JP2005045217A - 可変力ソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】ストロークが比較的長く、外形が比較的低い可変力ソレノイドの提供。
【解決手段】 比較的長いストロークと比較的低い外形を有する可変力ソレノイド１００について説明されている。本ソレノイド１００は、少なくとも１つのテーパー面を有する電機子２０２と、少なくとも１つのテーパー面を有する極片２１６とを含んでいる。電機子と極片には、それぞれその２つ以上の面に複数のテーパー面が設けられている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、概括的には可変力ソレノイドに、厳密には、ストロークが比較的長く、外形が比較的低いという特徴を有する可変力ソレノイドに関する。

本発明は、２００３年６月９日出願の米国仮特許出願第６０／４７７，３０９号に優先権を請求しており、その明細書全体を参考文献としてここに援用する。
電気ソレノイドは、アイドル速度制御装置、排気ガス循環弁、燃料蒸気抜き弁等に限定するわけではないが、自動車製品に用いられ、数多くの機能を提供している。電気制御ソレノイド以前は、空圧式作動器が用いられていた。これらのソレノイドは、一般的に、比較的短い作動ストロークに亘って比較的強い力を有しているか、又は比較的長い作動ストロークに亘って比較的弱い力を有しているか、の何れかを特徴としている。

一般的なエンジンルーム内で利用できる空間は狭いため、ソレノイドは、その強い力とストローク特性を維持したまま寸法を小さくする必要に迫られている。そのような用途、即ち占有空間の縮小を要する用途の１つが、エンジンのバルブの開閉を制御するのに用いられる可変カム／バルブ開閉時期設定機構用のソレノイド作動器である。

この用途では、ソレノイドは、所定のストロークに亘って当該機構を制御しなければならない。機構は、ストロークの中心近くでは、カム／バルブの開閉時期を変更しない。ソレノイドがストロークの直近の中心ストロークの一方の端へ移動するにつれ、機構はカム／バルブの開閉時期を進ませる。ソレノイドがストロークの直近の中心からストロークの反対側の端へ移動するにつれ、機構はカム／バルブの開閉時期を遅らせる。カム／バルブの開閉時期を変更した後、ソレノイドは、カム／バルブの開閉時期変更が必要になるまでストロークの中心近くへ戻される。

カム／バルブの開閉時期を制御すると、エンジン出力が上がり、車輌の排気管排出物が減り、燃費が上がる等の、限定するわけではないが、利点が得られる。しかしながら、従来型の可変力ソレノイドは、そのストロークと外形特性（ｐｒｏｆｉｌｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）に関して完全に満足できるものではない。

先行技術による、平らな電機子１２を備えた典型的なソレノイド１０の基本的構造を図１に示す。ソレノイドのこの他の主な構成要素としては、極片１４、コイル１６、磁束管１８、及びエアーギャップ２０を画定する領域がある。エアーギャップ２０は、一般的に、電機子１２と極片１４の相対する表面の間の可変空間と定義されている。

動作に関して言えば、先ず電流がコイル１６に流され、磁化力が作り出される。すると、この磁化力によって作られる磁界が、磁気回路全体に亘って、そして電機子１２と極片１４の間のエアーギャップ２０を横切って磁束を誘起する。電機子１２を極片１４に引き付けることによって、軸方向の力がエアーギャップ２０に生成される。エアーギャップ２０を閉じる電機子１４の運動は、有用な仕事を行うことができる。力は、以下の式
Ｆ＝ＫＡ[（ＮＩ）²／（ＡＧ）²]
で与えられ、ここに、Ｋ＝定数、Ａ＝電機子面積、Ｎ＝コイルの巻数、Ｉ＝電流、ＡＧ＝電機子と極片の間のエアーギャップである。

この型式のソレノイドを使用すると、一般的に２つの問題が持ち上がる。第１に、力は、電流に比例するのが望ましいが、実際には電流の二乗に比例する。第２に、力は、電機子位置と無関係でなければならないが、実際には１／ＡＧ²に比例する。

従って、限定するわけではないが、ストロークが比較的長く、外形が比較的低いというような特徴を有する、新しく、改良された可変力ソレノイドに対する需要がある。
米国仮特許出願第６０／４７７，３０９号

本発明の目的は、新しい改良された可変力ソレノイドを提供することである。
本発明の別の目的は、比較的長いストロークと比較的低い外形を備えた新しい改良された、可変力ソレノイドを提供することである。

本発明の更に別の目的は、少なくとも１つのテーパー面を有する電機子と、少なくとも１つのテーパー面を有する極片とを含む、新しい改良された可変力ソレノイドを提供することである。

本発明の一般的教示によれば、新しい改良された可変力ソレノイドが提供されている。更に具体的には、本発明のソレノイドは、比較的長いストロークと比較的低い外形を備えており好都合である。更に、本発明のソレノイドは、少なくとも１つのテーパー面を有する電機子と、少なくとも１つのテーパー面を有する極片とを含んでおり好都合である。更に、本発明の電機子と極片には、２つ以上の表面にテーパーが付けられており好都合である。

限定するわけではなく例として述べると、ソレノイドは、好ましくは、（１）少なくとも１つのテーパー面を有する第１の磁気構成要素（例えば電機子）と、（２）少なくとも１つのテーパー面を有する第２の磁気構成要素（例えば極片）とを有する磁気回路を含んでいる。電機子と極片は、それぞれ、その２つ以上の面にテーパーが付いていてもよい。更に、電機子及び／又は極片は、その１つ又はそれ以上の面に複数のテーパー（例えば複合角）が付いていてもよい。更に、電機子は、そのどちらかの端部で開いていてもよく、電機子内に配置されているその軸に沿う仕切り部材を含んでおり好都合である。

