、溶接にて接合されている。

そして、シャフト２２の一端はアーマチャ１８からガイド１３側に向かって突出しており、ガイド１３に形成されたガイド孔１３０にシャフト２２の突出部位が摺動自在に挿入され、アーマチャ１８はその一端面がステータコア１０に対向し、アーマチャ１８およびシャフト２２は磁気吸引力によりステータコア１０側に吸引されるようになっている。

また、シャフト２２の他端はコア側ストッパ２０のストッパ部２０１と対向しており、ストッパ部２０１とシャフト２２との当接により、アーマチャ１８のステータコア１０側への移動範囲が規制されるようになっている。

さらに、シャフト２２のうちガイド孔１３０に挿入される部位の外周面には、第２アーマチャ室１７１と後述する第２スプリング室２４とを連通させる切り欠き部２２０が形成されている。なお、シャフト２２は、本発明のアーマチャ側ストッパに相当する。

ガイド１３における反アーマチャ側には、金属よりなる円筒状のシート２３が溶接にて接合されている。そして、ガイド１３とシート２３によって、第２スプリング室２４が形成されている。

シート２３には、後述する弁体２５が摺動自在に挿入されるシート部孔２３０、液体が流通する液体通路２３１、および液体通路２３１中に位置して弁体２５が接離するシート面２３２が形成されている。

弁体２５は、金属にて円柱状に形成されている。弁体２５の一端側には、シート面２３２と接離して液体通路２３１を開閉する弁部２５０が形成されている。弁体２５の他端側は、第２スプリング室２４に突出しており、その他端側端面はシャフト２２の端面に対向している。弁体２５における軸方向中間部の外周面には、第２スプリング室２４と液体通路２３１とを連通させる切り欠き部２５１が形成されている。

弁体２５の他端側には、金属にて円筒状に形成されたスプリングホルダ２６が、圧入やかしめによって固定されている。そして、弁体２５をシャフト２２側に付勢する第２スプリング２７が、スプリングホルダ２６とシート２３との間に挟持されている。

図２〜図４に示すように、アーマチャ１８は、第１アーマチャ室１７０と第２アーマチャ室１７１とを連通させる第１連通路１８０および第２連通路１８１を備えている。

第１連通路１８０は、一端が第１アーマチャ室１７０側に開口するとともに第１スプリング２１の一端が挿入されるスプリング収容孔１８０ａと、第２アーマチャ室１７１とスプリング収容孔１８０ａとを連通させる接続孔１８０ｂとを備えている。

スプリング収容孔１８０ａは、アーマチャ１８の径方向中心部に位置しており、スプリング収容孔１８０ａにおける第１アーマチャ室１７０側の開口端は第１スプリング室１９に対向する位置に配置されている。換言すると、スプリング収容孔１８０ａは、第１スプリング室１９の電磁弁軸方向投影面内に位置している。

接続孔１８０ｂは、アーマチャ１８の周方向に沿って等間隔に複数個（本例では４個）配置されている。

第２連通路１８１は、アーマチャ１８の軸線に平行に延びており、第２連通路１８１における第１アーマチャ室１７０側の開口端はステータコア１０に対向した位置にある。また、第２連通路１８１は、アーマチャ１８の周方向に沿って等間隔に複数個（本例では４個）配置されている。さらに、接続孔１８０ｂと第２連通路１８１は、アーマチャ１８の周方向にずらして配置されている。

上記構成において、コイル１５に通電すると、アーマチャ１８およびシャフト２２が第１スプリング２１の付勢力に抗してステータコア１０側に吸引され、第２スプリング２７に付勢された弁体２５がアーマチャ１８およびシャフト２２に追従して移動し、弁体２５がシート面２３２に着座して液体通路２３１が閉塞される。

ここで、アーマチャ１８等がステータコア１０側に吸引される際、所定の容積（＝アーマチャ１８の移動量×アーマチャ１８の断面積）の液体が、第１連通路１８０および第２連通路１８１を介して、第１アーマチャ室１７０および第１スプリング室１９から第２アーマチャ室１７１へ移動し、これにより応答性の向上が図られる。

一方、コイル１５への通電が停止されると、アーマチャ１８およびシャフト２２は第１スプリング２１に付勢されて弁体２５側に向かって（すなわち、ステータコア１０から遠ざかる向きに）移動し、シャフト２２が弁体２５に当接する。さらに、アーマチャ１８とシャフト２２と弁体２５が、第１スプリング２１の付勢力により第２スプリング２７の付勢力に抗して移動される。すなわち、弁体２５がシート面２３２から離れて、液体通路２３１が開かれる。

ここで、アーマチャ１８等が反ステータコア側に移動される際、所定の容積の液体が、第１連通路１８０および第２連通路１８１を介して、第２アーマチャ室１７１から第１アーマチャ室１７０および第１スプリング室１９へ移動する。

より詳細には、第１アーマチャ室１７０のうち特に外周側の部位には、第２アーマチャ室１７１の液体が第２連通路１８１を介して移動し、これによりその部位のキャビテーションの発生が防止される。

