JPH08512173A - 電磁作動弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電磁石（１２）と、電磁石がオフであるときの電磁石から離間した第１の通常偏向初期位置及び電磁石がオンであるときの電磁石に近い第２の停止位置を有するコア要素（１６）と、前記コア要素を第１の通常偏向位置へ偏向する第１の弾性部材（２０）と、電磁石をコアから離間させるように偏向する第２の弾性部材（５０）とを有する電磁作動装置（１０）を開示する。第１の弾性部材の弾性は第２の弾性部材より大きい。従って、電磁石がオンであるとき、コアは固定停止位置に到達するまで電磁石に近付き、その後、電磁石はコアを固定停止位置に近付ける。作動装置は、第２の弾性部材に対する電磁石の圧力を制御することにより、電磁石の軸方向位置が制御されるように電磁石と係合する調整部材（６０）をさらに含んでいても良い。

Description

【発明の詳細な説明】 電磁作動弁 関連出願データ 本出願は、所有者を共通とし、本明細書の中にも参考として取り入れられてい る１９９２年１０月５日出願の名称「電磁作動弁」による同時係属米国出願番号 第０７／９５７，１９４号の一部継続出願である。 発明の分野 本発明は概括的には電磁作動弁に関し、さらに特定すれば弁座圧力の精密制御 を可能にする電磁作動弁に関する。 発明の背景 従来、弁はばねの作用と電磁石を組み合わせる開閉機構のために設計されてき た。たとえば、ピシンジャー（Pischinger）に対し発行された米国特許第４，６ １４，１７０号明細書には、電磁作動弁において開放位置から閉鎖位置へ、また 、逆に閉鎖位置から開放位置へ切り替えるためにばねを使用することが開示され ている。それらの弁では、コアは２つの電磁石の間の中心平衡位置にある。弁を 閉鎖すべきときには、第１の電磁石を励磁して、コアを第１の電磁石の方へ引き 付け、ばねを圧縮する。弁を開放するときには、励磁されている第１の電磁石を ターンオフし、第２の電磁石を励磁する。先に応力を受けていたばねの力によっ て、コアは第２の電磁石に向かって加速されるので、コアを第１の電磁石から引 き離すために要求される磁力は減少される。 以前の弁構造に伴う問題の１つは、弁を内燃機関の吸気弁及び排気弁の開閉に 必要とされる十分な速度、力又は行程、あるいはガス圧縮機に要求される力と行 程をもって開放、閉鎖するのに十分なほど迅速に弁が作動しないことであった。 従って、最新の内燃機関のような所望の用途に対して十分な速度で加速できる効 率の良い構成の運動コアアセンブリを提供する弁構造が必要とされていた。 電磁作動弁の構造において起こるもう１つの問題は、弁が適正に弁座に当接し たときに上部電磁石のギャップをなくすために要求される厳密な機械的許容差を 得ることである。この問題は、弁の作動中に発生する熱膨張によって一層深刻に なる。試験条件の下では、電磁作動装置の弁棒は熱膨張のために約０．３ミリメ ートル（１２／１０００）インチ伸長した。弁が閉鎖すると、磁極面は上部電磁 石に接触するが、弁棒が伸長してしまっているために弁が弁座に正しく当接しな いこともある。あるいは、コア要素が上部電磁石に達する前に弁が弁座に当接し 、弁のギャップがゼロにならないこともある。ギャップをなくすことは電力消費 を低レベルに維持するために望まれることであり、従って、弁は所望の効率レベ ルでは作動していない。 従来の構造の弁に伴う別の問題は、運動しているコアアセンブリが作動中でな いときに初期中立位置へ戻らなければならないことである。コア要素の初期中立 位置は第１の電磁石と第２の電磁石の双方から等距離になければならない。前述 した通り、コアアセンブリをこの中立位置へ偏向するためにばねを使用すること が知られている。ところが、ばねの張力の変化は避けられず、そのために、電磁 石の中央にコア要素の中立位置を得るのは困難になっている。従って、中心中立 位置を実現するためにコア要素の位置を手動操作で調整する手段を設けることが 望ましい。 