JPH07317626A - 燃料噴射器の硬磁性バルブアクチュエータ - Google Patents

燃料噴射器の硬磁性バルブアクチュエータ

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JPH07317626A
JPH07317626A JP7118283A JP11828395A JPH07317626A JP H07317626 A JPH07317626 A JP H07317626A JP 7118283 A JP7118283 A JP 7118283A JP 11828395 A JP11828395 A JP 11828395A JP H07317626 A JPH07317626 A JP H07317626A
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JP
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pole member
solenoid actuator
steel
pole
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Dale C Maley
シー マーレイ デイル
Dwayne E Tharp
イー タープ ドゥウェイン
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Caterpillar Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ポール部材と、これに対応するアーマチュア
と、ポール部材に対応する励磁可能な巻き線を有する、
燃料噴射器において用いられるソレノイドアクチュエー
タに関する。 【構成】 ソレノイドアクチュエータは、永久磁石なし
にポール部材とアーマチュアとの間の残留磁気によって
ラッチ可能である。炭素含有量が０．８パーセントから
１．２パーセントで、ＲＣ硬度が４０から６０である鋼
から構成されている。アーマチュアは、これがポール部
材と物理的に接触する第一位置と、ポール部材と離れる
第二位置との間を往復可能である。アーマチュアは、巻
き線が励磁されたときに第一位置を占め、巻き線が停止
されたときに第二位置を占める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、多数の付勢を必要とす
る用途において用いるための、アーマチュアがポール部
材と接触するようになったソレノイドアクチュエータ
と、ソレノイドアクチュエータのポール部材とアマーチ
ュアを製造するための方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】ソレノイドアクチュエータは、バルブを
付勢するといったような多くの用途において広く使用さ
れている。通常、単一作動型ソレノイドアクチュエータ
は、一般的にポール部材、このポール部材に設けられて
いるワイヤコイル、ポール部材に対応して直線運動に変
換可能なアーマチュア、及びアーマチュアをポール部材
から離すように付勢するばねとを有している。ワイヤコ
イルに電流が与えられると、磁界が生じ、バイヤスばね
の力よりも強く、アーマチュアをポール部材に引きつけ
るようになる。電流が切られると、磁力が消滅し、バイ
ヤスばねがアーマチュアをポール部材から離す。ソレノ
イドアクチュエータのアーマチュアがバルブ要素のステ
ムに接続されると、ソレノイドの作動は、バルブを開く
か、或いは閉じるかを制御する。非ラッチ式のソレノイ
ドは、本明細書では“付勢位置”とする、ポール部材に
近接した位置にアーマチュアを維持するために、ワイヤ
コイルに電流を流すことが必要とされるものである。長
時間の間、アーマチュアが付勢位置内にあることが必要
とされる用途において、非ラッチ式ソレノイドアクチュ
エータでは、付勢するのにかなり多量のエネルギーを必
要とするために非効率的である。
【０００３】高エネルギーを消費する上述の問題を解決
するために従来のラッチ式ソレノイドアクチュエータを
用いることができる。このようなソレノイドアクチュエ
ータは、アーマチュアを付勢位置に維持するために、常
に電流をワイヤコイルに流すことを必要としない。従来
の種類のラッチ式ソレノイドアクチュエータの一つのも
のは、ワイヤコイルへの電流が切られた後に、ポール部
材とアーマチュアの２つの要素内の残留磁気によって生
じた、ポール部材とアーマチュアの間の磁気吸引に依存
する。この種のアクチュエータにおいて、非付勢位置か
ら付勢位置にアーマチュアを動かすために、アーマチュ
アがポール部材と接触するまで電流が流れ、接触すると
電流が切られ、残留磁気のためにアーマチュアが付勢位
置に残ったままとなり、バイアスばねの対向する力より
も大きい保持力を加える。アーマチュアを非付勢位置に
動かすために、電流が一時的にワイヤコイル内に反対方
向に与えられて、残留磁気をなくしたり、向きを反対に
させ、バイアスばねによってアーマチュアを非付勢位置
に動かすようにする。作動のための必要な残留磁気を得
るために、ポール部材とアクチュエータは、一般的に純
鉄、またはシリコンが３パーセント含まれた鉄のような
軟磁性材料から形成される。
