JP7070101B2

JP7070101B2 - 電磁弁

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Publication number: JP7070101B2
Application number: JP2018104625A
Authority: JP
Inventors: 貴政伊藤; 雅幸鈴木; 隆古川; 直樹田中; 秀明鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2022-05-18
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: JP2019210950A

Description

本発明は、電磁弁に関する。

従来、互いに同軸に配置された第１可動子および第２可動子と、各可動子を独立して駆動可能な駆動部とを備えた電磁弁が知られている。特許文献１では、駆動部は、第１可動子に軸方向で対向するように配置された第１ソレノイドと、第１ソレノイドに対する径方向外側で第２可動子に軸方向で対向するように配置された第２ソレノイドとを有する。

特開２０１４－１２９７７６号公報

特許文献１では、一方のソレノイドの通電により形成される磁気回路が他方のソレノイドに対応する可動子に影響を及ぼし、電磁弁の動作が不安定になる可能性がある。それぞれの磁気回路を独立させるために非磁性体により遮蔽することが考えられるが、製造の複雑化および装置体格の増大を招くため好ましくない。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、動作が安定化した電磁弁を提供することである。

本発明による電磁弁は、固定子（３０）と、固定子に接近および離間可能に設けられ、互いに同軸に配置された複数の可動子（４０、４５）と、各可動子に一対一対応で設けられた複数の付勢部材（５０、５５）と、各可動子に一対一対応で設けられた複数のソレノイド（６０、６５、８１、８２、８３）とを備える。各付勢部材は、対応する可動子を固定子から離間する方向へ付勢している。各ソレノイドは、対応する可動子に軸方向に対向する位置で、可動子の軸心（ＡＸ１）を中心として互いに同心円状に配置されている。各ソレノイドの間に固定子の一部（３５、３６）が存在している。径方向に隣り合う一対のソレノイドに流れる電流の方向が逆方向である。

これにより、各ソレノイドの通電時に逆向きに磁気回路が形成されることで、それぞれ独立した磁気回路を形成することができる。そのため、付勢部材による付勢力との組み合わせで各可動子の開閉切替えを安定して行うことができる。

また、各可動子を同軸配置とすることで各可動子中の磁気回路が互いに反発し、磁気回路同士の距離が長くなる。そのため、可動子にかかる力の向きがソレノイドと対向する方向に安定し、可動子同士の干渉を抑制できる。

第１実施形態の電磁弁を示す概略構成図であって、閉弁状態を示す図である。第１実施形態の電磁弁を示す概略構成図であって、開弁状態を示す図である。各ソレノイドに流れる電流の方向を示す模式図である。図２に対応する図であって、ソレノイド通電時の磁気回路を示す図である。第１実施形態において、低速モードにおける電流、吸引力、可動子開度を示すタイムチャートである。第１実施形態において、高速モードにおける電流、吸引力、可動子開度を示すタイムチャートである。第２実施形態において、各ソレノイドに流れる電流の方向を示す模式図である。第３実施形態において、低速モードにおける電流、吸引力、可動子開度を示すタイムチャートである。第３実施形態において、高速モードにおける電流、吸引力、可動子開度を示すタイムチャートである。第４実施形態において、各ソレノイドに流れる電流の方向を示す模式図である。第４実施形態において、低速モードにおける電流、吸引力、可動子開度を示すタイムチャートである。第４実施形態において、高速モードにおける電流、吸引力、可動子開度を示すタイムチャートである。第５実施形態において、各ソレノイドに流れる電流の方向を示す模式図である。第５実施形態において、各ソレノイドに流れる電流の方向を示す模式図である。第５実施形態において、第１の低速モードにおける電流、吸引力、可動子開度を示すタイムチャートである。第５実施形態において、第２の低速モードにおける電流、吸引力、可動子開度を示すタイムチャートである。他の実施形態において、直列接続された３つのソレノイドに流れる電流の方向を示す模式図である。他の実施形態において、並列接続された３つのソレノイドに流れる電流の方向を示す模式図である。

