JP2016075286A - 回転型電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】バルブの開閉に好適な回転型電磁アクチュエータを提供する。【解決手段】アクチュエータは、ロータと、ステータと、ロータの回転の少なくとも一部の間、ロータにトルクを印加するための付勢構造とを備える。ロータに作用する力によって、ロータ用の複数の安定静止位置が、規定され、アクチュエータは、ロータを１つの安定静止位置から別の安定静止位置へと動かすよう制御可能である。付勢構造によって印加されるトルクは、第１の静止位置および少なくとも第２の静止位置ではそれらの位置の選択を可能にするよう十分に低く、その後第２の静止位置を超えると増加するように、ロータの回転位置とともに変化する。【選択図】図３Ｂ

Description

発明の分野
この発明は回転型電磁アクチュエータに関する。より特定的には、それはバルブの開閉に好適な電磁アクチュエータに関する。

発明の背景
この発明が目的とする電磁アクチュエータ構成は、（本出願人により提出された）国際公開第ＷＯ２００４／０９７１８４号に記載されており、その内容はここに引用により援用される。この発明は、このアクチュエータ構造への改良を提供しようとするものである。

この公開に記載されたアクチュエータ構成を、図１Ａおよび図１Ｂに示す。それらは、正面斜視図および背面斜視図をそれぞれ示している。ロータ１０が、軸１４を中心として回転するために、ハウジング１２に回転可能に搭載されている。それは、８つの極を含むステータ１６によって包囲されている。各極の周りには、それぞれの巻線１８が巻かれている。

レバー２０が、板バネ２６によって、カム２２のカム面２４上へと押込まれる。カム面２４は円筒形状であり、ロータの軸１４に対して偏心してロータ上に搭載されている。アクチュエータはバルブステム３０に結合されている。それは、バルブステム３０がその垂直行程の上端にある場合、すなわちバルブ閉鎖位置にある場合に、板バネ２６の最大撓みが起こるよう、構成されている。

アクチュエータとバルブステム３０との結合は、図１Ｂに見える。クランクピン４０が、ロータの後部からレバー４２を貫通して延在している。レバー４２は、軸４４を中心として枢動するよう搭載されている。クランクピン４０は、レバー４２によって規定される開口を通っており、その壁がカム面４６を規定する。これは、クランクピンが回転するにつれてその運動を追跡し、この回転運動を、枢動可能な継手４８を介して、バルブステム３０の実質的に垂直な振動に変換し、デスモドロミックバルブ制御を提供する。

ロータとステータとの間の受動的磁力は、ロータ用の８つの安定静止位置を規定するよう機能する。各静止位置では、ロータは、（ステータ巻線を通る電流といった）エネルギの入力を必要とすることなく、これらの受動的磁力によって適所にしっかり保持される。

ロータは、好適な電流パルスを１つ以上のステータ巻線に印加することによって、１つの静止位置から別の静止位置へと回転可能である。８つの巻線（またはコイル）は４つの対となって共に接続されており、各対は、回転軸１４の両側にある２つの巻線からなる。各対の巻線は、直列または並列に共に接続されてもよい。

アクチュエータは、必要なインパルスの大きさに依存して、巻線の１つの対、または２つの対、もしくは４つすべての対に通電するよう制御可能である。これは、たとえばエンジン速度、バルブ剛性、油の粘度、および温度といったさまざまな要因に依存して、かなり変わる場合がある。

バルブステムがその閉鎖位置へと動くにつれて、板バネはエネルギを蓄える。このエネルギは次に、レバー２０およびカム２２を介してロータにかかるバネ２６の作用によってロータがこの第１の静止位置から遠ざかる際にロータを加速するために使用される。これは、ロータをその静止位置から遠ざかる方向に移動させるのに必要なピーク電流をかなり減少させ得る。上述のように、ロータの回転は、図１Ｂに示す連結機構を介して、バルブステムの運動に変換される。

バルブステムがその閉鎖位置に向かって戻ってくる際、板バネは、バルブステムがその台座に近付くにつれてその速度を制御し減少させるよう機能する。これは、エンジンノイズを減少させ、エンジンの寿命を増加させるのに役立つ。同時に、バルブ開放段階の間、運動エネルギが再使用のためにバネに蓄えられる。

発明の概要
この発明の一局面によれば、電磁アクチュエータは、ロータと、ステータとを備え、ロータはステータにおける回転用に構成されており、前記アクチュエータはさらに、ロータの回転の少なくとも一部の間、ロータにトルクを印加するための付勢構造を備え、ロータに作用する力によって、ロータ用の複数の安定静止位置が規定され、前記アクチュエータは、ロータを１つの安定静止位置から別の安定静止位置へと動かすよう制御可能であり、付勢構造によって印加されるトルクは、第１の静止位置および少なくとも第２の静止位置ではそれらの位置の選択を可能にするよう十分に低く、その後第２の静止位置を超えると増加するように、ロータの回転位置とともに変化する。

図１Ａおよび図１Ｂに示す構造に従ったいくつかの構成では、板バネによって加えられた力から生じる、ロータのその第１の静止位置から遠ざかる初期加速が大き過ぎるために、ロータがその第１の静止位置からいずれかの側の次のすぐ隣接する静止位置へと確実に動くことができない、ということが見出された。

この問題は、第１の静止位置および少なくとも第２の静止位置で付勢構造が印加するトルクが、それらの位置の選択を可能にするよう十分に低くなるように、付勢構造を構成することによって、この発明により対処される。ロータの回転の関連部分にわたって付勢構造によって印加されるトルクがあったとしても、それらの静止位置は、ロータとステータとの間に作用する受動的磁力によって十分良好に規定されたままとなり得る。

この発明の実施例では、付勢構造は機械的付勢構造であり、たとえば弾性要素を含む。それは好ましくは、付勢カム面を規定する付勢カムと、付勢カム従動子とを備え、付勢カム従動子および付勢カム面は圧迫し合っており、付勢カムおよび付勢カム従動子のうちの一方は、ロータを用いて、またはロータによって回転可能である。

付勢カム面は、第１の静止位置と第２の静止位置との間で付勢カム従動子の運動が実質的にないように輪郭付けられてもよい。このため、この運動の間、付勢構造によってロータに印加される付勢力は、第１の静止位置に対して実質的に変わらない。

