(57)【要約】【課題】弁体の振動を抑制しつつ、必要磁気吸引力を少なくする。【解決手段】高リフト領域では、弁体２０に作用する流体力が著しく小さくなるとともに、弁体２０のリフト変化量に対する流体力の変化量も小さくなる。そのため、高リフト領域では、弁体２０に作用する磁気吸引力の僅かな変化で弁体２０が大きく且つ高速で変位し、それがトリガーとなって弁体２０の振動が発生することが分かった。そこで、弁体２０が弁座１８１から最も離れた位置にあるときの弁体２０と弁座１８１との間の流路面積を、オリフィス１８０の流路面積以下にする。これにより、弁体２０のリフト領域のうちリフト変化量に対する流体力の変化量が大きいリフト領域のみを使用することになるため、磁気吸引力の僅かな変化で弁体２０が大きく変位することが回避され、弁体２０の振動を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電量に応じた磁気吸引力を発生する駆動手段（１０、２４、３０、３２）と、
流体が流れるオリフィス（１８０）および前記オリフィスの開口部を囲む弁座（１８１）を有するバルブボデー（１８）と、
前記流体が及ぼす流体力および前記磁気吸引力を受けて変位して、前記弁座（１８１）との間の流路面積を変化させる弁体（２０）とを備え、
前記弁体が前記弁座から最も離れた位置にあるときの前記弁体と前記弁座との間の流路面積が、前記オリフィスの流路面積以下であることを特徴とする電磁弁。
【請求項２】
前記弁体を付勢するばね（３６）を備え、
前記弁体は、前記ばねのばね力、前記流体力、および前記磁気吸引力の釣り合いによって位置が制御されることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
【請求項３】
前記弁体は、前記磁気吸引力により前記弁座側に付勢されることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気吸引力と流体力との釣り合いによって弁体の位置を制御する電磁弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁弁として、流体が流れる流体通路孔の開口部をテーパ状の弁座にて囲み、弁体が流体力および磁気吸引力を受けて変位して、弁座との間の流路面積を変化させるものが知られている。さらに、ロッドをテーパ状にし、弁体を弁座に沿って摺動させながら変位させることで、弁体の振動を抑制し、制御安定性を確保するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−９９５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、弁体は弁座の表面を摺動しながら変位するため、閉弁作動時には弁体と弁座との間に大きな摩擦抵抗が発生し、したがって必要磁気吸引力が増大し、それに伴い電磁弁の体格も増大する。また、ロッドをテーパ状に加工する必要があるため、加工工数の増大にもつながる。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、弁体の振動を抑制しつつ、必要磁気吸引力を少なくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、通電量に応じた磁気吸引力を発生する駆動手段（１０、２４、３０、３２）と、流体が流れるオリフィス（１８０）およびオリフィスの開口部を囲む弁座（１８１）を有するバルブボデー（１８）と、流体が及ぼす流体力および磁気吸引力を受けて変位して、弁座（１８１）との間の流路面積を変化させる弁体（２０）とを備え、弁体が弁座から最も離れた位置にあるときの弁体と弁座との間の流路面積が、オリフィスの流路面積以下であることを特徴とする電。
【０００７】
ところで、本発明者らは、弁体の振動が発生する原因について実験等にて検討した。その結果、図３に示すように、弁体のリフト領域のうち高リフト領域では、弁体に作用する流体力（図３の破線）が著しく小さくなるとともに、弁体のリフト変化量に対する流体力の変化量も小さくなる。そのため、高リフト領域では、弁体に作用する磁気吸引力（図３の一点鎖線）の僅かな変化で弁体が大きく且つ高速で変位し、それがトリガーとなって弁体の振動が発生することが分かった。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、以上の検討結果に基づいてなされたもので、これによると、弁体のリフト領域のうちリフト変化量に対する流体力の変化量が大きいリフト領域のみを使用することになるため、磁気吸引力の僅かな変化で弁体が大きく変位することが回避され、弁体の振動を抑制することができる。
