JP2000050606A - 電磁式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電流値に応じた変位量の精密制御を簡単化す
ることである。 【解決手段】 軸線方向に互いに隣接配置された第一及
び第二励磁コイル１，２と、第一及び第二励磁コイル内
のそれぞれに延在する部分を有して軸線方向に可動な可
動鉄心４と、二つの励磁コイルの非通電時において、可
動鉄心を軸線方向の所定位置に保持するように機能する
バネ手段５，６と、第一励磁コイル側の第一吸引部３ｂ
と、第二励磁コイル側の第二吸引部３ｃとを具備し、第
一励磁コイルへの通電時において、可動鉄心と第一吸引
部との間に発生する吸引力が可動鉄心と第二吸引部との
間に発生する吸引力より大きくなるようにされ、第二励
磁コイルへの通電時において、可動鉄心と第二吸引部と
の間に発生する吸引力が可動鉄心と第一吸引部との間に
発生する吸引力より大きくなるようにされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変位量を無段階に
精密制御可能な電磁式アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、内燃機関のバルブタイミング制
御装置のように、所望のバルブタイミングを実現するた
めに、ピストン部材の位置を制御室内の油圧力により無
段階に変化させる油圧装置が公知である。このような油
圧装置において、制御室内の油圧力を制御するための油
圧力制御装置が設けられている。

【０００３】油圧力制御装置は、制御室への流入及び流
出通路に設けられた絞り機構を調節することにより、制
御室へ流入する作動油流量又は制御室から流出する作動
油流量を変化させ制御室内の油圧力を制御するものであ
る。絞り機構を調節するためのアクチュエータとして、
一般的に、電磁式アクチュエータが使用されている。こ
の電磁式アクチュエータは、比較的小さな絞り機構を調
節するものであるために、大きな作動力を必要としない
が、絞り機構を非常に正確に調整する必要があり、変位
量を無段階に精密制御可能でなければならない。

【０００４】通常の電磁式アクチュエータは、バネ力に
より一方向に付勢された可動鉄心を、励磁コイルの通電
により発生する電磁力によって、バネ力に逆らって変位
させるものであり、励磁コイルの電流値に応じて可動鉄
心の変位量が制御されるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、励磁コイル
の電流値と可動鉄心に発生する電磁力との関係は、電流
値が比較的小さい時には線形となるが、電流値が比較的
大きくなると非線形となる。可動鉄心の変位量と電磁力
とは、一般的に、線形の関係であるために、前述の電磁
式アクチュエータでは、発生させる電磁力が比較的小さ
く変位量が比較的小さい時には、電流値と変位量との関
係が線形となるが、変位量が比較的大きくなると、電流
値と変位量との関係は非線形となる。それにより、必要
最大変位量近傍で変位量を制御する時には、電流値と変
位量との関係が非線形となり、電流値に応じた変位量の
精密制御が非常に複雑となり、意図する変位量を実現で
きない可能性がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、電流値に応じた
変位量の精密制御を簡単化することができる電磁式アク
チュエータを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の電磁式アクチュエータは、軸線方向に互いに隣接配置
された第一及び第二励磁コイルと、前記第一及び第二励
磁コイル内のそれぞれに延在する部分を有して軸線方向
に可動な可動鉄心と、前記二つの励磁コイルの非通電時
において、前記可動鉄心を軸線方向の所定位置に保持す
るように機能するバネ手段と、前記第一励磁コイル側の
第一吸引部と、前記第二励磁コイル側の第二吸引部とを
具備し、前記第一励磁コイルへの通電時において、前記
可動鉄心と前記第一吸引部との間に発生する吸引力が前
記可動鉄心と前記第二吸引部との間に発生する吸引力よ
り大きくなるようにされ、前記第二励磁コイルへの通電
時において、前記可動鉄心と前記第二吸引部との間に発
生する吸引力が前記可動鉄心と前記第一吸引部との間に
発生する吸引力より大きくなるようにされていることを
特徴とする。

【０００８】本発明の請求項２に記載の電磁式アクチュ
エータは、請求項１に記載の電磁式アクチュエータにお
いて、前記可動鉄心は永久磁石を有することを特徴とす
る。

【０００９】本発明の請求項３に記載の電磁式アクチュ
エータは、請求項１又は２に記載の電磁式アクチュエー
タにおいて、前記可動鉄心は少なくとも二つの材料から
形成され、一方の前記材料は、他方の前記材料に比較し
て軟磁気特性が良好であり、前記他方の材料は、前記一
方の材料に比較して飽和磁束密度が高いことを特徴とす
る。