好ましくは外径面、内径面及び電機子の端面に隣接している部分を有する第３の磁気構成要素（例えば磁束管）、が設けられるのが好ましい。磁束管は、好ましくは、電機子の穴の中の仕切りに隣接する部分を含んでいる。

上記のように、本発明のソレノイドは、好ましくは、長さに比べて長いストロークと、強くて、ストロークに対し比較的線形な力とを組み合わせて備えている。本発明では特定の作動理論に縛られることなく、長いストロークと、強くて、ストロークに対し比較的線形な力との組み合わせが、電機子及び／又は極片の断面積とテーパー部分の角度を制御して、軸力を最大化すると、同時に、機械的摩擦を下げるために軸力／半径方向力の比を上げる好都合な磁力ベクトルを作り出すことによって達成される。

本発明のソレノイドの更に好適な特徴には、限定するわけではないが、（１）軸の支持部は、少なくとも部分的には電機子の内径内に配置されていること、（２）ソレノイドは、少なくともプラスチック材料に鋳込まれた部分を有していること、（３）ソレノイドは、取り付け用の一体型のブラケットを有していること、（４）一体型のブラケットは、ソレノイド構成要素の１つの一部であること、（５）ソレノイドは、ソレノイドには取り付けられていない、取り付け用の一体型のブラケットを有していること、（６）ブラケットは、鋳込みプラスチックによってソレノイド組立体内に支持されていること、及び／又は、（７）ソレノイドは、軸を案内し、電機子が別の磁気構成要素と磁気的に「ラッチング」するのを防ぐ少なくとも１つの非磁気ブッシングを有していること、が含まれる。

本発明の第１の実施形態によればソレノイドが設けられ、そのソレノイドは、（１）少なくとも１つのテーパー面が形成されている外径を有する第１の磁気部材と、（２）少なくとも１つのテーパー面が形成されている内径を有する第２の磁気部材とを備えており、第１の磁気部材は、第２の磁気部材内に少なくとも部分的には同軸に配置されるよう作動可能となっている。

本発明の第２の実施形態によればソレノイドが設けられ、そのソレノイドは、（１）少なくとも２つのテーパー面が形成されている外径を有する第１の磁気部材と、（２）少なくとも１つのテーパー面が形成されている内径を有する第２の磁気部材とを備えており、第１の磁気部材は、第２の磁気部材内に少なくとも部分的には同軸に配置されるよう作動可能となっている。

本発明の第３の実施形態によればソレノイドが設けられ、そのソレノイドは、（１）少なくとも１つのテーパー面が形成されている内径を有する第１の磁気部材と、（２）少なくとも１つのテーパー面が形成されている外径を有する第２の磁気部材とを備えており、第１の磁気部材は、第２の磁気部材内に少なくとも部分的には同軸に配置されるよう作動可能となっている。

本発明の第４の実施形態によればソレノイドが設けられ、そのソレノイドは、（１）少なくとも１つのテーパー面が形成されている内径と外径を有する第１の磁気部材と、（２）少なくとも１つのテーパー面が形成されている内径と外径を有する第２の磁気部材とを備えており、第１の磁気部材は、第２の磁気部材内に少なくとも部分的には同軸に配置されるよう作動可能となっている。

本発明の第５の実施形態によれば、ソレノイドは、（１）少なくとも１つのテーパー面が形成されている内径と外径、及び少なくとも２つのテーパー面が形成されている外径を有する第１の磁気部材と、（２）少なくとも１つのテーパー面が形成されている内径と外径を有する第２の磁気部材とを備えており、第１の磁気部材は、第２の磁気部材内に少なくとも部分的には同軸に配置されるよう作動可能となっている。

この他の本発明の適用可能な領域は、ここに提供する詳細な説明から明らかになるであろう。以下の詳細な説明と特定の例は、本発明の好適な実施形態を示すものではあるが、分かり易く説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない旨理解されたい。
本発明は、以下の詳細な説明と添付図面からより完全に理解頂けるであろう。

好適な実施形態に関する以下の説明は、単に適例を示すものであって、本発明、その応用又は用途を制限するものではない。各図を通して、同一部品には同一参照番号を付している。

本発明の一般的教示によれば、比較的長いストロークに亘って比較的強い力を発生するソレノイドの設計が提供されている。本発明では、特定の作動理論に縛られることなく、この力とストロークを、ストロークに比べて比較的長さの短いソレノイドで実現する。本発明のこの他の特徴としては、限定するわけではないが、ストローク全体に亘るソレノイドの軸を支持する設計と、半径方向の力を最小化し、その結果として軸受摩擦を最小化することが挙げられる。

図面、特に図２に示すように、本発明の一般的教示によれば、ソレノイド１００は、主に、ソレノイド副組立体１０２と、ブラケット部材１０４と、プラスチック鋳込み部材１０６で構成されている。プラスチック鋳込み部材１０６は、ブラケット部材１０４をソレノイド副組立体１０２に固定する構造要件を構成している。ブラケット部材１０４は、ソレノイド１００を、可変カム／バルブ開閉時期設定機構（図示せず）に、固定的に取り付けるのに適した方法を提供する。ソレノイド副組立体１０２は、少なくとも１つの、望ましくは少なくとも２つの、更に望ましくは数個の磁気構成要素、例えば限定するわけではないが、電機子、磁束管、極片などのような磁気構成要素を備えているものと理解されたい。

