JPH01227807A - 位置エネルギ駆動型弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、２位置間を直線的に移動する一般的なアクチ
ュエータ、特に、アーマチュアに加わる位置エネルギを
利用して、２位置間を非常に素早く移動する高速作動型
アクチュエータに関するものである。

前述のアクチュエータは、双安定性トランスデユーサと
して機能すると共に、特に、ガス交換の際に開放又は閉
鎖して利用するもの、例えば、他の点では既知である内
燃機械エンジンの吸気又は排気弁として用いられている
。アクチュエータの素早い動作に起因して、前述した弁
を、十分に開放された位置と十分に閉鎖された位置との
間において、カム作動型弁のもっている段階的な作動特
性に対してかなり素早く動作させることができる。

アクチュエータ機構は、多数の他の出願例えば、弁付き
コンプレッサや弁付きの他の液圧又は空圧装置の出願に
おいて既知であり、また、生産ラインにおいて素早い制
御動作を必要とするような作動部品、例えば液圧アクチ
ュエータ、又は機械的アクチュエータ用の高速作動型制
御弁の出願においても既知である。

内燃機関エンジンの弁は、はぼ一般的なポペットタイプ
のものが使用されており、このポペット弁は、閉鎖位置
に向けてばね付勢されていると共に、エンジンクランク
シャフトと同期して、エンジンサイクルにおける一定の
時間で弁の開放及び閉鎖を行うための回転穴カムシャフ
トに載置したカムにより、前述のばね付勢に対抗して開
放される構成をもっている。この場合の一定のタイミン
グは、高いエンジン速度に最も適するタイミングと、低
いエンジン速度すなわちアイドリング時のエンジン速度
に最も適するタイミングとの間で設定されている。

従来のものは、前述したカム作動型弁装置を、エンジン
速度の関数及びエンジンクランクの角度位置又はエンジ
ンの他のパラメータに応じて弁を開放及び閉鎖する際に
制御可能な別のタイプの弁開放機構に交換できるといっ
た多くの利点をもっている。

ウィリアム・イー・リッチソンの名において１９８７年
３月３日に出願され、その後本出願人に譲渡された係属
中の米国特許出願第０２１．１９５　（発明の名称　電
磁弁アクチュエータ：　ＢＬＥＣＴＲＯＭＡＣＮＥＴＩ
ＣＶＡＬＶＥ　ＡＣＴＵＡＴＯＲ）　ニおイテ、開放及
び閉鎖位置でラッチ係合する永久磁石をもった弁アクチ
ュエ−夕が開示されている。この場合において、弁を一
方の位置から他方の位置へ移動させるために、電磁石の
反発を利用している。また、減衰しかつエネルギを回復
させるための構成をも有している。

ウィリアム・イー・リッチソン及びフレデリック・エル
・エリックソンの名において１９８８年２月８日に出願
された係属中の米国特許出願第１５３．２５７号（発明
の名称　空気式電磁弁アクチュエータ：ＰＮＥＵＭＡＴ
ＩＣＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＶＡＬＶＥ　ＡＣＴＵＡＴＯ
Ｒ）ニオイテ、幾分類似した弁作動装置が開示されてお
り、この装置は、前述した係属中出願（第０２１．１９
５号）に用いた反発構成を利用したものというよりはむ
しろ解放型式の機構を利用している。前述の出願（第１
５３，２５７号）における既知の装置は、真の空気圧弁
であり、この弁は、高圧空気供給部と弁制御部を有し、
減衰力と一次側運動力に空気を利用している。更に、こ
の出願においては、様々な作動モードをもった遅延型の
吸気弁密閉装置及び６エ程サイクルの作動モードが開示
されている。