【０００９】
また、従来の電磁弁のように、閉弁作動時に弁体が弁座の表面を摺動しながら変位する必要はないため、必要磁気吸引力を少なくすることができる。
【００１０】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る電磁弁の構成を示す断面図である。
【図２】図１の電磁弁の要部を拡大して示す断面図である。
【図３】従来の電磁弁の弁体駆動力とリフトとの関係を示す図である。
【図４】一実施形態に係る電磁弁および従来の電磁弁のレール圧の変化特性を示す図である。
【図５】流体力および流路面積とリフトとの関係を示す図である。
【図６】一実施形態に係る電磁弁の弁体駆動力とリフトとの関係を示す図である。
【図７】一実施形態に係る電磁弁の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態について説明する。本実施形態に係る電磁弁は、圧縮着火式内燃機関用蓄圧式燃料噴射装置において、コモンレール内の高圧燃料を低圧部に排出する流路を開閉してコモンレール内の燃料圧力（以下、レール圧という）を制御する電磁弁として用いられる。
【００１３】
図１、図２に示すように、電磁弁は、磁性体金属製で磁気回路を形成する円筒状のハウジング１０を備えている。ハウジング１０には、円筒状のハウジング第１筒部１００と円筒状のハウジング第２筒部１０１とが、軸方向に連続して形成されている。
【００１４】
ハウジング第１筒部１００には、その径方向中心部に円柱状空間のハウジング第１孔１０２が形成されている。ハウジング第２筒部１０１には、ハウジング第１孔１０２よりも内径が大きい円柱状空間のハウジング第２孔１０３が形成されている。
【００１５】
ハウジング第１孔１０２内には、ステンレス等の非磁性体金属よりなる円筒状のスリーブ１２が配置されている。スリーブ１２内には、金属よりなる円柱状のロッド１４が摺動自在に挿入されている。
【００１６】
スリーブ１２は、ハウジング第１孔１０２よりも短くなっており、ハウジング第１孔１０２における軸方向中間部に位置している。そして、ハウジング第１孔１０２の空間のうち、スリーブ１２よりも反ハウジング第２孔側の空間は、流体としての燃料が流通する流体通路１６として機能する。流体通路１６は、図示しない燃料タンクに接続される。
【００１７】
ハウジング第１筒部１００の端部には、円筒状のバルブボデー１８がかしめにより固定されている。このバルブボデー１８には、その径方向中心部に、燃料が流れるオリフィス１８０が形成されている。このオリフィス１８０は、一端側が流体通路１６と連通し、他端側が図示しないコモンレールに接続される。
【００１８】
また、バルブボデー１８には、流体通路１６側の面に、オリフィス１８０の開口部を囲むテーパ状の弁座１８１が形成されている。
【００１９】
ロッド１４におけるバルブボデー１８側の端部には、金属よりなる球状の弁体２０が接合されている。弁体２０は、ロッド１４とともにロッド１４の軸方向に移動することにより、オリフィス１８０を開閉するとともに、弁座１８１との間の流路面積を変化させるようになっている。
【００２０】
ロッド１４における反バルブボデー側の端部には、磁性体金属製で磁気回路を形成する円筒状のアーマチャ２２が接合されている。アーマチャ２２は、ハウジング第２孔１０３内に配置されている。
【００２１】
アーマチャ２２におけるハウジング第１筒部１００に対向する面であるアーマチャ磁極面２２１と、ハウジング第１筒部１００におけるアーマチャ２２に対向する面であるハウジング磁極面１０４との間に、エアギャップＧが形成されている。
【００２２】
そして、磁気吸引力によりアーマチャ２２がハウジング磁極面１０４側に吸引され、アーマチャ２２とともにロッド１４および弁体２０が弁座１８１側に移動するようになっている。したがって、この電磁弁は、ノーマリーオープン型の電磁弁である。
【００２３】
以下、本明細書では、ロッド１４、弁体２０、およびアーマチャ２２を一括して、可動部材１４、２０、２２という。
【００２４】
ハウジング第２筒部１０１内には、磁性体金属製で磁気回路を形成する有底円筒状のステータコア２４がアーマチャ２２に対向して配置されている。そして、ハウジング１０とステータコア２４は、ステンレス等の非磁性体金属よりなるリング状のカラー２６を介して溶接にて気密的に接合されている。
【００２５】
カラー２６は、ハウジング１０とステータコア２４との間の磁束の流れを制限するものであり、より詳細には、カラー２６の内周面の一部がアーマチャ２２の外周面に対向しており、アーマチャ２２をバイパスしてハウジング１０とステータコア２４間で流れる磁束を抑制する。
