JP2009044924A

JP2009044924A - 扁平型電磁アクチュエータ

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Publication number: JP2009044924A
Application number: JP2007209768A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Ryuen; 繁人竜円; Kenji Suda; 謙二須田
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: JP5205008B2

Abstract

【課題】軸方向作動型電磁アクチュエータであって、アクチュエータ本体部の径方向に対する軸方向の長さを短縮して薄型化を達成することにある。
【解決手段】シャフト１６を中心として、第２平軸受け２０ｂ、突出支持部３８、可動コア３６の環状突起部３６ｂ、円筒状ヨーク４２、コイルボビン３０、コイル３２（コイル積層体３３）及びハウジング１４がそれぞれ半径外方向に沿って順に同一平面（シャフト１６の変位方向と直交する横断面）上に配置され、これらの構成要素は、それぞれ径方向に沿って連設して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータ本体部の径方向の寸法に対して軸方向の長さを短縮した薄肉の扁平型電磁アクチュエータに関する。

従来から、ソレノイドコイルの励磁作用下に発生する電磁力によって可動鉄心を固定鉄心に吸引することにより、弁体を変位させる電磁弁が用いられている。

この種の電磁弁として、本出願人は、例えば、特許文献１に示されるように、可動コアの環状突起部の外周面とハウジングの底部壁面とが部分的に重なり合う位置関係に設定されることにより、可動コアに対する吸引力を向上させつつ、小型化することが可能なリニアソレノイドバルブを提案している。
特開２００５−３１７９３９号公報（段落０００５〜０００９、図３）

ところで、本出願人の提案に係る前記リニアソレノイドバルブや従来から公知の電磁アクチュエータでは、アクチュエータ本体部及びコイル巻線部が径方向に対して軸方向に長い円筒形状からなる軸方向作動型電磁アクチュエータで構成されているのが、一般的である。これは、電磁アクチュエータを構成するソレノイド部におけるコイルの巻線数が、径方向に増大させた場合と比較して軸方向に増大させた方が巻回量を多くすることができて、磁気吸引力を向上させることができるためである。

しかしながら、近年、例えば、高さ方向（電磁アクチュエータの移動子の変位方向）が制限された環境で好適に使用することができると共に、レイアウトの自由度を向上させるために、軸方向作動型電磁アクチュエータにおいてアクチュエータ本体部及びコイル巻線部が軸方向に短縮された薄型で扁平の電磁アクチュエータが希求されている。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、軸方向作動型電磁アクチュエータであって、従来と同等の磁気吸引力を得ることができ、しかも、アクチュエータ本体部の径方向に対する軸方向の長さを短縮して薄型化を達成することが可能な扁平型電磁アクチュエータを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、アクチュエータ本体部と、前記アクチュエータ本体部内に配設され、コイルボビンに巻回されたコイルが積層されて構成されるコイル積層体と、前記コイルに対する通電作用下に、吸引テーパ部側に向かって吸引される可動コアと、前記可動コアに設けられ、該可動コアと一体的に変位する移動子と、前記移動子を該移動子の軸方向に変位可能に軸支する軸受け部材と、前記可動コアの凹部に臨み、前記軸受け部材を保持する突出支持部と、前記可動コアに形成された環状突起部を囲繞する円筒状ヨークと、を備え、前記移動子、前記軸受け部材、前記突出支持部、前記可動コアの環状突起部、前記円筒状ヨーク及び前記コイル積層体は、それぞれ同一平面上に位置するように設けられると共に、前記移動子を中心としてそれぞれ半径外方向に向かって順に連設されることを特徴とする。

この場合、前記同一平面は、前記移動子の変位方向と直交する横断面からなることが好ましい。

本発明によれば、移動子を中心として、軸受け部材、突出支持部、可動コアの環状突起部、円筒状ヨーク及びコイル積層体がそれぞれ半径外方向に沿って順に同一平面（移動子の変位方向と直交する横断面）上に配置され、これらの構成要素は、それぞれ径方向に沿って連設される。

従って、本発明では、径方向に沿ったこのような配置構成を採用することにより、各構成要素が軸方向に沿って延在することが極力抑制され、軸方向の長さが短縮された薄肉の扁平型電磁アクチュエータを得ることができる。この結果、本発明では、例えば、障害物等との関係で高さ方向のスペースが制限された設置環境であっても好適に使用することができ、レイアウトの自由度を向上させることができる。