また、アーマチャ１８等が反ステータコア側に移動開始する移動開始初期の領域では、アーマチャ１８とステータコア１０との隙間の流路面積が小さいため、第２連通路１８１からアーマチャ１８とステータコア１０との隙間を介して第１スプリング室１９側へ移動する液体の量は少ない。

一方、第１連通路１８０のスプリング収容孔１８０ａは第１スプリング室１９に対向する位置に配置されているため、第１連通路１８０を介して第１スプリング室１９側へ移動する液体は、アーマチャ１８とステータコア１０との隙間を通らずに移動することができる。

したがって、アーマチャ１８等が反ステータコア側に移動開始する移動開始初期の領域では、第２アーマチャ室１７１の液体は主に第１連通路１８０を介して第１スプリング室１９側へ移動する。これにより、第１スプリング室１９でのキャビテーションの発生が防止される。

上記の説明から明らかなように、本実施形態によると、アーマチャ１８がステータコア１０から遠ざかる向きに移動する際のキャビテーションによるエロージョンを防止しつつ、開弁時および閉弁時の応答性を向上させることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、アーマチャ１８の構成を変更したもので、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図５、図６に示すように、アーマチャ１８におけるステータコア１０に対向する面に、第２連通路１８１からアーマチャ１８の径方向中心側に向かって延びる接続溝２８が形成されている。

この接続溝２８を設けたことにより、アーマチャ１８とステータコア１０との隙間を介して第２連通路１８１と第１スプリング室１９との間での液体の移動が容易になるため、アーマチャ１８がステータコア１０から遠ざかる向きに移動する際の第１アーマチャ室１７０および第１スプリング室１９でのキャビテーションの発生をより確実に防止することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、プレート２９を追加したもので、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、第２アーマチャ室１７１に、アーマチャ対向部材としての円筒状のプレート２９が配置されている。プレート２９は、ガイド１３に圧入等にて固定されている。

また、プレート２９の一端面は、アーマチャ１８における第２アーマチャ室１７１側の面に対向している。そして、プレート２９の一端面とアーマチャ１８における第２アーマチャ室１７１側の面との間の隙間寸法は、アーマチャ１８がステータコア１０から遠ざかる向きに移動する際にダンパ効果が発生するように設定されている。なお、そのダンパ効果を発生させるためには、コイル１５に通電されていない状態でのその隙間寸法を５０μｍ以下に設定するのが望ましい。

このようにダンパ効果を発生させることにより、アーマチャ１８がステータコア１０から遠ざかる向きに移動する際のアーマチャ１８の移動速度を低下させて、第１アーマチャ室１７０および第１スプリング室１９でのキャビテーションの発生をより確実に防止することができる。

なお、第１連通路１８０または第２連通路１８１にオリフィス絞りを設置してダンパ効果を発生させるようにしても、同様な効果を得ることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１スプリング室１９の構成を変更したもので、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

ところで、第１スプリング室１９の周壁面と第１スプリング２１の外周部との間に発生したキャビテーション気泡が第１スプリング２１に引掛かり滞留するため、気泡消滅時に第１スプリング室１９の周壁面にエロージョンが発生しやすい。

そこで、図８に示すように、第１スプリング室１９の周壁面の径を拡げて、第１スプリング室１９の周壁面の径を第１スプリング２１の外径より充分大きくすることにより、第１スプリング室１９の周壁面と第１スプリング２１の外周部との間にキャビテーション気泡が滞留し難くなるため、第１スプリング室１９の周壁面のエロージョンを回避できる。

なお、本発明者らの実験によると、キャビテーション気泡の大きさは、概ね直径０．７ｍｍ程度であることが可視化から観察できており、従って、第１スプリング室１９の周壁面の径を第１スプリング２１の外径よりも１．４ｍｍ以上大きくすれば、第１スプリング室１９の周壁面と第１スプリング２１の外周部との間での気泡の滞留を抑制することができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、コア側ストッパ２０の構成を変更したもので、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図９に示すように、被覆部材としてのコア側ストッパ２０は、第１スプリング２１の外側に位置して第１スプリング室１９の周壁面を覆う円筒状の被覆筒部２０２を備えている。また、コア側ストッパ２０は、ステータコア１０よりも硬度が高い金属よりなる。

ところで、ステータコア１０は磁性材で硬度が低いためエロージョンが発生し易いが、本実施形態では、ステータコア１０における第１スプリング室１９を形成する壁面は、スプリング受け部２００および被覆筒部２０２にて覆われているため、第１スプリング室１９でキャビテーションが発生したとしても、ステータコア１０における第１スプリング室１９を形成する壁面にエロージョンは発生しない。