【００２６】
ステータコア２４の底部には、ロッド１４に対向して金属製のストッパ２８が配置されている。そして、ロッド１４がストッパ２８に当接することにより、可動部材１４、２０、２２のステータコア２４側への移動範囲（すなわち、最大リフト位置）が規制される。
【００２７】
なお、ロッド１４およびストッパ２８のうち少なくとも一方は、非磁性体金属よりなる。これにより、ロッド１４とストッパ２８の接触時に、ロッド１４とストッパ２８間で磁気吸引力が発生しないようにしている。
【００２８】
ハウジング第２筒部１０１内で且つステータコア２４の外周側には、通電時に磁界を形成する円筒状のコイル３０が配置されている。また、ハウジング第２筒部１０１の端部には、磁性体金属製で磁気回路を形成する円板状のリテーニングナット３２が螺合されている。なお、ハウジング１０、ステータコア２４、コイル３０、およびリテーニングナット３２は、本発明の駆動手段を構成している。
【００２９】
ここで、本実施形態では、弁体２０が弁座１８１から最も離れた位置（すなわち、最大リフト位置）にあるときの弁体２０と弁座１８１との間の流路面積を弁座部最大流路面積Ａｆｍａｘとし、オリフィス１８０の流路面積をオリフィス流路面積Ａｏとしたとき、弁座部流路面積Ａｆをオリフィス流路面積Ａｏ以下（すなわち、Ａｆ／Ａｏ≦１）にしている。なお、弁体２０と弁座１８１との間の流路面積を弁座部流路面積Ａｆという。
【００３０】
そして、弁体２０の最大リフト量をＬ、弁体２０の外径をＤ、弁座１８１のテーパ角をθ、オリフィス１８０の内径をｄとしたとき、弁座部最大流路面積Ａｆｍａｘは数式１にて求められ、オリフィス流路面積Ａｏは数式２にて求められる。また、最大リフト量Ｌを数式３のように設定することにより、Ａｆｍａｘ／Ａｏ≦１、となる。
【００３１】
【数１】
2014152826.tif 000003
【００３２】
【数２】
2014152826.tif 000004
【００３３】
【数３】
2014152826.tif 000005
次に、本実施形態に係る電磁弁の作動を説明する。
【００３４】
可動部材１４、２０、２２は、コモンレール内の高圧燃料が弁体２０に及ぼす流体力によって開弁向きに付勢される。また、可動部材１４、２０、２２は、コイル３０に通電しているときには、アーマチャ磁極面２２１とハウジング磁極面１０４との間に発生する磁気吸引力によって閉弁向きに付勢される。
【００３５】
そして、コイル３０に通電されていないとき、すなわち磁気吸引力が発生していないときには、可動部材１４、２０、２２は流体力により最大リフト位置（すなわち、全開位置）に駆動され、コモンレール内の高圧燃料はオリフィス１８０や流体通路１６を介して燃料タンクに排出されるが、レール圧が例えば２０ＭＰａ程度に維持されるように、弁座部最大流路面積Ａｆｍａｘが設定されている。
【００３６】
かかる状態からコイル３０に通電すると磁気吸引力が発生し、流体力に抗して、可動部材１４、２０、２２が閉弁向きに駆動される。そして、コイル３０に供給される電流の増加に伴って弁座部流路面積Ａｆが漸減してレール圧が漸増する。
【００３７】
ここで、従来の電磁弁の閉弁作動時の挙動を説明する。図３は、Ａｆｍａｘ／Ａｏ＞１とした従来のノーマリーオープン型電磁弁の、弁体駆動力とリフトとの関係を示すものである。この図３中、実線は弁体駆動力を示し、破線は流体力を示し、一点鎖線は磁気吸引力を示している。
【００３８】
なお、弁体駆動力＝流体力＋磁気吸引力である。また、弁体駆動力、流体力、および磁気吸引力は、弁体２０に対して開弁向きに作用する力を正（＋）、弁体２０に対して閉弁向きに作用する力を負（−）としている。
【００３９】
図４は、コイル３０に通電した際のレール圧の変化特性を示すもので、実線は本実施形態に係る電磁弁の変化特性を示し、破線はＡｆｍａｘ／Ａｏ＞１とした従来の電磁弁の変化特性を示している。
【００４０】
図３に示すように、コイル３０への通電により磁気吸引力が流体力よりも大きくなって弁体駆動力が負になると、弁体２０は全開位置から閉弁向きに変位し始め、弁体２０は低リフト側にある釣合点ａ（すなわち、弁体駆動力＝０）まで変位する。
【００４１】
このとき、弁体２０の高リフト領域では、弁体２０に作用する流体力が著しく小さくなるとともに、弁体２０のリフト変化量に対する流体力の変化量（以下、流体力のリフト感度という）も小さくなる。そのため、コイル３０への通電開始直後は、弁体２０が大きく且つ高速で変位する。換言すると、弁体２０が全開位置から釣合点ａまで急変位する。
【００４２】
