JP2020088043A

JP2020088043A - 電磁ソレノイド

Info

Publication number: JP2020088043A
Application number: JP2018216829A
Authority: JP
Inventors: 伸哉天野; Shinya Amano; 康之松尾; Yasuyuki Matsuo; 綾汰竹内; Ryota Takeuchi
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2020-06-04
Also published as: DE102019131066A1

Abstract

【課題】大型化を抑制し、複雑化を招くことなく可動子の作動時には安定的な直線作動を実現する電磁ソレノイドを提供する。【解決手段】電磁ソレノイド１００において、通電により電磁力を作り出す励磁コイルＡと、軸芯Ｘを中心とする円筒状の固定子Ｂと、円柱状の可動子１１と、可動子１１と一体的に作動するように可動子１１と同軸芯で可動子１１に設けられたシャフト１２と、シャフト１２をスライド自動自在に支持する第１軸受Ｄと、可動子１１をスライド移動自在に支持する第２軸受Ｅとを備える。固定子Ｂが、第２軸受Ｅよりも可動子１１の作動方向の上流側において、可動子１１との間で可動子１１を作動させる駆動力を発生させる電磁力の磁路を形成する磁路部分を有すると共に、磁路部分よりも上流側において内周面６Ｓの内径が磁路部分の内径よりも拡大している拡径部分を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、励磁コイルの通電時に固定子から作用する電磁力によって可動子を直線的に作動させる電磁ソレノイドに関する。

上記構成の電磁ソレノイドとして、特許文献１には、アクチュエータ本体の内部に環状のコイルに取り囲まれる位置に円筒状の固定子を備え、この固定子の内部に可動コア（可動子）を配置し、この可動コアにシャフトを備えた技術が記載されている。

この特許文献１では、可動コア（可動子）を貫通するようにシャフトを備えており、このシャフトの外端部を第１平軸受で支持し、このシャフトの内端部を第２平軸受で支持する構成を有している。このような構成からコイルに通電することにより、可動コアとシャフトとが一体的に作動し、シャフトの外端側がアクチュエータ本体から突出する。この作動時には第１平軸受と第２平軸受とがシャフトをガイドする。

上記構成の電磁ソレノイドとして、特許文献２には、環状となるコイルを備え、このコイルに取り囲まれる位置に可動子を備え、この可動子に固定されたシャフトを備えており、このシャフトの外端部をフロントステータのリング部材に挿通し、このシャフトの内端部をリアステータのリング部材に挿通した技術が記載されている。

この特許文献２では、コイルに通電することにより、可動子とシャフトとが一体的に作動することで、シャフトの外端部が外部に突出作動する。この作動時には外端側と内端側とのリング部材がシャフトをガイドする。

特開２００９−４４９２４号公報特開２０１１−２２２７９９号公報

特許文献１あるいは特許文献２に記載される電磁ソレノイドは、コイルに通電した際に可動子が直線的に作動すると共に、可動子のシャフトの両端部位を軸受等によりガイドすることで可動子の直線的な作動を実現している。

しかしながら、シャフトをガイドするために、シャフトの外端側と内端側とに軸受等を備えるものでは、シャフトとして長寸のものを必要とすることになる。このようなシャフトの長寸化を抑制するため、特許文献１では、可動コア（可動子）の内端側に凹部を形成し、この部位に第２平軸受を配置している。

また、特許文献２では、リアステータを大径の第１筒部と、これより小径の第２筒部とを備えて二重円筒状に形成しており、第１筒部を可動コアの外周側に配置し、第２筒部を可動コアに形成された空間に挿入する位置に配置し、この第２筒部にリング部材を圧入している。これにより、特許文献２においてもシャフトの長寸化の抑制を実現している。

しかしながら、特許文献１，２に記載される技術では、シャフトの長寸化を抑制し、電磁ソレノイドの厚みを抑制するものの、シャフトの支持構造が複雑化するものとなり改善の余地がある。