また、コア側ストッパ２０はステータコア１０よりも硬度が高いため、第１スプリング室１９でキャビテーションが発生したとしても、コア側ストッパ２０にエロージョンは発生しない。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態は、コア側ストッパ２０およびシャフト２２の構成を変更したもので、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図１０に示すように、コア側ストッパ２０は、ストッパ部２０１が廃止され、スプリング受け部２００のみを備えている。アーマチャ側ストッパとしてのシャフト２２は、第１スプリング室１９内まで延びており、シャフト２２の端部はコア側ストッパ２０に対向している。

そして、アーマチャ１８およびシャフト２２が磁気吸引力によりステータコア１０側に吸引された際には、コア側ストッパ２０とシャフト２２との当接により、アーマチャ１８のステータコア１０側への移動範囲が規制されるようになっている。また、シャフト２２は第１スプリング室１９内まで延びているため、コア側ストッパ２０とシャフト２２との当接面は、第１スプリング室１９内に位置している。

ところで、エロージョンによりステータコア１０やアーマチャ１８の一部が脱落することがあり、脱落した金属粉がコア側ストッパ２０とシャフト２２との当接面に噛み込むと、弁体２５がシート面２３２に着座する位置まで移動できずに電磁弁が閉じきれなくなる場合がある。

ここで、本実施形態では、コア側ストッパ２０とシャフト２２との当接面は第１スプリング室１９内に位置しているため、換言すると、コア側ストッパ２０とシャフト２２との当接面の位置を燃料が流れる部分から遠ざけているため、脱落した金属粉がコア側ストッパ２０とシャフト２２との当接面に噛み込むことを抑制することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、本発明の電磁弁を内燃機関用燃料噴射装置の吸入調量弁に適用したが、本発明は、液体通路を開閉する電磁弁に広く適用することができる。

なお、本発明を実施する際には、上述の第１〜第６の実施形態のうち、適宜組合せ可能な２つ以上の実施形態を組み合わせて実施してもよい。

１０ ステータコア
１５ コイル
１７ アーマチャ室
１８ アーマチャ
１９ スプリング室
２１ スプリング
２５ 弁体
１７０ 第１アーマチャ室
１７１ 第２アーマチャ室
１８０ 第１連通路

Claims (6)

1. 通電時に磁界を形成する筒状のコイル（１５）と、
   前記コイル内に収納されて前記コイルへの通電時に磁気吸引力を発生するステータコア（１０）と、
   一端面が前記ステータコアに対向し、前記磁気吸引力により前記ステータコア側に吸引されるアーマチャ（１８）と、
   前記アーマチャに追従作動して液体通路を開閉する弁体（２５）と、
   前記ステータコア内に形成されたスプリング室（１９）と、
   前記スプリング室（１９）に収容されて前記アーマチャを前記ステータコアから遠ざかる向きに付勢するスプリング（２１）と、
   前記アーマチャが収容されるアーマチャ室（１７）とを備える電磁弁において、
   前記アーマチャ室のうち、前記アーマチャの一端面側に位置して前記スプリング室と連通する部位を第１アーマチャ室（１７０）とし、前記アーマチャの他端面側に位置する部位を第２アーマチャ室（１７１）としたとき、
   前記アーマチャは、前記第１アーマチャ室と前記第２アーマチャ室とを連通させる第１連通路（１８０）を備え、
   前記第１連通路における前記第１アーマチャ室側の開口端は、前記スプリング室に対向する位置に配置されており、
   前記第１連通路は、一端が前記第１アーマチャ室側に開口するとともに前記スプリングが挿入される底壁面及び内周壁面を有するスプリング収容孔（１８０ａ）と、前記第２アーマチャ室と前記スプリング収容孔とを連通させる接続孔（１８０ｂ）とを備え、前記接続孔は前記スプリング収容孔の前記内周壁面に開口していることを特徴とする電磁弁。
2. 前記接続孔は、複数個設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記アーマチャは、前記第１アーマチャ室と前記第２アーマチャ室とを連通させる第２連通路（１８１）を備え、
   前記第２連通路における前記第１アーマチャ室側の開口端は、前記ステータコアに対向する位置に配置され、
   前記アーマチャにおける前記ステータコアに対向する面には、前記第２連通路から前記アーマチャの径方向中心側に向かって延びる接続溝（２８）が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁弁。
4. 前記アーマチャにおける前記第２アーマチャ室側の面と、前記アーマチャにおける前記第２アーマチャ室側の面に対向するアーマチャ対向部材（２９）との間の寸法は、前記アーマチャが前記ステータコアから遠ざかる向きに移動する際にダンパ効果が発生するように設定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. 前記ステータコアにおける前記スプリング室を形成する壁面は、前記ステータコアよりも硬度が高い金属製の被覆部材（２０）にて覆われていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電磁弁。
6. 前記ステータコアに固定されたコア側ストッパ（２０）と、
   前記アーマチャに固定されたアーマチャ側ストッパ（２２）とを備え、
   前記コア側ストッパと前記アーマチャ側ストッパとの当接により、前記アーマチャの前記ステータコア側への移動範囲が規制されるように構成され、
   前記コア側ストッパと前記アーマチャ側ストッパとの当接面は、前記スプリング室内に位置していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の電磁弁。

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