【００１０】本発明の請求項４に記載の電磁式アクチュ
エータは、請求項３に記載の電磁式アクチュエータにお
いて、前記一方の材料と前記他方の材料との境界面は、
前記可動鉄心の中心軸線を取り囲む筒形状面であること
を特徴とする。

【００１１】本発明の請求項５に記載の電磁式アクチュ
エータは、請求項３に記載の電磁式アクチュエータにお
いて、前記一方の材料と前記他方の材料との境界面は、
前記可動鉄心の中心軸線を横断する平面であることを特
徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による電磁式アク
チュエータを示す概略断面図である。同図において、１
は第一励磁コイルであり、２は第二励磁コイルである。
第一励磁コイル１と第二励磁コイル２とは同一のもので
あり、円筒形状を有し、中心軸線を共にして軸線方向に
互いに隣接配置されている。３は第一励磁コイル１及び
第二励磁コイル２を収納するためのコアケースである。
コアケース３には、第一励磁コイル１及び第二励磁コイ
ル２の中心軸線と同心の内部空間３ａが形成されてい
る。この内部空間３ａ内には、軸線方向に可動な略円筒
状の可動鉄心４が配置されている。可動鉄心４は、中心
軸線に垂直な鉄心中央平面に対して対称な形状であり、
第一励磁コイル１内に延在する部分と第二励磁コイル２
内に延在する部分とを有している。可動鉄心４の外側面
には、コアケース３を貫通して延在する操作ロッド（図
示せず）が取付けられ、可動鉄心４の軸線方向の変位に
伴って操作ロッドが平行移動し、アクチュエータとして
機能するようになっている。

【００１３】また、内部空間３ａ内には、可動鉄心４の
両端部のそれぞれに対向して、第一励磁コイル側の第一
吸引部３ｂと第二励磁コイル側の第二吸引部３ｃとがコ
アケース３と一体に形成されている。可動鉄心４の両端
と、コアケース３の第一励磁コイル側端部及び第二励磁
コイル側端部との間には、可動鉄心４の鉄心中央平面
が、第一励磁コイル１と第二励磁コイル２との間のコイ
ル中央平面Ｐに一致する軸線方向の位置（以下、中央位
置）において、可動鉄心４を保持するように機能する二
つのバネ５，６が配置されている。バネ５，６は同一の
ものである。コアケース３の未説明の部分を含み、本電
磁式アクチュエータは、コイル中央平面Ｐに対して対称
に構成されている。

【００１４】このように構成された電磁アクチュエータ
において、第一励磁コイル１に通電すると、可動鉄心４
が磁化され、第一吸引部３ｂと第二吸引部３ｃとの間で
それぞれ吸引力が発生する。しかしながら、この場合に
おいては、可動鉄心４の第一励磁コイル１の外側に延在
する部分では磁束密度は低く、第二吸引部３ｃとの間に
発生する吸引力は非常に小さいために、可動鉄心４は、
第一吸引部３ｂとの間に発生する吸引力によって、第一
励磁コイル側のバネ５を圧縮すると共に第二励磁コイル
側のバネ６を伸長させ、第一吸引部３ｂの方向に変位す
る。

【００１５】これに対して、第二励磁コイル２に通電す
ると、可動鉄心４の第二励磁コイル２の外側に延在する
部分では磁束密度は低く、第一吸引部３ｂとの間に発生
する吸引力は非常に小さいために、可動鉄心４は、第二
吸引部３ｃとの間に発生する吸引力によって、第二励磁
コイル側のバネ６を圧縮すると共に第一励磁コイル側の
バネ５を伸長させ、第二吸引部３ｃの方向に変位する。

【００１６】こうして、本電磁式アクチュエータは、可
動鉄心４を、第一吸引部３ｂ方向及び第二吸引部３ｃ方
向に変位させることができ、可動鉄心４の各方向の必要
最大変位量は、可動鉄心を電磁力によって一方向に変位
させる通常の電磁式アクチュエータの必要最大変位量に
比較して半分となる。

【００１７】図２は、励磁コイルの電流値（単位Ａ）と
可動鉄心に発生する電磁力（単位Ｎ）との一般的な関係
を示すグラフである。同図に示すように、電流値が比較
的小さい時には、電流値と電磁力とは線形の関係となっ
ているが、電流値が比較的大きくなると、非線形の関係
となる。可動鉄心に発生する電磁力と変位量との関係は
線形であるために、発生させる電磁力が比較的小さく変
位量が比較的小さい時には、電流値と変位量との関係は
線形となり、発生させる電磁力が比較的大きく変位量が
比較的大きい時には、電流値と変位量との関係は非線形
となる。

