JP2021174965A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータ始動時における吸引力の低下を抑え、ストローク全長にわたりフラットな吸引特性を得ることができる電磁アクチュエータを提供する。【解決手段】 可動子４０は、コイル２１の通電時に固定子３０との間に発生した磁力により所定のストロークで軸方向に吸引される。固定子３０は、ストローク開始位置側の第１固定子３１とストローク終了位置側の第２固定子３２とを含む。可動子４０のシリンダ４１は、直径が第２固定子側３２ほど小さくなるテーパ部４１３と、第２固定子３２側の端面から突出する突起４１４とを有する。テーパ部４１３は、可動子４０のストローク終了位置側への移動に伴い、第１固定子３１とシリンダ１９との間の空隙の広さを変化させ、ストローク途中の吸引力を平準化する。突起４１４は、ストローク開始位置でシリンダ４１と第２固定子３２との間の空隙ｇ２を狭くし、アクチュエータ始動時の吸引力低下を抑える。【選択図】図１

Description

本発明は、固定子と可動子との間に発生した磁力により可動子を軸方向に吸引する電磁アクチュエータに関する。

従来、コイルと可動子との間に２つの固定子を軸方向に並べて設けた電磁アクチュエータが知られている。例えば、特許文献１の電磁アクチュエータでは、第１固定子が可動子のストローク開始位置側に設けられ、第２固定子がストローク終了位置側に設けられている。可動子は、直径が第２固定子側ほど小さくなるテーパ部を有し、可動子のストローク終了位置側への移動に伴い、可動子と第１固定子との間の空隙の広さをテーパ部によって変化させ、ストローク中間における吸引力を平準化するようになっている。

特開２０１５−０６０９５３号公報

ところが、特許文献１の電磁アクチュエータによると、可動子のテーパ部が第２固定子側ほど小径に形成されているので、可動子がストローク開始位置にあるとき、テーパ部によって可動子と第２固定子との間の空隙が大きく開く。このため、始動初期の吸引力が低下し、ストローク全長にわたってフラットな吸引特性を得ることが困難であった。

本発明の目的は、始動初期における吸引力の低下を抑え、ストローク全長にわたってフラットな吸引特性を得ることができる電磁アクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の電磁アクチュエータは、コイル（２１）への通電時に固定子（３０）と可動子（４０）との間に発生した磁力により可動子が所定のストロークで軸方向（Ａｘ）に吸引される電磁アクチュエータ（１１）であって、固定子は、ストロークの始端側に設けられた第１固定子（３１）と、ストロークの終了側に設けられた第２固定子（３２）とを含み、可動子は、直径が第２固定子側ほど小さくなるテーパ部（４１３）と、第２固定子側の端面から突出する突起（４１４）と、を有する。

本発明の電磁アクチュエータによれば、可動子がストローク開始位置にあるとき、テーパ部の最小径部分が第２固定子に接近するが、突起がテーパ部より第２固定子側に突出しているので、可動子と第２固定子との間の空隙が狭くなる。このため、アクチュエータ始動初期における吸引力の低下を抑え、ストローク全長にわたってフラットな吸引特性を得ることができる。

本発明の第１実施形態による電磁アクチュエータを示す断面図である。 可動子がストローク終了位置に移動した状態を示す図１の電磁アクチュエータの断面図である。 図１のＩＩＩ部拡大断面図である。 図２のＩＶ部拡大断面図である。 図１、図２の電磁アクチュエータの吸引特性を示すグラフである。 比較例の電磁アクチュエータを示す部分断面図である。 本発明の第２実施形態による電磁アクチュエータを示す断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１、図２に示す電磁アクチュエータ１１は、リニアソレノイドとして車両用内燃機関のバルブタイミング調整機構に用いられる。

電磁アクチュエータ１１のハウジング１２は、磁性材料からなるベース１３と、同じく磁性材料からなるケース１４と、ベース１３およびケース１４を全体的に被覆する樹脂製の絶縁皮膜１５とから構成されている。ケース１４の内側にはコイル２１が配置され、絶縁皮膜１５の一部によってハウジング１２に固定されている。コイル２１は、樹脂製のボビン２１１と巻線集合体２１２とからなり、全体が円環状に形成されている。

コイル２１の内側には固定子３０が設けられ、固定子３０の内側に可動子４０が配置されている。そして、コイル２１が通電されたときに、固定子３０と可動子４０との間に発生した磁力によって、可動子４０が所定のストロークで電磁アクチュエータ１１の軸方向（図１に示す軸線Ａｘが延びる方向）に吸引される。

固定子３０は、可動子４０のストローク開始位置側に位置する第１固定子３１と、ストローク終了位置側に位置する第２固定子３２とからなっている。第１固定子３１は、磁性材料の冷鍛加工によって円筒状に形成され、基端にてベース１３に固定されている。第２固定子３２は、磁性材料からなるカバー部材１７の円筒部分によって形成され、カバー部材１７がハウジング１２の前面開口部１２１を覆うようにケース１４に固定されている。