また、付勢構造は、この運動の間、付勢構造によってロータに印加される加速トルクが実質的にないように構成される。この構造によって印加される力は、ロータの回転のこの部分の間、関連するトルクを最小限に抑えるためにロータの回転軸へと方向付けられてもよい。

付勢カム面の残りは、ロータの回転の適切な部分の間、付勢構造が所望のトルクを提供するように、必要に応じて輪郭付けられてもよい。

第１の静止位置から遠ざかるロータの部分的回転に対応する安定静止位置が利用できることは、アクチュエータがバルブを動作させるために採用されている場合に特に有益であり得る。第１の静止位置がバルブ閉鎖位置に対応し、ロータの１８０°の回転がバルブ完全開放位置に対応している状態では、中間の安定静止位置はバルブの部分開放を表わす。アクチュエータは、第１の静止位置とこれらの中間静止位置のうちの１つ以上との間で振動するよう制御可能であってもよい。アクチュエータが内燃機関の吸気または排気バルブを開閉するために採用されている場合、この中間振動は、より低い燃料消費で、アイドリング、走行、または他の動作モードを提供し得る。この発明は、必要とされるすべての中間安定静止位置が選択のために利用できることを確実にするために採用されてもよい。

第１の静止位置および第２の静止位置は、ロータの隣り合う安定静止位置であってもよい（すなわち、ステータによってロータに加えられる受動的磁力によって規定される介在静止位置がなくてもよい）。いくつかの構成では、第１の静止位置と第２の静止位置との間に、１つ以上のさらに別の静止位置があってもよい。

第１および第２の静止位置は、これらの位置のいずれか（または好ましくはそれらの間）において付勢構造によってロータに印加されるトルクが実質的にない状態で、（好ましくはロータとステータとの相互作用による）ロータにのみ作用する磁力によって規定されてもよい。

アクチュエータは、ステータ巻線の少なくとも１つを通って流れる電流によって生じる別の静止位置へ向かう適切なインパルスの印加により、ロータを１つの静止位置から別の静止位置に動かすよう制御可能であってもよい。この作用は、インパルスが１つの回転方向にのみ印加される必要があるよう十分に繰返し可能で信頼できるものであってもよく、予め定められた大きさの単一のパルスのみからなっていてもよく、それによりエネルギ消費を最小限に抑える。

さらに別の実施例では、第１の静止位置と、第１の静止位置の第２の静止位置とは回転方向反対側に位置する第３の静止位置との間では、付勢カム従動子の変位は実質的に一定である。好ましくは、第３の静止位置は、第１の静止位置から遠ざかる回転のこの反対方向における次の隣接する静止位置である。

この発明の好ましい実施例では、付勢構造によってロータに印加される力は、第１および第２の静止位置で、ならびに第１の静止位置と第２の静止位置との間で、最小またはほぼ最小となるように、ロータの回転位置とともに変化する。いくつかのアクチュエータ用途では、第１および第２の静止位置では付勢が全く（または比較的少量しか）印加されないことが有利であり、増加した付勢力は、第２の静止位置を超えたロータの回転の部分にわたってのみ印加される。

この構成が好ましい、アクチュエータ用の特定の一用途は、車のエンジンのバルブを制御するためのその使用である。そのようなエンジンの寿命の大半では、それは低速および中速ｒｐｍ範囲で動作する。これらの動作モード中は、ロータへの著しい付勢力の印加は必要とはされない場合がある、ということがわかっている。しかしながら、エンジンが比較的高速のｒｐｍで動作している場合、エネルギ蓄積および加速機能を提供することは、付勢構造にとって依然として有益である。しかしながら、低速および中速のエンジン速度範囲の間では、この追加のトルクがなくても、正確なバルブタイミングを確実に達成することができる。

特に機械的エネルギ蓄積要素の変位が利用可能な空間が少ししかない場合、付勢構造に有意な量のエネルギを蓄えるためには、かなりの力が必要となりそうである。このかなりの力の必要性は、付勢構造によってロータにかなりの摩擦が加えられる可能性があり、機械的エネルギ蓄積要素の比較的短い寿命にもつながり得る、ということを意味する。したがって、付勢構造によって印加される力が、第１および第２の静止位置で、ならびに第１の静止位置と第２の静止位置との間で、最小または実質的に最小となり、第２の静止位置を超えると力は増加するならば、それは有利である。これは、低速および中速ｒｐｍ動作時に生じる摩擦の量を著しく減少させ、付勢構造の機械的エネルギ蓄積要素の寿命（ひいては信頼性）を増加させる。

そのような実施例では、付勢構造は、第２の静止位置を超えたロータの行程の一部の間にエネルギを蓄え、次に、蓄えたエネルギを用いて、ロータがその第１の静止位置に戻るのと同じ方向にロータを加速するよう、構成されてもよい。アクチュエータは、関連するエンジンの高速ｒｐｍ動作の間のみ、このエネルギ再生が実施されるように、構成および制御されてもよい。

このため、低速および中速ｒｐｍ範囲の間では、ロータの回転は、エネルギ蓄積を伴わない回転の部分に制限されてもよく、高速ｒｐｍ動作時には、ロータはこの部分を超えて回転のエネルギ蓄積部分を通って回転するよう制御される。特に、高速ｒｐｍ時には、ロータは好ましくは、エネルギ蓄積領域を通過して何回転もして、連続的に同じ方向に回転する。

羽根車が連結機構を介してロータに結合されていてもよい。より特定的には、連結機構は、ロータがその第１の静止位置にあるときは羽根車が第１の羽根車位置にあり、ロータがその第２の静止位置にあるときは羽根車が第１の羽根車位置から最大変位したまたはほぼ最大変位した位置にあるよう、構成されてもよい。このため、第１から第２の静止位置へのロータの回転は、付勢構造によって印加される力がその最小値を超えて著しく増加することなく、羽根車をその第１の静止位置または定位置からその第２の静止位置での最大変位へと十分に変位させることをもたらしてもよい。たとえば、アクチュエータは、羽根車の第１の位置がバルブ閉鎖位置に対応し、第２の静止位置がバルブ完全開放位置に対応するように、エンジンに設けられてもよい。