【０００４】上述の種類のラッチアクチュエータは、電
力を保持するという点では有益であるが、ソレノイドア
クチュエータの複数の付勢が必要とされる用途には適し
ていない。何故ならば、ポール材料とアーマチュアとを
構成する磁性材料が、比較的軟性だからである。結果と
して、ポール部材とアーマチュアとの接触が繰り返され
ることによって、これら二つの要素に機械的な磨耗が生
じ、ソレノイドアクチュエータの直線変位量が時間とと
もに徐々に変化することになる。燃料噴射システムのよ
うな、長時間にわたって正確な直線運動を要求されるよ
うな用途には、このようなアクチュエータを受け入れる
ことができない。アーマチュアとポール部材の機械的な
磨耗によって、細かな金属粒子が作り出され、ソレノイ
ドを汚して、その作動を妨害する可能性がある。上述し
た磨耗の問題は、機械的な停止を行ってアーマチュアが
ポール部材と接触しないようにし、この結果アーマチュ
アが付勢位置にあるときに、ポール部材とアーマチュア
との間に小さな空気ギャップが生じるようにするという
ことによって解決することはできない。このアプローチ
を受入れることができないのは、空気ギャップが形成さ
れることによって、一般的に、残留磁気が弱まりワイヤ
コイル内の電流が切られた後に、アーマチュアを付勢位
置に保持するのが不十分となるからである。
【０００５】磨耗の問題を解決する可能性のある一つの
方法は、アーマチュアが付勢位置にある状態のときに、
ポール部材とアーマチュアとの間に空気ギャップを形成
し、残留磁気を用いてアーマチュアをラッチする代わり
に、ポール部材内に一つか二つ以上の永久磁石を組み入
れてアーマチュアを付勢位置に保持することによって得
られる。しかしながら、ソレノイドアクチュエータ内に
永久磁石を使用することは、欠点を有する。何故なら
ば、永久磁石材料は、比較的高価であるからであり、更
に磁気特性が温度で変化し、このために実質的に温度変
化が生じるようないくつかの用途にとっては不適当なも
のとなるからである。米国特許第３、７４３、８９８号
は、残留磁気を利用するアクチュエータを付勢位置に保
持するラッチ式ソレノイドアクチュエータの様々な実施
例を示す。本引例は、アクチュエータの磁気部品がＣ１
０１０及びＣ１０２０の低炭素鋼のような様々な材料か
ら形成できることを示唆する。米国特許第４、１１４、
６４８号は、複動式電磁バルブを開示しており、バルブ
の電磁コア１、２内の可動電磁部材１７が残留磁気によ
って二つの付勢位置内にラッチされている。本引例で
は、電磁コア１、２は、磁石鋼、或いは熱焼き戻し段階
を受けた後の、Ｓ５０Ｃ炭素鋼のように熱焼き戻しされ
た高炭素鋼のような高残留磁気を有する磁性材料から構
成することができる。可動磁性部材１７は低残留磁気、
或いは高残留磁気を有する磁気材料から構成することが
できる。
【０００６】米国特許第４、２３１、５２５号は、選択
的に硬化されたアーマチュアを備えた電磁燃料噴射器を
開示する。燃料噴射器は、磁性材料、或いは非磁性材料
のいずれか適当な硬質材料であればいかなる材料から構
成してもよい。耐久性のために、バルブは、適当に硬化
されたＳＡＥ５１４４０ステンレス鋼から形成してもよ
い。アーマチュアは、ＳＡＥ１００２─１０１０鋼のよ
うな電磁軟材料から形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】長時間の使用する間、
アーマチュアを磨耗しないようにするために、米国特許
第４、２３１、５２５号は、アーマチュアの選択された
表面を硬化しなければならないことを示唆する。特に、
硬化されなればならないアーマチュアの表面は磁気回路
内にはないが、長時間の使用中に磨耗を受ける。アーマ
チュアの表面を選択的に硬化する方法は、かなり複雑で
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】一態様において、本発明
は、ポール部材、これに対応したアーマチュア、ポール
部材に対応した電気的に励磁可能な電磁装置とを有する
ソレノイドアクチュエータに関する。ソレノイドアクチ
ュエータは、永久磁石を必要とすることなく、ポール部
材とアーマチュアとの間の残留磁気によってラッチ可能
である。ポール部材とアーマチュアは、炭素含有量が約
０．８パーセントから１．２パーセントで、ロックウェ
ルＣ（ＲＣ）硬度が約４０から６０の鋼から構成され
る。アーマチュアは、該アーマチュアがポール部材と物
理的に接触する第一位置と、アーマチュアがポール部材
と離れる第二位置との間を往復可能である。アーマチュ
アは、電磁装置が付勢されるときに第一位置を占め、電
磁装置が付勢されないときに第二位置を占める。電磁装
置が最初に付勢された後停止されたときに、アーマチュ
アは、ポール部材とアーマチュアとの間の残留磁気によ
って第一位置に保持される。アーマチュアとポール部材
は実質的にＳＡＥ５２１００鋼から構成されるのが好ま
しい。本発明は、炭素含有量が約０．８パーセントから
１．２パーセントで、ロックウェルＣ（ＲＣ）硬度が約
４０から６０の鋼から構成されるアーマチュアと、第一
及び第二ポール部材に対応する第一及び第二励磁可能な
巻き線とを有する復動式ソレノイドアクチュエータとし
て実施することこともできる。本実施例において、アー