図３に示すように、ソレノイド副組立体１０２は、ソレノイド副組立体１０２の中心軸線ＣＡに沿って配置されている軸部材２００を含んでいる。電機子部材２０２は、軸部材２００に固定されている。ブッシング部材２０６、磁束管部材２０８及び座金部材２１０を含む磁束管組立体２０４は、ソレノイド副組立体１０２の一方の端部に配置されている。ブッシング部材２１４、極片部材２１６及び座金部材２１８を含む極片組立体２１２は、ソレノイド副組立体１０２の他方の端部に配置されている。ボビン部材２２２、導線部材２２４、端子２２６及び２２８を含むコイル組立体２２０は、磁束管組立体２０４と極片組立体２１２の間に、中心軸線ＣＡに沿って配置されている。磁束管組立体２０４の一部分と極片組立体２１２は、コイル組立体２２０の内径２３０に係合している。ケース２３２は、磁束管組立体２０４と極片組立体２１２を、それぞれ固定関係に保持し、磁束戻り経路を確立している。コイル組立体２２０、磁束管組立体２０４、極片組立体２１２、及び／又はケース２３２は、軸部材２００と同軸に配置され、エアギャップＡＧを画定する領域を確立している。

図３−５に示すように、電機子部材２０２は、内径部２０２ａと外径部２０２ｂを有している。壁２０２ｃは、電機子部材２０２の内径表面２０２ａの軸線に沿って配置されているのが好ましい。壁２０２ｃは、好ましくは、軸部材２００を受け入れる中央開口部２０２ｄを含んでいる。軸部材２００と電機子部材２０２は、好ましくは、ブッシング部材２０６及び２１４それぞれによって案内されている。半径方向のギャップＲＧを画定している領域は、電機子部材２０２の外径表面２０２ｂと、磁束管２０８の内径表面２０８ａ、及び極片部材２１６の内径表面２１６ａとの間に存在している。軸部材２００は、好ましくは、ソレノイド副組立体１０２から、例えばその一端から外向きに伸張し、カム／バルブ調時機構（ｔｉｍｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）（図示せず）を制御するようになっている。

本発明の或る実施形態によれば、磁束管部材２０８と係合している電機子部材２０２の一方の端部は、好ましくは、内径面２０２ａと外径面２０２ｂで形成される均一な壁２０２ｅを有している。本発明の或る好適な実施形態によれば、電機子部材２０２の反対側の端部には、好ましくは、少なくとも１つのテーパー部が、より望ましくは２つ以上のテーパー部が形成されている。或る例では、テーパー面２０２ｆが内径表面２０２ａ上に形成され、テーパー面２０２ｇが外径表面２０２ｂ上に形成されているが、これに限られるわけではない。テーパー面２０２ｇは、２つの角度の付いたテーパー部分２０２ｈと２０２ｉをそれぞれ備えているのが望ましい。複数のテーパー面を、電機子部材２０２の内側と外側表面の何れか又は両方に形成してもよいと理解頂きたい。

本発明の別の実施形態によれば、極片部材２１６にもテーパー面が形成されているのが好ましい。非限定的な例では、極片部材２１６の外径表面２１６ｂ上にテーパー部２１６ｃが形成され、内径表面２１６ａ上にテーパー面２１６ｄが形成されているが、これに限られるわけではない。テーパー面２１６ｄは、２つの角度の付いたテーパー部分２１６ｅと２１６ｆをそれぞれ備えているのが望ましい。複数のテーパー面を、極片部材２１６の内側と外側表面の何れか又は両方に形成してもよいと理解頂きたい。

本発明では、特定の作動理論に縛られることなく、これらのテーパー面は、電機子部材２０２と極片部材２１６の間の磁束結合を、電機子部材２０２がそのストロークを通して移動する際に好適に制御する。この磁束結合の制御によって、力対ストローク対電流の関係が好適に定められる。本発明では、特定の作動理論に縛られることなく、電機子部材２０２と極片部材２１６とのテーパー面部分の薄い断面厚さの組合せが、角度部分と共に、電機子部材及び／又は極片部材の所与の直径に対する軸力／ストローク比を高くし、力をストロークとは殆ど無関係にする。

本発明の角度の付いた面は、線形及び非線形両方の力対ストロークの関係と力対電流の関係を作り出せるように調整することができる。従って、テーパーの角度は、ソレノイドの作動に関する特定の性能要件に適合するように修正できる旨理解頂きたい。本発明の或る好適な実施形態によれば、テーパー角度は、約４度から約１０度の範囲にある。本発明のより好適な実施形態によれば、テーパー角度は、約５度から約７度の範囲にある。限定するわけではないが、電機子部材及び／又は極片部材のような本発明の何れかの構成要素の表面に少なくとも２つのテーパー面が設けられている状況では、テーパー部の角度は、実質的に等しくないのが望ましい。つまり、第１のテーパー面によって形成されている角度は、第２のテーパー面によって形成される角度より小さいか又は大きいのが望ましい。

本発明の別の実施形態によれば、磁束管部材２０８の中心部分２０８ｂには、ブッシング部材２０６を受け入れる穴２０８ｃが設けられている。中心部分２０８ｂの部分は、電機子部材２０２がそのストロークにわたって移動するときに、電機子部材２０２の内径２０２ａと係合する。半径方向エアーギャップＲＡＧを画定している領域は、軸方向の係合部分に亘って存在している。この係合によって、磁束が、磁束管部材２０８と電機子部材２０２の間を結合して、ソレノイド１００の作り出す力を改善することになる。電機子部材２０２と磁束管部材２０８は、それぞれ軸方向のエアーギャップＡＡＧＩ及びＡＡＧ２を画定する領域も有しており、これも磁束結合を支援し、生じる力を改善する働きをする。