また、本発明によれば、可動コアの環状突起部に、例えば、縦断面テーパ状の凹部を設けることによって磁束密度が高まり強い磁気吸引力を得ることができるため、軸方向が短縮された扁平型のコイル積層体を形成した場合であっても、従来と同等の磁気吸引力を得ることができる。

本発明では、径方向に沿った上記の配置構成を採用することにより、軸方向作動型電磁アクチュエータであって、従来と同等の磁気吸引力を得ることができ、しかも、径方向に対する軸方向の長さを短縮して薄型化を達成することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る扁平型電磁アクチュエータの縦断面図、図２は、前記扁平型電磁アクチュエータを構成する可動コアが図１の状態から上方に変位した状態を示す縦断面図、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った横断面図である。

図１に示すように、扁平型電磁アクチュエータ１０は、内部にソレノイド部１２が設けられ、軸方向の寸法に対して径方向の寸法が大なる扁平で上端部が閉塞された円筒形状からなるハウジング１４を含む。前記ハウジング１４は、アクチュエータ本体部として機能するものであり、例えば、ＳＵＹＢ（ＪＩＳ規格）等の磁性材料によって形成されるとよい。

前記ハウジング１４の中心部には、後記するシャフト（移動子）１６を挿通させる孔部１８が形成され、前記孔部１８には、前記シャフト１６の上部側外周面を摺動可能に支持する第１平軸受け２０ａが装着される。前記第１平軸受け２０ａは、例えば、合金で形成された一層構造の反割りタイプが用いられ、その外周面には、軸方向に沿って延在する複数の連通溝が形成される。なお、前記第１平軸受け２０ａとして、図示しない二層構造又は多層構造のものを用いてもよい。

また、前記ハウジング１４の内壁には、下方側に向かって所定長だけ突出する環状の吸引テーパ部２２が膨出形成される。この吸引テーパ部２２は、内周側の縦断面が略鉛直面からなり、外周側の縦断面が下方側に向かって徐々に縮径する傾斜面によって構成される。

この場合、前記ハウジング１４の内壁であって吸引テーパ部２２の外周側に連続する水平方向に沿った天井面２４と、前記吸引テーパ部２２の内周側に連続する水平方向に沿った凹部内壁２６との間で、鉛直方向に沿った寸法差がΔＤからなる段差部が形成される（図４参照）。従って、前記吸引テーパ部２２の内側に形成された凹部内壁２６は、外側に形成された前記天井面２４よりもΔＤだけ鉛直上方向に位置するように設けられる。

前記ソレノイド部１２は、前記ハウジング１４の開口する下端部に圧入嵌合される略円盤状の固定コア２８と、中心部に貫通孔が形成され半径方向の縦断面が略Ｕ字状に形成されたコイルボビン３０と、前記コイルボビン３０に巻回されたコイル３２が積層されて構成される扁平なコイル積層体３３（図７（ｂ）参照）と、下方側に向かって徐々に拡径する断面テーパ状の凹部３４が形成された可動コア３６と、前記可動コア３６の中心部に形成された孔部内に固定され該可動コア３６と一体的に変位するシャフト（移動子）１６とを含む。

なお、前記ハウジング１４に対して前記固定コア２８を圧入嵌合する際、嵌合部位に接着剤を付着しておくとよい。また、前記可動コア３６とシャフト１６とは、例えば、かしめ等によって一体的に結合されるとよい。前記シャフト１６は、例えば、ＳＵＳ３０３（ＪＩＳ規格）等の非磁性材料によって形成されるとよい。

前記固定コア２８の中心部近傍には、上方に向かって所定長だけ突出する環状の突出支持部３８が膨出形成され、前記突出支持部３８によって形成された縦断面略Ｕ字状の窪み部４０内には、シャフト１６の下部側の外周面を摺動可能に支持する第２平軸受け２０ｂが装着される。前記第２平軸受け２０ｂは、軸受け部材として機能するものであり、前記第１平軸受け２０ａと同一に構成される。