羽根車の往復運動はしたがって、ロータがその第１の静止位置からその第２の静止位置へと回転し、その後反対方向に再度戻ってくるようにアクチュエータを作動することによって達成されてもよい。また、連結機構は、第２の静止位置を超えるロータの回転中に羽根車が第１の羽根車位置に戻るよう、構成されてもよい。このため、ロータの同じ方向の回転は、羽根車がその第１の位置から第２の位置に行ってから再度戻ってくる往復運動をもたらすであろう。これは、モータの２７０°以下の回転、または好ましくは１８０°以下の回転にわたって起こってもよい。ロータの１回転に満たない範囲でのロータの往復運動は、より迅速な往復作用を容易にする。

好ましくは、第２の静止位置を超えるロータの回転中に羽根車が第１の羽根車位置に戻るよう、連結機構が構成されている実施例では、この第２の静止位置への復帰は、付勢構造がエネルギを蓄えるその行程の一部にロータが到達する前に起こる。このため、羽根車の十分な往復運動は、付勢構造へのエネルギ伝達の結果、回転が著しく妨げられることなく、ロータを第２の方向に回転させることによって達成されてもよい。

この実現化例では、羽根車が第１の羽根車位置にあるロータの回転位置は２つある。これらの位置と羽根車の最大変位が達成される安定静止位置との間に規定される中間安定静止位置が１つ以上あるように、アクチュエータは構成されてもよい。中間静止位置に対応する羽根車の変位は、どの第１の羽根車位置が選択されるかに依存して異なっていてもよい。選択された第１の静止羽根車位置と関連するすぐ隣の静止位置との間での往復運動はしたがって、選択された程度の羽根車変位を有する往復運動を提供するであろう。

付勢カム従動子および付勢カム面は付勢要素によって圧迫し合っていてもよく、付勢要素は、第１の静止位置に向かうロータの行程の一部の間にエネルギを蓄え、この蓄えられたエネルギを用いて、第１の静止位置から遠ざかるその行程の一部の間にロータを加速するよう構成されている。これは、アクチュエータの動作中にエネルギの蓄積および解放を提供し、付勢カム面は、必要な中間静止位置の選択を容易にしつつ、このプロセスを制御するよう、この発明に従って輪郭付けられてもよい。

さらに別の局面によれば、この発明は、電磁アクチュエータであって、ロータと、ステータとを備え、ロータはステータにおける回転用に構成されており、前記アクチュエータはさらに、ロータに結合され、ロータの回転時に変位するための羽根車を備え、ロータに作用する力によって、ロータ用の複数の安定静止位置が規定され、前記アクチュエータは、ロータを１つの安定静止位置から別の安定静止位置へと動かすよう制御可能であり、第１の静止位置から第２の静止位置へのロータの運動から生じる羽根車の変位は、第１の静止位置から第３の静止位置へのロータの運動から生じる変位よりも大きく、第１の静止位置から第２の静止位置へのロータの回転と、第１の静止位置から第３の静止位置へのロータの回転とは、実質的に等しく、反対方向である、アクチュエータを提供する。

第ＷＯ２００４／０９７１８４号に記載されたバルブアクチュエータ構成では、たとえばバルブステムにアクチュエータによって付与される運動は、ロータがその第１の静止位置から時計方向または反時計方向に遠ざかるかどうかと同様に、ロータの回転角に関連している。発明者は、作動カム面輪郭を、相対する回転方向において異ならせることによって、動作の汎用性の増大が提供され得る、ということに気づいた。このように、一方向における安定静止位置への所与の角度の回転に続く羽根車の変位は、反対方向における同じ角度のロータの回転から生じるものとは異なり得る。これは、ロータをそれぞれの方向に回転させるようにアクチュエータを制御することによって、いずれかの変位が選択され得る、ということを意味する。

好ましい一実施例では、羽根車は連結機構を介してロータに結合されており、連結機構は、ロータの回転における空動き部分にわたる使用時に、羽根車の変位が実質的になく、空動き部分は第１の静止位置を含み、第１の静止位置に対して非対称的に位置するように、構成されている。この非対称性の結果、第１の静止位置から第３の静止位置へのロータの運動から生じる動きの大部分は、第１の静止位置から第２の静止位置への回転から生じる運動に対して「失われる」。これは、第２の静止位置および第３の静止位置それぞれへの運動から生じる羽根車の異なる変位につながる。

連結機構は、ロータ回転の空動き部分にわたって空動きを「吸収する」よう構成されてもよい。それは、空動き部分にわたって伸長される、ロータと羽根車との間の弾性継手を備えていてもよい。このため、空動き部分にわたり、ロータの回転は、羽根車の変位というよりも、弾性継手の伸長をもたらす。所望の「空動き」を提供するだけでなく、弾性継手は、アクチュエータに結合された連結機構および／または構成部品の構造におけるより大きな公差を提供する。それは、熱膨張または熱収縮、ならびにアクチュエータの寿命にわたる摩耗および損傷から生じる構成部品の寸法の変化を補償し得る。また、空動き部分の間、それは羽根車に張力を加え、それをその行程位置の端に向けて圧迫する（そのためそれをそこに制止する）。

また、これに代えて、弾性継手は、ロータ回転の空動き部分にわたって圧縮されるよう構成されてもよい。この場合、羽根車がロータからさらにその行程位置の端に到達しないようにされれば、継手は圧縮されて、羽根車に圧縮力をかける。

一実現化例では、連結機構は、ロータがその第１の静止位置にあるときに羽根車に対してその行程の一端から回転方向に偏心している、ロータ上の軸外位置に結合されたクランクを含む。この構成は、特にロータと羽根車との間の弾性継手と組合せると、ロータおよび羽根車の動きの所望の関係を提供する費用効果の高い連結機構を提供する。

さらに別の実施例では、アクチュエータは、作動カム面を規定する作動カムと、作動カム面に関連付けられた作動カム従動子とを備え、作動カムおよび作動カム従動子のうちの一方は、ロータを用いて、またはロータによって回転可能であり、アクチュエータは、作動カム従動子の変位が羽根車の変位をもたらすように構成されている。好ましくは、作動カムは羽根車を形成する。

