JP2016128665A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】出力ピンの前進時におけるオイルの粘性による作動抵抗を低減する電磁アクチュエータを提供する。【解決手段】永久磁石４０及び軟磁性体のフロントプレート４５は、出力ピン６０と一体に移動可能である。ヨーク３５は、軟磁性体で筒状に形成され、フロントプレート４５の外周壁４６と対向する内周壁３６を有し、ステータ３２及びフロントプレート４５を経由する磁気回路を形成する。フロントプレート４５は、外周壁４６の周方向の少なくとも一部において、接合面４５４側から前端面４５７側に向かって外径が大きくなる拡径部４６１が形成されている。これにより、フロントプレート４５の外周壁４６とヨーク３５の内周壁３６との隙間に溜まったオイルは、フロントプレート４５の前進に伴って隙間が拡がる後方へ流出しやすくなる。したがって、低温時にオイルの粘性が高くなった場合でも、出力ピン６０の前進時における作動抵抗を低減することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のバルブリフト調整装置に適用され、電磁力により出力ピンを駆動する電磁アクチュエータに関する。

従来、コイルが発生する電磁力により、永久磁石と共に移動可能に設けられた出力ピンを駆動する電磁アクチュエータが知られている。
例えば特許文献１には、電磁アクチュエータの内部に導入されたオイルを排出するための通路を設けることで、特に低温時にオイルの粘性抵抗によって出力ピンの作動速度が低下することを防止する構成が開示されている。

独国ＤＥ２０２００７０１０８１４Ｕ１明細書

特許文献１の電磁アクチュエータにおいて、永久磁石の軸方向の両側にはプレートが接合されている。出力ピンの先端側に接合されているフロントプレートは、周囲のヨークとの間の磁気ギャップを小さくするため、フロントプレートの外周壁とヨーク内周壁とのクリアランスができるだけ小さくすることが求められる。しかし、低温時にオイルの粘性が高くなると、狭い隙間に溜まったオイルがフロントプレートの作動抵抗となり、出力ピンの前進速度が低下するという問題がある。

本発明は、上述の問題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、出力ピンの前進時におけるオイルの粘性による作動抵抗を低減する電磁アクチュエータを提供することにある。

本発明は、内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブのリフト量を調整するバルブリフト調整装置に適用され、電磁力により出力ピンを駆動する電磁アクチュエータであって、出力ピンと、永久磁石と、フロントプレートと、ステータと、コイルと、ヨークとを備える。
出力ピンは、バルブリフト調整装置のカムシャフトに対し前進可能に設けられ、且つ、カムシャフトに当接した先端部がカムシャフトのトルクにより後退方向に押し戻される。

板状の永久磁石は、出力ピンの基端部において軸方向の両端が互いに異なる極性となるように着磁され、出力ピンと共に移動する。
フロントプレートは、軟磁性体で形成され、永久磁石に対し出力ピンの先端側で永久磁石に接合され、永久磁石の外径より大きな外径を有する。
ステータは、軟磁性体で形成され、永久磁石に対し出力ピンの基端側に設けられる。
コイルは、通電時、永久磁石の磁界と逆方向の磁界を生成しステータと永久磁石との間に反発力を発生させる。

ヨークは、軟磁性体で筒状に形成され、フロントプレートの外周壁と対向する内周壁を有し、ステータ及びフロントプレートを経由する磁気回路を形成する。
フロントプレートは、外周壁の周方向の少なくとも一部において、出力ピンの基端側から先端側に向かって外径が大きくなる拡径部が形成されていることを特徴とする。
好ましくは、フロントプレートは、外周壁の全周にわたって拡径部が形成されている。また、拡径部は、軸方向断面において例えば直線状に傾斜するように形成されている。

本発明では、フロントプレートの外周壁に拡径部が形成されているため、可動部の周囲にオイルが導入される場合、フロントプレートの外周壁とヨークの内周壁との隙間に溜まったオイルは、フロントプレートの前進に伴って隙間が拡がる後方へ流出しやすくなる。したがって、低温時にオイルの粘性が高くなった場合でも、出力ピンの前進時における作動抵抗を低減することができる。