発明の概要 従って、本発明の主な目的は、従来の技術の１つ又は複数の欠点及び制限を克 服することである。 本発明の重大な目的は、さらに効率の良いコアアセンブリ構造を形成する電磁 弁を提供することである。 本発明の別の目的は、作動装置の作動中の熱膨張を補償する電磁作動装置を提 供することである。 本発明の別の目的は、厳密な機械的許容差を得るための手動操作調整を伴う電 磁作動装置を提供することである。 本発明の広い態様によれば、電磁作動装置は少なくとも１つの電磁石と、電磁 石がオフ状態であるときは電磁石から離間した第１の通常偏向初期位置をとり且 つ電磁石がオンであるときには電磁石に近い第２の固定停止位置をとる少なくと も１つのコア要素と、第１の通常偏向位置へ前記コア要素を偏向する第１の弾性 部材と、電磁石をコアから離間するように偏向する第２の弾性部材とを具備する 。第１の弾性部材の弾性は第２の弾性部材より大きい。従って、電磁石がオンで あるとき、コアは第２の停止位置に達するまで電磁石に近付き、電磁石はその後 もコアを第２の停止位置に近付ける。作動装置は、第２の弾性部材に抗して電磁 石の圧力を制御し、それにより、電磁石の軸方向位置を制御するように電磁石と 係合する調整部材をさらに含んでいても良い。 本発明の特徴は、第１の弾性部材と第２の弾性部材の組み合わせによって作動 装置内で動いているアセンブリの熱膨張の補償を行うことである。 本発明の別の特徴は、調整装置がコアアセンブリの中立位置を厳密に設定させ ることである。 本発明の別の特徴は、運動コアアセンブリの設計が作動装置の急速な加速を可 能にすることである。 本発明の上記の目的、利点及び特徴並びにその他の目的、利点及び特徴は、以 下の好ましい例示実施例の説明を添付の図面及び添付の請求の範囲と関連させて 読み、検討することによって当業者には容易に明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、弁座圧力の精密制御を実行する本発明の電磁作動弁の一実施例の横断 面図である。 図２は、効率の良いコア構造を有する本発明の電磁作動弁の別の実施例の横断 面図である。 好ましい例示実施例の説明 そこで図１を参照すると、本発明の電磁作動弁１０の一実施例が横断面で示さ れている。図示した実施例では、弁１０は二対の電磁要素１２と、複数のコイル １４と、コア、すなわち、電機子要素１６と、支えばね２０と、弁棒２２と、弁 胴２４とを含む。各々の電磁要素１２は環状の形状であるのが好ましく、中心チ ャンバ２６を画成している。中心チャンバ２６は中心縦軸２８をさらに規定する 。 図１に示す実施例では、各対の電磁要素１２は上部電磁要素３２と、下部電磁 要素３４とからさらに構成されている。上下の電磁要素は互いに対称関係にあり 、上部電磁要素と下部電磁要素の中心溝通路３０は互いに対向する関係にある。 上部電磁要素と下部電磁要素３２、３４の中間にはコア要素１６が配置されて いる。コア要素１６は水平方向横断面で環状であるのが好ましい。コア要素１６ は２つの磁極面４２を形成する。 コア要素１６は弁棒２２と内部結合している。弁棒２２は電磁要素１２の中心 チャンバ２６の中心縦軸２８と軸方向に一線に延出しているのが好ましい。弁胴 ２４は弁を取り囲んでいる。 支えばね２０も中心チャンバ２６の中に配置され、弁棒２２を取り囲んでいる のが好ましい。図示した実施例では、支えばねの下端部は弁胴２４と接触する。 弁は２つのコンプライアンスばね５０をさらに含む。図示した実施例においては 、コンプライアンスばねは弁胴２４の一部と下部電磁石３４に接触する。上下の 電磁石３２、３４はスペーサ５２により結合されている。スペーサ５２は上部電 磁石と下部電磁石３２、３４との間に一定の距離を維持する。従って、上下の電 磁石は１つのアセンブリとして作動する。 コンプライアンスばね５０は弁棒における熱膨張を補償するために使用される 。さらに詳細に言えば、弁頭５４が適正に弁座に当接したとき、コア要素１６は 上部電磁石３２と接触しているべきである。