このような理由から、大型化を抑制し、複雑化を招くことなく可動子の作動時には安定的な直線作動を実現する電磁ソレノイドが求められる。

本発明に係る電磁ソレノイドの特徴構成は、通電により電磁力を作り出す励磁コイルと、前記励磁コイルの内側に配置され、軸芯を中心とする円筒状で磁性体からなる固定子と、前記固定子の内部空間において前記軸芯に沿って移動自在に収容され、磁性体からなる円柱状の可動子と、前記可動子と一体的に作動するように前記可動子の軸芯と同軸芯で前記可動子に設けられたシャフトと、前記シャフトをスライド移動自在に支持する第１軸受と、前記固定子に保持され、前記可動子をスライド移動自在に支持する第２軸受と、を備え、前記固定子が、前記第２軸受よりも前記可動子の作動方向の上流側において、前記可動子との間で前記可動子を作動させる駆動力を発生させる前記電磁力の磁路を形成する磁路部分を有すると共に、前記磁路部分よりも前記上流側において内周面の内径が前記磁路部分の内径よりも拡大している拡径部分を有する点にある。

この特徴構成によると、可動子に設けられたシャフトが、第１軸受に対して可動子の作動方向に移動自在に支持され、可動子が、第２軸受に対して作動方向に移動自在に支持される。これにより、励磁コイルに通電した場合には第１軸受と第２軸受とによって可動子とシャフトとの直線的な作動が可能となる。また、第２軸受がシャフトよりも大径の可動子を支持しているので、同じ軸受長且つ、同じ径方向隙間の軸受でシャフトを支持した場合と比較して、可動子の軸芯に対する傾斜が小さくなり、固定子との間で磁気短絡を起こし難くなる。更に固定子が、可動子の作動方向の上流側において磁路を形成する磁路部分を有し、この磁路部分より上流側の固定子の内周面の内径が、磁路部分の内周よりも拡大する拡径部分を有するため、可動子が軸芯に対して傾斜することがあっても可動子の外面が固定子の内周面に密着することがなく、なお一層磁気短絡を抑制し可動子に対して良好に電磁力を作用させ、出力低下を招くこともない。
従って、大型化を抑制し、複雑化を招くことなく、可動子の作動時には安定的な直線作動を行わせる電磁ソレノイドが構成された。

他の構成として、前記可動子は、前記励磁コイルが通電されない場合に前記作動方向と逆側の移動端となる非作動位置に保持され、前記第２軸受が、前記非作動位置にある前記可動子のうち前記作動方向の下流側となる端部の近傍に配置されても良い。

これによると、可動子が非作動位置に保持されている状態において、励磁コイルに通電されることにより、可動子が作動する際には、可動子の作動方向の下流側の端部の近傍の磁路部分から最も強い電磁力の作用を受けることになり、可動子を強く作動させることが可能となる。また、励磁コイルの通電により可動子が移動しても、常に第２軸受全体に保持されるので、可動子が傾斜し難い。

他の構成として、前記拡径部分の内径が、前記上流側に向かうにつれて拡大しても良い。

これによると、固定子の拡径部分の内周面が、可動子の作動方向の上流側につれて拡径することにより、例えば、内周面を滑らかに傾斜する傾斜面とすることにより、可動子の外面が固定子の内周面に密着する不都合を解消でき、固定子の製造も容易となる。

プランジャが非駆動位置にある電磁ソレノイドの断面図である。プランジャが作動状態にある電磁ソレノイドの断面図である。電磁ソレノイドの分解状態の断面図である。電磁ソレノイドの外面図である。第２軸受の構成を示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１〜図４に示すように、励磁コイルＡと、ヨーク部Ｂ（固定子の一例）と、これら励磁コイルＡとヨーク部Ｂを一体化する樹脂材８とで成るハウジングＣとを備えると共に、ヨーク部Ｂの内部の内部空間に軸芯Ｘに沿って移動自在に収容されるプランジャ１１（可動子の一例）と、シャフト１２とを備えて電磁ソレノイド１００が構成されている。

