JP2008154303A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】可動子に永久磁石が設けられた電磁アクチュエータにおいて、永久磁石の割れ、破損、剥がれ等を防止し、可動子の応答性を向上させる。
【解決手段】コイル３０が巻回され磁極部２１を画定するコア２０及びコア２０を挟んだ両側において相互に連結されてその両端に磁極部１１ａ，１２ａを画定する第１ヨーク１０、第１ヨーク１０及びコア２０の３つの磁極部１１ａ，１２ａ，２１と対向して配置される第２ヨーク４０、第１ヨーク１０及びコア２０と第２ヨーク４０の間において移動自在に配置された可動子５０、３つの磁極部１１ａ，１２ａ，２１と対向し得る領域において可動子５０に設けられた２つの永久磁石６１，６２を備え、可動子５０は、永久磁石６１，６２を固着する第３ヨーク７０を有する。これによれば、永久磁石が薄いものであっても、その割れ、破損、剥がれ等を防止でき、又、可動子の応答性を向上させ得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁コイルへの通電により可動子を往復動させるリニアモータ型の電磁アクチュエータに関し、特に、往復動する可動子に対して永久磁石を一体的に設けた電磁アクチュエータに関する。

従来の電磁アクチュエータとしては、略Ｃ字形状をなしその両端に磁極部を画定する第１ヨーク、第１ヨークの中央領域に間隙をおいて配置されると共に先端において磁極部を画定するコア、コアの周りにボビンを介して巻回された励磁用のコイル、第１ヨーク及びコアの３つの磁極部と略平行に隙間をおいて配置された略矩形状の第２ヨーク、第１ヨーク及びコア（の３つの磁極部）と第２ヨークの間において移動自在に配置された可動子（弁軸）、可動子に埋設された略矩形状の２つの永久磁石等を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この電磁アクチュエータにおいて、可動子は、略矩形状の２つの貫通孔をもつホルダ、ホルダの貫通孔にそれぞれ嵌め込まれた２つの永久磁石を備えている。したがって、永久磁石の着磁方向の厚さが比較的厚い場合は，永久磁石をホルダの貫通孔に嵌め込んで固着することは可能である。
しかしながら、永久磁石の着磁方向の寸法が小さく（厚みが薄く）なると、ホルダとの接合部分が減少し、永久磁石をホルダに固着するのは困難である。また、永久磁石が薄くなると、その剛性が低くなり、割れ、破損、ホルダからの脱落等を招く虞がある。

また、他の電磁アクチュエータとしては、略Ｅ字状に形成されその３つの先端に磁極部を画定する第１ヨーク、第１ヨークの中央の磁極部を画定する部分に巻回された励磁用のコイル、第１ヨークの３つの磁極部と略平行に隙間をおいて配置された第２ヨーク、第２ヨークの第１ヨークと対向する面に固着された２つの永久磁石等を備え、２つの永久磁石を第２ヨークと一緒に往復動させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

この電磁アクチュエータにおいては、２つの永久磁石が第２ヨークに直接固着されているため、永久磁石が薄い場合であっても、その割れあるいは破損等を防止することはできる。
しかしながら、第２ヨークが、可動子として永久磁石と一緒に移動するため、可動子の質量が増加し、応答性が悪化する。それ故に、迅速な動作が要求される機械部品あるいは電気部品等を駆動する駆動源（電磁アクチュエータ）として適用するのは困難である。

特開２０００−１９９４１１号公報 特許第３３０４９７６号公報

本発明は、上記従来の装置の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、着磁方向の寸法が小さい（厚みが薄い）永久磁石を用いる場合であっても、その永久磁石の割れ、破損等を防止でき、又、可動子の質量を低減して応答性を向上させることのできる電磁アクチュエータを提供することにある。