マチュアは、該アーマチュアが第一ポール部材と物理的
に接触する第一位置と、アーマチュアが第二ポール部材
と物理的に接触する第二位置との間を往復可能である。
アーマチュアは、第一電磁装置が励磁されたときに第一
位置を占め、第二電磁装置が励磁されたときに第二位置
を占める。第一励磁装置が最初に励磁された後、停止さ
れたときに、アーマチュアは、ポール部材とアーマチュ
アとの間の残留磁気によって第一位置に保持されてお
り、更に、第二電磁装置が最初に励磁された後、停止さ
れたときに、アーマチュアは、第二ポール部材とアーマ
チュアとの間の残留磁気によって第二位置に保持され
る。
【０００９】ソレノイドアクチュエータは、噴射本体
と、該噴射本体内に形成された燃料入口と、燃料噴射本
体内に配置され、燃料入口から燃料が供給されるポンプ
手段と、噴射本体内に配置されてポンプ手段から燃料が
与えられるノズルバルブとを備えた燃料噴射器内の電子
制御バルブの一部分として形成してもよい。ノズルバル
ブは、ポンプ手段によって与えられた燃料がしきい値燃
料圧を越えるときに開位置を占め、ポンプ手段によって
与えられた燃料がしきい値燃料圧以下のときに閉位置を
占める。他の態様において、本発明は、選択されたラッ
チ力を有するラッチ式ソレノイドアクチュエータのポー
ル部材とアーマチュアとを製造する方法に関する。この
方法は、ポール部材とアーマチュアの硬度と、これらの
要素を誘起できる残留磁気との関係の判定に基づいてお
り、鋼からポール部材とアーマチュアとを形成する段階
と、ソレノイドアクチュエータのラッチ力を選択する段
階と、選択されたラッチ力に基づいてポール部材とアク
チュエータの硬度がどれだけであるべきかを決定し、ポ
ール部材とアーマチュアとを熱処理してその硬度に達成
させる段階と、からなる。
【００１０】ポール部材とアーマチュアの熱処理の段階
は、ポール部材とアーマチュアを第一温度にまで加熱す
る段階と、ポール部材とアーマチュアとを冷却する段階
と、ポール部材とアーマチュアとを第一温度以下の第二
温度にまで加熱する段階と、ポール部材とアーマチュア
とを冷却する段階とを含んでいる。本発明の特徴と利点
は、好ましい実施例の詳細な記載の観点から当業者には
明白であり、図面と以下に記載された簡潔な記載でなさ
れる。
【００１１】
【実施例】機械付勢式電磁制御ユニット噴射器（ＭＥＵ
Ｉ）燃料システム１０の一実施例が図１に示されてい
る。燃料噴射システム１０は、複数のエンジンピストン
１２を有する、ディーゼルサイクル式、直接噴射型内燃
機関エンジンに用いられるようになっており、エンジン
ピストン１２のうち一つがエンジンクランク１４に取り
つけられ、エンジンシリンダ１６内において往復運動を
行うように配置されている状態を示す。燃料は、点線２
２によって概略的に示した燃料噴射器本体、ポンプ組立
体２４、電子制御バルブ２６、ノズルバルブ２８、及び
ノズル先端３０とを有する燃料噴射器２０によってシリ
ンダ１６に噴射される。燃料通路、即ちライン３４に流
体的に接続され、さらに燃料タンク、即ちリザーバ３６
に流体的に接続されている燃料入口３２を通ってポンプ
組立体２４に加圧流体が供給される。一対の燃料フィル
タ４０、４２が燃料ライン３４内に設けられており、燃
料は、搬送ポンプ４４によって４１０キロパスカル（６
０ポンド／平方インチ）のように比較的低い圧力に加圧
される。
【００１２】燃料通路３４を介してポンプ組立体２４に
供給された比較的低圧な燃料が、ロッカーアーム５２を
介してエンジンカム５０に機械的に接続されているプラ
ンジャ４８によって、２１０、０００キロパスカル（３
０、０００ポンド／平方インチ）のような比較的高噴射
圧にまで周期的に加圧される。ノズルバルブ２８は、燃
料通路５６を介してポンプ組立体２４に流体的に接続さ
れており、燃料通路５８を介してノズル先端３０に流体
的に接続されている。ポンプ組立体２４によって供給さ
れる燃料が、３４、２００キロパスカル（５、０００ポ
ンド／平方インチ）のような比較的高いしきい値圧力に
達するときに開き、燃料圧がこのしきい値圧力以下に降
下するときに閉じるチェックバルブとしてノズルバルブ
２８が作動する。ポンプ組立体２４によって加えられる
燃料の加圧は、燃料通路６０を介してポンプ組立体２４
に流体的に接続されている制御バルブ２６によって制御
される。図１に示すように制御バルブ２６が開位置にあ
るときに、燃料は通路６０を介してポンプ組立体２４か
ら排出され、燃料噴射本体２２内に形成された燃料出口
６２を通り、燃料リザーバ３６に導く燃料通路、即ちラ
イン６４を通り、これによりポンプ組立体２４内の燃料
が、プランジャ４８によって噴射圧にまで加圧されない
ことになる。制御バルブ２６が閉じた状態では、燃料が
燃料通路６０を介してポンプ組立体２４から排出されな
いので、燃料はプランジャ４８によって加圧されること
ができる。
【００１３】制御バルブ２６の開閉は、電気ライン７２
によって接続されるエンジン制御モジュール７０（ＥＣ
Ｍ）によって制御されている。エンジン制御モジュール
７０は、カム５０の位置を検知し、エンジン制御モジュ
ール７０に接続されたライン７６上にカム位置信号を発
生させるカム位置センサー７４に接続されている。カム
位置信号に応答して、エンジン制御モジュール７０は、
ライン７２上に電力を発生させ、レノイド作動式である
