KR20010062294A - 전자액추에이터 및 내연기관용 밸브개폐기구 - Google Patents

전자액추에이터 및 내연기관용 밸브개폐기구 Download PDF

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KR20010062294A
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오야마히토시
니시오카타카오
마쯔누마켄지
오오하라히사노리
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오카야마 노리오
스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 주로 자동차용 내연기관에 사용되는 전자액추에이터 및 밸브개폐기구에 관한 것으로서, 밸브개폐기구를 구성하는 각부품의 슬라이드마찰을 저감시키는 것을 과제로 한 것이며, 그 해결수단에 있어서 1쌍의 전자석(6),(7)의 틈새S에 배치되는 전기자(armature)(3)및 이 전기자(3)의 이동을 외부에 전달하는 제 1스템(15)로 구성되는 전자액추에이터(14)에 의해 흡배기포트(25),(26)을 개폐하는 밸브(9)를 구동시키는 내연기관용 밸브개폐기구에 있어서, 밸브(9)에 리테이너(13) 및 제 1리턴스프링(2)를 장착하고, 제 2스템(14)를 제 1스템(15)를 형성한 전기자(3)의 면과 반대쪽의 면에 붙이는 동시에, 리테이너(13') 및 제 2리턴스프링(1)을 장착하고, 밸브(9)의 스템부분(16)의 표면 혹은 끝면, 제 2리턴스프링(1) 혹은 제 1리턴스프링(2)의 끝면, 리테이너(13) 혹은 (13')의 스프링받침끝면, 제 1스템(15)의 표면 혹은 끝면, 제 2스템(14)의 표면 혹은 끝면, 또는 전기자(3)의 표면중의 1개 또는 2개이상으로 슬라이드막을 형성한 것을 특징으로 한 것이다.

Description

전자액추에이터 및 내연기관용 밸브개폐기구{electromagnetic actuator and valve opening/colsing mechanism for internal-combustion engine}
본 발명은, 주로 자동차용 내연기관에 사용되는 전자액추에이터 및 밸브개폐기구에 관한 것이다.
자동차용 내연기관으로 검토되고 있는 종래의 전자액추에이터작동의 밸브개폐기구는, 예를 들면 일본국 특개평 11-93629호 공보에 표시되고, 본 발명의 일실시예를 표시한 도 1을 참조해서 설명하면, 전자액추에이터(4)는, 스테이터(5)와 코일(18)로 구성되는 1쌍의 전자석(6),(7)을 틈새 S를 형성해서 대향시키고, 이 틈새 S에 전기자(3)을 배설하고, 상기 양 전자석(6),(7)에 의해서, 상기 전기자(3)을, 한쪽의 전자석(7)과 다른쪽의 전자석(6)의 사이에서 왕복동하게 하고, 상기전기자(3)의 다른쪽의 전자석(6)으로부터 한쪽의 전자석(7)에의 이동을 외부에 전달하기 위한 제 1스템(15)를 상기 전기자(3)의 이동쪽면에 형성한 것이다.
그 전자액추에이터(4)를 내연기관본체(19)에 고정된 하우징(8)에 수납하고, 상기 전기자(3)을 한쪽의 전자석(7)쪽으로 이동시킴으로써, 상기 제 1스템(15)가 상기 밸브(9)를 눌르고 밸브개방조작을 행하도록, 상기 전자액추에이터(4)의 제 1스템(15)선단부와 상기 밸브(9)의 선단부를 맞대고, 또, 밸브폐쇄조작을 행하기 위한 힘붙임을 상기 밸브(9)에 부여하기 위해, 상기 밸브(9)에 리테이너(13)을 부가하는 동시에, 이 리테이너(13)과 내연기관본체(19)의 사이에 제 1리턴코일스프링(2)를 장착하고, 제 2스템(14)를 상기 제 1스템(15)를 형성한 상기 전기자(3)의 면과 반대쪽면에 형성하는 동시에, 이 제 2스템(14)에 리테이너(13')을 부가하고, 그 리테이너(13')과 상기 하우징(8)의 사이에 상기 제 2스템(14)가 상기 전기자(3)을 누르는 방향의 힘붙임을 부여하는 제 2리턴코일스프링(1)을 장착하고 있다.
그런데, 이 밸브개폐기구에 있어서, 그 작동시에 직접 구동하는 부품의 중량은, 작동시의 관성중량으로서 전자액추에이터(4)의 구동전력소비에 직접 영향을 준다. 또, 상기의 각 부품은 작동시에 슬라이드마찰을 하게되나, 이 슬라이드마찰시에 발생하는 마찰은, 구동전력소비에 직접 영향을 주게된다. 통상적으로, 그 구동전력은 탑재된 배터리로부터 공급하고 있기 때문에, 전력소비량이 증가경향에 있는 오늘날의 그 전력소비량의 증대는 바람직하지 않다.
이 때문에, 전력소비량을 저감시키는데는, 각 부품의 경량화는 물론이거니와 또, 슬라이드마찰의 감소도 필요하게 된다.
그래서, 본 발명은, 밸브개폐기구를 구성하는 각 부품의 슬라이드마찰을 저감시키는 것을 목적으로 한다.
도 1은, 본 발명의 밸브개폐기구의 예를 표시한 단면도.
도 2는, 다른 밸브개폐기구의 예를 표시한 부분확대단면도.
도 3은, 밸브의 예를 표시한 정면도.
도 4(a)는, 스테이터의 예를 표시한 평면도.
도 4(b)는, (a)의 정면단면도.
도 5(a)는, 종래의 스테이터의 예를 표시한 평면도.
도 5(b)는, (a)의 정면단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 제 2리턴스프링 2: 제 1리턴스프링
3: 전기자 4: 전자액추에이터
5: 스테이터 6: 전자석
7: 전자석 8, 8a, 8b, 8c: 하우징
9: 밸브 11: 밸브가이드
12: 밸브시트 13, 13': 리테이너
14: 제 2스템 15: 제 1스템
16: 스템부분 17: 마진부
18: 코일 19: 내연기관본체
20: 볼트 21: 오목한 부분
22, 22': 안내구멍 23: 스토퍼
25: 흡기포트 26: 배기포트
27: 연소실 28, 28': 스프링받침끝면
31: 전자강철판 32: 오목한 부분
33: 안내구멍 34: 스테이터
S: 틈새
본 전자액추에이터에 관한 발명은, 스테이터(5) 및 코일(18)로 이루어진 전자석(6),(7)과, 전기자(3) 및 이 전기자(3)에 작용하는 힘을 외부의 부하에 전달하는 제 1스템(15)로 이루어진 가동자를 가지고, 상기 제 1스템(15)의 표면 혹은 끝면에 슬라이드막을 형성한 것을 특징으로 한다.
그리고, 이 액추에이터(4)를 사용한 내연기관용 밸브개폐기구를 구성할 수 있다.
이에 의해, 슬라이드마찰을 저감시켜, 내연기관용 밸브개폐기구의 구동전력소비량을 저감시키고, 이것을 자동차에 사용했을 경우, 연료소비를 저감시킬 수 있다.
또, 전자액추에이터(4)에 의해 흡배기포트(25),(26)을 개폐하는 밸브(9)를 구동하는 내연기관용 밸브개폐기구에 있어서, 상기 전자액추에이터(4)는, 스테이터(5)와 코일(18)로 구성되는 1쌍의 전자석(6),(7)을 틈새S를 형성해서 대향시키고, 이 틈새 S에 전기자(3)을 배설하고, 상기 양전자석(6),(7)에 의해서, 상기 전기자(3)을, 한쪽의 전자석(7)과 다른쪽의 전자석(6)의 사이에서 왕복동자유자재하게하고, 상기 전기자(3)의 다른쪽의 전자석(6)으로부터 한쪽의 전자석(7)에의 이동을 외부에 전달하기 위한 제 1스템(15)를 상기 전기자(3)의 이동쪽의 면에 형성한 것이며, 이 전자액추에이터(4)를 내연기관본체(19)에 고정한 하우징(8)에 수납해서, 상기 전기자(3)을 한쪽의 전자석(7)의 방향으로 이동시킴으로써, 상기 제 1스템(15)가 상기 밸브(9)를 구동시켜서 밸브개방조작을 행하도록 하는 동시에, 그 밸브(9)에 리테이너(13)을 형성하고, 이 리테이너(13)과 내연기관본체(19)의 사이에 밸브(9)를 밸브폐쇄방향으로 힘을 부여하는 제 1리턴스프링(2)를 장착하고, 제 2스템(14)를, 상기 제 1스템(15)를 형성한 상기 전기자(3)의 면과 반대쪽면에 형성하는 동시에, 이 제 2스템(14)에 리테이너(13')을 부가하고, 그 리테이너(13')과 상기 하우징(8)의 사이에, 상기 제 2스템(14)가 상기 전기자(3)을 누르는 방향으로 힘을 부여하는 제 2리턴스프링(1)을 장착하고, 상기 밸브(9)의 스템부(16)의 표면 혹은 끝면, 상기 제 2리턴스프링(1) 혹은 제 1리턴스프링(2)의 끝면, 상기 리테이너(13) 혹은 (13')의 스프링받침끝면, 상기 제 2스템(14)의 표면 혹은 끝면, 또는, 상기 전기자(3)의 표면중 1개 또는 2개이상으로 슬라이드막을 형성한 것을 특징으로 한다.