好ましくは、ロータの安定静止位置は、ロータに作用する機械的付勢力、および／またはステータによってロータに加えられる受動的磁力によって規定される。ロータは永久磁石を備えていてもよく、ステータは、少なくとも１つの巻線を有し、巻線を通る電流がロータを１つの静止位置から別の静止位置へと動くよう促すようにすることによって磁化可能であってもよい。

第１の静止位置は、付勢カム従動子および／または作動カム従動子の行程の一端を規定してもよい。アクチュエータがバルブステムに結合されている実現化例では、第１の静止位置は、たとえば、ステムのバルブ閉鎖位置に対応していてもよい。

この発明はさらに、第１の静止位置と別の静止位置との間でロータを前後に振動させるステップを備える、ここに記載されたアクチュエータを動作させる方法を提供する。この発明を具体化するさらに別の動作モードによれば、ロータは、一方向に１回転するロータの回転によって、第１の静止位置から第１の静止位置に戻るよう回転される。その第１の静止位置に戻るためにその動きの方向を反転させる必要がないため、これはアクチュエータの高速動作を容易にし得る。

ロータは、どの静止位置でも短い滞留時間の間休止するよう制御されてもよい。
さらに好ましい制御プロトコルは、ロータを第１の静止位置から別の静止位置へと回転させるステップと、前記別の静止位置で休止するステップと、その後ロータの回転を同じ方向に継続して第１の静止位置に戻るステップとを備える。

付勢要素は好ましくは機械的であり、バネ構造、たとえば板バネの形をしていてもよい。

図面の簡単な説明
例として、先行技術の構造およびこの発明の実施例を、添付された概略図を参照してここに説明する。

第ＷＯ２００４／０９７１８４号に記載された形の公知の電磁アクチュエータ構成の正面斜視図である。 第ＷＯ２００４／０９７１８４号に記載された形の公知の電磁アクチュエータ構成の背面斜視図である。 図１Ａおよび図１Ｂに示す形のアクチュエータ構成についての、ロータ回転に対するバルブ上昇およびバネトルクのグラフである。 バルブステムに結合された、この発明を具体化した電磁アクチュエータの正面斜視図である。 バルブステムに結合された、この発明を具体化した電磁アクチュエータの背面斜視図である。 この発明を具体化した付勢カム面の輪郭を表わす図である。 図４に示す形の付勢カム面輪郭を有するアクチュエータについての、ロータ回転に対するバネ上昇およびバネエネルギ蓄積のグラフである。 図４に示す形の付勢カム面輪郭を有するアクチュエータについての、ロータ回転に対するロータ総トルクのグラフである。 この発明を具体化する作動カム面輪郭を表わす図である。 この発明を具体化するアクチュエータについての、ロータ回転に対するバルブ上昇のグラフである。 図７の作動カム面輪郭と、関連付けられた引張カム面輪郭との組合せを表わす図である。 バルブステムに結合された、この発明を具体化するさらに別の電磁アクチュエータの概略背面図である。 図１０に従って構成されたアクチュエータについての、ロータ回転に対する羽根車変位のグラフである。 この発明を具体化するさらに別の付勢カム面の輪郭を表わす図である。 図１２に示す形の付勢カム面輪郭を有するアクチュエータについての、ロータ回転に対するバネ上昇およびバネエネルギ蓄積のグラフである。 図１２に示す形の付勢カム面輪郭を有するアクチュエータについての、ロータ回転に対するロータ総トルクのグラフである。 この発明のさらに別の実施例に従ったアクチュエータについての、ロータ回転に対するバルブ上昇のグラフである。 図１５のバルブ上昇グラフに対応する作動カム面輪郭を表わす図である。 この発明を具体化する別のアクチュエータについての、ロータ回転に対するバルブ上昇のグラフである。 図１７のバルブ上昇グラフに対応する作動カム面輪郭を表わす図である。

図面の詳細な説明
図２は、図１Ａおよび図１Ｂに示す構成を有する公知のアクチュエータにおける、バルブ上昇およびバネ２６によってロータに印加されるトルクの変化を表わす。十字形は、バネによって印加されるトルクがない場合にアクチュエータによって規定される安定位置を表わす。０／３６０°ロータ位置は、その第１の静止位置に対応する。この位置の両側の安定静止位置は、印加されたばねトルクのグラフの２つの最大値に近い、ということが見てわかる。その結果、ロータをその第１の静止位置からこれらの隣接する中間静止位置のうちの１つへと動かすようにアクチュエータを確実に動作させることが、可能ではない場合がある。この場合、選択され得る第１の安定位置は、その第１の静止位置から遠ざかるロータの９０°の回転を超えており、そこでは、バルブステムは既に、その全行程の３分の１以上動いている。４５°の回転での第１の中間安定静止位置は、選択のために利用可能ではない。

この発明を具体化するアクチュエータを、図３Ａおよび図３Ｂに示す。付勢カム１００は付勢カム面１０２を規定する。これは、脚１０４によって提供される付勢カム従動子によって係合されている。付勢カム面および付勢カム従動子は、板ばねの形をした付勢要素１０６によって圧迫し合っている。図１Ａに示す公知のアクチュエータ構成の付勢カム面２４は端面図において円形であるが、付勢カム面１０２は、以下に図４を参照してより詳細に説明されるように、この輪郭から逸脱している。

図３Ｂに見えるように、作動カム１１０は作動カム面１１２を規定する。この面は、レバーの形をした作動カム従動子１１４によって係合されている。このレバーは、ばね１１６によってカム面に上向きに圧迫されている。ばね１１６はレバー１１８に作用し、それは次にバルブステムヘッド１２０をレバー１１４の下側に圧迫する。レバー１１４の遠位端の下側は、それが上下に動いて羽根車として作用する際、バルブステムヘッド１２０の上面に当たって揺動する。このように、カム１１０の回転およびその半径の変化は、レバー１１４の変位に変換され、それは次にバルブステム３０の垂直変位につながる。作動カム面１１２の輪郭は、以下に図７を参照してさらに説明されるように、端面図において円形から逸脱している。

レバー１１８は、引張カムレバー１２２によって提供される引張カム従動子に結合されており、双方のレバーは共通の軸１２４を中心として枢動可能である。引張カムレバー１２２は、引張カム１２８によって規定される引張カム面１２６に圧迫されている。引張カムはアクチュエータロータ上に搭載されている。

