(57)【要約】【課題】容易に高応答の電磁弁を設計することができる電磁弁設計方法および該方法により製造された電磁弁を提供すること。【解決手段】アーマチャと一体の弁体と、バネと、ソレノイドを備え、ソレノイドに電流を流すことでアーマチャが吸引されて弁体が変位する構造の電磁弁設計方法において、アーマチャ質量ｍ１、弁体の質量ｍ２、アーマチャのストロークｘｓと、開き側弁体応答時間τｖｏと、閉じ側弁体応答時間τｖｃと、を予め定め、これらに基づいて、バネ力Ｆｋを求め、１より大きい数ｎＦによりソレノイドの最大吸引力Ｆｍｍａｘ＝ｎＦＦｋを仮定し、ソレノイドの電気回路時定数を算出し、これらバネ力、ソレノイド最大吸引力、および電気回路時定数により、電磁弁を設計する【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーマチャと一体の弁体と、バネと、ソレノイドを備え、ソレノイドに電流を流すことでアーマチャが吸引されて弁体が変位する構造の電磁弁設計方法において、
アーマチャ質量ｍ１、弁体の質量ｍ２、アーマチャのストロークｘｓと、開き側弁体応答時間τｖｏと、閉じ側弁体応答時間τｖｃと、を予め定め、これらに基づいて、バネ力
【数１】
2004084871.tif 000014
を求め、１より大きい数ｎＦによりソレノイドの最大吸引力Ｆｍｍａｘ＝ｎＦＦｋを仮定し、
ソレノイドの電気回路時定数を、
【数２】
2004084871.tif 000015
より算出し、
これらバネ力、ソレノイド最大吸引力、および電気回路時定数に基づいて、電磁弁を設計することを特徴とする電磁弁設計方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁弁設計方法において、
前記算出されたアーマチャおよび弁体の質量が予め定められた質量より大きかった場合、前記ｎＦを下げて再度計算を行うことを特徴とする電磁弁設計方法。
【請求項３】
アーマチャと一体の弁体と、バネと、ソレノイドを備え、ソレノイドに電流を流すことでアーマチャが吸引されて弁が変位する構造の電磁弁において、
アーマチャ質量ｍ１、弁体の質量ｍ２、アーマチャのストロークｘｓと、開き側弁体応答時間τｖｏと、閉じ側弁体応答時間τｖｃと、バネ力
【数３】
2004084871.tif 000016
と、ソレノイド最大吸引力Ｆｍｍａｘ＝ｎＦＦｋ（ｎＦ＞１）と、ソレノイドの電気回路時定数τｅとについて、
【数４】
2004084871.tif 000017
の関係が成り立つことを特徴とする電磁弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁弁設計方法および電磁弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に電磁弁を示す。弁体１がアーマチャ２と一体となっており、バネ３によりコイル（ソレノイド）４と反対方向に常時押し付けられている。コイル４はアーマチャ２に近接して位置しており、電流を流すことによりアーマチャ２はストロークｘｓだけ上方向に吸引され弁が変位する構造となっている。
電磁石の駆動においては、コイル４の両端に電圧を印加して、そのときに流れる電流により電磁石コア５の磁束を励起して、電磁石内に設けられた空隙６に吸引力を発生させる。
従来、電磁弁が備える直流電磁石の設計においては、吸引力、コイル４の温度上昇から、電磁石設計を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電磁弁の開閉時間の高速化（高応答化）が要求される場合がある。例えば、電磁弁を用いたディーゼル燃料噴射系では、２ｍｓ以下の非常に短い噴射期間を制御する場合、電磁弁の応答が遅いと、弁が最大リフトまで達せず、弁の開閉電気信号に対して、弁の開閉期間が逆転する噴射期間が存在する。噴射量の制御は、弁の開閉電気信号に弁の開閉期間が比例する領域でしか用いられず、アイドリングを決定する最小噴射量は、弁の開閉期間が逆転する噴射期間で決定される。つまり、弁の応答速度を高めて制御できる噴射期間を短くできればできるほど、微小噴射が可能となり自由度の高い燃料噴射制御が可能となる。また、弁の高応答化により燃料の微小噴射制御が可能となり、ディーゼルエンジンのＮＯｘ低減などに有効なパイロット噴射も可能となる。