このように、弁体２０が全開位置から釣合点ａまで急変位するため、図４のｂ部のようにレール圧が急上昇する（具体的には、１０〜５０ＭＰａ程度上昇する）。また、弁体２０はこの急変位がトリガーとなって振動が発生する。さらに、流体力と磁気吸引力を小さな力で釣り合わせる場合は、弁体２０の振動を減衰させる力が十分に働かないため、弁体２０の振動が長く続き、図４のｃ部のようにレール圧のハンチングが発生する。
【００４３】
上記の検討結果に基づけば、弁体２０の振動を抑制するには、弁体２０の急変位を生じさせない構成にすればよい。弁体２０の急変位が発生する原因は、高リフト領域における流体力のリフト感度が低い点にある。この流体力のリフト感度が低くなることは、高リフト領域における流路がオリフィス１８０にて絞られ、圧力がリフトに依存せず規制されるために生じる。
【００４４】
したがって、流体力のリフト感度を高くするには、オリフィス流路面積Ａｏを拡大してその絞り作用を小さくする、もしくは弁体２０の最大リフト量を小さくして弁座部流路面積Ａｆを小さくすればよい。なお、図５は発明者らが行った実験の結果を示すもので、Ａｆ／Ａｏ≦１となるリフト領域では、流体力のリフト感度が高くなることが確認されている。
【００４５】
次に、本実施形態に係る電磁弁の実験結果について説明する。試験品は、ノーマリーオープン型電磁弁であり、Ｌ＝０．１５ｍｍ、Ｄ＝φ１ｍｍ、θ＝９０°、ｄ＝φ０．６５ｍｍ、Ａｆｍａｘ／Ａｏ＝０．８である。図６は、この試験品の弁体駆動力とリフトとの関係を示すものである。この図６中、実線は弁体駆動力を示し、破線は流体力を示し、一点鎖線は磁気吸引力を示している。
【００４６】
図６に示すように、この試験品では、弁体２０が全開位置付近にあるときの流体力のリフト感度が高くなる。これにより、コイル３０への通電開始直後の弁体２０の急変位が回避され、弁体２０の振動が抑制される。その結果、図４に示すように、コイル３０への通電開始直後におけるレール圧のハンチングは発生しなくなった。
【００４７】
以上述べたように、本実施形態によると、Ａｆｍａｘ／Ａｏ≦１にすることにより、磁気吸引力の僅かな変化で弁体２０が大きく変位することが回避され、弁体２０の振動を抑制することができる。
【００４８】
また、従来の電磁弁のように、閉弁作動時に弁体２０が弁座１８１の表面を摺動しながら変位する必要はないため、必要磁気吸引力を少なくすることができる。
【００４９】
また、従来の電磁弁のように、ロッド１４をテーパ状に加工する必要がないため、ロッド１４の加工工数を少なくすることができる。」
なお、図７に示す変形例のように、可動部材１４、２０、２２を開弁向きに付勢するばね３６を用いてもよい。この場合、可動部材１４、２０、２２は、ばね３６のばね力、流体力、および磁気吸引力の釣り合いによって位置が制御される。
【００５０】
（他の実施形態）
上記実施形態では、ハウジング１０とバルブボデー１８を別部材として形成した後に一体化したが、ハウジング１０とバルブボデー１８を１つの部材として形成してもよい。
【００５１】
また、上記実施形態では、本発明を、ノーマリーオープン型電磁弁に適用したが、本発明は、ノーマリークローズ型電磁弁にも適用することができる。
【００５２】
さらに、上記実施形態では、本発明を、コモンレール内の燃料圧力を制御する電磁弁に適用したが、本発明は、他の用途における流体圧力を制御する電磁弁にも適用することができる。
【００５３】
また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００５４】
また、上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００５５】
また、上記実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。
【００５６】
また、上記実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５７】
１０    ハウジング（駆動手段）
１８    バルブボデー
２０    弁体
２４    ステータコア（駆動手段）
３０    コイル（駆動手段）
３２    リテーニングナット（駆動手段）
１８０  オリフィス
１８１  弁座
【図１】
2014152826.tif 000006
【図２】
2014152826.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014152826.tif 000010
【図６】
2014152826.tif 000011
【図７】
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