この電磁ソレノイド１００は、プランジャ１１がプランジャ軸芯（図１では軸芯Ｘと一致する）を中心とする円柱状に成形され、このプランジャ１１においてプランジャ軸芯と同軸芯で形成された嵌合孔１１ａに軸状のシャフト１２が嵌合連結する。これにより、プランジャ１１とシャフト１２とが軸芯Ｘと同軸芯で配置される。

図１には、車両のエンジンの吸気バルブや排気バルブの開閉時期（バルブタイミング）を油圧によって制御する弁開閉時期制御装置（図示せず）のスプールＳを操作する電磁ソレノイド１００が示されている。

スプールＳは突出方向（同図で左方向）にスプリング（図示せず）により付勢されている。このスプールＳが軸芯Ｘと同軸芯で配置され、その突出端の被操作面にシャフト１２の突出端を当接させている。これにより、電磁ソレノイド１００が駆動されない（励磁コイルＡに通電されない）状態ではスプールＳからの押圧力によりプランジャ１１は図１に示す非駆動位置（プランジャ１１の作動方向と逆側の移動端）に保持される。

これに対し、電磁ソレノイド１００が駆動（励磁コイルＡに通電）された場合には図２に示すように、励磁コイルＡに供給される電流値に対応した量だけシャフト１２が突出作動して目標とする位置にポジションにスプールＳが操作され、弁開閉時期制御装置が作動油を制御することでバルブの開閉時期の設定が実現する。

以下の説明では、電磁ソレノイド１００のうち、この電磁ソレノイド１００の駆動時に、プランジャ１１の作動方向（図１，２で右側）の下流側の面（図１，２で右側の面）を前面と称し、この反対側の面である作動方向の上流側の面を後面と称している。

〔電磁ソレノイドの詳細〕
励磁コイルＡは、非磁性体材料で絶縁性の樹脂製のボビン１に、銅合金等の良導体で成る線材を巻回することでコイル２が構成されている。コイル２を構成する線材はハウジングＣに一体形成されたコネクタ部Ｃａの内部の端子３に導通している。

図１，２，４に示すように、ハウジングＣは一対の支持部Ｃｂを外方に突出する姿勢で一体形成されており、夫々の支持部Ｃｂには連結用のボルトが挿通する孔部が形成されている。

図１に示すように、ヨーク部Ｂは、鉄材等の磁性体で成る第１ヨーク５（固定子）と、鉄材等の磁性体で成る第２ヨーク６（固定子）との組み合わせにより構成されている。

図１〜図３に示すように、第１ヨーク５は、軸芯Ｘを中心とする筒状の第１筒状部５ａと、電磁ソレノイド１００の前面側に配置される第１側壁部５ｂと、第１筒状部５ａの外方を取り囲む位置に配置される第１外壁部５ｃとを一体形成した構造を有しており、第１筒状部５ａには、軸芯Ｘを中心とする第１内周面５Ｓが形成されている。

第２ヨーク６は、軸芯Ｘを中心とする筒状の第２筒状部６ａと、電磁ソレノイド１００の後面側に配置される第２側壁部６ｂとを一体形成した構造を有し、第２筒状部６ａには、軸芯Ｘを中心とする第２内周面６Ｓが形成されている。

ヨーク部Ｂは、第１筒状部５ａと第２筒状部６ａとが軸芯Ｘに沿う方向に連なる位置関係で配置され、第１内周面５Ｓと第２内周面６Ｓとを取り囲む位置に励磁コイルＡが配置される。更に、励磁コイルＡと、第１ヨーク５と、第２ヨーク６を一体化する樹脂材８により、ハウジングＣが構成されている。