本発明の電磁アクチュエータは、励磁用のコイルが巻回されると共にその先端に磁極部を画定する磁束生成部材と、磁束生成部材を挟んだ両側において相互に連結されてその両端に磁極部を画定する２つの磁路形成部を含む第１磁路部材と、第１磁路部材及び磁束生成部材の３つの磁極部と対向して配置される第２磁路部材と、第１磁路部材及び磁束生成部材と第２磁路部材の間において移動自在に配置された可動子と、３つの磁極部と対向し得る領域において可動子に設けられた２つの永久磁石を備えた電磁アクチュエータであって、上記可動子は、永久磁石を保持する第３磁路部材を有する、構成となっている。
この構成によれば、コイルに対して一方向（他方向）に通電すると、磁束生成部材において磁束が発生し、第１磁路部材の両方の磁路形成部及び第２磁路部材を通る磁力線と磁束生成部材及び第１磁路部材の一方の磁路形成部並びに第２磁路部材を通る磁力線の力関係により、可動子が一方向（他方向）に移動する。
ここで、可動子の２つの永久磁石は、可動子に設けられた第３磁路部材により保持されているため、永久磁石が着磁方向において薄いものであっても、その割れ、破損等を防止しつつ、脱落しないように可動子に確実に固定することができる。
また、第３磁路部材は、第２磁路部材よりも小さい質量にできるため、第２磁路部材に永久磁石を保持させて全体を可動子とする場合に比べて、可動子を軽量化でき、可動子の応答性を向上させることができる。

上記構成において、第３磁路部材は、略矩形の平板状に形成され、２つの永久磁石は、第３磁路部材の一方の平面に固着されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、第３磁路部材の平面に２つの永久磁石を固着するため、永久磁石が（その着磁方向において）薄いものであっても、第３磁路部材を介して、２つの永久磁石を可動子に確実に固定することができる。

上記構成において、可動子は、非磁性材料により形成されたホルダを含み、ホルダは、２つの永久磁石及び第３磁路部材をそれぞれ嵌め込む貫通孔を含む、構成を採用することができる。
この構成によれば、ホルダの貫通孔に２つの永久磁石及び第３磁路部材を嵌め込むと共に、第３磁路部材の一方の平面に２つの永久磁石を固着するため、２つの永久磁石を可動子に対して一層確実に固定することができる。

上記構成において、可動子は、所定の直線方向において往復動するように形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、可動子が所定の直線方向において往復動するリニアモータとして適用され、このリニアモータにおいて、永久磁石の割れ、破損、剥がれ、脱落等を確実に防止することができる。

上記構成において、可動子は、転動体を介して往復動自在に支持されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、可動子は、転動体により支持されて往復動するため、可動子のガタツキを防止しつつ円滑な動作を保証することができる。

上記構成をなす電磁アクチュエータによれば、着磁方向の寸法が小さい（厚みが薄い）永久磁石を用いる場合であっても、その永久磁石の割れ、破損等を防止でき、又、可動子の質量を低減して応答性を向上させることのできる電磁アクチュエータが得られる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１ないし図７は、本発明に係る電磁アクチュエータの一実施形態を示すものであり、図１及び図２は可動子の移動方向に平行な面における電磁アクチュエータの断面図、図３は可動子の移動方向に垂直な面における電磁アクチュエータの部分断面図、図４は電磁アクチュエータの一部を示す部分斜視図、図５ないし図７は非通電及び通電の状態での磁束の流れを示す磁路図である。

この電磁アクチュエータは、図１ないし図４に示すように、第１磁路部材としての第１ヨーク１０、磁束生成部材としてのコア２０、コア２０の周りにおいてボビン３０ａを介して巻回された励磁用のコイル３０、第２磁路部材としての第２ヨーク４０、第１ヨーク１０及びコア２０と第２ヨーク４０の間において往復動自在に配置された可動子５０、可動子５０に一体的に設けられた２つの永久磁石６１，６２及び第３磁路部材としての第３ヨーク７０、可動子５０を往復動自在に支持する転動体８０、第１ヨーク１０及びコア２０を固定する固定ホルダ９０、第２ヨーク４０を固定する固定ホルダ１００等を備えている。

第１ヨーク１０は、図１に示すように、磁性材料を用いて、略Ｃ字状の断面をなすように形成されており、後述するコア２０を挟んだ両側において相互に連結された２つの磁路形成部１１，１２を有し、その両端に磁極部１１ａ，１２ａを画定し、又、その中間領域１３において、後述するコア２０が接続されている。
尚、ここでは、第１ヨーク１０の中間領域１３にコア２０を接続しているが、所定の間隔からなる磁気ギャップを設けてもよい。