本発明の第１実施形態による電磁アクチュエータの非通電時（出力ピン後退時）の断面図である。 図１の電磁アクチュエータの通電時（出力ピン前進時）の断面図である。 図１のＩＩＩ部拡大図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線（径方向）断面図である。 （ａ）拡径部の作用を説明する図３のＶａ部拡大図、（ｂ）比較例の外周壁の拡大図である。 本発明の第２実施形態による電磁アクチュエータの径方向断面図である。 本発明の他の実施形態による電磁アクチュエータのフロントプレート外周壁の拡大図である。

以下、本発明の実施形態による電磁アクチュエータを図面に基づいて説明する。この電磁アクチュエータは、内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブのリフト量を調整するバルブリフト調整装置に適用される。
（第１実施形態）
第１実施形態の電磁アクチュエータの構成について、図１〜図４を参照して説明する。図１、図２に示すように、電磁アクチュエータ１０１は、エンジンヘッド９０の取付穴９２に取り付けられ、バルブリフト調整装置のカムシャフト９４に対して出力ピン６０を作動させる。

以下、出力ピン６０がカムシャフト９４に近づく方向に作動することを「前進する」といい、出力ピン６０がカムシャフト９４から離れる方向に作動することを「後退する」という。図１は、出力ピン６０が後退限にある状態を示し、図２は、出力ピン６０が前進限にある状態を示している。また、出力ピン６０のカムシャフト９４側の端部を先端部６４といい、先端部６４とは反対側の端部を基端部６１という。

バルブリフト調整装置の全体構成は周知であるため、図示及び詳しい説明を省略する。電磁アクチュエータ１０１は、回転軸をＣとするカムシャフト９４の回転に伴って出力ピン６０が短径Ｒａ側に対向しているとき、コイル３１に通電して発生する電磁力により出力ピン６０を前進させる。

一方、出力ピン６０の先端部６４がカムシャフト９４に当接した状態で長径Ｒｂ側が出力ピン６０に向くようにカムシャフト９４が回転すると、出力ピン６０は、カムシャフト９４のトルクにより後退方向に押し戻される。このとき、引込みストロークＬｕの位置までは押し戻され、引込みストロークＬｕの位置から後退限までは、電磁アクチュエータ１０１自体の永久磁石４０の磁力によって後退する。

続いて、電磁アクチュエータ１０１の詳細な構成について説明する。電磁アクチュエータ１０１は、大きく分けて、エンジンヘッド９０に固定される静止部１３と、軸方向に往復移動する可動部１４とに分けられる。静止部１３及び可動部１４は、中心軸Ｏ（図３、図４参照）に対して同軸に設けられている。

静止部１３は、コイル３１、ステータ３２、ヨーク３５等を含む。
コイル３１は、ステータ３２に外挿されたボビン３０の外周に巻線が巻回されることで構成される。ボビン３０は樹脂で形成され、コイル３１の巻線とステータ３２とを絶縁する。コイル３１に対し可動部１４と反対側には、コネクタ部１７と一体に樹脂モールド部１６が設けられている。図示しない外部の電源からコネクタ部１７のターミナル１８を経由して通電されることにより、コイル３１は磁界を生成する。この磁界により発生する電磁力の作用については後述する。

ステータ３２は、軟磁性体で形成され、永久磁石４０に対し出力ピン６０の基端側に設けられる。ステータ３２の大部分はコイル３１の径内側に位置し、コイルコアとして機能する。ステータ３２の可動部１４側の端部には、外径が比較的大きく、可動部１４のリアプレート４４と広い面積で対向する対向部３４が形成されている。

ヨーク３５は、軟磁性体で、コイル３１や可動部１４とほぼ同軸の筒状に形成されている。ヨーク３５の内側にはコイル３１、ステータ３２及び樹脂モールド部１６等が収容されており、ステータ３２と当接又は近接する部位において、相互に磁気が伝達される。樹脂モールド部１６の外周、及び、ステータ３２の対向部３４の外周には、それぞれ、ヨーク３５の内周との間のシールを確保するシールリング８１、８２が設けられる。