第１筒状部５ａと第２筒状部６ａとで取り囲まれる領域（第１内周面５Ｓと第２内周面６Ｓとに面する領域）に、軸芯Ｘを中心として断面形状が円形となる内部空間が形成されている。また、第２筒状部６ａの内周には、非磁性体でリング状となるブッシュ７が嵌め込まれている。このブッシュ７は、後述する第２軸受Ｅを構成するものであり、第２筒状部６ａのうち第１筒状部５ａに隣接する端部位置に配置されている。

電磁ソレノイド１００が非駆動状態（励磁コイルＡに通電しない状態）にある場合には、図１に示すように第１筒状部５ａと第２筒状部６ａとの境界位置（非作動位置）にプランジャ１１の前側端面１１ｆが並列する位置関係となる。

ヨーク部Ｂは、第１ヨーク５と第２ヨーク６とで磁路を形成しており、第１ヨーク５の第１筒状部５ａのうち、第２筒状部６ａに近接する部位ほど肉厚を低減することにより、この部位の透磁率を低下させている。これにより、励磁コイルＡに通電した場合には、第１筒状部５ａと第２筒状部６ａとに亘って形成される磁束の一部が境界から内部空間の内部に漏れてプランジャ１１に作用し、この磁束に起因する電磁力によりプランジャ１１を突出方向に作動させる。

プランジャ１１は、前述したように円柱状であり、軸芯Ｘに沿う方向でハウジングＣの前面に近い側の端部に前側端面１１ｆが形成され、他方の端部に後側端面１１ｒが形成されている。プランジャ１１は、外周面１１Ｓのうち、前側端面１１ｆに近い外面ほど僅かに小径となるテーパ面１１Ｓｔが成形されている（図３を参照）。

プランジャ１１には、前側端面１１ｆから後側端面１１ｒに亘ってプランジャ軸芯と同軸芯に嵌合孔１１ａが形成されている。また、プランジャ１１には嵌合孔１１ａと平行する姿勢の給排孔１１ｂが形成されている。これにより、嵌合孔１１ａにシャフト１２の基端側を圧入固定した状態でも、プランジャ１１の前側端面１１ｆと、後側端面１１ｒとが給排孔１１ｂにより連通する状態が維持される。

〔軸受構造〕
図１〜図３、図５に示すように、電磁ソレノイド１００は、シャフト１２の突出側の端部を軸芯Ｘに沿方向にスライド移動自在に支持する第１軸受Ｄを備えると共に、プランジャ１１の外周部分を軸芯Ｘに沿う方向にスライド移動自在に支持する第２軸受Ｅを備えている。これにより、電磁ソレノイド１００の駆動時等には、プランジャ１１とシャフト１２とを一体的に軸芯Ｘに沿って案内する。

第１軸受Ｄは、ハウジングＣの前面側で第１ヨーク５の第１内周面５Ｓの外端部分に圧入される円盤状の軸受ホルダ１５の中央の孔部に圧入保持される軸受体１６で構成されている。

軸受体１６はシャフト１２の外端側に外嵌する位置に配置され、耐摩耗性の高いリング状の材料で形成されている。軸受ホルダ１５には、プランジャ１１の作動時にハウジング内部と外部との間での流体の出入りを可能にする貫通孔１５ａが穿設されている。尚、軸受ホルダ１５と軸受体１６とは磁性体と非磁性体との何れで構成されても良いが、非磁性体で構成されることが好ましい。

第２軸受Ｅは、ブッシュ７によって形成されている。つまり、ブッシュ７がプランジャ１１の外周面１１Ｓを抱き込む位置に配置されているため、プランジャ１１が軸芯Ｘから離間する方向への変位を規制する状態で、プランジャ１１が軸芯Ｘに沿って作動する際の移動が許容される。