ガイドブッシングは、中心軸線ＣＡに沿って、電機子部材２０２の内側に配置されていることに注目されたい。軸部材２００が中心軸線ＣＡに沿って伸張し、例えば２１４のブッシング部材と係合して、そのストロークに亘って係合を維持しなければならないので、この追加の空間が一般的に必要である。更に、ブッシング部材２１４を、中心軸線ＣＡに沿っ電機子部材２０２の中に配置することで、ソレノイド１００の全長さが短くなる。

本発明の或る形態によれば、本発明のソレノイド１００は、電機子部材２０２を磁束管部材２０８に向かう方向に動かす付勢力を電機子部材２０２に加えるカム／バルブ開閉時期設定機構と協働するように意図されている。しかしながら、外部の付勢力が利用できない場合は、随意の付勢部材２３４（例えば、バネ）をソレノイド１００内に装着することもできる。

図６に示すように、本発明の別の実施形態によれば、ブラケット部材３００は、独立した構成要素でも、ソレノイド構成要素（例えば磁束管、極片座金など）の内の１つと一体の部品であってもよい。この図では、ブラケット部材３００は、フラックス座金部材３０２に取り付けられている。保持用タブ部材３０４は、スリーブ部材３０６の一部として形成され、ブラケット部材３００内のスロット３０８に通されている。限定するわけではないが、例えば、組み立て工程の間に、保持用タブ部材３０４をブラケット部材３００に対して成形し、ブラケット部材３００とフラックス座金部材３０２の両方を保持するようにしてもよい。ブラケット部材３００は、適した磁気材料で作られ、ソレノイド１００の磁気要素の１つとして作用する。

本発明では、特定の作動理論に縛られることなく、本発明のソレノイド１００は、以下の一般的な方法で作動する。電子制御信号がコイル組立体２２０に加えられると、ソレノイド１００内に磁界が作り出される。磁気要素、即ち、電機子部材２０２、磁束管組立体２０４、ケーシング２３２、及び極片組立体２１２は、磁束用の経路を作り出す。磁束は、電機子部材２０２、磁束管組立体２０４、及び極片組立体２１２の間で、エアーギャップＡＧ、ＲＧ、ＡＡＧ１及びＡＡＧ２を介して連結される。磁界とその結果発生する力によって、電機子部材２０２は、極片部材２１６に向けて動かされる。運きの速度と線形性は、通常、電機子部材２０２と極片部材２１６の間の幾何学的関係と、負荷力とによって決まるが、これに限定されるわけではない。

制御信号のレベルが変化するにつれて、軸部材２００は、外向き又は内向きに動いて、例えば、カム／バルブ調時機構のような付帯する機構の位置を制御する。制御信号のレベルを徐々に上げると、発生する力と軸部材２００の外向きの運きが増す。制御信号のレベルを下げると、発生する力が下がり、軸部材２００は、カム／バルブ調時機構又は随意の内部付勢ばね２３４の付勢力によって内向きに動く。

図７は、本発明の一般的教示による、本発明のソレノイド１００の、典型的な電流対ストローク（即ち行程）性能特性図である。
本発明のソレノイドの具体的な設計及び性能仕様に関して言えば、例示的には以下の仕様が確立されており、即ち（１）総有効行程＝６ｍｍ、（２）スプール弁行程＝４ｍｍ、（３）負荷＝１．８Ｎ（０ｍｍ時）、９Ｎ（４ｍｍ時）、（４）１Ａ１０Ｖ、１２５℃で０−１Ａ、１０Ｎフォース、１５０℃まで多少の劣化で作動、（５）ゼロ位置で３％の最大ヒステリシス、（６）占有空間、高さ３０ｍｍ、直径６０ｍｍ、である。例示した上記仕様には、本発明の範囲を逸脱することなく、妥当な修正を加えることができる。

本発明の第２代替実施形態による第１代替ソレノイド副組立体４００を、図８に示す。先に述べた実施形態では、基本原理は、電機子部材４０２及び／又は極片部材４０４の面にテーパーを付けることである。この図では、電機子部材４０２には、表面上に少なくとも２つのテーパー４０２ａ、４０２ｂが形成されており、極片部材４０４にも、表面上に少なくとも２つのテーパー面４０４ａ、４０４ｂが形成されている。本発明では、特定の作動理論に縛られることなく、この構成は、電機子／極片の磁気相互作用を実質的に漸進的方法で起こさせる効果があると考えられる。その結果、全ストローク範囲に亘って、力をより一定に保つことができる。事実上、エアーギャップＡＧ４００が小さくなるときの力のゲインは、エアーギャップＡＧ４００が大きいときの増大した力と換えられる。

更に、電流レベルの全領域を通して、回路内には高い磁気飽和が存在するため、電流による力のゲインは、実質的により線形になる。図９は、平坦面電機子を有する従来型ソレノイドと、本発明によるテーパー付き電機子及びテーパー付き電機子／極片を有するソレノイドの、軸力とエアーギャップ性能特性の比較線図である。図９に示すように、電流による力のゲインは、テーパー付き電機子／極片を揺するソレノイド１００で実質的により線形になっている。