また、可動部１４が移動する軸方向範囲では、ヨーク３５の内周壁３６は、後述するフロントプレート４５の外周壁４６と対向している。したがって、ヨーク３５は、ステータ３２及びフロントプレート４５を経由する磁気回路を形成する。フロントプレート４５の外周壁４６と対向する範囲では、ヨーク３５は、ほぼ直筒状に、すなわち内周壁３６の内径がほぼ一定となるように形成されている。
ヨーク３５のスリーブ７０側の開口部には、エンジンヘッド９０への取り付けに用いられる鍔部３９が形成されている。

スリーブ７０は、基部７１及び筒部７３等を含む。基部７１は、エンジンヘッド９０の取付穴９２に挿入される。基部７１の外周には、取付穴９２の内周との間のシールを確保するシールリング８３が設けられる。基部７１のコイル３１側の端面７２は、後述するフロントプレート４５の前端面４５７と対向する。端面７２の周囲には、基部７１を軸方向に貫通するオイル通路７６が形成されている。エンジン内のオイルは、オイル通路７６を経由して可動部１４の周囲に導入される。
筒部７３は、先端面７４がカムシャフト９４に対向するように基部７１から突出している。また、筒部７３の中心軸に沿って、出力ピン６０が挿通される挿通穴７５が形成されている。

次に可動部１４の説明に移る。可動部１４は、永久磁石４０、リアプレート４４、フロントプレート４５、出力ピン６０等を含み、共に移動する。
永久磁石４０は、径方向の断面形状が円形の板状であり、出力ピン６０の基端部６１に固定されている。永久磁石４０は、例えばリアプレート４４側がＮ極、フロントプレート４５側がＳ極（図３参照）というように軸方向に着磁されている。なお、Ｎ極及びＳ極の配置は逆であってもよい。

リアプレート４４及びフロントプレート４５は軟磁性体で形成され、それぞれ、永久磁石４０に対し出力ピン６０の基端側（コイル３１側）、及び先端側（スリーブ７０側）で永久磁石４０に接合されている。図３に例示する磁極配置の場合、リアプレート４４はＮ極、フロントプレート４５はＳ極とみなされる。
以下、リアプレート４４のコイル３１側の端面を後端面４４３、フロントプレート４５のスリーブ７０側の端面を前端面４５７という。また、フロントプレート４５の永久磁石４０側の端面を接合面４５４という。

出力ピン６０は、摺動部６５の外径がスリーブ７０の挿通穴７５の内径を摺動可能に設けられる。本実施形態では、出力ピン６０の基端部６１が、永久磁石４０、リアプレート４４及びフロントプレート４５の中心部に形成された穴に貫通し、各部材と固定されている。この構成では、リアプレート４４とフロントプレート４５との磁気短絡を防止するため、出力ピン６０は非磁性体で形成されている。なお、図４において出力ピン６０の断面に付した破線のハッチングは、非磁性体を表している。

図１、図３に示す非通電状態では、リアプレート４４の後端面４４３とステータ３２の対向部端面３４０との間の磁気吸引力により、可動部１４は後退限に保持される。この磁気吸引力は、少なくとも、引込みストロークＬｕの位置から後退限まで可動部１４を吸引可能となるように設定される。
永久磁石４０の磁気吸引力によって可動部１４が後退限に保持されたとき、破線矢印ΦＭで示すように「永久磁石４０のＮ極→リアプレート４４→ステータ３２→ヨーク３５→フロントプレート４５→永久磁石４０のＳ極」というルートで磁気回路が生成される。

この磁気回路において、ヨーク３５の内周壁３６とフロントプレート４５の外周壁４６との隙間は磁気ギャップとなるため、隙間ができるだけ小さくなるように寸法設定されることが好ましい。例えば、隙間の最小値δは、０．１〜０．３ｍｍ程度に設定される。
一方、ヨーク３５の内周壁３６とリアプレート４４及び永久磁石４０との間は、磁気が短絡することを防止するため、磁気ギャップを大きめに確保する必要がある。そのため、フロントプレート４５の外径は、永久磁石４０の外径よりも大きく形成されている。