(발명의 실시의 형태)
본 발명에 관한 전자액추에이터(4)는, 도 1에 표시한 바와 같이, 1쌍의 전자석(6),(7) 및, 전기자(3) 및 제 1스템(15)로 이루어진 가동자로 형성된다.
상기 전기자(3)은, 자성재료로 구성되는 것이다. 또, 상기 전자석(6),(7)은, 스테이터(5)와 코일(18)로 구성되고, 코일(18)에 전류를 흐르게 함으로써 자장을 발생시킬 수 있다. 이 1쌍의 전자석(6),(7)을 틈새S를 형성해서 대향시키고,이 틈새S에 전기자(3)를 배설하므로, 전자석(6),(7)에 의해서 발생하는 자장에 의해서, 전자석(3)은 2개의 전자석(6),(7)을 왕복동자유자재하게한다. 이때, 전기자(3)이, 후술하는 바와 같이, 제 1스템(15) 혹은 제 2스템(14)의 적어도 1개와 접합 혹은 기계적으로 체결되는 경우는, 그 접합 혹은 기계적으로 체결된 제 1스템(15) 혹은 제 2스템(14)에 의해서, 또는, 전자석간 하우징(8c)를, 전기자(3)의 바깥둘레의 면에 빠듯하게 설치했을 경우는, 이 전자석간 하우징(8c)에 의해서, 전기자(3)을 2개의 전자석(6),(7)의 사이에서 스무스하게 왕복운동시킬 수 있다.
또, 전기자(3)은, 회전하면서 전자석(6) 또는 (7)과 접촉하는 경우가 있다. 이때, 이 전기자(3)의 표면에는, 도 1의 점모양으로 표시한 것같이, 세라믹스 슬라이드막, 탄소계 슬라이드막, 또는 복합재슬라이드막 등의 슬라이드막을 형성할 수 있다. 이에 의해, 전자석(6) 또는 (7)과의 접촉시의 마찰계수를 저감하는 것이 가능하게 된다.
상기 슬라이드막을 구성하는 재료로서는, 원소주기율표의 IVa, Va, VIa족 금속 또는 알루미늄(Al), 붕소(B), 실리콘(Si)의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물, 산탄화물, 탄산질화물, 황화물 등의 세라믹스막, 다이아몬드라이크카본막(이하, 「DLC막」이 약칭함.), 다이아막, 질화탄소막, 고정윤활재로서의 금속화합물의 분말입자를 폴리머에 분산시킨 복합재막 등을 들 수 있다.
상기 복합재막에 사용되는 금속화합물은, 고체윤활재로서의 성질을 가진 것이 필요하고, 구체적으로는, MoS2, BN, CaF2, Cr2O3, MoO3및 B2O3의 적어도 1종이 바람직하다.
또, 상기 복합재막에 사용되는 폴리머는, 금속간화합물의 분말입자를 유지하는 바인더로서의 역할을 다하는 것이 필요하며, 구체적으로는, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리4불화에틸렌, 폴리페닐렌술파이드, 및 디알릴프탈레이트수지의 적어도 1종이 바람직하다. 단, 상기이외의 폴리머의 종류에 따라서는, 금속화합물분말입자를 함유하는 복합재피막이 연질이 되고, 내마모성을 저하시키는 경우가 있으므로, 이 폴리머의 선택에는 주의를 요한다.
상기 슬라이드막의 구성으로서는, 상기의 재료중의, 어느것이든 1종의 재료를 사용한 슬라이드막, 또는 2종이상의 혼합슬라이드막, 및 상기 1종의 재료로 이루어진 슬라이드막이나 혼합슬라이드막의 적층슬라이드막을 들 수 있다.
상기 제 1스템(15)는, 전기자(3)의 다른쪽의 전자석(6)으로부터 한쪽의 전자석(7)에의 이동을 외부에 전달하기 위하여, 전기자(3)의 이동쪽의 면에 개구된 상기 한쪽의 전자석(7)의 스테이터(5)에 형성된 안내구멍(22)에 삽입해서 설치된다. 이 제 1스템(15)에 의해, 전기자(3)이 전자석(6)쪽의 위치로부터 전자석(7)쪽의 위치에의 이동이, 제 1스넴(15)의 선단부와 맞대고 있는 밸브(9)의 밀어내기에 작용하고, 내연기관의 밸브개방으로 연결된다.
상기 제 1스템(15)를 구성하는 재료로서는, 철계열 재료라도되나, 경량화를 도모하기 위해서는, 질화규소 혹은 사이알론을 주성분으로 하는 세라믹스, 분말성형법을 사용해서 알루미늄합금분말 등을 성형하고, 이어서 소결한 알루미늄합금소결재(이하, 「알루미늄합금고화재」라 칭함), 티탄합금 등을 사용할 수 있다.
상기의 질화규소 혹은 사이알론을 주성분으로 하는 세라믹스에 관해서는, 파손에 대한 신뢰성의 확보에서 질화규소 혹은 사이알론이 80중량% 이상 함유되고, 상대밀도가 95중량%이상의 소결체의 사용이 바람직하다.
또, 상기 세라믹스에는, 섬유나 위스커로 강화된 섬유강화세라믹스나 위스커강화 세라믹스가 포함된다.
상기의 분말성형법이란, 소정의 조성을 가진 알루미늄합금의 용탕을 고압의 가스분사에 의해 급냉응고분말을 작성하고, 이것을 압축분말한 다음에, 500℃정도로 가열한 후에, 열간단조하여 치밀화함과 동시에 부품화하기 위하여 형상부여하는 방법이다. 이와 같이 해서 얻게된 소정형상의 알루미늄합금고화(固化)재는, 100∼1000㎚정도의 미세한 알루미늄기결정입자로 구성되고 그 베이스에 알루미늄과 다른 원소금속과의 경질의 복합금속간결합화합물이 미세하게 석출해서 강화되어 있다. 이 치밀함의 정도는 95%이상이 바람직하다. 또, 알루미늄합금고화재로서는, 슬라이드상항하에 있어서, 내열강도를 가진 고온슬라이드부재인 것이 필요하다.
또, 상기 제 1스템(15)와 후술하는 제 2스템(14)는, 동일 재료로 구성해도 되고, 다른 재료로 구성해도 된다.
또, 상기 제 1스템(15)의 표면이나 끝면에는 도 1의 점모양으로 표시한 것같이, 세라믹스슬라이드막, 탄소계슬라이드막 또는 복합재슬라이드막 등의 슬라이드막을 형성할 수 있다. 상기 제 1스템(15)의 표면에 상기 슬라이드막을 형성함으로써, 상기 제 1스템(15)가 스테이터(5)의 안내구멍(22)에서 구동할 때의 슬라이드면에서의 운동마찰계수나 녹아붙음성의 저감이 도모되어, 슬라이드에 의한 에너지손실을 경감시키는 것이 가능하게 된다. 또, 상기 제 1스템(15)의 끝면에 상기 슬라이드막을 형성하면, 전기자(3)이나 밸브(9)의 스템부(16)끝면과 회전하면서 접촉할때에, 생기는 마찰계수를 저감할 수 있어, 에너지손실을 경감하는 것이 가능하게 된다.
상기 슬라이드막을 구성하는 재료로서는, 원소주기율표의 IVa, Va, VIa족 금속 또는 알루미늄(Al), 붕소(B), 실리콘(Si)의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물, 산탄화물, 탄산질화물, 황화물 등의 세라믹스막, 다이아몬드라이크카본막(이하 「DCL」이라 칭함), 다이아몬드막, 질화탄소막, 고정윤활재로서의 금속화합물의 분말입자를 폴리머에 분산시킨 복합재막 등을 들 수 있다.
상기 복합재막에 사용되는 금속화합물은, 고체윤활재로서의 성질을 가진 것이 필요하면, 구체적으로는, MoS2, BN, CaF2, Cr2O3, MoO3, 및 B2O3의 적어도 1종이 바람직하다.
상기 복합재막에 사용되는 폴리머는, 금속간화합물의 분말입자를 유지하는 바인더로서의 역할을 다하는 것이 필요하며, 구체적으로는, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리4플루오르에틸렌, 폴리페닐렌술파이드, 및 디알릴프탈레이트수지의 적어도 1종이 바람직하다. 단, 상기이외의 폴리머의 종류에 따라서는, 금속화합물분말입자를 함유하는 복합재피막이 연질이 되고, 내마모성을 저하시키는 경우가 있으므로, 이 폴리머의 선택에는 주의를 요한다.