以下、複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で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１実施形態］
第１実施形態の電磁弁は、図１、図２に示す燃料噴射弁として用いられている。電磁弁１０は、バルブボディ２０と、固定子３０と、可動子４０、４５と、スプリング５０、５５と、ソレノイド６０、６５とを備えている。

バルブボディ２０は、有底筒状に形成されている。バルブボディ２０の底部２１は、第１噴射孔２２および第２噴射孔２３を有している。第１噴射孔２２は、底部２１の中央に形成されている。第２噴射孔２３は、第１噴射孔２２に対して径方向外側に形成されている。

固定子３０は、バルブボディ２０の筒部２４の端部に固定されており、インナー固定子部３１およびアウター固定子部３２から構成されている。アウター固定子部３２は筒部２４の内側に配置されており、インナー固定子部３１はアウター固定子部３２の内側に配置されている。インナー固定子部３１は、円柱状の磁性体であり、底部２１側の一端から他端側に延びる環状の巻線収容空間３３を有している。アウター固定子部３２は、筒状の磁性体であり、底部２１側の一端から他端側に延びる環状の巻線収容空間３４を有している。

可動子４０、４５は、筒部２４の内側であって、固定子３０と底部２１との間に位置している。インナー可動子４０は、インナー固定子部３１に接近および離間可能に設けられている。インナー可動子４０は、軸部４１が第１噴射孔２２を塞ぐ位置（図１参照）から、吸引部４２がインナー固定子部３１に当接する位置（図２参照）まで軸方向へ往復移動可能である。アウター可動子４５は、アウター固定子部３２に接近および離間可能に設けられている。アウター可動子４５は、軸部４６が第２噴射孔２３を塞ぐ位置（図１参照）から、吸引部４７がアウター固定子部３２に当接する位置（図２参照）まで軸方向へ往復移動可能である。

インナー可動子４０とアウター可動子４５は、互いに同軸に配置されている。吸引部４７は有底筒状に形成されている。軸部４６は、筒状であり、吸引部４７の底部中央から底部２１側に突き出すように形成されている。吸引部４２は、吸引部４７の内側に設けられている。軸部４１は、吸引部４２から底部２１側に突き出すように形成され、軸部４６の内側に挿入されている。

各スプリング５０、５５は、各可動子４０、４５に一対一対応で設けられている。インナースプリング５０は、インナー可動子４０に対応して設けられ、インナー固定子部３１の中央部とインナー可動子４０との間に配置されている。インナースプリング５０は、インナー可動子４０をインナー固定子部３１から離間する方向へ付勢している。アウタースプリング５５は、アウター可動子４５に対応して設けられ、インナー固定子部３１の外周部とアウター可動子４５との間に配置されている。アウタースプリング５５は、アウター可動子４５をアウター固定子部３２から離間する方向へ付勢している。

各ソレノイド６０、６５は、各可動子４０、４５に一対一対応で設けられている。インナーソレノイド６０は、巻線収容空間３３に収容されている。アウターソレノイド６５は、巻線収容空間３４に収容されている。各ソレノイド６０、６５は、対応する可動子に軸方向に対向する位置で、可動子４０、４５の軸心ＡＸ１を中心として互いに同心円状に配置されている。「同心円状」とは、軸中心が厳密に一致するものに限らない。

インナーソレノイド６０とアウターソレノイド６５は、径方向に隣り合っている一対のソレノイドである。これらの一対のソレノイド間には固定子３０の一部が存在している。「固定子３０の一部」は、インナー固定子部３１の外周部３５およびアウター固定子部３２の内周部３６である。

