JPH09500436A - 電磁作動弁の改良されたコア構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 改良された電磁作動弁（１０）を開示する。改良された弁の構造は、弁のコア要素（１６）と電磁要素（３２、３４）との中間に配置された非磁性で、構造が安定している材料、好ましくはカプトン又はクロムから成る層（５２）を含み、コア要素及び電磁要素は電気固有抵抗の高い材料から製造されている。非磁性で、構造が安定している材料から成る層と、抵抗の大きいコア要素とは弁の磁力におけるヒステリシス効果を排除する働きをする。コア要素はコア要素を貫通する半径方向に伸びる孔（５０）又は軸方向に伸びる孔（４８）を含んでいても良い。軸方向の孔及び半径方向の孔はコア構造の重量を減らすのに役立ち、また、軸方向の孔は弁の作動中にコア要素が電磁要素に近づくにつれてギャップ内で発生する空気ばねの影響を減少させる働きをする。

Description

【発明の詳細な説明】 電磁作動弁の改良されたコア構造 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、さらに特定すれば電磁作動弁の改良さ れたコア構造に関する。 発明の背景 従来、弁はばねの作用を電磁石と組み合わせる開閉機構のために設計されてき た。ところが、初期の構造は弁を十分な速度をもって十分迅速に開閉するように は作動していなかった。たとえば、ばね作用を利用する弁を内燃機関の吸気弁及 び排気弁の開閉に通常要求される速度を伴って設計するのは不可能であったし、 あるいは、空気圧縮機について必要とされる速度を弁に与えることもできなかっ た。 初期の弁の構造が所望の高速で作動できなかった理由の１つは、運動するコア アセンブリの質量にある。以前の構成においては、磁束の戻り経路を形成する運 動するコア部材の質量は十分に小さくなかったので、最新の内燃機関のようない くつかの用途ではコア部材を所望の速度と同程度に急速に加速することはできな かった。従って、電磁作動弁で使用するための軽量コア構造が必要とされていた 。 従来技術の弁に伴うもう１つの問題はヒステリシス、すなわち、磁化力の変化 に起因する磁性材料の磁化の値の遅延によって起こる。さらに詳細に言えば、従 来の構造の電磁作動装置においては、弁の中の電磁石が消磁されたときにうず電 流と残留磁束が磁性材料に残ってしまうためにコアの解放が遅れ、その結果、弁 が減速される。従って、残留磁束を排除し、それにより、作動装置がより迅速に 反応するように磁力を瞬時にゼロにまで減衰させることが望ましい。 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。 本発明の別の目的は、従来技術と比べて弁をより高速且つより高い周波数で作 動させるために十分に小さい運動コア質量を有する電磁作動装置を提供すること である。 本発明のさらに別の目的は、作動装置の磁力に及ぼされるヒステリシス効果を 低減させる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、電磁作動装置のコア要素の構成が改良されている 。電磁作動弁は電磁要素及びその電磁要素の中に配置されたコイルを有する少な くとも１つの電磁アセンブリと、中心軸を規定し且つ電磁要素から初期離間関係 で偏向されている少なくとも１つのコア要素とを含む。この改良は、電磁要素と コア要素との中間に配置された非磁性で、構造が安定している材料から成る層を 具備して成る。本発明の別の態様は、コア要素が中心軸からはずれた少なくとも １つの開口を規定することである。図示する実施例においては、コア要素は半径 方向に向いた開口と、軸方向に向いた開口の双方を含む。 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、本発明の改良されたコア構造の開口と、非磁性材料から成る層とを示 す電磁作動弁の一実施例の横断面図である。 図２は、本発明の電磁作動弁の改良されたコア構造の平面図である。 