상기 슬라이드막의 구성으로서는, 상기의 재료중, 어느것이든 1종의 재료를 사용한 슬라이드막, 또는 2종이상의 혼합슬라이드막, 및, 상기 1종의 재료로 이루어진 슬라이드막이나 혼합슬라이드막의 적층슬라이드막을 들 수 있다. 이들의 슬라이드막을 형성함으로써, 상기 제 1스템(15)가 스테이터(5)의 안내구멍(22)에서 구동할 때의 슬라이드면으로의 윤활오일의 강제적인 공급이 불필요하게 되어 액추에이터의 고장을 억제하는 일이 가능하게 된다.
상기의 전기자(3)은, 필요에 따라서, 상기 제 1스템(15) 또는 후술하는 제 2스템(14)의 한쪽 또는 양쪽과 접합 또는 기게적으로 체결해도 된다. 이와 같이 하면, 전기자(3)의 전자석(6),(7)사이의 왕복운동을 안내할 수 있다.
상기 전기자(3)과 접합 또는 기계적 체결을 하는 상기 제 1스템(15) 또는 후술하는 제 2스템(14)로서, 전기자(3)보다 비중이 작은 재료를 사용한 스템을 선택하면, 전기자(3)과 동일 종류의 재료를 사용한 스템을 사용해서 일체적인 구동용 부재를 구성하는 것보다도 경량화가 도모된다.
상기 접합 또는 기계적 체결로서는, 접합제에 의한 접착이나 소정의 가열접합, 압접 등의 화학적접합, 코오킹이나 수축끼워맞춤, 팽창끼워맞춤 등의 기계적체결등을 들 수 있다. 또, 탈착에 대한 신뢰성을 확보하기 위해, 스템원둘레방향으로 오목한 홈부분을 형성하고, 여기에 전기자(3)을 끼워넣은 리테이너부품을 사용한 접합수단을 채용할 수 있다. 여기서, 전기자(3)보다도 비중이 작은 재료로서는, 상기의 질화규소 혹은 사이알론을 주성분으로하는 세라믹스, 분말성형법에 의한 알루미늄소결재, 또는 티탄합금을 들 수 있다.
상기 스테이터(5)는, 철계열재료를 기계가공해서 제조해도 되나, 철계열분말을 분말성형법에 의해서 성형함으로써 제조해도 된다. 구체적으로는, 상기 철계열분말을 냉간금형 프레스성형법, 온간금형프레스성형법 또는 사출성형법의 어느 하나의 방법에 의해 성형함으로써, 제조할 수 있다.
이에 대해, 종래의 전자석은, 도 5에 표시한 바와 같이, 전자(電磁)구리판(31) 등을 넣은 오목부분(32)나, 안내구멍(33) 등을 기계가공에 의해 형성된 스테이터(34)에 코일을 감은 구조를 취함으로써, 전자석으로서는, 체적이 큰 것으로 되어, 절삭 등의 기계가공이 필요하게 된다.
이 때문에, 상기의 분말성형법에 의해서 성형하는 방법을 채용함으로써, 도 4에 표시한 것 같이, 오목부분(21)이나 안내구멍(22)를 정밀도있게 성형할 수 있어, 성형후의 기계가공을 생략할 수 있는 이점이 있다. 또, 종래의 스테이터(34)에 비해서, 각별하게 체적을 작게구성하는 것이 가능하게 되고, 또 미리 형성한 코일을 당해 오목부분에 장착하는 것이 가능하게 되어, 매우 공수가 적은 양산성에 만족스러운 제조가 가능하게 된다.
특히, 얻게된 성형체의 밀도를 높이고, 종래의 전자석과 동일한 자속밀도를 얻고, 또한, 보다 콤백트하게 스테이터(5)를 성형하기 위해서는, 온간에서의 프레스성형이나 사출성형이 보다 유리하다.
상기 분말성형에 사용되는 철계열분말은, 통상적인 철계열분말으로도 되나, 철산화피막 또는 피복수지막을 가진 철계열분말이 바람직하다. 이들의 철계열분말을 사용해서 분말성형하면, 얻게된 스테이터(5)의 구성성분으로서, 상기 철산화피막 또는 피복수지막의 일부 또는 전부가 잔류한다. 이 때문에, 스케일이 없는 금속에서는 생기기 쉬운 와전류의 발생이 억제되어, 낮은 철손실의 스테이터를 얻을 수 있다. 이 때문에, 스테이터(5)를 보다 콤백트하게 구성할 수 있게 된다. 상기 철산화피막이란, 철계열분말의 표면을 산화시킴으로써 형성되는 피막을 말한다. 또, 상기 피복수지막이란, 열가소성수지나, 열경화성수지를 철계열분말의 표면에 도포, 침지, 증착 등을 행하고, 철계열분말의 표면에 형성시킨 수지피막을 말한다.
이 때문에, 이 스테이터(5)를 사용한 전자석은, 상기의 체적감소의 효과에 의해, 후술하는 하우징(8)을 포함한 구성부품의 체적감도에도 연결되어 중량경감을 도모할 수 있게 된다.
또, 종래는 스테이터(34)의 안내구멍(33)에 스템을 통과시킬 경우, 소정의 프레인베어링을 장착할 필요가 있었던데에 대해, 상기 스테이터(5)를 사용하면, 성형체표면의 평활성이나 치수정밀도가 확보됨으로, 프레인베어링을 설치할 필요가 없고, 안내구멍(22)에 제 1스템(15) 또는 제 2스템(14)를 삽입하고, 그리고, 이들을 직접 슬라이드시키는 것이 가능하게 되어, 부품점수의 경감이 중량저감 및 양산성에 연결된다.
상기 코일(18)은, 철계열재료로 형성해도 되나, 알루미늄금속이나 알루미늄합금 등의 알루미늄을 주성분으로 하는 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 이에 의해 코일(18)의 경량화를 도모할 수 있다. 이 코일(18)로서는, JIS H 4000에 규정되어 있는 1000계열이나 6000계열의 알루미늄합금을 사용할 수 있다. 또, 코일(18)의 피복재로서는, 필요한 내열성에 따라 상이하나, 180℃이상의 내열성이 바람직하고, 에스테르이미드나 폴리이미드, 폴리아미드이미드 등을 들 수 있다.
다음에, 본 발명에 관한 내연기관용 밸브개페기구는, 상기 전자액추에이터(4)와, 이 전자액추에이터(4)에 의해 흡배기포트를 개폐하는 밸브(9), 하우징(8), 및 제 2스템(14)로 구성된다.
상기의 전자액추에이터(4)는, 하우징(8)에 수납되고, 이 하우징(8)을 고정부재(20)에 의해서 내연기관본체(19)에 장착된다.
이 하우징(8)은, 도 1에 표시한 바와 같이, 전자석(6),(7)의 바깥둘레면을 덮는 하우징(8a), 전자석(6),(7)의 상단부를 덮는 하우징(8b), 2개의 전자석(6),(7)의 틈새를 유지하기 위한 전자석간 하우징(8c)의 조합으로 구성되나, 하우징(8)로서는, 상기 3개의 부재로구성되는 것에 한정되는 것은 아니고, 본 발명에 관한 내연기관용 밸브개폐기구의 조립조건 등에 따라서 임의의 부재로 구성할 수 있다.
상기 하우징(8)을 형성하는 재료로서는, 철계열재료로서 되나, 금속다공체로 이루어진 골재에 금속재료를 함침시킨 함침복합재료가 바람직하다. 이 재료를 사용함으로써, 강도가 높은 하우징(8)이 얻게되고, 또, 하우징(8)의 두께가 얇으며, 콤팩트화가 가능해진다. 이 때문에, 중량경감으로 연결할 수 있다.
상기 금속다공체는, 발포수지에 흑연 등으로, 도전처리를 한 후에 전기도금하고, 열처리해서 발포수지를 제거해서 얻는 방법, 발포수지에 금속·수지슬러리를 함침시켜서 건조하고, 이어서 열처리해서 발포수지를 제거해서 얻는 방법 등에 의해서 제조할 수 있다.
상기 금속다공체로서는, Fe, Cr, Ni 등을 함유한 고강도의 합금재료가 바람직하고, 또 그 체적율은, 필요로 하는 강도나 중량 등에 따라 변화하나, 3%∼20%범위내인 것이 바람직하다.
상기의 금속다공체로 이루어진 골재에 함침시키는 금속재료로서는, 알루미늄금속이나 알루미늄합금 등의 알루미늄을 주성분으로 하는 재료, 마그네슘금속이나 마그네슘합금 등의 마그네슘을 주성분으로 하는 재료, 또는 발포알루미늄으로부터 선택되는 어느 것이든 1개 또는 2개이상을 들 수 있다.
상기의 금속다공체로 이루어진 골재에 금속재료를 함침시켜서 함침복합화하는 방법으로서는, 다이캐스팅, 용탕단조 등의 고압주조법이나, 수 ㎫이하의 저압에서의 함침주조법도 사용할 수 있다. 이것은 금속다공체의 셀구멍직경이 0.1㎜∼1㎜정도로 비교적 큰사이즈인 것과, 모든 셀이 연이어 통한 개방셀 구조를 가졌기 때문이다.
상기 발포알루미늄란, 알루미늄금속이나 알루미늄-칼슘합금 등의 알루미늄합금을 용융시키고, 이것에 수소화티타늄이나 수소화지르코늄 등의 발포제를 가하고, 이 발포제의 분해에 의해서 발포를 생기게해서 얻게된 발포상태의 알루미늄금속 또는 알루미늄합금을 말한다.