第２軸受Ｅがシャフト１２よりも大径のプランジャ１１を支持しているので、同じ軸受長且つ、同じ径方向隙間の軸受でシャフト１２を支持した場合と比較して、プランジャ１１の軸芯Ｘに対する傾斜が小さくなり、ヨーク部Ｂとの間で磁気短絡を起こし難くなる。特に、第２内周面６Ｓを、プランジャ１１の作動方向の上流側（図１，２で左側）ほど、内周面の内径が拡大するように拡径部分を有することにより、プランジャ１１が軸芯Ｘに対して多少傾斜することがあっても、プランジャ１１の外周面１１Ｓと第２内周面６Ｓとの密着をなくし、なお一層磁気短絡を抑制し、良好に電磁力を作用させる状態を維持できるように構成されている。

第２軸受Ｅの具体構造を図５に拡大して示している。尚、同図では第２内周面６Ｓやテーパ面１１Ｓｔの傾斜を誇張して示している。この第２軸受Ｅでは、ブッシュ７（第２軸受Ｅ）の内径が最も小さく、この内径がプランジャ１１（可動子）の外径より僅かに大きく設定されている。尚、図１，２では、ブッシュ７の内周にプランジャ１１の外周が接する状態を示されているが、これらの間には僅かな間隙が形成される。

また、第２内周面６Ｓのうち、ブッシュ７に隣接する位置の内径がブッシュ７の内径より僅かに大きく、プランジャ１１の外周面１１Ｓと平行姿勢となる平滑領域６Ｓａが形成され、この平滑領域６Ｓａとプランジャ１１の外周面１１Ｓとの間にエアギャップが形成される。この平滑領域６Ｓａが、励磁コイルＡの通電時においてヨーク部Ｂからプランジャ１１に電磁力を作用させる磁路部分である。

更に、第１内周面５Ｓの第２内周面６Ｓのうち、平滑領域６Ｓａ（磁路部分）を基準に、プランジャ１１の作動方向の上流側（図１，２，５で左側）ほど、第２内周面６Ｓの内径が拡大するように拡径部分６Ｓｂ（拡径領域）が形成されている。尚、図５には拡径部分６Ｓｂとして平滑領域６Ｓａと近接する部位だけを示しているが、この拡径部分６Ｓｂは、第２側壁部６ｂに達する領域まで形成されている。

尚、ブッシュ７の内周面と、第１内周面５Ｓと、第２内周面６Ｓとにニッケル燐メッキ等の硬質層を形成することや、フッ素樹脂（例えば、テフロン樹脂〔商品名〕）等、耐熱性が高く化学的に安定で摩擦係数が低い樹脂被膜を形成しても良い。

〔実施形態の作用効果〕
このように、シャフト１２が第１軸受Ｄに支持され、プランジャ１１（可動子）が第２軸受Ｅに支持されるため、電磁ソレノイド１００の駆動時にはプランジャ１１とシャフト１２とを一体的に軸芯Ｘに沿って直線的に作動させることが可能となる。

また、第２ヨーク６の第２内周面６Ｓを、プランジャ１１の作動方向の上流側ほど内径が拡大する形状であるため、もしプランジャ１１が軸芯Ｘに対して傾斜することがあっても、プランジャ１１の外面が第２内周面６Ｓに密着することがない。これにより、磁気短絡を招くことなく、励磁コイルＡからの電磁力を良好に作用させ、出力低下に陥ることなくプランジャ１１の円滑な作動を実現する。

この電磁ソレノイド１００では、第１筒状部５ａと第２筒状部６ａとの境界位置から内部空間に磁気を作用させる構成であり、この境界位置に隣接する位置に配置されたブッシュ７がプランジャ１１の前側端面１１ｆに隣接し、平滑領域６Ｓａの内周面とプランジャ１１の外周面１１Ｓとの間隔が短いため、プランジャ１１に強い電磁力を作用させて突出作動させることが可能となる。

