JP6324868B2 - 電磁アクチュエータおよびこの電磁アクチュエータを用いた電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、主に電磁アクチュエータに関する。

従来から、コイルへの通電により駆動する可動部を２つの可動体に分割し、それぞれの可動体の質量を軽くすることにより応答性を高めた電磁アクチュエータの構成が公知となっている。
この電磁アクチュエータ１０１を用いた電磁弁１０２として、以下に詳説する可動部１０３、第１スプリング１０４、第２スプリング１０５および保持部１０６を備えたものが知られている（図７参照）。
なお、この電磁弁１０２は、内燃機関に燃料を加圧して供給するサプライポンプ１０７を構成し、このサプライポンプ１０７に設けられた燃料の加圧室１０８に吸入される燃料を調量するものである。

可動部１０３は、コイル１０９への通電により軸方向一方側に駆動される２つの可動体１１０、１１１からなり、この２つの可動体１１０、１１１は、軸方向に互いに当接し合い一体となって移動する。
第１スプリング１０４は、２つの可動体１１０、１１１の内、軸方向一方側に配される一方側可動体１１０を軸方向他方側へ付勢することで可動部１０３全体を軸方向他方側へ付勢している。
第２スプリング１０５は、２つの可動体１１０、１１１の内、軸方向他方側に配される他方側可動体１１１を軸方向一方側へ付勢することで、他方側可動体１１１を一方側可動体１１０に当接させている。
保持部１０６は、他方側可動体１１１を所定の摺動クリアランスを形成して軸方向に摺動自在に保持する。

ところで、この電磁弁１０２においては、他方側可動体１１１と保持部１０６との間に摺動クリアランスがあるため、他方側可動体１１１が軸方向から傾き、保持部１０６の内壁と接触することで静止摩擦力が発生してしまう。ここで、他方側可動体１１１の傾きは、他方側可動体１１１と保持部１０６の加工精度等に起因するバラツキが生じており、この傾きのバラツキが静止摩擦力のバラツキとなっている。
そして、この静止摩擦力のバラツキによって、コイル１０９への通電開始から他方側可動体１１１が動作に至るまでの期間（以下、動作開始期間と呼ぶことがある。）にバラツキが生じてしまう問題があった。

なお、他方側可動体１１１の軸方向からの傾きを抑制する手段として、特許文献１の技術が開示されているが、他方側可動体１１１への大幅な追加工、新たな部品の追加等が必要となるためコストアップになってしまう。

特開２００３−３１４７３８号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、他方側可動体の動作開始期間のバラツキを減らした電磁アクチュエータを提供することにある。

本願発明によれば、電磁アクチュエータは、以下に詳説する可動部、第１付勢手段、第２付勢手段および保持部を備えている。
可動部は、コイルへの通電により軸方向一方側に駆動される２つの可動体からなり、この２つの可動体は、軸方向に互いに当接し合い一体となって移動する。
第１付勢手段は、２つの可動体の内、軸方向一方側に配される一方側可動体を軸方向他方側へ付勢することで可動部全体を軸方向他方側へ付勢する。
第２付勢手段は、２つの可動体の内、軸方向他方側に配される他方側可動体を軸方向一方側へ付勢することで、他方側可動体を一方側可動体に当接させる。
保持部は、他方側可動体を所定の摺動クリアランスを形成して軸方向に摺動自在に保持する。

そして、コイルへの通電が停止している時に、第１付勢手段に付勢された一方側可動体を係止することで可動部全体の軸方向他方側の移動を規制する第１規制部を備えている。
また、コイルへ通電することにより、一方側可動体を第１規制部から離し、軸方向一方側に移動させる。
さらに、コイルへの通電が停止している時に、他方側可動体に軸方向他方側への外力が作用して他方側可動体が一方側可動体から離れた時に、他方側可動体を係止することで他方側可動体の軸方向他方側の移動を規制する第２規制部を備えている。