１９８８年２月８日に出願され、本発明の出願人に譲渡
された他の出願としては、一つの弁動作によりエネルギ
を貯えて次の弁動作に力を供給するよう構成した米国特
許出願第１５３．２６４号、発明者：ウィリアム・イー
・リッチソン、発明の名称：位置エネルギ駆動型弁機構
（ＰＯＴＥＮＴＩＡＬ　ＥＮＥＲＧＹ　ＤＲＩＶＥＮ　
ＶＡＬＶＥ　ＭＥＣＨＡＮＩＳＭ）と、米国特許出願第
１５３．１５５号、発明者：ウィリアム・イー・リッチ
ソン及びフレデリック・エル・エリクソン、発明の名称
：空気圧弁アクチュエータ（ＰＮＥＵＭＡＴＩＣＡＬＬ
Ｙ　ＰＯＷＥＲＥＤＶＡＬＶＥ　ＡＣＴＵＡＴＯＲ）　
とがある。後者の出願の一つの特徴としては、制御弁と
鎖錠プレートを一次側作動ピストンから離間させて、高
作動速度を達成する減量及びラッチ係合力の減少を可能
にしている点である。前者の出願の一つの特徴としては
、初期の加速力を電磁石の反発によらずに生ぜしめ、第
２番目に述べられた係属中の出願に開示されているもの
と幾分類似した解放構造を利用している点である。

この解放構造は、通電した際に、ある別の力を許容しう
る磁場を中和させてアーマチュアを加速させる保持磁石
に近接配置したコイルを利用している。

本発明において、保持磁石から離間したコイルに電流が
流れると、コイルに近接した導電性プレートに電流が誘
導される。コイルの磁界と導電性プレートに誘導された
磁界とが互いに逆の向きとなり、コイルからプレートを
離すような強い反発力が生じる。本発明のものと前述位
置エネルギ駆動型弁機構との比較において、本発明のも
のは作動に際して大きなエネルギを必要とするが、素早
い応答性をもったエンジン弁を達成することができる。

最初に記載した２つの係属中出願において、本発明の弁
アーマチュアとの組合わせに適する作動モードの変形例
及び利点が多く開示されており、本出願明細書中に開示
された４つのものは、参照のためだけに記載されたもの
である。

本発明の特に注目すべき目的は、後続の作動に先立って
位置エネルギを内部に貯え、そして、電磁的に誘導され
た突発的な反発力によって位置エネルギを解放する弁作
動機構の提供；磁界のラッチ係合力を越える力によって
ラッチ係合を外すことのできるアクチュエータ用電磁ラ
ッチ係合装置の提供；圧縮（空気又はばねによる圧縮）
駆動型弁作動機構の提供；応答性が良くなった弁作動機
構の提供；後続の動作に力を加えるために、先の動作に
よってトランスデユーサ内に貯えられた位置エネルギを
、初期の強い反発力をもった安定状態から他の安定状態
まで利用することのできる電気制御型双安定性トランス
デユーサの提供；簡単でかつ素早い加速及び減速をする
弁作動機構の提供；弁作動装置の動作の各末端近傍で弁
作動装置の動作を遅くするために、弁作動装置に連動す
る空動きをもち且つ単純な構造を有する液圧ダンパの提
供にある。本発明の他の目的及び利点は以下において部
分的に指摘されている。

−船釣に、内燃機構エンジン内で使用する電磁弁は、細
長い弁心棒をもったエンジン弁と、キャビティ内で圧縮
される空気又は応力の加わるばねをなして、弁開放位置
と弁閉鎖位置との間で、弁心棒の長手方向に弁を移動さ
せる作動手段と、弁開放位置と弁閉鎖位置のうちの一方
の位置で弁を保持するラッチ係合用磁気装置とを有して
いる。

コイルに電流を流すと、ラッチ係合用磁気装置に打ち勝
って、保持された位置から弁が押出される。

前述のコイルは反発電磁装置の一部として機能し、そし
て、この反発電磁装置は、これに対して固定されたコイ
ルと、弁心棒に固定されて弁心棒と一緒に可動し、且つ
、弁が弁開放位置と弁閉鎖位置のうちの一方の位置にあ
るときにコイルに並置される円形の導体と、コイルを流
れる突発電流を供給する電位回路とを含んでいる。突発
電流は円形の導体内に電流を誘導し、その結果生じる導
体の磁界はコイル内を流れる電流によって生じる磁界と
逆向きをなし、２つの磁界が協働して、コイルから離れ
るように導体が押される。