レバー１１８および１２２は、引張カムの輪郭が、ロータの回転位置に依存する、レバー１１８によってバルブステムに印加される対応する上向きの復帰力に変換されるよう、弾性的にともに結合されている。引張カム輪郭を一例として図９に示し、以下に説明する。

図４に示す対称的で非円形の付勢カム面輪郭では、０〜１８０°間を延在する線の両側における面の各半分が、３つのゾーンに分割されている。これらのゾーンは各側で等しくなっており、０°〜１８０°間を時計方向に延在する区分を参照して説明する。

０〜５０°の区分は円形であり、１７０°〜１８０°の区分も同様である。５０〜１７０°では、輪郭は円形から徐々に内向きに逸脱している。これは、５０°での２０ｍｍから１７０°での１５ｍｍへの半径の徐々の変化をもたらす。０、４５および１８０°での径方向の太線は、安定静止位置２００を示す。４５°での中間安定静止位置は、０°での第１の静止位置から延在する円形ゾーン内に位置する、ということが見てわかる。このため、ロータが０〜４５°へと回転する際、面を追従する付勢カム従動子の変位はない。この運動の間、付勢構造によってロータに印加されるトルクはない。したがって、４５°での中間静止位置は、ロータとステータとの間に作用する磁力によってのみ規定される。これは、アクチュエータの動作中、それが確実に選択されることを可能にする。実際、この位置を選択するための適切な電流パルスのステータ巻線への印加に続き、ロータが確実にこの位置に落ち着くように、これらの磁力によって明確な力の源泉が４５°の位置に規定される。

同様に、０°の第１の静止位置とは反対の１８０°の位置では、カム面上に２０°の円形ゾーンが規定され、この位置に明確な力の源泉が磁力のみによって規定されることを可能にする。

図５に、ロータ回転に対するばね上昇２２０およびばねに蓄積されたエネルギ２２２のグラフを示す。３１０〜５０°および１７０〜１９０°の付勢カム面の円形部分は、これらの部分の間、ばね上昇の変化に変換しない、ということが見てわかる。５０〜１７０°のロータ回転の間、ばね上昇および蓄積エネルギの急速な減少がある。なぜなら、このエネルギは、ロータの運動エネルギに変えられるためである。非円形の付勢カム面輪郭はここでは、付勢力をロータ軸の片側に方向付け、トルクの印加をもたらす。１９０〜３１０°では、ロータがその第１の静止位置へと回るにつれて、ばね上昇および蓄積エネルギが増加し、運動エネルギをばねの位置エネルギに戻す。

ロータの回転位置に対するロータ総トルクのグラフを、図６に示す。総トルクは、ステータによってロータに加えられた受動的磁気トルクと、この発明を具体化する付勢構造によって加えられたばねトルクとを組合せたものである。点２２４は、０／２６０°、４５°、１８０°、および３１５°での安定静止位置を示す。ロータがこれらの各位置に近い安定ゾーン内にある場合、結果として生じるトルクはそれぞれの安定位置へ向けてロータを圧迫するよう作用する、ということが見てわかる。アクチュエータは、特定の要件に合うように、安定ゾーンの傾きおよび／または回転度合を増加させるよう構成されてもよい、ということが理解されるであろう。

この発明を具体化する作動カム面輪郭を、図７に示す。半径が、カム１１０の回転中心から測定されたミリメートル単位で印付けられている。

３３０°〜２０°間に延在する図７のカム輪郭の一番上のゾーンでは、カムの半径は１０ｍｍであり、その輪郭は端面図において円形である。このため、作動カム従動子がこのゾーンにわたって動く際、その変位はない。その結果、ロータがその第１の静止位置に落ち着く際のそのどんな小さな運動も、作動カム従動子およびたとえばそれに結合されたバルブステムの振動に変換されない。

２０°と４５°での第１の中間安定位置との間では、カムの半径は徐々に増加する。これは、バルブステムの、その閉鎖位置から遠ざかる対応する上昇につながる。

対照的に、０°と３１５°での反対方向の第１の中間静止位置との間では、カム半径の増加はより小さい。アクチュエータの動作中、この構成は、必要とされる変位の程度に依存して、４５°かまたは３１５°でのいずれかの中間静止位置の選択を可能にする。アクチュエータがバルブを動作させるために採用されている場合、これは、２つの異なるバルブ部分開放位置が選択され得る、ということを意味する。それらは、たとえば、作動カム従動子の総変位の１０％および２５％にそれぞれ対応していてもよい。

４５°〜１６５°（および３１５°〜２０５°）では、カム半径は滑らかに増加する。半径は１６５〜２０５°で一定である。このゾーンは、１８０°での安定静止位置を包含する。０°での第１の静止位置と同様に、この一定半径部分は、１８０°の位置を中心とするロータの小さい運動がカムによって作動カム従動子の振動に変換されない、ということを意味する。

図７に示す形の非対称的なアクチュエータカム面を有するアクチュエータを採用するロータの回転角に対するバルブ上昇のグラフを、図８に示す。３１５°での安定静止位置での１．１７ｍｍというより小さい変位に比べ、４５°での中間静止位置でのカムのより大きい半径が、２．４ｍｍというより大きいバルブ上昇につながる、ということが見てわかる。アクチュエータが内燃機関のバルブステムを制御するために採用されている場合、このより小さい変位はアイドリング状態に対応してもよく、４５°でのより大きい変位は、たとえば走行エンジン状態に対応する。

図９は、図３Ｂのアクチュエータ実施例に好適な作動カムおよび引張カムの輪郭の組合せを示す。作動カム面輪郭は、図７に示すものに対応している。引張カム輪郭は、作動カム輪郭から約９０°、回転方向に偏心している。これは、図３Ｂに見えるように、それぞれのカム従動子１２２および１１４の接触点がそれに応じて偏心しているためである。

さらに別の実施例を、図１０に概略的に表わす。アクチュエータのロータ３００が端面図に示されており、その回転軸３０２は、紙面に垂直に延在している。バルブステム３０は、軸３０２から遠ざかるよう延在する方向における往復運動のために構成されている。図では、それはその行程範囲の一端に示されており、そこでそれはそのバルブ台座３０４に圧迫されている。