可動子４０は、磁性材料の焼結加工により形成されたシリンダ４１と、電磁アクチュエータ１１の出力軸であるプランジャ４２と、スライダ４３とが一体移動可能に組み合わされている。シリンダ４１は、空隙を介して第１固定子３１および第２固定子３２の内側に配置されている。プランジャ４２は、基部がシリンダ４１の先端部内周に固定された状態で、電磁アクチュエータ１１の軸線Ａｘ上に配置されている。

スライダ４３は、低摩擦材料で円環状に形成され、シリンダ４１の基端部内周に固着されている。ベース１３には、プランジャ４２のストッパを兼ねたガイド部材１６が固定され、ガイド部材１６にスライダ４３が摺動可能に嵌合している。また、カバー部材１７の中央には、プランジャ４２が摺動可能に挿通されるボス部１７１が形成され、可動子４０の移動がガイド部材１６およびカバー部材１７によって案内される。

第１固定子３１および第２固定子３２は、コイル２１の内側において可動子４０の移動方向に並べて設けられている。コイル２１への通電時には、可動子４０が、第１固定子３１との間に発生した磁力と、第２固定子３２との間に発生した磁力とによってストロークの始端から終了まで吸引される。図１は可動子４０のストローク開始位置を示し、図２は可動子４０のストローク終了位置を示す。

なお、ストローク終了位置は、図２に示す位置に限定されず、電磁アクチュエータ１１の用途によっては、図２に示す位置よりもさらにカバー部材１７に設定される場合もあり得る。また、コイル２１への通電が停止したときには、可動子４０が被動側機器（例えば、バルブタイミング調整機構）に設けられたバネ部材によって終了位置から始端位置に復帰するようになっている。

図３、図４に示すように、可動子４０のシリンダ４１には、ストローク開始位置側に大径円筒部４１１（図４参照）が設けられ、ストローク終了位置側に小径円筒部４１２が設けられ、大径円筒部４１１と小径円筒部４１２との間にテーパ部４１３が設けられている。テーパ部４１３は、外周面の直径がストローク開始位置側ほど大きくストローク終了位置側ほど小さくなるように形成されている。そして、可動子４０のストローク終了位置側への移動に伴い、テーパ部４１３によって第１固定子３１と可動子４０との間の空隙（ｇ１）の広さを変化させ、ストロークの途中における吸引力を平準化するようになっている（図５参照）。

小径円筒部４１２は、軸方向に延びる外壁が同じ外径のストレート部であって、テーパ部４１３より第２固定子３２側に連続的に形成されている。小径円筒部４１２の外壁は、テーパ部４１３の最小径部４１３０（図４参照）の外径と同等の外径の円筒面である。そして、ストロークの始端から終了までの軸方向範囲において、小径円筒部４１２が可動子４０と第２固定子３２との間の空隙（ｇ２）をほぼ一定の広さに保つようになっている。小径円筒部４１２の軸方向長さ（Ｌ）は、可動子１８のストローク長以下であるのが好ましい。小径円筒部４１２の長さがストローク長を上回ると、テーパ部４１３による吸引力の調整に悪影響を及ぼす可能性がある。

可動子４０は、シリンダ４１の軸方向の前端面に断面三角形の突起４１４を備えている。突起４１４は、小径円筒部４１２の端面からストローク終了位置側に向かって突出するとともに、小径円筒部４１２の全周にわたって円環状に延びるように形成されている。図３に示すように、シリンダ４１の半径方向における突起４１４の厚さ（ｔ）は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍ程度であるのが好ましい。また、突起４１４の突出高さ（ｈ）は、可動子１４０のストローク長の半分以下であるのが望ましい。

突起４１４よりカバー部材１７側において、そのカバー部材１７の内側隅部には、図１、図２に示すように、凹所１７２がストローク終了位置側に凹むように形成されている。凹所１７２は、突起４１４が進入可能な深さで円環状に形成され、可動子４０のストロークが図２に例示した位置よりもさらにカバー部材１７側に延長された場合に、カバー部材１７と突起４１４との衝突を回避できるようになっている。

一方、第２固定子３２側の端部において、第１固定子３１の内周には曲面３１１が設けられている。曲面３１１は、図３、図４に示すように、第１固定子３１の内周から外周側へ広がるように形成され、曲面３１１により第１固定子３１と可動子４０との間の空隙（ｇ１）が拡大されている。また、曲面３１１と反対側において、第１固定子３１の外周には、その肉厚（図３に符号Ｔで示す）を第２固定子３２側で減少させる斜面３１２が形成されている。

図３において、曲面３１１の半径（Ｒ）は、０．２ｍｍ以上であり、第１固定子３１の肉厚（Ｔ）の９０％以下であるのが好ましい。より好ましくは、曲面１７１ａの半径（Ｒ）は、０．３ｍｍ〜３ｍｍ程度であるとよい。