ここで、発明者らは、一方側可動体と他方側可動体との間に作用する内力と、動作開始期間のバラツキとが比例することを見出した（詳細は実施例において説明する。）。
そこで、上記のような第１規制部を設け、一方側可動体を第１規制部に当接させることで第１付勢手段の付勢力の他方側可動体への伝達を遮断する。
これにより、内力を弱めることで、動作開始期間のバラツキを減らすことができる。
さらに、第２規制部により、他方側可動体の外力による軸方向他方側に移動を規制することができ、第２付勢手段の破損を防ぐことができる。

サプライポンプの説明図である（実施例）。 サプライポンプの動作説明図である（実施例）。 動作開始期間のバラツキ要因の説明図である（実施例）。 他方側可動体に作用する内力の説明図である（従来例、実施例）。 第２規制部の説明図である（実施例）。 磁気サイドフォース遮断の説明図である（従来例、実施例）。 サプライポンプの説明図である（従来例）。

以下、発明を実施するための形態を実施例に基づいて説明する。

本発明の実施例による電磁アクチュエータ１を用いた電磁弁２およびこの電磁弁２を用いたサプライポンプ３を図１に示す。
サプライポンプ３は、図示しない内燃機関（例えば、ディーゼルエンジン）の各気筒に燃料を加圧して供給する。

サプライポンプ３は、プランジャ４と加圧室５と備える所謂プランジャポンプである。
先ず、サプライポンプ３には、トロコイドポンプ等の低圧燃料ポンプであるフィードポンプ（図示しない。）によって燃料タンク（図示しない。）から汲み上げられた燃料が供給される。
次いで、フィードポンプから供給された低圧の燃料を加圧室５にて加圧し、外部の燃料蓄圧容器であるコモンレール（図示しない。）等に供給する。
また、サプライポンプ３は、加圧室５にて加圧された燃料の圧力が所定圧力以上となった場合に開弁し外部に高圧燃料を供給する逆止弁構造の吐出弁６を備えている。

加圧室５は、摺動自在に軸方向に往復移動可能に支持されているプランジャ４の軸方向一方側にプランジャ４の軸方向一方側の端面により区画され形成されている。
また、プランジャ４の軸方向他方側には、ヘッド４ａが形成されている。ヘッド４ａは、図示しないリターンスプリングによりカム７の外周に押し付けられており、回動するカム７の外周に摺接することにより、プランジャ４は軸方向に往復移動する。
なお、カム７は、内燃機関により回転駆動されている。

電磁弁２は、電磁アクチュエータ１を用いたものであり、サプライポンプ３に設けられた燃料の加圧室５に吸入される燃料を調量する。
電磁アクチュエータ１は、以下に詳説する可動部１０、「第１付勢手段」である第１スプリング１１、「第２付勢手段」である第２スプリング１２および保持部１３を備えている。
可動部１０は、コイル１４への通電により軸方向一方側に駆動される２つの可動体１５、１６からなり、この２つの可動体１５、１６は、軸方向に互いに当接し合い一体となって移動する。

そして、可動部１０は、円筒状の磁性金属製のハウジング１７の内部に、軸方向に移動可能となるように収容されている。
なお、可動部１０を２つの可動体１５、１６に分割したのは、それぞれの可動体１５、１６の質量を軽くすることにより慣性質量を小さくしコイル１４への通電に対する応答性を高めるためである。

第１スプリング１１は、２つの可動体１５、１６の内、軸方向一方側に配される一方側可動体１５を軸方向他方側へ付勢することで可動部１０全体を軸方向他方側へと付勢する。
第２スプリング１２は、２つの可動体１５、１６の内、軸方向他方側に配される他方側可動体１６を軸方向一方側へ付勢することで、他方側可動体１６を一方側可動体１５に当接させる。

そして、保持部１３は、他方側可動体１６を所定の摺動クリアランスを形成して軸方向に摺動自在に保持している。
そして、ハウジング１７の軸方向他方側の端部と保持部１３の軸方向一方側の端部とを接続することで、ハウジング１７と保持部１３とは一体となる。