本発明の一つの態様として、電気制御型双安定性トラン
スデユーサは、第１位置と第２位置との間を往復運動す
るアーマチュアと、このアーマチュアを移動させるため
のエネルギ蓄積装置と、前記第１位置と前記第２位置の
うちの一方の位置で前記アーマチュアを保持するための
ラッチ係合用永久磁石と、前記ラッチ係合用磁気装置に
打ち勝つような電流を流して、保持された位置から弁を
押し出す場合に作動する反発電磁装置とを有している。

（実施例） 以下、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。

第１〜３図に示した弁アクチユエータすなわちトランス
デユーサは４個のモジュールを具え、ボルトで適切に連
結させられたハウジング部３，７゜９．３８内に各モジ
ュールは収容されており、トランスデユーサは例えば内
燃機関エンジンのヘッド１５又は他の部分にシール結合
されている。上側モジュールは、銅又は他の材料からな
る導電性の推進ディスク１７を含んでおり、このディス
ク１７は２個の推進コイル１９と２１との間を移動する
。更にディスク１７は弁心棒２９の伸長部をなすアーマ
チュア２７に固定されている。中央モジュールはアーマ
チュア２７に固定された軟質磁気ディスク２を含んでい
る。ディスク２はラッチ係合用磁石５と６との間を移動
する。ハウジング部９内に設けた下側モジュールは、ト
ランスデユーサに動力を供給するために位置エネルギを
貯えるばね部１１．１２を含んでいる。下側モジュール
内に設けた最終モジュールは流体変位によるアーマチュ
ア移動の両端近傍でアーマチュアをゆっくり移動させる
機能をもった減衰ピストン１４及びハウジング衝合部３
８を含んでいる。

第１図は、エンジンシリンダと吸気又は排気マニホール
ド２５との間の連通を選択的に開放させるための既知の
内燃機関エンジン用ポペット弁２３を示している。第１
図に示されたこの弁２３は、十分に持ち上げられた閉鎖
位置すなわち着座位置を呈している。弁アクチユエータ
は、弁を開放又は閉鎖するための弁心棒２９と同心的に
配置され且つ往復運動自在の可動式アーマチュア２７を
有している。

アーマチュア２７は、ラッチ係合用磁石５と６との間を
移動する鋼製のラッチ係合用軟質磁気ディスク２を有し
ている。アーマチュア２７は、ばね部１１゜１２によっ
て、第２図の中立位置に向けてばね付勢されていると共
に、ウェブすなわちスピンドル１３を介して、これらば
ね部１１．１２に機械的に連結されている。ばね部１１
と１２は、ラッチ係合用磁石５によりアーマチュア２７
を維持する位置すなわち第１図に示された位置又はラッ
チ係合用磁石６によリアーマチュア２７を維持する位置
すなわち第３図に示された位置から離間するように連続
的に押圧するための手段として機能している。ばね部１
１と１２によりコイルばねを構成しており、第２図に示
すように、ばね部１１は圧縮されており、ばね部１２は
伸ばされている。そこで、第１図の位置から第３図の位
置までアーマチュアが移動する場合、圧縮されていたば
ね部は伸ばされ、伸ばされていたばね部は圧縮される。

第５図において、アーマチュアをラッチ係合させた位置
から離間させるよう連続的に押圧する機能は、弁が閉鎖
された場合、ハウジング３１と、アーマチュア３３に連
結されたピストン４１と、ハンジング内のピストンによ
ってチャンバ４０内で圧縮された空気とによって達成さ
れ、弁が開放された場合、チャンバ４４内で圧縮される
空気によって達成される。チャンバ３９内の流体を移動
させることによりピストン１４の移動末端に向けて弁シ
ヤフトを急速に減速させるために、減衰ピストン１４は
空動き連結によってアーマチュア２７に連結される。