制御バルブ２６を周期的に開閉し、燃料が周期的にシリ
ンダ１６に噴射されるようにする。燃料噴射システム１
０の作動は、一噴射サイクルに関して以下に記載する。
燃料噴射を開始するために、制御バルブ２６は、図１に
示すように開位置から閉位置に動かされて、燃料が燃料
通路６０を通ってポンプ組立体２４から排出されないよ
うにする。制御バルブ２６が閉じた後に、ロッカーアー
ム５２は、プランジャ４８を下方向に駆動し、ポンプ組
立体２４内の燃料圧とノズルバルブ２８に供給された燃
料圧を増大させる。ノズルバルブ２８内の燃料圧が、比
較的高いしきい値圧力に到達すると、ノズルバルブ２８
が開き、燃料がノズル３０からシリンダ１６に噴射され
る。
【００１４】燃料噴射が終了されるべきときに、制御バ
ルブ２６は、閉位置から開位置に動く。このために、加
圧燃料がポンプ組立体２４から燃料通路６０、６４を通
って排出され、ポンプ組立体２４内の燃料圧とノズルバ
ルブ２８内の燃料圧を減少させる。ノズルバルブ２８内
の燃料圧がしきい値圧力以下に降下するときに、ノズル
バルブ２８は閉じて、シリンダ１６への燃料噴射を終了
する。制御バルブ２６を付勢するためのソレノイドアク
チュエータ１００の第一実施例の断面図を図２に示す。
アクチュエータ１００は、ほぼ円筒形のポール部材１１
２を含んでおり、環状凹部１１４がポール部材１１２内
に形成されている。通電可能な巻き線、即ちワイヤコイ
ル１１６のような電磁装置が凹部１１４内に配置されて
いる。一般的に平坦で、円筒形のアーマチュア１１８が
ポール部材１１２の底面１２０から離れて示されてい
る。アーマチュア１１８は、ボルト（図示せず）のよう
な従来の手段によってアーマチュア１１８に接続されて
いるロッド１２２によって支持されている。ロッド１２
２は、環状の延伸部、即ちロッド１２２と一体的に形成
されたディスク１２４を有している。一般的に円筒形ハ
ウジング部材１２６は、ロッド１２２が貫通するボア１
２８を有している。ハウジング部材１２６は、ロッド１
２２の一部分、ディスク１２４、ハウジング部材１２６
の下部面１３２とディスク１２４の上部面１３４との間
に配置されたばね１３０とを包み込んで、アーマチュア
１１８がポール部材１１２の下部面１２０から離れるよ
うに付勢するようになっている。
【００１５】ポール部材１１２とアーマチュア１１８
は、炭素含有量が約０．８パーセントから１．２パーセ
ントであり、硬度（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ Ｃ“ＲＣ”）が
約４０から約６０の鋼から形成されている。鋼の磁気特
性は、誘起することのできる残留磁気の量を決定し、主
に鋼の炭素含有量によって決定される。鋼の炭素含有量
は約１．０パーセントであるのが好ましく、硬度が約５
９であるＳＡＥ（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏ
ｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）５２１００鋼が好まし
いことがわかった。ベアリングの用途に用いられる一般
的な鋼であるＳＡＥ５２１００は、重量パーセントの単
位の次の構成成分を有する鋼であり、許容できる割合の
範囲、或いは最高許容可能な割合のいずれかとして示
す。 炭素 ０．９８─１．１０パーセント マンガン ０．２５─０．４５パーセント 燐（最高） ０．０２５パーセント 硫黄（最高） ０．０２５パーセント シリコン ０．１５─０．３０パーセント クロム １．３０─１．６０パーセント ＳＡＥ５２１００鋼は、次の微量の成分を有することが
できる。
【００１６】 銅（最高） ０．３５パーセント ニッケル（最高） ０．２５パーセント モリブデン（最高） ０．０８パーセント 以下により詳細に述べるように、適当なＲＣ硬度がポー
ル部材１１２及びアーマチュア１１８を熱処理を施すこ
と、或いは硬化させることによって得ることができる。
図２のソレノイドアクチュエータ１００の作動要素が図
１の制御バルブ２６のような制御されるべき構造に組み
入れられるときに、ポール部材１１２とハウジング１２
６は、互いに固定されており、アーマチュア１１８とロ
ッド１２２は、垂直上下方向に往復運動を行う。作動時
において、アクチュエータ１００は、２つの状態、即ち
２つの位置を有しており、これら２つの位置は、アーマ
チュア１１８が物理的にポール部材１１２の下部面１２
０と接触する第一、即ち付勢位置と、アーマチュア１１
８がポール部材１１２の下部面１２０から間隔があけら
れている第二、即ち非付勢位置である。
【００１７】ソレノイド１００を付勢するために、ワイ
ヤコイル１１６は、一方向に電流を通すことによって励
磁されてアーマチュア１１８をポール部材１１２の方向
に誘引する。引力がバイアスばね１３０の反力よりも強
いときに、アーマチュア１１８は上方に動き、ポール部
材１１２の下部面１２０と接触する。このような接触が
なされた後に、ワイヤコイル１１６内の電流が遮断され
て、バイヤスばね１３０によって発生した反力を消滅さ
せ、アーマチュア１１８は、残留磁気のためにラッチさ
れたままにポール部材１１２の下部面１２０と接触す
る。ソレノイド１００を停止させるために、比較的短い