第２軸受Ｅでは、第２内周面６Ｓに平滑領域６Ｓａが形成され、この平滑領域６Ｓａとプランジャ１１の外周面１１Ｓとの間にエアギャップが形成されている。また、平滑領域６Ｓａとプランジャ１１の外周面１１Ｓとの間隔が、これよりプランジャ１１の作動方向の上流側の第２内周面６Ｓとプランジャ１１の外周面１１Ｓとの間隔と比較して小さいため、エアギャップにおいてプランジャ１１に電磁力を作用させることでプランジャ１１に対して突出方向に強く力を作用させることも可能となる。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）ヨーク部Ｂの内周面の内径が、プランジャ１１の作動方向の上流側ほど段階的、あるいは、非直線的に拡大する形状でも良い。つまり、実施形態のように第２ヨーク６の第２筒状部６ａがプランジャ１１の外周を覆う位置にあるものを例に挙げると、第２内周面６Ｓの内周が階段状に拡径するように変化するものや、軸芯Ｘに直交する方向視において、第２内周面６Ｓが湾曲するラインとなる形状でも良い。

このように構成されたものであっても、プランジャ１１の外面が第２内周面６Ｓに密着させることがなく、磁気短絡を抑制し、励磁コイルＡからの電磁力をプランジャ１１に良好に作用させることが可能となる。

（ｂ）ブッシュ７を備えずに電磁ソレノイド１００を構成する。つまり、実施形態に示す構成を例に挙げると、ヨーク部Ｂを第１ヨーク５の第１筒状部５ａと、第２ヨーク６の第２筒状部６ａとが軸芯Ｘに沿う方向に並ぶように配置したものでも良い。

（ｃ）実施形態では、ブッシュ７のみによって第２軸受Ｅを構成していたが、これに代えて、例えば、ヨーク部Ｂを構成する第２ヨーク６の第２内周面６Ｓの一部をプランジャ１１の外周面１１Ｓに近接配置することにより、ブッシュ７と、第２ヨーク６の一部とによって第２軸受Ｅを構成しても良い。具体的には、図５に示す構成において、第２ヨーク６の第２内周面６Ｓの平滑領域６Ｓａの内周面をプランジャ１１の外周面に近接する位置に配置することが合理的である。

（ｄ）電磁ソレノイド１００を、例えば、機器の位置決めを行うアクチュエータとして用いても良い。また、固定子を、磁性体で成る単一の部材で構成することも可能である。

本発明は、励磁コイルの通電時にヨークから作用する電磁力によって可動子を直線的に作動させる電磁ソレノイドに利用することができる。

６Ｓ第２内周面（内周面）
６Ｓａ平滑領域（磁路部分）
６Ｓｂ拡径部分
１１プランジャ（可動子）
１２シャフト
Ａ励磁コイル
Ｂヨーク部（固定子）
Ｄ第１軸受
Ｅ第２軸受
Ｘ軸芯

Claims

通電により電磁力を作り出す励磁コイルと、
前記励磁コイルの内側に配置され、軸芯を中心とする円筒状で磁性体からなる固定子と、
前記固定子の内部空間において前記軸芯に沿って移動自在に収容され、磁性体からなる円柱状の可動子と、
前記可動子と一体的に作動するように前記可動子の軸芯と同軸芯で前記可動子に設けられたシャフトと、
前記シャフトをスライド移動自在に支持する第１軸受と、
前記固定子に保持され、前記可動子をスライド移動自在に支持する第２軸受と、を備え、
前記固定子が、前記第２軸受よりも前記可動子の作動方向の上流側において、前記可動子との間で前記可動子を作動させる駆動力を発生させる前記電磁力の磁路を形成する磁路部分を有すると共に、前記磁路部分よりも前記上流側において内周面の内径が前記磁路部分の内径よりも拡大している拡径部分を有する電磁ソレノイド。
前記可動子は、前記励磁コイルが通電されない場合に前記作動方向と逆側の移動端となる非作動位置に保持され、
前記第２軸受が、前記非作動位置にある前記可動子のうち前記作動方向の下流側となる端部の近傍に配置されている請求項１に記載の電磁ソレノイド。
前記拡径部分の内径が、前記上流側に向かうにつれて拡大する請求項１又は２に記載の電磁ソレノイド。