図３に示すように、インナーソレノイド６０とアウターソレノイド６５に流れる電流の方向は逆方向である。具体的には、ソレノイド６０、６５を可動子４０、４５側から軸方向へ見たとき、インナーソレノイド６０には左回りに電流が流れ、アウターソレノイド６５には右回りに電流が流れる。これにより図４に二点鎖線の矢印で示すように、ソレノイド６０、６５の通電時に互いに逆向きの磁気回路が形成される。このとき、インナー可動子４０には、インナー固定子部３１に接近する方向の磁気的な吸引力が作用する。また、アウター可動子４５には、アウター固定子部３２に接近する方向の磁気的な吸引力が作用する。

ここで、内側からｉ番目のソレノイドの内径をｒｓ_iとし、内側からｉ番目のソレノイドの外径をＲｓ_iとし、内側からｉ番目の可動子の外径をＲｖ_iとする。これらの寸法は、次の式（１）の関係を満たす。
Ｒｓ_i＜Ｒｖ_i＜ｒｓ_i+1 （１）

第１実施形態では、ソレノイドの数は２つである。そのため、インナーソレノイド６０、アウターソレノイド６５、およびインナー可動子４０は、次の式（２）の関係を満たすように構成されている。つまり、インナー可動子４０の吸引部４２の外周面は、インナーソレノイド６０よりも外側に位置し、かつ、アウターソレノイド６５よりも内側に位置している。
Ｒｓ₁＜Ｒｖ₁＜ｒｓ₂ （２）

図３に示すように、インナーソレノイド６０とアウターソレノイド６５は互いに電気的に直列に接続されている。通電時には各ソレノイド６０、６５の全てに電流が流れる。電圧は、インナーソレノイド６０の一端の第１ターミナル７１と、アウターソレノイド６５の一端の第２ターミナル７２との間に印加される。ソレノイドターミナルは２端子で成立する。以降、ターミナル７１、７２に入る電流値を「駆動電流値」とする。

吸引力Ｆの大きさは、磁気回路の磁束φの二乗に比例する（下記式（３））。磁束φの大きさは、磁気回路形成部材すなわち固定子部３１、３２の透磁率μと、ソレノイド６０、６５のコイル巻き数ｎと、ソレノイド６０、６５の電流Ｉとの積に比例する（下記式（４））。第１実施形態では、インナー部分とアウター部分は、透磁率μ、コイル巻き数ｎ、および電流Ｉが同じである。そのため、インナー可動子４０にかかる吸引力Ｆ１とアウター可動子４５にかかる吸引力Ｆ２は同じ大きさになる。
Ｆ∝φ² （３）
φ∝μ×ｎ×Ｉ（４）

以降、可動子４０、４５にかかる力の向きに関して、可動子４０、４５に対して固定子３０側の方向を正方向とし、可動子４０、４５に対して固定子３０とは反対側の方向を負方向とする。

電磁弁１０は、図５、図６に示す２つのモードで駆動される。第１実施形態では、インナースプリング５０の付勢力Ｆｓ１とアウタースプリング５５の付勢力Ｆｓ２とが異なっている。付勢力Ｆｓ１は、付勢力Ｆｓ２よりも小さく設定されている。

図５に示す低速モードで電磁弁１０が駆動されると、ソレノイド６０の電流Ｉ１はソレノイド６５の電流Ｉ２と同じであるが、吸引力Ｆ１、Ｆ２は付勢力Ｆｓ１よりも大きくなる。そのため、インナー可動子４０にかかる力の総和の正負が、非通電から低速モードに切り替わる際に反転する。これにより、インナー可動子４０がインナー固定子部３１側に移動して開弁状態となり、第１噴射孔２２が開放される。一方、吸引力Ｆ１、Ｆ２は付勢力Ｆｓ２よりも小さい。そのため、アウター可動子４５にかかる力の総和の正負は、非通電から低速モードに切り替わる際には反転しない。アウター可動子４５は閉弁状態のままであり、第２噴射孔２３は閉じたままである。