【００１８】通常の電磁式アクチュエータでは、必要最
大変位量近傍に可動鉄心を変位させるには比較的大きな
電磁力を必要とし、電流値と変位量の関係が非線形とな
るために、電流値に応じた変位量の精密制御が非常に複
雑化する。これに対して、本電磁式アクチュエータで
は、各方向における必要最大変位量が通常の電磁式アク
チュエータに比較して半分となるために、各方向におけ
る可動鉄心の変位に際して比較的大きな電磁力は必要な
く、各励磁コイルで必要な電流値を比較的小さくするこ
とができる。それにより、常に、電流値と変位量との関
係が線形となり、電流値に応じた変位量の精密制御を簡
単化することができる。

【００１９】また、各方向における必要最大変位量が通
常の電磁式アクチュエータに比較して半分であること
は、使用最大電流が通常の電磁式アクチュエータに比較
して約２／３となるために、銅損をかなり低減すること
ができる。さらに、使用最大電流が約２／３であるため
に、各励磁コイルの巻き数を、通常の電磁式アクチュエ
ータの励磁コイルに比較して少なくすることができ、本
電磁式アクチュエータは、二つの励磁コイルを必要とす
るが、それほど大型化することはない。

【００２０】図３は、本電磁式アクチュエータで使用可
能な可動鉄心の変形例を示す図である。この可動鉄心４
１は、中央部にフェライト系磁石４１ａが内蔵され、鉄
心中央平面Ｑに対して対称に形成されている。本電磁式
アクチュエータにおいて、この可動鉄心４１を使用する
と、可動鉄心自身が磁力を有するために、常に、各吸引
部３ａ，３ｂとの間に吸引力が発生している。各励磁コ
イル１，２に通電する以前においては、可動鉄心４１は
両方のバネ５，６によって中央位置に保持されるが、第
一又は第二励磁コイルに通電すれば、それにより発生す
る吸引力と磁石４１ａによる吸引力との全体的な吸引力
によって、可動鉄心４１は高速で変位し、電磁式アクチ
ュエータの応答性を向上させることができる。磁石４１
ａは、耐熱性及び磁気特性からフェライト系としたが、
さらに大きな磁力を必要とする場合には、希土類磁石
（Ｎｄ−Ｆｂ−Ｂ系又はＳｍ−Ｃｏ系）としても良い。

【００２１】図４は、可動鉄心における磁化の強さ（単
位Ａ／ｍ）と磁束密度（単位Ｔ）との関係を示すグラフ
である。同図において、点線は可動鉄心が電磁軟鉄から
形成された場合、一点鎖線は可動鉄心がパーマロイから
形成された場合を示している。電磁軟鉄の場合は、低電
流値近傍における磁化の強さの変化に対する磁束密度の
変化が緩やかであり、すなわち、軟磁気特性が良好では
ないが、飽和磁束密度が高いものである。一方、パーマ
ロイの場合は、低電流値近傍における磁化の強さの変化
に対する磁束密度の変化が急激であり、すなわち、軟磁
気特性が良好であるが、飽和磁束密度が低いものであ
る。

【００２２】軟磁気特性は、言わば、図２に示すグラフ
における電流値と電磁力との関係が線形となる領域の傾
きを示しており、すなわち、軟磁気特性が良好であれ
ば、可動鉄心の変位量の変化に際して、僅かに電流値を
変化させれば良いこととなり、高い応答性を実現するこ
とができると共に鉄損も少なくなる。一方、飽和磁束密
度が高いと、電流値と電磁力との関係が線形となる領域
を拡大することができ、すなわち、簡単化された電流値
の制御で可動鉄心を大きく変位させることが可能とな
る。

【００２３】こうして、可動鉄心が磁気軟鉄から形成さ
れれば、簡単化された制御において大きな変位量を実現
することができるが、応答性が悪いものとなる。また、
可動鉄心がパーマロイから形成されれば、応答性は良い
が、簡単化された制御において小さな変位量しが実現す
ることができない。