이와 같이 해서 얻게된 함침복합재료는, 상기 금속재료로서, 알루미늄계열재료나 마그네슘계열재료를 사용하면, 전체로서 중량을 경감할 수 있어, 하우징(8)자체의 중량경감을 도모할 수 있다.
상기 고정부재(20)은, 도 1에 표시한 바와 같이, 일반적으로 볼트가 사용된다. 이 고정부재(20)의 재료로서는, 철계열재료를 사용할 수 있으나, 알루미늄금속이나 알루미늄합금 등의 알루미늄을 주성분으로하는 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
고정부재(20)으로서 상기의 알루미늄을 주성분으로하는 재료를 사용함으로써, 경량화가 도모된다. 또, 고정부재(20)으로서 상기의 알루미늄을 주성분으로 하는 재료를 사용하는 것은, 이 하우징(8)을 장착하는 내연기관본체(19), 예를 들면 엔진헤드 등은, 알루미늄 계열재료로 만들어지고 있기 때문에, 결합시 및 동작시에 온도변화가 발생했을 때의 열팽창계수의 차이에 의해 여분의 응력발생을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다. 상기 고정부재(20)을 구성하는 재료의 구체적예로서는, JIS H 4000에 규정된 재료가 좋으며, 인장강도의 점에서는 4000, 5000, 6000, 7000계열이 바람직하다.
상기 내연기관본체(19)에는, 이 내연기관의 흡기포트(25) 또는 배기포트(26)와 연소실(27)을 도통 또는 차단하기 위한 밸브(9)가 설치되어 있다.
이 밸브(9)는, 밸브를 구성하는 마진부(17)과, 축을 구성하는 스템부분(16)으로 형성된다. 이 밸브(9)를 구성하는 재료는, 철계열재료로서도 되나, 적어도, 마진부(17)이 내열성을 가진 재료이면 된다. 그 구성으로서는, 도 1에 표시한 것 같이, 스템부분(16)과 마진부부(17)을 동일재료로 구성하는 것, 예를 들면, 양쪽 다같이 질화규소 혹은 사이알론을 주성분으로하는 세라믹스를 사용한 것이나, 도 3에 표시한 것같이, 스템부분(16)과 마진부(17)을 상이한 재질로 구성하는 것, 예를 들면, 스템부분(16)으로서, 상기 알루미늄합금고화재를 사용하여, 마진부(17)로서 내열강합금을 사용한 것을 들 수 있다. 이들 재료를 사용함으로써, 밸브를 구성하는 마진부(17)의 내열성을 유지하는 동시에, 경량화에 기여할 수 있다.
상기 내열강합금으로서는, JIS, SUH3(Fe-11중량%, Cr-2중량%, Si-1중량%, Mo-0.6중량%, Mn-0.4중량%C) 등을 예로서 들 수 있다.
상기 질화규소 혹은 사이알론을 주성분으로 하는 세라믹스에 관해서는, 파손에 대한 신뢰성의 확보에서 질화규소 혹은 사이알론이 80중량%이상 함유되고, 상대밀도가 95중량%이상의 소결체의 사용이 바람직하다.
상기 세라믹스에는, 섬유나 위스커에 의해 강화된 섬유강화세라믹스나 위스커강화세라믹스가 함유된다.
또, 알루미늄합금고화재는, 슬라이드상항하에 있어서의 내열강도를 가지므로, 미세한 알루미늄기 결정입자내에, 동일한 정도로 미세한 금속간 화합물이 석출해서 내열강화된 합금설계를 가지고, 또한 치밀체인것이 요망된다. 이와 같은 예로서는, Al-17중량% Si-1.5중량% Zr-1.5% Ni-2% Fe-5% Mm을 들 수 있다. 여기서, 「Mm」이란, 미시메탈, 즉, 란탄이나 세륨 등의 희토류원소에 의해 주로 구성된 복합금속을 말한다.
스템부분(16)으로서, 상기 알루미늄합금고화재를 사용하고, 마진부(17)로서, 내열강합금을 사용하는 경우, 이들은 열압착 등에 의해서 접합할 수 있다.
이와 같이, 스템부분(16)과 마진부(17)을 달리하는 재료로 제조해서 접합하는 방법에 의해, 밸브의 대부분을 알루미늄합금화해서 경량화를 도모할 수 있고, 연속에 노출되어, 고온이 되는 부위를 선택적으로 강화하는 것이 가능하게 된다.
또, 상기 밸브(9)는, 특히 스템부분(16)의 표면 또는 끝면에는, 도 1 이나도 3의 점모양으로 표시한 것같이, 세라믹스슬라이드막, 탄소계열슬라이드막, 또는 복합재슬라이드막 등의 슬라이드막을 형성할 수 있다. 상기 밸브(9), 특히 스템부분(16)의 표면에 상기 슬라이드막을 형성함으로써, 밸브(9)의 구동할때의 후술하는 밸브가이드(11)과의 슬라이드면에서의 구동마찰계수나 녹아붙음성의 저감이 도모되어, 슬라이드에 의한 에너지손실을 경감시키는 일이 가능하게 된다. 또, 상기 밸브(9)의 스템부분(16)의 끝면에 상기 슬라이드막을 형성하면, 제 1스템(15)의 끝면과 회전하면서 접촉할때, 생기는 마찰계수를 저감할 수 있어, 에너지손실을 경감하는 것이 가능해진다.
상기 슬라이드막을 구성하는 재료로서는, 원소주기율표의 IVa, Va, VIa족 금속 또는 알루미늄(Al), 붕소(B), 실리콘(Si)의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물, 산탄화물, 탄산질화물, 황화물 등의 세라믹스막, 다이아몬드라이크카본막(이하, 「DLC막」으로 약칭한다), 다이아몬드막, 질화탄소막, 고정윤활재로서의 금속화합물의 분말입자를 폴리머에 분산시킨 복합재막 등을 들 수 있다.
상기 복합재막에 사용되는 금속화합물은, 고체윤활재로서의 성질을 가진 것이 필요하며, 구체적으로는, MoS2, BN, CaF2, Cr2O3, MoO3, 및 B2O3의 적어도 1종이 바람직하다.
또, 상기 복합재막에 사용되는 폴리머는, 금속간화합물의 분말입자를 유지하는 바인더로서의 역할을 다하는 것이 필요하고, 구체적으로는, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리4불화에틸렌, 폴리페닐렌술파이드, 및 디알릴프탈레이트수지의 적어도 1종이 바람직하다. 단, 상기 이외의 폴리머의 종류에 따라서는, 금속화합물분말입자를 함유하는 복합재피막이 연질이 되고, 내마모성을 저하시키는 경우가 있으므로, 이 폴리머의 선택에는 주의를 요한다.
상기 슬라이드막의 구성으로서는, 상기의 재료중, 어느 것이든 1종의 재료를 사용한 슬라이드막, 또는 2종이상의 혼합슬라이드막, 및, 상기 1종의 재료로 이루어진 슬라이드막이나 혼합슬라이드막의 적층슬라이드막을 들 수 있다. 이들의 슬라이드막을 형성함으로써, 상기 밸브(9), 특히 스템부분(16)의 표면이 후술하는 밸브가이드(11)에서 구동할때의 슬라이드면으로의 윤활오일의 강제적인 공급이 불필요하게 되어, 액추에이터의 고장을 억제하른 것이 가능해진다.
상기 밸브(9)는, 전기자(3)을 한쪽의 전자석(7)의 쪽으로 이동시킴으로써, 제 1스템(15)를 밸브(9)의 스템부분(16)을 누르고 밸브개방조작을 행하도록, 전자액추에이터(4)의 제 1스넴(15)의 선단부와 밸브(9)의 스템부분(16)의 선단부를 맞대도록 설치되고 있다.
또, 밸브폐쇄조작을 행하기 위한 힘붙임을 밸브(9)에 부여하기 위해, 밸브(9)의 스템부분(16)에, 리테이너(13)을 부가하는 동시에, 이 리테이너(13)과 내연기관(19)의 사이에 제 1리턴스프링(2)를 장착한다.
또, 밸브(9)의 밸브개방 및 밸브폐쇄를 안내하기 위한 밸브가이드(11)을 내연기관본체(19)에 설치한다.
구체적으로는, 밸브(9)의 마진부(17)이 흡기포트(25) 또는 배기포트(26)과 연소실(27)과의 경계에 형성되고, 그 경계부에 밸브시트(12)가 장착된다. 밸브(9)는, 상기의 제 1리턴스프링(2)에 의해서 폐쇄되어, 흡기포트(25) 또는 배기포트(26)과 연소실(27)과는 차단된다. 그리고, 전기자(3)의 이동에 의해서 제 1스템(15)가 밸브(9)의 스템부분(16)의 앞끝을 누르면, 마진부(17)이 연소실(27)내로 압출되어, 흡기포트(25) 또는 배기포트(26)과 연소실(27)이 도통된다. 그후, 재차 제 1리턴스프링(2)의 힘붙임에 의해, 마진부(17)이 밸브시트(12)에 압압되고, 그 경로는 차단된다. 여기서 밸브시트(12)는, 마진부(17)을 받치는 부재이고, 이에 의해, 마진부(17)이 내연기관본체(19)에 직접 충돌하는 것을 방지할 수 있다.