コイル３１は、通電時、永久磁石４０の磁界と逆方向の磁界を生成する。例えば図３に示す磁極配置の場合、ステータ３２のコネクタ部１７側がＳ極、対向部３４側がＮ極となる磁界を生成する。言い換えれば、そのような磁界が生成されるように、コイル３１の巻線方向や電流の通電方向が設定される。

すると、リアプレート４４とステータ３２の対向部３４とが同極となるため、リアプレート４４の後端面４４３とステータ３２の対向部端面３４０との間に電磁力としての反発力が発生する。この反発力によって、可動部１４は、後退限から前進する。
フロントプレート４５の前端面４５７がスリーブ７０の端面７２に近づくと、図２に示すように、前端面４５７とスリーブ端面７２との間の磁気吸引力により、可動部１４は前進限に保持される。

そして本発明の特徴は、ヨーク３５の内周壁３６に対向するフロントプレート４５の外周壁４６の形状にある。図３、図４に示すように、外周壁４６は、出力ピン６０の基端側である接合面４５４側から出力ピン６０の先端側である前端面４５７側に向かって外径が拡大する拡径部４６１が形成されている。第１実施形態では、図４に示すように、拡径部４６１は、外周壁４６の全周にわたって形成されている。

（効果）
以上の構成による効果について、図５を参照し、比較例と対比しつつ説明する。
（１）図５（ａ）は第１実施形態の電磁アクチュエータ１０１、図５（ｂ）は比較例の電磁アクチュエータ１０９において、フロントプレート４５の外周壁４６とヨーク３５の内周壁３６との隙間にオイルＬが溜まった状態を示している。上述のとおり、隙間の最小値δは、例えば０．１〜０．３ｍｍ程度に設定される。

比較例では、フロントプレート４５の外周壁４９は、接合面４５４側から前端面４５７側まで外径が一定である。そのため、低温時にオイルＬの粘性が高くなると、フロントプレート４５がブロック矢印で示すように前進するとき、隙間のオイルＬが流出しにくく、作動抵抗となる。したがって、出力ピン６０の前進速度が低下するという問題が生じる。

一方、本発明の第１実施形態では、フロントプレート４５の外周壁４６は、接合面４５４側から前端面４５７に向かって外径が大きくなる拡径部４６１が形成されている。
これにより、フロントプレート４５の外周壁４６とヨーク３５の内周壁３６との隙間に溜まったオイルＬは、フロントプレート４５の前進に伴って隙間が拡がる後方へ流出しやすくなる。したがって、低温時にオイルＬの粘性が高くなった場合でも、出力ピン６０の前進時における作動抵抗を低減することができる。
なお、出力ピン６０の後退時には、カムシャフト９４のトルクによって強制的に押し戻されるため、オイルＬの粘性による作動抵抗は問題とならない。

（２）第１実施形態では、フロントプレート４５の外周壁４６の全周にわたって拡径部４６１が形成されている。これにより、（１）の効果を最大限に得ることができる。
（３）拡径部４６１は、軸方向断面において直線状に傾斜するように形成されている。これにより、フロントプレート４５の加工が容易となる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の電磁アクチュエータについて、第１実施形態の図４に対応する図６を参照して説明する。以下の実施形態の説明では、第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

第１実施形態の電磁アクチュエータ１０１では、フロントプレート４５の外周壁４６の全周にわたって拡径部４６１が形成されている（図４参照）。これに対し、第２実施形態の電磁アクチュエータ１０２では、外周壁４６の周方向のうち中心角αで区切られた二箇所の範囲にのみ拡径部４６１が形成されている。それ以外の範囲では、外周壁４６は例えばストレート状に形成されている。