本発明の可変力ソレノイドは、スプール弁を開ループに配置しているので、システム性能を良好にするには、ヒステリシスを最小にしなければならない。ヒステリシスには、２つの主要な要因があり、横力と材料の選択である。

横方向力に関して言えば、電機子を磁気によって回路の残りに引き付けると、有用な軸力だけでなく、半径方向力も発生する。この半径方向力は、ストロークの端部ではテーパー付き電機子により相当な大きさになる。電機子の軸線回りの対称性が維持されると、半径方向力は相殺される。しかしながら、対称性は、不規則な外形、心振れ、軸受隙間などの要因によって崩れる。これらそれぞれの影響を定量化するのは難しいが、システムに与える影響は、軸受摩擦として容易に分かる。限定するわけではないが、提案されている設計的解決法には、（１）特に電機子領域の部品をできるだけ対称に作ること、（２）軸受を最小の真の位置誤差で配置すること、（３）低摩擦軸受と適切な軸表面仕上げを選択すること、（４）ディザー電流を加えて、可動質量を運動状態に維持し、静止摩擦の影響を最小にすること、（５）可動質量を減らしてディザリング（ｄｅｔｈｅｒｉｎｇ）を容易にすること、が含まれる。

材料選択に関して言えば、鋼片の磁化は、完全可逆プロセスではない。例えば、図１０に示すように、１２１５鋼サンプルのＢ−Ｈ曲線は、磁化力（電流）を作用させたときに発生する磁束（従って、発生する力）が、電流が増加しているか減少しているかで異なることを示している。この問題に対する解決法には、限定するわけではないが、（１）鉄部品をアニールすること、（２）良好な磁気特性を有する材料を使用すること、（３）指令信号が常に一方向である制御戦略を使用すること、が含まれる。限定するわけではないが例を挙げると、ソレノイドが０．７アンペアで作動していて、０．５アンペアにする指令が出た場合、電流を一旦０．４アンペアに下げ、その後０．５アンペアに戻す。

磁気回路分析は簡単な形状では十分正確であるが、鉄の磁気的特性が、飽和に近づくと非線形になるのため十分ではなくなる。都合が良いことに、シミュレーションソフトウェアは、容易に入手できる。本発明のソレノイド性能特性を評価するのに用いたソフトウェアは、ＭＡＧＮＥＴＯという商標名で販売されている２Ｄ軸対称型のもので、Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇソフトウェア販売会社（カナダ、ウィニペグ）から市販されており容易に入手できる。このソフトウェアプログラムは、境界要素法を使用して解を計算する。このソフトウェアによって、ソレノイドの形状は、断面の半分が構築され、電機子軸回りの対称の規則が適用される。このソフトウェアプログラムは、（１）形状を非常に簡単に構築し修正することができる、（２）パラメーターを容易に解くことができる、（３）実際の結果との相関性が良好である（図１１参照）、（４）横力はモデルでは相殺されているが、軸力の増分横力に対する割合を表にして分析することができる、という利点を有している。

図１２は、本発明のソレノイドの磁束密度の代表的な図を示しており、磁束密度が比較的高い領域（黒い斑点状で示す）は、電機子と極片の間のエアーギャップの部位に集中しており、その他は磁束密度が比較的低い（明るい斑点状で示す）。

本発明の第３の代替実施形態による第２の代替ソレノイド副組立体５００を図１３に示す。先に述べた実施形態と同様に、電機子部材５０２には、その表面に少なくとも２つのテーパー面５０２ａ、５０２ｂが形成されており、極片部材５０４にも、その表面に少なくとも２つのテーパー面５０４ａ、５０４ｂが形成されている。しかしながら、この設計は、製造設計の要素を取り囲んでいるが、機械加工部品と締結具を利用して、組み立て／分解をやり易くし、ツーリング（ｔｏｏｌｉｎｇ）費用を削減している点で異なっている。

本実施形態の性能は、初期開発業務としては満足できるものであったが、幾つか改善領域が明確になり、それには、（１）総ストローク−比較研究から、ソレノイドのストロークを６ｍｍから８ｍｍに増すべきことが示された、（２）力−力曲線には、総ストロークの両端に過剰な落ち込みがあった、（３）ディザー周波数−ディザリングは、基本的に１００Ｈｚ以上で停止した、が含まれる。可動質量を測定すると、位相１（ＳＥＧＲ）ソレノイドの２７グラムに対して、３６グラムだった。０．１００アンペアのピークツーピークディザー電流での１００Ｈｚミニマムにおける有効ディザリングの目標が確立され、（４）ヒスレリシスは、（３％の範囲内のような全ＯＥＭ要件は満たさないが）殆どの開発用途で受容可能な０．２−０．３ｍｍ（５％−７．５％）の範囲内にあった。

本発明の第４の代替実施形態による第３の代替ソレノイド副組立体６００を図１４に示す。この図では、電機子部材６０２には、その表面に少なくとも２つのテーパー面６０２ａ、６０２ｂが形成されており、極片部材６０４にも、その表面に少なくとも２つのテーパー面６０４ａ、６０４ｂが形成されている。更に、電機子部材６０２は、その様々な表面上に形成されている、軽量化、又はくぼみ領域を含んでいる。更に、各テーパー面には、図示のように、連続的に変化する角度を設けることができる。この設計は、主に、これら上記問題に取り組んだものである。この実施形態では、全ストロークを８．５ｍｍまで増やした。