時間の間、反対方向に（ソレノイドを付勢するのに必要
とされる方向の反対）ワイヤコイル１１６内に電流を発
生させ、アーマチュアをポール部材１１２の下部面１２
０と接触させたままにする残留磁気よりも強くする。ア
ーマチュア１１８が下部面１２０から離れ始めると、ワ
イヤコイル１１６への電流が遮断されるのが好ましい。
残留磁気が強くなった後に、アーマチュア１１８はバイ
ヤスばね１３０によってポール部材１１２から離れるよ
うに引っ張られる。上述した特定の鋼を使用すること
は、次のような利点をもたらす。第一は、その鋼は、ソ
レノイドアクチュエータ１００を残留磁気によりラッチ
させることができるのに充分な磁気特性を有するという
点である。第二は、その鋼は、ポール部材１１２とアー
マチュア１１８が繰り返し接触するにもかかわらず、そ
れらが変形し、または、過度に磨耗しないように、充分
に硬いという点である。特に、第二の点は次のような利
点をもたらす。第一は、その鋼は、ソレノイドを頻繁に
付勢させることが要求されるような用途に有効であり、
アクチュエータの寿命内での多数の付勢を可能にする。
【００１８】制御バルブ２６を付勢させるためのソレノ
イドアクチュエータ１５０の第二の実施例の断面図を図
３に示す。アクチュエータ１５０は、内部に環状凹部１
５４が形成された、ほぼ円筒形の上部ポール部材１５２
を含んでいる。通電可能な巻き線、即ちワイヤコイル１
５６のような第一の電磁装置が凹部１５４内に配置され
ている。ほぼ平坦で、円筒形のアーマチュア１５８がポ
ール部材１５２の底部面１６０から離れて示されてい
る。アーマチュア１５８は、従来の手段で接続されるロ
ッド１６２によって支持されている。ソレノイドアクチ
ュエータ１５０は、内部に環状凹部１７４が形成され
た、ほぼ円筒形の下部ポール部材１７２を備えている。
巻き線、即ちワイヤコイル１７６のような第二の電磁装
置が凹部１７４内に配置されている。下部ポール部材１
７２は、上部面１７８と、ロッド１６２を貫通する中央
ボアとを有している。ポール部材１５２、１７２とアー
マチュア１５８の双方は、炭素含有量が約０．８パーセ
ントから１．０パーセントの範囲であり、ＲＣ硬度が約
４０から６０の範囲である鋼から形成されている。鋼の
炭素含有量は、約１．０パーセントであるのが好まし
く、約５９のＲＣ硬度を有するＳＡＥ５２１００鋼が適
当であることがわかった。
【００１９】作動時において、アクチュエータ１５０
は、２つの状態、即ち２つの位置を有しており、これら
は、アーマチュア１５８が物理的にポール部材１５２の
下部面１６０と接触する第一付勢位置と、アーマチュア
１５８が下部ボール部材１７２の上部面１７８と物理的
に接触する第二付勢位置である。アーマチュア１５８を
往復運動させ、これにより制御バルブ２６を開閉するよ
うにするワイヤコイル１５６、１７６を励磁する一つの
手段を以下に述べる。他の励磁方法を用いることがで
き、詳細な励磁方法は、本発明に重要ではないと考えら
れる。ソレノイド１５０を付勢して第一の付勢位置（ソ
レノイドがラッチされない非付勢位置）を占めるよう
に、ワイヤコイル１５６は、一方向を流れる電流によっ
て電気的に励磁され、アーマチュア１５８を上部ポール
部材１５２の方向に引っ張るようにする。アーマチュア
１５８が上部ポール部材１５２の下部面１６０と接触す
ると、ワイヤコイル１５６内の電流が遮断され、残留磁
気のためにラッチされたままとなり上部ポール部材１５
２の下部面１６０と接触する。ソレノイド１５０を付勢
して第二の付勢位置を占める（第一付勢位置から）よう
に、ワイヤコイル１７６は、一方向に電流が流れること
によって電気的に励磁されて、アーマチュア１５８を下
部ポール部材１７２の上部面１７８の方向に引きつけ
る。アーマチュア１５８が、表面１７８と接触するとき
に、ワイヤコイル１７６内の電流が遮断され、アーマチ
ュア１５８は、残留磁気のために電磁的にラッチされた
ままであり、表面１７８と接触する。ワイヤコイル１７
６が励磁されるのとほぼ同時に、例えば１ミリ秒以下の
かなり短い時間の間、反対方向（アーマチュア１５８を
表面１６０の方向に動かすのに要求される方向と反対）
にワイヤコイル１５６内に電流が任意的に発生し、ラッ
チしたり、或いはアーマチュア１５８が表面１６０と接
触するように維持する残留磁気よりも強くなる。
【００２０】好ましい鋼から形成されたソレノイドアク
チュエータ要素は、熱処理工程を受けて、所望の正確な
ラッチ力を達成することができる。好ましい鋼の硬度と
この鋼の電流特性の間にはある関係がある。好ましい鋼
の硬度が増大するにつれて、電磁特性は、鋼内に誘起さ
れることのできる残留磁気量が増大するように変化す
る。この結果、ラッチ力も増大する。図４は、ＳＡＥ５
２１００鋼のＲＣ硬度と、結果的に得られるラッチ力と
引張力との間の一般的な関係を表しており。電磁力の相
対的な割合として表されている。鋼のＲＣ硬度が増大す
るにつれて相対的なラッチ力（実線で表す）が増大する
ことがわかる。ＲＣ硬度とラッチ力の間の関係は、ほぼ
直線的であるように示されているが、図４におけるグラ
フは、近似的なものであり、この関係は、線形である必
要はない。ＳＡＥ５２１００の硬度とラッチ力との正確
な関係は、本発明に係る他の鋼と同様に、段階的に異な
る硬度を有する好ましい鋼の複数のサンプルを準備し、