図３は、本発明の電磁作動弁の改良されたコア構造の側面図である。 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は環状の形状を有するのが好ましい。環状形状の電磁要素１２は中心チ ャンバ２６を規定し、弁棒２２はそのチャンバを貫通している。中心チャンバ２ ６はさらにコア要素１６の中心縦軸２８を規定する。 電磁要素１２はそれぞれ２つの開口面３６を規定し、それらの開口面は電磁要 素１２の中で中心溝通路３０に通じている。開口面３６は電磁極面領域を形成す る。コイル要素１４は電磁要素の溝通路３０の中で延出している。 各対の電磁要素１２はさらに上部電磁要素３２と、下部電磁要素３４とから構 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は磁極面領域４１を形成する。図示した実施例においては、 コア要素１６は、好ましくはコア要素１６の中心で、弁棒２２に固着されている 。弁棒２２は中心チャンバ２６の中心縦軸２８と軸方向に一直線上になるのが好 ましい。 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。弁は弁胴２４によって包囲されており、弁胴２４は支えばね２０ が接触する上部３８及び下部４０を規定する。 次に、図１、図２及び図３を参照して、本発明の独特なコア構造の利点を論じ る。図１に示す通り、コア要素１６は上面４２と、下面４４と、それら上下の面 を結合する外縁面４６とを含んでいても良い。コア要素１６はコア要素１６の上 面４２から下面４４へと延出する複数の軸方向に伸びる開口４８を含む。図２及 び図３に示す実施例では、コア要素１６の周囲に沿って等間隔に八つの軸方向に 伸びる開口４８が配置されている。軸方向に伸びる開口４８は、それぞれ、コア 要素１６の外縁部から約６．３５ｍｍ（約１／４インチ）離間して配置されてい る。 軸方向に伸びる開口４８の目的は２つある。第一の目的は、十分な磁束経路面 積を保ちつつコア要素１６の質量を減少させることである。従って、軸方向に向 いた開口４８によって、弁の作動を速めることができる。軸方向に伸びる開口４ ８の第二の目的は、コア要素が電磁要素３２、３４に近づくにつれてコア要素１ ６に空気を流通させることである。この結果、弁の作動中にコア要素と電磁要素 との間に発生する空気ばね効果は低減される。 コア要素１６は、コア要素１６の周囲に沿って等間隔に配列された１６個の半 径方向に伸びる開口５０をさらに含む。半径方向に伸びる開口５０は外縁面４６ から約６．３５ｍｍ（約１／４インチ）の長さで、中心軸２８に向かって延出し ているのが好ましい。半径方向に伸びる開口もコア要素の質量を減少させる働き をする。 好ましい実施例において使用される、以上説明した開口４８、５０の数、寸法 及び場所は単なる例であり、本発明に関してそれとは異なる数、寸法、場所をも つ開口を使用できるであろうということに注意すべきである。また、コア要素の 形状が単なる例であることにも注意する。たとえば、１９９２年１０月５日に出 願され且つ本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願番号第０７／９５７，１９ ４号明細書の中で開示されているコア要素に、コア要素の中心縦軸からある角度 を成してコア要素を貫通する複数の開口を設けても良い。 そこで図１を参照すると、本発明の別の特徴が示されている。図１に示すよう に、作動装置は電磁要素３２、３４とコア要素１６との間に配置された非磁性で 、構造が安定している材料から成る薄い層５２を含む。この薄い層５２はカプト ン又はクロムから形成されているのが好ましい。材料層５２の厚さは約０．０５ ｍｍから約０．０７ｍｍ（約２／１０００から３／１０００インチ）であるのが 好ましい。図１では、層５２は、弁が閉鎖しているときに被覆膜が電磁要素とコ ア要素との間に位置するように、電磁要素３２、３４の磁極面領域を被覆するも のとして示されている。次に図２及び図３を参照すると、非磁性材料から成る層 ５２はコア要素１６を直接に被覆していても良い。