しかしながら、電磁石駆動部（アーマチャ２）の開閉時間は、アーマチャ２の質量と電気回路時定数、最大吸引力の３つの要素に左右され、容易に設計することができない。このため、従来においては電磁弁の印加電圧やコイル巻数、コア鉄心材料を変えて試行錯誤的に高応答化を行うことしかできなかった。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、容易に高応答の電磁弁を設計することができる電磁弁設計方法および該方法により製造された電磁弁を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、アーマチャと一体の弁体と、バネと、ソレノイドを備え、ソレノイドに電流を流すことでアーマチャが吸引されて弁体が変位する構造の電磁弁設計方法において、アーマチャ質量ｍ１、弁体の質量ｍ２、アーマチャのストロークｘｓと、開き側弁体応答時間τｖｏと、閉じ側弁体応答時間τｖｃと、を予め定め、これらに基づいて、バネ力
【０００６】
【数５】
2004084871.tif 000003
【０００７】
を求め、１より大きい数ｎＦによりソレノイドの最大吸引力Ｆｍｍａｘ＝ｎＦＦｋを仮定し、ソレノイドの電気回路時定数を、
【０００８】
【数６】
2004084871.tif 000004
【０００９】
より算出し、
これらバネ力、ソレノイド最大吸引力、および電気回路時定数に基づいて、電磁弁を設計することを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、予め仕様を定め、アーマチャの目標開閉時間から電気回路時定数と最大吸引力の組み合わせを計算して、これらからソレノイドの巻数、磁路の面積等の各寸法を決定する。与えられた仕様を満たす最大吸引力と電気回路時定数との組み合わせは無数にある。したがって、１より大きい数ｎＦによりソレノイドの最大吸引力Ｆｍｍａｘ＝ｎＦＦｋを仮定する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電磁弁設計方法において、前記算出されたアーマチャおよび弁体の質量が予め定められた質量より大きかった場合、前記ｎＦを下げて再度計算を行うことを特徴とする。
【００１２】
上記請求項１による設計結果によって得られた最大吸引力に合わせてアーマチャの磁路面積（これは吸引力に比例する）を設定すると、アーマチャ及び弁体の質量が上記の予め指定した値より増加してしまう場合がある。この場合指定した開閉時間を満たさなくなるため、ｎＦを小さくすることで最大吸引力Ｆｍｍａｘを小さくして設計をやり直す。必要に応じてこれを繰り返すことで、条件を満たした電磁弁の設計が可能となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、アーマチャと一体の弁体と、バネと、ソレノイドを備え、ソレノイドに電流を流すことでアーマチャが吸引されて弁が変位する構造の電磁弁において、
アーマチャ質量ｍ１、弁体の質量ｍ２、アーマチャのストロークｘｓと、開き側弁体応答時間τｖｏと、閉じ側弁体応答時間τｖｃと、バネ力
【００１４】
【数７】
2004084871.tif 000005
【００１５】
と、ソレノイド最大吸引力Ｆｍｍａｘ＝ｎＦＦｋ（ｎＦ＞１）と、ソレノイドの電気回路時定数τｅとについて、
【００１６】
【数８】
2004084871.tif 000006
【００１７】
の関係が成り立つことを特徴とする。
【００１８】
本発明の電磁弁は、従来の電磁弁と比較すると、例えば高応答の特性を出すために試行錯誤して設計する必要が無く、容易に製造することができる。したがって製造コストを低く抑えることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について説明する。なお、電磁弁の概略構成は図５に示したものと同じであるから、同符号を用い、説明を省略する。
本実施形態における電磁弁設計方法のフローを図１に示した。本設計方法においては、まず電磁弁の仕様を予め定める。すなわち、以下の値を与える。
アーマチャ２の質量ｍ１
弁体１の質量ｍ２
アーマチャ２のストローク（最大ギャップ）ｘｓ
弁体が０からフルストロークまで動くのに要する時間（開き側弁体応答時間）τｖｏ弁体がフルストロークから０まで動くのに要する時間（閉じ側弁体応答時間）τｖｃ
【００２０】
弁体１及びアーマチャ２の慣性力を二回積分すると、
【００２１】
【数９】
2004084871.tif 000007
【００２２】
となり、上式をＦｋについて整理すると、以下のバネ力が決定する。
【００２３】
【数１０】
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【００２４】
バネ力は常時作用しているので、弁体１が移動するためには、コイル最大吸引力はバネ力よりも大きくなる必要がある。与えられた仕様を満たすコイル４の吸引力時定数と最大吸引力との組み合わせは無数にあるため、最大吸引力Ｆｍｍａｘをバネ力のｎＦ倍と仮定して、　Ｆｍｍａｘ＝ｎＦＦｋ　とする。ｎＦは１より大きい数である。本実施形態においては初期値を１０とし、後述するように設計結果に応じて徐々に下げて設計解を導出する。