なお、保持部１３の内部には、加圧室５と連通し、燃料の行き来する流路１３ａが設けられている。
また、他方側可動体１６は、軸方向他方側端部に弁部１８を有しており、コイル１４への通電により他方側可動体１６が軸方向一方側に移動し、弁部１８が保持部１３の軸方向他方側端部に設けられた弁座１９に着座する。そして弁部１８が弁座１９に着座することにより、流路１３ａが閉じられ加圧室５が封鎖されることになるため、他方側可動体１６は、弁体として機能している。
なお、電磁弁２は、第１スプリング１１の付勢力第２スプリングの付勢力より大きく設定されており、コイル１４への通電により加圧室５が封鎖される所謂ノーマリオープン型の電磁弁２となっている。

ここで、サプライポンプ３の動作について、図２を用いて説明する。
サプライポンプ３の動作は、主に燃料吸入工程、燃料調量工程、燃料圧送工程より成る。
ここで、図２（ａ）は、プランジャ４の軸方向の位置の時間変化を表しており、図２（ｂ）は、電磁弁２への通電状態を表しており、図２（ｃ）は、それぞれの工程におけるサプライポンプ３の状態を表している。

燃料吸入工程においては、コイル１４への通電を行われていないため、加圧室５は封鎖されておらず、プランジャ４の軸方向他方側への移動に伴い加圧室５内に流路１３ａを介して燃料が吸入される。
また、燃料調量工程においては、コイル１４への通電を行われていないため、加圧室５は封鎖されておらず、プランジャ４の軸方向一方側への移動に伴い加圧室５内の燃料が流路１３ａを介して吐き戻され、この吐き戻される燃料量を調整することで加圧室５内の燃料量が調量される。
そして、燃料圧送工程においては、コイル１４への通電を行って加圧室５を封鎖するとともにプランジャ４が軸方向一方側にさらに移動することにより、加圧室５内の燃料圧が加圧され、吐出弁６から外部に高圧燃料を供給する。
なお、電磁弁２への通電のオン、オフは、ＥＣＵ（図示しない。）等からの制御信号に基づき行われている。

ここで、本発明の実施例による電磁アクチュエータ１における特徴的な構成について図１を用いて説明する。
電磁アクチュエータ１は、コイル１４への通電が停止している時に、第１スプリング１１に付勢された一方側可動体１５を係止することで可動部１０全体の軸方向他方側の移動を規制する第１規制部２０を備える。
そして、コイル１４へ通電することにより、一方側可動体１５を第１規制部２０から離し、軸方向一方側に移動させる。

また、電磁アクチュエータ１は、コイル１４への通電が停止している時に、他方側可動体１６に軸方向他方側への外力が作用して他方側可動体１６が一方側可動体１５から離れた時に、他方側可動体１６を係止することで他方側可動体１６の軸方向他方側の移動を規制する第２規制部２１を備えている。

また、電磁アクチュエータ１における第１規制部２０は、軸方向一方側に突き出る凸部２０ａを有しており、一方側可動体１５は、凸部２０ａの先端に当接することにより軸方向他方側への移動が規制されている。
さらに、第１規制部２０は、一方側可動体１５を取り囲むように配されており、非磁性材であるＳＵＳ３０４、ＤＳＨ４００Ｆ、ＨＰＭ７５等で形成されている。
ここで、第１規制部２０は円筒体であり、ハウジング１７に設けられた穴に圧入されることでハウジング１７と一体となっている。

〔実施例の効果〕
実施例によれば、電磁アクチュエータ１は、コイル１４への通電が停止している時に、第１スプリング１１に付勢された一方側可動体１５を係止することで可動部１０全体の軸方向他方側の移動を規制する第１規制部２０を備える。
そして、コイル１４へ通電することにより、一方側可動体１５を第１規制部２０から離し、軸方向一方側に移動させる。

これにより、一方側可動体１５を第１規制部２０に当接させることで第１スプリング１１の付勢力の他方側可動体１６への伝達を遮断する。
これにより、一方側可動体１５と他方側可動体１６の間で作用しあう内力を弱めることでき、動作開始期間のバラツキを減らすことができる。