弁棒が膨張すれば、コア要素は弁頭 ５４が適正に弁座に当接する前に上部電磁石３２と接触してしまう。しかしなが ら、熱膨張に対応するために弁棒を短くした場合には、弁頭はコア１６が上部電 磁石に接触する前に弁座に当接するであろう。 この問題を解決するために、支えばねを使用してコア要素を第１の通常偏向位 置へ偏向する。支えばねは弾性部材であり、既知の弾性値を有する。さらに、コ ンプライアンスばねを使用して上部電磁石をコアから引き離すように偏向する。 コンプライアンスばねも弾性部材であり、その弾性値もわかっている。支えばね ２０とコンプライアンスばね５０は、支えばね２０の弾性がコンプライアンスば ね５０の弾性より大きくなるように選択されている。従って、電磁石がオンであ るとき、コア１６は弁頭が弁座に当接するまで上部電磁石に向かって上方へ移動 する。この時点で、コア１６と上部電磁石３２との間のギャップがゼロになるま で、上部電磁石は下方のコア要素１６に向かって引き付けられる。 さらに図１を参照すると、弁は下部電磁石３４と弁胴２４との間の下部コンプ ライアンス空間５６と、上部電磁石３２と弁胴２４との間の上部コンプライアン ス空間５８とを含む。コンプライアンス空間５６、５８があるために、上下の電 磁石はコンプライアンスばね５０に対する反動として、弁胴２４と接触せずに動 くことができる。 コンプライアンスばねは任意の弾性部材から構成されていれば良く、また、先 に説明したのと同じ熱膨張補償の特徴を発揮したままで、上下の電磁石アセンブ リのいずれかの部分と係合すれば良いということを理解すべきである。 図１を今一度参照して、本発明の別の特徴を詳細に説明する。この特徴は電磁 石調整部材６０であり、コア要素、弁棒又は弁胴の軸方向位置に影響を与えずに 上下の電磁石アセンブリを軸方向に調整することができる。従って、弁を組み立 てた後、電磁石の位置決めに必要な厳密な機械的許容差が手動操作で得られるで あろう。図示した実施例では、電磁石調整部材６０は弁胴２４と螺合する中空の ねじ山付きボルト６２を含む。ボルト６２は中空であり、支えばね２０を遊びを もって収納するボルト空洞６４を画成している。図示した実施例においては、ボ ルトを締め付けたとき、ボルトは上部電磁石３２に圧力を加えることにより、電 磁石アセンブリを軸方向下向きの位置へ押し、コンプライアンスばね５０を圧縮 する。同様に、ボルト６２をゆるめたときには、コンプライアンスばね５０は必 然的に電磁石アセンブリを軸方向上向きに動かすであろう。電磁石アセンブリの 別の場所に圧力を加えるようにボルト６２を設計しても良いが、上部電磁石と下 部電磁石はスペーサ５２によって内部結合されているために、電磁石調整部材６ ０は上下の電磁石に同時に影響を及ぼす。電磁石調整部材６０はボルト６２を適 正な位置に固着するための第１のナット６５をさらに含んでいても良い。 本発明の別の特徴は支えばね調整部材６６である。支えばね調整部材６６は図 １には中空のねじ部材６８から構成されるものとして示されている。中空のねじ 部材６８はボルト空洞６４の中に螺合する。図示した実施例では、中空ねじ部材 ６８は支えばね２０の上端部と係合する。支えばね２０はコア要素１６と係合し ている。従って、ねじ部材６８を締め付けると、支えばねは圧縮されて、コア要 素を軸方向下向きの位置へ移動させる。ねじ部材６８をゆるめたときには、支え ばねが伸長し、コア要素を軸方向上向きの位置へ移動させる。支えばね調整部材 ６６はねじ６８を所定の位置に固着するための第２のナット７２を含んでいても 良い。 支えばね調整部材６６の機能は、コア要素１６を上部電磁石と下部電磁石３２ 、３４の間に正確に位置決めすることである。先に説明した通り、コア要素は電 磁石の厳密に中間の位置にあるべきである。支えばね調整部材６６は弁を組み立 てた後のコア要素の手動操作による位置決めを可能にする。支えばね調整部材６ ６は別の領域で支えばねと接触していても、同じコア位置決め機能を果たすこと に 注意すべきである。 