バルブステムは連結機構を介してロータに接続されている。連結機構は、伸長可能な弾性継手３０６と、枢軸３０８と、クランク３１０とからなる。継手３０６は、羽根車３０５およびコネクタ３０７によってバルブステムに接続されている。クランク３１０は、枢軸３０８とロータ３００上に位置する枢軸３１２との間に延在している。

実際には、羽根車および／またはバルブステムは、クランク３１０がロータの回転を羽根車の線形運動に変換するため、線形にのみ動くよう制約されることが意図されている、ということが理解されるであろう。

枢軸３１２は、ロータの回転軸３０２から径方向に偏心している。ロータが図１０に示すその第１の静止位置にある場合、枢軸３１２は、バルブ台座３０４から遠ざかるその最大変位の場所から回転方向にも偏心している。この回転方向の偏心は、図１０に角度「ａ」として示されている。この角度は、たとえば５〜７°であってもよい。

図１０に示す構造の特徴を、図１１のグラフによって例示する。このグラフでは、ロータの回転位置に対して、羽根車３０５の変位が描かれている。この例では、ロータの軸３０２と枢軸３１２との間の径方向距離は、６ｍｍである。

ロータ回転の約３４０度〜７度では羽根車の変位はない、ということが見てわかる。これは事実上、ロータの回転の「空動き」部分である。この部分では、羽根車に対する枢軸３１２の運動は、弾性継手３０６の伸長の変化しかもたらさない。ロータの回転の残りの部分の間、弾性継手３０６は伸長されず、枢軸３１２の動きは連結機構を介して羽根車の線形変位に変換される。このため、図１１に示すように、羽根車は、正弦曲線３１４の頂点で１０ｍｍの最大変位へと動かされ、その後、そのゼロ変位位置へと戻る。連結機構の空動きの結果、枢軸３１２の２ｍｍという線形行程が、したがって「失われる」。

重大なことに、ロータがその第１の静止位置にある際、枢軸３１２の位置がバルブ台座３０４から遠ざかるその最大線形変位から回転方向に偏心しているため、曲線３１４も同様に偏心している。図１１では、ロータの４５度および３１５度の回転にそれぞれ対応して、第２および第３の静止位置（それぞれ３１６および３１８と表記）が印付けられている。ロータはその第１の静止位置から第２および第３の静止位置へと同じ回転角だけ回転するが、第２の静止位置３１６での羽根車変位は２ｍｍであり、一方、第３の静止位置３１８ではたった１ｍｍである、ということが見てわかる。第３の静止位置に向かう動きの大部分が、ロータと羽根車との間の連結機構において「失われる」。

さらに別の実施例では、弾性継手は、弾性クランクを用いることによって設けられてもよい。

「羽根車」という用語は、使用時、アクチュエータによって変位される別の構成部品と係合する、アクチュエータの一部を示す。

弾性継手は、たとえばコイルばねといったばねの形であってもよい。ロータの回転の空動き部分では、継手は伸長され、したがってその結果、バルブステムに張力を加えて、それをそのバルブ台座３０４に対してその閉鎖位置に保つ傾向がある。この弾性継手の特性は、ある特定の用途およびその要件に合うよう適宜選択され得る、ということが理解されるであろう。必要であれば、それは、バルブステムのその台座からの上昇を助けるようにバルブステムに作用するさらに別の弾性要素によって釣り合いをとられ得る。

また、これに代えて、この発明を具体化するアクチュエータのいくつかの実現化例では、バルブステムをその閉鎖位置に向けて圧迫するために、（ばねなどの）さらに別の付勢構造を、アクチュエータに結合されたバルブステムに関連付けて設けてもよい。

この発明のさらに別の実施例に従った付勢カム面輪郭を、図１２に示す。バルブ上昇および付勢構造に蓄えられたエネルギの対応するグラフを、図１３に示す。図１２の対称的なまたは非円形の付勢カム面輪郭は３つのゾーンに分割されており、輪郭は、０〜１８０°間に延在する線を中心として対称形である。

９０°〜２７０°の区分は円形であり、２５５°〜５°の区分も同様である。２７０°〜３５５°では、輪郭は半径が徐々に増加しており、一方、５°〜９０°では、それは半径が徐々に減少している。０°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、および２７０°での径方向の太線は、安定静止位置４００を示す。このため、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、および２７０°での安定静止位置間のロータの回転については、面の半径に追従する付勢カムの変位はない。また、その輪郭のこの部分にわたって、半径は最小である。したがって、付勢構造によって印加される力がこの半径に依存している構造では、力は、ロータの回転のこの部分にわたって最小である。このため、対応する付勢カム従動子が付勢カム面輪郭のこの部分と係合している間、付勢カム従動子とカム面との間のどんな摩擦も最小となるであろう。機械的ばね構造を用いて付勢カム従動子に付勢を加える場合、この部分は、ばね要素の最小撓みに対応する。アクチュエータが大半の時間、この領域で動作する場合、ばね要素の寿命は長くなるであろう。

図１３のグラフは、図１２に示す形の付勢カムを含むアクチュエータ実施例についての、ロータ回転に対するばね上昇Ｌ（グラフ４１０）およびばねに蓄えられたエネルギＥ（グラフ４１２）を描いている。９０°〜２７０°では、バルブ上昇およびエネルギ蓄積がゼロである、ということが見てわかる。双方のパラメータは２７０°でのゼロから３６０°／０°での最大値へと増加し、その後、再度低下して９０°でゼロになる。このため、エネルギの蓄積およびばねからの解放は、２７０°〜９０°でのみ起こる。他の実施例では、この領域はより狭くてもよい。たとえば、それは約２９０°から７０°まで延在していてもよい。

図１２および図１３の構成に対応する、その回転位置に対するロータ総トルクのグラフを、図１４に示す。図１２の付勢カム輪郭が、ロータとステータとの間の受動的磁力によって規定される、図１４に示すような安定静止位置４００の提供を容易にする、ということが見てわかる。

作動カムの変位グラフおよび図１２の付勢カム輪郭と組合せて使用するためのカム輪郭４２２を、それぞれ図１５および図１６に示す。２７０°〜９０°では変位はゼロであることが見てわかる。９０°から時計方向に継続して、それは１８０°で最大値まで増加し、その後再度減少して２７０°でゼロになる。