또, 제 1리턴스프링(2)는, 내연기관본체(19)에 형성된 오목부분에 수납되어 있고, 또, 밸브가이드(11)은, 상기 오목부분과 흡기포트(25) 또는 배기포트(26)과의 사이를 관통하는 밸브(9)의 스템부분(16)을 안내하도록 설치된다.
상기 리테이너(13),(13')을 구성하는 재료로서는, 철계열재료이어도 되나, 고속에서의 밸브(9)의 개폐특성을 향상하는 관성중량저감 및 내연기관총중량저감의 관점에서, 상기의 알루미늄합금고화재가 바람직하다. 이것은, 압축스프링의 반복응력을 받기때문에, 높은 피로특성을 요구되기 때문에, 서브미크론의 미세한 결정입자를 형성하는 합금설계와 급냉응고프로세스를 행할 필요가 있기 때문이다. 이것을 사용함으로써, 리테이너(13),(13')자체를 경량화할 수 있다.
상기 알루미늄합금고화재로서는, 상기 밸브(9)나 제 1스텝(15), 제 2스템(14) 등에서 사용되는 알루미늄합금고화재를 사용할 수 있으나, 밸브고속운동시에 제 1리턴스프링(2)나 제 2리턴스프링(1)과의 슬라이드가 발생하기 때문에, 알루미늄합금만으로는 대처가 곤란하게 되는 경우가 있다. 이 경우는, 평균입자직경 1∼5㎛정도, 최대직경 15㎛정도의 경질입자를 10중량%배합한 상기의 알루미늄합금분말을 사용함으로써, 마모를 억제할 수 있다. 상기 경질입자로서는, 질화세라믹, 산화세라믹, 탄화세라믹 등이 바람직하다. 이 예로서는, 질화규소, 알루미나, 탄화규소 등을 들 수 있다.
또, 상기 리테이너(13),(13')이 제 1리턴스프링(2)나 제 2리턴스프링(1)과 접촉하는 부분, 즉, 스프링받침끝면(28),(28')에, 도 1의 점모양으로 표시한 바와 같이, 세라믹스슬라이드막, 탄소계열슬라이드막, 또는 복합재슬라이드막 등의 슬라이드막을 형성할 수 있다. 상기 리테이너(13),(13')의 스프링받침끝면(28),(28')에 상기 슬라이드막을 형성함으로써, 상기 리테이너(13),(13')이 제 1리턴스프링(2)나 제 2리턴스프링(1)과 슬라이드할때의 마찰계수나 녹아붙음성의 저감이 도모되어, 슬라이드에 의한 에너지손실을 경감시킬일이 가능해진다.
상기 슬라이드막을 구성하는 재료로서는, 원소주기율표의 IVa, Va, VIa족 금속 또는 알루미늄(Al), 붕소(B), 실리콘(Si)의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물, 산탄화물, 탄산질화물, 황화물 등의 세라믹스막, 다이아몬드라이크카본막(이하, 「DLC막」이라 약칭함), 다이아막, 질화탄소막, 고정윤활재로서의 금속화합물의 분말입자를 폴리머에 분산시킨 복합재막 등을 들 수 있다.
상기 복합재막에 사용되는 금속화합물은, 고체윤활재로서의 성질을 가지는 것이 필요하며, 구체적으로는, MoS2, BN, CaF2, Cr2O3, MoO3, 및 B2O3의 적어도 1종이 바람직하다.
또, 상기 복합재막에 사용되는 폴리머는, 금속간화합물의 분말입자를 유지하는 바인더로서의 역할을 다하는 것이 필요하며, 구체적으로는, 폴리아미드이미드,폴리이미드, 폴리4불화에틸렌, 폴리페닐렌술파이드, 및 디알릴프탈레이트수지의 적어도 1종이 바람직하다. 단, 상기 이외의 폴리머의 종류에 따라서는, 금속화합물분말입자를 함유하는 복합재피막이 연질이 되고, 내마모성을 저하시킬 경우가 있으므로, 이 폴리머의 선택에는 주의를 요한다.
상기 슬라이드막의 구성으로서는, 상기의 재료중, 어느것이든 1종의 재료를 사용한 슬라이드막, 또는 2종이상의 혼합슬라이드막, 및, 상기 1종의 재료로 이루어진 슬라이드막이나 혼합슬라이드막의 적층슬라이드막을 들 수 있다.
상기의 전기자(3)의 면중에, 제 1스템(15)를 형성한 면과 반대쪽의 면에 제 2스템(14)가 형성된다. 그리고, 이 제 2스템(14)에 상기와 마찬가지의 리테이너(13')이 부가되고, 이 레테이너(13')와 하우징(8)과의 사이에, 상기 제 2스템(14)가 전기자(3)을 누르는 방향의 힘붙임을 부여하는 제 2리턴스프링(1)이 장착된다.
이 제 2리턴스프링(1)에 의해, 전기자(3)에 걸리는 제 1리턴스프링(2)의 힘붙임에 대항할 수 있고, 전기자(3)이 제 1리턴스프링(2)의 힘붙임에 의해서, 다른쪽의 전자석(6)의 쪽으로 압압되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제 2스템(14)를 구성하는 재료로서는, 철계열재료로도 되나, 경량화를 도모하기 위해서는, 질화규소 혹은 사이알론을 주성분으로 하는 세라믹스, 알루미늄합금고화재, 티탄합금 등을 사용할 수 있다.
상기 질화규소 혹은 사이알론을 주성분으로하는 세라믹스에 관해서는, 파손에 대한 신뢰성의 확보에서 질화규소 혹은 사이알론이 80중량%이상함유되고, 상대밀도가 95중량%이상의 소결체의 사용이 바람직하다.
또, 상기 세라믹스에는, 섬유나 위스커에 의해 강화된 섬유강화세라믹스나 위스커강화세라믹스가 포함된다.
또, 알루미늄합금고화재로서는, 슬라이드상항하에 있어서, 내열강도를 가지는 고온슬라이드부재인 필요가 있으므로, 상기의 밸브(9)에서 사용한 알루미늄합금고화재를 사용할 수 있다.
또, 상기 제 1스템(15)와 제 2스템(14)는, 동일재질로 구성해도 되고, 상이한 재질로 구성해도 된다.
또, 상기 제 2스템(14)의 표면이나 끝면에는, 도 1의 점모양으로 표시한 것같이, 세라믹스슬라이드막, 탄소계슬라이드막 또는 복합재슬라이드막 등의 슬라이드막을 형성할 수 있다. 상기 제 2스템(14)의 표면에 상기 슬라이드막을 형성함으로써, 상기 제 2스템(14)가 스테이터(5)의 안내구멍(22')에서 구동할때의 슬라이드면에서의 운동마찰계수나 녹아붙음성의 저감이 도모되어, 슬라이드에 의한 에너지손실을 경감시키는 것이 가능하게 된다. 또, 상기 제 2스템(14)의 끝면에 상기 슬라이드막을 형성하면, 전기자(3)과 회전하면서 접촉할때에, 생기는 마찰계수를 저감할 수 있어, 에너지손실을 경감하는 것이 가능하게 된다.
상기 슬라이드막을 구성하는 재료로서는, 원소주기율표의 IVa, Va, VIa족 금속 또는 알루미늄(Al), 붕소(B), 실리콘(Si)의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물, 산탄화물, 탄산질화물, 황화물 등의 세라믹스막, 다이아몬드라이크카본막(이하, 「DLC막」이라 칭함), 다이아막, 질화탄소막, 고정윤활재로서의 금속화합물의분말입자를 폴리머에 분산시킨 복합재막 등을 들 수 있다.
상기 복합재막에 사용되는 금속화합물은, 고체윤활재로서의 성질을 가진 것이 필요하며, 구체적으로는, MoS2, BN, CaF2, Cr2O3, MoO3, 및 B2O3의 적어도 1종이 바람직하다.
또, 상기 복합재막에 사용되는 폴리머는, 금속간화합물의 분말입자를 유지하는 바인더로서의 역할을 다하는 것이 필요하며, 구체적으로는, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리 4플루오르에틸렌 폴리페닐렌술파이드, 및 디알릴프탈레이트수지의 적어도 1종이 바람직하다. 단, 상기이외의 폴리머의 종류에 따라서는, 금속화합물분말입자를 함유하는 복합재피막이 연질이 되고, 내마모성을 저하시키는 경우가 있으므로, 이 폴리머의 선택에는 주의를 요한다.
상기 슬라이드막의 구성으로서는, 상기의 재료중, 어느것이든 1종의 재료를 사용한 슬라이드막, 또는 2종이상의 혼합슬라이드막, 및, 상기 1종의 재료로 이루어진 슬라이드막이나 혼합슬라이드막의 적층슬라이드막을 들 수 있다. 이들의 슬라이드막을 형성함으로써, 상기 제 2스템(14)가 스테이터(5)의 안내구멍(22')에서 구동할때의 슬라이드면으로의 윤활오일의 강제적인 공급이 불필요하게 되어 액추에이터의 고장을 억제하는 일이 가능하게 된다.