上記のように構成された電磁アクチュエータ１１では、図３に示すように、可動子１８がストローク開始位置にあるとき、テーパ部４１３が第２固定子３２に接近する。しかし、テーパ部４１３の最小径部４１３０より第２固定子３２側にストレート状の小径円筒部４１２が連続しているので、ストローク開始位置付近で可動子１８と第２固定子３２との間の空隙（ｇ２）が大きく開いてしまうようなことがない。また、小径円筒部４１２の端面には、突起４１４が第２固定子３２側に突出しているので、空隙（ｇ２）を狭くし、電磁アクチュエータ１１の始動初期における吸引力の低下を抑えることができる。

加えて、この実施形態では、突起４１４の先端が第２固定子３２の始端側端縁に一致する位置で空隙（ｇ２）を最も狭くしているので、ストローク開始位置から終了までの区間で空隙（ｇ２）の広さをほぼ一定に保つことができる（図４参照）。そして、ストローク終了位置付近では、第１固定子３１の曲面３１１が空隙（ｇ１）を拡大し、ストローク終了位置付近における吸引力の上昇を抑えることも可能である。したがって、第１実施形態の電磁アクチュエータ１１によれば、図５に示すように、ストロークの全長にわたってフラットな吸引特性を得ることができる。

ここで、可動子４０の突起４１４が吸引特性に与える影響について、比較例を挙げて確認する。図６は、比較例の電磁アクチュエータ５１を示す。この電磁アクチュエータ５１は、第１固定子３１の先端に曲面３１１を備え、可動子４０のシリンダ４１にテーパ部４１３を備えているが、テーパ部４１３よりカバー部材１７側にはストレート状の小径円筒部および突起がどちらも設けられていない。このため、ストローク途中では、テーパ部４１３によって吸引力が平準化されるが、ストローク開始位置付近で、テーパ部４１３と第２固定子３２との間の空隙（ｇ３）が大きく開く。したがって、比較例によると、図５に破線で示すように、アクチュエータ始動時の吸引力が低下し、ストロークの全長にわたってフラットな吸引特性を得ることができない。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を図７に基づいて説明する。第２実施形態の電磁アクチュエータ１１１は、第１固定子３１に曲面が設けられておらず、可動子４０のシリンダ４１に小径円筒部が設けられていない点で第１実施形態と相違する。ただし、第２実施形態の電磁アクチュエータ１１１は、第１実施形態と同様に、シリンダ４１にテーパ部４１３が設けられ、テーパ部４１３の前端に突起４１４が第２固定子３２側に突出するように設けられている。このため、ストローク開始位置付近で第２固定子３２と可動子４０との間の空隙を狭くし、アクチュエータ始動時における吸引力の低下を抑え、ストローク全長にわたってフラットな吸引特性を得ることができる。

＜他の実施形態＞
（１）上記実施形態では、図１、図２に示したように、コイル２１の内側に固定子３０が設けられ、固定子３０の内側に可動子４０が配置されているが、他の実施形態において、コイルの外側に固定子を設け、固定子の外側に可動子を配置し、可動子にテーパ部および突起を設けることも可能である。

（２）上記実施形態では、バルブタイミング調整機構で用いられる電磁アクチュエータ１１を例示したが、電磁アクチュエータの用途は特に限定されない。他の実施形態において、本発明の電磁アクチュエータをバルブタイミング調整機構以外の各種装置または機器に適用することも可能である。

（３）その他、本発明は、上記各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で、各部の形状および構成を適宜に変更して実施することも可能である。

１１・・・電磁アクチュエータ（第１実施形態）、２１・・・コイル、
３０・・・固定子、３１・・・第１固定子、３２・・・第２固定子、
４０・・・可動子、１１１・・・電磁アクチュエータ（第２実施形態）、
４１３・・・テーパ部、４１４・・・突起、Ａｘ・・・軸線。

Claims (4)

1. コイル（２１）の通電時に固定子（３０）と可動子（４０）との間に発生した磁力により前記可動子が所定のストロークで軸方向（Ａｘ）に吸引される電磁アクチュエータ（１１）であって、
   前記固定子は、ストローク開始位置側に設けられた第１固定子（３１）と、ストローク終了位置側に設けられた第２固定子（３２）とを含み、
   前記可動子は、直径が前記第２固定子側ほど小さくなるテーパ部（４１３）と、第２固定子側の端面から突出する突起（４１４）とを有する電磁アクチュエータ。
2. 前記電磁アクチュエータは、ハウジング（１２）の前面開口部（１２１）を覆うカバー部材（１７）をさらに備え、
   前記カバー部材に、前記可動子がストローク終了位置に達したとき前記突起の進入を許容する凹所（１７２）がストローク終了位置側に凹むように形成されている請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記突起の突出高さ（ｈ）は、前記可動子のストローク長の半分以下である請求項１または２に記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記突起の厚さ（ｔ）は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍである請求項１、２または３に記載の電磁アクチュエータ。

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