【００２４】図５は、本電磁式アクチュエータで使用可
能な可動鉄心のもう一つの変形例を示す図である。この
可動鉄心４２は、パーマロイ４２ａと磁気軟鉄４２ｂの
二つの材料から形成されている。これら二つの材料の境
界面は、可動鉄心の中心軸線と同心の円筒形状面とされ
ている。また、この可動鉄心４２は、鉄心中央平面Ｑに
対して対称に構成されている。図４における実線Ａは、
このように形成された可動鉄心４２における磁化の強さ
と磁束密度との関係を示している。軟磁気特性は、パー
マロイの場合に比較して良好ではないが、磁気軟鉄の場
合に比較して良好となっている。一方、飽和磁束密度
は、磁気軟鉄の場合に比較して低いが、パーマロイの場
合に比較して高くなっている。こうして、この可動鉄心
４２が使用されれば、応答性が比較的高く、簡単化され
た制御において比較的大きな変位量を実現することが可
能となる。応答性に関しては、高過ぎると逆に変位量の
精密制御が実施し難くなることがあるために、パーマロ
イの場合に比較して応答性は悪化することは、それほど
問題とはならない。

【００２５】また、図６は、本電磁式アクチュエータで
使用可能な可動鉄心のさらにもう一つの変形例を示す図
である。この可動鉄心４３は、パーマロイ４２ａと磁気
軟鉄４２ｂの二つの材料から形成されている。これら二
つの材料の境界面は、可動鉄心の中心軸線を垂直に横断
する平面とされている。また、この可動鉄心４３は、鉄
心中央平面Ｑに対して対称に構成されている。図４にお
ける実線Ｂは、このように形成された可動鉄心４３にお
ける磁化の強さと磁束密度との関係を示している。軟磁
気特性は、パーマロイの場合に比較して良好ではない
が、磁気軟鉄の場合に比較して良好となっている。一
方、飽和磁束密度は、磁気軟鉄の場合に比較して低い
が、パーマロイの場合に比較して高くなっている。この
可動鉄心４３が使用されれば、前述の可動鉄心４２と同
様に、応答性が比較的高く、簡単化された制御において
比較的大きな変位量を実現することが可能となる。

【００２６】この可動鉄心４３を前述の可動鉄心４２と
比較すれば、軟磁気特性は良好であるが、飽和磁束密度
は低くなっている。すなわち、可動鉄心４２と比較し
て、簡単化された制御における変位量は小さいが高い応
答性を実現するものである。可動鉄心４２及び４３は、
本電磁式アクチュエータの使用目的に応じて使い分ける
ことによって、意図する変位量制御を良好なものとする
ことができる。

【００２７】また、図７は、本電磁式アクチュエータで
使用可能な可動鉄心のさらにもう一つの変形例を示す図
である。この可動鉄心４４は、パーマロイ４４ａと磁気
軟鉄４４ｂの二つの材料から形成されると共に磁石４４
ｃが内蔵されており、図３に示す可動鉄心４１と図５に
示す可動鉄心４２とを組み合わせた構成とされている。
それにより、可動鉄心４１の効果と可動鉄心４２の効果
とを併せ持つものとなる。もちろん、この可動鉄心４４
において、鉄心中央平面に対して対称に構成されるなら
ば、パーマロイ４４ａと磁気軟鉄４４ｂとの境界面は、
可動鉄心の中心軸線を垂直に横断する平面としても良
い。

【００２８】前述した少なくとも二つの材料から形成さ
れる可動鉄心において、二つの材料は、磁気軟鉄とパー
マロイとに限定されるものではなく、他の磁性材料が使
用可能である。いずれの磁性体材料の場合においても、
軟磁気特性と飽和磁束密度は相反する関係となってお
り、二つの磁性材料から可動鉄心を形成することで、比
較的応答性が良く、簡単化された制御で比較的大きな変
位量を実現することができる。

【００２９】また、いずれの可動鉄心を使用する場合に
おいても、本電磁式アクチュエータは、コイル中央平面
Ｐに対して対称に構成されているとしたが、これは、本
発明を限定するものではなく、第一励磁コイル１、第二
励磁コイル２、可動鉄心４，４１，４２，４３，４４、
バネ５、バネ６、第一吸引部３ｂ、第二吸引部３ｃの特
性、形状、及び配置等の関係によって、第一励磁コイル
への通電時において、可動鉄心と第一吸引部との間に発
生する吸引力が可動鉄心と第二吸引部との間に発生する
吸引力より大きくなるようにされ、第二励磁コイルへの
通電時において、可動鉄心と第二吸引部との間に発生す
る吸引力が可動鉄心と第一吸引部との間に発生する吸引
力より大きくなるようにされれば良い。