上昇位置すなわち弁閉鎖位置にディスクすなわちプレー
ト２を保持する場合、永久磁石５の磁力によって高いラ
ッチ係合力がプレート２に加わる。

第３図に示すように、十分に降下した位置すなわち弁開
放位置にディスク２を保持する場合、永久磁石５の磁力
よって高いラッチ係合力がディスク２に加わる。上側ハ
ウジング３内に設けられた反発電動機によって前述した
ラッチ係合のうちの一方を制御解放させている。反発電
動機は固定された一対のコイル１９と２１を具えており
、これらコイル１９．２１は初期の大変高い反発力を銅
製ディスク１７に与えることができる。この反発力は、
弁をある位置から別の位置へ変位させるために、ラッチ
係合に打ち勝つように作用する。閉鎖された弁を示した
第１図において、導電性ディスク１７は上側コイル１９
に並置されている。高いエネルギーをもった電気的パル
スをコイル１９に伝えた場合、ディスク１７内に電流が
誘導される。コイルとディスクの磁界はお互いに反発し
合い、ディスクに作用する高い反発力により、ハウジン
グ２０内のばね組立体１１と１２の付勢下で、アーマチ
ュアは急に加速される。アーマチュアが第２図の中央す
なわち中立位置を通過すると、ばね組立体により弁の移
動速度が落ち始め、その後、鎖錠ディスク２は反対側の
鎖錠磁石と近接する。その時、磁石の牽引力は、アーマ
チュアに作用するばねの減速力に打ち勝つ。

仮に、アーマチュアと弁の速度が個別的な減衰装置によ
ってほとんど減少しないとすると、高い磁力によって、
ラッチ係合用ディスク２とラッチ係合用磁石との間でか
なりの衝撃が生じる。ハウジング２０内に減衰用の組立
体を設けることによって、磁石に対するラッチ係合用デ
ィスクの低衝撃速度及び減速制御を確実に達成すること
ができる。

摩擦のない理論的な観点から、ばね１１と１２は、付加
的な動力を必要とすることなく、弁をある位置から次の
位置へ移動させるための個別的な手段を提供することが
できる。この場合に必要となるものは、第１位置から弁
を開放し、第２位置で弁を捕捉及びラッチ係合させるた
めの手段である。

しかしながら、実際上の組立体は個別的な摩擦をもって
おり、また、システムの要求をばね単独で満たせるほど
ばね質量応答時間は短かくないので、必要な素早い移動
時間を確保するところの高い助力を反発電動機が与えて
いる。したがって、ラッチ係合力に打ち勝つような反発
電動機からの力とばね内に貯えられた高い初期力とを組
合わせると、末端位置の間を約２ミリ秒で移動させるこ
とができる。

第２図における弁は、中立位置を呈すると共に、概ね最
高速度で移動している。この時、弁には、加速力又は減
速力は作用していない。

アーマチュアの両末端位置のうちの一方の末端位置すな
わち弁開放位置にアーマチュアが接近した場合、皿ワツ
シヤ１６が小型の往復運動自在のピストン１４と係合し
、そして、オイル充填されたチャンバ３９内でピストン
１４を内方に移動させることにより、アーマチュアに対
してかなり大きな減速をもたらすような減衰力を与えて
いる。

第３図は、ダンパ組立体及びばね１２によって安全に減
速された後、十分に降下したラッチ係合位置に弁が存在
する状態を示している。十分降下した位置に弁が達する
と、その直後に、弁を開放する準備が整い、閉鎖位置へ
戻るような移動を弁が行う。コイル２１から得られる反
発力はラッチ係合力よりも強く、そして、ばね１２の力
と協働する反発力は、弁を上方へ急速に移動させること
ができる。