コア要素を非磁性材料で被覆 する場合、弁が閉鎖したときに電磁要素とコア要素との中間に材料層５２を配置 することも可能になる。 非磁性材料から成る層５２の機能は、最小ギャップにおけるインダクタンスを 減少させることである。さらに特定して言えば、弁が閉鎖し、電磁要素がコア要 素と接触したとき、電磁要素とコア要素との間に閉鎖磁束経路が発生する。とこ ろが、電流が遮断されると、うず電流が発生して、磁界の変化に対抗する。従っ て、磁界はすぐにはゼロにまで減衰せず、磁束が存在し続け、力を発生させる。 そのため、弁の磁化値は弁に加わる磁化力の遅延効果の影響を受ける。 電磁石が消磁されたときのうず電流を排除するためには、磁界の減衰時間の値 を最小にすることが必要である。本発明においては、これは最小ギャップにおけ るインダクタンスを減少させ且つコア要素の材料の抵抗を増加させることにより 実現される。さらに詳細に言えば、非磁性で、構造が安定している材料から成る 層５２をコア要素と電磁要素との中間に配置することによって、インダクタンス を減少させる。層５２は弁の出力に重大な影響を与えないように薄い層であるの が好ましい。層５２は電磁石とコア要素との間に、磁界のインダクタンスを減少 させるギャップを形成する。 減衰時間をさらに短縮するために、コア要素及び電磁要素の材料の電気固有抵 抗を増加させることが望ましい。本発明の好ましい実施例では、電気固有抵抗の 高い鉄を使用してコア要素と電磁要素を製造する。一例としては、コア要素及び 電磁要素に珪素鉄を使用しても良い。これにより、電磁石が消磁されると、層５ ２によって形成されるギャップの低いインダクタンスと、コア要素及び電磁要素 の高い電気固有抵抗は磁力をゼロにまで減衰させるので、作動装置はより急速に 反応できることになる。 図１に戻って、弁１０の作動を説明する。この明細書の説明に関しては、コア アセンブリ１６はコアと、特定の用途ごとにコアに結合されるアセンブリとを含 むことに注意すべきである。動力を供給されていない中立の状態にあるとき、ば ね２０はコア１６を上部電磁石３２と下部電磁石３４との中央の、平衡位置に保 持する。弁１０を中立位置から閉鎖位置へ変化させるために、コイル１４ａに持 続時間の短い高電流パルスを印加すると、コア１６を上部電磁石３２の方へ引き 付ける電磁力が発生する。その電磁力はばね２０の力を上回るので、弁１０は閉 鎖位置へと駆動される。弁１０が閉鎖位置に達したならば、弁１０をその閉鎖位 置に維持するためにごく小さい定常電流をコイル１４ａに流すだけで良い。 コア１６と電磁石３２との間の引き付け力がばね２０がコア１６を中立位置へ 戻そうとする力より大きい間は、コア１６は閉鎖位置にとどまる。弁１０を開放 すべき場合には、コイル１４ａを流れている電流を遮断する。電流が遮断される と、ばね２０はコアアセンブリ１６を中立位置に向かって押し戻し、その速度は 中立位置に近づくに従って早くなる。しかしながら、ニュートンの運動の法則に よれば、ばね２０がコアアセンブリ１６に加える正味の力は中立位置において最 大速度でゼロである。従って、その速度ではコアアセンブリ１６は中立位置を通 り過ぎてしまう。コアアセンブリ１６が中立位置を通過した後、ばね２０は速度 とは逆向きの力をコアアセンブリ１６に加え、その力はコアアセンブリ１６が下 部電磁石３４に近づくにつれてコアアセンブリ１６を減速させる。 摩擦が非常に小さい場合、動いているコアアセンブリ１６は中立位置を通過し 、中立位置から反対側で動き始めたときの中立位置からの距離にほぼ等しい距離 をおいた位置まで移動する。コアアセンブリ１６が下部電磁石３４に近づくにつ れて、コイル１４ｂの相対的に小さい電流でも、機械的な摩擦とばねの減衰によ って失われたエネルギーを補償し且つ弁の両側の圧力差を上回るために要求され るエネルギーを追加するだけの力を十分に供給できる。また、コイル１４ｂの電 流は弁を開放位置に十分に保持する。 弁１０が動力を供給された作動状態にあるときには、弁１０を開放位置から閉 鎖位置へ駆動するため又は逆に弁を閉鎖位置から開放位置へ駆動するために要求 されるエネルギーのほぼ全ては、圧縮状態の支えばね２０に蓄積されたエネルギ ーによって供給される。