弁１０の作動は、共に本出願の譲受人に譲渡され且つ本明細書中に参考として 取り入れられている１９９２年１０月５日出願の米国出願番号第０７／９５７， １９４号及び１９９２年１２月９日出願の米国出願番号第０７／９８８，２８０ 号の中に詳細に説明されている。 次に図２を参照すると、独特のコアと電磁石の構造が詳細に示されている。図 ２に示すように、電磁石要素１２は第１の面７０を規定する。第１の面７０は中 心チャンバ、又は中心開口２６と、その開口２６を取り囲むように延出する連続 溝通路２６とを規定する。コイル１４は連続溝通路２６に配置される。電磁石の 第１の面７０はほぼ凸型であるのが好ましい。電機子、すなわち、コア要素１６ は電磁石要素１２から離間した通常偏向初期位置にある。コア要素１６は磁極面 ７２をも規定する。コア磁極面７２は電磁石要素の第１の面７０に対応するほぼ 凹型である。 面７０、７１の角度は、電磁石要素とコア要素との接触を広げる。弁の行程運 動に対する磁極面の角度は、弁を開放位置から閉鎖位置へ、また、その逆に閉鎖 位置から開放位置へ引くために要求される電流の量を減少させる働きをする。従 って、本明細書に参考として取り入れられている１９９２年１２月９日出願の米 国出願番号第０７／９８８，２８０号に説明されているように、本発明の構造は 、弁を所望の回転速度で作動させるために運動質量を十分に小さく維持しつつ、 所望の力を得るために十分な磁極面面積と、十分な磁束戻り経路と、十分に大き い磁界とを形成するという問題を解決する。 また、本発明の弁１０の別の実施例においては、二対の電磁石要素を利用して も良いことに注意すべきである。その場合、第１の対の電磁石は第２の対の電磁 石の上に積み重ねられる。複数対の電磁石要素と複数のコアの使用は、磁束に割 り当てられる面積を縮小せずに磁気回路全体に要求される質量を減らすという意 味で重要である。従って、複数対の電磁石と複数のコアによって必要な電流と電 力は増加するが、総必要電流及び電力が所望の通りに管理可能であることに変わ りはない。 以上、本発明の原理に従った電磁作動弁の好ましい１つの例示実施例を説明し た。当業者はここで開示した発明概念から逸脱することなく、上述の実施例の数 多くの利用方法やその変形を考えられるであろう。従って、本発明は次に示す請 求の範囲の範囲によってのみ定義されるものとする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スチュアート，キース，オー. アメリカ合衆国．90630 カリフォルニア, サイプレス，ウェリントン コート 4556 (72)発明者 ソートール，クリストファー アメリカ合衆国．22901 ヴァージニア, シャルロッツヴィル，コモンウェルス ド ライヴ 2257 ビー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの電磁石と； 前記電磁石がオフであるときの前記電磁石から離間した第１の通常偏向初期位 置と、前記電磁石がオンであるときの前記電磁石に近い固定停止位置とを有する 少なくとも１つのコア要素と； 第１のレベルの弾性を有し、前記コア要素を前記第１の通常偏向位置へ偏向す る第１の弾性部材と； 第２の弾性レベルを有し、前記電磁石を前記コアから離間させるように偏向す る第２の弾性部材とを具備し、前記第１の弾性レベルは第２の弾性レベルより大 きく、そのため、前記電磁石がオンであるとき、前記コアは前記固定停止位置に 到達するまで前記電磁石に近付き、その後、前記電磁石は前記コアを前記固定停 止位置に近付ける電磁作動装置。 ２．第２の弾性部材に対する電磁石の圧力を制御することにより、前記電磁石 の軸方向位置が制御されるように前記電磁石と係合する電磁石調整部材をさらに 具備する請求項１記載の作動装置弁。 ３．