ここで、一方側可動体１５と他方側可動体１６の間で作用しあう内力を弱めることで、動作開始期間のバラツキを減らすことができる機構について図３を用いて説明する。
コイル１４への通電が停止している時において、他方側可動体１６と保持部材１３との間には、摺動クリアランスがあるため、例えば、図示されるように他方側可動体１６が軸方向から傾いた場合に、保持部１３の内壁と接触する。
なお、図面においては、軸方向一方側の接触点をＡ点、軸方向他方側の接触点をＢ点とし、Ａ点において他方側可動体１６の側面に垂直に作用する力をＦａ、Ｂ点において他方側可動体１６の側面に垂直に作用する力をＦｂで表している。

これにより、コイル１４への通電開始時において他方側可動体１６には、ＦａおよびＦｂのそれぞれに静止摩擦係数を乗じた静止摩擦力が作用していることになる。
ここで、軸方向に対する他方側可動体１６の傾きをθ、軸方向他方側に作用する一方側可動体１５との間に作用する内力の大きさをＦとした場合に、他方側可動体１６にはＦ・ｓｉｎθに比例する静止摩擦力が作用していることになる。
なお、この場合、他方側可動体１６は軸方向からθ傾いた方向に移動するものと仮定している。

ここで、他方側可動体１６および保持部１３の加工精度に起因して他方側可動体１６の傾き角にも、例えば±Δθのバラツキが生じ得る。
このため、静止摩擦力にもＦ・（ｓｉｎ（θ＋Δθ）−ｓｉｎ（θ−Δθ））に比例するバラツキが生じてしまう。
そして、この静止摩擦力のバラツキに起因して、他方側可動体１６の動作開始期間のバラツキが生じていると考えられている。つまり、動作開始期間のバラツキはＦに比例していることになる。

そして、図４（ａ）に示すように、従来例においては、一方側可動体１５と他方側可動体１６との間で作用する内力Ｆには、第１スプリング１１の付勢力が含まれていたが、本実施例においては、一方側可動体１５を第１規制部２０に当接させることで第１スプリング１１の付勢力の他方側可動体１６への伝達を遮断できる。
具体的には、本実施例において他方側可動体１６に作用する内力は図４（ｂ）に示すように、第２スプリング１２の付勢力の反作用力のみとなる。

上述より、静止摩擦力のバラツキの大きさは、内力Ｆの大きさに比例するため、内力Ｆの大きさが小さくなると、静止摩擦力のバラツキの大きさも小さくなる。
この結果、他方側可動体１６の動作開始期間のバラツキを小さくすることができる。

また、実施例によれば、電磁アクチュエータ１は、コイル１４への通電が停止している時に、他方側可動体１６に軸方向他方側への外力が作用して他方側可動体１６が一方側可動体１５から離れた時に、他方側可動体１６を係止することで他方側可動体１６の軸方向他方側の移動を規制する第２規制部２１を備えている。

これにより、他方側可動体１６の外力による軸方向他方側の移動を規制することができる。
このため、第２スプリング１２の使用限界最低長を下回る圧縮を防ぐことができ、第２スプリング１２の破損を防ぐことができる。

図５において示すように、第１規制部２０を設け一方側可動体１５の移動が制限されたことにより、燃料吸入工程等において吸入する燃料の圧力が第２スプリング１２の付勢力を上回り他方側可動体１６が一方側可動体１５から離れ軸方向他方側に移動する状況が起こり得てしまう。

より具体的には、弁部１８が弁座１９に着座した状態から第２規制部２１により移動が規制されるまでの他方側可動体１６の軸方向の移動距離をΔＬ、弁部１８が弁座１９に着座した状態における第２スプリング１２の軸方向の長さをＬ１、第２スプリング１２の軸方向の使用限界最低長をＬ２とすると、ΔＬ≦Ｌ１−Ｌ２の関係を満たす必要がある。
なお、他方側可動体１６が第２規制部２１により移動が規制される状態における弁部１８と弁座１９の軸方向の最低離間距離、所謂最低弁体リフト量Ｌ３が設定されている場合においては、ΔＬはＬ３≦ΔＬの関係も満たす必要がある。