また、前記突出支持部３８から半径外方向に向かって隣接する部位には、前記突出支持部３８よりも厚肉に形成され、且つ上方への高さ寸法が前記突出支持部３８よりも大なる円筒状ヨーク４２が略鉛直上方向に向かって膨出形成される。なお、前記突出支持部３８及び円筒状ヨーク４２を含む固定コア２８は、例えば、ＳＵＹＢ（ＪＩＳ規格）等の磁性材料によって形成されるとよい。

前記コイルボビン３０は、例えば、樹脂製材料によって形成され、中心部に円筒状ヨーク４２が挿入される貫通孔を有する円筒部３０ａと、前記円筒部３０ａの上端及び下端からそれぞれ半径外方向に略水平方向に向かって所定長だけ略平行に突出する環状フランジ部３０ｂとを有する。この場合、前記コイルボビン３０は、前記円筒部３０ａ及び前記環状フランジ部３０ｂが一体的に形成されると共に、円筒部３０ａの軸方向の長さに対して、環状フランジ部３０ｂの外径寸法が大なる扁平状に設けられる。

前記コイルボビン３０に巻回されるコイル３２は、好ましくは、断面正方形に形成された真四角導線又は断面長方形に形成された平角導線によって形成されるとよい。前記コイル３２を真四角導線又は平角導線によって構成することにより、コイルボビン３０に巻回されたコイル３２同士の接触が面接触となるため、前記コイル３２が所定の位置に安定且つ整列した状態で配置される。なお、前記コイル３２は、断面円形に形成された丸導線によって形成されても勿論構わない。また、前記コイル３２の終端部は、ハウジング１４の外部に設けられたターミナルの端子部４４を介してリード線４６と電気的に接続される。その際、前記ターミナルに代替して図示しないカプラを用いてリード線４６とコイル３２とを電気的に接続するようにしてもよい。

前記コイルボビン３０の環状フランジ部３０ｂの上面及び下面には、環状溝を介して一組のＯリング４８ａ、４８ｂがそれぞれ装着され、前記一組のＯリング４８ａ、４８ｂは、ハウジング１４の天井面２４及び固定コア２８の平坦面にそれぞれ接触することでシール機能が営まれる。

また、固定コア２８と円筒状ヨーク４２との結合部位である外周側の裾野部５０は、縦断面が円弧状のＲ部によって形成されている。その際、前記Ｒ部と対向するコイルボビン３０の円筒部の内壁には、その逃げとして機能するテーパ部５２が形成される。

可動コア３６は、上面が平坦面に形成された平板部３６ａと、その内部に固定コア２８の突出支持部３８と所定のクリアランスを介して対向する縦断面略台形状の凹部３４が形成された環状突起部３６ｂとから構成され、前記平板部３６ａと前記環状突起部３６ｂとは一体的に形成される。なお、前記可動コア３６は、例えば、ＳＵＹＢ（ＪＩＳ規格）等の磁性材料によって形成されるとよい。

この場合、可動コア３６の内部に形成された縦断面テーパ状の凹部３４によって固定コア２８側に向かって所定長だけ突出する環状突起部３６ｂが設けられ、前記可動コア３６の環状突起部３６ｂが突出支持部３８と円筒状ヨーク４２との間に形成された環状空間部５３に臨むように構成されることにより、励磁されたときの磁気吸引力を増大させることができる。

前記可動コア３６の平板部３６ａの上面に近接するシャフト１６の外周面には、平ワッシャからなるリング体５４が装着される。前記リング体５４は、例えば、ＳＵＳ３１０（ＪＩＳ規格）等の非磁性材料によって形成され、ソレノイド部１２における残留磁気を防止するためのスペーサとして機能するものである。

シャフト１６の上端部は、ハウジング１４の孔部１８から外部に露呈するように設けられ、前記シャフト１６は、その上部側及び下部側が第１平軸受け２０ａ及び第２平軸受け２０ｂにより軸方向に沿って摺動可能に軸支される。この結果、前記シャフト１６が一対の第１平軸受け２０ａ及び第２平軸受け２０ｂによって両端支持構造とされることにより、磁気ギャップを小さくして磁気吸引力の向上に寄与することができる。