図６に示す高速モードでは、低速モードよりも電流Ｉ１、Ｉ２が大きくなる。この高速モードで電磁弁１０が駆動されると、吸引力Ｆ１、Ｆ２は付勢力Ｆｓ２よりも大きくなる。そのため、インナー可動子４０にかかる力の総和の正負が、非通電から高速モードに切り替わる際に反転する。また、アウター可動子４５にかかる力の総和の正負も、非通電から高速モードに切り替わる際に反転する。これにより、可動子４０、４５が固定子３０側に移動して開弁状態となり、第１噴射孔２２および第２噴射孔２３が共に開放される。

可動子にかかる力の総和の正負が反転する駆動電流値を「正負反転電流値」とすると、正負反転電流値は可動子４０、４５ごとに異なる。具体的には、インナー可動子４０の正負反転電流値は、アウター可動子４５の正負反転電流値よりも小さく設定されている。第１実施形態では、各スプリング５０、５５の付勢力を変えることで正負反転電流値を可動子４０、４５ごとに変えている。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、インナーソレノイド６０とアウターソレノイド６５との間には固定子３０の一部が存在している。インナーソレノイド６０とアウターソレノイド６５に流れる電流の方向は逆方向である。これにより、ソレノイド６０、６５の通電時に互いに逆向きに磁気回路が形成されることで、それぞれ独立した磁気回路を形成することができる。そのため、スプリング５０、５５による付勢力との組み合わせで各可動子４０、４５の開閉切替えを安定して行うことができる。

また、各可動子４０、４５を同軸配置とすることで可動子４０、４５中の磁気回路が互いに反発し、磁気回路同士の距離が長くなる。そのため、可動子４０、４５にかかる力の向きがソレノイド６０、６５と対向する方向に安定し、可動子４０、４５同士の干渉を抑制できる。

また、第１実施形態では、前記式（１）の関係を満たす。これにより、ソレノイドが駆動する可動子以外の可動子に磁気回路が形成されることを抑制できる。つまり、一方のソレノイドの通電により形成される磁気回路が他方のソレノイドに対応する可動子に影響を及ぼすことを抑制できる。

また、第１実施形態では、各ソレノイド６０、６５は互いに電気的に直列に接続されている。通電時には各ソレノイド６０、６５の全てに電流が流れる。これにより、ソレノイドターミナルが２端子で成立できるため、装置体格の小型化が可能である。また、電流の増減で各可動子４０、４５の開閉を制御できるため、駆動回路の設計の簡素化および自由度向上が容易である。

また、第１実施形態では、正負反転電流値は可動子４０、４５ごとに異なる。これにより、駆動電流値を変えるだけで各可動子４０、４５の開閉を制御することができる。

また、第１実施形態では、各スプリング５０、５５の付勢力を変えることで正負反転電流値を可動子４０、４５ごとに変えている。これにより、簡易な構成で正負反転電流値を可動子４０、４５ごとに変えることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、図７に示すように、インナーソレノイド６０のコイル巻き方向は、アウターソレノイド６５のコイル巻き方向とは異なる。このように構成しても、インナーソレノイド６０とアウターソレノイド６５に流れる電流の方向が逆方向であることにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
第３実施形態では、各ソレノイド６０、６５は互いに電気的に直列に接続されている。図８、図９に示すように、付勢力Ｆｓ１と付勢力Ｆｓ２は同じである。その一方で、インナー部分とアウター部分は、ソレノイドのコイル巻き数ｎ、または、固定子部の透磁率μが異なる。そのため、各ソレノイド６０、６５の電流Ｉ１、Ｉ２の大きさが同じながらも、吸引力Ｆ１と吸引力Ｆ２とが異なる。吸引力Ｆ１は吸引力Ｆ２より大きくなる。

以上より、正負反転電流値は可動子４０、４５ごとに異なる。つまり、各可動子４０、４５にかかる吸引力を変えることで正負反転電流値を可動子４０、４５ごとに変えている。ソレノイドのコイル巻き数ｎ、または、固定子部の透磁率μを変えることで各可動子４０、４５にかかる磁気的吸引力を変えている。このように構成しても、第１実施形態と同様に動作が安定化する。