また、実施例によれば、電磁アクチュエータ１における第１規制部２０は、軸方向一方側に突き出る凸部２０ａを有しており、一方側可動体１５は、凸部２０ａの先端に当接することにより軸方向他方側への移動が規制されている。
これにより、一方側可動体１５との当接部は凸部２０ａの先端となるが、この当接部は凸設された部位の先端に設けられているため加工時において容易に精度を確保することができる。

また、実施例によれば、電磁アクチュエータ１における第１規制部２０は、非磁性材で形成されている。
これにより、図６に示すように、一方側可動体１５への第１規制部２０周辺への磁束の流れ（所謂、磁気サイドフォースの要因となる磁束の流れ。）を遮断することができる。
このため、一方側可動体１５の軸方向に対する傾き等を抑制することができ、一方側可動体１５が傾くことに伴う他方側可動体１６の軸方向に対する傾きを抑制することができる。
この結果、他方側可動体１６に作用する静止摩擦力の大きさを低減することができる。

［変形例］
本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形例を考えることができる。
実施例によれば、この電磁アクチュエータ１を用いた電磁弁２は、サプライポンプ３に設けられた燃料の加圧室５に吸入される燃料を調量するものであったが、この用途に限定されるものではない。
例えば、この電磁アクチュエータ１をコモンレールのレール圧を制御する電磁弁に用いるものであってもよい。この場合、コモンレールのレール圧の制御性を高めることができる。

１ 電磁アクチュエータ １０ 可動部 １１ 第１スプリング（第１付勢手段）
１２ 第２スプリング（第２付勢手段） １３ 保持部 １４コイル
１５ 一方側可動体 １６ 他方側可動体 ２０第１規制部

Claims (4)

1. コイル（１４）への通電により、軸方向一方側に駆動される２つの可動体（１５、１６）からなり、軸方向に互いに当接し合い一体となって移動する可動部（１０）と、
   前記２つの可動体（１５、１６）の内、軸方向一方側に配される一方側可動体（１５）を軸方向他方側へ付勢することで前記可動部（１０）全体を軸方向他方側へ付勢する第１付勢手段（１１）と、
   前記２つの可動体（１５、１６）の内、軸方向他方側に配される他方側可動体（１６）を軸方向一方側へ付勢することで、前記他方側可動体（１６）を前記一方側可動体（１５）に当接させる第２付勢手段（１２）と、
   前記他方側可動体（１６）を所定の摺動クリアランスを形成して軸方向に摺動自在に保持する保持部（１３）とを備える電磁アクチュエータ（１）において、
   前記コイル（１４）への通電が停止している時に、前記第１付勢手段（１１）に付勢された前記一方側可動体（１５）を係止することで前記可動部（１０）全体の軸方向他方側の移動を規制する第１規制部（２０）を備え、
   前記コイル（１４）へ通電することにより、前記一方側可動体（１５）を前記第１規制部（２０）から離し、軸方向一方側に移動させ、
   前記コイル（１４）への通電が停止している時に、前記他方側可動体（１６）に軸方向他方側への外力が作用して前記他方側可動体（１６）が前記一方側可動体（１５）から離れた時に、前記他方側可動体（１６）を係止することで前記他方側可動体（１６）の軸方向他方側の移動を規制する第２規制部（２１）を備えることを特徴とする電磁アクチュエータ（１）。
2. 請求項１に記載の電磁アクチュエータ（１）において、
   前記第１規制部（２０）は、軸方向一方側に突き出る凸部（２０ａ）を有しており、
   前記一方側可動体（１５）は、前記凸部（２０ａ）の先端に当接することにより軸方向他方側への移動が規制されることを特徴とする電磁アクチュエータ（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載の電磁アクチュエータ（１）において、
   前記第１規制部（２０）は、非磁性材で形成されていることを特徴とする電磁アクチュエータ（１）。
4. 請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１つに記載の電磁アクチュエータ（１）を用いた電磁弁（２）であって、
   この電磁弁（２）は、
   内燃機関に燃料を加圧して供給するサプライポンプ（３）を構成し、
   このサプライポンプ（３）に設けられた燃料の加圧室（５）に吸入される燃料を調量することを特徴とする電磁弁（２）。
   

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