本実施形態に係る扁平型電磁アクチュエータ１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。

なお、ソレノイド部１２のコイル３２が通電されていないオフ状態では、図１に示されるように、可動コア３６が円筒状ヨーク４２の空間部内に着座して下方側に位置する初期状態にあるものとする。また、扁平型電磁アクチュエータ１０は、中心の孔部１８からシャフト１６の一端部が露呈するハウジング１４を上面とし、固定コア２８の底面を下面として図示しない部材上に設置されているものとする。

この場合、シャフト１６が変位する上下方向（シャフト１６の軸方向）を高さ方向とし、前記シャフト１６の軸心を中心とする横方向を径方向として以下説明する。

そこで、図示しない電源を付勢してコイル３２に通電することによりソレノイド部１２が励磁されてオン状態となり、図示しない磁気回路が発生する。この磁気回路は、ハウジング１４、吸引テーパ部２２、可動コア３６及び固定コア２８を順次経由してハウジング１４に復帰する磁束を有する。

前記磁気回路によって発生する電磁力により、可動コア３６は、上方側に設けられた吸引テーパ部２２に吸引される。そして、可動コア３６と一体的に連結されたシャフト１６が第１平軸受け２０ａ及び第２平軸受け２０ｂによるガイド作用下に上方に向かって直線状に変位し、前記可動コア３６が吸引テーパ部２２の凹部内壁２６に臨む状態となる（図２参照）。この場合、シャフト１６の外周面に係着されたリング体５４が吸引テーパ部２２の凹部内壁２６に当接することにより、前記可動コア３６の高さ方向における変位が規制される。

なお、ソレノイド部１２のコイル３２に対する通電を停止することにより前記電磁力が消滅する。その際、可動コア３６及びシャフト１６は、シャフト１６の先端部に連結される図示しない相手側部材に設けられたリターン機構（例えば、図示しないスプール弁に係着された復帰スプリング等）の押圧力によって下方側に変位して初期状態に復帰する。

本実施形態では、図３に示されるように、シャフト１６を中心として、第２平軸受け２０ｂ、突出支持部３８、可動コア３６の環状突起部３６ｂ、円筒状ヨーク４２、コイルボビン３０、コイル３２（コイル積層体３３）及びハウジング１４がそれぞれ半径外方向に沿って順に同一平面（シャフト１６の変位方向と直交する横断面）上に配置され、これらの構成要素は、それぞれ径方向に沿って連設して構成されている。

従って、本実施形態では、上記のような径方向の配置構成を採用することにより、各構成要素が軸方向に沿って延在することが極力抑制され、軸方向の長さが短縮された薄肉の扁平型電磁アクチュエータ１０を得ることができる。この結果、本実施形態では、例えば、障害物等との関係で高さ方向のスペースが制限された設置環境であっても好適に使用することができ、レイアウトの自由度を向上させることが可能な扁平型電磁アクチュエータ１０を得ることができる。

扁平型電磁アクチュエータ１０をこのように構成することにより、駆動源としての選択の自由度が向上する。例えば、図示しない扁平モータに代替して本実施形態に係る扁平型電磁アクチュエータ１０を使用した場合、前記扁平型電磁アクチュエータ１０では、扁平モータと比較して、回転運動を直線運動に変換する回転−直線変換機構を備えていないため、部品点数を削減してコストの低減化を達成することができると共に、回転運動−直線運動の変換に伴う作動遅延を防止して応答性を向上させることができる。

また、本実施形態では、可動コア３６の内部に形成された縦断面テーパ状の凹部３４によって固定コア２８側に向かって所定長だけ突出する環状突起部３６ｂが設けられ、前記可動コア３６の環状突起部３６ｂが突出支持部３８と円筒状ヨーク４２との間に形成された環状空間部５３に臨むように構成されることにより、励磁されたときの磁気吸引力を増大させて、従来と同等の磁気吸引力を得ることができる。

さらに、本実施形態では、ハウジング１４の天井面２４に隣接する部位に、下方側に向かって突出する吸引テーパ部２２を前記天井面２４から連続して形成しているため、例えば、図５（ａ）の比較例に示されるように、従来から設けられていたハウジングの下面に連続し且つ軸方向に沿って延在する円柱部分を削除して、高さ方向の寸法が短縮された扁平な吸引テーパ部２２とすることができる（図５（ｂ）参照）。