［第４実施形態］
第４実施形態では、図１０に示すように、各ソレノイド６０、６５は、巻き方向が同じであり、互いに電気的に並列に接続されている。インナーソレノイド６０には抵抗７５が接続されており、アウターソレノイド６５には抵抗７６が接続されている。抵抗７５と抵抗７６は抵抗値が異なる。通電時には各ソレノイド６０、６５の全てに電流が流れる。しかし、インナーソレノイド６０とアウターソレノイド６５は、流れる電流Ｉの大きさが異なる。

図１１、図１２に示すように、付勢力Ｆｓ１と付勢力Ｆｓ２は同じである。その一方で、インナーソレノイド６０に流れる電流Ｉ１はアウターソレノイド６５に流れる電流Ｉ２よりも大きくなる。そのため、インナー部分とアウター部分とで透磁率μ、コイル巻き数ｎが同じながらも、吸引力Ｆ１と吸引力Ｆ２とが異なる。吸引力Ｆ１は吸引力Ｆ２よりも大きくなる。

以上より、正負反転電流値は可動子４０、４５ごとに異なる。つまり、各可動子４０、４５にかかる吸引力を変えることで正負反転電流値を可動子４０、４５ごとに変えている。各ソレノイド６０、６５に流れる電流値を変えることで各可動子４０、４５にかかる磁気的吸引力を変えている。このように構成しても、第１実施形態と同様に動作が安定化する。

［第５実施形態］
第５実施形態では、図１３に示すように、インナーソレノイド６０のコイル巻き方向は、アウターソレノイド６５のコイル巻き方向とは異なる。このように構成しても、インナーソレノイド６０とアウターソレノイド６５に流れる電流の方向が逆方向であることにより、第４実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第６実施形態］
第６実施形態では、図１４に示すように、インナーソレノイド６０とアウターソレノイド６５とは並列に配置されている。ソレノイドターミナルは３端子（ターミナル７１、７２、７３）になっており、各ソレノイド６０、６５に流れる電流値を独立に変更可能である。

図１５、図１６に示すように、付勢力Ｆｓ１と付勢力Ｆｓ２は同じである。図１５に示すようにインナーソレノイド６０に流れる電流Ｉ１がアウターソレノイド６５に流れる電流Ｉ２よりも大きくされ、吸引力Ｆ１が付勢力Ｆｓ１よりも大きくなり、吸引力Ｆ２が付勢力Ｆｓ２よりも小さい場合、インナー可動子４０だけが開弁状態となる。一方、図１６に示すようにアウターソレノイド６５に流れる電流Ｉ２がインナーソレノイド６０に流れる電流Ｉ１よりも大きくされ、吸引力Ｆ２が付勢力Ｆｓ２よりも大きくなり、吸引力Ｆ１が付勢力Ｆｓ１よりも小さい場合、アウター可動子４５だけが開弁状態となる。

このように構成しても、インナーソレノイド６０とアウターソレノイド６５に流れる電流の方向が逆方向であることにより、第４実施形態と同様の効果を得ることができる。また、各ソレノイド６０、６５に流れる電流値を独立に変更可能であることにより、設計（すなわち、スプリング付勢力やコイル巻き数）の自由度が広がる。また、インナーソレノイド６０に流れる電流Ｉとアウターソレノイド６５に流れる電流Ｉとの大小関係を変えることができる。

［他の実施形態］
他の実施形態では、図１７、図１８に示すように、ソレノイドは３つ設けられてもよい。第１ソレノイド８１、第２ソレノイド８２、および第３ソレノイド８３は、可動子軸心を中心として互いに同心円状に設けられている。各ソレノイド８１、８２、８３のうち、径方向に隣り合う一対のソレノイドに流れる電流の方向は逆方向である。図１７では、各ソレノイド８１、８２、８３は互いに電気的に直列に接続されている。図１８では、各ソレノイド８１、８２、８３は互いに電気的に並列に接続されている。このように構成しても、径方向に隣り合う一対のソレノイドに流れる電流の方向は逆方向であることにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