ストロークの増加を可能にする重要な特徴は、磁束管部材６０６の設計にあった。磁束管部材６０６には、電機子部材６０２の一部を少なくとも部分的に受け入れるための、開放端部又はくぼみを画定する領域が設けられている。これにより、両者の間に、少なくとも１つの、望ましくは少なくとも２つの、更に望ましくは少なくとも３つの、最も望ましくは少なくとも４つの相対する面を設けることができるようになる。これらの相対する面は、互いに半径方向及び／又は軸方向に相対していてもよい。本発明では、特定の作動理論に縛られることなく、これらの相対する面は、特に、電機子部材６０２と磁束管部材６０６の何れの内部的な半径方向及び／又は軸方向の相対する面に関しても、少なくとも（例えばソレノイド（例えばコイル）に電流が流されたときに）磁束回路の形成を支援するのには有用であると考えられる。

本発明では、特定の作動理論に縛られることなく、磁束管部材６０６の形状に関して意図した目的は、磁束を電機子部材６０２に連結させることにより磁気回路を完成させることである。ストロークの端部で力曲線が平坦になるのは、この連結に依るところが大きく、そのためには、電機子部材６０２の外径と磁束管部材６０６の内径が最低限幾らか重なっていなければならない。この要件は、ソレノイドの外形を低くする要件と直接矛盾するが、その問題は、磁束管部材６０６を、軸の軸受６０８が直接押し付けられるねじ加工盤（ｓｃｒｅｗ ｍａｃｈｉｎｅ）の部品に設計し直すことによって解決した。これにより、電機子部材６０２を内径部及び外径部の両方で連結できるようになり、同心性を改良することによって、軸受を直接取り付けて横力を減少させることができる。更に、電機子部材６０２は、過剰な質量を取り除くように設計し直された。限定するわけではないが、例えば、総可動質量は、２５グラムに低減された。

本発明の可変力ソレノイドの機能試験では、力と位置の両方を測定する必要がある。ソレノイド力の試験の際は、伝統的な方法では、圧電変換器と可動そりを使用して、力をストロークの関数として測定する。オペレーターがストロークを調整するので、可変力ソレノイドが作動する条件を反復するわけではない。更に、電機子は静止変換器と接触するので、ディザーの利点が大幅に低減する。しかしながら、力の測定に関しては、非常に良好に働く。

力そりの制約を補正するために、取り付け方法（ｆｉｘｔｕｒｉｎｇ）具を変えて、本発明の可変力ソレノイドがストッパ付のばねに抗して動き、スプール弁の負荷と行程をシミュレートできるようにした。線形可変差動変圧器を、本発明による可変力ソレノイドの反対側の端部に取り付けて、ストローク対電流の測定ができるようにした。これは改善になったが、実際には、変換器コアの質量が加わって総質量が相当増加し、コアが変換器コイルに擦れるのを防ぐために、コアの同心度を検証するという不確定性が常に存在した。

次の試験方法では、レーザーを組み込んで、位置を測定するための非接触手段を提供した。目視ベースのデータ捕捉専用構成プログラム（Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ ｄａｔａａｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｕｓｔｏｍ ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｐｒｏｇｒａｍ）は、位置とヒステリシスに関して選択可能なゲートポイント（ｇａｔｅ ｐｏｉｎｔ）で可変力ソレノイドを試験するための使い易い手段を提供する。

可変力ソレノイドの他の設計を評価するために、幾つかの要件、即ち、（１）部品点数が少ないこと、（２）構成要素が単純であること、（３）重要な構成要素が本来的に整列していること、（４）プロセスを部品の要件に整合させること、（５）パッキング（ｐａｃｋｉｎｇ）に関する制約を維持すること、を確立した。幾つかの代替の設計コンセプトを作り、一部にはこれらの要件に基き様々な属性に対して評価した。

本発明の第５の代替実施形態による、第４の代替ソレノイド副組立体７００を図１５に示す。先に述べた実施形態と同様に、電機子部材７０２には、その表面上に少なくとも２つのテーパー面７０２ａ、７０２ｂが形成されており、極片部材７０４にも、その表面上に少なくとも２つのテーパー面７０４ａ、７０４ｂが形成されている。しかしながら、この実施形態は、深絞り打ち抜き加工を利用している点で異なっている。

本発明の第６の代替実施形態による、第５の代替ソレノイド副組立体８００を図１６に示す。先に述べた実施形態と同様に、電機子部材８０２には、その表面上に少なくとも２つのテーパー面８０２ａ、８０２ｂが形成されており、極片部材８０４にも、その表面上に少なくとも２つのテーパー面８０４ａ、８０４ｂが形成されている。しかしながら、この実施形態は、全高を低く維持するために粉末金属製の極片部材８０４と磁束管部材８０６を使っていることを特徴としている点で異なっている。

本発明の第７の代替実施形態による、第６の代替ソレノイド副組立体９００を図１７に示す。先に述べた実施形態と同様に、電機子部材９０２には、その表面上に少なくとも２つのテーパー面９０２ａ、９０２ｂが形成されており、極片部材９０４にも、その表面上に少なくとも２つのテーパー面９０４ａ、９０４ｂが形成されている。更に、各テーパー面には、図示のように、連続的に変化する角度を設けることもできる。この実施形態は、可変カム調時設定システムの外形を低くすることを目指すパッキング上の制約に対する解決策として提案したものである。この設計の主要特質は、高さを３１ｍｍから２８ｍｍへ下げたことである。これは、主に各構成要素を調和させることにより実現し、何度も磁気シミュレーションを試行することによって立証した。