同様に、本実施形態では、可動コア３６の平板部３６ａを薄肉にすると共に、環状突起部３６ｂの内部に縦断面テーパ状の凹部３４を形成することにより、図６（ａ）の比較例に示されるように、従来から設けられていた軸方向の円柱部分を削除して、高さ方向の寸法が短縮された扁平な可動コア３６とすることができる（図６（ｂ）参照）。

同様に、図７（ａ）及び図８（ａ）に示される比較例と対比して、本実施形態では、扁平なコイル積層体３３（図７（ｂ）参照）及び扁平なハウジング１４（図８（ｂ）参照）とすることができる。なお、扁平なコイル積層体３３とすることにより、縦断面が軸方向に長尺な比較例に係るコイル積層体と比較して磁気吸引力が低下するおそれがあるが、本実施形態では、前述したように、可動コア３６の環状突起部３６ｂに縦断面テーパ状の凹部３４を設けることによって、磁束密度が高まり強い磁気吸引力を得ることができる。

さらにまた、本実施形態では、図４に示されるように、ハウジング１４の内壁であって吸引テーパ部２２の外周側に連続する水平方向に沿った天井面２４と、前記吸引テーパ部２２の内周側に連続する水平方向に沿った凹部内壁２６との間で、鉛直方向に沿った寸法差がΔＤからなる段差部が形成されることにより、可動コア３６の作動ストローク（変位量）をΔＤだけ伸長させることができる。従って、本実施形態では、扁平型電磁アクチュエータ１０であっても、ストローク量が大なる軸方向作動型電磁アクチュエータを得ることができる。

以上から、本実施形態では、電磁吸引力が従来と同様に強く、直進性が良好でヒステリシス特性が良く、しかも作動ストロークを大きく設定することが可能な扁平電磁アクチュエータ１０を得ることができる。

なお、本実施形態では、電磁装置として構成される電磁アクチュエータに基づいて説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図示しない弁機構部を連結してシャフト１６の変位動作によって前記弁機構部に配設された図示しない弁体（例えば、スプール弁、ポペット弁等）を駆動させるようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る扁平型電磁アクチュエータの縦断面図である。図１に示す扁平型電磁アクチュエータの可動コアが上方に変位した状態の縦断面図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った横断面図である。図１に示す扁平型電磁アクチュエータの部分拡大縦断面図である。（ａ）は、比較例に係る吸引テーパ部の縦断面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る吸引テーパ部の縦断面図である。（ａ）は、比較例に係る可動コアの縦断面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る可動コアの縦断面図である。（ａ）は、比較例に係るコイル積層体の縦断面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係るコイル積層体の縦断面図である。（ａ）は、比較例に係るハウジングの縦断面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係るハウジングの縦断面図である。

符号の説明

１０扁平型電磁アクチュエータ
１２ソレノイド部
１４ハウジング
１６シャフト
２０ａ、２０ｂ平軸受け
２２吸引テーパ部
２４天井面
２６凹部内壁
２８固定コア
３２コイル
３３コイル積層体
３６可動コア
３６ｂ環状突起部
３８突出支持部
４２円筒状ヨーク

Claims

アクチュエータ本体部と、
前記アクチュエータ本体部内に配設され、コイルボビンに巻回されたコイルが積層されて構成されるコイル積層体と、
前記コイルに対する通電作用下に、吸引テーパ部側に向かって吸引される可動コアと、
前記可動コアに設けられ、該可動コアと一体的に変位する移動子と、
前記移動子を該移動子の軸方向に変位可能に軸支する軸受け部材と、
前記可動コアの凹部に臨み、前記軸受け部材を保持する突出支持部と、
前記可動コアに形成された環状突起部を囲繞する円筒状ヨークと、
を備え、
前記移動子、前記軸受け部材、前記突出支持部、前記可動コアの環状突起部、前記円筒状ヨーク及び前記コイル積層体は、それぞれ同一平面上に位置するように設けられると共に、前記移動子を中心としてそれぞれ半径外方向に向かって順に連設されることを特徴とする扁平型電磁アクチュエータ。
請求項１記載の扁平型電磁アクチュエータにおいて、
前記同一平面は、前記移動子の変位方向と直交する横断面からなることを特徴とする扁平型電磁アクチュエータ。