他の実施形態では、各スプリングの付勢力を変えつつ、各可動子にかかる磁気的吸引力を変えることで、正負反転電流値を可動子ごとに変えてもよい。磁気的吸引力を変えるのは、ソレノイドの巻き数、固定子部の透磁率、およびソレノイドに流れる電流値のいずれか１つ以上であればよい。その際、各ソレノイドは電気的に直列に接続されてもよいし、並列に接続されてもよい。つまり、第１、第３、第４および第６実施形態が組み合わされて実施されてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０：電磁弁３０：固定子
３５：外周部（固定子の一部）３６：内周部（固定子の一部）
４０：インナー可動子４５：アウター可動子
５０：インナースプリング（付勢部材）
５５：アウタースプリング（付勢部材）
６０：インナーソレノイド６５：アウターソレノイド
８１：第１ソレノイド８２：第２ソレノイド
８３：第３ソレノイドＡＸ：軸心

Claims

固定子（３０）と、
前記固定子に接近および離間可能に設けられ、互いに同軸に配置された複数の可動子（４０、４５）と、
各前記可動子に一対一対応で設けられ、対応する前記可動子を前記固定子から離間する方向へ付勢している複数の付勢部材（５０、５５）と、
各前記可動子に一対一対応で設けられ、対応する前記可動子に軸方向に対向する位置で、前記可動子の軸心（ＡＸ１）を中心として互いに同心円状に配置された複数のソレノイド（６０、６５、８１、８２、８３）と、
を備え、
各前記ソレノイドの間に前記固定子の一部（３５、３６）が存在しており、
径方向に隣り合う一対の前記ソレノイドに流れる電流の方向が逆方向である電磁弁。
内側からｉ番目の前記ソレノイドの内径をｒｓ_iとし、
内側からｉ番目の前記ソレノイドの外径をＲｓ_iとし、
内側からｉ番目の前記可動子の外径をＲｖｉとすると、
Ｒｓ_i＜Ｒｖ_i＜ｒｓ_i+1
である請求項１に記載の電磁弁。
各前記ソレノイドは互いに電気的に直列に接続されており、
通電時には各前記ソレノイドの全てに電流が流れる請求項１または２に記載の電磁弁。
各前記ソレノイドは互いに電気的に並列に接続されており、
通電時には各前記ソレノイドの全てに電流が流れる請求項１または２に記載の電磁弁。
前記ソレノイドのターミナル（７１、７２）に入る電流値を駆動電流値とし、
前記可動子にかかる力の向きに関して、前記可動子に対して前記固定子側の方向を正方向、前記可動子に対して前記固定子とは反対側の方向を負方向とし、
前記可動子にかかる力の総和の正負が反転する前記駆動電流値を正負反転電流値とすると、
前記正負反転電流値は前記可動子ごとに異なる請求項３または４に記載の電磁弁。
各前記付勢部材の付勢力を変えることで前記正負反転電流値を前記可動子ごとに変えている請求項５に記載の電磁弁。
各前記可動子にかかる磁気的吸引力を変えることで前記正負反転電流値を前記可動子ごとに変えている請求項５に記載の電磁弁。
各前記ソレノイドの巻き数を変えることで各前記可動子にかかる磁気的吸引力を変えている請求項７に記載の電磁弁。
前記固定子のうち各前記ソレノイドに対応する部分の材質を変えることで各前記可動子にかかる磁気的吸引力を変えている請求項７に記載の電磁弁。
各前記ソレノイドに流れる電流値を変えることで各前記可動子にかかる磁気的吸引力を変えている請求項７に記載の電磁弁。
各前記ソレノイドに流れる電流値を独立に変更可能である請求項１または２に記載の電磁弁。