本発明の一般的教示による、先に説明した本発明のソレノイドの幾つかの力対ストロークの概要を図１８に示している。図から明らかなように、図示の力の曲線の輪郭は、本発明のソレノイドの意図する性能特性に従って、実質的に平坦である。

図１７に示した実施形態は空間占有要件を満たしてはいるが、ハードウェアの試験は、何らヒステリシスにおける実際の改善を示さなかった。ヒステリシスの低減に改めて重点を置き直して、磁気回路の適切なアニーリング効果の可能性を判断することを決定した。この目的に向け、鉄部品を、水素７５％、窒素２５％の雰囲の下１５５０−１６００°Ｆで４時間アニーリングした。最高の磁気特性を作り出すために、この処理を選択した。アニーリングによるヒステリシスの減少は、約５０％（図１９参照）であった。なお、選択した部品にもっと安価な熱処理を施すことによって同様の利点を得ることもできる。

以上の本発明の説明は、単に代表例を挙げたものであり、従って、本発明の要旨から逸脱しない変更は、本発明の範囲に含まれるものとする。そのような変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱したものとは見なされない。

先行技術による、平坦面電機子を有する従来型ソレノイドの断面図である。 本発明の一般的教示による、ソレノイド組立体の断面図である。 本発明の或る実施形態による、ソレノイド副組立体の断面図である。 本発明の或る実施形態による、図３に示すソレノイド組立体の電機子部材の断面図である。 本発明の或る実施形態による、図３に示すソレノイド組立体の極片部材の断面図である。 本発明の別の実施形態による、別のソレノイド組立体の断面図である。 本発明の一般的教示に従って構成されたソレノイドの、ストローク対電流性能特性のグラフである。 本発明の第２代替実施形態による、代替ソレノイド組立体の概略図である。 本発明の一般的教示に従って構成されたソレノイドの、軸力対エアーギャップ性能特性を、従来型のソレノイドと比較して示すグラフである。 本発明の一般的教示による、１２１５鋼片の磁束密度対磁化力性能特性のグラフである。 本発明の一般的教示に従って構成された各種ソレノイドの、軸力対ソレノイド行程性能特性のグラフである。 本発明の一般的教示に従って構成されたソレノイドの概略図であり、通常作動時の磁束密度特性を示している。 本発明の第３の代替実施形態による、第２の代替ソレノイド副組立体の概略図である。 本発明の第４の代替実施形態による、第３の代替ソレノイド副組立体の概略図である。 本発明の第５の代替実施形態による、第４の代替ソレノイド副組立体の概略図である。 本発明の第６の代替実施形態による、第５の代替ソレノイド副組立体の概略図である。 本発明の第７の代替実施形態による、第６の代替ソレノイド副組立体の概略図である。 本発明の一般的教示に従って構成された各種ソレノイドの、軸力対ストローク性能特性のグラフである。 本発明の一般的教示に従って構成されたソレノイドの、アニーリング前後の、距離対電流性能特性のグラフである。

符号の説明

１００、１０２、４００、５００、６００、７００、８００、９００ ソレノイド
２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２ 第１の磁気部材
２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４ 第２の磁気部材
２０２ｂ、２１６ｂ 外径
２０２ａ、２１６ａ 内径
２０２ｆ、２０２ｇ、２０２ｈ、２０２ｉ、４０２ａ、４０２ｂ、５０２ａ、５０２ｂ、６０２ａ、６０２ｂ、７０２ａ、７０２ｂ、８０２ａ、８０２ｂ、９０２ａ、９０２ｂ
２１６ｃ、２１６ｄ、２１６ｅ、２１６ｆ、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、５０４ｂ、６０４ａ、６０４ｂ、７０４ａ、７０４ｂ、８０４ａ、８０４ｂ、９０４ａ、９０４ｂ
テーパー面
２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２ 電機子部材
２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４ 極片部材
１０４、３００ ブラケット部材
２３４ 付勢部材
２００ 軸部材
２０６、２１４ ブッシング部材
２０８、６０６、８０６ 磁束管部材
２２０ コイル部材

Claims (25)