各鋼のサンプルごとに生じるラッチ力を計測することに
よって経験的に決定することができる。各鋼サンプルご
との計測されたラッチ力は図４に示したようにグラフ的
にプロットすることができる。
【００２１】図４は、ＳＡＥ５２１００鋼の引張力（点
線で表す）とＲＣ硬度との間の一般的な関係を示してい
る。引張力は、ワイヤコイルの励磁のためにバルブ要素
アーマチュアにかけられた引力である。好ましい鋼の硬
度と相対的な引張力との間の正確な関係も上述したのと
同じ方法で、経験的に決定することができる。上述した
２つの実施例のアーマチュアとポール部材は次の方法に
従って製造することができる。第一に、ソレノイドアク
チュエータの所望のラッチ力は、ポール部材と物理的に
接触するアーマチュアの表面積とソレノイドアクチュエ
ータに用いられるワイヤコイルのアンプターンの数のよ
うな典型的な因数に基づいて従来の方法で決定される。
所望のラッチ力が決定された後、硬度とラッチ力との既
知の関係に基づいて、アーマチュアとポール部材との対
応する硬度はいくつであるべきかを決定し、この硬度を
得るためにアーマチュアとポール部材とを熱処理を行う
ことによってラッチ力が得られる。例えば、図４に示し
たラッチ力のグラフを用いて、所望のラッチ力が相対的
な磁力の４５パーセントに相当する場合には、対応する
ＲＣ硬度は、約５４であることがわかる。このように、
所望のラッチ力を達成するために、アーマチュアとポー
ル部材は、熱処理されるか、或いは最終的なＲＣ硬度５
４を達成するように硬化される。
【００２２】ソレノイドアクチュエータのアーマチュア
とポール部材を製造する方法において、これらの要素
は、これらを製造することによるような従来の方法を用
いて鋼から形成され、次いで熱処理のような硬化加工を
受けて所望の硬度を達成し、その結果所望のラッチ力を
達成することになる。熱処理工程において、アーマチュ
アとポール部材は、まず８４３°Ｃ（華氏１、５５０
°）のような第一のかなり高温度にまで温度を上昇さ
せ、オイルバスのような攪拌用バス内においてこれらを
冷却することによって硬化される。この硬化段階の結果
として、アーマチュアとポール部材の最初の硬度は、Ｒ
Ｃ硬度が約６５のようにかなり高い値である。硬化段階
の後、アーマチュアとポール部材は、焼き戻し段階が行
われる。この段階において、要素の温度を、初期の硬化
段階において用いられた高温よりも低い２００°Ｃ（華
氏４００°）のような第二の温度にまで上昇させる。公
知のように、要素が焼き戻し段階において上昇した温度
は、達成されるべき最終の硬度に依る。次いで、要素
は、空気冷却のように冷却される。焼き戻し段階を行っ
た結果として、アーマチュアとポール部材の硬度がＲＣ
硬度５９のようなより低い値にまで減少される。上述し
た２つの温度（２００°Ｃと８４３°Ｃ）を用いること
によって、約５９のＲＣ硬度を有する要素を形成する。
【００２３】上述した熱処理工程において、アーマチュ
アとポール部材の全表面は、熱処理を受け、硬化されて
焼き戻しされる。アーマチュアとポール部材を形成する
好ましい鋼は、比較的硬いという事実にもかかわらず充
分な残留磁気を形成しているので、アーマチュア、また
はポール部材の一つかそれ以上を選択的にマスクした
り、カバーしたりする必要がなく、表面が硬化されるの
を防ぐ。上述した熱処理段階において（従来の方法によ
うに）、相対的に多数のアーマチュアとポール部材が共
に同時に加熱されて冷却され、工程のエネルギー効率を
最高にするのが好ましい。例えば温度、時間、期間、加
熱方法、冷却方法等の、ソレノイド要素が熱処理される
詳細な方法は、本発明にとっては重要ではない。熱処理
技術における当業者であれば、所望の硬度を達成するた
めに鋼成分をいかに処理するかわかるであろう。上述し
た熱処理手順は、本質的に新規的なものではなく、ソレ
ノイドアクチュエータのためのアーマチュアとポール部
材の他に様々な要素に従前より用いられてきた。前述し
たように、ソレノイドアクチュエータと、このアクチュ
エータのアーマチュアとポール部材を製造する方法は、
産業において多くの用途を有しており、これらの用途に
は、バルブ用のソレノイドアクチュエータの利用のよう
な用途、より詳細には燃料噴射システム内のバルブアク
チュエータに用いるような用途を含んでいる。このよう
な燃料噴射器は、例えば、油圧作動式電子制御式燃料噴
射器、或いは機械作動式電子制御式燃料噴射システムを
含んでいる。
【００２４】本発明の変形例と他の実施例が前述の記載
において当業者には明白であろう。この記載は、例示的
なものとして構成されており、本発明を実施するのに最
良の形態を当業者に示唆することを目的としている。構
造と方法の詳細な説明は、本発明の精神から逸脱するこ
となく実質的に変更され、請求の範囲の範囲内に合う全
ての変更例の限られた使用が残されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する電子制御バルブを備えた燃料噴
射器を有する機械作動型電子制御式ユニット噴射燃料シ
ステムを示す線図である。
【図２】図１の電子制御バルブのアクチュエータの一実
施例の断面図である。
【図３】図１の電子制御バルブのアクチュエータの第二
の実施例の断面図である。