コア２０は、後述するコイル３０への通電により磁束を生成する部分であり、図１に示すように、その一方の端部（先端）に磁極部２１を画定し、その他方の端部２２が第１ヨーク１０の中央領域１３に接続されている。尚、コア２０は、第１ヨーク１０と一体的に形成されていてもよい。
ここで、磁極部１１ａ，１２ａ，２１は、図１に示すように、磁極部２１を中心として、お互いに近接するように形成され、かつ、各々の磁極部１１ａ，１２ａ，２１の端面が平面Ｓ上に略面一に並ぶように形成されている。

そして、第１ヨーク１０及びコア２０は、図２及び図３に示すように、非磁性材料により形成された固定ホルダ９０により、一体的に保持されている。
固定ホルダ９０は、アルミニウム等の非磁性材料を用いて形成されており、図２及び図３に示すように、第１ヨーク１０及びコア２０を保持するように形成され、又、後述する転動体８０を転動自在に受け入れるべく４つの凹部９１を備えるように形成されている。
尚、固定ホルダ９０は、機械的強度及び耐久性等が確保されれば、金属材料に替えて、樹脂材料等を用いて形成されてもよい。

励磁用のコイル３０は、図１に示すように、コア２０の周りに嵌合された樹脂製のボビン３０ａに巻回されており、コア２０内に磁束を生成させると共に、コア２０の磁極部２１に対して、一方への通電により一方の磁極（例えばＮ極）を生じさせ、他方への通電により他方の磁極（例えば、Ｓ極）を生じさせるようになっている。

第２ヨーク４０は、図１に示すように、磁性材料を用いて、略矩形の平板状に形成されており、その平面４１が第１ヨーク１０及びコア２０により画定される平面Ｓと所定間隔をおいて平行になるように配置されている。
そして、第２ヨーク４０は、図２及び図３に示すように、非磁性材料により形成された固定ホルダ１００により保持されている。
固定ホルダ１００は、アルミニウム等の非磁性材料を用いて形成されており、図２及び図３に示すように、第２ヨーク４０を保持するように形成され、又、後述する転動体８０を転動自在に受け入れるべく４つの凹部１０１を備えるように形成されている。
尚、固定ホルダ１００は、機械的強度及び耐久性等が確保されれば、金属材料に替えて、樹脂材料等を用いて形成されてもよい。

可動子５０は、図１ないし図４に示すように、第１ヨーク１０及びコア２０により画定される平面Ｓと第２ヨーク４０により画定される平面４１との間において、所定の間隙をおいて所定の直線方向（矢印方向Ｌ）に往復動自在に配置されている。
可動子５０は、図１ないし図４に示すように、略扁平でかつその往復動方向Ｌに長尺に形成されたホルダ５１、ホルダ５１に固定された２つの永久磁石６１，６２及び第３ヨーク７０を備えている。

ホルダ５１は、アルミニウム等の非磁性材料により形成されており、２つの永久磁石６１，６２を嵌め込む略矩形の貫通孔５１ａ，５１ｂ、第３ヨーク７０を嵌め込む略矩形の貫通孔５１ｃ、転動体８０を転動させる４つの被支持部５１ｄ等を備えるように形成されている。
尚、ホルダ５１は、機械的強度及び耐久性等が確保されれば、金属材料に替えて、樹脂材料等を用いて形成されてもよい。

永久磁石６１は、略矩形の扁平な形状、すなわち、第１ヨーク１０及びコア２０側にＮ極を向けかつ第２ヨーク４０側にＳ極を向けるように、着磁方向において薄い平板状に形成されている。
そして、永久磁石６１は、ホルダ５１の貫通孔５１ａに嵌め込まれると共に、後述する第３ヨーク７０の平面７１に接着（固着）されている。

永久磁石６２は、略矩形の扁平な形状、すなわち、第１ヨーク１０及びコア２０側にＳ極を向けかつ第２ヨーク４０側にＮ極を向けるように、着磁方向において薄い平板状に形成されている。
そして、永久磁石６２は、ホルダ５１の貫通孔５１ｂに嵌め込まれると共に、後述する第３ヨーク７０の平面７１に接着（固着）されている。