상기 제 1리턴스프링(2) 또는 제 2리턴스프링(1)을 구성하는 재료로서는, 철계열재료로도 되나, 하기의 재료, 즉, C량 0.55∼0.70중량%, Si량 1.0∼2.2중량%, Cr량 1중량%이하, Mn량 1중량%이하, V량 0.2중량%이하, 필요에 따라서 Mo 및 Nb를함유하고, 인장강도 1960N/㎟이상, SiO2나 Al2O3등의 개재물이 25㎛이하, 템퍼링마르텐사이트조직을 가진 합금강을 사용함으로써, 소망의 스프링특성을 얻을 수 있는 동시에, 스프링중량이 경감된다. 이러한 고강도강의 경우, 용해주조, 열간압연후, 세이핑, 신선, 페이턴팅을 조합해서 목적으로하는 선직경까지 가공하고, 그후 담금질·템퍼링을 행하여 강선을 얻는다. 그후 코일링가공, 변형바로잡기설당금(燒鈍), 숏피이닝, 또 필요에 따라서 질화처리, 숏피이닝, 변형바로잡기설당금이 행하여지는 것이 일반적이다.
또, 제 1리턴스프링(2) 또는 제 2리턴스프링(1)의 구성재료로서는, Al과 V의 합계가 13중량%이상으로 이루어지고, 인장강도가 1500N/㎟이상으로 표면에 내마모성의 양호한 표면피복이 되어있는 티탄합금을 사용하면, 소망의 스프링특성을 얻을 수 있어, 스프링중량이 경감가능하다. 고강도티탄합금은, 진공속에서 용해하고, 성분편석(偏析)이 충분히 저감할때까지 용해주조를 반복하고, 주조후열간압연하고, 그후 용체화(溶體化)처리와 신선가공을 반복하여, 목적의 선직경까지 가공후, 시효(時效)처리를 행한다. 코일링가공후는 상기의 공정과 기본적으로 마찬가지이다.
또, 제 1리턴스프링(2) 또는 제 2리턴스프링(1)의 구성재료로서, Cu, Mg 및 Zn이 합게로 5중량%이상에서 결정입자직경이 가로세로비가 3이상의 긴결정입자를 가지고, 인장강도가 600N/㎟이상의 알루미늄합금을 사용하면, 소망하는 스프링특성을 얻을 수 있는 동시에, 스프링중량을 경감할 수 있다. 고강도알루미늄합금은, 목적성분의 분말을 작성하고, 그 분말을 잉곳으로 고화(固化)한 후, 단조, 압연의양쪽 혹은 어느하나의 가공을 행하고, 다시 신선가공, 용체화를 반복하고, 목적으로 하는 선직경으로 하여, 최종적으로 시효처리를 행한다. 코일링이후의 공정은 고강도강과 기본적으로 동일하나, 질화처리는 행하지 않는다.
또, 상기의 티탄합금이나 알루미늄합금을 제 1리턴스프링(2) 또는 제 2리턴스프링(1)에 사용하기 위하여, 표면에 내마모성을 향상시킨 것을 목적으로한 슬라이드막을 형성하는 것도, 필요에 따라서 행할 수 있다.
또, 상기 제 2리턴스프링(1) 또는 제 1리턴스프링(2)가, 리테이너(13),(13')이나, 하우징(8b), 내연기관본체(19) 등과 접하는 한쪽 또는 양쪽의 끝면에는, 도 1의 점모양으로 표시한 것같이, 세라믹스슬라이드막, 탄소계열슬라이드막, 또는 복합재슬라이드막 등의 슬라이드막을 형성할 수 있다. 상기 제 2리턴스프링(1) 또는 제 1리턴스프링(2)의 한쪽 또는 양쪽의 끝면에 상기 슬라이드막을 형성함으로써, 상기 제 2리턴스프링(1) 또는 제 1리턴스프링(2)가, 리테이너(13),(13'), 하우징(8b), 내연기관본체(19) 등과 슬라이드하면서 접촉할때의 마찰계수나 녹아붙음성의 저감이 도모되고, 슬라이드에 의한 에너지손실을 경감시키는 일이 가능해진다.
상기 슬라이드막을 구성하는 재료로서는, 원소주기율표의 IVa, Va, VIa족 금속 또는 알루미늄(Al), 붕소(B), 실리콘(Si)의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물, 산탄화물, 탄산질화물, 황화물 등의 세라믹스막, 다이아몬드라이크카본막(이하, 「DLC막」이라 칭함), 다이아막, 질화탄소막, 고정윤활재로서는, 금속화합물의 분말입자를 폴리머에 분산시킨 복합재막 등을 들 수 있다.
상기 복합재막에 사용되는 금속화합물은, 고체윤활재로서의 성질을 가진 것이 필요하며, 구체적으로는, MoS2, BN, CaF2, Cr2O3, MoO3, 및 B2O3의 적어도 1종이 바람직하다.
또, 상기 복합재막에 사용되는 폴리머는, 금속간화합물의 분말입자를 유지하는 바인더로서의 역할을 다하는 것이 필요하며, 구체적으로는, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리 4플루오르에틸렌 폴리페닐렌술파이드, 및 디알릴프탈레이트수지의 적어도 1종이 바람직하다. 단, 상기이외의 폴리머의 종류에 따라서는, 금속화합물분말입자를 함유하는 복합재피막이 연질이 되고, 내마모성을 저하시키는 경우가 있으므로, 이 폴리머의 선택에는 주의를 요한다.
상기 슬라이드막의 구성으로서는, 상기의 재료중, 어느것이든 1종의 재료를 사용한 슬라이드막, 또는 2종이상의 혼합슬라이드막, 및, 상기 1종의 재료로 이루어진 슬라이드막이나 혼합슬라이드막의 적층슬라이드막을 들 수 있다.
그런데, 본 발명에 있어서, 스테이터(5)를 철계열분말을 분말성형법에 의해서 성형했을 경우, 이 밸브개폐기구의 작동시 또는 작동중에, 전기자(3)과 스테이터(5)가 직접 접촉하고, 충격등을 발생했을때, 스테이터(5)가 마모나 결손등의 문제를 발생할 경우가 있다. 따라서, 전기자(3)을 스테이터(5)와 직접 접촉하지 않도록 왕복운동시키는 것이 바람직하다. 이런 방법으로서는, 전기자(3)의 왕복운동을 저기회로에 의해 제어하는 방법이나, 도 2에 표시한 바와 같이, 스테이터(5)와 전기자(3)의 사이에 스토퍼(23)을 배설하는 방법을 들 수 있다.
또, 상기의 밸브개폐기구는, 흡기계통 또는 배기계통의 어느것이라도 사용할 수 있다. 이때, 밸브(9)의 마진부(17)로서 내열강합금을 사용하였을 경우는, 흡기게통에 사용하는 것이 바람직하고, 밸브(9)의 마진부(17)로서 질화규소 또는 사이알론계열세라믹을 사용하였을 경우는, 배기게통에 사용하는 것이 바람직하다.
상기의 제 1스템(15), 제 2스템(14), 하우징(8), 밸브(9), 제 1리턴스프링(2), 제 2리턴스프링(1), 리테이너(13),(13'), 또는 고정부재(20)은, 그 전부를 상기의 철보다 비중이 작은 금속 혹은 그 합금, 골재에 의해 강화된 철보다 비중이 작은 합금, 세라믹스, 섬유 혹은 위스커강화세라믹스 등으로 제조할 필요는 없고, 그들중의 적어도 하나를, 철보다 비중이 작은 금속 혹은 그 합금, 골재에 의해 강화된 철보다 비중이 작은 합금, 세라믹스, 섬유 혹은 위스커강화세라믹스로 형성하고, 나머지를, 철계열재료로 형성해도, 얻게되는 내연기관용 전자액추에이터나 내연기관용 밸브개폐기구의 경량화를 도모할 수 있다.
(실시례)
본 발명의 실시예를 이하에 표시한다.
실시례 1
도 1에 표시한 밸브개폐기구를 구성하는 각부품을 하기의 재료를 사용해서 제조하였다. 그리고, 밸브(9)의 스템부분(16)의 표면 혹은 끝면, 제 1리턴스프링(2) 혹은 제 2리턴스프링(1)의 양쪽끝면, 리테이너(13),(13')의 스프링받침끝면(28),(28'), 제 1스템(15)의 표면 혹은 끝면, 제 2스템(14)의 표면 혹은 끝면, 또는 전기자(3)의 표면중 어느것이든 하나에 하기의 방법에 따라서 슬라이드막을 형성하였다. 그리고, 그들의 부품을 사용해서 밸브개폐기구를 구성했다. 이어서, 이 밸브개폐기구를 작동시켜, 전혀 슬라이드막을 형성하지 않았던 경우에비해서, 구동시의 소비전력이 어느정도 저감되었는지를 측정했다. 그 결과를 표 1에 표시한다.