このように拡径部４６１は、常に外周壁４６の全周にわたって形成される必要はなく、外周壁４６の周方向の少なくとも一部に形成されればよい。拡径部４６１が形成された範囲において隙間に溜まったオイルが後方へ流出しやすくなることにより、フロントプレート４５全体としての作動抵抗を低減することができる。

（その他の実施形態）
（ア）フロントプレート４５の外周壁に形成される拡径部の形状に関する他の実施形態の例を図７に示す。図７（ａ）に示す外周壁４７には、軸方向断面において略円弧状を呈する拡径部４７１が形成されている。図７（ｂ）に示す外周壁４８には、軸方向断面において階段状を呈する拡径部４８１が形成されている。拡径部４７１、４８１は、いずれも接合面４５４側から前端面４５７側に向かって外径が大きくなるように形成されている。このように、拡径部の形状を問わず、上記実施形態と同様の効果が得られる。

（イ）可動部１４における部材同士の接合について、出力ピン６０がフロントプレート４５、永久磁石４０及びリアプレート４４の３部材を貫通する形態に限らない。例えば、リアプレート、永久磁石及びフロントプレートの３部材が予め接合され、その接合体のフロントプレート部分に出力ピンの基端部を接合するようにしてもよい。
この形態では、出力ピンが跨がって当接することによるリアプレート、フロントプレート間の磁気短絡は生じないため、出力ピンを軟磁性体で形成してもよい。また、出力ピンの基端部は、フロントプレートに機械的に固定されるのでなく、磁気吸引力で吸着されてもよい。つまり、可動部の各部材は一体に設けられる必要はなく、「共に移動可能」であればよい。

（ウ）その他、フロントプレートの外周壁に拡径部が形成されるという構成以外の電磁アクチュエータの各部の構成は、上記実施形態に限定されない。例えば、ステータ、ヨーク等の磁気回路構成部材の形状や位置関係は適宜変更してよい。

（エ）本発明は、静止部及び可動部を２組以上備える電磁アクチュエータに適用されてもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１０１、１０２・・・電磁アクチュエータ、
３１ ・・・コイル、
３２ ・・・ステータ、
３５ ・・・ヨーク、 ３６ ・・・内周壁、
４０ ・・・永久磁石、
４５ ・・・フロントプレート、
４６、４７、４８・・・外周壁、
４６１、４７１、４８１・・・拡径部、
６０ ・・・出力ピン、 ６１ ・・・基端部、 ６４ ・・・先端部、
９４ ・・・カムシャフト。

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブのリフト量を調整するバルブリフト調整装置に適用され、電磁力により出力ピンを駆動する電磁アクチュエータであって、
   前記バルブリフト調整装置のカムシャフト（９４）に対し前進可能に設けられ、且つ、前記カムシャフトに当接した先端部（６４）が前記カムシャフトのトルクにより後退方向に押し戻される出力ピン（６０）と、
   前記出力ピンの基端部（６１）において軸方向の両端が互いに異なる極性となるように着磁され、前記出力ピンと共に移動する板状の永久磁石（４０）と、
   軟磁性体で形成され、前記永久磁石に対し前記出力ピンの先端側で前記永久磁石に接合され、前記永久磁石の外径より大きな外径を有するフロントプレート（４５）と、
   軟磁性体で形成され、前記永久磁石に対し前記出力ピンの基端側に設けられるステータ（３２）と、
   通電時、前記永久磁石の磁界と逆方向の磁界を生成し前記ステータと前記永久磁石との間に反発力を発生させるコイル（３１）と、
   軟磁性体で筒状に形成され、前記フロントプレートの外周壁（４６、４７、４８）と対向する内周壁（３６）を有し、前記ステータ及び前記フロントプレートを経由する磁気回路を形成するヨーク（３５）と、
   を備え、
   前記フロントプレートは、前記外周壁の周方向の少なくとも一部において、前記出力ピンの基端側から先端側に向かって外径が大きくなる拡径部（４６１、４７１、４８１）が形成されていることを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記フロントプレートは、前記外周壁の全周にわたって前記拡径部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記拡径部は、軸方向断面において直線状に傾斜するように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁アクチュエータ。

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