第３ヨーク７０は、磁性材料を用いて、第２ヨーク４０に比べて小さい（質量の小さい）略矩形の平板状に形成されており、２つの永久磁石６１，６２を固着させて保持する平面７１、第２ヨーク４０の平面４１に対向する平面７２を備えるように形成されている。
すなわち、第３ヨーク７０は、ホルダ５１の貫通孔５１ｃに嵌め込まれて固着されると共に、その平面７１上において２つの永久磁石６１，６２を固着して保持している。
そして、第３ヨーク７０は、永久磁石６１，６２から第２ヨーク４０に向けてあるいは第２ヨーク４０から永久磁石６１，６２に向けて磁束を通す役割をなすと共に、永久磁石６１，６２を保持する役割をなすものである。

このように、第３ヨーク７０により、２つの永久磁石６１，６２を保持しているため、永久磁石６１，６２が着磁方向において薄いものであっても、その割れ、破損等を防止しつつ、脱落しないようにホルダ５１すなわち可動子５０に確実に固定することができる。
特に、ホルダ５１の貫通孔５１ａ，５１ｂ，５１ｃに２つの永久磁石６１，６２及び第３ヨーク７０を嵌め込むと共に、第３ヨーク７０の平面７１に２つの永久磁石６１，６２を固着するため、２つの永久磁石６１，６２を可動子５０（ホルダ５１）に対して一層確実に固定することができる。
また、第３ヨーク７０は、第２ヨーク４０よりも小さい質量に形成されているため、第２ヨーク４０に永久磁石６１，６２を保持させて全体を可動子とする場合に比べて、可動子５０を軽量化でき、可動子５０の応答性を向上させることができる。

転動体８０は、耐摩耗性及び摺動性に優れた金属材料等を用いて、円柱状に形成されたローラベアリングであり、固定ホルダ９０，１００の凹部９１，１０１と可動子５０の被支持部５１ｄの間に介在するように配置されて、可動子５０を矢印方向Ｌに往復動自在に支持するようになっている。
このように、可動子５０は、第１ヨーク１０及びコア２０（固定ホルダ９０）と第２ヨーク４０（固定ホルダ１００）に対して、転動体８０を介して往復動自在に支持されているため、可動子５０のガタツキを防止しつつ、円滑な動作を保証することができる。

次に、上記構成をなす電磁アクチュエータの動作について、図５ないし図７を参照しつつ説明する。
先ず、コイル３０に電流が供給されない非通電の状態では、図５に示すように、永久磁石６１（Ｎ極）→第１ヨーク１０の磁極部１１ａ→中間領域１３→第１ヨーク１０の磁極部１２ａ→永久磁石６２（Ｓ極→Ｎ極）→第３ヨーク７０→第２ヨーク４０→第３ヨーク７０→永久磁石６１（Ｓ極→Ｎ極）という経路を辿る磁路、及び永久磁石６１（Ｎ極）→コア２０の磁極部２１→永久磁石６２（Ｓ極→Ｎ極）→第３ヨーク７０→第２ヨーク４０→第３ヨーク７０→永久磁石６１（Ｓ極→Ｎ極）という経路を辿る磁路が形成され、可動子５０は、可動範囲内において、直前にコイル３０の通電が断たれた際に対応する位置に停止している（可動子５０は、非通電の際にはどの位置においても停止可能である）。

次に、コイル３０に対して、一方向に所定レベルの電流が供給されると、図６に示すように、磁極部２１にＮ極が生じ、コア２０内に下向きの磁力線の流れ（磁束）が生成され、コア２０の磁極部２１→永久磁石片６２（Ｓ極→Ｎ極）→第３ヨーク７０→第２ヨーク４０→第３ヨーク７０→永久磁石６１（Ｓ極→Ｎ極）→第１ヨーク１０の磁極部１１ａ→第１ヨーク１０の中間領域１３→コア１０の磁極部２１という磁路を流れる磁束が主として可動子５０を移動させる電磁力として作用し、可動子５０は、図６において左向きに所定量だけ直線的に移動した位置に位置付けられる。

一方、コイル３０に対して他方向に（逆向きに）所定レベルの電流が供給されると、図７に示すように、磁極部２１にＳ極が生じ、コア２０内に上向きの磁力線の流れ（磁束）が生成され、コア２０の磁極部２１→第１ヨーク１０の中間領域１３→第１ヨーク１０の磁極部１２ａ→永久磁石片６２（Ｓ極→Ｎ極）→第３ヨーク７０→第２ヨーク４０→第３ヨーク７０→永久磁石６１（Ｓ極→Ｎ極）→コア２０の磁極部２１という磁路を流れる磁束が主として可動子５０を移動させる電磁力として作用し、可動子５０は、図７において右向きに所定量だけ直線的に移動した位置に位置付けられる。
このように、可動子５０は、所定方向Ｌに直線的に往復動するため、この電磁アクチュエータはリニアモータとして機能するものである。