【００２５】
電流をｉ、電気時定数をτｅ、最大電流をＩｍａｘ，インダクタンスは変化しないと仮定すると、電流の過渡応答波形は、
【００２６】
【数１１】
2004084871.tif 000009
【００２７】
で表すことができる。吸引力Ｆｍは、過渡状態では電流の二乗に比例するので、上式の二乗になっていると仮定して、下のように仮定する。
【００２８】
【数１２】
2004084871.tif 000010
【００２９】
上記の式を変形すると、
【００３０】
【数１３】
2004084871.tif 000011
【００３１】
を得る。ＦｍｍａｘおよびＦｋは上記のように与えられた仕様により既知であるため、上式を解くと電気時定数τｅが定まる。
【００３２】
以上のように求められた最大吸引力Ｆｍｍａｘと、電気時定数τｅとを満たすように、コイル４寸法およびアーマチャ２の磁路面積を設計する。
このときに、更に他の使用条件を与える。具体的には、例えば印加電圧、コイル導線の抵抗率、コイル最終温度上昇、コイル占積率、コイルの厚みと高さの比、コイル−コア内極絶縁厚み、コイル−コア外極絶縁厚み、ボビンの上側厚み、ボビンの下側厚み等を与え、コイル寸法およびアーマチャ部の磁路面積を設計する。この設計は従来の方法により算出可能である。
但し、上記条件を満たすように最大吸引力に合わせてアーマチャ２の磁路面積（これは吸引力に比例する）を設定すると、アーマチャ２質量が上記の仮定値より増加してしまう場合がある。この場合指定した開閉時間を満たさなくなるため、ｎＦを小さくすることで最大吸引力Ｆｍｍａｘを小さくして再び上記の設計をやり直す。ｎＦ≦１となった場合は設計解がないことを意味する。
【００３３】
このように、従来においては試行錯誤で設計するしか方法が無く、所望の仕様の電磁弁を得ることが困難であったが、本方法によれば、任意の開閉時間仕様（応答時間τｖｃ）を満たす電磁弁を容易に設計することができる。
また、上記の方法により製造された電磁弁については、上記の各式の関係が、誤差範囲内で成立する。すなわち、アーマチャ質量ｍ１、弁体の質量ｍ２、アーマチャのストロークｘｓと、開き側弁体応答時間τｖｏと、閉じ側弁体応答時間τｖｃと、バネ力
【００３４】
【数１４】
2004084871.tif 000012
【００３５】
と、ソレノイド最大吸引力Ｆｍｍａｘ＝ｎＦＦｋ（ｎＦ＞１）と、ソレノイドの電気回路時定数τｅとについて、
【００３６】
【数１５】
2004084871.tif 000013
【００３７】
の関係が成り立つ。
【００３８】
上記設計方法に従った設計例を図２〜図４に示した。それぞれ、（ａ）は設計仕様条件、（ｂ）は設計計算結果、（ｃ）は開閉時間の仕様と、ＦＥＭ解析により計算した開閉時間である。このように、設計仕様条件に従った開閉時間が得られることがわかる。
本方法により設計された電磁弁では、従来の電磁弁と比較すると、例えば高応答の特性を出すために試行錯誤して設計する必要が無く、容易に製造することができる。したがって製造コストを低く抑えることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、以下の効果を得ることができる。
請求項１に記載の発明によれば、アーマチャの目標開閉時間から電気回路時定数と最大吸引力の組み合わせを計算して、これらからコイルの巻数、磁路の面積等の寸法を決定する。したがって任意の応答仕様（高応答）を満たす電磁弁を容易に設計することができる。
請求項２に記載の発明によれば、設計結果によって得られた最大吸引力に合わせてアーマチャを設計するとアーマチャ及び弁体の質量が上記の仮定値より増加してしまう場合がある。この場合ｎＦを小さくすることで最大吸引力Ｆｍｍａｘを小さくして設計をやり直す。必要に応じてこれを繰り返すことで、条件を満たした電磁弁の設計が実現する。
請求項３に記載の発明によれば、試行錯誤して設計する必要が無く、容易に製造することができる。したがって製造コストを低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態として示した電磁弁設計方法のフローである。
【図２】本発明の実施例について示した表である。
【図３】本発明の実施例について示した表である。
【図４】本発明の実施例について示した表である。
【図５】電磁弁の概略構造を示した図である。
【符号の説明】
１　弁体
２　アーマチャ
３　バネ
４　コイル（ソレノイド）
５　コア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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