【図４】相対的なソレノイドラッチ力及び引張力とＳＡ
Ｅ５２１００鋼の硬度との関係を表すグラフである。
【符号】
１０ 機械付勢型電子制御式ユニット噴射器燃料システ
ム １２ エンジンピストン １４ エンジンクランク １６ エンジンシリンダ ２０ 燃料噴射器 ２２ 燃料噴射本体 ２４ ポンプ組立体 ２６ 制御バルブ ２８ ノズルバルブ ３０ ノズル先端 ３２ 燃料入口 ３４、５６、６０ 燃料通路 ３６ リザーバ ４０、４２ 燃料フィルタ ４４ 搬送ポンプ ４８ プランジャ ５０ エンジンカム ５２ ロッカーアーム ６２ 燃料出口 １００、１５０ ソレノイドアクチュエータ １１２ ポール部材 １１４ 環状凹部 １１６、１５６ ワイヤコイル １１８、１５８、１７６ アーマチュア １２０ 底部面 １２２ ロッド １２４ ディスク １２６ ハウジング部材 １５２ 上部ポール部材 １６０ 下部面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドゥウェイン イー タープ アメリカ合衆国 イリノイ州 61615 ピ オーリア イースト ブルックヴィュー レーン 1144

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ポール部材と、これに対応するアーマチ
    ュアとを有し、永久磁石なしに前記ポール部材と前記ア
    ーマチュアとの間の残留磁気によってラッチ可能なソレ
    ノイドアクチュエータにおいて、 炭素含有量が約０．８パーセントから１．２パーセント
    で、ＲＣ硬度が約４０から６０の鋼からなるポール部材
    と、 該ポール部材に対応する電気的に励磁可能な電磁装置
    と、 炭素含有量が約０．８パーセントから１．２パーセント
    で、ＲＣ硬度が約４０から６０の鋼からなる、前記ポー
    ル部材に対応するアーマチュアと、を備え、該アーマチ
    ュアは、これが前記ポール部材と物理的に接触する第一
    位置と、前記アーマチュアが前記ポール部材と離れてい
    る第二位置との間を往復可能であり、前記電磁装置が電
    気的に励磁されると前記第一位置を占め、前記電磁装置
    が電気的に停止されると前記第二位置を占めるようにな
    っており、さらに前記電磁装置が最初に電気的に励磁さ
    れた後、電気的に停止されたときに、前記ポール部材と
    前記アーマチュアとの間の残留磁気によって前記第一位
    置に保持されるようになっていることを特徴とするソレ
    ノイドアクチュエータ。
  2. 【請求項２】 前記アーマチュアは、炭素含有量が約１
    パーセントの鋼からなることを特徴とする請求項１に記
    載のソレノイドアクチュエータ。
  3. 【請求項３】 前記アーマチュアは、ＳＡＥ５２１００
    鋼からなることを特徴とする請求項１に記載のソレノイ
    ドアクチュエータ。
  4. 【請求項４】 前記ポール部材は、炭素含有量が約１パ
    ーセントの鋼からなることを特徴とする請求項１に記載
    のソレノイドアクチュエータ。
  5. 【請求項５】 前記ポール部材は、ＳＡＥ５２１００鋼
    からなることを特徴とする請求項１に記載のソレノイド
    アクチュエータ。
  6. 【請求項６】 前記ポール部材と前記アーマチュアは、
    ＳＡＥ５２１００鋼からなることを特徴とする請求項１
    に記載のソレノイドアクチュエータ。
  7. 【請求項７】 前記ポール部材は、円筒形状であること
    を特徴とする請求項６に記載のソレノイドアクチュエー
    タ。
  8. 【請求項８】 前記ポール部材は、内部に環状凹部を有
    しており、前記電磁装置は、前記環状凹部内に配置され
    ていることを特徴とする請求項７に記載のソレノイドア
    クチュエータ。
  9. 【請求項９】 前記アーマチュアは、円筒形状であるこ
    とを特徴とする請求項７に記載のソレノイドアクチュエ
    ータ。
  10. 【請求項１０】 前記アーマチュアの直径は、前記ポー
    ル部材の直径にほぼ等しいことを特徴とする請求項９に
    記載のソレノイドアクチュエータ。
  11. 【請求項１１】 前記アーマチュアに作動的に結合され
    て前記アーマチュアを前記第二の位置に付勢するばねを
    有していることを特徴とする請求項９に記載のソレノイ
    ドアクチュエータ。
  12. 【請求項１２】 一対のポール部材と、これに対応する
    アーマチュアとを有し、永久磁石なしに前記ポール部材
    と前記アーマチュアとの間の残留磁気によってラッチ可
    能なソレノイドアクチュエータにおいて、 炭素含有量が約０．８パーセントから１．２パーセント
    で、ＲＣ硬度が約４０から６０の鋼からなる第一ポール
    部材と、 該第一ポール部材と対応する電気的に励磁可能な第一の
    電磁装置と、 炭素含有量が約０．８パーセントから１．２パーセント
    で、ＲＣ硬度が約４０から６０の鋼からなる第二ポール
    部材と、 該第二ポール部材に対応する電気的に励磁可能な第二の
    電磁装置と、 炭素含有量が約０．８パーセントから１．２パーセント
    で、ＲＣ硬度が約４０から６０の鋼からなる、前記第一