「슬라이드막의 형성」
대상부품의 표면(또는 끝면)에 DLC막을 형성하는 방법을 하기에 표시한다.
널리알려진 용량결합형 플라즈마CVD법에 의해, 고주파전원(발생주파수 13.56㎒)을 접속한 전극에, 미리 용제나 세제에 의해 세정·건조한 대상부품을 장착하고, 1×10-4㎩의 진공도에서 배기한 후에, 아르곤가스를 1×10-1㎩의 압력으로 유지하게 될때까지 가스를 도입하였다. 이 상태에서 고주파전원으로부터 출력 400W의 고주파를 전극에 공급하고, 상기 대상부품을 장착한 전극이 플라즈마로 덮어지도록 15분간 유지하고, 대상부품표면의 자연산화막을 이온클리닝해서 제거한 후, 아르곤가스의 공급을 중지하고, 메탄가스를 1×10-1㎩의 압력에서 유지하게 될때까지 가스를 도입하고, 고주파전원으로부터 600W의 고주파를 전극에 공급함으로써 DLC막형성을 행하였다. 막두께는 약 1㎛로 했다.
「각부품의 제조」
"전기자"
전기자(3)으로서, 기존의 자성의 강철재료를 사용했다. 또한, 후술하는 제 1스템(15)를 압접접합했다.
"스테이터"
도 4에 표시한 형태의 스테이터(5)를 분말압축성형체로 제작했다. 사용한철분말은, 순철분말이고, 용탕에 고압의 물을 분사함으로써 급냉응고된 분말을 얻고, 그후, 건조, 소정크기외 메시를 통과함에 따른 분말입도분포조정 등의 기본공정을 거쳐서 제조된다. 이 일련의 공정은, 통상적인 소결기계부품용의 출발원료분말의 제조방법과 마찬가지이다. 그후, 순철분말사이의 절연성을 얻기 위하여 열처리에 의해서 산화피막형성공정을 행하였다.
산화피막형성전의 주된 불순물성분은, 산소가 0.1중량% 전후, Si, Mn은 0.05중량%전후, 탄소, 인, 유황이 0.005중량% 전후이다. 분말입도는, 금형으로의 스무스하고 균일한 흐름충전성을 가지며, 또한 가능한한 높은 외관밀도를 얻을 수 있도록, 상기 급냉응고공정 및 임도분포조정공정에서 제어된다. 그와 같이해서 얻게된 입도분포는, 200㎛미만 150㎛이상이 5∼10중량%, 150㎛미만 75㎛이상이 40∼50중량%, 75㎛미만 30㎛이상이 40∼50중량%였다. 이 입도분포를 가진 분말의, 흐름충전성의 지표인 JSPM표준 규격의 흐름성평가에 의하면, 직경 2.5㎜의 출구를 가진 깔때기용기에 수납한 50g분말이 그 출구를 마지막으로 통과하는데 요하는 시간은 20∼30초이다. 또, 동표준규격에 의한 외관밀도는 2.9∼3.5g/㎤이었다.
상기 분말을 형성해서 스테이터를 제조하기 위해, 상기 분말을 금형내에 충전하고, 1축압축할때에, 금형과 철분말과의 녹아붙음방지를 행하기 위해, 열경화성수지를 주성분으로하는 유기수지를 0.5∼0.7중량%을 배합했다.
상기 분말을 냉간압축성형해서 얻게되는 분말압축성형체는, 밀도 7.1g/㎤이고, 온간압축성형해서 얻게되는 분말압축성형체는, 밀도 7.4g/㎤이었다. 온간압축성형은, 금형 및 압축전분말을 130∼150℃에서 제어하였다. 이 경우의 미도가 높은 것은, 주로 철분말의 항복응력이 감소, 연화에 의해 변형능력이 증대해서, 압밀성(壓密性)이 상승한 결과에 의한다.
이들의 성형체는, 대기속 200℃에서 수지를 소성해서, 스테이터를 얻었다.
일반적으로 교류자장에 있어서는, 고주파로 될 수록 와전류를 발생하고, 자력의 손실이 발생하나, 이와 같은 분말의 집합체로하면, 와전류의 발생이 분말단위내로 억제되어, 손실을 저하시킬 수 있다. 이 스테이터(5)는, 구조의 특칭상, 투자율의 이방성은 거의 없다. 성형소성후의 치수불균일은 작고, 추가적 가공의 필요는 없었다. 이 때문에, 스템을 통하기 위한 베어링을 세트할 필요는 없었다.
얻게된 분말압축성형에 의한 스테이터의 직류시의 최대자속밀도는, 냉간성형체 1.3T, 온간성형체 1.5T였다.
"코일"
코일(18)로서는, JIS H 4000에 규정된 도전율 50%IACS의 6000계 재료를 종래의 구리계열재료에 대해서 사용하였다. 또 이 코일재의 피복재는 폴리이미드로 하였다.
"스템"
제 1스템(15) 및 제 2스템(14)로서, 시판하는 질화규소분말(α결정상(相)율 90%이상, 평균투경(投徑)0.8㎛)에 5중량%의 산화이트륨, 2중량%의 산화알루미늄을 에타놀속에서 습식혼합한 분말을 건조하고 소정의 성형용 유기바인더를 가한후, 소정의 성형을 행하고, 1800°, 4기압질소가스분위기, 10시간 소결을 행하고, 또 다이아몬든숫돌에 의해 소정의 형상으로 가공한 것을 사용하였다. 이 소결재와 동시에 제작한 소결체의 강도를 JIS R 1601에 준거해서 3점 굽힘강도를 측정한 결과, 평균강도는 1050㎫였다.
"하우징"
하우징(8)은, 하기의 방법으로 제조했다. 평균입자직경 2.5㎛의 Fe 18%, Cr 18%의 Ni분말 65중량부, 분산제 2중량부, 물 11중량부에 페놀수지 12중량부의 배합비율로 혼합하여 슬러리를 제작했다. 이 슬러리를 두께 8㎜, 1인치당의 셀수가 29개의 폴리우레탄폼에 함침한 후, 금속롤에 의해 과잉으로 부착한 슬러리를 제거하고 120℃에서 10분 건조하였다. 이 시트를 1200℃진공속에서 1시간 열처리함으로써 밀도=0.91g/㎤의 금속다공체를 제작했다. 이 금속다공체를 원통형상으로 가공한 후 금형에 세트하고, 760℃에 가열한 알루미늄합금(2중량% Cu함유Al)용탕을 1.2㎫에서 가압주입함으로써 금속다공체/알루미늄합금복합재로 이루어진 하우징을 제작하였다. 비교부재로서 금속다공체를 복합화하지 않고 알루미늄합금만으로 하우징도 형성하고, 각각에 대해서 인장강도를 측정한 결과, 복합재: 231㎫, 알루미늄합금: 142㎫였다.
"리턴스프링"
리턴스프링은 하기의 방법에 의해 제조하였다. C=0.65중량%, Si=1.98중량%, Mn=0.78중량%, Cr=0.75중량%, V=0.11중량%, 나머지부분은 실질 Fe인 성분의 철강을, 용해주조, 압연, 셰이핑, 신선가공, 열처리를 반복하여 3.0㎜의 와이어를 얻었다. 비금속개재물은 최대 20㎛였다. 이 와이어를, 코일링, 변형바로잡기 설당금, 숏피이닝, 질화를 조합해서 고강도코일스프링을 제조하였다.
"리테이너"
리테이너(13),(13)은, 코터(리테이너록)라 호칭되는 유지부품을 개재해서 밸브를 유지하고, 밸브(9)와 일체로 되어서 고속의 왕복운동을 하기 때문에, 내열피로에 강함과, 충격에 강함이 요구된다. 또, 밸브(9)의 회전에 따라 제 1리턴스프링(2)나 제 2리턴스프링(1)과 슬라이드하기 때문에, 내마모성도 요구된다. 내열피로에 강함과, 충격에 강함을 확보하기 위해, 알루미늄합금에서는, 서브미크론의 미세한 결정입자를 형성하는 합금설계와, 급냉응고프로세스를 행할 필요가 있다. 이와 같은 알루미늄합금으로서, Al-17중량% Si-1.52중량% Zr-1.5중량% Ni-2중량% Fe-5중량% Mm을 사용하고, 평균입자직경 50㎛의 알루미늄분말을 가스냉각응고프로세스에 의해 제작하고, 출발원료로하였다. 또, 내마모특성의 필요성의 관점에서는, 이 알루미늄합금분말만으로는 대처가 곤란하며, 경질입자로서 평균입자직경 2㎛, 최대 12㎛직경의 알루미나입자를 9중량%배합하였다.
1축분말압축성형한후, 500℃에서 가열하고, 열간단조에 의해 치밀화와 최종형상부여를 동시에 행하고, 그후, 끝말림제거 및 표층부의 분말결합이 약한 층을 제거하기 위하여 배럴처리를 행하였다. 기계가공은 행하지 않았다. 밀도는, 3.2g/㎤이었다.