摩擦のために失われる少量のエネルギーはコアアセンブ リ１６の下部電磁石３４への引き付けにより与えられるが、この動きはコイル１ ４ｂに電流が供給されるとすぐに始まる。このように、コイル１４ｂは弁開放シ ーケンスの早い段階で、コイル１４ａの電流遮断のすぐ後に続いてターンオンさ れるのが好ましい。 外部負荷を作動するために本発明の弁を利用することも可能であるという点に 注意すべきである。本発明のこの実施例では、弁棒は外部装置に結合するアクチ ュエータロッドから構成されている。この場合、上下の電磁要素は共振周波数で 順次励磁されて、ばね質量系を共振させる。従って、作動装置は必要電流を小さ く抑えつつ外部負荷を作動する。 以上、本発明の原理に従った電磁作動弁の１つの好ましい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 ブライアー，ウィリアム シー. アメリカ合衆国．90620 カリフォルニア, ブエナ パーク，キャンターベリイ ウェ イ 8230 (72)発明者 バルガッツ，デニス アメリカ合衆国．91355 カリフォルニア, レセダ，ヤーマウス アヴェニュー 6522

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電磁要素及びその電磁要素の中に配置されたコイルを含む少なくとも１つ の電磁アセンブリと、上面、下面、外縁面及び中心軸を規定し且つ電磁要素から 初期離間関係に偏向されている少なくとも１つのコア要素とを有する電磁作動弁 において、 前記電磁要素と前記コア要素との中間に配置された非磁性で、構造が安定して いる材料から成る層と； 少なくとも一部が上面と下面との間でコア要素を通って延出している少なくと も１つの半径方向開口とを具備して成る電磁作動弁。 ２．非磁性で、構造が安定している材料から成る層はコア要素を被覆している 請求項１記載の電磁作動弁。 ３．非磁性で、構造が安定している材料から成る層は電磁要素の一部分を被覆 している請求項１記載の電磁作動弁。 ４．非磁性で、構造が安定している材料から成る層はカプトンから形成されて いる請求項１記載の電磁作動弁。 ５．非磁性で、構造が安定している材料から成る層はクロムから形成されてい る請求項１記載の電磁作動弁。 ６．非磁性で、構造が安定している層の厚さは約０．０５ｍｍから約０．０７ ｍｍ（ほぼ２／１０００から３／１０００インチ）である請求項１記載の電磁作 動弁。 ７．コア要素及び電磁要素が電気固有抵抗の高い材料から製造されることをさ らに含む請求項１記載の電磁作動弁。 ８．固有抵抗の高い材料は珪素鉄である請求項７記載の電磁作動弁。 ９．コア要素が少なくとも１つの半径方向に向いていない開口を規定し、前記 半径方向に向いていない開口は前記コア要素の中心軸からはずれていることをさ らに含む請求項１記載の電磁作動弁。 １０．開口の直径は約３．１ｍｍ（約１／８インチ）である請求項９記載の電 磁作動弁。 １１．電磁要素と、電磁要素の中に配置されたコイルと、上面、下面及び外縁 面を有し且つ中心軸を規定し、通常は電磁石から離間した関係に偏向されている 環状のコア要素とを有する電磁作動弁において、 前記コア要素は、少なくとも一部が上面と下面との中間でコア要素を通って延 出している少なくとも１つの半径方向開口を規定することから成る電磁作動弁。 １２．半径方向開口はコア要素の外縁面で始まっている請求項１２記載の電磁 作動弁。 １３．半径方向開口はコア要素の外縁面から中心軸に向かって約７．９ｍｍ（ 約５／１６インチ）の長さで延出している請求項１３記載の電磁作動弁。 １４．半径方向開口の直径は約３．１ｍｍ（約１／８インチ）である請求項１ ２記載の電磁作動弁。 １５．コア要素は少なくとも１つの軸方向に向いた開口をさらに規定し、前記 軸方向に向いた開口は中心軸からはずれている請求項１２記載の電磁作動弁。 １６．軸方向に向いた開口の直径は約３．１ｍｍ（約１／８インチ）である請 求項１６記載の電磁作動弁。