    及び第二ポール部材に対応するアーマチュアと、を備
    え、該アーマチュアは、これが前記第一ポール部材と物
    理的に接触する第一位置と、前記アーマチュアが前記第
    二ポール部材と物理的に接触する第二位置との間を往復
    可能であり、前記第一電磁装置が電気的に励磁されたと
    きに前記第一位置を占め、前記第二電磁装置が電気的に
    励磁されたときに前記第二位置を占めるようになってお
    り、更に前記第一電磁装置が最初に電気的に励磁された
    後、電気的に停止されたときに、前記第一ポール部材と
    前記アーマチュアとの間の残留磁気によって前記第一位
    置内に保持され、かつ前記第二電磁装置が最初に電気的
    に励磁された後、電気的に停止されたときに、前記第二
    ポール部材と前記アーマチュアとの間の残留磁気によっ
    て前記第二位置内に保持されるようになっていることを
    特徴とするソレノイドアクチュエータ。
  13. 【請求項１３】 前記第一及び第二ポール部材は、円筒
    形状であることを特徴とする請求項１２に記載のソレノ
    イドアクチュエータ。
  14. 【請求項１４】 前記第一及び第二ポール部材のそれぞ
    れは、内部に形成された環状凹部を有しており、前記第
    一電磁装置は、前記第一ポール部材内に形成された環状
    凹部内に配置されており、前記第二電磁装置は、前記第
    二ポール部材内に形成された環状凹部内に配置されてい
    ることを特徴とする請求項１３に記載のソレノイドアク
    チュエータ。
  15. 【請求項１５】 前記アーマチュアは、円筒形状である
    ことを特徴とする請求項１４に記載のソレノイドアクチ
    ュエータ。
  16. 【請求項１６】 前記第一及び第二ポール部材の直径
    は、ほぼ等しく、前記アーマチュアの直径は、前記ポー
    ル部材の直径にほぼ等しいことを特徴とする請求項１５
    に記載のソレノイドアクチュエータ。
  17. 【請求項１７】 燃料噴射本体と、 該燃料噴射本体内に配置されたノズルと、 前記ノズルによって燃料を周期的に噴射させる噴射手段
    と、 前記ノズルによって燃料を噴射させる第一位置と、前記
    ノズルによって燃料が噴射されない第二位置とを有し、
    バルブアクチュエータを備えるようになっている、前記
    噴射本体内に配置されて前記噴射手段に作動的に結合さ
    れた電磁制御バルブと、を備え、 前記バルブアクチュエータは、炭素含有量が約０．８パ
    ーセントから１．２パーセントで、ＲＣ硬度が約４０か
    ら６０の鋼からなるポール部材と、該ポール部材に対応
    した電気的に励磁可能な電磁装置と、炭素含有量が約
    ０．８パーセントから１．２パーセントで、ＲＣ硬度が
    約４０から６０の鋼からなる、前記ポール部材に対応す
    るアーマチュアとを備えていることを特徴とする電子的
    に制御される燃料噴射器。
  18. 【請求項１８】 （ａ）鋼から前記ポール部材を形成
    し、 （ｂ）鋼から前記アーマチュアを形成し、 （ｃ）前記ソレノイドアクチュエータのためのラッチ力
    を選択し、 （ｄ）該選択されたラッチ力に基づいて前記ポール部材
    と前記アクチュエータの硬度はどれだけであるべきかを
    決定し、 （ｅ）前記ポール部材と前記アーマチュアを熱処理して
    前記段階（ｄ）で決定された前記硬度を達成する、 段階からなる、選択されたラッチ力を有するラッチ式ソ
    レノイドアクチュエータのためのポール部材とアーマチ
    ュアを製造する方法。
  19. 【請求項１９】 前記段階（ｅ）は、 （ｅ１）前記ポール部材と前記アーマチュアとを第一温
    度に加熱し、 （ｅ２）前記ポール部材と前記アーマチュアとを冷却
    し、 （ｅ３）前記ポール部材と前記アーマチュアとを前記第
    一温度よりも低い第二温度に加熱し、 （ｅ４）前記ポール部材と前記アーマチュアとを冷却す
    る、 段階からなることを特徴とする請求項１８に記載の方
    法。
  20. 【請求項２０】 （ａ）前記ポール部材を炭素含有量が
    約０．８パーセントから１．２パーセントで、ＲＣ硬度
    が約４０から６０の鋼から形成し、 （ｂ）前記アーマチュアを炭素含有量が約０．８パーセ
    ントから１．２パーセントで、ＲＣ硬度が約４０から６
    ０の鋼から形成し、 （ｃ）前記ソレノイドアクチュエータのためのラッチ力
    を選択し、 （ｄ）該選択されたラッチ力に基づいて前記ポール部材
    と前記アクチュエータの硬度はどれだけであるべきかを
    決定し、 （ｅ）前記ポール部材と前記アーマチュアを熱処理して
    前記段階（ｄ）で決定された前記硬度を達成する、 段階からなる、選択されたラッチ力を有するラッチ式ソ
    レノイドアクチュエータのためのポール部材とアーマチ
    ュアを製造する方法。
JP7118283A 1994-05-20 1995-05-17 燃料噴射器の硬磁性バルブアクチュエータ Pending JPH07317626A (ja)

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