第４図は、個々のばねに対する力／変位曲線を示すと共
に、ばね組立体のもっている全エネルギに対しての個々
のばねの合力を示している。曲線４７はばね１１に対応
し、曲線４９はばね１２に対応している。ｙ軸線（第４
図の左端の垂線）は第３図の弁の位置つまり弁が十分に
降下した位置に対応しており、垂線５３は、第２図の弁
の位置つまりばね力が正味ゼロの位置に対応している。

そして、垂線５５は第１図における十分上昇した弁の閉
鎖位置に対応している。典型的な場合において、弁移動
の全距離は約４／１０インチ（約１．０１６　ｃｍ）で
ある。

２個のばねは、増加する変位に対して幾分指数的に増加
する力を有し、この力は直線状になっていない、この特
徴は、ラッチ係合用磁石との組合わせで使用され且つ非
直線状の力をもつばねの最大変位特性と好適にマツチし
ている。２個のばねは協働して作用するので、弁に加わ
る正味のばね力は曲線５１によって示される。

第５図においては、第１〜３図の機械的ばねに代えて、
空気ばね組立体を使用している。本実施例において、全
空気ばね組立体とダンパはラッチ係合モジュールの一部
に組み込まれている。第１〜３図のラッチ係合用ディス
ク２はラッチ係合機能のみを具えていた。第５図のディ
スク４１は、予め減少させられたラッチ係合モジュール
を提供すると同時に、非直線状の低い空気ばね質量とじ
て機能し、更に、弁が２つの末端位置のいずれかに接近
した場合に、アーマチュアを効果的にゆっくりと移動さ
せるための減衰装置としての機能をも具えている。上側
反発モジュールは第１図の実施例で説明した機能と同じ
である。

ラッチ係合用ディスク４１は環状シール体４２を有し、
このシール体は上側圧力チャンバ４０と下側圧力チャン
バ４４との間をシールしている。チャンバ４０と４４は
いわゆる“はね返り”チャンバとして利用されており、
チャンバ内において、ラッチ係合用ディスク４１がラッ
チ係合用磁石のうちの一方に接近しその後ラッチ係合し
た場合に、空気は圧縮されて閉じ込められる。第１〜３
図の実施例におけるばねによって与えられるような動作
の後、チャンバ内の圧縮空気は、貯えられた位置エネル
ギ及び加速力をディスクに提供し、また、ディスク４１
がラッチ係合用磁石のうちの一方に接近した場合にはア
ーマチュアの動作をゆっくりにするための減衰動作も提
供する。ラッチ係合が起こる直前及びディスクと磁石組
立体との間で僅かな量の空気が閉じ込められる直前にお
いて、環状シール体４５がディスク４１と接触する。前
述した僅がな量の空気は、チャンバ４０（又は４４）内
で所定の圧力を越えるまで圧縮されると共に、数個の小
さなオリフィス３５．３７を制御された速度で通過して
、チャンバ４０（又は４４）又は別の圧力タンク又はチ
ャンバ５７．５９内へ逃がされる。ラッチ係合する前に
おいて、この絞り損失は、許容しうる低衝撃速度まで弁
シヤフトをゆっくりと制御することができる。

僅かな空気の漏れがシステム内で起こる場合があるので
、チャンバ内に空気を補充するための空気供給体４３を
設けており、この空気供給体はいずれかのチャンバ（ピ
ストン４１の位置によって決まる）内に空気を入れるこ
とのできる逆止弁を有している。空気供給体４３への空
気圧を制御することで、いわゆる”ばね”比を簡単に変
えることができる。