各対の電磁石が上部電磁石と、下部電磁石とからさらに構成され、前記対 の上部電磁石と下部電磁石は、前記上部電磁石と前記下部電磁石との中間にコア 要素を挟んで互いに対称関係にある少なくとも一対の電磁石と； 前記対の前記上部電磁石と前記下部電磁石とを結合し、前記上部電磁石と前記 下部電磁石との間に所定の間隔を維持するスペーサと； 第２の弾性部材に対する前記下部電磁石の圧力を制御することにより、前記電 磁石の軸方向位置が制御されるように前記上部電磁石及び前記下部電磁石のうち 一方と係合する電磁石調整部材とをさらに具備する請求項１記載の作動装置弁。 ４．第１の弾性部材の張力を制御することにより、コア要素の中立位置が制御 されるように第１の弾性部材と係合する弾性部材調整部材をさらに具備する請求 項１記載の作動装置弁。 ５．閉鎖位置を有し且つ熱膨張を示す弁棒を有する被作動弁の温度補償電磁作 動装置において、 少なくとも１つの電磁石と； 前記弁棒に取り付けられ、前記電磁石がオフであるときの前記電磁石から離間 した第１の通常偏向初期位置と、前記電磁石がオンであるときの前記電磁石に近 い第２の中間位置とを有し、前記第２の中間位置は弁棒の熱膨張に関連して変化 し且つ弁閉鎖位置に対応するような少なくとも１つのコア要素と； 第１の弾性レベルを有し、前記コア要素を前記第１の通常偏向位置へ偏向する 第１の弾性部材と； 第２の弾性レベルを有し、前記電磁石を前記コアから離間するように偏向する 第２の弾性部材とを具備し、前記第１の弾性レベルは第２の弾性レベルより大き く、そのため、前記電磁石がオンであるとき、前記コアは前記第２の位置に到達 するまで前記電磁石に近付き、その後、前記電磁石は前記コアを前記第２の位置 に近付ける温度補償電磁作動装置。 ６．第２の弾性部材に対する電磁石の圧力を制御することにより、前記電磁石 の軸方向位置が制御されるように前記電磁石と係合する電磁石調整部材をさらに 具備する請求項５記載の温度補償電磁作動弁。 ７．各対の電磁石が上部電磁石と、下部電磁石とからさらに構成され、前記対 の上部電磁石と下部電磁石は、前記上部電磁石と前記下部電磁石との中間にコア 要素を挟んで互いに対称関係にある少なくとも一対の電磁石と； 前記対の前記上部電磁石と前記下部電磁石とを結合し、前記上部電磁石と前記 下部電磁石との間に所定の間隔を維持するスペーサと； 前記第２の弾性部材に対する前記下部電磁石の圧力を制御することにより、前 記電磁石の軸方向位置が制御されるように前記上部電磁石及び前記下部電磁石の うち一方と係合する電磁石調整部材とをさらに具備する請求項５記載の温度補償 電磁作動弁。 ８．第１の弾性部材の張力を制御することにより、コア要素の中立位置が制御 されるように前記第１の弾性部材と係合する弾性部材調整部材をさらに具備する 請求項５記載の温度補償電磁作動弁。 ９．各対の電磁石が上部電磁石と、下部電磁石とからさらに構成され、各々が 中心チャンバを規定する環状水平横断面を有し、さらに、前記対の上部電磁石と 下部電磁石が互いに対称関係にある少なくとも一対の電磁石と； 環状水平横断面を有し且つ前記上部電磁石と前記下部電磁石との中間に配置さ れている少なくとも１つのコア要素と； 電磁石の中心チャンバの中に配置され、前記コア要素を中立位置へ偏向するた めの張力を有するばねと； 前記ばねの張力を制御し、それにより、前記コア要素の中立位置が制御される ように前記ばねと係合するばね調整部材とを具備する電磁作動装置。 １０．対の上部電磁石と下部電磁石とを結合し、前記上部電磁石と前記下部電 磁石との間に所定の間隔を維持するスペーサをさらに具備する請求項９記載の電 磁作動装置。 １１．コア及びコイルを含み、前記コアは第１の面と、前記第１の面にあり、 前記コアを貫通する開口とを有し、前記第１の面は前記開口の周囲に延出する連 続溝通路をさらに有し、前記コイルは前記連続溝通路の中に配置され、前記第１ の面はほぼ凸型である電磁要素と； 前記電磁要素から離間した通常偏向初期位置にあり且つさらに磁極面を規定し ており、前記電機子磁極面は前記電磁要素の第１の面に対応するようにほぼ凹型 である電機子要素とを具備する電磁作動装置。