この構成では、９０°、１８０°、および２７０°でのロータ位置のうちの１つ以上が、第１の静止位置として示されてもよい。１３５°、１８０°、および２２５°でのこれらの安定静止位置４００の各々は、本願の文脈において「第２の静止位置」を表わしていてもよい。

図１２〜１６に示すようなカム面輪郭を有するアクチュエータは、エンジンのバルブステムと組合せて配備されてもよい。その場合、低速および中速ｒｐｍ動作の間は、ロータは、９０°および２７０°での第１の静止位置か１３５°および２２５°の隣接する安定静止位置のいずれか、および／または１８０°での最大バルブ上昇静止位置から往復運動してもよい。この往復運動は、部分的または完全なバルブ上昇の位置での滞留期間を適宜伴っていてもよい。また、これに代えて、アクチュエータは、滞留期間なしで、所望の上昇に到達し、その後第１の静止位置に戻ってくるための、９０°〜２７０°の任意の角度位置への連続運動がある「弾みモード」で、動作してもよい。これは、確実な低流量のスロットルなしモードの提供を容易にする。

高速ｒｐｍ動作の間は、アクチュエータロータは、何回転も連続して回転し、それにより付勢構造に通電したり電源を切ったりするよう制御されてもよい。

９０°および２７０°の双方での第１の静止位置の提供は、いずれかの方向（時計方向または反時計方向）の回転による上述の任意のモードでの動作を可能にし、最も適切なモードは、エンジン要求およびバルブ運転戦略に従って選択される。

修正された羽根車変位輪郭４３０を図１７に示し、対応する作動カム輪郭４３２を図１８に示す。それらは、１３５°および２２５°での安定静止位置で異なる部分的上昇がそれぞれ達成されるように、０°から１８０°まで延在する線を中心として作動カム輪郭が非対称的である、という点で、図１５および図１６の相当物とは異なっている。加えて、最大変位は１８０°の片側に、約１６０°で達成されている。これにより、アクチュエータは、１３５°および２２５°で提供される２つの選択肢から選択される部分変位で滞留時間を達成し、往復運動して９０°および２７０°での隣接する第１の静止位置へとそれぞれ戻るように、制御され得るようになる。１８０°での安定静止位置は、約８ｍｍの変位に対応する。

この開示を読めば、他の変形および修正が当業者には明らかであろう。そのような変形および修正は、電磁アクチュエータの設計、製造、および使用において既に公知であり、ここに既に記載された特徴の代わりに、またはそれらに加えて使用され得る、均等なおよび他の特徴を伴っていてもよい。

羽根車の往復運動はしたがって、ロータがその第１の静止位置からその第２の静止位置へと回転し、その後反対方向に再度戻ってくるようにアクチュエータを作動することによって達成されてもよい。また、連結機構は、第２の静止位置を超えるロータの回転中に羽根車が第１の羽根車位置に戻るよう、構成されてもよい。このため、ロータの同じ方向の回転は、羽根車がその第１の位置から第２の位置に行ってから再度戻ってくる往復運動をもたらすであろう。これは、ロータの２７０°以下の回転、または好ましくは１８０°以下の回転にわたって起こってもよい。ロータの１回転に満たない範囲でのロータの往復運動は、より迅速な往復作用を容易にする。

ロータの回転位置に対するロータ総トルクのグラフを、図６に示す。総トルクは、ステータによってロータに加えられた受動的磁気トルクと、この発明を具体化する付勢構造によって加えられたばねトルクとを組合せたものである。点２２４は、０／３６０°、４５°、１８０°、および３１５°での安定静止位置を示す。ロータがこれらの各位置に近い安定ゾーン内にある場合、結果として生じるトルクはそれぞれの安定位置へ向けてロータを圧迫するよう作用する、ということが見てわかる。アクチュエータは、特定の要件に合うように、安定ゾーンの傾きおよび／または回転度合を増加させるよう構成されてもよい、ということが理解されるであろう。

実際には、羽根車（インペラ）および／またはバルブステムは、クランク３１０がロータの回転を羽根車（インペラ）の線形運動に変換するため、線形にのみ動くよう制約されることが意図されている、ということが理解されるであろう。

「羽根車（インペラ）」という用語は、使用時、アクチュエータによって変位される別の構成部品と係合する、アクチュエータの一部を示す。

９０°〜２７０°の区分は円形であり、３５５°〜５°の区分も同様である。２７０°〜３５５°では、輪郭は半径が徐々に増加しており、一方、５°〜９０°では、それは半径が徐々に減少している。０°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、および２７０°での径方向の太線は、安定静止位置４００を示す。このため、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、および２７０°での安定静止位置間のロータの回転については、面の半径に追従する付勢カムの変位はない。また、その輪郭のこの部分にわたって、半径は最小である。したがって、付勢構造によって印加される力がこの半径に依存している構造では、力は、ロータの回転のこの部分にわたって最小である。このため、対応する付勢カム従動子が付勢カム面輪郭のこの部分と係合している間、付勢カム従動子とカム面との間のどんな摩擦も最小となるであろう。機械的ばね構造を用いて付勢カム従動子に付勢を加える場合、この部分は、ばね要素の最小撓みに対応する。アクチュエータが大半の時間、この領域で動作する場合、ばね要素の寿命は長くなるであろう。

Claims (35)