종래의 리테이너는, JIS 17C 등의 기계구조용강, 경우에 따라서는, JIS 17C scr 415 등의 합금강이 사용되는 일이 많다. 이 비교부재로서의 리테이너는, 후자를 사용해서 제조하였다. 후자의 합금강을 열간단조로 형상부여한 후, 조잡하게 가공을 하고, 침탄(浸炭)담금질·템퍼링을 행하고, 그후 마무리가공을 행하였다. 밀도는, 7.8g/㎤이었다.
"볼트"
내연기관본체(19)에의 하우징(8)의 장착에 사용되는 볼트로서, JISH 4000에 규정된 4000계 열재료를 종래의 강철재료에 대해서 사용하였다.
"밸브"
밸브(9)로서, 시판하는 질화규소분말(α결정상율 90%이상, 편균투경(投徑)0.8㎛)에 5중량%의 산화이트륨, 2중량%의 산화알루미늄을 에티놀속에서 습식혼합한 분말을 건조하고 소정의 성형용 유기바인더를 가한 후, 소정의 성형을 행하고, 1800℃, 4기압질소가스분위기, 10시간 소결을 행하고, 다시 다이아몬드숫돌에 의해 소정의 형상으로 가공한 것을 사용하였다. 이 소결체와 동시에 제작한 소결체의 강도를 JIS R 1601에 준거해서 3점 굽힘강도를 측정한 결과, 평균강도는 1050㎫였다.
실시례 2
밸브(9)의 스템부분(16)의 표면 혹은 끝면, 제 1리턴스프링(2) 혹은 제 2리턴스프링(1)의 양끝면, 리테이너(13),(13')의 스프링받침끝면(28),(28'), 제 1스템(15)의 표면 혹은 끝면, 제 2스템(14)의 표면 혹은 끝면, 또는 전기자(3)의 표면의 전부에 사기의 방법에 따라서 슬라이드막을 형성하였다. 그리고, 그들 부품을 사용해서 밸브개폐기구를 구성하였다. 이어서, 이 밸브개폐기구를 작동시키고, 전혀 슬라이드막을 형성하지 않았던 경우에 비해서, 구동시의 소비전력이 어느정도저감했는지를 측정했따. 그 결과를 표 1에 표시한다.
슬라이드막을 형성하는 부품 및 장소 소비전력저감율(%)
실시례 1 밸브(9)의 스템부(16)의 표면 6
밸브(9)의 스템부(16)의 끝면 2
제 1리턴스프링(2)의 양끝면 5
제 2리턴스프링(1)의 양끝면 5
리테이너(13)의 스프링받침면(28) 5
리테이너(13')의 스프링받침면(28') 5
제 1스템(15)의 끝면 2
제 1스템(15)의 표면 3
제 2스템(14)의 끝면 2
제 2스템(14)의 표면 3
전기자(3)의 표면 2
실시례 2 상기의 부품전부 23
결과
실시예 1, 2에서 얻게된 밸브개폐기구는, 슬라이드막을 형성하고 있지 않는 부품으로 구성된 밸브개폐기구와 비교해서, 소비전력량을 저감시킬 수 있는 것이 명백하게 되었다.
실시례 3
슬라이드막으로서 DLC막의 대신에 다이아몬드막, 질화크롬막, 및 질화티탄막을 사용한 이외는, 실시례 1 및 실시례 2와 마찬가지로해서 실험을 행하였다. 그 결과 표 2에 표시한다. 또한, 이때의 막두께는 모두 약 1㎛로서 실험을 행하였다.
슬라이드막을 형성하는부품 및 장소 소비전력저감율(%)
다이아몬드 질화크롬 질화티탄
밸브(9)의 스템부(16)의 표면 9 7 6
밸브(9)의 스템부(16)의 끝면 3 1 2
제 1리턴스프링(2)의 양끝면 8 4 5
제 2리턴스프링(1)의 양끝면 8 4 5
리테이너(13)의 스프링받침면(28) 7 5 4
리테이너(13')의 스프링받침면(28') 7 5 4
제1 스템(15)의 끝면 3 1 2
제 1스템(15)의 표면 5 3 3
제 2스템(14)의 끝면 3 1 2
제 2스템(14)의 끝면 5 3 3
전기자(3)의 표면 3 3 2
상기의 부품전부 35 21 21
결과
다이아몬드막, 질화크롬막, 및 질화티탄 막을 사용해도, DLC막을 사용했던 경우와 마찬가지로, 슬라이드막을 형성하고 있지 않는 부품으로 구성된 밸브개폐기구와 비교해서, 소비전력량을 저감시킬 수 있는 것이 명백하게 되었다.
실시례 4
슬라이드막으로서 DLC막의 대신에, 표 3에 표시한 금속화합물의 분말입자를 표 3에 표시한 폴리머에 분산시킨 복합재막을 사용한 이외는, 실시례 2와 마찬가지로해서 실험을 행하였다. 그 결과를 표 3에 표시한다. 또한, 이 때의 막두께는 모두 약 5㎛로 해서 실험을 행하였다.
실험No 폴리머 금속화합물 소비전력저감율(%)
1 폴리아미드이미드 MoS2 28
2 폴리아미드이미드 BN 27
3 폴리아미드이미드 CaF2 25
4 폴리아미드이미드 Cr2O3 25
5 폴리아미드이미드 MoO3 26
6 폴리아미드이미드 B2O3 26
7 폴리 4플루오르에틸렌 MoS2 28
8 폴리이미드 MoS2 27
9 폴리페닐렌슬파이드 MoS2 27
10 디알릴프탈레이트수지 MoS2 28
결과
복합재막을 사용해도, DLC막을 사용한 경우와 마찬가지로, 슬라이드막을 형성하고 있지 않는 부품으로 구성된 밸브개폐기구와 비교해서, 소비전력량을 저감시킬 수 있는 것이 명백하게 되었다.
부품의 적어도 하나에 슬라이드막을 형성함으로써, 제조되는 밸브개폐기구의 슬라이드저항을 저감시켜, 소비전력을 저감시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 스테이터(5) 및 코일(18)과, 전기자(armature)(3) 및 이 전기자(3)에 작용하는 힘을 외부의 부하에 전달하는 제 1스템(15)로 이루어진 가동자를 가지고, 상기 제 1스템(15)의 표면 혹은 끝면에 슬라이드막을 형성한 것을 특징으로 하는 전자액추에이터.
  2. 청구항 1에 관한 액추에이터(4)와, 이 전자액추에이터(4)에 의해 흡·배기포트(25),(26)을 개폐하는 밸브(9)를 가진 내연기관용 밸브개폐기구.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전자액추에이터(4)는, 스테이터(5)와 코일(18)로 구성되는 1쌍의 전자석(6),(7)을 틈새 S를 형성해서 대향시키고, 이 틈새S에 전기자(3)을 배설하고, 상기 양전자석(6),(7)에 의해서, 상기 전기자(3)을 한쪽의 전자석(7)과 다른쪽의 전자석(6)의 사이에서 왕복운동자유자재하게하고, 상기 전기자(3)의 다른쪽의 전자석(6)으로부터 한쪽의 전자석(7)에의 이동을 외부에 전달하기 위한 제 1스템(15)를 상기 전기자(3)의 이동쪽의 면에 형성한 것이며,
    이 전자액추에이터(4)를 내연기관본체(19)에 고정한 하우징(8)에 수납해서, 상기 전기자(3)을 한쪽의 전자석(7)의 방향으로 이동시킴으로써, 상기 제 1스템(15)가 상기 밸브(9)를 구동시켜서 밸브개방조작을 행하도록 하는 동시에, 그 배브(9)에 리테이너(13)을 형성하고, 이 리테이너(13)이 내연기관본체(19)의 사이에 밸브(9)를 밸브폐쇄방향으로 힘을 부여하는 제 1리턴스프링(2)를 장착하고,
    제 2스템(14)를, 상기 제 1스템(15)를 형성한 상기 전기자(3)의 면과 반대쪽면에 형성하는 동시에, 이 제 2스템(14)에 리테이너(13')을 부가하고, 그 리테이너(13')과 상기 하우징(8)의 사이에, 상기 제 2스템(14)가 상기 전기자(3)을 누르는 방향으로 힘을 부여하는 제 2리턴스프링(1)을 장착하고,
    상기 밸브(9)의 스템부(16)의 표면 혹은 끝면, 상기 제 2리턴스프링(1) 혹은 제 1리턴스프링(2)의 끝면, 상기 리테이너(13) 혹은 (13')의 스프링받침끝면, 상기 제 2스템(14)의 표면 혹은 끝면, 또는 상기 전기자(3)의 표면중 1개 또는 2개이상으로 슬라이드막을 형성한 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브개폐기구.
  4. 상기 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 슬라이드막은, 탄소계슬라이드막, 세라믹스슬라이드막, 또는 복합재슬라이드막의 어느 하나인 내연기관용 밸브개폐기구.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 탄소계 피복막은, 다이아몬드라이크카본막, 다이아몬드막 또는 복합재 슬라이드막의 어느 하나인 내연기관용 밸브개폐기구.
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