この電磁アクチュエータによれば、第３ヨーク７０は、第２ヨーク４０に比べて質量が小さくかつ永久磁石６１，６２を直接固着して保持するように形成されているため、磁束の漏れを防止しつつ電磁力を効率よく発生させることができ、応答性の良い駆動動作を得ることができる。

上記実施形態においては、可動子５０を移動自在に支持する転動体８０として円柱状のローラベアリングを示したが、これに限定されるものではなく、球体状のボールベアリングを採用してもよい。
上記実施形態においては、第３磁路部材として、２つの永久磁石６１，６２を一緒に固着させて保持する一つの第３ヨーク７０を示したが、これに限定されるものではなく、それぞれの永久磁石６１，６２に対応させて２つの第３磁路部材を採用してもよい。
上記実施形態においては、可動子５０が所定の直線方向Ｌにおいて往復動する場合を示したが、これに限定されるものではなく、円弧状に往復動する可動子において本発明を採用してもよい。

以上述べたように、本発明の電磁アクチュエータは、着磁方向の寸法が小さい（厚みが薄い）永久磁石を用いる場合であっても、その永久磁石の割れ、破損等を防止でき、又、可動子の質量を低減して応答性を向上させることができるため、エンジンの可動体（例えば、吸気バルブあるいは排気バルブ等）を駆動する駆動源あるいはその他の機械の可動体を駆動する駆動源として適用できるのは勿論のこと、電気製品等その他の可動体の駆動源としても有用である。

本発明に係る電磁アクチュエータの一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る電磁アクチュエータの一実施形態を示す断面図である。 図１及び図２に示す電磁アクチュエータの一部を示す部分断面図である。 図１及び図２に示す電磁アクチュエータの一部を示す部分斜視図である。 図１及び図２に示す電磁アクチュエータの動作を説明するための磁路図である。 図１及び図２に示す電磁アクチュエータの動作を説明するための磁路図である。 図１及び図２に示す電磁アクチュエータの動作を説明するための磁路図である。

符号の説明

１０ 第１ヨーク（第１磁路部材）
１１，１２ 磁路形成部
１１ａ，１２ａ 磁極部
１３ 中間領域
２０ コア（磁束生成部材）
２１ 磁極部
Ｓ 平面
３０ 励磁用のコイル
３０ａ ボビン
４０ 第２ヨーク（第２磁路部材）
４１ 平面
５０ 可動子
５１ ホルダ
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ 貫通孔
５１ｄ 被支持部
６１，６２ 永久磁石
７０ 第３ヨーク（第３磁路部材）
７１，７２ 平面
８０ 転動体
９０ 固定ホルダ
９１ 凹部
１００ 固定ホルダ
１０１ 凹部
Ｌ 往復動方向（所定の直線方向）

Claims (5)

1. 励磁用のコイルが巻回されると共にその先端に磁極部を画定する磁束生成部材と、前記磁束生成部材を挟んだ両側において相互に連結されてその両端に磁極部を画定する２つの磁路形成部を含む第１磁路部材と、前記第１磁路部材及び磁束生成部材の３つの磁極部と対向して配置される第２磁路部材と、前記第１磁路部材及び磁束生成部材と前記第２磁路部材の間において移動自在に配置された可動子と、前記３つの磁極部と対向し得る領域において前記可動子に設けられた２つの永久磁石を備えた電磁アクチュエータであって、
   前記可動子は、前記永久磁石を保持する第３磁路部材を有する、
   ことを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記第３磁路部材は、略矩形の平板状に形成され、
   前記２つの永久磁石は、前記第３磁路部材の一方の平面に固着されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記可動子は、非磁性材料により形成されたホルダを含み、
   前記ホルダは、前記２つの永久磁石及び前記第３磁路部材をそれぞれ嵌め込む貫通孔を含む、
   ことを特徴とする請求項２記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記可動子は、所定の直線方向において往復動するように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記可動子は、転動体を介して往復動自在に支持されている、
   ことを特徴とする請求項４記載の電磁アクチュエータ。
   

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