1. ソレノイド（１００、１０２、４００、５００、６００、７００、８００、９００）において、
   少なくとも１つのテーパー面（２０２ｇ、２０２ｈ、２０２ｉ、４０２ａ、４０２ｂ、５０２ａ、５０２ｂ、６０２ａ、６０２ｂ、７０２ａ、７０２ｂ、８０２ａ、８０２ｂ、９０２ａ、９０２ｂ）が形成されている外径部（２０２ｂ）を有する第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）と、
   少なくとも１つのテーパー面（２１６ｄ、２１６ｅ、２１６ｆ、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、５０４ｂ、６０４ａ、６０４ｂ、７０４ａ、７０４ｂ、８０４ａ、８０４ｂ、９０４ａ、９０４ｂ）が形成されている内径部（２１６ａ）を有する第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）と、を備えており、
   前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）は、前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）内に少なくとも部分的には同軸に配置されるように作動可能であるソレノイド。
2. 前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）は、電機子部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）と、極片部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）と、それらの組み合わせとで構成されるグループから選択される、請求項１に記載のソレノイド。
3. 前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）は、電機子部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）と、極片部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）と、それらの組み合わせとで構成されるグループから選択される、請求項１に記載のソレノイド。
4. 前記ソレノイド（１００、１０２、４００、５００、６００、７００、８００、９００）と作動的に関係付けられたブラケット部材（１０４、３００）を更に備えている、請求項１に記載のソレノイド。
5. 前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）の前記外径（２０２ｂ）には、少なくとも２つのテーパー面（２０２ｇ、２０２ｈ、２０２ｉ、４０２ａ、４０２ｂ、５０２ａ、５０２ｂ、６０２ａ、６０２ｂ、７０２ａ、７０２ｂ、８０２ａ、８０２ｂ、９０２ａ、９０２ｂ）が形成されている、請求項１に記載のソレノイド。
6. 前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）は、少なくとも１つのテーパー面（２０２ｆ）が形成されている内径部（２０２ａ）を更に備えている、請求項１に記載のソレノイド。
7. 前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）の前記内径部（２１６ａ）には、少なくとも２つのテーパー面（２１６ｄ、２１６ｅ、２１６ｆ、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、５０４ｂ、６０４ａ、６０４ｂ、７０４ａ、７０４ｂ、８０４ａ、８０４ｂ、９０４ａ、９０４ｂ）が形成されている、請求項１に記載のソレノイド。
8. 前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）は、少なくとも１つのテーパー面（２１６ｃ）が形成されている外径部（２１６ｂ）を更に備えている、請求項１に記載のソレノイド。
9. 前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）と前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）の間に配置されている付勢可能な部材（２３４）を更に備えている、請求項１に記載のソレノイド。
10. 前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）から伸張している軸部材（２００）を更に備えており、前記軸部材（２００）は、前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）内に形成されている孔を画定している領域を通って選択的に伸張するよう作動できるようになっている、請求項１に記載のソレノイド。
11. 前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）の孔の中に配置されているブッシング部材（２１４）を更に備えており、前記軸部材（２００）は前記ブッシング部材（２１４）内に同軸的に収容されている、請求項１０に記載のソレノイド。
12. 磁束管部材（２０８、６０６、８０６）を更に備えており、前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）は、前記磁束管部材（２０８、６０６、８０６）と係合するように選択的に動作可能であり、かつ少なくとも部分的には前記磁束管部材（２０８、６０６、８０６）内に配置される、請求項１に記載のソレノイド。
13. 前記磁束管部材（２０８、６０６、８０６）内に形成されている孔を画定している領域内に配置されている第２ブッシング部材（２０６）を更に備えている、請求項１２に記載のソレノイド。
14. 前記第２ブッシング部材（２０６）は、前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）の少なくとも一部を支持しており、前記磁束管部材（２０８、６０６、８０６）と前記第２ブッシング部材（２０６）は、前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）内に少なくとも部分的には同軸に配置されている、請求項１３に記載のソレノイド。
15. コイル部材（２２０）を更に備えており、前記コイル部材（２２０）は、前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）の前記外径部（２０２ｂ）の回りに同軸に配置されている、請求項１に記載のソレノイド。
16. 前記コイル部材（２２０）に電流が流されると、前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）は、前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）に向かって偏倚されるよう、選択的に作動できるようになっている、請求項１５に記載のソレノイド。
17. 前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）に向かって偏倚されているときの前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）の移動距離は、前記コイル部材（２２０）に流される電流に実質的に比例している、請求項１６に記載のソレノイド。
18. 前記ソレノイド（１００、１０２、４００、５００、６００、７００、８００、９００）内に磁界を作るように前記コイル部材（２２０）に電流が流されると、前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）は、前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）に向かって偏倚されるよう、選択的に作動できるようになっている、請求項１５に記載のソレノイド。
19. 前記磁界の磁束密度は、前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）の前記テーパー面（２０２ｆ、２０２ｇ、２０２ｈ、２０２ｉ、４０２ａ、４０２ｂ、５０２ａ、５０２ｂ、６０２ａ、６０２ｂ、７０２ａ、７０２ｂ、８０２ａ、８０２ｂ、９０２ａ、９０２ｂ）と、前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）の前記テーパー面（２１６ｃ、２１６ｄ、２１６ｅ、２１６ｆ、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、５０４ｂ、６０４ａ、６０４ｂ、７０４ａ、７０４ｂ、８０４ａ、８０４ｂ、９０４ａ、９０４ｂ）に近接している領域で最大である、請求項１８に記載のソレノイド。
20. 前記ソレノイド（１００、１０２、４００、５００、６００、７００、８００、９００）に電流が流されると、前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）は、前記第２の磁気部材（２１６、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４）に向かって偏倚されるよう、選択的に作動できるようになっている、請求項１に記載のソレノイド。
21. 前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）及び磁束管部材（２０８、６０６、８０６）は、その表面に形成されたくぼみを画定している少なくとも１つの領域を含んでいる、請求項１に記載のソレノイド。
22. 前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）及び磁束管部材（２０８、６０６、８０６）は、両者の間に形成される少なくとも１つの相対する面を含んでいる、請求項１に記載のソレノイド。
23. 前記ソレノイド（１００、１０２、４００、５００、６００、７００、８００、９００）に電流が流されると、前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）は磁束回路に連結されることになる、請求項２２に記載のソレノイド。
24. 前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）及び磁束管部材（２０８、６０６、８０６）は、両者の間に形成される少なくとも１つの相対する面を含んでおり、前記ソレノイド（１００、１０２、４００、５００、６００、７００、８００、９００）に電流が流されると、前記少なくとも１つの相対する面に磁束回路が確立されることになる、請求項１に記載のソレノイド。
25. 前記ソレノイド（１００、１０２、４００、５００、６００、７００、８００、９００）に電流が流されると、前記第１の磁気部材（２０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２）は磁束回路に連結されることになる、請求項２４に記載のソレノイド。

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