【００３０】

【発明の効果】このように、本発明による電磁式アクチ
ュエータによれば、軸線方向に互いに隣接配置された第
一及び第二励磁コイルと、第一及び第二励磁コイル内の
それぞれに延在する部分を有して軸線方向に可動な可動
鉄心と、二つの励磁コイルの非通電時において、可動鉄
心を軸線方向の所定位置に保持するように機能するバネ
手段と、第一励磁コイル側の第一吸引部と、第二励磁コ
イル側の第二吸引部とを具備し、第一励磁コイルへの通
電時において、可動鉄心と第一吸引部との間に発生する
吸引力が可動鉄心と第二吸引部との間に発生する吸引力
より大きくなるようにされ、第二励磁コイルへの通電時
において、可動鉄心と第二吸引部との間に発生する吸引
力が可動鉄心と第一吸引部との間に発生する吸引力より
大きくなるようにされているために、可動鉄心を軸線方
向における第一吸引部方向及び第二吸引部方向に変位さ
せることができ、可動鉄心の各方向の必要最大変位量
は、可動鉄心を一方向に変位させる通常の電磁式アクチ
ュエータの必要最大変位量に比較して半分となる。それ
により、各方向における可動鉄心の変位に際して比較的
大きな電磁力は必要なく、各励磁コイルで必要な電流値
を比較的小さくすることができ、常に、電流値と変位量
との関係が線形となるために、電流値に応じた変位量の
精密制御を簡単化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電磁式アクチュエータを示す概略
断面図である。

【図２】励磁コイルの電流値と可動鉄心に発生する電磁
力との関係を示すグラフである。

【図３】本発明による電磁式アクチュエータに使用可能
なもう一つの可動鉄心を示す断面図である。

【図４】可動鉄心における磁化の強さと磁束密度との関
係を示すグラフである。

【図５】本発明による電磁式アクチュエータに使用可能
なさらにもう一つの可動鉄心を示す断面図である。

【図６】本発明による電磁式アクチュエータに使用可能
なさらにもう一つの可動鉄心を示す断面図である。

【図７】本発明による電磁式アクチュエータに使用可能
なさらにもう一つの可動鉄心を示す断面図である。

【符号の説明】

１…第一励磁コイル ２…第二励磁コイル ３…コアケース ３ｂ…第一吸引部 ３ｃ…第二吸引部 ４，４１，４２，４３，４４…可動鉄心 ５，６…バネ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加田 日登海 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 天野 佳治 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G092 AA11 DA07 DG02 DG09 FA09 FA50 5H633 BB07 BB08 BB10 GG05 GG09 GG13 HH03 HH22 HH25 JA02

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸線方向に互いに隣接配置された第一及
   び第二励磁コイルと、前記第一及び第二励磁コイル内の
   それぞれに延在する部分を有して軸線方向に可動な可動
   鉄心と、前記二つの励磁コイルの非通電時において、前
   記可動鉄心を軸線方向の所定位置に保持するように機能
   するバネ手段と、前記第一励磁コイル側の第一吸引部
   と、前記第二励磁コイル側の第二吸引部とを具備し、前
   記第一励磁コイルへの通電時において、前記可動鉄心と
   前記第一吸引部との間に発生する吸引力が前記可動鉄心
   と前記第二吸引部との間に発生する吸引力より大きくな
   るようにされ、前記第二励磁コイルへの通電時におい
   て、前記可動鉄心と前記第二吸引部との間に発生する吸
   引力が前記可動鉄心と前記第一吸引部との間に発生する
   吸引力より大きくなるようにされていることを特徴とす
   る電磁式アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記可動鉄心は永久磁石を有することを
   特徴とする請求項１に記載の電磁式アクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記可動鉄心は少なくとも二つの材料か
   ら形成され、一方の前記材料は、他方の前記材料に比較
   して軟磁気特性が良好であり、前記他方の材料は、前記
   一方の材料に比較して飽和磁束密度が高いことを特徴と
   する請求項１又は２に記載の電磁式アクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記一方の材料と前記他方の材料との境
   界面は、前記可動鉄心の中心軸線を取り囲む筒形状面で
   あることを特徴とする請求項３に記載の電磁式アクチュ
   エータ。
5. 【請求項５】 前記一方の材料と前記他方の材料との境
   界面は、前記可動鉄心の中心軸線を横断する平面である
   ことを特徴とする請求項３に記載の電磁式アクチュエー
   タ。