本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、種々
の変更を加えることができるのは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は閉鎖位置にある本発明に係る電磁弁の一実施例
を示す断面図、 第２図は閉鎖位置と開放位置との中間の位置にある本発
明に係る電磁弁を示す断面図、第３図は開放位置にある
本発明に係る電磁弁を示す断面図、 第４図は閉鎖位置と開放位置との間を移動する際に弁に
作用するばね力を示す図、 第５図は本発明に係る電磁弁の他の実施例を示す断面図
である。 ３、　７．　９．３１．３８・・・ハンジング５．６・
・・ラッチ係合用磁石 １１、１２・・・ばね部 １６・・・皿ワツシヤ １７・・・導体（ディスク） １９、２１・・・コイル ２７、３３・・・アーマチュア ２９・・・弁心棒 ３９、４０．４４．５７．５９・・・チャンバ４１・・
・ピストン 特許出願人　　　マグナボックス・ガバメント・アンド
・インダストリアル・ エレクトロニクス・コンパニー 代理人弁理士　　　杉　　　村　　　暁　　　秀　（−
ＦＴ７：Ｉ−４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関エンジン内で使用する電磁弁において： 細長い弁心棒をもったエンジン弁と； 弁開放位置と弁閉鎖位置との間で、前記心 棒の長手方向に前記弁を移動させるための作動手段と； 弁開放位置と弁閉鎖位置のうちの一方の位 置で前記弁を保持するラッチ係合用磁気手段と； 前記ラッチ係合用磁気手段に打ち勝つよう な電流を流して、保持された位置から弁を押し出す場合
   に作動する反発電磁装置とを具えたことを特徴とする電
   磁弁。 ２、請求項１記載の電磁弁において、前記反発電磁装置
   は、この装置に対して固定されたコイルと、前記弁心棒
   と一緒に可動し、且つ、弁が弁開放位置と弁閉鎖位置の
   うちの一方の位置にあるときに前記コイルに並置される
   円形の導体と、前記コイルを流れる突発電流を供給する
   電器回路とを含んだことを特徴とする電磁弁。 ３、請求項１記載の電磁弁において、前記作動手段は、
   ハウジングと、前記弁に連結されたピストンと、前記ハ
   ウジング内の前記ピストンによって圧縮される空気とを
   具えたことを特徴とする電磁弁。 ４、請求項１記載の電磁弁において、前記作動手段は、
   応力の加わったコイルばねを具えたことを特徴とする電
   磁弁。 ５、請求項４記載の電気制御型双安定性トランスデュー
   サにおいて、連続的に押圧するための作動手段は、一方
   の部分が圧縮されると他方の部分が伸ばされるようなコ
   イルばねを具えたことを特徴とする電気制御型双安定性
   トランスデューサ。 ６、第１位置と第２位置との間を往復運動するアーマチ
   ュアと、このアーマチュアを移動させるための作動手段
   と、前記第１位置と前記第２位置のうちの一方の位置で
   前記アーマチュアを保持するためのラッチ係合用永久磁
   石装置と、前記ラッチ係合用磁気装置に打ち勝つような
   電流を流して、保持された位置から弁を押し出す場合に
   作動する反発電磁装置とを有したことを特徴とする電気
   制御型双安定性トランスデューサ。 ７、請求項６記載の電気制御型双安定性トランスデュー
   サにおいて、前記作動手段は、前記ラッチ係合用磁気装
   置によって維持された位置から離れるように前記アーマ
   チュアを連続的に押圧するための手段を含むことを特徴
   とする電気制御型双安定トランスデューサ。 ８、請求項７記載の電気制御型双安定性トランスデュー
   サにおいて、連続的に押圧するための作動手段は、一方
   の部分が圧縮されると他方の部分が伸ばされるようなコ
   イルばねを具えたことを特徴とする電気制御型双安定性
   トランスデューサ。 ９、請求項８記載の電気制御型双安定性トランスデュー
   サにおいて、前記アーマチュアが一方の位置から他方の
   位置まで移動した場合、圧縮されていた前記ばね部が伸
   ばされ、伸ばされていた前記ばね部が圧縮されることを
   特徴とする電気制御型双安定性トランスデューサ。 １０、請求項７記載の電気制御型双安定性トランスデュ
   ーサにおいて、連続的に押圧するための前記作動手段は
   、ハウジングと、前記アーマチュアに連結されたピスト
   ンと、前記ハウジング内の前記ピストンによって圧縮さ
   れる空気とを具えたことを特徴とする電気制御型双安定
   性トランスデューサ。