1. 電磁アクチュエータであって、
   ロータと、
   ステータとを備え、ロータはステータにおける回転用に構成されており、前記アクチュエータはさらに、
   ロータの回転の少なくとも一部の間、ロータにトルクを印加するための付勢構造を備え、
   ロータに作用する力によって、ロータ用の複数の安定静止位置が規定され、前記アクチュエータは、ロータを１つの安定静止位置から別の安定静止位置へと動かすよう制御可能であり、
   付勢構造によって印加されるトルクは、第１の静止位置および少なくとも第２の静止位置ではそれらの位置の選択を可能にするよう十分に低く、その後第２の静止位置を超えると増加するように、ロータの回転位置とともに変化する、アクチュエータ。
2. 第１の静止位置および第２の静止位置で付勢構造によって印加されるトルクは、実質的にゼロに等しい、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 第２の静止位置は第１の静止位置に隣接する、請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 付勢構造は機械的付勢構造である、前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 付勢構造は、
   付勢カム面を規定する付勢カムと、
   付勢カム従動子とを備え、付勢カム従動子および付勢カム面は圧迫し合っており、付勢カムおよび付勢カム従動子のうちの一方は、ロータを用いて、またはロータによって回転可能である、前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 付勢カム従動子の変位が第１の静止位置と第２の静止位置との間で実質的に一定であるように、付勢カム面は輪郭付けられている、請求項６に記載のアクチュエータ。
7. 第１および第２の静止位置は、ロータに作用する磁力によってのみ規定される、前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 付勢構造によってロータに印加される力は、第１および第２の静止位置で、ならびに第１の静止位置と第２の静止位置との間で、最小または実質的に最小となるように、ロータの回転位置とともに変化する、前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 付勢構造は、第２の静止位置を超えたロータの行程の一部の間にエネルギを蓄え、次に、蓄えられたエネルギを用いてロータを同じ方向に加速し、その第１の静止位置に戻すよう、構成されている、請求項９に記載のアクチュエータ。
10. 羽根車が連結機構を介してロータに結合されている、前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータ。
11. 連結機構は、ロータがその第１の静止位置にあるときは羽根車が第１の羽根車位置にあり、ロータがその第２の静止位置にあるときは羽根車が第１の羽根車位置から実質的に最大変位した位置にあるよう、構成されている、請求項１１に記載のアクチュエータ。
12. 連結機構は、第２の静止位置を超えるロータの回転中に羽根車が第１の羽根車位置に戻るよう、構成されている、請求項１１または請求項１２に記載のアクチュエータ。
13. 連結機構は、第２の静止位置を超えるロータの回転中に羽根車が第１の羽根車位置に戻るよう、構成されており、その後ロータは、付勢構造がエネルギを蓄えるその行程の一部に到達する、請求項１２に従属する請求項１３に記載のアクチュエータ。
14. ロータ用の第３の静止位置が、第２の静止位置とは反対方向にロータを回転させることによって到達される場所に規定され、第２および第３の静止位置では、付勢構造によって印加されるトルクは実質的に等しい、前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータ。
15. 付勢カム従動子および付勢カム面は付勢要素によって圧迫し合っており、付勢要素は、第１の静止位置に向かうロータの行程の一部の間にエネルギを蓄え、第１の静止位置から遠ざかるその行程の一部の間にロータを加速するよう構成されている、請求項１〜９のいずれかに記載のアクチュエータ。
16. 第１の静止位置は、付勢カム従動子の行程の一端に対応している、前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータ。
17. 電磁アクチュエータであって、
    ロータと、
    ステータとを備え、ロータはステータにおける回転用に構成されており、前記アクチュエータはさらに、
    ロータに結合され、ロータの回転時に変位するための羽根車を備え、
    ロータに作用する力によって、ロータ用の複数の安定静止位置が規定され、前記アクチュエータは、ロータを１つの安定静止位置から別の安定静止位置へと動かすよう制御可能であり、
    第１の静止位置から第２の静止位置へのロータの運動から生じる羽根車の変位は、第１の静止位置から第３の静止位置へのロータの運動から生じる変位よりも大きく、第１の静止位置から第２の静止位置へのロータの回転と、第１の静止位置から第３の静止位置へのロータの回転とは、実質的に等しく、反対方向である、アクチュエータ。
18. 羽根車は連結機構を介してロータに結合されている、請求項１８に記載のアクチュエータ。
19. 連結機構は、羽根車がその行程の全範囲の一端に到達しないようにすることが、ロータの回転における空動き部分をもたらし、その部分では羽根車の変位は実質的になく、空動き部分は第１の静止位置を含み、第１の静止位置に対して非対称的に位置するように、構成されている、請求項１０〜１４のいずれかまたは請求項１９に記載のアクチュエータ。
20. 連結機構は、ロータの回転の空動き部分にわたって伸長される、ロータと羽根車との間の弾性継手を備える、請求項２０に記載のアクチュエータ。
21. 連結機構は、ロータがその第１の静止位置にあるときに羽根車から遠ざかるその行程の端から回転方向に偏心している、ロータ上の軸外位置に結合されたクランクを含む、請求項２１に記載のアクチュエータ。
22. 作動カム面を規定する作動カムと、
    作動カム面に関連付けられた作動カム従動子とを備え、作動カムおよび作動カム従動子のうちの一方は、ロータを用いて、またはロータによって回転可能であり、アクチュエータは、作動カム従動子の変位が羽根車の変位をもたらすように構成されている、請求項９〜１４のいずれかまたは請求項１８〜２２のいずれかに記載のアクチュエータ。
23. 羽根車は作動カム従動子と一体である、請求項２３に記載のアクチュエータ。
24. 第１の静止位置は、作動カム従動子の行程の一端に対応している、請求項２３または２４に記載のアクチュエータ。
25. 安定静止位置は、ロータに作用する機械的付勢力、および／またはステータによってロータに加えられる磁力によって規定される、前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータ。
26. ロータは永久磁石を備える、前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータ。
27. ステータは少なくとも１つの巻線を備えており、巻線に電流を流し、それによりロータを１つの静止位置から別の静止位置へと動くよう促すことによって磁化可能である、前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータ。
28. バルブを作動させるよう構成された前述の請求項のいずれかに記載のアクチュエータを含む、内燃機関。
29. 第１の静止位置と別の回転位置との間でロータを前後に動かすステップを備える、請求項１〜２８のいずれかに記載のアクチュエータを動作させる方法。
30. 別の回転位置は別の静止位置である、請求項３０に記載の方法。
31. 一方向のみにおけるロータの回転によって、ロータを第１の静止位置から第１の静止位置に戻るよう回転させるステップを備える、請求項１〜２８のいずれかに記載のアクチュエータを動作させる方法。
32. ロータの回転は、少なくとも１つの静止位置で休止する、請求項３０〜３２のいずれかに記載の方法。
33. ロータを第１の静止位置から別の静止位置へと回転させるステップと、
    前記別の静止位置で休止するステップと、
    その後ロータの回転を同じ方向に継続して第１の静止位置に戻るステップとを備える、請求項３２に従属する請求項３３に記載の方法。
34. 添付図面の図３〜１８を参照してここに実質的に説明された、電磁アクチュエータ。
35. 添付図面の図３〜１８を参照してここに実質的に説明された電磁アクチュエータを動作させる方法。